KR20070043834A

KR20070043834A - 절삭 공구용 고내산화성 하드 코팅

Info

Publication number: KR20070043834A
Application number: KR1020077003468A
Authority: KR
Inventors: 호세 엔드리노; 폴커 데어프링거; 크리스토프 게이
Original assignee: 오씨 외를리콘 발처스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2005-07-14
Publication date: 2007-04-25
Also published as: JP2008505771A; CA2569860A1; DE602005026392D1; PT1771602E; WO2006005217A2; ES2361281T3; JP4861319B2; MX2007000405A; CN101048528A; ATE498711T1; PL1771602T3; EP1771602B1; WO2006005217A3; BRPI0513216A; ZA200609948B; KR101204184B1; CN101048528B; CA2569860C; US8318328B2; US20080318062A1

Abstract

본발명의 작업편(workpiece)은 그것의 표면이 적어도 부분적으로 다음 조성의 내마모성 하드 코팅을 갖는 것을 특징으로 한다: Al₁ _-a-b-c- _dCr_a X_b Si_c B_d Z, 여기서X는 Nb, Mo, W 또는 Ta 중 적어도 하나의 원소이고; Z는 N, C, CN, NO, CO, CNO 중의 하나의 원소 또는 이들의 화합물이고; 및 0.2 <= a <= 0.5 ; 0.01 <= b <= 0.2 ; 0 <= c <= 0.1 ; 0 <= d <= 0.1 더욱이 본원에는 적어도 하나의 작업편이 진공 코팅 시스템내에 설치되고, 상기 시스템은 적어도 두 개의 금속이나 금속 합금 타겟(target)을 이용하여 활성 기체(reactive gas)를 적어도 일시적으로 첨가하면서 낮은 압력의 아르곤 기체하에서 동작되는 상기와 같은 내마모성 코팅을 증착하는 PVD 방법도 개시된다.

내마모성, 하드 코팅, 절삭 공구, 합금, 전이금속

Description

절삭 공구용 고내산화성 하드 코팅{High Oxidation Resistant Hard Coating for Cutting Tools}

본 발명은 특히 마모에 대한 보호가 필요한 본체를 위해 극도로 높은 산화내성을 가진 하드 코팅과 관련된다. 더욱이 특히 고속도강(high speed steel), 초경 합금(cemented carbide) 또는 엔드밀(end mill), 드릴 비트(drill bits), 절삭 인서트(cutting insert), 기어 절삭기(gear cutters) 및 호브(hob)와 같은 큐빅 보론 나이트라이드(cubic boron nitride (CBN)) 코팅된 절삭 공구인 코팅된 공구와 관련된다. 그 결과 본 발명은 코팅된 내마모성 기계 부분(wear resistant mechanical parts), 특히 펌프(pump), 기어(gears), 피스톤 링(piston rings), 연료 주입기(fuel injectors) 등과 같은 기계 부품에 또한 관련된다.

