KR20190133690A

KR20190133690A - 코팅된 절삭 공구

Info

Publication number: KR20190133690A
Application number: KR1020197029025A
Authority: KR
Inventors: 에릭 린달; 피안트 리누스 폰
Original assignee: 산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
Priority date: 2017-04-07
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2019-12-03
Also published as: BR112019020882A2; KR102635624B1; JP2020516469A; RU2019131362A; EP3607110B1; JP7393946B2; WO2018184887A1; RU2760426C2; EP3607110A1; RU2019131362A3; CN110431254A; US20200141007A1

Abstract

본 발명은, 코팅된 절삭 공구로서,
α-Al₂O₃ 의 층 및 α-Al₂O₃ 층에 디포짓팅되는, 0.85 ≤ x ≤ 1.3, 및 0.4 ≤ y ≤ 0.85 인 티타늄 탄질화물 Ti_xC_yN₁ _- _y 의 층을 포함하는 다층형 내마모성 코팅으로 코팅된 기재를 포함하고,
Ti_xC_yN₁ _-y 는 CuKα 방사선 및 θ-2θ 스캔을 사용하여 X-레이 회절에 의해 측정될 때에 텍스츄어 계수 TC(hkl) 를 나타내고, 상기 TC(hkl) 는 Harris 식에 따라 규정되고:

,
여기서
I(hkl) 는 (hkl) 반사의 상기 측정된 강도 (통합된 면적) 이고;
I₀(hkl) 는 JCPDS 카드 no. 42-1489 에 따른 표준 파우더 회절 데이터의 표준 강도이고;
n 은 연산에서 사용되는 반사들의 수이고, 여기서 사용된 (hkl) 반사들은 (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), (3 1 1), (3 3 1), (4 2 0) 및 (4 2 2) 이고; TC(1 1 1) ≥ 3 인 상기 코팅된 절삭 공구; 및 그러한 코팅된 절삭 공구를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

코팅된 절삭 공구

본 개시는 금속들의 칩 형성 기계 가공을 위한 코팅된 절삭 공구, 보다 정확하게 알루미늄 산화물의 층 및 티타늄 탄질화물의 층을 포함하는 다층형의 내마모성 코팅으로 코팅된 기재를 포함하는 코팅된 절삭 공구에 관한 것이다. 본 개시에 따른 코팅된 절삭 공구는 합금된 강, 탄소 강 또는 인성 강화된 강과 같은 금속성 재료의 예를 들면 선삭, 밀링 또는 드릴링에서 높은 요구 조건의 연마 내마모성을 갖는 적용예에서 특히 유용하다.

절삭 공구들에 얇은, 내화물 코팅들의 티포짓팅은 몇 십년동안 기계 가공 산업에서 널리 사용되어 왔다. TiCN 및 Al₂O₃ 과 같은 코팅들은 많은 상이한 재료들의 절삭에서 절삭 인서트들의 내마모성을 개선시킨다고 알려져 있다. TiCN 의 내부 층 및 α-Al₂O₃ 의 외부 층의 조합은 예를 들면, 강의 선삭 또는 밀링을 위해 설계되는 많은 상업적 절삭 공구들에서 발견될 수 있다. 그러나, 기술이 발전함에 따라 보다 높은 요구 조건들이 절삭 공구들에서 설정된다. 따라서, 금속 절삭 작업들에서 개선된 내마모성을 갖는 코팅된 절삭 공구들에 대한 필요성이 존재한다.

본 개시는 절삭 작업에서 개선된 성능을 갖는 코팅된 절삭 공구, 특히 개선된 내마모성, 예를 들면 크레이터 마모 및 플랭크 마모에 대해 보다 높은 저항성을 갖는 코팅된 절삭 공구를 제공한다. 본 개시는 상기 언급된 특성들을 갖는 코팅된 절삭 공구를 제조하기 위한 방법을 제공한다.

본원에 예시된 양상에 따르면, α-Al₂O₃ 의 층 및 α-Al₂O₃ 층에 디포짓팅되는, 0.85 ≤ x ≤ 1.3, 바람직하게 1.1 ≤ x ≤ 1.3, 및 0.4 ≤ y ≤ 0.85 인 티타늄 탄질화물 Ti_xC_yN₁ _- _y 의 층을 포함하는 다층형 내마모성 코팅으로 코팅된 기재를 포함하는 코팅된 절삭 공구가 제공되고, 상기 Ti_xC_yN₁ _-y 는 CuKα 방사선 및 θ-2θ 스캔을 사용하여 X-레이 회절에 의해 측정될 때에 텍스츄어 계수 TC(hkl) 를 나타내고, 상기 TC(hkl) 는 Harris 식에 따라 규정되고:

,

여기서,

I(hkl) 는 (hkl) 반사의 측정된 강도 (통합된 면적) 이고;

I₀(hkl) 는 JCPDS 카드 no. 42-1489 에 따른 표준 파우더 회절 데이터의 표준 강도이고;

n 은 연산에서 사용되는 반사들의 수이고, 여기서 사용된 (hkl) 반사들은 (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), (3 1 1), (3 3 1), (4 2 0) 및 (4 2 2) 이고; TC(1 1 1) ≥ 3 이다.

