KR101727420B1 - 내마모성이 우수한 적층 피막 - Google Patents

Abstract

본 발명의 적층 피막은 피막 A와 피막 B가 각각 1층 이상 적층되어 있고, 내마모성이 우수하다. [피막 A] 조성식이 (M_{1- a}Si_a)(B_xC_yN_{1 -x-y})(M은 제4족 원소, 제5족 원소, 제6족 원소 및 Al로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소, a, x, y는 각각 Si, B, C의 원자비를 나타냄)이고, 0.05≤a≤0.35, 0≤x≤0.15 및 0≤y≤0.5를 만족함. [피막 B] 조성식이 L(B_xC_yN_{1 -x-y})(L은 W, Mo 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소, x, y는 각각 B, C의 원자비를 나타냄)이고, 0≤x≤0.15 및 0≤y≤0.5를 만족함.

Description

내마모성이 우수한 적층 피막{LAMINATED COATING FILM HAVING EXCELLENT ABRASION RESISTANCE}

본 발명은 내마모성이 우수한 적층 피막에 관한 것이다. 예를 들어 절삭 공구나 금형 등의 치공구류의 표면에 형성되는 내마모성이 우수한 적층 피막에 관한 것이다.

종래부터 절삭 공구나 금형 등의 치공구의 장수명화를 목적으로, TiN이나 TiCN, TiAlN 등의 경질 피막을, 치공구의 표면에 코팅하여 내마모성을 향상시키는 것이 행하여지고 있다.

최근에는, 절삭 공구 표면의 피복막으로서, 예를 들어 특허문헌 1이나 2에 나타나는 적층 구조의 막이 제안되어 있다. 구체적으로 특허문헌 1이나 2에서는, Mo와 N의 고용체, Mo₂N, MoN 또는 이들의 혼합체를 포함하는 피막 A와, Ti_{1 -x-y}Al_xSi_yN을 포함하는 피막 B를, 교대로 각각 2층 이상 적층시킨 것으로서, 이들 피막 A와 피막 B의 각 층 두께, 피막 A와 피막 B의 층 두께비와, 피복막의 적층 방향 단면에 있어서의 이 층 두께비의 경사 구조가 규정된 적층 피막이 개시되어 있다. 또한 상기 적층 피막에 있어서, 피막 A는 윤활성, 내용착성을 갖고, 피삭재의 가공 품위의 향상이나, 고속, 드라이 가공 시의 날끝 온도 저하에 효과적이고, 상기 피막 B는 내마모성과 인성의 밸런스가 우수한 것이 나타나 있다.

일본 특허 공개2011-93008호 공보 일본 특허 공개2011-93009호 공보

그러나, 종래의 피복막은 내마모성이 충분하지 않고, 본 발명의 목적은, 예를 들어 절삭 공구나 금형 등의 치공구의 표면에 형성되며, 상기 절삭 공구 등의 내마모성을 충분히 향상시킬 수 있는, 내마모성이 우수한 적층 피막을 실현하는 것에 있다.

상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명의 내마모성이 우수한 적층 피막은, 기재 상에 형성되는 적층 피막이며, 하기의 피막 A와 피막 B가 각각 1층 이상 적층되어 있는 점에 특징을 갖는다.

[피막 A]

조성식이 (M_{1- a}Si_a)(B_xC_yN_{1 -x-y})(단, M은 제4족 원소, 제5족 원소, 제6족 원소 및 Al로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고, a, x, y는 각각 Si, B, C의 원자비를 나타냄)이고,

0.05≤a≤0.35,

0≤x≤0.15 및

0≤y≤0.5를 만족하는 피막.

[피막 B]

조성식이 L(B_xC_yN_{1 -x-y})(단, L은 W, Mo 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고, x, y는 각각 B, C의 원자비를 나타냄)이고,

0≤x≤0.15 및

0≤y≤0.5를 만족하는 피막.

바람직한 실시 형태에 있어서, 상기 피막 A에 있어서의 M은 Ti, Cr, Zr, Ta 및 Al로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이다.

바람직한 실시 형태에 있어서, 상기 피막 A와 상기 피막 B의 막 두께는 모두1.5㎚ 이상이다.

바람직한 실시 형태에 있어서, 상기 피막 A와 상기 피막 B의 막 두께는 모두 100㎚ 이하이다.

