KR100792958B1 - 고내마모성 고경도 피막, 이를 이용하는 공구 및 가공 방법 - Google Patents

고내마모성 고경도 피막, 이를 이용하는 공구 및 가공 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피처리물의 외측 표면에 형성되는 금속 질화물로 이루어지는 코팅층과, 상기 코팅층과 상기 피처리물 사이에 Ti 또는 Cr의 질화물로 이루어지는 기초층과, 상기 코팅층과 상기 기초층의 경계면에 설치되는 중간층이며 상기 중간층에 접하는 상기 코팅층과 상기 기초층의 조성 성분을 포함하는 중간층을 구비하는 것을 특징으로 하는 고내마모성 고경도 피막 및 상기피막을 설치한 공구를 제공한다. 본 발명에 따르면, 1000 ℃ 이상에서도 우수한 내산화성을 갖고, 또한 내마모성이 매우 양호한 고경도 피막을 제공할 수 있다.
아크 이온 플레이팅 장치, 케이싱, 타겟, 진공 펌프, 가스원, 코팅층

Description

고내마모성 고경도 피막, 이를 이용하는 공구 및 가공 방법 {HIGH WEAR RESISTANT HARD FILM, TOOL AND MACHINING METHOD USING THE SAME}
도1은 본 발명의 실시 형태에 의한 고내마모성 고경도 피막을 기재 표면에 부착시킨 상태를 도시하는 단면도.
도2는 본 발명의 피막에 있어서, 코팅층으로서 2 이상의 층을 교대로 적층시킨 상태를 도시하는 단면도.
도3은 본 발명의 실시 형태에 의한 내고온 산화에 우수한 고내마모성 고경도 피막을 기재에 형성하기 위한 아크 이온 플레이팅 장치의 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 아크 이온 플레이팅 장치
2 : 케이싱
3 : 타겟
4 : 진공 펌프
5 : 가스원(Ar)
6 : 가스원(N2)
7 : 홀더
8 : 모터
9 : 회전축
10 : 기재
11 : 전원
13 내지 15는 : 제어 밸브
20 : 중간층
21 : 기초층
22 : 코팅 a층
23 : 코팅 b층
본 발명은 물리 증착법을 이용하여 기재 상에 성막한 내마모성을 비약적으로 향상시킨 내고온 산화성 및 고경도 피막에 관한 것이다.
종래, 이온 플레이팅에 대표되는 물리 증착법을 이용하여 기판 상에 고경도 피막을 형성하는 기술이 개발되고, TiN 피막은 그 중에서도 가장 실용화가 진행되고 있어 공구, 금형, 안경 등의 장식품 등에 적용되고 있다. 그러나, 이 피막은 500 ℃ 이상이 되면 피막의 산화가 시작되므로, 고온에 노출되는 부품, 공구, 금형 등에는 적용할 수 없다. 그래서, 이 개선책으로서 TiAlN 피막이 개발되고, 이 피막으로는 약 800 ℃까지의 고온 속에서도 산화가 억제되어 사용이 가능해졌지만, 그 이상이면 상기 TiN과 같은 산화에 의한 피막 열화로 적용이 곤란하다.
한편, 고온에서 사용 가능한 피막으로서 Al-Cr-N이 고안되고, 이 피막으로는 약 1000℃까지의 고온에서의 사용이 가능하다(일본국 일본 특허 공개 평10-25566호 공보 참조). 그러나, 이러한 피막은 밀착성의 면에서 문제가 있고, 고하중이 부하되는 제품, 부품에 대해서는 내마모성의 면에서 과제가 있었다. 또한, 내산화성을 갖는 고경도 피막으로서, Al-Cr계 질화물의 내마모성을 향상시키는 연구도 이루어져 있지만, 피막의 피처리물에의 접착력 및 밀착성 향상의 관점으로부터는 아직 충분한 성능을 갖는 피막을 얻을 수 없었다.
본 발명자들은 상기 문제점에 비추어, 1000℃ 이상에서도 우수한 내산화성을 갖는 동시에, 내마모성이 매우 양호한 고경도 피막을 개발하기 위해 예의 검토하였다.
그 결과, 본 발명자들은 표면 코팅층과 기초층의 경계면에 양 층의 조성 성분으로 이루어지는 중간층을 설치하는 적층 구조에 의해 이러한 문제점이 해결되는 것을 발견하였다. 본 발명은 이러한 견지로부터 완성된 것이다.
즉, 본 발명은 피처리물의 외측 표면에 형성되는 금속 질화물로 이루어지는 코팅층과, 상기 코팅층과 상기 피처리물 사이에 Ti 또는 Cr의 질화물로 이루어지는 기초층과, 상기 코팅층과 상기 기초층의 경계면에 설치되는 중간층이며 상기 중간층에 접하는 상기 코팅층과 상기 기초층의 조성 성분을 포함하는 중간층을 구비하 는 것을 특징으로 하는 고내마모성 고경도 피막을 제공하는 것이다. 상기 중간층은 통상 0.1 내지 2 ㎛, 바람직하게는 0.2 내지 1.5 ㎛의 막 두께를 갖는다.
