KR20140047688A

KR20140047688A - 고성능 공구용 나노층 코팅

Info

Publication number: KR20140047688A
Application number: KR1020147002594A
Authority: KR
Inventors: 미리암 아른트
Original assignee: 오를리콘 트레이딩 아크티엔게젤샤프트, 트뤼프바흐
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2014-04-22
Also published as: ES2763959T3; EP2726648B1; IN2013DN11282A; MX2014000238A; JP6236601B2; EP2726648A1; HUE047421T2; JP2014523968A; CN103764873A; BR112013033654B1; KR101979041B1; US20140147683A1; CA2840536A1; CA2840536C; AR086812A1; RU2014102998A; BR112013033654A2; US9200371B2; MX347702B; WO2013000557A1

Abstract

본 발명은, 기판과 상기 기판에 코팅을 포함하는 코팅된 바디에 관한 것으로, 상기 코팅은 A층들 및 B층들이 교대로 되어있는 나노적층 코팅 구조 (Al_xTi₁ _-x-yW_y)N/(Ti_1-z-uSi_zW_u)N 로 구성된 나노적층 코팅 시스템을 가지며, 각 나노층의 개별 두께는 최대 200 nm이고, 상기 나노적층 코팅 구조는 미세입자 구조를 나타낸다.

Description

고성능 공구용 나노층 코팅 {Nano-layer Coating for High Performance Tools}

본 발명은 나노층으로 이루어진 하드 코팅시스템(hard nano-layered coating system) 또는 나노적층(nanolaminated) 코팅 구조 및 이를 기판 표면에 증착하기 위한 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 나노층으로 이루어진 코팅시스템은 A형의 나노층들 및 B형의 나노층들을 포함하는 코팅시스템에 관한 것으로, 상기 A형의 나노층들은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 및 질소(N)를 포함하며, 상기 B형의 나노층들은 티타늄(Ti), 실리콘(Si) 및 질소(N)를 포함한다. 추가로 본 발명에 따라, 상기 A형의 나노층들 및/또는 B형의 나노층들의 적어도 일부는 바람직하게는 텅스텐(W)을 또한 포함한다.

본 발명에서 나오는 개념들, "나노층으로 이루어진 코팅시스템", "나노적층 코팅 구조", "나노적층 구조" 및 " 나노층으로 이루어진 구조"는 본 발명의 문맥에서 구분되지 않고 사용되며, 동일한 의미를 가진다.

본 발명에 따른 코팅시스템 및 증착 방법은 고성능 초경 드릴의 제조에 특히 적합하며, 이 분야는 종래기술과 비교하여 강철 및 주철 기계 가공과 같은 자동차 적용분야에서 좀더 높은 생산성이 요구되고 있는 곳이다.

절삭공구는, 절삭작업에 있어 보다 나은 효율을 달성하기 위해, 일반적으로 PVD (physical vapor deposition) 및/또는 CVD (chemical vapor deposition) 방법에 의해 코팅된다. 절삭공구용 PVD 및 CVD 코팅은 주로 강화된 내마모성 및 내산화성을 제공하도록 디자인되나, 더 높은 효율을 얻기 위해서는 코팅 특성들의 가장 편리한 조합에 대해 각각 특별한 애플리케이션이 채택되도록 디자인되어야 한다. 이러한 이유로, 많은 유형의 PVD 및 CVD 코팅이 지금까지 개발되고 있다.

미국특허 US5580653에서는, 다음의 공식; (Al_xTi₁ _-x- _ySi_y)(C₁ _- _zN_z) (여기서 0.05≤x≤0.75, 0.01≤y≤0.1, 및 0.6≤z≤1) 을 갖는 조성물로 된 하드 코팅이 제안되어 있다. 본 제안에서, x가 0.05 미만이거나, 또는 y가 0.01 미만일 경우에는 충분한 정도로 내산화 특성의 향상을 실현하는 것이 불가능하다고 명시하였다. 또한 x가 0.75를 초과하거나, 또는 y가 0.1을 초과하는 경우, 코팅의 결정구조가 입방(cubic) 구조에서 육각형(hexagonal) 구조로 변화함에 따라, 그 결과로 경도와 내마모성 특성의 저하를 가져온다고 명시하였다. 코팅의 증착을 위해, PVD 방법, 보다 구체적으로는 아크 방전 이온 도금 공정(arc discharge ion plating processes)이 사용되었으며, 상기에 요구된 코팅 금속 조성물과 동일한 금속 조성물을 가진 합금 타깃들이 재료 소스로 사용되었다.

미국특허 US6586122에서는, 종래의 TiAlN 코팅 필름에 단순히 Si를 첨가함으로써 내 산화성을 잘하면 최고 1.2배까지 향상 가능하다고 언급하였는데, 이는 현재의 고속 절삭 시장에서 요구되는 니즈를 충족시키기에는 부족하다. 또한 미국특허 US6586122에서는, Ti계 하드 코팅에 Si를 첨가함으로써 약간의 내산화성을 향상시킬 수 있다고 설명했으나, 이는 원래의 코팅 필름에 대해 정적(static) 내마모성을 충분히 향상할 수 없으므로, 따라서 충분히 개선된 결과를 얻었다고 볼 수 없다. 추가로, 단순히 실리콘(Si)을 함유한 코팅 필름은, 현저하게 큰 압축 응력에 의거하여, 실리콘을 포함하지 않는 코팅필름보다 더욱 큰 취성을 가지며, 이러한 과도한 압축 응력에 의해 절삭공구의 기판에서 코팅 필름이 빠르게 벗겨지게 된다고 언급하였다.

따라서 미국특허 US6586122의 발명자들은, 충분한 절삭 성능, 특히 우수한 내산화성 및 내마모성을 나타낼 수 있는, 실리콘이 함유된 다층으로 코팅된 절삭공구를 제안하고 있으며, 이 절삭공구는 절삭공구 기판 및 다층 코팅 필름을 포함하고, 상기 다층 코팅 필름은 실리콘을 함유하지 않는, 상기 기판 위에 형성된 제 1 하드 코팅 필름과 실리콘을 함유하는 제 2 하드 코팅 필름으로 구성된다. 상기 제 1 하드 코팅 필름은, 티타늄(Ti), 알루미늄(Al) 및 크롬(Cr)으로 이루어진 족(group)으로부터 선택된 하나 이상의 금속 원소; 및 질소(N), 붕소(B), 탄소(C), 산소(O)로 이루어진 족으로부터 선택된 하나 이상의 비금속 원소;를 포함하는 반면, 상기 제 2 하드 코팅 필름은, 실리콘; 및, 주기율표의 4a족, 5a족 및 6a족으로 이루어진 족(group) 및 알루미늄(Al)으로부터 선택된 하나 이상의 금속 원소; 및, 질소(N), 붕소(B), 탄소(C), 산소(O)로 이루어진 족으로부터 선택된 하나 이상의 비금속 원소;를 포함한다. 절삭공구의 절삭 성능을 충분히 향상시키기 위해, 제 2 하드 코팅 필름은, 상대적으로 높은 실리콘 농도를 갖는 페이즈(phase)와 상대적으로 낮은 실리콘 농도를 갖는 페이즈로 구성된 조성물-분리 다결정 필름 (composition-segregated polycrystalline film) 이어야 한다. 이러한 제 2 하드 코팅 필름은, 높은 실리콘 농도를 갖는, 하드 결정 입자 (바람직하게는 50㎚ 이하의 평균 입자크기를 갖는) 가 상대적으로 적은 양의 실리콘을 함유하는 페이즈에 의해 조성된 매트릭스 내에서 분산되는, 비정질 구조 또는 미세결정 구조를 나타내도록 증착되어야 한다. 또한 이러한 다층 하드 코팅 필름은 상기 제 2 하드 코팅 필름의 특수한 구조로 인해, 절삭공구 기판에 대해 특히, 특별히 작은 압축응력 및 개선된 내마모성을 가질 뿐만 아니라 개선된 접착성능을 나타낸다고 언급하였다. 더욱이, 상이한 함량의 실리콘을 가진 상이한 페이즈로 구성된 이러한 종류의 실리콘 함유 하드 코팅 필름은, 종래의 코팅 방법에 의해서는 코팅이 불가능하고, 코팅 중 이온 에너지의 순차적 변화 또는 주기적 변화를 수반하는 코팅방법, 예컨대, PVD 코팅방법에 의해 코팅 가능하다고 설명되었으며, 상기 PVD 코팅방법에서는, 기판 바이어스 펄스 전압이 인가되면, 코팅 프로세스 중 정전압(positive voltage) 및 부전압(negative voltage) 사이에서 이온 에너지가 순차적으로 또는 주기적으로 변화한다. 이러한 방식으로 이온 확산 거동의 변화를 생성하고 이어서, 실리콘 함유 하드 코팅 필름에서 실리콘 농도의 변화를 생성하는 이온 에너지의 순차적 또는 주기적인 변화가 발생한다. 또한 코팅 온도는, 이온 확산 거동을 제어하고, 따라서 결정 형태의 제어, 특히, 다층 코팅 필름의 제 2 하드 코팅 필름에 있어 높은 실리콘 농도 페이즈를 조성하는, 결정의 입자 크기를 제어하기 위한 중요한 요소임이 언급되었다.

