KR20110014576A

KR20110014576A - 산화 금속 코팅을 갖는 공구

Info

Publication number: KR20110014576A
Application number: KR1020107024389A
Authority: KR
Inventors: 바이트 쉬어; 볼프강 엥겔하르트
Original assignee: 발터 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2008-05-31
Filing date: 2009-05-05
Publication date: 2011-02-11
Also published as: JP5416206B2; EP2281072A1; ES2561044T3; US8603617B2; CN102037151B; EP2281072B1; KR101616141B1; US20110182681A1; WO2009144119A1; CN102037151A; JP2011521796A; DE102008026358A1

Abstract

본 발명은 본체 및 본체에 도포된 다층 코팅을 포함하는 절삭 공구로서, 추가의 층 이외에, 교대로 직접 포개지게 도포된 복수의 주층 (A) 및 중간 층 (B) 을 포함하는 절삭 공구에 있어서, 상기 주층 (A) 및 중간 층 (B) 은 PVD 공정에 의해 생성된 별개의 금속 산화물 층이며, 상기 주층 (A) 은 4 nm ~ 1 ㎛ 의 두께를 가지며, 상기 중간층 (B) 은 2 nm ~ 50 nm 의 두게를 가지고, 상기 중간층 (B) 의 두께 대 주층 (A) 의 두께비는 1 : 2 ~ 1 : 100 인, 절삭 공구에 관한 것이다.

Description

산화 금속 코팅을 갖는 공구{TOOL HAVING A METAL OXIDE COATING}

본 발명은 본체 및 이 본체에 도포된 다층 코팅을 갖는 절삭 공구에 관한 것이다.

절삭 공구는, 예를 들어, 초경 금속, 서멧, 강 또는 고속도강으로 만들어진 본체로 구성된다. 내구성을 증가시키기 위해서, 또는 절삭 성능도 향상시키기 위해서는, 본체에 단일층 또는 다층 코팅이 주로 도포된다. 이 코팅은, 예를 들어, 경질 금속 재료층, 산화물층 등을 포함한다. CVD 공정 (화학 기상 증착) 및/또는 PVD 공정 (물리 기상 증착) 이 코팅을 도포하기 위해서 사용된다. 코팅 내의 복수 개의 층은 CVD 공정 단독으로, PVD 공정 단독으로 또는 이들 공정의 조합으로 도포될 수 있다.

PVD 공정에 관해서는, 예컨대 마그네트론 스퍼터링, 아크 기상 증착 (아크 PVD), 이온 도금, 전자 빔 증착 및 레이저 증착 등과 같은 다양한 공정의 변형 사이에 차이가 생긴다. 공구 코팅에 대해 가장 빈번하게 사용되는 PVD 공정 중에서 마그네트론 스퍼터링 및 아크 기상 증착이 포함된다. 따라서, PVD 공정 변형 중에서, 예컨대 펄스식 또는 비펄스식 마그네트론 스퍼터링, 또는 펄스식 또는 비펄스식 아크 기상 증착 등의 다양한 변경예가 있다.

PVD 공정에 있어서의 타겟은 순금속 또는 2 종 이상의 금속의 조합을 포함할 수 있다. 타겟이 복수의 금속을 포함한다면, 이러한 금속 모두는 PVD 공정에서 만들어지는 코팅 층에 동시에 결합된다.

만들어진 층에 있어서 서로에 대한 금속의 정량비는 타겟에 있어서 금속의 정량비를 따를 수 있지만, PVD 공정에 있어서 별개의 금속으로서의 조건은 다른 금속들 보다, 타겟으로부터 대량으로 용해되고, 및/또는 대량으로 기재에 증착된다.

금속 화합물의 생성을 위해서는, 예컨대, 질화물 생산을 위한 질소, 산화물 생산을 위한 산소, 탄화물, 탄질화물, 탄산화물 등의 생산을 위한 탄소성 화합물 또는 대응하는 혼합된 화합물의 생산을 위한 혼합물과 같은 반응성 가스가 PVD 공정의 반응 챔버로 공급된다.

