KR20080025812A

KR20080025812A - 고경도 및 고온 내산화성을 가지는 ｐｖｄ 다층막 절삭공구

Info

Publication number: KR20080025812A
Application number: KR1020060090434A
Authority: KR
Inventors: 강재훈; 홍성필; 김수현; 김학규
Original assignee: 한국야금 주식회사
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2008-03-24
Also published as: KR100835387B1

Abstract

본 발명은 양호한 내산화성과 내마모성을 가지는 PVD 다원계 다층막 절삭공구로서, 초경합금, 써메트, 고속도강, 엔드밀, 드릴류 등을 포함하는 경질 모재 표면 위에 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)을 이용하여, 단위층(A) Al_aTi_bSi₁ _-a- _bN 막과 단위층(B) Al_xTi _y Y₁ _-x- _yN 막을 각각 적어도 한층 이상 교대로 적층한 피막구조이며, 얻어진 피막의 경도가 38GPa 이상이고, 상기 단위층(A) Al_aT_bSi₁ _-a- _bN 막에서 원자조성은 40≤a≤70at%, 20≤b≤50at%, 0≤1-a-b≤10at%이며, 상기 단위층(B) Al_xTi_yY₁ _-x- _yN 막에서 원자조성은 45≤x≤70at%, 25≤y≤50at%, 0≤1-x-y≤5at%이고, 상기 단위층 (A), (B)의 막두께는 각각 0.001㎛≤단위층(A), (B)≤2㎛인 것을 특징으로 하며, 고경도 및 고온 내산화성을 가지는 절삭공구용 PVD 다원계 다층막에 관한 내용이다.

Description

고경도 및 고온 내산화성을 가지는 ＰＶＤ 다층막 절삭공구{Cutting tool coated multi-element and multi-layer film with properties of high hardness and oxidation resistance at high temperature}

도 1은 본 발명 절삭공구의 성막장치 개략도

도 2는 본 발명의 실시예 1(Test 4)에 따라 증착된 피막의 SEM 사진

도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 증착된 피막의 X선 회절패턴

도 4는 종래 피막 및 본 발명의 실시예 1에 따라 증착된 피막의 절삭테스트 후 OM사진

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1. 바이어스용 전원 2. 아크 전원 A, B

3. 타겟 A, B 4. 가스 도입구

5. 가스 배기구 6. 기판 홀더

7. 지그

본 발명은 절삭공구에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내산화성과 내마모성 을 향상시키기 위해 초경합금, 써메트, 고속도강, 엔드밀, 드릴류 등을 포함하는 경질 모재 표면 위에 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)을 이용하여 적층한 고경도 및 고온 내산화성을 가지는 절삭공구용 PVD 다원계 다층막에 관한 내용이다.

산업이 점차 고도화, 고속화 및 대량생산화됨에 따라 절삭가공도 고속화 및 고경도화, 대량생산화되고 있으며, 이에 대하여 절삭공구도 성능향상 및 수명개선이 요구되고 있다. 종래부터 절삭성능 향상 및 수명개선을 위해 초경합금, 써메트, 엔드밀, 드릴 모재 위에 경질피막인 TiN, TiAlN, AlTiN이 수행되고 있다. 종래 절삭공구용 경질피막인 TiN 보다 경도와 내산화성이 높은 TiAlN의 코팅기술 변천 후, 내마모성 및 내산화성을 향상시키기 위해 Al을 더 첨가시킨 AlTiN이 사용되고 있지만, 내마모성 및 내산화성을 동시에 향상시키기 위해 Al 함량을 70%이상 첨가하게 되면, h-AlN 상의 형성되어 경도가 감소하는 한계가 있다.

