KR102345375B1

KR102345375B1 - 피복 절삭 공구

Info

Publication number: KR102345375B1
Application number: KR1020187027202A
Authority: KR
Inventors: 도모야 사사키; 슈호 고세키; 가나 모리시타; 살레 아부수일릭; 겐이치 이노우에; 데니스 쿠라포프; 볼프강 칼쓰
Original assignee: 가부시키가이샤 몰디노; 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤; 외를리콘 서피스 솔루션즈 아게, 페피콘
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2021-12-29
Anticipated expiration: 2037-03-28
Also published as: KR20180127353A; JPWO2017170536A1; US11465214B2; EP3437774A1; CN108883481B; CN108883481A; WO2017170536A1; US20200298316A1; EP3437774A4; EP3437774B1; JP6362003B2

Abstract

공구의 표면에 경질 피막을 갖는 피복 절삭 공구이다. 경질 피막은 질화물이고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대해 티탄 (Ti) 의 함유 비율이 70 원자％ 이상 95 원자％ 이하, 실리콘 (Si) 의 함유 비율이 5 원자％ 이상 30 원자％ 이하이며, 금속 원소 (반금속을 포함한다) 와 비금속 원소의 총량에 대해 아르곤 (Ar) 의 함유 비율이 0.1 원자％ 이하이다. 경질 피막은 NaCl 형의 결정 구조를 갖고, 평균 결정립경이 5 nm 이상 30 nm 이하이다. 경질 피막의 깊이 20 nm 부터 200 nm 까지의 20 nm 마다의 각 조성이, 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소, 탄소의 합계 함유 비율을 100 원자％ 로 한 경우, 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 이상이다.

Description

피복 절삭 공구

본 발명은, 공구의 표면에 경질 피막을 갖는 피복 절삭 공구에 관한 것이다.

본원은, 2016년 3월 30일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허출원 2016-67393호에 대해 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

종래, 절삭 공구 등의 공구의 수명을 향상시키는 기술로서, 각종 세라믹스로 이루어지는 경질 피막을 공구의 표면에 피복하는 표면 처리 기술이 채용되고 있다. 경질 피막 중에서도 Ti 및 Si 의 복합 질화물 피막 그리고 탄질화물 피막 (이하, 각각 TiSiN, TiSiCN 으로 기재하는 경우가 있다) 은, 우수한 내마모성을 가지므로, 이들 경질 피막이 형성된 절삭 공구는, 고경도강 등의 절삭 가공에 있어서 우수한 내구성을 발휘한다.

예를 들어, 특허문헌 1 에는, Si₃N₄ 및 Si 가 독립된 상 (相) 으로서 화합물상 중에 존재하는 TiSiN 을 피복한 피복 절삭 공구가 제안되어 있다. 또, 특허문헌 2 에는, 마이크로 조직에 미세 결정 및 비정질부가 혼재한 TiSiN 을 피복한 피복 절삭 공구가 제안되어 있다.

일본 공개특허공보 2000-334606호 일본 공개특허공보 2008-80447호

종래부터 제안되어 있는 TiSiN 은, 완전한 질화물이 충분히 형성되어 있지 않고, 또 비정질상을 많이 함유하므로, 경질 피막의 결정성이 낮은 것이었다. 본 발명자의 검토에 의하면, 예를 들어 HRC50 이상의 고경도강의 고능률 가공 등의 공구의 부하가 큰 가혹한 사용 환경하에 있어서는, 종래의 TiSiN 을 피복한 공구에 있어서 공구 손상이 커지는 경우가 있어, 개선의 여지가 있었다.

그래서, 본 발명자 등은, Ti 와 Si 를 주체로 하는 질화물에 있어서, 내열성과 내마모성을 높이는 수법에 대해 검토를 실시하여, 종래의 아크 이온 플레이팅법으로 피복한 Ti 와 Si 를 주체로 하는 질화물에는, 산소나 탄소가 수 원자％ 레벨로는 함유되기 때문에, 피막 내부에 포함되는 질소의 함유 비율이 금속 원소의 함유 비율에 대해 감소하는 경향이 있고, 그 결과 완전한 질화물이 충분히 형성되기 어려운 것을 지견하였다. 그리고, Ti 와 Si 를 주체로 하는 질화물에 대해 마이크로 레벨로 피막 조직을 제어함과 함께, 막두께 방향에 걸쳐서 질소의 함유 비율을 높이는 것이 피복 절삭 공구의 내구성을 향상시키는 데에 유효한 것을 알아낸 것이고, 이러한 우수한 피복 절삭 공구를 제공함으로써, 상기 과제를 해결한 것이다.

본 발명의 양태는, 상기 지견에 기초하여 이루어진 것으로,

「(1) 공구의 표면에 경질 피막을 갖는 피복 절삭 공구로서, 상기 경질 피막은 질화물이고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대해 티탄 (Ti) 의 함유 비율이 70 원자％ 이상 95 원자％ 이하, 실리콘 (Si) 의 함유 비율이 5 원자％ 이상 30 원자％ 이하이며, 금속 원소 (반금속을 포함한다) 와 비금속 원소의 총량에 대해 아르곤 (Ar) 의 함유 비율이 0.1 원자％ 이하이고,

상기 경질 피막은 NaCl 형의 결정 구조를 갖고, 평균 결정립경이 5 nm 이상 30 nm 이하이며,

상기 경질 피막의 깊이 20 nm 부터 200 nm 까지의 20 nm 마다의 각 조성이, 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소, 탄소의 합계 함유 비율을 100 원자％ 로 한 경우, 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 이상인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.

(2) 상기 경질 피막의 깊이 20 nm 부터 200 nm 까지의 20 nm 마다의 각 조성이, 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소, 탄소의 합계 함유 비율을 100 원자％ 로 한 경우, 산소의 함유 비율이 3 원자％ 이하인 것을 특징으로 하는 (1) 에 기재된 피복 절삭 공구.

(3) 상기 경질 피막의 깊이 20 nm 부터 200 nm 까지의 20 nm 마다의 각 조성이, 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소, 탄소의 합계 함유 비율을 100 원자％ 로 한 경우, 탄소의 함유 비율이 5 원자％ 이하인 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2) 에 기재된 피복 절삭 공구.

(4) 상기 경질 피막의 깊이 20 nm 부터 200 nm 까지의 20 nm 마다의 각 조성이, 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소, 탄소의 합계 함유 비율을 100 원자％ 로 한 경우, 산소와 탄소의 합계 함유 비율이 3 원자％ 이하인 것을 특징으로 하는 (1) ∼ (3) 에 기재된 피복 절삭 공구.

(5) 상기 경질 피막은, 투과형 전자현미경으로 조직 관찰한 경우, 50 nm × 50 nm 의 범위 내에서 원 상당 직경이 5 nm 이상인 비정질상이 1 개 이하인 것을 특징으로 하는 (1) ∼ (4) 중 어느 하나에 기재된 피복 절삭 공구.

(6) 상기 경질 피막은, 나노인덴테이션 경도가 40 GPa 이상 60 GPa 이하이고, 탄성 계수가 400 GPa 이상 500 GPa 이하인 것을 특징으로 하는 (1) ∼ (5) 중 어느 하나에 기재된 피복 절삭 공구.

(7) 상기 공구와 상기 경질 피막 사이에 중간 피막을 갖는 것을 특징으로 하는 (1) ∼ (6) 중 어느 하나에 기재된 피복 절삭 공구.

(8) 상기 경질 피막의 표면 및 단면 관찰에 있어서, 원 상당 직경이 1.0 ㎛ 이상인 드롭렛이 100 ㎛² 당 5 개 이하인 것을 특징으로 하는 (1) ∼ (7) 중 어느 하나에 기재된 피복 절삭 공구.」에 특징을 갖는 것이다.

본 발명은, 피복 절삭 공구에 있어서, 그 표면에 형성한 경질 피막의 Ti 와 Si 를 주체로 하는 질화물에 대해, 마이크로 레벨로 피막 조직을 제어함과 함께, 막두께 방향에 걸쳐서 질소의 함유 비율을 높이는 것에 의해 피복 절삭 공구의 내구성을 향상시킴으로써, 우수한 피복 절삭 공구를 제공하는 것이다.

