KR20230122043A - 성형 도구용 AlTiN-CrN계 코팅 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 작업물 재료의 성형 작업에 사용되는 성형 도구를 위한 코팅에 관한 것으로, 이 코팅은 기재 표면 상에 증착되고, 코팅은 하부 층(10) 및 상부 층(20)을 포함하며, 하부 층(10)은 상부 층(20)보다 기재 표면에 더 가깝게 증착되며, 하부 층(10)은 주로 질화크롬을 포함하고, 상부 층(20)은,서로의 위에 교대로 증착되어 일련의.../A/B/A/B/A/B/...층(22, 21)을 형성하는 복수의 A-층(22) 및 B-층(21)으로 형성되는 다층으로 증착되며, A-층(22)은 주로 질화 알루미늄 티타늄을 포함하고, B-층(21)은 주로 질화 크롬을 포함한다.
Description
본 발명은 성형 도구(예컨대, 다이 및 펀치)의 성능을 개선하기 위한 AlTiN/CrN계 코팅에 관한 것으로, 특히 고강도 금속 시트의 냉간 성형 또는 알루미늄 다이캐스팅 또는 알루미늄 시트의 열간 성형과 같은 알루미늄 성형 작업에 사용되는 성형 도구의 성능을 개선하기 위한 AlTiN/CrN계 코팅에 관한 것이다(그러나, 이에 제한되지 않음). 본 발명은 또한 예를 들어 고압 다이캐스팅 등과 같은 다른 종류의 성형 작업에도 적합하다.
코팅은 일반적으로 상이한 종류의 도구의 표면에 가해진다. 예를 들어 절삭 도구 성능을 개선하기 위해 절삭 도구의 절삭 표면에 가해지는 코팅의 사용이 매우 잘 알려져 있다.
지난 몇 년 동안 성형 도구의 성능 개선을 위한 코팅의 사용도 증가하였다.
그러나, 절삭 도구의 성능 개선을 위해 사용되는 코팅이 충족해야 하는 요구 사항은, 일반적으로, 성형 도구의 성능을 개선하기 위해 사용되는 코팅이 충족해야 하는 요구 사항과 다르다.
다이와 펀치는, 고강도 강의 냉간 성형과 같은 성형 작업을 수행하기 위해 일반적으로 사용되는 성형 도구이다.
예를 들어 자동차 산업과 같은 상이한 산업 분야에서의 현재 추세는, 가능한 경량 설계를 이루기 위해 고강도 강의 증가된 사용을 포함한다. 작업물 재료와 같은 그러한 고강도 강의 성형 작업을 포함하는 제조 공정에서, 성형 도구의 수명은 연마 및 접착 마모에 의해 제한되는 것으로 밝혀졌다. 특히 탄소강(Advanced High Strength Steels - 약어: AHSS라고도 함) 유형의 작업물 재료의 성형 작업은, ∼550 MPa에서 1000 MPa 이상까지 이르는 매우 높은 인장 강도 때문에 큰 도전 과제가 되었다. 이러한 경우에 발생하는 강한 연마 및 접착 마모로 인해, 성형 도구가 빈번히 교환되며, 이에 따라, 빈번한 생산 중단이 일어나고 또한 상당한 생산성 손실이 나타나게 된다.
지금까지, 위에서 언급된 문제를 해결하기 위해, 성형되는 작업물 재료 표면의 표면 또는 작업물 재료의 성형 작업을 수행하기 위해 사용되는 성형 도구 또는 코팅 부재에 적용되는 일부 상이한 표면 처리 및/또는 코팅 방안이 제안되었다.
Young(US 7,587,919 B1)은, 약 3 미크론 내지 약 8 미크론 두께의 CrN, AlCrN, TiCrN, TiN, TiCN 및 TiAlN의 그룹의 내마모성 코팅 층, 또는 약 5 미크론 내지 약 10 미크론 두께의 교대하는 TiN-TiCN-TiN의 다층의 사용을 제안한다. 이들 층은 바람직하게는 물리적 증기 증착(PVD)에 의해 가해진다. 또한, 표면 준비 단계로서 질화가 표면에 대한 코팅의 적절한 부착을 보장하는 데에 유익한 것으로 밝혀졌다.
Cha(US 8,746,027 B2)는, 약 0.5 ㎛ 내지 약 5 ㎛ 두께의 CrN 또는 Ti(C)N 접합층; 약 10∼50 nm의 두께로 제1 나노 다층에 대한 0.5∼5 ㎛의 총 두께로 교대로 코팅되는 TiAlN 및 CrN 나노 층을 포함하는 제1 TiAlN/CrN 나노 다층; 0.5∼5 ㎛의 제2 나노 다층의 총 두께로 1∼30 at% C를 포함하는 제2 TiAlCN/CrCN 나노 다층을 포함하는 다층 몰드 코팅을 설명한다. 제1 TiAlN/CrN 나노 다층에서, Ti:Al:Cr의 비는 1:1:1일 수 있다.
