KR20200010251A

KR20200010251A - 다층 코팅을 갖는 금속 절삭 공구

Info

Publication number: KR20200010251A
Application number: KR1020197034006A
Authority: KR
Inventors: 울리히 알베르스
Original assignee: 발터 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2017-05-19
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2020-01-30
Also published as: US11104986B2; EP3404126A1; ES2767356T3; EP3404126B1; WO2018210866A1; US20200181756A1; JP2020520814A; KR102478915B1; CN110603342B; JP7299164B2; CN110603342A

Abstract

본 발명은 초경합금, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도 강으로 제조된 메인 보디 및 다층 마모 방지 코팅을 포함하는 금속 절삭 공구에 관한 것으로, 상기 마모 방지 코팅은, 0.25 < m < 0.55 의 전체 조성 Ti_mAl_(1-m)N 을 가지는 하부 층 (LL) 으로서, 상기 하부 층 (LL) 의 전체 두께가 500 nm 내지 3 ㎛ 인, 상기 하부 층 (LL) 을 포함하고, 상기 하부 층 (LL) 은 시퀀스 (A-B-A-B-…) 를 갖는 50 내지 600 페어 (pairs) 의 교대로 적층된 서브-층들 (A) 및 (B) 로 이루어지고, 상기 서브-층들 (A) 는 0.45 ≤ a ≤ 0.55 의 Ti_aAl_(1-a)N 의 조성 및 1 nm 내지 10 nm 의 두께를 갖고, 서브-층들 (A) 및 (B) 의 층 스택의 제 1 서브-층 (A) 는 5 nm 내지 50 nm 의 층 두께를 갖고, 상기 서브-층들 (B) 는 0.25 ≤ b ≤ 0.40 의 Ti_bAl_(1-b)N 의 조성 및 1 nm 내지 10 nm 의 두께를 갖고, 상기 서브-층들 (A) 및 (B) 는 (a-b) ≥ 0.10 의 상이한 화학량론적 조성을 갖고, 또한 상기 마모 방지 코팅은, 상기 하부 층 (LL) 상에 바로 증착되고 n + o + p = 1 및 0.30 ≤ n ≤ 0.50, 0.40 ≤ o ≤ 0.60 및 0.05 ≤ p ≤ 0.20 인 전체 조성 Ti_nAl_oSi_pN 을 갖는 상부 층 (UL) 으로서, 상기 상부 층 (UL) 의 전체 두께가 500 nm 내지 3 ㎛ 인, 상기 상부 층 (UL) 을 포함하고, 상기 상부 층 (UL) 은 시퀀스 (C-D-E-C-D-E-…) 를 갖는 30 내지 400 트리플 (triples) 의 교대로 적층된 서브-층들 (C), (D) 및 (E) 로 이루어지고, 상기 상부 층 (UL) 의 상기 서브-층들 (C) 는 상기 하부 층 (LL) 의 상기 서브-층들 (A) 과 동일한 방식으로 규정되고, 상기 상부 층 (UL) 의 상기 서브-층들 (D) 는 상기 하부 층 (LL) 의 상기 서브-층들 (B) 와 동일한 방식으로 규정되고, 상기 서브-층들 (C) 및 (D) 는 (a-b) ≥ 0.10 의 상이한 화학량론적 조성을 갖고, 상기 서브-층들 (E) 는 x + y + z = 1 및 0.20 ≤ x ≤ 0.45, 0.20 ≤ y ≤ 0.45 및 0.20 ≤ z ≤ 0.45 의 Ti_xAl_ySi_zN 의 조성 및 1 nm 내지 10 nm 의 두께를 갖는다.

Description

다층 코팅을 갖는 금속 절삭 공구

본 발명은 초경합금, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도 강으로 제조된 메인 보디, 및 바람직하게는 PVD 공정에 의해 메인 보디에 적용되는 다층 마모 방지 코팅을 포함하는 금속 절삭 공구에 관한 것이다. 본 발명의 금속 절삭 공구는 초합금의 가공에 특히 적합하며, 높은 절삭 온도에서 개선된 공구 수명 및 확산 마모에 대한 내성을 나타낸다.

재료의 ISO-S 그룹의 내열성 초합금 (HRSA) 및 티타늄 (티타늄 합금 포함) 은 고온에서 우수한 기계적 강도와 크리프 (고체가 응력 하에서 천천히 움직이거나 변형되는 경향) 에 대한 내성, 우수한 표면 안정성, 내식성 및 내산화성을 나타낸다. 이들의 우수한 특성으로 인해, 이 재료는 예를 들어 연소 및 터빈 섹션의 항공우주 엔진 및 전력 가스 터빈의 제조, 석유 및 가스 산업의 응용, 해양 응용, 의료용 조인트 임플란트, 높은 내식성 응용 등에 사용된다. 티타늄은 매우 열악한 환경에서 사용될 수 있으며, 이는 대부분의 다른 건축 재료에 상당한 부식 공격을 일으킬 수 있다. 이는 티타늄 산화물 TiO₂에 기인하며, 이는 매우 저항력이 있고 대략 0.01 mm 두께의 층으로 표면을 덮는다. 산화물 층이 손상되고 산소가 있으면, 티타늄은 산화물을 즉시 재건한다. 티타늄은 예를 들어 열교환기, 탈염 장비, 제트 엔진 부품, 랜딩 기어, 항공우주 프레임의 구조 부품 등에 특히 적합하다.

그러나 HRSA 와 티타늄의 가공성은 특히 시효경화 조건에서 나빠서 절삭 공구에 대해 특정한 손상을 부여한다.

HRSA 재료의 가공성은 철 기반 재료, 니켈 기반 재료 및 코발트 기반 재료의 순서에 따라 난이도가 증가한다. 모든 재료는 고온에서 높은 강도를 갖고, 절삭 중에 세그먼트 칩을 생성하여 높은 동적 절삭력을 생성한다. 열전도율이 낮고 경도가 높으면 가공 중에 공구에서 고온이 발생한다. 고강도, 가공 경화 및 접착 경화 특성은 절삭 에지에 대한 매우 거친 환경 및 최대 절삭 깊이에서 노치 마모를 만든다. 카바이드 등급 절삭 공구는 소성 변형 및 코팅 박리 (플래킹) 에 대한 우수한 내성을 제공하기 위해 높은 에지 인성 및 기재에 대한 접착성을 가져야 한다.

