KR20170016811A

KR20170016811A - 표면 피복 공구 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20170016811A
Application number: KR1020167002527A
Authority: KR
Inventors: 게이조 다나카; 히로키 다케시타; 가즈히로 히로세; 하루요 후쿠이
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2017-02-14
Also published as: CN105473261A; WO2015186503A1; CN105473261B; JPWO2015186503A1; EP3153259A4; JP6481983B2; EP3363568B1; US9962771B2; EP3363568A1; JP2019069514A; EP3153259A1; EP3153259B1; US20160175939A1; JP6773287B2

Abstract

표면 피복 공구(100)는, 기재(101)와 기재(101) 상에 형성된 피막(110)을 구비한다. 피막(110)은, A층(112a)과 B층(112b)이 교대로 각각 1층 이상 적층된 교대층(112)을 포함한다. A층(112a)의 두께 및 B층(112b)의 두께는 각각 2 nm 이상 100 nm 이하이다. A층(112a)의 평균 조성은 Ti_aAl_bSi_cN(단, 0.5<a<0.8, 0.2<b<0.4, 0.01<c<0.1, a+b+c=1)으로 표시되고, B층(112b)의 평균 조성은 Ti_dAl_eSi_fN(단, 0.4<d<0.6, 0.3<e<0.7, 0.01<f<0.1, d+e+f=1)으로 표시되고, 0.05<a-d≤0.2이면서 0.05<e-b≤0.2를 만족한다.

Description

표면 피복 공구 및 그 제조 방법{SURFACE-COATED TOOL AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}

본 발명은 표면 피복 공구 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

기재의 표면에 피막을 형성하여, 내마모성을 비롯한 제반 특성을 향상시킨 절삭 공구(표면 피복 공구)가 알려져 있다[예컨대, 일본 특허공개 평7-310174호 공보(특허문헌 1), 국제공개 제2006/070730호 공보(특허문헌 2), 일본 특허공개 평8-127862호 공보(특허문헌 3), 일본 특허공개 2007-31779호 공보(특허문헌 4)를 참조].

특허문헌 1: 일본 특허공개 평7-310174호 공보 특허문헌 2: 국제공개 제2006/070730호 공보 특허문헌 3: 일본 특허공개 평8-127862호 공보 특허문헌 4: 일본 특허공개 2007-31779호 공보

최근, 스테인리스강, 인코넬(등록상표), 티탄 합금과 같은 소위 「난삭재」(難削材)가 공업 제품에 많이 이용되고 있다. 난삭재는 기계적, 열적 성질이 우수한 소재이므로, 앞으로도 그 이용 범위는 계속해서 확대될 것으로 예상되고 있다. 그러나 이들 난삭재는 문자 그대로 깎기 어려운 소재이기도 하다. 일반적으로 난삭재는 열전도율이 낮고, 게다가 절삭 공구와의 반응성(친화성)도 높다. 그 때문에 난삭재의 절삭에서는, 공구 온도의 상승에 의해서 절삭 공구의 마모가 촉진되는 동시에, 공구 날 끝에 난삭재가 용착되어 용착 결손이 일어나는 경우도 있다.

종래, 난삭재의 가공에 있어서 절삭 공구의 장수명화를 실현하기 위해 다양한 제안이 나와 있다. 예컨대 특허문헌 1에서는, 널리 알려진 피막 조성인 TiAlN에, Si를 가한 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 피막이 제안되어 있다. 그러나 이 피막은 단일 조성이므로, 결정립이 조대(粗大)하게 되는 경향이 있어, 피막 중에 균열이 발생하면 결정립계를 따라서 균열이 급속하게 진전되어, 결손에 이르는 경우가 있었다.

이에 대하여 특허문헌 2에서는, Cr를 포함하는 AlCrN층과 TiAlN층을 교대로 적층한 교대층을 포함하는 피막이 제안되어 있다. 특허문헌 2에 따르면, 단일 조성이 아니라 이종 재료로 이루어지는 단위층을 교대로 적층하고, 또한 각 단위층의 두께를 0.005 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하로 함으로써, 균열의 전파를 억제할 수 있다고 되어 있다. 그러나, 이러한 교대층에도 개선의 여지가 남아 있다. 즉, 교대층에 있어서 인접하는 단위층이 이종 재료로 구성되어 있기 때문에, 단위층의 경계 부근에는 전위가 축적되기 쉬워, 절삭 중에 층간 박리를 초래하는 경우도 있었다.

이상의 과제에 감안하여, 안정된 긴 수명을 보이는 표면 피복 공구를 제공하는 것을 제1의 목적으로 한다.

또한 특허문헌 1 및 2에 개시된 기술에서는 기재와 피막의 밀착성이 충분하지 않으므로, 예컨대 스테인리스강과 같이, 공구 소재와의 친화성이 높은 재료를 절삭한 경우, 공구 날 끝에 피삭재(被削材)가 용착되어 피막이 기재로부터 박리되는 소위 용착 결손이 일어나, 공구 수명이 단명으로 되는 경우가 있었다.

기재와 피막의 밀착성에 관해서, 특허문헌 3에서는, 기재와 피막 사이에, 피막과 연속된 격자를 갖는 중간층을 설치하는 것이 제안되어 있다. 이 기술에 따르면 피막과 중간층 사이에서는 양호한 밀착성이 유지된다. 그러나 기재와 중간층의 밀착성은, 반드시 충분하다고는 말할 수 없어, 이 점에서 개선의 여지가 남아 있다.

기재와 피막의 밀착성을 향상시키기 위해서, 특허문헌 4에서는, 기재(소결합금)의 표면에 평균 높이(H)가 0.05 ㎛<H<0.50 ㎛의 범위에 있는 대략 삼각 형상을 이루는 볼록형 결합상을 형성하는 것이 제안되어 있다. 그러나 소결합금에 있어서 결합상이 차지하는 비율은 겨우 10% 정도에 머무르므로, 가령 기재의 표면에 노출되는 결합상 모두를 피막과 접합시킬 수 있었다고 해도, 그것에 의한 밀착 작용에는 한계가 있다. 또한 기재가 WC-Co계 초경합금과 같은 복합 재료인 경우, 피막과 기재가 접하는 계면에는 많은 다른 재료가 혼재되어 있어, 이들 모두를 이상적으로 밀착시키기는 쉽지 않았다.

이상과 같이, 종래 기술에서는 기재와 피막의 밀착성이 아직 충분하다고는 말할 수 없고, 예컨대 스테인리스강, 인코넬과 같은 난삭재를 피삭재로 하는 가혹한 절삭 조건 하에서는 공구 수명이 단명으로 되고 있다.

이러한 실정에 감안하여, 기재와 피막의 밀착성이 우수하고, 가혹한 절삭 조건에도 견딜 수 있는 표면 피복 공구를 제공하는 것을 제2의 목적으로 한다.

본 발명의 일 양태에 따른 표면 피복 공구는, 기재와 이 기재 상에 형성된 피막을 구비하고, 이 피막은, A층과 B층이 교대로 각각 1층 이상 적층된 교대층을 포함하고, 상기 A층의 두께 및 상기 B층의 두께는 각각 2 nm 이상 100 nm 이하이며, 상기 A층의 평균 조성은 Ti_aAl_bSi_cN(단, 0.5<a<0.8, 0.2<b<0.4, 0.01<c<0.1, a+b+c=1)으로 표시되고, 상기 B층의 평균 조성은 Ti_dAl_eSi_fN(단, 0.4<d<0.6, 0.3<e<0.7, 0.01<f<0.1, d+e+f=1)으로 표시되고, 0.05<a-d≤0.2이면서 0.05<e-b≤0.2를 만족한다.

본 발명의 일 양태에 따른 표면 피복 공구는, 기재와 이 기재 상에 형성된 피막을 구비하고, 상기 기재는, WC 입자와, Co를 함유하며 상기 WC 입자끼리를 상호 결합시키는 결합상을 포함하고, 상기 피막은, 상기 기재와 접하는 밀착층과, 상기 밀착층 상에 형성된 상부층을 포함하고, 상기 밀착층의 두께는 0.5 nm 이상 20 nm 이하이며, 상기 밀착층은, Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 상기 기재를 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 상기 상부층을 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물을 함유한다.

본 발명의 일 양태에 따른 표면 피복 공구의 제조 방법은, WC 입자와, Co를 함유하며 상기 WC 입자끼리를 상호 결합시키는 결합상을 포함하는 기재를 준비하는 공정과, 상기 기재 상에 피막을 형성하는 공정을 구비하고, 상기 피막을 형성하는 공정은, 상기 기재의 표면에 Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소를 부착시키는 공정과, 상기 기재 상에 밀착층을 형성하는 공정과, 상기 밀착층 상에 상부층을 형성하는 공정을 포함하고, 상기 밀착층의 두께는 0.5 nm 이상 20 nm 이하이며, 상기 밀착층을 형성하는 공정은, 상기 부착시키는 공정 후의 상기 표면 상에, 상기 상부층을 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소를 퇴적시킴으로써, Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 상기 기재를 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 상기 상부층을 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물을 생성시키는 공정을 포함한다.

상기에 따르면, 안정된 긴 수명을 보이는 표면 피복 공구가 제공된다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 표면 피복 공구의 구성의 일례를 도시하는 모식적인 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 교대층의 일례를 도시하는 단면 TEM상이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 성막 장치의 구성의 일례를 도시하는 모식적인 측면 투시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 성막 장치의 구성의 일례를 도시하는 모식적인 평면 투시도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 표면 피복 공구의 구성의 일례를 도시하는 모식적인 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 기재와 피막의 계면의 일례를 도시하는 단면 TEM상이다.
도 7은 도 6에 있어서의 밀착층의 확대도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 성막 장치의 구성의 일례를 도시하는 모식적인 측면 투시도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 성막 장치의 구성의 일례를 도시하는 모식적인 평면 투시도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 표면 피복 공구의 제조 방법의 개략을 도시하는 흐름도이다.

[본 발명의 실시형태의 설명]

처음에 본 발명의 실시양태를 열기하여 설명한다. 하기 [1]~[4]에 따르면, 주로 상기 제1의 목적이 달성된다. 하기 [5]~[13]에 따르면, 주로 상기 제2의 목적이 달성된다.

[1] 본 발명의 일 양태에 따른 표면 피복 공구는, 기재와 이 기재 상에 형성된 피막을 구비하고, 상기 피막은, A층과 B층이 교대로 각각 1층 이상 적층된 교대층을 포함하고, 상기 A층의 두께 및 상기 B층의 두께는 각각 2 nm 이상 100 nm 이하이며, 상기 A층의 평균 조성은 Ti_aAl_bSi_cN(단, 0.5<a<0.8, 0.2<b<0.4, 0.01<c<0.1, a+b+c=1)으로 표시되고, 상기 B층의 평균 조성은 Ti_dAl_eSi_fN(단, 0.4<d<0.6, 0.3<e<0.7, 0.01<f<0.1, d+e+f=1)으로 표시되고, 0.05<a-d≤0.2이면서 0.05<e-b≤0.2를 만족한다.

우선 상기한 표면 피복 공구에서는, 교대층 전체의 평균 조성으로서 Al(알루미늄)보다도 Ti(티탄)이 많은 조성을 채용하고 있다. 이에 따라 크레이터 마모의 발달을 억제할 수 있다. 또한 교대층은 소량의 Si(실리콘)을 포함하기 때문에 내산화성도 갖고 있다.