바람직한 실시 형태에 있어서, 상기 피막 A에 있어서의 M은 Ti만, 또는 Ti와 Al의 조합(단, Al양은 0.25 이하)이고, 또한, 상기 피막 B에 있어서의 L은 V이다.

본 발명에는, 기재와, 당해 기재를 피복하는 상기 적층 피막을 구비하고 있는 점에 특징을 갖는 절삭 공구도 포함된다.

본 발명에 따르면, 내마모성이 우수한 적층 피막을 실현할 수 있다. 또한 이 적층 피막을, 절삭 공구나 금형 등의 치공구(특히, 습식 환경 하에 있어서의 구멍 뚫기 가공에 사용하는 공구)의 표면에 형성하면, 상기 절삭 공구 등의 내마모성을 향상할 수 있고, 장수명화를 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 경질 피막을 제조하기 위한 성막 장치의 구성예를 도시하는 개략 설명도이다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해, 절삭 공구나 금형 등의 치공구의 표면에 형성되는 경질 피막에 대하여 예의 연구를 거듭했다. 그 결과, 상기 경질 피막으로서, 하기에 나타내는 피막 A와 피막 B를 각각 1층 이상 적층시킨 적층 피막이, 우수한 내마모성을 발휘하는 것을 알아내어, 본 발명을 완성하였다. 이하, 본 발명의 적층 피막에 대하여 상세하게 설명한다.

[피막 A]

조성식이 (M_{1- a}Si_a)(B_xC_yN_{1 -x-y})(단, M은 제4족 원소, 제5족 원소, 제6족 원소 및 Al로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고, a, x, y는 각각 Si, B, C의 원자비를 나타냄. 이하 동일)이고,

0.05≤a≤0.35,

0≤x≤0.15 및

0≤y≤0.5를 만족하는 피막.

[피막 B]

조성식이 L(B_xC_yN_{1 -x-y})(단, L은 W, Mo 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고, x, y는 각각 B, C의 원자비를 나타냄. 이하 동일)이고,

0≤x≤0.15 및

0≤y≤0.5를 만족하는 피막.

[적층 피막의 성분 조성에 대해서]

본 발명의 적층 피막은, 상기 규정량의 Si를 포함하고 고경도를 나타내는 피막 A와, 미끄럼 이동 하에 있어서 윤활성의 산화물을 형성하는 피막 B를 조합함으로써, 종래의 경질 피막보다도 내마모성을 향상할 수 있었던 점에 특징이 있다.

상기 피막 A는, 특히 Si를 포함함으로써 경도의 향상을 도모하고 있다. 본 발명에서는, 충분한 양의 경도를 확보하기 위해서, Si양 (a)의 하한은 0.05로 한다. Si양은, 바람직하게는 0.10 이상, 보다 바람직하게는 0.15 이상이다. 한편, Si가 과잉으로 포함되면, 피막이 비정질화되어, 경도가 오히려 저하된다. 따라서 Si양은 0.35 이하로 한다. Si양은, 바람직하게는 0.30 이하, 보다 바람직하게는 0.25 이하이다.

상기 피막 A를 구성하는 M(이하, 「원소 M」이라고 함)은 주기율표의 제4족 원소, 제5족 원소, 제6족 원소 및 Al로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이다. 원소 M으로서, 바람직하게는 N과 결합하여 고경도의 질화물을 형성하는 원소를 사용하는 것이 좋고, 구체적으로는 Ti, Cr, Zr, Ta 및 Al로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소가 바람직하다. 복수의 원소의 조합으로서, Ti-Al, Ta-Al의 조합이 바람직하다. 원소 M으로서, 이들 중에서도 Ti만, 또는 Ti-Al이 가장 고경도를 나타내기 때문에 보다 바람직하다. 또한, 원소 M이 Ti-Al인 경우, Al이 과잉으로 포함되면 피막이 비정질화되어, 경도가 저하하기 때문에, (원소 M+Si)에 차지하는 Al양의 상한(원자비)은 바람직하게는 0.25이다.

