KR20190025552A

KR20190025552A - 조직화된 알루미나 층을 갖는 절삭 공구

Info

Publication number: KR20190025552A
Application number: KR1020187036304A
Authority: KR
Inventors: 디르크 슈틴스; 토르슈텐 만스
Original assignee: 발터 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2016-07-01
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2019-03-11
Anticipated expiration: 2037-06-20
Also published as: US11365483B2; CN109312456A; CN109312456B; ES2714791T3; JP2019520992A; WO2018001784A1; EP3263738B1; EP3263738A1; JP6966485B2; KR102379497B1; US20190338424A1

Abstract

본 발명은 초경합금, 서멧, 세라믹, 강 또는 입방정질화붕소의 기재, 및 화학 기상 증착 (CVD) 에 의해 디포짓되고 또한 4 ~ 25 ㎛ 의 총 두께를 가지는 다층 내마모성 코팅으로 이루어지는 코팅된 절삭 공구에 관한 것으로, 상기 다층 내마모성 코팅은 CVD 에 의해 디포짓된 0.2≤x≤0.97, 0≤y≤0.25 및 0.7≤z≤1.15 인 일반식 Ti_1-xAl_xC_yN_z 로 표시되는 TiAlCN 층 (a), 및 상기 TiAlCN 층 (a) 바로 위에 CVD 에 의해 디포짓된 kappa 알루미늄 옥사이드의 κ-Al₂O₃ 층 (b) 을 포함하고, 상기 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (a) 은 기재 표면에 평행하게 우선적으로 성장하는 {111} 면을 갖는 전반적인 섬유 조직을 가지고, 상기 섬유 조직은, 0°≤ α ≤ 80°의 각도 범위에 대한 X-선 회절 또는 전자 후방 산란 회절에 의해 측정된 상기 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (a) 의 {111} 극점도가 샘플 법선으로부터 ≤ 10°의 틸트 각도 내에서 강도 최대치를 가지고 또한 샘플 법선으로부터 ≤ 20°의 틸트 각도 내에서 0°≤ α ≤ 60°의 각도 범위에 걸쳐 측정된 상대 강도의 ≥ 50% 인 것을 특징으로 하고, 상기 κ-Al₂O₃ 층 (b) 은 기재 표면에 평행하게 우선적으로 성장하는 {002} 면을 갖는 전반적인 섬유 조직을 가지고, 상기 섬유 조직은, 0°≤ α ≤ 80°의 각도 범위에 대한 X-선 회절 또는 전자 후방 산란 회절에 의해 측정된 상기 κ-Al₂O₃ 층 (b) 의 {002} 극점도가 샘플 법선으로부터 ≤ 10°의 틸트 각도 내에서 강도 최대치를 가지고 또한 샘플 법선으로부터 ≤ 20°의 틸트 각도 내에서 0°≤ α ≤ 80°의 각도 범위에 걸쳐 측정된 상대 강도의 ≥ 50% 인 것을 특징으로 한다.

Description

조직화된 알루미나 층을 갖는 절삭 공구

본 발명은 초경합금, 서멧, 세라믹, 강 또는 입방정질화붕소의 기재, 및 화학 기상 증착 (CVD) 에 의해 디포짓되고 또한 4 ~ 25 ㎛ 의 총 두께를 가지는 다층 내마모성 코팅으로 이루어지는 코팅된 절삭 공구에 관한 것으로, 상기 다층 내마모성 코팅은 0.2≤x≤0.97, 0≤y≤0.25 및 0.7≤z≤1.15 인 일반식 Ti_1-xAl_xC_yN_z 로 표시되는 TiAlCN 층 (a), 및 kappa 알루미늄 옥사이드의 κ-Al₂O₃ 층 (b) 을 포함한다.

절삭 공구의 내마모성은 CVD 또는 PVD 기술에 의해 일반적으로 증착되는 상이한 금속 옥사이드, 니트라이드, 및 카바이드의 경질 내화 코팅에 의해 종종 개선된다. 알루미늄 옥사이드 (Al₂O₃) 는 절삭 공구에 대한 내마모성 코팅에 널리 사용된다. Al₂O₃ 는 여러 상이한 상에서 결정화되고, 또한 γ-Al₂O₃, α-Al₂O₃ 및 κ-Al₂O₃ 다형체의 디포지션은 산업적 규모로 달성되어 왔고, 그로 인해 주로 2 개의 후자의 다형체들이 상업용 절삭 공구에 적용된다.

다결정 구조의 코팅은 기재 표면 (섬유 조직) 에 대해 우선적인 결정학적 배향으로 성장하는 것으로 공지되어 있다. 우선적인 결정학적 배향은 코팅 조성물, 핵 형성 및 디포지션 컨디션, 디포지션 표면 등과 같은 여러 인자들에 의존할 수도 있다. 코팅의 우선적인 결정학적 배향이 코팅된 절삭 공구의 기계적 특성 및 절삭 성능에 중요한 영향을 미칠 수도 있다. 예를 들어, 기재 표면에 평행하게 우선적으로 성장하는 결정학적 평면들 {012}, {104}, {110}, {116}, {100} 또는 {001} 로 우선적인 결정학적 배향을 얻기 위하여 α-Al₂O₃ 코팅에 대한 디포지션 프로세스를 변경하는 것이 개시되어 있다. 기재 표면에 평행하게 우선적으로 성장하는 결정학적 평면 {hkl} 을 갖는 우선적인 결정학적 배향은 또한 {hkl} 조직이라 불린다. {001} 조직화된 α-Al₂O₃ 코팅이 많은 절삭 적용에서 우수한 특성을 나타내고 또한 우수한 내마모성을 보여주는 것이 발견되었다. 이는 코팅의 마모가 결정 격자의 밑면의 슬립에 의해 주로 발생하고, 따라서 {001} 조직화된 코팅은 취성, 균열 및 입자 탈락 (grain pull-out) 에 의해 특징지어 지는 다른 조직들의 마모 메커니즘 (S. Ruppi, Surface and Coatings Technology 202 (2008) 4257-4269) 과는 달리 마모 표면이 매끄러운 균일 마모를 보여준다는 사실로 인한 것이다.

우선적인 결정학적 배향은, 운동학적 또는 열역학적 이유로 특정 결정학적 방향들 (성장 조직) 을 따라 성장에 유리할 수도 있는 층 성장 컨디션에 의해 유도될 수 도 있거나, 하부층 또는 기재 (에피택시에 의한 조직) 의 결정학적 배향 또는 구조에 의해 유도될 수도 있다. 특히 Ti(C,N), TiAl(C,N) 또는 Al₂O₃ 와 같이 가장 일반적으로 적용되는 코팅층 조성들에 대해 적합한 프로세스 컨디션의 선택에 의해 CVD 코팅에서 우선적인 결정학적 배향의 제어가 제대로 확립되었다. 성장0 조직을 결정하는 파라미터들은 반응성 가스 및/또는 촉매 가스의 선택 및 유량비일 수도 있다.