또한 상기한 표면 피복 공구에서는, 종래 기술과 달리, 굳이 조성을 가깝게 한 2개의 단위층(A층 및 B층)을 교대로 각각 1층 이상 적층한 교대층을 채용하고 있다. 상기한 것과 같이 A층과 B층에서는 구성 원소가 공통되고 조성비도 비슷하므로, 거시적으로는 교대층 전체는 마치 단일 조성을 갖는 것처럼 관찰된다. 그러나 A층 및 B층의 평균 조성은 0.05<a-d≤0.2이면서 0.05<e-b≤0.2가 되는 관계를 만족하고 있다. 그 때문에 미시적으로는 A층과 B층 사이에, 각각을 별도의 층으로서 구별할 수 있는 경계(전위에 이르지 않을 정도까지의 약간의 왜곡)가 존재하고 있다. 그 결과, 거시적으로는 마치 단일 조성을 갖는 피막이면서, 피막 중에서 균열이 발생한 경우에는 A층과 B층의 경계에서 균열의 전파를 억제할 수 있다. 게다가 A층과 B층의 평균 조성이 가까우므로, A층과 B층 사이에서 결정격자가 연속될 수 있어, A층과 B층의 밀착성을 확보할 수 있다.

아울러 A층 및 B층의 두께는 2 nm 이상 100 nm 이하로 규제되고 있다. 이에 따라 각 A층 및 각 B층을 구성하는 결정립이 미세하게 되어, 입계 면적이 증가하고, 입계에 있어서 소성 변형 및 균열의 진전을 저지하는 작용이 높아진다.

이상의 작용이 한데 어울려 상기한 표면 피복 공구는 안정된 긴 수명을 보인다. 여기서 A층 및 B층의 「평균 조성」은, 투과형 전자현미경-에너지 분산형 X선 분석(TEM-EDX: Transmission Electron Microscopy Energy Dispersive X-ray spectrometry)법에 의해서 측정할 수 있다. 즉 피막의 단면을 TEM으로 관찰하면서, A층 또는 B층 내의 임의의 5점에서, 스폿 직경 1 nm의 TEM-EDX 분석을 하여, 그 5점에서 얻어진 각 원소의 조성비의 산술 평균치를 구함으로써 평균 조성을 정할 수 있다.

[2] 상기 [1]에 있어서 A층의 두께를 λ_A로 하고, B층의 두께를 λ_B라고 할 때, 1≤λ_A/λ_B<5를 만족하는 것이 바람직하다. 교대층의 내크레이터마모성이 향상되어, 균열의 전파를 저지할 수 있기 때문이다.

[3] 상기 [1] 또는 [2]에 있어서 피막은, 기재와 접하는 부분에 밀착층을 추가로 포함하고, 상기 밀착층의 두께는 0.5 nm 이상 20 nm 이하이며, 상기 밀착층은, Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 상기 기재를 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소와, Al 및 Si에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물을 함유하는 것이 바람직하다.

피막이, 기재를 구성하는 원소와, 피막을 구성하는 원소 양쪽을 포함하고, 또한 Cr(크롬), Ti, Zr(지르코늄) 및 Nb(니오븀)에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 밀착층을 구비함으로써, 기재와 피막이 강고히 접합되어, 공구 수명이 한층 더 길어지기 때문이다.

밀착층은 예컨대 다음과 같은 방법으로 형성할 수 있다. 우선 기재의 표면에 대하여 Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소의 이온을 이용한 이온 충격(ion bombardment) 처리를 하여, 기재의 표면을 세정하는 동시에, Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소를 기재의 표면에 부착시킨 후, 상기 표면 상에 아크 이온 플레이팅법 등으로 교대층을 구성하는 원소(Ti, Al, Si, N)를 증착함으로써, 피막의 최하층(피막을 구성하는 층 중 가장 기재 측의 층)으로서 밀착층을 형성시킬 수 있다. 이러한 방법으로 밀착층을 형성함으로써, 두께가 0.5 nm 이상 20 nm 이하라는 매우 박층임에도 불구하고, 피막이 기재로부터 박리되는 것을 방지할 수 있다.

[4] 상기 [3]에 있어서 기재는, WC를 함유하는 경질 입자와, Co를 함유하며 상기 경질 입자끼리가 상호 결합하는 결합상을 포함하고, 밀착층은, W, Cr, Ti, Al 및 Si를 포함하는 질화물을 함유하는 것이 바람직하다.

기재가 상기와 같은 WC(탄화텅스텐)-Co(코발트)계 초경합금을 포함함으로써, 공구의 내마모성이 향상된다. 또한 이 때, 밀착층이 W, Cr, Ti, Al 및 Si를 포함하는 질화물을 함유하면, 밀착층과 기재 및 교대층 쌍방의 화학적 친화성이 높아져, 기재와 교대층을 강고하게 접합시킬 수 있다.

[5] 본 발명의 일 양태에 따른 표면 피복 공구는, 기재와 이 기재 상에 형성된 피막을 구비하고, 상기 기재는, WC 입자와, Co를 함유하며 상기 WC 입자끼리를 상호 결합시키는 결합상을 포함하고, 상기 피막은, 상기 기재와 접하는 밀착층과, 상기 밀착층 상에 형성된 상부층을 포함하고, 상기 밀착층의 두께는 0.5 nm 이상 20 nm 이하이며, 상기 밀착층은, Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 상기 기재를 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 상기 상부층을 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물을 함유한다.

상기한 표면 피복 공구는, 기재와 피막의 밀착성이 우수하여, 가혹한 절삭 조건 하에서도 안정된 긴 수명을 보일 수 있다. 상기 구성에 있어서 상부층은, 주로 마모에 대한 내성을 높이기 위해서 형성되는 층이다. 밀착층은, 기재와 상부층의 계면에 형성되며, 기재를 구성하는 원소 및 상부층을 구성하는 원소 쌍방을 포함하는 것이다. 따라서 밀착층은, 기재 및 상부층 쌍방에 대하여 화학적 친화성을 보일 수 있다. 여기서 밀착층은, Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소를 추가로 포함한다. 이에 따라 두께가 0.5 nm 이상 20 nm 이하라는 매우 얇은 밀착층이면서, 기재와 상부층을 강고하게 접합할 수 있다. 이러한 작용이 발현되는 기서의 상세한 것은 불분명하지만, Cr, Ti, Zr 및 Nb가, 기재에 포함되는 WC 입자와 강한 결합을 만들기 쉽다는 것이 영향을 주고 있는 것으로 생각된다.

[6] 상기 [5]에 있어서 상부층은, 주기표의 제4족 원소, 제5족 원소 및 제6족 원소 그리고 Si 및 Al에서 선택되는 1종 이상의 원소와, C, N 및 O에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 것이 바람직하다. 상부층이 이들 원소를 포함함으로써, 피막의 내마모성이 향상되기 때문이다.

[7] 상기 [5] 또는 [6]에 있어서 밀착층은, Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소와, W와, Al 및 Si에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄질화물을 함유하는 것이 바람직하다.

밀착층이 이들 원소를 포함하는 탄질화물인 것에 의해, 기재와 피막의 밀착성이 한층 더 향상되기 때문이다.

[8] 상기 [5]~[7]에 있어서, 기재 중 밀착층과 접하는 부분에 있어서의 WC 입자의 점유율은 80% 이상인 것이 바람직하다.

연질의 결합상보다도 경질의 WC 입자 위에 밀착층을 형성함으로써, 기재와 피막의 밀착 강도가 높아지기 때문이다.

[9] 상기 [5]~[8]에서는, 피막의 두께 방향에 있어서, 밀착층에 포함되는 C의 조성비가, 상부층 측에서 기재 측을 향하여 연속적으로 증가하여 기재와의 계면에서 최대가 되고, 밀착층에 포함되는 N의 조성비가, 기재 측에서 상부층 측을 향하여 연속적으로 증가하여 상부층과의 계면에서 최대가 되는 것이 바람직하다.

이에 따라 밀착층과, 기재 그리고 상부층과의 화학적 친화성이 더욱 높아져, 밀착성이 한층 더 향상되기 때문이다.

[10] 상기 [5]~[9]에 있어서 WC 입자의 평균 입경은 2 ㎛ 이하이고, 기재에 있어서의 Co의 함유량은 10 질량% 이하인 것이 바람직하다.

이러한 기재의 표면에, 예컨대 후술하는 이온 충격 처리를 실시하면, 연질의 결합상이 제거되어 WC 입자의 입계가 표출된다. 이 위에 피막을 형성하면, WC 입자의 입계에 기인하는 미세한 요철에 있어서 소위 앵커 효과를 얻을 수 있어, 기재와 피막의 밀착성이 향상된다.

[11] 본 발명의 일 양태는 표면 피복 공구의 제조 방법에 관한 것이기도 하며, 그 제조 방법은, WC 입자와, Co를 함유하며 상기 WC 입자끼리를 상호 결합시키는 결합상을 포함하는 기재를 준비하는 공정과, 상기 기재 상에 피막을 형성하는 공정을 구비하고, 상기 피막을 형성하는 공정은, 상기 기재의 표면에 Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소를 부착시키는 공정과, 상기 기재 상에 밀착층을 형성하는 공정과, 상기 밀착층 상에 상부층을 형성하는 공정을 포함하고, 상기 밀착층의 두께는 0.5 nm 이상 20 nm 이하이며, 상기 밀착층을 형성하는 공정은, 상기 부착시키는 공정 후의 상기 표면 상에, 상기 상부층을 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소를 퇴적시킴으로써, Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 상기 기재를 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 상기 상부층을 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물을 생성시키는 공정을 포함한다.

이들 공정을 거침으로써, 기재와 피막의 밀착성이 우수하고, 가혹한 절삭 조건 하에서도 안정된 긴 수명을 보이는 표면 피복 공구를 제조할 수 있다.

[12] 상기 [11]에 있어서 부착시키는 공정은, Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소의 이온을 이용한 이온 충격 처리에 의해서, 기재의 표면을 세정하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다.

이에 따라 기재의 표면을 세정하면서, 간편하게 Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소를 기재의 표면에 부착시킬 수 있다.

[13] 상기 [11] 또는 [12]에 있어서 피막을 형성하는 공정은, 부착시키는 공정 전에, Ar 이온을 이용한 이온 충격 처리에 의해서, 기재의 표면에 표출된 결합상의 적어도 일부를 제거하는 공정을 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

미리 Ar(아르곤) 이온을 이용한 이온 충격 처리를 실행함으로써, 표면에서 결합상이 제거된다. 그 후에 Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소의 이온을 이용한 이온 충격 처리를 실행함으로써, 이들 원소와 WC 입자를 강고하게 결합시킬 수 있다. 이에 따라 기재와 피막의 밀착성을 향상시킬 수 있다.

[본 발명의 실시형태의 상세]

이하, 본 발명의 실시형태(이하 「본 실시형태」라고도 한다)에 관해서 상세히 설명하지만, 본 실시형태는 이들에 한정되는 것은 아니다. 이하에서는 도면을 참조하면서 설명하지만, 본 명세서 및 도면에서는, 동일하거나 또는 대응하는 요소에 동일한 부호를 부여함으로써, 이들에 관해서 동일한 설명은 반복하지 않는다.

<제1 실시형태>

제1 실시형태에 따르면, 주로 상기 제1의 목적이 달성된다.

<표면 피복 공구>

도 1은 본 실시형태의 표면 피복 공구의 구성의 일례를 도시하는 모식적인 부분 단면도이다. 도 1을 참조하면, 표면 피복 공구(100)는, 기재(101)와, 기재(101) 상에 형성된 피막(110)을 구비하고 있다. 피막(110)은, A층(112a)과 B층(112b)이 교대로 각각 1층 이상 적층된 교대층(112)을 포함하고 있다. 또한 피막(110)은, 교대층(112)과 기재(101) 사이에 밀착층(111)을 포함하고 있다.

