WO2022102929A1 - 절삭공구용 경질 피막 - Google Patents

절삭공구용 경질 피막 Download PDF

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WO2022102929A1
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안승수
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Definitions

  • the present invention relates to a hard film formed on a hard base material such as cemented carbide, cermet, ceramic, and cubic boron nitride (cBN) used in a cutting tool. More specifically, in a hard film composed of a multi-layered film including a nitride film and an oxide film, by adjusting the oxygen and nitrogen content ratio of the hard film differently for each part of the cutting tool, it relates to a hard film that extends the life of the cutting tool. .
  • a hard base material such as cemented carbide, cermet, ceramic, and cubic boron nitride (cBN) used in a cutting tool.
  • the cutting edge of a cutting tool is exposed to a high temperature environment of about 1000°C during high-speed processing of high-hardness materials, and not only wears due to friction and oxidation caused by contact with the workpiece, but also receives mechanical shock such as interruption. Therefore, it is essential for cutting tools to have adequate wear resistance and toughness.
  • 'CVD' chemical vapor deposition
  • 'PVD' physical vapor deposition method
  • the hard film is a single-layer or multi-layer non-oxide-based film (eg, TiN, TiC, TiCN), an oxide-based film having excellent oxidation resistance (eg, Al 2 O 3 ) or a mixed layer thereof.
  • oxide-based film include carbides, nitrides, and carbonitrides of metal elements of Groups 4, 5, and 6 on the periodic table such as TiN, TiC, TiCN, etc.
  • oxide-based film include alpha-Al 2 O 3 or gamma- There is Al 2 O 3 .
  • the cutting tool has slightly different roles and required properties depending on the part in contact with the workpiece. For example, oxidation resistance, abrasion resistance, and welding resistance are required for a sloped surface, oxidation resistance, thermal crack resistance, peel resistance, etc. are required for a cutting edge, and wear resistance is generally required for a flank surface.
  • the object of the present invention is to be closer to the physical properties mainly required for each of the cutting edge, the inclined surface and the flank surface by differently controlling the content ratio of oxygen and nitrogen for each part to be formed in the hard film formed on the cutting tool. It is to provide a hard film for a cutting tool that can extend the life of the tool by implementing the physical properties.
  • the present invention provides a hard film formed in a multi-layer structure on a base material of a cutting tool, wherein the hard film includes one or more layers of oxide and one or more layers of nitride.
  • the ratio of O/(O+N) at the center of the edge of the cutting tool is lower than the ratio of O/(O+N) in the region 100 ⁇ m or more away from the center of the edge, A cutting tool with a hard film is provided.
  • oxidation resistance and welding resistance are improved by increasing the O/(O+N) ratio on the inclined surface or the flank surface, and the O/(O+N) ratio is decreased on the cutting edge.
  • the peel resistance is improved.
  • FIG. 1 schematically shows the structure of a hard film according to the present invention.
  • the hard film for a cutting tool according to the present invention is formed in a multi-layer structure on a base material of the cutting tool, and the hard film includes one or more layers of oxide and one or more layers of nitride. Overall, it is characterized in that the ratio of O/(O+N) at the center of the edge of the cutting tool is lower than the ratio of O/(O+N) in the area more than 100 ⁇ m away from the center of the edge. do.
  • FIG. 1 schematically shows the structure of a hard film according to the present invention.
  • a film made of oxide and a film made of nitride on the surface of the base material form a multi-layer structure, and in the entire hard film, It is characterized in that the ratio of oxygen/(oxygen + nitrogen) (hereinafter referred to as O/(O+N)) is controlled to be relatively low in the region within about 100 ⁇ m (hatched part) compared to the other parts do it with
  • the O/(O+N) ratio may be uniformly formed in the area (hatched portion) within about 100 ⁇ m from the center of the cutting edge (curved portion of the base material) toward the inclined or free surface. It may be formed in a form in which the ratio of O/(O+N) is continuously increased, intermittently, or a mixture thereof toward the inclined surface or the free surface.
  • the inclined surface or the free surface will have a relatively high O/(O+N) compared to the cutting edge, resulting in oxidation resistance and corrosion resistance. This is improved.
  • O/(O+N) becomes relatively low, and peeling resistance is improved.
  • the above-described edge and inclined surface when the difference between O/(O+N) of the center of the cutting tool edge and O/(O+N) of the region 100 ⁇ m or more away from the center of the cutting tool is less than 0.05, the above-described edge and inclined surface Alternatively, the difference in physical properties between the free surfaces may not be sufficient, and when it exceeds 0.15, the oxidation resistance and welding resistance of the cutting edge are too low, which is not preferable. .
