KR101640912B1 - 고온 저마찰성 코팅층 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고온에서 저마찰성 등이 우수한 코팅층 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질화 처리된 모재(100) 상부에 위치하며 코팅층의 밀착성 향상을 위한 CrN 접합층(110); 상기 CrN 접합층(110) 상부에 위치하며 코팅층의 내열성, 내피로성, 내마모성 및 인성을 위한 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120); 및 상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120) 상부에 위치하며 코팅층의 내열성, 내산화성, 내소착성, 인성 및 저마찰성을 위한 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130);을 포함함으로써, 터보차저 터빈휠 및 엔진 배기계 고온습동부품 등의 내열성, 내피로성, 저마찰성 및 내소착성 등을 향상시킴으로써, 터빈휠의 재질변경을 통한 터보랙 개선효과를 실현하고, 엔진 배기계 고온부품의 내구성 등을 향상시킬 수 있는 고온 저마찰성 코팅층 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

고온 저마찰성 코팅층 및 이의 제조방법{High temperature low friction coating layer and the method of the same}
본 발명은 고온에서 저마찰성 등이 우수한 코팅층 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모재 표면에 CrN 접합층, 상기 CrN 접합층 상부에 TiAlCrYN 나노다층 지지층, 상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층 상부에 TiAlCrYCN 나노다층 기능층 등을 포함함으로써, 터보차저 터빈휠과 같은 고온습동부품 또는 알루미늄 다이캐스팅 금형 등의 내열성, 내피로성, 저마찰성 및 내소착성 등을 향상시킬 수 있는 코팅층 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
현재의 자동차 업계 이슈는 터보차저 및 EGR(Exhaust Gas Recirculation)의 장착, 배기가스 온도의 상승 등을 통해 엔진의 연소 효율 상승, NOx 저감 및 엔진의 다운사이징 등의 기술을 확보하여 2020년까지 이산화탄소 배출량을 35~50% 수준인 50g/km으로 저감하는 것을 목표로 다양한 친환경 차량을 개발하는데 있다.
여기서, 터보차저란 배기가스를 구동 동력으로 재활용 하는 장치로, 실린더 내에 고밀도 압축공기를 공급, 엔진의 성능을 향상 시켜, 연비를 개선시키고 엔진경량화(다운사이징)에 필요한 부품이다. 터빈부의 부품들은 800~1,050℃의 고온 배기가스에 노출되기 때문에 높은 열과 압력에도 견딜 수 있어야 한다.
특히, 터보차저의 부품 중 하나인 터빈휠의 중량을 50% 감소시킴으로서 터보랙을 30% 이상의 개선하여 엔진의 효율을 향상시킬 수 있는데, 이는 터빈휠의 토크상승을 빠르게 하여 조기변속을 가능하게 함으로써, 상대적으로 고단 운전영역 시간이 많아지기 때문이다.
그러나 상기 터빈휠의 중량을 감소시키기 위하여 TiAl계 소재를 코팅층으로 사용하는데, 내열성, 내크랙성, 고온피로성 및 인성 등이 부족하여, 이를 벌충하기 위하여 상기 터빈휠에 두께 보강이나, 배기온도 저하 등의 조치가 취해져야 하는 단점이 있다.
또한, 자동차 회사들은 연비 향상 및 배기규제 측면에서 경쟁력을 확보하기 위하여 경량화가 가능한 알루미늄 부품의 적용 비중을 증가하고 있는 추세이다.
이에 따라 알루미늄 다이캐스팅 금형의 사용 역시 증대되고 있으며, 상기 알루미늄 다이캐스팅 금형은 지속적으로 고부하 및 고충격을 받는 사용 환경상 높은 수준의 물성이 요구되는데, 그 수명은 금형소재, 금형설계, 작업조건, 금형의 열처리, 표면처리 등에 의해 영향을 받으며, 열충격에 의한 히트체킹 발생 및 성장, 용융 알루미늄에 의한 소착 및 마모 발생, 고온작업에 의한 소재 및 코팅의 열연화 현상 등에 의해 알루미늄 다이캐스팅 금형의 경도 및 물성 등이 저하된다.
따라서, 금형에 내소착성, 내마모성, 저마찰성, 내열성 및 내산화성 등이 우수한 코팅층을 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그 일환으로 티타늄(Ti) 및 크롬(Cr) 등을 기반으로 하는 질화물이나 탄화물 등이 사용되는데, 특히 알루미늄 다이캐스팅 금형의 경우 종래에는 TiAlN(티타늄 알루미늄 질화물)이나 AlCrN(알루미늄 크롬 질화물) 등이 코팅층으로 사용되었다.
