KR101907052B1

KR101907052B1 - 경질 피막, 경질 피막 피복 부재, 이들의 제조 방법, 및 경질 피막의 제조에 사용하는 타깃

Info

Publication number: KR101907052B1
Application number: KR1020167033943A
Authority: KR
Inventors: 료타로 후와; 가즈유키 구보타; 유조 후쿠나가
Original assignee: 미츠비시 히타치 쓰루 가부시키가이샤
Priority date: 2014-06-02
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2018-10-11
Also published as: US20170088937A1; JP5967329B2; EP3150740A1; KR20170003627A; JPWO2015186413A1; CA2950701A1; CN106460151A; WO2015186413A1; CN106460151B; EP3150740A4; US10287672B2; EP3150740B1

Abstract

(Al_xTi_yW_z)_aN_(1-a-b)O_b(단, x, y, z, a 및 b는 각각 원자비이며 0.6≤x≤0.8, 0.05≤y≤0.38, 0.02≤z≤0.2, x＋y＋z=1, 0.2≤a≤0.8 및 0.02≤b≤0.10을 만족시키는 수치이다.)로 표시되는 조성을 가지고, 아크 이온 플레이팅법에 의해 형성된 경질 피막으로서, X선 광전자 분광 분석법으로 특정된 결합 상태에 실질적으로 Al-O 결합이 없고 W-O 결합이 있으며, 또한 X선 회절 패턴이 암염형(巖鹽型)의 단일 구조를 가지는 경질 피막.

Description

경질 피막, 경질 피막 피복 부재, 이들의 제조 방법, 및 경질 피막의 제조에 사용하는 타깃{RIGID COATING FILM, MEMBER COATED WITH RIGID COATING FILM, PRODUCTION PROCESSES THEREFOR, AND TARGET FOR USE IN PRODUCING RIGID COATING FILM}

본 발명은, 내산화성 및 내마모성이 우수한 (AlTiW)NO 경질 피막, (AlTiW)NO경질 피막에 피복된 부재, 이들의 제조 방법, 및 (AlTiW)NO 경질 피막의 제조에 사용하는 타깃에 관한 것이다.

피삭재(被削材)를 고속으로 이송하거나 고속으로 절삭 가공하는 공구나, 가혹한 성형 조건에 사용하는 금형 등을 장수명화하기 위하여, 내산화성 및 내마모성이 우수한 경질 피막을 형성하는 것이 요구되고 있으며, 각종 제안이 이루어지고 있다. 예를 들면, 일본 특허 제3877124호는, 적어도 Al, Ti, Cr, N 및 O를 함유하고, 비금속 성분이 N_wO₁₀₀ _- _w(단, w는 70∼99 원자%임)이며, 산소 함유량이 1∼10 원자%인 A층과, 산소 함유량이 10 원자% 초과 30 원자% 이하의 B층이 적층된 구조의 AlTiCrNO 경질 피막을 개시하고 있다. 일본 특허 제3877124호는, 질소와 산소의 혼합 가스를 사용하여, 그 혼합비를 조정함으로써 AlTiCrNO 피막의 산소 함유량을 조정한다고 기재하고 있다. 그러나, 일본 특허 제3877124호의 AlTiCrNO 경질 피막은 W-O 결합을 가지지 않기 때문에, 절삭 공구 등에 대한 최근의 가혹한 고성능화의 요구에 충분히 부응할 수 없다. 또한, 일본 특허 제3877124호의 방법은 산소 함유 분위기를 사용하고 있으므로, 만일 Cr 대신 W를 함유하는 경질 피막을 형성했다고 해도, 분위기 중의 산소는 우선적으로 Al과 반응하여 Al 산화물을 형성할 뿐만 아니라, Ti와도 반응하여 Ti 산화물도 형성하여, 얻어지는 AlTiWNO 피막은 충분한 내산화성 및 내마모성을 가지지 않는다.

일본 특허 제4846519호는, Al, M 성분(4a, 5a 및 6a족 금속, Si, B 및 S로부터 선택된 1종 이상의 원소), 및 Al 질화물을 함유하고, Al 질화물의 함유량이 5∼30 몰%인 타깃을 개시하고 있다. 또한, 일본 특허 제5487182호는, Al을 1∼30 원자% 함유하는 Ti-Al 합금으로 이루어지고, Al이 Ti 중에 고용(固溶)한 상태 또는 Ti와의 금속간 화합물의 상태로 존재하고, Ti-Al 합금의 평균 산소 함유량이 1070 ppmw 이하인 스퍼터 타깃을 개시하고 있다. 그러나, 일본 특허 제4846519호 및 일본 특허 제5487182호에 기재된 타깃은 불가피한 불순물 레벨을 초과하는 양의 산소를 함유하지 않으므로, 피막의 산소는 성막 분위기 중의 산소 가스로부터 도입된다. 그러므로, 일본 특허 제3877124호의 경질 피막과 마찬가지로, 일본 특허 제4846519호 및 일본 특허 제5487182호의 타깃을 사용하여 얻어지는 산소 함유 경질 피막도 충분한 내산화성 및 내마모성을 가지지 않는다.

일본공개특허 제2009-220260호는, WC기 초경합금(超硬合金) 기재(基材)에 bcc 구조의 W 개질상(改質相)을 형성한 후, 탄화물 상을 형성하고, 그 위에 질화물 경질 피막을 형성한 피복 공구를 개시하고 있다. 일본공개특허 제2009-220260호는, W 개질상을 아크 방전식 증발원이 구비된 성막 장치를 사용하는 이온 충격(ion bombardment) 처리에 의해 형성하는 것으로 기재하고 있다. 구체적으로는, 800∼860 ℃의 표면 온도의 기재에 -1000∼-600 V의 마이너스의 바이어스 전압 P1을 인가하고, 0.01∼2 Pa의 수소 가스 함유 Ar 가스를 사용하여, 아크 방전식 증발원으로부터 증발한 금속 이온(Ti 이온)을 기재에 조사한다. 그러나, 일본공개특허 제2009-220260호에서 얻어지는 질화물 경질 피막은 불가피한 불순물 레벨을 초과하는 양의 산소를 함유하지 않으므로, 목표하는 내산화성 및 내마모성을 가지지 않는다. 물론, 일본공개특허 제2009-220260호의 질화물 경질 피막의 제조에 사용하는 3개의 타깃 C1(예를 들면, Ti₁₀₀), C2(예를 들면, Al₇₀Cr₃₀) 및 C3(예를 들면, Ti₇₅Si₂₅)도 불가피한 불순물 레벨을 초과하는 양의 산소를 함유하지 않는다.

일본특표 2008-533310호는, 펄스 전원에 접속된 타깃 전극을 가지는 아크 증착 코팅 장치를 사용하여, 산소 함유 분위기 중에서(Al_xCr_1-x)_yO_z로 이루어지는 경질 피막을 형성하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 일본특표 2008-533310호의 방법에서는, 불가피한 불순물 레벨을 초과하는 양의 산소를 함유하는 타깃을 사용하지 않고, 분위기 가스로부터 산소를 도입하므로, 얻어지는 경질 피막은 목표하는 내산화성 및 내마모성을 가지지 않는다.

일본 특허 제3877124호 일본 특허 제4846519호 일본 특허 제5487182호 일본공개특허 제2009-220260호 일본특표 2008-533310호

따라서, 본 발명의 제1 목적은, 종래의 (AlTi)NO 피막보다 우수한 내산화성 및 내마모성을 가지고, 장수명의 (AlTiW)NO 피막을 제공하는 것이다.

본 발명의 제2 목적은, 종래의 (AlTi)NO 피막보다 우수한 내산화성 및 내마모성을 가지고, 장수명의 (AlTiW)NO 피막이 형성된 경질 피막 피복 부재(절삭 공구, 금형 등)를 제공하는 것이다.

본 발명의 제3 목적은, 이러한 (AlTiW)NO 피막 및 상기 경질 피막 피복 부재를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제4 목적은, 이러한 (AlTiW)NO 피막을 제조하는 것에 사용하는 타깃을 제공하는 것이다.

본 발명의 경질 피막은, (Al_xTi_yW_z)_aN_(1-a-b)O_b(단, x, y, z, a 및 b는 각각 원자비이며 0.6≤x≤0.8, 0.05≤y≤0.38, 0.02≤z≤0.2, x＋y＋z=1, 0.2≤a≤0.8 및 0.02≤b≤0.10을 만족시키는 수치임)로 표시되는 조성을 가지고, 아크 이온 플레이팅법에 의해 형성된 경질 피막으로서, X선 광전자 분광 분석법으로 특정된 결합 상태에 실질적으로 Al-O 결합없이 W-O 결합이 있고, 또한 X선 회절 패턴이 암염형(巖鹽型)의 단일 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

실용성의 관점에서, 상기 경질 피막은 전자 회절 패턴에서는 암염형을 주 구조로 하고, 우르츠광(wurtzite)형을 부 구조로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 경질 피막 피복 부재는 상기 경질 피막을 기체(基體) 상에 형성한 것을 특징으로 한다. 상기 기체와 상기 경질 피막의 사이에, 물리 증착법에 의해, 4a, 5a 및 6a 족의 원소, Al 및 Si로부터 선택된 적어도 1종의 금속 원소와, B, O, C 및 N으로부터 선택된 적어도 1종의 원소를 필수적으로 포함하는 중간층이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

상기 경질 피막 피복 부재에 있어서, 상기 경질 피막 상에 원자비로, (Al_hCr_i)_c(N_jO_k)_d(단, h=0.1∼0.6, h＋i=1, j=0.1∼0.8, j＋k=1, c=0.35∼0.6 및 c＋d=1임)로 표시되는 조성을 가지는 산질화물층이 형성되고, 또한 상기 산질화물층 상에 물리 증착법에 의해 원자비로 (Al_mCr_n)₂O₃(단, m=0.1∼0.6 및 m＋n=1임)로 표시되는 조성을 가지는 산화물층이 형성되면, 내산화성 및 내마모성이 더욱 향상된다.

상기 경질 피막을 아크 이온 플레이팅법에 의해 기체 상에 형성하는 본 발명의 방법은,

질화 가스 분위기 중에서, 400∼550 ℃의 온도로 유지한 상기 기체 상에 상기 경질 피막을 형성할 때, 상기 기체에 -270∼-20 V의 직류 바이어스 전압 또는 유니폴라 펄스 바이어스 전압을 인가하고, 또한 아크 방전식 증발원에 구비된 Al의 질화물, Ti의 질화물, W의 질화물 및 W의 산화물을 함유하는 AlTi 합금으로 이루어지는 타깃에 펄스 아크 전류를 통전하고,

상기 펄스 아크 전류가, 90∼120 A의 최대 아크 전류값, 50∼90 A의 최소 아크 전류값, 및 2∼15 kHz의 주파수를 가지고, 또한 상기 최대 아크 전류값과 상기 최소 아크 전류값의 차이가 10 A 이상인 대략 직사각형 파형이며, 40∼70 %의 듀티비를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 경질 피막 피복 부재의 제조 방법은,

질화 가스 분위기 중에서 400∼550 ℃의 온도로 유지한 상기 기체 상에 상기 경질 피막을 형성할 때, 상기 기체에 -270∼-20 V의 직류 바이어스 전압 또는 유니폴라 펄스 바이어스 전압을 인가하고, 또한 아크 방전식 증발원에 구비된 Al의 질화물, Ti의 질화물, W의 질화물 및 W의 산화물을 함유하는 AlTi 합금으로 이루어지는 타깃에 펄스 아크 전류를 통전하고,

실질적으로 Al-O 결합없이 W-O 결합을 가지므로, 우수한 내산화성 및 내마모성을 가지는 경질 피막을 형성하기 위해, 상기 타깃은, (Al)_p(AlN)_q(Ti)_r(TiN)_s(WN)_t(WOx)_u(단, p, q, r, s, t 및 u는 각각 원자비로 0.59≤p≤0.8, 0.01≤q≤0.1, 0.04≤r≤0.35, 0.03≤s≤0.15, 0.01≤t≤0.20, 0.01≤u≤0.1 및 p＋q＋r＋s＋t＋u=1을 만족시키는 수치이며, x는 원자비로 2∼3의 수치임)로 표시되는 조성을 가지는 것이 바람직하다.

상기 기체가 WC기 초경합금인 경우, 상기 경질 피막의 형성 전에 기체 표면에 Fcc 구조의 얇은 개질층을 형성하는 것이 바람직하다. 제1 개질층은, 유량이 30∼150 sccm인 아르곤 가스 분위기 중에서, 400∼700 ℃의 온도로 유지한 상기 기체에 -850∼-500 V의 마이너스의 직류 전압을 인가하고, 또한 아크 방전식 증발원에 구비된, Ti_eO₁ _-e(단, e는 Ti의 원자비이며, 0.7≤e≤0.95를 만족시키는 수치이다.)으로 표시되는 조성의 타깃에 50∼100 A의 아크 전류를 통전하고, 이로써 상기 기체의 표면을 상기 타깃으로부터 발생한 이온에 의해 이온 충격을 줌으로써 형성된다. 제2 개질층은, 유량이 30∼150 sccm인 아르곤 가스 분위기 중에서, 450∼750 ℃의 온도로 유지한 상기 기체에 -1000∼-600 V의 마이너스의 직류 전압을 인가하고, 또한 아크 방전식 증발원에 구비된 Ti_fB₁ _-f(단, f는 Ti의 원자비이며, 0.5≤f≤0.9를 만족시키는 수치임)로 표시되는 조성의 타깃에 50∼100 A의 아크 전류를 통전하고, 이로써 상기 기체의 표면을 상기 타깃으로부터 발생한 이온에 의해 이온 충격을 줌으로써 형성된다. 어느 경우도, 개질층의 바로 위(直上)에 동일 결정 구조의 (AlTiW)NO 피막을 형성하므로, 개질층없이 WC기 초경합금의 바로 위에 (AlTiW)NO 피막을 형성하는 경우보다 밀착력이 현저하게 증대한다.

