KR20180035740A

KR20180035740A - TiAlN 코팅을 갖는 공구

Info

Publication number: KR20180035740A
Application number: KR1020177037764A
Authority: KR
Inventors: 디르크 슈틴스; 토르슈텐 만스
Original assignee: 발터 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2015-07-27
Filing date: 2016-07-06
Publication date: 2018-04-06
Also published as: WO2017016826A1; JP2018522748A; CN107771225A; US10662524B2; CN107771225B; KR20240005993A; JP7160677B2; US20180216224A1; EP3329031A1

Abstract

본 발명은 초경 합금, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도강의 베이스 보디 및 CVD 프로세스에서 상기 베이스 보디 상에 증착된 단층 또는 다층 마모 방지 코팅을 가지는 공구에 관한 것으로, 상기 공구는 2 ㎛ ~ 25 ㎛ 의 두께를 가지고, 상기 마모 방지 코팅은, 1 ㎛ ~ 16 ㎛ 의 두께를 가지고 또한 > 85 vol-% 의 면심 입방 (fcc) 결정 구조를 가지는 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층을 적어도 포함하고, 0.40 ≤ x ≤ 0.95, 0 ≤ y ≤ 0.10 및 0.85 ≤ z ≤ 1.15 이고, 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정 내부보다 Al 함량이 높은 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정의 결정립계에서 Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 의 석출물을 포함하고, 0.95 ≤ o ≤ 1.00, 0 ≤ p ≤ 0.10, 0.85 ≤ q ≤ 1.15 및 (0-x) ≥ 0.05 이다.

Description

TiAlN 코팅을 갖는 공구{TOOL WITH TiAlN COATING}

본 발명은 초경 합금, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도강의 베이스 보디 및 CVD 프로세스에서 상기 베이스 보디 상에 증착된 단층 또는 다층 마모 방지 코팅을 가지는 공구로서, 상기 공구는 2 ㎛ ~ 25 ㎛ 의 범위 내의 두께를 가지고, 상기 마모 방지 코팅은, 1 ㎛ ~ 16 ㎛ 의 범위 내의 두께를 가지고 또한 > 85 vol-% 의 면심 입방 (fcc) 결정 구조를 가지는 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층을 적어도 포함하고, 이때 0.40 ≤ x ≤ 0.95, 0 ≤ y ≤ 0.10 및 0.85 ≤ z ≤ 1.15 이다. 본 발명은 추가로 본 발명의 공구의 제조 프로세스에 관한 것이다.

칩 형성 금속 기계가공용 공구들은, 대부분의 경우에, 절삭성 및/또는 마모성을 향상시키기 위해 단층 또는 다층 경질 금속 코팅이 제공되는 초경 합금, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도강의 기재 보디 (substrate body) 로 구성된다. 경질 재료 코팅은 단일 금속 또는 혼합 금속의 경질 재료 상들 (phases) 의 층들로 구성된다. 단일 금속의 경질 재료 상들의 예는 TiN, TiC, TiCN, AlN 및 Al₂O₃ 이다. 하나의 결정 내에서 금속이 부분적으로 다른 것으로 대체되는 혼합 금속 상들의 예는 TiAlN 및 TiAlCN 이다. 전술한 유형의 코팅은 CVD 프로세스 (화학 기상 증착), PCVD 프로세스 (플라즈마 강화 CVD 프로세스) 또는 PVD 프로세스 (물리 기상 증착) 에 의해 증착된다.

거의 모든 재료에는, 제조 프로세스로 인한 그리고/또는 기계, 열 및/또는 화학 처리로 인한 잔류 응력이 있다. CVD 프로세스에 의해 기재 보디를 코팅함으로써 공구들을 제조하는 동안, 예를 들어 코팅과 기재 사이 그리고 코팅의 개별 층들 사이의 잔류 응력은 각각 재료의 상이한 열 팽창 계수에 기인한다. 잔류 응력은 인장 응력 또는 압축 응력일 수 있다. PVD 프로세스에 의해 증착된 코팅에는, 일반적으로, 다른 이유들 중에서도, 이러한 프로세스에서의 이온 충격으로 인해 잔류 압축 응력이 존재한다. 이와 대조적으로, CVD 프로세스는 일반적으로 코팅 내에 잔류 인장 응력을 생성한다.

잔류 응력 유형은 3 개의 유형으로 구분된다: 재료의 거시적 영역을 가로질러 거의 균일하게 분포되는 매크로 응력, 미시적 영역 내에서, 예를 들어 그레인 내에서 균일한 미크로 응력, 및 미시적 레벨에서도 불균일한 불균일 미크로 응력. 실용적인 관점으로부터 그리고 절삭 공구의 기계적 특성에 대해, 매크로 응력은 특히 중요하다.

경질 재료 코팅에서 잔류 응력은 공구의 내마모성에 유리한 또는 불리한 효과를 갖고서 코팅의 특성들에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 각각의 재료의 인장 한계를 초과하는 잔류 인장 응력은 잔류 인장 응력의 방향에 수직한 코팅 내의 파단 및 균열을 유발할 수 있다. 일반적으로, 코팅에서 특정 양의 잔류 압축 응력은 표면 균열을 방지 및 클로즈하고 또한 코팅 및 이에 따른 공구의 피로 특성을 향상시키므로 바람직하다. 하지만, 너무 높은 잔류 압축 응력은 접착 문제 및 코팅의 칩핑 (chipping) 으로 이어질 수 있다.

공구의 경질 재료 코팅에서, 특히 CVD 프로세스에서 증착된 경질 재료 코팅에서 잔류 압축 응력을 증가시키기 위하여, 공구에 기계적 표면 처리를 실시하는 것이 공지되어 있다. 공지된 기계적 처리 방법들은 브러싱 및 건식 블라스팅 또는 습식 블라스팅에 의한 처리이다. 블라스팅 처리에서, 세립 블라스팅 매체는 증가된 압력 하에서 압축 공기를 이용하여 코팅의 표면을 향하게 된다. 이러한 표면 처리는 최외측 층뿐만 아니라 그 아래에 배열된 경질 재료 코팅층들에서의 잔류 압축 응력을 증가시키고 또한 잔류 인장 응력을 감소시킬 수 있다.

칩 형성 금속 기계가공용 공구의 단층 또는 다층 마모 보호 코팅은, 대부분 면심 입방 결정 구조 (fcc-TiAlN, fcc-TiAlCN) 를 가지는 하나 이상의 다결정 TiAlN 및/또는 TiAlCN 층들을 종종 포함한다. 특히 fcc-TiAlN 층들은 다중 칩 형성 적용용 공구의 마모 보호에 가치가 있음이 입증되었다. 경질 재료 상들의 fcc-TiN, fcc-TiCN 또는 육방 구조를 가지는 AlN (w-AlN) 의 단일금속 경계 시스템에 비해, fcc-TiAlN 및 fcc-TiAlCN 층들은 증가된 경도 및 내산화성의 유리한 조합에 의해 특징지어진다. fcc-TiAlN 및 fcc-TiAlCN 층들은 열역학적으로 준안정하다. PVD 프로세스에 의해 증착된 fcc-TiAlN 은 먼저 spinodal 분해에 의해 증가된 온도에서 각각 fcc-AlN 및 fcc-TiN 의 Al 풍부 및 Ti 풍부 도메인으로 분해되는 것이 공지되어 있다. 이는 경도의 증가와 함께 진행되고, 또한 "시효 경화 효과" 로 공지되어 있다. 온도가 추가로 증가되면, 층은 열역학적으로 안정한 상들인 w-AlN (우르차이트 구조를 가지는 AlN) 및 fcc-TiN 으로 분해된다. 예를 들어, P.H. Mayrhofer et al., Applied Physics Letters, 83/10 (2003), pages 2049-2051 는 벌크 코팅 재료로부터 시작하여 860 ℃ 에서 PVD 프로세스에서 증착되는 Ti₀ _.5Al₀ _.5N 층의 spinodal 분해에 대해 보고한다. 코팅의 경도는 약 850 ℃ 에서 시작하여 감소되고 약 950 ℃ 이상에서 어닐링되지 않은 상태보다 낮아진다. Adibi et al., J. Appl. Phys., 69/9 (1991), pages 6437-6450 는 Ti_0.5Al_0.5N 코팅의 PVD 증착에 대해 보고하고, 여기에서 540 ~ 560 ℃ 의 범위의 온도에서 표면 개시된 spinodal 분해가 관찰되고 온도의 추가의 증가 시에 fcc-TiN 및 w-AlN 으로의 상 분리가 관찰된다. fcc-TiAlN 및 fcc-TiN 상들 보다 더 부드러운, 상당한 비율의 w-AlN 상은 코팅의 불리한 기계적 그리고 마찰적 특성으로 이어진다. 상 전환은 적층 결함에 의해 촉진된다.