PVD 공정에 있어서, 소위 바이어스 포텐셜 (bias potential) 이 성장 공정을 위해 필수인 표면 에너지 및 이에 따라 원자 이동성 (atomic mobility) 을 얻기 위해서 도포되는 기재에 일반적으로 가해진다. 이 에너지는 성장하는 층에 대한 결정질 조직을 얻는데 필수이다. 예컨대 다수의 금속 산화물 화합물을 도포하는 PVD 공정을 사용하여 절연층을 도포하는 경우, 효율적으로 가해진 바이어스 포텐셜이 층 재료의 절연 특성으로 인해 성장 공정중 감소되며, 층 표면에서 성장 조건을 악화시키며 게다가, 최종적으로 성장될 독점적이거나 주된 비정질 조직을 유발한다. DC 바이어스 포텐셜 (DC 바이어스) 또는 펄스식 DC 바이어스 포텐셜을 사용하는 경우의 절연 층 재료의 증착시에, 이들 비정질 조직은 필수 불가결하지만, 원치 않는데, 이는 이들 조직이 결정질 층보다 악화된 재료 특성, 그중에서도 특히 악화된 높은 온도 저항성, 악화된 열동력학적 안정성, 및 더 낮은 경도 등을 갖기 때문이다.

Ramm, J. 등에 의한 "코런덤 조직에 있어서 펄스 강화식 전자 방출 (P3e™)) 아크 증발 및 내마모성 Al-Cr-O 코팅의 합성"(Surface & Coating Technology 202 (2007), 876 - 883 페이지) 은 펄스식 아크 기상 증착 (아크-PVD) 에 의한 알루미늄 산화물-크롬 산화물의 증착을 개시한다. 증착된 층은, 비정질이 되며 표면을 향해 층 두께가 증가하는 혼합된 결정 조직을 제일 먼저 나타낸다.

Teixeira, V 등에 의한 "스퍼터링에 의한 복합 재료 및 나노 알루미네이트 세라믹 코팅의 증착"(Vacuum 67 (2002), 477 - 483 페이지) 은 마그네트론 스퍼터링에 의한 나노미터 범위에서의 얇은 지르코늄 산화물/알루미늄 산화물 층의 증착을 개시한다. 이 층은 지르코늄 산화물 결정질 부분 뿐만 아니라 알루미늄 산화물의 비정질 부분을 나타내고 있다.

Trinh, D.H. 등에 의한 "나노 복합 재료 Al₂O₃-ZrO₂ 박막의 라디오 주파수 듀얼 마그네트론 스퍼터링 증착 및 특성화" (J.Vac.Sc.Techn.A 24(2), March/April 2006, 309 - 316 페이지) 는 알루미늄 산화물의 결정질 부분이 없는 것을 제외하고 지르코늄 산화물의 결정질 부분이 존재하는, 마그네트론 스퍼터링에 의한 나노미터 범위에서의 매우 얇은 지르코늄 산화물/알루미늄 산화물 층의 증착을 개시한다.

본 발명의 목적은, 특히 결정질 비율이 매우 높은 금속 산화물 층을 갖는 다층을 포함하는 종래 기술에 비해 개선된 절삭 공구를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 목적은, 본체 및 이 본체에 도포된 다층 코팅을 포함하는 절삭 공구로서, 가능하게는 추가의 층 이외에, 교대로 직접 포개지게 도포된 복수의 주층 (A) 및 중간 층 (B) 을 포함하는 절삭 공구에 있어서, 상기 주층 (A) 및 중간 층 (B) 은 PVD 공정에 의해 생성된 별개의 금속 산화물 층이며, 상기 주층 (A) 은 4 nm ~ 1 ㎛ 의 두께를 가지며, 상기 중간층 (B) 은 2 nm ~ 50 nm 의 두께를 가지고, 상기 중간층 (B) 의 두께 대 주층 (A) 의 두께비는 1 : 2 ~ 1 : 100 인 절삭 공구에 의해 이루어진다.

