KR20120053171A - 절삭공구 공구용 피막 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용착 발생이 빈번한 '강(steel)’의 가공 시 요구되는 내마모성과 내결손성을 향상시킨 절삭공구 또는 내마모 공구용 피막을 제공하기 위한 것이다.
이를 위해 본 발명이 제공하는 절삭공구 또는 내마모 공구용 피막은, 모재의 표면에 화학기상증착법(CVD)으로 형성되며, 하나 이상의 알루미나층을 포함하고, 상기 알루미나층은 α상으로 이루어지며 주상정(columnar crystal) 조직과 등축정(equiaxed cryatal) 조직이 혼합된 복합조직으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

절삭공구 공구용 피막{SURFACE COATING LAYER FOR CUTTING TOOLS}

본 발명은 절삭공구에 사용되는 초경합금의 내마모성을 보다 향상시키기 위해 초경합금 모재의 표면에 형성시키는 피막에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래의 절삭공구용 피막에 비해 절삭공구의 내마모성, 내치핑성 및 내결손성을 보다 향상시킬 수 있는 피막에 관한 것이다.

일반적으로 절삭공구로 사용되는 초경합금은 마모 저항성을 높이기 위해 그 표면에 경질박막층을 형성한 후 사용되는데, 상기 경질박막은 화학기상증착법(이하, 'CVD'라 함) 또는 물리기상증착법(이하, 'PVD'라 함)을 통해 형성된다.

한편, 절삭공구의 인선은 고경도 재료의 고속가공 시, 약 1000℃의 고온환경에 노출되고, 가공물과의 접촉으로 인한 마찰과 산화로 마모가 발생할 뿐 아니라, 단속과 같은 기계적 충격도 받게 된다. 그러므로 절삭공구는 적절한 내마모성과 함께 인성을 갖는 것이 필수적으로 요구된다.

일반적으로 경질박막은 단층 또는 다층의 비산화물계 박막(예: TiN, TiC, TiCN)이나, 우수한 내산화성을 갖는 산화물계 박막(예: Al₂O₃) 또는 이들의 혼합층으로 구성되며, 상기 비산화물계 박막의 예로는 TiN, TiC, TiCN 등과 같은 주기율표상 4, 5, 6족 금속원소의 탄화물, 질화물, 탄질화물이 있고, 산화물계 박막의 예로는 대표적으로 α-Al₂O₃ 또는 κ-Al₂O₃이 있다.

한편, 4, 5, 6족 금속원소의 탄화물, 질화물, 탄질화물과 같은 비산화물계 박막의 주요 단점은 내산화성이 떨어지는 것인데, 이러한 문제점은 주로 우수한 내산화성을 갖는 알루미나(Al₂O₃)와 같은 산화물 박막을 비산화물 박막 위에 적층시킨 다층 코팅을 통해 해결하고 있다.

그런데 비산화물 박막과 산화물 박막이 다층으로 구성된 박막에서는 박막 간의 밀착력이 좋지 않기 때문에 고온환경이 조성되는 절삭가공 시 박막 간의 기계적 강도가 불안정한 경향이 있고, 특히 베어링강, 니켈 크롬강, 냉간 단조강과 같이 그 재질상 끈적거림(인성)이 강한 가공물의 가공 시에는 비산화물 박막과 산화물 박막 간의 밀착력이 더욱 요구된다.

산화물계 박막 중 κ-Al₂O₃는 비산화물계 박막과의 밀착력이 우수하고 상대적으로 저온(1000~1020℃)에서 형성될 수 있는 장점이 있으나, 절삭 시 발생하는 고온에 의하여 κ상이 α상으로 변하는 상변태가 발생하는데 상변태는 6 ~ 8% 정도의 부피수축과 균열을 유발하여 Al₂O₃ 박막이 박리되는 현상을 초래하기도 한다.

이에 비해 α-Al₂O₃는 고온에서 안정한 상이기 때문에 절삭가공 중에 상변태가 발생하지 않고 우수한 내마모성을 발휘하지만 비산화물계 박막에 직접 α-Al₂O₃를 코팅하기 위해서는 약 1040℃정도의 고온이 필요하며 이때 형성되는 α-Al₂O₃는 결정립의 크기가 크고 (약 1 ~ 6㎛), 결정 내에 미세기공과 같은 결함들을 다량 포함하고 있어 박막의 기계적 강도가 떨어진다.

