KR102456486B1

KR102456486B1 - 다층의 아크 pvd 코팅을 갖는 공구

Info

Publication number: KR102456486B1
Application number: KR1020177033392A
Authority: KR
Inventors: 울리히 알베르스; 파이트 쉬어
Original assignee: 발터 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2016-05-19
Publication date: 2022-10-18
Also published as: WO2016184954A1; CN107636190B; EP3298176B1; EP3298176A1; CN107636190A; US20180223415A1; JP2018521862A; JP6789986B2; KR20180011104A; US10655211B2

Abstract

경질 금속, 서멧, 세라믹스, 강 또는 고속 강의 베이스 바디와, PVD 프로세스에 의해서 상기 베이스 바디 상에 증착된 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구로서, 상기 마모 방지 코팅은:
a) 상기 베이스 바디 상에 증착되고, 그리고 조성 Ti_aAl_(1-a)N (0.4≤a≤0.6) 및 0.5 ㎛ 내지 4 ㎛ 의 코팅 두께를 갖는 제 1 코트 (1),
b) 상기 제 1 코트 상에 증착되고, 그리고 서로의 상부에 교대로 배열되는 제 1 층들 (2a) 및 제 2 층들 (2b) 각각의 10 내지 80 개의 시퀀스로 이루어진 제 2 코트 (2) 로서, 상기 제 1 층들 (2a) 및 상기 제 2 층들 (2b) 각각은 5 nm 내지 100 nm 의 층 두께를 갖는, 상기 제 2 코트 (2) 를 포함하고,
상기 제 1 층 (2a) 은 원소들 Ti, Al, Cr 및 Si 의 질화물들을 포함하고, 그리고
상기 제 2 층 (2b) 은 Ti_xAl_(1-x)N (0.4≤x≤0.6) 의 조성을 갖고,
상기 마모 방지 코팅은 상기 제 2 코트 (2) 위에 추가의 경질 재료 코트들을 포함할 수 있고, 제조 방법으로 인한 상기 제 1 코트 및 상기 제 2 코트는 각각의 층에서 불순물들로서 최대 10 원자% 의 추가의 금속들, B, C 및/또는 O 를 포함할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

다층의 아크 PVD 코팅을 갖는 공구{TOOL WITH MULTI-LAYER ARC PVD COATING}

본 발명은 경질 금속, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속 강으로 제조된 메인 바디와, PVD 프로세스에 의해서 상기 메인 바디에 도포된 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구에 관한 것이다. 상기 마모 방지 코팅은 원소들 Ti, Al, Cr 및 Si 의 질화물들을 포함하는 제 1 TiAlN 코팅 및 그 위의 제 2 다층 코팅을 포함한다. 또한, 본 발명은 본 발명의 공구의 제조 방법 및 그 사용에 관한 것이다.

절삭 공구들, 특히 칩 형성 금속 가공용 공구들은 경질 금속, 서멧, 세라믹, 강 또는 고속 강으로 제조된 메인 바디로 이루어진다. 공구 수명을 증가시키거나 절삭 특성들을 개선시키기 위하여, 경질 재료들로 제조된 단층 또는 다층의 마모 방지 코팅은 CVD 또는 PVD 프로세스들에 의해서 메인 바디에 자주 도포된다. PVD 프로세스들로는 마그네트론 스퍼터링, 아크 기상 증착 (아크 PVD), 이온 플레이팅, 전자빔 기상 증착 및 레이저 애블레이션 (laser ablation) 과 같은 다수의 다양한 변형들이 있다. 마그네트론 스퍼터링 및 아크 기상 증착은 공구들의 코팅에 가장 많이 사용되는 PVD 프로세스들이다. 개별적인 PVD 프로세스 변형들은, 결국, 예를 들면, 비 펄스 또는 펄스 마그네트론 스퍼터링 또는 비 펄스 또는 펄스 아크 기상 증착 등과 같은 다양한 변경들을 포함한다.

아크 기상 증착 (아크 PVD) 에서, 아크는 타겟에서 섭씨 수천도의 온도로 매우 높은 온도를 발생시켜 기재 상에 증착을 위한 타겟 재료의 원하는 증발 또는 승화 각각을 초래한다. 일부 타겟 금속들, 특히 알루미늄과 같은 저융 금속들 (low melting metals) 에서 기재 상에 또한 공증착되는 매크로 입자들, 소위 말하는 용적들 (droplets) 의 탈착이 발생하는, 예를 들면, 500 내지 1,000℃ 의 영역에서와 같은, 더 낮은 온도들의 아크 영역들의 충격 지점 부근에서 발생된다. 이런 용적들은 예를 들면 마그네트론 스퍼터링에 의해서 제조된 코팅들과 비교하여 증착된 코팅의 바람직하지 않은 거칠기를 초래한다. 게다가, 일반적으로 이들 용적들은 대부분 순수한 금속으로 이루어져서 보다 낮은 경도와 증가된 산화 경향을 나타내기 때문에, 상기 용적들은 코팅의 약화를 초래한다. 따라서, PVD 아크 기상 증착 프로세스에서 용적 형성을 감소시키는 것이 바람직하다.

예를 들면, 밀링, 터닝 및 드릴링과 같은 특정 금속 가공 작업들의 경우, 공구에 대한 높은 요구 사항들이 특히 존재한다. 이런 공구들에 대한 중요한 파라미터들은 높은 경도, 높은 탄성 계수 (E 모듈러스, 영률) 및 낮은 표면 거칠기이다. 기술된 적용들을 위한 공지된 절삭 공구들은 PVD 프로세스에서 증착된 TiAlN 코팅들을 포함하고, 상기 코팅들은 전형적으로 400 GPa 이하의 탄성 계수 및 최대 3,500 HV 의 비커스 경도를 갖는다. 이런 TiAlN 코팅들이 아크 기상 증착 프로세스에 의해서 증착된다면, 상기 코팅들은 알루미늄의 낮은 용융 온도로 인하여 코팅 상에서 그리고 상기 코팅 내에서 용적들을 형성하는 경향이 있으며, 이는 코팅의 성능에 불리한 영향을 미친다. 증착 프로세스의 파라미터들의 적절한 선택에 의해서, PVD 코팅들의 경도 및 탄성 계수는 증가될 수 있지만, 일반적으로, 이는 코팅에서 3 GPa 를 크게 상회하는 높은 잔류 압축 응력들을 유도하고, 이는 절삭날의 안정성에 불리한 영향을 미친다. 고 부하 하에서, 이런 절삭날은 조기 치핑되고, 이에 따라 공구가 빠르게 마모되는 경향이 있다.

TiN 및 TiAlN 의 제 1 다층 코트 및 TiSeN 및 AlCrN 의 제 2 다층 코트를 포함하는 PVD 코팅을 갖는 상업적으로 이용가능한 공구들이 있다. 코팅은 높은 코팅 두께를 얻기 위하여 2 번의 후속 증착 프로세스들에 의해서 증착된다. 제 1 증착 프로세스에서 제 1 다층 코트의 증착 후, 코팅된 기재는 냉각되고 기계적 처리를 거치게 되며, 여기서 제 2 다층 코트가 이후에 추가의 증착 프로세스에서 증착되기 전에, 제 1 다층 코트의 잔류 압축 응력들은 변화된다. 코팅은 높은 경도를 나타내지만, 동시에, 또한 3 GPa 보다 훨씬 높게 매우 높은 잔류 압축 응력들을 나타내고, 이는 절삭날의 안정성, 절삭날의 균일한 커버링 및 공구들의 성능에 불리한 영향을 미친다.

