KR20210022119A

KR20210022119A - 경질 피막 및 경질 피막 피복 부재

Info

Publication number: KR20210022119A
Application number: KR1020217002404A
Authority: KR
Inventors: 메이 왕; 히로아키 스기타
Original assignee: 오에스지 가부시키가이샤
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2021-03-02
Also published as: US11447855B2; JP7110352B2; TW202014538A; DE112018007875T5; TWI720561B; KR102519786B1; JPWO2020026389A1; CN112888807B; CN112888807A; US20210292885A1; WO2020026389A1

Abstract

A 조성 (AlCrα 의 질화물), B 조성 (AlCrSiβ 의 질화물), 및 C 조성 (AlCr(SiC)γ 의 질화물) 중 2 종류의 단일 조성층인 A 층 (32) 및 B 층 (34) 과, A 조성, B 조성, 및 C 조성 중 2 개의 조성으로 이루어지는 2 종류의 나노레이어층 (나노레이어 A 층 (32n), 나노레이어 B 층 (34n)) 을 교대로 적층한 나노레이어 교호층 (36) 이, 각각 소정의 막두께로 교대로 적층됨으로써, 우수한 내마모성, 인성, 윤활성, 및 내용착성이 얻어지게 된다. 이로써, 예를 들어, 탄소강, 주철, 합금강, 스테인리스강 등의 각종 피삭재에 대한 절삭 가공에 있어서, 혹은 고속 가공이나 드라이 가공 등의 가혹한 가공 조건에 있어서, 공구의 장수명화를 실현할 수 있었다.

Description

경질 피막 및 경질 피막 피복 부재

본 발명은 경질 피막 및 경질 피막 피복 부재에 관한 것으로, 특히, 내마모성 및 내용착성이 우수한 경질 피막에 관한 것이다.

엔드 밀이나 밀링 커터, 드릴, 바이트, 칩 등의 절삭 공구, 스레드 포밍 탭, 전조 (轉造) 공구 등의 비절삭 공구 등의 여러 가지 가공 공구, 혹은 내마모성이 요구되는 마찰 부품 등의 각종 부재에 있어서, 초경합금이나 고속도 공구강 등의 모재의 표면에 경질 피막을 코팅하는 것이 실시되고 있다. 예를 들어, 특허문헌 1 에서는 AlCrN 계/AlTiSiN 계의 다층 구조의 경질 피막이 제안되어 있고, 특허문헌 2 에서는 AlCrN 계/CrN 계의 다층 구조의 경질 피막이 제안되어 있고, 특허문헌 3 에서는 AlCr 계/TiSi 계의 다층 구조의 경질 피막이 제안되어 있다.

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

그러나, 이와 같은 종래의 경질 피막에 있어서도, 피삭재의 종류나 절삭 속도 등의 가공 조건, 사용 조건 등에 따라 반드시 충분히 만족할 수 있는 내마모성, 내용착성이 얻어지지 않는 경우가 있어, 여전히 개량의 여지가 있었다. 예를 들어, AlCrN 계/CrN 계의 다층 구조의 경질 피막을 형성한 절삭 공구의 경우, 탄소강이나 주철 등의 절삭 가공에 사용되면, 내마모성이 충분하지 않은 경우가 있었다.

본 발명은 이상의 사정을 배경으로 하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 내마모성 및 내용착성이 우수한 새로운 구성의 경질 피막 및 경질 피막 피복 부재를 제공하는 것에 있다.

본 발명자들은 이상의 사정을 배경으로 하여 여러 가지 실험, 연구를 거듭하던 중, AlCrα [단, α 는 임의 첨가 성분으로, B, C, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소] 의 질화물로 이루어지는 A 조성, AlCrSiβ [단, β 는 임의 첨가 성분으로, B, C, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소] 의 질화물로 이루어지는 B 조성, 및 AlCr(SiC)γ [단, γ 는 임의 첨가 성분으로, B, C, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소] 의 질화물로 이루어지는 C 조성을 사용하여, 그것들을 소정의 막두께로 적층함으로써, 우수한 내마모성, 내용착성이 얻어지는 것을 알아냈다. 본 발명은, 이러한 지견에 기초하여 이루어진 것이다.

제 1 발명은, 모재의 표면을 피복하도록 그 표면에 부착되는 경질 피막으로서, (a) 상기 경질 피막은, A 조성, B 조성, 및 C 조성 중 어느 2 개의 조성으로 이루어지는 2 종류의 단일 조성층과, 상기 A 조성, 상기 B 조성, 및 상기 C 조성 중 어느 2 개의 조성으로 이루어지는 2 종류의 나노레이어층을 교대로 적층한 나노레이어 교호층의, 합계 3 종류의 층이 교대로 적층되어, 총 막두께가 0.5 ∼ 20 ㎛ 의 범위 내가 되도록 구성되어 있고, (b) 상기 A 조성은, 조성식이 Al_aCr_bα_c [단, a, b, c 는 각각 원자비로, 0.30 ≤ a ≤ 0.85, 0.15 ≤ b ≤ 0.70, 0 ≤ c ≤ 0.10, 또한 a ＋ b ＋ c = 1 이고, 임의 첨가 성분 α 는 B, C, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소이다] 의 질화물이고, (c) 상기 B 조성은, 조성식이 Al_dCr_eSi_fβ_g [단, d, e, f, g 는 각각 원자비로, 0.20 ≤ d ≤ 0.85, 0.10 ≤ e ≤ 0.50, 0.03 ≤ f ≤ 0.45, 0 ≤ g ≤ 0.10, 또한 d ＋ e ＋ f ＋ g = 1 이고, 임의 첨가 성분 β 는 B, C, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소이다] 의 질화물이고, (d) 상기 C 조성은, 조성식이 Al_hCr_i(SiC)_jγ_k [단, h, i, j, k 는 각각 원자비로, 0.20 ≤ h ≤ 0.85, 0.10 ≤ i ≤ 0.50, 0.03 ≤ j ≤ 0.45, 0 ≤ k ≤ 0.10, 또한 h ＋ i ＋ j ＋ k = 1 이고, 임의 첨가 성분 γ 는 B, C, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소이다] 의 질화물이고, (e) 상기 2 종류의 단일 조성층의 막두께는, 모두 0.5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내이고, (f) 상기 나노레이어 교호층을 구성하고 있는 상기 2 종류의 나노레이어층의 각 막두께는, 모두 0.5 ∼ 500 ㎚ 의 범위 내이고, 상기 나노레이어 교호층의 막두께는 1 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내인 것을 특징으로 한다.

