KR20110093118A

KR20110093118A - 절삭공구

Info

Publication number: KR20110093118A
Application number: KR1020100012965A
Authority: KR
Inventors: 윤철원; 정용현; 윤무영
Original assignee: 대구텍 유한회사
Priority date: 2010-02-11
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2011-08-18
Also published as: JP5694381B2; WO2011099683A1; EP2534275A1; JP2013518734A; EP2534275B1; CN102741447A; US20120308845A1; KR101190324B1; US8889252B2; EP2534275A4

Abstract

본 발명의 절삭 공구는 모재와, 그 모재의 표면에 형성된 다층 코팅을 포함한다. 다층 코팅은 A층, B층 및 C층을 포함하며, 이들 층들은 모재로부터 다층 코팅의 외측 표면을 향하는 방향으로 A층, C층 및 B층의 순서로 반복적으로 적층된다. A층은, Ti_46~49Al_51~54N을 포함하며 4㎚~30㎚의 두께를 갖는 a₁층과, Ti_34~38Al_62~66N을 포함하며 2㎚~25㎚의 두께를 갖는 a₂층을 포함한다. a₁층과 a₂층은 비주기적으로 적층되며, 층 두께 100㎚당 a₁층과 a₂층을 합쳐서 8~20개의 층이 적층된다. 이렇게 a₁층과 a₂층이 적층되어 한 단위의 A층은 0.5㎛~2.0㎛의 두께를 갖는다. B층은 Ti_34~38Al_62~66N을 포함하며, 한 단위의 B층은 0.1㎛~0.5㎛의 두께를 갖는다. C층은 Ti_46~49Al_51~54N을 포함하며, 한 단위의 C층은 55㎚~95㎚의 두께를 갖는다. 또한, 다층 코팅에 포함되는 A층의 총두께에 대한 B층의 총두께의 비율(B층 총두께/A층 총두께)은 0.3 보다 작다.

Description

절삭공구{CUTTING TOOL}

본 발명은 절삭 공구에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면에 다층 코팅이 형성된 절삭 공구에 관한 것이다.

절삭 공구의 절삭 성능을 개선하고 절삭 수명을 연장하기 위하여 다양한 종류의 코팅이 사용되어 왔다. 코팅의 성능을 개선하기 위해 종래에는 수 나노미터 단위의 두께를 갖는 층을 복수 층 적층시킨 다층 코팅이 사용되어 왔다. 이러한 다층 코팅에서는 인접한 층의 조성을 상이하게 하여 서로 상이한 격자상수를 갖는 미세구조를 형성함으로써, 층 간의 상호작용에 의해 다층 코팅의 경도 및 내마모성을 향상시켰다. 그러나, 수 나노미터 단위의 두께를 갖는 층을 복수 층 적층시키는 경우, 적층 구조에 비틀림 응력이 누적되어 다층 코팅이 충격에 견디는 성질이 저하되고, 취성 파괴가 잘 일어나는 문제점이 있었다.

또 다른 종래 기술에서는, 수 나노미터 단위의 두께를 갖는 층을 복수 층 적층시킨 구조에, 수백 나노미터 단위 내지 수 마이크로미터 단위의 두꺼운 층을 개입시킨 구조를 채용하여 다층 코팅의 인성 및 내충격성을 향상시켰다. 두꺼운 층은, 수 나노미터 단위의 층들이 누적적으로 적층되어 형성된 높은 비틀림 응력을 완화시키는 기능을 수행하여, 다층 코팅의 인성 및 내충격성을 향상시키는 기능을 수행하였다. 그러나, 이를 달성하기 위해서는 중간에 개입되는 층의 두께를 두껍게 형성시킬 필요가 있었기 때문에, 결과적으로 수 나노미터 단위 층들의 층간 상호작용에 의한 경도 향상 효과가 저하될 수 밖에 없었고, 이로 인해 다층 코팅의 경도 및 내마모성이 저하되는 문제점이 있었다.

