KR20240035884A - 경질 피막, 경질 피막 피복 공구, 및 경질 피막의 제조 방법 - Google Patents

경질 피막, 경질 피막 피복 공구, 및 경질 피막의 제조 방법 Download PDF

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요시타카 아다치
히로키 기마
히로아키 스기타
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오에스지 가부시키가이샤
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Abstract

경질 피막 (32) 은, 기재 (30) 의 표면에 형성되는 제 1 층 (34) 과, 제 1 층 (34) 의 표면에 형성되는 제 2 층 (36) 으로 이루어지고, 제 1 층 (34) 은 AlCrαN 이고, 제 2 층 (36) 은 AlCrCN 이다. 또, 제 1 층 (34) 의 막두께 T1 과 제 2 층 (36) 의 막두께 T2 를 합친 총 막두께 T 는 0.5 ㎛ ∼ 9.0 ㎛ 의 범위 내이고, 총 막두께 T 에 대한 제 2 층 (36) 의 막두께 T2 의 비율 (T2/T) 는 5 % ∼ 50 % 의 범위 내이다. 또, X 선 회절 피크에 있어서 (111) 면 및 (200) 면에 귀속되는 피크를 가짐과 함께, (111) 면의 피크 강도 SP1 과 (200) 면의 피크 강도 SP2 의 강도비 (SP1/SP2) 는 0.1 ∼ 20 의 범위 내이다. 이와 같은 경질 피막 (32) 에 따르면, 우수한 내구성이 얻어진다.

Description

경질 피막, 경질 피막 피복 공구, 및 경질 피막의 제조 방법
본 발명은, 기재의 표면을 피복하는 경질 피막, 그 경질 피막으로 피복된 경질 피막 피복 공구, 그 경질 피막의 제조 방법에 관한 것이다.
탭이나 드릴, 엔드 밀, 밀링 커터, 바이트 등의 절삭 공구, 스레드 포밍 탭, 전조 (轉造) 공구, 프레스 금형 등의 비절삭 공구 등의 다양한 가공 공구, 혹은 내마모성이 요구되는 마찰 부품 등, 다양한 부재에 있어서, 기재의 표면에 경질 피막을 코팅함으로써, 내마모성이나 내응착성, 내구성 등을 향상시키는 것이 제안되어 있다. 특허문헌 1, 2 에 기재된 경질 피막은 그 일례이며, AlCrN 혹은 AlCrCN 등을 사용하여 경질 피막을 구성하는 기술이 제안되어 있다.
일본 특허공보 제6383333호 일본 특허공보 제5090251호
그러나, 이와 같은 종래의 경질 피막에 있어서도, 가공 조건이나 사용 조건 등에 따라 피막에 치핑이나 박리 등이 발생하여 반드시 충분히 만족할 수 있는 내구성이 얻어지지 않는 경우가 있어, 여전히 개량의 여지가 있었다. 예를 들어, AlCrN 으로 피복된 스레드 포밍 탭을 사용하여, JIS 에 규정된 SCM440 (크롬 몰리브덴 강) 에 대해 탭핑 가공을 실시한 경우, 가공 구멍 수가 1000 구멍에 미치지 못하여, 충분한 내구성이 얻어지지 않았다.
본 발명은 이상의 사정을 배경으로 하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, AlCrN 계의 경질 피막의 내구성을 더욱 향상시키는 것에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해서, 제 1 발명은, 기재의 표면을 피복하도록 그 표면에 형성되는 경질 피막으로서, (a) 상기 경질 피막은, 상기 기재의 표면에 형성되는 제 1 층과, 그 제 1 층의 표면에 형성되는 제 2 층으로 이루어지고, (b) 상기 제 1 층은, AlaCrbαcN 〔다만, a, b, c 는 원자비이며, a+b+c = 1 이고, 0 ≤ c ≤ 0.40 이고, b/a 는 0.25 ∼ 1.0 의 범위 내이고, 임의 첨가 성분 α 는 원소의 주기표의 IVa 족, Va 족, VIa 족 (Cr 을 제외한다), 및 Y 에서 선택되는 1 종류 이상의 원소이다〕이고, (c) 상기 제 2 층은, AldCreCfN 〔다만, d, e, f 는 원자비이며, d+e+f = 1 이고, 0.001 ≤ f ≤ 0.20 이고, e/d 는 0.25 ∼ 1.0 의 범위 내이다〕이고, (d) 상기 제 1 층의 막두께 T1 과 상기 제 2 층의 막두께 T2 를 합친 총 막두께 T 는 0.5 ㎛ ∼ 9.0 ㎛ 의 범위 내이고, 그 총 막두께 T 에 대한 상기 제 2 층의 막두께 T2 의 비율 (T2/T) 는 5 % ∼ 50 % 의 범위 내이고, (e) 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층으로 이루어지는 상기 경질 피막의 X 선 회절 피크에 있어서 (111) 면 및 (200) 면에 귀속되는 피크를 가짐과 함께, 상기 (111) 면의 피크 강도 SP1 과 상기 (200) 면의 피크 강도 SP2 의 강도비 (SP1/SP2) 는 0.1 ∼ 20 의 범위 내인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 원자비 a ∼ f 를 100 배한 값이 at% (원자%) 이다.
