KR101220251B1

KR101220251B1 - 경질 피막 피복 부재

Info

Publication number: KR101220251B1
Application number: KR1020060042435A
Authority: KR
Inventors: 다케시 이시카와
Original assignee: 히타치 쓰루 가부시키가이샤
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2006-05-11
Publication date: 2013-01-09
Also published as: PT1726686E; EP1726686A1; US20060269788A1; ES2433091T3; CN1876368B; EP1726686B1; KR20060122700A; CN1876368A; US7537822B2

Abstract

본 발명은, 기체(基體) 상에 최하층, 중간 적층부 및 최상층으로 이루어지는 경질(硬質) 피막 피복 부재에 관한 것으로서, 상기 중간 적층부는 상이한 조성을 가지는 A층 및 B층을 교대로 적층한 것이며, 상기 A층 및 B층은 각각 식：Al_WCr_XTi_YSi_Z(W, X, Y 및 Z는 각각 Al, Cr, Ti 및 Si의 원자%를 나타내고, W + X + Y + Z = 100)으로 표현되는 조성을 가지는 금속 성분의 질화물, 붕소화물, 탄화물 및 산화물, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종으로 이루어지고, 또한 상기 A층은 70≤W+X<100, B층은 30≤Y<100을 만족시키고, 상기 최상층은, Ti 또는 Ti와 Si의 질화물, 탄화물, 황화물 및 붕화물, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 일종, 또는 Cr 또는 Cr과 Si의 질화물, 탄화물, 황화물 및 붕소화물, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 것이다.

경질 피막 피복 부재, 중간 적층부, 최상층, 최하층

Description

경질 피막 피복 부재 {HARD-COATED MEMBER}

도 1은 본 발명의 경질 피막 피복 부재에 있어서의 경질 피막의 층 구성을 나타낸 개략 단면도이다.

도 2는 경질 피막을 형성하는 장치의 일례를 나타낸 개략도이다.

도 3은 시료 1의 중간 적층부의 X선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.

도 4는 시료 1의 중간 적층부의 일부 및 최상층을 나타낸 STEM 사진이다.

도 5는 시료 1의 중간 적층부의 제한 시야 회절상을 나타낸 사진이다.

도 6은 도 4의 STEM 사진을 확대한 사진이다.

도 7은 경질 피막을 형성하는 장치의 다른 예를 나타낸 개략도이다.

본 발명은, 윤활성 및 기체(基體)와의 내박리성이 우수한 동시에, 내용착성 및/또는 내마모성도 우수하고, 절삭 공구, 금형, 베어링, 다이스, 롤 등, 고경도(高硬度)가 요구되는 부재로서 바람직한 경질 피막 피복 부재에 관한 것이다.

절삭 공구 등에는, 경도, 내마모성, 윤활성, 내용착성 등을 향상시키기 위하여, Al, Cr, Ti 및 Si 등의 탄화물, 질화물 및 탄질화물이나, Al의 산화물 등으로 이루어지는 단층 또는 복층의 경질 피막이 형성되어 있다. 특히 Ti와 Al의 복합 질화물(TiAlN)의 피막은, 우수한 내마모성을 나타내므로, 고속도 강이나, 담금질 강(hardened steel) 등의 고경도재의 절삭 공구에 형성되어 있다.

일본국 특개 2003-71610호는, TiAlN 보다 우수한 내마모성을 가지는 경질 피막으로서 상이한 조성을 가지는 2종류의 층［모두, (Ti_aAl_bCr_c)(C₁ _- _dN_d)(a, b, c는 각각 Ti, Al, Cr의 원자비를, d는 N의 원자비를 나타내고, 0.02≤a≤0.30, 0.55≤b≤0.765, 0.06≤c, a＋b＋c=1, 0.5≤d≤1, 또는 0.02≤a≤0.175, 0.765≤b, 4(b-0.75)≤c, a＋b＋c=1, 0.5≤d≤1)으로 표현되는 조성 범위 내에 있음］을 교대로 복수회 적층하여 이루어지는 다층 피막을 가지는 절삭 공구를 개시하고 있다. 이 다층 피막은 내마모성이 우수하지만, 보다 더 엄격해지는 절삭 공구의 내마모성 및/또는 내용착성의 요구를 충분히 만족시키지 못한다.

일본국 특개 2004-238736호는, 아크 방전식 이온 플레이팅법에 의해 형성한 Al_xCr_1-x(단, x는 원자 비율로 0.45≤x≤0.75를 만족시킴)으로 표현되는 금속 성분과, N₁ _-α-β- _YB_αC_βO_Y(단,α,β 및 Y는 각각 원자 비율로, 0≤α≤0.15, 0≤β≤0.35, 및 0.01≤Y≤0.25를 만족시킴)으로 표현되는 비금속 성분으로 이루어지는 조성을 가지는 경질 피막으로서, (200)면 또는 (111)면에 최대 X선 회절(回折) 강도를 가지고, X선 광전자(光電子) 분광(分光) 분석에 있어서의 525 ~ 535 eV의 범위에 Al 및/또는 Cr와 산소와의 결합 에너지를 구비한 것을 특징으로 하는 경질 피막을 개시하고 있다. 또한, 상기 범위 내에서 상이한 조성을 가지는 2층을 적층하여 경질 피막을 형성함으로써, 경도 및 내마모성의 개선에 더하여, 기체와의 밀착성이 개선되는 것으로 기재되어 있다. 그러나, 역시 보다 더 엄격해지는 절삭 공구의 내마모성 및/또는 내용착성의 요구를 충분히 만족시키지 못한다.

일본국 특개평 7-205361호는, IVa, Va, VIa족 금속 원소, 또는 Al 및 Si의 질화물, 산화물, 탄화물, 탄질화물 및 붕소화물로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 화합물과 IVa, Va, VIa족 금속 원소, Al 및 Si 중 2종의 금속 원소로 이루어지는 질화물, 산화물, 탄화물, 탄질화물 및/또는 붕소화물을, 0.4 ~ 50nm의 주기로 적층하고, 전체의 막두께를 0.5 ~ 10μm으로 한 경질 피막을 가지는 부재를 개시하고 있다. 이 경질 피막은 내마모성이 우수하지만, 역시 보다 더 엄격해지는 절삭 공구의 내마모성 및/또는 내용착성의 요구를 충분히 만족시키지 못한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 윤활성 및 기체와의 내박리성이 우수한 동시에, 내용착성 및/또는 내마모성도 우수한 경질 피막 피복 부재를 제공하는 것이다.

상기 목적을 감안하여 예의 연구한 결과, 상이한 조성을 가지는 2종류의 층으로 이루어지는 적층부의 표면에, Ti 또는 Ti와 Si의 질화물, 탄화물, 황화물 및 붕소화물 중 최소한 1종, 또는 Cr 또는 Cr와 Si의 질화물, 탄화물, 황화물 및 붕소화물 중 최소한 1종으로 이루어지는 상층을 형성함으로써, 우수한 윤활성 및 기체와의 내박리성과 함께, 내용착성 및/또는 내마모성도 우수한 경질 피막을 얻을 수 있는 것을 발견하고, 본 발명에 이르렀다.

