KR102525082B1 - 다이아몬드 코팅 절삭 공구 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 초경 또는 서멧과 같은 경질 모재 상에 밀착력과 내마모성이 우수한 다이아몬드 코팅층이 형성된 다이아몬드 코팅 절삭 공구를 제공하는 것이다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제 1 측면은, 경질 모재, 상기 경질 모재 상에 형성되고 (111)결정면으로 우선배향된 TiCON의 코팅층 및 상기 TiCON 코팅층 위에 형성되고 (111)결정면으로 우선배향된 다이아몬드 코팅층을 포함하고, 상기 TiCON 코팅층은 하기 [화학식 1]로 표현되는 조성 범위를 가지는, 다이아몬드 코팅 절삭 공구를 제공할 수 있다.
[화학식 1] TiCxOyNz(x+y+z=1, x,y,z>0, 0.3≤x≤0.6, 0.15≤y≤0.45, 0.1≤z≤0.4)

Description

다이아몬드 코팅 절삭 공구{Diamond Coated Cutting Tools}
본 발명은 초경 또는 서멧과 같은 경질 모재 상에 밀착력이 우수한 다이아몬드 피막이 형성된 다이아몬드 코팅 절삭 공구에 관한 것으로, 보다 상세하게는 경질 모재와 다이아몬드 피막 사이에 열적으로 안정한 TiCON 피막을 형성하여 내마모성과 밀착력이 우수한 다이아몬드 코팅 절삭 공구에 관한 것이다.
다이아몬드(diamond)는 지구상에서 존재하는 물질 중에서 가장 경도가 높은 물질중의 하나이다. 오늘날 화학기상합성법(CVD)을 통해 인공적으로 만들어진 다이아몬드 코팅 절삭 공구는 기계가공이 힘든 난삭재, 알루미늄-실리콘계 합금, 마그네슘 합금 또는 흑연재료 등을 가공하는데 적합한 공구로 사용되고 있다.
일반적으로, 다이아몬드 코팅막은 탄화수소를 포함한 혼합가스 분위기에서 각종 전원(직류, 교류, 고주파, 마이크로파)에 의하여 플라즈마나 열에너지로 변환시킨 기상 합성법에 의하여 형성되고 있으며, 제조법으로는 열 필라멘트법(hot filament), 연소법(combustion flame), 직류방전 플라즈마법(D.C. glow discharge plasma), 아크방전 플라즈마 젯법(arc glow discharge plasma jet), 마이크로파 플라즈마법(microwave plasma) 등이 사용되고 있다.
다이아몬드 코팅막이 형성되는 기재로는 초경 또는 서멧(cermet)과 같은 경질 기재가 사용되는데, 이러한 경질 모재 위에 다이아몬드 코팅막을 안정적으로 형성하기 위해서는 모재를 화학적으로 에칭하는 전처리 단계가 필요하다. 전처리 단계를 통해 경질 기재 상에서 안정적인 다이아몬드 핵생성 층이 형성되고 이후 다이아몬드 박막이 만들어지면서 밀착력이 향상될 수 있게 된다.
하지만, 이러한 화학적 에칭에 의한 전처리 단계는 초경합금의 경우 코발트 함량이 6 wt%이하인 경우에만 적용할 수 있는 등 적용 가능한 경질 모재가 제한적이고 에칭 후 공구 인선 품질이 저하되는 문제가 있게 된다.
일본특허공개공보 제1992-108653호
본 발명의 목적은 초경 또는 서멧과 같은 경질 모재 상에 밀착력과 내마모성이 우수한 다이아몬드 코팅층이 형성된 다이아몬드 코팅 절삭 공구를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 경질 모재 상에 밀착력과 내마모성이 우수한 다이아몬드 코팅층을 형성하는 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제 1 측면은, 경질 모재, 상기 경질 모재 상에 형성되고 (111)결정면으로 우선배향된 TiCON의 코팅층 및 상기 TiCON 코팅층 위에 형성되고 (111)결정면으로 우선배향된 다이아몬드 코팅층을 포함하고, 상기 TiCON 코팅층은 하기 [화학식 1]로 표현되는 조성 범위를 가지는, 다이아몬드 코팅 절삭 공구를 제공할 수 있다.