국제특허 WO2010140958는 칩 제거에 의한 기계가공용 절삭공구를 개시하고 있으며, 이 공구는 초경합금(cemented carbide), 서멧(cermet), 세라믹, 입방 붕소 질화물계 물질(cubic boron nitride based material) 또는 고속도강(high speed steel)의 경질 합금으로 된 바디를 포함하고, 상기 바디에는 경질의 내마모 PVD 코팅이 증착되며, 상기 코팅은 A층들과 B층들이 교대로 되어있는 원주형(columnar) 및 다결정질의(polycrystalline) 나노적층 구조로 구성되며, 상기 A 층은 (Ti₁ _- _xAl_xMe1_p)N_a 이고, 여기서 0.3 < x < 0.95, 바람직하게는 0.45 < x < 0.75 이고, 0.90 < a < 1.10, 바람직하게는 0.96 < a < 1.04 이며, 0 ≤ p < 0.15 이고, Me1은 Zr, Y, V, Nb, Mo 및 W 중 하나 이상이며, 상기 B층은 (Ti₁ _-y- _zSi_yMe2_z)N_b 이고, 여기서 0.05 < y < 0.25, 바람직하게는 0.05 < y < 0.18 이고, 0 ≤ z ≤ 0.4, 0.9 < b < 1.1, 바람직하게는 0.96 < b < 1.04 이며, Me2는 Y, V, Nb, Mo, W 및 Al 중 하나 이상이고, 0.5 ~ 20 ㎛ 두께의 나노 적층 구조, 바람직하게는 0.5 ~ 10 ㎛ 두께의 나노적층 구조를 가지며, 평균 칼럼 너비(average column width)는 20 ~ 1000 nm 이고, A층들 및 B층들의 평균적인 개별 두께(average individual thickness)는 1 ~ 50 nm이다.

본 발명의 목적은 고성능 절삭공구를 위한 코팅 시스템, 특히 스틸 및 주철 가공과 같은 자동차 적용분야에 있어, 종래기술과 비교하여 더 높은 생산성을 필요로 하는, 특히 고성능 초경 드릴용 광대역 코팅을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 추가의 목적은, 상기 고성능 코팅 공구를 제조하기 위한, 산업 적합용 코팅 방법의 제공에 있다. 추가적으로, 본 발명에 따른 코팅 방법은 가능한 한 튼튼하고 단순해야 한다.

상술된 목적은 본 발명에 의해 제공되는, 고성능 절삭공구의 효율 증대를 위해 특별히 디자인된, 나노층으로 이루어진 하드 코팅 시스템 및 그 코팅 증착 방법의 제공에 의해 달성된다.

본 발명을 좀 더 설명하기 위해 도 1 내지 도 8이 다음과 같이 설명의 편의를 위해 사용된다.
도 1은 본 발명에 따른 코팅 구조의 개략도이다.
도 2는 절단 테스트 1에 대한 결과이다.
도 3는 절단 테스트 2에 대한 결과이다.
도 4는 절단 테스트 3에 대한 결과이다.
도 5는 본 발명의 코팅을 주사 전자 현미경으로 본 파열 단면도이며, a)는 570℃에서 증착된 나노 적층 구조, b)는 500℃에서 증착된 나노 적층 구조를 도시한다.
도 6은 도 7의 발명된 코팅 3으로 참조되는, 발명된 코팅 3을 포함하는 나노 적층 구조에 있어 잔류응력(σ)의 계산을 위한 측정방법의 실시예를 도시한다.
도 7은 4가지의 상이한 발명된 코팅 1, 2, 3 및 4에 대한 계산된 잔류응력력(σ)을 도시한다.
도 8은 발명된 코팅 1에 대한 팩터인 F_10/ ₉₀의 정의를 보여주는 개략도이다.

본 발명에 따른 나노층으로 이루어진 하드 코팅시스템은, 서로 교대로 증착된 A형 나노층들 및 B형 나노층들을 포함하는 다층 코팅 시스템에 관한 것이다. A형 나노층들은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 및 질소(N)를 포함하며, B형 나노층들은 티타늄(Ti), 실리콘(Si) 및 질소(N)를 포함한다. 바람직하게는 A형 나노층들의 적어도 일부 및/또는 B형 나노층들의 적어도 일부는 텅스텐(W)을 추가적으로 포함한다.

본 발명에 따른 나노층으로 이루어진 하드 코팅시스템에 포함된 A 또는 B형의 각 나노층의 개별 층의 최대 두께는 기본적으로 200nm 미만이다.

본 발명 내에서, 나노-이중층 주기(nano-bilayer period)는, 하나씩 반복적으로 (적어도 두 번) 증착되는, 하나의 A형 나노층 및 하나의 B형 나노층으로 각각 구성된 두개의 나노층들의 두께의 합으로 정의된다.

그러나 상기 언급된 코팅 시스템들의 나노-이중층 주기는 약 300nm 또는 그 이상이고, 현저히 낮은 절삭 성능을 나타내는 것으로 알려져 있다.

