KR20140137242A

KR20140137242A - Ｄｌｃ 코팅방법

Info

Publication number: KR20140137242A
Application number: KR1020130057926A
Authority: KR
Inventors: 이영호
Original assignee: 이영호
Priority date: 2013-05-22
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2014-12-02

Abstract

본 발명은 DLC(diamond like carbon) 코팅층의 부착력을 향상시킬 수 있도록 하는 DLC 코팅방법에 관한 것으로, 모재를 이온질화처리하는 단계(S100), 상기 이온질화처리된 모재의 표면에 형성된 백층을 제거하는 단계(S200) 및, 상기 백층이 제거된 모재의 표면에 DLC(diamond like carbon) 코팅층을 형성시키는 단계(S300)를 포함하여 구성된다.

Description

ＤＬＣ 코팅방법{DIAMOND LIKE CARBON COATING METHOD}

본 발명은 이온질화처리 후 모재의 표면에 형성된 백층을 제거함으로써, DLC(diamond like carbon) 코팅층의 부착력을 향상시킬 수 있도록 하는 DLC 코팅방법에 관한 것이다.

일반적으로 DLC(diamond like carbon)는 다이아몬드에 버금가는 경도와 낮은 마찰계수 및 높은 열전도율을 갖기 때문에 금형이나 공구류 또는 베어링용 디스크 등과 같은 부품의 내마모성을 높이기 위한 코팅 물질로 사용된다.

이러한 DLC는 주로 탄소 원자를 함유한 원료가스를 활성화시켜 탄소 이온으로 만든 후, 탄소 이온을 피처리물의 표면에 증착시켜 탄소막을 형성시키는 방법이 널리 이용되고 있으며, 탄소 이온을 피처리물의 표면에 증착시키는 방법으로는 CVD(Chemicla Vapor Deposition)법, 연소화염법, 스퍼터링법, 이온빔 증착법 및 PECVD(Plasma Enhanced Chemicla Vapor Deposition)법 등이 있다.

한편, 상기 베어링 디스크 등과 같은 부품은 DLC 코팅 전에 통상 이온질화처리를 통해 그 경도, 내마모성, 압축응력 및 내피로강도 등을 향상시킨 후, DLC 코팅을 진행한다.

상기 이온질화처리는, 철강의 화학적 표면 경화법인 질화법의 한 종류로써,먼저 질화법은 침탄 및 고주파 담금질에 의한 경화와는 달라서 강철 표면에 질소를 확산 침투시켜 질화철의 경화층을 생성시키는 것이 특징이고 그 후에 담금질 등의 처리를 필요로 하지 않기 때문에 모양 변형이 극히 적다. 또한 그 경화층은 내마모성, 내피로성, 내식성이 뛰어나 열적에도 안정적이고, 템퍼링에 대해서도 저항성을 나타내는 특징을 갖고 있다. 즉 약 500℃ 가까이 까지 온도가 상승해도 연화하지 않는다. 질화는 질소의 공급매체에 의해 고체질화,액체질화,기체질화로 분류할 수 있다. 이들 세 종류와는 동떨어진 네 번째의 활성한 상태를 즉 플라즈마 상태를 이용한 것이 바로 이온 질화이다.이 이온 질화처리의 장점으로서는 다음과 같은 것이 보고되고 있다.

이온질화처리는 기존의 열처리법과 달리 제품의 변형이 극히 적어 완성품 처리에 주로 적용되고 있는데 그 이유로서는 첫째 처리온도가 침탄고주파 처리 보다 낮은점이며, 둘째는 침탄, 고주파와 같이 마르텐사이트 변태를 동반하지 않는점 이다. 셋째는 경화층 깊이가 다른 처리와 비교하여 일반적으로 적은점이며, 넷째는 진공처리로 인하여 제품의 광희성 유지 및 양호한 표면조도 유지등을 들 수 있다. 최근에는 질화처리 후의 가공공정을 제거하기 위하여 종래의 표면 경화 처리법에서 이온 질화법으로 대체 적용되는 제품이 점차 확대되고 있다.

