KR20100130752A - 절삭공구용 ｐｖｄ 다층막 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모재 표면 위에 물리적 기상 증착법(PVD)을 이용하여 증착된 절삭공구용 PVD 다층막으로서, Ti_kAl_{1 - k}N으로 구성되고 상기 모재 상부에 인접하여 적층된 하지층(10)과, 상기 하지층(10)의 상부에 인접하여 적층되고 Al_aTi_bSi_1-a-bN으로 구성된 제1 단위층(21)과 Al_xTi_1-xN으로 구성된 제2 단위층(22)을 각각 적어도 한층 이상 교대로 적층한 박막구조인 중간층(20)과, 상기 중간층(20)의 상부에 인접하여 적층되고 Al_dTi_e(Si, Y)_1-d-eN으로 구성된 최외곽층(30)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 PVD 다층막은 내산화층인 최외곽층(30)에 첨가된 Si, Y에 의해 고속가공 시 피삭재와 공구가 마찰되어 국부적으로 고온이 발생함에 따라 박막 표면에 Al₂O₃와 SiO₂(또는 Y₂O₃) 산화층을 형성함으로써 기존 박막인 단일 AlTiN 보다 우수한 내산화 안정성을 갖는다. 또한, 내마모층인 중간층(20)을 제1 단위층(21)과 제2 단위층(22)을 각각 적어도 한층 이상 교대로 적층한 박막구조로써, 우수한 경도특성을 나타내며, 고경도 피삭재 절삭가공 시 우수한 내마모성을 얻을 수 있다. 그리고, 인성층인 하지층(10)을 Ti_kAl_{1 - k}N 으로 구성함으로써, 고경도 및 난삭재 절삭가공 시 우수한 내치핑성 및 인성적으로 보강된 신개념의 박막구조를 갖는다.

PVD, 절삭, 경질, 다층, 박막, 고속가공

Description

절삭공구용 ＰＶＤ 다층막{Multi-layer PVD film for cutting tool}

본 발명은 고속가공용 절삭공구 경질박막에 관한 것이고, 보다 상세하게는 본 발명은 내산화성과 내마모성을 향상시키기 위해 초경합금(超硬合金), 써메트(Cermet), 고속도강, 엔드밀, 드릴류 등을 포함하는 경질모재 표면 위에 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)을 이용하여 적층함으로써 고경도 및 고온 내산화 특성을 가지도록 한 절삭공구용 PVD 다층막에 관한 것이다.

산업이 점차 정밀화, 고속화 및 대량 생산화됨에 따라 절삭공구에 대한 절삭성능 향상 및 수명개선이 요구되고 있다. 특히, 고경도 피삭재에 대한 고속 절삭가공 및 열전도도가 낮은 난삭재에 대한 절삭가공시에는 약 900℃ 이상의 고열이 피삭재와 마찰되는 인써트 선단에 국부적으로 발생하므로, 박막 내부의 고용원소가 외부로 확산 후 산화되어 산화물을 형성함으로써 박막 내부 고용원소 고갈현상이 나타나며, 이로 인해 경질박막의 경도 및 물성이 급격히 저하된다.

한편, 종래부터 절삭성능 향상 및 수명개선을 위해 초경합금, 써메트, 엔드밀, 드릴류 등의 모재 위에 경질박막인 TiN, TiAlN, AlTiN을 증착하는 방식이 사용되고 있었으나, 만족스러운 성능을 얻지 못하고 있다.

구체적으로, 1980년대까지는 절삭공구에 단일 TiN을 코팅하여 절삭성능 및 수명을 향상시키고자 하였으나, 일반적인 절삭가공시 약 600~700℃ 정도 열이 발생하게 되므로, 1980년대 후반에는 기존의 TiN 보다 경도와 내산화성이 높은 TiAlN으로 코팅기술이 변천되었고, 내마모성 및 내산화성을 더욱 향상시키기 위해 Al을 더 첨가시킨 AlTiN 박막이 개발되었다. AlTiN 박막은 Al₂O₃ 산화층을 형성함으로써, 고온 내산화성을 향상시키는 효과를 얻었으나, AlTiN 박막의 경우에도 Al 함량을 70%이상 첨가하게 되면 h-AlN 상이 형성되어 경도가 감소하는 한계가 있었다.

최근 들어, 피삭재는 점차 고경도화 되고 있으며, 열전도도가 낮고 공구와 용착이 심한 난삭재에 대한 절삭가공이 많아지고 있다. 이러한 고경도 피삭재에 대한 고속 절삭가공 및 난삭재에 대한 고속 절삭 가공 시 우수한 절삭성능 및 수명을 얻기 위해서는 기존 단일 박막구조에서 고온 경도의 안정성 및 우수한 내산화성을 가지는 신개념의 경질박막이 더욱 요구되고 있다.

