KR102600870B1

KR102600870B1 - 내마모성과 인성이 우수한 경질피막을 포함하는 절삭공구

Info

Publication number: KR102600870B1
Application number: KR1020210160670A
Authority: KR
Inventors: 권진한; 안승수; 박제훈; 안성연; 조영주; 김형진
Original assignee: 한국야금 주식회사
Priority date: 2021-11-19
Filing date: 2021-11-19
Publication date: 2023-11-13
Also published as: WO2023090620A1; CN118302560A; DE112022004810T5; KR20230073856A

Abstract

본 발명은 내마모성, 인성, 내산화성, 내열크랙성 등 다양한 물성을 균형있게 만족시킬 수 있는 경질피막을 가지는 절삭공구를 제공하는 것이다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 경질기체 및 상기 경질기체 상에 형성되는 경질피막을 포함하고, 상기 경질피막은, 하기 [화학식 1]로 표현되는 조성 범위를 가지면서 격자상수가 상이한 둘 이상의 서브 피막이 번갈아 적층되는 구조를 가지는 절삭공구를 제공할 수 있다.
[화학식 1] Al_(1-x-y-z)Ti_xZr_yMe_zC_aO_bN_(1-a-b)(0<x<0.48, 0<y≤0.8, 0<z≤0.1 이고, 여기서 Me는 Cr, Ta, Hf, Nb, V, Y, W, Mo, Si, B 중에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 0<a<0.03, 0<b<0.03임)

Description

내마모성과 인성이 우수한 경질피막을 포함하는 절삭공구{CUTTING TOOL HAVING HARD COATING LAYER WITH ECELLENT WEAR RESISTANCE AND TOUGHNESS}

본 발명은 절삭공구에 사용되는 초경합금, 써멧, 세라믹, 입방정 질화붕소와 같은 경질 모재 상에 형성되는 경질피막에 관한 것으로, 보다 상세하게는 경질모재 상에 인접하여 Al. Ti, Zr 및 기타 금속 원소를 포함하는 산화탄질화물로 이루어지는 경질피막에 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 코팅 기술이 변천되었고, 내마모성 및 내산화성을 더욱 향상시키기 위해 Al을 더 첨가시킨 AlTiN 박막이 개발되었다. AlTiN 박막은 Al₂O₃ 산화층을 형성함으로써, 고온 내산화성과 내마모성을 향상시키는 효과를 얻었으나, 결합력, 인성, 윤활성 등 다른 물성에서의 개선도 필요한 것으로 나타나게 되었다.

한편, 이러한 경질피막의 물성은 이를 구성하는 원소의 종류와 함량에 가장 큰 영향을 받으며, 경질피막의 조성에 따라 경도, 인성, 내산화성, 내열성, 윤활성 등이 다르게 나타난다. 피삭재질, 절삭조건, 공구종류, 공구부위 등에 따라 달리 요구되는 경질피막의 물성을 하나의 조성 시스템으로 최대한 만족시키기 위해서 최근 몇 십년 간 다원계 박막 코팅 기술이 계속해서 발전해왔다.

본 발명은 내마모성뿐만 아니라 인성, 내산화성, 내열성, 윤활성 등 다양한 물성을 균형있게 만족시킬 수 있는 경질피막을 가지는 절삭공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 경질기체 및 상기 경질기체 상에 형성되는 경질피막을 포함하고, 상기 경질피막은, 하기 [화학식 1]로 표현되는 조성 범위를 가지면서 격자상수가 상이한 둘 이상의 서브 피막이 번갈아 적층 되는 구조를 가지는 절삭공구를 제공할 수 있다.

[화학식 1] Al_(1-x-y-z)Ti_xZr_yMe_zC_aO_bN_(1-a-b)(0<x<0.48, 0<y≤0.8, 0<z≤0.25 이고, 여기서 Me는 Cr, Ta, Hf, Nb, V, Y, W, Mo, Si, B 중에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 0<a<0.03, 0<b<0.03이고, x, y, z, a, b는 원자비율임)

또한, 상기 [화학식 1]에서 상기 z의 범위는 0<z≤0.1 일 수 있다.

또한, 본 발명에 따르는 절삭공구는, 상기 상기 둘 이상의 서브 피막 사이에서 상기 [화학식 1]의 (y+z)의 차이는 0.1 미만일 수 있다.