본 발명의 목적은, 종래 기술과 비교하여, 건식 기계가공시에 뿐만 아니라 냉각수의 사용시에 향상된 콤 (comb) 균열저항성 및 향상된 내마모성을 나타내는, 칩 형성 금속 기계가공용의, 특히 강 또는 캐스트 재료의 터닝 및 밀링용의 코팅된 공구를 제공하는 것이다.

이러한 목적은 초경 합금, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도강의 베이스 보디 및 CVD 프로세스에서 상기 베이스 보디 상에 증착되고 또한 2 ㎛ ~ 25 ㎛ 의 범위 내의 두께를 갖는 단층 또는 다층 마모 방지 코팅을 포함하는 공구에 의해 해결되고, 상기 마모 방지 코팅은, 1 ㎛ ~ 16 ㎛ 의 범위 내의 두께를 가지고 또한 > 85 vol-% 의 면심 입방 (fcc) 결정 구조를 가지는 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층을 적어도 포함하고, 이때 0.40 ≤ x ≤ 0.95, 0 ≤ y ≤ 0.10 및 0.85 ≤ z ≤ 1.15 이고, 상기 공구는 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정의 결정립계에서 상기 미세결정 내부보다 Al 함량이 높은 Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 석출물을 포함하고, 0.95 ≤ o ≤ 1.00, 0 ≤ p ≤ 0.10, 0.85 ≤ q ≤ 1.15 및 (0-x) ≥ 0.05 인 것을 특징으로 한다.

CVD 프로세스에서 기재 보디 상에 증착되는 본 발명의 화학양론의 Ti₁ _-xAl_xC_yN_z 층은, CVD 프로세스에서 생성된 대부분의 경질 재료 층의 경우에서와 같이, 증착 이후에 잔류 인장 응력을 일반적으로 나타낸다. 그러므로, 마모 방지 코팅에서 이러한 층을 가지는 칩 형성 금속 기계가공용 공구는 균열 형성을 통해, 특히 콤 균열 형성을 통해 마모된다. 후술되는 바와 같이 제조되는 본 발명의 공구에서, 결정립계에서의 석출물로 인해, Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층에는 내마모성 및 균열저항성, 특히 콤 균열저항성의 향상으로 이어지는 잔류 응력 조건, 유리하게는 잔류 압축 응력이 생성된다. 이는 결정립계에서의 본 발명의 석출물과 함께 또는 본 발명의 석출물 없이 동일한 층 순서를 가지고 또한 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 마모 방지 층을 포함하는 코팅된 공구를 비교하는 실험에 의해 입증될 수 있다. 비교 공구와 비교하여, 밀링 테스트시에, 본 발명의 공구는 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 마모 방지 층의 더 긴 사용 기간, 더 적은 콤 균열 형성 및 높은 열안정성을 나타냈다.

Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정 내부보다 Al 함량이 높은 본 발명의 Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 석출물은, 후속하여 더 상세하게 설명될 본 발명의 프로세스에 따라 공구의 제조 동안 생성된다. 이론에 구속되지 않으면서, 본 발명자들은 Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 석출물이 육방정 우르차이트 구조 (w-AlN) 를 가지는 AlN 으로 본질적으로 구성되고, 상기 석출물은 낮은 비율의 Ti 및 C 을 함유할 수 있다는 것을 가정한다. 면심 입방 결정 구조를 가지는 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정으로부터 석출물의 생성 동안, 육방정 상으로의 상 전환이 일어난다는 것이 가정된다. 육방정 w-AlN 상은 석출물 내에서 확인된다. 더욱이, 분석 결과는, w-AlN 결정립계 석출물과 각각의 인접한 fcc-Ti₁ _-xAl_xC_yN_z 미세결정 사이에 에피택셜 관계 (epitaxial relationship) 가 있다는 것을 제시한다. 육방정 w-AlN 상은 면심 입방 상보다 큰 체적을 가지므로, 전환은 체적의 팽창과 함께 명백히 진행된다. 그러므로, Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정의 결정립계에서 이러한 체적의 팽창은 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층에서의 잔류 압축 응력의 증가로 이어지고, 결국 내마모성 및 균열저항성, 본질적으로는 콤 균열저항성의 향상을 초래한다는 것이 추가로 가정된다.

Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 석출물의 평균 두께는, Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정의 표면으로부터 시작하여 대략 4 ㎚ ~ 200 ㎚, 바람직하게는 10 ㎚ ~ 100 ㎚, 특히 바람직하게는 25 ㎚ ~ 75 ㎚ 의 범위 내에 있다. Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 석출물의 평균 두께가 너무 작으면, Ti_1-xAl_xC_yN_z 층에서의 잔류 압축 응력의 증가는 향상된 내마모성 및 균열저항성의 본원에서 개시한 본 발명의 이점들을 달성하기에는 너무 낮을 수 있다. Ti₁ _-oAl_oC_pN_q 석출물의 평균 두께가 너무 크면, 석출물의 총량이 많아진다. 석출물이 면심 입방 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 보다 부드러운 높은 비율의 육방정 w-AlN 을 함유하므로, 너무 높은 비율의 석출물은 층의 경도의 원치않는 감소 및 손상된 절삭 특성으로 이어진다.

예를 들어, 본 발명의 석출물은, 바람직하게는 집속 이온 빔 (FIB) 에 의해 제조된 라멜라를 통해, 코팅의 충분히 얇은 전자-투과적 폴리싱 단면에 대한 주사 투과성 전자 현미경 (STEM) 에서 볼 수 있고, 그의 두께는 STEM 이미지를 이용하여 결정될 수 있다. 바람직하게는 HAADF 검출기 (고각 환형 암시야 검출기; High Angle Annular Dark Field detectors) 가 사용되고, 석출물은 HAADF 이미지 및 BF 이미지 (명시야) 의 역 대비 (inverse contrast) 에서 볼 수 있다. 그로 인해, BF 이미지에서 미세결정 내부보다 Al 함량이 더 높은 Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 석출물은 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정보다 더 밝게 나타나고, HAADF 이미지에서 Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 석출물은 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정보다 더 어둡게 나타난다.

고해상도 투과성 전자 현미경 (HRTEM) 에 의해, 전자 빔에 대한 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정의 적절한 샘플 두께 및 배향에서, Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정뿐만 아니라 결정립계에서 Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 행사 구역들로부터의 회절 이미지가 Fourier-변환에 의해 유도될 수 있는 이미지를 얻을 수 있다. 회절 이미지의 인덱싱에 의해, 면심 입방 (fcc) 상이 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정 내에 존재하고, Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 결정립계 석출물의 미세결정 도메인이 w-AlN 구조를 가지며, 또한 fcc Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정과 w-AlN 석출물 사이의 에피택셜 관계가 존재한다는 것을 볼 수 있다.

대안으로, 석출물은 내장 금속 폴리싱 단면에서 또는 표면에 평행하게 폴리싱된 샘플에서 주사 전자 현미경 (SEM) 으로 볼 수 있다. 그로 인해, 후속하여 설명되는 준비 프로세스의 최종 폴리싱 단계에서 w-AlN 이 입방정 상의 구역보다 더 강하게 에칭되는 효과를 이용한다. 본 발명의 석출물이 고비율의 육방정 w-AlN 을 함유하므로, 석출물은 준비된 폴리싱 단면에서 명확하게 볼 수 있다.

전술한 분석을 위한 폴리싱 단면을 준비하기 위해, 제조된 공구가 분리되고, 내장된 후, 이하의 방식으로 처리된다: grinding wheel Struers Piano 220 을 이용한 6 분의 그라인딩; Struers 9 ㎛ MD-Largo diamond suspension 을 이용한 3 분의 폴리싱; Struers 3 ㎛ MD-Dac diamond suspension 을 이용한 3 분 40 초의 폴리싱; Struers 1 ㎛ MD-Nap diamond suspension 을 이용한 2 분의 폴리싱; Struers OP-S (0.04 ㎛ 의 평균 입자 크기를 가지는 콜로이드성 이산화규소의 현탁액) 을 이용한 적어도 12 분의 화학 폴리싱.

후속 SEM 실험 이전에, 샘플은 초음파 욕에서 세척되고 또한 자기 소거 (demagnetized) 된다. 이렇게 생성된 폴리싱 단면에서, 본 발명의 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은 2.5 ㎸ 의 가속 전압 및 3 ~ 10 ㎜ 의 전형적인 작업 거리에서 2 차 전자 검출기를 이용하여 FE-SEM 에서 이미지화된다. 그로 인해, 본 발명의 샘플의 폴리싱 단면에는 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 주상 구조가 관찰되고, 이는 어닐링되지 않은 상태에서, 약 100 % 의 면심 입방 (fcc) 구조를 가진다. 전술한 준비에서의 화학 폴리싱의 최종 단계에서 미세결정보다 더 강하게 에칭된 결정립계에서의 본 발명의 석출물은 지형 및 원자 번호 대조로 인해 더 어두운 영역들로 식별될 수 있다. 상보적인 XRD 및 EBSD 결과뿐만 아니라, 어닐링되지 않은 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층 및 순수한 w-AlN 층의 폴리싱 단면에 대한 비교 실험으로부터, 미세결정이 본질적으로 100 % 의 면심 입방 상을 함유하는데 반해, 어닐링을 통해 형성된 w-AlN 상의 비율은 Ti₁ _-oAl_oC_pN_q 결정립계 석출물 내에 함유되어, Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 결정립계 석출물이 대부분 w-AlN 으로 구성된다고 결론지을 수 있다. Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 결정립계 석출물의 넓은 범위의 결정 및 본 발명의 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층에서 fcc 상의 최소 함량의 결정은 일반적으로 이미지를 측정하거나 확립된 이미지 분석 절차를 적용함으로써 이렇게 생성된 이미지에 대해 가능하다.

