KR20200010252A

KR20200010252A - 코팅된 절삭 공구의 제조 방법 및 코팅된 절삭 공구

Info

Publication number: KR20200010252A
Application number: KR1020197034007A
Authority: KR
Inventors: 파이트 쉬어; 도미닉 디흘레
Original assignee: 발터 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2017-05-24
Filing date: 2018-05-22
Publication date: 2020-01-30
Also published as: US12037675B2; WO2018215408A1; CN110651067B; JP2020520819A; EP3406761A1; US20200123647A1; CN110651067A

Abstract

본 발명은 코팅된 절삭 공구의 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 제조 방법은 기재에 Ti, Zr, Hf, V, Ta, Nb, Si, Cr 및 Al 중 하나 이상의 질화물인 0.5 ~ 10 μm 질화물층을 증착하는 단계, 이후에 Al 또는 Al+Me 를 증착하는 단계, 추가로 이후에, (Al_aMe_1-a)₂O₃ 층인 0.1 ~ 5 μm 산화물층을 증착하는 단계로서, 0.05≤a≤1, Me 는 Ti, Mg, Ag, Zr, Si, V, Fe, Hf, B 및 Cr 중 하나 이상인, 상기 산화물층을 증착하는 단계를 포함하고, 상기 층들은 마그네트론 스퍼터링에 의해서 증착된다. 또한, 코팅된 절삭 공구는 상기 질화물층과 상기 산화물층을 포함하는 코팅을 갖는 기재를 포함하고, 상기 코팅은 상기 질화물층과 상기 산화물층 사이의 인터페이스에서 상기 산화물층에서의 (Al,Me,O) 의 개재물들, 및/또는 상기 질화물층과 상기 산화물층 사이에 끼어서 위치된 (Al,Me,O) 의 층을 갖는다.

Description

코팅된 절삭 공구의 제조 방법 및 코팅된 절삭 공구

본 발명은 금속 질화물 및 알루미늄 함유 산화물을 포함하는 코팅을 갖는 코팅된 절삭 공구의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 코팅된 절삭 공구에 관한 것이다.

더 오래 지속되고, 더 높은 절삭 속도들 및/또는 다른 점진적으로 요구되는 절삭 작업들을 견디도록 금속 기계 가공을 위한 절삭 공구들을 개선하려는 지속적인 요구가 있다. 보통, 금속 기계 가공을 위한 절삭 공구는 화학 기상 증착 (CVD) 또는 물리적 기상 증착 (PVD) 에 의해서 일반적으로 증착되는 얇은 경질 코팅을 갖는 초경합금과 같은 경질 기재 재료를 포함한다.

상기 코팅은 종종 상이한 화학적 조성의 2 개 이상의 개별 층들의 조합을 포함한다. 상기 코팅의 최내층과 기재 재료 사이의 접착의 중요성과는 별도로, 공구 수명에 영향을 미치는 또 다른 중요한 인자는 상기 코팅 내의 개별 층들 사이의 접착이다.

금속 질화물, 예를 들면, (Ti,Al)N, 및 산화물층, 예를 들면, 산화 알루미늄의 층 조합들은 공지되어 있고, 그리고 일반적으로 다양한 작업들에서 양호한 절삭 성능을 제공한다.

초경 공구 전체의 높은 인성이 중요하다. 더 높은 온도들에서의 증착은 초경 기재의 인성을 감소시키게 된다. 이것은 파손의 위험이 더 높아지게 한다. 기재 및 금속 질화물층의 인성을 충분히 높게 유지하기 위하여, 비교적 낮은 온도에서 산화물층을 증착하는 것을 원할 수 있다. 하지만, 이 때 접착 문제들이 금속 질화물층과 산화물층 사이에서 발생하여 공구 수명을 더 단축시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 금속 질화물층과 알루미늄 함유 산화물층 사이의 상기 언급된 접착 문제들을 극복하고, 그리고 공구 수명이 개선된 절삭 공구를 제공하는 것이다.

이제, 상기 언급된 목적에 대한 해결책을 제공하는 코팅된 절삭 공구의 제조 방법이 제공된다.

