KR100236995B1 - 하드코팅, 하드코팅에 의해 피복되는 공작물 및 하드코팅에 의해 공작물을 피복하는 코팅방법 - Google Patents

하드코팅, 하드코팅에 의해 피복되는 공작물 및 하드코팅에 의해 공작물을 피복하는 코팅방법 Download PDF

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Abstract

하드코팅은 주로 (Al, Cr)2O3혼정 및 함유량이 5at% 이상인 크롬을 포함한다. 코팅은 900℃ 이하, 바람직하게는 500℃ 이하의 온도에서 증착된다. 하드코팅은 CVD 및 PVD 방법에 의해 증착된다.

Description

하드코팅, 하드코팅에 의해 피복되는 공작물 및 하드코팅에 의해 공작물을 피복하는 코팅방법
제1도는 기화된 용융금속에서 at%로 표시되는 크롬의 함유비에 따라 변화하고 서로 다른 온도에서 생성된 본 발명의 하드코팅의 누프(knoop)경도를 예시한 도면으로서, 사파이어의 누프경도를 비교설명하기 위한 그래프.
제2도는 500℃에서 기상증착되는 본 발명에 따른 코팅의 X선 스펙트럼을 보인 도면.
제3도는 표준 공작물을 나타내는 선반을 갖추고 본 발명에 따라 구성되는 공구에 의해 작업이 이루어지는 축을 보인 도면.
제4도는 마모 표시부를 포함하는 회전 커터판을 개략적으로 예시한 도면.
제5도는 본 발명에 따른 방법을 수행하는 장치를 개략적으로 예시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 선반 3 : 공작물
19 : 진공실 21 : 글로우 음극실
22 : 글로우 음극 25 : 개구부
27 : 전원장치 30 : 도가니
본 발명은 하드코팅에 관한 것이다. 또한 본 발명은 그러한 하드코팅에 의해 피복되는 공작물 및 그러한 하드코팅에 의해 공작물을 피복하는 코팅방법에 관한 것이다.
산화 알루미늄의 주요한 특징은 열역학적인 안정성이 극히 우수하고 경도가 비교적 높다는 것이다. 고온등의 열악한 환경에 대한 내성은 그 열역학적인 안정성으로서 이해된다. 마모가 심하게 이루어지는 부분에 대해 사용하는 것은 별 문제로 하고, 특히 기계가공 및 절삭공정에 사용되는 공구에 있어서 산화 알루미늄이 코팅재료로서 사용된다. 산화 알루미늄의 코팅은 광학 또는 전기분야에서도 또한 사용된다. 화학적 기상증착(CVD) 또는 물리적 기상증착(PCD)에 의해 산화 알루미늄 코팅을 증착하는 방법은 공지되어 있는 방법이다.
화학증착의 경우, 염화 알루미늄이 수증기와 반응하게 된다. 1000℃의 반응온도에서, 코팅은 1987년 3원 R ＆ HM에 에치. 알테나(H. Altena)등이 기고한 논문 “AlCl3/O2반응 혼합물에 의한 산화 알루미늄 CVD”에 개시된 바와 같이 최대 0.3㎛/h의 비율로 성장한다. 이 논문에 개시된 방법은 경금속의 코팅에 사용된다. 코팅은 결정체와 함께 성장함으로써 일반적으로 산화 알루미늄의 α-변태 및 n-변태를 생성한다. 이에 대해서는, 1990년에 발행된 Thin solid Films 193/194 의 536-546 페이지에 걸쳐 에스. 부오리넨(S. Vuorinen)등이 발표한 논문 “시멘트 카바이드상의 a-Al2O3, n-Al2O3및 복합 산화물 코팅의 특성화”를 참조하기 바란다.
α-변태는 더 높은 열적 안정성을 갖기 때문에, 더욱 양호한 내마모성을 갖게 된다. 또한, 기판상의 핵의 형성은 매우 비균일하게 진행되기 때문에, 일관된 코팅을 달성하기 위해서는, 1975년에 발행된 J. Cryst. Growth 28권의 259-262페이지에 걸쳐 엠. 콘만(M. Kornmann)등이 발표한 논문 “화학기상증착에 의한 TiC 및 시멘트 카바이드상의 알루미나층의 핵형성”에 개시된 바와 같이 초기에 중간층을 증착시킨다. 기술적인 처리방법에 있어서는, 일반적으로 TiC 중간층이 사용된다.