WO 2006/041367 A1 은 경질 금속 기재와, PVD 프로세스에서 증착되고 1.5 내지 5 ㎛ 의 두께 및 4 초과 내지 6 GPa 의 잔류 압축 응력을 갖는 TiAlN 의 적어도 하나의 코트를 포함하는 코팅으로 이루어진 코팅된 절삭 공구를 기술한다. TiAlN 코트는 공지된 코트들과 비교하여 기재에 보다 효과적으로 부착된다고 알려져 있다. 하지만, 매우 높은 잔류 압축 응력들은 절삭날의 안정성에 불리한 영향을 미친다.

EP 2 298 954 A1 은 경질 재료 코팅, 예를 들면 TiAlN 또는 TiAlCrN 이 PVD 프로세스에 의해서 기재에 도포되고, 기재의 바이어스 전압이 증착 프로세스 동안 변화되는 코팅된 절삭 공구를 제조하는 방법을 기술한다. 상기 방법은 공구의 개선된 내마모성과 더 긴 수명을 제공한다고 알려져 있다.

본 발명의 목적은 선행 기술과 비교하여 코팅의 높은 경도, 높은 파괴 인성, 높은 탄성 계수 및 양호한 고온 내성 뿐만 아니라 개선된 절삭 특성들 및 마찰 화학적 마모에 대한 개선된 내성을 갖는 재료들의 칩 형성 가공, 특히 주철, 비 합금 및 저 합금강들과 같은, 철 재료들의 드릴링을 위한 코팅된 공구를 제공하는데 있었다.

본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 공구 상의 PVD 코팅의 제조 방법을 제공하는데 있었고, 여기서, 선행 기술과 비교하여, 아크 기상 증착에 의한 기재의 코팅에서, 용적들의 형성이 감소되고, 그리고 따라서 공구의 개선된 특성들이 달성되고, 또한 칩 형성 금속 가공에 적합한 조건을 달성하도록 코팅에 이어서 표면들을 평활화하는데 보다 적은 사후 처리 노력이 요구된다.

상기 목적은 경질 금속, 서멧, 세라믹스, 강 또는 고속 강으로 제조된 베이스 바디 (4) 와, PVD 프로세스에 의해서 상기 베이스 바디 상에 증착된 다층의 마모 방지 코팅을 포함하는 공구에 의해서 해결되며, 상기 마모 방지 코팅은:

a) 상기 베이스 바디 상에 증착되고, 그리고 조성 Ti_aAl_(1-a)N (0.4≤a≤0.6) 및 0.5 ㎛ 내지 4 ㎛ 의 코팅 두께를 갖는 제 1 코트 (1),

b) 상기 제 1 코트 상에 증착되고, 그리고 서로의 상부에 교대로 배열되는 제 1 층들 (2a) 및 제 2 층들 (2b) 각각의 10 내지 80 개의 시퀀스로 이루어진 제 2 코트 (2) 로서, 상기 제 1 층들 (2a) 및 상기 제 2 층들 (2b) 각각은 5 nm 내지 100 nm 의 층 두께를 갖는, 상기 제 2 코트 (2) 를 포함하고,

상기 제 1 층 (2a) 은 원소들 Ti, Al, Cr 및 Si 의 질화물들을 포함하고, 그리고

상기 제 2 층 (2b) 은 Ti_xAl_(1-x)N (0.4≤x≤0.6) 의 조성을 갖고,

상기 마모 방지 코팅은 상기 제 2 코트 (2) 위에 추가의 경질 재료 코트들을 포함할 수 있고, 제조 방법으로 인한 상기 제 1 코트 및 상기 제 2 코트는 각각의 층에서 불순물들로서 최대 10 원자% 의 추가의 금속들, B, C 및/또는 O 를 포함할 수 있는 것을 특징으로 한다.

설명을 위해 본 명세서에서 괄호들안에 위치시킨 도면 부호들은 본 발명의 코팅의 도 1 에서 첨부된 예시적인 개략적인 표시를 나타낸다.

유리하게는, 다층의 마모 방지 코팅이 공구 기재에 도포되는 PVD 프로세스는 아크 기상 증착 (아크 PVD) 이다. 하지만, 다른 PVD 프로세스들이 또한 적용가능하고, 이에 따라 아크 기상 증착에 의해서 증착된 코팅은 다른 프로세스들에 의해서 증착된 코팅들 보다 이점들을 갖는다. 아크 기상 증착에서, 증발된 원자들은 고도로 이온화된다. 이온들은 기재 상에 코팅의 매우 양호한 부착을 위해 제공되고, 그리고 코트의 성장 동안 많은 에너지를 도입하여 매우 양호한 기계적 특성들을 갖는 매우 조밀한 코트들을 생성한다. 아크 기상 증착 프로세스 자체는 비교적 신뢰성있고 잘 확립되어 있고, 그리고, 그 중에서도, 상기 아크 기상 증착 프로세스는, 예를 들면, HIPIMS 프로세스와 같은, 예를 들면, 스퍼터링 프로세스들 보다 진공 시스템 및 그의 주변에 대해 현저히 더 적은 요구 사항들에 처하게 된다.

본 발명의 공구는 칩 형성 작동, 특히 적용 그룹 ISO-P (인성 철 재료들, 비 합금 및 저 합금 강들) 및 적용 그룹 ISO-K (주철) 의 재료들의 드릴링 작동들에서 높은 공구 수명들 뿐만 아니라 특히 유리한 절삭 특성들 및 내마모성을 특징으로 한다. 선행 기술과 비교하여, 본 발명의 공구는 절삭날의 높은 안정성 및 완전성을 동시에 가지면서 개선된 절삭 특성들 및 경도를 나타낸다. 게다가, 본 발명의 공구는 마찰 화학적 마모에 대한 높은 내성이 있고, 매우 양호한 파괴 인성 및 높은 내열성을 나타낸다. 본 발명의 공구들의 코팅은, 예를 들면 증착된 코트들을 냉각시키고 이들 증착된 코트들이 중간 처리들을 거치도록 코트들, 특히 제 1 코트 및 제 2 코트의 증착 사이에서 프로세스를 중단시킬 필요없이 아크 기상 증착에 의해서 단일 PVD 프로세스에서 수행될 수 있고, 이는 제조 방법의 중요한 경제적 이점이다.

