KR20030091851A - 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재 및 그금속강재의 코팅방법 - Google Patents

내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재 및 그금속강재의 코팅방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재 및 그 금속강재의 코팅방법에 관한 것으로, 공구강으로 사용되기 적합할 정도의 내마모성을 갖도록 TiAlN, TiN, TiCN, CrN, TiAlSiN 중 어느 하나를 음극 아크법 혹은 마그네크론 스퍼터링법에 의한 경질 코팅하고, 그 상면에 MoS2-Ti의 윤활 코팅층을 마그네트론 스퍼터링법에 의해 복합 코팅하도록 함으로써 내마모성이 우수하도록 하며, 무윤활 가공에서 작업하기에 적합하도록 한 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재 및 그 금속강재의 코팅방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 금속강재의 상면에 TiAlN, TiN, TiCN, CrN, TiAlSiN 중 어느 하나를 음극 아크법 혹은 마그네트론 스퍼터링법에 의한 제 1 경질 코팅층을 형성하고, 그 1차 경질코팅층의 표면에 Ti층과, Ti와 MoS2의 함량비율이 5∼10: 95∼90(wt %)의 2차 코팅층이 순차적으로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명을 적용하면, 내마모성이 우수한 경질 코팅층인 TiAlN, TiN, TiCN, CrN, TiAlSiN 층중 어느 한 경질 코팅층의 상면에 MoS2-Ti의 윤활 코팅층을 마그네트론 스퍼터링법에 의해 복합 코팅하도록 함으로써 내마모성이 우수하도록 하며, 무윤활 가공에서 작업하기에 적합하도록 한 효과가 있다.

Description

내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재 및 그 금속강재의 코팅방법{TOOL STEEL HAVING A COMPLEX COATING LAYER AND METHOD OF THE SAME}
본 발명은 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재 및 그 금속강재의 코팅방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 공구강으로 사용되기 적합할 정도의 내마모성을 갖도록 TiAlN, TiN, TiCN, CrN, TiAlSiN 중 어느 하나를 음극 아크법에 의한 경질 코팅하고, 그 상면에 MoS2-Ti의 윤활 코팅층을 마그네트론 스퍼터링법에 의해 복합 코팅하도록 함으로써 내마모성이 우수하도록 하며, 무윤활 가공에서 작업하기에 적합하도록 한 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재 및 그 금속강재의 코팅방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 금형 또는 공구등의 재료인 금속강재는 그 내마모성을 향상시키기 위하여 코팅층을 형성한다. 코팅층은 대표적으로 화학 증착법이 많이 사용된다.
그런데, 예를 들면, 화학증착법은 1000℃ 정도의 고온에서 코팅층을 형성하므로 금속강재의 치수 변화나 기계적 성질의 변화가 있다. 이는, 금속강재가 매우 정밀한 부품일 경우, 치수 변화나 기계적 성질의 변화는 그 부품의 가치를 매우 저하시킨다는 문제가 있었다.
따라서, 본 출원인은 이러한 코팅층 형성에 있어서의 문제점을 해결하기 위해 출원번호 10-2000-51230호(발명의 명칭: 내마모성과 윤활성이 향상된 코팅층을 가지는 금속강재 및 그 금속강재 코팅방법)를 출원하여 등록받았다.
상기한 발명은 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용한 것으로, 이것을 간단히 요약하면, 전자석을 이용하여 자기장을 발생시키고, 이 자기장을 이용하여 그 자기장안에 포함되는 전자를 사이클로이드 운동시켜 반응가스와 충돌하도록 함으로써 반응가스 이온의 발생을 촉진시키는 장치이다.
도 1은 종래의 금속강재 코팅방법을 수행하는 마그네트론 스퍼터링 장치의 개략적 구성도이고, 도 2는 도 1의 마그네트론 스퍼터링 장치에 의하여 제조된 금속강재의 코팅층을 도시한 도면이며, 도 3은 종래의 금속강재 코팅방법의 플로우차트이다.
