KR20150040963A - Tialn-피복 공구 - Google Patents

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Abstract

경질 금속, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도강으로 이루어진 베이스 보디 (base body), 및 PVD 프로세스에서 상기 베이스 보디에 형성되는 단층 또는 다층의 내마모성 (anti-wear protective) 코팅을 포함하는 공구로서, 상기 내마모성 코팅의 적어도 하나의 층이 티탄-알루미늄-질화물 층 TixAlyN 이고, 여기서 x + y = 1 이고, 상기 티탄-알루미늄-질화물 층은 상기 프로세스에 따라서 5 중량% 이하의 다른 (further) 금속들을 함유할 수 있고, 상기 TixAlyN 층은 복수의 주기적 교호식의 (periodically alternating) Tix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 및 Tix(B)Aly(B)N 코트들 (B) 을 갖는 멀티코트 하부구조 (multi-coat substructure) 이고, 여기서 x(A) + y(A) = 1 이고, x(B) + y(B) = 1 이며, 코트들 (B) 에서의 Al 농도 y(B) 는 최대 70 원자% 이고 (y(B) ≤ 0.70), 코트들 (B) 에서의 Al 농도 y(B) 는 코트들 (A) 에서의 Al 농도 y(A) 보다 10 내지 25 원자% 만큼 더 높은 (y(B) = (y(A) + 0.10) 내지 (y(A) + 0.25)), 공구.

Description

TIALN-피복 공구{TIALN-COATED TOOL}
본 발명은, 경질 금속, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도강으로 이루어진 베이스 보디 (base body), 및 PVD 프로세스에서 상기 베이스 보디에 형성되는 단층 또는 다층의 내마모성 (anti-wear protective) 코팅을 포함하는 공구로서, 상기 내마모성 코팅의 적어도 하나의 층이 티탄-알루미늄-질화물 층 TixAlyN 이고, 여기서 x + y = 1 인, 상기 공구에 관한 것이다.
절삭 공구, 특히 금속 절삭 공구는 예컨대 경질 금속, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도강으로부터 생산되는 베이스 보디로 이루어진다. 공구 수명을 증가시키기 위해 또는 절삭 특성을 향상시키기 위해, 경질 재료로 이루어진 단층 또는 다층의 내마모성 코팅이 CVD 또는 PVD 프로세스에 의해 베이스 보디에 종종 형성된다. PVD 프로세스에서, 마그네트론 스퍼터링, 아크 증발 (아크 PVD), 이온 도금, 전자 빔 증발 및 레이저 어블레이션과 같은 상이한 프로세스 변형예들 사이에 구별이 행해진다. PVD 프로세스 중에서 마그네트론 스퍼러팅 및 아크 증발은 절삭 공구를 위해 가장 흔히 사용되는 것으로 인정된다. 그리고, 개별 PVD 프로세스 변형예 중에는, 언펄스 (unpulsed) 또는 펄스 (pulsed) 마그네트론 스퍼터링 또는 언펄스 또는 펄스 아크 증발 등과 같은 다양한 수정예가 존재한다.
PVD 프로세스에서의 타겟은 순수 금속 또는 2 이상의 금속들의 조합으로 이루어질 수 있다. 만약 타겟이 복수의 금속들을 포함한다면, 이 모든 금속들은 코팅의 층에 동시에 포함되고, PVD 프로세스에서 형성된다. 구성된 층에서의 서로에 대한 금속들의 상대 비율은 타겟 중의 금속들의 비율에 의존할 것이지만, 몇몇 금속들은 특정 조건 하에서 다른 금속에 비해 타겟으로부터 더 많은 양으로 방출되고/되거나 기재 (substrate) 에 더 많은 양으로 증착되므로 PVD 프로세스의 조건에도 또한 의존할 것이다.
특정 금속 화합물을 형성하기 위해, PVD 프로세스의 반응 챔버에 반응성 가스들이 공급되고, 예컨대 반응성 가스는 질화물의 형성을 위해서는 질소이고, 산화물의 형성을 위해서는 산소이고, 탄화물의 형성을 위해서는 탄소질 화합물이고, 또는 카보나이트라이드 (carbonitrides), 옥시카바이드 등과 같은 대응하는 혼합된 화합물들을 생산하기 위해서는 상기 가스들의 혼합물이다.
WO 96/23911 A1 에는, 기재에 직접 형성된 경질 재료의 코트 및 그에 형성된 10 내지 1000 개의 다른 개별 코트들의 시퀀스 (sequence) 로 이루어진, 기재 상의 내마모성 층이 기재되어 있고, 상기 다른 개별 코트들은 1 내지 30 ㎚ 의 개별 층 두께를 갖는 금속성 경질 재료와 공유결합성 (covalent) 경질 재료로 교호식으로 이루어져 있다. 내마모성 층의 기계적 그리고 화학적 특성들은 금속성 경질 재료들과 공유결합성 경질 재료들의 개별 코트들의 주기적 교호식 배치에 의해 향상되고자 의도된다.
WO 2006/041367 A1 에는, 경질 금속 기재 및 PVD 프로세스에서 증착된 코팅으로 이루어진 피복 절삭 공구가 기재되어 있고, 상기 코팅은 1.5 내지 5 ㎛ 의 두께 및 4 초과 내지 6 GPa 의 잔류 압축 응력을 갖는 적어도 하나의 TiAlN 코트를 포함한다. TiAlN 코트는 공지된 코트들에 비해 기재에 더 효과적으로 부착된다고 한다.
