KR20230031226A - 코팅된 절삭 공구 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기재 (5) 및 코팅 (6) 을 포함하는 코팅된 절삭 공구 (1) 에 관한 것이고, 상기 코팅 (6) 은 Ti1-xAlxN 이고, 0.35≤x≤0.70 인 제 1 나노층 (9), 및 Ti1-ySiyN 이고, 0.12≤y≤0.25 인 제 2 나노층 (10) 의 교호 층들의 나노-멀티층 (8) 을 포함하고,
하나의 제 1 나노층 (8) 및 하나의 제 2 나노층 (9) 의 시퀀스는 층 주기를 형성하고, 상기 나노-멀티층 (8) 에서의 평균 층 주기 두께는 ≤ 7 nm 이고, 나노-멀티층 (8) 은 ≤ 70 nm 의 평균 주상 폭을 갖는 주상 조직을 갖는다.
하나의 제 1 나노층 (8) 및 하나의 제 2 나노층 (9) 의 시퀀스는 층 주기를 형성하고, 상기 나노-멀티층 (8) 에서의 평균 층 주기 두께는 ≤ 7 nm 이고, 나노-멀티층 (8) 은 ≤ 70 nm 의 평균 주상 폭을 갖는 주상 조직을 갖는다.
Description
본 발명은 (Ti,Si)N 및 (Ti,Al)N 의 나노-멀티층을 포함하는 코팅된 절삭 공구에 관한 것이다.
나노-멀티층은 금속 기계 가공을 위한 절삭 공구 분야에서 일반적으로 사용된다. 이들 코팅에서, 일부 측면에서 상이한 적어도 2개의 층이 나노층의 스택의 코팅을 교호로 형성한다.
금속 기계가공 작업은 예를 들어 선삭, 밀링 및 드릴링을 포함한다.
긴 공구 수명을 제공하기 위해, 인서트와 같은 코팅된 절삭 공구는 상이한 유형의 마모에 대해 높은 저항성, 예를 들어, 플랭크 내마모성 (flank wear resistance), 크레이터 내마모성 (crater wear resistance), 치핑 저항성 (chipping resistance) 및 플레이킹 저항성 (flaking resistance) 을 가져야 한다.
상이한 금속 기계가공 작업은 코팅된 절삭 공구에서 상이한 방식으로 실행된다. 예를 들어 선삭은 연속적인 금속 기계가공 작업이지만 밀링은 본질적으로 더 간헐적이다. 밀링에서 열적 및 기계적 로드는 시간에 걸쳐 변할 것이다.
전자는 코팅에서 본원에서 "콤 크랙 (comb crack)" 이라고 지칭되는 소위 열 크랙 (thermal crack) 을 초래할 수 있는 열 인장력을 유도하는 반면, 후자는 절삭 에지에서 피로를 유발하여 치핑, 즉 기재의 나머지로부터 느슨해지는 절삭 에지의 작은 단편화를 초래할 수 있다. 따라서, 밀링에서 코팅된 절삭 공구의 일반적인 마모 유형은 크래킹 및 치핑이다. 코팅의 높은 레벨의 인성은, 특히 절단 에지에서, 이러한 치핑을 감소시킬 수 있다. 따라서 콤 크랙 저항성 및 에지 라인 인성을 증가시키는 것은 공구 수명을 증가시키는 데 매우 중요하다.
현재 시장에서 입수가능한 절삭 공구보다 우수한 특성을 갖는 절삭 공구를 제공하기 위해, 코팅이 플랭크 내마모성, 크레이터 내마모성, 에지 라인 인성 (edge line toughness), 콤 크랙 저항성, 플레이킹 저항성 등의 측면에서 우수한 특성을 갖는 코팅 절삭 공구에 대한 수요가 계속되고 있다. 전술한 특성 중 하나 이상이 개선되면 더 긴 공구 수명이 제공된다.
US 2012/0114436 A1 은 매우 일반적인 (Ti,Al)N/(Ti,Si)N 나노 멀티층형 코팅을 개시한다. 그러나, 금속 기계가공 작업에서 특히 높은 성능을 갖는 (Ti,Al)N/(Ti,Si)N 나노 다층 코팅을 찾고자 하는 요구가 있다.
본 발명의 목적은 적어도 콤 크랙에 대한 높은 저항, 높은 에지 라인 인성 및 높은 플랭크 내마모성을 나타내는 코팅된 절삭 공구를 제공하는 것이다.
