KR20220012873A - 성능이 향상되고 수명이 연장된 코팅된 성형 툴 - Google Patents

성능이 향상되고 수명이 연장된 코팅된 성형 툴 Download PDF

Info

Publication number
KR20220012873A
KR20220012873A KR1020217040805A KR20217040805A KR20220012873A KR 20220012873 A KR20220012873 A KR 20220012873A KR 1020217040805 A KR1020217040805 A KR 1020217040805A KR 20217040805 A KR20217040805 A KR 20217040805A KR 20220012873 A KR20220012873 A KR 20220012873A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
coating
aluminum
coated
forming tool
Prior art date
Application number
KR1020217040805A
Other languages
English (en)
Inventor
유에르겐 크루메노이어
로빈 세드락
Original Assignee
오를리콘 서피스 솔루션스 아크티엔게젤샤프트, 페피콘
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 오를리콘 서피스 솔루션스 아크티엔게젤샤프트, 페피콘 filed Critical 오를리콘 서피스 솔루션스 아크티엔게젤샤프트, 페피콘
Publication of KR20220012873A publication Critical patent/KR20220012873A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0664—Carbonitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/34—Nitrides
    • C23C16/345—Silicon nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641—Nitrides
    • C23C14/0652—Silicon nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/36—Carbonitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/044—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material coatings specially adapted for cutting tools or wear applications
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/04—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material
    • C23C28/046—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings of inorganic non-metallic material with at least one amorphous inorganic material layer, e.g. DLC, a-C:H, a-C:Me, the layer being doped or not
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/40—Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition
    • C23C28/44—Coatings including alternating layers following a pattern, a periodic or defined repetition characterized by a measurable physical property of the alternating layer or system, e.g. thickness, density, hardness
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24—Nitriding

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)

Abstract

하나 이상의 층으로 형성된 코팅(2)으로 피복된 기재 표면(1)을 구비하는 기재(10)를 포함하는, 플라스틱 재료 또는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 재료의 가공을 위한 코팅된 성형 툴로서, 상기 코팅은 원자 백분율로 50 < a+b+c ≤ 100, 0 ≤ d < 60, 바람직하게는 0 ≤ d < 50인 SiaCbNcXd에 상응하는 원소 조성을 갖는 Si-C-N-계 층(3)을 포함하되, X는 수소, 산소, 티타늄, 크롬 및/또는 알루미늄 원소들에서 선택된 하나 이상의 원소인 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴.