본 명세서의 도입부에서 이미 언급된 바와 같이, PVD 공정을 사용한 많은 금속 산화물의 증착시에, 이들의 절연 특성으로 인해, 층 두께 증가에 따라 가해진 바이어스 포텐셜이 감소되는 동시에 증착된 층의 결정도가 저하되고 비정질 비율이 증가하는 문제가 존재한다. 이는 이러한 코팅에 요망되는 다양한 재료의 특성을 악화시킨다. 본 발명에 따르면, 그 문제는 본원에서 주층 (A) 을 형성하는 금속 산화물의 주 재료의 증착시, 중간층 재료의 얇은 중간층 (B) 이 삽입됨에 따라 극복된다. 중간층 재료의 절연 특성으로 인해, PVD 공정을 사용한 증착 작업시, 주층 재료 (A) 는 층 두께가 증가함에 따라 결정도를 더욱 더 손실하게 될 것이고, 비정질 조직이 증가할 것이다. 중간층 재료 (B) 는, 증착 조건 하에서, 주층 (A) 상의 결정질 형태를 성장시키고 이에 의해 주층 재료 (A) 의 갱신된 결정질 성장을 촉진시키도록 선택된다.

주층 (A) 은 4 nm ~ 1 ㎛ 의 두께를 가지며, 중간층 (B) 은 2 nm ~ 50 nm 의 두께를 갖는다. 중간층 (B) 의 두께 대 주층 (A) 의 두께비는 1 : 2 ~ 1 : 100 이다. 따라서, 중간층 (B) 은 주층 (A) 에 비해서 매우 얇다. 별개의 층의 두께, 즉, 서로에 대한 주층 (A) 의 두께와 서로에 대한 중간층 (B) 의 두께를, 전체 층에 걸쳐 일정하게 유지할 필요는 없다. 또한 별개의 중간층 (B) 이 상이한 두께를 가질 수 있음에 따라, 중간층 (B) 에 의해 서로 분리되는 주층 (A) 도 상이한 층 두께를 가질 수 있다. 대안으로, 주층 (A) 전체가 동일 두께일 수도 있고, 및/또는 중간층 (B) 전체가 동일 두께일 수도 있음이 상정될 것이다. 예컨대, 15 nm 두께의 알루미늄/크롬 산화물의 주층 (A) 은 3 nm 두께의 지르코늄 산화물의 중간층 (B) 으로 변경될 수도 있고, 결정질 형태로 5 ㎛ 초과의 전체 층 두께까지 균일하게 증착될 수도 있다.

본 발명의 실시형태에 있어서, 상기 주층 (A) 은 원소의 주기율표의 주족 2 족 및 3 족 및 부족 (subgroup) 1 족 내지 8 족으로부터 선택된, 바람직하게는 Al, Cr, 더 바람직하게는 Cr 산화물, Al 산화물 또는 AlCr 혼합 산화물, 가장 바람직하게는 (Al,Cr)₂O₃ 로부터 선택된, 금속 또는 적어도 2 종의 상이한 금속의 산화물 (들) 을 포함한다.

본 발명의 추가의 실시형태에 있어서, 상기 중간층 (B) 은 Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta 로부터 선택된, 바람직하게는 Zr, Y, 더 바람직하게는 Zr 산화물, Y 산화물 또는 ZrY 혼합 산화물로부터 선택된, 금속 또는 적어도 2 종의 상이한 금속의 산화물 (들) 을 포함한다. Zr 산화물의 중간층 (B) 은 이들이 낮은 바이어스에서 조차 여전히 결정질 성장을 포함하므로, 특히 매우 바람직하다.

주층 (A) 의 완벽한 결정도가 항상 보장될 수는 없다. 새로운 중간층 (B) 이 증착되기 이전의 얇은 주층 (A) 일지라도, 주층 내에서, 결정질의 감소 및 증착된 화합물 (들) 의 비정질 비율의 증가를 포함할 수 있다. 본 발명은 또한, 주층 (A) 의 우세 비율이 결정질인 한 이러한 절삭 공구를 포함한다. 바람직하게는, 80 체적 % 초과의 주층 (A) 이 결정질이며, 특히 바람직하게는 90 체적 % 초과의 주층 (A) 이 결정질이며, 특히 더 바람직하게는 95 체적 % 초과의 주층 (A) 이 결정질이다.

