KR20210124463A - 피복 금형, 피복 금형의 제조 방법 및 경질 피막 형성용 타깃 - Google Patents

피복 금형, 피복 금형의 제조 방법 및 경질 피막 형성용 타깃 Download PDF

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Abstract

양호한 슬라이딩 특성을 발휘하는 것이 가능하고, 드롭렛을 더욱 저감시켜서 내구성도 뛰어난 피복 금형을 제공한다. 작업면에 경질 피막을 갖는 피복 금형으로서, 상기 경질 피막은 Cr계 질화물인 두께 100nm 이하의 a1층과, (V1-aMa)(M은 Mo, W로부터 선택되는 적어도 1종)의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, V와 M의 합계 에 대한 M의 원자비 a가 0. 05 이상 0. 45 이하인 두께 80nm 이하의 a2층이 교대로 적층한 A층을 포함하는, 피복 금형, 피복 금형의 제조 방법. 또한, 이 피복 금형의 제조 방법에 사용할 수 있는 경질 피막 형성용 타깃.

Description

피복 금형, 피복 금형의 제조 방법 및 경질 피막 형성용 타깃
본 발명은 경질 피막이 피복된 피복 금형, 피복 금형의 제조 방법 및 경질 피막 형성용 타깃에 관한다.
종래부터, 단조, 프레스 가공이라고 한 소성 가공에는, 냉간 다이스 강, 열간 다이스 강, 고속도 강이라 한 공구 강으로 대표되는 강이나, 초경 합금 등을 모재로 하는 금형이 사용되고 있다. 이러한 프레스 가공용이나 단조용의 금형을 사용한 소성 가공에서는, 금형의 작업면과 피가공재가 슬라이딩함으로써, 금형의 작업면에 마모나 갤링(galling) 등의 손모가 발생하기 쉬워, 금형 수명의 향상이 요구되고 있다. 특히, 밴딩 다이나 드로잉 다이는 높은 성형압이 걸리고, 피가공재와 금형의 슬라이딩에 의해 갤링이 발생하기 쉬워진다. 여기서 말하는 갤링이란, 서로 슬라이딩하는 부재 중 어느 하나 또는 양방의 작업면에 있어서 화학적으로 활성한 표면이 형성되고, 그것이 상대측에 강하게 응착해서 고정되거나, 그것에 의해서 어느 하나의 면의 구성 물질이 분리되어, 상대측의 면에 이착하는 현상을 나타낸다. 따라서, 밴딩 다이나 드로잉 다이에 사용하는 금형에는 특히 고수준의 강도 및 내갤링성이 요구된다.
금형의 내갤링성을 향상시키는 방법으로서, 표면 처리에 의한 질화물이나 탄화물로 이루어지는 경질 피막의 형성이 유효하다. 표면 처리에는 용해염 침지법(이하, TRD법이라고 한다)이나 화학적 증착법(이하, CVD법이라고 한다), 물리적 증착법(이하, PVD법이라고 한다) 등이 사용된다. TRD법이나 CVD법은 강을 모재로 하는 금형의 담금질 온도에 가까운 온도에서의 처리를 행한 후, 템퍼링(일부는 그 전에 재담금질)해서 사용되지만, 고온 처리에서 기인하는 금형의 변형이나 치수 변화가 문제가 되는 케이스가 있다. 또한, 이들의 처리는 반복해서 사용되지만, TRD법이나 CVD법은 금형 모재의 강재 중의 탄소를 이용하여 막을 제작하므로, 반복 처리를 행하면 금형의 표면 근방의 탄소가 적어지고, 경도의 저하나 막의 밀착성의 저하를 초래할 가능성이 있다. 한편, PVD법은 각종 피복 형성 수단 중에서도 피복 온도가 강의 템퍼링 온도보다 저온이기 때문에, 피복에 의한 금형의 연화가 적고, 금형의 변형이나 치수 변화가 생기기 어렵다. 금형의 내마모성을 향상시키는 PVD 피막으로서는, TiN, TiCN, TiAlN 등의 Ti계 피막이나, CrN, CrAlN, AlCrN 등의 Cr계 피막, VCN, VC 등의 V계 피막 등이 종래부터 실시되고 있다.
상기의 피막을 적용한 피복 금형에 대해서는, 종래부터 여러가지 검토가 이루어지고 있다. 예를 들면, 출원인은 특허문헌 1에 있어서, 피가공재와의 슬라이딩 환경에 있어서 내마모성이나 내갤링성이라고 한 슬라이딩 특성을 향상시키는 것을 목적으로, AlCrSi의 질화물과 V의 질화물이 교대로 적층된 경질 피막을 피복한 피복 공구에 대해서 제안하고 있다. 또한, 출원인은 특허문헌 2에 있어서, 금형의 내마모성이나 내갤링성을 향상시키는 것을 목적으로, 피막의 금속 부분이 원자 비율로 크롬이 30% 이상인 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 a1층과, 금속 부분의 원자 비율로 바나듐이 60% 이상인 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 a2층이 교대로 적층된 A층과, 상기 A층의 상층에 있어서 금속 부분의 원자 비율로 바나듐이 60% 이상인 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 B층이 포함되는, 슬라이딩 특성이 우수한 피복 부재에 대해서 제안하고 있다.
일본특허공개 2011-183545호 공보 국제공개 제2013/047548호
최근, 피가공재가 보다 고강도가 되는 경우나, 피가공재를 가열해서 프레스 성형과 담금질을 동시에 행하는 핫 스탬프법과 같이, 가혹한 환경에서 가공을 행하는경우에 대응하기 위해서, 금형용 피막에도 새로운 내구성의 향상이 요구되고 있다. 한편으로, 특히 아크이온 플레이팅법은 피막 중 및 피막 표면에 드롭렛이 불가피하게 형성된다. 이 드롭렛은 피막의 밀착력 저하나, 크랙 등의 피막 손상의 요인이 되기 때문에, 드롭렛의 저감은 내구성 향상을 위해 필요하다. 상술한 특허문헌 1 또는 2에 기재된 피복 공구는, 경질 피막에 슬라이딩 특성이 우수한 V의 질화물을 포함하고, 또한 피가공재를 공격하는 기점이 되는 피막 표면의 볼록부를 저감한 평활한 피막 구조이고, 슬라이딩 특성이 우수한 뛰어난 기술을 개시하고 있다. 그러나, 드롭렛 저감에 관해서는, 피막 표면을 평활하게 하는 것밖에 기재되어 있지 않고, 막 중의 드롭렛 저감에 관해서는 기재나 시사가 없기 때문에, 한층 더 내구성 향상에 관해서는 검토의 여지가 남아 있다. 본 발명은 상기 과제를 감안하여, 양호한 슬라이딩 특성을 발휘하는 것이 가능하고, 드롭렛을 더욱 저감시킴으로써 내구성도 우수한 피복 금형을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자 등은 예의 연구한 결과, 드롭렛 저감을 가능하게 하는 원소 및 피막 구성을 발견하고, 본 발명에 이르렀다.
