KR102571881B1

KR102571881B1 - 피복 절삭 공구 그리고 그 제조 방법 및 화학 증착 장치

Info

Publication number: KR102571881B1
Application number: KR1020207000897A
Authority: KR
Inventors: 유우조 후쿠나가; 마사유키 이마이
Original assignee: 가부시키가이샤 몰디노
Priority date: 2017-11-16
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2023-08-28
Also published as: JP2020078864A; WO2019098130A1; JPWO2019098130A1; US11541461B2; JP7022105B2; CN111032259A; US20210354204A1; JP6617942B2; EP3711883A1; EP3711883A4; CN111032259B; JP6660608B2; KR20200081354A; JP2019214796A

Abstract

경질 피막이, 반금속을 포함하는 금속 원소의 총량에 대해, Al 이 60 원자％ 이상, Cr 이 10 원자％ 이상을 함유하고, Al 과 Cr 의 합계의 함유 비율이 90 원자％ 이상인 질화물이고, X 선 회절에 있어서 fcc 구조에서 기인하는 피크 강도가 최대 강도를 나타내고, 막 두께 방향으로 성장한 주상정의 집합으로 구성되고, 경질 피막 X 선 회절 강도비 TC (311) 의 값이 1.30 이상인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구 그리고 상기 질화물을 피복하기 위한 제조 방법 및 화학 증착 장치이다.

Description

피복 절삭 공구 그리고 그 제조 방법 및 화학 증착 장치

본 발명은, 화학 증착법으로 피복한 Al 과 Cr 의 복합 질화물을 함유하는 경질 피막을 공구의 표면에 갖는 피복 절삭 공구 그리고 그 제조 방법 및 화학 증착 장치에 관한 것이다.

종래, 절삭 공구의 수명을 향상시키기 위해, 물리 증착법 또는 화학 증착법에 의해 공구의 표면에 경질 피막을 피복한 피복 절삭 공구가 사용되고 있다. 각종 경질 피막 중에서도 Al 과 Ti 의 복합 질화물을 함유하는 경질 피막 및 Al 과 Cr 의 복합 질화물을 함유하는 경질 피막은 내마모성과 내열성이 우수한 막종으로 피복 절삭 공구에 널리 사용되고 있다.

Al 과 Ti 의 복합 질화물을 함유하는 경질 피막의 형성에 대해서는, 실제로 시장에서 판매되고 있는 피복 절삭 공구에 물리 증착법 및 화학 증착법이 널리 적용되고 있다. 한편, Al 과 Cr 의 복합 질화물을 함유하는 경질 피막의 형성에 대해서는, 실제로 시장에서 판매되고 있는 피복 절삭 공구에 적용되고 있는 것은 물리 증착법이며, 화학 증착법은 이용되고 있지 않은 것이 현상황이다.

그러나, 화학 증착법에 의한 경질 피막의 형성은 연구는 이루어지고 있어, 예를 들어, 특허문헌 1 에는, NH₃, N₂ 와 H₂ 로 이루어지는 가스군 A 와, CrCl₃, AlCl₃, Al(CH₃)₃, N₂ 와 H₂ 로 이루어지는 가스군 B 를 별도로 공급함으로써 입방정 구조로 이루어지는 Al 과 Cr 의 복합 질화물을 함유하는 경질 피막을 공구 기재의 표면에 피복하는 것을 개시하고 있다.

일본 공개특허공보 2017-80883호

특허문헌 1 에 기재된 피복에 대해, 본 발명자의 검토에 의하면, 화학 증착법으로 Al 과 Cr 의 복합 질화물을 함유하는 경질 피막을 피복하는 경우, 알칼리 가스인 NH₃ 가스와, 할로겐 가스인 CrCl₃ 가스나 AlCl₃ 가스가 과잉으로 반응하여 성막이 잘 안정되지 않게 되는 경우가 있고, 나아가서는, 특정 면 배향을 하고 있지 않기 때문에, 피복 절삭 공구로서의 내구성도 충분하지 않은 경우가 있는 것을 확인하였다.

따라서, 본 발명은, 내구성이 우수한 Al 과 Cr 의 복합 질화물을 갖는 질화물을 피복한 피복 절삭 공구 그리고 상기 질화물로 피복한 절삭 공구의 제조 방법 및 화학 증착 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시형태에 관련된 경질 피막을 피복한 피복 절삭 공구에서는,

상기 경질 피막은, 반금속을 포함하는 금속 원소의 총량에 대해, Al 을 60 원자％ 이상, Cr 을 10 원자％ 이상 함유하고, Al 과 Cr 의 합계의 함유 비율이 90 원자％ 이상인 질화물이고,

상기 경질 피막은, X 선 회절에 있어서 fcc 구조에서 기인하는 피크 강도가 최대 강도를 나타내고,

상기 기재의 표면에 대해 막 두께 방향으로 성장한 주상정 (柱狀晶) 의 집합으로 구성되고,

상기 경질 피막은 X 선 회절 강도비 TC (311) 의 값이 1.30 이상이다.

또한, 상기 실시형태에 관련된 경질 피막을 피복한 피복 절삭 공구는, 이하의 각 사항의 하나 이상을 만족하는 것이 바람직하다.

(1) 상기 X 선 회절 강도비 TC (311) 이 2.00 이상인 것.

(2) 상기 X 선 회절 강도비 TC (311) 이, X 선 회절 강도비 TC (hkl) (단, (hkl) 면은, (111) 면, (200) 면, (220) 면, (311) 면, (222) 면, (400) 면, (331) 면 및 (420) 면) 보다 큰 것.

(3) 상기 X 선 회절 강도비 TC (420) 및 TC (200) 의 값이 1.00 미만인 것.

(4) 상기 경질 피막이, X 선 회절에 있어서의 fcc 구조의 총 피크 강도를 TA, (422) 면에서 기인하는 피크 강도를 TB 로 한 경우, TB/TA 의 값이 0.050 이상인 것.

(5) 상기 주상정의 표면측에 있어서의 평균 폭이 0.1 ㎛ 이상 2.0 ㎛ 이하인 것.

(6) 상기 경질 피막은, 투과형 전자 현미경을 사용하여 관찰한 마이크로 조직에 있어서, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 높은 단층 구조의 부분과, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 낮은 적층 구조의 부분을 갖는 결정 입자가 분산되어 있는 것.

(7) 상기 기재와 상기 경질 피막 사이에 중간 피막을 가지고 있는 것.

(8) 상기 경질 피막 상에 상층을 가지고 있는 것.

본 발명의 일 실시형태에 관련된 화학 증착법에 의해 기재의 표면에 Al 과 Cr 의 복합 질화물을 함유하는 경질 피막을 피복하는 경질 피막을 피복한 피복 절삭 공구의 제조 방법은,

기재를 수납한 노 내의 온도를 750 ℃ 이상 850 ℃ 이하로 가열하는 공정과,

HCl 가스와 H₂ 가스를 포함하는 가스를 도입하여, 상기 노 내의 가스 예열부에 설치된 금속 Cr 을 가스화하여, 염화 Cr 가스를 포함하는 혼합 가스 a1 을 얻는 공정과,

AlCl₃ 가스와 H₂ 가스를 포함하는 혼합 가스 a2 를 상기 예열부에 도입하여, 상기 혼합 가스 a1 과 상기 혼합 가스 a2 를 혼합하여 혼합 가스 A 를 얻어, 상기 혼합 가스 A 를 상기 노 내의 반응 용기에 도입하는 공정과,

NH₃ 가스와 N₂ 가스와 H₂ 가스를 포함하는 혼합 가스 B 를 상기 예열부에 도입하여, 상기 혼합 가스 B 를 상기 반응 용기에 도입하는 공정을 갖고,

상기 혼합 가스 B 에 있어서의 N₂ 가스와 H₂ 가스의 합계의 체적％ 를 b1, NH₃ 가스의 체적％ 를 b2 로 한 경우, b2/b1 의 값이 0.002 이상 0.020 이하이고,

상기 혼합 가스 A 를 상기 노 내의 상기 반응 용기에 도입하는 공정은 상기 혼합 가스 A 만을 노 내 반응 용기에 도입하고, 상기 혼합 가스 B 를 상기 노 내의 상기 반응 용기에 도입하는 공정은 상기 혼합 가스 B 만을 반응 용기에 도입하고, 상기 혼합 가스 A 와 상기 혼합 가스 B 는, 상기 반응 용기에서만 혼합되고,

상기 혼합 가스 A 를 반응 용기에 도입하는 온도 TeA 는, 상기 혼합 가스 B 를 반응 용기에 도입하는 온도 TeB 보다 높은 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시형태에 관련된 반응 용기에 가스를 도입하는 가스 예열부와 노 내 가스 방출부를 포함하는 화학 증착 장치는,

상기 가스 예열부가,

(1) 염화 Cr 가스를 생성시키기 위한 혼합 가스를 금속 Cr 에 접촉시켜 염화 Cr 가스를 포함하는 혼합 가스 a1 을 발생시키는 염화 Cr 가스 발생부,

(2) 혼합 가스 a2 를 예열하는 제 1 예열부,

(3) 혼합 가스 B 를 예열하는 제 2 예열부, 및,

(4) 상기 혼합 가스 a1 과 상기 혼합 가스 a2 를 혼합하여, 혼합 가스 A 로 하는 혼합부를 갖고,

상기 혼합 가스 a1 을 발생시키는 유로의 길이와 상기 혼합 가스 a2 의 유로의 길이의 합계 길이는, 상기 혼합 가스 B 의 유로의 길이보다 3 배 이상 길며, 또한, 상기 염화 Cr 가스 발생부, 상기 제 1 예열부, 상기 제 2 예열부의 순으로 노의 둘레벽에 형성한 히터측에 근접하여 형성되어 있고,

상기 가스 방출부는,

상기 혼합 가스 A 를 상기 반응 용기에 도입하기 위해 노즐공을 형성한 제 1 파이프와, 상기 혼합 가스 B 를 반응 용기에 도입하기 위해 노즐공을 형성한 제 2 파이프를 갖고, 상기 제 1 파이프는 상기 제 2 파이프의 외측에 동심원상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기에 의하면, 내구성이 우수한 Al 과 Cr 의 복합 질화물을 갖는 질화물을 피복한 피복 절삭 공구 그리고 상기 질화물을 피복하기 위한 제조 방법 및 화학 증착 장치를 얻을 수 있다.