티타늄 및 티타늄 합금은 열악한 열전도율을 갖고, 높은 온도에서 강도가 유지되므로, 절삭 에지에서 높은 절삭력과 열을 발생시킨다. 골링 (galling) 경향이 있는 고도로 깎인 얇은 칩은 절삭 에지 가까이에서 집중된 절삭력을 발생시키는 레이크 면에서 좁은 접촉 영역을 생성한다. 너무 빠른 절삭 속도는 칩과 절삭 공구 재료 사이에 화학 반응을 일으켜서, 갑작스런 인서트 치핑 및 파손을 초래할 수 있다. 따라서 절삭 공구 재료는 우수한 고온 경도를 가져야 하며, 티타늄과 반응하지 않아야 한다 (또는 오로지 느리게 반응하여야 한다).

미세 입자의 비코팅 카바이드는 HRSA 및 티타늄 작업물 재료의 가공에 종종 사용된다. 그러나, 절삭 에지의 고온 및 탄소 및 코발트에 대한 HRSA 및 티타늄의 친화력으로 인해, 비교적 낮은 절삭 속도에서도 높은 확산 마모가 발생한다. PVD 또는 CVD 코팅에 의한 HRSA 재료 및 티타늄의 가공에서 생산성과 공구 수명이 향상되는 것은 강 또는 주철의 가공을 위한 공구에서 알려진 것으로 제한된다. 코팅된 공구가 코팅되지 않은 동일한 공구보다 공구 수명의 측면에서 성능이 떨어지는 경우도 있다. 이 효과는 코팅과 작업물 재료 사이의 확산 또는 용접 공정과 관련이 있다고 추정된다.

전술한 문제들을 극복하기 위한 몇 가지 접근법이 존재한다.

일 접근법에서, 절삭 속도 및 절삭력은 절삭 에지에서의 온도를 가속 확산 마모의 온도 한계 미만으로 유지하기 위해 충분히 낮게 유지된다. 그러나, 경제적인 이유로 느린 절삭 속도는 바람직하지 않으며, 작업물 재료의 작은 변형조차도 확산 마모가 여전히 발생하는 방식으로 절삭 조건을 변경할 수 있다.

다른 접근법에서, 가속 확산 마모가 발생하는 온도 한계는 루테늄을 공구의 초경합금 보디의 코발트 바인더에 합금화함으로써 증가된다. 그러나, 루테늄은 가공 공정의 전체 비용을 증가시키는 상당히 고가의 합금 원소이다. 또한, 루테늄 합금화에 의한 가속 확산 마모의 온도 한계의 증가는, 증가된 절삭 속도와 루테늄 합금화된 초경합금의 비용 사이에서 경제적으로 적절한 균형을 달성하는 것만큼 높지 않다.

또 다른 접근법에서, 액체 질소 또는 이산화탄소를 사용하는 절삭 영역의 강한 냉각 (극저온 냉각) 에 의해 확산 마모가 감소된다. 그러나, 이 방법은 복잡하고 값비싼 장비를 필요로 한다. 또한, 강한 냉각은 작업물 재료 표면의 특성 및 절삭 성능에 바람직하지 않은 영향을 미칠 수 있다.

최근에, 플라즈마-활성화 CVD (PA-CVD) 에 의해 제조된 TiB₂의 코팅 층이 확산 마모의 감소를 위한 확산 장벽으로서 제안되어서, 코팅되지 않은 종래의 CVD 코팅된 초경합금 공구에 비해 선삭 작업에서 증가된 공구 수명을 나타냈다. 그러나, PA-CVD 공정에서 온도 및 비교적 긴 유지 시간은 바람직하지 않은 결정립 성장 및 공구의 초경합금 보디의 취화를 초래할 수 있다. 이는, 바람직하게는 미세 입자형 초경합금으로 제조된 고체 경질 금속 (SHM) 공구에 대해 특히 불리하다.

US 2016/175939 는 스테인레스 강, Inconel^® 또는 티타늄 합금과 같은 "절삭하기 어려운 재료" 를 가공하기 위한 표면 코팅된 공구를 개시하고 있으며, 이 공구는 기재 및 상기 기재 상에 형성된 코팅 필름을 포함하고, 상기 코팅 필름은 하나 이상의 A 서브-층 및 하나 이상의 B 서브-층이 교대로 적층된 층을 포함하고, 상기 A 서브-층 및 상기 B 서브-층은 각각 2 nm 이상, 100 nm 이하의 두께를 갖고, 상기 A 서브-층의 평균 조성은 Ti_aAl_bSi_cN (0.5<a<0.8, 0.2<b<0.4, 0.01<c<0.1, a+b+c=1) 으로 표현되고, 상기 B 서브-층의 평균 조성은 Ti_dAl_eSi_fN (0.4<d<0.6, 0.3<e<0.7, 0.01<f<0.1, d+e+f=1) 으로 표현되고, 0.05<a-d≤0.2 및 0.05<e-b≤0.2 의 조건이 만족된다.