게다가, 아크 기상 증착에 의해서 증착된 알루미늄 함유 코팅들을 또한 갖는 공구들과 비교하여, 본 발명의 공구는 코팅 후에 더 적은 수의 용적들을 나타내므로 칩 형성 금속 가공에 적합한 조건을 달성하는데 코팅 후 표면들의 평활화에 의한 사후 처리 노력이 비교적 적게 든다. 이는 선행 기술에 비해 본 발명의 다른 중요한 경제적 이점이다. 하지만, 드릴링 공구의 플루트에서 칩 제거를 개선하기 위하여, 특히 솔리드 경질 금속 트위스트 드릴들의 경우에, 여전히 존재하는 용적들을 제거하는 본 발명의 공구의 표면의 사후 처리가 권장된다. 게다가, 블라스팅 절차들에 의한 사후 처리는, 표면을 평활화하는 것 이외에, 잔류 압축 응력들을 코팅으로 진행시킬 수 있고, 그리고, 경우에 따라서는, 또한 기재 내로 진행시킬 수 있고, 이에 따라 공구의 성능이 더욱 개선될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 본 발명의 코팅의 제 1 코트 (1) 는 단일층으로 이루어진다. 제 1 코트가 단일층이거나 또는 다중층인 것에 상관없이, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 코트는 0.5 내지 4 ㎛, 바람직하게는 1 내지 3 ㎛, 특히 바람직하게는 1.5 내지 2 ㎛ 범위의 층 두께를 갖는다. 제 1 코트가 너무 두꺼우면, 공구 성능의 증가는 관찰될 수 없지만, 코팅이 벗겨질 가능성은 증가된다. 게다가, 코팅을 제조하기 위한 프로세스의 지속 시간이 길어지고, 이는 경제적인 단점이다. 제 1 코트가 너무 얇으면, 상부에 증착된 제 2 코트를 위한 지지 코트로서의 상기 제 1 코트의 기능이 악화될 것이다. 특히, 제 1 코트가 너무 얇으면, 코트의 부착에 대한 제 2 코트로부터의 잔류 압축 응력들의 영향들을 더 이상 충분히 감소시킬 수 없다.

본 발명의 다른 바람직한 실시 형태에서, 제 2 코트 (2) 는 서로의 상부에 교대로 증착되는 제 1 층 (2a) 및 제 2 층 (2b) 각각의 15 내지 70 개, 바람직하게는 20 내지 60 개의 시퀀스로 이루어진다.

본 발명의 다른 실시 형태에서, 제 2 코트 (2) 의 제 1 층 (2a) 및 제 2 층 (2b) 각각은 10 nm 내지 60 nm, 바람직하게는 20 nm 내지 50 nm 의 층 두께를 갖는다.

그리고/또는, 제 2 코트 (2) 는 바람직하게는 0.5 ㎛ 내지 10 ㎛, 특히 바람직하게는 2 ㎛ 내지 6 ㎛ 의 코팅 두께를 갖는다. 제 2 코트가 너무 두꺼우면, 공구 성능의 증가는 관찰될 수 없지만, 코트가 벗겨질 가능성은 증가되고, 그리고 코트의 제조를 위한 프로세스의 지속 시간은 연장되어 경제적으로 불리해진다. 제 2 코트가 너무 얇으면, 상기 제 2 코트는 더 빨리 마모될 것이다.

본 발명의 다른 실시 형태에서, 마모 방지 코팅은 제 2 코트 (2) 위에 증착된 제 3 코트 (3) 를 포함한다. 이것은 0.05 ㎛ 내지 1 ㎛, 바람직하게는 0.1 ㎛ 내지 0.5 ㎛ 의 두께를 갖는 장식 코트 및/또는 마모 표시 코트로서 제공되는 얇은 경질 재료 코트일 수 있다. 특히 바람직하게는, 이런 제 3 코트 (3) 는 조성 Ti_bSi_(1-b)N (0.70≤b≤0.98) 을 갖는다.

본 발명의 다른 실시 형태에서, 제 2 코트 (2) 의 제 1 층 (2a) 은 각각이 서로의 상부에 교대로 증착되는 조성들 Ti_ySi_(1-y)N (0.70≤y≤0.98) 및 Al_zCr_(1-z)N (0.6≤z≤0.8) 을 각각 갖는 2 내지 20 개, 바람직하게는 3 내지 10 개의 서브 층들을 포함하고, 그리고 상기 서브 층들 각각의 두께는 0.5 nm 내지 15 nm 이다.

바람직하게는, 제 1 층 (2a) 으로 제조되는 것이 바람직한 조성들 Ti_ySi_(1-y)N 및 Al_zCr_(1-z)N 각각의 서브 층들은 X 선 디프렉토그램 (diffractogram) 으로 검증가능한 입방 면심 결정 구조 (cubic face-centered crystal structure) 를 갖는다. 당업자에게는 단지 몇 나노미터로 얇은 조성들 Ti_ySi_(1-y)N 및 Al_zCr_(1-z)N 의 개별 서브 층들로부터, 또는 또한 단지 몇 나노미터로 얇은 개별 제 1 층들 (2a) 로부터 분리된 방식으로 X 선 디프렉토그램들을 생성하는 것이 가능하지 않다는 것이 자명하다. 따라서, 조성들 Ti_ySi_(1-y)N 및 Al_zCr_(1-z)N 의 서브 층들이 X 선 디프렉토그램으로 입증가능한 입방 면심 결정 구조를 갖는 것으로 본 명세서에서 표시되는 경우, 그 때 이것은 층들의 전체 어셈블리를 가로 질러서 측정되었고, 그리고 입방 면심 결정 구조 만이 관찰되었지만, 육각형 결정 구조와 같은 다른 구조들은 관찰되지 않았다.

본 발명 공구에서 입방 면심 결정 구조를 갖는 제 1 층 (2a) 은 다른 결정 구조들을 갖는 층들에 비해 특히 높은 경도 및 강도를 나타내는 것으로 발견되었고, 이는 공구의 성능에 유리하다. 이런 이점은 결정 구조 내에서 특히 높은 공간 밀도로부터 기인하는 것으로 추정된다. 게다가, 상기 층의 이점들은 또한 입방 격자가 결정 격자의 일반적인 구조가 영구적으로 방해받지 않으면서 원자 층들이 서로에 대해 미끄러질 수 있는 다수의 미끄럼 평면들을 제공하여 상기 결정 격자가 파괴되지 않으면서 일정한 한계들 내에서 소성 변형을 겪을 수 있다는 사실에 기인하는 것으로 추정된다.

본 발명의 다른 실시 형태에서, 공구의 절삭날들에는 10 내지 100 ㎛, 바람직하게는 20 내지 60 ㎛ 범위 내의 반경을 갖는 절삭날 라운딩이 제공된다. 절삭날 반경이 너무 작으면, 절삭날이 급격하게 파손될 위험이 있다. 너무 높은 절삭날 반경은 공구의 수명 및 칩들의 형상들에 불리한 영향들을 미치는 매우 높은 절삭력들을 초래한다.

본 발명의 다른 실시 형태에서, 본 발명의 마모 방지 코팅은 3000 내지 4500, 바람직하게는 3300 내지 4000 의 비커스 경도 (HV) 를 갖는다. 본 발명의 코팅의 높은 경도는 금속 가공, 특히 드릴링 뿐만 아니라 터닝 및 밀링에서도 특히 유리한데, 그 이유는 기하학적으로 결정된 절삭날을 사용하는 별도의 절차들 중에 이들 가공 작동들이 경도, 인성, 내마모성 및 내열성과 관련하여 절삭 재료에 대한 요구 사항들이 가장 높은 작동들이기 때문이다. 너무 낮은 경도는 코팅의 내마모성이 감소되는 단점을 갖는다. 너무 높은 경도는 코팅의 인성이 감소되고 코팅이 부서지게 되고, 그리고 특히 절삭날의 완전성이 취약해질 수 있는 단점을 갖는다.

