WO2019045235A1 - 내마모성과 인성이 우수한 경질피막 - Google Patents

내마모성과 인성이 우수한 경질피막 Download PDF

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김범식
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    • H01J37/34—Gas-filled discharge tubes operating with cathodic sputtering

Definitions

  • the present invention relates to a hard coating excellent in wear resistance and toughness, and more particularly to a hard coating comprising a nitride thin film containing Ti and Al, which can be suitably used for a protective coating of a cutting tool.
  • TiAlN which is a nitride containing titanium (Ti) and aluminum (Al), is widely used as a hard film for protecting hard base materials such as cemented carbide because it can ensure oxidation resistance through Al with high hardness.
  • a TiAlN thin film is formed at a thickness of about 0.5 to 10 mu m through a physical vapor deposition (hereinafter, referred to as 'PVD') method.
  • AlCrN, AlTiN, and AlTiN are deposited on the TiAlN thin film, A thin film of a material such as a metal oxide is formed.
  • the above-mentioned TiAlN is a single phase in which Al is dissolved in TiN, and is difficult to be formed into a thick thickness without peeling, so that there is a limit in giving a high hardness to the hard coating.
  • At least one of the layers is composed of one or two or more layers, and the first unit layer made of Ti 1-x Al x N and the second unit layer made of Ti 1- y Al y N, and the first unit layer has an fcc-type crystal structure, x in the Ti 1-x Al x N is 0 ⁇ x ⁇ 0.65, and the second unit layer has an hcp-type crystal structure, and y in the Ti 1-y Al y N satisfies 0.65? Y ⁇ 1. That is, in order to increase the hardness and oxidation resistance, the TiAlN layer is repeatedly laminated alternately with the fcc phase and the hcp phase.
  • An object of the present invention is to provide a coating film for a cutting tool which has improved abrasion resistance and toughness as compared with the conventional hard coating.
  • a hard coating formed on a surface of a base material by a PVD process, the hard coating including a first hard layer and a second hard layer,
  • the first hard layer has a thickness of 0.1 to 3.0 ⁇ ⁇ and is made of Ti la Al a N (0.3? A? 0.7), has a single phase structure,
  • the second hard layer has a thickness of 0.5 to 10 ⁇ ⁇ and the Ti lab Al a Me b N (0.3? A? 0.7, 0? B ? 0.05, Me is V, Zr, Si, Nb, Cr, , [200] / [111]) of the intensity of the [200] peak to the intensity of the [111] peak is 1.5 or more ,
  • the [200] peak is located at 42.7 ° to 44.6 ° and is composed of three phases, the [111] peak is located at 37.0 ° to 38.5 °,
  • the ratio of the intensity of the main peak to the intensity of the auxiliary peak of the [200] plane i.e., the ratio of the intensity of the main peak to the intensity of the auxiliary peak of the [ Main peak / auxiliary peak
  • the ratio of the intensity of the main peak to the intensity of the auxiliary peak of the [111] plane main peak / auxiliary peak
  • the hard film according to the present invention has a three-phase mixed crystal structure including a phase first grown in a specific crystal direction on a first hard layer having excellent bonding strength with a base material, By forming the hard layer, improved wear resistance and toughness can be realized as compared with a cutting tool in which a generally used TiAlN layer is formed.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a sectional structure of a hard coating according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a sectional structure of a hard coating according to a second embodiment of the present invention.
  • Fig. 3 shows the XRD analysis results of the hard film produced according to the first embodiment of the present invention.
  • the hard film according to the present invention is formed on the surface of a base material by PVD method, and the hard film includes a first hard layer and a second hard layer, the first hard layer has a thickness of 0.1 to 3.0 ⁇ , a Ti la made of a Al a N (0.3 ⁇ a ⁇ 0.7), has a single-phase structure and the second hard layer had a thickness of 0.5 ⁇ 10 ⁇ m, lab Ti Al N a Me b (0.3 ⁇ a ⁇ 0.7, 0 ⁇ b is 0.05 or more and Me is at least one selected from V, Zr, Si, Nb, Cr, Mo, Hf, Ta and W.
  • 200] peak intensity is preferentially grown in the [200] direction, and the [200] peak is located at 42.7 ° to 44.6 °, and at the same time, the intensity of the peak of [200]
  • the [111] peak is located at 37.0 ° to 38.5 ° and is composed of three phases.
  • the peak having the highest intensity among the peaks relating to the three phases is referred to as a main peak and the remainder is referred to as a secondary peak ,
  • the ratio of the intensity of the main peak to the intensity of the auxiliary peak of the [200] plane (main peak / auxiliary peak) is 2 or more and the ratio of the intensity of the main peak to the intensity of the auxiliary peak of the [ Peak / auxiliary peak) is 2 or more.
  • the thickness is less than 0.1 ⁇ , the function of the first hard layer is not sufficient. If the thickness is more than 3.0 ⁇ , the effect of the second hard layer becomes insufficient. desirable.
  • the first rigid layer la Ti Al N a Preferably consisting of (0.3 ⁇ a ⁇ 0.7), excellent bonding strength between the back and the content (a) of Al is less than 0.3, but the base material is employed to keep the Al-substituted The hardness and abrasion resistance decrease. If it exceeds 0.7, an hcp phase having brittleness capable of lowering the bonding force with the base material is formed, and therefore, it is preferably 0.3 to 0.7.
  • the second hard layer is less than 0.5 ⁇ ⁇ , the abrasion resistance and the toughness are not improved sufficiently. If the thickness is more than 10 ⁇ ⁇ , the second hard layer may have an excellent compressive stress to reduce the chipping resistance and toughness.
  • the second hard layer is made of a material selected from the group consisting of Ti lab Al a Me b N (0.3? A? 0.7, 0? B ? 0.05, Me is a metal selected from V, Zr, Si, Nb, Cr, Mo, Hf, If the content (a) of Al is less than 0.3, the amount of Al substituted by reducing is reduced to decrease the hardness and abrasion resistance. If the content (a) is more than 0.7, a brittle hcp phase is formed, So that 0.3 to 0.7 is preferable.
  • the amount (b) of Me added is 5 at% or less, excellent bonding force with the lower layer (first hard layer) is maintained and at the same time, solid solution strengthening or fine grain refinement It is possible to prevent the heat generated in the machining process from being transferred to the base material, or to have a proper lubrication effect in the cutting process. If it exceeds 5 at%, the hardness and abrasion resistance are increased, but the elastic modulus and plastic deformation As the difference of the index or the like increases, the bonding force with the lower layer (first hard layer) decreases, and it is difficult to provide appropriate chipping resistance and toughness due to hardening.
