KR20130123238A

KR20130123238A - 절삭공구용 경질피막

Info

Publication number: KR20130123238A
Application number: KR1020120046530A
Authority: KR
Inventors: 강재훈; 박제훈; 안승수; 김성현; 이성구; 김정욱; 안선용; 박동복
Original assignee: 한국야금 주식회사
Priority date: 2012-05-02
Filing date: 2012-05-02
Publication date: 2013-11-12
Also published as: CN104302805A; CN104302805B; WO2013165091A1; DE112013002291B4; US20150152561A1; DE112013002291T5; DE112013002291T9; KR101351845B1; US9422627B2

Abstract

본 발명은 절삭공구용 경질피막에 관한 것으로서, 상기 경질피막은 박층A, 박층B, 박층C 및 박층D가 박층A-B-C-D 순으로 적층되어 이루어지는 나노 다층구조 또는 이 나노 다층구조가 2회 이상 반복 적층되는 구조로 이루어지되, 상기 박층A는 Ti_xAl₁ _- _xN(0.5≤x≤0.7)으로 이루어지고, 상기 박층B는 Al₁ _-y-zTi_yMe_zN(0.4≤y≤0.7, 0<z≤0.1, Me는 Si, Cr, Nb 중 1종 이상)으로 이루어지며, 상기 박층C는 Al_aTi_1-aN(0.5≤a≤0.7)으로 이루어지고, 상기 박층D는 Al_bCr₁ _- _bN(0.5≤b≤0.7)로 이루어진다.
본 발명에 의하면, 모재와의 밀착성과 내마모성이 우수한 Ti와 Al의 복합 질화물층(박층A), 내마모성이 우수하면서 고온 환경에서 내산화성이 향상되는 Al과 Ti 그리고 Si, Cr, Nb 중 1종 이상의 복합 질화물층(박층B), 내마모성이 우수한 Al과 Ti의 복합 질화물층(박층C) 및 크랙 전파를 억제하며 윤활성이 우수한 Al과 Cr의 질화물층(박층D)이 박층A-B-C-D 순으로 적층되어 형성되는 나노 다층구조의 반복 적층을 통해, 내마모성, 윤활성, 인성, 내치핑성, 내산화성 등의 절삭공구용 경질피막에 요구되는 다양한 특성을 고르게 향상시킬 수 있으므로 난삭재의 가공에 적합하게 사용될 수 있다.

Description

절삭공구용 경질피막 {HARD COATING FILM FOR CUTTING TOOLS}

본 발명은 절삭공구에 사용되는 초경합금, 써메트, 고속도강, 엔드밀, 드릴, cBN 등과 같은 경질의 모재 상에 형성되는 경질피막에 관한 것으로서, 박층A, 박층B, 박층C 및 박층D를 포함하는 나노 다층구조 또는 이들의 반복 적층구조로 이루어져 있어, 종래의 다층 박막 구조에 비해 내마모성, 윤활성, 인성 및 내산화성이 모두 향상된 절삭공구용 경질피막에 관한 것이다.

산업이 점차 정밀화, 고속화 및 대량 생산화됨에 따라 절삭공구에 대한 절삭성능 향상 및 수명개선이 요구되고 있다. 특히, 고경도 피삭재에 대한 고속 절삭가공 및 열전도도가 낮은 난삭재에 대한 절삭가공시에는 약 900℃ 이상의 고열이 피삭재와 마찰되는 절삭공구 선단에 국부적으로 발생하는데, 내산화성과 내마모성이 우수한 경질피막을 절삭공구의 절삭면에 형성함으로써, 절삭공구의 수명을 높일 수 있다.

종래부터 절삭성능 향상 및 수명개선을 위해 초경합금, 써메트, 엔드밀, 드릴류 등의 모재 위에, TiN, Al₂O₃, TiAlN, AlTiN, AlCrN 등 내마모성, 내산화성, 또는 내충격성 등을 구비한 단일층 경질피막 또는 이들이 2층 이상 적층된 다층 경질피막을 형성함으로써, 고경도 피삭재 또는 난삭재에 대한 요구에 대응하여 왔다.

최근 들어 피삭재는 점차 고경도화 되고 있고, 열전도도가 낮고 공구와 용착이 심한 난삭재에 대한 가공 수요도 높아지고 있다. 특히, 스테인레스강, 내열합금강, 구상흑연 주철 등은 열전도율이 일반적인 강에 비해 낮아 절삭가공시에 칩에 의해 절삭열이 배출되지 못하고 절삭공구의 인선부에 열이 집중됨에 따라 절삭공구와 피삭재의 화학반응에 의해 절삭공구 인선부에 마모, 용착 및 탈락 현상이 쉽게 발생하고 절삭공구의 수명이 급격히 줄어들게 된다.

따라서 전술된 조성의 단일층 또는 다층의 구조만으로는 우수한 내마모성, 내산화성, 윤활성 등의 특성을 고루 갖추어야 하는 이러한 난삭재 및 주철 가공을 위한 절삭공구의 수요에 대응하기 점점 어려워지고 있다.

이에 따라, 최근에는 물성이 상이한 2종 이상의 나노 레벨의 박막을 규칙적으로 반복 적층하는 방법을 통해, 절삭성능을 높이고자 하는 시도가 많아지고 있다.

