KR20130006347A - 물리기상증착에 의해 도포된 이트륨 함유 코팅을 구비한 코팅 물품, 및 그 제조 방법 - Google Patents

물리기상증착에 의해 도포된 이트륨 함유 코팅을 구비한 코팅 물품, 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

코팅 물품(20, 100)은 기재(22, 102), 및 PVD 코팅 영역(110)을 포함하는 코팅 조직(24, 106)을 구비한다. PVD 코팅 영역(110)은 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 및 규소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 함유한다. 알루미늄 함량 및 이트륨 함량의 합은 알루미늄, 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 3at% 내지 약 55at%이다. 이트륨 함량은 알루미늄, 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 0.5at% 내지 약 5at%이다. 또한, 기재(22, 102)를 제공하는 단계, 및 PVD 코팅 영역(110)을 포함하는 상기 코팅 조직(24, 106)을 증착하는 단계를 포함하는 코팅물품(20, 100)의 제조 방법을 제공한다.

Description

물리기상증착에 의해 도포된 이트륨 함유 코팅을 구비한 코팅 물품, 및 그 제조 방법{Coated article having yttrium-containing coatings applied by physical vapor deposition and method for making the same}
본 발명은 기재 및 기재 상의 코팅 조직(coating scheme)을 구비한 코팅 물품에 관한 것이다. 이러한 코팅 물품은 마모 부품들의 유효 수명을 연장하기 위해 예컨대 금속 절삭, 금속 성형, 및 마찰공학적 응용과 같은 내마모성 응용에서 유용하지만, 이에 제한되지 않는다. 더 구체적으로, 본 발명은 코팅 조직이 PVD 코팅 영역을 포함하는 코팅 물품에 관한 것이다. PVD 코팅 영역은 물리기상증착(PVD) 기법에 의해 도포된 하나 이상의 코팅층을 구비하되, 적어도 하나의 코팅층이 이트륨을 함유한다. 코팅층은 약 100㎚를 초과하는 두께를 가질 수 있거나, 또는 코팅층은 약 100㎚ 이하의 두께를 가진 나노층(들)일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. PVD 코팅 영역은 적절한 마모 특성을 제공하기 위해 높은 경도를 가진다.
물리기상증착(PVD) 공정(종종 박막 공정으로 약칭됨)은, 재료를 고체 소스로부터 원자 형태로 기화하여, 진공 또는 저압 기상(또는 플라즈마) 환경을 통해 증기 형태로 기재에 전달되어 응축하는 원자증착 공정이다. 통상적으로, PVD 공정은 수 ㎚ 내지 수천 ㎚ 범위의 두께를 가진 막을 증착하기 위해 사용된다. 그러나, PVD 공정은 다층 코팅, 경사 조성 증착물(graded composition deposits), 매우 두꺼운 증착물, 및 자립 구조물을 증착하기 위해 사용될 수도 있다. PVD 공정은 반응성 증착 공정을 이용하여 화합물뿐만 아니라 원소 및 합금막을 증착하기 위해 사용될 수도 있다. 반응성 증착 공정에서는, 증착 재료와 질소(예컨대, 질화티타늄(TiN))와 같은 기체 환경의 반응에 의해 화합물이 형성된다. 도널드 M. 매톡스(Donald M. Mattox)의 "물리 기상 증착 공정 편람(Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing, 1998년, 뉴멕시코, 앨버커키, Society of Vacuum Coaters, pp. 3~4)"을 참조한다.
PVD 경질 코팅층이 위에 형성된 상업용 코팅 제품이 공지되어 있다. 아래의 표 1은 화학적 성질, 경도, 및 기타 특성을 기술하고 있다.
코팅된 절삭 인서트 상의 상업적으로 공지된 PVD 코팅의 특성
코팅명 화학적 성질 층 경도(GPa) 영률(GPa)
TiN TiN 단일 코팅층 24.8 551
TiN/TiCN TiN/TiCN TiN/TiCN 교호코팅층의
다수 세트		 30.1 545
TiAlN (Ti55at% Al45at%)N 단일 코팅층 27.6 552
TiN/AlTiN (Ti60at% Al40at%)N TiN/AlTiN 교호코팅층의 다수 세트 28.5 541
AlTiN (Ti37at% Al63at%)N 단일 코팅층 25.2 359
AlCrN (Cr37at% Al63at%)N 단일 코팅층 29.4 514
표 1에서, 질소를 제외한 전체 코팅 조직의 화학적 성질을 원소들의 원자%(at%)로 나타낸다. 경도 및 영률을 GPa(기가파스칼)로 나타내고, 나노압흔법(nanoindentation technique)에 의해 측정하였다. 구체적으로, 0.25미크론으로 설정된 압흔 깊이로 ISO 14577-1 표준 방식에 따른 나노압흔법을 이용하여 경도 및 영률을 얻었다.