  • the film made of oxide and the film made of nitride constituting the hard film each contain at least one element selected from Al, Cr, Ti, Y, V, W, Ta, Nb, Mo, Zr, Hf and Si. It may be a compound comprising
  • the thickness of the hard film is formed to be less than 0.01 ⁇ m, it is difficult to sufficiently protect the cutting tool because the thickness is too thin. Rather, it decreases, so it is preferable to form in the range of 0.01 ⁇ 20 ⁇ m.
  • the conductivity of the film is Since the density and adhesion of the film decrease as the deposition increases significantly apart, it is preferably formed in the range of 0.01 to 5 ⁇ m, more preferably 0.01 to 3 ⁇ m, and most preferably 0.01 to 1 ⁇ m.
  • At least one selected from Al, Cr, Ti, Y, V, W, Ta, Nb, Mo, Zr, Hf and Si on the upper and/or lower portion of the oxide film and the nitride film Carbide, nitride, oxide, carbonitride, oxynitride, oxycarbide, oxycarbonitride, boride, boron nitride, boron carbide, boron carbonitride, boron oxynitride, boron oxocarbide, boron oxocarbonitride, and oxo containing
  • One or more compound layers selected from boron nitride may be formed.
  • the oxide film may be formed of, for example, Al 2 O 3 having a cubic gamma phase or a hexagonal alpha phase.
  • a film made of oxide was formed on the surface of a hard base material made of a sintered body such as cemented carbide, cermet, ceramic, and cubic boron nitride using magnetron sputtering, a physical vapor deposition (PVD) method, and with this A hard film having a multilayer structure including the oxide film and the nitride film was formed through a hybrid PVD process in which arc ion plating was simultaneously applied.
  • a hard base material made of a sintered body such as cemented carbide, cermet, ceramic, and cubic boron nitride using magnetron sputtering, a physical vapor deposition (PVD) method
  • the base material after washing the base material with wet microblasting and ultrapure water, it was mounted along the circumference at a distance from the central axis on the rotary table in the coating furnace in the dry state at a distance in the radial direction.
  • the initial vacuum pressure in the coating furnace was reduced to 8.5 ⁇ 10 -5 Torr or less, and the temperature was heated to 400 to 600° C., and then a pulse bias of -200 to -300V was applied to the rotating base material while rotating on the rotary table under an Ar gas atmosphere. Ion bombardment was performed for 30 to 60 minutes by applying a voltage.
  • the gas pressure for coating was maintained at 50 mTorr or less, preferably 40 mTorr or less, and the substrate bias voltage during coating was -100 to -150V for oxide film coating and -20 to -100V for nitride film coating.
  • the coating conditions may vary depending on equipment characteristics and conditions.
  • cemented carbide composed of WC having an average particle size of 0.8 ⁇ m and Co content of 10 wt.% was used as the base material.
  • the oxide film is made of Al 2 O 3 , using an Al 99.9at.% target, bias voltage -125V (Pulsed DC, 20 ⁇ 45kHz), sputtering power 20kW, O 2 and Ar injection as reaction gas, pressure 0.5Pa It was formed under the conditions of
  • the nitride film is made of AlTiN or AlCrN, and using an AlTi (60at.%/40at.%) target or an AlCr (64at.%/36at.%) target, bias voltage -30 to -60V, arc current 100 to 150A, N 2 was injected as a reaction gas, and a film was formed under a pressure of 2.7 ⁇ 4.0Pa.
  • the embodiment of the present invention was constructed by applying a pulse bias voltage of -200 to -300V immediately after forming the oxide film and performing ion bombardment for 5 to 10 minutes. Immediately after forming the oxide film, a separate process other than coating The comparative example of the present invention was constructed by not performing.
  • the hard coatings of the Examples have O/(O+N) in the coating at the center of the cutting tool edge, O/( O+N) has a lower value of 0.05 to 0.15.
  • O/(O+N) in the film at the center of the cutting tool edge was 0.01 to 0.07 compared to O/(O+N) in the film in the region 100 ⁇ m away from the center of the cutting edge (sloped surface or flank surface) has a high value. That is, the hard film of the embodiment has a low O/(O+N) in the film at the center of the cutting tool edge, and has a more significant O/(O+N) difference depending on the position of the edge.
  • a milling test was performed to evaluate the adhesion resistance, peel resistance, and chipping resistance of the hard film prepared as shown in Table 2, and the evaluation was performed under the following conditions.
  • the hard film of the embodiment has a lower O/(O+N) at the center of the cutting edge compared to the inclined surface or the free surface, the peeling resistance and chipping resistance of the cutting edge are excellent, and the inclined surface or the free surface has high O/(O+N) resistance. It has a structure excellent in oxidation and welding resistance. For this reason, in the milling test, it is judged that the hard film of the example has better properties than the hard film of the comparative example, and thus the cutting performance is superior.
