KR101687142B1

KR101687142B1 - 절삭공구용 경질피막

Info

Publication number: KR101687142B1
Application number: KR1020160091763A
Authority: KR
Inventors: 조성우; 이동열; 강재훈; 홍순영; 안선용; 김영흠
Original assignee: 한국야금 주식회사
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2016-12-15
Also published as: WO2018016732A1; CN108138330B; CN108138330A; US10711345B2; US20180258525A1

Abstract

본 발명은 화학기상증착법으로 형성한 MT-TiCN층과 α-알루미나층을 포함하는 경질피막에 관한 것이다.
본 발명에 따른 절삭공구용 피막은, 경질재료로 이루어진 절삭공구의 모재 상에 형성된 피막으로, 상기 피막은 TiCN층과, 상기 TiCN층의 상부에 형성된 α-알루미나층을 포함하고, 상기 α-알루미나층은 XRD에 의한 Psi Rocking 분석시 (006)면의 최대 강도 피크가 20~40도 사이에 위치하고, 상기 α-알루미나층의 잔류응력이 -0.9GPa ~ 0.4GPa이며, 상기 TiCN층은 TiC_xN_y(x+y≤1, x＞0, y＞0)로 이루어지며, C/(C+N)의 조성비는 0.4 이상 0.5 미만이고, 식 1로 표시되는 TC(220)/TC(422) 비가 0.45 미만이고, TC(220)/TC(311) 비가 0.45 미만인, 절삭공구용 피막.
[식 1]
TC(hkl) = I(hkl)/Io(hkl){1/n∑I(hkl)/Io(hkl)}^-1
(여기서, I(hkl) = (hkl) 반사강도, Io(hkl) = JCPDS 카드 42-1489에 따른 표준 강도, n= 계산에 사용된 반사의 횟수, (hkl) 반사는 (111), (200), (220), (311), (331), (420), (422) 및 (511)을 사용하는 것)

Description

절삭공구용 경질피막 {HARD COATED LAYER FOR CUTTING TOOLS}

본 발명은 화학기상증착법으로 형성한 절삭공구용 경질피막에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 TiCN층과 α-알루미나층을 포함하고, α-알루미나층의 결정성장(집합조직) 제어, α-알루미나층의 하부에 형성되는 TiCN층의 입도, 조성 및/또는 결정성장(집합조직) 제어를 통해 내치핑성과 내마모성을 향상시킨 절삭공구용 경질피막에 관한 것이다.

일반적으로 절삭공구로 사용되는 초경합금은 마모 저항성을 높이기 위해 그 표면에 경질피막층을 형성한 후 사용되는데, 상기 경질피막은 화학기상증착법(이하, 'CVD'라 함) 또는 물리기상증착법(이하, 'PVD'라 함)을 통해 형성된다.

한편, 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 함께 인성을 갖는 것이 필수적으로 요구된다.

일반적으로 경질피막은 단층 또는 다층의 비산화물계 박막(예: TiN, TiC, TiCN)이나, 우수한 내산화성을 갖는 산화물계 박막(예: Al₂O₃) 또는 이들의 혼합층으로 구성되며, 상기 비산화물계 박막의 예로는 TiN, TiC, TiCN 등과 같은 주기율표상 4, 5, 6족 금속원소의 탄화물, 질화물, 탄질화물이 있고, 산화물계 박막의 예로는 대표적으로 α-Al₂O₃ 또는 κ-Al₂O₃이 있다.

한편, 4, 5, 6족 금속원소의 탄화물, 질화물, 탄질화물과 같은 비산화물계 박막의 주요 단점은 내산화성이 떨어지는 것인데, 이러한 문제점은 주로 우수한 내산화성을 갖는 알루미나(Al₂O₃)와 같은 산화물 박막을 비산화물 박막 위에 적층시킨 다층 코팅을 통해 해결하고 있다.

