KR20200107737A

KR20200107737A - Dlc코팅부재의 표면처리방법

Info

Publication number: KR20200107737A
Application number: KR1020190115811A
Authority: KR
Inventors: 케이지 마세; 쇼조 이시바시; 유스케 콘도
Original assignee: 후지 세이사쿠쇼 가부시키가이샤
Priority date: 2019-03-06
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2020-09-16
Also published as: KR102308453B1; US11618127B2; JP2020142322A; CN111660206A; JP6773342B2; CN111660206B; US20200282515A1

Abstract

본 발명은 다음과 같은 구성을 가진다:
모재 표면에 코팅된 DLC필름을 가지는 DLC코팅부재를 처리대상으로 하고; 1 μm 에서 20 μm의 평균입경(D50)과 10 s/m이상의 공기중 낙하시간을 갖는 실질적으로 구체인 분사입자를 상기 DLC코팅부재의 상기 DLC필름 표면에 0.01 MPa 에서 0.7 MPa의 분사압력으로 분사하며; 상기 모재를 노출시키지 않고 상기 홈들의 총 투영면적이 처리영역의 50%이상이 되도록 상기 DLC필름의 표면에 상기 홈들을 형성하고; 0.01 μm 에서 0.1 μm의 산술평균높이(Sa)와 0.4 이상의 텍스쳐-아스팩트 비(texture aspect ratio/Str)를 갖도록 상기 DLC필름을 가공하는 것을 특징으로 하는 DLC코팅부재의 표면처리방법에 관한 것이다.

Description

DLC코팅부재의 표면처리방법{METHOD FOR SURFACE TREATMENT OF DLC COATED MEMBER}

본 발명은 다이아몬드상 카본(DLC:Diamond Like Carbon) 필름으로 코팅된 부재의 표면처리방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 다수의 미세한 홈들(dimples)을 형성하여 DLC코팅부재의 DLC필름 표면에 작용하는 습동저항(sliding resistance) 감소와 같은 효과를 보이는 DLC코팅부재의 표면처리방법에 관한 것이다.

DLC는 비결정질(amorphous)의 경질 탄소로 경도가 높고 내마모성이 훌륭하며, 마찰계수가 낮고 다른 물질이 달라붙는 것을 방지하는 성질 또한 가지고 있다. 따라서, 절삭공구의 칼날, 습동부재(sliding member)의 습동면(sliding surface) 및 금형의 구멍(cavity) 내면을 DLC필름으로 코팅하는 것은 내마모성 및 습동성(slidability)을 개선하거나 이형성(demoldability)을 개선하는 등 표면개선을 위하여 사용되는 방법이다.

이에 따라, DLC필름으로 코팅된 DLC코팅부재는 이미 낮은 마찰계수와 훌륭한 내마모성은 물론이고, 훌륭한 이형성 등의 효과를 가지고 있다. 그러나 그러한 DLC코팅부재의 마찰계수를 낮추고 내마모성을 올리며 이형성을 향상시키는 등 한층 더 개선하고자 기름 저장소 등과 같은 기능을 갖는 다수의 미세한 홈들을 DLC필름 표면에 형성하는 것이 제안되고 있다.

그러한 홈들을 형성하는 방법으로는, 예를 들어, DLC필름을 제작하기에 앞서, 모재(base material)의 표면에 홈들이 될 요부를 형성해두고, 모재의 표면에 DLC필름을 형성함으로써 모재에 형성되어 있던 홈들이 DLC필름의 표면에도 나타날 수 있도록 하는 것도 제안되고 있다.

그러나 이 방법은 DLC필름의 필름두께가 모재에 형성된 요부 안쪽의 그늘진 부분에서는 얇게 되고 돌출부에서는 두꺼워지는 등 필름의 품질이 일정하지 않게 되는 결과를 초래하였다. 여기서 더 나아가, DLC필름 상의 홈들의 형태가 모재에 형성된 요부 및 돌출부를 정확하게 반영하지 못하는 문제점도 발생하였다. 이는 이러한 형태 변화 등을 감안하면서 모재의 요부와 돌출부를 형성해야하기 때문에 DLC필름 상에서 의도한 형태의 홈들을 형성하기 위해서는 경험과 감각이 필요하다는 것을 의미한다.

이에 따라, 모재 측에 요부를 형성하지 않고, DLC필름 상에 직접 홈들을 형성하는 방법들도 제안되고 있다.

그러한 방법들 중에는, DLC필름을 형성하는 과정과 동시에 홈들을 형성하는 방법이 있고, 일단 DLC필름을 먼저 형성한 후에 차후에 홈들을 형성하는 방법도 있다.

상기 방법들 중, DLC필름을 제작하는 공정과 동시에 홈들을 형성하는 방법은 일본특허출원공개공보(이후로 JP-A로 표기함) 2004-339564에 공개된 것에 따르면, 이 방법은 DLC필름 형성과정에서 모재 측에 적용되는 바이어스 전압을 조정하는 방식의 언밸런스드 마그네트론 스퍼터링(Unbalanced magnetron sputtering)을 이용하여 얻어지는 DLC필름 표면에 미세한 홈들이 형성되는 것을 가능케 한다. (JP-A 2004-339564의 청구항 4 및 5).

