KR960008149B1 - 신선용 다이스에 다이아몬드박막을 코팅하는 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

신선용 다이스에 다이아몬드박막을 코팅하는 방법

제1도는 본 발명에 따른 방법을 수행하는 직류 아크 플라즈마 기상합성장치의 측면 개략도이고,

제2도는 본 발명의 방법에 따라 Si₃N₄다이스 모재의 구멍 내벽면에 다이아몬드 박막이 코팅된 상태를 나타낸 측면도이며,

제3도는 제1도에서 다이스 모재를 지지하는 홀더의 평면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 플라즈마 기상합성장장치 2 : 플라즈마 발생부

3 : 가스주입부 4 : 다이스 모재

5 : 고정홀더 6 : 수냉기판

7 : 냉각수 공급부 8 : 진공용기

9 : 배기구 10 : 다이아몬드 박막

11 : 노즐

본 발명은 신선용 다이스에 다이아몬드 박막을 코팅하는 방법에 관한 것이다. 특히 Si₃N₄제 신선용 다이스에 직류 아크 플라즈마를 이용하여 다이아몬드 박막을 피복하는 방법에 관한 것이다.

신선(伸線)용 다이스(dies)는 강선 등의 금속선을 신선하는데 사용하는 것으로서, 금속선이 길고 선경(線經)이 가능한 한 공차내로 유지되게 하는 것이 바람직하므로 내마모성이 높은 재료가 주로 선택되어 사용되고 있다.

이러한 점 때문에 신선용 다이스의 재료로는 다이스 강, 초경합금 또는 다이아몬으가 주로 사용되고 있으나, 이중에서도 다이아몬드가 가장 바람직하다. 그 이유는 초경합금이 다이스 강에 비해 50배 정도 수명이 길고, 다이아몬드는 초경합금에 비해 50 내지 100배 정도 수명이 길기 때문이다. 여기서, 초경합금은 다이아몬드에 비해 비교적 가격은 싸지만, 신선재와 쉽게 늘어 붙는 일이 발생하고, 고온에서도 경도, 내마모성이 현저하게 저하하므로 수명이 짧아지는 문제가 있다.

하지만, 다이아몬드는 상당히 고가이고, 크기에도 제한이 있으므로 현재 다이아몬드가 신선용 다이스에 사용되는 것은 단결정 다이스로는 선경 3mmψ 이하, 소결체 다이아몬드는 선경 12mmψ 이하에서 사용되며, 그 이상의 선경용 다이스 소재로는 초경합급이나 다미스 강이 사용되고 있다.

또 한편, 초경합금이나 다이스 강으로 제작된 신선용 다이스에 다이아몬드 박막을 피복시켜서 사용한 예(일본공개특허 소64-62,213호)가 있고, 지르코니아계 세라믹스를 사용한 예(일본공고특허 소60-18,620호)도 소개되고 있다.

이와 같이 최근에는 다이스 강이나 초경합금으로 된 신선용 다이스의 구멍 내벽면에 다이아몬드 박막을 피복시켜서 사용하고 있다.

그러나, 초경합금 또는 다이스 강의 표면에 다이아몬드 박막을 피복할 경우, 다이스 강의 주성분인 철(Fe) 또는 초경합금의 바인더인 코발트(Co) 등의 금속위에는 다이스 박막이 형성되기 어렵고, 다이스 강 또는 초경합금 모재와 다이스 박막간의 충분한 접착강도를 기대할 수 없어 사용하기에 부적합하게 되는 문제점이 있으며, 다이아몬드를 피복시킬 때 박막성장속도가 느리므로 다이아몬드 박막의 성장시간이 길어진다는 문제점이 있다.

