KR100762198B1 - Coating material and thereof coating method with superhard and high lubrication - Google Patents

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Abstract

A coating material having high hardness and high lubricating property is provided to solve the mechanical property-related problems occurring in conventional hard thin films, and to obtain an eco-friendly coating film having good wear resistance and improved lifespan. A coating material having high hardness and high lubricating property is vacuum deposited on a matrix(100) of a mold or lubricating article to form a thin film layer(300), wherein the coating material comprises 42.9-75.8 wt% of Cr, 6.0-38.4 wt% of Zr, and 18.2-20.7 wt% of N. The thin film layer has a thickness of 2-6 micrometers. The thin film layer optionally further comprises an intermediate layer(200) formed of Cr or CrN between the matrix and the thin film layer to relieve residual stress.

Description

고경도,고윤활성 피복재 및 그 피복방법{COATING MATERIAL AND THEREOF COATING METHOD WITH SUPERHARD AND HIGH LUBRICATION}High hardness, high lubricity coating material and its coating method {COATING MATERIAL AND THEREOF COATING METHOD WITH SUPERHARD AND HIGH LUBRICATION}

도 1은 본 발명에 따른 코팅장치의 예시적인 개략 구성도,1 is an exemplary schematic configuration diagram of a coating apparatus according to the present invention;

도 2는 본 발명에 따른 타겟이 2개인 경우로서 도 1의 요부 확대도,2 is an enlarged view illustrating main parts of FIG. 1 as two targets according to the present invention;

도 3은 본 발명에 따른 타겟이 1개인 경우의 코팅장치를 보인 예시적인 개략 구성도,3 is an exemplary schematic configuration view showing a coating apparatus in the case of one target according to the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 피복재에 의한 코팅층 구조도,4 is a structural view of the coating layer by the coating material according to the present invention;

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 피복재로 피복한 고윤활 박막의 예시적인 단면조직 및 그 표면사진,5 and 6 is an exemplary cross-sectional structure and a surface photograph of the high lubricating thin film coated with a coating material according to the present invention,

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 시험 결과 그래프.7 is a graph of test results according to an embodiment of the present invention.

♧ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♧♧ description of the symbols for the main parts of the drawing ♧

10....진공챔버 20....진공펌프10..Vacuum chamber 20 .... Vacuum pump

30....Cr증착원 40....Zr증착원30 .... Cr Deposition Source 40 .... Zr Deposition Source

50....회전지그 60....셔터50 .... Rotating jig 60 .... Shutter

70....유량조절부70 .... Flow control part

본 발명은 고경도, 고윤활성 피복재 및 그 피복방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존의 고경도 화합물 코팅으로 이루어진 경질 박막의 한계와 윤활 박막으로 대표되는 DLC(Diamond Like Carbon) 박막이 갖는 온도와 습도에 대한 제약을 극복하고 환경친화적이면서 보다 우수한 기계적 특성을 유지할 수 있도록 한 고경도, 고윤활성 피복재 및 그 피복방법에 관한 것이다. The present invention relates to a high hardness, high lubricity coating material and a coating method thereof, and more particularly, the temperature of the DLC (Diamond Like Carbon) thin film represented by the limit of the hard thin film made of a conventional high hardness compound coating and the lubricating thin film and The present invention relates to a high hardness, high lubricity coating material and a method of coating the same to overcome the limitations on humidity and to maintain environmentally friendly and superior mechanical properties.

통상적으로, 부품의 기계적 특성, 특히 내구성 향상을 위한 금속 표면처리 기술로서 가스 질화 및 침탄, 그리고 습식 도금법 등이 사용되어 왔다.Typically, gas nitriding and carburization, wet plating, and the like have been used as metal surface treatment techniques for improving mechanical properties of components, particularly durability.

그러나, 부품의 정교화, 소형화 등과 함께 적용환경이 가혹해짐에 따라 이와 같은 기존 표면처리 기술의 적용이 불가능하게 되었으며, 특히, 습식 도금법의 경우에는 극심한 환경문제를 유발하기 때문에 점차적으로 그 사용이 제한되고 있는 실정이다.However, as the application environment is severe along with the refinement and miniaturization of parts, such surface treatment technology cannot be applied. Especially, in the case of the wet plating method, the use of the surface treatment causes severe environmental problems. There is a situation.

이에 따라, 환경 친화적이면서 보다 우수한 기계적 특성을 나타내는 플라즈마 코팅에 관한 연구가 세계적으로 활발히 이루어지게 되었으며, 지금까지 TiN, TiC, Ti(C,N), (Ti,Al)N, CrN, ZrN 등의 고경도 화합물 코팅들이 많은 사업에서 적용되어 재료의 수명 및 생산성을 향상시켜왔다. 하지만, 이 또한 제품의 사용조건이 복잡해지고 사용조건이 가혹해짐으로써 기존 플라즈마 코팅 방식 또한 많은 한계를 드러내고 있다.Accordingly, studies on plasma coatings that are more environmentally friendly and exhibit better mechanical properties have been actively conducted worldwide. Until now, TiN, TiC, Ti (C, N), (Ti, Al) N, CrN, ZrN, etc. Hard compound coatings have been applied in many businesses to improve the life and productivity of materials. However, this also exposes many limitations of the existing plasma coating method due to the complicated use conditions of the product and the severe use conditions.

뿐만 아니라, 고경도 화합물의 경우 경도가 높아 낮은 마모특성(마모율)을 갖지만 높은 경도와 높은 마찰계수로 인하여 상대재의 많은 마모를 일으키는 것으 로 알려져 고윤활재료로는 사용이 제한되고 있다.In addition, high hardness compounds have low wear characteristics (abrasion rate) due to their high hardness, but due to their high hardness and high coefficient of friction, they are known to cause a lot of wear of the counterpart.