도면을 참조하면 본원의 금속강재 코팅방법은, 순차적으로 수행되는 타겟설치단계(S1), 공기제거단계(S2), 불활성가스 주입단계(S3), Ti층 형성단계(S5), 코팅층형성단계(S6)를 포함한다. 상기한 각각의 단계는 강재지지부(11)가 하부에, 그리고 타겟지지부(12)(13)가 하부에 적어도 2개 이상 설치된 챔버(10) 내부에서 수행된다. 여기서, Ti층 형성단계(S5) 이전에 선택적으로 금속강재(40)의 표면에 부착된 오염물질을 제거하기 위한 프리에칭단계(S4)를 수행할 수도 있다.
타겟설치단계(S1)는, 금속강재(40)가 설치된 챔버(10) 내부에 Ti 타겟(20) 및 MoS2타겟(30)을 설치하는 단계이다. 금속강재(40)는 강재지지부(11)에 설치되고, Ti 타겟(20) 및 MoS2타겟(30)은 타겟지지부(12)(13)에 설치된다. 본 실시예에서 금속강재는, 금형이나 공구등에 사용되는 SKD11 라는 이름의 재질을 사용하고 있다.
공기제거단계(S2)는, 챔버(10)의 공기를 제거하여 그 내부의 오염물질을 거의 완전히 배기하는 단계로서, 챔버(10) 내부의 진공도를 10-5torr∼10-7torr 낮추는 것이며, 본 실시예에서는 10-6torr 로 하였다. 공기제거단계(S2)는 디퓨젼펌프(14)및 로타리펌프(15)를 가동함으로써 수행한다.
불활성가스 주입단계(S3)는, 챔버(10)로 불활성가스, 본 실시예에서는 Ar 가스를 주입하여 챔버(10) 내의 진공도를 10-2torr∼10-4torr 로 세팅하는 단계로서, 종래의 예에서는 10-3torr 로 하였다. 불활성가스 주입단계(S3)는 공기제거단계(S2)에 의하여 소정의 진공도가 형성된 상태에서, 적절히 개폐되는 밸브(16) 및 파이프(17)를 통하여 Ar 가스를 주입함으로써 수행된다.
Ti층 형성단계(S5)는 챔버(10) 내부를 플라즈마 상태로 한 상태에서, 금속강재(40)의 표면에 Ti층(41)을 형성하는 단계이다. Ti층 형성단계(S5)는 Ti 타겟(20)에만 층형성전위 및 층형성전류를 인가함으로써 수행된다. 여기서, 층형성전위는250V ∼ 400V 이고, 층형성전류는 0.1A ∼ 0.5A 이다. 이때, 층형성전위를 330V 로 하고, 층형성전류를 0.3A로 하였다. 이때, 진공도는 바람직스럽게 1 ×10-3torr ∼ 3 ×100-3torr 로 한다.
코팅층형성단계(S6)는, Ti 타겟(20) 및 MoS2 타겟(30)에 코팅전위 및 코팅전류를 인가하고, 챔버(10) 내부에서 플라즈마를 발생시킴으로써 금속강재(40)의 표면에 Ti 와 MoS2가 혼합된 코팅층을 동시에 형성하는 단계이다. 이때, Ti 타겟(20)에 인가되는 코팅전위는 250V∼400V 이고, 코팅전류는 0.1A ∼ 0.6A 이다. 본 실시예에서 코팅전위는 330V 이고, 코팅전류는 0.3A 이다. 또, MoS2타겟(30)에 인가되는 코팅전위는 400V∼600V 이고, 코팅전류는 0.3 ∼ 0.7A 이다. 이때, 코팅전위는 500V 이고, 코팅전류를 0.5A 이다.
상기 Ti층 형성단계(S5)나 코팅층형성단계(S6)에서 플라즈마는 챔버 외부에 설치된 고주파발생부(18)에 의한 고주파에 의하여 발생되거나, 또는 금속강재과 챔버 사이에 DC 전위를 인가함으로써 발생시킬 수 있다. 이때, 금속강재(40)는 모터에 의하여 회전되는 금속강재지지부(11)에 올려져 있으므로, 금속강재(40)에 Ti층(41)이나 코팅층(42)이 고르게 형성된다. 이때, 챔버(10) 내부의 온도는 200℃ 이하의 저온 상태를 유지한다.
