KR20110105980A - 고경도 및 내산화성을 갖는 다층막 절삭공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다층 코팅 절삭공구에 관한 것으로서, 초경합금, 써멧 또는 세라믹으로 형성된 모재 위에 화학적 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; 이하 "CVD"라 한다)과 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposition, 이하 "PVD"라 한다)을 병행(hybrid)하여 하이브리드 다층 코팅(hybrid multi-layer coating)을 증착하여, 내마모성, 내산화성, 내치핑성 등을 획기적으로 개선한 절삭공구에 대한 것이다.

Description

고경도 및 내산화성을 갖는 다층막 절삭공구{CUTTING TOOL HAVING MULTI COATING LAYERS WITH IMPROVED OXIDATION RESISTANCE AND HIGH HARDNESS}

본 발명은 고경도 및 내산화성을 갖는 절삭공구에 대한 것으로서, 특히 고온에서의 경도와 내산화성이 우수한 절삭공구에 대한 것이다. 본 발명에 의한 절삭공구는 화학적 기상 증착(CVD)과 물리적 기상 증착(PVD)을 병행(hybrid)하여 코팅된 하이브리드 다층 코팅층을 적층하여 내마모성과, 내산화성, 내치핑성 등의 기계적 특성이 우수하다. 본 발명에 의한 절삭공구는 특히, 인덱서블 공구의 인써트 (indexible insert)로 유용하게 적용될 수 있다.

인써트(insert)를 교체하면서 사용하는 공구를 인덱서블 공구라고 하는데, 여기서 실제 절삭을 담당하는 부분이 인써트이다. 일반적으로, 상기 인써트를 절삭공구라고 할 때도 있고, 상기 인써트가 삽입된 인덱서블 공구 전체를 절삭공구라고 하기도 하며, 두 가지 모두를 절삭공구라고 하기도 한다. 본 발명에서는 인써트와 인써트가 삽입된 인덱서블 공구를 모두 절삭공구라고 한다.

이러한 절삭공구 또는 인써트는 일반적으로 피가공물의 재질보다 경도가 높고, 내마모성이 우수해야 하는 동시에 절삭가공시 발생하는 기계적 충격에 견딜 수 있는 적절한 인성을 가지고 있어야 한다. 이러한 요구사항을 만족하는 재질로서 초경합금, 써멧, 세라믹 등의 재질이 알려져 있는데, 이들 재질을 그대로 절삭공구로 하면 마모 등의 문제로 인하여 공구의 수명이 길지 않기 때문에 상기 초경합금, 써멧, 세라믹 등의 재질을 모재로 하여 여기에 코팅을 하여 공구로 사용한다.

예컨대, 공구의 수명 향상을 위하여, 상기 초경합금 등으로 된 모재보다 경도가 더 우수한 TiN, TiC, TiCN 등과 같은 비산화물계 세라믹 물질들을, CVD(화학적 기상증착) 또는 PVD (물리적 기상증착) 공법을 이용하여 상기 모재의 표면에 단층 또는 다층 코팅하는 등의 노력이 있어 왔다. 그러나 가공 속도가 높고 이로 인해 고온, 고압이 발생하는 조건에서의 절삭 가공의 경우, 상기와 같은 비산화물계 박막은 산소와 반응하여 산화되거나 또는 열전달로 인하여 공구의 인선에 소성변형이 발생하여 그 사용에 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 상기 비산화물계 박막과 더불어, 고온에서 내산화성이 우수하고 열의 차단효과가 있는 산화물계 박막인 Al₂O₃ 박막을 추가로 형성한 다층박막을 절삭공구에 적용하려는 시도가 있었다. 이러한 다층박막은 공구수명을 획기적으로 증가시키는 것이 확인되었다. 이러한 시도에 기초하여 초경합금 등으로 된 모재 위에, 예를 들어, TiCN/Al₂O₃/TiN 순의 적층순서를 갖는 다층 박막을 형성하는 것이 현재 상용되는 다층 세라믹 박막의 대표적인 예라고 할 수 있다.

그런데, 상기 Al₂O₃는 고온에서 내산화성과 경도가 우수한 장점은 있지만, 취성(brittleness)이 강한 재료이기 때문에, 절삭가공시 기계적 단속(interupt) 이 발생하는 경우, 결손(缺損)이나 치핑(chipping)이 발생하기 쉬운 단점이 있다. 그리고 상기 Al₂O₃ 박막은 CVD 방법으로 형성되었는데, 상기 CVD 방법으로 Al₂O₃ 코팅층을 형성하기 위해서는 일반적으로 1000~1100℃의 고온이 필요하게 되며, 상기 코팅 공정이 완료된 후에는 냉각공정을 거치는데, 이러한 냉각공정 과정에서 모재와 세라믹 박막 간의 열팽창 계수의 차이로 인하여 상기 코팅된 박막의 표면과 내부 사이에 인장잔류응력(tensile residual stress)이 생겨 열균열이 발생하고 이러한 열균열은 박막의 인성을 저하시키는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로서 미국특허 US 5,597,272호 및 US 5,776,588호 등에서는 MTCVD(Moderate Temperature Chemical Vapor Deposition; 중온 화학적 기상 증착법)에 의해 형성된 TiCN/Al₂O₃/TiN의 적층구조를 갖는 다층 박막이 형성된 초경합금 절삭공구의 인선부에 브러쉬와 다이아몬드 페이스트 등을 이용하여 표면처리를 실시함으로써, 인선부의 알루미나(Al₂O₃) 두께를 얇게 하거나 제거시킴으로써 CVD 방법으로 코팅된 초경합금의 인성, 내치핑성, 내결손성 등을 향상시키는 방법이 소개되어 있다.

그리고, 유럽특허 EP 0,693,574호, 미국특허 US 6,015,614호 및 미국특허공개 US 2002/0039521호 등에는, CVD 공정 후 Al₂O₃ 내에 발생하는 인장잔류응력을 완화할 목적으로, CVD 코팅 후 물과 약 100~300 mesh의 Al₂O₃ 분말을 혼합한 슬러리를 일정 압력으로 CVD 코팅 초경합금에 분사하는 블라스팅(blasting) 공정을 적용하여 박막내의 인장잔류응력을 완화하거나, 또는 압축잔류응력(compressive residual stress)을 부여하여 절삭공구의 내치핑성과 내결손성을 향상시키는 방법이 소개되어 있다.

