KR102642652B1 - 피복 절삭 공구 및 절삭 공구의 코팅 방법 - Google Patents
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Abstract
0.25-30 ㎛ 의 총 두께를 갖는 코팅과 기재를 포함하는 피복 절삭 공구로서, 코팅은 제 1 층과 제 2 층을 포함하고, 제 1 층은 0.2-15 ㎛ 의 두께를 갖는 내마모성 PVD 증착 층이며, 기재와 제 2 층 사이에 배치되고, 제 2 층은 Cr 층인, 피복 절삭 공구.
Description
본 발명은 칩 형성 금속 기계가공을 위한 피복 절삭 공구에 관한 것이다. 본 발명은 또한 절삭 공구의 코팅 방법에 관한 것이다.
1980 년대 중반 이후, 내마모성과 같은 특성을 개선하여 절삭 공구 코팅의 성능을 개선하기 위한 노력이 있었다. 그 시점에는, TiN 으로 절삭 공구를 코팅하는 것이 흔한 일이었다. 그러나, 고온에서의 비교적 불량한 내산화성 때문에, (Ti, Al)N 에서의 Al 합금화가 제안되어 1980 년대 중반에 시행되어 좋은 결과를 얻었다. 오늘날 (Ti,Al)N 계 코팅은 금속 절삭 분야에 사용되는 가장 일반적인 경질 보호 코팅 재료들 중 하나이다. 적층 코팅 구조의 모노리스 층 및/또는 부분으로서, (Ti, Al)N 의 입방정 (B1) 구조는, 높은 경도 및 개선된 온도 및 산화 저항성과 같은 매력적인 기계적 특성들을 갖추어 금속 기계가공 분야에서 양호한 성능을 제공한다. (Ti, Al)N 의 기술적 이점과 특히 고온에서의 그의 우수한 물리적 특성은 입방정 (Ti, Al)N 이 결맞은 (coherent) 입방정 c-AlN- 및 c-TiN-풍부 도메인들로 동등구조적으로 (isostructurally) 분해되는 스피노달 분해 프로세스의 면에서 일부 설명된다. 결맞은 c-AlN- 및 c-TiN-풍부 도메인들 사이의 격자 불일치와 탄성 특성들의 조합은 (Ti, Al)N 얇은 층의 경도가 15% 내지 20% 증가하는 것을 보여주는 상당한 시효 경화를 초래한다. 추가 시효 시, c-AlN 은 열역학적으로 안정한 육방정 부르자이트 B4 구조, h-AlN 으로 변태되어, 기계적 특성이 감소된 c-TiN 및 h-AlN 을 포함하는 이상 (dual phase) 구조를 초래한다.
그러나, 상당한 응착 마모 (adhesive wear) 를 야기하는 작업 재료의 기계가공과 같은 특정 상황에서, 본 코팅 해법은 개선이 필요하다.
본 발명의 목적은 공구와 작업편 사이의 상호 작용을 최적화함으로써 절삭 성능을 향상시키는 코팅을 갖는 피복 절삭 공구를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 상기 코팅으로 절삭 공구를 코팅하는 방법 및 ISO M 재료의 기계가공을 위한 절삭 공구의 사용을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 0.25-30 ㎛ 의 총 두께를 갖는 코팅과 기재 (substrate) 를 포함하는 피복 절삭 공구로서, 코팅은 제 1 층과 제 2 층을 포함하고, 제 1 층은 0.2-15 ㎛, 바람직하게는 0.2-10 ㎛, 가장 바람직하게는 0.5-5 ㎛ 의 두께를 갖는 내마모성 PVD 증착 층이며, 제 1 층은 기재와 제 2 층 사이에 배치되고, 제 2 층은 코팅의 최외부 층인 Cr (크롬) 층인, 피복 절삭 공구가 제공된다.