이러한 문제들을 해결하기 위해 마모율도 낮고 마찰계수도 낮아 고윤활조건에서 많이 사용될 수 있는 DLC(Diamond like carbon) 코팅 방식이 제안되어 사용되기는 하였으나 DLC 박막의 경우에는 그 마모특성이 마모환경, 즉 습도와 온도에 많은 제약을 받게 되어 실효성이 급격히 떨어지는 단점이 유발되었다.In order to solve these problems, DLC (Diamond like carbon) coating method, which can be used in high lubrication conditions because of low wear rate and low friction coefficient, has been proposed and used, but the wear characteristics of DLC thin films have a Due to a lot of constraints on temperature caused a sharp drop in effectiveness.

예컨대, DLC 박막의 경우 마찰계수가 상온에서 0.2 정도였던 것이 300℃ 이상의 고온에서는 0.6 정도로 3배 정도 증가하게 되고, 습도에 따라서도 건조한 분위기에 비해 습한 분위기에서는 DLC 코팅된 제품의 사용시간이 3배에서 많게는 10배 가량 감소되는 경향이 있음이 판명되었다.For example, in the case of DLC thin film, the coefficient of friction increased from 0.2 at room temperature to about 3 times as high as 0.6 at 300 ℃ or higher, and the use time of DLC coated products was 3 times higher in the humid atmosphere than in the dry atmosphere depending on the humidity. It has been found that the tendency to decrease by as much as 10 times.

따라서, 상술한 바와 같은 표면처리 기술상의 단점들을 보완할 수 있는 새로운 형태의 여러 박막들을 연구할 필요성이 지속적으로 제기되고 있다.Therefore, there is a continuous need to study a variety of new types of thin films that can compensate for the drawbacks of surface treatment techniques as described above.

그러나, 아직까지 실효성있는 기술이 구체적으로 제공된 바 없으며, 연구단계에 머무르고 있는 실정이다.However, no effective technology has been specifically provided so far, and it remains in the research stage.

본 발명은 상술한 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출한 것으로, 질화크롬 박막에 지르코늄을 첨가하여 기존 경질 박막이 갖는 기계적 특성상의 한계를 극복함과 동시에 DLC 박막이 갖는 온도 및 습도 영향에 따른 특성 저감 한계도 극복하여 내마모성과 고윤활성을 동시에 갖추되 환경친화적이면서 장수명화를 꾀할 수 있도록 한 고경도, 고윤활성 피복재 및 그 피복방법을 제공함에 그 주된 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems in view of the above-mentioned prior art, by adding zirconium to the chromium nitride thin film to overcome the limitations of the mechanical properties of the existing hard thin film and at the same time the effect of temperature and humidity of the DLC thin film Its main purpose is to provide a high hardness, high lubrication coating material and its coating method that overcome the limitations of the reduction of properties and provide both abrasion resistance and high lubrication activity, while being environmentally friendly and long life.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment according to the present invention.

먼저, 본 발명은 CrN에 Zr을 첨가시키는 박막 합성을 통해 경도 증대 및 표면 조도(Roughness)를 낮춰 높은 윤활성을 얻도록 한 것이며, 또한 비대칭 마그네트론 스퍼터링법을 채택하여 플라즈마 밀도와 이온화율을 극대화시킨 것으로 개략적인 공정원리는 다음과 같다.First, the present invention is to obtain a high lubricity by increasing the hardness and lower the surface roughness (Roughness) through the thin film synthesis by adding Zr to CrN, and also maximize the plasma density and ionization rate by adopting the asymmetric magnetron sputtering method The schematic process principle is as follows.

즉, 코팅하고자 하는 재료가 타겟으로 장착된 음극에 자석이 장착되어 타겟 표면과 평행한 방향으로 자장을 인가하여 전자를 집속함과 동시에 전자가 그 주변에서 선회되도록 함으로써 플라즈마를 타겟 표면의 매우 가까운 곳에 유지시키도록 하며, 이러한 현상에 의해 플라즈마 밀도와 이온화율이 증가하게 되고, 그 결과 다량 생산된 이온에 의한 방전전류가 증가하면서 스퍼터 속도도 향상되게 된다.That is, the magnet is mounted on the cathode on which the material to be coated is applied as a target to apply a magnetic field in a direction parallel to the target surface to focus the electrons and to rotate the electrons in the vicinity thereof so that the plasma is very close to the target surface. As a result, the plasma density and the ionization rate are increased by this phenomenon, and as a result, the sputtering rate is also improved while increasing the discharge current by the mass produced ions.

따라서, 타겟에 충돌하는 이온의 수가 증가하게 되어 결국 증착속도가 향상되게 된다.Therefore, the number of ions colliding with the target is increased, resulting in an increase in deposition rate.

이때, 두 개의 스퍼터링 증착원을 장착한 자석은 폐회로의 자장을 형성시키기 위해 서로 극을 달리하여 설치됨이 바람직하다.At this time, it is preferable that the magnets equipped with the two sputtering deposition sources are installed with different poles from each other to form a magnetic field of the closed circuit.

또한, 사용 타겟으로는 99.9%의 순도를 갖는 Cr과 99.9%의 순도를 갖는 Zr을 사용함이 바람직하다.In addition, it is preferable to use Cr having a purity of 99.9% and Zr having a purity of 99.9% as targets for use.