놀랍게도 본 개시에 따른 절삭 공구의 Ti_xC_yN₁ _-y층은 예상치 못한 높은 경도를 나타낸다는 것이 발견되었다. 코팅 층의 증가된 경도는 전형적으로 크레이터 마모 및 플랭크 내마모성과 같은 개선된 내마모성과 연관된다. 본원에서 사용된 바와 같은, 용어 절삭 공구는 교환 가능한 절삭 공구 인서트들, 인덱서블 절삭 공구 인서트들, 뿐만 아니라 고체 절삭 공구들을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

본 개시는 α-Al₂O₃의 층 및 α-Al₂O₃ 층의 상단에 디포짓팅되는 티타늄 탄질화물 Ti_xC_yN₁ _- _y의 층을 포함하는 코팅으로 절삭 공구를 코팅함으로써, 그리고 Ti_xC_yN_1-y가 특히 바람직한 배향을 갖고, 절삭 공구가 개선된 경도를 갖는 티타늄 탄질화물 층을 갖고, 따라서 기계 가공 적용예들에서 개선된 내마모성을 갖는 것이 달성될 수 있다는 것에 기초된다. 보다 구체적으로, 그러한 특성들은 α-Al₂O₃ 의 층 및 티타늄 탄질화물 Ti_xC_yN₁ _- _y의 층을 포함하는 코팅을 갖는 절삭 공구에 의해 달성될 수 있고, Ti_xC_yN₁ _- _y 의 기하학적으로 동등한 결정학적 평면들 {111} 은 바람직하게 텍스츄어 계수 TC (1 1 1) ≥ 3 으로서 본원에서 표현되는 기재에 평행하게 배향된다는 것이 발견된다.

Ti_xC_yN₁ _-y층은 600-900 ℃ 의 온도에서 적당한 온도의 화학적 증착 (MTCVD) 으로 전형적으로 디포짓팅된다. α-Al₂O₃ 는 전형적으로 800-1200　℃ 의 온도에서 화학적 증착 (CVD) 에 의해 디포짓팅된다. Ti_xC_yN₁ _-y층은 전형적으로 중간 층 없이 Al₂O₃ 층의 바로 상단에 디포짓팅된다. 그러나, 개시의 범위는 또한 Ti_xC_yN₁ _-y층과 α-Al₂O₃ 층 사이에 존재하는 얇은 중간 층을 포함하는 실시형태들을 포함한다. 디포짓팅된 Ti_xC_yN₁ _-y 및 α-Al₂O₃ 의 그레인들은 바람직하게 칼럼형이다.

본 개시에 따른 코팅은 추가로 Ti_xC_yN₁ _-y층과 밑에있는 층들 사이에 뛰어나 접착성을 제공한다.

다층 코팅은 적어도 절삭 작업에서 절삭 시 맞물리는 절삭 공구의 면적, 및 적어도 크레이터 마모 및/또는 플랭크 마모에 대해 노출된 면적을 커버한다. 대안적으로, 전체 절삭 공구는 본 개시의 다층 코팅으로 코팅될 수 있다.

본 개시의 일부 실시형태들에서 상기 α-Al₂O₃ 층은 Harris 식에 따라 규정된 CuKα 방사선 및 θ-2θ 스캔을 사용하여 X-레이 회절에 의해 측정될 때에, 텍스츄어 계수 TC(hkl) 를 나타내고, 여기서 I(hkl) 은 (hkl) 반사의 측정된 강도 (통합된 면적) 이고, I₀(hkl) 는 JCPDS 카드 no. 00-010-0173 에 따른 표준 파우더 회절 데이터의 표준 강도이고, n 은 연산에 사용된 반사들의 수이고, 여기서 사용된 (hkl) 반사들은 (1 0 4), (1　1　0), (1 1 3), (0 2 4), (1 1 6), (2　1 4), (3 0 0) 및 (0 0 12) 이고; TC(0　 0　 12)　 ≥　 7, 바람직하게 TC(0 0 12) ≥ 7.2 이다. (0 0 12) 반사로부터의 높은 강도는 그것이 다음의 Ti_xC_yN₁ _-y층의 강한 <1 1 1> 텍스츄어를 촉진하는 하나의 방식이라는 점에서 이점을 갖는다는 것을 보여준다.

일부 실시형태들에서 Ti_xC_yN₁ _-y 층의 두께는 1-10 ㎛, 바람직하게 1-5 ㎛, 보다 바람직하게 1-3 ㎛, 가장 바람직하게 1-2 ㎛ 이다. α-Al₂O₃ 층의 두께는 0.1-7 ㎛, 바람직하게 0.1-5 ㎛ 또는 0.1-2 ㎛ 또는 0.3-1 ㎛ 이다.

일부 실시형태들에서 코팅은 기재와 α-Al₂O₃ 층 사이에 위치된 0.85 ≤ u ≤ 1.3, 바람직하게 1.1 ≤ u ≤ 1.3, 및 0.4 ≤ v ≤ 0.85 인 티타늄 탄질화물 Ti_uC_vN₁ _- _v 의 추가의 층을 포함한다. Ti_uC_vN₁ _-v층은 기재에 바로 디포짓팅될 수 있다. 그러나, 본 개시의 범위는 또한 TiN 의 층과 같은 Ti_uC_vN₁ _-v 층과 기재 사이에 얇은 중간 층을 포함하는 실시형태들을 포함한다. 바람직하게, Ti_uC_vN₁ _-v는 600-900 ℃ 의 온도에서 MTCVD 에 의해 디포짓팅된다. Ti_uC_vN₁ _-v층의 두께는 전형적으로 3-20 ㎛, 바람직하게 3-10 ㎛ 또는 3-7 ㎛ 또는 3-5 ㎛ 이다.

