KR102088090B1

KR102088090B1 - 피복 공구의 제조 방법

Info

Publication number: KR102088090B1
Application number: KR1020177002498A
Authority: KR
Inventors: 살레 아부사일릭
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2014-08-01
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2020-03-11
Also published as: KR20190016147A; TW201606112A; CN106661716B; TWI557257B; WO2016017375A1; SG11201700614VA; JPWO2016017375A1; JP6308298B2; KR20170024061A; CN106661716A

Abstract

고경도의 DLC 피막을 우수한 밀착성을 확보한 후, 후막으로 형성할 수 있는 피복 공구의 제조 방법에 관한 것이다.
필터드 아크 이온 플레이팅법으로 기재의 표면에 다이아몬드 라이크 카본 피막을 형성하는 피복 공구의 제조 방법이며, 상기 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -2500V 이상 -1500V 이하로 하고, 로 내에 수소 가스를 포함하는 혼합 가스를 도입하여, 상기 기재의 표면을 가스 봄바드먼트 처리하는 제1 공정과, 상기 가스 봄바드먼트 처리 후에 상기 로 내에 질소 가스를 도입하고, 그래파이트 타깃에 전류를 투입하여 상기 기재의 표면에 다이아몬드 라이크 카본 피막을 형성하는 제2 공정을 포함하고, 상기 제2 공정에서는, 상기 질소 가스의 유량을 감소시키는 공정과, 상기 그래파이트 타깃에 투입하는 상기 전류를 증가시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 피복 공구의 제조 방법.

Description

피복 공구의 제조 방법 {METHOD FOR MANUFACTURING A COATED TOOL}

본 발명은, 예를 들어 프레스 가공용, 또는 단조용 금형이나, 톱날 등의 절단 공구, 그리고 드릴 등의 절삭 공구 등에 사용되는 피복 공구이며, 다이아몬드 라이크 카본 피막(이하, 「DLC 피막」이라고도 함)이 형성된 피복 공구의 제조 방법에 관한 것이다.

알루미늄, 구리 및 수지 등의 피가공재를 금형으로 성형 가공하는 경우, 피가공재의 일부가 금형의 표면에 부착됨으로써 스커핑, 흠집 등의 제품 이상이 발생하는 경우가 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 금형의 표면에 DLC 피막을 형성한 피복 금형이 실용되고 있다. 수소를 실질적으로 함유하지 않는 DLC 피막(Tetrahedral amorphous carbon 피막: ta-C 피막)은, 고경도이며 내마모성이 우수하므로, 피복 금형에 널리 적용되어 있다.

그러나, 수소를 실질적으로 함유하지 않는 고경도의 DLC 피막은, 그래파이트 타깃을 사용한 아크 이온 플레이팅법으로 형성되어 있고, 드롭렛이라고 일컬어지는, 크기가 수 마이크로미터인 입자(그래파이트 구)가 불가피적으로 DLC 피막에 혼입되어, DLC 피막의 표면 조도가 악화된다.

이러한 과제에 대해, 특허문헌 1은 드롭렛을 포집하는 기구를 구비한 필터드 아크 이온 플레이팅법을 적용함으로써, 평활하고 고경도인, 수소를 실질적으로 함유하지 않는 DLC 피막을 형성할 수 있는 것이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 제2008-297171호 공보

특허문헌 1과 같은, 필터드 아크 이온 플레이팅법으로 형성하면, 고경도이며 평활한 표면 상태의 DLC 피막을 달성할 수 있다. 그러나, 고경도의 DLC 피막은 밀착성이 부족한 경향이 있어, 단순히 필터드 아크 이온 플레이팅법을 적용하는 것만으로는 만족시킬 수 있는 밀착성은 달성되기 어려운 경향이 있다.

또한, 가혹한 사용 환경하에 있어서 피복 공구의 내구성을 더욱 높이기 위해, 고경도의 DLC 피막을 더욱 후막으로 하는 것이 요구되고 있다. 그러나, 후막의 DLC 피막을 형성하기 위해 성막 시간을 길게 하면 아크 방전이 불안정해지기 쉬워, 고경도의 DLC 피막을 우수한 밀착성을 확보한 후, 후막으로 하는 것은 곤란했다.

본 발명은, 이상과 같은 사정에 비추어 이루어진 것이며, 고경도의 DLC 피막을 우수한 밀착성을 확보한 후, 후막으로 형성할 수 있는 피복 공구의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명은, 필터드 아크 이온 플레이팅법으로 기재의 표면에 다이아몬드 라이크 카본 피막을 형성하는 피복 공구의 제조 방법이며, 상기 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -2500V 이상 -1500V 이하로 하고, 로 내에 수소 가스를 포함하는 혼합 가스를 도입하여, 상기 기재의 표면을 가스 봄바드먼트 처리하는 제1 공정과, 상기 가스 봄바드먼트 처리 후에 상기 로 내에 질소 가스를 도입하고, 그래파이트 타깃에 전류를 투입하여 상기 기재의 표면에 다이아몬드 라이크 카본 피막을 형성하는 제2 공정을 포함하고,

상기 제2 공정에서는, 상기 질소 가스의 유량을 감소시키는 공정과, 상기 그래파이트 타깃에 투입하는 상기 전류를 증가시키는 공정을 포함하는 피복 공구의 제조 방법이다.

상기 다이아몬드 라이크 카본 피막의 막 두께가 2.0㎛ 이상인 것이 바람직하다.

상기 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 증가시키는 공정에서는, 상기 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 총계로 40A 이상 증가시키는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 우수한 밀착성을 갖는 고경도의 DLC 피막을 후막으로 형성할 수 있다. 또한, 성막이 안정되어 있어, 내구성이 우수한 피복 공구를 안정적으로 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명예 4에서 피복한 DLC 피막의 주사형 전자 현미경에 의한 단면 관찰 사진(×17,340배)이다.
도 2는 실시예에서 사용한 T자형 필터드 아크 이온 플레이팅 장치의 개략도이다.

본 발명자는 밀착성이 우수한 고경도의 DLC 피막의 막 두께를 더욱 후막으로 하는 방법에 대해 검토하였다. 그리고, 필터드 아크 이온 플레이팅법에 있어서, DLC 피막을 형성하기 전의 기재에의 가스 봄바드먼트 처리, DLC 피막의 형성 시의 로 내 분위기 및 그래파이트 타깃에 투입하는 전류의 제어가 중요한 것을 발견하고, 본 발명의 피복 공구의 제조 방법에 도달하였다. 이하, 본 발명의 상세에 대해 설명한다.

