KR20100122918A

KR20100122918A - 경질 재료로 코팅된 몸체

Info

Publication number: KR20100122918A
Application number: KR1020107020052A
Authority: KR
Inventors: 덴 베르그 헨드리쿠스 반; 하르트무트 베스트팔; 폴크마르 소트케
Original assignee: 케나메탈 아이엔씨.
Priority date: 2008-03-12
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2010-11-23
Also published as: BRPI0908924B1; MX2010009890A; CN101970717A; WO2009112115A1; PL3031948T3; RU2491368C2; PL2252721T3; ES2628524T3; JP2011516722A; EP3031948A1; EP3031948B1; CN103834928B; RU2010141746A; JP5863241B2; CA2717187A1; CN103834928A; US8389134B2; ES2561597T3; US20100323176A1; BRPI0908924A2

Abstract

본 발명은 경질 재료로 코팅되어 있으며 CVD에 의하여 형성되는 다수의 층들을 가지는 몸체에 관한 것으로서, Al₂O₃층이 외층(outer layer)으로서 Ti₁ _- _xAl_xN층 및/또는 Ti_1-xAl_xC층 및/또는 Ti₁ _- _xAl_xCN층 상에 배치되어 있다.

Description

경질 재료로 코팅된 몸체{Body coated with hard material}

본 발명은 경질 재료(hard material)로 코팅되어 있으며 CVD에 의하여 형성되는 다수의 경질 재료층을 가지는 몸체에 관한 것이다.

절삭 가공에 이용되는 절삭 공구는, 특히 높은 절삭 속도에서의 선삭(turning)에 의한 단강 또는 경화강(tempered or hardened steels)과 같은 경질 또는 거친 재료의 절삭 가공에 있어서, 안정성 및 강도에 관한 요구 조건을 만족시켜야 한다. 절삭 공구의 재료는, 특히, 내마모성이 있어야 되는데, 이것은 종래에는 표면 코팅재가 제공되는 초경합금 몸체 또는 서멧 기재 몸체(cemented carbide or cermet substrate bodies)를 만들었으며, 상기 표면 코팅은 처음에는 티타늄의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로, 이후에는 마모 보호 코팅재(wear protection coatings)로서 사용되고 있는 산화 알루미늄층으로도 이루어진다. 상이한 경질 재료로 구성되는 다중층 마모 보호 코팅재가 또한 알려져 있다. 예를 들어, 탄질화 티타늄 또는 질화 티타늄과 같은 하나 이상의 중간층들 상에 배치되는 산화 알루미늄층이 마모 감소 코팅재로서 알려져 있다.

제 WO 03/085152 A2호는 PVD에 의하여 60%까지의 알루미늄 함량을 가지는 단일상 층(monophase layer)으로서 생산될 수 있는 Ti-Al-N 층의 이용을 공지하고 있다. 그러나, 더 높은 알루미늄 함량에서는 입방정계 및 육방정계 TiAlN의 혼합물이, 그리고 더욱 더 높은 알루미늄 함량에서는 오직 더 연성이고 내마모성이 아닌 육방정계 우르차이트 구조(wurtzite structure)가 형성된다.

단상(single-phase) Ti₁ _- _xAl_x-N(x = 0.9) 경질 재료층이 플라즈마 CVD에 의하여 생산될 수 있음이 또한 알려져 있다. 그러나, 상기 층 조성물의 만족스럽지 않은 균질성 및 상기 층에서의 상대적으로 높은 염소 함량은 단점이다.

Ti₁ _- _xAl_xN 경질 재료층을 생산하기 위하여 PVD 또는 플라즈마 CVD 공정이 이용될 때, 이 층들의 사용은 700℃ 미만의 온도로 제한되었다. 복잡한 부품 형상의 코팅이 어렵다는 단점이 있다. PVD는 복합 형상이 비규칙적으로 코팅되는 통제 공정(directed process)이다. 플라즈마 CVD는 높은 플라즈마 균질성을 요구하는데, 이는 플라즈마 전력 밀도가 상기 층의 Ti/Al 원자 비율에 직접 영향을 주기 때문이다. 높은 알루미늄 함량을 가지는 단상 입방정계 Ti₁ _- _xAl_x-N 층의 생산은 산업에서 이용되는 PVD 공정에 의하여는 가능하지 않다.

