KR20140057253A

KR20140057253A - 음극 아크 성막

Info

Publication number: KR20140057253A
Application number: KR1020147002691A
Authority: KR
Inventors: 요한 뵐마르크; 헤르만 커틴스; 악셀 겐바트
Original assignee: 라미나 테크놀로지스 에스.에이.
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2014-05-12
Also published as: JP2014525984A; CN103732785A; JP6129830B2; CN103732785B; US20150034478A1; PL2540858T3; WO2013000990A1; EP2540858B1; US9587305B2; IL230169A; ES2532898T3; EP2540858A1; KR102021623B1

Abstract

본 발명은 절삭 공구 기재에 내마모성 코팅을 성막하는 방법을 제공한다. 음극 아크 성막은 하나 이상의 판상 타겟 및 적어도 200A, 바람직하게 적어도 400A인 높은 아크 전류를 사용하여 수행되며, 이로써 적어도 5A의 높은 전체 이온 전류가 상기 기재들 앞에 제공된다. 높은 운동 에너지로 기재에 충돌하는 이온들의 부정적인 영향을 방지하기 위해 비교적 낮은 바이어스 전압이 사용될 수 있다. 본 발명의 방법에 의하면, 절삭 성능 및 공구 수명을 개선하기 위해 절삭 공구 기재들에 두꺼운 내마모성 코팅들을 성막시킬 수 있다.

Description

음극 아크 성막{CATHODIC ARC DEPOSITION}

본 발명은 코팅된 절삭 공구를 형성하기 위해 음극 아크 성막 프로세스(cathodic arc deposition process), 특히 고전류 음극 아크 성막 프로세스를 사용하여 절삭 공구 기재(cutting tool substrate)에 코팅을 성막(depositing)하는 방법에 관한 것이다.

오늘날 터닝, 밀링, 드릴링 또는 다른 칩 형성 머시닝(machining)을 위한 대부분의 절삭 공구들은 공구의 서비스 수명을 연장하고/하거나 생산성 증가를 위해 화학적 증기 증착(CVD:chemical vapor deposition) 기법 또는 물리적 증기 증착(PVD:physical vapor deposition) 기법을 사용하여 성막된 내마모성(wear resistance) 코팅으로 코팅된다. 일반적으로, 상대적으로 두꺼운 코팅은 내마모성을 개선하기 때문에 선호된다. 이는 CVD 코팅의 경우 용이하게 달성된다. 그러나 PVD 코팅은 CVD 코팅에 비해 여러 매력적인 특성이 있는데, 특히 CVD 코팅에 비해 개선된 인성(toughness)을 부여하는 코팅에서의 압축 응력을 제공하는 능력을 갖는다. 이들 압축 응력은 성막 시에 높은 에너지 이온들의 충격(bombardment)으로 인한 고밀화 효과(densification effect) 및 기재와 코팅 사이의 열팽창 차이로부터 본질적으로 기원한다. 이러한 이온 충격의 유리한 효과는 열 증착(thermal evaporation)과 같은 모든 PVD 기법들에 거의 존재하지 않지만, 스퍼터링 성막 시에는 우세하며, 음극 아크 성막을 이용하는 경우 충돌 이온들의 높은 운동 에너지로 인해 압축 응력은 과도하게 높게, 종종 5GPa보다 높아질 수 있다. 기재의 바이어싱(biasing)은 운동 에너지를 증가시키는 표준 방식이고, 원하는 기계적 특성들을 획득하는데 필요한 것으로 고려되는 하드 코팅(hard coating)을 위한 것이다. 고밀화는 통상적으로 경도의 증가 및 코팅 재료의 내마모성 개선을 초래한다. 이는 잠재적으로 높은 성막 레이트와 함께, 음극 아크 성막 기법들을 절삭 공구들을 위한 코팅의 성막을 위한 관심 대안으로 만든다.

그러나 너무 무거운 이온 충격으로 인해 결함들이 생성될 수 있고, 너무 높은 압축 응력은 특히 두꺼운 코팅의 경우 자발적으로 또는 머시닝 중에 코팅에 작용하는 힘으로 인해 결과적으로 코팅의 딜라미네이션(delamination)을 일으킬 것이다. 이로 인해, 코팅에서의 응력 레벨은 코팅의 접착력에 대한 큰 손상 없이 가능한 가장 높은 압축 응력을 획득하도록 정상 제어된다. 특히, 코팅된 절삭 공구 인서트(insert)의 에지에 따른 박리(flaking)는 널리 알려진 문제점이다. 예를 들어, 제US7,838,132호는 -40V 내지 -200V 범위의 상이한 기재 바이어스에서 200A의 아크 전류를 사용하여 초경합금(cemented carbide) 기재에 대한 약 3μm 두께의 (Ti, Al)N 코팅의 음극 아크 성막을 개시하고 있는데, 이는 높은 압축 응력, 즉 4GPa보다 높은 압축 응력 및 여전히 우수한 접착력이 이뤄질 수 있는 약 -70V에서의 최적 상태가 존재한다고 결론 내린다.

결과적으로, 종래의 음극 아크 성막 프로세스에서는 내마모성에 매우 중요한 코팅 두께와 기계적 특성, 특히 인성에 관한 코팅의 품질 사이의 균형(trade-off)이 문제된다.

본 발명의 하나의 목적은 접착 또는 내박리성(flaking resistance)과 같은 다른 특성들을 악화시키지 않고 내마모성을 개선하기 위해 초경합금, 서멧(cermet), 고속도강(high speed steel), 입방정질화붕소(cubic boron nitride), 및 다결정 다이아몬드(polycrystalline diamond)로 이루어진 코팅된 절삭 공구 인서트와 같은 절삭 공구에 대한 두꺼운 PVD 코팅을 가능하게 하는 음극 아크 성막 프로세스를 제공하는 것이다. 이는 독립항에 의해 정의된 방법에 의해 달성된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 진공 챔버 내의 절삭 공구 기재에 대한 코팅의 음극 아크 성막 방법은 음극(cathode) 역할을 하는 판상 타겟과, 아크 방전의 이온들이 판상 타겟으로부터 방출되어 절삭 공구 기재에 대한 코팅을 형성하도록 하는 양극(anode) 배열 사이에 적어도 200A의 아크 전류를 인가함으로써 판상 타겟의 표면에서 하나 이상의 아크 스팟으로서 보일 수 있는 아크 방전으로부터 플라즈마를 생성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 코팅될 기재의 표면에 이온 전류 밀도가 코팅 특성에 상당히 중요하다는 것이 발견되었다. 이온 전류 밀도의 하나의 측정치는 하나 이상의 판상 타겟에 의해 생성된 전체 이온 전류이다. 전체 이온 전류는 양극 배열의 전압 전위에 대해 네거티브 바이어스되고, 타겟 표면으로부터 15cm의 거리에서 판형 타겟을 마주하는 프로브 표면으로 이온 전류 밀도를 측정하고 판상 타겟의 전체 표면 면적과 측정된 이온 전류 밀도를 곱함으로써 추정될 수 있다. 바람직하게, 판상 타겟의 중심에서 타겟 표면의 법선 방향을 따른 평균 이온 전류 밀도로서 판단되고, 타겟 표면으로부터 15cm의 거리에서 타겟을 마주하는 프로브 표면을 사용하여 측정된 이온 전류에 판상 타겟의 전체 표면 면적을 곱한 값은 적어도 5A이다.

