WO2020111657A1 - 절삭공구용 경질피막 - Google Patents

절삭공구용 경질피막 Download PDF

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WO2020111657A1
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nitride
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박제훈
권진한
안승수
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한국야금 주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a hard film for a cutting tool formed by the PVD method, which relates to excellent bonding strength, abrasion resistance and chipping resistance.
  • a so-called superlattice having a single lattice constant is formed by forming a matching interface between the films despite the difference in lattice constant of each single layer.
  • a hard film composed of a composite layer of a TiAlN-based nitride film formed by the PVD method and an Al 2 O 3 -based oxide film has a low bonding strength between layers, a nitride film having a high hardness and elastic modulus, and an oxide film having a low hardness and elastic modulus.
  • the composite multi-layer obtained through the complexation of the material has a problem that the value of use as a cutting tool is not high because it is not excellent in wear resistance and chipping resistance by realizing a hardness and elastic modulus of about a medium value by a rule of mixture. .
  • An object of the present invention is to provide a hard coating for a cutting tool having excellent bonding strength between layers constituting the hard coating and at the same time excellent wear resistance and chipping resistance.
  • the present invention is a hard film for a cutting tool formed by PVD method adjacent to a hard base material, wherein the total thickness of the hard film is 0.5 to 1.0 ⁇ m, and the hard film has one or more nitride layers And, one or more oxide layers, each of the one or more nitride layers having a thickness of 0.1 to 5.0 ⁇ m and Al a Ti b Me c N on a cubic (Me is Si, W, Nb, Mo, Ta, At least one selected from Hf, Zr, Y, 0.55 ⁇ a ⁇ 0.7, 0.2 ⁇ b ⁇ 0.45, 0 ⁇ c ⁇ 0.1) or Al a Cr b Me c N (Me is Si, W, Nb, Mo, Ta , Hf, Zr, at least one selected from Y, 0.55 ⁇ a ⁇ 0.7, 0.2 ⁇ b ⁇ 0.45, 0 ⁇ c ⁇ 0.1 ), each of the one or more oxide layer has a thickness of 0.1 ⁇ 3.0 ⁇ m It is made of ⁇
  • the hard film according to the present invention is a repetitive stacked structure of nitride and oxide through composition of each nitride layer and oxide layer constituting the hard film having a composite multi-layer structure, process condition control, and control of the number of layers.
  • FIG. 1 schematically shows the structure of a hard film according to an embodiment of the present invention.
  • the hard film made of a composite layer of a nitride film and an oxide film has a significant difference in physical properties such as hardness and modulus of elasticity according to the difference in the composition of each layer, so there is a limit in securing the bonding force between thin films required for cutting. have.
  • the present inventors have found that the elastic deformation index (H/E) and the plastic deformation index (H 3 /E 2 ) between each thin film affect the bonding force between the thin films, and each thin film has a predetermined When having a range of hardness and elastic modulus, it was found that the bonding strength, abrasion resistance and chipping resistance of the entire hard film were improved, leading to the present invention.
  • the hard coating according to the present invention is formed by PVD method on a hard base material, the total thickness is 0.5 ⁇ 10 ⁇ m, and includes at least one nitride layer and at least one oxide layer, each of the at least one nitride layer Al a Ti b Me c N on the cubic (cubic) thickness of 0.1 ⁇ 5.0 ⁇ m (Me is at least one selected from Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr, Y, 0.55 ⁇ a ⁇ 0.7, 0.2 ⁇ b ⁇ 0.45, 0 ⁇ c ⁇ 0.1) or Al a Cr b Me c N (Me is at least one selected from Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr, Y, 0.55 ⁇ a ⁇ 0.7 , 0.2 ⁇ b ⁇ 0.45, 0 ⁇ c ⁇ 0.1), each of the one or more oxide layers has a thickness of 0.1 ⁇ 3.0 ⁇ m and is made of ⁇ -Al 2 O 3 on a cubic (Cubic), the hard base material When n is the number
  • H/E means the ratio of the hardness (H) value to the elastic modulus (E) value
  • H 3 /E 2 )' It means the ratio of the cube of the hardness (H) value to the square of the elastic modulus (E) value.
  • the thickness is preferably in the range of 0.5 to 1.0 ⁇ m, and more preferably 2 to 8 ⁇ m.
  • Each of the one or more nitride layers has a thickness of less than 0.1 ⁇ m, it is difficult to exhibit abrasion resistance characteristics of the thin film, and when it is more than 5 ⁇ m, the bonding strength with the oxide layer is remarkable due to an increase in hardness and elastic modulus due to an increase in compressive stress. Since it will fall, 0.1 ⁇ 5 ⁇ m is preferable.
  • the content of Al when the content of Al is less than 0.55, 1.03 ⁇ H1/H2 ⁇ 1.3 or 1.1 ⁇ E1/E2 ⁇ 1.3 is not satisfied, and the bonding strength with the oxide layer is lowered, or with the oxide layer.
  • 0.09 ⁇ H/E ⁇ 0.12 or 0.29 ⁇ H 3 /E 2 ⁇ 0.32 is not satisfied, and wear resistance and chipping resistance are reduced, and the value as a cutting tool is reduced.