정의들
용어 "평균 층 주기 두께"는 나노-멀티층 A-B-A-B-A... 에서 제 1 나노층 A 및 제 2 나노층 B 의 나노-멀티층 코팅에서 조합 A-B 의 평균 두께를 의미한다. 디포지션 프로세스가 알려져 있으면, 계산은 나노-멀티층 전체 두께를 A-B 디포지션들의 수 (이는 회전 방식으로 기재를 디포짓팅할 때 회전 수에 상응함) 로 나눔으로써 행해질 수 있다.
대안적으로, 계산은 적어도 200 nm 의 길이에 걸쳐 연속적인 A-B 나노층 조합의 수를 카운팅하고 평균값을 계산하는 나노-멀티층의 단면의 TEM 분석을 사용함으로써 행해진다.
나노-멀티층에서 용어 "평균 주상 폭"은 나노-멀티층의 결정자 칼럼 또는 "그레인” 의 평균 값을 의미한다. 층의 성장 방향에 수직인 적어도 500 nm 의 길이가 고려되고, 주상 폭은 나노-멀티층의 하부 인터페이스로부터 500 nm 의 거리에서 나노-멀티층의 적어도 4개의 상이한 위치 상에 이러한 길이에 걸쳐 측정된다.
나노-멀티층이 단지 0.5 ㎛ 의 총 두께를 가지면, 측정 위치들은 나노-멀티층의 외부 표면 바로 아래에 위치된다. 적합한 분석 방법은 투과 전자 현미경 (TEM) 을 포함한다.
용어 "FWHM" 는 "Full Width at Half Maximum" 을 의미하고, 이는 그의 피크 강도 절반에서 X-선 회절 피크의 폭의 각도 (2세타) 이다 (소정 (hkl) 회절 피크에 대해).
본 발명은 지금부터 놀랍게도 높은 콤 크랙 저항성, 우수한 에지 라인 인성을 갖는 동시에 크레이터 마모 및 플랭크 마모 둘 모두에 대한 저항성이 높은 교호 (Ti,Si)N 및 (Ti,Al)N 층의 나노 다층 코팅을 제공한다.
본 발명은 기재 및 코팅을 포함하는 코팅된 절삭 공구에 관한 것이고, 상기 코팅은 Ti1-xAlxN 이고, 0.35≤x≤0.70 인 제 1 나노층, 및 Ti1-ySiyN 이고, 0.12≤y≤0.25 인 제 2 나노층의 교호 층들의 나노-멀티층을 포함하고, 하나의 제 1 나노층 및 하나의 제 2 나노층의 시퀀스는 층 주기를 형성하고, 상기 나노-멀티층에서의 평균 층 주기 두께는 ≤ 7 nm 이고, 나노-멀티층은 ≤ 70 nm 의 평균 주상 폭을 갖는 주상 조직을 갖는다.
제 1 나노층은 Ti1-xAlxN 이고, 적합하게는 0.45≤x≤0.70, 바람직하게는 0.55≤x≤0.65 이다.
제 2 나노층은 Ti1-ySiyN 이고, 적합하게는 0.14≤y≤0.23, 바람직하게는 0.17≤y≤0.21 이다.
나노-멀티층의 평균 층 주기 두께는 적합하게는 2 내지 7 nm, 바람직하게는 3 내지 6 nm 이다.
나노-멀티층에서의 평균 주상 폭은 적합하게는 ≤ 60 nm, 바람직하게는 ≤ 55 nm 이다. 바람직한 실시예에서, 나노-멀티층의 평균 주상 폭은 5 내지 60 nm, 바람직하게는 10 내지 55 nm, 보다 바람직하게는 25 내지 55 nm, 가장 바람직하게는 30 내지 45 nm 이다.
일 실시예에서, 나노-멀티층은 0.6 내지 1.3 도 (2θ), 바람직하게는 0.8 내지 1.2 도 (2θ), 가장 바람직하게는 0.9 내지 1.1 도 (2θ) 인 XRD 회절에서 입방정 (200) 피크에 대한 FWHM 값을 갖는다.
FWHM 값을 결정하기 위해 사용된 XRD 에서의 피크 (200) 는 Cu-Kα2 스트리핑되었다.
나노-멀티층의 두께는 적합하게는 약 0.5 내지 약 15 ㎛, 바람직하게는 약 1 내지 약 10 ㎛, 보다 바람직하게는 약 1 내지 약 7 ㎛, 가장 바람직하게는 약 1.5 내지 약 4 ㎛ 이다.
나노-멀티층은 적절하게는 캐소딕 아크 증발 디포짓팅된 층이다.