증착된 금속 산화물 화합물 (들) 의 결정도의 감소 및 비정질 비율의 증가시에, 이에 의해 감소하는 결정도를 포함하는 구배가 존재한다. 바람직하게는, 이 점에서, 주층 (A) 의 증착의 개시시에, 즉, 예컨대 중간층 (B) 에 바로 후속하여, 증착된 금속 산화물이 결정질 형태로 거의 완벽하게 존재해야 한다. 주층 (A) 의 층 두께 증가에 따라, 결정도는 증착 작업 중 감소될 수 있지만, 결정도의 감소는 결정질 금속 산화물의 80 체적 % 미만, 바람직하게는 85 체적 % 미만으로 떨어져서는 안된다. 결정도가 매우 크게 떨어진다면, 층 두께는 더 작게 유지되어야 하며, 중간층 (B) 은 더 초기에 증착되어야 할 것이다.

따라서, 바람직한 실시형태에 있어서, 본 발명은 전술한 종류의 절삭 공구를 포함하는데, 상기 주층 (A) 내에서, 결정질 형태의 금속 산화물의 비율은, 결정질 금속 산화물의 100 ~ 90 체적 % 의 비율, 바람직하게는 결정질 금속 산화물의 100 ~ 95 체적 % 의 비율로부터, 결정질 금속 산화물의 적어도 80 체적 % 의 비율, 바람직하게는 적어도 85 체적 % 까지 기재로부터 바깥쪽 방향으로 별개의 주층 (A) 의 전체 두께에 걸쳐 감소한다.

증착된 층에서의 결정질 금속 산화물의 체적의 비는 X 선 측정, 본 발명의 경우에, 그레이징 입사 X 선 회전 (GIXRD) 에 의해 판정된다. 이러한 표준 방법은 샘플에서 결정도에 대한 반정량적 (semi-quantative) 정보를 부여하는데, 이 정보는 X 선 피크의 세기와 상관 관계가 있다. 게다가, 이 방법에 따르면, 심도 의존 (depth-dependent) X 선 조직 분해능은 소정의 측정 배열체 및 방사 각도 (radiation angle) 에서의 편차에 의해 구현될 수 있다.

본 발명의 추가의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 주층 (A) 의 두께는 5 ~ 50 nm 이며, 바람직하게는 10 ~ 30 nm 이며, 및/또는 상기 중간층 (B) 의 두께는 3 ~ 15 nm 이며, 바람직하게는 3 ~ 8 nm 이다.

주층 (A) 의 금속 산화물 재료의 문제점, 즉 본 발명에 의해 극복되는 문제점은, 재료가 층 두께 증가에 따라 PVD 증착 작업시 결정도를 잃어버리고, 더 높은 비정질 비율을 얻는다는 것이다. 비정질 비율이 상승하는 경우, 코팅의 증착에 있어서의 범위는 예컨대, 증착되는 층 재료 자체 및 PVD 증착 공정에서의 다양한 조건과 같은 다양한 파라미터에 의존한다. 따라서, 비정질 조직의 형성을 중단시키거나 방지하고, 결정질 성장을 추가로 촉진시키기 위해서 증착된 주층 (A) 에 걸쳐 중간층 (B) 이 다시 도포되는 층 두께를 각각의 재료 및 각각의 증착 공정을 위해서 처음부터 설정할 수는 없다. 그 중에서도, 주층 (A) 두께의 선택은 또한 주층 (A) 에 대한 순수한 결정질 성장으로부터의 편차가 허용되는 범위를 따른다. 비정질 조직으로의 변화가 작은 증착 두께에서 이미 개시된 주층 재료인 경우에, 중간층 (B) 의 도포는, 주층 (A) 이 결정질 형태에서 더 큰 층 두께까지 성장하는 재료의 경우보다 더 작은 두께를 갖는 경우에 이미 요구되었을 것이다. 그러나, 이를 위해 요구되는 이상적인 조건 및 층 두께는 단순한 실험에 의해 재료와 PVD 공정의 부여된 조합을 위해 당업자에 의해 명백해질 것이다. 어림잡아, 중간층 (B) 이 후속되고 이에 의해 그 위에 주층 재료 (A) 의 갱신된 결정질 성장을 촉진하기 이전에, 별개의 주층 (A) 의 층 두께가 더 작다면, 주층 재료는 전체 층에 걸쳐 더 높은 결정도를 얻는다. 그러나, 사실상 주층 재료 (A) 의 성장시 결정질 조직을 얻기 위해서 작용하게 실질적으로 의도된 중간층 재료 (B) 의 비율이 너무 크지 않고 전체 층의 판정 구성요소가 되지 않도록, 주층 (A) 의 두께가 너무 작게 선택되어서는 안된다.

