KR102497484B1

KR102497484B1 - 내박리성이 우수한 cvd 절삭공구용 피막

Info

Publication number: KR102497484B1
Application number: KR1020200187332A
Authority: KR
Inventors: 안진우; 강재훈; 김옥길; 이동열
Original assignee: 한국야금 주식회사
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2023-02-08
Also published as: KR20220095633A

Abstract

본 발명의 목적은 밀착력이 우수하고, 내마모성과 인성이 향상된 절삭공구용 경질피막을 제공함에 있다.
본 발명에 따른 절삭공구용 피막은, CVD법으로 형성되며, 상기 피막은 제1층과 제1층의 상부에 형성된 제2층을 포함하고, 상기 제1층은 TiC_xN_y(x+y=1, x＞0, y＞0)을 주상으로 포함하고, X-선 회절분석 시에 (311)면 및/또는 (422)면의 피크 강도가 가장 크도록 배향되어 있고, 상기 제2층은 Ti_1-xAl_xC_1-yN_y (0.6≤x<1.0, 0≤y≤1)을 주상으로 포함하고, X-선 회절분석 시에 (111)면의 피크 강도가 가장 크도록 배향되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

내박리성이 우수한 CVD 절삭공구용 피막 {CVD FILM FOR CUTTING TOOL WITH EXCELLENT PEEL RESISTANCE}

본 발명은 절삭공구용 피막으로 화학기상증착법(Chemical Vapour Deposition)으로 형성되며, Al의 함량이 높은 AlTiN층을 포함하고, 내산화성, 내마모성 및 내박리성이 우수한 절삭공구용 피막에 관한 것이다.

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

1980년대까지는 절삭공구에 TiN을 코팅하여 절삭성능 및 수명을 향상시키고자 하였으나, 일반적인 절삭가공시 약 600 ~ 700℃ 정도 열이 발생하게 되므로, 1980년대 후반에는 기존의 TiN 보다 경도와 내산화성이 높은 TiAlN으로 코팅기술이 변천되었고, 내마모성 및 내산화성을 더욱 향상시키기 위해 Al을 더 첨가시킨 AlTiN 박막이 개발되었다. AlTiN 박막은 Al₂O₃ 산화층을 형성함으로써, 고온 내산화성과 내마모성을 향상시키는 효과를 얻었으나, 경질 기체와의 결합력이 약한 문제가 있다.

최근 들어, 피삭재는 점차 고경도화되고 있으며, 열전도도가 낮고 공구와 용착이 심한 난삭재에 대한 절삭가공이 많아지고 있다. 이러한 고경도 피삭재에 대한 고속 절삭 가공 및 난삭재에 대한 고속 절삭 가공 시 우수한 절삭성능 및 수명을 얻기 위해서는 우수한 내산화성과 내마모성을 가지는 것이 중요하다.

이러한 요구에 대하여, Al과 Ti 중에서 Al의 함량을 몰비로 0.7 이상 증가시켜 내산화성과 내마모성이 우수한 CVD법으로 형성한 AlTiN 박막이 새로운 대안으로서 부각되고 있으나, 낮은 내박리특성과 인성이 문제가 되어 적용 범위를 넓히는데 제약이 되고 있다.

일례로, 하기 특허문헌에서는 라멜라 구조를 가지면서 동시에 특정한 결정면으로 우선 배향시킨 집합조직을 갖는 AlTiN 박막을 통해 보다 향상된 내마모성을 구현한 경질피막에 대해 개시하고 있다. 하지만, AlTiN 박막의 적용에 가장 문제가 되는 경질 기체와의 결합력을 향상시키는 기술에 대해서는 개시하지 않고 있다.

대한민국 공개특허공보 제2016-0130752호

본 발명의 목적은 내박리성이 우수하면서 내마모성과 인성이 향상된 절삭공구용 피막을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 CVD법으로 형성되는 피막으로, 상기 피막은 제1층과, 상기 제1층의 상부에 형성된 제2층을 포함하고, 상기 제1층은 TiC_xN_y(x+y=1, x＞0, y＞0)을 주상으로 포함하고, X-선 회절분석 시에 (311)면 및/또는 (422)면의 피크 강도가 가장 크도록 배향되어 있고, 상기 제2층은 Ti_1-xAl_xC_1-yN_y (0.6≤x<1.0, 0≤y≤1)을 주상으로 포함하고, X-선 회절분석 시에 (111)면의 피크 강도가 가장 크도록 배향되어 있는 절삭공구용 피막을 제공한다.

