KR20200076964A - A hard layer for cutting tools and manufacturing method for the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 절삭공구에 사용되는 초경합금, 서멧, 세라믹, 입방정 질화붕소와 같은 경질모재 상에 형성되는 경질피막에 관한 것이며, 보다 상세하게는 경질모재 상에 인접하여 형성되는 질화막과 산화막의 복합다층으로, 질화막은 입방정 구조의 AlTiN계 또는 AlCrN계이며, 산화막은 입방정 구조의 γ-Al2O3로 이루어지며, 상기 질화막과 산화막의 결합력을 향상시키는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a hard film formed on a hard base material such as cemented carbide, cermet, ceramic, and cubic boron nitride used in cutting tools, and more specifically, to a composite multi-layer of a nitride film and an oxide film formed adjacent to the hard base material. , The nitride film is an AlTiN-based or AlCrN-based cubic structure, and the oxide film is made of γ-Al 2 O 3 having a cubic crystal structure, and relates to a technique for improving the bonding strength between the nitride film and the oxide film.
절삭공구의 인선은 고경도 재료의 고속가공 시, 약 1000℃의 고온환경에 노출되고, 가공물과의 접촉으로 인한 마찰과 산화로 마모가 발생할 뿐아니라, 단속과 같은 기계적 충격도 받게 된다. 그러므로 절삭공구는 적절한 내마모성과 인성을 갖는 것이 필수적으로 요구된다.The cutting edge of the cutting tool is exposed to a high temperature environment of about 1000℃ during high-speed processing of high-hardness materials, and not only wear and tear due to friction and oxidation due to contact with the workpiece, but also mechanical impact such as interruption. Therefore, it is essential that the cutting tool has appropriate wear resistance and toughness.
이와 같이 절삭공구에 요구되는 내마모성과 인성을 부여하기 위하여, 일반적으로 절삭공구로 사용되는 초경합금의 표면에는 화학기상증착법(이하, 'CVD'라 함) 또는 물리기상증착법(이하, 'PVD'라 함)을 통해 형성된 경질박막을 형성한다.In order to impart the required wear resistance and toughness to the cutting tool, chemical vapor deposition (hereinafter referred to as'CVD') or physical vapor deposition (hereinafter referred to as'PVD') is used on the surface of cemented carbide generally used as a cutting tool. ) To form a hard thin film.
이러한 경질박막은, 단층 또는 다층의 비산화물계 박막(예: TiN, TiC, TiCN)이나, 우수한 내산화성을 갖는 산화물계 박막(예: Al2O3) 또는 이들의 혼합층으로 구성되며, 상기 비산화물계 박막의 예로는 TiN, TiC, TiCN 등과 같은 주기율표상 4, 5, 6족 금속원소의 탄화물, 질화물, 탄질화물이 있고, 산화물계 박막의 예로는 대표적으로 α-Al2O3, κ-Al2O3, γ-Al2O3 등이 있다.The hard thin film is composed of a single-layer or multi-layered non-oxide thin film (for example, TiN, TiC, TiCN), or an oxide-based thin film having excellent oxidation resistance (for example, Al 2 O 3 ) or a mixed layer thereof. Examples of the cargo-based thin film include carbides, nitrides, and carbonitrides of Group 4, 5, and 6 metal elements on the periodic table, such as TiN, TiC, TiCN, and examples of the oxide-based thin film typically include α-Al 2 O 3 , κ- Al 2 O 3 , γ-Al 2 O 3 and the like.
그런데, Al2O3와 같은 산화막 증착시에는 산화막의 절연특성으로 인해 적층 두께와 횟수가 제한적이고, 질화막과 산화막은 조성 및 물성이 상이하여, 질화막과 산화막의 장점을 활용하기 위한 복합 다층 구조의 경질피막은 박막 사이에 양호한 결합력을 확보하는데 한계가 있어, 내마모성과 내치핑성의 저하로 절삭공구용 경질피막으로서의 적용 가치가 저하되는 문제점이 있다.However, when depositing an oxide film such as Al 2 O 3 , the stacking thickness and the number of times are limited due to the insulating properties of the oxide film, and the composition and physical properties of the nitride film and the oxide film are different. The hard film has limitations in securing good bonding strength between the thin films, and there is a problem in that the applied value as a hard film for cutting tools decreases due to a decrease in abrasion resistance and chipping resistance.
