KR102476997B1

KR102476997B1 - 피복 절삭공구

Info

Publication number: KR102476997B1
Application number: KR1020220106210A
Authority: KR
Inventors: 차수현; 박근우; 조상영; 한태양
Original assignee: 주식회사 와이지-원
Priority date: 2022-08-24
Filing date: 2022-08-24
Publication date: 2022-12-13
Also published as: US20240075534A1; CN117620238A

Abstract

우수한 내마모성 및 제어된 취성을 갖는 피복 절삭공구가 제공된다. 본 발명의 일 실시예는 모재; 및 상기 모재 상에 배치된 절삭층; 을 포함하고, 상기 절삭층은, 취성 억제층 및 상기 취성 억제층 상에 배치된 내마모층을 포함하고, 상기 모재는, 초경 합금, 서멧, 세라믹, 입방정 질화붕소계 재료 또는 고속도강의 경질 합금체를 포함하고, 상기 취성 억제층은, 제1 층 및 상기 제1 층 상에 배치된 제2 층을 포함하고, 상기 제1 층 및 상기 제2 층은 각각 독립적으로 (Al_bTi_1-b)X (0.6< b <0.8, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나이다) 및 (Ti_cAl_1-c)X (0.4< c≤0.5, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나이다) 중 어느 하나를 포함하고, 상기 제1 층 및 상기 제2 층은 서로 상이한 소재를 포함하는, 피복 절삭공구를 제공한다.

Description

피복 절삭공구{COATED CUTTING INSERT}

본 발명은 피복 절삭공구에 관한 것이다.

일반적으로 피복 절삭공구는 WC 및 입방정(cubic) 탄질화물의 경질 상을 가지며 인성을 지닌 모재 및 박막을 포함한다. 모재의 표면 상에 배치된 박막에 포함된 원소 조성은 벌크(bulk)한 조성과는 다르게 제조되며, 양호한 내마모성 및 강도를 동시에 나타낼 수 있다. 그 결과, 상이한 기계가공 조건에 대해 절삭공구의 수명이 연장될 수 있다.

산업의 발전과 더불어 다양한 절삭 재료가 개발됨에 따라, 이를 가공하는 절삭 공구의 성능 및 수명 향상에 대한 요구가 증대되고 있다. 이러한 요구를 충족하기 위한 대응의 일환으로 공구의 피복 기술이 지속적으로 개발되고 있으며, 박막 증착 방법에서부터 증착 조성 및 구조에 이르기까지 다양한 방식으로 성능 향상을 꾀하고 있다.

산업발전 초기에 개발된 피복 절삭공구는 단순한 구조의 박막을 차용하고 있었으나, 현재 대부분의 공구에서는 질화물계의 세라믹 코팅이 다양하게 사용되고 있고, 일부 특별한 목적을 가진 가공의 경우 탄화물 혹은 산화물계의 세라믹 코팅들이 활용되고 있다. 한편, TiAlN은 질화물계의 대표적인 박막으로서, 높은 경도에 알루미늄(Al)의 특성이 더해져 내산화성과 내마모성을 동시에 확보할 수 있어, 1990년대 이후 초경합금 및 다양한 금속 공구의 피복 재료로 널리 사용되어왔다.

그러나 우주 ·항공 소재와 같은 새로운 절삭 재료가 도입되면서, 가공 효율의 향상을 위해 절삭유의 사용을 배제하는 고속 건식 가공과 같은 방식이 확산되었고, 이러한 고경도 및 고온 가공에 있어서 TiAlN 박막은 내용착성 및 내마모성의 부족, 박막의 경도 저하 등의 한계를 보였다. 예를 들어, 열처리강 및 고경도강과 같은 합금은 열전도율이 낮고 공구와의 반응성이 높아 가공 중에 고온이 발생되고, 이러한 열의 전도에 의해 박막의 마모가 가속화되고 박막의 경도가 낮아지는 문제점이 있었다.

또한, 박막의 경도만을 높일 경우, 높은 경도의 박막이 지니게 되는 취성(brittleness)으로 인하여 박막의 수명이 다하지 않았음에도 사용이 불가능해질 수 있는 또 다른 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 높은 내마모성 및 경도를 가지는 동시에 취성이 제어된 박막에 관한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.

