KR20060109851A - 코팅된 인서트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적어도 표면의 기능부에 얇고, 부착성이 있는 경질의 내마모 코팅이 제공되는 금속 기계 가공용 절삭 공구 인서트에 관한 것이다. 상기 코팅은 1 ~ 100 nm 의 입자 크기를 갖는 두 성분들로 구성되는 금속 산화물/산화물 복합 층을 포함한다. 그 산화물층은 압축 응력 상태에 있다.

Description

코팅된 인서트 {COATED INSERT}

도 1 은 본 발명의 코팅된 본체를 자른 단면의 개략도이다.

본 발명은 경질 합금의 기재를 가지며, 그 기재의 표면 상에 경질의 내마모성 내화코팅이 물리적 증기 증착 (PVD) 에 의해 증착되는 금속 기계 가공용 코팅된 절삭 공구에 관한 것이다. 상기 내화코팅은 상기 기재에 부착되어 있고, 2 이상의 상을 가지며 압축 응력을 받는 복합층으로 구성되어 있다. 그 복합층은 다른 조성과 다른 조직를 갖는 두 성분으로 구성되는 금속 산화물/산화물 복합물을 포함한다. 그 복합물 층의 입자 크기는 나노미터 수준이다.

알루미나, 탄화 및/또는 질화 티타늄과 같은 재료의 얇은 세라믹 코팅 (1~20 ㎛) 을 예컨대 초경합금 절삭 공구에 증착하는 공정은 잘 확립된 기술이며, 그 코팅된 절삭 공구의 공구 수명은 금속 가공에 사용될 때 상당히 연장된다. 상기 공구의 연장된 사용 수명은 어떤 조건 하에서는 코팅되지 않은 절삭 공구의 수명보다 수백 퍼센트까지 더 연장될 수 있다. 이들 세라믹 코팅은 일반적으로 단일층이나 조합층을 포함한다. 현대의 상업용 절삭 공구는 여러 층이 2 중 또는 다층 구조로 조합되어 있다는데 특징이 있다. 전체 코팅 두께는 1 ~ 20 ㎛ 이고, 개별 하부층의 두께는 수 마이크로미터에서 수백 마이크로미터 까지 다양하다.

그러한 층들을 증착하기 위해 확립된 기술들은 CVD 및 PVD 이다 (예컨대, U.S. 4,619,866 및 U.S. 4,346,123 참고). 초경합금 또는 고속도강이 PVD 로 코팅된 상업용 절삭 공구는 보통 조성이 균일한 TiN, Ti (C,N) 또는 (Ti, Al)N 의 단일층, 또는 이들 상의 다층 코팅으로서, 각각의 층은 하나의 상 재료된 코팅을 갖는다.

절삭 공구 상에 얇은 내화 코팅을 생성시킬 수 있는 여러 PVD 기술들이 있다. 가장 잘 확립된 방법에는 이온 도금법, 마그네트론 스퍼터링법 (magnetron sputtering), 아크 방전 증발법 및 IBAD (이온 빔 보조 증착법) 뿐만 아니라, 이 방법들을 함께 사용하는 방법이 있다. 이 각각의 방법은 나름대로의 이점을 가지며, 미세조직 및 입자 크기, 경도, 응력 상태, 하층 기재에 대한 응집력 및 부착력과 같은 생성된 층의 고유 특성은 선택된 특정 PVD 법에 따라 변할 수 있다. 따라서, 특정 기계 가공 작업에 사용되는 PVD 코팅된 절삭 공구의 내마모성 또는 날 보전성에 대한 개선은 상기 언급된 특성 중 하나 도는 여러 개를 최적화하여 이루어질 수 있다.

입자 강화 세라믹은 벌크 상의 구조용 재료로서 잘 알려져 있지만, 나노 복합물로서 알려진 것은 최근이다. 나노 분산된 다양한 입자를 갖는 알루미나 벌크 세라믹은 J.F.Kuntz 등에 의해 MRS Bulletin Jan 2004, pp 22 - 27 에 공개되었다. 지르코니아 및 티타니아로 강화된 알루미나 CVD 층은, 예컨대 US 6,660,371, US 4,702,907 및 US 4,701,384 에 공개되어 있다. 이들 특허 문헌에서, 층은 CVD 법으로 증착되기 때문에 형성된 ZrO₂ 상은 열적으로 안정된 상, 즉 단사정계 상 (monoclinic phase) 이다. 또한, PVD 층은 PVD 법의 고유 특성 때문에 전형적으로 고압축 응력 상태에 있는 반면에, CVD 로 증착된 층은 일반적으로 인장 응력 또는 저압축 응력 상태에 있다. DE 10251404 에서는, 압축 응력을 주기 위해, 알루미나/지르코니아 CVD 층을 블래스팅하는 것이 소개되어 있다. 블래스팅 처리는 적정 수준의 압축 응력을 부여하는 것으로 알려져 있다.