금속 절삭 응용의 상황에서 그리고 모든 다른 요소가 동일한 상황에서, 더 높은 경도를 가진 코팅층은 통상 코팅된 절삭 인서트의 유효 공구 수명을 증가시키고, 더 낮은 경도를 가진 코팅층은 통상 코팅된 절삭 인서트의 유효 공구 수명을 감소시킨다. 이러한 상관관계가 금속 성형 및 마찰공학적 응용(예컨대 마모 부품들)에도 해당되는 것으로 보인다.
뮌즈(Muenz) 등의 미국 특허 제6,033,768호는 절삭 공구와 함께 사용되는 경질 재료, 특히 금형강 또는 알루미늄 합금과 같은 금속의 무냉각제/무윤활제 기계 가공에서 사용되는 경질 재료에 관한 것이다. 뮌즈 등에 따르면, 이트륨을 0.1at% 내지 4.0at% 범위, 바람직하게는 1.5at% 내지 2.0at% 범위로, TiAlN 3원 합금이나 TiAlN/CrN, TiAlN/ZrN, TiAlN/TiN, TiAlN/MoN, 및 TiAlN/WN과 같은 다층 코팅에 추가한다. 목적을 달성하기 위해, 뮌즈 등에 의하면, 이트륨이 코팅의 성장 방향으로 전체 경질 재료층에 걸쳐 불균일하게 분포되어야 한다. 뮌즈 등이 "바람직한 증착 조건"이라 칭하는 조건을 이용하면, 질화물 코팅 조성은 티타늄 40at%, 알루미늄 56at%, 이트륨 2at%, 및 크롬 2at%이다.
요한슨(Johansson) 등의 PCT 공개 특허 출원 WO 2009/110829호는 코팅된 절삭 공구에 관한 것으로, 코팅은 적어도 하나의 입방정 구조층(Ti1 -(x+z)SixMez)N)을 포함하고, 0.04<x<0.20, 0<z<0.10이며, Me는 이트륨, 하프늄, 니오븀, 탄탈륨, 몰리브덴, 텅스텐, 망간, 철, 및 아연 중 1종 이상, 바람직하게는 이트륨, 니오븀, 몰리브덴, 및 철 중 1종 이상이다. 와키(Waki) 등의 미국 공개 특허 출원번호 US 2010/0129168 A1호는 제1 층 및 제2 층을 구비한 코팅층에 관한 것이다. 제1 층은 Ti1-a-b-c-dAlaWbSicMd(C1-xN)을 포함하고, M은 니오븀, 몰리브덴, 탄탈륨, 하프늄, 및 이트륨에서 선택된 적어도 1종이다. 제2 층은 Ti1 -e-f- gAleSifM'g(C1 - xN)을 포함하고, M'은 니오븀, 몰리브덴, 탄탈륨, 하프늄, 및 이트륨에서 선택된 적어도 1종이다.
개선된 특성을 보이는 경질 코팅을 구비하며, 마모 부품들의 유효 수명을 연장하기 위해 예컨대 금속 절삭, 금속 성형, 및 마찰공학적 응용과 같은 내마모성 응용에서 유용한 코팅 물품을 제공하면 매우 바람직할 것이다. 또한, 이러한 개선된 특성을 보이는 물리기상증착에 의해 도포된 경질 코팅을 구비한 코팅 물품을 제공하면 매우 바람직할 것이다.
아울러, 개선된 특성(예컨대, 더 큰 경도)을 보이며, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 및 규소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 함유하는 PVD 코팅 영역을 포함하는 코팅 물품을 제공하면 매우 바람직할 것이다. 더욱이, 개선된 특성(예컨대, 더 작은 입자 크기(grain size))을 보이며, 및 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 및 규소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 함유하는 PVD 코팅 영역을 포함하는 코팅 물품을 제공하면 매우 바람직할 것이다. 또한, 개선된 특성을 보이며, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 및 규소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 함유하는 PVD 코팅 영역을 포함하는 코팅 물품을 제공하면 매우 바람직할 것이다.
일 형태에서, 본 발명은 기재 및 코팅 조직을 구비한 코팅 물품이다. 코팅 조직은, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 및 규소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 원소, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 함유하며 물리기상증착에 의해 도포된 PVD 코팅 영역을 포함한다. 알루미늄 함량 및 이트륨 함량의 합은 알루미늄, 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 3at% 내지 약 55at%이다. 이트륨 함량은 알루미늄, 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 0.5at% 내지 약 5at%이다.
다른 형태에서, 본 발명은, 기재를 제공하는 단계; 및 물리기상증착에 의해 증착된 PVD 코팅 영역을 포함하는 코팅 조직을 기재 상에 증착하는 단계로 이루어진 코팅층을 기재에 도포하는 방법이다. PVD 코팅 영역은 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 및 규소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 원소, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 함유한다. 알루미늄 함량 및 이트륨 함량의 합은 알루미늄, 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 3at% 이상이고, 알루미늄, 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 55at% 이하이다. 이트륨 함량은 알루미늄, 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 0.5at% 이상이고, 알루미늄, 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 5at% 이하이다.
