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KR20150026865A - 절삭 공구용 내화성 코팅 - Google Patents

절삭 공구용 내화성 코팅 Download PDF

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KR20150026865A
KR20150026865A KR20140109836A KR20140109836A KR20150026865A KR 20150026865 A KR20150026865 A KR 20150026865A KR 20140109836 A KR20140109836 A KR 20140109836A KR 20140109836 A KR20140109836 A KR 20140109836A KR 20150026865 A KR20150026865 A KR 20150026865A
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KR
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alumina
cutting tool
composite
lower layer
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Application number
KR20140109836A
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Inventor
폴크마르 소트케
카를 하인츠 벤트
하르트무트 베스트팔
피터 라이히트
이시옹 리우
Original Assignee
케나메탈 아이엔씨.
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Publication date
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Abstract

일 측면에서, 일부 구현예에서, 바람직한 내마모성 및 증가된 절삭 수명을 나타내는, 절삭 공구에 부착된 코팅을 갖는 절삭 공구가 기술된다. 본 출원에 기술된 코팅된 절삭 공구는 기재 및 기재에 부착된 코팅을 포함하며, 이때, 코팅은 복수의 하부층 군들을 포함하는 내화성 층을 포함하고, 하부층 군은 산화질화알루미늄(AlON) 하부층 또는 복합 AlON 하부층 및 알루미나(Al2O3) 하부층 또는 복합 알루미나 하부층을 포함한다.

Description

절삭 공구용 내화성 코팅{Refractory coatings for cutting tools}
본 발명은 절삭 공구용 코팅에 관한 것으로, 특히 화학적 기상 증착법(chemical vapor deposition: CVD)에 의해 증착된 코팅에 관한 것이다.
초경합금 절삭 공구를 포함하는 절삭 공구는 다양한 금속 및 합금을 기계 가공하기 위한 코팅 조건 및 비 코팅 조건 모두에서 이용되고 있다. 절삭 공구의 내마모성, 성능 및 수명을 증가시키기 위하여, 하나 이상의 내화성 물질 층이 절삭 공구 표면에 적용되었다. 예를 들어, TiC, TiCN, TiN 및/또는 Al2O3가 CVD 및 물리적 기상 증착법(physical vapor deposition, PVD)에 의한 초경합금 기재에 적용되었다.
다양한 응용에서 마모를 억제하고 공구 수명을 연장하는 데 효과적이긴 하지만, 전술한 내화성 물질의 단일층 또는 다층 구조를 기초로 한 내화성 코팅은 점점 더 성능 한계에 도달했고, 따라서 절삭 공구를 위한 새로운 코팅 구조의 개발을 필요로 한다.
일 측면에서, 일부 구현예에서, 바람직한 내마모성 및 증가된 절삭 수명을 나타낼 수 있는, 절삭 공구에 부착된, 코팅을 갖는 절삭 공구가 본 출원에 기술된다. 간략하게는, 본 출원에 기술된 코팅된 절삭 공구는 기재 및 기재에 부착된 코팅을 포함하며, 이때, 코팅은 복수의 하부층 군을 포함하는 내화성 층을 포함하고, 하부층 군은 산화질화알루미늄 하부층 또는 복합 산화질화알루미늄 하부층 및 알루미나 하부층 또는 복합 알루미나 하부층을 포함한다. 절삭 공구 기재에 부착된 코팅은 일부 구현예에서 내화성 층 및 기재 사이의 하나 이상의 내부 층들 및/또는 내화성 층 위에 증착된 하나 이상의 외부 층들을 더 포함한다.
또 다른 측면에서, 코팅된 절삭 공구의 제조방법이 본 출원에 기술된다. 코팅된 절삭 공구의 제조방법은 기재를 제공하는 단계 및 화학적 기상 증착법에 의해 기재 상에 복수의 하부층 군을 포함하는 내화성 층을 포함하는 코팅을 증착시키는 단계를 포함하며, 하부층 군은 산화질화알루미늄 하부층 또는 복합 산화질화알루미늄 하부층 및 알루미나 하부층 또는 복합 알루미나 하부층을 포함한다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 내부 코팅층들이 내화성 층의 증착 전에 기재 상에 증착된다. 나아가, 하나 이상의 외부 층들이 내화성 층 상에 증착될 수 있다.
이러한 구현예와 기타 구현예는 다음의 상세한 설명에서 더 자세히 기술된다.
도 1은 본 출원에 기술된 일 구현예에 따른 절삭 공구 기재를 나타낸다.
도 2는 본 출원에 기술된 일 구현예에 따른 코팅된 절삭 공구의 개략도를 나타낸다.
도 3은 본 출원에 기술된 일 구현예에 따른 코팅된 절삭 공구의 개략도를 나타낸다.
도 4는 본 출원에 기술된 일 구현예에 따른 코팅된 절삭 공구의 개략도를 나타낸다.
도 5는 본 출원에 기술된 일 구현예에 따른 코팅된 절삭 인서트의 횡단면 주사 전자 현미경(SEM) 이미지이다.
도 6은 본 출원에 기술된 일 구현예에 따른 코팅의 내화성 층 표면의 SEM 이미지이다.
도 7(a)는 본 출원에 기술된 코팅 구조를 갖는 절삭 인서트의 사진으로, 상기 절삭 인서트는 실시예 3에 기재된 바와 같은 밀링 시험의 대상이 되었다.
도 7(b) 내지 도 7(c)는 실시예 3에 기재된 바와 같은 밀링 시험의 대상이 된 비교예의 절삭 인서트 사진이다.
본 출원에 기술된 구현예는 다음과 같은 상세한 설명과 실시예 그리고 그것들의 이전 및 다음의 설명을 참조함으로써 더욱 용이하게 이해될 수 있다. 그러나 본 출원에 기술된 구성요소, 장치 및 방법은 상세한 설명 및 실시예에 제시된 구체적인 구현예에 한정되지 않는다. 이러한 구현예는 본 발명의 원리를 단순히 설명하는 것임을 이해하여야 한다. 여러 가지 변형 및 이의 개조가 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고도 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
I. 코팅된 절삭 공구
일 측면에서, 절삭 공구에 부착된 코팅을 갖는 절삭 공구가 기술되는데, 이는, 일부 구현예에서, 바람직한 내마모성 및 증가된 절삭 수명을 나타낸다. 본 출원에 기술된 코팅된 절삭 공구는 기재 및 기재에 부착된 코팅을 포함하는데, 이때, 코팅은 복수의 하부층 군을 포함하는 내화성 층을 포함하고, 하부층 군은 산화질화알루미늄(AlON) 하부층 또는 복합 AlON 하부층 및 알루미나(Al2O3) 하부층 또는 복합 알루미나 하부층을 포함한다. 절삭 공구 기재에 부착된 코팅은, 일부 구현예에서, 내화성 층 및 기재 사이의 하나 이상의 내부 층들 및/또는 내화성 층 상에 증착된 하나 이상의 외부 층들을 더 포함한다.
구체적인 구성요소로 돌아가면, 본 출원에 기술된 코팅된 절삭 공구는 기재를 포함한다. 코팅된 절삭 공구는 본 발명의 목적과 모순되지 않는 임의의 기재를 포함할 수 있다. 기재는, 일부 구현예에서, 엔드밀, 드릴, 또는 인덱서블 절삭 인서트이다. 인덱서블 절삭 인서트는 밀링 또는 선삭 응용을 위한 임의의 원하는 ANSI 표준 기하학(standard geometry)을 나타낼 수 있다. 본 출원에 기술된 코팅된 절삭 공구의 기재는 초경합금, 탄화물, 세라믹, 서멧 또는 강철로 이루어질 수 있다. 초경합금 기재는, 일부 구현예에서, 탄화 텅스텐(WC)을 포함한다. WC는 적어도 약 80중량 퍼센트의 양으로 또는 적어도 약 85중량 퍼센트의 양으로 절삭 공구 기재에 존재할 수 있다. 추가적으로, 초경합금의 금속 결합제는 코발트 또는 코발트 합금을 포함할 수 있다. 예를 들어, 코발트는 초경합금 기재에 3중량 퍼센트 내지 15중량 퍼센트 범위의 양으로 존재할 수 있다. 일부 구현예에서, 코발트는 초경합금 기재에 5~12중량 퍼센트 또는 6~10중량 퍼센트 범위의 양으로 존재한다. 나아가, 초경합금 기재는 기재 표면으로부터 시작하여 내측으로 연장되는 결합제 농축 구역을 나타낼 수 있다.