여기서, 상기 코팅층은 Al, Cr 및 Si를 주성분으로 하는 질화물인 것이 적합하고, 금속 성분은 원자 ％로 Cr이 20 ％ 내지 75 ％, Si가 1 ％ 내지 30 ％, 나머지는 Al로 하는 조성이 바람직하다. 또한, 상기 중간층의 조성비는 상기 코팅층의 조성 성분에 대한 상기 기초층의 조성 성분의 비로 통상 1 : 5 내지 5 : 1, 바람직하게는 1 : 3 내지 3 : 1의 범위 내이고, 보다 구체적으로는, 예를 들어 TiN 혹은 CrN(기초층 조성)의 금속 성분에 대한 AlCrSiN(코팅층 조성)의 합금 성분(AlCrSi) 합계의 양의 비가 1 : 2 내지 2 : 1인 경우를 예로 들 수 있다.
상기 코팅층은 Al, Cr 및 Si를 주성분으로 하는 질화물의 코팅 a층과, Ti 및 Al을 주성분으로 하는 질화물로 그 금속 성분만의 원자 ％로 Al이 25 ％ 내지 75 ％, 나머지가 Ti인 코팅 b층을 교대로 각각 1층 이상 형성하고, 상기 a층을 최외층에 형성하는 형태도 가능하다.
상기 코팅층 및 중간층의 형성 방법으로서는, 아크 이온 플레이팅법 등의 물리 증착법에 의해 형성할 수 있다. 본 발명의 고경도 피막은 호브 커터, 피니온 커터, 브로치 등의 기어 절삭 공구의 표면의 일부 혹은 전부, 금형 공구 표면의 일부 등에 적합하게 사용할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시 형태에 의해 상세하게 설명하지만, 본 발명의 범위는 본 실시 형태에 의해 조금도 한정되는 것은 아니다.
이하, 본 실시 형태에 의한 고내마모성 고경도 피막에 대해 도면을 참조하면 서 설명한다.
도1에 도시한 바와 같이 본 발명의 피막은 외측 표면에 금속 질화물로 이루어지는 코팅층(22), 상기 층(22)과 피처리물인 기재(10) 사이에 Ti 또는 Cr의 질화물로 이루어지는 기초층(21) 및 상기 층(22)과 상기 기초층(21)의 경계면에 양 층의 조성 성분을 포함하는 중간층(20)을 구비한다.
우선, 외측 표면에 형성되는 금속 질화물로 이루어지는 코팅층(22)에 대해 설명한다. 종래의 TiAlN 피막(후술하는 제1 종래예)은 고온 대기 속에서 사용되면 800℃ 정도에서 피막이 산화되어 피막 강도 및 밀착성이 저하된다. 이 산화 상태를 분석하면, 피막 성분의 Al 및 Ti가 산화되어 있고, 특히 Ti의 산화물은 매우 다공질이므로 산소의 진입이 용이하여 두꺼워진다. 이로 인해, 피막 강도 및 밀착성이 저하되어 피막의 박리로 이어진다. 한편, AlCrN 피막(후술하는 제2 종래예)은 다공성으로 두껍게 형성하는 Ti 성분 대신에 Cr을 이용하여 산화 피막을 매우 얇게 생성시켜 이 산화층에 의해 그 후의 산화를 방지함으로써 내산화성을 향상시키고 있다. 그러나 이 피막은 Al, Cr의 산화물의 밀착성이 저하되므로, 고하중이 부하되는 예를 들어 공구에 사용한 경우에 박리가 생겨 내마모성의 면에서 문제가 있다.
이로 인해 본 발명에서는, 산소의 진입을 방지하여 내산화성을 높이기 위해 외측 표면의 코팅층(22)을 Al, Cr, Si의 질화물로 하는 것이 적합하다. 이에 의해 결정의 미세화를 도모하여 고온 산화 분위기에 노출된 경우, 생성되는 산화물이 Al, Cr, Si 복합 산화 피막이 되어 산소의 진입을 방지하는 동시에, 매우 치밀한 복합 산화 피막으로 할 수 있다.
상기 코팅층(22)은, 구체적으로는 금속 성분만의 원자 ％로 Cr이 20 ％ 내지 75 ％의 범위, Si가 1 ％ 내지 30 ％의 범위, 나머지는 Al로 하는 태양이 바람직하다. Si는 결정의 미세화의 면에서 밀착성에 대해 크게 영향을 주고, 금속 성분만의 원자 ％로 1 ％ 내지 30 ％의 범위에서 밀착성 및 내충격성 등의 면에서 양방의 효과를 발휘한다. 또한, Cr량에 대해서는, 금속 성분만의 원자 ％로 20 ％ 내지 75 ％의 범위에서 경도 및 내산화성의 점에서 양방의 효과를 발휘한다.