표면 피복 공구(100)는 전형적으로는 절삭 공구이다. 표면 피복 공구(100)는, 예컨대 드릴, 엔드밀, 프라이즈 가공용 혹은 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 칩, 금속 톱, 기어 절삭 공구, 리머, 탭 또는 크랭크샤프트의 핀 밀링 가공용 칩 등의 절삭 공구일 수 있다. 단, 표면 피복 공구(100)는 절삭 공구에 제한되지 않으며, 예컨대 금형, 베어링, 내마(耐摩) 공구 등의 내마모성이 요구되는 공구 혹은 부품 등에 널리 적용할 수 있다. 이하, 표면 피복 공구(100)를 구성하는 각 요소에 관해서 설명한다.

<기재>

기재(101)는, 예컨대 초경합금, 서멧, 세라믹스, 입방정 질화붕소 소결체, 다이아몬드 소결체 등으로 구성된다. 이들 중 초경합금은 내마모성 및 피막과의 밀착성의 관점에서 특히 바람직하다. 즉 기재(101)는, WC를 함유하는 경질 입자와, Co를 함유하며 상기 경질 입자끼리를 상호 결합하는 결합상을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 WC-Co계 초경합금 기재는 WC와 Co를 포함하는 한, 이들 외에 임의의 성분을 포함할 수 있다. 예컨대 WC와 Co 외에 Ti, Ta(탄탈), Nb 등의 탄질화물 등이 첨가되어 있어도 좋고, 제조시에 불가피하게 혼입되는 불순물을 포함하고 있어도 좋다. 또한 조직 중에 유리 탄소 혹은 「η층」이라고 불리는 이상층(異常層)이 포함되어 있어도 상관없다. 기재(101)는 그 표면이 개질된 것이라도 좋다. 예컨대 기재(101)의 표면에 탈β층 등이 형성되어 있어도 좋다.

WC-Co계 초경합금에 있어서의 경질 입자(WC 입자)의 입경은 0.2 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하가 바람직하고, Co의 함유량은 4.0 질량% 이상 13.0 질량% 이하가 바람직하다. 결합상(Co)은 WC 입자에 비해서 연질이기 때문에, 기재(101)의 표면에 후술하는 이온 충격 처리를 실시하면, 결합상이 제거되어 WC 입자가 표면에 노출된다. 이 때 초경합금 조직에 있어서의 경질 입자의 입경 및 Co의 함유량이 상기 범위를 점유함으로써, 기재(101)의 표면에 WC 입자의 입계에 기인하는 미세한 요철이 형성된다. 이러한 표면에 피막(110)을 형성함으로써, 소위 앵커 효과에 의해서 피막(110)과 기재(101)의 밀착성을 향상시킬 수 있다. 여기서 경질 입자의 입경은, 후술하는 피막의 두께 측정 방법과 마찬가지로, 표면 피복 공구를 절단하고, 그 절단면을 주사형 전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope) 또는 TEM에 의해서 관찰하여 구하는 것으로 한다. 이 때 관찰 시야 중에서, 경질 입자에 외접하는 원의 직경(외접원 상당 직경)을 경질 입자의 직경이라고 간주하는 것으로 한다. 여기서 경질 입자의 입경은 1.5 ㎛ 이하가 보다 바람직하다. 또한 Co의 함유량은 11.0 질량% 이하가 보다 바람직하고, 10.0 질량% 이하가 특히 바람직하다.

<피막>

피막(110)은, A층(112a)과 B층(112b)이 교대로 각각 1층 이상 적층된 교대층(112)을 포함한다. 또한 피막(110)은 교대층(112)과 기재(101) 사이에 밀착층(111)을 포함하고 있다. 여기서 피막(110)은 적어도 절삭날 부분에 형성되면 되며, 반드시 기재(101)의 전면을 균일하게 피복하는 것이 아니어도 된다. 즉, 기재(101)에 있어서 부분적으로 피막이 형성되어 있지 않은 양태, 혹은 부분적으로 피막의 적층 구조가 다른 양태도 본 실시형태에 포함된다. 피막(110)은 교대층(112) 및 밀착층(111) 외에, 또 다른 층을 포함할 수도 있다. 예컨대 피막(110)은, 최외측 표면에 TiN 등으로 구성되는 착색층을 포함하는 경우도 있다.

피막(110) 전체의 두께는 0.5 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하가 바람직하다. 두께가 0.5 ㎛보다도 얇으면, 피막이 지나치게 얇아 공구 수명이 줄어드는 경우가 있고, 두께가 15 ㎛를 넘으면, 절삭 초기에 치핑이 발생하기 쉽게 되어, 공구 수명이 줄어드는 경우도 있기 때문이다. 피막(110) 전체의 두께는 0.5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하가 보다 바람직하고, 1.0 ㎛ 이상 5.0 ㎛ 이하가 특히 바람직하다. 또한 피막(110)을 구성하는 결정립은 입방정인 것이 바람직하다. 피막 전체 혹은 일부분에 비정질이 포함되면, 피막의 경도가 저하하여 공구 수명이 줄어드는 경우도 있기 때문이다.

여기서 본 명세서에 있어서, 피막의 두께 및 피막을 구성하는 각 층의 두께는, 표면 피복 공구를 절단하고, 그 절단면을 SEM 또는 TEM을 이용하여 관찰함으로써 측정하는 것으로 한다. 관찰함에 있어서, 상기 절단면에는 집속 이온빔 장치(FIB: Focused Ion Beam) 혹은 크로스 섹션 폴리셔 장치(CP: Cross section Polisher) 등에 의한 표면 가공이 실시되어 있는 것이 바람직하다. 또한 TEM에 부속되는 에너지 분산형 X선 분석 장치를 이용하여, 동 절단면에 있어서 TEM-EDX 분석을 함으로써, 각 층의 평균 조성을 구할 수도 있다.

<교대층>

교대층(112)은, A층(112a)과 B층(112b)이 교대로 각각 1층 이상 적층되어 이루어진다. A층(112a) 및 B층(112b)은 함께 Ti, Al 및 Si의 질화물이지만, 적어도 Ti 및 Al의 조성비가 다르고, 이에 따라 A층과 B층의 경계에 약간의 왜곡이 생겨 균열의 전파를 저지하는 작용이 발현된다. 또한 A층(112a)과 B층(112b)은 구성 원소가 공통됨으로써 층간의 밀착성도 높다.

교대층(112)에 있어서, A층(112a)과 B층(112b)이 교대로 각각 1층 이상 적층되어 있는 한, 그 적층수(A층 및 B층의 총수)는 특별히 제한되지 않는다. 적층수는 예컨대 10~10000 정도이며, 바람직하게는 10~5000 정도, 보다 바람직하게는 20~500 정도이다. 또한 교대층(112)이 이러한 적층 구조를 갖는 한, 교대층(112)의 최표층은 A층(112a) 및 B층(112b)의 어느 것이라도 좋으며, 마찬가지로 교대층(112)의 최하층(교대층을 구성하는 층 중 가장 기재 측의 층)은 A층(112a) 및 B층(112b)의 어느 것이라도 좋다.

도 2는 본 실시형태의 교대층(112)의 단면 TEM상(배율: 1200000배)이다. 도 2는 암시야상(暗視野像)이며, 원자량이 큰 원소(도 2에서는 Ti)의 조성비가 높은 부분일수록 희게 비춰져 있다. 도 2에서의 화살표는 교대층(112)의 적층 방향(두께 방향)을 나타내고 있다. 도 2에서는, Ti의 조성비가 높은 부분(A층)과, A층에 비해서 Ti의 조성비가 낮은 부분(B층)이 교대로 적층되어 있는 모습을 확인할 수 있다.

<A층>

A층(112a)의 평균 조성은 Ti_aAl_bSi_cN(단, 0.5<a<0.8, 0.2<b<0.4, 0.01<c<0.1, a+b+c=1)으로 표시된다. 이와 같이 Ti가 Al에 비해서 많은 조성을 채용한다는 점에서, 본 실시형태는 종래 기술과 사상을 달리 하고 있다. 왜냐하면 종래 TiAlN계의 피막에서는, Al의 조성비가 높은 쪽이, 경도가 높아져 공구 수명을 길게 할 수 있다고 여겨져 왔기 때문이다. 그러나 본 발명자가, 난삭재(스테인리스강, 인코넬 등)의 절삭 가공에 있어서의 날끝의 손상 형태를 상세히 해석한 바, Ti의 조성비를 높임으로써 크레이터 마모에 대한 내성이 향상되어, 공구 수명은 오히려 길어지는 것을 알아냈다. 여기서 본 발명자의 연구에 따르면, Ti의 조성비는 0.55≤a≤0.65를 만족하고, Al의 조성비는 0.25≤b<0.40을 만족하는 것이 보다 바람직하다. 공구 수명이 한층 더 길어지기 때문이다.

아울러 본 실시형태에서는 소량의 Si를 포함하는 조성을 채용한다. 이에 따라 피막에 내산화성을 부여할 수 있다. Si의 조성비를 0.1 미만으로 제한한 것은, 0.1 이상으로 되면 결정격자의 왜곡이 커지고, 그 결과, 잔류 응력이 커져 A층(112a)과 B층(112b)의 밀착성이 저하하기 때문이다. 또한 Si의 조성비가 0.1 이상이 되면 피막(110) 내에 비정질의 SiN_x가 생성되어, 경도가 저하하는 경우도 있기 때문이다.

<B층>

B층(112b)의 평균 조성은 Ti_dAl_eSi_fN(단, 0.4<d<0.6, 0.3<e<0.7, 0.01<f<0.1, d+e+f=1)으로 표시된다. A층(112a)과 B층(112b)이 동일 원소로 구성됨으로써, 이들의 화학적 친화성이 높아져, 양자의 밀착성이 확보된다. 또한 본 실시형태에서는, 상기한 A층(112a)의 조성과의 사이에서, 0.05<a-d≤0.2이면서 0.05<e-b≤0.2가 되는 관계를 만족하고 있다. 이러한 차이를 둠으로써, A층(112a)과 B층(112b)의 경계에 있어서, 전위(결함)에 이르지 않을 정도까지의 왜곡이 생겨, 균열의 전파를 저지할 수 있다. 「a-d」 및 「e-b」가 0.05 이하가 되면, A층(112a)과 B층(112b)의 조성이 지나치게 가깝게 되어, 종래의 단일 조성을 갖는 피막과 같이, 균열의 전파가 억제되지 않게 된다. 다른 한편 「a-d」 및 「e-b」가 0.2를 넘으면, 조성이 지나치게 멀어져 A층(112a)과 B층(112b)의 밀착성이 저하하게 된다. 본 발명자의 연구에 따르면, 「a-d」 및 「e-b」는, 0.05<a-d≤0.1이면서 0.05<e-b≤0.1이 되는 관계를 만족하는 것이 보다 바람직하다. 균열 전파의 억제 작용, 그리고 층간의 밀착성이 보다 한층 더 향상되기 때문이다.

A층(112a) 및 B층(112b)의 평균 조성은 상술한 TEM-EDX 분석에 의해서 측정할 수 있다. 여기서 복수의 A층(112a)의 각 평균 조성은, 상기 관계(원소 조성비)를 만족하는 한, 각각 다르더라도 좋으며, 모두가 동일한 조성을 갖는 것은 아니다. 각각 다르다고 해도 같은 작용을 얻을 수 있기 때문이다. 이것은 B층(112b)에 관해서도 마찬가지이다.