본 발명은, 종래 알려져 있는 필터드 아크 이온 플레이팅 장치를 사용할 수 있다. 필터드 아크 이온 플레이팅법을 적용함으로써, 피막 내부에 포함되는 드롭렛이 저감되어 평활한 표면 상태가 되어, 수소를 실질적으로 함유하지 않는 나노인덴테이션 경도가 50㎬ 이상에 달하는 고경도의 DLC 피막을 형성할 수 있다. 특히, T자형 필터드 아크 이온 플레이팅 장치를 사용하면, 더욱 평활하고 고경도인 DLC 피막을 형성할 수 있으므로 바람직하다.

본 발명의 DLC 피막은, 피복 공구의 내마모성을 향상시키기 위해 나노인덴테이션 경도가 50㎬ 이상인 것이 바람직하다. 나아가, 55㎬ 이상이 바람직하고, 60㎬ 이상이 더욱 바람직하다. 나아가, 70㎬ 이상이 바람직하다. 한편, DLC 피막의 경도가 지나치게 고경도로 되면, 잔류 압축 응력이 지나치게 높아져, 기재와의 밀착성이 저하되는 경우가 있다. 그로 인해, 나노인덴테이션 경도는 100㎬ 이하인 것이 바람직하다. 나아가, DLC 피막의 나노인덴테이션 경도는, 95㎬ 이하인 것이 바람직하다.

나노인덴테이션 경도라 함은, 탐침을 시료(DLC 피막)에 압입하여 소성 변형시켰을 때의 소성 경도를 말하며, 압입 하중과 압입 깊이(변위)로부터 하중-변위 곡선을 구하여, 경도를 산출한다. 구체적으로는, 가부시키가이샤 엘리오닉스 제조의 나노인덴테이션 장치를 사용하여, 압입 하중 9.8mN, 최대 하중 유지 시간 1초, 하중 부하 후의 제거 속도 0.49mN/초의 측정 조건으로 피막 표면의 경도를 10점 측정하고, 값이 큰 2점과 값이 작은 2점을 제외한 6점의 평균값으로부터 구해진다.

나노인덴테이션 경도가 50㎬ 이상에 달하는 고경도의 DLC 피막은, 내부 응력이 매우 높아 기재와의 밀착성이 부족한 경향이 있다. 종래보다 밀착성을 개선하는 방법으로서, DLC 피막보다 경도가 낮은 중간 피막을 형성하는 기술이 제안되어 있다. 그러나, 본 발명자의 검토에 따르면, 기재와 DLC 피막 사이에 금속, 탄화물 또는 질화물 등의 중간 피막을 개재시킨 경우, 중간 피막의 표면 결함을 기점으로 하여 DLC 피막이 우선적으로 박리되므로, 밀착성을 개선하기에는 충분하지 않은 것을 확인하였다. 따라서, 본 발명에서는, 기재의 바로 위에 DLC 피막을 직접 형성해도 밀착성이 손상되지 않도록, DLC 피막을 형성하기 전에 행하는 기재에의 가스 봄바드먼트 처리를 검토하였다.

본 발명에서는, 제1 공정으로서, 로 내에 수소 가스를 포함하는 혼합 가스를 도입하여, 기재의 표면을 가스 봄바드먼트 처리한다.

본 발명자의 검토에 따르면, 종래의 아르곤 가스에 의한 가스 봄바드먼트 처리를 행한 경우, 피막과 기재의 계면에 산소가 많이 존재하여 밀착성이 저하되는 것을 확인하였다. 이 계면에 존재하는 산소는, 오로지 기재 표면에 처음부터 형성되어 있는 산화막에 기인하는 것이며, 아르곤 가스에 의한 가스 봄바드먼트 처리에 의해서는 완전히 제거할 수 없는 잔존 원소이다.

따라서 본 발명에서는, 로 내(진공 챔버)에 수소 가스를 포함하는 혼합 가스를 도입하여, 기재의 표면을 가스 봄바드먼트 처리한다. 수소 가스를 포함하는 혼합 가스를 사용하여 기재의 표면을 가스 봄바드먼트 처리함으로써, 기재의 표면에 있는 산화막이 수소 이온과 반응하여 환원되고, 산화막 및 표면의 오염이 충분히 제거되어, 기재의 바로 위에 형성된 DLC 피막의 밀착성이 향상된다.

수소 가스를 포함하는 혼합 가스는, 아르곤 가스와 수소 가스의 총 질량에 대해 4질량％ 이상의 수소 가스를 함유하는 혼합 가스인 것이 바람직하다. 수소 가스가 4질량％보다 적으면, 혼합 가스에 의한 가스 봄바드먼트 처리에 의해 산화막을 제거하는 것이 곤란한 경우가 있다. 나아가, 수소 가스가 5질량％ 이상인 혼합 가스를 사용하는 것이 바람직하고, 나아가 수소 가스가 7질량％ 이상인 혼합 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 나아가, 수소 가스가 10질량％ 이상인 혼합 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 단, 수소 가스가 30질량％를 초과하는 혼합 가스에서는, 가스 봄바드먼트 처리에 의한 산화막 및 표면의 오염을 제거하는 효과가 일정해지는(그 이상 수소 가스의 농도를 높여도 효과가 상승하지 않는) 경향이 있다. 그로 인해, 수소 가스가 30질량％ 이하인 혼합 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 나아가, 수소 가스가 25질량％ 이하인 혼합 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 나아가, 수소 가스가 15질량％ 이하인 혼합 가스를 사용하는 것이 바람직하다.

상술한 혼합 가스를 사용한 가스 봄바드먼트 처리에서는, 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -2500V 이상 -1500V 이하로 한다. 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압이 -1500V보다 커지면(-1500V보다 플러스측이면), 가스 이온의 충돌 에너지가 낮으므로, 산화막 및 표면의 오염을 제거하는 효과가 작아져, 기재와 고경도의 DLC 피막의 밀착성이 저하되는 경향이 있다. 또한, 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압이 -2500V보다 작아지면(-2500V보다 마이너스측이면), 플라즈마가 불안정해지기 쉬워 이상 방전을 일으켜 버리는 경우가 있다. 이상 방전이 발생하면, 공구 표면에 이상 방전(아킹) 흔적이 형성되므로, 공구 표면에 요철이 발생하는 경우가 있다. 나아가, 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압이 -2400V 이상이 바람직하고, 나아가 -2300V 이상이 바람직하다. 또한, 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압이 -1600V 이하인 것이 바람직하고, 나아가 -1700V 이하인 것이 바람직하다.