  • the content of Al is more than 0.7, the range of 0.55 to 0.7 is preferable because the brittleness increases due to the formation of the phase of the hexagonal B4 structure and the wear resistance is reduced and the life of the tool may be shortened.
  • each of the one or more oxide layers is less than 0.1 ⁇ m, it is difficult to exhibit the oxidation resistance of the thin film, and when it is more than 3 ⁇ m, oxidation (poisoning) progresses throughout the equipment in the coating furnace and is insulated. Since the oxide layer deposition of is impossible, 0.1 to 3 ⁇ m is preferable.
  • the oxide layer is preferably made of ⁇ -Al 2 O 3 on a cubic (cubic) in order to implement the hardness of the hard film, the elastic deformation index and the plastic deformation index.
  • the elastic deformation index and the plastic deformation index of the composite layer of the nitride layer and the oxide layer are low. (Almost the intermediate value between the high hardness/elasticity of the nitride layer and the low hardness/elasticity of the oxide layer) Wear resistance as a cutting tool and chipping resistance decrease, and if it exceeds 9, the elastic deformation index increases. However, since the plastic deformation index decreases, chipping resistance as a cutting tool decreases, so it is preferable that 4 ⁇ n ⁇ 9.
  • the bonding strength between the nitride layer and the oxide layer is good, but the nitride layer is low.
  • the hardness (based on the hardness of the oxide layer) reduces wear resistance as a cutting tool, and when it exceeds 1.3, the bonding force between the nitride layer and the oxide layer is greatly reduced. Therefore, it is desirable to be within the range of 1.03 to 1.3.
  • the ratio (E1/E2) of the elastic modulus (E1) of the nitride layer to the elastic modulus (E2) of the oxide layer is less than 1.1, the bonding strength between the nitride layer and the oxide layer is good, but the nitride layer With a low modulus of elasticity (based on the modulus of elasticity of the oxide layer), the wear resistance of the cutting tool decreases, and when it exceeds 1.3, the bonding force between the nitride layer and the oxide layer decreases significantly. It is preferable to make it fall within the range of 1.1 to 1.3, as this is greatly reduced.
  • the elastic deformation coefficient (H/E) of each of the nitride layer and the oxide layer is less than 0.07, the elastic modulus (E) is too high compared to the hardness (H), and the bonding strength with the oxide layer is significantly lowered, and 0.09 In the case of excess, it is preferable that it is in the range of 0.07 to 0.09, since the interlayer bonding strength is remarkably deteriorated because the hardness ratio and elastic modulus ratio of each layer limited in the present invention are not satisfied.
  • the plastic deformation index (H 3 /E 2 ) of each of the nitride layer and the oxide layer is less than 0.13, the elasticity modulus (E) compared to the hardness (H) is too high, and the bonding strength with the oxide layer is significantly lowered.
  • it is more than 0.29 it is also preferable to be in the range of 0.13 to 0.29 because the interlayer bonding strength is significantly lowered because the hardness ratio and elastic modulus ratio of each layer limited in the present invention are not satisfied.
  • the nitride layer and the oxide layer of each layer constituting the entire hard film have an elastic deformation index (H/E) of 007 to 009 and a plastic deformation index (H 3 /E 2 ) of 0.13 to improve the bonding strength. It is controlled to 0.29.
  • H/E elastic deformation index
  • H 3 /E 2 plastic deformation index
  • the elastic deformation index of the entire hard film exceeds 0.12 or the plastic deformation index of the entire rigid film exceeds 0.32, the elastic modulus to hardness is too low, or the hardness to elastic modulus is too high, resulting in abnormal rapid thin film formation during cutting. Wear and chipping or premature damage are frequent, and the value as a cutting tool decreases.
  • the average size of the crystal grains constituting the nitride layer and the oxide layer is preferably less than 200 nm.
  • the nitride layer and the oxide layer are formed to be repeatedly stacked alternately.
  • the thickness of the oxide layer closest to the base material may be formed larger than the sum of the thicknesses of the remaining oxide layers.
  • the hard base material may be a sintered body containing cemented carbide, cermet, high-speed steel, cBN, or diamond.
  • a bipolar power supply of 40 kHz or higher is used by using reactive pulse magnetron sputtering, which is physical vapor deposition (PVD), on a hard base material surface made of a sintered body containing cemented carbide, cermet, high-speed steel, cBN, or diamond.
  • PVD physical vapor deposition
  • Frequency supply frequency
  • a process temperature of 450 to 600°C is applied to form a multilayer film having a structure as shown in FIG. 1.
  • a nitride layer is formed on the lowermost layer in contact with the hard base material, and oxides and nitrides are alternately repeatedly formed, and the number of thin film layers formed as a whole is preferably 4 to 9 .
  • an arc target of AlTi or AlCr and a sputtering target of Al were used, and the initial vacuum pressure was reduced to 8.5 ⁇ 10 -5 Torr or less, and N 2 and O 2 were injected as a reaction gas.
  • the gas pressure for coating was maintained at 50 mTorr or less, preferably at 40 mTorr or less, and the coating temperature was 400 to 600°C, and the substrate bias voltage during coating was -20V to -100V when coating the nitride film, -100 when coating the oxide film. ⁇ -150V was applied.
  • the coating conditions may vary depending on equipment characteristics and conditions.
  • composition, hardness, modulus of elasticity, elastic deformation index and plastic deformation index of each individual layer constituting the composite multilayer are shown in Tables 1 to 4 below.