또한, 최신 기술은 탄화수소 공정 가스의 공급을 통해 얻어지는 C 함유 층의 여러 실시예를 설명한다. 특히 탄화수소 가스를 포함하는 증착 공정이 동일한 PVD 코팅 챔버를 사용하여 낮은 C-오염을 요구하는 공정과 교대로 수행되는 경우, 그러한 탄화수소(CxHy) 공정 가스의 반응성으로 인해, PVD 코팅 장치의 내부 부분의 오염이 문제가 될 수 있다. 이러한 상황에서는 추가적인 정화 단계가 필요할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 목적은 탄화수소 가스를 사용하지 않고 AHSS의 성형에서 우수한 성능을 갖는 코팅 방안을 제공하는 것이다.
본 발명의 주 목적은, 개선된 성능을 갖는 코팅과 성형 도구, 및 그러한 코팅을 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
바람직하게, 본 발명에 따른 코팅은 특히 AHSS의 냉간 성형으로 위에서 언급된 고강도 강 중 임의의 강의 냉간 성형에 사용되는 성형 도구의 증가된 도구 수명을 달성할 수 있게 한다.
본 발명의 목적은, 아래에서 설명되고 청구항 1에 청구된 바와 같은 새로운 코팅, 아래에서 설명되고 청구항 8에 청구된 바와 같은 성형 도구, 및 아래에서 설명되고 청구항 9에 청구된 바와 같은 그 새로운 코팅을 생성하기 위한 방법을 제공함으로써 달성된다. 추가의 청구항 2 내지 7 및 청구항 10 내지 12에는, 본 발명의 바람직한 실시예가 기재되어 있다.
본 발명의 추가 특징 및 세부 사항은 종속 청구항, 상세한 설명 및 도면으로부터 알 수 있다. 본 발명에 따른 코팅 및/또는 성형 도구와 관련하여 설명된 특징 및 세부 사항은, 당연히 본 발명에 따른 방법과 관련하여 적용되며 또한 각 경우에 그 반대도 마찬가지이고, 그래서 본 발명의 개별적인 양태에 관한 개시와 관련하여 항상 서로 참조하거나 참조할 수 있다.
본 발명에 따른 코팅은 작업물 재료의 성형 작업에 사용되는 도구를 성형하는 데에 특히 적합하다. 본 발명의 코팅은 기재 표면 상에 증착되고, 그 코팅은 하부 층 및 상부 층을 포함하며, 하부 층은 상부 층보다 기재 표면에 더 가깝게 증착되며, 하부 층은 질화크롬으로 이루어지거나 주로 질화크롬을 포함하고, 바람직하게는 질화크롬으로 이루어지며, 상부 층은, 서로의 위에 교대로 증착되어 일련의.../A/B/A/B/A/B/...층을 형성하는 복수의 A-층 및 B-층으로 형성되는 다층으로 증착되며, A-층은 질화 알루미늄 티타늄으로 이루어지거나 주로 질화 알루미늄 티타늄을 포함하고, 바람직하게는 질화 알루미늄 티타늄으로 이루어지며, B-층은 질화크롬으로 이루어지거나 주로 질화크롬을 포함하고, 바람직하게는 질화크롬으로 이루어지며,
● 상부 층의 두께(tlupper)는 하부 층의 두께(tllower) 보다 높으며,
여기서
○ tlupper + tllower ≥ 5 ㎛, 그리고
○ tlupper/tllower ≥ 1.2,
● 상부 층에서, 알루미늄과 티타늄만을 고려하면, 알루미늄의 함량(Alcontent[at%])은 원자 비로 티타늄의 함량(Ticontent[at%]) 보다 높으며, 여기서 Alcontent[at%]/Ticontent[at%] ≥ 1.5 이며, 그리고
● 상부 층은 입방체 상(phase), 특히 면심 압방체 상을 포함한다.
본 발명에 따른 새로운 코팅은, 연마 및 접착 마모 모두에 대해 특히 높은 내마모성 및 양호한 내피로성을 성형 도구에 제공하기 위해 사용될 수 있다.
"주로 포함한다"라는 용어는, 층의 대부분이 언급된 물질로 이루어짐을 의미한다. 특히, "주로 포함한다"는, 80% 이상 또는 바람직하게는 90% 이상의 비율로 포함하는 것을 포함할 수 있다.
