KR20080037670A

KR20080037670A - 금속 탄질화물층 및 상기 금속 탄질화물층의 제조방법

Info

Publication number: KR20080037670A
Application number: KR1020087003452A
Authority: KR
Inventors: 라인하르트 피토나크; 호세 가르시아; 로널드 바이센바흐어; 클라우스 루이츠-우디어
Original assignee: 보홀레리트 게엠베하 운트 코. 카게.
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2006-11-16
Publication date: 2008-04-30
Also published as: EP1948842A1; KR101027528B1; RU2008100173A; JP2009510257A; PT1948842E; JP5108774B2; US7968218B2; CA2640777A1; BRPI0618596A2; EP1948842B1; BRPI0618596B1; PL1948842T3; IL189693A; US20090226758A1; ATE518971T1; RU2492277C2; IL189693A0; WO2007056785A1

Abstract

본 발명은 공구 또는 공구 부품, 특히 절삭 플레이트와 같은 절삭 요소를 코팅하기 위한 방법에 관한 것으로서 상기 방법에서는 기본 부재가 제공되며 상기 기본 부재 상에 하나 또는 여러 개의 층이 도포 되고 이때 적어도 하나의 층은 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈 및/또는 크롬으로 구성된 금속들 중 하나 또는 여러 개의 금속 탄질화물로 만들어지며 그리고 메탄, 질소 및 하나 또는 여러 개의 금속화합물을 포함하는 가스를 수단으로 증착된다. 높은 부착강도를 갖는 그 밖의 층들이 그 위에 증착될 수 있고 내마모성이 높은 금속 탄질화물층을 얻기 위해 본 발명에 따르면 상기 금속 탄질화물층의 증착과정은 850 내지 950℃ 의 기본 부재의 온도에서 시작되고 그 후 상기 기본 부재의 온도는 적어도 40℃ 만큼 상승되며 그리고 증착과정은 적어도 일시적으로 상기 상승된 온도에서 계속된다. 이 이외에 본 발명은 물체 상에 도포된 금속 탄질화물층에 관한 것이며 또한 본 발명은 그 위에 도포된 하나 또는 여러 개의 층을 갖는 기본 부재를 포함하며 이때 적어도 하나의 층이 나노복합구조를 갖는 금속 탄질화물층인 공구 또는 공구 부품, 특히 절삭 플레이트와 같은 절삭 요소에 관한 것이다.

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Description

금속 탄질화물층 및 상기 금속 탄질화물층의 제조방법{METAL CARBONITRIDE LAYER AND METHOD FOR THE PRODUCTION OF A METAL CARBONITRIDE LAYER}

본 발명은 공구 또는 공구 부품, 특히 절삭 플레이트와 같은 절삭 요소를 코팅하기 위한 방법에 관한 것으로서 상기 방법에서는 기본 부재가 제공되며 상기 기본 부재 상에 하나 또는 여러 개의 층이 도포 되고 이때 적어도 하나의 층은 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈 및/또는 크롬으로 구성된 금속들 중 하나 또는 여러 개의 금속 탄질화물로 만들어지며 그리고 메탄, 질소 및 하나 또는 여러 개의 금속화합물을 포함하는 가스를 수단으로 증착된다.

이 이외에 본 발명은 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈 및/또는 크롬으로 구성된 금속들 중 하나 또는 여러 개의 적어도 하나의 금속 탄질화물층, 예컨대 티타늄 탄질화물층을 구비하며 물체 상에 도포된 코팅에 관한 것이다.

또한 본 발명은 그 위에 도포된 하나 또는 여러 개의 층을 갖는 기본 부재를 포함하며 이때 적어도 하나의 층이 금속 탄질화물층인 공구 또는 공구 부품, 특히 절삭 플레이트와 같은 절삭 요소에 관한 것이다.

마멸되는 공구들, 특히 절삭 공구, 스탬핑 공구 또는 성형 공구는 사용시 공구의 마모를 저지하기 위해 일반적으로 코팅된다. 이때 맨 밖의 공작물(workpiece)쪽 작업층(working layer) 및 그 아래에 놓인 여러 개의 층을 구비한 다층 코팅도 자주 사용된다. 다층 코팅은 단층 코팅보다 제조비가 많이 들긴 하나 기대되는 하중과 관련하여 코팅을 가능한 한 잘 디자인한다면 동일한 두께에서 부서짐이 적고 유연성이 더욱 크다.