염화 알루미늄 대신에 금속유기 조성물이 알루미늄-트리이소프로필레이트 또는 알루미늄-트리메틸 따위의 알루미늄 도너로서 사용될 경우, 증착온도는 1971년에 발행된 Journal of Applied Physics 42(11) 4350-4356에 제이. 이. 칸스(J.E. Carnes)등이 발표한 논문 “실리콘상의 열분해 산화 알루미늄막의 자기회목 파손측정”에 개시된 바와 같이 약 420℃로 낮추어질 수 있다. 이러한 방법은 전자회로를 생산하는 분야에서 사용된다. 무정형, 즉 비정질 산화 알루미늄층이 생성된다.
산화 알루미늄을 물리적으로 증착시키기 위해, 기상증착 및 스퍼터링 방법이 사용될 수 있다. 이들 방법에 의해 생성되는 코팅은 광학 및 전자분야에서 사용된다.
스퍼터링된 코팅의 경우, 500℃이하의 공작물의 온도에서 무정형 구조가 생성된다. 단지 1100℃의 공작물의 온도이상에서는, α-변태가 1977년 발행된 Am. Ceram. Soc. Bull., 56(5), 504-508, 512에 제이.에이. 손톤(J.A. Thornton)이 발표한 논문 “스퍼터-증착 아루미나의 구조 및 열처리 특성”에 개시된 바와 같이 산화 알루미늄에서 이탈한다.
산화 알루미늄의 반응성 플라스마 기상증착은 알.에프. 번사(R.F. Bunshah)등이 1977년 발행된 Thin Solid Films, 40, 211-216에 발표한 논문 “활성 반응 기화에 의한 알루미나 증착”에 기술되어 있다. 또한 이 논문에 따르면, 공작물의 온도가 1100℃ 이상인 경우에만 α-변태의 결정질 코팅이 생성됨을 알 수 있다. 그러나, 이들 코팅의 기계적인 특성은 양호하지 않다. 코팅 경도는 500-800HV이다. 또한, 이들 코팅은 기공이 많고 접착성이 불량한 것으로 기술되어 있다.
따라서, 본 발명의 목적은
- 일측부가 적어도 고온의 CVD에 의해 생성되는 산화 알루미늄 코팅처럼 강하고, 사실상 저온에서 생성될 수 있으며, 경제적인 측면을 고려하여 단위시간당 공작물에 증착되는 코팅재료의 양으로 한정되는 높은 증착비로 생성될 수 있는 하드코팅을 제공하고,
- 공작물, 특히 그러한 코팅이 행해져서 절삭공정을 수행하는 공구를 제공하며,
- 그러한 코팅으로 공작물을 피복하는 코팅방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 크롬의 함유율이 5at%보다 큰 (Al, Cr)2O3혼정으로 구성되는 하드코팅을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 공작물, 특히 크롬의 함유율이 5at% 이상인 (Al, Cr)2O3혼정으로 구성되는 하드코팅을 포함하는 코팅으로 구성되는 절삭공정용 공구를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 공작물이 화학기상증착(CVD) 또는 물리기상증착(PVD)공정에 의해 (Al, Cr)2O3로 피복됨으로써 온도를 900℃이하로 유지할 수 있게됨을 특징으로 하는 하드코팅에 의해 공작물을 피복하는 코팅방법을 제공하는 데 있다.
놀랍게도, 1000℃ 이하, 즉 900℃ 이하, 실제에 있어서는 500℃ 이하의 코팅온도에서 크롬을 알루미늄 코팅재료에 추가하는 극히 단순한 방법을 사용하면, 고온 CVD 에 의해서만 달성될 수 있는 결정질로 이루어지고 그렇지 않으면 단지 무정형 코팅이 생성될 수 있는 1000℃ 이하, 즉 500℃ 및 그 이하에서 생성될 수 있는 하드코팅이 이루어진다,
일반적으로 공지된 방식을 사용할 경우, 높은 공작물온도를 받아 들이거나 공구, 특히 절삭공정용 공구에서 발생하는 높은 기계적인 응력을 견딜 수 없는 무정형 산화 알루미늄 코팅이 생성되게 할 필요가 있다.
