KR20120015338A - 나노적층식 코팅 절삭 공구 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 경질 및 내마모성 코팅이 물리적 기상 증착 (PVD) 에 의해 증착되는 초경 합금, 서멧, 세라믹, 입방정 질화붕소계 재료 또는 고속도강의 경질 합금체를 포함하는, 칩 제거에 의한 기계 가공용 절삭 공구에 관한 것이다. 상기 코팅은 교대의 A 층과 B 층의 다결정질 나노적층식 구조를 포함하는데, 여기서, A 층은 (Ti,Al,Me1)N 이며, Me1 은 선택적으로 주기율표중 3 족, 4 족, 5 족 또는 6 족으로부터 1 종 이상의 금속 원소이며, B 층은 (Ti,Si,Me2)N 이며, Me2 는 주기율표중 3 족, 4 족, 5 족 또는 6 족으로부터 1 종 이상의 금속 원소이며, Al 은 0.5 ~ 20 ㎛ 의 두께를 가지며, 동일한 제조 방법을 갖는다. 이러한 인서트는 특히, 개선된 날 완전성을 갖는 고온을 발생시키는 금속 절삭 분야, 예컨대 초합금, 스테인리스강 및 경화강의 기계가공시 유용하다.

Description

나노적층식 코팅 절삭 공구{NANOLAMINATED COATED CUTTING TOOL}
본 발명은 각각 (Ti,Al)N 및 (Ti,Si)N 층에 기초한 나노적층식 구조를 포함하는 경질의 내마모 코팅이 코팅된 절삭 공구 인서트에 관한 것이다. 이러한 인서트는, 특히 고온을 발생시키는 금속 절삭 적용분야, 예컨대, 초합금, 스테인리스강 및 경화강의 기계가공에 유용하다. 이 코팅은 물리적 기상 증착 (PVD) 및 바람직하게는 음극 아크 증발에 의해 성장된다.
US 7,056,602 는 입방정 구조의 (TiyAlxMe1 -x-y)N 계 층이 코팅된 절삭 공구 인서트를 개시하는데, 여기서 Me 는 Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 또는 Si 를 포함하는 원소 중 1 종이며, X 는 0.50 ~ 0.80 이고, 비율 (x/(x+y)) 은 0.50 ~ 0.85 이며; Ti 및 Al 의 아래에 기입한 x+y 의 합은 0.7 ~ 1.0 이다.
EP 1736565　는 입방정 구조의 (Me,Si)X 상이 코팅된 절삭 공구 입방정 질화붕소계 인서트를 개시하는데, 여기서 Me 는 Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta 및 Al 를 포함하는 원소 중 1 종 이상이며, X 는 N, C, O 또는 B 를 포함하는 원소 중 1 종 이상이다.
EP 0588350 는 본체 상의 Ti-Si-N 복합재 재료의 경질 층을 개시하는데, 상기 경질 층은 TiaSib 의 조성을 갖는 증발원을 사용하여 증착되는데, 여기서, a 는 75 ~ 85 at % 이며, b 는 15 ~ 25 at % 이다.
또한, 코팅의 최적화는, Ti 및 Al 을 함유하는 층 (US 6,309,738), 산소를 포함하는 층 및 산소를 포함하지 않는 층 (US 6,254,984), 다중층에 스택된 층중 하나가 그 자체로 다중층을 구성하는 것 (US 6,077,596) 을 변경하는 것, 질소 함량 (US 5,330,853) 을 변경하는 것 또는 하나의 준안정 (metastable) 화합물을 사용하는 것 (US 5,503,912) 과 같은 다중층, 또는 불규칙한 (aperiodic) 다중층 (US 6,103,357) 과 같은 상이한 개념을 적용함으로써 얻어진다.
열적 안정성과 경도의 추가 개선은 TiN 계 또는 TiAlN 계 코팅에 Si 를 도입함으로써 이루어진다. JP 2000-334607 는 TiSi (층 (a)) 및 TiAl (층 (b)) 화합물을 포함하는 증착된 층을 갖는 코팅된 공구를 개시한다. 층 (a) 은 10% < Si < 60% 을 포함하고 NaCl 형 결정질 구조를 갖는 질화물, 탄질화물, 산질화물 및 옥시탄질화물 중에서 선택된다. 층 (b) 은 40% < Al < 75% 을 포함하고 NaCl 형 결정질 구조를 갖는 질화물, 탄질화물, 산질화물 및 옥시탄질화물 중에서 선택된다. 층 (a) 와 층 (b) 는 교대로 적용되고, 층 (b) 는 기본 재료의 표면 바로 위에 놓여진다.