그런데 비산화물 박막과 산화물 박막이 다층으로 구성된 박막에서는 박막 간의 밀착력이 좋지 않기 때문에 고온환경이 조성되는 절삭가공 시 박막 간의 기계적 강도가 불안정한 경향이 있고, 특히 베어링강, 니켈 크롬강, 냉간 단조강과 같이 그 재질상 끈적거림(인성)이 강한 가공물의 가공 시에는 비산화물 박막과 산화물 박막 간의 밀착력이 더욱 요구된다.

산화물계 박막 중 κ-Al₂O₃는 비산화물계 박막과의 밀착력이 우수하고 상대적으로 저온에서 형성되는 장점이 있으나, 절삭 시 발생하는 고온에 의하여 κ상이 α상으로 변하는 상변태가 발생할 수 있고, 이러한 상변태는 6~8% 정도의 부피수축과 균열을 유발하여 Al₂O₃ 박막이 박리되는 현상을 초래하는 문제점이 있다.

이에 비해 α-Al₂O₃는 고온에서 안정한 상이기 때문에 절삭가공 중에 상변태가 발생하지 않고 우수한 내마모성을 발휘하지만 비산화물계 박막에 직접 α-Al₂O₃를 코팅하기 위해서는 약 1040℃ 정도의 고온이 필요하며 이때 형성되는 α-Al₂O₃과 아래에 위치하는 비산화물 박막 간에는 결합력이 떨어지는 문제점 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로, 비산화물계 박막 상에, 하부에 위치한 TiCN층과 같은 층과 유사한 조성을 갖는 TiCNO 또는 TiCO와 같은 산화물층을 결합층으로 형성한 후, 그 위에 α-Al₂O₃ 층을 형성하는 방법이 사용되고 있다.

이러한 결합층을 통해 α-Al₂O₃ 층의 내박리성을 어느 정도 개선할 수는 있으나, 여전히 충분한 밀착강도를 나타내지 못하는 문제점이 있다.

하기 특허문헌에는 MT-TiCN의 입도제어와 결정성장방향 제어를 통해 경질피막의 물성을 향상시키거나, α-Al₂O₃ 층의 형상제어와 결정성장방향 제어를 통해 경질피막의 밀착성을 향상시키는 것이 개시되어 있으나, 개선의 여지는 여전히 남아있다.

1. 미국등록특허공보 제7,993,742호 2. 국제공개특허공보 WO2014/198881호

본 발명의 과제는 우수한 내치핑성과 내마모성을 구비한 절삭공구용 경질피막을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 경질재료로 이루어진 절삭공구의 모재 상에 형성된 피막으로, 상기 피막은 TiCN층과, 상기 TiCN층의 상부에 형성된 α-알루미나층을 포함하고, 상기 α-알루미나층은 XRD에 의한 Psi Rocking 분석시 (006)면의 메인 피크(최대 강도 피크)가 20~40도 사이에 위치하고, 상기 α-알루미나층의 잔류응력이 -0.9GPa ~ 0.4GPa이며, 상기 TiCN층은 TiC_xN_y(x+y≤1, x＞0, y＞0)으로 이루어지며, C/(C+N)의 조성비는 0.4 이상 0.5 미만이고, 식 1로 표시되는 TC(220)/TC(422) 비가 0.45 미만이고, TC(220)/TC(311) 비가 0.45 미만인, 절삭공구용 피막을 제공한다.

[식 1]

TC(hkl) = I(hkl)/Io(hkl){1/n∑I(hkl)/Io(hkl)}^-1

(여기서, I(hkl) = (hkl) 반사강도, Io(hkl) = JCPDS 카드 42-1489에 따른 표준 강도, n= 계산에 사용된 반사의 횟수, (hkl) 반사는 (111), (200), (220), (311), (331), (420), (422) 및 (511)을 사용하는 것)

