KR20110095163A

KR20110095163A - 경질 코팅이 코팅된 부재, 공구 및 타겟

Info

Publication number: KR20110095163A
Application number: KR1020110013148A
Authority: KR
Inventors: 겐지 야마모또; 저먼 폭스-라비노비치
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2010-02-16
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2011-08-24
Also published as: US20110197786A1; KR101280651B1; US8475942B2; CN102162083A; EP2362004A1; EP2362004B1; JP2011190529A; JP5438665B2; CN104674163A

Abstract

양호한 내마모성을 갖는 경질 코팅으로 피복된 부재, 해당 부재를 사용하는 공구 및 상기 경질 코팅을 형성하는 타겟이 제공된다. 경질 코팅이 코팅된 부재는 기재 상에 경질 코팅을 가지며, 해당 경질 코팅은 (Ti_aCr_bAl_cSi_dY_eR_f)(C_yN_z)의 조성을 갖되, R은 Ho, Sm, Dy 및 La 중에서 선택된 적어도 하나의 원소이고, 하첨자 a, b, c, d, e, f, y 및 z 각각이 원자 비율을 나타낼 때, 0.05≤a≤0.3, 0.05≤b≤0.3, 0.4≤c≤0.65, 0≤d≤0.05, 0≤e≤0.05, 0.005≤f≤0.05, a+b+c+d+e+f=1, 0≤y≤0.3, 0.7≤z≤1 및 y+z=1을 만족한다.

Description

경질 코팅이 코팅된 부재, 공구 및 타겟{HARD-COATING-COATED MEMBER, TOOL, AND TARGET}

본 발명은 경질 코팅으로 피복된 표면을 갖는 경질 코팅이 코팅된 부재, 이런 부재를 이용하는 공구 및 경질 코팅을 형성하는 타겟에 관한 것이다.

과거, TiAlN을 포함하는 경질 코팅재는 내산화성을 향상시켜 공구 수명을 연장하기 위해 마찰 열로 야기되는 고온에 사용되는 절삭 공구 등의 공구에 사용되었다. 또한, 코팅재의 내산화성의 향상에 있어 Si, Y 등의 추가가 연구되었다.

예컨대 일본 특허 공개 JP-A-2003-71611호에 개시된 절삭 공구용 경질 코팅은 (Ti₁ _-a-b-c-d, Al_a, Cr_b, Si_c, B_d)(C₁ _- _eN_e)(0.5≤a≤0.8, 0.06≤b, 0≤c≤0.1, 0≤d≤0.1, 0.01≤c+d≤0.1, a+b+c+d<1, 0.5≤e≤1)(여기서, a, b, c, d는 Al, Cr, Si, B 각각의 원자 비율, e는 N의 원자 비율)을 포함한다.

또한, 예컨대 일본 특허 공개 JP-A-2008-7835에 개시된 내산화성이 우수한 경질 코팅은 (M)_aCr_bAl_cSi_dB_eY_fZ을 포함한다(M은 주기율표의 4a, 5a, 6a족 원소 중에서 선택된 적어도 하나의 원소(Cr 제외)를 지시하고, Z는 N, CN, NO 및 CNO 중 하나이고, a+b+c+d+e+f=1, 0<a≤0.3, 0.05≤b≤0.4, 0.4≤c≤0.8, 0≤d≤0.2, 0≤e≤0.2, 0.01≤f≤0.1(a, b, c, d, e, f는 M, Cr, Al, Si, B, Y 각각의 원자 비율을 지시함)).

그러나, 이런 경질 코팅은 다음의 어려움을 갖는다.

관련 기술 분야에서, 경질 코팅의 내산화성을 향상시켜 내마모성을 향상시키기 위해 각각 소정량의 소정 원소를 경질 코팅에 첨가한다.

그러나 절삭 공구 등의 절삭 속도가 최근 빨라져서 이런 고속의 절삭 속도에 의해 야기되는 마찰 열의 증가에 따라 사용될 공구가 쉽게 마모되는 곤란이 뒤따른다. 따라서 이런 절삭 속도의 증가를 만족시키기 위해 경질 코팅의 경우 높은 내산화성 또는 높은 내마모성이 손상받는다.

우수한 내마모성을 갖는 경질 코팅으로 피복된 부재와 이런 부재를 사용하는 공구 및 경질 코팅을 형성하는 타겟을 제공하는 것이 요망된다.