EP 2 298 954 A1 에는, PVD 프로세스에 의해 기재에 경질 재료 코팅, 예컨대 TiAlN, TiAlCrN 또는 TiAlCrSiN 이 형성되어 있는 피복 절삭 공구의 제조 방법이 기재되어 있고, 증착 프로세스 동안에 기재의 바이어스 전압이 변한다. 이 방법은 공구의 더 긴 수명 및 향상된 마모 저항을 제공한다고 한다.
밀링 및 선삭 (turning) 과 같은 특정 금속가공 작업에서 공구에 대해 특히 까다로운 요구가 존재한다. 이러한 타입이 공구에 있어서 중요한 파라미터가 높은 정도의 경도, 높은 탄성률 (E 모듈러스, 영률) 및 낮은 표면 조도이다. 전술한 용도들을 위한 공지된 절삭 공구들은, PVD 프로세스에서 형성되고 또한 400 GPa 미만의 탄성률과 3500 HV 이하의 비커스 경도를 전형적으로 갖는 TiAlN 코팅을 갖는다. 이러한 타입의 TiAlN 층들이 아크 프로세스에서 증착되는 경우, 알루미늄의 낮은 융점으로 인해, 이 층들은 층 상에 그리고 층 내에 이른바 액적 (droplets) 을 형성하는 경향이 있고, 이는 코팅의 성능에 악영향을 미친다. 증착 프로세스의 파라미터들의 적절한 선택은 PVD 프로세스에서 경도 및 탄성률을 증가시킬 수 있지만, 이는 일반적으로, 대략 3 GPa 초과의 층에서의 높은 잔류 압축 강도로 이어지고, 이는 절삭 에지의 안정성에 악영향을 미친다. 높은 응력을 받는 경우, 절삭 에지는 조기에 날이 빠지기 쉽고, 이는 공구의 급속한 마모로 이어진다.
본 발명의 목적은, 종래 기술에 비해, 절삭 에지의 수용가능한 잔류 응력과 향상된 안정성과 동시에 높은 탄성률, 높은 정도의 경도의 더 양호한 코팅을 갖는 공구를 제공하는 것이다.
이러한 목적은, 경질 금속, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도강으로 이루어진 베이스 보디, 및 PVD 프로세스에서 상기 베이스 보디에 형성되는 단층 또는 다층의 내마모성 코팅을 포함하는 공구로서,
상기 내마모성 코팅의 적어도 하나의 층이 티탄-알루미늄-질화물 층 TixAlyN 이고, 여기서 x + y = 1 이고, 상기 티탄-알루미늄-질화물 층은 프로세스에 따라서 5 중량% 이하의 다른 (further) 금속들을 함유할 수 있고,
상기 TixAlyN 층은 복수의 주기적 교호식의 (periodically alternating) Tix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 및 Tix(B)Aly(B)N 코트들 (B) 을 갖는 멀티코트 하부구조 (multi-coat substructure) 이고, 여기서 x(A) + y(A) = 1 이고, x(B) + y(B) = 1 이며,
코트들 (B) 에서의 Al 농도 y(B) 는 최대 70 원자% 이고 (y(B) ≤ 0.70),
코트들 (B) 에서의 Al 농도 y(B) 는 코트들 (A) 에서의 Al 농도 y(A) 보다 10 내지 25 원자% 만큼 더 높은 (y(B) = (y(A) + 0.10) 내지 (y(A) + 0.25)), 공구에 의해 달성된다.
따라서, 코트들 (B) 에서의 Ti 농도 x(B) 는 코트들 (A) 에서의 Ti 농도 x(A) 보다 10 내지 25 원자% 만큼 더 낮다 (x(B) = (x(A) - 0.10) 내지 (x(A) - 0.25)).
놀랍게도, 교호식 농도 비들을 갖지 않는 종래의 TiAlN 코트들에 비해 Ti 대 Al 의 상이한 농도 비들을 갖는 주기적 교호식의 TiAlN 코트들을 갖는, 본 발명에 따른 타입의 TiAlN 층이, 종래 기술의 공지된 TiAlN 층들에서 관찰되는 층에서의 잔류 압축 응력의 큰 증가 없이, 더 높은 정도의 경도 및 더 높은 탄성률을 갖는다는 것이 발견되었다.
코트들 (B) 에서의 최대 Al 농도 y(B) 는 70 원자% 이다. 코트들 (B) 에서의 Al 농도 y(B) 가 코트들 (A) 에서의 Al 농도 y(A) 보다 10 내지 25 원자% 더 높으므로, 전체 티탄-알루미늄-질화물 층 TixAlyN 에서의 Al 농도는 70 원자% 미만이다. Al 의 농도가 너무 높으면, 비교적 연질 상들이 불리하게 형성된다.
본 발명자들이 하나의 이론에 구속됨이 없이, 코트들 (A) 에 비해 코트들 (B) 에서의 더 높은 비율의 알루미늄은, 티타늄에 비해 알루미늄의 더 작은 크기로 인해, 면심 입방 격자의 더 작은 격자 상수로 이어지고, 이로써 교호식 농도 비들 없이 증착되는 종래의 TiAlN 코트들에 비해 더 작은 잔류 압축 응력으로 입증되는 잔류 응력 비에서의 상응하는 변화로 이어진다고 가정한다. 본 발명에 따른 공구는 더 높은 마모 저항에 의해 그리고 더 긴 수명에 의해 구별되고, 특히 절삭 에지에서의 코팅의 더 적은 치핑 (chipping) 에 의해 구별된다.