기재 표면의 산화물을 충분히 제거하기 위해서는, 혼합 가스에 의한 가스 봄바드먼트 처리를 60분 이상 행하는 것이 바람직하다. 나아가, 70분 이상 행하는 것이 바람직하다. 가스 봄바드먼트 처리의 시간의 상한은 기재의 형상이나 재질에 맞추어 적절하게 조정하는 것이 바람직하다. 단, 혼합 가스에 의한 가스 봄바드먼트 처리의 시간이 180분 이상이 되면, 가스 봄바드먼트 처리에 의한 산화막 및 표면의 오염을 제거하는 효과가 일정해지는(그 이상 효과가 향상되지 않는) 경향이 있다. 그로 인해, 혼합 가스에 의한 가스 봄바드먼트 처리를 180분 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는, 제2 공정으로서, 가스 봄바드먼트 처리 후에 로 내에 질소 가스를 도입하고, 그래파이트 타깃에 전류를 투입하여 DLC 피막을 가스 봄바드먼트 처리한 기재의 표면에 형성한다.

가스 봄바드먼트 처리에 의해 기재의 표면에 있는 산화막을 충분히 제거한 상태에서, 질소를 함유한 DLC 피막을 형성함으로써, 기재의 표면에 있는 DLC 피막의 잔류 압축 응력이 저하되어, 기재와 DLC 피막의 밀착성을 더욱 높일 수 있다. 기재측에 있는 DLC 피막의 잔류 압축 응력을 저하시켜 밀착성을 더욱 향상시키기 위해서는, 가스 봄바드먼트 처리 후에 로 내에 도입하는 질소 가스의 유량을, 5sccm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 질소 가스의 유량이 5sccm보다 적으면, 밀착성의 개선 효과가 충분히 얻어지기 어려운 경우가 있다. 나아가, 10sccm 이상으로 하는 것이 바람직하다.

한편, 가스 봄바드먼트 처리 후에 로 내에 도입하는 질소 가스의 유량이 지나치게 커지면, DLC 피막에 포함되는 질소의 함유량이 증가하여 피막 경도가 저하되고, 내마모성의 저하 및 비철계 재료를 가공한 경우에 용착이 발생하기 쉬워진다. 그로 인해, 질소 가스의 유량은 60sccm 이하로 하는 것이 바람직하다. 나아가, 50sccm 이하로 하는 것이 바람직하다. 나아가, 40sccm 이하로 하는 것이 바람직하다.

로 내에 도입하는 질소 가스의 유량이 로 내(진공 챔버)의 용적에 대해 지나치게 작아지면, DLC 피막의 밀착성의 개선 효과가 충분히 얻어지기 어려운 경우가 있다. 그로 인해, 로 내의 용적(㎥)/로 내에 도입하는 질소 가스의 유량(sccm)은, 10×10^-2(㎥/sccm) 이하로 하는 것이 바람직하다. 나아가, 5.0×10^-2(㎥/sccm) 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 로 내의 용적에 대해, 로 내에 도입하는 질소 가스의 유량이 지나치게 커지면, 과다한 질소가 DLC 피막에 포함되기 쉬워진다. 그로 인해, 로 내의 용적(㎥)/로 내에 도입하는 질소 가스의 유량(sccm)은, 0.1×10^-2(㎥/sccm) 이상으로 하는 것이 바람직하다. 나아가, 1.0×10^-2(㎥/sccm) 이상으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는, 제2 공정에서는, 질소 가스의 유량을 감소시키고, 그래파이트 타깃에 전류를 투입하여 DLC 피막을 형성하는 공정을 마련한다.

기재와의 밀착성을 향상시키기 위해 질소 가스를 도입하여 DLC 피막을 형성하는 것은 유효하지만, DLC 피막의 전체에 과다하게 질소 원자를 함유하면 경도가 저하된다. 또한, 비철계 재료를 가공한 경우에 용착이 발생하기 쉬워진다. 따라서 본 발명에서는, DLC 피막의 전체에 과다한 질소 가스가 함유되지 않도록, 질소 가스의 유량을 감소시키고, 그래파이트 타깃에 전류를 투입하여 DLC 피막을 형성한다. 성막 시에 질소 가스의 유량을 감소시켜 DLC 피막을 형성하는 공정을 마련함으로써, 기재측의 DLC 피막은 질소 원자를 많이 함유하여 잔류 압축 응력이 저하되어 기재와의 밀착성이 높아지고, 표면측의 DLC 피막은 질소 원자의 함유량이 적어 내마모성 및 내용착성이 향상된다.

제2 공정에서는, 로 내에 도입되는 질소 가스의 유량을 단계적으로 감소시키면서 DLC 피막을 형성하는 것이 바람직하다. 그리고, 최종적으로는 질소 가스의 도입을 멈추고, 그래파이트 타깃에 전류를 투입하여 DLC 피막을 형성하는 것이 바람직하다. 질소 가스의 도입을 멈추고 DLC 피막을 형성함으로써, 타재와 접하는 표면에 더욱 고경도이며 피가공재의 용착이 적은 DLC 피막을 형성할 수 있으므로 바람직하다. 더욱 고경도이며 피가공재의 용착이 적은 DLC 피막을 달성하기 위해서는, 최종적으로는 질소 가스의 도입을 멈추고, 로 내 압력을 5×10^-3Pa 이하로 하여, DLC 피막을 형성하는 것이 바람직하다.

제2 공정에서는, 아세틸렌 등의 탄화수소 가스를 로 내에 도입하고, 기재측에 있는 DLC 피막의 수소 함유량을 증가시켜도 된다. 또한, 제1 공정 후에, 아세틸렌 등의 탄화수소 가스를 로 내에 도입하고, 그 후 제2 공정을 실시해도 된다.

본 발명에서는, 제2 공정에서는, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 증가시켜 DLC 피막을 형성하는 공정을 마련한다.

본 발명자는 필터드 아크 이온 플레이팅법에 의한 DLC 피막의 형성에 있어서, DLC 피막의 형성 경과에 수반하여 그래파이트 타깃의 표면에 큰 요철이 발생하여, 아크 방전이 불안정해지는 것을 확인하였다. 그리고, 타깃의 표면에 큰 요철이 발생해도 그래파이트 타깃에, 더욱 높은 전류를 투입함으로써, 아크 방전이 안정되는 경향이 있는 것을 알아내었다. 단, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 높게 설정해도 투입 전력이 일정하면, DLC 성막의 형성 경과에 수반하여 서서히 아크 방전이 불안정해져, 밀착성이 우수한 고경도의 DLC 피막을 후막으로 형성하는 것이 곤란해진다. 특히, DLC 성막의 형성의 초기 단계에 있어서는 타깃 표면이 편평한 상태에 높은 전류값을 투입하면, 방전이 불안정해져, 대량으로 드롭렛이 발생하여, 막 표면에 큰 요철이 발생하므로, 막 표면의 평활성에 문제가 있다. 본 발명자는, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 일정하게 하여 일정 시간 DLC 피막을 형성하고, 아크 전류가 불안정해지기 전에 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 증가시킴으로써, 아크 방전이 안정되어 계속해서 DLC 피막을 형성하는 것이 가능해지는 것을 알아내었다. 따라서, 본 발명에서는, 성막 시에 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 증가시켜 DLC 피막을 형성하는 공정을 마련한다. 이에 의해, 장치에의 부하가 적어 안정되고 고경도인 DLC 피막을 더욱 후막으로 형성할 수 있다.