[화학식 1] TiCxOyNz(x+y+z=1, x,y,z>0, 0.3≤x≤0.6, 0.15≤y≤0.45, 0.1≤z≤0.4)
또한, 본 발명의 제 1 측면에서, 상기 TiCON 코팅층은, XRD분석에 따른 상기 TiCON 코팅층의 (111)결정면의 피크가 IT1이고, (220)결정면의 피크는 IT2일때, IT2/IT1 < 1.5 일 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 측면에서, 상기 TiCON 코팅층은, XRD분석에 따른 상기 (111)결정면의 집합계수(Textured Coefficient, TC)인 TC(111)는 1.0 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 측면에서, 상기 다이아몬드 코팅층은, XRD분석에 따른 상기 (111)결정면의 피크가 ID1 이고, (220)결정면의 피크가 ID2일때 ID2/ID1 < 0.7일 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 측면에서, 상기 TiCON 코팅층과 상기 다이아몬드 코팅층이 서로 맞닿는 계면은 서로 이물림 결합구조일 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 측면에서, 상기 다이아몬드 코팅층의 두께는 5~30㎛일 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 측면은, 경질 모재 상에 화학기상 증착법(CVD)으로 하기 [화학식 1]로 표현되는 조성을 가지고 (111)결정면으로 우선배향된 TiCON 코팅층을 형성하는 단계 및 상기 TiCON 코팅층 위에 기상합성법으로 (111)결정면으로 우선배향된 다이아몬드 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 다이아몬드 코팅 절삭 공구 제조 방법을 제공하는 것이다.
[화학식 1] TiCxOyNz(x+y+z=1, x,y,z>0, 0.3≤x≤0.6, 0.15≤y≤0.45, 0.1≤z≤0.4)
본 발명에 따른 다이아몬드 코팅 절삭 공구는 다이아몬드 코팅층의 공구 인선부의 품질이 우수하면서 밀착력과 내마모성이 뛰어나게 된다.
또한, 에칭에 의한 전처리 단계를 거치지 않아 다이아몬드 코팅층을 형성할 수 있는 경질 모재의 범위를 넓혀주고 공정 효율을 높여줄 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 경질 피막에 있어서, TiCON 코팅층과 다이아몬드 코팅층의 계면을 나타내는 전자현미경 이미지이다.
이하 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 경질 모재 상에 다이아몬드 코팅층이 형성된 다이아몬드 코팅 절삭 공구에 관한 것으로, 경질 모재, 상기 경질 모재 상에 형성되고 (111)결정면으로 우선배향된 TiCON의 코팅층 및 상기 TiCON 코팅층 위에 형성되고 (111)결정면으로 우선배향된 다이아몬드 코팅층을 포함하고, 상기 TiCON 코팅층은 하기 [화학식 1]로 표현되는 조성 범위를 가지는, 다이아몬드 코팅 절삭 공구를 제공할 수 있다.
[화학식 1] TiCxOyNz(x+y+z=1, x,y,z>0, 0.3≤x≤0.6, 0.15≤y≤0.45, 0.1≤z≤0.4)
일반적으로 초경 합금 또는 서멧(cermet)과 같은 경질 모재 상에 다이아몬드 코팅층을 형성하기 위해서는 경질 모재를 전기적 또는 화학적으로 에칭하여 다이아몬드 코팅층의 밀착력을 높이는 전처리 단계를 거치게 된다. 이에 반해 본 발명에서는 [화학식 1]로 표현되는 TiCON 조성을 가지는 코팅층을 하지층으로 형성한 후 다이아몬드 코팅층을 형성함으로써 에칭 처리 없이 밀착력이 우수한 다이아몬드 코팅층을 형성할 수 있게 된다.
TiCON 코팅층을 이루는 화합물은 상기 [화학식 1]을 만족하게 되는데, 일반적인 TiCN 박막보다는 산소를 포함한 TiCON 박막을 형성하면서 C, O 및 N이 상기 화학식 1에 따른 조성비를 가짐으로써 (111)결정면으로 우선배향되어 성장시키기 유리하게 된다.
본 발명에 따른 경질 피막은 TiCON 코팅층과 그 위에 형성되는 다이아몬드 코팅층으로 이루어지게 되는데, 이러한 코팅층의 우선배향 방향을 조절함으로써 밀착력과 내마모성을 향상시킬 수 있게 된다.