  • H1/H2 E1/E2 are based on the values of the individual layers 1-1 and the individual layers 2 of Table 4.
  • H1/H2, E1/E2 are based on the values of individual layers 1-2 and individual layer 2 of Table 4.
  • H1/H2, E1/E2 are based on the values of individual layers 1-3 and individual layer 2 of Table 4.
  • a composite multi-layer was formed by laminating the nitrides of the individual layers 1-1 and the oxides of the individual layers 2 in the structure shown in FIG. 1, and the oxide layer closest to the hard base material It is the case that the thickness of is larger than the sum of the thicknesses of the remaining oxide layers.
  • a composite multi-layer was formed by stacking the nitrides of the individual layers 1-1 and the oxides of the individual layers 2 in the structure shown in FIG. 1, and the oxide layer closest to the hard base material It is the case that the thickness of is not greater than the sum of the thicknesses of the remaining oxide layers.
  • the peeling resistance, abrasion resistance and chipping resistance of the composite multi-layered film composed of the structures of Tables 5 to 8 were evaluated under the following evaluation conditions.
  • Table 9 shows the results of evaluation under the above conditions.
  • samples No.11, 12, 14, 20, 21, 22, 27, 28, 29 with a small elastic deformation index (H/E) or plastic deformation index (H 3 /E 2 ) are small, In the case of Sample Nos. 11 to 14, 17, 19 to 22, 26 to 29, and Sample Nos. 27 to 29 in which the thickness of the first layer of the oxide layer is thinner than the thickness of the remaining oxide layer, peeling resistance is obtained. , It can be seen that there is a significant difference in abrasion resistance and chipping resistance.
  • the hard film having a composition, hardness and lamination structure according to the present invention can realize improved peeling resistance, abrasion resistance and chipping resistance compared to a hard film obtained by combining a conventional nitride layer and an oxide layer.

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Abstract

본 발명에 따른 절삭공구용 경질피막은, 경질모재 상에 인접하여 PVD법에 의해 형성되는 절삭공구용 경질피막으로, 상기 경질피막의 전체 두께가 0.5 ~ 10㎛이고, 상기 경질피막은 1 이상의 질화물층과, 1 이상의 산화물층을 포함하고, 상기 1 이상의 질화물층의 각각은 두께가 0.1 ~ 5.0㎛이고 큐빅(cubic) 상의 AlaTibMecN(Me은 Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr, Y으로 선택되는 적어도 1종, 0.55≤a≤0.7, 0.2＜b≤0.45, 0≤c＜0.1) 또는 AlaCrbMecN(Me은 Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr, Y으로 선택되는 적어도 1종, 0.55≤a≤0.7, 0.2＜b≤0.45, 0≤c＜0.1)으로 이루어지고, 상기 1 이상의 산화물층의 각각은 두께가 0.1 ~ 3.0㎛이고 큐빅(cubic) 상의 γ-Al2O3 로 이루어지고, 상기 경질모재를 포함하여 상기 경질피막 전체에 걸쳐 조성적으로 불연속적인 계면의 개수를 n이라 할 때, 4≤n≤9이고, 상기 산화물층의 미소경도(H2)에 대한 상기 질화물층의 미소경도(H1)의 비는 1.03 < H1/H2 < 1.3이고, 상기 산화물층의 탄성계수(E2)에 대한 상기 질화물층의 탄성계수(E1)의 비는 1.1 < E1/E2 < 1.3이고, 상기 질화물층 및 산화물층의 각층의 내탄성변형지수(H/E)는 0.07 ~ 0.09이며, 내소성변형지수(H3/E2)는 0.13 ~ 0.29이고, 상기 경질피막 전체의 내탄성변형지수(H/E)는 0.09 ~ 0.12이고, 상기 경질피막 전체의 내소성변형지수(H3/E2)는 0.29 ~ 0.32인 것을 특징으로 한다.

Description

절삭공구용 경질피막
본 발명은 PVD법에 의해 형성된 절삭공구용 경질피막으로, 피막의 결합력, 내마모성 및 내치핑성이 우수한 것에 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 형성함으로써, 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.
최근에는, AlTiN, TiAlN, AlTiMeN(여기서, Me는 금속원소)와 같은 다양한 조성의 질화물을 교대 반복적층시켜 단일 막에 비해 훨씬 향상된 물성을 구현하는 다양한 다층구조를 구비한 절삭공구용 경질피막이 사용되고 있다.
또한, 유럽공개특허공보 제1029105호에서와 같이, Al2O3와 TiAlN과 같은 질화막을 복합 적층시킴으로써, 질화물과 산화물이 갖는 각각의 장점을 활용하고자 하는 시도도 있다.
그런데, PVD법으로 형성되는 TiAlN계 질화막과 Al2O3계 산화막의 복합층으로 이루어진 경질피막은, 각 층간의 결합력이 낮고, 높은 경도와 탄성계수를 가지는 질화막과 낮은 경도와 탄성계수를 가지는 산화막의 복합화를 통해 얻어진 복합다층은 혼합룰(Rule of mixture)에 의해 중간값 정도의 경도와 탄성계수를 구현하여, 내마모성과 내치핑성이 우수하지 못하여, 절삭공구로서의 사용 가치가 높지 않은 문제점이 있다.