그래파이트 타깃에 투입하는 전류는 단계적으로 증가시켜도, 연속적으로 증가시켜도 된다. 더욱 후막의 DLC 피막을 형성하기 위해서는, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류는 단계적으로 증가시키는 것이 바람직하다. 또한, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 총계로 40A 이상 증가시키는 것이 바람직하다. 나아가, 총계로 55A 이상이 바람직하고, 나아가 총계로 60A 이상이 바람직하다. 이와 같이 형성함으로써, 후막이며 고경도인 DLC 피막을 안정적으로 형성할 수 있다.

그래파이트 타깃의 표면 상태에 따라 투입 전류값이 상이하며, 초기가 편평한 상태인 경우에 적은 전류값(30A∼50A)의 쪽이 바람직하다. 그 후, 단계적으로 전류값을 증가시키는 것이 바람직하다.

제2 공정에 있어서, 질소 가스의 유량을 감소시키는 공정과, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 증가시키는 공정은, 동시에 실시해도 되고, 각각 실시해도 된다. 예를 들어, 질소 가스의 유량을 감소시키는 타이밍과 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 증가시키는 타이밍을 일치시켜도 되고, 각각 하여도 되고, 질소 가스의 유량을 감소시키는 타이밍과 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 증가시키는 타이밍을 교대로 설정해도 된다. 또한, 최종적으로 질소 가스의 도입을 멈추고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전력을 증가시켜 DLC 피막을 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 형성함으로써 더욱 고경도인 DLC 피막을 더욱 후막으로 하는 것이 가능해진다.

그래파이트 타깃에 투입하는 전류가 지나치게 커지면 아크 방전이 불안정해지기 쉽다. 본 발명의 제2 공정에서는, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 증가시키는 공정을 마련하고 있지만, 안정된 성막을 지속시키기 위해서는, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류는 150A 이하로 하는 것이 바람직하다. 나아가, 120A 이하로 하는 것이 바람직하다. 단, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류가 지나치게 작아지면 DLC 피막의 성막을 충분히 행할 수 없는 경우가 있다. 그로 인해, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류는 20A 이상으로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 30A 이상이다.

고경도의 DLC 피막이라도 막 두께가 얇으면 우수한 내구성이 얻어지기 어려운 경우가 있다. 더욱 가혹한 사용 환경에 있어서 피복 공구에 우수한 내구성을 부여하기 위해서는, DLC 피막의 막 두께는 1.0㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 나아가 1.5㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 나아가, DLC 피막의 막 두께는 2.0㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

단, DLC 피막의 막 두께가 지나치게 두꺼워지면 피막 표면의 면 조도가 악화되는 경우가 있다. 또한, 고경도의 DLC 피막의 막 두께가 지나치게 두꺼워지면, DLC 피막이 부분 박리될 리스크가 높아진다. 그로 인해, DLC 피막의 막 두께는, 5.0㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 나아가, DLC 피막의 막 두께는, 4.0㎛ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

DLC 피막의 형성 시에는, 기재 온도를 200℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 기재 온도가 200℃보다 고온이 되면, DLC 피막의 그래파이트화가 진행되므로, 경도가 저하되는 경향이 있다. 또한, DLC 피막의 형성 시에는, 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -300V 이상 -50V 이하로 하는 것이 바람직하다. 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압이 -50V보다 커지면(-50V보다 플러스측이면), 카본 이온의 충돌 에너지가 작아져, DLC 피막에 보이드 등의 결함이 발생하기 쉬워진다. 또한, 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압이 -300V보다 작아지면(-300V보다 마이너스측이면), 성막 내에 이상 방전을 일으키기 쉬워진다. DLC 피막의 형성 시에는, 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압은, -200V 이상 -100V 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에서는, DLC 피막이 형성되는 기재(피복 공구의 기재)는 특별히 제한되는 것은 아니며, 용도나 목적 등에 따라서 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들어, 초경합금, 냉간 공구강, 고속도 공구강, 플라스틱 금형용 강, 열간 공구강 등을 적용할 수 있다. 기재 중에서도, 밀착성의 향상 효과가 높은 점에서, 모재의 탄화물이 많아 피막 박리가 발생하기 쉬운, 탄소 함유량이 1％ 이상인 고탄소강이나, 초경합금이 바람직하다. 고탄소강의 예로서는, 예를 들어 JIS-SKD11 등을 들 수 있다.

필터드 아크 이온 플레이팅법으로 형성한 DLC 피막이라도 막 두께가 두꺼워지면 표면 조도가 저하되는 경우가 있다. 그 경우는, DLC 피막을 형성한 후에, 연마 처리하여 평활하게 하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는, DLC 피막의 표면을 연마함으로써, 더욱 바람직한 평활한 표면 상태가 되도록 조정해도 된다.

실시예

<성막 장치>

성막 장치는, T자형 필터드 아크 이온 플레이팅 장치(로 내의 진공 챔버 용적은 0.49㎥)를 사용하였다.

장치의 개략도를 도 2에 도시한다. 성막 챔버(6), 그래파이트 타깃을 설치한 카본 음극(캐소드)(1)을 장착하는 아크 방전식 증발원과, 기재를 탑재하기 위한 기재 홀더(7)를 갖는다. 기재 홀더의 아래에는 회전 기구(8)가 있고, 기재는 기재 홀더(7)를 통해 자전 또한 공전한다. 부호 (2)는, 카본 성막 빔을 나타내고, 부호 (3)은, 구상 그래파이트(드롭렛) 중성 입자를 나타낸다.

그래파이트 타깃 표면 상에 아크 방전을 발생시키면, 전하를 갖는 카본만이 자기 코일(4)에 휘어 성막 챔버(6)에 도달하여 기재에 피막을 피복한다. 전하를 갖지 않는 드롭렛은 자기 코일에 의해 휘지 않고 덕트(5) 내에 포집된다.

<기재>

형성된 DLC 피막의 박리 상태의 평가 및 용착성을 평가하기 위한 기재에는, 치수가 φ20×5㎜인 60 HRC로 조질한 JIS-SKD11 상당 강재의 기재를 사용하였다.

또한, 형성된 DLC 피막의 나노인덴테이션 경도, 피막 분석, 파단면에 의한 막 두께를 측정하기 위한 기재에는, 코발트 함유량이 10질량％인 탄화텅스텐(WC-10질량％Co)으로 이루어지는 초경합금제의 기재(치수: 4㎜×8㎜×25㎜, 평균 입도: 0.8㎛, 경도: 91.2HRA)를 사용하였다.

