KR101793833B1 - 고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법, 코팅막 및 이를 포함하는 절삭 공구 - Google Patents

고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법, 코팅막 및 이를 포함하는 절삭 공구 Download PDF

Info

Publication number
KR101793833B1
KR101793833B1 KR1020160099072A KR20160099072A KR101793833B1 KR 101793833 B1 KR101793833 B1 KR 101793833B1 KR 1020160099072 A KR1020160099072 A KR 1020160099072A KR 20160099072 A KR20160099072 A KR 20160099072A KR 101793833 B1 KR101793833 B1 KR 101793833B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon
layer
metal nitride
nitride
metal
Prior art date
Application number
KR1020160099072A
Other languages
English (en)
Inventor
이희수
전설
김부영
류지승
조승현
홍은표
김양도
Original Assignee
부산대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 부산대학교 산학협력단 filed Critical 부산대학교 산학협력단
Priority to KR1020160099072A priority Critical patent/KR101793833B1/ko
Priority to US16/081,660 priority patent/US10597781B2/en
Priority to PCT/KR2017/002254 priority patent/WO2017150908A1/ko
Priority to JP2018546453A priority patent/JP6735841B2/ja
Application granted granted Critical
Publication of KR101793833B1 publication Critical patent/KR101793833B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • C23C30/005—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process on hard metal substrates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/021—Cleaning or etching treatments
    • C23C14/022—Cleaning or etching treatments by means of bombardment with energetic particles or radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641—Nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
    • C23C14/325—Electric arc evaporation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/042—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material including a refractory ceramic layer, e.g. refractory metal oxides, ZrO2, rare earth oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/044—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material coatings specially adapted for cutting tools or wear applications
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24—Nitriding
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/60—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using solids, e.g. powders, pastes
    • C23C8/62—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using solids, e.g. powders, pastes only one element being applied
    • C23C8/64—Carburising
    • C23C8/66—Carburising of ferrous surfaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/60—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using solids, e.g. powders, pastes
    • C23C8/78—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using solids, e.g. powders, pastes more than one element being applied in more than one step

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)