상기와 같은 방법을 적용하였을 때, Al₂O₃ 박막의 내치핑성과 내결손성은 종전 보다 향상되기는 하지만, 근본적으로 Al₂O₃ 박막의 취성을 극복하기에는 부족한 점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 미국특허 US 5,143,488호에서는, 초경합금 모재 위에 내층(inner layer)으로서 CVD공법으로 제조된 TiN, ZrN, HfN을 형성하고, 그 위에 PVD공법으로 TiN, ZrN, HfN 또는 TiCN, ZrCN, HfCN 등을 형성하여, 이러한 층들이 압축잔류응력을 갖도록 하는 것이 소개되어 있다. 아울러 한국특허 10-0665266에는 WC와 Co로 구성된 단순계 초경합금의 모재 표면에 MTCVD 방법으로 TiCN, TiC, TiN을 증착하고, 그 위에 PVD 방법으로 TiAlN 또는 AlTiN을 단층 혹은 다층으로 형성하는 기술이 소개되어 있다.

상기와 같이 CVD 방법과 PVD 방법을 병행하여 박막을 형성하는 하이브리드 다층 코팅(hybrid multi-layer coating)은, 종래 CVD공법의 일종인 MTCVD 방법으로 형성된 TiCN / Al₂O₃ / TiN의 적층구조를 갖는 박막이 갖고 있던 Al₂O₃ 의 취성문제를 해결하는 방법의 하나이다. 왜냐하면 PVD공법은 CVD공법에 비하여 코팅온도가 낮고(약 600℃ 부근), 반응 챔버내에서 타겟에서 증발한 코팅물질들이 전자기력에 의하여 가속되어 운동에너지를 지닌 상태로 모재 표면에 충돌하며 성막되기 때문에 박막의 밀도가 치밀하고, 공정 후 박막표면 및 내부에는 공구수명에 유리한 압축잔류응력이 형성되어 내치핑성과 내결손성이 우수하기 때문이다.

그러나, 상기와 같이 모재 위에 MTCVD방법으로 TiCN 코팅을 1차로 형성하고 이어 PVD방법에 의하여 AlTiN 또는 TiAlN 등을 형성하여 적층구조가 형성된 하이브리드 코팅의 경우, 밀링가공과 같은 단속가공에서는 우수한 개선효과가 나타나지만, 선삭 가공과 같은 연속가공 위주의 공정에서 약간의 단속이 발생하며, 가공속도가 높은 경우에는 주로 내마모성의 한계가 있다는 문제점이 있다.

이에 본 발명에서는, 상기 설명한 CVD 방법에 의하여 형성된 Al₂O₃ 박막의 취성의 문제를 해결함과 동시에, CVD 방법과 PVD 방법을 병용하여 형성된 종래 하이브리드 코팅의 내마모성 문제를 해결하고자 한다. 또한 본 발명은 고속 가공에서 요구되는 내마모성, 내산화성, 내치핑성 및 내결손성 등을 만족하는 코팅을 제공하고자 한다.

따라서 본 발명의 목적은, 우수한 내마모성, 내산화성, 내치핑성 및 내결손성을 갖는 코팅막을 구비하는 절삭공구를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 우수한 내마모성, 내산화성, 내치핑성 및 내결손성을 갖는 코팅막을 구비하는 절삭공구의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 절삭공구용 모재(300), 화학적 기상 증착법(chemical vapor deposition; CVD)에 의하여 상기 모재에 형성된 제 1 코팅층(100) 및 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition; PVD)에 의하여 상기 제 1 코팅층에 형성된 제 2 코팅층(200)을 포함하며, 상기 제 2 코팅층은 적어도 3단계의 층구조를 갖는 절삭공구를 제공한다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 절삭공구용 모재는 초경합금, 써멧 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나에 의하여 형성될 수 있다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 제 1 코팅층을 형성하는 화학적 기상 증착법은 중온 화학적 기상 증착법(moderate temperature chemical vapor deposition; MTCVD)이며, 상기 제 1 코팅층의 두께는, 예를 들어 3 내지 10㎛ 정도가 가능하다.

본 발명의 일례에 따르면, 제 1 코팅층은 티타늄(Ti), 탄소(C) 및 질소(N)를 포함하고, 또한 붕소(B) 및 산소(O) 중 적어도 하나를 더 포함한다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 제 1 코팅층의 우선성장 방위는 311 또는 220인 것이 가능하다.

상기 제 1 코팅층에서, 상기 티타늄(Ti)의 함량은 40 내지 90 중량%인 정도로 함유될 수 있으며, 상기 붕소(B)의 함량은 0 내지 2 중량% 인 것이 가능하다.

한편, 상기 제 2 코팅층은 적어도 3단계의 층구조를 갖는데, 본 발명의 일례에 따르면, 상기 제2 코팅층(200)은 제 1 단계층(210); 제 2 단계층(220); 및 제 3 단계층(230);을 포함한다. 본 발명의 일례에 따르면 상기 제 1 단계층(210)은 예를 들어 인성 강화층으로 작용하고, 상기 제 2 단계층(220)은 내마모성 강화층으로 작용할 수 있으며, 상기 제 3 단계층(230)은 내산화성 및 경도 강화층으로 작용할 수 있다.

여기서, 상기 제 1 단계층(210)은 Ti_kAl_{1 - k}N의 조성을 가지며, 0.3 ≤ k ≤ 0.7 인 것이 가능하다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 제 2 단계층(220)은, Al_aTi_bSi_{1 -a- b}N의 조성을 가지며 0.3≤a≤0.7, 0.3≤b≤0.7 및 0<1-a-b≤0.1 인 단위층 A(221); Ti_mAl_{1 -m}N의 조성을 가지며 0.3≤m≤0.7인 단위층 B(222); 및 Al_xTi_{1 - x}N의 조성을 가지며 0.3≤x≤0.7인 단위층 C(223);를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 단위층 A(221), 단위층 B(222) 및 단위층 C(223)는 각각 적어도 1회 이상 교대로 적층되는 것이 가능하다. 바람직하게는 상기 단위층 A(221), 단위층 B(222) 및 단위층 C(223)는 각각 1회 내지 4회 주기로 적층될 수 있다.