즉, 본 발명의 제1 경질 피막 피복 부재는, 기체 상에 최하층, 중간 적층부 및 최상층을 가지는 경질 피막을 가지고, 상기 중간 적층부는 상이한 조성을 가지는 A층 및 B층을 교대로 적층한 것이며, 상기 A층 및 B층은 각각 식：Al_WCr_XTi_YSi_Z(W, X, Y 및 Z는 각각 Al, Cr, Ti 및 Si의 원자%를 나타내고, W + X + Y + Z = 100)으로 표현되는 조성을 가지는 금속 성분의 질화물, 붕소화물, 탄화물 및 산화물, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종으로 이루어지고, 또한 상기 A층은 70≤W+X<100, B층은 30≤Y<100을 만족시키고, 상기 최상층은, Ti 또는 Ti와 Si의 질화물, 탄화물, 황화물 및 붕소화물, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2 경질 피막 피복 부재는, 기체 상에 최하층, 중간 적층부 및 최상층을 가지는 경질 피막을 가지고, 상기 중간 적층부는 상이한 조성을 가지는 A층 및 B층을 교대로 적층한 것이며, 상기 A층 및 B층은 각각 식：Al_WCr_XTi_YSi_Z(W, X, Y 및 Z는 각각 Al, Cr, Ti 및 Si의 원자%를 나타내고, W + X + Y + Z = 100)으로 표현되는 조성을 가지는 금속 성분의 질화물, 붕소화물, 탄화물 및 산화물, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종으로 이루어지고, 또한 상기 A층은 70≤W+X<100, B층은 30≤Y<100을 만족시키고, 상기 최상층은, Cr 또는 Cr와 Si의 질화물, 탄화물, 황화물 및 붕소화물, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 경질 피막 피복 부재에 있어서, 상기 최상층은 Ti를 50 원자% 이상 함유하는 탄질화물, 황화물 또는 붕소화물을 주체로 하는 것이 바람직하다.

상기 제2 경질 피막 피복 부재에 있어서, 상기 최상층은 Cr을 50 원자% 이상 함유하는 탄질화물, 황화물 또는 붕소화물을 주체로 하는 것이 바람직하다.

상기 중간 적층부의 A층 및 B층의 막두께는 각각 0.5 ~ 100nm인 것이 바람직하다.

상기 중간 적층부는, X선 회절에 있어서 2θ가 40°~ 45°의 범위에 적어도 2개의 피크를 가지는 것이 바람직하다.

상기 중간 적층부를 구성하는 A층 및 B층에서 적어도 Al, Cr 및 Ti가 상호 확산되어 있는 것이 바람직하다.

상기 중간 적층부의 각 층의 Si 농도는 표층일 수록 높은 것이 바람직하다.

상기 최하층은, Al, Cr, Ti 및 Si로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 금속 원소로 이루어지는 질화물층인 것이 바람직하다.

상기 최하층과 상기 중간 적층부, 상기 중간 적층부 내의 A층과 B층, 및 상기 최상층과 상기 중간 적층부는 각각 계면에서 상호 확산되어 있는 것이 바람직하다.

[1] 경질 피막의 층 구성

본 발명의 경질 피막 피복 부재는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 기체 상에 최하층, 중간 적층부 및 최상층으로 이루어지는 경질 피막을 형성한 구조를 가진다. 중간 적층부는 조성이 상이한 A층 및 B층이 교대로 적층된 구조를 가진다. 기체 표면에 이들 층을 물리 증착법에 의해 연속적으로 적층하는 것이 바람직하다.

최상층은, 경도, 내열성, 윤활성 등을 개선하는 동시에 내용착성 및/또는 내마모성을 높이는 작용을 가진다. 최하층은, 중간 적층부 및 최상층의 잔류 응력을 흡수하고, 박리나 비정상 마모를 방지하여 내마모성을 개선된다. 중간 적층부는, 최상층의 특성을 충분히 발휘시키는 기능을 한다.

(1) 최상층의 조성

최상층은 중간 적층부와는 상이한 조성을 가진다. 제1 경질 피막 피복 부재는, Ti를 50 원자% 이상 함유하는 탄질화물, 황화물 또는 붕소화물이 주체인 최상층(이하 단지 「제1 최상층」)을 가지고, 제2 경질 피막 피복 부재는, Cr을 50 원자% 이상 함유하는 탄질화물, 황화물 또는 붕소화물이 주체인 최상층(이하 단지 「제2 최상층」)을 가진다.

어느 최상층도, 상기 효과를 얻기 위해서는, 50nm 이상의 막두께를 가지는 것이 바람직하다. 최상층은, 100nm 이내의 깊이 영역에서 농도가 최대로 되도록 산소를 함유하는 것이 바람직하다. 산소의 함유는, 경질 피막 표면으로의 피가공물의 응착 억제에 특히 효과적이다. 그리고, 최상층의 상에 다른 층을 형성해도 된다. 예를 들면, 본 발명의 최상층은 회색이며 피막이 형성되어 있는지 육안으로 관찰하기 어렵기 때문에, 경질 피막의 유무를 식별하기 위하여, 최상층 상에 탄소막 등의 색이 진한 층을 형성해도 된다.

(a) 제1 최상층의 조성

제1 최상층은, Ti 또는 Ti와 Si의 질화물, 탄화물, 황화물 및 붕소화물, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종으로 이루어지지만, 불 가피하게 혼입(混入)하는 수%의 다른 원소를 포함해도 된다. 제1 최상층은 Ti를 50 원자% 이상 함유하는 탄질화물, 황화물 또는 붕소화물이 주체인 층인 것이 바람직하다. 제1 최상층과 중간 적층부와의 계면은, 밀착 강도의 개량을 위하여, 양 조성이 상호 확산되는 것이 바람직하다. 제1 최상층을 형성함으로써, 피막 경도가 향상된다. 또한, 박리나 비정상 마모가 현저하게 억제되고, 경질 피막 전체의 윤활성이 개선된다. 윤활성의 향상에 의해 칩(chip) 배출성이 현저하게 개선되어, 특히 드릴용의 피복층으로서 매우 적합하다.

(b) 제2 최상층의 조성

제2 최상층은, Cr 또는 Cr와 Si의 질화물, 탄화물, 황화물 및 붕소화물, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종으로 이루어지지만, 불가피하게 혼입하는 수%의 다른 원소를 포함해도 된다. 제2 최상층은 Cr을 50 원자% 이상 함유하는 탄질화물, 황화물 또는 붕소화물이 주체인 층인 것이 바람직하다. 제2 최상층과 중간 적층부와의 계면은, 밀착 강도의 개량을 위하여, 양 조성이 상호 확산되는 것이 바람직하다. 제2 최상층을 형성함으로써, 내열성이나 내마모 특성이 유지된 채, 윤활성 및 내용착성이 더욱 향상된다. 또한, 박리나 비정상 마모가 현저하게 억제되고, 경질 피막 전체의 윤활성이 개선된다. 그러므로 칩 배출성이 현저하게 개선되고, 특히 드릴 또는 엔드밀용의 피복층으로서 매우 적합하다.

(2) 중간 적층부의 조성

중간 적층부는 조성이 상이한 A층 및 B층을 교대로 적층하여 이루어지는 구 조를 가지고, A층 및 B층은 모두 식：Al_WCr_XTi_YSi_Z(W, X, Y 및 Z는 각각 Al, Cr, Ti 및 Si의 원자%를 나타내고, W + X + Y + Z = 100)으로 표현되는 조성을 가지는 금속 성분의 질화물, 붕소화물, 탄화물 및 산화물, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종으로 이루어진다.

A층의 금속 성분은, Al_WCr_XTi_YSi_Z［W + X + Y + Z = 100, 및 70≤W+X<100(원자%]을 만족시키는 조성을 가진다. (W+X)의 값이 70미만인 경우, 내열성 개선 효과가 불충분하고, B층과의 조합에 의한 경질화도 부족하다. 그리고, Si를 소량이라도 함유하면, A층의 경도는 향상된다. 70≤W+X<100의 조건을 만족시킨 데 더하여, W에 대하여는, 30≤W≤70이 바람직하고, 35≤W≤70이 보다 바람직하고, 45≤W≤65가 특히 바람직하다. 또 X에 대하여는, 20≤X≤60이 바람직하고, 25≤X≤50이 보다 바람직하고, 25≤X≤35가 특히 바람직하다. Y 및 Z에 대하여는, 0<Y≤30, Z≤10인 것이 바람직하고, 2≤Y≤10, Z≤5인 것이 보다 바람직하다.