Description

성능이 향상되고 수명이 연장된 코팅된 성형 툴
본 발명은 플라스틱 가공 또는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 가공에 특히 유리한 코팅된 성형 툴에 관한 것이다. 이러한 처리 공정은 예를 들어 플라스틱 사출 성형 및 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 다이 캐스팅을 포함할 수 있다. 본 발명의 코팅된 성형 툴은 당 업계에 공지된 코팅된 성형 툴과 비교하여 더 나은 성능 및 현저하게 증가된 사용 수명을 달성할 수 있게 한다.
본 발명의 맥락에서 "성형 툴(forming tool)"이라는 용어는, 가공 대상 소재와 접촉하도록 의도된 예를 들어 플라스틱 가공 공정에서 플라스틱 재료와 접촉되도록 의도되고, 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 가공 공정에서 알루미늄(또는 알루미늄 합금 재료)과 접촉하도록 의도되는 표면을 구비하는, 몰드 또는 몰드의 부품을 포함하는 모든 종류의 성형 툴 또는 성형 툴의 부품을 지칭하는 것으로 이해되어야 한다.
성형 툴의 성능을 개선하기 위해 성형 툴에 코팅을 사용하는 것은 이미 알려져 있다.
잡지 "Blasformen & Extrusionswerkzeuge" 2008년 6월호에 게재된 "압출: 부식 및 마모를 방지하는 코팅된 철 표면(Beschichtete DCisenoberflachen vermeiden Korrosion und Verschleiss)" 기사에서 플라스틱 압출용 노즐 표면에 적용된 화학적 니켈 코팅은 다른 코팅에 비해 내식 및 내마모성 측면에서 상당한 이점을 제공한다고 보고 되었다.
이러한 화학적 니켈 코팅의 가장 중요한 장점 중 하나는, 코팅 대상 툴 또는 부품의 표면 위에서 윤곽선에 맞게 적층될 수 있다는 것이다. 이러한 코팅은 보어 홀과 함몰부의 복잡한 형상을 균일하게 코팅할 수 있어야 한다. 이러한 코팅을 증착하는 동안 공정 온도는 최대 90℃에 이른다. 또한 화학적 니켈 코팅을 사용하여 얻은 사용 수명이 크롬 도금으로 생산된 코팅을 사용할 때와 비교하여 최소 2배 더 긴 것으로 보고 되었다. 또한, 블로우 몰드에서 백색 폴리프로필렌(PP) 유형의 플라스틱 제품을 제거하는 동안 발생하는 일반적인 문제는, 이러한 종류의 화학적 니켈 코팅, 특히 "Chemisch-Nickel-PTFE"라는 코팅을 사용하여 방지할 수 있다고 보고 되었다.
2015년 9월 22일 전문매체 MaschinenMarkt 홈페이지에 게재된 Stephane Itasse의 "사출 성형 툴의 수명을 10배 증가시키는 혁신적인 코팅(Neuartige Beschichtung verzehnfacht Standzeit von Spritzgiesswerkzeug)" 기사에서, 다이 캐스팅 몰드를 코팅하는 데에 Oerlikon Balzers사의 코팅 발리닛 A(Balinit A)를 사용하였고, 이 코팅으로 수명을 10배 늘릴 수 있었다는 것이 보고 되었다.
그러나 생산성, 경제성 및 제조공정 신뢰성에 대한 증가하는 요구에 따른 매우 높은 시급성을 충족시키기 위해서는 새로운 솔루션을 제공할 것이 필요하다.
본 발명의 목적은 성형 공정, 바람직하게는 플라스틱 가공 공정 및/또는 알루미늄 가공 공정에서 생산성, 경제성 및 제조 공정 신뢰성을 증가시키기 위한 솔루션을 제공하는 것이다. 이 솔루션은 해당 가공 공정에서 사용되는 성형 툴의 사용 수명을 상당히 증가시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은 실리콘, 탄소 및 질소를 주성분으로 포함하는 Si-C-N-계 층을 포함하는 코팅으로 피복된 기재 표면을 포함하는 성형 툴, 특히 기재를 제공함으로써 달성된다.
본 발명에 따른 층의 원소 조성은 다음과 같이 표현될 수 있다:
50 < a+b+c < 100, 0 ≤ d < 60, 바람직하게는 0 ≤ d < 50을 갖는 SiaCbNcXd로, 여기서 X는 H, O; Ti, Cr, Al로 구성된 원소 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소일 수 있다. 0 ≤ d < 55이면 바람직한 실시형태가 될 수 있고, 0 ≤ d < 50이면 더욱 바람직한 실시형태가 될 수 있으며, 0 ≤ d < 45이면 더욱 바람직한 실시형태가 될 수 있으며, 또는 0 ≤ d < 40인 경우라면 보다 바람직한 실시형태가 될 수 있다.
바람직하게는 X는 수소, 또는 산소, 또는 수소 및 산소를 포함한다.
바람직하게는 X는 티타늄 또는 크롬 또는 알루미늄, 또는 티타늄, 크롬 및/또는 알루미늄의 조합을 포함한다.
바람직한 실시형태에서, 본 발명에 따른 층의 원소 조성은 SiaCbNcYeZf로 표현될 수 있다. 바람직하게는 d = e + f이다. 바람직하게는 Y는 수소, 산소, 티타늄, 크롬 또는 알루미늄을 포함한다. 바람직하게는 Z는 수소, 산소, 티타늄, 크롬 또는 알루미늄을 포함한다. 바람직하게는 SiaCbNcYeZf는 수소 및 산소를 포함한다.
바람직한 실시형태에 따르면 X는 원소 H 및 O에 대응한다.
또한, Ti, Cr 및/또는 Al과 같은 금속 원자로 Si-C-N-계 층(실리콘 탄질화물 계열 층(silicon carbonitride based layer))을 도핑함으로써, 코팅 물성 측면에서 추가적인 이점을 얻을 수 있다. 이들 금속 원소는 예를 들어 TiCl4, AlCr3 및/또는 금속 유기 전구체와 같은 전형적인 CVD 전구체를 사용하여 코팅에 포함될 수 있다.
바람직한 실시형태에서 60 < a+b+c ≤ 100, 0 ≤ d < 60인 원소 조성 SiaCbNcXd를 갖는 본 발명의 Si-C-N-계 층을 사용함으로써 특히 우수한 결과를 얻을 수 있다. 0 ≤ d < 55이면 바람직한 실시형태가 될 수 있고, 0 ≤ d < 50이면 더 바람직한 실시형태가 될 수 있고, 0 ≤ d < 45이면 더욱 바람직한 실시형태가 될 수 있으며, 0 ≤ d < 40이면 더 바람직한 실시형태가 될 수 있다.
본 발명을 더 자세히 설명하기 위해 본 발명의 바람직한 실시형태들과 몇 가지 예를 설명한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일부 예 및 바람직한 실시형태를 이해하는 데 도움이 되어야 한다.
본 발명의 아래의 설명에 기재된 바람직한 실시형태 및 예는 본 발명의 제한으로서 이해되어서는 안 되며, 본 발명의 더 나은 이해를 위한 쇼케이스로서 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 성형 툴의 기재(10)의 기재 표면(1) 상에 적층된 코팅 시스템의 구조를 개략적으로 도시하는데, 여기서 코팅(2)은 기재 표면(1) 상에 단층으로서 적층된다. 즉 코팅(2)은 단 하나의 층으로 형성되며, 이 층은 Si-C-N-계 층(3)이다.