특히, 최근 피삭재가 고경도화 및 다양한 원소가 포함된 합금강(난삭재류; 항공기, 선박, 발전소, 자동차 부품 등)의 비중이 점차 증가함에 따라 절삭가공이 더욱 어려워지고 있다. 또한, 이러한 절삭가공 시 절삭공구의 절삭성능 및 수명은 급격히 저하된다.

예를 들어, 고경도 피삭재에 대한 고속 절삭가공 및 열전도도가 낮은 난삭재 절삭가공 시 국부적으로 피삭재와 접촉하는 공구의 선단부에 고열이 집중되어, 공구수명을 급속히 저하시키기 때문에 이러한 절삭공구용 박막은 고온경도 안정성 및 우수한 내산화성이 더욱 요구된다. 즉, 고속 절삭가공 및 열전도도가 낮은 난삭재 절삭가공용 경질박막은 우수한 고온경도 및 내산화 특성을 갖지 않으면, 절삭성능 및 절삭수명 향상효과를 기대하기 어렵다. 그러므로, 최근 절삭공구 시장 변화에 부응하기 위해서는 고온에서 우수한 고온경도 및 내산화 특성을 가지는 신개념의 경질박막이 필요하다.

이러한 요구 조건을 만족시키기 위해 다양한 방안이 제안되었다.

예컨대, 일본공개특허 평8-118106호에서는 TiSi(C,N)을 피복함으로써 TiO₂와 SiO₂의 2층의 산화층을 형성하도록 하여 내산화 및 경도를 향상시키고자 하였다. 그러나, 박막내부의 Ti가 외부로 확산되는 경우 티타늄 산화물(TiO₂)을 형성하며, 이로 인해 박막 내부의 Ti 원소가 고갈되게 되는 바, 이와 같은 Ti 원소 고갈은 고온에서의 경도 저하의 원인이 된다. 그에 따라, 고경도 및 난삭재 절삭가공시에 발생되는 국부적인 고온에 의해 경도 열화가 발생되며 이는 공구의 절삭성능 및 수명이 감소되는 원인이 되었다.

한편, 일본공개특허 평7-310174호에서는 AlTi(C,N)에 제3원소인 Si를 첨가하는 방안이 제안되었다. AlTiSi(C,N)은 Si의 첨가로 인해 Al₂O₃와 SiO₂의 2층의 산화층을 형성하여, TiSi(C,N)보다 우수한 내산화성 및 고온경도 안정성을 가진다. 그러나, AlTiSi(C,N)은 단일박막이기 때문에 다층박막에 비해 박막 초기경도가 낮아서, 고경도 피삭재 가공 시 내마모성이 부족하다는 문제점이 있었다.

이상과 같이, 고경도 피삭재에 대한 고속 절삭가공 및 열전도도가 낮은 난삭 재 절삭가공에서는 국부적으로 피삭재와 접촉하는 공구의 선단부에서 고열이 집중되고, 절삭가공 시 발생되는 피삭재와 절삭공구의 기계적 마찰에 의해 공구의 마모가 급속히 진행되며 공구수명이 감소하게 된다. 따라서, 절삭공구의 성능 및 수명을 보다 향상시키기 위해서는 박막의 고온경도 안정성 및 내산화 특성이 매우 중요하다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 고온에서의 열화경도 감소현상으로 인한 고경도 피삭재의 고속가공 및 난삭재 가공시 국부적으로 집중되는 고열과 기계적 마찰마모에 의해 공구수명이 급속히 감소되는 문제점을 해소하는 것을 과제로 한다.

구체적으로, 종래의 TiSi(C,N)과 AlTiSi(C,N)와 같은 단일 박막이 가진 문제점을 해소하는 것을 기술적 과제로 한다.

또한, 고경도 피삭재 가공 및 난삭재 절삭가공시에 발생되는 기계적 마찰마모에 의한 공구수명 감소를 억제하기 위해서 고온 내마모성을 보다 향상시킬 수 있는 신개념의 박막구조를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 모재 표면 위에 물리적 기상 증착법(PVD)을 이용하여 증착된 절삭공구용 PVD 다층막으로써, 신개념의 박막구조를 갖는다.

즉, 본 발명에 따르면, 내산화층인 최외곽층(30)을 기존의 박막재료인 AlTiN에 Si, Y을 첨가함으로써 Al_dT_e(Si, Y)_{1-d- e}N 로 구성한 것을 특징으로 한다.