또한 A층(112a) 및 B층(112b)의 평균 조성이 상기 관계를 만족하는 한, 각 A층(112a) 내 및 각 B층(112b) 내에서, 각 원소의 조성비가, 피막의 두께 방향으로 연속적 혹은 단계적으로 변화하는 경우도 있을 수 있다. 특히 A층(112a) 중의 Ti의 조성비 「a」와, B층(112b) 중의 Ti의 조성비 「d」는, 피막의 두께 방향으로 연속적 혹은 단계적으로 변화하는 경우가 있을 수 있다. 「a」 및 「d」를 연속적으로 변화시킴으로써, A층(112a)과 B층(112b)의 밀착성을 높일 수 있다. 또한 「a」 및 「d」를 단계적으로 변화시킴으로써, 교대층(112)에 있어서 균열의 진전을 저지하는 작용을 높일 수 있다. 따라서 어느 경우나 공구 수명을 길게 할 수 있다.

<A층 및 B층의 두께>

A층(112a) 및 B층(112b)의 두께는 각각 2 nm 이상 100 nm 이하이다. 두께가 2 nm보다도 얇으면, 인접하는 A층과 B층이 서로 섞여, A층과 B층 사이에서 균열의 전파를 저지하는 작용이 약해지고, 두께가 100 nm보다도 두꺼우면, A층과 B층의 밀착성이 저하하기 때문이다. 각 층의 두께가 2 nm 이상 100 nm 이하라면, 피막(110)의 표면에서 발생한 균열의 전파를 억제하면서 또한 각 층간의 밀착성을 높일 수 있다. 각 층의 두께는, 보다 바람직하게는 2 nm 이상 80 nm 이하이고, 더욱 바람직하게는 2 nm 이상 50 nm 이하이고, 특히 바람직하게는 2 nm 이상 30 nm 이하이며, 가장 바람직하게는 5 nm 이상 20 nm 이하이다. 각 층의 두께를 상기 범위로 규제함으로써, 결정립이 미세하게 되어 입계 면적이 증가되고, 입계에 있어서 소성 변형 및 균열의 진전을 저지하는 작용이 높아지기 때문이다.

교대층(112)에 있어서 각 A층(112a)의 두께는, 각각 다르더라도 좋고, 실질적으로 전부 동일하여도 좋다. 마찬가지로, 교대층(112)에 있어서 각 B층(112b)의 두께는, 각각 다르더라도 좋고, 실질적으로 전부 동일하여도 좋다.

여기서 A층(112a)의 두께를 「λ_A」로 하고, B층(112b)의 두께를 「λ_B」라고 할 때, A층(112a)과 B층(112b)의 두께의 비인 「λ_A/λ_B」는 1≤λ_A/λ_B<5를 만족하는 것이 바람직하다. 이에 따라 교대층(112)의 내크레이터마모성이 향상되어, 균열의 전파를 효율적으로 억제할 수 있기 때문이다. 「λ_A/λ_B」는 보다 바람직하게는 1≤λ_A/λ_B≤2를 만족한다. 이들의 작용을 한층 더 높일 수 있기 때문이다.

교대층(112)의 전체적인 Ti의 조성비는 0.5 이상 0.7 이하가 바람직하고, 0.55 이상 0.65 이하가 보다 바람직하다. 교대층(112) 전체에 있어서 Ti의 조성비가 0.5를 넘음으로써 내크레이터마모성이 향상되기 때문이다. 여기서 교대층(112)의 전체적인 Ti의 조성비는 다음 식:

(교대층의 전체적인 Ti의 조성비)=(a×λ_A+d×λ_B)/(λ_A+λ_B)

에 의해서 산출하는 것으로 한다.

같은 관점에서, 교대층(112)의 전체적인 Al의 조성비는 0.25 이상 0.5 미만이 바람직하고, 0.30 이상 0.40 이하가 보다 바람직하다. 여기서 교대층(112)의 전체적인 Al의 조성비는 다음 식:

(교대층의 전체적인 Al의 조성비)=(b×λ_A+e×λ_B)/(λ_A+λ_B)

에 의해서 산출하는 것으로 한다.

<밀착층>

피막(110)은, 기재(101)와 접하는 부분에 밀착층(111)을 추가로 포함할 수 있다. 피막(110)이 밀착층(111)을 포함함으로써, 피막(110)의 박리가 방지되어, 공구 수명이 한층 더 안정화된다. 밀착층(111)은, 교대층(112) 및 기재(101) 쌍방과 화학적 친화성을 갖는 것이 바람직하다. 따라서 밀착층(111)은, 기재(101)를 구성하는 원소(초경합금의 경우는 W, C 등)와, 교대층(112)을 구성하는 원소(Al, Si, N)를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물인 것이 바람직하다. 또한 본 발명자가 실시한 실험에서, 이러한 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물이 Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함함으로써 밀착성이 현저히 향상되는 것을 알아냈다.

여기서 밀착층(111)이 이들 원소를 포함하는 것도, 상술한 A층(112a) 및 B층(112b)의 평균 조성과 같은 요령으로 TEM-EDX 분석에 의해서 확인할 수 있다. 본 발명자의 분석 결과에 따르면, 이러한 조성을 갖는 밀착층(111)을 형성한 경우, 교대층(112)과 밀착층(111)의 계면, 및 밀착층(111)과 기재(101)의 계면 각각에 있어서 결정격자가 연속되어 있고, 이에 따라 밀착성이 향상되고 있음이 시사되었다. 이에 관해서는 후술하는 제2의 실시형태에서 자세히 설명한다.

밀착층(111)을 구성하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물의 구체예로서는, 예컨대 다음 [a]~[j]을 들 수 있다. 밀착층(111)은 이들 화합물 중 1종 이상을 포함할 수 있다.

[a] Ti, W를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물(예컨대 WTiC, WTiN, WTiCN 등)

[b] Cr, W를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물(예컨대 WCrC, WCrN, WCrCN 등)

[c] Ti, Cr, W를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물(예컨대 WCrTiC, WCrTiN, WCrTiCN 등)

[d] Ti, Al, W를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물(예컨대 WTiAlC, WTiAlN, WTiAlCN 등)

[e] Ti, Si, W를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물(예컨대 WTiSiC, WTiSiN, WTiSiCN 등)

[f] Ti, Cr, Al, W를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물(예컨대 WCrTiAlC, WCrTiAlN, WCrTiAlCN 등)

[g] Ti, Cr, Si, W를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물(예컨대 WCrTiSiC, WCrTiSiN, WCrTiSiCN 등)

[h] Ti, Al, Si, W를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물(예컨대 WTiAlSiC, WTiAlSiN, WTiAlSiCN 등)

[i] Ti, Cr, Al, Si, W를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물(예컨대 WCrTiAlSiC, WCrTiAlSiN, WCrTiAlSiCN 등)

[j] 상기한 [a]~[i]에 있어서 Cr의 전부 또는 일부를 Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소와 치환한 것.

여기서 본 명세서에서 상기한 것과 같이 화합물을 화학식으로 나타낼 때, 원자비를 특별히 한정하지 않는 경우는 종래 공지된 모든 원자비를 포함하는 것으로 하며, 반드시 화학양론적 범위의 것에 한정되지 않는다. 예컨대 「WTiCN」이라고 기재하는 경우, 「W」과 「Ti」와 「C」와 「N」의 원자비는 25:25:25:25에 한정되지 않고, 종래 공지된 모든 원자비가 포함되는 것으로 한다.

밀착층(111)의 두께는 0.5 nm 이상 20 nm 이하가 바람직하다. 두께가 0.5 nm 미만이면, 원하는 밀착 작용을 얻을 수 없는 경우가 있고, 두께가 20 nm를 넘으면 밀착층(111) 내의 잔류 응력이 커져, 오히려 박리되기 쉽게 되는 경우도 있기 때문이다. 밀착층(111)의 두께는, 보다 바람직하게는 0.5 nm 이상 10 nm 이하이고, 특히 바람직하게는 2 nm 이상 6 nm 이하이다.

<밀착층의 비금속 조성>

기재(101)가 초경합금이며, 밀착층(111)이 탄질화물인 경우, 밀착층(111)의 두께 방향에 있어서, 밀착층(111)에 포함되는 탄소(C)의 조성비가, 교대층(112) 측에서 기재(101) 측을 향하여 연속적으로 증가하여 기재(101)와의 계면에서 최대가 되고, 또한 밀착층(111)에 포함되는 질소(N)의 조성비가, 기재(101) 측에서 교대층(112) 측을 향하여 연속적으로 증가하여 교대층(112)과의 계면에서 최대가 되는 것이 바람직하다. 본 실시형태에서는, 초경합금은 탄화물(WC)을 포함하고, 교대층(112)은 질화물(TiAlSiN)을 포함하므로, 밀착층(111) 내에서 C 및 N의 조성 비율이 상기한 것과 같이 변화함으로써, 기재(101) 및 교대층(112) 쌍방과의 화학적 친화성이 보다 한층 더 향상된다. 이러한 조성비의 변화는, 예컨대 후술하는 캐소드 아크 이온 플레이팅법에 있어서, N의 원료 가스와 C의 원료 가스의 유량비를 연속적으로 변화시키면서 성막함으로써 실현할 수 있다.

<밀착층과 기재의 계면에 있어서의 경질 입자의 점유율>

밀착층(111)과 기재(101)가 접하는 부분에 있어서 경질 입자(WC 입자)의 점유율은 80% 이상인 것이 바람직하다. 밀착층(111)과 기재(101)의 계면에 연질의 결합상(Co 등)이 존재하지 않을수록 밀착층(111)과 기재(101)의 밀착력이 높아지기 때문이다. 여기서 상기 점유율은, 원래 계면에 있어서의 면적 점유율이지만, 본 명세서에서는 다음과 같이 표면 피복 공구의 단면에 있어서 정의되는 것이다. 즉 표면 피복 공구(100)를 그 표면에 대한 법선을 포함하는 평면으로 절단하고, 얻어진 절단면 중의 밀착층(111)과 기재(101)의 계면에 있어서 길이가 3 ㎛인 기준선을 설정하고, 이 기준선 상에서 밀착층(111)과 경질 입자가 접촉하고 있는 부분의 합계 길이를 측정하고, 이 합계 길이를 기준선의 길이(3 ㎛)로 나눈 값의 백분율을 WC 입자의 점유율로 정의하는 것으로 한다. 이러한 점유율은 클수록 바람직하며 이상적으로는 100%이지만, 생산성을 고려하면, 그 상한치는 예컨대 99% 정도이다.

<표면 피복 공구의 제조 방법>

이상에 설명한 본 실시형태의 표면 피복 공구는 다음과 같은 방법에 의해서 제조할 수 있다. 이 제조 방법은, 적어도 기재를 준비하는 공정과, 피막을 형성하는 공정을 구비한다.

<기재를 준비하는 공정>

이 공정에서는 기재(101)가 준비된다. 예컨대, 기재(101)로서 초경합금 기재가 준비된다. 초경합금 기재는, 일반적인 분말야금법에 의해서 준비할 수 있다. 예컨대 볼밀 등에 의해서 WC 분말과 Co 분말 등을 혼합하여 혼합 분말을 얻고, 이 혼합 분말을 건조한 후, 소정의 형상으로 성형하여 성형체를 얻고, 또한 이 성형체를 소결함으로써, WC-Co계 초경합금(소결체)을 얻을 수 있다. 이어서 상기 소결체에 대하여, 호닝 처리 등의 소정의 날끝 가공을 실시함으로써, WC-Co계 초경합금으로 이루어지는 기재(101)를 준비할 수 있다.

<피막을 형성하는 공정>

피막(110)을 난삭재 절삭에 있어서의 고온에도 견딜 수 있는 막으로 하기 위해서는, 피막(110)을 결정성이 높은 화합물로 구성하는 것이 바람직하다. 본 발명자가 그와 같은 피막을 개발하기 위해 각종 성막 기술을 검토한 바, 물리증착법이 바람직하다는 것을 알아냈다. 물리증착법이란, 물리적인 작용을 이용하여 원료(증발원, 타겟이라고도 한다)를 기화시키고, 기화한 원료를 기재 상에 부착시키는 증착 방법이다. 그러한 물리증착법으로서는, 예컨대, 캐소드 아크 이온 플레이팅법, 밸런스드 마그네트론 스퍼터링(BALANCED MAGNETRON SPUTTERING)법, 언밸런스드 마그네트론 스퍼터링(UNBALANCED MAGNETRON SPUTTERING)법 등이 있다.