또한 이온 질화법 적용으로 품질안정은 물론 비용절감에 크게 이바지 되고 있는 실정이다.자료 조사에 의하면 SCM재를 질화처리한 후 인장시험을 하고 파단현상을 관찰한 결과 이온 질화처리한 경우는 거의 늘어난 흔적이 없고 파단 주변 부분에 미세한 크랙(crack)이 존재한다. 그러나 종래의 질화법으로 원주방향으로 상당히 큰 크랙이 명확하게 나타났다. 인성은 종래의 질화법에서는 현저하게 감소하지만 이온 질화 처리에서는 신장의 감소율이 적고 이온질화 처리에 따라 인성은 그 다지 큰 영향이 미치지 않는다는 것이 보고된 바 있다.

이온 질화법 단점은 수소와 질소의 혼합가스를 사용,피처리물을 음극으로 하여 직류 글로우 방법을 발생시켜, 가열과 승온과 질화를 동시에 이루게 되는데, 이온질화의 환경친화가스를 사용하는 장점에도 불구하고 플라즈마 발생으로 인한 온도 불균일,공정 중 스퍼터링 효과에 의한 표면조도 변화 등의 단점이 있다.

한편 질화처리 전 전처리의 단계로 충분히 응력을 제거해두면 처리에 따른 변형의 발생이 규칙적이고 한편 그 교정이 쉽고 고정밀도를 필요로 하는 기계부품이나 공구류의 내구성 개선 처리로서 대단히 유효한 점이다.

특히 내마모성, 내소부성에 대해서는 표면부근에 형성되는 화합물층이 비금속적 물성을 존재하기 위해 상대재료와의 사이에 응착이나 용착이 일어나기 어려운 것 또 표면에 있어 치밀한 화합물층의 존재가 산화성 분위기와의 직접접촉을 방해하는 것에 의해 내식성이 개선되는 등의 많은 특징이 있다.

관련 선행기술로써 특허문헌 1은 진공 반응실 내에 피처리물을 장입하는 피처리물 장입단계와, 피처리물이 장입된 상기 진공 반응실을 진공상태로 만들기 위한 배기단계와, 배기된 상기 진공 반응실에 질소와 수소의 혼합가스를 공급하고 마이크로펄스 전원을 인가하여 질소와 수소의 혼합가스를 마이크로펄스 글로우 방전으로 이온화시켜 피처리물 표면에 묻어 있는 이물질을 제거하는 이물질 제거단계와, 이물질이 제거된 상기 진공 반응실에 질소 가스를 공급하고 활성화시켜 피처리물의 표면에 질소 이온을 침투 또는 확산시키는 질화단계와, 상기 진공 반응실 내에 탄소를 포함하는 반응가스를 공급하여 이온화된 탄소 이온을 피처리물의 표면에 증착시키는 다이아몬드형 탄소막 증착단계 및 상기 다이아몬드형 탄소막이 증착된 피처리물을 상온으로 냉각하는 냉각공정을 포함하여 구성되는 것으로, 마이크로펄스 글로우방전을 이용한 이온질화 후 DLC 코팅을 진행함으로써 모재의 내구성을 증가시키고자 하였다.

그리고 특허문헌 2는 기재 표면을 활성화하고 잔류 유기물을 제거하기 위한 반응가스를 챔버 내부에 투입하여 기재 표면을 전처리하는 스퍼터링공정(P10)과, 상기 챔버 내부에 N₂를 포함한 반응가스를 투입하여 고진공 고밀도에서 질화처리함으로써, 상기 기재 표면에 나노화된 하지층을 형성하는 하지층 형성공정과, 상기 챔버 내부에 내식성과 윤활성 향상을 위한 반응가스와 함께 NH₃를 투입하여 상기 하지층 표면에 분체가 발생하지 않고 경도가 향상된 DLC층을 코팅하는 DLC층 코팅공정을 포함하여 구성되는 것으로, DLC층 코팅 이전에 질소에 의한 고밀도 질화처리를 수행함으로써, 모재의 윤활성능을 확보하고자 하였다.

즉, 종래에는 이온질화처리를 통해 모재의 표면에 질소이온을 확산, 침투시켜 질소가 고용된 질화층을 형성시키고, 상기 질소가 고용된 질화층에 의해 모재의 경도 등을 향상시킨 상태에서 DLC 코팅을 진행하였다.

하지만, 모재에 이온질화처리를 할 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 질화층의 표면에는 백층이 형성되는데, 상기와 같은 종래기술의 경우 상기 백층으로 인해 DLC 코팅층이 쉽게 박리되는 문제점이 있었다.