제 2 발명은, 기재의 표면에 경질 피막이 형성되어 있는 경질 피막 피복 공구로서, 상기 경질 피막은 제 1 발명의 경질 피막인 것을 특징으로 한다.
제 3 발명은, 제 1 발명의 경질 피막의 제조 방법으로서, (a) 상기 제 1 층 및 상기 제 2 층은, 모두 대 (大) 전력 펄스 마그네트론 스퍼터링법에 의해 성막되고, (b) 상기 제 2 층은, AlCr 합금을 타깃으로서 사용하며, 질소 가스 및 탄화수소 가스를 챔버 내에 공급하여 스퍼터링을 실시함과 함께, 그 탄화수소 가스의 공급량을 조정하여 상기 C 의 원자비 f 를 0.001 이상, 0.20 이하로 하는 것을 특징으로 한다.
상기 대전력 펄스 마그네트론 스퍼터링법은, HiPIMS (하이핌스 ; High-Power Impulse Magnetron Sputtering 의 약칭) 법이라고 불리는 성막 기술로, 이하 HiPIMS 법이라고 한다.
제 1 발명의 경질 피막 및 제 2 발명의 경질 피막 피복 공구에 따르면, 우수한 내구성이 얻어진다. 또, AlCrN 계의 경질 피막을 아크 이온 플레이팅법으로 성막하면, 매크로 파티클로 불리는 미소한 용적 (溶滴) 이 피막 내부나 피막 표면에 부착되어, 피가공물의 응착이나 피막의 치핑, 박리 등의 원인이 되어 경질 피막의 내구성이 저하될 가능성이 있지만, 제 3 발명의 HiPIMS 법에 따르면 매크로 파티클이 저감되고, 내응착성이나 내치핑성이 향상되어 내구성이 한층 더 향상된다.
도 1 은, 본 발명이 적용된 스레드 포밍 탭의 일례를 설명하는 정면도이다.
도 2 는, 도 1 에 있어서의 II-II 화살표시 방향에서 본 부분의 확대 단면도이다.
도 3 은, 도 1 의 스레드 포밍 탭에 형성된 경질 피막의 피막 구조를 설명하는 단면도이다.
도 4 는, 도 3 의 경질 피막을 HiPIMS 법에 따라서 코팅하는 스퍼터링 장치의 일례를 설명하는 도면이다.
도 5 는, 도 4 의 스퍼터링 장치를 사용하여 제 2 층을 코팅할 때의 메탄 가스 (CH4) 의 공급 비율과 탄소 함유량의 관계를 조사한 결과를 설명하는 도면이다.
도 6 은, 본 발명의 일 실시예인 경질 피막에 대해서 X 선 회절에 의해 얻어진 강도 분포의 일례를 나타낸 도면이다.
도 7 은, 경질 피막의 피막 구조가 상이한 복수의 시험품 No 1 ∼ No 40 을 설명하는 도면으로, 제 1 층의 피막 조성을 나타낸 도면이다.
도 8 은, 도 7 의 복수의 시험품 No 1 ∼ No 40 에 대해서, 제 2 층의 피막 조성, 막두께, 및 X 선 회절 (XRD) 의 결과를 나타낸 도면이다.
