KR20130064732A

KR20130064732A - 금속 기계가공용 pvd 코팅

Info

Publication number: KR20130064732A
Application number: KR1020127027626A
Authority: KR
Inventors: 야콥 쇨렌; 욘 안데르손; 외르크 페터; 위르겐 뮐러
Original assignee: 쎄코 툴스 에이비
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2013-06-18
Also published as: EP2561118B1; US9028960B2; CN102918183A; RU2012150041A; CN102918183B; KR101779236B1; WO2011131756A1; US20130071617A1; EP2561118A1; BR112012027155A2

Abstract

본 발명은 칩 형성 금속 기계가공용 절삭 공구 인서트에 증착되기 적합한 내마모성 코팅에 관한 것이다. 상기 내마모성 코팅은 상이한 결정입도를 갖지만 본질적으로 동일한 조성을 갖는 적어도 2 개의 층들을 포함한다. 상기 내마모성 코팅은 물리적 기상 증착법 (PVD) 에 의해 증착된다.

Description

금속 기계가공용 PVD 코팅{PVD COATING FOR METAL MACHINING}

본 발명은 칩 형성 금속 기계가공용 절삭 공구 인서트에 증착되기 적합한 내마모성 코팅에 관한 것이다. 상기 내마모성 코팅은 상이한 결정입도 (grain size) 를 갖지만 본질적으로 동일한 조성을 갖는 적어도 2 개의 층들을 포함한다. 상기 내마모성 코팅은 물리적 기상 증착법 (Physical Vapour Deposition; PVD) 에 의해 증착된다.

현대의 칩 형성 금속 기계가공에서의 증가된 생산성은 높은 신뢰성과 우수한 마모 특성을 갖는 공구를 요구한다. 1960년대 말부터 알맞은 코팅을 공구의 표면에 도포함으로써 공구 수명이 상당히 개선될 수 있음이 공지되었다. 화학적 기상 증착법 (Chemical Vapour Deposition; CVD) 이 절삭 공구에 사용된 첫번째 증착 기법이고 이 방법은 TiN, Ti(C,N) 및 Al₂O₃ 층들의 증착에 여전히 흔히 사용된다. 물리적 기상 증착법 (PVD) 은 1980년대에 소개되었고 그때부터 (Ti,Al)N, (Ti,Si)N 또는 (Al,Cr)N 과 같은 다성분, 준안정 화합물의 증착을 포함하기 위해서 TiN 또는 Ti(C,N) 과 같은 안정 금속 화합물의 증착으로부터, 스퍼터링 또는 음극 아크 증발법 (cathodic arc evaporation) 과 같은 방법들에 의해 개발되었다. 이 코팅들의 특성은 특정 적용들을 위해 최적화되고, 따라서 코팅의 성능은 그들 각각의 적용 분야 밖에서는 상당히 감소된다. 예를 들어, 약 5 ~ 30 nm 의 통상적인 결정입도를 갖는 미세립 코팅은 매우 작은 칩 두께의 엔드 밀링에 통상적으로 사용되고, 반면에 약 50 ~ 500 nm 의 통상적인 결정입도를 갖는 조립 코팅은 인덱서블 인서트를 사용하는 밀링 및 터닝 적용들에서 칩 두께 및 온도가 증가함에 따라 일반적으로 우수하다.

본 발명의 목적은 매우 작은 칩 두께에서부터 큰 칩 두께까지의 범위를 갖는 광범위한 적용들에서 높은 기계가공 성능을 갖는 코팅을 제공하는 것이다.

본 발명은 칩 형성 금속 기계가공용 절삭 공구 인서트에 증착되기 적합한 내마모성 코팅에 관한 것이다. 본 발명에 따른 코팅은 본질적으로 동일한 조성을 갖지만 상이한 결정입도를 갖는 적어도 2 개의 층을 포함한다. 코팅은 엔드 밀을 사용하는 미세 기계가공에서부터 인덱서블 인서트를 사용한 중간 (medium) 또는 거친 (rough) 기계가공까지의 범위를 갖는 광범위한 적용 범위를 갖는다. 코팅은 물리적 기상 증착법에 의해 증착된다.