초경합금 절삭 공구 기재는 또한 예를 들어, 1종 이상의 다음과 같은 원소 및/또는 그것들의 화합물과 같은, 1종 이상의 첨가제를 포함할 수 있다: 티타늄, 니오븀, 바나듐, 탄탈룸, 크롬, 지르코늄 및/또는 하프늄. 일부 구현예에서, 티타늄, 니오븀, 바나듐, 탄탈륨, 크롬, 지르코늄 및/또는 하프늄은 기재의 WC와 고용체 탄화물을 형성한다. 그러한 구현예에서, 기재는 1종 이상의 고용체 탄화물을 0.1~5중량 퍼센트 범위의 양으로 포함할 수 있다. 추가적으로, 초경합금 기재는 질소를 포함할 수 있다.
절삭 공구 기재는 기재의 경사면 및 여유면(들)의 연결부에 형성된 하나 이상의 절삭날(cutting edge)을 포함할 수 있다. 도 1은 본 출원에 기술된 일 구현예에 따른 절삭 공구 기재를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 기재(10)는 기재 경사면(14)과 여유면들(16)의 연결부에 형성된 절삭날(12)을 가지고 있다. 기재(10)은 또한 공구 홀더에 기재(10)을 고정시키는 개구부(18)를 포함한다.
본 출원에 기술된 바와 같이, 기재에 부착된 코팅은 복수의 하부층 군을 포함하는 내화성 층을 포함하며, 하부층 군은 AlON 하부층 또는 복합 AlON 하부층 및 알루미나 하부층 또는 복합 알루미나 하부층을 포함한다. 내화성 층의 하부층 군들은 내화성 층에서 다른 것에 인접하거나 개재층(들)에 의해 서로 간격을 두고 떨어져 있을 수 있다. 또한, 임의의 원하는 수의 하부층 군들이 내화성 층을 이룰 수 있다. 일부 구현예에서는, 예를 들어, 내화성 층이 적어도 네 개의 하부층 군들을 포함한다.
개별적인 하부층 군들은 다양한 구조(construction)를 나타낼 수 있다. 일부 구현예에서, 내화성 층의 적어도 하나의 하부층 군은 표 1에서 선택된 구조를 나타낼 수 있다.
내화성 층의 하부층 군 구조
복합 AlON 하부층/복합 Al2O3 하부층
복합 AlON 하부층/Al2O3 하부층
AlON 하부층/ 복합 Al2O3 하부층
AlON 하부층/ Al2O3 하부층
나아가, 본 출원에 기술된 내화성 층을 형성하는 하부층 군들은 동일한 또는 상이한 구조를 나타낼 수 있다. 일부 구현예에서는, 예를 들어, 내화성 층을 형성하는 하부층 군들이 복합 AlON 하부층/복합 Al2O3 하부층과 같은, 표 1에서 선택된 단일한 구조를 나타낸다. 대안적으로, 내화성 층을 형성하는 하부층 군들은 표 1에서 선택된 상이한 구조를 나타낼 수 있다. 표 1에서 유래된 하부층 군 구조의 조합이 고려된다. 예를 들어, 내화성 층의 제1 하부층 군은 복합 AlON 하부층 및 복합 알루미나 하부층을 포함할 수 있고, 제2 하부층 군은 복합 AlON 하부층 및 알루미나 하부층을 포함할 수 있다.
구체적인 하부층으로 돌아가면, AlON 하부층은 육방정 결정 구조, 입방정 결정 구조 또는 육방정 및 입방정 결정 구조의 혼합을 나타내는 다결정성일 수 있다. 대안적으로, AlON 하부층은 비결정성이다. 나아가, AlON 하부층은 결정 및 비결정 구조의 혼합을 나타낼 수 있는데, 이때, 결정 구조는 육방정, 입방정 또는 이의 조합이다. AlON 하부층은 또한 10nm 내지 2μm 범위의 크기를 나타내는 입자의 미세 입자 구조를 나타낼 수 있다.
AlON 하부층의 알루미늄, 질소 및 산소 함량은 선택된 CVD 파라미터에 따라 다양할 수 있다. AlON 하부층의 알루미늄은, 예를 들면, 20 내지 50원자% 범위일 수 있다. 일부 구현예에서, AlON의 알루미늄은 25 내지 40원자% 또는 32 내지 38원자% 범위이다. AlON 하부층의 질소는 40 내지 70원자% 범위일 수 있다. 일부 구현예에서, AlON의 질소는 55 내지 70원자% 또는 63 내지 67원자 퍼센트 범위이다. 나아가, AlON 하부층의 산소는 1 내지 20원자% 범위일 수 있다. 일부 구현예에서, AlON의 산소는 2 내지 15원자% 또는 4 내지 6원자% 범위이다.
또한, 복합 AlON 하부층은 AlON 상 및 주기율표의 IVB족의 금속성 원소의 1종 이상의 산화물을 포함하는 금속 산화물 상을 포함한다. AlON 상은 본 발명의 목적과 모순되지 않는 임의의 양으로 복합 하부층에 존재할 수 있다. AlON 상은, 예를 들어, 본 출원에서 더 논의되는 금속 산화물 및 산화질화 금속 상들을 위한 매트릭스로서 작용하는 복합 하부층의 주요 상(major phase)일 수 있다. 일부 구현예에서, AlON 상은 표 2에서 선택된 양으로 복합 하부층에 존재한다.
복합 AlON 하부층의 AlON 상(부피 퍼센트)
AlON 상(부피%)
≥ 50
≥ 60
≥ 70
≥ 80
85~99
90~99
AlON 상의 알루미늄, 질소 및 산소 함량은 선택된 CVD 파라미터에 따라 다양할 수 있다. AlON 상의 알루미늄은, 예를 들면, 20 내지 50원자% 범위일 수 있다. 일부 구현예에서, AlON 상의 알루미늄은 25 내지 40원자% 또는 32 내지 38원자% 범위이다. AlON 상의 질소는 40 내지 70원자% 범위일 수 있다. 일부 구현예에서, AlON 상의 질소는 55 내지 70원자% 또는 63 내지 67원자 퍼센트 범위이다. 나아가, AlON 상의 산소는 1 내지 20원자% 범위일 수 있다. 일부 구현예에서, AlON 상의 산소는 2 내지 15원자% 또는 4 내지 6원자% 범위이다.
AlON 상은, 일부 구현예에서, 다결정성이다. 예를 들어, AlON 상은 육방정 결정 구조, 입방정 결정 구조 또는 육방정 및 입방정 결정 구조의 혼합을 나타낼 수 있다. 대안적으로, AlON 상은 비결정성이다. 또한, AlON 상은 결정 및 비결정 구조의 혼합물을 나타낼 수 있는데, 이때, 결정 구조는 육방정, 입방정 또는 이의 조합이다. AlON 상은 또한 10nm 내지 2μm 범위의 크기를 나타내는 입자의 미세 입자 구조를 나타낼 수 있다.