또한, 본 발명에 따르는 절삭공구에서, 상기 [화학식 1]은 (1-x-y-z)≥x, (1-x-y-z)≥z, x≥z이고, (a+b)≤0.05인 관계를 더 만족할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르는 절삭공구에서, 상기 경질피막의 상부 또는 하부에 Ti, Al, Cr, Ta, Hf, Nb, Zr, V, Y, W, Mo, Si, 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄화물, 질화물, 산화물, 탄질화물, 산화질화물, 산화탄화물, 산화탄질화물, 붕화물, 질화붕소, 붕소탄화물, 붕소탄질화물, 붕소산화질화물, 붕소옥소탄화물, 붕소옥소탄질화물, 및 옥소질화붕소로부터 선택되는 화합물층이 1층 이상 형성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따르는 절삭공구에서 상기 경질피막은 입방정 또는 육방정 구조이거나, 입방정, 육방정 또는 비정질 구조의 혼합조직일 수 있다.

또한, 본 발명에 따르는 절삭공고에서 상기 경질피막의 두께는 0.02~20㎛ 범위이고, 서브 피막의 두께는 1~50nm 범위일 수 있다.

본 발명에 따라 고경도를 유지하면서 잔류응력은 감소하여 높은 내마모성을 가지면서 동시에 인성이 우수한 경질 피막을 얻을 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따른 경질피막은 첨가 원소의 영향으로 윤활성이 크게 향상되며, 내산화성과 내열크랙성까지 우수하여 고기능성 범용 절삭 공구를 얻을 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 절삭공구 구조를 설명하는 모식도이다.

이하 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 경질기체 및 상기 경질기체 상에 형성되는 경질피막을 포함하는 절삭공구에 관한 것으로, 상기 경질피막은, 하기 [화학식 1]로 표현되는 조성 범위를 가지면서 격자상수가 상이한 둘 이상의 서브 피막이 번갈아 적층 되는 구조를 가진다.

[화학식 1] Al_(1-x-y-z)Ti_xZr_yMe_zC_aO_bN_(1-a-b)(0<x<0.48, 0<y≤0.8, 0<z≤0.25 이고, 여기서 Me는 Cr, Ta, Hf, Nb, V, Y, W, Mo, Si, B 중에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 0<a<0.03, 0<b<0.03임)

경질피막은 [화학식 1]에 따르는 조성을 가지게 되는데, Al, Ti 및 Zr을 기본으로 포함하면서 기타 금속 원소로서 Cr, Ta, Hf, Nb, V, Y, W, Mo, Si, B 중에서 선택된 1종 이상을 포함하게 된다. 비금속 원소로는 C, N, O를 모두 포함한다.

일반적으로 Al, Ti, Zr을 포함하는 산화물, 탄화물, 질화물 또는 이들은 혼합상은 높은 경도를 가지고 있어 경질 피막으로서 많이 사용되고 있지만 피막 형성 중 발생하는 잔류응력으로 인해 인성이 떨어지는 문제가 있다. 이를 해결하게 위해 본 발명에서는 단일 경질 피막이 아니라 기본 함유 원소는 동일하지만 결정 격자상수만 서로 다른 서브 피막을 교대로 반복하여 적층 함으로써 최종 경질 피막에서 내부에 생성되는 잔류응력을 최소화하고 이를 통해 경질피막의 인성을 높일 수 있게 된다.

이와 같은 본 발명에 따른 절삭공구의 예를 도 1에서 나타내었다. 도 1에서의 절삭공구는 경질기체(100) 상에 경질피막(200)을 포함하고, 경질피막은 다시 교대로 적층 되는 서브 피막(210, 220)을 포함하게 된다. 이러한 서브 피막은 서로 격자 상수를 달리하는데, 예를 들어 서브 피막(210)의 결정 격자상수는 서브 피막(220)의 결정 격자상수보다 클 수 있다. 하지만, 이들 서브 피막(210, 220)은 모두 [화학식 1]에 따르는 조성을 가지게 된다.

도 1에서는 두 종류의 서브 피막(210, 220)이 서로 교대로 적층 되고 이러한 교대 적층은 3번 반복되었지만, 한 번만 또는 두 번 반복되거나 3번을 넘어 다수회 반복되어도 좋고 서브 피막(210)과 서브 피막(220)의 층수가 반드시 같을 필요도 없다. 또한, 격자상수가 상이한 서브 피막이 두 개가 아니라 세 개 또는 네 개일 수도 있다.