또한, 내마모층인 중간층(20)은 Al_aTi_bSi_{1 -a- b}N로 구성된 제1단위층(21)과 Al_xTi_1-xN 로 구성된 제2단위층(22) 막을 각각 적어도 한층 이상 교대로 적층한 박막 구조로 구성한 것을 특징으로 한다.

그리고, 인성층인 하지층(10)에는 Ti_kAl_{1 - k}N 막을 적층한것을 특징으로 한다.

구체적으로, 본발명에 따른 절삭공구용 PVD 다층막은 Ti_kAl_{1 - k}N으로 구성되고 상기 모재 상부에 인접하여 적층된 하지층(10)과, 상기 하지층(10)의 상부에 인접하여 적층되고 Al_aTi_bSi_{1 -a- b}N으로 구성된 제1 단위층(21)과 Al_xTi_{1 - x}N으로 구성된 제2 단위층(22)을 각각 적어도 한층 이상 교대로 적층한 박막구조인 중간층(20)과, 상기 중간층(20)의 상부에 인접하여 적층되고 Al_dTi_e(Si, Y)_{1-d- e}N으로 구성된 최외곽층(30)으로 구성함으로써 고경도 피삭재 및 난삭재 절삭가공 시 우수한 내마모성 및 내치핑성을 가지는 절삭성능 및 수명 향상효과를 얻고자 하였다.

한편, 하지층(10)의 재료인 Ti_kAl_{1 - k}N에서는 0.3≤k≤0.7, 0.3≤1-k≤0.7인 것이 바람직하다.

또한, 최외곽층(30)의 재료인 Al_dTi_e(Si, Y)_{1-d- e}N에서는 0.3≤d≤0.7, 0.3≤e≤0.7, 0<1-d-e≤0.1인 것이 바람직하다.

또한, 중간층(20)에서 제1 단위층(21)의 재료인 Al_aTi_bSi_{1 -a- b}N에서는 0.3≤a≤0.7, 0.3≤b≤0.7, 0<1-a-b≤0.1을 만족시키는 것이 바람직하며, 제2 단위층(22)의 재료인 Al_xTi_{1 - x}N에서는 0.3≤x≤0.7, 0.3≤1-x≤0.7을 만족시키는 이 바람직하다.

또한, 하지층(10)의 막두께는 10㎛이하이고, 제1 단위층(21) 및 제2 단위 층(22)의 막두께는 각각 10㎛이하이며, 최외곽층(30)의 막두께는 5㎛이하인 것이 바람직하다.

또한, 우선 성장면 AlTiN(200) 및 AlTiN(111)의 피크 강도비가 I(200)/I(111)≥1, 더 바람직하게는 I(200)/I(111)≥1.3인 것이 바람직하다[여기서, (200), (111)은 결정면의 방향을 나타내는 면지수(plane index) 또는 밀러지수임].

본 발명에서 박막의 하지층(10)은 인성층 기능을 하며, 박막의 중간층(20)은 내마모층 기능을 하며, 박막의 최외곽층(30)은 내산화층 기능을 수행한다.

구체적으로, 본 발명에서는 내산화층인 최외곽층(30)을 기존 박막 재료에 Si, Y이 첨가된 Al_dT_e(Si, Y)_{1-d- e}N 막으로 구성함으로써, 박막 표면에 Al₂O₃와 SiO₂층 또는 Y₂O₃의 산화층을 빠르게 형성한다. 즉, Si가 첨가된 내산화층인 최외곽층(30)에서는 고속가공 시 피삭재와 공구가 마찰되어 국부적으로 고온이 발생함에 따라 박막 표면에 Al₂O₃와 SiO₂ 의 산화층을 형성하며, Y이 첨가된 내산화층인 최외곽층(30)에서도 Al₂O₃와 Y₂O₃의 산화층을 형성한다. 그로 인하여, 발명품의 내산화층인 최외곽층(30)은 기존 박막인 단일 AlTiN 보다 우수한 내산화 안정성을 갖는다.

또한, 내마모층인 중간층(20)을 제1 단위층(21) Al_aTi_bSi_{1 -a- b}N 막과 제2 단위층(B22) Al_xTi_{1 - x}N 막을 각각 적어도 한층 이상 교대로 적층한 박막구조로 구성함으 로써, 우수한 경도특성을 나타내며, 고경도 피삭재 절삭가공 시 우수한 내마모성을 얻을 수 있다.