Abstract

고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법, 코팅막 및 이를 포함하는 절삭 공구에 있어서, 고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법은 금속 모재 상에 지르코늄(Zr) 및 크롬(Cr) 중 적어도 어느 하나와 티타늄(Ti)을 포함하는 금속 질화물층을 형성하는 단계, 금속 질화물층 상에 탄소물질, 바인더 및 용매를 포함하는 탄소 페이스트를 코팅하여 탄소층을 형성하는 단계 및 탄소층에 레이저를 조사하여, 금속 질화물층으로 탄소층의 탄소가 첨가된 침탄층을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법, 코팅막 및 이를 포함하는 절삭 공구{METHOD OF IMPROVING WEAR RESISTANCE OF NITRIDE COATING LAYER WITH HIGH THERMAL STABILITY AND HARDNESS, COATING LAYER, AND CUTTING TOOL HAVING THE COATING LAYER}
본 발명은 고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법, 코팅막 및 이를 포함하는 절삭 공구에 관한 것이다.
최근에, 금속재료의 합금화, 복합재의 개발 등에 따른 난삭재(difficulty-to-cut material)의 사용 빈도 증가에 의해 기계 가공 공정은 빠른 가공 속도를 위해서 절삭유나 냉각수의 사용을 배제하는 고속 건식 가공(high speed dry cutting)으로 변화하고 있는 추세이다. 이러한 난삭재의 고속 건식 가공을 위해 이용되는 절삭 공구(cutting tool)는 높은 경도와 내열충격성이 확보되어야 하므로, 주로 세라믹 계열의 고경도 코팅을 표면에 도입하여 절삭 공구의 수명을 연장하고 있다.
고경도 코팅을 위해 사용되는 세라믹 재료 중 가장 널리 이용되는 티타늄계 질화물(titanium-based nitride)은, 공유 결합에 기인하는 높은 경도를 가짐과 동시에 금속 모재에 대한 부착력이 우수한 장점을 갖는다. 티타늄계 질화물의 기본적인 형태인 TiN(titanium nitride) 외에도, 탄소, 붕소 등의 경원소의 첨가 및/또는 알루미늄, 지르코늄, 크롬 등의 전이금속의 티타늄 자리로의 치환을 통해 티타늄계 질화물의 기계적, 열적 물성을 향상시키고 있다. 특히, 이 중에서는 고온, 고압에서의 상 안정성이 특히 우수한 TiZrN 코팅이 많이 이용되고 있다.
고속 건식 가공법 하에서는 절삭공구에 인가되는 기계적 압력이 높아질 뿐만 아니라, 공구와 피삭재 간의 표면 온도가 약 1,000℃ 이상 상승하게 되는데, 이러한 환경에서 절삭 공구의 표면에 고경도를 갖는 코팅층이 안정적으로 형성되지 않는 경우, 가공품의 가공 정밀성이나 절삭 공구 자체의 수명이 감소하는 문제가 있다. 티타늄계 질화물은 "TiN"의 이산화티타늄(TiO2)으로의 산화 및 상변화에 의한 격자 팽창으로 인해 표면 열화 및 코팅층 박리 등의 문제가 발생한다.
최근에 연구되고 있는 입방 질화붕소(cubic boron nitride, cBN) 등의 새로운 재료를 이용한 초고경도 박막의 경우, 그 자체의 경도는 매우 높지만 금속 모재에 대한 부착력이 취약한 문제가 보고되고 있다. 또한, TiZrN 코팅의 경우, 전이금속인 지르코늄의 첨가에 의해 내열충격성은 향상되지만, 다양한 난삭재들을 용이하게 절삭하기 위한 표면 경도와 마찰계수 등 표면의 기계적 특성 향상을 위한 연구가 계속되고 있다.
본 발명의 일 목적은 높은 내열충격성을 갖는 동시에, 표면 경도와 내마모성을 향상시킨 고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고내열 및 고경도 질화물 코팅막을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 코팅막을 포함하는 절삭 공구를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 위한 고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법은 금속 모재 상에 지르코늄(Zr) 및 크롬(Cr) 중 적어도 어느 하나와 티타늄(Ti)을 포함하는 금속 질화물층을 형성하는 단계, 상기 금속 질화물층 상에 탄소물질, 바인더 및 용매를 포함하는 탄소 페이스트를 코팅하여 탄소층을 형성하는 단계, 및 상기 탄소층에 레이저를 조사하여, 상기 금속 질화물층으로 상기 탄소층의 탄소가 첨가된 침탄층을 형성하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 침탄층을 형성하는 단계에서 상기 탄소층의 탄소(C)는 금속 질화물층에 침입하거나 상기 금속 질화물의 질소(N)를 치환한 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 탄소재는 흑연 또는 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 바인더는 폴리피닐리덴디풀루오라이드(polyvinylidene difluoride, PVDF)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 용매는 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 침탄층은 상기 금속 질화물과 함께 탄화티타늄(TiC)을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 탄소 페이스트에 포함된 흑연의 크기는 1 nm 이상 20 ㎛ 이하일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제조 방법은 상기 금속 질화물층을 형성하기 전에 상기 금속 모재 상에 티타늄층을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 금속 질화물층을 형성하는 공정에서 상기 티타늄층의 