KR102454038B1

KR102454038B1 - 내박리성이 향상된 경질피막을 구비한 절삭공구

Info

Publication number: KR102454038B1
Application number: KR1020210002264A
Authority: KR
Inventors: 조영주; 김경일; 권진한; 김형진; 박제훈; 안승수
Original assignee: 한국야금 주식회사
Priority date: 2021-01-08
Filing date: 2021-01-08
Publication date: 2022-10-14
Also published as: KR20220100158A

Abstract

본 발명은 절삭공구를 구성하는 모재의 표면에 코팅되는 경질피복층의 밀착성을 현저하게 향상시킴으로써, 절삭공구의 수명을 연장시킬 수 있는 것에 관한 것이다.
본 발명에 따른 절삭공구는, 모재와 상기 모재 상에 경질피막이 형성된 것으로, 상기 모재와 경질피막 사이의 경계면에 있어서, 상기 모재의 표면에는 다수의 미세돌기가 형성되어 있고, 상기 미세돌기는 대략 반구형으로 돌출된 형상으로 이루어지며, 상기 미세돌기 중 적어도 일부의 표면에는, 주기율표의 4족, 5족, 6족 및 Al, Si, B 중에서 선택된 1종 이상의 원소를 다량 포함하는 층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

내박리성이 향상된 경질피막을 구비한 절삭공구 {HARD FILM COATED CUTTING TOOLS WITH EXCELLENT PEEL RESISTANCE}

본 발명은 경질피막이 형성된 절삭공구에 관한 것으로, 보다 상세하게는 절삭공구를 구성하는 모재의 표면에 코팅되는 경질피복층의 밀착성을 현저하게 향상시킴으로써, 절삭공구의 수명을 연장시킬 수 있는 것에 관한 것이다.

절삭성능 향상 및 수명개선을 위해 초경합금, 서멧(cermet), 엔드밀, 드릴류 등의 모재 위에 경질피막인 TiN, TiAlN, AlTiN, Al₂O₃와 같은 박막을 증착하는 방식이 사용되고 있다.

그런데 절삭공구의 모재와 경질피막간의 격자 상수 차이와 물리증착법의 특징에 의해 피막의 응력 증가 현상이 나타나 피막의 두께 및 응력에 의한 박리의 위험성이 존재한다.

이를 해결하기 위해, 전처리, 에칭, 밀착층, 다층구조 박막 그리고 후처리 기술 등을 통해 모재를 보호하기 위하여 표면에 코팅되는 경질피막의 두께 및 밀착력을 개선해 왔다. 특히 증착 직전, 모재 계면 에칭을 통해 수분, 고유 산화물 및 기타 불순물을 추가로 세정하고 추가적으로 계면에 미세 굴곡을 주어 모재와 경질피막 계면의 응력을 낮춰 밀착력을 개선하였다. 그러나 이러한 노력에도 불구하고 두께 증가 및 더 나은 경질피막의 밀착력 개선이 요구되고 있다.

일본등록특허공보 제3452726호

본 발명은 종래의 경질피막이 형성된 절삭공구에 비해 모재와 경질피막 간의 밀착성이 개선되어 내박리성을 향상시킨 절삭공구를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 모재와 상기 모재 상에 경질피막이 형성된 절삭공구로, 상기 모재와 경질피막 사이의 경계면에 있어서, 상기 모재의 표면에는 다수의 미세돌기가 형성되어 있고, 상기 미세돌기는 대략 반구형으로 돌출된 형상으로 이루어지며, 상기 미세돌기 중 적어도 일부의 표면에는, 주기율표의 4족, 5족, 6족 및 Al, Si, B 중에서 선택된 1종 이상의 원소를 다량 포함하는 층이 형성되어 있는, 절삭공구를 제공한다.

본 발명에 따른 절삭공구는, 금속 에칭 및 이온 에칭을 통해 공구를 구성하는 모재의 표면에 형성되는 미세 금속 입자의 크기를 제어하여 모재의 표면에 특정 성분을 다량 포함하는 미세돌기를 형성한 후 경질피막을 형성함으로써, 종래에 비해 특히 PVD법으로 형성한 경질피막의 밀착성을 향상시켜, 절삭공구의 내박리성을 향상시킨다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 경질피막의 구조에 대한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따라 모재의 표면처리를 수행한 후, 모재의 표면에 대한 SEM 이미지이다.