챔버(10) 내부가 플라즈마 상태가 되면, Ar 가스는 + 이온으로 되고, 한편으로 전자석(19a)(19b)에 의하여 Ar 가스로부터 분리된 전자는 사이클로이드 운동하면서 Ar 가스의 이온화를 더욱 촉진시킴으로써 이온화를 더욱 부추긴다. 따라서, 챔버(10) 내부의 온도는 200℃ 이하로 유지하더라도 충분히 Ar 가스를 이온화시킬 수 있다. 충분히 이온화된 가스는 전위 및 전류가 인가된 Ti 타겟(20) 및 MoS2타겟(30)으로 급속히 진행하여 충돌함으로써 Ti 입자와 MoS2입자를 튀어나오게 하고, 그 입자들은 금속강재(40)에 Ti층(41) 및 코팅층(42)으로 형성되는 것이다.
Ti층 형상단계 이전에 수행하는 프리에칭단계(S4)는, 금속강재(40)의 표면에 부착된 오염물질을 제거하기 위한 단계이다. 프리에칭단계(S4)는, Ar 을 챔버(10)에 주입하여 챔버(10)의 진공도를 10-1torr 정도로 세팅한 상태에서 금속강재(40)에만 에칭전위 및 에칭전류를 가함으로써 수행된다. 이때, 프리에칭단계는, 챔버(10) 내부의 진공도를 10-1torr로 하고, 에칭전위는 500V ∼ 700V 로 하며, 에칭전류는 0.3A ∼ 0.7A 로 한다. 본 실시예에서는, 에칭전위는 600V 정도이고, 에칭전류는0.5A 정도로, 약 40분간 수행한다.
그러나, Ti 와 MoS2가 혼합된 코팅층은 윤활성은 매우 우수해지나, Ti 와 MoS2가 혼합된 코팅층은 연질 코팅이므로 내마모성은 경질 코팅법에 비해 상대적으로 작다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 공구강으로 사용되기 적합할 정도의 내마모성을 갖도록 TiAlN, TiN, TiCN, CrN, TiAlSiN 중 어느 하나를 음극 아크법 혹은 마그네트론 스퍼터링법에 의한 경질 코팅하고, 그 상면에 MoS2-Ti의 윤활 코팅층을 마그네트론 스퍼터링법에 의해 복합 코팅하도록 함으로써 내마모성이 우수하도록 하며, 무윤활 가공에서 작업하기에 적합하도록 한 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재 및 그 금속강재의 코팅방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 실시예에 따른 금속강재 코팅방법을 수행하는 마그네트론 스퍼터링 장치의 개략적 구성도,
도 2는 도 1의 마그네트론 스퍼터링 장치에 의하여 제조된 금속강재의 코팅층을 도시한 도면,
도 3은 종래의 실시예에 따른 금속강재 코팅방법의 공정도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 음극 아크법에 의한 1차 경질 코팅장치를 도시한 개략도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재를 도시한 단면도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재의 코팅방법을 도시한 공정도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
40:금속강재, 41:Ti층,
42:2차 코팅층, 43:1차 코팅층.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 금속강재의 상면에 TiAlN, TiN, TiCN, CrN, TiAlSiN 중 어느 하나를 음극 아크법 혹은 마그네트론 스퍼터링법에 의한 제 1 경질 코팅층을 형성하고, 그 1차 경질코팅층의 표면에 Ti층과, Ti와 MoS2의 함량비율이 5∼10: 95∼90(wt %)의 2차 코팅층이 순차적으로 형성된 것을 특징으로 하는 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재가 제공된다.
보다 바람직하게, 상기 1차 경질 코팅층과 2차 코팅층의 두께는 각각 1 내지 3㎛ 인 것을 특징으로 하는 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재가 제공된다.