즉, 본 발명의 일형태는, 작업면에 경질 피막을 갖는 피복 금형으로서,
상기 경질 피막은 Cr계 질화물인 두께 100nm 이하의 a1층과,
(V1-aMa)(M은 Mo, W로부터 선택되는 적어도 1종)의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, V와 M의 합계에 대한 M의 원자비 a가 0.05 이상 0.45 이하인 두께 80nm 이하의 a2층이 교대로 적층된 A층을 포함하는, 피복 금형이다.
바람직하게는, 상기 A층의 상층에 형성되고, (V1-aMa)(M은 Mo, W로부터 선택되는 적어도 1종)의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, V와 M의 합계에 대한 M의 원자비 a가 0.05 이상 0.45 이하인 두께 0.1㎛ 이상의 B층을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 경질 피막의 A층에 있어서의 영률이 250GPa 이상, 나노인덴테이션 경도가 25GPa 이상이다.
본 발명의 다른 일형태는, 작업면에 경질 피막을 갖는 피복 금형의 제조 방법으로서,
Cr계 질화물인 두께 100nm 이하의 a1층과,
(V1-aMa)(M은 Mo, W로부터 선택되는 적어도 1종)으로 이루어지고, V와 M의 합계에 대한 M의 원자비 a가 0.05 이상 0.45 이하인 경질 피막 형성용 타깃을 이용하여 피복되고, (V1-aMa)의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, V와 M의 합계에 대한 M의 원자비 a가 0.05 이상 0.45 이하인 두께 80nm 이하의 a2층이 교대로 적층된 A층을 피복하는 공정을 포함하는, 피복 금형의 제조 방법이다.
바람직하게는, A층의 상층에, (V1-aMa)(M은 Mo, W로부터 선택되는 적어도 1종)로 이루어지고, V와 M의 합계에 대한 M의 원자비 a가 0.05 이상 0.45 이하인 경질 피막 형성용 타깃을 이용하여 피복되고, (V1-aMa)의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, V와 M의 합계에 대한 M의 원자비 a가 0.05 이상 0.45 이하인 두께 0.1㎛ 이상의 B층을 피복하는 공정을 더 포함한다.
본 발명의 다른 일형태는, (V1-aMa)(M은 Mo, W로부터 선택되는 적어도 1종)로 이루어지고, V와 M의 합계에 대한 M의 원자비 a가 0.05 이상 0.45 이하인, 경질 피막 형성용 타깃이다.
본 발명에 의하면, 양호한 슬라이딩 특성을 발휘하는 것이 가능하고, 드롭렛 저감에 의해 내구성도 우수한 경질 피막을 갖는 피복 금형을 제공할 수 있다. 또한, 그 경질 피막을 형성하기 위해서 바람직한 타깃을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명예의 시료 표면을 광학 현미경으로 관찰한 화상이다.
도 2는 비교예의 시료 표면을 광학 현미경으로 관찰한 화상이다.
도 3은 본 발명예의 시료 표면을 EPMA로 관찰한 화상이다.
도 4는 비교예의 시료 표면을 EPMA로 관찰한 화상이다.
도 5는 실시예에서 사용한 슬라이딩 시험 장치의 상면 모식도이다.
도 6은 실시예에서 사용한 슬라이딩 시험 장치의 측면 모식도이다. 도 6(a)는 원형판 형상부가 시료와 떨어져 있을 때를 나타내는 측면 모식도이고, 도 6(b)는 원형판 형상부가 시료와 접하고 있을 때를 나타내는 측면 모식도이다.
이하에 본 발명의 실시형태에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은 본 실시형태에 한정되지 않는다. 본 실시형태의 피복 금형은 작업면에 경질 피막을 갖는다. 이 경질 피막은 Cr계 질화물인 두께 100nm 이하의 a1층과, (V1-aMa)(M은 Mo, W로부터 선택되는 적어도 1종)의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, V와 M의 합계에 대한 M의 원자비 a가 0.05 이상 0.45 이하인 두께 80nm 이하의 a2층이 교대로 적층된 교대 적층부(A층)를 갖는다.
본 실시형태의 a1층인 Cr계 질화물 피막(이하, CrN계 피막이라고도 기재한다)은 내열성과 내마모성이 우수하고, 고부하 환경에 있어서의 금형 수명의 향상에 기여한다. 이 CrN계 피막은 Cr이 반금속을 포함하는 금속 부분에서의 원자 비율에 있어서, 30% 이상 포함되어 있는 피막을 나타낸다. Cr이 30% 이상이면 a1층의 효과를 저해하지 않는 범위에서, Cr 이외에 4족 전이 금속, 5족 전이 금속, 6족 전이 금속, Al, Si, B 중 적어도 1종 또는 2종 이상을 포함해도 된다. 물론, Cr이 100%이어도 된다. 예를 들면, CrN계 피막은 CrN, CrTiN, CrVN, CrSiN, CrBN, CrSiBN, CrTiSiN, CrVSiN, AlCrN, AlTiCrN, AlVCrN, AlCrSiN, AlTiCrSiN, AlVCrSiN으로부터 선택함으로써 고온 영역에서의 내마모성을 향상시킬 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, a1층에 V를 함유하는 경우, CrN계 피막에 포함되는 V의 함유량은 50% 미만인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, AlCrSiN을 적용한다. Cr의 함유량이 30%보다 낮은 경우, 상술한 내열성이나 내마모성의 향상 효과가 얻어지기 어려운 경향이 있다. Cr함유량의 상한은 특별하게 한정되지 않고, 피막의 종류나 용도에 의해 적당하게 변경하는 것이 가능하다. 예를 들면, AlCrSiN을 적용한 경우, 내열성이나 내마모성의 향상 효과가 얻어지기 쉽게 하기 위해서, Cr의 함유량을 원자 비율로 80% 이하로 설정해도 된다. 바람직하게는 AlCrSiN을 적용하는 경우, AlxCrySiz의 조성식에 있어서, 20≤x<70, 30≤y<75, 0<z<10이 되도록 제어함으로써 취약한 육방정 구조가 주체가 되는 것을 억제해서 입방정 구조를 주체로 하고, 내마모성이나 내열성을 안정하게 향상시킬 수 있기 때문에 바람직하다. 상기의 결정 구조는 예를 들면, X선 회절법에 의해 확인할 수 있고, 입방정 구조의 피크가 최대 강도가 되어 있으면, 다른 결정 구조를 포함하고 있어도 입방정 구조가 주체로 간주될 수 있다.