  • the second hard layer has a three-phase structure having a crystal structure first grown in the [200] direction, and the [200] peak and the [111] peak are in the above numerical range in the XRD phase analysis, (I.e., a crystal structure in which the crystal phase of the main peak is relatively more than a certain size relative to the crystal phase of the auxiliary peak), and the other main peaks have a higher strength than the other peaks It is preferable to satisfy the above-mentioned numerical range because it can obtain improved abrasion resistance and toughness.
  • the ratio of the intensity of the main peak to the intensity of the auxiliary peak of the [200] plane is from 3 to 8
  • the ratio of the main peak to the intensity of the auxiliary peak of the [ The intensity ratio (main peak / auxiliary peak) may be from 4 to 7.
  • the three-phase structure may preferably comprise a complex nitride phase of Ti and Al (TiAlN), a Ti nitride phase (TiN) and an Al nitride phase (AlN).
  • TiAlN complex nitride phase of Ti and Al
  • TiN Ti nitride phase
  • AlN Al nitride phase
  • the first hard layer may be formed by DC deposition to have a single phase structure
  • the second hard layer may be formed to have a three phase mixed structure by applying a pulse bias .
  • At least one compound selected from Al 1-x Cr x N (0.3 ⁇ x ⁇ 0.7), Al 1 -y Ti y N (0.3 ⁇ y ⁇ 0.7), and Al 2 O 3 A third hard layer may be formed.
  • Al 1-x Cr x N (0.3? X ? 0.7), Al 1-y Ti y N (0.3? Y ? 0.7), Al 2 O 3
  • a single layer containing at least one selected compound or a fourth hard layer having a composite layer structure in which at least two of the single layers are stacked may be formed.
  • the Cr (x) content of Al 1-x Cr x N (0.3 x 0.7) is less than 0.3, a lubricating effect with a low coefficient of friction can not be expected If it is more than 0.7, a brittle hcp phase is formed to decrease the chipping resistance and toughness. At the same time, the Cr 2 N segregation is formed due to the high temperature generated in the cutting process and the abrasion resistance is lowered. 0.7, and the content of Ti (y) in Al 1-y Ti y N (0.3 ⁇ y ⁇ 0.7) is less than 0.3, the amount of Al substituted in the solid solution decreases to lower the hardness and abrasion resistance. hcp phase is formed to reduce the chipping resistance and toughness, so that it is preferably 0.3 to 0.7.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a sectional structure of a hard coating according to a first embodiment of the present invention.
  • the hard film according to the first embodiment of the present invention is formed by forming a first hard layer made of Ti la Al a N (0.3? A? 0.7) on the surface of a base material, And a layer composed of Ti lab Al a Me b N (0.3? A? 0.7, 0? B? 0.05) as a whole is formed.
  • WC-10 wt% Co cemented carbide was used as the substrate on which the hard coating was formed, and the model number was APMT1604PDSR-MM.
  • Each of the thin films constituting the hard coating was formed by using a physical vapor deposition (PVD) arc ion plating method and / or a reactive magnetron.
  • PVD physical vapor deposition
  • arc-ion plating was performed using AlTi and TiAl arc targets on a cemented carbide base material made of WC-10 wt% Co.
  • the initial vacuum pressure was 8.5 ⁇ 10 -5 Torr or less
  • N 2 was injected as a reaction gas
  • the temperature was 400 to 550 ⁇ ⁇ .
  • the first hard layer was deposited by applying a DC voltage
  • the second hard layer was deposited by applying a pulse voltage
  • a DC voltage was applied Or pulsed voltage.
  • a bipolar pulse voltage was applied.
  • Tables 1 to 4 The detailed deposition conditions are shown in Tables 1 to 4 below.
  • the deposition conditions may vary depending on the characteristics and conditions of the equipment to be used. However, if the first hard layer has a single phase structure and the second hard layer has a three phase mixed structure, it should be construed as falling within the scope of the present invention.
  • the hard coating according to an embodiment of the present invention uses physical vapor deposition (PVD)
  • PVD physical vapor deposition
  • Comparative Examples 1 and 2 are the same as Examples 1 to 3 of the present invention in that the first hard layer is formed by the DC method and the second hard layer is formed by the pulse method, 2 are different from Examples 1 to 3 of the present invention.
  • Table 2 shows the thin film compositions and deposition conditions of Examples 10 to 20 of the present invention.
  • Example 10 to 20 of Table 2 a thin film formed by solidifying a small amount of metal element in TiAlN of the second hard layer was formed.
  • Table 3 shows the composition of the thin film and the deposition conditions of Comparative Examples 3 to 5.
  • the first layer TiAlN Ti: Al ratio 50: 50 (atom%) 0.5 m Pulse30V 30 kHz 50 to 80%
  • Second layer TiAlN Ti: Al ratio 40: 60 (atom%) 3 ⁇ m Pulse40V 30 kHz 50 to 80% Comparative Example 5
  • Comparative Example 3 the first hard layer and the second hard layer were both formed in a DC system.
  • Comparative Example 4 both the first hard layer and the second hard layer were formed in a pulsed manner
  • 5 is an example in which the first hard layer is formed by the DC method and the second hard layer is formed by the pulse method but the second hard layer has no three-phase structure. That is, in terms of crystal structure, Comparative Examples 3 to 5 are different from Examples 1 to 3 of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a sectional structure of a hard coating according to a second embodiment of the present invention.
  • the hard film according to the second embodiment of the present invention is formed by forming a first hard layer, forming a second hard layer having a three-phase mixed structure on the first hard layer, A third hard layer made of a single layer or a multilayer is further formed.
  • the third hard layer is formed on the second hard layer to form a composite multilayer structure, it is possible to obtain further improved milling abrasion resistance or milling impact resistance as compared with the case where only the second hard layer is formed on the first hard layer desirable.
  • the first hard layer and the second hard layer are the same as in the first embodiment, and the TiAlN layer and the AlCrN layer constituting the third hard layer and / or the fourth hard layer are formed through arc ion plating, Reactive magnetron sputtering method.
  • the specific composition of the thin film and the deposition conditions are shown in Table 4 below.
  • FIG. 3 shows the XRD phase analysis results of the hard coating according to Example 1 of the present invention.
  • FIG. 3 shows the results of XRD analysis of the hard coating according to Example 1 of the present invention.
  • the hard film according to Example 1 of the present invention has three peaks while the [200] peak is located at 42.7 ° to 44.6 °, and the [111] peak has a peak at 37.0 ° to 38.5 ≪ / RTI > and was found to exhibit three peaks at the same time. That is, the hard coating according to Example 1 of the present invention has a three-phase structure.