그러나, 상기 TiAlN(티타늄 알루미늄 질화물)은 최대 750 ℃의 고온 환경에 노출되는 알루미늄 다이캐스팅 금형의 코팅층으로 사용되기에 내열성이 부족하고, 고온 환경에 노출시 물성이 저하되는 등 열적 안정성 측면에서 문제가 있다.
또한, 상기 AlCrN(알루미늄 크로뮴 질화물)은 내소착성이 부족하여 알루미늄 등의 용융 합금이 금형의 표면에 쉽게 부착됨에 따라 금형의 수명 감소 및 주조품의 품질이 저하되는 문제가 있다.
또한, 연소효율 향상을 위한 EGR은 플랫밸브, 샤프트, 부쉬, 워셔 및 하우징 등으로 구성되어 있는데, 상기 플랫밸브와 부쉬, 또는 워셔와 부쉬가 고온에서 습동한다. 그 결과, 워셔 또는 플랫밸브가 부쉬와 고온소착, 고온마모에 의해, 플랫밸브의 개폐가 난이해 지고, 플랫밸브의 마모로 인해, 소음발생 및 출력발생 등의 품질문제를 야기한다.
이와 같이 EGR 구성품들의 기존 소재인 Inconel713C 또는 SUS420J2는 고온경도가 부족하여, 마모에 취약한 단점이 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여, CrN 코팅층을 적용하였으나, 500℃ 이상에서 코팅층의 내열성이 부족하여, 경도 저하가 발생하고, 마찰 및 마모 시 소착현상이 발생하여 마모를 촉진시키는 문제가 있다.
또한, 그외에 TiAlN 코팅층은 고온습동부에서 요구되는 복합요구물성(700℃ 내열성, 내마모성, 내소착 및 저마찰성 등)을 만족하지 않는 문제가 있다.
이와 관련하여 공개특허공보 제10-2013-0006347호에는 물리기상증착에 의해 도포된 이트륨 함유 코팅을 구비한 코팅 물품 및 그 제조 방법이 소개되어 있고, 공개특허공보 제10-2007-0077055호에는 내구 반응성 열 장벽 코팅이 소개되어 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 모재 표면에 CrN 접합층, 상기 CrN 접합층 상부에 TiAlCrYN 나노다층 지지층, 상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층 상부에 TiAlCrYCN 나노다층 기능층 등을 포함하는 코팅층을 터보차저 터빈휠 및 엔진 배기계 고온습동부품 등에 적용하여 내열성, 내피로성, 저마찰성 및 내소착성 등을 향상시킴으로써, 터빈휠의 재질변경을 통한 터보랙 개선효과를 실현 하고, 엔진 배기계 고온부품의 내구성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 고온 저마찰성 코팅층 및 이의 제조방법을 제공하고자 함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 질화 처리된 모재(100) 상부에 위치하며 코팅층의 밀착성 향상을 위한 CrN 접합층(110); 상기 CrN 접합층(110) 상부에 위치하며 코팅층의 내열성, 내피로성, 내마모성 및 인성을 위한 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120); 및 상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120) 상부에 위치하며 코팅층의 내열성, 내산화성, 내소착성, 인성 및 저마찰성을 위한 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)의 두께는 0.5~10㎛이고, 상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 두께는 0.5~10㎛인 것이 바람직하다.
또한, 상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 YC함량은 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 전체 원자에 대하여, 2~30 at.%인 것이 바람직하다.