상기 피막 A는, 상기 Si와 원소 M의 질화물로 구성되는 것 외에, B 및/또는 C를 포함하는 화합물로 구성되어 있어도 된다. B나 C를 포함함으로써, 경도를 더 증가시킬 수 있다. 상기 효과를 얻기 위해서는, B를 함유시키는 경우, B양 (x)는 바람직하게는 0.05 이상이다. 그러나 B양이 과잉이 되면, 경도가 오히려 저하된다. 따라서 B양은 0.15 이하로 한다. 바람직하게는 0.10 이하이다. 또한 C를 함유시키는 경우, C양 (y)는 바람직하게는 0.15 이상, 보다 바람직하게는 0.20 이상이다. 그러나 C양이 과잉이 되면, 경도가 오히려 저하된다. 따라서 C양은 0.5 이하로 한다. 바람직하게는 0.25 이하이다.

피막 B는, 미끄럼 이동 하에 있어서 윤활성의 산화물을 형성하는 L(이하, 「원소 L」이라고 함), 구체적으로는 W, Mo 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함한다. 이 중 원소 L로서 V가 가장 저온에서 윤활성 산화물을 형성하는 점에서 바람직하다.

상기 피막 B는, 상기 원소 L의 질화물로 구성되는 것 외에, B 및/또는 C를 포함하는 화합물로 구성되어 있어도 된다. B나 C를 포함함으로써, 경도를 더 증가시킬 수 있다. 상기 효과를 얻기 위해서는, B를 함유시키는 경우, B양 (x)는 바람직하게는 0.05 이상이다. 그러나 B양이 과잉이 되면, 경도가 오히려 저하된다. 따라서 B양은 0.15 이하로 한다. 바람직하게는 0.10 이하이다. 또한 C를 함유시키는 경우, C양 (y)는 바람직하게는 0.15 이상, 보다 바람직하게는 0.20 이상이다. 그러나 C양이 과잉이 되면, 경도가 오히려 저하된다. 따라서 C양은 0.5 이하로 한다. 바람직하게는 0.25 이하이다.

더 바람직한 적층 피막은, 상기 피막 A에 있어서의 원소 M이, Ti만 또는 Ti와 Al의 조합(이 경우, 상기와 같이 Al양은 0.25 이하)이고, 또한 상기 피막 B에 있어서의 원소 L이 V의 적층 피막이다.

[적층 피막의 막 두께에 대해서]

상기 피막 A 및 피막 B의 각 기능을 발휘시키기 위해서는, 각 피막이 일정 이상의 두께를 갖고, 독립된 적층 상태로 존재할 필요가 있다. 여기서, 독립된 적층 상태란, 각 피막이 일정 이상의 두께를 갖는 상태를 말한다. 다층막을 형성할 때, 각 층의 막 두께가 얇아지면, 피막의 조성이 서로 섞이는 경향이 있는 점에서, 어느 정도 막 두께를 두껍게 하지 않으면, 각각의 층의 조성이 일정해지는 부분이 드러나지 않기 때문이다. 피막 A, 피막 B의 각각의 막 두께는 1.5㎚ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 2㎚ 이상, 더욱 바람직하게는 5㎚ 이상, 특히 바람직하게는 10㎚ 이상이다. 적층 피막의 전체 막 두께를 예를 들어 3㎛로 한 경우, 막 두께가 1500㎚인 피막 A와, 막 두께가 1500㎚인 피막 B의 2층 구조의 적층 피막으로 할 수도 있다. 그러나, 피막 A에 의한 고경도화와 피막 B에 의한 윤활막의 효과를 최대한으로 발휘시키기 위해서는, 적층 피막이, 피막 A와 피막 B의 각각이 2층 이상 교대로 적층된 구조를 갖고 있는 것이 바람직하다. 이 관점에서, 피막 A와 피막 B의 막 두께는 각각 100㎚ 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 50㎚ 이하, 더욱 바람직하게는 30㎚ 이하이다.