특히 공구의 코팅은 코팅의 경도가 마찰작용하는 구성부보다 더 높고 공구가 마찰결합하는 재료, 즉 작업이 행해질 재료를 포함할 때 확고한 내마모성을 결과적으로 얻게 되는 경우에만 그 특징을 갖게 된다. 이러한 이유로 해서, 현재까지 마모를 효과적으로 방지하기 위해 고온 CVD 처리에 의해 침전되는 산화 알루미늄층을 사용하는 것이 가능하였다.
또한, 코팅재료는 하중의 기계적인 피크 응력에 따른 균열의 발생에 의해 손상되지 않도록 어느 정도 결정화되어야 한다. 현재까지 알려져 있고 물리적 증착(기화, 스퍼터링)에 의해 증착된 산화 알루미늄 코팅은 상기한 이유로 인해, 공작물을 마모로부터 보호하기에 적절하지 않은 낮은 경도와 비결정화를 갖게 됨으로써 절삭, 연마 등등의 공정에 사용하는 공구에는 특히 적용될 수 없다.
본 발명에 따라, 500℃ 이하의 코팅온도에 이를 수 있게 되며, 코팅후에 공구를 경화시킬 필요없이 고속도강으로 만들어지는 공구에 그러한 코팅을 제공할 수 있게 된다. 낮은 코팅온도를 가져야만 한다는 조건은 높은 공작물 온도가 궁극적인 파열강도를 감소시키기 때문에 경도가 높은 금속을 코팅하는데 필요하며, 이러한 조건은 본 발명에 의해 충족된다.
특히, 절삭공정을 수행하는 공구를 사용하여 작업이 간헐적으로 이루어지는 경우, 즉 열적으로 및 기계적으로 변화하는 하중을 받는 경우, 궁극적으로 파괴강도가 매우 낮게 되어 공구가 너무 일찍 손상될 수도 있다.
고도의 코팅비에 대한 요구는 경제적인 고려에 기초함을 명백히 알수 있다. 1990년에 발행된 Surface and Coatings Technology, 43/44, 213-222에서 제이. 에스. 윤(J.S. Yoon)등이 발표한 논문 “활성 반응 기화법을 이용한 고증착비의 산화 알루미늄막의 생성”에 개시된 바와 같이, 정적 코팅에서 6㎛/h 비율의 기상증착에 의해 산화 알루미늄을 생성한다 하더라도, 개시된 방법은 무정형의 비경정질 코팅을 얻게됨을 주목할 필요가 있다. 산화 알루미늄의 α-변태는 1200℃에서 그러한 코팅이 제공된 공작물의 후속 어닐링에 의해서만 형성된다.
이하 첨부도면에 근거하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 하드코팅은 화학 또는 물리증착법에 의해 증착되는 (Al, Cr)2O3-결정으로 이루어진다. 이로부터 코팅의 증착에 대한 여러 가지 가능성이 존재한다.
1. 시작조건
금속형태의 알루미늄 및 크롬 :
이러한 경우, 알루미늄과 크롬이 산소중에서 각각의 전자빔에 의해 따로따로 기화될 수 있거나, 아크에 의해 알루미늄과 크롬을 따로따로 기화하는 것이 가능하다. 또는, 산소중에서 알루미늄과 크롬을 따로따로 DC 스퍼터링 또는 AC 스퍼터링(소위 공동 스퍼터링)할 수 있다.
또한, 알루미늄분말 및 크롬분말을 혼합하고 다시 산소중에서 전자빔 또는 아크에 의해 금속크롬과 함께 금속 알루미늄을 기화하거나 스퍼터링할 수 있다.
2. 시작조건
산화 알루미늄 및 금속크롬 :
이 경우, 산화 알루미늄의 AC 스퍼티링이 가능하고, 따라서 공동 스퍼터링의 관점에서 크롬을 DC 또는 AC 스퍼터링 할 수 있다. 또한, 각각의 전자빔에 의해 산화 알루미늄과 금속크롬을 따로따로 기화할 수 있다. 이 경우에 있어서도 반응성 산소중에서 증착을 수행하는 것이 바람직하다.
또한, Al2O3및 금속크롬은 전자빔 또는 아크에 의해 함께 기화되거나 스퍼터링 될 수 있다.
이온 플레이팅이 초기의 조건 1 및 2에서 또한 사용될 수 있다.
