KR20060130196A - 절삭 공구용 코팅 및 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 특히 절삭 공구용 코팅으로, 상기 코팅은 단일 PVD-공정에서 제조될 수 있고, 상기 코팅에 의해 두 가지 색을 띠는 절삭기가 간단하게 제작될 수 있다. 2 개의 서로 상이한 색상의 금속 경질 재료 층들의 사이에는 분리층(11)이 배치되고, 상기 분리층은 다른 층들과 동일한 PVD-공정에서 형성된다. 상기 분리층은 모래 블래스팅, 브러싱 또는 유사한 공정에서 매우 짧은 연마 시간으로 커버층의 제거를 가능하게 한다.
코팅, PVD-공정, 커버층, 분리층, 마모 방지층

Description

절삭 공구용 코팅 및 제조방법 {Coating for a cutting tool and corresponding production method}
본 발명은 특히 절삭 공구용에 적합한 코팅, 이러한 코팅이 제공된 절삭 공구, 및 해당 코팅을 만들기 위한 제조 방법에 관한 것이다.
절삭 공구들에는 칩 제거 효율 또는 수명을 향상시키기 위해, 또는 다른 이유에서 소정의 특성을 얻기 위해 코팅이 일반적으로 제공된다. 예를 들면 DE 100 48 899 A1에는, 마모를 감소시키는 코팅을 가진 절삭 공구가 커팅 인서트의 형태로 공지된다. 상기 코팅은 예를 들면 Al2O3-층으로 형성된다. 마모를 감소시키는 코팅은 절삭 공구의 레이크(rake) 표면 및 자유 표면에 걸쳐 연장된다. 자유 표면에는 표시 코팅(indicator coating)이, 예를 들면 커버층의 형태로 제공되고, 상기 커버층은 마모 방지층의 색과 확연히 다른 색을 지닌다. 이로써 자유 표면에서 발생하는 장식층의 연마는 해당하는 인접 커팅 에지의 사용에 대한 신뢰할 만한 표시이다. 층들은 CVD-공정으로 전체 표면에 형성되지만, 장식층은 레이크 표면으로부터 연마된다. 이를 위해 적절한 브러싱 공정 또는 유사한 공정이 이용될 수 있다. 장식층을 레이크 표면으로부터 기계적으로 제거하는 경우, 양호한 선택성이 얻어져 야 한다. 마모 방지층의 손상은 허용될 수 없다.
PVD-공정에서 제조되는 커팅 인서트는 일반적으로 마모 방지층으로서, 예를 들면 TiAlN-층과 같은 금속 경질 재료 층을 포함한다. 이러한 커팅 인서트는 예를 들면 DE 199 24 422 C2에 공지된다. 상기 마모 방지층 상에 제공되는, 예를 들면 TiB2-층 또는 이와 유사한 층인 커버층은 마모 방지층처럼 금속 결정 구조를 가진다. 이러한 커버층과 마모 방지층 사이의 접착성은 높다. 이 때문에 장식층으로서 사용되는 경우, 커버층의 마찰 특성이 고려되어야 한다. 상기 커버층은 마모 표시기로서도 적절하지 않다.
층들의 서로 강한 접착성으로 인해, 커버층은 마모 부하, 그 마찰 특성, 및 금속 칩 형성 시 나타나는 다른 특성과 매칭되는 특성을 가져야한다.
그러므로, 본 발명의 과제는 PVD-공정으로 제작하기에 적합하고, 그 커버층이 마모 표시기로서 적합한 코팅을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 코팅은 마모 방지층으로서 금속 경질 재료 층을 포함하고, 상기 마모 방지층은 외부 방향으로 커버층이 커버되는데, 상기 커버층은 마모 방지층에 대한 감소된 접착성을 갖거나, 또는 분리층에 의해 마모 방지층에 대한 제한된 접착성을 갖는다. 이때, 커버층은 금속 경질 재료 층 표면의 일부만을 차지하고, 그 외의 부분들은 노출된다. 커버층과 금속 경질 재료 층 사이에는 분리층이 배치되고, 상기 분리층은 커버층과 마모 방지층 사이의 금속 결정 결합을 분리시키거나 약화시킨다. 분리층은 다른 층들의 금속 결정 구조를 분리하거나 또는 적어도 방해하는, 접착을 방해하거나 또는 접착을 감소시키는 층이다.