본 발명의 다른 실시 형태에서, 본 발명의 마모 방지 코팅은 380 GPa 초과, 바람직하게는 420 GPa 초과의 탄성 계수 (E 모듈러스) 를 갖는다. 치핑 작동에서 공구가 외부로부터 응력을 받는 동안, 기계적 응력들은 코팅 및 기재에서 발생되며, 그 양은 탄성 계수를 통해 도입된 탄성 변형과 관련된다. 코팅의 탄성 계수가 너무 낮으면, 사용시 공구의 기계적 변형 중에 코팅에서 낮은 응력이 발생되고, 이는 코팅이 치핑력들의 적은 부분만을 흡수할 수 있다는 단점과 함께 진행된다. 하지만, 탄성 계수가 너무 높으면, 이것은 기계적 변형 하에서 너무 높은 힘들이 코팅을 통해 편향되고, 이는 코팅의 조기 파손을 초래할 수 있다는 단점을 갖는다.

특히 드릴링, 터닝 및 밀링의 경우, 높은 경도와 높은 탄성 계수의 조합이 특히 유리하다. 높은 경도는 내마모성을 높여준다. 하지만, 높은 경도는 일반적으로 취성 증가와 함께 진행된다. 동시에, 높은 탄성 계수는 재료가 더 낮은 취성을 나타내고 높은 기계적 부하들을 더 잘 보상할 수 있게 한다. 본 발명의 코팅 시퀀스에 의해서, 공구의 전체 마모 방지 코팅에는 이들 유리한 특성들이 제공된다.

본 발명의 공구의 다른 바람직한 실시 형태에서, 마모 방지 코팅은 10 ㎛ 의 길이를 따라 측정된 1.0 ㎛ 이하, 바람직하게는 0.5 ㎛ 이하의 평균 표면 거칠기 (Ra) 를 갖는다. 본 발명의 방법 및 본 발명의 코팅 시퀀스 뿐만 아니라 PVD 프로세스에서의 증착 파라미터들의 적합한 선택을 적용함으로써, 누구나 증착된 코트들의 용적 빈도의 현저한 감소를 달성할 수 있고, 이에 따라 이미 증착된 코팅은 낮은 평균 표면 거칠기 (Ra) 를 취득한다. 따라서, 표면의 후속 평활화 절차 동안 상당히 감소된 노력은 코팅 후에 최적의 가공 조건을 달성하기에 충분하다. 공지된 블라스팅 방법들, 상응하게 경질 및 미세 재료들에 의한 연마 또는 브러싱 방법들은 코트들의 증착 후에 공구의 표면을 평활화하는데 적합하다.

공구의 표면을 평활화하는 적합한 프로세스는, 예를 들면, 직경이 70 내지 110 ㎛ 인 50% 유리 비드들 및 직경이 40 내지 70 ㎛ 인 50% 유리 비드들로 이루어진 블라스팅 매체로 약 2.5 bar 의 압력에서 유리 비드들에 의한 습식 블라스팅이다. 적절한 블라스팅 지속 시간은 원하는 표면 평활성을 조사함으로써 결정된다. 직경이 10 mm 인 솔리드 경질 금속 밀링 공구의 경우에서의 처리 시간은, 예를 들면, 약 10 초이다.

공구의 표면을 평활화하는데 한층 더 적합한 방법은 드래그 피니싱 (drag finishing) 이다. 적합한 연마제는, 예를 들면, 연마 및 접착 오일로서 미세한 다이아몬드 분말을 갖는 코코넛 쉘 과립 재료이다.

또한, 예를 들면, 280/320 의 그릿 사이즈 및 약 18% 의 액체에서의 블라스팅 연마제 농도를 갖는 커런덤 (corundum) 을 사용하는 습식 블라스팅은 특히 사후 처리에 적합하다. 본 명세서에서, 약 1.5 내지 2 bar 의 블라스팅 압력은 편의상 사용되고, 블라스팅 방향 및 각도는 공구의 타입 및 사이즈에 따라 설정된다.

발명의 다른 실시 형태에서, 공구는 경질 금속의 베이스 바디를 갖고, 상기 경질 금속은 바람직하게는 5 내지 15 원자%, 특히 바람직하게는 7 내지 12 원자% 의 Co, 0 내지 2 원자%, 특히 바람직하게는 0.5 내지 1.5 원자% 의 Cr, 0 내지 3 원자%, 특히 바람직하게는 0.5 내지 2 원자% 의 주기율표의 하위 그룹들 4A, 5A 및 6A 의 원소들의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 옥시탄화물, 옥시질화물 및/또는 옥시탄질화물, 및 잔부 WC 를 포함한다.

이들 조성들의 경질 금속들은 철 재료들의 밀링 및 드릴링용 공구들의 제조를 위한 기재 재료들로서 특히 유용하다는 것이 밝혀졌다. 이들 적용들의 경우, 이들 금속들은 경도와 인성의 특히 유리한 비율, 따라서 균열 형성 및 균열 전파에 대한 양호한 내성을 나타낸다.

Cr 함량은 경질 금속의 소결 동안 결정립 성장의 한계를 초래한다. 전술한 적용들, 철 재료들의 밀링 및 드릴링용 공구들에서, WC 결정립 사이즈는 인성과 경도간의 균형 잡힌 관계 뿐만 아니라 공구의 즉각적인 파손없이 개별 결정립들의 파손을 견디는 공구의 능력을 본 명세서에서 또한 달성하도록 절삭날들의 치수들에 비해 작아야 한다. 일반적으로, 솔리드 경질 금속 드릴들의 경질 금속들의 WC 결정립 사이즈들은 인덱서블 절삭 인서트들에 사용되는 경질 금속들 보다 더 작아야 한다.

유리하게는, 본 발명의 공구는 솔리드 경질 금속 드릴 또는 인덱서블 절삭 인서트로서, 바람직하게는 인덱서블 드릴링 절삭 인서트로서 설계된다. 게다가, 본 발명의 공구는 전술한 바와 같이, 인성 철 재료들, 바람직하게는 ISO-P 재료들, ISO-K 재료들 및 ISO-M 재료들, 특히 ISO-K 재료들 (주조 재료들) 의 드릴링 작동들에서 특별한 이점들을 갖는다.

또한, 본 발명은 다층의 마모 방지 코팅이 PVD 프로세스에서, 바람직하게는 아크 기상 증착에 의해서, 경질 금속, 서멧, 세라믹스, 강 또는 고속 강의 베이스 바디에 증착되는 본 발명의 공구의 제조 방법을 포함하고,

(a) 상기 베이스 바디의 표면 상에, 조성 Ti_aAl_(1-a)N (0.4≤a≤0.6) 및 0.5 ㎛ 내지 4 ㎛ 의 코팅 두께를 갖는 제 1 코트 (1) 가 증착되고,

(b) 상기 제 1 코트 (1) 상에, 제 2 코트 (2) 는 서로의 상부에 교대로 배열되는 제 1 층들 (2a) 및 제 2 층들 (2b) 각각의 5 내지 100 개의 시퀀스로 증착되고, 상기 제 1 층들 (2a) 및 상기 제 2 층들 (2b) 각각의 층 두께가 5 nm 내지 100 nm 이고,

상기 제 1 층들 (2a) 의 증착은 조성들 Ti_ySi_(1-y)N (0.70≤y≤0.98) 및 Al_zCr_(1-z)N (0.6≤z≤0.8) 각각을 갖고 서브 층들의 각각의 두께가 0.5 nm 내지 15 nm 인 상기 서브 층들 각각이 서로의 상부에 교대로 증착되는 것에 의해서 수행되고, 그리고

상기 제 2 층 (2b) 은 Ti_xAl_(1-x)N (0.4≤x≤0.6) 의 조성을 갖는다.