일 실시예에서, 코팅은 기재에 가장 가까운 나노-멀티층 아래에 TiN, (Ti,Al)N 또는 (Cr,Al)N 의 최내부 층을 포함한다. 바람직하게는, 최내부 층은 (Ti,Al)N 이다. (Ti,Al)N 이 사용되는 경우, (Ti,Al)N 은 적합하게는 Ti1-zAlzN 이고, 0.35≤z≤0.70, 바람직하게는 0.45≤z≤0.70 이다. 바람직한 실시예에서, (Ti,Al)N 에서의 Ti-Al 관계는 나노-멀티층의 제 1 나노층에서의 Ti-Al 관계와 동일하다. 이 최내부 층의 두께는 약 0.1 내지 약 2 ㎛, 바람직하게는 약 0.5 내지 약 1.5 ㎛ 일 수 있다.
바람직한 실시예에서, 코팅은 Ti1-xAlxN 이고, 0.55≤x≤0.65 인 제 1 나노층, 및 Ti1-ySiyN 이고, 0.17≤y≤0.21 인 제 2 나노층의 교호 층들의 나노-멀티층을 포함하고, 나노-멀티층의 평균 층 주기 두께는 3 내지 6 nm 이고, 나노-멀티층의 평균 주상 폭은 25 내지 55 nm 이고, 나노-멀티층의 두께는 약 1 내지 약 7 ㎛ 이고, 약 0.5 내지 약 1.5 ㎛ 의 두께를 갖는 기재에 가장 가까운 나노-다중층 아래에 (Ti,Al)N 의 최내부 층이 존재한다.
코팅된 절삭 공구의 기재는 초경 합금, 서멧, 세라믹, 입방정 질화붕소 및 고속도강의 그룹으로부터 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 기재는 5 내지 18 중량% Co 및 원소 주기율표의 4 내지 5족의 0 내지 10 중량% 탄화물 질화물 또는 탄질화물을 포함하는 초경합금이다.
Cr 과 같은 추가의 성분들이 초경합금 기재에서 가능하다.
코팅된 절삭 공구는 금속 기계가공용 절삭 공구 인서트, 드릴, 또는 솔리드 엔드 밀에 적합하다. 절삭 공구 인서트는 예를 들어 선삭 인서트 또는 밀링 인서트이다.
도 1 은 밀링 인서트인 절삭 공구의 일 실시예의 개략도를 도시한다.
도 2 는 본 발명의 코팅된 절삭 공구의 일 실시예의 단면의 개략도로서, 기재 및 상이한 층들을 포함하는 코팅을 도시한다.
도 2 는 본 발명의 코팅된 절삭 공구의 일 실시예의 단면의 개략도로서, 기재 및 상이한 층들을 포함하는 코팅을 도시한다.
도 1 은 레이크 면 (2) 및 플랭크 면 (3) 및 절삭 에지 (4) 를 갖는 절삭 공구 (1) 의 일 실시예의 개략도를 도시한다. 절삭 공구 (1) 는 본 실시예에서 밀링 인서트이다. 도 2 는 기재 본체 (5) 및 코팅 (6) 을 갖는 본 발명의 코팅된 절삭 공구의 일 실시예의 단면의 개략도를 도시한다. 코팅은 제 1 (Ti,Al)N 최내부 층 (7), 이어서 Ti1-ySiyN (10) 인 나노층 및 Ti1-xAlxN (9) 이 교호하는 나노층의 나노 멀티층 (8) 으로 이루어진다.
예들
예 1 :
(Ti,Si)N 및 (Ti,Al)N 의 상이한 나노-멀티층을 SNMA120408, CNMG120408MM 및 R390-11 의 지오메트리의 소결 초경합금 절삭 공구 인서트 블랭크 상에 디포지팅시켰다. 초경 합금의 조성은 10 wt% Co, 0.4 wt% Cr 및 잔부 WC 였다. 초경합금 블랭크는 4 개의 원호형 플랜지들을 포함하는 진공 챔버에서 캐소딕 아크 증발에 의해 코팅되었다. Ti-Si 의 타겟들을 서로 대향하는 2개의 플랜지들에 장착하였다. Ti-Al 의 타겟을 서로 대향하는 2개의 나머지 플랜지에 장착하였다. 타겟은 오픈 마켓에서 이용가능한 직경 100 mm 의 원형 및 평면형이었다. 아크 증발을 위한 적합한 타겟 기술 패키지는 IHI Hauzer Techno Coating B.V., Kobelco (Kobe Steel Ltd.) 및 Oerlikon Balzers 와 같은 시장에서 공급업체로부터 입수가능하다.
