KR102519788B1

KR102519788B1 - 경질 피막 및 경질 피막 피복 부재

Info

Publication number: KR102519788B1
Application number: KR1020217003151A
Authority: KR
Inventors: 메이 왕
Original assignee: 오에스지 가부시키가이샤
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2023-04-10
Also published as: US11447873B2; TWI720563B; CN112543818B; KR20210025642A; CN112543818A; TW202014540A; US20210164110A1; WO2020026392A1; JP7140834B2; JPWO2020026392A1; DE112018007874T5

Abstract

A 조성 (AlCrSiα 질화물), B 조성 (AlTiSiβ 질화물), 및 C 조성 (AlCr(SiC)γ 의 질화물) 중의 1 종류의 단일 조성층인 A 층 (32) 과, A 조성, B 조성 및 C 조성의 나노레이어층 (나노레이어 A 층 (32n), 나노레이어 B 층 (34n), 나노레이어 C 층 (36n)) 중의 2 개를 교대로 적층한 2 종류의 나노레이어 교호층 (38, 40) 이, 각각 소정의 막두께로 교대로 적층됨으로써, 예를 들어 티탄 합금에 대한 절삭 가공에서도 우수한 내구성이 얻어지는 등, 우수한 내마모성, 인성, 윤활성 및 내용착성이 얻어지게 된다. 이로써, 티탄 합금 외에, 예를 들어 탄소강이나 스테인리스강, 주철, 합금강 등의 각종 피삭재에 대한 절삭 가공에 있어서, 혹은 고속 가공이나 드라이 가공 등의 가혹한 가공 조건에 있어서, 높은 인성에 의해서 경질 피막의 깨짐이나 박리가 억제되어 공구의 장수명화를 실현할 수 있었다.

Description

경질 피막 및 경질 피막 피복 부재

본 발명은 경질 피막 및 경질 피막 피복 부재와 관련된 것이고, 특히, 우수한 내마모성, 내용착성을 갖는 경질 피막에 관한 것이다.

엔드 밀이나 프라이스, 드릴, 바이트, 칩 등의 절삭 공구, 스레드 포밍 탭, 전조 (轉造) 공구 등의 비절삭 공구 등의 다양한 가공 공구, 혹은 내마모성이 요구되는 마찰 부품 등의 각종 부재에 있어서, 초경합금이나 고속도 공구강 등의 모재의 표면에 경질 피막을 코팅하는 것이 행해지고 있다. 예를 들어, 특허문헌 1 에서는 AlCrN 계/AlTiSiN 계의 다층 구조의 경질 피막이 제안되어 있고, 특허문헌 2 에서는 AlCrN 계/CrN 계의 다층 구조의 경질 피막이 제안되어 있으며, 특허문헌 3 에서는 AlCr 계/TiSi 계의 다층 구조의 경질 피막이 제안되어 있다. 이들 경질 피막은 일반적으로 우수한 내마모성, 내용착성을 구비하고 있다.

일본 공개특허공보 2012-35378호 일본 공개특허공보 2014-79834호 일본 공표특허공보 2008-534297호

그러나, 이와 같은 경질 피막에 있어서도, 피삭재의 종류나 절삭 속도 등의 가공 조건, 사용 조건 등에 따라서 반드시 충분히 만족할 수 있는 성능이 얻어지지 않는 경우가 있어, 여전히 개량의 여지가 있었다. 예를 들어, 종래의 경질 피막을 실시한 절삭 공구를 티탄 합금의 절삭 가공에 사용하면 티탄 합금은 비교적 점성이 강하기 때문에, 경질 피막이 조기에 박리되거나 깨지거나 하여 충분한 공구 수명이 얻어지지 않는 경우가 있었다.

본 발명은 이상의 사정을 배경으로 하여 이루어진 것으로서, 그 목적으로 하는 바는, 티탄 합금에 대한 절삭 가공에서도 소정의 공구 수명이 얻어지는 등, 우수한 내마모성, 내용착성을 갖는 새로운 구성의 경질 피막 및 경질 피막 피복 부재를 제공하는 것에 있다.

본 발명자들은 이상의 사정을 배경으로 하여 다양한 실험, 연구를 거듭하던 중, AlCrSiα [단, α 는 임의 첨가 성분이고 B, C, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소] 의 질화물로 이루어지는 A 조성, AlTiSiβ [단, β 는 임의 첨가 성분이고 B, C, Cr, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소] 의 질화물로 이루어지는 B 조성, 및 AlCr(SiC)γ[단, γ 는 임의 첨가 성분이고 B, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소] 의 질화물로 이루어지는 C 조성을 사용하여, 그것들을 소정의 막두께로 적층함으로써, 높은 인성을 갖는 우수한 내구성의 경질 피막이 얻어지는 것을 알아내었다. 본 발명은 이러한 지견에 기초하여 이루어진 것이다.

제 1 발명은, 모재의 표면을 피복하도록 그 표면에 부착되는 경질 피막으로서, (a) 상기 경질 피막은, (a-1) A 조성, B 조성 및 C 조성 중의 어느 1 개의 조성으로 이루어지는 단일 조성층과, (a-2) 상기 A 조성 및 상기 B 조성, 상기 A 조성 및 상기 C 조성, 상기 B 조성 및 상기 C 조성의 3 종류의 조합 중의 어느 2 종류의 조합으로 각 조성의 나노레이어층이 교대로 적층된 2 종류의 나노레이어 교호층의, (a-3) 합계 3 종류의 층이 교대로 적층되고, 총 막두께가 0.5 ∼ 20 ㎛ 의 범위 내가 되도록 구성되어 있고, (b) 상기 A 조성은, 조성식이 Al_aCr_bSi_cα_d [단, a, b, c, d 는 각각 원자비로, 0.30 ≤ a ≤ 0.85, 0.10 ≤ b ≤ 0.65, 0.01 ≤ c ≤ 0.45, 0 ≤ d ≤ 0.10, 그리고 a ＋ b ＋ c ＋ d ＝ 1 이고, 임의 첨가 성분 α 는 B, C, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소이다] 인 질화물이고, (c) 상기 B 조성은, 조성식이 Al_eTi_fSi_gβ_h [단, e, f, g, h 는 각각 원자비로, 0.01 ≤ e ≤ 0.85, 0.05 ≤ f ≤ 0.90, 0.05 ≤ g ≤ 0.45, 0 ≤ h ≤ 0.10, 그리고 e ＋ f ＋ g ＋ h ＝ 1 이고, 임의 첨가 성분 β 는 B, C, Cr, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소이다] 인 질화물이고, (d) 상기 C 조성은, 조성식이 Al_iCr_j(SiC)_kγ_l [단, i, j, k, l 은 각각 원자비로, 0.20 ≤ i ≤ 0.85, 0.10 ≤ j ≤ 0.50, 0.03 ≤ k ≤ 0.45, 0 ≤ l ≤ 0.10, 그리고 i ＋ j ＋ k ＋ l ＝ 1 이고, 임의 첨가 성분 γ 는 B, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소이다] 인 질화물이고, (e) 상기 단일 조성층의 막두께는 0.5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내이며, (f) 상기 2 종류의 나노레이어 교호층을 구성하고 있는 상기 나노레이어층의 각 막두께는 모두 0.5 ∼ 500 ㎚ 의 범위 내이고, 상기 2 종류의 나노레이어 교호층의 각 막두께는 모두 1 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 C 조성의 (SiC) 는, 탄화규소라는 화합물의 형태로 존재하고 있는 것을 의미한다. 또, 각 층의 막두께를 전역에 걸쳐 정확하게 컨트롤하는 것은 곤란하여, 본 명세서에 있어서의 막두께는 평균치이고, 평균 막두께가 상기 수치 범위를 만족하면 되고, 부분적으로 수치 범위에서 벗어나는 영역이 있어도 된다.

제 2 발명은, 제 1 발명의 경질 피막에 있어서, 상기 단일 조성층의 막두께 T1 과, 상기 2 종류의 나노레이어 교호층의 각 막두께 T2, T3 의 비 T1/T2, T1/T3 은 모두 0.2 ∼ 10 의 범위 내인 것을 특징으로 한다.