  • Table 5 summarizes the XRD phase analysis results of the hard coatings prepared according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 5.
  • Table 6 shows XRD of hard coatings prepared according to Examples 10 to 20 and Comparative Example 8, The results of the analysis are summarized.
  • an XRD analysis value is not shown for a laminated structure in which a hard layer is additionally formed on the second hard layer.
  • a hard layer is formed on the second hard layer, a peak relating to the second hard layer is not detected It is difficult to say that it is a peak for the second hard layer.
  • Comparative Example 3 and Comparative Example 5 did not have a three-phase mixed structure, and Comparative Example 1 showed that the main peaks of [200] and [111] The intensity of the auxiliary phase grown in the [200] direction is higher than those of the embodiments of the present invention.
  • Examples 10 to 20 in which a small amount of metal components were added to the TiAlN of the second hard layer without having a three-phase mixed structure were found to have a three-phase mixed structure.
  • preferential growth of [200] / [111] to [200] was observed at 2 or more, and the main peaks of [200] and [111] And the intensity thereof was remarkably larger than that of the auxiliary peak. That is, it has a form in which a small auxiliary phase is mixed in the columnar phase.
  • the hard coating thus formed was subjected to the abrasion test in the milling test and the milling impact test, and the cutting performance was evaluated.
  • the I / S model number used in the milling abrasion test was APMT1604PDSR-MM of Korea Metallurgy Co., Ltd.
  • the cutter model number was AMC3063HS
  • the I / S model number used in the milling impact test was SPKN1504EDSR-SU of Korea Metallurgy Co.
  • the cutter model number was EPN5125R.
  • Comparative Example 4 in which the first hard layer had a three-phase mixed structure but did not have a single- Compared with Comparative Examples 3 and 5, which have a laminated structure that has been used commercially and the milling abrasion resistance is significantly lowered due to the occurrence of initial chipping, the embodiments of the present invention are superior in milling wear resistance and milling And having a shock resistance at the same time showed a significantly improved cutting performance.
  • Comparative Example 6 In the case of Comparative Example 6 in which the first hard layer and the second hard layer were formed in a DC system so that the second hard layer had no three-phase mixed structure and the third hard layer was formed, The milling abrasion resistance was improved by the formation of the layer, but the milling impact resistance was low. In the case of Comparative Example 7 in which the aluminum oxide layer was formed as the second hard layer, which is also commercially available, the milling abrasion resistance was excellent, And the cutting performance was improved as compared with Comparative Examples 6 and 7 in which the embodiments of the present invention were commercialized.

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Abstract

본 발명은 내마모성과 인성을 향상시킨 경질 피막을 제공하기 위한 것으로, PVD법으로 형성되며, 제1 경질층과 제2 경질층을 포함하고, 상기 제1 경질층은 두께가 0.1~3.0㎛이고, Til-aAlaN (0.3≤a≤0.7)으로 이루어지며, 단상 구조를 가지고, 상기 제2 경질층은 두께가 0.5~10㎛이고, Til-a-bAlaMebN (0.3≤a≤0.7, 0≤b≤0.05, 상기 Me는 V, Zr, Si, Nb, Cr, Mo, Hf, Ta, W 중에서 선택된 1종 이상)으로 이루어지고, XRD 상분석법에 의할 때, [111] 피크의 강도에 대한 [200] 피크의 강도의 비([200]/[111])가 1.5 이상으로 [200] 방향으로 우선성장하고, 상기 [200] 피크는 42.7°~ 44.6°에 위치함과 동시에 3개의 상으로 이루어지고, 상기 [111] 피크는 37.0°~ 38.5°에 위치함과 동시에 3개의 상으로 이루어지며, 상기 3개의 상에 관한 피크 중에서 강도가 가장 큰 피크를 주 피크라고 하고 나머지를 보조 피크라고 할 때, [200]면의 보조 피크의 강도에 대한 주 피크의 강도의 비(주 피크/보조 피크)는 2 이상이고, [111]면의 보조 피크의 강도에 대한 주 피크의 강도의 비(주 피크/보조 피크)는 2 이상인 것을 특징으로 한다.

Description

내마모성과 인성이 우수한 경질피막
본 발명은 내마모성과 인성이 우수한 경질피막에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 Ti와 Al을 포함하는 질화물 박막을 포함하며, 절삭공구의 보호용 피막에 적합하게 사용될 수 있는 경질피막에 관한 것이다.
티타늄(Ti)과 알루미늄(Al)을 포함하는 질화물인 TiAlN은 높은 경도와 함께 Al을 통하여 내산화성을 확보할 수 있어 초경합금과 같은 경질모재를 보호하는 경질피막으로 널리 사용되고 있다.
일반적으로 물리기상증착(이하, 'PVD')법을 통해서는, 약 0.5~10㎛ 수준의 두께로 TiAlN 박막이 형성되며, 상기 TiAlN 박막의 상부에는 절삭공구에 요구되는 물성에 따라 AlCrN, AlTiN, 금속산화물과 같은 물질의 박막이 형성된다. 그런데, 상기한 TiAlN은 TiN에 Al이 고용된 단일상 형태로 박리 없이 두꺼운 두께로 형성하기 어려워 경질피막에 높은 경도를 부여하는데 한계가 있었다.
이러한 이유로, 일본공개특허공보 제2015-124407호에는, 1 또는 2 이상의 층에 의해 구성되어, 상기 층 가운데 적어도 1층은, Ti1-xAlxN으로 이루어지는 제1 단위층과, Ti1-yAlyN으로 이루어지는 제2 단위층이 교대로 적층된 다층구조를 포함하고, 상기 제1 단위층은 fcc형 결정구조를 갖고, 상기 Ti1-xAlxN에 있어서의 x는 0＜x＜0.65를 만족하고, 상기 제2 단위층은 hcp형 결정구조를 갖고, 상기 Ti1-yAlyN에 있어서의 y는 0.65≤y<1을 만족하는 경질 피막을 개시하고 있다. 즉, TiAlN층의 상을 fcc상과 hcp상을 교대로 반복하여 적층하는 형태를 통하여 경도와 내산화성을 높이고자 하고 있다.
