KR20020055444A

KR20020055444A - 절삭공구용 경질피막, 경질피막 피복 절삭공구,경질피막의 제조방법 및 경질피막 형성용 타겟

Info

Publication number: KR20020055444A
Application number: KR1020010087082A
Authority: KR
Inventors: 야마모토겐지; 사토도시키; 모리카와야스오미; 하나구리고지; 다카하라가즈키
Original assignee: 구마모토 마사히로; 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2002-07-08
Also published as: CA2366145C; IL167082A; US20020168552A1; TW570989B; CA2552445A1; KR100653001B1; EP1702997A3; AU2005202710B2; EP1702997B1; ATE441737T1; US7186324B2; CN100460114C; DE60139818D1; AU2005202710A1; US20040237840A1; DE60124061T2; IL147213A; US6824601B2; PT1219723E; EP1219723A2

Abstract

본 발명은 TiAlN 막보다도 내마모 특성이 우수한 절삭공구용 경질피막, 이러한 경질피막을 얻기 위한 제조방법, 및 상기 제조방법으로 본 발명의 절삭공구용 경질피막을 효율적으로 얻을 수 있는 타겟을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 경질피막은 (Ti_1-a-b-c-d, Al_a, Cr_b, Si_c, B_d)(C_1-eN_e)로 이루어지되, 0.5≤a≤0.8, 0.06≤b, 0≤c≤0.1, 0≤d≤0.1, 0≤c+d≤0.1, a+b+c+d<1 및 0.5≤e≤1(a, b, c 및 d는 각각 Al, Cr, Si 및 B의 원자비를 나타내고, e는 N의 원자비를 나타낸다)을 만족시킨다.

Description

절삭공구용 경질피막, 경질피막 피복 절삭공구, 경질피막의 제조방법 및 경질피막 형성용 타겟{HARD FILM FOR CUTTING TOOLS, CUTTING TOOL COATED WITH HARD FILM, PROCESS FOR FORMING HARD FILM, AND TARGET USED TO FORM HARD FILM}

본 발명은 칩, 드릴, 엔드밀 등의 절삭공구의 내마모성을 향상시키기 위한 경질피막, 상기 경질피막을 피복함으로써 우수한 내마모성을 발휘하는 경질피막 피복 절삭공구, 및 상기 경질피막의 제조방법에 관한 것이며, 또한 이러한 경질피막의 제조에 있어서 증발원으로서 사용되는 타겟에 관한 것이다.

종래부터, 초경합금, 서멧 또는 고속도 공구강을 기재로 하는 절삭공구의 내마모성을 향상시키는 것을 목적으로 TiN, TiCN, TiAlN 등의 경질피막을 코팅하는 것이 수행되고 있다.

특히, 일본국 특허 제 2644710 호에 개시된 바와 같은 Ti와 Al의 복합 질화 피막(이하, TiAlN이라 함)이 우수한 내마모성을 나타내기 때문에, 상기 티탄의 질화물이나 탄화물, 탄질화물 등으로 이루어진 피막을 대신하여 고속 절삭용이나 담금질 강 등의 고경도재 절삭용의 절삭공구에 적용되고 있다.

그러나, 최근의 피삭재 고경도화나 절삭 속도의 고속도화에 따라 내마모성이 더욱 높아진 피막이 요구되고 있다.

상기 TiAlN 피막은 Al을 첨가함으로써 막의 경도가 상승하여 내마모 특성이 향상된다고 알려져 있지만, 일본국특허 제 2644710 호에는 TiAlN을 (Al_x, Ti_1-x)N으로 표현한 경우의 Al의 조성비 x가 0.7 이상이고, ZnS형의 연질 AlN이 석출된다는 것이 개시되어 있다. 또한, 동 특허에는 「Al 양(x)이 0.75를 초과하는 경우는, 경질피막이 AlN에 근사해지는 결과, 피막의 연질화를 초래하여 충분한 경도를 얻을 수 없게 되고 프랑크 마모를 용이하게 야기한다」고 기술되어 있다. 또한, 동 특허의 도 3에는 Al 조성비와 막 경도의 관계가 도시되고, Al 조성이 0.6을 초과한 부근부터 경도가 저하하고 있는데, 이것은 Al 조성비 x가 0.6 내지 0.7 사이에서ZnS형의 AlN이 석출되기 시작하여 Al의 조성비 증가와 함께 ZnS형 AlN의 석출이 증가하여 막 강도가 저하하는 것을 시사하고 있다. 또한, 동 특허에서는 내산화성에 관해서 Al 조성비 x가 0.56 이상이고 산화 개시 온도가 800℃ 이상이 되며, 상기 x값의 증가에 따라 산화 개시 온도도 상승해 가는 경향이 나타나지만, 경도를 고려하여 규정하고 있는 Al 조성비의 상한 0.75에 있어서는 850℃ 정도이다.

즉, TiAlN 막에서는 Al의 조성비를 증가시켜 경도를 높이는데도 한계가 있기 때문에 경도와 내산화성을 동시에 높일 수 없고, 결과적으로 내마모성의 향상에도 한계가 있다.

그러나, 최근에는 절삭공구의 사용 조건으로서 보다 고속화·고능률화가 요구되며, 이러한 절삭공구를 실현하기 위해 보다 우수한 내마모성을 발휘하는 절삭공구용 경질피막이 요구되고 있다.

본 발명은 이러한 사정을 감안하여 성립된 것으로, 그 목적은 고속·고능률 절삭이 가능한 TiAlN보다도 내마모성이 우수한 절삭공구용 경질피막 및 이러한 경질피막을 얻기 위한 유용한 제조방법, 또한 상기 제조방법으로 본 발명의 절삭공구용 경질피막을 효율적으로 얻을 수 있는 타겟을 제공하는 것에 있다.

도 1은 (Ti, Al, Cr)N 막에 있어서의 금속성분 Ti, Al 및 Cr의 조성도로 본 발명 범위를 나타낸 도면이고,

도 2는 본 발명의 실시에 사용하는 아크 이온 플레이팅(AIP) 장치의 일례를 나타낸 개략도이고,

도 3은 본 발명의 실시에 제공되는 아크식 증발원 요부의 일례를 나타낸 개략적인 확대 단면도이고,

도 4는 본 발명의 실시에 제공되는 다른 아크식 증발원 요부를 나타낸 개략적인 확대 단면도이고,

도 5는 본 발명의 실시에 제공되는 종래의 아크식 증발원 요부의 일례를 나타낸 개략적인 확대 단면도이고,

도 6은 성막한 (Ti_0.1Al_0.7Cr_0.2)N 막의 X선 회절 결과를 나타낸 도면으로, 도 6a는 본 발명의 증발원, 도 6b는 종래의 증발원을 이용하여 성막한 결과를 나타낸도면이고,

도 7은 일례로서 (Ti_0.1Al_0.7Cr_0.2)N 피막을 성막한 경우의 기판(피처리체) 온도와 피막의 잔류 응력의 관계를 나타낸 그래프이고,

도 8은 (Ti, Al, Cr)N 막에 있어서의 금속성분 Ti, Al 및 Cr의 조성도로 본 발명 범위와 실시예를 나타낸 도면이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 진공 용기2, 2A: 아크식 증발원

3: 지지대4: 바이어스 전원

6: 타겟7: 아크 전원

8: 자석(자계 형성 수단)9: 전자석(자계 형성 수단)

11: 배기구12: 가스 공급구

W: 피처리체 S: 타겟의 증발면

본 발명에 따른 절삭공구용 경질피막은 (Ti_1-a-b-c-d, Al_a, Cr_b, Si_c, B_d)(C_1-eN_e)로 이루어진 경질피막으로서, 0.5≤a≤0.8,　0.06≤b, 0≤c≤0.1,　0≤d≤0.1, 0≤c+d≤0.1, a+b+c+d<1 및　0.5≤e≤1(a, b, c 및 d는 각각 Al, Cr, Si 및 B의 원자비를 나타내고, e는 N의 원자비를 나타낸다. 이하 동일)인 것을 요지로 하고, e의 값이 1인 경우와 a 및 b의 값이 0.02≤1-a-b≤0.30, 0.55≤a≤0.765 및 0.06≤b, 또는 0.02≤1-a-b≤0.175, 0.765≤a 및 4(a-0.75)≤b인 경우를 바람직한 형태로 한다.

본 발명의 절삭공구용 경질피막은 그 결정 구조가 암염 구조형을 주체로 하는 것이 바람직하고, 또한 θ-2θ법에 의한 X선 회절로 측정되는 암염 구조형의 (111)면, (200)면 및 (220)면의 회절선 강도를 각각 I(111), I(200) 및 I(220)으로 할 때, 이들 값이 하기 수학식 1 및/또는 수학식 2와 수학식 3을 만족시키는 것이 바람직하다.

I(220)≤I(111)

I(220)≤I(200)

I(200)/I(111)≥0.1

또한, 본 발명의 경질피막은 Cu의 Kα선을 이용한 θ-2θ법에 의한 X선 회절로 측정되는 암염 구조형의 (111)면의 회절선의 회절 각도가 36.5 내지 38.0°의 범위내에 있고, (111)면의 회절선의 반값 폭이 1° 이하를 만족시키는 것을 바람직한 조건으로 한다.

또한, 상기 절삭공구용 경질피막을 표면에 피복하면, 내마모성이 우수한 경질피막 피복 절삭공구를 얻을 수 있다.

본 발명은 상기 절삭공구용 경질피막을 형성하는 방법도 규정하는 것으로, 성막 가스 분위기중에서 금속을 증발시켜 이온화하고, 상기 금속과 함께 성막 가스의 플라즈마화를 촉진시키면서 성막하는 것을 요지로 하고 있다. 또한, 아크 방전을 수행하여 타겟을 구성하는 금속을 증발 및 이온화하여 피처리체상에 본 발명에서 규정하는 피막을 형성하는 아크 이온 플레이팅법(AIP법)에서, 상기 타겟의 증발면에 거의 직교하여 전방으로 발산 내지 평행하게 진행하는 자력선을 형성하고, 이 자력선에 의해 피처리체 근방에서 성막 가스의 플라즈마화를 촉진시키면서 성막하는 것을 바람직한 형태로 한다. 한편, 이 경우에 상기 피처리체에 인가하는 바이어스 전압은 어스 전위에 대하여 -50V 내지 -400V로 하는 것이 바람직하다. 또한, 성막시의 피처리체 온도(이하, 기판 온도라 하는 경우가 있음)는 300℃ 이상 800℃ 이하의 범위내로 하는 것이 바람직하고, 성막시의 반응 가스의 분압 또는 전압을 0.5㎩ 이상 7㎩ 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에서의 상기 반응 가스는 질소 가스, 메탄 가스, 에틸렌, 아세틸렌, 암모니아, 수소 또는 이들 2종 이상이 혼합된 피막의 성분 조성에 필요한 원소를 포함하는 가스를 말하고, 이들 이외에 이용되는 Ar 등과 같은 희가스 등을 어시스트 가스라 하며, 이들을 합쳐서 성막 가스라 하기로 한다.

또한, 본 발명은 Ti, Al, Cr, Si 및 B로 이루어지고, 상대 밀도가 95% 이상인 것을 특징으로 하는 경질피막 형성용 타겟도 포함하며, 상기 타겟중에 존재하는 구멍의 크기가 반경 0.3㎜ 미만인 것을 바람직한 형태로 한다.

상기 타겟은 그 성분 조성이 (Ti_1-x-y-z-w, Al_x, Cr_y, Si_z, B_w)로 이루어지고, 0.5≤x≤0.8, 0.06≤y, 0≤z≤0.1, 0≤w≤0.1, 0≤z+w≤0.1 및 x+y+z+w<1(x, y, z 및 w는 각각 Al, Cr, Si 및 B의 원자비를 나타낸다. 이하 동일)을 만족시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 (z+w)의 값이 0인 경우에는 상기 x 및 y의 값이 0.02≤1-x-y≤0.30, 0.55≤x≤0.765 및 0.06≤y, 또는 0.02≤1-x-y≤0.175, 0.765≤x 및 4(x-0.75)≤y인 것이 바람직하다.

또한, 상기 타겟중의 산소 함유량이 0.3 질량% 이하이고, 수소 함유량이 0.05 질량% 이하이고, 염소 함유량이 0.2 질량% 이하인 것이 바람직하고, Cu 함유량이 0.05 질량% 이하이고, Mg 함유량이 0.03 질량% 이하인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명자들은 전술한 바와 같은 상황하에서, 보다 우수한 내마모성을 발휘하는 절삭공구용 경질피막의 실현을 목표로 하여 예의 연구를 진행시켰다. 그 결과, 지표로서 피막의 경도와 내산화성을 동시에 높일 수 있다면 내마모성이 현저히 향상된다는 것을 발견하였다. 그리고, 그 수단으로서 TiAlN 막에 착안하여 연구를진행시킨 결과, TiAlN에 Cr을 첨가함으로써 막의 경도 및 내산화성이 향상되고, 결과적으로 내마모성이 비약적으로 향상된다는 것을 밝혀내었다. 또한, 상기 피막에 Si 혹은 B를 첨가함으로써, 내산화성이 더욱 향상된다는 것을 밝혀내었다. 그리고, 상기 TiAlN과 Cr의 정량적 작용 효과와 Si 및 B의 정량적 작용 효과에 관해 연구를 더 거듭한 결과, 상기 본 발명에 이른 것이다.

즉, 본 발명의 경질피막은 (Ti_1-a-b-c-d, Al_a, Cr_b, Si_c, B_d)(C_1-eN_e)로 이루어진 경질피막으로서, 상기 피막의 성분 조성이 0.5≤a≤0.8,　0.06≤b, 0≤c≤0.1,　0≤d≤0.1, 0≤c+d≤0.1, a+b+c+d<1 및 0.5≤e≤1(a, b, c 및 d는 각각 Al, Cr, Si 및 B의 원자비를 나타내고, e는 N의 원자비를 나타낸다. 이하 동일)인데, 이와 같이 피막중의 Ti, Al, Cr, Si, B, C 및 N의 조성을 규정한 이유에 관해서 이하에서 상세히 설명한다.

TiAlN은 암염 구조형의 결정으로, 암염 구조형의 TiN의 Ti 부위에 Al이 치환하여 들어간 암염 구조형의 복합 질화물이다. 암염 구조형의 AlN은 고온 고압상이기 때문에 고경도 물질일 것으로 예상된다. 따라서 암염 구조를 유지하면서 TiAlN중의 Al의 비율을 높이면 TiAlN 막의 경도를 높일 수 있다. 그러나 암염 구조형의 AlN은 상온 상압이나 고온 저압에서는 비평형상이므로, 기상 코팅을 수행해도 통상은 연질의 ZnS형 AlN 밖에 생성하지 않고, 암염 구조형 AlN 단체(單體)를 생성할 수는 없다.

그런데, TiN은 암염 구조형이고 또한 암염 구조형의 AlN과 격자 상수가 근사하기 때문에, Ti에 Al을 첨가하여 질화물을 성막하면 TiN의 구조에 AlN이 혼입되어 상온 상압이나 고온 저압에서도 암염 구조형의 TiAlN을 생성시킬 수 있는 것이다. 그러나 전술한 바와 같이, TiAlN을 (Al_x, Ti_1-x)N으로 표현한 경우의 Al의 조성비 x가 0.6 내지 0.7을 초과하면, TiN에 의한 혼입 효과가 약화되어 연질의 ZnS형 AlN이 석출된다.

그런데, CrN의 격자 상수는 TiN보다도 암염 구조형 AlN에 더욱 근사하기 때문에, TiAlN의 Ti를 일부 Cr로 치환함으로써 암염 구조형 AlN의 비율을 한층 더 높일 수 있다. 이렇게 Cr 첨가에 의해 막중의 암염 구조형 AlN의 비율을 높일 수 있으면, TiAlN 막보다도 고경도로 하는 것이 가능할 것으로 여겨진다.

한편, TiAlN에 Si를 첨가하여 경도 및 내산화성을 높이는 것이 일본국 특허 공개 제 95-310174 호 공보에 개시되어 있지만, 상기 공보에서는 Al을 원자비로 0.75 이하, Si를 원자비로 0.1 이하로 규정하고 있고, Al 및 Si가 상기 범위를 초과하면 피막이 연질인 육방정 구조로 변화된다고 개시되어 있기 때문에, 내산화성을 더욱 높이는 것이 불가능하였다. 그런데, 본 발명자들은 TiAlN 막에 Cr을 첨가하고, 또한 Si를 첨가함으로써 암염 구조형을 유지한 채로 내산화성 및 경도를 더욱 증가시킬 수 있다는 것을 발견하였다. Si의 거동에 관해서는 상세한 해석이 되어 있지 않지만, 상술한 TiAlN에서의 Al과 같은 거동, 즉 TiN 격자중의 Ti의 격자 위치에 치환되어 들어가 있는 것으로 추정된다.

또한, AlN, CrN 및 Si-N 화합물은 내산화성도 TiN보다 우수하기 때문에, 내산화성 향상의 관점에서도 Ti의 비율을 감하여 Al, Cr 및 Si를 첨가하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 (Ti_1-a-b-c-d, Al_a, Cr_b, Si_c, B_d)(C_1-eN_e) 피막을 구성하는 Ti, Al, Cr, Si, B, C 및 N의 원자비 a, b, c, d 및 e를 규정한 이유에 관해서 상세히 설명한다.

우선, Al에 관해서는 내산화성 및 경도를 확보하기 위해 원자비 a의 하한을 0.5로 하였다. 또한, Al의 원자비 a의 상한을 0.8로 정한 것은 이것을 초과하면 연질인 육방정이 석출되어 피막의 경도가 저하하기 때문이다.

Cr을 첨가함으로써, 상술한 바와 같이 암염 구조형을 유지한 채로 Al 함유량을 증가시킬 수 있고, 이러한 효과를 발휘시키기 위해 Cr의 원자비 b의 하한을 0.06으로 하였다.

Al의 원자비 a는 0.55 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.60 이상이다. Cr의 원자비 b의 하한은 0.08인 것이 바람직하지만, Al의 원자비 a가 0.765를 초과하는 경우에는, Cr의 원자비 b를 하기 범위내로 되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, CrN은 TiN과 비교하여 비해 경도가 작고, 과도하게 첨가하면 경도의 저하를 초래하기 때문에, Cr의 원자비 b의 상한은 0.35인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.3이다.

즉, 도 1은 (Ti, Al, Cr)N 막에서의 금속성분 Ti, Al 및 Cr의 조성도를 나타낸 것인데, 이 도 1에 있어서의 b=4(a-0.75)의 라인보다 좌측, 즉 b<4(a-0.75)가되면, Cr을 첨가해도 막중의 AlN의 결정 구조는 연질의 ZnS형의 비율이 높아지기 때문에 막의 경도가 급격히 저하한다. 따라서, Al의 원자비 a가 0.765를 초과하는 경우에는 Cr의 비율을 b≥4(a-0.75)로 하는 것이 바람직하다.

Si는 상술한 바와 같이 내산화성을 향상시키는 효과를 갖지만, B도 같은 효과를 갖기 때문에, Si 및/또는 B를 원자비 (c+d)로 0.01 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.02 이상이다. 한편, Si 및/또는 B의 비율이 지나치게 많으면 연질인 육방정 구조가 석출되어 내마모성을 손상시키게 되므로, Si 및/또는 B의 원자비: c, d 또는 (c+d)의 상한을 0.1로 한다. 바람직하게는 0.07 이하이고, 보다 바람직하게는 0.05 이하이다.

또한, Si-N 화합물은 고온 산화 분위기중에서 치밀한 Si 산화물의 보호 피막을 형성하고, 피막을 산화로부터 보호하는 작용이 있지만, BN 화합물 그 자신은 내산화성(산화 개시 온도 1000℃ 부근)이 우수하지만 일단 산화가 개시되면 그 산화물은 보호성이 낮기 때문에, 내산화성이라는 면에서 보면 Si 첨가에 비해 약간 열세한 면이 있다. 따라서, Si 또는 B의 첨가는 전량 Si로 첨가하는 것이 바람직하다.

Ti 양은 상기 Al, Cr, Si 및 B 양에 따라 결정되지만, TiN은 CrN에 비해 경도가 높고, Ti를 전혀 첨가하지 않은 경우에는 피막의 경도 저하가 생기기 때문에, Ti의 원자비 (1-a-b-c-d)의 하한은 0.02로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.03으로 한다. 또한, 바람직한 첨가량으로서 Al의 원자비를 0.6 이상으로 하는 경우, Ti를 과도하게 첨가하면 상대적으로 Cr 양이 적어져 상기 혼입 효과가 작아지므로, 이 경우에는 Ti의 원자비를 0.35 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.3 이하로 한다.

한편, Si 및 B가 함유되지 않는 경우, 즉 (c+ d)의 값이 0인 경우에는 Ti, Al 및 Cr의 조성을 상기 규정한 a 및 b의 바람직한 범위인 0.02≤1-a-b≤0.30, 0.55≤a≤0.765 및 0.06≤b, 또는 0.02≤1-a-b≤0.175, 0.765≤a 및 4(a-0.75)≤b로 하는 것이 효과적이다.

또한, Ti의 원자비를 0.20 미만으로 함으로써 내산화성이 더욱 향상되고, 더 높은 산화 개시 온도를 나타내며, 보다 우수한 내산화성을 확보할 수 있다. 따라서, 상기 규정한 a 및 b의 범위중에서도 0.02≤1-a-b<0.20, 0.55≤a≤0.765 및 0.06≤b, 또는 0.02≤1-a-b<0.20,0.765≤a 및 4(a-0.75)≤b로 하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, Al의 원자비 b를 0.6 이상으로 함과 동시에, Al의 원자비 상한을 막의 결정 구조가 거의 암염 구조 단상이 되는 영역으로 한정함으로써, Si 및 B가 함유되지 않는 경우에도 내산화성뿐만 아니라 TiAlN(0.56≤Al≤0.75)중 가장 고경도를 나타내는 Ti_0.4Al_0.6N보다도 더 높은 경도를 얻을 수 있다.

따라서, 가장 바람직한 a 및 b의 범위는 0.02≤1-a-b<0.20 및 0.60≤a≤0.709, 또는 0.02≤1-a-b<0.20, 0.709≤a 및 11/6×(a-0.66)≤b이다.

상기 바람직한 범위는 특히 (c+d)의 값이 0인 경우에 장려된다.

여기서도 마찬가지로 CrN은 TiN과 비교하여 경도가 작고, 과도하게 첨가하면경도의 저하를 초래하기 때문에, Cr의 원자비 b의 상한은 0.35인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.3이다.

피막중에 C를 첨가함으로써, TiC나 SiC, 혹은 B₄C 등의 고경도의 탄화물을 석출시켜 피막 자신의 경도를 높일 수 있기 때문에, C 양 (1-e)는 Ti, Si 및 B의 합계 첨가량 (1-a-b)와 동량인 것이 바람직하다. 그러나 과잉으로 첨가하면, 화학적으로 불안정한 Al₄C₃, Cr_７C₃등을 석출시키게 되어 내산화성이 열화되기 쉬워진다. 따라서, (Ti_1-a-b-c-d, Al_a, Cr_b, Si_c, B_d)(C_1-eN_e)에서의 e의 값이 0.5 이상이 되도록 한다. 상기 e의 값은 바람직하게는 0.7 이상, 보다 바람직하게는 0.8 이상이며, 가장 바람직하게는 e=1이다.

또한, 본 발명의 경질피막의 결정 구조는 실질적으로 암염 구조형을 주체로 하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이 ZnS형 구조가 혼입되면 고강도를 확보할 수 없기 때문이다.

상기 암염 구조형을 주체로 하는 결정 구조는, θ-2θ법에 의한 X선 회절에 있어서의 암염 구조를 나타내는 피크중 (111)면, (200)면, (220)면, (311)면, (222)면 및 (400)면의 피크 강도를 각각 IB(111), IB(200), IB(220), IB(311), IB(222) 및 IB(400)으로 하고, ZnS형 구조를 나타내는 피크중 (100)면, (102)면 및 (110)면의 피크 강도를 각각 IH(100), IH(102) 및 IH(110)으로 한 경우에, 하기 수학식 4의 값이 0.5 이상이 되는 결정 구조의 것을 말하며, 바람직하게는 0.8 이상이다. 0.5 미만이 되면 막의 경도가 본 발명에서 바람직하다고 하는 경도보다도낮아지기 때문이다.

상기 ZnS형 구조의 피크 강도는 X선 회절 장치로 Cu의 Kα선을 이용하고, (100)면은 2θ=32 내지 33°부근, (102)면은 2θ=48 내지 50°부근, 또한 (110)면은 2θ=57 내지 58° 부근에 나타나는 피크의 강도를 측정하여 구한다. 또한, ZnS형의 결정은 AlN이 주체이지만, Ti, Cr, Si 및 B가 혼입되어 있기 때문에, 실측되는 ZnS형 AlN의 피크 위치는 JCPDS 카드의 ZnS형 AlN의 피크 위치와 약간 어긋난다.

IB(111)+IB(200)+IB(220)+IB(311)+IB(222)+IB(400)/

IB(111)+IB(200)+IB(220)+IB(311)+IB(222)+IB(400)+IH(100)+IH(102)+IH(110)

또한, 본 발명의 피막의 결정 구조를 X선 회절로 측정한 경우에, 암염 구조형의 결정 구조에 있어서의 회절선 강도가 I(220)≤I(111) 및/또는 I(220)≤I(200)을 만족시키는 것이 바람직하다. 이것은 암염 구조형의 밀도로 충전한 면인 (111)면이나 (200)면이 피막 표면에 대하여 평행하게 배향됨으로써 내마모성이 향상되기 때문이다.

또한 (200)면과 (111)면의 회절선 강도비: I(200)/I(111)이 0.1 이상인 것이 바람직하다. I(200)/I(111)은 성막시에 기판에 인가하는 바이어스 전압이나 가스압, 성막 온도 등의 조건에 따라 대강 0.1 내지 5 정도의 범위내에서 변화되지만, 본 발명에서는 I(200)/I(111)이 0.1 이상을 만족시키는 경우에, 피막의 절삭 특성이 양호해지는 것을 발견하였다. 그 이유에 관해서 상세한 것은 분명하지 않지만다음과 같이 생각할 수 있다. 즉, 암염 구조형의 결정 구조에서는 기본적으로 금속 원소가 질소 또는 탄소와 결합하고, 금속 원소끼리, 질소 원자끼리, 또는 탄소 원자끼리의 결합은 거의 존재하지 않으며, (111)면에서는 최인접 원자가 금속 원소끼리, 질소 원자끼리, 또는 탄소 원자끼리이지만, 서로 결합하지 않는 것으로 여겨진다. 이에 대하여 (200)면에서는, 인접하고 있는 원자(최인접 원자)는 금속 원소와 질소 혹은 금속 원소와 탄소의 조합이며, (200)면내에서의 금속 원소와 질소 원자 또는 탄소 원자는 결합하고 있는 비율이 높기 때문에 안정되어 있는 것으로 여겨진다. 따라서, 면내의 안정성이 높은 (200)면을 (111)면에 대하여 어떤 일정 이상의 비율로 표면에 대하여 배향시킬 수 있으면, 경도가 증가하여 절삭 특성을 향상시킬 수 있다고 여겨진다. 상기 I(200)/I(111)의 값은 바람직하게는 0.3 이상, 더욱 바람직하게는 0.5 이상이다.