여기서 「캐소드 아크 이온 플레이팅법」이란, 예컨대 성막 장치 내에 기재와 타겟을 배치하고, 타겟에 고전류를 인가하여 아크 방전을 생기게 함으로써, 타겟을 구성하는 원소를 이온화시키고, 이것을 마이너스의 바이어스 전압을 인가한 기재 상에 퇴적시키는 증착 방법이다.

또한 「밸런스드 마그네트론 스퍼터링법」이란, 평형의 자장을 형성하는 자석을 갖는 마그네트론 전극 상에 타겟을 배치하고, 기재와 마그네트론 전극 사이에 고주파 전력을 인가하여 가스 플라즈마를 발생시키고, 이 가스 플라즈마의 작용에 의해 생긴 가스의 이온을 타겟에 충돌시키고, 또한 타겟으로부터 방출된 원자를 이온화시켜, 기재 상에 퇴적시키는 증착 방법이다. 「언밸런스드 마그네트론 스퍼터링법」이란, 이 마그네트론 전극에 의해 발생하는 자장을 비평형으로 하여 증착을 하는 방법이다.

<기재의 표면을 세정하는 공정>

이들 물리증착법 중 캐소드 아크 이온 플레이팅법이, 원료의 이온화율이 높아 특히 적합하다. 또한 성막 방법으로서 캐소드 아크 이온 플레이팅법을 채용함으로써, 피막(110)을 형성하기 전에, 기재(101)의 표면에 대하여 이온 충격 처리를 실시할 수 있다. 이에 따라 기재(101)의 표면에서 연질의 결합상을 제거할 수 있고, 이러한 후에 밀착층(111)을 형성함으로써, 상술한 밀착층(111)과 기재(101)가 접하는 부분에 있어서의 경질 입자의 점유율을 높일 수 있다.

<밀착층을 형성하는 공정>

또한 이온 충격 처리에 있어서, Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 타겟을 사용함으로써, 기재(101)의 표면을 세정하면서, 이들 원소를 기재(101)의 표면에 부착시킬 수 있다. 이들 원소가 부착된 표면 상에 교대층(112)을 형성함으로써, 밀착력이 우수한 밀착층(111)을 형성할 수 있다. 여기서 이온 충격 처리에 사용되며, 또한 밀착층(111)에 포함되는 원소에는 적어도 Cr가 포함되는 것이 바람직하다. Cr는 승화성의 원소이기 때문에, 이온 충격 처리할 때에 용융 입자(droplet)의 발생이 적어, 기재(101)의 표면 거칠음을 방지할 수 있기 때문이다.

<교대층을 형성하는 공정>

A층(112a)과 B층(112b)이 교대로 각각 1층 이상 적층된 교대층(112)을 형성하는 방법으로서는 각종 방법을 생각할 수 있다. 예컨대, Ti, Al 및 Si의 입경을 각각 변화시킨 소결합금제 타겟을 사용하는 방법, 각각 조성이 다른 복수의 타겟을 사용하는 방법, 성막시에 인가하는 바이어스 전압을 펄스 전압으로 하거나 혹은 가스 유량을 변화시키는 방법, 성막 장치에 있어서 기재를 유지하는 기재 홀더의 회전 주기를 조정하는 방법 등을 생각할 수 있다. 물론 이들 조작을 조합하여 교대층을 형성할 수도 있다.

교대층(112)을 형성한 후, 피막(110)에 압축 잔류 응력을 부여하여도 좋다. 피막(110)의 인성(靭性)이 향상되기 때문이다. 압축 잔류 응력은, 예컨대 블라스트법, 브러시법, 배럴법 및 이온주입법 등에 의해서 부여할 수 있다.

<제2 실시형태>

제2 실시형태에 따르면, 주로 상기 제2의 목적이 달성된다.

<표면 피복 공구>

도 5는 제2 실시형태의 표면 피복 공구의 구성의 일례를 도시하는 모식적인 부분 단면도이다. 도 5를 참조하면, 표면 피복 공구(200)는, 기재(201)와, 기재(201) 상에 형성된 피막(210)을 구비하고 있다. 피막(210)은, 기재(201)와 접하는 밀착층(211)과, 밀착층(211) 상에 형성된 상부층(212)을 포함하고 있다.

표면 피복 공구(200)는 전형적으로는 절삭 공구이다. 표면 피복 공구(200)는, 예컨대 드릴, 엔드밀, 프라이즈 가공용 혹은 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 칩, 금속 톱, 기어 절삭 공구, 리머, 탭 또는 크랭크샤프트의 핀 밀링 가공용 칩 등의 절삭 공구일 수 있다. 단 표면 피복 공구(200)는 절삭 공구에 제한되지 않으며, 예컨대 금형, 베어링, 내마 공구 등의 내마모성이 요구되는 공구 혹은 부품 등에 널리 적용할 수 있다. 이하, 표면 피복 공구(200)를 구성하는 각 요소에 관해서 설명한다.

<기재>

기재(201)는 WC-Co계 초경합금이고, WC 입자와, Co를 함유하며 WC 입자끼리를 상호 결합시키는 결합상을 포함한다. 기재(201)는, 이들을 포함하는 한, 이들 외에 임의의 성분을 포함할 수 있다. 예컨대 WC 입자와 Co 외에 Ti, Ta, Nb 등의 탄질화물 등이 첨가되어 있어도 좋고, 제조시에 불가피하게 혼입되는 불순물을 포함하고 있어도 좋다. 또한 조직 중에 유리 탄소 혹은 「η층」이라고 불리는 이상층이 포함되어 있어도 상관없다. 기재(201)는, 그 표면이 개질된 것이라도 좋다. 예컨대 기재(201)의 표면에 탈β층이 형성되어 있어도 좋다.

기재(201)에 있어서 WC 입자의 입경은 0.2 ㎛ 이상 2.0 ㎛ 이하가 바람직하고, Co의 함유량은 4.0 질량% 이상 13.0 질량% 이하가 바람직하다. 결합상(Co)은 WC 입자에 비해서 연질이기 때문에, 기재(201)의 표면에 이온 충격 처리를 실시하면, 결합상이 제거되어 WC 입자가 표면에 노출된다. 이 때 초경합금 조직에 있어서의 WC 입자의 입경 및 Co의 함유량이 상기 범위를 점유함으로써, 기재(201)의 표면에 WC 입자의 입계에 기인하는 미세한 요철이 형성된다. 이러한 표면에 피막(210)을 형성함으로써, 소위 앵커 효과에 의해서 피막(210)과 기재(201)의 밀착성을 향상시킬 수 있다. 여기서 WC 입자의 입경은 1.5 ㎛ 이하가 보다 바람직하다. 또한 Co의 함유량은 11.0 질량% 이하가 보다 바람직하고, 10.0 질량% 이하가 특히 바람직하다.

<피막>

피막(210)은, 기재(201)와 접하는 밀착층(211)과, 밀착층(211) 상에 형성된 상부층(212)을 포함한다. 피막(210)은 적어도 절삭날 부분에 형성되면 되며, 반드시 기재(201)의 전면을 균일하게 피복하는 것이 아니어도 된다. 즉, 기재(201)에 있어서 부분적으로 피막이 형성되어 있지 않은 양태, 혹은 부분적으로 피막의 적층 구조가 다른 양태도 본 실시형태에 포함된다. 피막(210)은 밀착층(211) 및 상부층(212) 외에, 또 다른 층을 포함할 수도 있다. 예컨대 피막(210)은, 최외측 표면에 TiN 등으로 구성되는 착색층을 포함하는 경우도 있다.

피막(210) 전체의 두께는 0.5 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하가 바람직하다. 두께가 0.5 ㎛보다도 얇으면 피막이 지나치게 얇아 공구 수명이 줄어드는 경우가 있고, 두께가 15 ㎛를 넘으면 절삭 초기에 치핑이 발생하기 쉽게 되어, 공구 수명이 줄어드는 경우도 있기 때문이다. 피막(210) 전체의 두께는 0.5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하가 보다 바람직하고, 1.0 ㎛ 이상 5.0 ㎛ 이하가 특히 바람직하다. 또한 피막(210)을 구성하는 결정립은 입방정인 것이 바람직하다. 피막 전체 혹은 일부분에 비정질이 포함되면, 피막의 경도가 저하하여 공구 수명이 줄어드는 경우도 있기 때문이다.

<상부층>

상부층(212)은 단일층이라도 좋고 복수의 층이 적층된 것이라도 좋다. 또한 상부층(212)은, 그 전부 또는 일부에, 층을 구성하는 화합물의 조성이 두께 방향에서 주기적으로 변화되는 변조 구조, 혹은 조성이 다른 2종 이상의 단위층이 각각 0.2 nm 이상 20 nm 이하의 두께로 주기적으로 반복 적층된 초다층(超多層) 구조 등을 포함하고 있어도 좋다. 상부층(212)은, 제1 실시형태에서 설명한 교대층이라도 좋다.

피막에 포함되는 각 층의 조성은 SEM-EDX 분석 또는 TEM-EDX 분석에 의해 구할 수 있다.

상부층(212)은, 주기표의 제4족 원소[Ti, Zr, Hf(하프늄) 등], 제5족 원소[V(바나듐), Nb, Ta 등] 및 제6족 원소[Cr, Mo(몰리브덴), W 등] 그리고 Si 및 Al에서 선택되는 1종 이상의 원소와, C, N 및 O(산소)에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 것이 바람직하다. 이에 따라 피막(210)의 내마모성이 향상되기 때문이다.

상부층(212)을 구성하는 화합물의 구체예로서는, 예컨대 TiCN, TiN, TiCNO, TiO₂, TiNO, TiSiN, TiSiCN, TiAlN, TiAlCrN, TiAlSiN, TiAlSiCrN, AlCrN, AlCrCN, AlCrVN, AlN, AlCN, Al₂O₃, ZrN, ZrCN, ZrN, ZrO₂, HfC, HfN, HfCN, NbC, NbCN, NbN, Mo₂C, WC, W₂C 등을 예로 들 수 있다. 이들 화합물에는 또 다른 원소가 미량 도핑되어 있는 경우도 있을 수 있다.

상술한 것과 같이 본 명세서에서는, 예컨대 「TiCN」이라고 기재하는 경우, 「Ti」과 「C」와 「N」의 원자비는 50:25:25에 한정되지 않고, 종래 공지된 모든 원자비가 포함되는 것으로 한다.

<밀착층>

밀착층(211)은 기재(201)와 접하는 부분에 형성되어 있다. 표면 피복 공구(200)가 밀착층(211)을 구비함으로써, 피막(210)의 박리가 억제되어, 종래에 비하여 공구 수명이 연장된다. 밀착층(211)의 두께는 0.5 nm 이상 20 nm 이하이다. 두께가 0.5 nm 미만이면, 원하는 밀착 작용을 얻을 수 없는 경우가 있고, 두께가 20 nm을 넘으면, 밀착층(211) 내의 잔류 응력이 커져, 오히려 박리되기 쉽게 되는 경우도 있기 때문이다. 밀착층(211)의 두께는, 보다 바람직하게는 0.5 nm 이상 10 nm 이하이고, 특히 바람직하게는 2 nm 이상 6 nm 이하이다.