또한, 인성층인 하지층(10)은 Ti_kAl_{1 - k}N 막으로 구성함으로써, 고경도 및 난삭재 절삭가공 시 우수한 내치핑성을 가진다.

더 나아가, 본 발명은 하지층(10), 중간층(20) 및 최외곽층(30) 각각이 가지는 효과가 조합됨으로써, 국부적으로 인선부 선단에 고열이 발생되는 고경도 고속절삭가공 및 난삭재 절삭가공 시 박막의 열화경도 감소현상으로 인한 공구수명 저하 억제에 탁월한 효과를 발휘한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 본발명에 따른 절삭공구용 PVD 다층막의 구조를 도시한다.

도시된 것과 같이, 본발명에 따른 절삭공구용 PVD 다층막은 모재(B) 상부로부터 하지층(10), 중간층(20) 및 최외곽층(30)이 차례로 적층된 구조이다.

하지층(10)은 인성층의 기능을 수행하며 Ti_kAl_{1 - k}N으로 구성되고 상기 모재 상부에 인접하여 적층된다.

중간층(20)은 내마모층의 기능을 수행하고, Al_aTi_bSi_{1 -a- b}N으로 구성된 제1 단위층(21)과 Al_xTi_{1 - x}N으로 구성된 제2 단위층(22)을 각각 적어도 한층 이상 교대로 적층한 박막구조이다.

최외곽층(30)은 내산화층의 기능을 수행하며 중간층(20)의 상부에 인접하여 적층되고 Al_dTi_e(Si, Y)_{1-d- e}N으로 구성된다.

실시예 1

초경합금, 써메트, 고속도강, 엔드밀, 드릴류 등을 포함하는 경질 모재 표면 위에 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)인 아크 이온 플레이팅 법을 이용하여, 박막을 코팅하였으며, 코팅 시 AlTiSi와 TiAl의 아크타겟을 사용하였다. 초기 진공압력은 8. 5×10^-5Torr 이하로 감압하였으며, 반응가스로 N₂를 주입하였다. 코팅을 위한 가스압력은 30×10^-5Torr 이하이며, 바람직하게는 20×10^-5Torr 이하이며, 코팅 온도는 400~550℃로 하였으며, 코팅 시 기판 바이어스 전압은 -20~-150V으로 인가하였다. 작업 조건은 장비 특성 및 조건에 따라 달라질 수 있다.

본 실시예에서는 상기의 코팅조건을 이용하여, 인성층인 하지층(10)과 내마모층인 중간층(20), 그리고 내산화층인 최외곽층(30)을 차례로 적층하였다.

하지층(10)은 Ti_kAl_{1 - k}N 막을 적층하였다. 여기서, 0.3≤k≤0.7를 만족시키도록 하였다.

중간층(20)은 제1단위층(21)인 Al_aTi_bSi_{1 -a- b}N막과 제2단위층(22)인 Al_xTi_{1 - x}N 막을 각각 적어도 한층 이상 교대로 적층한 경질박막 구조로 조성하였다. 여기서, 1단위층(21)의 재료인 Al_aTi_bSi_{1 -a- b}N에서는 0.3≤a≤0.7, 0.3≤b≤0.7, 0<1-a-b≤0.1을 만족시키고, 제2 단위층(22)의 재료인 Al_xTi_{1 - x}N에서는 0.3≤x≤0.7, 0.3≤1-x≤0.7을 만족시키도록 하였다.

최외곽층(30)으로는 Al_dT_eSi_{1 -d- e}N 막을 적층하였다. 여기서, 0.3≤d≤0.7, 0.3≤e≤0.7, 0<1-d-e≤0.1를 만족하도록 하였다.

실시예 2

최외곽층(30)의 재료인 Al_dT_eSi_{1 -d- e}N 에서 Si를 Y로 변경하여 Al_dT_eY_{1 -d- e}N 으로 조성한 것만 제외하고는 나머지 조건은 실시예 1과 동일하다.

비교예 1

중간층의 재료를 TiN으로 구성하였다. 하지층과 최외곽층은 존재하지 않는다.

비교예 2-6

비교예 1에서 중간층의 재료를 각각 TiAlN, AlTiN, TiSiN, AlTiSiN, AlTiSiN/TiAlN으로 치환하였다. 비교예 1과 같이 하지층과 최외곽층은 존재하지 않는다.

비교예 7

하지층을 TiAlN으로, 중간층을 AlTiSiN/TiAlN으로 조성하였다. 최외곽층은 존재하지 않는다.

비교예 8

중간층을 AlTiSiN/TiAlN으로, 최외곽층을 AlTiSiN으로 조성하였다. 하지층은 존재하지 않는다.