본 발명의 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층에서 fcc 상의 최소 함량을 결정하기 위해, EBSD 측정이 준비된 폴리싱 단면에 대해 수행되었다. 실시예들에서 생성된 층들을 실험하기 위해, EBSD 검출기 (ED AX Digiview) 를 갖는 FE-SEM (Zeiss Supra 40 VP) 가 사용되었다. EBSD 회절 패턴을 기록하기 위해, 전자 빔은 15 ㎸ 의 가속 전압, 70 °의 경사 및 60 ㎛ 또는 120 ㎛ 의 애퍼처의 적용에서 충분히 작은 증분 (일반적으로 0.03 ~ 0.04 ㎛; SEM 이미지로부터 평가된 평균 미세결정 폭보다 적어도 5 배 더 작음) 을 적용하여 "고전류" 모드에서 기록되었다.

Ametek EDAX 의 OIM Analysis 7 software 를 이용하는 EBSD 맵의 데이터 분석이 다음과 같이 수행되었다: 제 1 단계에서, EBSD 맵은 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 데이터 포인트만이 데이터 세트에 남게 되고, 준비 프로세스로 인해 폴리시가 평면이 아닌 상부 및 하부 경계에서의 영역들이 또한 크로핑되도록 "크롭" 기능을 이용하여 크로핑된다. 설명된 준비 프로세스를 적용할 때에, 나머지 맵들은 여전히 Ti₁ _-xAl_xC_yN_z 층의 두께의 적어도 50 %, 일반적으로 > 75 % 를 나타낸다. 제 2 단계에서, CI 표준화 ("그레인 CI 표준화") 가 5 °의 허용 오차 각도 ("그레인 허용 오차 각도") 및 5 데이터 포인트의 최소 그레인 크기를 적용하여 수행된다. 제 3 단계에서, 이렇게 생성된 데이터 세트의 분할이 CI > 0.1 의 필터를 적용하여 수행되었고, 즉 CI 표준화 이후에 더 낮은 신뢰도 인덱스를 가지는 모든 데이터 포인트가 무시된다.

본질적으로 100 % 의 면심 입방 (fcc) 으로 구성되는, 즉 w-AlN 의 신호가 X-선 회절에서 볼 수 없고 또한 폴리싱 단면에 대한 SEM 에서 준비로 인한 에칭 효과가 결정립계에서 볼 수 없는, 어닐링되지 않은 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 비교 샘플에서, 이러한 유형의 EBSD 측정 및 분석에 의해 통상적으로 크로핑된 맵의 데이터 포인트의 > 95 % 는 fcc 상으로서 인덱싱되고, 1 % 보다 현저하게 작은 데이터 포인트는 w-AlN 으로서 인덱싱되며, Cl < 0.1 인 나머지는 무시된다. 설명된 상보적인 분석 절차를 통해, 샘플이 대략 100 % 의 fcc 상으로 구성된다는 것이 결정되었으므로, "w-AlN" 데이터 포인트의 매우 낮은 비율은 소프트웨어에 의한 미스-인덱싱의 결과여야 한다고 결론지을 수 있다. Cl < 0.1 인 무시된 데이터에 대해, 이러한 측정 포인트에서 fcc 상이 실제로 존재한다고 가정할 수 있다. 이러한 데이터 포인트는 몇 ㎚ 미만의 결정립계로부터의 측정 포인트의 측방향 거리에서 인접한 그레인의 회절 이미지의 중첩이 발생할 수 있는 결정립계에서 주로 놓여 있다. 게다가, 배향에 의존적인 에칭을 통해, 인접한 그레인들 사이에는 가장 높은 차이가 발생할 수 있다. 결정립계에 근접하게 비교적 나쁜 품질의 회절 이미지가 나타나고 또한 배향 및 상의 인덱싱이 소프트웨어에 의해 안전하게 행해질 수 없는 효과들이 있다. 따라서, 설명된 EBSD 측정 방법은 결정립계에 근접한 범위 (약 ≤ 50 ㎚ 의 거리) 에 있는 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 이러한 비율들의 배향 및 상에 대한 정보를 제공하지 않으며, 준비에 의해 생성된 형태 및 너무 낮은 그레인 크기로 인해 본 발명의 Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 결정립계 석출물의 배향 및 상은 검출되지 않는다. 하지만, 방법은 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 미세결정 내에 존재한 면심 입방 (fcc) 상을 신뢰가능하게 검출하고, 따라서 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층에서 fcc 상의 최소 함량의 값을 제공한다. 그로 인해, 약 100 % 의 fcc 상의 실제 함량을 가지는 어닐링되지 않은 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층에 대해, > 95 % 의 fcc 상의 영역 비율의 전형적인 값이 얻어진다. EBSD 에 의해 결정된 fcc 상의 최소 비율인 Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 결정립계 석출물을 가지는 어닐링된 샘플은 몇 퍼센트 더 낮아지고, 어닐링되지 않은 비교 샘플에서 fcc 상의 측정된 최소 비율과 비교되는 차이로부터, 형성된 결정립계 석출물의 체적 비율을 추정할 수 있다. 표 4 에 제시된 바와 같이, 실시예들의 제조된 코팅들의 측정 결과는 본 발명의 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층들에서 Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 결정립계 석출물이 10 % 미만의 체적 비율을 차지한다는 것을 보여준다.

본 발명의 석출물의 두께 또는 체적 비율 각각은, 후속하여 더 상세하게 설명되는 바와 같이 본 발명의 공구의 준비 프로세스에 따라, 특히 어닐링의 지속 기간 및 온도에 의한 본 발명의 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 준비 동안 다양해질 수 있다. 당업자는, 당업자가 본 발명을 알고 있다면, 단 몇 번의 실험만으로 원하는 석출물 두께 또는 석출물 체적 비율 각각에 대해 본 발명의 범위 내에서 지속 기간 및 온도의 적합한 파라미터들을 결정할 수 있다.

본 발명의 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은 대부분 면심 입방 (fcc) 결정 구조를 가진다. 하지만, 예를 들어 육방정 AlN 과 같은 보다 연성의 다른 상들의 비율이 층 내에 존재할 수 있지만, 이러한 상들은 경도 및 내마모성에 불리한 영향을 미치므로 fcc-Ti_1-xAl_xC_yN_z 구조와 함께 공동 증착에 의해 형성될 경우 바람직하지 않다. 그러므로, 본 발명의 공구의 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층 (결정립계에서 w-AlN 석출물의 체적 비율을 포함하는 전체 층) 이 면심 입방 (fcc) 결정 구조의 적어도 90 vol%, 바람직하게는 적어도 95 vol%, 특히 바람직하게는 적어도 98 vol% 를 포함한다면, 이는 바람직하다. Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층에서 면심 입방 (fcc) 결정 구조의 비율이 높을수록, 내마모성이 높아진다. 본 발명의 맥락에서 수행된 실험은, 층 재료의 w-AlN 석출물의 매우 낮은 비율에서 이미 경도, 잔류 응력 및 내마모성에 대한 유리한 본 발명의 특성이 얻어진다는 결론을 허용한다.

본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서, Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은 주상 미크로 구조를 가진다. CVD 프로세스에서 생성된 TiAlCN 및/또는 TiAlN 의 다결정 경질 재료 층은, 주상 미크로 구조를 제외하고는, 상당히 등축 미크로 구조를 나타낼 수 있다. 주상 미크로 구조를 가지는 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은 체적 팽창과 함께 진행되는 Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 결정립계 석출물의 형성 동안, Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정의 평면 압축 인장이 기재에 평행하게 작용되고, 따라서 등축 구조에서보다 w-AlN 의 체적 비율에 대한 잔류 응력의 더 큰 변화가 달성된다는 이점을 가진다. 게다가, 등축 구조에서, 일반적으로, 주상 구조보다 덜 현저한 성장 집합조직이 형성되어, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 바람직한 {111} 섬유 집합조직이 형성될 수 없다.

