KR101628554B1 - 대량 생산성 및 저마찰 특성이 우수한 표면처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 95~98원자%의 Cr 및 2~5원자%의 Cu를 포함하는 Cr-Cu 복합타겟을 제조하는 단계; 및 질소 함유 분위기 가스 중에서 상기 Cr-Cu 복합 타겟으로부터의 스퍼터링에 의하여 30~40원자%의 Cr, 2~5원자%의 Cu 및 잔부의 N을 포함하는 Cr-Cu-N 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 표면처리 방법에 관한 것이다. 본 발명의 표면처리 방법에 의해 엔진 등의 구동부품 표면을 코팅하게 되면, 윤활 및 기계적 특성이 우수함은 물론 모재와의 밀착력이 향상되며 코팅 시간을 단축하여 코팅재를 대량 생산할 수 있는 효과가 있다.

Description

대량 생산성 및 저마찰 특성이 우수한 표면처리 방법{SURFACE TREATMENT METHOD WITH A SUPERIOR MASS PRODUCTIVITY AND LOW FRICTION CHARACTERISTICS}

본 발명은 자동차 엔진 구동부품과 같은 제품의 표면에 밀착력과 경도는 높이고 마찰계수는 줄이며 대량으로 표면처리하기 위해 Cr, Cu, N으로 구성된 다성분계 나노복합 코팅층을 형성하는 표면처리 방법 및 그 방법으로 표면처리된 엔진 구동부품에 관한 것이다.

엔진 구동부품의 코팅재로서 최근 사용되고 있는 DLC(diamond like carbon)의 경우에는 상온에서의 건식/습식 저마찰 및 내마모성은 우수하지만 고온에서의 내마모성 및 저마찰 특성은 저하되어 내구 특성이 열악하며, 높은 잔류 응력으로 인해 모재와의 밀착력이 열세하여 중간층의 추가 공정이 요구되고, 탄소의 낮은 스퍼터링율로 인한 긴 공정시간으로 DLC 코팅재 적용시에 원가가 상승하는 부담이 있다.

한편, 상대부재의 철금속 등과의 슬라이딩이나 피막끼리의 슬라이딩에 사용되는 슬라이딩 부재로 질화크롬(CrN)도 예전부터 사용되어 오고 있었는데, 특히 로터리컴프레서의 베인, 롤러, 샤프트의 표면에 질화크롬의 코팅층을 형성하는 기술이 이용되어 왔다. 그러나, 자동차 엔진 구동부품의 표면에 코팅하는 재료로 사용하기 위해서는 CrN은 아직 마찰특성이나 경도 또는 밀착력의 관점에서 다소 부족한 실정이어서, 이에 대한 대안으로 CrN 코팅재 내부에 구리(Cu)를 첨가하여 윤활 및 기계적 특성을 높인 Cr-Cu-N 코팅재를 고안하게 되었다.

그러나, 종래 주로 사용되는 하이브리드 물리적 증기증착법(PVD: physical vapor deposition)으로 상기 Cr-Cu-N 코팅재를 코팅하는 경우에는 윤활 및 기계적 특성이 우수하며 높은 밀착력으로 중간층이 필요 없게 되는 장점이 있지만, 이종의 소스 원소가 공동증착(co-deposition)되어야 하므로 코팅 영역이 작아 대량 생산성이 떨어지는 문제가 있었다.

따라서, 윤활 및 기계적 특성이 우수하고, 높은 밀착력으로 중간층을 위한 추가 공정도 필요하지 않으며 대량 생산을 가능하게 하는 표면처리 방법에 대한 연구가 필요한 상황이다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 종래의 DLC 코팅방법의 생산 시간 지연 및 원가 상승의 단점을 극복하고, 하이브리드 PVD에 의한 Cr-Cu-N 코팅방법에 있어서의 대량 생산이 취약한 단점도 극복하며, CrN 코팅재 내부에 Cu를 첨가하여 윤활 및 기계적 특성을 동시에 향상시키면서, 모재와의 높은 밀착력으로 인해 중간층이 필요없으며, Cr과 Cu의 높은 스퍼터링율로 인해 원가 상승을 최소화하고, Cr-Cu 복합타겟을 이용하여 대량 생산성을 높인 표면처리 방법 및 그 방법으로 표면처리된 엔진 구동부품을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 대량 생산성 및 저마찰 특성이 우수한 표면처리 방법은, 95~98원자%의 Cr 및 2~5원자%의 Cu를 포함하는 Cr-Cu 복합타겟을 제조하는 단계; 및 질소 함유 분위기 가스 중에서 상기 Cr-Cu 복합 타겟으로부터의 스퍼터링에 의하여 30~40원자%의 Cr, 2~5원자%의 Cu 및 잔부의 N을 포함하는 Cr-Cu-N 코팅층을 형성하는 단계로 이루어진다.