본 발명의 목적은, 우수한 내마모성, 내열성 및 제어된 취성을 갖는 피복 절삭공구를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 박막을 이루는 층간 부착력을 높여 공구의 수명을 연장시킬 수 있고, 공구의 파손으로 인한 가공물의 피해가 줄어듦에 따라 제품의 안정성이 확보된 피복 절삭공구를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 상기 피복 절삭공구의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 모재; 및 상기 모재 상에 배치된 절삭층; 을 포함하고, 상기 절삭층은, 취성 억제층 및 상기 취성 억제층 상에 배치된 내마모층을 포함하고, 상기 모재는, 초경 합금, 서멧, 세라믹, 입방정 질화붕소계 재료 또는 고속도강의 경질 합금체를 포함하고, 상기 취성 억제층은, 제1 층 및 상기 제1 층 상에 배치된 제2 층을 포함하고, 상기 제1 층 및 상기 제2 층은 각각 독립적으로 (Al_bTi_1-b)X (0.6< b <0.8, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나이다) 및 (Ti_cAl_1-c)X (0.4< c≤0.5, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나이다) 중 어느 하나를 포함하고, 상기 제1 층 및 상기 제2 층은 서로 상이한 소재를 포함하는, 피복 절삭공구를 제공한다.

구체적으로, 상기 제1 층은, (Ti_cAl_1-c)X (0.4< c≤0.5, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나이다)를 포함하고, 상기 제2 층은, (Al_bTi_1-b)X (0.6< b <0.8, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나이다)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 취성 억제층은, 상기 제1 및 제2 층이 서로 교대로 적층된 제1 교호층을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 교호층은, 2 이상의 다중층을 포함하고, 상기 다중층을 이루는 상기 제1 및 제2 층의 두께는 각각 독립적으로 50nm를 초과할 수 있다. 또한, 상기 제2 층과 상기 제1 층의 두께 비율(제2 층: 제1 층)은 1:1.5 내지 1:5일 수 있다.

본 발명에 따른 내마모층은, (Ti_1-aSi_a)X (0.1< a <0.3, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나)를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 절삭층은, 상기 취성 억제층 및 상기 내마모층 사이에 배치된 제2 교호층을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 교호층은, 제1 내마모층, 상기 제2 층 및 상기 제1 층이 순차적으로 적층된 구조체를 적어도 하나 이상 포함할 수 있고, 상기 제1 내마모층은, (Ti_1-aSi_a)X (0.1< a <0.3, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나)를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 절삭층은, 상기 제2 교호층 상에 배치된 개재층을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 개재층은, 상기 내마모층의 바로 아래에 배치된 하부층을 포함하고, 상기 하부층은, (Al_bTi_1-b)X (0.6< b <0.8, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나이다)를 포함할 수 있다.

상기 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시예를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 높은 내마모성을 가짐과 동시에 취성이 제어된 피복 절삭공구를 제공할 수 있다. 이러한 피복 절삭공구를 이용할 경우 높은 경도의 박막이 지니게 되는 취성(brittleness)으로 인하여 박막의 수명이 다하지 않았음에도 불구하고 사용이 불가능해지는 문제점을 쉽게 해결할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 박막을 이루는 층간 부착력을 높여 공구의 수명을 연장시킬 수 있고, 공구의 파손으로 인한 가공물의 피해가 줄어듦에 따라 제품의 안정성이 확보된 피복 절삭공구를 제공할 수 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피복 절삭공구 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 피복 절삭공구 모식도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 피복 절삭공구 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 피복 절삭공구의 제조방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 5는 실시예 및 비교예에 따른 방법으로 형성된 피복 절삭공구에 포함된, 절삭층의 X-선 회절 분석결과이다.
도 6은 실시예 1에 따른 절삭층의 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.

본 발명의 일 실시예는 모재; 및 상기 모재 상에 배치된 절삭층; 을 포함하고, 상기 절삭층은, 취성 억제층 및 상기 취성 억제층 상에 배치된 내마모층을 포함하고, 상기 모재는, 초경 합금, 서멧, 세라믹, 입방정 질화붕소계 재료 또는 고속도강의 경질 합금체를 포함하고, 상기 취성 억제층은, 제1 층 및 상기 제1 층 상에 배치된 제2 층을 포함하고, 상기 제1 층 및 상기 제2 층은 각각 독립적으로 (Al_bTi_1-b)X (0.6< b <0.8, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나이다) 및 (Ti_cAl_1-c)X (0.4< c≤0.5, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나이다) 중 어느 하나를 포함하고, 상기 제1 층 및 상기 제2 층은 서로 상이한 소재를 포함하는, 피복 절삭공구를 제공한다.