"하드 코팅 코팅된 공구" 라는 제목의 문헌 A (JP 2002-337007)는 절삭 공구에 높은 내산화성을 제공하는 CrAlN 안의 미세 비결정성 CrAlSiN 입자의 실재를 기술한다. 문헌 B, EP 1 422 311 A2 는 NaCl 타입 결정 구조를 구비한 Al-풍부한 (Al-rich) CrAlSi (NBCO) 코팅을 언급한다. 문헌 C, JP 2002-337005는 적어도 한 층은 CrAlN로 구성되고 다른 한 층은 CrSiBN의 한 종류로 구성된 내마모성(abrasive-resistant) 코팅된 공구를 기술한다. 문헌 D, JP 2002-160129는 Ti, Cr, Si 또는 Al을 기초로 하는 물질로 구성되고, 그 후에 AlCrN을 기초로 하는 하드 필름으로 코팅된 중간층을 구비한 공구를 기술한다. 문헌 E, JP 10-025566 는 고온 내산화성을 가진 CrAlN 코팅을 언급한다. 룩샤이더(Lugscheider) 등에 의한 과학 논문인 '표면과 코팅 기술(Surface & Coatings)' v.174-175 pp. 681-686 (2003)(문헌 F)은 절삭 공구에 증착(deposition)된 CrAlN + C 틴(thin) 코팅의 기계적 및 마찰적 성질의 조사, 특히 절삭과 드릴링(drilling)의 적용에 유용한 것으로 보고된 낮은 마찰 성능을 구비한 CrAlN+C 코팅을 언급한다. 울만(Uhlmann) 등에 의한 제 4회 국제 회의 '제조 기술에 있어서의 코팅'(THE Coatings in Manuf. Engineering) pp. 111-120 (2004)은 고성능 절삭 공구에 대한 새로운 개발을 보고한다.(문헌 G) 상기 논문은 다층성 CrN/ TiAlN, CrMoTiAlN 및 CrAlVN 하드 코팅의 증착에 대하여 설명한다. [A] , [B] 및 [C]에서, 하드 양극 코팅(hard anodic coatings)은 경도 및 고온에서의 내산화성을 증가시켜 절삭 공구의 연마 및 산화 마모 속도를 줄이는데 영향을 주는 실리콘이나 산소를 적어도 하나 포함하는 CrAl을 기초로 하는 시스템 층으로 구성되었다. [D]에서 기초 물질은 Ti, Cr, Si 또는 Al 층으로 먼저 코팅되고 AlCrN 하드 층이 그 위에 형성된다. 금속 매개층은 코팅과 공구 사이의 열적 팽창의 차이에 기인하는 어떤 변형에 대해서도 완충 변형 흡수층으로 사용된다. [E]에서, 하드 AlCrN 코팅은 활성 질소 대기에서 Al 및 Cr 타겟(target)으로부터 물리적 기상 증착(physical vapor deposition)에 의해 형성된 다. AlCrN 시스템의 열 저항은 1000 ℃까지 보고되었다. [F]에서 저자는 하드 탄소 표면과 CrAlN 코팅의 결합에 의한 기계적 성질(경도 및 영의 계수와 같은) 및 마찰적 성질에 있어서의 개발을 보고한다. 그와 같은 조합은 드릴링 및 밀링(milling)의 적용에 있어서 성공적일 것이라는 것이 주장되었다. [G]에서 저자는 이온 플레이팅(ion plating) 과정에 의한 크로뮴(chromium), 알루미늄(aluminum) 및 바나디움(vanadium) 금속 소스(sources)를 조합한 층으로 증착된 다중층 CrAlVN 코팅을 언급한다. 그 결과, 증착된 코팅의 기계적 성능은 표준 TiAlN 코팅에 의해 유지되는 수준에 미치지 못한다.

[발명의 요약]

본 발명은 특히 고온이 수반되고, 기계 재료 적용(machine materials application)이 어려운(예컨대 툴 스틸(tool steel), 오스테나이트계 스테인리스 스틸(austenitic stainless steel), 알루미늄과 티타늄 합금의 가공) 고속 절삭 적용에 있어서, TiCN, TiAlN, AlTiN의 낮은 내마모성 층들 및 유사한 하드 코팅을 목표로 한다. 고온의 적용에 있어서 알려진 CrAlN 코팅의 유익한 영향이 있음에도 불구하고, 특히 절삭 및 포밍 공구(forming tools) 또는 특히 내연기관(combustion engine)에 사용되는 부품이 사용되는 특정한 적용에 훨씬 더 나은 성능을 제공하는 대안이 마련 되어야 한다.

CrAlN 코팅의 수행은 니오비움(niobium), 탄탈륨(tantalum), 몰리브데늄(molybdenum), 및/또는 텅스텐(tungsten)과 같은 전이금속의 첨가로 최적화된다. 부가적으로 상술한 극한의 조건하에서 경도를 더 증가시키고, 공구의 마모 및 기계 부품이 닳는 것을 줄이기 위해 실리콘 및/또는 보론과 같은 메탈로이드(metalloids)가 첨가될 수 있다. 신규한 족의 코팅체는 칩 형성 과정에 영향을 줌으로써, 공구의 서비스 수명을 증가시키고, 기계 부품을 교체하는 및/또는 고가의 절삭 기구를 리샤프닝(resharpening) 하는 비용을 줄여서, 결과적으로 가능한 더 높은 절삭 속도를 달성하게 하여 생산성을 향상시킨다.

도 1은 알루미늄-크로뮴-전이금속 질소화물(aluminum-chromium-transition metal nitride)의 결정구조의 모식도이다,

도 2는 알루미늄-크로뮴 전이 금속 질소화물의 엑스레이 회절 패턴(X-ray diffraction pattern)및 격자 파라미터(lattice parameter)를 나타낸 그래프이다,

도 3은 알루미늄-크로뮴-몰리브데늄 질소화물(aluminum-chromium-molybdenum nitride)의 엑스레이 회절 패턴 및 텍스쳐(texture) 상수를 나타낸 그래프이다,

도 4는 알루미늄-크로뮴-전이 금속 질소화물에 의해 얻어질 수 있는 미세구조의 모식도이다; (a) 다결정(polycrystalline) (b) 텍스쳐드(textured) (c) 나노복합체(nanocomposite),

도 5는 알루미늄-크로뮴-전이 금속 질소화물의 경도(hardness) 및 잔류 응력(residual stress) 측정 결과를 나타내는 그래프이다,

도 6은 제 2 이온 질량 분석계의 깊이 프로파일(profile)을 나타낸 도면이다; (a) 전형적인 산화 표면 (b) 산화 결핍 표면 (c) 최적 산화 표면, 및

도 7은 알루미늄-크로뮴-전이 금속 질소화물의 고온 내마모성 볼-온-플랫(ball-on-flat) 시험 결과를 나타낸 그래프이다.