우선 중간층인 TiCON 코팅층의 우선배향 방향이 (111)결정면으로 되도록 조절하고, 그 위에 형성되는 다이아몬드 코팅층의 우선배향 방향도 동일하게 (111)결정면을 가지도록 함으로써 TiCON 코팅층과 다이아몬드 코팅층의 밀착력을 향상시키고 최종적으로 경질 모재상에 밀착력이 우수한 다이아몬드 코팅층이 형성되도록 한다. 또한, 내마모성이 우수한 (111)결정면이 우선배향되는 다이아몬드 코팅층이 형성됨에 따라 다이아몬드 코팅 절삭 공구의 내마모성 또한 향상되게 된다.
또한, 본 발명에 따른 다이아몬드 코팅 절삭 공구에서, XRD분석에 따른 상기 TiCON 코팅층의 (111)결정면의 피크가 IT1이고, (220)결정면의 피크는 IT2일때, IT2/IT1 < 1.5 일 수 있다.
TiCON 코팅층에서 우선배향되는 (111)결정면의 피크가 또 다른 주요 피크인 (220)결정면의 피크에 비해 일정 비율 이상인 것이 바람직하다. 이를 위해서는 밀착력과 내마모성이 모두 우수한 다이아몬드 코팅층을 위해 중간층인 TiCON에서의 우선배향되는 (111)결정면에 대한 (220)결정면의 XRD 피크 비율인 IT2/IT1 의 값이 1.5 미만인 것이 바람직한데, 1.5 이상이 되면 TiCON 코팅층 위에서 (111)결정면으로 우선배향방향되는 다이아몬드 코팅층과 결합력이 약해지고 이에 따라 다이아몬드 코팅층의 밀착력과 다이아몬드 코팅 절삭 공구의 내마모성이 저하될 수 있다. 이러한 IT2/IT1 의 값은 더 바람직하게는 1.0 미만이고, 더욱 바람직하게는 0.7 미만이다.
또한, 본 발명에서 상기 TiCON 코팅층은 XRD분석에 따른 (111)결정면의 집합계수(Textured Coefficient, TC)인 TC(111)는 1.0 이상이다. 집합계수는 아래 [식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
TC(hkl) = I(hkl)/Io(hkl) × {(1/n)×ΣI(hkl)/Io(hkl)}-1 [식 1]
I(hkl) : (hkl)결정면의 회절강도
Io(hkl) : ASTM 표준 분말 회절 자료에서 (hkl)결정면의 표준 회절강도
n : 계산에 사용되는 결정면의 수
(111)결정면으로 우선배향된 TiCON 코팅층의 우선배향 정도는 집합계수로 표현될 수도 있는데, 집합계수는 상술한 [식 1]과 같이 나타낼 수 있다. 이러한 집합계수를 통해 (111)결정면의 집합계수인 TC(111)의 값이 1.0 이상인 경우 TiCON 코팅층의 (111)결정면 우선배향이 확인될 수 있고, 이를 통해 최종 다이아몬드 코팅층의 밀착력과 다이아몬드 코팅 절삭 공구의 내마모성이 향상될 수 있다.
한편, 본 발명에서, 상기 다이아몬드 코팅층은, XRD분석에 따른 상기 (111)결정면의 피크가 ID1 이고, (220)결정면의 피크가 ID2일때 ID2/ID1 < 0.7을 만족할 수 있다.
최종 코팅층을 형성하는 다이아몬드 코팅층의 (111)결정면 우선배향은 XRD분석에 따른 결정면의 피크 비를 통해 확인할 수 있는데, (111)결정면에 대한 (220)결정면의 피크비가 0.7 미만인 경우 우수한 내마모성과 하층인 TiCON 코팅층과의 밀착력을 확인할 수 있었다.
상술한 바와 같이 경질 모재 상에 연속되어 형성되는 TiCON 코팅층과 다이아몬드 코팅층은 (111)결정면으로 우선배향됨으로서 서로 밀착력이 향상될 수 있는데, 특히 TiCON 코팅층과 다이아몬드 코팅층이 서로 맞닿는 계면은 이물림 결합구조로 형성되어 밀착력을 더욱 향상시킬 수 있다.