B층의 금속 성분은, Al_WCr_XTi_YSi_Z［W + X + Y + Z = 100, 및 30≤Y<100(원자%]을 만족시키는 조성을 가진다. Y의 값이 30미만인 경우, A층과 B층과의 밀착 강도가 낮고, 중간 적층부의 경도가 부족하다. 이것은 중간 적층부의 결정 구조에 hcp 구조가 출현하기 때문이다. 그리고, Si를 소량이라도 함유하면, B층의 경도는 향상된다. Y에 대하여는, 30≤Y≤95가 바람직하고, 30≤Y≤90이 보다 바람직하다. W, X 및 Z에 대하여는, 0<W≤50, 0<X≤20, Z≤20이 바람직하고, 1≤W≤50, 1≤X≤15, Z≤10이 보다 바람직하다.

A층 및 B층의 막두께는 각각 0.5 ~ 100nm인 것이 바람직하고, 1 ~ 70nm인 것이 보다 바람직하고, 2 ~ 50nm인 것이 특히 바람직하다. 이와 같은 막두께에 의해, Al, Cr 및 Ti를 필수 성분으로 하는 중간 적층부가 고경질화되고, 최하층 및 최상층과의 밀착 강도, 및 경질 피막 전체의 강도 밸런스가 향상된다. A층 및 B층의 각 두께가 0.5nm 미만인 경우, 경도 및 윤활성이 낮고, 또 100nm 초과의 경우, 중간 적층부의 고경질화가 충분히 달성되지 않는다. 그리고, A층 및 B층의 적층부 외에, 100nm 이상의 층두께의 다른 층이 존재해도, 중간 적층부의 상기 특성은 발휘된다.

중간 적층부는, X선 회절에 있어서 2θ가 40°~ 45°의 범위에 적어도 2개의 피크를 가지는 것이 바람직하다. 이것은 중간 적층부에 2개 이상의 다른 격자 정수(定數)를 가지는 상태의 상(相)이 형성되는 것을 의미하고, 이것이 중간 적층부 내에 불균일을 유발하여, 고경질화에 유효하게 부여한다.

중간 적층부를 구성하는 A층과 B층은, 적어도 Al, Cr 및 Ti가 상호 확산된 층인 것이 바람직하다. 이로써, 최하층과 중간 적층부와의 계면, 중간 적층부 내의 A층과 B층과의 계면, 및 중간 적층부와 최상층과의 계면의 밀착 강도가 향상되고, 그 결과 중간 적층부의 경도가 향상되는 동시에, 경질 피막 전체의 강도의 밸런스가 최적으로 된다. 상호 확산층의 유무는, 투과형 전자 현미경에 의한 격자상(格子像) 관찰, 및 각 층의 에너지 분산형 X선 분광(EDS) 분석에 의해 확인할 수 있다.

A층과 B층은, 결정 격자가 연속되어 있는 것이 바람직하다. 이로써, A층과 B층의 밀착 강도 및 내마모성이 개량된다. 연속된 결정 격자 구조는, 투과 전자 현 미경에 의한 격자상 관찰, 제한 시야 회절상, 또는 미소부 전자선(電子線) 회절에 의해 확인할 수 있다.

중간 적층부의 Si 함유량은 표층일 수록 많은 것이 바람직하다. 이로써, 중간 적층부에서 밀착 강도, 경도 및 강도가 경사화(傾斜化)되어 경질 피막 전체의 내마모성이 개선된다.

(3) 최하층의 조성

최하층은, Al, Cr, Ti 및 Si로부터 선택되는 1종 이상의 금속 원소로 이루어지는 질화물로 이루어지는 것이 바람직하다. 최하층은 Al을 50 원자% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 이와 같은 조성을 가지는 최하층은, 중간 적층부 및 최상층의 응력을 완화한다. 최하층과 중간 적층부는, 계면에서 상호 확산되어 있는 것이 바람직하다. 상호 확산에 의해 밀착 강도가 향상된다. 질소 이외의 비금속 성분으로서, 산소, 탄소, 붕소 또는 유황을 미량 함유해도 된다.

최상층, 중간 적층부 및 최하층의 조성은, 전자 프로브 마이크로 아날라이저(EPMA), 에너지 분산형 X선 분광기(EDX), 투과형 전자 현미경 부속의 EDS, 또는 전자 에너지 손실 분광기(EELS)에 의해 분석 가능하다. 각 층의 조성 분석에는, 라자포드 후방 산란(RBS) 분석법, 전자 분광(XPS) 분석법, AES 분석법 등의 분석법을 병용해도 된다.

(4) 각 층의 두께 및 물성

(a) 각 층의 두께

최상층의 두께 T_U는 0.01 ~ 5μm인 것이 바람직하다. 최상층이 0.01μm 미만인 경우, 최상층에 의한 내용착성 및/또는 내마모성의 개선 효과가 불충분하다. 또, 최상층이 5μm초과의 경우, 내마모성의 개선 효과를 충분히 얻을 수 없다. 중간 적층부의 두께 T_M는 0.1 ~ 5μm인 것이 바람직하다. 중간 적층부가 0.1μm 미만인 경우, 최상층과 최하층의 밀착 강도, 경도 및 강도의 밸런스가 나쁘고, 내마모성 개선 효과가 충분히 발휘되지 않는다. 최하층의 두께 T_L는 0.01 ~ 3μm인 것이 바람직하다. 최하층이 0.01μm 미만인 경우, 최상층의 고경질화에 의한 내마모성 개선 효과를 충분히 얻을 수 없다. 또 최하층의 층두께가 3μm초과의 경우, 경질 피막의 박리나 비정상 마모가 발생하는 경우가 있다. 특히 T_M≤T_U≤T_L의 관계를 만족시키는 경우, 본 발명의 효과가 최대한으로 발휘된다.

(b) 물성(物性)

중간 적층부의 경도 H는 30 ~ 50GPa인 것이 바람직하고, 30 ~ 40GPa인 것이 보다 바람직하다. 중간 적층부의 탄성 계수 E는 450 ~ 550GPa인 것이 바람직하다. 중간 적층부의 탄성 회복율 R은 28 ~ 38%인 것이 바람직하고, 28 ~ 34%인 것이 보다 바람직하다. R값이 28%미만인 경우, 내마모성이 부족하고, 38%초과의 경우, 내박리성이 부족하고 비정상 마모가 발생하기 쉽다. 경도 H, 탄성 계수 E, 또는 탄성 회복율 R이 상기의 범위 내에 있으면, 경질 피막 전체의 밀착 강도, 윤활성 및 내열성의 밸런스가 최적이고, 최하층 및 최상층의 효과가 최대한으로 발휘되어 비정상 마모의 방지에 유효하다.

경도 H, 탄성 계수 E, 및 탄성 회복율 R은, 나노인덴테이션(nano-indentation)에 의한 경도 측정법에 의해 측정한 접촉 깊이와 최대 하중시의 최대 변위량으로부터 구한다(WC. Oliver And G. M. Pharr：J. Mater. Res., Vol. 7, No. 6, June, 1992, pp. 1564-1583). 탄성 회복율 R은, R= 100－[(접촉 깊이)/(최대 하중시의 최대 변위량)]로 정의한다. 경도 H는 빅커스 경도 등의 통상의 소성(塑性) 변형 경도와는 상이하다.

[2] 피복 방법

기체에, 물리 증착법에 의해 최하층, 중간 적층부 및 최상층을 형성하는 것이 바람직하다. 물리 증착법으로서는, 특히 스퍼터링법, 및 아크 방전식 이온 플레이팅(AIP)법이 바람직하다. 이들 방법을 이용함으로써, 경도, 밀착 강도, 내박리성 및 비정상 마모 억제가 우수한 경질 피막이 형성된다.

상기 피복 방법에 있어서, 최하층 형성용 금속 타겟재(1)와 최상층 형성용 금속 타겟재(2)를 사용하여, 최하층, 중간 적층부 및 최상층을 차례로 형성하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 먼저 최하층용 금속 타겟재(1)를 방전시켜 최하층을 형성하고, 다음에, 금속 타겟재(1)와 금속 타겟재(2)를 동시에 방전시켜 중간 적층부를 형성한다. 마지막으로 금속 타겟재(1)의 방전을 정지하고, 금속 타겟재(2)에 의해 최상층을 형성한다. 이 피복 방법에 의해, 우수한 내용착성 및/또는 내마모성을 가지는 경질 피막 피복 부재를 얻을 수 있다.