본 발명의 과제는, 질화막과 산화막이 복합다층 구조로 이루어지며, 산화막의 형성이 안정적으로 이루어지며, 질화막과 산화막의 결합력이 향상되어, 절삭공구에 절용되었을 때, 절삭공구의 절삭수명을 연장시킬 수 있는 경질피막과 이의 제조방법을 제공하는데 있다.The problem of the present invention is that the nitride film and the oxide film are made of a composite multi-layer structure, the formation of the oxide film is stably performed, the bonding force between the nitride film and the oxide film is improved, and when applied to a cutting tool, the cutting life of the cutting tool is extended. It is to provide a hard film and a method for manufacturing the same.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면은, 경질 기체의 표면에 PVD법으로 형성되는 경질피막으로, 상기 경질피막은 A층과 B층이 1회 이상 교대하여 반복적으로 적층되는 교대반복층을 포함하고, 상기 B층의 내부에, 상기 A층의 물질로 이루어지는 다수의 입자가 분산되어 있는, 절삭공구용 경질피막을 제공하는 것이다.One aspect of the present invention for solving the above problem is a hard film formed by PVD method on the surface of a hard gas, wherein the hard film is an alternating repeating layer in which A and B layers are alternately stacked one or more times and repeatedly stacked. It is to provide a hard coating for cutting tools, a plurality of particles made of the material of the A layer is dispersed inside the B layer.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면은, 경질 기체의 표면 또는 인접한 부분에 PVD법으로, A층과 B층이 1회 이상 교대하여 반복적으로 적층하여 경질피막을 형성하는 방법으로, (a) 표면에 다수의 드랍렛이 형성되도록 A층을 성막하는 단계; (b) 상기 A층 상에 B층을 성막하는 단계; (c) 상기 B층을 식각하여, 상기 다수의 드랍렛 중의 적어도 일부가 노출되도록 하는 단계; (d) 상기 식각된 B층 상에 표면에 다수의 드랍렛이 형성되도록 A층을 성막하는 단계; 및 상기 (a) ~ (d) 단계를 1회 이상 교대 반복하는 단계;를 포함하는, 경질피막의 제조방법을 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention for solving the above problem is a method of forming a hard film by repeatedly stacking the A layer and the B layer one or more times alternately by a PVD method on the surface or an adjacent portion of the hard gas, (a ) Forming a layer A to form a plurality of droplets on the surface; (b) forming a layer B on the layer A; (c) etching the B layer to expose at least a portion of the plurality of droplets; (d) forming a layer A on the etched layer B so that a plurality of droplets are formed on the surface; And (a) to (d) alternately repeating the steps one or more times.
본 발명에 따른 절삭공구용 경질피막은, A-B 형태로 교대 반복하여 적층되는 다층 구조를 가지며, B층의 내부에 A층과 연결된 다수의 입자가 분산되도록 함으로써(특히 B층의 내부에 상부 및 하부의 A층과 연결된 브릿지 구조를 형성함으로써), 박막 간의 밀착력이 향상되고, 분산강화를 통해, 경질피막의 물성이 향상되도록 하는 효과를 얻을 수 있다.The hard coating for a cutting tool according to the present invention has a multi-layered structure which is alternately stacked alternately in the form of AB, so that a plurality of particles connected to the A layer are dispersed inside the B layer (especially the upper and lower portions inside the B layer) By forming a bridge structure connected to the layer A of), adhesion between the thin films is improved, and through dispersion strengthening, an effect of improving the physical properties of the hard film can be obtained.
본 발명의 경질피막의 제조방법에 의하면, 질화막의 증착시 쐐기형 드랍렛을 다량 형성한 후, 드랍렛 높이 수준의 두께로 산화막을 증착한 뒤에 식각공정을 통해 질화막의 드랍렛을 산화막 표면으로 돌출시킴으로서 전기 전도도를 유지하고 향상시켜 다음 질화막 증착시 보다 안정적으로(바이어스 설정값 즉각 도달, 안정적 유지) 증착 공정이 이루어지도록 한다. 또한, 상기 과정을 반복하여 연속적인 미세조직 또는 산화물 분산강화(ODS; Oxide Dispersion Strengthening) 효과를 갖도록 하는 복합다층 구조의 경질피막을 제조할 수 있다.According to the method of manufacturing a hard film of the present invention, after depositing a large amount of wedge-shaped droplets upon deposition of a nitride film, an oxide film is deposited to a thickness level of the droplet level, and then, through an etching process, the droplets of the nitride film are projected to the surface of the oxide film. By maintaining the electrical conductivity by improving the deposition, the deposition process is performed more stably (by reaching the set value immediately and maintaining stability) during the next nitride film deposition. In addition, by repeating the above process, it is possible to manufacture a hard film having a complex multi-layer structure to have a continuous microstructure or an oxide dispersion strengthening (ODS) effect.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 경질피막의 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 경질피막의 제조공정을 나타낸 것이다.Figure 1 shows the structure of the hard film according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the manufacturing process of the hard film according to an embodiment of the present invention.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings for the embodiment of the present invention will be described the configuration and operation. In the following description of the present invention, when it is determined that a detailed description of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. Also, when a part is said to'include' a certain component, this means that other components may be further included rather than excluding other components, unless otherwise stated.