  • the oxide film laminated between the nitride films as in the samples 1-2, 1-4, 2-2, and 2-4 is structurally stable, and here, as in samples 1-2 and 1-4, the tool When there is an O/(O+N) difference for each part, it is judged as a thin film structure that can best reflect the effect of improving cutting performance.
  • At least one selected from Al, Cr, Ti, Y, V, W, Ta, Nb, Mo, Zr, Hf and Si is included on the upper and/or lower part of the oxide film.
  • a hard coat sample with a nitride coat was further prepared. A milling test was performed on this sample, and the evaluation results are shown in Table 4 below.
  • the hard film of Examples is generally superior in adhesion resistance, peeling resistance, and chipping resistance compared to the hard film of Comparative Examples.
  • the hard film having a nitride film containing at least one selected from Al, Cr, Ti, Y, V, W, Ta, Nb, Mo, Zr, Hf and Si on the upper and/or lower portion of the oxide film is It can be seen that the cutting performance is slightly different for each evaluation item according to the composition of the nitride and the lamination position. As described above, in the film made of oxide and nitride of the present invention, it is possible to design a hard film suitable for the processing environment through compositional and structural combinations of various materials and to improve performance accordingly.

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Abstract

본 발명은 초경합금, 써멧, 세라믹, 입방정 질화붕소와 같은 경질모재와 이 경질모재 상에 형성되는 경질피막으로 이루어진 절삭공구에 관한 것이다. 본 발명에 따른 절삭공구용 경질 피막은, 절삭공구의 모재 상에 다층 구조로 형성되고, 상기 경질피막은 산화물로 이루어진 피막 1층 이상과, 질화물로 이루어진 피막 1층 이상을 포함하고, 상기 경질피막 전체에 있어서, 상기 절삭공구의 인선(edge) 중심에서의 O/(O+N)의 비율이 상기 인선 중심으로부터 100㎛ 이상 떨어진 영역의 O/(O+N)의 비율에 비해 낮은 것을 특징으로 한다.

Description

절삭공구용 경질 피막
본 발명은 절삭공구에 사용되는 초경합금, 써멧(cermet), 세라믹, 입방정 질화붕소(cBN)와 같은 경질모재 상에 형성되는 경질피막에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 질화막과 산화막을 포함하는 다층구조 피막으로 이루어진 경질피막에서 절삭공구의 부위 별로 경질피막의 산소와 질소의 함량비를 다르게 조절하여, 절삭공구의 수명을 연장시키는 경질 피막에 관한 것이다.
절삭공구의 인선은 고경도 재료의 고속가공 시, 약 1000℃의 고온환경에 노출되고, 가공물과의 접촉으로 인한 마찰과 산화로 마모가 발생할 뿐 아니라, 단속과 같은 기계적 충격도 받게 된다. 그러므로 절삭공구는 적절한 내마모성과 인성을 갖는 것이 필수적으로 요구된다.
이와 같이 절삭공구에 요구되는 내마모성과 인성을 부여하기 위하여, 일반적으로 절삭공구로 사용되는 초경합금의 표면에는 화학기상증착법(이하, 'CVD'라 함) 또는 물리기상증착법(이하, 'PVD'라 함)을 통해 형성된 경질피막을 형성한다.
이러한 경질피막은, 단층 또는 다층의 비산화물계 피막(예: TiN, TiC, TiCN)이나, 우수한 내산화성을 갖는 산화물계 피막(예: Al2O3) 또는 이들의 혼합층으로 구성되며, 상기 비산화물계 피막의 예로는 TiN, TiC, TiCN 등과 같은 주기율표상 4, 5, 6족 금속원소의 탄화물, 질화물, 탄질화물이 있고, 산화물계 피막의 예로는 대표적으로 알파-Al2O3 또는 감마-Al2O3이 있다.
한편, 절삭공구는 피삭재와 접촉되는 부위에 따라 그 역할과 요구되는 물성에 있어서 조금씩 차이가 있다. 예를 들어 경사면의 경우 내산화성, 내마모성, 내용착성 등이 요구되고, 인선에는 내산화성, 내열크랙성, 내박리성 등이 요구되며, 여유면에는 내마모성이 일반적으로 요구된다.
이러한 절삭공구의 부위 별로 달리 요구되는 물성을 어느 정도 충족시키기 위하여, 여러 가지의 원소를 포함시킨 다원계 박막, 상이한 물질층으로 이루어진 다층구조 박막, 또는 후처리 기술 등이 적용되어 왔지만, 이러한 기술들은 공구 부위 별 물성을 차별화하는데 한계가 있다.
