CVD and PVD coatings on cemented carbide cutting tools are widely used for extending tool life. PVD multilayered TiN/AlN, TiN/NbN, TiN/CrN and TiN/TaN coatings have demonstrated increased hardness and wear resistance compared with single layers. In recent years, CVD coated TiCN/TiN and TiCN/ZrCN multilayers have interesting properties compared with single layers. Multilayer periods of PVD coated multilayers are about 2 ~ 20 nm. But those of CVD TiCN/TiN, TiCN/ZrCN are about 100 ~ 350 nm. In this work, the possibility of multilayered CVD coatings with 10 ~ 100 nm multilayer period, the effects of multilayer period of multilayered TiC/TiCN coatings on structural, mechanical properties, structural refinement, residual stress and cutting performance were studied.
A. A study of structural and mechanical properties of multilayered CVD TiCN/TiC coatings with variations of multilayer period:
Deposition of the TiCN/TiC multilayer coatings was carried out in a computer-controlled hot-wall CVD reactor. The number of TiCN/TiC multilayers was varied with 12, 24, 48, 60, 120 and 480. The thickness of TiCN/TiC multilayers is 11.1∼16.0 ㎛, and the multilayer period ($\Lambda$) is 925.0∼33.5 nm. Preferred orientation of TiCN/TiC 12 layers is (220) and shifts to (200) with increasing multilayers. As the number of multilayers increases, the surface roughness decreases and shows a minimum of 22.5 nm at 120 layers. The lower roughness of TiCN/TiC multilayer is attributed to the grain refinement that results from the extremely thin multilayer deposition sequence. The critical load of multilayers decreases as the number of multilayers increases, ranging from 50.1 to 33.9 N. The nanohardness of TiC/TiCN multilayers increases with decreasing multilayer period ($\Lambda$) and shows a maximum of 23.8 GPa for 480 layers. This increase in hardness can be explained based on the Hall-Petch models. The elastic modulus of multilayers shows a maximum of 476.7 GPa for 120 layers and decreases to 426.0 GPa for 480 layers.
B. A study of structural refinement and residual stress of TiCN/TiC nanomultilayers with variations of multilayer period:
Structural information regarding the TiCN and TiC layers requires the modeling of their multilayer structure. The SUPREX refinement program is used to fit the experiment high-angle XRD patterns of TiCN/TiC nanomultilayers. This refinement includes the thickness of TiCN and TiC monolayer, the average number of atomic planes N, the intralayer disorder $\delta_d$, the atomic planes disorder $\sigma_N$, the interfacial distance $d_{int}$, the interfacial disorder $\sigma_{int}$. From 12 to 120 layers with multilayer period $\Lambda$= 925.0 ~ 110.0 nm, the intralayer disorder is major parameter for structural refinement. As the number of multilayers increases, the intralayer disorder also increase from 0.037 to 0.073 Å. For 480 layers with $\Lambda$= 31.5 nm, the simulated data fit the experimental data very well by using all parameters.
Residual stress in TiCN/TiC nanomultilayers is determined by the $sin^2\Psi$ and curvature measurement. The difference ($\sigma_{sc}$ - <σ>) between the total multilayer film stress ($\sigma_{sc}$) and layer deposition stress(<σ>) can be attributed to the interface stress( f ) of 12.23 J/㎡. The value of interface stress is larger than TiN surface energy of 2.3 ~ 4.0 J/㎡ and metal-metal multilayer system of 0.0 ~ 1.0 J/㎡. This can be interpreted by the dependence of stress on thickness.
C. Structural, mechanical properties and cutting performance of Nano-multilayered CVD TiCN/TiC coated cutting tools.
TiCN/TiC nano-multilayer, TiCN/TiC bilayer, and TiC/$Al_2O_3$ bilayer coatings are deposited on standard tungsten carbide cutting tools. TiCN/TiC nanomultilayers shows higher ultramicrohardness of 33.0±2.4 GPa and lower surface roughness of 89.25±20.46 nm than TiCN/TiC bilayer, and TiC/$Al_2O_3$ bilayer. The enhanced wear, chipping resistance, and toughness of TiCN/TiC nano-multilayer coating tools can be attributed to its multiple nanolayer that results in refined crystallite sizes in the coating structure.
