KR101519252B1 - TiAgMoN 코팅층 형성방법 - Google Patents

Abstract

Ti소스, Mo소스, Ag소스 및 질소, 아르곤 분위기가스를 이용하여 플라즈마 코팅하는 TiAgMoN 코팅층 형성방법으로서, 코팅챔버를 진공처리하는 진공단계; 및 챔버내에 아르곤가스와 질소가스를 투입하고 Ti소스, Mo소스 및 Ag소스에 각각 전원을 인가하여 모재의 표면에 TiAgMoN 코팅층을 형성하되, 코팅층에서 Mo의 비율이 4~6 at%가 되도록 Mo소스의 파워를 제어하는 코팅단계;를 포함하는 TiAgMoN 코팅층 형성방법이 소개된다.

Description

TiAgMoN 코팅층 형성방법 {METHOD FOR COATING TiAgMoN LAYER}

본 발명은 고온 저마찰 특성이 우수한 TiAgN 코팅층 내에 고온 저마찰 및 경도 특성을 동시에 향상시킬 수 있는 Mo를 첨가하여 자동차 엔진 내부의 모든 온도 범위 내, 특히 고온 저마찰 및 경도 특성을 동시에 극대화할 수 있는 TiAgMoN 코팅층 형성방법에 관한 것이다.

현 엔진 구동부품 등의 코팅재로 사용되는 DLC의 경우, 상온에서의 저마찰 및 내마모성은 우수하지만 고온에서의 내마모성 및 저마찰 특성은 저하되어 열악한 내구 특성을 지닌다.

따라서, 이에 대한 대안으로 내열특성을 갖는 TiN 코팅재 내부에 Mo를 첨가하여 경도특성을 증대시키고자 하는 것이다.

더불어 Mo 원소를 첨가하여 고온에서의 저마찰 특성을 향상시킴으로써 고온에서의 내구특성을 증대시키고자 한다.

따라서 본 발명에서는 고온 저마찰 특성이 우수한 TiAgN 코팅층 내에 고온 저마찰 및 경도 특성을 동시에 향상시킬 수 있는 Mo를 첨가하여 자동차 엔진 내부의 모든 온도 범위 내, 특히 고온 저마찰 및 경도 특성을 동시에 극대화할 수 있도록 한다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2013-0105086 A

본 발명은 고온 저마찰 특성이 우수한 TiAgN 코팅층 내에 고온 저마찰 및 경도 특성을 동시에 향상시킬 수 있는 Mo를 첨가하여 자동차 엔진 내부의 모든 온도 범위 내, 특히 고온 저마찰 및 경도 특성을 동시에 극대화할 수 있는 TiAgMoN 코팅층 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 TiAgMoN 코팅층 형성방법은, Ti소스, Mo소스, Ag소스 및 질소, 아르곤 분위기가스를 이용하여 플라즈마 코팅하는 TiAgMoN 코팅층 형성방법으로서, 코팅챔버를 진공처리하는 진공단계; 및 챔버내에 아르곤가스와 질소가스를 투입하고 Ti소스, Mo소스 및 Ag소스에 각각 전원을 인가하여 모재의 표면에 TiAgMoN 코팅층을 형성하되, 코팅층에서 Mo의 비율이 4~6 at%가 되도록 Mo소스의 파워를 제어하는 코팅단계;를 포함한다.

코팅단계에서는 코팅층에서 Ag의 비율이 20~25 at%가 되도록 Ag소스의 파워를 제어할 수 있다.

코팅단계에서는 모재를 회전시키며 플라즈마 코팅하고, 모재의 회전속도는 25 rpm이상으로 제어할 수 있다.

코팅단계에서는 각 상의 결정립의 크기가 100 nm이하가 되도록 제어할 수 있다.

진공단계 이후에는, 챔버 내부를 300 ℃ 이상으로 가열하는 가열단계;를 더 포함할 수 있다.

진공단계 이후에는, 챔버내에 질소가스를 투입하고 Ti소스에 전원을 인가하여 모재의 표면에 TiN 버퍼층을 형성하는 버퍼링단계;를 더 포함할 수 있다.

버퍼링단계에서는 TiN 버퍼층을 0.1 ㎛ 이하로 형성할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 TiAgMoN 코팅층 형성방법에 따르면, 고온 저마찰 특성이 우수한 TiAgN 코팅층 내에 고온 저마찰 및 경도 특성을 동시에 향상시킬 수 있는 Mo를 첨가하여 자동차 엔진 내부의 모든 온도 범위 내, 특히 고온 저마찰 및 경도 특성을 동시에 극대화할 수 있게 된다.