상기 경질 피막의 제조에 사용하는 타깃은, (Al)_p(AlN)_q(Ti)_r(TiN)_s(WN)_t(WOx)_u(단, p, q, r, s, t 및 u는 각각 원자비로 0.59≤p≤0.8, 0.01≤q≤0.1, 0.04≤r≤0.35, 0.03≤s≤0.15, 0.01≤t≤0.20, 0.01≤u≤0.1 및 p＋q＋r＋s＋t＋u=1을 만족시키는 수치이며, x는 원자비로 2∼3의 수치임)로 표시되는 조성을 가지는 소결체로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 타깃의 소결체는, AlTi 합금 분말, AlN 분말, TiN 분말, WN 분말, 및 WOx 분말(예를 들면, WO₃ 및/또는 WO₂의 분말)로 이루어지는 혼합 분말을 진공 분위기 중에서 핫 프레스함으로써 얻는 것이 바람직하다.

본 발명의 경질 피막은, X선 광전자 분광법으로 Al-O 결합이 거의 없고 W-O 결합이 인정되는 Al 리치(rich)인 (AlTiW)NO의 다결정립(多結晶粒)으로 이루어지므로, O가 주로 Al에 결합한 종래의 (AlTi)NO 피막에 비해 내산화성 및 내마모성이 현저하게 개선되어 있다. 그러므로, 본 발명의 경질 피막을 가지는 부재(절삭 공구, 금형 등)는 종래보다 현저하게 장수명이다. 상기 경질 피막을 제조하는 본 발명의 방법은, 분위기 중에 산소 가스를 함유시키지 않고, WOx의 상태로 O를 함유하는 타깃재로부터 경질 피막에 W-O 결합을 도입하므로, 경질 피막의 조직의 제어를 안정적으로 또한 효율적으로 행할 수 있고, 실용성이 극히 높다.

본 발명의 (AlTiW)NO 피막을 초경합금제(超硬合金製) 기체, cBN, 사이알론(sialon) 등의 세라믹스제 기체, 고속도강제 기체, 또는 공구강제 기체 상에 형성하여 이루어지는 경질 피막 피복 부재는, 종래의 AlTiNO 피막 피복 부재에 비해, 내산화성 및 내마모성이 현저하게 개선되어 있으므로, 인서트, 엔드밀, 드릴 등의 절삭 공구, 및 각종 금형에 유용하다.

도 1은 본 발명의 경질 피막의 형성에 사용할 수 있는 아크 이온 플레이팅 장치의 일례를 나타낸 정면도이다.
도 2는 본 발명의 경질 피막 형성 시에 아크 방전식 증발원에 인가하는 펄스 아크 전류 파형의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 1의 경질 피막 피복 공구의 단면을 나타내는 주사형 전자 현미경 사진(배율: 25,000배)이다.
도 4는 실시예 1의 (AlTiW)NO 피막의 단면 3개소의 Ti의 결합 상태를 나타낸 X선 광전자 분광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 1의 (AlTiW)NO 피막의 단면 3개소의 W의 결합 상태를 나타낸 X선 광전자 분광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 1의 (AlTiW)NO 피막의 단면 3개소의 Al의 결합 상태를 나타낸 X선 광전자 분광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 1의 (AlTiW)NO 피막의 X선 회절 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 8은 WC기 초경합금 기체와 경질 피막의 사이에 개질층을 가지는 실시예 1의 경질 피막 피복 부재(인서트)에서의 개질층 근방의 단면을 나타내는 투과형 전자 현미경 사진(배율: 3,600,000배)이다.
도 9a는 도 8의 투과형 전자 현미경 사진의 개략도이다.
도 9b는 개질층의 평균 두께를 구하는 방법을 나타낸 개략도이다.
도 10은 실시예 1의 개질층의 나노 빔 회절상으로부터 결정 구조를 해석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 실시예 1의 (AlTiW)NO 피막의 나노 빔 회절상으로부터 결정 구조를 해석한 결과를 나타낸 일례이다.
도 12는 실시예 1의 개질층의 단면의 에너지 분산형 X선 분석에 의해 얻어진 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 13은 실시예 1의 (AlTiW)NO 피막의 제한 시야 회절상을 나타내는 사진이다.
도 14는 본 발명의 경질 피막 피복 부재를 구성하는 인서트 기체의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 15는 인서트를 장착한 날끝 교환식 회전 공구의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 16은 실시예 1의 (AlTiW)NO 피막의 표면을 나타내는 주사형 전자 현미경 사진(배율: 3,000배)이다.
도 17은 비교예 19의 (AlTiW)NO 피막의 표면을 나타내는 주사형 전자 현미경 사진(배율: 3,000배)이다.

[1] 경질 피막 피복 부재

본 발명의 경질 피막 피복 부재는, 기체 상에, 아크 이온 플레이팅법(AI법)에 의해, (Al_xTi_yW_z)_aN_(1-a-b)O_b(단, x, y, z, a 및 b는 각각 원자비이며 0.6≤x≤0.8, 0.05≤y≤0.38, 0.02≤z≤0.2, x＋y＋z=1, 0.2≤a≤0.8 및 0.02≤b≤0.10을 만족시키는 수치임)로 표시되는 조성을 가지는 경질 피막을 형성하여 이루어진다. 상기 경질 피막의 X선 광전자 분광 스펙트럼은 실질적으로 Al-O 결합을 가지지 않고 W-O 결합을 가지는 것을 나타내고, X선 회절 패턴은 암염형의 단일 구조를 가지는 것을 나타낸다.

(A) 기체

기체는 내열성이 풍부하고, 물리 증착법을 적용할 수 있는 재질일 필요가 있다. 기체의 재질로서, 예를 들면, 초경합금, 서메트(cemet), 고속도강, 공구강 또는 입방정 질화 붕소를 주성분으로 하는 질화 붕소 소결체(cBN)로 대표되는 세라믹스가 있다. 강도, 경도, 내마모성, 인성(靭性) 및 열안정성 등의 관점에서, WC기 초경합금 또는 세라믹스가 바람직하다. WC기 초경합금은, 탄화 텅스텐(WC) 입자와 Co 또는 Co를 주체로 하는 합금의 결합상으로 이루어지고, 결합상의 함유량은 1∼13.5 질량%가 바람직하고, 3∼13 질량%가 더욱 바람직하다. 결합상의 함유량이 1 질량% 미만에서는 기체의 인성이 불충분하게 되고, 결합상이 13.5 질량%를 초과하면 경도(내마모성)가 불충분하게 된다. 소결 후의 WC기 초경합금의 미가공면, 연마 가공면 및 날끝 처리 가공면의 어느 표면에도 본 발명의 (AlTiW)NO 피막을 형성할 수 있다.

(B) WC기 초경합금 기체의 개질층

상기 기체가 WC기 초경합금인 경우, 기체 표면에 상기 TiO 타깃 또는 상기 TiB 타깃으로부터 발생한 이온을 조사하여, 평균 두께 1∼10 ㎚의 Fcc 구조를 가지는 개질층을 형성하는 것이 바람직하다. WC기 초경합금은 주성분의 WC가 육방정 구조를 가지지만, 상기 개질층은 (AlTiW)NO 피막과 동일한 Fcc 구조를 가지고, 양자의 경계(계면)에서의 결정 격자 무늬의 30% 이상, 바람직하게는 50% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상의 부분이 연속되며, 이로써 상기 개질층을 통하여 WC기 초경합금 기체와 (AlTiW)NO 피막이 견고하게 밀착된다.

TiO 타깃을 사용한 이온 충격에 의해 얻어지는 개질층은, 주로 WC기 초경합금 기체를 구성하는 WC 입자 내에 O를 약간 함유시킨 Fcc 구조의 W₃O, 및/또는 Co 내에 O를 약간 함유시킨 Fcc 구조의 CoO로 이루어지고, 고밀도의 박층형으로 형성되므로, 파괴의 기점(起点)이 되기 어렵다. TiB 타깃을 사용한 이온 충격에 의해 얻어지는 개질층도 Fcc 구조를 가지고, 고밀도의 박층형으로 형성되므로, 파괴의 기점이 되기 어렵다. 개질층의 평균 두께가 1 ㎚ 미만에서는 경질 피막의 기체에 대한 밀착력 향상 효과가 충분히 얻을 수 없으며, 10 ㎚를 초과하면 반대로 밀착력을 악화시킨다.

(C) (AlTiW)NO 피막

(1) 조성

AI법에 의해, 기체 상에 피복되는 본 발명의 (AlTiW)NO 피막은, Al, Ti 및 W를 필수 원소로 하는 질산화물으로 이루어진다. (AlTiW)NO 피막의 조성은, 일반식: (Al_xTi_yW_z)_aN_(1-a-b)O_b(원자비)로 표시된다. x, y, z, a 및 b는 각각 0.6≤x≤0.8, 0.05≤y≤0.38, 0.02≤z≤0.2, x＋y＋z=1, 0.2≤a≤0.8 및 0.02≤b≤0.10을 만족시키는 수치이다. 본 발명의 (AlTiW)NO 피막은, X선 광전자 분광법에 의해 특정된 W-O 결합을 가지지만 Al-O 결합을 실질적으로 가지지 않고, 또한 X선 회절 패턴으로 암염형의 단일 구조를 가지는 것을 특징으로 한다. 여기서, 「Al-O 결합을 실질적으로 갖지 않는다」란, (AlTiW)NO 피막의 X선 광전자 분광 스펙트럼에 불가피한 불순물 레벨을 초과하는 Al-O 결합의 피크가 존재하지 않는 것을 의미한다.

Al, Ti 및 W의 총계(x＋y＋z)를 1로 할 때, Al의 비율 x가 0.6 미만이면 경질 피막의 내산화성 및 내마모성은 불충분하고, 또한 0.8을 초과하면 우르츠광형 구조가 주 구조가 되어, 경질 피막의 내마모성이 손상된다. Al의 비율 x의 바람직한 범위는 0.6∼0.75이다.

Al, Ti 및 W의 총계(x＋y＋z)를 1로 할 때, Ti의 비율 y가 0.05 미만이면 기체와 (AlTiW)NO 피막과의 밀착성이 현저하게 손상되고, 또한 0.38을 초과하면 경질 피막의 Al 함유량이 감소하므로, 내산화성 및 내마모성이 손상된다. Ti의 비율 y의 바람직한 범위는 0.1∼0.3이다.

Al, Ti 및 W의 총계(x＋y＋z)를 1로 할 때, W의 비율 z가 0.02 미만이면 X선 광전자 분광 스펙트럼에 있어서 W-O 결합이 실질적으로 인정되지 않고, 경질 피막의 내산화성 및 내마모성이 손상되고, 또한 0.2를 초과하면 (AlTiW)NO 피막이 아몰퍼스 화되어 내마모성이 손상된다. W의 비율 z의 바람직한 범위는 0.05∼0.15이다.

(AlTiW)NO 피막 중의 금속 성분(AlTiW)과, 질소 및 산소의 총계를 1로 할 때, 금속 성분(AlTiW)의 비율 a가 0.2 미만이면 (AlTiW)NO 다결정체의 결정립계에 불순물이 받아들여지기 쉽게 된다. 불순물은 성막 장치의 내부 잔류물로부터 유래한다. 이와 같은 경우, (AlTiW)NO 피막의 접합 강도가 저하되고, 외부 충격에 의해 (AlTiW)NO 피막이 쉽게 파괴된다. 한편, 금속 성분(AlTiW)의 비율 a가 0.8을 초과하면, 금속 성분(AlTiW)의 비율이 과다하게 되어 결정 불균일이 커지고, 기체와의 밀착력이 저하되어, (AlTiW)NO 피막이 쉽게 박리하게 된다. 금속 성분(AlTiW)의 비율 a의 바람직한 범위는 0.25∼0.75이다.

(AlTiW)NO 피막 중의 산소 함유량 b가 0.02 미만 또는 0.10을 초과하면, (AlTiW)NO 피막의 내산화성 및 내마모성은 낮다. 산소 함유량 b의 바람직한 범위는 0.03∼0.10이다.

본 발명의 (AlTiW)NO 피막은 C 및/또는 B를 함유할 수도 있다. 이러한 경우, C 및 B의 합계량은 NO 함유량의 30 원자% 이하인 것이 바람직하고, 높은 내마모성을 유지하기 위해 10 원자% 이하인 것이 더욱 바람직하다. C 및/또는 B를 함유하는 경우, (AlTiW)NO 피막은, 질산 탄화물, 질산 붕화물 또는 질산탄 붕화물로 칭할 수 있다.