본 실시형태에 있어서의 a2층은 (V1-aMa)(M은 Mo, W로부터 선택되는 적어도 1종)의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는(이하, VMN계 피막이라고도 기재한다) 것이 중요한 특징 중 하나이다. VMN계 피막은 가공 시에 있어서 적절하게 산화되어 산화층을 형성하고, 피가공재 성분을 포함하는 저융점의 복산화물을 형성한다. 그 때문 피가공재로부터의 응착을 방지하고, 가공 초기 단계에 있어서의 국소적인 갤링나 응착 마모를 억제할 수 있다. 한편으로, V는 경질 피막에 사용되는 다른 금속 원소에 비하면 열전도율이 낮기 때문에, V단체의 타깃을 사용한 아크 이온 플레이팅에 있어서, V타깃으로의 아크 방전에 의한 미크로한 용융 풀이 크고, 깊게 형성되기 쉬운 점으로부터, 드롭렛의 발생수가 많고, 드롭렛의 사이즈도 커지기 쉬워지는 경향이 확인되었다. 그래서, 본 실시형태에서는 상술한 바와 같은 VMN계 피막을 채용함으로써, 뛰어난 슬라이딩 특성을 손상시키지 않고, 드롭렛을 억제해서 피막의 내구성 향상을 가능하게 한다. 여기서 본 실시형태에 있어서, M은 Mo 또는 W 중 적어도 1종을 선택한다. 이것은 Mo와 W는 V와 전율(全率) 고용하고, 금속간 화합물을 만들지 않기 때문에, PVD에 의한 성막일 때에 방전을 안정시키고, 결함이 적은 치밀한 피막을 안정하게 피복하는 것이 가능하다. 또한 Mo와 W는 V에 비해서 융점이나 열전도율이 높기 때문에, 후술하는 타깃 표면에 생성되는 용융 풀의 면적을 작게 할 수 있는 경향이 있어 드롭렛의 발생을 억제하는 것이 가능하다. 또한, Mo나 W를 함유한 VMN계 피막으로 함으로써 영률이나 경도를 증가시키는 것이 가능하다. 경질 피막의 영률과 경도를 증가시키는 것은 외력에 대한 내파괴성의 향상으로 이어지고, 드롭렛의 억제 효과와 더불어, 피막의 내구성 향상에 공헌한다. 즉, 경질 피막의 A층에 있어서의 영률이 250GPa 이상, 또한 나노인덴테이션 경도가 25GPa이상이면, 상기의 내구성 향상 효과가 보다 얻어지기 쉬워지기 때문에 바람직하다. 보다 바람직한 영률은 300GPa 이상, 보다 바람직한 것의 인덴테이션 경도는 30GPa 이상이다.
본 실시형태에 있어서, M의 원자비 a는 0.05 이상 0.45 이하로 한다. M의 원자비가 0.45 초과인 경우, 성막 레이트의 저하가 발생하기 쉬워지기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 합금 중의 V가 적어지기 때문에 응착 마모의 억제 효과가 충분하게 발휘될 수 없을 가능성이 있다. M의 원자비가 0.05 미만인 경우, V의 효과가 주체가 되고, 드롭렛 억제 효과가 얻어지지 않는다. 또한, 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에서, V, Mo, W 이외에 4족 전이금속, 5족 전이금속, 6족 전이금속, Al, Si, B 중 적어도 1종 또는 2종 이상을 포함해도 된다. 바람직한 M의 원자비 a의 상한은 0.40이고, 바람직한 M의 원자비 a의 하한은 0.1이다. 보다 바람직한 M의 원자비 a의 상한은 0.35이고, 보다 바람직한 M의 원자비 a의 하한은 0.15이다.
본 실시형태의 a1층 및 a2층에 있어서, 피막 중에 차지하는 질소 원소의 원자비는, 피막 전체의 금속 원소와 비금속 원소의 합계를 100%라 규정한 경우, 45% 이상, 55% 이하인 것이 바람직하다. 질소를 상기의 범위 내로 제어함으로써 피막의 내열성을 더욱 향상시키는 것이 가능해진다.