본 발명의 방법의 바람직한 실시 형태에서, 상기 제 2 코트 (2) 위에, 조성 Ti_bSi_(1-b)N (0.70≤b≤0.98) 및 0.05 ㎛ 내지 1 ㎛, 바람직하게는 0.1 ㎛ 내지 0.5 ㎛ 의 두께를 갖는 제 3 코트 (3) 가 증착된다.

본 발명의 방법은 마모 방지 코팅의 증착후, 공구가 바람직하게는 하나 이상의 사후 처리 단계들을 거치게 되는 것을 추가로 포함하고,

a) 상기 공구의 적어도 메인 절삭날들은 브러싱에 의해서 절삭날 라운딩을 거치게 되고, 그리고/또는

b) 경사면 또는 플루트의 표면은 연마 습식 블라스팅에 의해서, 바람직하게는 커런덤 입자들을 사용하는 연마 습식 블라스팅에 의해서 평활화되고, 그리고/또는

c) 상기 경사면 또는 상기 플루트의 상기 표면은 연마 또는 컴팩팅 건식 블라스팅에 의해서, 바람직하게는 커런덤 입자들을 사용하는 연마 건식 블라스팅 또는 지르코늄 산화물 비드들을 사용하는 컴팩팅 건식 블라스팅에 의해서 평활화되고, 그리고/또는

d) 상기 경사면 또는 상기 플루트의 상기 표면은 드래그 피니싱에 의해서 평활화되고, 그리고/또는

e) 상기 공구는 습식 화학적으로 클리닝된다.

마지막으로, 본 발명은 또한 금속 재료들, 바람직하게는 ISO-P 재료들 (인성 철 재료들, 비 합금 및 저 합금 강들) 및 ISO-K 재료들 (주철) 뿐만 아니라 ISO-M 재료들 (스테인리스 강들) 의 본 발명의 드릴링용 공구의 사용을 포함한다.

도 1 은 경질 금속, 서멧, 세라믹스, 강 또는 고속 강의 베이스 바디 (4) 상의 본 발명의 코팅을 개략적으로 도시하고, 상기 코팅은 PVD 프로세스에서 상기 베이스 바디 상에 증착된 다층의 마모 방지 코팅이고 제 1 코트 (1), 서로의 상부에 교대로 배열된 제 1 층들 (2a) 및 제 2 층들 (2b) 의 시퀀스로 이루어진 제 2 코트 (2) 및 본 명세서에서 커버링 코트로서 형성된 경질 재료 코트 (3) 로 제조된다. 도 1 의 상부 묘사에서 "A" 로 표시된 원은 서로의 상부에 교대로 배열되고 본 명세서에서 "TiSiN-서브" 및 "AlCrN-서브" 로 기재된 TiSiN 서브 층들 및 AlCrN 서브 층들 각각으로 이루어진 본질적으로 제 1 층 (2a) 의 도 1 의 하부 묘사에서 확대하여 도시된 상세부를 특징으로 한다.
도 2 는 실시예들에서 설명된 본 발명의 코팅 (ERF2) 의 X 선 디프렉토그램을 도시하고, 상기 X 선 디프렉토그램은 Bragg-Brentano 기하학 (세타-2 세타) 으로 기록된다. 측정된 반영들은 순수한 입방 결정 구조에 대해 예상되는 것과 정확하게 대응한다.

경도 및 E 모듈러스의 측정들

경도 및 E 모듈러스 (보다 정확하게는 소위 말하는 해당 E 모듈러스 (reduced E-modulus)) 는 나노 인덴테이션 (nano indentation) 에 의해서 측정된다. 이 측정에서, 비커스에 따른 다이아몬드 테스트 바디는 층으로 가압되고, 그리고 힘 경로 곡선 (force-path curve) 은 측정 동안 기록된다. 그 다음에, 이 곡선으로부터, 테스트 바디의 기계적 특성값들, 특히 경도 및 (해당) E 모듈러스를 계산할 수 있다. 본 발명에 따른 층의 경도 및 E 모듈러스를 결정하기 위하여, Helmut Fischer GmbH (Sindelfingen, Germany) 에 의해서 제조된 Fischerscope® Picodentor HM500 XYp 가 사용되었다. 압흔 (impression) 깊이는 층 두께의 10% 를 넘지 않아야 하고, 그렇지 않으면 기재의 특성들이 측정들을 왜곡시킬 수 있다. 측정들은 15 mN 의 테스트 부하를 사용하여 수행되었다. 제 1 단계에서, 테스트 부하는 직선으로 상승하는 방식으로 20 초 이내에서 가해지고 나서, 테스트 부하는 10 초 동안 유지되고, 그리고 제 3 단계에서, 테스트 부하는 20 초 이내에서 0 으로 다시 감소되고, 그리고 테스트 바디가 들어 올려진다.

표면 거칠기의 측정

표면 거칠기는 HOMELEL ETAMIC GmbH (Schwenningen, Germany) 에 의해서 제조된 측정 디바이스 Hommel-ETAMIC TURBO WAVE V7.32 (탐침 : TKU300 - 96625_TKU300/TS1; 측정 범위 : 80㎛; 테스트 경로 : 4.8mm; 속도 : 0.5 mm/s) 를 사용하여 연마된 테스트 표면들에서 측정되었다.

실시예들

실시예 1

본 발명 공구들 및 비교 공구들의 제조

이 실시예에서, 경질 금속 인덱서블 절삭 인서트들 (SUB2) 뿐만 아니라 솔리드 경질 금속 (SHM) 드릴들 (SUB1) 용 기재들에는 본 발명의 코팅들 및 선행 기술의 비교 코팅들이 제공되었다.

솔리드 경질 금속 (SHM) 드릴 (SUB1) 의 사양

직경: 8.5 mm

공칭 드릴링 깊이: 5 x d

절삭날들의 수: 2

절삭날들의 길이: 직경의 50%

플루트들의 나선 각도: 약 30°

선단 각도: 140°

기재 재료: 90 원자% WC, 9.2 원자% Co 및 0.8 원자% Cr 을 포함하고 0.7 ㎛ 의 평균 WC 결정립 사이즈를 갖는 경질 금속

경질 금속 인덱서블 절삭 인서트들 (SUB2) 의 사양

기하학: P6001

기재 재료: 88 원자% WC, 10.5 원자% Co 및 1.5 원자% 혼합 탄화물들 (TiC, TaC 및 NbC) 을 포함하고 약 5 ㎛ 의 평균 WC 결정립 사이즈를 갖는 경질 금속

경질 금속 인덱서블 절삭 인서트들 (SUB2) 의 사양

직경: 18 mm

공칭 드릴링 깊이: 5 x d

절삭날들의 수: 2

절삭날들의 길이: 직경의 50%

플루트들의 나선 각도: 약 20°

선단 각도: 140°

기재의 사전 및 사후 처리들

기재들의 코팅 전에, 메인 절삭날들은 브러싱에 의해서 20 내지 60 ㎛ 의 반경으로 절삭날 라운딩을 거치게 되었고, 플루트들은 커런덤을 사용하여 습식 블라스팅에 의해서 평활화되었고, 그리고 기재는 습식 화학적으로 클리닝되었다. 기재들의 코팅 후, 플루트들은 커런덤을 사용하여 습식 블라스팅에 의해서 평활화되었다. 사전 및 사후 처리들은 비교 공구들 뿐만 아니라 본 발명에 따라 코팅된 공구들로 동일한 방식으로 수행되었다.