따라서, 본 발명에 따른 나노층으로 이루어진 하드 코팅 시스템의 바람직한 실시 예는 기본적으로 나노-이중층 주기가 300 nm 미만인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 나노층으로 이루어진 하드 코팅 시스템의 바람직한 실시예는 다음 공식에 따른 성분 조성을 갖는 A형 및 B형의 나노층들을 포함한다:

- A 나노층: (Al_xTi₁ _-x- _yW_y)N, 여기서 x와 y는 at.%에서 0.50 ≤ x ≤ 0.65 및 0 ≤ y ≤ 0.10

- B 나노층: (Ti₁ _-z- _uSi_zW_u)N, 여기서 z와 u는 at.%에서 0.05 ≤ z ≤ 0.30 및 0 ≤ u ≤ 0.10

또한, 본 발명에 따른 나노층으로 이루어진 하드 코팅 시스템의 바람직한 실시예는, 적어도 4개의 또는 바람직하게는 적어도 10개의 개별 나노층들로 구성되며, 상기 4개의 나노층들은 적어도 두개의 A형 나노층들 및 두개의 B형 나노층들로 구성되고, 상기 10개의 나노층들은 적어도 5개의 A형 나노층들 및 5개의 B형 나노층들로 구성되며, 상기 A형 나노층들 및 B형 나노층들은 교대로 증착되는데, 즉, 하나의 B형 나노층 위에 하나의 A형 나노층이 증착되거나 및/또는 하나의 A형 나노층 위에 하나의 B형 나노층이 증착된다.

본 발명에 따른 나노층으로 이루어진 하드 코팅 시스템은 도 1과 같다. 도 1에서 나노층으로 이루어진 하드 코팅 시스템은, 각각 A₁, A₂, A₃, ... A_n까지 n개의 층들로 구성된 A형 나노층과, 각각 B₁, B₂, B₃, ... B_n까지 n개의 층들로 구성된 B형 나노층을 포함하며, A형 나노층들의 두께는 각각 dA₁, dA₂, dA₃, ... dA_n까지 dA로 표시되고, B형 나노층들의 두께는 각각 dB₁, dB₂, dB₃, ... dB_n까지 dB로 표시된다. 본 발명에 따라, A형 나노층들의 수는 바람직하게는 B형 나노층들의 수와 균등하거나 같다: n = m 또는 적어도 n

m

본 발명에 따른 나노층으로 이루어진 하드 코팅 시스템의 다른 바람직한 실시예에서, A형 나노층들의 두께와 B형 나노층들의 두께는 거의 같다: dA

dB, 각각 dA_n

dB_m 및 dA₁ = dA₂ = dA₃ = ... dA_n 및 dB₁ = dB₂ = dB₃ = ... dB_m

특히, 본 발명에 따라 증착된 코팅에서, B형 층들의 두께가 A형 층들의 두께보다 클 때, 매우 양호한 절삭 성능이 관찰되었다. 따라서 본 발명에 따른 나노층으로 이루어진 하드 코팅 시스템의 추가의 바람직한 실시예에서, A형 나노층들의 두께는 B형 나노층들의 두께보다 작다: dA ＜ dB 또는 바람직하게는 dA ≪ dB, 각각 dA_n ＜ dB_m 또는 바람직하게는 dA_n ≪ dB_m 및 dA₁ = dA₂ = dA₃ = ... dA_n 및 dB₁ = dB₂ = dB₃ = ... dB_m

본 발명에 따른 나노층으로 이루어진 하드 코팅 시스템의 또 하나의 바람직한 실시예에서, A형 나노층들의 두께는 B형 나노층들의 두께보다 작거나 같으며, 개별 A형 나노층들의 두께와 개별 B형 나노층들의 두께는 전체 코팅 두께에 따라 달라진다: dA ≤ dB, 각각 dA_n ≤ dB_m 이고,

a) dA₁ ≥ dA₂ ≥ dA₃ ≥ ... dA_n 및 dB₁ ≥ dB₂ ≥ dB₃ ≥ ... dB_m, 또는

b) dA₁ ≤ dA₂ ≤ dA₃ ≤ ... dA_n 및 dB₁ ≤ dB₂ ≤ dB₃ ≤ ... dB_m, 또는

c) 전체 코팅 두께의 적어도 일부는, a)에 따라 증착된 A형 나노층들 및 B형 나노층들을 포함하며, 전체 코팅 두께의 적어도 일부는, b)에 따라 증착된 A형 나노층들 및 B형 나노층들을 포함한다.

도 1과 같이, 본 발명에 따른 나노층으로 이루어진 하드 코팅 시스템의 구조는 기판(1)과 A형 나노층들 및 B형 나노층들이 교대로 되어있는 하드 나노층 코팅 시스템 사이에 추가로 중간층(interlayer)(2)을 포함할 수 있다. 중간층(2)의 두께와 조성은, 예컨대 나노층으로 이루어진 하드 코팅시스템의 구조에 영향을 주고 코팅 내의 스트레스를 감소시킬 수 있도록 선정되어야 한다. 또한, 상층(top layer)(3)은 도 1에 도시된 바와 같이, A형 나노층들 및 B형 나노층들이 교대로 되어있는 나노층 코팅 시스템의 마지막 층 위에 증착될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 기판(1)과 나노층으로 이루어진 하드 코팅 시스템 사이에 AlTiN 또는 AlTiWN으로 구성된 중간층(2)이 증착되며, 알루미늄(Al) 및 티타늄(Ti) 또는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 및 텅스텐(W)의 농도비율은 상기 하드 나노층 코팅 시스템을 형성하고 있는 A형 나노층 내의 농도비율과 같게 한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 상층(3)은 특수한 표면 색을 제공하도록 하기 위해, A형 나노층들 및 B형 나노층들이 교대로 되어있는 나노층 코팅 시스템의 마지막 층 위에 증착될 수 있다.

상기 중간층(2)과 상층(3)은 가능한 한 얇게 증착되어야 한다.

본 발명에 따른 (Al_xTi₁ _-x- _yW_y)N/(Ti₁ _-z- _uSi_zW_u)N 코팅이, PVD 기술을 활용하여 고성능 초경 드릴에 증착되었다. 더 정확히는, 상기 코팅은 올리콘발저스社의 이노바 코팅머신(Innova coating machine)에서 아크 이온 플레이팅 증착 방법에 의해 증착되었다. 본 발명에 따른 코팅의 증착을 위한 특별히 적합한 코팅 파라메타들은 다음과 같다:

- N₂ 압력 : 4 ~ 7 Pa

- DC 기판 바이어스 전압 : -20 ~ -60 V

- 온도 : 450 ~ 700 ℃

- 아크 전류는, 타깃 재료의 증발을 위한 용도로 사용되는 아크 증발기(arc-evaporator)의 종류 및 요구되는 나노층들의 두께를 고려하여 각각의 실험마다 고정되었음.

본 발명의 다른 중요한 양태에서, 코팅 증착에 어떠한 아크 증발기가 사용되는가가 심각한 영향을 미친다.

본 발명에 따라 상이한 종류의 아크 증발기들을 사용한 상이한 종류의 코팅이 증착되었다. 특허문헌 국제특허 WO2010088947 및 미국특허 US61/357272에 언급된 종류의 아크 증발기들이 본 발명에 따른 코팅의 증착에 특별히 매우 적합한 것으로 나타났다. 이러한 종류의 아크 증발기들을 사용하여, 육각형(hexagonal) 페이즈 함량이 낮고, 너무 높지 않은 잔류 압축 응력 및 바람직한 구조를 나타내는 코팅을 얻을 수 있었고, 이에 따라 특별히 양호한 코팅 특성 및 최고의 절삭 성능을 얻을 수 있었다.

상기 언급된 아크 증발기들을 사용하여, 높은 강성, 높은 내 산화성 및 낮은 고유 압축 응력의 우수한 조합을 나타내고, 특히 드릴 작업에 있어 뛰어난 절삭 성능을 야기하는 본 발명에 따른 코팅의 증착이 가능하였다.

본 발명에 따른 코팅은 또한, 도 2, 3 및 4에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 코팅과 비교하여 절삭 테스트에서 월등한 성능을 나타내었다.

