KR20160091367A

KR20160091367A - 델타 위상의 몰리브덴 질화물이 제공되는 mo-n 기반층을 포함하는 코팅

Info

Publication number: KR20160091367A
Application number: KR1020167016767A
Authority: KR
Inventors: 위르겐 람; 요한 카르네르
Original assignee: 오를리콘 서피스 솔루션스 아크티엔게젤샤프트, 페피콘
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2014-12-01
Publication date: 2016-08-02
Also published as: WO2015096882A2; ES2677224T3; WO2015078581A1; CN106062237B; EP3074548A1; PT3074550T; CN106062237A; WO2015096882A3; DE102013018007A1; JP2016540125A; KR102322971B1; US10106881B2; US20170029930A1; JP6523283B2; EP3074548B1; HUE038409T2

Abstract

본 발명은 코팅 및 이를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 코팅은 적어도 하나의 Mo-N 기반 경질 재료층을 포함하고, 상기 층은 주로 육방정 위상의 몰리브덴 질화물(δ-MoN)을 함유하며, 두개의 피크에 대한 강도 비율([δ-MoN 220] / [δ-MoN 200])이 ≥ 3, 바람직하게는 ≥ 10, 더욱 바람직하게는 ≥ 30 인 것을 특징으로 한다.

Description

델타 위상의 몰리브덴 질화물이 제공되는 MO-N 기반층을 포함하는 코팅 {COATING COMPRISING A MO-N-BASED LAYER IN WHICH THE MOLYBDENUM NITRIDE IS PROVIDED AS A DELTA PHASE}

본 발명은 적어도 하나의 몰리브덴 질화물 층을 포함하는 적층 시스템에 관한 것으로, 상기 층은 육방정 몰리브덴 질화물에 기인한 매우 양호한 슬라이딩 특성을 보유하는 동시에, 2600 HV와 3700 HV 사이(비커스 경도) 또는 26~27 GPa와 37~38 GPa 사이(압입경도 HIT)의 "적절한" 경도를 갖도록 구성된다.

또한 본 발명은 부품의 표면 처리 방법에 관한 것으로, 부품의 적어도 하나의 표면은 본 발명에 따라 코팅된 다음, 바람직하게는 브러싱 방법을 통해 후처리됨으로써, 마찰 역학적 적용 분야에 있어 본체의 슬라이딩 특성의 강화뿐만 아니라 마모 감소까지 구현 가능하도록 구성된다.

부품의 코팅에 있어 몰리브덴 질화물층 또는 몰리브덴 질화물 기반층을 사용하는 방법은 종래 기술에서 공지되어 있다.

예컨대 램(RAMM)은 독일 공개특허번호 DE 102010053751 A1에서, 부품 및 슬라이딩 부재의 코팅에 있어 몰리브덴 질화물층이 포함된 코팅 시스템이 사용 가능함을 개시하고 있다. 여기서는 부품 표면을 몰리브덴 질화물층으로 코팅함으로써 코팅된 부품 표면의 스틸 관련 마찰 계수뿐만 아니라 스틸 스미어링(steel-smearing)까지도 감소시킬 수 있음을 개시하고 있다. 독일 공개특허번호 DE 102010053751 A1의 도 4에 도시된 XRD 회절 패턴에서는, 개시된 몰리브덴 질화물층이 주로 입방정 구조(cubic structure)를 가지고 있음을 보여주는데, 이는 감마 또는 제타 위상을 갖는 몰리브덴 질화물에 해당한다. 또한 이러한 층들은 약 3000 HV의 층 경도를 갖고 몰리브덴 타깃을 사용하여 PVD 아크 공정에 의해 반응성 질소 분위기에서 증착되었는데, 이 때의 조건으로는 450 ℃의 코팅 온도, 3.5 Pa의 질소 압력 및 -20 V의 부의 기판 바이어스 전압이 사용되었다. 후속 연마를 거친 코팅 표면 및 코팅후 후처리를 거치지 않은 코팅 표면 모두에 대해 마찰계수를 측정하였다. 램은 또한 독일 공개특허번호 DE 102010053751 A1에서 코팅의 최상층으로 사용되는 몰리브덴 일산화물 또는 몰리브덴 옥시니트라이드(molybdenum oxinitride)로 구성된 층을 추가로 제시하고 있다. 또한 몰리브덴 질화물층을 예컨대 펄스 스파크 증발 및/또는 펄스 바이어스 전압의 사용에 의해 증착시킬 경우, 펄스 파라메터의 조정에 의해 다양한 위상의 몰리브덴 질화물에 대한 성장을 조절할 수 있음을 개시하고 있다.