본 발명에 따른 절삭공구용 경질피막은, TiCN층을 구성하는 C와 N의 함량 제어, TiCN의 결정성장방향의 제어 및 α-알루미나의 결정성장방향 제어를 통해, 종래에 비해 향상된 내치핑성과 밀착력을 갖는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 절삭공구용 경질피막을 구성하는 TiCN층의 C와 N의 비율을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 절삭공구용 경질피막을 구성하는 TiCN층의 XRD 평가결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 절삭공구용 경질피막을 구성하는 α-알루미나의 XRD에 의한 Psi Rocking 분석결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 절삭공구용 경질피막을 구성하는 α-알루미나의 잔류응력을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예 1~3에 따라 제조된 절삭공구용 경질피막의 단면 이미지를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예 1~3에 따라 제조된 절삭공구용 경질피막의 내박리성 시험 후 시편의 이미지를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예 4에 따라 제조된 절삭공구용 경질피막의 내박리성 시험 후 시편의 이미지를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예 5에 따라 제조된 절삭공구용 경질피막의 내마모성 시험 후 시편의 이미지를 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, 경질재료로 이루어진 절삭공구의 모재 상에 형성된 피막으로, TiCN층과, 상기 TiCN층의 상부에 형성된 α-알루미나층을 포함하고, 상기 α-알루미나층은 XRD에 의한 Psi Rocking 분석시 (006)면의 메인 피크가 20~40도 사이에 위치하고, 상기 TiCN층은 TiC_xN_y(x+y≤1, x＞0, y＞0)로 이루어지며, C/(C+N)의 조성비는 0.4 이상 0.5 미만인 것을 특징으로 한다.

상기 경질재료는 초경합금(WC-Co 합금), 서멧(Cermet)과 같은 절삭공구에 사용되는 다양한 경질재료가 사용될 수 있으나, 바람직하게는 초경합금이 사용될 수 있다.

상기 TiCN층은 수직형(vertical type)의 반응기(hot wall reactor) 내에서 850~900℃ 이하의 공정온도, 8~10% TiCl₄, 0.5~2% CH₃CH, 70~80% H₂, 10~15% N₂, 0.5~2.0% HCl(여기서 %는 부피%를 의미하며, 이하 반응가스 유량을 한정하는 %는 모두 부피%임)의 주 반응가스와 70~90mbar의 공정압력을 사용하는 MT-CVD 공정을 통해 형성되는 TiCN층이 바람직하다.

또한, 상기 TiCN층의 두께는 7㎛ 미만일 경우 절삭 가공에서 공구수명향상에 기여도가 약하고, 10㎛ 초과일 경우 단속이 발생하는 절삭 가공 시 치핑이 발생하기 쉬울 수 있으므로, 7~10㎛인 것이 바람직하다.

또한, TiCN의 상부층에는 선택적으로 약 980~1020℃의 공정온도, 75~85% H₂, 10~13% N₂, 6~9% TiCl₄, 0.5~1.5% CH₄, 0.5~1.5% CO의 반응가스, 60 ~ 80mbar의 압력에서 형성되는 TiC_xN_yO_z(x+y+z=1, x＞0, y＞0, z＞0)층이 결합층으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 TiCNO층의 두께는 0.5㎛ 미만일 경우 균일한 α-알루미나의 핵성성을 유도하기 어렵고, 1㎛ 초과일 경우 취성이 강하여 기계적 충격에 약해지고, 이로 인해 α-알루미나와 TiCN층의 결합층로써의 역할이 충분하지 않으므로, 0.5~1㎛인 것이 바람직하다.

또한, 상기 TiCN층 또는 TiCNO 층 위에는 1000~1020℃의 공정온도, 81~83% H₂, 1.0~2.0% CO, 2~3.0% CO₂, 0.1~0.8% H₂S, 1.5~2.5% HCl, 10~13.0%.AlCl₃의 반응가스와 60~90mbar의 압력으로 형성되는 α-알루미나 층이 바람직하다.

또한, 상기 α-알루미나층의 두께는 1㎛ 미만일 경우 고속의 절삭가공 시 내산화성이 약해지는 단점이 있고, 10㎛ 초과일 경우 알루미나의 취성이 두께와 비례하여 증가하므로, 연속 절삭가공에만 사용되고, 단속이 발생하는 절삭가공에는 사용되기 어렵다는 제약이 있어, 1~10㎛인 것이 바람직하다.