또한, 형성된 DLC 피막의 스크래치 시험 및 로크웰 경도 시험기에 의한 밀착성을 평가하기 위한 기재에는, 치수가 21㎜×17㎜×2㎜인 JIS-SKH51 상당 강재의 기재를 사용하였다.

상기한 어느 기재도, DLC 피막을 형성하기 전에, 산술 평균 조도 Ra(JIS-B-0601-2001에 준거)가 0.01㎛ 이하, 최대 높이 조도 Rz(JIS-B-0601-2001에 준거)가 0.07㎛ 이하인 표면 조도를 갖도록 연마하였다. 그리고, 연마 후, 탈지 세정하여, 챔버 내의 기재 홀더에 고정하였다. 각 기재에 대해서는, DLC 피막을 이하의 조건으로 형성하였다.

<본 발명예 1>

로 내(진공 챔버)를 5×10^-3Pa까지 진공 배기를 행하고, 가열용 히터에 의해 기재를 150℃ 부근으로 가열하여 90분간 유지하였다. 그 후, 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -2000V로 하고, 아르곤 가스에 5질량％의 수소 가스를 함유한 혼합 가스에 의한 가스 봄바드먼트 처리를 90분 실시하였다. 혼합 가스의 유량은 50sccm∼100sccm으로 하였다.

가스 봄바드먼트 처리 후, 로 내에 질소 가스를 도입하고, 기재에 -150V의 바이어스 전압을 인가하여, 기재 온도를 100℃ 이하로 하였다. 그리고, 이하와 같이 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 40A로부터 90A로 단계적으로 증가시키고, 질소 가스의 유량을 20sccm으로부터 0으로 단계적으로 감소시켜 DLC 피막을 형성하였다.

먼저, 로 내에 도입하는 질소 가스의 유량을 20sccm으로 하고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 40A로 하여 DLC 피막을 약 30분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 유량을 10sccm으로 감소시키고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 50A로 증가시켜, DLC 피막을 약 30분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 유량을 5sccm으로 감소시키고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 60A로 증가시켜, DLC 피막을 약 40분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 도입을 멈추고, 로 내 압력을 5×10^-3Pa 이하로 하고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 70A로 증가시켜, DLC 피막을 약 40분간 형성하였다.

이어서, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 80A로 증가시켜, DLC 피막을 약 40분간 형성하였다.

이어서, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 90A로 증가시켜, DLC 피막을 약 60분간 형성하였다.

<본 발명예 2>

가스 봄바드먼트 처리는 본 발명예 1과 마찬가지로 행하였다. 가스 봄바드먼트 처리 후, 로 내에 질소 가스를 도입하고, 기재에는 -150V의 바이어스 전압을 인가하여, 기재 온도를 100℃ 이하로 하였다. 그리고, 이하와 같이 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 35A로부터 95A로 단계적으로 증가시키고, 질소 가스의 유량을 25sccm으로부터 0으로 단계적으로 감소시켜 DLC 피막을 형성하였다.

먼저, 로 내에 도입하는 질소 가스의 유량을 25sccm으로 하고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 35A로 하여 DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 유량을 20sccm으로 감소시키고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 40A로 증가시켜, DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 유량을 15sccm으로 감소시키고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 45A로 증가시켜, DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 유량을 10sccm으로 감소시키고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 50A로 증가시켜, DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 유량을 7sccm으로 감소시키고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 55A로 증가시켜, DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 유량을 5sccm으로 감소시키고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 60A로 증가시켜, DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 도입을 멈추고, 로 내 압력을 5×10^-3Pa 이하로 하고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 65A로 증가시켜, DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 70A, 75A, 80A, 85A, 90A로 단계적으로 증가시켜, 각 전류값에 있어서 약 20분간씩 DLC 피막을 형성하였다.

<본 발명예 3>

가스 봄바드먼트 처리는 본 발명예 1과 마찬가지로 행하였다. 가스 봄바드먼트 처리 후, 로 내에 질소 가스를 도입하고, 기재에 -150V의 바이어스 전압을 인가하여, 기재 온도를 100℃ 이하로 하였다. 그리고, 이하와 같이 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 30A로부터 95A로 단계적으로 증가시키고, 질소 가스의 유량을 20sccm으로부터 0으로 단계적으로 감소시켜 DLC 피막을 형성하였다.

먼저, 로 내에 도입하는 질소 가스의 유량을 20sccm으로 하고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 30A로 하여 DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 유량을 15sccm으로 감소시키고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 35A로 증가시켜, DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 유량을 10sccm으로 감소시키고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 40A로 증가시켜, DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 유량을 5sccm으로 감소시키고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 45A로 증가시켜, DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 도입을 멈추고, 로 내 압력을 5×10^-3Pa 이하로 하고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 50A로 증가시켜, DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 55A, 60A, 65A, 70A, 75A, 80A, 85A, 90A로 단계적으로 증가시켜, 각 전류값에 있어서 약 20분간씩 DLC 피막을 형성하였다.

<본 발명예 4>

가스 봄바드먼트 처리는 본 발명예 1과 마찬가지로 행하였다. 가스 봄바드먼트 처리 후, 로 내에 C₂H₂ 가스와 질소 가스를 도입하고, 기재에 -150V의 바이어스 전압을 인가하여, 기재 온도를 100℃ 이하로 하였다. 그리고, 이하와 같이 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 35A로부터 95A로 단계적으로 증가시키고, 질소 가스의 유량을 25sccm으로부터 0으로 단계적으로 감소시켜 DLC 피막을 형성하였다.

먼저, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 35A로 하고, 로 내에 도입하는 질소 가스의 유량을 25sccm, C₂H₂ 가스의 유량을 25sccm으로 하여, DLC 피막을 약 10분간 형성하였다.

이어서, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 40A로 증가시키고, C₂H₂ 가스의 유량을 20sccm, 질소 가스의 유량을 20sccm으로 감소시켜, DLC 피막을 약 10분간 형성하였다.

이어서, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 45A로 증가시키고, C₂H₂ 가스의 유량을 15sccm, 질소 가스의 유량을 15sccm으로 감소시켜, DLC 피막을 약 10분간 형성하였다.

이어서, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 50A로 증가시키고, C₂H₂ 가스의 유량을 10sccm, 질소 가스의 유량을 10sccm으로 감소시켜, DLC 피막을 약 10분간 형성하였다.

이어서, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 55A로 증가시키고, C₂H₂ 가스의 유량을 7sccm, 질소 가스의 유량을 7sccm으로 감소시켜, DLC 피막을 약 10분간 형성하였다.