정방 또는 입방 상과 같은 지르코니아의 준안정 상이 변태 강화로 알려진 메커니즘을 통하여 벌크 세라믹을 더욱 강화시키는 것으로 밝혀졌다 (Hannink et al, J. Am. Ceram. Soc 83 (3) 461 - 87; Evans, Am. Ceram. Soc. 73 (2) 187 - 206 (1990)). Y 또는 Ce 와 같은 안정화 성분을 추가함으로써 또는 진공과 같은 산소 결핍 환경을 만들어서 상기 준안정 상을 촉진할 수 있음이 나타났는데 (Tomaszewski et al, J. Mater. Sci. Lett 7 (1988) 778-80), 이는 전형적으로 PVD 를 사용할 경우에 요구된다. PVD 공정 파라미터가 변하면 산소 화학량론의 변화 및 지르코니아에서의 준안정 상의 형성, 특히 입방 지르코니아 상의 형성을 유발하는 것으로 나타났다 (Ben Amor et al, Mater. Sci. Eng. B57 (1998) 28).

본 발명은 기재의 표면 상에 경질 내마모성 내화코팅을 증착함으로써 금속 기계 가공함에 있어 절삭 공구의 수명을 연장시키는데 목적이 있다.

도 1 은 본 발명의 코팅된 본체를 자른 단면의 개략도이고, 그 단면에서는 본 발명에 따라 산화물/산화물 복합층 (2) 으로 코팅된 기재 (1) 가 보여지고 있다. 고 해상도의 TEM 사진 (투과 전자 현미경) 도 삽입되어 있는데, 산화물 복합층 내에 성분 A(3) 및 성분 B(4) 가 나타나 있다.

본 발명에 따르면, 경질 초경합금, 도성합금 (cermet), 세라믹, 입방 질화 붕소 또는 고속도강 (바람직하게는 초경합금 또는 도성합금) 으로 된 본체를 포함하며, 이 본체 상에는 내마모성 다층 코팅이 증착되어 있고 선삭, 밀링 및 드릴링과 같은 금속 기계 가공을 위한 절삭 공구 인서트가 제공된다. 절삭 공구의 종류는 드릴, 엔드밀 등과 같은 생크형 공구 (shank type tools) 뿐만 아니라, 인덱서블 인서트 (indexable inserts) 도 포함한다. 상기 본체는 또한 종래 기술에 따라 탄화, 질화 또는 카보니트라이드 금속의 단일층 또는 다층으로 0.2 ~ 20 ㎛ 의 두께로 미리 코팅될 수 있고, 금속 원자는 Ti, Nb, V, Mo, Zr, Cr, Al, Hf, Ta, Y 또는 Si 중에서 1 종 이상 선택된다. 그 코팅은 전체 본체 또는 적어도 그 본체의 기능 표면, 예컨대 절삭날, 경사면 (rake face), 플랭크면 및 금속 절삭에 관여하는 기타 표면에 형성된다.

본 발명에 따른 코팅은 상기 본체에 부착되고, 금속 원자가 Ti, Nb, V, Mo, Zr, Cr, Al, Hf, Ta, Y 또는 Si 중에서 선택되는 금속 산화물/산화물 복합물의 1 개 이상의 층을 포함한다. 상기 산화물층은 0.2 ~ 20 ㎛, 바람직하게는 0.5 ~ 5 ㎛ 의 전체 두께를 갖는다. 상기 층은 다른 조성 및 다른 조직을 갖는 두 성 분으로 구성된다. 각 성분은 하나의 금속 요소의 단일상 산화물 또는 2종 이상의 금속 산화물의 고용체이다. 재료의 미세 조직의 특성으로, 성분 A 는 나노 크기의 입자 또는 칼럼으로 평균 입자 또는 칼럼 크기는 1 ~ 100 ㎚, 바람직하게는 1 ~ 70 ㎚, 가장 바람직하게는 1 ~ 20 ㎚ 이며, 성분 B 로 둘러싸여 있다. 성분 B 의 평균 선형 인터셉트는 0.5 ~ 200 ㎚, 바람직하게는 0.5 ~ 50 ㎚, 가장 바람직하게는 0.5 ~ 20 ㎚ 이다. 바람직한 실시형태에서 입자 또는 칼럼의 성분 A 는 정방 또는 입방 지르코니아이며 주변 성분 B 는 비결정질 또는 결정질 알루미나이다. 다른 실시형태에서는 성분 B 가 알파 (α) 및/또는 감마 (γ) 상의 결정질 알루미나이다. 복합 산화물층은 산소 함량에 있어 화학량론보다 적은데, 산소:금속 원자 비는 화학량론적 산소:금속 원자 비의 85 ~ 99 %, 바람직하게는 90 ~ 97 % 이다. 성분 A 및 B 의 부피량은 각각 40 ~ 95 % 와 5 ~ 60 % 이다. 상기 산화물층은 또한 제조 방법의 결과로서 200 ~ 5000 MPa, 바람직하게는 1000 ~ 3000 MPa 의 잔류 압축 응력을 갖게 된다.