도 9 는, 도 7 및 도 8 에 나타낸 복수의 시험품 No 1 ∼ No 40 을 사용하여 탭핑 가공을 실시하여, 내구성 및 수명 원인을 조사한 결과를 설명하는 도면이다.
본 발명은, 탭이나 드릴, 엔드 밀, 밀링 커터, 바이트 등의 절삭 공구, 스레드 포밍 탭 (전조 탭이라고도 불린다), 전조 공구, 프레스 금형 등의 비절삭 공구 등의 다양한 가공 공구, 즉 경질 피막 피복 공구에 있어서, 기재의 표면에 형성되는 경질 피막에 바람직하게 적용된다. 가공 공구 이외에도, 베어링 부재 등 내마모성이나 내응착성 등이 요구되는 다양한 부재의 경질 피막에 적용할 수 있다. 칩이 보디에 착탈 가능하게 장착되는 칩 교환식 공구의 칩에도 적용될 수 있다.
본 발명의 경질 피막의 제조 방법, 즉 코팅 방법으로서는, 전자 빔 증착법이나 할로우 캐소드법, 마그네트론 스퍼터링법 (MS 법), 아크 이온 플레이팅법 (AIP 법) 등의 물리 기상 성장법 (PVD 법) 을 사용할 수 있다. MS 법은, 희귀 가스 분위기 중에서 자석 및 타깃이 배치되어 있는 음극 (캐소드) 에 전압을 인가하는 것에 따른 글로우 방전을 사용하여, 가속된 이온을 타깃에 충돌시키고, 그 운동 에너지에 의해 타깃으로부터 피막 재료를 밀어내고, 그 밀어내어진 재료를 기재에 부착시킴으로써 성막하는 수법이다. 이 경우, 열 충격에 의한 드롭 렛이 생성되어 버리는 전자 빔 증착법이나 할로우 캐소드법, AIP 법과 비교하여, 평활한 피막을 성막하는 것이 가능하다. MS 법에는, 캐소드에 직류 전압 (DC) 을 인가하는 DCMS 법과, 직류 전압 전원과 캐소드 사이에 콘덴서 및 스위치를 배치하고, 콘덴서의 충방전으로 캐소드에 대전력 펄스를 인가하는 HiPIMS 법이 있다. HiPIMS 법은 대전력을 캐소드에 공급하기 때문에, DCMS 법보다 이온화율이 높은 플라즈마를 생성할 수 있다. 본 발명의 경질 피막의 제조 방법으로서는, 스퍼터링법의 일종인 HiPIMS 법이 바람직하게 사용되고, AlCr 합금을 타깃으로서 사용하여, Ar 과 N2 의 혼합 가스 분위기 중에서 제 1 층인 AlCrN 을 성막한 후, 제 2 층의 성막 시에는 추가로 탄화수소 가스를 도입하여 AlCrCN 을 성막하면 된다. 제 1 층으로서 임의 첨가 성분 α 를 함유하는 AlCrαN 이 형성되는 경우에는, 제 1 층 성막 시의 타깃으로서 AlCrα 합금을 사용하면 된다.
AIP 법은, 아크 방전을 이용하여 타깃을 고체로부터 증발 또는 이온화하여, 기재에 성막하는 수법이다. 매우 높은 에너지를 타깃에 공급하기 때문에, 높은 부착력, 내마모성을 갖는 피막이 얻어지는 한편, 아크 방전의 충격에 의해 드롭 렛이라고 불리는 수 ㎛ 이상의 매크로 파티클이 다량으로 기판 상이나 피막 표면 상에 부착된다. 드롭 렛의 비래 저감을 위해, 필터링하는 수법도 있고, 그 경우에는 본 발명의 경질 피막의 제조 방법으로서 바람직하게 이용된다. 이 AIP 법이나 상기 HiPIMS 법 이외의 코팅 기술을 채용할 수도 있다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예를, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 실시예에 있어서, 도면은 설명을 위해서 적절히 간략화 혹은 변형되어 있고, 각 부의 형상이나 치수비, 각도 등은 반드시 정확하게 그려져 있지 않다.