한편, 본 발명은 금속강재의 상면에 TiAlN, TiN, TiCN, CrN, TiAlSiN 중 어느 하나 재료로 음극 아크법에 의한 제 1 경질 코팅층을 형성하는 단계와; 상기 1차 경질코팅 강재가 설치된 챔버 내부에 Ti 타겟, MoS2타겟을 설치하는 타겟설치단계와; 상기 타겟 및 1차 경질코팅 강재가 설치된 챔버 내부의 진공도를 10-5torr∼10-7torr 까지 낮추어 상기 챔버 내부의 공기를 제거하는 공기제거단계와; 상기 챔버로 불활성가스를 주입하여 상기 챔버 내부의 진공도를 10-2torr∼10-4torr 로 하는 불활성가스 주입단계와; 상기 챔버 내부를 플라즈마 상태로 한 상태에서, 상기 Ti 타겟에 층형성전위 및 층형성전류를 인가함으로써 상기 1차 경질 코팅강재의 표면에 Ti층을 형성하는 Ti층 형성하는 단계와; 상기 Ti 타겟 및 MoS2타겟에 코팅전위 및 코팅전류를 인가하여, 상기 Ti층상에 Ti 와 MoS2가 5∼10: 95∼90(wt %)의 비율로 포함된 2차 코팅층을 동시에 형성하는 2차 코팅층 형성단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재 및 그 금속강재의 코팅방법이 제공된다.
이하, 본 발명에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 음극 아크법에 의한 1차 경질 코팅장치를 도시한 개략도이다.
본 발명에서는 증착방법으로 기존에 널리 사용되고 있는 음극 아크 이온플레이팅법을 채택하고 있는데, 상기 음극아크 이온플레이팅법의 간략한 원리를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 코팅하고자 하는 물질로 만들어진 전도성 음극에 저전압 고전류의 직류 전원을 인가한 후 접지된 촉발 전극으로 음극 아크를 발생시킨 후 자기장으로 아크를 음극표면에 구속 및 유지시켜 아크의 고열로 금속의 증기를 만들어 내는 방법이며, 상기 음극에서 발생한 높은 열과 전자방출로 음극의 전방에는 플라즈마가 발생되고 플라즈마를 통과하여 전하를 띤입자에 의해 모재의 표면가열과 세정 및 코팅막을 합성하는 물리기상증착(physical vapor deposition ; PVD)의 한 방법이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 음극 아크법에 의한 1차 경질 코팅장치는 진공함(21)과, 진공펌프(22)와, 제 1 음극 아크원(23)과, 제 2 음극 아크원(24)과, 지그(26)와, 가스 유량 조절부(27)로 이루어진다.
상기 진공펌프(22)는 상기 진공함(21)의 내부압력을 1 ×10-5Torr이하로 낮출 수 있도록 구성된다.
상기 제 1 음극 아크원(23)과 제 2 음극 아크원(24)은 아크가 발생되도록 하여 제 1 음극재와 제 2 음극재를 모재(25)에 증착시키기 위한 것으로서 제 1 음극 아크원(23)과 제 2 음극 아크원(24)이 마주보도록 배치되며, 상기 제 1 음극 아크원(23)과 상기 제 2 음극 아크원(24)이 1개 이상 설치된다.
상기 지그(26)는 회전식 지그로서, 회전되면서 상기 모재(25)를 제 1 음극재와 제 2 음극재 각각의 음극 아크원(23, 24) 전방에 교대로 지나도록 하며, 직류 바이어스전압(-)을 인가할 수 있도록 상기 진공함(21)과 절연되어 있다.
제 1 음극재와 2차 음극재는 Ti와 Cr, TiAl이 사용되며, 상기 가스 유량조절부(27)는 N 가스의 유입량을 조절한다. 따라서, 본 발명에 따른 음극 아크법에 의한 1차 경질 코팅장치를 통해 1차 경질 코팅을 행하게 되면, TiAlN, TiN, TiCN, CrN, TiAlSiN 중 어느 하나의 경질 코팅층(43)이 모재(25)(이하, 금속강재: 40이라함)의 외표면에 형성되게 되며, 그 두께는 각각 1 내지 3㎛ 정도가 바람직하다.
바람직하게, 본 발명의 일실시예에서는 1차 코팅을 실시함에 있어서, 단지 음극 아크법에 한정되는 것이 아니고, 그 음극 아크법 대신에 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여도 무방하다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재를 도시한 단면도이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재의 코팅방법을 도시한 공정도이다.