본 발명의 일 실시 양태에 따른 경질 코팅이 코팅된 부재(이하, 적절하게 부재로 칭함)는 기재 상에 경질 코팅(이하 적절하게 코팅으로 칭함)을 가지며, 해당 경질 코팅은 (Ti_aCr_bAl_cSi_dY_eR_f)(C_yN_z)의 조성을 갖되, R은 Ho, Sm, Dy 및 La 중에서 선택된 적어도 하나의 원소이고, 하첨자 a, b, c, d, e, f, y, z 각각이 원자 비율을 나타낼 때, 0.05≤a≤0.3, 0.05≤b≤0.3, 0.4≤c≤0.65, 0≤d≤0.05, 0≤e≤0.05, 0.005≤f≤0.05, a+b+c+d+e+f=1, 0≤y≤0.3, 0.7≤z≤1 및 y+z=1을 만족한다. R은 예컨대, La 이외의 Ho, Sm 및 Dy의 3개 원소 중에서 선택된 적어도 하나일 수 있거나, La와 Ho, Sm 및 Dy의 3개 원소 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.

이런 구성에 따르면, 코팅은 각각 소정량의 Ti와 N을 함유하여 코팅의 경도를 향상시키며, 안정한 입방 구조인 TiN 및/또는 CrN에 용해되어 준안정 입방 구조 AlN을 형성하도록 소정량의 Al을 함유하여 코팅의 경도를 향상시킨다. 이들은 부재의 내마모성을 향상시킨다. 더욱이, 코팅은 소정량의 R(Ho, Sm, Dy 및 La 중에서 선택된 적어도 하나의 원소, 이하 동일함)을 함유하고, 필요에 따라 각각 소정량의 Si 및/또는 Y를 함유하고, 이들은 코팅의 내산화성을 향상시킨다. 또한, 코팅은 해당 코팅의 입방 결정 구조가 유지되도록 소정량의 Cr을 함유하고, 이것도 코팅의 내산화성을 향상시킨다. 이들 원소는 부재의 내마모성을 향상시킨다. 필요에 따라, 코팅은 소정량의 C를 함유함으로써 코팅은 탄소 질화물의 형태로 존재한다.

본 발명의 다른 실시 양태에 따른 경질 코팅이 코팅된 부재는 기재 상에 경질 코팅을 가지며, 해당 경질 코팅은 (Ti_aCr_bAl_cSi_dY_eR_fHf_g)(C_yN_z)의 조성을 갖되, R은 Ho, Sm, Dy 및 La 중에서 선택된 적어도 하나의 원소이고, 하첨자 a, b, c, d, e, f, g, y, z 각각이 원자 비율을 나타낼 때, 0.05≤a≤0.3, 0.05≤b≤0.3, 0.4≤c≤0.6, 0≤d≤0.05, 0≤e≤0.05, 0.005≤f≤0.05, 0<g≤0.35, a+b+c+d+e+f+g=1, 0≤y≤0.3, 0.7≤z≤1 및 y+z=1을 만족한다. R은 예컨대, La 이외의 Ho, Sm 및 Dy의 3개 원소 중에서 선택된 적어도 하나일 수 있거나, La와 Ho, Sm 및 Dy의 3개 원소 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.

이런 구성에 따르면, 코팅은 각각 소정량의 Ti, Cr, Al, R 및 N을 함유하고 필요에 따라 각각 소정량의 Si 및/또는 Y를 함유하여 코팅의 경도를 증가시키고 코팅의 내산화성을 향상시킨다. 코팅은 코팅의 경도를 더 향상시키는 소정량의 Hf를 더 함유함으로써 부재의 내마모성을 더 향상시킨다. 이들은 부재의 내마모성을 더 향상시킨다. 필요에 따라 코팅은 소정량의 C를 함유함으로써 코팅은 탄소 질화물의 형태로 존재한다.

본 발명의 일 실시 양태에 따른 공구는 경질 코팅이 코팅된 부재를 포함한다.

이런 구성에 따르면, 공구는 부재를 구비함으로써 공구의 내마모성이 향상된다.

본 발명의 일 실시 양태에 따른 타겟은 아크 이온 도금 공정에 의해 경질 코팅을 증착하는데 사용되며, 여기서 타겟은 상기 코팅과 동일한 조성비의 코팅과 동일한 금속 원소와 동일한 희토류 원소를 함유한다.

이런 구성에 따르면, 타겟은 부재의 코팅과 동일한 조성을 가지므로, 해당 조성을 갖는 코팅은 아크 이온 도금 증발법에 의해 쉽고 간단하게 형성될 수 있다.

본 발명의 실시 양태에 따른 경질 코팅이 코팅된 부재는 내마모성이 양호하므로 절삭 공구 또는 다이 등의 공구를 위한 부재로서 바람직하게 사용되면서 해당 공구의 내구성을 향상시킨다. 또한, 본 발명의 실시 양태에 따른 공구는 내마모성이 양호하므로 절삭 공구 또는 다이들의 성형 공구로서 바람직하게 사용되면서 그러한 공구의 내구성을 향상시킨다. 본 발명의 실시예에 따른 타겟이 사용됨으로써 본 발명의 실시예에 따른 경질 코팅이 코팅된 부재의 구성을 위한 경질 코팅이 아크 이온 도금 증발법에 의해 쉽고 간단하게 형성될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 양태에 따른 경질 코팅이 코팅된 부재의 단면도.
도 2는 증착 장치의 개략도.