본 발명의 코팅 (ERF1 및 ERF2) 의 제조

전체 코팅은 증착 프로세스를 중단하지 않으면서 단일 실행으로 아크 기상 증착에 의해서 증착되었다.

제 1 코트 : 먼저, 1.7 ㎛ 두께의 단일층의 제 1 TiAlN 코트 (1) 는 2 개의 TiAl 혼합 타겟들 (Ti:Al = 50:50) 로부터 기재 표면 상에 증착되었다 (바이어스: 50 V DC; 4 Pa 질소; 각각 160 A 증발기 전류; 증착 온도: 550℃).

제 2 코트 : 서로의 상부에 교대로 배열되는 TiAlCrSiN 의 제 1 층들 (2a) 및 TiAlN 의 제 2 층들 (2b) 각각의 40 개의 시퀀스로 이루어진 다층 제 2 코트 (2) 는 제 1 코트 위에 증착되었다.

TiAlCrSiN 의 제 1 층들 (2a) 각각은 서로의 상부에 교대로 증착된 4 개의 TiSiN 서브 층들 및 4 개의 AlCrN 서브 층들로 이루어졌다. TiSiN 서브 층들은 2 개의 TiSi 혼합 타겟들 (Ti:Si = 85:15) 로부터 증착되었고, 그리고 AlCrN 서브 층들은 2 개의 AlCr 혼합 타겟들 (Al:Cr = 70:30) 로부터 증착되었다 (바이어스: 60 V DC; 4 Pa 질소; 각각 160 A 증발기 전류; 증착 온도 550℃). 개별적인 서브 층들의 두께는 TiAlCrSiN 의 제 1 층들 (2a) 각각이 약 40 nm 의 두께를 갖도록 약 5 nm 였다.

TiAlN 의 제 2 층들 (2b) 은 2 개의 Ti-Al 혼합 타겟들 (Ti:Al = 50:50) 로부터 증착되었다 (바이어스: 60 V DC; 4 Pa 질소; 각각 160 A 증발기 전류; 증착 온도 550℃). TiAlN 의 제 2 층들 (2b) 각각의 두께는 약 40 nm 였다.

제 3 코트 : 제 1 발명 코팅 (ERF1) 의 경우, 단일층 제 3 TiSiN 코트 (3) 는 2 개의 Ti-Si 혼합 타겟들로부터 0.2 ㎛ 의 두께를 갖는 장식 코트로서 제 2 코트 위에 증착되었다 (바이어스: 30 V DC; 3.5 Pa 질소; 각각 180 A 증발기 전류; 증착 온도 480℃). 이 코트의 증착을 위하여, 증착 온도는 이전의 코트들 보다 약간 낮게 선택되어 냉각 프로세스를 가속시키고 전체 프로세스 시간을 조금 단축시켰다.

제 2 발명 코팅 (ERF2) 은 제 1 코트 (1) 및 제 2 코트 (2) 만을 포함하나 제 3 코트 (3) 는 포함하지 않는다. 제 2 코트 (2) 에 대한 측정들, 예를 들면, 경도 측정들 또는 X 선 구조 분석을 위하여, 제 1 코트 (1) 및 그 위에 증착된 제 2 코트 (2) 만을 갖고 제 3 코트 (3) 는 갖지 않는 제 2 발명 코팅 (ERF2) 을 갖는 코팅된 공구들이 사용되었다. 가공 테스트들의 경우, 본 발명의 코팅들 중 하나 (ERF1 또는 ERF2) 가 사용되는지를 개별적으로 나타낸다.

PVD 프로세스에서의 증착 온도는 코팅전에 기재의 청결도에 중요한 영향을 미친다. 온도가 높을수록 이전 작동 단계들로부터 공구 상의 더 많은 불순물들이 각각 제거되거나 단순히 증발된다. HSS 강으로 제조된 기재들의 경우, 증착 온도들은 종종 양호한 클리닝과 기재에 대한 열적 손상들의 회피 사이의 절충안이다. 경질 금속 기재들의 경우, 이런 절충안들이 필요하지 않다.

비교 코팅들 (VGL1, VGL2 및 VGL3) 의 제조

비교 코팅 1 (VGL1):

기재 표면 상에는 접착성 개선을 위한 프라이머 층 시스템이 먼저 증착되었고, 상기 시스템은 TiN 층 및 TiAlN 층으로 이루어진다. TiN 층은 2 개의 Ti 타겟들로부터 증착되었다 (바이어스: 200 V DC; 0.8 Pa 질소; 각각 180 A 증발기 전류; 증착 온도 450℃). TiN 층의 두께는 약 100 nm 였다. TiAlN 층은 2 개의 Ti-Al 혼합 타겟들 (Ti:Al = 50:50) 및 2 개의 Ti 타겟들로부터 증착되었다 (바이어스: 40 V DC; 3.2 Pa 질소; 200 A 증발기 전류 (Ti 타겟들), 210 A 증발기 전류 (TiAl 타겟들); 증착 온도: 450℃). TiAlN 층의 두께는 약 40 nm 였다.

이어서, TiAlN 및 TiN 으로 이루어진 층들 각각의 11 개의 시퀀스의 다층 코트가 서로의 상부에 교대로 증착되었다. TiAlN 층들은 2 개의 Ti-Al 혼합 타겟들 (Ti:Al = 50:50) 및 2 개의 Ti 타겟들로부터 증착되었고, 그리고 TiN 층들은 2 개의 Ti 타겟들로부터 증착되었다 (바이어스: 40 V DC; 3.2 Pa 질소; 200 A 증발기 전류 (Ti 타겟들), 210 A 증발기 전류 (TiAl 타겟들); 증착 온도: 450℃). 코팅은 총 두께가 약 3,300 nm 가 되도록 TiAlN 층들 각각의 두께는 약 200 nm 였고, 그리고 TiN 층들 각각의 두께는 약 100 nm 였다.

더 높은 Al 함량을 갖는 TiAlN 코트는 2 개의 Ti 타겟들로부터 커버링 층으로서 증착되었다 (바이어스: 40 V DC; 3.2 Pa 질소; 210 A 증발기 전류; 증착 온도: 450℃). TiAlN 층의 두께는 약 500 nm 였다.

비교 코팅 2 (VGL2):

기재 표면 상에는 접착성을 개선시키기 위하여 프라이머 층이 먼저 증착되었다. 이 프라이머 층의 파라미터들은 다음과 같다 : 4 개의 AlCr 혼합 타겟들 (Al:Cr = 70:30); 증발기 전류: 각각 160A; 압력: 3.5 Pa 질소; 50 V DC 바이어스; 온도: 480℃; 층 두께: 약 100nm.