도 1은 본 발명에 따른 코팅장치의 예시적인 개략 구성도이고, 도 2는 도 1의 요부 확대도로서 타겟이 2개인 경우이다.FIG. 1 is an exemplary schematic configuration diagram of a coating apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is an enlarged view of main parts of FIG. 1 in the case of two targets.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 내부에서 코팅작업이 수행되는 진공챔버(10)가 구비되고, 상기 진공챔버(10)의 일측에는 이를 적정 진공도, 이를테면 10-3~10-5Torr 이하로 떨어드릴 수 있는 진공펌프(20)가 구비되며, 상기 진공챔버(10)의 내부 적소에는 서로 일정각도(40~50°)를 이룬 채 Cr 박막 합성 및 Zr 박막 합성을 위한 Cr증착원(30)과 Zr증착원(40)이 구비된다.As shown in Figure 1 and 2, there is provided a vacuum chamber 10, the coating operation is performed therein, one side of the vacuum chamber 10 is a suitable vacuum degree, such as 10 -3 ~ 10 -5 Torr or less It is provided with a vacuum pump 20 that can be dropped in, the inside of the vacuum chamber 10 is formed at a certain angle (40 ~ 50 °) with each other Cr Cr deposition source for Cr thin film synthesis and Zr thin film synthesis (30) ) And Zr deposition source 40 is provided.

이때, 상기 Cr 및 Zr증착원(30,40)은 마그네트론 스프터링 증착원으로서 상술하였듯이 서로 비대칭되게 설치된다.At this time, the Cr and Zr deposition sources 30 and 40 are asymmetrically installed with each other as described above as the magnetron sputtering deposition source.

즉, 도 2에서와 같이, 마그네트론인 Cr증착원(30)의 자극은 S-N-S로 배치되고, 그 하면에 Cr타겟(32)이 부착되는 구조인 반면에, 마그네트론인 Zr증착원(40)의 자극은 N-S-N으로 배치되고, 그 하면에 Zr타겟(42)이 부착되는 구조로 이루어짐이 바람직하다.That is, as shown in Figure 2, the magnetic pole of the Cr deposition source 30, which is a magnetron is arranged in the SNS, while the Cr target 32 is attached to the lower surface, while the magnetic pole of the Zr deposition source 40, which is a magnetron Is disposed in the NSN, it is preferable that the Zr target 42 is attached to the structure made of a structure.

그리고, 상기 진공챔버(10)의 내부 중심에는 상기 Cr증착원(30) 및 Zr증착원(40)과 일정거리를 유지할 수 있도록 승하강 가능하면서 회전구동될 수 있는 구조의 회전지그(50)가 설치되고, 상기 회전지그(50)의 상면에는 시편(S)이 안착되며, 상기 시편(S)과 Cr 및 Zr증착원(30,40) 사이에는 셔터(60)가 마련된다.In addition, a rotary jig 50 having a structure capable of being moved up and down while being able to move up and down to maintain a predetermined distance with the Cr deposition source 30 and the Zr deposition source 40 is formed at the inner center of the vacuum chamber 10. Is installed, the specimen (S) is seated on the upper surface of the rotary jig 50, the shutter 60 is provided between the specimen (S) and the Cr and Zr deposition sources (30, 40).

이때, 상기 회전지그(50)는 직류 및 펄스직류 바이어스전압(-)을 인가할 수 있도록 진공 및 절연처리된 상태로 구비되어야 하며, 상기 셔터(60)는 플라즈마의 안정화를 위해 타겟 표면의 이물질이 제거되는 동안 시편(S) 표면이 증착되는 것을 방지하게 된다.At this time, the rotary jig 50 should be provided in a vacuum and insulated state to apply a direct current and a pulsed DC bias voltage (-), and the shutter 60 has a foreign material on the target surface to stabilize the plasma. The specimen surface is prevented from being deposited during removal.

여기에서, 상기 직류 바이어스전압은 바이어스를 걸지 않아도 박막이 증착되지만 박막의 증착율을 높게 하기 위해서는 타겟에서 나오는 Cr+ 같은 (+)이온들을 시편에 더 잘 증착되도록 (-)를 걸어주게 되는 바, 이때 바이어스를 일정하게 하기 위한 수단으로 직류 및 펄스직류 바이어스가 바람직하고, -50~ -200V를 걸어줌이 특히 바람직한데 그 이유는 -200V 보다 더 낮게 되면 증착율 증가효과가 없고 -50V 보다 높게 되면 (+)이온들이 빠르게 가속되어 오히려 모재에서 이온 충돌에 의해 박막 증착을 방해하기 때문이다. In this case, the DC bias voltage is a thin film is deposited without bias, but in order to increase the deposition rate of the thin film (+) ions such as Cr + from the target to be deposited on the specimen to be better, at this time Direct current and pulsed DC bias are preferred as a means to keep the bias constant, and a -50 to -200V range is particularly preferable because when it is lower than -200V, there is no effect of increasing deposition rate and when it is higher than -50V (+ This is because the ions accelerate rapidly and rather impede thin film deposition by ion bombardment in the substrate.

또한, 상기 진공챔버(10)의 일측에는 박막 합성시 사용되는 분위기 가스인 질소 또는 아르곤 가스의 유량을 조절하기 위한 유량조절부(70)가 구비된다.In addition, one side of the vacuum chamber 10 is provided with a flow rate control unit 70 for adjusting the flow rate of nitrogen or argon gas which is an atmosphere gas used in the synthesis of a thin film.

이와 같은 코팅장치를 통해 시편(S) 표면에는 본 발명 피복재인, 중량%로 42.9~75.8Cr-6.0~38.4Zr-18.2~20.7N 성분조성의 박막을 얻을 수 있게 된다.Through such a coating apparatus, the surface of the specimen (S) can obtain a thin film of 42.9 ~ 75.8Cr-6.0 ~ 38.4Zr-18.2 ~ 20.7N component composition by weight of the present invention coating material.