TiAlN 층의 본 발명에 따른 코트 구조의 유리한 효과는 본 발명에 따른 Ti 대 Al 의 상이한 농도 비들을 갖는 더 적은 주기적 교호식 Tix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 및 Tix(B)Aly(B)N 코트들 (B) 이 사용되는 때에도 여전히 입증된다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 내마모성 코팅 중의 적어도 하나의 TixAlyN 층이 적어도 40 개의 주기적 교호식의 TiAlN 코트들 (A) 및 TiAlN 코트들 (B) 을 갖는다. 따라서, 이 실시형태에서, 전체 TiAlN 층은 적어도 40 개의 TiAlN 코트들 (A) 및 적어도 40 개의 TiAlN 코트들 (B), 즉 총 적어도 80 개의 TiAlN 코트들을 포함한다. 40 개 미만의 주기적 교호식 TiAlN 코트들 (A) 및 (B) 의 사용은, 종래 기술에 비해 본 발명에 따라 더 높은 탄성률과 경도가 획득되지 않는다는 단점이 있다.
본 발명자들이 다음의 이론에 구속됨이 없이, 본 발명의 이점들이 특히, 국부적으로 매우 한정적인 높은 잔류 응력이 TiAlN 코트들 (A) 과 (B) 사이의 경계 표면들에서 코트 교호를 따라 증가 (build up) 하지만, 이는 외부적으로 측정될 수 없고 코팅의 기재에의 부착에 영향을 미치지 않는다는 사실에 기초한다고 가정한다. 만약 주기적 교호식 ix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 및 Tix(B)Aly(B)N 코트들 (B) 의 개수가 너무 적다면, 코트 쿄호에 의해 획득될 수 있는 효과가 실현될 수 없다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서, 내마모성 코팅 중의 적어도 하나의 TixAlyN 층이 최대 300 개의 주기적 교호식의 TiAlN 코트들 (A) 및 TiAlN 코트들 (B) 을 갖는다. 따라서, 이 실시형태에서, 전체 TiAlN 층은 최대 300 개의 TiAlN 코트들 (A) 및 최대 300 개의 TiAlN 코트들 (B), 즉 총 최대 600 개의 TiAlN 코트들을 포함한다. 300 개 미만의 주기적 교호식 TiAlN 코트들 (A) 및 (B) 의 사용은, 이 코트들이 상업적으로 매우 높은 지출과 그와 관련된 높은 비용으로만 형성될 수 있다는 단점이 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서, Tix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 은 2 내지 40 ㎚, 바람직하게는 4 내지 15 ㎚ 의 두께를 갖고, Tix(B)Aly(B)N 코트들 (B) 은 1 내지 20 ㎚, 바람직하게는 2 내지 7 ㎚ 의 두께를 갖는다. TiAlN 코트들 (A) 은 편리하게는, TiAlN 코트들 (B) 의 두께의 1.5 내지 3.0 배, 바람직하게는 대략 2 배의 두께를 갖는다. 따라서, 증가된 알루미늄 함량을 갖는 더 얇은 TiAlN 코트 (B) 가 더 두꺼운 TiAlN 코트 (A) 를 뒤따른다.
본 발명자들이 다음의 이론에 구속됨이 없이, 본 발명의 이점들은 특히, 더 두꺼운 Tix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 이 더 얇은 Tix(B)Aly(B)N 코트들 (B) 에서의 상 안정화를 생성한다는 사실에 기초한다고 가정한다. Al 이 더 풍부한 (Al-richer) Tix(B)Aly(B)N 코트들 (B) 의 경우, 입방정 TiAlN 외에도, 훨씬 더 낮은 경도 및 강도를 갖는 육방정계 AlN 이 또한 생성될 위험이 있다. 만약 이 층들이 상기한 범위 내에서처럼 얇게 남는다면, 인접한 Ti 가 더 풍부한 (Ti-richer) 더 두꺼운 Tix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 이 Al 이 더 풍부한 더 얇은 Tix(B)Aly(B)N 코트들 (B) 의 입방정 TiAlN 상을 안정시킨다.
본 발명에 따른 Ti 대 Al 의 상이한 농도 비들을 갖는 주기적 교호식 Tix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 및 Tix(B)Aly(B)N 코트들 (B) 은 그들의 얇은 두께에도 불구하고 투과형 전극 현미경 (TEM) 에 의해 검출될 수 있다. 그 기술은 그 분야의 통상의 기술자에게 잘 알려져 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서, Tix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 중의 Ti 대 Al 의 농도 비 x(A) : y(A) 가 0.40 : 0.60 내지 0.60 : 0.40 이다. 더 바람직하게는, 농도 비 x(A) : y(A) 는 0.45 : 0.55 내지 0.55 : 0.45, 특히 바람직하게는 x(A) : y(A) 는 대략 0.50 : 0.50 이다. 만약 Tix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 중의 Al 비율이 너무 낮으면, 예컨대 고온에서의 금속가공 동안에 또는 온도 변화 동안에 코팅의 열적 안정성이 악영향을 받고, 따라서 공구의 내구성이 악영향을 받는다. 그렇지만, Tix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 중의 과도하게 높은 Al 비율은 코팅의 경도 및 탄성률에 악영향을 미친다.
