KR100522542B1

KR100522542B1 - 초고경도 텅스텐탄화물-티타늄알루미늄질화물 초격자복합화합물 코팅막

Info

Publication number: KR100522542B1
Application number: KR10-2003-0035975A
Authority: KR
Inventors: 한전건; 배은현; 이호영
Original assignee: 주식회사 맥스플라즈마; 한전건
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2005-10-20
Also published as: KR20030057499A

Abstract

본 발명은 초고경도 초격자 코팅막에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 음극 아크 증착기로 합성된 TiAlN과 WC 등의 고경도 화합물들을 수 ㎚ 두께의 적층구조로 합성하여 만든 초고경도 WC-TiAlN 초격자 복합화합물 코팅막에 관한 것이다.

보다 상세하게, 본 발명은 모재(10)와; 상기 모재(10)상에 형성되는 적어도 한 층 이상 적층되는 초격자 내마모층(11)을 포함하며, 상기 초격자 내마모층(11)은 TiAlN층(11a)과 WC층(11b)이 적어도 한 번 이상 교대로 적층된 막으로 구성된 초격자 복합화합물에 있어서, 상기 TiAlN층(11a)은 적층시 Ti와 Al의 함량비가 1:1을 초과하여 Al함량이 더 크게 증가되도록 제어함에 의해 TiN과 AlN상이 분리되면서 TiAlN층(11a)의 내부에 목적하는 크기의 결정립을 갖는 화합물상이 형성된 것을 특징으로 하는 초격자 복합화합물 코팅막을 제공한다.

Description

초고경도 텅스텐탄화물-티타늄알루미늄질화물 초격자 복합화합물 코팅막{Superhard WC-TiAlN superlattice compound coating layer}

지금까지 TiN, TiC, Ti(C,N), (Ti,Al)N, CrN, ZrN 등의 경질 화합물 코팅막이 산업현장에 적용되어 재료의 수명 및 생산성을 향상시켜 왔으나 점차 재료의 사용조건이 복잡해지고 사용환경이 까다로워짐에 따라 기존의 코팅막 재료로는 요구사항을 충족시키는데 많은 한계점을 드러내고 있는 실정이다.

따라서, 보다 높은 경도와 박막 밀도, 우수한 밀착 특성, 고온 내산화특성을 나타내는 초고경도 박막을 합성하기 위해 적층형 복합화합물 코팅막인 초격자 코팅막(Superlattice coating layer)이 활발히 연구되고 있으며, TiN-AlN, TiN-VN, TiN-NbN 등 수종의 초격자 박막이 초고경도를 나타내고 있다고 보고되어 있으나, 반도체 및 전자부품에서만 일부 사용되고 있을 뿐 산업기계분야에서는 그 응용이 전무한 실정이어서, 특히 산업기계분야에서 초고경도 및 고내열성 등의 특성을 나타내는 고성능의 보호 피막을 적용시킨 제품을 필요로 하고 있다.

이에, 본 발명의 출원 이전에 본 발명인이 출원한 특허등록출원 제 10-2000-03266 호에도 기재되어 있는 바, 탄화물-질화물계 초격자 코팅막이 제 3 또는 제 4 원소를 첨가함에 따라 고경도의 특성을 나타내지만 경도면과 내열성 등에서 보다 우수한 특성을 갖는 초격자 코팅막이 요구되고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하고 필요 요구를 충족시키기 위하여, 본 발명에서는 TiAlN과 WC로 구성된 질화물-탄화물 초격자 코팅막을 합성하여 기존에 사용되고 있는 경질 코팅막의 한계를 극복하고, 내열성이 우수한 초격자 코팅막을 이용하여 무윤활, 초고속가공을 실현하여 윤활유에 의한 공해문제 해결에 기여할 수 있는 초고경도의 WC-TiAlN 초격자 복합화합물 코팅막을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 모재와; 상기 모재상에 형성되는 적어도 한 층 이상 적층되는 초격자 내마모층을 포함하며, 상기 초격자 내마모층은 TiAlN층과 WC층이 적어도 한 번 이상 교대로 적층된 막으로 구성된 초격자 복합화합물에 있어서,상기 TiAlN층은 적층시 Ti와 Al의 함량비가 1:1을 초과하여 Al함량이 더 크게 증가되도록 제어함에 의해 TiN과 AlN상이 분리되면서 TiAlN층의 내부에 목적하는 크기의 결정립을 갖는 화합물상이 형성된다.