도 1 은 본 발명에 따른 코팅의 파괴 단면 (fracture cross section) 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지를 나타낸다. 코팅은 2 개의 이중층들 (도면에서 D 로 표시됨) 을 포함하고, 각각의 이중층은 하나의 미세립층 (A로 표시됨) 과 하나의 조립층 (B로 표시됨) 을 포함한다.

본 발명은 칩 형성 금속 기계가공 절삭 공구용 내마모성 PVD 코팅에 관한 것이다. 코팅은 하나 이상의 D 이중층들을 포함하고, 각각의 D 이중층은 하나의 내부 B 층과 하나의 외부 A 층으로 이루어지고, A 층은 중간층 없이 B 층 상에 증착된다. 층 (A 및 B) 들은 본질적으로 동일한 화학적 조성을 갖지만 그들의 평균 결정립폭 (w_A 및 w_B) 에 대해 서로 상이하여서, w_A < w_B 이다. 층의 결정립폭 (grain width, w) 은 층의 중심에서 성장 방향에 수직인 선을 따라 적어도 20 개의 결정립에 걸친 파괴 단면 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지에서 평가된다. 본질적으로 동일한 화학적 조성을 갖는다는 것은 A 및 B 층들이 동일한 음극으로부터 증착되고, A 및 B 층 증착을 위한 프로세스 조건이 상이하기 때문에, 결과적으로 A 및 B 층들은 동일한 원소를 포함하지만 질소를 제외한 각각의 원소의 원자 함유량이 대략 ±3 원자% 단위 내에서 변할 수 있고, 반면에 질소 함유량은 각각의 D 이중층 내에서 일정하다는 것을 의미한다.

각각의 D 이중층 내에서, 바람직하게는 A 층은 2 < w_A < 50 nm 의 미세립이고, B 층은 30 < w_B < 500 nm 의 조립 및 본질적으로 주상립 (columnar grain) 이고, w_B/w_A > 2 이다. A 층의 두께는 0.03 ~ 5 ㎛, 바람직하게는 0.05 ~ 2 ㎛ 이고, B 층의 두께는 0.1 ~ 5 ㎛, 바람직하게는 0.2 ~ 2 ㎛ 이다. D 이중층들의 개수는 1 ~ 100, 바람직하게는 1 ~ 20, 가장 바람직하게는 1 ~ 10 개이다. 모든 D 이중층들의 총 두께는 0.3 ~ 20 ㎛, 바람직하게는 0.5 ~ 10 ㎛ 이다. A 층과 B 층 사이 또는 D 이중층들 사이의 전이는 바람직하게는 급격하거나 점진적일 수 있지만, 코팅은 또한 0.5 ~ 20 ㎛ 두께로 D 이중층들 사이에 중간층을 하나 이상 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 D 이중층들 중 적어도 하나에서 거친 결정입도로부터 미세 결정입도로 연속적으로 감소하는 하나 이상의 D 이중층들을 포함하는 코팅에 관한 것이다. 그 다음에 D 이중층은 미세 결정입도와 거친 결정입도의 2 개의 층부로 나뉘어지고, 이 층부들은 각각 A 층과 B 층으로 정의된다.

본 발명에 따른 코팅은, 당 기술 분야에 공지된 바와 같이, 0.5 ~ 30 ㎛, 바람직하게는 0.5 ~ 15 ㎛ 및 가장 바람직하게는 0.5 ~ 10 ㎛ 의 총 코팅 두께로 기재와 최내부 D 이중층 사이에 위치된 내부 단일- 및/또는 다중층 그리고/또는 최외부 D 이중층 상에 위치된 외부 단일- 및/또는 다중층을 더 포함할 수 있다.

일 바람직한 실시형태에서 코팅은 하나의 D 이중층을 포함한다.

또다른 바람직한 실시형태에서 코팅은 2 개의 D 이중층들을 포함한다.