또한 JP-A 2006-38000에 공개된 것으로, DLC필름을 제작한 후, 플라즈마 식각(plasma etching), 집속이온빔 또는 레이저 가공을 이용한 차후 공정을 통하여 홈들을 형성하는 방법이 있다. 또한 JP-A 2005-193390에 공개된 것으로, 집속이온빔을 이용하여 DLC 코팅을 부분적으로 제거하여 홈들을 형성하는 방법도 있다. (JP-A 2006-38000의 청구항 4 및 6 등 그리고 JP-A 2005-193390의 청구항 4).

나아가, JP-A 2010-126419에 공개된 것으로, DLC필름 형성 후 차후에 홈들을 형성하는 또 다른 방법으로서 아래에 설명하도록 한다. 이 방법에서는 세라믹(ceramic) 재질 등과 같은 세밀한 입자를 DLC 필름 표면에 고속으로 분사하여, 그로부터 미세하게 박리하여 하부층과 중간층을 형성하고 있는 기질 (substrate)의 표면을 노출시킨다(JP-A 2010-126419의 문단 [0016]) (DLC코팅부재에 미세입자를 충돌시켜 홈들을 구성하는 것은 국제특허공개 WO 2017/169303에서도 언급되고 있으며 아래에서 설명하고 있다.).

비록 DLC코팅부재의 표면처리에 대한 것은 아니지만, 본 발명의 출원인은 부드러운 재질과 단단한 재질을 함께 구성하는 금속 물체의 표면에 연속적으로 균일한 나노결정 조직을 구성하기 위한 금속 물체의 표면처리방법에 관하여 이미 특허출원을 한 바 있다. 이 방법에서는 1 μm 에서 20 μm의 평균입경(D50)과 10 s/m이상의 공기중 낙하시간을 갖는 실질적으로 구체인 분사입자를 금속 물체에 0.05 MPa 에서 0.5 MPa의 분사압력으로 분사하여, 상기 금속 물체의 표면을 따라 표면으로부터 일정한 깊이까지의 범위를 300 nm 이하의 평균결정입경을 갖는 나노결정으로 미세화하여 연속적으로 균일한 나노결정 조직을 형성함과 동시에 금속 물체의 표면에 압축잔류응력을 부여한다.(JP-A 2017-206761의 청구항 1 등).

일본특허출원공개공보 공개번호 2004-339564 일본특허출원공개공보 공개번호 2006-38000 국제특허출원공개공보 공개번호 WO 2017/169303

상기 설명한 DLC필름 상에 홈들을 형성하기 위한 방법 중에서도, JP-A 2004-339564에서 묘사된 것과 같이 DLC필름을 형성하는 과정에서 홈들을 형성하는 방법이 DLC필름을 파괴하거나 손상시키지 않고 홈들을 형성할 수 있다는 관점에서 보면 훌륭하다고 할 수 있다.

하지만 DLC필름형성이 언밸런스드 마그네트론 스퍼터링 방법에 한정되어 있다는 것이다. 언밸런스드 마그네트론 스퍼터링 방법에서는, 형성되는 DLC필름의 평활도, 견고함 등과 같은 기계적 특성이 기질에 적용되는 바이어스 전압을 바꿈으로써 조정되는 것이다. 그러므로 JP-A 2004-339564에서 묘사된 것과 같이 일정한 범위(150 V 에서 600 V) 내로 바이어스 전압을 제한하여 DLC 표면에 요부를 형성하는 방법에서는, 거기서 얻어지는 DLC필름의 기계적 특성 또한 제한적이고, 더 나아가 DLC필름 상에 원하는 사이즈의 요부를 형성하기 위하여 조정작업 등의 조건 또한 까다롭다.

그에 반해, DLC필름이 이미 형성된 후에 형성된 DLC필름의 일부를 제거하여 홈들을 형성하는 방법에서는, 언밸런스드 마그네트론 스퍼터링 방법에 한정되지 않고, 그 이상의 방법, 예를들어, 일반 마그네트론 스퍼터링(밸런스드 마그네트론 스퍼터링(balanced magnetron sputtering)), 진공 아크(arc) 증착, 플라즈마 CVD 등과 같은 다양한 방법으로 형성된 각종 DLC필름에도 홈들을 형성하는 것이 가능하며, DLC필름의 형성방법에도 제한이 없다.

특히, JP-A 2010-126419 및 국제특허공개 WO 2017/169303에서 묘사된 것과 같이, 미세 입자를 투사하여 홈들을 형성하는 방법에서는, 공기분사식 등의 분사장치(JP-A 2010-126419의 문단 [0027]), 즉, 분사가공기(blasting apparatus)를 이용(국제공개공보WO 2017/169303의 문단 [0076])하여 홈들을 형성할 수 있다. 그렇기에 JP-A 2006-38000의 플라즈마 식각, 집속이온빔 또는 레이저 가공을 통해 DLC필름을 제거하여 홈들을 형성하거나 JP-A 2005-193390의 집속이온빔을 통해 DLC 필름을 제거하는 방법들보다 간단한 장치 구성으로 홈들을 형성할 수 있기 때문에 낮은 비용으로 처리가 가능하다.

그러나 이미 형성된 DLC필름을 미세하게 제거하거나 박리하여 홈들을 형성하는 구성, 즉, DLC필름을 손상시켜 홈들을 구성하기 때문에, DLC필름의 홈들이 생성되는 부분에서 의도하지 않은 균열이나 박리가 일어나기 쉽다.

