KR20020040589A

KR20020040589A - 산화물로 코팅된 절삭공구

Info

Publication number: KR20020040589A
Application number: KR1020010072630A
Authority: KR
Inventors: 륭베르크뵈른; 부트진스키라르스-안더스
Original assignee: 레나르트 태퀴스트; 산드빅 악티에볼라그
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2001-11-21
Publication date: 2002-05-30
Also published as: KR100832899B1; JP2002205205A; ATE277205T1; EP1209255A3; US6713172B2; US6902764B2; IL146430A0; SE0004272D0; SE519339C2; EP1209255A2; US20020122701A1; US20040144302A1; JP4598814B2; EP1209255B1; JP2008073847A; DE60105739T2; IL146430A; DE60105739D1; SE0004272L

Abstract

본 발명에 따르면, 적어도 하나의 층이 근본적으로 α-Al₂O₃로 이루어지는 1개 이상의 내열층으로 적어도 부분코팅된 몸체가 제공된다. 상기 α-Al₂O₃층은 평균 입자크기가 0.5 내지 1㎛ 사이를 갖는 조대 입자와 평균 입자크기가 0.5㎛ 보다 작은 미세 입자로 구성된 바이모들(bimodal)식 입자크기 분포를 갖고 평균 입자 크기가 1㎛ 보다 작은 근본적으로 등축 입자로 이루어진다. 또한 Al₂O₃층은 티타늄(＞5%)을 함유하지만 질소나 카본은 합유하지 않는 줄무늬 부분을 포함한다. 상기 특정 미소구조는 Al₂O₃층의 성장에 필요한 가스를 일시적으로 차단하고 TiCl₄를 주입함으로써 얻어진다.

Description

산화물로 코팅된 절삭공구{OXIDE COATED CUTTING TOOL}

본 발명은 칩을 형성하는 기계가공을 위한 코팅된 절삭공구에 관한 것이다. 코팅층은 미세한 등축 입자를 특징으로 하는 적어도 하나의 알루미나(Al₂O₃) 층을포함한다.

일반적으로 기타 금속 합금 및/또는 질화물층을 갖는 다층의 조합을 이루며, 수년동안 화학증착(Chemical Vapour Deposition : CVD)을 사용하여 다양한 형태의 Al₂O₃층, 예를 들어 순수한 κ-Al₂O₃, κ-Al₂O₃와 α- Al₂O₃의 혼합물, 조대 입자를 가진 α- Al₂O₃및 미세한 입자조직을 가진 α- Al₂O₃의 Al₂O₃층으로 코팅된 초경합금 절삭공구가 상용화되어 왔으며, 여기서, 금속은 주기율표의 IVB, VB 및 VIB 족의 전이금속으로부터 선택되고있다.

Al₂O₃는 몇가지의 상이한 상(α, κ, γ, δ, θ등)을 결정(結晶)화 된다. CVD로 생산되는 내마모성 Al₂O₃층에서 가장 흔히 존재하는 두가지 상은 열역학적으로 안정적인 α-상과 준안정적인 κ-상 또는 그것의 혼합물이다. 일반적으로, κ-상은 0.5 내지 3.0㎛ 범위의 입자크기를 나타내며, 상기 입자는 원주형의 코팅구조를 형성하고 있는 전체 코팅을 통하여 우세하게 성장한다. 더욱이, κ-Al₂O₃층은 어떠한 결정학적 결함도 가지고 있지 않으며 또한 미공(micropore) 및 공극을 가지고 있지 않다.

조대 입자 구조(3 내지 6㎛)를 가지는 α- Al₂O₃는 흔히 다공성 및 결정학적 결함을 가지는 반면, 미세한 입자조직을 가진 α- Al₂O₃는 매우 뚜렷한 원주형 입자가 갖는 결함을 가지고 있지 않다.

US 5,674,564호에는 낮은 증착 온도 및 고농도의 황 도핑제(sulphur dopant)를 사용함으로써 미세한 입자를 가지는 κ-알루미나층을 성장시키는 방법이 개시되어 있다.