따라서, 최근 절삭가공은 고속화, 건식화되고 있고, 피삭재 경도가 더욱 더 고경도화됨에 따라 고경도와 내마모성뿐만 아니라 우수한 내산화성을 필요로 하고 있다. 특히, 고속가공용 엔드밀, 드릴류에서는 고경도 피삭재 사용 및 건식, 고속가공을 하기 때문에 매우 우수한 내산화성이 요구되고 있다. 즉, 고속가공용 절삭공구 경질피막에 충분한 내산화성이 주어지지 않으면, 우수한 내마모 특성을 얻을 수 없다. 그러므로, 더 가혹한 절삭조건에서 절삭공구의 수명향상을 위해서는 고경도 및 우수한 내산화성을 가지는 제 3, 4 원소가 추가된 새로운 경질피막을 필요로 하고 있다.

이들과 관련해 선행기술인 일본 특개평7-310174호에서는 AlTi(C,N)에 제 3원소인 Si를 첨가한 것을 공개하고 있으나, 가혹한 절삭조건에서 성능향상 및 수명개선을 위한 충분한 내산화성을 얻기 위해서는 추가 4 원소가 필요하다. 미국특허 US6824601호에서는 Ti, Al, Cr, Si의 3원소, 4원소를 첨가하였으나, Cr 원소는 고융점 금속으로 고밀도의 타겟제조가 어렵고 4원계 타겟제조 비용도 비싸다. 또한, 일본 특개2000-326108호에서는 Si 뿐만 아니라 추가 여러가지 원소들을 첨가하였으나, Si 10~60 at%로 비정질-Si₃N₄ 형성이 많아져 결정질-AlTiN 미세화로 인한 경도강화를 얻기가 어렵고, 충분한 내마모 특성도 만족시킬 수 없다. 또한, 다층막 중 한층이 Al과 다른 추가 원소들의 합이 10 at% 미만으로 충분한 내산화성을 만족시키기 어렵다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하여, 초경합금, 써메트, 고속도강, 엔드밀, 드릴류 등에 사용되어지는 고속가공용 절삭공구 경질피막으로서, 고경도 피삭재에 대한 건식, 고속 절삭가공시 고경도 및 고온 내산화성을 갖는 PVD 다원계 다층막을 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 위해 본 발명에서는 고경도 및 내산화성을 동시에 향상시키기 위해서 Si를 포함한 단위층(A) AlTiSiN 막과 내산화성을 가지는 Y을 포함한 단위층(B) AlTiYN 막을 적어도 각각 한층 이상 교대로 증착하여 PVD 다원계 다층막을 제조한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

초경합금, 써메트, 고속도강, 엔드밀, 드릴류 등을 포함하는 경질 모재 표면 위에 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)을 이용하여, 단위층(A) Al_aTi_bSi₁ _-a- _bN 막과 단위층(B) Al_xTi _y Y₁ _-x- _yN 막을 각각 적어도 한층 이상 교대로 적층한 피막구조로서, 얻어진 피막의 경도가 38GPa인 고경도 및 고온 내산화성을 갖는 절삭공구용 PVD 다원계 다층막을 제공한다. 상기 단위층(A) Al_aT_bSi₁ _-a- _bN 막에서 원자조성은 40≤a≤70at%, 20≤b≤50at%, 0≤1-a-b≤10at%로 함이 바람직하고, 상기 단위층(B) Al_xTi_yY₁ _-x- _yN 막에서 원자조성은 45≤x≤70at%, 25≤y≤50at%, 0≤1-x-y≤5at%으로 함이 바람직하다. 또한, 상기 단위층 (A), (B)의 막두께는 각각 0.001㎛≤단위층(A), (B)≤2㎛로 함이 바람직하다.