한편, 본 발명은 1개의 마그네트론 스퍼터링 증착원을 사용하여 원하는 조성의 박막을 제조할 수도 있는 바, 도 3은 그러한 예를 보여준다.Meanwhile, the present invention may produce a thin film of a desired composition by using one magnetron sputtering deposition source, and FIG. 3 shows such an example.

즉, 도 3은 본 발명에 따른 코팅장치중 타겟이 1개인 경우를 보인 예시도로서, 진공펌프(20)에 의해 적정 진공도를 유지하는 진공챔버(10)의 양측벽에 서로 대향되게 한쌍의 Cr-Zr타겟(82)이 Cr-Zr증착원(80)에 부착설치되고, 진공챔버(10)의 내부 중앙에는 회전모터(M)에 의해 회전가능한 회전지그(미도시)가 설치되며, 이 회전지그상에는 시편(S)이 고정되고, 상기 Cr-Zr증착원(80)에 전원을 공급할 수 있는 바이어스 공급원(90)이 마련되며, 이 바이어스 공급원(90)의 전원공급에 의해 내부자장과 외부자장의 세기를 달리하도록 하여 플라즈마영역(P)을 최대한 시편(S)에 가깝게 함으로써 Cr-Zr타겟(82)으로부터 이탈된 Cr, Zr 입자(이온, 원자, 분자 등 포함)들이 시편(S)에 균일하게 증착되면서 높은 증착율을 가질 수 있도록 할 수 있다.That is, Figure 3 is an exemplary view showing a case of one coating device according to the present invention, a pair of Cr to be opposed to each other on both side walls of the vacuum chamber 10 to maintain a proper degree of vacuum by the vacuum pump 20 -The Zr target 82 is attached to the Cr-Zr deposition source 80, a rotating jig (not shown) rotatable by the rotating motor (M) is installed in the inner center of the vacuum chamber 10, this rotation The specimen (S) is fixed on the jig, a bias source 90 for supplying power to the Cr-Zr deposition source 80 is provided, the internal magnetic field and the external magnetic field by the power supply of the bias source (90) Plasma region (P) as close to the specimen (S) by varying the intensity of the Cr, Zr particles (including ions, atoms, molecules, etc.) separated from the Cr-Zr target 82 is uniform in the specimen (S) It is possible to have a high deposition rate while being deposited.

여기에서, 상기 바이어스 공급원(90)은 상술한 도 1,2의 예에서와 같다.Here, the bias source 90 is the same as in the above examples of FIGS.

이와 같은 증착과정을 거쳐 도 4에서와 같은 본 발명 피복재(박막)을 얻을 수 있게 된다.Through this deposition process, the present invention coating material (thin film) as shown in FIG. 4 can be obtained.

즉, 도 4는 본 발명에 따른 피복재(박막)의 구조를 보인 것인데, 도시와 같이 본 발명 피복재(박막)는 금속재질의 모재(100) 위에 응력을 해소하면서 밀착력을 향상시키기 위한 중간층(200)과, 그 위에 고경도 및 고윤활 특성을 갖는 수 ㎛의 Cr-Zr-N층(300)이 증착되어 적층형성된 구조를 갖는다.That is, Figure 4 shows the structure of the coating material (thin film) according to the present invention, the coating material (thin film) of the present invention as shown in the intermediate layer 200 for improving the adhesion while relieving stress on the base metal material 100 of the metal material And a Cr-Zr-N layer 300 having a thickness of several μm having high hardness and high lubrication thereon is deposited to form a laminate.

이때, 상기 중간층(200)은 주로 Cr층 혹은 CrN층으로 이루어짐이 바람직하고, 그 두께는 0.5~1.5㎛가 바람직하며, 그 이유는 중간층(200)없이 곧바로 모재 위에 박막이 증착되게 되면 잔류응력이 발생되기 때문에 이의 해소를 위함인 바, 너무 두꺼우면(1.5㎛ 이상) 박막의 물성이 떨어지고, 너무 얇으면(0.5㎛ 이하) 잔류응력 해소능력 및 밀착성이 떨어지기 때문에 상기한 두께의 범위를 유지함이 특히 바람직하다.At this time, the intermediate layer 200 is preferably mainly composed of a Cr layer or a CrN layer, the thickness is preferably 0.5 ~ 1.5㎛, the reason is that if the thin film is deposited directly on the base material without the intermediate layer 200, the residual stress is Because it is generated to solve this problem, if the thickness is too thick (more than 1.5㎛), the physical properties of the thin film are too low, and if it is too thin (0.5㎛ or less), the residual stress resolution ability and adhesion are inferior. Particularly preferred.

또한, 상기 Cr-Zr-N층(300)은 고경도 및 고윤활 특성을 유지하기 위해 2~6㎛의 두께를 가짐이 바람직하다.In addition, the Cr-Zr-N layer 300 preferably has a thickness of 2 ~ 6㎛ to maintain high hardness and high lubrication characteristics.

이때, 상기 두께범위로 한정하는 이유는 2㎛ 이하의 두께를 갖게 되면 박막 특성이 모재의 영향을 받아 자체의 물성보다 낮게 될 우려가 높고, 6㎛ 이상의 두께를 갖게 되면 박막의 잔류응력이 많아져 밀착성이 떨어지게 되므로 상기 두께범위가 적당하다.At this time, the reason for limiting the thickness range is that when the thickness of 2㎛ or less has a high risk that the thin film characteristics are lower than its physical properties under the influence of the base material, when the thickness of 6㎛ or more increases the residual stress of the thin film Since the adhesion is inferior, the thickness range is appropriate.