예를 들어, 단위층 A, B, C의 주기는 [단위층A-단위층B-단위층C]의 형태, [단위층A-단위층B-단위층C-단위층A-단위층B]의 형태, [단위층A-단위층C-단위층B-단위층A]의 형태 등 다양한 형태로 적층할 수 있으며, 또한, 상기 단위층 A(221), 단위층 B(222) 및 단위층 C(223)를 단일층으로 적층할 수 있다. 상기 단위층들의 적층형태는, 상기 단위층 A(221), 단위층 B(222) 및 단위층 C(223)는 각각 적어도 1회 이상 교대로 적층되기만 한다면 본 발명의 목적에 부합되도록 당업자가 필요에 의하여 적층형태를 조정하여 실시할 수 있을 것이다.

한편, 상기 제 3 단계층(230)은, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 및 질소(N)를 포함하며, 또한 실리콘(Si) 및 이트륨(Y) 중 적어도 하나를 더 포함하는 것이 가능하다. 본 발명의 일례에 따르면, 상기 제 3 단계층은 Al_dTi_e(Si, Y)_{1-d- e}N의 조성을 가지며, 여기서 0.3≤d≤0.7, 0.3≤e≤0.7, 0<1-d-e≤0.1인 것이 가능하다.

상기 제 1 단계층(210), 제 2 단계층(220) 및 제 3 단계층(230)의 두께는 서로 같거나 다를 수 있으며, 각각 단계층의 두께범위는 0.1 내지 5㎛의 범위인 것이 가능하다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 제 2 코팅층의 우선결정방위는 200인 것이 가능하다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 모재(300)와 상기 제 1 코팅층(100) 사이에된 하지층(400)이 추가로 형성될 수 있다. 상기 하지층(400)의 두께는, 예를 들면, 0.1 내지 10㎛인 것이 가능하다.

본 발명은 또한, 절삭공구용 모재(300)를 준비하는 단계; 상기 모재에 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD) 방법에 의하여 제 1 코팅층(100)을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 코팅층 위에, 물리적 기상 증착(physical vapor deposition; PVD) 방법에 의하여 제 2 코팅층(200)을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 제 2 코팅층을 형성하는 단계에서는 적어도 3회 이상의 코팅을 수행하여 상기 제 2 코팅층이 3단계 이상의 층구조를 갖도록 하는 절삭공구의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일례에 의하면, 상기 제 1 코팅층을 형성하는 화학적 기상 증착은 중온 화학적 기상 증착(moderate temperature chemical vapor deposition; MTCVD)인 것이 가능하다.

본 발명의 일례에 의하면, 상기 제 2 코팅층(200)을 형성하는 단계는 다시 세분화되어, 제 1 단계층(210)을 형성하는 단계; 제 2 단계층(220)을 형성하는 단계; 및 제 3 단계층(230)을 형성하는 단계;를 포함한다. 상기에서도 설명한 바와 같이, 상기 제 1 단계층(210)은 예를 들어 인성 강화층으로 작용할 수 있고, 상기 제 2 단계층(220)은 내마모성 강화층으로 작용할 수 있으며, 상기 제 3 단계층(230)은 내산화성 및 경도 강화층으로 작용할 수 있다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 제 2 단계층(220)을 형성하는 단계는, Al_aTi_bSi_1-a-bN의 조성을 가지며 0.3≤a≤0.7, 0.3≤b≤0.7 및 0<1-a-b≤0.1 인 단위층 A(221)를 형성하는 단계; Ti_mAl_{1 -m}N의 조성을 가지며 0.3≤m≤0.7인 단위층 B(222)를 형성하는 단계; 및 Al_xTi_{1 - x}N의 조성을 가지며 0.3≤x≤0.7인 단위층 C(223)를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 단위층 A(221), 단위층 B(222) 및 단위층 C(223)를 형성하는 단계는 각각 적어도 1회 이상 실시될 수 있으며, 바람직하게는 상기 단위층 A(221), 단위층 B(222) 및 단위층 C(223)는 각각 1회 내지 4회 주기로 적층되도록 할 수 있다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 제 1 코팅층(100)을 형성하는 단계 이전에, 모재에 하지층(400)을 형성하는 단계를 실시할 수 있다. 상기 하지층(400)의 두께는, 예를 들면, 0.1 내지 10㎛가 되도록 형성할 수 있다.

본 발명에 의하면, CVD 방법, 특히 MTCVD 방법에 의하여 모재에 Ti(B,C,N), Ti(C,O,N), Ti(B,C,N,O)와 같은 Ti를 주성분으로 하는 제 1 코팅층을 형성함으로써, 종래 상용화된 TiCN 코팅층보다 박막 주상정입자가 미세화되어 경도와 내마모성이 향상된 박막을 확보할 수 있다. 또한 상기 제 1 코팅층 위에 PVD 방법을 이용하여 3단계 구조를 갖는 제 2 코팅층인 PVD 박막을 형성함으로써 종래 하이브리드 코팅이 갖는 고온 내마모성, 내산화성의 문제점을 해결할 수 있었다.

상기 3단계 구조를 갖는 제 2 코팅층(200) 중에서 특히 제 2 단계 층(220)은 다층으로 형성하여 박막의 경도를 증가시켜 내마모성 강화층으로 작용하게 함으로써 선삭가공과 같은 연속가공에 보다 적합하게 하였다. 또한, 최외각층인 제 3 단계층(230)은 AlTiN에 Si나 Y를 첨가하여 구성함으로써, 고온경도, 내산화성 및 고경도성을 부여하여 고온이 발생하는 고속선삭가공에서 종래의 하이브리드 코팅보다 우수한 내마모성과 내치핑성, 내산화성을 구현할 수 있도록 하였다.