상기 언급된 아크 증발기들과 아크 증발 소스들은 본 발명에 따른 코팅의 증착에 결정적인 영향을 미친다. 각각의 경우, 아크 증발 소스와 작동 모드의 설정은 코팅 특성에 영향을 주었다. 특히, 비주상 구조(non-columnar structure), 즉 미세입자 구조(fine-grained structure)를 얻는 방식으로, 주상 구조 대신 미세입자 구조로 전환함으로써, 나노적층 코팅의 미세구조에 영향을 주는 것이 가능하였다. 본 발명에 따라 증착된 나노 적층 필름에서의 이러한 미세입자 구조의 형성은, 도 5에서 명확히 관찰 가능하다. 도 5는 본 발명에 따라 증착된 2개의 코팅에 대한 파열 단면 주사 현미경 사진을 도시하고 있으며, A층들과 B층들이 교대로 되어있는 나노 적층 구조(5)를 포함하며, 상기 A층은 AlTiN 층들이고 B층은 TiSiN 나노층들로서, 약 50nm 또는 그 미만의 이중층 주기(bilayer period)(적어도 두번, 하나 위에 하나가 교대로 증착된, 즉 적어도 A/B/A/B 또는 B/A/B/A 구조를 형성하는 구조에 있어, A층 하나와 B층 하나의 두께의 합)를 가진다. 도 5a 및 도 5b 에 도시된 나노적층 구조는, 코팅시 각각 약 570℃ 및 500℃의 기판 온도를 유지하여 증착되었다. 두 나노적층 구조들은 상이한 입자 크기를 가진 미세입자 구조를 나타낸다.

본 발명에 따라 생산된 미세입자 구조를 나타내는 나노적층 구조는 주상 구조를 나타내는 동일한 코팅보다 균열 전파의 방지에 있어 특히 유리하다. 이는 나노적층 구조에서의 입자 경계 또는 결정 경계의 분포 차이에 기인할 수 있다. 주상 조직에서의 결정은, 코팅 두께에 걸쳐 기판으로 연장되는 결과적으로 긴 결정 경계를 갖고, 기판 방향으로 코팅 두께를 따라 전개되는 균열을 촉진하여 이에 따라 결과적으로 보다 빠른 코팅 박리(coating delamination) 또는 코팅 실패를 야기하는 병렬 칼럼들(columns) 만큼 성장한다. 주상 구조와는 대조적으로, 본 발명에 따라 생산된 미세입자 구조는 미세입자들로 구성되는데, 미세입자들의 결정 경계 또는 입자 경계는 코팅 두께에 걸쳐 기판까지 연장되지 않으므로 결과적으로 기판 방향으로 코팅 두께를 따라 전개되는 균열을 막을 수 있다.

아마도 상기에 설명된 이유로 인하여, 본 발명에 따라 형성된 나노적층 구조에 나타난 미세입자 구조는 주상 구조보다, 드릴 및 밀링 작업시 수명, 피로 저항, 크레이터 마모 저항, 파괴 인성 및 내 산화성과 관련하여 특별히 더 양호한 절삭 성능을 보인다.

본 발명에 따라 증착된 본 발명에 따른 코팅들을 포함하는, A 및 B 나노층들이 교대로 증착된 나노적층 구조의 평균 잔류응력(σ)의 측정값들이 도 7에 도시되어 있다. 상기 응력들은 sin²ψ 방법을 사용하여 XRD 측정에 의해 평가되었다. 상기 측정은 약 43 °2θ에서 200 피크(peak)의 CuKα-방사선을 사용하여 수행되었다. 본 발명에 따라 증착된 나노적층 코팅 구조의 잔류 응력 계산에 사용되는 방법이, 본 발명에 따른 코팅 3의 실시예를 사용하여 도 6에 예시로 도시되어 있다. 본 발명에 따른 코팅 3은 AlTiN 및 TiSiN 나노층들이 교대로 되어있는 나노적층 구조를 포함하며, 전체적인 나노적층 구조는 에너지분산형 X선 분광법으로 측정시 20.3%의 티타늄(Ti), 14.18%의 알루미늄(Al), 2.15%의 규소(Si) 및 55.37%의 질소(N)로 구성된 원자 % 평균 조성을 갖는다. 이중층 주기(bilayer period)는 50nm 미만이었다. 본 발명에 따른 코팅 3은 TiAlN 층들의 증착을 위해, 60%의 Al/40%의 Ti로 구성된 원자% 조성을 갖는 분말 금속 복합 TiAl 타깃들 및, TiSiN 층들의 증착을 위해 85%의 Ti/15%의 Si로 구성된 원자% 조성을 갖는 용융 금속 복합 TiSi 타깃들을 사용하여, PVD 기술로 증착되었다.

본 발명에 따른 코팅의 바람직한 실시 예에서, A 및 B 나노층들이 교대로 되어있는 나노적층 구조는 2 ~ 5 GPa, 바람직하게는 2.5 ~ 4 GPa, 더욱 바람직하게는 2.8 ~ 4 GPa의 평균 잔류 응력(σ)을 나타낸다. 이러한 권장 잔류응력 값들은 드릴 및 밀링 작업시 특별히 유용할 수 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시 예에서, 나노적층 (Al_xTi₁ _-x- _yW_y)N/(Ti₁ _-z-uSi_zW_u)N (여기서 y = u = 0)는, 각각 (Al_xTi₁ _-x)N 나노층들의 증착을 위해 분말 금속 기술로 만들어진 AlTi 타깃들 및, (Ti₁ _- _zSi_z)N 나노층들의 증착을 위해 용융 금속 기술로 만들어진 TiSi 타깃들을 재료 소스로 사용하여, 아크 PVD 기술로 증착된다.

본 발명의 추가의 바람직한 실시 예에서, 나노적층 (Al_xTi₁ _-x- _yW_y)N/(Ti₁ _-z-uSi_zW_u)N (여기서 y = u = 0)는, 각각 (Al_xTi₁ _-x)N 나노층들의 증착을 위해 분말 금속 기술로 만들어진 AlTi 타깃들 및, (Ti₁ _- _zSi_z)N 나노층들의 증착을 위해 또한 분말 금속 기술로 만들어진 TiSi 타깃들을 재료 소스로 사용하여, 아크 PVD 기술로 증착된다.

본 발명에 따른 코팅 증착의 실시예 1:

약 5 ~ 30 nm의 이중층 주기를 갖는 AlTiN/TiSiN 코팅이 다음의 코팅 조건에 따라 올리콘발저스社의 코팅머신에서 직경 8.5 mm의 고성능 초경 드릴에 증착되었다:

- N2 압력: 6 Pa

- 기판 바이어스 전압: -40 V (DC)

- 온도: 570℃

- AlTiN 및 TiSiN 나노층의 증착을 위해 각각 Al₀ _.6Ti₀ _.4 및 Ti₀ _.85Si₀ _. ₁₅ 의 원소 조성을 갖는 타깃들이 사용되었다. 재료 소스 타깃들은 국제 특허 문헌 WO2010088947의 도 15에서 도시된 크라스니트져(Krassnitzer)에 의해 제안된 형태의 아크 증발기들을 사용하여 증발시켰다. 코팅 증착을 위해 아크 증발기들은, 내부(중앙) 영구자석은 타깃과 비교하여 뒷쪽(후면)에 위치시켰고, 외부 영구자석들의 경우 타깃에 대해 8 mm의 거리를 두고 위치시키도록 조정되었다. 아크 증발기들은 -0.3 A의 코일 전류 및 140 A의 아크 전류로 설정되어 작동되었다. 코팅된 절삭공구들은 표면 품질을 개선하기 위해 상이한 기계적 방법을 사용하여 코팅 후 후처리 되었다.

