KR20090068150A - 코팅된 절삭 공구를 제조하는 방법 및 그 절삭 공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기재를 제공하고, 상기 기재를 코팅 공정으로 코팅하는 것을 포함하는 코팅된 절삭 공구를 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 코팅 공정은

- 비금속 기능층 또는 비금속 기능층 시스템을 증착하는 단계,

- 상기 비금속 층 또는 비금속층 시스템의 표면에 이온 에칭을 실시하는 단계,

- 새로운 일련의 과정이 시작되기 전에 적어도 하나의 층간 금속층을 증착하는 단계를 포함하는 적어도 하나의 일련의 과정을 포함한다.

본 발명에 따라서, 공구 수명이 증가된 절삭 공구를 얻을 수 있다. 본 발명은 또한 본 발명의 방법에 따라 제조된 코팅된 절삭 공구에 관한 것이다.

Description

코팅된 절삭 공구를 제조하는 방법 및 그 절삭 공구{METHOD OF MAKING A COATED CUTTING TOOL, AND CUTTING TOOLS THEREOF}

본 발명은 2 개의 비금속 기능층의 증착 사이에 1 이상의 층간 금속층을 증착하는 것을 포함하는 코팅된 절삭 공구를 제조하는 방법에 관한 것이다. 각 층간 금속층의 증착 전에, 비금속 기능층의 이온 에칭 단계가 실시된다. 본 발명의 방법에 따라 제조된 절삭 공구는 증가된 인성으로 인해 우수한 공구 수명을 보이며, 따라서 하중의 변화를 견디는 능력이 우수하다. 더욱이, 본 발명은 날선에 따른 스폴링의 위험 없이 두꺼운 PVD 코팅의 증착을 용이하게 하며, 따라서 더 우수한 내플랭크마모성을 갖는 두꺼운 코팅이 증착될 수 있다.

일반적으로, 절삭 공구의 표면에 코팅이 증착되면 공구의 수명은 상당히 연장된다. 오늘날 대부분의 절삭 공구는 Ti(C,N), TiN, (Ti,Al)N, (Ti,Si)N, (Al,Cr)N 또는 Al₂O₃ 와 같은 PVD 또는 CVD 코팅으로 코팅된다. PVD 코팅은 CVD 코팅에 비해, 예컨대 증착된 상태에서의 잔류 압축 응력, 무냉각균열, 및 미세 입자 코팅과 같은 몇 가지 매력적인 특성을 갖는다.

그러나, 일반적으로 두께운 PVD 코팅은, 통상 날선 주위에 자생적으로 또는 기계가공 중에, 스폴링 (spalling), 프릿터링 (frittering), 소위 날선 스폴링 및 플레이킹 (flaking) 을 발생시킬 수 있기 때문에, PVD 코팅은 매우 얇게 형성되어야 한다. 다양한 용도에서 더 두꺼운 코팅은 증가된 내마모성으로 인해 공구 수명을 연장시키기 때문에, CVD 코팅은 이러한 용도를 위해 통상 선택될 수 있다.

불행히도, 특별하게 아크 증착되는 PVD 코팅은 코팅 내부에 묻혀있는 또는 코팅의 표면상에 존재하는 작은 구형의 소위 매크로 (macro) 또는 액적 (droplet) 이 존재하는 단점이 있다. 코팅 증착시, 이러한 액적은 대전된 금속 이온의 유입 플럭스를 차단할 수 있어, 액적의 인접한 주변에서 코팅에 공극을 생성한다. 액적과 코팅 사이의 일련의 감소된 부착으로 인해, 액적은 증착 공정 또는 기계가공 직후 또는 기계가공 중에 떨어져 나갈 수 있다. 이로 인해 공극, 세공 또는 극단적인 경우에는 기재까지 하방으로 이어진 구멍을 가지는 열등한 품질의 코팅이 나타날 수도 있다.

두꺼운 코팅은 또한 기재가 노출되는 최대 온도가 감소하는 장점을 갖는다. 낮은 기재 온도는 절삭날의 소성 변형의 위험을 줄인다. 더 두꺼운 코팅은 소성 기재 변형을 초기화하지 않고 높은 절삭력을 허가한다.

절삭 공구의 분야에서, PVD 코팅의 인성과 함께, 두꺼운 코팅의 내마모성의 장점을 갖는 두꺼운 PVD 코팅에 대한 요구가 증가하고 있다.