위르겐 등은 "표면 및 코팅 기술"(Surface and Coatings Technology, 94-95 [1997] 501-506)에서 반응성 질소 분위기에서 몰리브덴 타킷으로 구성된 PVD 아크 증발에 의해 증착된 몰리브덴 질화물층을 개시하고 있다. 질소 압력의 변동에 의해 상이한 위상들을 갖는 몰리브덴 질화물층이 제조되었으며, 이 때 코팅 온도는 450 ℃와 500 ℃ 사이에서 유지되고 -50 V의 부의 기판 바이어스 전압이 사용되었다. 위르겐은 보고서에서, 0.4 Pa 또는 0.8 Pa의 낮은 질소 압력을 사용함으로써 입방정 감마 위상(cubic gamma phase, γ-Mo₂N)의 몰리브덴 질화물의 형성이 강화되었으며, 1.2 Pa 또는 1.8 Pa의 높은 질소 압력을 사용함으로써 육방정 델타 위상(hexagonal delta phase, δ-MoN)의 몰리브덴 질화물의 형성이 강화되었다고 보고하였다. γ-Mo₂N를 포함하는 층은 30000 N/mm² 내지 36000 N/mm²의 경도를 갖는 반면, δ-MoN을 포함하는 층은 약 38000 N/mm² 이상의 더 높은 경도를 갖는다. 후속된 몰리브덴 질화물층의 연마와 관련된 마찰 시험에서, 몰리브덴 질화물층이 보다 높은 질소 함량을 가질수록, 보다 우수한 마모 특성 및 더 낮은 마찰계수를 갖고 감소된 균열 형성 경향이 있음을 나타내었다.

마이어는 독일 공개특허번호 DE 102012207814 A1에서, 부품 특히, 슬라이딩 부재에 대해 주요 성분으로 몰리브덴 및 질소를 갖는 메인층을 갖는 보호 코팅을 적용하는 방법을 제안하고 있으며, 여기서 바람직하게는 메인층은 몰리브덴 질화물층으로 형성되고, 보호 코팅은 PVD 아크 방법에 의해 증착되며, 메인층은 증착후 미세 그라인딩 및/또는 랩핑(lapping) 및/또는 호닝(honing) 및/또는 연마(polishing)에 의해 평탄화되는 것을 특징으로 한다. 그러나, 마이어는 메인층인 몰리브덴 질화물층의 증착을 위한 명확한 코팅 파라메터들을 개시하고 있지는 않다. 다만 메인층은 바람직하게는 20 ~ 60 at%의 질소 함량을 가질 수 있고, 25 ~ 40 at%의 더 낮은 질소 함량이 바람직하며, 특히 30 ~ 35 at%의 질소 함량이 가장 바람직하다고 언급하고 있다. 또한, 특히 부품의 기계적 안정성을 확보하기 위해서는, 메인층의 경도가 바람직하게는 1500 HV와 2200 HV 사이가 되어야 한다고 추가로 언급하고 있다. 마이어는 메인층에 대해 낮은 경도 및 낮은 질소 함량의 조합을 제시하고 있으므로, 적어도 기본적으로 감마 위상(γ-Mo₂N)을 갖는 몰리브덴 질화물층을 메인층으로 구성하는 것이 슬라이딩 부재의 코팅에 가장 적합한 것으로 귀결될 수 있다.

카즈만리(Kazmanli) 등은 또한 "표면 및 코팅 기술"(Surface and Coatings Technology, 167 [2003] 77- 82)에서 PVD 아크 방법에 의한 몰리브덴 질화물층의 증착에 대해 개시하고 있으며, 여기서는 몰리브덴 타깃이 반응성 질소 분위기에서 증발되는 것을 특징으로 한다. 예컨대 0.8 Pa 또는 0.4 Pa와 같은 낮은 질소 압력의 사용에 의해 순수 γ-Mo₂N의 형성이 기본적으로 강화되고, 예컨대 1.9 Pa와 같은 높은 질소 압력의 사용에 의해 순수 δ-MoN의 형성이 강화된다는 점에서, 카즈만리의 방법은 위르겐의 방법과 유사하다. 그러나 카즈만리는 예컨대 1.2 Pa 또는 1.5 Pa와 같은 중간의 질소 압력을 사용함으로써, 감마 및 델타 위상을 혼합 형성하는 경우에 대해 언급하고 있다. 카즈만리는 또한, 몰리브덴 질화물층의 증착시 바이어스 전압과 기판 온도가 중요한 역할을 한다고 보고하고 있다. 예컨대 -250 V 내지 -350 V와 같은 높은 부의 바이어스 전압에 의해 Mo 이온 에너지의 증가를 유발함으로써 감마 위상의 몰리브덴 질화물층 형성을 강화시킬 수 있는 반면, 예컨대 -50 V 내지 -150 V와 같은 낮은 부의 바이이스 전압에 의해, 델타 위상의 몰리브덴 질화물층을 형성할 수 있다. 카즈만리는 또한 1 Pa의 질소 압력 및 -150 V의 부의 바이어스 전압이 사용된 실험에서, 300 ℃ 내지 380 ℃ 의 기판 온도에서 증착된 몰리브덴 질화물층은 델타 위상을 형성한 반면, 410 ℃ 내지 510 ℃ 의 더 높은 기판 온도에서 증착된 몰리브덴 질화물층은 감마 및 델타 위상을 혼합 형성하였음을 추가로 보고하고 있다. 조사된 몰리브덴 질화물층의 경도 값은 감마 위상인 경우 약 3372 HV이고, 감마 및 델타 위상의 혼합층인 경우 약 4750 HV였다.