합금-AlCrN 코팅은 산업적인 발저스 고속 코팅 시스템(rapid coating system:RCS) 기계를 사용하여 얻어진다. 이 기계는 높은 부착 세기(adhesion strengths)를 촉진시키는 기판의 빠른 가열 및 에칭을 허용하는 낮은 전압 아크(arc) 방전 장치를 포함한다. 또한 스퍼터링(sputtering), 음극 아크(cathodic arc) 및 나노-분산 아크 제트 소스(nano-dispersed arc jet sources)로부터 선택될 수 있는 6개의 증착 소스를 구비한다. 증착되는 동안, 고정 또는 펄스 바이어스 힘이 공급됨으로써 음극 바이어스 전압은 기판 공구나 부품에 인가될 수 있다. RCS 장치 전체의 설명 및 도면은 미국특허공개 제 2002/0053322 호에서 찾을 수 있다.

다양한 작업편(workpieces)에 본 발명의 코팅을 증착시키기 위해 사전에 세정된 작업편이 그것들의 직경을 따라 이중 회전이나 또는 50mm 이하의 직경의 경우, 삼중 회전 기판 캐리어에 탑재된다. 코팅 시스템 내에 설치된 방사상의 히터가 작업편을 500 ℃ 까지의 온도로 가열하고, 0.2 Pa의 아르곤 기체하에서 인가되는 -100에서 -200까지의 바이어스 볼트에 의해 작업편의 표면은 아르곤 이온으로 연마(polishing)되도록 에칭(etch)된다. 코팅 시스템은 적어도 하나의 활성 기체(reactive gas)를 적어도 일시적으로 첨가하여 적어도 두 개의 금속이나 금속 합금 타겟(target)을 이용하고, 기판에 음전압을 인가하면서 낮은 압력의 아르곤 기체하에서 작동한다.

본 발명의 목적을 위해 작업편은 강철(steel), 고속도강(high speed steel), 하드 메탈(hard metal), 초경 합금(cemented carbide) 이나 다른 적절한 금속 또는 세라믹으로부터 형성된 본체를 가지는 것으로 정의된다. 작업편의 하나의 실시예는 고온 및/또는 건조 툴링 작동(dry tooling operation)을 위한 공구이다. 공구의 예는 절삭 공구(cutting tool), 드릴(drill), 리머(reamer), 브로치(broach), 인서트(insert), 호브(hob), 밀(mill), 엔드밀(enemill), 볼 노우즈 밀(ball nose mill), 포밍 공구(forming tool), 다이 캐스팅 몰드(die casting mold), 인젝션 몰드(injection mold), 스탬핑 공구(stamping tool), 딥 드로잉 공구(deep drawing tool), 포징 다이(forging die)이다. 공구 이외에도 본 발명은 예를 들어 고효율, 고온, 불충분한 윤활(insufficient lubrication)및/ 또는 건조한 가동 조건(dry running conditions) 등에서의 부품에도 적용된다. 그와 같은 부품은 태핏(tappet), 밸브 트레인(valve train)의 부품, 버킷 태핏(bucket tappet), 밸브 레버(valve lever), 트로커 암(trocker arms), 핀(pin), 피스톤 핀(piston pin), 롤러 팔로우어 핀(roller follower pin), 볼트(bolt), 연료 주입 시스템(fuel injection system)의 부품, 인젝션 니들(injection needle), 기어(gear), 핀이온 기어(pinion gear), 플런저(plunger), 피스톤 링(piston ring)을 포함한다. 이 목록은 제한되지 아니하고 본 발명의 다른 구현예 및 응용이 가능하며 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 정의될 수 있다.