이온 에칭은 모든 종류의 증착 공정의 시작시 일반적인 초기 단계이다. 그 기재는 일반적으로 표면 오염물과 본래의 산화물과 질화물을 제거하기 위해 증 착 이전에 이온 에칭된다. 그러나, 이온 에칭을 중간 단계로 사용하는 시도가 거의 없었다.

PVD 기술로 금속층을 증착하는 것은 또한 PVD 공정에서 확립된 기술이다. 나머지 코팅을 증착하기 전에, 기재의 표면에 직접 금속층을 증착하는 것이 일부 경우에는 코팅의 접착을 강화할 수 있는 것으로 공지되어 있다.

EP0756019 는 펀칭 작업에서 사용되는 재료 변형 공구를 위한 PVD 코팅을 형성하는 방법을 설명한다. (Ti,Al)N, (Ti,Al,Y)N 또는 (Ti,Al,Cr)N 또는 이들의 임의의 다층으로 구성된 PVD 층이 증착된다. 그 후, 이 표면은 매끈한 표면을 얻기 위해 또한 어떤 액적도 제거하기 위해 예를 들어 금속 이온 에칭 또는 샌드 블라스팅 (sand blasting) 으로 기계적으로 처리된다. 그 후, MoS₂ 로 구성되는 저마찰의 제 2 PVD 코팅이 상부에 증착된다.

US3755866 은 서로의 상부에 증착된 2 개의 비층간 금속층을 포함하는 인서트를 설명한다. 한 층은 TiC, TaC, ZrC, HfC, VC 및 NbC 로 이루어진 그룹의 미세 입자 부재로 이루어진다. 다른 층은 WC, MoC 및 CrC 로 이루어진 그룹의 적어도 하나의 미립자 부재로 이루어진다. 이러한 두 층은 Co, Ni, 또는 Fe 로 이루어진 금속층에 의해 분리될 수 있다. 금속층은 0.1 ~ 0.2 ㎛ 이다.

EP1136585 는 금속의 작은 액적 또는 다른 경질 코팅에서 다른 연성 재료로 이루어진 자체 윤활 코팅을 설명한다. 따라서, 마찰 정도가 낮은 코팅이 생성된다. 코팅은 질화물/탄화물의 증착과 그 다음의 Ar 분위기에서의 이온 에칭으 로 이루어진 일련의 과정으로 증착된다. 이온 에칭 단계 동안, 얇은 금속 포일은 Ar 이온으로 충격이 가해지고, 작은 금속 액적이 방출된다. 따라서, 이러한 코팅은 질화물 또는 탄화물의 다른 경질 코팅에서 금속의 작은 액적을 갖는 층으로 이루어진다.

JP2002-103122A 는 작은 직경의 공구를 덮는 경질 양극 산화 코팅을 설명하는데, 그 코팅이 내부 Ti 층, 이어지는 TiCN 층, 중간 금속 TiAl 층, 그리고 최종적으로 덮이는 외부 TiAlCN 층으로 이루어진다.

EP1553210A1 은 PVD 기술에 의한 α- Al₂O₃ 을 증착하는 방법을 개시하고 있다. 일 실시예에서, 기재에는 가스 이온 또는 금속 이온으로 이온 충돌을 받을 수 있는 제 1 경질 코팅이 가능하면 제공되며, 충돌된 표면의 산화가 이어지고, 최종적으로 α-Al₂O₃ 층이 증착된다. 금속 이온이 충돌을 위해 사용되면, 금속 이온은 표면 내로 주입된다.

본 발명의 목적은 날 인성이 개선된 PVD 코팅을 갖는 코팅된 절삭 공구를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 스폴링, 프릿터링, 소위 날선 스폴링 및 플레이킹의 위험을 증가시키지 않아서, 증가된 공구 수명을 갖는 공구를 얻을 수 있는 두꺼운 PVD 코팅을 갖는 코팅된 절삭 공구를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 더 우수한 내플랭크마모성을 갖는 코팅된 절삭 공구를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기된 이점을 갖는 본 발명의 방법에 따라서 제조된 코팅된 절삭 공구를 제공하는 것이다.

놀랍게도, 층간 금속층의 증착 전에, 비금속 기능층에 이온 에칭을 실시하여, 비금속 기능층의 표면 내측 및 표면에서 소위 액적의 양을 감소시킨 다음 층간 금속층을 증착함으로써, 상기 목적이 달성되는 것이 발견되었다.