이를 참조하면, 상기 도 4에 도시된 바와 같이 음극 아크법에 의한 1차 경질코팅층(43)이 형성되면, 그 1차 경질코팅층(43)의 외표면에 MoS2-Ti의 윤활 코팅층을 마그네트론 스퍼터링법에 의해 복합 코팅한다. 코팅장치는 도 1에 도시된 장치와 동일한 장치이며, 코팅방법은 복합 코팅이므로 타겟으로 1차 코팅강재에 2차 코팅을 행하게 된다.
본원의 금속강재 코팅방법은, 순차적으로 수행되는 1차 경질코팅이 이루어진 재료를 타겟으로 설치하는 단계(S11), 공기제거단계(S12), 불활성가스 주입단계(S13), Ti층 형성단계(S15), 2차 코팅층형성단계(S16)를 포함한다. 상기한 각각의 단계는 강재지지부(11)가 하부에, 그리고 타겟지지부(12)(13)가 하부에 적어도 2개 이상 설치된 챔버(10) 내부에서 수행된다. 여기서, Ti층 형성단계(S15) 이전에 선택적으로 1차 코팅금속재(43)의 표면에 부착된 오염물질을 제거하기 위한 프리에칭단계(S14)를 수행할 수도 있다.
타겟설치단계(S11)는, 1차 코팅금속재(43)가 설치된 챔버(10) 내부에 Ti 타겟(20) 및 MoS2타겟(30)을 설치하는 단계이다. 1차코팅 금속재(43)는 강재지지부(11)에 설치되고, Ti 타겟(20) 및 MoS2타겟(30)은 타겟지지부(12)(13)에 설치된다. 본 실시예에서 1차코팅 금속재(43)는 기타 경질 코팅이 이루어진 초경합금을 포함한 모든 공구강이 다 포함될 수 있다.
공기제거단계(S12)는, 챔버(10)의 공기를 제거하여 그 내부의 오염물질을 거의 완전히 배기하는 단계로서, 챔버(10) 내부의 진공도를 10-5torr∼10-7torr 낮추는것이며, 본 실시예에서는 10-6torr 로 하였다. 공기제거단계(S2)는 디퓨젼펌프(14)및 로타리펌프(15)를 가동함으로써 수행한다.
불활성가스 주입단계(S13)는, 챔버(10)로 불활성가스, 본 실시예에서는 Ar 가스를 주입하여 챔버(10) 내의 진공도를 10-2torr∼10-4torr 로 세팅하는 단계로서, 본 실시예에서는 10-3torr 로 하였다. 불활성가스 주입단계(S13)는 공기제거단계(S2)에 의하여 소정의 진공도가 형성된 상태에서, 적절히 개폐되는 밸브(16) 및 파이프(17)를 통하여 Ar 가스를 주입함으로써 수행된다.
Ti층 형성단계(S15)는 챔버(10) 내부를 플라즈마 상태로 한 상태에서, 1차코팅 금속재(43)의 표면에 Ti층(41)을 형성하는 단계이다. Ti층 형성단계(S15)는 Ti 타겟(20)에만 층형성전위 및 층형성전류를 인가함으로써 수행된다. 여기서, 층형성전위는250V ∼ 400V 이고, 층형성전류는 0.1A ∼ 0.5A 이다. 본 실시예에서는 층형성전위를 330V 로 하고, 층형성전류를 0.3A로 하였다. 이때, 진공도는 바람직스럽게 1 ×10-3torr ∼ 3 ×100-3torr 로 한다.
2차 코팅층 형성단계(S16)는, Ti 타겟(20) 및 MoS2타겟(30)에 코팅전위 및 코팅전류를 인가하고, 챔버(10) 내부에서 플라즈마를 발생시킴으로써 1차코팅 금속재(43)의 표면에 Ti 와 MoS2가 혼합된 코팅층을 동시에 형성하는 단계이다. 이때, Ti 타겟(20)에 인가되는 코팅전위는 250V∼400V 이고, 코팅전류는 0. 1A ∼ 0.6A이다. 본 실시예에서 코팅전위는 330V 이고, 코팅전류는 0.3A 이다. 또, MoS2타겟(30)에 인가되는 코팅전위는 400V∼600V 이고, 코팅전류는 0.3 ∼ 0.7A 이다. 본 실시예에서, 코팅전위는 500V 이고, 코팅전류를 0.5A 이다.
