KR20120002479A

KR20120002479A - 유리 성형 다이 및 공구를 위한 ＴｉＡ１Ｎ 코팅

Info

Publication number: KR20120002479A
Application number: KR1020110063965A
Authority: KR
Inventors: 수디르 브라만담; 아이린 스피츠버그; 마이클 제임스 버티
Original assignee: 케나메탈 아이엔씨.
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2011-06-29
Publication date: 2012-01-05
Also published as: SG177060A1; US20120003425A1; TW201200567A; CN102329081A

Abstract

기재(substrate) 및 코팅재를 포함하는, 정밀 유리 성형(precision glass molding)을 위한 시스템에 관한 것이다. 상기 기재는 1.2중량% 미만의 미량 성분을 갖는다. 상기 코팅재는 TiAl_xN_y를 포함하며, 여기서 x는 약 0.7 내지 1.5이고, y는 약 2.0 내지 3.0이다. 상기 코팅재는 상기 기재의 적어도 일부에 적용된다.

Description

유리 성형 다이 및 공구를 위한 ＴｉＡ１Ｎ 코팅{TiAlN coatings for glass molding dies and tooling}

본 발명은 유리 성형 공정에 사용하기 위한 시스템, 그리고 보다 상세하게는 유리 성형 공정에 사용하기 위한 질화티타늄알루미늄(TiAlN) 코팅을 포함하는 시스템에 관한 것이다.

정밀 유리 성형(precision glass molding)은, 예를 들어 카메라, 현미경 및 콜리메이터를 포함한 다양한 응용을 위한 유리로부터의 광학 렌즈를 제조하는 데 광범위하게 사용된다. 2가지 방법이 유리 제조 공정으로 렌즈를 제조하는 데 일반적으로 사용된다. 한 가지 방법은 유리 모재(glass preform)로부터 렌즈를 정밀 연삭(precision grinding)하는 것을 포함하며, 나머지 다른 방법은 유리 렌즈를 성형하기 위한 고정밀 금형을 제조하는 것을 포함한다. 관련된 시간 및 비용의 절약으로 인해, 두 번째 방법이 대량 렌즈에 널리 사용된다. 이 방법에서는, 저반응성 유리(low reactivity glass)로 인하여, 뿐만 아니라 낮은 성형 온도(즉, 600℃ 미만)로 인하여, 전형적으로 사용되는 금형 재료가 WC-Co이다. 일부 경우에, 금형 재료는 다이아몬드상 탄소(diamond like carbon, DLC) 코팅재와 같은 코팅재를 포함할 수도 있거나 포함하지 않을 수도 있다. 그러나, 렌즈 생산업자들은 반응성 원소, 예컨대 불소, 칼륨, 나트륨, 알루미늄, 인, 게르마늄을 함유하는 유리 조성물로 향하는 추세이며, 따라서 보다 높은 성형 온도에서의 가공을 필요로 한다. 그렇게 함에 있어서, 렌즈 생산업자들은 현재의 WC-Co 금형 재료 및/또는 그 위의 코팅재가 이러한 금형 재료 및/또는 코팅재가 보다 높은 온도에서 불안정하고/하거나 이러한 금형 재료 및/또는 코팅재가 유리와 반응하기 때문에, 보다 높은 온도 조건 하에서 만족스럽게 수행하지 못한다는 것을 발견하였다.

전형적으로, 규산염 및 비규산염 유리가 사용되어 왔는데, 이는 그들의 광범위한 광학 특성으로 인한 것이며, 이러한 광학 특성은 또한 매우 다양한 응용을 위한 렌즈를 생성하는 것을 돕는다. 그러나, 이들 유리 중 몇몇은 보다 높은 연화 온도를 가지고/가지거나 보다 큰 반응성을 나타낸다. 따라서, WC-Co계 금형 및/또는 코팅재를 사용하는 현재의 정밀 유리 성형 접근법은 보다 낮은 연화 온도에서 수행하고/하거나 보다 덜 반응성인 유리를 사용하는 성형에는 성공적일 수 있지만, 이들 재료는 600℃ 초과의 온도에서는, 그리고 보다 더 반응성인 유리에 대해서는 여전히 부족하다.

추가적으로, TiN, Ti-B-C-N, Ni-Al-N, Mo-M(여기서, M은 Re, Hf, Tc 또는 Os임) 및 Pt-Ir과 같은 다양한 코팅재가 고려되어 왔다. 그러나, 이들 코팅재 중 몇몇에 대한 시험은 그들이 600℃ 초과의 온도에서 반응성 유리를 취급할 수 없음을 보여주었다. 게다가, Pt 또는 귀금속족 금속계 코팅은 엄청나게 비싸다.

코팅재가 반응성 유리에 대하여 불활성을 나타내는 것 외에도, 코팅재가 임계량 초과에 의해 금형의 형상 정확도(profile accuracy)를 변화시키지 않으면서도, 필요한 표면 마감도(surface finish)를 유지하는 것 또한 중요하다. 형상 정확도는 기하학적 표면을 결정한 식으로부터 금형 상의 임의의 지점에서의 성형된 금형의 편차를 말한다. 전형적으로, 허용되는 형상 정확도 편차는 0.5μm 미만이다. 추가적으로, 코팅된 금형의 표면 마감도는 전형적으로 5nm 미만이다. 형상 정확도 또는 표면 마감도 어느 것이든지 허용 범위로부터 벗어난다면, 렌즈의 광학 성능은 저하될 수 있다.