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

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

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

제 4 발명은, 제 1 발명 또는 제 2 발명의 경질 피막에 있어서, (a) 상기 경질 피막은, 상기 모재와의 사이에 계면층을 구비하고 있고, (b) 상기 계면층은, (b-1) 상기 A 조성, 상기 B 조성, 및 상기 C 조성 중 어느 1 개의 조성으로 이루어지는 단일 조성층, (b-2) 상기 A 조성, 상기 B 조성, 및 상기 C 조성 중 어느 2 개의 조성으로 이루어지고, 각각 막두께가 0.5 ∼ 500 ㎚ 의 범위 내인 2 종류의 나노레이어층을 교대로 적층한 나노레이어 교호층, 및 (b-3) B, Al, Ti, Y, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, 및 W 중의 1 종류 이상의 원소로 이루어지는 금속의 질화물, 탄질화물, 또는 탄화물의 층의 합계 3 종류의 층 중 어느 1 개의 층으로 구성되어 있고, (c) 상기 계면층의 막두께는 10 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내인 것을 특징으로 한다.

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

제 6 발명은, 모재의 표면의 일부 또는 전부가 경질 피막에 의해 피복되어 있는 경질 피막 피복 부재로서, 상기 경질 피막은 제 1 발명 ∼ 제 5 발명 중 어느 경질 피막인 것을 특징으로 한다.

제 7 발명은, 제 6 발명의 경질 피막 피복 부재에 있어서, 상기 경질 피막 피복 부재는, 축심 둘레로 회전됨과 함께, 그 회전에 수반하여 절삭날이 단속적으로 절삭 가공을 실시하는 단속 절삭 공구인 것을 특징으로 한다.

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

이와 같은 본 발명의 경질 피막에 있어서, A 조성으로 이루어지는 단일 조성층은 고경도이고 내마모성이 우수하고, B 조성으로 이루어지는 단일 조성층은 고경도이고 내마모성, 내산화성이 우수하다. C 조성으로 이루어지는 단일 조성층은, Si 가 SiC (탄화규소) 라는 화합물의 형태로 존재하고 있기 때문에, 산소와의 결합성이 낮고, 또한 SiC 가 공유 결합이기 때문에, 고경도이고 1000 ℃ 이상에 있어서도 기계적 강도의 저하가 작고, 내열성, 내마모성, 내산화성이 우수하다. 나노레이어 교호층은, 고경도이고 내마모성, 인성, 및 내산화성이 우수하다. 또, A 조성 ∼ C 조성에 임의로 첨가되는 성분 α, β, γ 는, 10 at％ (원자％) 이하의 비율로 첨가됨으로써, 피막의 결정 입자를 미세화하고, 첨가량에 따라 피막의 입자경을 제어하는 것이 가능하고, 각 피막의 경도나 인성, 윤활성을 조정할 수 있다. 이와 같은 특성을 갖는 임의의 2 종류의 단일 조성층 및 나노레이어 교호층이, 각각 소정의 막두께로 교대로 적층됨으로써, 내마모성, 인성, 윤활성, 및 내용착성이 우수한 경질 피막이 얻어졌다. 이로써, 예를 들어, 절삭 공구의 경우, 탄소강, 주철, 합금강, 스테인리스강 등의 각종 피삭재에 대한 절삭 가공에 있어서, 혹은 고속 가공이나 드라이 가공 등의 가혹한 가공 조건에 있어서, 공구의 장수명화를 실현할 수 있었다.

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

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

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

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

제 6 발명은 경질 피막 피복 부재에 관한 것으로, 제 1 발명 ∼ 제 5 발명의 경질 피막이 형성됨으로써, 실질적으로 그것들의 발명과 동일한 작용 효과가 얻어진다.

제 7 발명은, 경질 피막 피복 부재가 엔드 밀이나 밀링 커터 등의 단속 절삭 공구인 경우로, 절삭날이 단속적으로 절삭 가공을 실시함으로써 반복 충격 하중이 가해짐과 함께 발열되기 쉽다. 이 때문에, 높은 내마모성이나 인성, 내용착성이 얻어지는 본 발명의 경질 피막이 바람직하게 사용된다.

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

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

경질 피막은, A 조성, B 조성, 및 C 조성 중 어느 2 개의 조성으로 이루어지는 2 종류의 단일 조성층과, A 조성, B 조성, 및 C 조성 중 어느 2 개의 조성으로 이루어지는 2 종류의 나노레이어층을 교대로 적층한 나노레이어 교호층의, 합계 3 종류의 층이 교대로 적층된 것이다. 따라서, 예를 들어, A 조성 및 B 조성으로 이루어지는 2 종류의 단일 조성층과, A 조성 및 B 조성의 2 개의 조성으로 이루어지는 2 종류의 나노레이어층을 교대로 적층한 나노레이어 교호층을 교대로 적층한 경우에는, C 조성은 필요없는 등, A 조성, B 조성, 및 C 조성 중 2 종류의 조성만으로 구성할 수도 있다. 또, 상기 2 종류의 단일 조성층 및 나노레이어 교호층의 적층 순서는 적절히 정해진다. 2 종류의 단일 조성층 및 나노레이어 교호층의 합계 3 종류의 층은, 미리 정해진 순서로 1 주기 이상 적층되고, 1 주기를 단위로 하여 적층하는 것이 바람직하지만, 예를 들어, 최하부의 층과 최상부의 층이 동일해지는 등, 최상부가 1 주기의 도중에 종료되어도 된다. 2 종류의 나노레이어층을 교대로 적층한 나노레이어 교호층에 대해서도 동일하다. 경질 피막의 총 막두께는, 계면층이나 표면층을 갖는 경우, 그것들의 계면층이나 표면층을 포함한 막두께이다.