또한 1000℃ 초과의 온도에서는 종래의 CVD 공정에 의한 TiAl의 증착이 가능하지 않은데, 이는 준안정 Ti₁ _- _xAl_xN이 그러한 높은 온도에서 TiN 및 육방정계 AlN으로 분해되기 때문이다.

마지막으로, 550℃ 내지 650℃의 범위의 온도에서 플라즈마 보조 없이 열적 CVD 공정(thermal CVD process)에 의하여 Ti₁ _- _xAl_xN층(x는 0.1 내지 0.6의 범위 내에 있음)을 생산하기 위한 미국 특허 번호 제 US 6,238,739호 B1에 서술된 공정에서, x ≤ 0.6인 상대적으로 낮은 알루미늄 함량에 대한 제한이 지시되어 있다. 상기 서술된 공정에서, 염화 알루미늄 및 염화 티타늄, 그리고 NH₃ 및 H₂도 가스 혼합물로서 이용된다. 이 코팅재의 경우에도, 12원자%까지의 높은 염소 함량이 허용되어야 한다.

내마모성 및 내산화성을 향상시키기 위하여, 제 WO 2007/003648 A1호는 경질 재료로 코팅되어 있으며 CVD에 의하여 적어도 하나의 Ti₁ _- _xAl_xN 경질 재료층을 포함하는 단일층 또는 다중층 코팅재 시스템을 가지는 몸체를 생산하는 것을 제안하며, 그 목적을 위하여 상기 몸체를 반응기 내에서 플라즈마 여기 없이 CVD 에 의하여 700℃ 내지 900℃의 온도에서 코팅하며, 승온에서 혼합된 티타늄 할로겐화물, 알루미늄 할로겐화물 및 반응성 질소 화합물을 전구체로서 사용하는 것을 제안한다. 이것은 입방정계 NaCl 구조 및 >0.75 내지 0.93의 화학양론계수 x를 가지는 단상 Ti₁ _-xAl_xN 경질 재료층, 또는 입방정계 NaCl 구조 및 메인 상(main phase)으로서 >0.75 내지 0.93의 화학양론계수 x, 그리고 추가 상(further phase)으로서 우르차이트 구조 및/또는 TiN_xNaCl 구조를 가지는 Ti₁ _- _xAl_xN을 포함하는 다중상층(multiphase layer)을 가지는 몸체를 제공한다. 염소의 함량은 0.05 내지 0.9원자%의 범위 내에 있다. 또한 이 문헌으로부터, 30질량%까지의 비정질층 성분을 가지는 Ti₁ _- _xAl_xN 경질 재료층 또는 층들을 얻을 수 있다는 것이 알려져 있다. 수득된 상기 층의 경도는 2500HV 내지 3800HV 범위 내에 있다.

높은 내마모성에서 Ti₁ _- _xAl_xN 경질 재료층의 접착을 향상시키기 위하여, 이전 공개물이 아닌 제 DE 10 2007 000 512호는, 또한, 기재 몸체(substrate body)에 적용되는 층 시스템이, 몸체에 적용되는 질화 티타늄, 탄질화 티타늄 또는 탄화 티타늄의 결합층, 이어서 상 구배층(phase gradient layer), 그리고 마지막으로 단상 또는 다중상 Ti₁ _- _xAl_xN 경질 재료층의 외층(outer layer)을 포함하는 것을 제안한다. 상 구배층은, 결합층에 접하는 그의 측면 상에서, TiN/h-AlN 상 혼합물을 포함하며, 층 두께가 증가하면, 50% 초과의 비율에서 fcc-TiAlN 상의 비율이 증가하고, 그것에 연관되어, 동시에 TiN 및 h-AlN 상의 비율이 감소한다.

초경합금, 서멧 또는 기재 몸체 상의 층의 내마모성 및 내산화성을 별도로 하고서, 코팅재의 열적 안정성은, 특히 높은 절삭 속도에서, 절삭 가공 시의 이 재료의 사용에 있어서 매우 중요하다. 경질 가공물의 선삭 중에 절삭 인서트의 절삭 에지의 영역에서 1000℃ 초과의 온도가 유의하게 생긴다. 그러한 온도에서, 개별 층들 사이의 기재들의 상이한 팽창 계수들은 상당한 효과를 가진다. 상기 개별 층들 사이에서 스트레스가 발생하고, 고온이 열 전도에 의하여 외층에서부터 기재 몸체로 이동되면, 가장 바람직하지 않은 경우, 코팅의 분리가 일어나서, 절삭 인서트를 사용할 수 없게 만든다.