일 실시형태에 따르면, Cr 층은 금속성 Cr 으로 이루어진다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, Cr 층의 두께는 0.05-5 ㎛, 바람직하게는 0.05-3 ㎛ 이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, CuKα 방사선을 사용하여 피복 공구에서 수집된 X선 회절 (XRD) θ-2θ 스캔은 Cr 층으로부터의 체심 입방 (bcc) 구조 피크를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, Cr 층은 결정 방위 (crystallographic orientation) 관계가 0.3 < R1 < 1, 바람직하게는 0.4 < R1 < 1 인 bcc 구조를 가지며, 여기서 R1 = I(110)/(I(110)+I(200)+I(211)) 이고, I(110), I(200), 및 I(211) 은 각각 bcc 구조 (110), (200), 및 (211) Cr 층 회절 피크에 대해 CuKα 방사선으로 획득된 θ-2θ 스캔의 pseudo-Voigt 피크 프로파일 피팅 결과로부터 추출되는 XRD 피크 넓이 (peak area) 이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, Cr 층은 결정 방위 관계가 0 < R2 < 0.6 인 bcc 구조를 가지며, 여기서 R2 = I(200)/(I(110)+I(200)+I(211)) 이고, I(110), I(200), 및 I(211) 은 각각 bcc 구조 (110), (200), 및 (211) Cr 층 회절 피크에 대해 CuKα 방사선으로 획득된 θ-2θ 스캔의 pseudo-Voigt 피크 프로파일 피팅 결과로부터 추출되는 XRD 피크 넓이이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, Cr 층은 결정 방위 관계가 0 < R3 < 0.2 인 bcc 구조를 가지며, 여기서 R3 = I(211)/(I(110)+I(200)+I(211)) 이고, I(110), I(200), 및 I(211) 은 각각 bcc 구조 (110), (200), 및 (211) Cr 층 회절 피크에 대해 CuKα 방사선으로 획득된 θ-2θ 스캔의 pseudo-Voigt 피크 프로파일 피팅 결과로부터 추출되는 XRD 피크 넓이이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, Cr 층 두께와 총 코팅 두께 사이의 비가 0.01 내지 2, 바람직하게는 0.01 내지 1, 가장 바람직하게는 0.05 내지 0.5 이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제 1 층은 나노인덴테이션 실험에 의해 측정되는 때 20 GPa 초과의 경도 H, 바람직하게는 24 GPa 초과의 경도 H, 가장 바람직하게는 24 GPa 초과 40 GPa 미만의 경도 H 를 갖는다.
일 실시형태에 따르면, CuKα 방사선을 사용하여 수집된 X선 회절 (XRD) θ-2θ 스캔은 Cr 층으로부터의 체심 입방 (bcc) 구조 피크를 제 1 층으로부터의 NaCl 타입 구조 피크 및 Cr 층으로부터의 체심 입방 구조 피크를 포함한다.
일 실시형태에 따르면, (110) 면심 입방 Cr 피크의 XRD 피크 강도와 제 1 층으로부터 유래하는 (200) NaCl 구조 피크의 XRD 피크 강도 사이의 비 R4 가 0.05 < R4 < 30 이고, XRD 피크 강도는 CuKα 방사선으로 획득된 θ-2θ 스캔의 pseudo-Voigt 피크 프로파일 피팅 결과로부터 추출되는 피크 넓이로서 평가된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제 1 층은 결정 방위 관계가 0.5 < RA ≤ 1 인 NaCl 타입 결정 구조를 가지며, 여기서 RA = IA(200)/(IA(200)+IA(111)) 이고, IA(200) 및 IA(111) 은 각각 NaCl 구조 (200) 및 (111) 제 1 층 회절 피크에 대해 CuKα 방사선으로 획득된 θ-2θ 스캔의 pseudo-Voigt 피크 프로파일 피팅 결과로부터 추출되는 XRD 피크 넓이이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 피크 넓이 비 RA 는 0.6 < RA ≤ 1 이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 피크 넓이 