WO2014104495A1 - 절삭공구용 다층박막과 이를 포함하는 절삭공구 - Google Patents

절삭공구용 다층박막과 이를 포함하는 절삭공구 Download PDF

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thin
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안승수
박제훈
이성구
안선용
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Definitions

  • the present invention relates to a multilayer thin film for cutting tools, more specifically, a super thin lattice of several nanometers to several tens of nanometers thick is a multilayer thin film laminated in the form of ABCD or ABCB, which can realize a low quality deviation and excellent wear resistance.
  • a multilayer thin film for cutting tools is a multilayer thin film laminated in the form of ABCD or ABCB, which can realize a low quality deviation and excellent wear resistance.
  • the principle of improving the properties of the superlattice coating is described as a reinforcing mechanism such as Koehler's model, Hall-Petch relationship, and coherency strain model.
  • the reinforcement mechanism is implemented by controlling the lattice constant difference, the elastic modulus difference, or the lamination period of A and B during alternating deposition of A and B materials.
  • each thin film constituting the multilayer thin film formed by alternating lamination is usually formed with a very thin thickness of several nm to several tens of nm, when the multilayer thin film thus formed is exposed to a high temperature environment formed during cutting for a long time, There is also a problem in that physical properties of the multilayer thin film are deteriorated due to mutual diffusion of components constituting the thin film between adjacent thin films.
  • the problem to be solved by the present invention in forming a multi-layer thin film consisting of a super lattice, by controlling the period of the lattice constant and elastic modulus of the multi-layer thin film so that two or more thin film reinforcement mechanisms act, wear resistance of the conventional super lattice coating
  • the present invention provides an improved cutting tool multilayer thin film and a cutting tool in which the multilayer thin film is formed.
  • another object of the present invention is to provide a multi-layered thin film and a cutting tool in which the multi-layered thin film is formed so that the interdiffusion between the thin layers constituting the multilayer thin film can be suppressed and the reinforcing effect of the multilayer thin film can be maintained for a long time as compared with the conventional art.
  • the present invention is a multi-layer thin film for a cutting tool in which a unit thin film consisting of a thin layer A, a thin layer B, a thin layer C, and a thin layer D is sequentially stacked, and the elastic modulus between the thin layers (k ) Is k A , k C > k B , k D or k B , k D > k C , k A , and the lattice constant L between the thin layers is L A > L B , L D > L C
  • a multilayer tool for cutting tools characterized in that L C > L B , L D > L A.
  • the difference between the maximum value and the minimum value of the lattice constant L is preferably within 20%.
  • the elements of the thin layer B and the thin layer D may include one or more elements that are the same or at least the same as the elements of the adjacent thin layer A or the thin layer C.
  • the lattice constant average period ⁇ L of the multilayer thin film may be twice the average elastic modulus period ⁇ k.
  • the thickness of the unit thin film may be 4nm ⁇ 50nm.
  • the thin layer B and the thin layer D may be made of the same material.
  • the present invention also provides a cutting tool comprising the multilayer thin film described above.
  • the multilayer thin film formed by simultaneously controlling the difference in the lattice constant as well as the difference in the elastic modulus between the thin layers constituting the multilayer thin film, the difference in the elastic modulus for strengthening the thin film, and the unit thin film lattice
  • the constant difference is minimized and the reinforcement mechanism conditions for minimizing the inter-layer thermal expansion coefficient can be simultaneously satisfied, thereby further improving the physical properties of the formed multilayer thin film.
  • the multilayer thin film according to the present invention is advantageous in maintaining the physical properties of the multilayer thin film for a long time even in a high temperature cutting environment by minimizing the compositional difference between the thin layers to suppress interdiffusion between layers.
  • the multilayer thin film according to the present invention is advantageous in terms of productivity because the quality deviation is small even if the difference in the thickness of the thin film formed for each lot is large.
  • Figure 1 shows the relationship between the elastic modulus and the period of the lattice constant of a conventional superlattice multilayer thin film.
