KR20150073707A

KR20150073707A - 난삭재 및 주철가공 절삭공구용 피막

Info

Publication number: KR20150073707A
Application number: KR1020130161700A
Authority: KR
Inventors: 강재훈; 이동열; 김정욱; 김한성; 이성구; 안진우; 안선용
Original assignee: 한국야금 주식회사
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2015-07-01
Also published as: US20160298232A1; CN105980602B; KR101536462B1; US9752230B2; CN105980602A; WO2015099298A1; DE112014005858T5; DE112014005858B4

Abstract

본 발명은 모재 상에 형성된 하부층과 상기 하부층상에 형성되는 α-Al₂O₃ 박막층의 핵생성 속도 및 성장 속도의 조절을 통해 α-Al₂O₃ 박막층의 밀착력을 크게 개선한 α-Al₂O₃ 박막에 관한 것이다.
본 발명에 따른 α-Al₂O₃ 박막은 초경합금으로 이루어진 모재 상에 형성된 하부층과, 상기 하부층 상에 형성되며, 그 전체 두께(T) 중에서 상기 계면층으로부터 0.15T까지의 D1층과, 0.15T에서 0.4T까지의 D2층과, 0.4T에서 1T까지의 D3층으로 구분하였을 때, S1(D3층 입도/D1층 입도)이 2~5.5이고, S2(D2층 입도/D1층 입도)이 1.5~4인 것을 특징으로 한다.

Description

난삭재 및 주철가공용 알파 알루미나 박막 {ALPHA ALUMINA THIN FILM FOR MACHINING HRSA AND CAST IRON}

본 발명은 난삭재나 주철과 같이 열전도율 상대적으로 낮은 재료의 가공에 사용되는 경질 박막의 최상층에 형성되는 알파 알루미나(α-Al₂O₃₎ 박막에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 초경합금으로 이루어진 모재 상에 형성된 하부층과 상기 하부층 상에 형성되는 α-Al₂O₃ 박막층의 핵생성 속도의 조절을 통해 α-Al₂O₃ 박막층의 밀착력을 크게 개선한 것에 관한 것이다.

절삭공구의 인선은 고경도 재료의 고속가공 시, 약 1000℃의 고온환경에 노출되고, 가공물과의 접촉으로 인한 마찰과 산화로 마모가 발생할 뿐 아니라, 단속과 같은 기계적 충격도 받게 된다. 그러므로 절삭공구는 적절한 내마모성과 인성을 갖는 것이 필수적으로 요구된다.

이와 같이 절삭공구에 요구되는 내마모성과 인성을 부여하기 위하여, 일반적으로 절삭공구로 사용되는 초경합금의 표면에는 화학기상증착법(이하, 'CVD'라 함) 또는 물리기상증착법(이하, 'PVD'라 함)을 통해 형성된 경질박막을 형성한다.

이러한 경질박막은, 단층 또는 다층의 비산화물계 박막(예: TiN, TiC, TiCN)이나, 우수한 내산화성을 갖는 산화물계 박막(예: Al₂O₃) 또는 이들의 혼합층으로 구성되며, 상기 비산화물계 박막의 예로는 TiN, TiC, TiCN 등과 같은 주기율표상 4, 5, 6족 금속원소의 탄화물, 질화물, 탄질화물이 있고, 산화물계 박막의 예로는 대표적으로 α-Al₂O₃ 또는 κ-Al₂O₃이 있다.

이중 α-Al₂O₃는 고온에서 안정한 상이기 때문에 절삭가공 중에 상변태가 발생하지 않고 우수한 내마모성을 발휘하지만 비산화물계 박막에 직접 α-Al₂O₃를 코팅하기 위해서는 약 1040℃ 정도의 고온이 필요하며 이때 형성되는 α-Al₂O₃는 결정립의 크기가 크고 (약 1~6㎛), 결정 내에 미세기공과 같은 결함들을 다량 포함하고 있어 박막의 기계적 강도가 떨어진다.

이러한 문제를 해결하기 위해서, 비산화물계 박막에 1단계 산화층을 먼저 코팅한 후, 그 위에 α-Al₂O₃를 코팅하는 방안이 제안되었다. 이러한 단계 산화층을 적용할 경우, α-Al₂O₃ 코팅 시 코팅온도를 1000~1020℃ 수준으로 낮출 수 있는데, 이와 같은 방법으로 제조된 α-Al₂O₃도 여전히 충분한 밀착강도를 나타내지 못해 절삭가공 시 박리가 발생하기 쉽다.