제 3 발명은, 제 1 발명 또는 제 2 발명의 경질 피막에 있어서, 교대로 적층된 상기 단일 조성층 및 상기 2 종류의 나노레이어 교호층의 최하부의 층이 상기 모재의 표면에 직접 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

제 4 발명은, 제 1 발명 또는 제 2 발명의 경질 피막에 있어서, (a) 상기 경질 피막은, 상기 모재와의 경계에 계면층을 구비하고 있고, (b) 상기 계면층은, (b-1) 상기 A 조성, 상기 B 조성 및 상기 C 조성 중의 어느 1 개의 조성으로 이루어지는 단일 조성층, (b-2) 상기 A 조성, 상기 B 조성 및 상기 C 조성 중의 어느 2 개의 조성으로 이루어지고, 각각 막두께가 0.5 ∼ 500 ㎚ 의 범위 내인 2 종류의 나노레이어층이 교대로 적층된 나노레이어 교호층, 및 (b-3) B, Al, Ti, Y, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr 및 W 중의 1 종류 이상의 원소로 이루어지는 금속의 질화물, 탄질화물 또는 탄화물인 층의, 합계 3 종류의 층 중의 어느 1 개의 층으로 구성되어 있고, (c) 상기 계면층의 막두께는 5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내인 것을 특징으로 한다.

제 5 발명은, 제 1 발명 ∼ 제 4 발명 중의 어느 경질 피막에 있어서, (a) 상기 경질 피막은, 최표면에 표면층을 구비하고 있고, (b) 상기 표면층은, 상기 A 조성, 상기 B 조성 및 상기 C 조성 중의 어느 1 개의 조성으로 이루어지는 단일 조성층, 또는 상기 A 조성, 상기 B 조성 및 상기 C 조성 중의 어느 2 개의 조성으로 이루어지고, 각각 막두께가 0.5 ∼ 500 ㎚ 의 범위 내인 2 종류의 나노레이어층이 교대로 적층된 나노레이어 교호층으로 구성되어 있고, (c) 상기 표면층의 막두께는 0.5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내인 것을 특징으로 한다.

제 6 발명은, 제 1 발명 ∼ 제 5 발명 중의 어느 경질 피막에 있어서, 피막 경도 (HV 0.025) 가 2700 ∼ 3300 (HV) 의 범위 내인 것을 특징으로 한다.

피막 경도 (HV 0.025) 는, 비커스 경도 시험법 (JIS G0202, Z2244) 에 따라서, 경도 기호 HV 0.025 로 나타내는 조건 하에서 경질 피막의 HV 치 (비커스 경도) 를 측정한 값이다.

제 7 발명은, 모재의 표면의 일부 또는 전부가 경질 피막에 의해서 피복되어 있는 경질 피막 피복 부재로서, 상기 경질 피막이 제 1 발명 ∼ 제 6 발명 중의 어느 경질 피막인 것을 특징으로 한다.

제 8 발명은, 제 7 발명의 경질 피막 피복 부재에 있어서, 상기 경질 피막 피복 부재는, 축심 둘레로 회전됨과 함께, 회전에 수반하여 절삭날이 단속적으로 절삭 가공을 행하는 단속 절삭 공구인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 각 발명에 있어서의 수치 범위는, 각각 사사오입한 값이 수치 범위에 들면 된다.

이와 같은 본 발명의 경질 피막에 있어서, A 조성으로 이루어지는 단일 조성층은 Al 과 Cr 의 비율에 의해서 고경도, 내산화성, 고인성이 얻어지고, B 조성으로 이루어지는 단일 조성층은 Al 과 Ti 의 비율에 의해서 고인성, 내열성, 내산화성이 얻어진다. C 조성으로 이루어지는 단일 조성층은, Si 가 SiC (탄화규소) 라는 화합물의 형태로 존재하고 있기 때문에, 산소와의 결합성이 낮으며, 또한 SiC 가 공유 결합이기 때문에, 고경도이고 1000 ℃ 이상에 있어서도 기계적 강도의 저하가 작아, 내열성, 내마모성, 내산화성이 우수하다. 나노레이어 교호층은, 각 나노레이어층의 조성에 따라서 상기 특성이 얻어지는 것 외에, 막두께가 단일 조성층과 비교해서 얇고, 결정 입자가 작기 때문에, 고경도이고 내마모성이 향상됨과 함께, 다층 구조에 의해서 인성이 높아진다. 또, A 조성 ∼ C 조성에 임의로 첨가되는 성분 α, β, γ 는, 10 at％ (원자％) 이하의 비율로 첨가됨으로써, 피막의 결정 입자를 미세화하고, 첨가량에 의해서 피막의 입자경을 제어하는 것이 가능하여, 각 피막의 경도나 내산화성, 인성, 윤활성 등을 조정할 수 있다. 그리고, 이와 같은 특성을 갖는 임의의 1 종류의 단일 조성층 및 2 종류의 나노레이어 교호층이, 각각 소정의 막두께로 교대로 적층됨으로써, 내마모성, 윤활성, 내용착성 및 인성이 우수한 경질 피막이 얻어졌다. 이로써, 예를 들어 절삭 공구의 경우, 탄소강이나 스테인리스강, 주철, 합금강, 티탄 합금 등의 각종 피삭재에 대한 절삭 가공에 있어서, 혹은 고속 가공이나 드라이 가공 등의 가혹한 가공 조건에 있어서, 높은 인성에 의해서 경질 피막의 깨짐이나 박리가 억제되어 공구의 장수명화를 실현할 수 있었다.

제 2 발명에서는, 단일 조성층의 막두께 T1 과, 2 종류의 나노레이어 교호층의 각 막두께 T2, T3 의 비 T1/T2, T1/T3 이 모두 0.2 ∼ 10 의 범위 내이기 때문에, 1 종류의 단일 조성층 및 2 종류의 나노레이어 교호층이 각각 소정의 특성을 갖는 적절한 막두께로 형성되어, 내마모성, 내용착성 등의 성능이 적절히 얻어진다.

제 3 발명은, 교대로 적층된 1 종류의 단일 조성층 및 2 종류의 나노레이어 교호층의 합계 3 종류의 층의 최하부의 층이 모재의 표면에 직접 형성되어 있는 경우이고, 모재와의 경계에 계면층 등을 형성하는 경우와 비교해서 성막 비용이 저감된다.

제 4 발명은, 소정의 조성, 막두께의 계면층이 모재와의 경계에 형성되어 있는 경우이고, 모재에 대한 경질 피막의 부착 강도를 높일 수 있다.

제 5 발명은, 소정의 조성, 막두께의 표면층이 경질 피막의 최표면에 형성되어 있는 경우이고, 그 표면층의 조성이나 막두께를 적당히 정함으로써, 내마모성이나 내용착성 등의 소정의 피막 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

제 6 발명은, 경질 피막의 피막 경도 (HV 0.025) 가 2700 ∼ 3300 (HV) 의 범위 내이기 때문에, 내마모성 및 고인성이 양호한 밸런스로 얻어지고, 깨짐이나 박리가 억제되어 우수한 내구성이 얻어진다.

제 7 발명은 경질 피막 피복 부재에 관한 것으로서, 제 1 발명 ∼ 제 6 발명의 경질 피막이 형성됨으로써, 실질적으로 이들 발명과 동일한 작용 효과가 얻어진다.

제 8 발명은, 경질 피막 피복 부재가 엔드 밀이나 프라이스 등의 단속 절삭 공구인 경우이고, 절삭날이 단속적으로 절삭 가공을 행함으로써 반복된 충격 하중이 가해짐과 함께 발열하기 쉽다. 이 때문에, 높은 내마모성이나 인성, 윤활성, 내용착성이 얻어지는 본 발명의 경질 피막이 바람직하게 사용된다.

