KR100250213B1 - 내마모성이 우수한 경질피막의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 티타늄이나 티타늄합금과 같이 내마모성이 열악한 제품의 내마모 향상을 위하여 기판에 반응성 이온플레이팅 방법으로 질화크롬 박막을 형성시키는 경질피막의 제조방법에 관한 것으로, 진공중에서 반응성 이온플레이팅 방법으로 경질피막을 제조하되, 밀착성 향상을 위한 금속 박막을 먼저 형성시킨 후 그 위에 질화크롬 보다 경도가 높은 화합물을 피복시킨 후 마지막으로 질화크롬을 형성시킨 것이다.

Description

내마모성이 우수한 경질피막의 제조방법

제1도는 본 발명을 설명하기 위한 장치의 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 진공실 20 : 증발원

30 : 이온화전극 40 : 필라멘트

50 : 셔터 60 : 기판

70 : 기판홀더 및 가열장치 80 : 가스도입구

본 발명은 내마모성이 우수한 경질피막의 제조방법에 관한 것으로, 이를 더욱 상세히 설명하면 티타늄이나 티타늄합금과 같이 내마모성이 열악한 제품에 내마모성 향상을 위하여 기판에 반응성 이온플레이팅 방법으로 질화크롬 박막을 형성시키고자 하는 것이다.

일반적으로 티타늄합금은 가볍고 강하기 때문에 최근에 자동차 부품용으로의 개발이 활발하게 이루어지고 있는바, 이 가운데 특히 쾌삭 티타늄합금은 자동차 엔진의 커넥팅로드용으로 많은 관심을 모으고 있다.

커넥팅로드는 매우 가혹한 조건 하에서 운행되는 자동차용 부품으로 강으로 제조된 크랭크 샤프트와 마찰되며 구동된다.

그러나 티타늄합금을 커넥팅로드로 사용할 경우 내마모성이 좋지 않아 그 표면에 내마모 표면처리를 별도로 실시하지 않으면 안된다.

티타늄합금의 열악한 내마모성을 개선하기 위한 방법으로는 몰리브덴 용사, 산화처리, 질화처리, 물리 또는 화학증착에 의한 경질피막 코팅 등이 알려져 있다.

이들 중에서 물리증착을 이용하는 경우, 주로 반응성 이온플레이팅과 반응성 스퍼터링 방법이 주종을 이루고 있다.

반응성 이온플레이팅은 금속을 증발시키면서 동시에 이온화시켜 주입되는 가스와 반응시켜 기판에 피복시키는 방법이며, 반응성 스퍼터링은 불화성 가스를 이용하여 판상의 금속에서 물질을 떼어낸 후 가스와 반응시켜 기판에 피복시키는 방법이다.

피복물질에는 질화티타늄과 같은 티타늄 화합물이 주종을 이루며, 그 외에 천이금속 화합물이 많이 이용되고 있다.

따라서 지금까지는 이와 같은 방법을 이용하여 단층의 경질피막을 제조하여 내마모성 향상을 기하여 왔다.

티타늄합금의 내마모성을 개선하기 위한 연구는 주로 경질피막을 단층으로 제조하는 방법(JP61-288062, JP63-62865)을 이용하고 있으나, 금속의 기판상에 바로 경질피막을 제조할 경우에는 피막의 스트레스 등에 의해 밀착성이 떨어지고, 따라서 전체적으로 특성이 저하되는 현상이 나타난다.

또한, 기판의 재질에 따라 내마모성이나 밀착성 등의 제반 특성이 달라지므로 기판이 무르거나 내마모성이 피막 재질과 현저히 달라질 경우 내마모성 피막의 특성이 열화되는 성질이 나타난다.

한편, 내마모성 피막의 경우는 질화크롬피막이 가장 우수한 것으로 알려져 있다.(Thin Solid Films 185, 219(1990))질화크롬을 피막으로 제조할 경우 두 가지상(CrN),(Cr₂N)이 존재하는데 통상 질소분위기에서 제조를 하게되면, 이들 두개의 혼합상이 존재하게 된다.

내마모성 관점에서 보면 CrN만으로 이루어진 피막의 경우가 훨씬 우수한 것으로 알려져 있다. 그러나 CrN만으로 이루어진 피막을 제조하는데는 매우 까다로운 공정조건을 요구하게 되는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 진공중에서 반응성 이온플레이팅 방법으로 경질피막을 제조하되, 밀착성 향상를 위한 금속 박막을 먼저 형성시킨 후, 그 위에 질화크롬보다 경도가 높은 화합물을 피복시키고 마지막으로 질화크롬을 형성시켜 내마모성이 우수한 경질피막을 제공하고자 하는 것이다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 통상의 진공증착 장치에서 이루어진다. 제1도는 본 발명을 설명하기 위한 장치의 개략도이다.