다음은 본 특허 출원의 일부를 형성하는 도면에 대한 간단한 설명이다.
도 1은 본 발명의 코팅 조직이 위에 증착되며 SNMA 절삭 공구 형상으로 이루어진 절삭 인서트의 특정의 실시형태의 등각투상도이다.
도 2는 Ti-Al-Y-N 코팅층 및 기재 사이에 질화티타늄 결합층을 구비한 (Ti57.3at% Al38.3at% Y4.4at%)N 코팅층의 파괴면의 횡단면 현미경사진(5㎛ 스케일)이다.
도 3은 본 발명의 코팅 조직이 아닌 (Ti55at% Al45at%)N 코팅층의 파괴면의 횡단면 현미경사진(5㎛ 스케일)이다.
도 4는 비정질 구조를 가진 (Ti33.2at% Al59at% Y7.8at%)N 코팅층의 코팅 및 기재를 보여주는 x선 회절(XRD) 스펙트럼이다.
도 5는 본 발명의 코팅이 아닌 추정된 입자 크기가 15㎚인 (Ti37at% Al63at%)N 코팅층의 코팅 및 기재를 보여주는 x선 회절(XRD) 스펙트럼이다.
도 6은 Ti-Al-Y-N 코팅층에 대한 경도(GPa)와 알루미늄 함량 및 이트륨 함량의 합(질소를 제외한 원소들의 at%)을 보여주는 도표이다.
도 7은 본 발명의 TiN/TiAlYN 코팅된 절삭 공구 상의 크레이터 마모를 보여주는 사진이다.
도 8은 코팅 조직이 본 발명의 코팅이 아닌 TiN/TiAlN 코팅된 절삭 공구 상의 크레이터 마모를 보여주는 사진이다.
도 9는 실시예 IN #67의 코팅 조직의 개략도이다.
본 발명은 기재 및 코팅 조직을 구비한 코팅 물품에 관한 것이다. 이러한 코팅 물품은 마모 부품들의 유효 수명을 연장하기 위해 예컨대 금속 절삭, 금속 성형, 및 마찰공학적 응용과 같은 내마모성 응용에서 유용하지만, 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 맥락에서, 코팅 조직은 물리기상증착(PVD) 기법에 의해 도포된 하나 이상의 코팅층을 구비한 PVD 코팅 영역을 포함한다. PVD 코팅 영역은 적절한 마모 특성을 제공하기 위해 높은 경도를 가진다. PVD 코팅 영역의 코팅층들은 약 100㎚ 초과 내지 약 10㎛ 미만의 두께를 가질 수 있다. 코팅층들은 각각의 두께가 약 100㎚ 미만인 나노층들일 수도 있지만, 이에 제한되지 않는다.
더 구체적으로, 본 발명은 기재 및 코팅 조직을 구비한 코팅 물품에 관한 것이다. 코팅 조직은, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 및 규소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 함유하며 물리기상증착에 의해 도포된 PVD 코팅 영역을 포함한다. 알루미늄 함량 및 이트륨 함량의 합은 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 제외한 상기 다른 원소들의 합의 약 3at% 내지 약 55at%이다. 이트륨 함량은 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 제외한 상기 다른 원소들의 합의 약 0.5at% 내지 약 5at%이다.
방법을 참조하면, 본 발명은, 기재를 제공하는 단계; 및 물리기상증착에 의해 증착된 PVD 코팅 영역을 포함하는 코팅 조직을 기재 상에 증착하는 단계로 이루어진 코팅층을 기재에 도포하는 방법에 관한 것으로, PVD 코팅 영역은 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 및 규소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 함유하고, 알루미늄 함량 및 이트륨 함량의 합은 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 제외한 상기 다른 원소들의 합의 약 3at% 이상이고, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 제외한 상기 다른 원소들의 합의 약 55at% 이하이며, 이트륨 함량은 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 제외한 상기 다른 원소들의 합의 약 0.5at% 이상이고, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 제외한 상기 다른 원소들의 합의 약 5at% 이하이다.
도면을 참조하면, 도 1은 전체적으로 20으로 나타낸 코팅된 절삭 인서트를 도시한다. 코팅된 절삭 인서트(20)는 SNMA 형상으로 이루어지지만, 임의의 적절한 형상을 가질 수 있다. 코팅된 절삭 인서트(20)는 기재(22) 및 코팅 조직(24)을 구비한다. 코팅된 절삭 인서트(20)는 측면(flank surface, 28)들과 경사면(rake surface, 30)을 포함하고, 측면(28)들과 경사면(30)의 연결부에 절삭 에지(32)가 형성된다.