본 발명에 연관된 실험에서, 6개의 증착 소스 중 두 가지는 연성(ductile) TiN 부착층(adhesion layer)(0.3㎛ 정도의 두께)을 포함하는 것이 이용되었다. 일부의 실험은 Ti, Cr 및 CrN 과 같은 다양한(miscellaneous) 부착층을 사용하여 반복되었고, 유사한 성능에 도달하였다. 남은 네 가지 소스는 맞춤 제작된 소결된(customized sintered) 알루미늄-크로뮴-전이 금속 타겟과 이온 플레이팅(ion plating) 증착 과정을 사용하여 주요 기능층을 증착하기 위해 이용되었다. 또한 본 실험의 일부에 있어서, 주요 기능층은 전이금속으로 합금된 AlCr과 실리콘(silicon)이나 보론(boron)을 포함한 AlCr의 조합에 의해 공동-증착(co-deposited)되었다. 증착하는 동안, 소스들은 3.5 kw의 전력으로 동작되었고, 질소 기체의 부분압은 대략 3.5 Pa로 유지되었다. 또한 증착되는 동안 기판에 대한 이온 충격(bombardment) 과정을 강화하기 위해 -100V의 기판 바이어스가 인가된다. 증착 시간은 항상 모든 상이한 코팅 조성물에 대해 기능층(functional layer)의 두께가 4μm 근처가 되도록 조정되었다. 소결된 타겟을 위한 총 10 개의 맞춤형 조성물을 준비하였다. 모든 조성물의 모든 타겟에서 알루미늄 원자 함량은 70%로 고정하였다. 하나의 맞춤형 조성물은 30 at. % Cr로 구성되었고, 8개의 맞춤형 조성물들은 각각 25 at.% Cr 및 각각 5 at.% of Ti, Y, V, Nb, Mo, W, Si 로 구성되었으며, 하나의 조성물은 20 at.% Cr 및 10 at.% Mo로 구성되었다. 코팅체의 조성은 사용된 타겟의 조성적 분석에 비례하여 연관되었다.(실시예 1 내지 4에 나타난 바와 같이)

소량의 합금 요소를 포함한 AlCrN 코팅의 바람직한 입방 결정 구조를 도 1에 도시하였다. 순수한 AlCrN 코팅에서, NaCl (Bl) 결정 구조는 이용가능한 양이온 자리(available cation positions)를 놓고 경쟁하는 알루미늄 2 및 크로뮴 3 원자뿐 아니라 질소 음이온으로 구성되어 있다. 이론적으로 소량의 다른 전이 금속(TM) 4의 첨가에 의해 격자구조는 원자 크기와 전기음성도의 차이에 기인하여 약간 일그러지게(distorted)할 수 있다. 또한 대부분의 전이 금속은 다량의 알루미늄 원자의 존재하에서 B1 구조를 안정화하는 능력 면에서 크로뮴보다 훨씬 낮은 능력(capacity)을 갖기 때문에 고용체 용해도(solid solution solubility)가 제한된다. 용질 TM 원자들의 용해도에 영향을 주는 다른 요인은 실제 고용체의 강화를 위해 15%보다 커서는 안되는 TM과 알루미늄 및 크로뮴 사이의 원자 반지름 차이이다. 사실, 이용된 전이 금속 합금의 성질에 의존하여 결과적인 격자 일그러짐 효과(lattice distortion effect)에 기인하여 사용된 용질 원자가 전위(dislocation)의 이동(movement)을 제한하거나 그렇지 않을 수 있다.

x-ray 회절 패턴 및 다양한 AlCr-TM-N 코팅에 대하여 측정된 격자 파라미터가 도 2에 도시되었다. AlCrYN는 예외이나, 상기 코팅은 입방체 AlCrN에 대해 예상된 것과 유사한 특유의 Bl 구조를 보여준다. 이 사실은 용질 TM 원자의 용해도뿐 아니라 전체적인 결정 구조의 구조적인 상 안정성(structural phase stability)에 대한 합금 원소의 원자 반지름 및 전자친화도의 중요성을 뒷받침한다. 따라서 측정된 격자 파라미터의 차이는 전이 금속 도핑의 구조적인 효과에 대하여 독특한 정보를 제공한다. XRD 실험은 AlCrTiN 및 AlCrVN의 경우에, 격자 파라미터가 순수한 AlCrN에 비해 약간 크지만 유사하다는 것을 알려준다. 그러나 AlCrNbN 및 AlCrMoN의 경우에, 격자는 Bl 결정 구조를 유지하면서, 약간 확장된다.(0.02 Å근처) 그러나, AlCrYN, AlCrHfN 및 AlCrZrN의 경우에, 그들의 상대적으로 큰 원자 크기에 기인하여 아주 작은 용해도를 갖을 것으로 예상된다. 이 경우에 결과는 AlCrYN에 대하여 도 2에 도시된 것과 같이 미세구조의 아모피세이션(amorphisation) 이다.