본 발명은, 고경도 피삭재에 대한 건식, 고속 절삭가공시 절삭부하에 의해 약 900℃ 정도의 고온이 발생되기 때문에 경질피막의 경도 및 물성이 저하되므로, 피막의 내산화성이 충분하지 못한 경우, 치핑, 파손 및 플랜크(flank) 마모 등으로 인해 우수한 절삭공구 수명을 얻을 수 없어서 고경도 및 고속가공용 절삭공구 경질피막에 있어서, 충분한 절삭수명 및 우수한 내마모 특성을 얻기 위해서는 경질피막의 충분한 고온 내산화성이 필요성에 의해 본 발명은 우수한 건식, 고속 절삭가공시 충분한 내산화성 및 내마모성 향상을 통한 절삭공구의 수명을 향상시킬 수 있는 절삭공구용 PVD 다원계 다층막을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 경질피막은 단위층(A) AlTiSiN 막과 단위층(B) AlTiYN 막을 각각 적어도 한층 이상 교대로 적층된 PVD 다원계 다층막으로서, 단위층(A) AlTiSiN 막은 결정질-AlTiN과 비정질-Si₃N₄의 나노복합구조이며, Si 함량이 적정량 포함될 때 결정질-AlTiN의 입자 미세화로 인한 경도강화가 나타나며, Si를 포함하는 치밀한 복합구조의 산화층(SiO₂)을 형성하여 우수한 내산화성을 가진다. 또한, 단위층(B) AlTiYN 막은 결정질-AlTiN에 Y이 고용되어, 경도가 상승하는 고용강화가 나타난다. 또한, Y는 산화 이트륨(Y₂O₃, yttria) 형성하여 고온강도, 고온부식성 및 크립성을 향상시키는 효과가 있으며, AlTi계 피막인 단위층(B) 피막에서 우수한 내산화성을 얻을 수 있다. 본 발명에서는 단위층(A) AlTiSiN 막과 단위층(B) AlTiYN 막을 각각 적어도 한층 이상 교대로 적층했을 때 더 우수한 경도강화효과 및 충분한 내산화성을 얻을 수 있다.

이하에서는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

[실시예 1]

본 발명의 실시예에서는 초경합금, 써메트, 고속도강, 엔드밀, 드릴류 등을 포함하는 경질 모재 표면 위에 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)인 아크 이온 플레이팅법을 이용하여 경질피막을 코팅하였으며, 코팅시 아크타겟은 AlTiSi와 AlTiY을 사용하였다. 초기 진공압력은 7.5×10^-5Torr 이하로 감압하 였으며, 반응가스로 N₂를 주입하였다. 코팅을 위한 가스압력은 3.5×10^-5Torr 이하이며, 바람직하게는 3.0×10^-5Torr 이하이며, 더욱 바람직하게는 2.78×0^-5Torr 이하이다. 코팅온도는 400~450℃로 하였으며, 코팅시 기판 바이어스 전압은 -60~-150V로 인가하였다.

상기의 조건으로 성막된 단위층(A) AlTiSiN 막과 단위층(B) AlTiYN 막을 각각 적어도 한층 이상 교대로 적층된 PVD 다원계 다층막인 Test 1~5에 대하여 에너지 분산 현미경(EDS)에 의한 조성분석 및 전자현미경(SEM)에 의한 막두께를 확인하였으며, 표 1은 각 테스트에서의 조성성분을 나타낸 것이고 그 결과에 대해 도 2에서 나타내었다. 도 2에서 SEM에 의한 Test 4의 파면사진을 나타내었다. 표 1에서 보면, 얻어진 피막(Test 1~5)의 조성분석에서 Si 함량이 약 3.5~6.1%이며, Y 함량이 약 3~4.7%이고, 샘플에 따른 막두께는 2.1~3.1㎛이다.

