KR20200082811A - 내마모 및 내열특징을 갖는 코팅공구 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탭, 드릴, 앤드밀, 인서트탭, 커터 등의 금속강재의 표면에 AIP방법 또는 마그네트론 스퍼터방법으로 TiAlCrN으로 형성된 내열층과 이 내열층의 상부면에 AIP방법 또는 마그네트론 스퍼터방법으로 TiAlCrN과 TiAlSiN으로 형성된 구배층과, 이 구배층의 상부면에 AIP방법 또는 마그네트론 스퍼터방법으로 TiAlSiN으로 형성된 내마모층을 순차적으로 형성하여 금속강재에 대해서 내열성 및 내마모성을 부여하여 금속강재에 대해서 내열성 및 내마모성이 우수하도록한 내마모 및 내열특징을 갖는 코팅공구에 관한 것이다.

Description

내마모 및 내열특징을 갖는 코팅공구{Coating tool having Anti-Wear Property and Heat Resistance}
본 발명은 내마모 및 내열특징을 갖는 코팅공구에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 금속강재의 표면에 TiAlCrN으로 형성된 내열층과 TiAlCrN과 TiAlSiN으로 형성된 구배층과, TiAlSiN으로 형성된 내마모층을 순차적으로 형성하여 금속강재에 대해서 내열성 및 내마모성을 갖도록한 내마모 및 내열특징을 갖는 코팅공구에 관한 것이다.
일반적으로 , 금형 또는 공구등의 재료인 금속강재는 그 내마모성을 향상시키기 위하여 코팅층을 형성한다. 코팅층은 대표적으로 화학 증착법이 많이 사용된다.
그런데, 예를 들면, 화학증착법은 1000℃ 정도의 고온에서 코팅층을 형성하므로 금속강재의 치수 변화나 기계적 성질의 변화가 있다.
이는, 금속강재가 매우 정밀한 부품일 경우, 치수 변화나 기계적 성질의 변화는 그 부품의 가치를 매우 저하 시킨다는 문제가 있었다.
따라서 금형 또는 공구등의 재료인 금속강재는 그 내마모성을 향상시키기 위하여 코팅층을 형성한다.
이러한 코팅층은 대표적으로 물리증착법(Physical Vapor Deposition : PVD)과, 마그네트론 스퍼터방법을 이용한다.
상기 마그네트론 스퍼터방법은 전자석을 이용하여 자기장을 발생시키고, 이 자기장을 이용하여 그 자기장안에 포함되는 전자를 사이클로이드 운동시켜 반응가스인 질소와 충돌하도록 함으로써 반응가스 이온의 발생을 촉진시키는 장치이다.
또한, 물리증착법(Physical Vapor Deposition : PVD)은 코팅의 미세구조 제어가 용이하고 다른 공정에서는 얻기 어려운 고온 준안정상이나 합금, 복합재료 등의 합성이 가능하여 많은 연구와 관심이 집중되었다.
한편, 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 TiAlN 피복경질층에 Cr을 첨가한 TiAlCrN 피복 경질층을 TiAlN 피복경질층과 교차하여 적층으로 절삭공구에 코팅하므로써 기존의 TiAlN코팅공구 보다 피복 경질층의 경도 및 산화개시온도를 증가시켜 건식 고속가공이 가능한 경질 피복층의 제조방법이 개시되어 있는 현재까지의 기술이었다.
하지만, 이러한 TiAlN 피복경질층에 Cr을 첨가한 TiAlCrN 피복 경질층을 마그네트론 스퍼터링법을 통해 형성한 절삭공구의 경우에는 TiAlN 피복경질층만으로 이루어진 절삭공구에 비해 그 경도가 우수하기는 하나, 큰 차이가 없었으므로 그효과면에서 많은 상승효과를 기대하기 어려웠다는 문제가 있었다.