AlCrN Bl-구조 내로의 전이 금속 도핑의 다른 효과는 필름이 성장하는 동안의 텍스쳐(texture) (200)의 발달(development)일 수 있다. 예를 들어, 이것은 순수한 AlCrN에 의해 나타난 더욱 다결정인(polly crystalline) 구조에 비하여 (200) 바람직한 배향을 보여주는 AlCrNbN의 XRD 패턴(도2)으로 나타난다. 도 3에서, 회절비 QI((111) 플레인(plane)의 회절 강도에 대한 (200) 플레인 회절 강도의 비로 정의됨)는 AlCrN 및 두개의 AlCrMoN 조성물에 대해서 나타내었다. Bl-구조인 AlCrN에서 몰리브덴 함량이 증가할수록 QI비가 더 높아진다. 보호된 하드필름의 텍스쳐 및 구조를 제어하는 것은 응력장(stress field)의 모양이 응용마다 매우 다양하게 변하기 때문에 기술적으로 매우 바람직하다. 또한 문헌 [B]와 달리, 바람직한 배향은 코팅의 화학량론(stoichiometry)에 의해 현저하게 제어된다. 본 발명에서 청구된 조성물에 의해 수득될 수 있는 주요한 구조적인 배열은 도 4에 개략적으로 도시되었다. 도 4 (a)에서, 임의적으로 방향된 미소결정(crystallites) 6으로 구성된 다결정의 필름은 초경 합금이나 스틸 기판(steel substrate) 5의 상부에서 성장한다. 두번째 가능성은 텍스쳐드 필름(textured film)이 특별한 플레인(plane)에서 배향된(oriented) 미소결정 부분 8이 비배향된(disoriented) 미소결정 9보다 몇 배 더 크게 기판 5에서 성장하는 것이다. 세번째 가능한 미세구조적인 배열(도 4(c))은 메탈로이드(Si 또는 B)를 동시증착(codepositing)하여 얻을 수 있고, 결과적으로 경도를 더 증가시키는 공유 결합된 질소화물이 형성되고 미소결정(11)으로 둘러싸인 분리된 비정질(amorphous) 또는 반결정성(semicrystalline) 상 (12)이 생성된다.

증착된 하드(hard)층의 경도 시험은 50 mN의 시험 로드(test load)를 사용하여 피셔스코프(Fischerscope) HlOO 깊이-감지 미소 경도 기구로 측정되었다. 이에 더하여, 잔류 응력은 증착 전후에 3점 밴드 테스트(three point bend test)에 의한 얇은 평면 스틸 기판의 만곡부(curvature)를 측정함으로써 계산되었다. 도 5의 플롯(plot)은 다양한 AlCrXN 조성물에 대해서 측정된 값을 나타낸다. 도 5의 결과는 소량의 Nb, Mo 및 W가 AlCrN안으로 합금될때 코팅의 잔류 응력에 있어서 어떠한 증가도 없이 유리한 강화 효과가 있음을 알려준다. 이러한 놀라운 기계적인 특성은 고용체 경화 메커니즘(mechanisms of solid solution hardening)및 상술한 바와 같이 실험에서 관찰된 이러한 요소들의 Bl-AlCrN로의 용해도에 의해 부분적으로 설명될 수 있다.

고속 또는 고 이송(high feed) 절삭 적용 및 오스테나이트계 스테인리스 스틸, 티타늄 및 니켈 합금의 가공에 있어서 다른 중요한 코팅 성질은 고온에서 산화에 대한 코팅의 내성 및 절삭하는 동안 코팅과 작업편 물질 사이에 형성되어 칩(chip) 형성 과정에 영향을 주는 제 3 본체층의 특성이다. 합금 AlCrN 코팅의 산화 특성을 조사하기 위해, 900℃에서 1시간 동안 충분한 기체 속에서 어닐링(annealing) 실험을 수행했다. 이러한 실험에 이어서 산화된 표면층에 대한 이차 이온 질량 분석 깊이 거동 분석을 행하였다. 도 6 (a)에 크로뮴과 알루미늄 산화물을 형성하는 표준 AlCrN 코팅의 전형적인 산화 특성에 대한 깊이 거동이 도시되었다. 이 전형적인 특성은 비합금 AlCrN 코팅에 의해서 뿐 아니라 AlCrTiN 코팅에 의해서도 나타난다. 그럼에도 불구하고, 도 6에서 추론할 수 있듯이, 합금 AlCrXN 코팅의 일부는 대개 크로뮴 산화물을 형성하는 경향이 있다. 이것은 크로뮴 산화물이 일반적으로 대응하는 알루미늄 산화물에 비해 더 약하고, 내성이 작기 때문에 약한 산화 재성 특성을 가진다는 것을 나타내고, 따라서 그들은 절삭 및/또는 몰딩 과정 중에 쉽게 제거될 수 있을 것이다. 이 산화 특성은 AlCrYN 및 AlCrVN 코팅에서 관찰된다. 반면에 AlCrNbN, AlCrMoN 및 AlCrWN 코팅은 외부 산화층의 알루미늄 양이 산화되지 않은 부분의 알루미늄 함량과 유사한 부분에서 더 최적의 산화 특성을 보여준다.(도 6(c)) 이것은 많은 절삭 적용에 있어서 매우 바람직한 강성 패시브(stiff passive) 알루미늄 산화물의 형성을 알려준다.

