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KR101316376B1 - 성형장치의 표면 코팅박막 및 코팅방법 - Google Patents

성형장치의 표면 코팅박막 및 코팅방법 Download PDF

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KR101316376B1
KR101316376B1 KR1020110106723A KR20110106723A KR101316376B1 KR 101316376 B1 KR101316376 B1 KR 101316376B1 KR 1020110106723 A KR1020110106723 A KR 1020110106723A KR 20110106723 A KR20110106723 A KR 20110106723A KR 101316376 B1 KR101316376 B1 KR 101316376B1
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Abstract

본 발명은, 모재; 상기 모재 표면에 질화되는 질화층; 상기 질화층 표면에 증착되며, 질소가 TiAl타겟 또는 Cr타겟과 반응하여 다층 구조로 이루어지는 다층박막층; 및 상기 다층박막층 표면에 증착되며, 질소와 탄소가 TiAl타겟 및 Cr타겟과 반응하여 이루어지는 탄질화물층;을 포함하여 구성되는 성형장치의 표면 코팅박막 및 코팅방법이 소개된다.

Description

성형장치의 표면 코팅박막 및 코팅방법{COATING A THIN FILM AND METHOD FOR COATING SURFACE ON FORMING TOOL}
본 발명은 제품 성형을 위한 성형장치의 표면에 다층 구조의 코팅층과 함께 탄소를 함유한 코팅층을 증착 형성하여 장치의 물성을 향상시킬 수 있도록 한 성형장치의 표면 코팅박막 및 코팅방법에 관한 것이다.
최근 전 세계적으로 유가가 상승하고, 기후 변화에 따른 지구 온난화가 심각해짐에 따라 자동차의 에너지 효율을 높이고, 연비를 향상시키기 위해 차체의 무게를 줄이기 위한 노력이 계속되고 있다.
이같은 노력의 일환으로, 차체에 고강도를 갖는 고장력 강판을 적용하는 비율이 증가하는 추세에 있으며, 고강도 고장력 강판을 차체에 적용할 경우 기존과 대비하여 약 5 ~ 10% 의 경량화가 가능하고, 경량화된 차체의 중량만큼 연비의 상승을 기대할 수 있게 된다.
이같은, 차체용 고강도 고장력 강판을 성형하기 위해 금형과 같은 성형장치를 이용하며, 특히 금형 표면에 물성 향상을 위해 다양한 코팅층을 코팅하여 강판의 성형성을 높이는 방안이 강구되고 있다.
고강도 강판을 제조하기 위해 금형에 코팅되는 대표적인 코팅재로는, TD(Toyota Diffusion), TiAlN, AlTiCrN+MoS2 등을 들 수 있다.
그러나, 이같은 코팅층은 980MPa 이상의 고강도 강판 성형에 적용하기에는 코팅층의 내구성 및 내마모성이 현저하게 부족하여 도 1과 같이 코팅된 층이 박리되거나 긁힘이 발생되는 문제점이 있다.
특히, 기존의 TD공정의 경우 열처리시 열변형이 심하게 발생되어 변형된 부분을 수정하여 사용해야 실정에 있다.
또한, TiAlN, AlTiCrN+MoS2의 경우에는, 코팅재만으로는 내구성이 부족하여 드로잉유를 사용함으로써, 마찰, 마모를 줄이는 방법을 일시적으로 적용하고 있으나, 정작 후공정인 용접 등과 같은 과정에서 이것이 불순물로 작용하여 성형된 고강도 강판의 품질저하를 야기시키는 문제가 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 제품 성형을 위한 성형장치의 표면에 다층 구조의 코팅층과 함께 탄소를 함유한 코팅층을 증착 형성하여 장치의 물성을 향상시킬 수 있도록 한 성형장치의 표면 코팅박막 및 코팅방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 모재; 상기 모재 표면에 질화되는 질화층; 상기 질화층 표면에 증착되며, 질소가 TiAl타겟 또는 Cr타겟과 반응하여 다층 구조로 이루어지는 다층박막층; 및 상기 다층박막층 표면에 증착되며, 질소와 탄소가 TiAl타겟 및 Cr타겟과 반응하여 이루어지는 탄질화물층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 다층박막층은, 질소가 Cr타겟과 반응하여 질화층과 TiAlN층 표면에 증착되는 CrN층; 및 질소가 TiAl타겟과 반응하여 CrN층 표면에 증착되는 TiAlN층;을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 CrN층과 TiAlN층은 교번하여 반복되게 증착될 수 있다.
상기 CrN층과 TiAlN층은 나노 두께로 증착 형성될 수 있다.
상기 질화층 표면에 증착되는 CrN층은 다른 CrN층보다 두껍게 증착 형성될 수 있다.