본 발명에 따른 피막은, Al의 함량이 높은 AlTiN층을 포함하기 때문에 내산화성이 우수하고, 라멜라 조직을 갖는 AlTiN을 주상으로 하여 인성이 우수하다.

특히, 본 발명에 따른 피막은 AlTiN 층의 하부에 AlTiN층과의 결합력을 향상시키도록 배향되고 내마모성도 우수한 TiCN층을 배치함으로써 피막의 내박리성과 내마모성을 향상시켜 절삭공구의 수명을 연장시킨다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 경질피막의 구조에 대한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 피막의 단면에 대한 주사전자현미경이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 피막의 X선 회절분석 결과로, TiCN층의 피크 중에서 강도가 높은 결정면의 피크(적색 점선 박스)를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따라 제조된 피막의 X선 회절분석 결과로, AlTiN층의 피크 중에서 가장 강도가 높은 결정면의 피크(적색 점선 박스)를 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 절삭공구용 피막은, CVD법으로 형성되며, 상기 피막은 제1층과 제1층의 상부에 형성된 제2층을 포함하고, 상기 제1층은 TiC_xN_y(x+y=1, x＞0, y＞0)을 주상으로 포함하고, X-선 회절분석 시에 (311)면 및/또는 (422)면의 피크 강도가 가장 크도록 배향되어 있고, 상기 제2층은 Ti_1-xAl_xC_1-yN_y (0.6≤x<1.0, 0≤y≤1)을 주상으로 포함하고, X-선 회절분석 시에 (111)면의 피크 강도가 가장 크도록 배향되어 있는 것을 특징으로 한다.

도 1에서 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 피막은, 초경합금이나 서멧(cermet)과 같은 절삭공구용으로 사용되는 모재(100) 상에 형성되어 사용되는 것으로, 모재에 접하거나 인접하여 TiC_xN_y(x+y=1, x＞0, y＞0, 이하 'TiCN' 이라 함)을 주상으로하는 제1층(200)이 형성되고, 그 위에 다시 Ti_1-xAl_xC_1-yN_y (0.6≤x<1.0, 0≤y≤1, 이하 'AlTiN'이라 함)을 주상으로하는 제2층(300)이 형성되는 구조를 가진다.

본 발명에 있어서 '주상'이란 제1층 또는 제2층을 구성하는 부피분율로 80% 이상, 바람직하게는 90% 이상, 보다 바람직하게는 95% 이상, 가장 바람직하게는 99% 이상을 이루는 상(phase)을 의미한다.

Al이 몰비로 0.6 이상으로 Ti에 비해 많이 함유되는 제2층(300)은 전술한 바와 같이 내산화성이 우수하나 내박리성이 낮은 문제점이 있다. 본 발명에서는 AlTiN층의 하부에 형성되는 제1층에 TiCN층을 배치하고, TiCN층의 X-선 회절분석 시에 (311)면 및/또는 (422)면에서 가장 강한 피크가 나타나도록 우선 배향시킴으로써, TiCN층과 AlTiN층의 결합력을 향상시키며, TiCN층은 내마모성도 우수하기 때문에 절삭공구의 수명을 더 연장시키는 효과도 얻을 수 있다.

상기 TiCN층은 X-선 회절분석 시에 (311)면이 가장 강한 피크일 경우 (422)면이 두 번째로 강한 피크 상태로 있거나, (422)면이 가장 강한 피크일 경우 (311)면이 두 번째로 강한 피크 상태인 것이 바람직하다.

상기 제1층의 두께는 0.5㎛ 미만일 경우 상기한 효과를 얻기 어렵고, 15㎛ 초과일 경우 TiCN층과 AlTiN간의 결합력 저하가 발생하므로, 0.5 ~ 15㎛ 범위로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 제1층은 미세조직상 평균 결정립 크기가 0.9㎛ 이하의 미세립으로 형성되는 것이 상부에 형성되는 AlTiN을 주상으로 하는 제2층과의 결합력 향상은 물론 피막 전체의 내마모성을 향상시키는데 바람직하다.

상기 제2층은 Ti와 Al의 함량이 상이한 비율을 갖는 영역이 피막의 두께 방향을 따라 교대 반복적으로 형성되는 라멜라(lamellar) 구조로 이루어지고, 상기 영역의 평균 두께는 150nm 이하일 수 있다.