도 1 은, 실시예 1 의 표면의 전자현미경에 의한 표면 관찰 사진 (5,000 배)이다.
도 2 는, 비교예 3 의 표면의 전자현미경에 의한 표면 관찰 사진 (5,000 배) 이다.
도 3 은, 실시예 1 의 TEM 이미지와 나노 빔 회절 패턴을, TEM 이미지와 합쳐 나타낸 일례이다.

이하에서는, 본 발명의 실시형태의 피복 절삭 공구를 구성하는 경질 피막의 성분 조성, 조직, 특성, 및 그 제조 방법 등의 상세한 것에 대하여 설명을 한다.

［1］경질 피막

＜성분 조성 (티탄 (Ti), 실리콘 (Si))＞

본 발명의 실시형태에 관련된 경질 피막은, Ti 와 Si 를 주체로 하는 질화물이다. Ti 와 Si 를 주체로 하는 질화물은 일정량의 Si 를 함유함으로써, 경질 피막의 조직이 미세가 되어 내열성과 경도가 높아진다. 또, 높은 잔류 압축 응력을 가져, 피복 절삭 공구에 적용함으로써 절삭 공구의 내구성이 향상된다.

또한, 이하의 설명에 있어서 간단히 「Si 의 함유 비율」, 「Ti 의 함유 비율」이라고 할 때는, 각각 「경질 피막에 대한 Si 의 함유 비율」, 「경질 피막에 대한 Ti 의 함유 비율」을 의미한다.

경질 피막의 내열성과 경도를 높이고, 적당한 잔류 압축 응력을 부여하려면, 금속 원소 (반금속을 포함한다. 이하, 동일) 중의 Si 의 함유 비율을 원자 비율 (원자％) 로 5 원자％ 이상으로 할 필요가 있다. 한편, Si 의 함유 비율이 커지면, 경질 피막에 포함되는 비정질상이 많아지고, 피복 절삭 공구의 내구성이 저하하기 때문에, 금속 원소 중 Si 의 함유 비율을 30 원자％ 이하로 한다. Si 의 함유 비율의 바람직한 하한은 10 원자％ 이다. 또, Si 의 함유 비율의 바람직한 상한은 25 원자％ 이다.

또, Ti 에 대해서는, 함유 비율이 작은 경우에는, 경질 피막의 내마모성이나 내열성이 저하하는 경향이 있으므로, 금속 원소 중의 Ti 의 함유 비율 (원자％) 을 경질 피막이 높은 레벨로 내마모성과 내열성을 양립시킬 수 있는 70 원자％ 이상으로 한다. 한편, Ti 의 함유 비율이 커지면 상대적으로 Si 의 함유 비율이 저하하여 피막 조직이 조대하게 됨과 함께, 경질 피막에 충분한 잔류 압축 응력을 부여하는 것이 곤란해진다. 따라서, 경질 피막의 조직을 미세하게 제어하여 적당한 잔류 압축 응력을 부여하기 위해서, 금속 원소 중의 Ti 의 함유 비율을 원자 비율 (원자％) 로 95 원자％ 이하로 한다. Ti 의 함유 비율의 바람직한 하한은 75 원자％ 이다. 또, Ti 의 함유 비율의 바람직한 상한은 90 원자％ 이다. 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, Ti 와 Si 를 상기 서술한 범위로 함유하면, 다른 금속 원소를 함유해도 된다. 다른 금속 원소를 함유하는 경우여도, Ti 와 Si 의 합계 함유 비율은 90 원자％ 이상인 것이 바람직하다.

경질 피막의 금속 원소의 함유 비율은, 경면 가공한 경질 피막을 시료로 하고, 전자 프로브 마이크로 애널라이저 장치 (EPMA) 를 사용하여 측정할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들어 경질 피막을 경면 가공한 후, 직경이 약 1 ㎛ 인 분석 범위를 5 점 분석하고, 얻어진 측정값의 평균으로부터 각 금속 원소의 함유 비율을 구할 수 있다.

경질 피막의 막두께가 지나치게 얇아지면 피복 절삭 공구의 내마모성이 저하하는 경향이 있다. 또, 막두께가 지나치게 두꺼워지면 경질 피막이 박리되기 쉬워진다. 본 실시형태에 있어서 경질 피막의 막두께는, 0.3 ㎛ 이상 5.0 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 나아가서는, 0.5 ㎛ 이상 3.0 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.

＜성분 조성 (아르곤 (Ar))＞

본 실시형태의 경질 피막에 있어서는, 금속 (반금속을 포함한다) 원소와 비금속 원소의 총량 (경질 피막 전체) 에 대한 아르곤 (Ar) 의 함유 비율을 0.1 원자％ 이하로 한다.

스퍼터링법에서는, 아르곤 이온을 사용하여 타겟 성분을 스퍼터링하여 경질 피막을 피복하기 위해, 경질 피막에 아르곤을 함유시키기 쉽다. 후술하는 바와 같이, 경질 피막의 결정립경이 미립화하면 경도가 높아지는 한편, 결정립계가 많아져, 경질 피막에 함유되는 아르곤이 결정립계에 농화한다. 경질 피막의 아르곤 함유 비율이 큰 경우에는, 경질 피막의 인성이 저하하여, 충분한 공구 성능이 발휘되기 어렵다. 그 때문에, 본 실시형태에서는 경질 피막의 결정립계에 농화하는 아르곤을 저감하고, 후술하는 경질 피막의 미립화 효과를 얻기 위해서 아르곤의 함유 비율을 0.1 원자％ 이하로 한다. 나아가서는, 아르곤 (Ar) 의 함유 비율은 0.1 원자％ 미만인 것이 바람직하다. 본 실시형태에 있어서는, 아르곤 (Ar) 의 함유 비율의 하한을 특별히 한정하는 것은 아니다. 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 스퍼터링법으로 피복하기 때문에, 아르곤 (Ar) 을 0.05 원자％ 이상으로 함유할 수 있다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막의 아르곤의 함유 비율은, 상기 서술한 금속 원소의 함유 비율의 측정과 마찬가지로, 경면 가공한 경질 피막을 시료로 하고, 전자 프로브 마이크로 애널라이저 장치 (EPMA) 를 사용하여 측정할 수 있다. 그리고, 상기 서술한 금속 원소의 함유 비율의 측정과 마찬가지로, 경질 피막을 경면 가공한 후, 직경이 약 1 ㎛ 인 분석 범위를 5 점 분석하고, 얻어진 측정값의 평균으로부터 함유 비율을 구할 수 있다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막에는, 비금속 원소로서, 질소 이외에 아르곤, 산소, 탄소가 미량으로 포함되는 경우가 있다. 아르곤의 함유 비율은, 금속 (반금속을 포함한다) 원소와 질소, 산소, 탄소, 아르곤의 함유 비율을 100 원자％ 로 하여 구할 수 있다.

＜결정 구조＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, NaCl 형의 결정 구조인 것이 중요하다. 본 실시형태에 있어서, 경질 피막이 NaCl 형의 결정 구조이다라는 것은, X 선 회절 또는 투과형 전자현미경 (TEM) 을 사용한 제한 시야 회절 패턴으로 NaCl 형의 결정 구조에서 기인하는 피크 강도가 최대 강도를 나타내는 것을 의미한다. 그 때문에, 경질 피막의 전체적으로 NaCl 형의 결정 구조에서 기인하는 피크 강도가 최대 강도를 나타내면, 만일 투과형 전자현미경 (TEM) 을 사용한 마이크로 해석에 있어서, 부분적으로 hcp 구조나 비정질상을 포함하고 있었다고 해도, NaCl 형의 결정 구조의 경질 피막이다. 한편, hcp 구조에서 기인하는 피크 강도가 최대인 경질 피막은 취약하기 때문에, 피복 절삭 공구에 적용하면 내구성이 저하하는 경향이 있다. 본 실시형태에 관련된 경질 피막의 결정 구조는, 예를 들어 X 선 회절 또는 투과형 전자현미경 (TEM) 을 사용한 제한 시야 회절 패턴 등으로 확인할 수 있다. 피막의 피험 면적이 작은 경우에는, X 선 회절에 의한 NaCl 형의 결정 구조의 동정이 곤란한 경우가 있다. 이와 같은 경우여도, 투과형 전자현미경 (TEM) 을 사용한 제한 시야 회절 패턴 등에 의해 결정 구조의 동정을 실시할 수 있다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, NaCl 형의 결정 구조에서 기인하는 (200) 면이 최대 강도를 나타냄으로써 특히 우수한 내구성을 나타내는 경향이 있어 바람직하다. NaCl 형의 결정 구조에서 기인하는 (200) 면의 피크 강도를 I(200), (111) 면에서 기인하는 피크 강도를 I(111) 로 했을 때에, I(200)/I(111) 은 3 이상인 것이 바람직하다. 나아가서는, 4 이상인 것이 바람직하다. 나아가서는, 5 이상인 것이 바람직하다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, X 선 회절이나 투과형 전자현미경 (TEM) 을 사용한 결정 해석에 있어서 hcp 구조에서 기인하는 회절 강도나 회절 패턴이 확인되지 않는 것이 바람직하다.