실시예 1에 따라 코팅된 후처리 초경 드릴들은 절삭 테스트 1 및 3에 따라 테스트되었으며, 모든 절삭 테스트에서 인상적으로 월등한 절삭 성능을 나타냈고(도 2 및 도 4를 참조), 거의 50%의 작동시간이 증가하였다. 절삭 테스트에서의 결과들은 후처리 기술에 의해 기본적으로 수정되지 않았다.

도 2는 절삭 테스트 1에 의해 얻어진 결과들을 도시하며, 이 결과들은 다음의 절삭 파라메터들로 직경 8.5 mm의 코팅된 초경 드릴에 수행되었다:

- 절삭 속도 v_c: 180 m/min

- 피드(feed) f: 0.252 mm/rev

- 홀들을 통해, ap: 40 mm

- 가공물 재질: 1.7225 (42CrMo4) (Rm = 900 MPa)

도 4는 절삭 테스트 3에 의해 얻어진 결과들을 도시하며, 이 결과들은 다음의 절삭 파라메터들로 직경 8.5 mm의 코팅된 초경 드릴에 수행되었다:

- 절삭 속도 v_c: 100 m/min

- 피드(feed) f: 0.22 mm/rev

- 홀들을 통해, ap: 40 mm

- 가공물 재질: EN-GJS-600-3 (구상흑연 주철)

본 발명에 따른 코팅 증착의 실시예 2:

약 8 ~ 15 nm의 이중층 주기를 갖는 AlTiN/TiSiN 코팅이 다음의 코팅 조건에 따라 올리콘발저스社의 이노바 코팅머신에서 직경 8.5 mm의 고성능 초경 드릴에 증착되었다:

- N2 압력: 5 Pa

- 기판 바이어스 전압: -30 V (DC)

- 온도: 570℃

- AlTiN 및 TiSiN 나노층의 증착을 위해 Al₀ _.6Ti₀ _.4 및 Ti₀ _.75Si₀ _. ₂₅ 의 원소 조성을 갖는 타깃들이 각각 사용되었다. 재료 소스 타깃들은 실시예 1에 설명된 것과 동일한 형태의 아크 증발기들을 사용하여 증발시켰다. 마그넷 시스템의 조정을 위해, 내부 영구자석은 타깃들과 비교하여 역시 후면에 위치시킨 반면, 외부 영구자석들의 경우 TiAl 및 TiSi 타깃들로부터 각각 8 mm 및 10 mm의 거리를 두고 위치시켰다. TiAl 및 TiSi 타깃들의 증발을 위해 상기 아크 증발기들은 각각 -0.3 A 및 -0.5 A의 코일 전류와 140 A 및 160 A의 아크 전류로 설정되어 작동되었다.

본 발명에 따른 코팅 증착의 실시예 3:

- N2 압력: 6 Pa

- 기판 바이어스 전압: -50 V (DC)

- 온도: 500℃

- AlTiN 및 TiSiN 나노층의 증착을 위해 Al₀ _.6Ti₀ _.4 및 Ti₀ _.80Si₀ _. ₂₀ 의 원소 조성을 갖는 타깃들이 각각 사용되었다. 재료 소스 타깃들은 실시예 1 및 실시예 2에 사용된 것과 동일한 형태의 아크 증발기들을 사용하여 증발시켰다. 아크 증발기들은 실시예 1에 사용된 것과 동일한 파라메터들로 작동되었다.

실시예 2 및 실시예 3에 따라 증착된 코팅들은 또한, 절삭 테스트 1 및 3에 설명된 것과 동일한 절삭 테스트에서 매우 양호한 절삭 성능을 보여주었다.

본 발명에 따른 코팅 증착의 실시예 4:

약 5 ~ 30 nm의 이중층 주기를 갖는 본 발명에 따른 AlTiN/TiSiN 코팅이 직경 8.5 mm의 고성능 초경 드릴에 증착되었다. TiAl 및 TiSi 타깃들의 증발을 위해, 미국특허 61/357272에 설명된 형태의 아크 증발기들이 사용되었다. 이러한 형태의 아크 증발기들은 캐소드(타깃), 애노드 및 자력발생수단들(magnetic means)을 포함하며, 상기 자기발생수단들은 자기장의 흐름을 애노드로 유도하는 역할을 하고 캐소드의 바로 근방에 배치된다. TiAl 및 TiSi 타깃들의 증발을 위해 상기 아크 증발기들은 각각 1.0 A 및 1.2 A의 코일 전류와 200 A 및 180 A의 아크 전류로 설정되어 작동되었다.

실시예 4에 따라 코팅된 초경 드릴들은 역시 후처리 되었으며, 이에 대한 절삭 성능은 절삭 테스트 2에 의해 평가되었다. 절삭 테스트 2의 결과들은 도 3에 도시되어 있다.

도 3은 절삭 테스트 2에 의해 얻어진 결과들을 도시하며, 이 결과들은 다음의 절삭 파라메터들로 직경 8.5 mm의 코팅된 초경 드릴에 수행되었다:

- 절삭 속도 v_c: 80 m/min

- 피드(feed) f: 0.284 mm/rev

- 홀들을 통해, ap: 40 mm

- 가공물 재질: 1.7225 (42CrMo4) (Rm = 900 MPa)

본 발명에 따른 코팅 증착의 실시예 5:

약 30, 50, 75, 100, 150, 180, 200, 250 및 300 nm의 이중층 주기를 갖는 본 발명에 따른 AlTiN/TiSiN 코팅이, 실시예 4에 사용된 것과 동일한 형태의 아크 증발기들을 사용하여 직경 8.5 mm의 고성능 초경 드릴에, 상이한 일괄처리(batches)로 증착되었다. TiSi 및 AlTi 타깃들로부터 재료를 증발시키기 위해, 각각 160 ~ 200 A 및 180 ~ 200 A의 범위의 아크 전류로 설정되었다. 코일 전류 또한 대응 조정되었다.

일반적으로, 약 300 nm의 나노 이중층 주기를 갖는 코팅은 뚜렷하게 좋지 않은 절삭 성능을 나타낸 반면에, 100 nm 미만의 나노 이중층 주기를 갖는 코팅은 특별히 최상의 절삭 성능을 나타냈다. 실시예 4에 따라 코팅된 직경 8.5 mm의 고성능 초경 드릴의 절삭 테스트 결과는 실시예 1 내지 3에 따라 코팅된 초경 드릴의 절삭 테스트에서 얻은 결과에 필적할 만큼 좋았다.

상기 언급된 아크 증발기들을 사용하여, 약 36 ~ 46 GPa의 코팅 경도 값(coatings hardness values) 및 약 400 ~ 470 GPa의 영률 값(Young's modulus values)을 나타내는, 본 발명에 따른 코팅의 증착이 가능하였다. 상기 코팅 경도 값 및 영률 값은 나노 압입기법(nanoindentation techniques)을 사용하여 측정되었다.

또한 본 발명에 따라 증착된 코팅은, X-선 검사에 의해 결정된 200/100 ≥ 10 의 텍스처 강도(texture intensity)를 나타낸다.