상기 제조 방법은 기재에 Ti, Zr, Hf, V, Ta, Nb, Cr, Si 및 Al 중 하나 이상의 질화물인 0.5 ~ 10 μm 질화물층을 증착하는 단계, 이후에 Al 또는 Al+Me 를 증착하는 단계, 추가로 이후에, (Al_aMe_1-a)₂O₃ 층인 0.1 ~ 5 μm 산화물층을 증착하는 단계로서, 0.05≤a≤1, Me 는 Ti, Mg, Ag, Zr, Si, V, Fe, Hf, B 및 Cr 중 하나 이상인, 상기 산화물층을 증착하는 단계를 포함하고, 상기 층들은 마그네트론 스퍼터링에 의해서 증착된다.

적합하게는, 증착된 Al 또는 Al+Me 에서, 원자비 Al/(Al+Me) 는 0.05 ~ 1, 또는 0.1 ~ 1, 또는 0.25 ~ 1, 또는 0.5 ~ 1, 또는 0.75 ~ 1 이다.

증착된 Al 또는 Al+Me 는 연속층 또는 섬들 (islands) 을 형성할 수 있다. 여기서 "섬들" 은 기저 (underlying) 질화물층이 노출되도록 증착된 Al 또는 Al+Me 의 개별 영역들을 의미한다. 증착된 섬들의 평면도 SEM 이미지인 도 1 의 참조.

증착된 Al 또는 Al+Me 는 또한 상기 규정된 바와 같이, 질화물층의 일부 영역들에서 연속층을 형성할 수 있고, 그리고 질화물층의 일부 영역들에서 섬들을 형성할 수 있다.

일 실시 형태에서, Al 또는 Al+Me 는 질화물층 영역의 적어도 25%, 또는 질화물층 영역의 적어도 50%, 또는 질화물층 영역의 적어도 75% 를 덮는 섬들을 형성하여 증착된다.

섬들의 폭은 표면 평면에 평행한 방향으로 이들의 가장 긴 연장부에서 최대 약 300 nm 일 수도 있다. 섬들의 평균 폭은, 표면 평면에 평행한 방향으로 이들의 가장 긴 연장부에서, 적합하게는 적어도 1 (μm)² 의 영역에 걸쳐서 측정된 2 ~ 200 nm, 또는 5 ~ 100 nm, 또는 5 ~ 80 nm, 또는 10 ~ 60 nm 일 수도 있다.

섬들의 두께는 2 ~ 200 nm, 또는 5 ~ 150 nm, 또는 10 ~ 100 nm 일 수도 있다.

섬들의 두께에 대한 폭의 애스팩트비는 적합하게는 1 ~ 50, 또는 5 ~ 25 이다.

증착된 Al 또는 Al+Me 의 연속층의 경우, Al 또는 Al+Me 층의 두께는 2 ~ 200 nm, 또는 5 ~ 150 nm, 또는 10 ~ 100 nm 일 수도 있다.

일 실시 형태에서, 마그네트론 스퍼터링 동안 기재 온도는 350 ~ 600℃ 또는 400 ~ 500℃ 이다.

일 실시 형태에서, 마그네트론 스퍼터링은 고출력 임펄스 마그네트론 스퍼터링 (HIPIMS) 이다.

HIPIMS 에 의한 질화물층의 증착의 경우, DC 바이어스 전압은 적합하게는 20 ~ 100 V, 또는 30 ~ 75 V 이다.

질화물층의 증착에서 HIPIMS 프로세스에서 사용되는 펄스 동안의 최대 국부 피크 전력 밀도는 적합하게는 100 W·cm^-2 초과, 또는 500 W·cm^-2 초과, 또는 900 W·cm^-2 초과이다.

질화물층의 증착에서 HIPIMS 프로세스에서 사용되는 펄스 동안의 최대 국부 피크 전류 밀도는 적합하게는 0.4 A·cm^-2 초과, 또는 0.8 A·cm^-2 초과, 또는 1.2 A·cm^-2 초과이다.

HIPIMS 에 의한 질화물층의 증착의 경우, 평균 전력 밀도는 적합하게는 20 ~ 100 W·cm^-2, 또는 30 ~ 75 W·cm^-2 이다.

HIPIMS 에 의한 Al 또는 Al+Me 층의 증착의 경우, 단극 바이어스 전압은 적합하게는 20 ~ 200 V, 또는 50 ~ 175 V, 또는 75 ~ 150 V 이다.