도 1a 는, 실시예 1 의 피복 절삭 공구의 레이크면의 단면을 나타내는 주사형 전자 현미경 (SEM) 화상의 도면 대용 사진 (배율 10,000 배) 이다.
도 1b 는, 도 1a 의 도면 대용 사진에 대한 개략 모식 선도이다.
도 1c 는, 도 1a 의 도면 대용 사진을 디더링 처리한 도면 대용 사진이다.
도 2a 는, 실시예 1 의 경질 피막의 투과형 전자 현미경 (TEM) 의 화상의 도면 대용 사진 (배율 200,000 배) 이다.
도 2b 는, 도 2a 의 도면 대용 사진에 대한 개략 모식 선도이다.
도 2c 는, 도 2a 의 도면 대용 사진을 디더링 처리한 도면 대용 사진이다.
도 3a 는, 도 2 의 A 부를 확대한 TEM 화상의 도면 대용 사진 (배율 2,000,000 배) 이다.
도 3b 는, 도 3a 의 도면 대용 사진에 대한 개략 모식 선도이다.
도 3c 는, 도 3a 의 도면 대용 사진을 디더링 처리한 도면 대용 사진이다.
도 4a 는, 도 3a 의 도면 대용 사진의 B 부에 있어서의 나노 빔 회절 패턴을 나타내는 도면 대용 사진이다.
도 4b 는, 도 4a 의 도면 대용 사진을 디더링 처리한 도면 대용 사진이다.
도 5a 는, 도 3a 의 도면 대용 사진의 C 부를 확대한 TEM 화상의 도면 대용 사진 (배율 4,000,000 배) 이다.
도 5b 는, 도 5a 의 도면 대용 사진에 대한 개략 모식 선도이다.
도 5c 는, 도 5a 의 도면 대용 사진을 디더링 처리한 도면 대용 사진이다.
도 6a 는, 도 5a 의 도면 대용 사진의 D 부에 있어서의 나노 빔 회절 패턴을 나타내는 도면 대용 사진이다.
도 6b 는, 도 6a 의 도면 대용 사진을 디더링 처리한 도면 대용 사진이다.
도 7a 는, 도 5a 의 도면 대용 사진의 E 부에 있어서의 나노 빔 회절 패턴을 나타내는 도면 대용 사진이다.
도 7b 는, 도 7a 의 도면 대용 사진을 디더링 처리한 도면 대용 사진이다.
도 8 은, 실시예 1 의 X 선 회절 패턴을 나타내는 도면이다.
도 9a 는, 실시예의 경질 피막의 피복에 사용한 화학 증착 장치 (CVD 로 (爐)) 의 개략 모식도이다.
도 9b 는, 실시예의 경질 피막의 피복에 사용한 화학 증착 장치 (CVD 로) 의 주요부를 확대한 개략 모식도이다.
도 9c 는, 실시예의 경질 피막의 피복에 사용한 화학 증착 장치 (CVD 로) 의 가스 분출구의 개략 단면도이다.
도 10a 는, 비교예 2 의 경질 피막의 피복에 사용한 화학 증착 장치 (CVD 로) 의 개략 모식도이다.
도 10b 는, 비교예 2 의 경질 피막의 피복에 사용한 화학 증착 장치 (CVD 로) 의 가스 분출구의 개략 단면도이다.
도 11a 는, 비교예 3 및 4 의 경질 피막의 피복에 사용한 화학 증착 장치 (CVD 로) 의 모식도이다.
도 11b 는, 비교예 3 및 4 의 경질 피막의 피복에 사용한 화학 증착 장치 (CVD 로) 의 가스 분출구의 개략 단면도이다.

본 발명자는, Al 과 Cr 의 복합 질화물에 대해, (311) 면의 배향을 제어함으로써, 피복 절삭 공구의 피복 피막으로서 사용했을 때에 내구성이 향상되는 것을 지견하여, 본 발명에 도달하였다. 즉, Al 과 Cr 의 복합 질화물에 대해, 각 결정면의 X 선 회절 강도를 구하고, (311) 면의 X 선 회절 강도에 주목하여 정리한 결과, (311) 면의 X 선 회절 강도가 다른 면의 회절 강도에 대해 일정한 관계가 있을 때, 피복 절삭 공구의 내구성이 향상된다는 놀랄 만한 지견을 얻었던 것이다.

또, 알칼리 가스인 NH₃ 가스와, 할로겐 가스인 CrCl₃ 가스나 AlCl₃ 가스를 과잉으로 반응시키지 않기 위해, 혼합 가스 중의 NH₃ 가스량의 N₂ 가스와 H₂ 가스의 합계량에 대한 비율을 특정한 것으로 하는 것, 및, 염화 Cr 가스는 CVD 로 내에서 생성되는 것이 필요한 것도 지견하였다.

이하에서는, 본 발명의 일 실시형태의 피복 절삭 공구를 구성하는 경질 피막의 성분 조성, 조직, 결정 구조, 특성, 그리고 그 제조 방법 및 제조 장치의 상세에 대하여 설명을 한다.

＜조성＞

먼저, 본 실시형태에 관련된 경질 피막의 조성에 대해 설명한다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, Al 과 Cr 의 복합 질화물이다. Al 과 Cr 의 복합 질화물을 함유하는 피막은 내마모성과 내열성이 우수한 막이다.

＜＜알루미늄 Al＞＞

Al 의 함유 비율이 높으면 경질 피막의 내열성이 높아짐과 함께 공구 날끝에 윤활 보호 피막을 형성하기 쉬워져, 피복 절삭 공구의 내구성이 향상된다. 이들 효과를 충분히 재현하기 위해, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 반금속을 포함하는 금속 원소 (이하, 금속 원소라고 기재한다) 의 총량에 대해, Al 의 함유 비율을 60 원자％ 이상으로 한다. 나아가서는, Al 의 함유 비율을 70 원자％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 단, Al 의 함유 비율이 지나치게 높아지면, 취약한 hcp (육방 최밀 충전) 구조의 AlN 이 많아져 피복 절삭 공구의 내구성이 저하된다. 그 때문에, Al 의 함유 비율을 90 원자％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

＜＜크롬 Cr＞＞

Cr 의 함유 비율이 지나치게 적으면 취약한 hcp 구조의 AlN 이 지나치게 증가하여 피복 절삭 공구의 내구성이 저하된다. 또, 공구 날끝에 윤활 보호 피막이 잘 형성되지 않게 되어, 용착이 발생하기 쉬워진다. 그 때문에, Cr 의 함유 비율은 10 원자％ 이상으로 한다. 나아가서는, Cr 의 함유 비율은 15 원자％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 단, Cr 의 함유 비율이 지나치게 높아지면 상대적으로 Al 의 함유 비율이 저하되어 내열성이 저하된다. 그 때문에, Cr 의 함유 비율은 30 원자％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

＜＜그 밖의 원소＞＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 경질 피막에 보다 높은 내열성을 부여하기 위해, Al 과 Cr 의 합계의 함유 비율을 90 원자％ 이상으로 한다. 나아가서는, Al 과 Cr 의 합계의 함유 비율을 95 원자％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, Al 과 Cr 이외의 금속 원소를 함유해도 된다. 예를 들어, Ti, Si, Zr, B, V 를 함유해도 된다. 이들 원소는, AlTi 계의 질화물이나 AlCr 계의 질화물에 일반적으로 첨가되어 있는 원소로, 소량의 첨가이면 피복 절삭 공구의 내구성을 현저하게 저하시키는 경우는 없다.

즉, Al 과 Cr 의 합계의 함유 비율을 90 원자％ 이상으로 하는 질화물에 있어서, 후술하는 X 선 회절 강도비 TC (311) 을 일정치 이상으로 하면, 이들 금속 원소를 함유해도 피복 절삭 공구의 내구성을 현저하게 저하시키는 경우는 없다. 단, Al 과 Cr 이외의 금속 원소의 함유 비율이 지나치게 높아지면, Al 과 Cr 의 복합 질화물로서의 기본 특성이 저하되어 피복 절삭 공구의 내구성이 저하된다. 그 때문에, 다른 금속 원소를 함유하는 경우에는, 함유 비율을 10 원자％ 이하로 한다. 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, Al 과 Cr 의 복합 질화물로 해도 된다.

＜＜불가피 불순물＞＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 불가피 불순물로서, 산소, 탄소 및 염소 등의 성막 가스에 포함되는 성분을, 경질 피막 전체를 100 질량％ 로 하였을 때에 1 질량％ 이하 함유할 수 있다. 본 실시형태에 관련된 경질 피막은 전체로서 질화물이면, 이들 불순물에서 기인하는 산화물, Al 과 Cr 의 복합 탄화물, Al 과 Cr 의 복합 탄질화물 등을 일부에 함유해도 된다.

＜결정 구조＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, X 선 회절에 있어서 fcc (면심 입방 격자) 구조에서 기인하는 X 선 피크 강도 (피크 강도) 중 어느 것이 최대 강도를 나타내고, fcc 구조가 주체이다. hcp 구조가 주체인 경질 피막이나 비정질의 경질 피막은 경도가 낮고, 취약하기도 하여 피복 절삭 공구의 내구성이 현저하게 저하된다. fcc 구조에서 기인하는 피크 강도가 최대 강도를 나타냄으로써, 경질 피막의 경도와 인성이 높아져, 피복 절삭 공구의 내구성이 향상된다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, fcc 구조의 단일 구조인 것이 바람직하지만, fcc 구조에서 기인하는 피크 강도 중 어느 것이 최대 강도를 나타내는 것이면, 일부에 hcp 구조를 함유해도 된다. 예를 들어, HRC 30 이하의 연강 (軟鋼) 의 밀링 가공에 있어서는, 경질 피막에 높은 경도가 요구되지 않기 때문에, hcp 구조를 함유해도 된다. 단, hcp 구조의 함유 비율이 지나치게 높아지면 피복 절삭 공구의 내구성이 저하된다. 그 때문에, hcp 구조를 함유하는 경우라도, fcc 구조에서 기인하는 최대 피크 강도에 대해, hcp 구조에서 기인하는 최대 피크 강도를 1/10 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, X 선 회절에 있어서, fcc 구조의 (111) 면, (200) 면, (220) 면, (311) 면, (222) 면, (400) 면, (331) 면, (420) 면 및 (422) 면의 적어도 9 면에 피크 강도를 갖는다. 본 발명자는, (311) 면에서 기인하는 X 선 회절 강도비가 커지면 미립인 주상정이 증가하는 것을 지견하였다.

그 때문에, 본 실시형태에서는, (311) 면에서 기인하는 X 선 회절 강도비에 대해, 이하에 서술하는 X 선 회절 강도비 TC (311) 을 1.30 이상으로 한다. 그리고, (311) 면에서 기인하는 X 선 회절 강도비 TC (311) 을 상기 다른 면 (질화알루미늄의 표준 X 선 회절 강도에는 (422) 면은 없기 때문에, 상기 9 면에서 (422) 면을 제외한 8 면) 의 X 선 회절 강도비에 대해 높임으로써, 보다 한층, 피막 조직이 미세해져, 경질 피막의 소성 변형이 억제되고, 나아가서는 피막 마모가 억제되기 쉬워져 바람직한 것도 지견하였다.

본 실시양태에서는, (311) 면을 포함하는 상기 각 면의 X 선 회절 강도비 TC (hkl) 을 이하의 식 (수학식 1) 으로 나타내는 X 선 회절 강도비 TC (hkl) 을 구하고, X 선 회절 강도비 TC (311) 을 평가한다.

[수학식 1]

TC (hkl) ＝ {I(hkl)/I_O(hkl)}/[Σ{I(hkl)/I_O(hkl)}/8]

I(hkl) : 실측한 질화알루미늄크롬 경질 피막의 (hkl) 면의 X 선 회절 강도.

I_O(hkl) : ICDD (International Center for Diffraction Data) 파일 번호 00-025-1495 에 기재된 질화알루미늄의 (hkl) 면의 표준 X 선 회절 강도.