본 발명의 경질 피막 피복 부재는, 고속도강, 초경합금, 서메트(cermet) 등의 기체에 경질 피막을 형성한 엔드밀이나 드릴인 것이 바람직하다. 경질 피막의 형성에 의해 내마모성이 현저하게 개선되어 공구의 마모가 현저하게 저감한다. 경질 피막에 의해 특히 윤활성이 개선되므로, 경질 피막 피복 부재는 드릴에 매우 적합하다.

본 발명을 이하의 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

(1) AIP 장치

경질 피막의 형성은, 도 2에 나타낸 AIP 장치를 사용하여 행하였다. AIP 장치는, 감압 용기(11)와, 감압 용기(11)의 내벽에 배치한 복수개의 아크 방전식 증발기(4)~(7)와, 감압 용기(11)의 저부에 배치한 기체 홀더(8)로 이루어진다. 아크 방전식 증발기(4)~(7)는 감압 용기(11)의 벽과 절연되어 있다. 아크 방전식 증발기(4) 및 (6)에는 경질 피막의 최하층용 금속 성분으로 되는 타겟재(1)를 장착하고, 아크 방전식 증발기(5) 및 (7)에는 경질 피막의 최상층용 금속 성분으로 되는 타겟재(2)를 장착했다. 각 아크 방전식 증발기(4)~(7)에 소정의 전류를 공급하여 타겟재(1) 및/또는 (2) 상에서 아크 방전을 행하고, 금속 성분을 증발 및 이온화시키는 동시에, 감압 용기(11)와 기체 홀더(8) 사이에 인가한 바이어스 전압에 의해, 기체 홀더(8)에 장착한 기체(9)에 타겟재(1) 및/또는 (2)로부터의 금속을 증착시켰다. 기체(9)는 기체 홀더(8) 상에 설치된 회전 기구(도시하지 않음)에 의해, 1 ~ 10rpm의 범위에서 회전시킬 수 있다. 타겟재(1)에 기체(9)가 대향했을 때는 타겟재(1)의 금속 성분을 함유한 층이 형성되고, 타겟재(2)에 기체(9)가 대향했을 때는 타겟재(2)의 금속 성분을 함유한 층이 형성된다.

경질 피막으로의 탄소, 산소, 질소 또는 붕소 성분의 첨가는, 목적하는 피막 조성이 얻어질 수 있도록 CH₄ 가스, C₂H₂ 가스, O₂가스, CO가스, N₂가스, Ar가스 등의 1종 이상을 함유하는 가스 조성물을 피막 공정 시에 감압 용기(11)에 도입함으로써 행하였다. 예를 들면, 질소 가스를 도입하면서 성막을 행함으로써, 타겟재의 금속 조성을 가지는 질화물을 형성할 수 있다.

(2) 기체의 사전 처리

기체로서, Co 함유량 13.5 질량%, 나머지 WC 및 불가피한 불순물로 이루어지는 초경합금을 사용하여, JIS 규격 SNGA432의 인서트를 제작하였다. 기체는 탈지 세정 후, 기체 홀더(8)에 장전하고, 감압 용기(11)에 설치된 가열용 히터에 의해, 30분간 550℃에서 가열하여 탈가스 처리를 행하였다. 이어서, 감압 용기(11)에 도입한 Ar가스를, 감압 용기(11)에 설치된 열 필라멘트에 의해 이온화하고, 바이어스 전압을 기체에 인가하여 Ar 이온에 의해 기체 표면을 30분간 클리닝 처리했다.

(3) 시료 1의 제작

시료 1의 경질 피막의 형성에는, 분말야금법으로 작성한 금속제 타겟재(1),(2)를 사용하였다. 도 2에 나타낸 바와 같이, Al₆₀Cr₃₇Si₃(원자%)의 조성을 가지는 최하층 형성용 타겟재(1),(1)를 아크 방전식 증발기(4) 및 (6)에 장착하고, Ti₁₀₀의 조성을 가지는 최상층 형성용 타겟재(2),(2)를 아크 방전식 증발기(5) 및 (7)에 장착했다.

(a) 최하층의 형성

타겟재(1)를 장착한 증발기(4) 및 (6)에 25V, 100A의 전류를 공급하고, 부(負)바이어스 전압을 50V, 질소 베이스의 반응 가스 압력을 4Pa, 기체 온도를 500℃, 기체의 회전 속도를 3rpm으로 하여, 기체 표면에 약 200nm의 질화물로 이루어지는 최하층을 형성하였다. 이 때, Al₆₀Cr₃₇Si₃의 타겟 조성에 대하여, 증착층의 금속 조성은 Al₅₇Cr₄₁Si₂였다.

(b) 중간 적층부의 형성

피복 시간의 경과와 함께, 타겟재(1)를 장착한 증발기(4) 및 (6)에 공급하는 전류(25V)를 100A로부터 단계적으로 60A까지 변화시키는 동시에, 타겟재(2)를 장착한 증발기(5) 및 (7)에 공급하는 전류(20V)를 60A로부터 단계적으로 100A까지 변화시켰다. 기체에는, 펄스 바이어스 전압(부바이어스 전압：60V, 정(正)바이어스 전압：10V, 주파수：20kHz, 진폭을 마이너스측에 80%, 플러스측에 20%의 조건)을 인가하였다. 질소 베이스의 반응 가스의 압력은 6Pa, 기체 온도는 525℃, 기체의 회전 속도는 6rpm이었다. 이같이 하여 최하층 상에 질화물로 이루어지는 약 2600nm의 중간 적층부를 형성하였다.

(c) 최상층의 형성

타겟재(1)를 장착한 증발기(4) 및 (6)로의 전류 공급을 정지하고, 부바이어스 전압을 100V, 정바이어스 전압을 0V, 주파수를 10kHz, 진폭을 마이너스측에 95%, 플러스측에 5%, 반응 가스의 압력을 1.5Pa(N2：100sccm, Ar：30sccm, C₂H₂： 20sccm), 기체 온도를 500℃, 기체의 회전 속도를 3rpm으로 설정하고, 타겟재(2)에 의해 탄질화물로 이루어지는 약 200nm의 최상층을 형성하였다(시료 1).

(4) 시료 1의 구조 해석

시료 1에 있어서의 경질 피막의 중간 적층부의 층두께, 적층 구조, 조성 및 결정 구조를 이하의 방법에 의해 측정하였다. X선 회절에 의한 결정 구조의 정성(定性) 해석은, 최하층 및 최상층의 영향을 제거하기 위하여, 중간 적층부만으로 이루어지는 경질 피막에 대하여 행하였다. 리가쿠사(Rigaku Corporation)제의 X선 회절 장치(Rotaflex RV-200 B)를 사용하여, 관(管)전압을 120kV 및 전류를 40μA로 하고, CuKα선을 X선원으로 하고, 입사각을 5°, 입사 슬릿을 0.4mm, 2θ= 30°~ 70°의 범위에서 X선 회절의 측정을 행하였다. X선 회절 차트를 도 3에 나타낸다. 도 3으로부터 시료 1의 중간 적층부는, fcc 구조를 가지고, 2θ가 40°~ 45°의 범위에 적어도 2개 이상의 피크를 가지는 것을 알 수 있다. 도 3에 있어서, 피크 1은 B층의 fcc 구조 (111)면으로부터의 회절 피크, 피크 2가 A층의 (111)면으로부터의 회절 피크, 피크 3이 B층의 (200)면으로부터의 회절 피크, 피크 4는 A층의 (200)면으로부터의 회절 피크이다. 기체에 기인하는 회절 피크를 "기체"라고 한다.

