KR20150083621A - 절삭공구용 경질 피막 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모재 상에 MT-TiCN층, 결합층, 알루미나(Al₂O₃)층의 순으로 적층 형성한 경질 피막으로, MT-TiCN층의 미세조직을 제어하여 MT-TiCN층의 기계적 특성을 향상시킴과 동시에 MT-TiCN층의 상부에 위치한 알루미나(Al₂O₃)층과의 밀착도를 향상시킬 수 있어, 절삭공구의 표면에 형성하였을 때, 절삭공구의 수명과 인선부의 박리를 감소시킬 수 있는 경질 피막에 관한 것이다.
본 발명에 따른 경질 피막은, 초경합금 또는 써멧(cermet)으로 이루어진 모재 상에 형성되고, 두께 1~20㎛의 TiC_xN_y(x+y=1,x＞0,y＞0)층을 포함하는 다층 구조로 이루어지고, 상기 TiC_xN_y(x+y=1,x＞0,y＞0)층은 EBSD로 측정한 Σ3 타입의 결정립계의 길이가 Σ3, Σ5, Σ7, Σ9, Σ11, Σ15 및 Σ23 타입 결정립계 길이의 합에서 70% 이상을 차지한다.

Description

절삭공구용 경질 피막 {HARD COATED LAYER FOR CUTTING TOOLS}

본 발명은 초경합금 또는 써멧(cermet)를 모재로 한 절삭공구 상에 형성되는 절삭공구용 경질 피막에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 모재 상에 MT-TiCN층, 결합층, 알루미나(Al₂O₃)층의 순으로 적층 형성한 경질 피막으로, MT-TiCN층을 구성하는 결정립의 결정립계의 결합관계를 제어하여 MT-TiCN층의 상부에 위치한 알루미나(Al₂O₃)층과의 밀착도를 향상시킴으로써, 절삭 가공 시 경질 피막의 인선부의 박리를 감소시킬 수 있어 절삭공구의 수명을 연장시킬 수 있는 경질 피막에 관한 것이다.

초경합금 또는 써멧을 모재로 하는 절삭공구용 경질 피막에 널리 사용되어 온 TiCN 박막은 TiCl₄, CH₄ 및 N₂와 같은 반응가스들을 이용하여 약 1000℃ 정도의 고온에서 반응시켜 형성하는데, 이 과정에서 초경합금 모재로부터 탄소(C)가 TiCN 박막으로 확산하여 모재와 TiCN 박막의 계면에 Co₃W₃C 또는 Co₆W₆C 등과 같은 취성이 강한 경질상이 형성되어 절삭공구의 인성을 저하시키는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 MTCVD(Moderate Temperature Chemical Vapor Deposition, 이하 'MTCVD'라 함)를 이용한 TiCN층(이하, 'MT-TiCN층'이라 함)의 형성 방법이 제안되었는데, 이 방법은 TiCN 형성 시, TiCl₄와 탄소(C), 질소(N)의 소스로 CH₃CN을 사용하여 증착 온도를 약 750~850℃ 수준으로 낮춤으로써 TiCN 박막을 형성할 때, 초경합금 모재로부터 탄소(C)가 확산되는 것을 억제하여 취성이 강한 Co₃W₃C 또는 Co₆W₆C 과 같은 경질상이 생성되는 것을 억제함으로써, 코팅 후 형성된 TiCN 박막이 내마모성뿐만 아니라 인성을 갖도록 한데 특징이 있다.

이러한 MT-TiCN층은 그 위에 결합층을 형성한 후 알루미나층과 같은 산화물을 형성한 다층구조로 상용화되어 최근 선삭 및 밀링용 절삭공구에 보편적으로 사용되고 있다.