HIPIMS 에 의한 Al 또는 Al+Me 층의 증착의 경우, 평균 전력 밀도는 적합하게는 2 ~ 25 W·cm^-2, 또는 5 ~ 15 W·cm^-2 이다.

HIPIMS 에 의한 산화물층의 증착의 경우, 단극 바이어스 전압은 적합하게는 20 ~ 400 V, 또는 50 ~ 200 V, 또는 75 ~ 150 V 이다.

산화물층의 증착에서 HIPIMS 프로세스에서 사용되는 펄스 동안의 최대 국부 피크 전력 밀도는 적합하게는 50 W·cm^-2 초과, 또는 100 W·cm^-2 초과, 또는 200 W·cm^-2 초과이다.

HIPIMS 에 의한 산화물층의 증착의 경우, 평균 전력 밀도는 적합하게는 5 ~ 150 W·cm^-2, 또는 10 ~ 60 W·cm^-2 이다.

산화물층의 증착에서 HIPIMS 프로세스에서 사용되는 펄스 동안의 최대 국부 피크 전류 밀도는 적합하게는 0.2 A·cm^-2 초과, 또는 0.4 A·cm^-2 초과, 또는 0.6 A·cm^-2 초과이다.

질화물층의 증착 및 산화물층의 증착 둘 다에서 HIPIMS 프로세스에서 사용되는 펄스 길이는 적합하게는 2 μs ~ 200 ms, 또는 10 μs ~ 100 ms 이다.

질화물층은 일반식 Ti_bZr_cHf_dV_eTa_fNb_gCr_hSi_iAl_jN 으로 표현될 수 있으며, 여기서 0≤b≤1, 0≤c≤1, 0≤d≤1, 0≤e≤1, 0≤f≤1, 0≤g≤1, 0 ≤h≤1, 0≤i≤1, 0≤j≤1, b+c+d+e+f+g+h+i+j = 1.

일 실시 형태에서, 질화물층은 Al 과 Zr, Hf, V, Ta, Nb, Si 및 Cr 중 하나 이상의 질화물, 바람직하게는 Al 과 Ti 및 Cr 중 하나 이상의 질화물이다.

일 실시 형태에서, 질화물층은 일반식 Ti_bAl_1-bN 의 (Ti,Al)N 층이며, 여기서 0<b<1, 또는 0.1<b<0.9, 또는 0.2<b<0.7, 또는 0.3<b<0.6.

일 실시 형태에서, 질화물층은 일반식 Ti_bCr_hAl_1-b-hN 의 (Ti,Al,Cr)N 층이며, 여기서 0<b<1, 0<h<1, 0<b+h<1. 일 실시 형태에서, 0.1<b<0.9 및 0.05<h<0.8, 또는 0.2<b<0.8 및 0.05<h<0.5.

일 실시 형태에서, 질화물층은 일반식 Cr_hAl_1-hN 의 (Al,Cr)N 층이며, 여기서 0<h<1. 일 실시 형태에서, 0.2<h<0.8, 또는 0.25<h<0.75, 또는 0.25<h<0.35.

적합하게는, (Al_aMe_1-a)₂O₃ 층에서, 0.1≤a≤1, 또는 0.25≤a≤1, 또는 0.5≤a≤1, 또는 0.75≤a≤1, 또는 0.25≤a≤0.9 또는 0.25≤a≤0.7.

일 실시 형태에서, (Al_aMe_1-a)₂O₃ 층은 (Al_aCr_1-a)₂O₃ 층이다.

일 실시 형태에서, (Al_aMe_1-a)₂O₃ 층은 Al₂O₃ 층이다.

Al₂O₃ 층은 적합하게는 감마 결정 조직이다.

(Al_aMe_1-a)₂O₃ 층은 적합하게는 감마 결정 조직이다.