＜평균 결정립경＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 경질 피막의 평균 결정립경을 5 nm 이상 30 nm 이하로 한다. 경질 피막의 마이크로 조직이 지나치게 미세해지면, 경질 피막의 조직이 비정질에 가깝게 되기 때문에, 경질 피막의 인성 및 경도가 저하한다. 경질 피막의 결정성을 높여 취약한 비정질상을 저감하려면, 경질 피막의 평균 결정립경을 5 nm 이상으로 한다. 또, 경질 피막의 마이크로 조직이 지나치게 조대해지면, 경질 피막의 경도가 저하하여 피복 절삭 공구의 내구성이 저하하는 경향이 있다. 경질 피막에 높은 경도를 부여하여 피복 절삭 공구의 내구성을 높이기 위해서는, 경질 피막의 평균 결정립경을 30 nm 이하로 한다. 나아가서는, 경질 피막의 평균 결정립경은 20 nm 이하인 것이 바람직하다.

경질 피막의 평균 결정립경은, X 선 회절의 반가폭으로부터 측정할 수 있다.

＜성분 조성 (질소 (N), 산소 (O), 탄소 (C))＞

주사형 X 선 광전자 분광 장치를 사용하여, 경질 피막의 표면으로부터 막두께 방향으로 순차 분석함으로써, 피막 조성을 막두께 방향에 걸쳐서 정확하게 측정할 수 있다. 본 발명자는 주사형 X 선 광전자 분광 장치를 사용하여 종래의 아크 이온 플레이팅법으로 피복한 Ti 와 Si 의 질화물을 평가하였다. 종래의 아크 이온 플레이팅법으로 피복한 경우, 질화물이어도 불가피적으로 일정량의 산소와 탄소를 함유하고 있어, 금속 원소에 대해 질소 원소의 함유 비율이 낮아, 완전한 질화물이 충분히 형성되기 어려운 것을 지견하였다. 질화물이 피막 전체에 걸쳐서 충분히 형성되지 않는 경우, 경질 피막의 마이크로 조직 및 조성이 불균일해지기 쉽고, 피복 절삭 공구의 내구성이 저하하는 경향이 있다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 주사형 X 선 광전자 분광 장치를 사용하여, 경질 피막의 깊이 20 nm 부터 200 nm 까지의 20 nm 마다의 각 막 조성을 분석하고, 그 각 조성 분석의 결과, 각 깊이 위치의 조성에 있어서 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소, 탄소의 합계 함유 비율을 100 원자％ 로 한 경우, 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 이상이다. 막두께 방향에 걸쳐서 경질 피막에 함유되는 질소의 함유 비율을 높임으로써, 경질 피막의 전체에 충분한 질화물을 형성하여 경질 피막의 내열성을 향상시킬 수 있다. 특히, 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 이상임으로써 충분한 질화물이 형성되어, 경질 피막의 내열성이 향상되는 경향이 있다.

본 실시형태의 경질 피막의 분석 방법에서는, 경질 피막에 대해 깊이 20 nm 부터 20 nm 에칭마다 피막 조성의 분석을 실시하고, 경질 피막의 표면으로부터 깊이 200 nm 까지의 범위를 조성 분석한다. 조성 분석에서는, 탄소, 질소, 산소, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 합계 함유 비율을 100 원자％ 로 하여 각 원소의 함유 비율을 산출한다. 본 측정법에서는, 1 원자％ 미만의 분석값은 측정 정밀도가 충분하지 않기 때문에, 후술의 실시예에서 참조하는 표 2, 3, 5, 6 에 있어서 1 원자％ 미만의 값은 「-」로 나타내고 있다. 또한, 어느 시료에 있어서도, 최표면에는 불가피 불순물인 산소와 탄소가 많이 검출되기 때문에, 피막 표면으로부터의 깊이 20 nm 의 위치부터 분석을 실시한다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 주사형 X 선 광전자 분광 장치를 사용하여, 경질 피막의 깊이 20 nm 부터 200 nm 까지의 20 nm 마다의 각 피막 조성을 분석하고, 그 각 조성 분석 결과, 각 조성에 있어서 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소, 탄소의 합계 함유 비율을 100 원자％ 로 한 경우, 질소의 함유 비율이 51 원자％ 이상인 것이 바람직하다. 그러나, 질소의 함유 비율이 55 원자％ 를 초과하면 경질 피막의 잔류 압축 응력이 지나치게 높아져, 경질 피막이 자기 파괴를 일으키기 쉬워지기 때문에, 질소의 함유 비율은 55 원자％ 이하인 것이 바람직하다.

측정 위치에 대해서는, 최표면에는, 불가피 불순물인 산소와 탄소가 많이 검출되기 때문에, 최표면은 피하고, 피막 표면으로부터의 깊이가 20 nm 인 위치부터 20 nm 깊이마다 측정을 실시한다. 그리고, 질소, 산소, 탄소에 대해 적어도 피막 표면으로부터 200 nm 까지의 깊이에 있어서, 원하는 조성 범위를 만족하면, 일정한 막두께에 있어서 질화물이 충분히 형성된 Ti 와 Si 를 주체로 하는 질화물이 형성되어 있다고 간주할 수 있기 때문에, 본 발명의 효과를 발휘하는 경질 피막을 특정할 수 있다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 경질 피막의 깊이 20 nm 부터 200 nm 까지의 20 nm 마다의 각 조성에 있어서, 산소의 함유 비율이 3 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 산소가 2 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 경질 피막에 포함되는 산소의 함유 비율이 매우 적어짐으로써, 경질 피막의 결정성이 높아지는 경향이 있다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 경질 피막의 표면으로부터 100 nm 이내의 범위에 있어서, 산소의 함유 비율이 1.5 원자％ 이하인 영역을 갖는 것이 바람직하다. 경질 피막의 표면부에 있어서, 산소의 함유 비율이 1.5 원자％ 이하로 매우 적은 영역을 형성함으로써, 경질 피막의 내열성이 더욱 높아지는 경향이 있다. 또한, 본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 산소가 적은 경향이 있지만, 규소나 티탄과 결합한 산소가 경질 피막 중에 어느 정도는 존재한다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 경질 피막의 깊이 20 nm 부터 200 nm 까지의 20 nm 마다의 각 조성에 있어서, 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소, 탄소의 합계 함유 비율을 100 원자％ 로 한 경우, 탄소의 함유 비율이 5 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 나아가서는, 탄소의 함유 비율이, 경질 피막의 깊이 20 nm 부터 200 nm 까지의 20 nm 마다의 각 조성에 있어서 4 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 경질 피막에 포함되는 불가피적인 산소에 추가하여 탄소도 저감함으로써 내열성이 더욱 향상되는 경향이 있다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 경질 피막의 깊이 20 nm 부터 200 nm 까지의 20 nm 마다의 각 조성에 있어서, 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소, 탄소의 합계 함유 비율을 100 원자％ 로 한 경우, 산소와 탄소의 합계 함유 비율이 3 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 산소와 탄소의 합계 함유 비율이 2 원자％ 이하인 것이 바람직하다. 산소와 탄소의 합계량의 함유 비율을, 개별의 함유 비율과 함께 제한함으로써, 경질 피막의 내열성이 보다 향상되는 경향이 있다.