특히, 하부 층은 기재 상에 직접 증착될 수 있어, 바닥 층 또는 기부 층을 형성할 수 있다. 상부 층은 또한 제2 코팅 층으로서 간주될 수 있으며, 하부 층은 제1 코팅 층이다.
바람직하게는, 서로의 위에 증착되는 하나의 A-층의 두께와 하나의 B-층의 두께의 합으로 형성되는 A/B-이중층 주기는 나노미터 범위에 있고, 바람직하게는 tloneA-layer + tloneB-layer ≤ 100 nm, 더 바람직하게는 10 nm ≤ tloneA-layer + tloneB-layer ≤ 70 nm이다.
또한, 상기 이중층 주기는 30 nm ≤ tloneA-layer + tloneB-layer ≤ 60 nm일 수 있다.
더욱이, B-층 가까이에 증착되는 A-층에 대한 B-층의 두께 비는 0.8 ≤ tloneB-layer/tloneA-layer ＜ 2, 바람직하게는 1 ≤ tloneB-layer/tloneA-layer ≤ 1.9, 더 바람직하게는 1 ≤ tloneB-layer/tloneA-layer ≤ 1.3일 수 있다.
나노압입(nanoindentation)으로 측정되는 상부 층의 경도(Hupper)는 Hupper ≥ 20 GPa, 바람직하게는 30 ≥ Hupper ≥ 20 GPa일 수 있다.
바람직하게는, 나노압입으로 측정되는 상부 층의 환산(reduced) 영률(Er) 또는 탄성 계수(E)(Erupper 또는 Eupper)는 400 ≥ Erupper ≥ 300 GPa 또는 400 ≥ Eupper ≥ 300 GPa일 수 있다.
또한, 상부 층은 코팅의 외측 표면을 형성하고, 특히 A-층 또는 B-층은 코팅의 외측 표면을 형성할 수 있다. 다시 말해, 상부 층 위에 추가 층이 배치되지 않으며, 그래서 상부 층은 주변 환경과 접촉하게 된다. 본 발명에 따른 상부 층은 위에서 언급된 바와 같은 우수한 표면 특성을 제공하고, 상부 층 위에 추가 층의 증착을 피함으로써, 이들 특성이 보존되고 또한 코팅을 증착하기 위해 필요한 시간 및 비용이 줄어든다.
본 발명의 다른 양태에서, 본 발명에 따른 코팅을 갖는, 고강도 금속 시트의 냉간 성형을 위한 성형 도구, 특히 다이 또는 펀치가 제공된다.
따라서, 본 발명에 따른 성형 도구는 본 발명에 따른 코팅을 참조하여 상세하게 설명된 것과 동일한 이점을 제공한다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 본 발명에 따른 코팅을 생성하기 위한 방법이 제공되며, 적어도 하나의 하부 층 및 상부 층은, 크롬을 포함하는 적어도 하나의 타깃 및 티타늄과 알루미늄을 포함하는 적어도 하나의 타깃으로 물리적 기상 증착 기술에 의해 성형 도구의 기재 표면 상에 증착된다.
따라서, 본 발명에 따른 방법은, 본 발명에 따른 코팅과 관련하여 상세히 설명된 것과 동일한 이점을 제공한다.
특히, 크롬을 포함하는 적어도 하나의 타깃 및 티타늄과 알루미늄을 포함하는 적어도 하나의 타깃에 대한 기재의 교대적인 노출에 의해 일련의 교대하는 .../A/B/A/B/A/B/...층이 생성될 수 있다.
더욱이, 교대적인 노출은 기재의 병진 운동, 특히 적어도 하나의 수직축을 따른 회전에 의해 일어날 수 있다.
또한, 적어도 하부 층, 상부 층을 증착하기 전에 또는 A-층 또는 B-층의 증착 사이에 질화 전처리 단계가 수행될 수 있다. 이로써, 기재의 표면 또는 증착된 층에 실질적으로 더 높은 경도가 주어지는 이점이 제공된다. 특히, 질화 전처리 단계는 플라즈마 질화 전처리 단계로서 수행될 수 있으며, 이 결과, 습식 화학 공정에 비해 공정의 생태학적 영향이 더 작게 된다.
본 발명을 개선하는 추가 조치는 도면에 개략적으로 나타나 있는 본 발명의 일부 실시예에 대한 이하의 설명으로부터 알 수 있다. 구조적 세부 사항, 공간 배치 및 공정 단계를 포함하여, 청구범위, 설명부 또는 도면에서 알 수 있는 모든 특징 및/또는 이점은 개별적으로 그리고 다양한 조합으로 본 발명에 필수적일 수 있다. 도면은 단지 설명을 위한 것이며 어떤 식으로든 본 발명을 제한하려는 의도는 없음을 유의해야 한다.