  • Figure 2 shows the relationship between the elastic modulus and the lattice constant period of the superlattice multilayer thin film according to the present invention.
  • 3 is a view for explaining the composition difference between the thin layers of the multilayer thin film according to the present invention.
  • Example 5 is a photograph showing the turning performance test results of the multilayer thin film formed according to Example 1 of the present invention and the multilayer thin film formed according to the comparative example.
  • Figure 6 is a photograph showing the milling performance test results of the multilayer thin film formed according to Example 1 of the present invention and the multilayer thin film formed according to the comparative example.
  • Example 7 is a photograph showing the cutting performance test results of the multilayer thin film formed according to Example 2 of the present invention and the multilayer thin film formed according to the comparative example.
  • the elastic modulus and the lattice constant do not coincide with each other, and when differently adjusted, in particular, two or more reinforcing mechanisms (ie, Koehler's model mechanisms and Hall-Petch relation mechanisms) in the laminated superlattice membrane It can be worked smoothly, as well as improve the wear resistance of the multilayer thin film, confirmed that the quality deviation is reduced compared to the multilayer thin film mainly work one reinforcing mechanism during mass production, and completed the present invention.
  • two or more reinforcing mechanisms ie, Koehler's model mechanisms and Hall-Petch relation mechanisms
  • the multilayer thin film according to the present invention is a multilayer thin film composed of a thin layer A, a thin layer B, a thin layer C, and a thin layer D, and the elastic modulus k between the thin layers is k A , k C > k B , k D k B , k D > k C , k A , and the lattice constant L between the thin layers is L A > L B , L D > L C or L C > L B , L D > L A do.
  • FIG. 2 shows an example of the relationship between the elastic modulus and the lattice constant period of the superlattice multilayer thin film according to the present invention.
  • the superlattice multilayer thin film according to the present invention is different from FIG. 1, and the period (solid line) of the elastic modulus is about twice the period (dotted line) of the lattice constant, and thus the elastic modulus and lattice constant It can be seen that the periods of do not match.
  • the Koehler model which is related to the elastic modulus, explains that the reinforcing effect occurs below 20-30 nm, which is about 100 atomic layers, which is a critical thickness at which the thickness of the A thin film and the B thin film are sufficiently small to make dislocations difficult.
  • the Hall-petch model which explains the periods of the material being separated by the lattice constant, explains that the reinforcing effect occurs at a lower number of several nm.
  • the present invention is adjusted so that the period of the elastic modulus and the period of the lattice constant are mutually inconsistent so that the two reinforcing effects can occur.
  • the multilayer thin film according to the present invention is intended for the unit thin film is composed of four layers, the stacking order of each unit thin film may be made in the order of A-B-C-D or A-B-C-B. That is, the second layer and the fourth layer may be made of different materials or the same material.
  • the average period of the elastic modulus and the average period of the lattice constant is different from each other, it is included in the scope of the present invention, preferably the average period of the elastic modulus may be twice the average period of the lattice constant.
  • the elements of the thin layer B and the thin layer D have one or more elements which are the same or at least the same as the element of the adjacent thin layer A or thin layer C. It can be included.
  • the deposition of the unit thin film was performed by the in-arc ion plating method of physical vapor deposition (PVD), and the deposition was performed using an initial vacuum pressure of 8.5 ⁇ 10. -5 Decompression below Torr and N as reaction gas 2
  • the reaction gas pressure was 40mTorr or less (preferably 10 ⁇ 35m) Torr), temperature was 400-600 degreeC, and the board
  • the lattice constant of each unit thin film constituting the multilayer thin film can be obtained by XRD analysis after forming a single layer thin film.
  • the radius values of atoms, ions, and covalent bonds, which are theoretically obtained from experiments, are theoretically obtained.
  • the lattice constant was calculated by calculating the radius value of the covalent bond quantitatively according to the atomic ratio to the B1 Cubic structure.
  • Lattice constant: a 4.24-0.125x (x is molar ratio of Al)
  • Example 1 of the present invention the TiAlN-based thin film was compared with the case where the multilayer thin film was formed by the method according to the present invention and the case where the multilayer thin film was formed by the conventional method.