도 1 은, 본 발명이 적용된 스레드 포밍 탭 (10) 을 나타낸 도면으로, 축선 (O) 과 직각 방향에서 본 정면도이고, 도 2 는 도 1 에 있어서의 II-II 화살표시 방향에서 본 부분인 나사부 (16) 에 있어서의 단면을 확대하여 나타낸 도면이다. 이 스레드 포밍 탭 (10) 은, 도시되지 않은 탭핑 장치의 주축에 장착되는 생크 (12) 와, 암나사를 스레드 포밍 가공 (전조 가공) 하기 위한 나사부 (16) 를, 축선 방향 (축선 (O) 과 평행한 방향) 으로 연속하여 동심으로 일체로 구비하고 있다. 나사부 (16) 는, 외측으로 만곡된 변으로 이루어지는 다각형상, 본 실시예에서는 대략 정육각 형상의 단면을 이루고 있음과 함께, 그 외주면에는, 피가공물 (암나사 소재) 의 하부 구멍의 내벽 표층부에 물리고 소성 변형시킴으로써 암나사를 스레드 포밍 가공하는 수나사가 형성되어 있다.
상기 나사부 (16) 에 형성된 수나사의 나사산 (18) 은, 형성해야 할 암나사의 골의 형상에 대응한 단면 형상을 이루고 있으며, 그 암나사에 대응하는 리드각의 스프링 나선을 따라 형성되어 있음과 함께, 그 나사산 (18) 이 직경 방향의 외측으로 돌출하는 6 개의 돌출부 (20) 와, 그 돌출부 (20) 에 이어서 직경이 작아지는 릴리프부 (22) 가, 나사의 진행 방향을 따라 교대로 또한 축선 (O) 둘레에 있어서 60°의 등각도 간격으로 형성되어 있다. 즉, 정육각형의 각 정점 부분이 각각 돌출부 (20) 이며, 축선 (O) 과 평행하게 다수의 돌출부 (20) 가 연속해서 형성됨과 함께, 그러한 축선 방향으로 연속되는 다수의 돌출부 (20) 의 열이 축선 (O) 둘레에 등각도 간격으로 6 열 형성되어 있는 것이다. 또한, 도 2 는, 나사산 (18) 의 골부에 있어서 스프링 나선을 따라 절단한 단면도이다.
나사부 (16) 는 또한, 축선 방향에 있어서 직경 치수가 거의 일정한 완전 산부 (26) 와, 선단측으로 향함에 따라서 직경이 작아지는 물림부 (24) 를 구비하고 있다. 물림부 (24) 에서는, 수나사의 외경, 유효 직경, 및 골 직경이, 서로 동일한 일정한 변화 구배로 직경이 작아지도록 변화하고 있다. 물림부 (24) 에 있어서도, 도 2 와 동일하게 대략 정육각 형상을 이루고 있으며, 돌출부 (20) 및 릴리프부 (22) 를 둘레 방향에 있어서 교대로 구비하고 있다. 또, 나사부 (16) 의 외주면이며 축선 (O) 둘레의 6 열의 돌출부 (20) 의 중간 위치에는, 각각 윤활유제를 공급하기 위한 오일 홈 (28) 이 축선 (O) 과 평행하게 형성되어 있다. 오일 홈 (28) 은 1 개여도 되고, 생략하는 것도 가능하다.
이와 같은 스레드 포밍 탭 (10) 은, 피가공물에 형성된 하부 구멍 내에 물림부 (24) 측에서부터 나사로 체결됨으로써, 돌출부 (20) 가 그 하부 구멍의 내벽 표층부에 물려 소성 변형시킴으로써 암나사를 형성한다. 이와 같은 스레드 포밍 탭 (10) 에 의한 탭핑 가공에 있어서는, 큰 회전 토크가 필요하고, 피가공물과의 사이의 마찰로 인해 나사부 (16) 에 마모나 응착이 발생하기 쉬우며, 가공 조건에 따라서는 충분한 공구 수명이 얻어지지 않을 가능성이 있다.
이에 비해, 본 실시예의 스레드 포밍 탭 (10) 의 나사부 (16) 에는, 도 3 에 나타낸 바와 같이 기재 (30) 의 표면을 피복하도록 경질 피막 (32) 이 코팅되어 있다. 기재 (30) 는, 초경합금이나 고속도 공구강, 그 밖의 공구 재료로 구성되어 있으며, 본 실시예에서는 고속도 공구강이다. 경질 피막 (32) 은, 기재 (30) 의 표면에 형성된 제 1 층 (34) 과, 그 제 1 층 (34) 의 표면에 형성된 제 2 층 (36) 으로 이루어지며, 그 제 2 층 (36) 에 의해 피막 표면이 구성되어 있다. 스레드 포밍 탭 (10) 은, 경질 피막 피복 공구에 상당한다.