아크의 전력 밀도가 통상적으로 너무 높아져서 타겟 재료의 증착(evaporation)을 효율적으로 제어할 수 없고, 따라서 코팅 품질에 해로운 수용 불가한 개수의 액적(droplet)들이 타겟 표면으로부터 방출될 것이기 때문에 이러한 높은 전체 이온 전류 밀도는 소형 타겟을 사용하여 용이하게 달성되지 않는다. 상대적으로 큰 타겟 표면 면적을 사용함으로써, 전류 밀도 및 타겟에 대한 로컬 열부하(thermal load)는 높은 전체 이온 전류를 제공하면서 적당한 레벨로 유지될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 판상 타겟의 표면 면적은 500cm²보다 크고, 바람직하게 1000cm²보다 크다. 이로써 타겟의 실질적으로 전체 표면 면적에 분포된 다수의 아크 스팟으로의 아크 방전의 분기(branching)가 가능하다. 이러한 분기는 높은 아크 전류에 의해 촉진된다. 분기의 하나의 이점은 타겟의 전체 표면 면적에 대해 플라즈마에서의 비교적 균일한 이온 전류 밀도를 부여하는 것이다. 이는 성막 중에 타겟 표면의 실질적으로 균일한 조명으로서 관측될 수 있다. 분기의 다른 이점은 개선된 타겟 활용을 가능하게 한다는 것이다. 또 다른 이점은 전체 진공 챔버에서의 균일한 성막 조건들을 획득하여 따라서 코팅될 기재들의 무리(batch) 내의 균일한 코팅 두께 및 특성을 획득할 수 있다는 점이다.

본 발명의 일 실시예에서, 높은 전체 이온 전류를 획득하고 절삭 공구 기재들에서 높은 이온 플럭스를 얻기 위해, 전류의 포화 조건에서 측정되는 측정 이온 전류 밀도는 6mA/cm²보다 크고, 바람직하게 10mA/cm²보다 크고, 더 바람직하게 6mA/cm² 내지 16mA/cm² 사이에 있다. 예를 들어, 형성된 플라즈마에 공급되는 이온 전류를 더 증가시키거나, 상이한 조성물을 판상 타겟들에 제공하기 위해 추가적인 판상 타겟들이 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 방법에서, 방법은 절삭 공구 기재에 양극 배열의 전압 전위(V_A)에 대해 네거티브인 기재와 판상 타겟 사이의 전압 전위차, 즉 바이어스 전압(V_S)을 인가하고 양극 배열의 전압 전위(V_A)에 대해 네거티브인 음극 전압(V_c)을 인가하는 단계를 더 포함한다. 전술한 바와 같이, 이것은 코팅의 응력 상태에 대한 영향을 받는 것으로 알려져 있으며, 보통 높은 압축 응력들을 획득하기 위해 높은 바이어스 전압 레벨들이 사용된다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기재가 상대적으로 낮은 바이어스 레벨로 바이어스되어도 본 발명의 목적이 달성될 수 있다는 점이 발견되었다. 바람직하게, 전압 차는 V_S - V_A > -30V, -20V < V_c - V_A < 0V, 및 -10V ≤ V_S - V_c ≤ 10V이다. 본 출원의 목적을 위해, 바이어스 전압(V_S)은 피크 전압이라고 한다.

절삭 공구 기재에 충돌하는 이온은, 기재의 비교적 낮은 전압 바이어싱으로 인해, 이온 이동도를 증가시킴으로써 기계적 특성을 개선하기 위하여 이온의 운동 에너지를 증가시키기 위해 분투하는 상기 언급된 일반적인 내용과는 달리, 적당한 운동 에너지를 가질 것이다. 그러나, 높은 이온 전류 밀도로 인해, 기재 표면에 도달하는 이온들로부터 전송되는 전체 에너지가 여전히 높도록 높은 이온 플럭스가 절삭 공구 기재의 표면에 제공되며, 이로써 표면에서의 이온 이동도를 향상시키며, 이는 해로운 높은 응력 레벨 및/또는 결함을 코팅에 도입하지 않고 기계적 특성들을 개선한다. 이로써 코팅에서의 응력 상태는 효율적으로 제어될 수 있다.

아크 전류를 증가시킴으로써 전체 이온 전류가 증가하고, 성막 레이트가 증가한다. 전류의 증가는 또한 아크 방전의 분기를 촉진한다. 바람직하게, 아크 플라즈마를 생성하는 아크 전류는 판상 타겟당 적어도 400A이다. 본 발명의 일 실시예에서, 아크 전류는 적어도 800A이다. 다른 실시예에서, 아크 전류는 400A 내지 1200A이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 성막 시스템은 판상 타겟을 향하고 각각의 판상 타겟에 동심으로 배열되고 그 가장자리를 따라 횡으로 연장되는 양극 표면을 갖는 양극 부재를 포함하는 양극 배열을 포함한다. 대형 양극 표면은 타겟에 가깝게 제공되며, 진공 챔버에서의 임의의 위치의 조건들과 무관하게, 전체 길이에 따라 균일한 플라즈마 조건들을 제공하기 위해 양극 표면 면적은 판상 타겟의 전체 길이를 따라 상당히 일정하다. 바람직하게, 양극 부재는 플라즈마 조건들이 단부들에서 균일하도록 양극 표면의 형상 및 크기를 조정(tailor)하기 위해 일단부의 판상 타겟의 각 측면에서의 타겟의 폭을 적어도 부분적으로 따라 연장되는 가장자리의 섹션에서 실질적으로 인터럽트된다. 본 발명의 일 실시예에서, 양극 부재는 법선 방향으로 판상 타겟으로부터 멀리 연장됨에 따라 외부를 향해 가늘어지는(taper) 양극 표면을 더 포함한다.

양극 부재는 전체 판상 타겟에 대한 균형적인 전자기장에 기여하는 역할을 더 할 수 있다. 이러한 전체 전자기장은 아크 전류로부터 기원하는 자체 자기장(magnetic self-field), 자기장을 생성하기 위한 수단으로부터 기원하는 자기장, 및 판상 타겟의 전류 메이팅(current mating)으로부터 기원하는 자기장에 의해 더 영향을 받는다. 균형 잡힌 전자기장을 이용한 하나의 이점은 판상 타겟들의 침식(erosion)이 더 균일해지고, 종래의 성막 시스템, 특히 200A를 넘는 하이 아크 전류를 위한 성막 시스템에 비해 타겟 활용이 개선된다는 점이다.

본 발명의 일 실시예에서, 성막 시스템은 타겟 표면에 측면 자기장(lateral magnetic field)을 생성하기 위한 수단을 포함한다. 이러한 측면 자기장은 아크 플라즈마의 아크 스팟(들)의 변위를 조정(steer)하는데 사용될 수 있다. 바람직하게, 자기장을 생성하기 위한 수단으로부터 기원하는 자기장은 적당하며, 바람직하게 100가우스 미만이고, 더 바람직하게 5가우스 내지 40가우스이다. 이는 판상 타겟 주변의 아크 방전, 즉, 아크 방전의 분기의 약한 조정(steering)을 초래한다.

본 발명의 방법의 일 실시예에서, 양극 배열 및 판상 타겟에 대한 평균 전압 및 아크 전류를 측정함으로써 판단되는 임피던스는 성막 시에 미리 결정된 범위 내에 있도록, 바람직하게 0.1옴(Ohm) 미만, 더 바람직하게 0.05옴 미만으로 제어된다. 이는 강한 자기장이 사용되는 조정된 아크 기법들과 반대로, 아크 방전을 조정하기 위한 비교적 약한 측면 자기장을 사용함으로써 적어도 부분적으로 달성된다. 이들 조정된 아크 기법은 증가된 액적 형성으로 인한 코팅 특성들을 손상시키지 않고 아크 전류를 약간 증가시키지만 200A를 용이하게 넘기지 않는 하나의 종래 방식이다. 마찬가지로 본 발명의 양극-음극 구성 및 낮은 임피던스 접근법을 이용하면, 코팅 특성을 손상시키지 않고 높은 성막 레이트를 부여하기 위해 아크 방전 및 고밀도 플라즈마의 효과적인 다중 분기를 부여하도록 아크 전류가 증가될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 양극과 음극 사이의 약한 자기 조정(weak magnetic steering) 및 잘 정의된 전기장은 랜덤 아크 및 종래의 조정된 아크 기법들과 관련된 문제점들을 방지하기 때문에 타겟 활용을 개선한다. 예를 들어, 후자에 비해, 타겟에서의 통상적인 레이스 트랙이 타겟 표면에 대한 아크 스팟들의 균일한 분포 및 효율적인 아크 분기로 인해 방지된다.