피크 폭 비율 PW_I _{_10/90}은 다음의 식을 사용하여 계산하였다:

PW_I _{_10%} / PW_I _{_90%},

여기서 PW_I _{_10%} 및 PW_I _{_90%} 는 각각 10% 및 90%의 최대 피크 강도(maximum peak intensity)에서 피크 200의 전폭(full width)이다. 피크 200은 CuKα 방사선을 가진 X선 회절을 사용하여 2θ축, 약 43 °에서 측정한다. 회절선(diffraction line)은 CuKα₂ 방사선, 회절 통계(부드럽게) 및 백그라운드(background)로부터의 기여부분에 대해 수정되었다. 상기 발명된 코팅 1에 포함된 A층 및 B층들이 교대로 되어있는 나노적층 구조에서 측정되어 얻은 피크 200이 도 8에 예시적으로 도시되어 있다.

본 발명에 따라 증착된 A층 및 B층들이 교대로 되어있는 나노적층 코팅 구조 (Al_xTi₁ _-x- _yW_y)N/(Ti₁ _-z- _uSi_zW_u)N 의 특정 PW_I _{_10/90} 값이 표 1에 나와 있다:

발명된 코팅 1, 2, 3 및 4에 포함된, 본 발명에 따라 증착된 A층 및 B층들이 교대로 되어있는 나노적층 코팅 구조 (Al_xTi₁ _-x- _yW_y)N/(Ti₁ _-z- _uSi_zW_u)N 를 위해 측정된 PW_I _{_10/90}.

구분	PW_I _{_10/90}
발명된 코팅 1	6.5
발명된 코팅 2	6.2
발명된 코팅 3	7.1
발명된 코팅 4	6.8

본 발명의 또 다른 바람직한 실시 예에서, 상기 나노적층 구조 (Al_xTi₁ _-x-yW_y)N/(Ti_1-z-uSi_zW_u)N 는, 상기 언급된 방법에 따라 CuKα 방사선을 가진 X선 회절을 사용하여 2θ축, 약 43 °, 피크 200에서 측정시 피크 폭 비율 PW_I _{_10/90} 은 7.5 미만이거나, 바람직하게는 7 미만의 특징을 나타낸다.

본 발명은 경질의 내마모성 PVD코팅이 증착된 바디(1)를 포함하는 코팅된 바디, 바람직하게는 코팅된 도구를 개시하고 있으며, 상기 코팅은 A₁, A₂, A₃,... A_n 및 B₁, B₂, B₃,... B_m 으로 각각 A층 및 B층들이 교대로 되어있는 나노적층 코팅 구조(5)를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 A층은 (Al_xTi₁ _-x- _yW_y)N, 0.50 ≤ x ≤ 0.65 및 0 ≤ y ≤ 0.10 이고, 여기서 x, 1-x-y 및 y로 주어진 계수는 각각 알루미늄, 티타늄 및 텅스텐의 원자 농도에 각각 해당하며, 상기 A층에 대한 원소 정량화만을 고려하고, 상기 B층은 (Ti₁ _-z- _uSi_zW_u)N, 0.05 ≤ z ≤ 0.30 및 0 ≤ u ≤ 0.10 이고, 여기서 1-z-u, z 및 u로 주어진 계수는 각각 티타늄, 실리콘 및 텅스텐의 원자 농도에 각각 해당하며, 상기 B층에 대한 원소 정량화만을 고려하고, 나노적층 구조의 두께는 0.01 ~ 30 ㎛, 바람직하게는 1 ~ 15 ㎛이며, A층 및 B층들의 평균 개별 두께는 각각 1 ~ 200 nm, 바람직하게는 1 ~ 50 nm, 더 바람직하게는 1 ~ 30 nm이고, 상기 A층 및 B층들이 교대로 되어있는 나노적층 구조는 미세입자 구조(fine-grained structure)를 나타내는 것을 특징으로 한다.

보다 바람직하게는, 상기 코팅된 바디는 초경합금(cemented carbide), 서멧(cermet), 세라믹, 입방 붕소 질화물계 물질(cubic boron nitride based material) 또는 고속도강(high speed steel)의 경질 합금으로 된 바디를 포함하는 절삭공구이다.

바람직하게는, 상기 A층 및 B층들이 교대로 되어있는 나노적층 구조에 포함되는, dA₁, dA₂, dA₃... dA_n로 표현되는 A층들(A₁, A₂, A₃,... A_n)의 두께는 dB₁, dB₂, dB₃... dB_m로 표현되는 B층들(B₁, B₂, B₃,... B_m)의 두께보다 적거나 같으며, 바람직하게는, A층들의 두께는 B층들의 두께의 ¾보다 작거나 같다: dA₁ ≤ ¾ dB₁ , dA₂ ≤ ¾ dB₂, dA₃ ≤ ¾ dB₃, dA_n ≤ ¾ dB_m.

바람직하게는, 나노적층 구조의 전체 두께 중 적어도 일부에서,

- A층들의 두께 및/또는 B층들의 두께는, dA₁ = dA₂ = dA₃... = dA_n 및/또는 dB₁ = dB₂ = dB₃... = dB_m이 되도록 일정하게 유지하고,

및/또는

- A층들의 두께 및/또는 B층들의 두께는, dA₁ ≥ dA₂ ≥ dA₃... ≥ dA_n 및/또는 dB₁ ≥ dB₂ ≥ dB₃... ≥ dB_m이 되도록 증가하고,

및/또는

- A층들의 두께 및/또는 B층들의 두께는, dA₁ ≤ dA₂ ≤ dA₃... ≤ dA_n 및/또는 dB₁ ≤ dB₂ ≤ dB₃... ≤dB_m이 되도록 감소한다.

바람직하게는, 상기 언급된 코팅된 바디의 코팅을 포함하는 나노적층 코팅 구조에서,

- 나노-이중층 주기를 형성하는, 하나 위에 다른 하나가 서로 교대로 증착된, A형 나노층 및 B형 나노층의 두께의 합은 300 nm 미만, 바람직하게는 100 nm 미만, 더욱 바람직하게는 5 ~ 50 nm 이고, 및

- 상기 나노적층 코팅 구조는, A₁/B₁/A₂/B₂ 또는 B₁/A₁/B₂/A₂의 다중층 구조를 형성하는, 하나 위에 다른 하나가 서로 교대로 증착된, 적어도 총 4개의 개별 A 및 B 나노층들을 포함하며, 바람직하게는 A₁/B₁/A₂/B₂/A₃/B₃/A₄/B₄/A₅/B₅ 또는 B₁/A₁/B₂/A₂/B₃/A₃/B₄/A₄/B₅/A₅의 다중층 구조를 형성하는 적어도 총 10개의 개별 A 및 B 나노층들을 포함한다.

- 상기 나노적층 구조는, 입자의 최대 크기가 나노적층 코팅 구조 전체 두께의 1/3인 입자들로 구성된 미세입자 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

- 상기 나노적층 구조는, 최대 1000 nm의 평균 크기, 바람직하게는 10 ~ 800 nm, 더욱 바람직하게는 10 ~ 400 nm의 평균 크기를 갖는 입자들로 구성된 미세입자 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라, 상기 언급된 코팅된 바디의 코팅을 포함하는 나노적층 코팅 구조는, 입자들이 모든 방향에서 거의 동일한 치수를 갖는 등축 구조(equiaxed structure)일 수 있거나 등축 구조를 포함할 수 있다.

본 발명에 따라, 상기 언급된 코팅된 바디의 코팅을 포함하는 나노적층 코팅 구조는, 2.5 ~ 5 GPa, 바람직하게는 3 ~ 4 GPa의 평균잔류응력(σ)을 가질 수 있다.