  • Deposition was performed by in-sputtering of physical vapor deposition (PVD), and the deposition was decompressed to an initial vacuum pressure of 4 mPa or less, and ion cleaning of the substrate was performed at -600V.
  • N 2 was injected into the reaction gas, and Ar and Kr were used as inert gases.
  • the deposition pressure was 500 ⁇ 700mPa, and the cathode power and table rotation speed were controlled within the range of 2000 ⁇ 14000W, 0.5 ⁇ 3RPM, respectively, to control the stacking cycle.
  • the chamber temperature was 400 ⁇ 600 and the substrate bias voltage was -60. It carried out on conditions which are -150V.
  • the lamination structure and composition of the multilayer thin film were performed as shown in Table 2 below, and a total of 200 thin films were formed by repeating a total of 200 thin films so that the period of the thin film composed of four unit thin films was 10-20 nm.
  • the multilayer thin film of 2.5-3.5 micrometers was obtained.
  • A30 a P30 grade of Korean metallurgy, was used.
  • SPKN1504EDSR-SM was used. .
  • Example 2 of the present invention the AlCrN-based thin film was compared with the case where the multilayer thin film was formed by the method according to the present invention and the case where the multilayer thin film was formed by the conventional method.
  • the lamination structure and composition of the multilayer thin film were performed as shown in Table 3 below, and a total of 180 layers of thin films consisting of four unit thin films were repeatedly laminated so that the average period of the lattice constant was 5 to 10 nm and the period of elastic modulus was 10 to 20 nm. Thus, a multilayer thin film having a final thin film thickness of 2.5 to 3.5 ⁇ m was obtained.
  • CNMG120408-HS was used for the PP9030 material, which is the M30 grade of Korean metallurgy.
  • Examples 2-1 and 2-2 of the present invention show improved slope wear patterns compared to Comparative Example 2-3.
  • the superlattice multilayer thin film laminated by controlling the period of elastic modulus and lattice constant according to the present invention exhibits improved wear resistance compared to the case where it is not.
  • the multilayer thin film according to the present invention can be suitably used for the film for cutting tools.

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Abstract

본 발명은 총 4개의 박층으로 이루어지는 단위박막이 2회 이상 적층되며, 상기 4개의 박층 간의 탄성계수와 격자상수의 주기 조절을 통해, 종래에 비해 향상된 물성을 구현할 수 있는 절삭공구용 다층박막에 관한 것이다. 본 발명에 따른 절삭공구용 다층박막은, 박층A, 박층B, 박층C 및 박층D로 순차적층되어 이루어진 단위박막이 2회 이상 적층된 절삭공구용 다층박막으로, 상기 박층간의 탄성계수(k)는, kA,kC > kB,kD 이거나 kB,kD > kC,kA 이고, 상기 박층 간의 격자상수(L)는, LA>LB, LD>LC 이거나 LC>LB, LD>LA 인 것을 특징으로 한다.

Description

절삭공구용 다층박막과 이를 포함하는 절삭공구
본 발명은 절삭공구용 다층박막에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 수 나노미터 ~ 수십 나노미터 두께의 초격자 박막이 A-B-C-D 또는 A-B-C-B의 형태로 적층된 다층박막으로 품질편차가 적고 우수한 내마모성을 구현할 수 있는 절삭공구용 다층박막에 관한 것이다.
고경도 절삭공구 소재의 개발을 위해 1980년대 후반부터 TiN 기반의 다양한 다층막 시스템이 제안되었다.
일례로 TiN이나 VN을 수 나노미터 두께로 교대로 반복 적층시켜 다층막을 형성하면 각각의 단일 층의 격자상수의 차이에 불구하고 막 사이에 정합 계면을 이루어 하나의 격자상수를 갖는 이른바 초격자를 이루는 코팅이 형성되고, 이 경우 각각의 단일 막이 갖는 일반적인 경도의 2배 이상의 높은 경도를 구현할 수 있다. 이에 따라 이러한 현상을 절삭공구용 박막에 적용하기 위한 다양한 시도가 있어 왔다.