티타늄이 질화되어 질화티타늄(TiN)으로 이루어진 접착력 향상층이 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제조 방법은 상기 금속 질화물층을 형성하기 전에, 상기 금속 모재 표면에 이온 충격을 가하여 상기 금속 질화물층과 금속 모재 사이의 접착력을 향상시키는 전처리 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 위한 고내열 및 고경도 질화물 코팅막은 금속 모재 상에 형성되고, 지르코늄(Zr) 및 크롬(Cr) 중 어느 하나와 티타늄(Ti)을 포함하는 금속 질화물층 및 상기 금속 질화물층 상에 배치되고, 상기 금속 질화물층에 포함된 금속 질화물을 포함하며, 탄소(C)가 내부에 침입되거나 상기 금속 질화물의 질소(N)를 치환한 침탄층을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 침탄층은 탄화티타늄(TiC)을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 침탄층은 탄소 고함량부 및 상기 금속 질화물층과 상기 탄소 고함량부 사이에 배치되고, 상기 탄소 고함량부보다 단위 면적당 탄소 함량이 적은 탄소 저함량부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 탄소 고함량부는 탄화티타늄(TiC)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 금속 모재와 상기 금속 질화물층 사이에 개재되고, 질화티타늄(TiN)을 포함하는 접착력 향상층이 더 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적을 위한 절삭 공구는 표면에 고내열 및 고경도 질화물 코팅막이 형성되되, 상기 코팅막은
지르코늄(Zr) 및 크롬(Cr) 중 적어도 어느 하나와 티타늄(Ti)을 포함하는 금속 질화물층 및 상기 금속 질화물층 상에 배치되고, 상기 금속 질화물층에 포함된 금속 질화물을 포함하며, 탄소(C)가 내부에 침입되거나 상기 금속 질화물의 질소(N)를 치환한 침탄층을 포함한다.
상기에서 설명한 고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법, 코팅막 및 이를 포함하는 절삭 공구에 따르면, 코팅막의 내열충격성, 표면 경도 및 내마모성을 향상시킬 수 있다. 이러한 코팅막이 금속 모재에 코팅됨으로써 금속 모재에 해당하는 제품의 수명을 연장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고내열 및 고경도 질화물 코팅막을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 도 1의 코팅막을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 샘플 1a의 제조공정별 구조 분석 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 샘플 1a, 1b, 2 및 비교샘플 1의 표면마찰계수 특성 결과를 설명하기 위한 그래프와 사진들을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 샘플 3, 4 및 비교샘플 2의 표면마찰계수 특성 결과를 설명하기 위한 그래프와 사진들을 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고내열 및 고경도 질화물 코팅막을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 코팅막(310, 320)은 금속 모재(100)의 표면에 형성되되, 코팅막(310, 320)은 전이금속을 포함하는 금속 질화물층(310) 및 침탄층(320)을 포함한다.
금속 모재(100)는 금속으로 형성된 기재로서, 금속 모재(100) 자체가 금속으로 형성되거나, 최상부 표면이 금속층을 포함함으로써 금속 모재(100)가 될 수 있다. 금속 모재(100)는 절삭 공구일 수 있다.
금속 질화물층(310)은 전이금속으로서 티타늄(Ti)을 포함하고, 지르코늄(Zr) 또는 크롬(Cr)을 더 포함한다. 금속 질화물층(310)에 의해서 코팅막(310, 320) 전체의 내열성이 향상될 수 있다. 금속 질화물층(310)을 구성하는 금속 질화물은 Ti1-xMxN(0<x<1, 이때, M은 Zr 또는 Cr을 나타낸다)로 나타내는 화합물일 수 있다. 금속 질화물층(310)이 질화티타늄층인 경우(TiN으로 이루어진 경우)에 비해서 지르코늄이나 크롬을 더 포함함으로써 격자 변형과 지르코늄이나 크롬과 질소 원자 사이의 결합의 증가로 인해서 코팅막(310, 320) 자체의 기계적 특성 및 내열성이 향상될 수 있다.
침탄층(320)은 금속 질화물층(310) 상에 배치되고, 침탄층(320)에 의해서 코팅층(310, 320)의 표면 경도와 내마모성이 향상될 수 있다. 침탄층(320)은 금속 질화물층(310)에 탄소가 침탄됨으로써 형성된 층으로서, "침탄된 금속 질화물" 및 탄화티타늄(TiC)을 포함한다.
침탄층(320)에 포함된 탄소(C)는 금속 질화물에 포함된 질소(N)를 치환한 경우, 즉 직접적으로 금속과 화학 결합(치환형)하거나, 금속 질화물에 침입형으로 탄소(C)가 끼어들어간 형태로 존재할 수 있다. 치환형 및/또는 침입형으로 침탄된 금속 질화물로 이루어진 침탄층(320)의 성분은 Ti1-xMx(CyN1-y) [이때, 0<x<1, 0<y<1]로 나타낼 수 있다. 이때,"Ti1-xMx(CyN1-y)"는 질화물, 탄화물 및 질탄화물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 의미한다. 상기 침탄된 금속 질화물은 비정질 상을 가질 수 있다.
이하에서, "탄소의 함량"에 포함되는 탄소는, 금속 질화물에 대해서 치환형으로 삽입된 탄소 및 침입형으로 삽입된 탄소를 모두 포함하는 것으로 정의한다.