또한, [화학식 1]에 따르는 본 발명의 경질 피막에는 기타 금속 원소로서 Cr, Ta, Hf, Nb, V, Y, W, Mo, Si, B 중에서 선택된 1종 이상을 포함하게 되는데, 이들 원소의 조절을 통해 경질 피막의 내마모성을 높일 수 있고, 피막을 구성하는 주요 원소와의 조합 및 조성비에 따라 윤활성, 내산화성, 내열크랙성 또한 크게 향상될 수 있다. [화학식 1]에서 기타 금속 원소인 Me의 비율을 나타내는 z의 값은 0을 초과하면서 0.25이하일 수 있는데, 보다 바람직하게는 0을 초과하면서 0.1이하일 수 있다. 기타 금속 원소의 함량이 너무 많게 되면 상대적으로 다른 금속 원소의 비율이 줄어들게 되어 경질 피막의 경도가 낮아질 수 있게 되어 일정 함량 이하로 유지되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 둘 이상의 서브 피막은 모두 [화학식 1]의 조성을 가지게 되는데 이들의 격자상수를 서로 다르게 하기 위해서는 [화학식 1]에서의 x,y,z 또는 a, b 등을 서로 다르게 조정할 수 있다. 이러한 조성의 미세 조정을 통해서 격자상수를 조금씩 다르게 조절할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에서 상기 둘 이상의 서브 피막에서 상기 [화학식 1]의 (y+z)의 차이는 0.1 미만일 수 있다.

[화학식 1]에서 y와 z는 각각 Zr과 기타 금속 원소인 Me의 조성비를 나타내는데, 서브 피막 간의 이러한 조성의 차이가 너무 크면 격자상수 차이가 크게 되고, 부정합 계면을 나타낼 위험이 있어 서브 피막 간의 결합력 저하로 박리, 치핑 등이 발생하기 쉽다. 또한, 정합 계면을 유지하더라도 불일치 변형(misfit strain) 정도가 증가하여 잔류응력의 차이가 크게 되고, 이로 인해 잔류응력이 서브 피막 간에 서로 상쇄되는 것을 넘어 단일 피막의 경우보다 더 큰 잔류응력을 나타낼 수도 있기 때문에 바람직하지 않다. 따라서 이들 서브 피막 간에 (y+z)의 값 차이는 0.1 이하인 것이 바람직하다.

또한, [화학식 1]은 (1-x-y-z)≥x, (1-x-y-z)≥z, x≥z이고, (a+b)≤0.05인 관계를 더 만족할 수 있다.

[화학식 1]에서 x, y, z는 금속 원소인 Al, Ti, Zr, Me의 조성비를 결정하게 되는데, Al의 조성비를 나타내는 (1-x-y-z)의 값이 Ti의 조성비를 나타내는 x보다 큰 것이 내마모성 및 내산화성이 더 우수하다. 여기에 Zr과 기타 금속 원소인 Me가 포함됨으로써 일반적인 AlTiN 박막보다 결정립 크기가 수십 나노미터 수준으로 미세화되고, Zr의 조성비를 나타내는 y의 값과 기타 금속 원소인 Me의 종류에 따라서는 결정 구조의 조직 내에 비정질 구조까지 혼재할 수 있어 경질피막의 물성이 전반적으로 극대화되게 된다.

또한, Al의 조성비를 나타내는 (1-x-y-z)와 Ti의 조성비를 나타내는 x의 값이 기타 금속 원소인 Me의 조성비를 나타내는 z보다 큰 것이 피막의 증착 안정성이 높고, 피막의 밀도가 높으며 그리고 잔류응력이 낮다. 본 발명의 경질피막에 포함되는 기타 금속 원소는 대부분 내화금속(Refractory metal) 원소이거나, 준금속(Metalloid) 원소로서 융점이 높고, 열전도율이 낮아 Al과 Ti 대비 높은 함량을 가질 시 PVD 코팅 타겟의 용융 및 이온화가 원활하지 못하여 코팅 입자가 크고, 불규칙해지며, 피막의 밀도가 감소하게 된다. 이에 따라 피막 내 많은 결함이 발생되기 때문에 잔류응력 증가의 원인으로도 작용한다. 따라서 (1-x-y-z)와 x의 값은 z보다 크거나 최소한 같은 것이 바람직하다.