예를 들어, 한국등록특허공보 제876366호에는, 물리증착법(PVD)에 의해, 초경 합금공구인 인서트, 엔드밀, 드릴 혹은 써메트 공구위에 밀착력 향상 및 (200)면의 결정배향을 위해 하지층을 증착시키고, 연속적으로 내충격성과 내치핑성을 향상시키기 위해 중간층인 (Ti,Al)N 다층박막을 증착시킨 후, TiAlN 또는 AlTiSiN으로 이루어지되 상호 조성이 다른 A층, B층, C층 및 D층으로 이루어지고 이들이 교대로 적층되는 구조를 갖는 최상층을 형성함으로써, 최상층의 내마모성과 내산화성을 향상시킨 박막구조가 개시되어 있다.

상기와 같은 다층 구조를 통해 내마모성 및 내산화성을 향상시킬 수 있으나, 내마모성, 내충격성(인성), 내치핑성 등 절삭작업에 요구되는 다양한 특성들을 고루 개선하기 위해서는 새로운 구조의 경질피막의 개발이 요구된다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 내마모성, 윤활성, 인성(내충격성) 및 내산화성 등이 전반적으로 향상된 절삭공구용 경질피막을 제공하고자 한다.

상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 절삭공구용 경질피막은, 모재의 표면에 형성되는 경질피막으로서, 상기 경질피막은 박층A, 박층B, 박층C 및 박층D가 박층A-B-C-D 순으로 적층되어 이루어지는 나노 다층구조 또는 이 나노 다층구조가 2회 이상 반복 적층되는 구조로 이루어지되, 상기 박층A는 Ti_xAl₁ _-xN(0.5≤x≤0.7)으로 이루어지고, 상기 박층B는 Al₁ _-y-zTi_yMe_zN(0.4≤y≤0.7, 0<z≤0.1, Me는 Si, Cr, Nb 중 1종 이상)으로 이루어지며, 상기 박층C는 Al_aTi₁ _- _aN(0.5≤a≤0.7)으로 이루어지고, 상기 박층D는 Al_bCr₁ _- _bN(0.5≤b≤0.7)로 이루어진다.

상기 박층A, 박층B, 박층C 및 박층D는, 평균두께가 각각 3 ~ 50nm로 구비되는 것이 바람직하다.

상기 박층A, 박층B, 박층C 및 박층D는, 평균두께가 각각 20 ~ 40nm로 구비되는 것이 가장 바람직하다.

상기 절삭공구용 경질피막은, 평균두께가 1 ~ 20㎛로 구비되는 것이 바람직하다.

상기 절삭공구용 경질피막은, 900℃에서 30분간 열화 처리된 열화경도가 35GPa 이상인 것이 바람직하다.

이러한 본 발명의 절삭공구용 경질피막에 의하면, 모재와의 밀착성과 범용적으로 내마모성이 우수한 Ti와 Al의 복합 질화물층(박층A), Si, Cr, Nb의 고용강화 효과에 의한 박막경도 상승으로 내마모성이 우수하면서 고온 환경에서 이 고용원소들이 산화물을 빠르게 형성하여 더 크게 내산화성을 향상시키는, Al과 Ti 그리고 Si, Cr, Nb 중 1종 이상의 복합 질화물층(박층B), 내마모성이 우수한 Al과 Ti의 복합 질화물층(박층C) 및 크랙 전파를 억제하며 윤활성이 우수한 Al과 Cr의 질화물층(박층D)이 박층A-B-C-D 순으로 적층되어 형성되는 나노 다층구조의 반복 적층을 통해, 내마모성, 윤활성, 인성, 내치핑성, 내산화성 등의 절삭공구용 경질피막에 요구되는 다양한 특성을 고르게 향상시킬 수 있으므로 난삭재의 가공에 적합하게 사용될 수 있다.

즉, 본 발명의 절삭공구용 경질피막은, 박층A-B-C-D 순으로 나노 적층 형성되어, 각 박층의 경도, 내산화성 및 윤활성을 강화하는 박층이 주기적으로 반복되도록 적층하여 각 박층의 기능을 극대화시켰으며, 난삭재 가공시에 요구되는 내마모성, 윤활성, 인성, 내치핑성 및 내산화성을 균형있게 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 절삭공구용 경질피막의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, '통상의 기술자'라 한다)가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 그 범위가 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 또한 첨부된 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 발명의 이해를 돕기 위하여 과장된 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절삭공구용 경질피막의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 절삭공구용 경질피막은, 모재 상에 박층A, 박층B, 박층C 및 박층D가 순서대로 적층되어 이루어진 나노 다층구조가 다시 2회 이상 반복 적층된 구조를 갖는다.

상기 박층A와 박층C는 모재와의 밀착성, 내마모성 및 경도 향상을 주목적으로 하는 박층으로서, 그 조성은 각각 Ti_xAl₁ _- _xN(0.5≤x≤0.7)과 Al_aTi₁ _- _aN(0.5≤a≤0.7)으로 이루어진다.

상기 박층A와 박층C는 각각 Ti와 Al이 0.5 내지 0.7의 비율로 포함되어 각각 Ti가 리치한 Ti와 Al의 복합질화물과 Al이 리치한 Al과 Ti의 복합질화물로 이루어진다. TiAlN에 있어서 Ti 원소의 함량이 Al 원소의 함량보다 많으면 인성이 증가하고 상대적으로 경도는 감소하며, Al 원소의 함량이 Ti 원소의 함량보다 많으면 경도가 증가하고 인성이 감소하게 된다.