이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로, 비산화물계 박막에 1단계 산화층을 먼저 코팅한 후, 그 위에 α-Al₂O₃를 코팅하는 방안이 제안되었다. 그런데 1단계 산화층을 적용할 경우, α-Al₂O₃ 코팅 시 코팅온도를 1000 ~ 1020℃ 수준으로 낮출 수는 있으나, 이와 같은 방법으로 제조된 α-Al₂O₃도 여전히 충분한 밀착강도를 나타내지 못하는 문제점이 있다.

이에 따라, 대표적인 산화물계 박막인 α-Al₂O₃와 비산화물계 박막 간의 밀착강도를 향상시키기 위해서 다른 몇 가지 개선된 방법들이 제안되었다.

일본공개특허 소63-195268호에는 5㎛ 두께의 TiCNO 층을 1030 ~ 1100℃에서 코팅한 후, 그 위에 α-Al₂O₃를 960 ~ 1000℃에서 코팅하는 방법이 제시되었으며, 일본공개특허 평2-30406호에는 1㎛ 두께의 TiCO 또는 TiCNO 층위에 α-Al₂O₃를 코팅하는 방법이 제시되었으며, 일본공개특허 평5-345976호에는 TiCl₄, CO, H₂, N₂ 가스를 사용하여 0.5 ~ 3㎛ 두께의 TiCNO 또는 TiCO층을 형성한 후, 그 위에 약 1000℃에서 α-Al₂O₃를 코팅하는 방법이 제시되어 있다.

또한, 미국특허 제5487625호에는 TiCNO 층으로 코팅된 모재 위에 α-Al₂O₃를 증착하는 방법과 관련하여 20ppm 이하의 H₂O 가스의 산화포텐셜을 미세하게 제어하되, 코팅온도를 1000℃로 유지하면서 반응가스를 CO₂-CO-AlCl₃ 순으로 유입하여 Al₂O₃의 핵생성을 유도하는 방법이 제시되어 있고, 미국공개특허 제2001-0006724호에는 침상의 형태를 갖는 TiAlCNO 기지상에 Al₂TiO₅를 포함하는 결합층을 α- Al₂O₃코팅 전에 적층하여 α- Al₂O₃ 밀착력을 향상시키는 방법이 제안되어 있다.

그러나 상기한 선행 특허문헌에서 제시된 개선방법을 사용하여도 충분한 밀착강도를 얻기에는 부족한 점이 있다.

한편, Al₂O₃의 밀착강도만큼이나 절삭공구에서 중요하게 요구되는 특성은 α-Al₂O₃의 내마모성인데, α-Al₂O₃의 내마모성에 큰 영향을 끼치는 인자는 α-Al₂O₃ 결정립의 크기와 α-Al₂O₃ 결정립의 이방성(anisotropy)으로 알려져 있다.

이와 관련하여, 유럽특허 제0603144호에는 (012)면이 우선 성장하고 표면 조도가 낮은 α-Al₂O₃가 회주철 및 구상흑연주철 가공에서 우수한 성능을 나타낸다고 소개되어 있고, 유럽특허 제0659903호에는 (110)면이 우선성장하고 열균열이 없으며 판상의 형태를 갖는 α-Al₂O₃가 강과 주철의 절삭가공에서 향상된 공구수명을 나타낸다고 개시되었다. 그리고, 유럽특허 제0738336호에는 α-Al₂O₃가 (104)면으로 우선성장할 때, α-Al₂O₃의 표면조도가 낮게 유지되고 공구의 내마모성과 인성이 향상된다고 개시되어 있다.

또한, 최근에는 α-Al₂O₃의 (006)면이 우선 성장할 때, α- Al₂O₃의 연성파괴를 억제하고 내소성변형성을 향상시켜, 강의 절삭 가공 시 인서트의 상면 마모(crater wear, K_T wear)가 줄어들고 공구수명이 대폭 향상된다는 내용이 소개되기도 하였다["Enhanced performance of alpha Al₂O₃ coatings by control of crystalorientation", Surface & Coatings Technology 202 (2008) 4257-4269].

그런데, 이들 선행 특허 및 문헌에서는 α- Al₂O₃ 박막의 대표적인 결정면인 (012),(104),(110),(113),(024),(116)로 이루어진 6개의 결정면 중에서 (012),(104),(110),(116) 등과 같은 특정한 결정면이 우선 성장하는 것만 공개하였고 나머지 결정면과의 관계에 대해서는 구체적으로 공개된 것이 드물다.