비금속 원소의 조성비를 결정하는 a와 b의 값은 이들의 합인 (a+b), 즉 탄소와 산소의 합을 나타내는데, 질화물 계열의 경질피막에 탄소와 산소가 미량 첨가될 시 피막 조직의 미세화 및 치밀화가 일어나며, 피막 표면의 형태를 매끄럽게 하여 내산화성과 윤활성이 향상된다. 하지만 (a+b)의 값이 0.05를 초과할 경우 피막이 취성화 되고, 밀착력이 크게 저하되기 때문에 (a+b)의 값은 0.05 이하인 것이 바람직하다.

본 발명에의 또 다른 실시예에서는 상기 경질피막의 상부 또는 하부에 Ti, Al, Cr, Ta, Hf, Nb, Zr, V, Y, W, Mo, Si, 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄화물, 질화물, 산화물, 탄질화물, 산화질화물, 산화탄화물, 산화탄질화물, 붕화물, 질화붕소, 붕소탄화물, 붕소탄질화물, 붕소산화질화물, 붕소옥소탄화물, 붕소옥소탄질화물, 및 옥소질화붕소로부터 선택되는 화합물층이 1층 이상 형성될 수 있다. 경질피막의 상부 또는 하부에 경질피막의 금속 원소를 포함하는 탄화물, 질화물, 산화물 또는 이들의 조합으로 이루어지는 화합물층을 추가로 형성함으로써, 절삭공구의 사용 환경에 따라 경질피막의 물성을 다양화 및 최적화 시킬 수 있다.

한편, 본 발명에서 상기 경질피막은, 입방정 구조, 육방정 구조, 입방정과 육방정 구조의 혼합조직, 입방정과 비정질 구조의 혼합조직, 육방정과 비정질 구조의 혼합조직, 또는 입방정과 육방정과 비정질 구조의 혼합조직일 수 있다. 입방정은 인성이 우수하고, 육방정은 윤활성이 뛰어난 구조로서 이들의 결정 조직에 비정질 구조가 혼합될 시 내마모성, 내산화성, 내열크랙성을 동시에 향상시킨 경질피막을 얻을 수 있다.

본 발명에 따르는 경질피막의 두께는 0.02~20㎛ 범위이고, 서브 피막의 두께는 1~50nm 범위일 수 있다.

경질피막의 두께가 너무 얇아 0.02㎛ 미만이면 충분한 내마모성 및 내산화성을 얻을 수 없게 되고, 20㎛를 넘어 너무 두꺼우면 내부응력에 의한 박리문제가 발생할 수 있다.

한편, 서브 피막의 두께는 너무 얇으면 결정격자를 나타내지 못하고 너무 두꺼우면 교대로 적층될 때 충분한 잔류응력의 상쇄효과를 얻을 수 없게 된다. 따라서 1~50nm 범위인 것이 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]

경질피막의 제조

본 발명의 실시예에서는 초경합금, 써멧, 세라믹, 입방정 질화붕소와 같은 소결체로 이루어지는 경질 모재 표면 위에 물리적 기상 증착법(Physical vapor deposition; PVD)인 아크 이온 플레이팅을 이용하여 도 1과 같은 구조를 갖는 피막을 성막하였다.

모재를 습식 마이크로 블라스팅 및 초순수로 세척한 뒤 건조한 상태에서 코팅로 내 회전 테이블 상의 중심축에서 반경 방향으로 소정 거리 떨어진 위치에 원주를 따라 장착하였다. 코팅로 내 초기 진공압력을 8.5×10^-5 Torr 이하로 감압하였으며, 온도를 400 ~ 600℃로 가열한 후 Ar 가스 분위기 하에서 상기 회전 테이블 상에서 자전하면서 회전하는 모재에 -200 ~ -300V의 펄스 바이어스 전압을 인가하여 30 ~ 60 분간 이온 봄바드먼트(Ion bombardment)를 수행하였다. 코팅을 위한 가스압력은 50mTorr 이하 또는 40mTorr 이하로 유지하였으며, 코팅 시 기판 바이어스 전압은 -20 ~ -100V를 인가하였다.

