KR20240090189A - 코팅된 절삭 공구 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 교호하는 제 1 과 제 2 층 스택들을 포함하는 나노 층 코팅 (nano layered coating) 에 관한 것으로, 제 1 과 제 2 층 스택들에서의 평균 층 주기 두께가 서로 상이하다. 나노 층 코팅은 개선된 에지 라인 인성 및 플랭크 마모와 콤 크랙에 대한 개선된 저항성을 나타낸다.
Description
본 발명은 (Ti,Si,M)N 및 (Ti,Al,M)N 의 나노-다층을 포함하는 코팅된 절삭 공구에 관한 것이다.
나노-다층 코팅들은 금속 기계가공을 위한 절삭 공구 분야에서 일반적으로 사용된다. 이 코팅들에서, 일부 측면에서 상이한 적어도 2개의 층들이 교호하고 나노층들의 코팅을 형성한다.
금속 기계가공 작업은 예를 들어 선삭, 밀링 및 드릴링을 포함한다.
긴 공구 수명을 제공하기 위해, 인서트와 같은 코팅된 절삭 공구는 상이한 유형들의 마모에 대해 높은 저항성, 예를 들어, 플랭크 마모 저항성, 크레이터 마모 저항성, 치핑 저항성 및 박리 저항성을 가져야 한다.
상이한 금속 기계가공 작업들은 코팅된 절삭 공구에 상이한 방식들로 영향을 미친다. 예를 들어 선삭은 연속적인 금속 기계가공 작업이지만, 밀링은 본질적으로 더 단속적이다. 밀링에서, 열적 및 기계적 부하는 시간에 걸쳐 달라질 것이다.
시장에서 현재 이용가능한 절삭 공구보다 우수한 특성을 갖는 절삭 공구를 제공하기 위해, 코팅이 플랭크 마모 저항성, 크레이터 마모 저항성, 에지 라인 인성, 콤 크랙 저항성, 박리 저항성 등의 측면에서 우수한 특성을 갖는 코팅된 절삭 공구에 대한 지속적인 수요가 존재한다. 상기한 특성 중 하나 이상이 개선되면, 더 긴 공구 수명이 제공된다.
EP2883637 은 교호층 스택들을 갖는 나노층 코팅을 개시하며, 여기서 60-500 nm 의 평균 층 주기 두께를 갖는 제 1 층 스택은 2-60 nm 의 평균 층 주기 두께를 갖는 제 2 층 스택과 교호된다.
본 발명의 목적은 적어도 플랭크 마모 및 콤 크랙에 대해 높은 저항을 나타내고 또한 높은 에지 라인 인성을 나타내는 코팅된 절삭 공구를 제공하는 것이다.
정의
용어 "평균 층 주기 두께"는 나노-다층 A-B-A-B-A... 에서의 제 1 나노층 A 및 제 2 나노층 B 의 나노-다층 코팅에서 조합 A-B 의 평균 두께를 의미한다. 평균 층 주기 두께를 결정하기 위해, 적어도 200 nm 의 길이에 걸쳐 연속적인 A-B 나노층 조합들의 수를 계수하고 평균 값을 계산하는 나노-다층의 단면의 TEM 분석으로부터 계산이 이루어질 수 있다. 일부 경우들에서, 증착 공정이 알려진 경우, 나노-다층의 전체 두께를 A-B 증착 수로 나누어 계산이 이루어질 수 있다.
이제, 개선된 플랭크 마모 저항성, 우수한 에지 라인 인성 및 또한 높은 콤 크랙 저항성을 갖는 교호 (Ti,Si,M)N 및 (Ti,Al,M)N 층들의 나노-다층 코팅이 제공되었다.
본 발명은 기재 (substrate) 및 나노-다층 코팅을 포함하는 코팅된 절삭 공구에 관한 것으로, 상기 코팅은
적어도 2번 교호하는 제 1 층 스택과 제 2 층 스택을 포함하고,
제 1 층 스택은 교호하는 나노층들 A 및 B 를 포함하고, A+B 의 평균 층 주기 두께가 15 와 50 nm 사이이며,
제 2 층 스택은 교호하는 나노층들 A 및 B 를 포함하고, A+B 의 평균 층 주기 두께가 2 와 10 nm 사이이며,
나노층 A 의 조성이 (Ti1-a-bAlaMb)N 이고, 여기서 0.5 ≤ a ≤ 0.75, 0 ≤ b ≤ 0.10 이고, M 은 Cr, Zr, Nb, Mo, Ta 및 V 로부터 선택된 하나 이상의 원소이며,
나노층 B 의 조성이 (Ti1-c-dSicMd)N 이고, 여기서 0.10 ≤ c ≤ 0.25, 0 ≤ d ≤ 0.10 이고, M 은 Cr, Zr, Nb, Mo, Ta 및 V 로부터 선택된 하나 이상의 원소이다.