이러한 이물림 결합구조는 층간에 앵커 역할을 하기 때문에 코팅층 간의 결합력을 높여 다이이몬드 코팅층의 밀착력을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 다이아몬드 코팅층의 두께는 5~30㎛일 수 있는데, 절삭 공구에 적절한 내마모성을 부여하기 위해서는 최종 다이아몬드 코팅층의 두께는 5㎛ 이상인 것이 바람직하고, 너무 두꺼우면 밀착력에 불리할 수 있기 때문에 30㎛ 이하인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 10~20㎛이다.
본 발명에서는 또한 상술한 바와 같은 다이아몬드 코팅 절삭 공구를 제공하기 위하여 다이아몬드 코팅 절삭 공구의 제조 방법을 제공한다.
이를 위하여, 경질 모재 상에 화학기상 증착법(CVD)으로 하기 [화학식 1]로 표현되는 조성을 가지고 (111)결정면으로 우선배향된 TiCON 코팅층을 형성하는 단계 및 상기 TiCON 코팅층 위에 기상합성법으로 (111)결정면으로 우선배향된 다이아몬드 코팅층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
[화학식 1] TiCxOyNz(x+y+z=1, x,y,z>0, 0.3≤x≤0.6, 0.15≤y≤0.45, 0.1≤z≤0.4)
초경 합금 또는 서멧과 같은 경질 모재 상에 화학적 에칭과 같은 전처리 없이 화학기상 증착법을 통해 TiCON 코팅층을 형성하되 (111)결정면으로 우선배향되도록하고, 이후 TiCON 코팅층 위에 다이아몬드 코팅층을 기상합성법으로 형성하게 된다. TiCON코팅층을 형성하기 위한 화학기상 증착법과 다이아몬드 코팅층을 형성하기 위한 기상합성법은 기본 원리는 동일하지만 증착하는 방식과 코팅 방법에 있어 차이가 있게 된다.
이하, 본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명의 실시예는 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 아래의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
(실시예)
초경합금인 경질 모재 표면 위에 화학 기상 증착법(Chemical vapor depositon, CVD)을 이용하여 TiCON 코팅층을 증착 후 HF-CVD 기상 합성법으로 다이아몬드 코팅층을 증착하여 두 층의 계면에 이물림 결합구조를 갖도록 박막을 증착 하였다. 이러한 이물림 결합구조를 통해 TiCON 코팅층과 다이아몬드 코팅층이 계면에서 서로 앵커 결합된 것은 도 1에서 나타내었다.
구체적으로, 하지층인 TiCON은 초경합금 경질 모재 상부에 형성되고 화학기상 증착법(CVD)으로 약 800~1000℃, 80~150mbar의 증착온도와 압력하에서 H2,N2,TiCl4,CH3CN,C2H6,CH4, Co 반응가스를 선택적으로 유입하는 조건으로 실시하여 증착 하였다. 상기 코팅조건은 장비 특성 및 조건에 따라 달라 질 수 있다.
또한 핫-필라멘트(Hot-Filament) 기상합성법 방식으로 약 2000 ℃, 30 mbar의 증착온도 및 압력하에서 약 99% H2와 1% CH4를 유입하여 TiCON층 표면 침상구조에 일정한 두께의 앵커 구조로 계면을 갖는 마이크로 결정 다이아몬드(Micro Crystalline Diamond, MCD) 코팅층을 증착하였다. 상세한 제조 조건은 하기 표 1과 같았다.