본 발명에 따른 경질피막은, 경질 기체의 표면에 PVD법으로 형성되고, 상기 경질피막은 A층과 B층이 1회 이상 교대하여 반복적으로 적층되는 교대반복층을 포함하고, 상기 B층의 내부에, 상기 A층의 물질로 이루어지는 다수의 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 한다.The hard film according to the present invention is formed on the surface of a hard gas by PVD method, and the hard film includes an alternating repeating layer in which A and B layers are alternately stacked one or more times, and the inside of the B layer. E, characterized in that a plurality of particles made of the material of the A layer is dispersed.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 A층은 입방정의 AlaTi1-a-bMebN(0.3≤a≤0.7, 0≤b≤0.1, Me는 V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소) 또는 AlxCr1-x-yMeyN(0.3≤x≤0.7, 0≤y≤0.1, Me는 V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소)로 이루어지는 것이 내마모성과 내치핑성 간의 균형 및 드랍렛 형성 측면에서 바람직하고, 상기 B층은 입방정의 γ-Al2O3를 포함하는 것이 내산화성을 향상시키고, 복합 다층에 의한 강화 효과 측면에서 바람직하다.According to one embodiment of the present invention, the A layer is Al a Ti 1-ab Me b N of cubic crystal (0.3≤a≤0.7, 0≤b≤0.1, Me is V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta , W, Y or one or more selected elements) or Al x Cr 1-xy Me y N (0.3≤x≤0.7, 0≤y≤0.1, Me is V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, It is preferable to consist of one or more elements selected from Y) in terms of balance between abrasion resistance and chipping resistance and drop formation, and the B layer contains γ-Al 2 O 3 of cubic crystal to improve oxidation resistance, and is complex It is preferable in terms of the strengthening effect by the multilayer.
상기 다수의 입자 중에서 적어도 일부는 상기 B층의 하부에 형성된 A층과 일체로 연결되어 있을 수 있다.At least some of the plurality of particles may be integrally connected to the A layer formed under the B layer.
상기 다수의 입자 중에서 적어도 일부는 상기 B층의 하부에 형성된 A층과 일체로 연결됨과 동시에, 상기 B층의 상부에 A층이 형성된 경우 상부에 A층과도 일체로 연결된 브릿지 구조를 형성할 수 있다.At least some of the plurality of particles are integrally connected with the A layer formed on the lower portion of the B layer, and when the A layer is formed on the upper portion of the B layer, a bridge structure integrally connected with the A layer on the upper portion can be formed. have.
상기 다수의 입자는 상부로 향할수록 크기가 줄어드는 쐐기 형상일 수 있다.The plurality of particles may have a wedge shape in which their size decreases as they move upward.
상기 경질 기체는, 탄화텅스텐을 포함하는 초경합금, 탄질화티타늄을 포함하는 서멧, 세라믹, 질화붕소 또는 다이아몬드로 이루어질 수 있다.The hard gas may be made of cemented carbide containing tungsten carbide, cermet containing titanium carbonitride, ceramic, boron nitride or diamond.
상기 교대반복층의 전체 두께는 0.5㎛ 미만일 경우, 박막 본연의 특성을 발휘하기 어렵고, 10㎛ 초과일 경우, PVD공법에 의한 박막의 제조특성상 박막에 축적되는 압축응력이 박막의 두께 및 시간에 비례하는 것을 감안했을 때 박리의 위험성이 커지므로 두께는 0.5 ~ 10㎛ 범위가 바람직하고, 보다 바람직한 두께는 2 ~ 8㎛이다.When the overall thickness of the alternating repeating layer is less than 0.5 μm, it is difficult to exhibit the characteristics of the thin film, and when it exceeds 10 μm, the compressive stress accumulated in the thin film is proportional to the thickness and time of the thin film due to the manufacturing characteristics of the thin film by PVD method. Given that the risk of peeling increases, the thickness is preferably in the range of 0.5 to 10 µm, and more preferably 2 to 8 µm.