도 2는 본 발명에 따른 성형 툴의 기재(10)의 기재 표면(1) 상에 적층된 본 발명의 다른 실시형태에서의 코팅 시스템의 구조를 개략적으로 도시한다. 여기서 코팅(2)은 기재 표면 상에 다층 즉 두 층 이상으로 적층된다. Si-C-N-계 층이 최상층으로 적층되고, 기재 표면(1)과 Si-C-N-계 층(3) 사이에 경질 박막 층(5)이 적층된다.
도 3은 본 발명에 따른 성형 툴의 기재(10)의 기재 표면(1) 상에 적층된 본 발명의 다른 실시형태에서의 코팅 시스템의 구조를 개략적으로 도시한다. 여기서, 코팅(2)은 기판 표면 상에 다층 즉 두 층 이상으로 적층된다.　 Si-C-N-계 층(3)이 상부 층으로서 적층되고, 기재(10)는 질화물 층(4)을 포함하고, 질화물 층(4)은 바람직하게는 기재 표면(1)을 형성하고, 경질 박막 층(5)이 질화물 층(4)과 Si-C-N-계 층(3) 사이에 적층된다.
도 4는 본 발명에 따른 성형 툴의 기재(10)의 기재 표면(1) 상에 적층된 본 발명의 다른 실시형태에서의 코팅 시스템의 구조를 개략적으로 도시한다. 여기서 코팅(2)은 접착 층(6) 위에 다층으로서 적층된다. 기재(10)는 질화물 층(4)을 포함하고, 질화물 층(4)은 바람직하게는 기재 표면(1)을 형성하고, 접착 층(6)은 위에서 언급한 바와 같이 바람직하게는 기재 표면(1)을 포함하는 질화물 층(4) 상에 적층되고, 여기서 Si-C-N-계 층(3)이 상부 층으로 적층되고, 경질 박막 층(5)이 접착 층(6)과 Si-C-N-계 층(3) 사이에 적층된다.
본 발명자들은 Si-C-N-계 층(3)이 코팅(2)의 최외각 층으로 증착되는 경우, 성형 툴, 특히 플라스틱 가공 공정 및 알루미늄 가공 공정에서 성능 및 사용 수명의 특히 우수한 개선이 달성될 수 있음을 발견했다.
본 발명의 Si-C-N-계 층(3)은 바람직하게는 다음을 나타내도록 적층된다.
- 비정질 층 구조, 및/또는
- 액적 없음(액적은 물리적 기상 증착(PVD) 공정에 의해, 특히 여과되지 않은 아크 증발 증착 공정을 사용하여 증착되는 코팅에서 일반적으로 형성됨) 및/또는
- 높은 내식성.
바람직하게는 본 발명의 Si-C-N-계 층(3)은 상기 나열된 모든 특성을 동시에 나타낸다.
본 발명의 Si-C-N-계 층(3)을 코팅(2)의 최상층으로서 증착함으로써, 다음과 같은 추가적인 이점을 추가로 달성하는 것이 가능하다.
- 가공 중인 플라스틱 재료와 접촉하는 동안 성형 툴 재료의 화학 반응이 없고(비활성), 및/또는
- 성형 툴 재료가 가공 중에 용융 플라스틱에 달라붙는 경향 감소한다.
본 발명의 바람직한 제1 실시형태에 따르면, 코팅(2)은 단 하나의 Si-C-N-계 층(3)으로 이루어진다. 이 경우, Si-C-N-계 층(3)은 도 1에 도시된 바와 같이 기재 표면(1) 상에 직접 증착될 수 있다. 기재 표면(1)에 대한 코팅(2)의 접착성을 개선하기 위해, 코팅(2)을 구성하는 Si-C-N-계 층(3)과 기재 표면(1) 사이에 접착 층(6)이 추가로 증착될 수 있다면 더 유리할 수 있다.
이 제1 실시형태에 따른 성형 툴에 본 발명의 코팅을 제공함으로써(예를 들어, 도 1 참조) 다음과 같은 이점이 달성된다.
- 플라스틱 재료와 접촉하는 동안 불활성(화학 반응 없음), 및/또는
- 성형 툴(예를 들어, 열처리 가능한 냉간 가공 공구강 1.2311 및 1.2312; 열간 가공 공구강 1.2343 및 1.2344와 같은 경화 공구강; 열처리 가능한 강 1.7735, 1.8519 및 1.8550과 같은 템퍼링 강) 제조에 사용된 저합금 벌크 재료(예를 들어, 크롬 < 5 중량%)에 비해 개선된 내식성.
바람직하게는, 제1 실시형태는 위에 열거된 모든 이점을 동시에 달성한다.
본 발명의 추가의 바람직한 제2 실시형태에 따르면, 코팅(2)은 2개 이상의 층을 포함하는 다층 구조를 갖도록 증착되며, 여기서 층들 중 하나는 최외각 층, 바람직하게는 도 2에 도시된 바와 같이 상층으로 증착된 Si-C-N-계 층(3)이다. 이 경우, 다층 구조의 제1 층(5)은 도 2에 도시된 것처럼 기재 표면(1)에 직접 증착될 수 있다. 도 2에 도시된 경우에서, 층(5)은 기재 표면(1)과 Si-C-N-계 층(3) 사이에 증착된다. 이 실시형태에서 코팅(2)을 구성하는 다층 구조의 제1 층(5)과 기재 표면(1) 사이에 기재 표면(1)에 대한 코팅(2)의 접착을 개선하기 위해 사용되는 접착 층(6)(도 2에 도시되지 않음)이 증착되는 것이 유리할 수 있다.
이 제2 실시형태에 따른 성형 툴에 본 발명의 코팅을 제공함으로써(예를 들어, 도 2 참조) 다음과 같은 이점이 달성된다.
- 플라스틱 재료와 접촉하는 동안 불활성(화학 반응 없음), 및/또는
- 성형 툴(위의 일반적인 성형 툴 재료의 예시들을 참조) 제조에 사용되는 저합금 벌크 재료(예를 들어, 크롬 < 5 중량%)에 비해 개선된 내식성, 및/또는
- 코팅(2)을 형성하는 다층 구조에 경질 코팅 층(예를 들어, 금속 질화물 층)을 포함함으로써, 예를 들어 코팅(2)의 제1 층(5)으로서 PVD-증착된 질화물 층을 포함함으로써 증가된 총 코팅 경도, 및/또는
- 플라스틱의 경질 입자에 대한 단위 면적당 접촉 압력의 향상.
바람직하게는 제2 실시형태는 상기 나열된 모든 이점을 동시에 달성한다.
"향상된 접촉 압력(improved contact pressure)"이라는 용어를 더 잘 이해하기 위해, 다음 예를 설명한다.
제1 층(5)을 사용할 때, 제1 층(5)이 상부 층(3)(Si-C-N-계 층(3))보다 더 경하고, 두께가 5㎛보다 두껍고, 바람직하게는 10㎛보다 더 두꺼우면, 상부 층(3)이 지지된다. 플라스틱에서 예를 들어 경질 입자이다. 코팅된 성형 툴에서 플라스틱을 성형함으로써, 특히 상부 층(3) 아래에 지지체가 존재하지 않고 특히 벌크 재료의 표면 경도가 예를 들어 550 HV 표면 경도보다 크지 않다면, 상부 층(3) 내에서 플라스틱의 경질 입자들이 부스러질 수 있는 위험이 존재한다. 제1 층(5) 및 바람직하게는 기재 표면(1)의 추가의 질화물 층(4)을 사용하면(도 3 및/또는 도 4 및 바람직하게는 후술되는 본 발명의 제3 실시형태 참조), 예를 들어 플라스틱 성형에서 경질 입자와 관련하여 단위 면적당 접촉 압력이 개선될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 제3 실시형태에 따르면, 질화물 층(4)이 기재 표면(1)을 포함하도록 질화물 층(4)이 기재(10)의 표면에 형성되는 방식으로 기재 표면(1)이 처리된다. 이 방식으로, 코팅(2)이 기재 표면(1)을 포함하는 질화물 층(4) 상에 증착된다(도 3에 도시된 바와 같이). 코팅(2)이 기재 표면(1)을 포함하는 질화물 층(4) 상에 증착되는 접착 층(6) 상에 증착되는 것이 유리할 수 있다(도 4에 도시된 바와 같이). 도 4에 도시된 접착 층 구조는 유용하고 유망한 것으로 보인다.