코팅되지 않는 블랭크들은 PVD 챔버에서 3배 회전을 겪는 핀들 상에 장착되었다.
샘플 1 내지 9:
챔버는 높은 진공 (10-2 Pa 미만) 까지 펌핑되었고, 챔버 내측에 위치된 히터들에 의해 450-550℃ 로 가열되었다. 그후, 블랭크들은 Ar 플라즈마에서 60 분 동안 에칭되었다.
챔버 압력 (반응 압력) 은 4 Pa 의 N2 가스로 설정되었고, (챔버 벽들에 대한) -50 V 의 DC 바이어스 전압은 블랭크 어셈블리에 인가되었다. 캐소드들은 75 분 동안 (각각) 150 A 의 전류에서 아크 방전 모드로 작동되었다 (4개의 플랜지). 블랭크에 약 3 ㎛ 의 두께를 갖는 나노 멀티층 코팅을 디포짓팅하였다.
디포지션들은 Ti0.80Si0.20, Ti0.85Si0.15 및 Ti0.90Si0.10 인 Ti-Si 타겟, 및 Ti0.75Al0.25, Ti0.60Al0.40, Ti0.50Al0.50, 및 Ti0.40Al0.60 인 Ti-Al 타겟의 조합으로 행해졌다. 디포짓팅된 나노-멀티층의 총 두께는 3 ㎛ 였다. 회전 속도는 소정 주기 두께와 상관된다. 나노-멀티층에서의 층 주기 두께의 영향을 조사하기 위해, 상이한 테이블 회전 속도를 사용하여 블랭크의 일련의 디포지션을 행하였다.
타겟 셋업으로 인해, 기재 테이블의 회전당 2개의 나노층 주기들이 형성된다. 테이블들 사이의 상관관계를 사용한 장비에서 회전 속도와 나노층 주기 두께는 표 1 에 나타냈다.
표 1
대부분의 샘플들에서, 약 1 ㎛ 두께의, (Ti,Al)N 의 층이 디포짓팅되었다. 이러한 모든 경우에, (Ti,Al)N 층은 상기 디포짓팅된 나노-멀티층에서 (Ti,Al)N 나노층을 제조할 때와 동일한 함량의 Ti 및 Al 을 사용하여 타겟에서 디포짓팅되었다. 최내부 (Ti,Al)N 층을 디포짓팅할 때의 프로세스 조건들은: N2 가스의 4 Pa 의 챔버 압력 (반응 압력), 및 블랭크 조립체에 인가된 (챔버 벽들에 대한) -70 V 의 DC 바이어스 전압이었다. 캐소드들은 (각각) 150 A 의 전류에서 아크 방전 모드에서 실행되었다.
제조된 샘플 1-12 를 표 2 에 열거하였다.
표 2.
샘플 13 내지 17:
샘플은 -50 V/ 4 Pa 이외의 DC 바이어스 전압 및 N2 압력 조합을 사용하여 추가로 제조되었다.
챔버는 높은 진공 (10-2 Pa 미만) 까지 펌핑되었고, 챔버 내측에 위치된 히터들에 의해 450-550℃ 로 가열되었다. 그후, 블랭크들은 Ar 플라즈마에서 60 분 동안 에칭되었다.
약 1 ㎛ 두께의 최내부 층의 Ti0.40Al0.60N 이 먼저 디포짓팅되었다. 프로세스 조건들은: N2 가스의 4 Pa 의 챔버 압력 (반응 압력), 및 블랭크 조립체에 인가된 (챔버 벽들에 대한) -70 V 의 DC 바이어스 전압이었다. 캐소드들은 (각각) 150 A 의 전류에서 아크 방전 모드에서 실행되었다.
그후, (Ti,Si)N 및 (Ti,Al)N 의 나노-멀티층들의 디포지션을 위해, N2 가스의 2 내지 6 Pa 의 상이한 챔버 압력들 (반응 압력) 이 사용되었고, (챔버 벽들에 대해) -30 V 내지 -100 V 의 상이한 단극성 DC 바이어스 전압들이 상이한 샘플들에 대한 블랭크 조립체에 인가되었다. 캐소드들은 (각각) 150 A 의 전류에서 아크 방전 모드에서 실행되었다. 블랭크에 약 2 ㎛ 두께를 갖는 나노 멀티층을 디포짓팅시키고, 즉 약 3 ㎛ 총 코팅 두께를 각각의 인서트 상에 제공하였다.