본 발명의 (AlTiW)NO 피막이 종래보다 높은 내산화성 및 내마모성을 가지는 메카니즘은, (AlTi)N 피막 피복 절삭 공구를 예로 들면, 하기와 같이 여겨진다. 종래의 (AlTi)N 피막 피복 절삭 공구에서는, 절삭 가공 시에 피막 표면으로부터 다량의 산소가 받아들여져 피막 표면 부근의 Al이 우선적으로 산화되어 Al 산화물층이 형성된다. 이 때, Ti도 동시에 산소와 결합하여 Al 산화물층의 아래에 매우 저밀도 취약층인 Ti 산화물층이 형성된다. 이는, Al 산화물의 생성 자유에너지가 Ti 산화물의 생성 자유에너지보다 작은 것에 기인한 것이다. 이와 같이 취약한 Ti 산화물층은 절삭 가공 중의 피막 파괴의 기점이 되어, 용이하게 파괴되어 Al 산화물층과 함께 탈락한다. 이와 같이 Al 산화물층의 형성과 Ti 산화물층을 기점으로 하는 피막의 탈락을 반복하여 피막은 손상되어 간다. 이 문제는, 단지 W를 도입한 (AlTiW)N 피막에서도, 또한 종래의 방법에 의해 분위기 중의 산소를 도입한 (AlTiW)NO 피막에서도 발생하는 것을 알 수 있었다. 후술하는 바와 같이, (AlTiW)NO 피막이 우수한 내산화성 및 내마모성을 가지기 위해서는, 단지 소정량의 O를 함유하면 되는 것은 아니며, O가 W에 결합하고 Al에 실질적으로 결합하고 있지 않을 필요가 있다.

본 발명의 (AlTiW)NO 피막에서는, W는 W-O 결합 및 W-N 결합으로서 (AlTiW)NO 피막에 존재한다. 이 조건을 만족시키는 (AlTiW)NO 피막 내에, 절삭 가공 시에 발생하는 열에 의해, 생성 자유에너지의 용이성으로부터 Al 및 W의 치밀한 산화물이 형성되는 것으로 추정된다. W-O 결합을 포함하는 (AlTiW)NO 피막은, 종래의 (AlTi)N 피막 및 산소 함유 분위기 중에서 형성한 (AlTiW)NO 피막보다 매우 치밀하므로, 산소의 확산을 억제한다. 즉, 절삭 가공 시에, 독립적으로 존재하는 W-O 결합은 우선적으로 Al과 반응하므로, 이미 Ti와 반응할 만큼의 산소는 존재하지 않으며, 이에 따라 취약한 Ti 산화물은 형성되지 않으므로, 우수한 내산화성 및 내마모성을 계속 유지한다.

(2) 막 두께

본 발명의 (AlTiW)NO 피막의 평균 두께는 0.5∼15 ㎛가 바람직하고, 1∼12 ㎛가 더욱 바람직하다. 이 범위의 막 두께에 의해, 기체로부터 (AlTiW)NO 피막이 박리되는 것이 억제되고, 우수한 내산화성 및 내마모성이 발휘된다. 평균 두께가 0.5㎛ 미만이면 (AlTiW)NO 피막의 효과를 충분히 얻을 수 없고, 또한 평균 두께가15㎛를 초과하면 잔류 응력이 과대하게 되어, (AlTiW)NO 피막이 기체로부터 쉽게 박리한다. 여기서, 평탄하지 않은 (AlTiW)NO 피막의 「두께」는 평균 두께를 의미한다.

(3) 결정 구조

X선 회절 패턴에서는, 본 발명의 (AlTiW)NO 피막은 암염형의 단일 구조로 이루어진다. 또한 투과형 전자 현미경에 의한 제한 시야 회절 패턴에서는, 본 발명의 (AlTiW)NO 피막은 암염형 구조가 주 구조이며, 부 구조로서 그 외의 구조(우르츠광형 구조 등)를 가지고 있어도 된다. 실용성이 있는 (AlTiW)NO 피막에서는, 암염형 구조를 주 구조로 하고, 우르츠광형 구조를 부 구조로 하는 것이 바람직하다.

(D) 적층 경질 피막

본 발명의 (AlTiW)NO 피막은, (Al_xTi_yW_z)_aN_(1-a-b)O_b(단, x, y, z, a 및 b는 각각 원자비이며, 0.6≤x≤0.8, 0.05≤y≤0.38, 0.02≤z≤0.2, x＋y＋z=1, 0.2≤a≤0.8 및 0.02≤b≤0.10을 만족시키는 수치임)로 표시되는 조성 범위 내에 있어서, 서로 다른 조성을 가지는 적어도 2종 이상의 (AlTiW)NO 피막을 교호적(交互的)으로 적층하여 구성할 수도 있다. 이러한 적층 구조에 의해 내마모성 및 내산화성을 더욱 높일 수 있다.

(E) 중간층

기체와 (AlTiW)NO 피막의 사이에, 물리 증착법에 의해, 4a, 5a 및 6a 족의 원소, Al 및 Si로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소와, B, O, C 및 N으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소를 필수적으로 포함하는 중간층을 형성할 수도 있다. 중간층은, TiN, 또는 암염형 구조를 주 구조로 하는 (TiAl)N, (TiAl)NC, (TiAl)NCO, (TiAlCr)N, (TiAlCr)NC, (TiAlCr)NCO, (TiAlNb)N, (TiAlNb)NC, (TiAlNb)NCO, (TiAlW)N 및 (TiAlW)NC, (TiSi)N, (TiB)N, TiCN, Al₂O₃, Cr2O₃, (AlCr)₂O₃, (AlCr)N, (AlCr)NC 및 (AlCr)NCO로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 것이 바람직하다. 중간층은 단층이라도 되고 적층이라도 된다.

[2] 성막 장치

(AlTiW)NO 피막의 형성에는 AI 장치를 사용할 수 있고, 개질층 및 중간층의 형성에는 AI 장치 또는 그 외의 물리 증착 장치(스퍼터링 장치 등)를 사용할 수 있다. AI 장치는, 예를 들면, 도 1에 나타낸 바와 같이, 절연물(14)을 통하여 감압 용기(5)에 장착된 아크 방전식 증발원(13, 27)과, 각 아크 방전식 증발원(13, 27)에 장착된 타깃(10, 18)과, 각 아크 방전식 증발원(13, 27)에 접속한 아크 방전용 전원(11, 12)과, 베어링부(4)를 통하여 감압 용기(5)에서의 회전축선에 지지된 지주(支柱)(6)와, 기체(7)를 유지하기 위해 지주(6)에 지지된 유지구(8)와, 지주(6)를 회전시키는 구동부(1)와, 기체(7)에 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 전원(3)을 구비한다. 감압 용기(5)에는, 가스 도입부(2) 및 배기구(17)가 설치되어 있다. 아크 점화 기구(16, 16)는, 아크 점화 기구 베어링부(15, 15)을 통하여 감압 용기(5)에 장착되어 있다. 전극(20)은 절연물(19, 19)을 통하여 감압 용기(5)에 장착되어 있다. 타깃(10)과 기체(7)의 사이에는, 차폐판 베어링부(21)를 통하여 감압 용기(5)에 차폐판(23)이 설치되어 있다. 도 1에는 도시하지 않지만, 차폐판(23)은 차폐판 구동부(22)에 의해, 예를 들면, 상하 또는 좌우 방향으로 이동하여, 차폐판(22)이 감압 용기(5) 내의 공간에 존재하지 않는 상태로 된 후에 본 발명의 (AlTiW)NO 피막의 형성이 행해진다.

(A) (AlTiW)NO 피막 형성용 타깃

본 발명의 (AlTiW)NO 피막 형성용 타깃은, 불가피한 불순물 이외에, (Al)_p(AlN)_q(Ti)_r(TiN)_s(WN)_t(WOx)_u(단, p, q, r, s, t 및 u는 각각 원자비이며 0.59≤p≤0.8, 0.01≤q≤0.1, 0.04≤r≤0.35, 0.03≤s≤0.15, 0.01≤t≤0.20, 0.01≤u≤0.1 및 p＋q＋r＋s＋t＋u=1을 만족시키는 수치이며, x는 원자비이며 2∼3의 수치임)로 표시되는 조성을 가진다. 여기서, (AlN), (TiN) 및 (WN)은 각각 원자비로 (Al₁N₁), (Ti₁N₁) 및 (W₁N₁)을 의미하고, (WOx)는 원자비로 (W₁Ox)를 의미한다. WOx는 산화 텅스텐의 주요 구성 성분으로서 주로 WO₃ 및/또는 WO₂이지만, W₂O₅, W₄O₁₁, W₁O₁, W₂O₃, W₄O₃, W₅O₉, W₃O₈ 및 W₅O₁₄ 중 적어도 1종의 산화 텅스텐을 함유할 수도 있다. p, q, r, s, t 및 u가 각각 전술한 범위 내에 없으면, 본 발명의 (AlTiW)NO 피막은 얻을 수 없다. 상기 타깃은, 금속 Al 및 금속 Ti 외에, (a) 전술한 양의 Al 질화물, Ti 질화물 및 W 질화물을 함유함으로써, 아크 방전 시의 드롭렛(droplet) 발생량을 대폭 저감시키는 동시에, 타깃으로부터 방출되는 산소량을 억제할 수 있고, 또한 (b) 전술한 양의 W 산화물을 함유함으로써, (AlTiW)NO 피막 중에 독립적으로 W-O 결합을 도입할 수 있다. p, q, r, s, t 및 u는 각각 원자비이며 0.59≤p≤0.75, 0.01≤q≤0.10, 0.05≤r≤0.25, 0.05≤s≤0.15, 0.01≤t≤0.15, 0.01≤u≤0.10 및 p＋q＋r＋s＋t＋u=1을 만족시키는 수치인 것이 바람직하다.

드롭렛의 발생량이 억제되는 이유는, 아크 방전에 의해 상기 타깃의 구성 원소가 증발할 때, 각각의 구성 원소(Al, Ti 및 W)의 질화물 유래의 질소가 타깃의 표면 근방에서 이온화하여 아크 스폿의 이동 속도를 높이는 작용이 있기 때문으로 여겨진다. 또한, 증발면에 있어서, Al 단독상의 극히 근방에 각각의 구성 원소(Al, Ti 및 W)의 질화물이 존재함으로써, 외관 상 저융점의 Al 단독상의 면적이 감소하고, 아크 방전의 집중을 회피하여, 드롭렛량을 감소시킬 수 있다. 이는, 각각의 구성 원소(Al, Ti 및 W)의 질화물이 Al 단독상보다 고융점인 것에 기인한 것이다. 그 결과, 거대한 드롭렛의 발생이 억제된다. 드롭렛을 저감시킨 (AlTiW)NO 피막에서는 다결정립의 성장이 분단되지 않기 때문에, 고밀도의 (AlTiW)NO 피막이 형성되고, 종래보다 고강도가 된다.

상기 타깃의 제조 시 및 (AlTiW)NO 피막의 형성 시에 산소 함유량을 저감할 수 있는 주된 이유는, 상기 타깃에 포함되는 Al 및 Ti의 일부를 화학적으로 안정적인 질화물로 하는 것에 의해, 상기 타깃용 원료 분말의 혼합 공정 및 핫 프레스 공정 등에서 발생하는 열에 의해 상기 원료 분말이 산화되는 것이 억제되기 때문이다. 산화의 억제에 의해, 상기 타깃의 산소 함유량이 크게 저감되고, 아크 방전 시에 상기 타깃으로부터 방출되는 산소량이 크게 감소한다. 그 결과, (AlTiW)NO 피막 중으로의 산소의 의도하지 않은 혼입이 억제되고, 특히 Ti의 산화가 현저하게 억제된다. 본 발명의 (AlTiW)NO 피막은 이러한 성막 시의 산화 억제 효과에 의해, 종래에 비해 드롭렛이 적기 때문에, (AlTiW)NO 다결정립의 성장이 저해되지 않는다. 또한 결정립계의 편석(偏析)도 억제되므로, 다결정립이 성장한 건전한 조직을 가진다.

상기 타깃 중의 WOx는 피막 중에 W-O 결합을 함유시키는 데 필요하다. 상기 타깃 중의 WOx는 아크 스폿에 의해 W 이온 및 O 이온이 되고, 순간적으로 서로 반응하여 W-O 결합이 생성되고, (AlTiW)NO 피막 중에 도달한다. 또한, WOx는 도전성을 가지므로, 안정적으로 아크 방전할 수 있다.

(AlTiW)NO 피막 형성용 타깃은 하기와 같이 제조할 수 있다. 분말 야금법에 의해 AlTi 합금 분말, AlN 분말, TiN 분말, WN 분말, 및 WOx 분말(예를 들면, WO₃ 분말 및/또는 WO₂ 분말)을 볼밀(ball mill)의 밀폐 용기에 충전하고, 아르곤 가스 분위기 중에서 수 시간(예를 들면, 5시간) 혼합한다. 치밀하고 고밀도의 소결체를 얻기 위해, 각 분말의 평균 입경은, 0.01∼500 ㎛로 하는 것이 바람직하고, 0.1∼100 ㎛로 하는 것이 더욱 바람직하다. 각 분말의 평균 입경은 주사형 전자 현미경(SEM) 관찰에 의해 구한다. 조성의 편향이나 불순물의 혼입을 방지하기 위하여, 순도 99.999% 이상의 알루미나 볼을 미디어로 사용하는 것이 바람직하다. 얻어진 혼합 분말을 진공 핫 프레스 소결 장치의 그래파이트제 금형 내에 투입하고, 소결을 행한다. 소결 장치 내의 분위기 중에 포함되는 미량의 산소가 상기 타깃에 혼입되는 것을 방지하기 위하여, 소결 장치 내의 진공도를 1∼10×10^-3 Pa(예를 들면, 7×10^-3 Pa)로 한 후 프레스 및 소결을 행하는 것이 바람직하다. 프레스 하중은 100∼200 MPa(예를 들면, 170 MPa)로 설정하는 것이 바람직하다. 또한 소결 시에 Al이 용해하는 것을 회피하기 위해, 소결은 520∼580 ℃(예를 들면, 550℃)의 온도에서 수 시간(예를 들면, 2시간) 행하는 것이 바람직하다. 소결에 의해 얻어진 타깃재를 AI 장치에 적합한 형상으로 가공하고, (AlTiW)NO 피막 형성용 타깃으로 한다.