상기 탄질화물층은 TiAlCN층이며, 다층박막층의 최표면에 구성된 CrN층의 표면에 증착 형성될 수 있다.
상기 TiAlCN층에 포함된 탄소 함량은 20~30at%일 수 있다.
한편, 본 발명은 모재 표면에 질화층을 형성하는 질화층 형성단계; 상기 질화층 표면에 증착하며, 질소가 TiAl타겟 또는 Cr타겟과 반응하여 다층 구조의 다층박막층을 형성하는 다층박막층 증착단계; 및 상기 다층박막층 표면에 증착하며, 질소와 탄소가 TiAl타겟 및 Cr타겟과 반응하여 탄질화물층을 형성하는 탄질화물층 증착단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 다층박막층과, 탄질화물층의 증착방식은 PVD(Physical Vapour Deposition) 또는 PACVD(Plasma-Assisted Chemical Vapour Deposition) 방식이 적용될 수 있다.
상기 다층박막층과, 탄질화물층의 증착방식에 HIPIMS(High Power Impulse Magnetron Sputtering) 또는 ICP(Inductive Coupled Plasma) 방식을 추가할 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 성형장치에 나노 두께의 CrN층과 TiAlN층이 다층 구조를 이룰 수 있도록 교대로 박막 증착함으로써, 내열성, 내크랙킹성, 내충격성을 향상시킬 수 있고, 또한 성형장치의 최외측에 탄소가 함유된 TiAlCN층이 증착 코팅됨으로써, 내열성, 내마모성, 내구성이 우수하고 저마찰성의 특성을 갖추어 고강도 강판의 생산을 위한 금형의 물성을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 금형의 손상 부위를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 의해 모재에 코팅된 코팅박막의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 의한 코팅박막을 증착하는 데 사용되는 장비를 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 의해 코팅된 코팅박막의 조직을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 의해 코팅된 제품과 비교예를 통해 코팅된 제품의 물성을 비교하여 나타낸 표.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2 내지 도 5를 통해 도시된 본 발명의 성형장치의 표면 코팅박막은, 모재(10)와, 상기 모재(10) 표면에 질화되는 질화층(20)과, 상기 질화층(20) 표면에 증착되며, 질소가 TiAl타겟 또는 Cr타겟과 반응하여 다층 구조로 이루어지는 다층박막층(30)과, 상기 다층박막층(30) 표면에 증착되며, 질소와 탄소가 TiAl타겟 및 Cr타겟과 반응하여 이루어지는 탄질화물층(40)을 포함하여 구성된다.
즉, 모재(10)의 최외표면에 질소와 함께 탄소가 첨가되어 탄질화물층(40)을 증착함으로써, 박막이 코팅된 모재(10)의 마찰계수 및 내마모성을 향상시킬 수 있게 된다.
여기서, 상기 탄소는 코팅방식에 따라 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2), 벤젠(C6H6) 등과 같은 탄화수소 가스를 이용하여 첨가될 수 있고, 또한 흑연타겟과 같이 고상의 탄소타겟을 이용하여 첨가될 수 있다. 또한, 상기 질소는 순수 질소가스가 직접 첨가되거나, 암모니아(NH3)와 같이 질소가 함유된 화합물이 첨가될 수 있다.
그리고, 상기 질화층(20)은 이온 질화법을 통해 형성될 수 있는데, 가스질화나 염욕질화에 비해 저온에서 처리가 가능하다. 이같은 질화층(20)은 코팅되는 박막을 모재(10)에 지지하는 역할을 하는 것으로, 내마모성, 내피로성, 내충격성 및 내식성이 향상될 수 있게 된다.
도 2와 같이 본 발명의 상기 다층박막층(30)은, 질소가 Cr타겟과 반응하여 질화층(20) 표면과 TiAlN층 표면에 증착되는 CrN층과, 질소가 TiAl타겟과 반응하여 CrN층 표면에 증착되는 TiAlN층을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 CrN층과 TiAlN층은 교번하여 반복되게 증착될 수 있다.
상기 CrN층과 TiAlN층은 나노 두께로 증착 형성될 수 있다.
즉, CrN층이 약 30㎚ 두께로 증착 형성되고, TiAlN층이 약 30㎚ 두께로 증착 형성되며, 이들이 교번하여 반복 증착됨으로써, 내열성, 내크랙킹성, 내충격성, 인성, 밀착력을 부여할 수 있게 된다. 특히, 나노 두께의 다층 구조로써 여러 층이 적층된 형태로 이루어져 있으므로, 박막의 내구성을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