한편, 도2에 도시한 바와 같이 코팅층(22)은 한층 더 밀착성 향상을 위해 상기한 Al, Cr 및 Si를 주성분으로 하는 질화물의 코팅 a층(22)과, Ti와 Al을 주성분으로 하는 질화물에서 그 금속 성분만의 원자 ％가 Al이 25 ％ 내지 75 ％의 범위, 나머지가 Ti인 b층(23)을 교대로 각각 1층 이상 형성하고, a층(22)을 최외층에 형성한 층이라도 좋다. 그리고, 코팅 a층(22)에 대해서는, 질화물의 금속 성분만의 원자 ％로 Cr이 20 ％ 내지 75 ％의 범위, Si가 1 ％ 내지 30 ％의 범위, 나머지가 Al로 이루어지는 조성이 바람직하다. 여기서, 후술하는 중간층에 접하는 최하부의 코팅층으로서는, 코팅 a층(22)의 경우 및 코팅 b층(23)의 경우(도2)의 양방이 있고, 본 발명에서는 최하부의 코팅층이 a층 b층 중 한 쪽에 한정되는 것은 아니다.
계속해서, 코팅층(22)과 기재(10)(피처리물) 사이에는 피처리물과의 밀착성이 높은 Ti 또는 Cr의 질화물로 이루어지는 기초층(21)이 설치된다. 기초층(21)은 TiN 또는 CrN으로 이루어지고, 상기 기초층(21)을 설치함으로써 코팅층(22)과 기재(10)(피처리물) 사이의 밀착성이 향상된다.
본 발명에서는 또한, 이 기초층(21)과 코팅층(22)의 경계면에 양 층의 접착력 및 밀착성을 높이기 위해 양 층의 조성 성분으로 이루어지는 중간층(20)을 구비한다. 구체적으로는, 코팅층(22) 혹은 코팅 a층(22)이 Al, Cr, Si의 질화물인 경우, (Al-Cr-Si)N과 (Ti)N이 그대로 혼합된 층, 혹은 (Al-Cr-Si)N과 (Cr)N이 그대로 혼합된 층이 중간층(20)이 된다. 여기서, 중간층(20)의 조성비는 코팅층(22)의 조성 성분에 대한 기초층(21)의 조성 성분의 양의 비로 통상 1 : 5 내지 5 : 1, 바람직하게는 1 : 3 내지 3 : 1, 더욱 바람직하게는 1 : 2 내지 2 : 1의 범위 내이다. 이 조성 성분의 양의 비는 코팅층이 상기한 b층과 같이 (Ti-Al)N인 경우에도 마찬가지다.
또한, 중간층(20)은 통상 0.1 내지 2 ㎛, 바람직하게는 0.2 내지 1.5 ㎛의 막 두께를 갖는 것이 바람직하다. 0.1 ㎛ 미만에서는 중간층에 의한 밀착성의 효과가 충분하지 않고, 2 ㎛를 초과하면 피막의 총 두께에 관한 비율이 커져 박리의 면에서도 바람직하지 않다.
도3은 본 발명의 고내마모성 고경도 피막을 기재 표면에 형성하기 위한 아크 이온 플레이팅 장치(1)의 개략을 도시한다. 이 아크 이온 플레이팅 장치(1)는 대기와 기밀한 케이싱(2)을 설치하여 그 천정부에는 타겟(3)을 배치하고, 케이싱(2)의 실내(12)에는 테이블형의 홀더(7)가 배치되어 있다. 홀더(7)는 회전축(9)을 거쳐서 모터(8)와 연결되고, 홀더(7)는 그 주위 방향으로 회전이 가능하다. 그리고, 타겟(3)과 홀더(7) 사이에는 직류 전원(11)이 접속되고, 타겟(3)은 전원(11)의 ＋측과 접속되고, 홀더(7)는 전원(11)의 －측에 접속되어 있다. 도3에서는 타겟(3) 을 하나의 경우를 모식적으로 도시하고 있지만, 필요에 따라서 타겟(3)은 2 이상 설치하는 것이 가능하고, 그 경우에는 홀더(7)로부터 대략 동일한 거리에 2 이상 설치한다.
케이싱(2)의 실내(12)에는 실내(12)를 진공으로 하기 위한 진공 펌프(4)가 제어 밸브(13)를 거쳐서 접속되고, 또한 실내(12)의 불활성 가스를 공급하기 위한 아르곤의 가스원(5)가 제어 밸브(14)를 거쳐서 접속되고, 또한 실내(12)에 질소를 공급하기 위한 질소 가스원(6)이 제어 밸브(15)를 거쳐서 접속되어 있다.