새롭게 개량된 AlCrXN 코팅의 도포 온도가 높기 때문에, 증착된 층의 내마모성은 고온에서 단단한 알루미나 공 카운터페이스(allumina ball counterface)를 이용하고 소정의 회전수 후에 코팅체상의 마모를 측정하는 볼-온-디스크(ball-on-disc) 시험을 사용하여 연구되었다. 도 7에 AlCrXN 코팅의 다양한 마모율이 TiAlN, AlTiN 및 AlCrN과 비교하여 도시되었다. 결과는 또한 AlCrWN가 대응하는 순수한 AlCrN 코팅보다도 더 낮아 가장 마모가 적음을 나타낸다.

본 발명의 기계적인 시험 결과에 기초하여, AlCr계 코팅체의 거동(behavior)은 Nb, Mo, W 또는 Ta의 합금에 의해, 다시 말하면, 크로뮴보다 무거운 Vb 및 VIb 족의 전이 금속의 포함에 의해 더욱더 개량될 수 있다. 가장 좋은 결과는 이 원소들의 원자 농도가 상기 금속 부분의 2와 10 퍼센트 사이일 때 얻어졌다. 그러나, 원자농도가 1보다 낮거나 20 보다 높더라도 가능하다. 이 합금 요소들의 존재는 궁극적으로, 좋은 용해도, 경도의 증가 및 최적의 고온 산화 거동을 가능하게 한다. 이것은 고온에서 코팅된 기계 부품 및 절삭 공구의 연마(abrasive), 확산(diffusion) 및 산화적 마모를 감소시킨다. 소량의 실리콘 및/또는 보론과 같은 메탈로이드의 첨가 또한 유사한 결과를 얻었고, 유사한 합금 카바이드(carbides), 카보나이트라이드(carbonitrides), 산화 탄소(carbon oxides)등도 같은 결과를 가져올 것이다. 그러므로, 실제 발명은 다음의 전체적인 조성물을 구비한 새로운 코팅과 이에 대응하는 코팅된 공구 및 부품이다.

Al₁ _-a-b-c- _dCr_a X_b Si_c B_d Z

X 는 적어도 Nb, Mo, W, Ta중 한 원소이고,;

Z 는 N, C, CN, NO, CO, CNO을 의미하며,;

0.2 <= a <= 0.5

0.01 <= b <= 0.2

0 <= c <= 0.1

0 <= d <= 0.1 이다.

더욱이 다른 Al/Cr 비율을 구비한 타겟의 두 가지 유형을 사용하거나 Cr 및 Cr 및/또는 Cr/N 결합층으로 시작하고, 예를 들어 Cr 및 AlCr 타겟들이 구비된 코팅 챔버(coating chamber)내에서 대응하는 타겟 결과물(target output)의 계속적이거나 단계적인 조정에 의한 층 조성물의 점진적인 변화(progressive change)를 연결함으로써 표면쪽으로 갈수록 Al의 함량이 증가하는 기울기형(gradient) 코팅을 증착하는 것도 가능하다. 이러한 유형의 코팅의 산업적인 적용에 있어서 중요한 요소는 필수적으로 코팅 공정의 전체적인 진행 및 필름의 전체 두께에 걸친 공정 파라미터(process parameters)를 재현 가능하도록 맞추는 능력이다. 예를 들어 단일의 또는 복수의 회전 기판 케리어캔(carriercan) 위에서 일어나는 약간의 조성적 변동이 층의 두께의 일부분 또는 전체에 걸친 나노구조, 즉 나노 또는 마이크로미터 범위의 라미네이션(lamination)을 생산하기 위해 부가적으로 활용될 수 있다.