본 발명에 따른 TiAlN 층은 이하에서 언급하는 PVD 프로세스들 중의 하나 이상에서 증착된다. 증착되는 코트 중의 알루미늄 농도의 변화는, 상이한 TiAl 혼합 타겟들이 Ti 대 Al 의 상이한 농도 비들로 PVD 설비 내에 배치되고 또한 기재가 주기적으로 상이한 혼합 타겟들을 지나도록 안내된다는 점에서 유리하게 달성될 수 있다. 대응하는 TiAl 혼합 타겟들이 바람직하게는, 아크 증발에 의해, 마그네트론, 듀얼 마그네트론 또는 HIPIMS 프로세스에 의해 증착된다. 적절한 혼합 타겟들은 예컨대 코트들 (A) 에 대해 50 : 50 의 비로 Ti 및 Al 을 함유하고, 예컨대 코트들 (B) 에 대해 33 : 67 의 비로 Ti 및 Al 을 함유한다. 물론, 증착된 코트들에서 Ti 와 Al 의 상이한 농도 비들을 얻기 위해 혼합 타겟들의 다른 농도 비들이 또한 가능하다. 대안적으로, 증가된 알루미늄 함량을 갖는 혼합 타겟 대신에, 순수 알루미늄 타겟들 또는 높은 알루미늄 함량을 갖는 타겟들이 마그네트론, 듀얼 마그네트론 또는 HIPIMS 프로세스에서 또한 사용될 수 있다. 순수 알루미늄 타겟 또는 높은 알루미늄 함량을 갖는 타겟에 대해 아크 증발은 덜 적합한데, 이 PVD 프로세스는 알루미늄의 낮은 융점으로 인해 액적 형성의 위험이 높기 때문이다.
본 발명에 따른 공구의 바람직한 실시형태에서, 멀티코트 하부구조를 갖는 TiAlN 층은 금속가공 동안에 작업편과 접촉하게 되는 내마모성 코팅의 최외각 층이다. 대안적으로, TiAlN 층 위에 경질 재료의 다른 층들이 제공될 수 있다.
다른 대안적인 실시형태에서, 적어도 특정 영역들에서 TiAlN 층 위에 얇은 마모 검출 층, 바람직하게는 두께 0.1 내지 1.5 ㎛ 의 TiN 또는 CrN 층이 제공된다. 상기한 타입의 마모 검출 층은 그 자체로 알려져 있고, 장식 층으로서 주로 역할하고/하거나 공구가 이미 사용되었는지 여부나 사용 정도 및 사용 동안에 발생한 마모 정도를 나타낸다. 얇은 마모 검출 층은 공구의 사용 동안에 검출가능한 방식으로 마모되고, 비교적 강한 마모가 존재하는 때에, 아래에 놓인, 보통 상이한 색의 내마모성 층이 보이게 된다.
본 발명에 따른 공구의 다른 바람직한 실시형태에서, TiAlN 층은 2500 내지 4000 HV 0.015, 바람직하게는 3000 내지 3500 HV 0.015 의 비커스 경도 HV 를 갖는다. 본 발명에 따른 TiAlN 층의 높은 정도의 경도는 금속가공, 특히 선삭 및 밀링 프로세스에서 특별한 이점을 갖는데, 이들 프로세스가, 기하학적으로 규정된 절삭 에지를 사용하는 절삭 프로세스들 중에서, 경도, 인성, 마모 저항 및 열적 안정성의 측면에서 절삭 재료에 부과되는 가장 정확한 요구를 갖는 것이기 때문이다. 너무 낮은 경도는 코팅의 마모 저항이 감소한다는 단점을 갖는다. 너무 높은 경도는 코팅의 인성이 감소하고 코팅이 취성으로 된다는 단점을 갖는다.
본 발명에 따른 다른 바람직한 실시형태에서, TiAlN 층은 380 GPa 내지 470 GPa, 바람직하게는 420 GPa 내지 460 GPa 의 탄성률을 갖는다. 공구가 기계가공동안에 외부에서 응력을 받는 경우, 층 내에 그리고 기재 내에 기계적 응력이 생성되고, 탄성률 초과의 상기 응력들의 정도가 도입되는 탄성 변형과 관련된다. 만약 층의 탄성률이 너무 낮다면, 사용 동안에 공구의 기계적 변형 시에 층 내에 낮은 응력이 발생하고, 이는 층이 또한 절삭력의 작은 비율만을 흡수할 수 있다는 단점과 관련된다. 그렇지만, 너무 큰 탄성률은, 기계적 변형 동안에, 과도하게 높은 힘이 층에 걸쳐 전환되고 (dirverted) 그 결과로서 상기 층이 조기에 파괴될 수 있다는 단점이 있다.
이미 언급한 바와 같이, 특정 금속가공 용도, 특히 선삭 및 밀링을 위해, 가장 특히 단속적인 커트 (interrupted cut) 가 행해지는 금속 가공 용도에서, 높은 정도의 경도와 높은 탄성률의 조합이 특히 유리하다. 높은 정도의 경도는 높은 마모 저항을 보장한다. 그렇지만, 높은 정도의 경도는 보통 증가된 취성을 동반한다. 높은 탄성률은, 재료가 비교적 낮은 취성을 갖고 예컨대 단속적인 커트 동안에 발생하는 높은 기계적 교호식 응력을 더 양호하게 보상할 수 있다는 것을 동시에 보장한다. 본 발명에 따른 TiAlN 층은 이러한 유리한 특징들을 갖는 공구의 내마모성 코팅을 제공한다.