상기 Cr-Cu-N 코팅층 형성 단계에서는, 아르곤 및 질소 함유 분위기 가스 중에서의 비대칭 마그네트론 스퍼터링(UBCFMS: unbalanced closed field magnetron sputtering)에 의하여 Cr이 Cr_xN_{1 -x}(0.3≤x≤0.4)로 증착하는 것을 특징으로 한다.

또한, 바람직한 일 구현예에 있어서, 상기 스퍼터링 조건은 스퍼터 파워 10~14W, 압력 3~4×10^-3mBar, 바이어스 100~150V 및 분위기 가스 중의 Ar:N₂ 비율 1:3~5인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 표면처리 방법은 자동차 엔진 구동부품 등의 표면에 Cr-Cu-N 코팅층을 형성하는데 널리 활용될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 표면처리 방법에 의해 엔진 등의 구동부품 표면을 코팅하게 되면, 윤활 및 기계적 특성이 우수함은 물론 모재와의 밀착력이 향상되며 코팅 시간을 단축하여 코팅재를 대량 생산할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 표면처리 방법에 사용되는 양산 코팅 공정 방식을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 표면처리 방법으로 제조되는 코팅층의 Cu 함량에 따른 코팅재의 특성(마찰계수, 경도 및 밀착력)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 표면처리 방법으로 제조되는 코팅 제품과 DLC를 이용한 종래 기술을 기계적 특성 및 코팅에 걸리는 시간의 측면에서 비교한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 표면처리 방법으로 제조되는 코팅층을 투과전자현미경(TEM)으로 본 단면 사진이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대량 생산성 및 저마찰 특성이 우수한 표면처리 방법을 설명한다.

본 발명은 Cr-Cu 복합타겟을 제조하는 데 있어서, Cr 및 Cu의 함량을 Cr 95~98원자%, Cu 2~5원자%의 조성이 되도록 하여 소결방식을 이용해 제조한다. 이 복합타겟을 도 1에서와 같이 챔버 내 코팅 영역의 제한이 없는 통상적인 양산 코팅 공정 설비에 그대로 사용가능하므로 1 배치(batch) 내 다량의 제품 코팅이 가능하여 대량 생산성이 우수하다.

종래 하이브리드 PVD 방법에 따라 제작을 하게 되면 코팅의 조성은 조절이 용이하지만, 동시에 이종의 소스 원소가 공동증착되어야 하므로 코팅 영역이 협소해지게 되어 이에 따라 대량 생산성이 열악해지게 된다. 본 발명은 종래 하이브리드 PVD 방법에 따라 얻어지는 코팅재의 우수한 특성은 그대로 구현하면서 대량 생산까지도 가능하게 한 것이다.

다음으로, 스퍼터링 공정의 일 실시형태의 조건을 살펴보면 하기 표 1과 같다.

공정 인자	스퍼터 파워	공정압	바이어스	Ar:N2 비율
조건 범위	10~14W	3~4×10-3mBar	100~150V	1:3~5

상기 Cr-Cu 복합타겟을 제조한 후, 기존 양산 코팅 공정 설비를 사용하여 상기 표 1과 같은 공정 조건으로 비대칭 마그네트론 스퍼터링(UBCFMS: unbalanced closed field magnetron sputtering) 공정을 실시하면, 수득된 코팅층의 윤활 마찰계수가 감소하고 경도/밀착력은 증가하며, 코팅에 걸리는 시간도 단축되어 종래 표면처리 방법에 비해 생산성과 품질면에서 우수하였다.

본 발명자들은 코팅층에 포함된 Cu 함량이 얼마인지에 따라 마찰계수, 경도 및 밀착력과 같은 윤활 및 기계적 특성이 달라지는 것을 알게 되었고, 이를 확인하기 위하여 Cu 함량을 달리하여 각종 물성을 평가해보았으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.