경질 피막의 층구조의 분석은 투과 전자 현미경(TEM)에 의해 행하였다. TEM 관찰에 사용한 시료는, 시료 1을 더미 기판에 에폭시 수지에 의해 접착하고, 절단, 보강링 접착, 연마, 딤플링(Dimpling), Ar 이온 밀링을 행하여 작성하였다. 시료 1의 두께가 원자층의 두께가 되는 영역에 대하여, 조직 관찰, 격자상 관찰, 미소부(1nmφ) 에너지 분산형 X선 분광(EDS) 분석, 및 미소부(1nmφ) 전자선 회절 측정 을 행하고, 경질 피막의 층구조를 결정했다. 니혼덴시 가부시키가이샤제의 전해(電解) 방사형 투과 전자 현미경(JEM-2010F)을 사용하여, 가속 전압 200kV로 조직 관찰을 행하고, 장치 부속의 노런 인스트루먼트(Noran Instrument)제 UTW형 Si(Li) 반도체 검출기를 사용하여 미소부 EDS 분석을 행하고, 나노미터 오더로 적층막의 조성을 결정했다. 미소부 EDS 분석은, 반값폭 1nm의 전자 프로브를 사용하였으므로, 2nm 이상의 층두께이면 조성 정량이 가능했다. 또 측정 정밀도는 대략 2% 이내였다.

적층막의 결정 구조의 동정(同定;identification)을, 미소부 전자선 회절에 의해, 카메라 길이를 50cm, 빔 직경을 1nmφ로 수속시켜 행하였다. 주사 투과 전자 현미경법(STEM)에 의해, 시료 1의 중간 적층부의 단면을 관찰한 결과를 도 4에 나타낸다. 시료 1의 중간 적층부는, 나노 오더의 적층 구조를 가지고, 각 층의 두께는 약 0.5 ~ 100nm였다.

도 4 중의 중간 적층부에 있어서의 1250nmφ의 제한 시야 회절상을 도 5에 나타낸다. 시료 1의 중간 적층부에는, X선 회절 결과와 마찬가지로 2종의 격자 정수에 기인하는 링(rings)이 인정되었다. 각 링에 있어서 내측과 외측의 강도 분포가 마찬가지이므로, 결정 입자의 방위(方位)가 갖추어져 있고, 막두께 방향으로 격자가 연속되어 있는 것을 알 수 있다. 도 6은, 도 4의 확대도이다. 위치 1 ~ 5에 있어서의 EDS 조성 분석 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1

도 6의 위치 1과 위치 3이 동일 층에 있고, 위치 2, 위치 4 및 위치 5가 동일 층에 있는 것을 알 수 있다. 표 1로부터, 시료 1의 Al 함유량(원자%)은, 금속 성분을 100%로 하여, A층에서는 61.22 ~ 62.65%, B층에서는 0.93 ~ 6.21%였다. 기체를 회전시키면서 증착했기 때문에, Al₆₀Cr₃₇Si₃ 타겟에 기체가 가까워졌을 때 Al₆₀Cr₃₇Si₃의 질화물이 형성되고, Ti₁₀₀ 타겟에 기체가 가까워졌을 때 Ti₁₀₀의 질화물이 형성될 것으로 생각되지만, 실제로는 Al₆₀Cr₃₇Si₃ 타겟 성분과, Ti₁₀₀ 타겟 성분이 혼합된 층이 되었다. 이것은, 수(數)나노 레벨의 층두께의 피막을 적층할 때, 금속 성분이 층간에서 상호 확산되었던 것으로 생각된다. 이 상호 확산이 층간의 결합 강도를 높여 우수한 내마모성을 발휘하는 것으로 생각된다.

(5) 시료 2 ~ 38의 제작

표 2에 나타낸 각종 타겟재를 사용한 이외는 시료 1과 마찬가지로 하여, 시료 2 ~ 38을 제작했다. 시료 2 ~ 23은 실시예이며, 시료 24 ~ 28은 비교예, 시료 29 ~ 38은 종래예이다. 각 시료의 경질 피막에 대하여, 상기와 같은 평가를 행하였다. 결과를 표 3에 나타낸다.

표 2는 증발기(4)~(7)에 장착한 타겟재의 조성을 나타낸다. 표 3은 시료에 대하여, (a) 최하층의 조성 및 막두께, (b) 중간 적층부의 A층 및 B층의 조성, 필요에 따라 타층의 조성, 각 층의 막두께, 상호 확산의 유무, 격자의 연속성, 2θ가 40°~ 45°의 범위의 피크수, 총 두께, 경도, 탄성 계수, 및 탄성 회복율, 및 (c) 최상층의 조성 및 막두께를 나타낸다. 중간 적층부의 각 층의 조성은, 시료 1과 마찬가지로 TEM-EDS에 의해 결정했다. 막두께는 단면 STEM 상으로부터 구했다. 중간 적층부의 경도, 탄성 계수 및 탄성 회복율은, 5°방향으로 경면(鏡面) 연마한 시료 단면에 대하여, 나노인덴테이션에 의해, 압입(壓入) 하중 49mN 및 최대 하중 유지 시간 1초의 조건에 의해 얻어진 10개의 측정값을 평균으로 한 값이다.

표 2

표 2(계속)

주：(1) 비교예

(2) 종래예

표 3

표 3(계속)

주：(1) 비교예

(2) 종래예

표 3(계속)

주：(3) 중간 적층부의 Si 함유량이 막두께 방향으로 상이하였다.

표 3(계속)

주: (1)비교예

(2) 종래예

표 3(계속)

표 3(계속)

주: (1) 비교예

(2) 종래예

표 3(계속)

주: (4) 스퍼터링과 AIP에 의해 형성한 150nm의 Ti(CN)MoS₂의 위에 50nm의 Ti(CN)층을 적층했다.

(5) 표면 산소 농도가 높았다.

표 3(계속)

주：(1) 비교예

(2) 종래예

(6) 경질 피막을 스퍼터링법에 의해 형성

(7) 기체 온도를 변경

실시예 2

실시예 1의 시료 1 ~ 38에 대응하는 경질 피막을, 고속도 강제(鋼製) 6mm φ의 드릴(절삭 평가 1), 및 초경 합금제 2개날의 볼 엔드밀(절삭 평가 2)의 기체에 형성하고, 이하의 조건으로 절삭 성능의 평가를 행하였다. 각 실험의 성막 조건은, 특히 기재가 없는 한 실시예 1과 같고, 실험 번호는 실시예 1의 시료 번호에 대응한다. 평가 결과를 표 4에 나타낸다.

(a) 절삭 평가 1의 조건

피삭재： SCM440(HRC30)

공구 회전수：3200rpm

1회전당의 이송량：0.15mm

가공 깊이：15mm, 멈춤 구멍

가공 방법：외부로부터 공급된 수용성 절삭액을 사용

수명 판정：절삭 불가능하게 도달할 때까지의 구멍수, 단 100구멍 미만 잘라서 버림

(b) 절삭 평가 2의 조건

피삭재：마루텐사이트계 스테인레스강(HRC52)

공구 회전수：20000rpm

테이블 이송량：4000m/분

절삭 깊이：축 방향 0.4mm, 피크 피드 0.2mm

가공 방법：드라이 절삭

수명 판정：최대 마모폭이 0.1mm에 이를 때까지의 절삭 길이, 단 10m 미만 잘라서 버림

표 4

표 4(계속)

주：(1) 비교예

(2) 종래예

표 4에 나타낸 바와 같이, 실험 1 및 2의 절삭 공구(시료 1및 시료 2의 성막 조건으로 제작된 경질 피막을 가짐)를 비교하면, AlCrSi계 타게과 Ti계 타겟을 사용하여 형성한 시료 1은, AlCr계 타겟과 Ti계 타겟을 사용한 시료 2에 비해 절삭 수명이 길고, 보다 내마모성이 우수했다. 실험 3의 절삭 공구는 실험 1의 절삭 공구와 같은 조성이지만, 중간 적층부의 각 층이 0.5 ~ 10nm로 얇기 때문에, 중간 적층부의 경도가 높고 절삭 수명이 우수했다. AlCrSi계 타겟과 TiSi계 타겟을 사용하여 제작한 실험 4의 절삭 공구는, 실험 1의 절삭 공구보다 절삭 수명이 길었다. 실험 5의 절삭 공구는, 중간 적층부는 AlCrSi계 타겟과 Ti계 타겟으로 형성하고, 최상층을 TiSi계 타겟으로 형성한 것이며, 내마모성이 우수했다.