(B) 개질층 형성용 TiO 타깃

개질층 형성용 TiO 타깃은, 불가피한 불순물를 제외하고, Ti_eO₁ _-e(단, e는 Ti의 원자비이며, 0.7≤e≤0.95를 만족시키는 수치임)로 표시되는 조성을 가진다. Ti의 원자비 e가 0.7 미만이면 산소가 과다하게 되어, Fcc 구조의 개질층을 얻지 못하고, 또한 0.95를 초과하면 산소가 과소로 되어, 역시 Fcc 구조의 개질층을 얻을 수 없다. Ti의 원자비 e의 바람직한 범위는 0.8∼0.9이다.

개질층 형성용 TiO 타깃은 핫 프레스법에 의해 제조하는 것이 바람직하다. 제조 공정에서 상기 타깃 내에 산소를 의도적으로 포함시키기 위하여, 예를 들면, 핫 프레스 소결 장치의 WC기 초경합금제 금형 내에 금속 Ti 분말을 투입하고, 진공으로 감압한 후, 1∼20 체적%(예를 들면, 5 체적%)의 산소 가스를 함유하는 Ar 가스 분위기 내에서 수 시간(예를 들면, 2시간) 소결한다. 얻어진 소결체를 AI 장치에 적합한 형상으로 가공하고, 개질층 형성용 TiO 타깃으로 한다.

(C) 개질층 형성용 TiB 타깃

개질층 형성용 TiB 타깃은, 불가피한 불순물를 제외하고, Ti_fB₁ _-f(단, f는 Ti의 원자비이며, 0.5≤f≤0.9를 만족시키는 수치임)로 표시되는 조성을 가진다. Ti의 원자비f가 0.5 미만이면 Fcc 구조의 개질층을 얻지 못하고, 또한 0.9를 초과하면 탈탄상이 형성되어, 역시 Fcc 구조의 개질층을 얻을 수 없다. Ti의 원자비 f의 바람직한 범위는 0.7∼0.9이다.

개질층 형성용 TiB 타깃도 핫 프레스법에 의해 제조하는 것이 바람직하다. 제조 공정에서 산소가 혼입되는 것을 최대한 억제하기 위하여, 예를 들면, 핫 프레스 소결 장치의 WC기 초경합금제 금형 내에 TiB 분말을 투입하고, 1∼10×10^-3 Pa(예를 들면, 7×10^-3 Pa)로 감압한 분위기 내에서 수 시간(예를 들면, 2시간) 소결한다. 얻어진 소결체를 AI 장치에 적합한 형상으로 가공하고, 개질층 형성용 TiB 타깃으로 한다.

(D) 아크 방전식 증발원 및 아크 방전용 전원

도 1에 나타낸 바와 같이, 아크 방전식 증발원(13, 27)은 각각 음극 물질의 개질층 형성용 TiO 타깃 또는 TiB 타깃(10), 및 (AlTiW)NO 피막 형성용 타깃(예를 들면, Al-AlN-Ti-TiN-WN-WO₃ 합금)(18)을 구비하고, 아크 방전용 전원(11, 12)으로부터, 후술하는 조건 하에서 타깃(10)에 직류 아크 전류를 통전하고, 타깃(18)에 펄스 아크 전류를 통전한다. 도시하지 않지만, 아크 방전식 증발원(13, 27)에 자장 발생 수단(전자석 및/또는 영구 자석과 요크를 가지는 구조체)을 설치하고, (AlTiW)NO 피막을 형성하는 기체(7)의 근방에 수십 G(예를 들면, 10∼50 G)의 공극(空隙) 자속 밀도의 자장 분포를 형성한다.

종래의 AlTi 합금 타깃에 비해 본 발명의 (AlTiW)NO 피막 형성용 타깃(예를 들면, Al-AlN-Ti-TiN-WN-WO₃ 합금)은 저융점의 금속 Al을 소량 포함하므로, 역시 (AlTiW)NO 피막을 형성하는 과정에서 아크 스폿이 Al의 부분에서 체류하기 쉽다. 아크 스폿이 체류하면 그 체류 부분에 큰 용해부가 생기고, 그 용해부의 액적(液滴)이 기체의 표면에 부착된다. 이 액적은 드롭렛이라고 하며, (AlTiW)NO 피막의 표면을 거칠게 한다. 드롭렛은 (AlTiW)NO 다결정립의 성장의 분단을 일으키는 동시에, 피막 파괴의 기점이 되며, 원하는 (AlTiW)NO 피막을 얻을 수 없다.

전술한 문제점을 해결하고자 다양하게 검토한 결과, (AlTiW)NO 피막 형성용 타깃 상에 산화물이 형성되는 것을 억제하고, 또한 드롭렛의 형성을 억제하면서 본 발명의 (AlTiW)NO 피막을 형성하기 위하여, 아크 방전식 증발원에 장착한 (AlTiW)NO 피막 형성용 타깃에 소정 조건에서 펄스 아크 전류를 통전할 필요가 있는 것을 알았다.

(E) 바이어스 전원

도 1에 나타낸 바와 같이, 기체(7)에 바이어스 전원(3)으로부터 직류 전압 또는 펄스 바이어스 전압을 인가한다.

[3] 성막 조건

실질적으로 Al-O 결합없이 W-O 결합을 가지는 본 발명의 (AlTiW)NO 피막은, AI법에 있어서 상기 (AlTiW)NO 피막 형성용 타깃에 펄스 아크 전류를 소정 조건 하에서 통전함으로써 제조할 수 있다. 본 발명의 (AlTiW)NO 피막의 성막 조건을 공정마다 이하에서 상세하게 설명한다.

(A) 기체의 클리닝 공정

도 1에 나타낸 AI 장치의 유지구(8) 상에 기체(7)를 세팅한 후, 감압 용기(5) 내를 1∼5×10^-2 Pa(예를 들면, 1.5×10^-2 Pa)의 진공으로 유지하면서, 히터(도시하지 않음)에 의해 기체(7)를 250∼650 ℃의 온도로 가열한다. 도 1에서는 원기둥체로 나타나 있지만, 기체(7)는 솔리드 타입의 엔드밀 또는 인서트 등의 각종 형상을 가질 수 있다. 그 후, 아르곤 가스를 감압 용기(5) 내에 도입하여 0.5∼10 Pa(예를 들면, 2 Pa)의 아르곤 가스 분위기로 만든다. 이 상태에서 기체(7)에 바이어스 전원(3)에 의해 -250∼-150 V의 직류 바이어스 전압 또는 펄스 바이어스 전압을 인가하여 기체(7)의 표면을 아르곤 가스에 의해 충격을 가하여, 클리닝한다.

기체 온도가 250℃ 미만에서는 아르곤 가스에 의한 에칭 효과가 없으며, 또한 650℃를 초과하면 아르곤 가스에 의한 에칭 효과가 포화하여 공업적 생산성이 저하된다. 기체 온도는 기체에 매립한 열전대에 의해 측정한다(이하 동일함). 감압 용기(5) 내의 아르곤 가스의 압력이 0.5∼10 Pa의 범위를 벗어나면, 아르곤 가스에 의한 충격 처리가 불안정해진다. 직류 바이어스 전압 또는 펄스 바이어스 전압이 -250 V 미만에서는 기체에 아킹(arching)이 발생하고, -150 V를 초과하면 충격의 에칭에 의한 클리닝 효과를 충분히 얻을 수 없다.

(B) 개질층 형성 공정

개질층 형성용 TiO 타깃을 사용한 WC기 초경합금 기체(7)로의 이온 충격은, 기체(7)의 클리닝 후에, 유량이 30∼150 sccm인 아르곤 가스 분위기 내에서 행하고, 기체(7)의 표면에 개질층을 형성한다. 아크 방전식 증발원(13)에 장착한 상기 TiO 타깃의 표면에 아크 방전용 전원(11)으로부터 50∼100 A의 아크 전류(직류 전류)를 통전한다. 기체(7)는 400∼700 ℃의 온도로 가열하고, 또한 바이어스 전원(3)으로부터 기체(7)에 -850∼-500 V의 직류 바이어스 전압을 인가한다. 상기 TiO 타깃을 사용한 이온 충격에 의해 Ti 이온 및 O 이온이 WC기 초경합금 기체(7)의 표면에 조사된다.

기체(7)의 온도가 400℃ 미만에서는 Fcc 구조의 개질층이 형성되지 않고, 또한 700℃를 초과하면 루틸형 구조의 Ti 산화물 등이 석출되어, 경질 피막의 밀착성을 손상시킨다. 감압 용기(5) 내의 아르곤 가스의 유량이 30 sccm 미만에서는 기체(7)에 입사하는 Ti 이온 등의 에너지가 지나치게 강하여, 기체(7)의 표면에 탈탄층이 형성되고, 경질 피막의 밀착성을 손상시킨다. 150 sccm를 초과하면 Ti 이온 등의 에너지가 약해져서 개질층이 형성되지 않는다.

아크 전류가 50 A 미만에서는 아크 방전이 불안정하게 되고, 또한 100 A를 초과하면 기체(7)의 표면에 드롭렛이 다수 형성되어, 경질 피막의 밀착성을 손상시킨다. 직류 바이어스 전압이 -850 V 미만에서는 Ti 이온 등의 에너지가 지나치게 강해 기체(7)의 표면에 탈탄층이 형성되고, 또한 -500 V를 초과하면 기체 표면에 개질층이 형성되지 않는다.

개질층 형성용 TiB 타깃을 사용한 WC기 초경합금 기체(7)로의 이온 충격은, 기체(7)를 450∼750 ℃의 온도로 가열하고, 또한 바이어스 전원(3)으로부터 기체(7)에 -1000∼-600 V의 직류 바이어스 전압을 인가하는 점이 상기 개질층 형성용 TiO 타깃을 사용한 이온 충격의 경우와 상이하다. TiB 타깃을 사용한 이온 충격에 의해 Ti 이온 및 B 이온이 WC기 초경합금 기체의 표면에 조사된다. 기체(7)의 온도가 450∼750℃의 범위를 벗어나면 Fcc 구조의 개질층이 형성되지 않는다. 직류 바이어스 전압이 -1000 V 미만에서는 기체(7)의 표면에 탈탄층이 형성되고, 또한 -600 V를 초과하면 이온 충격의 효과가 실질적으로 없다.

(C) (AlTiW)NO 피막의 성막 공정

기체(7)의 위(개질층을 형성한 경우는 그 위)에 (AlTiW)NO 피막을 형성한다. 이 때, 질화 가스를 사용하고, 아크 방전식 증발원(27)에 장착한 타깃(18)의 표면에 아크 방전용 전원(12)으로부터 후술하는 조건 하에서 펄스 아크 전류를 통전한다. 동시에, 소정 온도로 제어한 기체(7)에 바이어스 전원(3)으로부터 직류 바이어스 전압 또는 펄스 바이어스 전압을 인가한다.

(1) 기체 온도

(AlTiW)NO 피막의 성막 시에 기체 온도를 400∼550 ℃로 할 필요가 있다. 기체 온도가 400℃ 미만에서는 (AlTiW)NO가 충분히 결정화(結晶化)되지 않기 때문에, (AlTiW)NO 피막이 충분한 내마모성을 가지지 않고, 또한 잔류 응력의 증가에 의해 피막 박리의 원인이 된다. 한편, 기체 온도가 550℃를 초과하면 암염형 구조가 불안정하게 되어, (AlTiW)NO 피막의 내마모성 및 내산화성이 손상된다. 기체 온도는 400∼540 ℃가 바람직하다.

(2) 질화 가스의 종류 및 압력

기체(7)에 (AlTiW)NO 피막을 형성하기 위한 질화 가스로서, 질소 가스, 암모니아 가스와 수소 가스와의 혼합 가스 등을 사용할 수 있다. 질화 가스의 압력은 2∼6 Pa로 하는 것이 바람직하다. 질화 가스의 압력이 2 Pa 미만에서는 질화물의 생성이 불충분하게 되고, 6 Pa를 초과하면 질화 가스의 첨가 효과가 포화한다.

(3) 기체에 인가하는 바이어스 전압

(AlTiW)NO 피막을 형성하기 위해, 기체에 직류 바이어스 전압 또는 유니폴라 펄스 바이어스 전압을 인가한다. 직류 바이어스 전압은 마이너스의 -270∼-20 V로 한다. -270 V 미만에서는 기체 상에 아킹이 발생하거나 역스퍼터링 현상이 발생하여, W-O 결합이 형성되지 않는다. 한편, -20 V를 초과하면 바이어스 전압의 인가 효과를 얻을 수 없어, W-O 결합이 형성되지 않는다. 직류 바이어스 전압의 바람직한 범위는 -250∼-50 V이다.

유니폴라 펄스 바이어스 전압의 경우, 부(negative) 바이어스 전압(제로로부터 마이너스측으로의 상승이 급격한 부분을 제외한 마이너스의 피크값)은 -270∼-20 V로 한다. 이 범위를 벗어나면 본 발명의 (AlTiW)NO 피막을 얻을 수 없다. 부 바이어스 전압의 바람직한 범위는 -250∼-50 V이다. 유니폴라 펄스 바이어스 전압의 주파수는 바람직하게는 20∼50 kHz이며, 더욱 바람직하게는 30∼40 kHz이다.