또한, 이러한 문제를 해결하기 위해 초경합금 모재의 표면에 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 탄탈(Ta), 니오븀(Nb), 규소(Si) 등의 피막을 미리 형성시키기도 하고 있지만, 별도의 코팅공정을 추가해야 되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 이와 같은 종내의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 직류 아크 플라즈마를 이용하여 다이아몬드 박막을 Si₃N₄세라믹 재료로 된 신선용 다이스 모재의 구멍 내벅면에 단시간에 코팅시킴으로써, 다이스의 신뢰성을 높힐 수 있고, 수명도 연장시킬 수 있는 신선용 다이스에 다이아몬드 박막을 코팅하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 Si₃N₄세라믹재로 된 신선용 다이스 구멍 내벽면에 직류 아크 플라즈마를 이용한 기상합성법에 의해 다이아몬드 박막을 10 내지 80μm의 두께로 피복시켜서 되는 신선용 다이스에 다이아몬드 박막을 코팅하는 방법임을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 Si₃N₄세라믹 재질로 된 신선용 다이스 모재의 구멍 내벽면에다 직류 아크 플라즈마 기상합성법에 의해 다이아몬드 박막을 균일하게 형성 및 피복시킴으로써, 기존의 초경합금의 신선용 다이스에 비해 성능을 향상시킬 수 있는 신선용 다이스 모재에 다이아몬드 박막을 코팅하는 방법인 것이다.

본 발명에서 이용하는 다이아몬드 기상합성법의 원리는 원료가 되는 메탄가스를 분해하여 기상에서 탄소 라디칼(radical)을 기판(다이스 모재)에 다이아몬드상으로 석출시키는 것으로, 이때, 탄소를 분해시키기 위한 에너지원으로 여러가지가 사용될 수 있으나, 본 발명에서는 이중에서도 가장 효율이 좋은 플라즈마를 이용하여 원료가스를 분해시키게 된다.

본 발명에서 채택하는 다이아몬드 합성장치는 이러한 플라즈마를 발생시키는 장치, 원료가스를 공급하는 장치, 기판을 적정온도로 유지하기 위한 냉각장치 그리고, 감압장치로 구성되어 있다. 따라서, 플라즈마는 감압장치내에서 발생되고, 원료가스는 감압장지내의 플라즈마로 공급되어 플라즈마에 의해서 분해되어 라디칼상태의 탄소로 분해되면서 감압장치내에 설치된 기판(다이스 모재)에 다이아몬드로 석출되게 된다.

본 발명에서, 신선용 다이스에 모재재료로는 열팽창 계수가 낮고, 다이아몬드 박막이 성장하는데 적합한 화학적 성질을 갖고 있어 다이아몬드와 인화력이 우수하며, 내열성, 내마모성이 뛰어난 Si₃N₄세라믹 재질을 사용하며, 필요에 따라서는 모재표면을 미리 1 내지 3μm 정도의 두깨로 SiC 분말을 분사하여 조면 처리한 후 초음파 처리를 하여 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 첨부도면 제1도와 같은 직류 아크 플라즈마 기상합성장치(1)를 이용하여 Si₃N₄세라믹 재질로 된 신선용 다이스 모재의 구멍내벽면에 다이아몬드 박막을 형성 및 피복시킬 수 있으며, 이때 방전가스로는 아르곤가스와 수소가스의 혼합가스를 사용하고, 탄소원으로서는 메탄가스와 수소가스의 혼합가스를 이용하여 진공 용기내에서 다이아몬드를 합성시킴으로써, 신선용 다이스 모재의 구멍 내벽면에 다이아몬드 박막을 코팅시킬 수 있게 된다.

본 발명의 방법에 의해 첨부 도면 제2도에서와 같이 신선용 다이스 모재(4)의 구멍 내벽면에 형성된 다이아몬드 박막(10)의 두께는 약 10 내지 80μm로 하는 것이 바람직하다.