US 5,487,625호에는 단면이 작은(대략 1㎛)의 원주형 입자로 이루어지는 미세한 입자로 된, (102)-조직 α- Al₂O₃층을 얻기 위한 방법이 개시되어 있다.

US 5,776,782호에는 미세한 입자로 된 (104)-조직을 가지는 α- Al₂O₃층을 얻기 위한 방법이 개시되어 있다.

상술된 바와 같이, CVD 기술에 의하여 만들어진 모든 Al₂O₃층은 다소간에 원형 입자구조를 갖는다. 하지만, 등축 입자구조를 가지는 Al₂O₃층은 몇가지 기계적 성질, 예를 들어 원주형 입자구조를 가지는 층과 비교하였을 때 크랙 전파에 대한 저항력을 지니는 것으로 기대된다. 원형 입자의 성장을 피할수 있는 한가지 공지된 가능성 있는 기술은 예를 들어 US 4,984,940에 개시된 것과 같은 0.1 내지 1㎛ 정도로 얇은 제2층의 성장에 의하여 Al₂O₃의 원주형 성장이 주기적으로 차단되는 소위 다층 구조를 퇴적시키는 것이다. 상기 제2층은 제1층의 핵재형성(renuclearation)을 일으킬 수 있도록 상이한 결정구조 또는 적어도 다른 격자 간격을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 기술의 일례로, 예를 들어 제12차 유럽 CVD 회의 발표문집 페이지 pr.8-349를 참조하면, 짧은 TiN 퇴적 처리에 의하여 Al₂O₃성장이 주기적으로 차단될 때, 대략 0.1 내지 1㎛의 두께를 갖는 개별 TiN-층으로 이루어진 (Al₂O₃+TiN)xn 다층 구조가 생긴다. 하지만, 상기 다층 구조는 두개의 다른 유형의 층들 사이의 낮은 접착성이 자주 문제가 된다.

본 발명의 목적은 경질의 기판상에, 또는 바람직하게는 TiC_xN_yO_z층으로 코팅된 경질 기판상에, 상술된 종래 기술의 원주형 α- 또는 κ- Al₂O₃CVD층과는 다른 미소구조를 갖는 적어도 하나의 단일 상의 α- Al₂O₃층을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 발명된 Al₂O₃층을 포함하는 고성능 공구 코팅을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가적인 목적은 강, 스테인리스 강, 주철 및 특히 구상흑연주철에서 알루미나 코팅된 절삭공구 인서트에 개선된 절삭 성능을 제공하는 것이다.

도 1a는 본 발명에 따른 Al₂O₃층의 스캐닝 전자 현미경(SEM)의 현미경사진,

도 1b는 본 발명에 따른 Al₂O₃층의 폴리싱된 단면을 고배율로 나타낸 SEM 현미경사진,

도 2a는 의 종래 기술 Al₂O₃층을 나타내는 SEM 현미경사진,

도 2b는 종래 기술에 따른 Al₂O₃층의 폴리싱된 단면을 고배율로 나타낸 SEM 현미경사진,

도 3a는 종래 기술의 다층 Al₂O₃/TiN 코팅의 SEM 현미경사진,

도 3b는 종래 기술에 따른 다층 Al₂O₃/TiN의 폴리싱된 단면의 고배율의 SEM 현미경사진이다.

놀랍게도 리액터 챔버에로의 CO₂, AlCl₃, HCl 및 H₂S 가스의 흐름을 방해한 다음 즉시 짧은시간 동안 TiCl₄를 유입시켜(H₂는 리액터내에 이미 존재함) Al₂O₃성장의 진행을 차단함으로써 비원주형 α- Al₂O₃층이 퇴적될 수 있다는 것이 발견되었다. 반응 가스 AlCl₃, HCl, CO₂및 H₂S가 상기 언급된 순서대로 리액터로 다시 들어가는 것이 허용되는 경우, Al₂O₃의 핵재형성이 이루어질 것이다. TiCl₄의 농도 뿐만 아니라 TiCl₄처리의 지속시간도 소정의 결과를 얻기 위하여 최적화 되어야 하는 중요한 변수이다. 상기 TiCl₄농도가 너무 낮고 및/또는 처리시간이 너무 짧다면, Al₂O₃층의 핵재형성은 전체 코팅 표면을 충분히 덮을 수 있을만큼 충분히 조밀하지 않을 것이다. 한편, TiCl₄농도가 너무 높고 및/또는 처리 시간이 너무 길면, Al₂O₃입자 사이의 응집력이 너무 약하여 코팅의 품질이 낮아질 것이다.