그 점을 고려하여 JP-A 2010-126419에서는 미세입자를 분사하여 홈들을 형성하는 방법에 대한 것인데, 홈들이 차지하는 총 면적율이 전체 표면의 10%가 넘지 않아야 하고 또 이 범위를 벗어나서 홈들을 형성할 경우, DLC필름의 박리가 쉽게 일어난다고 기재되어 있다(JP-A 2005-193390의 문단 [0016], [0017]).

결과적으로 이 방법으로는 홈들을 이용하여 습동성 향상을 충분히 보여줄만한 면적율(예를 들어, 50% 이상)로 홈들을 형성할 수 없다.

여기서, DLC필름은 얇은 필름두께와 높은 응력으로 인하여 충격에 매우 취약하기 때문에 강한 충격이 가해질 경우 쉽게 부서지고 박리된다는 것은 통상의 기술자에게 잘 알려져 있는 사실이다. 그러므로 JP-A 2010-126419에서는 DLC필름의 그러한 특성을 이용하여 DLC필름에서 미세입자에 의해 충격을 받는 부분에 부분적으로 박리가 일어나도록 함으로써 홈들을 형성한다.

이를 위하여 이 방법에서는, 상기에서 언급한 바와 같이, 부분적인 박리라고도 말할 수 있는 손상을 DLC필름에 가하는 가공을 통하여 홈들을 형성한다. 결과적으로 이렇게 형성된 홈들의 면적율은 어쩔 수 없는 한계에 부딪힌다.

한편, 이미 알려진 분사가공기 등을 이용하여 비교적 저렴하게 홈들을 형성할 수 있다는 관점에서 보면 미세입자를 분사하여 홈들을 형성하는 방법은 훌륭하다고 할 수 있다.

그러므로 본 발명의 목적은, 미세입자로 충격을 가하여 비교적 간단하게 홈들을 형성할 수 있는 한편, DLC필름의 부분박리나 그에 따른 모재의 노출이 일어나지 않으면서 DLC필름 표면에 홈들을 형성할 수 있기에 총 투영면적이 처리영역의 50%이상이 되도록 홈들을 형성할 수 있으며, 그로 인해 높은 습동성 향상 등과 같은 기능을 부여할 수 있는 DLC코팅부재의 표면처리방법을 제공하는데 있다.

상기 목표를 달성하기 위하여 본 발명의 DLC코팅부재의 표면처리방법은 다음과 같은 구성을 가진다:

모재 표면에 코팅된 DLC필름을 가지는 DLC코팅부재를 처리대상으로 하고; 1 μm 에서 20 μm의 평균입경(D50)과 10 s/m이상의 공기중 낙하시간을 갖는 실질적으로 구체인 분사입자를 상기 DLC코팅부재의 상기 DLC필름 표면에 0.01 MPa 에서 0.7 MPa의 분사압력으로 분사하며; 상기 모재를 노출시키지 않고 상기 홈들의 총 투영면적이 처리영역의 50% 이상이 되도록 상기 DLC필름의 표면에 홈들을 형성하고; 0.01 μm 에서 0.1 μm의 산술평균높이(Sa)와 0.4 이상의 텍스쳐-아스펙트 비(Str;texture aspect ratio)를 갖도록 DLC필름을 가공하는 것을 특징으로 한다.

상기 DLC코팅부재의 표면처리방법에 있어서, 상기 분사입자의 분사속도가 80 m/s이상인 것을 특징으로 한다.

상기 DLC코팅부재의 표면처리방법에 있어서, 표면 거칠기(Ra)가 0.1 μm 이하가 되도록 평탄화된 상기 모재의 표면에 DLC필름을 형성하는 DLC코팅부재를 상기 처리대상으로 하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 설명한 본 발명의 DLC코팅부재의 표면처리방법은 하기와 같은 현저한 효과를 가질 수 있었다.

즉, 같은 방식으로 미세입자를 분사하고 DLC필름에 충격을 가하여 홈들을 형성하는 종래의 표면처리 방법에서는(JP-A 2010-126419), 모재를 노출시키기 위하여 부분적으로 파괴하거나 박리하여 DLC필름에 홈들을 형성한다. 그러나 본 발명의 표면처리 방법에서는, 부분적으로 파괴하여 모재를 노출시켜 DLC필름 표면에 홈들을 형성하였다. 그에 반해, 본 발명의 표면처리방법에서는, DLC필름의 부분적 파괴에 따른 균열이나 모재의 노출을 수반하지 않고 DLC필름의 표면에 홈들을 형성하는 것이 가능했다.

그 결과, 본 발명의 방법에서는, 총 투영면적이 처리영역의 50% 이상으로 처리대상영역의 표면에 홈들을 형성한 경우라고 하더라도, 사용중 DLC필름의 박리 등을 방지할 수 있었다.

이와 같이, 본 발명의 표면처리방법이 DLC필름의 손상이나 박리를 수반하지 않고 홈들을 형성하는 메커니즘이 절대적으로 분명하다 할 순 없으나, 본 발명의 방법에서 이용되는 분사입자는 1 μm 에서 20 μm의 평균입경(D50)을 가질 정도로 작고 10 s/m이상의 공기중 낙하시간을 가질 정도로 질량도 작기에 DLC필름 표면에 충격이 가해질 때의 응력이 충격부분에 국부적으로 집중됨과 동시에 표면 주변에도 집중되어 모재의 접촉면까지 닿지 않는다.