도 1 은, 본 발명이 적용된 엔드 밀의 일례를 나타내는 정면도이다.
도 2 는, 도 1 의 엔드 밀을 선단측에서 바라 본 확대 바닥면도이다.
도 3 은, 도 1 의 엔드 밀에 형성된 경질 피막의 피막 구조를 설명하는 모식도이다.
도 4 는, 도 1 의 엔드 밀에 형성되는 경질 피막의 피막 구조의 다른 예를 설명하는 모식도이다.
도 5 는, 도 1 의 엔드 밀에 형성되는 경질 피막의 피막 구조의 또 다른 예를 설명하는 모식도이다.
도 6 은, 도 1 의 엔드 밀에 형성되는 경질 피막의 피막 구조의 또 다른 예를 설명하는 모식도이다.
도 7 은, 도 1 의 엔드 밀에 형성되는 경질 피막의 피막 구조의 또 다른 예를 설명하는 모식도이다.
도 8 은, 도 1 의 엔드 밀에 형성되는 경질 피막의 피막 구조의 또 다른 예를 설명하는 모식도이다.
도 9 는, 도 3 ∼ 도 8 의 경질 피막을 공구 모재 상에 성막하는 물리적 증착 장치의 일례인 아크 이온 플레이팅 장치를 설명하는 개략도이다.
도 10 은, 절삭 가공 시험에 사용한 시험품 1 ∼ 시험품 50 의 경질 피막을 구성하는 A 조성의 구성 원소의 종류 및 함유 비율을 나타낸 도면이다.
도 11 은, 시험품 1 ∼ 시험품 50 의 경질 피막을 구성하는 B 조성의 구성 원소의 종류 및 함유 비율을 나타낸 도면이다.
도 12 는, 시험품 1 ∼ 시험품 50 의 경질 피막을 구성하는 C 조성의 구성 원소의 종류 및 함유 비율을 나타낸 도면이다.
도 13 은, 시험품 1 ∼ 시험품 25 의 경질 피막의 피막 구조를 설명하는 도면이다.
도 14 는, 시험품 26 ∼ 시험품 50 의 경질 피막의 피막 구조를 설명하는 도면이다.
도 15 는, 시험품 1 ∼ 시험품 50 의 경질 피막의 피막 경도, 절삭 가공 시험을 행하여 측정한 절삭 거리 및 판정 결과를 나타낸 도면이다.

본 발명은, 엔드 밀이나 프라이스, 탭, 드릴 등의 회전 절삭 공구 외에, 바이트 등의 비회전식의 절삭 공구, 혹은 스레드 포밍 탭, 전조 공구, 프레스 금형 등의 비절삭 공구 등, 다양한 가공 공구의 표면에 형성되는 경질 피막에 바람직하게 적용되지만, 베어링 부재나 반도체 장치 등의 표면 보호막 등 내마모성이나 윤활성, 내산화성 등이 요구되는 가공 공구 이외의 부재의 표면에 형성되는 경질 피막에도 적용할 수 있다. 각종 가공 공구에 장착되어 사용되는 절삭날 칩 등에도 적용된다. 경질 피막 피복 공구의 공구 모재로는, 초경합금이나 고속도 공구강, 서멧, 세라믹스, 다결정 다이아몬드 (PCD), 단결정 다이아몬드, 다결정 CBN, 단결정 CBN 이 바람직하게 사용되지만, 다른 공구 재료를 채용할 수도 있다. 경질 피막의 형성 수단으로는, 아크 이온 플레이팅법이나 스퍼터링법, PLD (Pulse LASER Deposition) 법 등의 PVD 법 (물리 증착법) 이 바람직하게 사용된다.

본 발명의 경질 피막은, 예를 들어 티탄 합금에 대해서 절삭 가공을 행하는 절삭 공구에 바람직하게 사용되지만, 내마모성, 윤활성, 내용착성 및 인성이 우수하기 때문에, 탄소강이나 스테인리스강, 주철, 합금강 등의 다른 피삭재에 대해서 절삭 가공을 행하는 절삭 공구에도 바람직하게 사용된다. 또, 고속 가공, 드라이 가공 등의 가혹한 가공 조건에서 절삭 가공을 행하는 절삭 공구 등에도 사용된다.

경질 피막은, A 조성, B 조성 및 C 조성 중의 어느 1 개의 조성으로 이루어지는 1 종류의 단일 조성층과, A 조성 및 B 조성, A 조성 및 C 조성, B 조성 및 C 조성의 3 종류의 조합 중의 어느 2 종류의 조합으로 각 조성의 나노레이어층이 교대로 적층된 2 종류의 나노레이어 교호층의, 합계 3 종류의 층이 교대로 적층된 것으로서, 이들 층의 적층 순서는 적절히 정해진다. 1 종류의 단일 조성층 및 2 종류의 나노레이어 교호층의 합계, 3 종류의 층은, 미리 정해진 순번으로 1 주기 이상 적층되고, 1 주기 (3 종류의 층) 를 단위로 하여 적층하는 것이 바람직한데, 예를 들어 최하부의 층과 최상부의 층이 동일해지는 등, 최상부가 1 주기의 도중에서 종료되어도 된다. 2 개의 조성의 나노레이어층이 교대로 적층된 나노레이어 교호층에 대해서도 동일하고, 1 주기 (2 종류의 나노레이어층) 를 단위로 하여 적층하는 것이 바람직하지만, 나노레이어층의 적층수가 홀수여도 된다. 경질 피막의 총 막두께는, 계면층이나 표면층을 가질 경우, 그것들의 계면층이나 표면층을 포함한 막두께이다.

1 종류의 단일 조성층의 막두께 T1 과, 2 종류의 나노레이어 교호층의 막두께 T2, T3 의 비 T1/T2, T1/T3 은 모두 0.2 ∼ 10 의 범위 내인 것이 바람직하지만, 그 수치 범위에서 벗어난 비로 각 막두께 T1, T2, T3 을 설정할 수도 있다. 경질 피막에는, 필요에 따라서 모재와의 사이에 계면층이 형성된다. 계면층은, 예를 들어 A 조성, B 조성 및 C 조성 중의 어느 1 개의 조성으로 이루어지는 단일 조성층, 또는 A 조성, B 조성 및 C 조성 중의 어느 2 개의 조성으로 이루어지는 2 종류의 나노레이어층이 교대로 적층된 나노레이어 교호층이 적당하지만, B, Al, Ti, Y, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr 및 W 중의 1 종류 이상의 원소로 이루어지는 금속의 질화물, 탄질화물 또는 탄화물인 층을 계면층으로서 형성할 수도 있고, 그 밖의 조성의 계면층을 형성하는 것도 가능하다. 계면층의 막두께는 5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내가 적당하지만, 그 수치 범위 외의 막두께로 해도 된다.

경질 피막에는 필요에 따라서 표면층이 형성된다. 표면층은, A 조성, B 조성 및 C 조성 중의 어느 1 개의 조성으로 이루어지는 단일 조성층, 또는 A 조성, B 조성 및 C 조성 중의 어느 2 개의 조성으로 이루어지는 2 종류의 나노레이어층이 교대로 적층된 나노레이어 교호층이 적당하지만, 그 밖의 조성의 표면층을 형성하는 것도 가능하다. 표면층의 막두께는 0.5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내가 적당하지만, 그 수치 범위 외의 막두께로 해도 된다.

이와 같은 경질 피막의 피막 경도 (HV 0.025) 는, 낮으면 충분한 내마모성이 얻어지지 않는 한편, 지나치게 높으면 박리되거나 깨지기 쉬워지기 때문에, 계면층이나 표면층의 유무와는 관계없이, 예를 들어 2700 ∼ 3300 (HV) 정도의 범위 내가 적당하다. 단, 피삭재의 종류나 가공 조건, 사용 조건 등에 따라서, 경질 피막의 피막 경도 (HV 0.025) 가 2700 (HV) 미만이거나 3300 (HV) 을 초과해 있거나 해도 된다.

본 발명자들의 지견에 의하면, 본 발명의 경질 피막은, 1 종류의 단일 조성층과 2 종류의 나노레이어 교호층의 합계 3 종류의 층이 교대로 적층됨으로써, AlCrN 베이스나 AlCrTiN 베이스의 다층 피막보다 기계 특성 (경도), 내마모성, 내산화성 및 전단 강도가 개선되었다. 또, 상이한 탄성 특성 (탄성률 및 경도) 을 갖는 각 층의 인터페이스에 의한 격자 전위의 방해에서 기인하여 높은 경도를 달성할 수 있다. 이 인터페이스는, 에너지 산일 (散逸) 및 균열 확대를 방해하는 작용에 의해서, 피막 경도뿐만 아니라 인성의 향상에 기여한다. 한편, 인터페이스는 다층 피막의 특성에 크게 영향을 주고, 나노레이어층의 주기가 나노 미터의 범위인 나노레이어 교호층을 형성하기 때문에, 각 나노레이어층의 두께에 의해서 결정 입자의 사이즈 및 막 밀도를 적당히 조정함으로써, 피막의 기계 특성이나 트라이볼러지 향상 효과가 얻어진다.

