KR20090094108A - 다층 피복 절삭 공구 - Google Patents

다층 피복 절삭 공구

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KR20090094108A
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Abstract

본 발명은 기재 및 금속 질화물층인 X 와 Y 가 교대로 있는 비주기성의 다층 구조를 포함하는 코팅을 포함하는 피복 절삭 공구에 관한 것이고, 상기 개별층의 평균 조성은 바람직하게는 (Ti(1-a-b-c)AlaCrbSic)N 이고, 여기서 0 ＜ a ＜ 0.5, 바람직하게는 0.05 ＜ a ＜ 0.4, 가장 바람직하게는 0.25 ＜ a ＜ 0.3 이고, 0 ＜ b ＜ 0.15, 바람직하게는 0.02 ＜ b ＜ 0.10, 가장 바람직하게는 0.04 ＜ b ＜ 0.08 이고, 0.01 ＜ c ＜ 0.17, 바람직하게는 0.02 ＜ c ＜ 0.10, 가장 바람직하게는 0.04 ＜ c ＜ 0.08 이고, a + b + c ＜ 1 이고 상기 개별층의 평균 두께는 0.1 ~ 100 ㎚ 이다. 피복 절삭 공구는 경질이고 높은 크레이터 내마모성 및 높은 플랭크 내마모성을 갖는다. 상기 공구는 날카로운 절삭날에 적합하다.

Description

다층 피복 절삭 공구{MULTILAYERED COATED CUTTING TOOL}
본 발명은 피복 절삭 공구에 관한 것으로, 코팅은 (Ti, Al, Cr, Si)N 으로 구성된 비주기적인 다층 구조를 갖는다.
최근 공구의 개발은 더 날카로운 절삭날에 대한 것이다. 두꺼운 코팅이 절삭 특성에 불리한 에지 라운딩을 증가시키기 때문에, 날카로운 절삭날을 유지하기 위해 더 얇은 코팅이 필요하다. 코팅이 두꺼울수록 계면 전단력이 더 커져서 절삭 라인을 쪼개는 경향이 있고, 이는 절삭날이 날카로워지는 것보다 더 심각하다. 더 얇은 코팅이 증착 (deposit) 된다면, 증가된 경도, 즉 연마 내마모성 (abrasive wear resistance) 이 공구의 내마모성을 유지하도록 요구된다.
얇고, 단단한 코팅을 달성하기 위한 하나의 방법은 다층 나노복합재 코팅을 이용하는 것이다. 이러한 다층 나노복합재 코팅용 공통 코팅 조성물은 (Ti, Al)N 이다.
PVD-코팅을 위한 경도 및 내산화성 등의 특성을 향상시키기 위한 다른 방법은 Cr, Si, B 등의 원소를 첨가하는 것이다.
Al 을 함유하는 질화물 PVD 코팅에 있어서, 높은 플랭크 마모성 및 내산화성을 얻기 위해서 40 at% 를 초과하는 높은 알루미늄 함량이 바람직하다. 그러나, 알루미늄 함량이 너무 높으면 준안정 경질 입방상으로부터 보다 안정적이고, 연질인 육방정상 AlN 으로의 상변화로 인해서 크레이터 마모를 증가시키게 된다.
날카로운 절삭날은 다양한 절삭 작업, 즉 드릴링 작업시에 중요하다. 드릴링시에, 절삭날에서만 마모가 발견되는 것은 아니다. 종종, 드릴의 가장자리에서도 실질적인 마모가 발견된다. 몇몇 가장자리 마모는, 전체 마모된 영역이 제거됨에 따라 드릴이 재조정될 때, 즉, 재연삭되고 재피복되게 된다. 일반적으로, 드릴을 재피복할 때, 매 재피복때마다 전체 코팅 두께가 증가한다. 가장자리에서 코팅의 두께가 증가하면 코너로부터 소정 거리에 있는 가장자리의 마모가 증가할 것이다. 또한, 코팅 두께가 증가하면 에지 라운딩이 증가할 것이다. 따라서, 더 얇고 내마모성이 클수록, 코팅에는 아주 유리하다.
종래 기술로서 절삭 공구에서의 (Ti, Al, Cr, Si)N 코팅이 공지되어 있다.