κ-Al₂O₃ (kappa Al₂O₃) 의 결정 구조는 오랫동안 명확하지 않았고, 또한 이는 구조가 기본 사방정계 (primitive orthorhombic) 임을 보여준 1980 년대 후반까지 없었다. κ-Al₂O₃ 의 결정 구조에 대한 이전의 불확실성은 κ-Al₂O₃ 입자의 쌍정으로 인한 것이다. 쌍정 관련 도메인은 육방정계 구조의 것과 유사한 XRD 분말 회절도를 초래하는 인조의 (false), 거의 육방정계 초격자를 구성한다 (Y. Yourdshahyan et al., J. Am. Ceram. Soc. 82/6 (1999) 1365-1380).

EP　0　403　461　A1 는 κ-Al₂O₃ 및 TiC 또는 관련된 카바이드, 니트라이드, 카보니트라이드 또는 옥시카보니트라이드의 하나의 이중층을 갖는 보디를 개시하고, 상기 TiC 층과 접촉하는 Al₂O₃ 층은 에피택셜 관계 (epitaxial relationship): (111)TiC//(0001)κ-Al₂O₃, [110]TiC//[1010]κ-Al₂O₃, (111)TiC//(310)θ-Al₂O₃, [110]TiC//[001]　θ-Al₂O₃ 로 κ-Al₂O₃ 또는 θ-Al₂O₃ 으로 이루어진다. κ-Al₂O₃ 또는 θ-Al₂O₃ 의 결정 구조는 이러한 문헌에서 규정되지 않지만, 이는 육방정계인 것으로 가정될 수도 있다. 또한, 층, κ-Al₂O₃ 또는 θ-Al₂O₃ 층 뿐만 아니라 TiC 층의 우선적인 결정학적 배향은 개시되지 않는다.

EP　0　753　602　A1 는 적어도 하나가 {210} 조직, 즉 기재 표면에 평행하게 우선적으로 성장하는 결정학적 평면 {201} 을 갖는 단일상 κ-Al₂O₃ 층인 하나 이상의 내화층으로 적어도 부분적으로 코팅된 보디를 개시한다. 조직은 CVD 프로세스에서 Al₂O₃ 의 핵생성 동안 수증기 농도의 주의 깊은 제어에 의해 얻어진다.

WO　2005/090635　A1 는 750℃ ~ 920℃ 의 온도에서 CVD 에 의해 얻어진 α-Al₂O₃ 또는 κ-Al₂O₃ 코팅을 포함하는 코팅된 보디를 개시한다.

WO　2009/112115　A1 는 TiAlC, TiAlN 또는 TiAlCN 의 내부층, 및 알루미나 층의 결정 구조, 상 또는 조직을 특정하지 않는 Al₂O₃ 의 외부층을 가지는 CVD 코팅된 보디를 개시한다.

WO　2015/135802　A1 는 기재, 및 CVD 에 의해 증착되고 3 ~ 25 ㎛ 의 총 두께를 가지는 내마모성 코팅으로 이루어지는 코팅된 절삭 공구를 개시하고, 상기 내마모성 코팅은 0.7≤x≤1, 0≤y<0.25 및 0.75≤z<1.15 이고 1.5 ~ 17 ㎛ 의 두께를 가지는 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층을 포함한다. Ti_1-xAl_xC_yN_z 층은, 도메인이 동일한 결정학적 평면심 입방 (fcc) 구조 및 동일한 결정학적 배향을 가지는 Ti 및 Al 의 상이한 화학량론적 함량을 갖는 주기적으로 교번하는 도메인들의 라멜라 조직을 가진다. WO　2015/135802　A1 의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층에 대한 투과 전자 현미경 (TEM) 연구는 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층의 주기적으로 교번하는 도메인 서브구조가 {111} 조직, 즉 기재 표면에 평행하게 성장하는 결정학적 평면 {111} 을 갖는 우선적인 성장 배향을 나타내는 것으로 드러났다.

본 발명의 목적은 개선된 내마모성, 특히 개선된 플랭크 마모에 대한 내성 및 개선된 열적-기계적 쇼크에 대한 내성을 가지는 코팅된 절삭 공구를 제공하는 것이다.

본 발명은 초경합금, 서멧, 세라믹, 강 또는 입방정질화붕소의 기재, 및 화학 기상 증착 (CVD) 에 의해 디포짓되고 4 ~ 25 ㎛ 의 총 두께를 가지는 다층 내마모성 코팅으로 이루어지는 코팅된 절삭 공구를 제공하고, 상기 다층 내마모성 코팅은

CVD 에 의해 디포짓된 0.2≤x≤0.97, 0≤y≤0.25 및 0.7≤z≤1.15 인 일반식 Ti_1-xAl_xC_yN_z 로 표시되는 TiAlCN 층 (a), 및

상기 TiAlCN 층 (a) 바로 위에 CVD 에 의해 디포짓된 kappa 알루미늄 옥사이드의 κ-Al₂O₃ 층 (b)

을 포함하고,

상기 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (a) 은 기재 표면에 평행하게 우선적으로 성장하는 {111} 면을 갖는 전반적인 섬유 조직을 가지고, 상기 섬유 조직은, 0°≤ α ≤ 80°의 각도 범위에 대한 X-선 회절 또는 전자 후방 산란 회절에 의해 측정된 상기 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (a) 의 {111} 극점도가 샘플 법선으로부터 ≤ 10°의 틸트 각도 내에서 강도 최대치를 가지고 또한 샘플 법선으로부터 ≤ 20°의 틸트 각도 내에서 0°≤ α ≤ 60°의 각도 범위에 걸쳐 측정된 상대 강도의 ≥ 50% 인 것을 특징으로 하고,

상기 κ-Al₂O₃ 층 (b) 은 기재 표면에 평행하게 우선적으로 성장하는 {002} 면을 갖는 전반적인 섬유 조직을 가지고, 상기 섬유 조직은, 0°≤ α ≤ 80°의 각도 범위에 대한 X-선 회절 또는 전자 후방 산란 회절에 의해 측정된 상기 κ-Al₂O₃ 층 (b) 의 {002} 극점도가 샘플 법선으로부터 ≤ 10°의 틸트 각도 내에서 강도 최대치를 가지고 또한 샘플 법선으로부터 ≤ 20°의 틸트 각도 내에서 0°≤ α ≤ 80°의 각도 범위에 걸쳐 측정된 상대 강도의 ≥ 50% 인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 맥락 내에서, 본원에서 사용되는 바와 같은 용어 "샘플 법선" 은 디포지션 표면 평면에 수직한 법선, 즉 기재의 표면 평면 또는 정의될 코팅 아래의 코팅 표면 평면 각각에 수직한 법선을 의미한다.

본 발명의 맥락 내에서, 샘플 법선으로부터 특정 틸트 각도 내에서 층의 {hkl} 극점도의 강도 최대치에 의해 본원에서 규정된 바와 같은 용어 "섬유 조직" (또한 간단하게 "조직" 이라고 함) 은 결정 재료의 입자가 무작위 분포에서보다 더 빈번하게 기재 표면에 평행한 {hkl} 결정학적 평면들로 배향되는 것을 의미한다. κ-Al₂O₃ 층 (b)의 섬유 조직과 관련하여, κ-Al₂O₃ 의 {001} 및 {002} 결정학적 평면이 평행한 평면이므로, 이하에서는, κ-Al₂O₃ 의 섬유 조직과 관련하여, 평면 지정 (plane designations) {001} 및 {002} 은 동일한 의미를 가지고, 또한 κ-Al₂O₃ 층의 결정학적 성장 배향에 대해 상호 교환가능하다. κ-Al₂O₃ 층의 우선적인 결정학적 성장 배향의 규정을 위해, {002} 극점도가 선택되었는데, 왜냐하면 (001) 피크가 결정 격자 유형에 적용되는 소멸 규칙 (extinction rules) 으로 인해 XRD 스펙트럼에 나타나지 않기 때문이다.