본 발명의 과제는 종래의 경질피막에 비해 내마모성과 인성을 보다 개선한 절삭공구용 피막을 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 모재의 표면에 PVD 공법으로 형성되는 경질피막으로, 상기 경질피막은 제1 경질층과 제2 경질층을 포함하고,
상기 제1 경질층은 두께가 0.1~3.0㎛이고, Til-aAlaN (0.3≤a≤0.7)으로 이루어지며, 단상 구조를 가지고,
상기 제2 경질층은 두께가 0.5~10㎛이고, Til-a-bAlaMebN (0.3≤a≤0.7, 0≤b≤0.05, 상기 Me는 V, Zr, Si, Nb, Cr, Mo, Hf, Ta, W 중에서 선택된 1종 이상)으로 이루어지고, XRD 상분석법에 의할 때, [111] 피크의 강도에 대한 [200] 피크의 강도의 비([200]/[111])가 1.5 이상으로 [200] 방향으로 우선성장하고, 상기 [200] 피크는 42.7°~ 44.6°에 위치함과 동시에 3개의 상으로 이루어지고, 상기 [111] 피크는 37.0°~ 38.5°에 위치함과 동시에 3개의 상으로 이루어지며, 상기 3개의 상에 관한 피크 중에서 강도가 가장 큰 피크를 주 피크라고 하고 나머지를 보조 피크라고 할 때, [200]면의 보조 피크의 강도에 대한 주 피크의 강도의 비(주 피크/보조 피크)는 2 이상이고, [111]면의 보조 피크의 강도에 대한 주 피크의 강도의 비(주 피크/보조 피크)는 2 이상인, 경질피막을 제공한다.
본 발명에 따른 경질 피막은 모재와의 결합력이 우수한 제1 경질층 상에 특정한 결정방향으로 우선 성장된 상(phase)을 포함하는 3상 혼합 결정구조를 가지고 주상과 보조상의 비율을 제어한 제2 경질층을 형성함으로써, 일반적으로 적용되는 TiAlN층을 형성한 절삭공구에 비해 향상된 내마모성과 인성을 구현할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 본 명세서에서 언급되지 않은 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 경질피막의 단면구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 경질피막의 단면구조를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시형태에 따라 제조된 경질피막의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 경질피막은, 모재의 표면에 PVD 공법으로 형성되고, 상기 경질피막은 제1 경질층과 제2 경질층을 포함하고, 상기 제1 경질층은 두께가 0.1~3.0㎛이고, Til-aAlaN (0.3≤a≤0.7)으로 이루어지며, 단상 구조를 가지고, 상기 제2 경질층은 두께가 0.5~10㎛이고, Til-a-bAlaMebN (0.3≤a≤0.7, 0≤b≤0.05, 상기 Me는 V, Zr, Si, Nb, Cr, Mo, Hf, Ta, W 중에서 선택된 1종 이상)으로 이루어지고, XRD 상분석법에 의할 때, [111] 피크의 강도에 대한 [200] 피크의 강도의 비([200]/[111])가 1.5 이상으로 [200] 방향으로 우선성장하고, 상기 [200] 피크는 42.7°~ 44.6°에 위치함과 동시에 3개의 상으로 이루어지고, 상기 [111] 피크는 37.0°~ 38.5°에 위치함과 동시에 3개의 상으로 이루어지며, 상기 3개의 상에 관한 피크 중에서 강도가 가장 큰 피크를 주 피크라고 하고 나머지를 보조 피크라고 할 때, [200]면의 보조 피크의 강도에 대한 주 피크의 강도의 비(주 피크/보조 피크)는 2 이상이고, [111]면의 보조 피크의 강도에 대한 주 피크의 강도의 비(주 피크/보조 피크)는 2 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 제1 경질층은 모재와의 결합력을 향상시키기 위한 층으로, 두께가 0.1㎛ 미만이면 그 기능이 충분하지 않고, 3.0㎛ 초과하면 제2 경질층의 효과가 충분하지 않게 되므로 0.1~3.0㎛가 바람직하다.
또한, 제1 경질층은 Til-aAlaN (0.3≤a≤0.7)으로 구성되는 것이 바람직한데, 상기 Al의 함량(a)이 0.3 미만이면 모재와의 우수한 결합력은 유지할 수 있으나 Al의 치환고용되는 양이 줄어들어 경도 및 내마모성이 저하하고, 0.7 초과이면 모재와의 결합력을 저하시킬 수 있는 취성을 갖는 hcp 상이 형성되므로, 0.3~0.7이 바람직하다.
또한, 제2 경질층은, 그 두께가 0.5㎛ 미만이면 내마모성 및 인성 향상이 부족하고, 10㎛ 초과하면 과대한 압축응력으로 내치핑성 및 인성이 저하하므로, 0.5~10㎛가 바람직하다.
또한, 제2 경질층은 Til-a-bAlaMebN (0.3≤a≤0.7, 0≤b≤0.05, 상기 Me는 V, Zr, Si, Nb, Cr, Mo, Hf, Ta, W 중에서 선택된 1종 이상)으로 구성되는 것이 바람직한데, 상기 Al의 함량(a)이 0.3 미만이면 Al의 치환고용되는 양이 줄어들어 경도 및 내마모성이 저하하고, 0.7 초과이면 취성의 hcp 상이 형성되어 내치핑성 및 인성이 저하하므로, 0.3~0.7이 바람직하다.
또한 상기 제2 경질층에는 Me 성분이 일부 첨가될 수 있으며, 이때 첨가되는 Me의 함량(b)이 5at% 이하이면 하부층(제1 경질층)과의 우수한 결합력을 유지함과 동시에 고용강화 또는 결정립 미세화에 의한 내마모성 향상과 가공시 발생하는 열이 모재로 전달되는 것을 차단하는 기능 또는 절삭가공 시 적절한 윤활효과를 기대할 수 있고, 5at% 초과이면 경도 및 내마모성은 증가하나 모재와의 탄성계수, 내소성변형지수 등의 차이가 증가함에 따라 하부층(제1 경질층)과의 결합력이 저하하며 고경도화에 따른 적절한 내치핑성 및 인성을 구비하기 어려우므로, 5at% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다.
또한, 제2 경질층은, [200] 방향으로 우선성장한 결정구조를 갖는 3상 구조를 구비하고, 상기 [200] 피크 및 [111] 피크는 XRD 상분석에 있어서 상기 수치범위에 있으며, 상기 수치범위에는 각각 3개의 피크가 존재하고, 이중 주 피크가 다른 피크에 비해 현저하게 강도가 높은 상태를 유지하는 것(즉, 주 피크의 결정상이 보조 피크의 결정상보다 상대적으로 일정 이상 많은 조직)이, 향상된 내마모성과 인성을 얻을 수 있게 하므로, 상기 수치범위를 만족하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게, 상기 [200]면의 보조 피크의 강도에 대한 주 피크의 강도의 비(주 피크/보조 피크)는 3~8이고, 상기 [111]면의 보조 피크의 강도에 대한 주 피크의 강도의 비(주 피크/보조 피크)는 4~7일 수 있다.