본 실시 형태에서는, 기판(10) 상에 설치하는 층마다 타겟의 종류 및 수를 조정하여 피막을 형성해 간다. 기초층을 형성할 때에는, 타겟(3)에 순(純)티탄(Ti : 100 ％) 또는 순크롬(Cr : 100 ％)을 이용한다. 중간층을 형성할 때에는, 통상 타겟을 복수 설치하여 한 쪽을 기초층과 동일한 금속의 타겟으로 하고, 다른 쪽을 외측 표면의 피막층(코팅층)과 동일한 합금의 타겟으로 한다. 피막층(코팅층)을 형성할 때에는, 타겟(3)에는 예를 들어 Al, Cr, Si로 이루어지는 합금을 이용한다. 기판(10)에는, 예를 들어 고속도 공구강인 SKH-51이나 초경재인 TH-10을 사용할 수 있다.
그리고, 홀더(7) 상에 기판(10)을 적재하고, 제어 밸브(13 내지 15) 중 처음에 제어 밸브(13, 14)를 개방하여 실내(12)에 아르곤 가스를 공급하는 동시에, 실내(12)를 진공화한다. 진공화가 완료되어 실내(12)가 아르곤 분위기가 되면, 모터(8)에 의해 홀더(7)를 회전시킨다. 계속해서, 차단 밸브(13, 14)를 폐쇄하여 타겟(3)과 홀더(7) 사이에 직류 전압을 인가시켜 플라즈마를 발생하게 하여 실내(12) 온도를 상승시킨다. 실내(12) 온도가 일정 온도에 도달하였을 때에, 제어 밸브(15)를 개방하여 질소 가스원(6)으로부터 실내(12)로 질소를 공급하여 아크 방전을 생기게 한다. 이에 의해, 기판(10)의 표면에 각 층이 형성되어 내고온 산화에 우수한 고내마모성 고경도 피막을 얻을 수 있다.
이와 같은 고내마모성 고경도 피막은 주재료를 고속도 공구강 또는 초경재로 한 호브 커터, 피니온 커터, 브로치 등의 기어 절삭 공구의 표면의 일부 혹은 전부, 혹은 금형 등의 공구 표면의 일부나 안경 등의 장식품의 표면에 사용할 수 있다. 보다 구체적으로는, 예를 들어 기어 절삭 커터를 이용하여 기어 절삭을 행하는 공작 기계의 커터이며, 기어 홈 형상의 커터 표면에 가공할 수 있다. 또한, 본 발명의 피막이 적용된 공구에서는, 절삭 오일제를 이용하지 않고 절삭이 행해지는 드라이 컷트에서의 가공에 사용해도 충분히 가공이 가능해, 내마모성이 높은 공구를 실현할 수 있다.
즉, 본 발명의 피막에 따르면, 금속 질화물인 피막(코팅층)과 기초층인 질화물층 사이에 양 층의 조성 성분으로 이루어지는 중간층을 설치함으로써 양 층의 접착력 및 밀착성이 현격히 향상되므로, 매우 우수한 내마모성을 갖고, 피복한 부재, 제품의 장기 수명화를 달성할 수 있다. 또한, 본 발명의 피막은 고온에서의 내산화성에 매우 우수한 면에서도 피복한 부재, 제품의 장기 수명화를 달성할 수 있다. 따라서, 호브 커터, 피니온 커터, 브로치 등의 기어 절삭 공구 등의 표면 처리, 금형이나 안경 등의 장식품의 표면 처리 등 폭 넓게 적용이 가능하다. 또한, 본 발명의 피막이 적용된 공구에서는, 절삭 오일제를 이용하지 않고 절삭이 행해지는 드 라이 컷트에서의 가공에 사용해도 충분히 가공이 가능하고, 내마모성이 높은 공구를 실현할 수 있다.
도3에 도시하는 아크 이온 플레이팅 장치에 의해 각종 합금 타겟을 이용하여 고속도 공구강(SKH-51) 기재 상에 막 두께 4 내지 7 ㎛를 성막하였다. 기재/코팅층간에는 기초층으로서 질화물 피막을 설치하였다.
성막 조건은 표 1에 나타내는 바와 같이 하였다. 알루미나볼(ø6)을 사용한 볼 온 디스크 마모 시험을 실시하여 내마모성을 평가하였다. 시험 조건은 하중 5N, 미끄럼 속도 100 ㎧, 미끄럼 이동 거리 300 m, 실온, 무윤활이다. 마모량의 측정은 마모 시험 후의 코팅층의 마모 깊이 및 마모 폭을 측정함으로써 행하였다.