디포지션은 Ti0.80Si0.20 인 Ti-Si 타겟과 Ti0.40Al0.60 인 Ti-Al 타겟의 조합으로 행해졌다. 5 rpm 의 테이블 회전 속도를 사용하여, 즉, 나노-멀티층에서 약 4 nm 의 층 주기 두께를 제공하여 디포지션을 행하였다.
제조된 샘플 13-17 를 표 3 에 열거하였다.
표 3.
나노-멀티층에서의 실제 원소 조성을 확인하기 위하여, 일부 샘플에 대해 에너지 분산 X-선 분광법 (EDS) 을 사용하여 평균 조성을 분석하였다. EDS 측정은 코팅의 단면 상에서 SEM 으로 다수의 나노층을 포함하는 거리에 걸쳐 행해졌다.
그 결과는 이론 조성으로부터 단지 1-2 퍼센트 단위의 편차만이 보여졌다. 이는 EDS 방법의 정확도 내에 있다. 따라서, 층에서 Ti, Al 및 Si 의 실제 원소 조성은 사용된 각각의 타겟 조성에 실질적으로 잘 상응한다고 결론지어진다.
X-선 회절 (XRD) 분석은, 통합된 평행 빔 Montel 미러를 갖는 IμS X-선 소스 (
, 50.0 kV, 1.0 mA) 및 2D 검출기 (VANTEC-500) 가 장착된 Bruker D8 Discover 회절계를 이용하여 코팅된 인서트의 플랭크 면 상에서 수행되었다. 코팅된 절삭 공구 인서트들은 샘플 홀더들 내에 장착되어, 샘플들의 플랭크 면이 샘플 홀더의 기준면에 대해 평행하였고 또한 플랭크 면이 적절한 높이에 있음을 보장한다. 코팅된 절삭 공구로부터 회절 강도는 관련된 피크가 발생하는 2θ 각도 주위에서 측정되어서, 적어도 35° 내지 50°가 포함된다. 배경 분리 (background subtraction) 및 Cu-Kα2 스트리핑을 포함하는 데이터 분석은 PANalytical's X'Pert HighScore Plus 소프트웨어를 이용하여 수행되었다. Pseudo-Voigt-Fit 기능은 피크 분석에 대해 사용되었다. 얻어진 피크 강도들에 대해 박막 보정이 적용되지 않았다. PVD 층에 속하지 않는 임의의 회절 피크, 예를 들어 WC 와 같은 기재 반사와의 (200) 피크의 가능한 피크 오버랩은 피크 강도 및 피크 폭을 결정할 때에 소프트웨어 (조합된 피크들의 디콘볼루션 (deconvolution)) 에 의해 보상되었다. 샘플의 (200) 피크에 대한 하프 최대 (FWHM) 값에서 전체 폭을 계산하였다. 결과들은 표 4 에 도시된다.
표 4.
예 2 :
제조된 샘플의 성능을 결정하기 위해서 절삭 테스트가 행해졌다.
사용된 용어에 대한 설명:
이하 표현들/용어들은 금속 절삭시에 일반적으로 사용되지만, 그럼에도 불구하고 이하의 표에 설명된다:
Vc (m/min):절삭 속도 (분 당 미터)
fz (mm/tooth):이송 속도 (치형당 밀리미터) (밀링에서)
fn (mm/rev):회전당 이송 속도 (선삭에서)
z: (수):절삭기에서 치형의 수
ae (mm):반경 방향 절삭 깊이 (밀리미터)
ap (mm):축방향 절삭 깊이 (밀리미터)
콤 크랙 저항성:
작업: 숄더 밀링
공구 홀더:R245-080027-12M, Dc=80mm
작업편 재료:Toolox 33 (공구 강), L=600 mm, I=200 mm, h=100 mm,
인서트 유형:R390-11
절삭 속도 Vc=320 m/분
이송 속도 fz=0.3 ㎜/rev
절삭 깊이 ap=2 ㎜
반경방향 맞물림 ae= 15 ㎜
절삭유 있음
공구 수명의 종료에 대한 기준은 최대 칩핑 높이 VB > 0.3 ㎜ 이다.
에지 라인 인성:
작업편 재료:Dievar unhardened, P3. 0.Z.AN,
z = 1
Vc=200 m/min
fz = 0.20 mm
ae = 12 mm
ap = 3.0
절삭 길이 = 12mm
절삭유 없음
절단 기준은 플랭크 상 또는 레이크 상에서 0.2 ㎜ 의 측정 깊이 또는 적어도 0.5 ㎜ 의 엣지 라인의 칩핑이다. 공구 수명은 이러한 기준을 달성하기 위하여 절삭 엔트런스들 (cut entrances) 의 개수로서 표현된다.