이하에서는, 본 발명에 따른 피복재(박막)의 제조방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method of the coating | covering material (thin film) which concerns on this invention is demonstrated.

본 발명 피복재의 제조를 위해, 먼저 회전지그(50)상에 시편(S)을 안착시킨 다음 회전지그(50)를 진공챔버(10) 내부 적소로 상승 배치시킨다.In order to manufacture the coating material of the present invention, the specimen (S) is first seated on the rotary jig 50, and then the rotary jig 50 is placed upwardly in place in the vacuum chamber 10.

이때, 상기 진공챔버(10)에는 타겟을 Cr과 Zr 2개로 분리한 Cr 및 Zr증착원(30,40) 혹은 타겟을 Cr-Zr 1개로 한 Cr-Zr증착원(80)이 상기 시편(S)과 일정거리(5~15㎝)를 두고 배치된다.At this time, in the vacuum chamber 10, the Cr and Zr deposition sources 30 and 40 which separate the target into two Cr and Zr, or the Cr-Zr deposition source 80 having the target as one Cr-Zr are the specimens (S). ) And a certain distance (5 ~ 15㎝) is arranged.

이어, 진공펌프(20)를 이용하여 상기 진공챔버(10) 내부를 고진공화시키게 되고, 진공이 완료되면 유량조절부(70)를 통해 진공챔버(10) 내부로 불활성가스를 적정량 공급하여 분위기 가스로 채우게 된다.Subsequently, the inside of the vacuum chamber 10 is high-vacuumed by using the vacuum pump 20, and when the vacuum is completed, an appropriate amount of inert gas is supplied into the vacuum chamber 10 through the flow rate adjusting unit 70 to supply the atmosphere gas. Filled with.

여기에서, 상기 불활성가스의 공급유량은 Ar의 경우 2.0~4.0 mTorr가 바람직하고, N2의 경우에는 0.8~2.0 mTorr가 바람직하다.Here, the supply flow rate of the inert gas is preferably 2.0 to 4.0 mTorr for Ar, and 0.8 to 2.0 mTorr for N 2 .

이는 플라즈마 현상이 일어나려면 어느 정도의 진공도를 유지하여야 하고, 최적의 플라즈마 밀도를 유지하기 위해서는 불활성가스인 아르곤을 일정량 주입시켜야 하는데 이때 질소를 동시 주입하게 되면 아르곤의 양을 줄일 수 있게 된다.This is to maintain a certain degree of vacuum in order to occur the plasma phenomenon, and in order to maintain the optimum plasma density, an amount of argon, which is an inert gas, must be injected. At this time, when nitrogen is injected, the amount of argon can be reduced.

그러나, 아르곤의 양이 너무 적으면 타겟에 충돌하는 아르곤 이온의 양이 적 기 때문에 증착율이 떨어지고, 너무 많으면 타겟에서 떨어져 나온 입자들이 아르곤과 충돌하면서 또한 증착율을 떨어뜨리게 되므로 상술한 정도의 양이 가장 적당하며, 질소의 경우에는 그 양이 너무 적으면 고경도 화합물이 형성되지 않게 되고, 너무 많으면 잉여의 질소가 타겟 표면에 흡착되어 포이슨(poison) 효과에 의해 타겟의 스퍼터 수율이 급격히 저하되기 때문에 상술한 양이 가장 적당하다.However, if the amount of argon is too small, the deposition rate decreases because the amount of argon ions that collide with the target is small. If the amount of argon is too high, the particles falling off the target collide with argon and also lower the deposition rate. In the case of nitrogen, if the amount is too small, a high hardness compound will not be formed. If too much, excess nitrogen is adsorbed on the target surface, and the sputter yield of the target is drastically lowered by the poison effect. The above-mentioned amount is most suitable.

이 상태에서, 회전지그(50)를 일정속도로 회전시키면서 전원을 공급하여 Cr타겟 및 Zr타겟으로부터 각 타겟은 이온화된 아르곤에 의해 스퍼터링됨으로써 고경도, 고윤활 특성을 갖는 Cr-Zr-N층(300)을 얻을 수 있게 된다.In this state, while supplying power while rotating the rotary jig 50 at a constant speed, each target is sputtered by ionized argon from the Cr target and the Zr target to form a Cr-Zr-N layer having high hardness and high lubrication characteristics. 300).

이때, 상기 회전지그(50)의 회전속도는 10~20rpm으로 유지시킴이 바람직하며, 공급되는 소스파워는 Cr타겟의 경우 DC 10~20 W/㎠이 바람직하고, Zr타겟의 경우는 Pulsed DC 2.0~3.2A(Frequency:20kHz, Duty:50%)가 바람직하다.At this time, the rotational speed of the rotary jig 50 is preferably maintained at 10 ~ 20rpm, the source power supplied is preferably DC 10 ~ 20 W / ㎠ for Cr target, Pulsed DC 2.0 for Zr target 3.2A (Frequency: 20 kHz, Duty: 50%) is preferable.

여기에서, 회전지그(50)를 회전시키는 이유는 도 2에서와 같이 다른 종류의 타겟을 사용할 경우 시편이 위치별로 각 타겟과 거리가 달라 증착율 및 조성을 달리하게 되므로 시편에 균일한 박막을 증착시키기 위한 것이다.Here, the reason for rotating the rotary jig 50 is that when using different types of targets, as shown in Figure 2 because the specimens are different from each target by distance and the deposition rate and composition is different for depositing a uniform thin film on the specimen will be.