한베이 하자르(Hanbey Hazar)는 "재료와 디자인"(Materials and Design, 31 [2010] 624-627)에서 아크 PVD 방법에 의해 디젤 엔진 부품에 증착된 몰리브덴 질화물층을 유사하게 개시하고 있는데, 여기서는 300 ℃의 코팅 온도, 125 A의 전류, 0.4 Pa의 코팅 압력 및 -100 V의 부의 바이어스 전압이 사용되었다. 한편 여기서는 코팅 공정시 질소 가스만이 코팅 챔버로 유입되었는지 또는 질소 포함 가스가 유입되었는지에 대해서는 명기하지 않았다. 또한 한베이 하자르는 카즈만리의 것보다 훨씬 더 낮은 2000 HV의 층 경도를 갖는 델타 위상의 몰리브덴 질화물층을 개시하고 있다.

상기 언급된 종래 기술의 내용에 다르면, 슬라이딩 부재를 아크 PVD에 의해 증착되는 몰리브덴 질화물층으로 코팅한 다음, 후속으로 코팅 표면을 연마하는 것이 바람직하다.

그러나 어떻게 그라인딩 특성을 개선시킬 수 있는지, 단독 또는 주로 γ-Mo₂N으로 구성된 몰리브덴 질화물층, 또는 단독 또는 주로 δ-MoN으로 구성된 몰리브덴 질화물층, 또는 γ-Mo₂N 및 δ-MoN의 둘 다를 갖는 몰리브덴 질화물층 중 어느 것이 가장 적합한 지에 대해서는 명확히 지적하고 있지 않다.

또한, 어느 위상이 실제 구현 가능하고 가장 적합한 지, 그에 대한 경도 값은 얼마인지에 대해서도 명확히 나타나 있지 않다.

또한, 몰리브덴 질화물의 특정 위상 또는 특정 혼합 위상과 특정 층 경도의 소정 조합 등과 같이, 증착시 어떠한 파라메터들이 사용되어야 하는가에 대해서 명확히 나타나 있지 않다.

몰리브덴 질화물로 코팅된 표면의 후속 연마에 대해서도, 부품 표면의 처리를 위한 연마 공정이 어떻게 산업적으로 이용될 수 있는지에 대해 명확히 기술되어 있지 않다. 이러한 이유는, 예컨대 피스톤 핀 및 피스톤 링 등과 같이 복잡한 형상을 가진 코팅 부품의 처리에 대한 산업적 적용에 있어 이러한 방법이 매우 고가이고 복잡하기 때문이다.

간단하고 저렴한 방법으로는 예컨대 브러시 방법이 있는데, 이 방법은 산업 제조 환경 여건에서 볼 때 몰리브덴 질화물로 코팅된 부품의 처리에 있어 가장 적합하나, 반면에 몰리브덴 질화층의 브러싱을 용이하게 하기 위해서는 이들 층을 바람직하게는 3700 HV 이하의 약화된 경도를 갖도록 해야만 한다.

그러나 많은 마찰 역학적 적용분야를 고려할 경우, 너무 낮은 코팅 경도를 갖도록 하는 것은 바람직하지 않다. 따라서 몰리브덴 질화물층의 경도는 가능하면 2600 HV와 같거나 또는 바람직하게는 이보다 크도록 구성해야 한다.

본 발명의 목적은 몰리브덴 질화물층 및 그의 제조 방법을 제공하는 것으로, 이러한 층은 매우 양호한 슬라이딩 특성을 갖는 동시에 바람직하게는 2600 HV 이상 및 3700 HV 이하의 "적절한" 코팅 경도를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 추가의 목적은 몰리브덴 질화물층의 후처리를 위한 경제적인 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 청구항 제1항에 따른 코팅, 제 13항에 따른 코팅 방법 및 제 15항에 따른 코팅된 표면의 후처리를 위한 브러싱 공정의 제공에 의해 구현된다.

본 발명은 적어도 하나의 Mo-N 기반 경질 재료층을 포함하는 코팅에 관한 것으로, 상기 경질 재료층은 적어도 주로 육방정 위상을 가진 몰리브덴 질화물(δ-MoN)을 포함하며, 두개의 피크에 대한 강도 비(intensity ratio, [δ-MoN 220]/[δ-MoN 200])는 ≥ 3, 바람직하게는 ≥ 10, 더욱 바람직하게는 ≥ 30인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 Mo-N 기반 경질 재료층은 바람직하게는 코팅의 최상층에 증착된다.