모든 경우, 코팅공정은 공작물이 900℃ 이하의 온도에서 바람직하게는 500℃ 이하의 온도에서 코팅될 수 있도록 제어된다.
AC 또는 DC 스퍼터링 장치, 전자빔 기화장치, 아크기와 또는 이온 플레이팅 따위의 진공증착장치는 공지된 장치이다.
현재, 금속 알루미늄/크롬의 혼합물을 도가니내에 주사되는 저전압 전자빔을 사용하여 도가니 밖의 반응산소속에서 기화시키는 것이 바람직하다.
상기 언급한 바와 같이 도가니내로 주사되는 저전압 전자빔에 의한 바람직한 기화를 통해 알수 있는 바이지만, 이른바 티타늄라이너를 사용하는 것이 바람직하다. 즉 구리 도가니의 벽 및 알루미늄/크롬 금속장입물 사이에 티타늄 중간층을 배열하는 것이 바람직하다. 이 중간층에 의해, 장입물과 구리 도가니간의 최적의 열절연이 달성되고, 따라서 가능한 한 열손실이 적어지게 되며, 또한 티타늄이 함께 용융됨으로써 알루미늄과 산소의 반응을 촉진시킨다. 알루미늄과 티타늄의 증기압의 큰 차이(티타늄의 경우가 5배 가량 더 크다)로 인해, 매우 하찮은 양의 티타늄이 공정중에 기화되어 증측된 하드코팅에서 발견된다. 그러나, 티타늄 라이너를 사용여부는 1at%보다 적은 없어지지 않는 티타늄에 의해 코팅에서 확인된다.
이하에서는 본 발명의 하드코팅의 생성에 대해 설명하기로 한다. 이는 바람직한 생성방법에 의해 예를 들어 절삭공정용 공구, 특히 회전 절삭판에 증착된다. 예로서 사용되는 장치가 제5도에 예시되어 있다. 이에 대해서는 이후에 간략히 설명하기로 한다.
A. (비교방법으로서의) 산화 알루미늄에 의한 코팅
알루미늄은 도가니, 라이너 및 알루미늄 사이에서 유지되는 저전압 전자빔(플라즈마)에 의해 구리 도가니내의 티타늄 라이너내에서 기화되었다. 여기까지 펠릿 형태의 50그램의 알루미늄이 티타늄 라이너내에 먼저 놓여졌고, 그 다음에 티타늄 라이너가 구리 도가니내에 설치되었다. 진공 코팅실은 2 ×10-5mbar 의 압력의 진공상태로 유지되고 공작물은 400 내지 600℃의 온도까지 가열된후, 아르곤 이온에 의한 충격에 의해 에칭되었다.
이후, 즉 에칭 세척공정후에, 저전압 전자빔이 15 ×10-4mbar의 아르곤 압력으로 도가니, 라이너 및 알루미늄상에 각각 작열되었다.
알루미늄은 80 암페어의 빔 전류로 용융되었고 알루미늄이 사실상 기화함이 없이 티타늄과 부분적으로 합금되었다. 약 4분후에, 이 공정은 종료되었고, 빔 전류는 120 암페어로 증가되었다. 여기서 알루미늄의 기화가 시작되었다. 앞서 언급한 바와 같이, 단지 하찮은 양의 티타늄이 알루미늄과 티타늄의 증기압간의 큰 차로 인해 기화되었다. 이어서 4분동안 알루미늄은 반응가스의 추가없이 기화되어 경질금속 공작물상에 중간 금속코팅 또는 층을 각각 증가시켰다(하드코팅:텅스텐 카바이드 및 코발트).
이후에, 반응가스 산소는 이송밸브를 연속적으로 개방함으로써 2분간의 부분적인 압력의 연속적인 상승에 대응하여 유입되었다. 2분이 경과한 후에, 20 ×10-4mbar 의 전체압력이 진공실내에 형성되었고 산소의 이송은 약 200 sccm.min 이었다.
빔의 전류는 150 암페어까지 제어되었고, 60 분의 코팅시간간격 동안 일정하게 유지되었다. 그후에, 빔 전하 및 산소의 이송은 불연속하게 되었다.
공작물이 냉각된 후에, 진공실은 침수되었고 코팅된 공작물이 검사되었다. X선 회절을 통해 확인해 본 결과 5㎛ 두께의 무정형 산화 알루미늄 코팅이 형성되었다. 원자비 2/3의 알루미늄 및 산소를 차치하고서라도, 추가로 0.5at% 의 티타늄이 이 코팅에 첨가되었음을 확인하였다. 코팅의 경도의 결정은 0.5N의 하중을 가하여 미크론 경도측정기로 측정하였다.