경질 피막 (32) 에 대해서 구체적으로 설명하면, 상기 제 1 층 (34) 은, AlaCrbαcN 〔다만, a, b, c 는 원자비이며, a+b+c = 1 이고, 0 ≤ c ≤ 0.40 이고, b/a 는 0.25 ∼ 1.0 의 범위 내이고, 임의 첨가 성분 α 는 원소의 주기표의 IVa 족, Va 족, VIa 족 (Cr 을 제외한다), 및 Y 에서 선택되는 1 종류 이상의 원소이다〕로 구성되어 있다. 제 2 층 (36) 은, AldCreCfN 〔다만, d, e, f 는 원자비이며, d+e+f = 1 이고, 0.001 ≤ f ≤ 0.20 이고, e/d 는 0.25 ∼ 1.0 의 범위 내이다〕로 구성되어 있다. 또, 제 1 층 (34) 의 막두께 T1 과 제 2 층 (36) 의 막두께 T2 를 합친 총 막두께 T 는 0.5 ㎛ ∼ 9.0 ㎛ 의 범위 내이고, 총 막두께 T 에 대한 제 2 층의 막두께 T2 의 비율 (T2/T) 는 5 % ∼ 50 % 의 범위 내이다. 또, 이 경질 피막 (32) 은, X 선 회절 (이하, XRD (X Ray Diffraction) 라고도 표현한다.) 에 있어서 (111) 면 및 (200) 면에 귀속되는 피크를 가짐과 함께, (111) 면의 피크 강도 SP1 과 (200) 면의 피크 강도 SP2 의 강도비 (SP1/SP2) 는 0.1 ∼ 20 의 범위 내이다.
도 6 은, PANalytical 제조의 X 선 회절 장치를 사용하여, 이하의 측정 조건에서 측정한 강도 분포의 일례이고, 도 7 및 도 8 에 나타낸 시험품 No 7 의 측정 결과이다. θ 는 회절 각도이고, (111) 면의 피크는 2θ = 37° ∼ 39°의 각도 범위에 나타나는 피크이고, (200) 면의 피크는 2θ = 43.5° ∼ 44.5°의 각도 범위에 나타나는 피크이다. 피크 강도 SP1, SP2 는, 도 6 에 나타낸 바와 같이 피크 사이의 베이스 부분의 강도를 기준으로 하여 측정한 값이며, 도 6 의 경우 (시험품 No 7) 의 강도비 (SP1/SP2) 는 6.4 (도 8 참조) 이다. 도 8 에 있어서의 XRD 즉 X 선 회절 란의 「피크의 유무」는, (111) 면의 피크의 유무이고, 「피크의 강도비」는 상기 강도비 (SP1/SP2) 이다. 즉, (200) 면의 피크는, 제 1 층 (34) 및 제 2 층 (36) 의 피막 구조에 관계없이 항상 존재한다. 또한, 도 6 에 「*」표시를 한 피크는, 초경합금 테스트 피스 기재 유래의 피크이다. 도 8 의 X 선 회절 (XRD) 의 결과는, 시험품 No 1 ∼ No 40 과 동일한 경질 피막 (32) 을 초경합금의 테스트 피스 기재에 형성하여 조사한 결과이다.
〔측정 조건〕
·관구 (管球) 전압 : 45 kV
·관 전류 : 40 mA
·X 선원 : CuKa (0.15060 ㎚)
·발산 슬릿 : 1/8°
·안티스캐터 슬릿 : 1°, 25° ∼ 55°
도 7 및 도 8 은, 경질 피막 (32) 의 피막 구조가 상이한 복수의 시험품 No 1 ∼ No 40 을 설명하는 도면으로, 시험품 No 1 ∼ No 29 는, 경질 피막 (32) 의 요건을 구비하고 있는 본 발명품이고, 시험품 No 30 ∼ No 40 은, 경질 피막 (32) 의 어느 요건을 만족하지 못하는 비교품이다. 비교품인 시험품 No 30 ∼ No 40 에 있어서, 도트를 실시한 항목은, 경질 피막 (32) 의 요건을 벗어나 있는 것을 의미한다. 시험품 No 36 의 제 2 층 (36) 의 막두께 T2 가 0.0 인 것은, 제 2 층 (36) 의 탄소 함유량이 0.0 at% 이고, 실질적으로 AlCrN 으로 구성되어 있기 때문에, 제 2 층 (36) 을 포함시켜 제 1 층 (34) 의 막두께 T1 로 하였기 때문이다. 또한, 경질 피막 (32) 의 요건을 만족하지 못하는 비교품에 대해서도, 경질 피막 (32) 으로 표현하여 설명한다.