또, 나노 스케일의 단층, 인터페이스 및 각 나노레이어 교호층은, 아모르퍼스 합금상 및 결정상의 확산 혼합에 의해서, 종래의 조립 (粗粒) 의 다층 피막보다 내마모성 및 인성이 양호해진다. 나노레이어 교호층은, 입계 전위 및 디스클리네이션 (회위 (回位)) 의 형성을 통하여 내부 응력이 완화되어, 단속 절삭 가공 등의 가공 중의 피막의 깨짐 (크랙) 이나 균열의 발생이 억제된다.

본 발명의 경질 피막은, 미세한 입자가 생성됨으로써, 피막 표면이 평활해지고, 표면 조직이 치밀해지기 때문에 내마모성이 향상된다. 또, 인터페이스의 경계가 많고, 인터페이스의 입계 전위 및 디스클리네이션의 형성을 통하여 내부 응력이 완화되기 때문에, 인성 및 경도가 향상되어, 단속 절삭 가공 등의 절삭 가공 중의 피막의 깨짐이나 균열의 전파가 억제된다.

[실시예]

이하, 본 발명의 실시예를, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1 은, 본 발명이 적용된 경질 피막 피복 부재의 일례인 엔드 밀 (10) 을 설명하는 정면도이고, 도 2 는 선단측에서 바라 본 확대 바닥면도이다. 이 엔드 밀 (10) 은, 초경합금의 공구 모재 (12) (도 3 ∼ 도 8 참조) 를 주체로 하여 구성되어 있고, 공구 모재 (12) 에는, 섕크 (14) 및 날부 (16) 가 일체로 형성되어 있다. 날부 (16) 에는, 외주날 (18) 및 바닥날 (20) 로 이루어지는 절삭날이 축심 둘레로 등간격으로 5 개 형성되어 있고, 축심 둘레로 회전 구동됨으로써, 이들 외주날 (18) 및 바닥날 (20) 에 의해서 단속적으로 절삭 가공이 행해진다. 본 실시예의 엔드 밀 (10) 은, 외주날 (18) 과 바닥날 (20) 이 접속되는 코너 부분에 라운딩이 형성된 라디우스 엔드밀이다. 엔드 밀 (10) 은 경질 피막 피복 공구로서, 단속 절삭 공구에 상당한다.

날부 (16) 에 있어서의 공구 모재 (12) 의 표면에는, 도 3 에 나타내는 바와 같이 경질 피막 (30) 이 코팅되어 있다. 도 3 은, 경질 피막 (30) 이 코팅된 날부 (16) 의 표면 근방의 단면을 확대해서 나타낸 모식도이고, 도 1 의 사선부는 경질 피막 (30) 이 코팅된 영역을 나타내고 있다. 섕크 (14) 를 포함하여 엔드 밀 (10) 전체를 경질 피막 (30) 으로 피복할 수도 있다.

경질 피막 (30) 은, 표면측으로부터 A 층 (32), 나노레이어 교호층 (38) 및 나노레이어 교호층 (40) 이 적어도 1 주기 이상 적층된 다층 구조를 이루고 있고, 공구 모재 (12) 와의 경계 부분에는 계면층 (44) 이 형성되어 있다. 즉, 공구 모재 (12) 의 표면 상에 먼저 계면층 (44) 이 형성되고, 그 계면층 (44) 위에, 나노레이어 교호층 (40), 나노레이어 교호층 (38) 및 A 층 (32) 이, 그 순번으로 반복하여 적층되고, 최상부에 A 층 (32) 이 형성되어 있다. 계면층 (44) 을 포함하는 경질 피막 (30) 의 총 막두께 Ttotal 은 0.5 ∼ 20 ㎛ 의 범위 내에서 적당히 정해지고, A 층 (32) 의 막두께 T1 은 0.5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해지며, 나노레이어 교호층 (38, 40) 의 막두께 T2, T3 은 각각 1 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해진다. 또, 막두께 T1 과 막두께 T2, T3 의 비 T1/T2, T1/T3 이 모두 0.2 ∼ 10 의 범위 내가 되도록 각 막두께 T1 ∼ T3 은 정해진다.

A 층 (32) 은, A 조성만으로 구성되어 있는 단일 조성층이다. A 조성은, 조성식이 Al_aCr_bSi_cα_d [단, a, b, c, d 는 각각 원자비로, 0.30 ≤ a ≤ 0.85, 0.10 ≤ b ≤ 0.65, 0.01 ≤ c ≤ 0.45, 0 ≤ d ≤ 0.10, 그리고 a ＋ b ＋ c ＋ d ＝ 1 이고, 임의 첨가 성분 α 는 B, C, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소이다] 인 질화물이다. 도 10 은, A 조성의 각 원소의 함유량 (at％) 의 구체예를 나타낸 도면이고, 공란은 함유량 (at％) ＝ 0 이며, 산점을 표시한 란 (회색 부분) 은 함유량에 대응하는 원자비가 상기 조성식의 수치 범위에서 벗어나 있다. 즉, 시험품 7 ∼ 시험품 50 이 A 조성의 요건을 만족하고 있다. 이와 같은 조성의 A 층 (32) 은, 결정계로서 입방정 암염형 구조를 갖고, 고경도이고 내마모성이 우수한 특징이 있고, Al 과 Cr 의 비율에 의해서 고경도, 내산화성, 고인성이 얻어진다. 또, Si 가 소정의 비율로 첨가됨으로써 내열성이 향상된다. 임의 첨가 성분 α 가 10 at％ 이하의 비율로 첨가됨으로써, 피막의 결정 입자를 미세화하고, 첨가량에 의해서 입자경을 제어하는 것이 가능하다. 또, 이들 원소를 함유함으로써, 윤활성 및 내산화성이 향상되어, 절삭 가공시의 발열에 대한 고온 강도나 고온 인성이 향상된다. 이로써, 큰 충격적, 기계적 부하가 걸리는 절삭 조건 하에 있어서, 치핑이나 결손 등의 발생이 억제된다. 또, 고속 가공시 등의 발열에 의한 산화 마모가 저감되고, 내마모성 및 내용착성이 양호한 밸런스로 얻어지게 되어, 고속 가공이나 드라이 가공에 있어서도 높은 내구성이 얻어진다.

나노레이어 교호층 (38) 은, A 층 (32) 과 동일한 A 조성으로 이루어지는 나노레이어 A 층 (32n), 및 B 조성으로 이루어지는 나노레이어 B 층 (34n) 이, 교대로 1 주기 이상 적층된 다층 구조를 이루고 있다. 이 실시예에서는, 최하부가 나노레이어 A 층 (32n) 이고, 최상부가 나노레이어 B 층 (34n) 이지만, 최하부가 나노레이어 B 층 (34n) 이고, 최상부가 나노레이어 A 층 (32n) 이어도 된다. 나노레이어 A 층 (32n) 및 나노레이어 B 층 (34n) 의 각 막두께는 모두 0.5 ∼ 500 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해진다. B 조성은, 조성식이 Al_eTi_fSi_gβ_h [단, e, f, g, h 는 각각 원자비로, 0.01 ≤ e ≤ 0.85, 0.05 ≤ f ≤ 0.90, 0.05 ≤ g ≤ 0.45, 0 ≤ h ≤ 0.10, 그리고 e ＋ f ＋ g ＋ h ＝ 1 이고, 임의 첨가 성분 β 는 B, C, Cr, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소이다] 인 질화물이다. 도 11 은, B 조성의 각 원소의 함유량 (at％) 의 구체예를 나타낸 도면이고, 공란은 함유량 (at％) ＝ 0 이며, 산점을 표시한 란 (회색 부분) 은 함유량에 대응하는 원자비가 상기 조성식의 수치 범위에서 벗어나 있다. 즉, 시험품 7 ∼ 시험품 50 이 B 조성의 요건을 만족하고 있다. 이와 같은 B 조성은, Al 과 Ti 의 비율에 의해서 고인성, 내열성, 내산화성이 얻어진다. 또, Si 가 소정의 비율로 첨가됨으로써 고온 강도, 내열성이 향상된다. 임의 첨가 성분 β 가 10 at％ 이하의 비율로 첨가됨으로써, 고경도 그리고 내산화성이 우수한 피막이 되어, 내마모성이 향상된다. B 조성은 입방정 구조이고, 임의 첨가 성분 β 가 첨가됨으로써 결정 입자가 미세화되어, 경도나 내마모성이 향상된다. 결정 구조는, (111) 면보다 (200) 면에 우선 배향되어, (200) 면의 회절선의 적분 강도가 (111) 면의 회절선의 적분 강도의 1.5 배 이상이 된다.