이어서, 서로의 상부에 교대로 증착되는 TiSiN 및 AlCrN 의 층들 각각의 10 개의 시퀀스의 다층 코트가 증착되었다. 이들 층들 각각은 4 개의 서브 층들로 이루어졌다. 제 1 서브 층은 180 A 의 증발기 전류로 2 개의 TiSi 혼합 타겟들 (Ti:Si = 85:15) 및 150 A 의 증발기 전류로 4 개의 AlCr 혼합 타겟들 (Al:Cr = 70:30) 로부터 제조되었다. 나머지 파라미터들은 다음과 같다 : 압력: 3.5 Pa 질소; 30 V DC 바이어스; 온도: 480℃; 서브 층 두께: 약 50 nm. 제 2 서브 층은 180 A 의 증발기 전류로 2 개의 TiSi 혼합 타겟들 (Ti:Si = 85:15) 로부터 제조되었다. 나머지 파라미터들은 다음과 같다 : 압력: 3.5 Pa 질소; 바이어스: 30 V DC; 온도: 480℃; 서브 층 두께: 약 50 nm. 제 3 서브 층은 제 1 층과 동일한 구조 및 동일한 코팅 두께를 가졌다. 제 4 서브 층은 4 개의 AlCr 혼합 타겟들 (Al:Cr = 70:30) 을 사용하여 제조되었다. 파라미터들은 다음과 같다 : 증발기 전류: 160A; 압력: 3.5 Pa 질소; 바이어스: 40 V DC; 온도: 480℃; 서브 층 두께: 약 200nm.

또한, 커버링 층은 다층 시스템 상에 증착되었다. 이 커버링 층에 대한 파라미터들은 다음과 같다 : 2 개의 TiSi 혼합 타겟들 (Ti:Si = 85:15); 증발기 전류: 각각 180A; 압력: 3.5 Pa 질소; 바이어스: 30 V DC; 온도: 480℃; 층 두께: 약 300nm.

비교 코팅 3 (VGL3):

비교 코팅 3 (VGL3) 은 비교 코팅 1 과 비교 코팅 2 의 조합이였다. 우선, 비교 코팅 1 (VGL1) 은 전술한 방법에 따라 기재 표면 상에 증착되었다. 이어서, 코팅된 기재 바디는 냉각되었고, 코팅 반응기로부터 제거되었고, 습식 블라스팅에 의해서 플루트가 평탄화되었고, 그리고 최종적으로 코팅 반응기 내로 재도입되어 전술한 방법에 따른 비교 코팅 2 (VGL2) 를 증착하였다.

코팅들의 기계적 특성들

본 발명의 코팅 (ERF2) (제 3 코트 (3) 없음) 및 비교 코팅들 (VGL1 및 VGL2) 의 경도 및 E 모듈러스는 전술한 바와 같이 측정되었고, 그리고 하기 표 1 에 표시된다.

게다가, 코팅된 공구들의 최대 작동 온도는 문헌 지시들에 근거하여 평가되었다. 많은 작동 케이스들에서, 공지된 TiAlN 코팅들은 최대 900℃ 의 작동 온도를 갖는다.

표 1

실시예 2

가공 테스트들

실시예 1 에 따라 제조된 공구들은 가공 테스트들 (드릴링) 에서 비교되었다.

가공 테스트 1

코팅들 (ERF2, VGL1, VGL2 및 VGL3) 을 각각 갖는 솔리드 경질 금속 드릴들 (SUB1) 을 사용하여, 850 N/㎟ 의 강도를 갖는 합금강 재료, 42 CrMo4 (EN10027-2 에 따른 1.7225) 에서 18 mm 의 깊이의 블라인드 홀들이 제조되었다 (v_c = 120 m/min; f = 0.23 mm/U; KSS 5% 및 20 bar 의 내부 냉각).

가공은 V_b > 0.2 mm 의 평균 플랭크 마모 또는 V_bmax > 0.25 mm 의 최대 플랭크 마모에서 종료되었고, 그리고 그때까지 도달된 공구 수명 거리가 결정되었다. 결과들은 3 개의 테스트들의 평균 공구 수명 거리로서 하기 표 2 에 표시된다.

표 2

본 발명의 코팅을 갖는 공구들은 비교 코팅들을 갖는 공구들 보다 상당히 더 높은 평균 공구 수명 거리들에 도달했다.

가공 테스트 2

코팅들 (ERF2 및 VGL3) 을 각각 갖는 솔리드 경질 금속 드릴들 (SUB1) 을 사용하여, 600 N/㎟ 의 강도를 갖는 비 합금강 재료 (EN10020 에 따른 C45E, DIN 17200 에 따른 Ck 45 에 대응) 에서 40 mm 의 깊이의 블라인드 홀들이 제조되었다 (v_c = 175 m/min; f = 0.3 mm/U; KSS 5% 및 20 bar 의 내부 냉각).

가공은 V_b > 0.2 mm 의 평균 플랭크 마모 또는 V_bmax > 0.25 mm 의 최대 플랭크 마모에서 종료되었고, 그리고 그때까지 도달된 공구 수명 거리가 결정되었다. 결과들은 3 개의 테스트들의 평균 공구 수명 거리로서 하기 표 3 에 표시된다.

표 3

본 발명의 코팅을 갖는 공구들은 비교 코팅들을 갖는 공구들 보다 상당히 더 높은 평균 공구 수명 거리들에 도달했다. 본 발명에 따라 코팅된 공구들의 결과들 중 편차는 또한 비교 공구들의 경우 보다 더 작았다.

가공 테스트 3

전술한 홀더 뿐만 아니라 코팅들 (ERF2 및 VGL3) 을 갖는 인덱서블 절삭 인서트들 (SUB2) 을 사용하여, 주철 재료 (EN1561 에 따른 EN-GJL-250, DIN 1691 에 따른 GG25 에 대응) 에서 52 mm 의 깊이의 블라인드 홀들이 제조되었다 (v_c = 160 m/min; f = 0.28 mm/U; KSS 5% 및 20 bar 의 내부 냉각).

가공은 V_b > 0.3 mm 의 평균 플랭크 마모 또는 V_bmax > 0.4 mm 의 최대 플랭크 마모에서 종료되었고, 그리고 그때까지 도달된 공구 수명 거리가 결정되었다. 결과들은 3 개의 테스트들의 평균 공구 수명 거리로서 하기 표 4 에 표시된다.

표 4

가공 테스트 4

코팅들 (ERF1, ERF2 및 VGL3) 을 각각 갖는 솔리드 경질 금속 드릴들 (SUB1) 을 사용하여, 600 N/㎟ 의 강도를 갖는 비 합금강 재료 (EN10020 에 따른 C45E, DIN 17200 에 따른 Ck 45 에 대응) 에서 20 mm 의 깊이의 블라인드 홀들이 제조되었다 (vc = 170 m/min; f = 0.3 mm/U; KSS 5% 및 20 bar 의 내부 냉각).

가공은 V_b > 0.25 mm 의 평균 플랭크 마모 또는 V_bmax > 0.3 mm 의 최대 플랭크 마모에서 종료되었고, 그리고 그때까지 도달된 공구 수명 거리가 결정되었다. 결과들은 하기 표 5 에 표시된다.

표 5

본 발명의 코팅을 갖는 공구들은 비교 코팅들을 갖는 공구들 보다 상당히 더 높은 평균 공구 수명 거리들에 도달했다. 본 발명에 따라 코팅된 공구들의 결과들 중 편차는 또한 비교 공구들, 특히 본 발명 코팅 (ERF1) 을 갖는 공구들의 경우 보다 더 작았다.