경도 및 E-모듈러스 (더 정확하게는 이른바 감소된 E-모듈러스) 는 나노인덴테이션 (nanoindentation) 에 의해 측정된다. 이러한 측정에서, 비커스에 따른 다이아몬드 시험체가 층에 프레싱되고, 측정 동안에 힘-경로 곡선이 기록된다. 그러면, 이 곡선으로부터, 시험체의 기계적 특성값들, 그 중에서도 경도 및 (감소된) E-모듈러스를 산출할 수 있다. 본 발명에 따른 층의 경도 및 E-모듈러스를 결정하기 위해, 독일의 Sindelfingen 의 Helmut Fischer GmbH 제조의 Fischerscope H100 XYp 를 사용하였다. 자국 깊이 (impression depth) 가 층 두께의 10% 를 초과하면 안된다는 것에 유의해야 하고, 그렇지 않으면 기재의 특성이 측정에 맞지 않을 수 있다.
본 발명에 따른 층의 잔류 응력은 X선 회절에 의해 검사될 수 있다. 이와 관련하여, 1 차, 2 차 및 3 차 (order) 의 잔류 응력들 사이에 구분이 행해질 수 있고, 이 잔류 응력들은 그들의 범위에서 상이하고 따라서 층 부착에 미치는 영향에서 상이하다. 층의 1 차 및 2 차 잔류 응력들이 과도하게 되지 않는 것, 편리하게는 -5 GPa (압축 응력) 이하로 되는 것이 공구에의 층의 부착에 유리한 것으로 입증되었다.
본 발명에 따른 공구의 다른 바람직한 실시형태에서, TiAlN 층은 10 ㎛ 의 길이에 걸쳐 측정되는, 1.0 ㎛ 이하, 바람직하게는 0.5 ㎛ 이하의 평균 표면 조도 Ra 를 갖는다. PVD 프로세스에서 증착 파라미터들을 적절하게 선택하면, 증착되는 TiAlN 코트들의 액적 주파수 (droplet frequency) 를 크게 감소시킬 수 있고, 그 결과, 증착되는 층에 낮은 평균 표면 조도 Ra 가 이미 제공된다. 그러므로, 코팅 후에 기계가공을 위한 최적의 조건을 달성하는데, 표면의 후속하는 평활화 (smoothing) 절차 동안에 크게 감소된 노력으로 충분하다. 층들의 증착 후에 공구의 표면을 평활화하는데, 대응하게 경질의 미세 재료들을 사용하는 블라스팅법, 그라인딩 또는 브러싱법이 적합하다고 알려져 있다.
공구의 표면을 평활화하는데 적합한 프로세스는 예컨대, 70-110 ㎛ 의 직경을 갖는 글라스 비드 (glass beads) 50% 및 40-70 ㎛ 의 직경을 갖는 글라스 비드 50% 로 이루어진 블라스팅 매체로 약 2.5 bar 의 압력에서 글라스 비드를 사용하는 습식 블라스팅이다. 적절한 블라스팅 지속시간은 희망 표면 평활도 (surface smoothness) 를 검사함으로써 결정된다. 10 ㎜ 의 직경을 갖는 솔리드 경질 금속 밀링 공구의 경우의 처리 시간은 예컨대 약 10 초이다.
공구의 표면을 평활화하는 다른 적절한 방법이 드래그 피니싱 (drag finishing) 이다. 적절한 연마재가 예컨대 연마성 및 접착성 오일로서 미세한 다이아몬드 분말을 갖는 코코넛 껍질 과립형 재료 (coconut shell granulated material) 이다.
예컨대 약 18% 의 액체 중의 블라스팅 연마재 농도 및 280/320 의 입자 크기를 갖는 커런덤 (corundum) 을 사용하는 습식 블라스팅이 후처리에 특히 적합하다. 여기서, 약 1.5 내지 2 bar 의 블라스팅 압력이 편리하게 사용되고, 블라스팅 방향과 각도는 공구의 타입과 크기에 따라 설정된다.
표면 조도는 독일 Schwenningen 의 HOMMEL-ETAMIC GmbH 제조의 측정 장치 Hommel-ETAMIC TURBO WAVE V7.32 (프로브: TKU300 - 96625_TKU300/TS1; 측정 범위: 80 ㎛; 테스트 경로: 4.8 ㎜; 속도: 0.5 ㎜/s) 를 이용하여 폴리싱된 테스트 인덱서블 커터 인서트에서 측정되었다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서, 공구는 에지 반경이 3 내지 10 ㎛, 바람직하게는 5 내지 7 ㎛ 인 둥근 절삭 에지를 갖는다. 반경이 너무 작은 절삭 에지는 에지가 빠르게 갈라질 위험이 있다. 과도한 절삭 에지 반경은 매우 높은 절삭력을 수반하고, 이는 공구의 수명 및 칩 형상에 악영향을 미친다.
