KR0155350B1 - (Ti, Al)N의 플라즈마 화학증착방법 - Google Patents
(Ti, Al)N의 플라즈마 화학증착방법Info
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Abstract
본 발명은 플라즈마 화학증착법을 이용하여 (Ti, Al)N막을 증착시키는 방법에 관한 것이다. (Ti, Al)N막은 기존의 TiN에 Al의 원소를 첨가시킨 새로운 공구코팅재료이며 정밀저항등의 전자재료로서도 활용가치가 인정되고 있다. 이 재료를 대량생산 및 복잡한 형상의 공구에도 적용가능한 플라즈마 화학증착법을 이용하여 500℃ 근처의 저온에서 코팅시키는 기술에 관한 것이다.
TiCl4, AlCl3, N2, H2, Ar의 혼합가스를 이용하고 반응온도 400-600℃, 증착압력 6.1-5Torr 범위에서 R.F.플라즈마를 사용하여 (Ti, Al)N박막을 증착시켰다. 증착된 (Ti, Al)N막은 Al 함량이 10%정도에서 경도가 2800㎏/㎟ 이상으로 크게 증가함을 보여주었으며 700℃까지의 공기중의 열처리에서도 우수한 내산화성을 보였다.
Description
제1도는 본 발명에 사용되는 플라즈마 화학증착장치의 일례를 보인 개략도.
제2도는 플라즈마 화학증착된 (Ti, Al)N 코팅층들에 대한 X선 회질분석의 그래프.
제3도는 본 발명에 의해 제조된 (Ti, Al)N 코팅층들에 대한 미세경도 측정그래프.
제4도는 종래 TiN 코팅층의 산화실험을 한 그래프.
제5도는 (Ti, Al)N 코팅층의 산화실험을 한 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 콘트롤러 2 : 3웨이밸브
3 : TiCl4흡입구 4 : 빙수통
5 : 압력게이지 6 : 밸브
7 : AlCl3흡입구 8 : 밴드히터
9 : 혼합개스유입관 10 : 음극
11 : 양극 12 : 히터
13 : 스로틀밸브 14 : 알카리펌프
15 : 로타리펌프 16 : 매칭네트웍
17 : RF 제네레이터 18 : 온도조절기
본 발명은 각종 절삭공구의 수명과 절삭 특성을 대폭 개선하기 위하여 공구의 표면에 보호피막으로서, 기존의 TiN코팅보다 월등히 공구수명 및 절삭특성이 우수하다고 알려진 (Ti, Al)N을 플라즈마 화학증착법으로 코팅하는 방법에 관한 것인데 (Ti, Al)N이란 기존의 TiN에 Al을 적당량 혼합시킨 새로운 조성의 코팅재질을 의미한다.
특히, 본 발명은 대량생산 및 복잡한 형상의 공구에도 적용가능한 장점들이 있는 플라즈마 화학증착방법을 통하여 비교적 저온에서 공구자체의 기계적 성질을 변화시킴이 없이 공구의 표면에 (Ti, Al)N막을 증착시키기 위한 방법에 관한 것이다.
최근, 절삭가공 기술이 고속도화 및 고정밀화됨에 따라 이에 상응하는 우수한 내마모성, 인성, 고온안전성 및 내구성을 갖는 절삭공구가 요구되고 있다.
그런데 이와 같은 성질들을 단인재료의 형태로서 얻기에는 그 한계가 있기 때문에 단일재료로 이루어진 모재의 표면에 모재와는 별도 재질의 내마모성 보호피막을 코팅하여 요구되는 성질을 부여하는 여러형태의 공구코팅 방법이 개발되고 있다.
이같은 코팅방법의 일례로 물리증착법이나 화학증착법을 통하여 각종공구에 TiN을 코팅하는 방법이 널리 사용되고 있다.
최근 기존의 것보다 월등히 우수한 내마모성 및 내산화성으로 인해 공구의 수명을 현격히 증가시킬 수 있는 (Ti, Al)N이라는 새로운 물질이 발견되었고 이를 공구에 코팅하기 위해 여러가지 물리증착법이 도입된 바 있다.
그러나 물리증착법은 대량 생산 및 복잡한 형상의 공구에도 균일하게 코팅시킬 수 없는 단점이 있는데 이러한 단점은 화학증착법에 의하면 간단히 해결된다.