본 발명의 생성물은 개선된 특성을 갖는 새로운 코팅 구조를 갖는다. 본 발명자들은 놀랍게도 이것이 κ-Al₂O₃ 층의 우수한 접착력을 갖는 면심 입방 (fcc) 결정 구조를 갖고 x=0.2 내지 x=0.97 의 Al 함량을 포함하는 {111} 조직화된 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층의 표면에 고도로 {001} 조직화된 κ-Al₂O₃ 층을 성장시킬 수 있다는 것을 발견하였다. 이는 이하에서 설명되는 바와 같이 κ-Al₂O₃ 층의 성장 특성에 대한 지식 및 종래 기술의 관점에서 예상치 못했고 또한 놀라웠다.

안정한 α-Al₂O₃ 상과 대조적으로 열역학적으로 준안정한 κ-Al₂O₃ 다형체의 핵 생성 및 성장이 TiC, TiN 또는 TiCN 층 (매우 낮은 Al 함량을 갖지 않거나 갖음) 과 같은 면심 입방 (fcc) 결정 구조를 갖는 하부층의 표면 상의 {111} 결정학적 패싯에서 일반적으로 발생한다는 것이 공지되어 있었다. 여기에서, 배향 관계는 상기 인용된 EP　0　403　461　A1 에서 논의된 바와 같은 [111]fcc-상 층//[001]　κ-Al₂O₃ 이고, κ-Al₂O₃ 의 성장은 서로의 상부에 디포짓된 양자의 결정 구조에서 고밀도의 패킹된 원자 층의 적층 시퀀스에 의해 결정된다. 또한, 면심 입방 (fcc) 결정 구조를 갖는 전술한 유형의 하부층의 표면 상의 {111} 결정학적 패싯은 고밀도의 핵생성 사이트를 제공하고, 따라서 κ-Al₂O₃ 의 고밀도의 패킹된 {001} 결정 평면의 성장 및 양호한 접착을 위한 양호한 전제 컨디션을 제공한다.

κ-Al₂O₃ 가 fcc 상 층에서 핵생성되어 고밀도의 패킹된 {111} 결정 평면의 상부에 κ-Al₂O₃ 의 고밀도의 패킹된 {001} 결정 평면의 성장을 위한 고밀도의 행생성 사이트를 제공하는 이러한 공지된 종래 기술 코팅과 대조적으로, 본 발명에 따른 코팅에서, Ti_1-xAl_xC_yN_z-층은 {111} 조직, 즉 기재 표면에 평행하게 성장하는 결정학적 평면 {111} 을 갖는 우선 성장 배향으로 성장한다. 성장 프로세스의 특성으로 인해, Ti_1-xAl_xC_yN_z-층의 표면은 {100} 결정학적 패싯에 의해 기본적으로 완전히 종결되고, 따라서 κ-Al₂O₃ 에 대한 극도로 적은 핵생성 사이트들을 제공한다. 하지만, 본 발명의 생성물의 하부 fcc Ti_1-xAl_xC_yN_z 층에 제공된 핵생성 표면에는 고밀도의 패킹된 원자층을 갖는 {111} 평면이 없고, 또한 대신에 {100} 평면에 의해 종결될 지라도, 본 발명의 생성물은 배향 관계 [111]　fcc　Ti_1-xAl_xC_yN_z//[002]　κ-Al₂O₃ 를 나타내고, 따라서 본 발명의 생성물의 κ-Al₂O₃ 에서 높은 {001} 조직을 나타낸다.

본 발명의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (a) 의 {111} 섬유 조직은, X-선 회절 또는 전자 후방 산란 회절 (EBSD) 에 의해 측정된 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (a) 의 {111} 극점도가 샘플 법선으로부터 ≤ 10°, 바람직하게는 ≤ 5°의 틸트 각도 내에서 강도 최대치를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 κ-Al₂O₃ 층 (b) 의 {001} 섬유 조직은, X-선 회절 또는 전자 후방 산란 회절 (EBSD) 에 의해 측정된 κ-Al₂O₃ 층 (b) 의 {002} 극점도가 샘플 법선으로부터 ≤ 10°, 바람직하게는 ≤ 5°의 틸트 각도 내에서 강도 최대치를 가지는 것을 특징으로 한다.

극점도는 우선적인 결정학적 배향 (섬유 조직) 의 결정을 위한 적절한 수단이다. 본 발명의 맥락에서, 본 발명의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (a) 의 {111} 반사의 극점도 또는 본 발명의 κ-Al₂O₃ 층 (b) 의 {002} 반사의 극점도는 측정 포인트의 원형 배열로 0°≤ α ≤ 80°및 0°≤ β ≤ 360°의 각도 범위에 걸쳐 구현되었다. 모든 측정 및 역산 (back-calculated) 된 극점도의 강도 분포는 대략 회전 대칭이었고, 즉 조사된 층은 섬유 조직을 나타냈다. 극점도가 XRD 에 의해 측정될 때, 0°≤ α ≤ 80°및 0°≤ β ≤ 360°의 각도 범위에 걸친 측정은 예를 들어 5 °이하의 각도 증분으로 일반적으로 수행된다.

본 발명의 TiAlCN 층 (a) 은 600℃ ~ 900℃ 의 반응 온도에서 CVD 에 의해 바람직하게는 디포짓되고, 본 발명의 kappa 알루미늄 옥사이드의 κ-Al₂O₃ 층 (b) 은 600℃ ~ 950℃ 의 반응 온도에서 CVD 에 의해 바람직하게는 디포짓된다.

본 발명의 코팅된 절삭 공구의 실시형태에서, TiAlCN 층 (a) 및 κ-Al₂O₃ 층 (b) 의 계면 근처에서 TiAlCN 층 (a) 의 조성이 변한다. 따라서, TiAlCN 층 (a) 및 κ-Al₂O₃ 층 (b) 의 계면으로부터 30 nm 의 거리 내에서, TiAlCN 층 (a) 은 Ti_1-xAl_xC_yN_z 로 표현되는 바와 같은 TiAlCN 층 (a) 의 평균 조성보다 높은 Ti 함량을 갖고, 차이 (x-u)≥0.04, 바람직하게는 (x-u)≥0.06 에 의해 특징지어 지고, 또한 0.16≤u≤0.93, 0≤v≤0.25 및 0.7≤w≤1.15 인 화학 조성 Ti_1-uAl_uC_vN_w 을 갖는다.

이론에 구속됨 없이, 본 발명자들은, TiAlCN 층 (a) 및 κ-Al₂O₃ 층 (b) 의 계면 근처에서 TiAlCN 층 (a) 의 조성의 변화가 TiAlCN 층 (a) 으로부터의 그리고 κ-Al₂O₃ 층 (b) 으로의 AlN 의 확산으로부터 발생한다는 것을 가정한다. 본 발명자들은 아마도 계면에서의 확산으로 인한 이러한 조성의 변화가 서로에 대한 층 (a) 및 층 (b) 의 접착에 유리한 효과를 갖는 다는 것을 관찰하였다.