또한 상기 3단계 적층 구조를 갖는 제 2 코팅층은 압축잔류응력을 갖는 것이 특징으로서, Ti를 주성분으로 하는 제 1 코팅층 위에 상기 제 2 코팅층을 형성함으로써 종래 CVD 박막인 MTCVD 방법에 의하여 형성된 TiCN/Al₂O₃/TiN의 적층구조를 갖는 박막과 비교하여 내치핑성과 내결손성이 획기적으로 개선되는 인성 향상효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일례에 의한 절삭공구의 단면을 모식적으로 표현한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 일례에 의한 절삭공구의 단면을 모식적으로 표현한 것이다.

이하 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일례에 의한 절삭공구의 단면이며, 도 2는 본 발명의 다른 일례에 의한 절삭공구의 단면으로서, 도 2에 의한 절삭공구는 하지층(400)을 을 더 포함하고 있다.

본 발명의 일례에 따르면, 초경합금 등으로 된 모재(300)의 표면에 먼저 MTCVD방법으로 제 1 코팅층(100)인 TiCN 계열의 박막을 형성하고, 이어 PVD 방법으로 제 2 코팅층(200)인 AlTiN계열의 박막을 형성하였다.

여기서, 다층박막이 갖는 내마모성을 보다 향상시키기 위하여 MTCVD 방법으로 제 1 코팅층(100)인 TiCN 계열의 박막을 형성하며, 이 과정에서 입자미세화로 인한 경도 및 내마모성을 향상시키기 위해서 CO 가스와 BCl₃ 가스를 동시에 또는 1종씩 도핑한다.

즉, 상기 MTCVD 공정은 약 800~900℃의 온도와 70~100mbar의 압력에서 실시되며 반응가스로서 TiCl₄, CH₃CN, H₂, N₂가 사용되는데, 이때, CO 가스와 BCl₃ 가스 중 적어도 1종을 추가적으로 도핑되는 것이다. 여기서 도핑되는 BCl₃ 가스는 전체 반응가스 유량의 약 0.1~0.2 부피l%, CO 가스는 전체 반응가스 유량의 약 4~6 부피% 정도로 할 수 있다. 상기 제 1 코팅층을 형성을 위한 코팅시간은 약 100~300분을 유지시킨다. 상기의 BCl₃ 가스의 도핑 유량과 CO 가스의 도핑 유량은 동시에 유입되거나 단독으로 유입되어도 유효하다.

상기와 같은 방법으로 형성된 제 1 코팅층(100)인 TiCN 계열의 박막은, 예를 들어, Ti(B, C, N), Ti(C, O, N), 또는 Ti(B, C, O, N) 등의 조성을 가질 수 있다. 상기 제 1 코팅층은 약 3~10㎛의 두께를 가질 수 있으며, 우선성장 방위는 (311) 또는 (220)이 가능하다. 여기서, 원소조성은 0<B, C, N, O≤60 중량% 정도이며, 상기 B의 함량은 0<B≤2 중량%가 바람직하다.

상기 제 1 코팅층 위에 PVD 공법을 이용하여 3단계 박막 구조를 갖는 제 2 코팅층(200)을 형성한다.

제 1 단계층(210)은 인성 강화층인 Ti_kAl_{1 - k}N이며 원자조성은 0.3≤k≤0.7이고, 그 두께는 0.1~5㎛인 것이 바람직하다.

제 2 단계층(220)은 내마모성 강화층으로서, Al_aTi_bSi_{1 -a- b}N 으로 된 단위층 A(221), Ti_mAl_{1 - m}N 으로 된 단위층 B(222) 및 Al_xTi_{1 - x}N 으로 된 단위층 C(223)가 각각 적어도 한층 이상 교대로 적층된 복합다층 박막구조이다. 이때, 단위층 A(221)인 Al_aTi_bSi_{1 -a- b}N 의 원자조성은 0.3≤a≤0.7, 0.3≤b≤0.7, 0<1-a-b≤0.1이며, 단위층 B(222)인 Ti_mAl_{1 - m}N 의 원자조성은 0.3≤y≤0.7이고, 상기 단위층 C(223)인 Al_xTi_1-xN 의 원자조성은 0.3≤x≤0.7 이다. 상기 제 2 단계층의 두께는 0.1~5㎛인 것이 바람직하다.

제 3 단계층은 내산화성 및 경도 강화층인 Al_dTi_e(Si, Y)_{1-d- e}N 이고 원자조성은 0.3≤d≤0.7, 0.3≤e≤0.7, 0<1-d-e≤0.1이며, 그 두께는 0.1~5㎛의 범위를 가진다.

이와 같은 3단계 구조를 갖는 PVD 박막으로 된 제 2 코팅층(200)을 형성하기 위하여, 증착 타겟으로서 AlTiSi, TiAl, AlTi, 또는 AlTiY 합금을 사용하며, 물리적 증착방식인 아크 이온 플레이팅 방식을 이용하여 코팅을 하였다.

코팅공정의 초기 진공도는 8.5×0^-5Torr이하로 감압하고 반응가스로 N₂를 주입하였다. 코팅을 위한 위한 가스압력은 30×0^-5Torr 이하이며, 바람직하게는 20×0^-5Torr 이하이다, 코팅 온도는 400~550℃로 조정하였으며, 코팅시 기판 바이어스 전압은 -20~-150V으로 인가하였다. 물론 작업 조건은 장비 특성 및 조건에 따라 달라질 수 있다.

이하 구체적인 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

<실시예 및 비교예>

하기 표 1의 구성으로 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 6에 따른 절삭공구를 제조하였다. 참고로, 실시예 및 비교예서 코팅에 적용된 성분별 조성 함량은 하기 시험예 1의 표 2에 개시되어 있다.