타겟에 가까운 대형 양극 표면을 갖고 타겟 주변, 특히 판상 타겟의 단부에서의 양극 표면 및 음극 표면의 기하학적 배열 및 자기장에 대해 균일한 플라즈마 조건들을 제공하는 양극 부재와 약한 자기 조정을 결합함으로써 타겟 주변의 양극 전류 밀도가 일정하게 유지될 수 있는데, 이는 타겟 주변의 높은 전류 및 균일한 침식을 가능하게 한다.

아크 전류로부터 기인하는 자체 자기장에 관한 자기장, 자기장을 생성하기 위한 수단으로부터 기원하는 자기장, 및 판상 타겟의 전체 표면에 대한 타겟의 전류 메이팅으로부터 기원하는 자기장의 균형을 잡음으로써 판상 타겟 주변의 트랙에 대해 횡방향인 판상 타겟의 침식은 더 균일하다. 따라서, 본 발명에 따르면 타겟 활용을 개선할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 방법은 두꺼운 코팅이 형성될 때까지 성막을 계속하는 단계를 포함한다. 본 출원에서의 목적을 위해서는, 두꺼운 코팅은 적어도 4μm, 바람직하게 적어도 6μm, 더 바람직하게 적어도 10μm, 훨씬 더 바람직하게 20μm를 의미한다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 성막 프로세스는 단층 또는 다층 코팅을 달성하기 위해 달라질 수 있다. 여기에서, 다층 구조는 예를 들어, 바람직하게 조성물에 대해 상이한 특성들을 갖는 적어도 2개의 반복 교차하는 개별 층들을 포함하는 개별 층들의 스택, 적어도 5개 내지 수천 개의 개별 층들의 스택을 의미한다. 이러한 반복은 주기적이거나 비주기적일 수 있다. 다층 구조와 반대로, 단층은 단층의 두께에 걸쳐 실질적으로 동일한 특성이 있다. 다층 구조들은 공지된 방법, 예를 들어, 상이한 조성물의 타겟들에 의해 및 타겟들 앞에서 코팅될 기재들을 회전시킴으로써 달성될 수 있다. 이를 위해, 두께는 코팅된 절삭 공구의 가장 두꺼운 코팅을 갖는 측면, 즉 플랭크 사이드(flank side) 또는 레이크 사이드(rake side)에서의 두께를 의미한다. 두께는 바람직하게 에지 라인으로부터 0.2mm인 연마된 단면에서 광학 현미경법에 의해 측정된다. 예를 들어, 드릴 및 엔드 밀(end mill)에서와 같은 불규칙적인 표면들의 경우, 여기에 주어진 두께는 임의의 상당히 평평한 표면 또는 상대적으로 큰 곡률 및 임의의 에지 또는 코너로부터의 일정한 거리를 갖는 표면에 대해 측정된 두께를 지칭한다. 예를 들어, 드릴에서, 측정들은 주변부에 대해 수행되어야 한다. 두께는 PVD에 의해 생성된 최신의 코팅된 절삭 공구들의 코팅 두께를 초과하며, 이로써 플랭크 마모(flank wear) 및 박리(flaking)에 대해 우수하거나 더 우수하도록 여전히 수행하면서 뛰어난 크레이터 내마모성(crater wear resistance)을 부여한다.

본 발명의 방법은 상이한 전처리 또는 후처리 단계들을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 이 방법은 기재 블라스팅을 거치는 단계, 바람직하게는 기재의 에지 라운딩을 제공하기 위한 제1 건식 블라스팅 단계 및 상기 건식 블라스팅 단계로부터의 잔류물을 제거하기 위한 제2 습식 블라스팅 단계를 포함하는 2-단계 블라스팅 동작을 포함하는 전처리를 포함한다. 그러나 블라스팅은 건식 블라스팅 또는 습식 블라스팅 중 어느 하나를 이용하여 수행될 수도 있다. 전처리 블라스팅을 위한 파라미터들은 달라질 수 있고, 당업자에게 널리 알려져 있다.

일 실시예에서, 전술한 단계 중 하나 이상에 의해 형성되는 코팅은 블라스팅, 또는 숏 피닝(shot-peening) 등을 포함하는 후처리를 받는다. 일 양태에서, 블라스팅은 더 부드러운 표면을 제공할 수 있다. 다른 양태에서, 블라스팅은 코팅에서의 응력 상태를 변경할 수 있는데, 예를 들어 코팅에서의 압축 응력을 증가시킬 수 있다. 양자 모든 양태들은 특히 두꺼운 코팅을 위한 본 발명의 실시예들에 따른 성막에 의해 형성된 코팅된 절삭 공구의 성능 개선에 기여할 수 있다. 압력, 이온 전류 밀도, 및 바이어스와 같은 성막 파라미터들을 사용하여 응력 상태를 제어하는 조합으로 인해, 코팅의 응력 상태의 후처리 블라스팅 제어는 개선될 수 있는데 이는 코팅된 절삭 공구의 예상치 못한 우수한 성능을 산출한다.

일 실시예에서, 코팅은 기재의 레이크 사이드에 대해 약 20mm 내지 300mm, 바람직하게 40mm 내지 200mm의 거리 및 약 0° 내지 90°의 각도, 바람직하게 35° 내지 65°로 배열된 노즐 및 약 0.1MPa 내지 0.6MPa의 압력에서의 100개 내지 800개의 메쉬 입자, 바람직하게 300개 내지 500개의 메쉬를 사용하여 습식 블라스팅으로 처리된다. 바람직하게, 코팅의 습식 블라스팅의 지속 시간은 0.5분 내지 1분이다. 사용될 적절한 입자들은 이로 제한되는 것은 아니지만 알루미나(alumina), 실리콘 카바이드, 및 지르코니아(zirconia)를 포함한다.

블라스팅 시에, 알루미나 입자들과 같은 블라스팅 매체는 통상적으로 연삭 방식(abrasive manner)에 의해 높은 속도로 기재에 충돌한다. 전술한 바와 같이, 블라스팅은 건식 조건들, 즉 분말로서 입자들 등을 갖는 건식 조건들 또는 습식 조건들, 즉 유체에 부유된 입자들 등을 갖는 습식 조건들 하에서 수행될 수 있다. 블라스팅 조건들에 따라, 블라스팅 매체, 압력, 각도, 및 지속 시간에 관해 블라스팅의 효과가 달라질 것이다. 예를 들어, 블라스팅 프로세스는 기재의 부드럽거나 거친 표면을 획득하도록 조정(adjust)될 수 있다. 전술한 바와 같이, 블라스팅은 성막된 코팅의 응력 상태를 변경할 수도 있다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 이러한 변화는 예를 들어, 특별한 블라스팅 매체, 지속 시간, 각도, 압력 등에 의해 조정(tailor)될 수 있다.

당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 성막 프로세스는 혼합층(compound layer) 또는 그 개별 층들의 성막 전에, 그 동안, 또는 그 후에 상이한 플라즈마 식각 단계들을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 방법에 의해 형성된 코팅은 4족, 5족, 6족(IUPAC), Si, Al, 및 Y로부터 선택된 적어도 하나의 제1 원소 및 N, B, O, 및 C로부터 선택된 적어도 하나의 제2 원소를 포함하는 적어도 하나의 혼합층을 포함하는데, 바람직하게 Ti, Al, Si, Zr, Ta, Nb, W, Va, Hf, Y, Cr의 그룹으로부터 선택된 제1 요소, 더 바람직하게 상기 적어도 하나의 제1 원소 또는 그 조합의 질화물, 바람직하게 특히 우수한 연삭 내마모성(abrasive wear resistance)을 갖는 경화 내마모성 코팅을 부여하는 (Ti, Al)N, (Ti, Al, Si)N, (Ti, Si)N, (Al, Cr)N, (Ti, Al, Cr)N, 및 (Ti, Al, Cr, Si)N의 그룹으로부터 선택된 조성물을 포함한다.

본 발명의 방법의 일 실시예에서, 각각이 Ti 및 Al을 주요 원소로서 포함하는 하나 이상의 판상 타겟, 및 성막 중에 진공 챔버 내의 반응 기체로서 적어도 질소를 사용하여 (Ti, Al)N 코팅이 생성된다. 본 발명의 (Ti, Al)N 코팅을 갖는 절삭 공구들은 특히 두꺼운 코팅에 대해 개선된 내마모성 및 내박리성으로 인해 개선된 성능을 보인다.