한편, 상기 규정한 분사입자는 기류를 타고 이동시키기 용이하며, 기류의 속력에 가깝게 날릴 수도 있다. 비교적 낮은 0.01 MPa의 분사압력으로 분사해도, 분사노즐 안에서 흐르는 기류의 속도에 가깝게, 예를 들어, 80m/s 이상 고속으로 분사할 수 있다.

이런식으로, 충격을 가할 때 응력이 국부적으로 집중되어 더 깊은 부분(모재와의 접촉면)까지 닿지 않게 하여 DLC필름의 박리를 예방할 수 있는 한편, 고속으로 투사함으로써 높은 충격 에너지가 얻어진다. 상기 미세입자가 충돌할 때의 에너지에 의하여 DLC필름의 밀도가 올라가고, 충격에 의하여 구조파괴와 재구성이 동시에 발생하여, DLC필름에 파손이나 박리가 생기지 않고 모재의 노출도 없이 홈들을 생성하는 것이 가능하다고 생각할 수 있다.

본 발명의 목표와 효과는 하기 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명을 통하여 명확해지며, 다음과 같은 도면을 수반한다:
도1은 미처리된 DLC코팅부재(비교예1)의 표면 요철 형태를 레이저 현미경으로 관측한 것을 보이는 도이다.
도2는 본 발명의 표면처리방법으로 처리된 DLC코팅부재(실시예1)의 표면 요철 형태를 레이저 현미경으로 관측한 것을 보이는 도이다.
도3a 및 도3b는 금형표면의 전자 현미경 사진이며, 도3a는 미처리(비교예1)된 경우를 보이는 도이며, 도3b는 본 발명의 표면처리방법으로 처리(실시예1)된 것을 보이는 도이다.

본 발명의 대표적인 실시예에 대한 설명은 하기와 같다.

처리 대상 물품

본 발명의 표면처리 방법에 의한 처리 대상은 표면이 DLC필름으로 코팅되어 있고, 또 기름저장소, 공기저장소, 이형제저장소 등의 습동성 향상과 이형성(離型性) 향상 등의 효과를 얻기 위하여 표면에 홈들이 형성된다. 처리 대상은, 예를 들어, 절삭공구의 칼날, 베어링, 축(shaft)과 같은 습동부재의 습동면, 각종 금형의 금형 표면 등과 같이, DLC필름이 형성되어 있고 상기 DLC필름 표면에 홈들을 형성할 수 있다면 어떤 종류의 DLC코팅부재라도 가능하다. 상기 DLC코팅부재는 전체적으로 DLC로 코팅된 부재에 한정되지 않고, 일부분만 DLC로 코팅되어 있어도 가능하다.

처리대상이 되는 상기 DLC코팅부재의 모재는 DLC필름을 형성할 수 있는 재질이라면 특별히 제한은 없다. 처리대상이 되는 재질의 예로써, 세라믹제 재질은 물론이고, 초경합금(cemented carbide), 냉간금형용강(cold-worked die steel), 고속도 공구강(high speed tool steel), 스테인리스강(stainless steel) 등과 같은 다양한 금속제 재질도 가능하다.

처리대상 부재의 표면에 바탕층을 형성한 후 상기 바탕층의 표면에 DLC필름을 코팅하는 경우, 상기 바탕층이 본 발명에서 말하는 모재가 된다.

처리대상으로써의 상기 DLC코팅부재는 모재가 0.1 μm 이하의 표면거칠기(Ra)를 갖도록 연마하여 경면(鏡面)처리하고 그 위에 DLC필름을 형성하는 것이 바람직하다. 이는, 만약 표면거칠기가 0.1 μm를 초과하면, 요철의 끝단부가 파상의 원인이 되기 쉬워, 본 발명에 의하여 처리할 때 박리가 일어나기 쉬워진다.

처리대상이 되는 DLC코팅부재에 있어서, DLC필름을 형성하는 방법이나 형성되는 DLC필름의 종류에는 특별한 제한은 없다. 본 발명의 처리대상이 되는 DLC필름은 진공 아크(arc) 증착법을 이용하여 형성된 사면체 비결정 탄소(ta-C;Tetrahedral Amorphous Carbon)라 불리는 고경도 무수소 DLC필름이 될 수도 있고, 스퍼터링(sputtering) 방법 등에 의하여 형성된 비결정 탄소(a-C;Amorphous Carbon)라 불리는 저경도 무수소 DLC필름으로 할 수도 있으며, 플라즈마 CVD 방법 등에 의하여 형성된 수소화된 비결정 탄소(a-C:H;Hydrogenated Amorphous Carbon)라 불리는 수소를 포함한 DLC필름(그중에서도 비교적 높은 경도를 지닌 것은 수소화된 사면체 비결정 탄소(ta-C:H;Hydrogenated Tetrahedral Amorphous Carbon)라 불린다.)으로 할 수도 있다. 또한 본 발명의 처리대상은 다이아몬드 구조(SP3 결합), 흑연구조(SP2 결합) 또는 그들의 혼합구조로 형성된 DLC필름을 처리대상으로 할 수 있다. 상기 DLC필름의 필름두께는 0.5 μm에서 2.0 μm이다.

