KR20150111209A - Ｃｒ―Ｖ―Ｃ―Ｎ으로 이루어진 고 경도 내마모성 코팅 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Cr-V-C-N으로 구성된 코팅 재를 제공한다.
본 발명의 Cr-V-C-N 코팅 재는 CrN의 기본 구성에 대해 Cr이 이루는 사각형의 원자구조에서 Cr의 일부를 V로 치환하고, Cr과 결합하는 N의 일부를 C로 치환하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 Cr-V-C-N 코팅 재는 30 내지 40at%의 Cr, 1 내지 20at%의 V, 50 내지 60at%의 C-N으로 구성될 수 있다. 특히, 바람직하게는, 상기 V는 5 내지 15at%로 할 수 있고, 이때 Cr는 25 내지 45at%일 수 있다.

Description

Ｃｒ―Ｖ―Ｃ―Ｎ으로 이루어진 고 경도 내마모성 코팅 및 그 제조방법{HARD AND WEAR RESISTANCE COATING AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 내구성과 경도를 요하는 각종 기계 부품 코팅 재에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 자동차 또는 항공기 부품과 같이 고 경도 특성과 더불어 내마모성, 윤활성을 구비하여야 하는 코팅 재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

많은 기계, 기구 부품은 강한 압력을 받게 되어 경도를 요한다. 특히, 절삭공구, 밀링머신, 자동차나 항공기 부품은 고온에 노출되기도 하며, 매우 큰 압력을 감당하여야 하며, 상대적으로 다른 부품들과 맞물리어 움직이는 동작을 하게 되므로 내마모성과 작은 마찰계수를 가질 필요가 있다. 따라서 그러한 모든 특성을 구비한 소재를 찾기보다는 적당한 모재에 그러한 특성을 구비한 코팅을 하여 사용하게 된다.

종래 고경도 코팅재로서 사용되어 오는 것으로 CrN, CrCN 등을 들 수 있다. CrCN은 CrN 보다 물성을 좀 더 향상시킨 코팅 재이며, 이는 27 GPa, 0.25 내지 0.35 정도의 마찰계수를 갖는다. 그러나 현실적으로 부품의 수명과 안정적인 적용을 위해서는 경도와 마찰계수 특성을 좀 더 향상시킬 필요가 있다.

또한, 대한민국 공개특허 제10-2006-0134859호는 고경도 코팅재에 대해 기재하고 있지만 마찰계수에 대해서는 관심을 두지 않고 있어 내마모성이나 윤활성을 겸비한 코팅재에 대한 연구는 여전히 필요하다.

본 발명의 목적은 고 경도를 나타내는 동시에 낮은 마찰계수를 나타내어 내마모성과 윤활성을 갖는 새로운 코팅 재와 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은 Cr-V-C-N으로 구성된 코팅 재를 제공한다.

본 발명의 Cr-V-C-N 코팅 재는 CrN의 기본 구성에 대해 Cr이 이루는 사각형의 원자구조에서 Cr의 일부를 V로 치환하고, Cr과 결합하는 N의 일부를 C로 치환하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 Cr-V-C-N 코팅 재는 30 내지 40at%의 Cr, 1 내지 20at%의 V, 50 내지 60at%의 C-N으로 구성될 수 있다. 특히, 바람직하게는, 상기 V는 5 내지 15at%로 할 수 있고, 이때 Cr는 25 내지 45at%일 수 있다.

상기 Cr-V-C-N 코팅 재는 Si, SUS를 비롯하여 200 내지 300℃ 정도의 온도에 견딜 수 있는 강체를 모재로 하여 코팅될 수 있다.

또한, 상기 Cr-V-C-N 코팅 재는 모재를 진공 챔버에 장입하고, Cr은 아크(Arc) 방전법을 이용하고, V은 스퍼터링 방법을 이용하고, C와 N은 가스로 공급하여 아크 방전과 스퍼터링 과정에서 공급되는 에너지를 이용하여 플라즈마로 만들어 코팅한다.

또한, 본 발명은, Cr-M-C-N의 M은 Mo, Cu, Co, W, Ta, T 중 어느 하나인 것으로 구성된 것을 특징으로 하는 코팅 재를 제공한다.

본 발명에 따르면 Cr-V-C-N 코팅 재를 제공하며, 상기 코팅 재는 Cr이 이루고 있는 원자 구조에 대해 그 일부를 V으로 치환함으로써 격자 정수(lattice parameter)를 변화시켜 내부 응력을 증가시킨다. 그에 따라 상기 코팅 재는 고 경도를 나타내 경도를 향상시킨다. 또한 동시에 상기 코팅 재는 마찰을 겪은 후 산화물을 형성하면서 나노구조체를 돌출시켜 자기 윤활성을 나타내어 낮은 마찰계수를 나타내어 내마모성이 우수하다.