이러한 초격자 코팅의 물성이 향상되는 원리는 Koehler's model, Hall-Petch 관계, Coherency strain model 등의 강화기구로 설명되고 있다. 그리고 상기한 강화기구는 A와 B 물질의 교대 증착시 A와 B의 격자상수 차이, 탄성계수 차이 또는 적층 주기의 제어에 의해 구현된다.
일반적으로 두 물질의 교대 적층을 통해서는 상기 강화기구 중에 2가지 이상을 적용하는 것이 어렵고, 특히 로트(lot) 내는 물론 로트 간 다층박막의 적층 주기의 편차가 심한 양산 조건 하에서는 우수한 내마모성을 갖는 다층박막을 균일한 품질로 생산하기 어려운 문제점이 있다.
이에 따라, 종래에는 미국 특허공보 제5,700,551호에 개시된 바와 같이 2 이상의 물질의 교대 적층을 통해 다층박막을 형성할 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 탄성계수의 주기(실선)와 격자상수의 주기(점선)가 일치하게 적층되는 것이 일반적인데, 이 경우 전술한 여러 가지 강화기구를 동시에 활용하기 어려워, 다층박막의 내마모성을 향상시키는데 한계가 있었다.
또한, 교대 적층을 통해 형성되는 다층박막을 구성하는 각각의 박막은 통상 수nm ~ 수십 nm 정도의 매우 얇은 두께로 형성되는데, 이와 같이 형성된 다층박막은 절삭 시 형성되는 고온환경에 장시간 노출될 경우, 인접하는 박막 간에 박막을 구성하는 성분의 상호 확산에 의해, 다층박막의 물성이 저하되는 문제점도 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 초격자로 이루어진 다층박막을 형성함에 있어서, 다층박막의 격자상수와 탄성계수의 주기를 조절하여 2 이상의 박막 강화기구가 작용하도록 함으로써, 내마모성이 종래의 초격자 코팅에 비해 향상된 절삭공구용 다층박막과 이 다층박막이 형성된 절삭공구를 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 다른 과제는 다층박막을 구성하는 박층 간의 상호 확산이 억제되어 다층박막의 강화 효과가 종래에 비해 장시간 지속될 수 있는 다층박막과 이 다층박막이 형성된 절삭공구를 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 방법으로 본 발명은, 박층A, 박층B, 박층C 및 박층D로 순차적층되어 이루어진 단위박막이 2회 이상 적층된 절삭공구용 다층박막으로, 상기 박층간의 탄성계수(k)는, kA,kC > kB,kD 이거나 kB,kD > kC,kA 이고, 상기 박층 간의 격자상수(L)는, LA>LB, LD>LC 이거나 LC>LB, LD>LA 인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 다층박막을 제공한다.
본 발명에 따른 다층박막에 있어서, 상기 격자상수(L)의 최대값과 최소값의 차이가 20% 이내로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 다층박막에 있어서, 박층B와 박층D의 구성원소는 인접한 박층A 또는 박층C의 구성원소와 같거나 적어도 동일한 원소를 1개 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 다층박막에 있어서, 상기 다층박막의 격자상수 평균 주기(λL)는 탄성계수 평균 주기(λk)의 2배일 수 있다.
본 발명에 따른 다층박막에 있어서, 상기 단위박막의 두께는 4nm~50nm일 수 있다.
본 발명에 따른 다층박막에 있어서, 상기 박층B와 박층D는 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 다층박막을 포함하는 절삭공구를 제공한다.
본 발명에 따라, 다층박막을 구성하는 각각의 박층 간의 탄성계수의 차이는 물론 격자상수의 차이를 동시에 제어하여 형성된 다층박막은, 박막의 강화를 위한 탄성계수의 차이를 크게 하고, 단위박막간 격자상수 차이는 최소화로 하고, 층간 열팽창계수의 최소화하는 강화기구 조건을 동시에 만족할 수 있어 형성된 다층박막의 물성을 보다 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 다층박막은 박층 간의 조성 차이를 최소화하여 층간 상호확산을 억제함으로써, 고온의 절삭환경에서도 다층박막의 물성이 장시간 유지되는데 유리하다.