모재는 평균 입도 0.8㎛의 WC와 10wt.%의 Co 함량으로 이루어진 초경합금을 사용하였다. 코팅 시 타겟은 AlTiZrMe 아크 타겟을 조성비 및 Me 원소 별로 2종 이상을 코팅로 내부에 서로 마주보도록 2 ~ 4면으로 배치하였고, 바이어스 전압 -30 ~ -60V, 아크 전류 100 ~ 150A, 반응가스로 N₂, O₂, CH₄를 주입, 압력 2.7 ~ 4.0Pa 조건으로 성막하였다. 여기서 AlTi, AlTiZr, TiAlZrMe 아크 타겟을 추가로 사용하여 본 발명의 비교예를 구성하였다.

상기 조건으로 본 발명의 실시예와 비교예를 제조하였으며, 이에 해당되는 경질피막의 조성, 두께, 경도, 응력에 대한 기본 정보를 아래 표 1에 나타내었다.

구분	번호	박막조성		두께 (㎛)	경도 (GPa)	응력 (GPa)
실시예	1-1	서브1	AlTiZrCrV(51:37:8:2:2) CON(1.5:1.5:97)	4.0	35.4	-1.1
		서브2	AlTiZrCrV(62:18:2:16:2) CON(1.5:1.5:97)
	1-2	서브1	AlTiZrTaHf(51:37:8:2:2) CON(1.5:1.5:97)	3.9	36.5	-1.2
		서브2	AlTiZrTaHf(52:34:2:6:6) CON(1.5:1.5:97)
	1-3	서브1	AlTiZrNbMo(51:37:8:2:2) CON(1.5:1.5:97)	3.8	35.9	-1.1
		서브2	AlTiZrNbMo(54:36:2:4:4) CON(1.5:1.5:97)
	1-4	서브1	AlTiZrWY(51:37:8:2:2) CON(1.5:1.5:97)	3.8	36.1	-1.2
		서브2	AlTiZrWY(55:37:2:4:2) CON(1.5:1.5:97)
	1-5	서브1	AlTiZrSi(52:38:8:2) CON(1.5:1.5:97)	3.9	35.9	-1.1
		서브2	AlTiZrSi(54:36:2:8) CON(1.5:1.5:97)
	1-6	서브1	AlTiZrB(52:38:8:2) CON(1.5:1.5:97)	4.0	35.8	-1.0
		서브2	AlTiZrB(54:36:2:8) CON(1.5:1.5:97)
	1-7	서브1	AlTiZrB(35:25:38:2) CON(1.5:1.5:97)	4.1	34.3	-0.8
		서브2	AlTiZrB(41:29:22:8) CON(1.5:1.5:97)
	1-8	서브1	AlTiZrB(23:17:58:2) CON(1.5:1.5:97)	4.2	33.5	-0.9
		서브2	AlTiZrB(29:21:42:8) CON(1.5:1.5:97)
	1-9	서브1	AlTiZrB(52:38:8:2) CON(1.5:1.5:97)	4.0	35.9	-1.1
		서브2	AlTiZrB(53:43:2:2) CON(0.5:0.5:98)
		서브3	AlTiZrB(54:36:2:8) CON(1.5:1.5:97)
	1-10	서브1	AlTiZrB(52:38:8:2) CON(1.5:1.5:97)	4.0	36.3	-1.2
		서브2	AlTiZrB(53:43:2:2) CON(0.5:0.5:98)
		서브3	AlTiZrB(54:36:2:8)CON(1.5:1.5:97)
		서브4	AlTiZrB(53:43:2:2) CON(0.5:0.5:98)
비교예	2-1	단일층	AlTi(60:40)N(100)	4.0	30.3	-1.5
	2-2	서브1	AlTi(67:33)N(100)	3.9	32.6	-1.4
		서브2	AlTi(50:50)N(100)
	2-3	단일층	AlTi(60:40)CON(1.5:1.5:97)	4.0	32.3	-1.6
	2-4	서브1	AlTi(67:33)CON(1.5:1.5:97)	4.0	32.1	-1.6
		서브2	AlTi(50:50)CON(1.5:1.5:97)
	2-5	단일층	AlTiZr(55:40:5)N(100)	3.9	32.5	-1.4
	2-6	서브1	AlTiZr(53:39:8)N(100)	3.9	33.7	-1.2
		서브2	AlTiZr(59:39:2)N(100)
	2-7	단일층	AlTiZr(55:40:5) CON(1.5:1.5:97)	4.0	32.8	-1.5
	2-8	서브1	AlTiZr(53:39:8) CON(1.5:1.5:97)	4.1	34.1	-1.2
		서브2	AlTiZr(59:39:2) CON(1.5:1.5:97)
	2-9	단일층	AlTiZrB(53:37:5:5) N(100)	4.0	33.2	-1.4
	2-10	서브1	AlTiZrB(52:38:8:2) N(100)	4.0	35.5	-1.2
		서브2	AlTiZrB(54:36:2:8) N(100)
	2-11	단일층	AlTiZrB(53:37:5:5) CON(1.5:1.5:97)	3.9	33.0	-1.3
	2-12	서브1	TiAlZrB(52:38:8:2) CON(1.5:1.5:97)	4.1	37.7	-1.8
		서브2	TiAlZrB(54:36:2:8) CON(1.5:1.5:97)