교호하는 나노층들 A 및 B 를 포함하는 제 1 층 스택에서, A+B 의 평균 층 주기 두께는 15 와 50 nm 사이, 바람직하게는 18 과 35 nm 사이이다.
교호하는 나노층들 A 및 B 를 포함하는 제 2 층 스택에서, A+B 의 평균 층 주기 두께는 2 와 10 nm 사이, 바람직하게는 3 과 8 nm 사이이다.
제 1 과 제 2 층 스택의 두께는 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 나노-다층 코팅에서 상이한 제 1 층 스택들의 두께는 모든 제 1 층 스택들에 대해 동일하거나 상이할 수 있다. 이는 동일하거나 상이할 수 있는 상이한 제 2 층 스택들의 두께에 대해서도 또한 유효하다. 적절하게는, 두께는 50 과 1000 nm 사이, 바람직하게는 100 과 500 nm 사이이다. 교호하는 스택들의 총 수, 즉 제 1 과 제 2 층 스택들 둘 다의 총 합은 적어도 4, 바람직하게는 6 과 50 사이, 더 바람직하게는 8 과 30 사이이다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 나노층 A (Ti1-a-bAlaMb)N 의 조성은 바람직하게는 0.55 ≤ a ≤ 0.7, 0 ≤ b ≤ 0.10 이다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 제 1 나노층 A (Ti1-a-bAlaMb)N 의 조성은 바람직하게는 0.55 ≤ a ≤ 0.7, 0 ≤ b ≤ 0.05 이다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 나노층 A 의 원소 M 은 Cr 이다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 제 1 나노층 A (Ti1-a-bAlaMb)N 의 조성은 바람직하게는 0.55 ≤ a ≤ 0.7 이고 b = 0 이다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 나노층 B (Ti1-c-dSicMd)N 의 조성은 바람직하게는 0.15 ≤ c ≤ 0.22 및 0 ≤ d ≤ 0.10 이다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 나노층 B (Ti1-c-dSicMd)N 의 조성은 바람직하게는 0.15 ≤ c ≤ 0.22 및 0 ≤ d ≤ 0.05 이다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 나노층 B 의 원소 M 은 Cr 이다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 나노층 B (Ti1-c-dSicMd)N 의 조성은 바람직하게는 0.15 ≤ c ≤ 0.22 및 d = 0 이다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 나노-다층 코팅은 상기 기재와 교호하는 제 1 과 제 2 층 스택들 사이에 출발 층을 포함한다. 출발 층은 0.2 와 2 ㎛ 사이, 바람직하게는 0.5 와 1.5 ㎛ 사이의 두께를 갖는다. 조성은 (Ti1-a-bAlaMb)N 이고, 여기서 0.5 ≤ a ≤ 0.75, 0 ≤ b ≤ 0.10 이고, M 은 Cr, Zr, Nb, Mo, Ta 및 V 로부터 선택된 하나 이상의 원소이다. 바람직하게는 0.55 ≤ a ≤ 0.7, 0 ≤ b ≤0.10, 더 바람직하게는 0.55 ≤ a ≤ 0.7 및 b = 0 이다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 출발 층의 조성은 나노층 A 의 조성과 동일하다.
코팅의 총 두께는 1 과 10 ㎛ 사이, 바람직하게는 1 과 7 ㎛ 사이, 더 바람직하게는 2 와 4 ㎛ 사이이다.
나노-다층 코팅은 PVD 공정, 바람직하게는 음극 아크 증발, 마그네트론 스퍼터링 또는 HIPIMS 중의 어느 것, 더 바람직하게는 음극 아크 증발을 이용하여 적절하게 증착된다.
코팅된 절삭 공구의 기재는 초경합금, 서멧, 세라믹, 입방정 질화붕소 및 고속도강의 그룹으로부터 선택될 수 있다. 일 실시형태에서, 기재는 5 내지 18 중량%의 Co 및 0 내지 10 중량%의, 원소 주기율표에서의 4족 내지 5족의 하나 이상의 원소의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물을 포함하는 초경합금이다.
초경합금 기재 중에 Cr 과 같은 다른 성분이 가능하다.
코팅된 절삭 공구는 적절하게는 금속 기계가공용 절삭 공구 인서트, 드릴, 또는 솔리드 엔드 밀이다. 절삭 공구 인서트는 예를 들어 선삭 인서트 또는 밀링 인서트이다.
도 1 은 나노-다층 코팅의 개략도이며, 여기서 1 및 2 는 교호하는 제 1 층과 제 2 층 스택들을 나타내고, 3 은 출발 층이고, 4 는 나노 층 코팅이고, 5 는 기재이다.