도 2에서 보는 바와 같이, 코팅층 내의 Cu 함량이 2~5원자%인 것이 바람직함을 알 수 있었는데, 이러한 범위로 Cu가 첨가되어 코팅층이 형성되는 경우, Cu 첨가로 인해 잔류응력이 해소되어 밀착 특성이 우수해지며, 고용강화 효과의 증대로 인해 경도 특성이 우수해지고, 저마찰 원소 Cu로 인해 윤활 특성이 극대화되기 때문이다.

이하, 실시예를 통하여 Cr을 포함한 코팅층 내의 각 원소별 함량에 따른 코팅재의 특성에 대해 실험해 보았다.

[ 실시예 1] 코팅층 함량별 특성 차이 조사

상술한 공정 방법을 사용하여 Cr-Cu-N 코팅층을 형성하고 Cu 및 Cr의 함량에 따른 코팅재 특성을 알아보았다. 결과를 아래 표 2에 기재하였다.

상기 표 2에서 보는 바와 같이, Cu 함량은 2~5원자%, Cr 함량은 30~40원자%일 때 경도 및 밀착력이 가장 크고, 마찰계수는 가장 작은 값을 나타내었다. DLC의 마찰계수가 0.06~0.07인 점을 고려해 볼 때 본 발명의 표면처리 방법을 사용하면 마찰계수를 DLC 경우의 절반 정도로 줄일 수 있었다. 또한, Cu 함량이 2~5원자%, Cr 함량이 30~40원자%인 본 발명의 코팅재 경우, 1㎛를 코팅하는데 걸리는 시간도 DLC의 1/5 가량으로 줄일 수 있었으며, 경도 및 밀착력도 DLC의 경우보다 다소 개선되었음을 알 수 있었다. DLC와의 물성 비교 그래프는 도 3에 자세하게 나타내었다.

Cu의 최적 함량은 2~5원자%로, 2원자% 미만인 경우에도 Cu의 고용강화 효과로 어느 정도 경도 특성의 향상은 기대할 수 있었지만, 지배적으로 형성된 CrN 코팅재의 잔류응력으로 인해 밀착력은 향상되지 못했으며, 저마찰 원소인 Cu의 함량 부족으로 인해 윤활 특성이 좋지 않았다. 또한, Cu를 5원자%를 넘게 함유하는 코팅재의 경우에는 높은 Cu 함량으로 인해 경도 특성이 저하되고, 하중 지지력 감소로 윤활 특성도 악화되었다. 또한 Cu의 표면 확산으로 코팅재 내부에 Cu 불균형이 발생하여 코팅재 특성이 열화되고, 밀착력이 감소하게 되었다.

또한, 본 발명의 표면처리 방법을 사용하여 수득한 코팅재의 단면을 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 분석해 보았으며, 결과를 도 4에 나타내었다.

도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 비정질 및 10nm 이하의 나노결정립이 복합적으로 형성된 나노복합구조를 확인해 볼 수 있었는데, 이를 통해 높은 기계적 특성 및 저마찰, 내열 특성 등을 동시에 구현할 수 있음을 알 수 있었다.

Claims (4)

1. 95~98원자%의 Cr 및 2~5원자%의 Cu를 포함하는 Cr-Cu 복합타겟을 제조하는 단계; 및
   질소 함유 분위기 가스 중에서 상기 Cr-Cu 복합 타겟으로부터의 스퍼터링에 의하여 30~40원자%의 Cr, 2~5원자%의 Cu 및 잔부의 N을 포함하는 Cr-Cu-N 코팅층을 형성하는 단계
   를 포함하는 표면처리 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 Cr-Cu-N 코팅층 형성 단계에서는, 아르곤 및 질소 함유 분위기 가스 중에서의 비대칭 마그네트론 스퍼터링(UBCFMS: unbalanced closed field magnetron sputtering)에 의하여 Cr이 Cr_xN_{1 -x}(0.3≤x≤0.4)로 증착하는 것을 특징으로 하는 표면처리 방법.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 스퍼터링 조건은 스퍼터 파워 10~14W, 압력 3~4×10^-3mBar, 바이어스 100~150V 및 분위기 가스 중의 Ar:N₂ 비율 1:3~5인 것을 특징으로 하는 표면처리 방법.
4. 청구항 1에 기재된 표면처리 방법에 의하여 표면에 Cr-Cu-N 코팅층이 형성된 엔진 구동부품.

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