상기 코팅된 본체는 또한 금속 원자가 Ti, Nb, V, Mo, Zr, Cr, Al, Hf, Ta, Y 또는 Si 중에서 1 종 이상 선택되는 탄화, 질화 또는 카보니트라이드 금속의 외부 단일층 또는 다층 코팅을 갖는다. 이 층의 두께는 0.2 ~ 5 ㎛ 이다.

본 발명에 따른 층은 PVD 법 또는 이러한 기술의 혼용으로 형성된다. 그러한 기술의 예에는 RF (무선 주파수) 마그네트론 스퍼터링법, DC 마그네트론 스퍼터링법 및 펄스식 이중 마그네트론 스퍼터링법 (pulsed dual magnetron sputtering : DMS) 이 있다. 상기 층은 200 ~ 850℃ 의 기재 온도에서 형성된다.

PVD 공정이 허용한다면, 산화물층은 복합 산화물 타겟 재료를 사용하여 증착된다. 주위 반응 가스 중에서 금속 타겟을 사용하는 반응 공정도 가능하다. 마그네트론 스퍼터링법에 의해 금속 산화물층을 생성하는 경우에는, 둘 이상의 단일 금속 타겟이 사용될 수 있으며, 이 때 금속 산화물 조성은 개별 타겟을 절환하여 조정된다. 바람직한 방법으로, 그 타겟은 원하는 층 조성을 나타내는 조성물과의 화합물이다. 무선 주파수 (RF) 스퍼터링법의 경우에는, 독립적으로 제어된 전력량을 개별 타겟에 부여하여 조성을 제어한다.

예 1

Al₂O₃ + ZrO₂ 나노복합물층이 온도 및 지르코니아 - 알루미나 비에 있어 다양한 공정 조건을 적용하며 고순도 산화물 타겟으로 RF 스퍼터링법을 사용하여 증착되었다. 형성된 층에서 두 산화물의 함량은 지르코니아 타겟과 알루미나 타겟에 대한 전력량을 다르게 하여 제어되었다.

결과적으로 얻어진 층을 XRD 및 TEM 으로 분석하였다. 그 XRD 분석 결과, 결정질 Al₂O₃ 은 나타나지 않았다.

순 ZrO₂ 층을 450℃ 에서 성장시킨 결과 준안정 정방정계 상과, 안정된 단사정계 상이 얻어졌다. 복합재를 형성시키기 위해 알루미나를 지르코니아 플럭스에 추가하였더니 준안정 ZrO₂ 상이 안정화되었다. 이 경우의 타겟 전력량은 각 산화물 타겟에 대해 80W 였다. 스퍼터링 속도를 조절하여 지르코늄의 양 (%) 을 알루미늄에 비해 2 배 더 많도록 하였다. 산소:금속 원자 비는 화학량론적 산소:금속 원자 비의 94 % 였다.

TEM 분석 결과, 증착된 층은 4 nm 의 평균 입자 크기를 갖는 입자 (성분 A) 와 이 입자를 둘러싸면서 2 nm 의 선형 인터셉트를 갖는 비결정질 상 (성분 B) 으로 된 금속 산화물/산화물 나노복합물이 나타났다. 그 입자들은 입방 ZrO₂ 이었고 주변 상은 높은 알루미늄 함량을 가졌다.

예 2

Al₂O₃ + ZrO₂ 나노복합물 층이 반응성 RF (무선 주파수) 스퍼터링 PVD 법을 사용하여 아르곤과 산소의 분위기 속에서 고순도 Al 및 Zr 타겟으로 기재 상에 증착되었다. 형성된 층 내에 두 산화물의 함량은 Zr 타겟과 Al 타겟에 대한 전력량을 다르게 하여 제어되었다. 지르코늄의 양 (%) 이 1 ~ 2 배 많은 복합재를 형성시키기 위해 스퍼터링 속도를 조절하였다.

결과적으로 얻어진 층을 XRD 및 TEM 으로 분석하였다.