밀착층(211)은, Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 기재(201)를 구성하는 원소(W, C 등)에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 상부층(212)을 구성하는 원소(Al, Si, N 등)에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물을 함유하고 있다. 밀착층(211)은, 기재(201) 및 상부층(212)의 구성 원소를 포함하기 때문에, 기재(201) 및 상부층(212) 쌍방에 대하여 높은 화학적 친화성을 보일 수 있다. 또한 Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소가 WC 입자에 포함되는 탄소와 강한 결합을 만들어, 박리에 대한 내성이 향상된다.

본 발명자의 연구에 따르면, 상기 조성을 갖는 밀착층을 형성한 경우, 기재(201)와 밀착층(211), 밀착층(211)과 상부층(212)의 각각의 계면에서 결정격자가 연속되고, 이에 따라 밀착성이 향상되고 있음이 시사되었다. 도 6은 본 실시형태의 표면 피복 공구(200)의 절단면에 있어서, 기재(201)와 피막(210)과 계면을 촬영한 TEM상(배율: 1000000배)이다. 도 6으로부터, 기재(201)(WC 입자)와 상부층(212)의 계면에, 두께가 0.5 nm 이상 20 nm 이하인 밀착층(211)이 형성되어 있음을 알 수 있다. 도 7은 도 6에 있어서 밀착층(211)에 관련한 부분을 확대하여, 콘트라스트를 조정한 부분 확대도이다. 도 7로부터, 기재(201)와 밀착층(211)의 계면에 있어서 결정격자가 연속되고, 또한 밀착층(211)과 상부층(212)의 계면에 있어서도 결정격자가 연속되어 있는 모습을 확인할 수 있다. 이와 같이 본 실시형태에서는, 각각의 계면에서 결정격자가 연속됨으로써, 밀착성이 향상되고 있다고 생각된다.

밀착층(211)을 구성하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물의 구체예로서는, 예컨대, 제1 실시형태에서 상술한 [a]~[j]의 화합물을 예로 들 수 있다. 밀착층(211)은 이들 화합물 중 1종 이상을 포함할 수 있다.

본 발명자의 연구에 따르면, 이들 중 Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소와, W와, Al 및 Si에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄질화물에 있어서 특히 높은 밀착성이 발현하는 것을 알 수 있다. 그래서 Cr, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소를 「M」이라고 할 때, 밀착층(211)을 구성하는 화합물의 조성은, 다음 식:

M_aTi_bAl_cSi_dW_eCN(단, 0<a≤0.30, 0≤b≤0.80, 0≤c≤0.60, 0≤d≤0.10, a+b+c+d+e=1)

으로 표시되는 것이 바람직하다.

<밀착층의 비금속 조성>

상부층(212)이 질화물이고, 밀착층(211)이 탄질화물인 경우, 밀착층(211)의 두께 방향에 있어서, 밀착층(211)에 포함되는 C의 조성비가, 상부층(212) 측에서 기재(201) 측을 향하여 연속적으로 증가하여 기재(201)와의 계면에서 최대가 되고, 또한 밀착층(211)에 포함되는 N의 조성비가, 기재(201) 측에서 상부층(212) 측을 향하여 연속적으로 증가하여 상부층(212)과의 계면에서 최대가 되는 것이 바람직하다. 기재(201)는 탄화물(WC)을 포함하고, 상부층(212)은 질화물(TiAlSiN 등)을 포함하므로, 밀착층(211) 내에서 C 및 N의 조성 비율이 상기한 것과 같이 변화함으로써, 기재(201) 및 상부층(212) 쌍방과의 화학적 친화성이 보다 한층 더 향상된다. 이러한 조성비의 변화는, 예컨대 캐소드 아크 이온 플레이팅법에 있어서, N의 원료 가스와 C의 원료 가스의 유량비를 연속적으로 변화시키면서 성막을 실시함으로써 실현할 수 있다.

<밀착층과 기재의 계면에 있어서의 WC 입자의 점유율>

밀착층(211)과 기재(201)가 접하는 부분에 있어서 WC 입자의 점유율은 80% 이상이 바람직하고, 90% 이상이 보다 바람직하다. 밀착층(211)과 기재(201)의 계면에 연질의 결합상(Co 등)이 존재하지 않을수록 밀착층(211)과 기재(201)의 밀착력이 높아지기 때문이다. 여기서 상기 점유율은, 제1 실시형태에서 설명한 것과 같이 표면 피복 공구의 단면에 있어서 정의되는 것이다. 점유율은 클수록 바람직하며 이상적으로는 100%이지만, 생산성을 고려하면, 그 상한치는 예컨대 99% 정도이다.

<표면 피복 공구의 제조 방법>

이상에 설명한 본 실시형태의 표면 피복 공구는 다음과 같은 방법에 의해서 제조할 수 있다. 도 10은 본 실시형태에 따른 표면 피복 공구의 제조 방법의 개략을 도시하는 흐름도이다. 도 10을 참조하면, 상기 제조 방법은, 기재를 준비하는 공정(S100)과, 피막을 형성하는 공정(S200)을 구비하고 있고, 피막을 형성하는 공정(S200)은, 기재의 표면에 Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소를 부착시키는 공정(S220)과, 밀착층을 형성하는 공정(S230)과, 상부층을 형성하는 공정(S240)을 포함하고 있다. 이하, 각 공정에 관해서 설명한다.

<기재를 준비하는 공정(S100)>

이 공정에서는, WC 입자와, Co를 함유하며 WC 입자끼리를 상호 결합시키는 결합상을 포함하는 기재(201)를 준비한다. 이러한 WC-Co계 초경합금 기재는, 일반적인 분말야금법에 의해서 준비할 수 있다. 예컨대 볼밀에 의해서 WC 분말과 Co 분말 등을 혼합하여 혼합 분말을 얻고, 이 혼합 분말을 건조한 후, 소정의 형상으로 성형하여 성형체를 얻고, 또한 상기 성형체를 소결함으로써, WC-Co계 초경합금(소결체)을 얻을 수 있다. 이어서 상기 소결체에 대하여, 호닝 처리 등의 소정의 날끝 가공을 실시함으로써, WC-Co계 초경합금으로 이루어지는 기재(201)를 준비할 수 있다.

<피막을 형성하는 공정(S200)>

피막(210)을 난삭재의 절삭에 있어서의 고온에도 견딜 수 있는 막으로 하기 위해서는, 피막(210)을 결정성이 높은 화합물로 구성하는 것이 바람직하다. 본 발명자가 그와 같은 피막을 개발하기 위해 각종 성막 기술을 검토한 바, 물리증착법이 바람직하다는 것을 알아냈다. 물리증착법이란, 물리적인 작용을 이용하여 원료(증발원, 타겟이라고도 한다)를 기화시키고, 기화한 원료를 기재 상에 부착시키는 증착 방법이다. 그러한 물리증착법으로서는, 예컨대 캐소드 아크 이온 플레이팅법, 밸런스드 마그네트론 스퍼터링법, 언밸런스드 마그네트론 스퍼터링법 등이 있다.

원료의 이온화율이 높으므로, 이들 물리증착법 중 캐소드 아크 이온 플레이팅법이 특히 적합하다. 또한 캐소드 아크 이온 플레이팅법을 채용함으로써, 동일한 성막 장치 내에서 이온 충격 처리에 의한 기재의 세정을 할 수 있기 때문에, 제조 공정의 간략화, 생산성의 향상에 기여할 수 있다.

<기재의 표면에 원소를 부착시키는 공정(S220)>

본 실시형태에서는, 피막(210)을 형성하기 전에, 밀착층(211)의 일부가 되어야 하는 원소(Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상)를 기재(201)의 표면에 부착시킨다. 예컨대, 기재(201)의 표면에 대하여, 이들 원소를 타겟으로 하는 이온 충격 처리를 실시함으로써, 기재(201)의 표면을 세정하는 동시에, 이들 원소를 기재(201)의 표면에 부착시킬 수 있다. 즉 부착시키는 공정(S220)은, Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소의 이온을 이용한 이온 충격 처리에 의해서 기재(201)의 표면을 세정하는 공정(S221)을 포함할 수 있다. 이에 따라, 기재(201)의 표면에서 연질의 결합상을 제거하여, 표면에 있어서의 WC 입자의 점유율을 높일 수 있고, 그 결과, 상술한 밀착층(211)과 기재(201)가 접하는 부분에 있어서의 WC 입자의 점유율을 높일 수 있다. WC 입자의 점유율은, 예컨대 이온 충격 처리의 처리 시간에 의해서 조정할 수 있다.

이온 충격 처리에 이용하는 원소에는 적어도 Cr이 포함되는 것이 바람직하다. Cr는 승화성의 원소이기 때문에, 이온 충격 처리할 때에 용융 입자의 발생이 적어, 기재(201)의 표면 거칠음을 방지할 수 있기 때문이다.

본 실시형태에서는, 부착시키는 공정(S220) 전에, Ar 이온을 이용한 이온 충격 처리에 의해서, 기재(201)의 표면에 표출된 결합상의 적어도 일부를 제거하는 공정(S210)을 실행할 수도 있다. 이에 따라, 표면에 있어서의 WC 입자의 점유율을 더욱 높일 수 있다. 그런 다음, Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소를 기재(201)의 표면에 부착시킴으로써, 이들 원소와 WC 입자가 강고하게 결합되기 쉽게 되어, 밀착층(211)의 밀착 작용이 한층 더 향상된다.

<밀착층을 형성하는 공정(S230)>

본 실시형태에서는, 기재(201)의 표면에 Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소를 부착시킨 후, 상기 표면 상에 밀착층(211)을 형성한다. 밀착층(211)은, Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소가 부착된 표면 상에, 예컨대 캐소드 아크 이온 플레이팅법에 의해서 상부층을 구성하는 원소를 퇴적시킴으로써 형성한다. 이에 따라 기재(201) 상에 Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 기재(201)를 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 상부층(212)을 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물을 생성시킬 수 있다.

<상부층을 형성하는 공정(S240)>

그 후, 이어서 캐소드 아크 이온 플레이팅법에 의해서, 상부층(212)을 구성하는 원소를 밀착층(211) 상에 퇴적함으로써 상부층(212)을 형성할 수 있다.

상부층(212)을 형성한 후, 피막(210)에 압축 잔류 응력을 부여하여도 좋다. 피막(210)의 인성이 향상되기 때문이다. 압축 잔류 응력은, 예컨대 블라스트법, 브러시법, 배럴법 및 이온주입법 등에 의해서 부여할 수 있다.

이상의 공정을 거침으로써 본 실시형태의 표면 피복 공구를 용이하게 제조할 수 있다.

실시예

이하, 실시예를 이용하여 본 실시형태를 더욱 상세히 설명하지만, 본 실시형태는 이들에 한정되는 것은 아니다.

<제1 실시예>

제1 실시예는 상기 제1 실시형태에 대응하는 것이다.

<시료 No. 1-1~1-8 및 시료 No. 1-11~1-14의 제조>

다음과 같이 표면 피복 공구(시료 No. 1-1~1-8 및 시료 No. 1-11~1-14)를 제조하고, 절삭 시험을 실시하여 공구 수명을 평가했다. 여기서는 시료 No. 1-1~1-8이 실시예에 해당되고, 시료 No. 1-11~1-14가 비교예에 해당된다.

<기재를 준비하는 공정>

우선 기재(101)로서, 재질이 「ISO P30 그레이드」이고, 형상이 「SFKN12T3AZTN」인 초경합금 기재를 준비했다. 이 초경합금 기재는, WC을 함유하는 경질 입자와, Co를 함유하며 상기 경질 입자끼리를 상호 결합하는 결합상을 포함하는 것이다. 또한 이 초경합금 기재에 있어서, WC 입자의 입경은 2 ㎛이고, Co의 함유량은 10 질량%이다.