만일, 다이아몬드 박막의 두께를 10μm 미만으로 할 경우에는 신선에 의해 마모되었을 때, 모재에서 다이아몬드 박막이 박리되는 현상이 일어나게 되고, 반대로 두께가 80μm를 초과할 경우에도 다이아몬드 박막이 모재에서 쉽게 박리되는 문제가 발생하게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 방법을 수행하는 플라즈마 기상합성장치(1)는 첨부 도면 제1도에 나타낸 바와 같으며, 아르곤가스(Ar)와 수소가스(H₂)의 혼합가스로 구성된 방전가스가 유입되어 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부(2), 탄소원으로서의 메탄가스(CH₄)와 수소가스(H₂)의 혼합가스가 주입되는 가스주입부(3), Si₃N₄세라믹 재질로 된 신선용 다이스 모재(4), 이 다이스 모재(4)를 고정시키고 있는 홀더(5), 홀더 수냉기판(6), 냉각수 공급부(7) 및 이들을 수용하고 있는 진공용기(8) 그리고 배기부(9)로 구성되어 있다.

특히, 본 발명에 따르면, 상기의 다이스 모재를 고정시키고 있는 홀더(5)는 첨부도면 제3도에 나타낸 바와 같이, 회전가능하도록 제작되어 있어 여러개의 다이스 모재(4)가 기판에 고정설치될 수 있게 함으로써 1개의 모재에 대해 다이아몬드 박막의 피복을 완료한 후 상기 홀더(5)를 회전시켜서 단시간에 효율적으로 다수의 모재에 대해 다이아몬드 박막을 피복시킬 수 있다. 본 발명에서와 같이 회전가능한 홀더(5)를 사용하는 이유는 다음에서도 상세히 설명하겠지만, 일반적으로 다이아몬드 기상합성반응은 모두 감압장치내에서 이루어지므로 박막코팅작업이 단속적으로 이루어지게 되며, 다수의 모재에 동시에 코팅을 실시하기 위해서는 대형의 감압장치가 필요하게 된다. 감압장치가 대형으로 됨에 따라서 부속설비(진공펌프)의 용량이 증가하게 되고, 감압장치 내부 분위기의 조절이 용이하지 않게 된다. 따라서, 본 발명에서는 대형의 감압장치를 필요로 하지 않으면서 다량의 모재에 다이아몬드 박막을 형성시키기 위해서 모재 고정홀더(5)를 설치하여 다이아몬드 박막합성효율을 높이게 된다.

첨부도면 제3도에서와 같이, 모재 고정 홀더에서는 다수의 모재가 설치되어 플라즈마 발생부분(다이아몬드 합성영역)에서 일정시간 동안 다이아몬드 박막을 형성시킨 후에 자동으로 이동되어 다음 모재가 플라즈마 발생부분으로 이동하도록 위치설정장치 및 정지시간 조절장치(도시하지 않음)가 부착되어 있다.

한편, 본 발명에서 상기 가스주입부(3)를 통해서 주입되는 수소가스는 탄소원으로서 사용되는 메탄이 과잉으로 공급되면 다이아몬드 이외에 비정질 탄소와 흑연 등이 생성되므로 이러한 물질들의 생성을 억제하고, 순수한 다이아몬드의 합성을 촉진하는 역활을 하므로 양질의 다이아몬드막을 얻기 위해 사용된다 즉, 수소는 메탄이 플라즈마에 의해서 라디칼로 분해되어 활성종 형성을 촉진하는 작용을 하게 되므로 약 50 내지 150psi의 압력하에서 약 20 내지 40ℓ/min의 양으로 주입시키는 것이 바람직하며, 그로 인해 다이아몬드막 형성을 촉진시키게 퇸다.