이제 또한, Al 과 추가로 Ti, Zr, Hf, V, Ta, Nb, Cr 및 Si 중 하나 이상의 질화물의 층인 질화물층과, 상기 질화물층 위에 위치되는 산화물층 (A) 을 포함하고, 상기 산화물층 (A) 은 (Al_aMe_1-a)₂O₃ 층이고, 0.05<a≤1, Me 는 Ti, Mg, Ag, Zr, Si, V, Fe, Hf, B 및 Cr 중 하나 이상인 코팅을 갖는 기재를 포함하는 코팅된 절삭 공구가 제공되고, 상기 코팅은,

- 평균 원자비 (Al+Me)/O 가 2/3 이상인 산화물층 (A) 에서의 (Al,Me,O) 의 개재물들 (inclusions) 로서, 상기 (Al,Me,O) 의 개재물들은 코팅의 질화물층과 산화물층 (A) 사이의 인터페이스에서 출발하여, 표면 평면에 수직인 단면 절단으로부터 결정되는 바와 같이, 상기 산화물층 (A) 의 상부 표면을 향하는 방향으로 2 내지 200 nm 연장되는, 상기 (Al,Me,O) 의 개재물들, 및/또는,

- 평균 원자비 (Al+Me)/O 가 2/3 초과이고, 질화물층과 산화물층 (A) 사이에 끼어서 위치되는 (Al,Me,O) 의 층 (B) 으로서, 상기 (Al,Me,O) 의 층 (B) 의 두께가 2 ~ 200 nm 인, 상기 (Al,Me,O) 의 층 (B) 을 갖는다.

층 (B) 에서 뿐만 아니라 (Al,Me,O) 의 개재물들에서, 원자비 Al/(Al+Me) 는 적합하게는 0.05 ~ 1, 또는 0.1 ~ 1, 또는 0.25 ~ 1, 또는 0.5 ~ 1, 또는 0.75 ~ 1 이다.

일 실시 형태에서, 코팅은 질화물층 옆의 인터페이스 구역에서 질화물층과 산화물층 (A) 사이의 인터페이스로부터 시작하는 (Al,Me,O) 의 개재물들을 갖는다. (Al,Me,O) 의 개재물들은 산화물층 (A) 의 증착 프로세스 동안 부분적으로 또는 완전히 산화된 증착된 금속성 Al 또는 Al+Me 섬들로부터 유래된다.

따라서, 일 실시 형태에서, (Al,Me,O) 의 개재물들은 2/3 초과의 평균 원자비 (Al+Me)/O, 즉, 나머지 산화물층에서 보다 더 높은 상대적인 Al+Me 함량을 갖는다.

또 다른 실시 형태에서, (Al,Me,O) 의 개재물들은 완전히 산화된다. 따라서, (Al,Me,O) 의 개재물들은 2/3 의 평균 원자비 (Al+Me)/O 를 갖고 나머지 산화물층 (A) 과 또 다른 결정 조직이다. 일 실시예는 나머지 산화물층 (A) 이 감마 결정 조직이고, 그리고 (Al,Me,O) 의 개재물들은 알파 또는 카파 결정 조직인 것이다.

개재물들의 평균 폭은 적합하게는 적어도 1 μm 의 길이에 걸쳐서 측정된, 코팅의 표면 평면에 수직인 단면 절단으로부터 결정된 바와 같이, 2 ~ 200 nm, 또는 5 ~ 100 nm, 또는 5 ~ 50 nm, 또는 10 ~ 30 nm 일 수도 있다.

개재물들은 표면 평면에 수직인 단면 절단으로부터 결정된 바와 같이, 코팅의 산화물층 (A) 의 상부 표면을 향하는 방향으로 5 ~ 150 nm, 또는 10 ~ 100 nm 로 연장될 수 있다.

일 실시 양태에서, (Al,Me,O) 의 개재물들에서의 Al+Me 함량은 평균적으로 40 ~ 100 at.%, 또는 45 ~ 95 at.%, 또는 50 ~ 75 at.% 이다.

일 실시 형태에서, 코팅은 질화물층과 산화물층 (A) 사이에 끼어서 위치된 (Al,Me,O) 의 층 (B) 을 갖는다. (Al,Me,O) 의 층 (B) 은 산화물층 (A) 의 증착 프로세스 동안 부분적으로 산화된 증착된 금속성 Al 또는 Al+Me 층으로부터 유래된다.

따라서, 일 실시 형태에서, 2/3 초과의 평균 원자비 (Al+Me)/O, 즉, 위에 위치된 산화물층 (A) 에서 보다 더 높은 상대적인 Al+Me 함량을 갖는 (Al,Me,O) 의 층 (B) 이 존재한다.