나노레이어 교호층 (40) 은, A 층 (32) 과 동일한 A 조성으로 이루어지는 나노레이어 A 층 (32n), 및 C 조성으로 이루어지는 나노레이어 C 층 (36n) 이, 교대로 1 주기 이상 적층된 다층 구조를 이루고 있다. 이 실시예에서는, 최하부가 나노레이어 A 층 (32n) 이고, 최상부가 나노레이어 C 층 (36n) 이지만, 최하부가 나노레이어 C 층 (36n) 이고, 최상부가 나노레이어 A 층 (32n) 이어도 된다. 나노레이어 A 층 (32n) 및 나노레이어 C 층 (36n) 의 각 막두께는 모두 0.5 ∼ 500 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해진다. C 조성은, 조성식이 Al_iCr_j(SiC)_kγ_l [단, i, j, k, l 은 각각 원자비로, 0.20 ≤ i ≤ 0.85, 0.10 ≤ j ≤ 0.50, 0.03 ≤ k ≤ 0.45, 0 ≤ l ≤ 0.10, 그리고 i ＋ j ＋ k ＋ l ＝ 1 이고, 임의 첨가 성분 γ 는 B, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소이다] 인 질화물이다. 도 12 는, C 조성의 각 원소의 함유량 (at％) 의 구체예를 나타낸 도면이고, 공란은 함유량 (at％) ＝ 0 이며, 산점을 표시한 란 (회색 부분) 은 함유량에 대응하는 원자비가 상기 조성식의 수치 범위에서 벗어나 있다. 즉, 시험품 7 ∼ 시험품 50 이 C 조성의 요건을 만족하고 있다. 이와 같은 C 조성은, Si 가 SiC (탄화규소) 라는 화합물의 형태로 존재하고 있기 때문에, 산소와의 결합성이 낮으며, 또한 SiC 가 공유 결합이기 때문에, 고경도이고 1000 ℃ 이상에 있어서도 기계적 강도의 저하가 적고, 슬라이딩성도 양호한 점에서, 고경도이고 내열성, 내산화성, 내마모성이 우수한 특징을 갖는다. 또, 임의 첨가 성분 γ 가 10 at％ 이하의 비율로 첨가됨으로써, 결정 입자를 미세화하고, 첨가량에 의해서 입자경을 제어하는 것이 가능하여, 피막의 경도나 인성, 윤활성을 조정할 수 있다. 내마모성 및 내산화성이 우수하기 때문에, 고속 가공시 등의 발열에 의한 산화 마모가 저감되고, 내마모성 및 내용착성이 양호하게 얻어지게 되어, 고속 가공이나 드라이 가공에 있어서도 높은 내구성이 얻어진다.

상기 나노레이어 교호층 (38 및 40) 은, 각 나노레이어층 (32n, 34n, 36n) 의 조성에 따라서 상기 각 특성이 얻어지는 것 외에, 고경도이고 내마모성, 인성 및 내산화성이 우수한 특징을 갖는다. 즉, 나노레이어층 (32n, 34n, 36n) 의 인터페이스는, 격자 전위의 방해에서 기인하여 높은 경도를 달성할 수 있음과 함께, 에너지 산일 및 균열 확대를 방해하는 작용에 의해서 인성의 향상에 기여한다. 또, 나노레이어층 (32n, 34n, 36n) 의 주기가 나노 미터의 범위이기 때문에, 각 나노레이어층 (32n, 34n, 36n) 의 두께에 의해서 결정 입자의 사이즈 및 막 밀도를 적당히 조정함으로써, 피막의 기계 특성이나 트라이볼러지 향상 효과가 얻어진다. 나노레이어 교호층 (38, 40) 은, 아모르퍼스 합금상 및 결정상의 확산 혼합에 의해서, 종래의 조립의 다층 피막보다 내마모성 및 인성이 양호해진다. 나노레이어 교호층 (38, 40) 은, 입계 전위 및 디스클리네이션의 형성을 통하여 내부 응력이 완화되어, 단속 절삭 가공 중의 피막의 깨짐이나 균열의 발생, 전파가 억제된다. 나노레이어 교호층 (38) 은 내산화성 및 윤활성이 우수하고, 경도 (나노 인덴테이션법 경도) 는 38 ∼ 40 ㎬ 정도이다. 또, 나노레이어 교호층 (40) 은 고경도이며 내산화성이 우수하고, 경도 (나노 인덴테이션법 경도) 는 43 ∼ 45 ㎬ 정도이다.

또, A 층 (32) 과, 2 종류의 나노레이어 교호층 (38, 40) 이 교대로 적층되기 때문에, 이들 각 층 (32, 38, 40) 의 경도를 적당히 정함으로써 내부 응력을 밸런스 잡히게 하는 것이 가능하다. 이로써, 각 층 (32, 38, 40) 의 부착 강도가 높아져, 고경도재나 난삭재 등의 고속 가공에서도, 박리가 억제되어 우수한 내치핑성, 내마모성이 얻어지게 된다.

상기 계면층 (44) 은, 본 실시예에서는 A 층 (32) 과 동일한 A 조성만으로 이루어지는 단일 조성층이다. 계면층 (44) 의 막두께는 5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해진다. 이와 같은 계면층 (44) 이 공구 모재 (12) 와의 경계에 형성됨으로써, 공구 모재 (12) 에 대한 경질 피막 (30) 의 부착 강도를 높일 수 있다.

이와 같은 경질 피막 (30) 의 피막 경도 (HV 0.025) 는, 낮으면 충분한 내마모성이 얻어지지 않는 한편, 지나치게 높으면 박리되거나 깨지기 쉬워지기 때문에, 본 실시예에서는 2700 ∼ 3300 (HV) 의 범위 내로 되어 있다.

도 4 ∼ 도 8 은, 엔드 밀 (10) 의 날부 (16) 의 표면에 형성되는 경질 피막의 다른 예를 설명하는 도면으로서, 모두 도 3 에 대응하는 단면 모식도이고, 각 경질 피막의 총 막두께 Ttotal 은 0.5 ∼ 20 ㎛ 의 범위 내이다. 도 4 의 경질 피막 (50) 은, 상기 경질 피막 (30) 과 비교해서, A 층 (32) 대신에 B 층 (34) 이 형성되어 있음과 함께, 나노레이어 교호층 (40) 대신에 나노레이어 교호층 (42) 이 형성되어 있고, 계면층 (44) 대신에 계면층 (52) 이 형성되어 있다. B 층 (34) 의 막두께 T1 은 0.5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해지고, 나노레이어 교호층 (38, 42) 의 막두께 T2, T3 은 각각 1 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해진다. 또, 막두께 T1 과 막두께 T2, T3 의 비 T1/T2, T1/T3 이 모두 0.2 ∼ 10 의 범위 내가 되도록 각 막두께 T1 ∼ T3 은 정해진다. 또한, B 층 (34) 의 막두께 T1 은, 상기 A 층 (32) 의 막두께 T1 과는 별개로 정해지지만, 모두 단일 조성층에서 막두께 T1 의 수치 범위는 동일하기 때문에, 공통된 부호 T1 을 사용하여 설명한다. 나노레이어 교호층 (38, 42) 의 막두께 T2, T3 에 대해서도 동일하다.

상기 B 층 (34) 은, 상기 B 조성만으로 이루어지는 단일 조성층이고, 나노레이어 교호층 (42) 은, 나노레이어 B 층 (34n) 및 나노레이어 C 층 (36n) 이, 교대로 1 주기 이상 적층된 다층 구조를 이루고 있다. 이 실시예에서는, 최하부가 나노레이어 B 층 (34n) 이고, 최상부가 나노레이어 C 층 (36n) 이지만, 최하부가 나노레이어 C 층 (36n) 이고, 최상부가 나노레이어 B 층 (34n) 이어도 된다. 나노레이어 B 층 (34n) 및 나노레이어 C 층 (36n) 의 각 막두께는 모두 0.5 ∼ 500 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해진다. 계면층 (52) 은, 상기 B 조성만으로 이루어지는 단일 조성층이고, 계면층 (52) 의 막두께는 5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해진다. 상기 나노레이어 교호층 (42) 은 내산화성 및 윤활성이 우수하고, 경도 (나노 인덴테이션법 경도) 는 38 ∼ 40 ㎬ 정도이다.