비 RA 는 0.5 < RA < 0.9 이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 피크 넓이 비 RA 는 0.6 < RA < 0.9 이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 피크 넓이 비 RA 는 0.5 < RA < 0.8 이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 코팅은 산소 (O) 와 탄소 (C) 중 적어도 하나를 소량, 0 내지 5 원자%, 바람직하게는 0 내지 2 원자%, 가장 바람직하게는 0 내지 1 원자% 의 총 농도까지 함유할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제 1 층은 0.1 < x < 0.7 및 0.6 < y < 1.1 인 (Ti1-xAlx)Ny 층이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제 1 층은 NaCl 구조 입방정 상 c-(Ti1-xAlx)Ny 층이고, 여기서 0.1 < x < 0.7, 바람직하게는 0.4 < x < 0.7, 및 0.7 < y < 1.1 이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 0.5 < x < 0.7 이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 0.5 < x < 0.6 이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 0.7 < y < 1.05 이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, NaCl 구조 c-(Ti1-xAlx)Ny 층은 다음 중 각각을 5 원자% 미만으로 선택적으로 함유한다: 입방정 상 c-TiN, 입방정 상 c-AlN 및 육방정 상 h-AlN.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제 1 층은 서브층 두께가 5 내지 50 nm 인 NaCl 구조 (Ti1-vAlv)Nw / (Ti1-aSia)Nb 나노라미네이트이고, 여기서 0.1 < v < 0.7, 바람직하게는 0.4 < v < 0.7, 0.7 < w < 1.1, 0.02 < a < 0.25, 바람직하게는 0.05 < a < 0.15, 및 0.7 < b < 1.1 이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제 1 층은 (Ti1-mSim)Nn 층이고, 여기서 0 ≤ m < 0.25, 바람직하게는 0 ≤ m < 0.15, 및 0.7 < n < 1.1 이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제 1 층은 (Cr1-cAlc)Nd 층이고, 여기서 0.5 < c < 0.9, 바람직하게는 0.5 < c < 0.8, 및 0.7 < d < 1.1 이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제 1 층은 (Cr1-eAle)2O3 층이고, 여기서 0.5 < e < 0.9, 바람직하게는 0.5 < e < 0.8 이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 기재는 초경합금, 서멧, 세라믹, 강 및 입방정 질화 붕소 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 기재는 WC 및 4-15 중량% Co 를 포함하는 초경합금을 포함한다.
일 실시형태에 따르면, 코팅은 제 1 및 제 2 층 이외에 제 3 층을 더 포함할 수 있다. 제 3 층은 기재와 제 1 층 사이 또는 제 1 층과 제 2 층 사이에 배치될 수 있는 단층 또는 다층일 수 있다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, PVD (물리 기상 증착) 기술, 바람직하게는 음극 아크 증착에 의해, 보디 및 경질의 내마모성 코팅을 포함하는 피복 절삭 공구의 제조 방법이 제공되며, 이 방법은, 50 A 내지 200 A 의 증발 전류, 총 가스 압력 1.0 Pa 내지 7.0 Pa, 바람직하게는 2.0 Pa 내지 5.0 Pa 의 순수 Ar 을 함유하는 가스 분위기, 및 실온 내지 500℃ 의 증착 온도를 적용하고 순수 Cr 캐소드를 사용함으로써 Cr 층을 성장시키는 단계를 포함한다. Cr 층은 코팅의 최외부 층으로서 배치된다.