Σ 는, 다음의 8 면에 대한 합을 의미한다.

(hkl) ＝ (111) 면, (200) 면, (220) 면, (311) 면, (222) 면, (400) 면, (331) 면 및 (420) 면.

여기서, 질화알루미늄크롬의 표준 X 선 회절 강도는 동 파일에 없기 때문에, 질화알루미늄크롬의 X 선 회절에 유사한 질화알루미늄 표준 X 선 회절 강도를 사용하고 있다.

ICDD 파일 번호 00-025-1495 에 기재된, fcc 구조의 질화알루미늄의 각 결정면에 대응하는 회절각 2θ 및 표준 X 선 회절 강도 I_O 에 의하면, fcc 구조의 질화알루미늄은, (420) 면의 X 선 회절 강도가 높은 것을 확인할 수 있다. 또, 당해 질화알루미늄의 표준 X 선 회절 강도에는 (422) 면은 없기 때문에, X 선 회절 강도비 TC (hkl) 은 상기 서술한 8 면으로부터 구한다.

Al 과 Cr 의 복합 질화물에 대해, X 선 회절 강도비 TC (311) 의 값이 1.30 이상이 되는 Al 과 Cr 의 복합 질화물로 함으로써, 피복 절삭 공구의 내구성을 높일 수 있다. 나아가서는, X 선 회절 강도비 TC (311) 이 1.80 이상인 것이 보다 바람직하다. 나아가서는, X 선 회절 강도비 TC (311) 이 2.00 이상인 것이 보다 한층 바람직하다. X 선 회절 강도비 TC (311) 의 상한치는 특별한 제약은 없지만, 본 명세서에 개시하는 방법에 의해 상기 질화물을 제조한 경우, 6.00 정도가 상한치가 될 것으로 추정되고, 상한치는 5.00 이 보다 바람직하다.

나아가서는, X 선 회절 강도비 TC (311) 이 다른 결정면의 X 선 회절 강도비 TC (hkl) 보다 큰 것이 보다 더 한층 바람직하다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, X 선 회절 강도비 TC (420) 과 X 선 회절 강도비 TC (200) 의 값이 1.00 이하인 것이 바람직하다. 그 이유는, 표준 X 선 회절 강도에 있어서 피크 강도가 높은 (420) 면과 (200) 면의 X 선 회절 강도비 TC (hkl) 의 값이 작아짐으로써, X 선 회절 강도비 TC (311) 의 값이 높아지기 쉬워 바람직하기 때문이다. 나아가서는, X 선 회절 강도비 TC (420) 과 X 선 회절 강도비 TC (200) 의 값이 0.50 이하인 것이 보다 바람직하다.

또한, 질화알루미늄크롬 경질 피막의 X 선 회절 피크는, 질화티탄알루미늄 경질 피막의 X 선 회절 피크와 유사하여 피크 위치가 겹친다. 그 때문에, 본 발명에 관련된 경질 피막과 질화티탄알루미늄 경질 피막을 적층, 예를 들어, 교호 적층시키는 경우, 얻어진 X 선 회절 피크를 질화알루미늄크롬 경질 피막의 피크로 하여 X 선 회절 강도비 TC (hkl) 을 산출하면 된다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, X 선 회절에 있어서, fcc 구조의 총 피크 강도 (상기 8 면의 피크 강도의 합에 더하여 (422) 면의 X 선 회절 피크 강도를 더한 것의 합) 를 TA, (422) 면에서 기인하는 피크 강도를 TB 로 한 경우, TB/TA 의 값이 0.05 이상인 것이 바람직하다. 통상, (422) 면과 같은 고각측의 피크 강도는 상대적으로 약해지지만, (422) 면의 피크 강도가 보다 강해짐으로써, 결정성이 보다 높은 경질 피막이 되어 피복 절삭 공구의 내구성이 향상된다. 또한, TB/TA 의 값을 0.07 이상으로 함으로써 보다 내구성이 우수한 경향이 있어 바람직하다.

또한, ICDD 파일 번호 00-025-1495 에는 (422) 면의 피크 강도는 없지만, 면 간격 d 치를 계산함으로써, X 선 회절도에 있어서 (422) 면 피크 강도를 확인할 수 있다.

＜주상정＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 기재의 표면에 대해 막 두께 방향으로 성장한 주상정의 집합 (기둥상 조직) 으로 구성된다. Al 과 Cr 의 복합 질화물로 이루어지는 경질 피막이 기재의 표면에 대해 막 두께 방향으로 성장한 주상정이 됨으로써, 피복 절삭 공구의 내구성이 향상된다.

상기 주상정의 표면측에 있어서의 평균 폭이 0.1 ㎛ 이상 2.0 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 표면측에 있어서의 평균 폭을 0.1 ㎛ 이상으로 함으로써 피복 절삭 공구의 내구성이 보다 높아진다. 또, 표면측에 있어서의 평균 폭을 2.0 ㎛ 이하로 함으로써, 경질 피막의 소성 변형이 잘 일어나지 않게 되고, 또, 1.0 ∼ 2.0 ㎛ 로 함으로써 경질 피막으로부터 탈락하는 입자경이 작아지기 때문에 공구 마모가 억제되기 쉬워진다.

본 실시형태에 있어서의 표면측이란, 피삭재와 접촉하는 측에 있는 경질 피막의 표면 근방, 예를 들어, CP (Cross-section Polisher) 가공면의 근방을 말한다. 경질 피막의 주상정의 폭은, 투과형 전자 현미경이나 주사형 전자 현미경에 의한 단면 관찰로부터 측정할 수 있다. 측정 지점은, 피삭재와 접하는 측에 있는 피막 표면으로부터 깊이가 0.5 ㎛ 인 위치로 하였다. 연속하는 30 개 이상의 주상정의 폭을 관찰하면, 입자 폭의 평균치는 수속된다. 그 때문에, 연속하는 30 개 이상의 주상정으로부터, 경질 피막의 주상정의 평균 폭을 구하면 된다.

＜마이크로 조직＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막의 마이크로 조직은 특별히 한정되는 것은 아니다. 즉, 단층 구조만으로 이루어지는 결정 입자를 가져도 된다. 또, 적층 구조만으로 이루어지는 결정립을 가져도 된다. 단층 구조만으로 이루어지는 결정립과 적층 구조만으로 이루어지는 결정립과 단층 구조와 적층 구조가 병존하는 결정 입자를 가져도 된다. 특히, 하나의 결정립 중에, 단층 구조와 적층 구조가 병존하는 결정립이 분산되어 있는 경우가 바람직하다.

구체적으로는, 예를 들어, 도 2a, 도 2b, 도 2c 에 나타내는 바와 같이, 하나의 결정 입자에 있어서, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 높은 Al 과 Cr 의 복합 질화물과, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 낮은 Al 과 Cr 의 복합 질화물이 교대로 적층된 적층 구조로 이루어지는 부분과, Al 의 함유 비율이 높은 Al 과 Cr 의 복합 질화물의 단층 구조로 이루어지는 부분을 갖는 결정 입자가 마이크로 조직에 분산되어 있는 경우가 바람직하다 (확대도는, 도 3a, 도 3b, 도 3c, 도 5a, 도 5b, 도 5c 를 참조).

단층 구조의 부분은, 적층 구조의 부분에 비해 상대적으로 결정성이 높기 때문에, 변형이 적을 것으로 추정된다. 그 때문에, 결정 입자가 단층 구조의 부분을 가짐으로써 피복 절삭 공구의 내구성이 향상된다. 적층 구조로 이루어지는 부분은, 단층 구조로 이루어지는 부분에 비해 상대적으로 Al 의 함유 비율이 작기 때문에, 결정 입자 전체로서 Al 의 함유량이 지나치게 증가하여 취약한 hcp 구조의 AlN 이 증가하는 것이 억제된다. 그리고, 이와 같은 입자가 마이크로 조직에 존재함으로써, 경질 피막 전체로서 내마모성과 내열성이 높아져 우수한 내구성을 발휘할 수 있다.

결정 입자의 적층 구조의 부분에 있어서, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 높은 Al 과 Cr 의 복합 질화물은, Al 의 함유 비율이 60 원자％ 이상인 것이 바람직하고, 또, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 낮은 Al 과 Cr 의 복합 질화물은, Al 의 함유 비율이 55 원자％ 이하인 것이 바람직하다.

결정 입자의 적층 구조의 부분에 있어서, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 높은 Al 과 Cr 의 복합 질화물은, Al 의 함유 비율이 70 원자％ 이상인 것이 바람직하고, 나아가서는 80 원자％ 이상인 것이 바람직하다. 단, Al 의 함유 비율이 지나치게 높아지면 hcp 구조의 AlN 이 증가하기 때문에, Al 의 함유 비율은 95 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 나아가서는, 90 원자％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

결정 입자의 적층 구조의 부분에 있어서, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 낮은 Al 과 Cr 의 복합 질화물은, Al 의 함유 비율이 50 원자％ 이하인 것이 바람직하고, 나아가서는, 40 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 단, Al 의 함유 비율이 지나치게 낮아지면, 경질 피막 전체에서 내열성이 저하되기 때문에, Al 의 함유 비율은 10 원자％ 이상인 것이 바람직하다. 나아가서는, 20 원자％ 이상이 보다 바람직하다.

결정 입자의 단층 구조의 부분은, Al 의 함유 비율이 60 원자％ 이상인 것이 바람직하다. 나아가서는, Al 의 함유 비율이 70 원자％ 이상인 것이 바람직하다. 단, Al 의 함유 비율이 지나치게 높아지면 hcp 구조의 AlN 이 증가하기 때문에, 결정 입자의 단층 구조의 부분은, Al 의 함유 비율이 90 원자％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막의 마이크로 조직은, 적층 구조 또는 단층 구조만의 결정 입자로 구성되어도 된다.

＜평균 막 두께＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막의 평균 막 두께는, 1.0 ㎛ 이상 15.0 ㎛ 이하가 바람직하다. 그 이유는, 막 두께가 1.0 ㎛ 미만이면 얇기 때문에 충분한 공구 수명을 부여하지 않고, 한편, 막 두께가 15.0 ㎛ 를 초과하면 지나치게 두꺼워져 절삭 정밀도가 저하되어 버릴 우려가 있기 때문이다. 막 두께의 하한은 2.0 ㎛ 가 보다 바람직하고, 나아가서는 3.0 ㎛ 가 바람직하고, 나아가서는 5.0 ㎛ 가 보다 한층 바람직하다. 막 두께의 상한은 12.0 ㎛ 가 보다 바람직하고, 나아가서는 10.0 ㎛ 가 보다 한층 바람직하다.

＜중간 피막과 상층＞

본 실시형태의 피복 절삭 공구는, 경질 피막의 기재와의 밀착성을 보다 향상시키기 위해, 필요에 따라, 공구의 기재와 경질 피막 사이에, 예를 들어, 질화물, 탄질화물, 탄화물의 어느 것으로 이루어지는 중간 피막을 형성해도 된다. 중간 피막으로는, 기재 및 경질 피막과의 밀착성이 우수한 Al 과 Cr 의 복합 질화물 혹은 Ti 의 질화물, 탄질화물인 것이 바람직하다. 여기서, 본 명세서에 있어서, Al 과 Cr 의 복합 질화물 혹은 Ti 의 질화물, 탄질화물과 같이 화합물을 화학식으로 나타내지 않을 때에는, 그 조성은 반드시 화학량론적 범위의 것으로 한정되지는 않는다.