선행기술로부터 회전 공구의 절삭 플레이트에서의 다층 코팅이 알려져 있으며 상기 코팅은 맨 밖의 사용시 공작물 쪽의 층으로서 티타늄 니트라이드층 또는 알루미늄 옥시드층을 구비하고 상기 층은 직접 또는 간접적으로 티타늄 탄질화물층과 같은 금속 탄질화물층 상에 증착된다. 예컨대 알루미늄 옥시드층은 화학적으로 비활성이고 내열적이므로 그 아래에 놓인 층들을 보호한다. 받치고 있는 티타늄 탄질화물층은 큰 경도가 그 특징이며 코팅 또는 공구의 마모강도에 기여해야 한다. 티타늄 탄질화물로 만들어진 연결하는 층과 하드 메탈로 만들어진 절삭 플레이트의 기본 부재 사이에는 그 밖의 층들, 특히 상기 기본 부재에 잘 부착하고 그리고 이로써 코팅의 부착강도가 좋은 결합을 가능하게 하는 층들이 제공될 수 있다.

다층 코팅에서 주의해야 할 점은 개별 층들의 큰 경도 만으로는 긴 사용기간 또는 수명을 위해 아직 충분하지 않다는 것이다. 기본 부재로부터 또는 그 아래에 놓인 층으로부터 떨어지면 맨 밖의 강한 층조차 더 이상 쓸모없게 되며 이는 특히 높은 기계적 하중뿐만 아니라 높은 온도 및/또는 온도변화에 노출되어 있는 절삭 플레이트에서 생길 수 있다.

이러한 맥락에서 금속 탄질화물(MeC_xN_y)로 만들어진 연결층 또는 중간층에 특히 많은 요구가 주어지는데 왜냐하면 그 기능은 바로 코팅에 마모강도를 부여하고 또한 보호하는 작업층을 오랫동안 지니고 있는데에 있기 때문이다.

특히 티타늄 탄질화물로 만들어진 층은 다층 코팅 또는 층 시스템에서 특히 자주 사용되는 연결층이다. 그 이유는 공지의 티타늄 탄질화물층에서는 탄소가 완전히 질소에 의해(또는 그 반대로) 대체될 수 있고 그리고 이로써 조성물에 관한 이 층의 특성도 가변적으로 조정될 수 있기 때문이다. 결국 이러한 층은 티타늄 카바이드와 티타늄 니트라이드의 층들 사이에 놓일 수 있고 또는 조정될 수 있는 특성이 있다.

티타늄 탄질화물층의 제조는 오랫동안 실제로 행해진 바와 같이, CVD(chemical vapour deposition, 화학기상증착) 방법을 수단으로 행해질 수 있고 이때 상기 층은 캐리어 가스로서 메탄, 질소, 티타늄 테트라클로라이드 및 수소를 포함하는 가스 혼합물로부터 950 내지 1100℃ 의 기재(substrate) 온도에서 증착된다. 이와 같이 얻어진 티타늄 탄질화물층은 구형 그레인으로 형성되고 또한 두꺼운 층을 이룬다.

이러한 소위 고온-티타늄 탄질화물로부터 하드 메탈 기재로의 증착과 관련하여 기재의 예기치 않은 탄탈이 자주 관찰되는데 즉 하드 메탈과 티타늄 탄질화물층 사이에 접합층, 예컨대 티타늄 니트라이드로 만들어진 0.5 ㎛ 두께의 층이 제공될 때도 탄탈이 관찰된다. 상기 탄탈을 저지하기 위해 최근에는 티타늄 탄질화물의 증착을 위해 티타늄 테트라클로라이드 및 아세톤니트릴을 포함하는 가스를 사용하고 있으며 이로 인해 증착온도는 750 내지 900℃ 의 보다 낮은 온도로 내려갈 수 있다. 이와 같이 만들어진 티타늄 탄질화물은 중간 온도-티타늄 탄질화물로 알려져 있으며 막대형 미소결정(crystallite)으로 만들어진 기둥 타입의 구조를 구비하고 있고 상기 미소결정의 두께는 750 Å 이상 또는 75 나노미터이다.

언급한 바와 같이 공지의 고온 또는 중간 온도 티타늄 탄질화물층은 특히 연결층으로 쓰이며 상기 연결층 상에는 그 밖의 층들이 증착되어 있거나 또는 증착된다. 하지만 통상의 티타늄 탄질화물층 및 다른 금속 탄질화물층 상의 티타늄 니트라이드층 또는 다른 타입의 작업층의 부착강도가 충분하지 않고 따라서 공구의 사용기간이 그 자체는 마모에 강한 작업층이 떼어짐으로써 제한될 수 있다는 것이 밝혀졌다.

이 이외에 공지의 티타늄 탄질화물층 및 금속 탄질화물층은 일반적으로 맨 밖의 공작물쪽에 배치된 층으로서 즉 작업층으로서 사용된다. 하지만 이 경우 상기 층은 사실상 매우 제한되어 사용될 수 있다. 이러한 층들에서는 작업층으로서의 사용시 들러붙음의 발생 및 높은 경도에도 불구하고 비교적 적은 사용기간을 고려해야만 한다.