이하, 도면을 참조로 본 발명의 일 실시 양태에 따른 경질 코팅이 코팅된 부재를 상세히 설명한다.

경질 코팅이 코팅된 부재

제1 실시 양태

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 양태에 따른 경질 코팅이 코팅된 부재(부재)(1)(1a)는 기재(2) 상의 경질 코팅(코팅)(3)(3a)을 포함한다.

이하 상기 부재를 구체적으로 설명한다.

기재

기재(2)는 소결된 경질 금속, 금속 탄화물을 포함하는 철계 합금, 서멧(cermet) 및 고속도강을 포함한다. 그러나, 기재(2)는 이들에 한정되지 않으며, 인서트, 드릴, 엔드밀(endmill) 등의 절삭 공구와 스탬핑 다이, 단조 다이, 성형 다이, 펀칭 다이 및 트리밍 다이를 포함하는 공구의 부재에 사용될 수 있는 소재이면 임의의 소재가 사용될 수 있다.

경질 코팅

해당 코팅(3a)은 (Ti_aCr_bAl_cSi_dY_eR_f)(C_yN_z)의 조성을 갖되, R은 Ho, Sm, Dy 및 La 중에서 선택된 적어도 하나의 원소이고, 하첨자 a, b, c, d, e, f, y, z 각각이 원자 비율을 나타낼 때, 0.05≤a≤0.3, 0.05≤b≤0.3, 0.4≤c≤0.65, 0≤d≤0.05, 0≤e≤0.05, 0.005≤f≤0.05, a+b+c+d+e+f=1, 0≤y≤0.3, 0.7≤z≤1 및 y+z=1을 만족한다.

이와 같이, 코팅(3a)의 기본 조성은 입방 암염 구조를 갖는 (TiCrAl)N이고, 각각 0.424 nm, 0.412 nm 및 0.414 nm의 서로 다른 격자 상수를 갖는 TiN, CrN 및 AlN이 혼합됨으로써, 격자 왜곡에 따라 코팅의 경도가 증가된다. 또한, 이런 조성에 R(Ho, Sm, Dy 및 La 중에서 선택된 적어도 하나의 원소)이 첨가된다. 즉, 본 발명의 실시 양태에서, Ti가 먼저 첨가되어 코팅(3a)의 경도가 전체적으로 증가되고, Ho, Sm, Dy 및 La 중에서 선택된 적어도 하나의 원소가 이후 첨가됨으로써 내산화성이 현저하게 향상된다.

[Ti: a(0.05≤a≤0.3, a+b+c+d+e+f=1)]

하첨자 a는 Ti의 원자 비율을 지시한다. 코팅의 경도 증가를 위해 원자 비율로 0.05 이상의 Ti가 첨가될 필요가 있다. 그러나, 원자 비율로 0.3이 넘는 Ti의 첨가는 내산화성의 감소를 야기하므로, 원자 비율로 0.3이 상한이다. 바람직하게는, 원자 비율로 0.1 내지 0.3의 Ti가 첨가된다.

[Cr: b(0.05≤b≤0.3, a+b+c+d+e+f=1)]

하첨자 b는 Cr의 원자 비율을 지시한다. Cr은 내산화성을 향상시키기 위해 코팅(3a)의 입방 결정 구조를 유지하는데 필요하고, 원자 비율로 0.05 이상 첨가되는 것이 필요하다. 그러나, 원자 비율로 0.3이 넘는 Cr이 첨가되면, 코팅(3a)의 전체 경도가 감소되는 경향이 있고, 그에 따라 원자 비율로 0.3이 상한이다. 바람직하게는, 원자 비율로 0.1 내지 0.3의 Cr이 첨가된다.

[Al: c(0.4≤c≤0.65, a+b+c+d+e+f=1)]

하첨자 c는 Al의 원자 비율을 지시한다. AlN은 원래 육방 결정 구조를 갖는 안정한 화합물이다. 그러나, AlN은 안정한 입방 구조인 TiN 또는 CrN에 용해되어 준안정 입방 구조 AlN을 형성함으로써 코팅의 경도의 증가를 가져온다. Al의 첨가는 상부면에 Al-풍부 산화물이 형성되게 하며, 이것은 코팅의 내산화성을 향상시킨다. 따라서, 원자 비율로 0.4 이상의 Al이 첨가될 필요가 있다. 그러나, 원자 비율로 0.65가 넘는 Al이 첨가되면, 코팅(3a)의 결정 구조가 육방 구조로 변경되어 코팅의 경도 감소를 가져온다. 따라서, 원자 비율로 0.65가 상한이다. 바람직하게는, 원자 비율로 0.45 내지 0.55의 Al이 첨가된다.

[Si: d(0≤d≤0.05, a+b+c+d+e+f=1)]

[Y: e(0≤e≤0.05, a+b+c+d+e+f=1)]

하첨자 d는 Si의 원자 비율을 지시하고, 하첨자 e는 Y의 원자 비율을 지시한다. Si와 Y는 반드시 함께 첨가될 필요는 없으며, Si와 Y 중 어떤 것도 추가의 내산화성 향상을 위해 효과적으로 첨가된다.

구체적으로, d+e>0.01이 바람직하다. 부다 구체적으로, Si와 Y는 함께 첨가된다(구체적으로 d>0.01, e>0.01). Si와 Y 각각은 원자 비율로 0.05 이하만큼 효과적으로 첨가된다. 원자 비율로 0.05가 넘는 Si 또는 Y가 첨가되면, 코팅(3a)의 결정 구조가 변경되어 코팅의 경도의 감소를 가져온다. 따라서, 각각의 Si와 Y에서 원자 비율로 0.05가 상한이다. 바람직하게, Si와 Y 각각은 원자 비율로 0.03 이하만큼 첨가된다.

[R: f(0.005≤f≤0.05, a+b+c+d+e+f=1)]

하첨자 f는 R의 원자 비율을 지시한다. 내산화성의 향상에 필요한 R(Ho, Sm, Dy 및 La 중에서 선택된 적어도 하나)은 원자 비율로 0.005 이상만큼 첨가될 필요가 있다. 그러나, 원자 비율로 0.05가 넘는 R이 첨가되면, 결과적으로 내산화성이 감소된다. 따라서 원자 비율로 0.05가 상한이다. 바람직하게는, 원자 비율로 0.01 내지 0.03의 R이 첨가된다. 특히, Ho 또는 La는 특별히 내산화성을 효과적으로 향상시키기 때문에 첨가 원소로서 바람직하다.

R은 예컨대 단일로 첨가되는 Ho, Sm, Dy 또는 La의 원소일 수 있다. 대안으로서, 예컨대 R은 La와 Ho, Sm 및 Dy 중에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함, 즉 La와 Ho, Sm, Dy 중 적어도 하나의 조합일 수 있다. Ho, Sm 및 Dy 중에서 선택된 적어도 하나의 원소는 La의 첨가없이 첨가될 수 있다. 코팅의 내산화성을 향상시키는 원소 중에서 Si, Y, Ho, Sm 또는 Dy가 첨가되어 코팅의 표면 상에 형성된 산화막을 조밀화함으로써 코팅의 내산화성을 향상시킨다. 이에 비해, La의 첨가는 코팅에서 원소의 확산을 억제하여 내산화성을 향상시킨다. 따라서, 내산화성을 향상시키는 메커니즘이 다른 이런 원소들이 혼합 첨가되어 추가적인 내산화성의 향상이 얻어진다.

[C: y(0≤y≤0.3, y+z=1)]

하첨자 y는 C의 원자 비율을 지시한다. 본 발명의 실시 양태에 따른 화합물은 증착 중에 C를 함유하는 가스의 도입을 통해 질화물 형태는 물론 탄질화물 형태일 수 있다. 이런 경우, 원자 비율로 0.3이 넘는 C가 첨가시, 코팅의 내산화성 및 경도가 감소되므로 원자 비율로 0.3이 상한이다. 바람직하게, 원자 비율로 0.2 이하의 C가 첨가된다.

[N: z(0.7≤z≤1, y+z=1)]

하첨자 z는 N의 원자 비율을 지시한다. N은 내산화성의 향상을 위해 코팅(3a)의 경도를 증가시키는 필수 원소이고, 원자 비율로 0.7 이상만큼 첨가될 필요가 있다.

전술한 바와 같이, Ti, Cr, Al, R 및 N은 필수 성분이고, Si, Y 및 C는 선택적 성분이다. 따라서, 코팅(3a)의 성분 조합은 (TiCrAlR)N, (TiCrAlSiR)N, (TiCrAlYR)N, (TiCrAlSiYR)N, (TiCrAlR)(CN), (TiCrAlSiR)(CN), (TiCrAlYR)(CN), (TiCrAlSiYR)(CN)을 포함한다.

제2 실시 양태

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 양태에 따른 경질 코팅이 코팅된 부재(부재)(1)(1b)는 기재(2) 상의 경질 코팅(코팅)(3)(3b)을 포함한다.

이하 상기 부재를 구체적으로 설명한다. 기재(2)는 제1 실시 양태의 기재(2)와 동일하므로 기재의 설명은 생략한다.

경질 코팅

해당 코팅(3b)은 (Ti_aCr_bAl_cSi_dY_eR_fHf_g)(C_yN_z)의 조성을 갖되, R은 Ho, Sm, Dy 및 La 중에서 선택된 적어도 하나의 원소이며, 하첨자 a, b, c, d, e, f, g, y, z 각각이 원자 비율을 나타낼 때, 0.05≤a≤0.3, 0.05≤b≤0.3, 0.4≤c≤0.6, 0≤d≤0.05, 0≤e≤0.05, 0.005≤f≤0.05, 0<g≤0.35, a+b+c+d+e+f+g=1, 0≤y≤0.3, 0.7≤z≤1 및 y+z=1을 만족한다.

제2 실시 양태의 부재(1b)의 코팅(3b)에서, 제1 실시 양태의 부재(1a)의 코팅(3a)의 조성에 Hf가 추가로 함유된다. 또한, Al의 함량은 그에 따라 원자 비율로 0.6 이하이다. 다른 구성은 a+b+c+d+e+f+g=1인 것을 제외하고 제1 실시 양태와 동일하므로 이들에 대한 설명은 생략하고 Hf와 Al의 상한만을 설명한다.

[Hf: g(0<g≤0.35, a+b+c+d+e+f+g=1)]

[Al: c(0.4≤c≤0.6, a+b+c+d+e+f+g=1)]

하첨자 g는 Hf의 원자 비율을 지시한다. 상대적으로 큰 격자 상수(HfN, 0.452 nm)를 갖는 Hf가 코팅(3b)에 첨가됨으로써 코팅(3b)의 경도가 증가된다. 이런 효과를 기대할 때, 바람직하게는 원자 비율로 0.01 이상의 Hf가 첨가된다. 그러나, 원자 비율로 0.35가 넘는 Hf가 첨가시, 코팅(3b)의 결정 구조는 육방 구조로 변경되는 경향이 있어서 코팅의 경도 감소를 가져온다. 바람직하게, 원자 비율로 0.2 이하, 보다 바람직하게는 0.15 이하의 Hf가 첨가된다.

Hf 첨가시, 코팅의 결정 구조는 육방 구조로 변경되는 경향이 있어서 Al의 함량은 원자 비율로 최대 0.6일 필요가 있다.

전술한 바와 같이, Ti, Cr, Al, R, Hf 및 N은 필수 성분이고, Si, Y 및 C는 선택적 성분이다. 따라서, 코팅(3b)의 성분 조합은 (TiCrAlRHf)N, (TiCrAlSiRHf)N, (TiCrAlYRHf)N, (TiCrAlSiYRHf)N, (TiCrAlRHf)(CN), (TiCrAlSiRHf)(CN), (TiCrAlYRHf)(CN) 및 (TiCrAlSiYRHf)(CN)을 포함한다.

부재(1)(1a 또는 1b)에서, 코팅(3)(3a 또는 3b)은 바람직하게는 아크 이온 도금 증발법으로 형성되지만, 코팅은 비평형 마그네트론 스퍼터링 증발법으로 형성될 수 있다. 아크 이온 도금 증발법을 사용하는 증착 장치로서, 예컨대 다음과 같은 증착 장치가 사용된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 증착 장치(10)는 배기를 위한 배기 포트를 갖는 챔버(11)와, 증착 가스와 희가스를 공급하는 가스 공급구(15)와, 아크 증발 소스(12)에 연결된 아크 소스(13)와, 처리 대상물(기재(2))을 지지하는 기재 스테이지(16) 상의 지지 스테이지(17)와, 지지 스테이지(17)와 챔버(11) 사이에서 지지 스테이지(17)를 통해 처리 대상물에 네거티브 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 공급부(14)를 포함한다. 또한, 장치(10)는 히터(18), 방전용 DC 전원 공급부(19), 필라멘트 가열용 AC 전원 공급부(20) 및 필라멘트(21)를 포함한다. 본 발명의 실시 양태에 따른 부재의 획득을 위한 증착에서, 가스 공급구(15)로부터 챔버(11) 내로 공급되는 가스로서 증착 성분(코팅 조성)에 따른 질소(N₂), 메탄(CH₄)과 같은 증착 가스와 아르곤과 같은 희가스의 혼합 가스가 사용된다.

증착 방법의 일 예로서, 우선 증착 장치(10) 내로 기재(2)가 도입된 후, 1x10^-3 Pa 이하의 압력으로 장치가 배기되고, 그 후 기재(2)가 550℃로 가열된다. 그 후, Ar 이온을 사용하여 스퍼터링 세정을 행한 후 챔버(11) 내로 4 Pa까지 질소를 도입하고, 각각의 타겟을 사용하여 150A의 전류치로 아크 방전함으로써 기재(2) 상에 질화물을 형성한다. 코팅에 C가 첨가될 때, 메탄 가스도 역시 0.1 내지 0.5 Pa 범위 내로 도입된다. 증착시, 바이어스 전압은 접지 전위에 대해 -100 V이다.

코팅(3)의 조성은 예컨대 EDX(에너지 분산 X-선 분광계)에 의한 EDX 분석에 의해 측정될 수 있다.

다음, 본 발명의 일 실시 양태에 따른 공구를 설명한다.

공구

공구(도시 생략)는 경질 코팅이 코팅된 부재(1)(1a 또는 1b)를 포함한다. 공구는 부재(1)를 포함하므로, 공구는 내마모성이 우수하고, 바람직하게는 절삭 공구 또는 다이와 같은 성형 공구로서 사용될 수 있는 한편, 그러한 공구의 내구성을 향상시킨다. 절삭 공구는 예컨대 팁, 드릴 및 엔드밀을 포함할 수 있다. 다이는 예컨대 스탬핑 다이, 단조 다이나 몰딩 다이와 같은 소성 가공 다이, 펀칭 다이나 트리밍 다이와 같은 전단 다이 및 다이 캐스트 다이를 포함할 수 있다.

다음, 본 발명의 일 실시 양태에 따른 타겟을 설명한다.

타겟

타겟(도시 생략)은 아크 이온 도금 공정에 의해 경질 코팅, 여기서는 경질 코팅(3)(3a 또는 3b)을 증착하는 데 사용된다. 타겟은 코팅(3)(3a 또는 3b)에서와 동일한 조성비의 코팅(3)(3a 또는 3b)에서와 동일한 금속 원소(반-금속 원소 Si 포함)와 동일한 희토류 원소를 함유한다. 즉 타겟은 코팅(3a)에서와 동일한 조성비의 제1 실시 양태의 코팅(3a)에서와 동일한 금속 원소(Ti, Cr, Al, Si) 및 동일한 희토류 원소(Y, Ho, Sm, Dy, La)를 함유하거나, 코팅(3b)에서와 동일한 조성비의 제2 실시 양태의 코팅(3b)에서와 동일한 금속 원소(Ti, Cr, Al, Si, Hf) 및 동일한 희토류 원소(Y, Ho, Sm, Dy, La)를 함유한다.

특별히 한정되지 않은 타겟의 제조 방법은 예컨대 타겟을 얻기 위한 효과적인 방법으로서 분말 야금법을 포함하고, 성분비, 입자 크기 등이 적절히 조절된 Ti 분말, Cr 분말, Al 분말, Si 분말, Y 분말, Hf 분말 및 R 원소의 분말을 포함하는 재료가 V 믹서 등에 의해 혼합 분말로 균일하게 혼합된 후, 해당 혼합 분말이 냉간 정압 성형(Cold Isostatic Pressing: CIP) 처리 또는 열간 정압 성형(Hot Isostatic Pressing: HIP) 처리된다. 타겟이 HIP 처리(HIP 방법)를 사용하는 방법에 의해 형성될 때, HIP 처리는 400℃ 내지 500℃의 소결 온도와 1000 기압의 압력의 조건에서 수행되는 것이 바람직하다.

또한, 타겟은 열간 압출법, 초고압 고온 성형법, 고온 단조법, 온간 단조법 등에 의해 제조될 수 있다. 또한, 본 방법은 혼합 분말을 위와 같은 방법으로 마련하고 해당 혼합 분말을 타겟이 제조되도록 열간 성형(Hot Pressing: HP) 처리하는 방법 또는 혼합 분말 대신에 이미 합금화된 분말을 사용하여 해당 합금화된 분말을 CIP 처리 또는 HIP 처리하거나 분말을 용융후 응고시키는 것으로 타겟을 얻는 방법을 포함한다.

실시예

이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 설명한다. 본 발명은 이런 실시예에 한정되지 않으며, 그 전체가 본 발명의 기술적 범위 내에 포괄되는 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형 또는 변경이 이루어질 수 있다.

분말 야금법으로 준비된 다양한 종류의 타겟을 가지고, 도 2에 도시된 바와 같은 증착 장치로서 음극-방전 아크 이온 도금 장치를 사용하여, 경면 연마된 소결 경금속(hard metal)(JIS P) 기재, 소결된 경합금 엔드밀(10 mm 직경, 6개의 세로홈(flutes)) 및 백금 포일(30 mm 길이, 5 mm 폭, 0.1 mm 두께)을 포함하는 기재 상에 코팅을 행하였다. 500℃의 소결 온도와 1000 기압의 압력에서 응고/청징(fining)이 행해진 HIP 방법을 사용하여 타겟을 준비하였다.

우선 증착 장치 내로 기재를 도입한 다음, 1*10^-3 Pa 이하의 압력으로 장치를 배기시키고, 기재를 550℃로 가열했다. 그 후, Ar 이온을 사용하여 스퍼터링 세정을 행한 후 챔버 내로 4 Pa까지 질소를 도입하고, 각각의 타겟을 사용하여 150A의 전류치로 아크 방전함으로써 기재 상에 질화물을 형성하였다. 코팅에 C가 첨가될 때, 메탄 가스도 역시 0.1 내지 0.5 Pa 범위 내로 도입시켰다. 증착시, 바이어스 전압은 그라운드 전위에 대해 -100 V였다.

증착이 완료시, 각 코팅 내의 금속 성분의 조성을 분석하였고, 각 코팅의 경도 및 산화 시작 온도를 측정하였으며, 그외에 내마모성을 평가했다. 이들은 이하 설명되며, 결과는 표 1-3에 나타낸다. 표에서 "-"의 의미는 관련 성분이 함유되지 않음을 의미하고 본 발명의 구성을 만족하지 않는 수치값은 밑줄로 나타낸다.

코팅 조성

증착된 코팅의 조성으로서 소결된 경금속 기재 상의 각 코팅 내의 금속 원소의 조성을 EDX 분석에 의해 측정했다.

경도

각 코팅의 경도로서 소결된 경금속 기재 상의 코팅의 비커스 경도를 측정했다(정상 온도, 0.25 N의 하중, 15초의 유지 시간).

산화 시작 온도

산화 시작 온도의 경우, 열균형을 이용했고, 백금 포일 상의 각각의 코팅 샘플을 건조 공기 중에서 가열하여(4℃/분의 가열 속도) 산화의 증가(산화물 질량의 증가)를 측정함으로써 각 코팅의 산화 시작 온도를 결정했다. 산화물 질량의 갑작스런 증가가 관찰되는 온도를 산화 시작 온도로서 정의했다.

내마모성

내마모성의 경우, 코팅으로 피복된 소결 경합금 엔드밀을 이용하여 다음 조건으로 절삭 시험을 수행했고, 내마모성의 평가를 위해 세로홈(flute) 제거 표면의 마모량(마모 폭)을 측정했다. 100 ㎛ 이하의 마모량을 갖는 샘플을 허용 가능한 것으로 간주하였다.

절삭 시험 조건

가공 재료: SKD11(HRC60)

절삭 속도: 150 m/분

이송 속도: 0.05 m/tooth

절삭부의 축방향 깊이: 5 mm

절삭부의 반경 방향 깊이: 0.1 mm

절삭 길이: 100 m

기타: 하향 절단, 건식 절단, 오직 공기 취입식(air blow only)

표 1 내지 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 필요 조건을 만족하는 본 발명의 실시예 No. 1 내지 No. 32는 본 발명의 필요 조건을 만족하지 않는 비교예 No. 33 내지 No. 49에 비해 마모량이 크게 적어서 우수한 내마모성을 나타냈다. 특히, 샘플 No. 1 내지 No. 25의 경우, R로서 Ho를 함유하고 Ti, Cr, Al, Si, Y 및 R(및 일부 경우 Hf) 각각의 함량이 바람직한 범위 내에 있는 샘플 No. 2, 6, 7, 8, 12, 14, 15, 16, 18, 19, 20, 22, 24 및 25는 높은 내마모성(마모량 30 ㎛ 이하)을 가진다. 특히, 원자 비율로 0.01 내지 0.15의 Hf를 함유하는 샘플 No. 18, 19, 24 및 25는 극히 높은 내마모성(마모량 15 ㎛ 이하)을 가진다.

샘플 No. 26 내지 No. 32의 경우, R로서 La를 함유하는 샘플(No. 26 내지 No. 32)도 높은 내마모성(마모량 25 ㎛ 이하)을 가진다. 특히, La와 Ho를 혼합 첨가한 샘플(No. 30 내지 No. 32)은 특히 높은 내마모성(마모량 18㎛ 이하)을 가진다. 또한, R로서 La를 함유하고 Ti, Cr, Al, Si, Y 및 R(및 일부의 경우 Hf) 각각의 함량이 바람직한 범위 내에 있는 샘플(No. 29, 31 및 32)은 매우 높은 내마모성(마모량 15 ㎛ 이하)을 가진다. 특히, 원자 비율로 0.01 내지 0.15의 Hf를 함유하는 샘플(No. 32)은 극히 높은 내마모성(마모량 8 ㎛ 이하)을 가진다.

다른 한편, 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 필요 조건을 만족하지 않는 비교예 No. 33 내지 49는 내마모성이 불량하다. 즉, Ti의 함량이 상한치보다 많고 Cr과 R 각각의 함량이 하한치보다 낮은 샘플 No. 33은 내마모성이 나쁘다. R의 함량이 하한치보다 낮은 샘플 No. 34는 내마모성이 나쁘다. R의 함량이 상한치보다 큰 샘플 No. 35는 내마모성이 나쁘다.

Si의 함량이 상한치보다 큰 샘플 No. 36은 내마모성이 나쁘다. Y의 함량이 상한치보다 큰 샘플 No. 37은 내마모성이 나쁘다. Ti, Cr 각각의 함량이 상한치보다 크고 Al의 함량이 하한치보다 낮은 샘플 No. 38은 내마모성이 나쁘다. Al의 함량이 상한치보다 큰 샘플 No. 39는 내마모성이 나쁘다. Ti의 함량이 하한치보다 낮은 샘플 No. 40은 내마모성이 나쁘다.

Ti의 함량이 상한치보다 큰 샘플 No. 41은 내마모성이 나쁘다. Cr의 함량이 하한치보다 낮은 샘플 No. 42는 내마모성이 나쁘다. Cr의 함량이 상한치보다 큰 샘플 No. 43은 내마모성이 나쁘다. C의 함량이 상한치보다 크고 N의 함량이 하한치보다 낮은 샘플 No. 44는 내마모성이 나쁘다.

Ti, Cr 각각의 함량이 상한치보다 크고 Al의 함량이 하한치보다 낮은 샘플 No. 45는 내마모성이 나쁘다. Ti의 함량이 하한치보다 낮은 샘플 No. 46은 내마모성이 나쁘다. Hf의 함량이 상한치보다 큰 샘플 No. 47은 내마모성이 나쁘다. Al의 함량이 하한치보다 낮은 샘플 No. 48은 내마모성이 나쁘다. Al의 함량이 상한치보다 큰 샘플 No. 49는 내마모성이 나쁘다.

이전의 실시 양태와 실시예를 참조로 본 발명에 따른 경질 코팅이 코팅된 부재, 공구 및 타겟을 상세히 설명하였지만, 본 발명의 요지는 설명된 내용에 한정되지 않으며, 발명의 권리범위는 특허청구범위의 설명을 기초로 넓게 해석되어야 한다. 발명의 내용은 전술한 설명을 기초로 광범위하게 변형 또는 변경될 수 있음을 알 것이다.

1: 경질 코팅이 코팅된 부재 2: 기재
3, 3a, 3b: 코팅 10: 증착 장치
11: 챔버 12: 아크 증발 소스
13: 아크 소스 14: 바이어스 공급부
15: 가스 공급구 16: 기재 스테이지
17: 지지 스테이지 18: 히터
19: 방전용 DC 전원 공급부 20: 필라멘트 가열용 AC 전원 공급부
21: 필라멘트

Claims

기재 상에 경질 코팅을 가지는 경질 코팅이 코팅된 부재로서,
상기 경질 코팅은 (Ti_aCr_bAl_cSi_dY_eR_f)(C_yN_z)의 조성을 갖되, R은 Ho, Sm, Dy 및 La 중에서 선택된 적어도 하나의 원소이고,
하첨자 a, b, c, d, e, f, y 및 z 각각이 원자 비율을 나타낼 때,
0.05≤a≤0.3,
0.05≤b≤0.3,
0.4≤c≤0.65,
0≤d≤0.05,
0≤e≤0.05,
0.005≤f≤0.05,
a+b+c+d+e+f=1,
0≤y≤0.3,
0.7≤z≤1 및
y+z=1을 만족하는, 경질 코팅이 코팅된 부재.
제1항에 있어서, R은 Ho, Sm 및 Dy 중에서 선택된 적어도 하나의 원소인, 경질 코팅이 코팅된 부재.
제1항에 있어서, R은 La와 Ho, Sm 및 Dy 중에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는, 경질 코팅이 코팅된 부재.
기재 상에 경질 코팅을 가지는 경질 코팅이 코팅된 부재로서,
상기 경질 코팅은 (Ti_aCr_bAl_cSi_dY_eR_fHf_g)(C_yN_z)의 조성을 갖되, R은 Ho, Sm, Dy 및 La 중에서 선택된 적어도 하나의 원소이고, 하첨자 a, b, c, d, e, f, g, y, z 각각이 원자 비율을 나타낼 때,
0.05≤a≤0.3,
0.05≤b≤0.3,
0.4≤c≤0.6,
0≤d≤0.05,
0≤e≤0.05,
0.005≤f≤0.05,
0<g≤0.35,
a+b+c+d+e+f+g=1,
0≤y≤0.3,
0.7≤z≤1 및
y+z=1을 만족하는, 경질 코팅이 코팅된 부재.
제4항에 있어서, R은 Ho, Sm 및 Dy 중에서 선택된 적어도 하나의 원소인, 경질 코팅이 코팅된 부재.
제4항에 있어서, R은 La와 Ho, Sm 및 Dy 중에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는, 경질 코팅이 코팅된 부재.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 경질 코팅이 코팅된 부재를 포함하는, 공구.
아크 이온 도금법으로 경질 코팅을 형성하는 타겟으로서,
상기 타겟은 상기 경질 코팅과 동일한 조성 비율로 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 경질 코팅과 동일한 금속 원소 및 동일한 희토류 원소를 함유하는, 타겟.