분리층은 마모 방지층으로 사용되는 금속 경질의 재료 층에 대한 커버층의 접착성을 미미하게 감소시킨다. 접착성은 바람직하게는, 절삭 공구가 적절하게 사용되고 칩 형성 과정을 수행하면, 그 자체 또는 그 위에 놓인 층이 연마될 정도로 낮다. 연마는 용도에 따라 전체 면으로 또는 국부적으로 이루어질 수 있다. 커버층은 비교적 쉽게 마모될 수 있다. 이로써 커버층은 마찰 특성 및 마모 특성이 아무런 역할을 하지 않는 장식층으로서 순전히 미적인 관점에 따라 설계될 수 있다. 커버층은 절삭 공구가 사용되는 즉시 제거된다. 이로써, 커버층은 마모 표시층으로 사용될 수 있다. 이는 특히 마모 방지층으로서 사용하는 금속 경질 재료 층과 커버층의 색상이 확연히 다른 경우 적용된다.
그러므로, 절삭 공구의 코팅은 금속 경질 구조를 가진 마모 방지층, 마모 방지층에 대한 제한적인 접착성을 가진 커버층 및/또는 분리층을 포함한다. 상기 분리층은 적어도 마모 방지층의 한 부분 상에 제공되고, 마모 방지층과 커버층 사이에 배치되고, 그리고 마모 방지층에 대한 커버층의 접착성을 제한한다. 여기에서 금속 경질 구조를 가진 층은, 예를 들면 TiAlCN-층, AlCrN-층, TiC-층 또는 이와 유사한 층으로 탁월한 금속 결합을 가진 층을 의미한다.
마모 방지층은 바람직하게는 PVD-공정에서 형성되고, 마찬가지로 분리층 및 커버층도 상기 PVD-공정에서 형성된다. 단일 PVD-코팅 공정에서 코팅 제조가 가능하고, 커버층은 바람직하게는 분리층과 함께 기계적인 후처리 공정에서 연마된다. 상기 후처리는 브러싱, 모래 블래스팅, 또는 유사한 공정을 통해 이루어진다. 분리층의 작용으로 인해 연마 시간은 단 몇 초로 이루어진다. 예를 들면 산화 알루미늄(고급 커런덤)을 이용한 블래스팅을 통해, 단지 1 바아의 압력 및 단 2 초간의 블래스팅 시간으로, 상부면의 10 배율 광학 확대에서도 커버층의 어떠한 잔류물도 더 이상 보이지 않게, 예를 들어 0.2㎛의 TiN-층이 완전히 제거된다. 마모 방지층(금속 경질 재료 층)은 상기 형태의 짧은 부하에서 거의 영향을 받지 않는다.
커버층의 접착성은 커버층을 손상시키기 않고 절삭 공구를 안전하게 다룰 수 있을 정도라면 충분하다. 절삭 공구 1회 사용은 커버층의 부분적인 연마로 인해 즉시 판별된다. 이 경우에는 커버층은 공구의 제 1 회의 사용 시에 대응하는 사용 표시기로서 사용된다.
커버층으로서 예를 들면 TiO2와 같은 산화물(이극성의) 층 또는 예를 들면 티탄 질화물층 또는 하프늄 질화물층이 적합하다. 또한 제 4 족 또는 제 5 족 금속의 다른 산화물, 탄화물 또는 질화물도 적합하다. 금속 결정 구조를 갖고 있는 커버층들이 바람직하다. 이에 반해 분리층은 예를 들면 금속 결정 구조를 가지지 않는다. 이는 분리층으로서 사이드 그룹 금속의, 바람직하게는 제 4 족 또는 제 5 족 금속의 산화물층이 사용됨으로써 이루어진다. 극도로 부드럽고 마찰성이 적은, 예를 들면 TiO2-층 또는 다른 CN-층의 약 0.1㎛의 얇은 막이 생성되는 것이 바람직하다. 또한 MoS2-층 또는 극단의 비화학량론적 층으로도 바람직한 결과가 얻어진다. 예를 들면 극도로 응력을 받는 층들도 커버층과 마모 방지층 사이의 접착성을 제한한다. 응력을 받는 TiN-층 또는 DLC-층(다이아몬드상 카본)이 사용될 수 있다. 적합한 분리층은 각각, 가능한 추가 비용 없이 전체 코팅의 제조를 위해 PVD-공정에 통합될 수 있는 지의 여부에 따라 선정될 수 있다. 분리층은 상황에 따라 상기 분리층 위에 놓이는 층들에 대해 설정 파괴점을 형성한다.