본 발명의 그 밖의 다른 목적, 이점, 및 신규한 특징들은 첨부된 도면 및 청구항과 함께 고려되는 경우 본 발명의 다음의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예들은 이제 첨부 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성막 시스템의 개략적인 예시이다.
도 2는 강철(steel)에서의 터닝 후의 본 발명의 일 실시예(예시(1))에 따른 (Ti, Al)N 코팅된 절삭 공구의 주사 전자 현미경 이미지이다.
도 3은 강철에서의 터닝 후의 종래 기술(예시(9))에 따른 (Ti, Al)N 코팅된 절삭 공구의 주사 전자 현미경 이미지이다.
도 4a는 이온 전류 밀도를 측정하는데 사용되는 플라즈마 프로브의 사진이다.
도 4b는 본 발명의 판상 타겟 및 플라즈마 프로브 측정으로부터 판단되는 종래 기술의 원형 타겟 앞에서의 전체 이온 전류를 개략적으로 예시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 성막된 두꺼운 (Ti, Al)N 코팅의 단면도이다.
도 6은 스테인리스강에서의 터닝 후의 (a) 종래 기술에 따른 및 (b) 본 발명의 일 실시예에 따른 (Ti, Al)N 코팅 절삭 공구 인서트의 주사 전자 현미경 이미지이다.
도 7은 강철에서의 페이스 밀링(face milling) 후의 (a) 종래 기술에 따른 및 (b) 본 발명의 일 실시예에 따른 (Ti, Al)N 코팅된 절삭 공구 인서트의 광학 이미지이다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 음극 아크 성막을 위한 성막 시스템의 일례를 개략적으로 예시한다. 도 1b는 판상 타겟(1) 및 양극(anode) 부재(2)의 정면 및 상면을 도시한다. 다음의 설명은 비제한적 예시를 지칭하는데, 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 성막 시스템은 상이한 방식으로 수정될 수 있다. 다른 PVD 성막 시스템에서와 같이, 코팅의 성막은 진공 챔버(3) 내의 압력을 제어하기 위한 진공 펌프(미도시)에 결합된 진공 챔버(3) 내에서 수행된다. 성막 프로세스에서 코팅 재료의 소스로서 작용하는 하나 이상의 판상 타겟(1)은 진공 챔버(3)의 내부와 마주하는 타겟 표면들을 진공 챔버(3)의 측벽 내에 또는 위에 제공받는다. 판상 타겟(1), 및 양극 부재(2)를 바람직하게 포함하는 양극 배열(anode arrangement)은 아크 전원(미도시)에 연결되어 성막 시스템의 음극 및 양극을 각각 형성한다. 타겟 재료를 증착(evaporate)하는데 아크 방전이 사용된다. 아크 방전은 트리거(미도시)에 의해 트리거된다. 판상 타겟(1)으로부터 가시선 상의 진공 챔버(3) 내의 고정물(fixture; 6)에 의해 코팅 대상인 절삭 공구 기재(5)가 운반된다. 절삭 공구 기재(5)의 모든 측면들을 균일하게 코팅하기 위해 고정물은 회전될 수 있다. 절삭 공구 기재(5)는 고정물(6)을 통해 바이어스 전압 전원에 연결된다. 가스 주입구를 통해 진공 챔버(3)로 공급되는 증착되는 타겟 재료 및 반응 기체(reactive gas)가 반응하여 혼합 코팅을 형성하도록 반응 분위기에서 성막이 수행된다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭 공구 기재에 대한 코팅의 음극 아크 성막 방법은,

진공 챔버(3) 내의 음극 아크 성막을 위한 양극-음극 구성을 형성하는 양극 배열(2) 및 판상 타겟(1)을 제공하는 단계;

진공 챔버(3)에서 하나 이상의 절삭 공구 기재(5)를 제공하는 단계; 및

판상 타겟(1)과 양극 배열(2) 사이에 적어도 200A의 아크 전류를 인가함으로써 판상 타겟(1)의 표면에 대한 하나 이상의 아크 스팟으로서 보일 수 있는 아크 방전으로부터 플라즈마를 생성하고, 이로써 아크 방전의 이온들이 판상 타겟으로부터 방출되어 기재 위에 코팅을 형성하는 단계를 포함하고, 여기서, 판상 타겟(1)의 중심에 있는 타겟 표면의 법선 방향에 따른 이온 전류 밀도 - 이온 전류 밀도는 타겟 표면으로부터 약 15cm의 거리에서 판상 타겟(1)을 마주하는 프로브 표면(8)을 갖는 플라즈마 프로브(7)를 사용하여 측정됨 - 에 판상 타겟(1)의 전체 표면 면적을 곱한 값은 적어도 5A이다.

이온 전류 밀도는 양극 배열(2)의 전압 전위에 대해 -70V에서 바이어스된 플라즈마 프로브 표면(8)을 이용하여 측정된다. 이러한 고전압에서, 전압을 갖는 이온 전류 밀도에서의 상당한 변화가 존재하지 않으며, 즉 이온 전류는 실질적으로 포화된다. 이온 전류 밀도 측정은 예시(14)와 함께 더 설명된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기재에 대한 코팅의 음극 아크 성막 방법은,

성막 시스템의 일부인 진공 챔버(3) 내의 음극 아크 성막을 위한 양극-음극 구성을 형성하는 양극 배열(2) 및 판상 타겟(1)을 제공하는 단계;

진공 챔버(3)에서 하나 이상의 절삭 공구 기재(5)를 제공하는 단계;

아크 방전의 이온들이 판상 타겟으로부터 방출되어 기재에 코팅을 형성할 때 기여하도록 판상 타겟(1)과 양극 배열 사이의 적어도 200A의 아크 전류를 인가함으로써 판상 타겟(1)의 표면에 하나 이상의 아크 스팟으로서 보일 수 있는 아크 방전으로부터 플라즈마를 생성하는 단계; 및

절삭 공구 기재(5)에 양극 배열(2)의 전압 전위(V_A)에 대해 네거티브인 바이어스 전압(V_S) 및 양극 배열(2)의 전압 전위(V_A)에 대해 네거티브인 음극 전압(V_c)을 인가하는 단계

를 포함하며, 여기서

V_S - V_A > -30V,

-20V < V_c - V_A < 0V, 및

-10V ≤ V_S - V_c ≤ 10V이다.

이 실시예는 전술한 실시예와 결합될 수 있는데, 즉 이 방법은 적당한 바이어스 레벨과 함께 높은 전체 이온 전류를 포함한다.

본 출원의 목적을 위해, 바이어스 전압(V_S)은 피크 전압 레벨이라고 한다. 바이어스 전압은 바이어스 전압 전원에 의해 제공될 수 있다. 바이어스 전압은 DC 전압 또는 펄스화된 전압일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스화 바이어스 전압에 적응된 성막 시스템에서, 바이어스 전압 전원은 펄스 생성 유닛을 포함한다. 바람직하게, 바이어스 전압 전원은 성막 시에 바이어스 전압 전원으로부터 출력되는 바이어스 전압을 모니터링하고, 원하는 바이어스 전압 레벨을 획득하기 위해 전원을 조정하는 제어 유닛에 연결된다.

본 발명의 일 실시예에서, V_S - V_c ≤ 0V이다. 본 발명의 다른 실시예에서, -19 V ≤ V_c - V_A ≤ -15V, 바람직하게 -18V ≤ V_c - V_A ≤ -16V이다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, -30V ≤ V_S - V_A ≤ -15V, 바람직하게 -25V ≤ V_S - V_A ≤ -15V이다.

아크 방전은 이온들을 플라즈마에 공급한다. 플라즈마에 공급된 이온들의 양의 하나의 측정치는 위에서 정의된 판상 타겟으로부터의 전체 이온 전류이다. 복수의 판상 타겟을 이용하면, 이온들의 공급은 판상 타겟의 각각으로부터 전체 이온 전류를 합(summarizing)함으로써 판단될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 개별 판상 타겟으로부터의 전체 이온 전류들의 합을 진공 챔버의 부피로 나눈 값은 적어도 3A/m³이다.