표면처리

상기 DLC코팅부재 표면에서 홈들을 형성하고자 하는 영역에 실질적으로 구체인 분사입자를 분사하여 충격을 가한다.

상기 표면처리를 실행할 때 이용되는 분사입자, 분사장치 및 분사조건의 예는 하기에서 설명한다.

(1) 분사입자

본 발명의 표면처리방법에서 사용되는 실질적으로 구체인 분사입자에 있어서, “실질적으로 구체”라고 함은 엄밀하게 “구체”일 필요는 없고 일반적인 “발사체(shot)"도 사용 가능하다. 입자가 타원형이나 통(barrel)형과 같은 각이 없는 어떠한 형태라도 본 발명에서 사용하는 "실질적으로 구체인 분사입자"에 해당한다.

분사입자에 사용되는 재질은 금속제 재질과 세라믹제 재질 둘 다 사용할 수 있다. 금속제 분사입자에 사용되는 재질의 예로는 강철(steel), 고속도 공구강(HSS) (SKH), 스테인레스강(SUS), 철크롬보론(FeCrB) 등이 포함된다. 세라믹제 분사입자에 사용되는 재질의 예로는 알루미나(Al₂O₃), 지르코니아(ZrO₂), 지르콘(ZrSiO₄), 탄화규소(SiC), 유리 등이 포함된다.

사용되는 상기 분사입자의 입경은 1 μm 에서 20 μm의 범위에서 평균입경(D50)을 가지는 것을 사용한다.

“평균입경(D50)"이란, 누적질량 50%에 해당하는 지름, 즉, 어떤 입자경을 기준으로 입자 집합을 두 개로 나누었을　때, 더 큰 입자경을 갖는 입자 집합의 전체 질량이 더 작은 입자경을 갖는 입자 집합의 전체 질량과 같아지게 되는 지름을 일컫는다. JIS R 6001 (1987)에서 말하는 “누적치 50% 포인트의 입자경”과 같은 의미이다. 이 평균입경은 레이저 회절법(回折法)으로 측정하는 것이 가능하다.

1 μm 에서 20 μm의 평균입경을 갖는 미세 분말 분사입자에 대하여, 상기 분사입자의 재질 밀도를 선택하여 공기 중에서 긴 낙하시간을 갖는(공기중에서 부유하는) 특성을 상기 분사입자에 부여할 수 있다. 그런 특성을 갖는 분사입자는 쉽게 기류를 타고 기류가 흐르는 속도와 비슷한 속도로 날릴 수 있다.

본 발명의 표면처리방법에서 사용되어야 할 분사입자는 정체된 공기 중에서 10 s/m 이상의 낙하시간을 가져야 한다. 이는 분사가공기의 분사노즐에서 분사되는 기류의 흐르는 속도와 실질적으로 같은 속도로 분사입자를 분사하는 것을 가능하도록 했다.

상기 낙하속도에 대하여, 입자경이 같다면 상기 분사입자를 구성하는 재질의 밀도가 낮아질수록, 낙하시간이 길어진다. 7.85의 상대밀도를 갖는 금속계 분사입자의 경우, 입자경이 20 μm일 때 낙하시간이 10.6 s/m이고, 입자경이 10 μm일 때, 낙하시간이 41.7 s/m이다. 3.2의 상대밀도를 갖는 세라믹계 분사입자의 경우, 입자경이 20 μm일 때 낙하시간이 26.3 s/m이고, 입자경이 10 μm일 때 낙하시간이 100 s/m이다.

(2) 분사장치

처리할 영역의 표면에 상기 분사입자를 분사하기 위한 분사장치로써, 압축기체와 함께 연마재를 분사하는, 일반에 알려진 분사가공기를 사용해도 된다.

압축공기를 분사하여 생성되는 부압(負壓:negative pressure)을 이용하여 연마재를 분사하는 흡입(suction)식 분사가공기, 연마재를 연마재 탱크로부터 낙하시켜 압축공기에 실어 분사시키는 중력식 분사가공기, 연마재로 채운 연마재 탱크에 압축기체를 유입시키고 연마재 탱크에서 나오는 연마재 흐름과 별도의 압축기체 공급원에서 나오는 압축기체 흐름을 합류시켜 연마재를 분사시키는 직압(direct pressure)식 분사가공기, 상기 직압식 분사가공기에서 나온 압축기체의 흐름에 송풍장치(blower unit)에서 발생하는 기체흐름을 합류시켜 분사하는 송풍(blower)식 분사가공기 등과 같은 분사가공기(blasting apparatus)는 시중에서 구입할 수 있다. 상기 분사가공기 중 어떤 것이든 상기 분사 입자를 분사하는데 사용할 수 있다.

(3) 처리 조건

상기 설명한 재질 중 하나 또는 그와 같은 재질로 이루어지고 1 μm 에서 20 μm 사이의 평균입경(D50)과 공기 중에서 10 s/m 이상의 낙하시간을 가지는 실질적으로 구체인 분사입자를 0.01 MPa에서 0.7 MPa 사이의 분사압력으로 상기 DLC코팅부재에 분사하여 모재를 노출시키지 않고 홈들을 형성한다.