이와 같이, 종래 기술의 다층 코팅들은 경도와 인성을 동시에 향상시키지 못하고 경도 또는 인성 중의 어느 한 가지 특성만을 향상시킬 수 있었기 때문에, 종래 기술의 다층 코팅을 포함하는 절삭 공구들은 높은 내마모성을 요구하는 공정이나 높은 내충격성을 요구하는 공정 중의 어느 한 쪽에만 최적화되어 사용될 수 밖에 없었다. 또한, 내마모성 또는 내충격성 중의 한 가지 기계적 성질은 상대적으로 떨어졌기 때문에, 종래의 다층 코팅은 궁극적으로 절삭 공구 수명을 연장시키는데 한계를 가지고 있었다.

본 발명은 내마모성과 내충격성의 기계적 성질을 모두 향상시킴으로써, 높은 내마모성을 요구하는 공정이나 높은 내충격성을 요구하는 공정 모두에 광범위하게 사용될 수 있는 절삭 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 절삭 속도의 고속화에도 절삭 공구의 수명을 현저하게 향상시킬 수 있는 다층 코팅을 갖는 절삭 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 절삭 공구는 모재와, 그 모재의 표면에 형성된 다층 코팅을 포함한다. 다층 코팅은 A층, B층 및 C층을 포함하며, 이들 층들은 모재로부터 다층 코팅의 외측 표면을 향하는 방향으로 A층, C층 및 B층의 순서로 반복적으로 적층된다. A층은, Ti_46~49Al_51~54N을 포함하며 4㎚~30㎚의 두께를 갖는 a₁층과, Ti_34~38Al_62~66N을 포함하며 2㎚~25㎚의 두께를 갖는 a₂층을 포함한다. a₁층과 a₂층은 비주기적으로 적층되며, 층 두께 100㎚당 a₁층과 a₂층을 합쳐서 8~20개의 층이 적층된다. 이렇게 a₁층과 a₂층이 적층되어 한 단위의 A층은 0.5㎛~2.0㎛의 두께를 갖는다. B층은 Ti_34~38Al_62~66N을 포함하며, 한 단위의 B층은 0.1㎛~0.5㎛의 두께를 갖는다. C층은 Ti_46~49Al_51~54N을 포함하며, 한 단위의 C층은 55㎚~95㎚의 두께를 갖는다.

본 발명의 다층 코팅에 포함되는 A층의 총두께에 대한 B층의 총두께의 비율(B층 총두께/A층 총두께)은 0.3 보다 작게 구성된다.

또한, A층에 포함되는 a₁층의 총두께에 대한 a₂층의 총두께의 비율(a₁층 총두께/a₂층 총두께)은 1.1~2.1로 구성된다.

본 발명의 다층 코팅에 포함되는 A층은 27~32 GPa로 조절된 경도를 갖고, B층은 22~24 GPa로 조절된 경도를 갖고, C층은 26~30 GPa로 조절된 경도를 갖는다.

본 발명에 따르면, 다층 코팅에 의해 절삭 공구의 내마모성과 내충격성의 기계적 성질이 동시에 모두 향상되어, 절삭 공구를 높은 내마모성이 요구되는 공정과, 높은 내충격성이 요구되는 공정에 광범위하게 사용할 수 있게 된다. 또한, 내마모성과 내충격성이 모두 향상됨으로써, 절삭 작업시 절삭날의 안정도가 향상되기 때문에, 절삭 속도의 고속화에도 절삭 공구의 수명이 현저하게 향상된다.