본 발명의 과제는 경질피막을 구성하는 층 사이의 결합력이 우수하면서, 동시에 내마모성과 내치핑성이 우수한 절삭공구용 경질피막을 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 경질모재 상에 인접하여 PVD법에 의해 형성되는 절삭공구용 경질피막으로, 상기 경질피막의 전체 두께가 0.5 ~ 1.0㎛이고, 상기 경질피막은 1 이상의 질화물층과, 1 이상의 산화물층을 포함하고, 상기 1 이상의 질화물층의 각각은 두께가 0.1 ~ 5.0㎛이고 큐빅(cubic) 상의 AlaTibMecN(Me은 Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr, Y으로 선택되는 적어도 1종, 0.55≤a≤0.7, 0.2<b≤0.45, 0≤c＜0.1) 또는 AlaCrbMecN(Me은 Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr, Y으로 선택되는 적어도 1종, 0.55≤a≤0.7, 0.2<b≤0.45, 0≤c＜0.1 )으로 이루어지고, 상기 1 이상의 산화물층의 각각은 두께가 0.1 ~ 3.0㎛이고 큐빅(cubic) 상의 γ-Al2O3 로 이루어지고, 상기 경질모재를 포함하여 상기 경질피막 전체에 걸쳐 조성적으로 불연속적인 계면의 개수를 n이라 할 때 4≤n≤9이고, 상기 산화물층의 미소경도(H2)에 대한 상기 질화물층의 미소경도(H1)의 비는 1.03 < H1/H2 < 1.3이고, 상기 산화물층의 탄성계수(E2)에 대한 상기 질화물층의 탄성계수(E1)의 비는 1.1 <E1/E2 < 1.3이고, 상기 질화물층 및 산화물층의 각층의 내탄성변형지수(H/E)는 0.07 ~ 0.09이며, 내소성변형지수(H3/E2)는 0.13 ~ 0.29이고, 상기 경질피막 전체의 내탄성변형지수(H/E)는 0.09 ~ 0.12이고, 상기 경질피막 전체의 내소성변형지수(H3/E2)는 0.29 ~ 0.32인, 절삭공구용 경질피막을 제공한다.
본 발명에 따른 경질피막은, 복합다층 구조를 갖는 경질피막을 구성하는 각각의 질화물층과 산화물층의 조성과, 공정조건 제어와, 적층 개수의 제어 등을 통해, 질화물과 산화물의 반복적인 적층 구조에서도 각 층간의 결합력이 우수할 뿐 아니라, 경질피막 전체의 내마모성과 내치핑성이 우수하여, 절삭공구에 적용되었을 때, 절삭성능과 수명을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 경질피막의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
전술한 바와 같이, 질화막과 산화막의 복합층으로 이루어진 경질피막은 각 층의 조성의 차이에 따른 경도와 탄성계수 등의 물성의 차이가 현저하여 절삭가공시에 요구되는 박막 간의 결합력을 확보하는데 한계가 있다. 본 발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위해 연구한 결과, 각 박막 간의 내탄성변형지수(H/E)와 내소성변형지수(H3/E2)가 박막 간의 결합력에 영향을 미치고 각 박막이 소정의 경도, 탄성계수의 범위를 가질 때, 경질피막 전체의 결합력, 내마모성 및 내치핑성이 향상됨을 밝혀내고 본 발명에 이르게 되었다.
본 발명에 따른 경질피막은, 경질모재 상에 PVD법에 의해 형성되는 것으로, 전체 두께가 0.5 ~ 10㎛이고, 1 이상의 질화물층과 1 이상의 산화물층을 포함하고, 상기 1 이상의 질화물층의 각각은 두께가 0.1~5.0㎛이고 큐빅(cubic) 상의 AlaTibMecN(Me은 Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr, Y으로 선택되는 적어도 1종, 0.55≤a≤0.7, 0.2＜b≤0.45, 0≤c＜0.1) 또는 AlaCrbMecN(Me은 Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr, Y으로 선택되는 적어도 1종, 0.55≤a≤0.7, 0.2＜b≤0.45, 0≤c＜0.1)으로 이루어지고, 상기 1 이상의 산화물층의 각각은 두께가 0.1 ~ 3.0㎛이고 큐빅(Cubic)상의 γ-Al2O3 로 이루어지고, 상기 경질모재를 포함하여 상기 경질피막 전체에 걸쳐 조성적으로 불연속적인 계면의 개수를 n이라 할 때 4 ≤n≤ 9이고, 상기 산화물층의 미소경도(H2)에 대한 상기 질화물층의 미소경도(H1)의 비(H1/H2)는 1.03 ~ 1.3이고, 상기 산화물층의 탄성계수(E2)에 대한 상기 질화물층의 탄성계수(E1)의 비(E1/E2)는 1.1 ~ 1.3이고, 상기 질화물층 및 산화물층의 각층의 내탄성변형지수(H/E)는 0.07 ~ 0.09이고, 내소성변형지수(H3/E2)는 0.13 ~ 0.29이고, 상기 경질피막 전체의 내탄성변형지수(H/E)는 0.09 ~ 0.12이고, 상기 경질피막 전체의 내소성변형지수(H3/E2)는 0.29 ~ 0.32인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, '내탄성변형지수(H/E)'는 탄성계수(E) 값에 대한 경도(H) 값의 비를 의미하고, '내소성변형지수(H3/E2)'는 탄성계수(E) 값의 제곱에 대한 경도(H) 값의 세제곱의 비를 의미한다.