또한, 본 발명은 상기 코팅 재를 제작함에 있어,각 원소의 결합 에너지 특성 등에 적합한 코팅 방법을 조합한 하이브리드 방식의 코팅법을 적용함으로써 코팅 재의 조성을 미세하게 제어할 수 있고, 그에 따라 원하는 물성을 갖춘 코팅 재를 제작할 수 있다.

도 1은 본 발명의 Cr-V-C-N 코팅 재를 제작하기 위한 하이브리드 코팅 장치를 개략적으로 도시하는 장치구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 Cr-V-C-N 코팅 재를 제작하는 과정 중 스퍼터링을 이용한 V 원소의 함량이 스퍼터링 전류에 따라 변화하는 것을 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따라 제작된 코팅 재의 성분에 대한 XRD 분석 결과를 보여준다.
도 4는 본 발명에 따라 제작된 Cr-V-C-N 코팅 재의 TEM 사진들이다.
도 5는 본 발명에 따라 제작된 Cr-V-C-N 코팅 재의 V함량 대비 경도 측정 결과 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따라 제작된 Cr-V-C-N 코팅 재의 V함량 대비 마찰계수 측정 결과 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따라 제작된 Cr-V-C-N 코팅 재에 마찰력을 가한 후 관찰되는 표면의 나노구조체의 모습을 보여주는 AFM 모폴로지 사진이다.
도 8은 경도 측정 그래프들로, (a)는 웨어 트랙 표면의 경도측정 그래프, (d)는 본 발명에 따라 제작된 Cr-V-C-N 코팅 재에 대한 표면경도 측정 그래프, (b)와 (c)는 Cr-V-C-N 코팅 재에 마찰력을 가한 후 관찰되는 표면의 나노구조체에 대한 표면경도 측정 그래프이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1을 보면, 본 발명의 Cr-V-C-N 코팅 재를 제작하기 위한 하이브리드 코팅 장치의 구성이 도시되어 있다.

진공 챔버를 준비하고, 아크 이온 코팅으로 Cr을 이온화하기 위해, 아크 이온 건을 챔버 내에 설치하고, Cr분말을 도가니에 넣어 배치한다. V 타깃을 설치하여 스퍼터링될 수 있게 구성하고, C와 N을 가스로 공급할 수 있도록 가스 공급장치를 설치한다. 챔버 중앙에는 모재를 홀더에 고정하여 배치한다.

챔버 내의 기저 압력은 10^-5 내지 10^-6 torr 정도로 하고 운전압력은 10^-3 torr 내외로 유지한다.

아크 이온 코팅을 위해 아크 이온 건에 전원 장치를 연결하여 아크를 발생시키고, 스퍼터링 타깃 쪽에도 전원 장치를 연결한다. 가스 공급장치를 통해 C와 N을 같은 비율로 공급하며 플라즈마를 발생시켜 V 타깃을 스퍼터링하면서 C와 N을 이온화하여 Cr-V-C-N 코팅 재를 모재 표면에 형성한다. 모재는 Si과 SUS를 사용하였다.

모재에도 -전압을 바이어스로 인가하여 코팅 효율을 높이는 것이 바람직하다. 본 실시예에서 V의 함량은 스퍼터링 장치에 흘려주는 전류 값으로 제어하였으며, 이러한 상황은 도 2로부터 확인할 수 있다.

V 타깃에 대한 스퍼터링 건에는 전류를 0A부터 2.0A까지 변화시키면서 흘려주었고, Cr은 아크 건을 이용하여 50V의 전압을 고정적으로 인가하였다.

공정 중 챔버 내 온도는 200 내지 400 ℃로 유지할 수 있으며, 이는 완성된 고 내마모성 코팅 재의 고온 안정성이 800 내지 900℃ 정도에서도 유지되는 것에 비해 저온 공정이라 할 수 있다.

본 실시예에서 제작된 Cr-V-C-N 코팅 재에 대해 XRD 분석을 통해 성분 확인을 할 수 있었다(도 3 참조). 피크의 왼쪽 편이 현상을 통해 Cr에 비해 원자 크기가 더 큰 V이 코팅 재에 포함되어 있음을 확인할 수 있다.

도 4에는 본 실시예를 통해 제작된 Cr-V-C-N 코팅 재에 대한 TEM 사진들을 수록하였다. 이들을 통해, 결정질과 비정질이 혼합되어 있는 코팅재가 형성되었음을 알 수 있다. 즉, (b)의 사진을 보면, 중앙의 구름모양은 비정질이 있음을 알 수 있게 하고, 그 주변으로 형성된 단속적인 링들은 폴리크리스탈이 형성되었음을 보여준다. (c)의 경우, 결정질과 비정질이 불규칙한 경계(grain boundary)를 두고 혼재되어 있음을 보여준다. 미세한 그레인 사이즈는 고 경도 박막이 형성되었음을 의미한다.