상기 표 1에서 확인되는 바와 같이, 실시예의 경질피막은 비교예의 경질피막과 비교하여 높은 경도 대비 낮은 잔류응력을 갖는다. 일반적으로 아크 이온 플레이팅으로 증착된 질화물 계열의 경질피막은 경도가 높을수록 잔류응력이 증가하는 경향을 나타내지만 본 발명에 따라 고경도를 유지하면서 잔류응력은 감소하여 높은 내마모성을 가짐과 동시에 인성이 우수한 경질피막을 얻을 수 있게 된다.한편, 물리적 기상 증착법(Physical Vapor Deposition; PVD)으로 증착된 경질피막의 잔류응력은 보통 압축응력(-)을 나타내는데, 높은 압축응력을 가질수록 경질피막의 내충격성, 즉 인성이 증가하는 것으로 알려져 있다. 하지만 최근에는 금속의 합금기술, 주조기술, 열처리기술, 성형기술이 많이 발전하여 종래의 피삭재 보다 단단하고, 질기고, 내열화되었고, 이러한 피삭재는 가공 시 절삭공구 인선의 온도를 높이고, 칩의 용착을 일으켜 가공 난이도가 높다.(생산성 감소, 공구수명 저하) 이와 같은 난삭 피삭재를 가공함에 있어서 경질피막의 압축응력이 너무 높을 시 내충격성 향상 보다는 박리 또는 박막의 내뜯김성 감소 요인으로 더 크게 작용하고, 박리로 인한 경질피막 표면의 미세균열 또는 치핑은 곧 노치로 작용하여 결과적으로 경질피막의 인성을 저하시킨다. 따라서 높은 내마모성을 가짐과 동시에 인성이 우수한 경질피막을 얻기 위해서는 적절한 수준의 압축응력이 요구된다.

절삭성능 평가

상기 표 1과 같이 제조한 경질피막의 내마모성, 내용착성, 내열크랙성, 내치핑성을 평가하기 위하여 밀링가공 시험을 수행하였으며, 하기와 같은 조건으로 평가하였다.

(1) 내마모성 평가

피삭재: SM45C

샘플 형번: SNMX1206ANN-MM

절삭 속도: 250m/min

절삭 이송: 0.2mm/tooth

절삭 깊이: 2mm

탄소강 가공 시 일반적으로 화학적인 마찰마모가 주요 마모유형으로 나타나며, 경질피막의 경도와 내산화성이 절삭성능에 미치는 영향이 크다.

(2) 내용착성 평가

피삭재: SKD11

샘플 형번: ADKT170608PESR-MM

절삭 속도: 120m/min

절삭 이송: 0.2mm/tooth

절삭 깊이: 5mm

고경도강 가공 시 일반적으로 용착과 치핑이 주요 마모유형으로 나타나며, 경질피막의 윤활성과 내박리성이 절삭성능에 미치는 영향이 크다.

(3) 내열크랙성 평가

피삭재: GCD600

샘플 형번: SNMX1206ANN-MF

절삭 속도: 200m/min

절삭 이송: 0.2mm/tooth

절삭 깊이: 2mm

구상흑연주철 가공 시 일반적으로 열크랙과 치핑이 주요 마모유형으로 나타나며, 경질피막의 내열크랙성이 절삭성능에 미치는 영향이 크다.