이에 따라, 대표적인 산화물계 박막인 α-Al₂O₃와 비산화물계 박막 간의 밀착강도를 향상시키기 위해서 몇 가지 개선된 방법들이 제안되었다.

특허문헌 1에는 5㎛ 두께의 TiCNO 층을 1030~1100℃에서 코팅한 후, 그 위에 α-Al₂O₃를 960~1000℃에서 코팅하는 방법이 제시되었고, 특허문헌 2에는 1㎛ 두께의 TiCO 또는 TiCNO 층위에 α-Al₂O₃를 코팅하는 방법이 제시되어 있고, 특허문헌 3에는 TiCl₄, CO, H₂, N₂ 가스를 사용하여 0.5~3㎛ 두께의 TiCNO 또는 TiCO층을 형성한 후, 그 위에 약 1000℃에서 α-Al₂O₃를 코팅하는 방법이 제시되어 있다.

한편, α-Al₂O₃ 층은 기둥형상의 주상정구조를 가지고 있는데, 이로 인해 α-Al₂O₃ 층의 입자 크기가 커서 α-Al₂O₃ 층의 아래에 형성된 하부층의 표면 거칠기을 충분히 메우기 어려워 계면 영역에 공극이 형성되고, 이로 인해 밀착력이 감소하는 경향이 있었다.

이에 따라 상기한 선행 특허문헌들에 제시된 것과 같이 결합층을 다양한 조성으로 형성하더라도 α-Al₂O₃층의 밀착력을 충분히 얻기 어려운 점이 있다.

1. 일본 공개특허공보 소63-195268 2. 일본 공개특허공보 평02-30406 3. 일본 공개특허공보 평05-345976

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, α-Al₂O₃ 층을 형성함에 있어서, α-Al₂O₃ 층의 입도를 다단계 조절한 미세조직을 구현하여 α-Al₂O₃ 층의 계면에서의 밀착력이 현저하게 향상된 α-Al₂O₃ 박막을 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 초경합금으로 이루어진 모재 상에 형성된 하부층과, 상기 하부층 상에 형성되는 α-Al₂O₃ 박막으로, 상기 α-Al₂O₃ 박막은 그 전체 두께(T) 중에서, 상기 계면층으로부터 0.15T까지의 D1층과, 0.15T에서 0.4T까지의 D2층과, 0.4T에서 1T까지의 D3층으로 구분하였을 때, S1(D3층 입도/D1층 입도)이 2~5.5이고, S2(D2층 입도/D1층 입도)가 1.5~4인 α-Al₂O₃ 박막을 제공한다.

상기 모재는 5~10중량%의 Co와, 1중량% 이하의 (Ta,Nb)C를 포함할 수 있다.

상기 하지층은, 상기 모재 상에 형성된 TiN층과, 상기 TiN층 상에 형성된 MT-TiCN층과, 상기 TiCN층 상에 형성된 Ti를 포함하는 계면층을 포함할 수 있다.

상기 TiN 층의 두께는 0.1~2㎛이고, 상기 MT-TiCN 층의 두께는 3~10㎛이고, 상기 계면층의 두께는 0.1~1㎛이며, 상기 α-Al2O3 층은 2~8㎛일 수 있다.

상기 D1층의 입도는 0.1~0.5㎛이고, 상기 D2층의 입도는 0.15~0.8㎛이며, 상기 D3층의 입도는 0.4~1.5㎛일 수 있다. 이때, D3층의 입도는 D2층의 입도에 비해 크다.

상기 계면층은 MT-TiCN층 상에 형성된 Ti_xAl_1-xCNO층과, 상기 Ti_xAl_1-xCNO층 상에 형성된 Al_yTi_1-yCNO층을 포함할 수 있다.

상기 α-Al₂O₃ 박막의 표면 조도(Ra)는 250nm이하일 수 있다.

본 발명에 따른 α-Al₂O₃ 박막은, 그 하부층과의 계면부에서는 미세한 크기의 α-Al₂O₃ 입도를 갖는 D1층과, D1층 상에 D1층에 비해 입도가 큰 D2층, D2층 상에는 D2층에 비해 입도가 큰 D3층으로 형성되어 있고, 상기 D1층은 하부층의 거친 입도의 틈새를 충분히 메울 수 있을 정도로 작은 입도로 이루어지고, D2층과 D3층으로 올라갈수록 입도가 커지는 구조로 되어 있기 때문에, 종래의 α-Al₂O₃ 박막에 비해 계면부의 공극을 현저하게 줄일 수 있어, α-Al₂O₃ 박막의 내박리성이 크게 향상될 수 있다.