이때, 바람직하게는 상기 다층박막층(30)의 두께가 2~10㎛로 형성될 수 있다.
본 발명의 상기 질화층(20) 표면에 증착되는 CrN층은 다른 CrN층보다 두껍게 증착 형성될 수 있다.
즉, 질화층(20) 표면에 증착되는 CrN층은 0.5~4㎛의 두께로 증착 형성됨으로써, 질화층(20)과 TiAlN층의 접착력을 향상시키는 것은 물론, 인성 및 내충격성을 보강하게 된다.
한편, 본 발명의 상기 탄질화물층(40)은 TiAlCN층이며, 다층박막층(30)의 최외표면에 구성된 CrN층의 표면에 증착 형성될 수 있다. 즉, 상기 TiAlCN층에 탄소가 첨가됨으로써, 앞서 설명한 바와 같이 모재(10)의 마찰계수 및 내마모성을 향상시킬 수 있게 된다.
상기 TiAlCN층에 포함된 탄소 함량은 20~30at%가 되도록 형성되는데, 그 이유는 상기 탄소 함량이 20at% 미만인 경우 TiAlCN층의 조직이 결정질 또는 다결정질로 변하게 되면서 경도가 낮아지게 되고, 탄소 함량이 30at%를 초과하는 경우 TiAlCN층의 조직이 비정질로 변하게 되면서 이 역시 경도가 낮아지기 때문이다.
본 발명의 작용 및 효과를 살펴본다.
본 발명에 의한 성형장치의 표면 코팅방법은, 모재(10) 표면에 질화층(20)을 형성하는 질화층 형성단계와, 상기 질화층(20) 표면에 증착하며, 질소가 TiAl타겟 또는 Cr타겟과 반응하여 다층 구조의 다층박막층(30)을 형성하는 다층박막층 증착단계와, 상기 다층박막층(30) 표면에 증착하며, 질소와 탄소가 TiAl타겟 및 Cr타겟과 반응하여 탄질화물층(40)을 형성하는 탄질화물층 증착단계를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 다층박막층(30)과, 탄질화물층(40)의 증착방식은 PVD(Physical Vapour Deposition) 또는 PACVD(Plasma-Assisted Chemical Vapour Deposition) 방식이 적용될 수 있다.
도 3은 상기한 PVD 증착을 위한 PVD Arc 장비를 도시한 것으로, 챔버(50) 내부의 압력을 조절하도록 펌프(51)가 마련되며, 챔버(50) 내부를 승온시킬 수 있도록 히터(52)가 마련된다. 그리고, 상기 챔버(50) 중심에 모재(10)가 구비되며, 상기 모재(10) 표면에 PVD를 통한 증착이 가능하도록 TiAl타겟과 Cr타겟이 마련되고, 챔버(50) 내부에 질소 및 탄소를 투입할 수 있게 가스투입구(53)가 마련되어 구성된다.
또한, 상기 다층박막층(30)과, 탄질화물층(40)의 증착방식에 HIPIMS(High Power Impulse Magnetron Sputtering) 또는 ICP(Inductive Coupled Plasma) 방식을 추가할 수 있게 된다. 즉, 다층박막층(30)과 탄질화물층(40) 입자의 나노화 및 고속코팅을 구현할 수 있도록 고밀도 플라즈마를 생성하는 HIPIMS 또는 ICP 방식이 추가될 수 있는 것이다.
실시예
모재(10)는 자동차용 강판 성형에 사용되는 금형의 재질로써, SKD11 등이 사용될 수 있으며, 담금질 및/또는 템퍼링 등의 열처리를 통해 모재(10)가 열처리 가공될 수 있다.
이어서, 상기 모재(10)의 표면에 이온 질화법을 통해 질화층(20)을 형성한다. 상기한 이온질화는 460~490℃의 온도에서 N2와 H2를 첨가하되, N2를 H2 대비 15~20vol%의 용량으로 첨가하여 8~15시간 동안 진행한다. 이에 따라, Fe(N), Fe4N의 질화층(20)이 형성될 수 있으며, 80~120㎛의 두께로 형성되고, 800~1200HV의 경도를 갖게 될 수 있다.
이어서, 질화층(20) 표면에 CrN층을 증착 형성하여 접합력, 인성, 내충격성을 보강하고, 상기 CrN층 표면에 약 30㎚ 두께의 TiAlN층과, 약 30㎚ 두께의 CrN층을 교대로 박막 증착하여 내열성, 내크랙킹성, 내충격성, 인성 및 밀착력을 부여한다.
그리고, 최외측에 증착된 CrN층 표면에 TiAlCN층을 증착 코팅함으로써, 저마찰성, 내열성, 내산화성 및 내마모성을 동시에 확보할 수 있게 된다.
도 4는 상기한 실시예를 통해 코팅된 코팅박막의 조직을 나타낸 도면이고, 도 5는 상기한 실시예를 통해 코팅된 금형 제품과 종래의 다른 코팅층들을 통해 코팅된 금형 제품과의 물성을 비교한 표로써, 본 발명의 금형 제품이 비교예에 예시된 종래의 금형 제품에 비해 접합력과, 경도가 우수하고, 저마찰계수 특성과 함께 내마모성이 우수한 결과를 보임을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 의한 코팅박막이 코팅된 성형장치(금형)는 저마찰성을 갖으며, 내마모성과, 내구성 및 내열성이 향상될 수 있게 된다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
10 : 모재 20 : 질화층
30 : 다층박막층 40 : 탄질화물층