대한민국실용신안등록 제10-1148540호(2012년 05월 14일 등록)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 탭, 드릴, 앤드밀, 인서트탭, 커터 등의 금속강재의 표면에 AIP방법 또는 마그네트론 스퍼터방법으로 TiAlCrN으로 형성된 내열층과 이 내열층의 상부면에 AIP방법 또는 마그네트론 스퍼터방법으로 TiAlCrN과 TiAlSiN으로 형성된 구배층과, 이 구배층의 상부면에 AIP방법 또는 마그네트론 스퍼터방법으로 TiAlSiN으로 형성된 내마모층을 순차적으로 형성하여 금속강재에 대해서 내열성 및 내마모성을 부여하여 금속강재에 대해서 내열성 및 내마모성이 우수하도록한 새로운 내마모 및 내열특징을 갖는 코팅공구를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 금속강재(a)의 상부면에 TiAlCrN을 AIP방법 또는 마그네트론 스퍼터방법에 의해 형성된 내열층(10)과; 상기 내열층(10)의 상부면에 TiAlCrN과 TiAlSiN을 AIP방법또는 마그네트론 스퍼터방법에 의해 형성된 구배층(20)과; 상기 구배층(20)의 상부면에 TiAlSiN을 AIP방법 또는 마그네트론 스퍼터방법에 의한 내마모층(30)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내열층(10)의 TiAlCrN는 Ti 25중량부와 Al 65중량부와 Cr 10중량부로 구성되고, 상기 구배층(20)은 TiAlCrN는 Ti 12.5중량부와 Al 32,5중량부와 Cr 5중량부로 구성되고,TiAlSiN는 Ti 25중량부와 Al 15중량부와 Si 10중량부로 구성되며, 상기 내마모층(30)의 TiAlSiN는 Ti 50중량부와 Al 30중량부와 Si 20중량부로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내열층(10)과, 상기 구배층(20)과, 상기 내마모층(30)의 서로가 합쳐 형성된 두께는 2.0~6.0㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 탭, 드릴, 앤드밀, 인서트탭, 커터 등의 금속강재의 표면에 AIP방법 또는 마그네트론 스퍼터방법으로 TiAlCrN으로 형성된 내열층과 이 내열층의 상부면에 AIP방법 또는 마그네트론 스퍼터방법으로 TiAlCrN과 TiAlSiN으로 형성된 구배층과, 이 구배층의 상부면에 AIP방법 또는 마그네트론 스퍼터방법으로 TiAlSiN으로 형성된 내마모층을 순차적으로 형성하여 금속강재에 대해서 내열성 및 내마모성을 부여하여 금속강재에 대해서 내열성 및 내마모성이 우수하게 하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 개략도.
본 발명의 실시예는 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 안전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다.
또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1은 본 발명에 따른 개략도이다.
본 발명에 따른 내마모 및 내열특징을 갖는 코팅공구는 도 1을 참고하여 실시예를 들어 상세하게 설명하면 다음과 같다.
[실시예]
본 발명에 따른 내마모층 및 내열층을 갖는 금속강재(a)와, 내열층(10)과, 구배층(20)과, 내마모층(30)이 형성되어 구성된다.
상기 금속강재(a)는 탭, 드릴, 앤드밀, 인서트탭, 커터 등으로 구성된다.
상기 내열층(10)은 금속강재(a)의 상부면에 TiAlCrN을 AIP방법 또는 마그네트론 스퍼터방법에 의해 형성되어 구성된다.
상기 구배층(20)은 상기 내열층(10)의 상부면에 TiAlCrN과 TiAlSiN을 AIP방법 또는 마그네트론 스퍼터방법에 의해 형성되어 구성된다.
상기 내마모층(30)은 상기 구배층(20)의 상부면에 TiAlSiN을 AIP방법 또는 마그네트론 스퍼터방법에 의한 내마모층(30)이 형성되어 구성된다.
상기 금속강재(a)에 상기 내열층(10)과, 상기 구배층(20)과,상기 내마모층(30)을 형성시키는 상기와 같은 마그네트론 스퍼터 방법은 . 먼저, 증착하고자 하는 코팅 타겟을 설치한다. 장입 후,모터(Motor)를 작동시켜 기판을 회전시키고, 로터리( Rotary)펌프와 확산펌프를 이용하여 챔버 내 압력을 5×10-5 토르(torr)에서 5× 10-7 토르(torr)까지로 진공을 배기 한 후, 상기 챔버내로 Ar가스를 2×10-1 토르(torr)까지 도입하여준다.