표 1에는 실시예 1-2 및 비교예 1-8에 대한 에너지 회절 X선 분석(EDX, Energy Dispersive X-ray Spectrometer) 및 박막두께 결과를 나타내었다.

구분	샘플	박막 구조			박막 조성 분석 (EDX, at. %)					전체 박막두께(㎛)
		하지층 (10)	중간층 (20)	최외곽층 (30)	Al	Ti	Si	Y	N
비교예	비교예 1	-	TiN	-	-	55	-	-	45	2.9
	비교예 2	-	TiAlN	-	25	27.5	-	-	47.5	3.1
	비교예 3	-	AlTiN	-	33.5	18.3	-	-	48.2	2.8
	비교예 4	-	TiSiN	-		34	10	-	56	2.7
	비교예 5	-	AlTiSiN	-	32.8	22.3	2.2	-	42.7	2 8
	비교예 6	-	AlTiSiN/TiAlN	-	31.3	18.7	2.7	-	47.3	2.9
	비교예 7	TiAlN	AlTiSiN/TiAlN	-	30.1	19.2	2.4	-	48.3	3.2
	비교예 8		AlTiSiN/TiAlN	AlTiSiN	30.3	18.4	2.3	-	49	3.1
본발명	실시예 1	TiAlN	AlTiSiN/TiAlN	AlTiSiN	32.8	19.4	2.6	-	45.2	3.1
	실시예 2	TiAlN	AlTiSiN/TiAlN	AlTiYN	31.5	17.2	2.4	2.1	46.8	3.2

구분	샘플	박막 구조			각층 박막 조성 분석 (EDX, at. %)					각층 박막두께(㎛)
		하지층 (10)	중간층 (20)	최외곽층 (30)	Al	Ti	Si	Y	N
본발명	실시예 1	TiAlN	-	-	25	26.2			48.8	1.1
		-	AlTiSiN/TiAlN	-	30.4	19	2.3		48.3	1.4
		-	-	AlTiSiN	30	22.2	2.1		45.7	0.6
	실시예 2	TiAlN	-	-	26	26.4			47.6	1.2
		-	AlTiSiN/TiAlN	-	31.2	20	1.9		46.9	1.2
		-	-	AlTiYN	31.2	21		2.1	45.7	0.8

표 2에서는 발명품인 실시예 1, 2의 각층에 대한 EDX 분석 결과 및 박막두께 분석 결과를 나타내었다.

그리고, 이상의 실험결과를 토대로 하기와 같은 결과를 얻었다.

하지층(10)의 재료인 Ti_kAl_{1 - k}N에서는 0.3≤k≤0.7, 0.3≤1-k≤0.7인 것이 바람직하다.

최외곽층(30)의 재료인 Al_dTi_e(Si, Y)_{1-d- e}N에서는 0.3≤d≤0.7, 0.3≤e≤0.7, 0<1-d-e≤0.1인 것이 바람직하다.

중간층(20)에서 제1 단위층(21)의 재료인 Al_aTi_bSi_{1 -a- b}N에서는 0.3≤a≤0.7, 0.3≤b≤0.7, 0<1-a-b≤0.1을 만족시키는 것이 바람직하며, 제2 단위층(22)의 재료인 Al_xTi_{1 - x}N에서는 0.3≤x≤0.7, 0.3≤1-x≤0.7을 만족시키는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)을 이용하므로, 박막두께는 최대 25㎛ 정도까지 적용이 가능하다. 바람직하게는, 하지층(10)의 막두께는 10㎛이하이고, 제1 단위층(21) 및 제2 단위층(22)의 막두께는 각각 10㎛이하이며, 최외곽층(30)의 막두께는 5㎛일 수 있다.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 실시예 1 및 2에 나타난 각층에 대한 조성과 박막비율을 적절한 일정한 범위에서 다양하게 수정 및 변경을 할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

이하, 본 발명의 효과를 증명하기 위한 테스트 결과를 기술한다.

테스트 1 - X선 회절분석( XRD )

표 3은 본발명의 실시예 1, 2에 대한 X선 회절분석(XRD) 결과를 보여준다. 즉, 1㎛의 다이아몬드 연마제로 연마한 초경합금 모재 위에 박막을 증착시킨 본발명의 실시예 1, 2에 따른 시편에 대하여 Cu의 ka선을 이용한 2q법의 X선 회절분석(XRD) 결과이다. 표 3에 나타난 것과 같이, 우선 성장면인 AlTiN(200)와 AlTiN(111)의 피크강도(peak intensity) 비가 I(200)/I(111)≥1 인 것이 바람직하고, I(200)/I(111)≥1.3 인 것이 더 바람직하다[여기서, (200), (111)은 결정면의 방향을 나타내는 면지수(plane index) 또는 밀러지수임].