상기 경질피막의 전체 두께는 0.5㎛ 미만일 경우, 박막 본연의 특성을 발휘하기 어렵고, 10㎛ 초과일 경우, PVD공법에 의한 박막의 제조특성상 박막에 축적되는 압축응력이 박막의 두께 및 시간에 비례하는 것을 감안했을 때 박리의 위험성이 커지므로 두께는 0.5 ~ 1.0㎛ 범위가 바람직하고, 보다 바람직한 두께는 2 ~ 8㎛이다.
상기 1 이상의 질화물층의 각각은 그 두께가 0.1㎛ 미만일 경우, 박막 본연의 내마모 특성을 발휘하기 어렵고, 5㎛ 초과일 경우 압축응력증가에 따른 경도 및 탄성계수 증가로 산화물층과의 결합력이 현저히 떨어지게 되므로, 0.1 ~ 5㎛가 바람직하다.
상기 1 이상의 질화물층의 조성에 있어서, Al의 함량은 0.55 미만일 경우, 1.03 <H1/H2 <1.3 또는 1.1<E1/E2 <1.3을 만족하지 못하여 산화물층과의 결합력이 저하되거나, 산화물층과의 복합다층을 구성시에 0.09 <H/E<0.12 또는 0.29<H3/E2 < 0.32를 만족하지 못하여 내마모성과 내치핑성이 저하되어 절삭공구로써의 가치가 저하된다. 또한, Al의 함량이 0.7 초과일 경우 육방정 B4구조의 상(phase) 형성으로 취성이 증가하여 내마모성이 저하되며 공구의 수명이 짧아질 수 있기 때문에 0.55 ~ 0.7의 범위가 바람직하다.
상기 1 이상의 산화물층의 각각은 그 두께가 0.1㎛ 미만일 경우, 박막 본연의 내산화 특성을 발휘하기 어렵고, 3㎛ 초과일 경우 코팅로 내의 장비 전반에 산화가(포이즈닝) 진행되어 절연화되어 더이상의 산화물층 증착이 불가능하므로, 0.1 ~ 3㎛가 바람직하다.
또한, 상기 산화물층은 상기 경질피막의 경도, 내탄성변형지수 및 내소성변형지수를 구현하기 위하여 큐빅(cubic) 상의 γ-Al2O3 로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 경질모재를 포함하여 상기 경질피막 전체에 걸쳐 조성적으로 불연속적인 계면의 개수를 n이라 할 때, 4개 미만일 경우 질화물층과 산화물층의 복합다층의 내탄성변형지수와 내소성변형지수가 낮아(거의 질화물층의 높은 경도/탄성계수와 산화물층의 낮은 경도/탄성계수의 중간값 정도) 절삭공구로써의 내마모성과 내치핑성이 저하하고, 9개 초과일 경우 내탄성변형지수는 증가하는 경우가 있으나, 내소성변형지수가 저하하므로, 절삭공구로써의 내치핑성이 저하하므로 4≤n≤9인 것이 바람직하다.
상기 경질피막에 있어서, 산화물층의 미소경도(H2)에 대한 질화물층의 미소경도(H1)의 비(H1/H2)는 1.03 미만일 경우 질화물층과 산화물층의 결합력은 양호하나, 질화물층의 낮은 경도(산화물층의 경도 기준)로 절삭공구로써 내마모성이 저하하고, 1.3 초과일 경우 질화물층과 산화물층의 결합력이 크게 저하됨으로, 절삭공구로써 가공시에 각 층이 쉽게 뜯겨나가 공구성능이 크게 저하되므로 1.03 ~1.3 범위 내에 있도록 하는 것이 바람직하다.
상기 경질피막에 있어서, 산화물층의 탄성계수(E2)에 대한 상기 질화물층의 탄성계수(E1)의 비(E1/E2)는 1.1 미만일 경우 질화물층과 산화물층의 결합력은 양호하나, 질화물층의 낮은 탄성계수(산화물층의 탄성계수 기준)로 절삭공구로써 내마모성이 저하하고, 1.3 초과일 경우 질화물층과 산화물층의 결합력이 크게 저하하므로, 절삭공구로써 가공시에 각 층이 쉽게 뜯겨나가 공구성능이 크게 저하됨으로, 1.1 ~ 1.3 범위 내에 있도록 하는 것이 바람직하다.
상기 경질피막에 있어서, 질화물층과 산화물층 각각의 내탄성변형지수(H/E)는 0.07 미만일 경우 경도(H) 대비 탄성계수(E)가 지나치게 높아 산화물층과의 결합력이 현저히 저하하고, 0.09 초과일 경우 역시 본 발명에서 제한하는 각층의 경도비와 탄성계수비를 만족하지 못하여 층간 결합력이 현저히 저하되므로,0.07 ~ 0.09 범위에 있는 것이 바람직하다.