본 출원에 기술된 바와 같이, 복합 AlON 하부층은 또한 주기율표의 IVB족에서 선택된 금속성 원소의 적어도 1종의 산화물을 포함하는 금속 산화물 상을 포함한다. 금속 산화물 상은, 예를 들어, ZrO2 또는 HfO2를 포함할 수 있다. 금속 산화물 상은, 일부 구현예에서, 주기율표의 IVB족으로부터 선택된 금속성 원소의 복수의 산화물을 포함한다. 금속 산화물 상은, 예를 들어, ZrO2 및 HfO2의 혼합물을 포함할 수 있다. 금속 산화물 상은 복합 AlON 하부층의 소수 상(minor phase)으로, AlON 매트릭스 상에 함유되거나 분산될 수 있다. 일부 구현예에서, 금속 산화물 상은 표 3으로부터 선택된 양으로 AlON 복합 하부층에 존재한다.
복합 AlON 하부층의 금속 산화물 상(부피 퍼센트)
금속 산화물 상(부피 %)
1~15
2~12
3~10
복합 AlON 하부층의 금속 산화물 상은, 일부 구현예에서, 다결정성이다. 예를 들어, 금속 산화물 상은 입방정 결정 구조, 단사정계 결정 구조 또는 정방정계 결정 구조 또는 이의 혼합물을 나타낼 수 있다. 또한 금속 산화물 상은 10nm 내지 2μm 범위의 크기를 나타내는 입자의 미세 입자 구조를 나타낼 수 있다. 금속 산화물 상의 입자는 구 또는 타원 형상을 나타낼 수 있다.
복합 AlON 하부층은 AlON 및 금속 산화물 상들 이외에 금속 산화질화물 상을 더 포함할 수 있는데, 이때, 금속 산화질화물 상은 주기율표의 IVB족으로부터 선택된 금속성 원소의 적어도 1종의 산화질화물을 포함한다. 금속 산화질화물 상은, 예를 들어, 산화질화 티타늄(TiON)을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 금속 산화질화물 상은 IVB족으로부터 선택된 금속성 원소들의 복수의 산화질화물을 포함한다. 금속 산화질화물 상은, 일부 구현예에서, 식 MOxN1 -x로, 이때, M은 주기율표의 IVB족의 금속성 원소로부터 선택되고, x= 0.1 ~ 0.9이다.
금속 산화질화물 상은 다결정성일 수 있다. 그러한 구현예에서, 금속 산화질화물 상은 입방정 결정 구조를 나타낼 수 있다. 나아가, 금속 산화질화물 상은 1nm 내지 20nm 범위의 크기를 나타내는 입자의 초미세 입자 구조를 나타낼 수 있다. 금속 산화질화물 상은 복합 AlON 하부층의 소수 상으로, AlON 매트릭스 상에 함유되거나 분산될 수 있다. 일부 구현예에서는, 예를 들어, 금속 산화질화물 상은 표 4로부터 선택된 양으로 복합 층에 존재한다.
복합 AlON 하부층의 금속 산화질화물 상(부피 퍼센트)
금속 산화질화물 상(부피 %)
0 ~ 10
0.5 ~ 10
1 ~ 9
2 ~ 8
본 출원에 기술된 AlON 복합 하부층의 AlON 상, 금속 산화물 상 및 금속 산화질화물 상의 부피 퍼센트는 백열광 방전 광방사 분광기(GDOES) 및 에너지 분산식 X선 분광기(EDX/EDS)를 이용하여 결정할 수 있다. 일 구현예에서, 예를 들어, 복합 AlON 하부층의 조성은 1.0mm의 점 직경(spot diameter)의 GDA750 백열광 방전 분광기(독일 호프의 스펙트럼 애널리틱 사(Spectrum Analytic Ltd.))를 이용하여 GDOES에 의해 분석할 수 있다. 분석을 위한 스퍼터 물질 제거는 하부층 정상으로부터 기재 측으로 0.5μm 계단(step)들로 실시할 수 있다. 또한, 코팅 하부층들의 추가적인 분석은 LINK ISIS(옥스포드 사(Oxford Ltd.))의 분석 시스템과 함께 주사 전자 현미경 장비 LEO 430i(독일, 오베르코헨의 LEO 사(LEO Ltd.))를 이용하여 EDS에 의해 수행할 수 있다.
본 출원에 기술된 바와 같이, 하부층 군은 또한 알루미나 하부층 또는 복합 알루미나 하부층을 포함한다. 알루미나 하부층은 본 발명의 목적과 모순되지 않는 임의의 알루미나 다형체(polymorph)를 나타내는 다결정성일 수 있다. 일부 구현예에서, 예를 들어, 알루미나 하부층은 α-알루미나, κ-알루미나 또는 이의 혼합물(α/κ)로 형성된다.
게다가, 복합 알루미나 하부층은 여러 가지 구조를 채택할 수 있다. 일부 구현예에서, 복합 알루미나 하부층은 알루미나 상 및 주기율표의 IVB족의 금속성 원소의 1종 이상의 산화물을 포함하는 금속 산화물 상을 포함한다. 일부 구현예에서, 예를 들어, 복합 알루미나 층의 금속 산화물 상은 지르코니아, 하프니아 또는 이의 혼합물로 형성된다. 금속 산화물 상에 대한 알루미나 상의 비율은 1:10 내지 10:1의 범위일 수 있다. 또한, 금속 산화물 상은 지르코니아 및/또는 하프니아 외에도 산화티타늄(TiOx)을 포함할 수 있다. 산화티타늄 존재 시, 산화티타늄이 금속 산화물 상의 소수 구성성분일 수 있고, 복합 알루미나 하부층 전반에 걸쳐 미세하게 분산된다. 미세하게 분산된 경우, 산화티타늄은 알루미나 상 및 지르코니아 및/또는 하프니아의 입도보다 작은 입도를 나타낼 수 있다.
복합 알루미나 하부층의 알루미나 상은 본 발명의 목적과 모순되지 않는 임의의 알루미나 다형체를 나타내는 다결정성일 수 있다. 일부 구현예에서, 예를 들어, 알루미나 상은 α-알루미나,κ-알루미나 또는 이의 혼합물(α/κ)로 이루어진다. 일부 구현예에서, 복합 알루미나 층은 전체가 참조로 본 출원에 통합되는 미국 특허 6,660,371호에 기술된 구조를 나타낸다.
대안적으로는, 또 다른 측면에서, 복합 알루미나 하부층은 주기율표의 IVB족의 1종 이상의 금속성 원소로 도핑된 알루미나로 형성된다. 일부 구현예에서, 알루미나는 티타늄, 지르코늄 또는 이의 혼합물로 도핑된다. 일부 구현예에서, 알루미나는 복합 알루미나 하부층의 0.01~5중량% 양의 티타늄, 지르코늄 또는 이의 혼합물로 도핑된다.
AlON, 복합 AlON, 알루미나 및 복합 알루미나 하부층은 본 발명의 목적과 모순되지 않는 임의의 두께를 나타낼 수 있다. 이들 하부층은, 예를 들어, 각각이 1μm 미만 또는 0.5μm 미만의 개별적인 두께를 나타낼 수 있다. 일부 구현예에서, 하부층은 0.1~0.8μm 또는 0.2~0.5μm의 두께를 나타낸다. 추가적으로, 알루미나 하부층 또는 복합 알루미나 하부층은 하부층 군의 인접한 AlON 하부층 또는 복합 AlON 하부층보다 낮은 경도를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 알루미나 하부층 또는 복합 알루미나 하부층은 약 1500 내지 1800 범위의 경도(HV0.05)를 나타낼 수 있는데, 이때, HV0.05는 0.05킬로그램 힘(kg-f) 하중을 이용한 비커스 경도를 지칭한다. AlON 또는 복합 AlON 하부층은 약 1700 내지 2200의 경도(HV0.05)를 나타낼 수 있다. 본 출원에 언급된 비커스 경도값은 ASTM E 384, "Standard Method for Knoop and Vickers Hardness of Materials," ASTM International에 따라 결정된다.