이어서, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 60A로 증가시키고, C₂H₂ 가스의 유량을 5sccm, 질소 가스의 유량을 5sccm으로 감소시켜, DLC 피막을 약 10분간 형성하였다.

이어서, C₂H₂ 가스 및 질소 가스의 도입을 멈추고, 로 내 압력을 5×10^-3Pa 이하로 하고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 65A로 증가시켜, DLC 피막을 약 25분간 형성하였다.

이어서, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 70A, 75A, 80A로 단계적으로 증가시켜, 각 전류값에 있어서 약 20분간씩 DLC 피막을 형성하였다.

<본 발명예 5>

가스 봄바드먼트 처리는 본 발명예 1과 마찬가지로 행하였다. 가스 봄바드먼트 처리 후, 로 내에 C₂H₂ 가스와 질소 가스를 도입하고, 기재에 -150V의 바이어스 전압을 인가하여, 기재 온도를 100℃ 이하로 하였다. 그리고, 이하와 같이 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 50A로부터 80A로 단계적으로 증가시키고, 질소 가스의 유량을 15sccm으로부터 0으로 단계적으로 감소시켜 DLC 피막을 형성하였다.

먼저, 로 내에 도입하는 질소 가스의 유량을 15sccm, C₂H₂ 가스의 유량을 10sccm으로 하고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 50A로 하여, DLC 피막을 약 6분간 형성하였다.

이어서, C₂H₂ 가스의 도입을 멈추고, 질소 가스의 유량을 15sccm으로 하고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 60A로 증가시켜, DLC 피막을 약 45분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 유량을 5sccm으로 감소시키고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 70A로 증가시켜, DLC 피막을 약 45분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 도입을 멈추고, 로 내 압력을 5×10^-3Pa 이하로 하고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 80A로 증가시켜, DLC 피막을 약 100분간 형성하였다.

<본 발명예 6>

가스 봄바드먼트 처리는 본 발명예 1과 마찬가지로 행하였다. 가스 봄바드먼트 처리 후, 로 내에 질소 가스를 도입하고, 기재에는 -150V의 바이어스 전압을 인가하여, 기재 온도를 100℃ 이하로 하였다. 그리고, 이하와 같이 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 25A로부터 95A로 단계적으로 증가시키고, 질소 가스의 유량을 15sccm으로부터 0으로 단계적으로 감소시켜 DLC 피막을 형성하였다.

먼저, 로 내에 도입하는 질소 가스의 유량을 15sccm으로 하고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 25A로 하여 DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 유량을 10sccm으로 감소시키고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 30A로 증가시켜, DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 유량을 5sccm으로 감소시키고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 35A로 증가시켜, DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 도입을 멈추고, 로 내 압력을 5×10^-3Pa 이하로 하고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 40A로 증가시켜, DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 45A, 50A, 55A, 60A, 65A, 70A, 75A, 80A, 85A, 90A, 95A로 단계적으로 증가시켜, 각 전류값에 있어서 약 20분간씩 DLC 피막을 형성하였다.

<본 발명예 7>

가스 봄바드먼트 처리는, 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -2000V로 하고, 아르곤 가스에 10질량％의 수소 가스를 함유한 혼합 가스에 의한 가스 봄바드먼트 처리를 90분 실시하였다. 가스 봄바드먼트 처리 후, 로 내에 질소 가스를 도입하고, 기재에는 -150V의 바이어스 전압을 인가하여, 기재 온도를 100℃ 이하로 하였다. 그리고, 이하와 같이 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 35A로부터 95A로 단계적으로 증가시키고, 질소 가스의 유량을 25sccm으로부터 0으로 단계적으로 감소시켜 DLC 피막을 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 유량을 5sccm으로 감소시키고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 55A로 증가시켜, DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 도입을 멈추고, 로 내 압력을 5×10^-3Pa 이하로 하고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 60A로 증가시켜, DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 65A, 70A, 75A, 80A, 85A, 90A, 95A로 단계적으로 증가시켜, 각 전류값에 있어서 약 20분간씩 DLC 피막을 형성하였다.

<본 발명예 8>

가스 봄바드먼트 처리는, 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -2000V로 하고, 아르곤 가스에 20질량％의 수소 가스를 함유한 혼합 가스에 의한 가스 봄바드먼트 처리를 90분 실시하였다. 가스 봄바드먼트 처리 후, 로 내에 질소 가스를 도입하고, 기재에는 -150V의 바이어스 전압을 인가하여, 기재 온도를 100℃ 이하로 하였다. 그리고, 이하와 같이 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 35A로부터 95A로 단계적으로 증가시키고, 질소 가스의 유량을 25sccm으로부터 0으로 단계적으로 감소시켜 DLC 피막을 형성하였다.

<본 발명예 9>

가스 봄바드먼트 처리는 본 발명예 1과 마찬가지로 행하였다. 가스 봄바드먼트 처리 후, 로 내에 질소 가스를 도입하고, 기재에 -150V의 바이어스 전압을 인가하여, 기재 온도를 100℃ 이하로 하였다. 그리고, 이하와 같이 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 35A로부터 95A로 단계적으로 증가시키고, 질소 가스의 유량을 40sccm으로부터 0으로 단계적으로 감소시켜 DLC 피막을 형성하였다.

먼저, 로 내에 도입하는 질소 가스의 유량을 40sccm으로 하고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 35A로 하여 DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 유량을 30sccm으로 감소시키고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 40A로 증가시켜, DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 유량을 20sccm으로 감소시키고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 45A로 증가시켜, DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

<본 발명예 10>

가스 봄바드먼트 처리는 본 발명예 1과 마찬가지로 행하였다. 가스 봄바드먼트 처리 후, 로 내에 질소 가스를 도입하고, 기재에 -350V의 바이어스 전압을 인가하여, 기재 온도를 100℃ 이하로 하였다. 그리고, 이하와 같이 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 35A로부터 95A로 단계적으로 증가시켜, 질소 가스의 유량을 25sccm으로부터 0으로 단계적으로 감소시켜 DLC 피막을 형성하였다.

이어서, 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -300V로 하고, 질소 가스의 유량을 20sccm으로 감소시키고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 40A로 증가시켜, DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -250V로 하고, 질소 가스의 유량을 15sccm으로 감소시키고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 45A로 증가시켜, DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -200V로 하고, 질소 가스의 유량을 10sccm으로 감소시키고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 50A로 증가시켜, DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -150V로 하고, 질소 가스의 유량을 7sccm으로 감소시키고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 55A로 증가시켜, DLC 피막을 약 20분간 형성하였다.

이어서, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 70A, 75A, 80A, 85A, 90A, 95A로 단계적으로 증가시켜, 각 전류값에 있어서 약 20분간씩 DLC 피막을 형성하였다.