한편, 일본공개특허 제2005-131730호, 제2005-131730호, 제2005-313242호 및 제2005-313243호 등에서는 상변태 Al₂O₃에 관한 개념이 제시되고 있다. 이들 문헌에 의하면, Al₂O₃는 일단 κ 또는 θ 상으로 증착되고 그 위에 변태 발생 기점제로 TiO_x가 분산되며 이때 x의 비율은 1.2<x<1.9의 범위를 갖도록 구성된다. 그 후 1000 ~ 1200℃의 온도, Ar분위기, 10 ~ 120분, 7 ~ 50KPa의 압력 분위기를 적용하면, 증착되어 있던 κ 또는 θ상이 α상으로 상변태하며, 이러한 "상변태 α-Al₂O₃"는 (012),(104),(110),(113),(024),(116)의 주 결정면과는 달리, (006)면과 (018)면이 주로 성장한다고 보고하고 있다.

그런데, α-Al₂O₃ 결정의 이방성뿐 아니라 결정입자 형상도 공구수명에 영향을 줄 수 있는 요인이 될 수 있다. 미국공개공보 제2007-0104975호, 제2006-0514246호, 제2005-0265797호, 제2005-0264382호 등에는 α- Al₂O₃의 주요결정면인 (012),(104),(110),(113),(024),(116)면 중에서 특정 결정면이 우선성장함에 따라 주상정(columnar) 결정구조를 갖는 α-Al₂O₃가 소개되고 있는데, 주상정(columnar) 형태의 결정립 모양은 Al₂O₃의 내마모성과 내결손성을 향상시킬 수 있는 결정구조로 알려져 있다.

그러나 Al₂O₃의 결정립 모양이 주상정(columnar)일 경우, CVD 코팅 후 모재와 박막 간의 열팽창 계수 차이로 발생하는 열균열이 결정 입계를 따라 두께 방향으로 쉽게 전파될 수 있어, 절삭가공 중 경질피막이 돌발적으로 파손되는 현상이 발생하기도 한다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래의 경질피막이 갖는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 비산화물 피막과의 밀착력이 우수하고 내마모성과 내결손성이 향상된 알루미나층을 포함하는 절삭가공용 피막을 제공하는 것을 과제로 한다.

상기의 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 절삭공구 또는 내마모성 공구용 모재의 표면에 화학기상증착법(CVD)으로 형성되는 피막으로서, 상기 피막은 하나 이상의 알루미나층을 포함하고, 상기 알루미나층은 α상으로 이루어지며, 주상정(columnar crystal) 구조와 등축정(equiaxed crystal) 구조가 혼합된 복합구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 절삭공구 또는 내마모성 공구용 피막을 제공한다.

또한, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 알루미나층은 두께방향으로 하부에 주상정 조직이 형성되고, 주상정 조직의 상부에 등축정 조직이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 알루미나층은 하기 [식 1]에 의해 구해지는 각 결정면(hkl)의 집합계수(이하, 'TC(hkl)'이라 함) 중, TC(024)가 2.0 이상이고, TC(116)은 1.8 미만이며, TC(012), TC(104), TC(110), TC(113)은 모두 1.3 미만인 것을 특징으로 한다.

[식 1]

TC(hkl) = I(hkl)/Io(hkl) × {(1/n)×ΣI(hkl)/Io(hkl)}^-1

I(hkl) : 결정면의 회절강도

Io(hkl) : ASTM 표준 분말 회절 자료의 표준 회절강도

n : 계산에 사용되는 결정면 수

(hkl) : (012), (104), (110), (113), (024), (116)

