WO2017047949A1 - 절삭공구용 경질피막 - Google Patents

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김범식
안승수
김경일
이동열
안선용
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Definitions

  • the present invention relates to a hard coating for a cutting tool, and more particularly includes an AlTiMeN layer forming a nano-layered structure, and can reduce the occurrence of thermal cracks even if phase decomposition occurs during cutting,
  • a hard coating that can be suitably used for medium to low speed milling interrupted machining.
  • a so-called superlattice having a lattice constant is formed by forming a matching interface between the films despite the difference in lattice constant of each single layer.
  • the coating is made, it is possible to realize a hardness that is higher than twice the general hardness of each single film, and various attempts have been made to apply this phenomenon to the cutting tool thin film.
  • the reinforcing mechanisms used for the superlattice coating include Koehler's model, Hall-Petch relationship, and coherency strain model. These reinforcing mechanisms include A and B lattice constant differences and modulus of elasticity when A and B materials are alternately deposited. The hardness is increased by controlling the lamination cycle.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 2013-0123238
  • nitrides of various compositions such as AlTiN, TiAlN, and AlTiMeN (here, Me is a metal element) are alternately repeatedly laminated to form a single layer.
  • Hard coatings for cutting tools have been proposed with various nano multilayer structures that realize much improved physical properties compared to films.
  • a nitride thin film such as AlTiN, TiAlN or AlTiMeN has a phase decomposition with AlN, TiN, or MeN due to high temperature and pressure during cutting, and at this time, the thermal expansion coefficient of AlN, TiN, etc.
  • the difference is too large, there is a problem that the initial crack during the cutting process such as milling interrupted cutting of the medium-low speed easily occurs, shortening the tool life.
  • the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, to provide a hard coating for cutting tools to improve the problem of reducing the tool life due to thermal cracks to a hard coating comprising a nitride layer such as AlTiN, TiAlN, TiAlMeN Let's solve the problem.
  • the present invention is a hard film formed by the PVD method on the surface of the base material for cutting tools, the hard film has a total thickness of 0.5 ⁇ 10 ⁇ m, the overall composition is A la- b Ti a Me b N (0.2 ⁇ a ⁇ 0.6, 0 ⁇ b ⁇ 0.15), wherein Me forms a nitride with a thermal expansion coefficient greater than 2.7 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C. and less than 9.35 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C.
  • the thin film layer has a structure in which the thin layer B is repeatedly laminated one or more times of the nano multilayer structure disposed between the thin layer A and the thin layer C, and the thermal expansion coefficient of the thin layer A is k A and the thermal expansion coefficient of the thin layer B is obtained.
  • the thin layer a is Ti 1 - a Al a N ( 0.3 ⁇ a ⁇ 0.7)
  • the The thin layer B is characterized by Ti 1 -yz Al y Me z N (0.3 ⁇ y ⁇ 0.7, 0.01 ⁇ z ⁇ 0.5)
  • the thin layer C has a composition of Al 1 - x Ti x N (0.3 ⁇ x ⁇ 0.7). Temple to say Provided is a hard coating for cutting tools.
  • the thermal expansion coefficients of the thin layer A, the thin layer B, and the thin layer C are obtained by multiplying the intrinsic thermal expansion coefficient of the single element nitride by the composition ratio.
  • the Me may include one or more selected from Si, Group 4a, Group 5a, Group 6a elements.
  • the Me may include one or more selected from Si, Zr, Hf, V, Ta, Cr.
  • the difference between the thermal expansion coefficient of the nitride of Me and the thermal expansion coefficient of AlN and TiN may be 1.0 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C. or more.
  • ATiMeN nitride layer included in the hard coating according to the present invention is formed of a multilayer nanostructure, in the thin layer A, thin layer B, thin layer C constituting the multi-layer nanostructure, the thin layer B is disposed in the middle of the thin layer A and thin layer C
  • the thermal expansion coefficient of the thin layer B satisfies k A > k B > k C so that the occurrence of thermal cracks due to the difference in the coefficient of thermal expansion even when phase decomposition occurs during cutting can be achieved. It can be greatly alleviated, and the life of the cutting tool can be greatly increased, especially in cutting operations such as medium to low speed milling interrupted machining.
  • FIG. 1 is for explaining a nanostructure according to an embodiment of the present invention.
  • a thin layer AlTiN A thin AlTiMeN layer is disposed between the thin TiAlN layer and alternately repeats the stacked nano multilayer structure to form a thin layer of A la- b Ti a Me b N (0.2 ⁇ a ⁇ 0.6, 0 ⁇ b ⁇ 0.15) composition as a whole.
  • the thermal expansion coefficient of the AlTiMeN layer is used between the thermal expansion coefficient of AlTiN and the thermal expansion coefficient of TiAlN, it is found that the occurrence of thermal cracks due to phase decomposition during cutting can be significantly reduced, thereby extending the life of the cutting tool.
  • the present invention has been reached.
  • the hard film according to the present invention is formed on the surface of the base material for cutting tools by PVD method, the total thickness is 0.5 ⁇ 10 ⁇ m, the overall composition is A la- b Ti a Me b N (0.2 ⁇ a ⁇ 0.6, 0 ⁇ b ⁇ 0.15), wherein Me is an element that forms a nitride having a thermal expansion coefficient greater than 2.7 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C.
  • the thin film B is thin layer A
  • a nano multilayer structure disposed between the thin layers C repeatedly stacked one or more times, wherein the thermal expansion coefficient of the thin layer A is k A , the thermal expansion coefficient of the thin layer B is k B , and the thermal expansion coefficient of the thin layer C is k C.
  • the thickness of the hard film according to the present invention is less than 0.5 ⁇ m difficult to exhibit the natural characteristics of the thin film, if it exceeds 10 ⁇ m 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 the PVD method In view of this, the risk of peeling increases, so the thickness is preferably in the range of 0.5 to 10 ⁇ m.
  • composition (b) of Me is difficult to mitigate the difference in coefficient of thermal expansion between AlTiN and TiAlN when Me is not added, and when Me is more than 0.15, Since the hardness of the entire thin film tends to decrease as the hardness of TiN is lower than that of TiN, 0.15 or less is preferable.
  • the composition (a) of Al when the composition (a) of Al is less than 0.3, the amount of Al dissolved by substituting Al with a small atomic radius is reduced, so that the hardness and abrasion resistance of the thin film are reduced, and the TiO 2 oxide is used in a high temperature environment during cutting. It is easy to form and Ti element inside the thin film is diffused to the outside, which may cause high temperature hardness due to Ti element depletion. If it exceeds 0.7, the brittleness increases due to the phase formation of hexagonal B4 structure, which lowers the wear resistance. The 0.3 to 0.7 range is preferred because the tool life can be shortened.
  • the composition (y) of Al when the composition (y) of Al is less than 0.3, the amount of Al dissolved by substituting Al with a smaller atomic radius than Ti decreases so that the hardness and abrasion resistance of the thin film are reduced, and the TiO 2 oxide is used in a high temperature environment during cutting. It is easy to form and Ti element inside the thin film is diffused to the outside, which may cause high temperature hardness due to Ti element depletion. If it exceeds 0.7, the brittleness increases due to the phase formation of hexagonal B4 structure, which lowers the wear resistance. The 0.3 to 0.7 range is preferred because the tool life can be shortened.
  • composition (Z) of Me when the composition (Z) of Me is less than 0.01, the particle fineness and hardness increase effect due to infiltration or substitution type solid solution strengthening effect are insignificant.
  • the advantage of alleviating the difference in coefficient of thermal expansion between AlN and TiN is insignificant, and if it is more than 0.5, wear resistance tends to decrease as the content of MeN with low self hardness is higher than that of TiN. 0.01-0.5 are preferable.
  • Table 1 shows the thermal expansion coefficient of nitride for each metal element.