EP 1939327 는 개선된 크레이터 및 프랭크 내마모성을 부여하는 경질 코팅을 포함하는 절삭 공구를 개시하는데, 상기 코팅은 0.1 ~ 100 nm 의 X 층과 Y 층의 평균 층 두께를 가지며, 또한 AlaTibSicCrdCeN1 - e 의 평균 화학 조성을 갖는 불규칙한 다중층 (X+Y+X+Y+...) 을 포함하는데, 여기서, 0 < a < 0.5, 0.1 < b < 0.9, 0.01 < c < 0.17, 0 ≤ d < 0.06, a+b+c+d = 1, 그리고 0 ≤ e < 1 이다.
환경 보호를 위한 건식 작업 프로세스에 관한 트랜드, 즉, 절삭유 (윤활유) 를 사용하지 않는 금속 절삭 작업과 개선된 프로세스에 의한 기계 가공 속도의 가속화는, 증가된 공구 절삭날의 온도로 인하여 공구 재료의 특성에 대한 요구를 심지어 더 높게 만들었다. 특히, 고온에서의 코팅 안정성, 즉 내산화성 및 내마모성이 훨씬 더 중요해졌다.
본 발명의 목적은, 상승된 온도에서 금속 절삭 적용시 개선된 성능을 산출하는 코팅된 절삭 공구를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은 개선된 날 완전성을 갖는 코팅된 절삭 공구를 제공하는 것이다.
절삭 공구 인서트 상에 나노적층식 코팅 구조를 (Ti,Si)N 및 (Ti,Al)N 기반 층에 각각 결합하는 것은, 개선된 크레이터 내마모성, 플랭크 내마모성 및 날 완전성에 기인하여, 특히 공구 온도를 높게 만드는 기계 가공 작업시, 공구 수명을 상당히 개선시킨다는 것을 발견하였다.
본 발명에 따르면, 0.5 ~ 20 ㎛, 바람직하게는 0.5 ~ 10 ㎛, 가장 바람직하게는 0.5 ~ 5 ㎛ 두께를 갖는 교대의 A 및 B 층의 다결정질 나노적층식 구조를 포함하는 경질 및 내마모성 PVD 코팅이 증착되는 초경 합금, 서멧, 세라믹, 입방정 질화붕소계 재료 또는 고속도강, 바람직하게는 초경 합금 또는 서멧의 경질 합금체를 포함하는, 칩 제거에 의한 기계 가공용 절삭 공구가 제공된다. 바람직하게는, 나노적층식 구조는, 예컨대 나노적층식 구조의 중간 영역, 즉 성장 방향으로 두께의 30 ~ 70 % 의 영역에서의 횡단면 주사 전자 현미경에 의해 판정되는 바와 같이 20 ~ 1000 nm, 바람직하게는 20 ~ 500 nm 의 주상정 평균 폭을 갖는 전체 주상정 구조를 갖는데, 상기 주상정 평균 폭은 적어도 10 개의 인접한 주상정의 폭을 측정한 평균이다.
상기 A 층은 (Ti1 - xAlxMe1p)Na 이며, 여기서 0.3 < x < 0.95, 바람직하게는 0.45 < x < 0.75, 및 0.90 < a < 1.10 이며, 바람직하게는 0.96 < a < 1.04, 0 ≤ p < 0.15 이고, 그리고 Me1 은 주기율표중 3 족, 4 족, 5 족 또는 6 족으로부터 1 종 이상의 금속 원소, 바람직하게는 Zr, Y, V, Nb, Mo 및 W 중 1 종 이상이며, 가장 바람직하게는 Zr, Y, V 및 Nb 중 1 종 이상이다. 상기 B 층은 (Ti1 -y- zSiyMe2z)Nb 이며, 여기서 0.05 < y < 0.25, 바람직하게는 0.05 < y < 0.18, 0 ≤ z < 0.4, 0.9 < b < 1.1, 바람직하게는 0.96 < b < 1.04 이고, 그리고 Me2 는 주기율표중 3 족, 4 족, 5 족 또는 6 족으로부터 1 종 이상의 금속 원소, 바람직하게는 Y, V, Nb, Mo, W 및 Al 중 1 종 이상이며, 가장 바람직하게는 Y, V, Nb 및 Al 중 1 종 이상이다. A 층과 B 층은, 예컨대 나노적층식 구조의 중간 영역, 즉 성장 방향으로 두께의 30 ~ 70 % 의 영역에서의 횡단면 주사 전자 현미경에 의해 판정되는 바와 같이 1 ~ 50 nm 의 각각의 층의 평균 두께를 갖는다. 상기 나노적층식 구조는, X 선 회절에 의해 판정했을 때, 입방정 및 육방정 상들의 상 혼합물, 바람직하게는 단지 입방정 상을 포함한다.