항공 소재와 같은 새로운 절삭 재료가 도입되면서 가공 효율의 향상을 위해 절삭유의 사용을 배제하는 고속 건식 가공 방식이 확산되었다. 이러한 고경도 및 고온 가공법에 있어서 모재 상에 증착되는 박막은 내용착성 및 내마모성이 현저히 저하되고, 박막의 경도가 저하되는 문제점이 있었다. 이 때 박막의 경도만을 높일 경우 취성으로 인하여 박막의 수명이 다하지 않았음에도 불구하고 사용이 불가능해지는 문제점이 있었다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 취성 억제층과 내마모층의 조합을 통해 높은 내마모성을 가짐과 동시에 취성이 제어된 피복 절삭공구를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 박막을 이루는 층간 부착력을 높여 공구의 수명을 연장시킬 수 있고, 공구의 파손으로 인한 가공물의 피해가 줄어듦에 따라 제품의 안정성이 확보된 피복 절삭공구를 제공할 수 있다.

이하에서는, 도면을 참고하여 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명한다.

1. 피복 절삭공구

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피복 절삭공구다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 피복 절삭공구(100)는 모재(10) 및 절삭층(50)을 포함한다.

본 발명에 따른 모재(10)는 초경 합금, 서멧, 세라믹, 입방정 질화붕소계 재료 또는 고속도강의 경질 합금체를 포함할 수 있다. 상기 모재는 예를 들어, 초경 합금(90 wt% WC + 10 wt% Co)을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 절삭층(50)은 상기 모재(10) 상에 배치될 수 있고 구체적으로 상기 모재(10) 바로 위(directly on)에 배치될 수 있다. 상기 절삭층(50)은 상기 모재(10)의 표면 상에 증착되어 내마모성을 향상시킬 수 있고 취성을 효과적으로 제어할 수 있다.

본 발명에 따른 절삭층(50)은 취성 억제층(20) 및 상기 취성 억제층(20) 상에 배치된 내마모층(30)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 내마모층(30)은 상기 취성 억제층(20) 바로 위에 배치될 수 있다. 즉, 취성 억제층(20)은 모재(10) 및 내마모층(30) 사이에 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 취성 억제층(20)은 제1 층(20a) 및 상기 제1 층(20a) 상에 배치된 제2 층(20b)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 취성 억제층(20)은 높은 경도를 갖는 내마모층이 갖는 취성을 억제하는 기능을 수행할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 층(20a) 및 상기 제2 층(20b)은 각각 독립적으로 (Al_bTi_1-b)X (0.6< b <0.8, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나이다) 및 (Ti_cAl_1-c)X (0.4< c≤0.5, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나이다) 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 상기 제1 층 및 상기 제2 층은 서로 상이한 소재를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 층은, (Ti_cAl_1-c)X (0.4< c≤0.5, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나이다)를 포함하고, 상기 제2 층은, (Al_bTi_1-b)X (0.6< b <0.8, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나이다)를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 층이 Ti, Al, X를 포함하고 b와 c가 상기 수치 범위 내를 만족할 때, 일정 수준의 내마모성을 구현함과 동시에, 높은 경도를 갖는 내마모층의 취성을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 층(20a) 및 제2 층(20b)의 두께는 각각 독립적으로 0.1 내지 5.0㎛일 수 있고, 구체적으로 0.5 내지 3.0㎛일 수 있고, 더욱 구체적으로 0.5 내지 2.0㎛일 수 있다. 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 두께가 상기 수치 범위 내를 만족할 때 일정 수준의 내마모성을 구현함과 동시에, 높은 경도를 갖는 내마모층의 취성을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.

본 발명에 따른 내마모층(30)은 취성 억제층(20) 상에 배치될 수 있고, 구체적으로 상기 취성 억제층(20)의 바로 위에 배치될 수 있다. 상기 내마모층(30)은 절삭층에 내산화성 및 내마모성을 부여할 수 있다.

구체적으로, 상기 내마모층(30)은, (Ti_1-aSi_a)X (0.1< a <0.3, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나)를 포함할 수 있다. 상기 내마모층이 실리콘을 포함할 경우 기계 가공 시 발생하는 고온에서의 피막 열화 현상이 억제되어 피복 절삭공구의 수명을 높일 수 있다. 또한, 상기 내마모층이 실리콘을 함유함에 따라 비결정질 Si₃N₄ 또는 SiNx와 조합하는 NaCl 형 (면심 입방 격자 구조 (fcc 구조))으로 이루어지는 2상 구조를 이루게 되어 고경도 피삭재의 가공에 적합한 특성을 제공할 수 있다.