일례로, 침탄층(320)은 탄소 고함량부(324)와 탄소 저함량부(322)를 포함할 수 있다. 탄소 고함량부(324)는 침탄층(320)의 상부에 해당하는 침탄층(320)의 표면부이자, 실질적으로 상기 코팅막의 표면에 해당한다. 탄소 고함량부(324)에 포함된 탄소 함량은, 단위 면적당, 탄소 저함량부(322)에 포함된 탄소 함량보다 많다. 이때, 탄소 함량에 있어서, 탄소 고함량부(324)가 탄소 저함량부(322)보다 적어도 1.5배 이상일 수 있다.
침탄층(320)에 포함되는 탄화티타늄(TiC)은 주로 탄소 고함량부(324)에 포함되는 성분이다. 이때, 금속 질화물층(310)이 티타늄 및 지르코늄을 포함하는 경우, 탄소 고함량부(324)는 침탄된 금속 질화물로서, 질화티타늄, 질탄화티타늄, 질화지르코늄, 탄화지르코늄, 질탄화지르코늄, 질화 티타늄-지르코늄, 탄화 티타늄-지르코늄, 질탄화 티타늄-지르코늄 및 침입형의 탄소 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다. 금속 질화물층(310)이 티타늄 및 크롬을 포함하는 경우, 탄소 고함량부(324)는 질화티타늄, 질탄화티타늄, 질화크롬, 탄화크롬, 질탄화크롬, 질화 티타늄-크롬, 탄소 티타늄-크롬, 질탄화 티타늄-크롬 및 침입형의 탄소 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다. 다만, 이때, 탄소 고함량부(324)는 상기에 나열한 성분들을 포함하더라도 탄화티타늄(TiC)이 이들 성분들에 비해서 현저하게 많이 함유되어 탄화티타늄(TiC)이 탄소 고함량부(324)의 주성분일 수 있다.
탄소 저함량부(322)는 탄소 고함량부(324)와 금속 질화물층(310) 사이에 개재되는 층으로서, 침탄된 금속 질화물을 포함하되, 탄소 고함량부(324)의 단위 면적당 탄소 함량에 비해서는 낮은 함량을 갖는다.
본 발명에서는 금속 질화물층(310)이 티타늄을 기본으로 하여 크롬이나 지르코늄을 더 포함함으로써 코팅막의 기계적 특성 및 내열성이 향상되는데, 침탄층은 여기에 추가적으로 탄소를 더 포함함으로써 티타늄-탄소 사이의 화학적 결합이 추가됨으로써 코팅막의 기계적 특성이 향상될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 코팅막과 금속 모재(100) 사이에는 접착력 향상층(201)이 배치될 수 있다. 접착력 향상층(201)은 질화티타늄(TiN)을 포함할 수 있고, 금속 모재(100)와 금속 질화물층(310) 사이에 개재될 수 있다. 접착력 향상층(201)은 상기 코팅막과 금속 모재(100) 사이의 접착력을 향상시킬 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 금속 모재(100)의 표면에 금속 질화물층(310)과 침탄층(320)을 포함하는 상기 코팅막이 형성됨에 따라서, 금속 모재(100)의 내열성뿐만 아니라, 표면 경도와 내마모성을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 도 2를 참조하여 도 1에서 설명한 상기 코팅막을 금속 모재(100)의 표면에 형성하는 방법을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 도 1의 코팅막을 형성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 도 1과 함께 참조하면, 먼저 금속 모재(100) 상에 접착력 향상층(201)과 질화물층(300)을 형성하고, 질화물층(300)이 형성된 금속 모재(100) 상에 탄소 페이스트를 이용하여 탄소층(400)을 형성한다.
금속 모재(100)로는 SUS 또는 WC-Co(탄화텅스텐-코발트) 기재를 이용할 수 있다.
일 실시예에서, 먼저 금속 모재(100) 상에 티타늄층을 형성하고, 상기 티타늄층이 형성된 금속 모재(100) 상에 질화물층(300)을 형성한다. 이때, 질화물층(300)의 형성을 위해서 티타늄과 지르코늄이나 크롬이 타겟 물질로서 제공되고, 동시에 질소 가스가 공급되는데, 공급되는 질소 가스에 의해서 상기 티타늄층은 질화티타늄(TiN)으로 티타늄이 질화되어 접착력 향상층(201)을 형성할 수 있다. 질화물층(300)은 물리적 기상증착법으로 형성될 수 있는데, 예를 들어, RF/DC 마그네트론 스퍼터링법을 이용할 수 있다.
일 실시예에서, 별도의 접착력 향상층(201)의 형성을 생략하고, 금속 모재(100)의 표면을 세정한 후, 세정된 금속 모재(100)의 표면 처리를 통해서 그 위에 형성되는 질화물층(300)과의 접착력을 향상시킬 수 있다. 표면 처리는 이온 충격(ion bombardment)을 이용하여 수행할 수 있다.
세정 공정은 에탄올 및/또는 아세톤을 이용하여 세척할 수 있고, 적어도 1회 이상 수행할 수 있다.
금속 모재(100)의 표면에 아크 방전 기법(arc discharge technique sputtering)을 이용하여 소결 화합물 타겟(sintered compound target)으로 질화물층(300)을 증착하여 형성할 수 있다. 증착 공정 중에, 질화물층(300) 내의 결정립 성장을 위해서 금속 모재(100)의 온도는 330℃ 내지 370℃로 유지할 수 있다.
상기와 같이 형성된 질화물층(300)의 성분은 실질적으로 도 1에서 설명한 티타늄을 포함하되 지르코늄 또는 크롬을 더 포함하는 금속 질화물층(310)과 동일한 것으로, 질화물층(300)의 일부가 침탄되고, 나머지가 잔류하여 금속 질화물층(310)이 된다.
질화물층(300)을 형성한 후, 그 위에 탄소 페이스트를 이용하여 탄소층(400)을 형성한다.
