KR20050007953A

KR20050007953A - 질화티타늄 코팅방법

Info

Publication number: KR20050007953A
Application number: KR1020030047596A
Authority: KR
Inventors: 김대중
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2003-07-12
Filing date: 2003-07-12
Publication date: 2005-01-21

Abstract

본 발명은 모재의 표면에 경질재료를 입히는 코팅방법에 있어서, 모재의 표면에 질화티타늄(TiN) 코팅층을 형성하기 전에 버퍼층을 형성하여 우수한 내마모성을 갖는 질화티타늄 코팅방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 모재에 질화티타늄 코팅방법에 있어서, 모재(200)가 수용된 진공상태의 챔버(110)에 비활성가스를 주입하여 플라즈마를 형성하는 단계와, 상기 챔버(110)의 내부에 질소가스를 주입하고 모재(200)에 마이너스 전압 바이어스를 인가하여 모재(200)의 표면으로 질소이온을 주입하는 단계와, 상기 챔버(110) 내부에 설치된 티타늄 타겟(120)에 전원을 공급하여 티타늄 이온을 형성하는 단계와, 상기 챔버(110)의 내부로 주입하는 질소가스의 주입양을 조절하여 상기 질소이온이 주입된 모재(200)의 표면에 질화티타늄계 버퍼층(202)을 형성하는 단계와, 상기 질소가스의 주입양을 증가시켜 상기 버퍼층(202)의 상면에 질화티타늄(TiN) 코팅층(203)을 형성하는 단계를 포함하여 구성된 것을 기술적 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 질화티타늄 코팅방법은 절삭공구에 질화티타늄 코팅을 수행함에 있어서, 질화티타늄 코팅층과 질소이온주입층이 형성된 모재의 사이에 버퍼층이 위치하여 본드역할을 수행하여 코팅층의 박리 및 산화를 방지하며 내마모성을 향상시킨다는 장점이 있다.

Description

질화티타늄 코팅방법{Titanium nitrite coating method}

본 발명은 모재의 표면에 경질재료를 입히는 코팅방법에 관한 것이며, 특히, 모재의 표면에 질화티타늄(TiN) 코팅층을 형성하기 전에 버퍼층을 형성하여 우수한 내마모성을 갖는 질화티타늄 코팅방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

오래 전부터 모재의 표면에 경질재료를 코팅하여 절삭공구의 절삭능력 및 수명을 향상시키는 내마모성 보호피막 형성기술에 대한 연구가 진행되어 오고 있다. 그 동안 여러 종류의 보호피막재료 및 다양한 보호피막 형성기술이 개발되었으며, 그 중에 대표적인 한 기술이 질화티타늄 코팅기술이다.

종래에는 이와 같은 질화티타늄을 코팅하기 위해 물리적 진공증착법을 이용하였다.

물리적 진공증착법(PVD; Physical Vapor Deposition)이란 고진공 조건에서 화학반응이 일어나지 않는 상태로 단일 금속의 증기상을 피처리물 표면에 코팅하는 방법으로서, 이런 물리적 진공증착법에는 고체재료를 증기상으로 만드는 방법에 따라 진공에서 증발시키는 방법과 이온 스퍼터링에 의해 원자상태로 방출시키는 방법이 있다. 이들 두 방법 모두 10^-2~10^-7torr의 진공조건에서 생성된 증기상을 피처리물의 표면으로 이동시켜 응착시킴으로써, 코팅층을 형성한다.

이런 질화티타늄 코팅기술은 다양한 분야에서 이용되고 있으며, 내마모성이 요구되는 절삭공구에도 적용되고 있다.

하지만, 물리적 진공증착법에 의해 표면에 질화티타늄이 코팅된 절삭공구라 할지라도, 절삭공구의 사용환경이 취약하여 코팅층이 쉽게 변화된다는 단점이 있다. 그 일 예로서, 일반적으로 절삭공구는 피삭재를 가공함에 있어 고온의 마찰열이 발생한다. 이런 마찰열은 질화티타늄 코팅층을 산화시켜 티타늄 산화물로 변화시킨다. 이와 같이 질화티타늄이 티타늄 산화물로 변화됨으로써, 절삭공구의 경도는 떨어지며 쉽게 마모된다는 단점이 있다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 모재의 표면에 경질재료인 질화티타늄을 코팅함에 있어 모재와 코팅층 사이에 버퍼층을 형성하여 우수한 경도 및 내마모성을 갖는 질화티타늄 코팅방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 질화티타늄 코팅방법을 수행하는 코팅장비를 나타낸 개략도이고,

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 질화티타늄 코팅방법에 따라 수행된 모재 및 코팅층의 단면을 나타내 개략도이고,

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 질화티타늄 코팅방법에 따라 코팅된 코팅층과 모재의 조직을 나타낸 사진이고,