EP 1 219 723 A 에는 Ti1 -a-b-c- dAlaCrbSicBd(C1 - eNe) 로 이루어진 절삭 공구용 경질막이 개시되어 있고, 여기서 0.5 ＜ a ＜ 0.8, b > 0.06 이고, 0 ≤ c ＜ 0.1, 0 ≤ d ＜ 0.1, 0 ＜ c+d ＜ 0.1 이고 0.5 ＜ e ＜ 1 이다. 경질막은 다층 구조의 형태일 수 있다.
US2006/0222893 에는, 적어도 하나의 50 ~ 150 ㎚ 의 (Al, Cr)N 층 및/또는 적어도 하나의 75 ~ 200 ㎚ 의 (Ti, Si)N 층을 포함하는 반복적인 층 스택 및 적어도 하나의 (Al, Cr, Ti, Si)N + (Ti, Si)N + (Al, Cr, Ti, Si)N + (Al, Cr)N 의 층 스택을 포함하는 다층 코팅이 개시되어 있다. 혼합 (Al, Cr, Ti, Si)N 층은 다층 구조를 갖고 모든 타겟을 동시에 작동시킴으로써 달성된다. 이것은 수 나노미터 범위의 매우 미세한 층을 갖는 코팅을 유발한다. (Al, Cr, Ti, Si)N 층은 20±10 ㎚ 의 두께를 갖는다.
도 1 은 200 홀의 드릴링 후에 종래 기술에 따른 (Ti, Al, Cr, Si)N 코팅으로 피복된 드릴에서의 가장자리 마모를 도시한다.
도 2 는 200 홀의 드릴링 후에 본 발명에 따른 (Ti, Al, Cr, Si)N 코팅으로 피복된 드릴에서의 가장자리 마모를 도시한다.
본 발명의 목적은 높은 크레이터 내마모성 및 높은 플랭크 내마모성 모두를 갖는 피복 절삭 공구를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 경도가 증가된 코팅을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 날카로운 절삭날에 적합한 코팅을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 가장자리에서 더 적은 마모를 보이는 피복 드릴을 제공하는 것이다.
놀랍게도 본 발명에 따른 조성을 갖는 비주기적인 다층 코팅으로 절삭 공구를 피복함으로써 이들 목적이 달성될 수 있다는 것이 밝혀졌다.
본 발명에 따라, 초경합금, 서멧, 세라믹, 입방정 질화붕소 또는 고속도 강의 경질 합금으로 이루어진 기재 및 (Ti, Al, Cr, Si)N 의 조성을 갖는 X 와 Y 의 개별 금속 질화물층이 교대로 있는 비주기적인 다층 구조를 포함하는 코팅을 포함하는 피복 절삭 공구가 제공된다.
"비주기적인"이란 표현은, 다층 구조 중 특정 개별 층의 두께가 바로 아래, 또는 위에 있는 특정 개별 층의 두께와 어떠한 관련도 없음을 의미한다. 다층 구조는 적어도 10 개의 연속적인 개별 층으로 된 순서에서 임의의 반복적인 주기를 갖지 않는다.
여기에서 "다층 구조" 라는 표현은, 적어도 5 개의 개별 층을 포함하는 구조를 의미한다. 그러나, 다층 구조는 수천 개까지의 개별 층을 포함할 수 있다.
개별 층의 평균 두께는 0.1 ㎚ 보다 크지만, 100 ㎚ 보다는 작고, 바람직하게는 0.5 ㎚ 보다는 크지만, 50 ㎚ 보다는 작고, 가장 바람직하게는 1 ㎚ 보다는 크지만, 30 ㎚ 보다는 작다. 다층 구조 중 임의의 10 개의 연속적인 층의 합계는 300 ㎚ 보다 작다.
전체 코팅의 총 두께는 0.5 ∼ 20 ㎛, 바람직하게는 1 ∼ 10 ㎛, 가장 바람직하게는 1 ∼ 5 ㎛ 이다.
기재 또는 예비 피복된 기재에 접착식으로 접합되는 상기 다층 구조는, X 와 Y 층이 교대로 되어 있는 층상의 비주기적인 다층 구조를 포함하고, 개별 층인 X 와 Y 는 금속 질화물, 바람직하게는 다결정 금속질화물, 바람직하게는 입방정 구조를 갖는 것을 포함하며, 금속 원소는 티타늄 (Ti), 알루미늄 (Al), 실리콘 (Si), 크롬 (Cr) 또는 이들의 혼합물 중에서 선택된다. 개별 층인 X 와 Y 의 화학 조성은 서로 상이하다.