	모재	하지층 (CVD) (0.5~1㎛)	제1코팅층 (MTCVD) (8~10㎛)	제 2 코팅층 (PVD)
				1단계 (1~3㎛)	2단계 (2~4㎛)	3단계 (0.5~3㎛)
실시예 1	94WC -0.5WTiC -5.5Co	TiN	Ti(B,C,N)	TiAlN	AlTiSiN/TiAlN /AlTiN	AlTi(Si,Y)N
실시예 2			Ti(C,O,N)
실시예 3			Ti(B,C,O,N)
비교예 1			Ti(C,N)	TiAlN 단층
비교예 2			Ti(C,N)	AlTiN 단층
비교예 3			Ti(B,C,N)	AlTiN 단층
비교예 4			Ti(C,N)	TiAlN	AlTiSiN/TiAlN	AlTi(Si,Y)N
비교예 5			Ti(B,C,N)	TiAlN	AlTiSiN/TiAlN /AlTiN
비교예 6			Ti(C,N)	CVD방법 Al2O3/TiN

<실시예 1>

WC(Tungsten Carbide) 94%, Co 5.5%, 0.5% WTiC의 조성을 갖는 초경합금을 모재로 사용하였다. 상기 모재 위에, 기재층(400)으로서 CVD공법을 이용하여 0.5~1㎛의 TiN을 먼저 형성하였다.

이어, MTCVD공법을 이용하여 약 850~900℃의 온도와 85~95mbar의 압력조건에서 H₂, N₂, TiCl₄, CH₃CN 가스 및 B 도핑 소스(source)로서 BCl₃ 가스를 이용하여 약 360분간 코팅하여 8~10㎛의 두께를 갖는 Ti(B,C,N) 박막을 형성함으로써 제 1 코팅층(100)을 형성하였다. 상기 BCl₃ 가스는 50~100ml/min의 조건으로 반응챔버에 유입시켰다. 상기 제 1 코팅층의 우선성장방위는 (311) 또는 (220)이다.

상기 제 1 코팅층을 형성한 후, PVD 아크 이온 플레이팅 공법을 이용하여 3단계의 적층구조를 갖는 PVD박막을 형성함으로써 제 2 코팅층(200)을 형성하였다.

상기의 PVD 박막 형성함에 있어서, 사용 타겟은 AlTiSi 합금, AlTi 합금, TiAl 합금의 3종류 합금을 사용하였고, 반응챔버 내의 초기 진공도는 8.5×0^-5Torr 이하로 감압하였으며, 반응가스로 N₂를 주입하였다. PVD코팅 공정 중 가스 압력은 20×0^-5Torr 이하, 코팅 온도는 450~550℃로 조절하였으며, 코팅 공정 중 모재에 인가되는 바이어스 전압은 -100~-110V로 조절하였다.

상기 제 2 코팅층은 형성하는 3단계 구조를 갖는 박막 중 제 1 단계층은 인성 강화층인 Ti_kAl_{1 - k}N이며 원자조성은 0.3≤k≤0.7, 0.3≤1-k≤0.7이고, 그 두께는 1~3㎛로 형성하였다. 제 2 단계층은 내마모성 강화층으로서, 단위층(A) Al_aTi_bSi_{1 -a- b}N 막과, 단위층(B) Ti_mAl_{1 -m}N 막과, 단위층(C) Al_xTi_{1 - x}N 막을 각각 한층씩 여러 주기로 적층한 복합다층 박막구조로서, 두께는 2~4㎛로 형성하였다. 제 3 단계층은 내산화층 및 고경도층인데 Al_dTi_e(Si, Y)_{1-d- e}N 이고 원자조성은 0.3≤d≤0.7, 0.3≤e≤0.7, 0<1-d-e≤0.1이며, 그 두께는 0.5~3㎛이 되도록 형성하였다. 상기 제 2 코팅층을 형성하는 각각의 1~3 단계층의 우선결정방위는 (200)면을 갖는다. 각각 성분의 구체적인 함량은 표 2에 개시되어 있다.

<실시예 2>

실시예 1과 비교하여, 제 1 코팅층을 형성할 때 Ti(B,C,N) 대신 Ti(C,O,N)을 형성하는 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 상기 Ti(C,O,N)을 형성하기 위하여 코팅 온도와 압력, 코팅시간, H₂, N₂, TiCl₄, CH₃CN 가스의 유량은 실시예 1과 동일하게 하며, 도핑가스로서 BCl₃ 대신 CO를 사용하여 2.0~2.5 l/min의 유량으로 반응챔버 안에 유입되도록 하였다.

<실시예 3>

실시예 1과 비교할 때, Ti(B,C,N) 대신 Ti(B,C,O,N)을 형성하는 것 외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. Ti(B,C,O,N)을 형성하기 위하여 코팅 온도와 압력, 코팅시간, H₂, N₂, TiCl₄, CH₃CN 가스의 유량은 실시예 1과 동일하게 하며 도핑가스로서 BCl₃와 CO를 모두 사용하되, BCl₃ 가스는 50~100ml/min의 조건으로 반응챔버에 유입시켰고, CO는 2.0~2.5l/min의 유량으로 반응챔버 안에 유입되도록 하였다.

<비교예 1>

실시예 1에서 사용된 것과 동일한 조성의 초경합금 모재 위에 CVD공법으로 0.5~1㎛의 두께를 갖는 TiN을 형성하여 하지층을 형성한 후, MTCVD공법을 이용하여 8~10㎛의 두께를 갖는 TiCN을 형성하여 제 1 코팅층을 형성하였다. 그 후, PVD 아크 이온플레이팅 공법을 이용하여 TiAlN을 단층으로 약 3~5㎛의 두께로 형성하여 제 2 코팅층을 형성하였다.

<비교예 2>

비교예 1과 비교하여, 제 2 코팅층으로서 단층의 TiAlN층 대신 AlTiN 단층을 형성하였다.

<비교예 3>

제 1 코팅층으로서 MTCVD 방법에 의하여 Ti(B,C,N)을 형성하는 것을 제외하고 비교예 2와 동일하게 제조하였다.

