KR20140002728A - Cr-Si-N 코팅을 적용한 고온 금속강판 성형 또는 스탬핑 도구 - Google Patents

Cr-Si-N 코팅을 적용한 고온 금속강판 성형 또는 스탬핑 도구 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CrSiN으로 코팅된 고온 성형 도구를 개시하고 있으며, 향상된 내마모성, 내산화성 및 반유착성 및 이에 따라 보다 긴 내구연한과 보다 향상된 성능을 나타낸다. CrSiN 코팅은 고온 금속 강판 성형 공정에 의해 성능을 개선하는데 특히 좋으며, 작업물은 AlSi로 코팅된 금속 강판 및/또는 1,500MPa 또는 그 이상의 강도를 갖는 금속 강판인 것을 특징으로 한다.

Description

Cr-Si-N 코팅을 적용한 고온 금속강판 성형 또는 스탬핑 도구{Hot metal sheet forming or stamping tools with Cr-Si-N coatings}
최근 새로운 부품, 특히 자동차 부품 제조를 위해 고온 금속강판 성형 공정(hot sheet metal forming processes)의 이용이 많이 증가하였으며, 이러한 공정에 의해 발생한 문제점들을 집중 조명하는 것이 필요하게 되었다. 본 발명은 고온 성형 도구들의 수명과 성능을 개선할 수 있는 Cr-Si-N 코팅 시스템의 이용에 관한 것으로, 또한 이러한 종류의 작업시 그에 의해 마찰저항 레벨을 매우 양호하게 컨트롤할 수 있다.
최근, 자동차 부품 제조에 있어 차 무게를 줄이고 이에 따른 환경 발생 문제를 감소시키는 동시에 충돌 안정 성능을 개선하기 위해 고강도 강판(high-strength steel sheets)의 사용이 현저히 증가하여 왔다. 많은 자동차 부품 및 구조용 부재들은 그들의 제조에 사용되는 고강도 강판의 두께를 줄임으로써 무게를 상당히 경량화시킬 수 있다. 유럽에서는 1,500 MPa 정도의 강도를 가진 자동차 구조용 부재의 제작에 있어, 다이 ?칭(die quenching), 고온 성형(hot forming), 고온 스탬핑(hot stamping) 또는 고온 프레싱(hot pressing)으로 불리는 예컨대 고온 금속강판 성형 방법이 채용되어 있다. 이 방법에 의해, 강판을 오스테나이트(austenite) 온도 영역, 즉 900℃ 정도의 온도까지 가열후 ?칭(quenching)을 거친후에 강판의 강도를 증가시킬 수 있다. 가열된 강판이 가열로(heating furnace)로부터 추출되면, 프레싱 머신으로 보내지고, 고온 금속강판 성형 도구를 사용하여 규정된 모양으로 성형된 후 실온에서 유지됨으로써 ?칭된다. 성형 작업시, 프레싱 머신은 전체 강판이 충분히 ?칭될 때까지 더 낮아진 데드 포인트(dead point)로 유지된다 (T. 세누마: ISIJ Int. 41, 520 (2001)).
일반적으로 강판의 강도가 증가하면 그 성형성(formability)은 떨어지기 때문에, 이러한 문제를 극복하기 위해 여러 가지 형태의 고강도 강판 제품들이 개발되어 왔다. 예컨대, 제어된 미세구조(controlled microstructures)를 갖거나, Zn계 또는 Al-Zn계 또는 AlSi계 코팅이 적용된 고강도 강판이 개발되었다. 그러나 이러한 노력에도 불구하고, 강판의 강도가 약 1,500 MPa 정도로 높은 경우에는 복잡한 형상의 프레스 성형이 쉽지 않다 (T. 세누마: ISIJ Int. 41, 520 (2001)).
이에 대한 대응을 위해 유럽에서는 USIBOR 1500 (AlSi로 코팅됨)으로 불리는 알루미늄 도금 강판 제품이 개발되었다. 이 제품은 매우 뛰어난 고온 프레싱 특성 및 내부식 특성을 보유하고 있다.
그러나 금속 코팅 강판이 가진 매우 뛰어난 특성에도 불구하고, 소프트한 금속 코팅이 성형 도구의 표면에 부착하려는 강한 성향 때문에, 금속 코팅 강판은 성형 작업시 많은 윤활(lubrication)이 필요하다. 수차례의 성공적인 성형 사이클 후에, 그러한 부착 물질은 성형 부품에 스크래치를 유발하다가 결국 크랙(cracks)을 발생시킬 수 있다. 이러한 문제점을 골링(galling)이라고 부른다.
또한, 요구되는 윤활로 인하여 작업장 환경을 악화시킬 수 있고, 성형된 부품들로부터 윤활유를 제거하기 위해 인체에 유해한 탈지제(degreasing agents)가 필요하게 된다.