본 발명에서, 상기 TiAlN층과 WC층은 각각 2∼10㎚ 두께로 적층되고, TiAlN층은 적층시 Al함량의 제어에 의해 TiAlN층의 내부에 나노미터 크기의 화합물상을 형성한다.

또한, 상기 초격자 내마모층이 두 층 이상 적층되는 경우 초격자 내마모층 사이에 응력 해소층이 개재되며, 이 응력 해소층은 TiAl과 WC의 혼합층이다. 특히, 초격자 내마모층과 응력 해소층의 적어도 한 번 이상 적층된 막의 전체 두께는 3 내지 5㎛인 것을 특징으로 한다.

한편, TiAl타겟을 사용하므로서 Al타겟을 단독으로 사용하여 박막 합성시 발생되었던 Al의 매크로 드라플릿(macro droplet) 현상을 현저히 감소시켜 박막의 초고경도성 및 내산화성 특성을 향상시킨다.

도 1은 본 발명에 따른 초고경도 초격자 복합화합물 코팅막의 단면도를 나타낸다.

본 발명의 초격자 복합화합물 코팅막(100)은 고속도공구강이나 초경합금 재질의 모재(10) 상부에 형성되며, 초격자 복합화합물 코팅막(100)은 초고경도를 갖는 초격자 내마모층(11)이 단일 또는 다수번 적층되는 구조로 형성된다.

이 때, 초격자 내마모층(11)이 적층 구조로 형성되는 경우에는 초격자 내마모층(11) 사이에 응력을 해소하면서 밀착력을 개선하기 위하여 응력 해소층(12)이 개재된다.

여기서, 초고경도를 갖는 초격자 내마모층(11)은 TiAlN층(11a)과 WC층(11b)을 적어도 한 번 이상 적층시킨 적층막으로 구성되며, 본 실시예에서는 하나의 초격자 내마모층(11) 당 예를 들어 두 번을 교대로 적층하였다.

아울러, TiAlN층(11a)과 WC층(11b)은 각각 수 ㎚의 두께를 갖도록 형성되며, 바람직한 두께는 2∼10㎚의 범위를 갖는 것이 우수한 경도값을 갖는다. 보다 상세하게, 이 범위에서 경도값은 30∼50㎬를 나타내며, 그 이외의 범위에서는 30㎬보다 낮은 경도값을 얻었다.

또한, 응력 해소층(12)은 초격자 내마모층(11)간의 응력을 완화시키기 위하여 내마모층(11)을 구성하는 물질들인 TiAl과 WC의 혼합물로 형성되어, 초격자 내마모층(11) 사이에 응력을 최소화하면서 밀착 특성을 개선시킨다. 보다 상세하게, 응력 해소층(12)을 삽입하므로서 전체 코팅막의 잔류응력을 75% 이상 감소시켰다. 이와 같이 초격자 내마모층(11)과 응력 해소층(12)으로 이루어지는 초격자 복합화합물 코팅막(100)의 총 두께는 약 3 내지 5㎛ 범위에서 경도특성이 우수하였다.

이와 같이, 초격자 복합화합물 코팅막(100)을 TiAlN층(11a)과 WC층(11b)이 다수번 적층된 초격자 내마모층(11)을 포함하도록 형성하면, TiAlN층(11a)과 WC층(11b)이 초격자로 합성되어, 단층 코팅막으로 얻을 수 없는 새로운 초고경도 복합화합물 코팅막이 된다.

또한, 상기 초격자 복합화합물 코팅막(100)은 다음의 초격자 코팅장치내에서 형성된다.