따라서 본 발명은 950℃와 1000℃ 사이의 몸체의 온도에서 상기 몸체가 한가지 이상의 알루미늄 할로겐화물과 가수분해제 및/또는 산화제를 함유하는 수소 캐리어가스(carriergas)와 접촉되는 동안 α-알루미나층으로 몸체를 코팅하는 방법에 관한 것이다. Al₂O₃의 핵재형성에 앞서서 CVD-반응기 분위기(atmosphere)의 산화 포텐셜은 H₂O, 수증기, 또는 기타 산화물 종(species)의 전체 농도를 낮은 레벨, 바람직하게는 5ppm 보다 작게 유지된다. Al₂O₃성장은 상이한 조직으로된 Al₂O₃층을 얻기 위하여 종래 기술특허, US 5,487,625호 및 US 5,766,782호에 개시된 작동절차를 사용하거나, 다음의 가스, AlCl₃, HCl 및 CO₂(H₂는 리액터내에 이미 존재함)를 상술된 순서대로 리액션 챔버로 시퀀싱(sequence)함으로써 시작된다. 10 내지 60분후에 황 도핑제, 바람직하게는 H₂S가 가스 혼합물에 첨가된다. CO₂,AlCl₃, HCl 가스 및 황 도핑제의 흐름은 10 내지 50분 간격으로 주기적으로 차단되며, (수소 흐름의) 1 내지 10% TiCl₄가 1 내지 10분 동안 리액터로 들어간 다음 다시 AlCl₃, HCl , CO₂가스 및 황 도핑제의 상술된 순서로 대체된다. 소정 입자크기와 조직을 갖는 줄무늬 바이모들(bimodal)의 α- Al₂O₃층 구조를 얻기 위해서 상기 절차가 반복적으로 수행된다.

종래 기술의 Al₂O₃층의 원주형 입자와는 대조적으로, 본 발명에 따른 Al₂O₃층의 입자는 근본적으로 작은 입자와 큰 입자의 혼합물인 이정점 구조를 갖는 등축으로 되어있다. 얻어진 입자크기 및 그 분포는 수행된 TiCl₄처리의 횟수에 따라 결정된다. 더욱 빈번하게 Al₂O₃진행이 차단되고 Al₂O₃표면이 TiCl₄로 처리될수록, Al₂O₃입자는 더욱 작아질 것이다. 조대한 Al₂O₃는 평균 입자 크기가 d_c≤1㎛이고 미세한 Al₂O₃입자는 평균 입자 크기가 0.1≤d_f≤d_c/3이다.

α- Al₂O₃층의 입자크기는 SEM 평면 현미경사진에서 대략 4000X 배율로 측정될 수 있다. 본 발명에 따른 상기 Al₂O₃층 표면의 현미경사진이 도 1a에 나타내어져 있다. 도 2a 및 도 3a는, 종래 기술의 Al₂O₃층의 현미경사진이 나타내어져 있다. 상기 입자의 크기와 형상은 쉽게 관찰될 수 있다. 또한, 티타늄과 산소를 함유하고 있는 상기 Al₂O₃층에서 줄무늬 부분(striated zones)은 폴리싱된 단면에서 4000 내지 6000X 배율로 볼 수 있다. 또한 어떠한 카본이나 질소도 함유하지 않는 이들 줄무늬 부분은 얼마간의 알루미늄을 함유할 수 있다. 줄무늬 부분은 두께가 ＜0.2㎛인 것이 바람직하며, ㎛ Al₂O₃층 당 상기 줄무늬 부분의 수는 1 내지 10개가 되어야 한다. 이러한 부분들은 상호 밀접하게 연결될 수도 있으나, 거의 다층 구조와 유사하게 되어 있다. Al₂O₃구조내의 이들 줄무늬 부분의 존재가 Al₂O₃입자의 성장을 분명하게 제한하고, 전체적인 중간층 또는 개재층의 부정적인 영향이 없는 핵재형성을 가능하게 한다.