또한, 본 발명에 따른 다층박막은 2 이상의 강화기구에 의해 박막의 물성이 향상되기 때문에 로트별로 형성되는 박막 두께의 차이가 크더라도 품질편차가 작아 생산성의 측면에도 유리하다.
도 1은 종래의 초격자 다층박막의 탄성계수와 격자상수의 주기의 관계를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 초격자 다층박막의 탄성계수와 격자상수 주기와의 관계를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 다층박막의 박층 간의 조성차를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 (Ti1-xAlx)N계 박막의 Al 함량에 따른 격자상수의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 형성한 다층박막과 비교예에 따라 형성한 다층박막의 선삭가공 성능시험 결과를 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따라 형성한 다층박막과 비교예에 따라 형성한 다층박막의 밀링가공 성능시험 결과를 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따라 형성한 다층박막과 비교예에 따라 형성한 다층박막의 절삭성능시험 결과를 나타낸 사진이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기초로 본 발명을 보다 상세하게 설명하나, 본 발명이 하기 실시예에 제한되는 것은 아니다.
본 발명자들은 단위박막을 적층함에 있어서, 탄성계수와 격자상수의 주기를 일치시키지 않고, 다르게 조절할 경우, 특히 적층된 초격자 박막에 2 이상의 강화기구(즉, Koehler's model 기구와 Hall-Petch 관계 기구)가 원활하게 작용될 수 있어, 다층박막의 내마모성을 향상시킴은 물론, 양산 시 한 가지 강화기구가 주로 작용하는 다층박막에 비해 품질편차가 작아짐을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명에 따른 다층박막은, 박층A, 박층B, 박층C 및 박층D로 순차적층되어 이루어진 다층박막으로, 상기 박층간의 탄성계수(k)는, kA,kC > kB,kD 이거나 kB,kD > kC,kA 이고, 상기 박층 간의 격자상수(L)는, LA>LB, LD>LC 이거나 LC>LB, LD>LA 인 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 초격자 다층박막의 탄성계수와 격자상수 주기와의 관계의 일 예를 나타낸 것이다. 도 2에 보여진 바와 같이, 본 발명에 따른 초격자 다층박막은 도 1과 상이하게, 탄성계수의 주기(실선)는 격자상수의 주기(점선)의 2배 정도이며, 이에 따라 탄성계수와 격자상수의 주기가 일치하지 않는 것을 알 수 있다.
탄성계수와 관련된 Koehler 모델에서는 A 박막의 두께와 B 박막의 두께가 충분히 작아져 전위의 생성이 어려워지는 임계 두께인 원자 층 100개 정도인 20~30nm 이하에서 강화효과가 발생하는 것으로 설명하고 있다. 반면 격자상수 차이로 인해 구분되어지는 물질의 주기를 설명하는 Hall-petch 모델에서는 보다 낮은 수준인 수 nm 주기에서의 강화효과가 발생하는 것으로 설명하고 있다. 본 발명은 상기 2가지 강화효과가 발생할 수 있도록 탄성계수의 주기와 격자상수의 주기가 상호 불일치하도록 조절한 것이다.
또한, 상기 격자상수(L)의 최대값과 최소값의 차이가 20%를 초과할 경우, 초격자를 형성하기 어려우므로, 20% 이내에서 가능한 차이가 발생하도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 다층박막은 단위박막이 4개의 층으로 이루어진 것을 대상으로 하며, 각 단위박막의 적층순서는 A-B-C-D 또는 A-B-C-B의 순으로 이루어질 수 있다. 즉, 제2층과 제4층은 서로 다른 물질로 이루어지거나, 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 탄성계수의 평균 주기와 격자상수의 평균 주기는 서로 상이하면 본 발명의 범위에 포함되며, 바람직하게는 상기 탄성계수의 평균 주기가 상기 격자상수의 평균 주기의 2배일 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이 적층되는 박층 간(A층-C층)의 농도 구배가 클 경우 확산을 유발하는 구동력(driving force)가 커져 고온 절삭환경에 장시간 노출 시 상호 확산이 일어날 확률이 높아지는 반면, 도 3b에 도시된 바와 같이 적층되는 박층 간(A층-B층, B층-C층)의 농도 구배가 작을 경우 확산을 유발하는 구동력이 줄어들고 결과적으로 상호 확산도 지연될 수 있다.