도1은 본 발명에 따른 다층 코팅을 갖는 절삭 공구의 모식도,
도2는 본 발명에 따른 다층 코팅을 갖는 절삭 공구를 형성하는 스퍼터링 장치의 일 예의 개략도,
도3은 모재 1(Micro WC - 9~11 wt% Co)에 대하여 다양한 조성의 A층을 형성시켰을 때의 절삭 공구 수명을 비교한 그래프,
도4는 모재 2(General WC - 10~13 wt% Co - 1~2 wt% minor metal carbide)에 대하여 다양한 조성의 A층을 형성시켰을 때의 절삭 공구 수명을 비교한 그래프,
도5의 (a)는 비주기적으로 적층한 경우의 a₁층과 a₂층의 두께를 도시한 그래프,
도5의 (b)는 a₁층과 a₂층을 비주기적으로 적층한 경우의 A층의 일부를 현미경으로 촬영한 사진,
도6의 (a)는 거의 주기적으로 적층한 경우의 a₁층과 a₂층의 두께를 도시한 그래프,
도6의 (b)는 a₁층과 a₂층을 거의 주기적으로 적층한 경우의 A층의 일부를 현미경으로 촬영한 사진,
도7의 (a)는 a₁층과 a₂층을 비주기적으로 적층한 경우와 거의 주기적으로 적층한 경우의 인성을 측정하는 방법을 나타낸 도면,
도7의 (b)는 a₁층과 a₂층을 비주기적으로 적층한 경우와 거의 주기적으로 적층한 경우의 인성을 비교한 그래프,
도8의 (a)는 A층의 총두께에 대한 B층의 총두께의 비율(B층 총두께/A층 총두께)이 1인 경우의 다층 코팅의 모식도,
도8의 (b)는 A층의 총두께에 대한 B층의 총두께의 비율(B층 총두께/A층 총두께)이 0.2인 경우의 다층 코팅의 모식도,
도9는 A층의 총두께에 대한 B층의 총두께의 비율(B층 총두께/A층 총두께)이 1인 경우와 0.2인 경우의 내마모성과 내충격성을 대비한 그래프,
도10의 (a)는 C층을 포함하는 다층 코팅을 갖는 절삭 공구로 SCM4를 피삭재로 한 절삭 시험을 행한 후 절삭날을 촬영한 사진,
도10의 (b)는 C층을 포함하지 않는 다층 코팅을 갖는 절삭 공구로 SCM4를 피삭재로 한 절삭 시험을 행한 후 절삭날을 촬영한 사진,
도11의 (a)는 C층을 포함하는 다층 코팅을 갖는 절삭 공구로 SUS304를 피삭재로 한 절삭 시험을 행한 후 절삭날을 촬영한 사진,
도11의 (b)는 C층을 포함하지 않는 다층 코팅을 갖는 절삭 공구로 SUS304를 피삭재로 한 절삭 시험을 행한 후 절삭날을 촬영한 사진,
도 12의 (a)는 모재(Micro WC - 5.5~ 6.5wt% Co)에 대하여, 본 발명에 따른 다층 코팅의 B층이 Ti_46~49Al_51~54N을 포함하고 C층이 Ti_34~38Al_62~66N을 포함하도록 형성시킨 실험예와, B층과 C층은 형성시키지 않고 A층만을 형성시킨 비교예를 가지고, SUS304를 피삭재로 하는 절삭 공정을 행했을 때의 공구 수명을 비교한 그래프,
도 12의 (b)는 모재(Micro WC - 5.5~ 6.5wt% Co)에 대하여, 본 발명에 따른 다층 코팅의 B층이 Ti_46~49Al_51~54N을 포함하고 C층이 Ti_34~38Al_62~66N을 포함하도록 형성시킨 실험예와, B층과 C층은 형성시키지 않고 A층만을 형성시킨 비교예를 가지고, Inconel718을 피삭재로 하는 절삭 공정을 행했을 때의 공구 수명을 비교한 그래프이다.

본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 코팅을 갖는 절삭 공구의 모식도이다. 본 발명에 따른 절삭 공구는 모재와, 그 모재의 표면에 형성된 다층 코팅을 포함한다. 모재로는 텅스텐 카바이드와 같은 재료가 사용될 수 있다. 모재의 표면에 형성된 다층 코팅은 모재로부터 다층 코팅의 외측 표면을 향하는 방향으로 A층, C층 및 B층의 순서로 반복적으로 적층되는 A층, B층 및 C층을 포함한다.