이는 종류가 다양하고 많은 물량을 차지하고 있는 고속도강 및 고합금강으로 이루어진 강재공구에 있어서는 모재가 상변태를 일으켜 조직변화 및 이에 따른 기계적 성질 저하가 초래되지 않도록 함과 아울러 본래의 치수가 변하지 않도록 500℃ 근처의 비교적 저온에서 보호피막을 코팅시켜야 한다.
따라서 본 발명은 새로운 코팅재질의 (Ti, Al)N을 일반 강재공구에도 적용가능하도록 플라즈마를 부에너지원으로 사용하여 증착반응물을 활성화시킴으로서 대략 500℃의 온도에서 (Ti, Al)N의 증착이 가능하도록 한 (Ti, Al)N의 플라즈마 화학증착법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 공구의 제조과정의 한 공정인 템퍼링(Tempering) 공정을 TiN코팅과정으로 대체하므로서 코팅후의 재열처리 공정을 배제한 (Ti, Al)N의 플라즈마 화학증착법에 있다.
일반적으로 강재공구의 제조시에는 일단 경화되지 않은 풀림상태에서 소정의 형태로 가공한 후 소입열처리를 통하여 경화시키고 이후 탬페링처리를 행하여 소입 열처리에 의한 응력제거 및 석출 등에 의한 2차경화를 유발하여 사용하게 된다.
이와 같은 강재공구의 제조공정에서 행해지는 템퍼링열처리 온도는 약 500℃ 정도로서 이 템퍼링 온도는 본 발명의 플라즈마 화학증착 온도와 비슷한 범주의 온도범위에 속하기 때문에 본 발명에 의하면 공구의 템퍼링열처리 과정을 (Ti, Al)N 코팅과정과 병행할 수 있다는 장점이 있다.
제1도는 본 발명을 수행하는데 사용되는 증착장치의 일례를 개략적으로 도시한 것으로서 도시된 바의 증착장치는 크게 가스공급계, 증착반응로, 진공계 및 RF제네레이타(Radio Freguency Generator)로 이루어진다.
먼저, 가스공급계는 N2, H2및 Ar의 가스를 반응로 내부로 공급하기 위한 것으로 가스실린더(도면 미도시)와, 상기 각 가스의 유로에 설치되어 반응기체의 유량을 조절하는 유량조절기(1)와, 상온에서 액체상태인 TiCl4로부터 그 증기를 얻기 위한 TiCl4버블러(Bubbler)(3)와, 상온에서 고체인 AlCl3로부터 그 증기를 얻기 위한 AlCl3증발기(Evaporator)(8)로 크게 구성된다.
다음, 진공계는 반응로 내부에서 (Ti, Al)N 코팅진행 중 많은 양의 기체 흐름에도 저압을 유지시켜 주기 위한 로터리진공펌프(15)로 이루어지는데, (Ti, Al)N 코팅 진행중의 증착반응로의 압력은 콘벡트론(Convectron) 및 피라니(Pirani) 진공압력계로 측정한다.
그리고 플라즈마 발생을 위하여 사용되는 RF제네레이타(17)의 전방에는 RF 파워의 분산효율(Dissipation Efficiency)를 높이기 위하여 반응로와의 사이에 매칭네트웍(Matching Netwoprk)(16)이 설치된다.
마지막으로 증착반응이 실제로 행해지는 반응로는, 플래너 커패시티브(Planer Capacitive)형의 플라즈마 화학증착로로서 그 상부덮개의 중앙부를 관통하여 가스가 유입되면 매칭네트웍과 결합되도록 구성하였고, 그 아래쪽의 내부에 열선(12)을 갖는 애노드(11)가 위치하며 그 애노드의 상면으로는 피증착물이 놓인다.
또한 반응로의 중앙에 TiCl4및 AlCl3의 혼합가스가 유입되도록 유입구(9)를 설치하였다.
이상과 같은 플라즈마 화학증착장치를 사용하여 공구의 표면에 (Ti, Al)N의 보호피막을 형성하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저 크리닝(Cleaning) 처리를 행한 절삭공구강 모재를 반응로 내부의 애노드상에 올려놓은 다음 반응로 내부로 Ar 가스를 유입시켜 로안을 충분히 퍼징(Purging)하여 잔류 외부가스를 완전히 제거하고, 이어서 확산램프로 반응관내를 청결히 한 후에 반응가스를 유입시켜 가면서 증착반응 온도에 이르기까지 증착 모재를 서서히 가열한다.