탄소 페이스트는 탄소재, 바인더 및 용매를 포함하는데, 탄소재로서 흑연(graphite) 또는 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)를 이용할 수 있고, 상기 탄소재가 바인더 및 용매의 혼합물 내에 분포됨으로써 탄소 페이스트가 될 수 있다. 탄소 페이스트가 흑연을 포함하는 경우, 그 크기가 20 ㎛ 이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 탄소 페이스트가 크기가 20 ㎛ 이하인 흑연을 포함하는 경우, 더 큰 크기의 흑연을 사용하는 경우에 비해서 현저하게 코팅층의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 바인더는 폴리피닐리덴디풀루오라이드(polyvinylidene difluoride, PVDF)일 수 있다. 상기 용매는 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP)일 수 있다. 탄소재와 PVDF의 중량비는 90:10이고, 상기 용매를 미량으로 첨가하여 점도를 제어할 수 있다.
탄소 페이스트를 붓이나 주걱으로 균일하게 펴서 바르거나(브러싱 공정) 탄소 페이스트를 분사함(스프레이 공정)으로써 코팅 공정을 수행하고, 이를 건조시킴으로써 탄소층(400)을 형성할 수 있다. 건조 공정은 100℃ 내지 150℃의 온도에서 15분 내지 1시간동안 수행될 수 있다. 상기 건조 공정을 통해서, 탄소층(400)의 부착력을 향상시켜 탄소층(400)이 질화층(300)의 표면에서 박리되는 것을 방지할 수 있고, 이후의 레이저를 이용한 침탄 공정에서 탄소층(400)이 액상으로 분산되는 위험을 방지할 수 있다. 동시에, 탄소 페이스트가 균일하게 도포되지 않더라도 탄소층(400)의 건조 공정을 통해서 탄소층(400)의 표면을 매끄럽게 할 수 있는 장점이 있다.
이어서, 탄소층(400)이 형성된 상태에서, 레이저를 이용하여 침탄 공정을 수행한다. 상기 침탄 공정은 레이저 어블레이션(laser ablation)으로서, 탄소층(400)의 탄소가 질화물층(300)에 첨가되는 탄소원이 되어 레이저의 조사에 의해서 침탄이 일어나게 된다.
구체적으로, 침탄 공정은 레이저를 금속 모재(100)의 일단에서 타단을 향하는 일 방향으로 수행할 수 있고, 적어도 1회 이상 수행할 수 있다. 레이저는, 펄스 또는 연속파를 통해서 수행할 수 있다. 펄스 레이저를 이용하는 경우, 3 Hz에서 20 Hz 의 영역대의 진동수를 지정할 수 있다. 진동수 외에, 레이저의 출력 및/또는 레이저의 조사 횟수를 조절함으로써 침탄층(320)의 두께나 침탄층(320)의 탄소 함량 등이 결정될 수 있다. 출력 60% 레이저를 이용하여 5 Hz로 10회 조사하여 침탄 공정을 수행할 수 있다.
레이저가 조사된 영역은 침탄에 의해서 침탄처리된 코팅표면과 그 하부의 질화물층(300)으로 탄소가 확산되게 되고, 이로 인해서 침탄처리된 코팅층인 탄소 저함량부(322)와 그 위를 덮고 있는 탄소 고함량부(324)가 형성되며, 질화물층(300)의 일부는 도 1에서 설명한 금속 질화물층(310)으로 잔류한다. 또한, 탄소 고함량부(324)와 탄소 저함량부(322)가 침탄층(320)을 구성하여 금속 질화물층(310)과 함께 금속 모재(100)의 표면을 보호하고, 금속 모재(100)의 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 코팅막을 구성할 수 있다.
침탄 공정을 수행한 후, 추가적으로 잔류하는 탄소층(400)을 제거하기 위한 세정 공정을 수행할 수 있다. 상기 세정 공정은 용매를 이용한 초음파 세정으로 수행할 수 있다. 예를 들어, 에탄올을 이용하여 1차 세척하고 아세톤을 이용하여 2차 세척을 함으로써 수행할 수 있으며, 1차/2차 세척을 반복 수행할 수 있다.
상기에서 설명한 바에 따르면, 금속 모재(100)의 표면에 금속 질화물층(310)과 침탄층(320)을 포함하는 상기 코팅막이 형성됨에 따라서, 금속 모재(100)의 내열성뿐만 아니라, 표면 경도와 내마모성을 향상시킬 수 있다.
이하에서는, 구체적인 제조예 및 이를 통해서 제조된 샘플과 비교 샘플을 통해서 표면 경도 및 내마모성의 향상에 대해서 보다 상세하게 설명하기로 한다.
제조예: 샘플 1a의 제조
금속 모재로서 SUS304 상에 얇은 Ti층을 형성한 후, Ti0.5Zr0.5N을 다음 표 1과 같은 증착 조건 하에서 3.0 ㎛로 증착하였다. Ti0.5Zr0.5N층을 형성하는 단계에서 제공된 질소 가스에 의해서 Ti층이 TiN으로 변환되고, 그 위에 Ti0.5Zr0.5N가 형성되었다.
Ti:Zr ratio (at.%) of target materials 50:50
Base pressure (Torr) 1.0 x 10-5
Working pressure (Torr) 1.0 x 10-2
RF power (W) 200
Deposition temperature (K) 723
Deposition time (h) 6.0
Rotational velocity of substrate (rpm) 15
Ar:N2 gas ratio 5:1
Coating thickness (μm) 3.0
TiN층 및 Ti0.5Zr0.5N층이 형성된 SUS304 상에, 탄소 페이스트를 주걱(spatula)을 이용하여 도포하여(hand-brushing) 0.1 mm 두께의 탄소층을 형성하였다. 상기 탄소층을 형성하기 위한 탄소 페이스트는 크기가 20 ㎛인 흑연과 PVDF의 중량비가 90:10으로 점도 조절을 위한 용매를 NMP로 이용한 것을 이용하였다. 상기 탄소 페이스트를 도포한 후, 130℃에서 약 10분 동안 건조시킨 후, Nd-YAG를 광원으로 하는 LSX-213(상품명, CETAC technologies)을 이용하여 60% 출력, 5 Hz로 일 방향으로 레이저를 조사하는 스캐닝 공정을 10회 수행하였다. 이어서, 잔류하는 탄소층을 에탄올과 아세톤 각각을 이용하여 초음파 세척 공정을 수행하여 제거함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 1a를 준비하였다.
제조예: 샘플 2의 제조
탄소층을 형성하는 공정에서 브러싱 공정 대신 스프레이 공정을 이용한 것을 제외하고는, 샘플 1a의 제조와 실질적으로 동일한 공정을 통해서 일 실시예에 따른 샘플 2를 준비하였다.
샘플 1b의 제조
탄소 페이스트에 흑연 대신 탄소나노튜브를 이용한 것을 제외하고는 샘플 1a의 제조와 실질적으로 동일한 공정을 통해서 샘플 1b를 준비하였다.