A층은, 다층 코팅의 경도를 현저하게 향상시키는 조성을 갖고 다층 코팅의 인성을 향상시키는 적층 구조를 갖는 a₁층 및 a₂층을 포함한다. 또한, 본 발명의 다층 코팅은 소정의 두께를 갖는 B층을 통해, A층에 포함되는 a₁층 및 a₂층의 적층에 의한 비틀림 응력을 완화시킴으로써, 다층 코팅의 인성을 향상시킨다. 또한, 본 발명의 다층 코팅은 소정의 조성과 두께를 갖는 C층을 A층 위에 적층시킨 후에, C층 위에 B층을 적층함으로써, B층이 균일하게 형성되고 B층에 의한 인성 향상 효과가 극대화될 수 있도록 한다. 이와 같이, 본 발명에 따른 다층 코팅은 a₁층 및 a₂층을 비주기적으로 적층시켜서 인성을 향상시키고, C층을 통해 B층의 인성 향상 효과를 극대화시킴으로써, 충분한 인성을 확보하기 위한 B층의 두께를 얇게 형성할 수 있게 한다. B층의 두께가 얇아짐으로써, 상대적으로 A층의 두께 비율은 높아질 수 있게 되어, 전체적인 다층 코팅의 경도가 향상되는 효과가 제공된다. 또한, 본 발명에 따른 절삭 공구에서는, B층의 두께가 얇아짐에 따라 전체 다층 코팅의 인성이 낮아질 것이라는 예상과는 달리, A층의 총두께에 대한 B층의 총두께의 비율(B층 총두께/A층 총두께)이 0.3 이하로 제어되면, 다층 코팅의 인성까지 향상되는 효과가 제공된다. 이하에서는 본 발명에 따른 다층 코팅을 이루는 각 층들의 기능 및 특성에 대하여 상세하게 설명한다.

A층은 서로 상이한 조성을 갖는 a₁층과 a₂층이 교대로 적층되어 형성된다. a₁층은 Ti_46~49Al_51~54N의 조성을 갖고, a₂층은 Ti_34~38Al_62~66N의 조성을 가짐으로써, a₁층과 a₂층의 층 간 상호작용에 의한 경도 향상 효과가 극대화되어 다층 코팅의 내마모성이 현저히 향상되고, 절삭 공구의 공구 수명이 현저히 향상되는 효과가 제공된다. 본 발명자는 a₁층과 a₂층의 조성과 관련하여 이하와 같이 절삭 성능 시험을 실시하였다.

[실험 1]

본 실험에서 코팅은 모재 1(Micro WC - 9~11wt% Co)과 모재2(General WC - 10~13wt% Co - 1~2 wt% minor metal carbide)의 표면에 형성되었다. 두 종류의 모재의 표면에 형성된 코팅은, 도2에 도시된 바와 같이 두 종류의 Arc 타겟을 이용하여 형성되었다. 각각의 모재에 대하여 다섯 종류의 코팅이 적층되었으며, 각 실험예에 따라 Q위치의 타겟과 R위치의 타겟에는 표1의 조성을 갖는 타겟이 사용되었다. 실험예 1 내지 4에서는 두 가지 상이한 조성을 갖는 타겟이 Q위치와 R위치에 배치되어 다층 코팅이 형성되었으며, 실험예 5에서는 Ti₅₀Al₅₀의 조성을 갖는 동일한 종류의 타겟이 Q위치와 R위치에 배치되어 단층 코팅이 형성되었다.

실험예	Q 타겟	R 타겟
1	Ti	Ti₅₀Al₅₀
2	Ti₇₅Al₂₅	Ti₅₀Al₅₀
3	Ti₇₅Al₂₅	Ti₃₃Al₆₇
4	Ti₅₀Al₅₀	Ti₃₃Al₆₇
5	Ti₅₀Al₅₀	Ti₅₀Al₅₀