마모 방지층(금속 경질 재료 층)은 가장 간단한 경우 단층의 구조를 가질 수 있다. 상황에 따라 다층의 구조도 사용될 수 있다.
제안된 코팅은 PVD-공정에서 큰 수고나 비용 없이 제조될 수 있고, 증착된 커버층은 차후에 기계에 의해 간단하게 제거된다. 이를 통해 다색의 절삭 공구가 간단하고 합리적인 방식으로 제조될 수 있다. 여기에서 절삭 공구는 경질 금속 드릴, 밀링 공구 및 이와 유사한 공구와 같은 완전 절삭 공구를 의미하거나, 또한 가역(reversible) 커팅 인서트, 커팅 비츠(cutting bits) 및 이와 유사한 공구와 같은 커팅 인서트만을 의미하기도 한다.
본 발명의 실시예의 다른 바람직한 개별 요소는 도면, 상세한 설명 또는 청구항에 기재된다. 도면에는 본 발명의 실시예가 도시된다.
도 1은 발명에 따른 절삭 공구의 개략적 사시도,
도 2는 도 1의 절삭 공구의 부분적 단면도,
도 3은 PVD-코팅 실시 후의 절삭 공구의 축척에 맞지 않는 개략적 횡단면도,
도 4는 도 3의 커버층 및 그 아래에 놓인 분리층의 부분적인 연마 후의 절삭 공구의 개력적인 단면도 및
도 5는 다양한 층들에서 나타나는 절삭 공구의 응력에 따른 예시로서의 응력 곡선의 다이어그램
도 1에는 커팅 인서트(cutting insert)(1)가 절삭 공구로서 또는 상기 절삭 공구의 적어도 중요 부분으로서 도시된다. 커팅 인서트(1)는, 레이크 표면(rake surface)(2)을 형성하는 커버면 및 자유 표면(3,4)을 형성하는 측면들을 포함한다. 상기 도면 부호들은 커팅 인서트(1)의 방사 방향 제작에서도 동일하다. 접선 또는 측면 제작의 경우에는 측면들이 레이크 표면들로서 사용되고, 커버면이 자유 표면으로서 사용된다. 레이크 표면(2)과 자유 표면(3,4) 사이에는 절삭 에지들(5,6)이 형성된다.
커팅 인서트(1)는 경금속 커팅 인서트이다. 도 2에는 상기 커팅 인서트의 횡단면의 부분이 극도로 확대되어 도시된다. 나타나는 바와 같이, 커팅 인서트(1)는 베이스 바디(7)을 포함하고, 상기 베이스 바디의 상위면은 커팅 인서트(1)에 제공되는 코팅(8)을 위한 기판을 형성한다. 코팅(8)은 PVD-공정에서 제공된다. 기판과 직접 경계를 형성하는 내부 층으로서는, 금속 경질 재료 층(MH)으로서 형성된 마모 방지층(9)이 제공된다. 이것은, 금속적 특성을 가진 예를 들면 TiAlN-층 (titanium aluminum nitride 티타늄 알루미늄 질화물)이다. 상기 층은, 예를 들면 코발트를 포함한 탄화 텅스텐(cobalt-containing tungsten carbide)과 같은 경금속으로 형성된 베이스 바디(7) 상에 견고하게 접착된다. TiAlN-층의 두께는 목적에 따라 결정될 수 있다. 본 실시예에서 상기 층의 두께는 약 4㎛이다. 티타늄과 알 루미늄의 비율은 33:67이다.
마모 방지층(9)상에는 분리층(11)이 제공되고, 상기 분리층은 그 위에 놓이는 커버층(12)에 대해 금속 접착 결합을 저지한다. 커버층(12)도 바람직하게는 예를 들면 TiN-층과 같은 금속-결정 층이다. 상기 커버층의 두께는 예를 들면 0.2㎛이다. 이 경우에 상기 층은 황금 색의 순수 장식 층이다. 이 색상은 다른 색을 가진 마모 방지층(9)의 색과 확연히 구분된다.