다층 구조 중 각 개별 층의 조성은 얇은 두께로 인하여 인접한 층의 도움 없이는 용이하게 측정될 수 없다. 측정할 수 있는 것은 전체 다층 구조에서의 평균 조성이다. 그러나, 각 개별 층의 조성은 사용된 타겟 조성으로부터 추정될 수 있지만, 이를 통해 정확한 조성을 알 수는 없다. 층이 더 두껍게 증착되어, 분석되기에 충분한 두께가 된 경우, 증착된 층의 조성이 타겟 재료의 조성에 비해 수 퍼센트 정도 상이할 수 있음이 밝혀졌다. 이 사실로 인해, 이하에서 언급되는 본 발명에 따른 다층 구조 중 개별 층의 임의의 조성은 증착 동안 사용된 타겟 조성으로부터 추정된 것이다.
다층 구조의 평균 화학 조성은 코팅의 단면에서 EDS (에너지 분산형 분광계) 를 이용하여 측정된다. 본 발명에 따른 전체 다층 구조의 평균 조성은 (Ti(1-a-b-c)AlaCrbSic)N 이고, 여기서 0 ＜ a ＜ 0.5, 바람직하게는 0.05 ＜ a ＜ 0.4, 가장 바람직하게는 0.25 ＜ a ＜ 0.3 이고, 0 ＜ b ＜ 0.15, 바람직하게는 0.02 ＜ b ＜ 0.10, 가장 바람직하게는 0.04 ＜ b ＜ 0.08 이고, 0.01 ＜ c ＜ 0.17, 바람직하게는 0.02 ＜ c ＜ 0.10, 가장 바람직하게는 0.04 ＜ c ＜ 0.08 이고, a + b + c ＜ 1 이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 기재는 0.1 ~ 1 ㎛, 바람직하게는 0.05 ~ 0.5 ㎛ 의 두께를 갖는 TiN, TiC, TiCN 또는 (Ti, Al)N 의 얇은 단일 또는 다층 코팅으로 예비 피복된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 개별 층인 X 와 Y 의 조성은 (Al, Cr)N, (Ti, Si)N, (Al, Ti, Si)N, TiN, (Al, Si)N 및 (Al, Ti, Cr, Si)N 중의 임의의 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 코팅은 (Al, Cr)N 과 (Ti, Si)N 개별층이 교대로 있는 다층 구조를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 기재는 초경합금, 서멧, 세라믹 또는 입방정 질화 붕소로 이루어진 절삭 공구 인서트이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 기재는 초경합금 또는 고속도 강으로 이루어진 드릴 또는 엔드밀이다.
본 발명은 또한 피복 절삭 공구의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, PVD 법에 의해 비주기적인 다층 구조를 포함하는 코팅을 위에 증착시킨, 초경합금, 서멧, 세라믹, 입방정 질화붕소 또는 고속도 강의 경질 합금으로 된 기재를 제공하는 단계를 포함한다.
상기 코팅은 N2 또는 혼합된 N2 + Ar 가스 분위기에서, 티타늄 (Ti), 알루미늄 (Al), 실리콘 (Si), 크롬 (Cr) 또는 이들의 합금으로부터 선택된 원소의 타켓을 사용하여 증착될 수 있다.
타켓에서 금속 원소의 조성은 전체 다층 구조에서의 금속 원소의 평균 조성과 상이하고 본 발명의 범위 내에서 코팅을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 타겟은 (Al, Cr), (Ti, Si), (Al, Ti, Si), Ti, (Al, Si), (Al, Ti, Cr, Si) 중의 임의의 것이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 타겟은 (Al, Cr) 및 (Ti, Si) 이다.
다층 구조를 포함하는 코팅은 상이한 PVD 법 및 개별 층을 교대로 형성함으로써 증착될 수 있다. 개별 층 타겟으로부터의 셔터 (shutter) 를 무작위로 개폐함으로써, 또는 상기 타겟을 무작위로 온 및 오프함으로써 개별 층 두께의 비주기적인 순서가 만들어질 수 있다. 생각할 수 있는 다른 방법은, 피복되는 기재를 상기 타겟 앞에서 무작위로 회전시키거나 이동시키는 것이다. 이는, 비주기적인 구조를 얻기 위해 배치된 3중 (3-fold) 회전 기재 테이블에 기재를 위치시켜서 행해지는 것이 바람직하다. 3중 회전은 회전 속도 및 회전 방향 (시계방향 또는 반시계방향) 에 있어서 조절될 수 있다.