구분	샘플	박막 구조			XRD 분석 I(200)/I(111)
		하지층 (인성층)	중간층 (내마모층)	최외곽층 (내산화층)
본발명	실시예 1	TiAlN	AlTiSiN/TiAlN	AlTiSiN	1.3
	실시예 2	TiAlN	AlTiSiN/TiAlN	AlTiYN	1.4

테스트 2 - 미소경도 테스트

표 4는 실시예 및 비교예에 대한 미소경도테스트 결과를 보여준다.

본 테스트는 고온 열화 경도를 확인하여, 박막에 따른 고온 경도 안정성이 우수한 박막을 선정하고자 하는 것으로서, 테스트 방법은 900℃에서 30분간 열처리 노 내에서 열화 테스트를 실시하여, 열처리 후 경도값을 측정하였다. 테스트에 사용된 기기는 Fischerscope(HP100C-XYP; 독일 HELMUT FISCHER GMBH, ISO14577)이고, 미소경도 테스트 조건을 하기와 같다.

<미소경도 테스트 조건>

Load: 30 mN

Unload: 30 mN

Load time: 10 sec

Unload time: 10 sec

Creep time: 5 sec

구분	샘플	구조			초기경도(GPa), (25℃),열처리 無	열화경도(GPa) (900℃, 0min)
		하지층 (인성층)	중간층 (내마모층)	최외곽층 (내산화층)
비 교 예	비교예 1	-	TiN	-	28	17
	비교예 2	-	TiAlN	-	32	24
	비교예 3	-	AlTiN	-	36	29
	비교예 4	-	TiSiN	-	38	31
	비교예 5	-	AlTiSiN	-	37	35
	비교예 6	-	AlTiSiN/TiAlN	-	40	34
	비교예 7	TiAlN	AlTiSiN/TiAlN	-	40	33
	비교예 8	-	AlTiSiN/TiAlN	AlTiSiN	40	40
본 발 명	실시예 1	TiAlN	AlTiSiN/TiAlN	AlTiSiN	40	39
	실시예 2	TiAlN	AlTiSiN/TiAlN	AlTiYN	42	41

실시예 1, 2의 경우에는 박막의 최외곽층(내산화층)은 고온에 의해 산화반응이 일어남에 따라 실시예 1는 박막 표면에 Al₂O₃와 SiO₂층의 2가지 산화층이 형성되며, 실시예 2는 박막 표면에 Al₂O₃, Y₂O₃층의 2가지 산화층이 형성된다.

실시예 1, 2의 박막은 Al₂O₃, SiO₂(또는 Y₂O₃)층의 2가지 산화층이 생기므로, TiN로 구성되어 기존 TiO₂의 산화층을 갖는 비교예 1과, TiAlN 또는 AlTiN 박막으로 구성되어 TiO₂ 또는 Al₂O₃의 산화층을 갖는 비교예 2, 3보다 우수한 내산화 특성을 갖는다.

일반적으로, SiO₂층과 Y₂O₃층은 TiO₂와 Al₂O₃ 산화층 보다 안정적이고 빠르게 산화층을 형성하여, 고용 원소인 Al과 Ti의 원자 확산을 억제하며, 경질박막 내에 고용원소 고갈로 인한 경도가 감소하는 경도열화 현상을 억제한다. 그러므로, 제1 단위층(21) Al_aTi_bSi_{1 -a- b}N 막과 제2 단위층(22) Al_xTi_{1 - x}N 막을 각각 적어도 한층 이상 교대로 적층된 중간층(20)의 고경도 물성은 고온에서도 경도가 감소하는 경도열화 현상 없이 고온 고경도 및 안정성을 유지시킬 수 있다.

한편, 실시예 1, 2 및 비교예 6-8과 같이 나노사이즈의 다층으로 이루어진 중간층은 단일층에 비해 나노다층 강화효과에 의해 우수한 경도특성을 갖고 있다. 단일층에 비해 다층박막의 경우 반복으로 적층된 박막 계면층이 전위의 이동을 억제하여, 경도향상 효과를 얻을 수 있다.