일부 실시형태들에서, α-Al₂O₃ 층과 기재 사이에 위치된 Ti_uC_vN₁ _-v 층은 Harris 식에 따라 규정된, CuKα 방사선 및 θ-2θ 스캔을 사용하여 X-레이 회절 에 의해 측정될 때에, 텍스츄어 계수 TC(hkl) 를 나타내고, 여기서 I(hkl) 는 (hkl) 반사의 측정된 강도 (통합된 면적) 이고, I₀(hkl) 는 JCPDS 카드 No. 42-1489 에 따른 표준 강도이고, n 은 반사들의 수이고, 연산에 사용된 상기 반사들은 (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), (3 1 1), (3 3 1), (4 2 0) 및 (4 2 2) 이고, TC(4 2 2) ≥ 3, 바람직하게 TC(4 2 2) ≥ 3.5 이다. 하나의 실시형태에서, Ti_uC_vN₁ _-v 층은 TC(3 1 1) + TC(4 2 2) ≥ 4; ≥ 5; ≥ 6; 또는 ≥ 7 을 나타낸다. Ti_uC_vN₁ _- _v 의 (4 2 2) 반사로부터의 높은 강도는 그것이 다음의 α-Al₂O₃ 층 강한 <0 0 1> 텍스츄어를 촉진하는 하나의 방식이라는 점에서 유리하다고 여겨진다.

일부 실시형태들에서, Ti_xC_yN₁ _-y 층은 Ti_uC_vN₁ _-v 층보다 더 높은 평균 경도를 나타낸다. 경도는 바람직하게 Berkovich 압자를 사용하여 나노 압입에 의해 측정되고, 경도 H 는 H=(P/24.5h_c ²) 으로서 규정되고, P 는 코팅 층에서 압자에 의해 나타내어지는 최대 접촉 압력이고 h_c 는 압자에 의해 생성되는 압입의 깊이이다. 경도 측정은 층의 외부 표면에 수직한 방향으로 압입을 갖는 층의 플랫형 표면에서 행해진다. 압입들은 바람직하게 h_c=110 nm 의 깊이로 3000 μN/min 의 일정한 부하로 생성된다.

일부 실시형태들에서 Ti_xC_yN₁ _-y 층은 25 GPa 초과의, 바람직하게 26 GPa 의 초과의, 보다 바람직하게 27 GPa 초과의, 심지어 보다 바람직하게 30 GPa 초과의 평균 경도를 나타낸다. 경도는 바람직하게 Berkovich 압자를 사용하여 나노 압입에 의해 측정되고, 경도 H 는 H=(P/24.5h_c ²) 으로서 규정되고, P 는 코팅 층의 압자에 의해 나타내어지는 최대 접촉 압력이고 h_c 는 압자에 의해 생성되는 압입의 깊이이다. 압입들은 바람직하게 h_c=110 nm 의 깊이로 3000 μN/min 의 일정한 부하로 생성된다. 본 기술 분야에 공지된 다른 압자들이 또한 고려될 수 있다. Ti_xC_yN₁ _- _y 의 높은 경도는 개선된 내마모성을 코팅된 절삭 공구에 제공한다는 이점을 가질 수 있다.

일부 실시형태들에서, 코팅은 4-32 ㎛, 바람직하게 4.5-20 ㎛ 또는 5-15 ㎛ 의 총 두께를 갖는다.

일부 실시형태들에서, 기재는 초경합금, 써밋, 세라믹들, 강 또는 입방형 붕소 질화물로부터 선택된다. 이들 기재들은 본 개시의 코팅에 맞춰진 경도들 및 인성들을 갖는다.

일부 실시형태들에서, 코팅된 절삭 공구의 기재는 주기율 표의 IVb, Vb 및 VIb 족들로부터의 금속들, 바람직하게 Ti, Nb, Ta 의 금속들의 4-12 wt% Co, 바람직하게 6-8 wt% Co, 선택적으로 0.1-10 wt% 입방형 카바이드들, 질화물들 또는 탄질화물들 또는 그 조합들, 및 잔부 Wc를 포함하는 초경합금으로 이루어진다.

일부 실시형태들에서, 기재는 바인더 상이 풍부한 표면 구역을 갖는 초경합금이다. 바인더 상이 풍부한 표면 구역은 기재의 표면로부터 그리고 기재의 코어를 향해 측정될 때에 바람직하게 5-35 ㎛ 이다. 바인더 상이 풍부한 구역은 평균적으로 기재의 코어에서 바인더 상 함량보다 적어도 50% 더 높은 바인더 상을 갖는다. 바인더 상이 풍부한 표면 구역은 기재의 인성을 향상시킨다. 높은 인성을 갖는 기재는 강의 선삭에서와 같이 절삭 작업들에서 바람직하다.

일부 실시형태들에서, 기재는 본질적으로 카바이드들이 없는 표면 구역을 갖는 초경합금이다. 본질적으로 입방형 카바이드들이 없는 표면 구역의 두께는 기재의 표면으로부터 그리고 기재의 코어를 향해 측정될 때에 바람직하게 5-35 ㎛ 이다. "본질적으로 없는" 이란 입방형 카바이드들이 광현미경 (light optical microscope) 의 단면에서 시각적 분석에서 보이지 않는다는 것을 의미한다.