또한, 상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)의 Ti : Al : Cr 원자 비율이 1 : 1 : 1 인 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 제조방법은 챔버(200) 내부를 진공상태로 만든 후 아르곤 가스를 주입하여 아르곤 이온의 프라즈마 상태를 만든 후 아르곤 양이온을 질화 처리된 모재(100)의 표면에 충돌시켜 상기 모재(100)의 표면을 세정하고 활성화 하는 단계; N 이온의 공급을 위해 상기 챔버(200)의 내부에 질소 가스(N2)를 주입한 다음 Cr 이온을 공급하는 Cr 타겟(230)을 이용하여 상기 모재(100)의 표면에 CrN 접합층(110)을 형성하는 단계; TiAl 이온을 공급하는 TiAl 타겟(220)과 Cr 이온을 공급하는 Cr 타겟(230)과 Y 이온을 공급하는 Y 타겟(240)을 이용하여 상기 형성된 CrN 접합층(110) 상부에 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)을 형성하는 단계; 및 C 이온의 공급을 위해 상기 챔버(200)의 내부에 아세틸렌 가스(C2H2)를 더 주입한 다음 TiAl 이온을 공급하는 TiAl 타겟(220)과 Cr 이온을 공급하는 Cr 타겟(230)과 Y 이온을 공급하는 Y 타겟(240)을 이용하여 상기 형성된 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)의 상부에 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)을 형성하는 단계에서, 상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)의 두께가 0.5~10㎛이 되도록 하고, 상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)을 형성하는 단계에서, 상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 두께가 0.5~10㎛이 되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)을 형성하는 단계에서, 상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 YC함량은 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 전체 원자에 대하여, 2~30 at.%이 되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)을 형성하는 단계에서, 상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)의 Ti : Al : Cr 원자 비율이 1 : 1 : 1 이 되도록 하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 고온 저마찰성 코팅층은 고온 안정성, 고온 소착성 및 고온 마찰마모성 등이 우수하기 때문에, 터보차저 터빈휠, 고온부품, 엔진과 배기계 고온습동부품, 알루미늄 다이캐스팅 금형 및 핫스탬핑 금형 등에 적용되어 고온 습동부품의 마모량을 줄이고 사용수명 등을 연장할 수 있는 효과가 있다.
따라서, 본 발명의 사용으로 터빈휠 등의 중량을 저감을 가능하게 하여 터보랙의 발생을 개선할 수 있으며, 터보차저의 고온고가 소재 적용 부분인 히트쉴드, 베인업퍼링, 케이지, 스터드, 인사이드레버, 롤러스페이서, 볼트 등의 소재에 적용함으로써 각 부품의 물성을 향상시킬 수 있는 효과가 있으며, 고온 금형 등의 사용수명도 연장할 수 있는 등의 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 모재, CrN 접합층, TiAlCrYN 나노다층 지지층 및 TiAlCrYCN 나노다층 기능층의 단면을 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 코팅층을 제조하기 위한 PVD(Physical Vapor Deposition) 장비의 구성을 보여주는 구성도이다.
도 3 내지 도 5는 각각 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 시편을 보여주는 사진이다.
도 6 내지 도 8은 각각 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 시편의 고온 소착성 시험결과를 보여주는 사진이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하, 도면 등을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 고온 저마찰성 코팅층 및 이의 제조방법에 관한 것이며, 일 관점에서 본 발명은 코팅층을 터보차저 터빈휠 및 엔진 배기계 고온습동부품 등에 적용되어 내열성, 내피로성, 저마찰성 및 내소착성 등을 향상시키는 고온 저마찰성 코팅층에 관한 것이다.
도 1은 본 발명인 질화 처리된 모재(100), CrN 접합층(110), TiAlCrYN 나노다층 지지층(120) 및 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 단면을 보여주는 단면도이다. 보다 구체적으로 본 발명은 질화 처리된 모재(100) 상부에 위치하며 코팅층의 밀착성 향상을 위한 CrN 접합층(110); 상기 CrN 접합층(110) 상부에 위치하며 코팅층의 내열성, 내피로성, 내마모성 및 인성을 위한 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120); 및 상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120) 상부에 위치하며 코팅층의 내열성, 내산화성, 내소착성, 인성 및 저마찰성을 위한 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130); 을 포함하여 구성된다.
(1) CrN 접합층(110)
상기 CrN 접합층(110)은 모재(110)와 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120) 간의 접합력을 향상시키고, 코팅층의 잔류 응력을 저하 및 조정하며, 인성, 내피로성 및 내충격성 등을 개선시키는 역할 등을 한다.
(2) TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)
상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)은 코팅층에 우수한 내열성, 내피로성, 내마모성, 내소착성 및 인성 등을 부여한다. 특히 Y(이트륨)은 코팅층이 고온에 노출될 때, 코팅층의 기지 안으로 먼저 침투하여, 확산 장벽(diffusion blocker)의 역할을 함으로써, 다른 원소의 침투를 차단하기 때문에 코팅층의 내소착성 및 인성 등을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)의 두께는 0.5~10㎛인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)의 두께가 0.5㎛ 미만일 경우, 국부적 하중에 취약하여, 코팅층에 하중 인가 시 코팅층이 박리될 수 있다. 반면, 상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)의 두께가 10㎛ 초과일 경우, 코팅층의 내부 압력이 증대되어 코팅층의 인성, 경도 및 영스모듈 등이 감소될 수 있으며, 공정시간이 급격히 증가되어 경제성이 저하된다.
또한, 상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)의 Ti : Al : Cr 원자 비율이 1 : 1 : 1 인 것이 바람직하다.