본 발명은 기재를 제공하고, 상기 기재를 코팅 공정으로 코팅하는 것을 포함하는 코팅된 절삭 공구를 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 코팅 공정은

- 비금속 기능층 또는 비금속 기능층 시스템을 증착하는 단계,

- 상기 비금속 기능층 또는 비금속 기능층 시스템의 표면에 이온 에칭을 실 시하는 단계,

- 새로운 일련의 과정이 시작되기 전에 적어도 하나의 층간 금속층을 증착하는 단계를 포함하는 적어도 하나의 일련의 과정을 포함한다.

일련의 과정라고 하는 상기 3 개의 단계는 요구되는 총 코팅 두께가 얻어질 때까지 몇 번이고 반복될 수 있다.

일련의 과정의 반복 수는 바람직하게는 1 ~ 20 번, 더 바람직하게는 1 ~ 10 번, 더욱 바람직하게는 2 ~ 10 번, 가장 바람직하게는 3 ~ 10 번이다.

본 발명의 일 실시예에서, 코팅 공정의 최종 증착 단계는 비금속층 또는 비금속층 시스템의 증착이다.

본 발명의 일 실시예에서, 증착의 일련의 과정은 이온 에칭 단계 후 층간 금속층의 증착 전에 얇은 비금속층의 증착을 더 포함한다.

모든 층은 바람직하게는 동일한 코팅 공정으로 증착된다.

이온 에칭 단계는 예컨대, 아르곤 이온 또는 금속 이온을 사용한 이온 충돌에 의해 얻어진다.

본 발명의 일 실시예에서, 아르곤 이온이 사용된다. 아르곤 이온은 아르곤으로 충진된 증착 챔버에서 플라즈마를 점화시켜 생성된다. 아르곤 이온은 바람직하게는 50 ~ 300 V, 더 바람직하게는 100 ~ 300 V 의 음전위로 유지되는 기재를 향해 가속된다. 에칭 단계에서 압력은 1 ~ 15 μbar 가 바람직하며, 1 ~ 5 μbar 가 더 바람직하고, 온도는 바람직하게는 300 ~ 800 ℃, 더 바람직하게는 450 ~ 750 ℃ 로 증착시와 동일하다.

본 발명의 다른 실시예에서, 금속 이온이 사용된다. 증착 챔버는 아르곤으로 충진되며, 아크는 금속 타겟에서 점화되어, 금속 이온의 밀한 증기가 형성된다. 이러한 금속 이온은 높은 음전위로 유지되는 기재를 향해 가속된다. 금속 이온은 바람직하게 Ti, Zr, Cr, Nb, V, Mo 중의 하나 이상이고, 가장 바람직하게는 Cr 이다. 기재 바이어스는 금속 이온 에칭 단계에서, 바람직하게는 300 ~ 2000 V, 더 바람직하게는 500 ~ 1300 V 의 음의 값을 갖는다. 에칭 단계에서 압력은 1 ~ 15 μbar 가 바람직하며, 1 ~ 5 μbar 가 더 바람직하고, 온도는 바람직하게는 300 ~ 800 ℃, 더 바람직하게는 450 ~ 750 ℃ 로 증착시와 동일하다.

이온 에칭 단계 후, 층간 금속층이 불활성 가스, 즉 He, Ar, Kr, Xe 또는 이들 가스의 조합으로 분위기를 변화시켜 비금속층과 동일한 코팅 공정을 이용하여 증착된다.

여기서 층간 금속층은 Ti, Mo, Al, Cr, V, Y, Nb, Hf, W, Ta 및 Zr 중 1 이상으로부터 선택된 금속 원소를, 적어도 60 at%, 바람직하게는 적어도 70 at%, 더욱 바람직하게는 80 at%, 가장 바람직하게는 90 at% 로 포함하는 층을 의미한다.

증착된 층간 금속층은 또한, 층의 연성에 크게 영향을 주지 않는 기술적 불순물에 대응하는 수준의 적은 양으로 다른 원소를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 층간 금속층은 순수 금속층으로, 그 금속은 Ti, Mo, Al, Cr, V, Y, Nb, Hf, W, Ta, Zr, 바람직하게는 Ti, Mo, Al, V, Ta, Zr, Cr, 가장 바람직하게는 Ti, Al, Zr, Cr, 또는 그 혼합물 중에서 선택되며, 이러한 원소 중 하나는 순수 금속층의 적어도 50 at% 를 구성한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 층간 금속층은 부화학량론의 세라믹, 바람직하게는 질화물, 산화물, 탄화물 또는 붕소화물, 더 바람직하게는 질화물 MeN 이며, 여기서 Me 는 상기된 바와 같이 순층간 금속층의 경우에 포함되는 1 이상의 금속일 수 있는 금속이다. 금속 원소의 양은 부화학량론적 세라믹의 적어도 60 at%, 바람직하게는 적어도 70 at%, 더욱 바람직하게는 80 at%, 가장 바람직하게는 90 at% 이다.