도 1은 CrN 바닥 층(10), 및 복수의 CrN 층(21) 및 TiAlN 층(22)을 포함하는, 특히 복수의 CrN 층(21) 및 TiAlN 층(22)으로 이루어지는 일련의 다층(20)으로 이루어지는 본 발명의 코팅 구조의 개략도이다.
도 2는 AHSS의 인발에서의 성능을 보여주는 본 발명 코팅의 적용예를 나타내는 것으로, 본 발명의 코팅은 종래 기술의 AlTiN 코팅으로 코팅된 도구 및 토요타 확산 공정으로 준비된 도구와 비교하여, 여러 배 증가된 도구 수명, 즉 제조된 부품의 수의 증가를 가능하게 하였다.
도 3은 9% 규소를 갖는 알루미늄 합금의 고압 다이캐스팅에서의 성능을 보여주는 본 발명의 코팅의 적용예를 나타내는 것으로, 본 발명의 코팅은 질화에 의해 준비된 코어 핀 및 공동부와 비교하여, 코어 핀 및 공동부의 여러 배 증가된 유효 수명, 즉 샷(shot)의 수를 가능하게 하였다.
도 4는 17% 규소를 갖는 알루미늄 합금의 고압 다이캐스팅에서의 성능을 보여주는 본 발명의 코팅의 적용예를 나타내는 것으로, 본 발명의 코팅은, 단지 질화물이거나 질화물이었고 TiN으로 코팅된 코어 핀과 비교하여, 코어 핀의 여러 배 증가된 유효 수명, 즉 샷의 수를 가능하게 하였다.
도 5는 680℃에서 마그네슘 액체의 고압 다이캐스팅에서의 성능을 보여주는본 발명의 코팅의 적용예를 나타내는 것으로, 본 발명의 코팅은, 단지 질화물이거나 종래 기술에 따른 AlCrN-코팅으로 코팅된 코어 핀과 비교하여, 코어 핀의 여러 배 증가된 유효 수명, 즉 샷의 수를 가능하게 하였다.
본 발명의 목적은, CrN 기부 층(10), 및 복수의 AlTiN 나노 층(22)과 CrN 나노 층(21)을 포함하는 또는 특히 복수의 AlTiN 나노 층(22)과 CrN 나노 층(21)으로 이루어지는 적어도 하나의 제2 코팅 층(20)을 포함하는 다층 코팅을 제공함으로써 달성된다. 개별 층, 특히 AlTiN 나노 층의 화학적 조성; AlTiN 및 CrN 나노층의 결정질 상(phase) 구조, 기계적 특성, 주기성 및 코팅 층 사이의 비를 포함하는 코팅 설계가 조정되었다. 놀랍게도, AHSS의 냉간 성형에서 우수한 성능을 발휘하는 코팅이 달성되었다.
AlTiN-나노 층(22)의 경우, 원자 백분율(at.%)로 Ti의 함량(원자 백분율) 보다 높은 Al-함량을 사용하는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 적어도 Al:Ti = 60:40(at%)인, 더 바람직하게는 약 Al:Ti = 65:35(at%)인 Al 대 Ti의 비율(원자 백분율)이 바람직하다.
바람직하게는, TiAlN 나노 층(22)의 상 구조는 입방체 상을 포함해야 하고, TiAlN 나노 층(22)은 주로 입방체 상을 포함하는 것이 더 바람직하다.
제2 코팅 층(20)은, 바람직하게는, 나노압입(nanoindentation)으로 측정될 때 20 GPa를 초과하는 압입 경도(HIT)를 가져야 한다. 더 바람직하게는, 그 코팅 층은 약 25∼30 GPa의 압입 경도를 갖는다. 나노압입으로 측정되는 탄성 계수(E-모듈러스, 또는 영률이라고도 함) 약 300∼400 GPa, 더 바람직하게는 320∼360 GPa 이어야 한다.
CrN 기부 층은 바람직하게는 제2 코팅 층에 대해 1:4의 두께 비를 가져야 한다. 다시 말해, [층(20)의 두께]/[층(10)의 두께]로 계산되는 비는 약 4 이어야 한다. 기부 층(10)과 제2 코팅 층(20)의 총 두께는 바람직하게는 5 ㎛ 이상, 더 바람직하게는 5∼15 ㎛ 이어야 한다.
제2 코팅 층에서의 이중층(bilayer) 주기, 즉 하나의 AlTiN 층(22) 및 하나의 CrN 층(21)에 대한 두께의 합은 바람직하게는 10∼70 nm 범위, 더 바람직하게는 30∼50 nm 범위인 것으로 밝혀졌다.