Claims (10)

  1. 모재(10);
    상기 모재(10) 표면에 질화되는 질화층(20);
    상기 질화층(20) 표면에 증착되며, 질소가 TiAl타겟 또는 Cr타겟과 반응하여 다층 구조로 이루어지는 다층박막층(30); 및
    상기 다층박막층(30) 표면에 증착되며, 질소와 탄소가 TiAl타겟 및 Cr타겟과 반응하여 이루어지는 탄질화물층(40);을 포함하여 구성되고,
    상기 탄질화물층(40)은 TiAlCN층이며,
    상기 TiAlCN층에 포함된 탄소 함량은 20~30at%인 것을 특징으로 하는 성형장치의 표면 코팅박막.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 다층박막층(30)은,
    질소가 Cr타겟과 반응하여 질화층(20)과 TiAlN층 표면에 증착되는 CrN층; 및
    질소가 TiAl타겟과 반응하여 CrN층 표면에 증착되는 TiAlN층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 성형장치의 표면 코팅박막.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 CrN층과 TiAlN층은 교번하여 반복되게 증착되는 것을 특징으로 하는 성형장치의 표면 코팅박막.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 CrN층과 TiAlN층은 나노 두께로 증착 형성되는 것을 특징으로 하는 성형장치의 표면 코팅박막.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 질화층(20) 표면에 증착되는 CrN층은 다른 CrN층보다 두껍게 증착 형성되는 것을 특징으로 하는 성형장치의 표면 코팅박막.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄질화물층(40)은 다층박막층(30)의 최표면에 구성된 CrN층의 표면에 증착 형성되는 것을 특징으로 하는 성형장치의 표면 코팅박막.
  7. 삭제
  8. 모재(10) 표면에 질화층(20)을 형성하는 질화층 형성단계;
    상기 질화층(20) 표면에 증착하며, 질소가 TiAl타겟 또는 Cr타겟과 반응하여 다층 구조의 다층박막층(30)을 형성하는 다층박막층 증착단계; 및
    상기 다층박막층(30) 표면에 증착하며, 질소와 탄소가 TiAl타겟 및 Cr타겟과 반응하여 탄질화물층(40)을 형성하는 탄질화물층 증착단계;를 포함하여 구성되고,
    상기 탄질화물층(40)은 TiAlCN층이며,
    상기 TiAlCN층에 포함된 탄소 함량은 20~30at%인 것을 특징으로 하는 성형장치의 표면 코팅방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 다층박막층(30)과, 탄질화물층(40)의 증착방식은 PVD(Physical Vapour Deposition) 또는 PACVD(Plasma-Assisted Chemical Vapour Deposition) 방식이 적용되는 것을 특징으로 하는 성형장치의 표면 코팅방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 다층박막층(30)과, 탄질화물층(40)의 증착방식에 HIPIMS(High Power Impulse Magnetron Sputtering) 또는 ICP(Inductive Coupled Plasma) 방식을 추가하는 것을 특징으로 하는 성형장치의 표면 코팅방법.
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