도 2는 본 발명에 따른 초고경도 초격자 복합화합물 코팅막을 형성하기 위한 코팅장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

본 발명에 사용된 초격자 코팅장치는 진공함(21)과 진공펌프(22), WC 음극 아크원(23), TiAl 음극 아크원(24), 지그(26), 가스 유량 조절부(27)로 이루어진다.

상기 진공펌프(22)는 상기 진공함(21)의 내부압력을 1 ×10^-5 Torr이하로 낮출 수 있도록 구성된다.

상기 WC 음극 아크원(23)와 TiAl 음극 아크원(24)은 아크가 발생되도록 하여 WC와 TiAl을 모재에 증착시키기 위한 것으로서 WC 음극 아크원(23)과 TiAl 음극 아크원(24)이 마주보도록 배치되며, 상기 WC 음극 아크원(23)과 상기 TiAl 음극 아크원(24)이 1개 이상 설치된다.

상기 지그(26)는 회전식 지그로서, 회전되면서 상기 모재를 TiAl과 WC 각각의 음극 아크원(23,24) 전방에 교대로 지나도록 하며, 직류 바이어스전압(-)을 인가할 수 있도록 상기 진공함(21)과 절연되어 있다.

상기된 코팅장치내에서 초격자 복합화합물 코팅막(100)은 다음과 같은 방법으로 형성된다.

먼저, 모재(25)를 초격자 코팅장치의 진공함(21)내에 장입하여, 회전식 지그(26)에 고정한 후, 이어서 각 아크원(23, 24)에 직류 바이어스 전압을 인가한 상태에서 회전식 지그(26)를 소정 속도로 회전시키면, 모재(25)상에 TiAlN층(11a, 도 1 참조)과 WC층(11b, 도 1 참조)이 적어도 한 번 이상 교대로 적층되어 초고경도 초격자 내마모층(11)이 형성된다.

이때, TiAlN층(11a)과 WC층(11b) 각각은 코팅장치의 진공함(21)내에서 예를 들어, 물리적 증착방법중 하나인 음극 아크 이온플레이팅법으로 형성될 수 있다.

또한, TiAlN층(11a)과 WC층(11b)은 상기한 물리적 증착방법의 이온플레이팅법 외에도 물리적 증착방법의 다른 방법들인 마그네트론 스퍼터링법, 이온빔 스퍼터링법, 전자빔 증착법, 저항 가열 증착법등에 의하여 형성될 수 있으며, 아울러 TiAlN층(11a)과 WC층(11b)은 상술한 물리적 증착 방식 외에도 고온 CVD(chemical vapor deposition), 플라즈마 CVD, MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)등과 같은 CVD 방법으로도 형성될 수 있다.

이와 같이 하여, 단일의 초격자 내마모층(11)으로 된 초격자 복합화합물 코팅막(100)을 형성하거나, 또는 초격자 내마모층(11) 상부에 응력 해소층(12)을 형성하고, 응력 해소층(12)의 상부에 초고경도 초격자 내마모층(11)을 적층하는 방법을 적어도 한 번 이상 반복 실시하여 다층으로 된 초격자 복합화합물 코팅막(100)을 형성한다.

이 때, 회전식 지그(26)는 모재가 TiAl과 WC 각각의 음극 아크원(23, 24) 전방을 교대로 지나도록 이송시키는 역할을 하므로, 회전식 지그(26)의 회전 속도에 의하여 TiAlN층(11a), WC층(11b)의 두께가 조절된다.

이하, 본 발명에 따른 초고경도 초격자 복합화합물 코팅막을 형성하는 두 가지 실시예를 아래에서 설명한다.

(실시예 1)

도 3은 본 발명의 실험 1에 따라 형성된 초격자 코팅막의 단면 조직을 나타낸 것으로서, 음극아크 이온플레이팅법을 이용하여 합성된 초고경도의 WC-TiAlN 초격자 복합화합물 코팅막의 투과전자현미경 사진이다.

먼저, 상기 WC-TiAlN 초격자 복합화합물 코팅막을 합성하기 위하여 코팅장비내의 공정 조건은 다음과 같이 설정한 다음에 초격자 코팅막을 증착한다.