홈들의 총 투영면적이 처리영역의 50%이상이 될 때까지 DLC필름 표면에 상기 분사입자의 분사를 실시한다. 본 명세서에서 “투영면적”이라 함은 상기 홈들의 외곽 면적을 의미한다.

나아가, 처리 후 DLC 표면의 표면 거칠기가 ISO 25178에서 규정하는 0.01 μm 에서 0.1 μm의 범위에 들어가는 산술평균높이(Sa)가 되도록 상기 분사입자를 분사한다.

더 나아가, ISO 25178 규정한 텍스쳐-아스팩트 비(Str;texture aspect ratio)가 0.4 이상이 되도록 이를 실행하여 DLC필름의 표면이 무방향성이 되도록 한다.

작용 등

상기 설명한 본 발명의 표면처리방법으로 DLC필름이 박리되지 않고 그에 따라 모재를 노출시키지 않으며 총 투영면적이 처리영역의 50%이상이 되도록 미세한 홈들을 DLC필름 상에 형성할 수 있었다.

그 결과, 본 발명의 방법으로 처리할 경우, 상기 DLC필름 표면 상에 미세한 홈들이 형성된 상기 DLC코팅부재와 상대측 부재 사이의 접촉면이 줄어들기 때문에 슬라이딩 시 발생하는 저항력을 감소시킬 수 있었다.

또한, 본 발명의 방법으로 형성된 상기 DLC코팅부재 표면의 요철형태는 완만한 요부와 돌출부가 지배적으로 형성되어 있는 형태인데, 이는 요부와 돌출부의 경사 각도가 작아지고, 돌출부에 작용하는 마찰력도 감소시킬 수 있었다.

나아가, 얕고 지름이 작은 홈들이 형성되어, 슬라이딩 시 상기 DLC필름의 표면 위로 형성되는 공기층을 통하여 공기 윤활효과가 발생하기 때문에, 습동성을 향상시킬 수 있다.

더 나아가, 형성된 홈들은 기름저장소로써 기능할 수 있어, 습동부(sliding portion)에 윤활유를 적용하든 적용하지 않든 어느 경우라도 습동성을 향상시킬 수 있었다.

실시예

다음으로, 본 발명의 방법으로 표면처리를 한 DLC코팅부재와 미처리한 DLC코팅부재에 대하여 비교실험 후 결과를 하기에 서술한다.

형태 분석 레이저 현미경(VK-X250, 키엔스 주식회사 제조)으로 3000배의 측정배율로 거칠기를 측정하였고 이는 하기에서 설명하도록 한다. 이 분석 결과를 기초로 얻어진 형태를 상기 레이저 현미경에 적용가능한 분석 소프트웨어(멀티파일 분석 응용프로그램(Multi-File Analysis Application) VK-H1MX)를 사용하여 계산하였다.

실험예: 알루미늄 캔 성형용 드로우 금형(aluminum-can-forming draw die)

(1) 실험 방법

본 발명의 표면처리가 실시된 알루미늄 캔 성형용 드로우 금형과 미처리 알루미늄 캔 성형용 드로우 금형을 각각 사용하여 10,000개의 알루미늄 캔을 제조하였다. 그 캔들을 제조한 후, 알루미늄 캔 성형용 드로우 금형 표면으로부터의 DLC필름 박리 상태와 알루미늄 응착 상태(凝着狀態)를 각각 육안으로 평가하였다.

(2) 실시예 및 비교예

모재의 표면을 0.02 μm 이하의 Ra로 랩(lap)연마한 후, 모재 표면에 0.5 μm의 필름두께를 갖는 DLC필름을 형성하여 초경합금 알루미늄 캔 성형용 드로우 금형을 준비한다. 하기 표1에 나타난 조건 하에서 상기 금형 표면에 본 발명의 표면처리 방법이 실시된 초경합금 알루미늄 캔 성형용 드로우 금형(실시예1 내지 3)과 미처리된 초경합금 알루미늄 캔 성형용 드로우 금형(비교예1)을 각각 사용하여 알루미늄 캔을 제조하였다.

실시예1 내지 3 및 비교예1

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1
분사 장치	주식회사 후지 제작소가 제조한 LDQ-3	주식회사 후지 제작소가 제조한 SFK-2	주식회사 후지 제작소가 제조한 FDQ-3	미처리
분사 방식	송풍 방식	흡입 방식	직압 방식
분사입자 평균입경 (μm)	지르코니아 16	알루미나 10	합금강 4
분사 압력 (MPa)	0.03	0.1	0.3
분사속도 (m/s)	80 m/s 이상	80 m/s이상	80 m/s이상
산술평균높이(Sa)	0.03 μm	0.04 μm	0.06 μm	0.01 μm
홈들의 깊이 (μm)	0.2 μm 이하	0.2 μm	0.4 μm	0 μm
텍스쳐-아스팩트 비(Texture aspect ratio/Str)	0.44	0.51	0.54	0.16

(3) 평가 결과

측정을 위하여 상기 레이저 현미경(VK-X250, 키엔스 주식회사 제조)을 사용하였고, 각 금형 표면의 요철 형태는 도1(미처리: 비교예 1)과 도2(본 발명의 표면처리: 실시예 1)에 표현되어 있다.

상기 각각의 금형 표면을 촬영한 전자현미경 사진은, 미처리(비교예1)는 도3a에, 본 발명의 표면처리(실시예1)는 도3b에 표현되어 있다.