층간 금속층의 평균 두께는 바람직하게는 5 ㎚ ~ 500 ㎚, 더 바람직하게는 10 ㎚ ~ 200 ㎚, 가장 바람직하게는 20 ㎚ ~ 70 ㎚ 이다.

여기서 주어진 모든 두께는 타겟으로부터 보면 직선인 적절히 편평한 표면에서 실시된 측정치를 말한다. 증착시 스틱 (stick) 에 장착되는 인서트에 있어서, 이는 두께가 플랭크면의 중간에서 측정된 것을 의미한다. 예컨대, 드릴 또는 엔드 밀의 표면과 같은 불규칙한 표면에 있어서, 여기서 주어진 두께는 임의의 적절히 편평한 평면 또는, 비교적 큰 곡률을 가지며 임의의 날 또는 코너로부터 떨어진 표면에서 측정된 두께를 말한다. 예컨대, 드릴에서 측정은 외주에서 실시되며, 엔드 밀에서 측정은 플랭크면에서 실시된다.

비금속 기능층 또는 비금속 기능층 시스템은 질화물, 산화물, 붕소화물, 탄화물 또는 그 조합과 같이, 절삭 공구에 적합한 임의의 조성을 가질 수 있다. 바람직하게는 코팅은, (Al,Ti)N, TiN, (Al,Cr)N, CrN, Al₂0₃, Ti(B,N), TiB₂, (Zr,Al)N, (Ti,X)N, 바람직하게는 (Al,Ti)N, Ti(B,N), (Ti,X)N 중 1 이상, 가장 바 람직하게는 (Al,Ti)N 을 갖는 1 이상의 층을 포함하며, 여기서 X 는 Si, B, C, Ta, V, Y, Cr, Hf, Zr 중 하나 이상이다.

본 발명에 따라서 비금속 기능층 또는 비금속 기능층 시스템은 절삭 공구를 코팅하는 기술에서 일반적인 임의의 코팅 구조를 가질 수 있다.

일련의 이온 에칭과 층간 금속층의 증착 사이에 형성되는 층 또는 층 시스템은 구조 및 조성에 대하여 서로 같거나 다를 수 있다. 여기서 층 시스템은 임의의 이온 에칭 단계 또는 층간 금속층의 증착이 개재되지 않고 서로의 상하로 증착되는 적어도 2 개의 층을 의미한다. 이러한 층 시스템의 일 예는 적어도 5 개의 개별적인 층을 포함하는 다층 구조이다. 그러나, 이러한 다층 구조는 최대 수천 개의 개별적인 층을 포함할 수 있다.

비금속 기능층 또는 비금속 기능층 시스템의 두께는 0.2 ~ 5 ㎛, 바람직하게는 0.3 ~ 2 ㎛, 가장 바람직하게는 0.5 ~ 1.5 ㎛ 일 수 있다.

비금속층 또는 비금속층 시스템은 층간 금속층 보다 상당히 두꺼우며, 비금속층의 두께는 바람직하게는 층간 금속층의 두께의 3 ~ 200 배, 더 바람직하게는 5 ~ 150 배, 가장 바람직하게는 10 ~ 100 배이다.

층간 금속층이 형성되기 전의 에칭은 통상의 PVD 코팅보다 더 두꺼운 코팅을 증착할 수 있게 하기 때문에, 코팅의 총 두께의 범위는 넓어질 수 있다. 금속 및 비금속층을 포함하는 전체 코팅의 두께는 0.6 ~ 15 ㎛, 바람직하게는 1 ~ 12 ㎛, 가장 바람직하게는 2 ~ 10 ㎛ 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 비금속 PVD층 또는 비금속 PVD층 시스템이 0.2 ~ 2 ㎛ 의 두께로 증착되고, 이어서 에칭되며, 그 다음으로 바람직하게는 20 ~ 70 ㎚ 두께의 얇은 Ti 층간 금속층의 증착이 이어진다. 이러한 일련의 과정은 목표 코팅 두께가 얻어질 때까지 반복된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 금속층은 Ti 및 Al의 합금이다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 금속층은 Al 및 Cr의 합금이다.