경질 피막에 포함되는 비정질상의 사이즈는, 투과형 전자현미경의 나노 빔 회절 패턴으로 평가할 수 있다. 빔 직경이 5 nm 인 나노 빔을 사용하여 경질 피막의 나노 빔 회절 패턴을 평가함으로써, 그 영역이 결정상인지 비정질상인지를 확인할 수 있다. 즉, 회절 패턴에 있어서 결정상에 대응하는 휘점이 나타나지 않는 측정 위치에는, 빔 직경보다 큰, 원 상당 직경이 5 nm 이상인 비정질상이 존재한다. 그리고, 50 nm × 50 nm 의 영역에 있어서, 투과형 전자현미경에 의한 조직 관찰과 나노 빔 회절 패턴의 계측을 실시함으로써, 원 상당 직경이 5 nm 이상인 비정질상의 개수를 구할 수 있다. 마이크로 조직에 있어서의 균일성을 평가하려면, 50 nm × 50 nm 의 범위를 2 시야 이상에서 평가하면 된다.

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 50 nm × 50 nm 의 범위 내에서 원 상당 직경이 5 nm 이상인 비정질상이 1 개 이하인 것이 바람직하고, 나아가서는 0 개인 것이 바람직하다. 나아가서는, 50 nm × 50 nm 의 범위 내에서 원 상당 직경이 10 nm 이상인 비정질상이 0 개인 것이 바람직하다.

＜경도 (나노인덴테이션 경도), 탄성 계수＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막은, 나노인덴테이션 경도를 높임으로써, 피복 절삭 공구의 내구성이 향상되는 경향이 있다. 한편, 나노인덴테이션 경도가 지나치게 높으면, 피막이 취약해져 피복 절삭 공구의 내구성이 저하하는 경향이 있다. 그 때문에, 본 실시형태에 관련된 경질 피막의 나노인덴테이션 경도는 40 GPa 이상 60 GPa 이하로 하는 것이 바람직하다. 나아가서는, 경질 피막의 나노인덴테이션 경도를 50 GPa 이상으로 하는 것이 바람직하다. 나아가서는, 나노인덴테이션 경도를 55 GPa 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또, 피막 경도를 높인 후에, 경질 피막의 탄성 계수를 400 GPa 이상으로 함으로써, 피복 절삭 공구에 보다 우수한 내구성을 부여할 수 있다. 나아가서는, 경질 피막의 탄성 계수를 450 GPa 이상으로 하는 것이 바람직하다. 경질 피막에 보다 우수한 인성을 부여하기 위해서는, 경질 피막의 탄성 계수는, 500 GPa 이하인 것이 바람직하다.

본 실시형태에 있어서의 경질 피막의 나노인덴테이션 경도 및 탄성 계수는, 나노인덴테이션 장치 (주식회사 엘릭오닉스 제조의 초미소 압입 경도 시험기 ENT-1100a) 를 사용하여 측정할 수 있다. 측정은, 경질 피막의 표면으로부터 단자를, 압입 하중 49 mN, 최대 하중 유지 시간 1 초, 및 하중 부하 후의 제거 속도 0.49 mN/초의 측정 조건으로 압입하고, 압입 깊이가 경질 피막의 두께의 1/10 이하로 유지되는 최대 깊이를 10 점 측정한다. 10 점의 측정값 중, 값이 큰 측의 2 점과 값이 작은 측의 2 점을 제외한 6 점의 평균값으로부터 나노인덴테이션 경도 및 탄성 계수를 구한다.

＜드롭렛의 억제＞

경질 피막에 조대한 드롭렛이 포함되면, 드롭렛을 기점으로 하는 피막 파괴가 발생하기 쉬워져, 피복 절삭 공구의 내구성이 저하한다. 특히 원 상당 직경이 1 ㎛ 이상인 조대한 드롭렛이 경질 피막의 표면이나 내부에 많이 존재하면, 돌발적인 결손 등이 발생하기 쉬워져, 피복 절삭 공구의 내구성이 저하하는 경향이 있다. 또, 피막 표면만을 평활하게 해도, 피막 내부에 조대한 드롭렛이 많이 포함되면, 그것을 기점으로 피막 파괴가 발생하기 쉬워진다. 그 때문에, 경질 피막의 표면 및 단면 관찰에 있어서, 원 상당 직경이 1 ㎛ 이상인 드롭렛이 100 ㎛² 당 5 개 이하인 것이 바람직하다. 경질 피막의 표면에 있는 조대한 드롭렛을 저감함으로써, 피복 절삭 공구의 돌발적인 파손을 억제할 수 있어 바람직하다. 나아가서는, 경질 피막의 표면 및 단면 관찰에 있어서, 원 상당 직경이 1 ㎛ 이상인 드롭렛이, 100 ㎛² 당 3 개 이하인 것이 바람직하고, 나아가서는 2 개 이하인 것이 바람직하다.

공구 직경이 1 mm 이하인 소직경 공구의 경우에는, 공구 직경에 대한 드롭렛의 영향이 커지기 때문에, 1 ㎛ 미만의 드롭렛이어도 파괴의 기점이 될 우려가 있다. 그 때문에, 원 상당 직경이 1 ㎛ 보다 작은 드롭렛도 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 나아가서는, 경질 피막의 표면 및 단면 관찰에 있어서, 원 상당 직경이 0.5 ㎛ 이상 1.0 ㎛ 미만인 드롭렛이 100 ㎛² 당 5 개 이하인 것이 바람직하다. 나아가서는, 경질 피막의 표면 및 단면 관찰에 있어서 원 상당 직경이 0.5 ㎛ 이상 1.0 ㎛ 미만인 드롭렛이 100 ㎛² 당 3 개 이하인 것이 바람직하고, 나아가서는 2 개 이하인 것이 바람직하다.

경질 피막의 표면의 드롭렛은, 주사형 전자현미경 (SEM) 등을 사용하여 경질 피막의 표면을 관찰함으로써 구할 수 있다. 또, 경질 피막의 단면 관찰에 있어서 드롭렛을 평가하려면, 수속 이온 빔법으로 가공하고, 투과형 전자현미경을 사용하여 경면 가공된 면을 5,000 ∼ 10,000 배로 복수의 시야를 관찰한다.

＜기타 첨가 원소＞

본 실시형태에 관련된 경질 피막에는, 경질 피막의 내마모성이나 내열성 등의 향상을 목적으로 하여, 주기율표의 4a 족, 5a 족, 6a 족의 원소 및 B, Y 에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 경질 피막에 대해 5 원자％ 이하의 함유량으로 포함시킬 수 있다.

＜중간 피막 등＞

본 실시형태의 피복 절삭 공구는, 경질 피막의 밀착성을 보다 향상시키기 위해, 필요에 따라 공구의 기재와 경질 피막 사이에 별도 중간층을 형성해도 된다. 예를 들어, 금속, 질화물, 탄질화물, 탄화물 중 어느 것으로 이루어지는 층을 공구의 기재와 경질 피막 사이에 형성해도 된다. 특히, Al 과 Ti 의 질화물을 중간층으로서 형성하는 것이 바람직하다.

또, 본 실시형태에 관련된 경질 피막과 공구의 기재 사이에, 성분비가 상이한 다른 경질 피막과의 혼합 경사 피막을 형성해도 된다. 또, 본 실시형태에 관련된 경질 피막 상에, 본 실시형태에 관련된 경질 피막과 상이한 성분비나 상이한 조성을 갖는 경질 피막을 별도 형성시켜도 된다. 나아가서는, 본 실시형태에 관련된 경질 피막과, 별도 본 실시형태에 관련된 경질 피막과 상이한 조성비나 상이한 조성을 갖는 경질 피막을 상호 적층시켜도 된다.

［2］경질 피막의 성막 방법

본 실시형태에 관련된 경질 피막의 피복에서는, 물리 증착법 중에서도 타겟 성분을 스퍼터하여 경질 피막을 피복하는 스퍼터링법을 적용하는 것이 바람직하다.