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

경질 피막에는, 필요에 따라 표면층이 형성된다. 표면층은, A 조성, B 조성, 및 C 조성 중 어느 1 개의 조성으로 이루어지는 단일 조성층, 또는 A 조성, B 조성, 및 C 조성 중 어느 2 개의 조성으로 이루어지는 2 종류의 나노레이어층을 교대로 적층한 나노레이어 교호층이 적당하지만, 그 밖의 조성의 표면층을 형성하는 것도 가능하다. 표면층의 막두께는 5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내가 적당하지만, 그 수치 범위 외의 막두께로 해도 된다.

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

실시예

이하, 본 발명의 실시예를, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1 은, 본 발명이 적용된 경질 피막 피복 부재의 일례인 볼 엔드 밀 (10) 을 설명하는 정면도이고, 도 2 는 선단측으로부터 본 확대 바닥면도이다. 이 볼 엔드 밀 (10) 은, 초경합금으로 구성되어 있는 공구 모재 (12) (도 3 ∼ 도 8 참조) 를 구비하고 있고, 공구 모재 (12) 에는, 섕크 (14) 및 날부 (16) 가 일체로 형성되어 있다. 날부 (16) 에는, 외주날 (18) 및 볼날 (20) 로 이루어지는 절삭날이 축심에 대해 대칭적으로 1 쌍 형성되어 있고, 축심 둘레로 회전 구동됨으로써, 그것들의 외주날 (18) 및 볼날 (20) 에 의해 단속적으로 절삭 가공이 실시된다. 외주날 (18) 및 볼날 (20) 은 매끄럽게 연속되도록 형성되어 있음과 함께, 그것들의 외주날 (18) 및 볼날 (20) 을 사이에 두고 양측에 레이크면 (22) 및 플랭크면 (2 번면) (24) 이 형성되어 있다. 바꿔 말하면, 레이크면 (22) 및 플랭크면 (24) 이 교차하는 능선 부분에 외주날 (18) 및 볼날 (20) 이 형성되어 있다. 볼 엔드 밀 (10) 은 경질 피막 피복 공구로, 단속 절삭 공구에 상당한다.

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

경질 피막 (30) 은, 표면측으로부터 A 층 (32), B 층 (34), 및 나노레이어 교호층 (36) 이 적어도 1 주기 이상 적층된 다층 구조를 이루고 있고, 공구 모재 (12) 와의 경계 부분에는 계면층 (38) 이 형성되어 있다. 즉, 공구 모재 (12) 의 표면 상에 먼저 계면층 (38) 이 형성되고, 그 계면층 (38) 상에, 나노레이어 교호층 (36), B 층 (34), 및 A 층 (32) 이, 그 순서로 반복하여 적층되고, 최상부에 A 층 (32) 이 형성되어 있다. 계면층 (38) 을 포함하는 경질 피막 (30) 의 총 막두께 (Ttotal) 는 0.5 ∼ 20 ㎛ 의 범위 내에서 적당히 정해지고, A 층 (32) 의 막두께 (T1) 는 0.5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해지고, B 층 (34) 의 막두께 (T2) 는 0.5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해지고, 나노레이어 교호층 (36) 의 막두께 (T3) 는 1 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해진다. 또, 막두께 (T1, T2) 와 막두께 (T3) 의 비 T1/T3, T2/T3 이, 모두 0.2 ∼ 10 의 범위 내가 되도록, 각 막두께 (T1 ∼ T3) 는 정해진다.

A 층 (32) 은, A 조성만으로 구성되어 있는 단일 조성층이다. A 조성은, 조성식이 Al_aCr_bα_c [단, a, b, c 는 각각 원자비로, 0.30 ≤ a ≤ 0.85, 0.15 ≤ b ≤ 0.70, 0 ≤ c ≤ 0.10, 또한 a ＋ b ＋ c = 1 이고, 임의 첨가 성분 α 는 B, C, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소이다] 의 질화물이다. 도 10 은, A 조성의 각 원소의 함유량 (at％) 의 구체예를 나타낸 도면이고, 공란은 함유량 (at％) = 0 이고, 산점을 표시한 란 (그레이 부분) 은 함유량에 대응하는 원자비가 상기 조성식의 수치 범위로부터 벗어나 있다. 즉, 시험품 7 ∼ 시험품 50 이, A 조성의 요건을 만족하고 있다. 이와 같은 조성의 A 층 (32) 은, 고경도이고 내마모성이 우수한 특징을 갖는다. 또, 임의 첨가 성분 α 는, 10 at％ 이하의 비율로 첨가됨으로써, 결정 입자를 미세화하고, 첨가량에 따라 입자경을 제어하는 것이 가능하며, 피막의 경도나 인성, 윤활성을 조정할 수 있다.

B 층 (34) 은, B 조성만으로 구성되어 있는 단일 조성층이다. B 조성은, 조성식이 Al_dCr_eSi_fβ_g [단, d, e, f, g 는 각각 원자비로, 0.20 ≤ d ≤ 0.85, 0.10 ≤ e ≤ 0.50, 0.03 ≤ f ≤ 0.45, 0 ≤ g ≤ 0.10, 또한 d ＋ e ＋ f ＋ g = 1 이고, 임의 첨가 성분 β 는 B, C, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소이다] 의 질화물이다. 도 11 은, B 조성의 각 원소의 함유량 (at％) 의 구체예를 나타낸 도면이고, 공란은 함유량 (at％) = 0 이고, 산점을 표시한 란 (그레이 부분) 은 함유량에 대응하는 원자비가 상기 조성식의 수치 범위로부터 벗어나 있다. 즉, 시험품 7 ∼ 시험품 50 이, B 조성의 요건을 만족하고 있다. 이와 같은 조성의 B 층 (34) 은, 고경도이고 내마모성, 내산화성이 우수한 특징을 갖는다. 또, 임의 첨가 성분 β 는, 상기 성분 α 와 동일하고, 10 at％ 이하의 비율로 첨가됨으로써, 결정 입자를 미세화하고, 첨가량에 따라 입자경을 제어하는 것이 가능하며, 피막의 경도나 인성, 윤활성을 조정할 수 있다.