또, 본 실시형태에 관련된 경질 피막 상에, 본 실시형태에 관련된 경질 피막과 상이한 성분비나 상이한 조성을 갖는 상층을 형성해도 된다. 상층은, 예를 들어, 질화물, 탄질화물, 탄화물이나 알루미나 등의 산화물이고, 결합층을 개재하여 형성하면 된다. 이 중, 화학 증착법으로 성막하는 피복층으로서 일반적으로 사용되고 있는 알루미나는, 피복 절삭 공구의 내열성을 향상시키므로 바람직하다.

예를 들어, 일반적으로 주물의 절삭 가공에 있어서는 알루미나를 형성한 피복 절삭 공구가 사용되고 있다. 본 발명의 피복 절삭 공구도, 필요에 따라 상층으로서 알루미나를 형성하면 내구성이 보다 향상되어 바람직하다. 또, 상층으로서, Al 과 Ti 의 복합 질화물이나, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 높은 Al 과 Cr 의 복합 질화물과, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 낮은 Al 과 Cr 의 복합 질화물이 교대로 적층된 적층 피막을 형성해도 된다.

＜피복 후의 날끝 처리＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은 화학 증착에 의해 성막되기 때문에 인장 응력을 가지고 있으므로, 피복 후에 블라스트 장치 등에 의한 응력 해방이 되는 피복 후의 날끝 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 이 피복 후의 날끝 처리를 실시함으로써 내치핑성이 개선되어 공구 수명이 우수한 경질 피막이 된다.

＜제조 방법＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 예를 들어, 내부 온도를 후술하는 750 ℃ 이상으로 승온시킨 화학 증착 장치 (CVD 로) 내에, 이하에 서술하는 혼합 가스 A 와 혼합 가스 B 를 별도로 도입하고, 그 장치 내에서 혼합함으로써, 그 장치 내에 미리 재치 (載置) 되어 있는 인서트 기재 등의 공구 기체 (基體) 에 피복할 수 있다.

또한, 기재는 이 종류의 기재로서 공지된 것이면 사용할 수 있다. 예를 들어, 초경합금 (예를 들어, WC 기 초경합금, WC 외에 Co 를 함유하고, 추가로 Ti, Ta, Nb 의 탄화물 등을 첨가한 것을 포함한다), 서멧 (TiC, TiN, TiCN 등을 주성분으로 하는 것), cBN 등을 예시할 수 있다.

또, 공구 기체는, 인서트 기재에 한정하지 않고, 예를 들어, 드릴, 드릴용 날끝 교환형 절삭 팁, 프레이즈 가공용 날끝 교환형 절삭 팁, 메탈 소, 리머, 탭 등의 기재를 들 수 있다.

＜＜혼합 가스 A＞＞

본 실시형태에 있어서, 혼합 가스 A 는, 혼합 가스 a1 과 혼합 가스 a2 를 포함한다. 혼합 가스 a1 은, HCl 가스와 H₂ 가스 (「염화 Cr 을 생성하기 위한 혼합 가스」 또는 「혼합 가스 a1 을 얻기 위한 혼합 가스」라고도 한다) 와, 이 2 가지 가스가 금속 Cr 과 접촉함으로써 생성되는 염화 Cr 가스 (CrCl₃ 으로 표현할 수 있는 성분만은 아니고 Cr 과 Cl 이 화학적으로 결합한 가스이다) 를 포함하는 가스이고, 대표적인 조성은, 체적비로 염화 Cr/H₂ ＝ 0.008 이상 0.140 이하이다. 한편, 혼합 가스 a2 는, AlCl₃ 가스와 H₂ 가스를 포함하는 가스이고, 대표적인 조성은, 체적비로 AlCl₃/(H₂ ＋ N₂) ＝ 0.0006 이상 0.0300 이하이다.

또한, 염화 Cr 가스의 체적％ 및 AlCl₃ 가스의 체적％ 는, 후술하는 바와 같이, 이들 가스를 발생시키기 위해 도입하는 HCl 가스량으로부터 추정하였다.

혼합 가스 a1 에 있어서, 염화 Cr 가스의 생성을 위한 HCl 가스와 H₂ 가스는 가열되어 금속 Cr 과 접촉되는데, 이 가열은, 화학 증착 장치 (CVD 장치) 의 설명에서 후술하는 바와 같이, CVD 로의 내부의 가스 예열부에서 실시하는 것이 바람직하다. 또, 염화 Cr 가스를 갖게 된 혼합 가스 a1 에, 이 혼합 가스 a1 의 온도 가까이 가열된 혼합 가스 a2 를 혼합하여, 혼합 가스 A 를 얻는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, AlCl₃ 가스의 영향을 받지 않고 염화 Cr 가스의 생성이 용이하게 이루어지게 된다.

상기 가스 예열부에 있어서 염화 Cr 가스를 생성시킬 때의 온도는, 노 내 온도의 최저 설정 온도인 750 ℃ 정도의 염화 Cr 가스가 안정적으로 발생하는 온도로 한다. 그 이유는, 이 온도가 지나치게 낮으면 염화 Cr 가스의 발생량이 적어져, 경질 피막 전체가 Al 리치가 되어, hcp 구조의 AlN 이 증가하기 쉬워지기 때문이다.

또, 혼합 가스 a2 에 포함되는 AlCl₃ 가스는, 예를 들어, H₂ 가스와 HCl 가스의 혼합 가스를, 금속 Al 을 충전하여 330 ℃ 로 보온한 AlCl₃ 가스 발생기에 도입하여 생성할 수 있고, 혼합 가스 a1 과 혼합하여 혼합 가스 A 로 할 때에 예열된다. 혼합 가스 a2 의 온도는, 혼합 가스 a1 의 온도와의 차이가 그다지 없는 편이 경질 피막이 주상정의 집합체로 구성된 조직이 되기 때문에 바람직하고, 혼합 가스 a1 의 온도의 근방 (예를 들어, ±80 ℃) 이 좋다.

혼합 가스 a1 에 혼합 가스 a2 를 혼합하여 얻어진 혼합 가스 A 에 있어서, H₂ 가스의 유량을 가장 크게 하는 것이 바람직하다. 또한, 혼합 가스 a1 및 혼합 가스 a2 에는 N₂ 가스나 Ar 가스가 포함되어 있어도 된다.

＜＜혼합 가스 B＞＞

혼합 가스 B 는, H₂ 가스, N₂ 가스 및 NH₃ 가스를 포함한다. 이 혼합 가스 B 는, N₂ 가스와 H₂ 가스의 합계의 체적％ 를 b1, NH₃ 가스의 체적％ 를 b2 로 한 경우, b2/b1 의 값이 0.002 이상 0.020 이하의 조성비를 갖는 것이, 본 실시형태에 관련된 경질 피막의 조성을 얻기 위해 바람직하다. 이 조성비의 범위에 혼합 가스 B 의 조성비가 있으면, 알칼리 가스인 NH₃ 가스와, 할로겐 가스인 CrCl₃ 가스나 AlCl₃ 가스가 과잉으로 반응하는 것을 억제하기 쉽다.

이 혼합 가스 B 도 예열되는데, 예열에 의한 온도 상승은 억제하고, 혼합 가스 A 의 온도보다 낮게 예열하여 과잉의 예열을 피한다.

예열 챔버 내의 혼합 가스 B 의 가스 유로를, 예열 챔버의 높이와 동일하게 함으로써, 혼합 가스 B 가 혼합 가스 A 와 같이 과도하게 예열되는 것을 막고 있다. 이로써, 혼합 가스 B 에 포함되는 NH₃ 과 혼합 가스 A 에 포함되는 염화 Cr 가스, AlCl₃ 가스의 반응 속도를 억제하여, 경질 피막이 주상정의 집합으로 구성되는 조직이 된다.

혼합 가스 B 의 가스 유로는, 가스 예열부를 통과하는데, 전술한 바와 같이 예열 온도는 억제하여, 과잉의 예열은 피한다. 이와 같이 예열하기 위한 한 수단으로서, 후술하는 바와 같이 본 실시형태에서 사용되는 CVD 로의 예열부와 같이, 예열을 위한 열원에 혼합 가스 a1 을 얻기 위한 혼합 가스의 유로, 혼합 가스 a2 의 유로, 혼합 가스 B 의 가스 유로의 순으로 근접시키며, 또한, 혼합 가스 a1 의 가스 유로의 길이와 혼합 가스 a2 의 가스 유로의 길이의 합계를 혼합 가스 B 의 가스 유로보다 3 배 이상, 바람직하게는, 5 배 이상이고, 8 배 이하의 범위에서 길게 하는 것을 생각할 수 있다.

이 범위는, 장치 용량에 의존하여 적절히 결정하면 되고, 10 배, 나아가서는 20 배가 되는 경우도 있다. 일례로서, 혼합 가스 B 의 유로는, 650 mm 이하가 바람직하고 550 mm 이하가 더욱 바람직하다. 이로써, NH₃ 가스와 AlCl₃ 가스나 염화 Cr 가스의 과도한 반응이 억제되어, 경질 피막이 주상정의 집합으로 구성되는 조직이 된다.

또한, 혼합 가스 a1 을 얻기 위한 혼합 가스의 가스 유로, 혼합 가스 a2 의 가스 유로, 혼합 가스 B 의 가스 유로란, 각 혼합 가스를 노 내에 도입하고 나서 예열이 종료될 때까지의 유로를 말한다. 즉, 후술하는 바와 같이 본 실시형태에서 사용되는 CVD 로의 예열부와 같이, 성막 중에 회전을 수반하는 접속 유로 및 예열실 (예열 챔버) 내의 유로를 말한다.

＜＜혼합 가스 A 와 혼합 가스 B 의 혼합과 노 내로의 도입＞＞

혼합 가스 A 와 혼합 가스 B 를 미리 혼합하여, 1 개의 노즐공으로부터 CVD 로 내 (반응 용기 내) 에 도입하면, NH₃ 가스와 AlCl₃ 가스나 염화 Cr 가스의 반응 속도가 지나치게 빨라져, 경질 피막에 있어서 주상정의 집합으로 구성되는 조직이 잘 얻어지지 않게 된다.

그래서, 혼합 가스 A 와 혼합 가스 B 는 CVD 로 내 (반응 용기 내) 에 도입하기 전에 혼합하지 않고, 혼합 가스 A 의 노즐공과 혼합 가스 B 의 노즐공을 각각 별도로 하여 형성하여 CVD 로 내 (반응 용기 내) 에 독립적으로 도입한다. 구체적으로는, 예를 들어, 후술하는 제조 장치에 있어서 설명하는 바와 같이, 혼합 가스 B 의 노즐공은, 혼합 가스 A 의 노즐공과는 분출 방향을 바꾸고, 또한 혼합 가스 A 의 노즐공보다 회전축으로부터의 거리가 외측에 배치하는 등 하여, NH₃ 가스와 AlCl₃ 가스나 염화 Cr 가스의 반응 속도가 지나치게 빨라지지 않게 한다.