N2 가스 압력 (Pa) 기판 온도(K) 바이어스 전압(V)
2.7 673 －40
(제1 실시예)
도3 도시한 바와 같은 장치를 이용하여, 미리 기재에 순티탄(Ti : 100 ％) 타겟을 이용하여 Ti 질화물로 이루어지는 기초층(막 두께 1 ㎛)을 형성하였다. 계속해서, 중간층으로서 타겟에 Al : 50 ％, Cr : 40 ％, Si : 10 ％로 이루어지는 합금 및 순티탄(Ti : 100 ％)을 양방 동시에 이용하여 2개의 타겟으로부터 대략 균일하게 아크 이온 플레이팅을 행하였다. (Al-Cr-Si)N 및 (Ti)N으로 이루어지는 중간층의 조성비는, 합금 조성 : 티탄으로 약 1 : 1이었다. 마지막으로, 코팅층(표면 피막층)으로서 타겟에 Al : 50 ％, Cr : 40 ％, Si : 10 ％인 것을 이용하여 아크 이온 플레이팅을 행하여 본 발명의 고경도 피막을 얻었다. 그 결과, 얻게 된 피막의 마모 깊이는 0.15(㎛)고, 마모 폭은 0.19(㎜)였다. 중간층의 두께는 0.1 ㎛이고, 피막의 총 두께는 5.1 ㎛였다.
(제2 실시예)
제1 실시예와 마찬가지로 하여 기초층을 형성한 후, 중간층으로서 타겟에 Al : 60 ％, Cr : 30 ％, Si : 10 ％로 이루어지는 합금 및 순티탄을 양방 동시에 이용하여 아크 이온 플레이팅을 행하고, 계속해서 코팅층으로서 타겟에 Al : 60 ％, Cr : 30 ％, Si : 10 ％로 이루어지는 합금을 이용하여 아크 이온 플레이팅을 행하여 고경도 피막을 얻었다. 그 결과, 얻게 된 피막의 마모 깊이는 0.11(㎛)이고, 마모 폭은 0.15(㎜)였다. 중간층의 두께는 0.5 ㎛이고, 피막의 총 두께는 5.5 ㎛였다.
(제3 실시예)
제1 실시예와 마찬가지로 하여 기초층을 형성한 후, 중간층으로서 타겟에 Al : 50 ％, Cr : 40 ％, Si : 10 ％로 이루어지는 합금 및 순티탄을 양방 동시에 이용하여 아크 이온 플레이팅을 행하고, 계속해서 코팅층으로서 타겟에 Al : 50 ％, Cr : 40 ％, Si : 10 ％로 이루어지는 합금을 이용하여 아크 이온 플레이팅을 행하여 고경도 피막을 얻었다. 그 결과, 얻게 된 피막의 마모 깊이는 0.12(㎛)이고, 마모 폭은 0.15(㎜)였다. 중간층의 두께는 0.5 ㎛이고, 피막의 총 두께는 5.5 ㎛였다.
(제4 실시예)
제3 실시예와 마찬가지로 하여 기초층을 형성한 후, 중간층 및 코팅층도 같은 타겟을 이용하여 아크 이온 플레이팅을 행하여 고경도 피막을 얻었다. 중간층의 두께는 2.0 ㎛이고, 그 결과 얻게 된 피막의 마모 깊이는 0.13(㎛)이고, 마모 폭은 0.18(㎜)이었다. 피막의 총 두께는 7.0 ㎛였다.
(제1 참고예)
미리 기재에 순티탄(Ti : 100 ％) 타겟을 이용하여 Ti 질화물로 이루어지는 기초층(막 두께 2 ㎛)을 형성하였다. 계속해서, 코팅층(표면 피막층)으로서 타겟에 Al : 50 ％, Cr : 40 ％, Si : 10 ％의 합금을 이용하여 아크 이온 플레이팅을 행하여 고경도 피막을 얻었다. 그 결과, 얻게 된 피막의 마모 깊이는 0.21(㎛)이고, 마모 폭은 0.23(㎜)이었다. 피막의 총 두께는 6.0 ㎛였다.
(제5 실시예)
미리 기재에 순크롬(Cr : 100 ％) 타겟을 이용하여 Cr 질화물로 이루어지는 기초층(막 두께 1 ㎛)을 형성하였다. 계속해서, 중간층으로서 타겟에 Al : 50 ％, Cr : 40 ％, Si : 10 ％로 이루어지는 합금 및 순크롬(Cr : 100 ％)을 양방 동시에 이용하여 2개의 타겟으로부터 대략 균일하게 아크 이온 플레이팅을 행하였다. (Al-Cr-Si)N 및 (Cr)N으로 이루어지는 중간층의 조성비는 합금 조성 : 순크롬으로 약 1 : 1이었다. 마지막으로, 코팅층(피막층)으로서 타겟에 Al : 50 ％, Cr : 40 ％, Si : 10 ％인 것을 이용하여 아크 이온 플레이팅을 행하여 본 발명의 고경도 피막을 얻었다. 그 결과, 얻게 된 피막의 마모 깊이는 0.15(㎛)이고, 마모 폭은 0.20(㎜)이었다. 중간층의 두께는 0.1 ㎛이고, 피막의 총 두께는 5.1 ㎛였다.