본 출원에 추가로 기술된 바와 같이, 내화성 층을 형성하는 하부층 군들은 서로 인접할 수 있다. 대안적으로, 내화성 층의 하부층 군들은 하나 이상의 개재층들에 의해 서로 이격될 수 있다. 또한, 내화성 층은 본 발명의 목적과 모순되지 않는 임의의 수의 하부층 군들을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 내화성 층은 적어도 네 개의 하부층 군들을 포함하며, 각각의 하부층 군은 본 출원의 표 1로부터 선택된 구조를 나타낸다. 복수의 하부층 군들을 포함하는 데 있어서, 내화성 층은 5μm를 초과하는 두께를 나타낼 수 있다. 일부 구현예에서, 내화성 층은 5μm 내지 25μm 또는 6μm 내지 20μm의 두께를 나타낸다.
복수의 하부층 군들을 포함하는 내화성 층은, 일부 구현예에서, 절삭 공구 기재 표면 위에 직접적으로 증착된다. 도 2는 일 구현예에 따른 코팅된 절삭 공구의 개략도로서, 이때, 내화성 층은 절삭 공구 기재 표면 위에 직접적으로 증착된다. 도 2의 코팅된 절삭 공구(20)는 절삭 공구 기재(21) 및 기재(21)에 부착된 코팅(22)을 포함한다. 코팅(22)은 복수의 하부층 군들(24)을 갖는 내화성 층(23)으로 형성된다. 도 2의 구현예에서, 내화성 층(23)은 네 개의 하부층 군들(24)로 형성되는데, 이때, 각각의 하부층 군은 AlON 하부층 또는 복합 AlON 하부층(26) 및 알루미나 하부층 또는 복합 알루미나 하부층(25)을 포함한다.
대안적으로, 본 출원에 기술된 코팅은 내화성 층과 기재 사이에 하나 이상의 내부층들을 더 포함할 수 있다. 내부층(들)은, 일부 구현예에서, 알루미늄 및 주기율표의 IVB, VB 및 VIB족의 금속성 원소로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속성 원소 및 주기율표의 IIIA, IVA, VA 및 VIA족의 비금속 원소로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 비금속 원소를 포함한다. 일부 구현예에서, 기재 및 내화성 층 사이의 하나 이상의 내부층들은 알루미늄 및 주기율표의 IVB, VB 및 VIB족의 금속성 원소로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속성 원소의 탄화물, 질화물, 탄화질화물, 산화탄화질화물, 산화물 또는 붕소화물을 포함한다. 예를 들어, 하나 이상의 내부층들은 질화티타늄, 탄화질화티타늄, 산화탄화질화티타늄, 탄화티타늄, 산화티타늄, 산화지르코늄, 질화지르코늄, 탄화질화지르코늄, 질화하프늄, 탄화질화하프늄 및 알루미나 및 이의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택된다. 알루미나 내부층은 α-알루미나, κ-알루미나 또는 α/κ알루미나를 포함할 수 있다.
본 출원에 기술된 코팅의 내부층들은 본 발명의 목적과 모순되지 않는 임의의 두께를 나타낼 수 있다. 코팅 내부층(들)은 0.5μm 내지 15μm 범위의 두께를 나타낼 수 있다. 일부 구현예에서, 내부층의 두께는 코팅 내의 내부층의 위치에 따라 선택된다. 코팅의 첫 층으로서 기재의 표면 위에 직접적으로 증착된 내부층은, 예를 들어, 0.5 내지 2.5μm 범위의 두께를 나타낼 수 있다. TiCN 또는 TiN 층과 같은, 첫 층 위에 증착된 내부층은 2μm 내지 12μm 범위의 두께를 나타낼 수 있다. 또한, 알루미나를 포함하는 층과 같은, 본 출원에 기술된 내화성 층이 그 위에 증착되는 내부층은 0.1 내지 6μm 범위의 두께를 나타낼 수 있다.
일부 구현예에서, 본 출원에 기술된 내화성 층은 코팅의 최외각층이다. 대안적으로, 본 출원에 기술된 코팅은 내화성 층 위에 하나 이상의 외부층들을 포함할 수 있다. 외부층(들)은 알루미늄 및 주기율표의 IVB, VB 및 VIB족의 금속성 원소로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속성 원소 및 주기율표의 IIIA, IVA, VA 및 VIA족의 비금속 원소로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 비금속 원소를 포함할 수 있다. 내화성 층 위의 외부층(들)은 알루미늄 및 주기율표의 IVB, VB 및 VIB족의 금속성 원소로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속성 원소의 탄화물, 질화물, 탄화질화물, 산화탄화질화물, 산화물 또는 붕소화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 외부층들은 질화티타늄, 탄화질화티타늄, 산화탄화질화티타늄, 탄화티타늄, 질화지르코늄, 탄화질화지르코늄, 질화하프늄, 탄화질화하프늄 및 알루미나 및 이의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택된다.
본 출원에 기술된 코팅의 외부층들은 본 발명의 목적과 모순되지 않는 임의의 두께를 나타낼 수 있다. 코팅 외부층은, 일부 구현예에서, 0.5μm 내지 5μm 범위의 두께를 나타낼 수 있다.
추가적으로, 일부 구현예에서, 본 출원에 기술된 코팅은 하나 이상의 접착층들을 포함할 수 있다. 접착층은 본 출원에 기술된 코팅에서 다양한 위치를 나타낼 수 있다. 일부 구현예에서, 접착층은 질화티타늄 또는 탄화질화티타늄 내부 층과 알루미나를 포함하는 내부층 사이와 같은, 코팅의 두 개의 내부층들 사이에 배치된다. 접착층은 또한 본 출원에 기술된 내부층과 내화성 층 사이에 배치될 수 있다. 또한, 접착층은 코팅의 내화성 층과 외부층 사이에 배치될 수 있다. 일부 구현예에서, 접착층들은 코팅의 층들 사이의 접착을 증가시키고, 및/또는 접착층 위에 증착된 코팅층의 원하는 모폴로지를 핵형성(nucleation)하는 데 이용된다. 접착층은, 일부 구현예에서, 식 M(OxCyNz)으로, 이때, M은 주기율표의 IVB, VB 및 VIB족의 금속성 원소로 이루어지는 군으로부터 선택된 금속이고, x≥0, y≥0 및 z≥0이고, 이때, x + y + z = 1이다. 예를 들어, 일 구현예에서, TiC의 접착층은 TiCN의 내부층과 알루미나를 포함하는 내부층 사이에 이용된다.
식 M(OxCyNz)의 접착층은 본 발명의 목적과 모순되지 않는 임의의 두께를 가질 수 있다. 일부 구현예에서, M(OxCyNz) 층은 약 0.5μm의 두께를 나타낸다. 게다가, M(OxCyNz) 층은 0.5μm 내지 5μm 범위의 두께를 가질 수 있다.
도 3은 일 구현예에 따른 코팅된 절삭 공구의 개략도를 나타낸 것으로, 이때, 내화성 층이 코팅의 내부층 상에 증착된다. 도 3의 코팅된 절삭 공구(30)는 절삭 공구 기재(31) 및 기재(31)에 부착된 코팅(32)을 포함한다. 코팅(32)은 복수의 하부층 군들(34)을 갖는 내화성 층(33)을 포함한다. 도 2에서와 같이, 내화성 층(33)은 네 개의 하부층 군들(34)로 형성되며, 각각의 하부층 군은 AlON 하부층 또는 복합 AlON 하부층(36) 및 알루미나 하부층 또는 복합 알루미나 하부층(35)을 포함한다. 코팅의 내부층(37)은 내화성 층(33)과 절삭 공구 기재(31) 사이에 위치한다. 본 출원에 기술된 바와 같이, 내부층(37)은 단일층 또는 다층일 수 있다.