본 발명의 과제는, 절삭공구에 형성되는 경질피막에 있어서 형성되는 부위별로 산소와 질소의 함량비를 상이하게 조절함으로써, 인선, 경사면 및 여유면의 각각에 중점적으로 요구되는 물성에 보다 근접할 수 있는 물성을 구현함으로써, 공구의 수명을 연장시킬 수 있는 절삭공구용 경질 피막을 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 절삭공구의 모재 상에 다층 구조로 형성되는 경질 피막으로, 상기 경질피막은 산화물로 이루어진 피막 1층 이상과, 질화물로 이루어진 피막 1층 이상을 포함하고, 상기 경질피막 전체에 있어서, 상기 절삭공구의 인선(edge) 중심에서의 O/(O+N)의 비율이 상기 인선 중심으로부터 100㎛ 이상 떨어진 영역의 O/(O+N)의 비율에 비해 낮은, 경질피막이 형성된 절삭공구를 제공한다.
본 발명에 따른 경질 피막이 적용된 절삭공구의 경우, 경사면 또는 여유면에서는 O/(O+N) 비율의 증가로 내산화성과 내용착성이 향상되고, 인선부에서는 O/(O+N) 비율의 감소로 내박리성이 향상된다.
도 1은 본 발명에 따른 경질피막의 구조를 개략적으로 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 절삭공구용 경질 피막은, 절삭공구의 모재 상에 다층 구조로 형성되고, 상기 경질피막은 산화물로 이루어진 피막 1층 이상과, 질화물로 이루어진 피막 1층 이상을 포함하고, 상기 경질피막 전체에 있어서, 상기 절삭공구의 인선(edge) 중심에서의 O/(O+N)의 비율이 상기 인선 중심으로부터 100㎛ 이상 떨어진 영역의 O/(O+N)의 비율에 비해 낮은 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 경질피막의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 1에 도시된 것과 같이, 모재의 표면에 산화물로 이루어진 피막과 질화물로 이루어진 피막이 다층 구조를 형성하며, 이 경질 피막 전체에 있어서, 인선(모재에서 굴곡진 부분)의 중심으로부터 경사면 또는 여유면 쪽으로 약 100㎛ 이내의 영역부분(빗금 친 부분)은 그렇지 않은 부분에 비해 산소/(산소 + 질소)의 비율(이하, O/(O+N)라 함)의 비율이 상대적으로 낮게 제어된 것을 특징으로 한다.
한편, 인선(모재에서 굴곡진 부분)의 중심으로부터 경사면 또는 여유면 쪽으로 약 100㎛ 이내의 영역부분(빗금 친 부분)은 O/(O+N)의 비율은 균일하게 형성될 수도 있고, 중심에서 경사면 또는 여유면을 향할 수록 O/(O+N)의 비율이 연속적, 단속적, 또는 이들의 혼합 형태로 점차 증가하는 형태로 형성될 수도 있다.
이와 같이 인선과 경사면 또는 여유면의 O/(O+N)이 서로 다르게 제어될 경우, 경사면 또는 여유면은 인선에 비해 상대적으로 O/(O+N)가 높은 상태가 되어 내산화성과 내용착성이 향상된다. 한편, 인선부에서는 O/(O+N)가 상대적으로 낮은 상태가 되어 내박리성이 향상된다. 이를 통해, 경사면(또는 여유면)과 인선에 각각 요구되는 물성에 맞게 경질피막의 특성이 제어될 수 있게 되어, 절삭공구의 수명을 연장시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 경질 피막에 있어서, 절삭 공구의 인선 중심의 O/(O+N)와 상기 인선 중심으로부터 100㎛ 이상 떨어진 영역의 O/(O+N)의 차이가 0.05 미만일 경우 전술한 인선과 경사면 또는 여유면 간의 물성 차이가 충분하지 않을 수 있고, 0.15 초과할 경우 인선의 내산화성과 내용착성이 지나치게 낮아져 바람직하지 않으므로, O/(O+N)의 차이는 0.05 ~ 0.15를 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 경질 피막을 구성하는 산화물로 이루어진 피막과, 질화물로 이루어진 피막은 각각 Al, Cr, Ti, Y, V, W, Ta, Nb, Mo, Zr, Hf 및 Si에서 선택된 1종 이상의 원소를 포함하는 화합물일 수 있다.
또한, 상기 경질 피막의 두께는 0.01㎛ 미만으로 얇게 형성될 경우 두께가 지나치게 얇아 절삭공구를 충분히 보호하기 어렵고, 20㎛ 초과 시에는 잔류응력이 증가함에 따라 박리 및 치핑 등이 발생하기 쉬워 공구수명이 오히려 감소하므로, 0.01 ~ 20㎛ 범위로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 산화물로 이루어진 피막의 두께의 합이 0.01㎛ 미만으로 얇게 형성될 경우 내산화성이 충분하지 않고, 5㎛ 초과 시에는 잔류응력이 증가함에 따라 박리 및 치핑이 발생하기 쉽고, 피막의 전도성이 현저하게 떨어져 증착할수록 피막의 밀도 및 밀착력이 감소하므로, 0.01 ~ 5㎛ 범위로 형성하는 것이 바람직하고, 0.01 ~ 3㎛ 가 보다 바람직하고, 0.01 ~ 1㎛가 가장 바람직하다.