(4) 펄스 아크 전류

(AlTiW)NO 피막의 형성 시의 아크 방전을 안정화되는 동시에, 드롭렛의 발생 및 타깃 표면의 산화물 형성을 억제하기 위하여, (AlTiW)NO 피막 형성용 타깃(18)에 펄스 아크 전류를 통전한다. 펄스 아크 전류는, 예를 들면, 도 2(실시예 1의 펄스 아크 전류의 통전 파형)에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 적어도 2 단계의 대략 직사각형의 펄스파이다. 주기 T에 있어서, t_min은 펄스 아크 전류의 안정 영역에서의 최소값 A_min 측의 통전 시간이며, t_max는 펄스 아크 전류의 안정 영역에서의 최대값 A_max 측의 통전 시간이다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 펄스 아크 전류 파형의 1펄스(주기 T)에 있어서, 최대값 A_max 측의 안정 영역은, 급격한 상승 부분 (A_min 측의 최종 위치 P₄로부터 A_max 측의 개시 위치 P₁까지)을 제외한, A_max 측의 개시 위치 P₁으로부터 A_max 측의 최종 위치 P₂까지로 하고, 위치 P₁으로부터 위치 P₂까지의 통전 시간을 t_max로 하였다. A_max 측의 펄스 전류 파형은 위치 P₁으로부터 위치 P₂를 향해 완만하게 감소하고 있으므로, 위치 P₂의 펄스 아크 전류 파형값 95 A를 A_max으로 하였다. 최소값 A_min 측의 안정 영역은, 급격한 하강 부분(A_max 측의 최종 위치 P₂로부터 A_min 측의 개시 위치 P₃까지)을 제외한, A_min 측의 개시 위치 P₃로부터 A_min 측의 최종 위치 P₄까지로 하고, 위치 P₃로부터 위치 P₄까지의 통전 시간을 t_min으로 하였다. A_min 측의 펄스 전류 파형은 위치 P₃로부터 위치 P₄를 향해 완만하게 감소하고 있으므로, 위치 P₄의 펄스 아크 전류 파형값 65 A를 A_min으로 하였다.

(AlTiW)NO 피막의 형성시의 아크 방전을 안정화되는 동시에, 드롭렛의 발생 및 타깃 표면의 산화물 형성을 억제하기 위해, A_min는 50∼90 A이며, 바람직하게는 50∼80 A이다. A_min이 50 A 미만에서는 아크 방전이 일어나지 않고, 성막할 수 없다. 한편, A_min이 90 A를 초과하면 드롭렛이 증가하여, 피막의 내산화성이 손상된다. A_max는 90∼120 A이며, 바람직하게는 90∼110 A이다. A_max가 90∼120 A의 범위를 벗어나면 마찬가지로 드롭렛이 증가하여, 피막의 내산화성이 손상된다.

A_max와 A_min의 차이 ΔA는 10 A 이상이며, 바람직하게는 10∼60 A이며, 더욱 바람직하게는 20∼55 A이다. ΔA가 10 A 미만이면 드롭렛이 증가하여, 피막의 내산화성이 손상된다.

펄스 아크 전류에서의 t_max와 t_min의 비율은, 하기 식:

D=[t_min/(t_min＋t_max)]×100%

(단, t_min은 펄스 아크 전류의 최소값 A_min의 안정 영역에서의 통전 시간이며, t_max는 펄스 아크 전류의 최대값 A_max의 안정 영역에서의 통전 시간임)로 정의되는 듀티비 D로 나타낸다.

듀티비 D는 40∼70 %이며, 바람직하게는 45∼6 5%이다. 듀티비 D가 40∼70 %의 범위를 벗어나면, 아크 방전이 불안정하게 되어, (AlTiW)NO 피막의 암염형 구조가 불안정하게 되어, 드롭렛이 증가한다. 단, 펄스 아크 전류의 파형은 도 2에 나타낸 2단계로 한정되지 않고, 적어도 A_max 및 A_min의 안정 영역을 가지는 파형이면 3 단계 이상(예를 들면 3∼10 단계)이라도 된다.

펄스 아크 전류의 주파수는 2∼15 kHz이며, 바람직하게는 2∼14 kHz이다. 펄스 아크 전류의 주파수가 2∼15 kHz의 범위를 벗어나면, 아크 방전이 안정되지 않거나, (AlTiW)NO 피막 형성용 타깃의 표면에 산화물이 다량으로 형성된다.

상기 최적 범위 내의 조건 하에서 펄스 아크 전류를 통전함으로써, 안정된 아크 방전을 얻을 수 있다. 즉, 아크 스폿의 Al 부분에서의 정체나, (AlTiW)NO 피막 형성용 타깃 표면의 산화물 형성이 억제되므로, AlTiWO 합금은 균일하게 용융, 증발하고, 기체 상에 형성되는 (AlTiW)NO 피막의 조성이 안정된다.

분위기 가스에 산소 가스를 도입하지 않고 WOx를 포함하는 (AlTiW)NO 피막 형성용 타깃을 사용하면, Al 산화물 및 Ti 산화물을 거의 형성하지 않고 W-O 결합을 형성한 본 발명의 (AlTiW)NO 피막이 형성된다. (AlTiW)NO 피막의 형성 공정에 있어서, WOx는 아크 스폿에 의해 증발하여 순간적으로 이온화하고, W 이온 및 O 이온이 생성되고, 순간적으로 서로 반응한다. 그 결과, 피막 중에 W-O 결합을 형성함으로써 Al 산화물 및 Ti 산화물의 생성을 억제하는 것으로 여겨진다. 이에 대하여, 산소 가스를 도입한 분위기 중에서 (AlTiW)NO 피막을 형성하면, W보다 훨씬 산화되기 쉬운 Al 및 Ti는 분위기 중의 산소와 우선적으로 반응하여, 피막 중에 다량의 Al 산화물 및 Ti 산화물이 형성되지만, W-O 결합은 형성되지 않는다. Al 산화물 및 Ti 산화물을 가지면 (AlTiW)NO 피막은 충분한 내산화성 및 내마모성을 가지지 않는다.

본 발명을 이하의 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 물론 이들에 의해 한정되지 않는다. 이하의 실시예 및 비교예에 있어서, 타깃 조성은 특별히 언급하지 않으면 화학 분석에 의한 측정값이다. 또한, 실시예에서는 경질 피막의 기체로서 인서트를 사용하였지만, 물론 본 발명은 이들로 한정되는 것은 아니며, 인서트 이외의 절삭 공구(엔드밀, 드릴 등) 또는 금형 등에도 적용할 수 있다.

실시예 1

(1) 기체의 클리닝

6.0 질량%의 Co를 함유하고, 잔부가 WC 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가지는 WC기 초경합금제의 고이송 밀링 인서트 기체(도 14에 나타낸 형상을 가지는 히타치 툴 가부시키가이샤에서 제조한 EDNW15T4TN-15), 및 물성 측정용 인서트 기체(히타치 툴 가부시키가이샤에서 제조한 SNMN120408)를, 도 1에 나타낸 AI 장치의 유지구(8) 상에 세팅하고, 진공 배기와 동시에 히터(도시하지 않음)로 600℃까지 가열하였다. 그 후, 아르곤 가스를 500 sccm의 유량으로 도입하여 감압 용기(5) 내의 압력을 2.0 Pa로 조정하고, 또한 각각의 기체에 마이너스의 직류 바이어스 전압 -200 V를 인가하여 아르곤 이온의 충격에 의한 에칭에 의해 각각의 기체의 클리닝을 행하였다. 그리고, 「sccm」은 1 atm 및 25℃에서의 유량(cc/분)을 의미한다.

(2) TiO 타깃을 사용한 개질층의 형성

기체 온도를 600℃로 유지한 채, 아르곤 가스의 유량을 50 sccm으로 하고, 원자비로 Ti₀ _. ₈₅O₀ _.15로 표시되는 조성의 TiO 타깃(10)을 아크 방전용 전원(11)이 접속된 아크 방전식 증발원(13)에 배치하였다. 바이어스 전원(3)에 의해 각각의 기체에 -700 V의 마이너스의 직류 전압을 인가하고, 또한 타깃(10)의 표면에 아크 방전용 전원(11)으로부터 직류의 아크 전류를 80 A 통전하고, 각각의 기체 표면에 개질층을 형성하였다.

(3) (AlTiW)NO 피막의 형성

기체 온도를 450℃로 설정하고, 질소 가스를 800 sccm 도입하여 감압 용기(5) 내의 압력을 3.1 Pa로 조정하였다. 원자비로 (Al)_0.63(AlN)_0.07(Ti)_0.10(TiN)_0.10(WN)_0.03(WO₃)_0.07로 표시되는 조성의 Al-AlN-Ti-TiN-WN-WO₃ 합금으로 이루어지는 타깃(18)을, 아크 방전용 전원(12)이 접속된 아크 방전식 증발원(27)에 배치하였다.

바이어스 전원(3)에 의해 각각의 기체에 -80 V의 마이너스의 직류 전압을 인가하고, 또한 타깃(18)의 표면에 아크 방전용 전원(12)으로부터 대략 직사각형 파형의 펄스 아크 전류를 통전하고, 원자비로 (Al₀ _. ₇₁Ti₀ _.20W_0. ₀₉)_0.48N₀ _. ₄₄O₀ _.08로 표시되는 조성을 가지는 두께 3㎛의 피막을 형성하였다. 피막 조성은, 피막의 두께 방향 중심 위치를 전자 프로브 마이크로 분석 장치 EPMA(일본 전자 가부시키가이샤에서 제조한 JXA-8500F)에 의해, 가속 전압 10 kV, 조사 전류 0.05 A, 및 빔 직경 0.5㎛의 조건에서 측정하였다. 그리고, EPMA의 측정 조건은 다른 예에서도 동일하다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 펄스 아크 전류의 최소값 A_min은 65 A이며, 최대값 A_max는 95 A이며, 주파수는 5 kHz(주기 T=2.0×10^-4 초/펄스)이며, 듀티비 D는 50%였다.

도 3은, 얻어진 (AlTiW)NO 피막 피복 밀링 인서트의 단면 조직을 나타내는 주사형 전자 현미경(SEM) 사진(배율: 25,000배)이다. 도 3에 있어서, 부호 "41"은 WC기 초경합금 기체를 나타내고, 부호 "42"는 (AlTiW)NO 피막을 나타낸다. 그리고, 도 3은 저배율이므로, 개질층은 관찰되지 않는다.

(4) (AlTiW)NO 피막에서의 Ti, W 및 Al의 결합 상태

X선 광전자 분광 장치(PHI사 제조, Quantum2000형)를 사용하여, 아르곤 이온에 의한 에칭에 의해 (AlTiW)NO 피막의 표면으로부터 상기 피막의 총 두께에서의 두께 방향 1/6의 위치(표면측)를 노출시킨 후, AlKα₁선(파장λ: 0.833934 ㎚)을 조사하여, Ti, W 및 Al의 결합 상태를 나타낸 스펙트럼을 얻었다. 또한 (AlTiW)NO 피막을 표면으로부터 상기 피막의 총 두께에서의 두께 방향 1/2의 위치(중앙부) 및 5/6의 위치(기체 측)까지 에칭하고, 마찬가지로 Ti, W 및 Al의 결합 상태를 나타낸 스펙트럼을 얻었다. 각각의 두께 방향 위치에서의 Ti, W 및 Al의 결합 상태를 나타낸 스펙트럼을 나타낸 도 4∼도 6에 있어서, 가로축은 결합 에너지(eV)이며, 세로축은 C/S(count per second)이다. Ti, W 및 Al의 결합 상태는 모두 3개소의 측정 위치에서 거의 동일한 것을 알 수 있다.

도 4는 TiNxOy(x와 y의 비율은 명확하지 않음) 및 T-N의 피크를 나타내고, 도 5는 W-O 및 W-N의 피크를 나타내고, 도 6은 Al-N의 피크를 나타낸다. 도 6의 X선 광전자 분광 스펙트럼으로부터 Al-O 결합은 관찰되지 않고, Al-N 결합만 관찰되었다. 도 4의 X선 광전자 분광 스펙트럼으로부터 TiNxOy에서의 x와 y의 정확한 비율은 명확하지 않지만, (AlTiW)NO 피막의 상기 EPMA 분석값(후술하는 표 3-2 중 실시예 1의 란을 참조)으로부터 TiNxOy는 질화물을 주체로 하는 Ti의 질산화물인 것을 알 수 있다. 도 5에 있어서 35.7∼36.0 eV 및 37.4 eV에 피크를 가지는 2개의 W-O 피크가 중첩되어 있으므로, 도 5에는 완만한 W-O 피크로서 표시되어 있다. 또한, 도 5에 32.8 eV 및 34.8 eV에 2개의 W-N 피크가 관찰되었다. 도 4∼도 6으로부터, (AlTiW)NO 피막 중에 W-O가 독립적으로 존재하고, 또한 Ti 및 Al의 산화가 억제되어 있는 것을 알 수 있다.

(5) (AlTiW)NO 피막의 X선 회절 패턴

물성 측정용 인서트 기체 상의 (AlTiW)NO 피막의 결정 구조 및 결정 배향을 측정하기 위하여, X선 회절 장치(Panalytical사에서 제조한 EMPYREAN)를 사용하여, CuKα₁선(파장λ: 0.15405 ㎚)을 조사하여 이하의 조건에서 X선 회절 패턴(도 7)을 얻었다.

관 전압: 45 kV

관 전류: 40 mA

입사각 ω: 3°로 고정

2θ: 30°∼80°

도 7에 있어서, (111)면, (200)면, (220)면, (311)면, 및 (222)면은 모두 암염형 구조의 X선 회절 피크이다. 따라서, 실시예 1의 (AlTiW)NO 피막은 암염형의 단일 구조인 것을 알 수 있다.