도 5 의 경질 피막 (60) 은, 상기 경질 피막 (30) 과 비교해서, A 층 (32) 대신에 C 층 (36) 이 형성되어 있음과 함께, 나노레이어 교호층 (38) 대신에 나노레이어 교호층 (42) 이 형성되어 있고, 계면층 (44) 대신에 계면층 (62) 이 형성되어 있다. C 층 (36) 의 막두께 T1 은 0.5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해지고, 나노레이어 교호층 (40, 42) 의 막두께 T2, T3 은 각각 1 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해진다. 또, 막두께 T1 과 막두께 T2, T3 의 비 T1/T2, T1/T3 이 모두 0.2 ∼ 10 의 범위 내가 되도록 각 막두께 T1 ∼ T3 은 정해진다. 상기 C 층 (36) 은, 상기 C 조성만으로 이루어지는 단일 조성층이고, 계면층 (62) 은, 나노레이어 A 층 (32n), 나노레이어 B 층 (34n) 및 나노레이어 C 층 (36n) 중의 어느 2 종류가 교대로 적층된 나노레이어 교호층이다. 계면층 (62) 의 막두께는 5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해지고, 계면층 (62) 을 구성하고 있는 나노레이어 A 층 (32n), 나노레이어 B 층 (34n) 및 나노레이어 C 층 (36n) 중의 2 종류의 나노레이어층의 막두께는 모두 0.5 ∼ 500 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해진다.

도 6 의 경질 피막 (70) 은, 상기 경질 피막 (30) 과 비교해서 A 층 (32), 나노레이어 교호층 (38, 40) 의 적층 순서가 상이한 경우이고, 나노레이어 교호층 (40) 과 나노레이어 교호층 (38) 사이에 A 층 (32) 이 형성되어 있고, 나노레이어 교호층 (40) 이 최표면에 형성되어 있다. 또, A 조성의 계면층 (44) 대신에, 나노레이어 교호층으로 이루어지는 상기 계면층 (62) 이 형성되어 있다. 또한, 나노레이어 교호층 (38) 과 나노레이어 교호층 (40) 사이에 A 층 (32) 이 형성되고, 나노레이어 교호층 (38) 이 최표면에 형성되어 있어도 되는 등, 교대로 적층되는 3 종류의 층 (32, 38, 40) 의 적층 순서는 적절히 정할 수 있다. 다른 경질 피막 (50, 60) 에 대해서도 동일하다. 또, A 층 (32), B 층 (34), C 층 (36) 중의 1 종류와, 나노레이어 교호층 (38, 40, 42) 중의 2 종류의 조합도 적절히 정하는 것이 가능하고, 예를 들어 A 층 (32) 과 나노레이어 교호층 (38 및 42) 을 조합하여 적층하거나, A 층 (32) 과 나노레이어 교호층 (40 및 42) 을 조합하여 적층하거나 해도 된다.

도 7 의 경질 피막 (80) 은, 상기 경질 피막 (30) 과 비교해서, 계면층 (44) 을 생략한 경우이다.

도 8 의 경질 피막 (90) 은, 상기 경질 피막 (30) 과 비교해서, 최표면에 표면층 (92) 이 형성됨과 함께, A 조성, B 조성, C 조성과는 상이한 계면층 (94) 이 형성되어 있다. 표면층 (92) 으로는, 예를 들어 A 층 (32), B 층 (34), C 층 (36) 과 같이 A 조성, B 조성, 또는 C 조성으로 이루어지는 단일 조성층, 혹은 상기 계면층 (62) 과 동일하게 나노레이어 A 층 (32n), 나노레이어 B 층 (34n) 및 나노레이어 C 층 (36n) 중의 어느 2 종류가, 각각 0.5 ∼ 500 ㎚ 의 막두께로 교대로 적층된 나노레이어 교호층이 형성된다. 표면층 (92) 의 막두께는 0.5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해진다. 계면층 (94) 은, B, Al, Ti, Y, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr 및 W 중의 1 종류 이상의 원소로 이루어지는 금속의 질화물, 탄질화물 또는 탄화물로 구성되어 있고, 계면층 (94) 의 막두께는 5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해진다.

또, 도시는 생략하지만, 추가로 다른 양태로 경질 피막을 구성할 수도 있다. 예를 들어, 상기 경질 피막 (30, 50, 60, 70, 80, 90) 은 모두 1 종류의 단일 조성층 (A 층 (32), B 층 (34), C 층 (36) 의 어느 1 층) 과, 나노레이어 교호층 (38, 40, 42) 중의 어느 2 종류의, 합계 3 종류의 층이 미리 정해진 순번으로 1 주기를 단위로 하여 적층되어 있는데, 예를 들어 경질 피막 (30) 에 있어서 최상부의 A 층 (32) 을 생략하는 등, 최상부가 1 주기의 도중에서 종료되어도 된다. 바꿔 말하면, 표면층이 없는 경질 피막 (30, 50, 60, 70, 80) 에 있어서도, 그 최상부의 최표면의 층을, 교대로 적층된 3 종류의 층과는 별개의 표면층으로 간주할 수 있다. 2 종류의 나노레이어층 (나노레이어 A 층 (32n), 나노레이어 B 층 (34n), 나노레이어 C 층 (36n) 중의 어느 2 층) 을 교대로 적층한 나노레이어 교호층 (38, 40, 42) 에 대해서도, 예를 들어 나노레이어 교호층 (38) 이 나노레이어 A 층 (32n) 으로부터 시작되어 나노레이어 A 층 (32n) 에서 끝나는 등, 합계한 층수가 홀수여도 된다. 또, 계면층 (44, 52, 62, 94) 대신에, C 조성만으로 구성되어 있는 단일 조성층의 계면층을 채용할 수도 있다.

도 13 및 도 14 는, 시험품 1 ∼ 시험품 50 의 경질 피막의 피막 구조를 구체적으로 설명하는 도면이고, 단일 조성층의 란의 A 층, B 층, C 층은, 상기 A 층 (32), B 층 (34), C 층 (36) 에 상당한다. 또, 나노레이어 교호층의 란의 A 층, B 층, C 층은, 상기 나노레이어 A 층 (32n), 나노레이어 B 층 (34n), 나노레이어 C 층 (36n) 에 상당하고, 교호층 (AB), 교호층 (AC), 교호층 (BC) 은 상기 나노레이어 교호층 (38, 40, 42) 에 상당한다. 또, 계면층은 상기 계면층 (44, 52, 62, 94) 중의 어느 것이다. 단일 조성층에 있어서의 A 층 ∼ C 층, 나노레이어 교호층에 있어서의 교호층 (AB), 교호층 (AC), 교호층 (BC) 의 적층 대수 및 막두께의 란의, 각 가로선「-」은, 이 층들을 구비하고 있지 않은 것을 의미한다. 또, 도 13 및 도 14 의 각 시험품 1 ∼ 시험품 50 은 모두 표면층을 구비하고 있지 않다. 도 13 에 있어서 산점을 표시한 란 (회색 부분) 은, 본 실시예 (본 발명의 청구항 1) 의 막두께 요건을 만족하고 있지 않는 것을 의미하고, 시험품 1 ∼ 시험품 6 은 비교품이고, 시험품 7 ∼ 시험품 50 이 본 발명품이다.

도 9 는, 공구 모재 (12) 에 대해서 상기 경질 피막 (30, 50, 60, 70, 80, 90), 혹은 도 13, 도 14 에 기재된 시험품 1 ∼ 50 의 경질 피막 (이하, 특별히 구별하지 않는 경우에는 간단히 경질 피막 (30) 등이라고 한다) 을 코팅할 때에 사용되는 아크 이온 플레이팅 장치 (100) 를 설명하는 개략 구성도 (모식도) 이다. 아크 이온 플레이팅 장치 (100) 는, PVD 법의 1 종인 아크 이온 플레이팅법에 의해서, 공구 모재 (12) 의 표면에 상기 경질 피막 (30) 등을 코팅하는 것으로서, 증발원 (타깃) 이나 반응 가스를 전환함으로써, 조성이 상이한 복수 종류의 층을 소정의 막두께로 연속적으로 형성할 수 있다. 예를 들어 경질 피막 (30) 의 경우, 공구 모재 (12) 의 표면에 계면층 (44) 을 형성한 후, 나노레이어 교호층 (40, 38) 및 A 층 (32) 을 교대로 반복하여 적층하면 된다. 도 9 는, 아크 이온 플레이팅 장치 (100) 를 위에서 바라 본 평면도에 상당한다.