(제6 실시예)
제5 실시예와 마찬가지로 하여 기초층을 형성한 후, 중간층으로서 타겟에 Al : 60 ％, Cr : 30 ％, Si : 10 ％로 이루어지는 합금 및 순크롬을 양방 동시에 이용하여 아크 이온 플레이팅을 행하고, 계속해서 코팅층으로서 타겟에 Al : 60 ％, Cr : 30 ％, Si : 10 ％로 이루어지는 합금을 이용하여 아크 이온 플레이팅을 행하여 고경도 피막을 얻었다. 그 결과, 얻게 된 피막의 마모 깊이는 0.10(㎛)이고, 마모 폭은 0.12(㎜)였다. 중간층의 두께는 0.5 ㎛이고, 피막의 총 두께는 5.5 ㎛였다.
(제7 실시예)
제5 실시예와 마찬가지로 하여 기초층을 형성한 후, 중간층으로서 타겟에 Al : 50 ％, Cr : 40 ％, Si : 10 ％로 이루어지는 합금 및 순크롬을 양방 동시에 이용하여 아크 이온 플레이팅을 행하고, 계속해서 코팅층으로서 타겟에 Al : 50 ％, Cr : 40 ％, Si : 10 ％로 이루어지는 합금을 이용하여 아크 이온 플레이팅을 행하여 고경도 피막을 얻었다. 그 결과, 얻게 된 피막의 마모 깊이는 0.11(㎛)이고, 마모 폭은 0.15(㎜)였다. 중간층의 두께는 0.5 ㎛이고, 피막의 총 두께는 5.5 ㎛였다.
(제8 실시예)
제7 실시예와 마찬가지로 하여 기초층을 형성한 후, 중간층 및 코팅층도 같은 타겟을 이용하여 아크 이온 플레이팅을 행하여 고경도 피막을 얻었다. 중간층의 두께는 2.0 ㎛이고, 그 결과 얻게 된 피막의 마모 깊이는 0.14(㎛)이고, 마모 폭은 0.18(㎜)이었다. 피막의 총 두께는 7.0 ㎛였다.
(제2 참고예)
미리 기재에 순크롬(Cr : 100 ％) 타겟을 이용하여 Cr 질화물로 이루어지는 기초층(막 두께2 ㎛)을 형성하였다. 계속해서, 코팅층으로서 타겟에 Al : 50 ％, Cr : 40 ％, Si : 10 ％인 합금을 이용하여 아크 이온 플레이팅을 행하여 고경도 피막을 얻었다. 그 결과, 얻게 된 피막의 마모 깊이는 0.22(㎛)이고, 마모 폭은 0.26(㎜)이었다. 피막의 총 두께는 6.0 ㎛였다.
(제1 비교예)
도3에 도시하는 장치에서 타겟에 Al : 50 ％, Cr : 40 ％, Si : 10 ％인 합금만을 이용하여 아크 이온 플레이팅을 행하여 코팅층을 형성하였다. 그 결과, 얻게 된 피막의 마모 깊이는 0.41(㎛)이고, 마모 폭은 0.31(㎜)이었다. 층 두께는 4.0 ㎛였다.
(제2 비교예)
미리 기재에 순티탄(Ti : 100 ％) 타겟을 이용하여 Ti 질화물로 이루어지는 기초층(막 두께 0.1 ㎛)을 형성하였다. 계속해서, 코팅층으로서 타겟에 Al : 50 ％, Cr : 40 ％, Si : 10 ％의 합금을 이용하여 아크 이온 플레이팅을 행하여 고경도 피막을 얻었다. 그 결과, 얻게 된 피막의 마모 깊이는 0.39(㎛)이고, 마모 폭은 0.31(㎜)이었다. 각 층의 총 두께는 4.1 ㎛였다.
(제3 비교예)
미리 기재에 순크롬(Cr : 100 ％) 타겟을 이용하여 Cr 질화물로 이루어지는 기초층(막 두께 0.1 ㎛)을 형성하였다. 계속해서, 코팅층으로서 타겟에 Al : 50 ％, Cr : 40 ％, Si : 10 ％인 합금을 이용하여 아크 이온 플레이팅을 행하여 고경도 피막을 얻었다. 그 결과, 얻게 된 피막의 마모 깊이는 0.39(㎛)이고, 마모 폭은 0.30(㎜)이었다. 각 층의 총 두께는 4.1 ㎛였다.
(제1 종래예)
도3에 도시하는 장치에서 타겟에 Ti : 53 ％, Al : 47 ％인 합금을 이용하여 아크 이온 플레이팅을 행하였다. 그 결과, 마모 깊이는 0.80(㎛)이고 마모 폭은 0.40(㎜)이었다. 층 두께는4.0 ㎛였다.
