KR101103865B1 - 금형 모재 코팅 방법 - Google Patents

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Abstract

코팅 물질과 모재 간의 밀착력이 우수하고, 코팅시 균열을 야기하지 않는 금형 모재 코팅 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 금형 모재 코팅 방법은 (a) 모재 표면을 플라즈마 질화 처리하여, 상기 모재 표면으로부터 내부로 확산층을 형성하는 단계; (b) 이온 건 에칭을 수행하여, 상기 플라즈마 질화 처리에 의해 상기 확산층 상부에 불가피하게 생성되는 화합물층을 제거하는 단계; 및 (c) 상기 화합물층이 제거된 확산층 표면을 미리 정해진 물질로 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

금형 모재 코팅 방법{METHOD OF COATING ON A BASIC MATERIAL FOR DIE}
본 발명은 금형 모재의 표면 처리 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금형 모재와 코팅 박막 간의 밀착력을 증대시키기 위하여 도입된 플라즈마 질화 처리에서, 불가피하게 발생하는 표면 화합물층을 이온건 에칭을 통하여 제거함으로써 코팅시 균열을 야기하지 않으면서 코팅 물질과 모재 간의 밀착력을 향상시키고, 이와 더불어 경도 및 내마모성을 향상시킬 수 있는 금형 모재 코팅 방법에 관한 것이다.
연료전지 금속분리판 제조용 금형과 같은 금형의 경우, 사용시 많은 스트레스를 받게 되는데, 이는 결과적으로 금형의 수명이 짧아지게 되는 원인이 된다.
따라서, 금형의 표면에는 일반적으로 코팅 물질로 코팅이 되어 있다. 코팅 물질은 내마모성 부여 등 그 목적에 따라 각기 다른 물질로 결정된다.
예전에는 금형의 표면에 직접 코팅 물질을 코팅하였다. 그러나 이 경우 코팅 물질과 금형을 구성하는 재료(이하 모재라 한다) 간의 밀착성이 저하되어, 코팅 물 질이 쉽게 탈리되는 문제점이 있었다.
이를 해결하고자 최근에는 코팅 전에 미리 플라즈마 질화 처리를 수행하여 모재와 코팅 물질 간의 밀착성을 향상시키고 있다.
도 1은 종래의 금형 모재 코팅 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 금형 모재 코팅 방법은 플라즈마 질화 처리 단계(S110) 및 PVD 코팅 단계(S120)로 이루어진다.
플라즈마 질화 처리 단계(S110)에서는 모재가 로딩된 반응 챔버 내에 질소 가스를 도입하고, 도입된 질소 가스를 이온화하여, 모재의 표면으로부터 질소 입자를 침투 확산시켜 경화층의 두께를 증대시킨다. 이를 통하여 모재의 경도를 증가시키고 적절한 인성을 부여하며, 박막 간의 밀착력을 증가시킨다.
그리고, PVD 코팅 단계(S120)에서는 PVD법(Physical Vapor Deposition)을 이용하여 모재의 표면에 원하는 코팅 물질을 코팅한다.
그러나, 상기 플라즈마 질화 처리에 의해 확산층이 형성될 때, 표면에는 ε-Fe2-3N, γFe4N, ε-Fe2 -3N+γFe4N 등과 같은 불가피하게 화합물층이 형성되는데, 이러한 화합물층은 자체 응력 발생으로 인하여 PVD 코팅(S120)시 균열을 야기하고, 이를 코팅층으로 전파시키는 문제가 있다.
그 결과, 코팅층과 모재 간의 밀착력이 저하되어 쉽게 박리될 수 있으며, 경도, 마찰계수 등에도 악영향을 미친다.