따라서 박층A와 박층C는 인성이 강한 Ti와 Al의 복합 질화물과 경도가 강한 Ti와 Al의 복합 질화물로 이루어지고, 이를 박층B 또는 박층D를 사이에 두고 교대로 적층됨으로써 인성과 경도가 균형있게 향상된 경질피막을 형성하게 된다.

한편, 박층A에 있어서, Ti의 함량이 0.7을 초과하는 경우(Al의 함량이 0.3미만인 경우)는 원자반경이 Ti에 비해 작은 Al이 치환되어 고용되는 양이 줄어들어 박막의 내마모성 및 경도가 저하되고 절삭가공시 고온의 환경에서 TiO₂ 산화물 형성이 용이해져 박막 내부의 Ti원소가 외부로 확산되어 Ti원소 고갈에 따른 고온경도 저하를 초래할 수 있으므로 바람직하지 않다.

또한, 박층B에 있어서, Al의 함량이 0.7을 초과하는 경우(Ti의 함량이 0.3미만인 경우)는 육방정 B4구조의 상(phase) 형성으로 취성이 증가하여 내마모성이 저하되며 공구의 수명이 짧아질 수 있기 때문에 바람직하지 않다.

따라서 박층A와 박층B에 있어서, Ti와 Al의 함량은 각각 0.7을 초과하지 않도록 제한하는 것이 바람직하다.

이와 같이 Ti와 Al의 복합 질화물로 이루어지는 박층A와 박층C는 다른 조성의 박막과 함께 나노 레벨의 멀티레이어를 형성하면서, 본 발명에 따른 절삭공구용 경질피막이 내마모성, 인성, 내치핑성, 윤활성의 다 측면에서 고루 높은 균형 잡힌 특성을 갖게 한다.

한편, 박층A는 다른 박층에 비해 압축 잔류응력이 낮아 모재와의 밀착력이 높아 모재 상에 형성하는 것이 바람직하다. 이에 반해 박층B와 박층C는 고경도 기능층으로서 각 원소의 고용강화 효과로 인해 높은 압축 잔류응력을 가지므로(일반적으로 PVD 박막의 경우 박막 경도가 높을수록 압축잔류응력도 높음), 이러한 박층B와 박층C를 모재 상에 형성할 경우, 모재와 박층 간의 압축응력 차이로 인해 경질피막의 밀착력이 저하되므로 바람직하지 않다.

상기 박층B는 내마모성과 내산화성 향상을 주목적으로 하는 박층으로서, Al_1-y-zTi_yMe_zN(0.4≤y≤0.7, 0<z≤0.1, Me는 Si, Cr, Nb 중 1종 이상)의 조성으로 이루어진다.

상기 박층B에 있어서, Ti는 0.4 이상 0.7 이하인 것이 바람직한데, 그 이유는 Ti의 함량이 0.4 미만일 경우 육방정 B4구조의 상(phase) 형성으로 취성이 증가하여 내마모성이 저하되며 공구의 수명이 짧아지게 되고, 0.7 초과일 경우 원자반경이 Ti에 비해 작은 Al이 치환되어 고용되는 양이 줄어들어 박막의 경도 및 내마모성이 저하되고 절삭가공시 고온의 환경에서 TiO₂ 산화물 형성이 용이해져 박막 내부의 Ti원소가 외부로 확산되어 Ti원소 고갈에 따른 고온경도 저하를 초래할 수 있기 때문이다.

또한 상기 박층B에는 Si, Cr, Nb 중 1종 이상이 0.1 이하로 포함되는데, 이렇게 Si, Cr, Nb 중 1종 이상이 포함될 경우 고온의 절삭환경에서 Al₂O₃ 산화층을 포함한 Si₂O₃, Cr₂O₃ 또는 Nb₂O₃ 등의 이중 산화물이 형성되어 경질피막의 내산화성이 획기적으로 향상될 수 있다. 이렇게 Si, Cr, Nb 중 1종 이상이 AlTiN 결정구조에 고용강화되어 박막의 내산화성 및 경도(특히 열화경도)를 향상시킬 수 있다.

그러나 Si, Cr, Nb 중 1종 이상의 함량이 0.1을 초과하는 경우 조대한 박막조직을 형성함과 동시에 절삭가공시에 고온의 환경에 노출되면 Cr₂N 등의 편석이 형성되어 내마모성이 저하되며 공구의 수명이 짧아지기 때문에 그 함량은 0.1 이하로 한정되는 것이 바람직하다.

상기 박층D는 경질피막의 윤활성과 인성(내충격성)을 제고하고 크랙 전파를 억제하는 것을 주목적으로 하는 박층으로서, 그 구체적인 조성은 Al_bCr₁ _- _bN(0.5≤b≤0.7)으로 이루어진다.

상기 박층D에 있어서, Al의 함량은 0.5 이상 0.7 이하인 것이 바람직한데, 그 이유는 Al의 함량이 0.5 미만일 경우, 즉 Cr의 함량이 0.5 이상일 경우에는 조대한 박막조직이 형성됨과 동시에 절삭가공과 같은 고온이 수반되는 작업시 Cr₂N의 편석이 형성되어 내마모성이 저하되며 공구의 수명이 짧아지게 되어 바람직하지 않고, Al의 함량이 0.7 초과인 경우, 즉 Cr의 함량이 0.3 이하일 경우에는 절연성이 높아져 장비의 특성상 DC 증착이 어려우며, fcc-AlCrN이 아닌 hcp-AlCrN의 형성으로 취성이 증가하여 인성과 내마모성이 저하되며 공구의 수명이 짧아져 바람직하지 않기 때문이다.