나노레이어 교호층 (36) 은, A 층 (32) 과 동일한 A 조성으로 이루어지는 나노레이어 A 층 (32n), 및 B 층 (34) 과 동일한 B 조성으로 이루어지는 나노레이어 B 층 (34n) 이, 교대로 1 주기 이상 적층된 다층 구조를 이루고 있다. 이 실시예에서는, A 층 (32) 에 접하는 최하부가 나노레이어 A 층 (32n) 이고, B 층 (34) 에 접하는 최상부가 나노레이어 B 층 (34n) 이지만, 최하부가 나노레이어 B 층 (34n) 이고, 최상부가 나노레이어 A 층 (32n) 이어도 된다. 나노레이어 A 층 (32n) 및 나노레이어 B 층 (34n) 의 각 막두께는, 모두 0.5 ∼ 500 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해진다. 이와 같은 나노레이어 교호층 (36) 은, 고경도이고 내마모성, 인성, 및 내산화성이 우수한 특징을 갖는다. 즉, 나노레이어층 (32n, 34n) 의 인터페이스는, 격자 전위의 방해에서 기인하여 높은 경도를 달성할 수 있음과 함께, 에너지 산일 및 균열 확대를 방해하는 작용에 의해 인성의 향상에 기여한다. 또, 나노레이어층 (32n, 34n) 의 주기가 나노미터의 범위이기 때문에, 각 나노레이어층 (32n, 34n) 의 두께에 따라 결정 입자의 사이즈 및 막밀도를 적당히 조정함으로써, 피막의 기계 특성이나 트라이볼러지 향상 효과가 얻어진다.

상기 계면층 (38) 은, 본 실시예에서는 A 층 (32) 과 동일한 A 조성만으로 이루어지는 단일 조성층이다. 계면층 (38) 의 막두께는 10 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해진다. 이와 같은 계면층 (38) 이 공구 모재 (12) 와의 경계에 형성됨으로써, 공구 모재 (12) 에 대한 경질 피막 (30) 의 부착 강도를 높게 할 수 있다.

도 4 ∼ 도 8 은, 볼 엔드 밀 (10) 의 날부 (16) 의 표면에 형성되는 경질 피막의 다른 예를 설명하는 도면이고, 모두 도 3 에 대응하는 단면 모식도이며, 각 경질 피막의 총 막두께 (Ttotal) 는 모두 0.5 ∼ 20 ㎛ 의 범위 내이다. 도 4 의 경질 피막 (40) 은, 상기 경질 피막 (30) 과 비교하여 A 층 (32) 및 B 층 (34) 의 적층 순서가 반대인 경우로, B 층 (34) 과 나노레이어 교호층 (36) 사이에 A 층 (32) 이 형성되어 있음과 함께, B 층 (34) 이 최표면에 형성되어 있다. 또, A 조성의 계면층 (38) 대신에 C 조성의 계면층 (42) 이 형성되어 있다. C 조성은, 조성식이 Al_hCr_i(SiC)_jγ_k [단, h, i, j, k 는 각각 원자비로, 0.20 ≤ h ≤ 0.85, 0.10 ≤ i ≤ 0.50, 0.03 ≤ j ≤ 0.45, 0 ≤ k ≤ 0.10, 또한 h ＋ i ＋ j ＋ k = 1 이고, 임의 첨가 성분 γ 는 B, C, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소이다] 의 질화물이다. 도 12 는, C 조성의 각 원소의 함유량 (at％) 의 구체예를 나타낸 도면이고, 공란은 함유량 (at％) = 0 이고, 산점을 표시한 란 (그레이 부분) 은 함유량에 대응하는 원자비가 상기 조성식의 수치 범위로부터 벗어나 있다. 즉, 시험품 7 ∼ 시험품 50 이, C 조성의 요건을 만족하고 있다. 계면층 (42) 은, C 조성만으로 이루어지는 단일 조성층이고, 계면층 (42) 의 막두께는 10 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해진다. 이와 같은 계면층 (42) 이 공구 모재 (12) 와의 경계에 형성됨으로써, 공구 모재 (12) 에 대한 경질 피막 (40) 의 부착 강도를 높게 할 수 있다.

도 5 의 경질 피막 (50) 은, 상기 B 층 (34) 대신에, 상기 C 조성만으로 이루어지는 C 층 (52) 이 형성되어 있음과 함께, 상기 나노레이어 교호층 (36) 대신에, A 조성으로 이루어지는 나노레이어 A 층 (32n) 및 C 조성으로 이루어지는 나노레이어 C 층 (52n) 을 교대로 1 주기 이상 적층한 나노레이어 교호층 (54) 이 형성되어 있다. C 층 (52) 및 나노레이어 C 층 (52n) 은, Si 가 SiC (탄화규소) 라는 화합물의 형태로 존재하고 있기 때문에, 산소와의 결합성이 낮고, 또한 SiC 가 공유 결합이기 때문에, 고경도이고 1000 ℃ 이상에 있어서도 기계적 강도의 저하가 작고, 내열성, 내마모성, 내산화성이 우수한 특징을 갖는다. 또, 임의 첨가 성분 γ 는, 상기 성분 α 와 동일하고, 10 at％ 이하의 비율로 첨가됨으로써, 결정 입자를 미세화하고, 첨가량에 따라 입자경을 제어하는 것이 가능하며, 피막의 경도나 인성, 윤활성을 조정할 수 있다. C 층 (52) 은, C 조성만으로 구성되어 있는 단일 조성층으로, C 층 (52) 의 막두께는 0.5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내이고, 또한 나노레이어 교호층 (54) 에 대한 막두께비가 0.2 ∼ 10 의 범위 내가 되도록 적당히 정해진다. 나노레이어 교호층 (54) 은, 예를 들어, C 층 (52) 에 접하는 최하부가 나노레이어 C 층 (52n) 이고, A 층 (32) 에 접하는 최상부가 나노레이어 A 층 (32n) 이지만, 최하부가 나노레이어 A 층 (32n) 이고, 최상부가 나노레이어 C 층 (52n) 이어도 된다. 나노레이어 교호층 (54) 의 막두께는 1 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해지고, 나노레이어 A 층 (32n) 및 나노레이어 C 층 (52n) 의 각 막두께는, 모두 0.5 ∼ 500 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해진다. 이와 같은 나노레이어 교호층 (54) 도, 상기 나노레이어 교호층 (36) 과 마찬가지로 고경도이고 내마모성, 인성, 및 내산화성이 우수한 특징을 갖는다. 또, 경질 피막 (50) 은, 계면층 (56) 으로서 상기 B 조성만으로 이루어지는 단일 조성층이 형성되어 있다.