본 발명의 목적은 금속 탄질화물층이 도포될 수 있으며 상기 금속 탄질화물층 상에 한편으론 높은 부착강도를 갖는 그 밖의 층들이 증착될 수 있고 다른 한편으론 상기 금속 탄질화물층이 내마모성이 높으므로 코팅된 공구 또는 공구 부품이 경우에 따라 즉시 사용될 수 있는 전술된 타입의 방법을 제공하는 것이다.

이 이외에 본 발명의 목적은 적어도 하나의 금속 탄질화물층, 예컨대 티타늄 탄질화물층을 구비하며 상기 금속 탄질화물층 상에 한편으론 높은 부착강도를 갖는 그 밖의 층들이 증착될 수 있고 다른 한편으론 상기 금속 탄질화물층이 내마모성이 높으므로 코팅된 공구 또는 공구 부품이 경우에 따라 즉시 사용될 수 있는 물체 상에 도포된 전술된 타입의 코팅을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 금속 탄질화물층이 내마모성이 높고 또한 그 위에 경우에 따라 증착된 층의 높은 부착강도를 안전하게 하는 전술된 타입의 공구 또는 공구 부품을 제공하는 것이다.

방법과 관련한 본 발명의 목적은 청구범위 제 1 항의 방법에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 방법의 유리한 변형 예는 청구범위 제 2 항 내지 제 7 항의 대상이다.

본 발명과 함께 실현되는 장점들은 특히 금속 탄질화물층, 특히 티타늄 탄질화물층이 현미경적 구조를 갖고 만들어지며 상기 현미경적 구조는 단단히 부착되는 그 밖의 층들의 증착을 위해 탁월하게 적합하다는 데에 있다. 결정화학적으로 볼 때 결정들은 각기 횡단면에 걸쳐 불균일한(inhomogeneous) 원소분포(element distribution)를 구비한다. 잇달아 도포된 층들, 예컨대 티타늄 니트라이드, 알루미늄 옥시드 또는 다이아몬드로 만들어진 층들은 이러한 층들 상에 매우 개선되어 부착하고 떼어짐은 가장 강한 사용조건 하에서도 일어나지 않으며 또는 다만 매우 감소한 세기에서 나타난다.

본 발명에 따라 증착된 층이 통상의 금속 탄질화물층과 비교할 때 탁월한 마모특성을 나타내며 그리고 이로 인해 유리하게는 작업층으로도 사용될 수 있다는 것이 예기치 않게 확인되었다. 이러한 관찰은 특히 본 발명에 따라 증착된 티타늄 탄질화물층이 동일한 화학 조성물에서 통상적인 방법으로 만들어지며,

입상(granular) 구조를 갖는 티타늄 탄질화물층보다 적은 경도(구체적으로 마이크로 경도)를 구비한다는 것을 고려할 때 더욱 놀랍다.

본 발명에 따른 방법의 실행시 상기 기본 부재의 온도는 진척되는 증착하에서 상승되는 것이 바람직하다. 이로 인해 금속 탄질화물층의 중단 없는 성장이 제공되며 이는 가능한 한 오류가 없는 층 구조와 관련하여 유리한 것으로 입증되었다.

금속 니트라이드 종자결정이 최초로 만들어진 후 영역별로 금속 니트라이드층이 형성되기 시작하는 것을 피하기 위해서는 기본 부재의 온도가 증착의 시작 후 350 분, 특히 120 분 이내에 상기 상승된 온도로 인도되는 것이 목적에 맞는다.

증착된 금속 탄질화물층의 높은 하중 지지력을 위해서는 적어도 0.5 ㎛ 의 최저 층두께가 조정되도록 상기 상승된 온도에 도달한 후 증착이 적어도 60 분 동안 계속되는 것이 유리하다.

유리하게는 상승된 온도는 1010 내지 1040℃ 이다. 이 온도범위에서 개별 미소결정들은 빨리 그리고 오류가 적게 성장하며 따라서 하중 지지력이 높은 층의 빠른 성장을 그 결과로 갖는다.

공구 또는 공구 부품의 사용 특성과 관련하여 특히 탁월한 코팅은 메탄, 질소 및 티타늄 테트라클로라이드(titanium tetrachloride)를 포함하는 가스를 수단으로 티타늄 탄질화물층이 형성되고 증착될 때 얻어질 수 있다. 이와 관련하여 상기 가스가 메탄, 질소, 수소를 1:(8 내지 11):(15 내지 25) 몰의 비율로 포함하며 또한 상기 가스가 1 내지 8 부피 백분율(volume percentage) 티타늄 테트라클로라이드를 포함하는 것이 적합하다는 것이 입증되었다. 이를 통해 입상 티타늄 탄질화물에 대한 예기치 않은 몫들이 현저히 감소하거나 피해질 수 있고 본 발명에 따라 달성된 장점들이 더욱 커질 수 있다. 층의 조성물은 이 경우 x 는 0.15 내지 0.25 이고 y 는 0.85 내지 0.75 인 TiC_xN_y 이다.