본 발명에서 탄소원으로서 사용되는 메탄가스는 플라즈마에 의해서 라디칼 상태로 분해되고 활성화되어 다이스 모재에 충돌하면서 다이아몬드를 구성하게 되는 성분으로서, 공급되는 메탄가스의 양에 따라서 다이아몬드막 형성 속도가 좌우되지만, 메탄의 양이 많아지게 되면, 기판에 다이아몬드 뿐만 아니라 비정질 탄소막이나 흑연상물질이 생성되게 된다. 따라석, 공급되는 메탄의 양을 약 50 내지 150psi의 압력하에서 약 0.1 내지 0.8ℓ/min의 양으로 조절하여 주입하는 것이 순수한 다이아몬드막을 제조하는데 바람직하다.

본 발명에 의하면 다이아몬드 합성시의 아크 전류와 전압은 플라즈마를 발생시키는 에너지가 되며, 전극(-)과 노즐(+) 사이에 직류 전원을 가하여 아크를 발생시키고, 발생된 아크에 불활성 가스(아르곤과 수소의 혼합가스)를 흘리면 가스가 아크에 의해서 전리되어 플라즈마를 형성하게 된다. 따라서, 가해진 전원의 세기에 의해서 플라즈마가 함유하는 열량이 달라지므로 기상합성과정의 중요한 인자가 된다. 즉, 가해진 전원의 세기에 따라 원료가스로서 공급되는 수소와 메탄을 분해시키는 정도가 달라지며, 다이아몬드 합성속도에도 영향을 주므로 아크 전위 100V, 40 내지 80A 전류로 실시하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 다이아몬드 기상합성시의 분위기 압력은 100 내지 250 토르하에서 실시하는 것이 바람직한데, 일반적으로 다이아몬드 기상합성은 낮은 아크 전원에 의해서 플라즈마가 발생한다. 그러므로 상압(대기중)에서는 플라즈마의 발생이 어렵고, 발생된 플라즈마 불꽃의 길이도 짧아지게 된다. 따라서, 원료가스가 반응을 할 수 있는 시간이 짧아지고(플라즈마에 원료가스가 체류하는 시간이 짧다.) 원료가스의 활성종이 형성되는 농도가 작아지므로 다이아몬드 합성이 어렵게 된다. 그러나, 상기한 바와 같은 감압 분위기에서는 낮은 전원에서도 플라즈마의 형성이 용이하고, 플라즈마 불꽃의 길이도 상압에 비해서 월등히 길어지므로 원료가스의 반응시간이 길어져 원료가스의 활성종 형성이 용이하게 된다. 또 감압에서는 플라즈마가 외부의 영향을 받지 않으므로 안정한 상태로 유지되어 플라즈마내에서 가스의 운동이 일정하게 된다.

이와 같은 본 발명의 방법에 따르면, 열팽창 계수가 낮고, 다이아몬드 박막이 성장하는데 적합한 화학적 성질을 갖고 있어 다이아몬드와 친화력이 우수하며, 내열성, 내마모성이 뛰어난 Si₃N₄세라믹 재질을 사용하여 직류 아크 플라즈마 기상합성법에 의해 다이아몬드 박막을 피복시키고 있음으로 신뢰성이 높은 신선용 다이스를 제작할 수 있으며, 피막형성속도로 상당히 빨라 단시간에 소정의 두께로 다이아몬드 박막을 코팅시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 방법에 따라 신선용 다이스 내벽면에 형성된 다이아몬드 박막은 치밀하고, 다결정체이기 때문에 단결정 다이아몬드로 제작된 신선용 다이스와 같은 이방성이 없으며, 수명도 본 발명의 다이스가 훨씬 긴 특징이 있다.

특히, 본 발명에 따른 다이아몬드 박막이 코팅된 신선용 다이스는 기존의 초경합금 재질의 신선용 다이스에 비해서 약 40 내지 90배의 수명을 갖는다.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예 1

Si₃N₄로 제작된 다이스를 첨부 도면 제1도에 나타전 직류 아크 플라즈마 기상합성장치(1)에 설치하고 제2도와 같이 다이스 모재(4)의 구멍 내벽면에 다이아몬드 박막(10)을 피복시켰다

이때, 직류 아크 플라즈마 기상합성장치에서 방전가스로는 아르곤과 수소의 혼합가스를 사용하였으며, 탄소화합물로서는 메탄가스와 수소가스를 혼합시켜서 제1도에서와 같이, 가스주입부(3)의 노즐(11 : 양극)앞쪽에서 분출하였다. Si₃N₄모재를 홀더에 고정시킨 후 수냉기판을 통해 모재의 온도를 800 내지 950℃로 하였다.