US 2016/193662 는 또한 "절삭하기 어려운 재료" 를 가공하기 위한 표면 코팅된 공구를 개시하고 있으며, 하드 코팅은 베이스 재료의 표면 상에 형성되고 제 1 층 및 제 2 층이 적어도 두 번 교대로 적층되는 구조를 포함한다: 제 1 층은 Ti_1-aAl_a (0.3≤a≤0.7) 의 조성을 갖는 TiAl 질화물로 구성되고, 제 2 층은 나노스케일 다층 구조 또는 나노스케일 다층 구조가 적어도 두번 반복적으로 적층되는 구조를 갖고, 나노스케일 다층 구조는 3 nm 내지 20 nm 의 두께를 가지는 얇은 서브-층 A, 얇은 서브-층 B, 얇은 서브-층 C 및 얇은 서브-층 D 를 포함하고, 얇은 서브-층 A 는 Al_1-b-cTi_bSi_c (0.3≤b≤0.7, 0≤c≤0.1) 의 조성을 갖는 AlTiSi 질화물로 구성되고, 얇은 서브-층 B 및 얇은 서브-층 D 는 Ti_1-dAl_d (0.3≤d≤0.7) 의 조성을 갖는 TiAl 질화물로 구성되고, 얇은 서브-층 C 는 Al_1-eCr_e (0.3≤e≤0.7) 의 조성을 갖는 AlCr 질화물로 구성되고, 얇은 서브-층 A 의 알루미늄 (Al) 함량은 얇은 서브-층 B 의 알루미늄 함량과 상이하고, 제 1 층의 질소 함량은 제 2 층의 질소 함량보다 크다. 이러한 코팅의 증착은 코팅 공정에서 상당한 수준의 복잡성을 필요로 하며, 매우 낮은 질소 압력에서 적용된 아크 이온 도금 공정은 생성된 코팅에서 다수의 불리한 마크로-입자 (액적) 를 초래한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 종래 기술의 단점을 극복하고, ISO-S 그룹의 작업물 재료, 특히 내열성 초합금 (HRSA) 및 티타늄 (티타늄 합금 포함) 의 가공에 적합하고, 개선된 공구 수명, 절삭 에지에서의 개선된 마찰화학적 특성, 특히 확산 마모에 대한 개선된 내성을 나타내는 코팅된 금속 절삭 공구를 제공하는 것이다.

전술한 문제점을 극복하기 위해, 본 발명은 초경합금, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도 강으로 제조된 메인 보디 및 다층 마모 방지 코팅을 포함하는 금속 절삭 공구를 제공하고,

상기 마모 방지 코팅은

- 0.25 < m < 0.55 의 전체 조성 Ti_mAl_(1-m)N 을 가지는 하부 층 (LL) 으로서, 상기 하부 층 (LL) 의 전체 두께가 500 nm 내지 3 ㎛ 인, 상기 하부 층 (LL) 을 포함하고,

상기 하부 층 (LL) 은 시퀀스 (A-B-A-B-…) 를 갖는 50 내지 600 페어 (pairs) 의 교대로 적층된 서브-층들 (A) 및 (B) 로 이루어지고,

상기 서브-층들 (A) 는 0.45 ≤ a ≤ 0.55 의 Ti_aAl_(1-a)N 의 조성 및 1 nm 내지 10 nm 의 두께를 갖고, 서브-층들 (A) 및 (B) 의 층 스택의 제 1 서브-층은 1 nm 내지 100 nm 의 층 두께를 갖고,

상기 서브-층들 (B) 는 0.25 ≤ b ≤ 0.40 의 Ti_bAl_(1-b)N 의 조성 및 1 nm 내지 10 nm 의 두께를 갖고,

상기 서브-층들 (A) 및 (B) 는 (a-b) ≥ 0.10 의 상이한 화학량론적 조성을 갖고,

또한 상기 마모 방지 코팅은

- 상기 하부 층 (LL) 상에 바로 증착되고 n + o + p = 1 및 0.30 ≤ n ≤ 0.50, 0.40 ≤ o ≤ 0.60 및 0.05 ≤ p ≤ 0.20 인 전체 조성 Ti_nAl_oSi_pN 을 갖는 상부 층 (UL) 으로서, 상기 상부 층 (UL) 의 전체 두께가 500 nm 내지 3 ㎛ 인, 상기 상부 층 (UL) 을 포함하고,

상기 상부 층 (UL) 은 시퀀스 (C-D-E-C-D-E-…) 를 갖는 30 내지 400 트리플 (triples) 의 교대로 적층된 서브-층들 (C), (D) 및 (E) 로 이루어지고,

상기 상부 층 (UL) 의 상기 서브-층들 (C) 는 상기 하부 층 (LL) 의 상기 서브-층들 (A) 과 동일한 방식으로 규정되고, 상기 상부 층 (UL) 의 상기 서브-층들 (D) 는 상기 하부 층 (LL) 의 상기 서브-층들 (B) 와 동일한 방식으로 규정되고,

상기 서브-층들 (C) 및 (D) 는 (a-b) ≥ 0.10 의 상이한 화학량론적 조성을 갖고,

상기 서브-층들 (E) 는 x + y + z = 1 및 0.20 ≤ x ≤ 0.45, 0.20 ≤ y ≤ 0.45 및 0.20 ≤ z ≤ 0.45 의 Ti_xAl_ySi_zN 의 조성 및 1 nm 내지 10 nm 의 두께를 갖는다.

바람직하게는, 다층 마모 방지 코팅은 PVD 공정에 의해, 보다 바람직하게는 음극 아크 증착 (Arc-PVD) 에 의해 메인 보디에 적용된다.

전술한 바와 같이, 기하학적으로 규정된 절삭 에지를 갖는 공구를 사용하여 HRSA 및 티타늄 작업물 재료를 가공할 때의 과제 중 하나는, 작업물 재료가 절삭 공구의 표면에 부착되어 코팅과 작업물 재료 사이에서 확산 용접 및/또는 다른 마찰화학 반응을 초래할 위험이 있다는 것이다. 티타늄 밀링 작업에 사용되는 공구의 마모된 절삭 에지에 대한 조사는 공구의 열화 및 파괴에 두 가지 공정이 관여한다는 가정을 뒷받침한다. 일 공정에서, 코팅은 작업물 재료와의 화학 반응으로 열화된다. 다른 공정에서, 작업물 재료의 작은 칩들이 코팅에 용접되고, 이후에 이들 칩은 작업물 재료의 더 큰 부분, 즉 칩 또는 작업물 자체에 용접되고, 그들과 함께 이전에 용접되었던 코팅의 일부를 취하여 코팅으로부터 벗겨진다.