표 1은, ICCD 레퍼런스 코드 00-038-1420에 기재되어 있는 TiN의 표준 X선 회절 강도 I₀ 및 2θ를 나타낸다. TiN은 (AlTiW)NO와 같은 암염형 구조를 가진다. 본 발명의 (AlTiW)NO 피막은 TiN의 Ti의 일부를 Al 및 W로 치환하고, 또한 O를 첨가한 고용체에 상당하므로, 표준 X선 회절 강도 I₀(hkl)로서 표 1의 수치를 채용하였다.

[표 1]

도 7의 X선 회절 패턴으로부터, 각 면의 X선 회절 강도(실측값), 및 X선 회절의 최강 피크면인 (200)면을 기준으로 하여 산출한 각 면의 X선 회절 피크 강도비를 표 2에 나타낸다. 표 2에서 (AlTiW)NO 피막의 피크 각도 2θ가 표 1보다 고각 도 측으로 시프트하고 있는 것은, TiN에 Al 등의 다른 원소가 첨가되었기 때문에, (AlTiW)NO 피막 내에 불균일이 발생했기 때문인 것으로 여겨진다.

[표 2]

(6) 개질층 및 (AlTiW)NO 피막의 마이크로 구조

물성 측정용 인서트의 (AlTiW)NO 피막의 단면을 투과형 전자 현미경(TEM, 일본 전자 가부시키가이샤 제조, JEM-2100)에 의해 관찰했다. WC기 초경합금 기체, 개질층 및 (AlTiW)NO 피막의 경계(계면) 부근의 TEM 사진(배율 3,600,000배, 시야: 30 ㎚×30 ㎚)을 도 8에 나타낸다. 도 9a는 도 8의 개략도이다. 도 9a에 있어서, 선 L₁은 WC기 초경합금 기체(41)와 개질층(43)과의 경계를 나타내고, 선 L₂는 개질층(43)과 (AlTiW)NO 피막(42)과의 경계를 나타내고, 다수의 평행한 세선(細線)은 결정 격자 무늬를 나타낸다. 도 9a로부터 밝혀진 바와 같이, 개질층(43)과 (AlTiW)NO 피막(42)과의 경계 중, 결정 격자 무늬가 연속되어 있는 부분은 약 30% 이상 있었다.

도 9a에 상당하는 도 9b에 있어서, 선 L₁ 및 선 L₂에 의해 에워싸인 개질층(43)의 면적 S를 개질층(43)의 길이 L로 나누면, 1개의 시야에서의 개질층(43)의 평균 두께 D₁이 구해진다. 동일한 방법으로 상이한 5개의 시야에서의 개질층(43)의 평균 두께 D₁, D₂, D₃, D₄, D₅를 구하고, 이들을 평균한 값[(D₁＋D₂＋D₃＋D₄＋D₅)/5]을 개질층(43)의 평균 두께 Da로 한다. 이 방법에 의해 구한 개질층(43)의 평균 두께 Da는 6 ㎚였다.

JEM-2100을 사용하여, 개질층(43)의 대략 두께 방향 중앙 위치(도 8에 동그라미 A로 나타냄)에 있어서, 200 kV의 가속 전압 및 50 cm의 카메라 길이의 조건 에서 나노 빔 회절을 행하였다. 얻어진 회절상을 도 10에 나타낸다. 또한 (AlTiW)NO 피막의 임의의 위치(도 8에 동그라미 B로 나타냄)에 있어서, 동일 조건 하에서 나노 빔 회절을 행하였다. 얻어진 회절상을 도 11에 나타낸다. 도 10으로부터, Ti₀ _. ₈₅O₀ _.15 타깃을 사용한 이온 충격에 의한 개질층은 Fcc 구조인 것을 알았다. 또한 도 11로부터, 본 발명의 (AlTiW)NO 피막도 마찬가지로 Fcc 구조인 것을 알았다.

도 8에 동그라미 A로 나타내는 개질층(43)의 두께 방향 중앙 위치에 있어서, 조성의 정성 분석을 JEM-2100에 부속되는 UTW형 Si(Li) 반도체 검출기를 사용하여 빔 직경 1 ㎚의 조건에서 행하였다. 얻어진 스펙트럼을 도 12에 나타낸다. 도 12에 있어서, 가로축은 keV이며, 세로축은 Counts(적산 강도)이다. 도 12로부터, 개질층(43)은 적어도 Ti, W, C 및 O를 포함하는 화합물인 것을 알 수 있다.

투과형 전자 현미경(TEM, JEM-2100)을 사용하여, 200 kV의 가속 전압 및 50 cm의 카메라 길이 조건에서, 물성 측정용 인서트의 (AlTiW)NO 피막의 제한 시야 회절 패턴(도 13)을 얻었다. c-(111), c-(002) 및 c-(022)는 암염형 구조의 회절 스폿을 나타내고, w-(010)는 우르츠광형 구조의 회절 스폿을 나타낸다. 도 13의 TEM의 제한 시야 회절 패턴으로부터, 물성 측정용 인서트의 (AlTiW)NO 피막은 암염형 구조를 주 구조로 하고, 우르츠광형 구조를 부 구조로 하는 것을 알 수 있다.

(7) 드롭렛의 측정

도 16은, 물성 측정용 인서트의 (AlTiW)NO 피막의 표면을 나타내는 SEM 사진(배율: 3,000배)이다. 이 SEM 사진의 세로 35㎛×가로 40㎛의 시야에 있어서, 직경 1㎛ 이상의 드롭렛을 카운트한 결과, 실시예 1의 (AlTiW)NO 피막의 표면의 드롭렛의 발생량은 「6개/시야」이며, 후술하는 비교예 19의 (AlTiW)NO 피막의 표면(도 17)에 비해 드롭렛이 매우 적은 것을 알 수 있다.

(8) 공구 수명의 측정

도 15에 나타낸 바와 같이, (AlTiW)NO 피막을 피복한 4개의 고이송 밀링 인서트(30)을, 날끝 교환식 회전 공구(히타치 툴 가부시키가이샤 제조, ASR5063-4)(40)의 공구 본체(36)의 선단부(38)에 고정 나사(37)로 장착하였다. 공구(40)의 날 직경은 63 ㎜였다. 하기의 밀링(milling) 조건 하에서 절삭 가공을 행하고, 배율 100배의 광학 현미경으로 단위 시간마다 샘플링한 인서트(30)의 퇴피면을 관찰하고, 퇴피면의 마모 폭 또는 치핑(chipping) 폭이 0.3 ㎜ 이상으로 되었을 때의 가공 시간을 공구 수명으로 판정하였다.

절삭 가공 조건

가공 방법: 고이송 연속 밀링 가공

피삭재(被削材): 123 ㎜×250 ㎜의 S50C 각재(角材)

사용 인서트: EDNW15T4TN-15(밀링용)

절삭 공구: ASR5063-4

절삭 속도: 200 m/분

1날당의 이송량: 1.83 ㎜/날

축 방향의 절입량: 1.0 ㎜

반경 방향의 절입량: 42.5 ㎜

절삭액: 없음(건식 가공)

사용한 (AlTiW)NO 피막 형성용 타깃의 조성을 표 3-1에 나타내고, (AlTiW)NO 피막의 조성을 표 3-2에 나타내고, X선 회절 및 전자 회절에 의한 결정 구조의 측정 결과, W-O 결합의 유무, 및 각 공구의 공구 수명을 표 3-3에 나타낸다.

실시예 2∼9, 및 비교예 1∼9

표 3-1에 나타낸 조성의 피막 형성용 타깃을 사용한 점 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 각 밀링 인서트에 경질 피막을 형성하고, 평가했다. 각 타깃의 조성을 표 3-1에 나타내고, 각 피막의 조성을 표 3-2에 나타내고, 각 피막의 X선 회절 및 전자 회절에 의한 결정 구조의 측정 결과, W-O 결합의 유무, 및 각 공구의 공구 수명을 표 3-3에 나타낸다.

[표 3-1]

[표3-2]

[표 3-3]

표 3-3으로부터 밝혀진 바와 같이, 실시예 1∼9의 경질 피막에는 W-O 결합이 형성되어 있었다. 또한 X선 광전자 분광 스펙트럼에 의해, 실시예 1∼9의 각 경질 피막은 Al-O 결합을 실질적으로 함유하지 않은 것을 확인하였다. 그러므로, 실시예 1∼9의 각 경질 피막 피복 인서트는 35분 이상으로 장수명이었다.

이에 비해, 비교예 1∼9의 경질 피막 피복 인서트는 수명이 22분 이하으로 짧았다. 그 이유는 다음과 같다. 즉, 비교예 1의 경질 피막은, 우르츠광형 구조가 주 구조이므로, 내마모성이 뒤떨어진다. 비교예 1의 경질 피막은 Al 함유량이 과다하므로, W-O 결합을 가지지 않았다. 비교예 2 및 3의 경질 피막은, Al 함유량이 과소(Ti 함유량이 과다)이므로, 내산화성 및 내마모성이 뒤떨어진다. 비교예 4의 경질 피막은, Ti 함유량이 과소이므로, 조직이 아몰퍼스화하여, 내마모성이 뒤떨어진다. 비교예 5의 경질 피막은, W 함유량이 과다하기 때문에 조직이 아몰퍼스화하여, 내마모성이 뒤떨어진다. 비교예 6의 경질 피막은, W 함유량이 과소이므로, W-O 결합이 형성되지 않고, 내마모성이 뒤떨어진다. 비교예 7의 경질 피막은, O 함유량이 과다하기 때문에 Ti가 과잉으로 산화되어 내마모성이 뒤떨어진다. 비교예 8의 경질 피막은, O 함유량이 과소이므로, 피막 강도가 낮았다. 비교예 9에서는 타깃이 (AlTiW)N이므로, 얻어진 경질 피막은 W-O 결합을 가지지 않고, 내산화성 및 내마모성이 뒤떨어진다.

실시예 10 및 11, 및 비교예 10 및 11

(AlTiW)NO 피막에 대한 기체 온도의 영향을 조사하기 위하여, 기체 온도를 각각 400℃(실시예 10), 540℃(실시예 11), 300℃(비교예 10), 및 700℃(비교예 11)로 한 점 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 각 밀링 인서트에 (AlTiW)NO 피막을 형성하고, 평가했다. 각 (AlTiW)NO 피막의 조성을 표 4-1에 나타내고, X선 회절 및 전자 회절에 의해 구한 결정 구조의 측정 결과, W-O 결합의 유무, 및 공구 수명을 표 4-2에 나타낸다.

[표 4-1]

[표 4-2]

표 4-2로부터 밝혀진 바와 같이, 실시예 10 및 11의 공구 수명은 50분 이상으로 길었지만, 비교예 10 및 11의 공구 수명은 19분∼20분으로 짧았다. 그 이유는, 비교예 10에서는 기체 온도가 지나치게 낮기 때문에 W-O 결합이 형성되지 않고, 비교예 11에서는 기체 온도가 지나치게 높아 암염형 구조를 유지할 수 없기 때문이다.

실시예 12∼14, 및 비교예 12 및 13

(AlTiW)NO 피막에 미치는 직류 바이어스 전압의 영향을 조사하기 위하여, 실시예 12에서는 -250 V의 직류 바이어스 전압을 인가하고, 실시예 13에서는 -150 V의 직류 바이어스 전압을 인가하고, 실시예 14에서는 -20 V의 직류 바이어스 전압을 인가하고, 비교예 12에서는 -300 V의 직류 바이어스 전압을 인가하고, 비교예 13에서는 -10 V의 직류 바이어스 전압을 인가한 점 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 각 밀링 인서트에 (AlTiW)NO 피막을 형성하고, 평가했다. 각 (AlTiW)NO 피막의 조성을 표 5-1에 나타내고, X선 회절 및 전자 회절에 의해 구한 결정 구조의 측정 결과, W-O 결합의 유무, 및 공구 수명을 표 5-2에 나타낸다.

[표 5-1]

[표 5-2]

실시예 15∼18, 및 비교예 14 및 15

(AlTiW)NO 피막에 미치는 유니폴라 펄스 바이어스 전압의 영향을 조사하기 위하여, 실시예 15에서는 -250 V의 유니폴라 펄스 바이어스 전압을 인가하고, 실시예 16에서는 -150 V의 유니폴라 펄스 바이어스 전압을 인가하고, 실시예 17에서는 -80 V의 유니폴라 펄스 바이어스 전압을 인가하고, 실시예 18에서는 -20 V의 유니폴라 펄스 바이어스 전압을 인가하고, 비교예 14에서는 -300 V의 유니폴라 펄스 바이어스 전압을 인가하고, 비교예 15에서는 -10 V의 유니폴라 펄스 바이어스 전압을 인가한 점 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 각 밀링 인서트에 (AlTiW)NO 피막을 형성하고, 평가했다. 어느 유니폴라 펄스 바이어스 전압도 주파수는 30 kHz였다. 각 (AlTiW)NO 피막의 조성을 표 5-3에 나타내고, X선 회절 및 전자 회절에 의해 구한 결정 구조의 측정 결과, W-O 결합의 유무, 및 공구 수명을 표 5-4에 나타낸다.