특허문헌 1 : 국내 공개특허공보 제10-2000-0024450호 "마이크로펄스 글로우방전을 이용한 이온질화 및다이아몬드형 탄소막 증착방법" 특허문헌 2 : 국내 공개특허공보 제10-2008-0109316호 "질소가 함유된 디엘씨 코팅방법"

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이온질화처리 후 모재의 표면에 형성된 백층을 제거함으로써, DLC 코팅층의 부착력을 향상시킬 수 있도록 함을 과제로 한다.

본 발명은 DLC 코팅방법에 있어서,

모재를 이온질화처리하는 단계(S100);

상기 이온질화처리된 모재의 표면에 형성된 백층을 제거하는 단계(S200); 및

상기 백층이 제거된 모재의 표면에 DLC(diamond like carbon) 코팅층을 형성시키는 단계(S300);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 DLC 코팅방법을 과제의 해결 수단으로 한다.

이때, 상기 S100 단계는, 490 ~ 510℃의 로 내에 모재를 투입한 후, N₂ : H₂가 1 : 2 부피비로 혼합된 가스를 2 ~ 8 m³/m³로·hr로 투입하고, 압력 1.5 Torr에서 11 ~ 13시간 질화처리하여,백층을 제외한 질화층의 두께가 0.2 ~ 0.4mm가 되도록 하는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 S200 단계는, 상기 이온질화처리된 모재의 표면에 형성된 백층을 평면 연삭(grinding work)하여 제거하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 S200 단계는, 3 ~ 4㎛ 두께의 백층이 제거되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 S300 단계는, DLC 코팅층이 모재 표면에서 2 ~ 3㎛ 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명은 이온질화처리 후 모재의 표면에 형성된 백층을 제거함으로써, DLC 코팅층의 부착력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 DLC 코팅방법에 의해 DLC 코팅층이 형성된 모재의 단면을 도식화한 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DLC 코팅방법의 공정 흐름도
도 3은 도 2에 의해 DLC 코팅층이 형성된 모재의 단면을 도식화한 도면

상기의 효과를 달성하기 위한 본 발명은 DLC 코팅방법에 관한 것으로서, 본 발명의 기술적 구성을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하 본 발명에 따른 DLC 코팅방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 DLC 코팅방법은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 이온질화처리(S100), 백층제거(S200) 및 DLC 코팅층 형성(S300) 공정을 거쳐 이루어진다.

상기 모재를 이온질화처리하는 단계(S100)는, 모재의 표면에 질소이온을 확산, 침투시켜 질소가 고용된 질화층을 형성시킴으로써 그 경도, 내마모성, 압축응력 및 내피로강도 등을 향상시키기 위한 단계로써, 다양한 이온질화처리 방법을 적용할 수 있으나, 본 발명에서는 백층을 제외한 질화층의 두께가 0.2 ~ 0.4mm가 되도록 하기 위해, 490 ~ 510℃의 로 내에 모재를 투입한 후, N₂ : H₂가 1 : 2 부피비로 혼합된 가스를 2 ~ 8 m³/m³로·hr로 투입하고, 압력 1.5 Torr에서 11 ~ 13시간 질화처리한다.

이때, 상기 질화층의 두께가 0.2mm 미만일 경우, 요구되는 경도, 내마모성, 압축응력 및 내피로강도 등을 만족시킬 수 없으며, 0.4mm를 초과할 경우, 생산효율이 저하될 우려가 있다.

아울러, 상기 이온질화처리의 조건이 상기 범위를 벗어날 경우, 질화층의 두께가 0.2 ~ 0.4mm 범위 내에 속하지 못할 우려가 있다.

한편, 상기 '모재'란 철강, 합금강과 같은 소재 그 자체일 수도 있고, 또는 소재를 선삭가공, 홈가공, 연삭가공 등의 기계가공을 완료하여 베어링용 디스크 등과 같은 부품으로 1차 가공한 것일 수도 있으며, 특정 물품이나 소재에 한정되지 않고 철강, 합금강 등으로 이루어진 모든 물품을 포함한다.

여기서, 상기 이온질화처리된 모재의 경도는 750Hv 이상을 만족하는 것이 바람직하다.