도 1 본 발명의 실시예에 따른 α-Al₂O₃ 박막의 형성 과정 시 핵생성 과정에 대한 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 α-Al₂O₃ 박막을 포함한 경질 박막의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1~12에 따른 α-Al₂O₃ 박막의 미세조직과, 비교예 1,3에 따른 α-Al₂O₃ 박막의 미세조직과, 비교예 2,4에 따른 α-Al₂O₃ 박막의 미세조직에 대한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 11에 따라 형성된 경질 박막의 단면 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 비교예 4에 따라 형성된 경질 박막의 단면 주사전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 비교예 4에 따라 형성된 α-Al₂O₃ 박막의 부분 확대 주사전자현미경 사진이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 또한 첨부된 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 발명의 이해를 위하여 과장된 것으로 이해되어야 한다.

이하의 설명에서 하기의 용어들은 다음과 같이 정의된다.

'D1층의 입도'란 α-Al₂O₃ 박막 두께(T)에서 하부의 계면층으로부터 0.15T까지의 두께 중에서 배율 10000배의 주사전자현미경 이미지에서 상기 두께 구간의 중간인 0.075T를 기준으로 수평으로 선을 그을 때, 상기 선과 교차되는 입자 간의 간격의 평균을 의미한다.

'D2층의 입도'란 α-Al₂O₃ 박막 두께(T)에서 하부로부터 0.15T에서 0.4T까지의 두께 중에서 배율 10000배의 주사전자현미경 이미지에서 상기 두께 구간의 중간인 계면층으로부터 0.275T 지점에서 수평으로 선을 그읏을 때, 상기 선과 교차되는 입자 간의 간격의 평균을 의미한다.

'D3층의 입도'란 α-Al₂O₃ 박막 두께(T)에서 하부로부터 0.4T에서 1T까지의 두께 중에서 배율 10000배의 주사전자현미경 이미지에서 상기 두께 구간의 중간인 계면층으로부터 0.7T 지점에서 수평으로 선을 그을 때, 상기 선과 교차되는 입자 간의 간격의 평균을 의미한다.

본 발명자들은 초경합금에 α-Al₂O₃ 층을 포함하는 경질박막을 형성함에 있어서, α-Al₂O₃ 층의 하부에 형성된 계면층에 거친 표면에, 입도가 큰 α-Al₂O₃ 층이 형성될 경우 경계부에 다수의 기공이 형성되고 이와 같이 형성된 기공이 α-Al₂O₃ 층의 내박리성을 약화시키는 점을 발견하였다.

이에 따라, α-Al₂O₃ 층을 형성함에 있어서, 종래와 같이 핵생성 후 곧바로 입성장을 통해 α-Al₂O₃ 층 전체를 형성하는 방법과 달리, 도 1에 도시된 바와 같이, 계면부에서는 미세한 크기의 α-Al₂O₃ 핵생성 후 약간의 성장(전체 α-Al₂O₃ 박막 두께(T)대비 약 0.15T까지 성장) 후(도면상 청색), 그 위에 다시 α-Al₂O₃ 핵생성시켜 일정한 크기로 성장(전체 α-Al₂O₃ 박막 두께(T)대비 약 0.4T까지 성장)시킨 후, 다시 α-Al₂O₃ 핵생성시킨 후 최종 박막 두께까지 형성할 경우, 종래의 α-Al₂O₃ 박막에 비해 내박리성이 현저하게 향상되어, 절삭공구의 수명이 개선될 수 있음을 밝혀내고 본 발명에 이르게 되었다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 α-Al₂O₃ 박막을 포함한 경질 박막의 모식도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 초경합금으로 이루어진 모재(10)와, 상기 모재(10)의 상부에는 TiN으로 이루어진 하지층(20), 상기 하지층(20) 상에는 MT-TiCN으로 이루어진 중간층(30)과, 상기 중간층(30) 상에는 α-Al₂O₃ 박막 간의 결합력을 높이기 위한 계면층(40)과, 상기 계면층(40) 상에는 α-Al₂O₃ 층(50)이 형성된 구조로 이루어진다.

상기 모재(10)는 초경합금이나 서멧(cermet)과 같이 α-Al₂O₃ 박막을 형성하여 사용되는 절삭공구용 소재라면 어느 것이나 사용될 수 있으며, 바람직하게는 초경합금이 사용될 수 있고, 초경합금으로는 예를 들어 5~10중량%의 Co와, 1중량% 이하의 (Ta,Nb)C와 같은 입성장 억제제를 포함하는 것이 사용될 수 있다.

상기 하지층(20)으로는 일반적으로 TiN층이 형성되나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 TiN층은 0.1~2㎛가 바람직하다.