또한, 상기 교대반복층을 형성하는 A층의 단위 두께는 5nm 미만일 경우, 박막 본연의 내마모 특성을 발휘하기 어렵고, 적정 크기의 드랍렛이 형성되지 못하며, 5.0㎛ 초과일 경우 압축응력 증가에 따른 경도 및 탄성계수의 증가로 박리 또는 산화막과의 결합력이 현저히 떨어지게 되므로, 5nm ~ 5.0㎛ 범위가 바람직하다.In addition, when the unit thickness of the A layer forming the alternating repetition layer is less than 5 nm, it is difficult to exhibit abrasion resistance characteristics of the thin film, and droplets of an appropriate size are not formed, and when it exceeds 5.0 μm, the compressive stress increases. As the hardness and elastic modulus increase, the peeling or bonding strength with the oxide film is significantly reduced, so a range of 5 nm to 5.0 μm is preferable.
또한, 상기 교대반복층을 형성하는 B층의 단위 두께는 2nm 미만일 경우 박막 본연의 내산화 특성을 발휘하기 어렵고, 1.5㎛ 초과일 경우 코팅로 내 장비 전반에 산화(포이즈닝)로 인한 절연화가 진행되어 더 이상의 산화물층 증착이 어려워질 뿐만 아니라 상기 A층의 드랍렛 크기를 초과하여 식각공정 후에도 드랍렛이 표면으로 돌출되지 못할 수 있으므로, 2nm ~ 1.5㎛ 범위가 바람직하다.In addition, if the unit thickness of the B layer forming the alternating repetition layer is less than 2 nm, it is difficult to exert the natural oxidation resistance of the thin film, and when it exceeds 1.5 μm, insulation due to oxidation (poisoning) occurs throughout the entire equipment with a coating. Since the deposition of the oxide layer becomes difficult as well, the droplet may not protrude to the surface even after the etching process exceeding the droplet size of the A layer, so a range of 2 nm to 1.5 μm is preferable.
또한, 상기 교대반복층은, A-B로 이루어진 2층, A-B-A로 이루어진 3층, A-B-A-B로 4층 및 그 이상의 마이크로 다층(단위층의 두께가 1㎛ 이상인 경우) 또는 나노다층(단위층의 두께가 1㎛ 미만인 경우) 구조로 이루어질 수 있다.In addition, the alternating repetition layer may include two layers of AB, three layers of ABA, four layers of ABAB and more micro-multilayers (when the unit layer has a thickness of 1 µm or more) or nano-multilayers (thickness of the unit layer is 1). Less than μm) structure.
또한, 본 발명에 따른 경질피막의 제조방법은, 경질 기체의 표면에 PVD법으로, A층과 B층이 1회 이상 교대하여 반복적으로 적층하여 경질피막을 형성하는 방법으로, (a) 표면에 다수의 드랍렛이 형성되도록 A층을 성막하는 단계; (b) 상기 A층 상에 B층을 성막하는 단계; (c) 상기 B층을 식각하여, 상기 다수의 드랍렛 중의 적어도 일부가 노출되도록 하는 단계; (d) 상기 식각된 B층 상에 표면에 다수의 드랍렛이 형성되도록 A층을 성막하는 단계; 및 상기 (a) ~ (d) 단계를 1회 이상 교대 반복하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method of manufacturing a hard film according to the present invention is a method of forming a hard film by repeatedly stacking A layers and B layers one or more times by alternating one or more times on the surface of a hard gas by (PV) method, (a) on the surface. Forming a layer A to form a plurality of droplets; (b) forming a layer B on the layer A; (c) etching the B layer to expose at least a portion of the plurality of droplets; (d) forming a layer A on the etched layer B so that a plurality of droplets are formed on the surface; And alternately repeating steps (a) to (d) one or more times.
또한, 상기 경질피막의 제조방법에 있어서, 상기 A층의 성막 과정에 형성되는 박막 표면으로부터 돌출된 드랍렛의 최대 높이(H)는 0.02㎛ 미만일 경우 높은 전기 저항으로 전기 전도가 원활히 이루어지지 못하며, 산화막 두께 또한 적정 범위 이하로 낮아지고, 1.5㎛ 초과일 경우 형성되는 드랍렛 크기의 다양화(크기 분포 증가)로 전기 전도가 균일하게 이루어지지 못하며, 산화막 두께 또한 적정 범위 이상으로 높아지므로, 0.02 ~ 1.5㎛ 인 것이 바람직하다.In addition, in the method of manufacturing the hard film, the maximum height (H) of the droplets protruding from the thin film surface formed in the film forming process of the A layer is less than 0.02 μm, and electrical conduction is not smoothly performed with high electrical resistance. The thickness of the oxide film is also lowered below the appropriate range, and if it is more than 1.5 μm, electrical conduction cannot be made uniformly due to the diversification of the size of the droplet formed (increased size distribution). It is preferably 1.5 μm.