<본 발명예 11>

가스 봄바드먼트 처리는, 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -2500V로 하고, 아르곤 가스에 5질량％의 수소 가스를 함유한 혼합 가스에 의한 가스 봄바드먼트 처리를 90분 실시하였다. 가스 봄바드먼트 처리 후, 로 내에 질소 가스를 도입하고, 기재에는 -150V의 바이어스 전압을 인가하여, 기재 온도를 100℃ 이하로 하였다. 그리고, 이하와 같이 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 35A로부터 95A로 단계적으로 증가시키고, 질소 가스의 유량을 25sccm으로부터 0으로 단계적으로 감소시켜 DLC 피막을 형성하였다.

<비교예 1>

가스 봄바드먼트 처리까지는, 실시예 1과 마찬가지로 행하였다. 가스 봄바드먼트 처리 후, 로 내에 질소 가스를 도입하고, 기재에 -150V의 바이어스 전압을 인가하여, 기재 온도를 100℃ 이하로 하였다. 그리고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 50A로 하고, 질소 가스의 유량을 10sccm으로부터 0으로 단계적으로 감소시켜 DLC 피막을 형성하였다.

먼저, 로 내에 도입하는 질소 가스의 유량을 10sccm으로 하여, DLC 피막을 약 10분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 유량을 5sccm으로 감소시켜, DLC 피막을 약 10분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 도입을 멈추고, 로 내 압력을 5×10^-3Pa 이하로 하여, DLC 피막을 30분간 형성하였다.

<비교예 2>

가스 봄바드먼트 처리까지는, 실시예 1과 마찬가지로 행하였다. 가스 봄바드먼트 처리 후, 로 내에 질소 가스를 도입하지 않고, 기재에 -150V의 바이어스 전압을 인가하여, 기재 온도를 100℃ 이하로 하였다. 그리고, 로 내 압력을 5×10^-3Pa 이하로 하고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 50A로 하여, DLC 피막을 약 50분간 형성하였다.

<비교예 3>

가스 봄바드먼트 처리는, 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -2000V로 하고, 아르곤 가스에 의한 가스 봄바드먼트 처리를 90분 실시하였다.

가스 봄바드먼트 처리 후, 로 내에 질소 가스를 도입하고, 기재에 -150V의 바이어스 전압을 인가하여, 기재 온도를 100℃ 이하로 하였다. 그리고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 50A로 하고, 질소 가스의 유량을 10sccm으로부터 0으로 단계적으로 감소시켜 DLC 피막을 형성하였다.

먼저, 로 내에 도입하는 질소 가스의 유량을 10sccm으로 하고, DLC 피막을 약 10분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 도입을 멈추고, 로 내 압력을 5×10^-3Pa 이하로 하여, DLC 피막을 약 30분간 형성하였다.

<비교예 4>

비교예 3과 마찬가지의 조건으로 아르곤 가스만으로 가스 봄바드먼트 처리하고, 그 후, 약 3㎛의 CrN을 중간 피막으로서 형성하였다. 중간 피막의 형성 후, 질소 가스를 도입하지 않고, 기재에 -150V의 바이어스 전압을 인가하여, 기재 온도를 100℃ 이하로 하였다.

그리고, 로 내 압력을 5×10^-3Pa 이하로 하고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 50A로 일정하게 하여, DLC 피막을 약 50분간 형성하였다.

<비교예 5>

가스 봄바드먼트 처리까지는, 실시예 1과 마찬가지로 행하였다. 가스 봄바드먼트 처리 후, 로 내에 질소 가스를 도입하고, 기재에 -150V의 바이어스 전압을 인가하여, 기재 온도를 100℃ 이하로 하였다. 그리고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 80A로 하고, 질소 가스의 유량을 10sccm으로부터 0으로 단계적으로 감소시켜 DLC 피막을 형성하였다.

먼저, 로 내에 도입하는 질소 가스의 유량을 10sccm으로 하여, DLC 피막을 약 25분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 유량을 5sccm으로 감소시켜, DLC 피막을 약 25분간 형성하였다.

이어서, 질소 가스의 도입을 멈추고, 로 내 압력을 5×10^-3Pa 이하로 하여, DLC 피막을 70분간 형성하였다.

<비교예 6>

가스 봄바드먼트 처리는, 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -1300V로 하고, 아르곤 가스에 5질량％의 수소 가스를 함유한 혼합 가스에 의한 가스 봄바드먼트 처리를 90분 실시하였다. 가스 봄바드먼트 처리 후, 기재에는 -150V의 바이어스 전압을 인가하여, 기재 온도를 100℃ 이하로 하였다. 그리고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 50A로 하여, DLC 피막을 약 50분간 형성하였다.

<비교예 7>

가스 봄바드먼트 처리는, 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -1000V로 하고, 아르곤 가스에 5질량％의 수소 가스를 함유한 혼합 가스에 의한 가스 봄바드먼트 처리를 90분 실시하였다. 가스 봄바드먼트 처리 후, 기재에는 -150V의 바이어스 전압을 인가하여, 기재 온도를 100℃ 이하로 하였다. 그리고, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 50A로 하여, DLC 피막을 약 50분간 형성하였다.

또한, 상술한 어느 시료도, 기재의 온도가 200℃ 이하로 되도록 성막과 냉각을 반복하면서 DLC 피막을 형성하였다.

DLC 피막을 형성한 각 시료에 대해, 경도 측정, 표면 조도 측정, 밀착성 평가, 용착성 평가를 행하였다. 이하, 그 측정 조건에 대해 설명한다.

<측정 및 평가>

- 나노인덴테이션 경도의 측정-

가부시키가이샤 엘리오닉스 제조의 나노인덴테이션 장치를 사용하여, 피막 표면의 경도를 측정하였다. 압입 하중 9.8mN, 최대 하중 유지 시간 1초, 하중 부하 후의 제거 속도 0.49mN/초의 측정 조건으로 10점 측정하고, 값이 큰 2점과 값이 작은 2점을 제외하고 6점의 평균값으로부터 구하였다. 표준 시료인 용융 석영의 경도가 15㎬, CVD 다이아몬드 피막의 경도가 100㎬인 것을 확인하였다.

-표면 조도의 측정-

가부시키가이샤 도쿄 세이미쯔 제조의 접촉식 면 조도 측정기 SURFCOM480A를 사용하여, JIS-B-0601-2001에 따라서, 산술 평균 조도 Ra와 최대 높이 조도 Rz를 측정하였다. 측정 조건은, 평가 길이: 4.0㎜, 측정 속도: 0.3㎜/s, 컷오프값: 0.8㎜로 하였다.