이 제3 실시형태(예를 들어, 도 3 또는 도 4 참조)에 따른 성형 툴 상에 본 발명의 코팅을 제공함으로써 다음과 같은 이점이 달성된다.
- 플라스틱의 경질 입자에 대한 단위 면적당 접촉 압력에 대한 추가 개선(도 2에 작성된 실시형태와 비교하여 더 높은 접촉 압력), 및/또는
- 일반적으로 코팅의 경도보다 상당히 낮은 경도(예를 들어, 강 경도 ≤ 550HV)를 갖는 강인 성형 툴 기재 재료에 대한 코팅의 더 나은 지지 효과를 제공함으로써 기재-코팅 시스템의 개선된 기계적 안정성, 및 /또는
- 고온에서 향상된 기계적 강도(500℃까지 질화물 층(4)에서 긍정적인 기계적 물성의 손실이 없으며, 500℃ 작동 온도에서도 높은 경도가 유지됨), 및/또는
- 개선된 균열 거동/확장. 벌크 내로의 균열 전파가 개선됨. 균열은 표면의 질소 저장과 관련하여 유도된 내부 응력으로 인해 야기되는 균열이 주로 질화물 층(4)에서 바람직하게는 질화 깊이의 끝에서 멈춘다. 상부 층(3) 및 제1 층(5)은 바람직하게는 표면에 평행하게 크랙을 채널링하고, 기재를 보호한다)
바람직하게는 제3 실시형태는 위에 열거된 모든 이점을 동시에 달성한다.
본 발명자들은 놀랍게도 전술한 바람직한 제3 실시형태(도 3 및/또는 도 4 참조)에 따라 코팅 또는 처리 및 코팅된 성형 툴이, 적어도 하나의 Si-C-N-계 최외각 층(3)과 기판 표면(1) 사이에 증착된 적어도 하나의 내식성 층(예를 들어, 우수한 내식성을 나타내는 경질 박막 층(5))을 포함하는 코팅(2)을 적층함으로써, 사용 수명을 더 상당히 증가시킬 수 있다는 것을 알게 되었다(내식성 층(5)이 예를 들어 Si-C-N-계 최외각 층(3)과 접착 층(6) 사이에 또는 Si-C-N-계 층(3)과 기재 표면(1)을 포함하는 질화물 층(4) 사이에 증착되는 경우에 따라).
경질 박막 층(5)은 바람직하게는 금속 질화물 층(metal nitride layer) 또는 금속 산화물 층(metal oxide layer) 또는 금속 산질화물층(metal oxynitride layer) 또는 금속 카르복시질화물 층(metal carboxynitride layer) 또는 금속 탄질화물 층(metal carbonitride layer)이다. 경질 박막 층(5)은 화학식 Me(CvNyOz)q에 상응하는 원자 백분율의 화학 조성을 갖는 것이 바람직한데, 여기서 Me는 크롬, 알루미늄, 티타늄, 바나듐 및 몰리브덴으로 구성된 원소 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소이고, 탄소, 질소 및 산소 각각의 원자 분률 v, y 및 z는 0 ≤ v ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 , v+y+z = 1이고, 금속 원소 Me 1몰에 대한 비금속 원소 C, N 및 0의 몰 농도 q는, 0.76 ≤ q ≤ 1.2이다.
내식 층은 바람직하게는 크롬 질화물 층 또는 크롬 질화물계 층이다. 본 발명의 본 설명의 맥락에서, 크롬 질화물계 층은 크롬 질화물을 함유하는 층이며, 여기서 크롬 질화물계 층의 크롬 함량과 질소 함량의 합은 크롬 질화물계 층에 존재하는 모든 원소를 고려할 때 원자 백분율로 50%를 초과하여 구성한다. 본 발명의 맥락에서 내식 층으로 사용되는 크롬 질화물 층 또는 크롬 질화물계 층은 단층 구조 또는 다층 구조를 나타내도록 수행될 수 있다. 바람직한 실시형태에 따르면, 내식성 층은 다층 구조를 나타내는 크롬 질화물 층으로서 수행되며, 여기서 다층 구조는 적어도 2개의 유형의 크롬 질화물 층, 바람직하게는 2개의 상이한 유형의 크롬 질화물 층, 예를 들어 제1 유형의 크롬질화물 층 및 제2 유형의 크롬질화물 층을 포함하고, 두 가지 유형의 크롬질화물 층 중 하나는 다른 것보다 더 많은 질소를 포함하고, 상이한 유형의 층들은 서로 교대로 증착된다.
내식성 층을 포함하는 실시형태의 바람직한 변형에 따르면, Si-C-N-계 층(3)이 내식성 층 위에 직접 증착된다.
내식성 층을 포함하는 실시형태의 바람직한 변형에 따르면, 내식성 층은 기재 표면(1) 상에 직접 증착되거나 또는 기재 표면(1)을 포함하는 질화물 층(4) 상에 직접 증착된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 확산 원소로서 질소 및 탄소를 갖는 열화학 기반 확산 층이 내식성 층으로 사용될 수 있다.
열화학 기반 확산 층이 내식성 층으로 사용되고, 스테인리스 또는 마르텐사이트 강이 기재 재료로 사용되는 바람직한 실시형태의 한 예:
● 오스테나이트 및 비부식성 마르텐사이트 강의 처리의 경우, 열화학 기반 확산 층을 생성하기 위한 바람직한 변형은 저온 질화 또는 저온 연질화 또는 침탄이다(이 맥락에서 저온은 예를 들어 360℃에서 460℃ 사이의 온도이다). 확산 원소 N와 C는 저온에서 질소 팽창 오스테나이트와 마르텐사이트를 생성하여 공식 부식을 개선한다.
● 위에서 언급한 열화학 기반 확산 층 위에 Si-C-N-계 층(3)을 포함하면 다음과 같은 개선 사항이 달성된다.
　　　　　　　　o 내식성의 추가 개선 및/또는
　　　　　　　　o 플라스틱 재료의 경질 입자에 관한 단위 면적당 접촉 압력 개선(질화 구역의 높은 경도 > 550HV로 인해 발생), 및/또는
　　　　　　　　o 바람직하게는 코팅보다 훨씬 더 낮은 경도를 갖는 강 기재와 비교하여 열기계 기반 확산 층 상에 제공된 코팅(예를 들어, Si-C-N-계 층(3))에 더 나은 지지를 제공함으로써 개선된 기계적 안정성.
열화학 기반 확산 층이 내식성 층으로 사용되고, 열처리 가능한 강, 탄소강, 표면 경화 강, 질화 강 또는 열간 가공 강이 기재 재료로 사용되는 바람직한 실시형태의 다른 예:
● 이러한 저합금강의 처리를 위해 열화학 기반 확산 층을 생성하기 위한 선호되는 변형은 Fe(N, C)-질화물 층 바람직하게는 엡실론-질화물 층을 내식 보호 층으로 사용한 연질화(nitrocarburizing), 또는 부식 방지 층으로 복합재 엡실론-질화물로 후산화를 통한 연질화이다. Si-C-N 층은 바람직하게는 엡실론 질화물 복합재 상에 직접 증착된다. 선택적으로는 부식 방지 층으로 마그네타이트만 사용된다.
● 위에서 언급한 열화학 기반 확산 층 위에 Si-C-N-계 층(3)을 포함하면 다음과 같은 개선 사항이 달성된다.
　　　　　　　　o 내식성의 추가 개선 및/또는
　　　　　　　　o 플라스틱 재료의 경질 입자에 대한 단위 면적당 접촉 압력 개선(질화 구역의 높은 경도 > 550HV로 인해 발생), 및/또는
　　　　　　　　o 바람직하게는 코팅보다 훨씬 더 낮은 경도를 갖는 강 기재와 비교하여 열기계 기반 확산 층 상에 제공된 코팅(예를 들어, Si-C-N 기반 층)에 더 나은 지지를 제공함으로써 개선된 기계적 안정성, 및/또는
　　　　　　　　o 고온에서의 기계적 강도 향상 및/또는
　　　　　　　　o 개선된 균열 거동/연장(질화 층이 표면 영역에 저장된 질소에 의해 생성된 유도된 내부 응력에 의해 균열 전파를 중단시키는 이점에 의해 벌크 재료로의 균열 전파 개선) 및/또는