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 절삭공구는, 모재와 상기 모재 상에 경질피막이 형성된 절삭공구로, 상기 모재와 경질피막 사이의 경계면에 있어서, 상기 모재의 표면에는 다수의 미세돌기가 형성되어 있고, 상기 미세돌기는 대략 반구형으로 돌출된 형상으로 이루어지며, 상기 미세돌기 중 적어도 일부의 표면에는, 주기율표의 4족, 5족, 6족 및 Al, Si, B 중에서 선택된 1종 이상의 원소를 다량 포함하는 층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 모재(즉, 공구의 기체)는 WC-Co 초경합금, 서멧(cermet), cBN, Si, SiC, Si₃N₄, AlN 중에서 선택된 1종 이상을 주성분으로 하는 세라믹 소결체 등 절삭공구용으로 사용될 수 있는 것이라면 특별히 제한없이 사용될 수 있다.

상기 모재의 표면에 돌출되는 미세돌기의 형상에 대하여 본 발명에서는 '대략 반구형'이라는 것은 기하학적으로 완전한 반구형을 의미하는 것이 아니라, 미세돌기의 상부로부터 하부로 갈수록 연속 또는 단속적으로 직경이 증가하는 것과, 상부에서 하부로 직경이 증가하다가 이후에는 직경이 증가하지 않거나 약간 감소하는 형태도 모두 포함하는 것이다. 또한, 상부에서 볼 때 그 형상이 완전한 원을 이루어지 않고 타원형이나, 불규칙한 원 형태의 것을 모두 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 상기 '반구의 직경'은 단면에서 관찰되는 미세돌기에서 미세돌기를 구성하는 단면 중에서 도 1에 ('a'로 표시된 부분)과 같이 그 길이가 가장 긴 부분을 당해 미세돌기의 직경으로 정의한다.

또한, 상기 반구의 직경이 0.1 ~ 5㎛(바람직하게는 0.3 ~ 3㎛)의 범위를 가지는 것이 상기 절삭공구의 종단면의 경계면에서 차지하는 비율이 50% 이상인 것이 모재의 상부에 코팅되는 경질피막의 내박리성을 향상시키는데 유리하기 때문에 상기 범위를 충족하는 것이 바람직하다. 상기 비율은 60% 이상이 바람직하고, 70% 이상이 더 바람직하며, 80% 이상이 가장 바람직하다.

상기 미세돌기 중 적어도 일부의 돌기에 형성되는, 주기율표의 4족, 5족, 6족 및 Al, Si, B 중에서 선택된 1종 이상의 원소를 다량 포함하는 층은 모재의 상부에 형성되는 경질피막과의 화학적 유사성이 높기 때문에, 모재와 경질피막 간의 결합력을 향상시키는 작용을 한다.

또한, 상기 경질피막이 형성된 모재의 표면에 존재하는 반구의 직경이 0.1 ~ 5㎛의 범위를 가지는 미세돌기의 직경의 합을 Sa, 상기 미세돌기 사이의 거리의 합을 Sb라고 했을 때, Sa/(Sa+Sb)는 0.005 ~ 0.2 인 것이 바람직하다. 이는, 미세돌기가 상기한 범위 내로 분포하였을 때 본 발명에서 목적하는 내박리성을 얻을 수 있기 때문이다.

또한, 상기 층은 바람직하게 1 ~ 500nm의 두께를 가지며, 주기율표의 4족, 5족, 6족 및 Al, Si, B 중에서 선택된 1종 이상의 원소를 60at% 이상 포함할 수 있다. 상기 원소는 70at% 이상 포함할 수도 있다.

또한, 상기 경질피막은 PVD법으로 형성되고, MeLm(Me는 주기율표상 4족, 5족, 6족, 및 Al, Si, B 중에서 선택된 1종 이상이고, Lm은 B, C, N 및 O 중에서 선택된 1종 이상임)으로 이루어지고, 0.1 ~ 10㎛의 두께를 가질 수 있다.