그리고 상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)은 TiAlN 나노층과 CrYN 나노층이 번갈아 겹치는 복수의 나노층 구성을 갖는 것이 바람직하다.
(3) TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)
상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)은 코팅층에 우수한 내열성, 내산화성, 내소착성, 인성 및 저마찰성 등을 부여한다. 앞서 설명한 바와 같이, Y(이트륨)은 코팅층이 고온에 노출될 때, 코팅층의 기지 안으로 먼저 침투하여, 확산 장벽의 역할을 함으로써, 다른 원소의 침투를 차단하기 때문에 코팅층의 내소착성 및 인성 등을 향상시킬 수 있다. 그리고 C(탄소)는 Y(이트륨)과 함께 코팅층의 내소착성, 내화학성, 저마찰성 및 내마모성 등을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 두께는 0.5~10㎛인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 두께가 0.5㎛ 미만일 경우, 국부적 하중에 취약하여, 코팅층에 하중 인가 시 코팅층이 박리될 수 있다. 반면, 상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 두께가 10㎛ 초과일 경우, 코팅층의 내부 압력이 증대되어 코팅층의 인성, 경도 및 영스모듈 등이 감소될 수 있으며, 공정시간이 급격히 증가되어 경제성이 저하된다.
또한, 상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 Y함량은 상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 전체 원자에 대하여 1~10 at.%이고, C함량은 1~20 at.%인 것이 바람직하다. 즉, 상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 YC의 함량은 상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 전체 원자에 대하여 2~30 at.%인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 YC의 함량이 2 at.% 미만일 경우, 저마찰성 및 내소착성 및 등이 저하될 수 있는 반면, 상기 YC의 함량이 30 at.% 초과일 경우, 경도 및 내열성 등이 저하될 수 있다.
그리고 상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)은 TiAlN 나노층과 CrYCN 나노층이 번갈아 겹치는 복수의 나노층 구성을 갖는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 고온 저마찰성 코팅층은 터보차저의 고온고가 소재 적용 부분인 히트쉴드, 베인업퍼링, 케이지, 스터드, 인사이드레버, 롤러스페이서, 볼트 등의 소재에 적용됨으로써 각 부품의 물성을 향상시키는 것이 바람직하다. 또한, 고온 습동부품인 엔진 배기계 등에 적용됨으로써 엔진의 요구수명 등을 확보하는 것이 바람직하다.
이하, 또 다른 관점에서 본 발명은 고온 저마찰성 코팅층의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 금속 모재의 표면을 코팅층으로 코팅하는 방법은 크게 물리적 증기 증착법(Physical Vapor Deposition, PVD 법)과 화학적 증기 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD 법)으로 분류된다.
상기 PVD 법은 타겟이 되는 모재에 음극을 걸어주고 이온화된 금속 물질을 증기상태로 공급하면서 전기적인 인력에 의해 모재의 표면에 증착시키는 건식가공방법인데, 모재의 표면을 균일하게 코팅할 수 있으며 미세한 이온입자를 이용하여 밀착력을 높일 수 있는 장점이 있다.
따라서, 본 발명은 코팅층 입자의 나노화 및 고속 코팅을 구현하기 위해 아크, HIPIMS(High Power Impulse Magnetron Sputtering) 및 유도 결합 플라즈마(Inductive Coupled Plasma, ICP)를 이용한 PVD 방식을 사용하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명에 의한 코팅층을 제조하기 위한 PVD(Physical Vapor Deposition) 장비의 구성을 보여주는 구성도이다. 도시된 바와 같이, 상기 PVD 장비는 챔버(200); 및 상기 챔버(200)에 설치된 펌프(210), TiAl 타겟(220), Cr 타겟(230), Y 타겟(240), 가스 주입부(250), 가열부(260); 및 상기 챔버(200) 내부에 질화 처리된 모재(100)가 장착될 수 있는 회전 홀더(270) 등으로 구성된다.