또한 피막 A와 피막 B의 막 두께는 반드시 동일할 필요는 없고, 목적에 따라 피막 A와 피막 B의 막 두께를 바꾸어도 된다. 예를 들어, 피막 A의 막 두께를 일정(예를 들어 20㎚)하게 하고, 피막 B를 2 내지 50㎚의 사이에서 바꾸어도 된다. 후술하는 실시예에 나타내는 바와 같이, 절삭 온도가 비교적 높아지는 피삭재(예를 들어, SCM440, SKD11, SACM, 스테인리스강 등)를 절삭하는 경우, 피막 B의 막 두께는 3㎚ 이상(보다 바람직하게는 5㎚ 이상) 15㎚ 이하(보다 바람직하게는 10㎚ 이하)의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 한편, 절삭 온도가 비교적 낮은 피삭재(예를 들어, S50C 등)를 절삭하는 경우, 피막 B의 막 두께는, 10㎚ 이상(보다 바람직하게는 15㎚ 이상) 30㎚ 이하(보다 바람직하게는 25㎚ 이하)의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

적층 피막의 전체 막 두께(피막 A와 피막 B의 합계 두께)는 너무 얇으면 우수한 내마모성이 충분히 발휘되기 어렵기 때문에, 바람직하게는 1㎛ 이상, 보다 바람직하게는 2㎛ 이상이다. 한편, 적층 피막의 두께가 너무 두꺼우면, 절삭 중에 막의 결손이나 박리가 발생하기 쉬워지기 때문에, 5㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 4㎛ 이하이다.

[적층 피막의 형성 방법에 대해서]

본 발명은, 상기 적층 피막의 형성 방법까지 규정하는 것이 아니고, 상기 적층 피막은, 물리 기상 성장법(PVD법)이나 화학 기상 성장법(CVD법) 등 공지된 방법을 사용하여 제조할 수 있다. 기재와의 밀착성 확보 등의 관점에서, PVD법을 사용하여 제조하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 스퍼터링법이나 진공 증착법, 이온 플레이팅법 등을 들 수 있다.

피막 A의 형성 방법으로서, 예를 들어 증발원(타깃)으로서, 피막 A를 구성하는 금속 성분(원소 M 및 Si) 조성의 타깃(B를 포함하는 피막을 형성하는 경우에는, B를 더 포함하는 타깃)을 사용하고, 분위기 가스(반응성 가스)로서, 질소 가스나 탄화수소 가스(메탄, 아세틸렌 등)를 사용하여 성막하는 것을 들 수 있다. 또한, 피막 A를 구성하는 성분 조성의 화합물을 포함하는 타깃(질화물, 탄질화물, 탄화물, 탄붕화물, 질붕화물, 탄질붕화물)을 사용하여 성막해도 된다.

또한 피막 B의 형성 방법으로서, 예를 들어 증발원(타깃)으로서, 원소 L을 포함하는 타깃(B를 포함하는 피막을 형성하는 경우에는, B를 더 포함하는 타깃)을 사용하고, 분위기 가스(반응성 가스)로서, 질소 가스나 탄화수소 가스(메탄, 아세틸렌 등)를 사용하여 성막을 행할 수 있다. 또한, 피막 B를 구성하는 성분 조성의 화합물을 포함하는 타깃(질화물, 탄질화물, 탄화물, 탄붕화물, 질붕화물, 탄질붕화물)을 사용하여 성막해도 된다.

상기 반응성 가스(질소 가스나 탄화수소 가스)를 사용하는 경우, 이 반응성 가스 이외에 Ar, Ne, Xe 등의 희가스를 방전 안정성을 위하여 첨가해도 된다.

상기 적층 피막을 제조하는 장치로서는, 예를 들어 도 1에 도시하는 바와 같이, 아크 증발원을 2개소 구비한 장치를 사용할 수 있다. 상기 성막 장치를 사용하여, 예를 들어 한쪽의 아크 증발원(6a, 6b)에 피막 A 형성용 타깃을 설치하고, 다른 쪽의 아크 증발원에 피막 B 형성용 타깃을 설치하여, 양쪽 증발원을 동시에 방전시키고, 기재[피처리체(5)]를 한쪽의 아크 증발원의 전방으로 이동시켜 캐소드 방전형 아크 이온 플레이팅법(AIP법)으로 피막 B를 형성시키고, 이어서, 기재(피처리체)를 다른 쪽의 아크 증발원의 전방으로 이동시켜서 상기 AIP법으로 피막 A를 형성시키고, 상기 조작을 반복해 행하여, 피막 A와 피막 B를 적층시켜서 적층 피막을 형성하는 것을 들 수 있다.