＜＜반응 압력과 성막 온도＞＞

성막을 위한 반응 압력은 3 kPa 이상 5 kPa 이하인 것이 바람직하다. 그 이유는, 반응 압력이 지나치게 낮으면 성막 속도가 저하되고, 한편으로, 반응 압력이 지나치게 높으면, 상기 반응이 촉진되어, 주상정의 집합으로 구성되는 조직이 잘 얻어지지 않기 때문이다.

또, CVD 로 내 (반응 용기 내) 온도는 750 ℃ 이상 850 ℃ 이하가 바람직하다. 그 이유는, 성막 온도가 지나치게 낮으면, 경질 피막 중의 염소량이 증가하고 내마모성이 저하되고, 한편으로, 성막 온도가 지나치게 높으면 상기 반응이 촉진되어, 주상정의 집합으로 구성되는 조직이 잘 얻어지지 않기 때문이다. 노 내 온도는, 770 ℃ 이상 820 ℃ 이하가 보다 바람직하다.

＜피복 장치＞

본 발명의 일 실시형태에 사용하는 화학 증착 장치 (CVD 로) 는, 상기 서술한 제조 방법을 실시하기 위해, 노 내 (반응 용기 내) 온도는 750 ℃ 이상 850 ℃ 이하, 노 내 (반응 용기 내) 압력은 3 kPa 이상 5 kPa 이하로 할 수 있는 것으로서, 이하의 특징적인 구성을 가지고 있다. 구체적인 구성은, 후술하는 실시예에서 서술하고, 여기서는 장치로서 구비해야 하는 사항을 중심으로 설명한다.

피복 장치는, 혼합 가스 A 의 성분인 염화 Cr 가스를 생성하기 위한 혼합 가스 a1 과 혼합 가스 a2, 및, 혼합 가스 B 의 3 종의 혼합 가스 각각을 독립적으로 예열하고, CVD 로 내 (반응 용기 내) 에 도입하는 구성을 구비하고 있다.

즉, CVD 로 내에는, 가스 예열부와 후술하는 반응 용기에 가스 A,B 를 도입하는 가스 방출부를 가지고 있다. 가스 예열부는,

(2) 혼합 가스 a2 를 예열하는 제 1 예열부,

(3) 혼합 가스 B 를 예열하는 제 2 예열부, 및,

(4) 혼합 가스 a1 과 혼합 가스 a2 를 혼합하여, 혼합 가스 A 로 하는 혼합부를 가지고 있다.

또한, 예열부의 열원은, 예열부용으로 독립적으로 형성해도 되고, CVD 로에 구비되어 있는 열원 (히터) 을 이용해도 된다. 또, 금속 Cr 은 플레이크상 등의 염화 Cr 가스가 발생하기 쉬운 형상으로 한다.

여기서, 예열부에 있어서, 혼합 가스의 온도를 전술한 바와 같이 하기 위한 한 수단으로서, CVD 로의 열원을 이용하는 경우에는, 예를 들어, 예열원인 CVD 로의 히터에, 혼합 가스 a1 을 생성하는 가스 유로, 혼합 가스 a2 의 가스 유로, 혼합 가스 B 의 가스 유로의 순으로 근접시킴과 함께, 가스 유로의 배치를 연구하여, 일례로서, 혼합 가스 a1 을 발생시키기 위한 유로의 길이와 혼합 가스 a2 의 유로의 길이의 합계의 길이를 혼합 가스 B 의 유로의 길이의 3 배 이상, 바람직하게는, 5 배 이상이고, 8 배 이하로 하는 것을 들 수 있다.

여기서, 혼합 가스 a1 을 생성하는 가스의 유로의 길이, 혼합 가스 a2 유로의 길이, 혼합 가스 B 의 유로의 길이란, 각각, CVD 로의 가스 도입구로부터 가스 예열부의 출구까지의 길이를 말한다. 즉, 후술하는 바와 같이 본 실시예에서 사용되는 CVD 로의 예열부와 같이, 성막 중에 회전을 수반하는 접속 유로 및 예열실 (예열 챔버) 내의 유로를 말한다.

이와 같은 구성으로 함으로써, 혼합 가스 a1 은 750 ℃ 이상으로 예열하고, 한편, 혼합 가스 a2 는, 혼합 가스 a1 근방의 온도, 예를 들어, ±80 ℃ 의 범위로 예열하고, 혼합 가스 a1 과 혼합되어 혼합 가스 A 로 할 수 있다. 한편, 혼합 가스 B 는, 혼합 가스 A 보다 낮은 온도가 된다 (TeA ＞ TeB).

또한, 혼합 가스 A 에 대해서는, 예열부에 있어서의 가스 유로가 길기 때문에, 거의 노 내 온도 정도까지 상승되어 있다. 한편, 혼합 가스 B 에 대해서는, 예열부에 있어서의 가스 유로를 짧게 하고 있기 때문에, 온도 상승이 억제되어 있다고 할 수 있다.

또한, CVD 로는 가스 방출부를 포함하고, 이 가스 방출부가, 혼합 가스 A 를 반응 용기에 도입하기 위해 노즐공을 형성한 제 1 파이프와, 혼합 가스 B 를 반응 용기에 도입하기 위해 노즐공을 형성한 제 2 파이프를 가지고 있다. 예를 들어, 제 2 파이프는 2 개이고, 1 개의 제 1 파이프의 외측에 대향하도록 배치되고, 이들 파이프는 제 1 파이프의 축심을 중심으로, 2 ∼ 5 회전/분의 속도로 회전하는 것이 바람직하다.

여기서, 혼합 가스 A 의 노즐공과 혼합 가스 B 의 노즐공이 지나치게 가까우면, 급격한 반응이 일어나, 주상정의 집합으로 구성되는 조직이 잘 얻어지지 않게 됨과 함께, 경질 피막의 막 두께 분포가 나빠진다. 한편, 혼합 가스 A 의 노즐공과 혼합 가스 B 의 노즐공이 지나치게 멀어지면, 가스 공급이 불충분해져 균일한 막 두께가 되지 않는다. 그래서, 일례로서, 도 9c 에 나타내는 바와 같이, 혼합 가스 A 의 노즐공과 회전축 (제 1 파이프의 축심) 으로부터의 거리를 H1, 혼합 가스 B 의 노즐공과 회전축 (제 1 파이프의 축심) 으로부터의 거리를 H2 로 한 경우, H2/H1 의 하한은 1.5 인 것이 바람직하고, 상한은 4 가 바람직하고, 보다 바람직하게는 3 이다.

또한, 혼합 가스 A 의 노즐공으로부터의 가스 분출 방향과 혼합 가스 B 의 노즐공으로부터의 가스 분출 방향은 30 도 내지 90 도 어긋나게 배치하는 것이 바람직하다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 설명하지만, 본 발명은 이것들에 한정되는 것은 아니다.

＜피복 장치＞

본 실시예에서는, 개략 모식도로서 도 9a, 도 9b 및 도 9c 에 나타내는 화학 증착 장치 (CVD 로) (1) 를 사용하였다. 이 장치의 개요를 설명한다.

CVD 로 (1) 는, 원통형의 챔버 (2) 와, 챔버 (2) 의 둘레벽 내부에 형성된 히터 (3) 와, 챔버 (2) 에 다수의 인서트 기재 (공구 기재) (20) 를 설치하는 복수의 인서트 설치판 (4) 을 갖는 반응 용기 (5) 와, 반응 용기 (5) 의 하부에 형성된 접속 유로 (11) 와 예열부인 예열 챔버 (6) 를 갖는다.

예열 챔버 (6) 는,

전체가 원통형으로서, 염화 Cr 가스 발생실 (62) 과, 예열실 (61) (제 1 예열부) 과, 추가로, 염화 Cr 가스 발생실 (62) 및 예열실 (61) 의 상부에 위치하는 혼합실 (63) (혼합부) 과, 이들 바로 아래의 공간을 가지고 있다.

이 공간은, 가스 유로 (82) 로부터 도입된 염화 Cr 가스 발생용의 혼합 가스를, 접속 유로 (11) 를 경유하여, 예열 챔버 (6) 의 직경 방향으로 분산시켜 염화 Cr 가스 발생실 (62) 에 도입하는 것이다.

또, 염화 Cr 가스 발생실 (62) 은, 그 외주가 예열 챔버의 외주와 일치하고 중심부에 원통상의 공간을 가지고 있고, 이 원통상의 공간에, 예열 챔버 (6) 와 동심상의 예열실 (61) 이 위치하고 있다.

또한, 혼합실 (63) 에서는, 후술하는 혼합 가스 a1 과 혼합 가스 a2 가 혼합되어, 혼합 가스 A 가 된다.

또, 예열 챔버 (6), 즉, 예열실 (61) 의 축심부에는, 가스 유로 (91) 로부터 도입된 혼합 가스 B 가 그 높이 방향으로 관통하는 유로 (제 2 예열부) 가 있고, 이 유로는 예열 챔버 (6) 의 상부에서 파이프 (7) 의 외측 유로에 연결되어 있고, 이것은, 예열부를 통과하는 최단 길이 (550 mm) 로 되어 있다. 한편, 혼합실 (63) 에서 혼합된 혼합 가스 A 의 유로는, 예열 챔버 (6) 의 상부에서 파이프 (7) 의 2 개의 중심 유로에 연결되도록 형성되어 있다.

가스 유로 (82) 로부터 도입된 혼합 가스는, 예열 챔버 (6) 내의 염화 Cr 가스 발생실 (62) 에 도입되고, 노 내 온도인 750 ℃ 이상이 되어 동 발생실 내의 금속 Cr 과 반응하여 염화 Cr 가스를 포함하는 혼합 가스 a1 이 되고, 혼합실 (63) 에 도입된다.

그리고, 상기와 같이, 혼합 가스 B 는 파이프 (7) 의 외측 유로에 도입되어,노즐공 (91a, 91b) 으로부터 반응 용기 (5) 내에 도입된다. 한편, 가스 유로 (81, 82) 로부터 도입되어 예열실 (61) 을 관통하는 혼합 가스 A 는, 파이프 (7) 의 중심 유로에 도입되어, 노즐공 (83a, 83b) 으로부터 반응 용기 (5) 내에 도입된다.

여기서, 노즐공 (83a, 83b) 과 노즐공 (91a, 91b) 의 위치 관계는 도 9c 의 가스 분출구 단면도에 나타내는 바와 같이, 노즐공 (91a, 91b) 은, 노즐공 (83a, 83b) 보다 파이프 (7) 의 회전축 (O1) 보다 외측에 배치되어 있고, 노즐공 (91a, 91b) 과 회전축 (O1) 으로부터의 거리를 H2, 노즐공 (83a, 83b) 과 회전축 (O1) 으로부터의 거리를 H1 로 하였을 때, H2/H1 은 2 로 되어 있고, 노즐공 (91a, 91b) 의 분출 방향과 노즐공 (83a, 83b) 의 분출 방향은 90 도의 각도를 이루고 있다.