한편, 절삭 가공 중에는 절삭공구(인서트)와 가공물 간의 마찰로 인하여 박막의 마모와 함께 열이 발생하는데, 모재로부터 MT-TiCN층, 결합층, 알루미나 (Al₂O₃)층과 같은 순서의 적층 구조를 갖는 다층박막에서 최상층인 알루미나(Al₂O₃)가 절삭 가공을 통해 완전히 마모된 후에는 MT-TiCN층의 내마모성이 떨어져 쉽게 마모되어 공구수명이 짧은 문제점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 많은 연구들이 진행되어왔으며, 그 일례로, 하기 특허문헌에는 CO 가스를 MTCVD TiCN 박막 형성 중에 도핑 함으로써 주상정의 결정구조를 갖는 TiCN 박막의 결정 입자 크기(입경)를 약 0.5㎛ 수준으로 미세화하여 경도를 향상시키는 방법이 제시되어 있다.

이 방법에 의하면, TiCN층의 미세화로 인해 기계적 특성이 향상되어, 절삭공구의 내마모성이 향상되나, 최상층인 알루미나(Al₂O₃)와 MT-TiCN층 간의 결합력이 떨어져, 절삭가공 중 알루미나층이 부분적으로 박리되어 공구수명이 저하하는 문제점이 있어서, 상기한 MT-TiCN층의 미립화만으로는 공구수명을 향상시키는데 일정한 한계가 있다.

미국 등록특허 공보 제6,652,913호

본 발명의 과제는 MT-TiCN층을 형성함에 있어서, 미립 MT-TiCN층을 형성하여 MT-TiCN층의 기계적 특성을 높이면서 동시에 MT-TiCN층을 구성하는 결정립계의 결합관계를 조절함으로써, MT-TiCN층의 상부층인 α-Al₂O₃층과의 결합력을 향상시켜, 절삭공구의 수명을 개선할 수 있는 절삭공구용 경질피막을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 초경합금 또는 써멧의 모재에 형성되며, 두께 1~20㎛의 MT-TiC_xN_y(x+y=1,x＞0,y＞0)층을 포함하는 다층 구조로 이루어지고, 상기 MT-TiC_xN_y(x+y=1,x＞0,y＞0)층은 EBSD로 측정한 Σ3 타입의 결정립계의 길이가 Σ3 타입, Σ5 타입, Σ7 타입, Σ9 타입, Σ11 타입, Σ15 타입 및 Σ23 타입 결정립계 길이의 합에서 70% 이상을 차지하는 절삭공구용 경질 피막을 제공한다.

바람직하게, 상기 MT-TiC_xN_y(x+y=1,x＞0,y＞0)층의 결정립경은 1㎛ 이하, 보다 바람직하게 0.7㎛ 이하일 수 있다.

또한, 상기 경질 피막은, 최내측에 형성되며 등축정 구조를 가지고 0.5~2㎛의 두께를 가지는 TiC_xN_yO_z(x+y+z=1,x≥0,y≥0,z≥0)층과, 상기 MT-TiC_xN_y(x+y=1,x＞0,y＞0)층 상부에 형성되며 1.5㎛ 이하의 두께를 가지는 Ti(Al)C_xN_yO_z(x+y+z=1,x≥0,y≥0,z>0)층과, 그 상부에 형성되는 α-Al₂O₃ 층을 포함할 수 있다.

상기 α-Al₂O₃ 층의 두께는 1~15㎛일 수 있다.

본 발명에 따른 경질 피막을 구성하는 미립 MT-TiCN층의 결정립계는 Σ3 타입이 주를 이루도록 제어되어 있고, 이와 같이 결정립계가 제어된 미립 MT-TiCN층은 결정립 미세화로 인한 기계적 특성의 향상은 물론, 그 상부에 형성되는 α-Al₂O₃층과의 결합력이 향상되어, 절삭공구의 수명을 연장시킬 수 있다.

도 1은 EBSD 분석에 의한 결정립계 타입을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 비교예에 따른 경질 피막이 형성된 인써트의 절삭 성능 평가 후의 사진이다.
도 3은 실시예에 따른 경질 피막이 형성된 인써트의 절삭 성능 평가 후의 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.

이하의 설명에서 하기의 용어들은 다음과 같이 정의된다.