(Al,Me,O) 의 층 (B) 의 두께는 2 ~ 200 nm, 또는 5 ~ 150 nm, 또는 10 ~ 100 nm 일 수도 있다.

일 실시 형태에서, (Al,Me,O) 의 층 (B) 에서의 Al+Me 함량은 평균적으로 >40 at.% 및 ≤100 at.%, 또는 ≥45 at.% 및 ≤95 at.%, 또는 ≥50 at.% 및 ≤75 at.% 이다.

일 실시 형태에서, 코팅된 절삭 공구는 코팅의 표면을 향하는 방향으로 질화물층 옆에 100 nm 인터페이스 구역에서 2/3 초과의 평균 원자비 금속 대 산소, (Al+Me)/O 를 갖는다.

인터페이스 구역은 여기서 질화물층 바로 위의 코팅의 100 nm 부분으로 규정된다.

인터페이스 구역에서, 평균 원자비 금속 대 산소, (Al+Me)/O 는 적합하게는 0.70 초과, 또는 0.75 초과이다.

인터페이스 구역에서 평균 원자비 금속 대 산소, (Al+Me)/O 의 상한은 적합하게는 0.85, 또는 0.80 또는 0.75 이다.

질화물층의 두께는 적합하게는 0.5 ~ 5 ㎛ 또는 1 ~ 4 ㎛ 이다.

산화물층 (A) 의 두께는 적합하게는 0.1 ~ 5 ㎛, 또는 0.3 ~ 3 ㎛, 또는 0.5 ~ 1 ㎛ 이다.

일 실시 형태에서, (Al_aMe_1-a)₂O₃ 층은 Al₂O₃ 층이다.

Al₂O₃ 층은 적합하게는 감마 결정 조직이다.

(Al_aMe_1-a)₂O₃ 층은 적합하게는 감마 결정 조직이다.

일 실시 형태에서, 산화물층 (A) 은 코팅의 최상층이다.

일 실시 형태에서, 코팅은 마모 방지, 장식 또는 마모 인식 목적들을 위하여 산화물층 (A) 의 상부에 추가의 층을 갖는다. 이 최상층은 적합하게는 0.1 ~ 10 μm 의 두께를 갖고, 그리고, 예를 들면, TiN, (Ti,Al)N, CrN, HfN 과 같은 질화물들, TiC 와 같은 탄화물들, TiB₂ 와 같은 붕화물들 또는 (AlMe)₂O₃, ZrO₂, TiO₂, V₂O₅ (금속성 중간층들 포함) 와 같은 산화물들 또는 전술한 다중 층들일 수 있다.

코팅은 적합하게는 그 표면에 타겟 재료의 액적들이 실질적으로 없다.

코팅의 산화물층 (A) 은 바람직하게 PVD 산화물층이고, 즉 코팅의 산화물층 (A) 은 PVD 프로세스, 바람직하게는 마그네트론 스퍼터링, 가장 바람직하게는 HIPIMS 에 의해서 증착된다.

코팅의 질화물층은 바람직하게 PVD 질화물층이고, 즉 코팅의 질화물층은 PVD 프로세스, 바람직하게는 마그네트론 스퍼터링, 가장 바람직하게는 HIPIMS 에 의해서 증착된다.

코팅된 절삭 공구의 기재는 금속 기계 가공을 위한 절삭 공구들의 분야에서 공통적인 임의의 종류일 수 있다. 기재들은 초경합금, 서밋, cBN, 세라믹, PCD 및 HSS 를 포함한다.

일 실시 형태에서, 기재는 원소들의 주기율표에서 4족, 5족 및 6족으로부터 하나 이상의 금속들의 6 ~ 12 wt% Co, 선택적으로 최대 10 wt% 탄화물들 또는 탄화질화물들 및 잔부 WC 의 조성을 갖는 초경합금이다.

원소들의 주기율표에서 4족, 5족 및 6족의 금속들은 적합하게는 Ti, Ta, Nb, V, Zr, Cr, W 및 Mo 의 그룹에 속한다.