구분 박막
조성		 박막
두께
(㎛)		 코팅
시간
(h)		 압력
(mbar)		 온도
(℃)		 H2
(%)		 N2
(%)		 TiCl4
(%)		 CH3CN
(%)		 C2H6
(%)		 CH4
(%)		 Co
(%)
종래예 화학
전처리		 - - - - - - - - - - -
DIA 11 25 27 2000 99 - - - - 1 -
비교예1 TiCN 4 3 80 800 64 33 2.1 0.9 - - -
DIA 11 25 27 2000 99 - - - - 1 -
비교예2 TiCN 4 3 80 800 64.2 33 2.1 0.7 - - -
DIA 11 25 27 2000 99 - - - - 1 -
비교예3 TiCN 4 3 80 800 64.45 33 2.1 0.45 - - -
DIA 11 25 27 2000 99 - - - - 1 -
비교예4 TiCN 4 3 80 800 64 33 2.2 - 0.45 - -
DIA 11 25 27 2000 99 - - - - 1 -
비교예5 TiCON 3 2 100 1000 75.2 18.5 2.5 - - 3.5 0.3
DIA 11 25 27 2000 99 - - - - 1 -
비교예6 TiCON 3 2 100 1000 80.7 15 1.5 - - 2.5 0.3
DIA 11 25 27 2000 99 - - - - 1 -
비교예7 TiCON 3 2 76 15 1.5 2.5 5
DIA 11 25 27 2000 99 1
실시예1 TiCON 3 2 100 1000 75 18.5 1.5 - - 3 2
DIA 11 ㎛ 25 27 2000 99 - - - - 1 -
실시예2 TiCON 3 2 100 1000 73 18.5 1.5 - - 3 4
DIA 11 ㎛ 25 27 2000 99 - - - - 1 -
이상과 같이 특성이 다른 TiC(O)N 하지층 위에 다이아몬드 코팅층(DIA)을 증착하여 박막의 배향성을 XRD로 분석하였고 그 결과는 표 2와 같았다.
XRD Peak (Normalize)
구분 박막구조 TiC(O)N Diamond
(111) (200) (220) (200)
/(111)		 (220)
/(111)		 (111) (220) (220)
/(111)
종래예 화학전처리/DIA - - - - - 0.584 0.284 0.686
비교예1 TiCN/DIA 0.013 0.013 1.000 1.020 77.580 0.358 0.626 1.749
비교예2 TiCN/DIA 0.016 0.014 1.000 0.847 61.350 0.399 0.604 1.514
비교예3 TiCN/DIA 0.023 0.016 1.000 0.674 42.608 0.448 0.551 1.229
비교예4 TiCN/DIA 0.067 0.057 1.000 0.847 14.984 0.398 0.489 1.228
비교예5 TiCON/DIA 0.534 0.390 1.000 0.731 1.874 0.440 0.498 1.133
비교예6 TiCON/DIA 0.615 1.000 0.864 1.626 1.405 0.485 0.612 1.262
실시예1 TiCON/DIA 1.000 0.778 0.553 0.778 0.553 0.658 0.277 0.422
실시예2 TiCON/DIA 0.973 1.000 0.544 1.028 0.559 0.503 0.293 0.582
표 2에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 및 2에 따른 경질 박막의 경우 높은 (111)배향성으로 경질 박막이 증착 되었음을 알 수 있었다. 특히 하지층인 TiCON층에서 (111)결정면에 대한 (220)결정면의 피크비는 1.5 미만이고 또한 1.0 미만이어서 (111)결정면의 피크가 더 큰 것을 알 수 있었다. 한편, 다이아몬드 코팅층에서도 (111)결정면에 대한 (220)결정면의 피크비는 0.7 미만인 것을 알 수 있었다.
이어서 각 샘플의 하지층 TiC(O)N 결정면의 집합계수(Texture Coefficient)를 분석하였다. 그 결과는 아래 표 3과 같았다.
구분 박막구조 TiC(O)N 집합계수
(111) (200) 220 (311) (331) (420) (422)
종래예 화학
전처리		 - - - - - - -
비교예1 TiCN/DIA 0.052 0.031 5.145 0.101 1.196 0.385 0.090
비교예2 TiCN/DIA 0.066 0.033 5.204 0.165 1.061 0.351 0.121
비교예3 TiCN/DIA 0.092 0.042 5.012 0.248 1.043 0.377 0.185
비교예4 TiCN/DIA 0.089 0.044 5.064 0.240 1.044 0.352 0.167
비교예5 TiCON/DIA 0.839 0.453 2.521 1.388 0.969 0.480 0.350
비교예6 TiCON/DIA 0.855 0.821 1.541 2.905 0.208 0.520 0.184
실시예1 TiCON/DIA 1.480 0.679 1.049 2.040 0.770 0.517 0.465
실시예2 TiCON/DIA 1.516 0.919 1.090 2.005 0.546 0.532 0.393
상기 표 3에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 및 2의 TiCON의 (111)결정면 집합계수는 비교예 1 내지 6의 TiC(O)N (111)결정면 집합계수 대비 높은 것을 알 수 있었고, 그 값은 모두 1.0 이상 이었다.