상기 중간층(30)은 상기 하지층(20) 상에 MT-CVD법[H₂, N₂, TiCl₄, CH₃CN 등을 이용하여 중온(약 850~900℃)에서 수행하는 증착법]으로 형성되는 TiCN층이 형성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 중간층(30) 상에는 추가로 HT-CVD법[H2, N2, TiCl2, CH3CN 등을 이용하여 중온(약 900~1050℃)에서 수행하는 증착법]으로 형성되는 TiCN층이 형성될 수 있다. 상기 MT-TiCN층의 두께는 3~10㎛인 것이 바람직하다.

상기 계면층(40)은 세부적으로, 상기 중간층(30) 상에 형성된 TiAlCNO층(31)과, AlTiCNO층(32) 및 TiO₂층(31)을 포함하여 형성될 수 있으나, 반드시 이에 제한되지 않고 일반적인 TiCNO 층 등도 적용될 수 있다. 상기 계면층(40)의 두께는 0.1~1㎛가 바람직하다.

상기 α-Al₂O₃ 층(50)은 상기 계면층(40)으로부터 박막 두께(T)대비 약 0.15T까지의 D1층(41)과, 상기 D1층(41)으로부터 박막 두께(T)대비 약 0.4T까지의 D2층(42)과, 상기 D2층(42)으로부터 최종 두께까지의 D3층(43)을 포함하여 이루어진다.

이때, 상기 D1층의 입도는 0.1~0.5㎛인 것이 바람직한데, 입도가 0.1㎛ 미만일 경우 α-Al₂O₃ 입성장을 낮게 제어해야 하므로 박막 성막속도가 현저히 떨어지게 되고, 0.5㎛ 초과일 경우 0.8㎛ 이하의 침상 형상을 갖는 계면층에 α-Al₂O₃ 를 핵생성시켜 촘촘하게 메우기 어려워 계면에 공극이 생기기 쉽기 때문이다. 계면층의 입도를 고려하여 D1층의 입도는 계면층의 입도 대비 1/2 이하의 낮은 입도를 가져야 공극 없이 충진이 가능하다.

또한, D2층의 입도는 0.15~0.8㎛인 것이 바람직한데, 입도가 0.15㎛ 미만일 경우 D1층과 마찬가지로 박막 성막속도가 현저하게 떨어지게 되고, 0.8㎛ 초과일 경우 D1과 D2의 입자 크기 비의 차이가 커져 치밀한 주상정의 α-Al₂O₃를 형성할 수 없기 때문이다.

또한, D3층의 입도는 0.4~1.5㎛인 것이 바람직한데, 입도가 0.4㎛ 미만일 경우 박막 성막속도가 충분하지 못하고, 1.5㎛ 초과일 경우 D2층과 D3층에 치밀한 주상정의 α-Al₂O₃를 형성할 수 없기 때문이다.

또한, D1층의 입도에 대한 D3층의 입도 비율인 S1(D3층 입도/D1층 입도)은 2~5.5인 것이 바람직한데, 2 미만일 경우 상기와 같이 박막 성장층에 있어서 D3층의 박막 성장속도가 낮아지는 문제가 있고, 5.5 초과일 경우 D3층의 입자 성장이 과도하여 부채꼴식의 주상정 성장을 이루게 되어 내치핑성이 감소할 수 있기 때문이다. 또한, D1층의 입도에 대한 D2층의 입도 비율인 S1(D2층 입도/D1층 입도)은 1.5~4인 것이 바람직한데, 1.5 미만일 경우와 4 초과일 경우도 상기와 동일한 원인 때문이다.

이하에서는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

먼저, ISO K05~15, M10~20 등급에 해당하는 절삭공구용 초경합금 모재 상부에 화학적 기상증착(CVD) 방법으로, 860~930℃ 온도 조건에서 50~200mbar의 압력 분위기에서 TiCl₄, H₂, N₂ 반응가스를 이용하여, TiN층을 형성하여 하지층을 만들었다.

그 상부에 850~920℃ 온도 조건과 50~100mbar 압력 분위기에서 TiCl₄, CH₃CN, H₂, N₂, HCl 반응가스를 이용하여 MT-TiCN층을 형성한 후, 920~1020℃ 온도 조건과 50~100mbar 압력 분위기에서 TiCl₄, CH₃CN, H₂, N₂ 반응가스를 이용하여, HT-TiCN층을 형성하여 중간층을 만들었다.