또한, 상기 드랍렛의 밀도는 단위 면적당 1.0×104 ea/㎟ 미만일 경우 전기 전도 효과가 낮으며, 드랍렛에 의해 분산된 산화물의 크기 또는 면적이 증가하므로 분산 강화 효과가 크지 않으며, 5.0×107 ea/㎟ 초과일 경우 드랍렛에 의해 분산된 산화물의 크기 또는 면적이 줄어들어 박막 본연의 특성이 감소하므로, 1.0×104 ea/㎟ ~ 5.0×107 ea/㎟ 인 것이 바람직하다.In addition, when the density of the droplet is less than 1.0×10 4 ea/mm 2 per unit area, the electrical conduction effect is low, and since the size or area of the oxide dispersed by the droplet increases, the dispersion strengthening effect is not large, and 5.0×10 When it is more than 7 ea/mm 2, the size or area of the oxide dispersed by the droplet decreases, so the nature of the thin film decreases, so it is preferable that it is 1.0×10 4 ea/mm 2 ~ 5.0×10 7 ea/mm 2.
또한, 박막의 표면에 형성된 드랍렛의 높이(T)에 대한 B층의 두께(T)의 비(T/H)는 0.1 ~ 0.9인 것이 바람직하다.In addition, the ratio (T/H) of the thickness (T) of the B layer to the height (T) of the droplets formed on the surface of the thin film is preferably 0.1 to 0.9.
또한, 상기 드랍렛의 형성 및 높이는 상기 A층 박막의 증착시 질소 함량 및 캐소드 전류 등을 통해 제어될 수 있다.In addition, the formation and height of the droplet can be controlled through nitrogen content and cathode current during deposition of the A layer thin film.
또한, 상기 (b) 단계에 있어서, 상기 B층의 성막은 하층에 형성된 A층의 드랍렛의 최고 높이보다 얇은 두께로 수행하는 것이, B층의 내부에 A층의 물질로 이루어진 브릿지(bridge) 구조를 형성하기 용이하므로 바람직하다.In addition, in the step (b), the deposition of the layer B is performed at a thickness thinner than the highest height of the droplets of the layer A formed on the lower layer, a bridge made of a material of the layer A inside the layer B It is preferable because it is easy to form a structure.
[실시예][Example]
경질피막의 제조Preparation of hard film
본 발명의 실시예에서는 초경합금, 서멧, 고속도강, cBN 또는 다이아몬드를 포함하는 소결체로 이루어지는 경질 모재 표면 위에 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition; PVD)인 반응성 펄스 마그네트론 스퍼터링을 이용하여, 40kHz 이상의 바이폴라 파워 서플라이 프리퀀시(supply frequency)가 적용되며, 450 ~ 600℃의 공정온도를 적용하여 도 1과 같은 구조를 갖는 다층 피막을 형성한다.In an embodiment of the present invention, a bipolar power supply frequency of 40 kHz or higher is achieved by using reactive pulse magnetron sputtering, which is physical vapor deposition (PVD), on a hard base material surface made of a sintered body containing cemented carbide, cermet, high-speed steel, cBN, or diamond. (supply frequency) is applied, and a process temperature of 450 to 600°C is applied to form a multilayer film having a structure as shown in FIG. 1.
본 발명의 실시예에 따른 다층 피막에 있어서, 경질모재와 접하는 최하층에는 질화물층이 형성되고, 순차적으로 산화물과 질화물이 교대 반복하여 형성되며, 전체적으로 형성되는 반복 적층 횟수는 2 ~ 9회가 바람직하다.In the multilayer film according to the embodiment of the present invention, a nitride layer is formed on the lowermost layer in contact with the hard base material, and oxides and nitrides are alternately repeatedly formed, and the number of repeated laminations formed as a whole is preferably 2 to 9 times. .
코팅에 사용한 타겟으로는 AlTi 또는 AlCr의 아크 타겟과 Al의 스퍼터 타겟을 사용하였으며, 초기 진공압력은 8.5×10-5 Torr 이하로 감압하였으며, 반응가스로 N2와 O2를 주입하였다. 또한, 코팅을 위한 가스압력은 50mTorr 이하, 바람직하게는 40mTorr 이하로 유지하였으며, 코팅 온도는 400 ~ 600℃로 하였고, 코팅시 기판 바이어스 전압은 질화막 코팅시 -20V ~ -100V, 산화막 코팅시 -100 ~ -150V으로 인가하였다. 상기 코팅조건은 장비특성 및 조건에 따라 달라질 수 있다.As the target used for the coating, an arc target of AlTi or AlCr and a sputter target of Al were used, and the initial vacuum pressure was reduced to 8.5×10 -5 Torr or less, and N 2 and O 2 were injected as a reaction gas. In addition, the gas pressure for coating was maintained at 50 mTorr or less, preferably at 40 mTorr or less, and the coating temperature was 400 to 600°C, and the substrate bias voltage during coating was -20 V to -100 V when coating a nitride film and -100 when coating an oxide film. ~ -150V was applied. The coating conditions may vary depending on equipment characteristics and conditions.