코팅된 금속 강판을 사용하는 고온 금속강판 성형 공정으로 현재의 성능을 개선할 수 있는 하나의 방안은 고온 금속강판 성형 도구에 저마찰/고내마모성의 PVD 코팅을 적용하는 것이다. 문헌에서 (프란시스 클라쎄 외: Wear 264 (2008) 400-404), 기본적으로 두가지의 상이한 형태의 PVD 코팅들이 알려져 있으며: 하나는 질화물 기반 코팅(예컨대 CrN 및 TiAlN)이고, 다른 하나는 탄소 또는 MoS2 기반 층들과 같은 고형 윤활제(예컨대 DLC(Diamond-Like Carbon) 및 금속-MoS2 합성물)이다.
또한, 프란시스 클라쎄 외는, 골링에 대한 코팅의 응답을 테스트하기 위해 특별히 고려된 시험에서 다양한 코팅 시스템들의 거동에 대해서도 조사하였다(프란시스 클라쎄 외: Wear 264 (2008) 400-404). 그들은 탄소계 합성물 층들(DLC-타입 및 WC/C)이 골링 내구성과 관련하여 뛰어난 특성을 나타냄을 발견하였다. 그들은 CrN, TiN, CrN/TiCrN과 같은 전형적인 하드 코팅 대신에 이러한 형태의 도구 코팅을 이용할 것을 권장하고 있다.
고온 금속강판 성형 도구의 성능을 개선하고 그에 따라 제조부품의 표면 품질을 개선할 수 있는 또 다른 알려진 방안으로, 고온 금속강판 성형 도구를 질화처리(nitriding)와 침탄질화처리(carbonitriding)를 하는 방법이 있고 이외에도, 고온 금속강판 성형 도구에 플라즈마 처리(plasam treatments), 마이크로 스트럭쳐(micro structuring), 기타 등과 같이 다른 종류의 표면 처리를 행하는 방법들이 있다.
그러나 오히려 상기 언급된 방안들을 사용하여 얻어진 고온 금속강판 성형 도구의 성능은 코팅된 고강도 금속강판의 고온 금속강판 성형 공정에서의 공정 품질을 충분히 개선하지 못한다. 특히 USIBOR 1500과 같은 AlSi로 코팅된 고강도 강판의 사용시에 골링 형상이 충분히 감소할 수 없었고, 문제점이 지속되었다.
본 발명의 목적은 다이(die)의 내구년한과 도구의 성능을 충분히 개선하는 코팅을 적용한 고온 금속강판 성형 도구를 제공하는 것이다. 본 코팅은 충분한 마찰 마모 내성, 충분한 유착 마모 내성 및 충분한 온도 안정성을 제공하여야만 한다. 특히 본 코팅은 현재 사용중에 있는 코팅과 비교하여, 고온 금속강판 성형 작업 후에 AlSi로 코팅된 강판에서 나타나는 골링에 대한 보호 성능을 개선해야만 한다.
본 발명에 따른 고온 성형 도구들은 CrSiN 코팅을 적용하여 코팅된다. 발명자들은 CrSiN 코팅이 고온 금속강판 성형 공정에서 사용되는 고온 금속강판 성형 도구들의 사용 내구연한과 성능을 상당히 개선함을 발견하였다.
CrSiN 코팅은 오늘날까지 건식 가공도구들(dry machining tools)에 대한 보호 코팅으로 사용되는 것으로 알려져 있고(JP2005186184), 그 운영 요구사항과 스트레스 컬렉티브(stress collective)는 고온 금속강판 성형 도구들에 대한 것만큼 완전히 상이하며, 큰 문제점들 중 하나가, 앞서 언급 한대로 AlSi로 코팅된 강판이 작업물(제조 공정에 있는 제품)로 사용될 때 발생하는 예컨대 골링(galling) 현상이다.
본 발명에 따라 적용된 CrSiN 코팅은 매우 양호한 마찰 마모 특성, 뛰어난 안정성과 고온 금속강판 성형 도구들의 표면에 AlSi 유착이 탁월하게 현저히 감소하는 특성을 나타내었으며, 이에 따라 고온 금속강판 성형 작업에 의해 AlSi로 코팅된 강판으로 제조된 부품들 표면에서 보통 발견되는 골링 현상에 대한 매우 양호한 해결책을 제시하였다. 기판 위에 적용되는 바람직한 CrSiN 코팅의 두께는 4㎛와 8㎛ 사이이다.
