KR20030091686A - ＴｉＢＮ 코팅 - Google Patents

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Abstract

TiBN 층은 특히 TiN과 TiB2로 구성되는 혼합상(maxied phase)인 커터 본체를 위한 코팅으로서 제공된다. 붕소 함량은 6 중량% 이상이다. 증착율은 TiN 층 보다 더 높고 또한 TiB2층 보다 더 높다. 3500 HV 내지 5000 HV 사이의 경도가 달성된다.

Description

ＴｉＢＮ 코팅{TiBN coating}
본 발명은 공작물을 기계 가공하기 위한 커터 인서트 또는 커팅 공구에 관한 것이며, 또한 이러한 커팅 공구에 제공되는 코팅을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
마모 감소, 마찰 감소 또는 유사한 목적을 위한 경질 재료 층이 다른 조성 및 제조 방법으로 공지되어 있다. 특히, 티타늄-붕소-질화물 층(TiBN 층)이 공지되어 있다. 이와 관련하여, DE 43 43 354 A1호에는 PVD 법에 의한 TiBN 층의 제조 방법이 공개되어 있다. TiBN 층은 대략 200℃의 코팅 온도에서 티타늄 붕화물의 PVD 증발에 의해 생성된다. 티타늄 붕화물의 증착은 코팅 플라즈마로부터 실시된다.
CVD법에 의해 다른 층을 제조하는 공정으로 TiBN 층의 PVD를 제조하는 방법에 적용하는 것은 어렵다.
TiBN 층을 함유하는 층 구조는 EP 0 732 423 B1호에 공지되어 있다. TiBN 층은 접착성을 개량하기 위해 다른 층들 사이에서 중간 층으로 의도된다. 이 층은 CVD법에 의해 1000℃의 증착 온도에서 생성된다.
층식 성분 TiNx및 TiB2로 구성되는 TiBN 층의 생성은 1991년 9월 Physique Ⅳ, Colloqe C2 저널 및 Physique Ⅱ, vol. 1 저널에 명칭 "기상으로 증착된 경질 재료 층에 조성물 진동(Composition Ossillations in Hard Material Layers Depositet from the Vapour Phase)" Bartsch, Leonhardt, Wolf의 공보에 공지되어 있다. 이들 진동 층을 발생하기 위해, 상기 코팅은 CVD법에 의해 대략 1000℃(1300°K)의 온도로 냉각 벽 반응기에서 실행된다.
본 발명의 목적은 매우 단단한 코팅을 제공하는 커터 본체에 관한 것이다. 본 발명의 다른 목적은 상기 경질 층을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
상기 목적은 청구항 1에 기재된 특징을 갖는 커터 본체에 의해, 그리고 청구항 17에 따른 방법에 의해 얻어진다.
도 1은 본 발명의 양호한 실시예를 도시하는 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 중앙 회색 영역 4 : 다중 층 커버
5 : TiN 층 6 : TiBN 층
본 발명에 따른 커터 본체는 TiBN 층으로 구성되거나 또는 상기 층을 함유하고 6 원자%(At%) 이상의 붕소 함량을 갖는 코팅을 구비하는 베이스 본체를 갖는다.상기 층은 4500 HV100 이상의 경도를 얻을 수 있다. 상기 층은 텅스텐 질화물과 같은 붕소 함유 베이스 재료에 잘 접착되거나 또는 다른 층은 베이스 재료로부터 탄소에 의해 천공되는 것을 알았다. 따라서, 우수한 금속 절단 성능을 갖는 커터 인서트 또는 커팅 공구를 제조할 수 있다.
TiBN 층은 적합하게는 TiN 및 TiB2의 혼합상(maxied phase) 층이다. 예를 들면, 혼합상 층은 TiB2결정(crystal)이 매설되는 입방체 TiN 베이스 격자로 구성된다. 이러한 접착에 의해, 텅스텐 탄화물과 같은 경질 금속으로부터 코팅으로의 탄소 확산의 결과로 생기는 문제가 방지된다. 붕소가 증착 층으로부터 경질 금속으로 확산되고, 이것이 CoWB의 형성으로 초래된다면, 자유롭게되는 탄소는 접착 문제의 발생없이 입방체 TiN 격자에 의해 흡수된다.
TiN 층은 TiB2층이 매립된 TiN 결정으로 되는 상기 양의 붕소 함량을 갖는다. 특히, 커다란 경도는 여기서 달성된다.
TiBN 층은 혼합상의 절반 또는 절반 보다 약간 많은 부분이 TiB2형으로 되는 반면에, 나머지 부분이 TiN 형으로 되도록 구성하는 것이 적합하다. TiN 부분은 보다 높은 코팅 온도에서 유동되는 탄소를 확산시키기 위해 상당히 둔감한 것으로 가정한다.