다음으로, 상기 경질 피막 (32) 의 제조 방법, 즉 코팅 방법을 설명한다. 본 실시예에서는 HiPIMS 법에 의해 기재 (30) 상에 경질 피막 (32) 이 코팅되어 있다. 도 4 는, HiPIMS 법을 실시할 수 있는 스퍼터링 장치의 일례를 설명하는 개념도로, 이 스퍼터링 장치 (40) 는 챔버 (42), 바이어스 전원 (44), 타깃 (46), 및 전원 장치 (48) 를 구비하여 구성되어 있다. 타깃 (46) 은, 경질 피막 (32) 을 구성하고 있는 AlCr 합금이 사용된다. 제 1 층 (34) 이 임의 첨가 성분 α 를 갖지 않는 경우에는, AlCr 합금로 이루어지는 1 종류의 타깃 (46) 을 사용하면 되고, 제 1 층 (34) 이 임의 첨가 성분 α 를 갖는 경우에는, 제 1 층 (34) 의 성막용 AlCrα 합금과 제 2 층 (36) 의 성막용 AlCr 합금의 2 종류의 타깃 (46) 을 사용하면 된다. 이 타깃 (46) 은, 자석과 함께 음극 (캐소드) 에 배치되고, 전원 장치 (48) 에 의해 -전압이 인가됨으로써, 글로우 방전에 의해 가속된 이온 (Ar) 이 타깃 (46) 에 충돌시키게 되고, 그 운동 에너지에 의해 타깃 (46) 으로부터 피막 재료인 AlCrα 혹은 AlCr 이 밀어내어져, 바이어스 전원 (44) 에 의해 음의 바이어스 전압이 인가되어 있는 기재 (30) 에 부착된다. 전원 장치 (48) 는, 직류 전압 전원 이외에 콘덴서 및 스위치 회로를 구비하고 있고, 콘덴서의 충방전에 의해, 예를 들어 피크 전력 밀도가 0.1 kW/㎝2 이상인 대전력 펄스를 캐소드에 인가한다. 구체적으로는, 예를 들어 캐소드 투입 전력이 5 ∼ 55 kW, 진공도가 0.5 ∼ 2.0 Pa, 펄스 파형의 on time = 20 μs ∼ 4000 μs, 펄스 파형의 off time = 150 μs ∼ 12000 μs 의 성막 조건에서 성막된다. 이에 따라, 이온화율이 높은 플라즈마가 생성되고, 고밀도의 플라즈마에 의해 매크로 파티클이 적은 고평활성을 가지며, 내응착성, 내마모성, 내열성이 우수한 경질 피막 (32) 이 코팅된다.
또, 제 1 층 (34) 을 성막할 때에는, 반응 가스로서 질소 가스 (N2) 를 챔버 (42) 내에 도입함으로써, AlCrαN 의 제 1 층 (34) 을 성막할 수 있다. 제 2 층 (36) 을 성막할 때에는, 반응 가스로서 질소 가스 (N2) 및 메탄 가스 (CH4) 를 챔버 (42) 내에 도입함으로써, AlCrCN 의 제 2 층 (36) 을 성막할 수 있다. 메탄 가스 대신에 다른 탄화수소 가스를 사용해도 된다. 메탄 가스의 공급량을 조정함으로써, C 의 원자비 f 를 0.001 이상, 0.20 이하로 할 수 있다. 도 5 는, N2+CH4 의 합계 유량에 대한 CH4 의 공급 비율〔CH4/(N2+CH4)〕와 탄소 함유량의 관계를 조사한 도면으로, 메탄 가스의 공급 비율이 커짐에 따라서 제 2 층 (36) 내의 탄소 함유량이 증가한다. 이에 따라, 예를 들어 도 8 의 시험품 No 3 에 나타낸 바와 같이, 제 2 층 (36) 내의 탄소 함유량을 20 at% 까지 증가시킬 수 있다.