물리 증착법에서는 경질 피막에 잔류 압축 응력이 부여되어 내결손성이 우수한 경향이 있다. 물리 증착법 중에서도 아크 이온 플레이팅법은 타겟 성분의 이온화율이 높고 경질 피막의 밀착성이 우수한 경향이 있어 널리 적용되고 있다. 단, 아크 이온 플레이팅법은, 타겟 성분을 아크 방전에 의해 용융하기 때문에 노 내에 포함되는 산소나 탄소의 불가피적 불순물이 경질 피막에 혼입되기 쉬워, 질소의 함유 비율이 높은 경질 피막이 얻어지기 어려운 경향이 있다.

그래서, 타겟을 용융하지 않는 스퍼터링법을 적용함으로써 경질 피막에 함유되는 산소나 탄소의 불가피적 불순물이 저감하는 경향이 있다. 단, 종래의 DC 스퍼터링법이나 단순히 타겟에 높은 전력을 인가하는 고출력 스퍼터링법에서는, 타겟의 이온화율이 낮기 때문에 경질 피막에 형성되는 질화물이 충분하지 않다. 그 때문에, 스퍼터링법 중에서도, 타겟에 순차 전력을 인가하는 스퍼터링법을 적용하고, 전력이 인가되는 타겟이 교체될 때에, 전력의 인가가 종료되는 타겟과 전력의 인가를 개시하는 타겟 양방의 타겟에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간을 설정하는 것이 바람직하다.

이와 같은 스퍼터링법으로 피복함으로써 타겟의 이온화율이 높은 상태가 성막 중에 유지되어, 경질 피막의 결정성이 높고, 충분한 질화물이 형성되는 경향이 있다.

또, 경질 피막 중에 충분한 질화물을 형성하기 위해서, 전력 펄스의 최대 전력 밀도는, 1.0 kW/㎠ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 단, 타겟에 인가하는 전력 밀도가 지나치게 커지면 성막이 안정되기 어렵다. 그 때문에, 전력 펄스의 최대 전력 밀도는, 3.0 kW/㎠ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 전력의 인가가 종료되는 합금 타겟과 전력의 인가를 개시하는 합금 타겟 양방의 합금 타겟에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간이 지나치게 짧거나 지나치게 긴 경우에는, 타겟의 이온화가 충분하지 않아 경질 피막에 충분한 질화물이 형성되기 어렵다. 그 때문에, 전력의 인가가 종료되는 합금 타겟과 전력의 인가를 개시하는 합금 타겟 양방의 합금 타겟에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간은 5 마이크로초 이상 20 마이크로초 이하로 하는 것이 바람직하다. 타겟 성분의 이온화율을 높이기 위해서는, TiSi 계 합금 타겟 3 개 이상 사용하는 것이 바람직하다.

또, 스퍼터링 장치의 노 내 온도를 430 ℃ 이상으로 하여 예비 방전을 실시하고, 노 내에 도입하는 질소 가스의 유량을 60 sccm 이상, 아르곤 가스의 유량을 70 sccm 이상 200 sccm 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 노 내 압력을 0.5 Pa ∼ 0.7 Pa 로 하는 것이 바람직하다. 상기 조건으로 피복함으로써, 경질 피막의 아르곤, 산소의 함유 비율이 저감함과 함께, 질소의 함유 비율이 높아지기 쉽다. 또, 경질 피막을 NaCl 형의 결정 구조로 하고, 또한 결정성이 높은 미립 조직으로 하려면, 기체가 되는 절삭 공구에 인가하는 부 (負) 의 바이어스 전압은, -55 V ∼ -20 V 의 범위로 제어하는 것이 바람직하다.

본 실시형태의 피복 절삭 공구는, 예를 들어 고경도강, 스테인리스강, 내열강, 주강, 탄소강의 절삭 가공용으로 사용하는 절삭 공구에 사용할 수 있다. 구체적으로는, 볼 엔드 밀, 스퀘어 엔드 밀, 레이디어스 엔드 밀, 멀티블레이드 엔드 밀, 인서트, 드릴, 커터, 브로치, 리머, 호브, 라우터 등의 양태로 사용할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예로 한정되는 것은 아니다.

실시예

(제 1 실시예)

＜공구＞

공구로서, 조성이 WC (bal.)-Co (8.0 질량％)-Cr (0.5 질량％)-VC (0.3 질량％), WC 평균 입도 0.6 ㎛, 경도 93.9 HRA (록웰 경도, JIS G 0202 에 준해 측정한 값) 로 이루어지는 초경합금제의 2 개 날 볼 엔드 밀 (볼 반경 5 mm, 미츠비시 히타치 툴 주식회사 제조) 을 준비하였다.

실시예 1, 비교예 1 은, 스퍼터 증발원을 6 기 탑재할 수 있는 스퍼터링 장치를 사용하였다. 이들 증착원 중, AlTi 계 합금 타겟 3 개 및 TiSi 계 합금 타겟 3 개를 증착원으로서 장치 내에 설치하였다. 또한, 치수가 Φ16 cm, 두께 12 mm 인 타겟을 사용하였다. 실시예 1 과 비교예 1 에서는, 사용하는 TiSi 계 합금 타겟의 조성을 변경하였다.

공구를 스퍼터링 장치 내의 샘플 홀더에 고정하고, 공구에 바이어스 전원을 접속시켰다. 또한, 바이어스 전원은, 타겟과는 독립적으로 공구에 부의 바이어스 전압을 인가하는 구조로 되어 있다. 공구는, 매분 2 회전으로 자전하고 또한, 고정 지그와 샘플 홀더를 개재하여 공전한다. 공구와 타겟 표면 간의 거리는 100 mm 로 하였다.

도입 가스는, Ar, 및 N₂ 를 사용하고, 스퍼터링 장치에 설치된 가스 공급 포트로부터 도입하였다.

＜밤바드먼트 처리＞

먼저 공구에 경질 피막을 피복하기 전에, 이하의 순서로 공구에 밤바드먼트 처리를 실시하였다. 스퍼터링 장치 내의 히터에 의해 노 내 온도가 430 ℃ 가 된 상태에서 30 분간의 가열을 실시하였다. 그 후, 스퍼터링 장치의 노 내를 진공 배기하고, 노 내 압력을 5.0 × 10^-3 Pa 이하로 하였다. 그리고, Ar 가스를 스퍼터링 장치의 노 내 도입하고, 노 내 압력을 0.8 Pa 로 조정하였다. 그리고, 공구에 -170 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하여, Ar 이온에 의한 공구의 클리닝 (밤바드먼트 처리) 을 실시하였다.

＜중간 피막의 성막＞

이어서, 이하의 순서로 AlTiN 의 중간 피막을 공구 상에 피복하였다.

노 내 온도를 430 ℃ 로 유지한 채, 스퍼터링 장치의 노 내에 Ar 가스를 160 sccm 으로 도입하고, 그 후 N₂ 가스를 120 sccm 으로 도입하여 노 내 압력을 0.60 Pa 로 하였다. 공구에 -60 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, Al 과 Ti 를 함유하는 합금 타겟에 인가되는 전력의 1 주기당의 방전 시간을 4.0 밀리초, 전력이 인가되는 합금 타겟이 교체될 때에, 전력의 인가가 종료되는 합금 타겟과 전력의 인가를 개시하는 합금 타겟 양방의 합금 타겟에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간을 10 마이크로초로 하고, 3 개의 AlTi 계 합금 타겟을 교체하면서 연속적으로 전력을 인가하여, 공구의 표면에 두께 약 1.5 ㎛ 의 중간 피막을 피복하였다. 이때, 전력 펄스의 최대 전력 밀도는, 1.5 kW/㎠, 평균 전력 밀도는 0.37 kW/㎠ 로 하였다.

＜경질 피막의 성막＞

이어서, 이하의 순서로 경질 피막을 중간 피막 상에 피복하였다.

노 내 온도를 430 ℃ 로 유지한 채, 스퍼터링 장치의 노 내에 Ar 가스를 160 sccm 으로 도입하고, 그 후 N₂ 가스를 80 sccm 으로 도입하여 노 내 압력을 0.52 Pa 로 하였다. 공구에 -40 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, Ti 와 Si 를 함유하는 합금 타겟에 인가되는 전력의 1 주기당의 방전 시간을 4.0 밀리초, 전력이 인가되는 합금 타겟이 교체될 때에, 전력의 인가가 종료되는 합금 타겟과 전력의 인가를 개시하는 합금 타겟 양방의 합금 타겟에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간을 10 마이크로초로 하고, 3 개의 TiSi 계 합금 타겟을 교체하면서 연속적으로 전력을 인가하여, 중간 피막 상에 두께 약 1.5 ㎛ 의 경질 피막을 피복하였다. 이때, 전력 펄스의 최대 전력 밀도는, 1.5 kW/㎠, 평균 전력 밀도는 0.37 kW/㎠ 로 하였다.