또한, CrN 나노 층(21)의 두께는 AlTiN 나노 층(22)과 같거나 큰 것이 바람직하다. 다시 말해, CrN(21) 대 AlTiN(22)의 층 두께 비는 ≥1 이다. 특히, 그 비는 약 1.3 이다.
추가 개량
설명된 코팅의 적용은 질화 전처리와 조합될 수 있다. 이는 별도의 진공 또는 대기압 질화 공정에서 행해질 수 있거나 첫 번째 표면 층을 가하기 전에 현장에서 행해질 수 있다.
하나의 상세한 예
본 발명에 따른 코팅은 Oerlikon Balzers INNOVA PVD 증착 시스템을 사용하여 증착되었다. N2 분위기에서 150A 아크 전류로 작동되는 4개의 Cr-타깃으로부터 아크 증착을 통해 CrN의 기부 층이 증착되었다. 제2 코팅 층이 N2 분위기에서 Al:Ti 67:33(at.%)의 조성을 갖는 2개의 AlTi-타깃 및 2개의 Cr-타깃의 공동 아크 발생(co-arcing)을 통해 형성되었다. Cr-타깃과 AlTi-타깃은 코팅 시스템의 서로 다른 측에 위치되었고, CrN 및 AlTiN의 나노층은, Cr-타깃과 AlTi-타깃으로부터 증착 플럭스를 교대로 노출시키는 기재 회전을 통해 형성되었다. 기재 회전 속도는, CrN/AlTiN 다층 코팅의 이중층 주기가 약 50 nm가 되도록 조정되었다. 증착 시간은, 총 코팅 두께가 약 12 um 고 그 중의 CrN의 기부 층이 20%를 차지하도록, 즉 약 2.4 um가 되도록 조정되었다.
코팅의 증착 전에, 현장 이온 에칭이 수행되었다.
자동차 SKD11 재료가 본 발명의 코팅으로 코팅되었다. 코팅 공정 전에, 강 다이는 질화물이었고 약 Ra 0.11 um의 거칠기로 연마되었다. 코팅 공정 후에, 도구는 약 Ra 0.12 um의 거칠기로 후연마되었다.
다이는 1200 MPa의 인장 강도를 갖는 1.2 mm 두께의 AHSS를 20 mm 인발하여 시험되었다. 도구 수명은 종래 기술의 TiAlN 코팅에 비해 80배, 그리고 최신 기술의 토요타 확산 공정에 비해 40배 증가될 수 있었다(도 2 참조).
고압 다이캐스팅(HPDC)-적용 예:
본 발명자는 또한 본 발명이 고압 다이캐스팅 용례에 특히 유용한 것을 알았다. 도 3은 9% 규소를 갖는 알루미늄 합금의 고압 다이캐스팅 셋업에 사용되는 코어 핀(좌측)과 공동부(우측)의 유효 수명을 나타낸다. 질화물이고 본 발명의 코팅으로 코팅된 코어 핀은, 질화 처리만에 비해, 15배 이상의 수명 증가를 가능하게 하였다. 공동부에서, 질화 및 이어지는 본 발명의 코팅은, 질화 처리만을 한 공동부와 비교하여, 어떠한 청결화 또는 유지 보수도 없이, 9배의 수명 증가를 가능하게 하였다.
도 4는, 17% 규소를 갖는 알루미늄 합금이 사용된 고압 다이캐스팅의 추가 예를 나타낸다. 질화물이고 본 발명의 코팅으로 코팅된 코어 핀은, 질화만 되었거나 TiN으로 코팅된 코어 핀과 비교하여, 여러 배의 수명 증가를 가능하게 하였다.
도 5에는, 680℃에서 마그네슘 액체의 고압 다이캐스팅을 사용한 적용예가 나타나 있다. 이 적용은, 알루미늄보다 가벼운 마그네슘이 더 높은 속도로 몰드에 들어가 더 많은 연마 마모를 일으키기 때문에 힘들다. 코어 핀의 수명은, 질화 처리 및 본 발명의 코팅을 적용함으로써, 질화물만 있거나 종래 기술의 AlCr계 코팅으로 코팅된 코어 핀과 비교하여, 배가될 수 있다. 본 발명의 코팅은 또한 더 양호한 부품 품질, 핀에 대한 용융물의 더 적은 점착 및 더 작은 기계 가동 중단 시간의 면에서 이점을 나타내었다.
실시예에 대한 앞의 설명은 예와 관련해서만 본 발명을 설명한 것이다. 물론, 실시예들의 개별적인 특징들은, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 기술적으로 타당하다면 서로 자유롭게 조합될 수 있다.
도 1은 CrN 바닥 층(10), 및 복수의 CrN 층(21) 및 TiAlN 층(22)을 포함하는, 특히 복수의 CrN 층(21) 및 TiAlN 층(22)으로 이루어지는 일련의 다층(20)으로 이루어지는 본 발명의 코팅 구조의 개략도이다.