절삭 공구 기재에 부착된 코팅은 본 출원에 기술된 내화성 층, 내부층(들) 및/또는 외부층(들)의 임의의 구조를 나타낼 수 있다. 일부 구현예에서, 코팅은 표 5로부터 선택된 구조를 나타낸다. 표 5와 관련하여, 기재 표면 상에 직접적으로 증착된 층으로 시작하여 외측의 내화성 층으로 진행하는 내부층들을 열거하였다. 또한, 내화성 층에 대해 열거된 각각의 삽입 어구로 제시된 구조[예컨대, (복합 Al2O3/복합 AlON)]는 하부층 군을 지칭하는 데 열거된 첫 번째 하부층 군이 열거된 마지막 내부층과 접촉하고 있다. 예를 들어, 표 5의 첫 번째 코팅 구조에서, 내화성 층은 서로 인접한 (복합 Al2O3/복합 AlON)의 네 개의 하부층 군들로 이루어진다. 첫 번째 하부층 군의 복합 Al2O3 하부층은 Al2O3의 말단 내부층과 접촉하고 있다.
코팅 구조
내부층(들) 내화성 층 외부층
TiN-TiCN(MT)*-TiOCN-ZrCN-Al2O3 (복합 Al2O3/복합 AlON)
(복합 Al2O3/복합 AlON)
(복합 Al2O3/복합 AlON)
(복합 Al2O3/복합 AlON) 		TiOCN** 또는 ZrCN**
TiN-TiCN(MT)-TiOCN-Al2O3 (복합 Al2O3/복합 AlON)
(복합 Al2O3/복합 AlON)
(복합 Al2O3/복합 AlON)
(복합 Al2O3/복합 AlON) 		TiOCN** 또는 ZrCN**
*MT = 중온 CVD
**선택적
표 5에 열거된 하부층 구조는 본 섹션 I에서 동일한 것에 대해 기술한 임의의 조성 파라미터 및/또는 성질을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 복합 Al2O3 하부층은 알루미나 상 및 금속 산화물 상을 포함할 수 있다. 대안적으로, 복합 Al2O3 하부층은 주기율표의 IVB족의 1종 이상의 금속성 원소로 도핑된 알루미나로 이루어진다.
II. 코팅된 절삭 공구의 제조방법
또 다른 측면에서, 코팅된 절삭 공구의 제조방법이 본 출원에 기술된다. 코팅된 절삭 공구의 제조방법은 기재를 제공하는 단계 및 화학적 기상 증착법에 의해 기재 상에 복수의 하부층 군을 포함하는 내화성 층을 포함하는 코팅을 증착시키는 단계를 포함하며, 하부층 군은 AlON 하부층 또는 복합 AlON 하부층 및 알루미나 하부층 또는 복합 알루미나 하부층을 포함한다. 기재 및 AlON, 복합 AlON, 알루미나 및 복합 알루미나의 하부층들은 본 출원의 섹션 I에서 동일한 것에 대해 기술한 임의의 구조 및/또는 성질을 가질 수 있다.
AlON 하부층은 알루미늄 공급원, 산소 공급원 및 질소 공급원을 포함하는 기체성 혼합물로부터 증착될 수 있다. 일부 구현예에서, 예를 들어, AlON 하부층은 AlCl3, H2, N2, NH3, HCl 및 CO2를 포함하는 기체성 혼합물로부터 증착된다. AlON 하부층을 증착시키는 일반적인 CVD 공정 파라미터를 표 6에 제공하였다.
AlON 하부층 CVD 공정 파라미터
AlON 하부층을 위한 공정 파라미터의 범위
온도 750~1020℃
압력 50~100mbar
시간 30~120분
H2 나머지
N2 30~65부피 %
AlCl3 0.5~2부피 %
NH3 1~2부피 %
CO2 0.1~1.5부피 %
HCl 2~6부피 %
CO 0~2부피 %
Ar 0~25부피 %
본 출원의 섹션 I에 기술된 AlON 하부층의 알루미늄, 산소 및 질소의 조성 퍼센트는 혼합물의 개별적인 반응물 기체들의 양을 다양하게 하여 달성할 수 있다.
더구나, 복합 AlON 하부층은 알루미늄 공급원, 산소 공급원, 질소 공급원 및 IVB족의 금속성 원소(들)의 공급원을 포함하는 기체 혼합물로부터 증착될 수 있다. 일부 구현예에서, 예를 들어, 알루미늄 공급원은 AlCl3이고, 금속성 원소 공급원은 ZrCl4, HfCl4 또는 이의 혼합물과 같은 IVB족 금속 염화물이다. 또한, 본 출원에 기술된 바와 같이, 복합 AlON 층은 또한 AlON 및 금속 산화물 상들 이외에 금속 산화질화물 상을 포함할 수 있는데, 이때, 산화질화물 상의 금속은 주기율표의 IVB족의 금속성 원소로부터 선택된다. 일부 구현예에서, 금속 산화질화물 상은 산화질화티타늄(TiON)을 포함한다. 염화티타늄(TiCl4)은, 예를 들어, AlON 하부층에서 TiON 상의 증착을 위해 기체 혼합물에 첨가될 수 있다.
본 출원의 표 2~4에 기재된 바와 같은 복합 AlON 하부층에서의 상들의 조성 퍼센트는 증착 혼합물에서 개별적인 반응물 기체들의 양을 다양하게 하여 달성할 수 있다. 추가적으로, 위의 섹션 I에 기재된 바와 같은 AlON 상의 알루미늄, 질소 및 산소의 조성 퍼센트는 혼합물에서 개별적인 반응물 기체들의 양을 다양하게 하여 달성할 수 있다. 복합 AlON 하부층 증착을 위한 일반적인 CVD 공정 파라미터를 표 7에 제공하였다.
복합 AlON 하부층 CVD 공정 파라미터
복합 AlON 하부층을 위한 공정 파라미터의 범위
온도 900~1000℃
압력 50~100mbar
시간 30~120분
H2 나머지
AlCl3 1~4부피%
MCl4* 0.5~3부피%
NH3 1~4부피%
CO2 1~5부피%
HCl 2~6부피%
Ar 0~25부피%
CO 0~2부피%
TiCl4** 0.1~2부피%
*M = IVB족 금속(들)
** 선택적
알루미나 하부층은 AlCl3, H2, CO2, HCl 및 선택적으로 H2S의 기체 혼합물로부터 증착될 수 있다. 알루미나 하부층 증착을 위한 일반적인 CVD 공정 파라미터를 표 8에 제공하였다.
알루미나 하부층 CVD 공정 파라미터
알루미나 하부층을 위한 공정 파라미터의 범위
온도 900~1000℃
압력 50~100mbar
시간 30~120분
H2 나머지
AlCl3 1~5부피%
CO2 1~5부피%
HCl 2~6부피%
H2S* 0.1~0.6부피%
*선택적
본 출원에 기술된 바와 같이, 복합 알루미나 하부층은 여러 가지 구조를 채택할 수 있다. 일부 구현예에서, 복합 알루미나 하부층은 알루미나 상 및 주기율표의 IVB족의 금속성 원소의 1종 이상의 산화물을 포함하는 금속 산화물 상을 포함한다. 금속 산화물 상은, 예를 들어, 지르코니아, 하프니아 또는 이의 혼합물로 형성될 수 있다. 일부 구현예에서, 금속 산화물 상은 산화티타늄을 더 포함할 수 있다. 알루미나 상 및 금속 산화물 상을 포함하는 복합 알루미나 하부층을 증착시키기 위한 일반적인 CVD 공정 파라미터를 표 9에 제공하였다.
복합 알루미나 하부층 CVD 공정 파라미터
복합 알루미나 하부층을 위한 공정 파라미터의 범위
온도 900~1000℃
압력 50~100mbar
시간 30~120분
H2 나머지
AlCl3 1~5부피%
MCl4* 0.2~3부피%
CH4 3~6부피%
CO2 1~5부피%
HCl 2~6부피%
TiCl4** 0.1~1.5부피%
*M = IVB족 금속(들)
**선택적
복합 알루미나 층은 또한 주기율표의 IVB족의 1종 이상의 금속성 원소들로 도핑된 알루미나로 형성될 수 있다. 일부 구현예에서, 알루미나는 복합 알루미나 하부층의 0.01~5중량% 양의 티타늄, 지르코늄 또는 이의 혼합물로 도핑된다. 다결정성 티타늄 및/또는 지르코늄이 도핑된 알루미나 하부층에 대한 일반적인 CVD 증착 파라미터를 표 10에 제공하였다.