본 명세서에서 언급된 바와 같이, PVD 코팅 영역은 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 및 규소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 함유한다. 이트륨을 코팅에 추가하면, PVD 코팅 영역의 입자 크기가 감소한다. 통상적으로, 코팅층의 입자 크기가 감소하면, 홀-페치 관계식(Hall-Petch relationship)에 따라 경도가 증가한다. 그러나, 이트륨을 코팅에 높은 알루미늄 함량, 즉 질소를 제외한 상기 다른 원소들의 약 60at% 내지 약 65at%를 초과하는 알루미늄 함량으로 추가하면, 코팅이 비정질 미세구조를 가질 수 있음을 주의해야 한다.
도 2는 Ti-Al-Y-N 코팅층 및 기재 사이에 질화티타늄 결합층을 구비한 (Ti57.3at% Al38.3at% Y4.4at%)N 코팅층의 파괴면의 횡단면 현미경사진(5㎛ 스케일)이다. 이 현미경사진에 따르면, Ti-Al-Y-N 코팅층의 입자 크기가 감소한 것이 명백하다. 입자 크기가 감소하면, 경도가 증가하고, 이는 마모 응용을 위한 바람직한 특성이다. 물론, 마모 부품들의 유효 수명을 연장하기 위해서는, 더 높은 경도가 금속 성형 및 마찰공학적 응용에 바람직함을 또한 이해해야 한다.
도 2에 도시된 입자 크기는 도 3에 도시된 Ti-Al-N 코팅층의 입자 크기와 대조된다. 이와 관련하여, 도 3은 (Ti55at% Al45at%)N 코팅층의 파괴면의 횡단면 현미경사진(5㎛ 스케일)이다. 도 3의 Ti-Al-N 코팅층의 입자 크기는 도 2의 Ti-Al-Y-N 코팅층의 입자 크기보다 크다. 도 3의 PVD 코팅 영역의 큰 입자 크기가 도 2에 도시된 코팅의 작은 입자 크기만큼 높은 경도를 제공할 것으로 예상되지 않는다.
전술한 바와 같이, 이트륨을 코팅에 높은 알루미늄 함량, 즉 질소를 제외한 상기 다른 원소들의 약 60at% 내지 약 65at%를 초과하는 알루미늄 함량으로 추가하면, 비정질 미세구조를 초래할 수 있다. 이와 관련하여, 도 4는 비정질 구조를 가진 (Ti33.2at% Al59at% Y7.8at%)N 코팅층의 코팅 및 기재를 보여주는 x선 회절(XRD) 스펙트럼이다. 도 4에서는 기재가 초경 합금이다. 이는 도 5에 의해 도시된 바와 같은 Ti-Al-N 코팅층의 입자 크기와 대조된다. 도 5는 추정된 입자 크기가 15㎚인 (Ti37at% Al63at%)N 코팅층의 코팅 및 기재를 보여주는 x선 회절(XRD) 스펙트럼이다. 도 5에서 기재는 코발트 바인더를 가진 탄화텅스텐이다.
PVD 코팅 영역을 기재 상에 코팅 조직의 일부로서 도포하는 PVD 기법을 이용하여 다수의 실시예를 준비하였다. 후술하는 파라미터 내에서 음극아크 플라즈마보조 PVD 방식을 이용하여 PVD 코팅 영역을 증착하였다. 증착 온도는 약 400℃ 내지 약 600℃ 범위였다. 질소 압력이 약 1E-2 내지 5E-2(1×10-2 내지 5×10-2)mbar(밀리바) 범위인 질소 분위기에서 PVD 코팅 영역을 도포하였다. 기재 바이어싱은 약 -40V 내지 약 -100V 범위였다.
특정의 실시예들 및 특성들의 일부를 아래의 표 2 내지 표 4에 나타낸다. 질소를 제외한 PVD 코팅 영역에 존재하는 원소들의 at%로 조성을 나타낸다. 표 2에서는, 경도 및 영률을 GPa(기가파스칼)로 나타내고, ISO 14577-1:2002 표준 방식(금속 재료-경도 및 재료 파라미터에 대한 계장화 압흔 시험-1부 시험 방법)에 따른 나노압흔법에 의해 측정하였다. 압흔 깊이를 0.25미크론으로 설정하였다.
단일층 코팅의 조성 및 선택된 특성
실시예 코팅명 Ti
(at%)		 Al
(at%)		 Y
(at%)		 Al + Y
(at%)		 경도
(GPa)		 영률
(GPa)		 두께
(㎛)
IN #51 TiAlYN 57.3 38.3 4.4 42.7 32.4 459 3.4
R #206 AlTiYN 33.2 59 7.8 66.8 22.6 277 4.2
R #94 AlCrYN Cr=34.3
Ti=0		 58.4 7.3 65.7 26.5 401 3.9
표 2는 PVD 코팅 영역이 단일 코팅층을 포함하는 실시예들에 대한 데이터를 기술하고 있다.
