KR20120129445A - 내산화성 내마모성의 복합 다층 코팅층 제조. - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속강재의 코팅용으로 쓰이는 막과 제조방법에 관한 것으로, 높은 내마모도가 요구되는 공구강 및 금형강에 경질막을 코팅하여 내마모도가 더욱 증가된 비금속의 표면 조직을 형성하는 방법이다. 공구와 같이 고속절삭가공을 할 때 발생하는 고 인성, 고 경도 소재의 가공에 의한 공구의 칩핑, 고열에 의한 산화에 기인한 연화 등을 극복할 수 있는 고온에서의 표면특성이 우수한 차세대 코팅소재인 W-Ti/TiAlN층을 공구에 코팅하여 우수한 표면물성을 얻을 수 있는 코팅막을 개발한다. TiAlN을 마그네크론 스퍼터링법에 의하여 경질 코팅하고, 그 상면에 W-Ti의 코팅층을 마그네트론 스퍼터링법에 의해 복합 코팅하여 내마모도와 내산화성 및 윤활성을 동시에 증가시키는 효과를 얻도록 하는 발명이다.

본 발명은 금속강재의 상면에 TiAlN을 마그네트론 스퍼터링법에 의한 제 1 경질 코팅층을 형성하고, 그 1차 경질코팅층의 표면에 W-Ti의 코팅층을 (W 함량비율이 90? 95 wt. ％)의 2차 코팅층이 순차적으로 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명을 적용하면, 내마모성이 우수한 경질 코팅층인 TiAlN 경질 코팅층의 상면에 W-Ti의 코팅층을 마그네트론 스퍼터링법에 의해 복합 코팅하도록 함으로써 내산화성 및 내마모성이 우수하도록 한다. 고속절삭 가공시 공구강 및 금형의 온도가 상승하게 된다. 이때 코팅층이 산화되어 쉽게 마모되는 현상을 W-Ti의 코팅층이 효율적으로 방지하여 높은 내마모성을 유지하는데 목적이 있다.

W-Ti, TiAlN, 마그네트론 스퍼터링, 경질막 코팅

Description

내산화성 내마모성의 복합 다층 코팅층 제조.{The method of high wear and oxidation resistant multi-layer coating material process.}

본 발명은 금속강재의 코팅용으로 쓰이는 막의 개발과 제조방법에 관한 것으로, 높은 내마모도가 요구되는 공구강 및 금형강에 경질막을 코팅하여 내산화성, 내마모도 및 윤활성이 더욱 증가된 비금속의 표면 조직을 형성하는 방법이다. 공구와 같이 고속절삭가공을 할 때 발생하는 고 인성, 고 경도 소재의 가공에 의한 공구의 칩핑, 고열에 의한 산화에 기인한 연화 등을 극복할 수 있는 고온에서의 표면특성이 우수한 차세대 코팅소재인 W-Ti/TiAlN 층을 공구에 코팅하여 우수한 표면물성을 얻을 수 있는 코팅막을 개발한다. TiAlN을 마그네크론 스퍼터링법에 의하여 경질 코팅하고, 그 상면에 W-Ti의 코팅층을 마그네트론 스퍼터링법에 의해 복합 코팅하여 내마모도와 내산화성 및 윤활성을 동시에 증가시키는 효과를 얻도록 하는 발명이다.

본 발명은 내산화성, 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 막의 개발과 코팅방법에 관한 것이다. 보다 상세하게 공구강으로 사용되기 적합할 정도의 내마모성을 갖도록 TiAlN을 마그네트론 스퍼터링으로 경질 코팅하고, 그 상면에 W-Ti의 윤활 코팅층을 마그네트론 스퍼터링법에 의해 복합 코팅하도록 함으로써 내산화성, 내마모성이 우수하도록 하며, 무윤활 가공에서 작업하기에 적합하도록 한 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 코팅방법이다. 주지된 바와 같이, 금형 또는 공구등의 재료인 금속강재는 그 내마모성을 향상시키기 위하여 코팅층을 형성한다. 코팅층은 대표적으로 물리증착법(Physical Vapor Deposition : PVD)이 많이 사용된다. 상기 발명은 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용한 것으로, 전자석을 이용하여 자기장을 발생시키고, 이 자기장을 이용하여 그 자기장안에 포함되는 전자를 사이클로이드 운동시켜 반응가스인 질소와 충돌하도록 함으로써 반응가스 이온의 발생을 촉진시키는 장치이다. 물리증착(Physical Vapor Deposition : PVD)은 코팅의 미세구조 제어가 용이하고 다른 공정에서는 얻기 어려운 고온 준안정상이나 합금, 복합재료 등의 합성이 가능하여 많은 연구와 관심이 집중되었다. 대표적인 고온 내마모 코팅인 TiAlN 코팅은 사용온도가 TiN(약 500℃)에 비해 약 300℃ 정도 높으며 산화시 표면에 발생되는 Al₂O₃가 더 이상의 산화를 억제하여 산화층의 깊이가 TiN의 1/20 정도로 고온 내산화성이 우수하다. 또, TiAl target 위의 아크는 고진공 하에서 소멸되지 않고 target 뒤에 설치된 자석에 의해 원운동을 하며 Ti, Al 이온을 방출시킨다. 이때 적절한 양의 질소를 투입하면서 제품에 약 50?600V의 bias를 걸어주면 소위 짙은 회색의 TiAlN 코팅막이 제품표면에 형성된다. 그러나 Al과 같은 저융점의 금속이 음극아크 코팅될 경우는 Al 거대입자(macro particle)가 다량으로 발생하는 단점이 있어 마찰계수 증가와 밀착력 감소 등 Al원소의 함량을 증가시키 는데 있어서 그 한계가 보고되고 있다. PVD 증착시 TiAlN 코팅층은 기판에 인가한 bias, 기판의 온도, 증착시 N₂가스의 압력, 코팅층의 두께, target의 인가 전류 등에 의해 특성이 변한다.