예를 들어 US 특허 5,487,625호 및 US 특허 5,776,782호의 절차에 따라 Al₂O₃층의 초기 성장을 위한 적절한 컨디션을 선택함으로써, TC＞1.3인 조직 계수(texture coefficient)를 갖는 (012)-, (024)- 또는 (104)-방향의 조직으로 된 Al₂O₃층이 퇴적될 수 있다.

상기 조직 계수, TC 는 다음과 같이 정의 된다.

여기서,

I(hkl) = 측정된 (hkl) 리플렉션의 강도

I_O(hkl) = ASTM 표준 파워 패턴 회절 데이타의 표준 강도

n = 계산에 사용된 리플렉션의 수, 사용된 (hkl) 리플렉션은 (102), (104), (110), (113), (024), (116)임.

보다 상세하게는, 코팅된 몸체는 초경합금, 서멧(cermet), 세라믹 또는 초경질재의 지지층(substrate) 및 적어도 그것의 표면의 작용면이 경질 내마모성 재료로 코팅이 된 절삭공구를 포함하여 이루어진다. 상기 코팅에서 적어도 하나의 층은 본 발명에 따른 단일 상의 α- Al₂O₃층이며, 상기 단일 상의 α- Al₂O₃층의 두께범위는 0.5 내지 25㎛ 이다. 코팅 구조체의 기타 층들은 TiC 또는 주기율표의 IVB, VB,및 VIB 족으로부터 선택되는 금속, 원소 B, Al 및 Si 및/또는 그것의 혼합물의 카바이드, 니트라이드, 카본니트라이드, 옥시카바이드 및 옥시카보니트라이드와 관련될 수 있다. 상기 기타 층들은 CVD, PACVD(플라즈마 CVD), PVD(물리적 증착) 또는 MT-CVD(적정 온도(moderate temperature) CVD)에 의하여 퇴적된다. 상기 기타 층들 가운데 적어도 하나는 지지층과 접촉되어 있다. 절삭공구 코팅의 총 두께는 1 내지 30 ㎛ 사이에서 변할 수 있다.

실시예 A

6 중량%의 Co 및 밸런스 WC의 조성을 갖는 CNMG 120412-KM형의 초경합금 절삭 인서트 TiCl₄, H₂, N₂및 CH₃CN을 처리가스로 이용하는 MTCVD-기술을 사용하여 5㎛ 두께의 Ti(C, N)의 층으로 코팅하였다. 동일한 코팅 사이클 동안의 연속적인 처리 단계에서, 대략의 조성이 x=0.5, y=0.3 및 z=0.2에 대응하는 0.5㎛의 TiC_xN_yO_z층이 퇴적된 후, 본 발명의 코팅 공정에 따라 퇴적된 6㎛의 Al₂O₃층이 퇴적된다. Al₂O₃층의 핵재형성에 선행하여 캐리어 가스 H₂(리액터내에 존재하는 유일한 가스)의 산화 포텐셜, 즉 수증기 농도는 분명히 5 ppm 보다 작은, 저 레벨로 설정되었다.

그 다음 제1Al₂O₃층의 단계 1이 시작되었다. Al₂O₃의 증착시의 공정조건은 아래와 같다.