일부 실시형태들에서, 기재는 상기 개시된 바와 같이 입방형 카바이드들이 본질적으로 없는 표면 구역과 조합하여 상기 설명된 바와 같이 바인더 상이 풍부한 표면 구역을 갖는 초경합금이다.

본원에 예시된 다른 양상들에 따르면, 또한 기재를 갖는 코팅된 절삭 공구를 제작하기 위한 방법이 제공되고, 상기 방법은,

a) 기재에서 600-900 ℃ 의 온도로 MTCVD 에 의해 Ti_uC_vN₁ _- _v 의 층을 디포짓팅하는 단계,

b) Ti_uC_vN₁ _-v층의 상단에서 800-1200 ℃ 의 온도로 CVD에 의해 α-Al₂O₃의 층을 디포짓팅하는 단계;

c) TiCl₄, CH₃CN, 3-13 vol% H₂ 및 83-94 vol% N₂ 의 분압으로, 바람직하게 3-10 vol% H₂ 및 85-93 vol% N₂ 의 분압으로 N₂ 및 H₂를 포함하는 분위기에서 온도 600-900 ℃ 로 MTCVD 에 의해 Al₂O₃ 층의 상단에서 티타늄 탄질화물 Ti_xC_yN₁ _-y층의 층을 디포짓팅하는 단계를 포함하고,

Ti_xC_yN₁ _-y 은 CuKα 방사선 및 θ-2θ 스캔을 사용하여 X-레이 회절에 의해 측정될 때에, 텍스츄어 계수 TC(hkl) 를 나타내고, 상기 TC(hkl) 는 Harris 식에 따라 규정되고:

,

여기서,

I(hkl) 는 (hkl) 반사의 측정된 강도 (통합된 면적) 이고;

놀랍게도 CVD 반응기에서 적은 양의 H₂ 를 사용함으로써 본 개시에 따른 텍스츄어를 갖는 Ti_xC_yN₁ _-y가 얻어질 수 있다는 것이 발견되었다. 본 개시에 따르면, 적은 양의 H₂ 는 3-13 vol%, 바람직하게 3-10 vol% 의 범위의 양을 나타낸다고 가정된다. 추가로, 83-94 vol%, 바람직하게 85-93 vol% 의 범위에서와 같은 많은 양의 N₂ 가 바람직할 수 있다. 반응기에서 총 가스 압력은 바람직하게 대략 80 mbar 이다.

상기 방법에 따라 제조된 코팅된 절삭 공구는 본 발명의 코팅된 절삭 공구를 참조하여 위에서 개시된 바와 같이 추가로 규정될 수 있다. 특히, Ti_xC_yN₁ _-y 코팅 층의 두께는 1-10 ㎛, 바람직하게 1-5 ㎛, 보다 바람직하게 1-3 ㎛, 가장 바람직하게 1-2 ㎛ 일 수 있다.

일부 실시형태들에서 α-Al₂O₃ 층은 Harris 식에 따라 규정된 CuKα 방사선 및 θ-2θ 스캔을 사용하여 X-레이 회절에 의해 측정될 때에, 텍스츄어 계수 TC(hkl) 를 나타내고, 여기서 I(hkl) 은 (hkl) 반사의 측정된 강도 (통합된 면적) 이고, I₀(hkl) 는 JCPDS 카드 no. 00-010-0173 에 따른 표준 파우더 회절 데이터의 표준 강도이고, n 은 연산에 사용된 반사들의 수이고, 여기서 사용된 (hkl) 반사들은 (1 0 4), (1　1　0), (1 1 3), (0 2 4), (1 1 6), (2　1 4), (3 0 0) 및 (0 0 12) 이고; TC(0　 0　 12)　 ≥　 7, 바람직하게 TC(0 0 12) ≥ 7.2 이다.

방법의 일부 실시형태들에서 α-Al₂O₃ 층의 두께는 바람직하게 0.1-7 ㎛, 바람직하게 0.3-5 ㎛ 또는 0.3-2 ㎛ 또는 0.3-1 ㎛ 이다.

방법의 일부 실시형태들에서 Ti_uC_vN₁ _-v층의 두께는 3-20 ㎛, 바람직하게 3-10 ㎛ 또는 3-7 ㎛ 또는 3-5 ㎛ 이다.

방법의 일부 실시형태들에서, α-Al₂O₃ 층과 기재 사이에 위치된 Ti_uC_vN₁ _-v 층은 Harris 식에 따라 규정된, CuKα 방사선 및 θ-2θ 스캔을 사용하여 X-레이 회절에 의해 측정될 때에, 텍스츄어 계수 TC(hkl) 를 나타내고, 여기서 I(hkl) 는 (hkl) 반사의 측정된 강도 (통합된 면적) 이고, I₀(hkl) 는 JCPDS 카드 No. 42-1489 에 따른 표준 강도이고, n 은 반사들의 수이고, 연산에 사용된 반사들은 (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), (3 1 1), (3 3 1), (4 2 0) 및 (4 2 2) 이고, TC(4 2 2) ≥ 3 이다.

방법의 일부 실시형태들에서, Ti_xC_yN₁ _-y 층은 Ti_uC_vN₁ _-v 층보다 더 높은 평균 경도를 나타낸다.