절삭 성능 시험은 SKT4 및 SKD11 피삭재에 대하여 절삭 공정을 수행하여 절삭 공구의 수명을 측정하는 방법을 통해 이루어졌다. 절삭 성능 시험은, 8각형의 밀링 인서트를 이용하여 SKT4 피삭재에서는 절삭속도 150m/min, 이송 0.1mm/tooth, 절삭깊이 2.0mm의 건식 절삭을, SKD11 피삭재에서는 절삭속도 150m/min, 이송 0.12mm/tooth, 절삭깊이 2.0mm의 건식 절삭을 행하였으며, 절삭 수명은 측면 마모량 기준으로 0.45mm 도달할 때까지의 절삭 거리를 측정하여 비교 평가하였다. 도3에는 모재 1의 표면에 각 실험예의 타겟에 의해 형성된 코팅을 갖는 절삭 공구의 수명이 도시되어 있으며, 도4에는 모재 2의 표면에 각 실험예의 타겟에 의해 형성된 코팅을 갖는 절삭 공구의 수명이 도시되어 있다. 도3 및 도4를 참조하면, Ti₅₀Al₅₀의 조성을 갖는 Q타겟과 Ti₃₃Al₆₇의 조성을 갖는 R타겟을 사용하여 형성된 다층 코팅을 갖는 절삭 공구가, 다른 실험예들과 비교하여 현저하게 향상된 절삭 공구 수명을 갖는다는 점을 확인할 수 있다. 실험예 4의 타겟에 의해 형성된 다층 코팅들의 조성을 분석한 결과, 두 종류의 층은 각각 Ti_46~49Al_51~54N과 Ti_34~38Al_62~66N의 조성을 가진다는 점을 확인할 수 있었다. 이로부터, Ti_46~49Al_51~54N과 Ti_34~38Al_62~66N의 조성을 갖는 층을 교대로 적층하는 경우에, 격자상수 차이로 인한 층 간 상호작용에 의한 경도 향상 효과가 극대화되고 다층 코팅의 내마모성이 현저히 향상되어, 절삭 공구의 수명이 연장된다는 점을 알 수 있다.

또한, A층에 포함되는 a₁층의 총두께에 대한 a₂층의 총두께의 비율(a₁층 총두께/a₂층 총두께)은 1.1~2.1으로 조절된다. A층에 포함되는 a₁층의 총두께에 대한 a₂층의 총두께의 비율(a₁층 총두께/a₂층 총두께)이 1.1 미만으로 되면 내마모성은 향상되나 내충격성이 저하되고, 2.1 초과시에는 반대로 내충격성은 향상되나 내마모성이 저하되기 때문에, 내마모성과 내충격성을 양립시키기 위해 A층에 포함되는 a₁층의 총두께에 대한 a₂층의 총두께의 비율(a₁층 총두께/a₂층 총두께)은 1.1~2.1로 한정하였다.

한편, A층에 포함되는 a₁층과 a₂층은 각각 4㎚~30㎚와 2㎚~25㎚ 범위의 두께를 갖고 비주기적으로 적층된다. 즉, a₁층과 a₂층은 각각 위 범위 내의 두께를 갖고 두께 100㎚당 a₁층과 a₂층을 합쳐서 8~20개의 층이 적층된다. 이렇게 a₁층과 a₂층이 적층되어 한 단위의 A층은 0.5㎛~2.0㎛의 두께를 갖는다. 이러한 비주기적인 적층을 통해 A층의 인성이 현저하게 향상된다. 따라서, 본 발명에 따른 다층 코팅에서는, 앞서 설명한 바와 같은 조성을 갖는 a₁층과 a₂층을 사용하여 층 간 상호작용에 의한 경도 향상 효과를 극대화할 수 있을 뿐만 아니라, a₁층과 a₂층을 비주기적인 두께를 갖도록 적층하여 A층의 인성까지 향상시킬 수 있다. 본 발명자는 a₁층과 a₂층의 두께와 관련하여 이하와 같이 절삭 성능 시험을 실시하였다.

[실험 2]

본 실험의 실험예 1에서는 도5의 (a)에 도시된 바와 같이 6㎚~21㎚ 범위의 두께를 갖는 a₁층(Ti₄₇Al₅₃N)과, 3㎚~15㎚ 범위의 두께를 갖는 a₂층(Ti₃₇Al₆₃N)이 비주기적으로 적층되었다. 도5의 (b)는 실험예 1의 다층 코팅의 구조를 현미경으로 촬영한 사진이다. 본 실험의 실험예 2에서는 도6의 (a)에 도시된 바와 같이 3~7㎚ 범위의 두께를 갖는 a₁층(Ti₄₇Al₅₃N)과 3~6㎚의 두께를 갖는 a₂층(Ti₃₇Al₆₃N)이 거의 주기적으로 적층되었다. 도6의 (b)는 실험예 2의 다층 코팅의 구조를 현미경으로 촬영한 사진이다.