분리층(11)은, 비교적 얇게 선정될 수 있는, 예를 들면 티타늄 다이옥시드(TiO2) 층이다. 두께는 예를 들면 0.1㎛이면 충분하다. 상기 산화물(oxide) 층은 금속 특성을 갖지 않고, 그로써 커버층(12)이 마모 방지층(9)에 접착되는 것을 제한한다. 전술된 코팅(8)은 마모 방지층(9), 분리층(11) 및 커버층(12)이 차례로 증착되는, 일련의 단일 공정에서 하나 및 동일한 PVD-코팅 장치의 반응 용기(reaction vessel)내에서 제조된다.
분리층(11) 및 커버층(12)은, 전술되었듯이 화학적 및/또는 구조적으로 상이한 층일 수 있다. 그러나 또한 상기 2 층은, 마모 방지 층(9)에 대한 접착을 제한하는 특성을 지닌 분리층 및 커버층으로 통합될 수 있다. 이 경우, 분리층(11)이 동시에 커버층을 형성한다.
제조 방법은 하기와 같다.:
우선 마모 방지층(9), 그 후 분리층(11), 그리고 나서 커버층(12)이 베이스 바디(7) 상에 증착되도록, 베이스 바디(7)를 상응하는 PVD-코팅 장치 내로 진입시 킨다. 이렇게 형성되는 코팅(8)을 우선 베이스 바디(7)의 모든 노출된 표면들 상에, 즉 적어도 레이크 표면(2) 및 자유 표면(3,4)에 형성해야 한다. 이 상태에서 커팅 인서트(1)를 PVD-반응 그릇으로부터 꺼낸다.
커팅 인서트의 레이크 표면(2)과 자유 표면들(3,4)의 색상이 다른, 2 개의 색상을 지닌 커팅 인서트가 종종 요구된다. 이러한 커팅 인서트들을 제조하기 위해, 커버층(12)은 상응하게 다른 색으로 설정된 표면, 이 경우에는 레이크 표면(2)으로부터 제거된다. 이것은 도 3에서 도시되듯이, 모래 블래스팅(14)으로 구현될 수 있다. 분사 바디로서는 알루미늄옥시드(320 메쉬, 고급 커런덤, 320 mesh size, high-grade corundum)가 사용된다. 짧은 연마 시간, 예를 들면 2 초 동안 커버층(12)은 물론 분리층(11)도 레이크 표면(2)으로부터 눈에 보이는 잔류물 없이 제거된다. 이것은 도 4에 도시된다. 두께가 0.1㎛인 상기 TiO2-분리층은, 블래스팅(14)이 직접 닿지 않는 장소에서는 커버층(12)이 손상 없이 유지될 정도의 접착성 및 강도를 가진다.
다른 실시예에서는 커팅 인서트(1)가 다른 마모 방지층(9) 및 다른 커버층(12)을 가질 수 있다. 그러나 마모 방지층(9)은 PVD-공정에서 제작되는 금속 경질 재료 층이다. 예를 들면 Al2O3처럼 금속 구조가 없는 경질 재료 층들은 마모 방지층(9)의 금속 경질 재료 층에 포함되지 않는다. 커버층으로서는 전술된 TiN-층 및, 예를 들어 TiC-층, CrN-층, HfN-층 및 유사한 다른 금속 층들이 사용된다. 커버층(12)과 마모 방지층(9)의 접착을 제한하는 분리층(11)으로서는 바람직하게 금 속이 아닌 모든 층이 사용될 수 있다. 전술된 실시예에서 TiO2-층과 더불어, PVD 공정에서 증착될 수 있고 금속 결합을 가지지 않는 다른 산화물 층들이 사용될 수 있다. 여기에서 특히 제 4 족 및 제 5 족 금속 산화물들이 사용될 수 있다. 또한 다른, 바람직하게는 공유 결합된 층들, 예를 들면 MCN-층들이 사용될 수 있다. 이 경우, M은 임의의 금속, 바람직하게는 제 4 족 및 제 5 족 금속이다. 또한 예를 들면 MoS2-층들 (황화 몰리브덴, molybdenum sulfide) 또는 탄소 층들(DLC)과 같은 다른 공유 결합된 층들도 사용될 수 있다. 또한 예를 들면 TiN-층들과 같은 금속 결합된 분리층들이 제공되는 것도 고려된다. 상기 층들에서 접착성을 제한하기 위해서는 상기 층들이 극도의 응력을 받아야 한다. 응력은 예를 들면 화학량론의 비율과 큰 편차를 가짐으로써 얻어진다. 도 5는 마모 방지층(9), 분리층(11) 및 커버층(12)에서의 응력 곡선을, 접착성의 제한이 마모 방지층(9) 및 커버층(12)에 대한 분리층(11)의 반대 응력에 의해 얻어지는 예시적인 경우에 대해 도시한다. 코팅에서 나타나는 응력이 곡선 15로 도시된다. 마모 방지층(9), 분리층(11) 및 커버층(12)에서의 응력은 예를 들면 하기와 같다.