놀랍게도, 본 발명은 이러한 문제를 극복하기에 적합하다는 것이 밝혀졌다. 또한, 본 명세서에 기재된 조성 및 층 구조를 갖는 본 발명의 코팅은 코팅에 대한 티타늄 및 티타늄 합금 작업물 재료의 훨씬 더 강한 접착력을 나타내는 것이 더욱 놀랍다. 이러한 관찰된 거동으로부터, 작업물 재료를 코팅에 용접하고 터닝 작업에서 코팅을 벗겨냄으로써 코팅 파괴가 증가할 것으로 예상된다. 그러나, 놀랍게도, 본 발명의 코팅은, 작업물 재료에 대한 보다 강한 접착력을 나타내더라도, 코팅의 상부에 절삭 에지에서의 열 및 확산 프로세스로부터 보호하는 작업물 재료의 안정적인 층을 형성시키고, 그럼으로써 종래 기술의 코팅을 갖는 공구와 비교하여 공구 수명을 현저히 증가시키는 것이 밝혀졌다.

이론에 구속되지 않고, 본 발명자들은 관찰된 개선된 특성이 본 발명의 코팅에서 층 조성, 시퀀스 및 구조의 특정 조합에 기인한다고 가정한다. 코팅에 대한 작업물 재료의 접착은 주로 상부 층 (UL) 의 서브-층 (E) 의 Si 함량에 기인하는 것으로 보이고, 상부 층 (UL) 의 Si 프리 서브-층 및 Si 프리 하부 층 (LL) 과의 조합은 "절삭하기 어려운 재료" 의 가공을 위한 공구에 대해 이전에 공지된 종래 기술의 코팅에 비해 개선된 경도 및 내마모성으로 인해 우수한 내마모성을 제공한다.

위에서 설명한 가설은 마모된 절삭 에지를 통한 단면을 나타내는, 마모된 절삭 에지에서의 FIB 밀링 (Focused Ion Beam; 밀링을 위해 Ga 이온을 사용하는 FIB 컬럼이 있는 Zeiss Crossbeam SEM) 에 의해 지지된다. 여기서, 마모 진행의 상이한 현상이 관찰될 수 있다. 본 발명의 코팅을 갖는 공구의 마모는 US 9,476,114 에 개시된 바와 같이 종래 기술에 따라 코팅된 공구에서 보여지는 마모와는 분명히 다르다. 본 발명에 따른 코팅된 공구의 절삭 에지에서 티타늄 스미어링 (smearing) 이 보여질 수 있지만, 코팅 및 기재에 가까운 Ti 의 결정 구조 및 조성은 스미어 표면의 조성 및 구조와 상이하다.

본 발명에 따르면, 하부 층 (LL) 및 상부 층 (UL) 에서의 서브-층들의 두께는 1 nm 내지 10 nm 의 범위 내에 있다. 교대하는 조성물의 이러한 얇은 층은 PVD 시스템에서 상이한 혼합 표적을 지나서 기재를 주기적으로 안내함으로써 제조 될 수 있다. 하부 층 (LL) 및 상부 층 (UL) 에서의 서브-층들의 두께는 또한 2 nm 이상, 3 nm 이상, 또는 4 nm 이상일 수 있다. 서브-층들의 두께는 코팅의 단면의 SEM 에서 결정될 수 있으며, 교대로 상이한 조성의 서브-층들은 (나무의 연간 고리와 같이) 구별될 수 있으며, 따라서 서브-층들의 두께는 총 층 두께를 가시적인 서브-층들의 수로 나눈 값으로부터 계산될 수 있다. 대안적으로, 서브-층들의 두께는 총 층 두께 및 증착 조건으로부터, 즉 기재가 층이 증착된 타겟을 통과 한 횟수로부터 결정될 수 있다.

요약된 바와 같이, 하부 층 (LL) 에서의 서브-층 (A) 및 (B) 의 층 스택에서의 제 1 서브-층은 나머지 (후속) 서브-층보다 더 큰 두께로 증착될 수 있으며, 제 1 서브-층은 1 nm 내지 100 nm 의 층 두께, 바람직하게는 10 nm 이상의 두께를 갖는다. 또한, 하부 층 (LL) 에서의 서브-층 (A) 및 (B) 의 층 스택에서의 제 1 서브-층은 바람직하게는 0.45 ≤ a ≤ 0.55 의 Ti_aAl_(1-a)N 조성을 갖는 서브-층 (A) 이거나, 층 스택에서의 제 1 서브-층은, 적어도, 0.65 이하, 바람직하게는 0.60 이하의 Al 함량을 갖는 서브-층이다. 예를 들어, a = 약 0.50 의 Ti_aAl_(1-a)N 층은 대략 동일한 양의 Ti 및 Al 의 시판되는 Ti:Al 타겟으로부터 증착될 수 있다. 두께가 약 10 nm 이상이고 전술한 조성의 제 1 서브-층 (A) (시작 서브-층이라고도 함) 을 제공하는 이점은, 이 층이 면심 입방체 (fcc) 결정 구조로 적층되고, 이는 후속적으로 증착된 얇은 서브-층 (A) 및 (B) 에서도 fcc 결정 구조를 촉진 및 안정화시킨다는 것이다.

더 높은 Al 함량의 TiAlN 층에서, 예를 들어 0.25 ≤ b ≤ 0.40 인 Ti_bAl_(1-b)N 의 서브-층 (B) 에서와 같이, 특히 b < 0.35 인 경우, 즉 Al 함량이 0.65 초과인 경우, 육각형 결정 구조의 일부를 형성하는 일반적인 경향이 있으며, 이는 코팅의 경도 저하로 인해 바람직하지 않다. 그러나, 바람직하게는 10 nm 초과 두께의 fcc 결정 구조를 갖는 제 1 서브-층에 의해 그리고 낮은 Al 함량의 서브-층들 (A) 사이에 높은 Al 함량의 서브-층들 (B) 을 적층함으로써 하부 층의 서브-층 (A) 및 (B) 의 층 스택의 증착이 개시되면, Al 함량이 높은 TiAlN 서브-층에서도, fcc 결정 구조가 안정화될 수 있음이 밝혀졌다.