  • Table 1 The coefficient of thermal expansion of Table 1 is taken from 'handbook of refractory carbide and nitrides (by Hugh O, Pierson)'
  • the thermal expansion coefficient of nitride is formed so as to be between the thermal expansion coefficient of 2.7 ⁇ 10 -6 / °C and 9.35 ⁇ 10 -6 / °C of AlN and TiN as shown in Table 1 above It is preferable that it is an element.
  • Me is more preferably a nitride forming element having a difference of at least 1.0 ⁇ 10 ⁇ 6 / ° C. from the thermal expansion coefficient of AlTiN or TiAlN.
  • Me is considered in consideration of the thermal expansion coefficient at the time of addition and the improvement of thin film properties caused by the addition of Me. Is preferably selected.
  • the Me may include at least one selected from Si, Group 4a, Group 5a, and Group 6a elements. More preferably, Me may include at least one selected from Si, Zr, Hf, V, Ta, and Cr.
  • the substrate on which the hard coating was formed was used WC-10% by weight Co cemented carbide, the model number was APMT1604PDSR-MM.
  • each of the nano multilayers constituting the hard coating was formed using the arc ion plating method, which is physical vapor deposition (PVD), to form a hard coating having the cross-sectional structure shown in FIGS. 1 and 2.
  • PVD physical vapor deposition
  • the nano-layered hard coating is formed of TiAlN-AlTiMeN-AlTiN (Example), TiAlN-AlTiMeN-AlTiN-AlTiMeN (Example), TiAlN-AlTiN (Comparative Example), TiAlN-AlTiN-TiAlN- AlTiMeN (Comparative Example) A multilayer thin film structure laminated sequentially was applied.
  • the nano multilayers were laminated 13 to 20 times with each unit layer having a thickness of 15 to 20 nm, and the thickness thereof was laminated to a thickness of 2.7 to 3.4 ⁇ m, thereby completing the hard coating according to the embodiment of the present invention.
  • the thickness of the thin film may be up to about 10 ⁇ m.
  • Hf-containing A-B-C 3-layer repeating laminated structure division Laminated structure Me: Hf Composition (at%) Coefficient of Thermal Expansion ( ⁇ 10-6 / °C) Al Ti Hf N
  • Example 2-1 A 50 50 0 6.025 B 50 40 10 5.78 C 67 33 0 4.8945 Theoretical Composition Ratio 55.7 41 3.3 Analysis value 32.6 22.8 2.3 42.3
  • Example 2-2 A 50 50 0 6.025 B 50 25 25 5.78 C 67 33 0 4.8945 Theoretical Composition Ratio 55.7 36 8.3 Analysis value 30.6 19.8 4.8 44.8
  • Example 2-3 A 50 50 0 6.025 B 50 10 40 5.78 C 67 33 0 4.8945 Theoretical Composition Ratio 55.7 31 13.3 Analysis value 30.6 18.1 8 43.3
  • Example 2-6 A 50 50 0 6.025 B 50 0 50 5.78 C 67 33 0 4.8945 Theoretical Composition Ratio 55.7 27.7 16.7 Analysis value 31
  • Example 2-5 A 50 50 0 6.025 B 50 40 10 5.78 C 67 33 0 4.8945 B 50 40 10 5.78 Theoretical Composition Ratio 54.25 40.75 5 Analysis value 30.5 22.6 2.8 44.1
  • Example 2-6 A 50 50 0 6.025 B 50 25 25 5.78 C 67 33 0 4.8945 B 50 25 25 5.78 Theoretical Composition Ratio 54.25 33.25 12.5 Analysis value 28.8 19.3 6.9 45
  • Comparative Example 2-7 A 50 50 0 6.025 B 50 10 40 5.78 C 67 33 0 4.8945 B 50 10 40 5.78 Theoretical Composition Ratio 54.25 25.75 20 Analysis value 29.8 14.2 11.1 44.9 Comparative Example 2-8 A 50 50 0 6.025 B 50 0 50
  • Hf-containing other laminated structure division Laminated structure Me: Hf Composition (at%) Coefficient of Thermal Expansion ( ⁇ 10-6 / °C) Al Ti Hf N Comparative Example 2-1 A 50 50 0 6.025 C 67 33 0 4.8945 A 50 50 0 6.025 B 50 40 10 5.78 Theoretical Composition Ratio 54.25 39.5 6.25 Analysis value 30 22.1 5.4 42.5 Comparative Example 2-2 A 50 50 0 6.025 C 67 33 0 4.8945 A 50 50 0 6.025 B 50 25 25 5.4125 Theoretical Composition Ratio 54.25 39.5 6.25 Analysis value 30 22.1 5.4 42.5 Comparative Example 2-3 A 50 50 0 6.025 C 67 33 0 4.8945 A 50 50 0 6.025 B 50 10 40 5.045 Theoretical Composition Ratio 54.25 35.75 10 Analysis value 29.8 19.5 5.7 45 Comparative Example 2-4 A 50 50 0 6.025 C 67 33 0 4.8945 A 50 50
  • Ta-containing A-B-C-B 4-layer repeated laminated structure division Laminated structure Me: Ta Composition (at%) Coefficient of Thermal Expansion ( ⁇ 10-6 / °C) Al Ti Ta N
  • Example 5-4 A 50 50 0 6.025 B 50 40 10 5.89 C 67 33 0 4.8945 B 50 40 10 5.89 Theoretical Composition Ratio 54.25 40.75 5 Analysis value 29.7 22.4 2.8 45.1
  • Example 5-5 A 50 50 0 6.025 B 50 25 25 5.6875 C 67 33 0 4.8945 B 50 25 25 5.6875
  • Comparative Example 5-6 A 50 50 0 6.025 B 50 10 40 5.485 C 67 33 0 4.8945 B 50 10 40 5.485 Theoretical Composition Ratio 54.25 25.75 20 Analysis value 29.8 14.2 11.2 44.8 Comparative Example 5-8 A 50 50 0 6.025 B
  • the hard film formed as described above was subjected to the heat crack test, the milling abrasion test, and the milling impact test to evaluate the cutting performance.
  • the used I / S model number was APMT1604PDSR-MM, the cutter model number was AMC3063HS.
  • Comparative Example 5 that does not include an AlTiZrN layer, not only the film hardness is low, but also the number of thermal cracks is 8, which shows that the number is larger than other examples or comparative examples. .
  • physical properties are relatively poor in comparison with other hard coatings, especially in terms of milling wear resistance.
  • Comparative Examples 1-1 to 1-4 and 1-6 to 1-8 include AlTiZrN layers, but have a large number of thermal cracks or extremely low milling impact resistance, and thus, Example 1-1 of the present invention. It can be seen that the physical properties of the hard film as a whole compared to ⁇ 1-5.
  • Examples 2-1 to 2-5 of the present invention comprising an AlTiHfN layer had a higher number of thermal cracks than Comparative Examples 2-1 to 2-4 and 2-6 to 2-8. It can be seen that the overall physical properties, including small or milling wear resistance and milling impact resistance, are significantly improved.
  • the hard coating including the AlTiMeN layer including Zr, Ta, Si, V and Si exhibits higher physical properties, it can be seen that these components can be used more preferably. have.