방법의 일부 실시형태들에서, Ti_xC_yN₁ _-y 층은 25 GPa 초과의, 바람직하게 26 GPa 의 초과의 또는 27 GPa 초과의 평균 경도를 나타낸다.

방법의 일부 실시형태들에서, 기재는 초경합금, 써밋, 세라믹들, 강 또는 입방형 붕소 질화물로부터 선택된다.

예들

다음에, 본 개시에 따른 코팅된 절삭 공구 및 방법이 비제한적인 예들에 의해 보다 상세하게 설명될 것이다.

정의들 및 방법들

CVD 코팅들

CVD 코팅들은 1250 mm 높이 및 325 mm 직경을 갖는 방사상 유동 반응기, 타입 Bernex BPX 325S 에서 제조되었다.

텍스츄어 계수, TC

결정의 결정학적 평면은 Miller 인덱스들, h, k, l 에 의해 규정된다. 바람직한 성장을 나타내는 수단, 즉 기하학적으로 동등한 결정학적 평면들 {h k l} 의 하나의 세트가 우선적으로 기재에 평행하게 배향되는 것이 발견되는 성장을 나타내는 수단은, 각각의 샘플에서 측정된 XRD 반사들의 규정된 세트에 기초하여 Harris 식을 사용하여 연산된 텍스츄어 계수 TC (h k l) 이다. XRD 반사들의 강도들은 동일한 재료, 예를 들면 TiCN 의 XRD 반사들의 강도들을 나타내지만, 재료의 파우더에서와 같이 랜덤 배향을 갖는 JCPDS 카드를 사용하여 표준화된다. 결정질 재료의 층의 텍스츄어 계수 TC (h k l) > 1 은 결정질 재료의 그레인들이 적어도 텍스츄어 계수 TC 를 결정하도록 Harris 식에 사용되는 XRD 반사들과 비교하여 랜덤 분포에서보다 더 빈번하게 기재 표면에 평행한 그 {h k l} 결정학적 평면과 배향된다는 것을 나타낸다.

용어 “칼럼형의” 그레인들은 본원에서 층의 외부 표면을 향하는 층의 바닥으로부터 성장하고 전형적으로 이러한 방향으로 연장되는 결정 그레인을 나타내도록 의도된다. 칼럼형의 그레인들은 등축 그레인들 (equiaxed) 이 층의 성장 중에 연속적으로 다시 핵생성된다는 점에서 등축 그레인들과 상이하다.

X- 레이 회절 ( XRD ) 측정들

얇은 필름들의 결정학, 상 조성물들 및 면외-평면 (out-of-plane) 배향들은 1 차 하이브리드 모노크로메이터 및 2 차 x-레이 미러가 구비된 Philips MRD-XPERT 회절 분석기를 사용하여 θ-2θ X-레이 회절에 의해 평가되었다. Cu-Ka 방사선은 45 kV 의 전압 및 40 mA 의 전류를 갖는 측정들에 대해 사용되었다. 1/2 도의 안티 스캐터 슬릿 (Anti-scatter slit) 및 0.3 mm 의 리시빙 슬릿이 사용되었다. 코팅된 절삭 공구로부터 회절된 강도는 30°내지 140°의 범위의 2θ 에서, 즉 15 내지 70°의 입사 각도 범위의 θ 에서 측정되었다.

데이터의 프로파일 피팅 및 백그라운드 추출 (background subtraction) 을 포함하는 데이터 분석은 PANalytical's X'Pert HighScore Plus software 를 사용하여 행해졌다. 이러한 프로그램으로부터 출력 (프로파일 피팅된 커브들에 대한 통합된 피크 면적들) 은 그후 상기 개시된 바와 같이 Harris 식을 사용하여 (TiCN 또는 α-Al₂O₃의 층과 같은) 특정한 층의 JCPDS 카드에 따라 표준 강도 데이터에 대한 측정된 강도 데이터의 비를 비교함으로써 층의 텍스츄어 계수들을 연상하는 데 사용되었다.

층은 유한한 두께의 필름이기 때문에 상이한 2θ 각도들에서 피크들의 쌍의 상대적인 강도들은 층을 통해 경로 길이에서의 차이로 인해 그것들이 벌크 샘플들에 대해 존재하는 것과 상이하다. 따라서, 얇은 필름 보정은 TC 값들을 연산할 때에 층의 선흡수 계수를 또한 고려하여 프로파일 피팅된 커브에 대한 추출된 통합된 피크 면적 강도들에 적용되었다. 예를 들면 Ti_xC_yN₁ _-y 층위에 가능한 추가의 층들은 Ti_xC_yN₁ _-y 층에 진입하고 전체 코팅에서 진출하는 X-레이 강도들에 영향을 주기 때문에, 보정들은 층에서 각각의 화합물에 대해 선흡수 계수를 고려하여 또한 이들에 대해 행해질 필요가 있다. α-Al₂O₃ 층이 예를 들면 Ti_xC_yN₁ _-y 층 아래에 위치된다면 동일한 것이 α-Al₂O₃ 층의 X-레이 회절 측정들에 대해 적용된다. 대안적으로, Ti_xC_yN₁ _-y 층 위의 TiN 과 같은 추가의 층은 XRD 측정 결과들에 실질적으로 영향을 주지 않는 방법, 예를 들면 화학적 에칭 또는 기계적 폴리싱에 의해 제거될 수 있다. α-Al₂O₃ 층과 기재 사이에 위치된 하부 Ti_uC_vN₁ _-v 층을 포함하는 실시형태에서 외부 Ti_xC_yN₁ _-y 층은 하부 Ti_uC_vN₁ _-v 층의 X-레이 회절 측정들을 행하기 전에 제거될 필요가 있다.