　　　　　　　　o 성형 툴 재료가 용융 플라스틱 및 알루미늄 및 구리와 같은 비철금속에 달라붙는 경향의 감소.
바람직하게는 위에서 언급한 실시형태가 위에 나열된 모든 개선을 동시에 달성한다. 본 발명자들은, 플라즈마 개선 화학적 기상 증착(PE-CVD) 기술(이들 기술은 플라즈마 보조 화학적 기상 증착(PA-CVD) 기술로도 알려져 있음)은 특히 툴 성능과 사용 수명을 개선하는 데 유용하다는 것을 알게 되었다.
본 발명의 Si-C-N 층(3)의 PE-CVD 증착을 위해, Si 및 C를 포함하는 가스가 사용될 수 있다. 예를 들어, 기체 상태의 헥사메틸디실록산(FIMDSO)이 전구체로 사용될 수 있고, 기체 상태의 질소는 Si-C-N-계 층을 형성하기 위한 반응성 기체로 사용될 수 있다. 이러한 방식으로 증착된 Si-C-N 층은 특히 낮은 표면 거칠기를 나타낸다. 예를 들어, 기재 표면(1)이 코팅 전에 산술 평균 거칠기 Ra = 0.01㎛를 나타내는 일 예에서, 코팅 후에 얻어진 산술 평균 거칠기는, 전술한 바와 같이 PE-CVD를 사용하여 8㎛의 총 층 두께를 갖는 Si-C-N-계 층(3)을 제조한, 도 1에 도시된 바와 같은 구조를 나타내는 본 발명의 코팅으로 Ra = 0.04㎛이었다. 기재 표면(1)이 코팅 전에 산술 평균 거칠기 Ra = 0.01㎛를 나타내는 다른 예에서, 상기와 같이 PE-CVD법을 이용하여 Si-C-N-계 층(3)을 총 층 두께 2 내지 3㎛로 제조한 도 1에 도시된 바와 같은 구조를 나타내는 본 발명의 코팅으로 Ra = 0.02 내지 0.03㎛ 이었다.
그러나 본 발명의 Si-C-N 층의 증착은 상기 언급된 방법으로 제한되지 않는다. Si-C-N 층은 PVD 방법이나 반응성 PVD 방법으로도 증착할 수 있다. 예를 들면,
- 아르곤 함유 분위기 또는 질소-아르곤 함유 분위기에서 실리콘, 탄소 및 질소를 포함하는 타겟의 스퍼터링에 의하거나,
- 질소 함유 분위기에서 실리콘 및 탄소를 포함하는 타겟의 스퍼터링 또는 아크 증발에 의해.
그러나 상기 언급된 모든 방법은 본 발명의 Si-C-N 층의 증착에 사용될 수 있는 방법의 제한이 아니라 예로서 이해되어야 한다.
성형 툴의 더 나은 성능을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 코팅 또는 처리 및 코팅된 성형 툴은 바람직하게는 원하는 표면 품질을 달성하기 위해 후처리될 수 있다. 이와 관련하여 몇 가지 적절한 후처리는 예를 들어 다음과 같다.
- 1200 이하의 연마 입자로 연마, 및/또는
- 유리 비드 블라스팅 및/또는
- 다이아몬드 페이스트로 폴리싱.
본 발명에 따른 성형 툴의 성능 및 수명을 개선하기 위해 사용되는 코팅 시스템의 구조 및 요소 구성의 선택은 다음에 따라 선택될 수 있다.
- 플라스틱 가공 작업의 유형 및/또는 가공할 플라스틱 재료의 유형,
또는
- 알루미늄 가공 작업의 유형 및/또는 가공할 알루미늄 합금의 유형.
본 발명의 실시 예 1:
원도우 프로파일의 압출을 위한 습식 보정용 캘리버(caliber)를 기재로 사용했다.
사용된 기재 재료는 열간 가공 공구강 1.2311 및 1.2316이었다.
본 발명에 따른 코팅 공정을 수행하기 위한 진공 코팅 장치의 코팅 챔버 내부에 기판을 도입하였다. 두 개의 층, 즉 질화크롬의 제1 층(5)과 Si-C-N-계 층(3)인 제2 층을 포함하는 기판 위에 코팅이 증착되었다. 제1 층(5)은 가공 대상 재료와 접촉하는 캘리버의 표면 위에 직접 증착되었다. Si-C-N-계 층(3)과 접촉하는 접촉 재료는 폴리염화비닐(PVC)이었다.
크롬 질화물 층(이하 CrN-층이라고도 함)은 바람직하게는 반응성 음극 아크 증발 유형의 물리적 기상 증착(PVD) 기술을 사용하여 증착되었다. 경질 재료 코팅(크롬 질화물)은 바람직하게는 PVD 시스템(Arc PVD 또는 Magnetron PVD 시스템)에서 수행된다. 제1 층(5)의 증착을 위해, 크롬 타겟을 질소 함유 분위기 및 바이어스 전압, 바람직하게는 적어도 50V의 바이어스 전압, 바람직하게는 최대 300V의 바이어스 전압, 바람직하게는 50 내지 300V의 바이어스 전압에서 증발되어, 캘리버에 적용되었다.
제1 층(5)(이 예에서 반응성 음극 아크 PVD에 의해 증착된 크롬 질화물 층)의 증착 전 및 증착 동안 다음 공정 단계를 수행하였다:
1. 고진공으로 배기
2. 400℃까지의 열복사에 의한 가열
3. 아르곤 이온/금속 이온 충격에 의한 스퍼터 세정
4. 크롬 타겟을 반응성 음극 아크 증발 공정에서 음극으로 작동하고, 이 단계 동안 질소 아르곤 가스 혼합물 흐름을 공정/반응 가스로 사용하고 기재에 바이어스 전압을 인가한다.
제2 층(3)은 PE-CVD를 이용하여 최외각 층으로 증착하였다. 제2 층(3)의 증착은 바람직하게는 플라즈마 질화 시스템에서 수행된다. 제2 층 증착을 위해, 기체 상태의 HMDSO를 전구체로 사용하고 질소 가스를 코팅 챔버에 도입하고, 증착 온도(증착 공정 중 코팅되는 기재 표면의 온도)를 360℃ 바람직하게는 380℃ 및 450℃, 바람직하게는 480℃ 사이의 값으로 유지하였다.
제1 층(5)의 증착 후 및 제2 층(3)(이 예에서, PE-CVD에 의해 증착된 Si-C-N-계 층)의 증착 동안, 다음의 공정 단계를 수행하였다.
5. 크롬 타겟을 끄고, 코팅 챔버로 들어가는 가스 흐름을 정지시키고, 코팅 챔버에서 진공을 끌어낸다.
6. 코팅 챔버에 수소, 질소 및 아르곤 가스 혼합물 흐름(H2, N2 및 Ar 가스 혼합물 흐름)을 도입한다.
7. 기재의 BIAS 전압을 500V 내지 600V 범위의 값까지 증가시켜 기재(샘플 또는 성형 툴) 위에 직접 글로우 방전을 켠다.
8. HMDSO용 증기 증발기를 켜고 H2, N2 및 Ar 가스 혼합물 흐름에 5% HMDSO를 주입한다.
이러한 방식으로 증착된 제2 층은, SiaCbNcXd 유형의 Si-C-N-계 층(3)으로 되는데, 여기서 X는 수소(H) 및 산소(O) 원소이고, 계수 d는 원자 백분율로 Si-C-N-계 층(3)의 H-함량과 O-함량의 합에 대응한다. 따라서, 이러한 유형의 Si-C-N-계 층(3)의 원소 조성은 다음과 같이 표현될 수 있다.
SiaCbNcHd1Od2, 여기서 d1 + d2 = d
이 예의 테스트에서, Si-C-N-계 층의 결과 조성은 구체적으로 다음과 같다.
Si28C29N12H19O12
이 예에서 적층된 CrN 층은 다층 구조 Cr/CrN/Cr/CrN...을 갖고, 6-8㎛의 다층 구조의 층 두께를 가지거나 8-10㎛의 다층 구조의 층 두께를 갖는다(이러한 CrN 층 또는 임의의 다른 종류의 제1 층의 바람직한 두께 범위는 1 내지 10㎛이다).
바람직하게는, 매우 우수한 접착 강도를 갖는 약 8㎛ 초과의 층 두께가 바람직하게는 약 480℃에서 성형 툴의 기재(10) 상에 증착될 수 있다(도 1 참조). 이들 층의 경도는 바람직하게는 5000 HV0.1 정도이다.