다층 코팅의 조성 및 선택된 특성
실시예 코팅명 Ti
(at%)		 Al
(at%)		 Y
(at%)		 Al + Y
(at%)		 경도
(GPa)		 영률
(GPa)		 두께
(㎛)
IN #67 TiAlYN 60.2 35.7 4.1 39.8 32 473 4.2
IN #99 TiAlYN 56.4 39.6 4 43.6 34.1 483 4.3
IN #135 TiAlYN 92.7 6.5 0.8 7.3 30.6 515 4.8
IN #100 AlTiYN 92 7 1 8 31.1 497 3.7
IN #115 2AlTiYN 93.2 5.9 0.8 6.7 30.6 494 4.9
IN #101 AlTiYN 89.9 8.9 1.2 10.1 31.8 489 4.0
IN #103 AlTiYN 86.1 12.3 1.6 13.9 33 456 4.7
IN #87 TiAlSiYN 62.8
Si=3.4		 31.1 2.6 33.7 34.6 466 4.0
R #214 TiAlCrYN Ti=12.9
Cr=27.8		 53.9 5.4 59.3 30.1 512 4.3
표 3은 PVD 코팅 영역이 다수의 코팅층을 포함하는 실시예들에 대한 데이터를 기술하고 있다. 도 9를 참조하면, 표 3의 실시예 IN #67로 나타낸 코팅된 절삭 인서트의 코팅 조직을 보여주는 개략도를 도시한다. 절삭 인서트는 전체적으로 100으로 나타낸다. 절삭 인서트(100)는 표면(104)을 가진 기재(102), 및 표면(104) 상의 코팅 조직(괄호 106)을 구비한다. 코팅 조직(106)은 질화티타늄으로 이루어진 베이스 코팅층(108)을 포함한다. 괄호 110에 의해 도시된 코팅 영역이 베이스 코팅층(108)의 상부에 위치한다. 코팅 영역(110)은 교호 코팅층들의 14개 세트(각각의 세트에 대해 괄호 114를 참조)를 포함한다. 각각의 세트(114)는 티타늄-알루미늄-이트륨 및 질소로 이루어진 제1 코팅층(118), 및 티타늄-알루미늄-이트륨 및 질소로 이루어진 제2 코팅층(120)을 포함하되, 제2 코팅층의 티타늄 함량이 더 높다. 코팅 영역(110)의 잔여부(괄호 124 참조)는 교호 코팅층들(118, 120)의 13개 세트를 포함한다. 코팅 조직(106)은, 티타늄-알루미늄-이트륨 및 질소로 이루어지며 코팅 영역(110)의 최외곽 코팅층 상에 위치하는 상부 코팅층(126)을 포함한다.
나노층 코팅의 조성 및 선택된 특성
실시예 코팅명 Ti
(at%)		 Al
(at%)		 Y
(at%)		 Al + Y
(at%)		 경도
(GPa)		 영률
(GPa)		 두께
(㎛)
IN #113 TiAlYN 91.8 7.4 0.8 8.2 28 486 4.6
IN #114 TiAlYN 86.5 11.9 1.6 13.5 31.6 512 4.1
IN #116 AlTiYN 90.9 8.1 1 9.1 31.4 505 5.1
IN #117 AlTiYN 84 14.1 1.9 16 30.9 501 3.2
IN #104 AlTiYN 74.1 23.2 2.7 25.9 33.8 482 5.3
IN #105 AlTiYN 74.5 24 1.5 25.5 31.7 461 5.3
IN #106 AlTiYN 46.5 50.3 3.2 53.5 27 337 4
R #259 AlTiYN 45.8 50.8 3.4 54.2 28 424 2.9
R #265 AlTiYN 51.8 46.9 1.3 48.2 31.3 521 3.8
표 4는 PVD 코팅 영역이 나노층들을 포함하는 실시예들에 대한 데이터를 기술하고 있다.
도 6은 Ti-Al-Y-N 코팅층에 대한 경도(GPa)와 알루미늄 함량 및 이트륨 함량의 합(at%)을 보여주는 도표이다. 이 도표에 따르면, 코팅의 경도를 최대화하는 Al+Y 분율의 범위가 존재하는 것이 명백하다.
이트륨 함유 코팅층들을 포함하는 코팅 조직을 구비한 코팅된 절삭 인서트의 절삭 성능을 측정하기 위해 절삭 시험을 수행하였다. TiN/TiAlYN을 함유한 코팅 조직을 구비한 본 발명의 코팅된 절삭 인서트를 TiN/TiAlN 코팅 조직을 구비한 종래의 코팅된 절삭 인서트와 비교하였다. 종래의 코팅된 절삭 인서트는 다층 TiN/TiAlN 코팅 조직을 구비하였고, 이는 "VF"라는 명칭 하에 펜실베니아 15650, 라트로브의 케나메탈사(Kennametal Inc.)에 의해 제공된 표준 코팅 조직이다. 절삭 조건/파라미터는 다음과 같다: 기계가공 공정: 선삭; 절삭 인서트 스타일: SNMA120408; 공작물 재료: 4140강; 속도: 660sfm(분당 표면피트)(분당 201.17 표면미터); 공급율: 회전당 0.012인치(ipr)(회전당 0.031㎝); 및 절삭 깊이: 0.06인치(1.5㎜). 선삭의 고장 모드(failur mode)는 0.004인치(0.1㎜)인 크레이터 마모였다.