1981년에 발행된 British Standard Methods of test for, Part 6, Vickers and Knoop microhardness tests of BS 5411 : Part 6에 발표된 논문 “금속 및 관련코팅”의 부록 A에서 한정한 바와 같이 누프경도를 사용하였다. 최대 미크론 경도는 600℃의 공작물의 온도에서 피복된 경질 금속 시험편에서 발견되었다. 경도의 값은 1130 HK(누프경도)이다.
B. 본 발명에 따른 하드코팅의 생성
상기 시험에 더하여, 금속 알루미늄/크롬 혼합물을 기화시켰다.
그 목적은 본 발명에 따라 (Al, Cr)2O3혼합결정을 생성함으로써 코팅의 경도를 증가시키기 위한 것이었다. 이러한 시험을 위해, 입자크기가 0.5mm인 알루미늄 및 크롬분말이 집중적으로 혼합되어 상기 언급한 티타늄 라이너에 이송되었다. 기화의 파라미터는 상기 설명한 알루미늄의 기화와 비교하여 변경되지 않았다.
예비시험공정에 의해 알루미늄/크롬 혼합물의 기화특성이 측정되었다. 알루미늄과 크롬의 시간과 관련되는 기화물의 변화는 관측되지 않았다. 따라서, 가중샘플의 변경은, 알루미늄과 크롬간의 가중 관계에 의해 코팅의 합성물의 변형을 초래한다. 알루미늄과 크롬의 혼합비는 90 : 10 내지 50 : 50at%의 범위에서 변동한다.
이러한 방식으로 생성된 코팅에서 수행된 경도시험의 결과를 제1도에 도시하였다. 크롬이 소량 추가됨으로써 경도가 현저히 증가되었음을 알 수 있다. 크롬의 함유량이 약 20at%를 초과할 경우, 사실상 경도의 변화는 일어나지 않았다.
결정성을 검사하기 위해 X선 회절시험을 수행하였다.
제2도는 90at%의 알루미늄과 10at%의 크롬으로 이루어지고 500℃에서 증착된 기상증착재료의 X선 스펙트럼을 예시한 것이다. S에서의 공작물의 지지재료의 경질금속의 반사와 코팅의 반사는 관측될 수 있다. 코팅 밖으로의 반사는 산화 알루미늄(코룬덤)의 α-변태의 202 라인과 동일하다. 격자 파라미터는 2.009Å로 계산되었다. 라인의 위치는 크롬의 함유량에 따라 시프트된다.
따라서, 2.037Å의 격자 파라미터가 50at%의 알루미늄과 50at%의 크롬을 함유하는 재료의 기상증착에 의해 생성된 층에서 식별되었다. 소결 코룬덤의 경우, 202 라인의 격자 파라미터는 1.964Å이고, Cr2O3의 경우 2.048Å이다. 코팅의 압축응력으로 인해, 격자 파라미터는 응력을 받지 않는 시험편과 비교하여 약 1 내지 2%정도 증가한다. 이러한 이유로 해서, 코팅의 라인의 위치는 Al2O3및 Cr2O3의 값사이의 선형보간과 비교하여 Cr2O3쪽으로 시프트된다.
B1. 본 발명의 코팅의 특정 적용분야
상기 설명한 방법에 따라 고속도강(HSS)으로 만들어지는 터닝인서트가 코팅되었다. 터닝 인서트는 사각형 단면에 블록형상을 된 하나의 공구에 다수의. 예를 들어 8개의 절삭날(각 단부에 4개씩)을 구비함으로써 하나의 절삭날이 마모되면 공구가 회전하여 인접한 다른 절삭날이 작업을 수행할 수 있는 공구를 말한다. 증착된 코팅의 일단부에는 순수한 산화 알루미늄이 생성되었고, 다른 단부에는 본 발명에 따라 90at%의 알루미늄과 10at%의 크롬 또는 50 at% 의 알루미늄과 50at%의 크롬으로 이루어진 (Al, Cr)2O3코팅이 생성되었다. 인서트의 경사각면상에는 5 ㎛ 두께의 코팅이 증착되었고, 회전판의 여유면에는 4㎛ 두께의 코팅이 증착되었다. 판의 기학학은 부록 B에 따르면 SCFT 120508 FN이었다.