따라서, 본 발명의 목적은, 경질 재료로 코팅되어 있으며, 개별 층들의 선택의 결과로 그의 코팅이 열 이동에 관하여 더 우수한 열적 절연 효과를 가지는, 몸체를 제공하는 것이다.

이 목적은 청구항 제1항에 따른 경질 재료로 코팅된 몸체에 의하여 성취될 수 있다. 경질 재료로 코팅된 몸체는 다수의 층들을 가지는데, Al₂O₃층이 Ti₁ _- _xAl_xN층 및/또는 Ti₁ _- _xAl_xC층 및/또는 Ti₁ _- _xAl_xCN층(x는 0.65 내지 0.95) 상의 외층으로서 배치되어 있다.

본 발명에 의하여, 경질 재료로 코팅되어 있으며, 개별 층들의 선택의 결과로 그의 코팅이 열 이동에 관하여 더 우수한 열적 절연 효과를 가지는 몸체가 제공된다.

종래 기술에서 일반적으로 이용되는 TiCN층 대신에 Ti₁ _- _xAl_xN층, Ti₁ _- _xAl_xC층 또는 Ti₁ _- _xAl_xCN층의 이용은, Al₂O₃층 아래에 배치되는 층의 열 전도성이 약 80% 더 낮기 때문에 Ti₁ _- _xAl_xN층, Ti₁ _- _xAl_xC층 또는 Ti₁ _- _xAl_xCN층이 기재 몸체에 대한 열적 절연성에 있어서 상당히 더 우수하다는 장점이 있다. 또한 외부 Al₂O₃층은 내산화성이 더 우수하며, TiCN 외층에 비하여, 약 50% 더 경질이기 때문에, 더 큰 내마모성을 얻는다.

덧붙여, 중간층으로서 Ti₁ _- _xAl_xN층, Ti₁ _- _xAl_xC층 또는 Ti₁ _- _xAl_xCN층은 TiN 또는 TiCN 중간층에 비하여 크랙킹(cracking)의 영향을 쉽게 받지 않아서, 종래기술에 따라 얻어지는 불리한 전형적인 크랙망이 형성되지 않음이 놀랍게도 밝혀졌다. 특히 단속 절삭의 경우에, 크랙킹 저항성의 향상은 수명을 증가시킨다.

Ti₁ _- _xAl_xCN층, Ti₁ _- _xAl_xC층 또는 Ti₁ _- _xAl_xN층은 단상으로 구성되고 입방정계 구조를 가질 수 있거나, 다수의 상으로 구성되고 메인 입방정계 상(main cubic phase)에 더하여 우르차이트 구조를 가지거나 및/또는 TiN으로 구성되는 추가 상(further phase)을 가질 수 있다. 비정질 층 성분은 30질량%까지 존재할 수 있다. 염소 함량은 0.01 내지 3원자%의 범위 내에 있다.

본 발명의 추가 구체예에서, TiN층 및/또는 TiCN층은 초경합금, 서멧 또는 세라믹을 포함하는 기재 몸체로의 결합층으로서 이용될 수 있어서, 안쪽에서부터 바깥쪽을 향하는 층 순서는 TiN- 또는 TiCN- TiAlC(N)-Al₂O₃이 된다.

본 발명의 목적을 위하여, 또한 TiCN층은 Al₂O₃ 외층과 Ti₁ _- _xAl_xN층, Ti₁ _- _xAl_xC층 또는 Ti₁ _- _xAl_xCN층 사이에서 가능하다.

금속으로서 계산되는 알루미늄의 비율은 바람직하게는 70% 내지 90%이다. Ti_1-xAl_xN층, Ti₁ _- _xAl_xC층 또는 Ti₁ _- _xAl_xCN층의 두께는 2㎛ 내지 10㎛, 바람직하게는 3㎛ 내지 7㎛의 범위에서 변할 수 있다. 또한, 상기 언급된 층은 육방정계 질화 알루미늄을 25% 이하의 비율로 포함할 수 있다.

