KR20170121741A

KR20170121741A - 고강도 스틸의 냉간 성형을 위한 고성능 코팅

Info

Publication number: KR20170121741A
Application number: KR1020177021097A
Authority: KR
Inventors: 미리암 아른트; 알리 카티비
Original assignee: 오를리콘 서피스 솔루션스 아크티엔게젤샤프트, 페피콘
Priority date: 2015-02-24
Filing date: 2016-02-19
Publication date: 2017-11-02
Also published as: JP2018509528A; BR112017015891B1; PH12017501354A1; HUE042602T2; CN107532277B; MX2017010865A; CA2973927A1; ES2709986T3; JP6876611B2; CA2973927C; US20180237922A1; TR201902064T4; EP3262207A1; US10626505B2; BR112017015891A2; CN107532277A; AR103753A1; PL3262207T3; KR102561370B1; WO2016135047A1

Abstract

본 발명은 고강도 스틸의 냉간 성형에 사용되는 금속 성형 도구 또는 금속 성형 기구의 코팅에 관한 것으로 상기 코팅은 CrN을 포함하는 하부층(20) 및 TiCN을 포함하는 상부층(30)을 포함하고, 상기 하부층(20)은 상기 상부층(30)보다 기판(1) 표면에 더 가깝게 증착되고, 이 때 하부층(20)은 바람직한 (200) 배향을 갖는 입방 구조를 나타내는 산소 강화 질화 크롬으로 제조되며, 상부층(30)은 수소 강화 탄질화 티탄으로 제조되는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한 본 발명에 다른 코팅의 증착 방법에 관한 것이다.

Description

고강도 스틸의 냉간 성형을 위한 고성능 코팅

본 발명은 고강도 스틸의 냉간 성형에 사용되는 금형이나 펀치 등과 같은 성형 도구나 성형 기구의 표면에 도포되는 코팅에 관한 것으로, 특히 고강도 스틸 금속 시트의 냉간 성형에 사용될 수 있는 성형 도구 및 성형 기구를 포함하지만 이들에만 국한되지는 않는다. 본 발명은 특히, CrN을 포함하는 하부층 및 TiCN을 포함하는 상부층을 포함하는 코팅으로 코팅된 기판 표면을 갖는 냉간 성형 도구 및 냉간 성형 기구에 관한 것으로, 이 때 하부층은 상부층보다 기판 표면에 가깝게 증착되고, 바람직한 (200) 배향을 갖는 입방 구조를 나타내는 산소 강화 질화 크롬(chromium nitride)으로 제조되며, 상부층(30)의 경우에는 수소 강화 탄질화 티탄(titanium carbonitride)으로 제조되는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한, 본 발명의 코팅을 증착시키기 위한 코팅 방법에 관한 것이다.

고급 고강도 스틸(Advanced high strength steel, AHSS)은 550 MPa 이하에서부터 1000 MPa 이상까지 연장되는 범위의 매우 높은 인장 강도를 나타내며, 최근 예컨대 자동차 산업 분야를 비롯하여 많은 산업 분야에서 사용되고 있다.

고강도 스틸의 성형을 위해서는, 연마재 및 접착제의 마모 및 피로에 대해 특히 높은 내구 성능을 나타내는 성형 도구 또는 기구의 사용이 요구된다.

최근 시중에서는, 상당한 양의 표면 처리 및/또는 코팅 방법이 고강도 스틸의 냉간 성형 방법의 개선에 이용되고 있다. 이러한 방법은 예컨대, 플라즈마 또는 저압 질화 공정과 같은 상이한 질화 처리 방법을 사용하여 표면을 경화시키는 단계, 및 제조된 알루미늄 크롬 및 알루미늄 티탄 복합 합금을 PVD, CVD 및 기타 증착 방법에 의해 코팅하는 단계를 포함한다. 그러나, 이러한 방법들 중 어느 것도 특히, 고급 고강도 스틸(AHSS)의 냉간 성형 및 고강도 저합금강(high-strength low-alloy steel, HSLA)의 냉간 성형을 위한 피로 및 내마모성에 대한 요구 사항을 증가시키고자 하는 현재의 요구를 충족시키지는 못하고 있다.

한편, 상술된 질화 처리 공정을 이용한 표면 경화 방법은 Fe_2-3C를 포함하는 화합물층의 형성과 박리를 자주 초래한다. 또한, 공지된 코팅 방법의 사용은 별도의 다른 차원에서 검토해 보더라도 고급 고강도 스틸(AHSS)의 형성에 있어서는 충분하지 않다. 보다 현명한 해결책은 표면 경화 처리(예: 질화 처리)와 보호 코팅층(예: PVD에 의해, CVD에 의해 또는 유사한 방법에 의해 제조된 층)의 조합일 수 있다.

이와 관련하여 에스처(Escher) 등은, 낮은 마찰 계수와 낮은 표면 거칠기를 갖는 PVD 코팅의 사용에 의해 시트 금속 성형 분야의 주요 요구 사항인 접착 마모(adhesive wear)의 감소가 가능함을 확인하고 있다(2002년 칼스타드 개최 제6차 International Tooling Conference Proceedings, ISBN 9189422821, 9789189422827, 페이지 771ff). 에스처 등에 따르면, 예컨대 질화 처리라든가 경질의 보호 PVD 코팅 도포 등에 의해 성형 도구의 표면을 경화시키는 것은 성형 도구의 내마모성 향상에 있어 유익한 것으로 간주된다. 에스처 등은 다양한 CVD 및/또는 PVD 코팅으로 낮은 마찰과 함께 높은 경도를 달성하려는 다양한 시도를 설명하고 있다. 표면 경도는 CVD-TiC(탄화 티탄, titanium carbide) 층을 도포함으로써 성공적으로 증가될 수 있으며, 접착 마모의 경우에는 CVD-TiC 및 CVD-TiN(질화 티탄, titanium nitride) 층으로 구성된 이중층 코팅을 사용하여 감소시킬 수 있다. 인성(toughness)의 경우, 교대로 증착된 다수의 CVD-TiC 및 CVD-TiN 층으로 구성된 다층 코팅을 사용함으로써 긍정적인 영향을 미칠 수 있다. 이들 코팅은 CVD 코팅 공정에서 요구되는 높은 온도로 인해 성형 도구에 사용되는 스틸에는 적용될 수 없으므로, PVD와 같이 저온에도 사용 가능한 공정 방법들이 개발되었다. 에스처 등에 따르면, PVD-TiN 코팅은 약 2400 HV의 불충분한 낮은 경도를 나타내는데, 이는 탄소의 첨가에 의해 증가될 수 있으며, 이에 따라 약 3000 HV의 경도를 나타내는 PVD-TiCN(탄질화 티탄, titanium carbonitride) 코팅을 형성하도록 구성된다. 또한 에스처 등은, 약 2000 ~ 2200 HV 인 PVD-CrN(질화 크롬, chromium nitride) 코팅의 낮은 경도에도 불구하고, 이러한 종류의 코팅이 약 6 ~ 9 ㎛의 증가된 코팅 두께를 갖는 도구 표면에 증착되는 경우에는 매우 유익한 것으로 간주될 수 있다고 교시하고 있다.

그러나 에스처 등에 의해 제시된 코팅은 자동차 분야를 비롯한 다양한 산업 분야에서 최근 사용되는 냉간 압연 성형 공정의 까다로운 요구사항을 만족할 수 없으므로, 이를 만족하는 코팅 방법의 개발이 성형 도구 관련 산업에서 최우선적인 과제로 대두되었다.

보다 최근에는, 자노스 등이 국제특허출원 공개번호 WO 2014/065892에서 AHSS 합금의 형성에 사용되는 금속 성형 기구의 성능을 향상시키기 위한 보호 코팅 시스템의 사용을 제안하고 있다. 제안된 코팅 시스템은 피로, 마모 및 마찰 저항과 관련된 전술한 특성들을 결합하고 있다. 이러한 코팅 시스템은 하나 이상의 도펀트(dopent)로 도핑된 질화 크롬을 포함하고 금속 성형 기구에 배치되는 제1층, 및 저합금강에 대해 측정된 마찰 계수가 0.2 이하인 윤활성 물질을 포함하고 제1층의 상부에 배치되는 제2층을 포함한다. 도펀트는 W, V, Ti, Zr, Co, Mo 및 Ta 중 하나 이상으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 제2층은 TiCN으로 제조될 수 있다. 국제특허출원 공개번호 WO 2014/065892에 개시되어 있는 도핑된 CrN 코팅은 다방향의, 비주상(noncolumnar) 구조를 갖는데, 이들은 도핑된 CrN의 내균열성에 책임이 있는 것으로 여겨진다. 한편, 도핑되지 않은 CrN은 XRD 패턴에서 강하고 바람직한 (220) 배향을 나타내는 반면, 도핑된 CrN 막은 다수의 검출 배향, 즉 (111), (200) 및 (220)(약하고 바람직한 [220] 배향)의 배향을 갖는 것으로 확인되었다. 도펀트는 1 내지 10 at.%(원자 %), 바람직하게는 3 내지 7 at.%의 범위로 존재할 수 있고, 더욱 바람직하게는 도펀트 함유량은 5 at.%이다. 코팅 시스템의 전체 경도는 약 3600 ~ 3800 HV가 되어야 한다.

저 합금강에 대해 측정된 마찰 계수가 0.2 이하가 되도록 구성하는 것은 쉽지 않으며, 코팅 매개변수들 및/또는 코팅 기술의 선택에 관한 바람직하지 않은 제한을 수반한다.

이러한 이유로 AHSS 및 HSLA의 냉간 성형 작업시 더 높은 마모 및 피로 저항을 얻음으로써 냉간 성형 도구의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 코팅 방법을 개발할 필요가 있다.

본 발명의 목적은 AHSS 및 HSLA 등과 같은 상술된 고강도 스틸의 냉간 성형에 사용되는 성형 도구 또는 기구의 마모 및 접착 마모에 대해 만족스러운 내성 및 만족스러운 피로 저항성을 제공할 수 있는 코팅을 제공하는 것이다. 또한 본 발명에 따른 코팅은 상술된 종래 기술에서 명시된 바와 같이, 저합금강에 대해 측정된 코팅 표면의 마찰 계수가 0.2 이하가 되도록 제한을 받지 않는다.

본 발명의 목적은 산질화 크롬(chromium oxynitride, CrON 또는 CrNO)을 포함하는 적어도 하나의 하부층(20) 및 탄질화 티탄(TiCN)을 포함하는 적어도 하나의 상부층(30)을 포함하는 코팅(10)을 제공함으로써 달성되며, 이 때 적어도 하나의 하부층(20)과 적어도 하나의 상부층(30) 사이에 3개의 중간층(41, 42, 43)이 제공되고, 제1중간층(41)은 하부층(20)에 가장 인접하여 제공되고 질화 크롬(CrN)을 포함하며, 제2중간층(42)은 제1중간층(41)의 위에 제공되고 질화 티탄 크롬(TiCrN)을 포함하며, 제3중간층(43)은 제2중간층(42)의 위에 제공되고 탄질화 티탄 크롬(TiCrCN)을 포함한다.

본 발명에 따라, AHSS 및 HSLA 등과 같은 상술된 고강도 스틸의 냉간 성형에 사용되는 성형 도구 또는 기구의 마모 및 접착 마모에 대해 만족스러운 내성 및 만족스러운 피로 저항성을 제공할 수 있는 코팅이 제공된다.

본 발명은 아래에 기술되는 본 발명의 바람직한 실시예들에서 도면을 참조하여 예시적으로 설명된다. 아래의 설명 및 실시예는 본 발명을 제한하는 것이 아니라 본 발명을 이해하고 본 발명을 실시할 수 있는 방법을 구현하는 데 도움이 되도록 하기 위한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 코팅 구조의 개략도를 도시하며, 상기 코팅(10)은 CrN_yO_x로 구성된 하부 기능층(20), TiCN:H로 구성된 상부 기능층(30), 그리고 하부 기능층과 상부 기능층의 사이에 배치되는 3개의 중간층(41, 42, 43)을 포함한다.
도 2a는 본 발명에 따른 코팅 구조의 파열(SEM fracture) 단면도를 도시하며, 상기 코팅(10)은 기판 표면에 증착되고 CrN으로 구성되는 접착층, 접착층의 표면에 증착되고 CrN_yO_x으로 구성된 하부 기능층(20), TiCN:H로 구성된 상부 기능층(30), 그리고 하부 기능층과 상부 기능층의 사이에 배치되는 3개의 중간층(41, 42, 43)을 포함한다(세부 내용은 실험 결과 참조).
도 2b는 본 발명에 따른 코팅의 중간층 부분을 확대하여 도시하며, 여기서 하부 기능층(20), 상부 기능층(30) 및 3개의 중간층(41, 42, 43)에 대한 주상 구조 특성을 명확히 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 하부 기능층(20)으로 사용 가능한 WC 기판 상의 단일 CrN_yO_x 층의 XRD 패턴을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 상부 기능층(30)으로 사용 가능한 WC 기판 상의 단일 TiCN:H 층의 XRD 패턴을 도시한다.
도 5는 하부층(20)과 상부층(30) 사이에 배치되는 본 발명에 따른 코팅(10)의 중간 부분인 중간층 시스템을 예시적으로 확대 도시하며, 이 중간층 시스템은 CrN으로 구성된 하부 중간층(41), TiN과 CrN 나노층들로 구성된 중간층(42), 그리고 수소 성분을 포함할 수 있고 TiCN과 CrCrN으로 구성된 상부 중간층(43)을 포함한다.
도 6은 충격 슬라이딩 시험(impact sliding test) 결과로서, 종래 기술에 따른 CrN 및 TiAlN 계 코팅과 비교하여 본 발명에 따른 코팅이 더 높은 내마모성을 나타내고 있음을 보여준다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예의 개략도가 도 1에 도시되어 있다. 본 코팅(10)은 5개의 층(20, 30, 41, 42, 43)을 포함한다. 하부층(20)은 기판(1)의 표면에 직접 제공되고 상부층(30)은 최외곽층으로서 제공된다. 이러한 두개층들(20, 30)은 기능층으로서의 역할을 하도록 구성된다. 3개의 중간층(41, 42, 43)은 기능 층들(20, 30) 사이의 접착성을 향상시키기 위해 주로 제공된다.

도 1에 도시된 중간층들(41, 42, 43) 두께의 총합은 예컨대, 전체 코팅(10) 두께의 약 5 ~ 20% 일 수 있다. 이는 예컨대, 코팅(10)의 전체 두께(도 1의 코팅 시스템[10]에 존재하는 모든 층의 두께의 합, 즉 하부층[20]의 두께 + 제1중간층[41]의 두께 + 제2중간층의 두께[42] + 제3중간층[43]의 두께 + 상부층[30]의 두께)가 약 10㎛ 일 경우, 중간층(41, 42, 43)의 두께의 합은 약 1㎛ 일 수 있다는 것을 의미한다. 그러나, 본 실시예로 인해 본 발명이 제한되어서는 안된다.

도 2a 및 도 2b는 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같은 층 구조를 갖는 코팅의 SEM 현미경 사진을 도시한다.

하부 기능층(20)은 성형 도구 또는 기구의 표면 상에 직접 제공될 수 있으며, 바람직하게는 0.20<x<0.45를 만족하는 CrNO_x의 일반식에 해당하는 화학적 조성을 갖는 산소 도핑 질화 크롬층(본 발명의 문맥에서 CrON 층으로도 지칭됨)으로 구성되며, 이 때 x는, 비금속 코팅 성분(N 및 O)의 원자 퍼센트 함량 합계를 100 at.%로 간주할 경우 산소의 원자 퍼센트 함량 비율을 말한다. 예컨대, 산소 강화 질화 크롬으로 이루어진 하부 기능층(20)에서 원자 퍼센트로 측정된 성분의 전체 농도가 크롬 43 at.%, 질소 42 at.% 및 산소 15 at.% 로 구성된 경우, x는 0.263이 된다.

본 발명과 관련하여 나온 용어 중, 산소 도핑층 또는 수소 도핑층은 "산소 강화층" 또는 "수소 강화층"이라는 용어와 동일한 의미를 갖는다. 이는 예컨대, 산소 도핑 질화 크롬층이 본 발명의 맥락에서 산소 강화 질화 크롬층이라는 것을 의미하며, 산소 강화 질화 크롬층의 경우 주로 질화 크롬을 포함하나 산소도 포함하는 층이라는 것을 이해할 필요가 있다. 마찬가지로, 예컨대, 수소 도핑 탄질화 티탄층은 본 발명의 맥락에서 수소 강화 탄질화 티탄층이라는 것을 의미하며, 수소 강화 탄질화 티탄층의 경우 주로 탄질화 티탄을 포함하나 수소도 포함하는 층이라는 것을 이해할 필요가 있다.

상부 기능층(30)은 바람직하게는 티탄, 탄소, 질소를 포함하거나, 보다 바람직하게는 티탄, 탄소, 질소 및 수소를 포함한다. 후자의 경우, 그 화학 조성은 바람직하게는 0.6≤p+q≤0.8, 0.33≤p/q≤4 및 0.2≤z≤0.4 인 일반식 TiC_pN_q:H_z를 만족시키고, 여기서 p, q 및 z는 비금속 코팅 성분을 나타내며 이들의 합은 금속 성분인 티탄에 대하여 100 %로 규정된다.

바람직하게는, 상부 기능층(30)의 탄소 함량과 질소 함량은 층의 하부에서 상부로 갈수록 달라지도록 구성된다. 보다 바람직하게는 상부층(30) 내 탄소 함량의 경우 하부에서 상부로 갈수록 증가하지만, 질소 함량의 경우에는 하부에서 상부로 갈수록 감소하도록 구성된다.

제1, 제2 및 제3중간층(41, 42, 43)은 바람직하게는 질화 크롬(CrN), 질화 티탄 크롬(TiCrN) 및 탄질화 티탄 크롬(TiCrCN) 또는 수소 강화 탄질화 티탄 크롬 화합물로 이루어진다.

바람직하게는, 제2 및 제3중간층의 크롬 함량은 제2중간층(42)의 바닥에서 제3중간층(43)의 상부로 갈수록 감소하며, 모든 금속 및 비금속 원소의 측정 농도를 고려할 때, 바람직하게는 50 at.% 농도에서 제로(0) 농도로 감소한다.

바람직하게는, 제2 및 제3중간층의 티탄 함량은 제2중간층(42)의 바닥에서 제3중간층(43)의 상부로 갈수록 증가하며, 모든 금속 및 비금속 원소의 측정 농도를 고려할 때, 바람직하게는 제로(0) 농도에서 40 at.% 농도로 증가한다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 코팅(10)은 기판(1)과 하부 기능층(20)의 사이에 중간층으로서 증착되는, 적어도 하나 이상의 질화 크롬(CrN)층, 바람직하게 화학량론적(stoichiometric) 질화 크롬층을 포함한다.

본 발명의 코팅은 바람직하게는 예컨대 마그네트론 스퍼터링 및/또는 HIPIMS 및/또는 아크 PVD 등의 물리 기상 증착(PVD) 방법을 사용하여 증착될 수 있다.

특정한 예에서, 본 발명에 따른 코팅은 Cr 및 Ti로 제조된 금속 원소 타겟을 포함하는 아크 소스를 사용하여 제조되었다. 하부 기능층(20)의 증착을 위해 코팅 챔버에서 하나 이상의 Cr-타겟을 아크 증발시켰으며, 이들 챔버는 산소 강화 CrN을 형성하기 위한 반응성 가스로 기본적으로 산소 및 질소를 포함한다. 제1중간층(41)의 증착을 위해, 코팅 챔버 내 반응성 가스로 질소만 추가로 유입하고 산소는 더 이상 유입하지 않음으로써 CrN을 형성하도록 구성되었다. 제2중간층(42)의 추가 증착을 위해, 추가로 하나 이상의 Ti-타겟을 질소 반응성 분위기에서 아크 증발시킴으로써 TiCrN을 형성하도록 구성되었다. 제3중간층에 탄소 함유 가스를 증착하기 위해, 아세틸렌 유동을 코팅 챔버에 도입함으로써 TiCrCN을 형성하도록 구성되었다. 상부 기능층(30)의 증착을 위해, 질소 유동을 단계적으로 감소시키고 아세틸렌 유동을 점진적으로 증가시킴으로써 TiCN을 형성하도록 구성되었다.

본 발명에 따른 또 다른 코팅은 전술한 바와 유사한 코팅 공정을 사용하여 증착되었지만, 제3중간층(43)의 증착을 포함하는 단계에서 이미 질소 유동이 점진적으로 감소하도록 구성되었다.

본 발명의 발명자들은 놀랍게도, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 코팅의 제조에 의해, 냉간 성형 도구 및 냉간 성형 기구의 성능을 보호하고 향상시키는데 특별히 우수한 특성을 나타내는 수소 강화 TiCN 층이 증착되는 것을 관찰하였다. 특히 AHSS 금속 시트의 형성시 이러한 점을 발견하였다. 상술한 바와 같이 증착된 탄소 함유층에서 검출된 수소 성분은 이들 층들을 합성하기 위한 탄소 함유 가스로 사용되는 아세틸렌 가스로부터 나오는 것으로 추정된다.

발명자들은 코팅 공정 중에 음의 기판 바이어스가 인가될 때 특히 유리한 코팅 특성이 달성될 수 있다는 것을 관찰하였으며, 특히 제1기능층(20)의 증착시 음의 기판 바이어스가 상부 기능층(30)의 증착시 보다 낮은 절대값으로 조절되도록 구성된다.

특히, 기본적으로 CrON으로 이루어진 하부 기능층(20)의 증착시 40 내지 100V, 특히 50 내지 80V의 절대값을 갖는 음의 기판 바이어스를 인가함으로써 및, 기본적으로 수소 강화 TiCN으로 이루어진 상부 기능층(30)의 증착을 위해 음의 기판 바이어스를 70 내지 150V, 특히 80 내지 120V의 절대값 레벨까지 증가시킴으로써 우수한 코팅 성능이 달성됨을 확인하였다.

또한, 하부 기능층(20)을 증착하는데 사용되는 낮은 바이어스 레벨로부터 상부 기능층(30)을 증착하는데 사용되는 더 높은 바이어스 레벨까지 점진적으로 음의 기판 바이어스를 증가시킴으로써 유리한 코팅 성능이 구현되었다.

본 발명에 따른 코팅을 증착하기 위한 바람직한 실시예의 방법은 하부 기능층(20)을 증착하는데 사용되는 낮은 바이어스 레벨로부터 상부 기능층(30)을 증착하는데 사용되는 더 높은 바이어스 레벨까지 음의 기판 전압을 증가시키는 단계를 포함하며, 이러한 증가 단계를 제2중간 TiCrN층(42)의 증착에 대해 수행하도록 구성된다.

성형 도구의 성능을 추가로 향상시키기 위해, 본 발명에 따른 코팅의 증착 이전에 질화 공정을 사용하여 일부 냉간 성형 도구를 경화시켰다.

질화 및 코팅 공정 단계는 모두 동일한 코팅 기계에서 수행되었다. 그러나 질화 장치에서 선행 질화 단계를 수행한 다음, PVD 코팅 프로세스를 수행하도록 채택된 별도의 코팅 기계에서 코팅 단계를 수행하도록 구현할 수도 있다.

본 발명의 범위 내에서 생산, 검사 및 시험을 거친 코팅의 대부분은 오를리콘 발저스사(Oerlikon Balzers)의 Innova 모델의 코팅 기계에서 제조되었다. 그러나 이로 인해 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안되는데, 왜냐하면 본 발명에 따른 코팅은 임의의 종류의 코팅 기계, 특히 반응성 PVD 코팅 공정을 수행할 수 있는 임의의 종류의 코팅 기계에서 증착될 수도 있기 때문이다. 본 발명의 코팅은 또한, 예컨대 동일한 회사의 BAI1200 및 BAI1200XL 모델의 코팅 기계에서도 증착되었다.

본 발명에 따라, 하기에 기술된 바와 같은 특성을 갖는 몇몇 코팅을 생산, 검사 및 시험하였다. 그러나, 이들 특성은 어떠한 경우에도 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다.

CrNO으로 구성된 하부 기능층(20)의 두께는 4 ~ 5.5 ㎛의 범위였다. 기계적 특성면에서, 이 층은 경도(HIT) 및 탄성 계수(EIT)가 각각 약 30±2 GPa 및 292±9 GPa 인 것으로 나타났으며, 약 10 ~ 15 nm(XRD 검사를 사용하여 측정됨)의 입도를 갖는 입자를 포함하는 미립자 구조를 나타냈다.

수소 함유 TiCN으로 구성된 상부 기능층(30)의 두께는 2.8 ~ 3.2 ㎛의 범위였다. 이 층의 경도(HIT) 및 탄성 계수(EIT)는 바닥에서 표면으로 갈수록 달라지며, 각각 33 ~ 55 GPa와 330 ~ 420 GPa 범위로 구성되었다. 연마되지 않은 상태의 100Cr6 스틸에 대한 마찰 계수(COF)가 결정되었고 그 값은 약 0.5±0.1 이었다. 이러한 COF 값은 100Cr6 스틸 볼(steel ball)에 대해 10N의 정규 하중 및 30cm/s의 선형 속도를 사용하여 실온에서 수행된 핀-온-더-디스크 테스트(pin-on-the-disc test)에서 결정되었다.

중간층(41, 42, 43)의 총 두께(제1층, 제2층 및 제3층의 두께의 합)는 0.7 내지 1 ㎛ 사이에서 변동되도록 구성되었다. 중간층 내 개별 층들의 두께도 또한 변동되도록 구성되었다. 한편, 제1중간층(41)의 두께와 제3중간층(43)의 두께가 동일하고 제2중간층(42)의 두께가 더 두꺼운 경우에 특히 양호한 결과가 얻어졌다. 그러나, 이러한 결과로 인해 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다.

도 3은 바람직하게는 하부 기능층(20)으로 증착될 수 있는, 본 발명에 따라 증착된 산소 강화 CrN 막(본 발명의 맥락에서 CrON 막 또는 CrON 층으로도 지칭됨)의 θ/2θ(theta/2theta) 회절 패턴을 도시한다. 상기 코팅은 입방 구조를 가지며, (200) 대 (111) 반사의 피크 강도 비는 24에서 40까지 변동된다. CrON 막에 해당하는 피크와의 차별성을 부각하기 위해, 기판의 피크는 도 3에서 직사각형으로 표시하였다.

마모 및 피로에 대한 전체 코팅의 내구성 테스트를 위해 충돌-슬라이딩 시험을 거쳤으며, 여기서는 직경 10mm의 SAE 52100 스틸 볼이 규정된 메커니즘을 통해 코팅 표면과 충돌하고 미끄러지도록 구성되었다. 상기 볼은 200 ~ 400N의 충격 하중으로 코팅 표면에 부딪친 다음, 0.1 초의 시간 프레임에서 약 3 ~ 4mm 아래로 미끄러지도록 구성된다. 테스트할 코팅 표면에 대해 수직 방향으로의 모션 또는 테스트할 코팅 표면에 대해 경사 방향으로의 모션을 구현하도록 충격을 발생시킬 수도 있다. 이러한 충격은 3000 또는 5000 사이클 동안 반복될 수 있다. 더욱 엄격한 시험 조건에서, 충격 하중은 300 ~ 600N까지 증가될 수 있다. 이러한 시험 방법을 사용하여 피로 균열, 점착 마모, 코팅 칩핑(coating chipping) 및 완전 박리와 같은 여러 가지 코팅 실패 메커니즘이 확인될 수 있다.

이러한 시험에 의해, 본 발명의 발명자들은 종래 기술에 속하고 현재의 AHSS 금속 냉간 형성에 사용되는 다른 코팅과 비교하여 본 발명에 따른 코팅의 우수성을 확인하였다.

본 발명에 따른 코팅의 우수성은 또한, 스트립-드로잉(strip-drawing) 시험에 의해서도 입증되었다.

냉간 가공 강철(1.2379)로 제조된 냉간 성형 도구 및 기구에 대해 본 발명에 따라 증착된 코팅은 첫번째 실험에서, TiCrN 계 코팅 및 CrN 계 코팅과 비교하여 약 30 %까지의 우수한 성능을 나타내었다. 비교 산업 시험에서, 본 발명의 코팅은 실패 없이 64,000개의 부품을 제조할 수 있는 반면, 상기 언급한 비교대상 코팅을 사용할 경우 단지 50,000개의 부품만 제조할 수 있음을 확인하였다.

본 발명의 추가 세부 사항 및 바람직한 실시 양태:

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 하부 기능층(20)은 CrN_yO_x의 일반 식으로 주어진 화학 조성을 가지며, 여기서 x 및 y는 각각 0.20≤x≤0.45 및 0.55≤y≤0.8의 조건을 만족시키고, x 및 y는 각각 비금속 코팅 성분인 산소 및 질소의 원자 비율을 나타내며, 이들 원자 비율은 O 및 N의 원자 함량의 합이 금속 코팅 성분인 크롬에 대해 1로 규정될 때 얻어진다.

전술한 문헌들은 바람직한 (220) 배향을 얻기 위해 10 at.% 미만의 도펀트 레벨을 갖는 도핑 CrN을 목표로 하고 있는 반면, 본 발명의 발명자들은 놀랍게도, 도핑된 CrN 층의 전체 원소 조성을 고려하여, 도펀트 원소의 사용시 산소를 10 at.%를 초과하는 레벨로 구성함으로써, 이에 따라 특히 산소 도핑층이 0.20≤x≤0.45 조건의 화학식을 가진 CrN_yO_x 층으로 기술된 조성을 가질 때, 도 3에서 볼 수 있는 바람직한 (200) 배향의 형성을 초래할 수 있으며, 이는 성형 도구의 작동에 필요한 매우 안정된 하부 기능층으로서의 요구 사항들까지도 충족시킨다는 것을 발견하였는데, 이는 예상치 못한 것이었다. (200)/(111) 반사의 바람직한 피크 강도 비는 10에서 50까지, 보다 바람직하게는 24에서 40까지 변동된다.

바람직하게는 CrN_yO_x는 하부 기능층(20) 두께의 전체 범위에 걸쳐 화학량론적(stoichiometric)으로 구성된다. 산소 대 질소 비가 하부 기능층(20) 내에서 일정할 경우, 특히 양호한 결과가 얻어질 수 있음을 발견하였는데, 이는 예컨대 CrN_yO_x 층의 증착시 질소 대 산소 가스 유동을 고정 비율로 조정함으로써 구현 가능하다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서, CrN_yO_x 층(20)은 도 3의 (200) 반사의 피크 피팅으로부터 얻어진 바와 같이, 8 ~ 16 nm, 보다 바람직하게는 10 ~ 12 nm의 입자 크기를 나타낸다. 이러한 입자 크기 체계에서 특히 우수한 기계적 성질이 얻어졌다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 도펀트가 없는 CrN 중간층이 기판(1)과 하부 기능층(CrN_yO_x)(20) 사이에 증착됨으로써, 도구 기판의 의도하지 않은 산화를 피하는 한편, 기능층의 접착 성능을 현저히 향상시킬 수 있도록 구성된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 하부 기능층(20)의 두께는 전체 코팅 두께의 약 49 ~ 59 %이다. 총 두께가 6 ㎛를 초과하는 비교적 두꺼운 코팅을 성장시켜야 할 경우에는, 하부 기능층의 비율을 조절함으로써 본 발명에 따른 코팅의 균열 내성 및 응력 제어를 개선하도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 중간층(41, 42, 43) 두께의 합은 전체 코팅 두께의 약 11 ~ 18 %이다. 도 5의 SEM 현미경 사진에 중간층(41, 42 및 43)의 상세 구조가 도시되어 있다. 여기서는, 중간의 TiCrN 화합물층(42)이 그 아래의 CrN층(41) 및 그 위의 TiCrCN층(43) 보다 거의 두 배의 두께를 갖는다는 것을 확인할 수 있다. 하부의 CrON층(20)으로부터 상부의 TiCN:H층(30)으로 매끄러운 전이가 되도록, 크롬 및 질소의 함량은 감소하는 반면, 티탄 및 탄소의 함량은 증가하도록 구성된다. 전자의 경우, TiCrN 화합물층(42)의 CrN 나노층을 더 두껍게 하는 반면, TiCrCN층(43)의 CrCN 나노층을 더 얇게 하도록 구성된다. 후자의 경우, TiCrCN층(43)의 TiCN 나노층을 더 두껍게 하는 반면, TiCrN 화합물층(42)의 TiN 나노층을 더 얇게 하도록 구성되며, 수소를 포함할 수 있다. 이러한 정교한 중간층 구조에 의해, 수소 도핑 TiCN:H층(30)의 최적 접착을 가능하게 하는 한편, 성형 도구 분야에 사용되는 코팅의 전반적인 성능 증가를 가능하게 한다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 상부 기능성 TiCN:H 층(30)의 두께는 전체 코팅 두께의 약 27 ~ 36 %이다. 코팅의 상부층이 총 코팅 두께의 50 % 미만, 바람직하게는 27 내지 36 % 인 경우, 본 발명에 따른 코팅의 성능의 현저한 개선이 달성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 상부 기능성 TiCN:H 층(30)은 입방 구조 및 10부터 20까지의 (111) 대 (200) 반사의 피크 강도 비를 가지며,이는 도 4의 θ/2θ(theta/2theta) 엑스레이 회절 패턴에서 볼 수 있다. 강도 값은 배경 신호를 뺀 후 피크 피팅(peak fitting)에 의해 얻어졌다. 0.8의 폼 팩터(form factor)를 갖는 셰러(Sherrer) 방정식을 사용하여 (200) 반사로부터 상기 언급된 피크 평가에 의해 수득된 바와 같이, 입자 크기가 5 ~ 30 nm, 더욱 바람직하게는 5 ~ 20 nm, 가장 바람직하게는 5 ~ 8 nm의 범위인 경우 상부층(30)에서 양호한 기계적 성질이 구현되었다.

바람직하게는 TiC_pN_q:H_z의 화학 조성을 갖는 상부 기능층(30)의 비금속 코팅 성분(C, N 및 H)의 농도에 상응하는 조성 계수의 합은 p+q+z=1의 조건을 만족시킨다. 또한, 최외곽층(30)은 상부 기능층(30)의 최외곽측 표면 쪽으로 갈수록 탄소가 증가하고 질소 함량이 감소하도록 하는 탄소 및 질소 구배를 가질 수 있다. 본 발명의 발명자들은, 코팅의 표면 쪽으로 갈수록 탄소 함량은 증가시키되 질소 함량을 약간 감소시킴에 따라, TiC_pN_q:H_z 층의 경도(HIT) 및 탄성 계수(EIT)를 증가 시킨다는 것을 발견했다. 놀랍게도 100Cr6 스틸에 대한 비연마 상태의 TiC_pN_q:H_z 층의 마찰 계수는 약 0.5±0.1이었다.

충격 슬라이딩 테스트의 결과는 위에서 언급한 바와 같이, 피로 균열, 점착 마모, 코팅 칩핑 및 완전 박리와 같은 잠재적인 코팅 실패 메커니즘이 평가되었다. 본 발명에 따른 코팅의 일부 실시예는 최신의 TiAlN 및 TiCrN 기반 코팅에 대해 시험을 수행하였다. 일부 결과가 도 6에 도시되어 있는데 여기서는, 본 발명에 따른 실시예의 코팅의 경우 최고 높은 수의 충격 슬라이딩에 대한 시험을 견딜 수 있는 반면, 현재 상용화된 코팅의 경우에는 상당히 낮은 사이클 수에서 이미 실패했음을 명백히 보여주고 있다.

본 발명에 따른 코팅 중 일부는 1180 MPa 이중 페이즈 AHHS 시트 금속의 성형에 사용되는 도구 수명에서, TiCrN계 기준 코팅으로 코팅된 도구와 비교하여 적어도 몇 배의 현저한 증가를 보여 주었다. 유사한 시험의 수행으로, 현재 상용화된 TiCrN 코팅 및 다른 경쟁 코팅으로 코팅된 도구와 비교하여 200 ~ 400 %의 증가된 도구 수명을 나타내는 것을 확인하였다.

본 발명과 관련된 코팅은 예컨대, 고인발, 펀칭, 프레싱, 아이언닝(ironing), 트리밍, 벤딩, 스탬핑 등에 의해 금속 호일, 시트, 플레이트 또는 블록을 형성하는 단계와 같이, 특히 고강도 스틸의 냉간 성형 작업을 위한 성형 도구 또는 성형 기구 등에 적용될 수 있다는 점을 특별히 언급할 필요가 있다.

본 발명에서 구체적으로 개시하는 바는 다음과 같다:

- 고강도 스틸의 냉간 성형에 특히 사용될 수 있는 금속 성형 도구 또는 금속 성형 기구를 위한 본 발명의 코팅에 있어서, 상기 코팅은 CrN을 포함하는 하부층(20) 및 TiCN을 포함하는 상부층(30)을 포함하고, 상기 하부층(20)은 상기 상부층(30)보다 금속 성형 도구(1)의 기판 표면에 더 가깝게 증착되고, 이 때

● 하부층(20)은 바람직한 (200) 배향을 갖는 입방 구조를 나타내는 산소 강화 질화 크롬으로 제조되고, 및

● 상부층(30)은 수소 강화 탄질화 티탄으로 제조되는 것을 특징으로 한다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅의 바람직한 실시예에서, 하부층(20)은 0.20≤x≤0.45 및 0.55≤y≤0.8을 만족하는 화학식 CrN_yO_x에 해당하는 화학 조성을 가지며, 이 때 비금속 코팅 성분인 N 및 O의 함량 합이 원자 비율로 100 at.%이 되고 결과적으로 x+y=1인 것으로 간주되는 경우, x와 y는 산소와 질소의 원자 비율인 것을 특징으로 한다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅의 또 다른 바람직한 실시예에서, 하부층(20)은 0.20≤x≤0.45, 바람직하게는 0.25<x<0.40을 만족시키는 화학식 CrN_yO_x에 해당하는 화학 조성을 가지며, 이 때 비금속 코팅 성분인 N 및 O의 함량 합이 원자 비율로 100 at.%이 되고 결과적으로 x+y=1인 것으로 간주되는 경우, x와 y는 산소와 질소의 원자 비율인 것을 특징으로 한다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅의 또 다른 바람직한 실시예에서, 상부층(30)은 0.6≤p+q≤0.8, 0.33≤p/q≤4 및 0.2≤z≤0.4을 만족시키는 화학식 TiC_pN_q:H_z에 해당하는 화학 조성을 가지며, 이 때 p, q 및 z는 비금속 코팅 성분을 나타내고 그 합은 금속 성분인 티탄에 대하여 100 %로 규정되는 것을 특징으로 한다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅의 바람직한 실시예에서, 상부층(30)은 그 층 두께를 따라 화학적 조성이 변화되는데, 상기 상부층(30)의 최외곽 표면 방향으로 갈수록 질소 함량은 감소하는 한편 탄소 함량은 증가하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅의 바람직한 실시예에서, 상부층(30)은 탄소 및 질소의 구배 농도를 나타내며, 층의 최외곽 표면으로 갈수록 탄소 함량은 증가하고 질소 함량은 감소하며, 수소 함량의 경우 0.2≤z≤0.4의 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅의 바람직한 실시예에서, 하부층(20)과 상부층(30) 사이에 중간층이 제공되며, 상기 중간층은 하부층(20) 상에 CrN 층으로 제공되는 제1중간층(41), 제1중간층(41) 상에 TiCrN 층으로 제공되는 제2중간층(42) 및 제2중간층(42) 상에 TiCrCN 층으로 제공되는 제3중간층(43)을 포함하는 다층 시스템으로 구성되고, 상기 제2중간층(42)은 서로 교대로 증착된 TiN 및 CrN 나노층을 포함하는 다층 시스템으로서 형성되며, 상기 제3중간층(43)은 서로 교대로 증착된 TiCN 및 CrCN 나노층을 포함하는 다층 시스템으로 형성된다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅의 바람직한 실시예에서, 제3중간층(43)은 수소를 함유한다.

- 상기 언급된 다층 시스템으로 증착된 중간층을 포함하는 본 발명의 코팅의 바람직한 실시예에서, 중간층(43)에서 상부층(30)의 최외곽 표면으로 갈수록 탄소 함량은 점차적으로 증가한다.

- CrN_yO_x으로 구성된 하부층(20)을 포함하는 본 발명의 코팅의 바람직한 실시예에서, 상기 하부 기능층(20)은 (200)/(111)의 XRD 강도 비율이 10 내지 50의 범위, 바람직하게는 24 내지 40의 범위인 것을 특징으로 한다.

- TiC_pN_q:H_z으로 구성된 상부층(30)을 포함하는 본 발명의 코팅의 바람직한 실시예에서, 상기 TiC_pN_q:H_z 상부 기능층(30)은 바람직한 (111) 배향을 갖는 입방 구조를 나타내며, (200)/(111)의 XRD 강도 비율이 바람직하게는 5 내지 20의 범위, 보다 바람직하게는 11 내지 15의 서브 범위인 것을 특징으로 한다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅의 바람직한 실시예에서, 하부 기능층(20)은 (200) 반사로부터 5 ~ 30nm의 범위, 바람직하게는 8 ~ 20nm의 서브 범위, 보다 바람직하게는 10 ~ 15nm의 서브 범위의 입자 크기를 나타낸다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅의 바람직한 실시예에서, 상부 기능층(20)은 (200) 반사로부터 5 ~ 30nm, 바람직하게는 5 ~ 20nm, 가장 바람직하게는 5 ~ 8nm 사이의 XRD 입자 크기를 나타낸다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅의 바람직한 실시예에서, 코팅층의 총 두께는 4 ~ 40㎛ 사이, 바람직하게는 6 ~ 30㎛ 사이이다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅의 바람직한 실시예에서, 하부층(20)의 두께는 코팅층 전체 두께의 49 ~ 59%가 되도록 구성된다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅의 바람직한 실시예에서, 하부층(20)과 상부층(30) 사이의 중간층으로 사용되는 다층 시스템을 구성하는 중간층(41, 42, 43)의 두께의 합은 코팅층 전체 두께의 11 ~ 18%가 되도록 구성된다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅의 바람직한 실시예에서, 상부층(30)의 두께는 코팅층 전체 두께의 27 ~ 36%가 되도록 구성된다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅의 바람직한 실시예에서, 코팅은 하부층(20) 아래에 배치되는 한편, 금속 성형 도구(1)의 기판 표면과 하부 기능층(20) 사이에 증착됨으로써 코팅의 부착을 개선하도록 구성된 질화 크롬, 바람직하게는 화학양론적 CrN 으로 구성된 중간층을 더 포함한다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅 중 어느 하나에 따라 코팅된 금속 성형 도구 또는 금속 성형 기구.

- 본 발명에 따른 금속 성형 도구 또는 금속 성형 기구의 바람직한 실시예에서, 코팅이 증착되는 성형 도구(1)의 기판 표면은 질화 처리된 스틸 표면이다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅을 형성하기 위한 증착법에서, 금속 성형에 사용되는 금속 성형 도구 또는 금속 성형 기구의 기판 표면은 PVD 공정을 사용하여 코팅되며, 상기 증착법은 가스 제거, 가열, 아르곤 가스 에칭, CrN_yO_x로 구성된 하부 기능층(20)의 증착, 증간층 시스템(41, 42 43)으로 중간층의 증착 및 수소 강화 TiC_pN_q:H_z로 구성된 상부 기능층(30) 증착의 단계들을 포함한다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅 방법의 바람직한 실시예에서, 상기 PVD 공정은 음극 아크 증발 또는 스퍼터링 또는 HIPIMS 공정, 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 한다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅 방법의 바람직한 실시예에서, 음의 바이어스 전압이 코팅될 기판에 인가되고, 이들은 하부 기능층(20)의 증착 동안 -40V와 -100V 사이의 일정한 제1레벨로 유지되며, 그런 다음 음의 바이어스 전압은 절대값 기준 -70V와 -150V 사이의 제2레벨까지 증가되고, 이들은 상부 기능층(30)의 증착을 위해 이러한 제2레벨에서 일정하게 유지되며, 이 때 제2레벨은 제1레벨보다 높은 것을 특징으로 한다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅 방법의 바람직한 실시예에서, 음의 바이어스 전압은 절대값 기준 제2중간층(42) 내에서 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 한다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅 방법의 바람직한 실시예에서, 아르곤 이온 기판 에칭 전에 기판 표면의 질화 처리를 수행하는 것을 특징으로 한다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅 방법의 바람직한 실시예에서, 중간층(43) 및/또는 상부 기능층(30)의 증착을 위해 PVD 공정을 수행하기 위한 공정 가스가 사용되며, 사용되는 공정 가스는 아세틸렌을 포함하는 것을 특징으로 한다.

- 상기 언급된 본 발명의 코팅 방법의 바람직한 실시예에서, 중간층(43)의 증착으로부터 상부 기능층(30)의 최외곽 표면의 증착으로 갈수록 아세틸렌 유동은 점진적으로 증가되는 것을 특징으로 한다.

Claims

고강도 스틸의 냉간 성형을 위해 금속 성형 도구 또는 금속 성형 기구의 기판 표면에 증착되는 코팅에 있어서,
상기 코팅은 CrN을 포함하는 하부층(20) 및 TiCN을 포함하는 상부층(30)을 포함하고, 상기 하부층(20)은 상기 상부층(30)보다 기판(1) 표면에 더 가깝게 증착되고, 이 때
- 하부층(20)은 바람직한 (200) 배향을 갖는 입방 구조를 나타내는 산소 강화 질화 크롬(oxygen-enriched chromium nitride)으로 제조되고,
- 상부층(30)은 수소 강화 탄질화 티탄(hydrogen-enriched titanium carbonitride)으로 제조되는 것을 특징으로 하는
금속 성형 도구 또는 금속 성형 기구의 기판 표면에 증착되는 코팅.
제1항에 있어서,
하부층(20)은 0.20≤x≤0.45 및 0.55≤y≤0.8을 만족하는 화학식 CrN_yO_x에 해당하는 화학 조성을 가지며, 이 때 비금속 코팅 성분인 N 및 O의 함량 합이 원자 비율로 100 at.%이 되고 결과적으로 x+y=1인 것으로 간주되는 경우, x와 y는 산소와 질소의 원자 비율인 것을 특징으로 하고, 및/또는
하부층(20)은 0.20≤x≤0.45 및 0.55≤y≤0.8, 바람직하게는 0.25<x<0.40 및 0.60≤y≤0.75을 만족시키는 화학식 CrN_yO_x에 해당하는 화학 조성을 가지며, 이 때 비금속 코팅 성분인 N 및 O의 함량 합이 원자 비율로 100 at.%이 되고 결과적으로 x+y=1인 것으로 간주되는 경우, x와 y는 산소와 질소의 원자 비율인 것을 특징으로 하는
금속 성형 도구 또는 금속 성형 기구의 기판 표면에 증착되는 코팅.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상부층(30)은 0.6≤p+q≤0.8, 0.33≤p/q≤4 및 0.2≤z≤0.4을 만족시키는 화학식 TiC_pN_q:H_z에 해당하는 화학 조성을 가지며, 이 때 p, q 및 z는 비금속 코팅 성분을 나타내고 그 합은 금속 성분인 티탄에 대하여 100 %로 규정되는 것을 특징으로 하는
금속 성형 도구 또는 금속 성형 기구의 기판 표면에 증착되는 코팅.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상부층(30)은 그 층 두께를 따라 화학적 조성이 변화되며, 이 때 상기 상부층(30)의 최외곽 표면 방향으로 갈수록 질소 함량은 감소하는 한편 탄소 함량은 증가하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
금속 성형 도구 또는 금속 성형 기구의 기판 표면에 증착되는 코팅.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
하부층(20)과 상부층(30) 사이에 중간층이 제공되며, 상기 중간층은 하부층(20) 상에 CrN 층으로 제공되는 제1중간층(41), 제1중간층(41) 상에 TiCrN 층으로 제공되는 제2중간층(42) 및 제2중간층(42) 상에 TiCrCN 층으로 제공되는 제3중간층(43)을 포함하는 다층 시스템인 것을 특징으로 하는
금속 성형 도구 또는 금속 성형 기구의 기판 표면에 증착되는 코팅.
제5항에 있어서,
제2중간층(42)은 서로 교대로 증착된 TiN 및 CrN 나노층을 포함하는 다층 시스템으로서 형성되고 및/또는 제3중간층(43)은 서로 교대로 증착된 TiCN 및 CrCN 나노층을 포함하는 다층 시스템으로 형성되는 것을 특징으로 하는
금속 성형 도구 또는 금속 성형 기구의 기판 표면에 증착되는 코팅.
제5항 또는 제6항에 있어서,
제3중간층(43)은 수소를 함유하는 것을 특징으로 하는
금속 성형 도구 또는 금속 성형 기구의 기판 표면에 증착되는 코팅.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
탄소 함량은 중간층(43)에서 상부층(30)의 최외곽 표면으로 갈수록 점차적으로 증가하는 것을 특징으로 하는
금속 성형 도구 또는 금속 성형 기구의 기판 표면에 증착되는 코팅.
제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
하부 기능층(20)은 (200)/(111)의 XRD 강도 비가 10부터 50까지의 범위, 바람직하게는 24부터 40까지의 범위를 나타내고, 및/또는 TiC_pN_q:H_z 상부 기능층(30)은 바람직한 (111) 배향을 갖는 입방 구조를 나타내며, (200)/(111)의 XRD 강도 비가 바람직하게는 5부터지 20까지의 범위, 보다 바람직하게는 11부터 15까지의 범위인 것을 특징으로 하는
금속 성형 도구 또는 금속 성형 기구의 기판 표면에 증착되는 코팅.
제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
하부 기능층(20)은 (200) 반사로부터 5 ~ 30nm의 범위, 바람직하게는 8 ~ 20nm 사이, 보다 바람직하게는 10 ~ 15nm 사이의 입자 크기를 나타내고, 및/또는
상부 기능층(20)은 (200) 반사로부터 5 ~ 30nm의 범위, 바람직하게는 5 ~ 20nm 사이, 보다 바람직하게는 5 ~ 8nm 사이의 XRD 입자 크기를 나타내는 것을 특징으로 하는
금속 성형 도구 또는 금속 성형 기구의 기판 표면에 증착되는 코팅.
전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
하부 기능층(20), 중간층들(41, 42, 43) 및 상부 기능층(30)의 두께는 각각 코팅층 총 두께의 29 ~ 59%, 11 ~ 18% 및 27 ~ 36%로 구성되는 것을 특징으로 하는
금속 성형 도구 또는 금속 성형 기구의 기판 표면에 증착되는 코팅.
전술한 항 중 어느 한 항에 따라 성형 도구 또는 성형 기구의 기판 표면을 코팅하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
- 코팅될 도구 또는 기구를 진공 코팅 챔버에 도입하는 단계
- 코팅 챔버의 가스를 제거하는 단계,
- 코팅될 기판 표면의 가열 및 아르곤(Ar) 이온을 에칭하는 단계,
- PVD 공정을 사용하여 코팅층을 증착하는 단계를 포함하고,
PVD 공정은 음극 아크 증발 및/또는 스퍼터링 및/또는 HIPIMS 공정, 또는 이들의 조합이며, 음의 바이어스 전압이 코팅될 기판에 인가되고, 이들 바이어스 전압은 하부 기능층(20)의 증착 동안 -40V와 -100V 사이의 일정한 제1레벨로 유지되며, 그런 다음 음의 바이어스 전압은 -70V와 -150V 사이의 제2레벨까지 증가되고, 이들 전압은 상부 기능층(30)의 증착을 위해 일정하게 유지되며, 이 때 제2레벨은 제1레벨보다 높은 것을 특징으로 하는
성형 도구 또는 성형 기구의 기판 표면을 코팅하는 방법.
제12항에 있어서,
음의 바이어스 전압은 제2중간층(42) 내에서 점진적으로 증가하는 것을 특징으로 하는
성형 도구 또는 성형 기구의 기판 표면을 코팅하는 방법.
제12항 또는 제13항에 있어서,
아세틸렌을 포함하는 공정 가스가 중간층(43) 및/또는 상부층(30)의 형성에 사용되는 것을 특징으로 하는
성형 도구 또는 성형 기구의 기판 표면을 코팅하는 방법.
제14항에 있어서,
아세틸렌의 유동은 중간층(43)의 증착으로부터 상부층(30)의 최외곽 표면의 증착으로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 하는
성형 도구 또는 성형 기구의 기판 표면을 코팅하는 방법.