[표 1]

샘 플	조성 분석					막두께(㎛)
샘 플	Al	Ti	Si	Y	N	막두께(㎛)
Test 1	60	33.5	3.5	3.0	1.00	3.1
Test 2	58.5	33.3	4.3	3.9	1.00	2.8
Test 3	57.8	32.3	5.2	4.7	1.00	2.5
Test 4	57.3	34.7	4.7	3.3	1.00	2.2
Test 5	55.8	33.4	6.1	4.7	1.00	2.1

[실시예 2]

도 3에서 1㎛의 다이아몬드 연마제로 연마한 초경합금 모재 위에 실시예 1(Test 1~5) 피막을 증착시킨 시편에 대하여 Cu의 ka선을 이용한 2q법의 X선 회절 분석(XRD) 결과를 나타내었다. 실시예 1(Test 1~5)는 주성분이 WC인 초경합금 모재 표면 위에 단위층(A) AlTiSiN 막과 단위층(B) AlTiYN 막을 각각 적어도 한층 이상 적층한 피막구조으로서, 결정질-AlTiN와 비정질-Si₃N₄의 복합구조와 결정질-AlTiN에 Y가 고용된 PVD 다원계 다층구조를 이루고 있다. 도 3에서 알 수 있듯이, 얻어진 피막(Test 1~5)에 대한 X선 회절분석 결과, Si 첨가에 의한 생성된 비정질-Si₃N₄ 및 Y의 고용으로 인하여, 약 43°에서 AlTiN(200)와 약 37°에서 AlTiN(111)면을 나타내는 피크강도(peak intensity)가 낮고 브로드(broad)하다. 또한, 단위층(A) AlTiSiN막에서 비정질-Si₃N₄는 bragg 방정식(l=2dsinq)을 만족하지 못하며, 피크가 나타나지 않는다. 본 발명에서 얻어진 피막은 우선 성장면 AlTiN(200)와 AlTiN(111)의 피크강도(peak intensity) 비가 I(200)/I(111)≥1이 바람직하다.

[실시예 3]

표 2에 Fischerscope(HP100C-XYP; 독일 HELMUT FISCHER GMBH, ISO14577)를 사용하여 미소경도테스트 결과를 나타내었으며, 종래 피막인 TiN과 TiAlN 및 AlTiSiN, 실시예 1(Test 1~5)의 경도값을 나타내었다. 본 발명에서 미소경도 테스트 조건은 다음과 같다.

Load: 30mN

Unload: 30mN

Load time: 10sec

Unload time: 10sec

Creep time: 5sec

[표 2]

샘플 종류	경도(GPa)
TiN	28.1
TiAlN	30.0
AlTiSiN	36.1
Test 1	38.2
Test 2	39.4
Test 3	40.9
Test 4	40.3
Test 5	39.5

실시예 1(Test 1~5)의 경도는 종래 피막인 TiN과 TiAlN 보다 약 8~10 GPa이 높으며, AlTiSiN보다는 약 3~4 GPa이 높다. 본 발명은 단위층(A) AlTiSiN 막과 단위층(B)의 AlTiYN 막을 교대로 증착하는 PVD 다원계 다층막으로서, 단위층(A) AlTiSiN 막은 결정질-AlTiN과 비정질-Si₃N₄의 나노복합구조이며, Si 함량이 적정량 포함될 때 결정질-AlTiN의 결정입자 미세화에 의한 경도강화가 나타난다. 또한, 단위층(B) AlTiYN은 결정질-AlTiN에 Y이 고용되어, 경도가 상승하는 고용강화가 나타난다. 단위층(A) AlTiSiN 막과 단위층(B) AlTiYN 막을 각각 적어도 한층 이상 적층했을 때 더 우수한 경도강화를 얻을 수 있다.

[실시예 4]

표 3에 얻어진 피막(Test 1~5)의 내산화성을 확인하기 위해, 고온 대기분위기에서 내산화 테스트를 실시하였으며, 산화 후 피막의 산화층 두께를 측정하였다. 내산화 테스트의 조건은 다음과 같다.