상기 층은 CVD 법으로 적합하게 증착된다. 이에 의해, TiBN 층은 CVD법에 의해 전체적으로 생성되는 층 구조에 적용할 수 있다. 통상적인 CVD 설치법이 사용될 수 있다. 플라즈마 생성 또는 타겟 증발을 위한 어떤 수단이 요구되지 않는다. TiBN 층은 텅스텐 탄화물의 베이스 재료에 직접 증착된다. 접착은 적용된 층이 입방체 TiN 격자를 함유한다면 탄소 확산에 의해 부정적인 영향을 받지 않는다. 더욱이, TiBN 층은 산화 알루미늄 층에 증착된다. 이 경우에 이 층은 커버 층으로서 사용될 수 있다. 주물(casting)을 기계 가공하기 위한 선반 공구에서 α-산화 알루미늄상에 있는 TiBN의 커버층의 층 구조가 TiBN 코팅없이 TiN-커버된 α-산화 알루미늄 층을 갖는 커팅 공구와 비교하여 20%의 유효 수명의 연장을 가져오는 것이 시험으로 나타났다. 공정 가스를 변화시키므로써, 얇은 TiN 층이 TiBN층과 교대로 적층되는 다중 층식 코팅을 달성할 수 있다. 이들 층은 우수한 금속 절단 성능을 나타낸다. 상기 층은 특히 열 분해에 의해 거의 허약하게 되지 않는다. 이것은 더 연질의 TiN 층과 더 경질의 TiBN 층을 교대로 적층시키기 적합하다. 이것은 1㎛ 당 50 층까지 제공할 수 있다.
본 발명의 방법은 700℃ 내지 1050℃의 낮은 공정 온도가 사용되는 CVD법이다. 상기 공정 온도는 적합하게는 950℃ 이하, 예를 들면 850℃인 것이다. 상기 공정 대기는 질소 및/또는 질소 화합물 뿐만 아니라 티타늄과 붕소의 전구물질(precursors)을 함유한다. 티타늄 붕소 질화물의 증착율은 그들 자체에 의한 티타늄 질화물 또는 티타늄 붕화물의 증착율 보다 더 높다. 이것은 비교적 저온에서 CVD 증착을 허용한다. 저온은 상기 층의 유연한 매력적인 외형으로 초래되는 낮은 탄소 확산율만으로 나타난다.
TiCl4는 양호하게는 티타늄의 전구물질로서 제공된다. BCl3는 양호하게는 붕소의 전구물질로서 사용된다. 적합하게는 TiCl4의 0.9 내지 1.5 용적%와 BCl3의 0.9 내지 2.5 용적%는 상기 공정 대기에서의 비율로 설정된다. 상기 공정 대기의 질소 함량은 14 내지 17 용적%가 적합하다. 상기 공정 대기의 나머지 부분은 적합하게는 수소이다.
본 발명의 양호한 실시예의 부가적인 상세한 설명이 청구범위 종속항 뿐만 아니라 하기 설명으로부터 계속된다. 특히 적합한 실시예는 도면에 도시되어 있다.
(실시예 1)
예를 들면, 0.5㎛의 두께를 갖는 TiN층이 CVD법에서 텅스텐 탄화물로 이루어진 커터 본체에 먼저 적용된다. 커터 본체는 이러한 목적을 위해 CVD 반응기에 배치되고, 적합한 CVD법이 실행된다. TiN층의 증착에 이어서, 반응기는 850℃의 증착 온도에서 1 용적%의 TiCl4, 16 용적%의 N2, 0.1 용적%의 BCl3, 및 나머지 H2를 함유하는 대기로 채워진다. 100mbar의 공정 압력이 설정된다. 6㎛의 두께와 금속 청동 칼라의 TiBN 층은 15시간의 공정 지속기간 후에 증착된다. TiBN 층은 TiB2결정이 매설되는 TiBN 매트릭스이다. 마이크로 경도는 4500HV 이상이다.
(실시예 2)
TiBN 층의 붕소 함량은 공정 대기의 BCl3함량을 증가시키므로써 향상된다. 예를 들면, 커터 본체는 처음엔 CVD 반응기에서 CVD 공정에 의해 0.5㎛ 두께의 TiN층을 구비한다. 그런 다음에, 1 용적%의 TiCl4, 16 용적%의 N2, 2.5 용적%의 BCl3, 및 나머지 비율의 수소를 함유하는 공정 대기가 설정되고, 코팅 공정은 100mbar의 공정 압력과 850℃의 증착 온도에서 실행된다. 6㎛의 실버 TiBN 층은 3시간 후에 성장한다. TiN 결정 또는 미세결정이 매립되는 TiBN2매트릭스로 구성된다. TiBN 층내로 탄소의 확산이 낮게 유지된다면, 높은 경도와 마모 저항성이 달성된다.