특정 적용 분야에 있어, 하나 이상의 Mo-N 기반 경질 재료 코팅을 포함하는 것이 바람직할 수 있음이 발견되었다. 그러나 경질 재료층 시스템은 또한 예컨대 접착층, 지지층이나 또는 다른 유형의 층으로 기능할 수 있는 다른 재료들로 구성된 층들을 포함할 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, Mo-N 기반 경질 재료층은 바람직하게는 기본적으로 몰리브덴 질화물로 구성된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, Mo-N 기반 경질 재료 코팅은 2600 HV와 3700 HV 사이의 비커스 경도 또는 27 GPa와 38 GPa 사이의 압입 경도(H_IT)를 갖도록 구성된다.

본 발명의 추가의 바람직한 실시예에 따르면, Mo-N 기반 경질 재료 코팅은 -1 Pa와 -9 Pa 사이의 잔류 응력 및 압축 응력을 갖도록 구성된다.

바람직하게는 잔류 응력의 크기는 -2 Pa와 -8 Pa 사이로 구성된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, Mo-N 기반 경질 재료 코팅의 표면은 브러싱 공정에 의해 후속 처리된다. 바람직하게는 후처리를 거친 Mo-N 기반 경질 재료 코팅은 "Rpkx < Rvkx"를 특징으로 하는 표면 거칠기를 갖는다.

본 발명에 따른 코팅은 바람직하게는 PVD 기술에 의해 제조된다.

바람직하게는 본 발명에 따른 코팅의 Mo-N 기반층은 적어도 주로 질소 가스를 포함하는 분위기에서 적어도 주로 몰리브덴을 포함하는 적어도 하나의 타깃으로 구성된 아크 증발에 의해 진공 코팅 챔버에서 기판 표면에 증착되며, 이 때 Mo-N 기반 경질 재료층에 대한 적어도 대부분의 증착 시간 동안의 코팅 온도는 300 ℃ 이하로 유지되는 것을 특징으로 한다.

Mo-N 기반 경질 재료층에 대한 증착시의 코팅 온도는 바람직하게는 ≤ 280 ℃, 더욱 바람직하게는 ≤ 250 ℃, 특히 더욱 바람직하게는 ≤ 225 ℃가 되도록 구성된다.

본 발명의 맥락에서, "코팅 온도" 라는 용어는 Mo-N 기반 경질 재료층의 증착시 코팅될 기판의 온도로 이해되어야 한다.

바람직하게는 Mo-N 기반 경질 재료 코팅에 대한 적어도 대부분의 증착 시간 동안, 가능한 한 질소 가스만이 코팅 챔버로 유입되는 것이 허용된다. 본 발명에 따른 층의 제조에 있어, 극소량의 다른 가스들(예컨대 극소량의 아르곤, 크립톤 또는 산소 또는 탄소 또는 수소 등)은 기본적으로 문제가 되지 않는다.

바람직하게는 Mo-N 기반 경질 재료 코팅에 대한 적어도 대부분의 증착 시간 동안, 코팅될 기판의 표면에는 부의 바이어스 전압이 인가된다.

바람직하게는 Mo-N 기반 경질 재료층의 증착을 위해, 기본적으로 몰리브덴으로 구성된 타깃만이 사용된다.

본 발명에 따른 코팅 방법의 사용시, 본 발명에 따른 Mo-N 기반 경질 재료 코팅의 증착을 위해 질소 압력 및 바이어스 전압 등과 같은 공정 파라메터들의 선택과 관련된 공정 파라메터의 선택 창은 놀랍게도 상당히 크다.

본 발명에 따라 몰리브덴 질화물층 및 그의 제조 방법이 제공되며, 이러한 층은 매우 양호한 슬라이딩 특성을 갖는 동시에 바람직하게는 2600 HV 이상 및 3700 HV 이하의 "적절한" 코팅 경도를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따라 몰리브덴 질화물층의 후처리를 위한 경제적인 방법이 제공된다.