본 발명에 따른 Cr-Si-N 코팅이 PVD(physical vapour deposition) 방법, 특히 반응성 아크 이온 플레이팅(reactive arc ion plating)에 의해 고온 금속강판 성형 도구들에 증착되었다. CrSiN 코팅의 증착을 위한 물질 소스로 다양한 Cr 및 Si 함량을 지닌 합금된 Cr:Si 타깃들이 사용되었다. 타깃들은 질소 가스 상태하에서 활성화되었고, 도구의 표면에 CrSiN 코팅이 생산되었다.
기판(테스트 샘플들과 고온 금속강판 성형도구들 또는 스탬핑 도구들)의 코팅을 위해, 발져스(Balzers)사의 이노바 코팅 머신(Innova coating machine)이 사용되었다. 질화물 스틸 및 비질화물 스틸로 만들어진 고온 금속강판 성형 도구들 또는 스탬핑 도구들뿐만 아니라 다른 금속 종류의 추가 테스트 샘플들이, 아크 이온 플레이팅 PVD 공정에 의해 코팅 머신의 진공 챔버에서 가열되고, 식각되고 코팅되었다. 증착시 기판들은 계속 회전하였다. 코팅 단계에서, 질소가 ~2x10-2 mbar의 압력을 유지하는 진공 챔버에 주입되었고, 95:5의 대기퍼센트(at%)로 구성된 6개의 합금 Cr:Si 타깃들이 활성화되었으며, 40V의 DC 바이어스 전압이 적용되었다.
아크 증착 공정은 CrSiN 층에 이른바, 용융방울들(droplets)을 유발한다는 것이 언급되어야 한다. 이러한 용융방울들은, 반응성 가스, 본 경우에 있어서는 예컨대, 질소와 완전하게 반응하지 않은 금속성분으로 된 파티클들이다. 발명자들은 고온 강판 성형 도구들을 아크 증착에 의해서 CrSiN으로 코팅하는 것이 바람직하다는 것을 발견하였다. 이는 잠정적으로 코팅내에 용융방울들을 감소시키는데 기여하지만 아직 상당수의 용융방울들은 코팅 내에 남아있다.
미세결정 보론강 내에 약 30㎛ 두께의 Al-Si계 코팅을 가진 Usibor 1500 PR(Arcelor)의 고온 금속강판 성형에 의해, CrSiN으로 코팅된 고온 스탬핑 도구들이 테스트되었다.
Usibor 1500 PR(Arcelor)의 고온 금속강판 성형에 의해 얻어진 이러한 CrSiN 코팅의 반 유착방지(anti-adhesion) 특성은, 동일한 성형 공정들에 사용되지만, TiAIN, CrN, AICrN 및 AICrSiN 등과 같은 다양한 코팅 시스템들로 코팅된 동일한 도구들을 사용하여 조사된 것보다 분명히 더 양호하였다.
CrSiN 코팅에 대한 습윤성(wettability)과 격자상수(lattice parameter)가 또한 추가로 측정되었다.
본 발명에 따라 고온 성형 도구들에 증착된 CrSiN 코팅의 원소 조성은, 코팅 내에 함유된 금속 원소들뿐만 아니라 비금속원소들까지 고려하여, 다음과 같은 원자퍼센트의 조성을 나타내었다:
CrxSiyNz, 여기서 x: 40 ~ 69%, y: 1 ~ 20% 및 z: 30 ~ 40%.
이러한 방식으로 증착된 CrSiN 코팅의 구조가 엑스레이 회절(Xray diffraction (XRD)), 전자주사현미경(scanning electron microscopy (SEM)) 및 투과전자현미경(transmission electron microscopy (TEM)) 조사법에 의해 조사되었다. 모든 증착된 코팅에서 결정질 구조(crystalline structure)의 형태가 확인되었다. 모든 증착된 코팅은 선호면 중심 입방격자(preferred face centred cubic lattice)를 보여주었다. 증착된 CrSiN 코팅의 엑스레이 회절(XRD) 패턴에서, (111) 및 (200) 격자 평면들의 배향성(preferential orientations)에 해당하는 피크들(peaks)이 발견되었다. 또한 화학적 조성, 입자 크기 및 잔류 응력의 변화에 따라 코팅내 Si 농도가 변동됨으로써 피크들도 이동(shift)되었다는 것도 발견되었다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코팅은, 순수한 CrN 코팅의 해당 평면들의 피크들과 비교하여 이동되어 있는, (111) 및 (200) 격자 평면들의 배향성에 해당하는 피크들을 보여준다. 이러한 이동의 정도는 코팅에 함유된 Si의 양에 따라 달라진다
AiSi로 코팅된 금속강판에 대한, CrSiN 코팅 내의 Si 함량과 격자상수(lattice parameter), 습윤 특성(wettability properties), 및 반 유착방지 반응(anti-adhesive behaviour) 간의 중요한 상관성이 발견되었다.