본 발명의 일 실시예에서, 코팅 공정은 또한 상기된 바와 같은 증착의 일련의 과정에 덧붙여, 증착 시간을 줄이기 위해 이온 에칭 단계 없이 층간 금속층이 비금속층 또는 비금속층 시스템에 직접 증착되는 일련의 과정을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 방법에서는 절삭 공구를 코팅할 때 일반적으로 사용되는 임의의 PVD 기술이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 음극 아크 증발 또는 마그네트론 스퍼터링이 사용되지만, HIPIMS (high power impulse magnetron sputtering) 과 같은 최신 기술이 사용될 수도 있다. 본 발명에 따른 코팅을 "PVD 코팅"이라고 하더라도, 코팅은 또한, 통상의 CVD 코팅 보다 PVD 코팅에 더 가까운 특성을 갖는 코팅을 발생시키는 예컨대 PECVD 기술 (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 로 증착될 수 있다.

본 발명에 적합한 기재는 바람직하게는 절삭 공구 인서트 또는 드릴, 엔드 밀 등과 같은 둥근 형태의 공구이다. 기재는 바람직하게는, 초경합금, 서멧, 세라믹, 입방 붕소질화물 또는 고속도강 중 임의의 하나로 제조될 수 있으며, 더 바람직하게는 초경합금으로 제조된다. 기재는 기재에 대한 양호한 접착성을 보 장하기 위해, 기재에 직접 증착되는 내부층으로 예비코팅될 수 있으며, 이 내부층은 순수 금속 및/또는 질화물, 바람직하게는 Ti 및/또는 TiN 을 포함하며, 0.005 ~ 0.5 ㎛, 바람직하게는 0.02 ~ 0.2 ㎛ 이고, 층의 나머지 부분과 동일한 코팅 공정 내에서 증착된다.

본 발명은 또한, 상기된 방법에 따라서 제조되는, 층간 금속층 및 비금속층 또는 비금속층 시스템을 포함하는 1 이상의 일련의 과정을 포함하는 코팅이 제공된 기재를 포함하는 코팅된 절삭 공구에 관한 것이다. 층간 금속층은 2 개의 비금속 기능층 또는 비금속 기능층 시스템 사이에 위치된다.

여기서 층간 금속층은 Ti, Mo, Al, Cr, V, Y, Nb, Hf, W, Ta 및 Zr 중 1 이상으로부터 선택된 금속 원소를 적어도 60 at%, 바람직하게는 적어도 70 at%, 더욱 바람직하게는 80 at%, 가장 바람직하게는 90 at% 로 포함하는 층을 의미한다.

본 발명의 일 실시예에서, 층간 금속층은 순수 금속층으로, 그 금속은 Ti, Mo, Al, Cr, V, Y, Nb, Hf, W, Ta, Zr 또는 임의의 그 혼합물, 바람직하게는 Ti, Mo, Al, V, Ta, Zr, 가장 바람직하게는 Ti, Al, Zr 또는 그 원소의 혼합물 중에서 선택되며, 이러한 원소 중 하나는 순수 금속층의 적어도 50 at% 를 구성한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 금속층은 부화학량론의 세라믹, 바람직하게는 질화물, 산화물, 탄화물 또는 붕소화물, 더 바람직하게는 질화물 MeN 이며, 여기서 Me 는 상기된 바와 같이 순층간 금속층의 경우에 포함되는 1 이상의 금속 또는 그 혼합물일 수 있는 금속이다. 금속 원소의 양은 부화학량론적 세라믹의 적어도 60 at%, 바람직하게는 적어도 70 at%, 더욱 바람직하게는 적어도 80 at%, 가장 바 람직하게는 적어도 90 at% 이다.

층간 금속층의 평균 두께는 바람직하게는 5 ㎚ ~ 500 ㎚, 더 바람직하게는 10 ㎚ ~ 200 ㎚, 가장 바람직하게는 20 ㎚ ~ 70 ㎚ 이다.

비금속층과 번갈아 있는 층간 금속층의 수는 1 ~ 20 개, 바람직하게는 1 ~ 10 개, 더 바람직하게는 2 ~ 10 개, 가장 바람직하게는 3 ~ 10 개이다.