한편, 상기 박층A, 박층B, 박층C, 박층D는 평균두께가 각각 3 ~ 50nm인 것이 바람직하다.

이는 일반적으로 나노다층의 주기가 감소할수록 전위의 생성과 이동이 억제됨에 따라 박막이 강화되는데, 박층의 두께가 3nm 미만으로 너무 얇을 경우에는 전위의 생성과 이동을 억제하는 나노다층간의 경계가 불분명해지면서 두 층간의 상호확산에 의해 혼합 영역(mixing zone)이 형성되어 경도 및 탄성계수가 저하되므로 3nm 미만이 되지 않도록 형성하는 것이 좋고, 50nm를 초과할 경우 전위의 생성 및 이동이 쉬워지게 되므로 경도 및 탄성계수가 저하될 뿐만 아니라 불일치(misfit) 전위의 형성에 의해 정합 변형에너지가 감소되어 강화 효과 감소 현상이 수반되어 바람직하지 않기 때문이다.

그리고 상기 박층A, 박층B, 박층C, 박층D의 두께만을 달리한 실험을 통해 그 평균두께가 각각 20 ~ 40nm인 것이 각각의 박층 간의 계면이 소성변형에 의한 전위(dislocation) 이동을 억제하는 우수한 계면 강화 효과를 얻을 수 있는 것으로 나타나 가장 바람직한 것으로 확인되었다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 밀착력, 내마모성, 인성이 범용적으로 우수한 특성을 가진 박층A, 고용원소에 의한 고용강화 효과를 통해 내마모성과 내산화성을 향상시키는 박층B, 내마모성을 추가적으로 보완하는 기능층인 박층C, 박층A-B-C의 인성과 윤활성을 향상시키는 층으로서 역할하는 박층D가 순서대로 적층되어 A-B-C-D의 나노 다층구조를 이루게 구현되었는데, 이렇게 박층A-B-C-D의 나노 다층구조를 이룰 경우, 각각의 박층이 가지고 있는 약점을 상쇄 보완하여, 내마모성, 내산화성, 인성 및 윤활성을 균형있게 향상시킬 수 있다.

특히, 각 박층의 내마모성과 인성에 영향을 미치는 각층의 박막경도(및 잔류응력)가 주기적으로 오실레이션(oscillation) 되며 적층되는 구조를 통해 서로 상대적인 특성을 나타내는 내마모성과 인성을 동시에 향상시킬 수 있으므로, 본 발명에 따른 절삭공구용 경질피막은 박층A-B-C-D의 나노 다층구조로 구현되는 것이 바람직하다.

이와 같은 나노 다층구조 또는 이 나노 다층구조가 2회 이상 반복 적층되는 구조를 갖는 본 발명에 따른 절삭공구용 경질피막은, 1 ~ 20㎛의 평균두께를 갖는 것이 바람직하다.

이상과 같이, 본 발명은 TiAlN, AlTiMeN(Me는 Si, Cr, Nb 중 1종 이상), AlTiN, AlCrN계 박층을 순서대로 적층하여 나노 다층구조를 형성함으로써, 경질피막 전체에 대해 내마모성, 윤활성, 인성, 내치핑성 및 내산화성의 고른 향상을 도모한 것을 특징으로 한다.

[실시예]

본 발명은 초경합금, 써메트, 고속도강, 엔드밀, 드릴류 등을 포함하는 경질 모재 표면 위에 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)인 아크 이온 플레이팅 법을 이용하여, WC-10wt%Co의 모재 상에 경질박막을 코팅 형성하였으며, 코팅 시에 박층A에 대해서는 TiAl 타겟, 박층B에 대해서는 AlTiSi 타겟, AlTiCr 타겟 또는 TiAlNb 타겟, 박층C에 대해서는 AlTi 타겟 및 박층D에 대해서는 AlCr타겟을 사용하였다. 초기 진공압력은 8.5×10^-5Torr 이하로 감압하였으며, 반응가스로 N₂를 주입하였다. 코팅을 위한 가스압력은 30mTorr 이하이며, 바람직하게는 20mTorr 이하이며, 코팅 온도는 400 ~ 550℃로 하였으며, 코팅 시 기판 바이어스 전압은 -20 ~ -150V로 인가하였다. 물론, 코팅 조건은 장비 특성 및 조건에 따라 본 실시예와 다르게 할 수 있다.

본 실시예는 전술한 코팅 방법을 통해, TiAlN 막, AlTi(Si,Cr,Nb)N 막, AlTiN 막, AlCrN 막을 25 ~ 45nm의 평균 두께로 순차 적층하여 나노 다층구조를 형성하였으며, 이러한 나노 다층구조를 반복 형성하여 총 두께가 4.2 ~ 4.5㎛인 본 발명의 실시예에 따른 절삭공구용 경질피막을 완성하였다.

한편, 필요한 경우 본 발명의 실시예에 따라 형성한 절삭공구용 경질피막 상에 추가로 다양한 형태의 박막이 형성될 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 절삭공구용 경질피막은 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)을 이용하므로, 박막 두께는 최대 20㎛ 정도까지 형성할 수 있다.

하기 표 1에 본 발명의 실시예에 따라 형성한 절삭공구용 경질피막에 대한 조성, 타겟조성비, 박층 평균 두께, 총 피막두께 및 적층구조를 각각 나타내었다.