일반적으로 AlTiN 피막은 인성이 약하여 내충격성이 낮은데, 라멜라 구조를 가지는 피막은 이러한 인성을 향상시킬 수 있는 구조여서 인성 향상 효과를 가진다. 인성 향상 효과를 얻기 위해서는 상기 영역의 평균 두께(즉, 라멜라를 구성하는 미세층 사이의 평균 간격)는 150nm 이하가 바람직하고, 100nm 이하인 것이 더 바람직하고, 50nm 이하인 것이 가장 바람직하다.

상기 라멜라 구조는 상이한 조성을 가지면서 동시에 면심 입방정(fcc) 조직과 육방정 구조(hcp) 조직과 같이 결정구조도 상이한 영역의 교대 반복일 수도 있고, 동일한 결정구조 예를 들어 면심 입방정(fcc) 구조를 가지면서 상이한 조성 영역이 교대 반복되는 것일 수 있다. 라멜라 구조는 절삭공구 사용 시에 하중에 대한 저항성을 높여 수명을 연장하는데 효과적인다. 특히 교대 반복되는 2개의 영역이 동일한 면심 입방정(fcc) 구조를 가지면서 상이한 조성 영역인 것이 바람직할 수 있다.

또한, 상기 AlTiN층은 결합력과 내마모성을 고려할 때 알루미늄의 함량(x)는 0.6 이상 0.95 미만이 바람직하고, 0.7 이상 0.93 이하의 범위로 리치(rich)하게 포함되는 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 제2층은 면심입방구조(fcc)를 가지는 조직의 부피분율이 90 vol% 이상일 수 있다. AlTiN을 주상으로 하는 경질피막은 성막 조건에 따라 면심입방구조(fcc)와 조밀육방구조(hcp) 구조가 나타날 수 있는데, 내마모성, 내충격성 등에서 면심입방구조인 것이 더 유리하고 따라서 면심입방구조가 90 vol% 이상이어야 면심입방 구조에 따른 특성이 충분히 발현될 수 있기 때문에, 제2층의 결정구조는 면심입방구조가 90 vol% 이상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2층은 X-선 회절분석 시 (111)면, (200)면, (220)면 또는 (311)면의 피크 강도가 가장 크도록 우선 배향되는 것이 내마모성과 같은 절삭성능을 향상시키는데 바람직하다. 이중에서도 (111)면으로 우선배향되는 것이 가장 바람직하다.

또한, 상기 제2층의 두께는 2 ~ 6㎛인 것이 바람직한데, 이는 제2층의 두께가 2㎛ 미만일 경우 내마모성 및 내산화성이 충분하지 않을 수 있고, 6㎛ 초과일 경우 내부응력에 의해 내박리성이 저하될 수 있기 때문이다.

또한, 상기 제1층(200)과 모재(100) 사이에는 모재와 피막 사이의 결합력을 높이기 위하여 TiN층을 더 포함할 수 있다. 이때, TiN층의 두께는 2㎛ 이하로 형성되는 것이 바람직하고, 1㎛ 이하로 형성되는 것이 더 바람직하다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기에서 설명되는 실시예에 한정되지는 않는다.

[실시예 1]

먼저, 초경합금 모재는, 초경합금의 바인더로 작용하는 Co의 함량이 7중량%, 4족, 5족 또는 6족의 원소를 포함하는 탄화물 또는 탄질화물은 그 함량이 5중량%를 첨가하여 13시간 혼합 분쇄 이후 스프레이 드라이 공법을 이용하여 혼합분말을 얻는다. 얻어진 혼합분말을 가지고 SNMX1206ANN-MM 형번 제작을 위해 2ton/㎠의 압력으로 프레스를 수행하여 성형체를 제조하였다.

이어서, 600℃에서 탈지(dewaxing) 공정을 수행하여, 성형체 제조과정에 투입된 유기 바인더 성분을 제거한 후, 불활성 가스 분위기에서 1 ~ 2시간 동안 소결을 진행하고, 600℃까지 불활성 가스 분위기에서 소정의 냉각속도 냉각시킨 후, 자연냉각시키는 방법으로 소결공정을 수행하여, 경질피막 형성용 모재를 제조하였다.

상기 제조된 모재 위에 열적 CVD 방법을 사용하여 피막을 형성하였다.