이로부터 실시예 1 및 2의 다이아몬드 코팅층은 비교예 다이아몬드 코팅층 대비 높은 (111) 배향성을 갖도록 제어될 수 있었다.
(내박리성 평가)
일반적으로 흑연 및 복합소재(CFRP+Ti) 가공시 피삭재와 공구의 반복적인 인선 충격에 의해 다이아몬드 코팅층의 박리가 다이아몬드 코팅 절삭 공구의 주요 마모 기구로, 내마모성의 평가에서 다이아몬드 박막과 모재간의 밀착력이 큰 변수라고 할 수 있다. 아래 표 4 및 5에서는 비교예와 실시예에 대한 박막 배향 특성에 따른 내박리성을 드릴 및 엔드밀 절삭성능 평가 결과로 나타내었으며. 절삭성능 평가 조건은 다음과 같았다.
피삭재 : CFRP(T700) + Ti
형번 : MSDPHSA02510-1.2C-4.4L
Vc : CFRP : 45 m/min, Ti : 15 m/min
fn : CFRP : 0.1 mm/Tooth, Ti : 0.05 mm/Tooth
ap : CFRP : 5mm, Ti : 2mm
구분 하지층 최외층 절삭수명
(가공Hall)		 마모유형
조성 배향성
(220)/(111)		 조성 배향성
(220)/(111)		 Test 1 Test 2
종래예 화학전처리 - DIA 0.686 58 62 마모/치핑
비교예1 TiCN 77.580 DIA 1.749 10 6 박리
비교예2 TiCN 61.350 DIA 1.514 13 15 박리
비교예3 TiCN 42.608 DIA 1.229 17 8 박리
비교예4 TiCN 14.984 DIA 1.228 19 15 박리
비교예5 TiC0.56O0.1N0.32 1.874 DIA 1.133 28 32 박리
비교예6 TiC0.32O0.57N0.11 1.405 DIA 1.262 35 25 박리
실시예1 TiC0.51O0.21N0.28 0.553 DIA 0.422 66 75 마모/치핑
실시예2 TiC0.46O0.32N0.22 0.559 DIA 0.582 63 68 마모/치핑
상기 표 4에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 비교예 1 내지 6의 경질 피막에서 모두 비정상적으로 수명이 종료되었음을 알 수 있었다. 또한, 화학적 전처리를 통해 다이아몬드 코팅층을 형성한 종래예의 경질 파막은 실시예에 비해 절삭수명이 열세인 것을 확인하였다. 이에 따라, 본 발명의 실시예 1 및 2에 따른 경질 피막은 복합소재 드릴링 가공에서 적합하게 사용될 수 있고, 종래의 화학전처리를 통한 경질 피막보다 우수한 성능을 나타내는 것을 알 수 있었다.
또한, 상기 표 1의 조건으로 제조된 실시예 및 비교예의 다이아몬드 코팅 절삭 공구의 흑연에 대한 밀링 가공 절삭성능을 다음과 같은 조건으로 평가하였다.
피삭재 : 흑연(Graphite)
형번 : APKT1604PDFR-MA
Vc : 300 m/min
Fn : 0.15 mm/Tooth
ap : 2mm
이상과 같은 조건으로 내박리성을 평가한 샘플과 그 결과를 아래 표 5에 나타내었다.