실시예1 내지 3의 알루미늄 캔 성형용 드로우 금형과 비교예1의 알루미늄 캔 성형용 드로우 금형에서 알루미늄캔을 제조한 후의 DLC필름 박리 상태와 알루미늄 응착 상태를 육안으로 확인한 결과를 아래의 표2에 나타내었다.

DLC필름 박리 상태와 알루미늄 응착 상태의 확인 결과

	실시예1	실시예2	실시예3	비교예1
DLC필름의 박리	없음	없음	없음	일부박리
알루미늄 응착	극소	극소	소	대

도1에 나타난 미처리 금형(비교예1) 표면과의 비교에서 알 수 있듯이, 도2에 나타난 본 발명의 표면처리방법 대상인 금형에서 홈들이 형성된 것을 확인할 수 있다.

상기 홈들은 0.5 μm의 필름 두께에 대하여 0.2 μm 이하의 깊이를 가지며 형성되기 때문에 본 발명의 표면처리방법은 금형의 모재를 노출시키지 않고 DLC코팅부재의 표면에 홈을 형성할 수 있다. 이는, DLC필름을 국부적으로 박리시키는 경우처럼 홈들의 형성위치를 기점으로 하여 DLC필름이 박리되는 것을 방지하는 것이 가능하도록 되어 있다.

나아가, 도2 및 도3b에서 확인할 수 있듯이, 본 말명의 표면처리방법으로 홈들을 형성한 금형의 표면 형태는 비교적 완만한 요부와 돌출부가 지배적으로 형성되어 있어 슬라이딩 시 돌출부에 작용하는 마찰력 감소를 얻을 수 있다.

그 결과, 본 발명의 표면처리 방법이 적용되지 않은 알루미늄 캔 성형용 드로우 금형(비교예1)은 알루미늄 캔을 제조한 후 DLC필름의 부분적 박리와 비교적 대량의 알루미늄 응착이 발생한 것에 비하여 본 발명의 표면처리 방법이 적용된 알루미늄 캔 성형용 드로우 금형(실시예1 내지 3)은 DLC필름의 박리는 확인되지 않았고 극소량 또는 소량의 알루미늄 응착이 있었다. 그러므로 본 발명의 표면처리방법으로 표면처리를 실시하면, 미처리된 DLC코팅부재와 비교하여 기계적 특성이 향상되었음이 확인되었다.

실험예2: 프로파일 펀치(Profile Punch)

(1) 실험 방법

본 발명의 표면처리방법으로 처리된 프로파일 펀치와 미처리 프로파일 펀치를 각각 사용하여 전자부품재료(황동재질)를 15,000번 다이컷(die-cut)하였다. 그리고 사용 후 프로파일 펀치 표면으로부터의 DLC필름 박리 상태를 육안으로 평가하였다.

(2) 실시예 및 비교예

모재의 표면을 0.02 μm 이하의 Ra로 랩(lap)연마한 후, 거기에 1.5 μm의 필름두께를 갖는 DLC필름을 형성하여 초경합금 프로파일 펀치를 준비한다. 하기 표3에 나타난 조건 하에서 표면에 본 발명의 표면처리 방법이 실시된 초경합금 프로파일 펀치(실시예 4 내지 6)와 미처리된 초경합금 프로파일 펀치(비교예2)를 각각 사용하였다.

실시예4 내지 6과 비교예2

	실시예4	실시예5	실시예6	비교예2
분사 장치	주식회사 후지 제작소가 제조한 SFK-2	주식회사 후지 제작소가 제조한 LDQ-3	주식회사 후지 제작소가 제조한 FDQ-3	미처리
분사 방식	흡입 방식	송풍 방식	직압 방식
분사입자 평균입경 (μm)	지르코니아 15	지르콘 5	유리 3
분사 압력 (MPa)	0.1	0.06	0.04
분사속도 (m/s)	80 m/s 이상	80 m/s 이상	80 m/s 이상
산술평균높이(Sa)	0.04 μm	0.02 μm	0.56 μm	0.01 μm
홈들의 깊이 (μm)	0.2 μm 이하	0.15 μm 이하	0.5 μm 이하	0 μm
텍스쳐-아스팩트 비(Texture aspect ratio (Str))	0.61	0.45	0.54	0.14

(3) 평가 결과

실시예4 내지 6의 프로파일 펀치와 비교예2의 프로파일 펀치에 대한 DLC필름 박리 상태와 알루미늄 응착 상태를 육안으로 확인한 결과를 아래의 표4에 나타내었다.

DLC필름 박리 상태

	실시예4	실시예5	실시예6	비교예2
DLC필름의 박리	없음	없음	없음	펀치의 끝단부에서 박리

상기 결과를 통하여, 본 발명의 표면처리 방법으로 처리되지 않은 프로파일 펀치(비교예 2)는 전자부품재료를 잘라낸 후 끝단부에서 DLC필름이 박리된 것을 확인하였다.

이에 반해, 본 발명의 표면처리방법으로 처리된 프로파일 펀치의 경우, 프로파일 펀치의 끝단부는 물론이고 그 어느 부분에서도 DLC필름의 박리는 확인되지 않았다. 이를 통하여 본 발명의 표면처리 방법으로 표면처리를 실행하면, 미처리된 DLC코팅부재와 비교했을 때, 프로파일 펀치의 기계적 특성을 향상시킨다는 것을 확인하였다.