구체적으로, Ti와 Si를 합한 전체 100 원자%(100 at%)를 기준으로, Si의 함량은 10at% 초과 25at% 이하일 수 있고, 더욱 구체적으로 15 내지 25 at%일 수 있다. Si의 함량이 상기 수치 범위 내를 만족할 때, 가공성 및 박막의 취성에 대해서 우수한 균형이 이루어질 수 있고, 비정질상이 적절히 유지되어 경도가 과도하게 감소하는 문제를 효과적으로 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 내마모층(30)의 두께는 0.5 내지 10.0㎛일 수 있고, 구체적으로 0.5 내지 5.0㎛일 수 있고, 더욱 구체적으로 1.0 내지 3.0㎛일 수 있다. 상기 내마모층(30)의 두께가 상기 수치 범위 내를 만족할 때 내마모 기능이 충분히 달성됨과 동시에 박막의 취성이 적정 수준으로 제어되며, 비정질 피막의 압축응력으로 인한 용착 박리 현상이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 피복 절삭공구다. 전술한 부분과 반복된 설명은 간략히 설명하거나 생략한다.

도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 취성 억제층(20)은 상기 제1 및 제2 층(20a, 20b)이 서로 교대로 적층된 제1 교호층(A1)을 포함할 수 있다. 상기 제1 교호층(A1)은 내마모층(30)의 경도가 일정 수준보다 높아질 경우 박막 간의 격자상수의 차이에 의해 각 층이 단단하게 이어지지 못하고 조기 분리되는 문제를 효과적으로 방지할 수 있다. 상기 제1 교호층(A1)을 통해 격자상수의 차이, 탄성계수의 차이 및 적층 주기를 효과적으로 제어할 수 있으며 이에 따라 내마모층에서 발생할 수 있는 취성을 억제할 수 있다. 또한, 상기 제1 교호층(A1)을 통해 박막에 크랙이 발생하는 것을 효과적으로 방지하여 공구의 수명을 길게 연장시킬 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제2 층(20b)과 상기 제1 층(20a)의 두께 비율(제2 층: 제1 층)은 1:1.5 내지 1:5일 수 있고, 구체적으로 1:1.5 내지 1:3일 수 있다. 상기 제2 층과 상기 제1 층의 두께 비율이 상기 수치 범위 내를 만족할 때, 일정 수준의 내마모성을 구현함과 동시에, 높은 경도를 갖는 내마모층의 취성을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다. 이 경우 상기 절삭층(50)의 전체 두께는 0.1 내지 20㎛일 수 있고, 구체적으로 0.1 내지 5.0㎛일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 교호층(A1)은, 2 이상의 다중층을 포함하고, 상기 다중층을 이루는 상기 제1 및 제2 층(20a, 20b)의 두께는 각각 독립적으로 50nm를 초과할 수 있다. 구체적으로 상기 제1 및 제2 층(20a, 20b)의 두께는 각각 독립적으로 50 nm 초과 300nm 이하일 수 있다. 상기 제1 및 제2 층의 두께가 상기 수치 범위 내를 만족할 때, 층간 부착력이 충분히 유지될 수 있고 자발적인 박리 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 피복 절삭공구다. 전술한 부분과 반복된 설명은 간략히 설명하거나 생략한다.