먼저, 핫-월(hot-wall) CVD 반응기를 사용하여, 850℃, 5mbar의 압력 하에서, 8ml/min의 TiCl₄, 12ml/min의 N₂, 100ml/min의 H₂ 가스를 도입하는 방법을 통해 두께 1㎛ 이하의 TiN층을 형성하였다.

다음으로, 800℃, 50mbar의 압력하에서, 4ml/min의 TiCl₄, 0.5ml/min의 CH₃CN, 15ml/min의 N₂, 2000ml/min의 H₂ 혼합 가스를 도입하여 두께 약 9㎛의 MT-TiCN층(제1층)을 형성하였다.

이후 800℃, 5mbar의 압력하에서, 4ml/min의 TiCl₄, 20ml/min의 AlCl₃, 1200ml/min의 H₂ 혼합 가스를 도입하여 80ml/min의 NH₃ 및 160ml/min의 N₂, 0.5ml/min의 CH₃CN 혼합물을 제2 가스 공급으로 반응기 내로 통과시켰다. 25분의 코팅 시간이 지난 후, 두께 4㎛의 검은 회색층의 AlTiN층이 형성되었다. 생성된 AlTiN층의 알루미늄의 함량(x)는 0.91이었다.

도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 경질피막의 단면 미세조직을 나타낸 것이다. 도 2에서 확인되는 바와 같이, 실시예 1에 따른 경질피막의 AlTiN층은 주상정으로 성장하면서, 주상정의 내부에 수평하게 자발적으로 생성되는 나노 다층 구조인 라멜라 조직이 형성되어 있음이 관찰된다. 모재 바로 위 피막인 TiCN층이 형성되어 있다.

도 3과 도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 경질피막의 X선 회절분석 결과를 나타낸 것이다. 도 3에서 확인되는 바와 같이, 실시예 1에 따라 제조된 경질피막의 TiCN층의 최대 강도를 나타내는 피크는 (311)면이며, 두번째로 강한 (422) 피크가 형성되어 있다.

또한, 도 4에서 확인되는 바와 같이, 실시예 1에 따라 제조된 경질피막의 AlTiN층의 최대 강도를 나타내는 피크는 (111)면이다.

즉, 본 발명의 실시예 1에 따른 경질피막은 경질 기체(모재)의 표면에 (311)면과 (422)면으로 배향된 TiCN층을 형성한 후에 (111)면으로 배향된 AlTiN층을 형성함으로써, 결정구조의 유사성으로 양 층 간의 결합력이 향상되게 된다.

[비교예 1]

실시예 1과 동일한 초경합금 모재에 동일한 공정으로 MT-TiCN층을 제조한 후, AlTiN층을 형성할 때, 원료 가스의 하나인 AlCl₃의 투입량을 10ml/min으로, 실시예 1에 비해 적게 설정하여 AlTiN층을 형성하였다.

[비교예 2]

실시예 1과 동일한 초경합금 모재에 동일한 공정으로 MT-TiCN층을 형성할 때, TiCl₄의 투입량을 8ml/min 으로 실시예 1에 비해 높게 설정하여 형성하였다.

[비교예 3]

실시예 1과 동일한 초경합금 모재에 동일한 공정으로 MT-TiCN층을 제조한 후, AlTiN층을 형성할 때, 원료 가스의 하나인 AlCl3의 투입량을 5ml/min, TiCl₄의 투입량을 2ml/min으로 높게 설정하여 형성하였다.

[비교예 4]

실시예 1과 동일한 초경합금 모재에 동일한 공정으로 MT-TiCN층을 제조한 후, AlTiN층을 형성할 때, AlTiN층 형성시간을 120min 으로 실시예 1에 비해 현저하게 높게 설정하여 AlTiN층을 형성하였다.

아래 표 1은 실시예 1, 비교예 1 ~ 4의 피막을 CVD법으로 형성할 때, 각 층의 형성조건을 나타낸 것이다.