실시예 No.	경질피막의 구조
실시예 No.	나노 다층구조 (타겟조성비)	박층 평균 두께 (nm)	총 피막두께 (㎛)	적층구조
1	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	25	4.2	A/B/C/D 나노 다층
2	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	27	4.3	A/B/C/D 나노 다층
3	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	35	4.4	A/B/C/D 나노 다층
4	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	37	4.4	A/B/C/D 나노 다층
5	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	45	4.5	A/B/C/D 나노 다층
6	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	42	4.4	A/B/C/D 나노 다층

그리고 본 발명의 실시예에 따라 형성한 절삭공구용 경질피막의 특성을 상대 평가하기 위하여, 본 발명의 실시예와 동일한 WC-10wt%Co의 모재 상에 하기 표 2와 같은 박막 구조로 본 발명의 실시예에 따른 경질피막과 거의 동일한 두께의 경질피막을 형성하였다.

비교예 No.	경질피막의 구조
비교예 No.	나노 다층구조 (타겟조성비)	박층 평균 두께 (nm)	총 피막두께 (㎛)	적층구조
1	TiAlN(5:5)		4.3	단일층
2	AlTiN(67:33)		4.2	단일층
3	AlCrN(5:5)		4.1	단일층
4	AlCrN(7:3)		4.3	단일층
5	AlTiSiN(58:37:5)		4.2	단일층
6	AlTiCrN(54:38:8)		4.2	단일층
7	TiAlNbN(50:40:10)		4.1	단일층
8	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)	40	4.3	A/B 나노 다층
9	TiAlN(5:5)/AlCrN(5:5)	47	4.4	A/B 나노 다층
10	AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	23	4.2	A/B 나노 다층
11	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)	23	4.2	A/B 나노 다층
12	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)	32	4.3	A/B 나노 다층
13	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)	42	4.0	A/B 나노 다층

상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 비교예 1 ~ 7은 본 발명의 실시예에 사용된 각 박층을 단일층의 형태로 총 두께가 4.1 ~ 4.3㎛인 경질피막을 형성한 것이고, 비교예 8 ~ 13은 본 발명의 실시예에 사용된 박층 중 두 개를 선택하여 23 ~ 47nm의 평균 두께로 교대 적층하여 A/B 나노 다층구조를 갖는 총 두께가 4.0 ~ 4.4㎛인 경질피막을 형성한 것으로서, 이들 경질피막은 본 발명의 실시예에 따른 절삭공구용 경질피막과의 나노 다층 조성(일부 박막 제외) 및 적층구조의 차이(단일층 또는 A/B 나노 다층)에 따른 절삭성능의 차이를 확인하기 위한 것이다.

하기의 표 3과 표 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 절삭공구용 경질피막을 형성한 후, 에너지 회절 X선 분석(EDX, Energy Dispersive X-ray Spectrometer)을 통해, 각 층을 구성하는 박막의 실제 조성을 측정한 결과를 나타낸 것이다.

실시예 No.	나노 다층구조 (타겟조성비)	박막 조성(EDX, at%)
실시예 No.	나노 다층구조 (타겟조성비)	Al	Ti	Cr	Si	Nb	N
1	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	31.1	18.2	5.2	1.8		43.7
2	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	27.4	18.4	7.5	1.9		44.8
3	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	29.4	15.1	8.9			16.6
4	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	27.4	16.6	9.5			16.5
5	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	24.3	21.2	6.2		4.2	44.1
6	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	22.2	22.8	7.4		4.3	43.3

비교예 No.	나노 다층구조 (타겟조성비)	박막 조성(EDX, at%)
비교예 No.	나노 다층구조 (타겟조성비)	Al	Ti	Cr	Si	Nb	N
1	TiAlN(5:5)	27.1	28.9				44
2	AlTiN(67:33)	37.4	19.4				43.2
3	AlCrN(5:5)	26.6		28.9			44.5
4	AlCrN(7:3)	35.8		18.5			45.7
5	AlTiSiN(58:37:5)	34.2	20		2		43.8
6	AlTiCrN(54:38:8)	28.7	19.4	6.7			45.2
7	TiAlNbN(50:40:10)	29.3	18.9			6.2	45.6
8	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)	27.8	10.6	14.3			47.3
9	TiAlN(5:5)/AlCrN(5:5)	30.2	16.6	10.1			43.1
10	AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	31.4	9.2	14.7			44.7
11	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)	29.4	23.5		1.8		45.3
12	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)	25.3	22.6	5.4			46.7
13	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)	25.5	22			6.1	46.4

상기 표 3에서 확인되는 바와 같이, 형성된 절삭공구용 경질피막의 실제 조성은 목표한 조성과 다소 차이는 있으나, 거의 유사한 조성을 나타낸다.

상온경도, 열화경도, 마찰계수 및 크랙길이 평가

상술한 바와 같이 형성한 본 발명의 실시예 1 ~ 6과 비교예 1 ~ 13의 경도를 비교 평가하기 위하여 피셔스코프(모델명 HP100C-XYP; 독일 HELMUT FISCHER GMBH, ISO14577)를 사용하여 미소 경도 시험을 실시하였으며, 경도는 경질피막을 형성한 직후의 상온경도와 900℃에서 30분간 고온 열화 처리를 한 후의 열화경도를 각각 측정하였다.

이러한 미소 경도 시험은 로드 30mN, 언로드 30mN, 로드 시간 10sec, 언로드 시간 10sec, 크립 시간 5sec의 조건으로 실시되었다.