비합금강 CK 60으로 만들어진 봉이 절단되었다. 즉 미국표준 AISI 1064(공작물 번호 1,1221)에 대응하는 강이 기계가공되었다. 이러한 종방향 선반절삭을 위해 다음의 절삭조건이 선택되었다.
절삭속도 : 100 m/min
이송속도 : 0.2 mm/rev
절삭깊이 : 2 mm
냉각 : 3% 유제로 수행
절삭날 수명 또는 공구수명에 대한 표준으로서, 증가된 마모로 인한 hHSS 기판재료의 연화가 취해졌다. 여러 가지 코팅에 따른 공구수명을 아래로 기술하여 놓았다.
이 시험에서, TiN으로 코팅된 터닝 인서트가 또한 시험되었다. TiN 코팅은 상기 언급한 본 발명의 코팅에 사용되는 동일한 코팅방법에 의해 증착되었다.
TiN 으로 코팅된 인서트의 공구수명은 3.5분으로 공구수명이 10 및 10.5 분인 상기한 본 발명의 코팅과 비교하여 매우 불량하다.
표에 기재된 순수한 알루미늄 코팅의 만족스럽지 못한 공구수명은 무정형 특성 및 저경도에 기인한다. 이로 인해 코팅이 마찰되거나 파손됨으로써 코팅이 급격히 마모된다.
경질 금속 코팅에 요구되는 기게적인 내성 및 HSS 재료의 연화에 대한 우수한 열절연성에 추가하여, 본 발명에 따라 크롬의 함유량을 5%이상, 바람직하게는 10 내지 50at% 증가시킴으로써 기계적으로 더욱 안정성을 가지고 경도는 더욱 높아진 결정질 코팅이 제공된다. 이러한 측면에 있어서, TiN은 본 발명의 층과 비교하여 명백히 조악함을 알 수 있다.
또 다른 절삭시험을 위해, 부록 C에 따른 적응분류 P 30의 경질 금속의 터닝 인서트를 코팅하였다. 판의 기하학은 부록 B에 따르면 SPUN 120408이었다. 제3도에 도시한 바와 같이 4개의 선반이 장착된 봉(3)이 1985년에 발행된 Diss., T.H. Aachen에서 제이. 파브리(J. Fabri)가 발표한 논문 “선반절삭에 있어서의 코팅되고 코팅되지 않은 경질 금속의 시험 및 분류에 따른 응용분야”에 개시된 바에 따라 절삭되었다. 이는 간헐적인 절삭에서의 절삭관계를 시뮬레이션하는데 사용된다. 선반(1)용 재료로서, 950N/㎟의 강도를 갖는 어닐링 강 42 CrMo4(1.7225)를 사용하였다.
절삭조건은 다음과 같다.
- 절삭속도 : 125m/min
- 이송속도 : 0.2mm/rev
- 절삭깊이 : 2mm
인서트는 선반에 의해 3500번의 타격량에 이를 때까지 또는 파열이 될 때까지 결합하거나 접촉하였다.
시험은 코팅이 되지 않은 인서트에 의해 수행되었고, 상기한 본 발명에 따라 코팅이 이루어졌다. 또한 CVD 방법에 의해 증착된 순수한 Al2O3코팅이 입혀진 동일한 등급의 인성을 갖는 상업적으로 이용되고 있는 인서트를 또한 시험하였다. 이들 시험편에서, 2㎛ 두께의 TiC 코팅이 추가로 3㎛ 두께의 산화 알루미늄층과 지지재료간에 증착되었다.
그 결과, 코팅되지 않은 판 및 본 발명의 판만이 절삭날의 파손없이 시험의 종료시점까지 유지되었다. CVD 방법에 의해 코팅된 인서트에서 절삭날은 선반에 의해 평균 2500 번의 가격이 이루어진 후에 파괴되었다. 이는 약 1000℃의 고온으로 인한 기본재료의 특성변화 및 공지된 CVD 코팅방법의 긴 코팅시간간격에 의한 것이다.
이하에는, 시험이 종료된 후에 측정된 여러 가지 회전 절삭판의 마모면(VB)의 폭과 크레이터(KT)의 깊이를 나타내었다.