일 실시형태에 따르면, 전술한 방법은 0 V 내지 150 V 의 네거티브 기재 바이어스의 적용을 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 방법은, 복합재 및/또는 합금화 (Ti,Al) 캐소드들을 사용하여, 그리고 1.0 Pa 내지 7.0 Pa, 바람직하게는 2.5 Pa 내지 5 Pa 의 총 가스 압력에서 N2 를 함유하며 Ar 과 선택적으로 혼합된 반응성 가스 분위기에서, 200 ℃ 내지 800 ℃, 바람직하게는 300 ℃ 내지 600 ℃ 의 온도에서, 0 V 내지 300 V, 바람직하게는 20 V 내지 150 V, 더 바람직하게는 30 V 내지 100 V 의 네거티브 기재 바이어스로, 증발 전류 50 A 내지 200 A 의 음극 아크 증발에 의해, 기재와 Cr 층 사이에 배치된, 0.1 < x < 0.7 및 0.7 < y < 1.1 의 (Ti1-xAlx)Ny-층인 제 1 층을 성장시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 제 1 층은 0.1 < x < 0.7 및 0.7 < y < 1.1 인 (Ti1-xAlx)Ny 층이고, 복합재 및/또는 합금화 (Ti,Al) 캐소드들을 사용하여 성장된다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 절삭 속도 및 인서트 지오메트리에 따라 0.05 - 0.5 mm/rev, 바람직하게는 0.1 - 0.4 mm/rev 의 평균 이송으로, 10 - 400 m/min, 바람직하게는 35 - 300 m/min, 가장 바람직하게는 50-200 m/min 의 절삭 속도에서, 오스테나이트계 스테인리스 강과 같은 ISO M 재료의 기계가공에서의 전술한 임의의 실시형태에 따른 피복 절삭 공구의 용도가 제공된다.
정의
여기서 사용되는 용어 "절삭 공구" 는 선삭, 밀링 또는 드릴링과 같은 칩 제거에 의한 금속 절삭에 적합한 절삭 공구를 의미한다. 절삭 공구의 예로는 인덱서블 절삭 인서트, 솔리드 드릴 또는 엔드 밀이 있다.
여기서 표시되는 용어 "기재" 는 코팅이 증착되는 보디로서 이해되어야 한다. 이 기재, 예를 들어 절삭 공구 인서트가 추가 재료가 레이크면상의 절삭 에지 위에 놓이는 (이른바 팁트 보디 (tipped body)), 또는 전체 레이크를 덮는 (이른바 풀 페이스 보디) 배킹 보디 (backing body) 를 포함하는 보디 또는 솔리드 보디일 수 있다는 것이 절삭 공구들에 공통된다. 팁트 또는 풀 페이스 솔루션은 다결정 다이아몬드 또는 다결정 입방정 질화 붕소 재료에 기초하는 절삭 기술에 자주 사용된다.
도 1 은 본 발명의 실시형태들에 따른 3 개의 코팅에 대한 X선 회절도를 보여준다. "S" 로 표시된 피크는 기재로부터 유래하고, "A" 로 표시된 피크는 제 1 층으로부터 유래하며, "Cr" 로 표시된 피크는 Cr 층으로부터 유래한다.
본 발명에 따르면, 기재 및 코팅으로 이루어진 피복 절삭 공구가 제공된다. 코팅은 제 1 층 및 제 2 층을 포함하며, 제 1 층은 내마모성 PVD 증착 층이고, 제 2 층은 Cr 층이다. Cr 층은 최외부 층으로 배치되고, 놀랍게도 Cr 층이 기계가공에서 개선된 성능을 제공하는 것으로 밝혀졌다. Cr 층은 PVD 증착 층이며, 0.05 ㎛ 내지 3 ㎛ 의 두께를 갖는다.
층들의 평균 조성은 Thermo Noran EDS 가 장착된 피복 표면에의 수직 입사 및 20 kV 에서 작동되는 LEO Ultra 55 주사 전자 현미경 (SEM) 을 사용하여 EDS (energy dispersive spectroscopy) 분석 영역에 의해 추정되었다. 내부 표준 및 ZAF 보정이 정량 분석에 사용되었다. 금속 조성은 Noran System Six (NSS ver 2) 소프트웨어를 사용하여 평가되었다.
Bragg-Brentano 구성에서 Cu Kα 방사선 및 Bruker AXS D8-advance X선 회절계를 사용하여 XRD 에 의해 코팅 상 검출 및 바람직한 결정학적 배향의 평가를 수행하였다. 전형적으로, 다결정질 혼합 상 재료에서 각각의 상에 대한 검출 한계는 5 부피% 미만이다.