상기 중간층의 상부에 920~1020℃ 온도 조건과 50~150mbar 압력 분위기에서 TiCl₄, CH₃CN, H₂, N₂, AlCl₃(AlCl₃의 경우, 고체 상태에서 기화시켜 가스로 함), CO 및/또는 CO₂를 반응가스로 이용하여 TiAlCNO층을 형성하였다. 그리고 920~1020℃ 온도조건과 50~150mbar 압력 분위기에서 TiCl₄, CH₃CN, H₂, N₂, AlCl₃(AlCl₃의 경우, 고체상태에서 기화시켜 가스로 함), CO 및/또는 CO₂를 반응가스로 이용하고 반응가스 중 AlCl₃ 가스 양을 증가시켜, Al 함량이 리치(rich)한 조건으로 AlTiCNO층을 형성하였는데, 이는 상부 Al₂O₃층과 조성 구배를 주기 위한 것이다. 그리고 920~1020℃ 온도 조건과 50~150mbar 압력 분위기에서 TiCl₄, H₂, CO나 CO₂ 반응가스를 이용하여, TiO₂ 층을 형성하여 계면층을 만들었다.

상기 계면층의 상부에 940~1000℃ 온도 조건과 50~100mbar 압력 분위기에서 AlCl₃, CO₂, 및/또는 CO, H₂, HCl 등의 반응가스를 이용하여, CO/CO₂ 반응가스의 부피비율을 V1 이라고 할 때, CO/CO₂의 V1은 0〈V1≤2로(이때 반응가스 중 HCl의 양은 0~3.5ml/min) D1층을 형성하였다.

이어서, 960~1020℃ 온도 조건과 50~125mbar 압력 분위기에서 AlCl₃, CO₂, 및/또는 CO, H₂, HCl 등의 반응가스를 이용하여, CO/CO₂ 반응가스의 부피비율을 V2 라고 할 때, CO/CO₂의 V2를 0〈V2≤1.5로 (이때 반응가스 중 HCl의 양은 1~4.5ml/min)로 하여 D2층을 형성하였다.

마지막으로, 980~1020℃ 온도 조건과 50~150mbar 압력 분위기에서 AlCl₃, CO₂, 및/또는 CO, H₂, HCl 등의 반응가스를 이용하여, CO/CO₂ 반응가스의 부피비율을 V3 라고 할 때, CO/CO₂의 V3를 0〈V3≤1로 (이때 반응가스 중 HCl의 양은 1~4.5ml/min)로 하여 D3층을 형성하였다.

이상과 같은 과정을 통해, 도 3a에 모식적으로 도시되어 있는 바와 같은 3층 구조를 갖는 α-Al₂O₃박막을 형성하였다. 구체적으로는 상기한 과정을 통해 하기 표 1의 실시예 1~12의 구조를 갖는 경질피막을 형성하였다.

또한, 본 발명의 실시예 1~12에 따른 미세조직과의 비교를 위하여, 하기 표 1과 같이, 하지층, 중간층 및 계면층은 동일하고, 종래와 같이 1단계로만 α-Al₂O₃층을 형성하여 도 3b와 같은 미세조직을 갖는 비교예 1 및 3(시편 No.13, 15)를 제조하였고, 또한 3층 구조와 2층 구조의 차이를 비교하기 위하여 2단계로 α-Al₂O₃층을 형성하여 도 3c에 모식적으로 도시된 미세조직을 갖는 비교예 2 및 4를 각각 제조하였다.

시편	하지층	중간층		계면층			α-Al₂O₃ 층
	TiN	MT- TiCN	HT- TiCN	TiAlCNO	AlTiCNO	TiO₂	D1		D2		D3
	두께 (㎛)	두께 (㎛)	두께 (㎛)	두께 (㎛)	두께 (㎛)	두께 (㎛)	입도 (㎛)	두께 (㎛)	입도 (㎛)	두께 (㎛)	입도 (㎛)	두께 (㎛)
실시예1	0.5	6	0.2	0.2	0.2	0.1	1.2	0.25	0.9	0.43	2.3	0.76
실시예2	0.5	9	0.2	0.2	0.2	0.1	1.6	0.28	1.4	0.67	3.5	0.84
실시예3	0.6	12	0.2	0.2	0.2	0.1	0.9	0.17	1.8	0.51	3	0.89
실시예4	1.5	6	0.2	0.2	0.2	0.1	1.3	0.23	0.8	0.46	2.1	0.87
실시예5	2	11	0.2	0.2	0.2	0.1	1.2	0.26	1.3	0.43	3.6	0.68
실시예6	2	10	0.2	0.2	0.2	0.1	1.4	0.33	1.2	0.52	2.8	0.74
실시예7	0.5	7	0.2	0.2	0.2	0.1	1.8	0.31	1.6	0.62	3.2	0.86
실시예8	0.4	10	0.2	0.2	0.2	0.1	1.3	0.16	1.4	0.57	3.8	0.76
실시예9	0.5	11	0.2	0.2	0.2	0.1	1.4	0.28	1.5	0.44	3	0.81
실시예10	1.4	8	0.2	0.2	0.2	0.1	1.6	0.31	1.6	0.59	3.6	0.74
실시예11	2	11	0.2	0.2	0.2	0.1	1.5	0.24	1.3	0.64	3	0.76
실시예12	2	10	0.2	0.2	0.2	0.1	1.4	0.19	0.9	0.43	3.4	0.81
비교예1	0.5	10	0.2	0.2	0.2	0.1	6	0.60	-	-	-	-
비교예2	0.6	10	0.2	0.2	0.2	0.1	1	0.40	4.8	0.7	-	-
비교예3	0.7	9	0.2	0.2	0.2	0.1	6	0.40	-	-	-	-
비교예4	0.5	10	0.2	0.2	0.2	0.1	1	0.50	5.1	0.8	-	-