이와 같은 PVD 장비를 이용한 본 발명의 고온 저마찰성 코팅층의 제조방법은 챔버(200) 내부를 진공상태로 만든 후 아르곤 가스를 주입하여 아르곤 이온의 프라즈마 상태를 만든 후 아르곤 양이온을 질화 처리된 모재(100)의 표면에 충돌시켜 상기 모재(100)의 표면을 세정하고 활성화 하는 단계; N 이온의 공급을 위해 상기 챔버(200)의 내부에 질소 가스(N2)를 주입한 다음 Cr 이온을 공급하는 Cr 타겟(230)을 이용하여 상기 모재(100)의 표면에 CrN 접합층(110)을 형성하는 단계; TiAl 이온을 공급하는 TiAl 타겟(220)과 Cr 이온을 공급하는 Cr 타겟(230)과 Y 이온을 공급하는 Y 타겟(240)을 이용하여 상기 형성된 CrN 접합층(110) 상부에 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)을 형성하는 단계; 및 C 이온의 공급을 위해 상기 챔버(200)의 내부에 아세틸렌 가스(C2H2)를 더 주입한 다음 TiAl 이온을 공급하는 TiAl 타겟(220)과 Cr 이온을 공급하는 Cr 타겟(230)과 Y 이온을 공급하는 Y 타겟(240)을 이용하여 상기 형성된 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)의 상부에 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)을 형성하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)을 형성하는 단계에서, 상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)의 두께가 0.5~10㎛이 되도록 하고, 상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)을 형성하는 단계에서, 상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 두께가 0.5~10㎛이 되도록 하는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 코팅의 전처리 단계로서, 펌프(210)를 이용하여 챔버(200) 내부를 진공상태로 만든 후 가스 주입부(250)를 통해 아르곤 가스를 주입하여 아르곤 이온의 플라즈마 상태를 만든다.
그리고 상기 챔버(200)를 가열부(260)로 가열하고 금형에 바이어스 전압을 인가하여 아르곤 양이온을 상기 모재(100) 표면에 충돌시킴으로써 모재(100) 표면을 세정하고 활성화한다.
그 다음, 가스 주입부(250)를 통해 질소 가스(N2)를 상기 챔버(200) 내에 주입하여 질소 분위기를 형성하고, Cr 이온을 공급하는 Cr 타겟(230)을 이용하여 모재(100)의 표면에 코팅의 잔류응력을 저하 및 조정하며 인성, 내피로성 및 내충격성을 향상시키는 CrN 접합층(110)을 형성한다.
그리고 TiAl 이온을 공급하는 TiAl 타겟(220)과 Cr 이온을 공급하는 Cr 타겟(230)과 Y 이온을 공급하는 Y 타겟(240)을 이용하여, 상기 형성된 CrN 접합층(110) 상부에 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)을 0.5~10㎛의 두께로 형성하고, Ti : Al : Cr 원자 비율이 1 : 1 : 1 이 되도록 하는 것이 바람직하다.
그리고 가스 주입부(250)를 통해 질소 가스(N2)이외에 C의 공급을 위해 아세틸렌 가스(C2H2)도 함께 주입한 후, TiAl 이온을 공급하는 TiAl 타겟(220)과 Cr 이온을 공급하는 Cr 타겟(230)과 Y 이온을 공급하는 Y 타겟(240)을 이용하여 상기 형성된 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120) 상부에 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)을 0.5~10㎛의 두께로 형성한다.
여기서, 상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 Y함량은 상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 전체 원자에 대하여 1~10 at.%이고, C함량은 1~20 at.%가 되도록 하는 것이 바람직하며, YC의 함량은 상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 전체 원자에 대하여 2~30 at.%이 되도록 하는 것이 바람직하다.
[실시예]
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
본 발명에 따른 고온 저마찰성 코팅층의 물성을 비교하기 위하여 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 시편을 PVD 법으로 제조 후 물성을 비교하였다.
구분 실시예 1 비교예 1 비교예 2
표면 코팅층 TiAlCrYCN TiAlN TiAlCrSiCN
전체 코팅층 두께 (㎛) 9.8
(2.6 CrN -
4.1 TiAlCrYN -
3.1 TiAlCrYCN)		 10.2
(4.9 CrN -
5.3 TiAlN)		 10.3
(4 CrN -
4.1 TiAlCrN -
2.2 TiAlCrSiCN)
접합력 (N) 50 이상 50 이상 50 이상
(상온) 경도 (HV) 2740 2940 3050
900℃/6hr 방치
고온경도 (HV)		 2712 2147 2752
경도 감소율(%) 1.0 27.0 9.8
상기 표 1은 본 발명의 TiAlCrYCN 코팅층이 있는 실시예 1과 종래 TiAlN 코팅층을 포함하는 비교예 1 및 TiAlCrSiCN 코팅층을 포함하는 비교예 2의 물성을 비교한 표이다.
상기 접합력은 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2 시편의 코팅층 표면에 다이아몬드 팁(diamond tip)을 이용하여 하중을 증가시키며 한 줄로 홈을 내어 코팅층이 최초로 박리될 때의 가해진 하중을 측정하여 계산한다.
