KR0181778B1 - 다이아몬드가 코팅된 초경모재의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다이아몬드가 코팅된 초경모재의 제조방법에 있어서, 수소가스에 의한 마이크로파 플라즈마 화학증착법에 의해 초경모재의 표면을 적정 깊이로 제한된 처리를 함으로써 초경모재 내부의 손상 없이 코팅하게 되는 다이아몬드 막과 모재와의 사이의 접착력을 개선시킨 다이아몬드가 코팅된 초경모재의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 다이아몬드가 코팅되는 초경모재의 제조에 있어서, 모재의 표면을 산용액으로 5초간 처리하는 단계, 상기에서 산용액으로 처리된 모재를 다이아몬드를 코팅하는 장치인 마이크로파 플라즈마 코팅장치에 인가하고, 상기 코팅장치에 인가된 모재에서 코발트의 성분을 제거하기 위하여 마이크로 플라즈마 화학증착법에 의해 모재의 내부 온도를 500 내지 600℃로 유지하고, 수소가스만으로 플라즈마 상태하에 모재 표면을 처리하는 단계, 이어서 마이크로 플라즈마 코팅장치로 모재 표면에 다이아몬드를 코팅하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다이아몬드가 코팅된 초경모재의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 다이아몬드가 코팅된 초경모재의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다이아몬드가 코팅된 초경모재의 제조방법에 있어서, 수소가스에 의한 마이크로파 플라즈마 화학증착법(Microwave Plasma Chemical Vapor Depositionoin)에 의해 초경모재의 표면을 적정 깊이로 제한된 처리를 함으로써 초경모재 내부의 손상 없이 코팅하게 되는 다이아몬드 막과 모재와의 사이의 접착력을 개선시킨 다이아몬드가 코팅된 초경모재의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 다이아몬드는 기계적 경도, 내열성, 열전도도 광투과도, 전기절연성 등에 있어서 매우 우수한 특징을 나타내는 재료이다.
하지만 천연다이아몬드로는 상기의 특성을 갖고 있으나 산업적으로 사용하기에는 매우 귀하고 고가이어서 근래에는 다이아몬드는 합성하여 사용하고 있다. 이와 같은 다이아몬드의 인공 합성에 대한 연구는 고온 고압에 의한 다결정 소결체 다이아몬드의 합성에 대한 기술 확립에 이어서, 가스상으로부터 기판위에 다이아몬드를 화학적으로 증착시키는 기술에까지 이어져 왔다.
최근의 이와 같은 코팅형태의 다이아몬드 합성 기술은 주로 탄화수소계 가스(CH4, C2H2등)와 수소가스로부터 기상화학증착법(Chemical Vapor Deposition)에 의해 이루어진다. 예를 들면, 이들 원료가스를 여기(activation)시키는 방법과 관련 장치에 따라 마이크로파 플라즈마 화학증착법, 열 필라멘트 화학증착법(Hot-filament Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 젯 화학증착법(Plasma Jet Chemical Vapor Deposition)등의 방법이 개발되어 왔다.
산업적으로 다이아몬드 코팅의 응용이 가장 활발한 분야는 높은 경도와 열전도도, 낮은 마찰계수 등 우수한 기계적 특성을 이용한 절삭 공구 분야이다.
이러한 다이아몬드 코팅 공구의 모재로서 가장 많이 연구되고 있는 재료는 경질의 텅스텐 탄화물(WC)과 코발트(Co) 성분의 금속 결합제로 이루어진 초경합금이다. 그 이유는 높은 인성을 갖는 초경 합금에 고경도, 내마모 특성을 가진 다이아몬드 막을 코팅함으로써 공구의 절삭 수명 및 성능을 극대화할 수 있기 때문이다.
하지만, 다이아몬드가 코팅된 초경 합금을 절삭 공구로 사용하는 경우, 아직까지 충분히 해결되지 않는 점은 다이아몬드 막과 초경모재 사이의 접착력이 좋지 않다는 것이다. 이러한 낮은 접착력에 대한 원인으로는 초경모재 내에 결합제로 포함되어 있는 코발트 성분에 기인하는 것으로, 즉 모재 표면에 존재하는 코발트가 다이아몬드의 핵생성(nucleation)을 방해하는 인자가 되며, 다이아몬드가 적절히 생성되더라도 모재와의 접착력을 저하시키는 중요한 원인이 된다.