비금속층 또는 비금속층 시스템은 질화물, 산화물, 붕소화물, 탄화물, 탄질화물, 카르복시질화물 또는 그 조합물과 같이, 절삭 공구에 적합한 임의의 조성물을 가질 수 있다. 바람직하게는 코팅은, (Al,Ti)N, TiN, Ti(C,N), (Al,Cr)N, CrN, Al₂0₃, Ti(B,N), TiB₂, (Zr,Al)N, (Ti,X)N, 더 바람직하게는 (Al,Ti)N, Ti(B,N), (Ti,X)N 중 1 이상, 가장 바람직하게는 (Al,Ti)N 을 갖는 1 이상의 층을 포함하며, 여기서 X 는 Si, B, C, Ta, V, Y, Cr, Hf, Zr 중 하나 이상일 수 있다.

층간 금속층이 사이에 개재되는 층 또는 층 시스템은 구조 및 조성에 관하여 서로 같거나 다를 수 있다. 여기서 층 시스템은 층간 금속층이 사이에 개재되지 않고 상하로 증착되는 적어도 2 개의 층을 의미한다. 이러한 층 시스템의 일 예는 적어도 5 개의 개별적인 층을 포함하는 다층 구조이다. 그러나, 이러한 다층 구조는 최대 수천 개의 개별적인 층을 포함할 수 있다.

층간 금속층 사이에 위치되는 비금속 기능층의 두께는 0.2 ~ 5 ㎛, 바람직하게는 0.3 ~ 2 ㎛, 가장 바람직하게는 0.5 ~ 1.5 ㎛ 일 수 있다.

비금속층은 층간 금속층 보다 상당히 두꺼우며, 비금속층의 두께는 바람직하 게는 층간 금속층의 두께의 3 ~ 200 배, 더 바람직하게는 5 ~ 150 배, 가장 바람직하게는 10 ~ 100 배이다.

금속 및 비금속층을 포함하는 전체 코팅의 두께는 0.6 ~ 15 ㎛, 바람직하게는 1 ~ 12 ㎛, 가장 바람직하게는 2 ~ 10 ㎛ 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 비금속 기능층 또는 비금속 기능층 시스템은 0.2 ~ 2 ㎛ 의 두께를 가지며, 얇은 층간 금속층은 Ti로 되어 있으며, 바람직하게는 20 ~ 70 ㎚ 의 두께를 갖는다.

본 발명의 다른 실시예에서, 층간 금속층은 Ti 및 Al의 합금이다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 층간 금속층은 Al 및 Cr의 합금이다.

본 발명에 적합한 기재는 바람직하게는 절삭 공구 인서트 또는 드릴, 엔드 밀 등과 같은 둥근 형태의 공구이다. 기재는 바람직하게는, 초경합금, 서멧, 세라믹, 입방 붕소질화물 또는 고속도강 중 임의의 하나로 제조될 수 있으며, 더 바람직하게는 초경합금으로 제조된다.

실시예 1

3 개의 다른 CNMG120408-MM, R290-12T0308M-KM, 및 R390-11T0308M-PM 형의 초경합금 인서트가 사용되었다. 인서트 A 는 플랭크면의 중간에서 측정된 6 ㎛ 의 두께의 균질한 Ti_{0 .33}Al_{0 .67}N 층을 증착하여, 종래 기술에 따라 코팅되었다. 그 코팅은 N₂ 분위기에서 음극 아크 증발에 의해 증착되었으며, 그 인서트는 3 폴드 회전 기재 테이블에 장착되었고, 그 층은 2 쌍의 Ti_0.33Al_0.67 타겟으로부터 증착되었 다.

본 발명에 따라 인서트 B 가 코팅되었다. 두께가 0.7 ~ 0.8 ㎛ 인 층을 증착시킨 후 증착이 중단되었고, 반응기 챔버는 Ar 가스로 충진되었다는 점을 제외하고는 인서트 A 와 동일한 증착 조건이 적용되었다. 음의 바이어스가 인서트에 가해졌으며, 플라즈마가 점화되고, 인서트가 이온 에칭되었다 (즉, Ar 이온과 충돌됨). 이온 충돌 후, 증착이 다시 시작되었다. 반응기를 Ar 가스로 충진된 상태로 유지하면서, 1 쌍의 Ti 타겟이 점화되고, 약 30 ㎚ 의 얇은 금속 Ti 층이 증착되었다. 그 후, 반응기는 N₂ 가스로 충진되었고, 새로운 Ti_{0 .33}Al_{0 .67} N 층이 증착되었다. 이 절차는 10 ㎛ 의 총 코팅 두께가 얻어질 때까지 8 회 반복되었다. Ti_{0 .33} Al_{0 .67}N층의 두께는 1.0 ~ 1.5 ㎛ 이었다. 최종 단계로서, 증착 사이클이 종료되고 챔버가 개방되기 전에, 다시 인서트에 이온 충돌을 가하는 표면 처리가 실시되었다.