본 발명에 따라, κ-Al₂O₃ 층 (b) 에 대한 계면을 형성하는 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (a) 의 표면은 {100} 결정학적 평면의 패싯에 의해 종결되는 것이 바람직하다. 따라서, {100} 결정학적 평면의 패싯이 기재 표면에 평행하게 우선적으로 배향되는 {111} 결정학적 평면과 대략 54.7°의 각도를 포함한다. Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (a) 을 종결하는 {100} 결정학적 평면의 패싯은 κ-Al₂O₃ 층 (b) 에 대한 성장면들을 반사한다. 이러한 방식으로 배향된 {100} 결정학적 평면의 패싯이 κ-Al₂O₃ 에 대한 단지 매우 적은 핵생성 사이트를 제공할지라도, 강한 {001} 섬유 조직을 갖는 κ-Al₂O₃ 의 핵 생성 및 성장이 만족스럽다는 것이 놀랍게도 발견되었다.

본 발명자들에 의해 {100} 조직화된 TiAlCN 층이 또한 {100} 결정학적 평면의 패싯들에 의해 종결되며, 이는 이러한 경우에 기재 표면에 평행하게 배향된다는 것이 관찰되었다. 하지만, TiAlCN 층 (a) 의 표면이 마찬가지로 오로지 기재 표면에 대해 상이하게 배향되는 {100} 결정학적 평면의 패싯에 의해 종결될 지라도, κ-Al₂O₃ 은 본질적으로 어떠한 조직도 없이 핵생성된다.

본 발명의 다른 실시형태에서, >　90%, 바람직하게는 >　95%, 가장 바람직하게는 >　99% 의 TiAlCN 층 (a) 은 면심 입방 (fcc) 결정 구조를 갖는다.

본 발명의 다른 실시형태에서, TiAlCN 층 (a) 은 상이한 Ti 및 Al 화학량론적 함량의 교번하는 TiAlCN 서브층의 라멜라 구조를 가지고, TiAlCN 서브층은 150　nm 이하, 바람직하게는 50　nm 이하의 두께를 가진다.

본 발명의 다른 실시형태에서, 면심 입방 (fcc) 결정 구조를 가지고 화학식 Ti_1-xAl_xC_yN_z 에 의해 표시되는 TiAlCN 층 (a) 의 입자 사이에는, Ti_1-xAl_xC_yN_z 에 의해 표시되는 바와 같은 TiAlCN 층 (a) 의 평균 조성보다 높은 Al 함량을 갖고, 차이 (o-x)≥0.05, 바람직하게는 (o-x)≥0.10 에 의해 특징지어 지고, 또한 0.25≤o≤1.05, 0≤p≤0.25 및 0.7≤q≤1.15 인 화학 조성 Ti_1-oAl_oC_pN_q 의 결정립계 침전물이 존재한다. 상기 결정립계 침전물은 fcc-TiAlCN 로부터 상 변태에 의해 형성되는 육방정계상 h-AlN 으로 적어도 부분적으로 이루어진다. 육방정계상이 면심 면심 입방 구조 (fcc) 상보다 더 높은 몰 부피를 가지기 때문에, 부피 팽창은 상 변태 시에 발생하고, 또한 더 높은 압축 잔류 응력을 향해 fcc-TiAlCN 의 잔류 응력 상태가 이동한다. 압축 잔류 응력의 증가는 코팅에서 균열 형성에 대한 내성을 향상시키고, 또한 특히 단속 절삭 (interrupted cut) 작업에서 사용될 때에 코팅된 공구의 인성 거동을 촉진시킨다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, TiAlCN 층 (a) 의 두께는 2　㎛ ~ 14　㎛, 바람직하게는 2.5　㎛ ~ 6　㎛ 이다.

본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서, κ-Al₂O₃ 층 (b) 의 두께는 1　㎛ ~ 9　㎛, 바람직하게는 1.5　㎛ ~ 6　㎛ 이다.

본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서, 다층 내마모성 코팅은, TiAlCN 층 (a) 및 κ-Al₂O₃ 층 (b) 에 더하여, 기재 표면과 TiAlCN 층 (a) 사이에 그리고/또는 κ-Al₂O₃ 층 (b) 위에, 화학 기상 증착 (CVD) 에 의해 증착되는 원소 주기율표의 4A 족, 5A 족 또는 6A 족의 원소들 또는 Al 또는 Si 중 하나 이상의 옥사이드, 카바이드, 니트라이드, 옥시카바이드, 옥시니트라이드, 카보니트라이드, 옥시카보니트라이드 또는 보로카보니트라이드, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 하나 이상의 내화층(들)을 포함하고, 각 내화층은 0.5 ~ 6 ㎛ 의 두께를 가진다.

기재 표면과 TiAlCN 층 (a) 사이에 추가의 내화층(들)의 바람직한 실시예들은, 티타늄 니트라이드, 티타늄 카바이드, 티타늄 카보니트라이드, 지르코늄 니트라이드, 지르코늄 카바이드, 지르코늄 카보니트라이드, 하프늄 니트라이드, 하프늄 카바이드 또는 하프늄 카보니트라이드로 이루어진다. 티타늄 니트라이드 층이 가장 바람직하다.

κ-Al₂O₃ 층 (b) 위에 추가의 내화층(들)의 바람직한 실시예들은 티타늄 알루미늄 카보니트라이드, 알루미늄 니트라이드, 티타늄 니트라이드, 티타늄 카바이드, 티타늄 카보니트라이드, 지르코늄 니트라이드, 지르코늄 카바이드, 지르코늄 카보니트라이드, 하프늄 니트라이드, 하프늄 카바이드 또는 하프늄 카보니트라이드로 이루어지는 하나 이상의 내화층(들)을 포함한다.

본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서, 다층 내마모성 코팅은 0.1 ~ 3 ㎛, 바람직하게는 0.2 ~ 2 ㎛, 더 바람직하게는 0.5 ~ 1.5 ㎛ 두께의 최외측 상부 코팅을 포함하고, 이는 TiN, TiC, TiCN, ZrN, ZrCN, HfN, HfCN, VC, TiAlN, TiAlCN, AlN 또는 이들의 조합 또는 멀티층으로 이루어진다. 얇은 최외측 코팅 (상부 코팅) 은 평탄화 또는 윤활 목적을 위해 그리고/또는 외최측 코팅의 마모 정도 및 위치에 의한 공구의 마모를 나타내기 위한 검출층으로서 제공될 수도 있다.

본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서, 기재 표면 바로 위에서 접촉되는 제 1 내화층은 Ti(C,N), TiN, TiC, Ti(B,C,N), HfN, Zr(C,N) 또는 이들의 조합으로 이루어지고, 바람직하게는 기재 표면에 인접한 제 1 내화층은 Ti(C,N) 으로 이루어진다. 기재 표면 바로 위에서 접촉되는 이러한 유형의 제 1 내화층을 제공하는 이점은 후속 층들의 향상된 접착이다.