- 밀착성의 평가-

형성된 DLC 피막 표면을, 가부시키가이샤 미쯔토요 제조의 광학 현미경을 사용하여 약 800배의 배율로 관찰하여 박리 상황을 평가하였다. DLC 피막의 표면 박리의 평가 기준은 이하와 같이 하였다.

<표면 박리의 평가 기준>

A: 표면 박리 없음

B: 미소 박리 있음

C: 조대 박리 있음

CSM사 제조 스크래치 시험기(REVETEST)를 사용하여 박리 하중(스크래치 하중)을 측정하였다. 측정 조건은, 측정 하중: 0∼100N, 하중 속도: 99.25N/min, 스크래치 속도: 10㎜/min, 스크래치 거리: 10㎜, AE 감도: 5, 압자: 로크웰, 다이아몬드, 선단 반경: 200㎛, 하드웨어 설정: Fn 콘택트 0.9N, Fn 속도: 5N/s, Fn 제거 속도: 10N/s, 어프로치 속도: 2％/s로 하였다. 스크래치 흔적 저부의 기재가 완전히 노출되었을 때의 하중을 평가하였다.

로크웰 경도 시험기(미쯔토요 제조 AR-10)로 C 스케일의 다이아몬드 압자를 사용하여 각 시료의 DLC 피막에 압흔을 부여하였다. 그리고, 가부시키가이샤 미쯔토요 제조의 광학 현미경을 사용하여 약 800배의 배율로 관찰하여, 압흔 주변의 피막의 박리 상황을 평가하였다. 로크웰 경도(HRC) 압흔 시험에 의한 밀착성의 평가 기준은 이하와 같이 하였다.

A: 박리 없음 또는 원 상당 직경이 5㎛ 미만인 박리

B: 미소 박리 있음(원 상당 직경이 5㎛ 이상 10㎛ 미만인 박리)

C: 조대 박리 있음(원 상당 직경이 10㎛ 이상인 박리)

-용착성의 시험-

용착성을 평가하기 위해, 볼 온 디스크 시험기(CSM Instruments사 제조Tribometer)를 사용하였다. DLC 피막을 형성한 기재에 알루미늄 A5052 구(직경 6㎜)를 5N의 하중으로 압박하면서, 원반상 시험편을 100㎜/초의 속도로 회전시켰다. 시험 거리는 100m로 하였다.

표 1에 제조 조건과 평가 결과를 정리한다. 본 발명예 1∼11은, 피막 경도가 높은 막 두께가 1.0㎛ 이상인 DLC 피막이고, 표면 박리 및 HRC 압흔 시험의 평가에 있어서 피막 박리가 거의 없고, 또한 스크래치 하중도 50N 이상으로, 어느 평가에 있어서도 우수한 밀착성을 갖고 있다. 또한, 용착 시험에 있어서도 용착이나 피막 박리가 발생하지 않는 것을 확인하였다. 또한, 본 발명예 1∼11은, 성막 중의 아크 방전이 안정되어 있어, 안정된 성막을 계속적으로 실시하는 것이 가능했다.

본 발명예에서 피복한 DLC 피막의 단면 관찰 사진의 대표예로서, 도 1에 본 발명예 4에서 피복한 DLC 피막의 단면 관찰 사진의 일례를 나타낸다. 도 1에 있어서, 평활하고 드롭렛을 함유하고 있지 않은 DLC 피막이 약 3.0㎛로 피복되어 있는 것이 확인된다. 이와 같이, 본 발명예의 제조 방법을 적용함으로써, 우수한 밀착성을 갖는, 후막이고, 고경도이고, 피막 결함이 적은 DLC 피막을 피복할 수 있어, 내구성이 우수한 피복 공구를 안정적으로 제조할 수 있다.

비교예 1은, 본 발명예와 마찬가지로 밀착성 및 용착성이 우수한 DLC 피막이었다. 단, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류가 일정하므로 아크 방전이 불안정해져, 이 이상의 후막 DLC 피막을 피복하는 것은 곤란하였다.

비교예 2는, 질소 가스를 도입하지 않고 DLC 피막을 피복하였으므로, 본 발명예에 비해 표면 박리가 발생하기 쉬운 경향이 있었다. 또한, 용착성 평가에 있어서 용착이나 박리가 확인되었다.

비교예 3은, 아르곤 가스만으로 가스 봄바드먼트 처리하였으므로, 본 발명예에 비해 밀착성이 저하되어, 용착성 평가에 있어서 용착이나 박리가 확인되었다.

비교예 4는, 아르곤 가스만으로 가스 봄바드먼트 처리한 후에, CrN의 중간 피막을 피복하였으므로, 본 발명예에 비해 밀착성이 저하되어, 용착성 평가에 있어서 용착성이나 박리가 확인되었다.

비교예 5는, 본 발명예와 마찬가지로 밀착성 및 용착성이 우수한 DLC 피막이었다. 단, 그래파이트 타깃에 투입하는 전류가 일정하므로 아크 방전이 불안정해져, 도중에 아크 방전이 실화되어 성막이 안정되지 않았다. 또한, 본원 발명에 비해, 스크래치 하중도 저하되는 경향이 있었다.

비교예 6, 7은, 가스 봄바드먼트 처리를 할 때에 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압이 -1300V, -1000V였으므로, 기재 표면의 잔류 산소의 제거가 충분하지 않아, 본 발명예에 비해 밀착성이 저하되어, 용착성 평가에 있어서 용착성이나 박리가 확인되었다.

Claims

필터드 아크 이온 플레이팅법으로 기재의 표면에 다이아몬드 라이크 카본 피막을 형성하는 피복 공구의 제조 방법이며,
로 내에 설치된 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압을 -2500V 이상 -1500V 이하로 하고, 상기 로 내에 수소 가스를 포함하는 혼합 가스를 도입하여, 상기 기재의 표면을 가스 봄바드먼트 처리하는 제1 공정과,
상기 가스 봄바드먼트 처리 후에 상기 로 내에 5sccm 이상 60sccm 이하의 질소 가스를 도입하고, 그래파이트 타깃에 전류를 투입하여 상기 기재의 표면에 다이아몬드 라이크 카본 피막을 형성하는 제2 공정을 포함하고,
상기 제2 공정에서는, 상기 질소 가스의 유량을 감소시키는 공정과, 상기 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 증가시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 피복 공구의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 다이아몬드 라이크 카본 피막의 막 두께가 2.0㎛ 이상인 것을 특징으로 하는, 피복 공구의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 증가시키는 공정에서는, 상기 그래파이트 타깃에 투입하는 전류를 총계로 40A 이상 증가시키는 것을 특징으로 하는, 피복 공구의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 공정에 있어서, 최종적으로는 상기 질소 가스의 도입을 멈추고, 그래파이트 타깃에 전류를 투입하여 다이아몬드 라이크 카본 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는, 피복 공구의 제조 방법.