'초경 합금'이란, WC 분말과 Co, Ni과 같은 결합성 금속 분말을 포함하여 소결한 소결체를 의미하며, 상기 성분 외의 다른 성분도 포함될 수 있다.

'써멧(cermet)'이란, TiCN 분말과 Co, Ni과 같은 결합성 금속 분말을 포함하여 소결한 소결체를 의미하며, 상기 성분 외의 다른 성분도 포함될 수 있다.

'MT-TiCN층'은 MTCVD(Moderate Temperature Chemical Vapor Deposition)를 이용하여 형성된 TiCN층으로 TiCN층 형성 시, TiCl₄와 탄소(C), 질소(N)의 소스로 CH₃CN을 사용하여 증착 온도를 약 750~850℃ 수준으로 낮추어 형성한 박막을 의미한다.

'Σn+1 타입(여기서, n=2,4,6,8,10,14,22임) 결정립계'란, EBSD 분석을 통해, 결정립 계면에서 Ti, C, N으로 이루어진 구성 원자의 각각이 상기 결정립 상호간에 하나의 구성 원자를 공유하는 격자점(구성 원자 공유 격자점)의 분포를 산출할 때, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 구성 원자 공유 격자점 사이에 구성 원자를 공유하지 않는 격자점이 n개 존재하는 구성 원자 공유 격자점 형태를 갖는 결정립계를 의미한다.

본 발명자들은 MT-TiCN층의 기계적 특성을 향상시킴과 동시에 상부에 형성되는 α-Al₂O₃층과의 접합력을 향상시키기 위해 연구한 결과, 종래의 MT-TiCN층의 미립화 기술을 적용함과 동시에 결정립계 중 Σ3 타입이 전체 결정립계에서 70% 이상이 되도록 조절할 경우, 미립 MT-TiCN층과 상부에 형성되는 α-Al₂O₃층과의 접합력이 향상되어, 절삭공구의 수명을 보다 더 연장할 수 있음을 밝혀내고 본 발명에 이르게 되었다.

본 발명에 따른 경질 피막은, 초경합금 또는 써멧(cermet)으로 이루어진 모재 상에 형성되며, 상기 경질 피막은 두께 1~20㎛의 MT-TiC_xN_y(x+y=1,x＞0,y＞0)층을 포함하는 다층 구조로 이루어지고, 상기 MT-TiC_xN_y(x+y=1,x＞0,y＞0)층은 EBSD로 측정한 Σ3 타입의 결정립계의 길이가 Σ3, Σ5, Σ7, Σ9, Σ11, Σ15 및 Σ23 타입 결정립계 길이의 합에서 70% 이상을 차지하는 것을 특징으로 한다.

상기 MT-TiC_xN_y(x+y=1,x＞0,y＞0)층의 두께가 1㎛ 미만일 경우 내마모 특성이 저하되고, 20㎛ 초과일 경우 쉽게 박막의 박리가 발생하기 때문에, 그 두께는 1~20㎛가 바람직하다.

또한, 상기 MT-TiC_xN_y(x+y=1,x＞0,y＞0)층은 주상정(columnar) 구조로 이루어지고, 평균입경은 1㎛ 이하, 보다 바람직하게는 0.8㎛ 이하인 것이 바람직하다.

상기 MT-TiC_xN_y(x+y=1,x＞0,y＞0)층과 모재 사이에는 등축정 구조를 가지며 0.5~2㎛의 두께를 가지는 TiC_xN_yO_z(x+y+z=1,x≥0,y≥0,z≥0)층이 형성될 수 있으며, 상기 TiC_xN_yO_z층의 두께가 0.5㎛ 미만일 경우 모재 계면의 탈탄에 의한 박막 밀착도가 저하되고, 2㎛ 초과일 경우 전체 박막에서 차지하는 비율이 증가하여 내마모 특성이 저하하기 때문에 0.5~2㎛가 바람직하다.