도 6 의 경질 피막 (60) 은, 상기 도 3 의 경질 피막 (30) 과 비교하여, A 층 (32) ∼ 나노레이어 교호층 (36) 의 적층 순서가 상이하고, 최표면측으로부터 나노레이어 교호층 (36), A 층 (32), B 층 (34) 의 순서로 적층되어 있다. 또, 가장 아래의 B 층 (34) 과 공구 모재 (12) 사이에는, 나노레이어 A 층 (32n), 나노레이어 B 층 (34n), 및 나노레이어 C 층 (52n) 중 어느 2 종류를 교대로 적층한 나노레이어 교호층으로 이루어지는 계면층 (62) 이 형성되어 있다. 계면층 (62) 의 막두께는 10 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해지고, 나노레이어 A 층 (32n), 나노레이어 B 층 (34n), 및 나노레이어 C 층 (52n) 중 2 종류의 나노레이어층의 막두께는 모두 0.5 ∼ 500 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해진다.

도 7 의 경질 피막 (70) 은, 상기 도 3 의 경질 피막 (30) 과 비교하여, 계면층 (38) 을 생략한 경우이다.

도 8 의 경질 피막 (80) 은, 상기 도 3 의 경질 피막 (30) 과 비교하여, 최표면에 표면층 (82) 이 형성됨과 함께, A 조성, B 조성, C 조성과는 상이한 계면층 (84) 이 형성되어 있다. 표면층 (82) 으로는, 예를 들어, 나노레이어 교호층 (36) 과 마찬가지로 나노레이어 A 층 (32n) 및 나노레이어 B 층 (34n) 을 교대로 적층한 나노레이어 교호층이 형성된다. 표면층 (82) 의 막두께는 5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해지고, 나노레이어 A 층 (32n) 및 나노레이어 B 층 (34n) 의 막두께는 모두 0.5 ∼ 500 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해진다. 계면층 (84) 은, B, Al, Ti, Y, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, 및 W 중의 1 종류 이상의 원소로 이루어지는 금속의 질화물, 탄질화물, 또는 탄화물로 구성되어 있고, 계면층 (84) 의 막두께는 10 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내에서 적당히 정해진다.

또, 도시는 생략하지만, 또 다른 양태로 경질 피막을 구성할 수도 있다. 예를 들어, 상기 경질 피막 (30) 의 나노레이어 교호층 (36) 은, 나노레이어 A 층 (32n) 및 나노레이어 B 층 (34n) 을 교대로 적층한 것이지만, 나노레이어 C 층 (52n) 을 포함하여 나노레이어 교호층 (36) 을 구성할 수도 있다. 즉, 단일 조성층으로서 A 층 (32) 및 B 층 (34) 이 형성되는 경우에, 나노레이어 A 층 (32n) 및 나노레이어 C 층 (52n) 을 교대로 적층한 나노레이어 교호층 (36) 을 형성하거나, 나노레이어 B 층 (34n) 및 나노레이어 C 층 (52n) 을 교대로 적층한 나노레이어 교호층 (36) 을 형성하거나 해도 된다.

또, 경질 피막 (30) 은 단일 조성층으로서 A 층 (32) 및 B 층 (34) 이 형성되고, 경질 피막 (50) 은 단일 조성층으로서 A 층 (32) 및 C 층 (52) 이 형성되어 있지만, 2 종류의 단일 조성층으로서 B 층 (34) 및 C 층 (52) 을 형성할 수도 있다.

또, 경질 피막 (80) 의 표면층 (82) 은, 나노레이어 A 층 (32n) 및 나노레이어 B 층 (34n) 을 교대로 적층한 나노레이어 교호층이지만, 나노레이어 C 층 (52n) 을 포함하여 표면층 (82) 의 나노레이어 교호층을 구성할 수도 있다. 표면층 (82) 으로서, A 조성, B 조성, 혹은 C 조성으로 이루어지는 단일 조성층을 형성할 수도 있다.

또, 상기 경질 피막 (30, 40, 50, 60, 70, 80) 은, 모두 2 종류의 단일 조성층 (A 층 (32), B 층 (34), C 층 (52) 중 어느 2 층) 및 1 종류의 나노레이어 교호층 (36, 54) 중 어느 것의 합계 3 종류의 층이 미리 정해진 순서로 1 주기를 단위로 하여 적층되어 있지만, 예를 들어, 경질 피막 (30) 에 있어서 최상부의 A 층 (32) 을 생략하는 등, 최상부가 1 주기의 도중에 종료되어도 된다. 바꿔 말하면, 표면층이 없는 경질 피막 (30, 40, 50, 60, 70) 에 있어서도, 그 최상부의 최표면의 층을, 교대로 적층된 3 종류의 층과는 다른 표면층으로 간주할 수 있다. 2 종류의 나노레이어층 (나노레이어 A 층 (32n), 나노레이어 B 층 (34n), 나노레이어 C 층 (52n) 중 어느 2 층) 을 교대로 적층한 나노레이어 교호층 (36, 54) 에 대해서도, 예를 들어, 나노레이어 교호층 (36) 이 나노레이어 A 층 (32n) 으로부터 시작하여 나노레이어 A 층 (32n) 에서 끝나는 등, 합계의 층수가 홀수여도 된다.