도 2 는 본 발명에 따른 코팅의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지를 보여주며, 여기서 1 및 2 는 교호하는 제 1 층과 제 2 층 스택들을 나타내고, 3 은 출발 층이고, 4 는 나노 층 코팅이고, 5 는 기재이다.
도 2 는 본 발명에 따른 코팅의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지를 보여주며, 여기서 1 및 2 는 교호하는 제 1 층과 제 2 층 스택들을 나타내고, 3 은 출발 층이고, 4 는 나노 층 코팅이고, 5 는 기재이다.
예 1 (본 발명)
지오메트리 CNMG120408MM 및 R390-11 의 소결 초경합금 절삭 공구 인서트 블랭크들 상에 (Ti,Si)N 및 (Ti,Al)N 의 상이한 나노-다층들을 증착시켰다. 초경합금의 조성은 10 wt% Co, 0.4 wt% Cr 및 잔부 WC 였다. 초경합금 블랭크들은 4개의 아크 플랜지들을 포함하는 진공 챔버에서 음극 아크 증발에 의해 코팅되었다. Ti-Si 의 타깃들은 서로 반대되는 플랜지들 중의 2개에 장착되었다. Ti-Al 의 타깃들은 서로 반대되는 2개의 나머지 플랜지들에 장착되었다. 타깃들은 공개 시장에서 입수 가능한 직경 100 mm 의 원형 및 평면이었다. 아크 증발을 위한 적합한 타깃 기술 패키지들은 IHI Hauzer Techno Coating B.V., Kobelco (Kobe Steel Ltd.) 및 Oerlikon Balzers 와 같은 시장의 공급업체들로부터 이용 가능하다.
코팅되지 않는 블랭크들은 PVD 챔버에서 3배 회전을 겪는 핀들 상에 장착되었다.
챔버는 고진공 (10-2 Pa 미만) 으로 펌핑되었고, 챔버 내부에 위치된 히터들에 의해 450-550℃ 로 가열되었다. 그 다음, 블랭크들은 Ar 플라즈마에서 60분 동안 에칭되었다.
1 ㎛ 의 두께를 갖는, 모든 다중-나노 층들에 대해 동일한, Ti0.33Al0.67N 출발 층이 10 Pa 및 300 V 에서 증착되었다.
이어서, 출발 층 위에, 약 2 ㎛ 의 두께를 갖는 나노-다층 코팅이 증착되었다.
챔버 압력 (반응 압력) 은 4 Pa 의 N2 가스로 설정되었고, (챔버 벽들에 대한) -50 V 의 DC 바이어스 전압이 블랭크 어셈블리에 인가되었다. 캐소드들은 75 분 (4 플랜지들) 동안 (각각) 150 A 의 전류에서 아크 방전 모드로 작동되었다.
본 발명 1 및 비교 1 및 2 에 대해 Ti-Si 타깃들로 Ti0.80Si0.20 을 그리고 Ti-Al 타깃들로 Ti0.33Al0.67 을 사용하여 증착을 수행하였다. 비교 3 의 경우, Ti0.33Al0.67 및 Ti0.50Al0.50 을 사용하였다. 회전 속도는 특정 주기 두께와 상관된다 나노-다층에서 상이한 주기 두께를 갖는 교호하는 제 1 및 제 2 층 스택들의 효과를 조사하기 위해, 상이한 테이블 회전 속도들을 사용하여 블랭크들의 일련의 증착들이 행해졌다.
회전 속도, 추정된 평균 나노 층 주기 두께 및 층 스택 두께가 표 1 에 주어진다.
레이크와 플랭크 면 상의 나노-다층 코팅의 총 두께는 LOM (Light Optical Microscope) 을 사용하여 절삭 에지로부터 약 200 ㎛ 인 인서트의 연마된 단면 상에서 측정되었다. 결과가 표 2 에 주어진다.
예 2 (작동 예)
에지 라인 인성에 대한 저항성에 관하여 상이한 코팅들을 조사하기 위한 절삭 시험이 다음의 설정들로 이루어졌다:
작업:
숄더 밀링
공작물 재료:
Dievar 미경화, P3. 0.Z.AN
치형부 수:
z=1
절삭 속도:
Vc=215 m/min
이송 속도:
fz=0.15 mm
반경방향 맞물림:
ae=12 mm
절삭 깊이:
ap=3.0
절삭 길이 = 12 mm
절삭유 없음
컷오프 기준은 플랭크 또는 레이크 상에서 0.2 ㎜ 의 측정 깊이 또는 에지 라인의 적어도 0.5 ㎜ 의 치핑이다. 공구 수명은 이러한 기준을 달성하기 위해 절삭 엔트런스 (cut entrances) 의 수로서 표현된다.