바람직하게, 아크 전류는 성막 시스템에 연결된 전원에 의해 공급되는 직류 전류이다. 직류 전류는 시간에 따라 반드시 일정하지는 않다. 아크 전류가 단기간의 아크 방전으로부터의 개별적인 기여로 인해 성막 중에 상당한 변화를 보여줄 수 있지만, 이러한 직류 전류는 펄스화된 성막 기법들과 혼합되지 않아야 한다. 펄스화된 성막은 종래의 성막 프로세스와 동일한 이유 때문에 사용될 수 있다.

본 발명의 방법의 일 실시예에서, 양극 배열 및 판상 타겟 위에서 평균 전압 및 아크 전류를 측정함으로써 판단되는 임피던스는 아크 플라즈마가 거의 제어되지 않도록 성막 중에 미리 결정된 범위 내에 있도록, 바람직하게 0.1옴 미만, 더 바람직하게 0.05옴 미만으로 제어된다. 이는 강한 자기장이 사용되는 조정된 아크 기법들과 반대로, 아크 방전을 조정하기 위한 비교적 약한 측면 자기장을 사용함으로써 적어도 부분적으로 달성된다. 이들 조정된 아크 기법은 증가된 액적 형성으로 인한 코팅 특성들을 손상시키지 않고 아크 전류를 증가시키는 하나의 종래 방식이다. 본 발명의 양극-음극 구성 및 이러한 실시예의 낮은 임피던스 접근법을 이용하면, 코팅 특성을 손상시키지 않고 높은 성막 레이트를 부여하기 위해 아크 방전 및 고밀도 플라즈마의 효과적인 다중 분기를 부여하도록 아크 전류가 증가될 수 있다. 그러나 임피던스는 인가된 자기장에 의해 판단될 뿐 아니라, 양극 배치, 양극 설계, 가스 압력, 음극 설계 등과 같은 다른 파라미터들에 의해 판단된다. 그러므로 모든 파라미터들은 임피던스를 제한하는 경우 고려되어야 한다.

임피던스 제어를 달성하기 위해, 성막 시스템은, 미리 결정된 범위 내에 임피던스를 유지하기 위해 임피던스 제어 유닛에 의한 양극과 판상 타겟 사이의 임피던스의 측정에 기반한 제어 유닛이 측면 자기장을 생성하기 위한 수단에 의해 생성되는 측면 자기장의 크기를 조절하도록 배열된, 제어 유닛 및 임피던스 모니터링 유닛을 포함할 수 있다. 제어 유닛은 자동 또는 수동 제어될 수 있다.

일 실시예에서, 이 방법은 아크 전류로부터 기인하는 자체 자기장, 자기장을 생성하기 위한 수단으로부터 기원하는 자기장, 및 타겟의 전류 메이팅으로부터 기원하는 자기장의 균형을 잡는 단계를 더 포함한다. 바람직하게, 이러한 균형은 판상 타겟의 전체 표면에 대한 아크 스팟들의 균일한 분포를 달성하는 것을 목적으로 하는 실증적이고 반복적인 프로세스에 의해 수행된다.

전류 메이팅으로부터 기인하는 비균일한 자기장들의 균형은 판상 타겟 하의 영구 자석들의 비대칭적인 분포를 제공함으로써 달성될 수 있다. 일례로서, 본 발명에 따른 성막 시스템의 음극 배열은 전도성 백 플레이트에 배열된 판상 타겟을 포함할 수 있다. 백 플레이트는 길이를 따라 이어지는 적어도 2개의 전류 바(current bar)를 포함한다. 이들 전류 바는 판상 타겟의 맞은 편의 단부들의 아크 전원 및 전류에 연결된다. 그러므로 아크 전류는 판상 타겟의 맞은 편의 단부들로부터 전류 바들로 입력되어 전류 바 및 전도성 백 플레이트를 통해 판상 타겟으로 확산된다. 이러한 구성을 이용하면, 각 전류 바에서의 전류 밀도는 전류 바에 입력된 전류에 매우 가까우며, 맞은 편 단부를 향할수록 감소된다. 결과적으로, 전류 바들을 통해 전류 메이팅으로부터 기원하는 자기장은 또한 전류 바를 따라 감소한다. 이 효과는 판상 타겟 주변의 자기장이 균일해지도록 배열된 비대칭적으로 분포된 영구 자석들을 사용하여 균형이 이루어질 수 있다는 것이다.

본 발명의 일 실시예에서, 이 방법은 상기 하나 이상의 판상 타겟 주위에 동심으로 배열된 양극 부재를 포함하는 양극 배열을 제공하는 단계를 더 포함한다. 도 1a는 양극 부재의 측면을 개략적으로 예시한다. 도 1b는 양극 부재 및 판상 타겟의 정면 및 상면을 개략적으로 예시한다. 바람직하게, 양극 부재는 판상 타겟의 맞은편의 단부들에서 판상 타겟의 폭을 따라 적어도 부분적으로 연장되는 섹션에서 실질적으로 인터럽트된다. 이러한 실시예의 일 변형예에서, 양극 부재는 판상 타겟으로부터 법선 방향으로 연장됨에 따라 외부를 향해 가늘어지는 양극 표면을 포함한다. 여러 종래의 시스템에서, 진공 챔버의 벽들은 양극으로서 단독으로 사용되고, 본 발명의 양극 부재는 이러한 구성과 함께 사용될 수 있다. 바람직하게, 양극 부재는 통상적으로 접지인 양극 배열의 나머지와 동일한 전압 전위에 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 방법의 일 실시예에서, (Ti, Al)N 코팅들은 성막 중에 진공 챔버에서의 반응 기체로서의 질소, 및 Ti 및 Al을 주요 원소로서 포함하는 하나 이상의 판상 타겟을 이용하여 절삭 공구 기재들에 성막된다. 판상 타겟들의 조성물 및 따라서 판상 타겟들의 조성물은 상이한 코팅 특성을 획득하기 위해 달라질 수 있다. 일례로서, 40 at-% Ti와 60 at-% Al로 구성되는 타겟들은 Ti₄₀Al₆₀N 코팅을 형성하는데 사용될 수 있거나, 60 at-% Ti와 40 at-% Al로 구성되는 타겟들은 Ti₆₀Al₄₀N 코팅을 형성하는데 사용될 수 있다. 코팅에서의 Ti와 Al 사이의 관계는 타겟들에서의 관계와 약간 상이할 수 있다. 이로 인해, 전술한 40/60 관계는 대략적인 숫자이다.

다음의 예시에서, 코팅된 절삭 공구들은 본 발명의 실시예들에 따라 그리고 최신 기술에 따라 제조되고, 크레이터 마모, 플랭크 마모, 및 박리에 대해 비교된다.

예시(1 내지 3, 10b 및 10d)의 코팅들은 도 1을 참조하여 전술한 하나 이상의 비교적 대형 판상 타겟들을 포함하는 음극 아크 성막 시스템을 사용하여 성막되었다. 코팅될 기재(5)는 판상 타겟(1)으로부터 가시선 상의 고정물(6)에 의해 운반된다. 기재(5)의 모든 측면을 균일하게 코팅하기 위해, 고정물은 회전될 수 있다. 기재들(5)은 고정물(6)을 통해 바이어스 전압 전원에 연결된다. 가스 주입구를 통해 진공 챔버(3)로 공급되는 증착되는 타겟 재료 및 반응 기체가 반응하여 혼합 코팅을 형성하도록 반응 분위기에서 성막이 수행된다.

예시들에 사용되는 기재들은 3개의 상이한 조성물을 갖는데, 이하 각각 기재(S1, S2, 및 S3)라고 지칭된다. 이들 기재는 표 1에 특정되어 있다.

보자력 값(coercivity value, Hc)은 DIN IEC 60404-7을 따라 Foerster Koerzimat CS1.096을 사용하여 측정되었다.