본 발명은 다음의 도면 및 실시예에 기초하여 보다 상세히 설명될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 Mo-N 기반층 및 본 발명에 따르지 않은 비교 대상 Mo-N 기반층의 증착에 사용된 코팅 마파메터들을 도시하며, 여기서 본 발명에 따른 층들은 적어도 주로 델타 위상의 몰리브덴 질화물을 포함하고 있음을 알 수 있다.
도 2는 일정한 바이어스 전압에서 육방정 델타 및 입방정 감마 위상을 가진 몰리브덴 질화물의 형성시 코팅 온도와 질소 압력의 관계를 도시한다(특히 도 2에서는 본 발명의 맥락에서, 제타 위상 또는 감마와 제타 위상의 혼합도 또한 감마 위상을 의미하는 것으로 이해된다).
도 3는 일정한 질소 압력에서 델타 및 감마 위상을 가진 몰리브덴 질화물의 형성시 코팅 온도와 바이어스 전압의 관계를 도시한다(특히 도 3에서는 본 발명의 맥락에서, 제타 위상 또는 감마와 제타 위상의 혼합도 또한 감마 위상을 의미하는 것으로 이해된다).
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따라 증착된 Mo-N 기반층의 XRD 회절 패턴(1mm 애퍼처의 T2T 및 GI)을 도시한다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따라 증착된 Mo-N 기반층의 XRD 회절 패턴(1mm, 0.2mm 애퍼처의 T2T 및 GI)을 도시한다.
도 6는 본 발명의 제3실시예에 따라 증착된 Mo-N 기반층의 XRD 회절 패턴(1mm 애퍼처의 T2T 및 GI)을 도시한다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따라 증착된 Mo-N 기반층의 XRD 회절 패턴(1mm 애퍼처의 T2T 및 GI)을 도시하며(하단), 또한 본 발명의 제5실시예에 따라 증착된 Mo-N 기반층의 XRD 회절 패턴(1mm 애퍼처의 T2T 및 GI)을 도시한다(상단).
도 8은 그 표면을 브러싱 방법을 사용하여 상이하게 처리한, 본 발명에 따라 제조된 Mo-N 기반 경질 재료 코팅의 거칠기(Rz, Rpkx, Rpk 및 Rvkx)를 도시한다.
도 9는 코팅된 피스톤 핀으로 테스트한 본체의 마모도를 도시한다. 코팅후 후처리를 거치지 않은 피스톤 핀(0x) 및 코팅후 후처리를 거친 피스톤 핀 모두에서 테스트가 수행되었다. 도 9a는 Mo-N 층으로 코팅된 피스톤 핀의 테스트 결과를 도시하고, 도 9b는 a-C:H 유형의 DLC 코팅으로 코팅된 피스톤 핀의 테스트 결과를 도시한다. 도 8 및 도 9의 테스트에서, Mo-N(도 8 및 9a) 및 DLC(도 9b)로 각각 코팅된 부품들의 후처리 강도에 대한 인덱스는 다음과 같다:
o Ox: 후처리 없음,
o 1x w: 1배 약한 브러싱 처리,
o 2x w: 2배 약한 브러싱 처리,
o 3x w: 3배 약한 브러싱 처리,
o 4x w: 4배 약한 브러싱 처리,
o 1x n: 1배 강한 브러싱 처리,
o 4x n: 4배 강한 브러싱 처리.

본 발명의 맥락에서 감마 위상을 가진 몰리브덴 질화물(γ-Mo₂N)의 형성이라 함은 입방정 위상을 가진 몰리브덴 질화물의 형성, 즉 감마 또는 제타 위상을 가진 몰리브덴 질화물의 형성 또는 감마 및 제타 등 두개의 입방정 위상을 모두 가진 몰리브덴 질화물을 혼합 형성하는 것까지도 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

제타 위상(ζ-MoN)도 또한 감마 위상과 같은 입방정 위상을 가진 몰리브덴 질화물이나, 감마 위상(γ-Mo₂N)과 비교하면 질소를 더 포함한다. 제타 위상의 질소 함량은 심지어 화학양론적 범위를 초월하도록 구성될 수 있다(Mo보다 N을 더 크게). XRD 회절 패턴에서, 감마 위상과 제타 위상은 서로 크게 구별되지 않을 수 있는데, 상기 언급된 바와 같이 이러한 두개 패턴은 모두 입방정 위상을 갖고 있기 때문이다. 따라서 이러한 두개 위상의 형성은 예컨대 화학적 조성의 세부 분석이 수행되어야만 정확하게 검출될 수 있다. 그러나 층 내에 다수의 위상이 존재하는 경우에는, 감마 위상과 제타 위상의 정확한 검출이 매우 어렵다. 이 때문에 본 발명의 설명에서는 γ-Mo₂N은 물론 ζ-MoN의 언급도 많이 이루어진다. 입방정 위상을 가진 몰리브덴 질화물의 XRD 회절 패턴과 관련하여 현존하는 문헌에서는 γ-위상이라는 용어를 항상 사용하고 있기 때문에, 본 발명에서는 간단히 입방정 위상을 가진 몰리브덴 질화물이라고 언급하지 않으며, 제타 위상일 수 있더라도 감마 위상으로 간주하여 설명한다.

도 1은 몇가지 선택된 실시예의 증착 공정에 대한 테이블을 도시하며, 제1 내지 3실시예서는 본 발명에 따른 Mo-N 경질 재료층이 증착되었고, 제4 내지 6실시예서는 본 발명을 따르지 않은 비교 대상의 Mo-N 경질 재료층이 증착되었다.