결과를 참조하면, TiN/TiAlN 코팅 조직을 구비한 종래의 코팅된 절삭 인서트의 공구 수명은 16.8분이었다. TiN/TiAlYN 코팅 조직을 구비한 본 발명의 코팅된 절삭 인서트의 공구 수명은 26.6분이었다. 아울러, 도 7은 TiN/TiAlYN 코팅된 절삭 인서트 상의 크레이터 마모를 보여주는 사진이다. 도 8은 TiN/TiAlN 코팅된 절삭 인서트 상의 크레이터 마모를 보여주는 사진이다. 도 7 및 도 8의 시각적인 검사에 의하면, 본 발명의 TiN/TiAlYN 코팅된 절삭 인서트는 종래의 TiN/TiAlN 코팅된 절삭 인서트보다 적은 크레이터 마모를 경험하는 것이 명백하다.
본 발명의 코팅된 절삭 인서트를 종래의 코팅된 절삭 인서트와 비교하는 다른 금속 절삭 시험을 수행하였다. 종래의 코팅된 절삭 인서트는 다층 TiN/TiAlN 코팅 조직을 구비하였고, 이는 "VF"라는 명칭 하에 펜실베니아 15650, 라트로브의 케나메탈사에 의해 제공된 표준 코팅 조직이다. 절삭 조건/파라미터는 다음과 같다: 기계가공 공정: 선삭; 절삭 인서트 스타일: SNMA120408; 공작물 재료: 4140강; 속도: 분당 660표면피트(분당 201.17표면미터); 공급율: 회전당 0.012인치(회전당 0.031㎝); 및 절삭 깊이: 0.06인치(1.5㎜). 선삭의 고장 모드는 0.004인치(0.1㎜)인 크레이터 마모였다.
아래의 표 5는 시험 결과를 기술하고 있다.
종래의 코팅된 절삭 인서트와 본 발명의 코팅된 절삭 인서트의 비교
실시예 공구 수명(분)
종래의 TiN/TiAlN 14.5
종래의 AlTiN 12.5
IN #134 24.4
IN #135 22.2
IN #136 22.3
IN #137 12.7
나노층 코팅의 조성 및 선택된 특성
실시예 경도(GPa) 영률(GPa) 두께(㎛)
IN #134 30.9 481 5
IN #135 30.6 515 4.8
IN #136 33 478 5
IN #137 34.3 478 3.6
실시예 IN#134 내지 IN#137의 코팅의 조성은 티타늄, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 함유한다. 티타늄 함량, 알루미늄 함량, 및 이트륨 함량의 합은 100at%이다. 알루미늄 및 이트륨 함량(at%)의 합은 알루미늄 함량, 이트륨 함량, 및 티타늄 함량(at%)의 합(at%)의 약 3at% 내지 약 55at%이다. 이트륨 함량(at%)은 알루미늄 함량, 이트륨 함량, 및 티타늄 함량(at%)의 합의 약 0.5at% 내지 약 5at%이다.
표 5를 살펴보면, 이트륨을 함유하는 코팅을 구비한 본 발명의 코팅된 절삭 인서트 대부분은 이트륨을 함유하지 않는 코팅을 구비한 종래의 코팅된 절삭 인서트에 비해 현저히 개선된 공구 수명을 보이는 것이 명백하다.
전술한 설명에서 명백하듯이, 본 발명은, 개선된 특성을 보이는 경질 코팅을 구비하며, 마모 부품들의 유효 수명을 연장하기 위해 예컨대 금속 절삭, 금속 성형, 및 마찰공학적 응용과 같은 내마모성 응용에서 유용한 코팅 물품을 제공한다. 전술한 설명에 따르면, 본 발명은, 이러한 개선된 특성을 보이는 물리기상증착에 의해 도포된 경질 코팅을 구비한 코팅 물품을 제공한다.
전술한 설명에서 명백하듯이, 본 발명은, 개선된 특성(예컨대, 더 큰 경도)을 보이며, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 및 규소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 함유하는 PVD 코팅 영역을 포함하는 코팅 물품을 제공한다. 전술한 설명에 따르면, 본 발명은, 개선된 특성(예컨대, 더 작은 입자 크기)을 보이며, 및 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 및 규소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 함유하는 PVD 코팅 영역을 포함하는 코팅 물품을 제공한다. 전술한 설명에서 명백하듯이, 본 발명은, 개선된 특성을 보이며, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 및 규소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 함유하는 PVD 코팅 영역을 포함하는 코팅 물품을 제공한다.
본원에 명시된 특허 및 다른 문헌들은 본원에 참조로서 통합된다. 본 발명의 다른 실시형태들은 본원에 개시된 본 발명의 실시 또는 명세서의 고려를 통해 당업자들에게 명백해질 것이다. 명세서 및 실시예들은 오직 설명을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하려는 의도가 아니다. 본 발명의 진정한 범위 및 정신은 후술하는 청구범위에 의해 나타난다.