또한, 상기 산화물로 이루어진 피막 및 질화물로 이루어진 피막의 상부 및/또는 하부에는 추가로, Al, Cr, Ti, Y, V, W, Ta, Nb, Mo, Zr, Hf 및 Si에서 선택된 1종 이상을 포함하는 탄화물, 질화물, 산화물, 탄질화물, 산화질화물, 산화탄화물, 산화탄질화물, 붕화물, 질화붕소, 붕소탄화물, 붕소탄질화물, 붕소산화질화물, 붕소옥소탄화물, 붕소옥소탄질화물, 및 옥소질화붕소로부터 선택되는 화합물층이 1층 이상 형성될 수 있다.
또한, 상기 산화물로 이루어진 피막은 예를 들어, 입방정(cubic)의 감마상 또는 육방정(hexagonal)의 알파상으로 이루어진 Al2O3로 이루어질 수 있다.
[실시예]
경질피막의 제조
본 발명의 실시예에서는 초경합금, 써멧, 세라믹, 입방정 질화붕소와 같은 소결체로 이루어지는 경질 모재 표면 위에 물리적 기상 증착법(Physical vapor deposition; PVD)인 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 산화물로 이루어진 피막을 성막하였으며, 이와 함께 아크 이온 플레이팅을 동시에 적용하는 하이브리드 PVD 프로세스를 통하여 상기 산화물로 이루어진 피막과 질화물로 이루어진 피막을 포함하는 다층 구조의 경질피막을 형성하였다.
구체적으로, 상기 모재를 습식 마이크로 블라스팅 및 초순수로 세척한 뒤 건조한 상태에서 코팅로 내 회전 테이블 상의 중심축에서 반경 방향으로 소정 거리 떨어진 위치에 원주를 따라 장착하였다. 코팅로 내 초기 진공압력을 8.5×10-5 Torr 이하로 감압하였으며, 온도를 400 ~ 600℃로 가열한 후 Ar 가스 분위기 하에서 상기 회전 테이블 상에서 자전하면서 회전하는 모재에 -200 ~ -300V의 펄스 바이어스 전압을 인가하여 30 ~ 60 분간 이온 봄바드먼트(Ion bombardment)를 수행하였다. 코팅을 위한 가스압력은 50mTorr 이하 바람직하게는 40mTorr 이하로 유지하였으며, 코팅 시 기판 바이어스 전압은 산화막 코팅 시 -100 ~ -150V, 질화막 코팅 시 -20 ~ -100V를 인가하였다. 상기 코팅조건은 장비특성 및 조건에 따라 달라질 수 있다.
보다 구체적으로, 모재는 평균 입도 0.8㎛의 WC와 10wt.%의 Co 함량으로 이루어진 초경합금을 사용하였다. 산화물 피막은 Al2O3로 이루어지며, Al 99.9at.% 타겟을 사용하여 바이어스 전압 -125V(Pulsed DC, 20 ~ 45kHz), 스퍼터 전력 20kW, 반응가스로 O2와 Ar을 주입, 압력 0.5Pa의 조건으로 성막하였다. 질화물 피막은 AlTiN 또는 AlCrN으로 이루어지며, AlTi(60at.%/40at.%) 타겟 또는 AlCr(64at.%/36at.%) 타겟을 사용하여 바이어스 전압 -30 ~ -60V, 아크 전류 100 ~ 150A, 반응가스로 N2를 주입, 압력 2.7 ~ 4.0Pa 조건으로 성막하였다. 여기서 산화물 피막을 성막한 직후 -200 ~ -300V의 펄스 바이어스 전압을 인가하여 5 ~ 10 분간 이온 봄바드먼트를 수행하여 본 발명의 실시예를 구성하였고, 산화물 피막을 성막한 직후 코팅 외 별도의 공정을 수행하지 않는 것으로 본 발명의 비교예를 구성하였다.
상기의 조건으로 본 발명의 실시예와 비교예를 제조하였으며, 이에 해당되는 경질 피막의 구조, 두께, 경도에 대한 기본 정보를 아래 표 1에 나타내었다.