<비교예 4>

실시예 1과 비교하여, 제 1 코팅층으로서 비교예 1과 동일한 TiCN을 형성하고, 제 2 코팅층(200) 중 제 2 단계층(220)으로서 AlTiSiN/TiAlN 을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

<비교예 5>

실시예 1과 비교하여, 제 2 코팅층의 3 단계층을 형성하지 않은 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 실시하였다.

<비교예 6>

비교예 1과 비교하여, 제 2 코팅층으로서 CVD 방법으로 Al₂O₃층을 형성하고 그 위에 최상층으로써 CVD 방법으로 TiN을 형성한 것을 제외하고 비교예 1과 동일하게 실시하였다.

<시험예 1>

실시예 1~3과 비교예 1~6에서 제조된 절삭공구에 대하여 에너지 회절 X선 분석(EDX, Energy Dispersive X-ray Spectrometer)과 플라즈마 방전 성분 분석(GDOES, Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy)에 의하여 코팅층을 형성하는 박막의 조성을 분석을 하였다. 박막의 조성은 표 2에 도시하였다.

	CVD층 박막조성 분석 (EDX+GDOES, wt%)					PVD(CVD)층 박막조성 분석 (EDX+GDOES, at.%)
	Ti	B	C	N	O	Al	Ti	Si	Y	N	O
실시예 1	54.5	1.2	20.9	23.4		31.5	17.2	1.8	0.2	49.3
실시예 2	50.2		16.2	23.1	10.5	30.4	18.1	1.5	0.1	49.1
실시예 3	50.5	1.4	16.9	21.9	9.3	31.2	18.2	1.7	0.3	48.6
비교예 1	53.6		22.9	23.5		24.4	23.5	-	-	52.1
비교예 2	52.7		21.4	25.9		29.4	19.5	-	-	51.1
비교예 3	54.2	1.3	20.8	23.7		28.2	20.4	-	-	51.4
비교예 4	52.4		23.2	25.4		30.3	18.2	1.6	0.2	48.9
비교예 5	54.1	1.2	21.6	23.1		30.4	19	1.7		48.9
비교예 6	53.1		22.6	24.3		52.1	1.3			0.8	45.8

<시험예 2>

에너지 회절 X선 분석(EDX, Energy Dispersive X-ray Spectrometer)과 플라즈마 방전 성분 분석(GDOES, Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy)에 의하여 박막두께 분석을 실시하여 그 결과를 표 3에 표시하였다.

아울러, 표 3에서는 X선 회절분석(XRD)에 의한 우선결정방위, 상온 박막경도 및 열화경도 테스트 결과도 도시하였다.

먼저, 실시예 1~3과 비교예 1~6에서 제조된 절삭공구에 대해 1㎛의 다이아몬드 연마제로 연마한 초경합금 모재 위에 각각의 박막을 증착시킨 시편에 대하여 Cu의 ka선을 이용한 2θ법을 이용한 X선 회절분석(XRD)을 하였다.

또한, 박막경도는 Fischerscope(HP100C-XYP; 독일 HELMUT FISCHER GMBH, ISO14577)를 사용하여 미소경도테스트 결과를 나타내었으며, 900℃에서 30분간 열처리 노내에서 열화 테스트를 실시하여 열처리 후 경도값, 즉 열화경도값을 측정하였다. 그 결과는 표 3에 도시되어 있다.

실시예 1~3 및 비교예 1~6을 비교할 때, PVD 층인 제 2 코팅층의 박막구조가 다층으로 이루어진 경우 단일층에 비해 강화효과에 의한 우수한 경도특성을 갖는다. 단일층에 비해 다층박막의 경우 반복으로 적층된 박막 계면층이 전위의 이동을 억제하여, 경도향상 효과를 얻을 수 있다. 아울러, 실시예 1~3과 같이 산화에 의한 열화경도 감소현상을 최외각층이 억제한다면, 고온에서도 중간층의 우수한 고온 경도 물성을 유지시킬 수 있는 것이다.

열화 테스트 진행시 실시예 1~3과 비교예 1~6에서 고온에 의한 박막의 산화반응이 발생하게 된다.

본 발명의 실시예 1~3의 경우, 제 2 코팅층의 제 3 단계층(230)인 최외각층(내산화층)은 고온에 의해 산화반응이 일어남에 따라 박막 표면에 Al₂O₃와 SiO_{2 ,} Y₂O₃층의 2가지 산화층을 형성된다. 그 결과 실시예 1~3은 특히 비교예 1~3인 TiAlN, AlTiN 박막보다 우수한 내산화 특성을 갖는다. 일반적으로, SiO₂층과 Y₂O₃층은 TiO₂와 Al₂O₃ 산화층 보다 안정적이고 빠르게 산화층을 형성하여, 고용 원소인 Al과 Ti의 원자 확산을 억제하며, 경질박막 내에 고용원소 고갈로 인한 경도가 감소하는 경도열화 현상을 억제한다.

한편, 표 3의 결과에서 보는 바와 같이 실시예 1~3의 CVD 층은 비교예에 비하여 보다 우수한 상온 경도를 가짐을 알 수 있다. 이는 MTCVD 층에 첨가된 B 또는 O 원소로 인하여 박막 주상정 조직이 더욱 미세화되어 박막경도가 증가한 것으로 판단된다.

반면, 실시예 1~3과 비교예 1~6에서 CVD 층(CVD+MTCVD)에 대한 열화경도를 확인한 결과에서 확인할 수 있듯이, CVD 층의 열화경도 감소는 현상은 크지 않음을 확인할 수 있다. 이는 박막의 최외각부인 PVD 층에서 산화층이 형성되어, CVD 내부층까지는 열화현상이 진행되지 않음을 확인할 수있다.

상기 경도열화 현상은 고속, 고이송 절삭가공시 내마모 특성에 큰 영향을 주는 주요 인자이다. 상기와 같이 경도열화 현상이 억제된다면 절삭가공시 우수한 절삭성능 및 절삭수명을 유지할 수 있을 것이다.