도 13 은, 볼 엔드 밀에 관한 시험품 1 ∼ 시험품 50 의 경질 피막의 피막 구조를 구체적으로 나타낸 도면으로, 단일 조성층의 란의 A 층, B 층, C 층은, 상기 A 층 (32), B 층 (34), C 층 (52) 에 상당한다. 또, 나노레이어 교호층의 란의 A 층, B 층, C 층은, 상기 나노레이어 A 층 (32n), 나노레이어 B 층 (34n), 나노레이어 C 층 (52n) 에 상당한다. 계면층은, 상기 계면층 (38, 42, 56, 62, 84) 에 상당한다. A 층 ∼ C 층, 나노레이어 A 층 ∼ 나노레이어 C 층, 계면층의 공란은, 그것들의 층을 구비하고 있지 않은 것을 의미하고 있다. 그 경우, 계면층이 없는 시험품 27 의 단일 조성층은 A 층 및 C 층이고, 나노레이어 교호층은 나노레이어 A 층 및 나노레이어 C 층의 교호층이기 때문에, 도 11 에 기재된 B 조성의 성분은 실질적으로 포함되지 않는다. 또, 계면층이 없는 시험품 45 의 단일 조성층은 B 층 및 C 층이고, 나노레이어 교호층은 나노레이어 B 층 및 나노레이어 C 층의 교호층이기 때문에, 도 10 에 기재된 A 조성의 성분은 실질적으로 포함되지 않는다. 다른 시험품에 대해서도, 반드시 도 10 ∼ 도 12 에 기재된 A 조성, B 조성, 및 C 조성의 성분을 전부 포함할 필요는 없고, 그 중 2 종류의 조성만으로 경질 피막이 구성되어도 된다. 또, 도 13 의 각 시험품 1 ∼ 시험품 50 은, 모두 표면층을 구비하고 있지 않다. 도 13 에 있어서 산점을 표시한 란 (그레이 부분) 은, 본 실시예 (본 발명의 청구항 1) 의 막두께 요건을 만족하고 있지 않은 것을 의미하고 있고, 시험품 1 ∼ 시험품 6 은 비교품이고, 시험품 7 ∼ 시험품 50 이 본 발명품이다.

도 9 는, 공구 모재 (12) 에 대해 상기 경질 피막 (30, 40, 50, 60, 70, 80), 혹은 도 13 에 기재된 시험품 1 ∼ 50 의 경질 피막 (이하, 특별히 구별하지 않는 경우에는 간단히 경질 피막 (30) 등이라고 한다) 을 코팅할 때에 사용되는 아크 이온 플레이팅 장치 (100) 를 설명하는 개략 구성도 (모식도) 이다. 아크 이온 플레이팅 장치 (100) 는, PVD 법의 1 종인 아크 이온 플레이팅법에 의해, 공구 모재 (12) 의 표면에 상기 경질 피막 (30) 등을 코팅하는 것으로, 증발원 (타깃) 이나 반응 가스를 전환함으로써, 조성이 상이한 복수 종류의 층을 소정의 막두께로 연속적으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 경질 피막 (30) 의 경우, 공구 모재 (12) 의 표면에 계면층 (38) 을 형성한 후, 나노레이어 교호층 (36), B 층 (34), 및 A 층 (32) 을 교대로 반복하여 적층하면 된다. 도 9 는, 아크 이온 플레이팅 장치 (100) 를 위에서 본 평면도에 상당한다.

아크 이온 플레이팅 장치 (100) 는, 복수의 워크 즉 경질 피막 (30) 등을 코팅해야 할 공구 모재 (12) 를 유지하고, 대략 수직인 회전 중심 (S) 둘레로 회전 구동되는 회전 테이블 (154), 공구 모재 (12) 에 부 (負) 의 바이어스 전압을 인가하는 바이어스 전원 (156), 공구 모재 (12) 등을 내부에 수용하고 있는 처리 용기로서의 챔버 (158), 챔버 (158) 내에 소정의 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급 장치 (160), 챔버 (158) 내의 기체를 진공 펌프 등에 의해 배출하여 감압하는 배기 장치 (162), 제 1 아크 전원 (164), 제 2 아크 전원 (166), 제 3 아크 전원 (168), 제 4 아크 전원 (170) 등을 구비하고 있다. 회전 테이블 (154) 은, 상기 회전 중심 (S) 을 중심으로 하는 원반 형상을 이루고 있고, 공구 모재 (12) 는, 그 회전 테이블 (154) 의 외주 부분에 회전 중심 (S) 과 대략 평행이 되는 자세로 복수 배치된다. 공구 모재 (12) 를 축심 둘레로 자전시키면서, 회전 테이블 (154) 에 의해 회전 중심 (S) 둘레로 공전시킬 수도 있다. 반응 가스 공급 장치 (160) 는, A 층 (32), B 층 (34), C 층 (52) 등의 질화물을 코팅할 때에, 질소 가스를 챔버 (158) 내에 공급한다. 챔버 (158) 내는, 배기 장치 (162) 에 의해 예를 들어, 2 ∼ 10 Pa 정도의 진공 상태가 됨과 함께, 도시되지 않은 히터 등에 의해, 예를 들어, 300 ∼ 600 ℃ 정도의 증착 처리 온도로 가열된다.

제 1 아크 전원 (164), 제 2 아크 전원 (166), 제 3 아크 전원 (168), 제 4 아크 전원 (170) 은, 모두 증착 재료로 이루어지는 제 1 증발원 (172), 제 2 증발원 (176), 제 3 증발원 (180), 제 4 증발원 (184) 을 캐소드로 하여, 애노드 (174, 178, 182, 186) 와의 사이에 소정의 아크 전류를 선택적으로 통전시켜 아크 방전시킴으로써, 그것들의 제 1 증발원 (172), 제 2 증발원 (176), 제 3 증발원 (180), 제 4 증발원 (184) 으로부터 증발 재료를 선택적으로 증발시키는 것이고, 증발된 증발 재료는 정이온이 되어 부 (-) 의 바이어스 전압이 인가되어 있는 공구 모재 (12) 에 증착된다. 즉, 증발원 (172, 176, 180, 184) 은, 각각 상기 A 조성, B 조성, C 조성 중 어느 합금으로 구성되어 있고, 하나 남은 증발원은, 예를 들어, 막두께가 비교적 두꺼운 조성의 합금으로 함으로써, 효율적으로 코팅할 수 있다. 경질 피막 (30) 등을 구성하고 있는 조성의 수에 맞춰 증발원을 3 개로 해도 된다. 또, 경질 피막 (30) 등의 조성이, A 조성, B 조성, C 조성 중 2 종류의 조성만으로 구성되어 있는 경우, 4 개의 증발원 (172, 176, 180, 184) 을 2 개씩으로 나누고, 2 종류의 조성의 합금을 각각 2 개 지점에 배치해도 된다.