Ti, Zr이 도핑된 Al2O3 하부층 증착을 위한 CVD 파라미터
기체 혼합물 온도(℃) 압력(mbar) 지속시간(분)
H2, AlCl3, ZrCl4, TiCl4, CO2, H2S*, HCl* 800~1500 40~150 10~600
*선택적
ZrCl4 및 TiCl4는 원하는 알루미나 도핑 스킴(scheme)에 따라 기체 혼합물로부터 첨가 또는 제거될 수 있다.
복수의 하부층 군들을 포함하는 내화성 층은 절삭 공구 기재의 표면 상에 직접적으로 증착될 수 있다. 대안적으로, 내화성 층은 코팅의 내부층 위에 증착된다. 코팅 내부층은 내부층에 대해 위의 섹션 I에서 언급한 임의의 구조, 조성 파라미터 및/또는 성질을 나타낼 수 있다. 내부층은 알루미늄 및 주기율표의 IVB, VB 및 VIB족의 금속성 원소로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속성 원소 및 주기율표의 IIIA, IVA, VA 및 VIA의 비금속 원소로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 비금속 원소를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 내부층은 알루미늄 및 주기율표의 IVB, VB 및 VIB족의 금속성 원소로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속성 원소의 탄화물, 질화물, 탄화질화물, 산화탄화질화물, 산화물 또는 붕소화물이다. 그 위에 복합층이 증착되는 내부층은, 예를 들어, 질화티타늄, 탄화티타늄, 탄화질화티타늄, 산화탄화질화티타늄, 산화티타늄, 산화지르코늄, 질화지르코늄, 탄화질화지르코늄, 질화하프늄, 탄화질화하프늄 및 알루미나 및 이의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.
본 출원에 기술된 바와 같이, 복수의 코팅 내부층들은 절삭 공구 기재과 내화성 층 사이에 존재할 수 있다. 다양한 내부층들을 위한 일반적인 CVD 증착 파라미터를 표 11에 제공하였다.
내부층 증착을 위한 CVD 파라미터
기저층 조성 기체 혼합물 온도(℃) 압력(torr) 지속시간
(분)
TiN H2, N2, TiCl4 800~900 60~300 20~60
TiCN(MT) H2, N2, TiCl4, CH3CN 750~900 30~120 60~300
TiCN(HT) H2, N2, TiCl4, CH4 900~1050 30~300 30~100
TiOCN H2, N2, TiCl4, CH4, CO 900~1050 60~500 30~100
Al2O3 H2, AlCl3, CO2, H2S*, HCl 900~1000 40~150 60~300
*선택적
본 출원에 기술된 방법 중 일부 구현예에서, 하나 이상의 외부층들이 내화성 층 위에 증착된다. 코팅의 외부층은 외부층에 대하여 앞의 섹션 I에서 언급된 임의의 구조, 조성 파라미터 및/또는 성질을 나타낼 수 있다. 외부층은, 예를 들어, 알루미늄 및 주기율표의 IVB, VB 및 VIB족의 1종 이상의 금속성 원소로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속성 원소 및 주기율표의 IIIA, IVA, VA 및 VIA족의 비금속 원소로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 비금속 원소를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 외부층은 알루미늄 및 주기율표의 IVB, VB 및 VIB족의 금속성 원소로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속성 원소의 탄화물, 질화물, 탄화질화물, 산화탄화질화물, 산화물 또는 붕소화물이다. 외부층은 질화티타늄, 탄화티타늄, 탄화질화티타늄, 산화탄화질화티타늄, 산화티타늄, 산화지르코늄, 질화지르코늄, 탄화질화지르코늄, 질화하프늄, 탄화질화하프늄 및 알루미나 및 이의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.
이러한 구현예 및 기타 구현예는 다음과 같은 비 제한적인 실시예에서 추가로 설명된다.
실시예 1 - 코팅된 절삭 공구
베르넥스(Bernex) 200 CVD 반응기에 텅스텐 초경합금(WC-Co) 절삭 인서트 기재[ANSI 표준 기하학 HNPJ0905ANSNGD]을 위치시켜 본 출원에 기술된 코팅된 절삭 공구를 생산하였다. 절삭 인서트는 6중량%의 코발트 결합제와 나머지 1~5μm 크기의 WC 입자로 이루어졌다. 복수의 하부층 군들을 갖는 내화성 층을 포함하는 코팅을 표 12~13에 따라 WC-Co 절삭 인서트 상에 증착시켰다. 구체적으로, 내화성 층은 네 개의 인접한 하부층 군들로 구성되었고, 각각의 하부층 군은 복합 AlON 하부층 및 복합 알루미나 하부층으로 형성되었다. 복합 AlON 하부층은 AlON-ZrO2-TiON의 구조이었고, 복합 알루미나 하부층은 κ-Al2O3-ZrO2-TiOx의 구조이었다. 복합 알루미나 하부층 및 복합 AlON 하부층의 증착은 내화성 층을 형성하기 위하여 교대하는 방식으로 이루어졌다. 또한, 내화성 층은 TiN-TiCN(MT)-TiOCN-ZrCN-Al2O3의 내부층 위에 증착되었다. 도 4는 본 실시예의 코팅 구조의 개략도이다.
코팅의 CVD 증착 단계
공정
단계		 H2
부피
%		 N2
부피
%		 TiCl4
부피
%		 CH3CN
부피%		 CH4
부피%		 AlCl3
부피%		 CO2
부피%		 CO
부피%		 ZrCl4
부피%		 NH3
부피%		 HCl
부피%
TiN 나머지 40~48 0.5~2 - - - - - - - -
MT-TiCN 나머지 25~40 0.5~2 0.1~
1.5		 - - - - - - -
TiOCN 나머지 15~42 0.5~2 - 2~4 - - 0.3~2 - - -
ZrCN 나머지 25~35 - 0.1~
1.5		 - - - - 0.5~3 - -
κ-Al2O3 나머지 7~20 - - - 1.5~4 2~4 0~1.5 - - 1~4
κ-Al2O3/ZrO2/TiOx* 나머지 - 0.1~
1.5		 - 3~6 1.5~4 2~5 - 0.1~
1.5		 - 3~6
AlON/ZrO2/
TiON**		 나머지 - 0.1~
1.5		 - - 1.5~4 2~5 0~1.5 0.1~
1.5		 1~4 3~6
* Al2O3, ZrO2 및 TiOx 상의 혼합물이 있는 복합 알루미나 하부층
** AlON, ZrO2 및 TiON 상의 혼합물이 있는 복합 AlON 하부층
코팅의 CVD 증착 단계
공정 단계 온도
℃		 압력
mbar		 시간
분
TiN 930~960 600~900 20~40
MT-TiCN 900~940 70~100 70~110
TiOCN 950~1000 200~500 30~70
ZrCN 950~1000 70~100 20~60
κ-Al2O3 950~1000 70~100 60~150
κ-Al2O3/ZrO2/TiOx 950~1000 70~100 15~60
(하부층 당)
AlON/ZrO2/TiON 950~1000 70~100 15~60
(하부층 당)
그에 따른 다층 코팅은 표 14에 제공된 성질들을 나타냈다.
CVD 코팅의 성질
코팅층 두께(μm) 경도(0.05HV)
TiN 1.2 -
MT-TiCN 3.6 -
TiOCN 0.6 -
ZrCN 1.0 -
κ-Al2O3 0.6 -
κ-Al2O3/ZrO2/TiOx† (4x) 0.7 = (2.8) 1700~1900
AlON/ZrO2/TiON† (4x) 0.8 = (3.2) 1900~2200
†개별 하부층 두께
도 5는 그에 따른 코팅된 절삭 인서트의 5000x 배율에서의 횡단면 SEM 이미지이다. 또한, 도 6은 내화성 층 표면의 5000x 배율에서의 하향(top-down) SEM 이미지이다.