예시(1)

40 at-% Ti와 60 at-% Al로 구성되는 하나의 판상 타겟을 사용하여 (Ti, Al)N 코팅이 질소 분위기에서 S1 기재에 성막되었다.

기재를 성막 시스템으로 로드하기 전에, 기재는 30μm 내지 60μm의 에지 반지름(edge radius)에 대한 호닝(honing)을 획득하기 위한 건식 블라스팅으로 처리된 후, 건식 블라스팅 단계로부터의 잔류물로부터 기재를 세척하기 위한 습식 블라스팅으로 처리되었다. 건식 블라스팅은 기재의 레이크 사이드에 대해 150mm의 거리 및 45°의 각도로 배열된 지름이 10mm인 노즐 및 0.4 내지 0.6MPa의 압력에서의 100개의 메쉬 알루미나 입자들, 즉 기재의 레이크 사이드에 45°의 각도로 충돌하는 입자들을 사용하여 수행되었다. 습식 블라스팅은 기재의 레이크 사이드에 대해 150mm의 거리 및 45°의 각도로 배열된 지름이 9.5mm인 노즐 및 0.4MPa의 압력에서의 360개의 메쉬 알루미나 입자들을 사용하여 수행되었다. 기재의 습식 블라스팅의 지속시간은 0.5 내지 1분이었다.

기재는 성막 시스템에서 3중 회전(threefold rotation)을 가능하게 하는 고정물에 수직 배열되었는데, 즉 판상 타겟들을 마주하는 레이크 면을 가졌다. 성막 전에, 기재는 성막 시스템에서 Cr-이온들에 의해 기재에 충격을 가함으로써 플라즈마 식각되었다.

코팅은 다음의 성막 조건들(온도 450℃, 질소 압력 2.5Pa, 아크 전류 400A, 양극 전압 0V, 바이어스 전압 19V(DC), 양극 전압 0V, 및 음극 전압 17.5V)을 사용하여 성막되었다.

성막 후에, 코팅은 기재의 레이크 사이드에 대해 50mm의 거리 및 45°의 각도로 배열된 지름이 12.5mm인 노즐 및 0.4MPa의 압력에서 500개의 메쉬 알루미나 입자들을 0.5분 동안 사용하는 습식 블라스팅으로 처리되었다.

코팅의 두께는 플랭크 사이드에서 21μm이었고, 레이크 사이드에서 24μm이었다. 경도(hardness)는 27GPa이었다. 코팅의 습식 블라스팅 후의 내부 응력은 +90MPa이었다.

예시(2)

5개의 판상 타겟을 사용하여 다층 (Ti, Al, Cr)N 코팅이 질소 분위기에서 S1 기재에 성막되었는데, 40 at-% Ti와 60 at-% Al로 구성되는 상기 5개의 판상 타겟 각각은 100 at-% Cr를 포함하는 판상 타겟과 동시에 진행된다.

성막 전에, 기재는 예시(1)를 따르지만, 기재들의 수평 배열, 즉 판상 타겟들을 마주하는 플랭크 면들을 이용하여 전처리되고 플라즈마 식각되었다.

코팅은 다음의 성막 조건들(온도 450℃, 질소 압력 2.5Pa, (Ti, Al) 타겟을 위한 아크 전류 400A, Cr 타겟을 위한 아크 전류 100A, 양극 전압 0V, 바이어스 전압 19V(DC), 및 음극 전압 17.5V)을 사용하여 성막되었다. 성막 후에, 코팅은 기재의 레이크 사이드에 대해 150mm의 거리 및 45°의 각도로 배열된 지름이 9.5mm인 노즐 및 0.4MPa의 압력에서의 360개의 메쉬 알루미나 입자를 사용하는 습식 블라스팅으로 처리되었다. 코팅의 습식 블라스팅의 지속시간은 0.5 내지 1분이었다.

코팅의 두께는 플랭크 사이드에서 16μm이었고, 레이크 사이드에서 11μm이었다. 경도는 31GPa이었다. 코팅의 습식 블라스팅 후의 내부 응력은 -1340MPa이었다.

예시(3)

3개의 판상 타겟을 사용하여 TiAlN 코팅이 질소 분위기에서 S3 기재에 성막되었고, 상기 3개의 판상 타겟 각각은 60 at-% Ti와 40 at-% Al로 구성된다.

기재를 성막 시스템으로 로드하기 전에, 기재는 30μm 내지 60μm의 에지 반지름에 대한 호닝을 획득하기 위한 건식 블라스팅으로 처리된 후, 건식 블라스팅 단계로부터의 잔류물로부터 기재를 세척하기 위한 습식 블라스팅으로 처리되었다. 건식 블라스팅은 기재의 레이크 사이드에 대해 150mm의 거리 및 45°의 각도로 배열된 지름이 10mm인 노즐 및 0.4MPa 내지 0.6MPa의 압력에서의 100개의 메쉬 알루미나 입자들을 사용하여 수행되었다. 습식 블라스팅은 기재의 레이크 사이드에 대해 50mm의 거리 및 45°의 각도로 배열된 지름이 12.5mm인 노즐 및 약 0.4MPa의 압력에서의 압력에서의 500개의 메쉬 알루미나 입자를 0.5분 동안 사용하여 수행되었다.

성막 전에, 기재는 예시(1)에 따라 수평 배열되고 플라즈마 식각되었다. 코팅은 다음의 성막 조건들(온도 450℃, 질소 압력 3.5Pa, 아크 전류 400A, 양극 전압 0V, 바이어스 전압 20.5V(펄스 바이어스, 80% 듀티 사이클(duty cycle)), 및 음극 전압 17.5V)을 사용하여 성막되었다.

코팅의 두께는 플랭크 사이드에서 23μm이었고, 레이크 사이드에서 15μm이었다. 성막 후, 블라스팅 전의 내부 응력은 +900MPa이었다. 코팅의 블라스팅 후의 내부 응력은 -1585MPa이었다. 코팅의 경도는 26GPa이었다.

예시(4)

조성물 Ti₀ _.33Al₀ _.67을 갖는 타겟들을 사용하여 (Ti, Al)N의 단층이 질소 분위기에서 Balzers Rapid Coating System에서 음극 아크 성막에 의해 S2 기재에 성막되었다. 코팅의 두께는 3μm이었다.

예시(5)

(Ti, Al)N 단층이 반복적으로 교대되는 TiN/(Ti, Al)N 다층 구조를 갖는 TiAlN 다층 코팅이 질소 분위기에서 Balzers Rapid Coating System에서 음극 아크 성막을 사용하여 S2 기재에 성막되었다. TiN/(Ti, Al)N 다층 구조는 Ti 및 Ti₀ _.5Al₀ _.5 타겟들을 사용하여 성막되고, (Ti, Al)N 단층은 Ti₀ _.5Al₀ _.5 타겟들을 사용하여 성막되었다. 코팅 두께는 4μm이었다.

예시(6)

MT-TiCN+α-Al₂0₃+TiN 코팅 및 초경합금 기재를 이용한 터닝 응용을 위한 상업용 최신 CVD 코팅된 절삭 공구가 비교를 위해 사용되었다.

예시(7)

예시(1 내지 6)으로부터의 인서트들은 베어링 강(Ovako 825B, Tibnor)에서 터닝함으로써 크레이터 마모에 관해 시험되었다. 그 결과는 표 2에 표현되어 있다. 공구 수명 기준은 0.5mm²를 초과하는 크레이터 마모였다.

예시(8)

예시(2 내지 6)으로부터의 인서트들은 공구 강(Sverker21, Uddeholm)에서 수직 터닝(longitudinal turning)함으로써 플랭크 마모에 관해 시험되었다. 그 결과는 표 3에 표현되어 있다. 공구 수명 기준은 0.2mm를 초과하는 플랭크 마모였다.

예시(9)

전술한 예시로부터 인서트들은 오스테나이트계 스테인리스강(austenitic stainless steel; 304L, Sandvik)에서 터닝함으로서 박리에 관해 시험되었다.