본 발명의 목적을 위하여, 단일 중간층 대신에, 하나 이상의 이중층 또는 삼중층의 타입(Ti₁ _- _xAl_xN, Ti₁ _- _xAl_xC, Ti₁ _- _xAl_xCN)_n(여기서, n은 자연수)으로 구성되는 다중층 중간층을 가지는 것이 또한 가능한다. 이 때, TiAlN/TiAlCN/TiAlC 교호층(alternating layer)은, 개별층들 각각의 두께를 합하여, 1　nm 내지 5　nm 범위에 있는 총 두께를 가진다. 총 두께는 바람직하게는 1㎛ 내지 5㎛이어야 한다. 가장 간단한 경우에, 겨우 수 nm의 두께를 가지는 Ti₁ _- _xAl_xN 또는 Ti₁ _- _xAl_xCN 또는 Ti₁ _-xAl_xC의 얇은 개별층들은 1㎛ 내지 5㎛ 범위의 희망하는 총 두께에 이를 때까지 연속해서 형성된다. 그러나, C의 비율이 바깥쪽 방향으로 감소하거나 증가하는 구배를 가지는 종속층들(sublayers)을 가지는 층들을 포함하여, 상기 언급한 조성물로 구성되는 교호층 시스템을 가지는 것이 또한 가능하다.

TiAlN층, TiAlC층 또는 TiAlCN층은 30%까지의 비정질 성분을 포함하고 3원자%까지의 염소 함량을 가질 수 있다.

코팅된 몸체를 생산하기 위하여, 초경합금, 서멧 또는 세라믹을 포함하는 기재 몸체에 650℃ 내지 900℃ 범위의 코팅 온도에서 CVD 코팅을 진행하는데, 염화 티타늄 및 염화 알루미늄과 또한 암모니아를 가스 분위기 내로 도입하여 TiAlN층을 생산한다. 2㎛ 내지 10㎛, 바람직하게는 3㎛ 내지 7㎛ 범위의 두께를 가지는 제1 층을 생산한 후에, 2㎛ 이상 10㎛ 이하의 두께를 가지는 Al₂O₃층을 CVD 공정에 의하여 통상의 방법으로 형성한다.

Claims

경질 재료(hard material)로 코팅되어 있고 CVD에 의하여 형성된 다수의 층들을 가지는 몸체로서, Al₂O₃층이 Ti₁ _- _xAl_xN층 및/또는 Ti₁ _- _xAl_xC층 및/또는 Ti₁ _- _xAl_xCN층(x는 0.65 내지 0.95) 상에 외층(outer layer)으로서 배치되어 있는 것이 특징인 몸체.
제 1 항에 있어서,
초경합금(cemented carbide), 서멧(cermet) 또는 세라믹을 포함하는 기재 몸체(substrate body)에 대한 결합층으로서 TiN층 및/또는 TiCN층을 가지는 것이 특징인 경질 재료로 코팅된 몸체.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 Al₂O₃ 외층과 상기 Ti₁ _- _xAl_xN층, 상기 Ti₁ _- _xAl_xC층 또는 상기 Ti₁ _- _xAl_xCN층 사이에 TiCN층이 배치되어 있는 것이 특징인 경질 재료로 코팅된 몸체.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Ti₁ _- _xAl_xN층, 상기 Ti₁ _- _xAl_xC층 또는 상기 Ti₁ _- _xAl_xCN층에서의 x는 0.7 ≤ x ≤ 0.9인 것이 특징인 경질 재료로 코팅된 몸체.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
그룹 (Ti₁ _- _xAl_xN, Ti₁ _- _xAl_xCN, Ti₁ _- _xAl_xC)_n으로부터의 하나 이상의 이중층 또는 삼중층으로 구성되는 다중층 중간층(multilayer intermediate layer)이 Al₂O₃층 하부에 배치되어 있는 것이 특징인 경질 재료로 코팅된 몸체.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 외층의 두께는 1㎛ 내지 5㎛의 범위에 있고, 상기 Ti₁ _- _xAl_xN층, 상기 Ti_1-xAl_xC층 또는 상기 Ti₁ _- _xAl_xCN층의 두께는 1㎛ 내지 5㎛이고, 추가의 결합층 또는 중간층의 두께가 1㎛ 내지 5㎛의 범위에 있는 것이 특징인 경질 재료로 코팅된 몸체.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Ti₁ _- _xAl_xN층, 상기 Ti₁ _- _xAl_xC층 또는 상기 Ti₁ _- _xAl_xCN층은 25% 이하의 육방정계 AlN을 포함하는 것이 특징인 경질 재료로 코팅된 몸체.