	박막두께(㎛)		우선결정방위(XRD)		상온 박막경도(GPa)		열화경도(GPa) 900℃, 30min
	CVD층	PVD층	CVD층 CVD+MTCVD	PVD층 (CVD층)	CVD층 CVD+MTCVD	PVD층 (CVD층)	CVD층 CVD+MTCVD	PVD층 (CVD층)
실시예 1	10.2	3.5	(311)	(200)	28	39	27	39
실시예 2	10.3	3.2	(220)	(200)	26	41	26	38
실시예 3	10.6	3.1	(311)	(200)	27	40	26	39
비교예 1	10.1	3.3	(220)	(200)	23	30	23	24
비교예 2	10.8	3.4	(220)	(200)	22	36	21	29
비교예 3	10.5	3.1	(311)	(200)	28	36	26	28
비교예 4	10.4	3.2	(220)	(200)	22	40	22	38
비교예 5	10.3	3.4	(311)	(200)	28	38	27	37
비교예 6	10.7	3.5	(220)	(220)	22	30	21	30

<시험예 3> 내마모성능 테스트

실시예 1~3과 비교예 1~6에서 제조된 절삭공구에 대하여 내마모성을 비교하였다. 상기 내마모성능 평가조건은 아래와 같다.

절삭속도 (Vc) = 400m/min

이송속도 (fn) = 0.35mm/rev

절입깊이 (ap) = 2.0mm

절삭유: 습식

가공물재질: GC250 (회주철, Φ300, 실린더타입)

가공방식: 연속가공

상기의 조건으로 실시된 내마모성능 평가 결과를 표 4에 정리하였다.

평가결과, 본 발명의 박막이 적용된 실시예 1~3은 종래의 박막이 적용된 비교예 1 및 2와 비교할 때, 공구수명이 대폭 향상되었음을 확인할 수 있다.

실시예 1~3과 비교예 3의 결과를 보면, 제 2 코팅층(200)이 3단계 적층 구조를 갖는 본 발명에 의한 PVD 박막이 종래의 단층의 PVD 박막보다 공구수명이 탁월함을 확인할 수 있다.

실시예 1~3과 비교예 4의 비교결과, 제 1 코팅층(100)을 형성하는 본 발명의 MTCVD TiBCN이 종래의 MTCVD TiCN 대비 공구수명 향상효과가 있음을 확인할 수 있다.

실시예 1~3과 비교예 5의 비교 결과, 본 발명의 제 2 코팅층(200) 중 내산화성 향상 및 고온경도를 향상시키는 역할을 하는 제 3 단계층(230)도 내마모성 향상효과는 유효함을 확인할 수 있다.

실시예 1~3과 비교예 6의 비교에서 본 발명에 따른 적층구조를 갖는 코팅층은 종래의 CVD방법으로 형성된 Al₂O₃/TiN에 비하여 효과가 개선되어 CVD방법으로 형성된 Al₂O₃을 대체할 수 있는 기술임을 확인할 수 있다.

<시험예 4> 고온내마모성 및 내산화성능 테스트

본 발명에 따른 코팅층을 갖는 절삭공구가 절삭가공시 고온내마모성과 내산화성능이 종래의 절삭공구와 비교할 때 어느정도 진보된 효과를 나타내는지 확인하기 위하여, 절삭 가공시 인선부의 국부적인 영역에 고온이 발생하기 쉬운 난삭재 가공 평가를 실시하였다.

평가조건을 아래에 하였다.

절삭속도 (Vc) = 70m/min

이송속도 (fn) = 0.15mm/rev

절입깊이 (ap) = 1.5mm

절삭유: 습식

가공물재질: Inconell 718 (내열합금, Φ100, 실린더타입)

가공방식: 연속가공

그 평가결과는 표 4에 나타내었다.

평가결과 실시예 1~3은 종래기술인 비교예 1, 2와 비교할 때, 인선부의 내산화성과 고온내모성이 대폭 향상되었음을 확인할 수 있다.

또한 실시예 1~3과 비교예 3을 비교할 때, 본 발명의 제 2 코팅층인 3단계 적층구조를 갖는 PVD 박막이 종래의 PVD 박막에 비하여 우수한 수명을 나타냄을 확인할 수 있다.

실시예 1~3과 비교예 4의 비교에서는 본 발명의 제 1 코팅층을 형성하는 Ti(B,C,O,N)이 종래의 TiCN 보다 우수한 내마모성이 있음을 확인할 수 있다.

실시예 1~3과 비교예 5를 비교하면, 본 발명의 제 2 코팅층의 제 3 단계층(230)의 고온 내마모성과 내산화성의 향상효과가 유효함을 확인할 수 있다.

실시예 1~3과 비교예 6을 비교할 때, 고온내마모성과 내산화성 면에서 본 발명에 따른 코팅층은 CVD공법으로 형성된 TiCN/Al₂O₃/TiN의 적층구조를 갖도록 형성된 종래의 박막보다 우수한 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.

<시험예 5> 내결손성 테스트

코팅층 박막의 내결손성을 비교 평가하기 위하여 실시예 1~3과 비교예 6을 아래의 절삭조건으로 평가를 실시하였다. 단 비교예 6은 내치핑성과 내결손성을 보완하기 위해서 상용화된 표면처리방법인 습식 블라스팅을 적용하여 CVD 다층 박막 내에 존재하는 인장잔류응력을 완화하고 압축잔류응력을 적용하였고, 평가 결과를 나타내었다.

Vc = 200m/min

fn = 0.25mm/rev

ap = 2.0mm

절삭유: 건식

가공물 재질: SCM440 4구홈

절삭가공에서 기계적 단속(충격)이 심하게 발생하는 가공조건에서 종래의 상용화된 CVD 박막은 습식블라스팅이라는 표면처리를 적용하여도 본 발명의 실시예 1~3에서 형성된 코팅층 대비 내치핑성과 내결손성에 못 미치는 성능을 나타냄이 확인되었다. 이를 볼 때, MTCVD와 PVD 공법을 함께 적용한 하이브리드 박막은 내치핑성과 내결손성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술임을 알 수 있다.

