KR20150040962A - 마모인식 층을 갖는 절삭 공구 - Google Patents

마모인식 층을 갖는 절삭 공구 Download PDF

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발터 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 기판 보디 (substrate body), 바람직하게는 경질 금속, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도강으로 이루어진 기판 보디; 선택적으로는, 상기 기판 보디에 퇴적된 하나 이상의 층을 갖는 마모 방지 코팅; 및 상기 기판 보디 또는 상기 마모 방지 코팅 위에 배치된 외측 층으로서,단층 마모 인식 층 (A), 또는 하나의 개별 층 위에 다른 개별 층이 배치된 적어도 4 개의 개별 층들을 포함하는 다층 마모 인식 층 (B) 으로 이루어진 공구에 관한 것으로서, 상기 층 또는 층들은 PVD 프로세스로 원소 금속들, 금속 합금들 또는 전기 전도성 금속 화합물들을 퇴적시킴으로써 형성된다. 본 발명은, 단층 마모 인식 층 (A) 의 개별 층 또는 다층 마모 인식 층 (B) 의 적어도 하나의 개별 층이 적어도 2 개의 상이한 금속들을 함유하고, 마모 인식 층이, 마모 인식 층의 상측 표면으로부터 아래로 마모 인식 층의 전체 두께를 넘어 연장되지 않는 침투 깊이까지, 마모 인식 층 내의 재료의 양극 산화에 의해 형성되는 영역을 포함하고, 단층 마모 인식 층 (A) 의 개별 층은 100 ㎚ 내지 10 ㎛ 의 두께를 갖거나 또는 다층 마모 인식 층 (B) 의 각 개별 층이 0.5 ㎚ 내지 1 ㎛ 의 두께를 갖고, 다층 마모 인식 층의 적어도 2 개의 상이한 금속들을 함유하는 단층 마모 인식 층 (A) 의 개별 층 또는 적어도 하나의 개별 층이 양극 산화 이전에 그리고 양극 산화되지 않은 마모 인식 층의 영역들에서 적어도 2 개의 상이한 상들을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

마모인식 층을 갖는 절삭 공구{CUTTING TOOL WITH WEAR-RECOGNITION LAYER}
본 발명은, 기판 보디 (substrate body), 바람직하게는 경질 금속, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도강으로 이루어진 기판 보디; 선택적으로는, 상기 기판 보디에 퇴적된 단층 또는 다층 마모 방지 (protection) 코팅; 및 상기 기판 보디 또는 마모 방지 코팅 위에 최외각 층으로서 배치된 마모 인식 층으로 이루어진 공구, 및 그 공구의 제조 방법에 관한 것이다.
교체가능한 절삭 인서트 및 절삭 플레이트를 또한 포함하는 절삭 공구, 특히 금속-제거 기계가공용의 절삭 공구는, 단층 또는 다층 마모 방지 코팅이 선택적으로 퇴적되어 있는 기판 또는 본체를 포함한다. 기판은 일반적으로 경질 금속, 서멧, 강 또는 고속도강, 및 CVD 또는 PVD 프로세스에 의해 도포된 경질 물질의 마모 방지 코팅으로 이루어진다. 경질 물질의 코팅은 특정 적용을 위한 공구의 절삭 특성을 향상시키도록 그리고 공구의 마모를 감소시키도록 설계된다.
장식 및/또는 표시 기능을 갖는 보통 얇은 최외각 층, 예컨대 편리하게는, 아래에 놓인 마모 방지 코팅과 색이 상이한 TiN, ZrN, TiC, HfC 또는 HfN 의 최외각 층이 절삭 공구에 제공되는 것이 또한 알려져 있다. 순전히 장식 목적을 갖는 것 외에도, 그러한 층은 공구가 사용되는 때에 마모되어 아래에 놓인 층이 보이게 되므로 마모 인식에 유리하게 기여할 수도 있고, 따라서 공구가 이미 사용되었는지 얼마나 강하게 사용되었는지 여부를 육안으로 알 수 있다.
EP 1 762 638 에는, 경질 금속 기판, 마모에 대한 방지를 위한 경질 금속의 다층 코팅, 및 PVD 에 의해 1 ㎛ 미만의 두께로 처음에 도포된 후 브러싱 또는 연마 블라스팅에 의해 절삭면 및 절삭 에지로부터 다시 제거되는 ZrN 의 최외각 표시층으로 이루어진 절삭 인서트가 기재되어 있고, ZrN 층은 절삭 에지와 절삭면에서 절삭 특성에 불리한 영향을 미칠 수 있는 좋지 않은 마찰 특성을 갖는다.
또한, DE 10 2004 010 285 및 DE 100 48 899 에는, 사용된 절삭 공구와 사용되지 않은 절삭 공구를 육안으로 구별할 수 있도록 설계된 아래에 놓인 마모 방지 코팅과 색이 다른 HfC 또는 HfN, 황금색 TiN 또는 TiC 의 표시 커버링 코팅을 갖는 절삭 공구가 기재되어 있다.
이하에서 마모인식 층이라 부르는, 장식 및/또는 표시 기능을 갖는 공지된 커버링 층의 색상 변화의 폭은 매우 제한적이다. 마모인식 층으로 매우 빈번하게 사용되는 질화물 및 탄화물은 예컨대 황금색을 갖는다. 이것 외에도, 공지된 마모인식 층의 일부는 공구의 마모 특성 및 금속 절삭 프로세스에 불리한 영향을 미치는 불리한 마찰 특성을 갖는다. 또한, 마모인식 코팅의 제조에 사용되는 공지된 재료들의 일부는 많은 금속 기계가공 프로세스에서 발생하는 높은 온도 또는 온도 변화에 노출되는 때에 충분히 안정적이지 않다.
그러므로, 본 발명의 기초를 이루는 목적은, 생산하기가 비교적 용이하고 생산비용이 적게 들며 양호한 마모 인식을 가능하게 하고 온도 안정적이며 공구의 마모 특성 및 절삭 프로세스에 마찰학적으로 불리한 영향을 더 적게 미치며 또한 공지된 마모인식 코팅보다 더 다양한 색으로 생산될 수 있는, 장식 및/또는 표시 기능 (마모 인식 층) 을 갖는 절삭 공구용 코팅을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이 목적은,
기판 보디, 바람직하게는 경질 금속, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도강으로 이루어진 기판 보디,
선택적으로는, 상기 기판 보디에 퇴적된 단층 또는 다층 마모 방지 코팅, 및
PVD 프로세스에 의한 원소 금속들, 금속 합금들 또는 전기 전도성 금속 화합물들의 퇴적에 의해 형성되는, 상기 기판 보디 또는 상기 마모 방지 코팅 위에 최외각 층으로서 퇴적된, 단층 마모 인식 층 (A), 또는 하나의 개별 층 위에 다른 개별 층이 배치된 적어도 4 개의 개별 층들을 포함하는 다층 마모 인식 층 (B)
으로 이루어진 공구로서,
상기 단층 마모 인식 층 (A) 의 개별 층 또는 상기 다층 마모 인식 층 (B) 의 적어도 하나의 개별 층은 적어도 2 개의 상이한 금속들을 함유하고,
상기 마모 인식 층은, 상기 마모 인식 층의 외측 표면으로부터 상기 마모 인식 층의 총 두께를 넘어서 연장되지 않는 침투 깊이 (depth of penetration) 까지 상기 마모 인식 층의 재료의 양극 산화에 의해 형성되는 영역을 포함하고,
상기 단층 마모 인식 층 (A) 의 상기 개별 층은 100 ㎚ 내지 10 ㎛ 의 두께를 나타내거나, 또는 상기 다층 마모 인식 층 (B) 의 각 개별 층은 0.5 ㎚ 내지 1 ㎛ 의 두께를 나타내고,
적어도 2 개의 상이한 금속들을 함유하는 상기 단층 마모 인식 층 (A) 의 상기 개별 층 또는 상기 다층 마모 인식 층 (B) 의 상기 적어도 하나의 개별 층은, 상기 양극 산화 이전에 그리고 양극 산화되지 않은 상기 마모 인식 층의 영역들에서 적어도 2 개의 상이한 상들 (phases) 을 나타내는, 공구에 의해 달성된다.
본 발명은 모노층 구조 (monolayer structure) 로도 또한 일컬어지는 단층 마모 인식 층 (A) 을 갖는 실시형태와 다층 구조로도 또한 일컬어지는 다층 마모 인식 층 (B) 을 갖는 실시형태를 포함하며, 이 실시형태들을 구별한다.
단층 마모 인식 층 (A) 은, 층의 PVD 퇴적 후에 행해지는 양극 산화로 인해, 마모 인식 층의 외측 표면으로부터 층의 재료가 산화된 상태로 존재하는 층 내로 연장되는 영역, 및 산화된 영역으로부터 층의 재료가 산화되지 않은 상태로 존재하는 마모 방지 코팅 또는 기판 보디의 표면까지 연장되는 영역을 포함하는 단 하나의 층을 포함한다.
다층 마모 인식 층 (B) 은 적어도 4 개의 개별 층들을 포함하고, 바람직하게는, 2000 개까지의 개별 층들을 포함할 수 있고, 마모 인식 층 (B) 은, PVD 퇴적 후에 행해지는 양극 산화로 인해, 최외각 개별 층의 외측 표면으로부터 재료가 산화된 상태로 존재하는 다층 마모 인식 층 (B) 내로 연장되는 영역, 및 산화된 영역으로부터 층의 재료가 산화되지 않은 상태로 존재하는 마모 방지 코팅 또는 기판 보디의 표면까지 연장되는 영역을 포함한다. 양극 산화의 침투 깊이는 복수의 개별 층들에 걸쳐 연장될 수 있다. 대안적으로, 다층 마모 인식 층 (B) 의 단지 최외각 개별 층만이 양극 산화될 수도 있다. 바람직하게는 양극 산화는 다층 마모 인식 층 (B) 내부의 2 개의 개별 층들 사이의 계면에서 종료된다.
본 발명에 따른 마모 인식 층은, 예컨대 주철에 대한 높은 친화도로 인해 그러한 재료를 기계가공하기 위한 공구용의 코팅으로서 단점을 갖는 공지된 장식 및 표시 층들 (예컨대, TiN) 에 비해 현저한 이점을 타나낸다. 본 발명에 따른 마모 인식 층은 그 표면에서 산화 특성 (oxidic properties) 을 갖고, 이 산화 특성은 마찰학적 관점에서 공지된 질화물 또는 탄화물 층들에 비해 주된 이점을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 마찰학적으로 유리한 특성은 공구의 절삭 특성 및 마모 특성에 미치는 불리한 영향을 감소시킨다.
채용되는 금속 또는 채용되는 전기 전도성 금속 화합물 및 양극 산화의 정도와 층 두께에 따라, 본 발명에 따른 마모 인식 층은 양호한 레벨 내지 높은 레벨의 온도 안정성을 나타내고, 이러한 이유로 매우 높은 온도 또는 온도 변화 응력이 빈번하게 발생하는 금속-제거 기계가공용의 공구에 특히 적합하다.
본 발명에 따른 마모 인식 층의 다른 이점은, 사용된 금속 또는 사용된 전기 전도성 금속 화합물 및 양극 산화의 정도와 침투 깊이에 따라, 매우 강한 색 효과, 매우 많은 수의 상이한 색, 및 거의 모든 가시 색 스펙트럼을 커버하는 휘도 레벨이 생성될 수 있다는 것이다. 이런 식으로, 마모 인식에 기여하는 외부 표면 코팅들을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 상이한 색들에 의해 공구들이 표시될 수 있어서, 사용자는 오로지 색에 근거하여 공구의 상이한 유형들 또는 공구의 타입들을 구별할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 마모 인식 층은 마모 인식 기능을 독점적으로 가질 수 있거나 또는 마모 인식 기능뿐만 아니라 색 코딩에 기여할 수 있다. 공지된 마모 인식 층와 비교해 볼 때, 본 발명에 따른 마모 인식 층은 훨씬 더 높은 휘도의 컬러링을 나타낼 수 있다. 본 발명에 따른 마모 인식 층을 형성할 때에 양극 산화에 요구되는 전압은 다를 수 있다.
이와 관련하여 이론에 얽매임이 없이, 본 발명자들은 본 발명에 따른 마모 인식 층의 컬러링 효과가 양극 산화에 의해 형성되는 마모 인식 층의 외측 영역을 통해 마모 인식 층의 산화되지 않은 내측 영역에 충돌하는 빛의 반사에 기초한다고 가정한다. 간섭 효과가 관찰되는 색들을 제공한다. 특정 경우에, 컬러링 효과는 마모 인식 층의 양극 산화된 외측 영역의 고유 색 (inherent colour) 에 또한 기초할 수 있다.
본 발명의 하나의 본질적인 특징은, 적어도 2 개의 금속들을 함유하는 단층 마모 인식 층 (A) 의 개별 층 또는 다층 마모 인식 층 (B) 의 적어도 하나의 개별 층이 양극 산화 이전에 그리고 양극 산화되지 않은 마모 인식 층의 영역들에서 적어도 2 개의 상이한 상들을 나타낸다는 것이다. 놀랍게도, 마모 인식 층의 적어도 하나의 개별 층에서의 적어도 2 개의 상이한 상들의 존재로 인해, 개별 층들이 적어도 하나의 개별 층에서 적어도 2 개의 상이한 상들을 나타내지 않는 공지된 또는 유사한 코팅들에서 상이한 색조 (shades of colour) 가 형성될 수 있다는 것이 발견되었다.
본 발명의 목적을 위해, 마모 인식 층의 다상 (multi-phase) 층에서의 용어 "상" 은 동일한 결정 구조 및 화학 조성의 영역들을 가리킨다. 본 발명의 목적을 위해 2 개의 상이한 상들은 동일한 결정 구조와 상이한 화학 조성, 상이한 결정 구조와 동일한 화학 조성, 또는 상이한 결정 구조와 상이한 화학 조성을 나타낸다.
양극 산화 이전의 그리고 양극 산화되지 않은 영역들에서의 단층 마모 인식 층 (A) 의 개별 층의 다상 성질은 본 발명에 따라 X선 회절 스펙트럼에서 입증될 수 있다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 그 방법에 익숙할 것이고, 스펙트럼으로부터 층이 단상 또는 2상 또는 다상 층인지 여부를 즉시 알 수 있을 것이다. 하나의 개별 층 위에 다른 개별 층이 배치된 적어도 4 개의 개별 층들을 포함하는 다층 마모 인식 층 (B) 에서, X선 회절 스펙트럼에서 다층 마모 인식 층의 단 한 층에 대한 복수의 상이한 상들의 정확한 할당은 상기 방법이 복수의 층들에 걸쳐 전체로서 측정하므로 즉시 가능하지는 않다. 그렇지만, 적어도 2 개의 상이한 금속들을 함유하는 개별 층 내의 다상은 전자 회절 (ED) 에 의해 준비된 단면을 갖는 시편에서 투과 전자 현미경 (TEM) 으로써 입증될 수 있다. 확실히, 이 방법은 단층 마모 인식 층 (A) 의 개별 층의 다상을 입증하는데 또한 적합하다.
본 발명의 제 1 변형예에서, 마모 인식 층은 단층을 갖고, 즉 PVD 프로세스에 의해 원소 형태, 금속 합금의 형태, 또는 전기 전도성 금속 화합물의 형태의 적어도 2 개의 상이한 금속들의 퇴적에 의해 형성되는 개별 층으로 이루어진다. 개별 층은 100 ㎚ 내지 10 ㎛ 의 두께 및 적어도 2 개의 상이한 상들을 나타낸다. 만약 개별 층이 예컨대 2 개의 상이한 금속들 M1 및 M2 를 함유한다면, 상이한 상들은 금속 M1 의 제 1 금속 상, 금속 M2 의 제 2 금속 상, 및 금속들 M1 과 M2 의 금속간 (intermetallic) 상일 수 있다. 상이한 상들은 X선 회절 스펙트럼에서 입증될 수 있다. 놀랍게도, 단층 내에 적어도 2 개의 상이한 금속들 및 적어도 2 개의 상이한 상들을 갖는 단층으로 이루어진 단층 마모 인식 층의 경우에, 단 하나의 금속을 함유하는 단층의 경우보다 더 큰 휘도와 선명도 (clarity) 의 색이 획득될 수 있다는 것이 발견되었다.
본 발명의 제 2 변형예에서, 마모 인식 층은 다층을 갖고, 즉 PVD 프로세스에 의해 퇴적되고 하나의 개별 층 위에 다른 개별 층이 배치되는 적어도 4 개의 개별 층들로 이루어진다. 각 개별 층이 금속 또는 복수의 상이한 금속들을 함유하고, 전기 전도성 금속 화합물 또는 금속 합금의 형태, 원소 형태의 금속들이 퇴적될 수 있다. 다층 마모 인식 층의 각 개별 층은 0.5 ㎚ 내지 1 ㎛ 의 두께를 나타낸다. 다층 마모 인식 층의 적어도 하나의 개별 층은 적어도 2 개의 상이한 상들을 나타낸다.
PVD 퇴적 후에, 마모 인식 층은 양극 산화를 거친다. 양극 산화 동안에, 피복 공구는 전해액 욕에서 애노드에 연결된다. 예컨대, 10 내지 300 초의 범위 내에 있거나 이 범위 밖에 있을 수 있는 선택된 시간 동안 20 내지 150 V 의 범위 내에 있거나 이 범위 밖에 있을 수 있는 소정의 전압에서 산화가 일어난다. 인가된 전압, 산화 지속시간, 선택된 전해액, 그리고 마지막으로 마모 인식 층의 조성이 마모 인식 층의 외측 표면으로부터 기판 방향으로의 양극 산화의 침투 깊이를 결정하는 본질적인 파라미터들이다. 침투 깊이에 따라, 상이한 색 효과가 획득된다. 양극 산화의 파라미터들은, 본 발명에 따른 마모 인식 층의 컬러링 효과가 마모 인식 층의 산화되지 않은 내측 영역에서의 빛의 반사에 기초한다고 추정되므로, 마모 인식 층의 총 두께를 초과하지 않는 침투 깊이까지 산화가 일어나도록 선택된다. 그러므로, 양극 산화의 침투 깊이의 조절에 의해 마모 인식 층의 그러한 산화되지 않은 영역을 획득하는 것이 유리하다.
양극 산화 이전에 그리고 양극 산화되지 않은 영역들에서 적어도 2 개의 상이한 금속들을 함유하는 개별 층 내부에 존재하는 상들은 X선 회절 분석 및/또는 TEM 에 의해 확인될 수 있다. 양극 산화를 거친 마모 인식 층의 영역들에서, 상이한 상들은 X선 회절 스펙트럼 또는 TEM 에서 더 이상 식별가능하지 않다. X선 회절 분석 및 TEM 의 방법들은 종래 기술에서 통상의 기술자에게 알려져 있고, 추가 설명은 필요하지 않다. X선 회절 스펙트럼에서의 상이한 상들의 구별은 피크 위치들을 대응하는 공지된 기준의 피크 위치들과 비교함으로써 행해질 수 있다. 예컨대, 개별 금속들의 상들은 순수 금속들의 기준 스펙트럼과의 비교에 의해 확인되고, 금속간 상들은 대응하는 합금들의 기준 스펙트럼과의 비교에 의해 확인된다. TEM 에 의한 상이한 상들의 구별은 전자 회절에 의해 달성된다.
본 발명의 일 바람직한 실시형태에서, 단층 마모 인식 층 (A) 의 개별 층은 250 ㎚ 내지 5 ㎛, 바람직하게는 400 ㎚ 내지 2 ㎛, 특히 바람직하게는 500 ㎚ 내지 1.2 ㎛ 의 두께를 나타낸다. 만약 단층 마모 인식 층 (A) 의 개별 층이 매우 얇다면, 마모 인식 층의 총 두께를 넘어 아래에 놓인 마모 방지 코팅까지 또는 기판까지 양극 산화가 일어나서 마모 방지 코팅 또는 기판이 양극 산화의 보통 산성의 전해액에 의해 공격받을 위험이 있다. 만약 모노층 구조를 갖는 마모 인식 층의 개별 층이 매우 두껍다면, 이는 코팅의 마찰학적 특성에 불리한 영향을 미치고, 따라서 공구의 마모 특성 및 금속 절삭 프로세스에 불리한 영향을 미친다. 이것 외에도, 만약 개별 층이 너무 두껍다면, 그 층이 절삭 프로세스 동안에 기판 또는 마모 방지 코팅으로부터 용이하게 분리될 위험이 있다.
본 발명의 일 바람직한 실시형태에서, 다층 마모 인식 층 (B) 은 하나의 개별 층 위에 다른 개별 층이 배치된 4 내지 2000, 바람직하게는 20 내지 500, 특히 바람직하게는 50 내지 100 개의 개별 층들을 포함한다. 개별 층들은 매우 얇고, 바람직하게는 5 ㎚ 내지 250 ㎚, 특히 바람직하게는 10 ㎚ 내지 100 ㎚ 의 두께를 나타낸다. 만약 개별 층들의 개수가 너무 적다면, 개별 층들의 두께가 감소함에 따라, 마모 인식 층의 총 두께를 넘어 아래에 놓인 마모 방지 코팅까지 또는 기판까지 양극 산화가 일어나서 마모 방지 코팅 또는 기판이 양극 산화의 보통 산성의 전해액에 의해 공격받을 위험이 존재한다. 만약 개별 층들의 개수가 너무 많다면, 마모 인식 층의 총 두께가 너무 커지고, 이는 코팅의 마찰학적 특성에 불리한 영향을 미칠 수 있고, 따라서 공구의 마모 특성 및 절삭 프로세스에 불리한 영향을 미칠 수 있다. 이것 외에도, 만약 마모 인식 층이 너무 두껍다면, 그 층이 절삭 프로세스 동안에 기판 또는 마모 방지 코팅으로부터 용이하게 분리될 위험이 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서, 단층 마모 인식 층 (A) 또는 다층 마모 인식 층 (B) 에 함유된 금속들이 Nb, Ti, Zr, Al, Ta, W, Hf, V, Mo 및 Si 로부터 선택된다. 만약 전기 전도성 금속 화합물들이 PVD 프로세스에서 퇴적된다면, 이들은 앞에서 언급된 금속들의 질화물들, 탄화물들 및 붕화물들 (이들이 전기 전도성이라면) 로부터 선택되는 것이 바람직하다.
적어도 2 개의 상이한 금속들을 함유하는 단층 마모 인식 층 (A) 의 개별 층 또는 다층 마모 인식 층 (B) 의 개별 층에 함유된 금속들이 Ti 및 Si 인 것이 특히 매우 바람직하다. 금속들 Ti 와 Si 의 이러한 조합은 밝은 색을 가져오고, 가시 스펙트럼에서 다수의 상이한 색들의 형성을 가능하게 한다. 단지 금속들 Ti 및 Si 를 함유하는 개별 층의 X선 회절 스펙트럼에서, 적어도 3 개의 상들, 즉 금속 Ti 상, 금속 Si 상 및 적어도 하나의 금속간 TiSi 상이 확인되고, X선 회절 스펙트럼으로부터 추정되는 금속 Ti 및 Si 상들의 비율은 적어도 하나의 금속간 TiSi 상에 대해 높다.
단지 금속들 Ti 및 Si 를 함유하는 개별 층의 X선 회절 스펙트럼이 도 1 에 도시되어 있다. 개별 층은, 층 두께 0.8 ㎛, 증발기 전류 160 A, Ar 압력 2 Pa, 및 바이어스 10 V 로, 85 : 15 의 원자% 비로 Ti 및 Si 를 함유하는 복합재료 타겟으로부터 아크 PVD 프로세스에 의해 퇴적되었다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서, 적어도 2 개의 상이한 금속들을 함유하는 단층 마모 인식 층 (A) 의 개별 층 또는 다층 마모 인식 층 (B) 의 개별 층에 함유된 금속들이, 개별 층에 존재하는 모든 금속들을 함유하는 혼합 금속 타겟들로부터 PVD 프로세스에 의해 퇴적된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서, 다층 마모 인식 층 (B) 은 2 ㎚ 내지 20 ㎛, 바람직하게는 10 ㎚ 내지 5 ㎛, 특히 바람직하게는 100 ㎚ 내지 1 ㎛ 의 총 층 두께를 나타낸다. 만약 총 층 두께가 매우 작다면, 마모 인식 층의 총 두께를 넘어 아래에 놓인 마모 방지 코팅까지 또는 기판까지 양극 산화가 일어나서 마모 방지 코팅 또는 기판이 양극 산화의 보통 산성의 전해액에 의해 공격받을 위험이 있다. 만약 마모 인식 층의 총 층 두께가 매우 크다면, 이는 코팅의 마찰학적 특성에 불리한 영향을 미칠 수 있고, 따라서 공구의 마모 특성 및 절삭 프로세스에 불리한 영향을 미칠 수 있다. 이것 외에도, 만약 마모 인식 층이 너무 두껍다면, 그 층이 절삭 프로세스 동안에 기판 또는 마모 방지 코팅으로부터 용이하게 분리될 위험이 있다.
본 발명의 특히 바람직한 일 실시형태에서, 바람직하게는 적어도 하나의 전기 비전도성 층, 특히 바람직하게는 산화알루미늄 층을 포함하는 단층 또는 다층 마모 방지 코팅, 바람직하게는 다층 마모 방지 코팅이 마모 인식 층 아래에 기판 보디 상에 배치된다.
비전도성 마모 방지 층 위에의, 특히 매우 바람직하게는 산화알루미늄 층 위에의 본 발명에 따른 마모 인식 층의 도포 (그의 경도 및 내마모성으로 인해, 그 자체로 도는 경질 재료의 다른 층과 조합으로 마모 방지 층으로서 금속절삭 기계가공용의 많은 공구에 채용되는 것이 유리함) 는, 마모 인식 층의 양극 산화 프로세스 중에 그 아래에 놓인 비전도성 층으로 인해 애노다이징 프로세스 동안에 이른바 구멍형성 (punctures) 이 일어날 수 없다는 특별한 이점을 갖는다. 그러면, 마모 인식 층을 매우 얇게 만들 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 금속, 금속 합금 또는 전기 전도성 금속 화합물로부터 마모 인식 층의 개별 층 또는 개별 층들을 도포하기 위한 PVD 프로세스가 아크 증발, HIPIMS 및 듀얼 마그네트론 스퍼터링으로부터 선택될 수 있다. 상이한 층 조성에 따른 다층 마모 인식 층의 퇴적을 위해 상이한 조성의 타겟들이 사용된다. 여기서, 퇴적은 동일한 PVD 프로세스를 이용하여 상이한 타겟들로부터 달성될 수 있다. 그렇지만, 상이한 타겟들에 대해 상이한 PVD 프로세스가 또한 사용될 수 있다. 특히 매우 얇은 층들이 형성되어야 하는 때에, 상이한 타겟들이 반응기 내에 상이한 위치들에 분포되어 있고 코팅될 공구 보디 측이 예컨대 인덱싱 테이블 등에서의 다중 회전에 의해 차례로 반복적으로 상이한 타겟들을 지나 진행 (run) 되는 PVD 프로세스에서 교대식의 상이한 층 조성을 갖는 다층 마모 인식 층이 퇴적될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서, 마모 인식 층은 바람직하게는 입자상 블라스팅 매체를 사용하는 연마 블라스팅 프로세스에 의해, 그라인딩에 의해 또는 브러싱에 의해 공구의 선택된 영역들로부터 다시 제거된다. 공구의 특정 영역들은, 이 영역들에서의 마모 인식 층이 특별한 제안된 적용에 대해 공구에 불리한 특성을 부여할 수도 있는 때에 또는 단지 공구의 희망 최적 특성을 부여하기 위해, 예컨대 절삭 에지 및 절삭면에서, 최외각 표면으로서 기판 보디의 표면 또는 마모 방지 코팅을 나타내는 것이 바람직할 수도 있다. 그리고, 대응 영역들의 표면 조도를 매끄럽게 하기 위해 또는 마모 방지 코팅과 선택적으로 외측 기판 영역들에서의 고유 응력 조건에 영향을 미치기 위해, 예컨대 블라스팅법 또는 브러싱과 같은 연마 프로세스가 마모 인식 층을 제거하는데 이용될 수 있다. 알려진 바와 같이, 경질 재료의 층들에서의 인장 응력을 완화시키는데 그리고/또는 압축 응력을 가하는데 입자상 블라스팅 매체를 사용하는 블라스팅 프로세스가 사용될 수 있고, 이것으로 예컨대 층들의 접착 및 마모 특성이 향상될 수 있다.
마모 인식 층의 양극 산화는, 마모 인식 층의 외측 표면으로부터 마모 인식 층의 총 두께 미만의 침투 깊이까지 양극 산화가 달성되도록 선택된 시간 동안 그리고 DC 전압으로 전해액 욕에서 달성된다. 적절한 전해액 욕의 일례가 25-50% 인산 및 1-5% 옥살산을 갖는 수용액이다.
본 발명은 전술한 본 발명에 따른 종류의 공구의 제조 방법을 또한 포함하며, 본 방법에서, 경질 금속, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도강으로 이루어진 기판 보디로 이루어진 공구로서, 상기 기판 보디에 퇴적된 단층 또는 다층 마모 방지 코팅을 선택적으로 나타내는 상기 공구에, PVD 프로세스에 의해 여기서 설명된 본 발명에 따른 종류의 마모 인식 층이 도포되고, 후속하여, 상기 마모 인식 층이 전해액 욕 (electrolyte bath) 에서 양극 산화를 거친다. 양극 산화는 DC 전압으로 그리고 마모 인식 층의 외측 표면으로부터 마모 인식 층의 총 두께 미만의 침투 깊이까지 양극 산화가 달성되도록 선택된 시간 동안 행해지는 것이 편리하다. 본 방법은 간단하고, 비용이 많이 들지 않으며, 많은 상이한 컬러링의 생산 가능성을 제공한다.
원래 개시의 목적을 위해, 본 상세한 설명 및 종속 청구항들로부터 본 기술분야의 통상의 기술자에게 드러나는 모든 특징들은, 단지 특정 추가 특징들과 관련하여 구체적인 용어들로 묘사되었더라도, 개별적으로 조합되거나 여기서 개시되는 다른 특징 또는 특징들의 그룹과 임의로 조합되는 것이 명백히 배제되거나 기술적 이유로 불가능하거나 무의미한 것이 아닌 한 그렇게 조합될 수 있다는 것에 유의해야 한다. 오로지 설명을 간략하고 읽기 쉽게 하기 위해, 특징들의 생각할 수 잇는 모든 조합에 대한 포괄적이고 분명한 설명은 여기에 주어지지 않을 것이다.
본 발명의 다른 이점, 특징 및 가능한 적용은 이하의 예 및 도면을 참조하여 더 설명될 것이다.
도 1 은 양극 산화 이전의 예 1 에 따른, 금속들 Ti 및 Si 를 함유하는 마모 인식 층의 X선 회절 스펙트럼을 보여준다.
도 2 는 양극 산화 이전의 예 2 에 따른, 금속들 Ti 및 Al 을 함유하는 마모 인식 층의 X선 회절 스펙트럼을 보여준다.
도 3 은 양극 산화 이전의 예 3 에 따른, 금속들 Ti 및 Al 을 함유하는 마모 인식 층의 X선 회절 스펙트럼을 보여준다.
도 4 는 양극 산화 이전의 비교예 1 에 따른, 금속 Ti 를 함유하는 마모 인식 층의 X선 회절 스펙트럼을 보여준다.
도 5 는 양극 산화 이전의 비교예 2 에 따른, 금속 Zr 을 함유하는 마모 인식 층의 X선 회절 스펙트럼을 보여준다.
예
이하의 예의 경우, Al2O3 의 최외각 층과 함께 마모 방지 코팅을 나타내는 경질 금속 기판에, 아크 증발 (arc PVD) 에 의해 PVD 코팅 설비 (Flexicoat; Hauzer Techno Coating) 에서 단층 또는 다층 마모 방지 층이 제공되었다. 각 예에서 퇴적 파라미터들이 표시되어 있다.
그리고, 수성 전해액 욕에서 애노다이징 시간 tanod 동안 상이한 전압 Uanod 에서 피복 경질 금속 기판들을 양극 산화시켰다. 양극 산화에 의해 생성되는 산화물의 두께는 인가된 전압에 본질적으로 비례하였다.
층에 함유된 상들을 확인하기 위해, 예들에 따라 형성된 층들에 대해 도면들에 나타낸 X선 회절 스펙트럼들의 피크들을 공지된 기준 스펙트럼들 (PDF 카드들) 의 피크 위치들과 비교하였다. 그러므로, 도면들에서, 상과 관련된 피크들은 동일한 번호 (예컨대, 1, 2, 3 또는 4) 로 표시된다. 기판 보디로부터 유래하는 피크들은 문자 "S" 로 표시된다. 각 경우에 사용된 PDF 카드의 번호가 도면에 대한 부호의 설명에 기재되어 있다.
예 1: 본 발명에 따른 단층 마모 인식 층의 형성
타겟 티탄-규소 혼합 타겟 (Ti:Si = 85:15 원자%)
퇴적 파라미터 160 A 증발기 전류, 2 Pa 아르곤, 바이어스 10 V
층 단층; 0.8 ㎛ 두께
양극 산화 t anod = 30 초; U anod = 35　V, 85　V, 120　V;
전해액 욕: 35% 인산, 5% 옥살산, 잔부 물
마모 인식 층에서 이하의 색이 획득되었다:
Uanod 색
35 V 파란색
85 V 분홍빛 자주색 (pinkish violet)
120 V 연한 녹색
PVD 프로세스에 의해 퇴적된 마모 인식 층을 양극 산화 이전에 X선 회절 분석하였다. X선 회절 스펙트럼은 도 1 에 재현되어 있다. 순수 티탄, 순수 규소, 및 티탄-규소 합금의 기준 스펙트럼과 획득된 피크들의 비교는, 퇴적된 단층이 적어도 3 개의 상이한 금속 상들, 즉 금속 티탄 상, 금속 규소 상, 및 금속간 티탄-규소 상을 나타낸다는 것을 보여준다. 대략 53°2θ 의 다른 확인되지 않은 피크가 다른 있음직한 금속간 상을 나타내지만, 이 피크는 공지된 기준 스펙트럼에서 발견되지 않았고, 이 상은 기준으로서 아직 기록되거나 개제되지 않았다고 결론내렸다.
예 2: 본 발명에 따른 단층 마모 인식 층의 형성
타겟 티탄-알루미늄 혼합 타겟 (Ti:Al = 50:50 원자%)
퇴적 파라미터 160 A 증발기 전류, 1.5 Pa 아르곤, 바이어스 20 V
층 단층; 1.0 ㎛ 두께
양극 산화 t anod = 30 초; U anod = 50　V, 80　V;
전해액 욕: 물에 용해된 구연산 (1 mol/ℓ)
마모 인식 층에서 이하의 색이 획득되었다:
Uanod 색
50 V 녹색
80 V 노란색
PVD 프로세스에 의해 퇴적된 마모 인식 층을 양극 산화 이전에 X선 회절 분석하였다. X선 회절 스펙트럼은 도 2 에 재현되어 있다. 순수 티탄, 순수 알루미늄, 및 티탄-알루미늄 합금의 기준 스펙트럼과 획득된 피크들의 비교는, 퇴적된 단층이 적어도 2 개의 상이한 금속 상들, 즉 금속 티탄 상 및 금속 알루미늄 상을 나타낸다는 것을 보여준다. 대략 43°2θ 의 다른 확인되지 않은 피크가 다른 있음직한 금속간 티탄-알루미늄 상을 나타내지만, 이 피크는 공지된 기준 스펙트럼에서 발견되지 않았고, 이 상은 기준으로서 아직 기록되거나 개제되지 않았다고 결론내렸다.
예 3: 본 발명에 따른 다층 마모 인식 층의 형성
타겟 1 티탄
타겟 2 티탄-알루미늄 혼합 타겟 (Ti:Al = 50:50 원자%)
퇴적 파라미터 160　A 증발기 전류, 1.0　Pa 아르곤, 50 sccm N 2 , 바이어스 60　V
층 40 개의 층 (20 개의 Ti 층, 20 개의 Ti-Al 층);
각각 18 ㎚ 두께; 총 층 두께: 0.72 ㎛
양극 산화 t anod = 30 초; U anod = 80　V, 150　V;
전해액 욕: 물에 용해된 구연산 (1 mol/ℓ)
마모 인식 층에서 이하의 색이 획득되었다:
Uanod 색
80 V 붉은빛 금색 (reddish gold)
150 V 푸른빛 녹색 (blueish green)
PVD 프로세스 동안에 퇴적된 마모 인식 코팅을 양극 산화 이전에 X선 회절 분석하였다. X선 회절 스펙트럼은 도 3 에 재현되어 있다. 순수 티탄, 순수 알루미늄, 및 티탄-알루미늄 합금의 기준 스펙트럼과 획득된 피크들의 비교는, 퇴적된 단층이 적어도 2 개의 상이한 금속 상들, 즉 금속 티탄 상 및 금속 알루미늄 상을 나타낸다는 것을 보여준다. 대략 37°2θ 의 다른 확인되지 않은 피크가 다른 있음직한 금속간 티탄-알루미늄 상을 나타내지만, 이 피크는 공지된 기준 스펙트럼에서 발견되지 않았고, 이 상은 기준으로서 아직 기록되거나 개제되지 않았다고 결론내렸다.
전자 회절 (TEM) 결과, X선 회절 분석에서 발견된 상들 중 적어도 2 개의 상이한 상들이 다층의 층 중 적어도 하나의 개별 층 내에 존재하는 것으로 드러났다. X선 회절 분석에서 3 개의 상이 관찰되었고 단 2 개의 상이한 층 조성물이 하나 위에 다른 하나가 교대로 퇴적되었으므로, X선 회절 분석은 개별 층들 중 하나 내에 적어도 2 개의 상이한 상들이 존재한다는 것을 보여준다.
비교예 1: 단층 마모 인식 층의 형성
타겟 티탄 (160 ㎜ 직경)
퇴적 파라미터 160 A 증발기 전류, 1.0 Pa 아르곤, 바이어스 10 V
층 단층; 1.0 ㎛ 두께
양극 산화 t anod = 30 초; U anod = 20　V, 40　V;
전해액 욕: 물에 용해된 구연산 (1 mol/ℓ)
마모 인식 층에서 이하의 색이 획득되었다:
Uanod 색
20 V 분홍색
40 V 파란색
PVD 프로세스 동안에 퇴적된 마모 인식 층을 양극 산화 이전에 X선 회절 분석하였다. X선 회절 스펙트럼은 도 4 에 재현되어 있다. 순수 티탄의 기준 스펙트럼과 획득된 피크들의 비교는, 퇴적된 단층이 단일 금속 Ti 상으로 이루어져 있다는 것을 보여준다.
비교예 2: 단층 마모 인식 층의 형성
타겟 지르코늄 (160 ㎜ 직경)
퇴적 파라미터 160 A 증발기 전류, 2.0 Pa 아르곤, 바이어스 30 V
층 단층; 0.5 ㎛ 두께
양극 산화 t anod = 30 초; U anod = 50　V, 85　V;
전해액 욕: 물에 용해된 구연산 (1 mol/ℓ)
마모 인식 층에서 이하의 색이 획득되었다:
Uanod 색
50 V 연한 파란색
85 V 노란색
PVD 프로세스 동안에 퇴적된 마모 인식 층을 양극 산화 이전에 X선 회절 분석하였다. X선 회절 스펙트럼은 도 5 에 재현되어 있다. 순수 지르코늄의 기준 스펙트럼과 획득된 피크들의 비교는, 퇴적된 단층이 단일 금속 Zr 상으로 이루어져 있다는 것을 보여준다.
예 1 내지 3 에 따른 본 발명의 마모 인식 층은 비교예의 층들에 비해 시각적으로 평가된 더 높은 색 휘도 및 스크래칭과 마멸 (abrasion) 에 대한 현저하게 더 양호한 저항을 보여주었다.