단계	1	2	3	4
CO₂	4%	4%	0%	4%
AlCl₃	4%	4%	0%	4%
H₂S	-	0.2%	0%	0.2%
HCl	1.5%	5%	0%	5%
H₂	밸런스	밸런스	밸런스	밸런스
TiCl₄	-	-	5%	-
압력	60mbar	60mbar	60mbar	60mbar
온도	1000℃	1000℃	1000℃	1000℃
지속시간	30분	20분	5분	20분

Al₂O₃층은 1, 2 및 3단계를 거쳐 처리되고, 그 후 3단계와 2단계 사이를 9차례 반복(looping)하고 4단계에 의하여 상기 공정을 끝마침으로써 퇴적되었다. 따라서, Al₂O₃의 진행이 차단되었고 총 10회 TiCl₄/H₂로 처리되었다.

퇴적된 Al₂O₃층의 XRD-분석에서는 조직 계수 TC(012)가 1.7인 (012) 평면과 TC(024)가 1.5(024)인 평면을 가지는 강력하게 조직된 구조를 보여주었다.

최상면으로부터 취한 SEM-현미경사진에서는, 도 1a와 유사한 입자크기가 측정되었다. 조대 입자의 평균 입자크기는 0.9㎛이었고, 미세 입자의 평균 입자크기는 0.3㎛이었다.

실시예 B

실시예 A의 초경합금 지지층이 Al₂O₃처리가 종래 기술에 따라 시행되었다는 점을 제외하고는 실시예 A에서 상술된 바와 같이 Ti(C, N)(5㎛), 0.5㎛ TiC_xN_yO_z층 및 Al₂O₃(6㎛)으로 코팅되었으며, 즉 이러한 공정은 TiCl₄처리가 배제되었다는 점을 제외하고는 실시예 A에서 상술된 바와 동일한 공정을 나타내며, 그 처리시간은290분이었다. 본 실시예에서는 평균 입자 크기가 대략 2㎛인 본질적으로 κ- Al₂O₃상으로 이루어지는 Al₂O₃-층이 생성되었다(도 2a).

실시예 C

실시예 A의 초경합금 지지층은 단계 3이 종래 기술의 TiN-처리 단계로 대체되었다는 점을 제외하고는 실시예 A에서 설명된 바와 같이 최상부상에 Ti(C, N)(5㎛), 0.5㎛ TiC_xN_yO_z층 및 6㎛의 다층 Al₂O₃코팅으로 코팅되었다. 상기 TiN-단계를 위한 처리 변수는 다음과 같이 2% TiCl₄, 40% N₂, 58% H₂, 및 처리시간 3분이었다. 본 실시예에서는 11개의 Al₂O₃층과 10개의 얇은 TiN층으로 이루어지는 다층의 코팅이 생성되었다. 상기 Al₂O₃층은 κ- Al₂O₃상을 이루도록 결정되었다.

실시예 A, B 및 C의 코팅된 공구인서트는 코팅 표면을 매끄럽게 하기 위하여 150 메쉬(mesh)의 Al₂O₃분말로 모두 웨트 블라스팅(wet blast)되었다.

그 다음 상기 커팅 인서트는 구상흑연주철의 면삭작업(facing operation)에서 플레이킹(flaking)된 에지라인 및 경사면 플레이킹에 대한 테스트가 실시되었다. 기계가공된 작업대상물의 형상은 커팅 에지가 매번의 회전동안 2번 단속되는 형상이었다.

커팅 데이터:

속도 = 170m/min

절삭 깊이 = 2.0mm 및

피드 = 0.1mm/rev.

공작물 면에 걸쳐 상기 인서트에 의하여 한번 커팅되었다. 구상흑연주철을 커팅할 때, 상기 테스트는 매우 결정적이며 꼭 필요한 것이다.

테스팅된 각각의 인서트에 대하여, 초경합금 지지층안으로 플레이킹이 발생된 절삭에서의 에지라인의 퍼센테이지뿐만 아니라 커팅 인서트의 경사면상에 나타난 플레이킹 정도(extent flaking)가 기록되었다.

상기 결과는 4개의 인서트의 평균값으로서 아래의 표에 표시되어 있다.