바람직한 제 3 실시형태에서 A 및 B 층들은 화학식 (Ti₁ _-x1- _y1Al_x1Me_y1)(N₁ _- _a1Q_a1)_z1 에 따른 조성을 갖고, 여기에서 0.3 < x1 < 0.7, 0 ≤ y1 < 0.3, 바람직하게는 0 ≤ y1 < 0.15, 가장 바람직하게는 y1 = 0, 0.90 < z1 < 1.10, 바람직하게는 0.96 < z1 < 1.04, 0 ≤ a1 < 0.5, 바람직하게는 0 ≤ a1 < 0.3, 가장 바람직하게는 a1 = 0 이다. Me 는 Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Y, Sc, Ce, Mo, W, 및 Si 중 하나 이상, 바람직하게는 Zr, Hf, V, Nb, Cr, Ce, 및 Si 중 하나 이상이고 Q 는 C, B, S, 및 O 중 하나 이상이다.

바람직한 제 4 실시형태에서 A 및 B 층들은 화학식 (Ti₁ _-x2- _y2Si_x2Me_y2)(N₁ _-a2Q_a2)_z2 에 따른 조성을 갖고, 여기에서 0.02 < x2 < 0.25, 0 ≤ y2 < 0.3, 바람직하게는 0 ≤ y2 < 0.15, 가장 바람직하게는 y2 = 0, 0.90 < z2 < 1.10, 바람직하게는 0.96 < z2 < 1.04, 0 ≤ a2 < 0.5, 바람직하게는 0 ≤ a2 < 0.3, 가장 바람직하게는 a2 = 0 이다. Me 는 Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Y, Sc, Ce, Mo, W, 및 Al 중 하나 이상, 바람직하게는 Zr, Hf, V, Nb, Cr, Ce, 및 Al 중 하나 이상이고 Q 는 C, B, S, 및 O 중 하나 이상이다.

바람직한 제 5 실시형태에서 A 및 B 층들은 화학식 (Cr₁ _-x3- _y3Al_x3Me_y3)(N₁ _-a3Q_a3)_z3 에 따른 조성을 갖고, 여기에서 0.3 < x3 < 0.75, 0 ≤ y3 < 0.3, 바람직하게는 0 ≤ y3 < 0.15, 가장 바람직하게는 y3 = 0, 0.90 < z3 < 1.10, 바람직하게는 0.96 < z3 < 1.04, 0 ≤ a3 < 0.5, 바람직하게는 0 ≤ a3 < 0.3, 가장 바람직하게는 a3 = 0 이다. Me 는 Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Y, Sc, Ce, Mo, W, 및 Ti 중 하나 이상, 바람직하게는 Zr, Hf, V, Nb, Cr, Ce, 및 Ti 중 하나 이상이고 Q 는 C, B, S, 및 O 중 하나 이상이다.

본 발명에 따른 A 및 B 층들은 PVD, 바람직하게는 음극 아크 증발법에 의해 증착된다. 결정입도의 변화는 다양한 수단, 예를 들어 1) 음극에서 자기장을 변화시킴, 2) 증착 온도를 변화시킴, 그리고/또는 3) 증발 전류 (evaporation current) 를 변화시킴에 의해서 달성될 수 있다. 적절한 프로세스 조건을 실험에 의해 결정하는 것은 당 분야의 통상의 기술자들의 이해 범위내에 있다.

예시 1

본 발명에 따른 (Ti,Al)N 코팅은 주 조성이 90 중량% WC + 10 중량% Co 인 초경합금 인서트상에 음극 아크 증발법에 의해 증착되었다.

증착 전에, 인서트들은 알칼리 용액 및 알코올의 초음파 욕 (bath) 에서 세척되었다. 증착 챔버는 2.0 x 10^-3 Pa 미만의 기본 압력에서 진공되었고, 그 뒤에 인서트는 Ar 이온으로 스퍼터 세척되었다. 코팅은 450℃ 에서 -80V 의 바이어스 전압과 90A 의 증발 전류를 사용하여 Ti:Al = 34:66 의 조성을 갖는 TiAl 합성 음극으로부터 4 Pa 의 총 압력과 99.995% 순수 N₂ 분위기에서 증착되었다. 음극 표면의 전방의 자기장은 A 및 B 층들을 각각 얻기 위해서 2 개의 수준인 M_strong 과 M_weak 사이에서 조절되었고, M_strong 은 음극 표면에 주로 수직이고 음극 표면에 걸쳐 3 ~ 20 mT 범위에서 변하는 자기장 세기를 갖고, M_weak 는 또한 음극 표면에 주로 수직이고 0.5 ~ 2.5 mT 범위의 자기장 세기를 갖는다. 우선, B 층이 총 증착 시간의 20% 동안 M_weak 에서 증착되었고, 그 다음에 A 층이 총 증착 시간의 30% 동안 M_strong 에서 증착되었고, 그 다음에 동일한 시퀀스가 한번 반복되었다.