(제2 종래예)
타겟에 Al : 45 ％, Cr : 55 ％인 합금을 이용하여 아크 이온 플레이팅을 행하였다. 그 결과, 마모 깊이는 0.50(㎛)이고, 마모 폭은 0.32(㎜)였다. 층 두께는 4.0 ㎛였다.
표 2에 제1 실시예 내지 제8 실시예, 제1 참고예, 제2 참고예, 제1 비교예 내지 제3 비교예 및 제1 종래예, 제2 종래예의 측정 결과를 나타낸다. 이 결과로부터 제1 실시예 내지 제8 실시예의 본 발명의 피막은 마모 깊이 및 마모 폭이 모두 적고, 내마모성이 우수하다는 것이 판명되었다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상을 기초로 하여 다양한 변형 및 변경이 가능하다.
예를 들어, 상기 코팅층의 형성에 있어서는 물리 증착법이 적용되고, 그 금속 증발 방법인 전자총에 의한 것, 홀로 캐소드에 의한 것, 스패터링에 의한 것, 아크 방전에 의한 것 등이 있지만, 이들 방법을 임의로 이용하는 것이 가능하고 제약은 없다.
Figure 112007023601160-pat00001
본 발명에 의하면, 1000℃ 이상에서도 우수한 내산화성을 갖는 동시에, 내마모성이 매우 양호한 고경도 피막이 제공된다.

Claims (12)

  1. 피처리물의 외측 표면에 형성되는 금속 질화물로 이루어지는 코팅층과, 상기 코팅층과 상기 피처리물 사이에 Cr의 질화물로 이루어지는 기초층과, 상기 코팅층과 상기 기초층의 경계면에 설치되는 중간층이며 상기 중간층에 접하는 상기 코팅층과 상기 기초층의 조성 성분을 포함하는 중간층을 구비하고,
    상기 코팅층이 Al, Cr 및 Si를 포함하는 금속 질화물이고, 상기 중간층의 조성이 상기 코팅층의 조성 성분에 대한 상기 기초층의 조성 성분의 양의 비로 1 : 5 내지 5 : 1의 범위 내인 것을 특징으로 하는 고내마모성 고경도 피막.
  2. 피처리물의 외측 표면에 형성되는 금속 질화물로 이루어지는 코팅층과, 상기 코팅층과 상기 피처리물 사이에 Cr의 질화물로 이루어지는 기초층과, 상기 코팅층과 상기 기초층의 경계면에 설치되는 중간층이며 상기 중간층에 접하는 상기 코팅층과 상기 기초층의 조성 성분을 포함하는 중간층을 구비하고,
    상기 코팅층이 Al, Cr 및 Si를 포함하는 금속 질화물이고,
    상기 중간층이 0.1 내지 2 ㎛의 막 두께를 갖고,
    상기 중간층의 조성이 상기 코팅층의 조성 성분에 대한 상기 기초층의 조성 성분의 양의 비로 1 : 5 내지 5 : 1의 범위 내인 것을 특징으로 하는 고내마모성 고경도 피막.
  3. 피처리물의 외측 표면에 형성되는 금속 질화물로 이루어지는 코팅층과, 상기 코팅층과 상기 피처리물 사이에 Cr의 질화물로 이루어지는 기초층과, 상기 코팅층과 상기 기초층의 경계면에 설치되는 중간층이며 상기 중간층에 접하는 상기 코팅층과 상기 기초층의 조성 성분을 포함하는 중간층을 구비하고,
    상기 코팅층이 Al, Cr 및 Si를 포함하는 질화물의 코팅 a층과, Ti 및 Al을 포함하는 질화물로 그 금속 성분만의 원자 ％로 Al이 25 ％ 내지 75 ％, 나머지가 Ti인 코팅 b층을 교대로 각각 1층 이상 형성하고, 상기 a층을 최외층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 고내마모성 고경도 피막.
  4. 피처리물의 외측 표면에 형성되는 금속 질화물로 이루어지는 코팅층과, 상기 코팅층과 상기 피처리물 사이에 Cr의 질화물로 이루어지는 기초층과, 상기 코팅층과 상기 기초층의 경계면에 설치되는 중간층이며 상기 중간층에 접하는 상기 코팅층과 상기 기초층의 조성 성분을 포함하는 중간층을 구비하고,
    상기 중간층이 0.1 내지 2 ㎛의 막 두께를 갖고,
    상기 코팅층이 Al, Cr 및 Si를 포함하는 질화물의 코팅 a층과, Ti 및 Al을 포함하는 질화물로 그 금속 성분만의 원자 ％로 Al이 25 ％ 내지 75 ％, 나머지가 Ti인 코팅 b층을 교대로 각각 1층 이상 형성하고, 상기 a층을 최외층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 고내마모성 고경도 피막.