이상과 같이 제조된 경질박막에서 α-Al₂O₃ 층의 두께와, D1층과 D2층 및 D1층과 D3층 간의 입도와 두께의 비율은 하기 표 2와 같다.

시편	α-Al₂O₃ 층							입도비율		두께비율
	D1		D2		D3		총 두께	D3/D1	D2/D1	D3/D1	D2/D1
	두께	입도	두께	입도	두께	입도	총 두께	S1	S2	T1	T2
	(㎛)	(㎛)	(㎛)	(㎛)	(㎛)	(㎛)	(㎛)	S1	S2	T1	T2
실시예1	1.2	0.25	0.9	0.43	2.3	0.76	4.4	3.0	1.7	1.9	0.8
실시예2	1.6	0.28	1.4	0.67	3.5	0.84	6.5	3.0	2.4	2.2	0.9
실시예3	0.9	0.17	1.8	0.51	3	0.89	5.7	5.2	3.0	3.3	2.0
실시예4	1.3	0.23	0.8	0.46	2.1	0.87	4.2	3.8	2.0	1.6	0.6
실시예5	1.2	0.26	1.3	0.43	3.6	0.68	6.1	2.6	1.7	3.0	1.1
실시예6	1.4	0.33	1.2	0.52	2.8	0.74	5.4	2.2	1.6	2.0	0.9
실시예7	1.8	0.31	1.6	0.62	3.2	0.86	6.6	2.8	2.0	1.8	0.9
실시예8	1.3	0.16	1.4	0.57	3.8	0.76	6.5	4.8	3.6	2.9	1.1
실시예9	1.4	0.28	1.5	0.44	3	0.81	5.9	2.9	1.6	2.1	1.1
실시예10	1.6	0.31	1.6	0.59	3.6	0.74	6.8	2.4	1.9	2.3	1.0
실시예11	1.5	0.24	1.3	0.64	3	0.76	5.8	3.2	2.7	2.0	0.9
실시예12	1.4	0.19	0.9	0.43	3.4	0.81	5.7	4.3	2.3	2.4	0.6
비교예1	6	0.60	-	-	-	-	6	-	-	-	-
비교예2	1	0.40	4.8	0.7	-	-	5.8	-	1.8	-	4.8
비교예3	6	0.40	-	-	-	-	6	-	-	-	-
비교예4	1	0.50	5.1	0.8	-	-	6.1	-	1.6	-	5.1

상기 표 2에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예1~12의 D3/D1 입도비율인 S1은 2.2~5.2이며, D2/D1 입도비율인 S2는 1.6~3.6 이다.

또한, 실시예1~12의 D3/D1 두께비율인 T1은 1.6~3.3이며, D2/D1 두께비율인 T2는 0.6~2.0 이다.

비교예 1과 비교예3은 핵생성 후 곧바로 최종 두께까지 성장이 이루어진 경우이므로, 본 발명의 실시예 1~12와 같이 다단 성장이 이루어지지 않아 S1 및 S2 비율을 구하지 않았다.

한편 비교예 2와 비교예 4의 경우, 2단으로 성장이 이루어졌으며, 비교예 2와 비교예 4의 S1은 각각 1.8과 1.6이었다.

즉, 본 발명에 따른 α-Al₂O₃ 층은 비교예 1~4에 비해 계면에서 보다 미세한 입도를 갖도록 제어된 것이다.