아울러, 상기 과정에서 시편에 걸리는 바이어스 전압은 상술한 바와 같이 직류 -50~ -200V가 바람직하다.In addition, the bias voltage applied to the specimen in the process is preferably a direct current -50 ~ -200V as described above.

한편, 본 발명에서는 비대칭 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 본 발명 피복재를 제조하는 것에 대하여 설명하였으나 이에 국한되지 않고 음극아크 이온플레 이팅법, 이온빔 스퍼터링법, 전자빔 증착법, 저항가열 증착법 등과 같은 여타의 PVD(물리적 기상 증착)법과; 고온 CVD(화학적 기상 증착)법, 플라즈마 CVD법, MOCVD(금속 유기물 증착)법 등과 같은 여타의 CDV법에 의해서도 제조할 수 있음은 물론이다.Meanwhile, the present invention has been described for manufacturing the coating material of the present invention using an asymmetric magnetron sputtering method, but is not limited thereto, and other PVDs (such as cathode arc ion plating method, ion beam sputtering method, electron beam deposition method, resistance heating deposition method, etc.) Vapor deposition); Of course, it can also be produced by other CDV methods such as high temperature CVD (chemical vapor deposition), plasma CVD, MOCVD (metal organic substance deposition).

[실시예]EXAMPLE

이하에서는, 본 발명에 따른 실시예를 설명하기로 한다.Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described.

먼저, 본 발명 피복재의 성분조성은 하기한 표 1과 같이 구성하였으며 이는 본 발명의 기술사상인 중량%로 42.9~75.8Cr-6.0~38.4Zr-18.2~20.7N의 조성범위에 대하여 나타낸 것이다.First, the composition of the coating material of the present invention was configured as shown in Table 1 below, which is shown for the composition range of 42.9 ~ 75.8Cr-6.0 ~ 38.4Zr-18.2 ~ 20.7N in the weight percent of the technical idea of the present invention.

이때, 하기한 표 1에 기재된 원자비율(at%)은 농도표시법중 하나를 말하며, 보통 이론적인 계산을 위해 원자수의 비율로 농도를 표시할 때 사용하는 표시법중 하나이다.In this case, the atomic ratio (at%) described in Table 1 below refers to one of the concentration display methods, and is usually one of the display methods used to display the concentration in the ratio of atomic number for theoretical calculation.

Figure 112007033253265-pat00009
Figure 112007033253265-pat00009

상기 표 1과 같이 Cr-Zr-N의 조성비가 변화되는 발명재들의 성분조성을 가지고 본 발명 피복재를 실제로 제조한 공정조건은 다음과 같다.As shown in Table 1, the process conditions of actually preparing the coating material of the present invention with the composition of components of the invention in which the composition ratio of Cr-Zr-N is changed are as follows.

◎ 공정압력: 4.2×10-3 Torr◎ Process pressure: 4.2 × 10 -3 Torr

◎ 가스유량: Ar: 3.0mTorr / N2: 1.2mTorr◎ Gas flow rate: Ar: 3.0mTorr / N 2 : 1.2mTorr

◎ 마그네트론소스: ◎ Magnetron Source:

소스 1: 순수 Cr(99.9% 이상의 순도)Source 1: Pure Cr (99.9% or higher)

소스 2: 순수 Zr(99.9% 이상의 순도)Source 2: Pure Zr (99.9% or higher purity)

◎ 소스파워:◎ Source Power:

소스 1: DC 15.28 W/㎠Source 1: DC 15.28 W / cm 2

소스 2: Pulsed DC 0.4~3.2A(Frequency:20kHz, Duty:50%)Source 2: Pulsed DC 0.4-3.2A (Frequency: 20 kHz, Duty: 50%)

◎ 시편온도: 약 200 ℃◎ Specimen temperature: about 200 ℃

◎ 회전지그 회전속도: 15 rpm◎ Rotating Jig Rotational Speed: 15 rpm

◎ 시편 바이어스 전압: 직류 -100VSpecimen bias voltage: DC -100V

이때, Cr타겟의 방전전류는 일정(DC 15.28 W/㎠)하게 하고 Zr타겟의 방전전류를 증가(0.4A씩 증가)시키면서 Zr의 함량을 순차로 높이면서 변화시키도록 한 것이며, 각 성분의 조성비는 이 과정에서 변화되는 Zr의 함량에 따른 비율이다.At this time, the discharging current of Cr target is to be constant (DC 15.28 W / ㎠) and the Zr target is changed by increasing the content of Zr sequentially while increasing the discharging current of Zr target (in 0.4A increments). Is the ratio according to the amount of Zr changed in this process.

그리고, 상기 발명재들 중 기존재와 발명재 7로 제조한 박막을 주사전자현미경과 투과전자현미경으로 표면조직과 표면조도형상을 촬영하여 도 5와 도 6에 나타내었다.In addition, the thin film prepared by using the existing material and the invention material 7 of the invention material and the surface texture and surface roughness by taking a scanning electron microscope and shown in Figure 5 and 6 shown in FIG.

도 5에서와 같이, Zr함량=0일 때의 성분조성비를 갖는 기존재 박막은 주상조직을 나타내었으며, 또한 그 표면(310)은 매우 거칠게 나타났고, 이때의 경도는 약 21GPa로 측정되었으며, 표면(310) 거칠기는 5.2nm 였다.As shown in Figure 5, the existing material thin film having a composition ratio when the Zr content = 0 exhibited columnar structure, and the surface 310 was very rough, the hardness was measured to be about 21GPa, the surface The roughness (310) was 5.2 nm.