본 발명에 따른 공구는 피복 솔리드 경질 금속 공구로서 또는 피복 인덱서블 커터 인서트로서 구성될 수 있다.
이하의 예에 근거하여 본 발명의 다른 이점, 특징 및 실시형태가 더 상세하게 묘사된다.
예
예 1 - 섕크 공구
이 예에서, 솔리드 경질 금속 (solid hard metal; SHM) 엔드 밀 (이른바 "터프 가이 (tough guys)") 에 본 발명에 따른 코팅 및 종래 기술에 따른 비교 코팅이 제공되었고, 피복 공구들을 절삭 시험에서 비교하였다.
솔리드 경질 금속 (SHM) 엔드 밀의 상세
직경: 10 ㎜
절삭 에지의 개수: 4
절삭 에지의 길이: 직경의 200 %
플루트의 나선각 (spiral angle): 50°
크로스 절삭 에지의 경사각: 13.5°
주 절삭 에지의 경사각: 10.5°
기재 재료: 0.8 ㎛ 의 평균 WC 입자 크기 및 10 중량% Co 의 바인더 함량을 갖는 미세 입자 경질 금속
코팅 전에, 기재는 처음에, 글라스 비드를 사용하는 습식 블라스팅에 의해 7 ㎛ 의 반경까지 절삭 에지 라운딩 절차를 거쳤다.
본 발명에 따른 코팅의 형성
Ti-Al 혼합 타겟 (Ti:Al = 50:50) 으로부터 아크 증발 (바이어스: 100　V, 4 Pa 질소, 0.8　A/㎠ 비 (specific) 증발기 유동, 증착 온도: 550　℃) 에 의해 기재 표면에 0.2 ㎛ 두께 TiAlN 중간 코트를 먼저 증착시켰다. 또한, 그 위에 아크 증발에 의해 본 발명에 따른 내마모성 코팅을 총 층 두께 2 ㎛ 로 증착시켰다. 증착은 50:50 의 Ti:Al 비를 갖는 4 개의 Ti-Al 혼합 타겟들로부터 그리고 33:67 의 Ti:Al 비를 갖는 2 개의 Ti-Al 혼합 타겟들로부터 동시에 일어났다 (바이어스: 60　V, 4.5 Pa 질소, 양쪽 타입의 타겟에 대해 0.8　A/㎠ 비 증발기 유동, 증착 온도: 550　℃). 기재는 상이한 타입의 타겟을 지나도록 회전 테이블에서 안내되었다. 전부에서, Ti:Al = 50:50 인 90 개의 Tix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 및 Ti:Al = 33:67 인 90 개의 Tix(B)Aly(B)N 코트들 (B) 이 주기적 교호식으로 증착되었고, Tix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 은 약 15-19　㎚ 의 두께를 각각 갖고, Tix(B)Aly(B)N 코트들 (B) 은 약 3-6 ㎚ 의 두께를 각각 갖는다. 그 후, 33:67 의 Ti:Al 비를 갖는 Ti-Al 혼합 타겟으로부터 아크 증발에 의해 최종 최외각 코트가 층 두께 0.1 ㎛ 로 또한 증착되었다 (바이어스: 40　V, 3.0 Pa 질소, 0.8　A/㎠ 비 증발기 유동, 증착 온도: 550 ℃).
비교 코팅의 형성
33:67 의 Ti:Al 비를 갖는 Ti-Al 혼합 타겟으로부터 아크 증발에 의해 기재 표면에 총 층 두께 2.5 ㎛ 로 단층 TiAlN 내마모성 코팅을 증착시켰다 (바이어스: 80　V, 1.5 Pa 질소, 증착 온도: 550　℃, 2 A/㎠ 비 증발기 유동).
절삭 시험 1
밀링 시험에서 피복 공구들을 비교하였고, 평균 플랭크 마모 Vb 및 최대 플랭크 마모 Vbmax 는 각 경우에 2 개의 시험으로부터의 평균들로서 결정되었다. 시험들의 결과들을 아래의 표 1 에 나타낸다.
작업편: 약 850 N/㎟ 으로 경화 및 템퍼링된 42CrMo4 강 No. 1.7225,
절삭 조건: 치형부 이송 (tooth feed) fz = 0.07 mm
절삭 속도 vc = 170 m/min
절삭 폭 ae = 4 ㎜
절삭 깊이 ap = 8 ㎜
CL 5 % 로 냉각
(= 5 % 오일을 갖는 냉각 윤활 유중수형 (water-in-oil) 에멀젼)
기계가공은 0.2 ㎜ 초과의 평균 플랭크 마모 Vb 또는 0.25 ㎜ 초과의 최대 플랭크 마모 Vbmax 에서 중단 (interrupt) 되었고, 그리고 나서 (./.) 에 의해 결과에서 확인되었다.
Figure pct00002
예 2 - 섕크 공구
이 예에서, 솔리드 경질 금속 (SHM) 엔드 밀 (이른바 "터프 가이") 에 예 1 과 동일하게 본 발명에 따른 코팅 및 종래 기술에 따른 비교 코팅이 제공되었고, 피복 공구들을 절삭 시험에서 비교하였다. 단지 피복 엔드 밀이 예 1 에 비해 상이한 형상을 가졌다.
코팅 전에, 기재는 처음에, 글라스 비드를 사용하는 습식 블라스팅에 의해 7 ㎛ 의 반경까지 절삭 에지 라운딩 절차를 거쳤다.