  • the hard coating according to the present invention can significantly reduce the thermal crack, while maintaining high milling wear resistance and milling impact resistance, improving the life of the cutting tool Can contribute to

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Abstract

본 발명에 따른 경질피막은, 절삭공구용 모재의 표면에 PVD공법으로 형성되는 경질피막으로서, 상기 경질피막은, 전체 두께가 0.5~10㎛이고, 전체 조성이 Al1-a-bTiaMebN (0.2<a≤0.6, 0<b≤0.15)인 박막층을 포함하고, 상기 Me는 열팽창계수가 2.7×10-6/℃ 보다 크고 9.35×10-6/℃ 보다 작은 질화물을 구성하는 원소이며, 상기 박막층은 박층 B가 박층 A 및 박층 C 사이에 배치된 나노 다층구조가 1회 이상 반복 적층된 구조를 이루며, 상기 박층 A의 열팽창계수를 kA, 상기 박층 B의 열팽창계수를 kB, 상기 박층 C의 열팽창계수를 kC라고 할 때, kA＞kB＞kC의 관계를 만족하고, 상기 박층 A는 Ti1-aAlaN (0.3≤a＜0.7), 상기 박층 B는 Ti1-y-zAlyMezN (0.3≤y＜0.7, 0.01≤z≤0.5), 상기 박층 C는 Al1-xTixN (0.3≤x＜0.7)의 조성을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

절삭공구용 경질피막
본 발명은 절삭공구용 경질피막에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 나노 다층구조를 이루는 AlTiMeN층을 포함하고 있으며, 절삭가공 시 상분해가 일어나더라도 열 크랙(thermal crack)의 발생을 완화시킬 수 있어, 특히 중저속 밀링 단속가공에 적합하게 사용될 수 있는 경질피막에 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 코팅을 하게 되면, 각각의 단일 막이 갖는 일반적인 경도의 2배 이상의 높은 경도를 구현할 수 있어, 이러한 현상을 절삭공구용 박막에 적용하기 위한 다양한 시도가 있어 왔다.
이러한 초격자 코팅에 사용되는 강화기구로는 Koehler's model, Hall-Petch 관계, Coherency strain model 등이 있으며, 이들 강화기구는, A와 B 물질의 교대 증착시 A와 B의 격자상수 차이, 탄성계수 차이 그리고 적층 주기의 제어를 통해 경도를 증가시키는 것이다.
최근에는, 예를 들어 특허문헌 1(대한민국 공개특허공보 제2013-0123238호)에 개시된 바와 같이, AlTiN, TiAlN, AlTiMeN(여기서, Me는 금속원소)와 같은 다양한 조성의 질화물을 교대 반복적층시켜 단일 막에 비해 훨씬 향상된 물성을 구현하는 다양한 나노 다층구조를 구비한 절삭공구용 경질피막이 제안되고 있다.
그런데, AlTiN, TiAlN 또는 AlTiMeN과 같은 질화물 박막은, 절삭가공 시에 높은 온도와 압력으로 인해, AlN, TiN, 또는 MeN 등으로 상분해가 발생하며, 이때 상분해된 AlN과 TiN 등의 열팽창계수의 차이가 너무 커서, 중저속의 밀링 단속가공과 같은 절삭가공 시에 초기에 열 크랙이 쉽게 발생하여 공구수명이 단축되는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, AlTiN, TiAlN, TiAlMeN과 같은 질화물층을 포함하는 경질피막으로 열 크랙으로 인한 공구수명이 줄어드는 문제를 개선한 절삭공구용 경질피막을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 절삭공구용 모재의 표면에 PVD공법으로 형성되는 경질피막으로서, 상기 경질피막은, 전체 두께가 0.5~10㎛이고, 전체 조성이 Al-a- bTiaMebN (0.2<a≤0.6, 0<b≤0.15)인 박막층을 포함하고, 상기 Me는 열팽창계수가 2.7×10-6/℃ 보다 크고 9.35×10-6/℃ 보다 작은 질화물을 형성하는 원소이며, 상기 박막층은 박층 B가 박층 A 및 박층 C 사이에 배치된 나노 다층구조가 1회 이상 반복 적층된 구조를 이루며, 상기 박층 A의 열팽창계수를 kA, 상기 박층 B의 열팽창계수를 kB, 상기 박층 C의 열팽창계수를 kC라고 할 때, kA＞kB＞kC의 관계를 만족하고, 상기 박층 A는 Ti1 - aAlaN(0.3≤a＜0.7), 상기 박층 B는 Ti1 -y-zAlyMezN (0.3≤y＜0.7, 0.01≤z≤0.5), 상기 박층 C는 Al1 - xTixN(0.3≤x＜0.7)의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 경질피막을 제공한다.
여기서 박층 A, 박층 B, 박층 C의 열팽창계수는 단일원소 질화물의 고유 열팽창계수에 조성비를 곱한 값으로 한다.
또한, 상기 Me는 Si, 4a족, 5a족, 6a족 원소 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 Me는 Si, Zr, Hf, V, Ta, Cr 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 Me의 질화물의 열팽창계수와, AlN과 TiN의 열팽창계수의 차이는 1.0×10-6/℃ 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 경질피막에 포함된, ATiMeN 질화물층은 다층 나노구조로 형성되고, 상기 다층 나노구조를 이루는 박층 A, 박층 B, 박층 C에 있어서, 박층 A와 박층 C의 가운데에 박층 B가 배치되도록 하고, 박층 B의 열팽창계수가 각 박층간의 열팽창계수의 관계가, kA＞kB＞kC를 만족하도록 함으로써, 절삭가공 중에 상분해가 일어나더라도 열팽창계수의 차이에 의한 열크랙의 발생을 크게 완화시킬 수 있어, 특히 중저속의 밀링 단속가공과 같은 절삭가공 시에 절삭공구의 수명을 크게 늘릴 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 나노 구조를 설명하기 위한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 나노 구조를 설명하기 위한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기초로 본 발명을 보다 상세하게 설명하나, 본 발명이 하기 실시예에 제한되는 것은 아니다.
본 발명자들은 TiAlN, AlTiN, 및 AlTiMeN층 등을 포함하는 절삭공구용 경질피막의 절삭가공 시 상분해에 따른 열크랙의 문제를 해결하기 위해 예의 연구한 결과, 도 1에 도시된 바와 같이, 박층 AlTiN과 박층 TiAlN 사이에 박층 AlTiMeN층을 배치하여 이를 교대로 반복적층한 나노 다층구조를 통해 전체적으로 Al-a- bTiaMebN (0.2<a≤0.6, 0<b≤0.15) 조성의 박막층을 형성하고, 상기 AlTiMeN층의 열팽창계수를 AlTiN의 열팽창계수과 TiAlN의 열팽창계수 사이의 질화물을 사용할 경우, 절삭가공 시 상분해에 따른 열크랙의 발생이 현저하게 줄어들어 절삭공구 수명을 연장시킬 수 있음을 밝혀내고 본 발명에 이르게 되었다.
본 발명에 따른 경질피막은, 절삭공구용 모재의 표면에 PVD공법으로 형성되며, 전체 두께가 0.5~10㎛이고, 전체 조성이 Al-a- bTiaMebN (0.2<a≤0.6, 0<b≤0.15)인 박막층을 포함하고, 상기 Me는 열팽창계수가 2.7×10-6/℃ 보다 크고 9.35×10-6/℃ 보다 작은 질화물을 형성하는 원소이며, 상기 박막층은 박층 B가 박층 A 및 박층 C 사이에 배치된 나노 다층구조가 1회 이상 반복 적층된 구조를 이루며, 상기 박층 A의 열팽창계수를 kA, 상기 박층 B의 열팽창계수를 kB, 상기 박층 C의 열팽창계수를 kC라고 할 때, kA＞kB＞kC의 관계를 만족하고, 상기 박층 A는 Ti1 - aAlaN (0.3≤a＜0.7), 상기 박층 B는 Ti1 -y- zAlyMezN (0.3≤y＜0.7, 0.01≤z≤0.5), 상기 박층 C는 Al1-xTixN (0.3≤x＜0.7)의 조성을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 경질피막의 두께가 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 바람직하다.
또한, 상기 Me의 조성(b)는 Me가 첨가되지 않을 경우, AlTiN과 TiAlN 사이의 열팽창계수의 차이를 완화시키기 어렵고, 0.15 초과일 경우 가공시 발생하는 고온에 의해 상분해된 질화물상 중에서 MeN의 자체경도가 TiN의 경도 대비 낮음에 따라 전체적인 박막의 내마모성이 저하되는 경향이 있으므로 0.15 이하가 바람직하다.