α-Al ₂ O ₃ 층의 미세조직

도 4는 본 발명의 실시예 11에 따라 형성된 경질 박막의 단면 주사전자현미경 사진이고, 도 5는 본 발명의 비교예 4에 따라 형성된 경질 박막의 단면 주사전자현미경 사진이며, 도 6은 본 발명의 비교예 4에 따라 형성된 α-Al₂O₃ 박막의 부분 확대 주사전자현미경 사진이다.

도 4에 보이는 바와 같이, 본 발명의 실시예 11에 따라 형성된 α-Al₂O₃ 층(상부의 밝은 회색층)은 3단계로 핵생성 및 성장이 이루어졌기 때문에, 박막의 중심부의 입도가 미세하고, 그 하부의 입도가 매우 치밀하여 하층과의 경계부에 공극이 거의 관찰되지 않는다.

이에 비해, 도 5에 보이는 바와 같이, 비교예 4에 따라 2단계로 핵생성 및 성장이 이루어진 α-Al₂O₃ 층(상부의 밝은 회색층)의 경우, 본 발명의 실시예 11에 비해 중심부의 입도가 상대적으로 큰 것을 알 수 있다. 이에 따라, 도 6에 보이는 바와 같이, α-Al₂O₃ 층의 하부에는 치밀하지 못한 조직(도면상 검은 부분)이 군데군데 관찰된다.

α-Al ₂ O ₃ 층의 밀착력 및 경도

이상과 같이 제조된 α-Al₂O₃ 층의 밀착력과 경도를 비교 측정하였다. 이때 밀착력은 J&L 테크사의 스크래치 테스터(scratch tester, 모델명:JLSTOLL)을 사용하여 스크레치 테스트 방법으로 측정하였고, 미소 경도는 피셔스코프(HP100C-XYP, 독일 HELMUT FISCHER GMBH, ISO14577)을 사용하여 측정하였다.

구체적인 밀착력 및 경도 측정 조건을 하기 표 3과 같았다.

[스크레치 테스트 조건]
load : 0~150N
스크래치 길이 : 10.00mm
스크래치 속도 : 0.17mm/s

[미소 경도 테스트 조건]
load : 100mN
unload : 100mN
load time : 10초
unload time : 10초
creep time : 5초

상기한 조건으로 테스트를 수행한 결과는 하기 표 4와 같았다.

시편	D3/D1	D2/D1	기계적특성
	입도비율	입도비율	밀착력	경도
	(S1)	(S2)	(N)	(Gpa)
실시예 1	3	1.8	134	31.3
실시예 2	3	1.4	129	31.4
실시예 3	5.2	2.6	143	31.1
실시예 4	3.8	1.6	142	31.8
실시예 5	2.6	2.0	124	31.6
실시예 6	2.2	2.0	131	31.4
실시예 7	2.8	2.7	124	32.2
실시예 8	4.8	1.7	145	31.9
실시예 9	2.9	2.0	132	32.3
실시예 10	2.4	1.1	134	32.4
실시예 11	3.2	1.3	124	32.1
실시예 12	4.3	1.5	137	32
비교예 1	-	1.7	98	31.6
비교예 2	-	1.6	104	31.8
비교예 3	-	1.9	83	32.1
비교예 4	-	2.5	96	32.4

상기 표 4에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1~12에 따라 제조된 α-Al₂O₃ 층의 밀착력은 124~143N인데 비해, 비교예 1~4에 따라 제조된 α-Al₂O₃ 층의 밀착력은 83~104N으로 본 발명의 실시예에 비해 낮음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 α-Al₂O₃ 박막의 밀착력이 종래의 방법에 의해 형성된 α-Al₂O₃ 박막에 비해 현저하게 향상되었다.

한편, α-Al₂O₃ 층의 경도를 측정한 결과, 경도는 본 발명의 실시예 1~12와 비교예 1~4는 거의 유사한 수치를 나타내는데, 이는 동일한 물질로 이루어진 것이 반영된 것으로 보인다.

절삭시험 결과

본 발명의 실시예 1~12에 따라 제조된 경질피막과 비교예 1~4에 따라 제조된 경질피막의 주철 가공 조건 및 스테인리스강 가공 조건 하에서 어떠한 성능을 나타낼 수 있는지에 대해 다음과 같은 절삭조건으로 평가하였으며, 그 결과는 하기 표 5와 같았다.