도 1 은 후술되는 바와 같이 제조된 실시예 1 (본 발명) 의 코팅의 단면의 SEM 이미지를 도시한다.
도 2a 는, 0°≤ α ≤ 80°(증분 5°) 및 0°≤ β ≤ 360°(증분 5°) 의 각도 범위에 걸쳐 X-선 회절에 의해 측정된 실시예 1 (본 발명) 의 코팅의 TiAlN 층의 {111} 극점도를 도시하고; 측정된 강도는 등치선에 의해 표시되고; 점선 원은 10 ~ 70 도의 라디알 각도를 나타내고, 파선 원은 80 도의 라디알 각도를 나타내고, 실선 (unbroken) 원은 90 도의 라디알 각도를 나타낸다.
도 2b 는 0°의 고정 베타 각도에서 0 ~ 90 도의 알파 각도의 범위에 걸쳐 도 2a 의 극점도를 통한 단면을 도시하고; 횡좌표는 0 ~ 90 도의 각도 범위를 나타내고, 종좌표는 측성된 상대 강도를 나타낸다.
도 3a 는 0°≤ α ≤ 80°(증분 5°) 및 0°≤ β ≤ 360°(증분 5°) 의 각도 범위에 걸쳐 X-선 회절에 의해 측정된 실시예 1 (본 발명) 의 코팅의 κ-Al₂O₃ 층의 {002} 극점도를 도시하고; 측정된 강도는 등치선에 의해 표시되고; 점선 원은 10 ~ 70 도의 라디알 각도를 나타내고, 파선 원은 80 도의 라디알 각도를 나타내고, 또한 실선 원은 90 도의 라디알 각도를 나타낸다.
도 3b 는 0°의 고정 베타 각도에서 0 ~ 90 도의 알파 각도의 범위에 걸쳐 도 3a 의 극점도를 통한 단면을 도시하고; 횡좌표는 0 ~ 90 도의 각도 범위를 나타내고, 종좌표는 측정된 상대 강도를 나타낸다.
도 4 는 후술되는 바와 같이 제조된 실시예 2 (비교예) 의 코팅의 단면의 SEM 이미지를 도시한다.
도 5a 는 0°≤ α ≤ 80°(증분 5°) 및 0°≤ β ≤ 360°(증분 5°) 의 각도 범위에 걸쳐 X-선 회절에 의해 측정된 실시예 2 (비교예) 의 코팅의 TiAlN 층의 {111} 극점도를 도시하고; 측정된 강도는 등치선에 의해 표시되고; 파선 원은 80 도의 라디알 각도를 나타내고, 또한 실선 원은 90 도의 라디알 각도를 나타낸다 (이 도면은 10 ~ 70 도의 라디알 각도를 나타내는 점선 원을 포함하지 않는다).
도 5b 는 0°의 고정 베타 각도에서 0 ~ 90 도의 알파 각도의 범위에 걸쳐 도 5a 의 극점도를 통한 단면을 도시하고; 횡좌표는 0 ~ 90 도의 각도 범위를 나타내고, 종좌표는 측정된 상대 강도를 나타낸다.
도 6a 는 0°≤ α ≤ 80°(증분 5°) 및 0°≤ β ≤ 360°(증분 5°) 의 각도 범위에 걸쳐 X-선 회절에 의해 측정된 실시예 2 (비교예) 의 코팅의 κ-Al₂O₃ 층의 {002} 극점도를 도시하고; 측정된 강도는 등치선에 의해 표시되고; 점선 원은 10 ~ 70 도의 라디알 각도를 나타내고, 파선 원은 80 도의 라디알 각도를 나타내고, 또한 실선 원은 90 도의 라디알 각도를 나타낸다.
도 6b 는 0°의 고정 베타 각도에서 0 ~ 90 도의 알파 각도의 범위에 걸쳐 도 6a 의 극점도를 통한 단면을 도시하고; 횡좌표는 0 ~ 90 도의 각도 범위를 나타내고, 종좌표는 측정된 상대 강도를 나타낸다.

섬유 조직

본원에서 사용되는 바와 같이 그리고 이것이 기상 증착에 의해 생성된 얇은 필름과 관련하여 일반적으로 사용되는 바와 같이, 용어 "섬유 조직" 또는 "조직" 각각은 무작위 배향으로부터 성장된 입자의 배향을 구분한다. 3 가지 유형의 조직이 얇은 필름 및 코팅에 있어서 일반적으로 구분된다: (ⅰ) 입자가 우세한 배향을 가지지 않는 무작위 조직, (ⅱ) 코팅 내의 입자들은, Miller 지수 (h, k 및 l) 에 의해 규정되는 일 세트의 기하학적으로 등가의 결정학적 평면 {hkl} 이 기재 표면 평면에 평행하게 우선적으로 배향되는 것으로 밝혀지지만 이러한 평면에 수직한 섬유 축 주위에서 입자들의 회전 자유도가 존재하도록 배향되는 섬유 조직, 및 (ⅲ) 평면내 정렬 (in-plane alignment) 이 기재에 대해 입자들의 3 개의 축들 모두를 고정하는 단결정 기재 상에서의 에피택셜 정렬 (또는 면내 조직). 본 발명의 맥락에서, 용어 "조직" 은 "섬유 조직" 과 동의어로 사용된다.

X-선 회절 (XRD) 측정

X-선 회절 측정은 CuKα-복사를 사용하는 GE Sensing and Inspection Technologies 의 XRD3003 PTS 회절계에서 수행되었다. X-선 튜브는 40　kV 및40　mA 의 포인트 포커스에서 실행되었다. 고정된 크기의 측정 구경을 갖는 폴리모세관 (polycapillary) 조준 랜즈를 사용하는 평행 빔 광학 장치가 1 차 측면 상에서 사용되어서, 샘플의 조사된 영역은 샘플의 코팅된 면에 대한 X-선 빔의 스필 오버 (spill over) 가 회피되는 방식으로 규정되었다. 2 차 측면에서, 0.4°의 발산을 갖는 Soller 슬릿 및 25 ㎛ 두께의 Ni K_β 필터가 사용되었다.

극점도

분석된 층의 특정 {hkl} 반사의 극점도는 본원에서 설명된 바와 같이 측정 포인트의 환형 배열로 0°≤ α ≤ 80°(증분 5°) 및 0°≤ β ≤ 360°(증분 5°) 의 각도 범위에 걸쳐 XRD 를 사용하여 측정되었다. 측정된 강도의 배경 보정을 위해, 배경 강도는 다른 코팅 층 또는 기재의 회절 피크 중 어느 하나와 겹치지 않는 고정된 2θ 각도에서 α 의 각 증분에 대해 측정되었다. 디포커싱 (defocussing) 보정은 적용되지 않았다. 모든 측정 및 역산된 극점도의 강도 분포가 대략 회전 대칭인 경우, 조사된 층이 섬유 조직을 나타냈다.

