KR20140101120A - 고 경도 저마찰 Ｃｒ―Ｔｉ―Ｂ―Ｎ 코팅 및 그 제조방법 - Google Patents

고 경도 저마찰 Ｃｒ―Ｔｉ―Ｂ―Ｎ 코팅 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 항공기나 운반기계 부품, 각종 공구 등에 적용될 수 있는 고 경도 저마찰 특성을 나타내는 4 성분계 코팅 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은,상기 코팅 제작 방법으로는, 하나의 챔버에서 Cr 성분은 Cr 타깃을 DC 펄스를 이용한 마그네트론 스퍼터링을 통하여 공급하고, Ti와 B 성분은 TiB2 타깃을 고전력 임펄스 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 공급하고, N 성분은 챔버 내 질소가스를 주입하여 공급함으로써 비교적 저온인 200℃ 정도의 공정 온도에서 코팅 막을 형성하여도, 별도의 어닐링 등의 후처리 없이 직접적으로 결정성의 Cr-Ti-B-N 코팅 막을 제작할 수 있도록 하였다.

Description

고 경도 저마찰 Ｃｒ―Ｔｉ―Ｂ―Ｎ 코팅 및 그 제조방법{HIGH HARDNESS AND LOW FRICTION Cr-Ti-B-N COATING AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 항공기나 운반기계 부품, 각종 공구 등에 적용될 수 있는 고 경도 저마찰 특성을 나타내는 4 성분계 코팅 및 그 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 Cr-Ti-B-N 코팅에 관한 것이다.
항공기나 자동차 부품, 기타 절삭 공구 등은 고 경도와 저마찰 특성을 요하며, 그에 따라 제품 자체의 벌크 소재를 그와 같은 물성을 갖춘 것으로 선택하나, 가공성 등으로 인하여, 양자를 모두 구비한 소재로 만들어지기 어렵다. 그에 따라 기본적인 물성을 구비한 벌크 소재로 부품을 기공한 후, 용도에 맞는 코팅재로 표면처리를 하게 된다. 종래 주로 사용되어오고 있는 고 경도 저마찰 코팅은 CrN코팅이나, 이러한 표면처리 소재에 관하여는 다양한 시도와 제안이 이루어지고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2006-0134859호에서는 절삭공구 등에 대하여, 경화강에 대한 표면처리로서, 다성분계 복합 코팅을 제안하고 있다. 상기 공보에 따르면, Ti-Si-N 삼성분계 코팅을 아크 증착법으로 실시하여 마찰특성 등의 물성을 향상시키고 있다.
그러나, 좀 더 높은 경도와 낮은 마찰계수를 갖는 새로운 코팅 소재와 그러한 코팅을 좀 더 용이하게 제작할 수 있는 기술에 대한 새로운 시도는 여전히 필요하다.
따라서 본 발명의 목적은 좀 더 높은 경도와 더 낮은 마찰계수를 나타내는 새로운 조성의 코팅소재와 그러한 코팅 소재를 좀 더 간편하게 제작할 수 있는 제조방법을 제공하고자 함이다.
상기 목적에 따라 본 발명은, Cr-Ti-B-N 사성분계로 고 경도 저마찰 코팅 소재를 제안하며, 상기 코팅 소재는 하나의 챔버에서 Cr 성분은 Cr 타깃을 DC 펄스를 이용한 마그네트론 스퍼터링을 통하여 공급하고, Ti와 B 성분은 TiB2 타깃을 고전력 임펄스 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 공급하고, N 성분은 챔버 내 질소가스를 주입하여 공급함으로써 Cr-Ti-B-N 코팅 막을 제작할 수 있도록 하였다.
본 발명에 따르면, 고 경도 저 마찰 특성을 갖는 Cr-Ti-B-N 사성분계 결정성 코팅 재를 어닐링 등의 후처리 공정 없이 박막 형성 자체만으로 제작할 수 있어, 비교적 간편한 공정으로 우수한 품질의 코팅을 실시할 수 있으며, 그로 인하여 항공기나 운반기계, 공구 등에 본 발명의 코팅을 적용하여 내구성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 대한 장치 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제작된 Cr-Ti-B-N 사성분계 코팅 막에 대한 TEM 사진과 SADP 사진 및 결정성장 상태를 보여주는 TEM 사진이다.
도 3은 본 발명에 따라 제작된 Cr-Ti-B-N 사성분계 코팅 막에 대한 파단면의 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명에 따라 모재에 Cr-Ti-B-N 사성분계 코팅이 적용된 시편(A3)을 가지고 시험한 마찰계수에 대한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 Cr-Ti-B-N 사성분계 코팅의 조성비를 나타낸 테이블이다.
도 6은 본 발명에 따른 Cr-Ti-B-N 사성분계 코팅공정에서 HIPIMS 증착조건을 나타내는 테이블이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 Cr-Ti-B-N 사성분계 코팅을 실시하기 위한 장치 구성이 나와 있다.
하나의 챔버 안에 모재를 기판 홀더에 탑재시키고, 모재 주변을 포위하는 히터를 설치한다. 모재는 스테인레스스틸이나 실리콘일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 고 경도 저마찰 특성을 구비하게 하고자 하는 다른 합금 재나 세라믹 재 등도 가능하며, 특히 내구성을 요하는 금속 모재에 유용하다. 고순도(순도 99.9% 이상)의 Cr 타깃을 준비하고, Cr 타깃에 전원을 인가하되, DC 펄스를 인가할 수 있는 전원 장치를 준비한다.