도 3을 참고하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 절삭층(50)은 상기 취성 억제층(20) 및 상기 내마모층(30) 사이에 배치된 제2 교호층(A2)을 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 제2 교호층(A2)은 제1 내마모층(30a), 상기 제2 층(20b) 및 상기 제1 층(20a)이 순차적으로 적층된 구조체를 적어도 하나 이상 포함할 수 있고, 상기 제1 내마모층은, (Ti_1-aSi_a)X (0.1< a <0.3, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나)를 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로 상기 제2 교호층(A2)은 상기 제1 내마모층(30a), 상기 제2 층(20b) 및 상기 제1 층(20a)이 순차적으로 적층된 구조체를 반복단위(제1 내마모층+제2 층+제1 층)로 하여 2 내지 50회, 구체적으로 5 내지 10회 반복된 적층구조체일 수 있다. 상기 제2 교호층(A2)을 통해 박막의 부착력이 향상될 수 있고 이에 따라 공구의 수명이 연장될 수 있으며 추가적인 취성 억제 효과도 구현될 수 있다. 이 경우 상기 절삭층(50)의 전체 두께는 0.1 내지 20㎛일 수 있고, 구체적으로 0.1 내지 5㎛일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제2 교호층(A2)을 이루는 상기 제1 및 제2 층과 제1 내마모층(20a, 20b, 30a)의 두께는 각각 독립적으로 50nm를 초과할 수 있다. 구체적으로 상기 제1 및 제2 층과 제1 내마모층(20a, 20b, 30a)의 두께는 각각 독립적으로 50 nm 초과 300nm 이하일 수 있다. 상기 제1 및 제2 층의 두께와 상기 제1 내마모층의 두께가 상기 수치 범위 내를 만족할 때, 층간 부착력이 충분히 유지될 수 있고 자발적인 박리 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 절삭층(50)은 상기 제2 교호층(A2) 상에 배치된 개재층(IL)을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 개재층(IL)은 상기 내마모층(30)의 바로 아래에 배치된 하부층을 포함할 수 있고, 상기 하부층은 (Al_bTi_1-b)X (0.6< b <0.8, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나이다)를 포함할 수 있다. 상기 내마모층의 바로 아래에 (Al_bTi_1-b)X를 포함하는 하부층이 배치됨에 따라, 높은 내마모성을 가짐과 동시에 취성이 제어된 피복 절삭공구를 제공할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 절삭층(50)은 [200] 방향으로 우선 성장할 수 있고, X-선 회절분석에서 (200) 피크와 (100) 피크를 나타낼 수 있다. 상기 X-선 회절분석에서 (111) 피크에 대한 (200) 피크의 비율은 3 이상 또는 3 내지 10일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 절삭층(50)은 예를 들어, 35 내지 55GPa 또는 40 내지 55 GPa의 경도를 가질 수 있다. 상기 경도는 예를 들어, 나노인덴터(Nano-indentor) NHT3를 이용하여 나노 압입 방법으로 측정될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 절삭층(50)은 입방정상 및 육방정상들의 상 혼합물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 절삭층(50)은 주상정 및 다결정질 교호 적층형 구조를 가질 수 있으며 주사전자현미경 사진으로 분석될 수 있다.

2. 피복 절삭공구의 제조방법

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 피복 절삭공구의 제조방법을 나타낸 플로우 차트이다. 전술한 부분과 반복된 설명은 간략히 설명하거나 생략한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 상기 피복 절삭공구의 제조방법을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 피복 절삭공구의 제조방법은 (S1) 모재를 제공하는 단계; (S2) 상기 모재 상에 취성 억제층을 형성하는 단계; 및 (S3) 상기 취성 억제층 상에 내마모층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 (S2) 및 (S3) 단계 중 적어도 어느 하나는, 물리기상증착법을 이용하는 단계일 수 있다. 구체적으로, 상기 (S2) 및 (S3) 단계 중 적어도 어느 하나는 음극아크증착법을 이용하는 단계일 수 있다.

예를 들어, 상기 (S2) 및 (S3) 단계 중 적어도 어느 하나는, 비활성기체 분위기에서 0.5 내지 5.0 Pa의 기체 압력, -50V 내지 -300V의 바이어스, 350 내지 700℃ 온도 및 50 내지 200A의 전류를 사용하여 수행되는 단계일 수 있다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.

[제조예: 피복 절삭공구의 제조]

하기 표 1에 따른 조성으로 피복 절삭공구를 제조하였다.

<실시예 1 내지 4: 제1 및 제2 교호층이 있는 피복 절삭공구>

초경 합금(90 wt% WC + 10 wt% Co) 모재의 표면의 이물질을 제거하고 박막의 부착력 향상을 위하여, 건식 및 습식 블라스팅을 진행하여 표면을 매끄럽게 만들었다. 그 후, 상기 초경합금 모재 상에 물리기상증착법(physical vapor deposition; PVD)의 하나인 아크 이온 플레이팅법을 이용하여, 취성 억제층 및 내마모층을 포함하는 절삭층을 각각 형성하였다. 피복 절삭공구의 형번은 ENMX0604-TR이다. 구체적으로 챔버 내에 상기 초경합금 모재를 투입하고, 상기 모재의 표면을 더 세정하기 위하여 아르곤 가스 분위기에서 이온 충격(ion bombardment)처리를 진행하였다. 이후, TiAl, AlTi 및 TiSi 등으로 이루어진 아크 타겟 및 아크 이온 플레이팅 방법을 이용하여 절삭층을 형성하였다. 상기 절삭층을 형성하는 과정에서, 초기 진공 압력은 5.0x10^-2 Pa 이하이고, 반응가스는 N₂를 주입하여 가스 분위기를 형성하고, 증착 온도는 450 ~ 600℃범위로 설정하였다. 상기 절삭층을 형성할 때, 주 타겟은 100 ~ 200A의 아크 전류를 적용하며, 상기 모재와의 밀착도를 높이기 위하여 -30 ~ -150V의 DC 방식의 바이어스 전압을 인가하였다. 상기 다층의 절삭층에 포함되는 각 층의 평균 두께를 캐소드 아크 전류 및 장비의 회전속도(0.1 ~ 5 rpm)를 변경하여 제어하여 최종적으로 피복 절삭공구를 각각 제조하였다.