탄소 함유량은, 예를 들어 SIMS 법 (2 차 이온 질량 분석법) 에 의해 조사할 수 있다. 도 8 에 나타낸 제 2 층 (36) 의 탄소 함유량 (at%) 은, SIMS 법에 의한 측정 결과이고, 측정 장치는 PHIADEPT1010 (알박·파이 주식회사 제조) 이며, 1 차 이온종은 Cs+, 1 차 가속 전압은 5.0 kV, 검출 영역은 24 ㎛×24 ㎛, 정량을 위한 표준 시료는 AlN 이다. 도 5 는, 제 2 층 (36) 을 성막할 때의 메탄 가스의 공급량이 상이한 4 종류의 시험품 No 12, No 22, No 7, No 36 에 관한 탄소 함유량의 측정 결과이다. 시험품 No 12 는, CH4 의 공급 비율〔CH4/(N2+CH4)〕가 21 % 이고, 탄소 함유량은 약 9.0 at% 였다. 시험품 No 22 는, CH4 의 공급 비율〔CH4/(N2+CH4)〕가 10 % 이고, 탄소 함유량은 약 4.0 at% 였다. 시험품 No 7 은, CH4 의 공급 비율〔CH4/(N2+CH4)〕가 3 % 이고, 탄소 함유량은 약 0.9 at% 였다. 시험품 No 36 은, CH4 의 공급 비율〔CH4/(N2+CH4)〕가 0 %, 즉 CH4 를 도입하지 않은 경우로, 제 2 층 (36) 으로서 AlCrN 이 성막됨과 함께, 탄소 함유량은 약 0.01 at% 였다.
도 9 는, 도 7 및 도 8 에 나타낸 시험품 No 1 ∼ No 40 을 사용하여, 이하의 가공 조건에서 탭핑 가공을 실시하여, 공구 수명에 도달할 때까지의 가공 구멍 수를 내구성으로 하여 조사함과 함께 수명 원인을 조사한 결과를 나타낸 도면이다. 가공 조건의 「피가공물」SCM440 은, JIS 규격에 따른 강재 기호로 크롬 몰리브덴 강을 나타내고 있으며, HRC 는 로크웰 C 경도이다. 또, 「나사내기 길이」의 D 는 공구 직경이며, 이 경우에는 6 mm 이고, 2D = 12 mm 이다. 또한, 시험품 No 1 ∼ No 40 의 경질 피막 (32) 은, 경질 피막 (32) 의 요건을 만족하지 못하는 비교품을 포함시켜, 모두 HiPIMS 법을 사용하여 코팅되어 있다.
〔가공 조건〕
·공구 형상 : M6×1
·피가공물 : SCM440 (30HRC)
·가공 속도 : 15 m/min
·나사내기 길이 : 2D
·절삭유제 : 수용성 절삭유제, 20 배 희석, 외부 급유
도 9 의 「판정」란의 「○」는 합격이고 「×」는 불합격을 의미하며, 여기서는 가공 구멍 수가 1000 구멍 이상을 합격으로 하였다. 또, 수명 원인 란의 「GP-OUT」은, 형성된 암나사에 대해 관통 나사 플러그 게이지 (GP) 가 통과하지 못하게 된 경우로, 경질 피막 (32) 의 마모로 암나사의 유효 직경이 작아진 것을 의미한다. 도 9 의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명품인 시험품 No 1 ∼ No 29 는, 모두 1000 구멍 이상의 탭핑 가공이 가능하여 합격이었다. 수명 원인은, 모두 경질 피막 (32) 의 마모로 인한 GP-OUT 이다. 이에 비해, 경질 피막 (32) 의 요건을 만족하지 못하는 비교품인 시험품 No 30 ∼ No 40 은, 응착이나 피막의 치핑, 피막 박리 등으로 인해 모두 가공 구멍 수가 1000 구멍 미만으로, 본 발명품과 비교하여 내구성이 열등하다.