원하는 형상 정확도 및 표면 마감도를 달성하기 위한 한 가지 방법은 코팅을 소정의 두께로 제한하고, 예를 들어 얇은 코팅을 사용하는 것이다. 그러나, 특히 보다 높은 온도에서 얇은 코팅이 갖는 문제는 코팅을 통한 기재(substrate) 내의 결합제 및 다른 화학종의 상당한 확산이다. 확산하는 이러한 화학종은 또한 유리와 반응하고 금형의 고장으로 이어진다. 대안적으로, 그러한 문제를 피하기 위하여 보다 두꺼운 코팅이 기재 상에 침착될 수 있다. 그러나, 보다 두꺼운 코팅은 필요한 형상 및/또는 표면 마감도를 달성하기 위하여 흔히 코팅 후 조작, 예를 들어 폴리싱(polishing)을 필요로 한다. 그러나, 그러한 코팅 후 조작은 금형에 추가의 비용을 더할 뿐만 아니라 금형의 제조 시간을 증가시킨다.

따라서, 높은 성형 온도에서 화학적으로 불활성인, 정밀 유리 성형 조작을 위한 비용 효과적 재료 시스템에 대한 필요성이 있다.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하는 유리 성형 다이 및 공구를 위한 TiA1N 코팅을 제공하려는 것이다.

코팅 조성물은 TiAl_xN_y를 포함하며, 여기서 x는 약 0.7 내지 1.5, 예를 들어 0.8 내지 1.2이고, y는 약 2.0 내지 3.0, 예를 들어 2.2 내지 3.0, 그리고 예를 들어 2.2 내지 2.7이다. 일 실시 형태에서, 기재가 TiAl_xN_y의 조성물로 코팅되며, 여기서 x는 약 0.7 내지 1.5, 예를 들어 0.8 내지 1.2이고, y는 약 2.0 내지 3.0, 예를 들어 2.2 내지 3.0, 그리고 예를 들어 2.2 내지 2.7이다. 기재는 코팅 두께가 약 1.0μm 미만일 수 있다.

다른 실시 형태는 정밀 유리 성형을 위한 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 기재 및 상기 기재 상의 적어도 일부에의 코팅재를 포함한다. 코팅재는 TiAl_xN_y를 포함하며, 여기서 x는 약 0.7 내지 1.5, 예를 들어 0.8 내지 1.2이고, y는 약 2.0 내지 3.0, 예를 들어 2.2 내지 2.7이다. 기재는 기재의 총 중량의 1.2% 미만의 미량 성분을 포함할 수 있다. 미량 성분은, 예를 들어 코발트, 크롬 또는 니켈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 기재는 1.2중량% 미만의 미량 성분을 갖는 모노텅스텐 카바이드를 포함할 수 있다. 코팅재 두께는 약 1.0μm 미만, 예를 들어 약 0.5μm일 수 있다. 코팅된 기재의 표면 조도(RMS)는 약 5nm 미만일 수 있다. 코팅된 기재는 형상 정확도가 약 0.5μm 미만일 수 있다. 시스템은 또한 기재와 코팅재 사이에 중간층을 포함할 수 있다. 중간층은 약 1.2중량% 미만의 미량 성분을 갖는, 텅스텐 카바이드, 텅스텐 또는 그 조합을 포함할 수 있다.

다른 실시 형태는 기재의 코팅 방법에 관한 것이다. 기재는 1.2중량% 미만의 미량 성분을 포함할 수 있고, 코팅재는 TiAl_xN_y를 포함할 수 있으며, 여기서 x는 약 0.7 내지 1.5, 예를 들어 0.8 내지 1.2이고, y는 약 2.0 내지 3.0, 예를 들어 2.2 내지 2.7이다. 코팅재 두께는 약 1.0μm 미만, 예를 들어 약 0.5μm일 수 있다. 이 방법은 코팅된 기재를 표면 처리하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이 방법은 기재를 코팅하기 전에 중간층을 적용하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 중간층은 텅스텐 카바이드, 텅스텐 또는 그 조합을 포함할 수 있다.

본 발명의 이들 태양 및 다른 태양은 하기의 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.

도 1a 및 도 1b는 DLC 코팅재를 갖는 기재의 열 처리 전과 열 처리 후 각각의 현미경 사진이다.
도 2a 및 도 2b는 TiN 코팅재를 갖는 기재의 열 처리 전과 열 처리 후 각각의 현미경 사진이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 TiAlN 코팅재를 갖는 기재의 열 처리 전과 열 처리 후 각각의 현미경 사진이다.
도 4는 유리 조성물 A와 접촉된, 본 발명에 따른 코팅재로 코팅된 기재의 현미경 사진이다.
도 5는 유리 조성물 B와 접촉된, 본 발명에 따른 코팅재로 코팅된 기재의 현미경 사진이다.
도 6a 및 도 6b는 유리 조성물 B 유리와 접촉된, Ti₁₆Al₂₇N₅₇로 코팅된 기재의 고온에의 노출 전과 노출 후 각각의 현미경 사진이다.
도 7a 및 도 7b는 유리 조성물 B 유리와 접촉된, DLC로 코팅된 기재의 고온에의 노출 전과 노출 후 각각의 현미경 사진이다.
도 8a 및 도 8b는 유리 조성물 B 유리와 접촉된, TiN으로 코팅된 기재의 고온에의 노출 전과 노출 후 각각의 현미경 사진이다.