코팅은 주사 전자 현미경 (SEM) 으로 조사되었다. 도 1 은 각각이 하나의 A 층과 하나의 B 층으로 이루어진 2 개의 D 이중층들이 명확하게 보이는 파괴 단면의 SEM 이미지를 나타낸다. 평균 결정립폭 (w) 은 도 1 의 b) 에서 표시된 바와 같은 선을 따라 평가되었다. 양쪽 A 층들은 w ~ 19 nm 의 미세, 등축 결정립 (equiaxed grain) 을 가졌고, 양쪽 B 층들은 w ~ 61 nm 의 거친, 주상 결정립을 가졌다. 총 층 두께는 약 2 ㎛ 였다.

예시 2

본 발명에 따른 (Ti,Al)N 코팅은 주 조성이 90 중량% WC + 10 중량% Co 인 초경합금 인서트상에 음극 아크 증발법에 의해 증착되었다. 증착 조건은 예시 1 과 동일하였지만, 우선, B 층이 증착 시간의 70% 동안 M_weak 에서 증착되었고, 그 다음에 A 층이 증착 시간의 30% 동안 M_strong 에서 증착되었다. 평균 결정립폭 (w) 은 B 층에 대해 w ~ 70 nm 으로 평가되었고, A 층에 대해 w ~ 18 nm 으로 평가되었다. 총 두께는 약 2 ㎛ 였다.

예시 3

예시 1 (여기에서 발명1 로 이름붙임) 로부터의 코팅과 예시 2 (여기에서 발명2 로 이름붙임) 로부터의 코팅은 이하의 데이터의 밀링 작동에서 테스트되었다.

형상 (Geometry) : XOEX120408R-M07

적용 : 직각 밀링 (square shoulder milling)

작업물 재료 : AISI 316L

절삭 속도 : 160 m/분

이송 : 0.15 mm/날 (tooth)

절삭 깊이 : 2 mm

절삭 폭 : 13 mm (26%)

공구 수명 기준 : 플랭크 마모 (vb) > 0.3 mm

참조로, 본 발명의 코팅과 조성 및 두께가 유사한 2 개의 상업적으로 이용 가능한 (Ti,Al)N 코팅들이 사용되었고, 이는 참조1 과 참조2 이다. 참조1 은 이 특정 밀링 적용에 대한 당 기술의 현재 상태이고 w ~ 100 nm 의 주상립과 조립을 갖는다. 참조2 는 w ~ 15 nm 의 미세립이다.

상기 표는 본 발명의 코팅에 대해 이뤄진 공구 수명이 참조1 의 공구 수명과 동일 수준이거나 더 높기까지 하고 참조2 의 공구 수명보다 상당히 더 높은 것으로 밝혀진 것을 나타낸다.

예시 4

예시 1 (여기에서 발명1 로 이름붙임) 로부터의 코팅과 예시 2 (여기에서 발명2 로 이름붙임) 로부터의 코팅은 이하의 데이터를 사용하여 코팅된 엔드 밀을 이용한 미세 기계가공에서 테스트되었다.

형상 (Geometry) : 10 mm 직각 초경합금 엔드 밀 (10 mm square shoulder cemented carbide end mill)

적용 : 직각 밀링

작업물 재료 : Ck45W

절삭 속도 : 120 m/분 (3800 rpm)

이송 : 0.05 mm/날 (380 mm/분)

절삭 깊이 : 13 mm

절삭 폭 : 5 mm

공구 수명 기준 : 절삭 모서리 상태 (스와프 열화 (swarf deterioration))

참조로, 예시 3 에서와 같이 동일한 상업적으로 이용 가능한 (Ti,Al)N 코팅이 사용되었고, 이는 참조1 과 참조2 이다. 참조2 는 이 특정 밀링 적용에 대한 당 기술의 현재 상태이다.