도 2는 AHSS의 인발에서의 성능을 보여주는 본 발명 코팅의 적용예를 나타내는 것으로, 본 발명의 코팅은 종래 기술의 AlTiN 코팅으로 코팅된 도구 및 토요타 확산 공정으로 준비된 도구와 비교하여, 여러 배 증가된 도구 수명, 즉 제조된 부품의 수의 증가를 가능하게 하였다.
도 3은 9% 규소를 갖는 알루미늄 합금의 고압 다이캐스팅에서의 성능을 보여주는 본 발명의 코팅의 적용예를 나타내는 것으로, 본 발명의 코팅은 질화에 의해 준비된 코어 핀 및 공동부와 비교하여, 코어 핀 및 공동부의 여러 배 증가된 유효 수명, 즉 샷(shot)의 수를 가능하게 하였다.
도 4는 17% 규소를 갖는 알루미늄 합금의 고압 다이캐스팅에서의 성능을 보여주는 본 발명의 코팅의 적용예를 나타내는 것으로, 본 발명의 코팅은, 단지 질화물이거나 질화물이었고 TiN으로 코팅된 코어 핀과 비교하여, 코어 핀의 여러 배 증가된 유효 수명, 즉 샷의 수를 가능하게 하였다.
도 5는 680℃에서 마그네슘 액체의 고압 다이캐스팅에서의 성능을 보여주는본 발명의 코팅의 적용예를 나타내는 것으로, 본 발명의 코팅은, 단지 질화물이거나 종래 기술에 따른 AlCrN-코팅으로 코팅된 코어 핀과 비교하여, 코어 핀의 여러 배 증가된 유효 수명, 즉 샷의 수를 가능하게 하였다.
본 발명의 목적은, CrN 기부 층(10), 및 복수의 AlTiN 나노 층(22)과 CrN 나노 층(21)을 포함하는 또는 특히 복수의 AlTiN 나노 층(22)과 CrN 나노 층(21)으로 이루어지는 적어도 하나의 제2 코팅 층(20)을 포함하는 다층 코팅을 제공함으로써 달성된다. 개별 층, 특히 AlTiN 나노 층의 화학적 조성; AlTiN 및 CrN 나노층의 결정질 상(phase) 구조, 기계적 특성, 주기성 및 코팅 층 사이의 비를 포함하는 코팅 설계가 조정되었다. 놀랍게도, AHSS의 냉간 성형에서 우수한 성능을 발휘하는 코팅이 달성되었다.
AlTiN-나노 층(22)의 경우, 원자 백분율(at.%)로 Ti의 함량(원자 백분율) 보다 높은 Al-함량을 사용하는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 적어도 Al:Ti = 60:40(at%)인, 더 바람직하게는 약 Al:Ti = 65:35(at%)인 Al 대 Ti의 비율(원자 백분율)이 바람직하다.
바람직하게는, TiAlN 나노 층(22)의 상 구조는 입방체 상을 포함해야 하고, TiAlN 나노 층(22)은 주로 입방체 상을 포함하는 것이 더 바람직하다.
제2 코팅 층(20)은, 바람직하게는, 나노압입(nanoindentation)으로 측정될 때 20 GPa를 초과하는 압입 경도(HIT)를 가져야 한다. 더 바람직하게는, 그 코팅 층은 약 25∼30 GPa의 압입 경도를 갖는다. 나노압입으로 측정되는 탄성 계수(E-모듈러스, 또는 영률이라고도 함) 약 300∼400 GPa, 더 바람직하게는 320∼360 GPa 이어야 한다.
CrN 기부 층은 바람직하게는 제2 코팅 층에 대해 1:4의 두께 비를 가져야 한다. 다시 말해, [층(20)의 두께]/[층(10)의 두께]로 계산되는 비는 약 4 이어야 한다. 기부 층(10)과 제2 코팅 층(20)의 총 두께는 바람직하게는 5 ㎛ 이상, 더 바람직하게는 5∼15 ㎛ 이어야 한다.
제2 코팅 층에서의 이중층(bilayer) 주기, 즉 하나의 AlTiN 층(22) 및 하나의 CrN 층(21)에 대한 두께의 합은 바람직하게는 10∼70 nm 범위, 더 바람직하게는 30∼50 nm 범위인 것으로 밝혀졌다.
또한, CrN 나노 층(21)의 두께는 AlTiN 나노 층(22)과 같거나 큰 것이 바람직하다. 다시 말해, CrN(21) 대 AlTiN(22)의 층 두께 비는 ≥1 이다. 특히, 그 비는 약 1.3 이다.