초경합금 바디에서의 WC 의 결정 입자 크기 (d) 는 적합하게는 0.2 ~ 5 ㎛, 또는 0.5 ~ 2 ㎛ 이다. WC 의 결정 입자 크기 (d) 는 자기 보자력의 값으로부터 결정된다. WC 의 보자력과 결정 입자 크기 사이의 관계는, 예를 들면, Measurement Good Practice No. 20 (Roebuck et al., National Physical Laboratory, ISSN 1368-6550, 1999년 11월, 2009년 2월 개정, 섹션 3.4.3, 페이지 19 ~ 20) 에 기재되어 있다.

코팅된 절삭 공구는 선삭을 위한 코팅된 절삭 인서트, 또는 밀링을 위한 코팅된 절삭 인서트, 또는 드릴링을 위한 코팅된 절삭 인서트, 또는 나사 가공을 위한 코팅된 절삭 인서트, 또는 절단 가공 (parting) 및 홈 가공을 위한 코팅된 절삭 인서트와 같은 코팅된 절삭 인서트일 수 있다. 코팅된 절삭 공구는 또한 코팅된 솔리드 드릴, 엔드 밀 또는 탭일 수 있다.

바람직한 실시 형태에서, 코팅된 절삭 공구는 코팅된 솔리드 드릴 또는 코팅된 엔드 밀이다.

도 1 은 증착된 섬들의 평면도 SEM 이미지이다.

실시예들

실시예 1 (발명)

10 wt% Co, 0.4 wt% Cr 및 잔부 WC 의 조성을 갖는 초경합금 솔리드 엔드 밀 블랭크들이 제공되었다.

보자력으로부터 결정된 WC 의 결정 입자 크기는 약 0.5 μm 였다.

샘플 1:

(Ti,Al)N 층은 US 2014/0339917A1 의 설명에 따라 제공된 순차적인 전력 펄스들을 사용하여 HIPIMS 에 의해서 증착되었다. 이하의 프로세스 파라미터들/조건들이 사용되었다:

총 압력: 0.60 Pa

Ar-압력: 0.43 Pa

N₂-압력: 0.17 Pa

기재 온도: 430℃

바이어스 전압: -40 V DC

바이어스 전류: -4.1 A

전력: 3x Ti40Al60-타겟들에서 27.8 kW

타겟 직경: 160 mm

평균 전력 밀도: 46.1 W·cm^-2

펄스의 작동 시간 (on-time of pulse):7.56 ms

펄스 주파수: 20 Hz

증착 시간: 180 분

층 두께는 2.8 ㎛ 로 측정되었다. 증착된 (Ti,Al,)N 층의 경도는 3300HV0.015 로 측정되었다. 감소된 탄성 계수는 450 GPa 로 측정되었다.

게다가, 금속성 (Al,Cr) (사용된 Al-타겟에서 Cr-함유 프린지로 인한 소량의 Cr) 은 순차적인 전력 펄스들을 사용하여 HIPIMS 에 의해서 증착되었다. 이하의 프로세스 파라미터들/조건들이 사용되었다:

Ar-압력: 0.6Pa (= 총 압력)

기재 온도: 430℃

바이어스 전압: 100V 단극 펄스

바이어스 전류: -0.2 A, +0.3 A

바이어스 작동 시간: 10 μs

바이어스 비작동 시간: 10 μs

전력: 3x Al-타겟들 (Al50Cr50 프린지가 있음) 에서 5 kW

타겟 직경: 160 mm

평균 전력 밀도: 8.3 W·cm^-2

펄스의 작동 시간: 50 ms

펄스 주파수: 6.67 Hz

증착 시간: 13 초

(Al, Cr) 은 (Ti,Al)N 표면 상에 약 2 ~ 20 nm 의 두께의 섬들의 형태로 존재하였다. 도 1 은 섬들이 보이는 평면도 SEM 이미지를 보여준다.

게다가, (Al,Cr)₂O₃ 층 (Cr 을 약간 함유함) 은 WO2013083238A1 의 설명에 따라 제공된 순차적인 전력 펄스들을 사용하여 HIPIMS 에 의해서 증착되었다. 이하의 프로세스 파라미터들/조건들이 사용되었다:

총 압력: 0.72 Pa

Ar-압력: 0.6 Pa

O₂-압력: 0.12 Pa

기재 온도: 430℃

바이어스 전압: 100V 단극 펄스

바이어스 전류: -1.2 A, +1.3 A

바이어스 작동 시간: 10 μs

바이어스 비작동 시간: 10 μs

전력: 3x Al-타겟들 (Al50Cr50 프린지가 있음) 에서 10 kW

타겟 직경: 160 mm

평균 전력 밀도: 16.6 W·cm^-2

펄스의 작동 시간: 50 ms

펄스 주파수: 6.67 Hz

증착 시간: 140 분

증착된 (Al,Cr)₂O₃ 층은 XRD 에 의해서 감마-Al₂O₃ 층인 것으로 결정되었다. 층 두께는 0.65 ㎛ 로 측정되었다. 증착된 (Al,Cr)₂O₃ 층의 경도는 2800HV0.015 로 측정되었다. 감소된 탄성 계수는 370 GPa 로 측정되었다.

샘플 2:

(Ti,Al)N/(Al,Cr)/(Al,Cr)₂O₃ 는 샘플 1 의 경우와 동일한 절차를 사용하지만 (Al,Cr) 층을 증착할 때 전력의 절반인 2.5 kW 를 사용하여 증착되었다. 이것은 더 적은 양의 증착된 (Al,Cr) 을 달성했다.

샘플 3:

(Ti,Al)N/(Al,Cr)/(Al,Cr)₂O₃ 는 샘플 1 의 경우와 동일한 절차를 사용하지만 (Al,Cr) 층을 증착할 때 더 긴 증착 시간 (약 27 초) 을 사용하여 증착되었다. 이것은 더 많은 양의 증착된 (Al,Cr) 을 달성했다.

샘플 4:

질화물과 산화물층 사이에 임의의 증착된 금속성 (Al,Cr) 이 없는 비교예의 샘플은 (Ti,Al)N 층 및 (Al,Cr)₂O₃ 층의 증착에 대하여 샘플 1 의 경우와 동일한 절차를 사용함으로써 제조되었다.

이어서, 코팅된 엔드 밀들은 강에서 밀링 작업으로 테스트되었다.

공작물 재료: 1.2311 강

기계 : Grob G550

V_c = 140 m/분 (분당 미터 단위의 절삭 속도)

f_z = 0.04 mm/잇날 (잇날당 밀리미터 단위의 이송 속도)

액체 냉각

a_p= 4.0 mm

a_e= 10.0 mm

솔리드 원형 엔드 밀을 위한 공구의 기하학적 구조는 Walter Prototyp Protomax ST, 직경 10 mm, 4 플루트, 코너 챔퍼 0.1 mm 이었다. 이 테스트에서 사용된 모든 공구들은 동일한 제조 오더로부터 나왔다.

공구 수명의 차단 기준은 메인 절삭 에지 및 챔퍼 중 적어도 하나에 대하여 75 μm 마모이다.

표 1 은 결과들을 나타낸다:

질화물과 산화물층 (샘플 4) 사이에 임의의 금속성 (Al,Cr) 의 임의의 증착이 없이 제조된 코팅은 30 m 총 밀링 길이 후에 이미 차단 기준에 도달한 것으로 결론지었다.

질화물과 산화물층 사이에 금속성 (Al,Cr) 의 증착을 포함하여 제조된 코팅을 갖는 모든 샘플들은 비교예의 샘플 4 를 능가하였다.