약 2㎛ 두께 층의 내식성은 바람직하게는 염수 분무 시험에서 144-188시간이다. 이 바람직한 실시형태의 시험된 구조가 도 1에 설명되어 있다. 더 두꺼운 층의 내식성은 적어도 2㎛ 두께의 층만큼 우수한 것으로 간주되며, 바람직하게는 부식에 대한 저항성이 더 높지만 현재 시험 중에 있다.
다층 구조를 갖는 CrN 층의 바람직한 실시형태에 따르면, 층들의 적층은 바람직하게는 항상 Cr으로 시작하고, 이어서 CrN, 그 다음에는 이들 스택 중 5개가 따라오는 것이 바람직하다. Cr과 CrN의 비율은 1/5인 것이 바람직하다.
이 예에서, Si-C-N-계 층(3)은 1 내지 2㎛의 층 두께를 갖는 것으로 증착되었으며, 이러한 Si-C-N-계 층에 대한 바람직한 두께 범위는 1 내지 10㎛이다.
이렇게 코팅된 캘리버는 48시간 동안 사용한 후에도 부식에 대한 눈에 띄는 징후가 없었다.
본 출원의 근거가 되는 2019년 5월 29일에 출원된 우선권 출원 US 62/853,969호의 설명 및 청구범위는 바람직하게는 본 출원의 통합된 일부를 형성한다.
본 명세서에 설명된 대로, 하나의 주요 목표는 플라스틱 및 알루미늄 가공 산업에서 사용되는 툴에 층들을 증착하는 것이다. 구체적으로, 본 출원에서는 자격 검증을 위해 지금까지 "질화물 층 바로 위의 Si-C-N-계 층"을 360℃ 내지 480℃의 적용 온도 범위에서 조사하였다. PE-CVD 또는 PA-CVD는 Si-C-N 층의 증착에 선호되는 기술일 수 있다. 유리 비드 또는 다이아몬드 페이스트로 층을 처리하는 것이 바람직할 수 있다. 실시형태들 중 하나에서 전술한 바와 같이, 증착 공정이 초기에 2개의 상이한 플랜트에서 수행되는 것이 바람직하며, 여기서 예를 들어 경질 재료 코팅(크롬 질화물)은 PVD 시스템(아크 PVD 또는 마그네트론 PVD)에서 증착되고, 그리고 Si-C-N의 증착은 플라즈마 질화 시스템에서 수행된다. 도 4에 도시되어 있고 위에서 설명한 접착 층 구조가 유용하고 유망할 수 있다.
위에서 그리고 도 1에서 도 4에서 설명한 코팅 시스템은 특히 내부식성, 높은 경도 및 비전도성으로 인한 코팅 시스템의 특성으로 인해 정밀 부품과 관련하여 관심이 가는 분야를 개척할 수 있다. 예를 들어, 특히 본 발명의 Si-C-N-계 층의 전기 절연 특성으로 인해 전자 분야의 금속 부품의 성능을 개선하기 위해서 뿐만 아니라 금속 부품, 스테인리스강 부품 및 주조 부품의 기계가공 성능을 개선하기 위해 사용될 수 있다.
청구항과 상관없이, 다음 항목에 대한 보호도 요청된다.
하나 이상의 층으로 형성된 코팅(2)으로 피복된 기재 표면(1)을 갖는 기재(10)를 포함하는, 플라스틱 재료 또는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 재료의 가공을 위한 코팅된 성형 툴로서, 상기 코팅은 원자 백분율로 50 < a+b+c ≤ 100, 0 ≤ d < 50인 SiaCbNcXd에 상응하는 원소 조성을 갖는 Si-C-N-계 층(3)을 포함하되, X는 금속 원소인 티타늄, 크롬 및 알루미늄뿐만 아니라 비금속 원소인 수소와 산소로 구성된 원소들 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴.
선행 단락에 있어서, 코팅은 둘 이상의 층으로 형성되고, Si-C-N-계 층(3)이 최외각 층으로 증착되는 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴.
선행 단락들 중 어느 한 단락에 있어서, 기재 표면(1)은 질화물 층(4)을 포함하고, 질화물 층(4) 위에 코팅(2)이 증착되는 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴.
선행 단락들 중 어느 한 단락에 있어서, 코팅(2)은 기재 표면(1)과 실리콘 탄질화물 층(3) 사이에 증착된 경질 박막 층(5)을 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴.
선행 단락에 있어서, 경질 박막 층(5)은 금속 질화물 층 또는 금속 산화물 층 또는 금속 산질화물 층 또는 금속 카르복시질화물(carboxynitride) 층 또는 금속 탄질화물 층이고, 상기 층은 원자 백분율로 화학식 Me(CvNyOz)q에 상응하는 화학 조성을 가지되, Me는 크롬, 알루미늄, 티타늄, 바나듐 및 몰리브덴으로 구성된 원소 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소이고, 탄소, 질소 및 산소의 원자 분률 v, y 및 z 각각의 값은 0 ≤ v ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, v+y+z = 1이고, 금속 원소 Me 1몰에 대한 비금속 원소 C, N 및 0의 몰 농도 q는 0.76 ≤ q ≤ 1.2 범위인 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴.
선행 단락들 중 어느 한 단락에 있어서, 기재 표면(1)과 코팅(2) 사이에 접착 층(6)이 증착되는 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴.
선행 단락들 중 어느 한 단락에 있어서, Si-C-N-계 층(3)은 실리콘, 탄소 및 질소 외에 수소 및 산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴.
선행 단락들 중 어느 한 단락에 따른 코팅된 성형 툴의 제조 방법으로, 전구체로서 Si-함유 가스가 사용되는 PE-CVD 기술을 사용하여 실리콘 탄질화물 층(3)이　 증착되는 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴 제조 방법.
선행 단락에 따른 방법에 있어서, 상기 Si-함유 가스는 헥사메틸디실록산(HMDSO)인 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴 제조 방법.
선행하는 두 단락 중 어느 한 단락에 따른 방법에 있어서, 실리콘 탄질화물 층(3)을 증착하기 전에, 위에 기판(10)이 증착되는 기재 표면(1)을 포함하는 질화물 층(4)을 형성하기 위해, 코팅 대상 기재(10)가 플라즈마 질화 공정을 거치는 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴 제조 방법.
선행하는 단락들 중 어느 한 단락에 따른 코팅된 성형 툴을 플라스틱 가공 공정에 사용하는 용도.
선행하는 단락에 있어서, 플라스틱 가공 공정이 플라스틱 사출 성형 공정인 것을 특징으로 하는 용도.
선행하는 단락들 중 어느 한 단락에 따른 코팅된 성형 툴을 알루미늄 또는 알루미늄 합금 가공 공정에 사용하는 용도.
선행 단락에 있어서, 플라스틱 가공 공정이 알루미늄 다이캐스팅 또는 알루미늄 합금 다이캐스팅인 것을 특징으로 하는 용도.