본 발명의 재료, 방법 및 시스템이 설명되기 전에, 설명되는 특정 방법론 및 재료는 다양할 수 있기 때문에, 본 발명은 이에 한정되지 않음이 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서에 사용되는 용어는 특정 변형(version) 또는 실시 형태를 기재하려는 목적에 지나지 않으며, 그 범주를 제한하고자 함이 아님이 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 그리고 첨부된 특허청구범위에 사용되는 바와 같이, 단수형(“a”, “an” 및 “the”)은 그 내용이 명백히 달리 지시하지 않는 한 복수의 지시 대상을 포함한다. 예를 들어, 본 명세서에서는 금형(“a” mold), 코팅재(“a” coating), 유리(“a” glass) 등이 언급되지만, 이들 또는 임의의 다른 구성요소의 하나 이상이 사용될 수 있다. 추가적으로, 본 명세서에 사용되는 바와 같이 용어 “포함하는(comprising)”은 “포함하지만 그로 한정되지 않는”을 의미하고자 한다. 달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.

본 발명은 전반적으로 정밀 유리 성형 공정에 사용하기 위한 화학적으로 불활성인 재료 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 기재 및 코팅재를 포함한다. 일 실시 형태에서, 이 시스템은 기재와 코팅재 사이에 중간층을 포함할 수 있다.

기재는 임의의 금형, 블랭크(blank), 반제품 또는 완제품일 수 있다. 일 실시 형태에서, 기재는 금형 또는 다이이다. 본 시스템에 적합한 기재에는 고순도 재료가 포함된다. 일 실시 형태에서, 고순도 기재 재료는 기재의 총 중량의 약 1.2중량% 미만의 미량 성분, 예를 들어 약 1.0중량% 미만의 미량 성분을 갖는다. 미량 성분에는, 예를 들어 니켈, 바나듐, 크롬, 티타늄, 코발트 등뿐만 아니라, 불순물 예컨대 철, 칼슘, 칼륨 등도 포함될 수 있다.

기재에 적합한 재료에는 텅스텐 카바이드, 텅스텐 등이 포함될 수 있다. 예를 들어, 기재는 약 1.2중량% 이하의 미량 성분을 갖는 텅스텐 카바이드 재료일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 텅스텐 카바이드 기재는 약 0.45중량% 미만의 코발트, 예를 들어 약 0.4중량% 미만의 코발트를 가질 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 텅스텐 카바이드 기재는 약 1.0중량% 미만의 크롬, 예를 들어 약 0.95중량% 미만의 크롬을 가질 수 있다.

일 실시 형태에서, 기재는 화학량론이거나 화학량론에 가까운 탄소, 낮은 결합제 함량, 낮은 불순물 함량 및 약 0.5 미크론 미만의 균일한 공칭 입자 크기를 갖는 텅스텐 카바이드 기재일 수 있다. 일 실시 형태에서, 기재는 약 6.06 내지 6.13중량%의 탄소, 약 0.20 내지 0.55중량%의 입자 성장 억제제, 약 0.25중량% 미만의 결합제, 약 0.6중량% 미만의 불순물을 갖고, 나머지는 텅스텐인 텅스텐 카바이드 재료이다. 텅스텐 카바이드 기재는 공칭 입자 크기가 약 0.5 미크론 미만, 예를 들어 약 0.25 내지 0.4 미크론일 수 있다. 결합제 함량은 약 0.1 내지 0.15중량%의 코발트일 수 있다. 탄소 함량은 약 6.09 내지 6.10중량%일 수 있다. 텅스텐 카바이드 기재는 모노텅스텐 카바이드로 본질적으로 이루어질 수 있다. 입자 성장 억제제는 바나듐 카바이드, 크롬 카바이드, 니오븀 카바이드, 또는 그 조합일 수 있다. 텅스텐 카바이드 기재는 밀도가 이론상 밀도의 적어도 98%이고, 공극 부피(void volume)가 2% 미만일 수 있다. 적합한 고순도 텅스텐 카바이드 재료에는 2009년 11월 10일자로 출원된 발명의 명칭이 “이미징 응용에서의 툴 렌즈 제조를 위한 불활성 고경도 재료(Inert High Hardness Material for Tool Lens Production in Imaging Applications)”인 미국 특허 출원 제12/615,885호의 단락 [0021] 내지 [0040]에 기재된 것이 포함되며, 이 일부는 본 명세서에 참고로 포함된다.

기재는 마감 또는 반마감될 수 있으며, 기재의 표면 조도 및 형상 정확도가 제어될 수 있다. 일 실시 형태에서, 기재는 (산술 평균 또는 제곱 평균 제곱근 값으로 측정될 때) 표면 조도가 약 10nm 미만, 예를 들어 약 5nm 미만일 수 있다. 추가적으로, 기재의 형상 정확도는 약 0.5μm 미만, 예를 들어 0.3μm 미만일 수 있다. 형상 정확도는 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 접촉식 표면형상 측정기(contact type profilometer)에 의해 측정된다.