구분 번호 박막 구조 Al2O3 두께
(㎛)		 전체 두께
(㎛)		 박막 경도
(GPa)
실시예 1-1 AlTiN/Al2O3 0.4 2.6 29.2
1-2 AlTiN/Al2O3/AlTiN 0.4 3.0 32.0
1-3 AlCrN/Al2O3 0.4 2.7 28.8
1-4 AlCrN/Al2O3/AlCrN 0.4 3.1 31.8
비교예 2-1 AlTiN/Al2O3 0.4 2.7 28.9
2-2 AlTiN/Al2O3/AlTiN 0.4 3.0 32.2
2-3 AlCrN/Al2O3 0.4 2.7 29.3
2-4 AlCrN/Al2O3/AlCrN 0.4 3.0 31.4
경질피막의 O/(O+N) 분석결과
하기 표 2에 실시예와 비교예 샘플에 대하여 절삭공구 인선 중심의 피막 내 O/(O+N)과 상기 인선 중심으로부터 100㎛ 떨어진 영역의 피막 내 O/(O+N)을 EDX(Energy-disperse X-ray spectroscopy)로 분석한 결과를 나타내었다. 이 때 일반적으로 공구의 경사면(Rake face)은 타겟과 평행한 방향에 놓이고, 공구의 여유면(Flank face)은 타겟과 수직한 방향에 놓이며, 이는 공구의 형상 또는 회전 테이블 상의 공구 장착 방식에 따라 바뀔 수 있다. 샘플 번호 1-2(R), 1-4(R), 2-2(R), 2-4(R)은 공구의 경사면이 타겟과 수직한 방향에 놓이고, 공구의 여유면이 타겟과 평행한 방향에 놓이도록 회전 테이블 상에 장착한 것이다.
구분 번호 박막 구조 박막 내 O/(O+N)
인선 중심 경사면 여유면
실시예 1-1 AlTiN/Al2O3 0.36 0.42 0.51
1-2 AlTiN/Al2O3/AlTiN 0.28 0.33 0.42
1-2(R) AlTiN/Al2O3/AlTiN 0.30 0.45 0.35
1-3 AlCrN/Al2O3 0.38 0.43 0.50
1-4 AlCrN/Al2O3/AlCrN 0.29 0.38 0.42
1-4(R) AlCrN/Al2O3/AlCrN 0.27 0.43 0.34
비교예 2-1 AlTiN/Al2O3 0.46 0.42 0.45
2-2 AlTiN/Al2O3/AlTiN 0.37 0.33 0.35
2-2(R) AlTiN/Al2O3/AlTiN 0.39 0.38 0.34
2-3 AlCrN/Al2O3 0.46 0.42 0.45
2-4 AlCrN/Al2O3/AlCrN 0.39 0.35 0.38
2-4(R) AlCrN/Al2O3/AlCrN 0.38 0.36 0.33
상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 실시예들의 경질피막은 절삭공구 인선 중심의 피막 내 O/(O+N)이 상기 인선 중심으로부터 100㎛ 떨어진 영역(경사면 또는 여유면)의 피막 내 O/(O+N) 대비 0.05 ~ 0.15 낮은 값을 가진다. 반면, 비교예의 경질피막은 절삭공구 인선 중심의 피막 내 O/(O+N)이 상기 인선 중심으로부터 100㎛ 떨어진 영역(경사면 또는 여유면)의 피막 내 O/(O+N) 대비 0.01 ~ 0.07 높은 값을 가진다. 즉, 실시예의 경질피막이 절삭공구 인선 중심의 피막 내 O/(O+N)이 낮으며, 인선 위치에 따라 좀 더 현저한 O/(O+N) 차이를 갖는다.
절삭성능 평가
상기 표 2와 같이 제조한 경질피막의 내용착성, 내박리성, 내치핑성을 평가하기 위하여 밀링가공 시험을 수행하였으며, 하기와 같은 조건으로 평가하였다.
탄소강을 낮은 절삭속도로 가공하는 경우, 피삭재의 용착과 이로 인한 공구의 구성인선(Built-up edge)으로 인하여 경사면의 내용착성이 절삭성능에 미치는 영향이 크다. 스테인레스강을 절삭깊이 1mm 이하의 마무리 가공인 사상(Finishing) 조건으로 가공하는 경우 인선부에 가공경화(Strain hardening)가 집중되므로 인선부의 내박리성이 절삭성능에 미치는 영향이 크다. 금형강은 기계적인 마찰마모가 주요 마모유형이나 치핑이 빈번하여 공구가 갖는 본래의 내마모성을 충분히 발휘하는데 있어 인선부의 내마모성만큼 내치핑성 또한 절삭성능에 미치는 영향이 크다.
(1) 내용착성 평가
피삭재: 탄소강(SM45C)
샘플형번: SDKN1504AESN-SU
절삭속도: 150m/min
절삭이송: 0.2mm/tooth
절삭깊이: 2mm
(2) 내박리성 평가
피삭재: 스테인레스강(STS316L)
샘플형번: SNMX1206ANN-MF
절삭속도: 120m/min
절삭이송: 0.1mm/tooth
절삭깊이: 1mm
(3) 내치핑성 평가
피삭재: 금형강(NAK80)
샘플형번: ADKT170608PESR-MM
절삭속도: 100m/min
절삭이송: 0.15mm/tooth
절삭깊이: 5mm
이상과 같은 조건으로 평가한 결과를 아래 표 3에 나타내었다.