결과가 표 3 에 제시되며, 각각의 결과는 8회 시험의 평균이다.
예 3 (작동 예)
플랭크 마모에 대한 저항성에 관하여 상이한 코팅들을 조사하기 위한 절삭 시험이 다음의 설정들로 이루어졌다:
작업:
종방향 선삭
공작물 재료:
Sverker 21 (공구 강), 경도 ~210HB, D=180, L=700 mm
절삭 속도:
Vc=125 m/min
이송 속도:
fn=0.072 mm/rev
절삭 깊이:
ap=2 mm
절삭유 없음
공구 수명에 대한 컷오프 기준은 0.15 ㎜ 의 플랭크 마모 (VB) 이다.
결과가 표 4 에 제시되며, 각각의 결과는 2회 시험의 평균이다.
예 4 (작동 예)
콤 크랙 대한 저항성에 관하여 상이한 코팅들을 조사하기 위한 절삭 시험이 다음의 설정들로 이루어졌다:
작업:
숄더 밀링
공구 홀더:
R390-11, 25 mm
공작물 재료:
Toolox 33 (공구 강), L=600 mm, I=200 mm, h=100 mm,
인서트 유형:
R390-11
절삭 속도:
Vc=275 m/min
이송 속도:
fz=0.2 mm/rev
치형부당 이송
z=1
절삭 깊이:
ap=3 mm
반경방향 맞물림:
ae= 12.5 mm
절삭유 있음
공구 수명의 끝에 대한 기준은 최대 치핑된 높이 VB > 0.3 ㎜ 이다.
결과가 표 5 에 제시되며, 각각의 결과는 4회 시험의 평균이다.
Claims (10)
- 기재 (substrate) 및 나노-다층 코팅을 포함하는 코팅된 절삭 공구로서,
상기 나노-다층 코팅은 적어도 2번 교호하는 제 1 층 스택과 제 2 층 스택을 포함하고,
상기 제 1 층 스택은 교호하는 나노층들 A 및 B 를 포함하고, A+B 의 평균 층 주기 두께가 15 와 50 nm 사이이며,
상기 제 2 층 스택은 교호하는 나노층들 A 및 B 를 포함하고, A+B 의 평균 층 주기 두께가 2 와 10 nm 사이이며,
나노층 A 의 조성이 (Ti1-a-bAlaMb)N 이고, 여기서 0.5 ≤ a ≤ 0.75, 0 ≤ b ≤ 0.10 이고, M 은 Cr, Zr, Nb, Mo, Ta 및 V 로부터 선택된 하나 이상의 원소이며,
나노층 B 의 조성이 (Ti1-c-dSicMd)N 이고, 여기서 0.10 ≤ c ≤ 0.25, 0 ≤ d ≤ 0.10 이고, M 은 Cr, Zr, Nb, Mo, Ta 및 V 로부터 선택된 하나 이상의 원소인, 코팅된 절삭 공구. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 층 스택에서, A+B 의 평균 층 주기 두께가 18 과 35 nm 사이인, 코팅된 절삭 공구. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 층 스택에서, A+B 의 평균 층 주기 두께가 3 과 8 nm 사이인, 코팅된 절삭 공구. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
제 1 나노층 A (Ti1-a-bAlaMb)N 에 대해, 0.55 ≤ a ≤ 0.7, 0 ≤ b ≤ 0.10 이고 M 이 Cr 인, 코팅된 절삭 공구. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
제 2 나노층 B (Ti1-c-dSicMd)N 에 대해, 0.15 ≤ c ≤ 0.22, 0 ≤ d ≤ 0.10 이고 M 이 Cr 인, 코팅된 절삭 공구. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
제 1 나노층 A (Ti1-a-bAlaMb)N 에 대해, 0.55 ≤ a ≤ 0.7 이고 b=0 인, 코팅된 절삭 공구. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
제 2 나노층 B (Ti1-a-bAlaMb)N 에 대해, 0.15 ≤ c ≤ 0.22 이고 d=0 인, 코팅된 절삭 공구. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
교호하는 스택들의 수, 즉 제 1 과 제 2 층 스택들의 총 합이 적어도 4, 바람직하게는 6 과 50 사이인, 코팅된 절삭 공구. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅은 상기 기재와 교호하는 제 1 과 제 2 층 스택들 사이에, 두께 0.2 와 2 ㎛ 사이의 출발 층을 포함하는, 코팅된 절삭 공구. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅의 총 두께가 1 과 10 ㎛ 사이인, 코팅된 절삭 공구.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP21203745.1 | 2021-10-20 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240090189A true KR20240090189A (ko) | 2024-06-21 |
Family
ID=
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