시스템은 코팅재를 추가로 포함한다. 시스템의 코팅재는 질화티타늄알루미늄 코팅재를 포함한다. 코팅재의 화학량론은 TiAl_xN_y이며, 여기서 x는 약 0.7 내지 1.5이고, y는 약 2.0 내지 3.0이다. 다른 실시 형태에서, 코팅재는 TiAl₀ _.8-1.2N_2.2-3.0, 예를 들어 TiAl₀ _.8-1.2N₂ _.2-2.7일 수 있다. 일 실시 형태에서, 시스템은 하나 초과의 코팅층을 포함할 수 있다. 한 가지 이론에 구애되지는 않지만, 여분의 질소가 표면을 부동태화(passivate)함으로써 산소 픽업에 대하여 안정화하는 것으로 이론화된다.

코팅재는 기재의 적어도 일부에 적용될 수 있다. 일 실시 형태에서, 코팅재는 기재의 전체 표면 영역에 적용되고/되거나 기재의 전체 표면 영역을 코팅할 수 있다. 코팅재는 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 다수의 방법으로 치밀한 결함 코팅(dense defect coating)이 달성되도록 기재에 적용될 수 있다. 코팅재를 기재에 적용하기에 적합한 방법에는 여과 아크(filtered arc), 마그네트론 스퍼터링, 플라즈마 강화 CVD(plasma enhanced CVD), 이온 도금 등뿐만 아니라, 음극 아크 증착(cathodic arc deposition)이 포함되지만 이로 한정되지 않는다.

기재 상의 코팅재의 두께는 약 1.0μm 미만, 예를 들어 약 0.7μm 미만, 그리고 예를 들어 약 0.5μm 미만일 수 있다. 코팅재는 코팅되지 않은 금형의 표면 상태 및 형상 정확도가 사실상 유지되도록 적용된다.

일 실시 형태에서, 코팅된 기재의 형상 정확도는 예를 들어 접촉식 표면형상 측정기로 측정될 때, 약 0.5μm 미만, 예를 들어 0.3μm 미만일 수 있다. (산술 평균 또는 제곱 평균 제곱근 값으로 측정될 때) 침착된 상태 그대로의 코팅재의 표면 조도는 약 5nm 미만, 예를 들어 약 3nm 미만일 수 있다.

본 발명자들은 예기치 않게도 본 명세서에 기재된 μm 미만(sub-μm)의 얇은 TiAlN 코팅이 고온 유리 성형 응용에 사용될 수 있으며, 일부 실시 형태에서는 코팅 후 가공 단계를 없앨 수 있음을 발견하였다. 그러한 성질은 본 명세서에 기재된 고순도 기재 및/또는 코팅재 화학량론 및/또는 두께의 사용에 의해 달성된다. 특정 이론에 구애되지는 않지만, 본 발명자들은 기재 내의 코발트 및 다른 화학종과 같은 미량 성분의 확산이 심지어 고온에서도 본 명세서에 기재된 코팅재의 사용에 의해 제한됨을 발견하였다. 따라서, 본 발명자들은 고순도 기재 상에의 본 명세서에 기재된 얇은 질화티타늄알루미늄 코팅재를 포함하는 시스템이 고온에서 수행되고/되거나 반응성 유리를 사용하는 유리 성형 응용을 위한, 예를 들어 불활성을 포함한 예기치 않고 우수한 특성을 보여줌을 발견하였다.

다른 실시 형태에서, 시스템은 기재 및 적어도 하나의 중간층 및 코팅재를 포함할 수 있다. 중간층은 본 명세서에 기재된 기재 재료 또는 임의의 다른 적합한 기재 재료와 함께, 그리고 본 명세서에 기재된 코팅재와 함께 사용될 수 있다. 적어도 하나의 중간층은 확산 장벽층일 수 있으며, 기재와 코팅재 사이에 위치된다. 적합한 중간층은 1.2중량% 이하의 미량 성분을 갖는, 텅스텐 카바이드, 텅스텐, 또는 그 조합과 같은 고순도 재료를 포함한다.

다른 실시 형태에서, 본 발명은 정밀 유리 성형을 위한 금형의 제조 방법에 관한 것이다. 금형은 고온에서 및/또는 반응성 유리와 함께 사용될 수 있다. 이 방법은 기재를 준비하고/하거나 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 기재는 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 임의의 방법으로 치밀하고/하거나 무결함인 기재를 달성하도록 제조될 수 있다. 일 실시 형태에서, 기재는 밀도가 이론상 밀도의 적어도 98%일 수 있고, 공극 부피가 2% 미만일 수 있다. 기재는 미량 성분과 불순물의 총량이 약 1.2중량% 미만인 고순도 텅스텐 카바이드 기재일 수 있다. 미량 성분에는 코발트, 니켈, 바나듐, 크롬, 티타늄 등뿐만 아니라, 불순물 예컨대 철, 칼슘 및 칼륨도 포함될 수 있다. 일 실시 형태에서, 기재는 모노텅스텐 카바이드로 본질적으로 이루어질 수 있다. 기재를 제조한 후, 이 방법은 마감(finishing) 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기재는 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 임의의 방법에 의해 마감될 수 있다. 기재의 표면 마감도 또는 조도는 약 5nm 미만일 수 있다. 기재의 형상 정확도 편차는 약 0.3μm 미만일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 이 방법은 연삭감(grinding texture)을 제거하고/하거나 코팅재 점착력을 촉진시키기 위한 표면 처리와 같은 추가의 가공 단계를 포함할 수 있다.