비교 샘플 1의 제조
SUS304 상에 TiN층과 Ti0.5Zr0.5N층을 순차적으로 형성하여 비교샘플 1을 준비하였다. TiN층과 Ti0.5Zr0.5N층의 제조 공정은 샘플 1의 제조 공정과 실질적으로 동일하게 수행하였다.
제조 공정별 구조변화 분석
샘플 1a 및 샘플 1b 각각의 제조 공정 중에서의 구조 분석을 위해서 EXAFS 분석(Extended X-ray absorption Fine strucutre) 분석을 수행하였다. 그 결과를 도 3에 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 샘플 1a의 제조공정별 구조 분석 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에서, (a) 및 (b)는 탄소가 첨가되기 전의 티타늄-지르코늄 질화물에 대한 (a)는 Ti K-에지에서의 k 3χ EXAFS 데이터를 나타낸 것이고, (b)는 푸리에 변환 EXAFS 데이터를 나타낸 것이고, (c)는 티타늄-지르코늄 질화물에 탄소의 첨가 전후의 Ti K-에지에서의 k 3χ EXAFS 데이터를 나타낸 것이며, (d)는 티타늄-지르코늄 질화물에 탄소의 첨가 전후의 푸리에 변환 EXAFS 데이터를 나타낸 것이다.
도 3의 (a)와 (b)를 참조하여 Ti0.9Zr0.1N와 Ti0.5Zr0.5N을 비교하면 지르코늄의 함량이 증가할수록 격자변형이 크게 나타나고 지르코늄과 질소의 결합으로 인해서 전체적인 평균 결합 길이가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 3의 (c)와 (d)를 참조하면, Ti0.5Zr0.5N에 대하여 탄소의 첨가로 인해서 (a)와 다른 또 다른 격자변형이 발생한 것을 알 수 있으며, 지르코늄의 함량이 증가할수록 격자변형이 크게 나타난 것을 확인할 수 있다. (d)를 참조하면, 탄소의 첨가로 인해서 탄소의 침입과 치환형 탄소와 티타늄 사이의 티타늄-탄소 결합이 형성된 것을 확인할 수 있다. 즉, 침탄층에서 티타늄-탄소 결합이 존재하고, 침입형으로 탄소가 존재함으로써 코팅층의 기계적 특성이 향상된 것으로 볼 수 있다.
특성 평가-1
샘플 1a, 1b, 2 및 비교 샘플 1 각각에 대해서, 내마모성 특성 평가를 위해서 ball-on-disk 실험을 수행하여 표면 마찰계수 특성을 평가하였다. 또한, 내마모성 특성 평가 후에 궤적(track)의 미세 구조를 관찰하기 위해 샘플 1b 및 샘플 1a 각각에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진을 촬영하였다. 그 결과를 도 4에 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 샘플 1a, 1b, 2 및 비교샘플 1의 표면마찰계수 특성 결과를 설명하기 위한 그래프와 사진들을 도시한 도면이다.
도 4의 그래프에서, x축은 시간(단위: 초)을 나타내며, y축은 마찰계수(friction coefficient)를 나타낸다. 또한, 도 4의 SEM 사진들 중, (a)는 샘플 1b에 관한 것이고, (b)는 샘플 1a에 관한 것이다.
도 4를 참조하면, 실험 시간이 증가하더라도 흑연을 이용한 샘플 1a 및 샘플 2의 마찰계수는 실질적으로 변화가 없는 것을 확인할 수 있다. 또한, 샘플 1b의 경우에도 100초 이후에는 마찰계수가 증가하지만, 그 이전에는 실질적으로 변화가 없는 것을 확인할 수 있다. 반면, 침탄층을 포함하지 않는 비교샘플 1의 경우에는 30초부터 서서히 마찰계수가 증가하다가 100초 부근에서 급격하게 마찰계수가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 비교 샘플 1의 경우에는 최대 50초 정도에서 열화가 일어나지만, 샘플 1b와 같은 경우 150초 이후에서 열화가 일어나고, 샘플 1a이나 2의 경우에는 300초까지 시간이 경과하더라도 실질적인 변화가 없는 것을 확인할 수 있다.
제조예: 샘플 3 및 4의 제조
SUS304 대신 WC-Co를 금속 모재로 이용하고 지르코늄 대신 크롬을 이용한 것을 제외하고는 샘플 1a의 제조와 실질적으로 동일한 공정을 수행하여 샘플 3을 제조하였다.
또한, 지르코늄 대신 크롬을 이용한 것을 제외하고는 샘플 2의 제조와 실질적으로 동일한 공정을 수행하여 샘플 4를 제조하였다.
특성 평가-2
샘플 3, 4 및 비교샘플 2 각각에 대해서, 내마모성 특성 평가를 위해서 ball-on-disk 실험을 수행하여 표면 마찰계수 특성을 평가하였다. 또한, 내마모성 특성 평가 후에 궤적(track)의 미세 구조를 관찰하기 위해 비교샘플 2와 샘플 3 각각에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진을 촬영하였다. 그 결과를 도 5에 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 샘플 3, 4 및 비교샘플 2의 표면마찰계수 특성 결과를 설명하기 위한 그래프와 사진들을 도시한 도면이다.
도 5에서, 그래프는 샘플 3, 4 및 비교샘플 2에 대한 표면 마찰계수 특성에 관한 것이고, SEM 사진 (a)는 비교 샘플 2에 대한 것이고, (b)는 샘플 3에 관한 것이다.
도 5의 그래프를 참조하면, 비교샘플 2의 경우에는 급격하게 열화되는 반면, 샘플 3 및 4의 경우에는 시간이 지나더라도 실질적인 변화가 없는 것을 확인할 수 있다. 즉, 티타늄-크롬 질화물에 대해서 탄소를 침입형 및/또는 치환형으로 첨가하는 경우에도 티타늄-지르코늄 질화물과 유사한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 5의 SEM 사진 (a) 및 (b)를 참조하면, 샘플 3의 경우에 코팅층의 파괴 현상이 현저하게 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 금속 모재 201: 접착력 향상층
310: 티타늄계 질화물층 320: 침탄층
322: 탄소 저함량부 324: 탄소 고함량부