진공실(10)내에 이온플레이팅을 할 수 있는 이온화전극(30)과 필라멘트(40)를 설치함과 아울러 증발원(20)과 기판(60)의 설치 및 가열을 위한 기판홀더 및 가열장치(70), 셔터(50), 가스도입구(80)등이 설치되어 있다. 상기 증발원(20)은 전자총 증발원(20)을 사용하였고 물질을 담는 도가니(도면미도시)는 4개의 포켓이 설치된 회전식 도가니를 사용하였다. 이는 다층박막의 제조시 서로 다른 물질계를 증발시키기 위한 것이다.

우선, 증발원(20)에 피막물질에 사용되는 금속을 장입하고, 기판(60)을 장착한 다음 진공펌프(도면미도시)를 이용하여 배기시킨다.

진공도가 10^-5토르 이하가 되며 기판(60)의 청정을 위해 아르곤가스를 주입하고, 기판(60)에 음의 전압을 인가하여 기판(60)을 청정시킨다.

기판(60)의 청정은 매우 중요한 단계로 기판(60)에 존재하는 유기물과 같은 불순물 뿐만 아니라 자연적으로 존재하는 산화막을 제거하는 단계를 포함한다.

이 산화막이 충분히 제거되지 않으면 밀착성에 영향을 주므로 충분히 청정을 해주어야 한다. 기판(60)의 청정은 보통 10^-2토르 정도의 아르곤가스 분위기에서 기판(60)에 500∼1000V의 음의 전압을 인가하여 글로우방전을 유도시켜 실시한다.

이렇게 하면 방전영역에 존재하는 아르곤이온이 기판(60)에 충돌하여 기판(60)상에 존재하는 산화막을 제거하게 된다.

기판(60) 청정이 끝나면 진공도를 다시 10^-5토르 이하로 유지시킨 후 우선 첫번째의 밀착성 확보층인 금속피막을 제조한다.

금속 피막은 통상 모재의 재질과 가까운 금속을 이용하거나 밀착성이 우수한 것으로 알려진 Ti, Cr, Ni, Zr 등을 이용하면 된다.

금속 피막의 두께는 0.3∼1㎛의 범위가 바람직한데, 그 이유는 다음과 같다. 금속 피막의 두께가 0.3㎛이하가 되면 밀착성 확보의 역할을 제대로 못하며, 1㎛이상이 되면 경제성이 떨어지기 때문이다.

금속피막의 제조는 통상의 진공증착 또는 이온플레이팅 방법을 이용하면 되며, 이온플레이팅 방법을 이용할 경우는 기판에 음의 전압을 인가하면 보다 밀착성이 우수한 피막을 제조할 수 있다.

다음 단계는 경질피막을 제조하는 단계로 이때는 마지막층인 질화크롬 층보다 경도가 높은 경질피막을 이용한다. 주로 사용되는 경질피막은 TiN, TiC, Al₂0₃등이 있다.

경질피막의 제조는 이온플레이팅방법을 이용하였다. 우선 이온화전극(30)과 필라멘트(40)를 이용하여 증발물질을 이온화시킨 다음 반응가스를 주입하여 플라즈마 분위기에서 반응시켜 기판(60)에 경질피막을 제조하면 된다.

경질피막의 두께는 1.5∼3㎛의 범위가 바람직한데 그 이유는 다음과 같다. 경질 피막의 두께가 1.5㎛이하가 되면 마모성을 확보하기 위한 질화크롬 피막을 충분히 보호해주지 못하며, 3㎛이상이 되면 경제성이 떨어지기 때문이다.

마지막 단계는 내마모성이 우수한 질화크롬 피막을 제조하는 단계이다. 크롬은 진공중에서 승화성 물질이므로 녹지 않고 증발되기 때문에 증발시 매우 주의를 요한다.(JP63-62871, 대한민국 특허 제88595호) 증발방법을 제외하고는 질화크롬 피막은 경질피막과 유사하게 제조하나 앞서 설명한데로 CrN만으로 이루어진 층을 제조하기 위해서는 질소가스만으로는 충분히 이온화가 일어나지 않기 때문에 이온화 효율을 높이기 위해 아르곤 가스를 질소가스와 동시에 주입한다.

질화크롬 피막의 두께는 1.5∼3㎛의 범위가 바람직한데 그 이유는 다음과 같다. 질화크롬 피막의 두께가 1.5㎛이하가 되면 내마모성의 특성이 충분히 나타나지 않으며, 3㎛이상이 되면 경제성이 떨어지기 때문이다.

이하 본 발명을 실시예와 표 1을 통해 상세히 설명한다.

[실시예 1]

통상의 진공실(10)에 이온플레이팅을 할 수 있는 이온화전극(30)과 필라멘트(40)를 설치하고 쾌삭 티타늄합금(Ti-3Al-2V)상에 3층으로 이루어진 내마모성 피막을 제조하였다.