이어서, 이 방법은 코팅재를 기재에 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 코팅은 조성이 TiAl₀ _.7-1.5N₂ _.0-3.0, 예를 들어 TiAl₀ _.7-1.5N₂ _{.2- 3.0}일 수 있다. 코팅재의 두께는 약 1.0μm 미만, 예를 들어 0.7μm 미만, 그리고 예를 들어 0.5μm 미만일 수 있다. 코팅재는 침착되고 코팅된 기재 표면 그대로 유지되고/되거나, 코팅되지 않은 기재와 사실상 동일한 표면 마감도 및 형상 정확도를 갖도록 적용된다. 일 실시 형태에서, 코팅된 기재는 표면 조도가 약 5nm 미만이다. 코팅재는 당업자에 의해 이해되는 바와 같이 임의의 방법에 의해 기재 상에 침착될 수 있다. 적합한 방법에는 여과 아크 또는 마그네트론 스퍼터링 PVD 기법뿐만 아니라 플라즈마 강화 CVD, 이온 도금 등, 및 음극 아크 증착의 임의의 변형이 포함된다.

다른 실시 형태에서, 이 방법은 기재를 준비하는 단계, 중간층을 적용하는 단계 및 코팅재를 중간층에 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 기재는 임의의 재료일 수 있다. 예를 들어, 기재는 미량 성분 함량이 1.2중량% 미만일 수 있다. 중간층은 확산 장벽층일 수 있다. 적합한 중간층은 본 명세서에 기재된 고순도 텅스텐 카바이드, 텅스텐, 또는 그 조합을 포함한다. 고순도 텅스텐 카바이드 중간층은 미량 성분 함량이 1.2중량% 미만일 수 있다. 코팅재는 조성이 TiAl₀ _.7-1.5N_2.0-3.0, 예를 들어 TiAl₀ _.8-1.2N₂ _.2-2.7일 수 있다. 일 실시 형태에서, 다중 중간층 및/또는 다중 코팅층이 적용될 수 있다. 이 방법은 기재 준비 후, 중간층 적용 후 및/또는 코팅재 적용 후, 선택적으로 표면 마감 단계를 포함할 수 있다. 표면 마감 단계는, 예를 들어 표면 처리를 포함한다. 코팅된 기재는 바람직하게는 표면 조도가 코팅되지 않은 기재의 표면 조도와 사실상 유사하다.

하기의 실시예는 본 발명을 예시하고자 하는 것이며, 어떤 식으로든 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

[실시예]

첫 번째 시험에서는 유리의 부재 하에서 670℃의 성형 환경(유동하는 질소) 하에서 통상적인 코팅재인 DCL 및 TiN과 비교하여 본 발명의 코팅재의 안정성을 조사하였다. 사용된 기재는 0.5중량% 미만의 총 미량 성분을 가지되 미량 성분은 0.2중량% 미만의 코발트를 갖는 텅스텐 카바이드 기재이었다. 3개의 기재를 3개의 상이한 코팅재로 코팅하고, 이어서 안정성에 대하여 시험하였다. 첫 번째 기재는 DLC(다이아몬드상 탄소)로 코팅하고, 두 번째 기재는 TiN(Ti₅₀N₅₀)으로 코팅하고, 세 번째 기재는 화학량론이 Ti₂₂Al₂₂N₅₅인 본 발명의 코팅재로 코팅하였다. 비교용 코팅재인 DLC 및 TiN은 상업적 벤더로부터 입수하였다. 이어서, 코팅된 기재를 고온에서의 안정성에 대하여 시험하였다.

샘플을 개별적으로, 유리 성형 조건을 시뮬레이션한 유동하는 UHP N₂를 갖는 관상로(tube furnace) 내에서 시험하였다. 각각의 샘플을 노의 고온 구역 내로 도입하고, 4분 동안 약 670℃의 온도에서 유지하고, 이어서 냉각시켰다.

도 1, 도 2 및 도 3은 텅스텐 카바이드 기재 상의 DLC, TiN 및 본 발명의 TiAlN 코팅재 각각의 670℃에서의 열 처리 전과 후의 SEM 현미경 사진이다. 도 1a는 열 처리 전의 코팅된 그대로의 DLC 텅스텐 카바이드 기재를 보여주고, 도 1b는 열 처리 후의 동일한 재료를 나타낸다. 도 1a에 나타낸 예열 처리된 DLC 코팅된 카바이드 재료의 측정된 표면 조도(RMS)는 2 ± 1nm이었으며, 도 1b에 나타낸 바와 같이 열 처리 후에는 200nm 초과였다. 처리 전과 후의 표면 조도의 극적인 변화는 코팅재의 광범위한 열화 및 따라서 고온에서의 DLC 코팅재의 불안정성을 보여준다.

도 2a는 열 처리 전의 코팅된 그대로의 TiN 코팅된 텅스텐 카바이드 기재를 보여주고, 도 2b는 열 처리 후의 동일한 재료를 나타낸다. 도 2a에 나타낸 TiN 코팅된 기재의 측정된 표면 조도(RMS)는 7 ± 1nm이었으며, 도 2b에 나타낸 바와 같이 열 처리 후에는 62 ± 1nm이었다. TiN 코팅된 기재의 표면 조도의 차이는 또한 코팅재의 적어도 부분적인 열화에 의해 명백한 바와 같이 코팅재의 불안정성을 입증하였다.