실시예 2 - 코팅된 절삭 공구
베르넥스 200 CVD 반응기에 텅스텐 초경합금(WC-Co) 절삭 인서트 기재[ANSI 표준 기하학 SPHX1205PCERGPB]을 위치시켜 본 출원에 기술된 코팅된 절삭 공구를 생산하였다. 절삭 인서트는 6중량%의 코발트 결합제와 나머지 1~5μm 크기의 WC 입자로 이루어졌다. 실시예 1의 파라미터에 따라 절삭 인서트 상에 코팅을 증착시켰다. 그에 따른 다층 코팅은 표 14에 제공된 것들과 일관된 성질들을 나타냈다.
실시예 3 - 밀링 시험
실시예 1의 코팅된 절삭 인서트와 비교예의 절삭 인서트(1 및 2)를 대상으로 아래의 파라미터에 따른 밀링 시험을 하였다. 비교예의 코팅된 절삭 인서트(1 및 2)는 실시예 1과 동일한 초경합금 WC 기재로 이루어졌으며, 다음과 같은 CVD 코팅 구조를 나타냈다:
비교예 1: TiN-(MT)-TiCN-TiCN-Al2O3-(TiCN/TiN)* (* 후코팅 이후 제거됨)
비교예 2: TiN-(MT)TiCN-(Al2O3/ZrO2/TiOx)-(AlON/ZrO2/TiON)
밀링 시험을 위해, 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 각각의 코팅된 인서트에 대해 두 개의 절삭날을 시험하였다.
밀링 파라미터
가공물 - 4140 강철
리드각 - 45o
절삭 속도 - 820sfm
RPM - 1171
송재속도 - 12.881ipm
축 방향 절삭 깊이 - 0.098인치
반경 방향 절삭 깊이 - 1.969인치
냉각재 - 없음
코팅된 인서트의 수명 말기(EOL)까지의 평균 밀링 길이(mm)를 표 15에 제공하였다. EOL은 여유면 마모(VB) > 0.3mm 및/또는 육안 검사에 의해 결정된 절삭날 상의 마이크로치핑의 고장 모드에 의해 인식되었다.
밀링 시험 결과(길이 - mm)
코팅된 절삭 인서트 절삭날 1 절삭날 2 평균
실시예 1 160 103 131.5
비교예 1 54 43 63.5
비교예 2 63 91 77
표 15에 제공된 바와 같이, 본 출원에 기술된 구조를 나타내는 실시예 1의 코팅된 절삭 인서트는 비교예의 인서트 1 및 2를 능가하여, 적어도 수명의 100 퍼센트 증가를 나타냈다. 더구나, 실시예 1의 코팅된 절삭 인서트는 열 주기에 대응하여 균열(cracking) 및 치핑(chipping)에 대한 우수한 저항성을 나타냈다. 도 7은 밀링 시험에서 67회 패스 후의 실시예 1의 절삭 인서트 (a) 및 비교예의 인서트 1 및 2 (각각 b와 c)의 사진을 제공한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 실시예 1의 절삭 인서트는 비교예의 절삭 인서트 1 및 2에 대해 상당히 적은 균열 및 치핑을 나타냈다.
실시예 4 - 밀링 시험
실시예 2의 코팅된 절삭 인서트와 비교예의 절삭 인서트(3 및 4)를 대상으로 아래의 파라미터에 따른 밀링 시험을 하였다. 비교예의 코팅된 절삭 인서트(3 및 4)는 실시예 1과 동일한 초경합금 WC 기재로 이루어졌으며, 다음과 같은 CVD 코팅 구조를 나타냈다:
비교예 1: TiN-(MT)-TiCN-TiCN-Al2O3-(TiCN/TiN)* (* 후코팅 이후 제거됨)
비교예 2: TiN-(MT)TiCN-ZrCN-(Al2O3/ZrO2/TiOx)-(AlON/ZrO2/TiON)
밀링 시험을 위해, 실시예 2, 비교예 3 및 비교예 4의 각각의 코팅된 인서트에 대해 두 개의 절삭날을 시험하였다.
밀링 파라미터
가공물 - 회주철(클래스 40)
리드각 - 0o/90o
절삭 속도 - 1312 sfm
RPM - 2021
송재속도 - 16.168 ipm
축 방향 절삭 깊이 - 0.098인치
반경 방향 절삭 깊이 - 1.969인치
냉각재 - 없음
코팅된 인서트의 수명 말기(EOL)까지의 평균 밀링 길이(mm)를 표 16에 제공하였다. EOL은 여유면 마모(VB) > 0.3mm 및/또는 육안 검사에 의해 결정된 절삭날 상의 마이크로치핑의 고장 모드에 의해 인식되었다.
밀링 시험 결과(길이 - mm)
코팅된 절삭 인서트 절삭날 1 절삭날 2 평균
실시예 2 77 65 71
비교예 3 69 49 59
비교예 4 76 63 69.5
표 16에 제공된 바와 같이, 본 출원에 기술된 구조를 나타내는 실시예 2의 코팅된 절삭 인서트는 비교예의 인서트 3 및 4를 능가하여, 수명이 적어도 20 퍼센트 증가를 나타냈다.
본 발명의 다양한 목적을 실현하여 본 발명의 다양한 구현예를 기술하였다. 이러한 구현예는 본 발명의 원리를 단순히 설명하는 것임을 이해하여야 한다. 여러 가지 변형 및 이의 개조가 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고도 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
10 : 기재
12: 절삭날
14: 기재 경사면
16: 여유면
18: 개구부
20: 코팅된 절삭 공구
21: 절삭 공구 기재
22: 코팅
23: 내화성 층
24: 네 개의 하부층 군들
25: 알루미나 하부층 또는 복합 알루미나 하부층
26: AlON 하부층 또는 복합 AlON 하부층

Claims (42)

  1. 코팅된 절삭 공구로서,
    기재; 및
    상기 기재에 부착된 코팅을 포함하며,
    상기 코팅은 복수의 하부층 군들(sublayer groups)을 포함하는 내화성 층(refractory layer)을 포함하고, 상기 하부층 군은 산화질화알루미늄(aluminum oxynitride) 하부층 또는 복합 산화질화알루미늄 하부층 및 알루미나 하부층 또는 복합 알루미나 하부층을 포함하는 코팅된 절삭 공구.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복합 산화질화알루미늄 하부층은 산화질화알루미늄 상 (phase) 및 주기율표의 IVB족의 금속성 원소의 1종 이상의 산화물을 포함하는 금속 산화물 상을 포함하는 코팅된 절삭 공구.
  3. 제2항에 있어서, 상기 금속 산화물 상은 ZrO2, HfO2 또는 이의 혼합물을 포함하는 코팅된 절삭 공구.
  4. 제2항에 있어서, 상기 복합 산화질화알루미늄 하부층은 상기 산화질화알루미늄 상 및 상기 금속 산화물 상 이외에 금속 산화질화물 상(metal oxynitride phase)을 더 포함하며, 이때, 상기 금속 산화질화물 상은 주기율표의 IVB족으로부터 선택된 금속성 원소의 적어도 1종의 산화질화물을 포함하는 코팅된 절삭 공구.
  5. 제4항에 있어서, 상기 금속 산화질화물 상은 TiON인 코팅된 절삭 공구.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복합 알루미나 하부층은 알루미나 상 및 주기율표의 IVB족의 금속성 원소의 1종 이상의 산화물을 포함하는 금속 산화물 상을 포함하는 코팅된 절삭 공구.
  7. 제6항에 있어서, 상기 금속 산화물 상은 지르코니아, 하프니아 또는 이의 혼합물로 형성된 코팅된 절삭 공구.
  8. 제7항에 있어서, 상기 금속 산화물 상은 산화티타늄을 더 포함하는 코팅된 절삭 공구.