다층 구조는, 개별층의 평균 두께가 0.1 ㎚ 보다 크지만 100 ㎚ 보다 작고, 바람직하게는 0.5 ㎚ 보다 크지만, 50 ㎚ 보다 작고, 가장 바람직하게는 1 ㎚ 보다 크지만, 30 ㎚ 보다 작도록 증착된다. 다층 구조 중 임의의 10 개의 연속적인 층의 합은 300 ㎚ 보다 작다.
전체 코팅의 두께는 0.5 ~ 20 ㎛, 바람직하게는 1 ~ 10 ㎛, 가장 바람직하게는 1 ~ 5 ㎛ 이다.
본 발명의 방법에 따라 만들어진 전체 다층 구조의 평균 조성은 (Ti(1-a-b-c)AlaCrbSic)N 이고, 여기서 0 ＜ a ＜ 0.5, 바람직하게는 0.05 ＜ a ＜ 0.4, 가장 바람직하게는 0.25 ＜ a ＜ 0.3 이고, 0 ＜ b ＜ 0.15, 바람직하게는 0.02 ＜ b ＜ 0.10, 가장 바람직하게는 0.04 ＜ b ＜ 0.08 이고, 0.01 ＜ c ＜ 0.17, 바람직하게는 0.02 ＜ c ＜ 0.10, 가장 바람직하게는 0.04 ＜ c ＜ 0.08 이고, a + b + c ＜ 1 이다.
대부분의 PVD 법이 본 발명에 따른 방법에 사용될 수 있고, 바람직하게는 전자 빔 증발 (electron beam evaporation), 마그네트론 스퍼터링 또는 음극 아크 증착 또는 이들의 조합이 사용된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 방법에 사용되는 기재는 초경합금, 서멧, 세라믹 또는 입방정 질화 붕소로 된 절삭 공구 인서트이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 방법에 사용된 기재는 초경합금 또는 고속도 강으로 된 드릴 또는 엔드밀이다.
실시예 1 (본 발명)
직경이 8 mm 인 드릴, 직경이 10 mm 인 볼-노즈형 솔리드 엔드밀 및 인덱스가능한 인서트가 10 중량% Co 및 잔부 WC 의 조성을 갖는 초경합금 기재로 만들어졌다. 이들 3 개의 상이한 유형의 공구는 음이온 아크 증발을 이용하여 비주기적인 다층 (Ti, Al, Cr, Si)N 코팅으로 피복되었다. 코팅 두께는 특정 공구 및 그 용도에 적합하도록 조정되었다. 다층 구조는 상이한 두 화학 조성으로 만들어진 두 쌍의 아크 타겟으로부터 증착되었고, 비주기적인 구조를 얻기 위해서 배치된 3중 회전 기재 테이블에 공구가 장착되었다. 아크 증착은 Ar + N2 분위기에서 실행되었다. 증착 후에, 드릴 상의 코팅은 웨트 블라스팅 처리를 받았다.
아크 타겟의 조성, 코팅 단면에서 EDS 를 사용하여 측정된 코팅의 평균 조성 및 드릴 및 엔드밀의 원주상에서 및 인서트의 플랭크면에서 광 광학 현미경 (light optical microscopy) 을 이용하여 측정된 각각의 공구의 코팅 두께가 표 1 에 도시되어 있다.
다층 구조는 비주기적, 즉, 비반복적인 두께를 갖는 각각의 층의 순서를 가지고 있었다. 단면 투과 전자 현미경 관찰 결과, 개별 질화물층 두께가 1 ∼ 30 ㎚ 임이 밝혀졌고, 각 층의 시스템에서 층의 총 수는 100 을 초과하였다.
실시예 2 ( 참조예 )
실시예 1 의 기재와 동일한 형상 및 조성을 갖는 기재와 비교를 위하여, 상이한 시판용 코팅이 피복되었다.
실시예 3
실시예 1 에 따라 만들어진 드릴이 실시예 2 에 따라 만들어진 드릴과 비교되었다. 각각의 드릴 유형의 두 개의 드릴이 이하의 절삭 조건에서 바닥 구멍 드릴링 작업으로 시험되었다:
작업물 재료: SS2541-03 (34CrNiMo6)
작업: 드릴링
Vc (m/min) 100
이송량 (Feed; ㎜/rev) 0.15
a, 구멍의 깊이 (㎜) 20
내부 냉각제 있음
결과는 이하에서 볼 수 있다. 결과는 두 시험의 평균 수치이다. 공구 수명의 척도는 플랭크 마모 vb = 0.3 mm, 레이크 마모/칩핑 kb = 0.5 mm, 파손 또는 긴 칩 (long chip) 이었다.