[표 5-3]

[표 5-4]

표 5-2, 표 5-4로부터 밝혀진 바와 같이, 실시예 12∼18의 각 공구 수명은 42분 이상으로 길었지만, 비교예 12∼15의 공구 수명은 22분∼28분으로 짧았다. 그 이유는, 비교예 13 및 비교예 15에서는 바이어스 전압이 지나치게 높았기 때문에, (AlTiW)NO 피막의 결정화가 촉진되지 않아 밀착력 부족하게 되어, 내마모성이 뒤떨어졌기 때문이다. 또한 비교예 12 및 14에서는 바이어스 전압이 지나치게 낮았기 때문에 아킹이 발생하여, (AlTiW)NO 피막이 열화되었기 때문이다.

실시예 19 및 20, 및 비교예 16 및 17

(AlTiW)NO 피막에 미치는 펄스 아크 전류의 주파수의 영향을 조사하기 위하여, 주파수를 각각 2 kHz(실시예 19), 14 kHz(실시예 20), 0.5 kHz(비교예 16), 및 20 kHz(비교예 17)로 한 점 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 각 밀링 인서트에 (AlTiW)NO 피막을 형성하고, 평가했다. 각 (AlTiW)NO 피막의 조성을 표 6-1에 나타내고, X선 회절 및 전자 회절에 의해 구한 결정 구조의 측정 결과, W-O 결합의 유무, 및 공구 수명을 표 6-2에 나타낸다.

[표 6-1]

[표 6-2]

표 6-2로부터 밝혀진 바와 같이, 실시예 19 및 20의 공구 수명은 45분 이상으로 길었지만, 비교예 16 및 17의 공구 수명은 22분∼23분으로 짧았다. 그 이유는, 비교예 16에서는 타깃 상에 산화물이 다량으로 형성되고, 성막 시의 아크 방전이 불안정하게 되어 피막 조성의 편향이 생김과 동시에 피막 내에 W-O 결합이 형성 되지 않았기 때문이며, 비교예 17에서는 주파수가 지나치게 높아 아크 방전이 불안정하게 되어, 피막 내에 W-O 결합이 형성되지 않았기 때문이다.

실시예 21∼25, 비교예 18 및 19

(AlTiW)NO 피막에 미치는 펄스 아크 전류의 A_min, A_max 및 ΔA(=A_max-A_min)의 영향을 조사하기 위하여, 표 7에 나타낸 바와 같이 A_min, A_max 및 ΔA를 변화시킨 점 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 각 밀링 인서트에 (AlTiW)NO 피막을 형성하고, 평가했다. 각 (AlTiW)NO 피막의 조성을 표 8-1에 나타내고, X선 회절 및 전자 회절에 의해 구한 결정 구조의 측정 결과, W-O 결합의 유무, 및 공구 수명을 표 8-2에 나타낸다.

[표 7]

[표 8-1]

[표 8-2]

표 7 및 표 8로부터 밝혀진 바와 같이, A_min=50∼90 A, A_max=90∼120 A 및 ΔA=10∼55 A의 범위 내에서 형성한 실시예 21∼25의 (AlTiW)NO 피막은 모두 W-O 결합을 포함하고 있고, 각 공구는 장수명이었다. 이에 비해, 비교예 18 및 19의 각 공구는 단수명이었다. 이는, 비교예 18에서는 A_min, A_max 및 ΔA가 모두 본 발명의 범위를 벗어나 있었기 때문이며, 비교예 19에서는 펄스가 아닌 아크 전류의 통전에 의해 타깃 상에 산화물이 다량으로 형성되고, 아크 방전이 불안정하게 되어 피막 조성의 편향이 생김과 동시에, 피막 내에 W-O 결합이 형성되지 않았기 때문이다. 또한, 비교예 18 및 19에서는 피막 표면에 드롭렛이 다수 형성되어 있었던 점도, 단수명의 이유이다. 도 17은 비교예 19의 피막 표면을 나타내는 SEM 사진이다. 도 17의 SEM 사진 상에서 실시예 1과 동일하게 측정한 직경 1㎛ 이상의 드롭렛의 발생량은 「17개/시야」였다.

실시예 26 및 27, 및 비교예 20 및 21

(AlTiW)NO 피막에 미치는 펄스 아크 전류에서의 A_min의 듀티비 D의 영향을 조사하기 위하여, 듀티비 D를, 실시예 26에서는 40%로 하고, 실시예 27에서는 65%로 하고, 비교예 20에서는 10%로 하고, 비교예 21에서는 90%로 한 점 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 각 밀링 인서트에 (AlTiW)NO 피막을 형성하고, 평가했다. 각 (AlTiW)NO 피막의 조성을 표 9-1에 나타내고, X선 회절 및 전자 회절에 의해 구한 결정 구조의 측정 결과, W-O 결합의 유무, 및 공구 수명을 표 9-2에 나타낸다.

[표 9-1]

[표 9-2]

표 9-2로부터 밝혀진 바와 같이, 실시예 26 및 27의 각 공구는 50분 이상으로 장수명이지만, 비교예 20 및 21의 각 공구는 단수명이었다. 이는, 비교예 20에서는 듀티비 D가 과소이므로 아크 방전이 불안정하게 되어, 피막 내에 W-O 결합이 포함되지 않았기 때문이며, 또한 비교예 21에서는 듀티비 D가 과대하므로, 타깃 상에 산화물이 다량으로 형성되고, 아크 방전이 불안정하게 되어, 피막 내에 W-O 결합이 포함되지 않았기 때문이다.

실시예 28 및 29

피막의 결정 구조 및 공구 수명에 미치는 개질층의 두께의 영향을 조사하기 위하여, 실시예 1과 동일한 Ti₀ _. ₈₅O₀ _.15 타깃(원자비)을 사용하고, 이온 충격 시간을 변경함으로써 WC기 초경합금 기체의 표면에 형성된 개질층의 평균 두께를 각각 2 ㎚(실시예 28) 및 9 ㎚(실시예 29)로 한 점 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 밀링 인서트에 (AlTiW)NO 피막을 형성하였다. 각 (AlTiW)NO 피막의 조성을 표 10-1에 나타내고, X선 회절 및 전자 회절에 의해 구한 결정 구조의 측정 결과, W-O 결합의 유무, 개질층의 평균 두께, 및 공구 수명을 표 10-2에 나타낸다.

[표 10-1]

[표 10-2]

표 10-2로부터 밝혀진 바와 같이, 실시예 28 및 29의 각 공구는 45분 이상으로 장수명이었다.

실시예 30∼33

성막 시간을 조정함으로써 (AlTiW)NO 피막의 평균 막 두께를 각각 1㎛(실시예 30), 6㎛(실시예 31), 8㎛(실시예 32) 및 10㎛(실시예 33)로 한 점 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 각 밀링 인서트에 (AlTiW)NO 피막을 형성하고, 평가했다. 각 (AlTiW)NO 피막의 조성을 표 11-1에 나타내고, X선 회절 및 전자 회절에 의해 구한 결정 구조의 측정 결과, W-O 결합의 유무, 피막의 평균 두께, 및 공구 수명을 표 11-2에 나타낸다. 표 11-2로부터 밝혀진 바와 같이, 실시예 30∼33의 각 경질 피막 피복 공구는 40분 이상으로 장수명이었다.

[표 11-1]

[표 11-2]

실시예 34∼49

피막의 수명에 미치는 (AlTiW)NO 피막의 적층화 효과를 조사하기 위하여, 표 12-2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1과 동일하게 형성한 조성 A의 피막과, 표 12-1의 각 타깃을 사용한 점 이외에는 실시예 1과 동일하게 형성한 조성 B의 피막을 교호적으로 적층한 각 밀링 인서트를 실시예 1과 동일한 방법으로 평가했다. 조성 B의 피막의 형성에 사용한 각 타깃의 조성과 얻어진 적층 피막의 적층수를 표 12-1에 나타내고, 각 (AlTiW)NO 적층 피막을 구성하는 A층 및 B층의 조성을 표 12-2에 나타내고, X선 회절 및 전자 회절에 의해 구한 결정 구조의 측정 결과, W-O 결합의 유무, 및 공구 수명을 표 12-3에 나타낸다.

[표 12-1]

[표 12-2]

[표 12-3]

표 12-3으로부터 밝혀진 바와 같이, 실시예 34∼49의 각 공구는 40분 이상으로 장수명이었다.

실시예 50∼61

피막의 수명에 미치는 중간층의 영향을 조사하기 위하여, 실시예 1과 동일한 개질층 및 (AlTiW)NO 피막의 사이에, 표 13-1에 나타낸 조성의 각 타깃을 사용하고, 표 13-1 및 표 13-2에 나타낸 각 성막 조건에서 물리 증착법에 의해 각각의 중간층을 형성한 점 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 밀링 인서트에 (AlTiW)NO 피막을 형성하고, 평가했다. 표 14-1에 각 (AlTiW)NO 피막의 조성을 나타내고, 표 14-2에 X선 회절 및 전자 회절에 의해 구한 결정 구조의 측정 결과, W-O 결합의 유무, 및 공구 수명을 나타낸다.

[표 13-1]

[표 13-2]

[표 14-1]

[표 14-2]

실시예 50∼61에서는, WC기 초경합금 기체와 (AlTiW)NO 피막의 사이에, 물리 증착법에 의해, 4a, 5a 및 6a 족의 원소, Al 및 Si로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 금속 원소와, B, O, C 및 N으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종을 필수 구성 원소로 하는 중간층(경질 피막)을 형성하였으나, 표 14-2로부터 밝혀진 바와 같이 어느 공구도 47분 이상의 공구 수명을 가지고 있었다.

실시예 62∼66

(1) 기체의 클리닝

6 질량%의 Co를 함유하고, 잔부가 WC 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성의 WC기 초경합금제의 선삭(旋削) 인서트 기체(히타치 툴 가부시키가이샤 제조, CNMG120408), 및 실시예 1과 동일한 물성 측정용 인서트 기체를 도 1에 나타낸 AI 장치의 유지구(8) 상에 세팅하고, 진공 배기와 동시에 히터(도시하지 않음)로 600℃로 가열하였다. 그 후, 아르곤 가스를 500 sccm 도입하여 감압 용기(5) 내의 압력을 2.0 Pa로 조정하고, 각각의 기체에 -200 V의 마이너스의 직류 바이어스 전압을 인가하여 아르곤 이온 충격의 에칭에 의한 클리닝을 행하였다.

(2) TiO 타깃을 사용한 개질층의 형성

클리닝한 각각의 기체 상에, 실시예 1과 동일하게 하여 개질층을 형성하였다.

(3) (AlTiW)NO 피막의 형성

개질층이 형성된 각각의 기체 상에, 실시예 1과 동일하게 하여 (AlTiW)NO 피막을 형성하였다.

(4) (AlCr)NO 피막의 형성

AlCr 타깃(Al: 50 원자%, Cr: 50 원자%)을 사용하고, 각 (AlTiW)NO 피막 상에 이하의 조건에서 (AlCr)NO 피막을 형성하였다. 기체 온도 600℃에서, 직류 아크 전류를 120 A로 하고, 각각의 기체에 -40 V의 유니폴라 펄스 바이어스 전압(주파수 20 kHz)을 5분간 인가하였다. 질소 가스는 성막 초기에 700 sccm 흐르게 하고, 5분 동안 200 sccm까지 유량을 서서히 낮추어, 성막 종기에는 200 sccm으로 하였다. 산소 가스는 성막 초기에 10 sccm로부터 20분 동안 500 sccm까지 서서히 유량을 높이면서 AI로(爐) 내에 도입하고, 성막 종기에는 500 sccm으로 하였다. 성막 시의 분위기 가스 압력은 3 Pa로 하고, (Al₀ _. ₅₂Cr₀ _. ₄₈)_0.46(N_0.42O_0.58)₀ _.54(원자비)의 조성을 가지는 (AlCr)NO 피막을 0.5㎛의 평균 두께로 피복하였다. 표 15는 각 (AlCr)NO 피막의 조성을 나타낸다.

[표 15-1]

[표 15-2]

(5) (AlCr)₂O₃ 피막의 형성

그 후 연속하여, 각 (AlCr)NO 피막 상에 상층으로서, 표 16-2에 나타낸 각 AlCr 타깃을 사용하고, 표 16-1 및 표 16-2에 나타낸 각각의 조건에서 (AlCr)₂O₃ 피막을 1.5㎛의 평균 두께로 형성하였다. (AlCr)₂O₃ 피막의 조성 및 결정 구조를 표 17에 나타낸다.

[표 16-1]

[표 16-2]

[표 17]

(6) 공구 수명의 평가

얻어진 각 (AlTiW)NO 피막 상에 순차적으로 (AlCr)NO 피막 및 (AlCr)₂O₃ 피막을 형성하여, 경질 피막 피복 선삭 인서트를 얻었다. 얻어진 각 인서트를 장착한 각각의 선삭 공구에 의해, 이하의 조건에서 선삭 가공을 행하고, 피막의 박리 상황, 퇴피면의 마모, 및 치핑 등을 조사하였다. (AlTiW)NO 피막, (AlCr)NO 피막 및 (AlCr)₂O₃ 피막의 박리의 유무는, 선삭 가공의 단위 시간마다 샘플링한 인서트에 피막 박리가 있는지의 여부를 광학 현미경(배율: 100배)으로 관찰함으로써 조사하였다. 선삭 가공에 있어서, 퇴피면의 최대 마모폭이 0.30 ㎜를 초과할 때까지, (AlTiW)NO 피막이 박리할 때까지, 또는 (AlTiW)NO 피막이 치핑할 때까지 중 가장 짧은 절삭 가공 시간을 공구 수명으로 하였다. 각 (AlTiW)NO 피막의 조성, X선 회절 및 전자 회절에 의해 구한 결정 구조의 측정 결과, W-O 결합의 유무, 및 공구 수명을 각각 표 18-1 및 표 18-2에 나타낸다.