본 발명의 목적은 금형 모재 표면에 코팅 공정을 진행하기 전에 플라즈마 질화 처리를 실시하되, 상기 플라즈마 질화 처리에 의하여 불가피하게 생성되는 화합물층을 빠른 속도로 제거함과 아울러, 표면에 불필요한 산화막을 형성시키지 않는 금형 모재 코팅 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 금형 모재 코팅 방법은 (a) 모재 표면을 플라즈마 질화 처리하여, 상기 모재 표면으로부터 내부로 확산층을 형성하는 단계; (b) 이온 건 에칭을 수행하여, 상기 플라즈마 질화 처리에 의해 상기 확산층 상부에 불가피하게 생성되는 화합물층을 제거하는 단계; 및 (c) 상기 화합물층이 제거된 확산층 표면을 미리 정해진 물질로 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 플라즈마 질화 처리는 (a1) 상기 모재가 로딩되는 반응챔버 내부를 진공 상태로 형성한 후, 상기 반응챔버 내부에 수소(H2) 가스와 아르곤(Ar) 가스를 유입하여 스퍼터링을 실시하는 단계와, (a2) 상기 반응 챔버 내부에 수소(H2) 가스와 질소(N2) 가스를 유입하고 전압을 인가하여 질화 처리를 실시하는 단계를 포함 할 수 있으며, 상기 (a2)단계에서 상기 수소 가스와 질소 가스의 유입비는 7:3 ~ 8:2인 경우 화합물층의 생성을 최소화할 수 있다.
또한, 상기 코팅 단계는 모재와 코팅층 간의 밀착력을 강화하기 위하여 상기 화합물층이 제거된 모재 표면에 버퍼층을 미리 형성한 후 실시할 수 있다.
본 발명에 따른 금형 모재 코팅 방법은 플라즈마 질화 처리를 통하여 발생하는 모재 표면의 화합물층을 이온건 에칭을 통하여 제거함으로써, 코팅시 모재와 코팅층과의 밀착력을 증대시킴과 아울러, 빠른 속도로 화합물층을 제거할 수 있으며, 또한 불필요한 산화분위기를 형성하지 않는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 금형 모재 코팅 방법은 반응챔버 내의 온도 변화 및 모재의 마찰로 인한 기계적 스트레스를 최소화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 금형 모재 코팅 방법은 모재의 경도 증가 및 인성 부여를 위한 플라즈마 질화 처리시, 질소 인입량을 조절함으로써 불가피하게 생성되는 화합물층의 두께를 줄일 수 있는 장점이 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 금형 모재 코팅 방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되 어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 금형 모재 코팅 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 도시된 금형 모재 코팅 방법은 플라즈마 질화 처리 단계(S210), 이온건 에칭 단계(S220) 및 코팅 단계(S230)를 포함한다.
여기서, 금형 모재는 연료전지 금속 분리판용 금형 등이 될 수 있으며, 다른 금형들도 포함될 수 있다. 상기 금형 모재는 기계 구조용 탄소강(예: S45C, S50C, S10C, S20C), 구조용 합금강(예: SCM4), 스테인리스 스틸강(예: SUS304, SUS310, SUS316), 비 조질강(예: MF, HMF), 탄소 공구강(예: SK3, SK4, SK5), 합금 공구강(예:, SKS3, SKD종, DC53), 고속도 공구강(예: SKH55), 특수 용도강(예: SUP, SUM), 플라스틱 모재강(예: KP1, KP4, KP4M, HPPM, NAK) 등을 제시할 수 있으며, 이외에도 금형 재료로 될 수 있는 것이라면 제한없이 적용될 수 있다.
우선, 플라즈마 질화 처리 단계(S210)에서는 반응챔버 내에 금형 모재를 로딩한 후, 모재 표면을 플라즈마 질화 처리한다. 플라즈마에 의해 활성화된 질소는 모재 내부로 침투 확산되어 확산층을 형성한다.
플라즈마 질화 처리는 다음과 같은 과정으로 진행될 수 있다.
우선, 모재가 로딩되는 반응챔버 내부를 진공 상태로 형성한 후, 반응챔버 내부에 수소(H2) 가스와 아르곤(Ar) 가스를 유입하여 스퍼터링을 실시한다. 이를 통하여 모재 표면이 클리닝될 수 있으며, 모재 표면의 상태가 불안정하게 되어 이어지는 질화 처리에서 질소 가스의 침투 확산이 용이하게 된다.
이후, 반응 챔버 내부에 수소(H2) 가스와 질소(N2) 가스를 유입하고 전압을 인가하여 질화 처리를 실시한다. 이때, 질화처리는 반응챔버 내에 대략 600V ~ 800V의 전압을 인가하여 질소를 활성화한 상태에서 3~5시간 정도 이루어질 수 있다.