필요하다면, 공정 압력은 60 내지 950 mbar 사이의 범위로 설정된다. 온도는 증착 속도에 영향을 미친다. 기본적으로 700℃ 내지 1050℃ 사이의 온도 범위가 사용된다. 공정 대기의 BCl3함량은 0.05 내지 5 용적% 사이로 설정된다.
(실시예 3)
예를 들어 강철 가공용 커터 본체를 제조하기 위해, 본체는 CVD 반응기에서 0.5㎛ 두께의 TiN 층으로 먼저 코팅된다. 제 2 단계에서, 8㎛ 두께의 매체 온도 TiCN 층이 적용된다(공정 온도 = 700 내지 900℃). 이 공정은 동일한 반응기에서 실행된다. 제 3 단계에서 0.8㎛ 두께의 TiAlCNO 층은 동일한 반응기에서 CVD 공정에 의해 적용된다. 제 4 단계에서 증착되는 6㎛의 Al2O3층을 위한 본딩 층으로 사용된다. 동일한 반응기에서 이들 4개의 CVD 코팅 단계의 결과, 2㎛ 두께의 TiBN 층은 제 5 단계에 적용된다. 2㎛의 두꺼운 층은 300 mbar의 공정 압력과, 850℃의 증착 온도에서 270분 동안 1 용적%의 TiCl4, 16 용적%의 N2, 0.1 용적%의 BCl3, 나머지의 H2로 구성되는 공정 대기에서 성장했다. 이 층은 매립된 결정을 갖는 질화물티타늄 매트릭스이다. 이 층은 금속적으로 청동으로 보인다.
(실시예 4)
상술한 실시예에서, 커터 본체는 0.5㎛ 두께의 TiN 층, 8㎛ 두께의 NT-TiCN 층, 본딩 층, 예를 들면 0.8㎛ 두께의 TiAlCNO 층 및 6㎛ 두께의 산화 알루미늄 층(Al2O3)으로 먼저 코팅된다. 2㎛ 두께의 TiBN 층이 동일한 반응기에 적용된다. 그 결과 1.4 용적%의 TiCl4, 15 용적%의 N2, 0.15 용적%의 BCl3, 나머지의 H2로 구성되는 공정 대기에서 600mbar의 공정 압력과 900℃의 증착 온도로 150분의 증착 시간후에 2㎛ 두께의 층이 나타난다. 이 층은 금속의 밝은 옐로우 색조를 갖는다.
상기 공정 압력은 60 내지 950 mbar 사이로 정해질 수 있다. 이 증착 온도는 700℃ 내지 1050℃ 사이의 범위로 정해질 수 있다. 공정 대기의 BCl3함량은 0.05 용적% 내지 5 용적% 사이에 놓인다.
TiBN 층은 TiN과 TiB2로 구성되는 혼합상인 커터 본체를 위한 코팅으로서 제공된다. 붕소 함량은 6 원자% 이상이다. 증착율은 TiN층의 증착율 보다 더 높고, 또한 TiB2의 증착율 보다 도 더 높다. 4000HV 이상의 경도가 얻어진다.
커터 플레이트는 도 1에 부분적으로 도시되어 있고, 이 도면에서 표면은 유니버셜 볼 죠인트 형상인 연마 본체에 의해 연마된다. 연마 단면은 도면에서 우측 하부인 중앙 회색 영역(1)을 나타내고, 텅스텐 탄화물과 같은 베이스 재료가 이 표면에 도입된다. 방해 받지 않은 영역(2)에서, 영향을 받지 않는 표면(상부 좌측)은 TiBN으로 구성된 것으로 보인다. 이들 기질을 직접 접촉시키는 곳에서 대략 1㎛ 두께의 TiN 층(3)을 찾았다. 그 상부에 배치된 다중 층 커버(4)는 대략 6㎛의 두께를 갖는다. 대략 30층으로 구성되고, 그 내에는 각각 3 내지 5배인 두꺼운 TiBN 층(6)이 비교적 얇은 TiN 층(5)상에 놓여있다. TiBN 층(6)은 TiN과 TiB2로 구성되는 혼합상 층이 적합하다. 50 내지 60%의 혼합상은 붕화물 티타늄(TiB2)으로 존재한다. TiN 층(5)은 동일한 두께가 적합하다. 이 두께가 상기 도면에서 다르게 나타난다면, 이것을 구형 연마의 결과이다.