본 발명에 따라, 상기 언급된 코팅된 바디의 코팅을 포함하는 나노적층 코팅 구조는, 7.5 미만, 바람직하게는 7 미만의 피크 폭 비율 (PW_I _{_10/90})을 가질 수 있고, 여기서:

- PW_I _{_10/90} = PW_I _{_10%} / PW_I _{_90%},

- PW_I _{_10%} 및 PW_I _{_90%}는, 각각 10% 및 90%의 최대 피크 강도(maximum peak intensity)에서 피크 200의 전폭(full width)이다.

- 피크 200은, CuKα 방사선을 가진 X선 회절을 사용하여 2θ축, 약 43 °에서 측정한다. 회절선(diffraction line)은 CuKα₂ 방사선, 회절 통계(부드럽게) 및 백그라운드(background)로부터의 기여부분에 대해 수정되었다.

본 발명에 따른 코팅의 바람직한 실시예에서, 상기 코팅은:

- 기판(1)과 나노적층 코팅 필름(5) 사이에 증착된 적어도 하나의 중간층(interlayer)(2)을 포함하고,

및/또는

- 나노적층 코팅 필름(5)의 최외곽 나노층에 증착된 적어도 하나의 최상층(top layer)(3)을 포함한다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 코팅된 바디는 드릴 공구 또는 밀링 공구이다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 코팅된 바디는 드릴 작업 또는 밀링 작업, 더욱 바람직하게는 스틸, 스테인레스 스틸 또는 주철의 드릴 작업 또는 경화 스틸 또는 스테인레스 스틸의 밀링 작업에 사용된다.

본 발명에 따른 코팅된 바디의 제조를 위한 바람직한 방법은, 기판 표면에 나노적층 코팅 필름의 증착을 위해 적어도 하나의 아크 증발 소스(arc vaporization source)를 사용하는 것을 특징으로 하는 아크 PVD 방법이며, 상기 적어도 하나의 아크 증발 소스는, 타깃 표면 상 및 위에 자기장을 형성하기 위해 타깃에 제공되는 자기장 장치(magnetic field arrangement)를 포함하고, 상기 자기장 장치는, 주변 영구자석들(marginal permanent magnets) 및, 타깃 뒤쪽에 배치된 적어도 하나의 링 코일(ring coil)을 포함하며, 권선(windings)에 의해 규정되는 상기 적어도 하나의 링 코일의 내경(inner diameter)은 타깃의 직경보다 작거나 또는 같으며, 어떠한 경우라도 타깃의 직경보다 많이 크지 않으며, 상기 주변 영구자석들은 기본적으로 타깃으로부터 타깃 표면과 직각으로 떨어져 위치할 수 있고, 상기 주변 영구자석들의 타깃 표면상의 돌출은 상기 링 코일의 타깃 표면상의 돌출과 비교하여 타깃 표면의 중간으로부터 더 멀리 떨어져 있으며, 내부 또는 내측, 중심 영구자석은 타깃의 후방 뒤쪽으로 떨어져 위치하고, 외부 또는 외측, 외부 영구자석은 타깃에 대하여 수 mm, 바람직하게는 6 ~ 10 mm, 더욱 바람직하게는 약 8 mm의 거리를 두고 위치한다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 나노적층 코팅 구조의 증착을 위해, 이러한 방법의 사용에 의해 부의 코일전류가 인가되며, 상기 인가된 코일전류의 바람직한 전류 값은 -0.1 ~ -1 A이다.

본 발명에 따른 코팅된 바디의 제조를 위한 추가의 바람직한 방법은, 기판 표면에 나노적층 코팅 필름의 증착을 위해 적어도 하나의 아크 증발 소스(arc vaporization source)를 사용하는 것을 특징으로 하는 아크 PVD 방법이며, 상기 적어도 하나의 아크 증발 소스는, 캐소드(a cathode)로 사용되는 타깃, 상기 캐소드의 바로 옆에 배치된 애노드(an anode), 및 상기 애노드로 자기장의 흐름을 유도하는 자기 수단들(magnetic means)을 포함한다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 나노적층 코팅 구조의 증착을 위해, 이러한 방법의 사용에 의해 정의 코일전류가 인가되며, 상기 인가된 코일전류의 바람직한 전류 값은 0.5 ~ 2 A이다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 나노적층 코팅 구조의 증착을 위해 적용된 방법은 소스 코팅 재료로 다음 재료의 사용을 포함한다:

- A형 나노층 증착에 사용되는, 알루미늄 및 티타늄 및/또는 텅스텐을 포함하는, 분말야금기술로 제조된 적어도 하나의 복합 타깃(composite target), 및/또는

- B형 나노층 증착에 사용되는, 티타늄 및 실리콘 및/또는 텅스텐을 포함하는, 용융금속기술로 제조된 적어도 하나의 복합 타깃(composite target).