여기서, 실시예 1, 2와 같이 산화에 의한 열화경도 감소현상을 최외곽층이 억제해 준다면, 고온에서도 중간층의 우수한 고온 경도 물성을 유지시킬 수 있는 것이다. 그러나, 비교예 6, 7와 같이 내산화층인 최외곽층이 없는 경우, Al₂O₃와 SiO₂층의 산화물 층의 형성이 느리기 때문에, 상대적으로 실시예 1, 2와 비교예 5에 비하여 박막 내부의 고용원소 확산억제 효과가 부족하며, 이는 고온열화 경도감소의 요인이 된다.

그리고, 비교예 4는 초기경도가 38GPa 이상의 고경도 특성을 갖지만, 고온 산화에 대한 경도열화 안정성이 낮아 고온에서 박막 내 고용원소가 표면 층으로 확산되어 박막 내부의 고용 원소 고갈로 인해 경도가 7GPa 감소하였음을 표 3에서 확인할 수 있다.

또한, 단일층인 비교예 5의 경우는 다층으로 구성된 비교예 6, 7보다 열화경도 감소 값은 작지만, 비교예 5의 단일층 초기경도가 더 낮으므로, 고경도 피삭재 및 난삭재 가공 시 내마모성이 열세하여 공구수명 감소의 원인이 된다.

이상과 같이, 실시예 1, 2의 본 발명에서는 내산화 기능층인 최외곽층이 박막 내부의 고용원소 확산에 의한 경도열화 현상을 억제하고, 중간층에서는 고경도 물성을 그대로 유지하여, 고온에서도 우수한 고온 경도를 얻을 수 있었다. 그리고, 본 발명의 특징인 고온경도 안정성으로 인해, 고경도 및 난삭재 절삭가공 시 발생되는 선단부에 국부적인 고열에 의한 산화반응 및 경도열화 현상을 억제하여, 기존 박막보다 우수하고 안정된 절삭성능 및 절삭수명 향상효과를 얻었다.

테스트 3 - 선삭가공 절삭성능 평가

표 5에서는 실시예 및 비교예에 대한 선삭가공 절삭성능 평가결과를 나타내었으며, 절삭성능 평가조건은 다음과 같다.

<선삭가공 절삭성능 평가 조건>

피삭재: 인코넬 718 (Inconel 718, 난삭재 선삭가공)

절삭 속도: 50 m/min

절삭 이송: 0.2 mm/rev

절삭 깊이: 2 mm

구분	샘플	구조			절삭수명 (PASS)
		하지층 (인성층)	중간층 (내마모층)	최외곽층 (내산화층)
비교샘플	비교예 1	-	TiN	-	2
	비교예 2	-	TiAlN	-	5
	비교예 3	-	AlTiN	-	6
	비교예 4	-	TiSiN	-	7
	비교예 5	-	AlTiSiN	-	8.5
	비교예 6	-	AlTiSiN/TiAlN	-	8
	비교예 7	TiAlN	AlTiSiN/TiAlN	-	9
	비교예 8	-	AlTiSiN/TiAlN	AlTiSiN	10
발명품	실시예 1	TiAlN	AlTiSiN/TiAlN	AlTiSiN	12
	실시예 2	TiAlN	AlTiSiN/TiAlN	AlTiYN	11.5

표 5에 나타난 것과 같이, 기존 박막인 TiN, TiAlN 및 AlTiN로 구성된 비교예 1-3 및 비교예 4-8은 실시예 1, 2보다 절삭수명이 열악함을 알 수 있다. 이러한 실시예 1, 2의 우수한 절삭수명 효과는 테스트 2에서 언급한 바와 같이, 고온경도 안정성 및 우수한 내산화 특성 때문이다.

구체적으로, 비교예 1-7은 최상층에 내산화층이 없으므로, 인선선단에 국부적으로 고열이 발생되는 난삭재 절삭가공 시 박막의 열화경도 감소현상을 억제하지 못하여 절삭수명이 실시예 1, 2에 비하여 열악함을 확인할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에서는 내산화층인 최외곽층은 박막 내부의 고용원소 확산에 의한 경도열화 현상을 억제하고, 내마모층인 중간층에서는 고경도 물성을 확보하여, 고온에서도 우수한 고온 경도를 얻을 수 있었으며, 본 발명품의 특징인 고온경도 안정성은 절삭공구의 선단부에 국부적으로 고열이 발생하였을 때 열화 및 산화반응에 의한 경질박막의 경도열화 현상을 억제하여, 안정된 절삭성능 및 절삭수명 향상 효과를 얻었다.