실험 6의 절삭 공구는, 스퍼터링 증발기와 AIP 증발기를 동시에 가동시켜 형성한 Ti(CN)와 MoS₂의 나노 오더의 적층막(두께 150nm) 상에, 50nm의 Ti(CN) 층으로 이루어지는 최상층을 형성한 것이다. 실험 6의 절삭 공구는 특히 드릴 가공에 매우 적합했다. 실험 7의 절삭 공구는 중간 적층부에 산소를 함유하는 것이며, 내마모성이 우수했다. 이것은 중간 적층부의 고경질화 및 층간의 밀착성 향상에 대하여, 산소가 유효하게 작용했던 것으로 생각된다. 실험 8의 절삭 공구는 중간 적층부에 붕소를 함유하는 것이며, 특히 중간 적층부가 고경질화되어 있고, 절삭 수명이 우수하였다. 실험 9의 절삭 공구는, 중간 적층부 및 최상층에 붕소를 함유하는 것이며, 칩 배출성 및 절삭 수명이 우수하였다. 실험 10의 절삭 공구는, AlCrSi계 타겟의 Al 함유량이, 실험 1의 절삭 공구와 다른 것이며, 실험 1과 마찬가지로 내마모성이 우수했다.

실험 11의 절삭 공구는, 최상층이 질화 티탄이며, 실험 1보다 절삭 수명이 짧았다. 실험 12의 절삭 공구는, 최상층이(TiSi)N이며, 특히 내마모성이 우수했다. 실험 13의 절삭 공구는, 중간 적층부의 Si 함유량이 막두께 방향 상층 측에 많게 되고, 평균 조성이 같지만 조성의 경사가 없는 실험 4의 절삭 공구보다 절삭 수명이 길고, 내마모성이 우수했다. 실험 14 및 15의 절삭 공구는, 최하층, 중간 적층부, 최상층의 막두께의 비율이 실험 1과 같았다.

실험 16의 절삭 공구는 중간 적층부의 경도가 28GPa이며, 실험 17의 절삭 공구는 중간 적층부의 탄성 계수가 560GPa이며, 실험 18의 절삭 공구는 탄성 회복율이 27%였다. 이들 경도, 탄성 계수, 탄성 회복율의 값은 본 발명의 바람직한 범위 밖이며, 다른 절삭 공구에 비해 절삭 수명이 짧았다. 실험 19의 절삭 공구는 경질 피막 표면으로부터 100nm 이하의 범위에서 산소 농도가 최대의 것이며, 윤활 특성이 우수하였다. 경질 피막을 스퍼터링법에 의해 형성한 실험 20의 절삭 공구는, AIP법에 의해 형성한 경질 피막을 가지는 절삭 공구와 마찬가지로 우수한 절삭 수명을 나타낸다.

시료 21 ~ 23은, 중간 적층부의 B층의 Ti 함유량에 맞추어 기체 온도를 제어하여 제조했다. 구체적으로는, 시료 21~23은, AIP법을 이용하여, 바이어스 전압 50V, 반응 가스 압력 5Pa, 기체 온도 500℃, 기체의 회전 속도 매분 2회전의 조건에서 증발기(5)에 의해 (TiAl)N으로 이루어지는 최하층을 1μm 형성하고, 다음에 바이어스 전압 75V, 반응 가스 압력 5Pa, 기체 온도 450℃, 기체의 회전 속도 매분 2회전의 조건에서 증발기(4,5,6)에 의해 중간 적층부를 형성하고, 또한 바이어스 전압 50V, 반응 가스 압력 3Pa, 기체 온도 450℃, 기체의 회전 속도 매분 2회전의 조건에서 증발기(7)에 의해 (TiSi)N으로 이루어지는 최상층을 1μm 형성함으로써 제조했다. 이들 시료에 대응하는, 실험 21 ~ 23의 절삭 공구는 건식 절삭뿐아니라, 습식 및 미스트 절삭에 있어서도 경질 피막의 박리가 적어, 내마모성이 우수하였다.

비교예(실험 24 ~ 28의 절삭 공구)의 피복 조건은, 표 2에 나타낸 조성을 가지는 타겟 4 ~ 7을 사용하고, 표 2에 나타된 특성, 구조 등으로 되도록 부분적으로 성막 조건을 변경한 이외에는, 실험 1과 동일하다. 실험 24의 절삭 공구는, 중간 적층부의 A층의 Al 및 Cr의 함유량의 합이 70%이므로, 중간 적층부와 최상층과의 밀착 강도가 충분하지 않아, 내마모성이 충분히 개선되어 있지 않았다. 실험 25의 절삭 공구는, 중간 적층부의 각 층의 막두께가 105 ~ 150nm이며, 최상층 및 중간 적층부가 고경질화가 되어 있지 않고, 중간 적층부의 층간에서 상호 확산이 확인되지 않아, 내마모성이 충분히 개선되어 있지 않았다. 실험 26의 절삭 공구는, 중간 적층부의 Al의 함유량이 15%이하이며, X선 회절에 있어서의 2θ가 40°~ 45°의 범위에 피크가 1개뿐이어서, 내마모성이 충분히 개선되어 있지 않았다. Ti를 함유하지 않는 최상층을 가지는 실험 27의 절삭 공구, 및 최상층을 갖지 않는 실험 28의 절삭 공구는 모두 내마모성의 불균일이 크고, 또한 불충분했다.

시료 29는 TiN의 최하층 상에(TiAl)N층을 가졌다.. 시료 30은(TiAl)N의 단일층을 가졌다. 시료 31은(AlCrSi)N의 단일층을 가졌다. 시료 32 및 33은(AlCr)N의 단일층을 가졌다. 시료 34는(AlCrTi)N의 단일층을 가졌다. 시료 35는(AlCrTiSi)N의 단일층을 가졌다. 시료 36은(AlCr)N 적층막을 가졌다. 시료 37은(AlCr)N와 (TiAl)N의 적층막을 가졌다. 시료 38은(TiAl)N 적층막을 가졌다. 시료 29 ~ 38과 같은 피복 조건에 의해 제작한 절삭 공구(실험 29 ~ 38)는 어느 쪽도 절삭 과정에서 비정상 마모가 발생하고, 내마모성이 충분하지 않았다.

실시예 3

(1) 시료 41의 제작

시료 41의 성막에 사용한 타겟은, 분말야금법(powder metallurgy method)으로 작성한 금속제 타겟이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 타겟재(1)로서 Al₆₀Cr₃₇Si₃(원자%)를, 아크 방전식 증발기(4) 및 (6)에 장착하고, 타겟재(2)로서 Ti₁₀₀을, 아크 방전식 증발기(5)에 장착하고, 타겟재 3으로서 Cr₉₀Si₅B₅(원자%)를, 아크 증발기(7)에 장착했다.

(a) 최하층의 형성

타겟재(1)를 장착한 증발기에 25V, 100A의 전류를 공급하고, 부바이어스 전압을 100V, 반응성 가스 압력을 4Pa, 기체 온도를 500℃, 기체의 회전 속도를 3rpm으로 하고, 기체 표면에 약 200nm의 질화물 최하층을 형성하였다. Al₆₀Cr₃₇Si₃의 타겟재(1)의 조성에 대하여, 증착된 최하층의 금속 성분 조성은 Al₅₇Cr₄₁Si₂였다.