Ti_1-xAl_xC_yN_z 층에 대해, 극점도는, 통상적으로 그리드 크기 ≤　0.075 ㎛, 맵 크기 ≤　25　㎛x25　㎛ 를 사용하여, 기재 표면에 평행하게 폴리싱되는 층으로 대략 20 ~ 80 % 의 잔여층 두께 및 적합한 평활도로 표본의 EBSD 맵으로부터 대안적으로 생성될 수도 있다. 충분한 품질의 회절 패턴 및 인덱싱을 갖는 배향 맵이 얻어질 때에, 층 내의 fcc-Ti_1-xAl_xC_yN_z 의 조직이 계산될 수도 있고, 극점도가 시판되는 소프트웨어 (예컨대, EDAX OIM Analysis) 를 사용하여 플로팅될 수도 있다. κ-Al₂O₃ 층에 대해, Kikuchi 회전 패턴의 획득 및 정확한 인덱싱은 종종 다결정 층의 입자 내에서 고밀도의 쌍정 또는 다른 적층 결함에 의해 방해된다. 그러므로, XRD 측정은 이러한 경우에 조직의 안전한 결정을 위해 추천된다. TiAlCN 층에서 fcc-상의 최소 함량의 결정을 위한 EBSD 샘플의 제조, 측정 및 처리의 상세한 절차는 이하에서 주어지고, 이러한 절차에 따라 획득된 데이터 세트드로부터 조직이 마찬가지로 결정될 수도 있다. 일반적으로, 적절한 방식으로 표본 제조, EBSD 측정 및 데이터 처리를 수행하는 것은 당업자의 이해 범위 내에 있다.

{hkl} 결정 평면의 우선적인 결정학적 배향의 체크 및 확인을 위해, 추가의 극점도가 입방 결정 시스템에 대한 적어도 2 개의 추가의 반사로부터 또는 다른 (비입방) 결정 시스템에 대한 적어도 3 개의 추가의 반사로부터 각각 측정되었다. 충분한 개수의 XRD 극점도 측정의 데이터로부터, 배향 밀도 분포 함수 (ODF) 가 폴랜드 LaboSoft 의 software LaboTex3.0 을 사용하여 계산되었고, 우선적인 결정학적 배향은 역극점도 (inverse pole figure) 로 표현된다. 역극점도로서 ODF 의 제시는 샘플 내에 존재하는 섬유 조직의 결정학적 배향 및 선명도를 입증하는데 적합하다. EBSD (전자 후방 산란 회절) 측정에서, ODF 는 시판되는 EBSD 데이터 처리 소프트웨어, 예컨대 EDAX OIM Analysis 를 사용하여 통계상으로 관련된 개수의 개별 로컬 배향 측정으로부터 계산될 수도 있다 [L. Spieβ et al., Moderne Rontgenbeugung, 2^nd edition, Vieweg & Teubner, 2009].

투과 전자 현미경 (TEM) EDS 분석

투과 전자 현미경 (TEM) 분석은 300　kV 의 가속 전압에서 전계 방출 캐소드를 갖는 FEI Titan 80-300 현미경에서 수행되었다. EDS 분석을 위해, Oxford Inca EDS 시스템이 사용되었다. TEM 을 위한 샘플의 제조는 표면으로부터 얇은 단면 피이스를 절단하고 또한 그 샘플을 충분한 전자 투명도 (electron transparency) 에 이르기까지 얇게 하기 위하여 결합된 FIB/SEM 장비를 사용하는 인 사이투 리프트 아웃 기술 (in-situ lift-out technique) 에 의해 이루어졌다.

전자 후방 산란 회절 (EBSD)

EBSD 분석은, 약 12 mm 의 작동 거리에서 폴리싱된 샘플 표면에 전자 빔의 70°입사각으로 고전류 모드에서 작동하는 60 ㎛ 의 구경 및 15 kV 의 가속 전압을 사용하여 전계 방출 캐소드를 갖는 Zeiss SUPRA40VP 주사 전자 현미경 (SEM) 에서 수행되었다. EBSD 시스템은 EDAX (Digiview camera) 였고, TSL OIM Data Collection 7 및 TSL OIM Analysis 7 소프트웨어 패키지는 각각 데이터 수집 및 분석을 위해 사용되었다.

전자 후방 산란 회절 (EBSD) 에 의한 결정 구조 결정

층 (b) 의 Ti_1-xAl_xC_yN_z 의 면심 입방 (fcc) 결정 구조의 백분율이 샘플의 폴리싱된 단면에 대한 EBSD 분석에 의해 결정되었다. 폴리싱은 이하의 절차에 따라 수행되었다: 그라인딩 디스크 Struers Piano 220 및 물을 사용하여 6 분동안 그라인딩하고; Struers 9 ㎛ MD-Largo 다이아몬드 서스펜션을 사용하여 3 분 동안 폴리싱하고; Struers 3㎛ MD-dac 다이아몬드 서스펜션을 사용하여 3:40 분 동안 폴리싱하고; Struers 1 ㎛ MD-Nap 다이아몬드 서스펜션을 사용하여 2 분 동안 폴리싱하고; 0.04　㎛ 의 평균 입자 크기를 갖는 Struers OP-S 콜로이달 실리카 서스펜션을 사용하여 적어도 12 분 동안 화학적 폴리싱한다. SEM / EBSD 분석 이전에, 표본은 에탄올로 초음파 세정되고 자기 소거된다. FE-SEM (통상적으로 2.5　kV 의 가속 전압 및 3 ~ 10 mm 의 작동 거리에서 Everhart-Thornley 2 차 전자 검출기를 사용함) 에서 그에 따라 제조된 표본의 검사는, 면심 입방 구조 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층의 입자들이 편평한 표면으로 폴리싱되어 두드러진 배향 대비 (pronounced orientation contrast) 를 보여주는 반면, fcc-Ti_1-xAl_xC_yN_z 층의 결정립계에서 침전된 h-AlN 또는 h-AlN 의 층이 fcc-상 입자보다 상당히 강하게 에칭되어, 이러한 비율의 코팅의 표면이 fcc 상보다 낮고, 또한 편평한 표면을 가지지 않다는 것을 보여줬다. 이러한 지형으로 인해, h-AlN 으로 구성되는 코팅의 비율은 후술되는 EBSD 분석에서 열악한 EBSD 패턴을 제공할 것이다.

EBSD 맵에 대한 통상적인 획득 및 처리 파라미터는 다음과 같다: 맵 크기는 ≤0.15 ㎛ 의 스텝 크기 및 육방정 그리드의 측정 포인트를 갖고서 적어도 50x30 ㎛ 이다. 4x4 또는 8x8 비닝 (binning) 및 선택적으로 동적 배경 제거 (dynamic background subtraction) 가 초당 20 ~ 100 프레임에 해당하는 노출 시간을 사용하여 카메라 영상에 대해 수행된다. 하지만, 원칙적으로, 전술한 제조 절차는 배경 분리 절차를 수행함 없이 충분한 품질을 갖는 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층의 회절 패턴을 제공하는 샘플을 산출했다. 회절 패턴의 인덱싱은 Hough 변태에 의해 수행된다. 따라서 기록된 데이터 포인트는 > 0.2 의 평균 신뢰 지수 (CI) 로 이상적으로 인덱싱되어야 한다. CI 는 회절 패턴의 자동 인덱싱 동안 TSL OIM Analysis 7 소프트웨어에 의해 계산된다. 주어진 회절 패턴에 대해, 이미지 분석 루틴에 의해 검출된 회절 밴드를 만족시키는 여러 가능한 배향들이 발견될 수도 있다. 소프트웨어는 투표 방식 (voting scheme) 을 사용하여 이러한 배향들 (또는 솔루션들) 을 랭킹한다. 신뢰 지수는 투표 방식에 기초하고, CI=(V₁-V₂)/V_IDEAL (이때 V₁ 및 V₂ 은 제 1 및 제 2 솔루션에 대한 투표 수이고, V_IDEAL 는 검출된 밴드로부터 가능한 총 투표 수임) 로서 주어진다. 신뢰 지수는 0 ~ 1 의 범위이다. 패턴이 심지어 0 의 신뢰 지수에서 여전히 정확하게 인덱싱될 수도 있는 경우에도, CI 는 패턴 품질에 대한 통계적인 조치로 간주될 수 있다. 거친 표면을 갖는 샘플은 EBSD 에 대한 만족스러운 패턴 품질 및 인덱싱을 얻기 위한 거칠기로 폴리싱되어야 한다. 0.3 보다 큰 CI 값은 자동 패턴 인덱싱의 99% 정확도에 해당하고, 일반적으로 CI > 0.1 로 인덱싱된 패턴은 정확한 것으로 간주된다.