본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서, 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은 0.60 ≤ x ≤ 0.90, y = 0 및 0.85 ≤ z ≤ 1.15 의 화학량론적 계수를 가진다. 이러한 실시형태에서, 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은 제조의 불가피한 불순물 및/또는 불순물 조건을 제외하고서는 본질적으로 카바이드 카본을 포함하지 않는다. 이러한 본질적으로 순수한 니트라이드 층은 CVD 코팅 동안 더 간단한 프로세스 제어의 이점을 가진다. 더욱이, 일 코팅 배치 내의 층 조성 및 층 특성의 더 균일 제어가 용이해진다. 더욱이, TiAlCN 층에 대해, 제한된 양의 카본만이 입방정 상의 격자 내에 용해되고, 과량의 카본은 무정형 형태로 존재할 수 있어서, 공구의 사용 기간에 대해 불리한 효과를 가질 수 있는 불리한 마찰 특성 및 층의 더 낮은 경도를 초래할 수 있다는 것이 고려되어야 한다.

본 발명의 공구의 다른 바람직한 실시형태에서, 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은 2700 HV 초과, 바람직하게는 3000 HV 초과, 특히 바람직하게는 3200 HV 초과의 Vickers 경도 (HV) 를 가진다. 너무 낮은 Vickers 경도는 불리한 절삭 특성 및 너무 낮은 내마모성의 단점을 가진다. 높은 Vickers 경도는, 후속하여 더 상세하게 설명될 본 발명의 공구의 제조 프로세스의 적용에 의해 달성된다. 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 어닐링 동안, 너무 높은 온도 및/또는 너무 긴 어닐링 시간이 적용되면, 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 Vickers 경도는 2500 HV 보다 훨씬 아래로 떨어질 수 있고, 그로 인해 공구는 특정 적용에 대해 접합하지 않게 되고, 내마모성은 떨어진다. 950 ℃ 보다 높은 온도에서, 발명자들은 경도의 상당한 감소를 일반적으로 관찰하였다. 본 발명의 특성을 달성하는데 필요한 온도 및/또는 지속 기간은, 층 구조의 특성에 따라, 예를 들어 상이한 그레인 크기 및 그레인 형태에 따라 상이할 것이지만, 이들은 간단한 일련의 실험에 의해 당업자에 의해 결정될 수 있다. Vickers 경도 표시는 본 발명의 맥락에서 25 mN 의 적용된 테스트 하중에 관한 것이다.

본 발명의 공구의 다른 바람직한 실시형태에서, 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은 결정학적 {111} 평면에 대하여 결정 성장의 바람직한 배향을 가진다. 이는 집합조직 계수 (texture coefficient) TC (111) > 1.5, 바람직하게는 > 2, 특히 바람직하게는 > 3 에 의해 특징지어진다. 상기 집합조직 계수는 Harris 식

에 의해 정의되고,

- I(hkl) 는 X-선 회절에 의해 측정된 회절 반사 강도이고,

- l₀(hkl) 는 pdf 카드 00-046-1200 에 따른 표준 회절 반사 강도이고,

- n 은 계산시에 사용된 반사의 수이고, 그리고

- TC (111) 의 계산을 위해, 반사 (111), (200), (220) 및 (311) 이 사용된다.

집합조직 계수 TC (111) > 1.5, 바람직하게는 > 2, 특히 바람직하게는 > 3 를 가지는 본 발명의 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 결정 성장의 바람직한 배향은 특히 유리한 것으로 밝혀졌다. 다른 바람직한 배형의 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층과 비교하여, 상당히 긴 사용 기간이 관찰된다. 그 이유는 명확하지 않지만, 면심 입방 결정 격자에서 슬라이딩 면인 {111} 결정면의 존재와, 그로 인해 제공된 코팅 면에 평행한 변형성을 통해, 더 균질하고, 또한 다른 바람직한 배향에 비해, 더 낮은 마모가 달성된다는 것이 추정될 수 있다. 가장 높은 내마모성이 {001} 바람직한 배향과 이와 함께 진행되는 능면체 결정에서의 {001} 슬라이딩 면의 유리한 배향의 존재 시에 관찰되는 α-알루미늄 옥사이드 층으로부터 유사한 효과가 공지되어 있다 (S. Ruppi, Surface & Coatings Technology, 202 (2008), pages 4257-4269). 공지된 α-알루미늄 옥사이드 층과 유사하게, 본 발명의 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 코팅에 대해, 이러한 효과가 TC (111) < 1.5 인 매우 약한 집합조직에 대해서는 중요하지 않고, 오직 TC (111) > 2 인 더 바람직한 배향에서만 상당히 현저하고, TC (111) > 3 인 매우 현저한 집합조직에 대해서는 사용 기간의 훨씬 더 상당한 증가가 달성된다는 것이 관찰된다.

본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서, 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은 결정학적 {111} 평면에 대하여 결정 성장의 바람직한 배향을 가지고, X-선 회절 (XRD) 에 의해 그리고/또는 전자 후방 산란 (EBSD) 에 의해 측정된 결정학적 {111} 평면의 X-선 회절 피크의 최대가 상기 베이스 보디의 표면에 대한 법선에 관하여 각도 α = ± 20 도 내에서, 바람직하게는 각도 α = ± 10 도 내에서, 특히 바람직하게는 각도 α = ± 5 도 내에서, 더 특히 바람직하게는 각도 α = ± 1 도 내에서 측정되는 것을 특징으로 한다. 여기에서 관련된 것은 방위각 (β; 샘플 표면의 법선 주위의 회전 각도) 을 가로지르는 강도의 통합 이후에 fcc-Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 {111} 평면의 극점도를 통한 단면이다.

본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서, 상기 결정학적 {111} 평면의 X-선 회절 피크의 절반 폭 (FWHM) 은 < 1°2θ, 바람직하게는 < 0.6°2θ, 특히 바람직하게는 < 0.45°2θ 이다. Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 {111} 면의 X-선 회절 피크의 너무 높은 절반 폭 (FWHM) 은 면심 입방 (fcc) 상의 더 작은 그레인 크기 또는 심지어 비정질 상의 비율의 표시이다. 지금까지 수행된 테스트에서, 이는 내마모성에 불리한 것으로 설명되었다.

본 발명의 공구의 다른 실시형태에서, 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은, 두께가 150 ㎚ 이하, 바람직하게는 100 ㎚ 이하, 특히 바람직하게는 50 ㎚ 이하인 라멜라를 갖는 층상 조직을 가지고, 상기 라멜라는, Ti 및 Al 의 교대로 상이한 화학양론적 비율을 가지고 또한 동일 결정 구조 (= 결정학적 상) 및/또는 동일 결정학적 배향을 가지는 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 주기적으로 교대하는 구역들로부터 형성된다.

놀랍게도, 본 발명의 층상 조직이, 위에서 규정된 바와 같이, 절삭 작업 시에 공구의 양호한 사용 기간을 제공한다는 것을 발견하였다. 또한, 사용 기간은, 종래 기술로부터 공지되어 있고 또한 라멜라의 교대하는 결정 구조, 즉 교대하는 면심 입방 및 육방정 결정 구조를 가지는 층상 TiAlN 또는 TiAlCN 조직보다 상당히 더 높다.

본 발명의 공구의 다른 바람직한 실시형태에서, Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은 sin²ψ 방법에 의해 fcc-Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 상의

81.5 - 82 도 2-theta 에서의 {222} 반사에서 측정된, 바람직하게는 < 0 ㎫ 내지 - 5000 ㎫ 의 범위 내의, 특히 바람직하게는 - 300 ㎫ 내지 - 3500 ㎫ 의 범위 내의 잔류 압축 응력을 가진다.

Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층 내의 잔류 압축 응력에 의해, 공구의 균열 형성, 특히 콤 균열 형성에 대한 저항성, 따라서 내마모성이 향상된다. 하지만, Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층 내의 너무 높은 잔류 압축 응력은 접착 문제 및 층의 칩핑으로 이어진다.

본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서, 베이스 보디와 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층 사이에는, TiN 층, 고온 CVD 또는 중온 CVD (MT-CVD) 에 의해 증착된 TiCN 층, Al₂O₃ 층, h-AlN 층 및 이들의 조합으로부터 선택된, 두께가 0.05 ㎛ ~ 7 ㎛, 바람직하게는 0.1 ㎛ ~ 5 ㎛, 특히 바람직하게는 0.2 ㎛ ~ 3 ㎛ 인 적어도 하나의 추가의 경질 재료 층이 제공된다.

더욱이, 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층 위에는, 바람직하게는 α-Al₂O₃, κ-Al₂O₃, γ-Al₂O₃, TiN, MT-TiCN, h-AlN 및 이들의 조합으로부터 선택된 적어도 하나의 추가의 경질 재료 층이 제공된다면, 이는 바람직하다. α-Al₂O₃ 가 특히 바람직하고, 여기에서 Al₂O₃ 층은 고온 CVD (CVD) 또는 중온 CVD (MT-CVD) 에 의해 증착된다.