본 발명에서는 TiAlN 증착막 상위에 W-Ti의 고융점 금속막을 증착시켜 TiAlN 코팅막의 한계를 증가시켜 내산화성과, 내마모성, 윤활성을 증가시킨 다층 코팅막의 제조하는 것이다.

도 1은 W-Ti 합금의 상태도 이고, 도 2는 마그네트론 스퍼터링 장치에 의하여 제조된 금속강재의 코팅층을 도시한 도면이며, 도 3은 종래 금속강재 코팅방법의 플로우차트이다.

상기 문제점, 즉 TiAlN 코팅막의 경우처럼 저융점의 Al 금속이 음극아크 코팅될 경우는 Al 거대입자(macro particle)가 다량으로 발생하는 단점이 있다. 이는 마찰계수 증가와 밀착력 감소 등으로 인하여 Al원소의 함량을 증가시키는데 있어서 그 한계가 있다. 또한 고속절삭가공을 할 때 발생하는 고 인성, 고 경도 소재의 가공기 가공에 의한 공구의 칩핑, 고열에 의한 산화에 기인한 연화 등을 극복할 수 있는 방법이 요구된다. 고온에서의 표면특성이 우수한 차세대 코팅소재인 W-Ti/TiAlN 층을 공구에 코팅하여 우수한 표면물성을 얻을 수 있는 코팅막을 개발한다.

W-Ti 막은 높은 W 함량으로 인하여 융점이 높고 원간 결합이 강하여 내마모성이 우수하며, 산화피막의 형성이 존재하여 내산화성이 증가된다. 또한 도 1에 보이는 바와 같이 2500℃ 이상의 고온에서 액상과 고상이 공존하여 자체 윤활성이 가능하다. 따라서 TiAlN 층을 단독으로 사용할 때 보다 내마모성, 내산화성과 고온 윤활성이 증가되는 장점을 갖는다.

본 발명은 금속강재의 표면 경질막을 코팅하는 형성함에 있어서, 금속강재기판과; TiAlN층과, 상기 TiAlN층 상면에 층착되는 W-Ti 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 경질막 코팅을 제공한다.

상기 TiAlN층의 두께는 2㎛의 두께로 구성되고, TiAlN층 상면에 형성되는 W-Ti (W 함량 90-95％)는 2㎛의 이내의 두께로 증착된다. 상기 TiAlN층과 W-Ti층의 증착은 물리증착방법을 이용하여 증착한다.

본 발명은 기존의 TiAlN 코팅막을 단독으로 사용할 경우에 발생할 수 있는 코팅막의 품질저하를 방지할 수 있다. 이는 절삭공구와 같이 고속절삭가공을 할 때, 고 인성, 고 경도 소재의 가공에 의한 공구의 칩핑, 고열에 의한 Al 및 Ti의 산화에 기인한 연화 등을 극복할 수 있다. 이는 고온 강도와 내산화성 내마모성이 우수한 코팅소재인 W-Ti을 /TiAlN 층의 상면에 코팅하여 더욱 우수한 표면물성을 얻을 수 있다.