도 1 은 본 발명의 실시형태들에 따른 3 개의 코팅으로부터 수집된 θ-2θ X선 회절도를 보여준다. 코팅 상들은 코팅 단계는 JCPDS 카드 01-1261 (Cr) 및 38-1420 (c-TiAlN) 에 대해 인덱싱되었으며, 후자는 c-TiN 에 비해 c-TiAlN 의 더 작은 격자 파라미터에 맞도록 이동되어야 했다. 회절 기술의 검출 한계에 근접하거나 그 미만인 소량의 입방정 상 c-TiN, 입방정 상 c-AlN 및 육방정 상 h-AlN 이 배제될 수 없다.
XRD 회절도에서 결정질 피크의 위치 및 강도 (면적) 는 각각의 결정질 피크에 pseudo-Voigt 함수를 피팅함으로써 결정된다. 그리고, 피팅 함수는 배경으로부터 발생하는 잔류 산란을 설명하기 위한 선형 항을 포함한다. XRD 데이터 피크 피팅은 Bruker AXS Topas 2.1 소프트웨어를 사용하여 수행되었다. 결과적인 피크 면적은 본 발명의 실시형태들에 따른 비 R1, R2, R3, R4 및 RA 를 계산하는데 사용된다.
예 1
탄화 텅스텐 (WC) 및 예컨대 티타늄, 탄탈룸 또는 니오븀의 다른 탄화물과 균형을 이루는 6 내지 13 중량% Co 바인더 및 다양한 양의 바인더 합금 원소들, 예컨대 철, 크롬, 니켈, 몰리브덴 또는 이 원소들의 합금을 포함하는 다양한 조성의 초경합금 (WC-Co) 절삭 공구들이 음극 아크 증발에 의한 층 증착을 위한 기재로서 사용되었다.
증착 전에, 절삭 공구들은 알칼리 용액 및 알코올의 초음파 욕 (ultrasonic baths) 에서 세척되었다. 시스템은 2.0x10-3 Pa 미만의 압력으로 비워졌으며, 그 후 공구들은 Ar 이온으로 스퍼터 세정되었다. 그 다음, 코팅 I1-I10 의 경우, 약 150 A 의 증발 아크 전류 및 약 50 V 의 네거티브 기재 바이어스를 적용하고 4.5 Pa 의 총 가스 압력의 반응성 N2 가스 분위기에서 Ti0.45Al0.55 캐소드를 사용하여 450 ℃ 에서 Ti0.47Al0.53N 층이 증착되었다. 이어서, 약 150 A 의 증발 아크 전류를 적용하여 4 Pa 의 총 가스 압력의 Ar 분위기에서 Cr 캐소드를 사용하여 외부 가열없이 별도의 공정으로 Cr 층들이 증착되었다. 기재 바이어스 및 두께는 표 1 에 나타낸 바와 같이 여러 코팅을 생성하도록 Cr 층에 대해 변화되었고, 코팅 I5-I10 에 대해 추가의 Ar 에칭이 Cr 증착 전에 도입되었다. 또한, Cr 층이 없는 기준 Ti0.47Al0.53N 코팅 C1 이 동시에 그리고 상기한 바와 동일한 파라미터로 제조되었다. 압력 약 1 Pa 의 순수 O2 분위기에서 크롬 알루미늄 산화물 층이 증착된 코팅 I15 및 C6 을 제외하고, 유사한 공정 변수를 사용하여 음극 아크 증발에 의해 코팅 I11-I15 및 코팅 C2-C6 의 제 1 층들이 또한 증착되었다.
본 발명의 실시형태들에서 규정된 바와 같은 XRD 피크 강도 비가 표 1 에 나타나 있다.