(b) 중간 적층부의 형성

타겟재(1)를 장착한 증발기에 25V, 100A의 전류를 공급하는 동시에, 타겟 재(2)를 장착한 증발기에 20V, 60A의 전류를 공급하고, 최하층 상에 질화물층의 형성을 개시하였다. 또한, 타겟재(2)를 장착한 증발기에 공급하는 전류를 피복 시간의 경과와 함께 60A로부터 단계적으로 100A까지 증가시키는 동시에, 타겟재(1)를 장착한 증발기의 전류를 피복 시간의 경과와 함께 100A로부터 단계적으로 60A까지 변화시켰다. 기체에는, 펄스 바이어스 전압(부바이어스 전압：100V, 정바이어스 전압：10V, 주파수：20kHz, 진폭을 마이너스측에 80%, 플러스측에 20%의 조건)을 인가하였다. 전압력을 6Pa로 하고, 기체 온도를 525℃로 하고, 기체의 회전 속도를 5rpm으로 하여, 타겟재(1) 및 (2)에 의해 질화물로 이루어지는 두께 약 2600nm의 중간 적층부를 형성하였다.

(c) 최상층의 형성

각 타겟재(1),(2)를 장착한 증발기로의전류 공급을 멈추어 타겟재(3)를 장착한 증발기의 전류 공급을 개시하고, 부바이어스 전압을 80V, 정바이어스 전압을 0V, 주파수를 10kHz, 진폭을 마이너스측에 95%, 플러스측에 5%, 전압력을 2.5Pa, 기체 온도 500℃, 기체의 회전 속도 3rpm으로 설정하여, 질화물로 이루어지는 최상층을 약 200nm 형성하였다.

(2) 시료 42 ~ 71의 제작

표 5에 나타낸 각종 타겟을 사용한 이외는 시료 41과 마찬가지로 하여, 경질 피막을 형성한 시료 42 ~ 71을 제작했다. 시료 42 ~ 65는 실시예이며, 시료 66 ~ 71은 비교예다. 각 시료의 경질 피막을 평가한 결과를 표 6에 나타낸다.

표 5

표 5(계속)

주：(1) 비교예

표 6

표 6(계속)

주：(1) 비교예

표 6(계속)

표 6(계속)

주：(1) 비교예

표 6(계속)

표 6(계속)

주：(1) 비교예

표 6(계속)

주：(5) 표면 산소 농도가 높았다.

(6) 경질 피막을 스퍼터링법에 의해 형성.

(8) 스퍼터링과 AIP에 의한 150nm의 CrN/MoS₂의 최상층 상에 50nm의 CrN층을 적층.

표 6(계속)

주：(1) 비교예

(7) 기체 온도를 변경.

(9) 최상층 상에 DLC층을 20nm형성.

(10) 최상층 상에(ArCrSi)NO층을 20nm형성.

표 5는 감압 용기 내에 복수개 배치한 증발기(4),(5),(6),(7)에 장착한 타겟의 조성, 표 6은 (a) 최하층의 조성 및 막두께, (b) 중간 적층부의 A층 및 B층의 조성, 필요에 따라 타층의 조성, 각 층의 막두께, 상호 확산의 유무, 격자의 연속성, 2θ가 40°~ 45°의 범위의 피크수, 총 두께, 경도, 탄성 계수, 및 탄성 회복율, 및 (c) 최상층의 조성 및 막두께를 나타낸다. 이들의 특성은 실시예 1과 마찬가지로 측정했다.

실시예 4

실시예 2와 마찬가지의 방법으로, 실시예 3의 시료 41 ~ 71의 경질 피막을, 절삭 공구에 형성하고, 절삭 성능의 평가를 행하였다. 실험의 성막 조건은, 특히 기재가 없는 한 실시예 3과 같고, 실험 번호는 실시예 3의 시료 번호에 대응한다. 평가 결과를 표 7에 나타낸다.

표 7

표 7(계속)

(1) 비교예

표 7로부터 명백한 바와 같이, 실험 41 및 42의 절삭 공구는, 윤활 특성 및 내용착성이 개선되었기 때문에 내마모성이 우수했다. AlCrSi계와 Ti계 타겟을 사용하여 제조한 실험 41의 절삭 공구보다 절삭 수명이 길었다. 실험 43의 절삭 공구는 실험 41의 절삭 공구와 같은 조성이지만, 중간 적층부의 각 층이 0.5 ~ 10nm로 얇기 때문에, 중간 적층부의 경도가 높고 절삭 수명이 우수했다. 실험 44의 절삭 공구는, AlCrSi계 타겟과 TiSi계 타겟을 사용하여 제작한 것이며, 실험 41의 절삭 공구보다 절삭 수명이 길었다. 실험 45의 절삭 공구는, 중간 적층부를 AlCrSi계 타겟과 Ti계 타겟으로 형성하고 최상층을 Cr 타겟으로 형성한 것이며, 내용착성과 내마모성이 우수했다.

실험 46의 절삭 공구는, 스퍼터링 증발기와 AIP 증발기를 동시에 가동시킴으로써, 나노미터 오더 두께의 CrN층과 MoS₂층으로 이루어지는 적층막을 200nm 형성한 것이며, 특히 드릴 가공에 매우 적합했다. 실험 47의 절삭 공구는, 중간 적층부에 산소를 함유하는 것이며, 내용착성과 내마모성이 우수했다. 이것은 중간 적층부의 고경질화 및 층간의 밀착성 향상에 대하여, 산소가 유효하게 작용했기 때문인 것으로 생각된다. 실험 48 및 49의 절삭 공구는, 중간 적층부에 붕소를 함유하는 것이며, 중간 적층부가 고경질화되어 있고, 절삭 수명이 우수했다. 실험 50의 절삭 공구는, AlCrSi계 타겟의 Al 함유량이 실험 41의 절삭 공구의 제조에 사용한 것과는 상이했으나, 실험 41과 마찬가지로 내용착성과 내마모성이 우수했다.

실험 51의 절삭 공구는 최상층이 탄질화 크롬이며, 최상층에 탄소를 함유하 지 않는 실험 41의 절삭 공구로부터 절삭 수명이 길었다. 실험 52의 절삭 공구는, 최상층이(CrSi)N로 이루어지고, 특히 내용착성과 내마모성이 우수했다. 실험 43의 절삭 공구는, 중간 적층부의 Si 함유량이 막두께 방향 상층 측에 많아져, 평균 조성이 같으므로 조성의 경사가 없는 실험 44의 절삭 공구보다 절삭 수명이 길고, 내마모성이 우수했다. 실험 54 및 55의 절삭 공구는 최하층, 중간 적층부 및 최상층의 막두께의 비율이, 실험 41의 절삭 공구와 상이하였다. 실험 41의 절삭 공구와 같이 중간 적층부가 두께 있는 방법이 바람직했다.

실험 56의 절삭 공구는 중간 적층부의 경도가 28GPa이며, 실험 57의 절삭 공구는 중간 적층부의 탄성 계수가 560GPa이며, 실험 58의 절삭 공구는 탄성 회복율이 27%였다. 이들 경도, 탄성 계수 및 탄성 회복율의 값은, 본 발명의 바람직한 범위 외였으므로, 실험 56 내지 58의 절삭 공구는 절삭 수명이 짧았다. 피막 표면으로부터 100nm 이하의 범위에서 산소 농도가 최대인 실험 59의 절삭 공구는 특히 윤활 특성 및 내용착성이 우수했다. 경질 피막을 스퍼터링법에 의해 형성한 실험 60의 절삭 공구는, AIP법에 의해 형성한 경질 피막을 가지는 절삭 공구와 마찬가지로 우수한 절삭 수명을 나타냈다.

실험 61의 절삭 공구는 스퍼터링법에 의해 최상층 상에 약 20nm의 DLC막을 형성한 것이다. 또 실험 62의 절삭 공구는 스퍼터링법에 의해 최상층 상에 약 20nm의(AlCrSi)(NO) 막을 형성한 것이다. 실험 41의 절삭 공구가 회색인 것에 대하여, 실험 61 및 62의 절삭 공구는 청색을 나타내고 있고, 내마모성에 큰 영향을 미치지 않는 정도로, 외관의 색채를 변화시킬 수 있었다.