또한, TiAgN 및 CrN 대비 윤활 조건에서의 상온 및 고온 저마찰 특성 향상된다(TiAgN 대비 중고온 저마찰 25% 향상 / CrN 대비 상온 저마찰 20%, 고온 저마찰 30% 향상)

그리고, Ag 동일 함량 조건의 TiAgN 코팅재 대비 경도 14% 향상된다.

도 1 내지 2는 Mo함량에 따른 TiAgMoN 코팅층의 물성변화를 나타낸 그래프.
도 3은 결정립크기에 TiAgMoN 코팅층의 물성변화를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 TiAgMoN 코팅층의 단면분석을 나타낸 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 TiAgMoN 코팅층 형성방법에 대하여 살펴본다.

본 발명에 따른 TiAgMoN 코팅층 형성방법은, Ti소스, Mo소스, Ag소스 및 질소, 아르곤 분위기가스를 이용하여 플라즈마 코팅하는 TiAgMoN 코팅층 형성방법으로서, 코팅챔버를 진공처리하는 진공단계; 및 챔버내에 아르곤가스와 질소가스를 투입하고 Ti소스, Mo소스 및 Ag소스에 각각 전원을 인가하여 모재의 표면에 TiAgMoN 코팅층을 형성하되, 코팅층에서 Mo의 비율이 4~6 at%가 되도록 Mo소스의 파워를 제어하는 코팅단계;를 포함한다.

코팅단계에서는 코팅층에서 Ag의 비율이 20~25 at%가 되도록 Ag소스의 파워를 제어할 수 있다. 그리고, 코팅단계에서는 모재를 회전시키며 플라즈마 코팅하고, 모재의 회전속도는 25 rpm이상으로 제어할 수 있다. 이를 통해 코팅단계에서는 각 상의 결정립의 크기가 100 nm이하가 되도록 제어할 수 있다.

또한, 진공단계 이후에는, 챔버 내부를 300 ℃ 이상으로 가열하는 가열단계;를 더 포함할 수 있다. 그리고, 진공단계 이후에는, 챔버내에 질소가스를 투입하고 Ti소스에 전원을 인가하여 모재의 표면에 TiN 버퍼층을 형성하는 버퍼링단계;를 더 포함할 수 있다. 한편, 버퍼링단계에서는 TiN 버퍼층을 0.1 ㎛ 이하로 형성할 수 있다.

구체적으로, 본 발명에서는 고온 저마찰 특성이 우수한 TiAgN 코팅층 내에 고온 저마찰 및 경도 특성을 동시에 향상시킬 수 있는 Mo를 첨가하여 자동차 엔진 내부의 모든 온도 범위 내, 특히 고온 저마찰 및 경도 특성을 동시에 극대화할 수 있도록 한다.

본 발명의 코팅공정은 아래와 같다.

1) 먼저, 챔버내에 진공을 형성하는 진공단계를 수행한다. 이는 챔버 내 진공을 형성시켜 분위기 내 불순물의 영향을 최소화하여 코팅층 특성을 향상하기 위한 것으로서, 1차 로타리 펌프를 이용해 10^-3 Torr까지 진공도를 형성시킨 후 2차 TMP(Turbo Molecular Pump)를 통해 5*10^-5 Torr의 진공도를 유지하도록 한다.

2) 그 후 히팅단계를 수행한다. 이는 고온에서의 질소(N)의 반응/결합이 원활하게 진행되도록 유도하기 위함이며, 300 ℃ 이상으로 온도가 유지되도록 설정한 후 히팅 유지시간은 40min이상으로 한다. 이에 따라 코팅하고자 하는 시험편의 표면과 내부 온도분포 균일화를 이룬다.

3) 그 후 클리닝 단계를 수행한다. 이는 시험편 표면상에 존재하는 이물질을 제거하여 코팅층 특성을 향상하기 위함으로써, 시험편을 초음파 세척기를 이용하여 에탄올과 아세톤으로 세척 후 챔버 내에서 이온건을 이용하여 20min이상 표면을 식각 및 클리닝하도록 한다.

4) 그리고 버퍼링단계를 수행한다. 이는 모재/TiMoN 간 격자상수 차이를 감소시켜 코팅층 계면간 접합 강도를 향상시키기 위한 것으로서, 아크이온플레이팅 방법으로 질소 분위기 내 아크 소스를 이용하여 Ti를 반응시켜 TiN층을 0.1㎛이하로 증착하도록 한다.