[실시예]

본 발명의 실시예에서는 초경합금으로 이루어진 모재 표면에 2가지의 표면처리와 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition: PVD)인 아크 이온 플레이팅 법을 이용하여, 도 1에 도시된 것과 같이 미세돌기가 형성된 경질피막을 형성하였다.

구체적으로, 미세돌기를 형상하기 위해 금속 이온 봄바드먼트를 통해 금속 입자를 제어하고, Ar 이온 봄바드먼트로 식각하여 초경 미세돌기를 형성하였다.

이때, 금속 및 Ar 이온 봄바드먼트를 수행한 것으로 본 발명의 실시예를 구성하였고, 금속 이온 봄바드먼트 조건을 수행하지 않은 것으로 비교예를 구성하였다.

구체적으로, 코팅에 사용한 타겟으로는 Ti, TiAl, Cr, AlCr의 아크타겟을 사용하였으며, 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 장착하고 코팅로 내 초기 진공압력을 8.5×10^-5 Torr 이하로 감압하였다.

온도를 400 ~ 600℃로 가열한 후 Ar 가스 분위기 하에서 상기 회전 테이블 상에서 자전하면서 회전하는 모재에 -1000 ~ -600V의 바이어스 전압을 인가하고, 아크타겟(Ti, Cr 중 하나)에 아크 전류 70 ~ 150A를 공급하여 1~20분간 금속(반금속 포함) 이온 봄바드먼트(Ion bombardment)를 수행한다. 그 후, Ar 가스 분위기 하에서 바이어스 전압을 -400 ~ -200V을 인가하여 30 ~ 90분간 Ar 이온 봄바드먼트를 수행하였다. 상기 Ar 이온 봄바드먼트는 금속 이온 봄바드먼트 전에 적용될 수 있다. 코팅을 위한 가스압력은 50mTorr 이하 바람직하게는 40mTorr 이하로 유지하였으며, 코팅 시 기판 바이어스 전압은 -20 ~ -100V를 인가하였다. 상기 코팅조건은 장비특성 및 조건에 따라 달라질 수 있다.

상기 경질 피막은 TiAl 혹은 AlCr 타겟을 사용하여 바이어스 전압 -70 ~ -30V, 아크 전류 100 ~ 150A, 반응가스로 N₂를 주입하여 압력 20 ~ 40mtorr 조건으로 성막하였다.

상기한 조건으로 본 발명의 실시예와 비교예를 제조하였으며, 이에 해당되는 이온 봄바드먼트 조건, 경질 피막의 구조, 두께에 대한 기본 정보를 아래 표 1에 나타내었다.

구분	이온 봄바드먼트								경질피막
	Ar 이온		금속 이온				Ar 이온		조성 (타겟조성비)	두께 (um)
	시간 (min)	바이어스 전압 (V)	시간 (min)	바이어스 전압 (V)	타겟 조성	타겟 전류 (A)	시간 (min)	바이어스 전압 (V)	조성 (타겟조성비)	두께 (um)
실시예 1	-	-	5	-1000	Ti	150	60	-400	TiN	4.5
실시예 2	-	-	5	-800	Ti	100	90	-350	TiN	4.3
실시예 3	20	-300	10	-700	Ti	70	60	-300	TiN	4.2
실시예 4	-	-	5	-1000	Ti	150	60	-400	TiAlN (50:50)	4.2
실시예 5	-	-	5	-800	Ti	100	90	-350	TiAlN (50:50)	4.0
실시예 6	20	-300	10	-700	Ti	70	60	-300	TiAlN (50:50)	4.1
실시예 7	-	-	5	-1000	Cr	150	60	-400	CrN	4.3
실시예 8	-	-	5	-800	Cr	100	90	-350	CrN	4.2
실시예 9	20	-300	10	-700	Cr	70	60	-300	CrN	4.0
실시예 10	-	-	5	-1000	Cr	150	60	-400	AlCrN (70:30)	3.9
실시예 11	-	-	5	-800	Cr	100	90	-350	AlCrN (70:30)	4.2
실시예 12	20	-300	10	-700	Cr	70	60	-300	AlCrN (70:30)	4.3
비교예 1	-	-	-	-	-	-	60	-400	TiN	4.2
비교예 2	-	-	-	-	-	-	90	-350	TiN	4.1
비교예 3	-	-	-	-	-	-	60	-300	TiN	4.3
비교예 4	-	-	-	-	-	-	60	-400	TiAlN (50:50)	4.0
비교예 5	-	-	-	-	-	-	90	-350	TiAlN (50:50)	3.9
비교예 6	-	-	-	-	-	-	60	-300	TiAlN (50:50)	4.3
비교예 7	-	-	-	-	-	-	60	-400	CrN	4.2
비교예 8	-	-	-	-	-	-	90	-350	CrN	4.1
비교예 9	-	-	-	-	-	-	60	-300	CrN	4.0
비교예 10	-	-	-	-	-	-	60	-400	AlCrN (70:30)	4.0
비교예 11	-	-	-	-	-	-	90	-350	AlCrN (70:30)	4.2
비교예 12	-	-	-	-	-	-	60	-300	AlCrN (70:30)	4.1