Claims

경질 금속, 서멧, 세라믹스, 강 또는 고속 강의 베이스 바디와, PVD 프로세스에 의해서 상기 베이스 바디 상에 증착된 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구로서, 상기 마모 방지 코팅은:
a) 상기 베이스 바디 상에 증착되고, 그리고 조성 Ti_aAl_(1-a)N (0.4≤a≤0.6) 및 0.5 ㎛ 내지 4 ㎛ 의 코팅 두께를 갖는 제 1 코트 (1),
b) 상기 제 1 코트 상에 증착되고, 그리고 서로의 상부에 교대로 배열되는 제 1 층들 (2a) 및 제 2 층들 (2b) 각각의 10 내지 80 개의 시퀀스로 이루어진 제 2 코트 (2) 로서, 상기 제 1 층들 (2a) 및 상기 제 2 층들 (2b) 각각은 5 nm 내지 100 nm 의 층 두께를 갖는, 상기 제 2 코트 (2) 를 포함하고,
상기 제 1 층 (2a) 은 원소들 Ti, Al, Cr 및 Si 의 질화물들을 포함하고, 그리고
상기 제 2 층 (2b) 은 Ti_xAl_(1-x)N (0.4≤x≤0.6) 의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는, 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 마모 방지 코팅은 상기 제 2 코트 (2) 위에 적어도 하나의 추가의 경질 재료 코트를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 PVD 프로세스는 아크 기상 증착 (아크 PVD) 인 것을 특징으로 하는, 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 코트 (1) 는 단일층으로 이루어지고, 그리고/또는 1 내지 3 ㎛ 범위 내의 층 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 코트 (2) 는 서로의 상부에 교대로 배열되는 상기 제 1 층들 (2a) 및 상기 제 2 층들 (2b) 각각의 15 내지 70 개의 시퀀스로 이루어지고, 그리고/또는
상기 제 2 코트 (2) 의 상기 제 1 층들 (2a) 및 상기 제 2 층들 (2b) 각각은 10 nm 내지 60 nm 의 층 두께를 갖고, 그리고/또는 상기 제 2 코트 (2) 는 0.5 ㎛ 내지 10 ㎛ 의 코팅 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마모 방지 코팅은 상기 제 2 코트 (2) 위에 증착되고, 조성 Ti_bSi_(1-b)N (0.70≤b≤0.98) 및 0.05 ㎛ 내지 1 ㎛ 의 두께를 갖는 경질 재료 코트로서의 제 3 코트 (3) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 코트 (2) 의 상기 제 1 층 (2a) 은 조성들 Ti_ySi_(1-y)N (0.70≤y≤0.98) 및 Al_zCr_(1-z)N (0.6≤z≤0.8) 각각의 서브 층들 각각이 서로의 상부에 교대로 증착되는 것의 2 내지 40 개를 포함하고, 그리고
상기 서브 층들 각각의 두께는 0.5 nm 내지 15 nm 인 것을 특징으로 하는, 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
조성들 Ti_ySi_(1-y)N (0.70≤y≤0.98) 및 Al_zCr_(1-z)N (0.6≤z≤0.8) 각각의 서브 층들로 이루어진 상기 제 1 층 (2a) 은 X 선 디프렉토그램 (diffractogram) 으로 검증가능한 입방 면심 결정 구조 (cubic face-centered crystal structure) 를 갖는 것을 특징으로 하는, 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공구의 절삭날들은 10 내지 100 ㎛ 범위 내의 반경의 절삭날 라운딩이 제공되는 것을 특징으로 하는, 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마모 방지 코팅은 3000 내지 4500 의 비커스 경도 (HV), 및/또는 380 GPa 초과의 탄성 계수 (E 모듈러스) 를 갖는 것을 특징으로 하는, 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구.
제 10 항에 있어서,
상기 탄성 계수 (E 모듈러스) 는 420 GPa 초과인 것을 특징으로 하는, 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마모 방지 코팅은 10 ㎛ 의 길이를 따라 측정된 1.0 ㎛ 이하의 평균 표면 거칠기 (Ra) 를 갖는 것을 특징으로 하는, 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공구는 경질 금속으로 제조된 베이스 바디를 포함하고,
상기 경질 금속은 5 내지 15 원자% 의 Co, 0 내지 2 원자% 의 Cr, 0 내지 3 원자% 의 주기율표의 하위 그룹들 4A, 5A 및 6A 의 원소들의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 옥시탄화물, 옥시질화물 및/또는 옥시탄질화물, 및 잔부 WC 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공구는 철 재료들의 가공을 위한 솔리드 경질 금속 드릴 또는 인덱서블 절삭 인서트로서 설계되는 것을 특징으로 하는, 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구의 제조 방법으로서,
다층의 마모 방지 코팅은 PVD 프로세스에 의해서, 경질 금속, 서멧, 세라믹스, 강 또는 고속 강으로 제조된 베이스 바디 상에 증착되고,
(a) 상기 베이스 바디의 표면 상에, 조성 Ti_aAl_(1-a)N (0.4≤a≤0.6) 및 0.5 ㎛ 내지 4 ㎛ 의 코팅 두께를 갖는 제 1 코트 (1) 가 증착되고,
(b) 상기 제 1 코트 (1) 상에, 제 2 코트 (2) 는 서로의 상부에 교대로 배열되는 제 1 층들 (2a) 및 제 2 층들 (2b) 각각의 10 내지 80 개의 시퀀스로 증착되고, 상기 제 1 층들 (2a) 및 상기 제 2 층들 (2b) 각각의 층 두께가 5 nm 내지 100 nm 이고,
상기 제 1 층들 (2a) 의 증착은 조성들 Ti_ySi_(1-y)N (0.70≤y≤0.98) 및 Al_zCr_(1-z)N (0.6≤z≤0.8) 를 각각 갖고 서브 층들의 각각의 두께가 0.5 nm 내지 15 nm 인 상기 서브 층들 각각이 서로의 상부에 교대로 증착되는 것에 의해서 수행되고, 그리고
상기 제 2 층 (2b) 은 TixAl(1-x)N (0.4≤x≤0.6) 의 조성을 갖는, 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구의 제조 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 제 2 코트 (2) 위에 조성 Ti_bSi_(1-b)N (0.70≤b≤0.98) 및 0.05 ㎛ 내지 1 ㎛ 의 두께를 갖는 경질 재료 코트로서의 제 3 코트 (3) 가 증착되는 것을 특징으로 하는, 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구의 제조 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 마모 방지 코팅의 증착후, 상기 공구는 하나 이상의 사후 처리 단계들을 거치게 되고,
(a) 상기 공구의 적어도 메인 절삭날들은 브러싱에 의해서 절삭날 라운딩을 거치게 되고, 그리고/또는
(b) 경사면 또는 플루트의 표면은 연마 습식 블라스팅에 의해서 평활화되고, 그리고/또는
(c) 상기 경사면 또는 상기 플루트의 상기 표면은 연마 또는 컴팩팅 건식 블라스팅에 의해서 평활화되고, 그리고/또는
(d) 상기 경사면 또는 상기 플루트의 상기 표면은 드래그 피니싱에 의해서 평활화되고, 그리고/또는
(e) 상기 공구는 습식 화학적으로 클리닝되는 것을 특징으로 하는, 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공구는 금속 재료들의 드릴링을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는, 다층의 마모 방지 코팅을 갖는 공구.