바람직한 제 1 실시형태에 있어서, z = p = 0 이다.
바람직한 제 2 실시형태에 있어서, Me1 은 Zr, Y, V 및 Nb 중 1 종이며, 0 < p < 0.05 이다.
바람직한 제 3 실시형태에 있어서, Me2 는 Y 이며, 0 < z < 0.15 이다.
바람직한 제 4 실시형태에 있어서, Me2 는 V 와 Nb 중 하나 또는 모두이며, 0 < z < 0.3 이다.
바람직한 제 5 실시형태에 있어서, Me2 는 Al 이며, 0.2 < z < 0.4 이다.
나노적층식 구조 내에서, A 층은 -5.0 < σ < 0 GPa, 바람직하게는 -3.0 < σ < -0.5 GPa 의 응력 수준을 갖는다.
상기 코팅은, TiN, TiC, Ti(C,N) 또는 (Ti,Al)N, 바람직하게는 (Ti,Al)N 의 내부 단일층 및/또는 다중층 코팅, 및/또는 TiN, TiC, Ti(C,N), (Ti,Si)N 또는 (Ti,Al)N, 바람직하게는 (Ti,Si)N 또는 (Ti,Al)N 의 외부 단일층 및/또는 다중층 코팅을 포함하며, 나노적층식 구조의 두께를 포함한 전체 코팅 두께는 0.5 ~ 30 ㎛, 바람직하게는 0.5 ~ 15 ㎛, 가장 바람직하게는 0.5 ~ 10 ㎛ 이다.
본 발명의 코팅의 증착 방법은, (Ti,Al,Me1)N 및 (Ti,Si,Me2)N 층이 소망하는 층 조성을 얻는 캐소드로부터 성장되는 조건 하에서 합금 또는 복합재 캐소드를 사용하는 물리적 기상 증착 (PVD), 바람직하게는 음극 아크 증발이다. 증발 전류는 50A ~ 200A 이다. 이 층은 Ar + N2 분위기, 바람직하게는 순수 N2 분위기 하에, 0.5 Pa ~ 9.0 Pa, 바람직하게는 1.5 Pa ~ 5.0 Pa 의 총압력으로 성장된다. 바이어스는 -10 V ~ -300 V, 바람직하게는 -20 V ~ -200 V 이다. 증착 온도는 350 ℃ ~ 700 ℃, 바람직하게는 400 ℃ ~ 650 ℃ 이다.
또한, 본 발명은, 절삭 속도와 인서트 기하학적 형상에 따라, 50 ~ 500 m/분, 바람직하게는 50 ~ 300 m/분의 절삭 속도로, 0.08 ~ 0.5 mm/rev, 바람직하게는 0.1 ~ 0.4 mm/rev 의 평균 이송 속도로, 스테인리스강, 초합금 및 경화 강의 기계가공을 위해 사용되는 전술한 절삭 공구 인서트의 용도에 관한 것이다.
도 1 은 Ti0 .38Al0 .62N/Ti0 .93Si0 .07N 나노적층식 구조의 파단된 횡단면을 나타내는 주사 전자 형미경 (SEM) 이미지이다.
도 2 는 (a) Ti0 .38Al0 .62N 단일층, (b) Ti0 .86Si0 .14N 단일층, 및 (c) Ti0.38Al0.62N/Ti0.86Si0.14N 나노적층식 구조로부터의 X 선 회전 패턴이다. 회절 피크는 입방정 상 (Ti,Si)N(1 로 표시됨), 입방정 상 (Ti,Al)N(2 로 표시됨) 및 WC 또는 Co (점선으로 표시됨) 에서 유래한 피크로서 지수화된다.
도 3 은 (a) Ti0 .38Al0 .62N 단일층, (b) Ti0 .66Al0 .29Si0 .05N 단일층, 및 (c) Ti0.38Al0.62N/Ti0.93Si0.07N 나노적층식 구조를 나타내는 스테인리스강의 선삭 11 분 후의 절삭날의 예시를 나타내는 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지이다.