상기 경질피막에 있어서, 질화물층과 산화물층 각각의 내소성변형지수(H3/E2)는 0.13 미만일 경우 경도(H) 대비 탄성계수(E)가 지나치게 높아 산화물층과의 결합력이 현저히 저하하고, 0.29 초과일 경우 역시 본 발명에서 제한하는 각층의 경도비와 탄성계수비를 만족하지 못하여 층간 결합력이 현저히 저하되므로, 0.13 ~ 0.29 범위에 있는 것이 바람직하다.
상기 경질피막 전체를 구성하는 각 층의 질화물층과 산화물층은 결합력을 향상시키기 위해, 내탄성변형지수(H/E)가 007 ~ 009로 내소성변형지수(H3/E2)는 0.13 ~ 0.29로 제어된다. 그러나 본 발명과 같은 질화물층과 산화물층의 복합다층을 구성하게 되면, 전체 경질피막은 각 층의 값을 초과하게 되어, 최종적으로 내마모성과 내치핑성이 현저히 개선된다. 그런데 경질피막 전체의 내탄성변형지수가 0.12를 초과하거나 경질피막 전체의 내소성변형지수가 0.32를 초과시에는 경도 대비 탄성계수가 지나치게 낮거나, 탄성계수 대비 경도가 지나치게 높아 절삭 가공시 박막의 비정상적인 급속한 마모와 치핑 또는 조기파손 현상이 빈번하여 절삭공구로서의 가치가 떨어진다.
상기 경질피막에 있어서, 질화물층과 산화물층을 구성하는 결정립의 평균 크기는 200nm 미만인 것이 바람직하다.
상기 경질피막에 있어서, 상기 질화물층과 산화물층은 교대로 반복하여 적층되는 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 경질피막에 있어서, 상기 모재로부터 가장 근접한 산화물층의 두께는 나머지 산화물층의 두께의 합에 비해 크게 형성될 수 있다.
상기 경질모재는, 초경합금, 써메트, 고속도강, cBN 또는 다이아몬드를 포함하는 소결체일 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 초경합금, 써메트, 고속도강, cBN 또는 다이아몬드를 포함하는 소결체로 이루어지는 경질 모재 표면 위에 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition; PVD)인 반응성 펄스 마그네트론 스퍼터링을 이용하여, 40kHz 이상의 바이폴라 파워 서플라이 프리퀀시(supply frequency)가 적용되며, 450 ~ 600℃의 공정온도를 적용하여 도 1과 같은 구조를 갖는 다층 피막을 형성한다.
본 발명의 실시예에 따른 다층 피막에 있어서, 경질모재와 접하는 최하층에는 질화물층이 형성되고, 순차적으로 산화물과 질화물이 교대 반복하여 형성되며, 전체적으로 형성되는 박막 층의 개수는 4 ~ 9개가 바람직하다.
구체적으로, 코팅에 사용한 타겟으로는 AlTi 또는 AlCr의 아크타겟과 Al의 스퍼터링 타겟을 사용하였으며, 초기 진공압력은 8.5×10-5 Torr 이하로 감압하였으며, 반응가스로 N2와 O2를 주입하였다. 또한, 코팅을 위한 가스압력은 50mTorr 이하, 바람직하게는 40mTorr 이하로 유지하였으며, 코팅 온도는 400 ~ 600℃로 하였고, 코팅시 기판 바이어스 전압은 질화막 코팅시 -20V ~ -100V, 산화막 코팅시 -100 ~ -150V으로 인가하였다. 상기 코팅조건은 장비특성 및 조건에 따라 달라질 수 있다.
복합 다층을 구성하는 각각의 개별층의 조성, 경도, 탄성계수, 내탄성변형지수 및 내소성변형지수는 아래 표 1~4와 같다.
개별층1-1(질화물층) 샘플 No. 1 2 3 4 5
AlTi(EDX, at%) 51:49 55:45 61:39 67:33 73:27
경도(H1) 31 33.0 36.1 34.5 28.5
탄성계수(E1) 382 380.5 409.9 390.2 340
H/E 0.081 0.087 0.088 0.088 0.084
H3/E2 0.204 0.248 0.280 0.270 0.200
H1/H2 1.069 1.138 1.245 1.190 0.983
E1/E2 1.158 1.153 1.242 1.182 1.030
표 1에서, H1/H2, E1/E2는 개별층 1-1과 표 4의 개별층 2의 값에 근거한 것이다.
개별층 1-2(질화물층) 샘플 No. 6 7
AlCrSi(EDX, at%) 64:36 60:35:5
경도(H1) 30.5 32.7
탄성계수(E1) 380.8 397
H/E 0.080 0.082
H3/E2 0.196 0.222
H1/H2 1.052 1.128
E1/E2 1.154 1.203
표 2에서, H1/H2, E1/E2는 개별층 1-2와 표 4의 개별층 2의 값에 근거한 것이다.
개별층 1-3(질화물층) 샘플 No. 8 9
AlTi(EDX, at%) 59:39:2 50:40:10
경도(H1) 36.5 43.5
탄성계수(E1) 410 440
H/E 0.089 0.099
H3/E2 0.289 0.425
H1/H2 1.259 1.5
E1/E2 1.242 1.333
표 3에서, H1/H2, E1/E2는 개별층 1-3과 표 4의 개별층 2의 값에 근거한 것이다.