내산화 온도: 1000℃

내산화 시간: 2hr(1000℃에서 등온상태)

승온 속도: 10℃/min

분위기: 대기중

[표 3]

샘플 종류	산화층 두께(㎛)
TiN	2.13
TiAlN	1.21
AlTiSiN	0.67
Test 1	0.53
Test 2	0.51
Test 3	0.43
Test 4	0.46
Test 5	0.49

종래 피막인 TiN의 산화층 두께는 약 2.13㎛이고, TiAlN의 산화층 두께는 내산화성을 향상시키는 Al첨가로 인해 약 1.21㎛이며, AlTiSiN의 산화층 두께는 Si의 첨가에 의해 비정질 Si₃N₄를 형성하여, 약 0.67㎛이다. 실시예 1(Test 1~5)의 산화층 두께는 0.43~0.53㎛으로, 종래 피막보다 더 우수한 내산화성을 가지는 것을 확인할 수 있다.

본 발명은 단위층(A) AlTiSiN 막과 단위층(B) AlTiYN 막을 각각 적어도 한층 이상 교대로 적층한 PVD 다원계 다층막으로서, 단위층(A) AlTiSiN 막은 Si를 포함하는 치밀한 복합구조의 산화층(SiO₂)을 형성하여 우수한 내산화성을 나타낸다. 또한, 단위층(B) AlTiYN 막은 Y 첨가에 의한 산화 이트륨(Y₂O₃, yttria) 형성에 따른 장벽효과로 우수한 내산화성을 갖는다. 게다가, 단위층(A) AlTiSiN 막과 단위층(B) AlTiYN 막을 적어도 한층 이상 적층했을 때 Si와 Y의 첨가효과로 인해 더 우수한 내산화성을 얻을 수 있었다.

[실시예 5]

도 4에 인써트류 엔드밀에 대한 실시예 1 코팅을 적용하여, 절삭성능 평가를 실시한 결과를 나타내었으며, 절삭성능 평가조건은 다음과 같다.

피삭재: SKD61

절삭속도: 451m/min

회전당이송: 0.25mm/rev

이송: 3600m/min

가공방법: 건식

도 4의 절삭성능 평가결과에서, Test 1~5가 종래 피막인 TiAlN과 AlTiSiN보다 우수한 내마모성을 나타내었다. 실시예 1(Test 1~5)피막은 실시예 3과 실시예 4에서와 같이 경도강화 및 우수한 내산화성으로 인해, 절삭수명평가에서 우수한 내 마모성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명은 초경합금, 써메트, 고속도강, 엔드밀, 드릴류 등을 포함하는 경질 모재 표면 위에 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)을 이용하여, 단위층(A) Al_xTi_ySi₁ _-x- _yN 막과 단위층(B) Al_aTi_bY₁ _-a- _bN 막을 적어도 한층 이상을 교대로 적층한 피막구조를 제공함으로써, 고경도 및 고온 내산화성을 가지는 절삭공구용 PVD 다원계 다층막을 얻을 수가 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명에 대하여 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

초경합금, 써메트, 고속도강, 엔드밀, 드릴류 등을 포함하는 경질 모재 표면 위에 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)을 이용하여, 단위층(A) Al_aTi_bSi₁ _-a- _bN 막과 단위층(B) Al_xTi _y Y₁ _-x- _yN 막을 각각 적어도 한층 이상 교대로 적층한 경질피막구조이며, 경도가 38GPa 이상인 것을 특징으로 하는 고경도 및 고온 내산화성을 가지는 절삭공구용 PVD 다원계 다층막.
제 1항에 있어서, 상기 단위층(A) Al_aT_bSi₁ _-a- _bN 막에서 원자조성은 40≤a≤70at%, 20≤b≤50at%, 0≤1-a-b≤10at%이며, 상기 단위층(B) Al_xTi_yY₁ _-x- _yN 막에서 원자조성은 45≤x≤70at%, 25≤y≤50at%, 0≤1-x-y≤5at%임을 특징으로 하는 고경도 및 고온 내산화성을 가지는 절삭공구용 PVD 다원계 다층막.
제 1항에 있어서, 상기 단위층의 막두께는 각각 0.001㎛≤단위층(A), (B)≤2㎛인 것을 특징으로 하는, 고경도 및 고온 내산화성을 가지는 절삭공구용 PVD 다원계 다층막.