  5. 고내마모성 고경도 피막을 표면 중 적어도 일부에 설치한 공구이며,
    상기 고내마모성 고경도 피막은 피처리물의 외측 표면에 형성되는 금속 질화물로 이루어지는 코팅층과, 상기 코팅층과 상기 피처리물 사이에 Cr의 질화물로 이루어지는 기초층과, 상기 코팅층과 상기 기초층의 경계면에 설치되는 중간층이며 상기 중간층에 접하는 상기 코팅층과 상기 기초층의 조성 성분을 포함하는 중간층을 구비하고, 상기 코팅층이 Al, Cr 및 Si를 포함하는 금속 질화물인 것을 특징으로 하는 공구.
  6. 고내마모성 고경도 피막을 표면 중 적어도 일부에 설치한 공구이며,
    상기 고내마모성 고경도 피막은 피처리물의 외측 표면에 형성되는 금속 질화물로 이루어지는 코팅층과, 상기 코팅층과 상기 피처리물 사이에 Cr의 질화물로 이루어지는 기초층과, 상기 코팅층과 상기 기초층의 경계면에 설치되는 중간층이며 상기 중간층에 접하는 상기 코팅층과 상기 기초층의 조성 성분을 포함하는 중간층을 구비하고, 상기 중간층이 0.1 내지 2 ㎛의 막 두께를 갖고, 상기 코팅층이 Al, Cr 및 Si를 포함하는 금속 질화물인 것을 특징으로 하는 공구.
  7. 고내마모성 고경도 피막을 표면 중 적어도 일부에 설치한 기어 절삭 공구이며,
    상기 고내마모성 고경도 피막은 피처리물의 외측 표면에 형성되는 금속 질화물로 이루어지는 코팅층과, 상기 코팅층과 상기 피처리물 사이에 Cr의 질화물로 이루어지는 기초층과, 상기 코팅층과 상기 기초층의 경계면에 설치되는 중간층이며 상기 중간층에 접하는 상기 코팅층과 상기 기초층의 조성 성분을 포함하는 중간층을 구비하고, 상기 코팅층이 Al, Cr 및 Si를 포함하는 금속 질화물인 것을 특징으로 하는 기어 절삭 공구.
  8. 고내마모성 고경도 피막을 표면 중 적어도 일부에 설치한 기어 절삭 공구이며,
    상기 고내마모성 고경도 피막은 피처리물의 외측 표면에 형성되는 금속 질화물로 이루어지는 코팅층과, 상기 코팅층과 상기 피처리물 사이에 Cr의 질화물로 이루어지는 기초층과, 상기 코팅층과 상기 기초층의 경계면에 설치되는 중간층이며 상기 중간층에 접하는 상기 코팅층과 상기 기초층의 조성 성분을 포함하는 중간층을 구비하고, 상기 중간층이 0.1 내지 2 ㎛의 막 두께를 갖고, 상기 코팅층이 Al, Cr 및 Si를 포함하는 금속 질화물인 것을 특징으로 하는 기어 절삭 공구.
  9. 주재료로서의 고속도 공구강에 고내마모성 고경도 피막을 표면 중 적어도 일부에 설치한 기어 절삭 공구이며,
    상기 고내마모성 고경도 피막은 피처리물의 외측 표면에 형성되는 금속 질화물로 이루어지는 코팅층과, 상기 코팅층과 상기 피처리물 사이에 Cr의 질화물로 이루어지는 기초층과, 상기 코팅층과 상기 기초층의 경계면에 설치되는 중간층이며 상기 중간층에 접하는 상기 코팅층과 상기 기초층의 조성 성분을 포함하는 중간층을 구비하고, 상기 코팅층이 Al, Cr 및 Si를 포함하는 금속 질화물인 것을 특징으로 하는 기어 절삭 공구.
  10. 주재료로서의 고속도 공구강에 고내마모성 고경도 피막을 표면 중 적어도 일부에 설치한 기어 절삭 공구이며,
    상기 고내마모성 고경도 피막은 피처리물의 외측 표면에 형성되는 금속 질화물로 이루어지는 코팅층과, 상기 코팅층과 상기 피처리물 사이에 Cr의 질화물로 이루어지는 기초층과, 상기 코팅층과 상기 기초층의 경계면에 설치되는 중간층이며 상기 중간층에 접하는 상기 코팅층과 상기 기초층의 조성 성분을 포함하는 중간층을 구비하고, 상기 중간층이 0.1 내지 2 ㎛의 막 두께를 갖고, 상기 코팅층이 Al, Cr 및 Si를 포함하는 금속 질화물인 것을 특징으로 하는 기어 절삭 공구.
  11. 제5항 또는 제6항에 있어서, 절삭 오일제를 이용하지 않고 절삭이 행해지는 드라이 컷트로 가공되는 것을 특징으로 하는 공구.
  12. 제5항 또는 제6항에 기재된 공구를 이용하고, 절삭 오일제를 이용하지 않고 절삭이 행해지는 드라이 컷트로 가공하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 가공 방법.
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