상기 박층 A에 있어서, Al의 조성(a)는 0.3 미만일 경우 원자반경이 Ti에 비해 작은 Al이 치환되어 고용되는 양이 줄어들어 박막의 경도 및 내마모성이 저하되고 절삭가공시 고온의 환경에서 TiO2 산화물 형성이 용이해져 박막 내부의 Ti원소가 외부로 확산되어 Ti원소 고갈에 따른 고온경도 저하를 초래할 수 있고, 0.7 초과일 경우 육방정 B4구조의 상(phase) 형성으로 취성이 증가하여 내마모성이 저하되며 공구의 수명이 짧아질 수 있기 때문에 0.3~0.7 범위가 바람직하다.
상기 박층 B에 있어서, Al의 조성(y)은 0.3 미만일 경우 원자반경이 Ti에 비해 작은 Al이 치환되어 고용되는 양이 줄어들어 박막의 경도 및 내마모성이 저하되고 절삭가공시 고온의 환경에서 TiO2 산화물 형성이 용이해져 박막 내부의 Ti원소가 외부로 확산되어 Ti원소 고갈에 따른 고온경도 저하를 초래할 수 있고, 0.7 초과일 경우 육방정 B4구조의 상(phase) 형성으로 취성이 증가하여 내마모성이 저하되며 공구의 수명이 짧아질 수 있기 때문에 0.3~0.7 범위가 바람직하다.
또한, Me의 조성(Z)는 0.01 미만일 경우 침입 또는 치환형 고용강화 효과에 의한 입자미세화와 경도상승 효과가 미비하며, 가공시 발생하는 고온에 의해 상분해된 MeN 질화물상의 함량이 적어 상분해된 AlN과 TiN의 열팽창계수 차이를 완화시키는 이점이 미비하고, 0.5 초과일 경우 고온에 의해 상분해된 질화물상 중에서 자체경도가 TiN의 경도 대비 낮은 MeN의 함량이 많아짐에 따라 내마모성이 저하되는 경향이 있으므로 0.01~0.5가 바람직하다.
아래 표 1은 각 금속원소별 질화물의 열팽창계수를 나타낸 것이다.
구분 열팽창계수(×10-6/℃) 경도(Gpa)
AlN 2.7 12
TiN 9.35 23
ZrN 7.24 27
HfN 6.9 16.3
VN 8.7 14.2
NbN 10.1 13.3
TaN 8 21
CrN 3.5 22
Si3N4 3.2 17
상기 표 1의 열팽창계수 값은 'handbook of refractory carbide and nitrides (by Hugh O, Pierson)에서 발췌'
또한, 상기 Me는 AlTiN에 첨가될 때, 그 열팽창계수가 상기 표 1에 나타난 바와 같이 AlN과 TiN의 열팽창계수인 2.7×10-6/℃와 9.35×10-6/℃ 사이에 있도록 하는 질화물 형성 원소인 것이 바람직하다.
또한, 상기 Me는 AlTiN 또는 TiAlN의 열팽창계수와 적어도 1.0×10-6/℃의 차이를 갖는 질화물 형성 원소인 것이 보다 바람직하다. 다만, Me가 첨가되었을 때 형성되는 질화물층의 미세조직이 미세화되어 박막의 물성이 향상될 수 있으므로, Me는 첨가되었을 때의 열팽창계수와 Me의 첨가로 인해 발생하는 박막 특성의 향상도를 고려하여, 선정되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 Me는 Si, 4a족, 5a족, 6a족 원소 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 보다 바람직하게 상기 Me는 Si, Zr, Hf, V, Ta, Cr 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
[실시예]
본 발명에서는 AlTiMeN 박막에 포함되는 Me 원소로 Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Si를 첨가하거나, V와 Si 동시첨가한, 도 1 및 도 2와 같이 교대 반복 적층을 하였을 때, 박층 A와 박층 B 사이에 박층 C가 위치하는 나노 적층구조를 갖는 경질피막을 형성하였고, 이들 실시예와의 비교를 위하여 아래의 표들과 같은 적층 구조를 갖는 비교예에 따른 경질피막을 각각 준비하였다.
이때, 경질피막을 형성한 기재는 WC-10중량% Co 초경합금을 활용하였으며, 형번은 APMT1604PDSR-MM을 사용하였다.
그리고 경질피막을 구성하는 각 나노다층은 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)인 아크 이온 플레이팅 법을 이용하여, 도 1~2에 도시된 단면 구조를 갖는 경질피막을 형성하였다.
구체적으로 본 발명의 실시예에서는 공통적으로, WC-10wt%Co로 이루어진 초경합금 모재에 AlTi, TiAl 및 AlTiMe 아크 타겟을 사용하여 아크 이온 플레이팅을 하였고, 이때 초기 진공압력은 8.5×10- 5Torr 이하, 반응가스로는 N2를 주입하였다. 그리고 상기 반응 가스압력은 50mTorr 이하로 하였으며, 코팅 온도는 400~550℃로 하였고, 코팅 시 기판 바이어스 전압은 -20 ~ -150V으로 인가하는 방법을 사용하였다. 코팅 조건은 사용하는 장비 특성 및 조건에 따라 본 발명의 실시예와 다르게 할 수 있다.
전술한 코팅 방법을 통해, 나노적층구조의 경질피막을 TiAlN-AlTiMeN-AlTiN(실시예), TiAlN-AlTiMeN-AlTiN-AlTiMeN(실시예) 및 TiAlN-AlTiN(비교예), TiAlN-AlTiN-TiAlN-AlTiMeN(비교예) 순차적으로 적층한 다층 박막 구조를 적용하였다.
상기 나노다층은 각 단위층을 15~20nm 두께로 13~20회 적층하여 그 두께를 2.7~3.4㎛ 두께로 적층함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막을 완성하였다.
한편, 필요한 경우 본 발명의 실시예에 따라 형성한 경질피막 상에 추가로 다양한 형태의 박막이 형성될 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막은 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)을 이용하므로, 박막 두께는 최대 10㎛ 정도까지 형성할 수 있다.