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

다음으로, 상기 볼 엔드 밀 (10) 과 마찬가지로 공구 모재 (12) 가 초경합금이고 2 장 날, 직경이 6 ㎜ (선단 R = 3) 인 볼 엔드 밀에 대하여, 도 10 ∼ 도 13 에 나타내는 피막 구조의 경질 피막을 형성한 시험품 1 ∼ 시험품 50 을 준비하고, 그 경질 피막의 성능 시험을 실시한 결과를 설명한다. 도 14 는 시험 결과를 나타낸 도면이고, 피막 경도는, 비커스 경도 시험법 (JIS G0202, Z2244) 에 따라서, 경도 기호 HV 0.025 로 나타나는 조건하에서 경질 피막의 HV 값 (비커스 경도) 을 측정한 값이다. 또, 이하의 절삭 시험 조건에 따라서 시험품 1 ∼ 시험품 50 을 사용하여 각각 절삭 가공을 실시한 경우의, 볼날 (20) 의 2 번면 마모폭 (플랭크면 마모폭) 및 절삭 거리를 측정하여, 피막 성능 (내마모성) 을 판정하였다. 피막 성능은, 기본적으로는 절삭 거리가 500 m 이상의 적당한 단계에서 가공을 중지하고, 2 번면 마모폭 및 절삭 거리를 측정한 것으로, 2 번면 마모폭이 커졌을 경우 (0.3 ㎜ 이상) 에는 절삭 거리가 500 m 이하라도 가공을 중지하고, 그 때의 2 번면 마모폭 및 절삭 거리를 측정하였다. 2 번면 마모폭은 2 번면 마모의 최대폭에서, 소정의 절삭 거리마다 절삭 가공을 중단하고, 주식회사 니콘 제조의 측정 현미경 (MM-400/LM) 을 사용하여 2 번면 마모폭을 육안으로 측정하였다.

《절삭 시험 조건》

· 피삭재 : S50C (JIS 의 규정에 의한 기계 구조용 탄소강)

· 절삭 속도 : 254 m/min

· 회전 속도 : 13500 min^-1

· 전송 속도 : f = 0.12 ㎜/t, F = 3240 ㎜/min

· 절입 : ap (축 방향) = 0.3 ㎜, ae (직경 방향) = 0.6 ㎜

도 14 로부터 명확한 바와 같이, 표면의 피막 경도 (HV 0.025) 에 대해서는, 본 발명품인 시험품 7 ∼ 시험품 50 은 모두 3000 이상의 고경도이고, 우수한 내마모성을 기대할 수 있는 데에 반하여, 비교품인 시험품 1 ∼ 시험품 6 은 2000 ∼ 2700 정도였다. 2 번면 마모폭 및 절삭 거리에 대해서는, 본 발명품인 시험품 7 ∼ 시험품 50 은, 모두 2 번면 마모폭이 0.2 ㎜ 에 이르기 전에 500 m 이상 절삭 가공을 실시하는 것이 가능하며, 우수한 내마모성 및 내용착성이 얻어졌다. 이에 반하여, 비교품인 시험품 1 ∼ 시험품 6 은, 모두 500 m 절삭 가공하기 전에 2 번면 마모폭이 0.3 ㎜ 를 초과하였다. 판정은, 2 번면 마모폭이 0.2 ㎜ 에 이르기 전에 500 m 이상 절삭 가공할 수 있었던 경우를「○」, 절삭 거리가 500 m 에 이르기 전에 2 번면 마모폭이 0.2 ㎜ 를 초과한 경우, 즉 충분한 공구 수명이 얻어지지 않는 경우를「×」로 하였다. 본 발명품인 시험품 7 ∼ 시험품 50 은, 모두 판정 결과가「○」으로, 우수한 공구 수명이 얻어졌다. 마모폭 및 절삭 거리에서 산점을 표시한 란 (그레이 부분) 은, 절삭 거리가 500 m 에 이르기 전에 2 번면 마모폭이 0.2 ㎜ 를 초과한 부분이다.

이와 같이, 본 실시예의 볼 엔드 밀 (10) 의 경질 피막 (30) 등에 의하면, A 조성, B 조성, 및 C 조성 중 2 종류의 단일 조성층 (A 층 (32), B 층 (34), 및 C 층 (52) 중 2 개) 과, A 조성, B 조성, 및 C 조성 중 2 개의 조성으로 이루어지는 2 종류의 나노레이어층 (나노레이어 A 층 (32n), 나노레이어 B 층 (34n), 및 나노레이어 C 층 (52n) 중 2 개) 을 교대로 적층한 1 종류의 나노레이어 교호층 (나노레이어 교호층 (36, 54) 등) 이, 각각 소정의 막두께로 교대로 적층됨으로써, 우수한 내마모성, 인성, 윤활성, 및 내용착성이 얻어지게 된다. 이로써, 예를 들어, 탄소강, 주철, 합금강, 스테인리스강 등의 각종 피삭재에 대한 절삭 가공에 있어서, 혹은 고속 가공이나 드라이 가공 등의 가혹한 가공 조건에 있어서, 공구의 장수명화를 실현할 수 있었다.

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

또, 도 7 의 경질 피막 (70) 및 시험품 27, 45 는 계면층을 구비하고 있지 않기 때문에, 성막 비용이 저감되어, 경질 피막 (70) 등을 갖는 볼 엔드 밀 (10) 을 저렴하게 제조할 수 있다. 한편, 경질 피막 (30, 40, 50, 60, 80), 및 시험품 7 ∼ 시험품 26, 시험품 28 ∼ 시험품 44, 시험품 46 ∼ 시험품 50 은, 소정의 조성, 막두께의 계면층 (38) 등을 구비하고 있기 때문에, 공구 모재 (12) 에 대한 경질 피막 (30) 등의 부착 강도를 높게 할 수 있다.

또, 도 8 의 경질 피막 (80) 은, 소정의 조성, 막두께의 표면층 (82) 을 구비하고 있기 때문에, 그 표면층 (82) 의 조성이나 막두께를 적당히 정함으로써, 내마모성이나 내용착성 등의 소정의 피막 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

또, 볼 엔드 밀 (10) 은, 외주날 (18) 및 볼날 (20) 이 단속적으로 절삭 가공을 실시하는 단속 절삭 공구이고, 그것들의 외주날 (18) 및 볼날 (20) 에는 반복하여 충격 하중이 가해짐과 함께 발열되기 쉽지만, 높은 내마모성이나 인성, 내용착성을 갖는 경질 피막 (30) 등이 형성됨으로써, 공구의 장수명화를 도모할 수 있다.