또한, 상기 3상 구조는, 바람직하게 Ti와 Al의 복합 질화물상(TiAlN), Ti 질화물상(TiN) 및 Al 질화물상(AlN)을 포함할 수 있다.
또한, 바람직하게 상기 제1 경질층은 DC 방식으로 증착하여 단일상 구조를 갖도록 형성될 수 있고, 상기 제2 경질층은 펄스 바이어스(pulse bias)를 적용하여 3상 혼합구조를 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 경질층 상에는, Al1-xCrxN (0.3≤x≤0.7), Al1-yTiyN (0.3≤y≤0.7), Al2O3 중에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함하는 제3 경질층이 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 경질층과 제2 경질층 사이에, Al1-xCrxN (0.3≤x≤0.7), Al1-yTiyN (0.3≤y≤0.7), Al2O3 중에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함하는 단일층 또는 상기 단일층이 2 이상 적층된 복합층 구조를 갖는 제4 경질층이 형성될 수 있다.
또한, 제3 경질층 또는 제4 경질층에 있어서, 상기 Al1-xCrxN (0.3≤x≤0.7)의 Cr(x) 함량은 0.3 미만이면 낮은 마찰계수의 윤활효과를 기대할 수 없고 또한 절연성이 높아져 증착에 어려움이 있으며, 0.7 초과이면 취성의 hcp 상이 형성되어 내치핑성 및 인성이 저하됨과 동시에 절삭가공시 발생하는 고온에 의해 Cr2N의 편석이 형성되어 내마모성이 저하하므로, 0.3~0.7이 바람직하고, Al1-yTiyN (0.3≤y≤0.7)의 Ti(y)의 함량은 0.3 미만이면 Al의 치환고용되는 양이 줄어들어 경도 및 내마모성이 저하하고, 0.7 초과이면 취성의 hcp 상이 형성되어 내치핑성 및 인성이 저하하므로, 0.3~0.7이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 기초하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
[제1 실시형태]
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 경질피막의 단면구조를 나타낸 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 경질피막은 모재의 표면에 Til-aAlaN (0.3≤a≤0.7)으로 이루어진 제1 경질층을 형성하고, 제1 경질층상에 3상 혼합구조를 가지며 전체 조성이 Til-a-bAlaMebN (0.3≤a≤0.7, 0≤b≤0.05)으로 이루어진 층을 형성한 것이다.
이때, 경질피막을 형성한 기재는 WC-10중량% Co 초경합금을 활용하였으며, 형번은 APMT1604PDSR-MM을 사용하였다.
그리고 경질피막을 구성하는 각 박막은 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)인 아크 이온 플레이팅 법 및/또는 반응성 마그네트론을 이용하여, 경질피막을 형성하였다.
구체적으로 WC-10wt%Co로 이루어진 초경합금 모재에 AlTi 및 TiAl 아크 타겟을 사용하여 아크 이온 플레이팅을 하였고, 이때 초기 진공압력은 8.5×10-5Torr 이하, 반응가스로는 N2를 주입하고, 증착온도는 400~550℃로 하였다. 제1 경질층은 DC 전압을 인가하는 방식으로 증착하였고, 제2 경질층은 펄스(Pulse) 전압을 인가하는 방식으로 증착하였으며, 제3 경질층 또는 제4 경질층의 질화물의 경우 DC전압을 인가하거나 펄스전압을 인가하는 방식으로 증착하였고 산화막의 경우 양극성 펄스전압을 인가하는 방식으로 증착하였으며, 세부적인 증착조건은 아래 표 1~4와 같다.
증착 조건은 사용하는 장비 특성 및 조건에 따라 달라질 수 있으나, 제1 경질층은 단상 구조를 가지고, 제2 경질층은 3상 혼합구조를 갖도록 한다면, 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 필요한 경우 제2 경질층 상에 추가로 다양한 형태의 박막이 형성될 수 있음은 물론이고, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막은 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)을 이용하므로, 박막 두께는 최대 10㎛ 정도까지 형성할 수 있다.
구분 적층구조 증착박막 박막조성비(at%) 층두께 Table Bias Frequency Duty cycle
비교예1 제1층 아크를 이용하여 증착된 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 아크를 이용하여 증착된 TiAlN Ti : Al 비 = 70 : 30 (원자%) 3μm Pulse40V 30kHz 50~80%
실시예1 제1층 아크를 이용하여 증착된 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 아크를 이용하여 증착된 TiAlN Ti : Al 비 = 67 : 33 (원자%) 3μm Pulse40V 30kHz 50~80%
실시예2 제1층 아크를 이용하여 증착된 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 아크를 이용하여 증착된 TiAlN Ti : Al 비 = 40 : 60 (원자%) 3μm Pulse40V 30kHz 50~80%
실시예3 제1층 아크를 이용하여 증착된 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 아크를 이용하여 증착된 TiAlN Ti : Al 비 = 33 : 67 (원자%) 3μm Pulse40V 30kHz 50~80%
비교예2 제1층 아크를 이용하여 증착된 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 아크를 이용하여 증착된 TiAlN Ti : Al 비 = 30 : 70 (원자%) 3μm Pulse40V 30kHz 50~80%
비교예 1 및 2는, 제1 경질층은 DC 방식으로 형성하고 제2 경질층은 Pulse 방식으로 형성한 점에서는 본 발명의 실시예 1~3과 동일하나, 조성에 있어서 비교예 1 및 비교예 2는 본 발명의 실시예 1~3과 상이한 것이다. 표 2는 본 발명의 실시예 10~20의 박막 조성 및 증착 조건을 나타낸 것이다.