실시예 4
실시예 1 에 따라 만들어진 드릴이 실시예 2 에 따라 만들어진 드릴과 비교되었다. 각각의 드릴 유형의 3 개의 드릴이 이하의 절삭 조건에서 구멍 드릴링 작업을 통해 시험되었다:
작업물 재료: SS2244-05 (42CrMo4)
작업: 드릴링
Vc (m/min) 70
이송량 (㎜/rev) 0.15
a, 구멍의 깊이 (㎜) 18
내부 냉각제 있음
결과는 이하에서 볼 수 있다. 결과는 세 시험의 평균 수치이다. 공구 수명의 척도는 플랭크 마모 vb = 0.3 mm, 레이크 마모 또는 칩핑 kb = 0.5 mm, 파손 또는 긴 칩 (long chip) 이었다.
실시예 5
실시예 1 에 따라 만들어진 경화 강을 기계 가공하기 위한 직경 10 mm 의 볼-노즈형 솔리드 엔드밀이 실시예 2 에 따라 만들어진 볼-노즈형 솔리드 엔드밀과 비교되었다. 각 유형의 두 개의 엔드밀은 이하의 절삭 조건에서 밀링 작업으로 시험되었다:
작업물 재료: 1.2379 52HRC, 경화 강
작업: 컨투어 시험 밀링
ae (mm) 0.2
ap (mm) 0.2
Vc (m/min) 196
fz (mm/tooth) 0.127
냉각제 압축 공기
결과는 이하에서 볼 수 있다. 공구 수명 척도는 0.15 의 평균 플랭크 마모 (vb) 또는 0.20 mm 의 최대 플랭크 마모 (vb , max) 였다.
실시예 6
실시예 1 에 따라 만들어진 인덱스가능한 인서트가 실시예 2 에 따른 인덱스가능한 인서트와 비교되었다. 각각의 유형의 두 개의 인덱스가능한 인서트가 이하의 절삭 조건에서 밀링 작업으로 시험되었다:
작업물 재료: Dievar 47HRC, 경화 강
작업: 밀링
Vc (m/min) 120
ae (mm) 2.0
ap (mm) 4.0
fz (mm/tooth) 0.12
결과는 이하에서 볼 수 있다. 결과는 두 시험의 평균 수치이다. 공구 수명 척도는 0.2 mm 의 vb 또는 0.3 mm 의 칩핑 또는 노치 마모였다.

Claims (8)

  1. 기재 및 코팅을 포함하고, 상기 코팅은 개별층인 X 와 Y 가 교대로 있는 비주기적인 다층 구조를 포함하는 피복 절삭 공구에 있어서,
    상기 코팅의 평균 조성이 (Ti(1-a-b-c)AlaCrbSic)N 이고 여기에서 0 ＜ a ＜ 0.5, 0 ＜ b ＜ 0.15, 0.01 ＜ c ＜ 0.17 이고 a + b + c ＜ 1 인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 개별층의 평균 두께는 0.1 ~ 100 ㎚ 인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 0.05 ＜ a ＜ 0.4, 0.02 ＜ b ＜ 0.10, 및 0.02 ＜ c ＜ 0.10 인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다층 구조는 교대로 있는 (Ti, Si)N 과 (Al, Cr)N 개별층을 포함하는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
  5. PVD 법에 의해 개별 금속질화물 층인 X 와 Y 가 교대로 있는 비주기적인 다층 구조를 포함하는 코팅을 위에 증착시킨 기재를 제공하는 것을 포함하는 피복 절삭 공구의 제조 방법에 있어서,
    상기 다층 구조의 평균 조성은 (Ti(1-a-b-c)AlaCrbSic)N 이고 0 ＜ a ＜ 0.5, 0 ＜ b ＜ 0.15, 0.01 ＜ c ＜ 0.17 이고 a + b + c ＜ 1 인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 개별층의 평균 두께는 0.1 ~ 100 ㎚ 인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구의 제조 방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 0.05 ＜ a ＜ 0.4, 0.02 ＜ b ＜ 0.10 및 0.02 ＜ c ＜ 0.10 인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구의 제조 방법.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다층 구조는 (Ti, Si) 및 (Al, Cr) 타겟을 사용하여 증착되는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구의 제조 방법.
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