또한, 본 발명은, 초경 합금, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도강의 베이스 보디 및 CVD 프로세스에 의해 상기 베이스 보디 상에 증착되고 또한 2 ㎛ ~ 25 ㎛ 의 범위 내의 두께를 갖는 단층 또는 다층 마모 방지 코팅을 포함하는 본원에서 설명한 본 발명의 공구의 제조 프로세스에 관한 것으로, 상기 프로세스는

- 625 ~ 800 ℃ 의 범위 내의 프로세스 온도에서 상기 CVD 프로세스에서 1 ㎛ ~ 16 ㎛ 의 범위 내의 두께를 가지는 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층을 증착하는 단계로서, 이때 0.40 ≤ x ≤ 0.95, 0 ≤ y ≤ 0.10 및 0.85 ≤ z ≤ 1.15 인, 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층을 증착하는 단계,

- 증착된 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층을 공기의 배제 하에서 0.5 ~ 12 시간의 지속 기간 동안 700 ~ 950 ℃ 의 범위 내의 온도에서 어닐링하는 단계로서, 조건은 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정의 결정립계에서 상기 미세결정 내부보다 Al 함량이 높은 Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 석출물들이 생성되고, 이때 0.95 ≤ o ≤ 1.00, 0 ≤ p ≤ 0.10, 0.85 ≤ q ≤ 1.15 및 (o - x) ≥ 0.05 이도록 선택되는, 상기 어닐링하는 단계

를 포함한다.

특히 바람직하게는, 어닐링 동안의 지속 기간 및 온도의 조건은, 어닐링 후에, Ti_1-xAl_xC_yN_z 층이 2700 HV 초과, 바람직하게는 3000 HV 초과, 특히 바람직하게는 3200 HV 초과의 Vickers 경도 (HV) 를 가지도록 각각 선택 또는 조정된다. 각각의 경도의 이점은 위에서 설명되었다. 어닐링 동안의 지속 기간 및 온도는, 너무 많은 육방정 AlN 상이 석출되지 않고 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 경도가 원하는 값 아래로 떨어지지 않도록 선택된다. 그러므로, 고온에서는, 어닐링의 더 짧은 지속 기간이 선택되어야 하고, 그 반대도 마찬가지이다. 본 발명을 숙지하면, 당업자는 간단한 실험에 의해 최적의 파라미터를 결정할 수 있다. 동봉된 도 4 는 상이한 어닐링 온도 및 상이한 지속 기간, 본원에서는 3 h 또는 5 h 각각에서 경도의 발달의 예를 도시한다.

본 발명의 프로세스의 다른 바람직한 실시형태에서, 어닐링 동안의 지속 기간 및 온도의 조건은, 어닐링 후에, Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층에서의 Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 석출물의 생성 이후에, Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층에서의 면심 입방 (fcc) 결정 구조의 나머지 함량이 > 85 vol% 이도록 선택된다.

이미 논의된 바와 같이, 기재 보디 상에 CVD 프로세스에서 증착되고 본 발명에 따른 화학량론을 가지는 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은 증착 이후에 일반적으로 칩 형성 금속 기계가공시에 균열 형성, 특히 콤 균열 형성에 의한 마모의 공지된 단점을 나타내는 잔류 인장 응력을 가진다.

본 발명의 프로세스에서, Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 그러한 공지된 증착 이후에, 본 발명의 석출물이 생성되는 어닐링 처리가 후속된다. 그럼으로써, 어닐링은 각각 공기 또는 산소의 배제 하에서 0.5 ~ 12 시간의 지속 기간 동안 700 ~ 950 ℃ 의 온도에서 수행된다는 것이 필수적이다.

어닐링은 경질 재료 층의 증착과는 다른 반응기에서 그리고/또는 별개의 프로세스에서 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 그리고 선택적인 추가 코팅층의 증착 이후에 수행될 수 있다. 그러나, 어닐링은 또한 동일 반응기에서 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 증착 직후에 수행될 수 있다. 이는, 예를 들어, CVD 에 의해 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층 위에 하나 이상의 추가의 경질 재료 층의 후속 증착의 일부일 수 있다. 그로 인해, 후속 증착 프로세스 또는 프로세스들은 본 발명의 프로세스에 대해 본원에서 규정된 상한 이하의 온도에서 그리고 지속 기간 동안 수행되었다는 것이 고려되어야 한다. 그러므로, 950 ℃ 초과의 온도를 이용하는 열 CVD 프로세스는 적합하지 않고, 반면에, 예를 들어, MT-CVD 프로세스는 일반적으로 대략 700 ~ 900 ℃ 에서 수행되고, 따라서 본 발명의 프로세스의 온도 범위 내에 있다. 놀랍게도, 본 발명의 유형의 공구들은, 본 발명에 필수적인 프로세스 파라미터 외부에서, 특히 너무 높은 온도에서 어닐링되는 공구들 및 어닐링되지 않은 공구들보다, 상당히 더 높은 내마모성, 특히 플랭크 마모에 대한 저항성뿐만 아니라, 상당히 더 높은 균열 형성, 구체적으로는 콤 균열 형성에 대한 저항성을 나타낸다는 것이 밝혀졌다. 그러므로, 본 발명에 따라, 어닐링 동안 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층 내의 면심 입방 (fcc) 결정 구조의 나머지 함량이 적어도 85 vol% 이도록 본원에서 설명된 프로세스 파라미터가 관찰 및 조절된다면, 이는 특히 유리하다.

본 발명의 프로세스의 다른 바람직한 실시형태에서, 증착된 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 어닐링은 750 ~ 900 ℃, 바람직하게는 800 ~ 850 ℃ 의 범위 내의 온도에서 그리고/또는 1 ~ 6 시간의 지속 기간 동안 수행되었다.

Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층이 산화될 수도 있으므로, 필수 프로세스 조건은 또한 공기의 배제이다. 예를 들어, 프로세스는 아르곤, 수소 또는 질소와 같은 보호 가스 분위기 또는 진공 하에서 수행될 수 있다.

결정립계에서 본 발명의 프로세스에서 형성된 석출물은 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층 내에 잔류 응력 조건, 유리하게는 잔류 압축 응력을 발생시켜, 내마모성 및 균열 형성에 대한 저항성, 특히 콤 균열 형성에 대한 저항성의 향상을 초래한다.

당업자가 본 발명에서와 같이 본원에서 제시된 범위 내에서 프로세스 파라미터의 변화에 의해 본 발명의 프로세스에 따라 제조된 공구의 특성을 최적화할 것이 자명하다. 어닐링 동안의 고온은 더 낮은 온도보다 더 짧은 어닐링 지속 기간을 필요로 할 수 있다. 하지만, 본 발명의 범위 내에서의 최적의 파라미터는 이하에서 설명되는 실시예들을 고려하여 오로지 약간의 실험에 의해 당업자에 의해 결정될 수 있다. 특히, 당업자는 어닐링 동안 형성된 석출물의 양 및 두께를 관찰할 것이고, 또한 금속 기계가공에서의 각각의 작업이 공구 특성에 대해 상이한 요구를 가지므로, 당업자는 그에 맞게 공구를 요구에 맞게 조정할 것이다.

바람직하게는, Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 증착을 위한 본 발명의 CVD 프로세스는 CVD 반응기에서 0.05 ~ 8 ㎪ 의 범위 내의, 바람직하게는 0.1 ~ 7 ㎪ 의 범위 내의, 특히 바람직하게는 0.3 ~ 2 ㎪ 의 범위 내의 프로세스 압력에서 수행되는 LP-CVD 프로세스 (저압 CVD 프로세스) 이다. 더 높은 프로세스 압력에서, 일반적으로, 면심 입방정 및 주상 구조를 가지는 Ti₁ _-xAl_xC_yN_z 층이 달성되지 않지만, 오히려 상당한 비율의 w-AlN 을 갖는 층이 달성된다. 더 낮은 프로세스 압력은 진공의 발생을 위해 상당히 더 높은 기술적 노력을 필요로 하고, 또한 더 낮은 압력에서의 코팅 프로세스는 복잡한 형상의 부분들에 걸쳐 균일한 코팅 두께의 분포를 위해 더 낮은 스로잉 파워 (throwing power) 를 가진다.

정의 및 방법

주사 전자 현미경 ( SEM ):

주사 전자 현미경 이미지를 위해, Carl Zeiss 사의 전계 방출 캐소드를 갖는 Supra 40 VP 전자 현미경이 사용되었다. 본 발명의 결정립계 석출물을 발견 및 특성화하기 위한 이미징 조건은 위에서 설명되어 있다.

전자 후방산란 회절 ( EBSD ):

EBSD 분석은 Carl Zeiss 사의 Supra 40 VP FE-SEM 에서 Ametek EDAX 사의 Digiview IV 검출기를 이용하여 실시되었다. EBSD 에 대한 평가 프로세스 및 기록 조건은 위에서 더 상세하게 설명되어 있다.