상기 MT-TiC_xN_y(x+y=1,x＞0,y＞0)층의 상부에는 알루미나층을 형성하기 위하여 1.5㎛ 이하의 두께를 가지는 Ti(Al)C_xN_yO_z (x+y+z=1,x≥0,y≥0,z>0)층이 형성될 수 있다.

상기 Ti(Al)C_xN_yO_z (x+y+z=1,x≥0,y≥0,z>0)층의 상부에는 내마모층인 α-Al₂O₃층이 형성될 수 있으며, 상기 α-Al₂O₃층의 두께는 1㎛ 미만일 경우 내마모 특성이 충분하지 않고, 15㎛ 초과일 경우 박리가 쉽게 발생하므로, 1~15㎛가 바람직하다.

이하에서는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

[실시예]

본 발명에 따른 경질 피막은, 초경 합금, 서멧(cermet) 또는 세라믹 등으로 이루어진 모재에 적용될 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 초경합금으로 제조된 인써트를 사용하였다.

본 발명의 실시예에서는 먼저, 초경합금으로 이루어진 모재 표면에 LPCVD법을 사용하여, 증착온도 900℃, 증착압력 100~200mbar의 공정조건에서, 약 60~70% H₂, 10~20% N₂, 0~5% CH₄, 5~15% TiCl₄ 조건으로 최내측에 등축정(equiaxed) 구조로 이루어지며 0.5~3㎛의 두께를 가지는 TiN층을 형성하였다.

다음으로, 상기 TiN층 상에 주상정으로 이루어진 미립 MT-TiCN을 증착시킨다. 미립 주상정 MT-TiCN층을 형성하기 위한 조건으로는, 0~10vol% N₂, 7~10vol% TiCl₄, 1~3vol% CH₃CN, 1~3vol% HCl, 1~3vol% BCl₃, 나머지 H₂ 로 이루어진 반응가스를 70mbar의 압력으로 830~900℃ 온도 조건에서 증착하여 두께 약 7㎛의 MT-TiCN층을 형성하였다.

상기 MT-TiCN층 상에는 알루미나층을 형성하기 위한 결합층을 형성하는데, 상기 결합층은 75% H₂, 19% N₂, 3.0% CH₄, 2.0% CO, 1.5% TiCl₄ 로 이루어진 반응가스를 사용하여 약 1000℃에서 증착압력은 100~150mbar의 조건으로 형성하며, 그 결과 두께 약 0.5㎛의 TiCNO층이 형성되었다.

상기 TiCNO층 상에는 알파-알루미나층을 형성하는데, 이때 증착온도는 1000~1010℃, 증착압력 50~75mbar의 공정조건에서, 약 78% H₂, 3.5% CO₂, 0.3% H₂S, 3~5% HCl, 2.5% AlCl₃ 로 이루어진 반응가스를 유입하여 주상정 조직과 알파상을 가지는 알루미나층을 4㎛ 두께로 형성하였다.

그리고 그 상부에 인써트 마모정도를 육안으로 쉽게 확인하기 위해, 증착온도 900~1000℃, 증착압력 100~600mbar의 공정조건에서, 약 60~70% H₂, 20~35% N₂, 0~5% CH₄, 6~10% TiCl₄ 조건으로 1㎛ 이하의 TiN층을 형성하였다.

[비교예]

비교예에 따른 경질 피막은 MT-TiCN의 조성 및 공정 조건을 제외하고는, 실시예와 동일한 방법으로 제조되었다. MT-TiCN의 형성은 일반적인 MT-TiCN층을 형성하는 방법을 사용하였다. 구체적으로, 10~40vol% N₂, 5~7vol% TiCl₄, 1~3vol% CH₃CN, 나머지 H₂로 이루어진 반응가스를 100mbar의 압력으로 이때 증착 온도는 850~900℃로 하여 두께 약 7㎛의 MT-TiCN층을 형성하였다.

MT-TiCN층의 미세조직

본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 경질피막은 MT-TiCN층을 제외하고는 동일하게 형성되었으므로, EBSD 분석을 통해 MT-TiCN층을 구성하는 결정립계의 종류를 분석하였으며, 그 결과는 하기 표 1과 같았다.