다이아몬드 합성조건은 수소를 100psi 압력으로 25ℓ/min, 메탄을 100psi 압력으로 0.3ℓ/min 비율로 혼합하여 주입하였고, 아크 전위 100V, 50A 전류로 150 토르의 분위기에서 다이아몬드 합성을 5분간 실시하여 약 40 내지 70μm 두께의 다이아몬드 박막을 형성하였다.

다이아몬드 박막이 형성된 다이아몬드를 사용하여 실험을 실시한 결과 다이아몬드 박막이 코팅된 신선용 다이스는 강선의 신선용에 있어서 초경합금제 신선용 다이스에 비해 약 50배의 수명을 가졌다

실시예 2

상기 실시예 1과 동일한 장치를 사용하여 Si₃N₄로 제작된 다이스 모재의 구멍내벽면에다 다이아몬드 박막을 코팅하였다.

여기서, 모재로 사용된 Si₃N₄의 표면에다 미리 1 내지 3μm의 SiC 분말을 조면 처리한 후 초음파 세척을 하여 다이아몬드 코팅을 실시하였다. 이와 같이 블라스팅 처리된 Si₃N₄다이스에 수소 100psi 압력으로 30ℓ/min, 메탄 100psi 압력으로 0.5ℓ/min 비율로 혼합하여 주입하였고, 아크 전위 100V, 70A 전류로 200토르의 분위기에서 다이아몬드 합성을 5분간 실시하여 약 50 내지 75μm 두께의 다이아몬드 박막을 형성하였다.

다이아몬드 박막이 코팅된 다이스는 실시예 1과 같이 실험한 결과 초경합금제 다이스에 비해서 약 80배의 수명을 가졌다.

다이아몬드는 신선용 다이스로서 초경합금제 다이스나 다이스 강으로 제작된 다이스보다 우수한 성능을 나타낸다는 것은 이미 잘 알려져 있지만, 단결정 다이아몬드 다이스나 소결체 다이스에서는 크기의제약 및 가공이 어렵고 비싸다는 문제점이 있다.

하지만, 본 발명은 Si₃N₄다이스 구멍의 내벽면에 직류 아크 플라즈마 기상합성법에 의해 다이아몬드 박막을 코팅하는 방법으로서, 모재와 다이아몬드 박막간에 친화성이 좋기 때문에 다이아몬드 박막의 합성이 용이하고, 다이아몬드 박막과 Si₃N₄모재의 접착력도 우수하며, 또한 구멍 가공도 용이하며, 초경합금 신선용 다이스에 비해 수명이 훨씬 긴 장점이 있다.

Claims (1)

1. Si₃N₄세라믹재로 된 신선용 다이스 모재에 직류 아크 플라즈마를 이용하여 아르곤가스와 수소가스의 혼합가스를 방전가스로 하고 메탄가스와 수소가스의 혼합가스를 탄소원으로 하는 기상합성법에 의해 다이아몬드 박막을 코팅하는 방법에 있어서, 상기 세라믹제의 모재에 형성되어 있는 구멍 내벽면에 SiC 분말을 분사하여 1 내지 3μm의 두께로 조면 전처리를 수행한 후 상기 방전 가스에 의해 미리 플라즈마를 발생시키고 여기에 별도로 첨가되는 탄소원 혼합가스를 라디칼 상태로 분해시켜서 되는 기상합성법에 의해 수직 방향으로 신선용 다이스에 다이아몬드 박막을 코팅하는 방법.