Zr 함유 A-B-C 3층 반복 적층 구조
구분 적층구조 Me: Zr
조성(at%) 열팽창계수(×10-6/℃)
Al Ti Zr N
실시예1-1 A 50 50 0 　 6.025
B 50 40 10 　 5.814
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 41 3.3 　 　
분석값 29.6 23.6 1.8 45 　
　실시예1-2 A 50 50 0 　 6.025
B 50 25 25 　 5.4975
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 36 8.3 　 　
분석값 32.6 20.6 4.3 42.5 　
실시예1-3 A 50 50 0 　 6.025
B 50 10 40 　 5.181
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 31 13.3 　 　
분석값 30.6 18.1 7.3 44 　
비교예1-6 A 50 50 0 　 6.025
B 50 0 50 　 4.97
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 27.7 16.7 　 　
분석값 30.7 15.6 9.5 44.2 　
Zr 함유 A-B-C-B 4층 반복 적층 구조
구분 적층구조 Me: Zr
조성(at%) 열팽창계수(×10-6/℃)
Al Ti Zr N
실시예1-5 A 50 50 0 　 6.025
B 50 40 10 　 5.814
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 40 10 　 5.814
이론조성비 54.25 40.75 5 　 　
분석값 29.8 22.6 2.8 44.8 　
실시예1-6 A 50 50 0 　 6.025
B 50 25 25 　 5.814
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 25 25 　 5.4975
이론조성비 54.25 33.25 12.5 　 　
분석값 30.2 18.8 6.9 44.1 　
비교예1-7 A 50 50 0 　 6.025
B 50 10 40 　 5.181
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 10 40 　 5.181
이론조성비 54.25 25.75 20 　 　
분석값 28.8 15.2 11 45 　
비교예1-8 A 50 50 0 　 6.025
B 50 0 50 　 4.97
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 0 50 　 4.97
이론조성비 54.25 20.75 25 　 　
분석값 29.8 12.4 13.7 44.1 　
Zr 함유 기타 적층구조
구분 적층구조 Me: Zr
조성(at%) 열팽창계수(×10-6/℃)
Al Ti Zr N
비교예1-1 A 50 50 0 　 6.025
C 67 33 0 　 4.8945
A 50 50 0 　 6.025
B 50 40 10 　 5.814
이론조성비 54.25 43.25 2.5 　 　
비교예1-2 분석값 30.8 24.8 1.4 43 　
A 50 50 0 　 6.025
C 67 33 0 　 4.8945
A 50 50 0 　 6.025
B 50 25 25 　 5.4975
이론조성비 54.25 39.5 6.25 　 　
비교예1-3 분석값 29.6 21.8 3.6 45 　
A 50 50 0 　 6.025
C 67 33 0 　 4.8945
A 50 50 0 　 6.025
B 50 10 40 　 5.181
이론조성비 54.25 35.75 10 　 　
비교예1-4 분석값 30.1 20.2 6.5 43.2 　
A 50 50 0 　 6.025
C 67 33 0 　 4.8945
A 50 50 0 　 6.025
B 50 0 50 　 4.97
이론조성비 54.25 33.25 12.5 　 　
분석값 29.8 18.3 7.8 44.1 　
AlTiMeN을 포함하지 않는 비교예
구분 적층구조 Me: 미함유
조성(at%) 열팽창계수(×10-6/℃)
Al Ti Zr N
비교예 5(공통) A 50 50 0 　 6.025
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 58.5 41.5 0 　 　
분석값 32.7 24.8 0 42.5 　
Hf 함유 A-B-C 3층 반복 적층 구조
구분 적층구조 Me: Hf
조성(at%) 열팽창계수(×10-6/℃)
Al Ti Hf N
실시예2-1 A 50 50 0 　 6.025
B 50 40 10 　 5.78
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 41 3.3 　 　
분석값 32.6 22.8 2.3 42.3 　
실시예2-2 A 50 50 0 　 6.025
B 50 25 25 　 5.78
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 36 8.3 　 　
분석값 30.6 19.8 4.8 44.8 　
실시예2-3 A 50 50 0 　 6.025
B 50 10 40 　 5.78
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 31 13.3 　 　
분석값 30.6 18.1 8 43.3 　
실시예2-6 A 50 50 0 　 6.025
B 50 0 50 　 5.78
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 27.7 16.7 　 　
분석값 31 15.7 9.2 44.1 　
Hf 함유 A-B-C-B 4층 반복 적층 구조
구분 적층구조 Me: Hf
조성(at%) 열팽창계수(×10-6/℃)
Al Ti Zr N
실시예2-5 A 50 50 0 　 6.025
B 50 40 10 　 5.78
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 40 10 　 5.78
이론조성비 54.25 40.75 5 　 　
분석값 30.5 22.6 2.8 44.1 　
실시예2-6 A 50 50 0 　 6.025
B 50 25 25 　 5.78
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 25 25 　 5.78
이론조성비 54.25 33.25 12.5 　 　
분석값 28.8 19.3 6.9 45 　
비교예2-7 A 50 50 0 　 6.025
B 50 10 40 　 5.78
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 10 40 　 5.78
이론조성비 54.25 25.75 20 　 　
분석값 29.8 14.2 11.1 44.9 　
비교예2-8 A 50 50 0 　 6.025
B 50 0 50 　 5.78
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 0 50 　 5.78
이론조성비 54.25 20.75 25 　 　
분석값 28.8 12.4 13.8 45 　
Hf 함유 기타 적층 구조
구분 적층구조 Me: Hf
조성(at%) 열팽창계수(×10-6/℃)
Al Ti Hf N
비교예2-1 A 50 50 0 　 6.025
C 67 33 0 　 4.8945
A 50 50 0 　 6.025
B 50 40 10 　 5.78
이론조성비 54.25 39.5 6.25 　 　
분석값 30 22.1 5.4 42.5 　
비교예2-2 A 50 50 0 　 6.025
C 67 33 0 　 4.8945
A 50 50 0 　 6.025
B 50 25 25 　 5.4125
이론조성비 54.25 39.5 6.25 　 　
분석값 30 22.1 5.4 42.5 　
비교예2-3 A 50 50 0 　 6.025
C 67 33 0 　 4.8945
A 50 50 0 　 6.025
B 50 10 40 　 5.045
이론조성비 54.25 35.75 10 　 　
분석값 29.8 19.5 5.7 45 　
비교예2-4 A 50 50 0 　 6.025
C 67 33 0 　 4.8945
A 50 50 0 　 6.025
B 50 0 50 　 4.8
이론조성비 54.25 33.25 12.5 　 　
분석값 29.6 18.3 6.9 45.2 　
V 함유 A-B-C 3층 반복 적층 구조
구분 적층구조 Me: V
조성(at%) 열팽창계수(×10-6/℃)
Al Ti V N
실시예3-1 A 50 50 0 　 6.025
B 50 40 10 　 5.96
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 41 3.3 　 　
분석값 30.5 23.6 1.9 44 　
실시예3-2 A 50 50 0 　 6.025
B 50 25 25 　 5.8625
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 36 8.3 　 　
분석값 30.6 19.8 4.8 44.8 　
실시예3-3 A 50 50 0 　 6.025
B 50 0 50 　 5.7
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 27.7 16.7 　 　
분석값 30.6 16.4 9.2 43.8 　
비교예3-7 A 50 50 0 　 6.025
B 50 0 50 　 5.7