또한, 플라즈마 질화 처리 단계(S210)의 공정 온도는 450℃ 이하인 것이 바람직하다. 그 이유는 질화시 온도가 450℃를 초과할 경우, 모재의 뒤틀림이나 열변형이 발생할 수 있기 때문이다.
모재의 표면으로부터 침투 확산되는 질소는 크롬(Cr), 알루미늄(Al) 등의 합금원소와 결합하여 CrN이나 AlN과 같은 미세하고 견고한 질화물로 이루어진 확산층을 생성하여 모재 표면에 내마모성 및 고경도성을 부여한다.
플라즈마 질화 처리시, 상기 확산층 뿐만 아니라 모재 표면에는 ε-Fe2 -3N, γFe4N, ε-Fe2 -3N+γFe4N 등과 같은 화합물층이 불가피하게 형성된다. 이러한 불가 피한 화합물층은 전술한 바와 같이, 자체 응력을 발생시켜 모재 표면에 균열을 야기하여 코팅의 밀착력을 저해하는 요인으로 작용한다.
따라서, 이러한 화합물층은 코팅 전에 제거되어야 한다. 화합물층의 제거 방법으로 연삭기 등을 이용한 기계적 그라인딩 방법을 상정할 수 있다.
그러나, 기계적 그라인딩 방법은 다음과 같은 문제점이 있다.
우선, 플라즈마 질화 처리를 위하여 반응 챔버 내부의 온도는 매우 높은 온도에서 진행되는 반면, 그라인딩은 주로 상온에서 진행된다. 따라서, 이 경우 반응챔버 내의 온도를 다시 낮추어야 하며, 그라인딩시 모재 표면의 온도 상승에 의한 불필요한 산화 분위기가 형성될 수 있다.
또한, 그라인딩 공정시 공정 속도가 느리며, 그라인딩시 코팅의 밀착력을 저해할 수 있는 조도의 차이를 발생시키는 문제점이 있다.
따라서, 화합물층을 제거하기 위한 그라인딩 방법의 문제점을 해결할 수 있는 다른 방법이 필요한다. 이에 본 발명에서는 후술하는 이온건 에칭 단계(S220)를 통하여 상기 화합물층을 제거한다.
플라즈마 질화 처리를 통하여 모재 표면에서 내부로 형성되는 확산층 및 화합물층의 합계 두께는 1㎛ ~ 800㎛가 될 수 있다. 모재 표면 내부로 형성되는 확산층 및 화합물층의 두께가 1㎛ 미만일 경우 확산층의 두께가 지나치게 얇으므로 모재의 경도 증가와 적절한 인성을 부여할 수 없으며 또한 모재와 코팅층 간의 밀착력 증대 효과를 가져올 수 없다. 또한, 확산층 및 화합물층의 두께가 두꺼우면 두 꺼울수록 상기의 효과들을 잘 나타낼 수 있으나, 모재 표면으로부터 800㎛를 초과하여 활성화된 질소가 침투 확산되기는 어렵다.
한편, 화합물층의 두께는 반응챔버 내에 인입되는 수소가스와 질소가스의 유량비에 따라 달라지는데, 질소 가스의 인입량을 질화가 가능할 정도로만 인입할 경우, 화합물층의 생성 두께를 최소화할 수 있다. 따라서, 수소 가스와 질소 가스는 7:3 ~ 8:2 정도의 유량비로 반응챔버 내에 인입되는 것이 바람직하다.
이온건 에칭 단계(S220)에서는 이온건 에칭을 통하여 상기 모재 표면에 형성되어 있는 화합물층을 제거한다.
반응챔버에 40~60sccm 정도의 아르곤을 유입하고, 이온건에 800~1500V의 전압과 0.2A 정도의 전류를 인가하여 이온건을 통한 에칭이 이루어질 수 있다. 이때, 이온건에 인가되는 전압이 800V 이하인 경우 이온건 에칭의 효과가 저하되므로, 이온건에 인가되는 전압은 800V 이상이 되어야 한다. 이온건 에칭은 대략 10~30분간 진행될 수 있으나, 모재 표면의 화합물층의 두께나 에칭 속도 등에 따라 이온건 에칭 시간이 달라질 수 있다.