따라서, 지금까지 이러한 문제점을 해결하기 위해서 많은 방법들이 고안되어 왔다. 예를 들면, 산용액에 의해 모재 표면의 코발트 성분을 화학적으로 에칭 하여 제거하는 방법은 가장 일반적으로 사용되는 방법으로 미국 특허 제5,236,740호에 나타난 바와 같이 무라까미 용액 황산 및 과산화수소수 혼합액 등 다양한 처리용액들이 사용되고 있다.
그러나 상기와 같은 화학적인 처리방법의 문제점은 에칭이 모재 표면부위에 국한되지 않고 모재 내부에까지도 침투하여 코발트 성분을 제거하여 모재내에 기공을 형성시킨다는 것이다. 이러한 기공의 형성은 모재내 경합제인 코발트의 부재로 인하여, 공구의 절삭가공시 외부충격에 대해 공구로 사용되는 모재가 취약한 특성을 갖게 하는 결과를 가져온다.
이와 같은 종래 기술의 단점을 해결하기 위해서는 산용액에 의한 에칭처리가 모재 표면으로부터 수 1㎛에 국한되도록 에칭 시간을 적절히 조절해야 한다.
하지만, 에칭 시간에 따라 에칭 깊이를 조절한다는 것은 고도의 기술 및 작업능력을 원하는 것으로 그것은 같은 에칭시간과 모재의 종류에 따라 각각 에칭깊이가 달라지며, 같은 종류의 모재에서도 제조과정에서 발생하는 환경 차이에 따라 에칭 처리 결과가 다르게 얻어지게 되기 때문이다. 또한 에칭 용액도 동일한 조건에서 제조되고 보관되어야만 재현성 있는 에칭깊이를 얻을 수 있다는 문제점이 있다. 특히 실제로 운용되는 제품의 제조공정에서 수십개의 모재를 동시에 처리할 경우, 각 제품의 에칭 깊이를 동일하게 제어하는 것은 더욱 어렵다.
또한, 다이아몬드 막과 모재와의 접착력에 코발트 성분이 미치는 영향을 없애기 위한 다른 방법으로는 초경모재 표면에 중간 반응 층을 생성시켜 코발트의 영향 없이 다이아몬드를 코팅하는 방법이 사용된다.
이방법의 경우 중간 반응 층으로는 일본 공개특허04331008호, 미국특허 5,260106호 등에서 공지된 바와 같이, 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si), 탄탈륨(Ta), 니오븀(Tb), 질와티탄(TiN), 탄화티탄(Tic)화합물 등이 사용된다.
상기와 같은 중간 반응 층을 생성시키기 위해서는 기존의 다이아몬드 코팅공정이외에 또 다른 코팅 공정이 추가되며, 따라서 다이아몬드 코팅 장치 이외에 추가적인 장치를 필요로 한다. 따라서 제조 공정이 복잡해지며 제조시간도 길어지는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 별도의 추가 장치 없이 다이아몬드 코팅에 사용되는 마이크로파 플라즈마 코팅 장치를 사용하여 모재 표면으로부터 수 ㎛으로 제한된 적절한 깊이로 다이아몬드 막과 모재와의 결합력을 저해하는 코발트 성분을 제거할 수 있는 초경도모재의 처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 다이아몬드가 코팅되는 초경모재의 제조에 있어서, 모재의 표면을 산용액으로 5초간 처리하는 단계, 상기에서 산용액으로 처리된 모재를 다이아몬드를 코팅하는 장치인 마이크로파 플라즈마 코팅장치에 인가하고, 상기 코팅장치에 인가된 모재에서 코발트의 성분을 제거하기 위하여 마이크로 플라즈마 화학증착법에 의해 모재의 내부 온도를 500 내지 600℃로 유지하고, 수소가스만으로 플라즈마 상태하에 모재 표면을 처리하는 단계, 이어서 마이크로 플라즈마 코팅장치로 모재 표면에 다이아몬드를 코팅하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다이아몬드가 코팅된 초경모재의 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 우선 초경모재의 표면을 산용액으로 5초간 처리한다. 상기에서 본 본원 발명에 사용하는 초경모재로는 결합금속으로 코발트가 포함된 WC-Co 초경합금을 사용한다. 상기에서 모재 표면을 처리하는데 사용하는 산용액으로는 황산-과산화수소수 혼합액, 질산용액, 염산 등을 사용한다. 처리시간은 약 5초간 동안 실시한다. 이 단계는 종래의 산용액에 의한 코발트 에칭 처리방법과는 구별되는 것으로 종래의 산용액 처리 방법은 모재표면으로부터 적정깊이로 코발트를 제거하기 위한 것이지만, 본 발명에서 사용하는 산처리 방법은 이단계 이후의 실질적인 코발트 제거 단계를 위한 전처리 공정으로 코발트 제거 공정의 처리시간을 줄이고 코발트 제거를 효과적으로 실시하기 위한 단계이다.