본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따르면, 하부 층 (LL) 은 메인 보디 (기재) 의 표면에 바로 증착된다. 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 다층 코팅은 메인 보디 (기재) 와 하부 층 (LL) 사이에 하나 이상의 추가 경질 재료 층을 포함하고, 하나 이상의 추가 경질 재료 층은 주기율표의 그룹 4a, 5a 및 6a 의 원소들 중 하나 이상, Al, Si 및 비금속 N, C, O 및 B 중의 하나 이상을 포함한다. 예를 들어, 경질 재료 층은 바람직하게는 TiN, TiC, TiCN 등으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 다층 코팅은 상부 층 (UL) 의 상부에 하나 이상의 추가 경질 재료 층을 포함할 수 있고, 하나 이상의 추가 경질 재료 층은 주기율표의 그룹 4a, 5a 및 6a 의 원소들 중 하나 이상, Al, Si 및 비금속 N, C, O 및 B 중의 하나 이상을 포함한다.

본 발명의 금속 절삭 공구의 메인 보디는 초경합금, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도 강으로 구성될 수 있다. 그러나, 본 발명의 절삭 공구는 공구의 메인 보디 (기재) 가 초경합금으로 제조되는 경우에 HRSA 및 티타늄 작업물 재료의 가공에서 개선된 특성 및 공구 수명을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 미세 입자형 텅스텐 카바이드 (WC) 상과 조합하여 비교적 높은 Co 바인더 함량을 갖는 초경합금 메인 보디가 특히 바람직하다. 그럼으로써, 공구는 인성과 경도의 유리한 조합을 나타내고, 정밀한 절삭 에지 지오메트리의 준비를 허용한다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 절삭 공구의 초경합금 메인 보디는 6 내지 20 중량% 의 Co 바인더, 또는 8 내지 16 중량% 의 Co 바인더, 또는 10 내지 14 중량% 의 Co 바인더, 또는 11 내지 13 중량% 의 Co 바인더를 포함한다. 평균 WC 입자 크기는 바람직하게는 0.3 내지 2.0 ㎛, 또는 0.4 내지 1.5 ㎛, 또는 0.5 내지 1.2 ㎛ 의 범위이다.

많은 종래의 초경합금 공구에서 일반적으로 사용되는 경우와 같이, 초경합금 공구의 평균 WC 입자 크기가 최대 약 10 ㎛ 와 같이 너무 큰 경우, 특히 약 5-10 ㎛ 정도의 반경의 날카로운 절삭 에지를 준비해야 하는 경우라면, 절삭 에지 준비 또는 에지 라운딩중에, 개별적으로 그라인딩에 의해 WC 입자가 빠지거나 끊어질 위험이 높다. 따라서, 날카롭고 더 정밀한 절삭 에지는 미세 입자 평균 WC 입자 크기를 갖는 초경합금 메인 보디에 대해 준비될 수 있다. 또한, 미세 입자 WC 입자 크기는 절삭 공구의 경도 개선에 기여한다. 그러나, 동시에, 인성 및 경도의 양호한 조합을 달성하기 위해 Co 바인더 함량을 조정하는 것이 유리하다.

본 발명에 따른 공구는 솔리드 경질 금속 (SHM) 공구 또는 인덱서블 절삭 인서트일 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 메인 보디 및 다층 코팅의 본 발명의 조합은, 솔리드 경질 금속 (SHM) 로터리 절삭 공구, 특히 작업물 재료의 ISO-S 그룹, 바람직하게는 내열 초합금 (HRSA), 티타늄, 티타늄 알파-합금, 티타늄 베타-합금, 티타늄 혼합 알파+베타-합금, 예를 들어 Ti-6Al-4V 유형의 티타늄 혼합 알파+베타-합금의 재료의 밀링을 위한 공구에서 특히 유리하다는 것이 밝혀졌다.

본 발명의 추가 특징 및 장점은 본 발명의 비제한적인 예 및 실시형태에 대한 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1 은 일반적인 엔드 밀링 커터의 마모 유형과 위치를 나타낸다. "δa" 는 커터의 결합 길이이다. "KT" 는 크레이터 마모의 깊이이다. "VB1", "VB2" 및 "VB3" 는 다른 유형의 플랭크 마모를 나타낸다.
도 2 는 다양한 유형의 플랭크 마모, 즉 "(VB1) 균일한 플랭크 마모", "(VB2) 불균일한 플랭크 마모" 및 "(VB3) 국부적인 플랭크 마모" 를 나타낸다. "δa" 는 커터의 결합 길이이다.
도 3 은 20,000 x 배율에서 하부 층 (LL) 및 상부 층 (UL) 을 갖는 본 발명의 코팅 TSS3 의 단면의 SEM 을 도시한다. 상부 층 (UL) 에서, 적층된 서브-층들 (C)-(D)-(E) 는 매우 잘 보여질 수 있으며, Si-함유 서브-층들 (E) 는 서브-층들 (C) 및 (D) 보다 어둡게 보인다. 하부 층 (LL) 에서, "주상 입자" 와 유사한 구조가 관찰될 수 있으며, 그럼으로써, 적층된 나노 서브-층들 (A)-(B) 는 개별 입자 내에 존재한다. 서브-층들 (A) 및 (B) 는 모두 서브-층 (E) 와 같은 Si 를 함유하지 않기 때문에, 서브-층들 (A) 와 (B) 사이의 콘트라스트가 매우 낮아서, 도 3 의 표현에서는 적층 구조가 보기 어렵다.
도 4 는 1,610 x 배율에서 Ti 합금 작업물 재료에 대한 절삭 테스트 후의 본 발명의 코팅 TSS3 의 단면의 SEM 을 도시한다. (HM) 은 경질 금속 기재 재료를 나타내고; (TSS3) 는 절삭 테스트 후에 남은 코팅의 나머지를 나타내고; 도 4 의 (TSS3) 보다 약간 더 밝은 (Ti) 는 공구에 부착된 작업물 재료, 특히 플랭크 마모 (VB) 가 발생한 곳에서의 "티타늄 스미어" 이다. "티타늄 스미어" 는 플랭크 마모에 의해 코팅이 마모된 영역을 채운다. (Pt) 는 본 발명의 절삭 공구의 일부가 아니라 SEM 측정에 필요한 백금 보호 층을 나타낸다.