이온건 에칭은 그라인딩 방식에 비하여 화합물층을 제거하는 속도가 빠르고, 공정 중간에 모재 표면의 온도 상승 및 산화분위기를 조성하는 불필요한 과정을 제거할 수 있으며, 코팅시 부착력을 저해할 수 있는 조도의 차이를 최소화할 수 있는 장점이 있다.
이온건 에칭을 통하여 제거되는 두께는 전술한 플라즈마 질화 처리시 생성되 는 화합물층의 두께가 되며, 확산층과 화합물층의 합계 두께가 1㎛ ~ 800㎛인 경우 이온건 에칭 두께는 1㎛ ~ 200㎛를 제시할 수 있으며, 확산층과 화합물층의 합계 두께보다는 적다. 그러나, 모재 표면에 불가피하게 생성되는 화합물층의 두께는 플라즈마 질화 처리 조건에 따라 달라지게 되므로, 이에 한정되는 것은 아니다.
이온건 에칭을 통하여 모재 표면에 존재하는 화합물층은 제거됨에 따라, 모재의 표면에는 확산층이 존재하게 된다.
코팅 단계(S230)에서는 모재 표면, 즉 원하는 물질로 확산층 표면을 코팅한다.
코팅되는 물질은 경도 부여, 내식성 부여, 내마모성 부여 등 그 목적에 따라 각기 다른 물질로 결정된다.
예를 들어, 연료전지 금속 분리판용 금형의 경우, 높은 경도와 내마모성, 그리고 고온안정성이 요구되는데, 이러한 물질로는 TiN, CrN과 같은 천이금속의 질화물 또는 TiAlN, CrAlN 등과 같은 천이금속화합물의 질화물이 될 수 있다. 상기 천이금속화합물의 질화물의 예에서 CrAlN은 AlCrN으로도 표시될 수 있는데, 이는 Cr과 Al의 상대적인 몰비율, 즉 함량비에 따라 구별하여 표시되는 것이다. 즉, 화합물에서 Cr의 함량비가 Al의 함량비보다 더 클 경우 CrAlN으로 표시하고, 화합물에서 Al의 함량비가 Cr의 함량비보다 더 클 경우 AlCrN으로 표시한다. Al과 Cr의 함량비가 동일한 경우 CrAlN이나 AlCrN 어느 것이라도 표시 가능하다. 이는 다른 천이금속화합물의 질화물에도 마찬가지로 적용될 수 있다.
상기 천이금속의 질화물이나 천이금속화합물의 질화물로 이루어진 코팅층은 화학적 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD)이나 물리적 기상 증착법(Physical Vapor Deposition: PVD) 등 여러가지 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
코팅 단계(S230)에서 코팅의 두께는 0.1㎛ ~ 5㎛ 정도의 두께가 될 수 있다. 코팅의 두께가 0.1㎛ 이하인 경우 모재에 코팅을 통한 경도 및 내마모성의 부여가 부족하고, 코팅의 두께가 5㎛를 초과하는 경우 모재에 미세한 패턴이 형성되어 있을 경우, 미세 패턴에 대하여 전체적으로 균일한 두께의 코팅이 어려워지며, 코팅 비용이 과다해지는 문제점이 있다.
코팅은 대략 30분 ~ 2시간 동안 실시할 수 있으나, 코팅 시간은 코팅 속도 및 코팅 두께에 따라 달라지게 되므로 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 코팅은 버퍼층의 형성 과정과 본 코팅 과정으로 2단계로 이루어질 수 있다. 이 경우, 화합물층이 제거된 모재 표면에 천이금속의 질화물이나 천이금속화합물의 질화물로 얇은 두께의 버퍼층을 먼저 형성한 후, 본 코팅을 실시하게 된다. 버퍼층과 본 코팅에 의해 형성되는 코팅층은 동일한 물질로 이루어질 수 있으며, 서로 다른 천이금속의 질화물 혹은 천이금속화합물의 질화물이 될 수 있다.