구분 번호 내용착성 내박리성 내치핑성
가공길이
(mm)		 마모유형 가공길이
(mm)		 마모유형 가공길이
(mm)		 마모유형
실시예 1-1 3000 박막뜯김 500 경계치핑 900 R부치핑
1-2 5400 정상마모 1500 정상마모 2100 정상마모
1-2(R) 6300 정상마모 1800 정상마모 1800 정상마모
1-3 3600 용착 400 경계치핑 1200 과대마모
1-4 6300 정상마모 1200 정상마모 2400 정상마모
1-4(R) 7500 정상마모 1200 정상마모 1800 정상마모
비교예 2-1 3300 박막뜯김 400 경계치핑 600 파손
2-2 4200 용착 800 경계치핑 1200 R부치핑
2-2(R) 4200 용착 1000 경계치핑 600 파손
2-3 3900 용착 300 돌발파손 900 R부치핑
2-4 4800 용착 700 R부치핑 1800 R부치핑
2-4(R) 5200 용착 700 경계치핑 1200 R부치핑
상기 표 3에서 확인되는 바와 같이, 실시예의 경질피막 중 1-2, 1-2(R), 1-4, 1-4(R)은 비교예의 경질피막 대비 내용착성, 내박리성, 내치핑성이 우수하다.
실시예의 경질피막은 경사면 또는 여유면 대비 인선 중심의 O/(O+N)이 낮기 때문에 인선부의 내박리성과 내치핑성이 우수하고, 경사면 또는 여유면은 O/(O+N)이 높아 내산화성과 내용착성이 우수한 구조를 갖는다. 이 때문에 상기 밀링가공 시험에서 실시예의 경질피막이 비교예의 경질피막 대비 공구의 부위별로 요구되는 물성을 보다 잘 갖추게 되어 절삭성능이 우세한 것으로 판단된다.
여기서 질화물 피막과 산화물 피막의 2층 구조로 이루어진 1-1, 2-1 샘플의 경우 낮은 박막 경도, 얇은 박막 두께 그리고 산화물 피막을 보호할 최외곽층의 부재로 인하여 가공 시 산화물 피막이 빠르게 소모되고, 그에 따른 내산화성과 내용착성의 감소로 비교적 낮은 절삭성능을 나타낸다. 따라서 1-2, 1-4, 2-2, 2-4 샘플과 같이 산화물 피막이 질화물 피막 사이에 적층되어 있는 것이 구조적으로 안정적임을 알 수 있고, 여기에 1-2, 1-4 샘플과 같이 공구 부위 별 O/(O+N) 차이를 가질 시 그에 따른 절삭성능의 향상 효과를 가장 잘 반영할 수 있는 박막 구조로 판단된다.
상기 평가한 12종의 샘플 외에 산화물로 이루어진 피막의 상부 및/또는 하부에 Al, Cr, Ti, Y, V, W, Ta, Nb, Mo, Zr, Hf 및 Si에서 선택된 1종 이상을 포함하는 질화물 피막을 갖는 경질피막 샘플을 추가로 제조하였다. 이 샘플에 대해 밀링가공 시험을 수행하였으며, 평가한 결과를 아래 표 4에 나타내었다.
구분 번호 박막 구조 내용착성 내박리성 내치핑성
가공길이
(mm)		 가공길이
(mm)		 가공길이
(mm)
실시예 3-1 AlTiN/Al2O3/AlTiSiN
(Al:Ti:Si=57:38:5)		 6600 1500 3000
3-2 AlTiN/Al2O3/AlTiVZrN
(Al:Ti:V:Zr=54:36:5:5)		 7200 2100 2400
3-3 AlTiN/Al2O3/AlTiNbMoN
(Al:Ti:Nb:Mo=54:36:5:5)		 6300 1500 2700
3-4 AlTiWYN/Al2O3/AlTiN
(Al:Ti:W:Y=56.4:37.6:3:3)		 5400 1800 2400
3-5 AlTiTaHfN/Al2O3/AlTiN
(Al:Ti:Ta:Hf=56.4:37.6:3:3)		 5700 1200 2100
3-6 AlCrN/Al2O3/AlCrSiN
(Al:Cr:Si=60.8:34.2:5)		 8400 1800 3900
3-7 AlCrN/Al2O3/AlCrVZrN
(Al:Cr:V:Zr=57.6:32.4:5:5)		 8100 1800 3000
3-8 AlCrN/Al2O3/AlCrNbMoN
(Al:Cr:Nb:Mo=57.6:32.4:5:5)		 6000 1200 3000
3-9 AlCrWYN/Al2O3/AlCrN
(Al:Cr:W:Y=60.2:33.8:3:3)		 6300 2100 2700
3-10 AlCrTaHfN/Al2O3/AlCrN
(Al:Cr:Ta:Hf=60.2:33.8:3:3)		 6900 1200 2400
비교예 4-1 AlTiN/Al2O3/AlTiSiN
(Al:Ti:Si=57:38:5)		 2700 1200 1800
4-2 AlTiN/Al2O3/AlTiVZrN