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 27.7 16.7 　 　
분석값 30.6 16.4 9.2 43.8 　
비교예3-8 A 50 50 0 　 6.025
B 10 50 40 　 8.425
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 42.3 44.3 13.3 　 　
분석값 23.3 25.4 7.3 44 　
V 함유 A-B-C-B 4층 반복 적층 구조
구분 적층구조 Me: V
조성(at%) 열팽창계수(×10-6/℃)
Al Ti V N
실시예3-4 A 50 50 0 　 6.025
B 50 40 10 　 5.96
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 40 10 　 5.96
이론조성비 54.25 40.75 5 　 　
분석값 29.8 22.3 2.9 44.9 　
실시예3-5 A 50 50 0 　 6.025
B 50 25 25 　 5.8625
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 25 25 　 5.8625
이론조성비 54.25 33.25 12.5 　 　
분석값 30 18.5 6.9 44.6 　
비교예3-11 A 50 50 0 　 6.025
B 50 10 40 　 5.8625
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 10 40 　 5.8625
이론조성비 54.25 25.75 20 　 　
분석값 29.8 14.2 12.3 43.7 　
비교예3-12 A 50 50 0 　 6.025
B 50 0 50 　 5.7
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 0 50 　 5.7
이론조성비 54.25 20.75 25 　 　
분석값 28.1 13.2 13.8 44.9 　
비교예3-13 A 50 50 0 　 6.025
B 10 50 40 　 8.425
C 67 33 0 　 4.8945
B 10 50 40 　 8.425
이론조성비 34.25 45.75 20 　 　
분석값 19 25.2 11 44.8 　
V 함유 기타 적층 구조
구분 적층구조 Me: V
조성(at%) 열팽창계수(×10-6/℃)
Al Ti V N
비교예3-1 A 50 50 0 　 6.025
C 67 33 0 　 4.8945
A 50 50 0 　 6.025
B 50 40 10 　 5.96
이론조성비 54.25 43.25 2.5 　 　
분석값 29.8 23.8 1.4 45 　
비교예3-2 A 50 50 0 　 6.025
C 67 33 0 　 4.8945
A 50 50 0 　 6.025
B 50 25 25 　 5.8625
이론조성비 54.25 39.5 6.25 　 　
분석값 29.9 21.7 3.4 44.9 　
비교예3-3 A 50 50 0 　 6.025
C 67 33 0 　 4.8945
A 50 50 0 　 6.025
B 50 10 40 　 5.765
이론조성비 54.25 35.75 10 　 　
분석값 30.3 20.7 6.5 42.5 　
비교예3-4 A 50 50 0 　 6.025
C 67 33 0 　 4.8945
A 50 50 0 　 6.025
B 50 0 50 　 5.7
이론조성비 54.25 33.25 12.5 　 　
분석값 26.8 21.3 8.2 43.7 　
비교예3-5 A 50 50 0 　 6.025
C 67 33 0 　 4.8945
A 50 50 0 　 6.025
B 10 50 40 　 8.425
이론조성비 44.25 45.75 10 　 　
분석값 24.3 25.2 6 44.5 　
Nb 함유 A-B-C 3층 반복 적층 구조
구분 적층구조 Me: Nb
조성(at%) 열팽창계수(×10-6/℃)
Al Ti Nb N
비교예4-1 A 50 50 0 　 6.025
B 50 40 10 　 6.1
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 41 3.3 　 　
분석값 31.1 22.6 1.8 44.5 　
비교예4-2 A 50 50 0 　 6.025
B 50 25 25 　 6.2125
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 36 8.3 　 　
분석값 30.6 19.8 4.7 44.9 　
비교예4-3 A 50 50 0 　 6.025
B 50 10 40 　 6.325
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 31 13.3 　 　
분석값 30.6 17.1 7.6 44.7 　
비교예4-4 A 50 50 0 　 6.025
B 50 0 50 　 6.4
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 27.7 16.7 　 　
분석값 30.1 15.2 9.2 45.5 　
Nb 함유 A-B-C-B 4층 반복 적층 구조
구분 적층구조 Me: Nb
조성(at%) 열팽창계수(×10-6/℃)
Al Ti Nb N
비교예4-5 A 50 50 0 　 6.025
B 50 40 10 　 6.1
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 40 10 　 6.1
이론조성비 54.25 40.75 5 　 　
분석값 29.8 22.4 2.8 45 　
비교예4-6 A 50 50 0 　 6.025
B 50 25 25 　 6.2125
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 25 25 　 6.2125
이론조성비 54.25 33.25 12.5 　 　
분석값 29.8 20.3 6.9 42.5 　
비교예4-7 A 50 50 0 　 6.025
B 50 10 40 　 6.325
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 10 40 　 6.325
이론조성비 54.25 25.75 20 　 　
분석값 29.8 15.2 12.5 41.5 　
비교예4-8 A 50 50 0 　 6.025
B 50 0 50 　 6.4
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 0 50 　 6.4
이론조성비 54.25 20.75 25 　 　
분석값 29.8 11.4 13.8 45 　
Ta 함유 A-B-C 3층 반복 적층 구조
구분 적층구조 Me: Ta
조성(at%) 열팽창계수(×10-6/℃)
Al Ti Ta N
실시예5-1 A 50 50 0 　 6.025
B 50 40 10 　 5.89
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 41 3.3 　 　
분석값 30.4 22.6 1.8 45.2 　
실시예5-2 A 50 50 0 　 6.025
B 50 25 25 　 5.6875
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 36 8.3 　 　
분석값 30.6 19.8 4.9 44.7 　
실시예5-3 A 50 50 0 　 6.025
B 50 10 40 　 5.485
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 31 13.3 　 　
분석값 30.4 17.1 7.5 45 　
비교예5-6 A 50 50 0 　 6.025
B 50 0 50 　 5.35
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 27.7 16.7 　 　
분석값 31.6 15.2 10.2 43 　
Ta 함유 A-B-C-B 4층 반복 적층 구조
구분 적층구조 Me: Ta
조성(at%) 열팽창계수(×10-6/℃)
Al Ti Ta N
실시예5-4 A 50 50 0 　 6.025
B 50 40 10 　 5.89
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 40 10 　 5.89
이론조성비 54.25 40.75 5 　 　
분석값 29.7 22.4 2.8 45.1 　
실시예5-5 A 50 50 0 　 6.025
B 50 25 25 　 5.6875
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 25 25 　 5.6875
이론조성비 54.25 33.25 12.5 　 　
분석값 29.8 18.6 7 44.6 　
비교예5-6 A 50 50 0 　 6.025
B 50 10 40 　 5.485
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 10 40 　 5.485
이론조성비 54.25 25.75 20 　 　
분석값 29.8 14.2 11.2 44.8 　
비교예5-8 A 50 50 0 　 6.025
B 50 0 50 　 5.35
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 0 50 　 5.35
이론조성비 54.25 20.75 25 　 　
분석값 29.8 11.4 13.8 45 　
Ta 함유 기타 적층 구조
구분 적층구조 Me: Ta
조성(at%) 열팽창계수(x10-6/℃)
Al Ti Ta N
비교예5-1 A 50 50 0 　 6.025
C 67 33 0 　 4.8945
A 50 50 0 　 6.025