버퍼층은 본 코팅의 코팅 두께보다 상대적으로 얇게 형성하며 버퍼층과 확산층은 높은 밀착력을 가지게 된다. 확산층 상에 버퍼층을 먼저 형성하고 본 코팅을 진행함에 따라, 코팅층의 밀착력을 향상시킬 수 있고, 코팅층 형성시에 모재나 확산층이 받는 응력의 집중을 완화할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. PVD 코팅 시편의 제조
표 1에 도시된 바와 같이, 실시예 1~12 및 비교예 1~4의 시편을 제조하였다.
실시예 1~12 및 비교예 1~4에서 공통적으로 SUS316L 재질의 모재 시편을 반응챔버에 로딩한 후, 250℃의 온도에서 진공도 4x10-2까지 배기한 후, 반응 챔버 내에 수소 가스와 아르곤 가스를 유입시켜 스퍼터링을 1시간동안 실시하였다. 스퍼터링 후, 10시간동안 400℃에서 700V의 전압을 인가하여 플라즈마 질화 처리를 진행하였다.
실시예 1~12의 경우, 플라즈마 질화 공정 후 이온건 에칭을 수행한 후 PVD 코팅을 하였으며, 비교예 1~4의 경우 이온건 에칭을 실시하지 않고 PVD 코팅을 하 였다. 실시예 1~12의 경우, 이온건에 1500V, 0.2Afmf 인가하고 50sccm의 아르곤 가스를 반응챔버 내로 유입하였으며, 에칭시간은 30분이었다.
비교예 1~4의 경우, PVD 코팅 물질로 CrAlN(비교예 1), AlCrN(비교예 2), TiAlN(비교예 3), AlTiN(비교예 4)를 적용하였으며, 각각 플라즈마 질화 처리시 수소 가스 와 아르곤 가스의 인입비를 7:3으로 하였다.
[표 1]
Figure 112009063926997-pat00001
실시예 1~12의 경우, PVD 코팅 물질로 CrAlN(실시예 1~3), AlCrN(실시예 4~6), TiAlN(실시예 7~9), AlTiN(실시예 10~12)를 적용하였으며, 각각의 코팅 물질 별로 플라즈마 질화 처리시 수소 가스와 아르곤 가스의 인입비를 7:3(실시예 1,4,7,10), 5:5(실시예 2,5,8,11), 3:7(실시예 3,6,9,12)로 하였다.
2. 물성 평가 방법
(1)경도
도 3은 경도 측정시 이용된 나노인덴터(nanoindenter)를 나타낸 것이다.
경도는 도 3에 도시된 바와 같은 나노인덴터(nanoindenter)를 이용하였다. 분석시 압입 깊이를 15㎛ 이내로 하고, CSM(Continuous Stiffness Measurement) 모드로 측정하였다.
(2)마찰계수(내마모성)
도 4는 마찰계수 측정시 이용된 Ball-on-disc 타입의 슬라이딩 마찰 테스트기를 나타낸 것이다.
마찰계수는 도 4에 도시된 바와 같은 Ball-on-disc 타입의 슬라이딩 마찰 테스트기를 이용하여 측정하였다.
테스트에서는 마모 특성을 분석하기 위해 상대재를 스틸 볼(steel ball)로 하였으며, 상온에서 5N 하중으로 거리 1000m, 선속도 0.24m/s로 마모 시험을 실시하였다. 마모 후에 마모흔적을 SEM과 EDS로 관찰하여 마모흔적의 크기 및 형태와 마모 거동을 분석하였다.
(3)밀착력
도 5는 밀착성 측정시 이용된 스크래치 테스트기를 나타낸 것이다.
밀착력은 도 5에 도시된 바와 같은 스크래치 테스트기를 이용하여 0~100N까지 하중을 가하며 측정하였다.
도 5에 도시된 스크래치 테스트기의 원리는 다음과 같다. Rockwell C diamond stylus가 시편의 표면 위를 일정한 속도 이동하면서 연속적으로 하중을 증가시킨다. 이때 스타일러스(stylus)가 이동함에 따라 표면에 가해진 하중이 박막의 파괴에 요구되는 하중보다 큰 경우에 파괴가 일어나며 이때 탄성변형과 소성변형을 일으킨다. 일반적으로 최초로 박막이 파괴될 때의 최소 하중을 임계하중 (Critical load, Lc)라고 정의하며 코팅층과 모재의 밀착 강도의 척도로 사용된다.