	플레이킹
	에지 라인	경사면
A) α- Al₂O₃단일 형상/줄무늬 있음(본 발명에 따름)	0%	Al₂O₃층의 점과 같은(spot-wise) 플레이킹만
B) κ- Al₂O₃(종래기술)	90%	심한 Al₂O₃-플레이킹
C) 다층의 Al₂O₃/TiN(종래기술)	70%	TiN과 Al₂O₃층 사이의 플레이킹

본 발명에 의하면 경질의 지지층상에, 또는 바람직하게는 TiC_xN_yO_z층으로 코팅된 경질 지지층상에, 상술된 종래 기술의 원주형 α- 또는 κ- Al₂O₃CVD층과는 다른 미소구조를 갖는 적어도 하나의 단일 상의 α- Al₂O₃층을 제공하고, 발명된 Al₂O₃층을 포함하는 고성능 공구코팅을 얻을수 있을뿐만 아니라, 강, 스테인리스 강, 주철 및 특히 구상흑연주철에서 개선된 절삭성능을 갖는 알루미나 코팅된 절삭공구 인서트를 제공할 수 있다.

Claims

적어도 표면의 작용부분에, 경질 및 내마모성 코팅이 적용된 몸체를 포함하여 이루어지는 절삭공구에 있어서,

상기 코팅은 적어도 하나의 층이 본질적으로 평균 입자크기가 ＜1㎛인 등축입자로 이루어지는 α- Al₂O₃로 이루어진 1이상의 내열층의 구조를 포함하고, ＞5%인 티타늄을 함유하지만 질소나 카본은 함유하지 않는 줄무늬 부분을 더욱 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
제1항에 있어서,

상기 Al₂O₃층은 평균 입자크기가 d_c≤1㎛인 조대 입자 및 d_f가 0.1≤d_f≤d_c/3 사이에 있는 미세 입자로된 바이모들(bimodal)식 입자크기 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 줄무늬 부분의 두께는 ＜0.2㎛이고, ㎛ Al₂O₃층 당 상기 줄무늬 부분의 개수는 1 내지 10개인 것을 특징으로 하는 절삭공구.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 알루미나층은 1.3 보다 다 큰 조직계수를 갖고 (012), (014) 또는 (024)방향 중 적어도 하나의 방향인 조직을 가지며, 상기 조직계수는

로 정의되며

여기서,

I(hkl) = 측정된 (hkl) 리플렉션의 강도

I_O(hkl) = ASTM 표준 파워 패턴 회절 데이타의 표준강도

n = 계산에 사용된 리플렉션의 개수로서, 계산에 사용된 (hkl) 리플렉션이 (102), (104), (110), (113), (024), (116)인 것을 특징으로 하는 절삭공구.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

지지층과 접촉하는 적어도 하나의 층을 갖고, 상기 층은 주기율표의 IVB, VB 및 VIB 족으로부터 선택된 금속, B, AL, 및 Si 및/또는 그것의 혼합물의 나이트라이드, 카바이드, 카보나이트라이드, 옥시카바이드 및/또는 옥시카보나이트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
Al₂O₃의 핵재형성에 선행하여 CVD-리액터 분위기(atmosphere)의 산화 포텐셜은 바람직하게는 총 농도가 5ppm보다 작은 H₂O 또는 기타 산화종(oxdising species)을 사용하여 낮은 레벨로 유지되고, Al₂O₃의 성장은 가스(AlCl₃, HCl, CO₂)를 반응챔버로 주입함으로써 시작되며, 20내지 60분후에, 황 도핑제, 바람직하게는 H₂S가 첨가되고, 950 내지 1000℃의 온도에서 산화제, 및/또는 가수분해제 및 1이상의 알루미늄 할로겐 화합물을 함유하는 수소 캐리어가스와 접촉하는 상기 몸체를 α-알루미나층으로 코팅하는 방법에 있어서,

상기 Al₂O₃가 성장하는 동안, CO₂, AlCl₃, HCl 및 황 도핑제가 10 내지 50분 간격으로 반복 차단되고, 농도 1 내지 10%의 TiCl₄가 1 내지 10분 동안 리액터로 들어가게 된 다음, AlCl₃, HCl, CO₂및 황 도핑제의 상술된 순서로 대체되는 것을 특징으로 하는 코팅 방법.