상기 두께는 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2 시편에 스틸볼(steel ball)을 압입하여 형성되는 크레이터(crater)를 통해 코팅층의 두께를 측정한다.
상기 경도는 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2 시편에 0.7㎛ 깊이의 인덴터를 이용하여 0.05N의 하중으로 압입하여 형성되는 홈을 계산하여 측정한다.
상기 고온경도는 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2 시편을 900℃ 온도의 오븐에서 6시간 동안 방치한 다음 상온으로 냉각하여 앞서 측정한 경도와 동일한 방법으로 측정하였으며, 상기 경도와 고온에서 측정한 고온경도의 감소율을 측정하였다.
이러한 실시예 1, 비교예 1과 비교예 2의 시험결과 본 발명의 TiAlCrYCN층이 있는 실시예 1의 상온에서 측정한 경도는 비교예 1 및 비교예 2보다 낮았지만, 900℃ 고온에서 측정한 경도와 상온에서 측정한 경도의 차이가 가장 작았으며, 비교예 2의 고온경도와 대등한 수준을 유지하였다. 따라서, 실시예 1의 고온 안정성이 우수하다는 것을 알 수 있었다.
이와 같이, 본 발명에 의한 코팅층인 TiAlCrYCN 나노다층 기능층은 900℃ 고온 내열성 및 고온 안정성(경도 감소율)이 기존 TiAlN층 대비 27배 향상되고, TiAlCrSiCN층 대비 약 10배 이상 향상됨을 확인할 수 있었다.
도 3 내지 도 5는 각각 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 시편을 보여주는 사진이고, 도 6 내지 도 8은 각각 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 시편을 850℃에서 일정 시간 동안 ADC12(알루미늄) 용탕 내 디핑(dipping) 및 로테이팅(rotating)한 후 알루미늄 소착물 제거를 위해 수산화나트륨(NaOH)으로 세정한 고온 소착성 시험 후의 상태를 보여주는 사진이다.
상기 고온 소착성 시험결과, 비교예 1의 시편은 수산화나트륨으로 세정하여 확인해본 결과 소착이 많이 되어 소착된 부분이 용해된 것을 확인할 수 있었으며, 비교예 2의 시편은 소착된 부분이 작아 세척 후 용해된 부분이 작다는 것을 확인하였지만, 표면결함이 과다하게 발생하였다.
그러나 본 발명에 의한 실시예 1은 소착이 거의 없어서 용해된 부분도 없고, 표면결함도 없다는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과는 본 발명에 의한 코팅층, 특히 TiAlCrYCN 나노다층 기능층에 의해 상기 모재의 내소착성이 크게 향상되었기 때문이다.
구분 실시예 1 비교예 1 비교예 2
표면 코팅층 TiAlCrYCN TiAlN TiAlCrSiCN
코팅층(디스크)
마모량 (mg)		 1.52 34.2 10.3
상대재(핀)
마모량 (mg)		 3.45 94.6 31.4
마모량 합계 (mg) 4.97 128.8 41.7
코팅층의 마찰계수 0.28 0.75 0.39
상기 표 2는 실시예 1, 비교예 1과 비교예 2의 고온 마찰마모 시험결과를 비교한 표이다.
상기 고온 마찰마모 시험은 핀 온 디스크(Pin on Disc) 마찰 마모 시험기를 이용하여 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 코팅층(디스크)과 핀(WC소재)간 마모량과 마찰계수 측정을 통해 실시하였다. 시험 조건은 하중 20N, 거리 2km, 속도 0.1m/s, 온도 850℃의 조건이다.
이와 같은 상기 고온 마찰마모 시험결과, 실시예 1의 코팅층(디스크) 마모량 및 상대재(핀) 마모량이 비교예 1과 비교예 2보다 현격하게 작으며, 코팅층의 마찰계수도 가장 낮다는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 TiAlCrYCN 나노다층 기능층이 있는 실시예 1의 고온 마찰마모가 가장 작으며, 마찰계수 또한 가장 작다는 것을 통해 본 발명의 고온 마찰마모성이 우수하다는 것을 알 수 있었다.
보다 구체적으로, 본 발명에 의한 코팅층인 TiAlCrYCN 나노다층 기능층의 850℃ 고온 내소착성은 비교예 1의 TiAlN층과 비교예 2의 TiAlCrSiCN층 대비 월등히 향상되었다. 즉, 실시예 1의 850℃ 고온 저마찰성 및 내마모성은 마모량 기준으로 비교예 1보다 약 26배 향상되었고, 비교예 2보다 약 8.4배 이상 향상되었으며, 실시예 1의 850℃ 고온 저마찰성 및 내마모성은 마찰계수 기준으로 비교예 1보다 약 2.7배, 비교예 2보다 약 1.4배 이상 향상되었다.