추가 개량
설명된 코팅의 적용은 질화 전처리와 조합될 수 있다. 이는 별도의 진공 또는 대기압 질화 공정에서 행해질 수 있거나 첫 번째 표면 층을 가하기 전에 현장에서 행해질 수 있다.
하나의 상세한 예
본 발명에 따른 코팅은 Oerlikon Balzers INNOVA PVD 증착 시스템을 사용하여 증착되었다. N2 분위기에서 150A 아크 전류로 작동되는 4개의 Cr-타깃으로부터 아크 증착을 통해 CrN의 기부 층이 증착되었다. 제2 코팅 층이 N2 분위기에서 Al:Ti 67:33(at.%)의 조성을 갖는 2개의 AlTi-타깃 및 2개의 Cr-타깃의 공동 아크 발생(co-arcing)을 통해 형성되었다. Cr-타깃과 AlTi-타깃은 코팅 시스템의 서로 다른 측에 위치되었고, CrN 및 AlTiN의 나노층은, Cr-타깃과 AlTi-타깃으로부터 증착 플럭스를 교대로 노출시키는 기재 회전을 통해 형성되었다. 기재 회전 속도는, CrN/AlTiN 다층 코팅의 이중층 주기가 약 50 nm가 되도록 조정되었다. 증착 시간은, 총 코팅 두께가 약 12 um 고 그 중의 CrN의 기부 층이 20%를 차지하도록, 즉 약 2.4 um가 되도록 조정되었다.
코팅의 증착 전에, 현장 이온 에칭이 수행되었다.
자동차 SKD11 재료가 본 발명의 코팅으로 코팅되었다. 코팅 공정 전에, 강 다이는 질화물이었고 약 Ra 0.11 um의 거칠기로 연마되었다. 코팅 공정 후에, 도구는 약 Ra 0.12 um의 거칠기로 후연마되었다.
다이는 1200 MPa의 인장 강도를 갖는 1.2 mm 두께의 AHSS를 20 mm 인발하여 시험되었다. 도구 수명은 종래 기술의 TiAlN 코팅에 비해 80배, 그리고 최신 기술의 토요타 확산 공정에 비해 40배 증가될 수 있었다(도 2 참조).
고압 다이캐스팅(HPDC)-적용 예:
본 발명자는 또한 본 발명이 고압 다이캐스팅 용례에 특히 유용한 것을 알았다. 도 3은 9% 규소를 갖는 알루미늄 합금의 고압 다이캐스팅 셋업에 사용되는 코어 핀(좌측)과 공동부(우측)의 유효 수명을 나타낸다. 질화물이고 본 발명의 코팅으로 코팅된 코어 핀은, 질화 처리만에 비해, 15배 이상의 수명 증가를 가능하게 하였다. 공동부에서, 질화 및 이어지는 본 발명의 코팅은, 질화 처리만을 한 공동부와 비교하여, 어떠한 청결화 또는 유지 보수도 없이, 9배의 수명 증가를 가능하게 하였다.
도 4는, 17% 규소를 갖는 알루미늄 합금이 사용된 고압 다이캐스팅의 추가 예를 나타낸다. 질화물이고 본 발명의 코팅으로 코팅된 코어 핀은, 질화만 되었거나 TiN으로 코팅된 코어 핀과 비교하여, 여러 배의 수명 증가를 가능하게 하였다.
도 5에는, 680℃에서 마그네슘 액체의 고압 다이캐스팅을 사용한 적용예가 나타나 있다. 이 적용은, 알루미늄보다 가벼운 마그네슘이 더 높은 속도로 몰드에 들어가 더 많은 연마 마모를 일으키기 때문에 힘들다. 코어 핀의 수명은, 질화 처리 및 본 발명의 코팅을 적용함으로써, 질화물만 있거나 종래 기술의 AlCr계 코팅으로 코팅된 코어 핀과 비교하여, 배가될 수 있다. 본 발명의 코팅은 또한 더 양호한 부품 품질, 핀에 대한 용융물의 더 적은 점착 및 더 작은 기계 가동 중단 시간의 면에서 이점을 나타내었다.
실시예에 대한 앞의 설명은 예와 관련해서만 본 발명을 설명한 것이다. 물론, 실시예들의 개별적인 특징들은, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 기술적으로 타당하다면 서로 자유롭게 조합될 수 있다.