코팅 I1-I10 의 제 1 층에 해당하는 코팅 C1 의 경도는 표면의 기계적 연마 후, Berkovich 다이아몬드 팁 및 25 mN 의 최대 팁 하중으로 UMIS 2000 나노인덴테이션 시스템을 사용하여 나노인덴테이션 실험으로부터 평가되었다. Oliver 와 Pharr 의 방법을 사용하여 하중-변위 곡선으로부터 경도를 평가 하였다 [W.C. Oliver and G.M. Pharr, J. Mater. Res. 7, 1564 (1992)]. 평균 약 30 개의 압흔이 만들어졌고, 용융 실리카 기준 샘플이 교정을 확인하는데 사용되었다. 또한, 표면의 기계적 연마 후, Berkovich 다이아몬드 팁 및 4 mN 의 최대 팁 하중을 사용하여 나노인덴테이션 실험으로부터 코팅 I11-I15 의 제 1 층에 해당하는 코팅 C2-C6 의 경도가 평가되었다. Oliver 와 Pharr 의 방법을 사용하여 하중-변위 곡선으로부터 경도를 평가 하였다 [W.C. Oliver and G.M. Pharr, J. Mater. Res. 7, 1564 (1992)]. 평균 약 20 개의 압흔이 만들어졌고, 용융 실리카 기준 샘플이 교정을 확인하는데 사용되었다. 따라서 평가된 코팅의 C1-C6 의 경도가 표 1 에 기재되어 있다. 표준 오차는 ± 2 GPa 로 추정되었다.
예 2
약 6 중량% Co 를 함유하며 본 발명의 코팅 I2-I4 및 예 1 로부터의 비교 코팅 C1 으로 코팅된 WC-Co 인서트들 (ISO 지오메트리 TPUN160308) 을 316L 의 선삭에서 시험하였다. 다음의 데이터를 사용하여, 반복된 5 mm 절삭 길이로 시험을 행하였다:
절삭 속도: 80 m/min
이송: 0.2 mm/rev
절삭 깊이: 2 mm
성능 기준: 플랭크 마모
표 2 는 기준 비교 코팅에 관하여 본 발명의 코팅의 더 낮은 플랭크 마모를 보여준다.
예 3
약 13 중량% Co 를 가지며 코팅 I1 및 예 1 로부터의 코팅 C1 으로 코팅된 WC-Co 인서트들 (ISO 지오메트리 TPUN160308) 을 다음의 데이터로 316L 의 선삭에서 시험하였다:
절삭 속도: 150 m/min
이송: 0.2 mm/rev
절삭 깊이: 3 mm
성능 기준: 플랭크 마모
본 발명의 코팅 I1 의 결과적인 플랭크 마모는 기준 비교 코팅의 플랭크 마모의 약 80% 였다.
예 4
약 13 중량% Co 를 가지며 코팅 I1 및 예 1 로부터의 코팅 C1 으로 코팅된 WC-Co 인서트들 (ISO 지오메트리 XOMX120408TR-ME08) 을 다음의 데이터로 316L 의 밀링에서 시험하였다:
밀링 커터: R417.69-2525.3-12-3A
절삭 속도: 120 m/min
이송: 0.19 mm/tooth
절삭 깊이: 5 mm
ae: 3 mm (12%)
성능 기준: 플랭크 마모
본 발명의 코팅 I1 의 결과적인 플랭크 마모는 기준 비교 코팅의 플랭크 마모의 약 65% 였다.
예 5
약 6 중량% Co 를 가지며 본 발명의 코팅 I2-I10 및 예 1 로부터의 비교 코팅 C1 으로 코팅된 WC-Co 인서트들 (ISO 지오메트리 TPUN160308) 을 316L 의 선삭에서 시험하였다. 다음의 데이터를 사용하여, 반복된 20 mm 절삭 길이로 시험을 행하였다:
절삭 속도: 80 m/min
이송: 0.2 mm/rev
절삭 깊이: 2 mm
성능 기준: 플랭크 마모
표 3 은 기준 비교 코팅에 관하여 본 발명의 코팅의 더 낮은 플랭크 마모를 보여준다.