본 실험에서는 위의 두 가지 코팅을 갖는 절삭 공구에 대하여 절삭 성능 시험을 수행하였으며, 도7의 (b)에는 절삭 성능 시험 결과로 얻어진 2개의 실험예 및 2개의 비교예의 실험 결과가 도시되어 있다. 절삭 성능 시험은 도7의 (a)에 도시된 바와 같이, 밀링 절삭 방법으로 실시되었으며, SPKN 1203 type의 밀링 인서트로 SKT4 피삭재에서 V=50 m/min, d=2mm, dry, 초기 이송 0.15 mm/tooth의 조건에서 시험을 시작하여, 인서트의 파손 없이 피삭재를 200mm 가공한 경우를 1 pass로 하였다. 이후, 인서트의 파손이 일어날 때까지 이송을 0.07mm 간격으로 증가시켜 시험을 진행하였으며(예컨대, 0.15 - 0.22 - 0.29 - 0.36 - 0.43...), 몇 pass까지 파손 없이 절삭을 행하였는지에 따라 각 인서트의 인성을 상대적으로 평가하였다.

본 실험의 결과를 참조하면 a₁층과 a₂층이 비주기적으로 적층된 실험예들의 경우가, 거의 주기적으로 적층된 비교예들과 비교하여 인성이 2배 이상 현저하게 높은 점을 알 수 있다.

본 발명에 따른 다층 코팅에 포함되는 B층은 Ti_34~38Al_62~66N을 포함하며, 한 단위의 B층은 0.1㎛~0.5㎛의 두께를 갖는다. B층은 0.1㎛ 이상의 두께를 가짐으로써, A층에 누적되어 있는 비틀림 응력을 완화시키는 기능을 수행한다. 또한, B층은 0.5㎛ 보다 얇은 두께를 가짐으로써, 다층 코팅의 내마모성이 저하되는 것이 방지된다.

본 발명에 따른 다층 코팅에서는 A층의 총두께에 대한 B층의 총두께의 비율(B층 총두께/A층 총두께)을 0.3이하로 제어함으로써 다층 코팅의 내마모성이 현저하게 향상되는 효과가 제공된다. 본 발명자는 A층의 총두께에 대한 B층의 총두께의 비율(B층 총두께/A층 총두께)과 관련하여 이하와 같이 절삭 성능 시험을 실시하였다.

[실험 3]

본 실험의 실험예 1에서는 도8의 (a)에 도시된 바와 같이 A층의 총두께에 대한 B층의 총두께의 비율(B층 총두께/A층 총두께)이 1인 다층 코팅을 형성시켜서 절삭 성능을 시험하였다. 본 실험의 실험예 2에서는 도8의 (b)에 도시된 바와 같이 A층의 총두께에 대한 B층의 총두께의 비율(B층 총두께/A층 총두께)이 0.3인 다층 코팅을 형성시켜서, 절삭 공구의 내마모성과 내충격성을 시험하는 절삭 성능을 각각 시험하였다. 내마모성 시험은, SCM4를 피삭재로 하여 V=250, fz=0.1, ap=3.0의 조건 및 SUS304를 피삭재로 하여 V=150, fz=0.1, ap=2.0의 두 가지 조건에서 수행되었고, 내충격성 시험은 SCM440을 피삭재로 하여 N=100, (Start)fz=0.28, ap=2.0의 조건에서 수행되었다. 실험예 1 및 2의 절삭 성능 시험 결과를 대비한 그래프가 도9에 도시되어 있다. 도9의 Average%는 B층이 없는 코팅에 대한 평균적인 공구 수명 비를 나타낸다.