플랭크 마모 시험:
종방향 선삭
작업편 재료:Sverker 21 (공구 강), 경도 ~ 210 HB, D=180, L=700 ㎜,
Vc=125 m/min
fn=0.072 mm/rev
ap = 2 ㎜
절삭유 없음
공구 수명에 대한 절삭 기준은 플랭크 마모 0.15 ㎜ 의 VB 이다.
플레이킹 저항성:
평가는 오스테나이트계 강에서 선삭 테스트를 통해 행해졌다. 코팅의 접착제 마모 및 플레이킹을 유발하기 위해, 절삭 깊이 ap 를 4 내지 0 및 0 내지 4 mm 로 변화시켰다 (반경방향 평삭 동안 한 번의 실행). 인서트는 SEM 분석을 통해 평가하였다.
작업: 평삭 (선삭)
작업편 재료: 오스트나이트계 스테인리스 강 Sanmac 316L, L=200 mm, D=100 mm, ~215 HB 의 바
인서트 유형: CNMG 120408-MM
냉각: 예
절삭 깊이 ap = 4 내지 0, 0 내지 4 mm
절삭 속도 Vc=140 m/분
이송 속도 fz= 0.36 mm/rev
층 주기 두께:
표 5.
표 5 는 플레이킹 저항성의 관점에서 가장 두꺼운 층 주기, 20 nm 가 최악의 성능을 보였다는 것을 나타낸다.
또한, 테스트 결과 (샘플 1, 샘플 2, 샘플 3) 로부터, 테스트된 층 주기 4 nm (5 rpm), 8 nm (2.4 rpm) 및 20 nm (1 rpm) 중에서 콤 크랙 저항성에서 가장 우수한 결과는 층 주기 4 nm 에 대해서 컷오프 기준까지 30 커트들임을 알 수 있다. 층 주기가 8 nm 일 때 콤 크랙 저항성 결과는 23 커트이고 층 주기가 20 nm 일 때 콤 크랙 저항성 결과는 21 커트이다. 25분 미만의 결과는 불충분한 것으로 간주된다. 따라서 층 주기가 낮을수록 더 좋은 결과를 얻을 수 있다. 따라서, 나노-멀티층의 평균 층 주기의 적합한 범위는 2 내지 7 nm, 바람직하게는 3 내지 6 nm 인 것으로 간주된다.
최내부 층의 효과:
Ti0.40Al0.60N/Ti0.80Al0.20N (타겟 조성) 의 디포짓팅된 나노-멀티층을 갖는 샘플을 기재 상에 직접 임의의 추가적인 최내부 층을 갖거나 갖지 않고 테스트하였다.
표 6.
콤 크랙 저항성의 결과는 최내부의 추가 (Ti,Al)N 층의 존재에 의해 개선된다.
임의의 추가적인 최내부 층을 갖지 않는 샘플에 대한 ELT 테스팅은 없었지만, 표 7 은 적어도 추가적인 최내부 층의 두께의 효과를 ELT의 관점에서 나타낸다. 표 7 의 샘플은 층 주기 두께 8 nm 의 관점에서 본 발명을 벗어난다. 그러나, 최내부 층 상의 층 두께의 편차에 대한 ELT 에 대한 임팩트는 또한 8 nm 미만의 층 주기 동안, 즉 본 발명 내에서 또한 동일한 방향을 따르는 것으로 간주된다.
표 7.
ELT는 최내부의 추가 (Ti,Al)N 층의 존재에 의해 개선되는 것으로 고려된다. 0.2, 0.4, 및 0.8 ㎛ 두께의 최내부 층을 비교하였을 때, 0.8 ㎛ 두께가 더 얇은 층보다 더 우수한 성능을 보였다.
(Ti,Al)N 나노층에서 Ti/Al 관계:
표 8.
테스트 결과로부터, 콤 크랙 저항성에서 최상의 결과는 샘플 4 (Ti0.40Al0.60) 에 대해 컷-오프 기준까지 39 커트를 나타냄을 알 수 있다. 샘플 7 (Ti0.75Al0.25) 의 경우, 콤 크랙 저항 결과는 단지 19 커트이다. 25커트 미만의 결과는 불충분한 것으로 간주된다. 따라서, 샘플 4 (Ti0.40Al0.60), 샘플 5 (Ti0.50Al0.50) 및 샘플 6 (Ti0.60Al0.40) 모두는 콤 크랙 저항성 테스트에서 우수한 성능을 나타내었다. 따라서, 나노-멀티층에서 (Ti,Al)N 서브층 조성의 Al 의 요구되는 범위는 Ti1-xAlxN 이고 양호한 콤 크랙 저항성의 관점에서, 0.35 ≤ x ≤ 0.70 인 것으로 간주된다.