반응 가스의 압력은 그 자체로는 결정적이지 않으며 넓은 경계에서 변화될 수 있다. 유리하게는 티타늄 탄질화물층은 100 내지 800 밀리바, 바람직하게는 200 내지 400 밀리바의 압력에서 증착된다.

내마모성이 높고 또한 그 위에 경우에 따라 높은 부착강도를 갖는 그 밖의 층들이 증착될 수 있는 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈 및/또는 크롬으로 구성된 금속들 중 하나 또는 여러 개의 적어도 하나의 금속 탄질화물층, 예컨대 티타늄 탄질화물층을 구비한 물체 상에 도포된 코팅을 제공하고자 하는 본 발명의 그 밖의 목적은 상기 금속 탄질화물층이 나노복합구조(nanocomposite structure)를 구비하며 상기 나노복합구조는 불균일한 원소분포를 갖는 결정들로 만들어짐으로써 달성된다.

본 발명과 함께 실현된 장점들은 특히 나노복합구조를 갖는 금속 탄질화물층, 예컨대 이와 같은 티타늄 탄질화물층이 현미경적 구조를 갖고 존재하며 상기 티타늄 탄질화물층은 단단히 부착되는 그 밖의 층들을 증착시키기 위해 탁월하게 적합하다는 데에 있다.

전문가에게 있어 층의 나노복합구조란 나노 범위에서의 치수를 구비하는 여러 개의 상을 갖는 형성형태를 의미한다.

검사는 기재의 표면에 가까운 영역에서 본질적으로 전혀 탈탄이 일어나지 않았고 또한 금속 탄질화물층 안으로 결합상의 확산도 행해지지 않았다는 것을 놀라운 방식으로 나타내었다.

나노 크기 범위에서 복수의 개별 결정들을 갖는 복합구조는 현저히 확대된 그레인(grain) 경계면도 만들어내고 이로 인해 층의 점착성이 향상되어 있다.

코팅시 금속 탄질화물 결정은 나노 크기 범위에서 성장했기 때문에 표면이 갈라지고 또한 그 밖의 층의 증착시 구조적으로 흡사 복수의 작은 개별 뾰족부 또는 꼬챙이를 제공하며 상기 뾰족부 또는 꼬챙이는 복합적인 앵커링(anchoring)을 위해 바람직하다. 그렇기 때문에 잇달아 도포된 층들, 예컨대 티타늄 니트라이드, 알루미늄 옥시드 또는 다이아몬드로 만들어진 층들은 매우 개선되어 부착하고 떼어짐은 가장 강한 사용 조건하에서도 일어나지 않으며 또는 다만 매우 감소한 세기에서 나타난다.

본 발명에 따라 증착된 층이 통상의 금속 탄질화물층과 비교할 때 탁월한 마모특성을 나타내며 그리고 이로 인해 유리하게는 작업층으로도 사용될 수 있다는 것이 예기치 않게 확인되었다. 이러한 관찰은 특히 본 발명에 따라 증착된 티타늄 탄질화물층이 동일한 화학 조성물에서 통상적인 방법으로 만들어지며 입상 구조를 갖는 티타늄 탄질화물층보다 적은 경도(구체적으로 마이크로 경도)를 구비한다는 것을 고려할 때 더욱 놀랍다.

바람직한 형성형태에 따라 결정들이 그 화학 조성물에 있어 중심에서 및 에지 영역(edge area)에서 탄소에 대한 및 질소에 대한 상이한 함유량을 구비하면 특히 좋은 마모특성을 갖는 층이 만들어질 수 있다.

금속 탄질화물층의 점착성 및 부착강도는 상이한 기하학적 형태를 갖는 적어도 2 개의 타입의 결정이 층을 이루면 더욱 향상될 수 있다.

금속 탄질화물층 자체의 강도 및 점착성뿐만 아니라 성장된 층, 예컨대 티타늄 니트라이드층 또는 알루미늄 옥시드층과의 연결은 층이 별 모양으로 길고 뾰족한 구조를 갖는 적어도 하나의 타입 및 작은 판 모양의 구조를 갖는 적어도 하나의 타입으로 만들어지면 향상될 수 있다.