마모 방지층(9) : -2 GPa에 상응하는 2 GPa(Giga pascal=109pascal) 압축 응력까지,
분리층(11) : 0.8 GPa에 상응하는 약 0.8 GPa 인장 응력,
커버층(12): -1 GPa에 상응하는 약 1 GPa 압축 응력.
하나의 PVD 코팅 공정에서 형성되고, 간단한 방식으로 2 가지 색이 있는 절 삭 공구가 형성될 수 있는 코팅, 특히 절삭 공구용의 코팅이 설명된다. 서로 다른 색상의 두 개의 금속 경질 재료 층 사이에는 다른 층들과 동일한 PVD-코팅 공정에서 형성되는 분리층(11)이 배치된다. 상기 분리층은 매우 짧은 연마 시간을 가진 모래 블래스팅, 브러싱, 또는 유사한 방법을 통해 커버층의 연마를 가능하게 한다.

Claims (23)

  1. 특히 절삭 공구용 코팅(8)으로서,
    마모 방지층(9)으로서 금속 경질 재료 층(MH)을 포함하고, 상기 마모 방지층(9)의 적어도 일부 상에 제공되는 분리층(11)을 포함하는 절삭 공구용 코팅.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 분리층(11) 상에 바람직하게는 장식층인 커버층(12)이 배치되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 코팅.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 커버층(12)이 상기 마모 방지층(9)의 색상과 식별 가능하게 다른 색상을 가지는 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 코팅.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 커버층(12)이 ZrC-, CrC-, ZrN, CrN-, TiN-, TiC-, HfC-, 또는 HfN-층인 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 코팅.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 커버층(12)은 금속 결정 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 코팅.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 분리층(11)은 금속 결정 구조를 가지지 않는 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 코팅.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 분리층(11)이 원소의 화학 주기표의 사이드 그룹의 적어도 하나의 금속(M)을 포함한 산화물층인 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 코팅.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 금속(M)은 제 4 족 원소, 바람직하게는 티탄 또는 지르코늄인 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 코팅.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 금속(M)은 제 5 족 원소인 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 코팅.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 분리층(11)은 탁월한 공유 결합을 가진 화학적 결합을 포함하는 또는 화학적 결합인 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 코팅.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 분리층(11)은 심하게 비화학량적으로 조성되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 코팅.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 분리층(11)은 심하게 응력을 받는 층인 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 코팅.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 분리층(11)은, 상기 마모 보호층 및 상기 커버층(12)의 내부 응력과 실질적으로 다른 내부 응력을 갖는 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 코팅.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 분리층이 DLC-층인 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 코팅.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 분리층이 MoS2-층인 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 코팅.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 마모 방지층(9)이 TiAlN-층 또는 CrAlN-층인 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 코팅.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 마모 방지층(9)이 단층 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 코팅.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 마모 방지층(9)이 다층 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 코팅.
  19. 경질 재료로 이루어진 베이스 바디(7) 및 코팅(8)을 포함한 절삭 공구로서, 상기 코팅은 상기 베이스 바디(7) 상에 제공되고 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 따른 상기 코팅의 구조를 가진 절삭 공구용 코팅.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 마모 방지층(9)은 적어도 하나의 자유 표면(3) 및 적어도 하나의 레이크 표면(4)에 제공되는 반면, 커버층(12)은 자유 표면(3) 및/또는 레이크 표면(2)를 덮지 않거나 또는 부분적으로 덮는 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 코팅.
  21. 절삭 공구의 제작을 위한 제조 방법으로서, PVD-코팅 공정에 의해 베이스 바디(7) 상에 먼저 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 따른 층의 순서로 코팅을 제공한 다음, 커버층(12)을 기계에 의한 연마 공정에 의해 선택된 상부 표면 영역으로부터 제거하는 절삭 공구용 코팅의 제조 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 커버층(12)이 모래 블래스팅 방법에 의해 제거되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 코팅의 제조 방법.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 코팅(8)의 모든 층들이 단일 PVD-공정에서 형성되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 코팅의 제조 방법.
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