			실시예1	비교예1	비교예2	비교예3	비교예4
TiCN (제1층)	시간	min	50	50	50	50	50
TiCN	온도	℃	800	800	800	800	800
TiCN	압력	mbar	50	50	50	50	50
TiCN	TiCl₄	ml/min	4	4	8	4	4
TiCN	N₂	ml/min	15	15	15	15	15
TiCN	H₂	ml/min	bal	bal	bal	bal	bal
TiCN	CH₃CN	ml/min	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
AlTiN (제2층)	시간	min	25	25	25	25	125
AlTiN	온도	℃	800	800	800	800	800
AlTiN	압력	mbar	5	5	5	5	5
AlTiN	TiCl₄	ml/min	4	4	4	2	4
AlTiN	N₂	ml/min	160	160	160	160	160
AlTiN	H₂	ml/min	bal	bal	bal	bal	bal
AlTiN	CH₃CN	ml/min	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
AlTiN	AlCl₃	ml/min	20	10	20	5	20
AlTiN	NH₃	ml/min	80	80	80	80	80

아래 표 2는 실시예 1, 비교예 1 ~ 4의 피막 중, TiCN층의 C 함량과, 우선성장 결정면을 나타낸 것이다. 표 2에서 우선성장 결정면이 2개로 기재된 것은 X-선 회절분석시 나타나는 피크의 강도가 유사한 경우이다.

제1층	실시예1	비교예1	비교예2	비교예3	비교예4
C 함량	0.7 이상	0.7 이상	0.5 이하	0.7 이상	0.7 이상
우선성장 결정면	(311), (422)	(311), (422)	(222)	(311), (422)	(311), (422)

아래 표 3은 실시예 1, 비교예 1 ~ 4의 피막 중, TiAlN층의 Al 함량(몰비)와, 우선성장 결정면 및 두께를 나타낸 것이다.

제2층	실시예1	비교예1	비교예2	비교예3	비교예4
Al 함량	0.92	0.65	0.91	0.44	0.92
우선성장 결정면	(111)	(111)	(111)	(111)	(111)
두께(㎛)	4	3.5	5	3	20

절삭성능 평가

본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 ~ 4에 따라 제조한 피막을 구비한 절삭공구의 내마모성과 내치핑성을 다음과 같은 평가조건으로 평가하였다.

(1) 내마모성 평가 : 인써트 여유면, 경사면 및 상면 마모

피삭재: SCM440

샘플형번: SNMX1206ANN-MM

절삭 속도: 250m/min

절삭 이송: 0.15mm/tooth

절삭 깊이: 1.5mm

절삭유: 없음(건식)

(2) 내치핑성 평가 :인써트 인선 날부 파손

피삭재: SCM440

샘플형번: SNMX1206ANN-MM

절삭 속도: 180m/min

절삭 이송: 0.15mm/tooth

절삭 깊이: 2.0mm

절삭유: 없음(건식)

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

	실시예	비교예1	비교예2	비교예3	비교예4
내마모성 가공시간	23min	13min	20min	10min	30min
내치핑성 가공시간	43min	40min	35min	41min	15min

위 표 4 에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예1에 따른 피막은 TiCN층과 AlTiN층간의 결정 배향 및 두께조절을 통해 결합력이 향상되어, 공구 수명이 비교예들에 비해 현저하게 개선되었다.

100: 모재
200: 제1층
300: 제2층

Claims

CVD법으로 형성되는 피막으로,
상기 피막은 제1층과, 상기 제1층의 상부에 형성된 제2층을 포함하고,
상기 제1층은 TiC_xN_y(x+y=1, x＞0, y＞0)을 주상으로 포함하고, X-선 회절분석 시에 (311)면 및/또는 (422)면의 피크 강도가 가장 크도록 배향되어 있고,
상기 제2층은 Ti_1-xAl_xC_1-yN_y (0.6≤x<1.0, 0≤y≤1)을 주상으로 포함하고, X-선 회절분석 시에 (111)면의 피크 강도가 가장 크도록 배향되어 있는, 절삭공구용 피막.
제1항에 있어서,
상기 제2층은 Ti와 Al의 함량이 상이한 비율을 갖는 영역이 피막의 두께 방향을 따라 교대 반복적으로 형성되는 라멜라 구조로 이루어지고, 상기 영역의 평균 두께는 150nm 이하인, 절삭공구용 피막.
제1항에 있어서,
상기 제2층은 면심입방구조(fcc)를 가지는 조직의 부피분율이 90 vol% 이상인, 절삭공구용 피막.
제1항에 있어서,
상기 제1층의 하부에는 하지층이 더 포함되고, 상기 하지층은 TiN을 주상으로 포함하는, 절삭공구용 피막.
제1항에 있어서,
상기 제1층은 미세조직상 평균 결정립 크기가 0.9㎛ 이하인, 절삭공구용 피막.