실시 변형예에서, 예컨대 층의 열적 내구성을 높이기 위해 금속 탄질화물로 만들어진 층은 붕소, 규소, 지르코늄, 하프늄, 바나듐 또는 희토류(Rare Earth)로 도프(dope)될 수 있다. 도프란 이 맥락에서 층의 전체 중량과 관련하여 0.01 중량 % 까지의 개별 함유량들을 뜻할 수 있다.

특히 바람직하게는 작은 막대형 미소결정들이 산술 평균에서 65 나노미터 미만의 바람직하게는 45 나노미터 미만의 두께를 구비하는 것이다. 미소결정이 미세하면 할수록 본 발명에 따른 금속 탄질화물층 상에서 층의 증착시 앵커링 효과가 더 잘 나타나며 추가로 증착된 층의 부착이 더욱 크다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면 미소결정의 평균 크기는 바깥쪽으로 즉 공작물쪽에서 커진다. 이와 같이 하여 한편으론 그 아래에 놓인 영역 상에서 예컨대 공구의 하드 메탈-절삭 인서트 상에서 금속 탄질화물층의 높은 앵커링 질이 달성되고 다른 한편으론 유리하게는 그 밖의 층들 없이도 부품의 긴 작업기간이 실현될 수 있다.

본 발명에 따르면 내마모성이 높고 또한 그 위에 경우에 따라 높은 부착강도를 갖는 그 밖의 층들이 증착되어 있는 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈 및/또는 크롬으로 구성된 금속들 중 하나 또는 여러 개의 금속 탄질화물층, 예컨대 티타늄 탄질화물층은 x 는 0.1 내지 0.3 미만이고 y 는 0.9 내지 0.7 초과인 조성물 MeC_xN_y 을 갖는다.

특히 티타늄 니트라이드는 티타늄 카바이드와 비교할 때 현저히 적은 경도를 갖기 때문에 전문가에게 있어 평균적으로 0.3 보다 적은 탄소 몫을 갖는 본 발명에 따른 티타늄 탄질화물이 내마모성이 높은 층을 이루며 그리고 코팅된 공구가 바로 실용적으로 예컨대 금속성 재료의 절삭시 긴 수명을 갖고 사용될 수 있다는 것이 놀랍다.

특히 티타늄 탄질화물층에 대해서, 본 발명에 따른 층의 마이크로 경도가 단지 대략 2000 H_v 이며 그리고 따라서 (탄소 함유량이 올라감과 더불어) 2300 내지 3400 H_v 일 수 있는 통상의 티타늄 탄질화물층보다 현저히 적은 것이 예기치 않은 것이다. 이러한 맥락에서 또한 놀라운 것은 층에서의 현저한 탄소 몫에도 불구하고 들러붙음이 매우 감소한다는 것이며 이는 마모특성에 긍정적으로 기여한다.

이때 코팅의 사용 특성은 값들이 x = 0.15 내지 0.20 및 y = 0.85 내지 0.80 이면 최상일 수 있다.

광학적으로 본 발명에 따른 금속 탄질화물층의 특징은 층의 색깔이 밝음-어둠 구조, 특히 그와 같은 광맥 구조(vein structure)를 갖는 노랑-빨강 색조를 구비하며 상기 구조는 연삭 무늬(grinding pattern)에서 500 내지 1000 배의 확대에서도 광학현미경에서 인식될 수 있다는 데에 있다.

금속 탄질화물층이 매우 단단히 앵커링되고 또한 내마모성이 높으며 그리고 경우에 따라 그 위에 증착된 층의 높은 부착강도를 안전하게 하는 도포된 코팅을 구비한 상기 언급된 타입의 공구 또는 공구 부품을 제공하고자 하는 본 발명의 그 밖의 목적은 특허청구범위 제 8 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 코팅이 도포됨으로써 달성된다. 유리하게는 바깥쪽으로 즉 공작물쪽에서 탄질화물층은 별 모양으로 길고 뾰족하게 모양이 만들어지고 또한 상기 탄질화물층은 산화층으로서 형성된 커버링층(covering layer), 바람직하게는 알루미늄 산화층(Al₂O₃) 또는 탄소층, 특히 다이아몬드층을 지니고 있다.

본 발명에 따른 공구 또는 공구 부품의 장점들은 특히 제공된 금속 탄질화물층이 한편으론 통상적인 금속 탄질화물층보다 마모에 강하고 다른 한편으론 금속 탄질화물층 상에서 그 밖의 층의 증착시 상기 층이 단단히 부착되어 결합하거나 또는 앵커링하고 이는 마찬가지로 공구 또는 공구 부품의 사용기간에 대해 바람직한 것으로 입증되었다는 데에 있다.