바람직하게는, 상기 중간층 (B) 의 두께 대 상기 주층 (A) 의 두께비는 1 : 3 ~ 1 : 20 이며, 바람직하게는 1 : 4 ~ 1 : 8 이다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 주층 (A) 은 우세하게는 코런덤 조직을 갖는 혼합 결정질 (Al, Cr)₂O₃ 을 포함하며, 및/또는 상기 중간층 (B) 은 우세하게는 결정질 ZrO₂ 을 포함한다. 코팅으로서 다른 많은 금속 산화물 또는 금속 산화물의 조합이 금속 절삭 가공을 위해서는 너무 무른 것으로 증명되었다.

공지된 모든 PVD 공정은 본 발명에 따른 절삭 공구의 층의 증착에 적합하다. 바람직하게는, 주층 (A) 과 중간층 (B) 의 제조를 위한 PVD 공정은 마그네트론 스퍼터링, 아크 기상 증착 (아크-PVD), 이온 도금, 전자 빔 기상 증착, 및 레이저 제거 (laser ablation) 로부터 선택된다.

실시형태에서, 본 발명의 절삭 공구는 직접 상호 중첩된 관계로 본체에 교대로 도포된 주층 (A) 과 중간층 (B) 만으로 구성된 코팅을 갖는다. 대안으로, 이 코팅은, 직접 상호 중첩된 관계로 도포된 다양한 주층 (A) 과 중간층 (B) 의 위 및/또는 아래에 추가 층을 포함하는데, 코팅에 있어서의 이들 추가의 층은 혼합된 금속상 뿐만아니라 전술한 화합물의 상 혼합물을 포함하는 주기 율표의 Ⅳa 족 내지 Ⅶa 족의 원소 및/또는 알루미늄 및/또는 규소의 탄화물, 질화물, 산화물, 탄질화물, 산질화물, 산탄화물, 산탄질화물, 붕화물, 붕질화물, 붕탄화물, 붕탄질화물, 붕산질화물, 옥소 붕탄화물, 옥소 붕탄질화물 및 옥소 붕질화물로부터 선택된다. 본 발명에 따른 코팅에 적합한 추가 층의 예는 TiAlN 층, TiN 층 또는 TiC 층이다.

본 발명의 추가의 실시형태에 있어서, 직접 상호 중첩된 관계로 교대로 도포된 복수의 주층 (A) 과 중간층 (B) 을 포함하는 층의 전체 두께는 1 ~ 20 ㎛ 이며, 바람직하게는 2 ~ 15 ㎛ 이며, 특히 바람직하게는 3 ~ 10 ㎛ 이며, 특히 더 바람직하게는 4 ~ 7 ㎛ 이다. 층 두께가 과도하게 크면, 층에서의 과도하게 큰 기계적 응력 때문에 깨짐 (spalling) 의 우려가 있다.

본 발명의 추가의 실시형태에 있어서, 상기 코팅의 비커스 경도 (Hv) 는 1000 ~ 4000 이며, 바람직하게는 1500 초과이며, 특히 바람직하게는 2000 초과이다.

본 발명에 따른 절삭 공구의 본체는 초경 금속, 서멧, 강 또는 고속도강 (HSS) 으로 만들어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 추가의 실시형태에 있어서, 직접 상호 중첩된 관계로 교대로 도포된 주층 (A) 과 중간층 (B) 의 금속 산화물은 동일한 결정 조직을 갖는다.

본 발명의 신규의 코팅은, 본 발명에 따라, 결정 조직의 금속 산화물 층이 증착될 수 있고, 전술한 이유를 위해 높은 비정질 조직 성분 및 이에 따라 본 발명의 코팅과 상이한 재료 특성을 가짐에 따라, 절삭 공구의 내마모성, 내구성 및/또는 절삭 특성의 개선 및/또는 도포에 대한 선택 사항의 광범위한 가능성을 열어두고 있다.