이에 따라 적층되는 인접한 박층 간의 조성 차를 최대한 줄이기 위하여, 본 발명에 따른 다층박막에서, 박층B와 박층D의 구성원소는 인접한 박층A 또는 박층C의 구성원소와 같거나 적어도 동일한 원소를 1개 이상을 포함하게 할 수 있다.
[실시예 1]
4개의 단위박막으로 이루어진 박막을 2층 이상 반복 적층한 초격자 다층박막을 형성함에 앞서, 각 단위박막의 탄성계수를 확인하기 위해 단층박막을 증착하여 각 단위박막을 구성하는 박막의 탄성계수를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
단위박막의 증착은 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)의 인 아크 이온 플레이팅 법을 사용하였으며, 증착은 초기 진공압력 8.5×10-5Torr 이하로 감압하고 반응가스로 N2를 주입하였으며, 증착시 반응가스 압력은 40mTorr 이하(바람직하게는 10~35m Torr), 온도는 400~600℃, 기판 바이어스 전압은 -30 ~ -150V인 조건으로 실시하였다.
표 1
박막 타겟 조성(원자%) 탄성계수(GPa)
TiN Ti = 99.9 416
TiAlN Ti : Al = 75 : 25 422
TiAlN Ti : Al = 50 : 50 430
AlTiN Ti : Al = 33 : 67 398
TiAlCrN Ti : Al : Cr = 28: 67 : 5 404
TiAlSiN Ti : Al : Si = 35: 63 : 2 374
TiCrN Ti : Cr = 90 : 10 421
TiSiN Ti : Si = 95 : 5 382
TiVN Ti : V = 95 : 5 412
TiNbN Ti : Nb = 95 : 5 406
TiZrN Ti : Zr = 95 : 5 377
CrN Cr = 99.9 475
CrAlN Cr : Al = 50 : 50 367
AlCrN Cr : Al = 30 : 70 403
AlCrSiN Cr : Al : Si = 30 : 65 : 5 338
또한, 다층박막을 구성하는 각 단위박막의 격자상수는 단층박막을 형성한 후 XRD분석을 통해 구할 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는 기존에 실험과 이론적으로 구해진 원자 및 이온, 공유결합의 반경 값을 활용하여 구하였다. 구체적으로, 격자상수는 공유결합의 반경값을 원자비에 따라 정량적으로 B1 Cubic 구조에 적용하는 방식으로 계산하여 구하였다.
또한, 도 4에 나타난 바와 같이, (Ti1-xAlx)N계 박막의 경우, Al의 함량이 증가함에 따라 격자상수는 대략 선형적으로 감소하는 경향을 나타내므로, (Ti1-xAlx)N계 박막의 격자상수는 하기 식 1을 통해 구할 수 있다.
[식 1]
격자상수: a=4.24-0.125x (x는 Al의 몰비)
본 발명의 실시예 1에서는 TiAlN계 박막을 본 발명에 따른 방법으로 다층박막을 형성한 경우와 종래의 방법으로 다층박막을 형성한 경우를 비교하였다. 증착은 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)의 인 스퍼터링법을 사용하였으며, 증착은 초기 진공압력 4mPa 이하로 감압하였고, -600V로 기판의 이온 세정을 실시하였다. 반응가스로 N2를 주입하였으며, 불활성 가스로는 Ar과 Kr을 사용하였다. 증착시 압력은 500~700mPa, 적층주기 제어를 위해 케소드 파워와 테이블의 회전속도를 각각2000~14000W, 0.5 ~ 3RPM 범위 내에서 조절 하였으며, 챔버 내부 온도는 400~600, 기판 바이어스 전압은 -60 ~ -150V인 조건으로 실시하였다.