상기 Ti층 형성단계(S15)나 2차 코팅층형성단계(S16)에서 플라즈마는 챔버 외부에 설치된 전위발생부(도시 생략)에 DC 전위나 RF 전위에 의하여 발생되거나, 또는 1차코팅 금속재(43)와 챔버 사이에 DC 전위를 인가함으로써 발생시킬 수 있다. 이때, 1차코팅 금속재(43)는 모터에 의하여 회전되는 금속강재지지부(11)에 올려져 있으므로, 1차코팅 금속재(43)에 Ti층(41)이나 코팅층(42)이 고르게 형성된다. 이때, 챔버(10) 내부의 온도는 200℃ 이하의 저온 상태를 유지한다.
챔버(10) 내부가 플라즈마 상태가 되면, Ar 가스는 + 이온으로 되고, 한편으로 전자석(19a)(19b)에 의하여 Ar 가스로부터 분리된 전자는 사이클로이드 운동하면서 Ar 가스의 이온화를 더욱 촉진시킴으로써 이온화를 더욱 부추긴다. 따라서, 챔버(10) 내부의 온도는 200℃ 이하로 유지하더라도 충분히 Ar 가스를 이온화시킬 수 있다. 충분히 이온화된 가스는 전위 및 전류가 인가된 Ti 타겟(20) 및 MoS2타겟(30)으로 급속히 진행하여 충돌함으로써 Ti 입자와 MoS2입자를 튀어나오게 하고, 그 입자들은 1차코팅 금속재(43)에 Ti층(41) 및 코팅층(42)으로 형성되는 것이다.
Ti층 형성단계 이전에 수행하는 프리에칭단계(S4)는, 1차코팅 금속재(43)의 표면에 부착된 오염물질을 제거하기 위한 단계이다. 프리에칭단계(S4)는, Ar 을 챔버(10)에 주입하여 챔버(10)의 진공도를 0.1 내지 0.5 torr 정도로 세팅한 상태에서 1차코팅 금속재(43)에만 에칭전위 및 에칭전류를 가함으로써 수행된다. 이때, 프리에칭단계는, 챔버(10) 내부의 진공도를 0.1 내지 0.5 torr로 하고, 에칭전위는 300V ∼ 500V 로 하며, 에칭전류는 0.3A ∼ 0.7A 로 한다. 본 실시예에서는, 에칭전위는 350V 정도이고, 에칭전류는 0.4A 정도로, 약 40분간 수행한다.
상기한 단계들에 의하여 1차코팅 금속재(43)에 Ti층(41) 및 코팅층(42)이 순차적으로 형성된다. 이때, 코팅층(42)에서 Ti(42a) 와 MoS2(42b)의 혼합비는 5 내지 10: 95 내지 90 의 함량비율(wt %)일 때 윤활성이 가장 좋다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재 및 그 금속강재의 코팅방법은 단지 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니라 그 기술적 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변경이 가능하다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재 및 그 금속강재의 코팅방법은 내마모성이 우수한 경질 코팅층인 TiAlN, TiN, TiCN, CrN, TiAlSiN 층중 어느 한 경질 코팅층의 상면에 MoS2-Ti의 윤활 코팅층을 마그네트론 스퍼터링법에 의해 복합 코팅하도록 함으로써 내마모성이 우수하도록 하며, 무윤활 가공에서 작업하기에 적합하도록 한 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 금속강재의 상면에 TiAlN, TiN, TiCN, CrN, TiAlSiN 중 어느 하나를 음극 아크법 혹은 마그네트론 스퍼터링법에 의한 제 1 경질 코팅층을 형성하고, 그 1차 경질코팅층의 표면에 Ti층과, Ti와 MoS2의 함량비율이 5∼10: 95∼90(wt %)의 2차 코팅층이 순차적으로 형성된 것을 특징으로 하는 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 1차 경질 코팅층과 2차 코팅층의 두께는 각각 1 내지 3㎛ 인 것을 특징으로 하는 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재.