제4도의 경우, 경사각면의 크레이터 및 여유면상의 마모면이 회전절삭판에서 대칭적으로 도시되어 있다. 크레이터의 깊이가 코팅의 열역학적인 안정성을 나타내는 척도인 한, 마모면의 폭은 마찰 하중을 견디는 능력의 척도가 된다.
이 테스트에서도 폭넓은 마모면(VB)을 갖는 부드러운 무정형 산화 알루미늄 코팅이 마모성능이 불충분함을 확인할 수 있었다.
본 발명의 (Al, Cr)2O3코팅의 결과는 이들 코팅의 마모에 대한 저항이 높을 뿐만 아니라(마모면의 폭이 좁음) 코팅중에 기본재료의 인성특성에 큰 영향을 미치지 않음을 반영한다. 시험된 두가지 본 발명의 코팅의 다른 마모작용은 크롬의 함유량이 다르다는 사실에 기인한다.
크롬의 함유량이 적으면, 열역학적인 안정성이 더 낮아지고(크레이터링의 깊이가 커짐) 마찰마모 가능성이 적어지는 (마모면의 폭은 더 작아짐) 크롬의 함유량이 많아지는 경우(시험편 4)보다 마모에 대한 저항이 더 낮은 상태에서(마모면의 폭은 더 커짐) 높은 열역학적인 안정성을 나타내게 된다.
따라서, 크롬의 함유량을 서로 다르게 선택함으로써 다른 응력에 놓이는 공구의 표면을 최적의 상태로 코팅할 수 있게 된다. 따라서, 예를 들어 시험편 4에 고경도의 코팅을 행하면, 인서트의 응력을 받고 있는 여유면에서 정의 효과를 획득할 수 있는 반면, 주로 화학적 마모를 받는 경사각 면은 높은 열역학적 안정성을 갖는 코팅에 의해 보호될 수 있고, 따라서 예를 들어 시험편 3에 따른 소량의 크롬을 갖는 본 발명의 코팅에 의해 보호될 수 있다.
제5도는 본 발명의 방법이 실행될 수 있는 플랜트 또는 장치를 그 일예로서 예시한 것이다.
제5도에는 본 발명에 따른 방법을 실행하기 위한 기상증착장치를 개략적으로 도시되어 있다.
기상증착장치는 공기배출 연결부(20)와, 개구부(25)를 통해 진공실(19)과 소통하는 글로우 음극(22)를 구비한 글로우 음극실(21)을 포함하는 진공실(19)을 구비한다. 개구부(25)를 갖춘 글로우 음극실(21)의 바닥(26)은 진공실(19)의 벽에 대해 전기적으로 절연되어 있다. 글로우 음극(22)은 전원장치(27)에 의해 전류를 공급받는다. 냉각될 수 있는 도가니(30)는 진공실(19)의 플로어(29)위 및 개구부(25)의 아래에 위치하며, 이 도가니(30)에서 알루미늄 및 크롬은 Ti 라이너(30a) 내에 위치하는 것이 바람직하다. 전기적으로 도체이고 종방향축 둘레를 회전할 수 있는 지지부(35)는 진공실(19)내에 위치하며, 이 지지부(35)에서 코팅될 각각의 공작물(3)은 각각의 조임기구(36)내에 고정된다. 지지부(35)는 턴테이블(37)상의 축둘레를 회전할 수 있도록 배치되며 그에 의해 전기적으로 상호 연결된다. 턴테이블(37)은 진공실의 벽과 바닥(29)에 대해 전기적으로 절연된다. 조임기구(36)는 지지부(35)에 전기적으로 도전가능하게 연결된다. 가스공급관(39)은 글로우 음극실(21)내로 개방된다. 실(21)은 개구부(25)를 통해 진공실(19)에 연결된다.
턴테이블(37)은 전기선(47) 및 스위치(46)를 통해 다른 극은 접지된 조정가능한 전압 발생기(48)에 연결될 수 있다.
전원장치(32)의 전압은 글로우 음극(22)과 도가니(30)에 인가된다.
도가니/라이너/장입물로의 저전압 방전은 52에서 나타낸 바와 같이 기화되며, 53으로 도시한 아르곤 및 산소용 입구로 향한다. 공작물을 에칭하는 장치의 일반적인 구조는 도시하지 않았다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 첨부도면에 예시한 실시예에 의거하여 설명되었지만, 이는 본 발명을 설명하기 위한 일예에 지나지 않는다. 따라서, 이에 의해 본 발명이 제한되지 않으며 이하에 기재하는 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 한, 여러 가지로 변형이 가능함을 밝혀둔다.