도 9b 의 12 에 나타내는, 접속 유로 (11) 와 예열 챔버 (6) 및 파이프 (7) 는, 2 회전/분의 속도로 회전하도록 구성되어 있지만, 도 9a, 도 9b 및 도 9c 에서는, 이 회전에 필요한 구성의 도시를 생략하고 있다.

도 9a 및 도 9b 에서는, 구체적인 구성의 도시를 생략하고 있지만, 혼합 가스 a1 을 얻는 가스 유로의 길이와 혼합 가스 a2 의 가스 유로의 길이의 합계의 길이는, 도 9b 에 나타내는 13a 와 13b 와 13c 의 합계인 혼합 가스 B 의 가스 유로의 길이의 약 4 배가 되도록 구성되어 있다.

≪기재≫

기재로서, WC 기 초경합금 (10 질량％ 의 Co, 0.6 질량％ 의 Cr₃C₂, 잔부 WC 및 불가피적 불순물로 이루어진다) 제의 밀링용 인서트 (미츠비시 히타치 툴 제조의 WDNW14520) 와, WC 기 초경합금 (7 질량％ 의 Co, 0.6 질량％ 의 Cr₃C₂, 2.2 질량％ 의 ZrC, 3.3 질량％ 의 TaC, 0.2 질량％ 의 NbC, 잔부 WC 및 불가피적 불순물로 이루어진다) 제의 물성 평가용 인서트 (ISO 규격의 SNMN120408) 를 준비하였다.

≪중간 피막의 피복≫

실시예 1 ∼ 5 및 7 ∼ 8 에 대해서는, 중간 피막으로서 질화티탄 피막을 형성하였다. 먼저, 기재를, 도 9a 에 나타내는 CVD 로 (1) 내에 세트하고, H₂ 가스를 흘리면서 CVD 로 (1) 내의 온도를 800 ℃ 로 상승시켰다. 그 후, 800 ℃ 및 12 kPa 로, 예열 챔버 (6) 의 가스 도입구로부터 가스 유로 (81) 를 거쳐, 83.1 체적％ 의 H₂ 가스, 15.0 체적％ 의 N₂ 가스, 1.9 체적％ 의 TiCl₄ 가스로 이루어지는 혼합 가스를 예열실 (61) 에 도입하여, 파이프 (7) 의 제 1 노즐공 (83a, 83b) 으로부터 67 ℓ/분의 유량으로 반응 용기 (5) 내에 흘려 질화티탄 피막을 형성하였다.

실시예 6 에 대해서는, 중간 피막으로서 질화티탄알루미늄 피막을 형성하였다. 먼저, 기재를, 도 9a 에 나타내는 CVD 로 (1) 내에 세트하고, H₂ 가스를 흘리면서 CVD 로 (1) 내의 온도를 800 ℃ 로 상승시켰다. 그 후, 800 ℃ 및 4 kPa 로, 예열 챔버 (6) 의 가스 도입구로부터 가스 유로 (81) 를 거쳐, 0.15 체적％ 의 TiCl₄ 가스, 0.45 체적％ 의 AlCl₃ 가스, 7.50 체적％ 의 N₂ 가스, 및 52.51 체적％ 의 H₂ 가스로 이루어지는 혼합 가스를 예열실 (61) 에 도입하여, 파이프 (7) 의 제 1 노즐공 (83a, 83b) 으로부터 반응 용기 (5) 내에 흘림과 함께, 가스 유로 (91) 에 30.76 체적％ 의 H₂ 가스, 7.50 체적％ 의 N₂ 가스, 1.13 체적％ 의 NH₃ 가스로 이루어지는 혼합 가스를 도입하여, 파이프 (7) 의 제 2 노즐공 (91a, 91b) 으로부터 67 ℓ/분의 유량으로 반응 용기 (5) 내에 흘려, 질화티탄알루미늄 피막을 형성하였다.

중간 피막의 피복 조건을 표 1 에 나타낸다.

≪경질 피막의 피복≫

≪혼합 가스 a1 을 얻는 공정≫

H₂ 가스를 흘리면서 CVD 로 (1) 내의 압력을 4 kPa 로 낮춘 후, 도 9a 에 나타내는 예열 챔버 (6) 의 가스 유로 (82) 에, 400 ℃ 로 보온한 H₂ 가스와 HCl 가스의 혼합 가스를 도입하였다.

800 ℃ 로 예열한 예열 챔버 (6) 의 염화 Cr 가스 발생실 (62) 은, Cr 금속 플레이크 (순도 99.99 ％, 사이즈 2 mm ∼ 8 mm) 가 충전되어 있고, 가스 유로 (82) 로부터 도입한 H₂ 가스와 HCl 가스의 혼합 가스와 반응하여, H₂ 가스와 염화 Cr 가스의 혼합 가스인 혼합 가스 a1 을 생성하고, 혼합실 (63) 에 도입하였다.

≪혼합 가스 A 를 얻어, 노즐공으로부터 반응 용기에 도입하는 공정≫

예열 챔버 (6) 의 가스 도입구로부터 가스 유로 (81) 를 거쳐, H₂ 가스와 AlCl₃ 가스를 혼합한 혼합 가스 a2 를 예열실 (61) 에 도입하여 예열하였다.

그리고, 혼합 가스 a1 과 혼합 가스 a2 를 혼합실 (63) 에서 혼합하여 예열실의 온도인 800 ℃ 근방의 온도로 되어 있는 혼합 가스 A 를 얻었다. 그리고, 얻어진 혼합 가스 A 를, 파이프 (7) 의 제 1 노즐공 (83a, 83b) 으로부터 반응 용기 (5) 내에 도입하였다. 혼합 가스 A 의 합계 유량은 48.75 ℓ/분이었다.

≪혼합 가스 B 를 노즐공으로부터 반응 용기에 도입하는 공정≫

가스 유로 (91) 에 H₂ 가스와 N₂ 가스 및 NH₃ 가스로 이루어지는 혼합 가스 B 를 도입하여, 파이프 (7) 의 제 2 노즐공 (91a, 91b) 으로부터 노 내에 도입하였다. 혼합 가스 B 의 합계 유량은 30.25 ℓ/분이었다.

또한, 여기서, NH₃/(AlCl₃ ＋ CrCl₃) 의 값이 0.18 ∼ 0.39 에 있으면, NH₃ 가스와, 할로겐 가스인 CrCl₃ 가스나 AlCl₃ 가스의 과잉 반응을 보다 한층 확실하게 억제할 수 있어, Al 과 Cr 의 복합 질화물을 갖는 경질 피막을 안정적으로 성막할 수 있다.

이렇게 하여, 실시예 1 ∼ 8 및 비교예 1 은, 표 1 에 기재된 중간 피막 상에, 표 2 에 나타내는 각 혼합 가스 조성으로 화학 증착법에 의해, 막 두께가 약 6 ㎛ 인 Al 과 Cr 의 복합 질화물을 함유하는 피막을 피복하여 피복 절삭 공구를 제작하였다. 여기서, 비교예 1 은, 본 발명의 일 실시형태에서 규정하는 혼합 가스 조성을 만족하고 있지 않은 것이다.

또한, 발생한 염화 Cr 가스, AlCl₃ 가스의 양은, 염화 Cr 가스 발생실에 도입하는 HCl 가스량의 1/3 을 염화 Cr 가스량으로 하여 혼합 가스의 조성을 구하였다.

비교예 2 는, 도 10a, 도 10b 에 나타내는 CVD 로를 사용하여 경질 피막을 제작하였다. 먼저, 이 CVD 로의 구성을 간단하게 설명한다. 도 10a, 도 10b 에 있어서, 도 9a, 9c 와 동일한 부호의 부재는, 이들 도면과 동일한 부재를 나타내고 있다. 이 CVD 로에서는, 가스 유로 (92) 로부터 혼합 가스를 도입하고, 파이프 (7) 에 형성한 노즐공 (92a) 으로부터, 혼합 가스가 반응 용기 (5) 내에 도입된다. 또한, 파이프 (7) 는 회전하지만, 회전에 필요한 구성의 도시는 생략하고 있다.

비교예 2 에서는, 상기 실시예와 마찬가지로 기재 상에 중간 피막인 질화티탄 피막을 상기 실시예 1 과 동일한 성막 조건에 의해 형성하였다. 그 후, 800 ℃ 에서 H₂ 가스를 흘리면서 CVD 로 (1) 내의 압력을 1 kPa 로 낮춘 후, 가스 유로 (92) 에, 표 2 에 나타내는 조성의 H₂ 가스와 N₂ 가스와 CrCl₃ 가스와 AlCl₃ 가스 및 NH₃ 가스의 혼합 가스를 도입하여, 파이프 (7) 의 노즐공 (92a) 으로부터 반응 용기 (5) 내에 도입하였다. 이렇게 하여, 중간 피막 상에, 화학 증착법에 의해, 막 두께가 약 6 ㎛ 인 Al 과 Cr 의 복합 질화물의 피막을 인서트 기재에 피복하여, 피복 절삭 공구를 제작하였다.

비교예 3 은, 도 11a, 도 11b 에 나타내는 CVD 로를 사용하여 경질 피막을 제작하였다. 먼저, 이 CVD 로의 구성을 간단하게 설명한다. 도 11a, 도 11b 에 있어서, 도 9a, 9c 와 동일한 부호의 부재는, 이들 도면과 동일한 부재를 나타내고 있다. 이 CVD 로에서는, 가스 유로 (84) 로부터 도입되는 혼합 가스는 파이프 (7) 에 형성된 노즐공 (84a) 으로부터, 가스 유로 (93) 로부터 도입되는 혼합 가스는 파이프 (7) 에 형성된 노즐공 (93a) 으로부터, 독립적으로 반응 용기 (5) 내에 도입된다. 또한, 파이프 (7) 는 회전하지만, 회전에 필요한 구성의 도시는 생략하고 있다.

비교예 3 에서는, 상기 실시예와 마찬가지로 기재 상에 중간 피막인 질화티탄 피막을 상기 실시예 1 과 동일한 성막 조건에 의해 형성하였다. 그 후, 800 ℃ 에서 H₂ 가스를 흘리면서 CVD 로 (1) 내의 압력을 4 kPa 로 낮춘 후, 가스 유로 (84) 에, 표 2 에 나타내는 조성의 H₂ 가스와 N₂ 가스와 CrCl₃ 가스와 AlCl₃ 가스의 혼합 가스 A 를 도입하여, 파이프 (7) 의 노즐공 (84a) 으로부터 반응 용기 (5) 내에 도입하고, 표 2 에 나타내는 조성의 가스 유로 (93) 에 H₂ 가스와 N₂ 가스 및 NH₃ 가스로 이루어지는 혼합 가스 B 를 도입하여, 파이프 (7) 의 노즐공 (93a) 으로부터 반응 용기 (5) 내에 도입하였다. 이렇게 하여, 중간 피막 상에, 화학 증착법에 의해, 막 두께가 약 6 ㎛ 인 Al 과 Cr 의 복합 질화물의 피막을 인서트 기재에 피복하여, 피복 절삭 공구를 제작하였다.