구분 적층구조 증착박막 박막조성비(at%) 층두께 Table Bias Frequency Duty cycle
실시예10 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 TiAlSiN Ti : Al : Si 비 = 43 : 56 : 1 (원자%) 3μm Pulse40V 30kHz 50~80%
실시예11 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 TiAlSiN Ti : Al : Si 비 = 43 : 54 : 3 (원자%) 3μm Pulse40V 30kHz 50~80%
실시예12 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 TiAlSiN Ti : Al : Si 비 = 43 : 52 : 5 (원자%) 3μm Pulse40V 30kHz 50~80%
비교예8 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 TiAlSiN Ti : Al : Si 비 = 43 : 50 : 7 (원자%) 3μm Pulse40V 30kHz 50~80%
실시예13 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 TiAlVN Ti : Al : V 비 = 43 : 52 : 5 (원자%) 3μm Pulse40V 30kHz 50~80%
실시예14 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 TiAlZrN Ti : Al : Zr 비 = 43 : 52 : 5 (원자%) 3μm Pulse40V 30kHz 50~80%
실시예15 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 TiAlNbN Ti : Al : Nb 비 = 43 : 52 : 5 (원자%) 3μm Pulse40V 30kHz 50~80%
실시예16 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 TiAlMoN Ti : Al : Mo 비 = 43 : 52 : 5 (원자%) 3μm Pulse40V 30kHz 50~80%
실시예17 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 TiAlCrN Ti : Al : Cr 비 = 43 : 52 : 5 (원자%) 3μm Pulse40V 30kHz 50~80%
실시예18 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 TiAlHfN Ti : Al : Hf 비 = 43 : 52 : 5 (원자%) 3μm Pulse40V 30kHz 50~80%
실시예19 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 TiAlTaN Ti : Al : Ta 비 = 43 : 52 : 5 (원자%) 3μm Pulse40V 30kHz 50~80%
실시예20 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 TiAlWN Ti : Al : W 비 = 43 : 52 : 5 (원자%) 3μm Pulse40V 30kHz 50~80%
위 표 2의 실시예 10~20은 제2 경질층의 TiAlN에 소량의 금속원소를 고용한 박막을 형성한 것이다.표 3은 비교예 3~5의 박막 조성 및 증착 조건을 나타낸 것이다.
구분 적층구조 증착박막 박막조성비(at%) 층두께 Table Bias Frequency Duty cycle
비교예3 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 TiAlN Ti : Al 비 = 40 : 60 (원자%) 3μm DC40V - 100%
비교예4 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm Pulse30V 30kHz 50~80%
제2층 TiAlN Ti : Al 비 = 40 : 60 (원자%) 3μm Pulse40V 30kHz 50~80%
비교예5 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 TiAlN Ti : Al 비 = 40 : 60 (원자%) 3μm Pulse40V 30kHz 90%
위 표 3에 있어서, 비교예 3은 제1 경질층과 제2 경질층이 모두 DC 방식으로 형성된 것이고, 비교예 4는 제1 경질층과 제2 경질층이 모두 Pulse 방식으로 형성된 것이며, 비교예 5는 제1 경질층은 DC 방식, 제2 경질층은 Pulse 방식으로 형성되었으나, 제2 경질층이 3상 구조를 갖지 못하는 예이다. 즉, 결정구조의 측면에서 비교예 3~5는 본 발명의 실시예 1~3과 상이한 것이다.
[제2 실시형태]
도 2은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 경질피막의 단면구조를 나타낸 개략도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 경질피막은 제1 경질층을 형성하고, 제1 경질층상에 3상 혼합구조를 가지는 제2 경질층을 형성한 후, 물성향상을 위하여 추가적으로 단층 또는 복층으로 이루어진 제3 경질층을 형성한 것이다.
이와 같이 제2 경질층 상에 제3 경질층을 형성하여 복합 다층화 구조를 형성할 경우, 제1 경질층 상에 제2 경질층만을 형성한 것에 비해 더 향상된 밀링 내마모성 또는 밀링 내충격성을 얻을 수 있으므로 바람직하다.
제1 경질층과 제2 경질층은 제1 실시형태와 동일하고, 제3 경질층 및/또는 제4 경질층을 구성하는 TiAlN층, AlCrN층은 아크 이온 플레이팅을 통해 형성하였고, 산화알루미늄은 반응성 마그네트론 스퍼터링법을 통해 형성하였다. 구체적인 박막 조성 및 증착 조건은 아래 표 4에 나타내었다.
구분 적층구조 증착박막 박막조성비(at%) 층두께 Table Bias Frequency Duty cycle
비교예6 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 TiAlN Ti : Al 비 = 40 : 60 (원자%) 2μm DC40V - 100%
제3층 AlCrN Cr : Al 비 = 30 : 70 (원자%) 1μm DC60V - 100%
비교예7 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 2.5μm DC40V - 100%
제2층 산화알루미늄 Al = 100, Al2O3 0.5μm 125V 50~80kHz 50%
제3층 TiAlN Ti : Al 비 = 40 : 60 (원자%) 1.5μm DC40V - 100%
실시예4 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 TiAlN Ti : Al 비 = 40 : 60 (원자%) 2μm Pulse40V 30kHz 50~80%
제3층 AlCrN Cr : Al 비 = 30 : 70 (원자%) 1μm DC60V - 100%
실시예5 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 40 : 60 (원자%) 0.5μm DC40V - 100%
제2층 TiAlN Ti : Al 비 = 40 : 60 (원자%) 2μm Pulse40V 30kHz 50~80%
제3층 산화알루미늄 Al = 100, Al2O3 0.5μm 125V 50~80kHz 50%
제4층 TiAlN Ti : Al 비 = 40 : 60 (원자%) 1.5μm DC40V - 50~80%
실시예6 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 40 : 60 (원자%) 2.5μm DC40V - 100%
제2층 산화알루미늄 Al = 100, Al2O3 0.5μm 125V 50~80kHz 50%
제3층 TiAlN Ti : Al 비 = 40 : 60 (원자%) 1.5μm Pulse40V 30kHz 50~80%
실시예7 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 40 : 60 (원자%) 2.0μm DC40V - 100%
제2층 산화알루미늄 Al = 100, Al2O3 0.5μm 125V 50~80kHz 50%
제3층 AlCrN Cr : Al 비 = 30 : 70 (원자%) 1.0μm DC60V - 100%
제4층 TiAlN Ti : Al 비 = 40 : 60 (원자%) 1.0μm Pulse40V 30kHz 50~80%
실시예8 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 TiAlN Ti : Al 비 = 40 : 60 (원자%) 2μm Pulse40V 30kHz 50~80%
제3층 TiAlN Ti : Al 비 = 40 : 60 (원자%) 1μm Pulse60V 30kHz 50~80%
실시예9 제1층 TiAlN Ti : Al 비 = 50 : 50 (원자%) 0.5μm DC30V - 100%
제2층 TiAlN Ti : Al 비 = 40 : 60 (원자%) 2μm Pulse40V 30kHz 50~80%
제3층 TiAlN Ti : Al 비 = 40 : 60 (원자%) 1μm DC60V - 100%
위 표 4에 있어서, 비교예 6은 제1 경질층과 제2 경질층을 모두 DC 방식으로 형성한 후 제3 경질층으로 DC 방식으로 AlCrN층을 형성한 것이고, 비교예 7은 제1 경질층과 제2 경질층을 모두 DC 방식으로 형성한 후 제3 경질층으로 산화알루미늄층을 형성한 것이다.실시예 5~9는 DC 방식으로 제1 경질층을 형성하고 Pulse 방식으로 제2 경질층을 한 후, 제3 경질층으로 산화알루미늄층과 TiAlN층을 형성하거나, 제3 경질층 상에 추가로 제4 경질층을 형성하여 복합층으로 형성한 것이다.