도 4는 질소주입량을 달리한 코팅된 시편들의 마모성 시험결과를 나타낸 사진이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

110 : 챔버 120 : 티타늄 타겟

200 : 모재 202 : 버퍼층

203 :질화티타늄(TiN) 코팅층

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 모재에 질화티타늄 코팅방법에 있어서, 모재가 수용된 진공상태의 챔버에 비활성가스를 주입하여 플라즈마를 형성하는 단계와, 상기 챔버의 내부에 질소가스를 주입하고 모재에 마이너스 전압 바이어스를 인가하여 모재의 표면으로 질소이온을 주입하는 단계와, 상기 챔버 내부에 설치된 티타늄 타겟에 전원을 공급하여 티타늄 이온을 형성하는 단계와, 상기 챔버의 내부로 주입하는 질소가스의 주입양을 조절하여 상기 질소이온이 주입된 모재의 표면에 질화티타늄계 버퍼층을 형성하는 단계와, 상기 질소가스의 주입양을 증가시켜 상기 버퍼층의 상면에 질화티타늄(TiN) 코팅층을 형성하는 단계를 포함하여 구성된 것을 기술적 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 버퍼층 형성단계에서 질소가스의 주입량은 1.5 내지3sccm의 범위내로 주입한다.

아래에서, 본 발명에 따른 질화티타늄 코팅방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 질화티타늄 코팅방법을 수행하는 코팅장비를 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 질화티타늄 코팅방법에 따라 수행된 모재 및 코팅층의 단면을 나타내 개략도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 질화티타늄 코팅방법에 따라 코팅된 코팅층과 모재의 조직을 나타낸 사진이고, 도 4는 질소주입량을 달리한 코팅된 시편들의 마모성 시험결과를 나타낸 사진이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 질화티타늄 코팅하기 위한 코팅장비(100)는 챔버(110)와, 챔버(110)의 내부에 위치하는 티타늄 타겟(120) 및, 시편홀더(130)를 포함한다. 그리고 챔버(110)의 내부를 진공상태로 유지하기 위해 챔버에 연결된 펌프(141, 142)들과, 시편홀더(130)에 연결되어 시편홀더(130)에 (-)전압을 인가하는 제1전원공급부(151)와, 티타늄 타겟(120)의 배면에 고정된 마그네트론(122)에 전압을 인가하기 위한 제2전원공급부(152)와, 챔버(110)의 내부로 비활성가스 및 질소가스를 주입하는 가스주입구(113) 및, 고밀도의 플라즈마를 형성하기 위한 유도결합 플라즈마(ICP; inductively coupled plasma) 소스(160)가 설치된다.

또한, 챔버(110)벽에는 플라즈마를 효과적으로 가두기 위해 코일(115)이 감겨 있으며, 챔버(110)의 내부에는 플라즈마 밀도 및 이온의 특성을 분석하기 위해 랭뮤어 탐침(LP; Langmuir Probe) (117)와 이온량 분석기(IMA; Ion Mass Analyzer)(119)가 설치된다.

아래에서는 이와 같이 구성된 질화티타늄 코팅방법을 이용하여 질화티타늄을 코팅하는 방법에 대해 설명한다.

질화티타늄 코팅 시편을 제작함에 있어서, 고속도강과 초경합금강을 두께 3mm의 크기로 제작한다. 그리고, 제작된 시편을 0.05㎛까지 연마한 후에 연마된 시편을 알코올 용제에 침지하여 초음파 세척한다.

이와 같이 세척된 시편을 챔버(110)의 시편홀더(130)에 위치하고, 챔버(110)에 연결된 로터리 펌프(141)를 이용하여 챔버(110) 내부의 공기를 빼내고, LN₂트랩(trap)이 설치된 유확산펌프(142)를 이용하여 진공도 1×10^-6~ 2×10^-6torr까지 낮춘다.

이런 상태에서 가스주입구(113)를 통해 Ar가스를 주입하고 13.56MHZ의 ICP플라즈마 소스(160)를 이용하여 Ar가스로 플라즈마를 형성한다.

이와 같이 챔버(110) 내부에 플라즈마가 형성되면 가스주입구(113)를 통해 질소가스(N₂)를 주입하고, 시편홀더(130)에 (-)고전압 바이어스를 인가하여 이온화된 질소이온(N⁺)이 시편의 표면(도 3의 201)으로 주입시킨다.

이와 같이 질소이온주입이 완료되면 티타늄 타겟(120)에 전원을 인가하여 스퍼터링 공정을 수행한다. 티타늄 타겟(120)에서 튀어나온 티타늄이온은 플라즈마 상태의 질소이온과 반응하여 시편 표면에 코팅된다.