<실시예 5: 제1 교호층만 있는 피복 절삭공구>

실시예 1 내지 4와 동일한 방법으로 피복 절삭공구를 제조하되, 제2 교호층의 형성 단계를 생략하였다.

<실시예 6: 제1 및 제2 교호층이 없는 피복 절삭공구>

실시예 1 내지 4와 동일한 방법으로 피복 절삭공구를 제조하되, 제1 및 제2 교호층의 형성 단계를 생략하였다.

<실시예 7 및 8: 제1 및 제2 교호층의 두께 비율을 조절한 피복 절삭공구>

실시예 1 내지 4와 동일한 방법으로 피복 절삭공구를 제조하되, 제1 및 제2 교호층의 형성시 제1 층과 제2 층간의 두께 비율을 변경하여 제조하였다.

<비교예 1 및 2: 취성 억제층과 제1 및 제2 교호층이 없는 피복 절삭공구>

실시예 1 내지 4와 동일한 방법으로 피복 절삭공구를 제조하되, 취성 억제층과 제1 및 제2 교호층의 형성 단계를 생략하였다.

구분	취성 억제층의 각 조성¹⁾		전체 취성 억제층 두께(㎛)	내마모층	내마모층 총 두께(㎛)	제1 교호층²⁾ 존재여부	제2 교호층³⁾ 존재여부	도면
구분	제2층	제1층	전체 취성 억제층 두께(㎛)	내마모층	내마모층 총 두께(㎛)	제1 교호층²⁾ 존재여부	제2 교호층³⁾ 존재여부	도면
실시예1	AlTiN (67:33)	TiAlN (50:50)	2.7	TiSiN (85:15)	1.4	있음 (n1=9)	있음 (n2=9)	도 3
실시예2	AlTiN(67:33)	TiAlN (50:50)	2.4	TiSiN (70:30)	1.4	있음 (n1=8)	있음 (n2=8)	도 3
실시예3	AlTiN(67:33)	TiAlN (50:50)	2.4	TiSiN (85:15)	0.3	있음 (n1=8)	있음 (n2=8)	도 3
실시예4	AlTiN(67:33)	TiAlN (50:50)	0.9	TiSiN (85:15)	2.5	있음 (n1=3)	있음 (n2=2)	도 3
실시예5	AlTiN(67:33)	TiAlN (50:50)	1.5	TiSiN (85:15)	1.4	있음 (n1=5)	없음	도 2
실시예6	AlTiN(67:33)	TiAlN (50:50)	2.8	TiSiN (85:15)	1.8	없음	없음	도 1
실시예7	AlTiN (67:33)	TiAlN (50:50)	2.4	TiSiN (85:15)	1.5	있음 (n1=4)	있음 (n2=2)	도 3
실시예8	AlTiN(67:33)	TiAlN (50:50)	2.5	TiSiN (85:15)	1.5	있음 (n1=10)	있음 (n2=6)	도 3
비교예1	-	-	-	TiAlN (50:50)	3.3	-	-
비교예2	-	-	-	TiAlSiN(35:60:5)	3.0	-	-
단위: 취성 억제층 및 내마모층에서 각 조성의 함량은 비금속성분인 질소(N)를 제외한 나머지 성분의 총합을 100원자%(at%)으로 설정하였을 때, 질소를 제외한 나머지 성분 각각의 원자%(at%)를 의미한다. 1) 취성 억제층: 제2 층에 대한 제1 층의 두께 비율(제2 층: 제1 층)에 있어서, 실시예 1 내지 6은 1:2이고, 실시예 7은 1:5, 실시예 8은 1:1.5이다. 2) 제1 교호층: 제1 층 및 제2 층으로 구성된 반복단위가 2 초과 50 미만의 횟수(n1)로 반복되는 구조체(두께=200nm 초과 5,000nm미만). 3) 제2 교호층: 내마모층, 제2 층 및 제1 층 순으로 적층된 반복단위가 2 초과 50 미만의 횟수(n2)로 반복되는 구조체(두께=450nm 초과 7,500nm미만).