또한, 상기 도 1에 도시하는 2개소의 스퍼터 증발원(6c, 6d)에, 피막 A 형성용 타깃, 피막 B 형성용 타깃을 각각 설치하고, 스퍼터링법으로 성막할 수도 있다. 또한, 피막 A와 피막 B의 형성 방법을, 한쪽을 이온 플레이팅법, 다른 쪽을 스퍼터링법으로 형성하는 것도 들 수 있다. 이 경우, 스퍼터링법으로 형성하는 피막 형성용 타깃은, 상기 도 1에 도시하는 스퍼터 증발원에 설치하고, 이온 플레이팅법으로 형성하는 피막 형성용 타깃은, 상기 도 1에 도시하는 아크 증발원에 설치하여 성막하는 것을 들 수 있다.

이하, 피막 A와 피막 B를 이온 플레이팅법으로 성막하는 경우의 바람직한 성막 조건에 대하여 설명한다.

먼저 성막 시의 기재(피처리체)의 온도는, 기재의 종류에 따라 적절히 선택하면 된다. 기재와 적층 피막과의 밀착성을 확보하는 관점에서는, 300℃ 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 400℃ 이상이다. 한편, 기재의 변형 방지 등의 관점에서, 기재의 온도는 800℃ 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 700℃ 이하로 하는 것이 권장된다.

성막 시의 기판(피처리체)에 인가하는 바이어스 전압은, AIP 장치를 사용하여 성막하는 경우, 30 내지 200V(접지 전위에 대하여 기재가 마이너스 전위가 되는 부 바이어스 전압임. 이하 동일)의 범위로 하는 것이 바람직하다. 기판에 바이어스 전압을 인가함으로써 기체(피처리체)에 대한 이온 충격이 유효하게 행하여져, 암염 구조형의 형성이 촉진되는 것이라 생각된다. 이와 같은 효과를 발휘시키기 위해서는, 상기 바이어스 전압을 30V 이상으로 하는 것이 바람직하기 때문이다. 그러나 상기 바이어스 전압이 너무 높으면, 이온화한 성막 가스에 의해 막이 에칭되어, 성막 속도가 극단적으로 작아지는 점에서, 상기 바이어스 전압은 200V 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서는, 형성 시의 반응 가스의 분압 또는 전압(全壓)을 0.5㎩ 내지 7㎩의 범위로 하는 것이 바람직하다. 상기 분압 또는 전압이 0.5㎩ 미만인 경우, 아크 증발의 경우에 매크로 파티클(타깃의 용융물)의 발생이 많아 표면 조도가 커지고, 용도에 따라서는 문제를 발생시키므로 바람직하지 않다. 상기 분압 또는 전압은, 보다 바람직하게는 1㎩ 이상, 더욱 바람직하게는 1.5㎩ 이상이다. 한편, 상기 분압 또는 전압이 7㎩를 초과하는 경우, 증발 입자의 반응 가스와의 충돌에 의한 산란이 많아지고, 성막 속도가 저하되기 때문에 바람직하지 않다. 상기 분압 또는 전압은, 보다 바람직하게는 5㎩ 이하이고, 더욱 바람직하게는 4㎩ 이하이다.

본 발명의 적층 피막은, 치공구의 표면에 형성됨으로써 그 효과가 충분히 발휘된다. 상기 치공구로서, 칩, 드릴, 엔드밀 등의 절삭 공구나, 단조 가공, 프레스 성형, 압출 성형, 전단 등의 각종 금형이나, 펀칭 펀치 등의 치공구를 들 수 있다.

특히, 습식 환경 하에서의 절삭 가공에 사용되는 공구에 적합하다. 또한 특히, 습식으로의 가공이 주류로 되어 있는 드릴에 적합하다.

본 발명의 적층 피막을 형성하는 기재는, 상술한 치공구의 종류에 따라 적절히 결정된다. 상기 기재로서, 기계 구조용 탄소강, 구조용 합금강, 공구강, 스테인리스강 등의 각종 강재나 초경합금 등의, 금속재로 형성된 것을 들 수 있다. 또한, 상기 금속재의 표면에 도금층, 용사층 등의 중간층이 형성된 것도, 상기 기재로서 들 수 있다.

상기 기재와, 본 발명의 적층 피막과의 사이에는, 또한, TiAlN, TiN, CrN 등의 하지층이 형성되어 있어도 된다.

[실시예]

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

[실시예 1]

실시예 1에서는, 피막 A, 피막 B의 각 조성이 여러 가지 적층 피막(피막 A와 피막 B의 두께는 일정)을 형성하고, 상기 조성이 내마모성에 미치는 영향에 대하여 검토하였다.