공정 압력 : 5 ×10^-3 내지 6 ×10^-3

가스 유량 : Ar - 70 sccm

N₂ - 220 sccm

아크 음극 :

음극 1 : 순수 TiAl (단, 상기 금속의 순도는 99.9% 이상임)

음극 2 : WC+Co 합금 (Co 8%)

전류 밀도 : 200 W/㎠

모재 온도 : 약 300 ℃

지그 회전 속도 : 1, 4, 12 rpm

모재 바이어스 : 직류 -200V

상기와 같은 공정조건으로 합성된 WC-TiAlN 초격자 코팅내의 TiAlN층(31)과 WC층(33)의 반복주기는 지그 회전속도 1, 4, 12rpm에 대하여 각각 10, 7, 2㎚의 두께를 얻었으며, 이와 같이 상기 지그(26)의 회전 속도에 따라 TiAlN층(31)과 WC층(33)의 두께는 ㎚ 단위의 초격자 두께로 정밀하게 제어할 수 있다.

도 3을 참조하면, 모재상에 밝은 부분인 TiAlN층(31) 및 TiAlN 화합물상(32)과 어두운 부분인 WC층(33)이 관찰되며, 여기서 밝은 부분과 어두운 부분은 반복되어 적층되는 것으로, 각 층의 두께가 2∼10㎚ 범위일 때 경도값이 30∼50㎬ 범위를 갖으며, 특히 각 층의 두께가 7㎚로 증착되었을 때에 최고의 경도값 50㎬를 얻었으며 그 두께가 7㎚보다 크거나 작을 경우에는 50㎬ 보다 낮은 경도값을 나타내었다.

도면에서 밝은 덩어리 형태로 나타나는 상기 TiAlN 화합물상(32)은 TiAlN층(31) 내에 형성되는 것으로, Al타겟에 인가되는 전류의 제어에 의해 증착되는 Ti와 Al의 함량을 조절하여 그 함량비가 1:1을 초과하여 Al의 함량이 더 크게 증가함에 따라 TiAlN층(31) 내에서 TiN과 AlN상이 분리되면서 1∼5㎚ 크기의 화합물상을 형성한 것이다. 이에 따른 화합물상의 형성을 통하여 화합물상이 형성되기 전보다 약 30% 상승된 경도(약 6∼10㎬ 상승)를 얻었고, 900℃ 이상에서 내산화성이 약 3배로 증가했다.

상기와 같은 공정조건 하에서 합성된 WC-TiAlN 초격자 코팅막의 최고 경도값은 초격자를 이루지 않는 TiN(경도 20㎬)과 WC(경도 20㎬)보다 최고 2.5배 향상된 50㎬로 측정된다. 한편, 지그 회전속도에 따라 적층주기 및 적층두께를 제어함으로서 경도값을 30 ∼ 50㎬ 범위에서 제어가 가능하다.

(실시예 2)

도 4는 본 발명의 실험 2에 따라 형성된 초격자 코팅막의 단면조직을 나타낸 것으로서 잔류 응력을 해소하고사 내부에 TiAl+WC 응력 해소층(43)을 넣어 합성한 WC-TiAlN 초격자 복합화합물 코팅막의 투과전자현미경 사진이다.

또한, 다음의 실험 2는 응력 해소층(43)을 개재하였을 때, 초격자 코팅막의 밀착 특성 및 잔류 응력 정도를 살펴보기 위한 실험으로서, 실험조건은 다음과 같다.

공정 압력 : 5 ×10^-3 내지 6 ×10^-3

가스 유량 : Ar - 70 sccm

N₂ - 220 sccm

아크 음극 :

음극 1 : 순수 TiAl (단, 상기 금속의 순도는 99.9% 이상임)

음극 2 : WC+Co 합금 (Co 8%)

초고경도 WC-TiAlN 층 증착시간 : 2분 20초

응력해소 TiAl+WC 층 증착시간 : 40초

전류 밀도 : 200 W/㎠

모재 온도 : 약 300 ℃

지그 회전속도 : 12 rpm

모재 바이어스 : 직류 -200V

첨부된 도면 4에 의하면, 밝은 부분은 TiAlN층(41)이고, 어두운 부분은 WC층(42)이며, TiAlN층(41)과 WC층(42)은 약 7㎚ 반복주기로 형성되고, 아울러 도면부호 43으로 표시된 것은 TiAl과 WC 물질의 혼합물질로 된 TiAl+WC의 응력 해소층(43)을 나타낸다.