실험 63 ~ 65의 절삭 공구는, 중간 적층부의 B층의 Ti 함유량에 맞추어 기체 온도를 제어하여 제조했다. 실험 63 및 64의 절삭 공구는, AIP법에 의해, 먼저 바이어스 전압 50V, 반응 가스 압력 5Pa, 기체 온도 500℃, 기체의 회전 속도를 매분 2회전의 조건에서 증발기(5)에 의해 (TiAl)N으로 이루어지는 최하층을 200nm 형성하고, 다음에 바이어스 전압 75V, 반응 가스 압력 5Pa, 기체 온도 450℃, 기체의 회전 속도 매분 8회전의 조건에서 증발기(4,5,6)에 의해 중간 적층부를 2300nm 형성하고, 또한 바이어스 전압 50V, 반응 가스 압력 3Pa, 기체 온도 450℃, 기체의 회전 속도 매분 2회전의 조건에서 증발기(7)에 의해 (CrSi)BN으로 이루어지는 최상층을 500nm 형성함으로써, 제조했다.

실험 65는, AIP법에 의해, 바이어스 전압 50V, 반응 가스 압력 5Pa, 기체 온도 450℃, 기체의 회전 속도 매분 2회전의 조건에서 증발기(4),(6)에 의해 (AlCrSi)N으로 이루어지는 최하층을 200nm 형성하고, 다음에 바이어스 전압 50V, 반응 가스 압력 5Pa, 기체 온도 450℃, 기체의 회전 속도 매분 8회전의 조건에서 증발기(4),(5),(6)에 의해 중간 적층부를 2300nm 형성하고, 또한 바이어스 전압 50V, 반응 가스 압력 3Pa, 기체 온도 450℃, 기체의 회전 속도 2rpm의 조건에서 증발기 (7)에 의해 (CrSiB)N으로 이루어지는 최상층을 500nm 형성하였다. 실험 63 ~ 65의 절삭 공구는, 건식 절삭만아니라, 습식 또는 미스트 절삭에 있어서도 피막 박리가 적어, 내마모성이 우수하였다.

비교예의 피복 조건은 시료와 동일하지만, 표 6에 나타낸 특성, 구조 등으로 되도록 부분적으로 변경을 가하였다. 비교예 66의 절삭 공구는, A층의 Al 및 Cr의 함유량의 합이 70%이므로, 중간 적층부와 최상층과의 밀착 강도가 충분하지 않고, 내마모성이 충분하지 않았다. 비교예 67의 절삭 공구는, 각 층의 막두께가 105 ~ 150nm이므로, 최상층 및 중간 적층부의 고경질화가 불충분하고, 중간 적층부의 층간에서 상호 확산이 확인되지 않고, 내마모성의 개선은 확인되지 않았다.

비교예 68의 절삭 공구는 중간 적층부의 Al의 함유량이 15%이하이며, X선 회절에 있어서 2θ가 40°~ 45°의 범위에 피크가 1개뿐이므로, 내용착성 및 내마모성이 개선되어 있지 않았다. 비교예 69의 절삭 공구는 최상층이 Cr을 함유하지 않고, 또한 비교예 70의 절삭 공구는 최상층을 가지고 있지 않았으므로, 모두 내용착성, 내마모성의 불균일이 컸다. 안정된 내마모성을 나타내지 않았다. AlCrSi 타겟과 Cr 타겟을 사용하여 형성한 중간 적층부를 가지는 비교예 71의 절삭 공구는, 중간 적층부의 경도가 낮고, 내마모성은 개선되어 있지 않았다.

본 발명의 경질 피막 피복 부재는, 경도 및 윤활성이 우수한 동시에 내용착성 및/또는 내마모성이 우수한 경질 피막을 가지므로, 고속 절삭 가공이나 심(深)구멍 가공 등에 있어서, 우수한 내마모성을 발휘한다. 또한, 본 발명의 경질 피막 피복 부재는 적층한 층간의 밀착 강도가 높으므로 층간의 박리가 쉽게 발생하지 않고, 내박리성, 내칩핑성도 우수하여, 비정상 마모가 쉽게 발생하지 않는다는 이점을 가진다.

Claims

기체(基體) 상에 최하층, 중간 적층부 및 최상층으로 이루어지는 경질 피막을 가지는 부재로서, 상기 중간 적층부는 상이한 조성을 가지는 A층 및 B층을 교대로 적층한 것이며, 상기 A층 및 B층은 각각 식：Al_WCr_XTi_YSi_Z(W, X, Y 및 Z는 각각 Al, Cr, Ti 및 Si의 원자%를 나타내고, W + X + Y + Z = 100이며, Al, Cr 및 Ti는 필수 성분이다)으로 표현되는 조성을 가지는 금속 성분의 질화물, 붕소화물, 탄화물 및 산화물, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종으로 이루어지고, 또한 상기 A층은 70≤W+X<100, 또한 30≤W≤70, B층은 30≤Y<100을 만족시키고, 상기 최상층은, Ti 또는 Ti와 Si의 질화물, 탄화물, 황화물 및 붕소화물, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종으로 이루어지며, 상기 중간 적층부를 구성하는 A층 및 B층에서 적어도 Al, Cr 및 Ti가 상호 확산되어 있는 것을 특징으로 하는 경질 피막 피복 부재.
기체 상에 최하층, 중간 적층부 및 최상층으로 이루어지는 경질 피막을 가지는 부재로서, 상기 중간 적층부는 상이한 조성을 가지는 A층 및 B층을 교대로 적층한 것이며, 상기 A층 및 B층은 각각 식：Al_WCr_XTi_YSi_Z(W, X, Y 및 Z는 각각 Al, Cr, Ti 및 Si의 원자%를 나타내고, W + X + Y + Z = 100이며, Al, Cr 및 Ti는 필수 성분이다)으로 표현되는 조성을 가지는 금속 성분의 질화물, 붕소화물, 탄화물 및 산화물, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종으로 이루어지고, 또한 상기 A층은 70≤W+X<100, 또한 30≤W≤70, B층은 30≤Y<100을 만족시키고, 상기 최상층은, Cr 또는 Cr와 Si의 질화물, 탄화물, 황화물 및 붕소화물, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종으로 이루어지며, 상기 중간 적층부를 구성하는 A층 및 B층에서 적어도 Al, Cr 및 Ti가 상호 확산되어 있는 것을 특징으로 하는 경질 피막 피복 부재.
제1항에 있어서,

상기 최상층은 Ti를 50 ~ 100 원자% 함유하는 탄질화물, 황화물 또는 붕소화물을 주체로 하는 것을 특징으로 하는 경질 피막 피복 부재.
제2항에 있어서,

상기 최상층은 Cr을 50 ~ 100 원자% 함유하는 탄질화물, 황화물 또는 붕소화물을 주체로 하는 것을 특징으로 하는 경질 피막 피복 부재.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 중간 적층부의 A층 및 B층의 막두께는 각각 0.5 ~ 100nm인 것을 특징으로 하는 경질 피막 피복 부재.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 중간 적층부는 X선 회절에 있어서 2θ가 40°~ 45°의 범위에 적어도 2개의 피크를 가지는 것을 특징으로 하는 경질 피막 피복 부재.
삭제
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 중간 적층부의 각 층의 Si 농도가 표층일 수록 높은 것을 특징으로 하는 경질 피막 피복 부재.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

최하층은, Al, Cr, Ti 및 Si로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 금속 원소로 이루어지는 질화물층인 것을 특징으로 하는 경질 피막 피복 부재.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 최하층과 상기 중간 적층부, 상기 중간 적층부 내의 A층과 B층, 및 상기 최상층과 상기 중간 적층부는 각각 계면에서 상호 확산되어 있는 것을 특징으로 하는 경질 피막 피복 부재.