표 1에 나타내는 조성의 피막 A 및 피막 B를 교대로 적층시킨 적층 피막을, 복수의 증발원을 갖는 도 1의 PVD 장치로 형성하였다. 상세하게는 다음과 같다.

기재로서, 절삭 공구(2날 초경 드릴, φ8.5㎜, 절삭 시험용)를 준비하였다. 이 기재를, 에탄올 중에서 초음파 탈지 세정하고, 상기 PVD(AIP) 장치에 도입하였다. 5×10^-3㎩까지 배기 후, 기판을 500℃까지 가열하고, 그 후, Ar 이온에 의한 에칭을 5분간 실시하였다. 계속해서, 적층 피막을 AIP법으로 기재 상에 형성하였다.

적층 피막의 형성은, 질소 가스를 도입하여 전체 압력 4㎩로 하고, 아크 증발원(타깃 직경 100㎜)에 방전 전류 150A를 공급하고, 기재 온도: 500℃, 부 바이어스 전압: 30V의 조건으로 성막을 행하였다.

피막 A와 피막 B의 형성용 타깃으로서, 표 1에 나타내는 조성의 원소 M과 Si를 포함하는 타깃(B를 포함하는 피막을 형성하는 경우에는, B를 더 포함하는 타깃)을 사용하였다. 또한, C를 포함하는 피막을 형성하는 경우에는, 분위기 가스로서, 탄화수소 더 가스를 사용하였다.

본 실시예에서는, 도 1에 도시하는 장치 중의 복수의 증발원 중, 아크 증발원(6a, 6b)만을 사용하였다. 도 1에 도시하는 장치 중의 2개소의 아크 증발원(6a, 6b)의 한쪽에, 피막 A 형성용 타깃을 설치하고, 다른 쪽에 피막 B 형성용 타깃을 설치하고, 먼저 피막 B 형성용 타깃만을 단독으로 단시간 방전시켜서, 약 100㎚의 피막 B를 형성 후에, 피막 A 형성용 타깃과 피막 B 형성용 타깃을 동시 방전시키면서 기판 스테이지(2)를 회전시킴으로써, 피막 A와 피막 B가 교대로 적층된 적층 피막을 형성하였다.

이 실시예 1에서는, 상기 약 100㎚의 피막 B 형성 후, 모든 예에 있어서, 피막 A, 피막 B의 막 두께(두께, 특별히 언급이 없는 한, 1회당 형성하는 막 두께, 두께를 말함. 이하 동일)를 각각 20㎚, 피막 A와 피막 B의 적층 횟수를 75회로 하여, 전체 막 두께가 약 3㎛의 적층 피막을 형성하였다.

피막 A, 피막 B의 각각의 막 두께, 적층 횟수는, 지지대의 회전 속도, 회전 수로 제어하였다.

또한 비교예로서, TiAlN 단층막(표 1의 No.26), TiN 단층막(표 1의 No.27)을 상기 기판 상에 성막한 샘플도 준비하였다.

[절삭 시험]

상기 절삭 공구 표면에 성막한 샘플을 사용하여, 하기 조건으로 절삭 시험을 행하고, 일정 거리 경과 후의 경계부 마모량(외주면 마모량)을 측정하여, 내마모성을 평가하였다. 구체적으로는, 외주면 마모량이 69㎛ 이하인 경우를 내마모성이 우수하다고 평가하였다. 또한, 상기 마모량은, 바람직하게는 59㎛ 이하, 보다 바람직하게는 49㎛ 이하이다. 이 결과를 표 1에 나타낸다.

[절삭 시험 조건]

피삭재: S50C(생재)

절삭 속도: 100m/분

이송: 0.24㎜/회전

구멍 깊이: 23㎜

윤활: 외부 급유, 에멀전

평가 조건: 1000 구멍 가공 후의 외주면 마모량

표 1에 나타내는 바와 같이, No.2 내지 7, 9, 10, 12, 13 및 15 내지 25는 피막 A 및 피막 B의 조성이 본 발명의 범위를 만족하고 있기 때문에, 내마모성이 양호하였다.

한편, No.1, 8, 11, 14, 26 및 27은 본 발명의 범위를 만족하고 있지 않기 때문에, 내마모성이 불량하였다. 구체적으로는 이하와 같다.