다음에 나오는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코팅에서 Si 함량의 값은 코팅 내의 금속원소만을 산정하여 계산되도록 고려되어야 한다. 이는 Cr 및 Si 만이 산정된다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 바람직한 실시예는 0보다 크고 ~ 15 at%의 코팅 내 Si 함량을 가진 CrSiN 코팅을 사용하여 얻어진다.
본 발명에 따른 추가의 바람직한 실시예는 2 ~ 10 at%의 코팅 내 Si 함량을 가진 CrSiN 코팅을 사용하여 얻어진다.
본 발명에 따른 가장 바람직한 실시예는 3 ~ 8 at%의 코팅 내 Si 함량을 가진 CrSiN 코팅을 사용하여 얻어진다.
본 발명에 따른 CrSiN 코팅은 고온 성형 도구용 코팅으로 사용된다. 본 발명은 CrSiN 하드 코팅을 가진 고온 금속 강판 성형 도구를 개시하고 있다. 상기 CrSiN 하드 코팅은, 상기 언급된 원자 퍼센트 내 Si 함량의 계산에 있어 금속원소들만이 고려하여 산정시, 0보다 크고 ~ 15 at%, 바람직하게는 2 ~ 10 at%, 더 바람직하게는 3 ~ 8 at% 범위의 코팅 내 Si 함량을 특별히 가진다.
본 발명에 따른 추가의 바람직한 실시예는 고온 열전도율 스틸(hot thermal conductivity steel, HTCS) 또는 질화물 스틸(nitrided steel) 또는 탄질화 스틸(carbonitrided steel)을 도구 기판(tool substrate)으로 사용하거나 또는 다른 사전 표면 처리된 스틸 도구를 도구 기판으로 사용하여 얻어진다.
본 발명은 CrSiN으로 코팅된 고온 금속 강판 성형 도구를 개시하고 있으며, 상기 CrSiN 하드 코팅은 아크 이온 플레이팅 방법(arc ion plating method)에 의해 성형된다.
본 발명은 고온 금속 강판 성형 공정을 개시하고 있으며, 본 발명에 따라 코팅된 도구는 고온 성형 도구의 내구연한과 전체 성능을 개선하고 또한 그렇게 됨으로써 이러한 공정에 의해 제조된 금속 강판의 품질을 개선하기 위해 사용된다.
본 발명은 특히 고온 금속 강판 성형 공정을 개시하고 있으며, 본 발명에 따라 코팅된 도구는 AlSi로 코팅된 금속강판을 성형하거나 및/또는 재료강도가 1,500 MPa 정도 또는 그 이상의 금속 강판을 성형하는데 사용된다.

Claims (9)

  1. CrSiN 하드 코팅을 가진 고온 금속강판 성형 도구.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 CrSiN 하드 코팅은, 코팅 내 규소(Si) 함량이 0보다 크고 ~ 15 at%, 바람직하게는 2 ~ 10 at%, 더 바람직하게는 3 ~ 8 at% 인 것을 특징으로 하는 고온 금속 강판 성형 도구.
  3. 제1항 및 제2항에 있어서,
    상기 도구들의 기판은 고온 열전도율 스틸(hot thermal conductivity steel, HTCS) 또는 질화물 스틸(nitrided steel) 또는 탄질화 스틸(carbonitrided steel)이거나 또는 또 다른 사전 표면 처리된 스틸인 것을 특징으로 하는 고온 금속 강판 성형 도구.
  4. 제1항 및 제2항에 있어서,
    상기 도구들의 기판은 비질화물 스틸(non-nitrided steel)인 것을 특징으로 하는 고온 금속 강판 성형 도구.
  5. 제1항 내지 제4항에 있어서,
    상기 CrSiN 하드 코팅은 아크 이온 플레이팅(arc ion plating)에 의해 성형되는 것을 특징으로 하는 고온 금속 강판 성형 도구.
  6. 작업물을 가공하기 위한 고온 금속 강판 성형 공정으로서,
    제1항 내지 제5항에 따른 성형 도구가 사용되는 것을 특징으로 하는 고온 금속 강판 성형 공정.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 작업물은 AlSi로 코팅된 금속 강판인 것을 특징으로 하는 고온 금속 강판 성형 공정.
  8. 제6항 내지 제7항에 있어서,
    상기 작업물은 1,500 MPa 정도 또는 그 이상의 강도를 가진 금속 강판인 것을 특징으로 하는 고온 금속 강판 성형 공정.
  9. 고온 금속 강판 성형 도구에 대한 코팅으로 CrSiN 코팅을 사용하는 방법.
KR1020137020325A 2011-02-04 2012-01-28 Cr-Si-N 코팅을 적용한 고온 금속강판 성형 또는 스탬핑 도구 KR20140002728A (ko)

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