이때, α-알루미나층의 경우, (006)면에 대하여 XRD에 의한 Psi Rocking 분석을 실시할 때, 그 메인 피크가 20~40도 사이에 위치하는 것이 바람직한데, 메인 피크가 20~40도에 위치한다는 것은 모재 표면의 법선과 (006)면의 성장방향이 이루는 각이 20~40도인 것이 주(主)가 되는 것을 의미하며, 이와 같이 α-알루미나층의 성장방향을 제어함으로써, 절삭성능을 향상시킬 수 있다.

상기 TiCN층은 C/(C+N)의 조성비가 0.4 이상 0.5 미만인 것, 즉 C에 비해 N의 함량이 상대적으로 많은 것이 바람직한데 이와 같이 N이 상대적으로 많은 TiCN층을 통해 내치핑성을 향상시킬 수 있으며, 이때 C/(C+N)의 조성비가 0.4 미만이 될 경우 C의 함량이 과도하게 낮아져 TiCN의 입성장을 억제하지 못하기 때문에 TiCN과 알루미나 층 사이에 기공 등의 문제를 유발할 수 있기 때문에 바람직하지 않다.

또한, 상기 α-알루미나층은 후처리를 통해 -0.9GPa ~ 0.4GPa의 범위의 잔류응력을 갖도록 하는 것이 바람직한데, 잔류응력이 -0.9GPa보다 큰 압축응력 상태일 경우 알루미나 박막의 입자가 탈락하는 등의 손상을 입기 쉽고, 잔류응력이 0.4GPa보다 큰 인장응력 상태일 경우 CVD 코팅 후 모재와 TiCN, 알루미나 간의 열팽창계수 차이에 의해서 발생하여 코팅 내에 존재하는 열균열이 절삭가공 시 발생하는 외부의 충격에 의하여 쉽게 전파되어 치핑 또는 파손의 현상이 쉽게 발생하기 때문에 -0.9GPa ~ 0.4GPa의 범위로 유지하도록 후처리를 수행하는 것이 바람직하다.

이때, 후처리 방법으로는 200~500 메시의 입도분포를 갖는 세라믹 재질의 메디어(media)와 0.5~2.0bar의 분사압력을 갖는 블라스팅의 방법이 바람직하게 사용될 수 있으나, α-알루미나층에 손상을 가하지 않으면서 상기한 범위의 잔류응력을 가할 수 있는 방법이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다.

또한, 상기 TiCN층의 두께는 7㎛ 미만일 경우 강 또는 주철 가공 시 내마모성 또는 공구수명이 저하될 수 있고, 10㎛ 초과일 경우 TiCN의 입자가 성장하거나, 모재로부터의 Co, W와 같은 금속원소들이 코팅으로 확산하여 코팅 내 기공을 생성시킬 수 있기 때문에 7~10㎛인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 경질피막의 성질을 얻기 위하여, 상기 TiCN층은 아래 [식 1]로 표시되는 TC(220)과 TC(422)의 비, TC(220)/TC(422)이 0.45 미만이고 TC(220)과 TC(311)의 비, TC(220)/TC(311)가 0.45 미만이 성립하도록 결정성장방향이 제어되는 것이 바람직하다.

[식 1]

TC(hkl) = I(hkl)/Io(hkl){1/n∑I(hkl)/Io(hkl)}^-1

[실시예]

모재 조성이 5~9wt.% Co, 2~4wt.% TaC, 0~3wt.% NbC, 0~2wt.% TiCN과 나머지 WC로 이루어진 CNMA120408 형상의 초경합금 절삭 인서트 모재 상에, 수직형 반응기 내에서 875℃의 공정온도, 9% TiCl₄, 1.0% CH₃CH, 76% H₂, 13% N₂, 1.0% HCl의 주 반응가스 그리고 70mbar의 공정압력을 사용하는 MT-CVD 공정을 통하여 두께 7.5㎛의 TiCN층을 형성하였다.