또한, 경질피막의 마찰특성을 평가하기 위하여, CETR UMT-2 micro-tribometer를 사용하여 ball-on-disc 테스트를 통해 슬라이딩 거리(ball(재질 Al₂O₃, 직경 4mm, 경도 HV_50g1600)의 60회 회전)를 측정하였다. 이때 마찰특성 평가는 20 ~ 25℃의 온도에서 상대습도 50 ~ 60%, 회전속도 318rpm(10m/min)의 조건으로 실시되었다.

또한, 경질피막의 인성(내크랙성)을 평가하기 위하여 30kgf 하중의 다이아몬드 압흔을 적용하여 경질피막에 생성된 크랙의 길이를 측정하였다.

이와 같은 본 발명의 실시예 1 ~ 8과 비교예 1 ~ 15에 대한 상온경도, 열화경도, 마찰계수 및 크랙길이의 측정 결과는 하기의 표 5와 표 6에 각각 나타내었다.

실시예 No.	나노 다층구조 (타겟조성비)	상온경도 (GPa)	열화경도 (GPa)	마찰계수 (COF)	크랙길이 (㎛)
1	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	37.6	37.4	0.47	43
2	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	38.3	38	0.39	45
3	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	38.4	36.9	0.46	43
4	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	37.3	36.1	0.35	46
5	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	36.5	35.1	0.36	47
6	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	36.9	35.7	0.32	42

비교예 No.	나노 다층구조 (타겟조성비)	상온경도 (GPa)	열화경도 (GPa)	마찰계수 (COF)	크랙길이 (㎛)
1	TiAlN(5:5)	32.4	24	0.70	64
2	AlTiN(67:33)	35.5	29	0.72	64
3	AlCrN(5:5)	31.1	27	0.32	46
4	AlCrN(7:3)	29.5	25.5	0.31	48
5	AlTiSiN(58:37:5)	35.4	34.7	0.51	58
6	AlTiCrN(54:38:8)	35.2	34.1	0.43	59
7	TiAlNbN(50:40:10)	34.8	31.1	0.41	58
8	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)	35	32.1	0.46	44
9	TiAlN(5:5)/AlCrN(5:5)	34.5	31.4	0.6	43
10	AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	34.7	33.2	0.67	49
11	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)	36.3	35.7	0.4	64
12	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)	35.9	34.7	0.43	53
13	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)	36.9	32.1	0.46	54

상기 표 5와 표 6에서 확인되는 바와 같이, 비교예 1 ~ 7과 같이 본 발명의 실시예에 따른 절삭공구용 경질피막에 사용된 나노 다층 조성 중 어느 하나의 박층을 단일층의 형태로 형성한 경질피막은, 상온경도가 29.5 ~ 35.5Pa 수준으로 본 발명의 실시예 1 ~ 6의 36.5 ~ 38.4GPa 수준에 비해 떨어질 뿐만 아니라, 특히 열화경도가 24 ~ 34.7GPa 수준으로 모두 35GPa 미만으로서 본 발명의 실시예 1 ~ 6의 35.1 ~ 38GPa 수준에 비해 크게 떨어져 고온 열화환경에서 경도의 저하가 매우 큰 것을 확인할 수 있다.

또한, 비교예 1 ~ 7은 마찰계수도 윤활성을 극대화시킬 수 있는 AlCrN만으로 이루어진 비교예 3과 4를 제외하고는 0.41 ~ 0.72 수준으로 본 발명의 실시예 1 ~ 6의 0.32 ~ 0.47 수준에 비해 높은 것을 확인할 수 있었다.

뿐만 아니라, 비교예 1 ~ 7은 크랙길이도 비교예 1 ~ 7은 46 ~ 64㎛인 것이 비해, 본 발명의 실시예 1 ~ 6은 42 ~ 47㎛로서 본 발명의 실시예에 따른 절삭공구용 경질피막의 인성이 우수한 것으로 확인되었다.

이상과 같이 단일층으로 이루어진 비교예 1 ~ 7은 해당 층을 구성하는 조성에 따라 특정한 특성만 우수한 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 윤활성이 우수한 비교예 3과 4는 상온경도와 열화경도가 25.5 ~ 31.1GPa로 매우 낮고, 상온경도와 열화경도가 비교적 우수한 비교예 5 ~ 7은 크랙길이가 모두 60㎛에 육박하여 인성(내크랙성)이 낮은 것을 확인할 수 있다.

한편, 비교예 8 ~ 13과 같이 본 발명의 실시예에 따른 절삭공구용 경질피막에 사용된 나노 다층 조성 중 두 개의 박층을 선택하여 A/B의 교대 적층구조로 형성한 경질피막은, 상온경도가 34.5 ~ 36.9Pa 수준으로 비교예 1 ~ 7보다는 나았으나 본 발명의 실시예 1 ~ 6의 36.5 ~ 38.4GPa 수준에 비해 여전히 떨어질 뿐만 아니라, 열화경도도 31.4 ~ 35.7GPa 수준으로 본 발명의 실시예 1 ~ 6의 35.1 ~ 38GPa 수준에 비해 크게 떨어져 고온 열화환경에서 경도의 저하가 매우 큰 것을 확인할 수 있다.

그리고 비교예 8 ~ 13은 마찰계수가 0.4 ~ 0.67 수준으로 본 발명의 실시예 1 ~ 6의 0.32 ~ 0.47 수준에 비해 높아 본 발명의 실시예 1 ~ 6에 비해 윤활성이 떨어지는 것으로 나타났다.