경도 측정들

티타늄 탄질화물 층의 경도는 나노 압입을 사용하여 측정되었다. 나노 압입은 Berkovich 팁 다이아몬드 압자를 갖는 CSM UNHT 나노압자를 사용하여 수행되었다. 압입들은 h_c=110 nm 의 깊이로 3000 μN/min 의 일정한 부하로 생성되었다. 경도는 표면 거칠기를 감소시키도록 (6㎛ 다이아몬드 슬러리를 갖는) 부드러운 표면 폴리싱 후에 플랫형 외부 표면 또는 층에서 측정되었다. 장비 기준 측정들은 최적의 압자 성능을 보장하도록 퓨징된 실리카에서 수행되었다. 경도 H 는 H=(P/24.5h_c ²) 으로서 규정되고, P 는 코팅 층의 압자에 의해 나타내어지는 최대 접촉 압력이고 h_c 는 압자에 의해 생성되는 압입의 깊이이다. 압입은 층의 표면에 수직한 방향으로 생성되었다. 임의의 외부 층들은 경도 측정을 행하기 전에 예를 들면 화학적 에칭 또는 기계적 폴리싱에 의해 제거될 필요가 있다.

예 1 - 사파이어에서 Ti _x C _y N ₁ _-y

샘플 제조 및 분석

Ti_xC_yN₁ _-y 는 830 ℃ 의 온도로 1250 mm 의 높이 및 325 mm 의 직경을 갖는 Bernex 325 hot wall CVD 반응기에서 폴리싱된 단일한 결정 c-사파이어 (001) 기재들 상에서 성장되었다.

본 개시에 따른 코팅들의 디포지션 (샘플 1 및 2) 및 비교 예 (샘플 3) 에 대한 실험 조건들은 표 1 에 도시된다. 코팅들은 약 1.5 ㎛ 의 두께로 성장되었다.

표 1. CVD 챔버에서 실험 조건들.

X- 레이 회절 ( XRD 측정들) 및 텍스츄어 계수들

코팅들의 Ti_xC_yN₁ _-y 층들은 XRD 에 의해 분석되었고, TiCN 의 (h k l) 반사들 (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), (3 1 1), (3 3 1), (4 2 0) 및 (4 2 2) 텍스츄어 계수들이 본원에 설명된 바와 같이 판별되었다. 얇은 필름 보정은 XRD 원 데이터에 적용되었다. 결과들은 표 2 에 도시된다.

표 2. Ti_xC_yN₁ _- _y 의 텍스츄어 계수들

경도 측정들

Ti_xC_yN₁ _-y 층들의 경도가 측정되었고, 나노 압입은 Berkovich 팁 다이아몬드 압자을 갖는 CSM UNHT 나노압자를 사용하여 수행되고 상기 본원에 설명된 바와 같이 연산되었다. 36 압입들 후에 평균 경도는 코팅 경도로서 고려되었다. 결과들은 표 3 에 도시된다.

표 3. 경도 측정들.

예 2 - 초경합금에서 Ti _x C _y N ₁ _-y

샘플 제조 및 분석

선삭을 위한 ISO-타입 CNMG120408 의 초경합금 기재는 입방형 카바이드들이 본질적으로 없는 약 25 ㎛ 의 기재 표면으로부터 그리고 본체 내로의 깊이의 Co 가 풍부한 표면 구역을 포함하는 7.2 wt% Co, 2.7 wt% Ta, 1.8 wt% Ti, 0.4 wt% Nb, 0.1 wt% N 및 잔부 WC 로부터 제조되었다. 초경합금의 조성물은 따라서 약 7.2 wt% Co, 2.9 wt% TaC, 1.9 wt% TiC, 0.4 wt% TiN, 0.4 wt% NbC 및 86.9 wt% WC 이다.

인서트, 샘플 4 는 처음에 885 ℃ 로 TiCl₄, CH₃CN, N₂, HCl 및 H₂ 를 사용하여 널리 공지된 MTCVD 기술을 채용함으로써 그후 대략 12 ㎛ 의 Ti_uC_vN₁ _-v 층을 갖는 얇은 대략 0.4 ㎛ TiN-층으로 코팅되었다. Ti_uC_vN₁ _-v 층의 MTCVD 디포지션의 초기 부분에서 TiCl₄/CH₃CN 의 체적 비는 6.6 이었고, 3.7 의 TiCl₄/CH₃CN 의 비를 사용하는 주기가 이어진다. TiN 및 Ti_uC_vN₁ _-v 디포지션의 상세들은 표 4 에 도시된다.