모재 계면 분석 결과

상기 본 발명의 실시예와 비교예의 경질 피막과 모재 계면을 SEM(Scanning Electron Microscope) 3000배율로 단면적을 분석하여, 형성된 미세돌기의 직경의 합을 Sa, 상기 미세돌기 사이의 거리의 합을 Sb라고 했을 때의 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

구분	미세돌기 유무	Sa (um)	Sb (um)	Sa/(Sa+Sb)
실시예 1	보유	17.9	82.1	0.18
실시예 2	보유	7.8	92.2	0.08
실시예 3	보유	12.2	87.8	0.12
실시예 4	보유	17.2	82.8	0.17
실시예 5	보유	8.6	91.4	0.09
실시예 6	보유	12.8	87.2	0.13
실시예 7	보유	18.5	81.5	0.19
실시예 8	보유	11.7	88.3	0.12
실시예 9	보유	14.1	85.9	0.14
실시예 10	보유	19.1	80.9	0.19
실시예 11	보유	10.1	89.9	0.10
실시예 12	보유	13.5	86.5	0.14
비교예 1	-	-	-	-
비교예 2	-	-	-	-
비교예 3	-	-	-	-
비교예 4	-	-	-	-
비교예 5	-	-	-	-
비교예 6	-	-	-	-
비교예 7	-	-	-	-
비교예 8	-	-	-	-
비교예 9	-	-	-	-
비교예 10	-	-	-	-
비교예 11	-	-	-	-
비교예 12	-	-	-	-

상기 본 발명의 실시예의 경우 코팅 전단계인 모재 표면처리 공정 이후 모재 표면을 SEM으로 분석 결과 도 2와 같이 미세돌기 위의 금속층을 확인할 수 있으며, 이때의 EDS(Energy Dispersive Spectrometer) 분석 결과 금속 이온 봄바드먼트에 사용한 아크타겟 원소가 70 at% 이상(금속, 반금속의 합 100 at%의 경우, O, C, N 제외) 포함된 값을 가지는 것을 확인하였으며, 본 발명의 실시예 1 및 7의 금속층 분석 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

구분	코팅전 미세돌기 위의 층 EDS 조성 분석 결과 [at.%]
구분	Ti	Cr	Co	W	C	N	O
실시예1	74.7	-	1.8	4.1	1.5	9.8	8.1
실시예7	-	71.4	1.3	6.1	1.6	9.1	10.5

상기 표 3에 나타난 것과 같이, 미세돌기의 표면에 형성되는 금속층의 조성은 금속 이온 봄바드먼트에 사용되는 아크타겟의 성분이 70 at% 이상 포함되는 형태로 형성된다. 이와 같이 형성된 금속층은 모재의 상부에 형성되는 PVD 피막의 응력과 결합력에 영향을 준다.