3. 측정 결과
(1)경도
표 1에는 경도 측정 결과가 나타나 있으며, 이 중에서, 비교예 1~4 및 실시예 1,4,7,10의 경도 테스트 결과를 도 6에 나타내었다.
표 1 및 도 6을 참조하면, 이온건 에칭을 하지 않고 CrAlN을 코팅한 비교예 1의 경우 경도가 32GPa 을 나타내는 것에 비하여 이온건 에칭을 실시하고 CrAlN을 코팅한 실시에 1의 경우 38GPa을 나타내어 실시예 1의 경우가 비교예 1의 경우보다 고경도를 발휘하는 것을 알 수 있다.
마찬가지로, AlCrN을 코팅한 비교예 2와 실시예 4의 경우, 경도가 34GPa, 38GPa로 실시예 4의 경우가 비교예 2의 경우보다 고경도를 발휘하며, TiAlN을 코팅한 비교예 3와 실시예 7의 경우, 경도가 37GPa, 39GPa로 실시예 7의 경우가 비교예 3의 경우보다 고경도를 발휘하며, AlTiN을 코팅한 비교예 4와 실시예 10의 경우, 경도가 39GPa, 41GPa로 실시예 10의 경우가 비교예 4의 경우보다 고경도를 발휘하는 것을 알 수 있다.
(2)마찰계수(내마모성)
표 1에는 마찰계수 측정 결과가 나타나 있으며, 이 중에서, 비교예 1 및 실시예 1,4,7,10의 마찰계수 테스트 결과를 도 7에 나타내었다.
표 1 및 도 7을 참조하면, 비교예 1의 경우 마찰계수가 0.72로 마모흔적이 매우 많음을 알 수 있다. 반면, 실시예 1,4,7,10의 경우 마찰계수가 각각 0.38, 0.42, 0.4 및 0.5로, 비교예 1의 경우보다 마찰계수가 낮고 또한, 마모흔적이 상대적으로 적음을 알 수 있다.
따라서, 실시예 1,4,7,10의 경우, 비교예 1에 비하여 마찰계수가 낮으며, 내마모성이 우수한 것을 알 수 있다.
또한, 표 1을 참조하면, 수소가스와 질소가스의 비율이 7:3인 실시예 1 의 경우가 질소가스의 비율이 상대적으로 높은 실시예 2,3의 경우보다 마찰계수가 더 낮은 것을 알 수 있고, 이는 다른 실시예 군에서도 대체적으로 일치하는 것을 알 수 있다. 이는 플라즈마 질화 처리시 질소가스의 비율이 상대적으로 적을 경우 화 합물층 생성을 최소화하기 때문인 것으로 보인다.
(3)밀착력
표 1에는 밀착력 측정 결과가 나타나 있으며, 이 중에서, 비교예 1 및 실시예 1,4,7,10의 밀착력 테스트 결과를 도 8에 나타내었다.
표 1 및 도 8을 참조하면, 비교예 1의 경우 임계 하중이 15N 을 나타내었으나, 실시예 1의 경우 임계 하중이 75N, 실시예 4의 경우 임계 하중이 62N, 실시예 7의 경우 임계하중이 64N, 실시예 10의 경우 임계하중이 69N 을 나타내었다.
즉, 실시예 1,4,7,10의 경우, 코팅층과 모재 간의 밀착력이 우수하여 스크래치 테스트에서 매우 높은 임계하중을 나타내어, 밀착서이 우수한 것을 알 수 있다.
또한, 표 1을 참조하면, 수소가스와 질소가스의 비율이 7:3인 실시예 1 의 경우가 질소가스의 비율이 상대적으로 높은 실시예 2,3의 경우보다 밀착력의 척도가 되는 임계하중이 가장 높은 것을 알 수 있으며, 이는 다른 실시예 군에서도 동일하게 적용될 수 있는 것을 알 수 있다. 이 역시 전술한 마찰계수와 마찬가지로, 플라즈마 질화 처리시 질소가스의 비율이 상대적으로 적을 경우 화합물층 생성을 최소화하기 때문인 것으로 보인다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 금형 모재 코팅 방법은 플라즈마 질화 처리 이후, 이온건 에칭을 통하여 화합물층을 제거함에 따라 고경도를 나타내며, 내마모성 및 코팅층과 모재 사이의 밀착성이 향상되는 효과가 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 종래의 금형 모재 코팅 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 금형 모재 코팅 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 경도 측정시 이용된 나노인덴터(nanoindenter)를 나타낸 것이다.