아크 이온 코팅의 경우 이온화율이 높아 증착률도 높은 편이다. 그에 따라 Cr의 증착률이 높게 나타날 수 있다. 상대적으로 스퍼터링은 이온화율이 아크 이온 법에 비해 낮기 때문에 증착률도 낮다. 따라서 V의 증착률은 Cr에 비해 낮게 나타난다. 이러한 방법으로 Cr이 이루는 기본적인 원자 결합 구조에 V이 일부 치환되는 형태를 이룰 수 있다.

즉, 본 발명의 Cr-V-C-N 코팅 재는 CrN을 기본으로 하여, Cr의 일부를 V로 치환하고, N의 일부를 C로 치환하여 이루어진다고 할 수 있다. Cr 원자들은 사각 구조를 이루는 원자 배열을 하고 있으며, 이중 일부 Cr 원자가 V로 치환되면 Cr 원자들의 결합이 이루고 있던 격자 정수(lattice parameter)를 변화시켜 내부 응력을 증가시키게 된다. 그러한 내부 응력의 증가가 코팅 재의 경도를 높이게 된다.

본 실시예에 의해 제작된 Cr-V-C-N 코팅 재의 경도는 V함량이 증가함에 따라 점차 향상되었으며(도 5 참조) V의 함량이 10at%일 때 34 GPa를 나타내었다.

또한 동시에 상기 코팅 재는 마찰을 겪은 후 산화물을 형성하면서 나노구조체를 돌출시켜 자기 윤활성을 나타내어 낮은 마찰계수를 나타내어 내마모성이 우수함을 알 수 있었다. 이는 도 7의 AFM 모폴로지 사진을 통해 확인할 수 있다.

실제 측정된 마찰계수에서 V이 함유된 Cr-V-C-N 코팅 재는 V이 없는 경우보다 마찰계수가 더 낮다는 것이 도 6에서 확인된다.

도 8에는 경도 측정 그래프들이 도시되어 있다. 즉, 나노 압입시험기(nano-indentation) tip으로 코팅재 표면에 눌렀을 때 깊이에 따른 하중의 그래프들이다. (a)는 웨어 트랙 표면(wear track surface)의 경도측정 그래프이고, (d)는 본 발명에 따라 제작된 Cr-V-C-N 코팅 재에 대한 표면경도 측정 그래프이다. (b)와 (c)는 Cr-V-C-N 코팅 재에 마찰력을 가한 후 관찰되는 표면의 나노구조체에 대한 표면경도 측정 그래프이다.

(c)를 보면 50nm 정도의 깊이의 전후로 그래프의 기울기가 다른 것을 볼 수있는데, 50 nm 이전의 물질과 이후의 물질의 경도가 다른 것을 나타낸다. (c) 그래프의 50 nm 이전까지는 기울기가 (b) 와 비슷하고 50nm 이후는 (d) 그래프의 기울기와 비슷한 것으로 보아 마모시험 후 생성된 구조체는 50nm 정도의 두께를 가진다는 것을 알 수 있고, 50 nm 이후는 Cr-V-C-N 코팅 막이라고 볼 수 있다. 따라서 50nm까지의 경도만 측정하기 위해서 (b)를 측정하였고 그 결과 구조체의 경도는 1 GPa 정도로 측정되었음을 볼 수 있다.

이와 같이 하여 고 경도 및 내마모성을 갖는 Cr-V-C-N 코팅 재를 제공할 수 있다.

또한, Mo, Cu, Co, W, Ta, T과 같은 원소들이 V과 같이 Cr-M-C-N의 M의 자라에 들어갈 수 있으며, 그 제조방법 역시 상술한 것과 같은 방법으로 실시될 수 있다.

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 (4)

1. CrN의 기본 구성에 대해 Cr이 이루는 사각형의 원자구조에서 Cr의 일부를 V로 치환하고, Cr과 결합하는 N의 일부를 C로 치환하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 Cr-V-C-N으로 구성된 코팅 재.
2. 제1항에 있어서, 상기 Cr-V-C-N 코팅 재는 30 내지 40at%의 Cr, 1 내지 20at%의 V, 50 내지 60at%의 C-N으로 구성되는 것을 특징으로 하는 Cr-V-C-N으로 구성된 코팅 재.
3. 제2항에 있어서, 상기 V는 5 내지 15at%로 하고, 이때 Cr는 25 내지 45at%인것을 특징으로 하는 Cr-V-C-N으로 구성된 코팅 재.
4. Cr-M-C-N의 M은 Mo, Cu, Co, W, Ta, T 중 어느 하나인 것으로 구성된 것을 특징으로 하는 코팅 재.
   
   
   
   
   

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