(4) 내치핑성 평가

피삭재: STS316

샘플 형번: ADKT170608PESR-ML

절삭 속도: 120m/min

절삭 이송: 0.12mm/tooth

절삭 깊이: 5mm

스테인레스강 가공 시 일반적으로 가공경화(Strain hardening) 현상으로 인한 치핑과 파손이 주요 마모유형으로 나타나며, 경질피막의 내박리성, 내치핑성이 절삭성능에 미치는 영향이 크다.

이상과 같은 조건으로 평가한 결과를 아래 표 2와 표 3에 나타내었다.

구분	번호	내마모성		내용착성
구분	번호	가공길이(mm)	마모유형	가공길이(mm)	마모유형
실시예	1-1	8100	정상마모	15000	정상마모
	1-2	7500	정상마모	11700	용착
	1-3	7800	정상마모	12000	용착
	1-4	7200	정상마모	13500	정상마모
	1-5	7500	정상마모	14700	정상마모
	1-6	7200	정상마모	15000	정상마모
	1-7	6900	정상마모	15300	정상마모
	1-8	6900	정상마모	16200	정상마모
	1-9	7500	정상마모	15000	정상마모
	1-10	7800	정상마모	15000	정상마모
비교예	2-1	4500	과대마모	8700	용착, 과대마모
	2-2	5100	과대마모	9000	용착, 과대마모
	2-3	4500	과대마모	7200	박막뜯김
	2-4	4800	과대마모	6900	박막뜯김
	2-5	4800	과대마모	10800	용착
	2-6	5100	과대마모	11400	용착
	2-7	5100	박막뜯김,과대마모	9000	박막뜯김, 과대마모
	2-8	5700	박막뜯김	9600	용착
	2-9	5700	박막뜯김,과대마모	8700	박막뜯김, 용착
	2-10	6600	용착	12300	용착
	2-11	5100	박막뜯김,과대마모	8700	박막뜯김
	2-12	7200	박막뜯김	5400	박막뜯김, 용착

구분	번호	내열크랙성		내치핑성
구분	번호	가공길이(mm)	마모유형	가공길이(mm)	마모유형
실시예	1-1	3600	정상마모	4800	정상마모
	1-2	3000	정상마모	4500	박막뜯김
	1-3	3000	정상마모	5200	정상마모
	1-4	3000	정상마모	4500	박막뜯김
	1-5	3900	정상마모	5700	정상마모
	1-6	4200	정상마모	6000	정상마모
	1-7	3600	정상마모	6300	정상마모
	1-8	3900	정상마모	6000	정상마모
	1-9	4200	정상마모	6000	정상마모
	1-10	4200	정상마모	6000	정상마모
비교예	2-1	1500	과대마모, 열크랙, 치핑	3900	파손
	2-2	1500	과대마모, 열크랙, 치핑	4200	파손
	2-3	1200	과대마모,열크랙, 치핑	3000	파손
	2-4	1500	과대마모,열크랙, 치핑	2700	파손
	2-5	2100	열크랙, 치핑	3600	파손
	2-6	2400	열크랙	3900	치핑
	2-7	1800	열크랙, 치핑	3000	파손
	2-8	2100	열크랙	3000	파손
	2-9	2400	열크랙	4200	치핑
	2-10	2700	열크랙	4500	박막뜯김
	2-11	2100	열크랙, 치핑	3900	치핑
	2-12	900	과대마모, 열크랙, 치핑	1800	파손

상기 표 2와 표 3에서 확인되는 바와 같이, 실시예의 경질피막은 비교예의 경질피막 대비 전반적으로 절삭성능이 우수하다. 경질피막 간의 경도가 유사하더라도 경질피막의 조성 및 구조에 따라 절삭성능은 크게 달라질 수 있다. 실시예를 통해 알 수 있듯이 Zr의 함량 및 Me 원소의 종류에 따라 절삭성능에 있어 조금씩 차이를 나타낸다.