게다가 크랙길이도 비교예 8 ~ 13은 43 ~ 64㎛ 수준으로 본 발명의 실시예 1 ~ 6의 42 ~ 47㎛에 비해 길어 본 발명의 실시예에 따른 절삭공구용 경질피막의 인성이 우수한 것으로 확인되었다.

이상과 같은 경질피막의 물성에 대한 평가로부터 본 발명의 실시예 1 ~ 6의 경질피막이 비교예 1 ~ 13의 경질피막에 비해, 경도와 윤활성(마찰계수) 및 인성(내크랙성) 등이 고르게 향상되었음을 알 수 있다.

내마모성 평가

본 발명의 실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 13의 경질피막을 특히 내마모성이 요구되는 절삭작업에 사용하였을 때의 절삭성능을 평가하기 위하여, 피삭재: 탄소강(SM45C, 탄소강 밀링가공), 샘플형번 : SPKN1504EDSR(ISO), 절삭 속도: 200m/min, 절삭 이송: 0.3mm/tooth, 절삭 깊이: 2mm의 조건으로 밀링가공 절삭시험을 수행하였으며, 그 결과를 하기 표 7과 표 8에 각각 나타내었다.

실시예 No.	나노 다층구조 (타겟조성비)	절삭수명 (가공거리, m)	수명 종료 원인
1	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	18.2	정상마모
2	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	16.4	정상마모
3	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	17.8	정상마모
4	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	14.8	정상마모
5	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	15	정상마모
6	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	16.8	정상마모

비교예 No.	나노 다층구조 (타겟조성비)	절삭수명 (가공거리, m)	수명 종료 원인
1	TiAlN(5:5)	7.8	파손
2	AlTiN(67:33)	8	치핑
3	AlCrN(5:5)	2.5	과대마모
4	AlCrN(7:3)	2.5	마모
5	AlTiSiN(58:37:5)	10	치핑
6	AlTiCrN(54:38:8)	11	파손
7	TiAlNbN(50:40:10)	8	과대마모
8	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)	10	파손
9	TiAlN(5:5)/AlCrN(5:5)	9.4	치핑
10	AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	9	파손
11	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)	13.4	과대마모
12	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)	12.1	과대마모
13	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)	11.8	과대마모

상기 표 7과 표 8에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 ~ 6은 절삭수명이 15 ~ 18.2m로 모두 15m 이상이며 수명 종료 원인이 정상마모인 반면, 비교예 1 ~ 7과 같이 본 발명의 실시예에 따른 절삭공구용 경질피막에 사용된 나노 다층 조성 중 어느 하나의 박층을 단일층의 형태로 형성하거나, 비교예 8 ~ 13과 같이 본 발명의 실시예에 따른 절삭공구용 경질피막에 사용된 나노 다층 조성 중 두 개의 박층을 선택하여 A/B의 교대 적층구조로 형성한 경질피막은, 모두 정상적인 마모를 통해 수명이 종료되지 않고 파손, 치핑, 마모, 과대마모로 수명이 종료되었고, 절삭수명이 2.5 ~ 13.4m에 불과하여 본 발명의 실시예에 비해 내마모성이 현저히 떨어지는 것을 확인할 수 있다.

따라서 본 발명의 실시예 1 ~ 6의 절삭공구용 경질피막은 우수한 내마모 특성을 가지고 있음이 확인된다.

인성(내충격성) 평가

본 발명의 실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 13의 경질피막을 특히 인성(내충격성)이 요구되는 절삭조건에 사용하였을 때의 절삭성능을 평가하기 위하여, 밀링가공 내충격 절삭성능 평가결과(단속평가)를, 피삭재 : 합금강(SCM440, 합금강 3조 격판 밀링가공), 샘플형번 : SPKN1504EDSR(ISO), 절삭 속도: 200m/min, 절삭 이송: 0.2mm/tooth, 절삭 깊이: 2mm의 조건으로 수행하였으며, 경질피막을 코팅한 인서트의 파손시까지 평가를 진행하였고, 그 결과를 하기 표 9와 표 10에 나타내었다.

실시예 No.	나노 다층구조 (타겟조성비)	절삭수명 (가공거리, m)
1	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	8.7
2	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	8.7
3	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	9.3
4	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	8.6
5	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	7.1
6	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	7.6

비교예 No.	나노 다층구조 (타겟조성비)	절삭수명 (가공거리, m)
1	TiAlN(5:5)	2.9
2	AlTiN(67:33)	2.8
3	AlCrN(5:5)	0.8
4	AlCrN(7:3)	1
5	AlTiSiN(58:37:5)	3.2
6	AlTiCrN(54:38:8)	3
7	TiAlNbN(50:40:10)	1.2
8	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)	3.6
9	TiAlN(5:5)/AlCrN(5:5)	4.3
10	AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	5.4
11	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)	6.5
12	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)	6.7
13	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)	5.3

상기 표 9와 표 10에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 ~ 6은 절삭수명이 7.1 ~ 9.3m로 모두 7m 이상인 반면, 비교예 1 ~ 13은 절삭수명이 0.8 ~ 6.7m로 모두 7m 미만인 것으로 확인되어 본 발명의 실시예에 따른 절삭공구용 경질피막이 우수한 내충격성을 보여준다.