즉, 처리에 사용되는 산용액은 모재에 투입됨과 동시에 배출되며 이 과장에서 모재가 처리되는 시간은 약 5초 이내로 모재 표면에 한정되기 때문에 이 처리만으로는 다이아몬드 코팅을 위한 충분한 코발트 제거는 이루어지지 않는다. 다시 말하면 다음 코발트 제거 처리를 위한 전처리 단계라 할 수 있다.
이어서, 상기에서 산용액으로 처리된 모재를 다이아몬드를 코팅하는 장치인 마이크로파 플라즈마 코팅장치에 인가하고, 상기 코팅장치에 인가된 모재에서 코발트의 성분을 제거하기 위하여 모재의 내부 온도를 500 내지 600℃로 유지하고, 수소가스만으로 플라즈마 상태하에 모재 표면을 처리한다.
이때 모재의 내부 온도를 500 내지 600℃ 온도 범위로 하는 것은 다이아몬드 코팅시 보다 낮은 온도로 유지하여 모재 내부의 코발트 성분이 표면으로 확산되어 나오는 것을 방지하기 위한 것이다.
또한, 마이크로파 플라즈마 코팅장치 내에서 코발트 제거를 위한 플라즈마 조건은 플라즈마 장치 내에서 다이아몬드가 생성되는 것을 방지하기 위하여 플라즈마 조건을 탄화수소가스는 사용하지 않고, 수소가스만으로 플라즈마 상태가 이루어지도록 한다. 상기에서 처리 조건은 수소가스의 압력 약 2.5내지 2.8kPa, 수소유속 500 standard cm3/분에서 약 2시간 동안 실시한다.
본 발명에 의한 이와 같은 처리조건에 의한 수소 플라즈마의 영향은 직접 노출되어 있는 모재 표면 부위에서만 발생하며 모재 내부의 물질 변화에는 관여하지 않기 때문에 초경모재 표면으로부터 수 ㎛이내에서만 코발트 에칭 효과가 있으며 일정시간이 지나 한계 에칭 깊이에 도달하면 더 이상 모재의 내부로 에칭이 진행되지 않게 된다.
이하 실시예로 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
[실시예]
코팅모재로 K10(WC 94중량% + Co 6중량%) 성분에 SPGN120380 형태를 가진 초경합금이 사용하였고, 이 모재에 황산-과산화수소수 혼합액(H2SO4:H2O2=1:9)에 의한 산용액으로 약 5초간 모재 표면을 처리하였다. 이어서 상기에서 얻은 모재를 수소가스 압력 약2.6kPa, 수소유속 500standard cm3/분의 조건하, 모재의 온도를 약 500℃로 유지하여 플라즈마 처리하여 모재표면의 코발트 성분을 제거하였다. 이어서 연속하여 모재온도 900℃, 메탄가스(CH4) 농도 1.0부피%(나머지는 수소), 반응가스 압력 6.5kPa, 반응가스 유속 500 standard cm3/분 및 증착시간 10시간의 증착조건으로 다이아몬드 코팅을 실시하였다.