본 실시형태의 경질 피막은 상술한 a1층과 a2층이 교대로 적층한 구조를 갖는다. 이 구조를 가짐으로써 CrN계 피막이 갖는 내마모성, 내열성과, VMN계 피막이 갖는 내갤링성, 내응착성을 서로 저해하는 일없이 효과적으로 발휘할 수 있다. 이 a1층의 각각의 막두께는 100nm 이하, a2층의 각각의 막두께는 80nm 이하로 함으로써, 상기의 특성을 양호한 밸런스로 발휘할 수 있기 때문에 바람직하다. 보다 바람직한 a1층, a2층의 각각의 막두께는, 30nm 이하이다. 더욱 바람직하게는 20nm 이하, 보다 더욱 바람직하게는 15nm 이하이다. 이들의 막두께는, 타깃에 인가하는 투입 전력, 성막에 사용하는 장치의 챔버 용적 및 테이블 회전수 등을 제어함으로써 조정하는 것이 가능하다. 또한, 내마모성 향상 효과를 보다 확실하게 얻기 위해서도, a1층 및 a2층의 막두께를 2nm 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 a1층의 막두께가 100nm 이하, a2층의 막두께가 80nm 이하의 범위 내이면, 일정한 막두께로 적층해도 되고, 두께를 변동시키면서 적층해도 된다. 예를 들면, 일정한 막두께로 적층하는 경우, 슬라이딩 특성을 중시하는 것이라면 a2층을 a1층보다 두꺼운 막으로 하면 되고, 내마모성을 중시하는 경우에는 a1층을 a2층보다 두꺼운 막으로 하면 된다. 또한, 두께를 변동시키는 경우에는, 경사적 또는 단계적으로 하여도 효과를 발휘하는 것이 가능하고, 목적에 따라서 적당하게 선택하면 된다. 예를 들면, 단계적으로 변화시키는 경우에는, 일반적인 PVD 장치로도 용이하게 제작 가능하고, 경사적으로 변화시키는 경우는, 피막 내부의 응력분포가 안정화하고, 층간에서의 박리가 일어나기 어려워진다. 여기서 「경사적으로 변화」란 a1층 및 a2층의 적어도 일방이, 1층마다 변동하는 것을 나타낸다. 「단계적으로 변화」란 a1층 및 a2층에 있어서 2층 이상 동일한 두께의 층이 포함되는 것을 나타낸다.
예를 들면, 가공 초기 단계의 피복 공구의 슬라이딩 특성을 향상시키면서, 가공 중기 단계 이후의 내마모성을 향상시키고 싶은 경우에는, a2층의 두께를 표층측을 향해서 증가시켜도 되고, a1층의 두께를 표층측을 향해서 감소시켜도 된다.
본 실시형태에서는 가공의 중기 단계 이후에 있어서의 내마모성을 보다 한층 강화하기 위해서, 상술한 교대 적층부(A층)의 직하(금형측)에 CrN계 피막을 형성하는 것이 바람직하다. 이 이유는 상술한 바와 같이, 손모가 진행되고, CrN계 피막에 도달하면 응착이 발생하기 쉽고, 충분한 내응착성 효과를 발휘할 수 없을 염려가 있지만, 기재측에서 억지로 응착시킴으로써 피막의 손모를 검지하는 것이 가능해 지고, 손모가 기재에까지 미치는 것을 억제할 수 있기 때문이다. 또한, CrN계 피막은 상술의 a1층과 동 성분을 갖는 Cr계 질화물층이 공업 생산 상 합리적이기 때문 바람직하지만, a1층과는 다른 성분을 갖는 층이어도 된다. 이 CrN계 피막은 소망의 특성에 따라 단층 또는 2층 이상의 복층(교대 적층 구조를 포함한다) 구조로 할 수 있다. 특히 CrN계 피막을 교대 적층 구조로 한 경우, 막의 파괴 시에 크랙이 적층계면을 경유하게 되기 때문에, 크랙의 진전 경로가 복잡하게 되어 급속한 진전이 억제되는 결과, 막의 내파괴성을 향상시킬 수 있기 때문에 바람직하다. 여기서, 교대 적층부 직하의 CrN계 피막에, b1층과 b2층의 교대 적층 구조를 선택한 경우, b1층 및 b2층은 CrN, CrTiN, CrVN, CrSiN, CrBN, CrSiBN, CrTiSiN, CrVSiN, AlCrN, AlTiCrN, AlVCrN, AlCrSiN, AlTiCrSiN, AlVCrSiN으로부터 선택하는 것이 가능하다.
교대 적층부 바로 아래에 형성되는 CrN계 피막의 총두께는, 0.5㎛ 이상인 것이 바람직하고, 50㎛ 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직한 CrN계 피막의 두께는 40㎛ 이하이고, 또한 바람직한 CrN계 피막의 두께는 30㎛ 이하, 20㎛ 이하, 10㎛ 이하로 설정할 수 있다. 또한, b1층과 b2층의 교대 적층 구조를 선택한 경우, b1층 및 b2층의 막두께는 각각 0.002㎛∼0.1㎛인 것이 바람직하다. 그리고, 이 교대 적층부 바로 아래에 형성되는 CrN계 피막은 a1층의 1.2배 이상 두껍게 형성하는 것이 바람직하다.
본 실시형태에서는 가공의 초기 단계에 있어서의 금형과 피가공재의 순응성을 보다 한층 향상시키고, 돌발적인 갤링를 억제하기 위해서, 교대 적층부(A층)의 상층에 (V1-aMa)(M은 Mo, W로부터 선택되는 적어도 1종)의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, V와 M의 합계에 대한 M의 원자비 a가 0.05 이상 0.45 이하인 두께 0.1㎛ 이상의 B층을 형성시키는 것이 바람직하다. B층도 a2층과 동 성분을 갖는 VMN계 피막층이 공업 생산 상 합리적이기 때문에 바람직하지만, 이것에 한정되지 않고, a2층과 다른 성분을 갖는 층이이도 된다. B층의 두께는 0.1㎛ 이상인 것이 바람직하고, 0.2㎛ 이상인 것이 보다 바람직하다. 두께의 상한은 특별하게 한정되지 않지만, 막두께가 지나치게 두꺼워지면, 성막에 시간이 걸려 생산성이 나빠지므로, 8㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 사용 환경에 따라서는, 피막 전체의 내마모성이 저하하는 경우가 있기 때문에, 보다 바람직한 막두께는 5㎛ 이하이고, 더욱 바람직하게는 3㎛ 이하이다. 또한 B층은 a2층의 1.2배 이상 두껍게 형성하는 것이 바람직하다.
본 실시형태의 교대 적층부(A층)의 총두께는, 1㎛∼50㎛인 것이 바람직하다.보다 바람직하게는 2㎛∼30㎛이다. 지나치게 얇으면 상술한 바와 같은 내마모성 또는 내응착성이 충분하게 향상할 수 없고, 피막이 조기에 손모되는 경향이 있고, 지나치게 두터우면 금형의 치수 공차를 초과해서, 성형면에 있어서의 클리어런스가 부족되고, 과도한 드로잉 가공이 되어서 성형 부하가 증대할 가능성이 있기 때문이다.