또한, 도 6에서와 같이, Zr함량=34.3중량% 일 때의 성분조성비를 갖는 발명재 7로 제조한 박막, 즉 47.5wt%Cr-34.3wt%Zr-18.2wt%N층(300')의 경우에는 기존재에 비해 매우 미세한 박막으로 나타났으며, 표면조도의 경우에도 매우 우수한 조도를 갖는 것을 확인하였다. 또한 이때의 경도는 약 34GPa로 측정되었으며, 표면(310') 거칠기는 0.8nm 였다.In addition, as shown in Figure 6, the thin film made of the invention material 7 having a component composition ratio when Zr content = 34.3% by weight, that is, of 47.5wt% Cr-34.3wt% Zr-18.2wt% N layer (300 '). In this case, it appeared as a very fine thin film compared to the existing material, it was confirmed that the surface roughness has a very good roughness. In addition, the hardness at this time was measured to be about 34GPa, the surface 310 'roughness was 0.8nm.

따라서, x값이 커질수록 경도 및 표면조도가 향상됨을 확인할 수 있었다.Therefore, it was confirmed that the hardness and surface roughness improved as the x value increased.

이에, 종래재인 DLC, CrN과 본 발명에 따른 발명재 6,7,8을 동일한 마모시험 조건에서 시험하여 그 마찰계수 및 윤활성을 비교시험하여 본 발명이 갖는 특성을 평가하였으며, 마모시험조건은 다음과 같고, 그 결과는 도 7에 그래프로 나타내었다.Therefore, DLC, CrN, and the inventive materials 6, 7, and 8 according to the present invention were tested under the same abrasion test conditions, and the friction coefficient and lubricity test were compared to evaluate the characteristics of the present invention. And the results are shown graphically in FIG. 7.

◎ 시편: Si 웨이퍼(100) 위에 1.5㎛ 박막 증착◎ Specimen: 1.5 탆 thin film deposited on Si wafer 100

◎ 상대재: AISI 52100 스틸볼(Hv=1100)◎ Counterpart: AISI 52100 Steel Ball (Hv = 1100)

◎ 하중: 4N◎ load: 4N

◎ 회전속도: 220 rpm◎ Speed: 220 rpm

◎ 온도: 상온(25±1℃)◎ Temperature: Room temperature (25 ± 1 ℃)

◎ 실험환경: 대기중(비교습도: 50 and 90%)◎ Experimental environment: in the air (comparative humidity: 50 and 90%)

도 7의 그래프에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 발명재 6,7,8의 경우 모두 마모율이 낮아 고경도를 갖는 것으로 알려진 종래재인 CrN 보다 50%, 90%의 습도분위기에서 마찰계수가 낮게 나타남을 확인하였다.As shown in the graph of Figure 7, in the case of the invention materials 6, 7, and 8 according to the present invention, the friction coefficient is lower in the humidity atmosphere of 50%, 90% than CrN, a conventional material known to have high hardness due to low wear rate. It was confirmed.

이는 상기와 같은 습도분위기하에서 마찰계수가 그 만큼 낮다는 것으로 마찰계수가 낮다는 의미는 같은 하중을 박막에 가해도 낮은 마찰계수의 박막에 더 적은 하중이 가해진다는 것을 의미한다.This means that the friction coefficient is as low as the friction coefficient under the above-mentioned humidity atmosphere, which means that even if the same load is applied to the thin film, less load is applied to the thin film of the low friction coefficient.

또한, 윤활성이 좋다고 알려진 DLC와 비교해봐도 50%의 낮은 습도분위기에서는 본 발명에 따른 발명재 6,7,8의 마찰계수가 0.17~0.25를 나타내고 있어 0.1 정도를 갖는 상기 DLC에 비해 미세하게 높게 나타나기는 했지만 90%의 높은 습도분위기에서는 DLC가 0.23으로 높게 나타난 반면 본 발명에 따른 발명재 6,7,8은 0.2 이하로 나타나고 있어 DLC에 비해 현저히 우수함을 알 수 있었다.In addition, even when compared to DLC, which is known to have good lubricity, the coefficient of friction of Inventive Materials 6, 7, and 8 according to the present invention exhibits a coefficient of friction of 0.17 to 0.25, which is slightly higher than that of DLC having 0.1. However, in the high humidity atmosphere of 90%, DLC was found to be 0.23, while Inventive Materials 6, 7, and 8 according to the present invention were found to be 0.2 or less, which is remarkably superior to DLC.

이러한 시험결과를 통해, 본 발명 피복재는 22~34Gpa까지 높은 경도값을 갖도록 구성할 수 있고, 또한 마찰계수도 0.2 이하로 낮출 수 있어 기존 CrN 박막에 비해 1.5배 이상의 고경도와 마찰계수를 60% 이상 감소시킬 수 있음을 확인하였고, 나아가 기존 경질코팅의 한계를 극복하고 윤활박막으로 대표되는 DLC의 단점인 온도 및 습도의 문제도 해결할 수 있어 고온의 금형 코팅이나 습윤한 고윤활제품에 효과적으로 적용할 수 있을 것으로 기대된다.Through these test results, the coating material of the present invention can be configured to have a high hardness value of 22 ~ 34Gpa, and also the friction coefficient can be lowered to 0.2 or less, 1.5 times higher hardness and friction coefficient than 60% than the existing CrN thin film In addition, it overcomes the limitations of existing hard coatings and solves the problems of temperature and humidity, which are disadvantages of DLC represented by lubricating thin film, and can be effectively applied to high temperature mold coating or wet high lubrication products. It is expected to be.