Claims (15)

  1. 금속 모재 상에 지르코늄(Zr) 및 크롬(Cr) 중 적어도 어느 하나와 티타늄(Ti)을 포함하는 금속 질화물층을 형성하는 단계;
    상기 금속 질화물층 상에 탄소물질, 바인더 및 용매를 포함하는 탄소 페이스트를 코팅하여 탄소층을 형성하는 단계; 및
    상기 탄소층에 레이저를 조사하여, 상기 금속 질화물층으로 상기 탄소층의 탄소가 첨가된 침탄층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 침탄층은
    탄소 고함량부; 및
    상기 금속 질화물층과 상기 탄소 고함량부 사이에 배치되고, 상기 탄소 고함량부보다 단위 면적당 탄소 함량이 적은 탄소 저함량부를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 침탄층을 형성하는 단계에서 상기 탄소층의 탄소(C)는,
    금속 질화물층에 침입하거나 상기 금속 질화물의 질소(N)를 치환한 것을 특징으로 하는,
    고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소물질은 흑연 또는 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)인 것을 특징으로 하는,
    고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 바인더는 폴리피닐리덴디풀루오라이드(polyvinylidene difluoride, PVDF)인 것을 특징으로 하는,
    고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 용매는 N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP)인 것을 특징으로 하는,
    고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 침탄층은 상기 금속 질화물과 함께 탄화티타늄(TiC)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 페이스트에 포함된 흑연의 크기는 1 nm 이상 20 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는,
    고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 금속 질화물층을 형성하기 전에 상기 금속 모재 상에 티타늄층을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 금속 질화물층을 형성하는 공정에서 상기 티타늄층의 티타늄이 질화되어 질화티타늄(TiN)으로 이루어진 접착력 향상층이 형성되는 것을 특징으로 하는,
    고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속 질화물층을 형성하기 전에, 상기 금속 모재 표면에 이온 충격을 가하여 상기 금속 질화물층과 금속 모재 사이의 접착력을 향상시키는 전처리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법.
  10. 금속 모재 상에 형성되고, 지르코늄(Zr) 및 크롬(Cr) 중 어느 하나와 티타늄(Ti)을 포함하는 금속 질화물층; 및
    상기 금속 질화물층 상에 배치되고, 상기 금속 질화물층에 포함된 금속 질화물을 포함하며, 탄소(C)가 내부에 침입되거나 상기 금속 질화물의 질소(N)를 치환한 침탄층을 포함하고,
    상기 침탄층은
    탄소 고함량부; 및
    상기 금속 질화물층과 상기 탄소 고함량부 사이에 배치되고, 상기 탄소 고함량부보다 단위 면적당 탄소 함량이 적은 탄소 저함량부를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    고내열 및 고경도 질화물 코팅막.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 침탄층은 탄화티타늄(TiC)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    고내열 및 고경도 질화물 코팅막.
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 탄소 고함량부는 탄화티타늄(TiC)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    고내열 및 고경도 질화물 코팅막.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 금속 모재와 상기 금속 질화물층 사이에 개재되고, 질화티타늄(TiN)을 포함하는 접착력 향상층이 더 형성된 것을 특징으로 하는,
    고내열 및 고경도 질화물 코팅막.
  15. 표면에 고내열 및 고경도 질화물 코팅막이 형성되되,
    상기 고내열 및 고경도 질화물 코팅막은
    지르코늄(Zr) 및 크롬(Cr) 중 적어도 어느 하나와 티타늄(Ti)을 포함하는 금속 질화물층; 및
    상기 금속 질화물층 상에 배치되고, 상기 금속 질화물층에 포함된 금속 질화물을 포함하며, 탄소(C)가 내부에 침입되거나 상기 금속 질화물의 질소(N)를 치환한 침탄층을 포함하고,
    상기 침탄층은
    탄소 고함량부; 및
    상기 금속 질화물층과 상기 탄소 고함량부 사이에 배치되고, 상기 탄소 고함량부보다 단위 면적당 탄소 함량이 적은 탄소 저함량부를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    절삭 공구.
KR1020160099072A 2016-03-02 2016-08-03 고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법, 코팅막 및 이를 포함하는 절삭 공구 KR101793833B1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160099072A KR101793833B1 (ko) 2016-08-03 2016-08-03 고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법, 코팅막 및 이를 포함하는 절삭 공구
US16/081,660 US10597781B2 (en) 2016-03-02 2017-03-02 Method for forming coating film having high heat resistance, high hardness and abrasion resistance, coating film having high heat resistance, high hardness and abrasion resistance, and cutting tool comprising same
PCT/KR2017/002254 WO2017150908A1 (ko) 2016-03-02 2017-03-02 고내열, 고경도 및 내마모성 코팅막의 형성 방법, 고내열, 고경도 및 내마모성 코팅막 및 이를 포함하는 절삭 공구
JP2018546453A JP6735841B2 (ja) 2016-03-02 2017-03-02 高耐熱性、高硬度及び耐摩耗性コーティング膜の形成方法、高耐熱性、高硬度及び耐摩耗性コーティング膜及びこれを含む切削工具