한편 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 질화티타늄 코팅공정에 있어서, 코팅층(203)은 TiN이지만, 질화티타늄 코팅층(203)과 모재(200) 사이의 버퍼층(202)은 질화티타늄계(Ti_xN_x) 물질로서 Ti₂N, Ti₃N₄등과 같은 화합물로 구성되는데, 이와 같은 버퍼층(202)의 형성은 질소주입량에 따라 결정된다. 일반적으로 질화티타늄(TiN)은 한 개의 Ti원자와 한 개의 N원자가 1대 1로 결합된 화합물이지만, 챔버(110)의 내부로 주입되는 질소의 양에 따라 Ti과 N의 결합비는 달라져 Ti₂N, Ti₃N₄등과 같은 질화티타늄계의 버퍼층(202)을 형성한다. 이런 버퍼층(202)은 경도가 높은 TiN코팅층(203)과 모재(200)의 사이에 위치하여 본드 역할을 수행한다.

일반적으로 Ti과 N이 1대 1로 결합하기 위해서는 질소를 약 7sccm정도 주입하여야 하지만, 버퍼층(202)을 형성하기 위해서는 질소의 주입량을 변화시켜 버퍼층(202)을 형성한다.

아래에서 설명될 실험예에서는 1.8㎛의 버퍼층과 3.2㎛의 질화티타늄 코팅층이 형성되도록 코팅함에 있어서, 질소주입량을 변화시켜 실험하였다.

표 1을 살펴보면, 1.8㎛의 버퍼층(202)과 3.2㎛의 질화티타늄 코팅층(203)을 형성함에 있어서, 질소주입량을 0, 1.5, 3sccm으로 주입한다. 그리고 바이어스 전압은 질소이온주입시에 20KV, 버퍼층 형성시에 5KV, 그리고 질화티타늄 코팅층 형성시에 0.2KV를 인가한다. 그리고, 다른 변수인 펄스 바이어스 전압(Pulse bias voltage) 및 펄스 전류(Pulse current)를 표 1에 기재된 바와 같이 질소주입량에 따라 변화시킨다. 이와 같이 Ti버퍼층이 형성된 후에는 질소주입량을 7sccm으로 공급하여 형성된 버퍼층의 상면에 질화티타늄 코팅층을 형성한다. 한편 표 1에서의 HSS는 고속도강이고, WC-Co는 초경합금공구이다.

다음으로는 표 1의 조건에 따라 제작된 질화티타늄 코팅된 시편들을 마모시험한다.

도 4는 표 1의 조건에서 코팅된 시편들을 볼온디스크(ball-on-disc) 방식의 마모시험을 한 후에 코팅층에 형성된 스크래치를 확대한 사진이며, 사진 옆의 그래프는 스크래치의 깊이를 나타낸다.

도 4에 도시된 바와 같이, 질소주입량을 0, 1.5, 3sccm으로 주입한 시편과 코팅처리하지 않은 모재를 비교하였을 때에 질소의 주입량이 많을수록 내마모성이 커짐을 알 수 있다.

하지만, 질소주입량이 3sccm을 초과하게 되면, TiN의 형성조건인 7sccm에 가까워져 버퍼층의 형성 두께가 얇아지면서 TiN층의 두께가 두꺼워져 버퍼층의 본드역할을 충분히 수행할 수 없게 된다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 질화티타늄 코팅방법은 절삭공구에 질화티타늄 코팅을 수행함에 있어서, 질화티타늄 코팅층과 질소이온주입층이 형성된 모재의 사이에 버퍼층이 위치하여 본드역할을 수행하여 코팅층의 박리 및 산화를 방지하며 내마모성을 향상시킨다는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 질화티타늄 코팅방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

Claims

모재에 질화티타늄 코팅방법에 있어서,

모재(200)가 수용된 진공상태의 챔버(110)에 비활성가스를 주입하여 플라즈마를 형성하는 단계와,

상기 챔버(110)의 내부에 질소가스를 주입하고 모재(200)에 마이너스 전압 바이어스를 인가하여 모재(200)의 표면으로 질소이온을 주입하는 단계와,

상기 챔버(110) 내부에 설치된 티타늄 타겟(120)에 전원을 공급하여 티타늄 이온을 형성하는 단계와,

상기 챔버(110)의 내부로 주입하는 질소가스의 주입양을 조절하여 상기 질소이온이 주입된 모재(200)의 표면에 질화티타늄계 버퍼층(202)을 형성하는 단계와,

상기 질소가스의 주입양을 증가시켜 상기 버퍼층(202)의 상면에 질화티타늄(TiN) 코팅층(203)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화티타늄 코팅방법.
제1항에 있어서,

상기 버퍼층 형성단계에서 질소가스의 주입량은 1.5 내지 3sccm의 범위내로 주입하는 것을 특징으로 하는 질화티타늄 코팅방법.