이어서, TiCN의 상부층에 약 1000℃의 공정온도, 80% H₂, 12% N₂, 7% TiCl₄, 1.0% CH₄, 1.0% CO의 반응가스, 75mbar의 압력으로 두께 0.7㎛의 결합층인 TiCNO층을 형성하였다.

그리고 이 TiCNO 층 위에 1005℃의 공정온도, 82% H₂, 1.5% CO, 2.5% CO₂, 0.5% H₂S, 2.0% HCl, 12.0%.AlCl₃의 반응가스와 80mbar의 압력 조건으로 두께 5㎛의 α-알루미나층을 형성하였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 절삭공구용 경질피막을 구성하는 TiCN층의 C와 N의 비율을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막을 구성하는 TiCN층의 C/(C+N)의 비율은 0.41로 N이 상대적으로 풍부(rich)한 것으로 나타났다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 절삭공구용 경질피막을 구성하는 TiCN층의 XRD 평가결과를 나타낸 것이다. 이와 같이 코팅된 TiCN층의 XRD 분석을 통해 상기 식 1로 각 결정면에 대한 집합계수(TC, Texture Coefficient)를 구한 결과는 아래와 같다.

결정면	I₀	I	I/I₀	TC
(111)	59	100	1.69	1.251
(200)	100	18.92	0.19	0.140
(220)	46	56.87	1.24	0.913
(311)	25	77.92	3.12	2.301
(331)	10	9.89	0.99	0.730
(420)	23	10.28	0.45	0.330
(422)	22	63.08	2.87	2.116
(511)	19	5.66	0.30	0.220

위 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 TiCN층의 TC(220)/TC(311)의 비는 0.39이고 TC(220)/TC(422)의 비는 0.43으로 각각 0.45 미만의 값을 나타낸다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 절삭공구용 경질피막을 구성하는 α-알루미나의 XRD에 의한 Psi Rocking 분석결과를 나타낸 것이다. 도 3에 나타난 바와 같이, (006)면의 메인 피크는 20~40도의 범위에 위치하며, 이는 모재의 법선에 대한 (006)면의 성장방향이 20~40도 범위로 기울어진 결정이 주를 이루어 형성되어 있는 것을 의미한다.

이와 같이 형성된 α-알루미나의 표면에 200~400 메시의 입도분포를 갖는 알루미나 분말을 1.1bar의 노즐압력으로 분사하는 블라스팅 표면처리를 수행하였다. 그 결과 도 4에 나타난 바와 같이, α-알루미나의 잔류응력이 -0.08GPa로 약한 압축응력 상태가 되도록 하였다.

[비교예 1]

실시예와 동일하게 CNMA120408형의 초경합금 절삭 인서트 모재 상에, 수직형 반응기 내에서 875℃의 공정온도, 10.5% TiCl₄, 0.4% CH₃CH, 76% H₂, 11.9% N₂, 1.2% HCl의 주 반응가스 그리고 80mbar의 공정압력을 사용하는 MT-CVD 공정을 통해 초경합금 모재 위에 두께 7.5㎛의 TiCN층을 형성하였다.

이어서, TiCN의 상부층에는, 결합층으로써 약 1000℃의 공정온도, 79% H₂, 11.0% N₂, 7.5% TiCl₄, 1.2% CH₄, 1.3% CO의 반응가스, 65mbar의 압력에서 두께 0.7㎛의 TiCNO층을 형성하였다.

그리고 TiCNO 층 위에는 1005℃의 공정온도, 82% H₂, 1.5% CO, 2.5% CO₂, 0.5% H₂S, 2.0% HCl, 11.5% AlCl₃의 반응가스와 85mbar의 압력으로 두께 5㎛의 α-알루미나 층을 형성하였다.