실험예 3: 부품 이송용 레일

(1) 실험 방법

본 발명의 표면처리가 실시된 부품 이송용 레일(실시예7)과 미처리 부품 이송용 레일(비교예3)을 각각 사용하여 부품을 이송시켰고, 이송중 이송부품의 걸림 유무를 각각 육안으로 확인하였다.

(2) 실시예 및 비교예

모재의 표면을 0.02 μm 이하의 Ra로 랩(lap)연마한 후, 모재 표면에 1.5 μm의 필름두께를 갖는 DLC필름을 형성한 SUS 304제 부품 이송용 레일을 준비한다. 하기 표5에 나타난 조건 하에서 표면에 본 발명의 표면처리 방법이 실시된 부품 이송용 레일(실시예 7)과 미처리된 부품 이송용 레일(비교예3)을 각각 사용하여 부품을 이송하였다.

실시예7 및 비교예3

	실시예7	비교예3
분사 장치	주식회사 후지 제작소가 제조한 SFK-2	미처리
분사 방식	흡입 방식
분사입자 평균입경 (μm)	합금강 15
분사 압력 (MPa)	0.2
분사속도 (m/s)	80 m/s 이상
산술평균높이(Sa)	0.03 μm	0.01 μm
홈(dimples) 깊이 (μm)	0.2 μm 이하	0 μm
텍스쳐-아스팩트 비(Texture aspect ratio (Str))	0.48	0.14

(3) 평가 결과

실시예7의 부품 이송용 레일과 비교예3의 부품 이송용 레일에서 이송 부품의 걸림 상태를 육안으로 확인한 결과를 아래의 표6에 나타내었다.

이송부품의 걸림

	실시예 7	비교예 3
이송부품의 걸림	없음	있음

상기 결과를 통하여, 본 발명의 표면처리 방법으로 처리되지 않은 부품 이송용 레일(비교예 3)에서는 이송부품의 걸림이 발생함을 확인하였다. 이 부분에서 걸림이 생긴 것은 DLC필름에 균열이나 박리가 발생한 것이라고 생각할 수 있다.

이에 반해, 본 발명의 표면처리방법으로 처리된 부품 이송용 레일 (실시예 7)의 경우, 이송부품의 걸림이 확인되지 않았고, DLC필름에 균열이나 박리가 일어나지 않았으며, 양호한 습동성을 발휘하였음을 확인하였다.

다음에 명시할 가장 넓은 청구범위는 특정 방법으로 구성된 기계에 한정하지 않는다. 대신, 상기 가장 넓은 청구범위는 선구적인 본 발명의 핵심 또는 본질을 보호하는데 의의가 있다. 본 발명은 확실히 새롭고 유용하다. 나아가, 전체적으로 감안하여 선행기술을 보았을 때, 이것이 만들어질 때의 통상의 사용자가 용이하게 창안해낼 수 없었다.

또한, 본 발명의 혁신성에 비추어 볼 때, 이는 분명히 선구적인 발명이다. 일반적으로, 법률에 따라, 다음에 명시할 청구범위는 본 발명의 핵심을 보호하기 위하여 매우 넓은 해석을 할 필요가 있다.

상기에서 제시하였거나 상기 상세한 설명에서 밝힌 목표들은 효율적으로 얻어질 수 있는 것이고, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 특정 변화를 만들어 낼 수 있기 때문에, 상기 상세한 설명이나 상기 도면에 나타난 모든 내용들은 제한하는 개념이 아닌 단순 실시예를 의미한 것으로 보아야할 것이다.

또한, 다음의 청구범위는 상기 설명한 발명의 포괄 및 특정 특성을 모두 포함하고, 본 발명의 범위 내의 모든 내용은, 언어의 문제로써, 그 범위에 해당하는 것으로 이해해야 할 것이다.

이렇게 본 발명이 설명되었다;

Claims

모재 표면에 코팅된 DLC필름을 가지는 DLC코팅부재를 처리대상으로 하되;
1 μm 에서 20 μm의 평균입경(D50)과 10 s/m이상의 공기중 낙하시간을 갖는 실질적으로 구체인 분사입자를 상기 DLC코팅부재의 상기 DLC필름 표면에 0.01 MPa 에서 0.7 MPa의 분사압력으로 분사하며;
상기 모재를 노출시키지 않고 상기 홈들의 총 투영면적이 처리영역의 50%이상이 되도록 상기 DLC필름의 표면에 상기 홈들을 형성하고;
0.01 μm 에서 0.1 μm의 산술평균높이(Sa)와 0.4 이상의 텍스쳐-아스팩트 비(texture aspect ratio/Str)를 갖도록 상기 DLC필름을 가공하는 것을 특징으로 하는 DLC코팅부재의 표면처리방법.
청구항 1항에 있어서, 상기 분사입자의 분사속도가 80 m/s이상인 것을 특징으로 하는 DLC코팅부재의 표면처리방법.
청구항 1항 또는 2항에 있어서, 표면 거칠기가 0.1 μm 이하가 되도록 평활화된 상기 모재의 표면에 상기 DLC필름을 형성하는 DLC코팅부재를 상기 처리대상으로 하는 것을 특징으로 하는 DLC코팅부재의 표면처리방법.