구분 실시예 1 실시예 2 비교예 3 비교예 4 비교예 5 비교예 6
TiAlCrYCN 기능층
두께(㎛)		 8 10 0.4 12 8 8
TiAlCrYN 지지층
두께(㎛)		 8 10 8 8 0.4 12
탄성지수(H/E) 0.086 0.082 0.091 0.064 0.075 0.064
코팅시간(h) 8 10 4.2 13 4.4 13
국부적인 하중 인가 시 코팅 박리 여부 발생하지 않음 발생하지 않음 발생 발생하지 않음 발생 발생하지 않음
H : 경도
E : 영스 모듈러스
상기 표 3은 TiAlCrYCN 기능층과 TiAlCrYN 지지층의 두께에 따른 탄성지수와 코팅시간을 비교한 표이다. 상기 표 3의 상기 실시예 2, 비교예 3 내지 비교예 6은 실시예 1과 그 구성이 동일하지만, TiAlCrYCN 기능층 또는 TiAlCrYN 지지층의 두께가 다른 경우이다.
또한, 비교예 3은 TiAlCrYCN 기능층의 두께가 0.5㎛ 미만인 경우이고, 비교예 4는 TiAlCrYCN 기능층의 두께가 10㎛를 초과한 경우이다. 그리고 비교예 5는 TiAlCrYN 지지층의 두께가 0.5㎛ 미만인 경우이고, 비교예 6은 TiAlCrYN 지지층의 두께가 10㎛를 초과한 경우이다.
여기서, 실시예 1과 실시예 2는 TiAlCrYCN 기능층과 TiAlCrYN 지지층의 두께가 본원발명과 같은 0.5㎛ 이상, 10㎛ 이하의 범위를 갖기 때문에 인성을 나타내는 탄성지수가 비교예 4 내지 비교예 6보다 높았으며, 비교예 3보다는 낮았지만, 상기 비교예 3은 국부적인 하중 인가 시 코팅이 박리되는 문제가 있었다.
상기 비교예 4 내지 비교예 6의 탄성지수(H/E)는 실시예 1 및 실시예 2보다 낮은데, 이는 TiAlCrYCN 기능층 또는 TiAlCrYN 지지층의 두께가 10㎛보다 두꺼워 코팅층의 내부 압력 증가로 응력이 증가하였기 때문이다.
또한, 상기 비교예 3 및 비교예 5는 코팅층에 국부적인 하중을 인가하면, 코팅층이 박리되는 현상이 발생하는데, 이는 TiAlCrYCN 기능층 또는 TiAlCrYN 지지층의 두께가 0.5㎛보다 얇으면, 인가된 하중을 견딜 수 없어 박리되기 때문이다.
또한, TiAlCrYCN 기능층 또는 TiAlCrYN 지지층의 코팅시간은 코팅층의 두께가 본원발명의 범위인 0.5~10㎛에서, 그 두께에 따라 코팅시간이 비례적으로 증가하지만, 코팅층의 두께가 10㎛ 초과하면, 코팅시간이 약 50% 더 필요하게 된다. 따라서, 비용적인 면에서도 TiAlCrYCN 기능층 또는 TiAlCrYN 지지층의 두께는 0.5~10㎛가 바람직하다는 것을 확인할 수 있었다.
구분 실시예 1 비교예 7 비교예 8
TiAlCrYCN 기능층의
YC함량(at.%)		 15 1 32
850℃ 고온마찰계수 0.48 0.54 0.35
(상온) 경도 (HV) 2740 2886 2421
900℃/6hr 방치
고온경도 (HV)		 2712 2646 2164
경도 감소율(%) 1.0 8.3 10.6
850℃/30hr
알루미늄 용탕
소착시험		 표면결함 없음 표면결함 과다
소착 과다		 표면결함 없음
비고 저마찰성, 내소착성, 경도 및 내열성 우수 저마찰성 및 내소착성 저하 경도 및 내열성 저하
상기 표 4는 TiAlCrYCN 기능층의 YC함량에 따른 고온마찰계수, 경도, 고온경도, 경도 감소율 및 소착 시험결과를 비교한 표이다.
상기 비교예 7 및 비교예 8은 실시예 1과 그 구성이 동일하지만, TiAlCrYCN 기능층의 Y(이트륨)과 C(탄소)의 함량을 합한 YC의 함량이 TiAlCrYCN 나노다층 기능층의 전체 원자에 대하여, 2~30at.% 범위를 벗어난 경우이다.