절삭 공구 상에서의 코팅의 내마모성, 내구성 및 절삭 특성은 다양한 인자, 예컨대, 절삭 공구의 본체의 재료, 코팅에 존재하는 층의 순서, 유형 및 조성, 다양한 층의 두께, 그리고 그중에서도, 절삭 공구에 의해 실행되는 절삭 작업의 유형에 따라 달라진다. 가공될 작업물의 유형, 각각의 가공 공정, 및 가공 중의 추가 조건, 예컨대, 고온의 발생 또는 부식성 냉각 유체의 사용에 따라서, 하나의 동일한 절삭 공구에 대해, 상이한 내마모성이 야기될 수 있다. 또한, 각각의 가공 공정에 따라서, 공구의 사용 수명, 즉 공구의 내구성이 다소 영향을 받을 수 있는 다양한 종류의 마모 사이에서 차이가 생긴다. 이에 따라, 절삭 공구의 추가의 개발 및 향상은 언제나 공구 특성이 향상될 것인가의 관점에서 고려되어야 하고, 종래 기술에 대하 비교가능한 조건 하에서 평가되어야 한다.

동일한 재료의 코팅에 대한 종래 기술에 비해 본 발명에 따른 코팅에 의해 개선된 절삭 공구의 본질적인 특성은 이러한 코팅의 경도이다. 본 발명에 따른 현저히 큰 코팅의 경도는 본 발명에 따른 코팅에 의해 얻어지는 결정도의 높은 비율에 기여한다. 유사한 층 두께를 포함하는 종래 기술에 따른 PVD 공정에 의해 도포된 금속 산화물 코팅은 일반적으로 조직에 있어서, 재료의 특성, 특히 경도에 악영향을 미치는 현저히 높은 비정질 비율을 갖는다.

본 발명에 따른 코팅에서 관찰되었던 추가의 놀라운 효과는 전체 코팅의 열전도성의 감소이다. 놀랍게 얻어진 코팅의 열 도전성의 감소는 기계가공 금속 및 복합 재료의 절삭시 이러한 절삭 공구의 사용에 매우 긍정적인 효과를 갖는다. 감소된 열전도성은 개선된 내열충격성의 개선 및 이에 따라 빗형 (comb-type) 크랙의 증가된 저항성을 유발한다.

본 발명에 따른 코팅에서, 종래 기술의 코팅에 비해 열전도성이 감소된 이유는 명확하지는 않다. 감소된 열전도성은, 코팅에 일체화된 중간층 (B) 으로 인한 것으로 추정된다. 현재 처리중인 상이한 코팅 재료에 의한 추가의 시험은 감소된 열전도성을 유발하는 기구에 대한 보다 정밀한 정보를 제공해야 한다.

본 발명이 기술적으로 실용적이며 가능한한, 본 발명에 따른 소정의 실시형태를 위해 기술된 바와 같은 모든 별개의 특징은 본 발명에 따른 실시형태의 모든 다른 기술된 특징과 조합될 수 있으며, 이러한 조합은 본 명세서 내에 개시된 것으로 간주된다.

본 발명의 추가의 이점, 특징 및 실시형태는 하기의 실시예를 참조하여 설명된다.

PVD 코팅 설비 (Flexicoat; Hauzer Techno Coating) 에서, 조성물의 초경 금속 기재에 다층 PVD 코팅이 제공되었다. 기재의 기하학적 구조는 (DIN-ISO 1832 에 따라) SEHW120408 및 ADMT160608-F56 이었다. 층의 증착 이전에, 설비는 1 × 10^-5 mbar 까지 진공처리되고, 초경 금속 표면은 170 V 의 바이어스 전압으로 이온 에칭에 의해 세척되었다.