(Al:Ti:V:Zr=54:36:5:5)		 3600 1200 1500
4-3 AlTiN/Al2O3/AlTiNbMoN
(Al:Ti:Nb:Mo=54:36:5:5)		 2700 1200 1500
4-4 AlTiWYN/Al2O3/AlTiN
(Al:Ti:W:Y=56.4:37.6:3:3)		 2700 900 1200
4-5 AlTiTaHfN/Al2O3/AlTiN
(Al:Ti:Ta:Hf=56.4:37.6:3:3)		 3000 900 900
4-6 AlCrN/Al2O3/AlCrSiN
(Al:Cr:Si=60.8:34.2:5)		 4200 900 2100
4-7 AlCrN/Al2O3/AlCrVZrN
(Al:Cr:V:Zr=57.6:32.4:5:5)		 4800 1500 2100
4-8 AlCrN/Al2O3/AlCrNbMoN
(Al:Cr:Nb:Mo=57.6:32.4:5:5)		 4200 900 1800
4-9 AlCrWYN/Al2O3/AlCrN
(Al:Cr:W:Y=60.2:33.8:3:3)		 4200 1500 1500
4-10 AlCrTaHfN/Al2O3/AlCrN
(Al:Cr:Ta:Hf=60.2:33.8:3:3)		 3900 1200 1500
상기 표 4에서 확인되는 바와 같이, 실시예의 경질피막이 비교예의 경질피막 대비 전반적으로 내용착성, 내박리성, 내치핑성이 우수하다.
산화물로 이루어진 피막의 상부 및/또는 하부에 Al, Cr, Ti, Y, V, W, Ta, Nb, Mo, Zr, Hf 및 Si에서 선택된 1종 이상을 포함하는 질화물 피막을 갖는 경질피막은 상기 질화물의 조성과 적층 위치에 따라 평가 항목 별로 조금씩 상이한 절삭성능을 갖는 것을 알 수 있다. 이와 같이 본 발명의 산화물 및 질화물로 이루어진 피막에서 여러 물질의 조성적, 구조적 조합을 통하여 가공 환경에 적합한 경질피막의 설계와 그에 따른 성능 향상을 기대할 수 있다.

Claims (6)

  1. 절삭공구의 모재 상에 다층 구조로 형성되는 경질 피막으로,
    상기 경질피막은 산화물로 이루어진 피막 1층 이상과, 질화물로 이루어진 피막 1층 이상을 포함하고,
    상기 경질피막 전체에 있어서, 상기 절삭공구의 인선(edge) 중심에서의 O/(O+N)의 비율이 상기 인선 중심으로부터 100㎛ 이상 떨어진 영역의 O/(O+N)의 비율에 비해 낮은, 절삭공구용 경질피막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경질피막 전체에 있어서, 상기 절삭공구의 인선(edge) 중심에서의 O/(O+N)의 비율은 상기 인선 중심으로부터 100㎛ 이상 떨어진 영역의 O/(O+N)의 비율에 비해 0.05 ~ 0.15 낮은, 절삭공구용 경질피막.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 산화물로 이루어진 피막과, 질화물로 이루어진 피막은, Al, Cr, Ti, Y, V, W, Ta, Nb, Mo, Zr, Hf 및 Si에서 선택된 1종 이상을 포함하는, 절삭공구용 경질피막.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경질피막의 전체 두께는 0.02 ~ 20㎛이고,
    상기 경질피막에 포함된 산화물로 이루어진 피막을 모두 합한 두께는 0.01 ~ 5㎛인, 절삭공구용 경질피막.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 산화물로 이루어진 피막과 질화물로 이루어진 피막의 상부 및/또는 하부에,
    Al, Cr, Ti, Y, V, W, Ta, Nb, Mo, Zr, Hf 및 Si에서 선택된 1종 이상을 포함하는 탄화물, 질화물, 산화물, 탄질화물, 산화질화물, 산화탄화물, 산화탄질화물, 붕화물, 질화붕소, 붕소탄화물, 붕소탄질화물, 붕소산화질화물, 붕소옥소탄화물, 붕소옥소탄질화물, 및 옥소질화붕소로부터 선택되는 화합물층이 1층 이상 형성되는, 절삭공구용 경질피막.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 산화물로 이루어진 피막은 입방정(cubic)의 감마상 또는 육방정(hexagonal)의 알파상으로 이루어진 Al2O3로 이루어진, 절삭공구용 경질피막.
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