또한, 본 발명에 또 다른 실시형태에 따르면, 상기 모재와 알루미나층의 사이에, 상기 모재의 상부에 인접하여 CVD법으로 형성되며 TiCN으로 이루어지는 하지층과, 상기 하지층의 상부에 인접하여 CVD법으로 형성되며 TiC_xO_yN_z(x+y+z=1, x,y,z>0, 0.4≤x≤0.5, 0.3≤y≤0.4, 0.15≤z≤0.25)로 이루어진 결합층을 포함하며, 상기 결합층은 상기 하지층의 표면에 수직 방향으로 성장한 1차 침상조직과, 상기 1차 침상조직의 표면에서 다시 침상 형태로 성장한 2차 침상조직을 갖는 유사 수지상 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 또 다른 실시형태에 따르면, 상기 알루미나층에는 붕소(B)가 0.05중량% 이하로 도핑되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 절삭공구용 피막은, 피막을 구성하는 알루미나층이 모재 쪽은 주상정의 결정구조를 갖고 표면 쪽은 등축정의 결정구조를 갖는 혼합구조를 이루고 있고, 알루미나의 표면형상도 기존의 패싯(facet) 구조에서 대략 육각 판상 형태로 변화되는데, 이와 같은 구조의 알루미나층은 절삭가공시 주상정 만으로 이루어진 구조에 비해 열균열의 전파를 억제하여 경질피막의 내마모성, 내결손성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 피막은, 알루미나층이 α-Al₂O₃로 이루어지는데, 알루미나 증착시의 핵 생성 및 성장 조건의 제어를 통해, α-Al₂O₃ 박막의 주 결정면인 (012),(104),(110),(113),(024),(116) 면 중에서 (024)면의 집합계수가 2.0 이상, (116)면은 1.8 미만, 그외 결정면은 1.3 미만이 되도록 집합조직이 조절되어 있고, 이와 같이 제어된 집합조직은 피막에 향상된 내마모성과 윤활성을 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 피막은, 알루미나층의 하부에 형성되는 결합층이 미세조직상, 1차 침상의 표면에 다시 2차 침상이 형성된 2중 침상구조로 된 유사 수지상(dendrite) 형상을 이루고 있어, 일반적인 결합층 또는 단순한 침상구조를 갖는 결합층에 비해, 알루미나층과 비산화물층 간의 결합력을 보다 향상시킬 수 있어, 인성이 강한 '강(steel)'의 가공에 적합하게 이용될 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 피막의 단면 구조를 나타내는 TEM 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 피막의 X-선 회절 분석 그래프이다.
도 3a은 본 발명의 실시예에 따른 피막 중 알루미나층의 단면에 대한 TEM 사진이다.
도 3b는 종래의 주상정 단일구조를 갖는 알루미나층의 단면에 대한 TEM 사진이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 피막 중 알루미나층의 표면에 대한 SEM 사진이다.
도 4b는 종래의 주상정 단일구조를 갖는 알루미나층의 표면에 대한 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예와 비교예 1에 따른 피막의 내결손성 평가결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예와 비교예 2, 3, 4에 따른 피막의 내마모성 평가결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예와 비교예 2, 3, 4에 따른 피막을 형성한 절삭공구의 절삭시험을 한 후의 상태를 보여주는 사진이다.

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

이하의 설명에서 "수지상(dendrite)"은 용해된 금속이 응고될 때 나뭇가지 형상으로 응고된 결정 형상을 의미하며, "유사 수지상"은 침상으로 자란 1차 조직의 표면 위에 다시 침상 조직이 형성된 2중 침상구조의 미세조직으로서, 도 1a 및 도 1b에 보여진 수지상과 유사한 형태의 결정조직을 의미한다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 실시예에 따른 피막의 단면구조를 보여준다. 도 1a 및 1b에 보여진 바와 같이, 본 발명에 따른 피막은 초경합금으로 이루어진 모재 상부에 CVD법에 의해 증착되는데, 모재 상에 TiCN으로 이루어진 하지층(10), TiCNO로 이루어진 결합층(20) 및 Al₂O₃로 이루어진 최외곽층(30)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.

상기 하지층(10)은, 모재 상부에 MT-CVD법[H₂, N₂, TiCl₄, CH₃CN 등을 이용하여 중온(약 850 ~ 900℃)에서 수행하는 증착법]으로 적층된다.

또한, 상기 결합층(20)은 상기 하지층(10)인 TiCN층의 상부에 증착되는데, 그 조성이 TiC_xO_yN_z(x+y+z=1, x, y, z>0, 0.4≤x≤0.5, 0.3≤y≤0.4, 0.15≤z≤0.25)로 유지되며, 유사 수지상 구조(dendrite 구조)를 갖는다. 상기 결합층(20)의 조성범위가 상기 범위 내에 있지 않는 경우에는 유사 수지상 구조가 잘 형성되지 않으므로, 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 최외곽층(30)은, 상기 TiCNO층의 상부에 형성되며, α결정구조를 갖는 Al₂O₃ 박막으로 이루어지는데, 상기 Al₂O₃ 박막의 적층시에 BCl₃의 형태로 붕소(B)를 도핑하는데, 상기 α-Al₂O₃ 내부에 붕소(B)의 도핑량은 0.05중량% 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 알루미나 형성시 이루어지는 붕소(B) 도핑은 알루미나의 결정조직이 주상정에서 주상정과 등축정의 혼합조직으로 변화시키는 작용을 하며, 이에 따라 형성된 α-Al₂O₃ 표면도 기존의 패싯(facet) 형상에서 육각 판상형으로 변화하고, 이는 피막의 절삭성능에 영향을 미친다. 한편, 붕소의 도핑량을 0.05중량%를 초과할 경우, 붕소화합물을 형성하여 피막의 절삭성능을 저하시킬 수 있기 때문에, 0.05중량% 이하가 바람직하다.