본 발명에 따른 XRD 회절 패턴의 조사를 위해 다음의 장비 및 측정 프로그램들이 사용되었다:

XRD 장치:

o 구리 아노드,

o 제너레이터 전압: 40 kV

o 제너레이터 전류: 30 mA

o 1 또는 0.2mm 슬릿 (제2실시예의 경우 1mm 슬릿의 측정으로 신호가 포화되어 0.2mm만을 사용)

측정 프로그램, 세타 2 세타 (Theta 2 Theta, T2T):

o T2T 범위: 20 ~ 80°

o 증분(increment): 0.02°

o time/step: 1초(second)

측정 프로그램, 조각 입사도 (Glancing Incidence, GI):

o 입사도(incidence): 2°

o T2T 범위: 20 ~ 80°

o 증분: 0.02°

o time/step: 1초

실시예 및 분석에서는 올리콘 발저 코팅 아게사(Oerlikon Balzers Coating AG)의 아크 설비에서, 고속강(1.2842 90MnCrV8) 및 다양한 고속강으로 제조된 슬라이딩 부재뿐만 아니라 표준 피스톤 핀(실험을 위해 코팅후 피스톤 표면을 브러싱)으로부터 나온 표본을 코팅하였다. 모든 실시예에서, 몰리브덴 타깃은 질소 분위기의 아크 PVD에 의해 증발되었다. 코팅 챔버 내의 공정 압력과 질소 압력은 질소 가스의 흐름 조절에 의해 일정하게 유지되었다. 바이어스 전압이 코팅될 기판에 인가되었다. 모든 공정에서 동일한 아크 코팅 소스 및 아크 전류 값이 사용되었다. 단, 코팅 온도, 질소 압력 및 바이어스 전압 만이 도 1의 정보에 따라 변동되었다.

제 1, 2 및 3실시예에서 본 발명에 따라 제조된 Mo-N 기반 경질 재료 코팅은 200 ℃ +/- 15 ℃ 코팅 온도에서 증착되었으며, 대부분의 영역에서 적어도 델타 위상의 몰리브덴 질화물을 포함한다. 1.5 Pa의 낮은 질소(N₂) 압력(도 1의 제 1실시예에 도시된 바와 같이) 또는 - 120 V의 높은 바이어스 전압(도 3의 제 1실시예에 도시된 바와 같이)이 사용되었을지라도, 델타 위상의 몰리브덴 질화물이 형성될 수 있음을 알 수 있다(도 4, 5 및 6에 도시된 관련 XRD 회절 패턴으로부터 확인 가능).

반면에 제 4, 5 및 6실시예에 따라 300 ℃의 높은 코팅 온도에서 제조된 층들의 XRD 회절 패턴은, 감마 및/또는 제타 위상의 몰리브덴 질화물의 형성을 나타내는 입방정 구조를 보여주고 있다(도 7의 제 5실시예에 따른 Mo-N 기반층의 XRD 회절 패턴[5] 참조).

도 7에서, 본 발명에 따른 Mo-N 기반 경질 재료 코팅[제 1실시예(1)]과 본 발명에 따르지 않은 Mo-N 기반 경질 재료 코팅[제 5실시예(5)]의 XRD 회절 패턴의에서 차이를 확인할 수 있다.

본 발명에 따른 Mo-N 기반 경질 재료 코팅의 증착을 위한 코팅 온도는 적어도 50 ℃, 바람직하게는 적어도 100 ℃, 더욱 바람직하게는 적어도 150 ℃이다.

또한 발명자들은, 질소 압력을 1.5 Pa 이하 또는 6 Pa 이상으로 하고, 부의 바이어스 전압을 -20 V(절대값)보다 낮거나 -120 V(절대값)보다 크게 할 경우, 200 ℃ +/- 50 ℃ 보다도 낮은 코팅 온도에서도 본 발명에 따른 Mo-N 기반층의 제조가 가능함을 발견하였다.

본 발명의 바람직한 실시예의 세부 내용은 다음과 같다.

본 발명에 따라 사용되는 바람직한 바이어스 전압은 -10 V 내지 -150 V 이다.

본 발명에 따라 사용되는 바람직한 질소 압력은 1 Pa 내지 6 Pa 이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 Mo-N 층은 델타 위상으로 구성된 육방정 구조를 갖는 몰리브덴 질화물의 특성을 나타내는 동시에, 2600 HV와 3700 HV 사이의 비커스 경도 또는 26 ~ 27 GPa와 37 ~ 38 GPa 사이의 압입 경도(H_IT)를 나타낸다.

적어도 하나의 Mo-N 층을 포함하는 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 코팅에 따르면, 본 발명에 따른 Mo-N 층은 300 GPa와 500 GPa 사이, 바람직하게는 330 GPa와 470 GPa 사이, 더욱 바람직하게는 350 GPa와 450 GPa 사이의 e-계수(e-modulus)를 갖는다.

본 발명에 따른 또 다른 바람직한 실시예의 코팅에 따르면, 본 발명에 따른 Mo-N 층은 -1 GPa 내지 -9 GPa, 바람직하게는 -2 GPa 내지 -8 GPa의 잔류 압축 응력을 나타낸다.

본 발명에 따른 또 다른 바람직한 실시예의 코팅에 따르면, 본 발명에 따른 Mo-N 층은 28 GPa보다 크고 37 GPa보다 낮은 압입 경도(H_IT)를 나타낸다.

마찰 시험 동안, 발명자들은 3000 HV 내지 3600 HV의 비커스 경도 또는 30 GPa와 36 GPa 사이의 압입 경도(H_IT)를 갖는 본 발명에 따른 Mo-N 층이 특정 적용분야에 특히 적합한 것을 발견하였다.

특히, 34 GPa 내지 35 GPa의 압입 경도(H_IT), 31 GPa 내지 32 GPa의 항복점 및 350 GPa 내지 450 GPa의 e-계수를 갖는 본 발명에 따른 Mo-N 층에서, 특별히 두드러진 슬라이딩 특성이 발견되었다.

상술된 바와 같이, 양호한 표면 마무리 및 표면 거칠기를 얻기 위해, Mo-N 층은 바람직하게는 브러싱 공정에 의해 처리되는데, 이는 양호한 슬라이딩 특성이 요구되는 마찰 역학적 적용분야에 있어 특히 중요하다.

캐소드식 아크 증발(아크 증발 또는 아크 PVD)에 의해 제조되는 층들에서 거칠기 증가는, 캐소드(타깃)의 매크로 입자(액적 또는 스패터[spatter])의 발생에 의해 크게 좌우된다. 예컨대 연마 또는 브러싱 또는 마이크로 빔에 의한 후처리는, 캐소드식 아크 증발에 의해 제조된 모든 층들의 거칠기 감소에 크게 영향을 미치지 못하는데, 그 이유는 상이한 안정도에서 층 내에 스패터의 통합이 발생하기 때문에 층들의 후처리를 더 하거나 덜 하도록 구성되기 때문이다.

본 발명에 따른 Mo-N 기반의 경질 재료 코팅의 경우에, 브러싱 작업에 의한 후처리가 매우 적합하다.

도 8에 도시된 바와 같이, 대략 동일한 두께를 가진 본 발명에 따른 Mo-N 기반의 경질 재료 코팅(본 발명의 맥락에서 간단히 Mo-N 층 또는 본 발명에 따른 Mo-N 층으로도 부름)의 거칠기가 브러싱에 의한 상이한 후처리를 거치기 전과 후로 비교하여 도시되어 있음을 알 수 있다.

도 9a에, 본 발명에 따른 코팅된 피스톤 핀(CuSn8 핀)의 본체 마모도가 도시되어 있다. 반면 도 9b에는 DLC 코팅 핀에 대한 마모도가 도시되어 있다. 두 경우 모두에서, 약하고(w) 강하게(s) 및 단일 브러싱, 다중 브러싱 등 전술한 다양한 브러싱 방법이 사용되었다. 동일한 처리 과정을 거칠 경우 본 발명에 따른 Mo-N 층이 후처리된 DLC 층보다 더 적은 본체 마모도를 나타낸다는 점이 매우 놀라운데, 그 이유는 스패터(액적)에 의한 Mo-N 층의 초기 거칠기가 DLC 층의 것보다 크기 때문이다. 이에 따라 본원에서 제시된 산업적 브러싱을 이용하여 어떻게 이러한 스패터들이 효율적으로 제거 가능한지를 알려준다. 발명자들은, Mo-N 층에서 보다 낮은 Rpkx 값을 얻기 위해서는, 브러싱을 강하지 않게 설정해야만 후처리 공정이 쉽고 보다 제조가 용이함을 발견하였다. 요약하면, 본 발명에 따른 Mo-N 층은 용이하게 후처리 가능한데, 이에 의해 피크 거칠기(Rpk, Rpkx)의 특성치를 현저히 감소시킬 수 있다.

Rpkx에 비해 Rvkx의 값을 높게 설정할 수록 매우 적은 양의 오일로도 양호한 윤활 특성을 낼 수 있는 오일 윤활 포켓(oil lubrication pocket)의 형성을 강화할 수 있다.

보다 낮은 본체 마모도를 구현하기 위해서는 Rpkx를 < 0.3 pm, 바람직하게는 < 0.2 pm, 더욱 바람직하게는 < 0.15 pm 으로 설정한다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따르면, Mo-N 층은 45 at% 내지 55 at%의 질소 함량을 갖는다.

220 A의 아크 전류, 200 ℃의 코팅 온도(= 기판 온도), -20 V의 부의 바이어스 전압 및 3 Pa의 질소 압력을 사용하는 아크 PVD 공정에서 몰리브덴 타킷을 캐소드로 활용한 본 발명에 따른 질소와 몰리브덴 함량에 대한 측정된 원자% 비율은 약 50:50이었다.