내박리성 평가

본 발명의 실시예에 따라 제조한 경질피막이 형성된 절삭공구와, 종래의 방법으로 동일한 경질피막이 형성된 절삭공구의 내박리성을 다음과 같은 평가조건으로 평가하였다.

피삭재: SM45C

샘플형번: SNMX1206ANN-MM

절삭 속도: 200m/min

절삭 이송: 0.2mm/tooth

절삭 깊이: 2.0mm

절삭유: 없음(건식)

이상과 같은 조건으로 내박리성을 평가한 샘플과 그 결과를 아래 표 4에 나타내었다.

구분	내박리성
구분	가공길이 (mm)	마모유형
실시예 1	1000	과대마모
실시예 2	1150	정상마모
실시예 3	1200	정상마모
실시예 4	2000	정상마모
실시예 5	2200	정상마모
실시예 6	2300	정상마모
실시예 7	900	과대마모
실시예 8	950	정상마모
실시예 9	1000	정상마모
실시예 10	2350	정상마모
실시예 11	2450	정상마모
실시예 12	2600	정상마모
비교예 1	800	박막뜯김, 과대마모
비교예 2	800	박막뜯김, 과대마모
비교예 3	900	박막뜯김, 과대마모
비교예 4	1250	박막뜯김, 과대마모
비교예 5	1150	박막뜯김, 과대마모
비교예 6	1300	박막뜯김, 과대마모
비교예 7	800	박막뜯김, 과대마모
비교예 8	750	박막뜯김, 과대마모
비교예 9	800	박막뜯김, 과대마모
비교예 10	1400	박막뜯김, 과대마모
비교예 11	1350	박막뜯김, 과대마모
비교예 12	1500	박막뜯김, 과대마모

상기 표 4에서 확인되는 바와 같이, 실시예의 경질피막이 비교예의 경질피막 대비 전반적으로 내박리성이 우수하며 대부분 정상마모로 수명이 종료되었다.

경질 피막 증착 전, 금속 및 Ar 이온 봄바드먼트 조건에 따른 미세돌기의 분포 변화에 따라 조금씩 상이한 절삭성능을 갖는 것을 알 수 있다. 이와 같이 본 발명의 경질 모재와 피막 계면에 형성되는 미세돌기 제어를 통해 가공 환경에 적합한 경질 피막의 설계와 그에 따른 성능 향상을 기대할 수 있다.

Claims

모재와 상기 모재 상에 경질피막이 형성된 절삭공구로,
상기 모재와 경질피막 사이의 경계면에 있어서, 상기 모재의 표면에는 다수의 미세돌기가 형성되어 있고,
상기 미세돌기는 반구형으로 돌출된 형상으로 이루어지며,
상기 미세돌기 중 적어도 일부의 표면에는, 주기율표의 4족, 5족, 6족 및 Al, Si, B 중에서 선택된 1종 이상의 원소를 다량 포함하는 층이 형성되어 있고,
상기 미세돌기 중 적어도 일부의 표면에 형성된 층은 상기 경질피막의 조성과 상이하고, 상기 미세돌기를 제외한 영역에는 형성되지 않는, 절삭공구.
제 1 항에 있어서,
상기 경질피막이 형성된 모재의 표면에 존재하는 반구의 직경이 0.1 ~ 5㎛의 범위를 가지는 미세돌기의 직경의 합을 Sa, 미세돌기 사이의 거리의 합을 Sb라고 했을 때, Sa/(Sa+Sb)는 0.005 ~ 0.2 인, 절삭공구.
제 1 항에 있어서,
상기 층은 1 ~ 500nm의 두께를 가지며, 주기율표의 4족, 5족, 6족 및 Al, Si, B 중에서 선택된 1종 이상의 원소를 60at% 이상 포함하는, 절삭공구.
제 1 항에 있어서,
상기 경질피막은 PVD법으로 형성되고,
MeLm(Me는 주기율표상 4족, 5족, 6족, 및 Al, Si, B 중에서 선택된 1종 이상이고, Lm은 B, C, N 및 O 중에서 선택된 1종 이상임)으로 이루어지고, 0.1 ~ 10㎛의 두께를 가지는, 절삭공구.