예 6
약 6 중량% Co 를 가지며 본 발명의 코팅 I1 및 I11-I15 및 예 1 로부터의 비교 코팅 C1-C6 로 코팅된 WC-Co 인서트들 (ISO 지오메트리 SNUN120308) 을, 상업적으로 입수 가능한 스크래치 시험기 (CSM Instruments Revetest®) 를 사용하여 수행된 슬라이딩 시험에서 시험하였다. 시험에서, 직경이 10 mm 이며 연마된 (Ra = 25 nm) 반구형 단부 표면 (반경 5 mm) 을 갖는 스테인리스 강 (AISI 316L) 핀을, PVD 코팅된 초경합금 인서트에 대해 로딩하였다. 슬라이딩 시험은 20 N 의 수직 하중과 10 mm/min 의 상대 슬라이딩 속도를 사용하여 주변 공기 (21-22 ℃, 25-26 % RH) 에서 건식 조건 하에서 수행되었다. 슬라이딩 거리는 10 mm 였고, 각 시험은 3 번 반복되었다. 시험 동안, 마찰 계수 및 음향 방출이 연속적으로 기록되었다.
상응하는 비교 코팅에 비교하여 각각의 본 발명의 코팅에 대해 측정된 마찰 계수의 감소가 표 4 에 제시되어 있다. 본 발명의 코팅들이 그들의 상응하는 비교 코팅에 비교하여 마찰 계수의 현저한 감소를 나타낸다는 것이 명백하다.
Claims (18)
- 0.25-30 ㎛ 의 총 두께를 갖는 코팅과 기재 (substrate) 를 포함하는 피복 절삭 공구로서,
상기 코팅은 제 1 층과 제 2 층을 포함하고,
상기 제 1 층은 0.2-15 ㎛, 또는 0.2-10 ㎛, 또는 0.5-5 ㎛ 의 두께를 갖는 내마모성 PVD 증착 층이며,
상기 제 1 층은 상기 기재와 상기 제 2 층 사이에 배치되고,
상기 제 2 층은 Cr 층이며, 상기 Cr 층은 상기 코팅의 최외부 층이고,
상기 Cr 층은 결정 방위 (crystallographic orientation) 관계가 0.3 < R1 < 1 인 체심 입방 구조를 가지며, 여기서 R1 = I(110)/(I(110)+I(200)+I(211)) 이고, I(110), I(200), 및 I(211) 은 각각 bcc 구조 (110), (200), 및 (211) Cr 층 회절 피크에 대해 CuKα 방사선으로 획득된 θ-2θ 스캔의 pseudo-Voigt 피크 프로파일 피팅 결과로부터 추출되는 XRD 피크 넓이 (peak area) 인, 피복 절삭 공구. - 제 1 항에 있어서,
상기 Cr 층의 두께가 0.05-5 ㎛, 또는 0.05-3 ㎛ 인 것을 특징으로 하는, 피복 절삭 공구. - 제 1 항에 있어서,
상기 Cr 층은 PVD 증착 층인 것을 특징으로 하는, 피복 절삭 공구. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 층은 0.1 < x < 0.7 및 0.6 < y < 1.1 인 (Ti1-xAlx)Ny 층인 것을 특징으로 하는, 피복 절삭 공구. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 층은 NaCl 구조 c-(Ti1-xAlx)Ny 층이고, 여기서 0.1 < x < 0.7 및 0.7 < y < 1.1 인 것을 특징으로 하는, 피복 절삭 공구. - 제 4 항에 있어서,
0.5 < x < 0.6 인 것을 특징으로 하는, 피복 절삭 공구. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 층은 서브층 두께가 5 내지 50 nm 인 NaCl 구조 (Ti1-vAlv)Nw / (Ti1-aSia)Nb 나노라미네이트이고, 여기서 0.1 < v < 0.7, 또는 0.4 < v < 0.7, 0.7 < w < 1.1, 0.02 < a < 0.25, 또는 0.05 < a < 0.15, 및 0.7 < b < 1.1 인 것을 특징으로 하는, 피복 절삭 공구. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 층은 (Ti1-mSim)Nn 층이고, 여기서 0 ≤ m < 0.25, 또는 0 ≤ m < 0.15, 및 0.7 < n < 1.1 인 것을 특징으로 하는, 피복 절삭 공구. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 층은 (Cr1-cAlc)Nd 층이고, 여기서 0.5 < c < 0.9, 또는 0.5 < c < 0.8, 및 0.7 < d < 1.1 인 것을 특징으로 하는, 피복 절삭 공구. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 층은 (Cr1-eAle)2O3 층이고, 여기서 0.5 < e < 0.9, 또는 0.5 < e < 0.8 인 것을 특징으로 하는, 피복 절삭 공구. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
총 코팅 두께에 대한 상기 Cr 층의 두께의 비가 0.05 내지 0.5 인 것을 특징으로 하는, 피복 절삭 공구. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 층은 20 GPa 초과의 경도 H, 또는 24 GPa 초과의 경도 H 를 갖는 것을 특징으로 하는, 피복 절삭 공구. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 층은 NaCl 타입 구조를 갖고, 상기 Cr 층은 면심 입방 구조를 가지며, (110) 면심 입방 Cr 피크의 XRD 피크 강도와 상기 제 1 층으로부터 유래하는 (200) NaCl 구조 피크의 XRD 피크 강도 사이의 비 R4 가 0.05 < R4 < 30 이고, XRD 피크 강도는 CuKα 방사선으로 획득된 θ-2θ 스캔의 pseudo-Voigt 피크 프로파일 피팅 결과로부터 추출되는 피크 넓이로서 평가되는 것을 특징으로 하는, 피복 절삭 공구. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기재는 초경합금, 서멧, 세라믹, 강 및 입방정 질화 붕소 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 피복 절삭 공구. - 제 14 항에 있어서,
상기 초경합금은 WC 및 4-15 중량% Co 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 피복 절삭 공구. - PVD (물리 기상 증착) 기술, 또는 음극 아크 증착에 의해, 초경합금, 서멧, 세라믹, 강 또는 입방정 질화 붕소의 기재에, 0.25-30 ㎛ 의 두께를 갖는 경질의 내마모성 코팅을 적용하는 단계로서, 상기 코팅은 제 1 층 및 제 2 층을 포함하고, 상기 제 1 층은 내마모성 PVD 증착 층이고, 상기 제 2 층은 상기 코팅의 최외부 층으로서 배치되는 Cr 층인, 상기 적용하는 단계, 및
50 A 내지 200 A 의 증발 전류, 총 가스 압력 1.0 Pa 내지 7.0 Pa, 또는 2.0 Pa 내지 5.0 Pa 의 순수 Ar 을 함유하는 가스 분위기, 및 실온 내지 500℃ 의 증착 온도를 적용하고 순수 Cr 캐소드를 사용함으로써 상기 Cr 층을 성장시키는 단계
를 포함하는 피복 절삭 공구의 제조 방법. - 제 16 항에 있어서,
복합재 및/또는 합금화 (Ti,Al) 캐소드들을 사용하여, 그리고 1.0 Pa 내지 7.0 Pa, 또는 2.5 Pa 내지 5 Pa 의 총 가스 압력에서 N2 를 함유하며 Ar 과 선택적으로 혼합된 반응성 가스 분위기에서, 200 ℃ 내지 800 ℃, 또는 300 ℃ 내지 600 ℃ 의 온도에서, 0 V 내지 300 V, 또는 20 V 내지 150 V, 또는 30 V 내지 100 V 의 네거티브 기재 바이어스로, 증발 전류 50 A 내지 200 A 의 음극 아크 증발에 의해, 상기 기재와 상기 Cr 층 사이에, 0.1 < x < 0.7 및 0.7 < y < 1.1 의 (Ti1-xAlx)Ny-층인 제 1 층을 성장시키는 단계
를 포함하는 피복 절삭 공구의 제조 방법. - 삭제
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