그러나, ELT 성능이 고려될 때, Ti0.60Al0.40N/Ti0.40Si0.20N 을 갖는 샘플 6 은 불량한 성능을 갖는다. 콤 크랙 저항성 및 에지 라인 인성 둘 모두에서 최상의 성능은 Ti0.40Al0.60N/Ti0.40Si0.20 을 갖는 샘플 4 였다.
따라서, 적합한 Al 함량 범위는 0.45≤x≤0.70 이고, 바람직한 것은 0.55≤x≤0.65 이다.
(Ti,Si)N 나노층에서 Ti/Si 관계:
표 9.
콤 크랙 저항성과 관련하여, 5 rpm, 50 V, 4 Pa 에서 실행되는 샘플 8 (Ti0.40Al0.60N/ Ti0.85Si0.15N) 은 컷-오프 기준까지 27 커트인 콤 크랙 저항성에서 매우 양호한 결과를 보여준다. 또한, 플랭크 마모 저항성이 양호하다 (17.7분). 그러나, 에지 라인 인성의 관점에서 결과는 만족스럽지 않다. 5 rpm, 50 V, 4 Pa 에서 실행되는 샘플 9 (Ti0.40Al0.60N/ Ti0.90Si0.10N) 은 컷-오프 기준까지 25 커트인 콤 크랙 저항성에서 매우 양호한 결과를 보여준다. 그러나, 플랭크 내마모성은 완전히 불만족스러우며 (13.5분), 또한 에지 라인 인성 (15 커트) 도 불만족스럽다.
콤 크랙 저항성, 에지 라인 인성 및 플랭크 마모 모두에서 최상의 성능은 (Ti0.40Al0.60N/ Ti0.80Si0.20N) 을 갖는 샘플 4 였다. 2번째 최적은 (Ti0.40Al0.60N/ Ti0.85Si0.15N) 을 갖는 샘플 8 인 한편 (Ti0.40Al0.60N/ Ti0.90Si0.10N) 를 갖는 샘플 9 는 불만족스럽다고 간주된다.
따라서, 나노-멀티층에서 (Ti,Si)N 서브층의 Si 함량의 요구되는 작동 범위는 Ti1-ySiyN 이고, 0.12 ≤ y ≤ 0.25 인 것으로 간주된다. 적합하게는 0.14≤y≤0.23, 바람직하게는 0.17≤y≤0.21 이다.
(Ti,Si)N 서브층에서 너무 높은 Si 함량은 나노-멀티층의 인성 (ELT) 을 감소시킬 것으로 예상된다.
그레인 크기, FWHM:
소정 레벨의 DC 바이어스 전압 및/또는 N2 압력을 사용하여 나노-멀티층이 디포짓팅된 샘플에 대해 에지 라인 인성 (ELT) 테스트 (커트의 수) 에서의 예외적인 결과가 관찰된다. 샘플 4 (-50 V, 4 Pa), 샘플 13 (-30 V, 4 Pa), 샘플 14 (-70 V, 4 Pa), 샘플 15 (-100 V, 4 Pa), 샘플 16 (-50 V, 2 Pa), 및 샘플 17 (-50 V, 6 Pa) 의 테스트 결과로부터, 4 Pa N2 압력에서 디포짓팅된 코팅은 적어도 -70 V 의 사용된 DC 바이어스 전압 레벨에 대해 매우 우수한 ELT 결과를 제공하며, -100 V 가 훨씬 더 우수함을 알 수 있다 (샘플 14 및 샘플 15). 2 Pa N2 압력에서 디포짓팅된 코팅의 경우, -50 V 에서 이미 사용된 DC 바이어스 전압 (샘플 16) 에 대해 우수한 ELT 결과가 제공된다. 스타트층은 약 1 ㎛ 이다. 나노-멀티층의 두께는 약 2 ㎛ 이다.
표 10.
우수한 ELT 결과를 갖는 샘플 (샘플 14 (-70V, 4Pa), 샘플 15 (-100V, 4Pa), 샘플 16 (-50V, 2Pa) 에 대해서도 콤 크랙 테스트 결과가 또한 우수하였다 (각각 29, 31, 34 커트).