실시예 2

CNMG120408-MM 형상의 초경합금 밀링 인서트가 코팅으로 코팅되었는데, 여기서 인서트 C 는 N₂ 분위기에서 음극 아크 증발에 의해 4 ㎛ 의 불규칙한 (Ti,Al)N 다층 코팅을 증착하여 종래 기술에 따라 코팅되었다. 인서트는 불규칙한 구조를 얻기 위해 설치된 3 폴드 회전 기재 테이블에 장착되었다. 다층 코팅은 2 쌍의 Ti_{0 .33}Al_{0 .67} 타겟과 한쌍의 Ti_{0 .84}Al_{0 .16} 타겟이 동시에 작동하여 증착되었다.

본 발명에 따라서 인서트 D 가 코팅되었다. 증착 조건은, 두께가 1.5 ㎛ 에 도달한 후 증착이 중지되었으며, 반응기 챔버는 아르곤으로 충진되었다는 점을 제외하고 인서트 C 의 경우와 동일하였다. 인서트는 아르곤 이온으로 에칭되었으며, 약 30 ㎚ 의 얇은 Ti_{0 .84}Al_{0 . 16} 의 금속층이 증착되었다. 반응기는 N₂ 가스로 충진되었고, 새로운 Ti_{0 .33}Al_{0 .67}N/Ti_{0 .84}Al_{0 .16}N 의 다층이 증착되었다. 이 절차는 8 ㎛ 의 최종 코팅 두께가 얻어질 때까지 반복되었다. 모든 코팅 두께는 스틱에 장착된 증착된 CNMG 인서트의 플랭크면의 중간에서 측정되었다.

실시예 3 ~ 5 에 대한 설명

이하의 표현/용어는 금속 절삭시 일반적으로 사용되는 것으로 이하에 설명되어 있다.

V_C (m/min): 절삭 속도 (분당 미터)

f_Z (㎜/이): 이송량 (이 (tooth) 당 밀리미터)

z (개수): 커터의 이의 수

a_e (㎜): 반경방향 절삭 깊이 (밀리미터)

a_p (㎜): 축방향 절삭 깊이 (밀리미터)

D (㎜): 커터의 직경 (밀리미터)

실시예 3

모두 CNMG120408-MM 형을 갖는, 실시예 1 의 인서트 A (종래 기술) 와 인서트 B (본 발명) 그리고 실시예 2 의 인서트 C (종래 기술) 와 인서트 D (본 발명) 가 이하의 절삭 조건으로 선삭 작업에서 시험되었다.

작업물 재료: 경강 오바코 (Ovako) 825 B

V_C = 160 m/min

f_Z = 0.3 ㎜/회전

a = 2 ㎜

냉각제: 유제 (emulsion)

공구 수명 기준은 0.3 ㎜ 를 초과하는 플랭크 마모 또는 인서트 실패였다. 공구 수명을 증가시키기 위한 마모 타입의 결정적인 차이점은 더 적은 크레이터 마모였다.

인서트 A (종래 기술) 는 이 적용에서 8 분간 지속되는 반면, 인서트 B (본 발명) 는 12 분간 지속되었다.

인서트 C (종래 기술) 는 13 분간 지속되는 반면, 인서트 D (본 발명) 는 21 분간 지속되었다.

실시예 4

R390-11T0308M-PM 형을 갖는 실시예 1 의 인서트 A (종래 기술) 와 인서트 B (본 발명) 가 다음의 절삭 조건으로 밀링 작업으로 시험되었다.

작업물 재료: 경화된 다이바 (Dievar) HRc = 47

V_C = 120 m/min

f_Z = 0.12 ㎜/이

a_e = 2 ㎜

a_p = 4 ㎜

z = 1

D = 32 ㎜

냉각제: 유제

공구 수명 기준은 0.2 ㎜ 초과의 플랭크 마모 또는 0.3 ㎜ 초과의 프릿팅이었다.