한편, 비교예 6을 비교예 7과 비교하면, 비교예 7에서 더욱 우수한 절삭성능을 확인할 수 있다. 이는 비교예 7에서는 인성층 기능을 가진 하지층을 적층함으로써, 치핑에 의한 공구 수명 감소를 억제할 수 있기 때문이다. 이러한 원리는 인성층 기능을 가진 하지층이 적층된 실시예 1, 2에도 동일하게 적용되며, 실시예 1, 2에서는 내치핑성을 감소시켜 절삭수명을 향상시킬 수 있게 된다.

테스트 4 - 인덱서블 엔드밀가공 절삭성능 평가

표 6에서는 실시예 및 비교예에 대한 인덱서블 엔드밀가공 절삭성능 평가를 실시한 결과를 나타내었으며, 절삭성능 평가조건은 다음과 같다.

<인덱서블 엔드밀가공 절삭성능 평가조건>

피삭재: SKD11(HRC 55 이상, 인덱서블 엔드밀 가공)

공구 회전수: 2500 rpm

회전당 이송: 1500 mm/rev

절삭 깊이: 0.3 mm

구분	샘플	구조			절삭수명(PASS)
		하지층 (인성층)	중간층 (내마모층)	최외곽층 (내산화층)
비교샘플	비교예 1	-	TiN	-	0. 5
	비교예 2	-	TiAlN	-	0. 5
	비교예 3	-	AlTiN	-	2
	비교예 4	-	TiSiN	-	3
	비교예 5	-	AlTiSiN	-	3. 5
	비교예 6	-	AlTiSiN/TiAlN	-	4
	비교예 7	TiAlN	AlTiSiN/TiAlN	-	5
	비교예 8	-	AlTiSiN/TiAlN	AlTiSiN	6
발 명 품	실시예 1	TiAlN	AlTiSiN/TiAlN	AlTiSiN	8
	실시예 2	TiAlN	AlTiSiN/TiAlN	AlTiYN	8

표 6에서 알 수 있듯이, 테스트 3에서와 마찬가지로 본 발명인 실시예 1, 2의 고온경도 안정성 및 내산화 특성이 우수하여, 고경도 피삭재에 대한 고속절삭 엔드밀 가공 시 우수한 절삭성능 및 수명을 가짐을 확인할 수 있다. 본 테스트에 따른 절삭수명 향상효과에 대한 기술적 원리는 전술한 테스트 3에서와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였지만, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.

따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

도 1은 본 발명에 따른 박막 구조도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

B: 모재 10: 하지층(인성층)

20: 중간층(내마모층) 21, 22: 제1, 제2 단위층

30: 최외곽층(내산화층)

Claims (8)

1. 모재 표면 위에 물리적 기상 증착법(PVD)을 이용하여 증착된 절삭공구용 PVD 다층막으로서,

   Ti_kAl_{1 - k}N으로 구성되고 상기 모재 상부에 인접하여 적층된 하지층(10)과,

   상기 하지층(10)의 상부에 인접하여 적층되는 중간층(20)과,

   상기 중간층(20)의 상부에 인접하여 적층되고 Al_dTi_e(Si, Y)_{1-d- e}N으로 구성된 최외곽층(30)

   을 포함하는 절삭공구용 PVD 다층막.
2. 제1항에 있어서,

   상기 중간층(20)은 Al_aTi_bSi_{1 -a- b}N으로 구성된 제1 단위층(21)과 Al_xTi_{1 - x}N으로 구성된 제2 단위층(22)을 각각 적어도 한층 이상 교대로 적층한 박막구조인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 PVD 다층막.
3. 제1항에 있어서,

   상기 하지층(10)은 0.3≤k≤0.7을 만족시키는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 PVD 다층막.
4. 제1항에 있어서,

   상기 최외곽층(30)은 0.3≤d≤0.7, 0.3≤e≤0.7, 0<1-d-e≤0.1을 만족시키는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 PVD 다층막.
5. 제2항에 있어서,

   상기 제1 단위층(21)은 0.3≤a≤0.7, 0.3≤b≤0.7, 0<1-a-b≤0.1을 만족시키는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 PVD 다층막.
6. 제2항에 있어서,

   상기 제2 단위층(22)은 0.3≤x≤0.7을 만족시키는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 PVD 다층막.
7. 제1항에 있어서, 상기 하지층(10)의 막두께는 10㎛이하이고, 상기 제1 단위층(21) 및 제2 단위층(22)의 막두께는 각각 10㎛이하이며, 상기 최외곽층(30)의 막두께는 5㎛이하인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 PVD 다층막.
8. 제1항에 있어서, 우선 성장면 AlTiN(200) 및 AlTiN(111)의 피크 강도비가 I(200)/I(111)≥1인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 PVD 다층막.

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