이와 같이 제조된 비교예 1에 따른 경질피막을 구성하는 TiCN층은 본 발명의 실시예와 동일하게 형성되어, C/(C+N)층의 조성비는 0.41이다. 그리고 TC(220)/TC(311)의 비는 0.39이고 TC(220)/TC(422)의 비는 0.43으로 각각 0.45 미만의 값을 나타내었다. 그러나 비교예 1에 따른 경질피막을 구성한 α-알루미나층의 XRD에 의한 Psi Rocking 분석결과 (006)면의 메인 피크는 0~10도의 범위에 위치하였다. 즉, 비교예 1에 있어서 α-알루미나층의 결정성장 방향은 모재의 법선과 (006)면의 주된 성장방향이 거의 일치하도록 형성된 것이다.

[비교예 2]

실시예와 동일하게 CNMA120408형의 초경합금 절삭 인서트 모재 상에, 수직형 반응기에서 875℃의 공정온도, 10.5% TiCl₄, 0.4% CH₃CH, 84% H₂, 4% N₂, 1.1% HCl의 주 반응가스 그리고 80mbar의 공정압력을 사용하는 MTCVD 공정을 통해 초경합금 모재 위에 두께 7.5㎛의 TiCN층을 형성하였다.

그리고 TiCNO 층 위에는 1005℃의 공정온도, 82% H₂, 1.5% CO, 2.5% CO₂, 0.5% H₂S, 2.0% HCl, 11.5%.AlCl₃의 반응가스와 85mbar의 압력으로 두께 5㎛의 α-알루미나 층을 형성하였다.

이와 같이 제조된 비교예 2에 따른 경질피막을 구성하는 TiCN층은 본 발명의 실시예와 달리 C가 상대적으로 많게 형성된 것으로, C/(C+N)층의 조성비는 0.5~0.65이다. 그리고 TC(220)/TC(311)의 비는 0.39이고 TC(220)/TC(422)의 비는 0.43으로 각각 0.45 미만이었다.

또한, 비교예 2에 따른 경질피막을 구성한 α-알루미나층은 본 발명의 실시예와 동일하게 형성하여, XRD에 의한 Psi Rocking 분석결과 (006)면의 메인 피크는 20~40도의 범위에 위치하였다.

[비교예 3]

실시예와 동일하게 CNMA120408형의 초경합금 절삭 인서트 모재를, 수직형 반응기 내에서 875℃의 공정온도, 10.5% TiCl₄, 0.4% CH₃CH, 84% H₂, 4% N₂, 1.1% HCl의 주 반응가스 그리고 80mbar의 공정압력을 사용하는 MTCVD 공정을 통해 초경합금 모재 위에 두께 7.5㎛의 TiCN층을 형성하였다.

그리고 TiCNO 층 위에는 1005℃의 공정온도, 82% H₂, 1.5% CO, 2.0% CO₂, 1.0 % H₂S, 2.0% HCl, 11.5%.AlCl₃의 반응가스와 85mbar의 압력으로 두께 5㎛의 α-알루미나 층을 형성하였다.

이와 같이 제조된 비교예 3에 따른 경질피막을 구성하는 TiCN층은 본 발명의 실시예와 달리 C가 리치(rich)하게 형성된 것으로, C/(C+N)층의 조성비는 0.5~0.65이다. 그리고 TC(220)/TC(311)의 비는 0.39이고 TC(220)/TC(422)의 비는 0.43으로 각각 0.45 미만이었다.

또한, 비교예 1과 동일하게, 경질피막을 구성한 α-알루미나층의 XRD에 의한 Psi Rocking 분석결과 (006)면의 메인 피크는 0~10도의 범위에 위치하도록 형성하였다.

[비교예 4]

실시예와 동일하게 CNMA120408형의 초경합금 절삭 인서트 모재를, 수직형 반응기 내에서 875℃의 공정온도, 9% TiCl₄, 1.0% CH₃CH, 76% H₂, 13% N₂, 1.0% HCl의 주 반응가스 그리고 70mbar의 공정압력을 사용하는 MT-CVD 공정을 통하여 두께 7.5㎛의 TiCN층을 형성하였다.