구체적으로, 모재는 평균 입도 0.8㎛의 WC와 10wt.%의 Co 함량으로 이루어진 초경합금을 사용하였다. 또한, AlTiN 또는 AlCrN 박막은, AlTi(60at.% / 40.at.%) 또는 AlCr(64at.% / 36at.%) 타겟을 사용하여, 바이어스 -40 V, 아크 전류 100A, N2 압력 2.66Pa의 조건으로 성막하였다. 또한, Al2O3 박막은, Al 99.9at.% 타겟을 사용하여, 바이어스 -125V(단극 펄스 ,45kHz), 스퍼터 전력 20KW, 반응가스로 O2와 Ar을 주입, 압력 0.5Pa의 조건으로 성막하였다. 또한, 식각은 전자 방출 소스로 텅스텐 필라멘트를 사용하여, 바이어스 -200V (단극 펄스, 40kHz), Ar 유량 50sccm, 시간 10분의 조건으로 수행하였다.Specifically, as the base material, a cemented carbide composed of WC having an average particle size of 0.8 μm and a Co content of 10 wt.% was used. In addition, AlTiN or AlCrN thin film, using AlTi (60at.% / 40.at.%) or AlCr (64at.% / 36at.%) target, bias -40 V, arc current 100A, N2 pressure 2.66Pa It was formed on condition. In addition, Al 2 O 3 thin film, Al 99.9at.% using a target, bias -125V (single-pole pulse, 45kHz), sputter power 20KW, injecting O 2 and Ar as a reaction gas, the film is formed under the condition of pressure 0.5Pa Did. In addition, etching was performed using tungsten filament as the electron emission source, under the conditions of bias -200V (monopole pulse, 40kHz), Ar flow rate 50sccm, time 10 minutes.
상기와 같은 조건으로 제조한 경질피막의 박막 구조, 반복 적층 횟수, 총 두께 및 박막 경도를 아래 표 1에 나타내었다.The thin film structure, the number of repeated laminations, the total thickness and the thin film hardness of the hard film prepared under the above conditions are shown in Table 1 below.
(㎛)1 time thickness
(㎛)
(회)Repeat stacking times
(time)
(㎛)Total thickness
(㎛)
(GPa)Thin film hardness
(GPa)
경질피막 물성 평가Evaluation of hard film properties
상기 표 1의 구조로 구성한 복합 다층 피막의 내박리성, 내마모성 및 내치핑성을 다음과 같은 평가조건으로 평가하였다.The peeling resistance, abrasion resistance and chipping resistance of the composite multilayer film constituted of the structure of Table 1 were evaluated under the following evaluation conditions.
(1) 내박리성 평가 : 박막 뜯김에 의한 비정상 마모 유무(1) Peel resistance evaluation: Absence of abnormal wear due to tearing of thin film
피삭재: SM45CWorkpiece: SM45C
샘플형번: SNMX1206ANN-MMSample model number: SNMX1206ANN-MM
절삭 속도: 200m/minCutting speed: 200m/min
절삭 이송: 0.2mm/toothCutting feed: 0.2mm/tooth
절삭 깊이: 2mmCutting depth: 2mm
(2) 내마모성 평가 : 인써트 여유면 및 경사면 마모 (2) Wear resistance evaluation: insert wear surface and inclined surface wear
피삭재: SCM440Workpiece: SCM440
샘플형번: SNMX1206ANN-MMSample model number: SNMX1206ANN-MM
절삭 속도: 250m/minCutting speed: 250m/min
절삭 이송: 0.2mm/toothCutting feed: 0.2mm/tooth
절삭 깊이: 2mmCutting depth: 2mm
(3) 내치핑성 평가 : 인써트 절삭날의 노즈 R부 및 경계부 치핑(3) Evaluation of chipping resistance: chipping of nose and R of the cutting edge of the insert
피삭재: STS316LWorkpiece: STS316L
샘플형번: APMT1604PDSR-MMSample model number: APMT1604PDSR-MM
절삭 속도: 150m/minCutting speed: 150m/min
절삭 이송: 0.2mm/toothCutting feed: 0.2mm/tooth
절삭 깊이: 10mmCutting depth: 10mm
이상과 같은 조건으로 평가한 결과를 아래 표 2에 나타내었다.Table 2 shows the results of evaluation under the above conditions.