도 3a는 열 처리 전의 코팅된 그대로의 본 발명의 Ti₂₂Al₂₂N₅₅(TiAl₁N₂ _.5) 코팅된 텅스텐 카바이드 기재를 보여주고, 도 3b는 열 처리 후의 동일한 재료를 나타낸다. 도 3a에 나타낸 TiAlN 코팅된 기재의 측정된 표면 조도(RMS)는 1 ± 1nm이었으며, 도 3b에 나타낸 바와 같이 열 처리 후에는 2 ± 1nm이었으며, 이로써 고온에서의 본 발명의 코팅재의 최소한의 변화 또는 반응성 및/또는 열화를 입증하였다. 특히, 도 3b는 만약 있다면 열 처리 후의 코팅재의 최소한의 열화를 보여준다. 추가적으로, 본 발명의 코팅재는 DLC 및 TiN 코팅재보다 상당히 더 낮은 반응성 및/또는 코팅재 열화를 입증하였다.

2개의 반응성 유리 조성물을 사용하여 본 발명의 코팅재의 불활성을 시험하기 위하여 두 번째 시험을 수행하였다. 유리 조성물 A는 550℃의 최대 온도에서 성형된 비규산염 유리이고, 유리 조성물 B는 650℃의 최대 온도에서 성형된 불소 및 칼륨 함유 규산염 유리이다. 2개의 반응성 유리 조성물 중 유리 조성물 B가 유리 조성물 A보다 더 반응성인데, 그 이유는 그것이 더 높은 연화 온도를 가지며, 추가의 원소인 불소 및 칼륨이 존재하기 때문이다. 이들 유리의 조성은 에너지 분산형 X선 분광법(EDS)에 의해 측정하였으며, 표 1에 기재되어 있다.

유리 조성물 A		유리 조성물 B
원소	EDS 조성 (단위: %)	원소	EDS 조성 (단위: %)
O	65	O	63
P	12	F	7
Ge	3	Si	22
Nb	10	K	8
W	45
Bi	45

이 시험에서는, 고순도 기재 상의 본 발명의 코팅재를 각각의 유리 조성물과 접촉시 고온에서의 안정성 및 불활성에 대하여 시험하였다. 이용된 본 발명의 코팅재는 표 2에 나타낸 바와 같이 Ti₂₂Al₂₂N₅₅이었다. 0.5중량% 미만의 미량 성분을 가지되 미량 성분은 0.2중량% 미만의 코발트를 갖는 텅스텐 카바이드 기재에 0.3μm 코팅재를 적용하였다.

유리 성형 조건을 시뮬레이션한 유동하는 UHP N₂를 갖는 관상로 내에서 고온 안정성 및 불활성 시험을 수행하였다. 각각의 코팅된 텅스텐 카바이드 기재를 노의 고온 구역 내로 도입하고, 4분 동안 약 650℃의 온도에서 유지하고, 이어서 냉각시켰다. 불활성을 시험하기 위하여, 각각의 조성물의 유리 조각을 각각 시험 동안, 코팅된 기재 상에 올려 놓았다. 2개의 상이한 유리 조성물을 사용하여 각각의 코팅된 기재에 대하여 이 사이클을 5회 반복하였다. 유리 및 코팅재의 반응을 표면의 시각적 관찰, 주사 전자 현미경법 및 EDAX 조성 분석에 의해 측정하였다. 코팅된 기재 상의 코팅재의 표면 조도를 시험 전과 후에 비접촉식 레이저 기반 광학 프로파일러 측정에 의해 측정하였다. 예를 들어, 샘플 표면의 조도에 있어 변화를 일으킨 임의의 표면 반응을 광학 프로파일러에 의해 측정하였다. 결과가 표 2에 나타나 있다.

샘플	코팅재	다음의 것과 접촉시	온도 (℃)	초기 RMS	후의 RMS	EDAX
본 발명	Ti₂₂Al₂₂N₅₅	유리 조성물 A	550	1	2	Ti₂₃Al₂₃N₅₄
본 발명	Ti₂₂Al₂₂N₅₅	유리 조성물 B	650	2	3	Ti₂₂Al₂₂N₅₆

알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 코팅재는 고온에서뿐만 아니라 둘 모두의 반응성 유리 조성물과의 접촉시에도 불활성 및 안정성을 입증하였다. 유리 조성물 A와 접촉된 본 발명의 코팅재의 화학적 조성은 고온에의 노출 후 EDAX에 의해 측정했을 때 Ti₂₃Al₂₃N₅₄이었다. 화학에 있어서의 최소한의 변화는 고온에서의 고순도 기재 상의 본 발명의 코팅재의 상대 안정성을 입증하였다. 추가적으로, 고온에의 노출 전에 이 샘플의 측정된 표면 조도(RMS)는 약 1nm이었으며, 노출 후에는 약 2nm이었다. 도 4는 유리 조성물 A와 접촉된 본 발명의 코팅재의 550℃에의 노출 후의 SEM 현미경 사진이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 열 처리 후의 표면 조도에 있어서의 변화는 (열 처리 전의 코팅된 기재를 보여주는 도 3a와 비교할 때) 최소한이었으며, 고온에서의 코팅재의 안정성을 추가로 입증하였다. 역시, 이 샘플의 표면 조도 및 화학 조성에 있어서의 최소한의 변화는 심지어 반응성 유리와의 접촉시에도 그리고 고온에서도 본 발명의 조성물의 안정성 및 불활성을 입증하였다.