기질 온도는 이러한 다중-층 코팅을 제조할 시에 900℃ 이하로 유지된다. 다층-층 코팅(4)은 우수한 접착력과 매우 매끄러운 표면을 나타낸다. 개별 층의 수는 50 이상이다. 경도는 TiBN 층의 경도에 대응하고, 대략 3800 HV에 놓인다. 상기 층의 내부 응력은 낮고, 기계 가공중에 경도와 인성의 열분해에 대한 감소된 감수율이 특히 나타난다.

Claims (28)

  1. 코팅을 갖는 베이스 본체를 구비하는, 기계 가공으로 공작물을 제조하기 위한 커터 본체에 있어서,
    상기 코팅은 6 원자%(At%) 이상의 붕소 함량을 갖는 적어도 하나의 TiBN 층을 함유하는 커터 본체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 TiBN 층은 TiN과 TiB2로 구성되는 혼합상(mixed phase) 층인 커터 본체
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 혼합상 층의 TiB2함량은 50 중량% 내지 60 중량% 사이에 있는 커터 본체.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 TiBN 층은 매립된 TiB2결정을 갖는 TiN 층인 커터 본체.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 TiBN 층은 매립된 TiN 결정을 갖는 TiB2층인 커터 본체.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 TiBN 층은 CVD법에 의해 증착되는 커터 본체.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 TiBN 층은 텅스텐 탄화물 베이스 재료에 적용되는 커터 본체.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 TiBN 층은 층식 구조의 커버 재료로서 제공되는 커터 본체.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 TiBN 층은 Al2O3층에 적용되는 커터 본체.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 베이스 본체는 TiN - TiCN - TiAlCNO - α-Al2O3- TiBN 층의 연속적인 층을 갖는 다중 층식 코팅으로 형성되는 커터 본체.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 TiBN 층은 커버 층인 커터 본체.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 TiBN 층은 TiN 층이 TiBN 층과 교대로 되어 있는 다중 층식인 커터 본체.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 TiBN 층의 전체 두께는 많아야 12㎛이고, 적합하게는 2㎛ 내지 5㎛ 사이인 커터 본체.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 다중 층식 코팅의 TiN 층은 상기 TiBN 층 보다 얇은 커터 본체.
  15. 제 3 항에 있어서, 상기 TiN 층의 두께는 상기 TiBN 층의 두께의 많아야 절반인 커터 본체.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 다중 층식 코팅은 적어도 20층을 갖는 커터 본체.
  17. 커터 본체를 위한 경질 재료층을 제조하기 위한 방법에 있어서,
    코팅될 본체는 60 내지 950 mbar 사이의 공정 압력과 700℃ 내지 1050℃ 사이의 온도에서 반응기에 위치 설정되고, 상기 공정 대기는 질소 및/또는 질소 화합물 뿐만 아니라 티타늄과 붕소의 전구물질(precursors)을 함유하는 경질 재료층 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 공정 온도는 700℃ 내지 950℃ 범위인 것을 특징으로 하는 경질 재료층 제조 방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 공정 온도는 850℃ 이하인 것을 특징으로 하는 경질 재료층 제조 방법.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 공정 대기는 수소(H2)를 함유하는 것을 특징으로 하는 경질 재료층 제조 방법.
  21. 제 17 항에 있어서, 상기 티타늄의 전구물질은 TiCl4인 것을 특징으로 하는 경질 재료층 제조 방법.
  22. 제 17 항에 있어서, 상기 붕소의 전구물질은 BCl3인 것을 특징으로 하는 경질 재료층 제조 방법.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 공정 대기에서 TiCl4의 비율은 0.9 용적% 내지 1.5 용적 %인 것을 특징으로 하는 경질 재료층 제조 방법.
  24. 제 22 항에 있어서, 상기 공정 대기에서 BCl3의 비율은 0.05 용적% 내지 5 용적 %인 것을 특징으로 하는 경질 재료층 제조 방법.
  25. 제 22 항에 있어서, 상기 공정 대기에서 BCl3의 비율은 0.09 용적% 내지 2.5용적 %인 것을 특징으로 하는 경질 재료층 제조 방법.
  26. 제 17 항에 있어서, 상기 공정 대기의 질소 함량은 14 용적% 내지 17 용적 %인 것을 특징으로 하는 경질 재료층 제조 방법.
  27. 강철 재료를 기계 가공하기 위해 제 1 항에 따른 커터 본체를 사용하는 용도.
  28. 주철(cast iron) 재료와 회주철(gray cast iron) 재료를 기계 가공하기 위해 제 1 항에 따른 커터 본체를 사용하는 용도.
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