개별층 2(산화물층) 샘플 No. 10
Al2O3(EDX, at%) 100
경도(H2) 29
탄성계수(E2) 330
H/E 0.088
H3/E2 0.224
H1/H2 개별층 1-1, 1-2, 1-3과 비교
E1/E2 개별층 1-1, 1-2, 1-3과 비교
이상과 같은 조성과 물성을 갖는 각각의 개별층을 아래 표 5 ~ 8과 같은 조합으로 경질모재의 표면에 교대 반복하여 적층하는 구조를 통해, 총 19개의 샘플을 제조하였다.
개별층1-1과 개별층2의 복합다층(산화물1층 두께 > 2+3+4층 두께 만족하는 경우)
샘플 No. AlTi(EDX, at%) AlTiN/Al2O3 다층갯수 경도(H) 탄성계수(E) H/E H3/E2
11 51:49 3 29.5 350 0.084 0.210
12 51:49 7 30.2 360 0.084 0.213
13 55:45 7 30.8 340.2 0.091 0.252
14 61:39 3 29.3 350.2 0.084 0.205
15 61:39 7 33.5 350.8 0.095 0.306
16 61:39 9 33.9 352.1 0.096 0.314
17 61:39 10 32.8 350.1 0.094 0.288
18 67:33 7 31.5 321.2 0.098 0.303
19 67:33 10 31.4 330 0.095 0.284
20 73:27 3 29.1 330.3 0.088 0.226
21 73:27 9 29.5 338.8 0.087 0.224
22 73:27 10 29.4 340.3 0.086 0.219
개별층1-2와 개별층2의 복합다층 (산화물1층 두께 > 2+3+4층 두께 만족하는 경우)
샘플 No. AlCrSi(EDX, at%) AlCrN/Al2O3 다층갯수 경도(H) 탄성계수(E) H/E H3/E2
23 64:36 7 32.1 337.1 0.095 0.291
24 60:35:5 7 32.6 338 0.096 0.303
개별층1-3과 개별층2의 복합다층 (산화물1층 두께 > 2+3+4층 두께 만족하는 경우)
샘플 No. AlTiSi(EDX, at%) AlTiN/Al2O3 다층갯수 경도(H) 탄성계수(E) H/E H3/E2
25 59:39:2 7 35.4 376.6 0.094 0.312
26 40:40:10 7 37.9 390.5 0.097 0.357
개별층1-1과 개별층2의 복합다층 (산화물1층 두께 > 2+3+4층 두께 만족하지 않는 경우)
샘플 No. AlTi(EDX, at%) AlTiN/Al2O3 다층갯수 경도(H) 탄성계수(E) H/E H3/E2
27 61:39 7 29.8 348 0.086 0.219
28 61:39 9 30.5 355 0.086 0.225
29 67:33 9 30.9 349 0.089 0.242
표 5에 나타낸 바와 같이, 샘플 11 ~ 22의 경우, 개별층1-1의 질화물과 개별층2의 산화물을 도 1과 같은 구조로 적층하여 복합다층을 구성한 것으로, 경질모재에 가장 근접한 산화물 1층의 두께가 나머지 산화물층 두께의 합에 비해 큰 경우이다.
표 6에 나타낸 바와 같이, 샘플 23 ~ 24의 경우, 개별층1-2의 질화물과 개별층2의 산화물을 도 1과 같은 구조로 적층하여 복합다층을 구성한 것으로, 경질모재에 가장 근접한 산화물 1층의 두께가 나머지 산화물층 두께의 합에 비해 큰 경우이다.
표 7에 나타낸 바와 같이, 샘플 25 ~ 26의 경우, 개별층1-3의 질화물과 개별층2의 산화물을 도 1과 같은 구조로 적층하여 복합다층을 구성한 것으로, 경질모재에 가장 근접한 산화물 1층의 두께가 나머지 산화물층 두께의 합에 비해 큰 경우이다.
표 8에 나타낸 바와 같이, 샘플 27 ~ 28의 경우, 개별층1-1의 질화물과 개별층2의 산화물을 도 1과 같은 구조로 적층하여 복합다층을 구성한 것으로, 경질모재에 가장 근접한 산화물 1층의 두께가 나머지 산화물층 두께의 합에 비해 크지 않은 경우이다.
경질피막 물성 평가
상기 표 5 ~ 8의 구조로 구성한 복합다층 피막의 내박리성, 내마모성 및 내치핑성을 다음과 같은 평가조건으로 평가하였다.
(1) 내박리성 평가 : 박막 뜯김에 의한 비정상 마모 유무
피삭재: SM45C
샘플형번: SNMX1206ANN-MM
절삭 속도: 200m/min
절삭 이송: 0.2mm/tooth
절삭 깊이: 2mm
(2) 내마모성 평가 : 인써트 여유면 및 경사면 마모
피삭재: SCM440
샘플형번: SNMX1206ANN-MM
절삭 속도: 250m/min
절삭 이송: 0.2mm/tooth
절삭 깊이: 2mm
(3) 내치핑성 평가 : 인써트 절삭날의 노즈 R부 및 경계부 치핑
피삭재: STS316L
샘플형번: APMT1604PDSR-MM
절삭 속도: 150m/min
절삭 이송: 0.2mm/tooth
절삭 깊이: 10mm
이상과 같은 조건으로 평가한 결과를 아래 표 9에 나타내었다.