실시예 1

주층 (A) : (Al, Cr) ₂ O ₃

- PVD 공정 : 아크 기상 증착 (아크 PVD),

- 타겟 : Al/Cr (70/30 원자%), 둥근 모양의 소스 (직경 63 mm),

- 증착 : 온도 : 600 ℃; 증발기 전류: 80 암페어;

1 Pa 의 O₂ 압력,

100 V 의 기재 바이어스 전압, 70kHz 에서의 DC 펄스임

중간층 (B) : ZrO ₂

- PVD 공정 : 아크 기상 증착 (아크 PVD),

- 타겟 : Zr 둥근 모양의 소스 (직경 63 mm),

- 증착 : 온도 : 600 ℃; 증발기 전류: 80 암페어;

1 Pa 의 O₂ 압력,

100 V 의 기재 바이어스 전압, 70kHz 에서의 DC 펄스임

- 층 두께: 주층 (A): 150 nm (Al, Cr)₂O₃

중간층 (B): 10 nm ZrO₂

주층 (A) 과 중간층 (B) 의 전체 층 : 대략 5㎛

비교예 1

중간층 (B) 의 증착이 없는 것을 제외하고는 실시예 1 과 같다.

본 발명에 따른 실시예 1 에 따르면, 주층 (A) 은 기재 본체에 약 5 ㎛ 의 총 층 두께를 부여하기 위해서 150 nm 의 두께로 그리고 그 사이에 10 nm 두께의 중간층이 교대로 증착되었다. 모든 층에서의 코팅 전체는 전체 층 두께에 걸쳐 95 체적 % 를 초과하는 균일하게 높은 결정도를 가짐이 조사에 의해 밝혀졌다.

비교 시험 (비교예 1) 에서는, 중간층을 갖지 않는 주층 재료 A (Al, Cr)₂O₃ 만이 실시예 1 과 동일한 공정을 사용하여 증착되었다. 우선, 코팅이 결정질 형태에서 코런덤 조직을 포함하는 혼합된 결정으로 성장한다. 약 2 ㎛ 의 층 두께로부터, 층은 비정질이 증가하며, 약 4 ㎛ 후에 X 선 비정질이며, 추가로 무조직 (structureless) 을 유지한다.

본 발명의 실시예 1 에 따라 도포된 결정질 층의 측정된 비커스 경도는 약 2000 Hv 였지만, 높은 비정질 성분을 갖는 비교예 1 이 도포된 층의 경도는 단지 약 1000 Hv 였다.

게다가, 본 발명의 실시예 1 에 따라 도포된 층은 비교에 1 에 따라 증착된 중간층 (B) 을 갖지 않는 층보다 현저히 낮은 열전도성을 나타내었다.

42CrMoV4 강 (강도 : 850 MPa) 으로 구성된 작업편에서의 밀링 시험에서, 실시예 1 및 비교예 1 의 절삭 공구가 비교되었다. 이 시험을 위해, 우선, 기재에는 산화성 주층 및 중간층 재료가 도포되기 이전에 3㎛ 두께의 TiAlN 코팅이 제공되었다. 밀링은, 냉각 윤활제 없이 V_c = 236 m/분의 절삭 속도로 또한 f₂ = 0.2 mm 의 이송량 (tooth advance) 으로 하향절삭 (downcut) 모드에서 실시되었다.

4800 mm 의 밀링 경로 이후에, (주 절삭날에서) 의 평균 마모 마크 폭 (VB) (mm) 형태로 여유면에서 마모가 측정되었다. 마모 마크 폭 (VB) 에 대한 이하의 값이 밝혀졌다:

마모 마크 폭 VB

실시예 1 : 0.12 mm

비교예 1 : 0.20 mm

Claims

본체 및 이 본체에 도포되는 다층 코팅을 갖는 절삭 공구로서,
가능하게는 추가의 층 이외에, 교대로 직접 포개지게 도포된 복수의 주층 (A) 및 중간 층 (B) 을 포함하고,
상기 주층 (A) 및 중간 층 (B) 은 PVD 공정에 의해 생성된 별개의 금속 산화물 층이며,
상기 주층 (A) 은 4 nm ~ 1 ㎛ 의 두께를 가지며,
상기 중간층 (B) 은 2 nm ~ 50 nm 의 두께를 가지고,
상기 중간층 (B) 의 두께 대 주층 (A) 의 두께비는 1 : 2 ~ 1 : 100 인, 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 주층 (A) 은 원소의 주기율표의 주족 2 족 및 3 족 및 부족 1 족 내지 8 족으로부터 선택된, 바람직하게는 Al, Cr, 특히 바람직하게는 Cr 산화물, Al 산화물 또는 AlCr 혼합 산화물, 특히 더 바람직하게는 (Al,Cr)₂O₃ 로부터 선택된, 금속 또는 적어도 2 종의 상이한 금속의 산화물 (들) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 중간층 (B) 은 Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta 로부터 선택된, 바람직하게는 Zr, Y, 특히 바람직하게는 Zr 산화물, Y 산화물 또는 ZrY 혼합 산화물로부터 선택된, 금속 또는 적어도 2 종의 상이한 금속의 산화물 (들) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주층 (A) 의 우세 비율은 결정질이며, 바람직하게는 80 체적 % 초과의 주층 (A) 이 결정질이며, 특히 바람직하게는 90 체적 % 초과의 주층 (A) 이 결정질이며, 특히 더 바람직하게는 95 체적 % 초과의 주층 (A) 이 결정질인 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주층 (A) 내에서, 결정질 형태의 금속 산화물의 비율은, 결정질 금속 산화물의 100 ~ 90 체적 % 의 비율, 바람직하게는 결정질 금속 산화물의 100 ~ 95 체적 % 의 비율로부터, 결정질 금속 산화물의 적어도 80 체적 % 의 비율, 바람직하게는 결정질 금속 산화물의 적어도 85 체적 % 까지 기재로부터 바깥쪽 방향으로 별개의 주층 (A) 의 전체 두께에 걸쳐 감소하는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주층 (A) 의 두께는 5 ~ 50 nm 이며, 바람직하게는 10 ~ 30 nm 이며, 및/또는 상기 중간층 (B) 의 두께는 3 ~ 15 nm 이며, 바람직하게는 3 ~ 8 nm 인 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 중간층 (B) 의 두께 대 상기 주층 (A) 의 두께비는 1 : 3 ~ 1 : 20 이며, 바람직하게는 1 : 4 ~ 1 : 8 인 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주층 (A) 은 코런덤 조직을 갖는 혼합된 결정질 (Al, Cr)₂O₃ 을 우세하게 포함하며, 및/또는 상기 중간층 (B) 은 결정질 ZrO₂ 을 우세하게 포함하는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주층 (A) 과 중간층 (B) 의 생성을 위한 PVD 공정은 i) rMS, ii) 아크 기상 증착 (아크-PVD), iii) 이온 도금, iv) 전자 빔 기상 증착, 및 v) 레이저 제거로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
직접 상호 중첩된 관계로 교대로 도포된 복수의 주층 (A) 과 중간층 (B) 이외에, 상기 코팅은 전술한 화합물의 혼합 금속상 및 상 혼합물을 포함하는 주기 율표의 Ⅳa 족 내지 Ⅶa 족의 원소 및/또는 알루미늄 및/또는 규소의 탄화물, 질화물, 산화물, 탄질화물, 산질화물, 산탄화물, 산탄질화물, 붕화물, 붕질화물, 붕탄화물, 붕탄질화물, 붕산탄질화물, 옥소 붕탄화물, 옥소 붕탄질화물 및 옥소 붕질화물로부터 선택되는 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
코팅시에, 직접 상호 중첩된 관계로 교대로 도포된 복수의 주층 (A) 과 중간층 (B) 의 전체 두께는 1 ~ 20 ㎛ 이며, 바람직하게는 2 ~ 15 ㎛ 이며, 특히 바람직하게는 3 ~ 10 ㎛ 이며, 특히 더 바람직하게는 4 ~ 7 ㎛ 인 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅의 비커스 경도 (Hv) 는 1000 ~ 4000 이며, 바람직하게는 1500 초과이며, 특히 바람직하게는 2000 초과인 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 본체는 초경 금속, 서멧, 강 또는 고속도강 (HSS) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
직접 상호 중첩된 관계로 교대로 도포된 주층 (A) 과 중간층 (B) 의 금속 산화물은 동일한 결정 조직을 갖는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.