(111)면의 회절선의 회절 각도는 피막의 성분 조성, 잔류 응력의 상태 또는 기판의 종류에 따라 변화될 수 있는 것으로, 본 발명의 경질피막에 대해서 Cu의 Kα선을 이용한 θ-2θ법에 의한 X선 회절을 수행한 결과, 회절 각도는 대략 36.5 내지 38.0°의 범위내에서 변화되고, 피막중의 Ti 양이 증가하면 상기 회절 각도가 작아지는 경향이 나타났다. 이와 같이, 피막중의 Ti 양의 증가에 의해 상기 (111)면의 회절 각도가 작은 각도쪽이 되는, 즉 (111)면간 거리가 커지는 것은, 전술한 바와 같이, TiN의 격자 상수(4.24Å)가 암염 구조형의 AlN의 격자 상수(4.12Å)나 CrN의 격자 상수(4.14Å)와 비교하여 큰 것에 기인한다고 여겨진다. 한편, 본 발명의 경질피막인 (Ti_0.12Al_0.70Cr_0.15Si_0.03)N 피막을 초합금 기판상에 형성한 경우, (111)면의 회절 각도는 성막 조건에 따라 36.6 내지 37.1°의 범위내에서 변화된다.

암염 구조형의 (111)면에서의 회절 각도는 하기 브래그의 식(수학식 5)에 대입하여 산출할 수 있다. 한편, 수학식 5중의 (111)면의 면간 거리는 암염 구조형의 TiN, AlN 및 CrN의 표준 격자 상수(4.24Å, 4.12Å 및 4.14Å) 및 이들의 조성비로부터 혼합규칙(law of mixture)을 이용하여 얻은 하기 수학식 6으로 구할 수 있다.

[사용하는 X선의 파장: Cu의 Kα선 1.54056Å]

(111)면간 거리(Å)=[2.4492×Ti 양(원자%)+2.379×Al 양(원자%)+ 2.394×Cr 양(원자%)]/100

[한편, 각 원소량은 금속 원소만으로 100% 환산]

예컨대, 본 발명의 경질피막인 (Ti_0.1Al_0.72Cr_0.18)N 피막을 초경합금 기판상에 형성한 경우, 상기 수학식 5로부터 구한 회절 각도는 37.6°이지만, 성막 조건이나 잔류 응력의 영향에 따라 37.2 내지 37.7°의 범위내에서 변화된다. 이러한 본 발명의 경질피막의 경우, 형성한 대로의 상태로 피막에 압축 응력이 작용하였기 때문에, 기판에 평행한 방향으로 위치하는 면의 면간 거리가 프아송 효과에 의해 표준 상태[상기 수학식 6으로 구한 면간 거리]보다도 넓어져, θ-2θ의 X선 회절법에 있어서의 (111)면의 회절 각도가 표준 상태[상기 수학식 6으로 구한 표준 상태의 면간 거리를 상기 수학식 5에 대입하여 구한 회절 각도]보다도 작은 각도쪽에서 검출되었다.

한편, Cu의 Kα선을 이용한 θ-2θ법에 의한 X선 회절로 구해지는 (111)면의 회절 각도는 피막중의 금속 원소의 조성으로부터 상기 수학식 5 및 수학식 6을 이용하여 산출되는 표준의 회절 각도에 대하여 ±0.3°의 범위내에 있는 것이 바람직하다.

또한 (111)면의 회절선의 반값 폭[통상, FWHM(Full Width Half Maximum), 즉 회절선 최대 강도의 절반을 나타내는 부분의 회절선의 폭을 나타냄]은 피막의 결정 크기, 피막중의 불균일 잔류 응력 등의 요인에 의해 변화될 수 있는 것으로, 상기 반값 폭이 커지면 피막의 결정이 작아지는 경향이 있다. 본 발명의 요건을 만족시키는 경질피막의 경우, 상기 반값 폭은 대강 0.2° 이상 1° 이하이며, 일례로서 나타내는 상기 (Ti_0.1Al_0.72Cr_0.18)N 피막의 경우, 성막 조건에 따라 0.3 내지 0.8°의 범위내에서 변화되었다.

본 발명의 경질피막은 상기 요건을 만족시키는 단층의 피막 이외에 상기 요건을 만족시키고 또한 서로 다른 피막을 복수 적층하여 이용할 수도 있다. 또한, 용도에 따라서는 상기 1층 또는 2층 이상의 본 발명에서 규정하는 (Ti, Cr, Al,Si, B)(CN)막의 한면측 또는 양면측에 암염 구조형 주체의 결정 구조를 갖고, 또한 상기 경질피막과는 다른 성분 조성의 금속 질화물층, 금속 탄화물층 및 금속 탄질화물층으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1층이 적층되어 있어도 무방하다.

한편, 여기서 말하는 「암염 구조형 주체의 결정 구조」도 전술한 바와 같이, θ-2θ법에 의한 X선 회절에 있어서의 암염 구조를 나타내는 피크중 (111)면, (200)면, (220)면, (311)면, (222)면 및 (400)면의 피크 강도를 각각 IB(111), IB(200), IB(220), IB(311), IB(222) 및 IB(400)으로 하고, ZnS형 구조를 나타내는 피크중 (100)면, (102)면 및 (110)면의 피크 강도를 각각 IH(100), IH(102) 및 IH(110)으로 한 경우에 상기 수학식 4의 값이 0.8 이상이 되는 결정 구조의 것을 말하는 것으로 한다. 암염 구조형으로서 상기 경질피막과는 다른 성분 조성의 금속 질화물층, 금속 탄화물층 또는 금속 탄질화물층으로서, 예컨대 TiN, TiAlN, TiVAlN, TiCN, TiAlCN, TiNbAlCN, TiC 등의 피막을 들 수 있다.

또한, 본 발명의 절삭공구용 경질피막에는 상기 1층 또는 2층 이상의 본 발명의 경질피막의 한면측 또는 양면측에 4A족, 5A족, 6A족, Al 및 Si로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속을 포함하는 금속층 또는 합금층이 1 이상 적층되어 있는 것일 수도 있고, 상기 4A족, 5A족, 6A족의 금속으로서 Cr, Ti, Nb 등을 들 수 있으며, 합금으로는 Ti-Al 등을 이용할 수 있다. 이러한 적층 피막의 형성은, 특히 경질피막과의 밀착성이 초경합금 모재보다도 낮은 철계 모재(HSS, SKD 등)를 기판으로 하는 경우에 효과적이고, 상기 철계 모재상에 본 발명에서 규정하는 피막보다도 비교적 경도가 낮은 상기 CrN, TiN, TiAlN 등의 피막 혹은 Cr, Ti, Ti-Al 등의 금속 중간층을 형성하고, 그 위에 본 발명의 경질피막을 형성함으로써, 기재와의 밀착성이 양호한 경질피막을 얻을 수 있는 것이다. 또한, 본 발명과 비교하여 상대적으로 연질인 이들 피막을 중간층으로서 형성함으로써, 잔류 응력의 감소를 도모할 수 있고, 그 결과 내박리성(밀착성)의 향상도 기대할 수 있다.

상기 (i) 본 발명의 요건을 만족시키고 서로 다른 피막이나, (ii) 암염 구조형으로서 상기 경질피막과는 다른 성분 조성의 금속 질화물층, 금속 탄화물층 또는 금속 탄질화물층, (iii) 4A족, 5A족, 6A족, Al 및 Si로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속을 포함하는 금속층 또는 합금층을 복수층 형성하여 본 발명의 경질피막으로 하는 경우에는, 1층의 두께가 0.005 내지 2㎛의 범위내에 있으면 무방하지만, 본 발명의 경질피막은 단층인 경우 또는 상기 복수층인 경우에도 총 막두께는 0.5㎛ 이상 20㎛ 이하의 범위내로 하는 것이 바람직하다. 0.5㎛ 미만이면 막두께가 지나치게 얇고 내마모성이 바람직하지 못하다. 한편, 상기 막두께가 20㎛를 초과하면 절삭중에 막의 결손이나 박리가 발생하기 때문이다. 한편, 보다 바람직한 막두께는 1㎛ 이상, 15㎛ 이하이다.

한편, 본 발명의 경질피막을 피복하는 절삭공구로는 초경합금, 고속도 공구강(HSS), 서멧 및 cBN 소결체를 기재로 하는 엔드밀, 드릴, 홉, 스로우어웨이 인서트가 바람직하다. 왜냐하면, 최근 피삭재의 고경도화 및 절삭 속도의 고속화에 따라 상기 절삭공구의 사용 환경이 가혹하게 되고, 피막에 의한 높은 경도 및 내산화성이 요구되고 있으며, 본 발명의 피막은 그 둘다를 구비하고 있기 때문이다. 또한, 상기 절삭공구 중에서도 특히 드라이(건식) 및 세미드라이(준건식) 절삭 조건화로 사용되는 공구에 가장 적합하다. 그 이유는 건식 환경하에서는 특히 절삭시의 온도 상승이 현저하고, 종래의 TiAlN으로 대표되는 피막 레벨의 내산화성·경도로는 대응할 수 없기 때문이며, 본 발명의 고경도와 고내산화성을 겸비한 피막이 유리하기 때문이다.

또한, Al의 조성비가 높아도 결정 구조가 실질적으로 암염 구조형을 주체로 하는 본 발명의 피막을 제작하기 위해서는, 본 발명에서 규정하는 동일한 방법으로 성막하는 것이 매우 효과적이다. 즉, 성막 가스 분위기중에서 아크 방전을 수행하여 타겟을 구성하는 금속을 증발시켜 이온화하고, 상기 금속과 함께 성막 가스의 플라즈마화를 촉진시키면서 성막하는 방법이며, 이때 상기 피처리체 근방에서의 성막 가스의 플라즈마화를 타겟의 증발면에 거의 직교하여 전방으로 발산 내지 평행하게 진행하도록 형성한 자력선에 의해 촉진시키면서 성막하는 것을 바람직한 형태로 한다.

아크 이온 플레이팅(AIP) 장치에 있어서, 종래와 같이 약한 자장 발생원이 타겟의 뒷편에 배치되어, 타겟 표면에 대하여 자장의 수직 성분이 작은 캐소드 증발원으로는 본 발명의 피막을 제작하기 어렵고, 자석이 타겟의 옆 또는 전방에 배치되어, 타겟 증발면에 거의 직교하여 전방으로 발산 내지 평행하게 자력선을 형성하고, 이 자력선에 의해 성막 가스의 플라즈마화를 촉진시키는 것이 본 발명의 경질피막을 형성하는데 있어서 대단히 효과적인 것이다.

본 발명을 실시하기 위한 장치의 일례로서, 도 2에 AIP 장치를 도시하면서간단히 설명한다.

이 AIP 장치는 진공 배기하는 배기구(11) 및 성막 가스를 공급하는 가스 공급구(12)를 갖는 진공 용기(1), 아크 방전에 의해 음극을 구성하는 타겟을 증발시켜 이온화하는 아크식 증발원(2), 코팅 대상인 피처리체(절삭공구; W)를 지지하는 지지대(3), 및 이 지지대(3)와 상기 진공 용기(1) 사이에 지지대(3)를 통해 피처리체(W)에 음의 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 전원(4)을 구비하고 있다.

상기 아크식 증발원(2)은 음극을 구성하는 타겟(6), 이 타겟(6)과 양극을 구성하는 진공 용기(1) 사이에 접속된 아크 전원(7), 및 타겟(6)의 증발면(S)에 거의 직교하여 전방으로 발산 내지 평행하게 진행하여 피처리체(W)의 근방까지 연장되는 자력선을 형성하는 자계 형성 수단으로서의 자석(영구 자석)(8)을 구비하고 있다. 피처리체(W)의 근방 부근에서의 자속 밀도로는 피처리체의 중심부에서 자속 밀도가 10G(가우스) 이상, 바람직하게는 30G 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 증발면에 거의 직교한다는 것은 증발면의 법선 방향에 대하여 0°를 포함하여 30° 정도 이하의 각도를 이루는 것을 의미한다.

도 3은 본 발명의 실시에 제공되는 아크식 증발원 요부의 일례를 나타낸 개략적인 확대 단면도인데, 상기 자계 형성 수단으로서의 자석(8)은 타겟(6)의 증발면(S)을 둘러싸도록 배치되어 있다. 자계 형성 수단으로는 상기 자석에 한정되지 않고, 코일과 코일 전원을 구비한 전자석이어도 무방하다. 또한, 자석의 배치 장소는 도 4에 도시하는 바와 같이, 타겟(6)의 증발면(S)의 전방(피처리체측)을 둘러싸도록 마련해도 무방하다. 한편, 도 2에서는 챔버를 애노드로 했지만, 예컨대 타겟 측면 전방을 둘러싸는 원통 형상의 전용 애노드를 마련해도 무방하다.

한편, 도 5에 도시하는 종래의 AIP 장치의 아크식 증발원(102)에도, 아크 방전을 타겟(106)상에 집중시키기 위한 전자석(109)을 구비한 것이 있지만, 전자석(109)이 타겟(106)의 뒷쪽에 위치하고 있기 때문에, 자력선이 타겟 증발면 근방에서 타겟 표면과 평행하게 되어 자력선이 피처리체(W)의 근방까지 연장되지 않게 된다.

본 발명에서 사용하는 AIP 장치의 아크식 증발원과, 종래의 그것과의 자기장 구조의 차이는 성막 가스의 플라즈마의 확장 방법의 차이에 있다.

도 4에 도시하는 바와 같이, 방전으로 발생한 전자 e의 일부가 자력선에 감기도록 운동을 하고, 이 전자가 성막 가스를 구성하는 질소 분자 등과 충돌함으로써 성막 가스가 플라즈마화한다. 상기 도 5에 있어서의 종래의 증발원(102)에서는 자력선이 타겟 근방에 한정되기 때문에, 상기와 같이 하여 생성된 성막 가스의 플라즈마의 밀도는 타겟 근방이 가장 높고, 피처리체(W)의 근방에서는 플라즈마 밀도가 매우 낮게 된다. 이에 대하여, 도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같은 본 발명에서 사용하는 증발원에서는 자력선이 피처리체(W)까지 연장되기 때문에, 피처리체(W) 근방에서의 성막 가스의 플라즈마 밀도가 종래의 증발원에 비해 각별히 높게 된다.

그리고, 이러한 성막 가스의 플라즈마 밀도의 차이가, 생성되는 막의 결정 구조에 영향을 줄 것으로 여겨진다.

도 6은 이러한 영향을 확인한 일 실시예로서, 조성이 (Ti_0.1, Cr_0.2, Al_0.7)N인 막을 종래의 증발원과 본 발명자들의 증발원을 각각 이용하여 성막했을 때의 TiCrAlN 막의 X선 회절 결과를 나타낸 것이다. 도 6중의「B1」은 암염 구조, 「Hex」는 ZnS형 구조를 나타내고, ( )는 결정면을 나타낸다. 또한, 도 6에서 기호가 없는 피크는 기판(초경합금)의 피크를 나타낸다. 성막 조건은 양 증발원 모두 아크 전류 100A, 질소 가스 압력 2.66㎩, 기판(피처리체) 온도 400℃로 하고, 기판(피처리체)의 바이어스 전압을 50V 내지 300V의 범위내로 변화시키고 있다. 한편, 바이어스의 전위는 어스 전위에 대하여 마이너스가 되도록 인가하고 있고, 예컨대 바이어스 전압 100V는 어스 전위에 대하여 바이어스 전위가 -100V인 것을 나타낸다.

이 도 6b에 도시된 바와 같이, 자석이 타겟의 배면에 위치하고 있는 종래의 AIP 장치의 증발원에서는 바이어스 전압을 300V까지 상승시켜도 입방정인 암염 구조형과 육방정인 ZnS형과의 혼합상밖에 생성할 수 없지만, 도 6a에 도시된 바와 같이, 자석이 타겟 측면에 위치하고 있는 본 발명의 AIP 장치의 증발원을 이용하면, 바이어스 전압을 어스 전위에 대하여 70V 이상으로 함으로써 암염 구조형 단상의 막을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.

원래 암염 구조형 AlN은 상온 상압에서는 비평형상이며 생성하기 어려운 물질이지만, 본 발명의 증발원에 의해 질소의 플라즈마화가 촉진되고, 질소가 고에너지의 입자로 되어 있기 때문에, 비평형상인 암염 구조형 AlN이 생성하기 쉬워질 것으로 여겨진다.

상기 바이어스 전압을 상승시킴으로써 플라즈마화한 성막 가스나 금속 이온의 에너지가 높아져 막의 암염 구조화가 촉진되기 때문에, 바이어스 전압은 50V 이상으로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 70V 이상이며, 더욱 바람직하게는 100V 이상이다. 그러나, 바이어스 전압이 지나치게 높으면, 플라즈마화한 성막 가스에 의해 막이 에칭되어 성막 속도가 극단적으로 작아지기 때문에 그다지 실용적이지 않다. 따라서, 바이어스 전압은 400V 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 300V 이하, 더욱 바람직하게는 260V 이하이며, 가장 바람직하게는 200V 이하이다. 한편, 바이어스의 전위는 어스 전위에 대하여 마이너스가 되도록 인가하고, 예컨대 바이어스 전압 100V는 어스 전위에 대하여 바이어스 전위가 -100V인 것을 나타낸다. 바이어스 전압을 인가하는 목적은 전술한 바와 같이 입사하는 성막 가스나 타겟으로부터의 금속원자의 이온에 에너지를 부여하여 피막의 암염 구조화를 촉진시키는데 있고, 상기 바이어스 전압의 바람직한 범위는 형성하는 피막의 조성에 따라 가변적이므로, Al 양이 비교적 적은 피막 혹은 Cr 양이 비교적 많은 피막의 형성에 있어서는, 바이어스 전압이 다소 낮더라도 전술한 혼입 효과가 효과적으로 작용하여 암염 구조화를 용이하게 도모할 수 있다. 피막중의 Al 양이 약 65 원자% 이하, 또는 Cr 양이 약 25 원자%를 초과하는 피막의 형성에서는 바이어스 전압을 70V 이하로 하여도 암염 구조형 단층의 피막을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에서는 피막 형성시의 기판 온도의 범위를 300℃ 이상 800℃ 이하로 하는 것이 바람직하다고 하고 있지만, 이것은 형성한 피막의 응력과 관계하고 있다.

도 7은 일례로서 (Ti_0.1Al_0.７Cr_0.２)N 피막 형성시의 기판(피처리체) 온도와 형성한 피막의 잔류 응력의 관계를 나타낸 것으로, 아크 전류를 100A, 성막시의 기판의 바이어스 전압을 150V, 질소 가스의 압력을 2.66㎩로 하여 실험을 하고 있다.

이 도 7로부터, 기판 온도가 상승하면 얻어지는 경질피막의 잔류 응력은 감소하는 경향이 있다는 것을 알 수 있다. 얻어진 경질피막에 과대한 잔류 응력이 작용하고 있으면, 성막 그대로의 상태로 박리가 쉽게 생겨 밀착성이 뒤떨어진다. 따라서, 기판 온도는 300℃ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 400℃ 이상이다. 한편, 기판(피처리체) 온도를 높이면 상기 잔류 응력은 감소하지만, 잔류 응력이 지나치게 작은 경우에는 압축 응력이 작아져 기판의 항절력(抗折力) 증가 작용이 손상되며, 또한 고온에 의한 기판의 열적 변질도 발생하게 된다. 따라서 기판 온도는 800℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 700℃ 이하이다.

기판이 초경합금 모재인 경우, 상기 기재 온도는 특별히 제한되지 않지만, 기재가 HSS(고속도 공구강, JIS-SKH51 등) 혹은 JIS-SKD11, JIS-SKD61 등의 열간 공구강인 경우에는, 성막시의 기판 온도를 기판 재료의 조질 온도 이하로 하여 기판의 기계적 특성을 유지하는 것이 바람직하다. 조질 온도는 기판 재료에 따라 다르고, 예컨대 상기 SKH51에서 550 내지 570℃ 정도, 상기 SKD61에서 550 내지 680℃, 상기 SKD11의 고온 조질에서는 500 내지 530℃이며, 성막시의 기판 온도는 이들의 조질 온도 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 각각의 조질 온도에 대하여 50℃ 정도 낮은 기판 온도로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 형성시의 반응 가스의 분압 또는 전압을 0.5㎩ 내지 7㎩의 범위로 하는 것을 바람직한 성막 조건으로 하고 있다. 여기서 반응 가스의「분압 또는 전압」으로 표시하고 있는 것은, 본 발명이, 상술한 바와 같이 질소 가스나 메탄 가스라는 피막의 성분 조성에 필요한 원소를 포함하는 가스를 반응 가스, 그 이외의 아르곤 등과 같은 희가스 등을 어시스트 가스라 하고, 이들을 합쳐서 성막 가스라 하고 있으며, 성막 가스로서 어시스트 가스를 이용하지 않고 반응 가스만을 이용하는 경우에는 반응 가스의 전압을 제어하는 것이 효과적이고, 또한 반응 가스 및 어시스트 가스 둘다를 이용하는 경우에는 반응 가스의 분압을 제어하는 것이 효과적이기 때문이다. 이 반응 가스의 분압 또는 전압이 0.5㎩ 미만인 경우는 아크 증발의 경우에 발생하는 매크로입자(타겟의 용융물)의 발생이 많아서 표면 거칠기가 커지고, 용도에 따라서는 부적합을 발생하기 때문에 바람직하지 못하다. 한편, 반응 가스의 분압 또는 전압이 7㎩를 초과하는 경우는, 증발 입자의 반응 가스와의 충돌에 의한 산란이 많아져, 성막 속도가 저하하기 때문에 바람직하지 못하다. 바람직하게는 1㎩ 이상 5㎩ 이하이며, 보다 바람직하게는 1.5㎩ 이상 4㎩ 이하이다.

본 발명에서는 성막 방법으로서 AIP법에 대해 서술하였지만, 금속 원소와 함께 성막 가스의 플라즈마화가 촉진되는 성막 방법이면 AIP법에 한정되지 않고, 예컨대 펄스 스퍼터링법이나 질소의 이온빔 어시스트 데포지션법으로 성막할 수도 있다.

본 발명의 경질피막은, 상술한 바와 같이 타겟을 증발 또는 이온화시켜 피처리체상에 성막하는 이온 플레이팅법이나 스퍼터링법 등의 기상 코팅법으로 제조하는 것이 효과적이지만, 상기 타겟의 특성이 바람직하지 못한 경우에는 성막시에 안정된 방전 상태가 유지될 수 없으며, 얻어지는 피막의 성분 조성이 균일하지 않은 등의 문제가 발생한다. 그래서, 우수한 내마모성을 발휘하는 본 발명의 절삭공구용 경질피막을 얻는데 있어서 사용하는 타겟의 특성에 관해서도 검토한 바, 하기와 같은 지견을 얻을 수 있었다.

우선, 타겟의 상대 밀도를 95% 이상으로 함으로써 성막시의 방전 상태가 안정하여 효율적으로 본 발명의 경질피막을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었다. 즉, 타겟의 상대 밀도가 95% 미만이면, 타겟중에 미세공극 등의 합금 성분의 성긴 부분이 발생하게 되어, 이러한 타겟을 성막에 이용한 경우, 상기 합금 성분의 증발이 불균일하게 되어, 얻어지는 피막의 성분 조성이 분산되거나 막두께가 불균일하게 되거나 한다. 또한, 구멍 부분은 성막시에 국소적이며 급속하게 소모되기 때문에, 감모 속도가 빠르게 되어 타겟의 수명이 짧아진다. 구멍이 다수 존재하는 경우에는, 국소적인 감모가 급속히 진행할 뿐만 아니라, 타겟의 강도가 열화되어 깨어짐이 생기는 원인이 된다. 상기 타겟의 상대 밀도는 96% 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 98% 이상이다.

타겟의 상대 밀도가 95% 이상이어도 타겟중에 존재하는 구멍이 큰 경우에는, 방전 상태가 불안정해져 양호하게 피막이 성막되지 않기 때문에 바람직하지 못하다. 타겟중에 반경 0.5㎜ 이상의 구멍이 존재하면, 타겟을 구성하는 합금 성분의 증발 또는 이온화를 위한 아크 방전이 중단되어 성막할 수 없다는 것이 알려져 있다. 본 발명자들이 검토한 바, 구멍의 반경이 0.3㎜ 이상이 되면 방전 중단에는 이르지 않아도 방전 상태가 불안정해진다는 것을 알 수 있었다. 따라서, 안정한 방전 상태를 유지하여, 양호하고도 효율적으로 성막을 수행하기 위해서는, 타겟중에 존재하는 구멍의 반경을 0.3㎜ 미만, 바람직하게는 0.2 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다.

AIP법 등의 기상 코팅법에서는 사용하는 타겟의 성분 조성이 형성되는 피막의 성분 조성을 결정짓기 때문에, 타겟의 성분 조성은 목적하는 피막의 성분 조성과 동일한 것이 바람직하다. 즉, 내마모성이 우수한 본 발명의 경질피막을 얻기 위해서는, 타겟으로서 (Ti_1-x-y-z-w, Al_x, Cr_y, Si_z, B_w)로 이루어진 타겟으로서, 0.5≤x≤0.8, 0.06≤y, 0≤z≤0.1, 0≤w≤0.1, 0≤z+w≤0.1 및 x+y+z+w<1(x, y, z 및 w는 각각 Al, Cr, Si 및 B의 원자비를 나타낸다. 이하 동일)을 만족시키는 것을 이용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 경질피막에 있어서, Si 및 B를 함유하지 않는 피막을 얻는 경우에는 상기 x, y, z 및 w의 값을 0.02≤1-x-y≤0.30, 0.55≤x≤0.765 및 0.06≤y, z+w=0, 또는 0.02≤1-x-y≤0.175, 0.765≤x, 4(x-0.75)≤y 및 z+w=0으로 하는 것이 바람직하다.

상기 타겟의 성분 조성을 만족시키고 있어도, 타겟의 성분 조성 분포가 분산되어 있으면, 얻어지는 경질피막의 성분 조성 분포도 불균일하게 되어 상기 피막의 내마모성이 부분적으로 달라지게 된다. 또한 타겟의 성분 조성 분포가 분산되어 있으면, 타겟에 국소적인 전기 전도성이나 융점 등의 차이가 생기게 되고, 이것이 방전 상태를 불안정하게 하여 양호하게 성막되지 않는다. 따라서, 본 발명의 타겟은 조성 분포의 격차가 0.5 원자% 이내에 있는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명자들은 타겟의 제조에 이용하는 원료 혹은 타겟 제조시의 분위기가 원인으로 타겟중에 불가피하게 혼입되는 불순물(산소, 수소, 염소, 구리 및 마그네슘)의 함유량이 성막시의 방전 상태 등에 미치는 영향에 대해서도 조사하였다.

그 결과, 산소, 수소 및 염소가 타겟중에 다량으로 포함되어 있으면, 성막시에 타겟으로부터 이들 가스가 돌발적으로 발생하여 방전 상태가 불안정해지거나 최악인 경우에는 타겟 그 자체가 파손되어 양호하게 성막되지 않는다는 것을 알 수 있었다. 따라서, 타겟중에 포함되는 산소는 0.3 질량% 이하, 수소는 0.05 질량% 이하, 염소는 0.2 질량% 이하로 억제하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 산소를 0.2 질량% 이하, 수소를 0.02 질량% 이하, 염소를 0.15 질량% 이하로 억제한다.

또한, 구리나 마그네슘은 본 발명의 타겟을 구성하는 Ti, Al, Cr, Si 및 B보다도 증기압이 높게 기화하기 쉽기 때문에, 다량으로 포함되는 경우에는 타겟 제조시에 가스화하여 타겟 내부에 구멍이 형성되고, 이러한 결함이 원인으로 성막시의 방전 상태가 불안정해진다. 따라서, 타겟중에 포함되는 구리의 함유량은 0.05 질량% 이하로 억제하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.02 질량% 이하이다. 또한, 마그네슘의 함유량은 0.03 질량% 이하로 억제하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.02 질량% 이하이다.

이러한 불순물의 함유량을 본 발명에서 규정하는 범위까지 감소시키는 방법으로서, 예컨대 원료 분말의 진공 용해나 청정 분위기에서 원료 분말의 배합·혼합을 수행하는 것 등을 들 수 있다.

그런데 본 발명은 타겟의 제조방법에 대해서까지 특정하는 것은 아니지만, 예컨대 양의 비율이나 입경 등을 적절히 조정한 원재료의 Ti 분말, Cr 분말, Al 분말, Si 분말 및 B 분말을 V형 믹서 등으로 균일하게 혼합하여 혼합 분말로 한 후, 이에 냉간 정수압 가압 처리(CIP 처리) 혹은 열간 정수압 가압 처리(HIP 처리)를 실시하는 방법을 본 발명의 타겟을 얻는 효과적인 방법으로 들 수 있다. 이들 방법 이외에, 열간 압출법, 초고압 고온 프레스법 등에 의해서도 본 발명의 타겟을 제조할 수 있다.

한편, 상기와 같이 하여 혼합 분말을 조제한 후, 고온 프레스 처리(HP)로 타겟을 제조하는 방법도 들 수 있지만, 이 방법에서는 본 발명에서 이용하는 Cr이 고융점 금속이기 때문에 상대 밀도가 높은 타겟을 얻기 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 상기와 같이 혼합 분말을 이용하여 제조하는 방법 이외에, 미리 합금화시킨 분말을 이용하여 CIP 처리나 HIP 처리를 수행하거나, 용해·응고시켜 타겟을 얻는 방법도 들 수 있다. 그러나, 상기 합금화 분말을 이용하여 CIP 처리 또는 HIP 처리를 수행하는 방법에서는, 조성이 균일한 타겟을 얻을 수 있다는 이점이 있지만, 합금 분말이 난소결성이기 때문에 고밀도 타겟을 얻기 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 후자의 합금화 분말을 용해·응고시키는 방법에서는 조성이 비교적 균일한 타겟을 얻을 수 있다는 이점이 있지만, 응고시에 깨어짐이나 싱크 마크가 발생하기 쉽다는 문제점이 있어 본 발명의 타겟을 얻기 어렵다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 물론 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것이 아니라, 전·후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 가능하고, 그것들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

[실시예 1]

도 2에 도시하는 AIP 장치의 캐소드에 Ti, Cr 및 Al로 이루어진 타겟 합금을 장착하고, 또한 지지대상에 기판(피처리체)으로서 초경합금제 칩, 초경합금제 스퀘어 엔드밀(직경 10㎜, 2장 날) 및 백금박(0.1㎜ 두께)을 장착하였다. 그리고, 챔버내를 진공 배기 한 후, 챔버내에 있는 히터로 피처리체의 온도를 400℃로 가열하고, 3×10^-3㎩ 이하의 진공도로 한 후에, 0.66㎩의 Ar 가스 분위기중에서 기판(피처리체)에 700V의 바이어스 전압을 인가하여 Ar 이온에 의한 상기 기판의 클리닝을 10분간 수행하였다. 그 후, 질소 가스를 도입하고, 챔버내의 압력을 2.66㎩, 아크 전류를 100A로 하여 아크 방전을 개시하여 기판(피처리체)의 표면에 막두께 4㎛의 피막을 형성하였다. 한편, 성막중에 어스 전위에 대하여 기판(피처리체)이 마이너스 전위가 되도록 150V의 바이어스 전압을 기판(피처리체)에 인가하였다.

성막 종료 후, 막중의 금속성분 조성, 막의 결정 구조, 비커스 경도 및 산화 개시 온도를 조사하였다. 비커스 경도는 마이크로비커스 경도 측정기를 이용하고, 하중 0.25N, 유지 시간을 15초로 하여 측정하였다. 막중의 Ti, Cr 및 Al의 성분 조성은 EPMA에 의해 측정하였다. 한편, 피막중의 금속 원소 및 N을 제외한 O, C 등의 불순물 원소량은 상기 EPMA에 의한 정량 분석으로 산소가 1 원자% 이하, 탄소가 2 원자% 이하의 레벨이었다. 또한, 막의 결정 구조는 X선 회절에 의해 동정하였다. 산화 개시 온도는 백금 샘플을 이용하여 열 천칭에 의해 인공 건조 공기 중에서 실온으로부터 5℃/min의 승온 속도로 가열했을 때에 중량 변화가 생기는 온도를 측정하여, 그 온도를 산화 개시 온도로 하였다. 상기 수학식 4의 값은 상술한 바와 같이 X선 회절 장치로 Cu의 Kα선을 이용하여 각 결정면의 피크 강도를 측정하여 구하였다. 얻어진 막의 성분 조성, 결정 구조, 비커스 경도, 산화 개시 온도 및 상기 수학식 4의 값을 하기 표 1에 나타낸다.

표 1로부터, No. 21, 22 및 23으로 나타낸 TiAlN(0.56≤Al≤0.75)의 피막 경도는 2700 내지 3050이고, 산화 개시 온도는 800 내지 850℃이지만, 피막 경도 및 산화 개시 온도 둘다를 동시에 높일 수는 없다. 이에 대하여, 본 발명의 성분 조성 범위를 만족시키는 No. 1 내지 17에서는 높은 비커스 경도 및 산화 개시 온도를 동시에 달성할 수 있었다.

도 8은 (Ti, Al, Cr)N 막에 있어서의 금속성분 Ti, Al 및 Cr의 조성도로 본 발명 범위와 No. 1 내지 27의 실시예를 나타낸 것이지만, 이 도 8의 ●, ▲ 및 ■로 나타낸 바와 같이, 본 발명의 범위내에 있는 No. 1 내지 17은 TiAlN(0.56≤Al≤0.75)이 나타내는 고경도 및 높은 산화 개시 온도를 동시에 달성시킬 수 있었다. 특히, 도 8에서 ■로 나타낸 바람직한 성분 조성 범위내에 있는 No. 3 내지 5는 산화 개시 온도가 TiAlN(0.56≤Al≤0.75)과 거의 같은 정도이고 매우 높은 경도를 나타내며, No. 15 내지 17은 경도가 TiAlN(0.56≤Al≤0.75)의 최고 레벨과 동등하고 높은 산화 개시 온도를 나타내는 결과가 되었다.

또한, 도 8에서 ●로 나타낸, 보다 바람직한 성분 조성 범위내에 있는 No. 6 내지 9 및 10 내지 14는 종래의 TiAlN(0.56≤Al≤0.75)으로는 실현할 수 없는 최고의 경도 및 최고의 산화 개시 온도를 달성할 수 있으며, 어쨌든 종래의 TiAlN(0.56≤Al≤0.75)막보다 높은 내마모성을 발휘할 수 있게 되었다.

이에 대하여, 도 8에서 ○로 나타낸 본 발명의 규정 성분 조성을 만족시키지 않는 No. 18 내지 20 및 24 내지 27은 높은 비커스 경도 및 산화 개시 온도를 동시에 나타내지 않고 상기 TiAlN(0.56≤Al≤ 0.75)과 동일한 정도이거나 또는 그 이하가 되었기 때문에, TiAlN(0.56≤ Al≤0.75)보다도 우수한 내마모성을 기대할 수 없다.

[실시예 2]

상기 실시예 1에서 얻어진 경질피막을 피복한 엔드밀중 No. 1, 4, 7, 11, 16, 18, 19, 22, 24 및 27에 대해서 절삭 시험을 수행하여 마모 평가를 하였다. 피삭재로서 SKD61 담금질 강(HRC50)을 이용하였다. 절삭 조건은 이하와 같다. 마모 평가는 상기 각각의 엔드밀을 이용하여 피삭재를 20m 절삭한 후, 날끝을 광학현미경으로 관찰하여 마모 폭을 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

절삭 조건

절삭 속도: 200m/min

송출 속도: 0.07㎜/날

결각: 5㎜

피크 피드: 1㎜

절삭유: 에어블로우 단독

절삭 방향: 다운컷

표 2로부터, 본 발명의 요건을 만족시키는 피막을 코팅한 No. 1, 4, 7, 11 및 16의 엔드밀은 본 발명의 요건을 만족시키지 않는 피막을 코팅한 No. 18, 19, 22, 24 및 27의 엔드밀와 비교하여 마모 폭이 작고 내마모성이 우수하다는 것을 알 수 있다.

[실시예 3]

도 2에 도시하는 AIP 장치의 캐소드에 Ti, Cr, Al 및 Si로 이루어진 타겟 합금을 장착하고, 또한 지지대상에 피처리체로서 초경합금체 칩, 초경합금제 스퀘어 엔드밀(직경 10㎜, 4장 날) 또는 백금박(0.2㎜ 두께)을 장착하여, 챔버내를 진공 상태로 하였다. 그 후, 챔버내에 있는 히터로 피처리체의 온도를 550℃로 가열하여, 3×10^-3㎩ 이하의 진공도로 한 후에, Ar 이온에 의한 상기 기판의 클리닝을 15분간 수행하였다. 그 후, 질소 가스 또는 질소와 메탄의 혼합 가스를 도입하고, 챔버내의 압력을 2.66㎩, 아크 전류를 100A로 하여 아크 방전을 개시하여 피처리체의 표면에 막두께 약 3㎛의 피막을 형성하였다. 또한, 성막중에 어스 전위에 대하여 피처리체가 마이너스 전위가 되도록 100 내지 200V의 바이어스 전압을 피처리체에 인가하였다.

성막 종료 후, 막중의 금속성분 조성, 막의 결정 구조, 비커스 경도 및 산화 개시 온도를 조사하였다. 막중의 Ti, Cr, Al 및 Si의 성분 조성은 EPMA(질량 흡수 계수 보정)에 의해 측정하였다. 한편, 피막중의 금속 원소 및 N을 제외한 O, C 등의 불순물 원소량은 상기 EPMA에 의한 정량 분석으로 산소가 1 원자% 이하, 성막 가스로서 메탄을 사용하지 않는 경우에는 탄소가 2 원자% 이하의 레벨이었다. 막의 결정 구조, 비커스 경도 및 산화 개시 온도는 상기 실시예 1의 방법과 같이 하여 측정하였다. 얻어진 막의 성분 조성, 결정 구조, 비커스 경도(하중 0.25N에서 측정), 산화 개시 온도 및 상기 수학식 4의 값을 표 3에 나타낸다.

표 3으로부터, No. 1로 나타낸 TiAlSiN(0.05≤Al≤0.75)에서는 피막 경도 및 산화 개시 온도 둘다를 동시에 높일 수는 없다. 또한, No. 2 내지 4 및 6은 본 발명에서 규정한 범위에서 벗어나는 것으로, 피막 경도 또는 산화 개시 온도 중 어느 것이 낮게 된다. 이에 대하여, 본 발명의 성분 조성 범위를 만족시키는 No. 5 및 7 내지 17에서는 높은 비커스 경도 및 산화 개시 온도를 동시에 달성할 수 있다.

[실시예 4]

상기 실시예 3에서 얻어진 경질피막을 피복한 엔드밀중 No. 3, 5, 8, 10, 12, 15 및 16에 대해서 절삭 시험을 수행하여 마모 평가를 하였다. 피삭재로서 SKD61 담금질 강(HRC50)을 이용하였다. 절삭 조건은 이하와 같다. 마모 평가는 상기 각각의 엔드밀을 이용하여 피삭재를 30m 절삭한 후, 날끝을 광학 현미경으로 관찰하여 마모 폭을 측정하였다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.

절삭 조건

절삭 속도: 200m/min

송출 속도: 0.05㎜/날

결각: 5㎜

피크 피드: 1㎜

절삭유: 에어블로우 단독

절삭 방향: 다운컷

표 4로부터, 본 발명의 요건을 만족시키는 피막을 코팅한 No. 5, 8, 10, 12, 15 및 16의 엔드밀은 본 발명의 요건을 만족시키지 않는 피막을 코팅한 No. 3의 엔드밀과 비교하여 마모 폭이 작고 내마모성이 우수한 것을 알 수 있다.

[실시예 5]

조성이 Ti: 9 원자%, Cr: 19 원자%, Al: 72 원자%인 합금 타겟을 이용하고 성막 시간을 변화시켜 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 초경합금제 스퀘어 엔드밀(직경 10㎜, 2장 날)상에 표 5에 나타낸 각종 막두께의 TiCrAlN 막을 성막하였다. 이때, 증발원으로는 도 4에 나타낸 증발원을 이용하였다. 또한, 성막시의 바이어스 전압은 100V로 하였다. 한편, 얻어진 막의 금속성분을 EPMA로 조성 분석한 바, Ti: 10 원자%, Cr: 20 원자%, Al: 70 원자%이었다. 　성막 후의 엔드밀의 내마모성을 상기 실시예 2와 동일하게 절삭 시험을 하여 평가하였다. 그 결과를 표 5에 병기한다.

표 5로부터, 본 발명에서 바람직하다고 하는 막두께의 No. 1 내지 5는 마모 폭이 작고 우수한 내마모성을 나타내는데 비해, No. 6은 막두께가 얇기 때문에 내마모성이 뒤떨어지는 결과가 되었다. 또한, No. 7은 막두께가 지나치게 두껍기 때문에 절삭 중에 날끝이 결손되었다.

[실시예 6]

조성이 Ti: 13 원자%, Cr: 15 원자%, Al: 72 원자%인 합금 타겟을 이용하고 지지대상에 피처리체로서 초경합금제 칩, 초경합금제 스퀘어 엔드밀(직경 10㎜, 2장 날) 및 백금박(0.1㎜ 두께)을 도 2에 도시한 AIP 장치에 장착하고, 챔버내를 진공 상태로 하였다. 그 후, 챔버내에 있는 히터로 피처리체 온도를 550℃로 가열하고, 질소와 메탄의 혼합 가스를 도입하여 챔버내의 압력을 2.66㎩로 하고, 아크 전류 100A에서 아크 방전을 개시하여, 상기 기판(피처리체)의 표면에 막두께 3㎛의 (TiAlCr)(CN) 피막을 형성하였다. 성막중에 어스 전위에 대하여 기판(피처리체)이 마이너스 전위가 되도록 150V의 바이어스 전압을 기판(피처리체)에 인가하였다. 그 밖의 성막 조건에 관해서는 상기 실시예 1과 동일하다

성막 종료 후, 막중의 금속성분 조성, 산화 개시 온도 및 내마모성에 대해서 조사하였다. 얻어진 피막중의 Ti, Al, Cr의 성분 조성은 EPMA에 의해 측정하였다. 금속 원소 및 C, N을 제외한 피막중의 불순물 원소량은 상기 EPMA에 의한 정량 분석으로 산소가 1 원자% 이하의 레벨이었다. 산화 개시 온도는 상기 실시예 1의 방법과 같이 하여 측정하였다. 또한, 성막 후의 엔드밀의 내마모성은 상기 실시예 2와 동일하게 절삭 시험을 수행하여 평가하였다. 이들 결과를 표 6에 병기한다.

표 6으로부터, 본 발명의 요건을 만족시키는 피막을 코팅한 No. 1 내지 3의 엔드밀은 (TiAlCr)(CN) 피막에 있어서의 C 및 N의 비율이 본 발명의 규정을 벗어나 있는 No. 4의 엔드밀과 비교하여 산화 개시 온도가 높으며 또한 절삭 시험에 있어서의 마모 폭이 작고 내마모성이 우수하다는 것을 알 수 있다.

[실시예 7］

조성이 Ti: 10 원자%, Cr: 18 원자%, Al: 72 원자%인 합금 타겟, Ti: 12 원자%, Cr: 15 원자%, Al: 70 원자%, Si: 3 원자% 및 Ti: 50 원자%, Al: 50 원자%인 합금 타겟의 타겟을 이용하고, 도 2에 도시하는 AIP 장치를 사용하여 초경합금제 칩(조성 측정용) 및 초경합금제 스로우어웨이 인서트(형식: CNMG120408, CNMG432칩 브레이커 부착됨)상의 막두께 약 3.5㎛의 TiCrAlN, TiCrAlSiN 및 TiAlN 막을 형성하였다. 기판에 인가하는 바이어스 전압은 TiCrAlN, TiCrAlSiN에서 200V로 하고, TiAlN 막에서는 50V로 하고, 기판 온도는 550℃, 아크 전류는 150A, 반응 가스(질소 가스)의 압력은 2.66㎩로 하였다. 그 밖의 성막 조건은 상기 실시예 1과 같다.

성막 종료 후, 얻어진 피막의 금속성분 조성을 조사하였다. 내마모성은 하기의 조건으로 칩에 의한 시삭 시험을 실시하고, 초경 합금제 스로우어웨이 인서트의 비탈면측 마모(프랑크 마모: Vb, Vbmax)로 평가하였다. EPMA에 의해 성분 조성을 측정한 결과, 합금 타겟을 이용하여 성막한 TiCrAlN 막, TiCrAlSiN 막 및 TiAlN 막의 성분 조성은 타겟의 성분 조성과 다소 다르고, 각각 타겟보다도 Al 양이 조금 적은 (Ti_0.1Cr_0.22Al_0.68)N, (Ti_0.14Cr_0.15Al_0.68Si_0.03)N 및 (Ti_0.54Al_0.46)N의 조성의 피막을 얻을 수 있었다. 또한, 피막중의 금속 원소와 질소 원자의 비율은 모든 피막이 원자비로 0.9 내지 1.1의 범위내이었다.

절삭 시험 조건

피삭재: S45C(생재; 生材)

절삭 속도: 200m/분

송출 속도: 0.2㎜/회전

결각: 1.5㎜

기타: 드라이컷, 연속 시삭

절삭 길이: 60분 후(12000m)

표 7로부터, 본 발명의 요건을 만족시키는 피막은 상기 절삭 시험에 있어서의 비탈면측의 프랑크 마모에서 Vb가 조금 작고, 또한 Vbmax에 있어서는 비교예의 피막에 비해 1/4 정도로 매우 우수한 내마모성을 나타내고 있다는 것을 알 수 있었다.

[실시예 8]

Ti, Cr, Al 및 B를 포함하는 각종 합금 타겟을 이용하고, 또한 지지대상에 피처리체로서 초경합금제 칩, 초경합금제 스퀘어 엔드밀(직경 10㎜, 4장 날)을 도 2에 도시한 AIP 장치에 장착하고, 챔버내의 압력을 2.66㎩로 하여 아크 전류 150A에서 아크 방전을 개시하여, 기판(피처리체)의 표면에 막두께 약 3㎛인 표 8에 나타낸 조성의 (TiAlCrB)N 피막을 형성하였다. 한편, 성막중에 어스 전위에 대하여 기판(피처리체)이 마이너스 전위가 되도록 150V의 바이어스 전압을 기판(피처리체)에 인가하였다. 그 밖의 성막 조건에 관해서는 상기 실시예 3과 동일하다. 얻어진 피막중의 Ti, Al, Cr, B의 조성비는 EPMA로 측정하였다. 또한, 피막중의 금속 원소 및 N을 제외한 O 등의 불순물 원소량은 EPMA에 의한 정량 분석으로 산소가 1 원자% 이하의 레벨이었다.

표 8로부터, 본 발명에서 바람직하다고 하는 B 양을 갖는 No. 1 내지 3은 No. 4와 비교하여 산화 개시 온도가 높으며, 또한 절삭 시험시의 마모 폭이 작고 우수한 내마모성을 갖기 때문에, 본 발명의 규정을 만족시키도록 B 양을 첨가함으로써 내마모성이 보다 우수한 경질피막을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.

[실시예 9］

조성이 Ti: 9 원자%, Cr: 19 원자%, Al: 72 원자%인 합금 타겟을 이용하여, 상기 실시예 1과 같이 초경합금제 엔드밀(직경 10㎜, 2장 날)을 기재(피처리체)로 하여 이하의 피막을 형성하였다.

즉, 바이어스 전압, 성막 온도 등을 변화시켜, 결정 배향이 다른 (Ti, Al, Cr)N 피막을 형성한 이외에, 성막 가스로서 (질소+메탄) 가스를 이용하여, C 및 N의 비율이 다른 (Ti, Al, Cr)(CN) 피막을 형성하였다. 또한, (Ti, Al, Cr)N 피막과 Ti₅₀Al₅₀N 피막의 적층 피막을 형성하였다. 표 9에 나타낸 실험 No. 8은 초경합금제 엔드밀 표면에 (Ti, Cr, Al)(CN) 피막을 형성한 후, 추가로 Ti₅₀Al₅₀N 피막을 형성한 것이고, 실험 No. 9는 초경합금제 엔드밀 표면에 (Ti, Cr, Al)(CN) 피막 및 Ti₅₀Al₅₀N 피막의 각 10층을 교대로 적층시킨 것이다. 한편, 총 막두께는 약 3㎛이었다. 얻어진 피막의 내마모성은 상기 실시예 2와 동일하게 절삭 시험을 수행하여 마모 폭으로 평가하였다.

표 9로부터, 실험 No. 3, 6 및 7에서는 마모 시험에 있어서의 마모 폭이 크기 때문에 결정 배향이나 (Ti, Al, Cr)(CN) 피막에 있어서의 C 및 N의 비율이 본 발명의 요건을 만족시키도록 제어함으로써 내마모성이 보다 우수한 경질피막을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.

[실시예 10]

조성이 Ti: 10 원자%, Cr: 18 원자%, Al: 72 원자%인 합금 타겟을 이용하고, 도 2에 도시한 AIP 장치를 사용하여, 표 10 또는 표 11에 나타낸 바와 같이 바이어스 전압, 기판 온도, 질소 가스압을 변화시켜, 초경합금제 스퀘어 엔드밀(직경 10㎜, 2장 날) 또는 초경합금제 칩상에 막두께 약 3㎛의 (Ti, Al, Cr)N 피막을 형성하였다. 성막시의 아크 전류는 150A로 하고, 그 밖의 성막 조건은 상기 실시예 1과 동일하게 하였다.

성막 종료 후, 얻어진 피막의 금속성분 조성, 결정 구조, 결정 방향, 암염구조형의 (111)면의 회절선의 회절 각도 및 반값 폭, 비커스 경도 및 내마모성을 조사하였다. 결정 구조, 결정 방향, 암염 구조형의 (111)면의 회절선의 회절 각도 및 반값 폭은 Cu의 Kα를 이용한 θ-2θ법의 X선 회절로 측정하였다. 내마모성은 상기 실시예 2와 동일하게 절삭 시험을 수행하여 마모 폭으로 평가하였다. 얻어진 피막의 금속성분 조성은 EPMA로 측정하였다. 그 결과, 표 11에 나타낸 바와 같이, 성막 조건에 따라 Ti: 10 내지 12 원자%, Cr: 20 내지 23 원자%, Al: 66 내지 68 원자%의 범위내에서 성분 조성이 조금 다르다는 것을 알았다. 이들 결과를 표 10 및 표 11에 나타낸다. 피막중의 금속 원소 및 질소 이외의 불순물 원소량은 상기 EPMA에 의한 정량 분석으로 산소가 1 원자% 이하, 탄소가 2 원자% 이하의 레벨이었다. 또한, 금속 원소의 합계량과 질소의 비율은 모두 원자비로 0.9 내지 1.1의 범위내이었다.

표 10 및 표 11로부터, 본 발명에서 바람직하다고 하는 기판 전압, 반응가스압 및 기판 온도로 제어한 No. 1 내지 6, 9 내지 12 및 15 내지 17은 No. 7, 8, 13, 14 및 18과 비교하여 경도가 높으며 또한 마모 폭이 작고 우수한 내마모성을 갖기 때문에, 성막 조건을 본 발명의 규정을 만족시키도록 제어함으로써, 피막의 결정 배향, 회절선의 각도 및 반값 폭을 본 발명에서 바람직한 범위내로 할 수 있어, 결과적으로 내마모성이 우수한 피막을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.

[실시예 11]

조성이 Ti: 12 원자%, Cr: 15 원자%, Al: 70 원자%, Si: 3 원자%인 합금 타겟을 이용하고, 도 2에 도시하는 AIP 장치를 사용하여 초경합금제 스퀘어 엔드밀(직경 10㎜, 4장 날), 초경합금제 칩 및 백금박(0.1㎜ 두께)을 기재(피처리체)로 하여 막두께 약 3㎛의 피막을 형성하였다. 즉, 표 12 또는 표 13에 나타낸 범위에서바이어스 전압, 기판 온도, 질소 가스압을 변화시켜, (Ti, Cr, Al, Si)N 피막을 형성하였다. 성막시의 아크 전류는 150A로 하고, 그 밖의 성막 조건은 상기 실시예 3과 동일하게 하였다.

성막 종료 후, 얻어진 피막의 금속성분 조성, 결정 구조, 결정 방향, 암염 구조형의 (111)면의 회절선의 회절 각도, 비커스 경도 및 내마모성을 조사하였다. 결정 구조, 결정 방향 및 암염 구조형의 (111)면의 회절선의 회절 각도는 Cu의 Kα를 이용한 θ-2θ법의 X선 회절로 측정하였다. 내마모성은 상기 실시예 4와 동일하게 절삭 시험을 수행하여 마모 폭으로 평가하였다. 얻어진 피막의 금속성분 조성은 EPMA로 측정하였다. 한편, 백금박상에 형성한 피막의 산화 개시 온도는 모두 1100℃ 이상이었다.

표 12 및 표 13으로부터, 본 발명에서 바람직하다고 하는 기판 전압, 반응가스압 및 기판 온도로 제어한 No. 1 내지 8, 11, 12 및 15 내지 17은 No. 9, 10, 13, 14 및 18과 비교하여 마모 폭이 작고 우수한 내마모성을 갖기 때문에, 성막 조건을 본 발명의 규정을 만족시키도록 제어함으로써 피막의 결정 배향, 회절선의 각도를 본 발명에서 바람직한 범위내로 할 수 있어, 결과적으로 내마모성이 우수한 피막을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.

[실시예 12]

조성이 Ti: 10 원자%, Cr: 18 원자%, Al: 72 원자%인 합금 타겟을 이용하고, 도 2에 도시한 AIP 장치를 이용하여(단, 이 경우는 증발원(2)을 2개 설치), 피막의 종류에 따라 아크 전류를 100 내지 150A, 질소(또는 질소와 메탄의 혼합) 가스압을 0㎩(금속막) 내지 2.66㎩, 막 종류에 따라 기판에 인가하는 바이어스 전압을30 내지 150V의 범위내로 변화시키고, 기판 온도를 550℃로 하여, 표 14에 나타낸 각종 금속 질화물, 탄화물, 탄질화물 또는 금속막의 적층막을 초경합금제 스퀘어 엔드밀(직경 10㎜, 2장 날)상에 형성하였다. 그 밖의 성막 조건에 관해서는 상기 실시예 1과 동일하다. 적층 방법은 초경합금제 엔드밀상에 표 14에 있어서의 피막(1), 다음에 표 14에 있어서의 피막(2)의 순서로, 교대로 증발원을 전환하여 표 14에 나타낸 막두께의 피막을 적층하였다. 표 14에 나타낸 적층수는 [피막(1)+피막(2)]를 1단위로 했을 때의 반복수를 나타낸다. 한편, 총 막두께는 약 3㎛이었다. 성막 후의 피막의 내마모성은 상기 실시예 2와 동일하게 절삭 시험을 수행하여 평가하였다. 이들 결과를 표 14에 나타낸다.

표 14의 실험 No. 1 내지 12로부터, 절삭공구용 경질피막을 복수층으로 하는 경우에도, 본 발명의 요건을 만족시키는 피막을 코팅한 것이면 절삭 시험의 마모폭은 30㎛ 이하로 우수한 내마모성을 나타낸다는 것을 알 수 있다.

[실시예 13]

상기 실시예 3에서 얻어진 경질피막을 피복한 엔드밀중 No. 3, 5, 8, 10 및 12에 대해서, 본 발명에 따른 피막과 Ti_0.5Al_0.5N 또는 Ti(C_0.5N_0.5)의 피막을 교대(피처리체-하층-상층-하층-상층‥‥)로 적층시킨 것을 작성하였다. 적층시킨 피막의 종류 및 합계 적층수는 표 15에 나타낸 바와 같다. 한편, 얻어진 적층 피막의 총 막두께는 모두 약 3㎛이었다. 성막 후의 피막의 내마모성은 상기 실시예 4와 동일하게 절삭 시험을 수행하여 평가하였다. 이들 결과를 표 15에 나타낸다.

표 15로부터, 절삭공구용 경질피막을 복수층으로 하는 경우에도, No. 5, 8, 10 및 12와 같이 본 발명의 요건을 만족시키는 피막을 코팅한 것이면, 본 발명의 요건을 만족시키지 않는 피막을 코팅한 No. 3의 엔드밀보다도 마모 폭이 작고 내마모성이 우수한 것이 된다는 것을 알 수 있다.

[실시예 14]

조성이 Ti: 12 원자%, Cr: 15 원자%, Al: 70 원자%, Si: 3 원자%인 합금 타겟을 이용하고, 도 2에 도시한 AIP 장치를 이용하여(단, 이 경우는 증발원(2)을 2개 설치), 피막의 종류에 따라 아크 전류를 100 내지 150A, 질소(또는 질소와 메탄의 혼합) 가스압을 0㎩(금속막) 내지 2.66㎩, 기판에 인가하는 바이어스 전압을 30 내지 150V의 범위내에서 변화시키고, 기판 온도를 550℃로 하여, 표 16에 나타낸 각종 금속 질화물, 탄화물, 탄질화물 또는 금속막의 적층막을 초경합금제 스퀘어 엔드밀(직경 10㎜, 4장 날)상에 형성하였다. 그 밖의 성막 조건에 관해서는 상기 실시예 3과 동일하다. 적층 방법은 초경합금제 엔드밀상에 표 16에 있어서의 피막(1), 다음으로 표 16에 있어서의 피막(2)의 순서로, 표 16에 나타낸 막두께로 교대로 적층하였다. 표 16에 나타낸 적층수는 [피막(1)+피막(2)]를 1단위로 했을 때의 반복수를 나타낸다. 성막 후의 피막의 내마모성은 상기 실시예 4와 동일하게 절삭 시험을 수행하여 평가하였다. 이들 결과를 표 16에 나타낸다. 한편, 형성한 TiAlCrSiN 피막중의 금속 원소의 조성비는 Ti: 13 원자%, Al: 68 원자%, Cr: 16 원자%, Si: 3 원자%이었다. 또한, 적층한 피막의 총 막두께는 모두 약 3㎛이었다.

표 16의 실험 No. 1 내지 12로부터, 절삭공구용 경질피막을 복수층으로 하는 경우에도, 본 발명의 요건을 만족시키는 피막을 코팅한 것이면, 절삭 시험의 마모폭은 30㎛ 이하로 우수한 내마모성을 나타낸다는 것을 알 수 있다.

[실시예 15]

조성이 Ti: 9 원자%, Cr: 19 원자%, Al: 72 원자%인 합금 타겟을 이용하고, 아크 전류를 100A, 기판(피처리체) 온도를 500℃로 하여, 어스 전위에 대하여 기판(피처리체)측이 마이너스가 되도록 바이어스 전압을 50 내지 400V의 범위내에서 변화시켜 30분간 성막을 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 초경합금제 칩 또는 초경합금제 스퀘어 엔드밀(10㎜ 직경, 2장 날)상에 성막을 수행하였다. 얻어진 피막의 결정 구조를 X선 회절에 의해 동정하였다. 또한, 성막 후의 초경합금제 칩을 파단시키고, 그 단면을 주사형 전자 현미경으로 관찰하여 막두께를 측정하였다. 또한, 상기 실시예 2와 동일하게 절삭 시험을 실시하였다. 이들 결과를 표 17에 나타낸다. 한편, 얻어진 피막의 금속 원소 조성을 EPMA로 측정한 바, 성막시의 바이어스 전압의 상이에 따라 Ti: 9 내지 11 원자%, Cr: 19 내지 21 원자%, Al: 68 내지 71 원자%의 범위내에서 성분 조성이 조금 다르다는 것을 알 수 있었다.

표 17로부터, No. 2 내지 5는 본 발명에서 바람직하다고 하는 바이어스 전압 범위내로 한 것으로, 이러한 바이어스 전압으로 성막함으로써 최적의 결정 구조 또는 막두께로 할 수 있었다. 이에 비해, No. 1은 본 발명에서 바람직하다고 하는 바이어스 전압보다도 낮기 때문에, 결정 구조가 B1+Hex의 혼합상이 되어, 우수한 내마모성을 기대할 수 없다. 또한, No. 6 및 7은 본 발명에서 바람직하다고 하는 바이어스 전압보다도 높고 형성된 막두께가 얇았다. 절삭 시험을 수행한 결과에 관해서도, 본 발명에서 바람직하다고 하는 바이어스 전압으로 성막한 피막은 마모량이 작고 절삭성이 우수하다는 것을 알 수 있다.

[실시예 16]

조성이 Ti: 10 원자%, Cr: 18 원자%, Al: 72 원자%인 합금 타겟, Ti: 50 원자%, Al: 50 원자%인 합금 타겟 또는 순 Ti 금속, 순 Cr 금속의 타겟을 이용하고, 도 2에 도시하는 AIP 장치를 사용하여, 초경합금 칩 및 초경합금제 볼 엔드밀(직경 10㎜, 센터 반경 5R, 2장 날)상에 막두께 약 3㎛의 TiAlCrN, TiAlN, TiN 또는 CrN 막을 형성하였다. 상기 기판에 인가하는 바이어스 전압은 TiAlCrN 성막시에는150V, TiAlN, TiN 또는 CrN 성막시에는 50V로 하고, 기판 온도는 550 내지 580℃의 범위로 하고, 반응 가스(질소)의 압력은 2.66㎩, 아크 전류는 150A로 하였다. 그 밖의 성막 조건은 상기 실시예 1과 동일하다.

성막 종료 후, 얻어진 피막의 금속성분 조성, 비커스 경도 및 내마모성을 조사하였다. 내마모성은 하기의 조건으로 절삭 시험을 실시하여, 볼 엔드밀의 선단부의 마모 폭 및 경계부의 마모 폭으로 평가하였다. EPMA에 의해 성분 조성을 측정한 결과, 합금 타겟을 이용하여 성막한 TiCrAlN 막 및 TiAlN 막의 성분 조성은 타겟의 성분 조성과 다소 다르고, 각각 타겟보다도 Al 양이 조금 적은 (Ti_0.1Cr_0.22Al_0.68)N 및 (Ti_0.54Al_0.46)N 조성의 피막을 얻을 수 있었다. 또한, 피막중의 금속 원소와 질소 원자의 비율은 모든 피막이 원자비로 0.9 내지 1.1의 범위내이었다.

절삭 시험 조건

피삭재: S55C(브리넬 경도 220)

절삭 속도: 100m/분

송출 속도: 0.05㎜/분

결각 깊이: 4.5㎜

피크 피드: 0.5㎜

기타: 다운컷, 에어블로우

절삭 길이: 30m

표 18로부터, 본 발명의 요건을 만족시키는 피막은 상기 절삭 시험에 있어서의 선단부 마모량 및 경계부 마모량이 종래 알려져 있는 TiAlN, TiN, CrN의 피막과 비교하여 작고 피절삭재 S55C(HB220)에 비해 우수한 절삭 특성을 나타낸다는 것을알 수 있다.

[실시예 17]

타겟의 상대 밀도나 불순물 함유량이 성막시의 방전 상태에 미치는 영향에 관해서 조사하였다.

각각 100 메쉬 이하의 Ti 분말, Cr 분말 및 Al 분말을 소정량 혼합하고, 온도: 900℃ 또한 압력 8×10⁷㎩의 조건으로 HIP 처리를 하여, 표 19에 나타낸 각 성분 조성의 타겟을 제작하였다. 상기 타겟의 성분 조성은 ICP-MS로 측정하였다. 또한, 얻어진 타겟의 방전 특성을 조사하기 위해, 외경 254㎜, 두께 5㎜로 성형한 타겟을 스퍼터링 장치에 장착하여, 반응성 스퍼터링법에 의해 막두께 3㎛의 피막을 피처리체인 초경합금제 칩상에 성막하였다. 성막은 반응 가스로서 N₂가스를 이용하고 출력 500W로 수행하였다.

얻어진 경질피막의 성분 조성은 XPS로 측정하고, 내마모성은 하기의 조건으로 절삭 시험을 수행하여 평가하였다. 또한, 성막시의 방전 상태에 관해서는, 표면에서의 방전 상황을 육안으로 관찰하거나 방전 전압의 모니터를 관찰하여 수행하였다. 이들 결과를 표 19에 나타낸다.

절삭 시험 조건

피삭재: SKD61(HRC50)

엔드밀: 초경합금제 4장 날

절삭 속도: 200m/min

결각: 1㎜

송출 속도: 0.05㎜/날

절삭 길이: 20m

평가 기준

◎: 경사면 마모 깊이가 25㎛ 미만

○: 경사면 마모 깊이가 25 내지 50㎛

Δ: 경사면 마모 깊이가 50㎛ 이상

방전 상태

·안정: 방전 전압의 순간적인 상승이나 방전의 장소적인 치우침이 인정될 수 없는 것

·약간 불안정: 방전 전압의 순간적인 상승이나 방전의 장소적인 치우침이 다소 인정되는 것

·불안정: 방전 전압의 순간적인 상승이나 방전의 장소적인 치우침이 매우 인정되는 것

·방전 중단: 방전이 정지하는 것

표 19로부터, No. 1 내지 7은 본 발명에서 규정하는 상대 밀도를 만족시키기 때문에 방전 상태는 양호하고, 그 결과 타겟과 성분 조성이 동일하며, 양호한 내마모성을 발휘하는 피막을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 이에 비해, No. 8 내지 10은 타겟의 상대 밀도가 본 발명의 요건을 만족시키지 않기 때문에 방전 상태가불안정하거나 계속 불가능하게 되고, 그 결과, 얻어지는 피막의 성분 조성이 타겟의 성분 조성과 크게 어긋나 내마모성이 바람직하지 못한 피막이 얻어지는 결과가 되었다.

[실시예 18]

각각 100 메쉬 이하의 Ti 분말, Cr 분말, Al 분말 및 Si 분말을 소정량 혼합하고, 온도: 900℃ 및 압력: 8×10⁷㎩의 조건으로 HIP 처리하여, 표 20에 나타낸 각 성분 조성의 타겟을 제작하였다. 상기 타겟의 성분 조성은 ICP-MS로 측정하였다. 또한, 얻어진 타겟의 방전 특성을 조사하기 위해, 외경 254㎜, 두께 5㎜로 성형한 타겟을 스퍼터링 장치에 장착하여, 반응성 스퍼터링법에 의해 막두께 약 3㎛의 피막을 피처리체인 초경합금제 칩상에 성막하였다. 성막은 반응 가스로서 N₂가스를 이용하여 출력 500W로 수행하였다.

얻어진 경질피막의 성분 조성은 XPS로 측정하고, 내마모성은 하기의 조건으로 절삭 시험을 수행하여 평가하였다. 또한, 성막시의 방전 상태에 관해서는 표면에서의 방전 상황을 육안으로 관찰하거나 방전 전압의 모니터를 관찰하여 수행하였다. 이들 결과를 표 20에 나타낸다.

절삭 시험 조건

피삭재: SKD61(HRC50)

엔드밀: 초경합금제 4장 날

절삭 속도: 200m/min

결각: 1㎜

송출 속도: 0.05㎜/날

절삭 길이: 30m

평가 기준

○: 경사면 마모 깊이가 20㎛ 미만

×: 경사면 마모 깊이가 20㎛ 이상

방전 상태

·방전 중단: 방전이 정지하는 것

표 20으로부터, No. 1 내지 7은 본 발명에서 규정하는 상대 밀도를 만족시키기 때문에 방전 상태는 양호하고, 그 결과 타겟과 성분 조성이 동일하며, 양호한 내마모성을 발휘하는 피막을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 이에 비해, No. 8내지 10은 타겟의 상대 밀도가 본 발명의 요건을 만족시키지 않기 때문에, 방전 상태가 불안정하거나 계속 불가능하게 되고, 그 결과, 얻어지는 피막의 성분 조성이 타겟의 성분 조성과 크게 어긋나 내마모성이 바람직하지 못한 피막이 얻어지는 결과가 되었다.

[실시예 19]

100 메쉬 이하의 Ti 분말, 100 메쉬 이하의 Cr 분말 및 240 메쉬 이하의 Al 분말을 소정량 혼합하고, 온도: 500 내지 900℃, 압력: 8×10⁷㎩의 조건으로 HIP 처리하여 표 21에 나타낸 각 성분 조성의 타겟을 제작하였다. 얻어진 타겟을 절삭하거나, 혹은 구리제 백킹 플레이트의 납땜을 수행하여 바닥면에 외경 104㎜, 두께 2㎜의 고정 침이 마련된 타겟을 제작하고, 아크 방전 방식 이온 플레이팅 장치에 상기 타겟을 장착하여 막두께 3㎛의 피막을 피처리체인 초경합금제 칩상에 성막하였다. 성막은 반응 가스로서 N₂가스 또는 N₂/CH₄가스를 이용하고, 피처리체의 온도를 500℃, 아크 전류를 100A, 또한 피처리체의 바이어스 전압을 150V로 하여 수행하였다.

타겟의 성분 조성은 ICP-MS로 측정하였다. 얻어진 피막의 내마모성은 상기 실시예 17과 동일한 절삭 시험 방법으로 평가하였다. 또한, 얻어진 피막의 성분 조성을 XPS에 의해 측정한 바, 모든 피막의 성분 조성이 타겟의 성분 조성의 ±2 원자%의 범위내에 있어 타겟의 성분 조성과 거의 일치하고 있었다. 타겟중의 결함(구멍)의 유무 및 구멍 크기의 측정은 초음파 탐상법에 의해 수행하였다. 또한, 성막시의 방전 상태는 상기 실시예 17과 동일한 방법으로 평가하였다. 이들 결과를 표 21에 나타낸다.

표 21로부터, No. 1 내지 4는 타겟의 상대 밀도 및 타겟중에 존재하는 구멍의 크기가 본 발명에서 규정하는 요건을 만족시키고 있기 때문에, 성막시의 방전상태가 안정하고, 양호한 내마모성을 갖는 피막을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.

이에 비해 No. 5 및 7은 타겟중에 존재하는 구멍의 크기가 본 발명의 규정을 만족시키지 않고, No. 9 및 10은 타겟의 상대 밀도가 본 발명의 규정을 만족시키지 않으며, 또한 No. 6 및 8은 본 발명에서 규정하는 타겟의 상대 밀도 및 타겟중에 존재하는 구멍의 크기중 어느 쪽도 만족시키지 않기 때문에, 성막시에 방전 상태가 불안정하거나 중단되어 성막 불가능하게 되거나, 피막이 얻어진 경우라도 내마모성이 뒤떨어지게 되었다.

[실시예 20]

100 메쉬 이하의 Ti 분말, 100 메쉬 이하의 Cr 분말, 240 메쉬 이하의 Al 분말 및 100 메쉬 이하의 Si 분말을 소정량 혼합하여, 온도: 500 내지 900℃, 압력: 8×10⁷㎩의 조건으로 HIP 처리하여 표 22에 나타낸 각 성분 조성의 타겟을 제작하였다. 얻어진 타겟을 절삭하거나, 혹은 구리제 백킹 플레이트의 납땜을 수행하여 바닥면에 외경 104㎜, 두께 2㎜의 고정 침이 마련된 타겟을 제작하고, 아크 방전 방식 이온 플레이팅 장치에 상기 타겟을 장착하여 막두께 약 3㎛의 피막을 피처리체인 초경합금제 칩상에 성막하였다. 성막은 반응 가스로서 N₂가스 또는 N₂/CH₄가스를 이용하고, 피처리체의 온도를 500℃, 아크 전류를 100A, 또한 피처리체의 바이어스 전위를 -150V로 하여 수행하였다.

타겟의 성분 조성은 원자 흡광 분석법으로 측정하였다. 얻어진 피막의 내마모성은 상기 실시예 18과 동일한 절삭 시험 방법으로 평가하였다. 또한, 얻어진 피막의 성분 조성을 XPS에 의해 측정한 바, 모든 피막의 성분 조성이 타겟의 성분 조성의 ±2 원자%의 범위내에 있어 타겟의 성분 조성과 거의 일치하고 있었다. 타겟중의 결함(구멍)의 유무 및 구멍 크기의 측정은 초음파 탐상법에 의해 수행하였다. 또한, 성막시의 방전 상태는 상기 실시예 18과 동일한 방법으로 평가하였다. 이들 결과를 표 22에 나타낸다.

표 22로부터, No. 1 내지 4는 타겟의 상대 밀도 및 타겟중에 존재하는 구멍의 크기가 본 발명에서 규정하는 요건을 만족시키고 있기 때문에, 성막시의 방전상태가 안정하고 양호한 내마모성을 갖는 피막을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.

이에 비해 No. 5 및 7은 타겟중에 존재하는 구멍의 크기가 본 발명의 규정을 만족시키지 않고, No. 9 및 10은 타겟의 상대 밀도가 본 발명의 규정을 만족시키지 않으며, 또한 No. 6 및 8은 본 발명에서 규정하는 타겟의 상대 밀도 및 타겟중에 존재하는 구멍의 크기중 어느 쪽도 만족시키지 않기 때문에, 성막시에 방전 상태가 불안정하거나 중단되어 성막 불가능하거나, 피막이 얻어진 경우에도 내마모성이 뒤떨어지게 되었다.

[실시예 21]

다음으로, 타겟중의 불순물(산소, 수소, 염소, 구리 및 마그네슘)의 함유량이 성막시의 방전 상태에 미치는 영향에 관해서 조사하였다.

표 23에 나타낸 각 성분 조성의 타겟을 상기 실시예 19와 동일한 방법으로 제작하였다. 얻어진 타겟의 상대 밀도는 모두 99% 이상이고, 0.3㎜ 이상의 구멍이나 연속된 결함은 어디에도 존재하지 않았다. 얻어진 타겟을 이용하여, 반응 가스로서 N₂가스만을 사용하는 것 이외에는 상기 실시예 19와 동일한 조건으로 성막을 수행하였다. 타겟중의 불순물의 함유량은 원자 흡광법으로 측정하였다. 또한, 성막시의 방전 상태는 상기 실시예 17과 동일하게 하여 평가하였다. 이들 결과를 표 23에 나타낸다.

표 23으로부터, No. 1, 3 내지 9, 16 및 17은 산소, 수소, 염소, 구리 및 마그네슘의 모든 불순물의 함유량이 본 발명의 요건을 만족시키기 때문에, 방전 상태가 양호하게 된다는 것을 알 수 있다. 이에 비해, No. 2, 10 및 11에서는 산소 함유량, No. 12에서는 수소 함유량, No. 13에서는 염소 함유량, No. 14에서는 구리 함유량, No. 15에서는 마그네슘 함유량, No. 18에서는 산소 및 마그네슘의 함유량, No. 19에서는 염소, 구리 및 마그네슘의 함유량이 본 발명에서 바람직하다고 하는 규정 범위를 초과하고 있다. 이 결과로부터 성막시의 방전 상태를 양호하게 하여 효율적으로 본 발명의 절삭공구용 경질피막을 얻기 위해서는, 타겟중의 불순물(산소, 수소, 염소, 구리 및 마그네슘)의 함유량을 본 발명의 규정 범위내로 하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.

[실시예 22]

표 24에 나타낸 각 성분 조성의 타겟을 실시예 18과 동일한 방법으로 제작하였다. 얻어진 타겟의 상대 밀도는 모두 99% 이상으로, 0.3 ㎜ 이상의 구멍이나 연속된 결함은 어디에도 존재하지 않았다. 얻어진 타겟을 이용하여 실시예 18과 동일한 조건으로 성막을 수행하였다. 타겟중의 불순물의 함유량은 원자 흡광 분석법으로 측정하였다. 또한, 성막시의 방전 상태는 실시예 18과 동일한 방법으로 평가하였다. 이들 결과를 표 24에 나타낸다.

표 24로부터, No. 1, 3 내지 9, 16 및 17은 산소, 수소, 염소, 구리 및 마그네슘의 모든 불순물의 함유량이 본 발명의 요건을 만족시키기 때문에, 방전 상태가양호하게 된다는 것을 알 수 있다. 이에 비해, No. 2, 10 및 11에서는 산소 함유량, No. 12에서는 수소 함유량, No. 13에서는 염소 함유량, No. 14에서는 구리 함유량, No. 15에서는 마그네슘 함유량, No. 18에서는 산소 및 마그네슘의 함유량, No. 19에서는, 염소, 구리 및 마그네슘의 함유량이 본 발명에서 바람직하다고 하는 규정 범위를 초과하고 있다. 이 결과로부터, 성막시의 방전 상태를 양호하게 하여 효율적으로 본 발명의 절삭공구용 경질피막을 얻기 위해서는, 타겟중의 불순물(산소, 수소, 염소, 구리 및 마그네슘)의 함유량을 본 발명의 규정 범위내로 하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.

본 발명은 이상과 같이 구성되어 있고, Ti, Al, Cr, Si 및 B의 성분 조성을 본 발명과 같이 제어함으로써, 종래의 절삭공구용 경질피막보다도 내마모성이 우수한 경질피막을 얻을 수 있다. 이러한 경질피막의 실현에 의해, 고속 절삭이나 담금질 강 등 고경도 강의 절삭에 이용할 수 있는 긴 수명의 절삭공구를 공급할 수 있게 된다.

Claims

(Ti_1-a-b-c-d, Al_a, Cr_b, Si_c, B_d)(C_1-eN_e)로 이루어진 경질피막으로서,

0.5≤a≤0.8, 0.06≤b, 0≤c≤0.1, 0≤d≤0.1, 0≤c+d≤0.1, a+b+c+d<1 및 0.5≤e≤1(a, b, c 및 d는 각각 Al, Cr, Si 및 B의 원자비를 나타내고, e는 N의 원자비를 나타낸다. 이하 동일)인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 경질피막.
제 1 항에 있어서,

상기 c의 값이 0을 초과하는 절삭공구용 경질피막.
제 1 항에 있어서,

상기 a 및 b의 값이 0.02≤1-a-b≤0.30, 0.55≤a≤0.765 및 0.06≤b, 또는 0.02≤1-a-b≤0.175, 0.765≤a 및 4(a-0.75)≤b인 절삭공구용 경질피막.
제 3 항에 있어서,

상기 (c+d)의 값이 0인 절삭공구용 경질피막.
제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 e의 값이 1인 절삭공구용 경질피막.
제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

결정 구조가 암염 구조형을 주체로 하는 것인 절삭공구용 경질피막.
제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

θ-2θ법에 의한 X선 회절로 측정되는 암염 구조형의 (111)면, (200)면 및 (220)면의 회절선 강도를 각각 I(111), I(200) 및 I(220)으로 할 때, 이들 값이 하기 수학식 1 및/또는 수학식 2와 수학식 3을 만족시키는 절삭공구용 경질피막.

수학식 1

I(220)≤I(111)

수학식 2

I(220)≤I(200)

수학식 3

I(200)/I(111)≥0.1
제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

Cu의 Kα선을 이용한 θ-2θ법에 의한 X선 회절로 측정되는 암염 구조형의 (111)면의 회절선의 회절 각도가 36.5 내지 38.0°의 범위내에 있는 절삭공구용 경질피막.
제 8 항에 있어서,

상기 (111)면의 회절선의 반값 폭이 1° 이하인 절삭공구용 경질피막.
제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 기재된 절삭공구용 경질피막이 피복된 경질피막 피복 절삭공구.
제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 기재된 절삭공구용 경질피막의 제조방법으로서, 성막 가스 분위기중에서 금속을 증발시켜 이온화하고, 상기 금속과 함께 성막 가스의 플라즈마화를 촉진시키면서 성막하는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 경질피막의 제조방법.
제 11 항에 있어서,

타겟을 구성하는 금속의 증발 및 이온화를 아크 방전으로 수행하는 아크 이온 플레이팅법에서, 상기 타겟의 증발면에 거의 직교하여 전방으로 발산 내지 평행하게 진행하는 자력선을 형성하고, 이 자력선에 의해 피처리체 근방에서의 성막 가스의 플라즈마화를 촉진시키면서 성막하는 절삭공구용 경질피막의 제조방법.
제 12 항에 있어서,

상기 피처리체에 인가하는 바이어스 전위가 어스 전위에 대하여 -50V 내지 -400V인 절삭공구용 경질피막의 제조방법.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,

성막시의 상기 피처리체 온도를 300℃ 이상 800℃ 이하로 하는 절삭공구용 경질피막의 제조방법.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,

성막시의 반응 가스의 분압 또는 전압을 0.5㎩ 이상 7㎩ 이하로 하는 절삭공구용 경질피막의 제조방법.
Ti, Al, Cr, Si 및 B로 이루어지고, 상대 밀도가 95% 이상인 것을 특징으로 하는 경질피막 형성용 타겟.
제 16 항에 있어서,

(Ti_1-x-y-z-w, Al_x, Cr_y, Si_z, B_w)로 이루어지되, 0.5≤x≤0.8, 0.06≤y, 0≤z≤0.1, 0≤w≤0.1, 0≤z+w≤0.1 및 x+y+z+w<1(x, y, z 및 w는 각각 Al, Cr, Si 및 B의 원자비를 나타낸다. 이하 동일)인 경질피막 형성용 타겟.
제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,

상기 타겟중에 존재하는 구멍의 크기가 반경 0.3㎜ 미만인 경질피막 형성용 타겟.
제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,

산소 함유량이 0.3 질량% 이하이고, 수소 함유량이 0.05 질량% 이하이고, 염소 함유량이 0.2 질량% 이하인 경질피막 형성용 타겟.
제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,

Cu 함유량이 0.05 질량% 이하이고, Mg 함유량이 0.03 질량% 이하인 경질피막 형성용 타겟.