XRD 분석 결과
이상과 같이 형성된 경질피막에 대해, XRD 상분석법을 통해 형성된 경질피막의 상태를 분석하였으며, 도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 경질피막의 XRD 상분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 1에 따른 경질피막은 [200] 피크는 42.7°~ 44.6°에 위치함과 동시에 3개의 피크를 나타내고, 상기 [111] 피크는 37.0°~ 38.5°에 위치함과 동시에 3개의 피크를 나타내는 것으로 확인되었다. 즉, 본 발명의 실시예 1에 따른 경질피막은 3상 구조를 갖는 것으로 나타났다.
표 5는 실시예 1~3, 비교예 1~5에 따라 제조된 경질피막의 XRD 상분석결과를 정리한 것이고, 표 6은 실시예 10~20과 비교예 8에 따라 제조된 경질피막의 XRD 상분석 결과를 정리한 것이다.
한편, 제2 경질층 상에 추가로 경질층을 형성한 적층구조에 대해서는 XRD 분석치를 제시하지 않았는데, 이는 제2 경질층 상에 다른 경질층이 형성될 경우 제2 경질층에 관한 피크가 검출되지 않거나 중복되어 제2 경질층에 대한 피크라고 보기 어렵기 때문이다.
구분 [200]/[111] [200] 주피크Degree [200] 보조피크1Degree [200] 보조피크2Degree [200]주피크/보조피크1 [200]주피크/보조피크2 [111] 주피크Degree [111] 보조피크1Degree [111] 보조피크2Degree [111]주피크/보조피크1 [111]주피크/보조피크2
비교예1 2.35 43.3 42.5 43.9 1.8 2.5 37.4 36.8 38 2.1 3.2
실시예1 2.58 43.5 42.4 44.1 3.8 2.4 37.5 37.2 38.1 2.5 3
실시예2 2.8 43.8 42.8 44.3 4.4 2.4 37.7 37.2 38 2.4 2.1
실시예3 2.75 44 42.9 44.5 4.5 2.2 37.9 37.5 38.3 2.2 2.7
비교예2 2.88 44.3 43.5 44.9 4.8 1.9 38 37.1 38.6 3.5 1.9
비교예3 3.99 43.4 - - - - 37.4 - - - -
비교예4 2.8 43.8 42.8 44.3 2.4 4.3 37.7 37.2 38 2.2 2.7
비교예5 3.2 43.8 - 44.3 - 2.9 37.6 - 37.9 - 1.46
위 표 5에 나타난 바와 같이, 비교예 3과 비교예 5는 3상 혼합구조를 갖지 않는 것으로 나타났으며, 비교예 1은 3상 혼합구조에 있어서 [200]과 [111]의 주 피크가 보조 피크에 비해 그 강도가 차이가 크지 않아 본 발명의 실시예들에 비해 [200] 방향으로 성장한 보조상의 비율이 높은 형태를 갖는다.
구분 [200]/[111] [200] 주피크Degree [200] 보조피크1Degree [200] 보조피크2Degree [200]주피크/보조피크1 [200]주피크/보조피크2 [111] 주피크Degree [111] 보조피크1Degree [111] 보조피크2Degree [111]주피크/보조피크1 [111]주피크/보조피크2
실시예10 2.7 43.8 42.7 44.3 3.5 3.1 37.7 37.2 38.1 2.5 2.1
실시예11 2.75 43.9 42.9 44.6 4.5 3.1 37.9 37.4 38.4 2.9 2.5
실시예12 2.52 44.1 43 44.6 6.2 5.3 37.9 37.4 38.4 3.4 4.1
비교예8 2.6 44.3 - - - - 38.1 - - - -
실시예13 2.6 43.9 42.9 44.4 5.8 3.4 37.5 37.1 38.2 2.7 2.2
실시예14 2.7 44.1 42.9 44.4 4.5 3.8 37.6 37.1 38 2.8 2.1
실시예15 2.8 43.9 42.7 44.3 5.8 5.1 37.4 37.1 38.1 2.2 2.2
실시예16 2.9 43.8 42.8 44.3 6.1 4.5 37.4 37.2 38.1 2.3 2.4
실시예17 2.6 43.7 42.8 44.2 8 3.2 37.8 37.3 38.3 2.4 2.1
실시예18 2.55 43.8 43 44.4 7.5 4.8 37.5 37.1 37.9 2.1 2.2
실시예19 2.65 43.8 42.7 44.6 7.5 5.8 37.7 37.2 38.1 2.5 2.2
실시예20 2.7 44 42.9 44.6 5.6 2.4 37.7 37.3 38.4 2.5 2.4
위 표 6에 나타난 바와 같이, 비교예 8은 3상 혼합구조를 가지지 않고, 제2 경질층의 TiAlN에 소량의 금속성분을 첨가한 실시예 10~20은 모두 3상 혼합구조를 가지는 것으로 나타났다. 또한 본 발명의 실시예 10~20은 모두 [200]/[111]이 2 이상으로 [200]으로의 우선성장이 일어났고, 3상 혼합구조에 있어서 [200]과 [111]의 주 피크가 보조 피크에 비해 그 강도가 현저하게 크게 나타났다. 즉, 주상에 약간의 보조상이 혼합된 형태를 갖는다.
절삭성능 시험 결과
이상과 같이 형성된 경질피막에 대해, 밀링 내마모 시험, 밀링 내충격 시험을 수행하여 그 절삭성능을 평가하였다.
밀링 내마모 시험에 사용된 I/S형번은 한국야금(주)의 APMT1604PDSR-MM이었고, 커터형번은 AMC3063HS였고, 밀링 내충격 시험에 사용된 I/S형번은 한국야금(주)의 SPKN1504EDSR-SU였고, 커터형번은 EPN5125R이었다.