CVD법이나 PACVD법을 이용하여 TiCN, TiC와 Al2O3다층박막에 대한 연구도 실시되었지만 적층수는 30층 이하의 규모였다. 그러나 PVD 분야에서 연구되는 수 백 층 이상의 다층박막에 대한 연구에 영향을 받아 최근에 CVD법을 이용한 TiCN/TiN, ZrCN/TiCN 다층박막에 연구가 실시되었다. TiCN/TiN과 TiCN/ZrCN 다층박막의 적층수는 40 ~ 60층 규모이고 단층의 두께도 50 ~ 200 nm로 제어되어 CVD법에 의한 나노 다층박막 제작가능성을 제시하였고, 이러한 CVD 나노 다층박막의 경우에도 PVD법의 나노 다층박막과 같은 경도 향상을 얻을 수 있었다고 보고하였다. 그러나 경도 향상을 보고한 TiCN/TiN, TiCN/ZrCN 다층박막의 경우 다층주기가 약 200 ~ 300 nm로 PVD법에서 보고한 경도 향상이 확인된 주기인 2 ~ 20 nm와는 큰 차이를 보이고 있다. 또한 이들의 연구에서는 PVD법에서 연구된 주기의 변화에 따른 물성 및 절삭성능에 대한 연구는 수행되지 않았다.
PVD법으로 증착된 코팅 절삭공구가 주로 인성이 요구되는 밀링 분야에 적용되고 있는 반면, CVD법으로 증착된 코팅 절삭공구는 우수한 내마모성과 내산화성을 겸비하여 선삭과 밀링 분야에서 매우 중요한 위치를 차지하고 있다. 그러나 현재의 CVD법으로 증착되는 박막은 TiC, TiCN, TiN 그리고 Al2O3 이외에는 상용화에 성공한 박막이 없다. 또한 CVD법으로 새로운 물질을 개발에 성공하였더라도 양산화에 성공하기 위해서는 상당한 시간이 소요된다. 그러나 PVD법에 의해 개발된 다층박막 기술은 기존의 물질을 이용하면서도 적층구조를 변화시킴에 따라 획기적인 물성 향상을 얻었다는 것은 매우 유용한 기술이라고 판단된다.
따라서 현재의 CVD 코팅기술을 이용하면서 물성을 개선시킬 수 있는 다층박막 증착기술에 대한 체계적인 연구가 필요하다고 판단된다. 그러나 현재까지 TiCN/TiN, TiCN/ZrCN 다층박막 이외에는 연구가 실시되지 않아 CVD법을 이용한 다층박막 증착기술에 대한 연구는 시작 단계라고 할 수 있다. 특히 다층박막의 물성 제어에 중요한 변수인 다층주기의 변화에 따른 구조, 기계적 특성 변화 및 적층구조, 잔류응력의 변화에 대한 연구는 전혀 보고되지 않았다. 이에 본 연구에서는 CVD법으로 증착 가능하고 경도가 우수한 TiC, TiCN 박막을 이용하여 다층박막을 제작, 다층박막의 주기와 적층구조를 변화시켜 CVD법으로 이용한 나노 다층박막 제작 가능성을 연구 1에서 확인하고 나노 다층박막의 주기 변화에 따른 박막의 구조, 기계적 특성 및 적층구조, 잔류응력 변화에 대해 연구 2에서 관찰하였다. 또한 최종적으로 화학증착법으로 제조된 나노다층박막이 적층된 코팅 절삭공구를 제작, 절삭성능에 미치는 영향에 대해 연구 3에서 연구하였다.