또한, 상기 α-Al₂O₃는 (012), (104), (110), (113), (024), (116) 결정면 중에서 (024) 결정면의 집합계수 TC(024)가 2.0 이상이고, TC(116)은 1.8 미만이며 (012), (104), (110), (113) 결정면의 집합계수 TC는 각각 1.3 미만으로 형성된 것이 바람직하다.

이하에서는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

[실시예]

ISO P20 등급에 해당하는 절삭공구용 초경합금 모재 상부에 MT CVD 방법[H₂, N₂, TiCl₄, CH₃CN 등을 이용하여 중온(약 850~900℃)에서 수행된 CVD]으로 8㎛ 두께의 TiCN 박막을 증착하여 하지층(10)을 증착하였으며, 구체적으로 TiCN층의 증착은 70 ~ 90mbar, 880 ~ 895℃의 증착압력 및 온도하에서, 반응가스(64% H₂, 33% N₂, 2.2% TiCl₄, 0.8% CH₃CN)를 유입하는 조건으로 실시하였다.

또한, 상기 TiCN 박막 상부에 미세구조적으로 1차 침상이 형성되고 그 1차 침상의 표면에 다시 2차 침상이 형성된 2중 침상구조의 유사 수지상 형태를 이루며 조성적으로는 TiCxOyNz (x+y+z=1, x, y, z>0, 0.4≤x≤0.5, 0.3≤y≤0.4, 0.15≤z≤0.25)로 이루어진 결합층(20)을 형성하였는데, TiCNO층의 증착은 약 1000℃, 100 ~ 150mbar의 증착온도와 압력하에서, 75% H₂, 18.5% N₂, 3.0% CH₄, 2.0% CO, 1.5% TiCl₄를 포함하는 반응가스를 유입하는 조건으로 실시하였다.

또한, TiCNO층 위에, α-Al₂O₃ 층(30)을 형성하였는데, 이 α-Al₂O₃ 층의 증착은 2단계로 나누어지는데, 1단계는 약 1000 ~ 1005℃, 55 ~ 75mbar의 증착온도 및 압력하에서 약 78%의 H₂와 3.5%의 CO₂, 0.28%의 H₂S와 3 ~ 4%의 HCl를 유입하며 동시에 Al₂O₃ 생성에 필요한 AlCl₃ 발생장치에는 335℃의 반응온도를 유지하며, 10.4%의 H₂와 5%의 HCl을 유입함으로써 일정한 두께의 Al₂O₃를 형성한 후, 다시 2단계로 1단계와 동일한 Al₂O₃ 증착공정 중에 0.1 ~ 0.25%의 BCl₃를 유입하여, α-Al₂O₃ 층의 미세조직이 주상정의 상부에 등축정이 형성된 2상 혼합조직이 되도록 하였다.

이와 같이 제조한 피막의 미세조직을 SEM과 TEM으로 관찰하였으며, X-선 회절 분석을 실시하였다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 피막의 단면을 보여주는 TEM 사진이다. 도 1b에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 피막은 하지층(10)인 TiCN층 위에 증착된 결합층(20)의 구조는 하지층(10)에 대략 수직한 방향으로 침상형태로 1차적으로 성장한 후, 다시 침상형태로 성장한 1차 조직의 표면에 대해 대략 수직한 방향으로 2차적으로 침상조직이 형성된 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 피막조직은 결합층의 미세조직이 수직 및 수평으로 돌출한 다수의 돌출부를 구비한 유사 수지상(dendrite) 구조를 갖기 때문에 이 위에 형성되는 α-Al₂O₃ 층은 결합층(20)과 물리적으로 강한 결합력을 가질 수 있게 된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조한 피막 중, α-Al₂O₃ 층에 대해 X-선 회절분석을 한 결과를 나타낸 그래프이다. 그래프에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 피막은 (024)면의 피크강도가 높고, 상기한 식 1에 따라 계산한 바에 의하면, 하기 표 1과 같이 TC(024)가 2.0을 초과하였으며, (024)를 제외한 나머지는 결정면의 집합계수는 모두 1.3 미만이었다.

α-Al2O3 층의 집합계수						박막구조
(012)	(104)	(110)	(113)	(024)	(116)
1.123	0.278	0.496	0.611	2.338	1.154	모재- MTCVD TiCN- TiCNO(이중침상구조)- α-Al2O3 층(주상정-등축정 혼합구조)

도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 피막의 α-Al₂O₃ 층의 단면에 대한 TEM 사진이다. 도 3a에서 확인되는 바와 같이, 본 발명에 따른 피막의 α-Al₂O₃ 층은 주상정(columnar) 구조와 등축정(equiaxed) 구조가 혼합된 구조를 나타내며, 등축정(equiaxed) 구조는 주로 α-Al₂O₃ 층의 표층부 쪽에 위치함을 알 수 있다.