Claims (17)

  1. 하나 이상의 층으로 형성된 코팅(2)으로 피복된 기재 표면(1)을 구비하는 기재(10)를 포함하는, 플라스틱 재료 또는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 재료의 가공을 위한 코팅된 성형 툴로서, 상기 코팅은 원자 백분율로 50 < a+b+c ≤ 100, 0 ≤ d < 60, 바람직하게는 0 ≤ d < 50인 SiaCbNcXd에 상응하는 원소 조성을 갖는 Si-C-N-계 층(3)을 포함하되, X는 수소, 산소, 티타늄, 크롬 및/또는 알루미늄 원소들에서 선택된 하나 이상의 원소인 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴.
  2. 제1항에 있어서, X는 수소, 또는 산소, 또는 수소 및 산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, X는 티타늄, 또는 크롬, 또는 알루미늄, 또는 티타늄, 크롬 및 알루미늄의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴.
  4. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, X는 금속 원소인 티타늄, 크롬 및 알루미늄뿐만 아니라 비금속 원소인 수소 및 산소로 구성된 원소 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소인 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴.
  5. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 코팅은 둘 이상의 층으로 형성되고, Si-C-N-계 층(3)이 최외각 층으로 증착되는 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴.
  6. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 기재 표면(1)은 질화물 층(4)을 포함하고, 질화물 층(4) 위에 코팅(2)이 증착되는 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴.
  7. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 코팅(2)은 기재 표면(1)과 실리콘 탄질화물 층(3) 사이에 증착된 경질 박막 층(5)을 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴.
  8. 제7항에 있어서, 경질 박막 층(5)은 금속 질화물 층 또는 금속 산화물 층 또는 금속 산질화물 층 또는 금속 카르복시질화물 층 또는 금속 탄질화물 층이고, 상기 경질 박막 층(5)은 원자 백분율로 화학식 Me(CvNyOz)q에 상응하는 화학 조성을 가지되, Me는 크롬, 알루미늄, 티타늄, 바나듐 및 몰리브덴으로 구성된 원소 그룹에서 선택된 하나 이상의 원소이고, 탄소, 질소 및 산소의 원자 분률 v, y 및 z 각각의 값은 0 ≤ v ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, v+y+z = 1이고, 금속 원소 Me 1몰에 대한 비금속 원소 C, N 및 0의 몰 농도 q는 0.76 ≤ q ≤ 1.2 범위인 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴.
  9. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 기재 표면(1)과 코팅(2) 사이에 접착 층(6)이 증착되는 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴.
  10. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, Si-C-N-계 층(3)은 실리콘, 탄소 및 질소 외에 수소 및 산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴.
  11. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 따른 코팅된 성형 툴의 제조 방법으로, 전구체로서 Si-함유 가스가 사용되는 PE-CVD 기술을 사용하여 실리콘 탄질화물 층(3)이　 증착되는 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 Si-함유 가스는 헥사메틸디실록산(HMDSO)인 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴 제조 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 실리콘 탄질화물 층(3)을 증착하기 전에, 위에 기판(10)이 증착되는 기재 표면(1)을 포함하는 질화물 층(4)을 형성하기 위해, 코팅 대상 기재(10)가 플라즈마 질화 공정을 거치는 것을 특징으로 하는 코팅된 성형 툴 제조 방법.
  14. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 코팅된 성형 툴을 플라스틱 가공 공정에 사용하는 용도.
  15. 제14항에 있어서, 플라스틱 가공 공정이 플라스틱 사출 성형 공정인 것을 특징으로 하는 용도.
  16. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 코팅된 성형 툴을 알루미늄 또는 알루미늄 합금 가공 공정에 사용하는 용도.
  17. 제16항에 있어서, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 가공 공정이 알루미늄 다이캐스팅 또는 알루미늄 합금 다이캐스팅인 것을 특징으로 하는 용도.
KR1020217040805A 2019-05-29 2020-05-29 성능이 향상되고 수명이 연장된 코팅된 성형 툴 KR20220012873A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201962853969P 2019-05-29 2019-05-29
US62/853,969 2019-05-29
PCT/EP2020/064966 WO2020239976A1 (en) 2019-05-29 2020-05-29 Coated forming tools with enhanced performance and increased service life