아크 이온 플레이팅 장치 (100) 는, 복수의 워크 즉 경질 피막 (30) 등을 코팅해야 할 공구 모재 (12) 를 유지하고, 대략 수직인 회전 중심 S 둘레로 회전 구동되는 회전 테이블 (154), 공구 모재 (12) 에 부 (負) 의 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 전원 (156), 공구 모재 (12) 등을 내부에 수용하고 있는 처리 용기로서의 챔버 (158), 챔버 (158) 내에 소정의 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급 장치 (160), 챔버 (158) 내의 기체를 진공 펌프 등으로 배출하여 감압하는 배기 장치 (162), 제 1 아크 전원 (164), 제 2 아크 전원 (166), 제 3 아크 전원 (168), 제 4 아크 전원 (170) 등을 구비하고 있다. 회전 테이블 (154) 은, 상기 회전 중심 S 를 중심으로 하는 원반 형상을 이루고 있고, 공구 모재 (12) 는, 그 회전 테이블 (154) 의 외주 부분에 회전 중심 S 와 대략 평행이 되는 자세로 복수 배치된다. 공구 모재 (12) 를 축심 둘레로 자전시키면서, 회전 테이블 (154) 에 의해서 회전 중심 S 둘레로 공전시킬 수도 있다. 반응 가스 공급 장치 (160) 는, A 층 (32), B 층 (34), C 층 (36) 등의 질화물을 코팅할 때에, 질소 가스를 챔버 (158) 내에 공급한다. 챔버 (158) 내는, 배기 장치 (162) 에 의해서 예를 들어 2 ∼ 10 ㎩ 정도의 진공 상태로 됨과 함께, 도시하지 않은 히터 등에 의해서, 예를 들어 300 ∼ 600 ℃ 정도의 증착 처리 온도로 가열된다.

제 1 아크 전원 (164), 제 2 아크 전원 (166), 제 3 아크 전원 (168), 제 4 아크 전원 (170) 은 모두 증착 재료로 이루어지는 제 1 증발원 (172), 제 2 증발원 (176), 제 3 증발원 (180), 제 4 증발원 (184) 을 캐소드로 하고, 애노드 (174, 178, 182, 186) 와의 사이에 소정의 아크 전류를 선택적으로 통전시켜 아크 방전시킴으로써, 이들 제 1 증발원 (172), 제 2 증발원 (176), 제 3 증발원 (180), 제 4 증발원 (184) 으로부터 증발 재료를 선택적으로 증발시키는 것으로서, 증발된 증발 재료는 정이온이 되어 부 (-) 의 바이어스 전압이 인가되어 있는 공구 모재 (12) 에 증착된다. 즉, 증발원 (172, 176, 180, 184) 은, 각각 상기 A 조성, B 조성, C 조성 중의 어느 합금으로 구성되어 있고, 하나 남은 증발원은, 예를 들어 막두께가 비교적 두꺼운 조성의 합금으로 함으로써, 효율적으로 코팅할 수 있다. A 조성, B 조성 및 C 조성의 조성수에 맞추어 증발원을 3 개로 해도 된다.

그리고, 상기 아크 전원 (164, 166, 168, 170) 을 적절히 전환하여 소정의 조성의 층을 순차 코팅함으로써, 소정의 피막 구조의 상기 경질 피막 (30) 등이 얻어진다. 각 층의 막두께는, 회전 테이블 (154) 의 회전 속도나 아크 전원 (164, 166, 168, 170) 의 통전 시간 등에 의해서 조정할 수 있다. 조성이 상이한 복수의 층의 경계 부분에는, 2 종류의 조성이 혼합된 혼합층이 형성되어도 된다.

다음으로, 공구 모재 (12) 가 초경합금이고 직경이 16 ㎜, 5 장 날의 상기 엔드 밀 (10) 과 동일한 라디우스 엔드밀에 대해서, 도 10 ∼ 도 14 에 나타내는 피막 구조의 경질 피막을 형성한 시험품 1 ∼ 시험품 50 을 준비하고, 그 경질 피막의 성능 시험을 행한 결과를 설명한다. 도 15 는 시험 결과를 나타낸 도면이고, 피막 경도는, 비커스 경도 시험법 (JIS G0202, Z2244) 에 따라서, 경도 기호 HV 0.025 로 나타내는 조건 하에서 경질 피막의 HV 치 (비커스 경도) 를 측정한 값이다. 또, 아래의 절삭 시험 조건에 따라서 시험품 1 ∼ 시험품 50 을 사용하여 각각 절삭 가공을 행한 경우의, 외주날 (18) 의 플랭크면 마모폭 및 절삭 거리를 측정하여 피막 성능 (내구성) 을 판정하였다. 구체적으로는, 절삭 가공을 때때로 중단시켜 플랭크면 마모폭을 측정하고, 플랭크면 마모폭이 0.2 ㎜ 이상이 되었을 때의 절삭 거리를 측정하였다. 그리고, 절삭 거리가 20 m 이상을 합격「○」, 20 m 미만을 불합격「×」로 하였다. 플랭크면 마모폭은, 주식회사 니콘 제조의 측정 현미경 (MM-400/LM) 을 사용하여 육안으로 관찰하여 측정하였다.

《절삭 시험 조건》

·피삭재 : 티탄 합금

·절삭 속도 V : 70 m/min

·회전 속도 n : 1400 min^-1

·전송 속도 : f ＝ 0.09 ㎜/t, F ＝ 630 ㎜/min

·가공 형태 : 측면 절삭

·축 방향 절입 ap : 28.8 ㎜

·직경 방향 절입 ae : 3.2 ㎜

도 15 로부터 분명한 바와 같이, 피막 경도 (HV 0.025) 에 대해서는, 본 발명품인 시험품 7 ∼ 시험품 50 은 모두 2700 ∼ 3300 (HV) 의 범위 내이고, 우수한 내마모성 및 내충격성 (단속 절삭에 의한 깨짐이나 박리에 대한 강도) 을 기대할 수 있는 것에 비해서, 비교품인 시험품 1 ∼ 시험품 6 은 1900 ∼ 2300 (HV) 정도였다. 절삭 거리에 대해서는, 본 발명품인 시험품 7 ∼ 시험품 50 은 모두 20 m 이상 절삭 가공을 행하는 것이 가능하고, 우수한 내구성이 얻어졌다. 이에 비해서, 비교품인 시험품 1 ∼ 시험품 6 은 모두 절삭 거리가 20 m 미만이었다.

이와 같이, 본 실시예의 엔드 밀 (10) 의 경질 피막 (30) 등에 의하면, A 층 (32), B 층 (34) 및 C 층 (36) 중의 어느 1 개의 단일 조성층과, 나노레이어 교호층 (38, 40 및 42) 중의 어느 2 개의 나노레이어 교호층의, 합계 3 종류의 층이 각각 소정의 막두께로 교대로 적층됨으로써, 예를 들어 티탄 합금에 대한 절삭 가공에서도 우수한 내구성이 얻어지는 등, 우수한 내마모성, 인성, 윤활성 및 내용착성이 얻어지게 된다. 이로써, 티탄 합금 외에, 예를 들어 탄소강이나 스테인리스강, 주철, 합금강 등의 각종 피삭재에 대한 절삭 가공에 있어서, 혹은 고속 가공이나 드라이 가공 등의 가혹한 가공 조건에 있어서, 높은 인성에 의해서 경질 피막 (30) 등의 깨짐이나 박리가 억제되어 공구의 장수명화를 실현할 수 있었다.

또, 상기 1 종류의 단일 조성층의 막두께 T1 과, 2 종류의 나노레이어 교호층의 각 막두께 T2, T3 의 비 T1/T2, T1/T3 이 모두 0.2 ∼ 10 의 범위 내이기 때문에, 1 종류의 단일 조성층 및 2 종류의 나노레이어 교호층이 각각 소정의 특성을 갖는 적절한 막두께로 형성되어, 내마모성, 내용착성 등의 성능이 적절히 얻어진다.

또, 경질 피막 (30) 등의 피막 경도 (HV 0.025) 가 2700 ∼ 3300 (HV) 의 범위 내이기 때문에, 내마모성 및 고인성이 양호한 밸런스로 얻어지고, 깨짐이나 박리가 억제되어 우수한 내구성이 얻어진다.