B 50 40 10 　 5.89
이론조성비 54.25 43.25 2.5 　 　
분석값 29.6 23.8 1.4 45.2 　
비교예5-2 A 50 50 0 　 6.025
C 67 33 0 　 4.8945
A 50 50 0 　 6.025
B 50 25 25 　 5.6875
이론조성비 54.25 39.5 6.25 0 　
분석값 29.8 22 3.4 44.7 　
비교예5-3 A 50 50 0 　 6.025
C 67 33 0 　 4.8945
A 50 50 0 　 6.025
B 50 10 40 　 5.485
이론조성비 54.25 35.75 10 　 　
분석값 29.8 19.7 5.5 45 　
비교예5-4 A 50 50 0 　 6.025
C 67 33 0 　 4.8945
A 50 50 0 　 6.025
B 50 0 50 　 5.35
이론조성비 54.25 33.25 12.5 　 　
분석값 29.8 20.3 7.1 42.8 　
Cr 함유 A-B-C 3층 적층구조
구분 적층구조 Me: Cr
조성(at%) 열팽창계수(×10-6/℃)
Al Ti Cr N
실시예6-1 A 50 50 0 　 6.025
B 50 40 10 　 5.44
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 41 3.3 　 　
분석값 30.8 22.6 1.8 44.8 　
실시예6-2 A 50 50 0 　 6.025
B 40 35 25 　 5.2275
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 52.3 39.3 8.3 　 　
분석값 29.3 21.6 4.6 44.5 　
실시예6-3 A 50 50 0 　 6.025
B 25 35 40 　 5.3475
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 47.3 39.3 13.3 　 　
분석값 26 21.6 8.8 43.5 　
비교예6-1 A 50 50 0 　 6.025
B 15 35 50 　 5.4275
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 44 39.3 16.7 　 　
분석값 24.4 21.6 9.2 44.8 　
비교예6-2 A 50 50 0 　 6.025
B 50 25 25 　 4.5625
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 36 8.3 0 　
분석값 30.6 19.8 5.6 44 　
Cr 함유 A-B-C-B 4층 적층구조
구분 적층구조 Me: Cr
조성(at%) 열팽창계수(×10-6/℃)
Al Ti Cr N
실시예6-4 A 50 50 0 　 6.025
B 50 40 10 　 5.44
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 40 10 　 5.44
이론조성비 54.25 40.75 5 　 　
분석값 31.4 22.4 2.8 43.4 　
실시예6-5 A 50 50 0 　 6.025
B 40 35 25 　 5.2275
C 67 33 0 　 4.8945
B 40 35 25 　 5.2275
이론조성비 49.25 38.25 12.5 　 　
분석값 27.1 21.4 6.5 45 　
비교예6-3 A 50 50 0 　 6.025
B 25 35 40 　 5.3475
C 67 33 0 　 4.8945
B 25 35 40 　 5.3475
이론조성비 41.75 38.25 20 　 　
분석값 23 21.7 11.2 44.1 　
비교예6-4 A 50 50 0 　 6.025
B 15 35 50 　 5.4275
C 67 33 0 　 4.8945
B 15 35 50 　 5.4275
이론조성비 36.75 38.25 25 　 　
분석값 20.2 21.3 13.8 44.7 　
비교예6-5 A 50 50 0 　 6.025
B 50 25 25 　 4.5625
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 25 25 　 4.5625
이론조성비 54.25 33.25 12.5 0 　
분석값 28.8 21.6 7.1 42.5 　
Si 함유 A-B-C 3층 적층구조
구분 적층구조 Me: Si
조성(at%) 열팽창계수(×10-6/℃)
Al Ti Si N
실시예7-1 A 50 50 0 　 6.025
B 50 40 10 　 5.41
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 41 3.3 　 　
분석값 30.6 22.6 1.7 45.1 　
실시예7-2 A 50 50 0 　 6.025
B 40 35 25 　 5.1525
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 52.3 39.3 8.3 　 　
분석값 28.9 22.1 4.1 44.9 　
실시예7-3 A 50 50 0 　 6.025
B 25 35 40 　 5.2275
C 67 33 0 　 4.8945
이론조성비 47.3 39.3 13.3 　 　
분석값 26 23 6.9 44.1 　
Si 함유 A-B-C-B 4층 적층구조
구분 적층구조 Me: Si
조성(at%) 열팽창계수(×10-6/℃)
Al Ti Si N
실시예7-4 A 50 50 0 　 6.025
B 50 40 10 　 5.41
C 67 33 0 　 4.8945
B 50 40 10 　 5.41
이론조성비 54.25 40.75 5 　 　
분석값 30.9 22.5 2.3 44.3 　
실시예7-5 A 50 50 0 　 6.025
B 40 35 25 　 5.1525
C 67 33 0 　 4.8945
B 40 35 25 　 5.1525
이론조성비 49.25 38.25 12.5 　 　
분석값 27.1 21 6.7 45.2 　
비교예7-1 A 50 50 0 　 6.025
B 25 35 40 　 5.2275
C 67 33 0 　 4.8945
B 25 35 40 　 5.2275
이론조성비 41.75 38.25 20 　 　
분석값 24.1 21 10.4 44.5 　
V와 Si 함유 적층구조
구분 적층구조 Me: V+Si
조성(at%) 열팽창계수(×10-6/℃)
Al Ti V SI N
실시예8-1 A 50 50 0 0 　 6.025
B 50 40 10 0 　 5.96
C 67 33 0 0 　 4.8945
D 50 40 0 10 　 5.41
이론조성비 54.3 40.8 2.5 2.5 　 　
분석값 29.8 22.4 1.4 1.4 45.0 　
실시예8-2 A 50 50 0 0 　 6.025
B 50 35 10 5 　 5.6525
C 67 33 0 0 　 4.8945
이론조성비 55.7 39.3 3.3 1.7 　 　
분석값 30.4 21.6 1.8 1.0 45.1 　
절삭성능 시험 결과
이상과 같이 형성된 경질피막에 대해, 내열크랙 시험, 밀링 내마모 시험, 밀링 내충격 시험을 수행하여 그 절삭성능을 평가하였다.
이때, 사용된 I/S형번은 APMT1604PDSR-MM이었고, 커터형번은 AMC3063HS이었다.
(1) 내열크랙 평가조건
- 피삭재: STS316(100×200×300)
- 절삭속도: 120m/min
- 날당이송속도: 0.25mm/tooth
- 깊이절입: 10mm
- 반경절입: 5mm
- 건식적용, 780cm 가공후 일괄 인선상태 비교
(2) 밀링 내마모 특성 평가조건
- 피삭재: SCM440(100×200×300)
- 절삭속도: 250m/min
- 날당이송: 0.1mm/tooth,
- 깊이절입: 10mm
- 반경절입: 5mm
- 건식적용
(3) 밀링 내충격 특성 평가조건
- 피삭재: SCM440 3조 격판(100×30×300)
- 절삭속도: 180m/min
- 날당이송: 0.15mm/tooth
- 깊이절입: 10mm
- 반경절입: 5mm
- 건식적용
이상과 같은 절삭성능 시험 결과를 아래 표에 정리하였다.
Zr 함유 박막 시험 결과
*Zr포함 　 　 절삭성능평가 결과
구분 박막두께(μm) 박막경도(Gpa) 열크랙 개수 밀링 내마모(cm) 밀링 내충격(cm)
비교예1-1 3.0 38 5 2400 정상마모 400 치핑
비교예1-2 2.9 38 6 2400 정상마모 400 치핑
비교예1-3 3.0 38.5 6 1650 치핑 400 치핑
비교예1-4 3.2 37.8 6 2400 정상마모 400 치핑
비교예5(공통) 3.4 33.1 8 1600 치핑 310 치핑
비교예1-6 3.1 37.5 5 2100 정상마모 400 치핑
비교예1-7 3.4 36.2 0 1800 정상마모 50 초기박리
비교예1-8 3.2 36.9 0 1400 초기박리 50 초기박리
실시예1-1 3.1 37.5 1 2400 정상마모 800 치핑
실시예1-2 2.9 37.7 0 2100 정상마모 800 치핑
실시예1-3 2.8 37.9 0 2100 정상마모 750 치핑
실시예1-4 2.8 42 0 2400 정상마모 780 치핑
실시예1-5 2.7 41.5 0 2400 정상마모 700 치핑
Hf 함유 박막 시험 결과
*Hf포함 　 　 절삭성능평가 결과
구분 박막두께(μm) 박막경도(Gpa) 열크랙개수 밀링 내마모(cm) 밀링 내충격(cm)
비교예2-1 3.3 36 5 2100 정상마모 450 치핑
비교예2-2 3.3 36.2 4 2100 정상마모 480 치핑
비교예2-3 3.3 36.2 3 2200 정상마모 480 치핑