다음, 모재가 증착반응 온도에 도달하게 되면 RF제네레이타를 작동시켜 플라즈마를 발생시키고 Ar+H2+N2플라즈마 상태에서 글로우방전 크리닝을 수분간 행한 후 TiCl4및 AlCl3를 유입시켜 증착을 시도하고 증착반응이 종료하게 되면 수분간 플라즈마 상태를 유지한 가운데 후처리를 행하고 RF플라즈마의 공급을 중단시키며 반응로를 진공상태로 하여서 서냉을 행함으로서 본 발명에 의한 (Ti, Al)N 보호피막이 코팅된 절삭공구가 얻어지게 된다.
이와 같은 플라즈마 화학증착시 각 반응조건과 각 반응조건의 수치한정 이유는 다음과 같다.
증착온도:400℃-600℃---플라즈마 화학증착은 기존의 화학증착법에 비해 증착온도를 낮춘다는 장점을 가지고 있는데 본 발명의 (Ti, Al)N 증착에서는 400℃ 이하에서는 증착층이 불량하여 거의 결정성을 가지지 못하며 공기에 노출시킬 경우 심한 부식상태를 나타내었기 때문에 그 하한치를 400℃로 하였고 600℃ 온도의 상한치를 설정한 이유는 피증착시편인 일반 강재공구들의 상변태 또는 연화온도(Softening Temperature)가 약 600℃ 정도 이내이므로 이보다 낮은 온도를 택하였다.
증착압력 : 0.5~5Torr---본 발명의 (Ti, Al)N 증착에서는 가해진 RF플라즈마가 안전하도록 하기 위해 0.1~3Torr로 설정하였다.
RF플라즈마 밀도 : 0.0008-0.25Watt/㎤---본 발명의 (Ti, Al)N 증착에서 RF플라즈마 밀도가 높을 경우 불순물은 감소하나 오히려 미세경도, 모재와의 접착력등과 같은 기계적 특성이 감소하게 된다.
따라서 우수한 (Ti, Al)N 증착층을 얻기 위해 비교적 낮은 RF플라즈마 밀도를 설정하였다.
사용 기체 종류 및 분율 : TiCl4/AlCl3/N2/H2/Ar---본 발명에서는 사용되는 기체의 종류는 가격이 저렴하여 산업적으로 널리 이용되는 TiCl4, AlCl3, N2, H2, Ar를 사용하여 그 상대적 비율에는 크게 구애받지 아니하나 중요한 점은 질화가스로서 N2를 사용하여 (Ti, Al)N 코팅이 가능함을 보여주었다.
일반적으로 AlCl3기체를 질화하기 위해서는 NH3를 사용해야 하고 N2로서는 불가능하다고 알려져 왔으나 본 발명의 플라즈마 화학증착에서는 N2를 사용하여 (Ti, Al)N 코팅이 가능함을 보여 주었다는데 그 특징이 있다.
NH3대신 N2를 사용하는 큰 장점은 NH3가 부식성이 있고 NH4Cl, TiCl4, NH3등의 부화합물을 생성시켜 장치의 배관을 막히게 하고 코팅층에 이러한 부화합물들이 혼입되어 코팅막의 특성을 해치게 된다.
그러나 N2를 사용할 때에는 이러한 문제점들이 해결된다는데 있어서 본 발명의 특징이 있다.
본 발명의 플라즈마 화학증착방법에 의하여 얻어지는 (Ti, Al)N 코팅층은 갈색빛을 띠며 비커스 경도값은 1,900-32,000㎏/㎟을 나타낸다.
또한 증착층내에 잔류하는 염소(Chlorine)의 량은 에너지 분산분광법(Energy Dispersive Spectroscopy)에 의해 분석결과 3% 이하인 양질의 증착층임이 확인되었다.
본 발명의 실시예는 다음과 같다.
증착용 기판으로 고속도강 SKH-9 재질을 사용하여 아래의 표 1에서와 같은 증착조건하에서 플라즈마 화학증착을 행하였다.