비교예 2 는, 실시예 1 및 비교예 1 과는 상이한 장치를 사용한 스퍼터링법으로 피복한 시료를 준비하였다.

성막에는, AlTi 계 합금 타겟 1 개 및 TiSi 계 합금 타겟 1 개를 증착원에 설치한 스퍼터링 장치를 사용하였다. 또한, 치수가 500 mm × 88 mm, 두께 10 mm 인 타겟을 사용하였다. 실시예와 마찬가지로 Ar 이온에 의해 공구의 클리닝을 실시하였다.

스퍼터링 장치의 노 내 압력을 5.0 × 10^-3 Pa 이하로 진공 배기하고, 노 내 온도를 430 ℃ 로 하고, 노 내 압력이 0.6 Pa 가 되도록 Ar 가스 및 N₂ 가스를 도입하였다. 그리고, 공구에 -100 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, AlTi 계 합금 타겟에 5 kW 의 전력을 공급하여 두께 약 1.5 ㎛ 의 중간 피막을 피복하였다.

계속해서, 공구 온도를 430 ℃ 로 유지한 채, 노 내 압력이 0.6 Pa 가 되도록 Ar 가스 및 N₂ 가스를 도입하였다. 그리고, 공구에 -80 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, TiSi 계 합금 타겟에 5 kW 의 전력을 공급하여 두께 약 1.5 ㎛ 의 경질 피막을 피복하였다.

비교예 3 은, 아크 이온 플레이팅법으로 피복한 시료를 준비하였다.

성막에는, AlTi 계 합금 타겟 1 개 및 TiSi 계 합금 타겟 1 개를 증착원에 설치한 아크 이온 플레이팅 장치를 사용하였다. 또한, 치수가 Φ10.5 cm, 두께 16 mm 인 타겟을 사용하였다. 실시예와 마찬가지로 Ar 이온에 의해 공구의 클리닝을 실시하였다.

아크 이온 플레이팅 장치의 노 내 압력을 5.0 × 10^-3 Pa 이하로 진공 배기하고, 노 내 온도를 430 ℃ 로 하고, 노 내 압력이 4.0 Pa 가 되도록 N₂ 가스를 도입하였다. 공구에 -50 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, AlTi 계 합금 타겟에 150 A 의 전류를 공급하여 두께 약 1.5 ㎛ 의 중간 피막을 피복하였다.

계속해서, 노 내 온도를 430 ℃ 로 유지한 채, 노 내 압력이 4.0 Pa 가 되도록 N₂ 가스를 도입하였다. 그리고, 공구에 인가하는 바이어스 전압을 -50 V, TiSi 계 합금 타겟에 150 A 의 전류를 공급하여 두께 약 1.5 ㎛ 의 경질 피막을 피복하였다.

＜피막 조성＞

경질 피막의 피막 조성은, 전자 프로브 마이크로 애널라이저 장치 (주식회사 닛폰 전자 제조 JXA-8500F) 를 사용하여 측정하였다. 구체적으로는, 상기 장치에 부속된 파장 분산형 전자 프로브 미소 분석 (WDS-EPMA) 으로 경질 피막의 피막 조성을 측정하였다. 물성 평가용의 볼 엔드 밀을 경면 가공하여 시료로 하였다. 측정 조건은, 가속 전압 10 kV, 조사 전류 5 × 10^-8 A, 취입 시간 10 초로 하고, 분석 영역이 직경 1 ㎛ 인 범위를 5 점 측정하고 그 평균값으로부터 경질 피막의 금속 함유 비율 및 금속 성분과 비금속 성분의 합계에 있어서의 Ar 의 함유 비율을 구하였다.

＜결정 구조·결정립경＞

경질 피막의 결정 구조는, X 선 회절 장치 (주식회사 리가쿠 제조 RINT2000 세로형 고니오미터 고정 모노크로메이터) 를 사용하여 특정하였다. 관 전압 40 kV, 관 전류 300 mA, X 선원 Cukα (λ = 0.15418 nm), 2θ 가 20 ∼ 70 도인 측정 조건으로 확인을 실시하였다. 경질 피막의 (200) 면의 피크 강도의 반가폭으로부터, 경질 피막의 평균 결정립경을 측정하였다.

＜피막 경도 및 탄성 계수＞

경질 피막의 피막 경도 및 탄성 계수는, 나노인덴테이션 테스터 (엘릭오닉스 (주) 제조 ENT-1100a) 를 사용하여 분석하였다. 분석은, 피막의 최표면에 대해 시험편을 5 도 경사지게 한 피막 단면을 경면 연마 후, 피막의 연마면 내에서 최대 압입 깊이가 막두께의 대략 1/10 미만이 되는 영역을 선정하였다. 압입 하중 49 mN/초의 측정 조건으로 10 점 측정하고, 값이 큰 측의 2 점과 값의 작은 측의 2 점을 제외한 6 점의 평균값으로부터 구하였다.

＜TEM 분석＞

투과형 전자현미경 (TEM) 을 사용하여 마이크로 조직의 관찰을 실시하였다. 또, 빔 직경이 5 nm 인 나노 빔을 사용하여, 50 nm × 50 nm 의 영역에 원 상당 직경이 5 nm 이상인 비정질상이 존재하는지를 확인하였다.

＜절삭 시험＞

제작한 피복 절삭 공구를 사용하여 절삭 시험을 실시하였다. 표 1 에 분석 결과 및 절삭 시험 결과를 나타낸다. 절삭 조건은 이하와 같다.

(조건) 습식 가공

·공구 : 2 개 날 초경 볼 엔드 밀

·모델 : EPBTS2100, 볼 반경 5.0 mm

·절삭 방법 : 저면 절삭

·피삭재 : HPM38(52HRC)(히타치 금속 주식회사 제조)

·절입 : 축 방향, 0.2 mm, 직경 방향, 0.2 mm

·절삭 속도 : 314.0 m/min

·1 날 이송량 : 0.2 mm/날

·절삭유 : 수용성 에멀션 가압 공급

·절삭 거리 : 300 m

·평가 방법 : 절삭 가공 후, 주사형 전자현미경을 사용하여 배율 150 배로 관찰하고, 공구와 피삭재가 찰과한 폭을 측정하고, 그 중 찰과폭이 가장 컸던 부분을 최대 마모폭으로 하였다.

각 시료에 대해, 피막 특성 및 피막 조직을 관찰하였다. 피막 특성 및 절삭 평가의 결과를 표 1 에 나타낸다.

실시예 1 은, 종래의 아크 이온 플레이팅법으로 피복한 비교예 3 에 대해, 최대 마모폭이 약 20 ㎛ 나 억제되어, 우수한 내구성을 나타내는 것이 확인되었다. 또한, 표 중의 「fcc」는 면심 입방 격자 구조를 나타낸다.

비교예 1 은, 경질 피막의 Si 의 함유 비율이 적었기 때문에, 경도 및 내열성이 저하하고, 실시예 1 에 비해 마모폭이 커졌다.

비교예 2 는, 종래의 DC 스퍼터링법으로 피복한 경질 피막이고, 실시예 1 에 비해 경질 피막의 Ar 함유 비율이 많아, 경도도 낮다. 그 때문에, 조대한 피막 박리가 조기에 발생하였다.

실시예 1 과 비교예 3 의 경질 피막은 평균 결정립경이 7 nm 인 미세한 결정 조직이고, 마이크로 조직 관찰에 있어서 원 상당 직경이 5 nm 이상인 조대한 비정질상은 확인되지 않았다. 그래서, 실시예 1 과 비교예 3 의 내구성의 차이를 분명히 하기 위해서, 실시예 1 과 비교예 3 에 대해, 주사형 X 선 광전자 분광 장치를 사용하여, 막두께 방향의 조성 분석을 실시하였다.