제 1 단계에서, EBSD 맵은 분석될 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (b) 의 데이터 포인트만을 얻도록 크로핑된다. 제 2 단계에서, 입자 CI 표준화가 5°의 입자 허용 각도 및 5 데이터 포인터의 최소 입자 크기를 적용하여 수행된다. 제 3 단계에서, 따라서 생성된 데이터 세트의 파티셔닝이 필터 CI > 0.1 를 적용하여 수행되고, 즉 입자 CI 표준화 후에, 더 낮은 신뢰 지수를 가지는 모든 데이터 포인트들은 무시된다. 비율 (CI 표준화 및 필터링 후에 fcc 상으로서 인덱싱된 데이터 포인트의 개수/크로핑된 맵에서 데이터 포인트의 총 개수) 은 분석된 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (면적-% 로 주어짐) 내에서 fcc 상의 면적비에 해당한다. 하지만, 결정립계에서 패턴 겹침 및 지형은 fcc 상 Ti_1-xAl_xC_yN_z 으로부터 얻어진 EBSD 패턴의 열악한 인덱싱으로 이어지므로, 따라서 얻어진 값들은 층에서 fcc 상의 최소 분율을 나타내고, 실제 분율은 더 높다. 통상적으로 XRD 및 SEM 이 h-AlN 의 표시를 제공하지 않고 따라서 실질적으로 약 100% 의 fcc 상으로 이루어지는 Ti_1-xAl_xC_yN_z 코팅에서, 전술한 EBSD 측정 및 처리 방법은 fcc 상으로서 인덱싱된 EBSD 맵의 > 95 면적-% 을 산출한다.

실시예

샘플 제조

본 발명 및 비교예에 따른 절삭 공구의 제조를 위해, 초경합금 절삭 공구 기재 보디 (조성: 90.5 wt-% 의 WC, 1.5 wt-% 의 TaC + NbC 및 8.0 wt-% 의 Co; 기하학적 형상: SEHW1204AFN) 가 높이 1250 mm 및 직경 325 mm 을 갖는 원통형 CVD 반응기 (유형 Bernex BPX 325S) 에서 코팅되었다.

기재 보디 위의 가스 유동은 제 1 및 제 2 전구체 가스 스트림 (PG1 및 PG2) 을 사용하여 중앙 가스 분배 튜브로부터 반경방향으로 수행되었다. 제 1 및 제 2 전구체 가스 스트림 (PG1 및 PG2) 은 반응기 내로 별도로 도입되었고, 반응 구역으로의 진입 직전에, 즉 가스 분배 튜브의 출구 이후에 결합되었다.

본 발명에 따른 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (a) 은 600℃ ~ 900℃ 의 온도에서 디포짓되었다. 원하는 층 조성에 따라, 반응 가스는 TiCl₄, AlCl₃, CH₃CN, NH₃, N₂, H₂ 를 포함한다.

그런 다음, κ-Al₂O₃ 층 (b) 은 600℃ ~ 950℃ 의 온도에서 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (a) 바로 위에 디포짓된다. 반응 가스는 AlCl₃, CO₂ 및 H₂ 를 포함하고, 또한 선택적으로 CO, HCl, H₂S 및/또는 SF₆ 를 포함할 수도 있다. κ-Al₂O₃ 층 (b) 의 디포지션은 2 개의 디포지션 단계들로 통상적으로 수행되었고, 제 1 단계에서, 핵생성 층이 성장되고, 제 2 단계에서, κ-Al₂O₃ 층이 원하는 두께로 성장된다. 제 2 단계에서, H₂S 및/또는 SF₆ 가 촉매로서 사용되었다. 또한, 상기 제 1 디포지션 단계의 사용 없이 κ-Al₂O₃ 층을 성장시키는 것이 본 발명의 범위 내에 있지만, 그러한 경우에, 하부 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (a) 과 κ-Al₂O₃ 층 (b) 사이의 계면에서 더 많은 양의 공극율이 관찰되었다.

본 발명 및 비교예에 따른 예시적인 코팅은 이하의 표 1 에서 주어진 바와 같이 프로세스 컨디션 및 본원에서 설명된 장비를 사용하여 얻어졌다. 하지만, CVD 코팅을 생성하기 위한 프로세스 컨디션은 사용되는 장비에 따라 어느 정도까지 변할 수도 있다는 것이 당업계에 잘 알려져 있다. 그러므로, 본 발명의 코팅 특성을 달성하는데 사용된 장비 및/또는 디포지션 컨디션을 변경하는 것은 당업자의 이해 범위 내에 있다.

단면 SEM 현미경사진은 예시적인 코팅으로부터 준비되었고, 또한 도 1 및 도 4 에 도시되어 있다. 예시적인 코팅의 TiAlN 층 및 κ-Al₂O₃ 층으로부터 극점도는 측정되었고, 또한 도 2, 도 3, 도 5 및 도 6 에 도시되어 있다.

실시예 1 (본 발명) 및 실시예 2 (비교예) 의 코팅에 대한 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층의 {111} 극점도에서 그리고 κ-Al₂O₃ 층의 {002} 극점도에서 샘플 법선에 대한 강도 최대치의 위치 (틸트 각도) 는 표 2 에 도시되어 있다. 또한, 표 2 는 실시예 1 (본 발명) 및 실시예 2 (비교예) 의 코팅에 대한 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층의 {111} 극점도에서 0°≤ a ≤ 60°의 각도 범위에 걸쳐 측징된 바와 같은 그리고 κ-Al₂O₃ 층의 {002} 극점도에서 0°≤ α ≤ 80°의 각도 범위에 걸쳐 측정된 바와 같은 샘플 법선으로부터의 ≤ 20°의 틸트 각도 내의 상대 강도를 나타낸다.

절삭 테스트

실시예 1 (본 발명) 및 실시예 2 (비교예) 에 따라 준비된 절삭 공구는 이하의 컨디션 하의 밀링 작업에서 사용되었다:

작업편 재료: 강 (DIN 42CrMo4)

냉각수: 없음

치형부 당 이송량: f_z = 0.2 mm

절삭 깊이: a_p = 3 mm

절삭 속도: v_c = 283 m/min

설정 각도: κ = 45°

주절삭날에서의 최대 플랭크 마모 (V_Bmax) 의 발생과 콤 (comb) 균열의 수는 800 mm 의 스텝으로 4000 mm 의 밀링 거리에 걸쳐 관찰되었다. 이하의 표 3 은 밀링 거리에 걸쳐 V_Bmax 의 발생 및 콤 균열의 수를 나타냈다. 밀링 테스트에서, 본 발명에 따른 코팅을 갖는 절삭 공구는 비교예보다 상당히 더 높은 플랭크 마모에 대한 그리고 콤 균열의 형성에 대한 내성을 나타냈다.