구분 하지층 최외층 절삭수명
(가공량 cm3)		 마모유형
조성 배향성
(220)/(111)		 조성 배향성
(220)/(111)		 Test 1 Test 2
종래예 화학
전처리		 - DIA 0.686 1710 2,250 여유면마모
비교예1 TiCN 77.580 DIA 1.749 990 900 박리
비교예2 TiCN 61.350 DIA 1.514 900 990 박리
비교예3 TiCN 42.608 DIA 1.229 1,080 1,160 박리/치핑
비교예4 TiCN 14.984 DIA 1.228 1,160 1,160 치핑/박리
비교예5 TiC0.56O0.1N0.32 1.874 DIA 1.133 1,620 1,800 여유면마모치핑
비교예6 TiC0.32O0.57N0.11 1.405 DIA 1.262 1,350 1,530 여유면마모
실시예1 TiC0.51O0.21N0.28 0.553 DIA 0.422 2,700 2,970 여유면마모
실시예2 TiC0.46O0.32N0.22 0.559 DIA 0.582 2,610 2,610 여유면마모
상기 표 5에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 및 2에 따른 경질 피막은 하지층인 TiCON과 최외각층 다이아몬드 코팅층 모두 (111) 우선 배향성으로 증착되어 박막간의 구조적 결합도가 높아 모두 정상마모로 테스트가 종료되었으나, 비교예 1 내지 4에 따른 시편은 박리, 치핑 등의 비정상마모로 테스트가 종료 되어 본 발명에 비해 절삭수명이 현저하게 낮음을 알 수 있었다. 또한 비교예 5 및 6의 경우 정상마모로 테스트가 종료되었지만, 이들 샘플에서 하지층 TiCON은 실시예 1 및 2의 하지층 대비 산소 함량이 차이로 인해 (111) 배향성이 낮아 이를 통한 경질 피막은 내박리성이 화학전처리를 한 종래예의 경우 보다 열세하였다. 즉 TiCON 박막과 다이아몬드 코팅층의 밀착도를 향상시키기 위해서 TiCON의 산소 함량 제어가 필요함을 알 수 있었다.
또한, 실시예 1 및 2에 따른 경질 피막은 종래의 화학전처리를 통한 경질피막 보다 절삭 수명이 우수함을 확인할 수 있었다.
(내마모성 평가)
상기 표 1의 조건으로 제조된 경질피막의 흑연에 대한 내마모성 절삭성능을 평가하기 위하여 다음과 같은 조건으로 절삭성능을 평가하였다.
피삭재 : 흑연(Graphite)
형번 : DBE2030-060-S6
Vc : 216 m/min
fn : 0.1 mm/Tooth
ap : 0.1 mm
ae : 0.05 mm
구분 하지층 최외층 절삭수명
(가공시간 min)		 마모유형
조성 배향성
(220)/(111)		 조성 배향성
(220)/(111)		 Test 1 Test 2
종래예 화학
전처리		 - DIA 0.686 60 70 여유면마모
비교예1 TiCN 77.580 DIA 1.749 30 48 과대마모
치핑
비교예2 TiCN 61.350 DIA 1.514 50 25 과대마모
치핑
비교예3 TiCN 42.608 DIA 1.229 37 42 과대마모
치핑
비교예4 TiCN 14.984 DIA 1.228 48 15 과대마모치핑
비교예5 TiC0.56O0.1N0.32 1.874 DIA 1.133 66 65 여유면마모치핑
비교예6 TiC0.32O0.57N0.11 1.405 DIA 1.262 66 72 여유면마모
치핑
실시예1 TiC0.51O0.21N0.28 0.553 DIA 0.422 95 87 여유면마모
실시예2 TiC0.46O0.32N0.22 0.559 DIA 0.582 88 92 여유면마모
상기 표 6에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 및 2에 따른 경질 피막은 비교예 1 내지 6의 경질 피막에 비해 우수한 절삭 수명을 나타내었다. 또한, 화학전처리를 실시한 종래의 경질 피막에 비해서도 절삭 수명이 더 긴 것을 확인할 수 있었다.
한편, 실시예와 유사한 배향성을 갖는 비교예 5 및 6의 경질피막은 절삭 수명에서 실시예 보다는 열세이지만 종래의 화학전처리를 통한 경질 피막과 동등 수준을 나타내었다.
이어서, 상기 표 1의 조건으로 제조된 경질 피막의 흑연가공에 대한 내마모성 절삭성능을 다음과 같은 조건으로 평가하였다.
피삭재 : 흑연(Graphite)
형번 : LBH200-KF
Vc : 300 m/min
fn : 0.15 mm/Tooth
ap : 1 mm
ae : 2
일반적으로 흑연 가공 시에는 기계적인 마찰마모가 주요 마모경향으로 나타나기 때문에 박막의 내마모성이 큰 변수라고 할 수 있다. 하기 표 7은 상기 흑연 볼 타입 밀링 연속 가공 시험 결과를 나타낸 것이다.