5) 그리고 코팅단계를 수행한다. 이는 TiAgMoN 코팅층을 증착하기 위한 것으로서, 코팅 챔버 내 분위기가스로 아르곤가스를 유입하여 Ag원소의 스퍼터링이 가능하도록 하며, 코팅 챔버 내 분위기가스로 질소가스(N2)를 유입하여 TiN 합성이 이루어지도록 한다. 이때 코팅처리를 하고자 하는 대상물에 바이어스 전압을 인가하여, 증착효율을 높이도록 하며, Ti 타겟이 장착된 아크건, Mo 타겟이 장착된 제1스퍼터건, Ag 타겟이 장착된 제2스퍼터건에 각각 전원을 인가하여 모재의 표면에 TiAgMoN 코팅층을 형성하는 것이다.

본 발명의 경우 이러한 코팅단계에서, 코팅층 내부에서 Mo의 비율이 4~6 at%가 되도록 Mo소스의 파워를 제어하고, Ag의 비율이 20~25 at%가 되도록 Ag소스의 파워를 제어하는 것이다.

그리고 모재의 회전속도는 25 rpm이상으로 제어하여 각 상의 결정립의 크기가 100 nm이하가 되도록 한다.

도 1 내지 2는 Mo함량에 따른 TiAgMoN 코팅층의 물성변화를 나타낸 그래프로서, 그 데이터는 아래와 같다.

상기 표와 같이, Mo 함량 증가에 따른 경도 향상 원인은 Mo 첨가에 따른 고용 강화 효과 및 고경도 MoN 상 형성이다.

Mo 함량별 마찰계수 차이 발생 원인은, 0~3 at% 이하의 경우 Mo 함량이 적어 저마찰 효과가 미비하고, 4~6 at%의 경우 Ag와 함께 저마찰 효과가 동시 발생하며, 6 at% 이상의 경우 Ag의 저마찰 효과를 상쇄하기 때문이다.

도 3은 결정립크기에 TiAgMoN 코팅층의 물성변화를 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 TiAgMoN 코팅층의 단면분석을 나타낸 도면으로서, 그 데이터는 아래와 같다.

상기와 같이, 지그 회전속도의 증가에 따라 결정립 미세화로 결정립계가 증가하여 이에 따른 전위 이동 방해 효과로 인해 기계적 특성이 향상됨을 알 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 TiAgMoN 코팅층 형성방법에 따르면, 고온 저마찰 특성이 우수한 TiAgN 코팅층 내에 고온 저마찰 및 경도 특성을 동시에 향상시킬 수 있는 Mo를 첨가하여 자동차 엔진 내부의 모든 온도 범위 내, 특히 고온 저마찰 및 경도 특성을 동시에 극대화할 수 있게 된다.

또한, TiAgN 및 CrN 대비 윤활 조건에서의 상온 및 고온 저마찰 특성 향상된다(TiAgN 대비 중고온 저마찰 25% 향상 / CrN 대비 상온 저마찰 20%, 고온 저마찰 30% 향상)

그리고, Ag 동일 함량 조건의 TiAgN 코팅재 대비 경도 14% 향상된다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims (8)

1. Ti소스, Mo소스, Ag소스 및 질소, 아르곤 분위기가스를 이용하여 플라즈마 코팅하는 TiAgMoN 코팅층 형성방법으로서,
   코팅챔버를 진공처리하는 진공단계; 및
   챔버내에 아르곤가스와 질소가스를 투입하고 Ti소스, Mo소스 및 Ag소스에 각각 전원을 인가하여 모재의 표면에 TiAgMoN 코팅층을 형성하되, 코팅층에서 Mo의 비율이 4~6 at%가 되도록 Mo소스의 파워를 제어하고, 모재를 회전시키며 플라즈마 코팅하고, 모재의 회전속도는 28rpm 이상으로 제어하면서 각 상의 결정립의 크기가 100nm 이하가 되도록 제어하는 코팅단계;를 포함하는 TiAgMoN 코팅층 형성방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   코팅단계에서는 코팅층에서 Ag의 비율이 20~25 at%가 되도록 Ag소스의 파워를 제어하는 것을 특징으로 하는 TiAgMoN 코팅층 형성방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   진공단계 이후에는, 챔버 내부를 300 ℃ 이상으로 가열하는 가열단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TiAgMoN 코팅층 형성방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   진공단계 이후에는, 챔버내에 질소가스를 투입하고 Ti소스에 전원을 인가하여 모재의 표면에 TiN 버퍼층을 형성하는 버퍼링단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TiAgMoN 코팅층 형성방법.
7. 청구항 6에 있어서,
   버퍼링단계에서는 TiN 버퍼층을 0.1 ㎛ 이하로 형성하는 것을 특징으로 하는 TiAgMoN 코팅층 형성방법.
8. 삭제

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