본 발명에 따른 공구에서 여러 가지 층이 예컨대 작업층으로서 금속 탄질화물층 상에 도포될 수 있을지라도 티타늄 알루미늄 니트라이드로 만들어진 층이 도포될 때 특히 단단한 부착이 관찰된다. 알루미늄 옥시드, Al₂O₃, 또는 다이아몬드로 만들어진 층들도 특히 좋은 부착강도를 갖고 본 발명에 따른 금속 탄질화물층 상에 특히 티타늄 탄질화물층 상에 도포될 수 있다.

본 발명에 따른 공구의 그 밖의 장점 및 유리한 작용은 발명의 상세한 설명 및 하기의 실시예들로부터 나타나며 이하 실시예들을 참조로 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1 은 본 발명에 따른 Ti(CN)층 표면의 SEM 사진(SEM-Scanning electron microscope(주사 전자 현미경)),

도 2 는 TEM-검사 사진(TEM-Transmission electron microscope(투과 전자 현미경)),

도 3 은 코팅의 과도 부분의 연삭 무늬(15˚의 각도에서 연삭 샘플이 연삭됨),

도 4 는 여러 가지 코팅을 구비한 인덱스 가능 인서트를 위해 절삭 수량에 따라 실험적으로 얻어진 마모부 폭(v_b)을 나타낸 그래프,

도 5 는 코팅 동안 온도 진행의 개략적인 그래프이다.

도 1 에는 본 발명에 따른 티타늄 탄질화물층의 표면의 SEM 사진이 나타나 있다. 상기 층은 기재상에서 별 모양의 핀들을 갖는 복합구조에 있고 상기 핀들 안에는 보다 두꺼운 작은 판들이 성장하여 매립되어 있다. 상기 작은 판들은 대략 1 ㎛ 의 가장 큰 종방형 연장부를 구비하며 평평하고 평균적으로 대략 0.7 ㎛ 의 폭을 갖는 반면 상기 별 모양의 핀들은 현저히 보다 적은 두께를 갖고 형성되어 있다. 상기 작은 판 모양의 결정 및 상기 핀 모양의 결정은 불균일한 원소분포를 구비하며, 또한 비교적 여러 가지의 평균 조성물을 갖는다.

금속 탄질화물층의 이와 같이 구조화된 표면의 완성된 모양은 도포된 연속층의 높은 부착강도를 위해 가장 좋은 조건을 제공한다.

층 안의 결정질상을 확인하기 위해 Cuk 조사(radiation)의 사용하에 X-ray 회절을 수단으로 검사가 행해졌다. XRD 측정의 평가는 본 발명에 따른 층에서 C/N = 0.14 내지 0.19/0.86 내지 0.81 의 범위에서 C/N 비율을 얻게 하였다.

쉐러(Scherrer)에 따라 결정된 평균 그레인 크기(grain size)는 26 및 17 nm 의 값을 나타내었다. 즉, 층은 나노구조를 구비한다.

도 2 의 TEM 사진으로부터는 도면부호 1 을 갖는 어두운 영역 및 도면부호 2 를 갖는 밝은 영역을 알아볼 수 있다. 이 샘플의 검사에서 비교적 상기 어두운 영역은 탄소가 풍부하고 상기 밝은 영역은 질소가 풍부하다. 이로 인해 그레인의 조성물과 관련한 분해를 분명히 알아볼 수 있으며 이는 그레인의 특수한 핵-외피-구 조를 나타낸다.

추후에 증착된 작업층으로의 과도 부분에서 본 발명에 따른 티타늄 탄질화물층의 자유 표면은 심하게 갈라지고 바늘처럼 길고 뾰족하게 형성되어 있다(도 3). 이 표면구조는 뒤따르는 층들의 부착강도가 좋은 증착을 돕는데 왜냐하면 경계 영역에서 층들의 친밀한 관통이 생기기 때문이다. 이때 개별 미소결정들이 표면영역에서의 정확한 90˚위치로부터 벗어나는 것이 전적으로 바람직한데 왜냐하면 상응하는 불규칙성이 층들 간의 개선된 얽힘을 야기하기 때문이다.

도 4 는 도표 1 에 따른 구조를 갖는 다층 CVD 코팅을 구비한 인덱스 가능 인서트(indexable insert)와 함께 마모 테스트의 데이터를 보이고 있다. 하드 메탈 기재 및 절삭 플레이트 기하형상은 모든 인덱스 가능 인서트에 대해 동일했다.

도표 1: 절삭 플레이트 A 내지 C 를 위한 다층 코팅의 구조 및 층두께

층	층두께[㎛]
	A	B	C
TiN	0.5	0.5	0.5
MT-TiCN*	10.0	3.0	3.0
E-TiCN**	----	4.0	7.0
Al₂O₃	3.0	3.0	3.0
TiN	0.5	0.5	0.5
합계	14.0	11.0	14.0

*... 중간 온도-티타늄 탄질화물

**... 본 발명에 따라 증착된 티타늄 탄질화물

인덱스 가능 인서트는 재료의 회전 가공시 하기의 실험조건 하에서 테스트되었다:

가공된 강철: 34 CrNiMo 6, 261 HB

절삭 속도 v_c: 280 m/min

절삭 깊이 a_p: 1.50 mm

피드 f: 0.28 mm/회전

유제를 갖고 침전된 절삭, 각 절삭 30 초

도 4 에서 알 수 있는 바와 같이 동일한 사용조건 하에서 인덱스 가능 인서트(B 및 C)는 인덱스 가능 인서트(A)에 비해 하드 메탈(0.5 ㎛ TiN)에의 동일한 접합층(bonding layer) 및 동일한 외부층(0.5 ㎛ TiN)에서 현저히 적은 마모부 폭(wear land width)을 구비한다. 20 번의 절삭 후, 인덱스 가능 인서트(A)를 위한 마모부 폭은 0.50 ㎛ 이며 이에 반해 인덱스 가능 인서트(B)를 위해서는 0.32 ㎛ 이고 인덱스 가능 인서트(C)를 위해서는 0.14 ㎛ 인 것이 확인되었다. 인덱스 가능 인서트(B 및 A)의 층두께를 비교하여 볼 때 보다 적은 층두께에도 불구하고 향상된 마모강도가 달성된 것을 확인할 수 있다. 이는 제조기술적인 장점을 의미하는데 왜냐하면 CVD 방법을 수단으로 한 증착시 ㎛ 층두께 당 대략 1 시간이 계산되어야 하기 때문이다. 즉, 이제 마모에 보다 강한 코팅이 보다 짧은 시간 내에 제조될 수 있다.

그 밖의 실험들은 본 발명에 따른 티타늄 탄질화물층이 바람직하게는 맨 밖의 작업층으로도 사용될 수 있다는 것을 나타내었다. 다른 경우라면 동일한 층구조 및 동일한 층두께에서 본 발명에 따른 티타늄 탄질화물로 만들어진 맨 밖의 층을 갖는 절삭 플레이트는 마이크로 경도는 보다 적을지라도 수명과 관련하여서는 작업 층으로서 중간 온도-티타늄 탄질화물을 갖는 절삭 플레이트보다 1.5 배 또는 이 이상 월등하다. 이 효과는 본 발명에 따라 제조된 티타늄 탄질화물층의 특별한 구조에 기인할 것일 수 있다.

도 5 에는 온도-시간-그래프를 근거로 본 발명에 따른 코팅시의 절차가 개략적으로 및 본보기로 나타나 있다. 대략 960℃ 의 기본 부재의 또는 반응 챔버의 온도(T₁) 에서(시점 '0') 1:10:20 비율의 메탄, 질소, 수소 및 4 부피 백분율 티타늄 테트라클로라이드를 포함하는 반응가스가 첨가되며 이로 인해 가정한 바와 같이 막대형의 티타늄 니트라이드 종자결정이 증착한다. 이에 이어 온도는 상기 반응가스와의 지속적인 접촉에서 150 분 이내에 끊임없이 1050℃ 로 올라간다. 하지만 960℃ 로부터 1050℃ 로의 온도상승은 단계적으로 행해질 수도 있다. 최종적으로 코팅은 1050℃ 에서 및 반응가스의 동일한 조성물에서 그 밖의 250 분 동안 계속되며 그리고 그 후 종료된다.

Claims

기본 부재가 제공되며 상기 기본 부재 상에 하나 또는 여러 개의 층이 도포되고 이때 적어도 하나의 층이 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈 및/또는 크롬으로 구성된 금속들 중 하나 또는 여러 개의 금속 탄질화물로 만들어지며 그리고 메탄, 질소 및 하나 또는 여러 개의 금속화합물을 포함하는 가스를 수단으로 증착되는 공구 또는 공구 부품, 특히 절삭 플레이트와 같은 절삭 요소의 코팅방법에 있어서 상기 금속 탄질화물층의 증착이 850 내지 950℃ 의 상기 기본 부재의 온도에서 시작되고 그런 후 상기 기본 부재의 온도가 적어도 40℃ 만큼 상승되며 그리고 증착이 적어도 일시적으로 상기 상승된 온도에서 계속되는 것을 특징으로 하는 공구 또는 공구 부품, 특히 절삭 플레이트와 같은 절삭 요소의 코팅방법.
제 1 항에 있어서, 상기 기본 부재의 온도는 진척되는 증착하에서 상승되는 것을 특징으로 하는 공구 또는 공구 부품, 특히 절삭 플레이트와 같은 절삭 요소의 코팅방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기본 부재의 온도는 증착의 시작 후 350 분, 특히 120 분 이내에 상기 상승된 온도로 인도되는 것을 특징으로 하는 공구 또는 공구 부품, 특히 절삭 플레이트와 같은 절삭 요소의 코팅방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상승된 온도에 도달한 후 증착이 적어도 60 분 동안 계속되는 것을 특징으로 하는 공구 또는 공구 부품, 특히 절삭 플레이트와 같은 절삭 요소의 코팅방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상승된 온도가 1010 내지 1040℃ 인 것을 특징으로 하는 공구 또는 공구 부품, 특히 절삭 플레이트와 같은 절삭 요소의 코팅방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 메탄, 질소 및 티타늄 테트라클로라이드를 포함하는 가스를 수단으로 티타늄 탄질화물층이 형성되고 증착되는 것을 특징으로 하는 공구 또는 공구 부품, 특히 절삭 플레이트와 같은 절삭 요소의 코팅방법.
제 6 항에 있어서, 상기 가스가 메탄, 질소 및 수소를 1:8 내지 11:15 내지 25 몰의 비율로 포함하고 또한 상기 가스가 1 내지 8 부피 백분율 티타늄 테트라클로라이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 공구 또는 공구 부품, 특히 절삭 플레이트와 같은 절삭 요소의 코팅방법.
티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오브, 탄탈 및/또는 크롬으로 구성된 금속들 중 하나 또는 여러 개의 적어도 하나의 금속 탄질화물층, 예컨대 티타늄 탄질화물층을 구비하며 물체 상에 도포된 코팅에 있어서 상기 금속 탄질화물층은 나노복합구조를 구비하며 상기 나노복합구조는 불균일한 원소분포를 갖는 결정들로 만들어진 것을 특징으로 하는 금속 탄질화물층을 구비한 코팅.
제 8 항에 있어서, 상기 결정들은 그 화학 조성물에 있어 중심에서 및 에지 영역에서 탄소에 대한 및 질소에 대한 상이한 함유량을 구비하는 것을 특징으로 하는 금속 탄질화물층을 구비한 코팅.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상이한 기하학적 형태를 갖는 적어도 2 가지 타입의 결정이 상기 층을 이루는 것을 특징으로 하는 금속 탄질화물층을 구비한 코팅.
제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 층은 별 모양으로 길고 뾰족한 구조를 갖는 적어도 하나의 타입 및 작은 판 모양의 구조를 갖는 적어도 하나의 타입으로 만들어진 것을 특징으로 하는 금속 탄질화물층을 구비한 코팅.
제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 층은 붕소, 규소, 지르코늄, 하프늄, 바나듐 또는 희토류로 도프되는 것을 특징으로 하는 금속 탄질화물층을 구비한 코팅.
제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결정들은 65 nm 미만의 바람직하게는 45 nm 미만의 평균 크기를 구비하는 것을 특징으로 하는 금속 탄질화물층을 구비한 코팅.
제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결정들의 상기 평균 크기는 바깥쪽으로 즉 공작물쪽에서 커지는 것을 특징으로 하는 금속 탄질화물층을 구비한 코팅.
제 8 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 층은 x 는 0.1 내지 0.3 미만이고 y 는 0.9 내지 0.7 초과인 조성물 MeC_xN_y를 구비하는 것을 특징으로 하는 금속 탄질화물층을 구비한 코팅.
제 15 항에 있어서, 상기 값들이 x = 0.15 내지 0.20 및 y = 0.85 내지 0.80 인 것을 특징으로 하는 금속 탄질화물층을 구비한 코팅.
제 8 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 층의 색깔은 밝음-어둠 구조, 특히 그와 같은 광맥 구조를 갖는 노랑-빨강 색조를 구비하며 상기 구조는 연삭 무늬에서 500 내지 1000 배의 확대에서도 광학현미경에서 인식될 수 있는 것을 특징으로 하는 금속 탄질화물층을 구비한 코팅.
그 위에 도포된 하나 또는 여러 개의 층을 갖는 기본 부재를 포함하며 이때 적어도 하나의 층이 금속 탄질화물층인 공구 또는 공구 부품, 특히 절삭 플레이트와 같은 절삭 요소에 있어서 제 8 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 코팅이 도포되는 것을 특징으로 하는 공구 또는 공구 부품, 특히 절삭 플레이트와 같은 절삭 요소.
제 18 항에 있어서, 바깥쪽으로 즉 공작물쪽에서 상기 탄질화물층은 별 모양으로 길고 뾰족하게 모양이 만들어지고 또한 상기 탄질화물층은 산화층으로서 형성된 커버링층, 바람직하게는 알루미늄 산화층(Al₂O₃), 또는 탄소층으로서 특히 다이아몬드층을 지니고 있는 것을 특징으로 하는 공구 또는 공구 부품, 특히 절삭 플레이트와 같은 절삭 요소.