Claims (25)

  1. 크롬의 함유량이 5at% 이상인 (Al, Cr)2O3혼정으로 구성됨을 특징으로 하는 하드코팅.
  2. 제1항에 있어서, 크롬의 함유량이 10 내지 50at%임을 특징으로 하는 하드코팅.
  3. 제1항에 있어서, 함유량이 1at% 미만인 Ti를 또한 함유함을 특징으로 하는 하드코팅.
  4. 크롬의 함유량이 5at% 이상인 (Al, Cr)2O3혼정으로 구성됨을 특징으로 하는 열절연 하드코팅.
  5. 제4항에 있어서, 크롬의 함유량이 10 내지 50at%임을 특징으로 하는 열절연 하드코팅.
  6. 제4항에 있어서, 함유량이 1at% 미만인 Ti를 또한 함유함을 특징으로 하는 열절연 하드코팅.
  7. 크롬의 함유량이 5at% 이상인 (Al, Cr)2O3혼정으로 구성되는 하드코팅으로 피복되는 것을 특징으로 하는 공작물.
  8. 제7항에 있어서, 상기 하드코팅은 900℃ 이하, 바람직하게는 500℃ 이하의 온도로 유지됨으로써 증착됨을 특징으로 하는 공작물.
  9. 제7항에 있어서, 상기 하드코팅으로 구성되는 코팅으로 이루어짐을 특징으로 하는 공작물.
  10. 제7항에 있어서, 표면 영역에 따라 크롬 함유량이 다른 하드코팅으로 피복되는 것을 특징으로 하는 공작물.
  11. 제10항에 있어서, 화학적 마모를 심하게 받는 표면에서의 하드코팅의 크롬 함유량은 화학적 마모가 심하지 않은 표면에서의 하드코팅의 크롬 함유량보다 많은 것을 특징으로 하는 공작물.
  12. 제7항에 있어서, 공작물이 절삭공구로서, 바람직하게는 회전절삭판으로서 구성됨을 특징으로 하는 공작물.
  13. 제7항에 있어서, 크롬의 함유량이 10 내지 50at%임을 특징으로 하는 공작물.
  14. 제7항에 있어서, 함유량이 1at% 미만인 Ti를 또한 포함함을 특징으로 하는 공작물.
  15. 하드코팅에 의해 공작물을 피복하는 코팅방법으로서, 상기 공작물은 온도가 900℃ 이하로 유지되는 상태에서 화학적(CVD) 또는 물리적(PVD) 코팅방법에 의해 (Al, Cr)2O3로 피복됨을 특징으로 하는 코팅방법.
  16. 제15항에 있어서, 코팅은 사실상 산소만이 존재하는 상황에서 반응형 스퍼터링에 의해서 또는 알루미늄 및 크롬의 기화에 의해 수행됨을 특징으로 하는 코팅방법.
  17. 제16항에 있어서, 알루미늄과 크롬은 저전압 전자빔에 의해 기화됨을 특징으로 하는 코팅방법.
  18. 제15항에 있어서, 적어도 알루미늄이 티타늄 라이너에서 기화됨을 특징으로 하는 코팅방법.
  19. 제1항에 있어서, 코팅은 Ti 라이너내에서 알루미늄을 기화시킴으로써 생성됨을 특징으로 하는 하드코팅.
  20. 제19항에 있어서, 크롬의 함유량이 10 내지 50at%임을 특징으로 하는 하드코팅.
  21. 제19항에 있어서, 함유량이 1at% 미만인 Ti를 또한 포함함을 특징으로 하는 하드코팅.
  22. 제1항에 있어서, 혼정이 주로 α-변태에서 나타남을 특징으로 하는 하드코팅.
  23. 제1항에 있어서, 고속도강 또는 초경합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 공작물.
  24. 제23항에 있어서, 상기 공작물의 인성은 피복되지 않은 동일한 공작물의 인성과 동일한 등급에 속하는 것을 특징으로 하는 공작물.
  25. 제7항에 있어서, 혼정이 주로 α-변태에서 나타남을 특징으로 하는 공작물.
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