상기 이온질화처리된 모재의 표면에 형성된 백층을 제거하는 단계(S200)는, 후술되어질 DLC 코팅층과의 부착력을 향상시키기 위한 단계로써, 상기 S100 단계를 거쳐 이온질화처리된 모재의 표면에 형성된 3 ~ 4㎛ 두께의 백층을 제거한다.

이때, 상기 백층의 두께는 상기 범위에 한정되는 것은 아니고, DLC 코팅층과의 부착력 및 이온질화처리된 모재의 요구 경도, 모재의 종류 등에 의해 가변적일 수 있다.

한편, 상기와 같이 백층을 제거함에 있어, 균일한 두께의 백층을 제거하기 위하여 평면 연삭 가공을 통해 백층을 제거하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 백층이 제거된 모재의 경도는 630Hv 이상을 만족하는 것이 바람직하다.

상기 백층이 제거된 모재의 표면에 DLC(diamond like carbon) 코팅층을 형성시키는 단계(S300)는, DLC 코팅층을 형성시키기 위한 이미 공지된 다양한 방법, 일 예로 CVD(Chemicla Vapor Deposition)법, 연소화염법, 스퍼터링법, 이온빔 증착법 및 PECVD(Plasma Enhanced Chemicla Vapor Deposition)법 등을 적용하여 DLC 코팅층을 형성시킬 수 있으며, 일 실시예로써, 모재를 초음파 세척하고 챔버 내에 장입한 다음 챔버 내의 압력이 10^-5 Torr가 유지되도록 한 다음 유지되도록 한 다음 60분간 1000W의 RF 플라즈마를 이용하여 소재 표면을 챔버 내부에 Ar 가스를 주입하여 세정후 다시 챔버내의 압력이 10^-6Torr를 유지후 HMDSO(hexamethyldisiloxane) 분위기에서 15초간 1000W의 RF 플라즈마를 이용해 표면에 중간층을 증착한 다음 메탄(CH₄)분위기에서 150분간 1000W의 RF 플라즈마를 이용하여 DLC 코팅층을 형성시킬 수 있다.

이때, 상기 각 실시예에 따른 조건이 상기 범위를 벗어날 경우, DLC 코팅층이 제대로 형성되지 않을 우려가 있다.

한편, 상기 DLC 코팅층은 모재 표면에서 2 ~ 3㎛ 두께로 형성되는 것이 바람직하며, DLC 코팅층의 두께가 2㎛ 미만일 경우에는 경도와 마찰계수, 열전도율 등을 만족하지 못할 우려가 있으며, 3㎛를 초과할 경우, 생산효율이 저하될 우려가 있다.

이하 본 발명을 아래 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

1. 모재

모재는 아래 [표 1]과 같은 조성으로 이루어진 SCM440 합금강을 사용하였다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo
SCM440	0.42	0.21	0.78	0.019	0.012	1.00	0.18

2. DLC 코팅층의 형성

(실시예 1)

모재를 이온질화처리하는 단계(S100)로써, 500℃의 로 내에 모재를 투입한 후, N₂ : H₂가 1 : 2 부피비로 혼합된 가스를 8 m³/m³로·hr로 투입하고, 압력 1.5 Torr에서 12시간 질화처리하여 질화층의 두께가 0.4mm, 백층의 두께가 4㎛가 되도록 한 상태에서, 백층 제거단계(S200)로써, 평면연삭을 통해 4㎛ 두께의 백층을 제거하고, DLC 코팅층을 형성시키는 단계(S300)로써, 모재를 초음파 세척하고 챔버 내에 장입한 다음 챔버 내의 압력이 10^-6 Torr가 유지되도록 한 다음 60분간 1000W의 RF 플라즈마를 이용하여 소재 표면을 챔버 내부에 Ar 가스를 주입하여 세정후 다시 챔버내의 압력이 10^-6Torr를 유지후 HMDSO(hexamethyldisiloxane) 분위기에서 15초간 1000W의 RF 플라즈마를 이용해 표면에 중간층을 증착한 다음 메탄(CH₄)분위기에서 150분간 1000W의 RF 플라즈마를 이용하여 DLC 코팅층을 형성시켰다.