본 발명에 따른 추가의 바람직한 실시예에 따르면, 접착층을 코팅될 기판과 몰리브덴 질화물층 사이의 계면으로 증착한다. 본 발명의 맥락에서 보면, Cr 및/또는 CrN으로 구성된 접착층이 특별히 적합하며, 층의 두께는 바람직하게는 60 nm 이하이며, 적용 분야에 따라 달라지나 바람직하게는 10 nm와 50 nm 사이이다.

본 발명에 따른 최고의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 경질 재료층은 몰리브덴 타깃의 아크 증발에 의해 질소 분위기에서 코팅의 최상층에 증착된 다음, 표면 거칠기가 Rpkx < Rvkx가 될 때까지 브러싱 방법에 의해 후처리된다.

Claims

적어도 하나의 Mo-N 기반 경질 재료층을 포함하는 코팅에 있어서,
상기 층은 육방정 위상의 몰리브덴 질화물(δ-MoN)을 적어도 주로 포함하고, XRD 회절 패턴에 있어서 두개의 피크에 대한 강도 비율([δ-MoN 220] / [δ-MoN 200])이 > 3 인 것을 특징으로 하는 코팅.
제 1항에 있어서,
Mo-N 기반 경질 재료층은 기본적으로 몰리브덴 질화물로 구성되는 것을 특징으로 하는 코팅.
전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
두개의 피크에 대한 강도 비율([δ-MoN 220] / [δ-MoN 200])이 > 10 인 것을 특징으로 하는 코팅.
제 3항에 있어서,
두개의 피크에 대한 강도 비율([δ-MoN 220] / [δ-MoN 200])이 > 30 인 것을 특징으로 하는 코팅.
전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
Mo-N 기반 경질 재료 코팅은 2600 HV와 3700 HV 사이의 비커스 경도 또는 27 ~ 38 GPa의 압입 경도(H_IT)를 갖는 것을 특징으로 하는 코팅.
제 5항에 있어서,
압입 경도(H_IT)는 28 GPa 보다 크고 38 GPa 보다 작거나 또는 37 GPa 보다 작은 것을 특징으로 하는 코팅.
전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
Mo-N 기반 경질 재료층은 1 GPa와 -9 GPa 사이의 범위에 있는 잔류 압축 응력을 갖는 것을 특징으로 하는 코팅.
제 7항에 있어서,
잔류 압축 응력은 -2 GPa와 -8 GPa 사이의 범위로 구성되는 것을 특징으로 하는 코팅.
전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
Mo-N 기반 경질 재료층은 300 GPa와 500 GPa 사이, 바람직하게는 330 GPa와 470 GPa 사이, 더욱 바람직하게는 350 GPa와 450 GPa 사이의 e-계수(e-modulus 를 갖는 것을 특징으로 하는 코팅.
전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
Mo-N 기반 경질 재료층은 코팅의 최상층으로 증착되며, 층 표면의 적어도 하나의 영역의 표면 거칠기는 Rpkx < Rvkx의 조건을 만족시키고 바람직하게는 Rpkx < 0.3 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 코팅.
전술한 항 중 어느 한 항에 따른 코팅을 포함하는 기판, 바람직하게는 도구 또는 부품, 더욱 바람직하게는 슬라이딩 부재.
제 11항에 따른 코팅된 기판에 있어서,
기판 표면과 Mo-N 기반 경질 재료 코팅 사이에 적어도 하나의 중간층이 있으며, 상기 층은 바람직하게는 크롬 질화물을 포함하거나 크롬 질화물로 구성되는 것을 특징으로 하는 코팅된 기판.
제 1항 내지 10항 중 어느 한 항에 따른 코팅을 증착하는 방법에 있어서,
적어도 하나의 Mo-N 기반 경질 재료 코팅은 아크 PVD 공정에 의해 코팅될 기판이 표면에 증착되고, 적어도 주로 몰리브덴을 포함하는 적어도 하나의 타깃, 바람직하게는 몰리브덴으로 구성된 타깃은 적어도 주로 질소 가스를 포함하는 분위기에서 아크 증발되고, Mo-N 기반 경질 재료층에 대한 적어도 대부분의 증착 시간 동안의 코팅 온도는 300 ℃ 이하, 바람직하게는 280 ℃ 이하, 더욱 바람직하게는 200 ℃ +/- 50 ℃ 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
제 13항에 있어서,
몰리브덴 질화물층에 대한 적어도 대부분의 증착 시간 동안, 바람직하게는 몰리브덴 질화물층에 대한 총 증착 시간 동안, 부의 바이어스 전압이 코팅될 기판에 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 10항에 따른 코팅을 제조하는 방법에 있어서,
최상층의 Mo-N 기반 경질 재료 코팅에 대한 소정의 표면 거칠기는 브러싱 공정에 의해 Rpkx < Rvkx로 구현되며, 브러싱 공정은 바람직하게는 아크 PVD 방법에 의해 기증착된 Mo-N 기반 경질 재료 코팅의 후처리에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.