도9의 실험 결과를 참조하면, A층의 총두께에 대한 B층의 총두께의 비율(B층 총두께/A층 총두께)이 1인 실험예 1에서는, SUS304를 피삭재로 하는 내마모성이 B층이 없는 코팅에 비해 오히려 저하되는 점을 확인할 수 있다. 이에 비해, A층의 총두께에 대한 B층의 총두께의 비율(B층 총두께/A층 총두께)을 0.3으로 제어한 실험예 2에서는 내마모성뿐만 아니라 내충격성까지 모두 향상된다는 점을 확인할 수 있다. 이를 통해, 인성을 주로 담당하는 B층의 비율이 감소됨에도 불구하고 내충격성이 더욱 향상된다는 점이 확인된다. 이는, A층의 총두께에 대한 B층의 총두께의 비율(B층 총두께/A층 총두께)을 0.3 이하로 되면서, A층과 B층 사이에 더 많은 수의 계면이 형성되어, 계면에서의 크랙 분리, 크랙 편향 등에 의해 크랙 전파가 억제되면서 인성 강화 효과가 발생하기 때문이다.

본 발명에 따른 다층 코팅에 포함되는 C층은, Ti_46~49Al_51~54N을 포함하며, 한 단위의 C층은 55~95㎚의 두께를 갖는다. C층은 항상 A층 위에 형성됨으로써, A층과 B층 상이의 전이층으로 기능한다. C층의 조성과 두께가 위의 범위로 제어됨으로써, C층은 B층이 항상 균일하게 형성될 수 있도록 하며, B층의 인성 향상 효과를 극대화시킨다. C층의 두께가 50nm 이하인 경우에는 C층에 의해 인서트 전체를 균일하게 커버하기가 어렵기 때문에, 그 위에 B층을 균일하게 형성하는 것이 어려우며, C층의 두께가 95㎚를 초과하는 경우에는 내충격성이 저하되는 문제가 있다. 본 발명자는 C층의 효과와 관련하여 이하의 조건에서 절삭을 행하였고, 절삭 이후의 절삭날을 관찰한 결과를 도10 및 도11에 도시하였다.

[실험 4]

본 실험의 비교예 1 내지 4는 C층을 포함하지 않는 실험 3의 실험예 2와 같은 코팅을 이용하였고, 본 실험의 실험예 1 내지 4는 실험 3의 실험예 2와 같은 코팅에 C층을 포함시킨 코팅을 이용하였다. 실험예 1, 2 및 비교예 1, 2는 SCM4를 피삭재로 하여, V=250m/min, f=0.1mm/tooth, d-c=3.0mm, Dry, 0.8M cutting length의 조건으로 절삭을 행한 뒤 절삭날을 관찰하였고, 실험예 3, 4 및 비교예 3, 4는 SUS304를 피삭재로 하여 V=150m/min, f=0.1mm/tooth, d-c=2.0mm, Dry, 0.8M cutting length의 조건으로 절삭을 행한 뒤 절삭날을 관찰하였다.

실험예 1, 2를 나타내는 도10의 (a) 및 비교예 1, 2를 나타내는 도10의 (b)를 참조하면, 실험예 1, 2가 비교예 1, 2에 비하여 미세 치핑 및 측면 마모의 측면에서 현저히 우수한 성질을 가진다는 점을 확인할 수 있다. 또한, 실험예 3, 4를 나타내는 도11의 (a) 및 비교예 3, 4를 나타내는 도11의 (b)를 참조하면, 실험예 3, 4가 비교예 3, 4에 비하여 미세 치핑 및 측면 마모의 측면에서 현저히 우수한 성질을 가지고, 그 편차도 작다는 점을 확인할 수 있다.

이로부터, C층의 구성이 B층의 인성 향상 효과를 극대화시켜서, 전체적인 코팅의 내마모성 및 내충격성 향상에 기여한다는 점을 확인할 수 있다.

한편, 본 발명자는 B층과 C층의 조성을 서로 교체했을 때의 코팅의 성능을 확인하기 위하여 다음의 실험을 행하였다.

[실험 5]

본 실험은 본 발명품의 B층의 조성과 C층의 조성을 서로 교체했을 때의 결과를 비교한 것으로, 선삭 시험에서의 비교를 실시하였다. 도12의 (a)와 (b)는 평행 사변형 형의 인서트(모재: Micro WC - 5.5%~6.5wt% Co)를 이용하여 각각 SUS304 및 Inconel718을 피삭재로 하여, 본 발명품과 같이 A층, C층, B층을 포함하되, B층의 조성과 C층의 조성을 서로 교체(즉, B층은 Ti_46~49Al_51~54N을 포함, C층은 Ti_34~38Al_62~66N을 포함)하여 형성된 실험예의 다층 코팅과, B층과 C층을 포함하지 않고 A층만으로 형성된 비교예의 다층 코팅의 성능테스트 결과를 나타낸 것이다.