또, 도 7 의 경질 피막 (80) 은 계면층을 구비하고 있지 않기 때문에 성막 비용이 저감되어, 경질 피막 (80) 을 갖는 엔드 밀 (10) 을 저렴하게 제조할 수 있다. 한편, 경질 피막 (30, 50, 60, 70, 90), 및 시험품 7 ∼ 시험품 50 은, 소정의 조성, 막두께의 계면층을 구비하고 있기 때문에, 공구 모재 (12) 에 대한 경질 피막 (30) 등의 부착 강도를 높일 수 있다.

또, 도 8 의 경질 피막 (90) 은, 소정의 조성, 막두께의 표면층 (92) 를 구비하고 있기 때문에, 그 표면층 (92) 의 조성이나 막두께를 적당히 정함으로써, 내마모성이나 내용착성 등의 소정의 피막 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

또, 엔드 밀 (10) 은, 외주날 (18) 및 바닥날 (20) 이 단속적으로 절삭 가공을 행하는 단속 절삭 공구로서, 이들 외주날 (18) 및 바닥날 (20) 에는 반복된 충격 하중이 가해짐과 함께 발열되기 쉽지만, 높은 내마모성이나 인성, 윤활성, 내용착성을 갖는 경질 피막 (30) 등이 형성됨으로써, 공구의 장수명화를 도모할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시예를 도면에 기초하여 상세하게 설명했지만, 이것들은 어디까지나 일 실시형태이고, 본 발명은 당업자의 지식에 기초하여 다양한 변경, 개량을 더한 양태로 실시할 수 있다.

10 : 엔드 밀 (경질 피막 피복 부재, 단속 절삭 공구)
12 : 공구 모재 (모재)
18 : 외주날 (절삭날)
20 : 바닥날 (절삭날)
30, 50, 60, 70, 80, 90 : 경질 피막
32 : A 층 (단일 조성층)
32n : 나노레이어 A 층 (나노레이어층)
34 : B 층 (단일 조성층)
34n : 나노레이어 B 층 (나노레이어층)
36 : C 층 (단일 조성층)
36n : 나노레이어 C 층 (나노레이어층)
38, 40, 42 : 나노레이어 교호층
44, 52, 62, 94 : 계면층
92 : 표면층
Ttotal : 총 막두께
T1 : 단일 조성층의 막두께
T2, T3 : 나노레이어 교호층의 막두께

Claims

모재(12)의 표면을 피복하도록 그 표면에 부착되는 경질 피막(30;50;60;70;80;90)으로서,
상기 경질 피막(30;50;60;70;80;90)은,
A 조성, B 조성 및 C 조성 중의 어느 1 개의 조성으로 이루어지는 단일 조성층(32; 34; 36)과,
상기 A 조성 및 상기 B 조성, 상기 A 조성 및 상기 C 조성, 상기 B 조성 및 상기 C 조성의 3 종류의 조합 중의 어느 2 종류의 조합으로 각 조성의 나노레이어층(32n, 34n, 36n)이 교대로 적층된 2 종류의 나노레이어 교호층(38, 40; 38, 42; 40, 42)의,
합계 3 종류의 층이, 서로 인접하는 상기 2 종류의 나노레이어 교호층(38, 40; 38, 42; 40, 42)으로 이루어지는 조합과 상기 단일 조성층(32; 34; 36)이 교대로 적층되고, 총 막두께(Ttotal)가 0.5 ∼ 20 ㎛ 의 범위 내가 되도록 구성되어 있고,
상기 A 조성은, 조성식이 Al_aCr_bSi_cα_d [단, a, b, c, d 는 각각 원자비로, 0.30 ≤ a ≤ 0.85, 0.10 ≤ b ≤ 0.65, 0.01 ≤ c ≤ 0.45, 0 ≤ d ≤ 0.10, 그리고 a ＋ b ＋ c ＋ d ＝ 1 이고, 임의 첨가 성분 α 는 B, C, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소이다] 인 질화물이고,
상기 B 조성은, 조성식이 Al_eTi_fSi_gβ_h [단, e, f, g, h 는 각각 원자비로, 0.01 ≤ e ≤ 0.85, 0.05 ≤ f ≤ 0.90, 0.05 ≤ g ≤ 0.45, 0 ≤ h ≤ 0.10, 그리고 e ＋ f ＋ g ＋ h ＝ 1 이고, 임의 첨가 성분 β 는 B, C, Cr, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소이다] 인 질화물이고,
상기 C 조성은, 조성식이 Al_iCr_j(SiC)_kγ_l [단, i, j, k, l 은 각각 원자비로, 0.20 ≤ i ≤ 0.85, 0.10 ≤ j ≤ 0.50, 0.03 ≤ k ≤ 0.45, 0 ≤ l ≤ 0.10, 그리고 i ＋ j ＋ k ＋ l ＝ 1 이고, 임의 첨가 성분 γ 는 B, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소이다] 인 질화물이고,
상기 단일 조성층(32; 34; 36)의 막두께는 0.5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내이고,
상기 2 종류의 나노레이어 교호층(38, 40; 38, 42; 40, 42)을 구성하고 있는 상기 나노레이어층(32n, 34n, 36n)의 각 막두께는 모두 0.5 ∼ 500 ㎚ 의 범위 내이고, 상기 2 종류의 나노레이어 교호층(38, 40; 38, 42; 40, 42)의 각 막두께는 모두 1 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내인 것을 특징으로 하는 경질 피막(30;50;60;70;80;90).
제 1 항에 있어서,
상기 단일 조성층(32; 34; 36)의 막두께 T1 과, 상기 2 종류의 나노레이어 교호층(38, 40; 38, 42; 40, 42)의 각 막두께 T2, T3 의 비 T1/T2, T1/T3 은 모두 0.2 ∼ 10 의 범위 내인 것을 특징으로 하는 경질 피막(30;50;60;70;80;90).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
교대로 적층된 상기 단일 조성층(32; 34; 36) 및 상기 2 종류의 나노레이어 교호층(38, 40; 38, 42; 40, 42)의 최하부의 층이 상기 모재(12)의 표면에 직접 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 경질 피막(80).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 경질 피막(30;50;60;70;90)은, 상기 모재(12)와의 경계에 계면층을 구비하고 있고,
상기 계면층은,
상기 A 조성, 상기 B 조성 및 상기 C 조성 중의 어느 1 개의 조성으로 이루어지는 단일 조성층,
상기 A 조성, 상기 B 조성 및 상기 C 조성 중의 어느 2 개의 조성으로 이루어지고, 각각 막두께가 0.5 ∼ 500 ㎚ 의 범위 내인 2 종류의 나노레이어층이 교대로 적층된 나노레이어 교호층,
및 B, Al, Ti, Y, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr 및 W 중의 1 종류 이상의 원소로 이루어지는 금속의 질화물, 탄질화물 또는 탄화물인 층,
의 합계 3 종류의 층 중의 어느 1 개의 층으로 구성되어 있고,
상기 계면층의 막두께는 5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내인 것을 특징으로 하는 경질 피막(30;50;60;70;90).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 경질 피막(90)은, 최표면에 표면층을 구비하고 있고,
상기 표면층은, 상기 A 조성, 상기 B 조성 및 상기 C 조성 중의 어느 1 개의 조성으로 이루어지는 단일 조성층, 또는 상기 A 조성, 상기 B 조성 및 상기 C 조성 중의 어느 2 개의 조성으로 이루어지고, 각각 막두께가 0.5 ∼ 500 ㎚ 의 범위 내인 2 종류의 나노레이어층이 교대로 적층된 나노레이어 교호층으로 구성되어 있고,
상기 표면층의 막두께는 0.5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내인 것을 특징으로 하는 경질 피막(90).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
피막 경도 (HV 0.025) 가 2700 ∼ 3300 (HV) 의 범위 내인 것을 특징으로 하는 경질 피막(30;50;60;70;80;90).
모재(12)의 표면의 일부 또는 전부가 경질 피막(30;50;60;70;80;90)에 의해서 피복되어 있는 경질 피막 피복 부재(10)로서,
상기 경질 피막이 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 경질 피막인 것을 특징으로 하는 경질 피막 피복 부재(10).
제 7 항에 있어서,
상기 경질 피막 피복 부재(10)는, 축심 둘레로 회전됨과 함께, 회전에 수반하여 절삭날(18,20)이 단속적으로 절삭 가공을 행하는 단속 절삭 공구인 것을 특징으로 하는 경질 피막 피복 부재(10).