(실시예 2)

모재를 이온질화처리하는 단계(S100)로써, 500℃의 로 내에 모재를 투입한 후, N₂ : H₂가 1 : 2 부피비로 혼합된 가스를 2 m³/m³로·hr로 투입하고, 압력 1.5 Torr에서 12시간 질화처리하여 질화층의 두께가 0.2mm, 백층의 두께가 3㎛가 되도록 한 상태에서, 백층 제거단계(S200)로써, 평면연삭을 통해 3㎛ 두께의 백층을 제거하고, DLC 코팅층을 형성시키는 단계(S300)로써, 모재를 초음파 세척하고 챔버 내에 장입한 다음 챔버 내의 압력이 10^-6 Torr가 유지되도록 한 다음 60분간 1000W의 RF 플라즈마를 이용하여 소재 표면을 챔버 내부에 Ar 가스를 주입하여 세정후 다시 챔버내의 압력이 10^-6Torr를 유지후 HMDSO(hexamethyldisiloxane) 분위기에서 15초간 1000W의 RF 플라즈마를 이용해 표면에 중간층을 증착한 다음 메탄(CH₄)분위기에서 150분간 1000W의 RF 플라즈마를 이용하여 DLC 코팅층을 형성시켰다.

(비교예 1)

실시예 1과 동일한 방법을 사용하되, 백층을 제거하지 않고 DLC 코팅층을 형성시켰다.

3. DLC 코팅층의 경도 및 부착력 평가

상기 실시예 및 비교예에 따라 형성된 DLC 코팅층의 경도 및 부착력을 아래와 같은 방법으로 측정하였으며, 그 결과는 아래 [표 2]에 나타내었다.

(1) 경도

마이크로 빅커스 경도 측정을 이용하였다.

(2) 부착력

스크래치 테스트기를 이용하였으며, 구체적으로는 락웰 C 다이아몬드 스타일러스(Rockwell C diamond stylus)가 시편의 표면 위를 일정한 속도 이동하면서 연속적으로 하중을 0 ~ 100N 증가시킨다. 이때 스타일러스(stylus)가 이동함에 따라 표면에 가해진 하중이 박막의 파괴에 요구되는 하중보다 큰 경우에 파괴가 일어나며 이때 탄성변형과 소성변형을 일으킨다. 즉, 최초로 박막이 파괴될 때의 최소 하중을 임계하중(Critical load, Lc)라고 정의하며 이 임계하중을 측정하였다.

구분	실시예 1	실시예 2	비교예 1
경도(Hv)	770	770	770
부착력(N)	22	21	14

상기 [표 2]에서와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1, 2는 DLC 코팅층을 형성시키기 전에 백층을 제거함에 따라 비교예 1에 비하여 부착력이 매우 향상되었으며, 경도 역시 규격치(750Hv)를 만족함을 알 수 있다.

본 발명은 이온질화처리 후 모재의 표면에 형성된 백층을 제거함으로써, DLC 코팅층의 부착력을 향상되는 장점이 있다.

Claims

DLC 코팅방법에 있어서,
모재를 이온질화처리하는 단계(S100);
상기 이온질화처리된 모재의 표면에 형성된 백층을 제거하는 단계(S200); 및
상기 백층이 제거된 모재의 표면에 DLC(diamond like carbon) 코팅층을 형성시키는 단계(S300);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 DLC 코팅방법.
제 1항에 있어서,
상기 S100 단계는,
490 ~ 510℃의 로 내에 모재를 투입한 후, N₂ : H₂가 1 : 2 부피비로 혼합된 가스를 2 ~ 8 m³/m³로·hr로 투입하고, 압력 1.5 Torr에서 11 ~ 13시간 질화처리하여,
백층을 제외한 질화층의 두께가 0.2 ~ 0.4mm가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 DLC 코팅방법.
제 1항에 있어서,
상기 S200 단계는,
상기 이온질화처리된 모재의 표면에 형성된 백층을 평면 연삭(grinding work)하여 제거하는 것을 특징으로 하는 DLC 코팅방법.
제 3항에 있어서,
상기 S200 단계는,
3 ~ 4㎛ 두께의 백층이 제거되는 것을 특징으로 하는 DLC 코팅방법.
제 1항에 있어서,
상기 S300 단계는,
DLC 코팅층이 모재 표면에서 2 ~ 3㎛ 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 DLC 코팅방법.