(mm)Processing length
(mm)
(mm)Processing length
(mm)
(mm)Processing length
(mm)
과대마모Thin Film,
Excessive wear
파손Excess Wear,
damage
과대마모Thin Film,
Excessive wear
치핑Excess Wear,
Chipping
과대마모Thin Film,
Excessive wear
치핑Excess Wear,
Chipping
치핑Thin Film,
Chipping
파손Excess Wear,
damage
과대마모Thin Film,
Excessive wear
파손Excess Wear,
damage
과대마모Thin Film,
Excessive wear
파손Excess Wear,
damage
과대마모Thin Film,
Excessive wear
치핑Excess Wear,
Chipping
과대마모Thin Film,
Excessive wear
치핑Excess Wear,
Chipping
과대마모Thin Film,
Excessive wear
파손Excess Wear,
damage
치핑Thin Film,
Chipping
파손Excess Wear,
damage
상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 실시예에 해당하는 샘플 No.5 ~ 8은 비교예에 비해 내박리성, 내마모성, 내치핑성이 우수하다.As can be seen from Table 2, Sample Nos. 5 to 8 corresponding to Examples have excellent peeling resistance, abrasion resistance, and chipping resistance compared to Comparative Examples.
특히, 비교예 샘플 No.3, 4는 실시예 샘플 No.6, 8과 동일한 적층 구조임에도 불구하고, 브릿지 구조가 적용되지 않았다는 점만으로 내박리성, 내마모성, 내치핑성에 있어서 현저한 차이를 보이고 있어, 본 발명에 따른 브릿지 구조가 질화막과 산화막 간의 결합력 향상, 경도 및 인성의 향상 효과를 가지게 함을 알 수 있다. In particular, although Comparative Examples Samples No. 3 and 4 had the same layered structure as Example Samples No. 6 and 8, they showed significant differences in peeling resistance, abrasion resistance, and chipping resistance only by not applying a bridge structure. , It can be seen that the bridge structure according to the present invention has the effect of improving the bonding strength between the nitride film and the oxide film, and improving the hardness and toughness.
실시예 중에서 반복 적층 횟수가 4회인 샘플 No. 6, 8이 반복 적층 횟수가 2회인 샘플 No.5, 7에 비해 내박리성, 내마모성, 내치핑성이 전반적으로 약간 더 우수하며, 이는 교대 반복 적층에 따른 경도 향상 및 균열 전파 억제 효과인 것으로 유추된다.Among the examples, the sample No. of which the number of repetitive laminations was four was repeated. Compared to Sample Nos. 5 and 7 in which 6 and 8 were repeated two times, the peeling resistance, abrasion resistance, and chipping resistance were slightly better overall. Is inferred.
한편, 동일한 박막 구조에서 금속(Me) 원소의 종류 및 함량에 따른 가공길이의 차이는 크지 않으며, 마모유형 면에서 일부 다른 경향을 보임을 알 수 있다.On the other hand, it can be seen that in the same thin film structure, the difference in the processing length according to the type and content of the metal (Me) element is not large, and shows a different trend in terms of wear type.
즉, 본 발명에 따른 조성, 경도 및 적층 구조를 갖는 경질피막이, 종래의 질화막과 산화막을 복합화한 경질피막에 비해 향상된 내박리성, 내마모성 및 내치핑성을 구현할 수 있다.That is, the hard film having the composition, hardness and lamination structure according to the present invention can realize improved peeling resistance, abrasion resistance and chipping resistance compared to a hard film obtained by combining a conventional nitride film and an oxide film.
Claims (8)
상기 경질피막은 A층과 B층이 1회 이상 교대하여 반복적으로 적층되는 교대반복층을 포함하고,
상기 B층의 내부에, 상기 A층의 물질로 이루어지는 다수의 입자가 분산되어 있는, 절삭공구용 경질피막.A hard film formed by PVD on the surface of a hard gas,
The hard film includes an alternating repeating layer in which A and B layers are alternately stacked one or more times, and repeatedly stacked.
A hard film for a cutting tool in which a plurality of particles made of the material of the A layer are dispersed inside the B layer.