도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 피막의 α-Al₂O₃ 층의 표면에 대한 SEM 사진이며, 이 사진에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 피막의 표면은 대략 다각 판상형으로 이루어진 것을 알 수 있다.

[비교예 1]

본 발명의 실시예에 따른 주상정과 등축정의 혼합조직으로 이루어진 α-Al₂O₃ 층과 그렇지 않은 α-Al₂O₃ 층의 차이를 비교하기 위한 것으로, 실시예와 동일한 모재에, 동일하게 TiCN층 및 TiCNO층을 형성한 후, α-Al₂O₃ 층의 증착조건을 약 1000 ~ 1005℃, 55 ~ 75mbar의 증착온도 및 압력하에서 약 78%의 H₂와 3.5%의 CO₂, 0.28%의 H₂S와 3 ~ 4%의 HCl을 유입하며 동시에 Al₂O₃ 생성에 필요한 AlCl₃ 발생장치에는 335℃의 반응온도를 유지하며 10.4%의 H₂와 5%의 HCl을 유입하는 조건으로 하여, 두께 5㎛의 α-Al₂O₃ 층을 형성한 것이다.

이와 같이 형성된 비교예 1의 피막에 대한 미세조직 분석결과와 X-선 회절분석 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

α-Al2O3 층의 집합계수						박막구조
(012)	(104)	(110)	(113)	(024)	(116)
0.966	0.415	0.281	0.609	2.203	1.527	모재- MTCVD TiCN- TiCNO(이중침상구조)- α-Al2O3 층(주상정 단일구조)

상기 표 2에 나타낸 것과 같이 X-선 회절분석에 따르면, 비교예 2의 최외곽층을 구성하는 다결정 α- Al₂O₃ 층의 (012), (104), (110), (113), (024), (116)의 결정면 가운데서 (024)결정면의 집합계수는 약 2.2이고, (116)면의 집합계수는 약 1.5였으며, 나머지 결정면들의 집합계수는 모두 1.3 이하로 분석되었다. 즉, 집합조직의 측면에서는 실시예와 거의 유사한 조직을 갖는다.

다만, TEM 분석결과, 도 3b에 보여진 바와 같이, α- Al₂O₃ 층의 결정구조는 모두 주상정으로 이루어져 있음이 확인되었다. 또한, 도 4b에 보여진 바와 같이, 그 표면도 패싯(facet) 형상을 이루고 있어, 본 발명의 실시예와 차이를 보였다.

[비교예 2]

비교예 2 ~ 4는 본 발명의 실시예와 다른 집합조직을 갖는 피막의 절삭성능을 비교하기 위한 것으로, 비교예 2는 실시예 1과 동일한 모재에, 동일하게 TiCN층 및 TiCNO층을 형성하였다. 이어서, 약 1000 ~ 1005℃, 55 ~ 75mbar의 증착온도 및 압력하에서 약 78%의 H₂와 3.5%의 CO₂, 0.28%의 H₂S와 2 ~ 3%의 HCl을 유입하면서 동시에 Al₂O₃ 생성에 필요한 AlCl₃ 발생장치에는 335℃의 반응온도를 유지하며 10.4%의 H₂와 5%의 HCl을 유입함으로써 일정한 두께의 Al₂O₃를 형성한 후, 2단계로 1단계와 동일한 Al₂O₃ 증착공정 중에 0.1 ~ 0.25%의 BCl₃를 유입하는 방법을 통해, 두께 5㎛의 α-Al₂O₃ 층을 형성한 것이다.

이와 같이 형성된 비교예 2에 따른 피막에 대한 미세조직 분석결과와 X-선 회절분석 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

α-Al2O3 층의 집합계수						박막구조
(012)	(104)	(110)	(113)	(024)	(116)
0.113	2.217	0.371	0.267	0.900	1.934	모재- MTCVD TiCN- TiCNO(이중침상구조)- α-Al2O3 층(주상정-등축정 혼합구조)

상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 비교예 2에 따른 피막 중 α-Al₂O₃ 층은 (104)면의 집합계수가 약 2.2로 가장 높고 (116)면이 약 1.9로 다음을 차지하고 있다. 즉, 비교예 2는 실시예와 달리, (104)면과 (116)면으로 우선 성장한 집합조직을 가지는 것을 특징으로 한다. 한편, α- Al₂O₃ 박막의 결정구조를 확인한 결과, 주상정과 등축정이 공존하고 있음이 확인되었다.