투과 전자 현미경 ( TEM ):

300 ㎸ 의 가속 전압에서 전계 방출 캐소드를 갖는 투과 전자 현미경 FEI Titan 80-300 이 사용되었다. 주사 투과성 전자 현미경 이미지는 명시야 (BF) 및 고각 환형 암시야 (HAADF) 검출기를 이용하여 촬영되었다. 투과 전자 현미경용 샘플을 준비하기 위해, Pt 의 이온 및 전자 보조 증착을 위한 시스템뿐만 아니라, 전자 소스로서 전계 방출 캐소드 또는 액체-갈륨 이온 소스가 장착된, 결합된 FIB/SEM 시스템이 사용되었다 (FIB = Focused Ion Beam). 이러한 시스템의 도움으로, 폴리싱 단면은 In-Situ Lift-Out 를 이용하여 라멜라로서 층으로부터 제조되었고, 충분한 전자-투과성을 위해 얇아졌다.

전자 분산형 X-선 분광학 ( EDX ):

EDX 측정은 Oxford Instruments (UK) 사의 유형 INCA x-act 의 EDX 분광기로 15 ㎸ 의 가속 전압에서 Carl Zeiss 사의 주사 전자 현미경 Supra 40 VP 에서 수행되었다. 투과 전자 현미경 Titan 80-300 80-300 TEM/STEM 에서의 EDX 측정을 위해, Oxford Instruments (UK) 사의 Inca EDX System 가 또한 사용되었다.

X-선 회절 ( XRD ):

X-선 회절 측정은 CuKα-방사선을 이용하여 유형 GE Sensing & Inspec-tion Technologies PTS 3003 의 회절계에서 행해졌다. θ-2θ 스캔에 대해, 잔류 응력 및 극점도 측정을 위해, 1 차 측면에서 콜리메이터로서 2 ㎜ 의 핀홀 및 다중모세관으로 구성되는 평행 빔 광학장치 (parallel beam optics) 가 사용되었다. 2 차 측면에서, 0.4 °의 발산 및 니켈 K_β 필터를 갖는 평행 플레이터 콜리메이터가 사용되었다.

피크 강도 및 반값 폭은 θ-2θ 측정으로부터 결정되었다. 배경 제거 (background subtraction) 후에 pseudo-Voigt-함수가 측정 데이터에 피팅되었고, 그로 인해 Kα₂-제거는 Kα₁/Kα₂-더블릿 피팅에 의해 수행되었다. 피크 강도 및 반값 폭은 따라서 피팅된 Kα₁ 간섭에 관한 것이다. 격자 상수는 pdf 카드 38-1420 및 00-046-1200 각각으로부터 TiN 및 AlN 의 격자 상수를 이용하여 Vergard 의 법칙에 따라 계산되었다.

X-선 회절에서, 육방정 AlN 의 {101} 또는 {202} 간섭 및 입방정 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 의 {111} 또는 {222} 간섭 각각은 화학 조성에 따라 다소 뚜렷한 방식으로 중첩될 수 있다. 입방정 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 의 {200} 평면의 간섭만이 예를 들어 기재 보디 또는 위아래에 배열된 임의의 층으로부터의 임의의 추가의 간섭에 의해 중첩되지 않고, 무작위 배향에 대해 이는 가장 높은 강도를 가진다.

측정된 체적에서 육방정 AlN 의 체적 비율을 평가하기 위해 그리고 입방정 Ti_1-xAl_xC_yN_z 의 {111} 및 {200} 에 대한 오해를 회피하기 위해, 측정 (θ-2θ 스캔) 이 두 개의 상이한 경사 각도 ψ (ψ= 0 °및 ψ= 54.74 °) 하에서 수행되었다. {111} 및 {200} 의 평면들의 법선 간 각도가 대략 54.74 °이므로, 강한 {111} 섬유 집합조직은 경사 각도 ψ= 54.74 °에서 {200} 반사의 강도 최대치를 초래하는 반면, {111} 반사의 강도는 0 에 근접해진다. 반대로, 경사 각도 ψ= 54.74 °에서 {111} 반사의 강한 강도 최대치는 강한 {200} 섬유 집합조직에서 얻어지는 반면, {200} 반사의 강도는 0 에 근접해진다.

이러한 방식으로, 생성된 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층에 대해, 2θ

38.1 °에서 측정된 강도가 면심 입방 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 상에 주로 할당될 수 있는 지의 여부를 체크하였다. 양자의 X-선 회절 및 EBSD 측정은 어닐링되지 않은 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층에 내에서 매우 작은 비율의 육방정 AlN 상만을 지속적으로 보여주었다.

극점도:

{111} 반사의 극점도는 측정점의 원형 배열로 0°≤ α ≤ 75° (증분 5 °) 및 0°≤ β ≤ 360°(증분 5 °) 의 각도 범위에 걸쳐 2θ = 38.0°에서 원하는 광학 장치를 이용하여 XRD 에 의해 준비되었다. 모든 측정 및 역산된 극점도의 강도 분포는 대략 회전 대칭이었고, 즉 조사 층은 섬유 집합조직을 나타냈다. 우선 배향을 체크하기 위해, {111} 극점도에 더하여, 극점도는 {200} 및 {220} 반사에 대해 측정되었다. 배향 밀도 분포 함수 (ODF) 는 LaboSoft (Poland) 사의 software LaboTex 3.0 을 이용하여 계산되었고, 우선 배향은 역극점도 (inverse pole figure) 에 의해 나타내었다. 본 발명의 코팅에서, 강도 최대치는 설정된 우선 배향에 상응하는 결정학적 방향 <111> 으로 또는 <111> 로부터 ≤ 20°의 각도 편차 내에 있었다.

잔류 응력 측정:

잔류 응력을 분석하기 위해, 면심 입방 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 {222} 간섭은, 전술한 측정 광학 장치를 갖는 회절계 GE Sensing & Inspection Technologies PTS 3003 를 이용하여 - 60 °내지 + 60 °(증분 5 °) 의 25 ψ 각도를 적용하는 sin²ψ 방법에 따라 측정되었다. 배경 제거, Lorentz-polarization 보정 및 Kα₂ 제거 (Rachinger separation) 이후에, 간섭 라인의 위치는 측정된 데이터에 프로파일 함수를 피팅함으로써 결정되었다. 적용된 탄성 계수는 ½s₂ = 1.93 TPa^-1 및 s₁ = - 0.18 TPa^- ¹ 이었다. 잔류 응력은 일반적으로 단위 메가파스칼 (㎫) 로 표시되고, 그로 인해 잔류 인장 응력은 양의 대수 부호 (+) 로 지정되고 잔류 압축 응력은 음의 대수 부호 (-) 로 지정된다.

Ti ₁ _- _x Al _x C _y N _z 층에서 층상 구조의 특성화

X-선 회절 (XRD) 에 의해 그리고 통상의 투과 전자 현미경뿐만 아니라 고해상도 투과 전자 현미경 (TEM 및 HR-TEM) 에 의해 본 발명의 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층에서 층상 구조의 존재의 확인 및 특성화는 J. Keckes et al., "Self-organized periodic soft-hard nanolamellae in polycrystalline TiAlN thin films", Thin Solid Films 545 (2013), pages 29-32 에 의해 설명된 바와 같이 수행되었다.

미크로 경도 (Vickers 경도) 및 압입 모듈러스 ( E _IT ) 의 결정:

미크로 경도 및 압입 모듈러스의 측정은 코팅된 보디의 폴리싱 단면에 대해 Helmut Fischer GmbH (Sindelfingen, Germany) 사의 Fischerscope H 100 및 universal hardness tester 를 이용하여 DIN EN ISO 14577 따라 수행되었다. 미크로 경도의 측정은 25 mN 의 테스트 하중을 적용하여 수행되었다.

본 발명은 첨부된 도면의 상세한 설명 및 비제한적인 실시예에 의해 지금부터 추가로 설명될 것이다.