[실험예 1: 절삭층의 X-선 회절 분석]

도 5는 실시예 및 비교예에 따른 방법으로 형성된 피복 절삭공구에 포함된, 절삭층의 X-선 회절 분석결과이다. 상기 실시예 및 비교예에 따른 방법으로 형성된 피복 절삭공구에 포함된, 절삭층에 대하여 Malvern Panalytical社의 Empyrean X-선 회절분석기를 이용하여 절삭층의 X-선 회절을 분석하였다. 구체적으로, 상기 X-선 회절 측정은 CuKα-방사를 이용하고, 40Kv 및 40Ma로 포인트 포커스에서 수행되고, 0.065의 스텝 크기를 가지는 20도 내지 90도 범위에 걸쳐 수행되었다.

도 5를 참고하면, 모재의 텅스텐 카바이드(WC)에 상응하는 피크 및 (200) 피크와 (111) 피크가 나타났다. 상기 절삭층의 (200)면의 피크 강도가 가장 높았기 때문에, 상기 절삭층이 [200] 방향으로 우선 성장함을 확인할 수 있다. 또한, (111) 피크에 대한 (200) 피크의 비율은 3 이상 또는 3 내지 10 범위임을 확인할 수 있다.

[실험예 2: 절삭층의 나노인덴테이션 경도 측정]

실시예에 따른 방법으로 형성된 피복 절삭공구에 포함된, 절삭층의 경도를 Anton Paar社의 나노인덴터(Nano-indentor) NHT3를 이용하여 나노 압입 방법으로 측정하였다.

	절삭층의 나노인덴테이션 경도(GPa)
실시예 1	43.1
실시예 2	38.5
실시예 3	32.4
실시예 4	41.6
실시예 5	40.2
실시예 6	35.7
실시예 7	39.4
실시예 8	44.5

상기 표 2를 참고하면, 모든 실시예에 따른 방법으로 형성된 절삭층의 경도가 25 내지 50GPa 범위의 나노인덴테이션 경도를 가짐을 확인할 수 있고, 원하는 수준의 내마모성이 충분히 구현됨을 확인할 수 있다.

[실험예 3: 절삭층의 주사전자현미경 분석]

도 6은 실시예 1에 따른 절삭층의 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진이다.

도 6을 참고하면, 실시예 1에 따른 절삭층은 주상정(columnar) 구조를 가지며, 입방정상과 육방정상이 혼합된 상 혼합물을 포함하여 성장한 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭층은, 주상정 구조 및 다결정질 교호 적층형 구조를 가짐을 확인할 수 있다.

[실험예 4: 피복 절삭공구의 수명 측정]

상기 실시예 및 비교예에 따른 방법으로 형성된 피복 절삭공구의 수명을 하기 표 3의 조건 하에 측정하였고, 측정 결과를 하기 표 4에 나타냈다.

	1차시험 측정조건	2차시험 측정조건
형상	ENMX0604-TR	ENMX0604-TR
적용분야	MCT 머시닝, 램핑가공	MCT 머시닝, 램핑가공
작업 피삭재	NAK80 (HRc 42)	SKD61 (HRc 48)
절삭속도	240m/min	160 m/min
이송속도	0.6mm/rev	0.6 mm/rev
절삭깊이(ap)	0.7mm	0.7 mm
절삭깊이(ae)	13mm	13mm
절삭유	미사용	미사용
수명판단기준	Vb>300㎛ 또는 Vn>450㎛	Vb>300㎛ 또는 Vn>450㎛
Vb: 플랭크 마모 Vn: 노치 마모

구분	1차시험 측정수명(분)	2차시험 측정수명(분)	박막 파손 발생 여부
실시예1	24	14	미발생
실시예2	21	11	발생
실시예3	12	8	미발생
실시예4	8	5	발생
실시예5	17	10	발생
실시예6	16	9	발생
실시예7	18	10	미발생
실시예8	21	15	미발생
비교예1	10	6	미발생
비교예2	15	10	미발생

상기 표 4를 참고하면, 실시예에 따른 피복 절삭공구를 이용할 경우 고경도 가공에서 내열성 및 내마모성이 향상됨을 확인할 수 있다. 이에 따라 공구의 수명이 증가하여 공구의 파손으로 인한 가공물의 피해가 줄어듦에 따라 제품의 안정성도 충분히 확보됨을 확인할 수 있다.

[실험예 5: 증착 시간에 따른 수명 및 자발적 박리현상 발생 여부]

실시예 1에 따른 방법으로 피복 절삭공구를 제조하되, 절삭층의 전체 두께를 4㎛로 조절하였고, 적층되는 층의 두께가 두꺼워질수록, 각 교호층 내 층간 적층 횟수는 감소하는 형태로 증착하였다. 절삭층을 이루는 개별 층들간의 두께 조절을 위해 각 개별 층이 증착되는 시간을 조절하였고, 구체적으로 개별 층들이 증착되는 시간의 비율을 이용하여 조절하였다.