도 4는 마찰계수 측정시 이용된 Ball-on-disc 타입의 슬라이딩 마찰 테스트기를 나타낸 것이다.
도 5는 밀착성 측정시 이용된 스크래치 테스트기를 나타낸 것이다.
도 6은 비교예 1 및 실시예 1,4,7,10의 경도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 비교예 1 및 실시예 1,4,7,10의 마찰계수 테스트 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 비교예 1 및 실시예 1,4,7,10의 밀착력 테스트 결과를 나타낸 것이다.

Claims (13)

  1. (a) 금형 모재 표면을 플라즈마 질화 처리하여, 상기 금형 모재 표면으로부터 내부로 확산층을 형성하는 단계;
    (b) 이온 건 에칭을 수행하여, 상기 플라즈마 질화 처리에 의해 상기 확산층 상부에 불가피하게 생성되는 화합물층을 제거하는 단계; 및
    (c) 상기 화합물층이 제거된 확산층 표면을 천이금속의 질화물 또는 천이금속화합물의 질화물로 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금형 모재 코팅 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a)단계는
    (a1) 상기 금형 모재가 로딩되는 반응챔버 내부를 진공 상태로 형성한 후, 상기 반응챔버 내부에 수소(H2) 가스와 아르곤(Ar) 가스를 유입하여 스퍼터링을 실시하는 단계와,
    (a2) 상기 반응 챔버 내부에 수소(H2) 가스와 질소(N2) 가스를 유입하고 전압을 인가하여 질화 처리를 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금형 모재 코팅 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 (a2)단계에서 상기 수소 가스와 질소 가스의 유입비는 7:3 ~ 8:2인 것을 특징으로 하는 금형 모재 코팅 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (b)단계는
    상기 금형 모재가 로딩되는 반응 챔버 내부에 아르곤 가스를 유입하고, 상기 반응 챔버 내부에 800V ~ 1600V의 전압을 인가하여 실시하는 것을 특징으로 하는 금형 모재 코팅 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계는
    물리적 기상 증착법(Physical Vapor Deposition: PVD)을 이용하여 상기 천이금속의 질화물 또는 천이금속화합물의 질화물로 코팅하는 것을 특징으로 하는 금형 모재 코팅 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계는
    상기 화합물층이 제거된 금형 모재 표면에 버퍼층을 형성한 후, 상기 코팅을 실시하는 것을 특징으로 하는 금형 모재 코팅 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 버퍼층은 천이금속의 질화물 또는 천이금속화합물의 질화물로 형성되는 것을 특징으로 하는 금형 모재 코팅 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 코팅에 의한 두께보다 상대적으로 얇은 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 금형 모재 코팅 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 (a)단계의 플라즈마 질화 처리를 통하여 상기 금형 모재 표면 내부로 형성되는 확산층 및 화합물층의 두께는 1㎛ ~ 800㎛이고,
    상기 (b)단계의 이온건 에칭을 통하여 제거되는 화합물층의 두께는 1㎛ ~ 200 ㎛인 것을 특징으로 하는 금형 모재 코팅 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 (b)단계는 상기 (a)단계의 플라즈마 질화 처리를 통하여 형성되는 확산층 및 화합물층의 두께의 5% ~ 30%가 제거되도록 이온건 에칭을 실시하는 것을 특징으로 하는 금형 모재 코팅 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계는 0.1㎛ ~ 5㎛의 두께로 코팅하는 것을 특징으로 하는 금형 모재 코팅 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 금형 모재는
    기계 구조용 탄소강, 구조용 합금강, 스테인리스 스틸강, 비 조질강, 탄소 공구강, 합금 공구강, 고속도 공구강, 특수 용도강 및 플라스틱 모재강 중 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 금형 모재 코팅 방법.
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