계속해서, 본 발명의 경질 피막형성용 타깃에 관하여 설명한다.
본 실시형태의 경질 피막의 a2층 및 B층에 사용되는 VMN계 피막을 피복하기 위해서, 본 실시형태의 타깃은 본 발명의 경질 피막과 거의 같은 조성이 되는, (V1-aMa)(M은 Mo, W로부터 선택되는 적어도 1종)으로 이루어지고, V와 M의 합계에 대한 M의 원자비 a가 0.05 이상 0.45% 이하인 경질 피막 형성용 타깃이다.
본 실시형태의 타깃에서는, M원소에 Mo 또는 W 중 적어도 1종을 선택하므로, V단독의 타깃보다 타깃 표면에 형성되는 용융 풀 면적이 축소하는 경향이 있어 드롭렛의 억제에 기여한다. 즉, 용융 풀이 축소함으로써 용융 풀로부터 발생하는 드롭렛이 작아지고, 드롭렛 개수도 감소한다. V보다 융점, 열전도율이 높은 Mo나 W를 타깃에 함유시킴으로써 발현되는 드롭렛 억제 효과는, 타깃 중의 첨가 원소의 농도 분포에 의존하다고 생각된다. 즉, 타깃을 분말 야금법으로 제조하는 경우에는, 아크 방전에 의해 생성하는 용융 풀(본 발명에서는 10∼200㎛ 정도)과 같은 정도이거나, 그 이하의 스케일로 타깃 중에 첨가 원소를 분포시킴으로써, V만의 에리어가 첨가 원소에 의해 분단되고, 상기 효과가 발휘된다. 이를 위해서는 주성분의 V분말의 입자 지름을 상기 용융 풀의 스케일과 같은 정도 이하로 하는 것에 더해, 첨가 원소의 분산성을 높이기 위해서, 첨가 원소 분말의 입자 지름을 V분말의 입자 지름에 비해서 작게 하는 것이 바람직하다. 또한, 금속을 용해해서 V합금 타깃을 제조하는 경우는, 첨가 원소를 충분히 확산시키는 것이 바람직하다. 또한, 첨가 원소의 농도 분포가 발생하는 경우는, 그 V만의 에리어의 스케일을, V단독의 타깃 표면에 형성되는 용융 풀의 스케일(10∼200㎛ 정도)과 같은 정도 이하로 억제하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 전자프로브 마이크로 아날라이저(EPMA)를 사용한 라인 분석이나 원소 맵에 의해 농도 분포를 측정하고, 용융 풀과 비교해서 평가할 수 있다.
또한, 본 발명의 피막의 특성을 손상하지 않는 범위이면, 다른 함유 원소의 함유량 및 불순물 원소를 미량(0.1% ∼1%) 함유하고 있어도 된다. 불순물 원소는, 예를 들면 Fe, C, O, N 등이 열거된다.
본 실시형태의 (V1-aMa) 합금 타깃은 V와 M의 합계에 대한 M의 원자비 a가 0.05 이상 0.45 이하이다. 이 범위 내에 포함함으로써 피막 조성과 타깃 조성의 차를 작게 하여, 소망의 특성을 갖는 피막을 안정하게 형성시키는 것이 가능하다. M의 원자비 a가 0.45 초과하는 경우, 성막 레이트가 저하해서 생산성의 저하를 초래하는 경향이 있다. M의 원자비 a가 0.05 미만인 경우, V주체의 피막이 형성되기 때문에, 드롭렛 억제 효과가 얻어지지 않는다. 바람직한 원자비 a의 하한은 0.1이고, 바람직한 원자비 a의 상한은 0.40이다. 또한, 본 실시형태의 (V1-aMa) 합금 타깃은 기존의 성막 방법에 적용할 수 있지만, 금형의 템퍼링 온도보다 저온에서 피복 처리가 가능해지고, 금형의 치수의 변동을 억제할 수 있는, 아크 이온 플레이팅법이나 스퍼터링법 등의 물리 증착법(PVD)에 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 밀착성이나 시료로의 부착성이 우수하지만 드롭렛이 형성되기 쉬운 아크 이온 플레이팅에 사용하는 것이 보다 바람직하다. 또한. 본 실시형태의 (V1-aMa) 합금 타깃은 본 실시형태의 경질 피막의 a2층 및 B층에 사용하는 것이 바람직하지만, 기타 VMN계 단층 막이나, 본 실시형태 이외의 복층 피막에 VMN계 피막을 피복하는 용도에 적용해도 된다.
본 발명의 피복 금형의 제조 방법은 작업면에 경질 피막을 갖는 피복 금형의 제조 방법으로서, Cr계 질화물인 두께 100nm 이하의 a1층과, (V1-aMa)(M은 Mo, W로부터 선택되는 적어도 1종)의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, V와 M의 합계 에 대한 M의 원자비 a가 0.05 이상 0.45 이하인 두께 80nm 이하의 a2층이 교대로 적층된 A층을 피복하는 공정과, A층의 상층에 (V1-aMa)(M은 Mo, W로부터 선택되는 적어도 1종)의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, V와 M의 합계에 대한 M의 원자비 a가 0.05 이상 0.45 이하인 경질 피막 형성용 타깃을 이용하여 두께 0.1㎛ 이상의 B층을 피복하는 공정을 포함한다. 이 경질 피막 형성 방법은 금형의 템퍼링 온도보다 저온에서 피복 처리가 가능해지고, 금형의 치수의 변동을 억제할 수 있는, 아크 이온 플레이팅법이나, 스퍼터링법 등의 물리증착법(PVD)을 선택하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 드롭렛이 형성되기 쉬운 아크 이온 플레이팅법을 적용한다. 또한, 보다 평활하게 슬라이딩 특성이 우수한 경질 피막을 얻기 위해서, 피복 도 중이나 피복 후에 경질 피막의 표면을 연마해도 된다.