도 1 은 공구 기재 (3) 상의 경질 재료 코팅을 개략적인 단면도로 도시한다. 기재 (3) 상에는, 예를 들어, TiN 의 접착층일 수 있는, CVD 프로세스에서 증착된 코팅층 (2) 이 우선 제공된다. 코팅층 (2) 위에는, 종래 기술로부터 공지된 바와 같이 또는 어닐링 전에 본 발명의 프로세스에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 석출물이 없는 어닐링되지 않은 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층 (1) 이 제공된다. Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층 (1) 은 미세결정 (4) 및 결정립계 (5) 를 갖는 주상 구조를 가진다.
도 2 는, 도 1 과 유사하지만, 본 발명의 프로세스의 어닐링 단계에서 형성되는 바와 같은 미세결정 (4) 의 결정립계 (5) 에 본 발명의 Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 석출물 (6) 을 갖는 본 발명의 경질 재료 코팅을 개략도로 도시한다. Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 석출물은 Ti_1-xAl_xC_yN_z 미세결정 내부보다 AlN 함량이 더 높다.
도 3 은 두 개의 인접한 미세결정의 결정립계를 가로지르는 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층 내의 화학량론적 Al 비율 (x) 의 농도 프로파일을 개략적으로 도시한다. 종래 기술 (점선) 에 따른 어닐링되지 않은 재료에서, 결정립계에 인접한 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정 내부의 화학량론적 Al 비율 (x) 은 일정하다. 이와 대조적으로, 본 발명 (실선) 에 따른 어닐링된 재료에서, 화학량론적 Al 비율 (x) 은 결정립계에 인접한 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정 내부로부터 시작하여 우선 감소하지만, 결정립계에서는 인접한 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정 내부의 화학량론적 Al 비율 이상으로 현저하게 증가한다. 여기에는 결정립계에서 본 발명의 석출물이 있다.
도 4 는, 이하에서 설명되는 실시예 1 의 공구 1 내지 공구 11 에 대해, 상이한 온도에서 그리고 각각 3 h (코팅 1) 및 5 h (코팅 2) 의 지속 기간 동안 어닐링된 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층 및 어닐링되지 않은 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 미크로 경도의 측정값을 도시한다. 675 ℃ (코팅 1) 및 700 ℃ (코팅 2) 각각의 온도 값 이상으로 나타내고 또한 "어닐링되지 않음" 으로 지정되는 값은 어닐링되지 않은 공구에 할당되는 것이다. 675 ℃ (코팅 1) 및 700 ℃ (코팅 2) 각각의 온도는 증착 온도에 상응한다. 이는 3 h 의 홀딩 시간에서 950 ℃ 초과, 즉 1000 ℃ 및 1050 ℃ 에서의 어닐링 온도에서 경도의 현저한 저하를 분명하게 볼 수 있다. 5 h 의 더 긴 홀딩 시간에서, 경도의 현저한 저하는 더 낮은 온도, 즉 950 ℃ 에서 이미 시작된다. 어닐링되지 않은 비교 공구와 비교할 때, 경도의 증가는 양자의 홀딩 시간에서 낮았지만, 본 발명에 따라 어닐링된 공구는 마모 테스트에서 현저하게 양호한 결과를 달성했다.
도 5, 도 6 및 도 7 은 밀링 경로를 통한 밀링 테스트에서 5 h 동안 어닐링된 후속 실시예의 공구 (7) 내지 공구 (11) 의 콤 균열 형성 (도 5), 최대 플랭크 마모 (도 6) 및 평균 플랭크 마모 (7) 를 도시한다.

실시예 1: 코팅된 초경 합금 인덱서블 절삭 인서트의 준비 및 분석

이러한 실시예에서의 기재 보디로서, 90.5 wt-% WC, 8 wt-% Co 및 1.5 wt-% (NbC+TaC) 의 조성을 가지는 기하학적 형상 SEHW1204AFN 의 초경 합금 인덱서블 절삭 인서트가 사용되었다.

초경 합금 인덱서블 절삭 인서트의 코팅을 위해, 1250 ㎜ 의 반응기 높이, 325 ㎜ 의 반응기 직경 및 40 리터의 충전 배열체의 체적을 갖는 유형 Bernex BPX325S 의 CVD 코팅 반응기가 사용되었다. 가스 유동은 반응기의 종방향 축선에 대하여 방사상으로 일어났다.

본 발명의 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층뿐만 아니라 비교 층의 접착을 위해, 우선 표 1 에 제시된 증착 조건 하에서 CVD 에 의해 약 0.3 ㎛ 두께의 TiN 층이 초경 합금 기재의 바로 위에 증착되었다.

표 1: 접착층의 준비를 위한 반응 조건

Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 준비를 위해 출발 화합물 TiCI₄ 및 AlCl₃ 을 함유하는 제 1 전구체 가스 혼합물 (VG1) 및 반응성 질소 성분으로서 출발 성분 NH₃ 를 함유하는 제 2 전구체 가스 혼합물 (VG2) 은 별개로 반응기 내로 도입되어, 두 개의 가스 스트림의 블렌딩이 반응 영역으로의 진입시보다 이후에 일어난다. 전구체 가스 혼합물들 (VG1 및 VG2) 의 체적 가스 스트림은, 정상 환경 하에서의 총 체적 스트림 (

) 및 반응기에서의 반응 가스의 평균 체류 시간 (τ) 이 달성되는 방식으로 설정되었다. Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 준비 파라미터들은 표 2 에서 제시된다. Ti₁ _-xAl_xC_yN_z 층의 두께는 코팅 #1 에 대해서는 약 8 ㎛ 이었고, 코팅 #2 에 대해서는 약 6 ㎛ 이었다.

표 2: Ti ₁ _- _x Al _x C _y N _z 코팅의 준비 시에 반응 조건

코팅 후에, 준비된 인덱서블 절삭 인서트는 상이한 온도 처리를 받게 되었다. 온도 조건은 이하의 표 3 에서 제시된다.

표 3: 온도 조건

Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 특성화를 위해, X-선 회절 (XRD), 전자 회절, 특히 EBSD, 주사 전자 현미경 (SEM), 주사 투과성 전자 현미경 (STEM) 및 투과 전자 현미경 (TEM), 및 미크로 경도의 측정이 적용되었다.

표 4: Ti ₁ _- _x Al _x C _y N _z 층의 파라미터 측정 결과

n.g. = 측정되지 않음 / n.m. = 측정 불가능함

* = 어닐링되지 않음

** = 전자 현미경 이미지는 일부 이미지 영역에서 또는 전체 이미지 영역에서 w-AlN 내로 fcc Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정의 완전한 변환을 보여준다.

*** = 폴리싱 단면에서의 측정

본 발명의 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 단면은 주사 전자 현미경 (SEM) 을 이용하여 실험되었고, 전자-투과성 샘플의 적절한 준비 이후에, 주사 투과성 전자 현미경 (STEM) 및 투과 전자 현미경 (TEM) 을 이용하여 실험되었다. 그렇게 함으로써, STEM 이미지에서, Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 석출물은 더 높은 Al 함량으로 인해 BF 이미지에서 Ti_1-xAl_xC_yN_z 미세결정보다 더 밝게 보이는 결정립계에서 볼 수 있고, HAADF 이미지에서, Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 석출물은 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정보다 더 어둡게 보인다. Ti₁ _-xAl_xC_yN_z 미세결정에 대한 Fourier-변환 및 HRTEM 에 의해, 미세결정 내의 면심 입방 (fcc) 상의 존재, 인접한 결정립계에서 Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 석출물 내의 미세결정 도메인에 관한 에피택셜 관계, 및 Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 석출물 내의 w-AlN 상의 존재가 입증될 수 있다. w-AlN 구조를 가지는 석출물의 두께는 약 25 ㎚ 였다.

또한, 일부 미세결정에서, 층상 구조가 STEM 이미지에서 볼 수 있었다. 관찰된 명/암 대조의 선명도, 따라서 층상 구조의 가시성은 전자 빔에 대한 미세결정의 배향에 의존한다. 본 발명의 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 층상 구조는 이미징 모드의 명시야 (BF) 및 "고각 환형 암시야 (HAADF)" 에서 역 명/암 대조에 의해 특징지어진다. 이러한 대조 인버전은 층상 구조의 명암 구역들의 상이한 화학 조성의 표시이다. 명암을 나타내는 구역들은 일반적으로 상이한 두께를 가진다. EDS 분석에 의해, BF 에서 어둡게 보이고 HAADF 에서 밝게 보이는 라멜라 구역이 반대 이미지 대조를 나타내는 구역보다 더 높은 Ti 비율 및 더 낮은 Al 비율을 가지는 것을 볼 수 있다. 더 높은 Ti 비율의 구역은 일반적으로 본 발명의 Ti₁ _-xAl_xC_yN_z 층에서 층상 구조의 Al 풍부 구역보다 상당히 더 얇다. EDS 에 의해 결정된 전체 조성은 XRD 에 의해 결정된 전체 조성과 일치했다.

층상 구역의 고해상도 HRTEM 이미지에 의해, 전체 구조가 면심 입방 (fcc) 상으로 구성된다는 것을 추가로 볼 수 있다. 이를 도시하기 위해, Ti-더 풍부한 그리고 Al-더 풍부한 구역들을 포함하는 HRTEM 이미지의 섹션들의 Fourier-변환이 수행되었다. Fourier-변환의 스팟 패턴은 전자 회절 이미지에 대응하는 변환 섹션의 결정 대칭 및 배향에 대한 정보를 포함한다. 이는 전체 층상 구조가 면심 입방 (fcc) 상으로 구성되어, 일 미세결정 내에서, 동일한 배향이 존재한다는 것을 보여준다. 회절 이미지로부터 결정된 격자 상수는 방법의 정확도 내에서 XRD 에 의해 결정된 격자 상수와 일치한다.