구분 하지층 최외층 절삭수명
(가공량 cm3)		 마모유형
조성 배향성
(220)/(111)		 조성 배향성
(220)/(111)		 Test 1 Test 2
종례예 화학
전처리		 - DIA 0.686 3,720 3,960 여유면마모
비교예1 TiCN 77.580 DIA 1.749 1,800 2,520 과대마모
박리
비교예2 TiCN 61.350 DIA 1.514 2,760 2,460 과대마모
박리
비교예3 TiCN 42.608 DIA 1.229 2,280 2,040 과대마모
비교예4 TiCN 14.984 DIA 1.228 2,640 3,000 과대마모
비교예5 TiC0.56O0.1N0.32 1.874 DIA 1.133 3,120 3,360 여유면마모
비교예6 TiC0.32O0.57N0.11 1.405 DIA 1.262 3,000 3,240 여유면마모
실시예1 TiC0.51O0.21N0.28 0.553 DIA 0.422 4,200 4,440 여유면마모
실시예2 TiC0.46O0.32N0.22 0.559 DIA 0.582 3,840 3,600 여유면마모
상기 표 7에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 및 2에 따른 경질피막은 흑연을 대상으로 하는 절삭성능 시험에서 모두 정상적인 여유면 마모로 수명이 종료되었으나, 비교예 1 내지 4에 따른 경질 피막은 모두 과대마모로 수명이 종료되어 본 발명에 비해 절삭수명이 현저하게 낮음을 확인할 수 있었다. 또한 실시예와 유사한 (111)배향성을 갖는 비교예 5 및 6은 비교예 1 내지 4 보다 가공수명이 길고 종래예와 유사한 내마모성을 보였다. 이는 (111)배향성이 높은 하지층 위에 (111) 배향성 다이아몬드 코팅층이 증착되어 내마모성이 향상된 것임을 알 수 있었다.

Claims (7)

  1. 경질 모재;
    상기 경질 모재 상에 형성되고 (111)결정면으로 우선배향된 TiCON 코팅층; 및
    상기 TiCON 코팅층 위에 형성되고 (111)결정면으로 우선배향된 다이아몬드 코팅층을 포함하고,
    상기 TiCON 코팅층은 하기 [화학식 1]로 표현되는 조성 범위를 가지는, 다이아몬드 코팅 절삭 공구.
    [화학식 1] TiCxOyNz(x+y+z=1, x,y,z>0, 0.3≤x≤0.6, 0.15≤y≤0.45, 0.1≤z≤0.4)
  2. 제 1 항에 있어서,
    XRD분석에 따른 상기 TiCON 코팅층의 (111)결정면의 피크가 IT1이고, (220)결정면의 피크는 IT2 일때, IT2/IT1 < 1.5 인, 다이아몬드 코팅 절삭 공구.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 TiCON 코팅층은, XRD분석에 따른 상기 (111)결정면의 집합계수(Textured Coefficient, TC)인 TC(111)는 1.0 이상인, 다이아몬드 코팅 절삭 공구.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 코팅층은, XRD분석에 따른 상기 (111)결정면의 피크가 ID1 이고, (220)결정면의 피크가 ID2일때 ID2/ID1 < 0.7 인, 다이아몬드 코팅 절삭 공구.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 TiCON 코팅층과 상기 다이아몬드 코팅층이 서로 맞닿는 계면은 서로 이물림 결합구조인, 다이아몬드 코팅 절삭 공구.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 코팅층의 두께는 5~30㎛인, 다이아몬드 코팅 절삭 공구.
  7. 경질 모재 상에 화학기상 증착법(CVD)으로 하기 [화학식 1]로 표현되는 조성을 가지고 (111)결정면으로 우선배향된 TiCON 코팅층을 형성하는 단계; 및
    상기 TiCON 코팅층 위에 기상합성법으로 (111)결정면으로 우선배향된 다이아몬드 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는, 다이아몬드 코팅 절삭 공구 제조 방법.
    [화학식 1] TiCxOyNz(x+y+z=1, x,y,z>0, 0.3≤x≤0.6, 0.15≤y≤0.45, 0.1≤z≤0.4)
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