본 발명의 금형에 사용되는 재료(모재, 기재)는 특별하게 정해지는 것은 아니지만, 냉간 다이스 강, 열간 다이스 강, 고속도 강이라고 한 공구 강 또는 초경 합금 등을 적당하게 사용할 수 있다. 금형은 질화 처리 또는 침탄 처리 등이라 한 확산을 이용한 표면 경화 처리를 미리 적용한 것이어도 된다. 또한, 상술한 본 발명의 경질 피막의 효과를 저해하지 않는 범위에서, 금형 표면 상에 경질 피막과는 다른 종의 피막을 형성시켜도 된다.
실시예
(실시예 1)
우선, 본 발명예 및 비교예가 되는 타깃재를 작성했다. 각각 순도 99.9% 이상의 V분말과 Cr, Fe, Nb, Mo, W 분말을 준비하고, 조성식이 표 1에 나타내는 원자비가 되도록 칭량하고, V형 혼합기에 의해 혼합해서 혼합 분말을 제작했다. 다음에 얻어진 혼합 분말을 연강제의 캡슐에 충전하고, 탈기 밀봉한 후, 온도 1250℃, 압력 120MPa, 유지시간 10시간의 조건으로 열간 정수압 프레스에 의해 소결하여 소결체를 제작했다. 또한, V분말은 분쇄 분말이고, 입경은 150㎛ 이하, D50은 87㎛의 것을 사용했다. 또한, Cr, Fe, Nb 분말은 분쇄 분말이고, 입경은 150㎛ 이하의 것을 사용했다. Mo 분말은 3산화 몰리브덴 분말의 수소 환원법에 의한 것이고, 입경(피셔 지름)은 4∼6㎛의 것을 사용했다. W분말은 화학 추출법에 의한 것이고, 입경(피셔 지름)은 0.6∼1.0㎛의 것을 사용했다. 얻어진 소결체에 기계 가공을 실시하고, 직경 105mm×두께 16mm의 (V1-aMa) 합금 타깃을 제작했다. 제작한 타깃의 조성을 표 1에 나타낸다. 표 1에는, 참고 문헌(개정 4판 금속 데이터북, 일본 금속학회, 마루젠, 2004)으로부터 추출한 첨가 원소 M의 열전도율, 융점(100V 타깃은 V의 열전도율, 융점)을 함께 나타낸다.
피복하는 기재에는 SKH51(21mm×17mm×2mm)의 경면 연마, 탈지 세정 완료의 것을 준비하고, 준비한 기재를 복수의 타깃이 둘러싸는 중심에서 기재가 회전하는 구조의 아크 이온 플레이팅 장치 내에 설치했다. a1층용의 타깃에는 AlCrSi 타깃(Al60Cr37Si3(at%))을 사용하고, a2층용의 타깃에는 제작한 (V1-aMa) 합금 타깃을 사용했다. 그 후, 초기 공정으로서, 장치 내에서 기재를 450℃에서 가열 탈가스한후, Ar 가스를 도입하고, 기재 표면의 플라즈마 클리닝 처리(Ar 이온 에칭)를 행했다. 계속해서, 플라즈마 클리닝 처리 후의 기재에 피복을 행한 시료 No.1∼6를 제작했다. 각각의 피막의 구성은 AlCrSiN층을 1㎛ 형성한 후에 AlCrSiN과 (V1-aMa)N과의 교대 적층 구조(이하, AlCrSiN/(V1-aMa)N이라고도 기재한다)로 이루어지는 피막(A층: 교대 적층부)을 17∼20㎛ 적층한 후, 최상층에 0.5㎛의 (V1-aMa)N막(B층)을 성막했다. 또한, 시료 No.6은 V100%(a=0%)의 것이다. 또한, 시료 No.1∼No.6에 있어서, a1층의 두께는 약 9nm이며, a2층의 두께는 약 12nm이었다.
다음에 제작한 시료에 대하여, 경질 피막의 최표면에 대하여 시험편을 5도 기울인 피막 단면을 경면 연마로 조정하고, 그 중의 교대 적층부(A층)에 해당하는 관찰면에 있어서, 광학 현미경으로 관찰을 행했다. 본 발명예인 시료 No.2의 사진을 도 1에, 비교예인 시료 No.6의 사진을 도 2에 나타낸다. 도면 중의 광학 현미경사진에 있어서, 백색의 반점이 드롭렛이다. 본 발명예인 No.1, 2(M:Mo, W)의 타깃 을 이용하여 제작한 A층에 있어서는, 비교예인 No.3∼5(M:Cr, Fe, Nb) 및 V100% (a=0%)의 No.6의 타깃을 사용한 것에 비하여, 드롭렛은 현저하게 저감하고 있고, 열전도율이나 융점이 높은 첨가 원소에 의해 드롭렛을 저감할 수 있는 것이 나타내어졌다.
Figure pct00001
(실시예 2)
다음에 실시예 1에서 드롭렛 저감 효과가 보인 첨가원소 M(W, Mo)의 첨가량에 대해서 검토했다. 본 발명예가 되는 타깃재를 원자비에 있어서의 조성식이 V1-aMa가 되도록 실시예 1과 같은 요령으로 작성했다. 제작한 타깃의 조성을 표 2에 나타낸다. 피복 공정에 관해서도, 피막의 재질 이외는 실시예 1과 같은 공정으로 실시하고, 시료 No.7∼시료 No.13을 제작했다. 여기서 시료 No.8은 실시예 1의 시료 No.1과, 시료 No.11은 실시예 1의 시료 No.2와, 시료 No.13은 실시예 1의 시료 No.6과 같은 것을 사용했다.