위의 표 1에서와 같이 본 발명의 플라즈마 화학증착법에 의하면 일반적인 화학증착법의 증착온도인 1000℃에 비해 훨씬 낮은 온도인 약 500℃ 부근의 증착온도에서 화학증착코팅이 가능하였고 그 결과를 코팅층에 대한 X선 회절분석법으로서 제2도에 나타내었다.
제2도는 TiN에 첨가된 Al의 함량에 따른 TiN 및 (Ti, Al)N의 증착률을 나타낸 것으로서 그 주된 특징은 TiN(200) 회절피크의 회절각도값이 Al이 첨가됨에 따라 높은 값 쪽으로 이동한다는 것이다.
제2도에서 Al 함량은 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 로서 분석한 것이며 이 분석으로부터 Al이 TiN에 첨가되어 (Ti, Al)N이 형성됨을 확인할 수 있었다.
제3도는 코팅된 (Ti, Al)N의 미세경도를 TiN과 비교하여 나타낸 한 예를 나타낸 것이다.
종래의 플라즈마 화학증착법으로 제조된 TiN의 평균미세 경도가 1,500㎏/㎟인데 비하여 Al이 12% 정도 포함된 (Ti, Al)N 코팅막은2,800㎏/㎟ 정도의 양호한 결과를 보이고 있다.
(Ti, Al)N 코팅막에 대한 내산화실험을 행한 결과 TiN은 400℃에서 1시간 유지하였을 때 산화되어 코팅층의 색깔이 변화하는데 비하여 (Ti, Al)N 코팅층은 700℃까지 변화하지 않는 특성이 보였다.
제4도 및 제5도는 TiN 및 (Ti, Al)N 코팅층들을 공기중에서 산화실험 후 X선회절분석으로서 비교한 결과를 나타내었다.
제4도에서 TiN 코팅층은 600℃에서 산화된 TiO상이 출현하였으나 (Ti, Al)N 코팅층은 700℃까지 산화된 상이 나타나지 않음을 보여준다.
또한 본 발명의 플라즈마 화학증착방법은 그 증착압력이 보통 1Torr 정도를 유지함으로서 물리증착법의 10 Torr 및 일반적인 화학증착법의 대기압에 비해 중간 정도의 증착압력을 나타낸다.
1Torr 정도의 증착압력일 경우에는 기체의 확산계수가 대기압에 비해 크며 기체원자의 평균자유행로(Mean Free Path)는 물리증착법의 10 Torr에서의 50㎜에 비해 본 발명에서는 수 10㎛인 바(3Torr 정도를 가했을 때) 이와 같은 사실로부터 본 발명의 플라즈마 화학증착법을 통해 복잡한 형상의 공구의 표면에 균일한 두께로 코팅할 수 있음을 알 수 있었고 실제로 코팅모재의 모든 부분이 균등하게 코팅됨을 알 수 있었다.
한편, 본 발명에 있어서 상기 반응개스간의 분율은 TiCl/N---1/10-1/30이며 AlCl/TiCl---1/20-1 정도이다.
Claims (1)
- TiCl4, AlCl3, N2및 H2를 반응기체로 사용하고 Ar 기체를 운반기체로하여 이들 기체를 반응로 내부로 공급하고 RF플라즈마에 의한 글로우 방전으로 피증착물의 표면에 (Ti, Al)N 보호피막을 형성시키는 방법에 있어서, 증착온도 400~600℃, 증착압력 0.1~5Torr, RF플라즈마 밀도:0.0008~0.25Watt/㎤의 증착조건에서 증착시킴을 특징으로 하는 (Ti, Al)N의 플라즈마 화학증착법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019940028444A KR0155350B1 (ko) | 1994-10-28 | 1994-10-28 | (Ti, Al)N의 플라즈마 화학증착방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1019940028444A KR0155350B1 (ko) | 1994-10-28 | 1994-10-28 | (Ti, Al)N의 플라즈마 화학증착방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR960014386A KR960014386A (ko) | 1996-05-22 |
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ID=19396775
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1019940028444A KR0155350B1 (ko) | 1994-10-28 | 1994-10-28 | (Ti, Al)N의 플라즈마 화학증착방법 |
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| Country | Link |
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1994
- 1994-10-28 KR KR1019940028444A patent/KR0155350B1/ko not_active IP Right Cessation
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| KR960014386A (ko) | 1996-05-22 |
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