Claims

바디(body)(1)를 포함하는 공구, 바람직하게는 초경합금(cemented carbide), 서멧(cermet), 세라믹, 입방 붕소 질화물계 물질(cubic boron nitride based material) 또는 고속도강(high speed steel)의 경질 합금(hard alloy)으로 된, 경질의 내마모성 PVD코팅이 증착된 바디를 포함하는 절삭 공구에 있어서,
상기 코팅은 A₁, A₂, A₃,... A_n 및 B₁, B₂, B₃,... B_m 으로 각각 A층 및 B층들이 교대로 되어있는 나노적층 코팅 구조(5)를 포함하는 것을 특징으로 하며,
상기 A층은 (Al_xTi₁ _-x- _yW_y)N, 0.50 ≤ x ≤ 0.65 및 0 ≤ y ≤ 0.10 이고, 여기서 x, 1-x-y 및 y로 주어진 계수는 각각 알루미늄, 티타늄 및 텅스텐의 원자 농도에 해당하며, 상기 A층에서의 원소 정량화만을 고려하고,
상기 B층은 (Ti₁ _-z- _uSi_zW_u)N, 0.05 ≤ z ≤ 0.30 및 0 ≤ u ≤ 0.10 이고, 여기서 1-z-u, z 및 u로 주어진 계수는 각각 티타늄, 실리콘 및 텅스텐의 원자 농도에 해당하며, 상기 B층에서의 원소 정량화만을 고려하며,
상기 나노적층 구조의 두께는 0.01 ~ 30 ㎛, 바람직하게는 1 ~ 15 ㎛이며, A층 및 B층들의 평균 개별 두께는 각각 1 ~ 200 nm, 바람직하게는 1 ~ 50 nm, 더 바람직하게는 1 ~ 30 nm이고,
상기 A층 및 B층들이 교대로 되어있는 나노적층 구조는 미세입자 구조(fine-grained structure)를 나타내는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제 1항에 있어서,
상기 A층 및 B층들로 교대로 되어있는 나노적층 구조에 포함되는, dA₁, dA₂, dA₃... dA_n로 표현되는 A층들의 두께는 dB₁, dB₂, dB₃... dB_m로 표현되는 B층들의 두께보다 적거나 같으며, 바람직하게는, A층들의 두께는, dA₁ ≤ ¾ dB₁ , dA₂ ≤ ¾ dB₂, dA₃ ≤ ¾ dB₃, dA_n ≤ ¾ dB_m와 같이, B층들의 두께의 ¾보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 코팅된 바디.
제 2항에 있어서,
상기 나노적층 구조의 전체 두께 중 적어도 일부에서,
상기 A층들의 두께 및/또는 B층들의 두께는, dA₁ = dA₂ = dA₃... = dA_n 및/또는 dB₁ = dB₂ = dB₃... = dB_m이 되도록 일정하게 유지하고,
및/또는
상기 A층들의 두께 및/또는 B층들의 두께는, dA₁ ≥ dA₂ ≥ dA₃... ≥ dA_n 및/또는 dB₁ ≥ dB₂ ≥ dB₃... ≥ dB_m이 되도록 증가하고,
및/또는
상기 A층들의 두께 및/또는 B층들의 두께는, dA₁ ≤ dA₂ ≤ dA₃... ≤ dA_n 및/또는 dB₁ ≤ dB₂ ≤ dB₃... < ≤dB_m이 되도록 감소하는
것을 특징으로 하는 코팅된 바디.
전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노적층 코팅 시스템에서, 나노-이중층 주기(nano-bilayer period)를 형성하는, 하나 위에 다른 하나가 서로 교대로 증착된, A형 나노층 및 B형 나노층의 두께의 합은 300 nm 미만, 바람직하게는 100 nm 미만, 더욱 바람직하게는 5 ~ 50 nm 이고, 및
상기 나노적층 코팅 시스템은, A₁/B₁/A₂/B₂ 또는 B₁/A₁/B₂/A₂의 다중층 구조를 형성하는, 하나 위에 다른 하나가 서로 교대로 증착된, 적어도 총 4개의 개별 A 및 B 나노층들을 포함하며, 바람직하게는 A₁/B₁/A₂/B₂/A₃/B₃/A₄/B₄/A₅/B₅ 또는 B₁/A₁/B₂/A₂/B₃/A₃/B₄/A₄/B₅/A₅의 다중층 구조를 형성하는 적어도 총 10개의 개별 A 및 B 나노층들을 포함하는
것을 특징으로 하는 코팅된 바디.
전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미세입자 나노적층 구조는, 입자의 최대 크기가 나노적층 구조 전체 두께의 1/3인 입자들로 구성된 것을 특징으로 하는 코팅된 바디.
전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미세입자 나노적층 구조는, 최대 1000 nm, 바람직하게는 10 ~ 800 nm, 더욱 바람직하게는 10 ~ 400 nm의 평균 크기를 갖는 입자들로 구성된 것을 특징으로 하는 코팅된 바디.
전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노적층 코팅 구조는, 입자들이 모든 방향에서 거의 동일한 치수를 갖는 등축 구조(equiaxed structure)이거나 등축 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅된 바디.
전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노적층 코팅 구조는, 2.5 ~ 5 GPa, 바람직하게는 2.5 ~ 4 GPa의 평균잔류응력(σ)을 나타내는 것을 특징으로 하는 코팅된 바디.
전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노적층 코팅 구조는, 7.5 미만, 바람직하게는 7 미만의 피크 폭 비율 (PW_I _{_10/90})을 나타내고, 여기서:
PW_I _{_10/90} = PW_I _{_10%} / PW_I _{_90%},
상기 PW_I _{_10%} 및 PW_I _{_90%}는, 각각 10% 및 90%의 최대 피크 강도(maximum peak intensity)에서 피크 200의 전폭(full width)이고, 및
상기 피크 200은, CuKα 방사선을 가진 X선 회절을 사용하여 2θ축, 약 43 °에서 측정되고, 회절선(diffraction line)은 CuKα₂ 방사선, 회절 통계(부드럽게) 및 백그라운드(background)로부터의 기여부분에 대해 수정되는
것을 특징으로 하는 코팅된 바디.
전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅은,
기판(1)과 나노적층 코팅 필름(5) 사이에 증착된 적어도 하나의 중간층(interlayer)(2),
및/또는
나노적층 코팅 필름(5)의 최외곽 나노층에 증착된 적어도 하나의 최상층(top layer)(3)을
포함하는 것을 특징으로 하는 코팅된 바디.
전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 바디는 드릴 공구 또는 밀링 공구인 것을 특징으로 하는 코팅된 바디.
절삭 작업, 바람직하게는 드릴 작업 또는 밀링 작업, 더욱 바람직하게는 스틸, 스테인레스 스틸 또는 주철의 드릴 작업 또는 경화 스틸 또는 스테인레스 스틸의 밀링 작업을 위해,
전술한 항 중 어느 한 항에 따른 코팅된 바디의 사용,
상기 기판 표면에 상기 나노적층 코팅 필름의 증착을 위해 적어도 하나의 아크 증발 소스(arc vaporization source)가 사용되는, 제 1 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 코팅된 바디의 제조를 위한 방법에 있어서,
상기 적어도 하나의 아크 증발 소스는, 타깃 표면 상 및 위에 자기장을 형성하기 위해 타깃에 제공되는 자기장 장치(magnetic field arrangement)를 포함하고,
상기 자기장 장치는, 주변 영구자석들(marginal permanent magnets) 및, 타깃의 뒤쪽에 배치된 적어도 하나의 링 코일(ring coil)을 포함하며,
권선(windings)에 의해 규정되는, 상기 적어도 하나의 링 코일의 내경(inner diameter)은 타깃의 직경보다 작거나 또는 같고, 및 어떠한 경우라도 타깃의 직경보다 많이 크지 않으며,
상기 주변 영구자석들은 기본적으로 타깃으로부터 타깃 표면과 직각으로 떨어져 위치할 수 있고, 주변 영구자석들의 타깃 표면상의 돌출은 상기 링 코일의 타깃 표면상의 돌출과 비교하여 타깃 표면의 중간으로부터 더 멀리 떨어져 있으며,
내부 또는 내측, 중심 영구자석은 타깃의 후방 뒤쪽으로 떨어져 위치하고, 외부 또는 외측, 외부 영구자석은 타깃에 대하여 수 mm, 바람직하게는 6 ~ 10 mm, 더욱 바람직하게는 약 8 mm의 거리를 두고 위치하는
것을 특징으로 하는 코팅된 바디의 제조를 위한 방법.
제 13항에 있어서,
부의 코일전류를 인가시키고, 상기 인가된 코일전류의 바람직한 전류 값은 -0.1 ~ -1 A인 것을 특징으로 하는 코팅된 바디의 제조를 위한 방법.
상기 기판 표면에 상기 나노적층 코팅 필름의 증착을 위해 적어도 하나의 아크 증발 소스(arc vaporization source)가 사용되는, 제 1 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 코팅된 바디의 제조를 위한 방법에 있어서,
상기 적어도 하나의 아크 증발 소스는, 캐소드(a cathode)로 사용되는 타깃, 상기 캐소드의 바로 옆에 배치된 애노드(an anode), 및 상기 애노드로 자기장의 흐름을 유도하는 자기 수단들(magnetic means)을 포함하는
것을 특징으로 하는 코팅된 바디의 제조를 위한 방법.
제 15항에 있어서,
정의 코일전류를 인가시키고, 상기 인가된 코일전류의 바람직한 전류 값은 0.5 ~ 2 A인 것을 특징으로 하는 코팅된 바디의 제조를 위한 방법.
제 11 내지 제 15항 중 어느 한 항에 따른 방법에 있어서,
상기 나노적층 구조의 증착을 위한 소스 재료로는,
A형 나노층 증착에 사용되는, 알루미늄 및 티타늄 및/또는 텅스텐을 포함하는, 분말야금기술로 제조된 적어도 하나의 복합 타깃(composite target), 및/또는
B형 나노층 증착에 사용되는, 티타늄 및 실리콘 및/또는 텅스텐을 포함하는, 용융금속기술로 제조된 적어도 하나의 복합 타깃(composite target)이
사용되는 것을 특징으로 하는 코팅된 바디의 제조를 위한 방법.