상기 표는 본 발명의 코팅에 대해 이뤄진 공구 수명이 참조2 의 공구 수명과 동일 수준이거나 더 높고 참조1 의 공구 수명보다 상당히 더 높은 것으로 밝혀진 것을 나타낸다.

Claims

하나 이상의 D 이중층들을 포함하고,
각각의 D 이중층은 하나의 내부 B 층과 하나의 외부 A 층으로 이루어지고,
상기 A 층은 중간층 없이 상기 B 층 상에 증착되고,
상기 층들 A 및 B 는 본질적으로 동일한 화학적 조성을 갖지만 그들의 평균 결정립폭 (w_A 및 w_B) 에 대해 서로 상이하여서, w_A < w_B 인 것을 특징으로 하는, 칩 형성 금속 기계가공 절삭 공구용 내마모성 PVD 코팅.
제 1 항에 있어서,
각각의 D 이중층 내에서, 상기 A 층은 2 < w_A < 50 nm 의 미세립이고, 상기 B 층은 30 < w_B < 500 nm 의 조립이고, w_B/w_A > 2 인 것을 특징으로 하는, 칩 형성 금속 기계가공 절삭 공구용 내마모성 PVD 코팅.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
각각의 A 층의 두께는 0.03 ~ 5 ㎛ 이고 각각의 B 층의 두께는 0.1 ~ 5 ㎛ 이고 모든 D 이중층들의 총 두께는 0.3 ~ 20 ㎛ 인 것을 특징으로 하는, 칩 형성 금속 기계가공 절삭 공구용 내마모성 PVD 코팅.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅은 0.5 ~ 20 ㎛ 의 두께로 D 이중층들 사이에 하나 이상의 중간층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 칩 형성 금속 기계가공 절삭 공구용 내마모성 PVD 코팅.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅은 0.5 ~ 30 ㎛ 의 총 코팅 두께로 기재와 최내부 D 이중층 사이에 위치된 내부 단일- 및/또는 다중층 그리고/또는 최외부 D 이중층 상에 위치된 외부 단일- 및/또는 다중층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 칩 형성 금속 기계가공 절삭 공구용 내마모성 PVD 코팅.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 A 및 B 층들은 화학식 (Ti₁ _-x1- _y1Al_x1Me_y1)(N₁ _- _a1Q_a1)_z1 에 따른 조성을 갖고, 여기에서 0.3 < x1 < 0.7, 0 ≤ y1 < 0.3, 0.90 < z1 < 1.10, 0 ≤ a1 < 0.5 이고,
Me 는 Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Y, Sc, Ce, Mo, W, 및 Si 중 하나 이상이고, Q 는 C, B, S, 및 O 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 칩 형성 금속 기계가공 절삭 공구용 내마모성 PVD 코팅.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 A 및 B 층들은 화학식 (Ti₁ _-x2- _y2Si_x2Me_y2)(N₁ _- _a2Q_a2)_z2 에 따른 조성을 갖고, 여기에서 0.02 < x2 < 0.25, 0 ≤ y2 < 0.3, 0.90 < z2 < 1.10, 0 ≤ a2 < 0.5 이고,
Me 는 Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Y, Sc, Ce, Mo, W, 및 Al 중 하나 이상이고, Q 는 C, B, S, 및 O 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 칩 형성 금속 기계가공 절삭 공구용 내마모성 PVD 코팅.
상기 A 및 B 층들은 화학식 (Cr₁ _-x3- _y3Al_x3Me_y3)(N₁ _- _a3Q_a3)_z3 에 따른 조성을 갖고, 여기에서 0.3 < x3 < 0.75, 0 ≤ y3 < 0.3, 0.90 < z3 < 1.10, 0 ≤ a3 < 0.5 이고,
Me 는 Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Y, Sc, Ce, Mo, W, 및 Ti 중 하나 이상이고, Q 는 C, B, S, 및 O 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 칩 형성 금속 기계가공 절삭 공구용 내마모성 PVD 코팅.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 A 및 B 층들은 음극 아크 증발법에 의해서 증착되는 것을 특징으로 하는, 칩 형성 금속 기계가공 절삭 공구용 내마모성 PVD 코팅.