실시예 1: 밀링 공구강(milling of tool steel) - 러핑(roughing)

절삭 공구: 엔드밀 HSS 러핑, 직경 D = 10mm, 티스(teeth)의 수 z = 4

워크 피스: 공구강, X 40 CrMoV 5 1, DIN 1.2344 (36 HRC)

절삭 파라미터:

절삭 속도 v_c = 60 m/min (S = 1592 1/min),

공급 속도 fz= 0.05 mm/U (f = 318.4 mm/min)

절삭의 방사상(radial) 깊이 a_e = 3 mm

절삭의 축방향 깊이 a_p = 5 mm

냉각: 에멀젼(Emulsion) 5%

공정: 다운 밀링(down milling )

공구 수명 기준: 모멘텀 중단(shut down) (플랭크(flank) 마모 지역 VB > 0,3 mm 의 넓이와 연관됨)

*: 아트 코팅의 상태를 표시 c: 비교예의 표시

실시예 1은 산업적으로 사용되는 TiCN, TiAlN 및 AlTiN에 비하여 AlCrN가 기 초된 코팅의 미터(meter)에 있어서 증가된 공구 수명을 나타낸다. AlCrNbN, AlCrWN 및 AlCrMoN 은 고경도 및 적절한 부착(adhesion) 표면을 공급하기 때문에 고속도공구강과 같은 연성(ductile) 타입 기판에 적용할 때 매우 유용하다.

실시예 2: 드릴링(Drilling)공구강

절삭 공구: 드릴 HSS (S 6-5-2), 직경 D = 6 mm

워크 피스: 공구강 X 210 Cr 12, DIN 1.2080 (230HB)

절삭 파라미터:

절삭 속도 v_c = 35 m/min

공급 속도 f = 0.12 mm

드릴 구멍 깊이 z = 15 mm, 블라인드 홀(blind hole)

냉각: 에멀젼 5%

공구 수명 기준: 운동량 중단(shut down) (모서리 마모 VBc > 0,3 mm 의 넓이와 연관됨)

*: 아트 코팅의 상태를 표시 c: 비교예의 표시

실시예 2는 HSS 코팅된 드릴에서 다양한 AlCrXN 코팅의 비교를 나타낸다. 주요한 공구 수명 기준은 소정의 최고의 운동량에 도달할 때까지 코팅 두께에 대한 규격화된 드릴 구멍의 수이다. 성능의 가장 좋은 상수는 Nb,W 및 Mo 합금된 AlCr 기본 코팅에 의해 나타났다.

실시예 3: 밀링 저합금강(low alloyed steel) - 세미 피니싱(semi finishing)

절삭 공구: 엔드밀 카바이드, 직경 D = 8 mm,

티스(teeth)의 수 z = 3

워크 피스: 탄소강 Ck45, DIN 1.1191

절삭 파라미터:

절삭 속도 v_c = 400 m/min

공급 속도 v_f = 4776 mm/min

절삭의 방사상 깊이 a_e = 0.5 mm

절삭의 축방향 깊이 a_p = 10 mm

냉각: 에멀젼 5%

공정: 다운 밀링(down milling)

공구 수명 기준: 플랭크 마모 지역(flank wear land)VB = 0.12 mm 의 넓이

*: 아트 코팅의 상태를 표시 c: 비교예의 표시

실시예 3은 평면 탄소강의 피니싱동안 코팅된 초경합금 엔드밀(cemented carbide endmills)의 공구 수명의 비교를 나타낸다. TiCN, TiAlN 및AlTiN 코팅과 같이 통상 산업적으로 사용되는 층 시스템은 lf=150m 의 공구 수명 후 높은 플랭크 마모를 보이는 반면에, 식 Al₁ _-a-b-c- _dCr_a X_b Si_c B_d Z에 기초한 조성물로 코팅된 공구는 확연하게 낮은 마모를 나타낸다. 이러한 결과는 Al₁ _-a-b-c- _dCr_a X_b Si_c B_d Z코팅이 고속도 기계 가공 과정의 높게 유도된 열적 충격에 적절하게 견딜 수 있다는 것을 나타낸다.

실시예 4: - 오스테나이트계 스테인리스강의 밀링- 러핑(roughing)

절삭 공구: 엔드밀 카바이드, 직경 D = 10 mm,

티스(teeth) 의 수 z = 4

워크 피스: 오스테나이트계 스테인리스강 X 6 CrNiMoTi 17 12 2, DIN 1.4571

절삭 파라미터:

절삭 속도 v_c = 67 m/min

공급 속도 v_f = 0.033 mm/min

절삭의 방사상 깊이 a_e = 6 mm

절삭의 축방향 깊이 a_p = 9 mm

냉각: 에멀젼 5%

공정: 다운 밀링(down milling)

공구 수명 기준: 플랭크 마모 지역(flank wear land) VB = 0.2 mm의 넓이

*: 아트 코팅의 상태를 표시

실시예 4는 네개의 산업적으로 사용되는 하드층(hard layer)시스템의 스테인리스 스틸에 대한 코팅된 초경 합금 엔드밀(cemented carbide endmills)의 공구 수명에 대한 비교를 나타낸다. 스테인리스 스틸의 가공은 물질의 높은 인성(toughness)에 기인하여 매우 어려운 과정으로, 경화되고 공구에 부착되는 경향이 있다. 공구 수명의 기간에 있어서 가장 좋은 결과는 AlCrNbN, AlCrMoN 및 AlCrWN 코팅을 사용한 것이다. 이와 같은 증가하는 공구 수명은 결과적으로 내마모성을 증가시키는, Nb, Mo 및 W가 합금된 AlCrN 시스템의 사용으로 나타나는 고온에서의 경도 및 좋은 산화 거동의 증가와 연관될 수 있다.