따라서, 단순한 CrN 박막 구조에 Zr를 일정비율로 고용시킴으로써 본 발명에서 해결하고자 하는 바인 고경도 특성을 가지면서 고온, 다습한 분위기에서도 쉽게 마모되지 않고, 윤활성도 매우 우수하여 상대재의 마모를 극소화시킬 수 있는 새로운 형태의 피복재를 제조할 수 있음을 확인하였다.Therefore, by employing Zr in a certain ratio in a simple CrN thin film structure, it has high hardness characteristics, which is to be solved in the present invention, and is not easily worn even in a high temperature and humid atmosphere, and has excellent lubricity, thereby minimizing wear of the counterpart material. It has been found that new types of cladding can be produced.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 기존 CrN 박막에 Zr을 첨가함으로써 마모율이 극히 적은 고경도 박막의 제조가 가능하고, 아울러 고온이나 다습한 분위기하에서도 그 특성을 유지할 수 있어 표면처리 제품의 내구성을 현저히 향상시키는 장점을 제공한다.As described in detail above, the present invention enables the manufacture of a high hardness thin film having extremely low abrasion rate by adding Zr to an existing CrN thin film, and also maintains its characteristics even in a high temperature or high humidity atmosphere, thereby making the surface treated product durable. It offers the advantage of significantly improving.

Claims (7)

금형 또는 윤활제품의 모재상에 진공증착되어 박막층을 형성하는 피복재에 있어서;In the coating material which vacuum-deposits on the base material of a metal mold | die or a lubrication product, and forms a thin film layer; 상기 박막층은, 중량%로 42.9~75.8Cr-6.0~38.4Zr-18.2~20.7N의 성분조성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고경도, 고윤활성 피복재.The thin film layer is a high hardness, high lubricating coating material, characterized in that the composition consisting of 42.9 ~ 75.8Cr-6.0 ~ 38.4Zr-18.2 ~ 20.7N by weight. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 박막층의 두께는 2~6㎛ 인 것을 특징으로 하는 고경도, 고윤활성 피복재.The high hardness, high lubricity coating material, characterized in that the thickness of the thin film layer is 2 ~ 6㎛. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 박막층은 모재와의 사이에 잔류 응력을 해소하기 위해 Cr 혹은 CrN으로 이루어진 중간층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고경도, 고윤활성 피복재.The thin film layer is a high hardness, high lubricating coating material, characterized in that it further comprises an intermediate layer made of Cr or CrN to relieve residual stress between the base material. 진공층착용 모재를 진공챔버 내부의 회전지그에 배치하고, 타겟인 마그네트론소스로 Cr과 Zr증착원 혹은 Cr-Zr증착원을 장착하는 단계와;Placing a base material for vacuum layer deposition on a rotating jig in the vacuum chamber, and mounting Cr and Zr deposition sources or Cr-Zr deposition sources with a magnetron source as a target; 모재가 배치되면 진공챔버 내부를 10-3~10-5Torr로 진공하고, 분위기가스로 불활성가스를 주입하는 단계와;When the base material is disposed, vacuuming the inside of the vacuum chamber to 10 −3 to 10 −5 Torr and injecting an inert gas into the atmosphere gas; 분위기가스가 주입되면 회전지그를 10~20rpm으로 회전시키면서 소스파워로 DC 혹은 Pulsed DC를 인가하여 플라즈마를 발생시키는 단계와;Generating an plasma by applying DC or pulsed DC to the source power while rotating the rotary jig at 10 to 20 rpm when the atmospheric gas is injected; 모재에 바이어스 전압을 걸어 발생된 플라즈마를 모재에 진공증착하여 박막층을 형성시키는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고경도, 고윤활성 피복재의 피복방법.A method of coating a high hardness, highly lubricating coating material, comprising the step of forming a thin film layer by vacuum depositing a plasma generated by applying a bias voltage to the base material to the base material. 청구항 4에 있어서,The method according to claim 4, 상기 마그네트론소스 장착단계에서, 상기 마그네트론소스는 모재와 40~50°의 각도를 두고 비대칭적으로 경사 배치되거나 혹은 모재와 수직하게 그 양측에 인접 설치되는 것을 특징으로 고경도, 고윤활성 피복재의 피복방법.In the magnetron source mounting step, the magnetron source is asymmetrically disposed inclined at an angle of 40 ~ 50 ° with the base material or installed adjacent to both sides perpendicular to the base material, characterized in that the coating method of high hardness, high lubrication coating . 청구항 4에 있어서,The method according to claim 4, 상기 박막층 형성단계에서, 모재와 박막층 사이에는 잔류 응력을 해소하기 위해 Cr 혹은 CrN으로 이루어진 중간층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고경도, 고윤활성 피복재의 피복방법.In the thin film layer forming step, the method of coating a high hardness, high lubricating coating material, characterized in that it further comprises the step of forming an intermediate layer made of Cr or CrN between the base material and the thin film layer to relieve residual stress. 청구항 4에 있어서,The method according to claim 4, 상기 박막층 형성단계에서, 진공증착 방식은 마그네트론 스퍼터링법, 음극아크 이온플레이팅법, 이온빔 스퍼터링법, 전자빔 증착법, 저항가열 증착법, 고온 CVD법, 플라즈마 CVD법, MOCVD법 중에서 선택된 어느 하나의 방식으로 수행되는 것 을 특징으로 하는 고경도, 고윤활성 피복재의 피복방법.In the thin film layer forming step, the vacuum deposition method is performed by any one method selected from magnetron sputtering method, cathode arc ion plating method, ion beam sputtering method, electron beam deposition method, resistance heating deposition method, high temperature CVD method, plasma CVD method, MOCVD method Coating method of high hardness, high lubricating coating material, characterized in that.
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