종합 절삭성능 평가

일반적으로 드릴링가공은 밀링가공에 비해, 절삭속도가 느리고 습식조건에서 실시하므로 절삭공구의 윤활성(내용착성)과 내치핑성이 매우 중요하다. 본 발명의 실시예 1 ~ 6 및 비교예 1 ~ 13에 따른 경질피막의 윤활성, 내치핑성, 내마모성, 인성 및 내산화성을 종합적으로 평가하기 위해, 피삭재 : 탄소강(SM45C,탄소강 드릴링가공), 샘플형번 : SPMT07T208/XOMT07T205(인덱서블 드릴 인써트, 20Ф-5D), 절삭 속도 : 150m/min, 절삭 이송: 0.1mm/rev, 절삭 깊이: 90mm(관통)의 조건으로, 드릴링가공 절삭성능 평가를 수행하였으며, 그 결과를 하기 표 11과 표 12에 각각 나타내었다.

실시예 No.	나노 다층구조 (타겟조성비)	절삭수명 (hole: 20Ф-90mm)	수명 종료 원인
1	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	264	과대마모
2	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	234	정상마모
3	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	230	정상마모
4	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	212	정상마모
5	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(7:3)	187	정상마모
6	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)/ AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	177	정상마모

비교예 No.	나노 다층구조 (타겟조성비)	절삭수명 (hole: 20Ф-90mm)	수명 종료 원인
1	TiAlN(5:5)	61	용착/과대마모
2	AlTiN(67:33)	68	용착/치핑
3	AlCrN(5:5)	18	과대마모
4	AlCrN(7:3)	12	과대마모
5	AlTiSiN(58:37:5)	82	치핑
6	AlTiCrN(54:38:8)	76	용착/치핑
7	TiAlNbN(50:40:10)	45	과대마모
8	TiAlN(5:5)/AlCrN(7:3)	107	과대마모
9	TiAlN(5:5)/AlCrN(5:5)	104	치핑
10	AlTiN(67:33)/AlCrN(5:5)	111	용착/치핑
11	TiAlN(5:5)/AlTiSiN(58:37:5)	164	과대마모/치핑
12	TiAlN(5:5)/AlTiCrN(54:38:8)	146	과대마모
13	TiAlN(5:5)/AlTiNbN(40:50:10)	120	과대마모

상기 표 11과 표 12를 살펴보면, 전술된 내마모성, 인성(내충격성) 평가 결과와 유사하게 본 발명의 실시예 1 ~ 6의 경질피막을 형성한 절삭공구의 수명이 비교예 1 ~ 13에 비해 월등히 높은 수준을 나타내었다.

즉, 본 발명의 실시예 1 ~ 6은 실시예 1을 제외하고는 모두 정상마모로 수명이 종료되고 절삭수명이 177 ~ 264인 반면, 비교예 1 ~ 13은 모두 정상적으로 수명이 종료되지 않고 용착, 치핑이나 과대마모로 수명이 종료되고 절삭수명도 12 ~ 164에 불과하여, 종합 절삭성능 평가에서 본 발명의 실시예 1 ~ 6의 경질피막이 매우 우수한 성능을 발휘하였다.

이와 같이, 모재와의 밀착성과 내마모성이 우수한 Ti와 Al의 복합 질화물층(박층A), 내마모성이 우수하면서 고온 환경에서 내산화성이 향상되는 Al, Ti 및 Si, Cr, Nb 중 어느 하나의 복합 질화물층(박층B), 내마모성이 우수한 Al과 Ti의 복합 질화물층(박층C) 및 크랙 전파를 억제하며 윤활성이 우수한 Al과 Cr의 질화물층(박층D)이 박층A-B-C-D 순으로 적층되어 이루어진 나노 다층구조가 내마모성, 윤활성, 인성, 내치핑성, 내산화성 등의 절삭공구용 경질피막에 요구되는 다양한 특성을 고르게 향상시킬 수 있어 난삭재용 절삭공구에 적합하게 사용될 수 있음이 확인되었다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 통상의 기술자에게 있어 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부되어 있는 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims

모재의 표면에 형성되는 경질피막으로서,
상기 경질피막은 박층A, 박층B, 박층C 및 박층D가 박층A-B-C-D 순으로 적층되어 이루어지는 나노 다층구조 또는 이 나노 다층구조가 2회 이상 반복 적층되는 구조로 이루어지되,
상기 박층A는 Ti_xAl₁ _- _xN(0.5≤x≤0.7)으로 이루어지고,
상기 박층B는 Al₁ _-y-zTi_yMe_zN(0.4≤y≤0.7, 0<z≤0.1, Me는 Si, Cr, Nb 중 1종 이상)으로 이루어지며,
상기 박층C는 Al_aTi₁ _- _aN(0.5≤a≤0.7)으로 이루어지고,
상기 박층D는 Al_bCr₁ _- _bN(0.5≤b≤0.7)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 경질피막.
제1항에 있어서,
상기 박층A, 박층B, 박층C 및 박층D는,
평균두께가 각각 3 ~ 50nm로 구비되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 경질피막.
제1항에 있어서,
상기 박층A, 박층B, 박층C 및 박층D는,
평균두께가 각각 20 ~ 40nm로 구비되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 경질피막.
제1항에 있어서,
상기 절삭공구용 경질피막은,
평균두께가 1 ~ 20㎛로 구비되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 경질피막.
제1항에 있어서,
상기 절삭공구용 경질피막은,
900℃에서 30분간 열화 처리된 열화경도가 35GPa 이상인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 경질피막.