실시예 2: 절삭 테스트

실시예 1 (본 발명의 실시예 8 및 9, 및 비교 실시예 7, 10 및 11) 에서 준비된 초경 합금 인덱서블 절삭 인서트를 이용하여, 밀링 작업이 이하의 절삭 조건 하에서 수행되었다:

작업편 재료: 주철 GG25

병렬 이송, 냉각수 사용되지 않음

치당 이송: f_z = 0.2 ㎜

절삭 깊이: a_p = 3 ㎜

절삭 속도: v_c = 283 m/min

설정 각도: κ= 45°

밀링 폭: a_e = 98 ㎜

돌출 길이: u_e = 5 ㎜

공구의 콤 균열 형성 (도 5), 최대 플랭크 마모 V_B _,max (도 6) 및 평균 플랭크 마모 V_B (도 7) 는 각각 800 ㎜, 1600 ㎜, 2400 ㎜, 3200 ㎜, 4000 ㎜ 및 4800 ㎜ 의 밀링 거리 후에 주 절삭날에서 결정되었다. 결과는 도 5, 도 6 및 도 7 에 도시되어 있다.

Claims

초경 합금, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도강의 베이스 보디, 및 CVD 프로세스에서 상기 베이스 보디 상에 증착되고 또한 2 ㎛ ~ 25 ㎛ 의 범위 내의 두께를 갖는 단층 또는 다층 마모 방지 코팅을 포함하는 공구로서,
상기 마모 방지 코팅은, 1 ㎛ ~ 16 ㎛ 의 범위 내의 두께를 가지고 또한 > 85 vol-% 의 면심 입방 (fcc) 결정 구조를 가지는 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층을 적어도 포함하고, 이때 0.40 ≤ x ≤ 0.95, 0 ≤ y ≤ 0.10 및 0.85 ≤ z ≤ 1.15 이고,
상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정 (crystallites) 의 결정립계 (grain boundaries) 에서 상기 미세결정 내부보다 Al 함량이 높은 Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 석출물을 포함하고, 0.95 ≤ o ≤ 1.00, 0 ≤ p ≤ 0.10, 0.85 ≤ q ≤ 1.15 및 (0-x) ≥ 0.05 인, 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은 적어도 90 vol-%, 바람직하게는 적어도 95 vol-%, 특히 바람직하게는 약 98 vol-% 의 면심 입방 (fcc) 결정 구조를 가지는 것을 특징으로 하는, 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은 주상 미세구조를 가지는 것을 특징으로 하는, 공구.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 미세결정의 결정립계에서 상기 미세결정 내부보다 Al 함량이 높은 상기 Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 석출물은 육방정 결정 구조인 AlN (w-AlN) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 공구.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은 0.60 ≤ x ≤ 0.90, y = 0 및 0.85 ≤ z ≤ 1.15 의 화학량론적 계수를 가지는 것을 특징으로 하는, 공구.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은 2700 HV 초과, 바람직하게 3000 HV 초과, 특히 바람직하게는 3200 HV 초과의 Vickers 경도 (HV) 를 가지는 것을 특징으로 하는, 공구.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은 결정학적 {111} 평면에 대하여 결정 성장의 바람직한 배향을 가지고, 집합조직 계수 (texture coefficient) TC (111) > 1.5, 바람직하게는 > 2, 특히 바람직하게는 > 3 이고, 상기 집합조직 계수 TC (111) 는

로서 정의되고,
- I(hkl) 는 X-선 회절에 의해 측정된 회절 반사 강도이고,
- l₀(hkl) 는 pdf 카드 00-046-1200 에 따른 표준 회절 반사 강도이고,
- n 은 계산시에 사용된 반사의 수이고, 그리고
- TC (111) 의 계산을 위해, 반사 (111), (200), (220) 및 (311) 이 사용되는 것을 특징으로 하는, 공구.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은 결정학적 {111} 평면에 대하여 결정 성장의 바람직한 배향을 가지고, X-선 회절 (XRD) 에 의해 그리고/또는 전자 후방 산란 (EBSD; electron back scattering) 에 의해 측정된 결정학적 {111} 평면의 X-선 회절 피크의 최대가 상기 베이스 보디의 표면에 대한 법선에 관하여 각도 α = ± 20 도 내에서, 바람직하게는 각도 α = ± 10 도 내에서, 특히 바람직하게는 각도 α = ± 5 도 내에서, 더 특히 바람직하게는 각도 α = ± 1 도 내에서 측정되는 것을 특징으로 하는, 공구.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은, 두께가 150 ㎚ 이하, 바람직하게는 100 ㎚ 이하, 특히 바람직하게는 50 ㎚ 이하인 라멜라 (lamellae) 를 갖는 층상 조직을 가지고,
상기 라멜라는, Ti 및 Al 의 교대로 상이한 화학양론적 비율을 가지고 또한 동일 결정 구조 (=결정학적 상) 및/또는 동일 결정학적 배향을 가지는 상기 Ti₁ _-xAl_xC_yN_z 층의 주기적으로 교대하는 구역으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는, 공구.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층은, sin²ψ 방법에 의해 fcc-Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 상의
81.5 - 82 도 2-theta 에서의 {222} 반사에서 측정된, 바람직하게는 < 0 ㎫ 내지 - 5000 ㎫ 의 범위 내의, 특히 바람직하게는 - 300 ㎫ 내지 - 3500 ㎫ 의 범위 내의 잔류 압축 응력을 가지는 것을 특징으로 하는, 공구.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
a) 상기 베이스 보디와 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층 사이에는, TiN 층, 고온 CVD 또는 중온 CVD (MT-CVD) 에 의해 증착된 TiCN 층, Al₂O₃ 층, h-AlN 층 및 이의 조합으로부터 선택된, 두께가 0.05 ㎛ ~ 7 ㎛, 바람직하게는 0.1 ㎛ ~ 5 ㎛, 특히 바람직하게는 0.2 ㎛ ~ 3 ㎛ 인 적어도 하나의 추가의 경질 재료 층이 제공되고, 그리고/또는
b) 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층 위에는, 바람직하게는 α-Al₂O₃, κ-Al₂O₃, γ-Al₂O₃, TiN, MT-TiCN, h-AlN 및 이의 조합으로부터 선택된 적어도 하나의 추가의 경질 재료 층이 제공되는 것을 특징으로 하는, 공구.
초경 합금, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도강의 베이스 보디, 및 CVD 프로세스에 의해 상기 베이스 보디 상에 증착되고 또한 2 ㎛ ~ 25 ㎛ 의 범위 내의 두께를 가지는 단층 또는 다층 마모 방지 코팅을 가지는 공구의 제조 프로세스로서,
- 625 ~ 800 ℃ 의 범위 내의 프로세스 온도에서 상기 CVD 프로세스에서 1 ㎛ ~ 16 ㎛ 의 범위 내의 두께를 가지는 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층을 증착하는 단계로서, 이때 0.40 ≤ x ≤ 0.95, 0 ≤ y ≤ 0.10 및 0.85 ≤ z ≤ 1.15 인, 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층을 증착하는 단계,
- 증착된 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층을 공기의 배제 하에서 0.5 ~ 12 시간의 지속 기간 동안 700 ~ 950 ℃ 의 범위 내의 온도에서 어닐링하는 단계로서, 조건은 Ti₁ _-xAl_xC_yN_z 미세결정의 결정립계에서 상기 미세결정 내부보다 Al 함량이 높은 Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 석출물이 생성되고 이때 0.95 ≤ o ≤ 1.00, 0 ≤ p ≤ 0.10, 0.85 ≤ q ≤ 1.15 및 (o - x) ≥ 0.05 이도록 선택되는, 상기 어닐링하는 단계
를 포함하는, 공구의 제조 프로세스.
제 12 항에 있어서,
어닐링 동안의 상기 온도 및 상기 지속 기간의 조건은, 어닐링 후에, 상기 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층이 2700 HV 초과, 바람직하게는 3000 HV 초과, 특히 더 바람직하게는 3200 HV 초과의 Vickers 경도 (HV) 를 나타내도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 공구의 제조 프로세스.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
어닐링 동안의 상기 온도 및 상기 지속 기간의 조건은, 어닐링 후에, 상기 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층에서의 상기 Ti₁ _- _oAl_oC_pN_q 석출물의 생성 이후에, 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층에의서 면심 입방 (fcc) 결정 구조의 나머지 함량이 > 85 vol-% 이도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 공구의 제조 프로세스.
제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
증착된 상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 어닐링은 1 ~ 6 시간의 지속 기간 동안 그리고/또는 750 ~ 900 ℃, 바람직하게는 800 ~ 850 ℃ 의 범위 내의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 공구의 제조 프로세스.
제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Ti₁ _- _xAl_xC_yN_z 층의 증착을 위한 상기 CVD 프로세스는 LP-CVD 프로세스이고,
상기 CVD 프로세스는 CVD 반응기에서 0.05 ~ 8 ㎪ 의 범위 내의, 바람직하게는 0.1 ~ 7 ㎪ 의 범위 내의, 특히 바람직하게는 0.3 ~ 2 ㎪ 의 범위 내의 프로세스 압력에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 공구의 제조 프로세스.