	공구수명
	내마모성 (시험예 3)	내산화성+고온경도 (시험예 4)	내결손성 (시험예 5)
실시예 1	33분	18분	152초
실시예 2	31분	19분	148초
실시예 3	30분	19분	155초
비교예 1	17분	7분
비교예 2	18분	8분
비교예 3	20분	12분
비교예 4	25분	15분
비교예 5	23분	14분
비교예 6	29분	6분	37초

<도면부호에 대한 설명>
100: 제 1 코팅층 200: 제 2 코팅층
210: 제 1 단계층 220: 제 2 단계층
221: 단위층 A 222: 단위층 B
223: 단위층 C 230: 제 3 단계층
300: 모재 400: 하지층

Claims (12)

1. 절삭공구용 모재(300);
   화학적 기상 증착법(chemical vapor deposition; CVD)에 의하여 상기 모재에 형성된 제 1 코팅층(100); 및
   물리적 기상 증착법(physical vapor deposition; PVD)에 의하여 상기 제 1 코팅층에 형성된 제 2 코팅층(200);을 포함하며,
   여기서, 상기 제2 코팅층(200)은, 제 1 단계층(210), 제 2 단계층(220) 및 제 3 단계층(230);을 포함하고,
   상기 제 1 단계층(210)은 Ti_kAl_{1 - k}N의 조성을 가지며, 여기서 0.3 ≤ k ≤ 0.7 이며,
   상기 제 2 단계층(220)은
   Al_aTi_bSi_{1 -a- b}N의 조성을 가지며, 0.3≤a≤0.7, 0.3≤b≤0.7 및 0<1-a-b≤0.1 인 단위층 A(221);
   Ti_mAl_{1 -m}N의 조성을 가지며, 0.3≤m≤0.7인 단위층 B(222); 및
   Al_xTi_{1 - x}N의 조성을 가지며, 0.3≤x≤0.7인 단위층 C(223);를 포함하되,
   상기 단위층 A(221), 단위층 B(222) 및 단위층 C(223)는 각각 적어도 1회 이상 교대로 적층되어 있으며,
   상기 제 3 단계층(230)은,
   알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 및 질소(N)를 포함하며; 또한
   실리콘(Si) 및 이트륨(Y) 중 적어도 하나를 더 포함하고,
   그 조성은 Al_dTi_e(Si, Y)_{1-d- e}N이고, 0.3≤d≤0.7, 0.3≤e≤0.7, 0<1-d-e≤0.1
   인 것을 특징으로 하는 절삭공구.
2. 제 1항에 있어서, 상기 절삭공구용 모재는 초경합금, 써멧 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나에 의하여 형성된 것임을 특징으로 하는 절삭공구.
3. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 코팅층을 형성하는 화학적 기상 증착법은 중온 화학적 기상 증착법(moderate temperature chemical vapor deposition; MTCVD)인 것을 특징으로 하는 절삭공구.
4. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 코팅층의 두께는 3 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 절삭공구.
5. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 코팅층은,
   티타늄(Ti), 탄소(C) 및 질소(N)를 포함하며, 또한
   붕소(B) 및 산소(O) 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
6. 제 5항에 있어서, 상기 티타늄(Ti)의 함량은 40 내지 90 중량%인 것을 특징으로 하는 절삭공구.
7. 제 5항에 있어서, 상기 붕소(B)의 함량은 0 내지 2 중량% 인 것을 특징으로 하는 절삭공구.
8. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 단계층, 제 2 단계층 및 제 3 단계층의 두께는 서로 같거나 다를 수 있으며, 각각의 두께범위는 0.1 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 절삭공구.
9. 제 1항에 있어서, 상기 모재(300)와 상기 제 1 코팅층(100) 사이에 형성된 하지층(400)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
10. 절삭공구용 모재(300)를 준비하는 단계;
    상기 모재에 화학적 기상 증착법(chemical vapor deposition; CVD) 방법에 의하여 제 1 코팅층(100)을 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 코팅층 위에, 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition; PVD) 방법에 의하여 제 2 코팅층(200)을 형성하는 단계;를 포함하며,
    여기서, 상기 제 2 코팅층(200)을 형성하는 단계는, 제 1 단계층(210)을 형성하는 단계; 제 2 단계층(220)을 형성하는 단계; 및 제 3 단계층(230)을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 제 1 단계층(210)은 Ti_kAl_{1 - k}N의 조성을 가지며, 여기서 0.3 ≤ k ≤ 0.7이며,
    상기 제 2 단계층(220)을 형성하는 단계는
    Al_aTi_bSi_{1 -a- b}N의 조성을 가지며, 여기서 0.3≤a≤0.7, 0.3≤b≤0.7 및 0<1-a-b≤0.1 인 단위층 A(221)를 형성하는 단계;
    Ti_mAl_{1 -m}N의 조성을 가지며, 여기서 0.3≤m≤0.7인 단위층 B(222)를 형성하는 단계; 및
    Al_xTi_{1 - x}N의 조성을 가지며, 여기서 0.3≤x≤0.7인 단위층 C(223)를 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 단위층 A(221)를 형성하는 단계, 상기 단위층 B(222)를 형성하는 단계 및 상기 단위층 C(223)를 형성하는 단계는 각각 적어도 1회 이상 교대로 실시되며,
    상기 제 3 단계층은,
    알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 및 질소(N)를 포함하며, 또한
    실리콘(Si) 및 이트륨(Y) 중 적어도 하나를 더 포함하며,
    그 조성은 Al_dTi_e(Si, Y)_{1-d- e}N 이며, 0.3≤d≤0.7, 0.3≤e≤0.7, 0<1-d-e≤0.1
    인 것을 특징으로 하는 절삭공구의 제조방법.
11. 제 10항에 있어서, 상기 제 1 코팅층을 형성하는 화학적 기상 증착법은 중온 화학적 기상 증착법(moderate temperature chemical vapor deposition; MTCVD)인 것을 특징으로 하는 절삭공구의 제조방법.
12. 제 10항에 있어서, 상기 제 1 코팅층(100)을 형성하는 단계 이전에 하지층(400)을 형성하는 단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 절삭공구의 제조방법.

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