Claims

초경합금, 서멧, 세라믹, 강 또는 입방정질화붕소의 기재, 및 화학 기상 증착 (CVD) 에 의해 디포짓되고 또한 4 ~ 25 ㎛ 의 총 두께를 가지는 다층 내마모성 코팅으로 이루어지는 코팅된 절삭 공구로서,
상기 다층 내마모성 코팅은
CVD 에 의해 디포짓된 0.2≤x≤0.97, 0≤y≤0.25 및 0.7≤z≤1.15 인 일반식 Ti_1-xAl_xC_yN_z 로 표시되는 TiAlCN 층 (a), 및
상기 TiAlCN 층 (a) 바로 위에 CVD 에 의해 디포짓된 kappa 알루미늄 옥사이드의 κ-Al₂O₃ 층 (b)
을 포함하고,
상기 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (a) 은 기재 표면에 평행하게 우선적으로 성장하는 {111} 면을 갖는 전반적인 섬유 조직을 가지고, 상기 섬유 조직은, 0°≤ α ≤ 80°의 각도 범위에 대한 X-선 회절 또는 전자 후방 산란 회절에 의해 측정된 상기 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (a) 의 {111} 극점도가 샘플 법선으로부터 ≤ 10°의 틸트 각도 내에서 강도 최대치를 가지고 또한 샘플 법선으로부터 ≤ 20°의 틸트 각도 내에서 0°≤ α ≤ 60°의 각도 범위에 걸쳐 측정된 상대 강도의 ≥ 50% 인 것을 특징으로 하고,
상기 κ-Al₂O₃ 층 (b) 은 기재 표면에 평행하게 우선적으로 성장하는 {002} 면을 갖는 전반적인 섬유 조직을 가지고, 상기 섬유 조직은, 0°≤ α ≤ 80°의 각도 범위에 대한 X-선 회절 또는 전자 후방 산란 회절에 의해 측정된 상기 κ-Al₂O₃ 층 (b) 의 {002} 극점도가 샘플 법선으로부터 ≤ 10°의 틸트 각도 내에서 강도 최대치를 가지고 또한 샘플 법선으로부터 ≤ 20°의 틸트 각도 내에서 0°≤ α ≤ 80°의 각도 범위에 걸쳐 측정된 상대 강도의 ≥ 50% 인 것을 특징으로 하는, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (a) 의 섬유 조직은, X-선 회절 또는 전자 후방 산란 회절에 의해 측정된 상기 Ti_1-xAl_xC_yN_z 층 (a) 의 {111} 극점도가 샘플 법선으로부터 ≤5°의 틸트 각도 내에서 강도 최대치를 가지는 것을 특징으로 하는, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 κ-Al₂O₃ 층 (b) 의 섬유 조직은, X-선 회절 또는 전자 후방 산란 회절에 의해 측정된 상기 κ-Al₂O₃ 층 (b) 의 {002} 극점도가 샘플 법선으로부터 ≤5°의 틸트 각도 내에서 강도 최대치를 가지는 것을 특징으로 하는, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 TiAlCN 층 (a) 및 상기 κ-Al₂O₃ 층 (b) 의 계면으로부터 30 nm 의 거리 내에서, 상기 TiAlCN 층 (a) 은, Ti_1-xAl_xC_yN_z 로 표시된 바와 같은 TiAlCN 층 (a) 의 평균 조성보다 높은 Ti 함량을 갖고, 차이 (x-u)≥0.04, 바람직하게는 (x-u)≥0.06 에 의해 특징지어 지며, 0.16≤u≤0.93, 0≤v≤0.25 및 0.7≤w≤1.15 인 화학 조성 Ti_1-uAl_uC_vN_w 을 가지는, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 κ-Al₂O₃ 층 (b) 에 대한 계면을 형성하는 상기 TiAlCN 층 (a) 의 표면은 {100} 결정 평면의 패싯에 의해 종료되는, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
>　90%, 바람직하게는 >　95%, 가장 바람직하게는 >　99% 의 상기 TiAlCN 층 (a) 은 면심 입방 (fcc) 결정 구조를 가지는, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 TiAlCN 층 (a) 은 상이한 Ti 및 Al 화학량론적 함량의 TiAlCN 서브층이 교번하는 라멜라 (lamellar) 구조를 가지고, 상기 TiAlCN 서브층 각각은 150　nm 이하, 바람직하게는 50　nm 이하의 두께를 가지는, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
면심 입방 (fcc) 결정 구조를 가지고 또한 화학식 Ti_1-xAl_xC_yN_z 로 표시되는 상기 TiAlCN 층 (a) 의 입자 사이에는, Ti_1-xAl_xC_yN_z 로 표시되는 바와 같은 상기 TiAlCN 층 (a) 의 평균 조성보다 높은 Al 함량을 갖고, 차이 (o-x)≥0.05, 바람직하게는 (o-x)≥0.10 에 의해 특징지어 지고, 0.25≤o≤1.05, 0≤p≤0.25 및 0.7≤q≤1.15 인 화학 조성 Ti_1-oAl_oC_pN_q 의 결정립계 침전물이 존재하는, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 TiAlCN 층 (a) 의 두께는 2　㎛ ~ 14　㎛, 바람직하게는 2.5　㎛ ~ 6　㎛ 인, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 κ-Al₂O₃ 층 (b) 의 두께는 1　㎛ ~ 9　㎛, 바람직하게는 1.5　㎛ ~ 6　㎛ 인, 코팅된 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다층 내마모성 코팅은, 상기 TiAlCN 층 (a) 및 상기 κ-Al₂O₃ 층 (b) 에 더하여, 상기 기재 표면과 상기 TiAlCN 층 (a) 사이에 그리고/또는 상기 κ-Al₂O₃ 층 (b) 위에, 화학 기상 증착 (CVD) 에 의해 증착되는, 주기율표의 4A 족, 5A 족 또는 6A 족의 원소들 또는 Al 또는 Si 중 하나 이상의 옥사이드, 카바이드, 니트라이드, 옥시카바이드, 옥시니트라이드, 카보니트라이드, 옥시카보니트라이드 또는 보로카보니트라이드, 또는 이들의 조합으로 이루어진 하나 이상의 내화층(들)을 포함하고, 각 내화층은 0.5 ~ 6 ㎛ 의 두께를 가지는, 코팅된 절삭 공구 인서트.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다층 내마모성 코팅은, TiN, TiC, TiCN, ZrN, ZrCN, HfN, HfCN, VC, TiAlN, TiAlCN, AlN 또는 이들의 조합 또는 멀티층으로 이루어지는, 0.1 ~ 3 ㎛, 바람직하게는 0.2 ~ 2 ㎛, 더 바람직하게는 0.5 ~ 1.5 ㎛ 두께의 최외측 상부 코팅을 포함하는, 코팅된 절삭 공구 인서트.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기재 표면 바로 위에서 접촉되는 제 1 내화층은 Ti(C,N), TiN, TiC, Ti(B,C,N), HfN, Zr(C,N) 또는 이들의 조합으로 이루어지고, 바람직하게는 상기 기재 표면에 인접한 제 1 내화층은 TiN 으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 코팅된 절삭 공구 인서트.