XRD 분석 결과, 준안정 ZrO₂ 상이 나타났다. TEM 분석 결과, 증착된 층은 6 nm 의 평균 입자 크기를 갖는 입자 (성분 A) 와 이 입자를 둘러싸면서 3 nm 의 선형 인터셉트를 갖는 비결정질 상 (성분 B) 으로 된 금속 산화물/산화물 나노복합물이 나타났다. 그 입자들은 높은 지르코늄 함량을 가졌고, 주변 상은 높은 알루미늄 함량을 가졌다.

예 3

인서트를 다음에 따라 제조하였다 :

조성 : 86.1 중량 % WC + 3.5 중량 % TaC + 2.3 중량 % NbC + 2.6 중량 % TiC + 5.5 중량 % Co

종류 : CNMG120408-PM

소결 온도 : 1450℃

인서트는 날이 라운딩되었고, 그 후에 세정되어 CVD 법을 사용하여 885℃ 의 코팅 온도에서 3.5 ㎛ 두께의 Ti(C,N) 층으로 코팅되었으며, 그 후 상기 인서트를 2 개의 경우로 나누었다. 경우 A 는 플라즈마 세정된 다음 예 2 에 따른 나노복합물로 PVD-코팅되었다. 경우 B 는 플라즈마 세정된 다음 동일한 코팅 장치에서 지르코니아 층으로 PVD 코팅되었다. 두 경우 모두 산화물 층의 두 약 0.5 ㎛ 였다.

산화물 층의 내마모성을 비교하기 위해서 인서트를 다음과 같은 조건의 선삭 가공으로 시험하였다 :

공작물 : Ovako 825B

절삭 깊이 : 2 mm

이송 : 0.30 mm/rev

절삭 속도 : 200 m/min

절삭 시간 : 10 분

냉각 유체 사용됨

결과 (크레이터 면적) :

경우 A : 0.54 mm²

경우 B : 1.67 mm²

이들 결과로부터 본 발명에 따라 제조된 경우 A 의 산화물층이 가장 우수한 내마모성을 갖는다는 것을 알 수 있다.

본 발명에 의하면, 기재의 표면 상에 경질의 내마모성 내화코팅을 증착함으로써 금속 기계 가공함에 있어 절삭 공구의 수명을 연장시킬 수 있다.

Claims (10)

1. 적어도 표면의 기능부에 얇고 부착성이 있는 경질의 내마모 코팅이 제공되며 초경합금, 도성합금, 세라믹, 입방 질화 붕소 또는 고속도강으로 된 본체를 포함하는 절삭 공구 인서트에 있어서,

   상기 코팅은 금속 원자가 Ti, Nb, V, Mo, Zr, Cr, Al, Hf, Ta, Y 또는 Si 중에서 선택되는 금속 산화물/산화물 복합물의 1 이상의 PVD 층을 포함하고, 그 산화물층은 0.2 ~ 20 ㎛ 의 총 두께를 가지며, 다른 조성 및 다른 조직을 갖는 두 성분 (성분 A, 성분 B) 으로 구성되고, 이들 성분은 한 금속 요소의 단일상 산화물 또는 2 종 이상의 금속 산화물의 고용체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 본체는 제 1 층으로서 0.2 ~ 20 ㎛ 의 두께를 갖는 탄화, 질화 또는 카보니트라이드 금속의 내부 단일층 또는 다층을 가지며, 이 때의 금속 원자는 Ti, Nb, V, Mo, Zr, Cr, Al, Hf, Ta, Y 또는 Si 중에서 1 종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 본체는 0.2 ~ 5 ㎛ 의 두께를 갖는 탄화, 질화 또는 카보니트라이드 금속의 외부 단일층 또는 다층 코팅을 가지며, 이 때의 금속 원자는 Ti, Nb, V, Mo, Zr, Cr, Al, Hf, Ta, Y 또는 Si 중에서 1 종 이 상 선택되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 성분 A 는 1 ~ 100 nm, 바람직하게는 1 ~ 70 nm, 가장 바람직하게는 1 ~ 20 nm 의 평균 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 성분 B 는 0.5 ~ 200 nm, 바람직하게는 0.5 ~ 50 nm, 가장 바람직하게는 0.5 ~ 20 nm 의 평균 선형 인터셉트를 가지는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 성분 A 및 B 의 부피량은 각각 40 ~95 % 및 5 ~ 60 % 인 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 성분 A 는 정방 또는 입방 지르코니아를 포함하고, 상기 성분 B 는 결정질 또는 비결정질 알루미나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 성분 B 는 알파 (α) 상 및/또는 감마 (γ) 상의 결정질 알루미나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 산화물 층 내의 산소:금속 원자 비는 화학량론적 산소:금속 원자 비의 85 ~ 99 %, 바람직하게는 90 ~97 % 인 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 본체는 초경합금 또는 도성합금인 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.

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