(1) 밀링 내마모 특성 평가조건
- 피삭재: SCM440(100×200×300mm)
- 절삭속도: 250m/min
- 날당이송: 0.1mm/tooth
- 깊이절입: 10mm
- 반경절입: 5mm
- 건식적용
(2) 밀링 내충격 특성 평가조건
- 피삭재: SCM440 (100×200×300mm)
- 절삭속도: 200m/min
- 날당이송: 0.35mm/tooth
- 깊이절입: 3mm
- 반경절입: 100mm
- 건식적용
이상과 같은 절삭성능 시험 결과를 아래 표 7에 정리하였다.
구분 절삭성능평가 결과
밀링 내마모(cm) 밀링 내충격/인성(cm)
비교예1 1800 과대마모 800 치핑
실시예1 2000 정상마모 800 치핑
실시예2 2400 정상마모 800 치핑
실시예3 2400 정상마모 800 치핑
비교예2 1000 초기치핑 800 치핑
비교예3 2400 정상마모 400 치핑
비교예4 1000 초기치핑 400 치핑
비교예5 2400 정상마모 450 치핑
비교예6 2800 정상마모 550 치핑
비교예7 2800 정상마모 550 파손
실시예4 2800 정상마모 1000 치핑
실시예5 2800 정상마모 1000 치핑
실시예6 2800 정상마모 1000 치핑
실시예7 2850 정상마모 1100 치핑
실시예8 2600 정상마모 850 치핑
실시예9 2600 정상마모 850 치핑
실시예10 2400 정상마모 800 치핑
실시예11 2400 정상마모 800 치핑
실시예12 2450 정상마모 750 치핑
비교예8 2450 마모, 치핑 400 돌발파손
실시예13 2300 정상마모 900 치핑
실시예14 2400 정상마모 800 치핑
실시예15 2450 정상마모 800 치핑
실시예16 2500 정상마모 900 치핑
실시예17 2350 정상마모 700 치핑
실시예18 2300 정상마모 700 치핑
실시예19 2400 정상마모 800 치핑
실시예20 2300 정상마모 800 치핑
위 표 7에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1~3와 동일한 적층구조와, 3상 혼합구조를 가지나, 본 발명의 청구범위에서 청구한 조성범위를 벗어난 비교예 1 및 비교예 2의 경우, 과대마모가 일어나거나 초기 치핑이 발생함에 비해 본 발명에 따른 실시예 1~3은 비교예 1 및 2와 같은 현상이 발생하지 않아 밀링 내마모성이 현저하게 향상된 것으로 나타났다.또한, 3상 혼상 구조를 갖지 않는 비교예 3 및 비교예 5의 경우 밀링 내마모성은 우수하나, 밀링 내충격성이 현저하게 떨어지는 것으로 나타났으며, 3상 혼합구조를 가지나 제1 경질층이 단상 구조를 갖지 않는 비교예 4의 경우 초기 치핑 발생으로 인해 밀링 내마모성이 현저하게 떨어져, 상용화되어 사용되고 있는 적층구조를 구비한 비교예 3 및 5에 비해 본 발명의 실시예들은 밀링 내마모성과 밀링 내충격성을 동시에 구비하여 절삭성능이 매우 향상된 것으로 나타났다.
또한, 상용화되고 있는 방식인 제1 경질층과 제2 경질층을 DC 방식으로 형성하여 제2 경질층이 3상 혼합구조를 가지지 않고, 제3 경질층을 형성한 비교예 6의 경우 제3 경질층의 형성으로 밀링 내마모성은 보다 향상되었으나, 밀링 내충격성은 낮은 것으로 나타났고, 마찬가지로 상용화되고 있는 방식인 제2 경질층으로 산화알루미늄층을 형성한 비교예 7의 경우 밀링 내마모성은 우수하였으나, 밀링 내충격성은 낮은 것으로 나타나, 본 발명의 실시예들이 상용화되고 있는 비교예 6 및 7에 비해 절삭성능이 향상된 것으로 나타났다.
또한, 상용화된 Si을 5원자%을 초과하여 첨가한 비교예 8의 경우, 밀링 내마모성은 우수하였으나, 돌발 파손으로 인해 밀링 내충격성은 낮은 것으로 나타났는데, 이에 비교되는 본 발명의 실시예들은 상용화된 경질피막에 비해 밀링 내마모성과 밀링 내충격성이 모두 향상된 것으로 나타났다.

Claims (4)

  1. 모재의 표면에 PVD 공법으로 형성되는 경질피막으로,
    상기 경질피막은 제1 경질층과 제2 경질층을 포함하고,
    상기 제1 경질층은 두께가 0.1~3.0㎛이고, Til-aAlaN (0.3≤a≤0.7)으로 이루어지며, 단상 구조를 가지고,
    상기 제2 경질층은 두께가 0.5~10㎛이고, Til-a-bAlaMebN (0.3≤a≤0.7, 0≤b≤0.05, 상기 Me는 V, Zr, Si, Nb, Cr, Mo, Hf, Ta, W 중에서 선택된 1종 이상)으로 이루어지고, XRD 상분석법에 의할 때, [111] 피크의 강도에 대한 [200] 피크의 강도의 비([200]/[111])가 1.5 이상으로 [200] 방향으로 우선성장하고, 상기 [200] 피크는 42.7°~ 44.6°에 위치함과 동시에 3개의 상으로 이루어지고, 상기 [111] 피크는 37.0°~ 38.5°에 위치함과 동시에 3개의 상으로 이루어지며,
    상기 3개의 상에 관한 피크 중에서 강도가 가장 큰 피크를 주 피크라고 하고 나머지를 보조 피크라고 할 때, [200]면의 보조 피크의 강도에 대한 주 피크의 강도의 비(주 피크/보조 피크)는 2 이상이고, [111]면의 보조 피크의 강도에 대한 주 피크의 강도의 비(주 피크/보조 피크)는 2 이상인, 경질피막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 경질층의 상부에는,
    Al1-xCrxN (0.3≤x≤0.7), Al1-yTiyN (0.3≤y≤0.7), Al2O3 중에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함하는 단일층 또는 상기 단일층이 2 이상 적층된 복합층 구조를 갖는 제3 경질층이 형성되어 있는, 경질피막.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 경질층과 제2 경질층 사이에,
    Al1-xCrxN (0.3≤x≤0.7), Al1-yTiyN (0.3≤y≤0.7), Al2O3 중에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함하는 단일층 또는 상기 단일층이 2 이상 적층된 복합층 구조를 갖는 제4 경질층이 형성되어 있는, 경질피막.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 [200]면의 보조 피크의 강도에 대한 주 피크의 강도의 비(주 피크/보조 피크)는 3~8이고, 상기 [111]면의 보조 피크의 강도에 대한 주 피크의 강도의 비(주 피크/보조 피크)는 4~7인, 경질피막.
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