보다 구체적으로, TiAlCrYCN 기능층의 YC 함량이 본원발명의 범위 내에 포함되는 상기 실시예 1은 비교예 7과 비교예 8보다 마찰계수가 작으며, 고온경도가 높고 경도 감소율이 가장 작으며, 알루미늄 용탕 소착시험에도 표면 결함이 없는 것으로부터 저마찰성, 내열성 및 내소착성 등이 우수하다는 것을 알 수 있었다.
반면에, TiAlCrYCN 기능층의 YC 함량이 2 at.%보다 작은 상기 비교예 7은 실시예 1보다 마찰계수가 높아 저마찰성이 낮으며, 알루미늄 용탕 소착시험 시 시편의 표면결함과 소착이 과다하게 발생하는 등 내소착성이 낮다는 것을 알 수 있었다.
또한, TiAlCrYCN 기능층의 YC 함량이 30 at.%보다 큰 상기 비교예 8은 실시예 1보다 마찰계수가 낮아 저마찰성은 실시예 1보다 다소 우수하지만, 경도가 낮고 경도 감소율이 크기 때문에 고온 안정성이 낮다는 것을 알 수 있었다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
100 : 모재 220 : TiAl 타겟
110 : CrN 접합층 230 : Cr 타겟
120 : TiAlCrYN 나노다층 지지층 240 : Y 타겟
130 : TiAlCrYCN 나노다층 기능층 250 : 가스 주입부
200 : 챔버 260 : 가열부
210 : 펌프 270 : 회전 홀더

Claims (8)

  1. 질화 처리된 모재(100) 상부에 위치하며 코팅층의 밀착성 향상을 위한 CrN 접합층(110);
    상기 CrN 접합층(110) 상부에 위치하며 코팅층의 내열성, 내피로성, 내마모성 및 인성을 위한 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120); 및
    상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120) 상부에 위치하며 코팅층의 내열성, 내산화성, 내소착성, 인성 및 저마찰성을 위한 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130);을 포함하되,
    상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 YC함량은 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 전체 원자에 대하여, 2~30 at.%인 것을 특징으로 하는 고온 저마찰성 코팅층.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)의 두께는 0.5~10㎛이고,
    상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 두께는 0.5~10㎛인 것을 특징으로 하는 고온 저마찰성 코팅층.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)의 Ti : Al : Cr 원자 비율이 1 : 1 : 1 인 것을 특징으로 하는 고온 저마찰성 코팅층.
  5. 챔버(200) 내부를 진공상태로 만든 후 아르곤 가스를 주입하여 아르곤 이온의 프라즈마 상태를 만든 후 아르곤 양이온을 질화 처리된 모재(100)의 표면에 충돌시켜 상기 모재(100)의 표면을 세정하고 활성화하는 단계;
    N 이온의 공급을 위해 상기 챔버(200)의 내부에 질소 가스(N2)를 주입한 다음 Cr 이온을 공급하는 Cr 타겟(230)을 이용하여 상기 모재(100)의 표면에 CrN 접합층(110)을 형성하는 단계;
    TiAl 이온을 공급하는 TiAl 타겟(220)과 Cr 이온을 공급하는 Cr 타겟(230)과 Y 이온을 공급하는 Y 타겟(240)을 이용하여 상기 형성된 CrN 접합층(110) 상부에 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)을 형성하는 단계; 및
    C 이온의 공급을 위해 상기 챔버(200)의 내부에 아세틸렌 가스(C2H2)를 더 주입한 다음 TiAl 이온을 공급하는 TiAl 타겟(220)과 Cr 이온을 공급하는 Cr 타겟(230)과 Y 이온을 공급하는 Y 타겟(240)을 이용하여 상기 형성된 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)의 상부에 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)을 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)을 형성하는 단계에서, 상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 YC함량은 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 전체 원자에 대하여, 2~30 at.%이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 고온 저마찰성 코팅층의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)을 형성하는 단계에서, 상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)의 두께가 0.5~10㎛이 되도록 하고,
    상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)을 형성하는 단계에서, 상기 TiAlCrYCN 나노다층 기능층(130)의 두께가 0.5~10㎛이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 고온 저마찰성 코팅층의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)을 형성하는 단계에서, 상기 TiAlCrYN 나노다층 지지층(120)의 Ti : Al : Cr 원자 비율이 1 : 1 : 1 이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 고온 저마찰성 코팅층의 제조방법.
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