이 때, 상기 응력 해소층(43)을 개재하지 않고, TiAlN층(41)과 WC층(42)만이 적층되었을 때의 잔류응력은 8㎬이었지만, 응력 해소층(43)을 개재한 후 잔류응력은 2㎬로 측정되었다.

이와 같이, 상기 응력 해소층(43)을 개재함에 따라, 초격자 코팅막의 잔류응력이 50% 이상 감소되었으며, 모재와 초격자 코팅막 사이의 밀착력까지 향상시킨다.

본 발명에 따른 WC-TiAlN 초격자 복합화합물 코팅막은, 지그 회전 속도에 따라 ㎚ 단위의 초정밀 초격자 두께로 제어가 가능하며, TiAl+WC 응력 해소층을 도입하여 코팅의 잔류응력을 50% 이상 감소시켜 모재와 코팅막 간의 밀착력을 향상시킬 수 있고, 초격자를 이루지 않은 TiN(경도 20㎬)와 WC(경도 20㎬) 보다 약 2.5 배로 경도가 향상된 초내마모성 초고경도 코팅막을 합성할 수 있도록 하는데 효과가 있다.

또한, TiAlN층 내의 Al함량을 제어하므로서 초격자층 내에 화합물상을 형성하여 경도 상승 및 내산화성을 증가시키는데 효과가 있다.

뿐만아니라, 본 발명에 따른 질화물-탄화물 초격자 코팅막을 통해 기존에 사용되고 있는 경질 코팅막의 한계를 극복하고, 무윤활 가공을 실현하여 윤활유에 의한 공해문제를 해결하는데 기여할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 WC-TiAlN 초격자 복합화합물 코팅막의 개념도이다.

도 2는 본 발명에 따른 WC-TiAlN 초격자 복합화합물 코팅막을 형성하기 위한 코팅장치의 개략도이다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예로서, WC-TiAlN 초격자 복합화합물 코팅막의 단면조직 사진이다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예로서, TiAl+WC 응력해소층을 가진 WC-TiAlN 초격자 복합화합물 코팅막의 단면조직 사진이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10: 모재 11: 초격자 내마모층

11a, 31, 41: TiAlN층 11b, 33, 42: WC층

12, 43: 응력 해소층 21: 진공함

22: 진공펌프 23: WC 음극 아크원

24: TiAl 음극 아크원 26: 회전식 지그

27: 가스 유량 조절부 100: 초격자 복합화합물 코팅막

Claims

모재(10)와; 상기 모재(10)상에 형성되는 적어도 한 층 이상 적층되는 초격자 내마모층(11)을 포함하며, 상기 초격자 내마모층(11)은 TiAlN층(11a)과 WC층(11b)이 적어도 한 번 이상 교대로 적층된 막으로 구성된 초격자 복합화합물에 있어서,

상기 TiAlN층(11a)은 적층시 Ti와 Al의 함량비가 1:1을 초과하여 Al함량이 더 크게 증가되도록 제어함에 의해 TiN과 AlN상이 분리되면서 TiAlN층(11a)의 내부에 목적하는 크기의 결정립을 갖는 화합물상이 형성된 것을 특징으로 하는 초격자 복합화합물 코팅막.
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제 1 항에 있어서, 상기 초격자 내마모층(11)이 두 층 이상 적층되는 경우, 상기 초격자 내마모층(11) 사이에 응력 해소층(12)이 각각 개재되는 것을 특징으로 하는 초격자 복합화합물 코팅막.
제 4 항에 있어서, 상기 응력 해소층(12)은 TiAl과 WC의 혼합층인 것을 특징으로 하는 초격자 복합화합물 코팅막.
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