한편, 대상시편을 스퍼터 크리닝(Sputter cleaning) 한다.
그리고 시편 기판 전압 공급장치로 부터 기판에 -300V bias 전압을 인가해주면 도입된 Ar가스에 의해 플라즈마가 형성되고, 이때 Ar은 Ar＋로 이온화되어, 기판에 충돌하면서 스퍼터 크리닝(sputter cleaning)이 일어나며, 이로 인해 모재 표면에의 산화막 등의 불순물을 제거한다.
또한, 약 30분간 스퍼터 크리닝(sputter cleaning)을 한 후, 다시 상기 챔버 내부의 압력을 낮춘다.
다음으로 상기 금속강재(a)의 상부면에 TiAlCrN 박막을 코팅하기 위해서는 TiAlCr 타겟은 제 1 전도성 음극에 위치하고, TiAlSiN 박막에 코팅하기 위해서는 TiAlSi타켓은 제2전도성 음극에 위치하며, TiAlCrN과 TiAlSiN 박막에 코팅하기 위해서는 제1전도성 음극에 위치한 TiAlCr타켓과, 제2전도성 음극에 위치한 TiAlSi타켓을 동시에 이용한다.
한편, 5×10-5 토르(torr)의 초기 압력에서 N2 가스를 2×10-2토르(torr)까지 도입한 후, TiAlCr 타겟에 음극을 인가하여주고 아크전류를 인가하여 준다.
TiAlCr 타겟에 저전압 고전류의 직류 전원을 인가하여 음극 아크를 발생시킨 후 자기장으로 아크를 음극표면에 구속 및 유지시켜 아크의 고열로 금속의 증기를 만들어 내는 방법이며, 상기 음극에서 발생한 높은 열과 전자방출로 음극의 전방에는 플라즈마가 발생되고 플라즈마를 통과하여 TiAlCrN 코팅막을 상기 금속강재(10)의 상부면에 물리기상증착(physical vapor deposition ; PVD) 한다
다음으로 TiAlCrN과 TiAlSiN의 박막을 TiAlCrN 박막의 상부면에 코팅하기 위해서는 TiAlCr과 TiAlSi 타켓은 제2전도성 음극에 위치하고, 한편, 5×10-5 토르(torr)의 초기 압력에서 N2 가스를 2×10-2토르(torr)까지 도입한 후, TiAlCr 타겟에 음극을 인가하여주고 아크전류를 인가하여 준다.
TiAlCr과 TiAlSi 타겟에 저전압 고전류의 직류 전원을 인가하여 음극 아크를 발생시킨 후 자기장으로 아크를 음극표면에 구속 및 유지시켜 아크의 고열로 금속의 증기를 만들어 내는 방법이며, 상기 음극에서 발생한 높은 열과 전자방출로 음극의 전방에는 플라즈마가 발생되고 플라즈마를 통과하여 TiAlCrN과 TiAlSiN의 코팅막을 TiAlCrN의 박막위에 물리기상증착(physical vapor deposition ; PVD) 한다
그 다음으로 TiAlSiN의 박막을 TiAlCrN과 TiAlSiN 박막의 상부면에 코팅하기 위해서는 TiAlSi타켓은 제3전도성 음극에 위치하고, 한편, 5×10-5 토르(torr)의 초기 압력에서 N2 가스를 2×10-2토르(torr)까지 도입한 후, TiAlSi 타겟에 음극을 인가하여주고 아크전류를 인가하여 준다.
TiAlSi 타겟에 저전압 고전류의 직류 전원을 인가하여 음극 아크를 발생시킨 후 자기장으로 아크를 음극표면에 구속 및 유지시켜 아크의 고열로 금속의 증기를 만들어 내는 방법이며, 상기 음극에서 발생한 높은 열과 전자방출로 음극의 전방에는 플라즈마가 발생되고 플라즈마를 통과하여 TiAlSiN의 코팅막을 TiAlCrN과 TiAlSiN의 박막위에 물리기상증착(physical vapor deposition ; PVD) 한다
한편, 상기 내열층(10)의 TiAlCrN는 Ti 25중량부와 Al 65중량부와 Cr 10중량부로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 구배층(20)은 TiAlCrN는 Ti 12.5중량부와 Al 32,5중량부와 Cr 5중량부로 구성되고,TiAlSiN는 Ti 25중량부와 Al 15중량부와 Si 10중량부로 구성되는 것이 바람직하다.