도 1 에 대한 부호:
S 기판 PDF 25-1047
1 Si PDF 40-932
2 Ti PDF 5-682
3 TiSi PDF 27-907
4 미확인
I 세기 (임의 단위)
도 2 에 대한 부호:
S 기판 PDF 25-1047
1 Ti PDF 5-682
2 Al PDF 4-787
3 미확인된 TiAl 상
I 세기 (임의 단위)
도 3 에 대한 부호:
S 기판 PDF 25-1047
1 Ti PDF 5-682
2 Al PDF 4-787
3 미확인 TiAl 상
I 세기 (임의 단위)
도 4 에 대한 부호:
S 기판 PDF 25-1047
1 Ti PDF 5-682
I 세기 (임의 단위)
도 5 에 대한 부호:
S 기판 PDF 25-1047
1 Zr PDF 5-665
I 세기 (임의 단위)

Claims (13)

  1. 기판 보디 (substrate body), 바람직하게는 경질 금속, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도강으로 이루어진 기판 보디,
    선택적으로는, 상기 기판 보디에 퇴적된 (deposited) 단층 또는 다층 마모 방지 (protection) 코팅, 및
    PVD 프로세스에 의한 원소 금속들, 금속 합금들 또는 전기 전도성 금속 화합물들의 퇴적에 의해 형성되는, 상기 기판 보디 또는 상기 마모 방지 코팅 위에 최외각 층으로서 퇴적된, 단층 마모 인식 층 (A), 또는 하나의 개별 층 위에 다른 개별 층이 배치된 적어도 4 개의 개별 층들을 포함하는 다층 마모 인식 층 (B)
    으로 이루어진 공구로서,
    상기 단층 마모 인식 층 (A) 의 개별 층 또는 상기 다층 마모 인식 층 (B) 의 적어도 하나의 개별 층은 적어도 2 개의 상이한 금속들을 함유하고,
    상기 마모 인식 층은, 상기 마모 인식 층의 외측 표면으로부터 상기 마모 인식 층의 총 두께를 넘어서 연장되지 않는 침투 깊이 (depth of penetration) 까지 상기 마모 인식 층의 재료의 양극 산화에 의해 형성되는 영역을 포함하고,
    상기 단층 마모 인식 층 (A) 의 상기 개별 층은 100 ㎚ 내지 10 ㎛ 의 두께를 나타내거나, 또는 상기 다층 마모 인식 층 (B) 의 각 개별 층은 0.5 ㎚ 내지 1 ㎛ 의 두께를 나타내고,
    적어도 2 개의 상이한 금속들을 함유하는 상기 단층 마모 인식 층 (A) 의 상기 개별 층 또는 상기 다층 마모 인식 층 (B) 의 상기 적어도 하나의 개별 층은, 상기 양극 산화 이전에 그리고 양극 산화되지 않은 상기 마모 인식 층의 영역들에서 적어도 2 개의 상이한 상들 (phases) 을 나타내는, 공구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단층 마모 인식 층 (A) 의 상기 개별 층은 250 ㎚ 내지 5 ㎛, 바람직하게는 400 ㎚ 내지 2 ㎛, 특히 바람직하게는 500 ㎚ 내지 1.2 ㎛ 의 두께를 나타내거나, 또는 상기 다층 마모 인식 층 (B) 의 상기 개별 층들은 5 ㎚ 내지 250 ㎚, 바람직하게는 10 ㎚ 내지 100 ㎚ 의 두께를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 공구.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 단층 마모 인식 층 (A) 또는 상기 다층 마모 인식 층 (B) 에 함유된 금속들이 Nb, Ti, Zr, Al, Ta, W, Hf, V, Mo 및 Si 로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 공구.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 2 개의 상이한 금속들을 함유하는 상기 단층 마모 인식 층 (A) 의 상기 개별 층 또는 상기 다층 마모 인식 층 (B) 의 상기 개별 층에 함유된 금속들이 Ti 및 Si 인 것을 특징으로 하는 공구.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 2 개의 상이한 금속들을 함유하는 상기 단층 마모 인식 층 (A) 의 상기 개별 층 또는 상기 다층 마모 인식 층 (B) 의 상기 개별 층에 함유된 금속들이, 상기 개별 층에 존재하는 모든 금속들을 함유하는 혼합 금속 타겟들로부터 PVD 프로세스에 의해 퇴적되는 것을 특징으로 하는 공구.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다층 마모 인식 층 (B) 은 하나의 개별 층 위에 다른 개별 층이 배치된 4 내지 2000, 바람직하게는 20 내지 500, 특히 바람직하게는 50 내지 100 개의 개별 층들을 포함하는 것을 특징으로 하는 공구.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다층 마모 인식 층 (B) 은 2 ㎚ 내지 20 ㎛, 바람직하게는 10 ㎚ 내지 5 ㎛, 특히 바람직하게는 100 ㎚ 내지 1 ㎛ 의 총 층 두께를 나타내는 것을 특징으로 하는 공구.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 PVD 프로세스 동안에 퇴적되는 상기 전기 전도성 금속 화합물들은, 각 금속들의 전기 전도성인 질화물들, 탄화물들 및 붕화물들로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 공구.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    바람직하게는 적어도 하나의 전기 비전도성 층, 특히 바람직하게는 산화알루미늄 층을 포함하는 단층 또는 다층 마모 방지 코팅, 바람직하게는 다층 마모 방지 코팅이 상기 마모 인식 층 아래에 상기 기판 보디 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 공구.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    금속, 금속 합금 또는 전기 전도성 금속 화합물로부터 상기 마모 인식 층의 상기 개별 층 또는 상기 개별 층들을 도포하기 위한 상기 PVD 프로세스가 아크 증발, HIPIMS 및 듀얼 마그네트론 스퍼터링으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 공구.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마모 인식 층은 바람직하게는 입자상 블라스팅 매체를 사용하는 연마 블라스팅 프로세스에 의해, 그라인딩에 의해 또는 브러싱에 의해 상기 공구의 선택된 영역들로부터 다시 제거되는 것을 특징으로 하는 공구.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 마모인식 층을 갖는 공구의 제조 방법으로서,
    경질 금속, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도강으로 이루어진 기판 보디로 이루어진 공구로서, 상기 기판 보디에 퇴적된 단층 또는 다층 마모 방지 코팅을 선택적으로 나타내는 상기 공구에, PVD 프로세스에 의해 금속, 금속 합금 또는 전기 전도성 금속 화합물로부터 마모 인식 층이 도포되고, 후속하여,
    상기 마모 인식 층은 전해액 욕 (electrolyte bath) 에서 양극 산화를 거치는, 마모인식 층을 갖는 공구의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 양극 산화는 DC 전압에서 그리고 상기 마모 인식 층의 외측 표면으로부터 상기 마모 인식 층의 총 두께 미만의 침투 깊이까지 상기 양극 산화가 달성되도록 선택된 시간 동안 행해지는, 마모인식 층을 갖는 공구의 제조 방법.
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