＜표면으로부터 깊이 방향의 원자 농도 분포의 측정＞

실시예 1 과 비교예 3 에 대해, 주사형 X 선 광전자 분광 장치 (알박 파이 (주) 제조 Quantum-2000) 를 사용하여, 피막의 표면으로부터 깊이 방향의 원자 농도 분포의 측정을 실시하였다. 분석은, X 선원 AlKα, 분석 영역을 Φ20 ㎛, 전자 중화총을 사용하여, 측정을 실시하였다. 피막의 깊이 방향의 원소 분포를 측정하기 위해서, Ar 이온총을 사용하여, SiO₂ 환산으로 10 nm/분의 속도로 에칭을 실시하고, 20 nm 에칭마다 피막 조성의 분석을 실시하여 경질 피막의 표면으로부터 200 nm 까지의 깊이를 분석하였다.

탄소, 질소, 산소, 규소 및 티탄의 합계 함유 비율을 100 원자％ 로 하여 조성 분석을 실시하였다. 또한, 경질 피막에 상기 이외의 금속 (반금속을 포함한다) 원소는 포함되어 있지 않다. 실시예 1 의 분석 결과를 표 2 에 나타낸다. 또, 비교예 3 의 분석 결과를 표 3 에 나타낸다. 본 측정법에서는, 1 원자％ 미만의 분석값은 측정 정밀도가 충분하지 않기 때문에, 표 2, 3 에 있어서 1 원자％ 미만의 값은 「-」로 나타내고 있다. 또한, 어느 시료에 있어서도, 최표면에는 불가피 불순물인 산소와 탄소가 많이 검출되기 때문에, 피막 표면으로부터의 깊이 20 nm 의 위치부터 분석을 실시하였다.

종래의 아크 이온 플레이팅법으로 피복한 비교예 3 은, 막두께 방향에 걸쳐서 산소 및 탄소의 함유 비율이 높기 때문에, 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 미만이고, 경질 피막의 전체에 충분한 질화물이 형성되어 있지 않았다. 한편, 실시예 1 은 막두께 방향에 걸쳐서 산소 및 탄소의 함유 비율이 낮고, 또한 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 이상인 것이 확인되었다. 실시예 1 은 경질 피막의 막두께 방향에 걸쳐서 질소의 함유 비율이 높고, 경질 피막의 전체에 질화물이 충분히 형성되기 때문에, 종래의 아크 이온 플레이팅법으로 피복한 비교예 3 에 비해 마모폭이 억제된 것이라고 추정된다.

또한, 표면으로부터의 깊이가 200 nm 보다 깊은 지점에 있어서도, 실시예 1 은 산소나 탄소가 적고, 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 이상이며, 종래의 아크 이온 플레이팅법으로 피복한 비교예 3 은 산소나 탄소가 많아 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 미만인 것을 확인하였다.

실시예 1 의 주사 전자현미경에 의한 표면 관찰 사진을 도 1 에 나타낸다. 비교예 3 의 주사 전자현미경에 의한 표면 관찰 사진을 도 2 에 나타낸다. 실시예 1 은, 원 상당 직경이 1.5 ㎛ 를 초과하는 조대한 드롭렛은 확인되지 않고, 원 상당 직경이 1.0 ㎛ ∼ 1.5 ㎛ 인 드롭렛이, 경질 피막 표면의 100 ㎛² 당 3 개였다. 또, 원 상당 직경이 0.5 ㎛ 이상 1.0 ㎛ 미만인 드롭렛은, 경질 피막 표면의 100 ㎛² 당 2 개였다. 경면 가공한 단면 관찰에 있어서는, 원 상당 직경이 1.0 ㎛ ∼ 1.5 ㎛ 인 드롭렛이 100 ㎛² 당 1 개이고, 원 상당 직경이 0.5 ㎛ 이상 ∼ 1.0 ㎛ 미만인 드롭렛은, 100 ㎛² 당 1 개였다.

한편, 아크 이온 플레이팅법으로 피복한 비교예 3 은, 원 상당 직경이 1.0 ㎛ 이상인 드롭렛은 10 개 이상이고, 원 상당 직경이 2.0 ㎛ 이상인 조대한 드롭렛도 확인되었다. 또, 원 상당 직경이 0.5 ㎛ 이상 1.0 ㎛ 미만인 드롭렛은, 경질 피막 표면의 100 ㎛² 당 40 개 정도였다. 동일하게, 경면 가공한 단면 관찰에 있어서도, 원 상당 직경이 1.0 ㎛ 이상인 드롭렛은 100 ㎛² 당 10 개 이상이고, 원 상당 직경이 0.5 ㎛ 이상 1.0 ㎛ 미만인 드롭렛은, 100 ㎛² 당 40 개 정도였다.

상기 서술한 실시예에서는 공구 직경이 10 mm 인 드롭렛의 영향이 적은 대 직경의 볼 엔드 밀을 사용한 평가이다. 예를 들어 공구 직경이 1 mm 이하인 소직경 공구에 있어서는, 드롭렛의 영향이 보다 커지기 때문에, 드롭렛이 적은 실시예의 경질 피막을 적용함으로써 추가적인 공구 수명의 개선이 예상된다.

(제 2 실시예)

제 2 실시예에서는, 제 1 실시예와 동일한 공구를 사용하여, 단층의 경질 피막의 물성을 평가하였다. 제 1 실시예의 실시예 1 과 마찬가지로, 스퍼터 증발원을 6 기 탑재할 수 있는 스퍼터링 장치를 사용하고, TiSi 계 합금 타겟 3 개를 증착원으로서 장치 내에 설치하였다.

제 1 실시예와 동일한 밤바드먼트 처리를 실시한 후에, 공구의 표면에 경질 피막을 피복하였다.

실시예 20 은, 노 내 온도를 500 ℃ 로 유지한 채, 스퍼터링 장치의 노 내에 Ar 가스를 160 sccm 으로 도입하고, 그 후 N₂ 가스를 80 sccm 으로 도입하여 노 내 압력을 0.52 Pa 로 하였다. 공구에 -40 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, Ti 와 Si 를 함유하는 합금 타겟에 인가되는 전력의 1 주기당의 방전 시간을 4.0 밀리초, 전력이 인가되는 합금 타겟이 교체될 때에, 전력의 인가가 종료되는 합금 타겟과 전력의 인가를 개시하는 합금 타겟 양방의 합금 타겟에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간을 10 마이크로초로 하고, 3 개의 TiSi 계 합금 타겟에 연속적으로 전력을 인가하여, 두께 약 2.0 ㎛ 의 경질 피막을 피복하였다. 이때, 전력 펄스의 최대 전력 밀도는, 2.3 kW/㎠, 평균 전력 밀도는 0.37 kW/㎠ 로 하였다.

실시예 21 은, 노 내 온도를 430 ℃ 로 유지한 채, 스퍼터링 장치의 노 내에 Ar 가스를 160 sccm 으로 도입하고, 그 후 N₂ 가스를 100 sccm 으로 도입하여 노 내 압력을 0.57 Pa 로 하였다. 공구에 -40 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, Ti 와 Si 를 함유하는 합금 타겟에 인가되는 전력의 1 주기당의 방전 시간을 4.0 밀리초, 전력이 인가되는 합금 타겟이 교체될 때에, 전력의 인가가 종료되는 합금 타겟과 전력의 인가를 개시하는 합금 타겟 양방의 합금 타겟에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간을 10 마이크로초로 하고, 3 개의 TiSi 계 합금 타겟에 연속적으로 전력을 인가하여, 두께 약 2.0 ㎛ 의 경질 피막을 피복하였다. 이때, 전력 펄스의 최대 전력 밀도는, 2.3 kW/㎠, 평균 전력 밀도는 0.37 kW/㎠ 로 하였다.