이로부터 B층의 조성과 C층의 조성을 서로 교체하여 적층하더라도, 본 발명품이 성능이, B층과 C층을 포함하지 않은 비교예에 비하여 현저히 우수함을 확인할 수 있다.

위의 실험 결과들로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명은 A층을 이루는 하위층들의 조성비 차이를 조절하여 층간 상호작용에 의한 경도 향상을 극대화시키는 동시에, A층의 하위층들을 비주기적으로 적층하여 A층의 인성까지 향상시켰다. B/A를 0.3보다 작게 제어함으로써, 전체적인 코팅의 내마모성을 높게 유지할 뿐만 아니라, 내충격성까지 향상시켰다. 또한, B층을 균일하게 형성할 수 있게 하는 C층을 추가함으로써 B층의 균일성을 향상시키고 B층에 의한 인성 향상 효과를 극대화하였다. 이를 통해, 본 발명은 높은 내마모성과 높은 내충격성을 모두 양립시킴으로써, 다양한 용도로 광범위하게 사용될 수 있는 절삭 공구를 제공하고, 공구 수명이 현저하게 향상된 절삭 공구를 제공한다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나 이는 예시적인 것으로서, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 이로부터 다양한 변형 실시가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

Claims

모재와 그 모재의 표면에 형성된 다층 코팅을 포함하고,
상기 다층 코팅은 모재로부터 다층 코팅의 외측 표면을 향하는 방향으로 A층, C층, B층의 순서로 반복적으로 적층되는 A층, C층 및 B층을 포함하고,
상기 A층은, Ti_46~49Al_51~54N을 포함하며 4㎚~30㎚의 두께를 갖는 a₁층과, Ti_34~38Al_62~66N을 포함하고 2㎚~25㎚의 두께를 갖는 a₂층이, 두께 100㎚당 8~20개의 층이 비주기적으로 적층되어, 0.5㎛~2.0㎛의 두께를 갖고,
상기 B층은, Ti_34~38Al_62~66N을 포함하며 0.1㎛~0.5㎛의 두께를 갖고,
상기 C층은, Ti_46~49Al_51~54N을 포함하며 55㎚~95㎚의 두께를 갖고,
상기 다층 코팅에 포함되는 A층의 총두께에 대한 B층의 총두께의 비율(B층 총두께/A층 총두께)은 0.3 보다 작은, 절삭 공구.
모재와 그 모재의 표면에 형성된 다층 코팅을 포함하고,
상기 다층 코팅은 모재로부터 다층 코팅의 외측 표면을 향하는 방향으로 A층, C층, B층의 순서로 반복적으로 적층되는 A층, C층 및 B층을 포함하고,
상기 A층은, Ti_46~49Al_51~54N을 포함하며 4㎚~30㎚의 두께를 갖는 a₁층과, Ti_34~38Al_62~66N을 포함하고 2㎚~25㎚의 두께를 갖는 a₂층이, 두께 100㎚당 8~20개의 층이 비주기적으로 적층되어, 0.5㎛~2.0㎛의 두께를 갖고,
상기 B층은, Ti_46~49Al_51~54N을 포함하며 0.1㎛~0.5㎛의 두께를 갖고,
상기 C층은, Ti_34~38Al_62~66N을 포함하며 55㎚~95㎚의 두께를 갖고,
상기 다층 코팅에 포함되는 A층의 총두께에 대한 B층의 총두께의 비율(B층 총두께/A층 총두께)은 0.3 보다 작은, 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 A층에 포함되는 a₁층의 총두께에 대한 a₂층의 총두께의 비율(a₁층 총두께/a₂층 총두께)은 1.1~2.1 인, 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 A층은 27~32 GPa로 조절된 경도를 갖고, 상기 B층은 22~24 GPa로 조절된 경도를 갖고, 상기 C층은 26~30 GPa로 조절된 경도를 갖는, 절삭 공구.