증착비율	절삭층에 포함된 개별 층들의 두께(nm)
증착비율	제1층	제2층	내마모층
5.0	495	312	354
3.0	262	127	139
2.0	153	68	86
1.5	85	54	63
1.0(기준)	77	34	43
0.5	28	16	23
증착비율: 증착비율 1.0은 증착의 기본 회전속도(rpm)일 때의 개별 층의 두께로, 증착비율의 기준이 되는 값이다. 나머지 개별 층들의 증착비율을 증착비율 1.0에 대한 상대적인 증착비율로 표시하였다. 증착비율이 상대적으로 높아진다는 것은 장비의 회전속도가 느려져 개별 층들의 두께가 두꺼워진다는 것을 의미하고, 증착비율이 상대적으로 낮아지는 것은 장비의 회전속도가 빨라져 개별 층들의 두께가 얇아지는 것을 의미한다.

증착비율	1차시험 측정수명(분)	2차시험 측정수명(분)	자발적인 박리현상 발생 여부
5.0	12	8	X
3.0	20	12	X
2.0	24	14	X
1.5	16	9	△ (일부발생)
1.0(기준)	11	6	O
0.5	8	5	O

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

10: 모재
20a: 제1 층
20b: 제2 층
20: 취성 억제층
30: 내마모층
50: 절삭층
A1: 제1 교호층
A2: 제2 교호층
IL: 개재층
100: 피복 절삭공구

Claims

모재; 및
상기 모재 상에 배치된 절삭층; 을 포함하고,
상기 절삭층은,
취성 억제층 및
상기 취성 억제층 상에 배치된 내마모층을 포함하고,
상기 모재는,
초경 합금, 서멧, 세라믹, 입방정 질화붕소계 재료 또는 고속도강의 경질 합금체를 포함하고,
상기 취성 억제층은,
제1 층 및
상기 제1 층 상에 배치된 제2 층을 포함하고,
상기 제1 층 및 상기 제2 층은 각각 독립적으로
(Al_bTi_1-b)X (0.6< b <0.8, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나이다) 및 (Ti_cAl_1-c)X (0.4< c≤0.5, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나이다) 중 어느 하나를 포함하고,
상기 제1 층 및 상기 제2 층은 서로 상이한 소재를 포함하는,
피복 절삭공구.
제1항에 있어서,
상기 제1 층은,
(Ti_cAl_1-c)X (0.4< c≤0.5, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나이다)를 포함하고,
상기 제2 층은,
(Al_bTi_1-b)X (0.6< b <0.8, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나이다)를 포함하는,
피복 절삭공구.
제1항에 있어서,
상기 취성 억제층은,
상기 제1 및 제2 층이 서로 교대로 적층된 제1 교호층을 포함하는,
피복 절삭공구.
제3항에 있어서,
상기 제1 교호층은,
2 이상의 다중층을 포함하고,
상기 다중층을 이루는 상기 제1 및 제2 층의 두께는 각각 독립적으로 50nm를 초과하는,
피복 절삭공구.
제4항에 있어서,
상기 제2 층과 상기 제1 층의 두께 비율(제2 층: 제1 층)은 1:1.5 내지 1:5인,
피복 절삭공구.
제1항에 있어서,
상기 내마모층은,
(Ti_1-aSi_a)X (0.1< a <0.3, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나)를 포함하는,
피복 절삭공구.
제1항에 있어서,
상기 절삭층은,
상기 취성 억제층 및 상기 내마모층 사이에 배치된 제2 교호층을 더 포함하는,
피복 절삭공구.
제7항에 있어서,
상기 제2 교호층은,
제1 내마모층, 상기 제2 층 및 상기 제1 층이 순차적으로 적층된 구조체를 적어도 하나 이상 포함하고,
상기 제1 내마모층은,
(Ti_1-aSi_a)X (0.1< a <0.3, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나)를 포함하는,
피복 절삭공구.
제7항에 있어서,
상기 절삭층은,
상기 제2 교호층 상에 배치된 개재층을 더 포함하는,
피복 절삭공구.
제9항에 있어서,
상기 개재층은,
상기 내마모층의 바로 아래에 배치된 하부층을 포함하고,
상기 하부층은,
(Al_bTi_1-b)X (0.6< b <0.8, X는 N, C, CN, NO, CO, CNO에서 선택된 적어도 어느 하나이다)를 포함하는,
피복 절삭공구.