이와 같이 경질 피막 (32) 이 코팅된 본 실시예의 스레드 포밍 탭 (10) 에 따르면, 우수한 내구성이 얻어진다. 또, AlCrN 계의 경질 피막을 AIP 법으로 성막하면, 매크로 파티클로 불리는 미소한 용적 (예를 들어 직경이 1 ㎛ 이상) 이 피막 내부나 피막 표면에 부착되어, 피가공물의 응착이나 피막의 치핑, 박리 등의 원인이 되어 내구성이 저하될 가능성이 있지만, 본 실시예에서는 HiPIMS 법을 사용하여 경질 피막 (32) 을 코팅하였기 때문에, 매크로 파티클이 저감되고, 내응착성이나 내치핑성이 향상되어 내구성이 한층 더 향상된다.
이와 관련하여, 본 발명자 등이 주사형 전자 현미경을 사용하여 경질 피막 (32) 의 표면에 존재하는 직경이 1 ㎛ 이상인 매크로 파티클의 수를 조사한 바, AIP 법으로 AlCrN 막을 코팅한 경우와 비교하여 1/10 이하였다.
이상, 본 발명의 실시예를 도면에 기초하여 상세하게 설명하였으나, 이것 등은 어디까지나 일 실시형태이며, 본 발명은 당업자의 지식에 기초하여 다양한 변경, 개량을 부가한 양태로 실시할 수 있다.
10 : 스레드 포밍 탭 (경질 피막 피복 공구)
30 : 기재
32 : 경질 피막
34 : 제 1 층
36 : 제 2 층
40 : 스퍼터링 장치
42 : 챔버
46 : 타깃

Claims (3)

  1. 기재의 표면을 피복하도록 그 표면에 형성되는 경질 피막으로서,
    상기 경질 피막은, 상기 기재의 표면에 형성되는 제 1 층과, 그 제 1 층의 표면에 형성되는 제 2 층으로 이루어지고,
    상기 제 1 층은, AlaCrbαcN 〔다만, a, b, c 는 원자비이며, a+b+c = 1 이고, 0 ≤ c ≤ 0.40 이고, b/a 는 0.25 ∼ 1.0 의 범위 내이고, 임의 첨가 성분 α 는 원소의 주기표의 IVa 족, Va 족, VIa 족 (Cr 을 제외한다), 및 Y 에서 선택되는 1 종류 이상의 원소이다〕이고,
    상기 제 2 층은, AldCreCfN 〔다만, d, e, f 는 원자비이며, d+e+f = 1 이고, 0.001 ≤ f ≤ 0.20 이고, e/d 는 0.25 ∼ 1.0 의 범위 내이다〕이고,
    상기 제 1 층의 막두께 T1 과 상기 제 2 층의 막두께 T2 를 합친 총 막두께 T 는 0.5 ㎛ ∼ 9.0 ㎛ 의 범위 내이고, 그 총 막두께 T 에 대한 상기 제 2 층의 막두께 T2 의 비율 (T2/T) 는 5 % ∼ 50 % 의 범위 내이고,
    상기 제 1 층 및 상기 제 2 층으로 이루어지는 상기 경질 피막의 X 선 회절 피크에 있어서 (111) 면 및 (200) 면에 귀속되는 피크를 가짐과 함께, 상기 (111) 면의 피크 강도 SP1 과 상기 (200) 면의 피크 강도 SP2 의 강도비 (SP1/SP2) 는 0.1 ∼ 20 의 범위 내인 것을 특징으로 하는 경질 피막.
  2. 기재의 표면에 경질 피막이 형성되어 있는 경질 피막 피복 공구로서,
    상기 경질 피막은 제 1 항에 기재된 경질 피막인 것을 특징으로 하는 경질 피막 피복 공구.
  3. 제 1 항에 기재된 경질 피막의 제조 방법으로서,
    상기 제 1 층 및 상기 제 2 층은, 모두 대전력 펄스 마그네트론 스퍼터링법에 의해 성막되고,
    상기 제 2 층은, AlCr 합금을 타깃으로서 사용하며, 질소 가스 및 탄화수소 가스를 챔버 내에 공급하여 스퍼터링을 실시함과 함께, 그 탄화수소 가스의 공급량을 조정하여 상기 C 의 원자비 f 를 0.001 이상, 0.20 이하로 하는 것을 특징으로 하는 경질 피막의 제조 방법.
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