도 5는 유리 조성물 B와 접촉된 본 발명의 코팅재의 650℃에의 노출 후의 SEM 현미경 사진이다. 고온에의 노출 전에 이 샘플의 측정된 표면 조도는 2nm이었으며, 노출 후에는 약 3nm이었다. 노출 후 코팅재의 조성은 EDAX에 의해 측정했을 때 Ti₂₂ _-Al₂₂N₅₆이었다. 역시, 이 샘플의 표면 조도 및 화학 조성에 있어서의 최소한의 변화는 심지어 고도로 반응성인 유리와의 접촉시에도 그리고 고온에서도 본 발명의 조성물의 안정성 및 불활성을 입증하였다.

다음 시험은 보다 더 반응성인 유리 조성물인 유리 조성물 B의 존재 하에서 표 3에 나타낸 3개의 비교용 코팅재와 본 발명의 코팅재의 안정성 및 불활성을 비교하였다. 이용된 본 발명의 코팅재는 Ti₂₂Al₂₂N₅₅이었다. 약 0.5중량% 미만의 미량 성분을 가지되 미량 성분은 0.2중량% 미만의 코발트를 갖는 텅스텐 카바이드 기재에 코팅재를 적용하였다. 각각의 기재 상의 코팅재의 두께는 약 0.3μm이었다.

전술된 안정성 및 불활성에 대한 유사한 시험을 표 2에 열거된 조성을 갖는 비교용 코팅재 A 내지 C에 대하여 수행하였다. 구체적으로는, 본 발명의 샘플 및 비교용 샘플을 보다 더 반응성인 유리인 유리 조성물B와 4분 동안 질소 분위기 내에서 650℃의 온도에서 접촉시켜 두었으며, 이어서 냉각시켰다. 이 사이클을 각각의 샘플에 대하여 5회 반복하였다.

샘플	코팅재	온도 (℃)	초기 RMS	후의 RMS	EDAX
본 발명	Ti₂₂Al₂₂N₅₅	650	2	3	Ti₂₂Al₂₂N₅₆
비교용 A	Ti₁₆Al₂₇N₅₇	650	2	200 초과	Ti₁₁Al₂₀Si₃K₂N₁₇O₄₇
비교용 B	DLC	650	2±1	200 초과	기재: W₂₀C₂₀; C₁₀O₅₀
비교용 C	TiN	650	5±1	59±1	Ti₃₁K₃O₆₆

비교용 A 샘플은 Ti₁₆Al₂₇N₅₇의 코팅재를 갖는 기재이었다. 도 6a는 비교용 A 샘플의 고온에의 노출 전의 SEM 현미경 사진이며, 도 6b는 고온에의 노출 후의 샘플을 보여준다. 비교용 A 샘플의 초기 표면 조도는 2nm이었으며, 고온에의 노출 후에는 200nm이었다. 고온에의 노출 후 비교용 A의 코팅재의 조성은 EDAX에 의해 측정했을 때 Ti₁₁Al₂₀Si₃K₂N₁₇O₄₇이었다. 알루미늄 풍부 코팅재는 산화되는 경향이 있었으며 반응성 유리 조성물과 반응하였고, 따라서 불활성을 감소시켰다.

비교용 B 샘플은 DLC로 코팅된 기재이었다. 도 7a는 고온에의 노출 전의 표면 조도가 2 ± 1nm인 비교용 B 샘플의 SEM 현미경 사진이다. 도 7b는 고온 노출 후이며 표면 조도가 200nm 초과인 이 샘플의 SEM 현미경 사진이다. 추가적으로, 코팅재로서의 기재의 분석을 포함한, 열 처리 후의 EDAX에 의해 측정된 조성은 그러한 열화된 상태에 있었다.

비교용 C 샘플은 TiN으로 코팅된 기재이었다. 도 8a는 고온에의 노출 전이며 표면 조도가 5 ± 1nm인 비교용 C 샘플의 SEM 현미경 사진이다. 도 8b는 고온에의 노출 후이며 표면 조도가 69 ± 1nm인 비교용 C 샘플의 SEM 현미경 사진이다. 열 처리 후에 측정된 EDAX 조성은 화학적 조성에 있어서의 꽤 상당한 변화를 입증하였다. 따라서, 고온에서의 비교적 높은 정도의 코팅재 불안정성 및 반응성 유리와의 반응성이 있었다.

적어도 고온에의 노출 후 표면 조도의 실질적인 증가에 의해 알 수 있는 바와 같이, 비교용 A 내지 C 샘플의 코팅재는 고온에서의 상당한 불안정성뿐만 아니라 반응성 유리와의 상호작용 및/또는 반응성도 갖는다.

추가적으로, 상기에 논의되고 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 TiAlN 코팅재인 Ti₂₂Al₂₂N₅₅(원자비 1:1:2.5)는 그의 표면 마감도 및 조성을 유지하였다. 추가적으로, 열 처리 후의 EDAX 분석은 조성에 있어서의 미소한 변화를 입증하였다. 따라서, 본 발명의 코팅재는 고온에서 매우 안정하며 불활성이었다. 대조적으로, 도 6b에 나타낸 바와 같이, 원자비가 1:1.7:3.6인 TiAlN 코팅뿐만 아니라, 도 7b 및 도 8b 각각의 DLC 및 TiN 코팅재는 고온에의 노출 후 유리 조성물 B 유리와의 상호작용을 나타낸다. TiN, TiAlN 및 Al 풍부 TiAlN 코팅재에 대한 시험으로부터, Ti:Al 원자비가 1:1로부터 현저하게 벗어날 때, 코팅재의 반응성이 증가하는 것으로 판정되었다. 시험 결과는 정밀 유리 성형 금형의 약 0.5μm 미만의 형상 공차(profile tolerance) 및 약 5nm 미만의 표면 마감도를 갖는 고순도 WC 기재 상의 본 명세서에 기재된 얇은, 예를 들어 0.5μm 미만의 TiAlN 코팅재는 성형 조작 동안 보다 고온의 반응성 유리에 대하여 불활성을 유지함을 추가로 입증하였다.