Claims

코팅된 절삭 공구의 제조 방법으로서, 상기 제조 방법은,
기재에 Ti, Zr, Hf, V, Ta, Nb, Cr, Si 및 Al 중 하나 이상의 질화물인 0.5 ~ 10 μm 질화물층을 증착하는 단계, 이후에
Al 또는 Al+Me 를 증착하는 단계, 추가로 이후에,
(Al_aMe_1-a)₂O₃ 층인 0.1 ~ 5 μm 산화물층을 증착하는 단계로서, 0.05≤a≤1, Me 는 Ti, Mg, Ag, Zr, Si, V, Fe, Hf, B 및 Cr 중 하나 이상인, 상기 산화물층을 증착하는 단계를 포함하고,
상기 층들은 마그네트론 스퍼터링에 의해서 증착되는, 코팅된 절삭 공구의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 마그네트론 스퍼터링 동안 기재 온도는 350 ~ 600℃ 인, 코팅된 절삭 공구의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 마그네트론 스퍼터링은 고출력 임펄스 마그네트론 스퍼터링 (HIPIMS) 인, 코팅된 절삭 공구의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
증착된 상기 Al 또는 상기 Al+Me 는 섬들 (islands) 을 형성하는, 코팅된 절삭 공구의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Al 또는 상기 Al+Me 는 질화물층 영역의 적어도 25% 를 덮는 섬들을 형성하여 증착되는, 코팅된 절삭 공구의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
증착된 상기 Al 또는 상기 Al+Me 는 연속층을 형성하는, 코팅된 절삭 공구의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
증착된 상기 Al 또는 상기 Al+Me 는 상기 질화물층의 일부 영역들에서 연속층을 형성하고, 그리고 상기 질화물층의 일부 영역들에서 섬들을 형성하는, 코팅된 절삭 공구의 제조 방법.
제 4 항 및 제 5 항 또는 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 섬들의 평균 폭은 2 ~ 200 nm 인, 코팅된 절삭 공구의 제조 방법.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 Al 또는 상기 Al+Me 의 층의 두께는 2 ~ 200 nm 인, 코팅된 절삭 공구의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 질화물층은 일반식 Ti_bAl_1-bN 의 (Ti,Al)N 층이고, 여기서 0<b<1 인, 코팅된 절삭 공구의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 (Al_aMe_1-a)₂O₃ 층은 (Al_aCr_1-a)₂O₃ 층인, 코팅된 절삭 공구의 제조 방법.
코팅된 절삭 공구로서,
상기 코팅된 절삭 공구는 Ti, Zr, Hf, V, Ta, Nb, Cr, Si 및 Al 중 하나 이상의 질화물의 층인 질화물층과, 상기 질화물층 위에 위치되는 산화물층 (A) 을 포함하는 코팅을 갖는 기재를 포함하고,
상기 산화물층 (A) 은 (Al_aMe_1-a)₂O₃ 층이고, 0.05≤a≤1, Me 는 Ti, Mg, Ag, Zr, Si, V, Fe, Hf, B 및 Cr 중 하나 이상이고,
상기 코팅은,
- 평균 원자비 (Al+Me)/O 가 2/3 이상인 상기 산화물층 (A) 에서의 (Al,Me,O) 의 개재물들로서, 상기 (Al,Me,O) 의 개재물들은 상기 코팅의 상기 질화물층과 상기 산화물층 (A) 사이의 인터페이스에서 출발하여, 표면 평면에 수직인 단면 절단으로부터 결정되는 바와 같이, 상기 산화물층 (A) 의 상부 표면을 향하는 방향으로 2 내지 200 nm 연장되는, 상기 (Al,Me,O) 의 개재물들, 및/또는,
- 평균 원자비 (Al+Me)/O 가 2/3 초과이고, 상기 질화물층과 상기 산화물층 (A) 사이에 끼어서 위치되는 (Al,Me,O) 의 층 (B) 으로서, 상기 (Al,Me,O) 의 층 (B) 의 두께는 2 ~ 200 nm 인, 상기 (Al,Me,O) 의 층 (B) 을 갖는, 코팅된 절삭 공구.
제 12 항에 있어서,
상기 질화물층은 일반식 Ti_bAl_1-bN 의 (Ti,Al)N 층이고, 여기서 0<b<1 인, 코팅된 절삭 공구.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
상기 (Al_aMe_1-a)₂O₃ 층에서 0.1≤a≤1, 또는 0.25≤a≤1, 또는 0.5≤a≤1 인, 코팅된 절삭 공구.
제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 (Al_aMe_1-a)₂O₃ 층은 (Al_aCr_1-a)₂O₃ 층인, 코팅된 절삭 공구.
제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 질화물층의 두께는 0.5 ~ 10 ㎛ 이고, 그리고 상기 산화물층 (A) 의 두께는 0.1 ~ 5 ㎛ 인, 코팅된 절삭 공구.
제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산화물층 (A) 에서의 상기 (Al,Me,O) 의 개재물들은 2/3 초과의 평균 원자비 (Al+Me)/O 를 갖는, 코팅된 절삭 공구.
제 12 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅된 절삭 공구는 상기 코팅의 표면을 향하는 방향으로 상기 질화물층 옆에 100 nm 구역에서 2/3 초과의 평균 원자비 금속 대 산소, (Al+Me)/O 를 갖는, 코팅된 절삭 공구.