그리고 α-알루미나층 위에 200~500 메시의 입도분포를 갖는 세라믹 재질의 메디어(media)를 이용하여 2.5bar의 분사압력을 갖는 블라스팅으로 표면처리를 적용하였고, 그 결과, α-알루미나층에 형성된 잔류응력은 -1.3GPa이 형성되었다.

[비교예 5]

실시예와 동일하게 CNMA120408형의 초경합금 절삭 인서트 모재를, 수직형 반응기 내에서 875℃의 공정온도, 7.5% TiCl₄, 2.5% CH₃CH, 69% H₂, 20% N₂, 1.0% HCl의 주 반응가스 그리고 70mbar의 공정압력을 사용하는 MT-CVD 공정을 통하여 두께 7.5㎛의 TiCN층을 형성하였다.

그리고 이 TiCNO 층 위에 1005℃의 공정온도, 82% H₂, 1.5% CO, 2.5% CO₂, 0.5% H₂S, 2.0% HCl, 12.0%.AlCl₃의 반응가스와 80mbar의 압력 조건으로 두께 5㎛의 α-알루미나층을 형성하였다. 이때 TiCN에 대하여 XRD를 분석하였을 때, TC(220)/TC(311)은 4.5 미만이었으나, TC(220)/TC(422)은 4.5 이상이었다.

미세 조직

도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예 1~3에 따라 제조된 절삭공구용 경질피막의 단면 이미지를 나타낸 것이다.

	TiCN		Main peak의 위치= α(006)면의 면간각 (interplanar angle)		기공도
	C/(C+N) =0.41	C/(C+N) =0.5~0.65	20-40도	0-10도	기공도
실시예	★		★		기공 없음
비교예1	★			★	기공 존재
비교예2		★	★		기공 존재
비교예3		★		★	기공 존재

상기 표에서 별표는 제시된 조건에 해당함을 의미한다.

도 5 및 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예와 같이 (C+N)의 관계가 0.4~0.5를 만족하는 미립의 TiCN과, (006)면이 모재의 법선에 대해 기울어지게 형성된 α-알루미나의 조합이, 그렇지 않은 조합에 비해 기공도가 양호하다는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 조합이 박막 간의 밀착력이 양호해질 수 있음을 알 수 있다.

내박리성 시험

본 발명의 실시예 및 비교예 1~3에 따라 형성된 경질피막의 내막리성을 평가하기 위하여 아래와 같은 조건으로 평가하였다.

(1) 회전수: 2000rpm

(2) 이송속도: 0.4mm/rev

(3) 절입깊이: 1.5mm

(4) 절삭유: 습식

(5) 피삭재: FCD500

(6) 형상 및 재종: CNMA120408, ISO CVD K15 재종

아래 표 3은 본 발명의 실시예 및 비교예 1~3에 따라 제조된 절삭공구용 경질피막의 내박리성 시험 결과를 나타낸 것이며, 도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예 1~3에 따라 제조된 절삭공구용 경질피막의 내박리성 시험 후 시편의 이미지를 나타낸 것이다.

	TiCN		Main peak의 위치= α(006)면의 면간각 (interplanar angle)		내박리성
	C/(C+N) 0.41	C/(C+N) 0.5~0.65	20~40도	0~10도	내박리성
실시예	★		★		인선부 주위 박리 적음
비교예 1	★			★	인선부 주위 박리 많음
비교예 2		★	★		인선부 주위 박리 많음
비교예 3		★		★	인선부 주위 박리 많음

상기 표에서 별표는 제시된 조건에 해당함을 의미한다.

도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막은 비교예 1~3에 비해 향상된 내박리 특성을 나타냄을 알 수 있다.

아래 표 4는 본 발명의 실시예와 비교예 4에 따라 제조된 절삭공구용 경질피막의 내박리성 시험 결과를 나타낸 것이며, 도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예 4에 따라 제조된 절삭공구용 경질피막의 내박리성 시험 후 시편의 이미지를 나타낸 것이다.