실시예 22 는, 노 내 온도를 430 ℃ 로 유지한 채, 스퍼터링 장치의 노 내에 Ar 가스를 160 sccm 으로 도입하고, 그 후 N₂ 가스를 80 sccm 으로 도입하여 노 내 압력을 0.52 Pa 로 하였다. 공구에 -40 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, Ti 와 Si 를 함유하는 합금 타겟에 인가되는 전력의 1 주기당의 방전 시간을 4.0 밀리초, 전력이 인가되는 합금 타겟이 교체될 때에, 전력의 인가가 종료되는 합금 타겟과 전력의 인가를 개시하는 합금 타겟 양방의 합금 타겟에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간을 10 마이크로초로 하고, 3 개의 TiSi 계 합금 타겟에 연속적으로 전력을 인가하여, 두께 약 2.0 ㎛ 의 경질 피막을 피복하였다. 이때, 전력 펄스의 최대 전력 밀도는, 2.8 kW/㎠, 평균 전력 밀도는 0.37 kW/㎠ 로 하였다.

비교예 20 은, 노 내 온도를 430 ℃ 로 유지한 채, 스퍼터링 장치의 노 내에 Ar 가스를 160 sccm 으로 도입하고, 그 후 N₂ 가스를 80 sccm 으로 도입하여 노 내 압력을 0.52 Pa 로 하였다. 공구에 -60 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, Ti 와 Si 를 함유하는 합금 타겟에 인가되는 전력의 1 주기당의 방전 시간을 4.0 밀리초, 전력이 인가되는 합금 타겟이 교체될 때에, 전력의 인가가 종료되는 합금 타겟과 전력의 인가를 개시하는 합금 타겟 양방의 합금 타겟에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간을 10 마이크로초로 하고, 3 개의 TiSi 계 합금 타겟에 연속적으로 전력을 인가하여, 두께 약 2.0 ㎛ 의 경질 피막을 피복하였다. 이때, 전력 펄스의 최대 전력 밀도는, 1.5 kW/㎠, 평균 전력 밀도는 0.37 kW/㎠ 로 하였다.

비교예 21 은, 노 내 온도를 430 ℃ 로 유지한 채, 스퍼터링 장치의 노 내에 Ar 가스를 160 sccm 으로 도입하고, 그 후 N₂ 가스를 60 sccm 으로 도입하여 노 내 압력을 0.47 Pa 로 하였다. 공구에 -40 V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, Ti 와 Si 를 함유하는 합금 타겟에 인가되는 전력의 1 주기당의 방전 시간을 4.0 밀리초, 전력이 인가되는 합금 타겟이 교체될 때에, 전력의 인가가 종료되는 합금 타겟과 전력의 인가를 개시하는 합금 타겟 양방의 합금 타겟에 동시에 전력이 인가되고 있는 시간을 10 마이크로초로 하고, 3 개의 TiSi 계 합금 타겟에 연속적으로 전력을 인가하여, 두께 약 2.0 ㎛ 의 경질 피막을 피복하였다. 이때, 전력 펄스의 최대 전력 밀도는, 1.5 kW/㎠, 평균 전력 밀도는 0.37 kW/㎠ 로 하였다.

각 시료에 대해, 실시예 1 과 동일하게 피막 특성 및 피막 조직을 관찰하였다. 피막 특성의 결과를 표 4 에 나타낸다.

실시예 20 ∼ 22 는, Ar 함유 비율이 낮고, 또 막두께 방향에 걸쳐서 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 이상이었다. 또한, 표면으로부터의 깊이가 200 nm 보다 깊은 지점에 있어서도, 실시예 20 ∼ 22 의 경질 피막은 산소나 탄소가 적고 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 이상인 것을 확인하였다. 표 5 에 실시예 21 의 주사형 X 선 광전자 분광 장치 (알박 파이 (주) 제조 Quantum-2000) 를 사용한, 피막의 표면으로부터 깊이 방향의 원자 농도 분포의 측정 결과를 나타낸다. 실시예 21 은 막두께 방향에 있어서의 질소의 함유 비율이 51 원자％ 이상이고, 특히 질소의 함유 비율이 높아지는 것이 확인되었다.

실시예 20 ∼ 22 는, 모두 미립인 결정립경으로 이루어지고, 마이크로 조직 관찰에 있어서 원 상당 직경이 5 nm 이상인 조대한 비정질상은 확인되지 않았다. 또, 실시예 20 ∼ 22 의 경질 피막은, 표면 및 단면 관찰에 있어서, 원 상당 직경이 1.5 ㎛ 를 초과하는 조대한 드롭렛은 확인되지 않고, 원 상당 직경이 1.0 ㎛ ∼ 1.5 ㎛ 인 드롭렛이 100 ㎛² 당 3 개 이하였다.

비교예 20 은, 막두께 방향에 걸쳐서 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 이상이었지만, 성막 시에 기재에 인가하는 부의 바이어스 전압의 절대값을 크게 하였기 때문에, Ar 함유 비율이 높아졌다.

비교예 21 은, 성막 시의 질소 가스의 유량이 적고, 막두께 방향에 걸쳐서 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 미만이 되었다. 표 6 에 비교예 21 의 주사형 X 선 광전자 분광 장치 (알박 파이 (주) 제조 Quantum-2000) 를 사용한, 피막의 표면으로부터 깊이 방향의 원자 농도 분포의 측정 결과를 나타낸다. 타겟에 순차 전력을 인가하는 스퍼터링법을 적용해도, 성막 시의 질소 가스의 유량이 적절하지 않으면, 경질 피막의 막두께에 걸쳐서 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 이상으로 하는 것은 곤란해진다.

실시예 20 ∼ 22 는, 비교예 20, 21 보다 우수한 공구 수명을 나타내는 경향이 있었다. 특히, 질소의 함유 비율이 높은 실시예 21 은 우수한 공구 수명이었다.

산업상 이용가능성

본 발명에 관련된 피복 절삭 공구는, 고경도강 등의 절삭 가공에 있어서 우수한 내구성을 가져, 매우 유용하다.

Claims

공구의 표면에 경질 피막을 갖는 피복 절삭 공구로서,
상기 경질 피막은 질화물이고, 금속 (반금속을 포함한다) 원소의 총량에 대해 티탄 (Ti) 의 함유 비율이 70 원자％ 이상 95 원자％ 이하, 실리콘 (Si) 의 함유 비율이 5 원자％ 이상 30 원자％ 이하이며, 금속 원소 (반금속을 포함한다) 와 비금속 원소의 총량에 대해 아르곤 (Ar) 을 0.05 원자％ 이상 0.1 원자％ 이하로 포함하고,
상기 경질 피막은 NaCl 형의 결정 구조를 갖고, (200) 면이 최대 강도를 나타내고, 평균 결정립경이 5 nm 이상 30 nm 이하이며,
상기 경질 피막의 깊이 20 nm 부터 200 nm 까지의 20 nm 마다의 각 조성이, 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소, 탄소의 합계 함유 비율을 100 원자％ 로 한 경우, 질소의 함유 비율이 50.0 원자％ 이상인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항에 있어서,
상기 경질 피막의 깊이 20 nm 부터 200 nm 까지의 20 nm 마다의 각 조성이, 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소, 탄소의 합계 함유 비율을 100 원자％ 로 한 경우, 산소의 함유 비율이 3 원자％ 이하인 것 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 경질 피막의 깊이 20 nm 부터 200 nm 까지의 20 nm 마다의 각 조성이, 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소, 탄소의 합계 함유 비율을 100 원자％ 로 한 경우, 탄소의 함유 비율이 5 원자％ 이하인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 경질 피막의 깊이 20 nm 부터 200 nm 까지의 20 nm 마다의 각 조성이, 금속 (반금속을 포함한다) 원소, 질소, 산소, 탄소의 합계 함유 비율을 100 원자％ 로 한 경우, 산소와 탄소의 합계 함유 비율이 3 원자％ 이하인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 경질 피막은, 투과형 전자현미경으로 조직 관찰한 경우, 50 nm × 50 nm 의 범위 내에서 원 상당 직경이 5 nm 이상인 비정질상이 1 개 이하인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 경질 피막은, 나노인덴테이션 경도가 40 GPa 이상 60 GPa 이하이고, 탄성 계수가 400 GPa 이상 500 GPa 이하인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 공구와 상기 경질 피막 사이에 중간 피막을 갖는 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 경질 피막의 표면 및 단면 관찰에 있어서, 원 상당 직경이 1.5 ㎛ 이상인 드롭렛이 없고, 원 상당 직경이 1.0 ㎛ 이상인 드롭렛이 100 ㎛² 당 5 개 이하인 것을 특징으로 하는 피복 절삭 공구.