비교예2-4 3.1 36.2 5 2200 정상마모 480 치핑
비교예2-6 3.2 35.8 0 1980 정상마모 700 치핑
비교예2-7 3.1 35.5 1 250 초기박리 900 치핑
비교예2-8 2.9 36 0 100 초기박리 900 치핑
실시예2-1 3.0 35.5 1 2200 정상마모 900 치핑
실시예2-2 2.9 35.8 1 2200 정상마모 900 치핑
실시예2-3 2.9 36.1 1 2220 정상마모 900 치핑
실시예2-4 3.0 38 0 2300 정상마모 800 치핑
실시예2-5 2.9 38.1 0 2300 정상마모 700 치핑
V 함유 박막 시험 결과
*V포함 　 　 절삭성능평가 결과
구분 박막두께(μm) 박막경도(Gpa) 열크랙개수 밀링 내마모(cm) 밀링 내충격(cm)
비교예3-1 3.0 36 4 2200 정상마모 650 치핑
비교예3-2 2.9 36.1 6 2200 정상마모 650 치핑
비교예3-3 3.0 36 6 2100 정상마모 650 치핑
비교예3-4 3.3 36.2 5 2100 정상마모 450 치핑
비교예3-5 3.1 37 6 2100 정상마모 650 치핑
비교예3-7 3.1 32.1 5 2100 정상마모 600 치핑
비교예3-8 3.1 36.2 7 2000 정상마모 600 치핑
비교예3-11 3.1 32 5 1200 초기박리 250 치핑
비교예3-12 3.1 30.8 5 800 치핑 480 치핑
비교예3-13 3.1 32.5 8 800 치핑 400 치핑
실시예3-1 3.0 35.5 0 2200 정상마모 900 치핑
실시예3-2 3.1 35.5 1 2200 정상마모 900 치핑
실시예3-3 3.1 35.3 2 2100 정상마모 800 치핑
실시예3-4 3.0 38 0 2200 정상마모 900 치핑
실시예3-5 3.1 37.1 0 2200 정상마모 900 치핑
Nb 함유 박막 시험 결과
*Nb포함 　 　 절삭성능평가 결과
구분 박막두께(μm) 박막경도(Gpa) 열크랙 개수 밀링 내마모(cm) 밀링 내충격(cm)
비교예4-1 3.1 36.8 7 1700 치핑 200 　
비교예4-2 3.0 36.5 8 1700 치핑 300 　
비교예4-3 3.0 34 8 1800 치핑 300 　
비교예4-4 3.0 33.5 7 1800 치핑 280 　
비교예4-5 3.1 37 8 2000 치핑 250 　
비교예4-6 2.9 36.1 8 1900 치핑 250 　
비교예4-7 3.0 33.2 9 1800 치핑 250 　
비교예4-8 3.2 30.5 8 1800 치핑 200 　
Ta 함유 박막 시험 결과
*Ta포함 　 　 절삭성능평가 결과
구분 박막두께(μm) 박막경도(Gpa) 열크랙 개수 밀링 내마모(cm) 밀링 내충격(cm)
비교예5-1 3.2 37 5 2300 정상마모 450 치핑
비교예5-2 3.1 37.1 6 2300 치핑 450 치핑
비교예5-3 3.1 37.2 7 1650 치핑 450 치핑
비교예5-4 3.1 36.8 5 2000 치핑 400 치핑
비교예5-6 3.0 36.1 6 2100 정상마모 400 치핑
비교예5-7 3.2 36.5 5 1250 과대마모 100 초기박리
비교예5-8 3.3 36.2 6 1000 과대마모 100 초기박리
실시예5-1 3.0 37.5 1 2400 정상마모 800 치핑
실시예5-2 3.0 37.6 0 2100 정상마모 800 치핑
실시예5-3 3.1 37.8 0 2100 정상마모 750 치핑
실시예5-4 3.0 41 0 2400 정상마모 900 치핑
실시예5-5 3.1 37.2 0 2400 정상마모 800 치핑
Cr 함유 박막 시험 결과
*Cr포함 　 　 절삭성능평가 결과
구분 박막두께(μm) 박막경도(Gpa) 열크랙 개수 밀링 내마모(cm) 밀링 내충격(cm)
비교예6-1 3.1 37.1 0 2100 정상마모 600 치핑
비교예6-2 3.2 37.5 5 2100 정상마모 600 치핑
비교예6-3 3.2 36.1 0 1200 과대마모 250 치핑
비교예6-4 3.3 35.5 0 800 과대마모 550 치핑
비교예6-5 3.3 37..1 4 1500 과대마모 500 치핑
실시예6-1 3.1 37 1 2200 정상마모 900 치핑
실시예6-2 3.0 37.5 0 2200 정상마모 900 치핑
실시예6-3 3.1 37 1 2100 정상마모 850 치핑
실시예6-4 2.8 37.8 0 2300 정상마모 900 치핑
실시예6-5 3.1 37.2 0 2300 정상마모 900 치핑
Si 함유 박막 시험 결과
*Si포함 　 　 절삭성능평가 결과
구분 박막두께(μm) 박막경도(Gpa) 열크랙개수 밀링 내마모(cm) 밀링 내충격(cm)
비교예7-1 3.0 48.9 1 280 치핑 20 초기박리
실시예7-1 3.0 40.5 0 2300 정상마모 750 치핑
실시예7-2 3.0 44 2 2400 정상마모 700 치핑
실시예7-3 3.1 45.8 2 2600 정상마모 700 치핑
실시예7-4 3.0 42 0 2500 정상마모 800 치핑
실시예7-5 2.8 44.9 0 2600 정상마모 700 치핑
V와 Si 함유 박막 시험 결과
*V+Si포함 　 　 절삭성능평가 결과
구분 박막두께(μm) 박막경도(Gpa) 열크랙 개수 밀링 내마모(cm) 밀링 내충격(cm)
실시예8-1 3.1 41.5 0 2500 정상마모 800 치핑
실시예8-2 3.1 41 0 2500 정상마모 850 치핑
상기 표 22에 나타난 바와 같이, AlTiZrN 층을 포함하지 않는 비교예 5(공통)의 경우, 박막경도가 낮을 뿐 아니라, 열크랙 개수도 8개로 다른 실시예나 비교예들에 비해 수가 많은 것을 알 수 있다. 그 결과 특히 밀링 내마모성의 측면에서 다른 경질피막에 비해 물성이 상대적으로 좋지 않음을 알 수 있다.
또한, 비교예 1-1~1-4, 1-6~1-8은, 비록 AlTiZrN 층을 포함하고 있으나, 열크랙 개수가 많거나 밀링 내충격성이 극히 낮아, 본 발명의 실시예 1-1~1-5에 비해 경질피막 전체적인 물성이 낮음을 알 수 있다.
마찬가지로, 표 23에 나타난 바와 같이, AlTiHfN 층을 포함하는 본 발명의 실시예 2-1~2-5는 비교예 2-1~2-4, 2-6~2-8에 비해 열크랙 개수가 작거나 밀링 내마모성과 밀링 내충격성을 포함하는 전체적인 물성이 현저하게 향상됨을 알 수 있다.
이러한 경향은, V, Ta, Cr, Si, V와 Si 함유 경질피막에서도 동일하게 나타난다.
한편, 표 25에 나타난 바와 같이, TiAlN과 AlTiN 사이의 열팽창계수를 가지지 않는 Nb를 포함하는 AlTiNbN층을 사용할 경우, 열크랙 개수가 많을 뿐 아니라, 밀링 내마모성과 밀링 내충격성 모두 낮게 나타남을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 특히 Zr, Ta, Si, V와 Si를 포함하는 AlTiMeN층을 포함하는 경질피막이 보다 높은 물성을 나타내므로, 이들 성분이 보다 바람직하게 사용될 수 있음을 알 수 있다.
즉, 상기한 실시예들과 비교예들을 통해 확인되는 바와 같이, 본 발명에 따른 경질피막은 열크랙을 현저하게 줄이면서, 밀링 내마모성과 밀링 내충격성을 높게 유지할 수 있어, 절삭공구의 수명을 향상시키는데 기여할 수 있다.

Claims (4)

  1. 절삭공구용 모재의 표면에 PVD공법으로 형성되는 경질피막으로서,
    상기 경질피막은, 전체 두께가 0.5~10㎛이고, 전체 조성이 Al-a- bTiaMebN (0.2<a≤0.6, 0<b≤0.15)인 박막층을 포함하고, 상기 Me는 열팽창계수가 2.7×10-6/℃ 보다 크고 9.35×10-6/℃ 보다 작은 질화물을 형성하는 원소이며,
    상기 박막층은 박층 B가 박층 A 및 박층 C 사이에 배치된 나노 다층구조가 1회 이상 반복 적층된 구조를 이루며,
    상기 박층 A의 열팽창계수를 kA, 상기 박층 B의 열팽창계수를 kB, 상기 박층 C의 열팽창계수를 kC라고 할 때, kA＞kB＞kC의 관계를 만족하고,
    상기 박층 A는 Ti1 - aAlN (0.3≤a＜0.7)
    상기 박층 B는 Ti1 -y- zAlyMezN (0.3≤y＜0.7, 0.01≤z≤0.5)
    상기 박층 C는 Al1 - xTiN (0.3≤x＜0.7)
    의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 경질피막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Me는 Si, 4a족, 5a족, 6a족 원소 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 절삭공구용 경질피막.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 Me는 Si, Zr, Hf, V, Ta, Cr 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 절삭공구용 경질피막.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 Me의 질화물의 열팽창계수와, AlN과 TiN의 열팽창계수의 차이는 1.0×10-6/℃ 이상인 절삭공구용 경질피막.
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