진공실(10)을 열어 기판을 설치한 다음, 유회전펌프와 부스터펌프를 사용하여 10^-2토르까지 초기 용기내의 가스를 배기 하였다.

그 다음 유확산 펌프를 사용하여 10^-5토르 이하로 배기하였다. 원하는 진공도를 얻은 후 기판에 존재하는 불순물을 제거하고 기판을 청정시키기 위하여 아르곤 가스분위기에서 기판에 약 800V의 전압을 걸어 20분간 글로우방전 청정을 실시하였다.

기판청정이 끝나고 우선 밀착성 확보를 위해 이온플레이팅 방법을 이용하여 티타늄을 0.7㎛의 두께로 제조하였다.

티타늄 피막의 제조순서는 다음과 같다. 우선 셔터(50)가 닫힌 상태에서 전자빔을 이용하여 티타늄을 완전히 녹인다음 이온화전극(30)과 필라멘트(40)를 이용하여 이온화 시킨다. 이온화 정도가 안정화되면 기판(60)에 300V의 음의 전압을 인가한 후 셔터(50)를 열고 피막을 제조한다.

원하는 두께가 얻어진 후 다음 단계인 경질피막층으로 질화티타늄을 제조하였다.

질화티타늄의 제조는 티타늄의 이온플레이팅과 유사한 방법을 이용하되 티타늄을 증발시키면서 동시에 가스도입구(80)를 통해 질소가스를 주입하여 실시하였다. 질화티타늄 피막의 두께는 2㎛로 제조하였다.

마지막 단계는 질화크롬을 제조하였는데, 그 순서는 다음과 같다. 우선 증발원 도가니를 회전시켜 크롬이 담긴 포켓으로 이동시킨 다음 전자빔을 이용하여 크롬을 증발시킨다.

크롬의 증발이 안정되게 일어난 후 이온화전극(30)과 필라멘트(40)를 이용하여 크롬을 이온화 시켰다. 그런 다음 질소와 아르곤이 혼합된 가스를 주입한 후 기판에 200V의 음의 전압을 인가한 후 셔터(50)를 열고 피막을 질화크롬 피막으로 제조하였다.

표 1에는 발명예와 비교예를 각각 표시하였으며, 밀착성 확보층과 경질피막층 그리고 질화크롬피막의 조건에 따른 마모성의 특성을 비교하였다.

마모시험은 링-온-디스크(ring-on-disk) 마모시험기를 이용하여 건식과 습식 두 조건으로 실시하였다. 마모 조건은 부가하중이 0.065MPa, 그리고 회전속도는 150㎜/s가 되도록 조절하였다.

내마모성은 3단계로 구분하여 우수할 경우 ◎ 표시를, 보통일 경우 ○ 표시를, 그리고 나쁠경우는 ×표시를 하였다.

[실시예 2]

실시예 1과 동일하되, 밀착성확보층으로 Cr을 경질피막으로 TiC를 제조하였으며, 질화크롬 피막의 두께를 3.0㎛로 제조한 경우이다.

[실시예 3]

실시예 1과 동일하되, 밀착성확보층으로 Cr을 경질피막으로 Al₂O₃를 제조하였으며, 질화크롬 피막의 두께를 1.5㎛로 제조한 경우이다.

[실시예 4]

실시예 1과 동일하되, 경질피막으로 TiCN을 제조한 경우이다.

[비교예 1]

실시예 1과 동일하되, 불활성 가스를 사용하지 않은 경우이다.

[비교예 2]

실시예 1과 동일하되, 밀착성 확보층을 제조하지 않은 경우이다.

[비교예 3]

실시예 1과 동일하되, 경질피막층을 제조하지 않은 경우이다.

[비교예 4]

실시예 1과 동일하되, 밀착성 확보층과 경질피막층을 제조하지 않은 경우이다.

[비교예 5]

경질피막층만을 제조한 경우이다.

[표 1]

이상과 같이 본 발명의 발명으로 내마모성 피막을 제조하면 종래의 방법에 비해 티타늄합금과 같은 마모성이 열악한 모재의 내마모성 향상에 크게 기여함을 알 수 있다.

Claims (3)

1. 내마모성 향상을 위한 경질피막의 제조에 있어서, 밀착성 확보를 위한 금속피막층의 형성공정과, 그 위에 최종의 피막층보다 경도가 높은 경질피막을 형성하는 공정과, 최종의 피막층은 크롬과 질소의 원자비가 1:1로 이루어진 질화크롬 박막으로 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 경질피막의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 금속피막층은 Ti, Cr, Ni, Zr 중의 어는 하나인 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 경질피막의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 질화크롬 박막은 질소 가스와 아르곤 가스가 혼합된 분위기에서 이루어지는 반응성 이온플레이팅 방법으로 제조하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 경질피막의 제조방법.