10 하부 층, 바닥 층, CrN 기부 층
20 상부 층, 제2 코팅 층
21 B-층, CrN 층
22 A-층, TiAlN 층
20 상부 층, 제2 코팅 층
21 B-층, CrN 층
22 A-층, TiAlN 층
Claims (12)
- 작업물 재료의 성형 작업에 사용되는 성형 도구를 위한 코팅으로서,
상기 코팅은 기재 표면 상에 증착되고, 상기 코팅은 하부 층(10) 및 상부 층(20)을 포함하며, 하부 층(10)은 상부 층(20)보다 기재 표면에 더 가깝게 증착되며, 하부 층(10)은 주로 질화크롬을 포함하고, 바람직하게는 질화크롬으로 이루어지며, 상기 상부 층(20)은, 서로의 위에 교대로 증착되어 일련의.../A/B/A/B/A/B/...층(22, 21)을 형성하는 복수의 A-층(22) 및 B-층(21)으로 형성되는 다층으로 증착되며, 상기 A-층(22)은 주로 질화 알루미늄 티타늄을 포함하고, 바람직하게는 질화 알루미늄 티타늄으로 이루어지며, 상기 B-층(21)은 주로 질화 크롬을 포함하고, 바람직하게는 질화크롬으로 이루어지며,
● 상기 상부 층(20)의 두께(tlupper)는 상기 하부 층(10)의 두께(tllower) 보다 높으며, 여기서
○ tlupper + tllower ≥ 5 ㎛, 그리고
○ tlupper/tllower ≥ 1.2, 바람직하게는 3 ≤ tlupper/tllower ≤ 6, 더 바람직하게는 tlupper/tllower = 4
● 상기 상부 층(20)에서, 알루미늄과 티타늄만을 고려하면, 알루미늄의 함량(Alcontent[at%])은 원자 비로 티타늄의 함량(Ticontent[at%]) 보다 높으며, 여기서 Alcontent[at%]/Ticontent[at%] ≥ 1.5 이며, 그리고
● 상기 상부 층(20)은 입방체 상(phase), 특히 면심 압방체 상을 포함하는, 성형 도구를 위한 코팅. - 제1항에 있어서,
서로의 위에 하나가 증착되는 하나의 A-층(22)의 두께와 하나의 B-층(21)의 두께의 합으로 형성되는 A/B-이중층 주기는 나노미터 범위에 있고, 바람직하게는 tloneA-layer + tloneB-layer ≤ 100 nm, 더 바람직하게는 10 nm ≤ tloneA-layer + tloneB-layer ≤ 70 nm인, 코팅. - 제2항에 있어서,
상기 이중층 주기는 30 nm ≤ tloneA-layer + tloneB-layer ≤ 60 nm인, 코팅. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
B-층 가까이에 증착되는 A-층(22)에 대한 B-층(21)의 두께 비는 0.8 ≤ tloneB-layer/tloneA-layer ＜ 2, 바람직하게는 1 ≤ tloneB-layer/tloneA-layer ≤ 1.9, 더 바람직하게는 1 ≤ tloneB-layer/tloneA-layer ≤ 1.3인, 코팅. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
나노압입(nanoindentation)으로 측정되는 상부 층(20)의 경도(Hupper)는 Hupper ≥ 20 GPa, 바람직하게는 30 ≥ Hupper ≥ 20 GPa인, 코팅. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
나노압입으로 측정되는 상부 층(20)의 환산(reduced) 영률(Er) 또는 탄성 계수(E)(Erupper 또는 Eupper)이 400 ≥ Erupper ≥ 300 GPa 또는 400 ≥ Eupper ≥ 300 GPa인, 코팅. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 상부 층(20)은 상기 코팅의 외측 표면을 형성하고, 특히 A-층(22) 또는 B-층(21)은 코팅의 외측 표면을 형성하는, 코팅. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 코팅을 갖는, 고강도 금속 시트의 냉간 성형을 위한 성형 도구, 특히 다이 또는 펀치.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 코팅을 생성하기 위한 방법으로서, 적어도 하나의 하부 층(10) 및 상부 층(20)은, 크롬을 포함하는 적어도 하나의 타깃 및 티타늄과 알루미늄을 포함하는 적어도 하나의 타깃으로 물리적 기상 증착 기술에 의해 성형 도구의 기재 표면 상에 증착되는, 코팅을 생성하기 위한 방법.
- 제9항에 있어서,
크롬을 포함하는 적어도 하나의 타깃 및 티타늄과 알루미늄을 포함하는 적어도 하나의 타깃에 대한 상기 기재의 교대적인 노출에 의해 일련의 교대하는 ...A/B/A/B/A/B...층(22, 21)이 생성되는, 방법. - 제10항에 있어서,
상기 교대적인 노출은 상기 기재의 병진 운동, 특히 적어도 하나의 수직축을 따른 회전에 의해 일어나는, 방법. - 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 상기 하부 층(10), 상부 층(20)을 증착하기 전에 또는 A-층(22) 또는 B-층(21)의 증착 사이에 질화 전처리 단계가 수행되는, 방법.
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