다층박막의 적층구조 및 조성은 하기 표 2와 같이 실시하였고, 4층의 단위 박막으로 구성된 박막의 주기가 10~20nm 되도록 4층의 단위박막으로 이루어진 박막을 총 200회 반복 적층하여, 최종 박막 두께 2.5~3.5㎛ 인 다층박막을 얻었다. 이때, 기재로는 밀링용은 한국야금의 P30 재종인 A30을 활용 하였으며, 형번은 SPKN1504EDSR-SM을 사용하였고 선삭용 기재는 한국야금의 M30 재종인 PP9030을 활용하였으며, 형번은 CNMG120408-HS를 사용하였다.
표 2
박막 타겟 A B C D 비고
1-1 조성 Ti Ti:Al=50:50 Ti:Al=33:67 Ti:Al=50:50 실시예
격자상수 462 423 409.7 423
탄성계수 416 430 398 430
1-2 조성 Ti Ti:Al=50:50 Ti:Al=8:92 Ti:Al=50:50 실시예
격자상수 462 423 390 423
탄성계수 416 430 297 430
1-3 조성 Ti Ti:Al=50:50 Ti:Al:Si=35:63:2 Ti:Al=50:50 실시예
격자상수 462 423 411 423
탄성계수 416 430 374 430
1-4 조성 Ti Ti:Al=50:50 Ti:Al:Cr=28:67:5 Ti:Al=50:50 실시예
격자상수 462 423 406 423
탄성계수 416 430 404 430
1-5 조성 Ti:Cr=90:10 Ti:Al=50:50 Ti:Al=33:67 Ti:Al=50:50 실시예
격자상수 460 423 409.7 423
탄성계수 421 430 398 430
1-6 조성 Ti:Si=95:5 Ti:Al=50:50 Ti:Al=33:67 Ti:Al=50:50 실시예
격자상수 459 423 409.7 423
탄성계수 382 430 398 430
1-7 조성 Ti:V=95:5 Ti:Al=50:50 Ti:Al=33:67 Ti:Al=50:50 실시예
격자상수 461 423 409.7 423
탄성계수 412 430 398 430
1-8 조성 Ti:Nb=95:5 Ti:Al=50:50 Ti:Al=33:67 Ti:Al=50:50 실시예
격자상수 462 423 409.7 423
탄성계수 406 430 398 430
1-9 조성 Ti:Zr=95:5 Ti:Al=50:50 Ti:Al=33:67 Ti:Al=50:50 실시예
격자상수 464 423 409.7 423
탄성계수 377 430 398 430
1-10 조성 Ti Ti:Al=50:50 Ti:Al=50:50 Ti:Al=50:50 비교예
격자상수 462 423 423 423
탄성계수 416 430 430 430
1-11 조성 Ti:Al=33:67 Ti:Al=50:50 Ti:Al=50:50 Ti:Al=50:50 비교예
격자상수 409.7 423 423 423
탄성계수 398 430 430 430
1-12 조성 Ti:Al=33:67 Ti:Al=50:50 Ti:Al=33:67 Ti:Al=50:50 비교예
격자상수 409.7 423 409.7 423
탄성계수 398 430 398 430
이상과 같이 증착된 다층박막의 절삭성능평가는 밀링과 선삭 방식으로 진행되었으며, 밀링은 피삭재로 SKD11(가로:100mm, 세로:300mm)을 사용하였으며, 절삭조건은 속도 250m/min, 날당 이송 0.2mm/tooth, 절입 2mm, 건식 조건에서 실시하였으며, 900mm 가공 후 마모상태를 비교하는 방식으로 수행하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에서 확인되는 바와 같이, SKD11 가공시 마모는 주로 경사면 마모 위주로 진행되는 것을 알 수 있으며, 실시예1-1 ~ 1-9 의 경우, 비교예1-1 ~ 1-3 에 비해, 경사면 마모가 개선된 것을 확인할 수 있다.