[비교예 3]

비교예 3은 실시예 1과 동일한 모재에, 동일하게 TiCN층 및 TiCNO층을 형성한 후, 약 1000 ~ 1005℃, 55 ~ 75mbar의 증착온도 및 압력하에서 약 74%의 H₂와 3.9%의 CO₂, 0.34%의 H₂S와 5 ~ 6%의 HCl을 유입하며 동시에 Al₂O₃ 생성에 필요한 AlCl₃ 발생장치에는 335℃의 반응온도를 유지하면서 11.1%의 H₂와 5 ~ 6%의 HCl을 유입하고 일정한 두께의 Al₂O₃를 형성한 후, 2단계로 1단계와 동일한 Al₂O₃ 증착공정 중에 0.1 ~ 0.25%의 BCl₃를 유입함으로써, 두께 5㎛의 α-Al₂O₃ 층을 형성한 것이다.

이와 같이 형성된 비교예 3에 따른 피막에 대한 미세조직 분석결과와 X-선 회절분석 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

α-Al2O3 층의 집합계수						박막구조
(012)	(104)	(110)	(113)	(024)	(116)
0.558	0.013	4.527	0.280	0.564	0.058	모재- MTCVD TiCN- TiCNO(이중침상구조)- α-Al2O3 층(주상정-등축정 혼합구조)

상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 비교예 3의 경우, 박막의 구조는 실시예와 동일하며, 다만 α-Al₂O₃ 층에 있어서, (110)면의 집합계수가 약 4.5로 (110)면으로 강하게 우선성장이 이루어진 것을 특징으로 한다. 한편, α- Al₂O₃ 박막의 결정구조를 확인한 결과, 주상정과 등축정이 공존하고 있음이 확인되었다.

[비교예 4]

비교예 4는 실시예 1과 동일한 모재에, 동일하게 TiCN층 및 TiCNO층을 형성한 후, 약 1000 ~ 1005℃, 55 ~ 75mbar의 증착온도 및 압력하에서 약 78%의 H₂와 3.5%의 CO₂, 0.28%의 H₂S와 4 ~ 5%의 HCl을 유입하며 동시에 Al₂O₃ 생성에 필요한 AlCl₃ 발생장치에는 335℃의 반응온도를 유지하면서 10.4%의 H₂와 5%의 HCl을 유입하여 일정한 두께의 Al₂O₃를 형성한 후, 2단계로 1단계와 동일한 Al₂O₃ 증착공정 중에 0.1 ~ 0.25%의 BCl₃를 유입하는 조건으로 증착하여, 두께 5㎛의 α-Al₂O₃ 층을 형성한 것이다.

이와 같이 형성된 비교예 4에 따른 피막에 대한 미세조직 분석결과와 X-선 회절분석 결과를 하기 표 5에 나타내었다.

α-Al2O3 층의 집합계수						박막구조
(012)	(104)	(110)	(113)	(024)	(116)
1.504	0.075	1.160	0.212	2.916	0.125	모재- MTCVD TiCN- TiCNO(이중침상구조)- α-Al2O3 층(주상정-등축정 혼합구조)

상기 표 5에 나타낸 바와 같이, 다결정 α- Al2O3 박막의 (012),(104),(110),(113),(024),(116)의 결정면 중, (012) 및 (024) 결정면의 집합계수 TC(012), TC(024)는 각각 약 1.5와 2.9였고 그외 결정면들은 1.0 이하였다. 즉, 실시예 4는 (024)면과 함께 (012)면으로 우선 성장이 이루어진 집합조직을 가지는 것을 특징으로 한다. 한편, α- Al₂O₃ 박막의 결정구조를 확인한 결과, 주상정과 등축정이 공존하고 있음이 확인되었다.

절삭 성능 평가 1 : 내결손성 평가

실시예에 따른 피막과 비교예 1에 따른 피막을 초경합금의 표면에 형성한 후, SiC 분말을 포함하는 페이스트를 이용하여 브러싱(brushing) 처리를 한 후, 다음과 같이 내결손성 평가를 실시하였다.

측정설비는 HAAS사의 SL-30 CNC 선반을 이용하였고 내결손성을 확인하기 위하여 원통형(Φ300mm×L500mm)에 4개의 홈이 십자형태로 길이방향으로 형성된 피삭재를 사용하였고 실시예와 비교예 1에 대해서 외경가공을 실시하여, 실시예 및 비교예 1에 따른 피막이 형성된 절삭공구 샘플에 반복적인 충격이 가해지도록 하였다.

이때 가공조건은 회전속도(Vc) 200m/min, 절입량(ap) 2.0mm, 습식 절삭조건으로 고정한 후, 이송속도(feed rate, fn)를 각각 0.25, 0.35, 0.45mm/rev로 변화시켰다.