그리고 상기 내마모층(30)의 TiAlSiN는 Ti 50중량부와 Al 30중량부와 Si 20중량부로 구성되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 상기 내열층(10)의 TiAlCrN는 Ti 25중량부와 Al 65중량부와 Cr 10중량부비로 최적화하여 우수한 내열성을 확보하여 상기 내열층(10)으로 내열성을 한층 향상시키기 위함이다.
또한, 상기 구배층(20)은 TiAlCrN는 Ti 12.5중량부와 Al 32,5중량부와 Cr 5중량부로 구성되고,TiAlSiN는 Ti 25중량부와 Al 15중량부와 Si 10중량비로 최적화하여 우수한 구분층으로 상기 내열층(10)과 상기 내마모층(30)을 서로 안정적으로 결합하기 위함이다.
그리고 상기 내마모층(30)의 TiAlSiN는 Ti 50중량부와 Al 30중량부와 Si 20중량부비로 최적화하여 우수한 내마모성을 확보하여 상기 내마모층(30)으로 내마모성을 한층 향상시키기 위함이다.
또한, 상기 내열층(10)과, 상기 구배층(20)과, 상기 내마모층(30)의 서로가 합쳐 형성된 두께는 2.0~6.0㎛으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기와 같이, 상기 내열층(10)과, 상기 구배층(20)과, 상기 내마모층(30)의 서로가 합쳐 형성된 두께는 2.0~6.0㎛으로 형성하여 상기 내열층(10)과, 상기 구배층(20)과, 상기 내마모층(30)의 합이 2.0㎛이하 인경우 또는 6.0㎛의 이상의 두깨일 경우 특히 고속절삭 연마가공에서 우수한 내마모성 및 내열성을 발휘하지 못하는 것을 극복하기 위해서, 상기 내열층(10)과, 상기 구배층(20)과, 상기 내마모층(30)의 합의 두께를 2.0~6.0㎛ 최적화하였다.
이상에서 설명된 본 발명에 따른 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다
10: 내열층 20: 구배층
30: 내마모층 a: 금속강재

Claims (3)

  1. 금속강재(a)의 상부면에 TiAlCrN을 AIP방법 또는 마그네트론 스퍼터방법에 의해 형성된 내열층(10)과;
    상기 내열층(10)의 상부면에 TiAlCrN과 TiAlSiN을 AIP방법 또는 마그네트론 스퍼터방법에 의해 형성된 구배층(20)과;
    상기 구배층(20)의 상부면에 TiAlSiN을 AIP방법 또는 마그네트론 스퍼터방법에 의한 내마모층(30)이 형성되는 것을 특징으로 하는 내마모 및 내열특징을 갖는 코팅공구
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 내열층(10)의 TiAlCrN는 Ti 25중량부와 Al 65중량부와 Cr 10중량부로 구성되고, 상기 구배층(20)은 TiAlCrN는 Ti 12.5중량부와 Al 32,5중량부와 Cr 5중량부로 구성되고,TiAlSiN는 Ti 25중량부와 Al 15중량부와 Si 10중량부로 구성되며, 상기 내마모층(30)의 TiAlSiN는 Ti 50중량부와 Al 30중량부와 Si 20중량부로 구성되는 것을 특징으로 하는 내마모 및 내열특징을 갖는 코팅공구
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 내열층(10)과, 상기 구배층(20)과, 상기 내마모층(30)의 서로가 합쳐 형성된 두께는 2.0~6.0㎛인 것을 특징으로 하는 내마모 및 내열특징을 갖는 코팅공구
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101148540B1 (ko) 2005-02-14 2012-05-25 미츠비시 마테리알 가부시키가이샤 고경도 강의 고속 절삭 가공에서 경질 피복층이 우수한내마모성을 발휘하는 표면 피복 초경 합금제 절삭 공구

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