박리 정도는 주사 전자 현미경(SEM:scanning electron microscope)을 사용하여 질적으로 판단되었다. 도 2 및 도 3은 각각 예시(1 및 5)의 인서트의 SEM 이미지들이다. 본 발명에 따른 예시(1)의 인서트들은 기재의 아래로 어떠한 박리도 보이지 않는다. 종래 기술에 따른 예시(5)의 인서트들은 예시(1)보다 훨씬 더 얇은 코팅을 가짐에도 불구하고 절삭 에지를 따라 심각한 박리를 보인다.

앞선 예시에 도시된 크레이터 마모, 플랭크 마모, 및 박리에 관한 본 발명에 따른 코팅된 절삭 공구의 성능은 본 발명에 따라 제조된 코팅 및 코팅된 절삭 공구가 뛰어난 인성 및 내마모성을 갖는 것을 확실하게 한다. 특히, 이러한 두꺼운 코팅의 내박리성은 예상 외로 우수하다.

예시(10)

본 발명에 따른 판상 타겟에 의해 생성된 전체 이온 전류를 평가하기 위해, 플라즈마 프로브는 판상 타겟 앞에서 이온 전류 밀도를 측정하는데 사용되었다. 도 4a의 사진에 도시된 바와 같이, 플라즈마 프로브(7)는 케이블에 의해 일단이 연결되고 지름이 1cm인 원형 센서 표면(8)을 갖는 내부 센서 요소에 의해 타단이 절단되고(truncated), 스테인리스강으로 형성된 스테인리스강의 실린더를 포함한다. 센서 표면(8)은 실린더로부터 격리되어 한 방향으로부터만 이온들을 수집한다. 실린더의 반대 단부의 케이블은 케이블을 오실로스코프 및 전원에 연결시킨다. 측정을 수행하기 위해, 플라즈마 프로브(7)는 타겟 표면의 중심으로부터 15cm의 거리에서 센서 표면(8)이 판상 타겟(1)을 마주하는 상태에서 판상 타겟의 앞에 위치했으며, 센서 표면(8)은 케이블을 통해 -70V에서 바이어스되었다. -70V에서, 이온 전류는 포화된다고 간주되고, 바이어스 전압의 변화에 따라 크게 달라지지 않는다. 아크 방전이 트리거되었고 이온 전류 밀도가 상이한 아크 전류에 대해 측정되었다. 이러한 측정은 80A, 100A, 120A, 140A, 160A, 180A, 및 200A의 아크 전류를 사용하는

16cm Ti₄₀Al₆₀ 판상 타겟을 갖는 종래의 성막 시스템(Balzers Rapid Coating System)에서 수행되었고(이하 예시(10a)라고 지칭함), 100A, 200A, 300A, 400A, 500A, 600A, 700A, 및 800A의 아크 전류를 사용하는 74×19cm² Ti₄₀Al₆₀ 판상 타겟을 갖는 본 발명에 따른 성막 시스템에서 수행되었다(이하 예시(10b)라고 지칭함). 측정은 5Pa의 압력 및 각각 250℃ 및 400℃의 온도에서의 질소 분위기에서 수행되었다. 도 4b는 측정된 이온 전류 밀도를 타겟 사이즈와 곱함으로써 판단된 전체 이온 전류를 개략적으로 예시한다. 대형 판상 타겟들을 사용하는 성막 시스템의 이온 전류는 종래의 성막 시스템에서보다 상당히 더 크다. 180A의 아크 전류의 경우, 종래 기술의 성막 시스템에서의 전체 이온 전류는 3.3kA이고, 본 발명에 따른 성막 시스템의 아크 전류의 경우 8.7kA이다.

예시(11)

(Ti, Al)N 코팅이 종래의 방법들을 사용하여 결이 고운 초경합금 절삭 공구 인서트 기재에 성막되었으며, 이하 예시(11a 및 11c)라고 지칭되고, 본 발명에 따른 방법들을 사용하여 또한 성막되었으며 이하 예시(11b 및 11d)라고 지칭된다.

예시(10a)의 기준 코팅은 종래의 PVD 생산 설비(Balzers Rapid Coating System)를 사용하여 음극 아크 성막에 의해 CNMG120408-MM S3 기재에 성막되었다. Ti₃₃Al₆₇N 조성물을 갖는

16cm 판상 타겟은 음극으로서 사용되었다. 진공 챔버의 벽들은 접지에 연결되어 양극 역할을 하였다. 성막은 600℃의 온도, 1.0Pa의 압력, 양극에 대한 약 -22V의 평균 음극 전압 및 -100V의 DC 바이어스 전압, 및 약 150A의 아크 전류에서의 질소 분위기에서 수행되었다. 코팅된 절삭 공구 인서트의 플랭크 사이드에서 측정된 코팅의 두께는 3.5μm이었다.

예시(11b)의 코팅은 Ti₄₀Al₆₀N 조성물을 갖는 74×19cm² 판상 타겟을 음극으로서 사용하여 음극 아크 성막 시스템에서 CNMG120408 S1 인서트에 대해 음극 아크 성막에 의해 성막되었다. 진공 챔버 벽들 및 판상 타겟을 중심으로 동심으로 배열된 양극 부재는 접지에 연결되어 양극 역할을 했다. 성막은 450℃의 온도, 3.0Pa의 압력, 양극 전압에 대한 -15V의 음극 전압 및 -20V의 바이어스 전압, 및 400A의 아크 전류에서의 질소 분위기에서 수행되었다. 코팅된 절삭 공구 인서트의 플랭크 사이드에서 측정된 코팅의 두께는 17μm이었다. 성막 후에, 코팅은 습사 블라스팅(wet sand blasting)에 의해 후처리되었다. 도 5는 예시(11b)에 따른 코팅의 주사 전자 현미경의 단면 사진을 도시한다.

예시(2c)의 기준 코팅은 예시(11a)에서와 동일한 성막 및 양극-음극 구성을 사용하지만, 각각 Ti₃₃Al₆₇ 조성물 및 Ti₈₄Al₁₆ 조성물을 갖는 2개의 타겟을 사용하고, 다층 코팅이 형성되도록 성막 중에 타겟들 앞에서 절삭 공구 기재를 회전시키는 음극 아크 성막에 의해 R390-11 S3 기재에 성막되었다. 성막은 600℃의 온도, 2.5Pa의 압력, 양극에 대한 Ti₃₃Al₆₇ 타겟을 위한 약 -22V의 음극 전압, Ti₈₄Al₁₆ 타겟을 위한 약 -25V의 음극 전압 및 -60V의 기재 바이어스 전압, 및 약 150A의 아크 전류에서의 질소 분위기에서 수행되었다. 코팅된 절삭 공구 인서트의 플랭크 사이드에서 측정된 코팅의 두께는 3μm이었다.

예시(11d)의 코팅은 예시(11b)에서와 동일한 성막 및 양극-음극 구성을 사용하고 동일한 타겟 조성물을 이용하는 음극 아크 성막에 의해 R245-12 S3 기재에 성막되었다. 성막은 450℃의 온도, 3.5Pa의 압력, 양극에 대한 -17V의 음극 전압 및 -26V의 기재 바이어스 전압, 및 400A의 아크 전류에서의 질소 분위기에서 수행되었다. 코팅된 절삭 공구 인서트의 플랭크 사이드에서 측정된 코팅의 두께는 6μm이었다.

예시(12)

예시(11a) 및 예시(11b)의 코팅은 냉각재를 이용하여 스테인리스강(304L)에서 터닝함으로써 시험되었다. 도 6a는 시험 후에 예시(11a)의 코팅된 절삭 공구의 주사 전자 현미경 이미지이다. 도 6b는 시험 및 식각 후의 예시(11b)의 코팅된 절삭 공구의 주사 전자 현미경 이미지이다. 이미지들에 도시된 바와 같이, 도 11b의 코팅은 거의 영향을 받지 않고, 특히 내박리성에 관해 주목할만한 개선이 있다.

예시(13)

예시(2c) 및 예시(2d)의 코팅은 냉각재 없이 철강(ISO-P)에 대한 페이스 밀링을 사용하여 시험되었다. 도 7a는 시험 후의 예시(11c)의 코팅된 절삭 공구의 광학 이미지이다. 도 7b는 시험 후의 예시(11d)의 코팅된 절삭 공구의 광학 이미지이다. 빗살 내균열성(comb crack resistance)은 예시(11c)에서보다 예시 (11d)에서 상당히 더 우수하다.

성막된 코팅들의 두께는 연마된 단면에 대해 광학 현미경 관찰법에 의해 측정되었다. 일반적으로, 판상 타겟들을 향해 플랭크 사이드를 이용하여 인서트들이 실장되었기 때문에, 코팅된 절삭 공구의 플랭크 사이드에서의 코팅의 두께는 레이크 사이드에서보다 더 크다. 그러므로 이 차이점을 반영하기 위해, 두께는 플랭크 사이드 및 레이크 사이드 각각에서의 에지 라인으로부터 0.2mm에서 측정된다. 예를 들어, 드릴 및 엔드 밀에서와 같은 불규칙적인 표면들의 경우, 여기에 주어진 두께는 임의의 상당히 평평한 표면 또는 상대적으로 큰 곡률 및 임의의 에지 또는 코너로부터의 소정의 거리를 갖는 표면에 대해 측정된 두께를 지칭한다. 예를 들어, 드릴에서, 측정들은 주변부에 대해 수행되어야 한다.

EDS 등을 사용한 조성물의 측정뿐 아니라 각각의 개별 층의 조성물은 타겟들의 조성물로부터 추정될 수 있다. 분석되기에 충분히 두껍게 더 두꺼운 층들이 성막된 경우, 성막된 층들의 조성물은 타겟 재료의 조성물에 비해 몇 퍼센트 상이할 수 있다. 그러므로 코팅들의 조성물은 전술한 예시 전부에 제공되는 것은 아니다.

코팅들의 내부 응력들은 코팅된 절삭 공구들의 플랭크 사이드의 중간에서 측정되었는데, 더 구체적으로, 레이저 비디오 측위, 오일러 1/4-크래들, X선 소스로서의 회전 양극(CuK_a-radiation) 및 면적 검출기(Hi-star)를 장착한 X선 회절 분석기 Bruker D8 Discover-GADDS에 대한 ψ-지오메트리(geometry)를 사용하는 X선 회절에 의해 측정되었다. 사이즈가 0.5mm인 시준기(collimator)가 빔의 초점을 맞추는데 사용되었다. 분석은 고니오미터(goniometer) 설정 2θ = 50°, ω = 25°, 및 Φ = 0°, 90°, 180°, 270°를 사용하여 TiAlN(200) 반사에 수행되었다. 0° 내지 70°의 범위의 8개의 ψ 틸트들은 Φ 각도마다 수행되었다. 이 sin²ψ 방법은 상수인 영률(Young's modulus), E = 450GPa 및 푸아송비(Poisson's ratio), ν = 0.20를 갖는 Bruker AXS로부터의 소프트웨어 DIFFRAC^plus Stress32 v. 1.04를 사용하고, Pseudo-Voigt-Fit 기능을 사용하여 반사를 위치시켜서 내부 응력을 평가하는데 사용되었다.

코팅들의 경도는 나노-인덴테이션(nano-indentation)을 사용하여 측정되었다.

측면, 전면, 상면, 앞에, 길이, 폭, 수평으로 등의 용어는 예시적인 목적으로만 사용되었고, 특정 배향으로 본 발명을 제한하려는 것은 아니다.

본 발명이 절삭 공구 인서트의 측면에서 설명되었지만, 본 방법은 또한 밀 및 드릴과 같은 공구들을 라운딩하기 위해 적용될 수 있다.

본 발명은 현재 가장 실질적이고 바람직한 구현예들로 간주되는 것에 기반하여 설명되어 있지만, 본 발명은 개시된 구현예들로 제한되지 않고, 반대로 첨부된 특허청구범위 내에 있는 여러 변형예 및 균등한 배열들을 포괄하려 한다는 점이 이해되어야 한다.

Claims

방법으로서,
진공 챔버 내의 음극 아크 성막(cathodic arc deposition)을 위한 양극(anode)-음극(cathode) 구성을 형성하는 양극 배열 및 판상 타겟을 제공하는 단계;
상기 진공 챔버에서의 하나 이상의 절삭 공구 기재(cutting tool substrate)를 제공하는 단계; 및
상기 판상 타겟과 상기 양극 배열 사이에 적어도 200A의 아크 전류를 인가함으로써 상기 판상 타겟의 표면에 하나 이상의 아크 스팟으로서 보일 수 있는 아크 방전으로부터 플라즈마를 생성하고, 이로써 상기 아크 방전의 이온들이 상기 판상 타겟으로부터 방출되어 상기 하나 이상의 절삭 공구 기재들에 대한 코팅을 형성하는데 기여하는 단계
를 포함하며,
상기 타겟 표면으로부터 약 15cm 거리에서 상기 타겟을 마주하는 프로브 표면을 사용하여 측정된 상기 타겟 표면의 법선 방향을 따른 평균 이온 전류 밀도와 상기 판상 타겟의 전체 표면 면적을 곱한 값이 적어도 5A인, 방법.
제1항에 있어서, 상기 판상 타겟은 500cm²보다 크고, 바람직하게 1000cm²보다 큰 표면 면적을 갖는, 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이온 전류 밀도는 6mA/cm²보다 크고, 바람직하게 10mA/cm²보다 크고, 더 바람직하게 6mA/cm²와 16mA/cm² 사이에 있는, 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절삭 공구 기재에 상기 양극 배열의 전압 전위(V_A)에 비해 네거티브인 바이어스 전압(V_S)을 인가하고 상기 양극 배열의 상기 전압 전위(V_A)에 비해 네거티브인 음극 전압(V_c)을 인가하는 단계를 더 포함하며,
V_S - V_A > -30V,
-20V < V_c - V_A < 0V, 및
-10V ≤ V_S - V_c ≤ 10V인, 방법.
제4항에 있어서, V_S - V_c ≤ 0V인, 방법.
제4항 또는 제5항에 있어서, -19V ≤ V_c - V_A ≤ -15V, 바람직하게 -18V ≤ V_c - V_A ≤ -16V인, 방법.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, -30V ≤ V_S - V_A ≤ -15V, 바람직하게 -25V ≤ V_S - V_A ≤ -15V인, 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 아크 전류는 400A 이상이고, 바람직하게 400A 내지 1200A, 더 바람직하게 600A 내지 1200A인, 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 아크 방전의 상기 하나 이상의 아크 스팟의 변위를 조정(steering)하기 위하여 타겟 표면에 측면 자기장(lateral magnetic field)을 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제9항에 있어서, 상기 측면 자기장의 크기를 제어하여 상기 판상 타겟 및 상기 양극 배열에 대해 측정되는 임피던스를 0.1옴 미만, 바람직하게 0.05옴 미만으로 제어하는, 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 아크 전류로부터 기원하는 자체 자기장(magnetic self-field), 상기 자기장, 및 상기 판상 타겟의 전류 메이팅(current mating)으로부터 기원하는 자기장의 균형을 잡는 단계를 더 포함하는, 방법.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측면 자기장은 100가우스 미만, 바람직하게 5가우스 내지 40가우스인, 방법.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 판상 타겟 주변의 자기장이 균일하도록 상기 판상 타겟의 전류 메이팅으로부터 기원하는 자기장의 균형을 잡기 위해 상기 타겟 하에서 영구 자석들의 비대칭적인 분포를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진공 챔버 내의 반응 기체(reactive gas)로서 질소를 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 판상 타겟은 (Ti, Al)N 코팅을 형성하기 위해 주요 원소로서 Ti 및 Al를 포함하는, 방법.
제1항 내지 14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅 두께는 적어도 10μm인, 방법.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 모든 판상 타겟들로부터 기인하는 전체 이온 전류를 상기 진공 챔버의 내부 부피로 나눈 값이 적어도 3A/m³인, 방법.
제1항 내지 16항 중 어느 한 항에 있어서, 블라스팅에 의해 상기 성막 후의 코팅을 후처리하는 단계를 더 포함하는, 방법.