표 4. TiN 및 Ti_uC_vN₁ _-v 디포지션 샘플 4 의 MTCVD

MTCVD Ti_uC_vN₁ _-v 층의 상단에 1-2 ㎛ 두께의 본딩 층이 네개의 별개의 반응 단계들로 이루어지는 프로세스에 의해 1000 ℃ 에서 디포짓팅되었다. 처음에, 400 mbar 에서 TiCl₄, CH₄, N₂, HCl 및 H₂ 를 사용하는 HTCVD Ti_uC_vN₁ _-v 단계, 그후 70 mbar 에서 TiCl₄, CH₃CN, CO, N₂ 및 H₂ 를 사용하는 제 2 단계 (TiCNO-1), 그후 70 mbar 에서 TiCl₄, CH₃CN, CO, N₂ 및 H₂를 사용하는 제 3 단계 (TiCNO-2) 및 마지막으로 70 mbar 에서 TiCl₄, CO, N₂ 및 H₂ 를 사용하는 제 4 단계 (TiCNO-3). 제 3 및 제 4 디포지션 단계들 중에 가스들의 일부는 표 5 에 제공된 제 1 스타트 레벨 및 제 2 스톱 레벨에 의해 나타낸 바와 같이 연속적으로 변경되었다.

다음의 Al₂O₃ 핵생성의 스타트 전에, 본딩 층 CO₂, CO, N₂ 및 H₂의 혼합물에서 4 분 동안 55 mbar 에서 산화되었다. 본딩 층 디포지션의 상세들은 표 5 에 도시된다.

표 5. 본딩 층 디포지션 샘플 4

본딩 층의 상단에 α-Al₂O₃ 층이 CVD 를 사용하여 디포짓팅되었다. 모든 α-Al₂O₃ 은 두개의 단계들에서 1000 ℃ 및 55 mbar 에서 디포짓팅되었다. 1.2 vol% AlCl₃, 4.7 vol% CO₂, 1.8 vol% HCl 및 잔부 H₂ 를 사용하는 제 1 단계는 약 0.1 ㎛ 의 α-Al₂O₃ 를 부여하였고 아래에 개시된 바와 같은 제 2 단계 는 약 10 ㎛ 의 총 α-Al₂O₃ 층 두께를 부여하였다.

α-Al₂O₃ 층의 제 2 단계는 1.2% AlCl₃, 4.7% CO₂, 2.9% HCl, 0.58% H₂S 및 잔부 H₂를 사용하여 디포짓팅되었고, 표 6 을 참조하라.

표 6. 제 2 α-Al₂O₃ 디포지션 단계 샘플 4 (잔부 H₂)

α-Al₂O₃ 층의 상단에 1.7 ㎛ 두께의 Ti_xC_yN₁ _-y 층은 MTCVD 를 사용하여 디포짓팅되었다. Ti_xC_yN₁ _-y 층은 3.3 vol% TiCl₄, 0.5 vol% CH₃CN, 8.75 vol% H₂ 및 잔부 N₂ 를 사용하여 830 ℃ 및 80 mbar 에서 디포짓팅되었고, 표 7 을 참조하라.

표 7. 최외부 TiCN 층 디포지션

X- 레이 회절 ( XRD 측정들) 및 텍스츄어 계수들

코팅의 최외부 Ti_xC_yN₁ _-y 층, 내부 Ti_uC_vN₁ _-v 층 및 α-Al₂O₃ 층은 XRD 에 의해 분석되었고, (h k l) 반사들의 텍스츄어 계수들은 본원에 설명된 바와 같이 결정되었다. 얇은 필름 보정은 XRD 원 데이터에 적용되었다. 결과들은 표 8-표 10 에 도시된다.

표 8. 샘플 4 의 최외부 TiCN 층의 텍스츄어 계수들

표 9. 샘플 4 의 내부 TiCN 층의 텍스츄어 계수들

표 10. 샘플 4 의 α-Al₂O₃ 층의 텍스츄어 계수들

경도 측정들

최외부 Ti_xC_yN₁ _-y 층들의 경도가 측정되었고 나노 압입은 Berkovich 팁 다이아몬드 압자를 갖는 CSM UNHT 나노압자를 사용하여 수행되고 상기 본원에 설명된 바와 같이 연산되었다. 15 압입들 후에 평균 경도는 최외부 Ti_xC_yN₁ _-y 층의 경도로 고려되었다. 최외부 Ti_xC_yN₁ _-y 층의 평균 경도는 26.7 Gpa 로 측정되었다.

Claims

코팅된 절삭 공구로서,
α-Al₂O₃ 의 층 및 상기 α-Al₂O₃ 층에 디포짓팅되는, 0.85 ≤ x ≤ 1.3, 바람직하게 1.1 ≤ x ≤ 1.3, 및 0.4 ≤ y ≤ 0.85 인 티타늄 탄질화물 Ti_xC_yN₁ _-y 의 층을 포함하는 다층형 내마모성 코팅으로 코팅된 기재를 포함하고,
상기 Ti_xC_yN₁ _-y 는 CuKα 방사선 및 θ-2θ 스캔을 사용하여 X-레이 회절에 의해 측정될 때에 텍스츄어 계수 TC(hkl) 를 나타내고, 상기 TC(hkl) 는 Harris 식에 따라 규정되고:

,
여기서
I(hkl) 는 (hkl) 반사의 측정된 강도 (통합된 면적) 이고;
I₀(hkl) 는 JCPDS 카드 no. 42-1489 에 따른 표준 파우더 회절 데이터의 표준 강도이고;
n 은 연산에서 사용되는 반사들의 수이고, 여기서 사용된 (hkl) 반사들은 (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), (3 1 1), (3 3 1), (4 2 0) 및 (4 2 2) 이고;
여기서 TC(1 1 1) ≥ 3 인, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 α-Al₂O₃ 층은 Harris 식에 따라 규정된 CuKα 방사선 및 θ-2θ 스캔을 사용하여 X-레이 회절에 의해 측정될 때에, 텍스츄어 계수 TC(hkl) 를 나타내고, 여기서 I(hkl) 은 (hkl) 반사의 측정된 강도 (통합된 면적) 이고, I₀(hkl) 는 JCPDS 카드 no. 00-010-0173 에 따른 표준 파우더 회절 데이터의 표준 강도이고, n 은 연산에 사용된 반사들의 수이고, 여기서 사용된 (hkl) 반사들은 (1 0 4), (1　1　0), (1 1 3), (0 2 4), (1 1 6), (2　1 4), (3 0 0) 및 (0 0 12) 이고; TC(0　 0　 12)　 ≥　 7, 바람직하게 TC(0 0 12) ≥ 7.2 인, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 Ti_xC_yN₁ _-y 층의 두께는 1-10 ㎛, 바람직하게 1-5 ㎛ 또는 1-3 ㎛, 또는 1-2 ㎛ 인, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 α-Al₂O₃ 층의 두께는 0.3-7 ㎛, 바람직하게 0.3-5 ㎛ 또는 0.3-2 ㎛ 또는 0.3-1 ㎛ 인, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅은 상기 기재와 상기 α-Al₂O₃ 층 사이에 위치된, 0.85 ≤ u ≤ 1.3, 바람직하게 1.1 ≤ u ≤ 1.3, 및 0.4 ≤ v ≤ 0.85 인 티타늄 탄질화물 Ti_uC_vN_1-v 의 추가의 층을 포함하는, 코팅된 절삭 공구.
제 5 항에 있어서,
상기 Ti_uC_vN₁ _-v층의 두께는 3-20 ㎛, 바람직하게 3-10 ㎛ 또는 3-7 ㎛ 또는 3-5 ㎛ 인, 코팅된 절삭 공구.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 α-Al₂O₃ 층과 기재 사이에 위치된 상기 Ti_uC_vN₁ _-v 층은 Harris 식에 따라 규정된, CuKα 방사선 및 θ-2θ 스캔을 사용하여 X-레이 회절에 의해 측정될 때에, 텍스츄어 계수 TC(hkl) 를 나타내고, 여기서 I(hkl) 는 (hkl) 반사의 측정된 강도 (통합된 면적) 이고, I₀(hkl) 는 JCPDS 카드 No. 42-1489 에 따른 표준 강도이고, n 은 반사들의 수이고, 연산에 사용된 상기 반사들은 (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), (3 1 1), (3 3 1), (4 2 0) 및 (4 2 2) 이고;
여기서 TC(4 2 2) ≥ 3 인, 코팅된 절삭 공구.
제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Ti_xC_yN₁ _-y 층은 상기 Ti_uC_vN₁ _-v 층보다 더 높은 평균 경도를 나타내는, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Ti_xC_yN₁ _-y 층은 25 GPa 초과의, 바람직하게 26 GPa 의 초과의, 심지어 보다 바람직하게 27 GPa 초과의 평균 경도를 나타내는, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅은 4-32 ㎛, 바람직하게 4.5-20 ㎛ 또는 5-15 ㎛ 의 총 두께를 갖는, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기재는 초경합금, 써밋, 세라믹들, 강 또는 입방형 붕소 질화물로부터 선택되는, 코팅된 절삭 공구.
기재를 갖는 코팅된 절삭 공구를 제조하기 위한 방법으로서,
상기 방법은,
a) 상기 기재에서 600-900 ℃ 의 온도로 MTCVD 에 의해 Ti_uC_vN₁ _- _v 의 층을 디포짓팅하는 단계,
b) 상기 Ti_uC_vN₁ _-v층의 상단에서 800-1200　℃ 의 온도로 CVD 에 의해 α-Al₂O₃의 층을 디포짓팅하는 단계;
c) TiCl₄, CH₃CN, 3-13 vol% H₂ 및 83-94 vol% N₂ 의 양으로 N₂ 및 H₂를 포함하는 분위기에서 온도 600-900 ℃ 로 MTCVD 에 의해 상기 Al₂O₃ 층의 상단에서 티타늄 탄질화물 Ti_xC_yN₁ _-y층의 층을 디포짓팅하는 단계를 포함하고,
여기서
상기 Ti_xC_yN₁ _-y 은 CuKα 방사선 및 θ-2θ 스캔을 사용하여 X-레이 회절에 의해 측정될 때에, 텍스츄어 계수 TC(hkl) 를 나타내고, 상기 TC(hkl) 는 Harris 식에 따라 규정되고:

,
여기서,
I(hkl) 는 (hkl) 반사의 측정된 강도 (통합된 면적) 이고;
I₀(hkl) 는 JCPDS 카드 no. 42-1489 에 따른 표준 파우더 회절 데이터의 표준 강도이고;
n 은 연산에서 사용되는 반사들의 수이고, 여기서 사용된 (hkl) 반사들은 (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), (3 1 1), (3 3 1), (4 2 0) 및 (4 2 2) 이고;
여기서 TC(1 1 1) ≥ 3 인, 절삭 공구를 제조하기 위한 방법.