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

10 : 볼 엔드 밀 (경질 피막 피복 부재, 단속 절삭 공구)
12 : 공구 모재 (모재)
18 : 외주날 (절삭날)
20 : 볼날 (절삭날)
30, 40, 50, 60, 70, 80 : 경질 피막
32 : A 층 (단일 조성층)
32n : 나노레이어 A 층 (나노레이어층)
34 : B 층 (단일 조성층)
34n : 나노레이어 B 층 (나노레이어층)
36, 54 : 나노레이어 교호층
38, 42, 56, 62, 84 : 계면층
52 : C 층 (단일 조성층)
52n : 나노레이어 C 층 (나노레이어층)
82 : 표면층
Ttotal : 총 막두께
T1 : A 층의 막두께 (단일 조성층의 막두께)
T2 : B 층의 막두께 (단일 조성층의 막두께)
T3 : 나노레이어 교호층의 막두께

Claims

모재의 표면을 피복하도록 그 표면에 부착되는 경질 피막으로서,
상기 경질 피막은, A 조성, B 조성, 및 C 조성 중 어느 2 개의 조성으로 이루어지는 2 종류의 단일 조성층과, 상기 A 조성, 상기 B 조성, 및 상기 C 조성 중 어느 2 개의 조성으로 이루어지는 2 종류의 나노레이어층을 교대로 적층한 나노레이어 교호층의, 합계 3 종류의 층이 교대로 적층되어, 총 막두께가 0.5 ∼ 20 ㎛ 의 범위 내가 되도록 구성되어 있고,
상기 A 조성은, 조성식이 Al_aCr_bα_c [단, a, b, c 는 각각 원자비로, 0.30 ≤ a ≤ 0.85, 0.15 ≤ b ≤ 0.70, 0 ≤ c ≤ 0.10, 또한 a ＋ b ＋ c = 1 이고, 임의 첨가 성분 α 는 B, C, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소이다] 의 질화물이고,
상기 B 조성은, 조성식이 Al_dCr_eSi_fβ_g [단, d, e, f, g 는 각각 원자비로, 0.20 ≤ d ≤ 0.85, 0.10 ≤ e ≤ 0.50, 0.03 ≤ f ≤ 0.45, 0 ≤ g ≤ 0.10, 또한 d ＋ e ＋ f ＋ g = 1 이고, 임의 첨가 성분 β 는 B, C, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소이다] 의 질화물이고,
상기 C 조성은, 조성식이 Al_hCr_i(SiC)_jγ_k [단, h, i, j, k 는 각각 원자비로, 0.20 ≤ h ≤ 0.85, 0.10 ≤ i ≤ 0.50, 0.03 ≤ j ≤ 0.45, 0 ≤ k ≤ 0.10, 또한 h ＋ i ＋ j ＋ k = 1 이고, 임의 첨가 성분 γ 는 B, C, Ti, V, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, 및 W 에서 선택되는 1 종 이상의 원소이다] 의 질화물이고,
상기 2 종류의 단일 조성층의 막두께는, 모두 0.5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내이고,
상기 나노레이어 교호층을 구성하고 있는 상기 2 종류의 나노레이어층의 각 막두께는, 모두 0.5 ∼ 500 ㎚ 의 범위 내이고, 상기 나노레이어 교호층의 막두께는 1 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내인 것을 특징으로 하는 경질 피막.
제 1 항에 있어서,
상기 2 종류의 단일 조성층의 각 막두께 (T1, T2) 와, 상기 나노레이어 교호층의 막두께 (T3) 의 비 T1/T3, T2/T3 은, 모두 0.2 ∼ 10 의 범위 내인 것을 특징으로 하는 경질 피막.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
교대로 적층된 상기 2 종류의 단일 조성층 및 상기 나노레이어 교호층의 최하부의 층이 상기 모재의 표면에 직접 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 경질 피막.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 경질 피막은, 상기 모재와의 사이에 계면층을 구비하고 있고,
상기 계면층은,
상기 A 조성, 상기 B 조성, 및 상기 C 조성 중 어느 1 개의 조성으로 이루어지는 단일 조성층,
상기 A 조성, 상기 B 조성, 및 상기 C 조성 중 어느 2 개의 조성으로 이루어지고, 각각 막두께가 0.5 ∼ 500 ㎚ 의 범위 내인 2 종류의 나노레이어층을 교대로 적층한 나노레이어 교호층,
및 B, Al, Ti, Y, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, 및 W 중의 1 종류 이상의 원소로 이루어지는 금속의 질화물, 탄질화물, 또는 탄화물의 층
의 합계 3 종류의 층 중 어느 1 개의 층으로 구성되어 있고,
상기 계면층의 막두께는 10 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내인 것을 특징으로 하는 경질 피막.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 경질 피막은, 최표면에 표면층을 구비하고 있고,
상기 표면층은, 상기 A 조성, 상기 B 조성, 및 상기 C 조성 중 어느 1 개의 조성으로 이루어지는 단일 조성층, 또는 상기 A 조성, 상기 B 조성, 및 상기 C 조성 중 어느 2 개의 조성으로 이루어지고, 각각 막두께가 0.5 ∼ 500 ㎚ 의 범위 내인 2 종류의 나노레이어층을 교대로 적층한 나노레이어 교호층으로 구성되어 있고,
상기 표면층의 막두께는 5 ∼ 1000 ㎚ 의 범위 내인 것을 특징으로 하는 경질 피막.
모재의 표면의 일부 또는 전부가 경질 피막에 의해 피복되어 있는 경질 피막 피복 부재로서,
상기 경질 피막은 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 경질 피막인 것을 특징으로 하는 경질 피막 피복 부재.
제 6 항에 있어서,
상기 경질 피막 피복 부재는, 축심 둘레로 회전됨과 함께, 그 회전에 수반하여 절삭날이 단속적으로 절삭 가공을 실시하는 단속 절삭 공구인 것을 특징으로 하는 경질 피막 피복 부재.