번호　 내박리성　 내마모성　 내치핑성　 비고　
가공길이(mm) 마모유형 가공길이(mm) 마모유형 가공길이(mm) 마모유형
11 660 박막뜯김, 과대마모 2600 과대 마모 550 R부 치핑 비교예
12 640 박막뜯김, 치핑 4800 정상 마모 200 경계부 치핑 비교예
13 2200 정상 마모 4800 정상 마모 400 R부 치핑 비교예
14 2150 정상 마모 3000 과대 마모 420 경계부 치핑 비교예
15 2450 정상 마모 5200 정상 마모 1600 정상 마모 실시예
16 2400 정상 마모 5200 정상 마모 1400 정상 마모 실시예
17 2000 정상 마모 5000 정상 마모 430 R부 치핑 비교예
18 2400 정상 마모 5200 정상 마모 200 정상 마모 실시예
19 2000 정상 마모 5000 정상 마모 400 경계부 치핑 비교예
20 600 박막뜯김, 치핑 1000 과대마모, 파손 550 경계부 치핑 비교예
21 800 박막뜯김, 치핑 1200 과대마모, 파손 400 R부 및 경계부 치핑 비교예
22 650 박막뜯김, 치핑 1000 과대마모, 파손 400 경계부 치핑 비교예
23 2200 정상 마모 4800 정상 마모 1400 정상 마모 실시예
24 2400 정상 마모 4800 정상 마모 1200 정상 마모 실시예
25 2800 정상 마모 5200 정상 마모 1200 정상 마모 실시예
26 750 박막뜯김, 치핑 5400 정상 마모 750 R부 치핑 비교예
27 2400 정상 마모 3000 과대 마모 800 경계부 치핑 비교예
28 2100 정상 마모 3400 과대 마모 620 경계부 치핑 비교예
29 2000 정상 마모 3400 과대 마모 600 경계부 치핑 비교예
상기 표 9에서 확인되는 바와 같이, 실시예에 해당하는 샘플 No.15, 16, 18, 23, 24 및 25는 비교예에 비해 내박리성, 내마모성, 내치핑성이 우수하다.
이에 비해, 내탄성변형지수(H/E) 또는 내소성변형지수(H3/E2)가 작은 샘플 No.11, 12, 14, 20, 21, 22, 27, 28, 29는 가 작고, 샘플 No.11 ~ 14, 17, 19 ~ 22, 26 ~ 29와, 산화물층의 제1층의 두께가 나머지 산화물층의 두께에 비해 얇게 형성되어 있는 샘플 No.27 ~ 29의 경우, 내박리성, 내마모성 및 내치핑성에 있어서 현저한 차이가 있음을 알 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 조성, 경도 및 적층 구조를 갖는 경질피막이, 종래의 질화물층과 산화물층을 복합화한 경질피막에 비해 향상된 내박리성, 내마모성 및 내치핑성을 구현할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (4)

  1. 경질모재 상에 인접하여 PVD법에 의해 형성되는 절삭공구용 경질피막으로,
    상기 경질피막의 전체 두께가 0.5 ~ 10㎛이고,
    상기 경질피막은 1 이상의 질화물층과, 1 이상의 산화물층을 포함하고,
    상기 1 이상의 질화물층의 각각은 두께가 0.1 ~ 5.0㎛이고 큐빅(cubic) 상의 AlaTibMecN(Me은 Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr, Y으로 선택되는 적어도 1종, 0.55≤a≤0.7, 0.2＜b≤0.45, 0≤c＜0.1) 또는 AlaCrbMecN(Me은 Si, W, Nb, Mo, Ta, Hf, Zr, Y으로 선택되는 적어도 1종, 0.55≤a≤0.7, 0.2＜b≤0.45, 0≤c＜0.1)으로 이루어지고,
    상기 1 이상의 산화물층의 각각은 두께가 0.1 ~ 3.0㎛이고 큐빅(cubic) 상의 γ-Al2O3 로 이루어지고,
    상기 경질모재를 포함하여 상기 경질피막 전체에 걸쳐 조성적으로 불연속적인 계면의 개수를 n이라 할 때, 4≤n≤9이고,
    상기 산화물층의 미소경도(H2)에 대한 상기 질화물층의 미소경도(H1)의 비는 1.03 < H1/H2 < 1.3이고, 상기 산화물층의 탄성계수(E2)에 대한 상기 질화물층의 탄성계수(E1)의 비는 1.1 < E1/E2 < 1.3이고,
    상기 질화물층 및 산화물층의 각층의 내탄성변형지수(H/E)는 0.07 ~ 0.09이며, 내소성변형지수(H3/E2)는 0.13 ~ 0.29이고,
    상기 경질피막 전체의 내탄성변형지수(H/E)는 0.09 ~ 0.12이고,
    상기 경질피막 전체의 내소성변형지수(H3/E2)는 0.29 ~ 0.32인, 절삭공구용 경질피막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경질피막을 구성하는 각층의 평균 결정립 크기는 200nm 미만인, 절삭공구용 경질피막.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 질화물층과 산화물층은 교대로 반복되는 형태로 형성되며,
    질화물층이 상기 경질모재에 가장 인접하여 형성되는, 절삭공구용 경질피막.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 모재에 가장 근접하여 형성된 산화물층의 두께는 나머지 산화물층의 두께의 합에 비해 큰, 절삭공구용 경질피막.
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