시편	Σ3, Σ5, Σ7, Σ9, Σ11, Σ15 및 Σ23 타입 결정립계 길이의 합에서 Σ3 타입의 결정립계의 길이가 차지하는 비율 (%)
실시예	72
비교예	38

상기 표 1에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 경질 피막의 MT-TiCN층의 경우, Σ3 타입의 결정립계의 길이가 전체 길이의 합에서 차지하는 비율이 70%를 상회하는데 비해, 비교예에 따른 경질 피막의 MT-TiCN층은 Σ3 타입의 결정립계의 길이가 전체 길이의 합에서 차지하는 비율이 50% 미만으로 나타났다.

경질피막의 절삭성능 평가

이상과 같은 MT-TiCN층의 결정립계의 종류가 경질 피막의 절삭성능에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 아래와 같은 절삭시험을 수행하였다.

- 피삭재: SCM440 (합금강)

- 절삭속도: 280m/min

- 이송(공급): 0.25 mm/rev

- 절삭깊이: 2.0 mm

- 절삭 인서트 형상: CNMG120408-VM

- 평가방법: 상기 조건에서 6분간 절삭을 실시 한 후 인선부의 박리 여부를 평가

도 2 및 도 3은 각각 비교예에 따른 경질 피막과 실시예에 따른 경질 피막을 형성하여 절삭시험을 수행한 결과를 나타낸 사진이다.

도 2에 보이는 바와 같이, 기존의 MT-TiCN층을 구비한 경질 피막의 경우, 6분 가공 후 인선 상면의 박막 일부가 박리되는 현상을 나타내었다. 이에 비해, 도 3에 보이는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 MT-TiCN층을 구비한 경질 피막의 경우, 6분 가공을 한 후에도 인선 상면에 박막이 박리되는 현상이 전혀 관찰되지 않았다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 MT-TiCN층은 상부에 형성되는 α-Al₂O₃ 층과의 결합력을 향상시킬 수 있으며, 이와 같이 향상된 결합력에 의해, 본 발명에 따른 경질 피막은 종래의 피막에 비해 절삭공구의 수명을 연장할 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 초경합금 또는 써멧(cermet)으로 이루어진 모재 상에 형성되는 경질 피막으로,
   상기 경질 피막은 두께 1~20㎛의 MT-TiC_xN_y(x+y=1,x＞0,y＞0)층을 포함하는 다층 구조로 이루어지고,
   상기 MT-TiC_xN_y(x+y=1,x＞0,y＞0)층은 EBSD로 측정한 Σ3 타입의 결정립계의 길이가 Σ3, Σ5, Σ7, Σ9, Σ11, Σ15 및 Σ23 타입 결정립계 길이의 합에서 70% 이상을 차지하는 절삭공구용 경질 피막.
2. 제1항에 있어서,
   상기 경질 피막은, 상기 MT-TiC_xN_y(x+y=1,x＞0,y＞0)층의 하부에 형성되며 등축정 구조를 가지고 0.5~2㎛의 두께를 가지는 TiC_xN_yO_z(x+y+z=1,x≥0,y≥0,z≥0)층과,
   상기 MT-TiC_xN_y(x+y=1,x＞0,y＞0)층의 상부에 형성되며 1.5㎛ 이하의 두께를 가지는 Ti(Al)C_xN_yO_z(x+y+z=1,x≥0,y≥0,z>0)층과,
   상기 Ti(Al)C_xN_yO_z(x+y+z=1,x≥0,y≥0,z>0)층의 상부에 형성되는 α-Al₂O₃층을 구비하는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 피막.
3. 제2항에 있어서,
   상기 α-Al₂O₃층은 주상정 구조를 가지고 그 두께는 1~15㎛인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 피막.
4. 제1항에 있어서,
   상기 MT-TiC_xN_y(x+y=1,x＞0,y＞0)층의 결정립경은 1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 피막.
   

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