비교예 4 는, 비교예 3 과 동일한 CVD 로를 사용하여 경질 피막을 제작하였다. 상기 실시예와 마찬가지로 기재 상에 중간 피막인 질화티탄 피막을 상기 실시예 1 과 동일한 성막 조건에 의해 형성하였다. 그 후, 800 ℃ 에서 H₂ 가스를 흘리면서 CVD 로 (1) 내의 압력을 4 kPa 로 낮춘 후, 가스 유로 (84) 에, 표 2 에 나타내는 조성의 H₂ 가스와 N₂ 가스와 CrCl₃ 가스 및 AlCl₃ 가스의 혼합 가스 A 를 도입하여, 파이프 (7) 의 노즐공 (84a) 으로부터 노 내에 도입하고, 가스 유로 (93) 에, 표 2 에 나타내는 조성의 H₂ 가스와 N₂ 가스 및 NH₃ 가스로 이루어지는 혼합 가스 B 를 도입하여, 파이프 (7) 의 노즐공 (93a) 으로부터 노 내에 도입하였다. 이렇게 하여, 중간 피막 상에, 화학 증착법에 의해, 막 두께가 약 6 ㎛ 인 Al 과 Cr 의 복합 질화물의 피막을 인서트 기재에 피복하여, 피복 절삭 공구를 제작하였다.

또한, 실시예 8 에 대해서는, 상층을 형성하였다. 상층의 성막은, 본 실시예에 관련된 Al 과 Cr 의 복합 질화물을 성막 후, 결합층, 산화알루미늄층의 순으로 성막한다.

즉, 먼저, Ti(CN) 층 및 Ti(CNO) 층으로 이루어지는 결합층을 형성하기 위해, 1000 ℃ 및 16 kPa 로, 예열 챔버 (6) 의 가스 도입구로부터 가스 유로 (81) 를 거쳐, 63.5 체적％ 의 H₂ 가스, 22.0 체적％ 의 N₂ 가스, 3.2 체적％ 의 CH₄ 가스, 및 1.3 체적％ 의 TiCl₄ 가스로 이루어지는 혼합 가스를 예열실 (61) 에 도입하여, 파이프 (7) 의 제 1 노즐공 (83a, 83b) 으로부터 반응 용기 (5) 내에 흘림과 함께, 가스 유로 (91) 에, 10 체적％ 의 H₂ 가스를 도입하여, 파이프 (7) 의 제 2 노즐공 (91a, 91b) 으로부터 노 내에 흘려, 두께 0.5 ㎛ 의 Ti(CN) 층을 형성하였다. 연속해서 1000 ℃ 및 16 kPa 로, 51.3 체적％ 의 H₂ 가스, 30.7 체적％ 의 N₂ 가스, 3.0 체적％ 의 CH₄ 가스, 1.2 체적％ 의 TiCl₄ 가스, 3.0 체적％ 의 CO 가스, 및 0.8 체적％ 의 CO₂ 가스로 이루어지는 혼합 가스를 예열실 (61) 에 도입하여, 파이프 (7) 의 제 1 노즐공 (83a, 83b) 으로부터 반응 용기 (5) 내에 흘림과 함께, 가스 유로 (91) 에, 10 체적％ 의 H₂ 가스를 도입하여, 파이프 (7) 의 제 2 노즐공 (91a, 91b) 으로부터 노 내에 흘려, 두께 0.5 ㎛ 의 Ti(CNO) 층을 형성하였다.

또한, 1000 ℃ 및 9 kPa 로, 9.2 체적％ 의 AlCl₃ 가스와, 85.3 체적％ 의 H₂ 가스와, 4.3 체적％ 의 CO₂ 가스와, 0.2 체적％ 의 H₂S 가스와, 1.0 체적％ 의 HCl 가스로 이루어지는 혼합 가스를 예열실 (61) 에 도입하여, 파이프 (7) 의 제 1 노즐공 (83a, 83b) 으로부터 반응 용기 (5) 내에 흘림과 함께, 가스 유로 (91) 에, 10 체적％ 의 H₂ 가스를 도입하여, 파이프 (7) 의 제 2 노즐공 (91a, 91b) 으로부터 노 내에 흘려, 두께 1 ㎛ 의 산화알루미늄층을 형성하였다.

비교예 5 는, 아크 이온 플레이팅 장치를 사용하여 피복하였다. 중간 피막을 형성하지 않고, Al₇₀Cr₃₀ (수치는 원자 비율) 의 합금 타깃을 사용하여, 기재에 인가하는 부압 (負壓) 의 바이어스 전압을 -100 V, 노 내에 질소 가스를 도입하여 노 내 압력을 3 Pa, 노 내 온도를 500 ℃ 로 하여, 약 3 ㎛ 의 Al 과 Cr 의 복합 질화물을 피복하여, 피복 절삭 공구를 제작하였다.

다음으로, 실시예 1 ∼ 8 및 비교예 1 ∼ 5 에 대해, 경질 피막의 조성, 결정 구조의 측정, 절삭성 평가를 하기와 같이 실시하였다.

≪경질 피막의 조성≫

전자 프로브 마이크로 분석 장치 (EPMA, 니혼 전자 주식회사 제조 JXA-8500F) 를 사용하여, 가속 전압 10 kV, 조사 전류 0.05 A, 및 빔 직경 0.5 ㎛ 의 조건에서, 물성 평가용 인서트 (SNMN120408) 의 단면에 있어서의 질화알루미늄크롬 경질 피막의 막 두께 방향 중심의 임의의 5 개 지점을 측정하고, 얻어진 측정치의 평균으로부터 경질 피막의 조성을 구하였다. 측정 결과를 표 3 에 나타낸다.

≪결정 구조의 측정≫

X 선 회절 장치 (PANalytical 사 제조의 EMPYREAN) 를 사용하여, 관 전압 45 kV 및 관 전류 40 mA 로 CuKα1 선 (파장 λ : 0.15405 nm) 을 물성 평가용 인서트 (SNMN120408) 의 레이크면의 경질 피막의 표면에 조사하여 경질 피막의 결정 구조를 평가하였다.

회절 피크의 동정에는, ICDD 의 X 선 회절 데이터베이스를 이용하였다. fcc 구조의 질화알루미늄크롬 경질 피막은 ICDD 에 데이터가 없기 때문에, fcc 구조의 질화알루미늄의 ICDD 파일을 대용하였다.

얻어진 X 선 회절 패턴으로부터, 이하의 식 (수학식 2) 에 의해, X 선 회절 강도비 TC (hkl) 을 구하였다.

[수학식 2]

TC (hkl) ＝ {I(hkl)/I_O(hkl)}/[Σ{I(hkl)/I_O(hkl)}/8]

I_O(hkl) : ICDD 파일 번호 00-025-1495 에 기재된 질화알루미늄의 (hkl) 면의 표준 X 선 회절 강도.

Σ 는, 다음의 8 면에 대한 합을 의미한다.

결과를 표 3 에 나타낸다.

≪절삭 평가≫

피복한 밀링용 인서트를, 날끝 교환식 회전 공구 (ASRT5063R-4) 에 고정 나사로 장착하고, 하기의 밀링 조건에서 경질 피막의 공구 수명을 평가하였다. 경질 피막의 플랭크면 마모 폭은, 배율 100 배의 광학 현미경으로 관찰함으로써 측정하였다. 플랭크면의 최대 마모 폭이 0.350 mm 를 초과하였을 때의 총 절삭 길이에 이르는 가공 시간을 공구 수명으로 하여 5 분 단위로 측정하였다. 가공 조건을 이하에 나타낸다. 시험 결과를 표 3 에 나타낸다.

피삭재 : S55C (30HRC)

가공 방법 : 밀링 가공

인서트 형상 : WDNW140520

절삭 속도 : 150 m/분

회전수 : 매분 758 회전

1 날당 이송 : 2.05 mm/tooth

이송 속도 : 1554 mm/분

축 방향의 절입량 : 1.0 mm

직경 방향의 절입량 : 40 mm

절삭 방법 : 건식 절삭

도 1a 및 도 1c 는 실시예 1 에 관련된 물성 평가용 인서트 (SNMN120408) 의 레이크면에 있어서의 SEM 화상 사진 (배율 : 10,000 배) 을 나타내고, 도 1b 는 그 모식 선도를 나타낸다. 도 1a, 도 1b, 도 1c 로부터, 실시예 1 은 기재의 표면에 대해 막 두께 방향으로 성장한 기둥상 입자의 집합으로 구성되어 있는 것을 알 수 있다. 마이크로 조직에 대해, 상세는 후술한다.

도 8 에 실시예 1 의 X 선 회절 패턴을 나타낸다. 이 X 선 회절 패턴에서는, WC 기 초경합금 기재의 WC 의 회절 피크와 함께, fcc 구조의 질화알루미늄크롬 경질 피막의 회절 피크가 관찰된다. 도 8 의 X 선 회절 패턴으로부터, 실시예 1 의 질화알루미늄크롬 경질 피막은 fcc 구조의 단일 구조를 갖는 것을 알 수 있다. 도 8 의 X 선 회절 패턴으로부터 구한 X 선 회절 강도비 TC (hkl) 을 표 4 에 나타낸다. 또, 마찬가지로 표 5, 표 6 에 실시예 2, 실시예 3 의 X 선 회절 강도비 TC (hkl) 을 각각 나타낸다. 또한, 표 4 ∼ 6 에 있어서, X 선 회절 강도비 TC (422) 는 구할 수 없기 때문에, 「-」으로 표시하였다.

표 4 ∼ 표 6 에 각각 나타내는 바와 같이, 실시예 1 은 X 선 회절 강도비 TC (311) 이 다른 X 선 회절 강도비와 비교하여 가장 큰 값이 되어 있는 것을 확인하였다. 이것은, 실시예 1 의 공구 수명이 다른 실시예에 비해 긴 이유인 것으로 추정된다. 한편, 비교예 1 에서는, 표 7 에 나타내는 바와 같이, X 선 회절 강도비 TC (311) 이 다른 X 선 회절 강도비와 비교하여 가장 큰 값으로는 되어 있지 않다. 또한, 표 7 에 있어서, X 선 회절 강도비 TC (422) 는 구할 수 없기 때문에, 「-」으로 표시하였다.

실시예 1 ∼ 8 은, 모두 내마모성 및 내치핑성이 향상되고 우수한 내구성을 나타냈다. 한편, 비교예 1 ∼ 5 는, 모두 조기에 피막 박리가 발생하였다. 내구성이 부족한 비교예는 모두, X 선 회절 강도비 TC (311) 의 값이 1.00 미만이었다. 한편, 내구성이 우수한 실시예는 모두 피막 조직이 미세한 주상정의 집합으로 구성된 조직이며, X 선 회절 강도비 TC (311) 의 값이 1.30 이상으로 되어 있었다. 실시예 중에서도, X 선 회절 강도비 TC (311) 의 값이 2.00 이상인 것은 내구성이 특히 우수한 경향이 있었다. 또, TB/TA 의 값이 커지면 내구성이 우수한 경향이 있었다.

다음으로, 실시예 1 의 경질 피막에 대해 설명을 추가한다. 도 2a 및 도 2c 에, 각각 실시예 1 에 관련된 경질 피막의 TEM 화상 사진 (배율 : 200,000 배), 도 2b 에 그 개략 모식 선도를 나타낸다.

도 2a, 도 2b, 도 2c 에 나타내는 바와 같이 실시예 1 에 관련된 경질 피막에는, 적층 구조로 이루어지는 부분과 단층 구조로 이루어지는 부분을 갖는 결정 입자가 확인되었다.

도 3a 및 도 3c 는, 각각, 도 2a, 도 2c 의 A 부를 확대한 TEM 화상 사진 (배율 : 2,000,000 배), 도 3b 는 그 개략 모식 선도이다. 도 3a 및 도 3c 에 나타내는 바와 같이, 실시예 1 에 관련된 경질 피막은, 보다 고배율로 관찰한 마이크로 조직에 있어서도, 적층 구조로 이루어지는 부분과 단층 구조로 이루어지는 부분을 갖는 결정 입자를 가지고 있는 것이 확인되었다.

도 4a, 도 4b 는 도 3a, 도 3c 의 B 부 (단층 구조) 의 나노 빔 회절 패턴을 나타낸다. 도 4a, 도 4b 에 나타내는 바와 같이 단상 구조로 이루어지는 부분의 결정립은 fcc 구조로 구성되어 있었다.

도 5a 및 도 5c 는, 각각, 도 3a, 도 3c 의 C 부 (적층 구조) 를 확대한 TEM 화상 사진 (배율 4,000,000 배), 도 5b 는, 그 개략 모식 선도이다. 상대적으로 어두운 상이 Al 의 함유 비율이 높은 Al 과 Cr 의 복합 질화물이며, 상대적으로 밝은 상이 Al 의 함유 비율이 낮은 Al 과 Cr 의 복합 질화물이었다.

도 6a, 도 6b 에 도 5a, 도 5c 의 D 부 (적층 구조) 의 나노 빔 회절 패턴을 나타낸다. 또, 도 7a, 도 7b 에 도 5a, 도 5c 의 E 부 (적층 구조) 의 나노 빔 회절 패턴을 나타낸다. 도 6a, 도 6b 및 도 7a, 도 7b 에 나타내는 바와 같이, 결정 구조의 각 층의 결정 입자도 fcc 구조로 구성되어 있는 것이 확인되었다.

단층 구조로 이루어지는 부분은, Al 의 함유 비율이 60 원자％ 이상 90 원자％ 이하였다. 한편, 적층 구조로 이루어지는 부분에 있어서, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 높은 Al 과 Cr 의 복합 질화물의 부분은, Al 의 함유 비율이 60 원자％ 이상 95 원자％ 이하이며, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 낮은 Al 과 Cr 의 복합 질화물의 부분은, Al 의 함유 비율이 20 원자％ 이상 50 원자％ 이하였다. 적층 구조로 이루어지는 부분 전체로는, 단층 구조로 이루어지는 부분보다 Al 의 함유 비율이 낮게 되어 있었다.

본 발명의 실시예 1 에 관련된 경질 피막의 마이크로 조직은, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 높은 단층 구조의 부분과, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 낮은 적층 부분을 갖는 결정 입자가 조직 중에 분산되어 있었다.

상기 개시한 실시형태는 모든 점에서 예시에 지나지 않고, 제한적인 것은 아니다. 본 발명의 범위는 상기한 실시형태가 아니라 청구범위에 의해 나타내어지고, 청구범위와 균등한 의미, 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

1 : 화학 증착 장치 (CVD 로)
2 : 챔버
3 : 히터
4 : 인서트 설치판
5 : 반응 용기
5a : 반응 용기의 개구부
6 : 예열 챔버 (예열부)
61 : 예열실
62 : 염화 Cr 가스 발생실
63 : 혼합실
7 : 파이프 (가스 방출부)
83a, 83b, 91a, 91b, 92a, 93a : 노즐공 (가스 분출구)
81 : 혼합 가스 a2 의 가스 유로
82 : 혼합 가스 a1 이 되는 혼합 가스의 가스 유로
84 : 혼합 가스의 가스 유로
91 : 혼합 가스 B 의 가스 유로
92 : 혼합 가스의 가스 유로
93 : 혼합 가스의 가스 유로
10 : 배기 파이프
11 : 접속 유로
12 : 성막 중 회전부
13a : 예열 챔버 내의 혼합 가스 B 의 가스 유로
13b : 접속 유로 내의 혼합 가스 B 의 가스 유로 (세로 방향)
13c : 접속 유로 내의 혼합 가스 B 의 가스 유로 (회전축 방향)
20 : 인서트 기재
30 : 경질 피막 (AlCrN 피막)
31 : 적층 부분
32 : 단층 부분
40 : TEM 관찰시의 수지

Claims

기재의 표면에 경질 피막을 갖는 피복 절삭 공구로서,
상기 경질 피막은, 반금속을 포함하는 금속 원소의 총량에 대해, Al 을 60 원자％ 이상, Cr 을 10 원자％ 이상 함유하고, Al 과 Cr 의 합계의 함유 비율이 90 원자％ 이상인 질화물이고,
상기 경질 피막은, X 선 회절에 있어서 fcc 구조에서 기인하는 (111) 면, (200) 면, (220) 면, (311) 면, (222) 면, (400) 면, (331) 면, (420) 면 및 (422) 면의 9 면의 피크 강도 중 어느 하나가 최대 강도를 나타내는 fcc 구조가 주체인 결정 구조를 가지며,
상기 기재의 표면에 대해 막 두께 방향으로 성장한 기둥상 입자의 집합으로 구성되고,
상기 경질 피막은,
TC（hkl）=｛I(hkl)/I_O(hkl)}/[Σ{I(hkl)/I_O(hkl)}/8]
에 의해 정의되는 (hkl) 면에서의 X 선 회절 강도비 TC (hkl) 로서, 상기 (hkl) 면이 (311) 면에서의 X 선 회절 강도비 TC (311) 의 값이 1.30 이상인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
(단, I(hkl) : 실측한 상기 경질 피막의 (hkl) 면의 X 선 회절 강도이며,
I_O(hkl)：ICDD (International Center for Diffraction Data) 파일 번호 00-025-1495 에 기재된 질화알루미늄의 (hkl) 면의 표준 X 선 회절 강도로,
∑ 는 다음 8 면인 (hkl) 면 = (111) 면, (200) 면, (220) 면, (311) 면, (222) 면, (400) 면, (331) 면 및 (420) 면의 I(hkl)/I_O(hkl)의 합이다)
제 1 항에 있어서,
상기 X 선 회절 강도비 TC (311) 이 2.00 이상인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 X 선 회절 강도비 TC (311) 이, X 선 회절 강도비 TC (hkl) (단, (hkl) 면은, (111) 면, (200) 면, (220) 면, (311) 면, (222) 면, (400) 면, (331) 면 및 (420) 면) 보다 큰 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 X 선 회절 강도비 TC (420) 및 TC (200) 의 값이 1.00 미만인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 경질 피막은, X 선 회절에 있어서의 fcc 구조의 총 피크 강도를 TA, (422) 면에서 기인하는 피크 강도를 TB 로 한 경우, TB/TA 의 값이 0.050 이상인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기둥상 입자의 표면측에 있어서의 평균 폭이 0.1 ㎛ 이상 2.0 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 경질 피막은, 투과형 전자 현미경을 사용하여 관찰한 마이크로 조직에 있어서, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 높은 단층 구조의 부분과, 상대적으로 Al 의 함유 비율이 낮은 적층 구조의 부분을 갖는 결정 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기재와 상기 경질 피막 사이에 중간 피막을 갖는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 경질 피막 상에 상층을 갖는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 피복 절삭 공구의 제조 방법으로서,
상기 기재를 수납한 노 내의 온도를 750 ℃ 이상 850 ℃ 이하로 가열하는 공정과,
HCl 가스와 H₂ 가스를 포함하는 가스를 도입하여, 상기 노 내의 가스 예열부에 설치된 금속 Cr 을 가스화하여, 염화 Cr 가스를 포함하는 혼합 가스 a1 을 얻는 공정과,
AlCl₃ 가스와 H₂ 가스를 포함하는 혼합 가스 a2 를 상기 예열부에 도입하여, 상기 혼합 가스 a1 과 상기 혼합 가스 a2 를 혼합하여 혼합 가스 A 를 얻어, 상기 혼합 가스 A 를 상기 노 내의 반응 용기에 도입하는 공정과,
NH₃ 가스와 N₂ 가스와 H₂ 가스를 포함하는 혼합 가스 B 를 상기 예열부에 도입하여, 상기 혼합 가스 B 를 상기 반응 용기에 도입하는 공정을 갖고,
상기 혼합 가스 B 에 있어서의 N₂ 가스와 H₂ 가스의 합계의 체적％ 를 b1, NH₃ 가스의 체적％ 를 b2 로 한 경우, b2/b1 의 값이 0.002 이상 0.020 이하이고,
상기 혼합 가스 A 를 상기 노 내의 상기 반응 용기에 도입하는 공정은 상기 혼합 가스 A 만을 반응 용기에 도입하고, 상기 혼합 가스 B 를 상기 노 내의 상기 반응 용기에 도입하는 공정은 상기 혼합 가스 B 만을 상기 반응 용기에 도입하고, 상기 혼합 가스 A 와 상기 혼합 가스 B 는, 상기 반응 용기에서만 혼합되고,
상기 혼합 가스 A 를 반응 용기에 도입하는 온도 TeA 는, 상기 혼합 가스 B 를 반응 용기에 도입하는 온도 TeB 보다 높은 것을 특징으로 하는 Al 과 Cr 의 복합 질화물로 이루어지는 경질 피막을 피복하는 피복 절삭 공구의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 피복 절삭 공구를 제조하기 위한 화학 증착 장치로서,
상기 화학 증착 장치는 노 내에 가스 예열부와 반응 용기에 가스를 도입하는 가스 방출부를 포함하고,
상기 가스 예열부는,
(1) 염화 Cr 가스를 생성시키기 위한 혼합 가스를 금속 Cr 에 접촉시켜 염화 Cr 가스를 포함하는 혼합 가스 a1 을 발생시키는 염화 Cr 가스 발생부,
(2) 혼합 가스 a2 를 예열하는 제 1 예열부,
(3) 혼합 가스 B 를 예열하는 제 2 예열부, 및,
(4) 상기 혼합 가스 a1 과 상기 혼합 가스 a2 를 혼합하여, 혼합 가스 A 로 하는 혼합부를 갖고,
상기 혼합 가스 a1 을 발생시키는 유로의 길이와 상기 혼합 가스 a2 의 유로의 길이의 합계 길이는, 상기 혼합 가스 B 의 유로의 길이보다 3 배 이상 길며, 또한, 상기 염화 Cr 가스 발생부, 상기 제 1 예열부, 상기 제 2 예열부의 순으로 노의 둘레벽에 형성한 히터측에 근접하여 형성되어 있고,
상기 가스 방출부는,
상기 혼합 가스 A 를 상기 반응 용기에 도입하기 위해 노즐공을 형성한 제 1 파이프와, 상기 혼합 가스 B 를 상기 반응 용기에 도입하기 위해 노즐공을 형성한 제 2 파이프를 갖고, 상기 제 1 파이프는 상기 제 2 파이프의 외측에 동심원상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 화학 증착 장치.