따라서, 본 발명의 코팅재는 유리 제품의 보다 높은 품질 및 생산성, 다이 피로 또는 고장 없이 보다 높은 가능한 유리 성형 공정 온도, 유리 제품의 치수 공차의 보다 엄격한 제어, 다이 및 공구의 보다 긴 수명, 및 본 시스템에 사용되는 보다 저렴한 원소로 인한 보다 낮은 다이 제조 비용을 효과적으로 제공한다.

본 명세서에 기재된 시스템은 고온에서 내산화성이고 내마모성인 성형 공구를 생성하며, 유리가 들러 붙지 않는 표면을 제공한다. 공구의 이러한 특성들은 방해 및 재료 손실 없이 유리 부품의 제조를 가능하게 하며, 따라서 공구의 수명 및 유리 제품의 품질 및 생산성이 상당히 확대되게 할 수 있다. 이 새로운 코팅 구조 및 설계는 정밀 유리 성형 또는 형성 공정에 특히 적합하며, 본 명세서에서는 본 코팅재 및/또는 시스템이 이미징 응용을 위한 정밀 유리 렌즈를 성형하기 위한, 예를 들어 반응성 유리를 성형하고/하거나 고온에서 유리를 성형하기 위한 공구에 이용될 수 있을 것으로 예상되지만, 그러한 응용으로 한정되지 않는다. 본 코팅재 및/또는 시스템의 추가의 사용에는 레이저 콜리메이터 렌즈의 성형, 완전히 치밀한 고경도의 텅스텐 카바이드를 필요로 하는 다른 물품 및 거울의 성형이 포함되지만 이로 한정되지 않는다.

본 발명의 특정 실시 형태가 예시를 목적으로 상기에 기재되어 있지만, 본 발명의 세부 사항의 다수의 변형이 첨부된 특허청구범위에 정의된 본 발명으로부터 벗어나지 않고서도 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다.

Claims

TiAl_xN_y를 포함하며, 여기서 x는 약 0.7 내지 1.5이고, y는 약 2.2 내지 3.0인 코팅 조성물.
제1항에 있어서, x는 약 0.8 내지 1.2인 코팅 조성물.
제1항에 있어서, y는 약 2.2 내지 2.7인 코팅 조성물.
제1항의 코팅 조성물로 코팅된 기재(substrate).
제4항에 있어서, 코팅 두께가 약 1.0μm 미만인 기재.
기재; 및
상기 기재 상의 적어도 일부에의 코팅재;
를 포함하며, 상기 코팅재는 TiAl_xN_y를 포함하고, 여기서 x는 약 0.7 내지 1.5이며, y는 약 2.0 내지 3.0인 정밀 유리 성형(precision glass molding)을 위한 시스템.
제6항에 있어서, x는 약 0.8 내지 1.2인 시스템.
제6항에 있어서, y는 약 2.2 내지 2.7인 시스템.
제6항에 있어서, 기재는 코팅재 두께가 약 1.0μm 미만인 시스템.
제9항에 있어서, 코팅재 두께는 약 0.5μm인 시스템.
제6항에 있어서, 코팅된 기재의 표면 조도(RMS)는 약 5nm 미만인 시스템.
제6항에 있어서, 코팅된 기재는 형상 정확도(profile accuracy)가 약 0.5μm 미만인 시스템.
제6항에 있어서, 기재는 1.2% 미만의 미량 성분을 갖는, 텅스텐 카바이드, 텅스텐 또는 그 조합을 포함하는 시스템.
제13항에 있어서, 미량 성분은 코발트, 크롬 또는 니켈 중 적어도 하나를 포함하는 시스템.
제6항에 있어서, 기재는 1.2중량% 미만의 미량 성분을 갖는 모노텅스텐 카바이드를 포함하는 시스템.
코팅재를 기재에 적용시키는 단계를 포함하며, 여기서 상기 기재는 1.2중량% 미만의 미량 성분을 갖는, 텅스텐 카바이드, 텅스텐 또는 그 조합을 포함하고, 상기 코팅재는 TiAl_xN_y를 포함하며, 여기서 x는 약 0.7내지 1.5이고, y는 약 2.2 내지 3.0인 방법.
제16항에 있어서, x는 약 0.8 내지 1.2이고, y는 약 2.2 내지 2.7인 방법.
제16항에 있어서, 코팅재 두께는 약 1.0μm 미만인 방법.
제16항에 있어서, 미량 성분은 코발트, 크롬 또는 니켈 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
제16항에 있어서, 기재를 코팅하기 전에 중간층을 적용하는 단계를 추가로 포함하며, 여기서 상기 중간층은 텅스텐 카바이드, 텅스텐 또는 그 조합을 포함하는 방법.