	TiCN		Main peak의 위치= α(006)면의 면간각 (interplanar angle)		α(006)의 응력, σ(GPa)		내박리성
	C/(C+N) 0.41	C/(C+N) 0.5~0.65	20-40도	0-10도	-0.9<σ<0.4	σ>0.4 σ>-0.9	내박리성
실시예	★		★		★		인선부 주위 박리 상대적으로 적음
비교예 4	★		★			★	인선부 주위 박리 적음

상기 표에서 별표는 제시된 조건에 해당함을 의미한다.

도 7에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 경질피막이 비교예 4에 따른 경질피막에 비해 좀 더 향상된 내박리 특성을 나타내어, α-알루미나 박막의 잔류응력의 절대치가 높은 상태가 되지 않는 것이 바람직함을 알 수 있다.

내마모성 시험

본 발명의 실시예와 비교예 5에 따라 형성된 경질피막의 내마모성을 평가하기 위하여 아래와 같은 조건으로 평가하였다.

(1) 속도: 400m/min

(2) 이송속도: 0.35mm/rev

(3) 절입깊이: 2.0mm

(4) 절삭유: 습식

(5) 피삭재: FCD500

(6) 형상 및 재종: CNMA120408, ISO CVD K15 재종

아래 표 5는 본 발명의 실시예 및 비교예 5에 따라 제조된 절삭공구용 경질피막의 내마모성 시험 결과를 나타낸 것이며, 도 8은 본 발명의 실시예 및 비교예 5에 따라 제조된 절삭공구용 경질피막의 내마모성 시험 후 시편의 이미지를 나타낸 것이다.

	TiCN (7μm이상)		Main peak의 위치= α(006)면의 면간각 (interplanar angle)		TiCN의 TC(220)/TC(422) 및 TC(220)/TC(311) 0.45 미만		내마모성
	C/(C+N) 0.41	C/(C+N) 0.5~0.65	20-40도	0-10도	만족	불만족
실시예	★		★		★		인선 주위 박리 적음
							인선 마모 적음
비교예5	★		★			★	인선 주위 박리 상대적으로 많음
							인선 마모 상대적으로 많음

상기 표에서 별표는 제시된 조건에 해당함을 의미한다.

도 8에 나타난 바와 같이, TiCN의 집합계수 TC(220)에 대한 TC(422) 및 TC(311)의 비가 모두 0.45 미만 경우가 그렇지 않은 비교예 5에 비해, 내박리성과 내마모성이 우수함을 알 수 있다.

Claims

경질재료로 이루어진 절삭공구의 모재 상에 형성된 피막으로,
상기 피막은 TiCN층과, 상기 TiCN층의 상부에 형성된 α-알루미나층을 포함하고,
상기 α-알루미나층은 XRD에 의한 Psi Rocking 분석시 (006)면의 최대 강도 피크가 20~40도 사이에 위치하고, 상기 α-알루미나층의 잔류응력이 -0.9GPa ~ 0.4GPa이며,
상기 TiCN층은 TiC_xN_y(x+y≤1, x＞0, y＞0)로 이루어지며, C/(C+N)의 조성비는 0.4 이상 0.5 미만이고, [식 1]로 표시되는 TC(220)/TC(422) 비가 0.45 미만이고, TC(220)/TC(311) 비가 0.45 미만인, 절삭공구용 피막.
[식 1]
TC(hkl) = I(hkl)/Io(hkl){1/n∑I(hkl)/Io(hkl)}^-1
(여기서, I(hkl) = (hkl) 반사강도, Io(hkl) = JCPDS 카드 42-1489에 따른 표준 강도, n= 계산에 사용된 반사의 횟수, (hkl) 반사는 (111), (200), (220), (311), (331), (420), (422) 및 (511)을 사용하는 것)
제1항에 있어서,
상기 TiCN층의 두께가 7 ~ 10㎛인, 절삭공구용 피막.