절삭 가공 조건

피삭재: SUS630

가공 방법: 연속 선삭 가공

공구 형상: CNMG120408

절삭 속도: 140 m/분

이송: 0.23 ㎜/회전

절입: 1.5 ㎜

절삭액: 수용성 절삭유

실시예 67

실시예 62와 동일한 방법으로 형성한 (AlTiW)NO 피막 상에 (AlCr)₂O₃ 피막을 형성하지 않았던 선삭 인서트를 평가했다. (AlTiW)NO 피막의 조성, X선 회절 및 전자 회절에 의해 구한 결정 구조의 측정 결과, W-O 결합의 유무, 및 공구 수명을 각각 표 18-1 및 표 18-2에 나타낸다.

비교예 22

비교예 3과 동일한 (AlTiW)NO 피막을 형성한 점 이외에는 실시예 62와 동일한 방법으로 제조한 (AlTiW)NO 피막 피복 인서트를 평가했다. (AlTiW)NO 피막의 조성을 표 18-1에 나타내고, X선 회절 및 전자 회절에 의해 구한 결정 구조의 측정 결과, W-O 결합의 유무, 및 공구 수명을 표 18-2에 나타낸다.

[표 18-1]

[표 18-2]

표 18-2로부터 밝혀진 바와 같이, 실시예 1과 동일한 (AlTiW)NO 피막 상에 (AlCr)₂O₃ 상층이 형성된 실시예 62∼66의 각 인서트의 공구 수명은 38분 이상으로 길고, 또한 (AlCr)₂O₃ 상층을 형성하지 않았던 실시예 67의 선삭 인서트의 공구 수명은 실시예 62∼66보다 뒤떨어지지만 비교예 22보다 길었다.

실시예 68

개질층을 형성하지 않는 점 이외에는 실시예 1과 동일한 WC기 초경합금 기체에, 실시예 1과 동일한 방법으로 (AlTiW)NO 피막을 형성하고, 평가한 결과, 공구 수명은 31분이며, 개질층이 형성된 WC기 초경합금 기체에 (AlTiW)NO 피막을 형성하였고, 타깃에 통전하는 펄스 아크 전류의 주파수를 0.5 kHz로 한 비교예 16의 공구 수명(23분)보다 길었다.

실시예 69

도 1의 AI 장치에 있어서, 실시예 1과 동일한 WC기 초경합금제의 고이송 밀링 인서트 기체 및 물성 측정용 인서트 기체에, 실시예 1과 동일하게 Ar 이온의 클리닝을 행하였다. 다음으로, 각각의 기체의 온도를 610℃로 하고, 아르곤 가스의 유량을 50 sccm으로 하고, 원자비로 Ti₀ _. ₈B₀ _.2로 표시되는 조성의 타깃(10)을 아크 방전용 전원(11)이 접속된 아크 방전식 증발원(13)에 배치하였다. 바이어스 전원(3)에 의해 각각의 기체에, -750 V의 마이너스의 직류 전압을 인가하고, 또한 타깃(10)의 표면에 아크 방전용 전원(11)으로부터 직류의 아크 전류를 80 A 통전함으로써 평균 두께 5 ㎚의 개질층을 형성하였다. 이후는 실시예 1과 동일한 방법으로 행하여 밀링 인서트에 (AlTiW)NO 피막을 형성하고, 평가했다. 그 결과, 공구 수명은 63분으로 실시예 1(55분)보다 길었다.

상기 실시예에서는, 본 발명의 타깃에 포함되는 산화 텅스텐이 WO₃인 경우에 대하여 기재했지만 이것으로 한정되지 않고, 산화 텅스텐이 WO₂이거나, 또는 산화 텅스텐이 WO₃와 WO₂로 이루어지는 본 발명의 타깃의 경우에도 상기 실시예와 거의 동일한 유리한 효과를 얻을 수 있다.

1: 구동부
2: 가스 도입부
3: 바이어스 전원
4: 베어링부
5: 감압 용기
6: 하부 유지구(지주)
7: 기체
8: 상부 유지구
10: 음극 물질(타깃)
11, 12: 아크 방전용 전원
13, 27: 아크 방전식 증발원
14: 아크 방전식 증발원 고정용 절연물
15: 아크 점화 기구 베어링부
16: 아크 점화 기구
17: 배기구
18: 음극 물질(타깃)
19: 전극 고정용 절연물
20: 전극
21: 차폐판 베어링부
22: 차폐판 구동부
23: 차폐판
30: 밀링용 인서트
35: 인서트의 주 커팅블레이드
36: 공구 본체
37: 인서트용 고정 나사
38: 공구 본체의 선단부
40: 날끝 교환식 회전 공구
41: WC기 초경합금 기체
42: (AlTiW)NO 피막
43: 개질층

Claims

(Al_xTi_yW_z)_aN_(1-a-b)O_b(단, x, y, z, a 및 b는 각각 원자비이며 0.6≤x≤0.8, 0.05≤y≤0.38, 0.02≤z≤0.2, x＋y＋z=1, 0.2≤a≤0.8 및 0.02≤b≤0.10을 만족시키는 수치임)로 표시되는 조성을 가지고, 아크 이온 플레이팅법에 의해 형성된 경질 피막으로서,
X선 광전자 분광 분석법으로 특정된 결합 상태에 실질적으로 Al-O 결합이 없고 W-O 결합이 있고, 또한 X선 회절 패턴이 암염형(巖鹽型)의 단일 구조를 가지는, 경질 피막.
제1항에 있어서,
상기 경질 피막의 전자 회절 패턴이 암염형을 주 구조로 하고, 우르츠광(wurtzite)형을 부 구조로 하는, 경질 피막.
제1항 또는 제2항에 기재된 경질 피막을 기체(基體) 상에 형성한, 경질 피막 피복 부재.
제3항에 있어서,
상기 기체와 상기 경질 피막의 사이에, 물리 증착법에 의해, 4a, 5a 및 6a 족의 원소, Al 및 Si로부터 선택된 적어도 1종의 금속 원소와, B, O, C 및 N으로부터 선택된 적어도 1종의 원소를 필수적으로 포함하는 중간층을 형성한, 경질 피막 피복 부재.
제3항에 있어서,
상기 경질 피막 상에 원자비로, (Al_hCr_i)_c(N_jO_k)_d(단, h=0.1∼0.6, h＋i=1, j=0.1∼0.8, j＋k=1, c=0.35∼0.6 및 c＋d=1임)로 표시되는 조성을 가지는 산질화물층이 형성되고, 또한 상기 산질화물층 상에 물리 증착법에 의해 원자비로, (Al_mCr_n)₂O₃(단, m=0.1∼0.6 및 m＋n=1임)로 표시되는 조성을 가지는 산화물층이 형성된, 경질 피막 피복 부재.
(Al_xTi_yW_z)_aN_(1-a-b)O_b(단, x, y, z, a 및 b는 각각 원자비이며 0.6≤x≤0.8, 0.05≤y≤0.38, 0.02≤z≤0.2, x＋y＋z=1, 0.2≤a≤0.8 및 0.02≤b≤0.10을 만족시키는 수치임)로 표시되는 조성을 가지고, X선 광전자 분광 분석법으로 특정된 결합 상태에 실질적으로 Al-O 결합없이 W-O 결합이 있고, 또한 X선 회절 패턴이 암염형의 단일 구조를 가지는 경질 피막을 아크 이온 플레이팅법에 의해 기체 상에 형성하는 방법으로서,
질화 가스 분위기 중에서 400∼550 ℃의 온도로 유지한 상기 기체 상에 상기 경질 피막을 형성할 때, 상기 기체에 -270∼-20 V의 직류 바이어스 전압 또는 유니폴라 펄스 바이어스 전압을 인가하고, 또한 아크 방전식 증발원(蒸發源)에 구비된 Al의 질화물, Ti의 질화물, W의 질화물 및 W의 산화물을 함유하는 AlTi 합금으로 이루어지는 타깃에 펄스 아크 전류를 통전(通電)하고,
상기 펄스 아크 전류가, 90∼120 A의 최대 아크 전류값, 50∼90 A의 최소 아크 전류값 및 2∼15 kHz의 주파수를 가지고, 또한 상기 최대 아크 전류값과 상기 최소 아크 전류값의 차이가 10 A 이상인 직사각형 파형으로서, 40∼70 %의 듀티비를 가지는, 경질 피막의 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 타깃의 조성이, (Al)_p(AlN)_q(Ti)_r(TiN)_s(WN)_t(WOx)_u(단, p, q, r, s, t 및 u는 각각 원자비이며 0.59≤p≤0.8, 0.01≤q≤0.1, 0.04≤r≤0.35, 0.03≤s≤0.15, 0.01≤t≤0.20, 0.01≤u≤0.1 및 p＋q＋r＋s＋t＋u=1을 만족시키는 수치이며, x는 원자비이며 2∼3의 수임)로 표시되는 조성을 가지는, 경질 피막의 제조 방법.
(Al_xTi_yW_z)_aN_(1-a-b)O_b(단, x, y, z, a 및 b는 각각 원자비이며 0.6≤x≤0.8, 0.05≤y≤0.38, 0.02≤z≤0.2, x＋y＋z=1, 0.2≤a≤0.8 및 0.02≤b≤0.10을 만족시키는 수치임)로 표시되는 조성을 가지고, X선 광전자 분광 분석법으로 특정된 결합 상태에 실질적으로 Al-O 결합이 없고 W-O 결합이 있고, 또한 X선 회절 패턴이 암염형의 단일 구조를 가지는 경질 피막을 기체 상에 가지는 경질 피막 피복 부재를 아크 이온 플레이팅법에 의해 제조하는 방법으로서,
질화 가스 분위기 중에서 400∼550 ℃의 온도로 유지한 상기 기체 상에 상기 경질 피막을 형성할 때, 상기 기체에 -270∼-20 V의 직류 바이어스 전압 또는 유니폴라 펄스 바이어스 전압을 인가하고, 또한 아크 방전식 증발원에 구비된 Al의 질화물, Ti의 질화물, W의 질화물 및 W의 산화물을 함유하는 AlTi 합금으로 이루어지는 타깃에 펄스 아크 전류를 통전하고,
상기 펄스 아크 전류가, 90∼120 A의 최대 아크 전류값, 50∼90 A의 최소 아크 전류값 및 2∼15 kHz의 주파수를 가지고, 또한 상기 최대 아크 전류값과 상기 최소 아크 전류값의 차이가 10 A 이상인 직사각형 파형으로서, 40∼70 %의 듀티비를 가지는, 경질 피막 피복 부재의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 타깃의 조성이, (Al)_p(AlN)_q(Ti)_r(TiN)_s(WN)_t(WOx)_u(단, p, q, r, s, t 및 u는 각각 원자비이며 0.59≤p≤0.8, 0.01≤q≤0.1, 0.04≤r≤0.35, 0.03≤s≤0.15, 0.01≤t≤0.20, 0.01≤u≤0.1 및 p＋q＋r＋s＋t＋u=1을 만족시키는 수치이며, x는 원자비이며 2∼3의 수임)로 표시되는 조성을 가지는, 경질 피막 피복 부재의 제조 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 기체가 WC기 초경합금(超硬合金)이며, 상기 경질 피막의 형성 전에, 유량(流量)이 30∼150 sccm인 아르곤 가스 분위기 중에서, 400∼700 ℃의 온도로 유지한 상기 기체에 -850∼-500 V의 마이너스의 직류 전압을 인가하고, 또한 아크 방전식 증발원에 구비된 Ti_eO₁ _-e(단, e는 Ti의 원자비이며, 0.7≤e≤0.95를 만족시키는 수치임)로 표시되는 조성의 타깃에 50∼100 A의 아크 전류를 통전하고, 이로써 상기 기체의 표면을 상기 타깃으로부터 발생한 이온에 의해 이온 충격(ion bombardment)을 주는, 경질 피막 피복 부재의 제조 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 기체가 WC기 초경합금이며, 상기 경질 피막의 형성 전에, 유량이 30∼150 sccm인 아르곤 가스 분위기 중에서, 450∼750 ℃의 온도로 유지한 상기 기체에 -1000∼-600 V의 마이너스의 직류 전압을 인가하고, 또한 아크 방전식 증발원에 구비된 Ti_fB₁ _-f(단, f는 Ti의 원자비이며, 0.5≤f≤0.9를 만족시키는 수치임)로 표시되는 조성의 타깃에 50∼100 A의 아크 전류를 통전하고, 이로써 상기 기체의 표면을 상기 타깃으로부터 발생한 이온에 의해 이온 충격을 주는, 경질 피막 피복 부재의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 기재된 경질 피막의 제조에 사용하는 타깃으로서,
(Al)_p(AlN)_q(Ti)_r(TiN)_s(WN)_t(WOx)_u(단, p, q, r, s, t 및 u는 각각 원자비이며 0.59≤p≤0.8, 0.01≤q≤0.1, 0.04≤r≤0.35, 0.03≤s≤0.15, 0.01≤t≤0.20, 0.01≤u≤0.1 및 p＋q＋r＋s＋t＋u=1을 만족시키는 수치이며, x는 원자비이며 2∼3의 수임)에 의해 표시되는 조성을 가지는 소결체로 이루어지는, 타깃.
제12항에 있어서,
상기 소결체가 AlTi 합금 분말, AlN 분말, TiN 분말, WN 분말 및 WO₃ 분말 및/또는 WO₂ 분말로 이루어지는 혼합 분말을 진공 핫 프레스함으로써 얻어지는, 타깃.