  9. 제1항에 있어서, 상기 복합 알루미나 층은 주기율표의 IVB족으로부터 선택된 1종 이상의 금속성 원소로 도핑된 알루미나로 형성된 코팅된 절삭 공구.
  10. 제9항에 있어서, 상기 알루미나는 복합 알루미나 하부층의 0.01~5중량% 양의 지르코늄, 티타늄 또는 이의 혼합물로 도핑된 코팅된 절삭 공구.
  11. 제1항에 있어서, 상기 하부층 군들은 서로 인접한 코팅된 절삭 공구.
  12. 제1항에 있어서, 상기 내화성 층은 적어도 네 개의 하부층 군들을 포함하는 코팅된 절삭 공구.
  13. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 하부층 군은 상기 산화질화알루미늄 하부층 및 복합 알루미나 하부층으로 형성된 코팅된 절삭 공구.
  14. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 하부층 군은 상기 산화질화알루미늄 하부층 및 알루미나 하부층으로 형성된 코팅된 절삭 공구.
  15. 제1항에 있어서, 제1 하부층 군은 산화질화 알루미늄 하부층 또는 복합 산화질화알루미늄 하부층 및 복합 알루미나 하부층을 포함하고, 제2 하부층 군은 복합 산화질화알루미늄 하부층 및 알루미나 하부층을 포함하는 코팅된 절삭 공구.
  16. 제1항에 있어서, 상기 산화질화알루미늄 하부층, 복합 산화질화알루미늄 하부층, 알루미나 하부층 및 복합 알루미나 하부층 각각은 1μm 미만의 두께를 갖는 코팅된 절삭 공구.
  17. 제1항에 있어서, 상기 산화질화알루미늄 하부층, 복합 산화질화알루미늄 하부층, 알루미나 하부층 및 복합 알루미나 하부층 각각은 0.1μm 내지 0.8μm의 두께를 갖는 코팅된 절삭 공구.
  18. 제16항에 있어서, 상기 내화성 층은 5μm 내지 25μm의 두께를 갖는 코팅된 절삭 공구.
  19. 제16항에 있어서, 상기 내화성 층은 6μm 내지 15μm두께를 갖는 코팅된 절삭 공구.
  20. 제1항에 있어서, 상기 복합 알루미나 하부층 또는 상기 알루미나 하부층은 상기 복합 산화질화알루미늄 층보다 낮은 경도(HV0.05)를 갖는 코팅된 절삭 공구.
  21. 제1항에 있어서, 상기 내화성 층과 상기 기재 사이에 하나 이상의 내부층들을 더 포함하는 코팅된 절삭 공구.
  22. 제21항에 있어서, 내부층은 알루미늄 및 주기율표의 IVB, VB 및 VIB족의 금속성 원소로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속성 원소 및 주기율표의 IIIA, IVA, VA 및 VIA족의 1종 이상의 비금속 원소를 포함하는 코팅된 절삭 공구.
  23. 제22항에 있어서, 상기 하나 이상의 내부층은 TiN, TiCN, TiOCN, ZrCN 및 알루미나로 이루어지는 군으로부터 선택되는 코팅된 절삭 공구.
  24. 제1항에 있어서, 상기 기재는 초경합금(cemented carbide) 또는 서멧(cermet)인 코팅된 절삭 공구.
  25. 제1항에 있어서, 상기 코팅은 내화성 층 위에 하나 이상의 외부층들을 더 포함하고, 상기 외부층은 알루미늄 및 주기율표의 IVB, VB 및 VIB족의 금속성 원소로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속성 원소 및 주기율표의 IIIA, IVA, VA 및 VIA족의 1종 이상의 비금속 원소를 포함하는 코팅된 절삭 공구.
  26. 코팅된 절삭 공구의 제조방법으로서,
    기재를 제공하는 단계; 및
    화학적 기상 증착법에 의해 상기 기재 상에 복수의 하부층 군들을 포함하는 내화성 층을 포함하는 코팅을 증착시키는 단계를 포함하며,
    상기 하부층 군은 산화질화알루미늄 하부층 또는 복합 산화질화알루미늄 하부층 및 알루미나 하부층 또는 복합 알루미나 하부층을 포함하는 코팅된 절삭 공구의 제조방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 복합 산화질화알루미늄 하부층은 산화질화알루미늄 상 및 주기율표의 IVB족의 금속성 원소의 1종 이상의 산화물을 포함하는 금속 산화물 상을 포함하는 코팅된 절삭 공구의 제조방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 금속 산화물 상은 ZrO2, HfO2 또는 이의 혼합물을 포함하는 코팅된 절삭 공구의 제조방법.
  29. 제27항에 있어서, 상기 복합 산화질화알루미늄 하부층은 알루미늄 공급원, 산소 공급원, 질소 공급원 및 IVB족 금속성 원소 공급원을 포함하는 기체 혼합물로부터 증착되는 코팅된 절삭 공구의 제조방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 알루미늄 공급원은 AlCl3이고, 상기 IVB족 금속성 원소 공급원은 1종 이상의 IVB족 금속 염화물을 포함하는 코팅된 절삭 공구의 제조방법.
  31. 제27항에 있어서, 상기 복합 산화질화알루미늄 하부층은 상기 산화질화알루미늄 상 및 금속 산화물 상 이외에 금속 산화질화물 상을 더 포함하며, 상기 금속 산화질화물 상은 주기율표의 IVB족으로부터 선택된 금속성 원소의 적어도 1종의 산화질화물을 포함하는 코팅된 절삭 공구의 제조방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 금속 산화질화물 상은 TiON인 코팅된 절삭 공구의 제조방법.
  33. 제26항에 있어서, 상기 복합 알루미나 하부층은 알루미나 상 및 주기율표의 IVB족의 금속성 원소의 1종 이상의 산화물을 포함하는 금속 산화물 상을 포함하는 코팅된 절삭 공구의 제조방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 금속 산화물 상은 지르코니아 및 산화티타늄을 포함하는 코팅된 절삭 공구의 제조방법.
  35. 제33항에 있어서, 상기 복합 알루미나 층은 알루미늄 공급원, 산소 공급원 및 IVB족 금속성 원소 공급원을 포함하는 기체 혼합물로부터 증착되는 코팅된 절삭 공구의 제조방법.
  36. 제35항에 있어서, 상기 알루미늄 공급원은 AlCl3이고, 상기 IVB족 금속성 원소 공급원은 1종 이상의 IVB족 금속 염화물을 포함하는 코팅된 절삭 공구의 제조방법.
  37. 제26항에 있어서, 상기 내화성 층은 적어도 네 개의 하부층 군들을 포함하는 코팅된 절삭 공구의 제조방법.
  38. 제37항에 있어서, 상기 하부층 군들은 서로 인접한 코팅된 절삭 공구의 제조방법.
  39. 제26항에 있어서, 제1 하부층 군은 복합 산화질화알루미늄 하부층 및 복합 알루미나 하부층을 포함하고, 제2 하부층 군은 복합 산화질화알루미늄 하부층 및 알루미나 하부층을 포함하는 코팅된 절삭 공구의 제조방법.
  40. 제26항에 있어서, 상기 코팅의 하나 이상의 내부층은 상기 내화성 층의 증착 전에 상기 기재 상에 증착되는 코팅된 절삭 공구의 제조방법.
  41. 제40항에 있어서, 내부층은 알루미늄 및 주기율표의 IVB, VB 및 VIB족의 금속성 원소로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속성 원소 및 주기율표의 IIIA, IVA, VA 및 VIA족의 1종 이상의 비금속 원소를 포함하는 코팅된 절삭 공구의 제조방법.
  42. 제41항에 있어서, 상기 하나 이상의 내부층은 TiN, TiCN, TiOCN, ZrCN 및 알루미나로 이루어지는 군으로부터 선택되는 코팅된 절삭 공구의 제조방법.
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