인서트 A (종래 기술) 는 이 적용에서 13 분 동안만 지속되는 반면, 인서트 B (본 발명) 는 48 분간 지속되었다. 공구 수명을 증가시키는 마모 타입의 결정적인 차이점은 더 적은 플랭크 마모와 함께 더 적은 날선 칩핑이었다.

실시예 5

R290-12T0308M-KM 형의 실시예 1 의 인서트 A (종래 기술) 와 인서트 B (본 발명) 가 다음의 절삭 조건으로 밀링 작업으로 시험되었다.

작업물 재료: 구상 흑연 주철, SS0727

V_C = 400 m/min

f_Z = 0.15 ㎜/이

a_e = 110 ㎜

a_p = 3 ㎜

z = 1

D = 125 ㎜

공구 수명 기준은 0.3 ㎜ 를 초과하는 플랭크 마모 또는 0.4 ㎜ 를 초과하는 프릿팅이었다.

건식 조건 하에서, 인서트 A (종래 기술) 는 이 적용에서 12 분간 지속되는 반면, 인서트 B (본 발명) 는 20 분간 지속되었다.

습식 조건 하에서, 인서트 A (종래 기술) 는 19 분간 지속되는 반면, 인서트 B (본 발명) 는 35 분간 지속되었다. 공구 수명을 증가시키기 위한 마모 타입의 결정적인 차이점은 더 적은 플랭크 마모와 함께 더 적은 날선 칩핑이었다.

도 1 은 코팅 내부의 얇은 층간 금속층을 나타내는 폴리싱된 단면의 SEM 사진이다. 층간 금속층은 0.7 ~ 1.5 ㎛ 거리 마다 위치하며, 코팅의 총 두께는 10 ㎛ 이다.

Claims (12)

1. 기재를 제공하고, 상기 기재를 코팅 공정으로 코팅하는 것을 포함하는 코팅된 절삭 공구를 제조하는 방법에 있어서, 상기 코팅 공정은

   - 비금속 기능층 또는 비금속 기능층 시스템을 증착하는 단계,

   - 상기 비금속 기능층 또는 비금속 기능층 시스템의 표면에 이온 에칭을 실시하는 단계,

   - 적어도 하나의 층간 금속층을 증착하는 단계를 포함하는 적어도 하나의 일련의 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅된 절삭 공구를 제조하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 이온 에칭 단계는 아르곤 이온으로 실시되는 것을 특징으로 하는 코팅된 절삭 공구를 제조하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 이온 에칭 단계는 금속 이온으로 실시되는 것을 특징으로 하는 코팅된 절삭 공구를 제조하는 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅 공정은 PVD 또는 PECVD 인 것을 특징으로 하는 코팅된 절삭 공구를 제조하는 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 층간 금속층은 순수 금 속층이며, 그 금속은 Ti, Mo, Al, Cr, V, Y, Nb, Hf, W, Ta, Zr 또는 임의의 그 혼합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 코팅된 절삭 공구를 제조하는 방법.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 층간 금속층은 부화학량론의 세라믹이며, 그 금속 원소의 양은 부화학량론의 세라믹의 적어도 60 at% 인 것을 특징으로 하는 코팅된 절삭 공구를 제조하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 부화학량론의 세라믹은 질화물 MeN 이며, 그 Me 는 Ti, Mo, Al, Cr, V, Y, Nb, Hf, W, Ta, Zr 또는 그 혼합물 중 1 이상인 금속인 것을 특징으로 하는 코팅된 절삭 공구를 제조하는 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 증착된 비금속층 또는 비금속층 시스템의 조성물은 질화물, 산화물, 붕소화물, 탄화물, 또는 그 조합이며, 바람직하게는 (Al,Ti)N, TiN, Ti(C,N), (Al,Cr)N, CrN, Al₂0₃, Ti(B,N), TiB₂, (Zr,Al)N, (Ti,X)N 중 하나 이상이며, 상기 X 는 Si, B, C, Ta, V, Y, Cr, Hf, Zr 중 하나 이상일 수 있는 것을 특징으로 하는 코팅된 절삭 공구를 제조하는 방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속층의 두께는 5 ~ 500 ㎚ 인 것을 특징으로 하는 코팅된 절삭 공구를 제조하는 방법.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비금속층 또는 비금속층 시스템의 두께는 층간 금속층의 두께의 3 ~ 200 배인 것을 특징으로 하는 코팅된 절삭 공구를 제조하는 방법.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅의 총 두께는 0.5 ~ 15 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 코팅된 절삭 공구를 제조하는 방법.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따라 제조되는 절삭 공구.

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