<피막을 형성하는 공정>

도 3은 피막의 형성에 사용한 성막 장치(캐소드 아크 이온 플레이팅 장치)의 모식적인 측면 투시도이고, 도 4는 동 장치의 모식적인 평면 투시도(상측에서 본 것)이다. 도 3을 참조하면, 성막 장치(1)는, 챔버(2)와, 챔버(2)에 원료 가스를 도입하기 위한 가스 도입구(13)와, 원료 가스를 외부로 배출하기 위한 가스 배출구(12)를 구비한다. 챔버(2)는 진공 펌프(도시하지 않음)에 접속되어 있으며, 가스 배출구(12)를 통하여 챔버(2) 내의 압력을 조정할 수 있도록 구성되어 있다.

챔버(2) 내에는 회전 테이블(3)이 설치되어 있고, 회전 테이블(3)에는 기재(101)를 유지하기 위한 기재 홀더(11)가 부착되어 있다. 기재 홀더(11)는, 바이어스 전원(8)의 부극에 전기적으로 접속되어 있다. 바이어스 전원(8)의 정극은 어스되며 또한 챔버(2)와 전기적으로 접속되어 있다. 도 4를 참조하면, 챔버(2)의 측벽에는, 피막의 금속 원료가 되는 타겟(아크식 증발원(5a, 5b, 5c, 5d))이 부착되어 있다. 다시 도 3을 참조하면, 아크식 증발원은 각각 가변 전원인 직류 전원(7a, 7b)의 부극에 접속되어 있다. 직류 전원(7a, 7b)의 정극은 어스되어 있다.

<시료 No. 1-1~1-4 및 1-14>

우선 성막 장치(1) 내의 기재 홀더(11)에 기재(101)를 설치했다. 이어서 진공 펌프에 의해서 챔버(2) 내의 압력을 1.0×10^-4 Pa까지 감압했다. 또한 회전 테이블(3)을 회전시키면서, 성막 장치(1) 내에 설치된 히터(도시하지 않음)에 의해서 기재(101)를 500℃로 가열했다.

가스 도입구(13)로부터 Ar(아르곤) 가스를 도입하고, 챔버(2) 내의 압력을 3.0 Pa로 유지하면서, 바이어스 전원(8)의 전압을 -1000 V까지 서서히 올려, Ar 이온을 이용한 이온 충격 처리에 의해 기재(101)의 표면을 세정했다.

이어서 교대층(112)을 형성했다. 표 1에 기재하는 조성의 교대층을 부여하는 아크식 증발원(소결합금 타겟)을 셋트하고, 챔버(2) 내에 반응 가스로서 질소 가스를 도입하고, 회전 테이블(3)을 회전시키면서, 각종 조건을 다음 범위 내에서 변화시키면서 성막을 행했다.

여기서 표 1에 기재하는 각 층의 조성은, 성막 후에 TEM-EDX 분석을 실시하여 확인한 것이다. 표 1에서 「a의 변화」 또는 「d의 변화」란에서의 「연속」이란, 각 층 내의 Ti의 조성비 「a」 또는 「d」가 피막의 두께 방향으로 연속적으로 증가 혹은 감소했음을 나타내고, 「단계」란 동 조성비가 피막의 두께 방향으로 단계적으로 증가 혹은 감소했음을 나타내고 있다.

교대층(112)에 있어서의 A층(112a) 및 B층(112b)의 각각의 두께 및 적층수는 기재(101)의 회전 속도에 따라 조정하고, 교대층(112)의 두께가 표 1에 기재하는 값으로 된 시점에서 캐소드에의 전류 공급을 정지했다.

<교대층의 성막 조건>

기재의 온도: 500℃(일정)

반응 가스압: 0.5~10 Pa(일정 혹은 연속적으로 변화)

바이어스 전압: -30 V~-800 V(일정 혹은 연속적으로 변화)

아크 전류: 100 A(일정)

여기서 「일정 혹은 연속적으로 변화」란, 예컨대 「0.5~10 Pa」의 범위 내의 어느 일정치로 유지하거나, 혹은 「0.5~10 Pa」의 범위 내에서 연속적으로 증가 혹은 감소시키는 것을 의미하고 있다.

<시료 No. 1-5~1-8>

표 1에 기재하는 것과 같이, 시료 No. 1-5~1-8에서는 교대층에 더하여 밀착층을 형성했다. 즉 상기와 마찬가지로, Ar 이온을 이용한 이온 충격 처리에 의해 기재(101)의 표면을 세정한 후, 또한 Cr 이온을 이용한 이온 충격 처리를 실시하여, 기재(101)의 표면에 Cr 이온을 부착시켰다. 그런 다음 표 1에 기재하는 교대층을 형성했다. 성막 후, TEM-EDX 분석을 실시한 바, 교대층과 기재의 계면에 표 1에 기재하는 조성의 밀착층이 형성되어 있었다.

<시료 No. 1-11~1-13>

표 1에 기재하는 것과 같이, 시료 No. 1-11~1-13에서는 단일 조성의 피막을 형성했다. 표 1에서, 이들 공구에 있어서의 피막 조성은 편의상 A층의 란에 기재하고 있다.

<공구 수명의 평가>

상기에서 제작한 각 시료를 사용하여, 건식의 단속 절삭 시험을 하여 공구 수명을 평가했다. 절삭 조건은 다음과 같이 하여, 공구 수명에 이르기까지의 절삭 거리를 측정했다. 결과를 표 1에 기재한다. 표 1에서, 절삭 거리가 길수록 공구 수명이 길다는 것을 보여주고 있다.

<절삭 조건>

피삭재: 스테인리스강(SUS316)

절삭 속도: 200 m/min

이송 속도: 0.2 mm/날

절입량 ap: 2.0 mm

절입량 ae: 50 mm

여기서 「절입량 ap」은 축 방향의 절입량을, 「절입량 ae」는 반경 방향의 절입량을 각각 나타내고 있다.

표 1로부터, 기재와 이 기재 상에 형성된 피막을 구비하고, 상기 피막은, A층과 B층이 교대로 각각 1층 이상 적층된 교대층을 포함하고, 상기 A층의 두께 및 상기 B층의 두께는 각각 2 nm 이상 100 nm 이하이며, 상기 A층의 평균 조성은 Ti_aAl_bSi_cN(단, 0.5<a<0.8, 0.2<b<0.4, 0.01<c<0.1, a+b+c=1)으로 표시되고, 상기 B층의 평균 조성은 Ti_dAl_eSi_fN(단, 0.4<d<0.6, 0.3<e<0.7, 0.01<f<0.1, d+e+f=1)으로 표시되고, 0.05<a-d≤0.2이면서 0.05<e-b≤0.2를 만족하는 표면 피복 공구(시료 No. 1-1~1-8)는, 상기 조건을 만족하지 않는 표면 피복 공구(시료 No. 1-11~1-14)와 비교하여, 안정된 긴 수명을 보이는 것을 알 수 있다.

이러한 결과를 얻을 수 있었던 이유는, 시료 No. 1-1~1-8에서는 A층과 B층이 동일 원소로 구성되어 있는 것에 의해 층간의 밀착성이 높고, 게다가 A층과 B층의 조성비의 차이에 의해, 이들 사이에서 균열의 전파를 억제할 수 있었기 때문이라고 생각된다.

또한 표 1로부터, 기재를 구성하는 원소(W)와, 교대층을 구성하는 원소(Ti, Al, Si 및 N)와, Cr를 포함하는 밀착층을 형성한 시료 No. 1-5~1-8에서는, 밀착층이 없는 시료 No. 1-1~1-4와 비교하여 공구 수명이 길어지는 것을 알 수 있다. 이것은 밀착층의 존재에 의해, 피막 자체의 박리가 방지되어, 공구 수명이 연장되었기 때문이라고 생각된다.

<제2 실시예>

<시료 No. 2-1~2-25 및 시료 No. 2-101~2-105의 제조>

다음과 같이 표면 피복 공구(시료 No. 2-1~2-25 및 시료 No. 2-101~2-105)를 제조하고, 절삭 시험을 실시하여 공구 수명을 평가했다. 여기서는 시료 No. 2-1~2-23이 실시예에 해당되고, 시료 No. 2-24 및 2-25 그리고 No. 2-101~2-105가 비교예에 해당된다.

<기재를 준비하는 공정(S100)>

우선 기재(201)로서, 재질이 「ISO P30 그레이드」이며, 형상이 「SFKN12T3AZTN」인 초경합금 기재를 준비했다. 이 초경합금 기재는, WC 입자와, Co를 함유하며 WC 입자끼리를 상호 결합시키는 결합상을 포함하는 것이다. 각 시료에 있어서의 WC 입자의 입경 및 결합상의 함유량을 표 2에 기재한다.

<피막을 형성하는 공정(S200)>

도 8은 피막의 형성에 사용한 성막 장치(캐소드 아크 이온 플레이팅 장치)의 모식적인 측면 투시도이며, 도 9는 동 장치의 모식적인 평면 투시도(상측에서 본 것)이다.

도 9를 참조하면, 성막 장치(21)는, 챔버(22) 내에 피막의 금속 원료가 되는 타겟(아크식 증발원(25a), 아크식 증발원(25b), 아크식 증발원(25c))과, 기재(201)를 설치하기 위한 회전식의 기재 홀더(31)가 부착되어 있다. 도 8을 참조하면, 아크식 증발원(25a)에는 직류 전원(27a)이 부착되고, 아크식 증발원(25b)에는 직류 전원(27b) 부착되고, 기재 홀더(31)에는 바이어스 전원(28)이 부착되어 있다. 직류 전원(27a) 및 직류 전원(27b)은 가변 전원이며, 아크식 증발원(25a) 및 아크식 증발원(25b)은 각각 각 직류 전원의 부극에 접속되어 있다. 기재 홀더(31)는, 바이어스 전원(28)의 부극에 전기적으로 접속되어 있다. 바이어스 전원(28)의 정극은 어스되면서 챔버(22)와 전기적으로 접속되어 있다.

챔버(22)에는, 원료 가스를 도입하기 위한 가스 도입구(33)와, 가스 배출구(32)가 형성되어 있다. 챔버(22) 내의 압력은, 가스 배출구(32)로부터 진공 펌프(도시하지 않음)에 의해서 가스를 흡인함으로써 조정할 수 있다.

우선 성막 장치(21) 내의 기재 홀더(31)에 기재(201)를 설치했다. 이어서 진공 펌프에 의해서 챔버(22) 내의 압력을 1.0×10^-4 Pa까지 감압했다. 또한 기재 홀더(31)를 회전시키면서, 성막 장치(21) 내에 설치된 히터(도시하지 않음)에 의해서 기재(201)를 500℃로 가열했다.

<제거하는 공정(S210)>

가스 도입구(33)로부터 Ar 가스를 도입하여, 챔버(22) 내의 압력을 3.0 Pa로 유지하면서, 바이어스 전원(28)의 전압을 -1000 V까지 서서히 올리고, Ar 이온을 이용한 이온 충격 처리에 의해 기재(201)의 표면을 15분 동안에 걸쳐 세정했다. 이로써 기재(201)의 표면에 표출된 결합상을 제거했다.

<부착시키는 공정(S220)>

아크식 증발원(25c)(표 3에 기재하는 금속 타겟)에 100 A의 아크 전류를 인가하여, 기재(201)의 표면에 대하여, 이온 충격 처리를 실시함으로써, 기재(201)의 표면을 더욱 세정하는 동시에, 표 3에 기재하는 원소를 표면에 부착시켰다. 이 때 처리 시간은 표 3에 기재하는 시간으로 했다. 표 3에 기재하는 것과 같이, 시료 No. 2-101 및 2-103~2-105에서는 이 처리를 실시하지 않았다.