한편, 비교예의 2-1, 2-2, 2-3, 2-4 경질피막은 경도는 낮고, 응력은 높아 마모가 매우 빨리 진행되고, 치핑과 파손이 가공 초기에 발생한다. 또한, 윤활성과 내열크랙성이 부족하여 용착, 박막뜯김, 열크랙이 쉽게 일어난다. 비교예의 2-5, 2-6, 2-7, 2-8 경질피막은 Zr을 포함하고 있으나 실시예의 경질피막과 같은 수준의 경도를 갖지 못하여 내마모성이 낮고, Me 원소를 포함하지 않은 상태에서 C와 O만 포함한 경우에는 오히려 응력이 증가하여 박막뜯김, 치핑, 파손이 보다 쉽게 발생한다. 비교예의 2-9, 2-11 경질피막은 실시예의 경질피막과 평균 조성비는 같지만 단일층 구조로 응력이 높고, 비교예의 2-10 경질피막은 C와 O를 미포함 하여 윤활성이 떨어져 실시예의 경질피막 대비 낮은 절삭성능을 나타낸다. 비교예의 2-12 경질피막은 Ti의 함량이 Al의 함량보다 높은 경질피막으로서 고경도로 양호한 내마모성을 보이지만 높은 응력을 가져 박막뜯김이 급격히 진행되고, 용착, 치핑, 파손 또한 매우 빠르게 나타난다.

따라서 본 발명의 경질피막은, [화학식 1] Al_(1-x-y-z)Ti_xZr_yMe_zC_aO_bN_(1-a-b)(0<x<0.48, 0<y≤0.8, 0<z≤0.25 이고, 여기서 Me는 Cr, Ta, Hf, Nb, V, Y, W, Mo, Si, B 중에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 0<a<0.03, 0<b<0.03임)로 표현되는 조성 범위를 가지면서 격자상수가 상이한 복수의 서브 피막이 번갈아 적층되는 구조인 절삭공구로서 내마모성뿐만 아니라 인성, 내산화성, 내열성, 윤활성 등 다양한 물성을 균형 있게 갖춤으로써 탄소강, 고경도강, 구상흑연주철, 스테인레스강 등 금속가공 산업에 주로 사용되는 피삭재 전반의 가공에서 우수한 절삭성능을 갖는다.

Claims

경질기체 및 상기 경질기체 상에 형성되는 경질피막을 포함하고,
상기 경질피막은, 하기 [화학식 1]로 표현되는 조성 범위를 가지면서 격자상수가 상이한 둘 이상의 서브 피막이 번갈아 적층 되는 구조인, 절삭공구.
[화학식 1] Al_(1-x-y-z)Ti_xZr_yMe_zC_aO_bN_(1-a-b)(0<x<0.48, 0<y≤0.8, 0<z≤0.25 이고, 여기서 Me는 Cr, Ta, Hf, Nb, V, Y, W, Mo, Si, B 중에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 0<a<0.03, 0<b<0.03 이고, x, y, z, a, b는 원자비율임)
제 1 항에 있어서,
상기 [화학식 1]에서 상기 z의 범위는 0<z≤0.1인, 절삭공구.
제 1 항에 있어서,
상기 둘 이상의 서브 피막 사이에 상기 [화학식 1]의 (y+z)의 차이는 0.1 미만인, 절삭공구.
제 1 항에 있어서,
상기 [화학식 1]은 (1-x-y-z)≥x, (1-x-y-z)≥z, x≥z이고, (a+b)≤0.05인 관계를 더 만족하는, 절삭공구.
제 1 항에 있어서,
상기 경질피막의 상부 또는 하부에 Ti, Al, Cr, Ta, Hf, Nb, Zr, V, Y, W, Mo, Si, 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄화물, 질화물, 산화물, 탄질화물, 산화질화물, 산화탄화물, 산화탄질화물, 붕화물, 질화붕소, 붕소탄화물, 붕소탄질화물, 붕소산화질화물, 붕소옥소탄화물, 붕소옥소탄질화물, 및 옥소질화붕소로부터 선택되는 화합물층이 1층 이상 형성되는, 절삭공구.
제 1 항에 있어서,
상기 경질피막은 입방정 구조, 육방정 구조, 입방정과 육방정 구조의 혼합조직, 입방정과 비정질 구조의 혼합조직, 육방정과 비정질 구조의 혼합조직, 또는 입방정과 육방정과 비정질 구조의 혼합조직인, 절삭공구.
제 1 항에 있어서,
상기 경질피막의 두께는 0.02~20㎛ 범위이고, 서브 피막의 두께는 1~50nm 범위인, 절삭공구.