전자 마이크로프로브 미세분석 (EMPA)

코팅의 화학적 조성은 Oxford INCA EDS 가 장착된 Supra 40VP (Carl Zeiss Microscopy GmbH, Jena, Germany) 를 사용하여 그리고 12 kV 의 가속 전압 및 스팟 당 30 초의 측정 시간에서 전자 마이크로프로브 미세분석 (EMPA) 에 의해 결정되었다.

X선 회절 (XRD)

CuKα-방사선을 사용하여 1°의 입사각을 적용하는 GI (grazing incidence) 모드에서 PANalytical Empyrean X선 회절계에서 X선 회절 측정이 수행되었다. X선 튜브는 40 kV 및 40 mA 에서 포인트 포커스로 작동되었다. 1 차측에는 2 mm 의 마스크, 1/8°의 발산 개구, 0.04°의 발산을 갖는 솔러 슬릿 (Soller slit) 을 갖는 X선 미러를 사용하는 평행 빔 옵틱이 사용되었고, 그럼으로써 샘플의 코팅된 표면에 대한 X선 빔의 유출이 회피되는 방식으로 샘플의 조사 영역이 규정되었다. 2 차측에서, 비례 계수 검출기와 함께 0.18°의 수용각을 갖는 평행판 콜리메이터가 사용되었다. XRD 반사의 분류를 위해, JCPDS 데이터베이스가 사용되었다.

경도/영계수:

경도 및 영계수 (영계수 감소) 의 측정은 Oliver 및 Pharr 평가 알고리즘을 적용한 Fischerscope® HM500 Picodentor (Helmut Fischer GmbH, Sindelfingen, Germany) 에서 나노인덴테이션 방법에 의해 수행되었으며, 여기서 Vickers 에 따른 다이아몬드 테스트 보디는 층으로 가압되었고, 측정 동안에 힘-경로 곡선이 기록되었다 (최대 로드: 15 mN; 로드/언로드 시간: 20초; 크리프 시간: 5초). 이 곡선으로부터 경도 및 (감소된) 영계수가 계산되었다. 임프레션 깊이는 코팅 두께의 10% 를 초과하지 않아야 하며, 그렇지 않으면 기재의 특성이 측정을 위조할 수 있다는 점에 유의해야 한다.

주사 전자 현미경 (SEM)

코팅의 모폴로지는 Supra 40 VP (Carl Zeiss Microscopy GmbH, Jena, Germany) 를 사용하여 주사 전자 현미경 (SEM) 에 의해 연구되었다. 횡단면은 SE2 (Everhart-Thornley) 검출기로 특성화되었다.

집중 이온 빔 (FIB) 밀링

마모된 공구의 절삭 에지의 단면은 FIB 컬럼과 함께 Zeiss Crossbeam 540 (Carl Zeiss Microscopy GmbH, Jena, Germany) 을 사용하여 준비되었다. 밀링 작업에는 30kV 로 가속된 Ga 이온이 사용되었다.

초경합금의 WC 입자 크기 결정

초경합금 또는 서멧의 평균 WC 입자 크기는 자기 보자력의 값으로부터 결정된다. WC 의 보자력과 입자 크기 사이의 관계는 예를 들어 Roebuck et al., Measurement Good Practice No. 20, National Physical Laboratory, ISSN 1368-6550, 1999 년 11 월, 2009 년 2 월 개정, 섹션 3.4.3, 페이지 19-20 에 설명되어 있다. 본 출원의 목적을 위해, WC 입자 크기 "d" 는 전술한 문헌에서 페이지 20 의 식 (8) 에 따라 결정된다: K = (c₁ + d₁W_Co) + (c₂ + d₂W_Co) / d. 하나를 다시 정리하면 다음과 같다:

d = (c₂ + d₂W_Co) / (K - (c₁ + d₁W_Co)),

여기서 d = 초경합금 보디의 WC 입자 크기, K = 초경합금 보디의 보자력 (kA/m), 여기서는 표준 DIN IEC 60404-7 에 따라 측정됨, W_Co = 초경합금 보디의 wt % Co, c₁ = 1.44 , c₂ = 12.47, d₁ = 0.04 및 d2 = -0.37.

예 1

기재:

이 예 1 에서 사용된 기재는 0.5 ㎛ 의 평균 WC 입자 크기 및 1.4 중량% 의 Cr 탄화물을 갖는 WC-12 중량% Co 의 베이스 보디로 구성된 솔리드 경질 금속 (SHM) 엔드 밀 커터였다. S1 및 S2 의 두 가지의 상이한 커터 지오메트리가 사용되었다:

코팅

PVD 코팅은 6 개의 음극 아크 소스가 장착된 상업용의 아크 증발 시스템, Innova (Oerlikon Balzers) 에서 제조되었다. 증착된 코팅 층들에서의 Ti, Al 및 Si 농도의 변화는 PVD 시스템에서 상이한 조성의 상이한 TiAl 및 TiAlSi 혼합 타겟을 사용함으로써 달성되었고, 기재는 상이한 혼합 타겟을 지나서 3 배 회전하여 주기적으로 안내되었다. 증착 전에, 기재는 30분 동안 170 V DC 기재 바이어스에서 0.21 Pa 의 Ar 압력에서 아르곤-이온 에칭 프로세스로 세정되었다. 이 예에서 제조된 서브-층들 A 내지 E 의 조성 및 이의 제조에 사용된 혼합 타겟 조성은 다음과 같았다:

코팅이 원하는 fcc 결정 구조에서만 성장하는 것을 보장하기 위해, 대략 30 nm 의 두께를 갖는 제 1 서브-층 (A) 가 기재 표면 상에 바로 증착된 후에, 후속 코팅 층들이 이어졌다. 서브-층들의 코팅 조건은 다음과 같았으며, 이에 따라 제 1 서브-층 (A) 의 아크 전류는 후속 서브-층들 (A) 에 대해 200A 대신에 175A 였다.

커터 기재 S1 및 S2 상에 본 발명에 따른 다음의 코팅이 준비되었다:

코팅의 기계적 특성 (경도 및 감소된 영계수) 은 전술한 바와 같이 측정되었고 다음과 같았다:

비교 공구들은 본 발명의 공구들과 동일한 SHM 기재 (S1 및 S2) 를 기초로 하였다. 비교 공구들은 다음과 같았다:

공구 마모의 측정

본 발명의 공구 및 비교 공구는 사이드 밀링 테스트에서 공구 마모에 대해 테스트되었다. 사용된 공구와 개별 테스트 파라미터 및 결과는 행해진 다양한 절삭 테스트에 대해 아래에 설명되어 있다.

공구 마모는 절삭 중에 공구 재료의 점진적인 손실로 인해 공구의 절삭 부분의 형상이 원래의 형상과 달라지는 것으로 정의된다. 본 경우에, 플랭크 마모 (VB) 는 본 발명의 공구와 비교 공구를 비교하기 위해 특정 공구 수명 기준으로서 측정되었다. 플랭크 마모는 플랭크 마모 랜드의 점진적인 개발로 이어지는, 절삭 중의 공구 플랭크로부터의 공구 재료의 손실로서 정의된다.

플랭크 마모 측정은 마모 랜드의 표면에 대해 평행하게 그리고 원래의 절삭 에지에 대해 수직인 방향으로, 즉 원래의 절삭 에지로부터 원래의 플랭크와 교차하는 마모 랜드의 한계까지의 거리로 수행된다. 플랭크의 상당한 부분상의 플랭크 마모 랜드가 균일한 크기일 수 있지만, 공구 프로파일 및 에지 치핑에 따라 플랭크의 다른 부분들에서 그 값의 변화가 있을 것이다. 따라서 플랭크 마모 측정의 값은 측정이 이루어지는 절삭 에지를 따르는 면적 또는 위치와 관련이 있어야 한다.

플랭크 마모 측정은 "균일한 플랭크 마모 (VB1)", "불균일한 플랭크 마모 (VB2)"및 "국부적인 플랭크 마모 (VB3)" (도 2 참조) 를 구분한다. "균일한 플랭크 마모 (VB1)" 에서, 마모 랜드는 일반적으로 일정한 폭을 가지며, 작용 절삭 에지의 전체 길이에 인접한 공구 플랭크의 해당 부분에 걸쳐 연장된다. "불균일한 플랭크 마모 (VB2)" 에서, 마모 랜드는 불규칙한 폭을 가지며, 마모 랜드와 원래의 플랭크의 교차에 의해 생성된 프로파일은 각각의 측정 위치에서 변한다. "국부적인 플랭크 마모 (VB3)" 는 위치 1, 2 및 3 에서 도 1 에 표시된, 플랭크의 특정 부분에서 발생하는 과장되고 국부적인 형태의 플랭크 마모이다. 위치 1 및 2 는 공구의 단부에서 반경의 플랭크에 있고 (여기서는 "코너" 라고도 함), 위치 3 은 본질적으로 절삭 깊이 ("DOC") 에서 절삭 에지의 대향 단부에 있다. 절삭 깊이 (위치 3) 에서의 국부적인 플랭크 마모 (VB3) 는 때때로 노치 마모라고도 한다.

여기에서의 절삭 테스트에서, 국부적인 플랭크 마모 (VB3) 는 "코너" (위치 1 및 2) 및 "DOC" (위치 3) 에서 측정되었는데, 이는 플랭크 마모가 이들 위치에서 가장 높았기 때문이다. "VB3_평균" 은 공구의 모든 절삭 에지 (예: S1 = 6 절삭 에지; S2 = 4 절삭 에지) 및 각 유형의 공구 (코팅) 로 수행된 3 개의 절삭 테스트에서 측정된 모든 VB3 값들 (특정 위치) 의 평균을 의미한다. "VB3_최대" 는 공구의 모든 절삭 에지 및 각 유형의 공구 (코팅) 로 수행된 3 개의 절삭 테스트에서 측정 된 모든 VB3 값들 (특정 위치) 의 최고 VB3 값이다.

절삭 테스트 1:

각각 커터 지오메트리 S1 을 기반으로 하는 본 발명의 공구 및 비교 공구가 사이드 밀링 테스트에서 테스트되었고, 국부적인 플랭크 마모가 측정되었다. 절삭 조건은 다음 표에 요약되어 있다.

사전 규정된 수의 패스후에 또는 코너에서 VB3 ≥ 0.2 mm 의 평균 국부적 플랭크 마모로 가공이 중단되었다.

다음 표는 "절삭 사이클 No.", "절삭 시간", "거리" 및 "패수 횟수" 사이의 변환을 보여준다.

이 테스트에서, 절삭 에지 반경 ("코너"; 위치 1 및 2) 에서 마모 최대값이 관찰되었으므로, 측정된 값이 고려되었다. 결과는 다음 표에 나와 있다.

절삭 테스트 2:

각각 커터 지오메트리 S2 를 기반으로 하는 본 발명 공구 및 비교 공구가 사이드 밀링 테스트에서 테스트되었고, 국부적인 플랭크 마모가 측정되었다. 절삭 조건은 다음 표에 요약되어 있다.

다음 표는 "절삭 사이클의 수", "절삭 시간", "거리" 및 "패스 No." 사이의 변환을 보여준다.