(1) 주철 절삭조건

- 가공방식: 선삭

- 피삭재: GCD450-4구(홈가공)

- Vc(절삭속도)=380(mm/min)

- fn(이송속도)=0.35(mm/min)

- ap(절입깊이)=1.5mm, 습식(wet)

(2) 스테인리스강 절삭조건

- 가공방식: 선삭

- 피삭재: SUS316-4구(홈가공)

- Vc(절삭속도)=200(mm/min)

- fn(이송속도)=0.2(mm/min)

- ap(절입깊이)=1.5mm, 습식(wet)

시편	D3/D1	D2/D1	절삭수명
	D3/D1	D2/D1	주철 가공		스테인리스 가공
	(S1)	(S2)	(sec)	수명경향	(sec)	수명경향
실시예 1	3	1.8	320	치핑	110	미세치핑
실시예 2	3	1.4	330	치핑	90	치핑
실시예 3	5.2	2.6	360	미세치핑	90	파손
실시예 4	3.8	1.6	360	미세치핑	120	미세치핑
실시예 5	2.6	2	340	파손	90	치핑
실시예 6	2.2	2	320	파손	90	치핑
실시예 7	2.8	2.7	330	치핑	120	미세치핑
실시예 8	4.8	1.7	350	미세치핑	100	치핑
실시예 9	2.9	2	330	치핑	110	치핑
실시예 10	2.4	1.1	330	파손	120	미세치핑
실시예 11	3.2	1.3	360	치핑	90	치핑
실시예 12	4.3	1.5	350	미세치핑	90	치핑
비교예 1	0	1.7	290	치핑	70	치핑
비교예 2	0	1.6	290	치핑	60	치핑
비교예 3	0	1.9	280	파손	80	치핑
비교예 4	0	2.5	310	치핑	80	치핑

상기 표 5에 나타난 바와 같이, 주철 및 스테인리스강 가공 조건 하에서 본 발명의 실시예 1~12에 따라 제조된 경질피막의 경우 주철 가공 시 절삭수명이 320초~360초임에 비해, 비교예 1~4에 따라 제조된 경질피막의 경우 절삭수명이 280~310초로 본 발명의 실시예들에 비해 절삭수명이 떨어짐을 알 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예 1~12에 따라 제조된 경질피막의 경우 스테인리스강 가공 시 절삭수명이 90초~120초임에 비해, 비교예 1~4에 따라 제조된 경질피막의 경우 절삭수명이 60~80초로 주철 가공 시와 유사하게 본 발명의 실시예들에 비해 절삭수명이 떨어짐을 알 수 있다.

이상의 결과로부터, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 α-Al₂O₃ 박막의 미세조직이 주철이나 스테인리스강과 같은 재료를 가공할 때, 절삭공구의 수명을 연장시키는데 상당한 영향을 미침을 알 수 있다.

Claims

모재 상에 형성된 하부층과, 상기 하부층 상에 형성되는 α-Al₂O₃ 박막으로,
상기 α-Al₂O₃ 박막은 그 두께(T) 중에서, 상기 계면층으로부터 0.15T까지의 D1층과, 0.15T에서 0.4T까지의 D2층과, 0.4T에서 1T까지의 D3층으로 구분하였을 때,
S1(D3층 입도/D1층 입도)이 2~5.5이고, S2(D2층 입도/D1층 입도)이 1.5~4인 α-Al₂O₃ 박막.
제1항에 있어서,
상기 모재는 5~10중량%의 Co와, 1중량% 이하의 (Ta,Nb)C를 포함하는 초경합금인 α-Al₂O₃ 박막.
제1항에 있어서,
상기 하부층은, 상기 모재 상에 형성된 TiN층과,
상기 TiN층 상에 형성된 MT-TiCN층과,
상기 TiCN층 상에 형성된 Ti를 포함하는 계면층을 포함하는 α-Al₂O₃ 박막.
제3항에 있어서,
상기 TiN 층의 두께는 0.1~2㎛이고,
상기 MT-TiCN 층의 두께는 3~10㎛이고,
상기 계면층의 두께는 0.1~1㎛이며,
상기 α-Al₂O₃ 층은 2~8㎛인 α-Al₂O₃ 박막.
제1항에 있어서,
상기 D1층의 입도는 0.1~0.5㎛이고,
상기 D2층의 입도는 0.15~0.8㎛이며,
상기 D3층의 입도는 0.4~1.5㎛인 α-Al₂O₃ 박막.
제3항에 있어서,
상기 계면층은 MT-TiCN층 상에 형성된 Ti_xAl_1-xCNO층과,
상기 Ti_xAl_1-xCNO층 상에 형성된 Al_yTi_1-yCNO층과,
상기 Al_yTi_1-yCNO층 상에 형성된 Ti산화물층을 포함하는 α-Al₂O₃ 박막.
제1항에 있어서,
상기 α-Al₂O₃ 박막의 표면 조도(Ra)는 250nm이하인 α-Al₂O₃ 박막.