또한 윤활이 용이하지 않는 경우에도 W-Ti층은 고온에서의 윤활특성이 가능 하여 더욱 우수한 표면물성을 얻을 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시 예는 금속강재의 상면에 TiAlN, 마그네트론 스퍼터링법에 의한 제 1 경질 코팅층을 형성하고, 그 1차 경질 코팅층의 표면에 W-Ti (W 함량 95?90 wt ％)의 2차 코팅층이 순차적으로 형성된 것을 특징으로 한다. 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재가 제공된다. 보다 바람직하게, 상기 1차 경질 코팅층과 2차 코팅층의 두께는 각각 1 내지 3㎛ 인 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명은 금속강재의 상면에 TiAlN을 마그네트론 스퍼터링법에 의한 제 1 경질 코팅층을 형성하는 단계와; 상기 1차 경질코팅 강재가 설치된 챔버 내부에 W-Ti 타겟을 설치하는 설치단계와; 상기 타겟 및 1차 경질코팅 강재가 설치된 챔버 내부의 진공도를 10^-5torr ? 10^-7torr 까지 낮추어 상기 챔버 내부의 공기를 제거하는 공기제거 단계; 상기 챔버로 불활성가스를 주입하여 상기 챔버 내부의 진공도를 10^-2torr?10^-4torr 로 하는 불활성가스 주입단계와; 상기 챔버 내부를 플라즈마 상태로 한 상태에서, 상기 W-Ti 타겟에 층형성 전위 및 층형성 전류를 인가함으로써 상기 1차 경질 코팅강재의 표면에 W-Ti층을 형성하는 W-Ti층 형성하는 단계의 2차 코팅층 형성단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 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 마그네트론 스퍼터링법을 채택하고 있는데, 간략한 원리를 설명하면 다음과 같고 도 3에서 볼 수 있다. 먼저, 증착하고자 하는 코팅 타겟을 설치한다 (S1). 장입 후, Motor를 작동시켜 기판을 회전시키고, Rotary 펌프와 확산펌프를 이용하여 챔버 내 압력을 5×10^-5 torr 로 진공을 배기 한 후(S2), 챔버내로 Ar가스를 2×10^-1torr까지 도입하였다(S3). 대상시편을 Sputter cleaning 한다. 순서는 다음과 같다(S4). 시편 기판 전압 공급장치로 부터 기판에 -300V bias 전압을 인가해주면 도입된 Ar가스에 의해 플라즈마가 형성되고, 이때 Ar은 Ar＋로 이온화되어, 기판에 충돌하면서 sputter cleaning이 일어나며, 이로 인해 모재 표면에의 산화막 등의 불순물을 제거한다. 약 30분간 sputter cleaning을 한 후, 다시 챔버 내부의 압력을 낮춘다.

다음으로 TiAlN 박막을 코팅한다. TiAl 타겟은 제 1 전도성 음극에 위치한다. W-Ti 타겟은 제 2 음극에 위치한다. 5×10^-5torr의 초기 압력에서 N₂ 가스를 2×10^-2torr 까지 도입한 후, TiAl target에 음극을 인가하여주고 아크전류를 인가하여 준다. TiAl 타겟에 저전압 고전류의 직류 전원을 인가하여 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 코팅막을 합성 기판 금속위에 물 리기상증착(physical vapor deposition ; PVD) 한다 (S5).

다음으로 W-Ti 박막을 코팅한다. W-Ti 타겟은 제 2 음극에 위치한다. Rotary 펌프와 확산펌프를 이용하여 챔버 내 압력을 5×10^-5 torr 로 진공을 배기한 후, 챔버내로 Ar가스를 2×10^-1torr까지 도입한다. 이후 W-Ti 타겟에 저전압 고전류의 직류 전원을 인가하여 음극 아크를 발생시킨 후 자기장으로 아크를 음극 표면에 구속 및 유지시켜 아크의 고열로 금속의 증기를 만들어 금속모재 기판에 기코팅층인 TiAlN 층 위에 증착시킨다.

도 1은 W-Ti 합금의 상태도.

도 2는 W-Ti/TiAlN/금속강재기판의 순으로 코팅된 순서도.

도 3은 W-Ti/TiAlN/금속강재기판의 순으로의 코팅 공정 순서도.

*도면의 주요 부위에 대한 설명

도 2, 1 : 금속강재기판

2 : TiAlN 층을 도포한 상태.

3 : W-Ti 보호 피막층 코팅 형성.

Claims (1)

1. 금속강재의 상면에 TiAlN, TiN, TiCN, CrN, TiAlSiN 중 어느 하나를 음극 아크법 혹은 마그네트론 스퍼터링법에 의한 제1 경질 코팅층을 형성하고, 그 1차 경질코팅층의 표면에 W-Ti 합금의 2차 코팅층이 순차적으로 형성된 것을 특징으로 하는 내마모성과 윤활성의 복합 코팅층을 갖는 금속강재.

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