다음에 제작한 시료에 대하여, 경질 피막의 최표면에 대한 시험편을 5도 기울인 피막 단면을 경면 연마로 조정하고, 그 중의 교대 적층부(A층)에 해당하는 관찰면에 있어서, 경도의 측정과 피막 성분의 정량 분석을 행했다. Bruker AXS사 제작의 나노인덴테이션 장치를 사용하고, 관찰면의 경도(나노인덴테이션 경도)와 영률을 측정했다. 이 경도와 탄성률의 측정은 압입 하중 5000μN로 10점 측정하고, 그 평균값으로부터 구했다. 피막 성분의 정량 분석은 전자프로브 마이크로 어날라이저(EPMA; JEOL, Ltd.제작 JXA-8900R)를 이용하여 분석했다. 분석값은 가속 전압 15kV로 한 스폿 측정을 5개소 실시하고, 그 평균값으로 했다. Al, Cr, Si, V, Mo, W, N의 측정값으로부터 (V, M) 중에서 차지하는 Mo, W량을 구하고, a2층의 금속 성분 조성으로 했다. 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 표에는 기재하지 않지만, B층의 금속 성분 비율도, a2층의 금속 성분 비율과 같은 수준인 것을 확인 완료한다. 또한, 표에는 기재하지 않지만, 비교예로서 50V-50Mo, 50V-50W에 관해서도 검토를 행했다. 결과적으로 어느 쪽의 타깃도 다른 실시예에 비하여 아크 방전이 안정되지 않고, 소망의 두께의 피막을 형성시키는 것이 곤란했기 때문에, 실험을 중지했다.
Figure pct00002
정량 분석의 결과, a2층의 금속 성분 조성에 있어서의 Mo, W는 타깃에 함유 된 양의 70% 이상 피복층에 포함되어 있고, 또한 타깃에 Mo, W를 많이 포함할수록 a2층에 포함하는 Mo, W량이 차지하는 비율은 증가하고 있는 점으로부터, 본 발명에 있어서는 a2층을 양호한 효율로 합금화할 수 있는 것이 확인되었다. 또한, 경도 시험의 결과, a2층에 Mo, W를 많이 포함하는 피막은 경도, 영률 모두 증가하고 있었다. 경도는 내마모성과, 영률은 강성과 각각 정의 상관이 있는 점으로부터, 본 발명에 있어서는 피막의 내마모성, 내구성에 효과가 있는 것이 나타내어졌다.
다음에 피막에 포함되는 드롭렛의 정량 평가를 행했다. 실시예에서 관찰한 개소와 동일한 교대 적층부에 해당하는 피막 단면으로부터, 종 100㎛ 횡 100㎛의 영역을, 각각 5영역 추출했다. 그리고, 각각의 상기 영역에 대해서, EPMA로 원소맵 분석을 행하고, 원상당 지름이 0.1㎛ 이상의 V, Mo, W의 드롭렛에 대해서 개수, 면적을 구했다. 화상 처리 및 해석에는, 오픈 소스·소프트웨어 Image J를 사용했다. 도 1에 시료 No.2의, 도 2에 시료 No.13의, 상기 영역 내에 있어서의 V의 원소 매핑 화상 및 상기 원소 매핑 화상을 이진화 처리한 화상(시야 면적 100㎛×100㎛)을 나타낸다. 또한, 도 3, 4에 있어서, 백색의 반점이 드롭렛이다.
계속해서, 각각의 영역에서 구한 드롭렛의 개수, 면적의 수치를 상기 5영역으로 집계하고, 시료 No.7∼13에서 있어서의 드롭렛의 개수, 면적률을 구했다. 또한, 시료 No.13에 있어서의 드롭렛은 V의 드롭렛 개수를 나타내고 있고, (V1-aMa) 합금 타깃을 사용하고 있는 시료 No.7∼12에 대해서는, V의 드롭렛과 M(Mo 또는 W)의 드롭렛을 합산한 개수를 나타내고 있다. 측정 결과를 표 3에 나타낸다. 표 3 및 도 3, 도 4에 나타내는 바와 같이 교대 적층부의 드롭렛의 면적률 및 개수는, 본 발명에 있어서의 VMN계 피막에 있어서 현저하게 감소하고 있고, M의 V에 대한 함유율이 높게 될수록 그 효과가 현저한 것을 확인할 수 있었다.
Figure pct00003
(실시예 3)
계속해서, 본 발명예와 비교예의 시료의 슬라이딩 특성을 비교하는 시험을 행했다. 피복하는 기재는 60HRC에 조정한 프리하든 강(15mm×10mm×10mm)의 경면 연마, 탈지 세정 완료의 것을 준비하고, 복수의 타깃이 둘러싸는 중심에서 기재가 회전하는 구조의 아크 이온 플레이팅 장치 내에 설치했다. a1층 용의 타깃에는 AlCrSi 타깃(Al60Cr37Si3(at%))을 사용하고, a2층 용의 타깃에는 (V80W20(at%)) 합금 타깃 또는 V타깃을 사용했다. 그 후, 초기 공정으로서, 장치 내에서 기재를 450℃로 가열 탈가스한 후, Ar 가스를 도입하고, 기재 표면의 플라즈마 클리닝 처리(Ar 이온 에칭)을 행했다. 계속해서, 플라즈마 클리닝 처리 후의 기재에 피복을 행한 시료 No.14∼20를 제작했다. 시료 No.14는 기재 상에 AlCrSiN층을 3.0㎛ 형성한 후에, AlCrSiN(a1층)과 VWN(a2층)의 교대 적층 구조로 이루어지는 피막(A층: 교대 적층부)을 9.3㎛ 적층해서 제조했다. 시료 No.15, 16은 기재 상에 CrN층을 4.4㎛ 형성하고, 계속해서 CrN층의 바로 위가 AlCrSiN과 CrN의 교대 적층 구조로 이루어지는 피막을 2.8㎛ 피복한 후에, AlCrSiN(a1층)과 VWN(a2층)의 교대 적층 구조로 이루어지는 피막을 (A층: 교대 적층부)을 2.4㎛ 피복했다. 시료 No.17∼20은 AlCrSiN(a1층 상당)과 VN(a2층 상당)의 교대 적층 구조로 이루어지는 피막을 13㎛피복했다. 시료 No.14∼20에 있어서, a1층의 두께는 약 9nm이고, a2층의 두께는 약12nm이었다.