TiB2 타깃 역시 고순도(순도 99.9% 이상)의 것으로 준비하여 HIPIMS 전원 장치를 연결한다. HIPIMS(High Power Impulse Magnetron Sputter)용 전원장치는 1000V 정도 이상의 고전압과 수μsec 정도의 짧은 지속 시간의 임펄스 전압과 전류를 발생시킬 수 있어, 임펄스 파형을 조절함에 따라 원하는 수준의 박막을 만들 수 있게 된다. HIPIMS는 기존의 펄스 DC 스퍼터와 비교하여 더 높은 전류 밀도와 플라즈마 밀도를 가짐으로써 타깃의 이온화율을 현저히 높인다. 이는 아크 이온 플레이팅(Arc ion plating)법과 비슷한 아주 우수한 막질의 막을 형성하면서도 아크 이온 플레이팅의 최대 단점인 코팅 막에 존재하는 매크로 파티클(macro particle)의 영향이 거의 없어 결함이 없는 매끈한 표면을 가지게 된다. 본 실시예에서 적용한 HIPIMS 동작 조건은 도 6의 테이블에 나타내었다.
가스 공급장치(MFC:Mass Flow Controller)를 통해 챔버 안에 비활성 가스와 반응을 위한 N2 가스가 공급되게 한다.
챔버의 진공도를 조절하는 다수의 펌프를 챔버에 연결하고, 모재 홀더에는 바이어스 전압을 인가할 전원을 연결한다.
먼저, 0.1 Pa 정도로 챔버 안을 진공화한 후, Ar 가스를 주입하여 0.67Pa로 유지하면서, 바이어스 전압을 -700 V 정도로 인가하여 생성되는 플라즈마를 이용한 플라즈마 에칭으로 모재를 세정하고 코팅 막의 밀착성을 위한 표면활성화 과정을 실시한다. 이 과정은 10 분 내외로 충분하다.
다음, 바이어스 전압을 -600 V정도로 낮추고, HIPIMS 전원 장치를 켜, 0.6 kW 정도의 전력을 공급하여 이온 충격(ion bombardment)을 가하여, 모재의 표면활성화를 좀 더 강화한다. 이 경우도 Ar의 공정 압력은 0.67 Pa 정도로 유지하며, 10 분 내외로 실시할 수 있다.
본격적인 코팅 막을 모재에 입히기 위해, DC 펄스 스퍼터링과 동시에 HIPIMS 전원을 동작시킨다. 이때, 모재와 각 타깃 간의 간격은 150 mm 정도로 조절하며, 챔버내 기저 압력을 6.67×10-3 Pa 정도로 유지하고, 질소 가스를 주입하여 박막 증착을 실시할 때의 공정 압력은 0.1 내지 1.0 Pa, 바람직하게는 0.8 Pa 내외로 유지한다. 히터를 켜 챔버 내 온도를 150 내지 300 ℃, 바람직하게는 200 ℃ 정도로 유지하며, 모재 기판 홀더에 인가하는 바이어스 전압은 -100V 내외로 낮춘다. 코팅 박막의 증착을 위한 가스 공급은 비활성 가스인 Ar 대 N2 가스의 유량 공급비를 5:3 정도로 유지하며, 총 공급유량 속도를 80 sccm 정도로 할 수 있다.
Cr 타깃에 인가하는 DC 펄스 마그네트론 스퍼터링 전원의 전력은 0.8 kW 이하로 제어하며, 전원장치는 Pungjurn Instruments Inc.의 PDC 1026A 모델을 이용하여 펄스 전력을 인가하였다.
TiB2 타깃에 인가하는 HIPIMS 전원의 전력은 0.8 kW 이하로 제어하며, 도 6과 같이 펄스인가 조건을 제어하며, HIPIMS 전원에 의해 사성분계 코팅 박막은 결정화도와 밀착력면에서 우수한 특성을 나타낼 수 있게 된다. 상기와 같은 공정 조건을 통해, 코팅 막 생성 속도는 3μm/hr 정도가 되며, 코팅 막 증착은 약 1 시간 정도 지속 되어 시편을 제작하였다.
이와 같이 제작된 시편은 코팅 막의 조성 분석, 결정립 형성 등의 막질 특성 분석을 실시하였고, 모재를 스테인레스스틸로 한 것을 택하여 마찰계수 측정과 경도 측정을 실시하였다. 각각의 타깃 전력을 변화시켜가며 도 5에서와 같이 조성이 다른 6종의 시편(A0~A5)을 제작하였다.
본 발명의 실시예에 따라 제작된 시편들의 특성을 측정하고 TEM 사진을 찍어 관찰하였고, 도 2에는 Ti0.1B0.4N1.3 코팅 막의 TEM 사진들이 나타나 있고, 그 중(a)는 밝은 필드를 적용한 것으로 검게 보이는 결정상과 그 성장 방향을 볼 수 있고, (b)는 어두운 필드를 적용하여, 밝게 보이는 결정상을 볼 수 있고, (c)SADP 상으로 (200),(220),(111) 방향으로 결정이 성장되었음을 알 수 있다. (d)는 좀 더 확대된 TEM 사진으로 상당한 영역의 그레인 바운더리를 갖는 결정이 생성되었음을 확인할 수 있다.
이와 같이, 나노복합체 형태의 CrTi0.1B0.4N1.3 코팅 막은 본 발명의 경우, 결정화를 위한 별다른 어닐링 등의 추가 공정 없이 상당한 크기의 결정립을 갖는 결정질로 형성되었음을 알 수 있다.
도 3에는 A3 시편의 파단면에 대한 SEM 사진으로, 코팅 막의 치밀함을 볼 수 있고, 그에 따라 경도 우수성이 기대될 수 있다.
도 4에서는 종래 CrN 코팅 막을 입힌 모재와 대비하여 본 발명의 Cr-Ti-B-N 사성분계 코팅 막을 입힌 시편 A1, A3, A5의 마찰계수를 측정한 그래프를 보여준다.
Ti와 Cr의 상대적인 원자조성비를 달리하며 제작한 코팅 막에 대한 마찰계수 측정으로부터 Ti:Cr의 증착 파워비가 0.8kw:0.8 kw 즉, 1:1일 때 가장 마찰계수가 낮았다. 그외의 조성비에서도 사성분계 코팅은 종래 CrN 코팅보다 마찰계수가 작아 윤활성과 그에 따른 내구성이 더 향상될 수 있음을 알 수 있다.
CrTi0.1B0.4N1.3 코팅 막을 입힌 스틸모재에 대해 실시한 경도 측정에서 경우, 30 GPa를 나타내 이 역시 CrN에 비해 향상된 특성을 보였다.
마모의 경우, Cr이 표면에서 대기의 H2O와 반응하여 Cr2O3의 자기 윤활막을 형성시키며 또한 비정질 h-BN의 영향(B2O3)으로 보다 더 낮은 마찰계수를 가지게 된 것으로 추측되고, 이는 나노복합체의 미세구조에 따른 효과로 보이며, 경도와 내마모성이 향상된 소재가공을 제공한다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
도면부호 없음