본 발명에 따른 코팅으로 코팅된 공구의 마모는 코너 (위치 1 및 2) 및 DOC (위치 3) 에서 매우 고른 마모를 나타냄을 알 수 있고, 따라서 TSS1 으로 코팅된 공구가 테스트에서 유일하게 남아있는 공구일때까지 테스트가 수행되었다. 비교 공구는 160 패스에서 코너 (위치 1 및 2) 에서보다도 DOC (위치 3) 에서 훨씬 높은 마모를 보였으며, 230 패스에 도달하지 못했다 (스톱 기준 도달).

절삭 테스트 3:

절삭 테스트 3 의 가공 조건은 다소 까다롭기 때문에, 공구들은 비교적 적은 수의 패스 후에 마모되었다.

절삭 테스트 4:

이 테스트에서는, 미코팅된 공구 (COMP1) 도 테스트되었는데, 그 이유는 미코팅된 공구가 이 분야에서 여전히 사용되고 있기 때문이며, 티타늄 가공에 있어서 일부 응용에서는 코팅으로 인한 이점이 관찰되지 않았으며, 엔드 밀의 분야에서는 공구가 코팅되지 않은 채로 사용되면 공구의 재조정이 훨씬 쉽고 빠르기 때문이다. 공구 수명이 끝나기 전에 테스트는 중단되었다.

Claims

초경합금, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속도 강으로 제조된 메인 보디 및 다층 마모 방지 코팅을 포함하는 금속 절삭 공구로서,
상기 마모 방지 코팅은
- 0.25 < m < 0.55 의 전체 조성 Ti_mAl_(1-m)N 을 가지는 하부 층 (LL) 으로서, 상기 하부 층 (LL) 의 전체 두께가 500 nm 내지 3 ㎛ 인, 상기 하부 층 (LL) 을 포함하고,
상기 하부 층 (LL) 은 시퀀스 (A-B-A-B-…) 를 갖는 50 내지 600 페어 (pairs) 의 교대로 적층된 서브-층들 (A) 및 (B) 로 이루어지고,
상기 서브-층들 (A) 는 0.45 ≤ a ≤ 0.55 의 Ti_aAl_(1-a)N 의 조성 및 1 nm 내지 10 nm 의 두께를 갖고, 서브-층들 (A) 및 (B) 의 층 스택의 제 1 서브-층 (A) 는 5 nm 내지 50 nm 의 층 두께를 갖고,
상기 서브-층들 (B) 는 0.25 ≤ b ≤ 0.40 의 Ti_bAl_(1-b)N 의 조성 및 1 nm 내지 10 nm 의 두께를 갖고,
상기 서브-층들 (A) 및 (B) 는 (a-b) ≥ 0.10 의 상이한 화학량론적 조성을 갖고,
또한 상기 마모 방지 코팅은
- 상기 하부 층 (LL) 상에 바로 증착되고 n + o + p = 1 및 0.30 ≤ n ≤ 0.50, 0.40 ≤ o ≤ 0.60 및 0.05 ≤ p ≤ 0.20 인 전체 조성 Ti_nAl_oSi_pN 을 갖는 상부 층 (UL) 으로서, 상기 상부 층 (UL) 의 전체 두께가 500 nm 내지 3 ㎛ 인, 상기 상부 층 (UL) 을 포함하고,
상기 상부 층 (UL) 은 시퀀스 (C-D-E-C-D-E-…) 를 갖는 30 내지 400 트리플 (triples) 의 교대로 적층된 서브-층들 (C), (D) 및 (E) 로 이루어지고,
상기 상부 층 (UL) 의 상기 서브-층들 (C) 는 상기 하부 층 (LL) 의 상기 서브-층들 (A) 과 동일한 방식으로 규정되고, 상기 상부 층 (UL) 의 상기 서브-층들 (D) 는 상기 하부 층 (LL) 의 상기 서브-층들 (B) 와 동일한 방식으로 규정되고,
상기 서브-층들 (C) 및 (D) 는 (a-b) ≥ 0.10 의 상이한 화학량론적 조성을 갖고,
상기 서브-층들 (E) 는 x + y + z = 1 및 0.20 ≤ x ≤ 0.45, 0.20 ≤ y ≤ 0.45 및 0.20 ≤ z ≤ 0.45 의 Ti_xAl_ySi_zN 의 조성 및 1 nm 내지 10 nm 의 두께를 갖는, 금속 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 다층 마모 방지 코팅은 PVD 공정에 의해, 보다 바람직하게는 음극 아크 증착 (Arc-PVD) 에 의해 상기 메인 보디에 적용되는 것을 특징으로 하는 금속 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 상부 층 (UL) 의 상부 및/또는 기재와 상기 하부 층 (LL) 사이에 하나 이상의 추가 경질 재료 층을 추가로 포함하고, 상기 하나 이상의 추가 경질 재료 층은 주기율표의 그룹 4a, 5a 및 6a 의 원소들 중 하나 이상, Al, Si 및 비금속 N, C, O 및 B 중의 하나 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 금속 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하부 층 (LL) 은 기재의 표면에 바로 증착되는 것을 특징으로 하는 금속 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메인 보디는 초경합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 금속 절삭 공구.
제 5 항에 있어서,
상기 초경합금이 6 내지 20 중량% 의 Co 바인더, 또는 8 내지 16 중량% 의 Co 바인더, 또는 10 내지 14 중량% 의 Co 바인더, 또는 11 내지 13 중량% 의 Co 바인더를 함유하는 것을 특징으로 하는 금속 절삭 공구.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 초경합금은 0.3 내지 2.0 ㎛, 또는 0.4 내지 1.5 ㎛, 또는 0.5 내지 1.2 ㎛ 의 평균 WC 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공구는 솔리드 경질 금속 (SHM) 로터리 절삭 공구, 바람직하게는 밀링 공구인 것을 특징으로 하는 금속 절삭 공구.
작업물 재료의 ISO-S 그룹, 바람직하게는 내열 초합금 (HRSA), 티타늄, 티타늄 알파-합금, 티타늄 베타-합금, 티타늄 혼합 알파+베타-합금, 바람직하게는 Ti-6Al-4V 유형의 티타늄 혼합 알파+베타-합금의 강의 밀링을 위한 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 공구의 용도.