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160099072A KR101793833B1 (ko) 2016-08-03 2016-08-03 고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법, 코팅막 및 이를 포함하는 절삭 공구

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101793833B1 true KR101793833B1 (ko) 2017-11-03

Family

ID=60383687

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160099072A KR101793833B1 (ko) 2016-03-02 2016-08-03 고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법, 코팅막 및 이를 포함하는 절삭 공구

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101793833B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117604443A (zh) * 2024-01-19 2024-02-27 松诺盟科技有限公司 一种耐辐照传感器芯体及其制备方法与应用

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2540904B2 (ja) * 1988-03-29 1996-10-09 三菱マテリアル株式会社 表面被覆硬質材料製切削工具

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2540904B2 (ja) * 1988-03-29 1996-10-09 三菱マテリアル株式会社 表面被覆硬質材料製切削工具

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117604443A (zh) * 2024-01-19 2024-02-27 松诺盟科技有限公司 一种耐辐照传感器芯体及其制备方法与应用
CN117604443B (zh) * 2024-01-19 2024-04-05 松诺盟科技有限公司 一种耐辐照传感器芯体及其制备方法与应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lin et al. Diamond like carbon films deposited by HiPIMS using oscillatory voltage pulses
RU2542185C2 (ru) Режущий инструмент с покрытием
Yu et al. Microstructure and properties of TiAlSiN coatings prepared by hybrid PVD technology
AU707715B2 (en) Method for preserving precision edges using diamond-like nanocomposite film
RU2623937C2 (ru) Режущий инструмент с износостойким покрытием и способ его изготовления
WO2003068503A1 (en) Novel friction and wear-resistant coatings for tools, dies and microelectromechanical systems
Peng et al. Hard and wear-resistant titanium nitride films for ceramic cutting tools by pulsed high energy density plasma
US20150017468A1 (en) Coated tool and methods of making and using the coated tool
JP2005089806A (ja) 耐摩耗性、耐熱性および基材との密着性に優れた積層皮膜とその製造方法
JP2008240079A (ja) 被覆部材
US10597781B2 (en) Method for forming coating film having high heat resistance, high hardness and abrasion resistance, coating film having high heat resistance, high hardness and abrasion resistance, and cutting tool comprising same
US5156725A (en) Method for producing metal carbide or carbonitride coating on ceramic substrate
EP3239349B1 (en) Wear resistant tetrahedral diamond like carbon layer
KR101079902B1 (ko) 표면 피복 절삭 공구
KR101082655B1 (ko) 표면 피복 절삭 공구
KR101793833B1 (ko) 고내열 및 고경도 질화물 코팅막의 내마모성 향상 방법, 코팅막 및 이를 포함하는 절삭 공구
Shirdar et al. The application of surface response methodology to the pretreatment of WC substrates prior to diamond coating
JP2001001202A (ja) 被覆工具
Kim et al. Surface graphitization of carbon-doped TiZrN coatings
Narayan et al. Nanostructured carbon-metal composite films
CN102586731A (zh) 具有硬质涂层的被覆件及其制备方法
KR101741948B1 (ko) 고내열, 고경도 및 내마모성 코팅막의 형성 방법, 고내열, 고경도 및 내마모성 코팅막 및 이를 포함하는 절삭 공구
JP4817044B2 (ja) 切削工具の製造方法
Li et al. Optimization of interlayer/CrWN bilayer films fabricated and monitored under Shewhart control
CN102586732A (zh) 具有硬质涂层的被覆件及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant