KR20080097696A

KR20080097696A - 다층구조 다이아몬드 코팅 절삭공구

Info

Publication number: KR20080097696A
Application number: KR1020070042855A
Authority: KR
Inventors: 홍성필
Original assignee: 주식회사 케이디엘씨
Priority date: 2007-05-03
Filing date: 2007-05-03
Publication date: 2008-11-06

Abstract

본 발명은 다이아몬드 코팅 절삭공구에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다층구조 다이아몬드 코팅 절삭공구에 관한 것이다.

본 발명에 따른 다층구조 다이아몬드 코팅 절삭공구는, 탄소를 포함하는 혼합가스 분위기에서 플라즈마를 이용하여 모재와의 밀착력을 증진시키는 마이크로결정 다이아몬드 코팅막을 형성시키는 계면층, 상기 계면층 위에 표면조도를 개선시키는 나노결정 다이아몬드 코팅막을 형성시키는 중간층, 및 외관불량 및 표면조도를 개선하기 위한 나노입자 탄소막을 형성시키는 최상층으로 구성되는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

다이아몬드 코팅, 계면층, 중간층, 최상층

Description

다층구조 다이아몬드 코팅 절삭공구{Cutting tools of coated multilayer diamond}

도 1은 본 발명에 따른 절삭공구의 다층구조 다이아몬드 코팅막의 표면사진이며,

도 2는 본 발명에 따른 절삭공구의 다층구조 다이아몬드 코팅막의 단면사진이다.

다이아몬드(diamond)는 지구상에서 존재하는 물질 중에서 가장 경도가 높은 물질중의 하나이다. 오늘날 기상합성법에 의해 인공적으로 만들어진 다이아몬드 코팅 절삭공구는 기계가공이 힘든 난삭재, 알루미늄-실리콘합금 혹은 마그네슘합금 및 흑연재료 등을 가공하는데 있어 최상의 공구로서 사용 되어지고 있다.

일반적으로, 다이아몬드 코팅막은 탄화수소를 포함한 혼합가스분위기에서 각종 전원(직류, 교류, 고주파, 마이크로파)에 의하여 플라즈마나 열에너지로 변환시킨 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD)법에 의하여 형성되고 있으며, 제조법으로서는 열필라멘트법(hot filament), 연소법(combustion flame), 직류방전 플라즈마법(d.c. glow discharge plasma), 아크방전 플라즈마 젯법(arc glow discharge plasma jet), 마이크로파 플라즈마법(microwave plasma) 등이 있다. 이 중에서 초경합금 절삭공구로의 적용은 대부분이 열필라멘트법에 의한 코팅이 주류를 이루고 있으며, 제조된 다이아몬드막은 약 5~15㎛의 조대한 결정크기로 구성되는 다결정다이아몬드(polycrystalline diamond)이며, 모재표면으로부터 기둥모양의 주상정구조(columnar structure)로 석출되어 표면이 대단히 거칠다.

이러한 조대한 결정크기로 구성된/제조된 초경합금 다이아몬드 절삭공구는 가공시에 피삭재의 표면조도를 저하시켜 가공 정밀도를 저하시킨다. 또한, 마이크로결정다이아몬드(microcrystalline diamond)의 마찰계수(μ, >0.6)가 높기 때문에 가공시 다이아몬드 입자와 입자사이에서 피삭재의 미세한 잔류물에 의한 용착현상으로 절삭공구의 수명을 떨어뜨리는 원인이 된다.

이를 해결하기 위해서는 조대한 혹은 마이크로결정다이아몬드의 표면을 미세하게 평활하게 연마하지 않으면 안 된다. 그렇지만, 초경합금 절삭공구는 3차원적인 복잡형상구조를 가지고 있어서 인선부위에 대한 연마는 대단히 어려우며, 연마비용이 많이 소요되는 등 단점이 있다.

또한, 다른 방법으로서 다이아몬드 절삭공구의 제조방법으로 인서트에 소결 한 다이아몬드를 브레이징(brazing)하여 사용하고 있지만, 형상이 복잡한 드릴 및 엔드밀에 대해서는 제조방법상의 문제점과 제조비용이 높은 점 등의 난점이 산재해 있다.

상기의 문제점인 화학적기상증착법으로 제조된 마이크로결정다이아몬드막의 표면조도를 해결하기 위하여 상기의 방법에 의하여 미세결정다이아몬드막 코팅에 대한 기초연구가 일부 논문 및 특허로서 발표되었다. 발표된 논문 및 특허를 보면, 대부분이 Si웨이퍼에 약 15~50nm의 미세결정다이아몬드를 제작한 예이다. 제조방법으로서는 대부분이 마이크로파 플라즈마화학기상증착법(Microwave Plasma CVD)을 이용하여, 메탄-수소혼합가스에서 고농도의 메탄가스 농도를 사용하는 방법, 아르곤 혹은 C60-수소-메탄을 이용하는 방법, 모재에 직류 바이어스전압을 인가하는 방법 등이 있다. 그 외의 다른 방법인 열필라멘트법에서는, 수소-메탄의 혼합가스를 이용하여 높은 가스압(약 200Torr)에서 기판온도를 감소(1250℃ => 1020℃)하는 것에 의하여 약 8~16nm의 미세한 결정크기의 다이아몬드가 석출되었다는 보고가 있다. 그렇지만, 실제적으로 초경합금인 절삭공구에 응용한 예는 아직 보고된 바 없으며, 제조된 미세결정다이아몬드막 절삭공구의 평가방법도 보고되지 않았다. 그 이유로서는, 미세결정다이아몬드막의 합성조건이 매우 혹독하여 장시간 증착시 결정입자의 성장으로 인한 조대화에 따른 미세결정다이아몬드에 대한 정확한 합성메카니즘이 아직 규명되지 않은 것을 들 수 있으며, 나아가서는 상품으로서 3차원적으로 외관상 균일하지 않은 데 있다.

위에서 설명한 바와 같이, 종래의 Si웨이퍼에서 마이크로파 플라즈마화학기 상증착법 혹은 열필라멘트법을 이용하여 미세결정다이아몬드막의 제조방법에 의해, 100Torr이상의 높은 가스압의 메탄-수소-아르곤가스를 포함한 혼합가스분위기에서 마이크로파전원에 의한 플라즈마를 발생시켜 이온화를 억제하면서 가스를 여기화시켜 모재에 미세결정다이아몬드막을 합성하였다. 그 결과, 2차원적인 평탄한 모재에서는 일부 석출하지만, 3차원적인 복잡형상을 가지는 초경합금 절삭공구에 적용하는데 있어서는 결정입자의 크기/막두께의 균일성 혹은 밀착력 등이 문제이다. 또한, 막의 물성평가에서도 미세결정다이아몬드를 정확하게 규명 혹은 평가하는데 있어 많은 비용과 시간이 소요되는 어려움이 있다.

다이아몬드 코팅된 절삭공구와 관련하여 대한민국 특허 10-0484263 및 10-0576318호가 등록되어 있으나 관련 내용은 미세결정 다이아몬드의 형성방법 및 표면조도 개선방법에 대해서만 언급하고 있다. 또한, 공개특허 제 2000-34774호가 공개되어 있으나 상기 공개특허에서는 드릴, 엔드밀 또는 리머와 같은 기다란 회전절삭공구에 단일층의 다이아몬드를 코팅하는 방법을 개시하고 있을 뿐이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 코팅 절삭공구의 표면조도 및 불균일한 외관 개선을 실시함으로서 절삭시 피삭재의 표면조도 개선과 함께 고속절삭을 통하여 최종적으로는 공구성능을 더욱 향상시키기 한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 알루미늄-실리콘, 황동과 같은 융점이 낮은 비철금 속, 목재 및 흑연 등을 가공하는데 있어 피삭재의 가공면의 표면조도를 개선시키고 공구수명을 향상시켜주어, 특히 치수 정밀도를 요구하는 반도체 산업을 비롯한 자동차, 전자분야에서 유용하게 사용될 수 있도록 하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다층구조 다이아몬드 코팅 절삭공구는, 탄소를 포함하는 혼합가스 분위기에서 플라즈마를 이용하여 모재와의 밀착력을 증진시키는 계면층, 상기 계면층 위에 표면조도를 개선시키는 나노결정 다이아몬드 코팅막을 형성시키는 중간층, 및 외관불량 및 표면조도를 개선하기 위한 나노입자 탄소막을 형성시키는 최상층으로 구성되는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

여기서, 상기 계면층의 입자크기는 500nm~15μm, 상기 중간층의 입자크기 50~150nm, 상기 최상층의 입자크기 5~50nm로 형성시키는 것이 더욱 바람직하다.

이하, 본 발명에 의한 다층구조 다이아몬드 코팅 절삭공구의 코팅 방법을 설명한다.

먼저, 모재 특히 3차원 형상을 가지는 초경합금 인서트를 적당한 크기의 기판홀더에 배치시킨 다음, 메탄-수소계 열필라멘트(hot filament) 방식을 이용하여 계면층으로서 조대한 혹은 마이크로결정 다이아몬드 특성의 코팅막을 0.1~1% 메탄 및 가스압 1~30Torr에서 실시하여 모재에 형성한다.

다음으로, 중간층으로서 미세한 혹은 나노결정다이아몬드 특성의 코팅막을 1~10%메탄 및 30~100Torr에서 형성한다.

마지막으로, 최상층으로서 나노입자의 탄소막을 2x10^-3Torr에서 약 2kV의 펄스전압을 이용하여 형성한다.

이러한 과정에서, 계면층에 대한 다이아몬드의 결정입자 크기는 500㎚~15㎛ 범위내에서 조절되며, 중간층에 대한 다이아몬드의 결정입자 크기는 50~150㎚ 범위내에서 조절되고, 최상층의 결정입자 크기는 5~50㎚ 범위내로 조절되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 최상층의 표면조도는 5~10㎚ 범위내 인 것이 바람직하다.

모재는 초경합금 인서트로서 그 조성은 3~10wt% Co와 10wt%이하의 타탄화물을 포함하는 WC계 초경합금 인서트를 사용함이 바람직하며, 모재의 평균입자크기는 0.5~6㎛로 사용함이 좋다.

이렇게 형성된 다이아몬드 코팅막은 Visible 라만분광에서는 약 1140과 1480cm^-1에서 C-H의 sp²결합구조, 1333cm^-1에서 다이아몬드의 sp³결합구조, 및 1355과 1540cm^-1에서 디스오더(disorder)와 흑연(G band)의 sp²결합구조를 가지며, 특히, UV(ultraviolet) 라만분광에서는 약 1333cm^-1 부근에서의 sp³결합구조를 가지는 다이아몬드의 약간 예리한 피크와 약 1580cm^-1 주변에서 sp²결합구조를 가지는 흑연의 브로드한 피크가 얻어지게 된다.

상술한 방법에 의해 형성된 다층구조 다이아몬드 코팅 절삭공구의 코팅막의 결정성 유무 확인 결과, X선 회절에 의한 분석결과, 약 43.98˚(2θ)에서 (111), (200), (311)면의 피크가 검출되어 다이아몬드임을 확인하였다.

이하에서는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 다층구조 다이아몬드 코팅 절삭공구는 초경합금 삭공구에 반복적으로 3층(계면층, 중간층 및 최상층) 이상의 서로 다른 입자크기를 가지는 다이아몬드 혹은 탄소막 코팅을 모재에 적층시켜 최상층의 표면조도를 개선하여 절삭공구 성능을 향상시킨다.

종래의 화학기상증착(chemical vapor deposition)법에 의해 초경합금(WC-Co) 모재에 인공적으로 제조되는 마이크로 혹은 미세결정 다이아몬드 절삭공구는 가공시에 결정입자의 조대화 혹은 외관 불량에 의해 가공물의 표면조도를 불량하게 하거나 공구수명을 떨어뜨리게 하는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해, 본 발명에서는 탄소를 포함하는 기체 가스분위기에서 밀착력을 증진시키는 계면층의 조대한 다이아몬드막이 형성되며, 연속적으로 표면조도를 개선시키는 중간층의 미세한 다이아몬드막이 형성되며, 혹독한 공정조건 아래에서 3차원 복잡형상의 외관 개선을 위한 나노입자를 가지는 최상층의 탄소막으로 구성된다(도 1과 도 2 참조).

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 그 결과 3차원 복잡형상의 상면 및 측면 외관은 양호하며, 절삭후의 피삭재 가공 표면조도의 결과도 매우 양호하였으며, 종래의 문제점을 해결하였다.

[ 실시예 ]

본 실시예는 기판홀더에 16*8*5(두께)mm³의 3차원 복잡형상을 가지는 초경합 금(WC-6%Co)으로 이루어진 모재(TPCN2204PDR)를 기판위에 셋팅한 다음, 메탄-수소계 열필라멘트(hot filament) 방식을 이용하여, 계면층은 조대한 혹은 마이크로결정 다이아몬드 코팅을 0.1~1%메탄 및 가스압 1~30Torr에서 실시하였으며, 중간층은 미세한 혹은 나노결정다이아몬드 특성의 코팅을 1~10%메탄 및 30~100Torr에서 코팅시간 10시간 코팅하였으며, 최상층인 나노입자의 탄소막은 C₂H₂가스를 이용하여 2x10^-3Torr에서 약 2kV/20mA의 펄스전압을 이용하여 1시간 형성하였다.

이렇게 형성시킨 다층구조 다이아몬드 코팅막은, X선회절 분석결과 다이아몬드(111), (220), (311)면의 피크가 검출되었으며, 라만분광법에 의한 결과 얻어진 막의 Visible(514.5nm)과 UV(244nm) Raman분광결과 Visible Raman분광에서 약 1140과 1480cm^- ¹부근에서 C-H의 stretching vibration mode인 sp²구조의 Raman shift가 있었으며, 1333cm^-1에서 다이아몬드의 sp³결합구조, 약 1355과 1540cm^-1에서 소위 disorder(D band)와 흑연(G band)으로 불리우는 sp²결합구조를 나타낸다. 더욱이, sp³카본 결합구조에 더욱 민감한 UV Raman분광에서는 약 1333cm^-1 부근에서 다이아몬드의 약간 예리한 피크와 약 1580cm^-1 주변에서 흑연의 브로드한 피크가 관찰되었다. 여기에서, 1580cm^- ¹부근에서의 흑연피크는 막을 구성하고 있는 매우 많은 결정입자와 입자사이의 계면에서 존재하는 sp²카본에 의한 것이다.

최종적으로 얻어진 최상층의 입자크기는 5~50nm이며, 표면조도는 Ra=5~10nm, 밀착력 테스트 결과 60kg의 하중으로 압흔하였을 때 박리가 일어나지 않았다.

다음은 본 발명에 있어, 다층구조 다이아몬드 코팅 절삭공구에 절삭성능을 평가한 내용이다.

내마모시험(건식가공)의 조건은 다음과 같다.

-피삭재 : AC8A(11~13%Si, 120㎜×200㎜×300㎜)

-절삭속도 : 800(m/min)

-이송량 : 0.15(㎜/rev)

-절입량 : 2(mm)

-절삭장 : 0.3m, 15m, 30m

-절삭팁 형상 : TPCN2204PDR

공구성능평가는 0.3, 15m, 30m 절삭후 인선부 주위에서 용착 및 박리여부를 확인하고 표면조도(Ra)를 측정하였으며, 그 결과를 [표 1]에 나타내었다.

[표 1]에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의해 형성된 반복적으로 3층 이상의 서로 다른 입자크기를 가지는 다이아몬드 혹은 탄소막 코팅 다이아몬드 절삭공구가 비교 샘플 대비 우수한 표면조도 및 절삭성능을 나타내고 있다.

[표 1]에 나타난 바와 같이, 종래 다이아몬드 단일막은 마이크로결정 다이아몬드 및 미세결정 다이아몬드 절삭공구의 코팅막을 비교대상으로 하였다.

본 발명의 다층구조 다이아몬드 코팅막은 종래 다이아몬드 단일막에 비해 표면조도(Ra) 및 용착면에서 상당히 우수한 결과치를 보이고 있다.

특히, 본 발명의 다층구조 다이아몬드 코팅막은 동일한 막두께(10~15㎛) 조건에서 마이크로결정 다이아몬드의 입자크기 보다 약 6*10²~3*10³배 미세하며, 표면조도 또한 마이크로결정 다이아몬드 및 미세결정 다이아몬드 보다 10 내지 500 배 정도 향상되는 것으로 나타났다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 대하여 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 구성에 따라, 절삭공구에 반복적으로 3층 이상의 서로 다른 입자크기를 가지는 다이아몬드 혹은 탄소막 코팅을 모재에 적층시켜 최상층의 표면조도를 더욱 개선하여 공구성능 및 피삭재의 표면조도를 향상시키는 것이 가능하게 되었다.

Claims

탄소를 포함하는 혼합가스 분위기에서 플라즈마를 이용하여 모재와의 밀착력을 증진시키는 마이크로결정 다이아몬드 코팅막을 형성시키는 계면층,

상기 계면층 위에 표면조도를 개선시키는 나노결정 다이아몬드 코팅막을 형성시키는 중간층, 및

외관불량 및 표면조도를 개선하기 위한 나노입자 탄소막을 형성시키는 최상층으로 구성되는, 다층구조 다이아몬드 코팅 절삭공구.
제1항에 있어서,

상기 계면층의 입자크기는 500nm~15μm, 상기 중간층의 입자크기 50~150nm, 상기 최상층의 입자크기 5~50nm로 형성되는, 다층구조 다이아몬드 코팅 절삭공구.