  3. 금속강재의 상면에 TiAlN, TiN, TiCN, CrN, TiAlSiN 중 어느 하나 재료로 음극 아크법에 의한 제 1 경질 코팅층을 형성하는 단계와;
    상기 1차 경질코팅 강재가 설치된 챔버 내부에 Ti 타겟, MoS2타겟을 설치하는 타겟설치단계와;
    상기 타겟 및 1차 경질코팅 강재가 설치된 챔버 내부의 진공도를 10-5torr∼10-7torr 까지 낮추어 상기 챔버 내부의 공기를 제거하는 공기제거단계와;
    상기 챔버로 불활성가스를 주입하여 상기 챔버 내부의 진공도를10-2torr∼10-4torr 로 하는 불활성가스 주입단계와;
    상기 챔버 내부를 플라즈마 상태로 한 상태에서, 상기 Ti 타겟에 층형성전위 및 층형성전류를 인가함으로써 상기 1차 경질 코팅강재의 표면에 Ti층을 형성하는 Ti층 형성하는 단계와;
    상기 Ti 타겟 및 MoS2타겟에 코팅전위 및 코팅전류를 인가하여, 상기 Ti층상에 Ti 와 MoS2가 5∼10: 95∼90(wt %)의 비율로 포함된 2차 코팅층을 동시에 형성하는 2차 코팅층 형성단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재 및 그 금속강재의 코팅방법.
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050063463A (ko) * 2003-12-22 2005-06-28 재단법인 포항산업과학연구원 윤활특성이 우수한 경질코팅 제조방법 및 경질코팅 구조
CN103537719A (zh) * 2013-09-30 2014-01-29 株洲钻石切削刀具股份有限公司 多层涂层切削刀具
RU2613837C1 (ru) * 2015-12-03 2017-03-21 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет" "МИСиС" Способ получения ионно-плазменного вакуумно-дугового керамикометаллического покрытия TiN-Ni для твердосплавного режущего инструмента расширенной области применения
CN110257779A (zh) * 2019-04-04 2019-09-20 科汇纳米技术（深圳）有限公司 一种超硬纳米复合刀具及其制作方法和应用
CN111455338A (zh) * 2020-05-08 2020-07-28 上海新弧源涂层技术有限公司 一种纳米多层涂层及其制备方法和表面涂覆纳米多层涂层的刀具
CN111945118A (zh) * 2020-09-10 2020-11-17 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 一种钛合金压气机叶片抗冲蚀强化涂层的制备方法
CN112359318A (zh) * 2020-10-19 2021-02-12 西安交通大学 一种含1T相的MoS2薄膜及其制备工艺
CN117845180A (zh) * 2024-03-07 2024-04-09 湖南沃尔博精密工具有限公司 一种刀具及其镀膜方法
CN117845180B (zh) * 2024-03-07 2024-05-28 湖南沃尔博精密工具有限公司 一种刀具及其镀膜方法

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050063463A (ko) * 2003-12-22 2005-06-28 재단법인 포항산업과학연구원 윤활특성이 우수한 경질코팅 제조방법 및 경질코팅 구조
CN103537719A (zh) * 2013-09-30 2014-01-29 株洲钻石切削刀具股份有限公司 多层涂层切削刀具
CN103537719B (zh) * 2013-09-30 2016-02-17 株洲钻石切削刀具股份有限公司 多层涂层切削刀具
RU2613837C1 (ru) * 2015-12-03 2017-03-21 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет" "МИСиС" Способ получения ионно-плазменного вакуумно-дугового керамикометаллического покрытия TiN-Ni для твердосплавного режущего инструмента расширенной области применения
CN110257779A (zh) * 2019-04-04 2019-09-20 科汇纳米技术（深圳）有限公司 一种超硬纳米复合刀具及其制作方法和应用
CN111455338A (zh) * 2020-05-08 2020-07-28 上海新弧源涂层技术有限公司 一种纳米多层涂层及其制备方法和表面涂覆纳米多层涂层的刀具
CN111945118A (zh) * 2020-09-10 2020-11-17 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 一种钛合金压气机叶片抗冲蚀强化涂层的制备方法
CN112359318A (zh) * 2020-10-19 2021-02-12 西安交通大学 一种含1T相的MoS2薄膜及其制备工艺
CN117845180A (zh) * 2024-03-07 2024-04-09 湖南沃尔博精密工具有限公司 一种刀具及其镀膜方法
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