솔리드 경질 금속 (SHM) 엔드 밀의 상세
직경: 3 ㎜
절삭 에지의 개수: 3
절삭 에지의 길이: 직경의 200 %
플루트의 나선각 (spiral angle): 50°
크로스 절삭 에지의 경사각: 13.5°
주 절삭 에지의 경사각: 10.5°
기재 재료: 0.8 ㎛ 의 평균 WC 입자 크기 및 10 중량% Co 의 바인더 함량을 갖는 미세 입자 카바이드
절삭 시험 2
밀링 시험에서 피복 공구들을 비교하였고, 평균 플랭크 마모 Vb 및 최대 플랭크 마모 Vbmax 는 각 경우에 2 개의 시험으로부터의 평균들로서 결정되었다. 시험들의 결과들을 아래의 표 2 에 나타낸다.
작업편: C45 강 No. 1.0503, 강도 약 600 N/㎟
절삭 조건: 치형부 이송 fz = 0.02 mm
절삭 속도 vc = 141 m/min
절삭 폭 ae = 1.2 ㎜
절삭 깊이 ap = 2.4 ㎜
CL 5 % 로 냉각
(= 5 % 오일을 갖는 냉각 윤활 유중수형 에멀젼)
기계가공은 0.2 ㎜ 초과의 평균 플랭크 마모 Vb 또는 0.25 ㎜ 초과의 최대 플랭크 마모 Vbmax 에서 중단되었고, 그리고 나서 (./.) 에 의해 결과에서 확인되었다.
Figure pct00003
예 3 - 섕크 공구
이 예에서 피복된 공구 기재는 예 1 의 것과 동일하였다. 마찬가지로, Ti-Al 혼합 타겟 (Ti:Al = 50:50) 으로부터 아크 증발 (바이어스: 100　V, 4 Pa 질소, 0.8　A/㎠ 비 증발기 유동, 증착 온도: 550　℃) 에 의해 기재 표면에 0.2 ㎛ 두께 TiAlN 중간 코트를 먼저 증착시켰다.
예 1 과 달리, 본 발명에 따른 내마모성 코팅은 아크 증발 (2 A/㎠ 비 증발기 유동) 에 의해 50:50 의 Ti:Al 비를 갖는 2 개의 Ti-Al 혼합 타겟들로부터 총 층 두께 2 ㎛ 로 증착되었고, 듀얼 마그네트론 스퍼터링 (13 W/㎠ 비출력 (specific power) (바이어스: 80 V, 1.5 Pa 질소, 증착 온도: 550 ℃) 에 의해 2 개의 Al 타겟들을 이용하여 TiAlN 코트 (A) 와 주기적으로 교호하는 TiAlN 코트 (B) 에서 알루미늄 함량은 증가되었다. 예 2 에서도, Ti:Al = 50:50 인 90 개의 Tix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 및 Ti:Al = 33:67 인 90 개의 Tix(B)Aly(B)N 코트들 (B) 이 주기적 교호식으로 증착되었고, TiAlN 코트들 (A) 은 약 15-19　㎚ 의 두께를 각각 갖고, TiAlN 코트들 (B) 은 약 3-6 ㎚ 의 두께를 각각 갖는다.
예 4 - 인덱서블 커터 인서트
이 예에서, 880 N/㎟ 의 강도를 갖는 42CrMo4 강으로 이루어진, 정사각형 기본 형상을 갖는 인덱서블 커터 인서트 P2808 에, 본 발명에 따른 코팅 및 종래 기술에 따른 비교 코팅이 제공되었고, 피복 공구들을 절삭 시험에서 비교하였다.
코팅 전에, 기재는 처음에, (전술한 것처럼) 커런덤을 사용하는 습식 블라스팅에 의해 30 ㎛ 의 반경까지 절삭 에지 라운딩 절차를 거쳤다.
본 발명에 따른 코팅의 형성
Ti-Al 혼합 타겟 (Ti:Al = 50:50) 으로부터 아크 증발 (바이어스: 100　V, 4 Pa 질소, 1.0　A/㎠ 비 증발기 유동, 증착 온도: 550　℃) 에 의해 기재 표면에 0.2 ㎛ 두께 TiAlN 중간 코트를 먼저 증착시켰다. 또한, 그 위에 아크 증발에 의해 본 발명에 따른 내마모성 코팅을 총 층 두께 2 ㎛ 로 증착시켰다. 증착은 50:50 의 Ti:Al 비를 갖는 4 개의 Ti-Al 혼합 타겟들로부터 그리고 33:67 의 Ti:Al 비를 갖는 2 개의 Ti-Al 혼합 타겟들로부터 동시에 일어났다 (바이어스: 60　V, 4 Pa 질소, 양쪽 타입의 타겟에 대해 1.0　A/㎠ 비 증발기 유동, 증착 온도: 550 ℃). 기재는 상이한 타입의 타겟을 지나도록 회전 테이블에서 안내되었다. 전부에서, Ti:Al = 50:50 인 90 개의 Tix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 및 Ti:Al = 33:67 인 90 개의 Tix(B)Aly(B)N 코트들 (B) 이 주기적 교호식으로 증착되었고, Tix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 은 약 15-19　㎚ 의 두께를 각각 갖고, Tix(B)Aly(B)N 코트들 (B) 은 약 3-6 ㎚ 의 두께를 각각 갖는다. 그 후, 33:67 의 Ti:Al 비를 갖는 Ti-Al 혼합 타겟으로부터 아크 증발에 의해 최종 최외각 코트가 층 두께 0.1 ㎛ 로 또한 증착되었다 (바이어스: 40　V, 3.0 Pa 질소, 0.8　A/㎠ 비 증발기 유동, 증착 온도: 550 ℃)
비교 코팅의 형성
33:67 의 Ti:Al 비를 갖는 Ti-Al 혼합 타겟으로부터 아크 증발에 의해 기재 표면에 총 층 두께 4.0 ㎛ 로 멀티코트 (60 개의 코트들) TiAlN 내마모성 코팅을 증착시켰다 (증착 온도: 450　℃, 0.8 A/㎠ 비 증발기 유동). 압력 및 바이어스는 30 V 및 5 Pa 질소로부터 60 V 및 2 Pa 질소로 변경되었다. 동시에, 0.8 Pa 질소, 0.8 A/㎠ 비 증발기 유동 및 100 V 의 바이어스로 Ti 타겟들로부터 0.1 ㎛ 두께 TiN 장식 코트를 증착시켰다.