<밀착층 및 상부층을 형성하는 공정(S230, S240)>

이어서 밀착층(211)을 형성했다. 아크식 증발원(25a) 및 아크식 증발원(25b)으로서, 표 2에 기재하는 조성의 밀착층(211) 및 상부층(212)을 부여하는 소결합금 타겟을 셋트하고, 챔버(22) 내에 반응 가스로서 질소 가스 및 메탄 가스를 도입하고, 기재 홀더(31)를 회전시키면서, 다음의 조건으로 성막을 하여, 상부층(212)의 두께가 표 2에 기재하는 값으로 된 시점에서 캐소드에의 전류 공급을 정지했다. 여기서 표 2에 기재하는 각 층의 조성은, 성막 후에 시료를 절단하고, 절단면에 있어서 TEM-EDX 분석을 실시하여 확인한 것이다. 표 2에서, 밀착층이 없는 시료(No. 2-101 및 2-103~2-105)에서는, 편의상, 피막 전체의 조성 및 두께를 상부층의 란에 기재하고 있다.

<성막 조건>

기재의 온도: 500℃(일정)

반응 가스압: 2.0 Pa(일정)

바이어스 전압: -30 V~-800 V(일정 혹은 연속적으로 변화)

아크 전류: 100 A(일정)

여기서 「일정 혹은 연속적으로 변화」란, 예컨대 「-30 V~-800 V」의 범위 내의 어느 일정치로 유지하거나, 혹은 「-30 V~-800 V」의 범위 내에서 연속적으로 증가 혹은 감소시키는 것을 의미하고 있다.

<피막의 평가>

각 시료를 절단하고, 절단면을 TEM으로 관찰하여 밀착층(211)의 두께를 구했다. 결과를 표 2에 기재한다. 또한 기재(201)와 밀착층(211)과의 계면 및 밀착층(211)과 상부층(212)과의 계면에 있어서 결정격자가 연속되어 있는지 여부를 TEM에 의해 확인했다. 결과를 표 4에 기재한다. 표 4에서 「결정격자의 연속성」란에서의 「연속」이란, 기재(201)와 밀착층(211)과의 계면 및 밀착층(211)과 상부층(212)과의 계면 쌍방에 있어서 결정격자가 연속되었음을 나타내고, 「불연속」이란 적어도 어느 한쪽의 계면에서 결정격자가 연속되지 않았음을 나타내고 있다.

동 절단면에 있어서 TEM-EDX 분석을 실시하여, 밀착층(211)의 조성을 확인함과 동시에, 밀착층의 두께 방향에서 C 및 N의 조성비가 연속적으로 변화하고 있는지 여부를 확인했다. 결과를 표 4에 기재한다. 표 4에서 「두께 방향에 있어서의 C, N의 변화」란에서의 「있음(有)」이란, 밀착층(211)에 포함되는 C의 조성비가, 상부층(212) 측에서 기재(201) 측을 향하여 연속적으로 증가하여 기재(201)와의 계면에서 최대가 되고, 또한 밀착층(211)에 포함되는 N의 조성비가, 기재(201) 측에서 상부층(212) 측을 향하여 연속적으로 증가하여 상부층(212)과의 계면에서 최대로 되었음을 나타내고, 「없음(無)」이란 그와 같은 조성비의 변화가 없음을 나타내고 있다.

또한 동 절단면에 있어서, 상술한 방법에 따라서 길이가 3 ㎛인 기준선을 설정하여, 기재(201) 중 밀착층(211)과 접하는 부분에 있어서의 WC 입자의 점유율을 구했다. 결과를 표 4에 기재한다.

<공구 수명의 평가>

상기에서 제작한 각 시료를 사용하여, 건식의 단속 절삭 시험을 하여 공구 수명을 평가했다. 절삭 조건은 다음과 같이 하여, 공구 수명에 이르기까지의 절삭 거리를 측정했다. 결과를 표 5에 기재한다. 표 5에서, 절삭 거리가 길수록 공구 수명이 길다는 것을 보여주고 있다.

<절삭 조건>

피삭재: 스테인리스강(SUS316)

절삭 속도: 200 m/min

이송 속도: 0.2 mm/날

절입량 ap: 2.0 mm

절입량 ae: 50 mm

표 2 및 표 5로부터, 기재와 이 기재 상에 형성된 피막을 구비하고, 상기 기재는, WC 입자와, Co를 함유하며 상기 WC 입자끼리를 상호 결합시키는 결합상을 포함하고, 상기 피막은, 상기 기재와 접하는 밀착층과, 상기 밀착층 상에 형성된 상부층을 포함하고, 상기 밀착층의 두께는 0.5 nm 이상 20 nm 이하이며, 상기 밀착층은, Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 상기 기재를 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 상기 상부층을 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물을 함유하는 표면 피복 공구(시료 No. 2-1~2-23)는, 상기 조건을 만족하지 않는 표면 피복 공구(시료 No. 2-24 및 2-25 그리고 No. 2-101~2-105)와 비교하여, 안정된 긴 수명을 보이는 것을 알 수 있다.

이러한 결과를 얻을 수 있었던 이유는, 상기 특정 조성을 갖는 밀착층의 존재에 의해서, 피막과 기재의 밀착성이 향상되어, 피막의 박리가 억제되었기 때문이라고 생각된다.

또한 이상의 실시예를 통해서, WC 입자와, Co를 함유하며 상기 WC 입자끼리를 상호 결합시키는 결합상을 포함하는 기재를 준비하는 공정과, 상기 기재 상에 피막을 형성하는 공정을 구비하고, 상기 피막을 형성하는 공정은, 상기 기재의 표면에 Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소를 부착시키는 공정과, 상기 기재 상에 밀착층을 형성하는 공정과, 상기 밀착층 상에 상부층을 형성하는 공정을 포함하고, 상기 밀착층의 두께는 0.5 nm 이상 20 nm 이하이며, 상기 밀착층을 형성하는 공정은, 상기 부착시키는 공정 후의 상기 표면 상에, 상기 상부층을 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소를 퇴적시킴으로써, Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 상기 기재를 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 상기 상부층을 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물을 생성시키는 공정을 포함하는 제조 방법에 의해서 얻어진 표면 피복 공구는, 기재와 피막의 밀착성이 우수하고, 가혹한 절삭 조건에도 견딜 수 있는 공구임을 실증할 수 있었다고 말할 수 있다.

이번에 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 실시형태가 아니라 청구의 범위에 의해서 표시되며, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 포함하는 것을 의도한다.

1, 21 : 성막 장치 2, 22 : 챔버
3 : 회전 테이블
5a, 5b, 5c, 5d, 25a, 25b, 25c : 아크식 증발원
7a, 7b, 27a, 27b : 직류 전원 8, 28 : 바이어스 전원
11, 31 : 기재 홀더 12, 32 : 가스 배출구
13, 33 : 가스 도입구 100, 200 : 표면 피복 공구
101, 201 : 기재 110, 210 : 피막
111, 211 : 밀착층 112 : 교대층
112a : A층 112b : B층
212 : 상부층

Claims

기재와, 상기 기재 상에 형성된 피막을 구비하고,
상기 피막은, A층과 B층이 교대로 각각 1층 이상 적층된 교대층을 포함하고,
상기 A층의 두께 및 상기 B층의 두께는, 각각 2 nm 이상 100 nm 이하이며,
상기 A층의 평균 조성은 Ti_aAl_bSi_cN(단, 0.5<a<0.8, 0.2<b<0.4, 0.01<c<0.1, a+b+c=1)으로 표시되고,
상기 B층의 평균 조성은 Ti_dAl_eSi_fN(단, 0.4<d<0.6, 0.3<e<0.7, 0.01<f<0.1, d+e+f=1)으로 표시되고,
0.05<a-d≤0.2이면서 0.05<e-b≤0.2를 만족하는 것인 표면 피복 공구.
제1항에 있어서, 상기 A층의 두께를 λ_A로 하고, 상기 B층의 두께를 λ_B로 할 때,
1≤λ_A/λ_B<5를 만족하는 것인 표면 피복 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피막은, 상기 기재와 접하는 부분에 밀착층을 더 포함하고,
상기 밀착층의 두께는 0.5 nm 이상 20 nm 이하이며,
상기 밀착층은,
Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소와,
상기 기재를 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소와,
Al 및 Si에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물을 함유하는 것인 표면 피복 공구.
제3항에 있어서, 상기 기재는, WC를 함유하는 경질 입자와, Co를 함유하며 상기 경질 입자끼리를 상호 결합시키는 결합상을 포함하고,
상기 밀착층은, W, Cr, Ti, Al 및 Si를 포함하는 질화물을 함유하는 것인 표면 피복 공구.
기재와, 상기 기재 상에 형성된 피막을 구비하고,
상기 기재는, WC 입자와, Co를 함유하며 상기 WC 입자끼리를 상호 결합시키는 결합상을 포함하고,
상기 피막은, 상기 기재와 접하는 밀착층과, 상기 밀착층 상에 형성된 상부층을 포함하고,
상기 밀착층의 두께는 0.5 nm 이상 20 nm 이하이며,
상기 밀착층은,
Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소와,
상기 기재를 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소와,
상기 상부층을 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물을 함유하는 것인 표면 피복 공구.
제5항에 있어서, 상기 상부층은, 주기표의 제4족 원소, 제5족 원소 및 제6족 원소 그리고 Si 및 Al에서 선택되는 1종 이상의 원소와, C, N 및 O에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 것인 표면 피복 공구.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 밀착층은, Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소와, W와, Al 및 Si에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄질화물을 함유하는 것인 표면 피복 공구.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기재 중 상기 밀착층과 접하는 부분에 있어서의 상기 WC 입자의 점유율은 80% 이상인 것인 표면 피복 공구.
제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피막의 두께 방향에 있어서,
상기 밀착층에 포함되는 C의 조성비가, 상기 상부층 측에서 상기 기재 측을 향하여 연속적으로 증가하여 상기 기재와의 계면에서 최대가 되고,
상기 밀착층에 포함되는 N의 조성비가, 상기 기재 측에서 상기 상부층 측을 향하여 연속적으로 증가하여 상기 상부층과의 계면에서 최대가 되는 것인 표면 피복 공구.
제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 WC 입자의 평균 입경은 2 ㎛ 이하이고,
상기 기재에 있어서의 Co의 함유량은 10 질량% 이하인 것인 표면 피복 공구.
WC 입자와, Co를 함유하며 상기 WC 입자끼리를 상호 결합시키는 결합상을 포함하는 기재를 준비하는 공정과,
상기 기재 상에 피막을 형성하는 공정을 포함하고,
상기 피막을 형성하는 공정은,
상기 기재의 표면에 Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소를 부착시키는 공정과,
상기 기재 상에 밀착층을 형성하는 공정과,
상기 밀착층 상에 상부층을 형성하는 공정을 포함하고,
상기 밀착층의 두께는 0.5 nm 이상 20 nm 이하이며,
상기 밀착층을 형성하는 공정은,
상기 부착시키는 공정 후의 상기 표면 상에, 상기 상부층을 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소를 퇴적시킴으로써, Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 상기 기재를 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 상기 상부층을 구성하는 원소에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물을 생성시키는 공정을 포함하는 것인 표면 피복 공구의 제조 방법.
제11항에 있어서, 상기 부착시키는 공정은, Cr, Ti, Zr 및 Nb에서 선택되는 1종 이상의 원소의 이온을 이용한 이온 충격 처리에 의해서 상기 표면을 세정하는 공정을 포함하는 것인 표면 피복 공구의 제조 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 피막을 형성하는 공정은, 상기 부착시키는 공정 전에, Ar 이온을 이용한 이온 충격 처리에 의해서, 상기 기재의 상기 표면에 표출된 상기 결합상의 적어도 일부를 제거하는 공정을 더 포함하는 것인 표면 피복 공구의 제조 방법.