내결손성 평가시 우열은 파손율로 판단하였는데 평가 결과, 도 5에 나타난 것과 같이 본 발명의 실시예의 파손율은 이송속도가 0.25⇒0.35⇒0.45mm/rev로 증가함에 따라 12%⇒23%⇒30%로 증가하였음에 비해, 비교예의 경우, 이송속도가 0.25⇒0.35⇒0.45mm/rev로 증가함에 따라 파손율은 15%⇒36%⇒65%로 급격하게 증가함이 확인되었다.

이와 같은 결과를 통해, 동일하게 (024)결정면으로 우선 성장시킨 α- Al₂O3 박막이라 하여도, 결정모양이 주상정 단일조직으로 이루어진 것에, 본 발명과 같이 주상정과 등축정으로 혼합된 조직으로 된 것이 충격이 발생하는 단속가공에서 공구수명이 보다 늘어날 수 있음을 알 수 있다.

절삭 성능 평가 2 : 내마모성 평가

실시예와 비교예 2, 3, 4에 따른 피막을 형성한 절삭공구 샘플에 대하여 SiC 분말로 구성된 페이스트를 이용하여 브러싱 처리를 한 후 내마모성능평가를 실시하였다.

내마모성 평가는 회전속도(Vc) 250m/min, 이송속도(fn) 0.25mm/rev, 절입량(ap) 2.0mm였고, 피삭재의 재질은 S45C로 하였으며 습식조건에서 절삭성능평가를 실시하였다.

먼저, 실시예와 비교예 2, 3, 4의 기술로 제작된 샘플에 대하여 VB 마모량을 측정한 결과, 도 6에 보여진 바와 같이, 본 발명의 실시예는, TC(104)와 TC(116)이 우선 성장한 비교예 2, TC(110)이 우선 성장한 비교예 3, TC(012)와 TC(024)가 우선 성장한 비교예 4와 비교할 때, VB 마모량이 작음을 알 수 있다.

도 7은 절삭시험을 수행한 후 샘플의 상태를 보여주는 사진으로, 도 7에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 절삭공구 샘플의 마모량이 가장 적음이 확인된다.

10: 하지층
20: 결합층
30: 최상층

Claims (5)

1. 절삭공구 또는 내마모성 공구용 모재의 표면에 화학기상증착법(CVD)으로 형성되는 피막으로서,
   상기 피막은 하나 이상의 알루미나층을 포함하고,
   상기 알루미나층은 α상으로 이루어지며, 주상정(columnar crystal) 조직과 등축정(equiaxed cryatal) 조직이 혼합된 복합조직으로 이루어진 것을 특징으로 하는 절삭공구 또는 내마모성 공구용 피막.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 알루미나층은 두께방향으로 하부에 주상정 조직이 형성되고, 주상정 조직의 상부에 등축정 조직이 형성된 것을 특징으로 하는 절삭공구 또는 내마모성 공구용 피막.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 알루미나층은 하기 [식 1]에 의해 구해지는 각 결정면의 집합계수(Texture Coefficient) 중, TC(024)가 2.0 이상이고, TC(116)은 1.8 미만이며, TC(012), TC(104), TC(110), TC(113)은 모두 1.3 미만인 것을 특징으로 하는 절삭공구 또는 내마모성 공구용 피막.
   [식 1]
   TC(hkl) = I(hkl)/Io(hkl) × {(1/n)×ΣI(hkl)/Io(hkl)}^-1
   I(hkl) : 결정면의 회절강도
   Io(hkl) : ASTM 표준 분말 회절 자료의 표준 회절강도
   n : 계산에 사용되는 결정면 수
   (hkl) : (012), (104), (110), (113), (024), (116)
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 모재와 알루미나층의 사이에,
   상기 모재의 상부에 인접하여 CVD법으로 형성되며 TiCN으로 이루어지는 하지층과,
   상기 하지층의 상부에 인접하여 CVD법으로 형성되며 TiC_xO_yN_z(x+y+z=1, x,y,z>0, 0.4≤x≤0.5, 0.3≤y≤0.4, 0.15≤z≤0.25)로 이루어진 결합층을 포함하며,
   상기 결합층은 상기 하지층의 표면에 수직 방향으로 성장한 1차 침상조직과, 상기 1차 침상조직의 표면에서 다시 침상 형태로 성장한 2차 침상조직을 갖는 유사 수지상 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 절삭공구 또는 내마모성 공구용 피막.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 알루미나층에는 붕소(B)가 0.05중량% 이하의 함량으로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 절삭공구 또는 내마모성 공구용 피막.

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