20: 코팅된 절삭 인서트
22: 기재
24: 코팅 조직
28: 측면(flank surface)
30: 경사면(rake surface)
32: 절삭 에지

Claims (19)

  1. 기재; 및
    티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 및 규소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 함유하며 물리기상증착에 의해 도포된 PVD 코팅 영역을 포함하는 코팅 조직(coating scheme)을 구비하며,
    상기 알루미늄 함량 및 상기 이트륨 함량의 합은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 3at% 내지 약 55at%이고, 상기 이트륨 함량은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 0.5at% 내지 약 5at%인 코팅 물품.
  2. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 함량 및 상기 이트륨 함량의 합은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 25at% 내지 약 45at%이고, 상기 PVD 코팅 영역은 0.25미크론의 압흔 깊이(indentation depth)로 ISO 14577-1:2002 표준 방식에 따른 나노압흔법에 의해 측정된 경우 약 32GPa 이상의 경도를 갖는 코팅 물품.
  3. 제2항에 있어서, 상기 이트륨 함량은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 1.5at% 내지 약 4.5at%이고, 상기 PVD 코팅 영역은 0.25미크론의 압흔 깊이로 ISO 14577-1:2002 표준 방식에 따른 나노압흔법에 의해 측정된 경우 약 32GPa 이상의 경도를 갖는 코팅 물품.
  4. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 함량 및 상기 이트륨 함량의 합은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 10at% 내지 약 15at%이고, 상기 PVD 코팅 영역은 0.25미크론의 압흔 깊이로 ISO 14577-1:2002 표준 방식에 따른 나노압흔법에 의해 측정된 경우 약 33GPa 이상의 경도를 갖는 코팅 물품.
  5. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 함량 및 상기 이트륨 함량의 합은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 32at% 내지 약 45at%이고, 상기 PVD 코팅 영역은 0.25미크론의 압흔 깊이로 ISO 14577-1:2002 표준 방식에 따른 나노압흔법에 의해 측정된 경우 약 34GPa 이상의 경도를 갖는 코팅 물품.
  6. 제5항에 있어서, 상기 이트륨 함량은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 2.5at% 내지 약 4.0at%이고, 상기 PVD 코팅 영역은 0.25미크론의 압흔 깊이로 ISO 14577-1:2002 표준 방식에 따른 나노압흔법에 의해 측정된 경우 약 34GPa 이상의 경도를 갖는 코팅 물품.
  7. 제1항에 있어서, 상기 다른 원소는 티타늄을 포함하며, 상기 티타늄은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 45at% 내지 약 95at%인 것인 코팅 물품.
  8. 제1항에 있어서, 상기 다른 원소는 티타늄을 포함하며, 상기 티타늄은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 55at% 내지 약 87at%이고, 상기 PVD 코팅 영역은 0.25미크론의 압흔 깊이로 ISO 14577-1:2002 표준 방식에 따른 나노압흔법에 의해 측정된 경우 약 34GPa 이상의 경도를 갖는 코팅 물품.
  9. 제7항에 있어서, 상기 다른 원소는 크롬 또는 규소를 더 포함하며, 상기 다른 원소가 크롬인 경우, 상기 크롬은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 상기 티타늄, 및 상기 크롬의 합의 약 25at% 내지 약 40at%이고, 상기 다른 원소가 규소인 경우, 상기 규소는 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 상기 티타늄, 및 상기 규소의 합의 약 2at% 내지 약 5at%인 코팅 물품.
  10. 제9항에 있어서, 상기 규소는 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 상기 티타늄, 및 상기 규소의 합의 약 3at% 내지 약 4at%이고, 상기 티타늄은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 상기 티타늄, 및 상기 규소의 합의 약 60at% 내지 약 65at%이며, 상기 이트륨은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 상기 티타늄, 및 상기 규소의 합의 약 2at% 내지 약 3at%이고, 상기 알루미늄 및 상기 이트륨의 합은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 상기 티타늄, 및 상기 규소의 합의 약 30at% 내지 약 35at%인 것인 코팅 물품.
  11. 제1항에 있어서, 상기 다른 원소는 크롬을 포함하며, 상기 크롬은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 25at% 내지 약 45at%인 것인 코팅 물품.
  12. 제1항에 있어서, 상기 코팅 영역은 0.25미크론의 압흔 깊이로 ISO 14577-1:2002 표준 방식에 따른 나노압흔법에 의해 측정된 경우 약 30GPa 내지 약 35GPa 범위의 경도를 가지며, 상기 코팅 물품은 0.25미크론의 압흔 깊이로 ISO 14577-1:2002 표준 방식에 따른 나노압흔법에 의해 측정된 경우 약 450GPa 내지 약 525GPa의 영률을 갖는 코팅 물품.