선삭 평가는 피삭재로 STS316 을 사용하였으며 절삭조건은 속도 200m/min, 날당이송은 0.25mm/tooth, 절입 1.5mm, 습식조건에서 실시하였으며, 3분간 연속 가공 후 마모상태를 비교하는 방식으로 수행하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6에서 확인되는 바와 같이, STS316 가공시 마모는 주로 경사면 마모 위주로 진행되는 것을 알 수 있으며, 실시예1-1 ~ 1-9 의 경우, 비교예1-1 ~ 1-3 에 비해, 경사면 마모가 개선된 것을 확인할 수 있다.
[실시예 2]
본 발명의 실시예 2에서는 AlCrN계 박막을 본 발명에 따른 방법으로 다층박막을 형성한 경우와 종래의 방법으로 다층박막을 형성한 경우를 비교하였다.
다층박막의 적층구조 및 조성은 하기 표 3과 같이 실시하였고, 격자상수의 평균 주기가 5~10nm이며, 탄성계수의 주기가 10~20nm 되도록 4층의 단위박막으로 이루어진 박막을 총 180회 반복 적층하여, 최종 박막 두께 2.5 ~ 3.5㎛ 인 다층박막을 얻었다. 이때, 다층박막을 증착한 기재로는 한국야금의 M30 Grade 인 PP9030 소재에 형번은 CNMG120408-HS을 사용하였다.
표 3
박막 항목 A B C D 비고
2-1 조성 Cr=99.9 Cr:Al=50:50 Cr:Al=30:70 Cr:Al=50:50 실시예
격자상수 420 402 382.7 402
탄성계수 475 367 403 367
2-2 조성 Cr:Si=95:5 Cr:Al=50:50 Cr:Al=30:70 Cr:Al=50:50 실시예
격자상수 417 402 382.7 402
탄성계수 447 367 403 367
2-3 조성 Cr:Al=30:70 Cr:Al=50:50 Cr:Al=30:70 Cr:Al=50:50 비교예
격자상수 382.7 402 382.7 402
탄성계수 403 367 403 367
이상과 같이 증착된 다층박막의 절삭성능평가는 피삭재로 SM45C(직경100mm, 높이:120mm)를 사용하였으며, 절삭조건은 속도 250m/min, 날당 이송 0.25mm/tooth, 절입 1.5mm, 건식 조건에서 실시하였으며, 30회 단면가공 후 마모상태를 비교하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 2-1 및 2-2는 비교예 2-3에 비해, 개선된 경사면 마모형태를 보여준다.
즉, 본 발명에 따라 탄성계수와 격자상수의 주기를 제어하여 적층한 초격자 다층박막이 그렇지 않은 경우에 비해, 향상된 내마모 특성을 나타냄을 알 수 있다.
본 발명에 따른 다층박막은 절삭공구용 피막에 적합하게 사용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 박층A, 박층B, 박층C 및 박층D로 순차적층되어 이루어진 단위박막이 2회 이상 적층된 절삭공구용 다층박막으로,
    상기 박층간의 탄성계수(k)는, kA,kC > kB,kD 이거나 kB,kD > kC,kA 이고,
    상기 박층 간의 격자상수(L)는, LA>LB, LD>LC 이거나 LC>LB, LD>LA 인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 다층박막.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자상수(L)의 최대값과 최소값의 차이가 20% 이내인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 다층박막.
  3. 제 1 항에 있어서,
    박층B와 박층D의 구성원소는 인접한 박층A 또는 박층C의 구성원소와 같거나 적어도 동일한 원소를 1개 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 다층박막.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다층박막의 격자상수 평균 주기(λL)는 탄성계수 평균 주기(λk)의 2배인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 다층박막.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 단위박막의 두께는 4nm~50nm인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 다층박막.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 박층B와 박층D는 동일한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 절삭공구용 다층박막.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 다층박막이 형성된 절삭공구.
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