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220012873A true KR20220012873A (ko) 2022-02-04

Family

ID=70968948

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217040805A KR20220012873A (ko) 2019-05-29 2020-05-29 성능이 향상되고 수명이 연장된 코팅된 성형 툴

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20220243318A1 (ko)
EP (1) EP3976856A1 (ko)
JP (1) JP2022534753A (ko)
KR (1) KR20220012873A (ko)
CN (1) CN114207177A (ko)
WO (1) WO2020239976A1 (ko)

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DK1009545T3 (da) * 1997-05-13 2011-03-28 Richard Edmund Toth Hårde pulvere med resistent belægning og sintrede genstande heraf
JP3996809B2 (ja) * 2002-07-11 2007-10-24 住友電工ハードメタル株式会社 被覆切削工具
IL182741A (en) * 2007-04-23 2012-03-29 Iscar Ltd Improved coatings
EP2156912B1 (en) * 2007-05-30 2011-08-17 Sumitomo Electric Hardmetal Corp. Surface-coated cutting tool
KR20140019947A (ko) * 2012-08-07 2014-02-18 현대자동차주식회사 알루미늄 다이캐스팅 금형용 코팅재 및 이의 제조방법
JP6213066B2 (ja) * 2013-08-29 2017-10-18 三菱マテリアル株式会社 高速断続切削加工で硬質被覆層がすぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆切削工具
DE102014207447A1 (de) * 2014-04-17 2015-10-22 Magna International Inc. Beschichtetes Stahlbauteil, Verfahren zur Herstellung des Stahlbauteils und Herstellungsanlage
MX2017010865A (es) * 2015-02-24 2017-12-07 Oerlikon Surface Solutions Ag Pfaeffikon Recubrimiento de alto rendimiento para la formacion en frio de metales de acero de alta resistencia.

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020239976A1 (en) 2020-12-03
US20220243318A1 (en) 2022-08-04
EP3976856A1 (en) 2022-04-06
JP2022534753A (ja) 2022-08-03
CN114207177A (zh) 2022-03-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4311803B2 (ja) 表面被覆成形型およびその製造方法
CN113260735B (zh) 用于在塑料加工应用中的增强性能和延长寿命的涂层
KR20060090603A (ko) 경질피막, 경질피막 형성용 타겟, 및 경질피막의 제조방법
KR101660995B1 (ko) 비 감마―상 큐빅 ＡｌＣｒＯ
KR101316376B1 (ko) 성형장치의 표면 코팅박막 및 코팅방법
CN107532277B (zh) 用于高强度钢金属冷成形的高性能涂层和使用所述涂层涂覆基材表面的方法
CA2825237A1 (en) Hot metal sheet forming or stamping tools with cr-si-n coatings
JP2008001951A (ja) ダイヤモンド状炭素膜およびその形成方法
US8309178B2 (en) Corrosion resistant coating for steel
JP2022088457A5 (ko)
JP2004351586A (ja) 切削工具用硬質皮膜
KR20220012873A (ko) 성능이 향상되고 수명이 연장된 코팅된 성형 툴
EP2952609A1 (en) Hard coating film having adhesion resistance to soft metal
EP2920337B1 (en) Bilayer chromium nitride coated articles and related methods
JP3154403B2 (ja) 被覆金型
WO2010084982A1 (ja) 硬質皮膜被覆部材および成形用治工具
Bisht et al. Nitrides ceramic coatings for tribological applications: A journey from binary to high-entropy compositions
CN111771011B (zh) 被覆构件及其制造方法
KR20070105614A (ko) 내산화성이 우수한 고온용 표면 피복용 박막
KR20220039981A (ko) 열교환기 기판 및 이의 제조방법
WO2012017756A1 (ja) Ｃｒ系被膜処理物品
Yurov et al. SYNTHESIS OF NANOSTRUCTURED COATINGS WITH SIMULTANEOUS SPUTTERING OF VARIOUS CATHODES AND TARGETS
KR101367702B1 (ko) 다층코팅층을 포함하는 금속강재 제조방법
JP2012092364A (ja) 表面被覆部材およびその製造方法
JPH06306645A (ja) 耐摩耗性硬質被膜付き金型