  13. 제1항에 있어서, 상기 PVD 코팅 영역은 티타늄, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 포함하는 단일 코팅층(single coating layer)을 포함하며, 상기 티타늄은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 티타늄의 합의 약 45at% 내지 약 95at%이고, 상기 이트륨은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 티타늄의 합의 약 0.5at% 내지 약 4at%이며, 상기 알루미늄 및 상기 이트륨의 합은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 티타늄의 합의 약 7at% 내지 약 50at%이고, 상기 PVD 코팅 영역은 0.25미크론인 압흔 깊이로 ISO 14577-1:2002 표준 방식에 따른 나노압흔법에 의해 측정된 경우 약 32GPa 이상의 경도를 갖는 코팅 물품.
  14. 제1항에 있어서, 상기 코팅 영역은 티타늄, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 함유한 다수의 코팅층(multiple coating layer)을 포함하며, 상기 티타늄은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 티타늄의 합의 약 45at% 내지 약 95at%이고, 상기 이트륨은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 티타늄의 합의 약 0.5at% 내지 약 4.5at%이며, 상기 알루미늄 및 상기 이트륨의 합은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 티타늄의 합의 약 6at% 내지 약 45at%이고, 상기 PVD 코팅 영역은 0.25미크론의 압흔 깊이로 ISO 14577-1:2002 표준 방식에 따른 나노압흔법에 의해 측정된 경우 약 30GPa 이상의 경도를 갖는 코팅 물품.
  15. 제1항에 있어서, 상기 코팅 영역은 티타늄, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 함유한 복수의 나노층을 포함하며, 상기 티타늄은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 티타늄의 합의 약 45at% 내지 약 95at%이고, 상기 이트륨은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 티타늄의 합의 약 0.5at% 내지 약 4at%이며, 상기 알루미늄 및 상기 이트륨의 합은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 티타늄의 합의 약 7at% 내지 약 50at%이고, 상기 PVD 코팅 영역은 0.25미크론의 압흔 깊이로 ISO 14577-1:2002 표준 방식에 따른 나노압흔법에 의해 측정된 경우 약 27GPa 이상의 경도를 갖는 코팅 물품.
  16. 코팅층을 기재에 도포하는 방법으로서,
    기재를 제공하는 단계; 및
    물리기상증착에 의해 증착된 PVD 코팅 영역을 포함하는 코팅 조직을 기재 상에 증착하는 단계를 포함하며,
    상기 PVD 코팅 영역은 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 및 규소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 원소, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 함유하고, 상기 알루미늄 함량 및 상기 이트륨 함량의 합은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 3at% 이상이고, 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 55at% 이하이며, 상기 이트륨 함량은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 0.5at% 이상이고, 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 다른 원소들의 합의 약 5at% 이하인 코팅층을 기재에 도포하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 코팅 조직의 증착 단계는, 티타늄, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 포함하는 단일 코팅층의 형태로 PVD 코팅 영역을 증착하는 단계를 더 포함하며, 상기 티타늄은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 티타늄의 합의 약 45at% 내지 약 95at%이고, 상기 이트륨은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 티타늄의 합의 약 0.5at% 내지 약 4at%이며, 상기 알루미늄 및 상기 이트륨의 합은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 티타늄의 합의 약 7at% 내지 약 50at%이고, 상기 PVD 코팅 영역은 0.25미크론의 압흔 깊이로 ISO 14577-1:2002 표준 방식에 따른 나노압흔법에 의해 측정된 경우 약 32GPa 이상의 경도를 갖는 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 코팅 조직의 증착 단계는, 티타늄, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 포함하는 다수의 코팅층의 형태로 PVD 코팅 영역을 증착하는 단계를 더 포함하며, 상기 티타늄은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 티타늄의 합의 약 45at% 내지 약 95at%이고, 상기 이트륨은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 티타늄의 합의 약 0.5at% 내지 약 4.5at%이며, 상기 알루미늄 및 상기 이트륨의 합은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 티타늄의 합의 약 6at% 내지 약 45at%이고, 상기 PVD 코팅 영역은 0.25미크론의 압흔 깊이로 ISO 14577-1:2002 표준 방식에 따른 나노압흔법에 의해 측정된 경우 약 30GPa 이상의 경도를 갖는 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 코팅 조직의 증착 단계는, 티타늄, 알루미늄, 이트륨, 및 질소를 함유한 나노층들의 형태로 PVD 코팅 영역을 증착하는 단계를 더 포함하며, 상기 티타늄은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 티타늄의 합의 약 45at% 내지 약 95at%이고, 상기 이트륨은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 티타늄의 합의 약 0.5at% 내지 약 4at%이며, 상기 알루미늄 및 상기 이트륨의 합은 상기 알루미늄, 상기 이트륨, 및 상기 티타늄의 합의 약 7at% 내지 약 50at%이고, 상기 PVD 코팅 영역은 0.25미크론의 압흔 깊이로 ISO 14577-1:2002 표준 방식에 따른 나노압흔압흔 의해 측정된 경우 약 27GPa 이상의 경도를 갖는 방법.
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