상기 A층은 입방정의 AlaTi1-a-bMebN(0.3≤a≤0.7, 0≤b≤0.1, Me는 V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소) 또는 AlxCr1-x-yMeyN(0.3≤x≤0.7, 0≤y≤0.1, Me는 V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소)로 이루어지고,
상기 B층은 입방정의 γ-Al2O3를 포함하는, 절삭공구용 경질피막.According to claim 1,
The A layer is cubic Al a Ti 1-ab Me b N (0.3≤a≤0.7, 0≤b≤0.1, Me is one or more selected from V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y Element) or Al x Cr 1-xy Me y N (0.3≤x≤0.7, 0≤y≤0.1, Me is one or more elements selected from V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y) Done,
The layer B comprises a cubic γ-Al 2 O 3 , a hard coating for cutting tools.
상기 다수의 입자 중에서 적어도 일부는 상기 B층의 하부에 형성된 A층과 일체로 연결되어 있는, 절삭공구용 경질피막.According to claim 1,
At least a part of the plurality of particles is connected to the A layer formed in the lower portion of the B layer, a hard coating for cutting tools.
상기 다수의 입자 중에서 적어도 일부는 상기 B층의 하부에 형성된 A층과 일체로 연결됨과 동시에, 상기 B층의 상부에 A층이 형성된 경우 상부에 A층과도 일체로 연결된 브릿지 구조를 형성한, 절삭공구용 경질피막.According to claim 1,
At least some of the plurality of particles are integrally connected with the A layer formed on the lower portion of the B layer, and when the A layer is formed on the upper portion of the B layer, a bridge structure is formed integrally connected with the A layer on the upper portion, Hard coating for cutting tools.
상기 경질 기체는, 탄화텅스텐을 포함하는 초경합금, 탄질화티타늄을 포함하는 서멧, 세라믹, 질화붕소 또는 다이아몬드로 이루어진, 절삭공구용 경질피막.According to claim 1,
The hard gas is a hard film for a cutting tool, made of a cemented carbide containing tungsten carbide, cermet containing titanium carbonitride, ceramic, boron nitride or diamond.
(a) 표면에 다수의 드랍렛이 형성되도록 A층을 성막하는 단계;
(b) 상기 A층 상에 B층을 성막하는 단계;
(c) 상기 B층을 식각하여, 상기 다수의 드랍렛 중의 적어도 일부가 노출되도록 하는 단계;
(d) 상기 식각된 B층 상에 표면에 다수의 드랍렛이 형성되도록 A층을 성막하는 단계; 및
상기 (a) ~ (d) 단계를 1회 이상 교대 반복하는 단계;를 포함하는, 경질피막의 제조방법.A method of forming a hard film by repeatedly stacking the A layer and the B layer one or more times by alternating one or more times on the surface or adjacent portion of the hard gas,
(a) forming a layer A to form a plurality of droplets on the surface;
(b) forming a layer B on the layer A;
(c) etching the B layer to expose at least a portion of the plurality of droplets;
(d) forming a layer A on the etched layer B so that a plurality of droplets are formed on the surface; And
The steps of (a) ~ (d) alternately repeated one or more times; including, the method of manufacturing a hard film.
상기 A층은 입방정의 AlaTi1-a-bMebN(0.3≤a≤0.7, 0≤b≤0.1, Me는 V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소) 또는 AlxCr1-x-yMeyN(0.3≤x≤0.7, 0≤y≤0.1, Me는 V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y 중에서 선택된 1종 이상의 원소)로 이루어지고,
상기 B층은 입방정의 γ-Al2O3를 포함하는, 경질피막의 제조방법.The method of claim 6,
The A layer is cubic Al a Ti 1-ab Me b N (0.3≤a≤0.7, 0≤b≤0.1, Me is one or more selected from V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y Element) or Al x Cr 1-xy Me y N (0.3≤x≤0.7, 0≤y≤0.1, Me is one or more elements selected from V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Y) Done,
The B layer comprises a cubic γ-Al 2 O 3 , a method for producing a hard film.
상기 (b) 단계에 있어서, 상기 B층의 성막은 하층에 형성된 A층의 드랍렛의 최고 높이보다 얇은 두께로 수행하는, 절삭공구용 경질피막의 제조방법.
The method of claim 6,
In the step (b), the film formation of the B layer is performed to a thickness thinner than the highest height of the drop of the A layer formed on the lower layer, a method for manufacturing a hard coating for cutting tools.
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KR20000072535A (en) | 2000-09-08 | 2000-12-05 | 정수훈 | Pressurization and holding apparatus for taper bobbin processing |
WO2005121388A1 (en) * | 2004-05-19 | 2005-12-22 | Tdy Industries, Inc. | Al2o3 ceramic tools with diffusion bonding enhanced layer |
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