실시예 1
표 1 의 코팅은 하기 인서트 상에 음극 아크 증발에 의해 증착된다:
S1: 초경합금 (90 wt% WC + 10 wt% Co)
S2: 초경합금 (94 wt% WC + 6 wt% Co)
S3: 세코 툴스 서멧 등급, CM
증착 이전에, 인서트는 알칼리 용액과 알코올의 초음파 욕에서 세정된다. 증착 챔버는, 인서트가 Ar 이온으로 스퍼터 세정된 후에 2.0 × 10-3 Pa 미만의 기본 압력으로 진공처리된다. 코팅은 450 ℃ 에서 -20 ~ -60 V 의 바이어스와 60 ~ 200 A 의 진공 전류를 사용하여 2 ~ 6 Pa 의 전체 압력으로 99.995 % 의 순수 N2 분위기에서 합금 또는 복합재 캐소드로부터 증착된다. 캐소드는 각각 A 층과 B 층의 조성을 산출하도록 선택되고, 증착 챔버의 양측에 장착되어 정착 (fixture) 회전에 의해 나노적층식 구조를 얻는다. 각각의 층의 평균 두께는 캐소드 전류 (60 ~ 200 A) 및 정착 회전 속도 (1 ~ 5 rpm) 를 변경함으로써 바뀐다. 총 코팅 두께는 플랭크 면에서 측정될 때 모든 인서트에 대해 약 2 ㎛ 이다.
도 1 은 Ti0 .38Al0 .62N/Ti0 .93Si0 .07N 나노적층식 구조 (코팅 9) 의 주사 전자 현미경 (SEM) 사진을 도시한다. 각각의 층이 인접한 층 사이에서 최소 혼합을 나타내는 것으로 명확하게 보여진다. 각각의 층 두께는 3 중 (fold) 정착 회전에 기인하여 바뀌며, 주상정 (columnar) 마이크로 조직이 나노적층식 구조 전체를 신장한다.
그대로 증착된 코팅의 X-선 회절분석도 (diffractogram) 는 Cu Kα방사 및 θ - 2θ 구성을 사용하여 얻어진다. 도 2 는 (a) Ti0 .38Al0 .62N 단일층 (코팅 39), (b) Ti0 .86Si0 .14N 단일층 (코팅 41), 및 (c) Ti0 .38Al0 .62N/Ti0 .86Si0 .14N 나노적층식 구조 (코팅 1) 를 도시한다. 3 개의 코팅 모두는 단지 입방정 NaCl 결정 구조만을 나타내고 있다.
평균 잔류 응력 (σ) 이 표 1 에 나타나 있다. 응력은 sin2ψ 방법을 사용한 XRD 측정에 의해 평가된다. 이러한 측정은 NaCl (422)-반사 상의 Cu Kα방사를 사용하여 실행된다. 데이터는 0 ~ 0.75 범위의 sin2ψ (ψ = 0 ~ 60°) 내에서 등거리인, 11 개의 ψ 범위 (포지티브 및 네거티브) 에 의해 얻어진다. 잔류 응력 값은 υ = 0.22 인 푸아송의 비 및 E = 450 GPa 인 영의 계수를 사용하여 평가된다. 나노적층식 구조에 대해서, 응력 값은 (Ti,Al)N 층에 대해 측정된다.
나노적층식 구조의 전체 평균 조성은, 10 kV 에서 작동하는 서모 노란 (Thermo Noran) EDS 검출기를 갖는 LEO 울트라 55 주사 전자 현미경을 사용하여 에너지 분산 X 선 분광 분석기 (EDS) 분석 영역에 의해 측정되었다. 데이터는 노란 시스템 6 (NSS 버전 2) 소프트웨어를 사용하여 평가된다.
표 1 은, 예시적 코팅, 본 발명과 종래 기술에 따른 비교예의 코팅 양자의 결과를 요약한 것이다.
Figure pct00001
실시예 2
S1 인서트 상의 코팅 1 ~ 8, 10, 12, 22, 29, 34 ~ 45 은 하기 조건 하에 시험된다:
기하학적 형상 : CNMG120408-MF1
적용분야 : 길이 방향 선삭
작업 부재 : AISI 316L
절삭 속도 : 230 m/분
이송 속도 : 0.15 mm/rev
절삭 깊이 : 1.5 mm
공구 수명 기준 : 플랭크 마모 (vb) > 0.3 mm
그 결과는 표 2 에 나타낸다.
도 3 은 (a) 비교예의 코팅 (39), (b) 비교예의 코팅 (43), 및 (c) 본 발명의 코팅 (8) 의 선삭 11 분 후의 사용된 날의 SEM 이미지를 도시한다. 본 발명의 코팅은, 크레이터 및 날 마모 특성이 개선되었다는 것을 명확하게 알 수 있다.