따라서, 최상의 에지 라인 인성을 갖는 코팅을 제공하기 위해, 디포지션 프로세스에서의 바이어스 전압-압력 관계는 3 내지 6 Pa 의 N2 압력에서 -65 내지 -125 V 의 DC 바이어스 전압을 사용하거나, 또는 1 내지 3 Pa의 N2 압력에서 -30 내지 -75 V 의 DC 바이어스 전압을 사용하는 것으로 결론지어진다.
샘플 4 (-50 V, 4 Pa), 샘플 13 (-70 V, 4 Pa), 및 샘플 15 (-100 V, 4 Pa) 로부터, 사용된 더 높은 DC 바이어스 전압이 나노-멀티층에서 더 낮은 그레인 크기 (평균 주상 폭) 를 제공한다는 것 (-50 V 는 54 nm 를 제공함, -70 V 는 50 nm 를 제공함, -100 V 는 37 nm 를 제공함) 을 알 수 있다. 더 낮은 그레인 크기는 또한 더 높은 FWHM 값에 반영된다. 따라서, 나노 멀티층에서 평균 주상 폭의 범위는 적절하게 ≤ 70 nm, 바람직하게는 ≤ 55 nm 로 고려된다. 하한은 적합하게 ≥ 5 nm, 바람직하게는 ≥ 10 nm, 보다 바람직하게≥ 25 nm 로 고려된다. 가장 바람직한 범위는 30 내지 45 nm 인 것으로 고려된다.
Claims (14)
- 기재 (5) 및 코팅 (6) 을 포함하는 코팅된 절삭 공구 (1) 로서,
상기 코팅 (6) 은 Ti1-xAlxN 이고, 0.35≤x≤0.70 인 제 1 나노층 (9), 및 Ti1-ySiyN 이고, 0.12≤y≤0.25 인 제 2 나노층 (10) 의 교호 층들의 나노-멀티층 (8) 을 포함하고,
하나의 제 1 나노층 (9) 및 하나의 제 2 나노층 (10) 의 시퀀스는 층 주기를 형성하고, 상기 나노-멀티층 (8) 에서의 평균 층 주기 두께는 ≤ 7 nm 이고, 상기 나노-멀티층 (8) 은 ≤ 70 nm 의 평균 주상 폭을 갖는 주상 조직 (columnar structure) 을 갖는, 코팅된 절삭 공구 (1). - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 나노층 (9) 은 Ti1-xAlxN 이고, 0.45≤x≤0.70 인, 코팅된 절삭 공구 (1). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 나노층 (10) 은 Ti1-ySiyN 이고, 0.14≤y≤0.23 인, 코팅된 절삭 공구 (1). - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노-멀티층 (8) 에서의 평균 층 주기 두께는 2 내지 7 nm 인, 코팅된 절삭 공구 (1). - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노-멀티층 (8) 은 ≤ 55 nm의 평균 주상 폭을 갖는, 코팅된 절삭 공구 (1). - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노-멀티층 (8) 은 30 내지 45 nm 의 평균 주상 폭을 갖는, 코팅된 절삭 공구 (1). - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
X-선 회절에서 입방정 (200) 피크에 대한 FWHM 값이 0.8 내지 1.2 도 (2θ) 인, 코팅된 절삭 공구 (1). - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노-멀티층 (8) 의 두께는 약 0.5 내지 약 15 ㎛ 인, 코팅된 절삭 공구 (1). - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노-멀티층 (8) 의 두께는 약 1 내지 약 7 ㎛ 인, 코팅된 절삭 공구 (1). - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅 (6) 은 약 0.1 내지 약 2 ㎛ 의 두께를 갖는 상기 기재에 가장 가까운 상기 나노-멀티층 (8) 아래에서 TiN, (Ti,Al)N 또는 (Cr,Al)N 의 최내부 층 (7) 을 포함하는, 코팅된 절삭 공구 (1). - 제 10 항에 있어서,
상기 최내부 층 (7) 은 Ti1-zAlzN 이고, 0.35≤z≤0.70 인, 코팅된 절삭 공구 (1). - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노-멀티층 (8) 은 캐소딕 아크 증발 디포짓팅된 층인, 코팅된 절삭 공구 (1). - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅된 절삭 공구 (1) 의 상기 기재 (5) 는 초경합금, 서멧, 세라믹, 입방정 질화붕소 및 고속도 강의 그룹으로부터 선택되는, 코팅된 절삭 공구 (1). - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코팅된 절삭 공구 (1) 는 금속 기계가공용 절삭 공구 인서트, 드릴, 또는 솔리드 엔드-밀인, 코팅된 절삭 공구 (1).
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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