Claims

표면을 구비한 작업편(workpiece)으로서, 상기 작업편은 상기 표면의 적어도 일부분은 아래와 같은 조성의 내마모성 하드 코팅체로 코팅되는 작업편.

Al₁ _-a-b-c-dCr_a X_b Si_c B_d Z

상기 식에서, X는 Nb, Mo, W 또는 Ta 중 적어도 하나의 원소이고;

Z는 N, C, CN, NO, CO, CNO 중 하나의 원소 또는 이들의 화합물이며; 및

0.2 <= a <= 0.5 ;

0.01 <= b <= 0.2 ;

0 <= c <= 0.1 ;

0 <= d <= 0.1
제 1항에 있어서, 상기 작업편은 강철(steel), 고속도강(high speed steel), 하드메탈(hardmetal), 초경합금(cemented carbide) 또는 임의의 다른 금속 또는 세라믹(ceramics)으로 이루어진 본체(body)를 구비한 것을 특징으로 하는 작업편.
제 1항에 있어서, 상기 작업편은고온 및/또는 건조 툴링 조작(dry tooling operation)을 위한 공구임을 특징으로 하는 작업편.
제 1항에 있어서, 상기 작업편은공구(tool), 절삭 공구(cutting tool), 드릴(drill), 리머(reamer), 브로치(broach), 인서트(insert), 호브(hob), 밀(mill), 엔드밀(enemill), 볼 노우즈 밀(ball nose mill), 포밍 공구(forming tool), 다이 캐스팅 몰드(die casting mold), 인젝션 몰드(injection mold), 스탬핑 공구(stamping tool), 딥 드로잉 공구(deep drawing tool) 또는 포징 다이(forging die)인 것을 특징으로 하는 작업편.
제 1항에 있어서, 상기 작업편은 고효율, 고온, 불충분한 윤활

(insufficient lubrication)및/ 또는 건조한 가동 조건(dry running conditions)을 위한 부품인 것을 특징으로 하는 작업편.
제 1항에 있어서, 상기 작업편은 부품(component), 태핏(tappet), 밸브 트레인(valve train)의 부품, 버킷 태핏(bucket tappet), 밸브 레버(valve lever), 트로커 암(trocker arms), 핀(pin), 피스톤 핀(piston pin), 롤러 팔로우어 핀(roller follower pin), 볼트(bolt), 연료 주입 시스템(fuel injection system) 의 부품, 인젝션 니들(injection needle), 기어(gear), 핀이온 기어(pinion gear), 플런저(plunger) 또는 피스톤 링(piston ring)인 것을 특징으로 하는 작업편.
작업편상에 적어도 하나의 Al₁ _-a-b-c-dCr_a X_b Si_c B_d Z 필름을 증착하기 위한 PVD 방법으로서,

X는 Nb, Mo, W 또는 Ta 중 적어도 하나의 원소이고;

Z는 N, C, CN, NO, CO, CNO 중의 적어도 하나의 원소 또는 이들의 화합물이고; 및

0.2 <= a <= 0.5 ;

0.01 <= b <= 0.2 ;

0 <= c <= 0.1 ;

0 <= d <= 0.1

여기서 적어도 하나의 상기 작업편은 진공 코팅 시스템(vaccum coating system)내에 설치되고, 상기 시스템은 적어도 두 개의 금속이나 금속 합금 타겟(target)을 이용하고, 적어도 하나의 활성 기체(reactive gas)를 적어도 일시적으로 첨가하여기판에 음전압을 인가하면서 낮은 압력의 아르곤 기체하에서 작동하는 시스템인 것을 특징으로 하는 PVD 방법.
제 7항에 있어서, 상기 활성 기체는 약 3.5 Pa 부분압력의 질소인 것을 특징으로 하는 PVD 방법.
제 7항 및 8항에 있어서, 상기 기판 전압은 -100 V 인 것을 특징으로 하는 PVD 방법.
제 7항 내지 9항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 타겟은 Al 및 Cr로 구성된 것을 특징으로 하는 PVD 방법.