실시예 3
S2 인서트 상의 코팅 1, 4, 6, 15, 33, 37, 39, 41, 45 은 하기 조건 하에 시험된다:
기하학적 형상 : CNMG120408-MF1
적용 분야 : 길이 방향 선삭
작업 부재 : Inconel 718
절삭 속도 : 70 m/분
이송 속도 : 0.2 mm/rev
절삭 깊이 : ap = 0.5 mm
공구 수명 기준: 플랭크 마모 (vb) > 0.3 mm
그 결과는 표 2 에 나타낸다.
실시예 4
S3 인서트 상의 코팅 1, 3, 9, 17, 36, 39 ~ 45 은 하기 조건 하에 시험된다:
기하학적 형상 : DCMT11T304-F1
적용 분야 : 길이 방향 선삭
작업 부재 : DIN 100Cr6
절삭 속도 : 250 m/분
이송 속도 : 0.15 mm/rev
절삭 깊이 : ap = 0.5 mm
공구 수명 기준 : 플랭크 마모 (vb) > 0.2 mm
그 결과는 표 2 에 나타낸다.
Figure pct00002
상기 실시예 2 ~ 4 로부터, 본 발명에 따른 인서트가 개선된 날 및 크레이터 마모 특성을 갖는 증가된 공구 성능을 나타냄이 명확하다.

Claims (7)

  1. 경질 및 내마모성 PVD 코팅이 증착되는 초경 합금, 서멧, 세라믹, 입방정 질화붕소계 재료 또는 고속도강의 경질 합금체를 포함하는, 칩제거에 의한 기계가공용 절삭 공구 인서트에 있어서,
    상기 코팅은 교대의 A 층과 B 층의 주상정 및 다결정질 나노적층식 구조를 포함하고,
    A 층은 (Ti1 - xAlxMe1p)Na 이며, 0.3 < x < 0.95, 바람직하게는 0.45 < x < 0.75, 0.90 < a < 1.10, 바람직하게는 0.96 < a < 1.04, 0 ≤ p < 0.15 이고, 그리고 Me1 은 Zr, Y, V, Nb, Mo 및 W 중 1 종 이상이며,
    B 층은 (Ti1 -y- zSiyMe2z)Nb 이며, 0.05 < y < 0.25, 바람직하게는 0.05 < y < 0.18, 0 ≤ z < 0.4, 0.9 < b < 1.1, 바람직하게는 0.96 < b < 1.04 이고, 그리고 Me2 는 Y, V, Nb, Mo, W 및 Al 중 1 종 이상이며,
    나노적층식 구조의 두께는 0.5 ~ 20 ㎛, 바람직하게는 0.5 ~ 10 ㎛ 이고,
    주상정 평균 폭은 20 ~ 1000 nm 이고,
    A 층과 B 층의 각각의 평균 두께는 1 ~ 50 nm 인 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노적층식 구조는, X 선 회절에 의해 판정했을 때, 입방정 및 육방정 상들의 상 혼합물, 바람직하게는 단지 입방정 상을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    z = p = 0 인 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅은, TiN, TiC, Ti(C,N) 또는 (Ti,Al)N, 바람직하게는 (Ti,Al)N 의 내부 단일층 및/또는 다중층 코팅, 및/또는 TiN, TiC, Ti(C,N), (Ti,Si)N 또는 (Ti,Al)N, 바람직하게는 (Ti,Si)N 또는 (Ti,Al)N 의 외부 단일층 및/또는 다중층 코팅을 포함하며, 나노적층식 구조의 두께를 포함한 전체 코팅 두께는 0.5 ~ 30 ㎛, 바람직하게는 0.5 ~ 15 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 합금체는 초경합금 또는 서멧인 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
  6. 제 1 항에 따른 절삭 공구 인서트의 제조 방법으로서,
    상기 코팅은, Ar + N2 분위기, 바람직하게는 순수 N2 분위기 하에, 0.5 Pa ~ 9.0 Pa, 바람직하게는 1.5 Pa ~ 5.0 Pa 의 총압력, -10 V ~ -300 V, 바람직하게는 -20 V ~ -200 V 의 바이어스로, 350 ℃ ~ 700 ℃, 바람직하게는 400 ℃ ~ 650 ℃ 에서 50A ~ 200A 의 증발 전류를 사용하여 (Ti,Al,Me1)N 및 (Ti,Si,Me2)N 층의 소망하는 조성을 얻는 합금식 또는 복합재 캐소드의 음극 아크 증발에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트의 제조 방법.
  7. 50 ~ 500 m/분, 바람직하게는 50 ~ 300 m/분의 절삭 속도로, 0.08 - 0.5 mm/rev, 바람직하게는 0.1 - 0.4 mm/rev 의 평균 이송 속도로, 스테인리스강, 초합금 및 경화 강의 기계가공에 사용하는 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 절삭 공구 인서트의 용도.
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