절삭 시험 3
피복 공구들을 밀링 시험에서 비교하였고, 최대 플랭크 마모 Vbmax 는 각 경우에 2 번의 시험으로부터 평균으로서 결정되었다. 시험들의 결과들을 아래의 표 3 에 나타낸다.
작업편: 약 850 N/㎟ 으로 경화 및 템퍼링된 42CrMo4 강 No. 1.7225
절삭 조건: 이송 vf = 120 ㎜/min
치형부 이송 fz = 0.2 mm
절삭 속도 vc = 235 m/min
밀링 경로 6 × 800 ㎜
냉각 없이 밀링
Figure pct00004

Claims (11)

  1. 경질 금속, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도강으로 이루어진 베이스 보디 (base body), 및 PVD 프로세스에서 상기 베이스 보디에 형성되는 단층 또는 다층의 내마모성 (anti-wear protective) 코팅을 포함하는 공구로서,
    상기 내마모성 코팅의 적어도 하나의 층이 티탄-알루미늄-질화물 층 TixAlyN 이고, 여기서 x + y = 1 이고, 상기 티탄-알루미늄-질화물 층은 상기 프로세스에 따라서 5 중량% 이하의 다른 (further) 금속들을 함유할 수 있고,
    상기 TixAlyN 층은 복수의 주기적 교호식의 (periodically alternating) Tix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 및 Tix(B)Aly(B)N 코트들 (B) 을 갖는 멀티코트 하부구조 (multi-coat substructure) 이고, 여기서 x(A) + y(A) = 1 이고, x(B) + y(B) = 1 이며,
    코트들 (B) 에서의 Al 농도 y(B) 는 최대 70 원자% 이고 (y(B) ≤ 0.70),
    코트들 (B) 에서의 Al 농도 y(B) 는 코트들 (A) 에서의 Al 농도 y(A) 보다 10 내지 25 원자% 만큼 더 높은 (y(B) = (y(A) + 0.10) 내지 (y(A) + 0.25)), 공구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내마모성 코팅 중의 상기 적어도 하나의 TixAlyN 층은 적어도 40 개의 주기적 교호식의 Tix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 및 Tix(B)Aly(B)N 코트들 (B) 를 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 내마모성 코팅 중의 상기 적어도 하나의 TixAlyN 층은 최대 300 개의 주기적 교호식의 Tix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 및 Tix(B)Aly(B)N 코트들 (B) 을 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Tix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 은 2 내지 40 ㎚, 바람직하게는 4 내지 15 ㎚ 의 두께를 갖고,
    상기 Tix(B)Aly(B)N 코트들 (B) 은 1 내지 20 ㎚, 바람직하게는 2 내지 7 ㎚ 의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Tix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 은 상기 Tix(B)Aly(B)N 코트들 (B) 의 1.5 내지 3.0 배의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Tix(A)Aly(A)N 코트들 (A) 중의 Ti 대 Al 의 농도 비 x(A):y(A) 가 0.40 : 0.60 내지 0.60 : 0.40, 바람직하게는 0.45 : 0.55 내지 0.55 : 0.45, 특히 바람직하게는 대략 0.50 : 0.50 인 것을 특징으로 하는 공구.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    멀티코트 하부구조를 갖는 상기 TixAlyN 층은 상기 내마모성 코팅의 최외각 층이고, 또한 적어도 특정 영역들에서, 두께 0.1 내지 1.5 ㎛ 의 중첩된 얇은 마모 검출 층, 바람직하게는 TiN 또는 ZrN 층을 선택적으로 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 TixAlyN 층은 2500 내지 4000, 바람직하게는 3000 내지 3500 의 비커스 경도 HV 를 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 TixAlyN 층은 10 ㎛ 의 길이에 걸쳐 측정되는, 1.0 ㎛ 이하, 바람직하게는 0.5 ㎛ 이하의 평균 표면 조도 Ra 를 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 TixAlyN 층은 380 GPa 내지 470 GPa, 바람직하게는 420 GPa 내지 460 GPa 의 틴성률 (E-모듈러스) 을 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공구는 솔리드 경질 금속 공구 또는 인덱서블 커터 인서트인 것을 특징으로 하는 공구.
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