상기 실시예로 얻어진 다이아몬드가 코팅된 초경모재에 대해 압자 시험기(Rockwell Indentation tester)에 의해 60kg 하중의 압자시험을 행하여 다이아몬드막의 접착상태를 시험하였다. 이때 다이아몬드 막의 접착력이 클수록 코팅 표면에 가해진 압자에 의한 흔적의 반경은 작아진다. 또한 코팅된 모재의 파단면에 대해 에너지 분산 X선 분광 분석(EDS:Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy)를 행하여 모재 표면으로부터 코발트가 제거된 깊이를 측정하였다. 이 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
[비교예 1]
상기 실시예에서 수소가스 플라즈마 처리를 실시하지 않은 것을 제외하고는 동일한 조건하에 상기 황산-과산화수소수 혼합액(H2SO4:H2O2=1:9) 산용액으로 5초간 처리후, 바로 다이아몬드 코팅을 실시하였다.
상기 비교예 1에 의해 얻어진 초경모재의 특성을 상기 실시예와 동일하게 측정하여 그 결과를 다음 표 1에 나타냈다.
[비교예2]
상기 실시예에서 수소가스 플라즈마 처리를 실시하지 않은 것을 제외하고는 동일한 조건하에 상기 황산-과산화수소수 혼합액(H2SO4:H2O2=1:9) 산용액으로 1분간 처리후, 바로 다이아몬드 코팅을 실시하였다.
상기 비교예 2에 의해 얻어진 초경모재의 특성을 상기 실시예와 동일하게 측정하여 그 결과를 다음 표 1에 나타냈다.
상기 표 1에서 산용액으로 5초간 에칭 처리한 비교예 1은 코발트 처리효과가 충분하지 못하다. 이 경우에 다이아몬드 증착과정에서 표면으로 확산된 코발트가 모재 표면에 존재하게 되어 막의 접착력을 떨어뜨리는 결과를 나타낸다.
상기 표 1에서 산용액으로 1분간 에칭 처리한 비교예2의 모재는 표면에 코발트가 없기 때문에 막 접착력은 매우 양호하다. 그러나 에칭 깊이가 12㎛로 본 발명에 의한 실시예의 깊이 5㎛에 비해 모재 깊숙이 에칭처리가 되어 초경 모재가 외부 충격에 취약해지는 것을 나타낸다.
따라서 본 발명에 의하면 모재 상태의 차이에 관계없이 표면으로부터 수 ㎛이내의 제한된 깊이로 코발트를 제거할 수 있다. 이 방법은 모재 표면의 코발트를 제거하는 공정이 다이아몬드 코팅 장치내에서 유사한 방법으로 행해지기 때문에 다이아몬드 증착공정과 일괄(batch)코팅 공정으로 코발트 에칭 처리를 할 수 있다.
또한 수소 플라즈마 처리과정에서 모재 표면의 이물질이 자연히 제거되고 대기 중에 노출됨이 연속적인 공정으로 다이아몬드 코팅이 이루어지기 때문에 모재 표면의 오염에 의해 발생할 수 있는 다이아몬드 막의 접착력 저하를 방지할 수 있다.
Claims (2)
- 본 발명은 다이아몬드가 코팅되는 초경모재의 제조에 있어서, 모재의 표면을 산용액으로 5초간 처리하는 단계, 상기에서 산용액으로 처리된 모재를 다이아몬드를 코팅하는 장치인 마이크로파 플라즈마 코팅장치에 인가하고, 상기 코팅장치에 인가된 모재에서 코발트의 성분을 제거하기 위하여 마이크로 플라즈마 화학증착법에 의해 모재의 내부 온도를 500 내지 600℃로 유지하고, 수소가스만으로 플라즈마 상태하에 모재 표면을 처리하는 단계, 이어서 마이크로 플라즈마 코팅장치로 모재 표면에 다이아몬드를 코팅하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다이아몬드가 코팅된 초경모재의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 수소가스 플라즈마 처리 조건은 수소가스의 압력 약 2.5 내지 2.8kPa, 수소 유속 500standard cm3/분에서 2시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드가 코팅된 초경모재의 제조방법.
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