Claims (7)

  1. 챔버에, Cr 타깃과 TiB2 타깃을 설치하고, 상기 Cr 타깃에는 DC 펄스 전원을 인가하고, 상기 TiB2 타깃에는 임펄스 전원을 인가하고, 질소가스를 비활성 가스와 함께 공급하여, 모재에 Cr-Ti-B-N 사성분계 결정성 코팅 막을 형성하는 것을 특징으로 하는 Cr-Ti-B-N 코팅 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 모재를 지지하는 홀더에는 -70 내지 -150 V의 바이어스 전압을 인가하고, DC 펄스 전원의 전력과 임펄스 전원의 전력은 0.1 kW 내지0.8kW로 제어하는 것을 특징으로 하는 Cr-Ti-B-N 코팅 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 코팅 공정 중 챔버 내 온도를 150 내지 250℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 Cr-Ti-B-N 코팅 방법.
  4. 제3항에 있어서, Cr-Ti-B-N 사성분계 결정성 코팅 막은 Ti:Cr의 조성비가 8:4~16인 것을 특징으로 하는 Cr-Ti-B-N 코팅 방법.
  5. 내구성을 향상시키기 위하여, 스테인레스스틸, 실리콘, 세라믹, 철강합금, 금속 중 어느 하나로 된 모재 표면에 형성되는 막으로서, Ti:Cr의 조성비가 8:4~16인 것을 특징으로 하는 Cr-Ti-B-N 사성분계 결정성 코팅 막.
  6. 제5항에 있어서, 상기 Cr-Ti-B-N 사성분계 결정성 코팅 막의 마찰계수는 0.2 내지 0.4인 것을 특징으로 하는 Cr-Ti-B-N 사성분계 결정성 코팅 막.
  7. 제5항에 있어서, 상기 Cr-Ti-B-N 사성분계 결정성 코팅 막의 경도는 20 내지 30GPa 인 것을 특징으로 하는 Cr-Ti-B-N 사성분계 결정성 코팅 막.


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