이 슬라이딩 시험에 사용한 장치의 모식도를 도 5, 도 6(a), (b)에 나타낸다. 도 5는 시험 장치의 평면도이고, 도 6(a), (b)는 도 5의 측면도이다. 상기의 도면에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에서 사용한 시험 장치는, 시료 설치부(14)에 시료를 부착해서 유지하는 암부(15)를 포함하는 유지 기구(11)와, 회전하면서 상기 시료에 대하여 접촉 및 비접촉을 반복하는 접촉 지그(10)와, 접촉 지그(10)를 회전 가능하게 유지하는 회전 기구(도시 생략)를 구비하고 있다. 접촉 지그(10)는 회전축(Ax1)을 갖는 축부(12)와, 회전축(Ax1)으로부터 편심한 중심축(Ax2)을 갖는 원형 판형상부(13)로 구성된다. 또한, 도 5, 6으로부터는 확인할 수 없지만, 암부가 설치되는 유지 기구의 본체부에는, 상기 암부(15)를 진퇴 가능하게 수납 유지하는 수납 구멍이 형성되어 있고, 수납 구멍 중에는 스프링 기구가 설치되어 있어, 미리 시료에 부여하는 수직 항력을 시험 중에도 일정하게 유지하도록 구성되어 있다. 또한, 상기 유지 기구의 본체부에는, 힘 센서가 조립되어 있고, 시료에 부여되는 수직 항력과, 슬라이딩 시험 중에 수평 방향으로 부여되는 마찰력을 리얼 타임으로 계측할 수 있다. 상술한 구성에 의해, 본 실시형태에서 사용하는 시험 장치는, 실제의 가공 상태를 모의한 금형을 준비하지 않아도, 실제의 사용 환경에 가까운 금형 재료의 마모 평가를 행할 수 있다. 상술한 암부(15)의 선단에 본 발명예 및 비교예의 시료를 부착하고, 경도가 45HRC의 SKD61 제작의 원형 판형상부 (피가공재에 상당한다)를 회전 속도 500mm/s로 회전시켜서, 본 발명예 및 비교예의 시료와 원형 판형상부를 7000회 슬라이딩시켰다. 슬라이딩 실험힐 때의 윤활에 관해서도, 실제의 사용 환경에 있어서의 오일막 부족을 재현하기 위해서, 원형 판형상부와 시료의 마찰계수 μ가 0.25에 달했을 때에 윤활유를 시료 표면에 도포하는, 간헐 윤활 방식으로 했다. 마찰 계수는, 상기 힘 센서로 계측되는 마찰력의 수직 항력에 대한 비로 시험 중 리얼타임으로 구했다. 본 발명예 및 비교예 중에서 최대 마찰 일량(최대 마찰력[N]×슬라이딩 길이[mm]로부터 도출)을 변경한 시료도 작성하고, 슬라이딩 횟수 1000회마다(1000회 미만은 슬라이딩 횟수가 100회마다))에 시료의 슬라이딩부를 관찰했다. 각 시료의 시험 결과를, 표 4에 나타낸다.
Figure pct00004
표 4로부터, 본 발명예인 No.14∼No.16의 시료는, 슬라이딩 횟수가 7000회에 달해도 막의 파괴가 확인되지 않고, 계속 시험이 더욱 가능한 상태이고, 대단히 양호한 슬라이딩 특성을 갖고 있는 것을 확인했다. 반대로 비교예인 No.17∼No.20의 시료는 모두 슬라이딩 횟수 6000회 이내로 막의 파괴가 발생하고 있고, 최대 마찰 일량이 클수록 조속히 파괴가 발생하고 있는 것을 확인했다. 이상으로부터 본 발명예의 피막은 종래의 피막보다 슬라이딩 특성을 대폭 향상시킬 수 있고, 금형 수명의 향상에 유효한 것을 확인할 수 있었다.
10: 접촉 지그
11: 워크 유지 기구
12: 축부
13: 판형상부
14: 시료 설치부
15: 암부
Ax1: 회전축
Ax2: 판형상부의 중심축

Claims (6)

  1. 작업면에 경질 피막을 갖는 피복 금형으로서,
    상기 경질 피막은 Cr계 질화물인 두께 100nm 이하의 a1층과,
    (V1-aMa)(M은 Mo, W로부터 선택되는 적어도 1종)의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, V와 M의 합계에 대한 M의 원자비 a가 0.05 이상 0.45 이하인 두께 80nm 이하의 a2층이 교대로 적층된 A층을 포함하는, 피복 금형.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 A층의 상층에 형성되고, (V1-aMa)(M은 Mo, W로부터 선택되는 적어도 1종)의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, V와 M의 합계에 대한 M의 원자비 a가 0.05 이상 0.45 이하인 두께 0.1㎛ 이상의 B층을 더 포함하는, 피복 금형.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 경질 피막의 A층에 있어서의 영률이 250GPa 이상, 나노인덴테이션 경도가 25GPa 이상인, 피복 금형.
  4. 작업면에 경질 피막을 갖는 피복 금형의 제조 방법으로서,
    Cr계 질화물인 두께 100nm 이하의 a1층과,
    (V1-aMa)(M은 Mo, W로부터 선택되는 적어도 1종)의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, V와 M의 합계에 대한 M의 원자비 a가 0.05 이상 0.45 이하인 두께 80nm 이하의 a2층이 교대로 적층된 A층을 피복하는 공정을 포함하고,
    상기 a2층은 (V1-aMa)(M은 Mo, W로부터 선택되는 적어도 1종)으로 이루어지고, V와 M의 합계에 대한 M의 원자비 a가 0.05 이상 0.45 이하인 경질 피막 형성용 타깃을 사용하는, 피복 금형의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 A층의 상층에, (V1-aMa)(M은 Mo, W로부터 선택되는 적어도 1종)의 질화물 또는 탄질화물로 이루어지고, V와 M의 합계에 대한 M의 원자비 a가 0.05 이상 0.45 이하인 두께 0.1㎛ 이상의 B층을 피복하는 공정을 더 포함하고,
    상기 B층은 (V1-aMa)(M은 Mo, W로부터 선택되는 적어도 1종)으로 이루어지고, V와 M의 합계에 대한 M의 원자비 a가 0.05 이상 0.45 이하인 경질 피막 형성용 타깃을 사용하는, 피복 금형의 제조 방법.
  6. (V1-aMa)(M은 Mo, W로부터 선택되는 적어도 1종)으로 이루어지고, V와 M의 합계에 대한 M의 원자비 a가 0.05 이상 0.45 이하인, 경질 피막 형성용 타깃.
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