No.1은, 피막 A의 Si양이 하한값 미만이었다. No.8은, 피막 A의 Si양이 상한을 초과하였다. No.11, 14는, 각각 B양, C양이 상한값을 초과하였다. 또한, No.26, 27은 각각 Ti_{0 . 5}Al_{0 .5}N 단층막, TiN 단층막을 형성한 종래예(비교예)이다. 이들 예에서는, 모두 마모량이 커졌다.

[실시예 2]

실시예 2에서는, 피막 A와 피막 B의 피막 조성을 일정하게 하여, 샘플마다 피막 A와 피막 B의 각 두께가 상이한 피막을 형성하고, 이 피막 A와 피막 B의 두께가, 절삭 성능에 미치는 영향에 대하여 검토하였다.

피막 A의 조성은 Ti_{0 . 8}Si_{0 .2}N, 피막 B의 조성은 VN으로 일정하게 하고, 표 2에 나타내는 바와 같이, 샘플마다 피막 A, 피막 B의 각 막 두께와 적층 횟수를 바꾼 것을 제외하고, 실시예 1과 마찬가지로 하여 샘플을 제작하였다.

그리고, 실시예 1과 마찬가지로 하여 절삭 시험을 행하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

표 2로부터 다음의 내용을 알 수 있다. No.1 내지 8은 청구항의 범위이고, No.2 내지 6이 바람직한 범위이다. 규정된 피막 A와 피막 B를 적층시킨 No.1 내지 8은 모두 내마모성이 양호하였다. 이 중에서도, 피막 A와 피막 B의 각 두께가 바람직한 범위 내에 있는 No.2 내지 6은 내마모성이 보다 양호하였다. 또한, 피막 A와 피막 B의 각 막 두께가 보다 바람직한 범위 내에 있는 No.3 내지 5는 더욱 우수한 내마모성이 얻어졌다.

[실시예 3]

실시예 3에서는, 피막 A와 피막 B의 피막 조성 및 피막 A의 두께를 일정하게 하고, 샘플마다 피막 B의 두께가 상이한 피막을 형성하여, 피막 B의 두께가 절삭 성능에 미치는 영향에 대하여 검토하였다.

표 3에 나타내는 바와 같이, 피막 A의 막 두께를 일정하게 하고, 샘플마다 피막 B의 막 두께가 상이한 피막을 형성한 것 및, 절삭 시험으로서, 또한 하기와 같이 피삭재 SCM440을 사용한 시험도 행한 것을 제외하고, 실시예 2와 마찬가지로 하여 샘플을 제작하였다. 또한, 실시예 3에서는, 내마모성을 다음과 같이 평가하였다. 즉, 피삭재가 S50C인 경우에는, 외주면 마모량이 69㎛ 이하인 경우를 내마모성이 우수하다고 평가하였다. 또한, 상기 마모량은, 바람직하게는 59㎛ 이하, 보다 바람직하게는 49㎛ 이하이다. 또한, 피삭재가 SCM440인 경우에는, 외주면 마모량이 70㎛ 이하인 경우를 내마모성이 우수하다고 평가하였다. 또한, 상기 마모량은, 바람직하게는 60㎛ 이하, 보다 바람직하게는 55㎛ 이하이다.

[절삭 시험 조건(피삭재가 SCM440인 경우)]

피삭재: SCM440(생재)

절삭 속도: 75m/분

이송: 0.24㎜/회전

구멍 깊이: 23㎜

윤활: 외부 급유, 에멀전

평가 조건: 1000 구멍 가공 후의 외주면 마모

표 3에 나타내는 바와 같이, No.1 내지 4는 피막 A와 피막 B의 각 두께가 본 발명의 범위를 만족하고 있기 때문에, 내마모성이 양호하였다.

이 중 절삭 온도가 높아지는 피삭재 SCM440을 사용한 절삭 시험에서는, No.2가 가장 우수한 내마모성을 나타내고, 절삭 온도가 비교적 낮은 피삭재 S50C를 사용한 절삭 시험에서는, No.3이 가장 우수한 내마모성을 나타냈다. 이들 결과로부터, 절삭 시험에 있어서의 피삭재의 종류에 따라, 윤활 효과를 갖는 피막 B의 적절한 두께가 상이한 것을 알 수 있다. 상세하게는, 비교적 절삭 온도가 낮은 S50C를 절삭하는 경우, 피막 B의 두께가 20㎚ 부근에서 마모량이 가장 적어진다. 이에 반해, 절삭 온도가 높아지는 SCM440을 절삭하는 경우, 피막 B의 두께가 20㎚ 부근이면, 피막 B에 의한 윤활 효과보다도 피막 B의 산화 마모가 진행되기 때문에, 피막 B의 두께가, 더 얇은 5㎚ 근방에서 마모의 최솟값을 나타내는 것이라 생각된다.

[실시예 4]

실시예 4에서는, 본 발명의 적층 피막과 기재와의 사이에 하지층(피막 A·피막 B 이외의 피막)을 형성한 경우의 절삭 성능에 대하여 검토하였다.

피막 A의 조성을 (Ti_{0 . 8}Si_{0 . 2})N, 피막 B의 조성을 VN으로 하고, 또한 기재와 적층 피막과의 사이에 하지층으로서 (Ti_{0 . 5}Al_{0 . 5})N을 형성한 것을 제외하고, 실시예 1과 마찬가지로 하여 샘플을 제작하였다.

그리고, 실시예 1과 마찬가지로 하여 절삭 시험을 행하였다. 그 결과, 외주면 마모량은 50㎛였다. 이것으로부터, 상기 샘플은, 피막 A 및 피막 B의 조성이 본 발명의 규정을 만족하고 있기 때문에, 하지층으로서, 피막 A·피막 B 이외의 피막을 형성한 경우에도, 내마모성이 양호한 것을 알 수 있다.

본 발명을 상세하게 또한 특정한 실시 형태를 참조하여 설명했지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하지 않고 여러 변형이나 수정을 가할 수 있는 것은 당업자에게 있어서 명확하다.

본 출원은, 2013년 1월 25일 출원한 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2013-012636호)에 기초하는 것이고, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.

본 발명의 적층 피막은, 예를 들어 절삭 공구나 금형 등의 치공구류의 코팅재로서 적합하고, 우수한 내마모성을 부여한다.

1: 진공 챔버
2: 기판 스테이지(회전반)
3: 회전 테이블
5: 피처리체(기재)
6a, 6b: 아크 증발원
6c, 6d: 스퍼터 증발원
7a, 7b, 7c, 7d: 히터
8a, 8b: 아크 전원
8c, 8d: 스퍼터 전원
9a, 9b, 9c, 9d: 매스 플로우 컨트롤러
10: 바이어스 전원
11: 필라멘트형 이온원
12: 필라멘트 가열용 교류 전원
13: 방전용 직류 전원

Claims (6)

1. 기재 상에 형성되는 적층 피막이며, 하기의 피막 A와 피막 B가 각각 1층 이상 적층되어 있는 것을 특징으로 하는, 내마모성이 우수한 적층 피막.
   [피막 A]
   조성식이 (M_1-aSi_a)(B_xC_yN_1-x-y)(단, M은 Ti, Cr, Zr, Ta 및 Al로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고, a, x, y는 각각 Si, B, C의 원자비를 나타내고, M이 Ti와 Al의 조합인 경우는, Al양은 M+Si에 대해 원자비로 0.25이하임)이고,
   0.05≤a≤0.35,
   0≤x≤0.15 및
   0≤y≤0.5를 만족하는 피막.
   [피막 B]
   조성식이 L(B_xC_yN_1-x-y)(단, L은 W, Mo 및 V로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이고, x, y는 각각 B, C의 원자비를 나타냄)이고,
   0≤x≤0.15 및
   0≤y≤0.5를 만족하는 피막.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 피막 A와 상기 피막 B의 막 두께가 모두 1.5㎚ 이상인, 적층 피막.
4. 제1항에 있어서,
   상기 피막 A와 상기 피막 B의 막 두께가 모두 100㎚ 이하인, 적층 피막.
5. 제1항에 있어서,
   상기 피막 A에 있어서의 M이 Ti만, 또는 Ti와 Al의 조합(단, Al양은 0.25 이하)이고, 또한, 상기 피막 B에 있어서의 L이 V인, 적층 피막.
6. 기재와, 당해 기재를 피복하는 제1항에 기재된 적층 피막을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는, 절삭 공구.

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