KR20120059255A

KR20120059255A - 티타늄, 은, 및 질소를 포함하는 다성분계 코팅재 및 그의 코팅 방법

Info

Publication number: KR20120059255A
Application number: KR1020100120926A
Authority: KR
Inventors: 신나리; 여인웅
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2012-06-08

Abstract

본 발명은 티타늄(Ti), 은(Ag), 및 질소(N)를 포함하는 다성분계 코팅재 및 그의 코팅 방법에 관한 것이다. 상기 코팅재는 기존의 TiN만을 포함하는 코팅재에 비하여 기능성 원소 Ag를 도핑함으로써, Ag의 연성 특성을 코팅재에 부여하여 고온 내마모성은 물론, 저마찰 특성 또한 우수하다.

Description

티타늄, 은, 및 질소를 포함하는 다성분계 코팅재 및 그의 코팅 방법{Coating Material Comprising Titanium, Silver, and Nitrogen and Coating Method of the Same}

본 발명은 티타늄, 은, 및 질소를 포함하는 다성분계 코팅재 및 그의 코팅 방법에 관한 것이다.

현대산업사회의 기술이 고도화 및 고정밀화됨에 따라 다양한 제조 및 가공 산업분야에서도 생산성을 높이기 위한 노력들이 계속되고 있다. 이에 따라 구동부품 등에 표면처리를 통해 우수한 내마모성, 내산화성, 인성, 고온 안정성 및 내구성을 갖도록 하는 보호경질피막의 적용이 불가피하게 되었다.

구동부품 코팅재로 현재 사용되고 있는 다이아몬드코팅(Diamond like carbong ,DLC)은 고경도 및 저마찰 특성이 우수하나, 내열특성에 있어서 문제가 있었다. 1970 년대 이후 상용화되기 시작한 TiN, CrN 등의 질화물 코팅재는 DLC 소재의 단점이었던 고온 내마모성은 우수하나, DLC 대비 마찰특성이 열등하여 사용에 제한을 받았다. 그래서, 현재에는 TiN, CrN 박막의 기계적 성질을 보다 향상시키기 위하여 복합 성분 물질에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다.

본 발명은 구동부품의 적용을 위한 고온 내마모 특성을 구현하기 위한 코팅재 및 그의 코팅 방법을 제공하는 것에 목적이 있다.

본 발명은 티타늄(Ti), 은(Ag), 및 질소(N)를 포함하는 다성분계 나노 복합 코팅재를 제공함으로써 상기 목적을 달성하고자 한다.

또한 본 발명은 아크 이온 플래팅(arc ion plating)법과 스퍼터(sputter)법을 통해 제품의 표면에 Ti-Ag-N계 코팅막을 증착시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 기존의 TiN만을 포함하는 코팅재에 비하여 기능성 원소 Ag를 도핑함으로써, Ag의 연성 특성을 코팅재에 부여하여 고온 내마모성은 물론, 저마찰 특성 또한 우수하다.

도 1은 실시예 3에서 제조한 시편 표면의 코팅막에 대한 주사전자현미경(SEM) 이미지이다.

이하 본 발명을 더욱 자세하게 설명하겠다.

본 발명은 티타늄(Ti), 은(Ag), 및 질소(N)를 포함하는 다성분계 코팅재에 관한 것이다.

상기 코팅재에서 Ti와 N은 TiN_x 상태로 존재하게 되며, 고온 내마모 특성을 구현하게 된다. 또한 Ag는 연성이 우수한 금속으로, 코팅재 도핑 시 마찰특성이 향상되는 효과가 있어, 저마찰 특성이 향상되게 된다. 상기 Ag는 전체 코팅재에 대하여 1 ~ 2 원자수비(at%) 포함되는 것이 바람직하다. 2 at%를 초과하면 코팅재의 경도 및 고온 내마모성등이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

상기 코팅재를 증착시키는 방법으로 아크 이온 플레이팅(Arc ion plating, AIP)법과 스퍼터(sputter)법을 이용할 수 있다. 아크 이온 플레이팅법이란 진공 내에서 증착하고자 하는 원자를 증발 및 이온화시켜 대상물질에 피복하는 방식으로, 아크에 의한 높은 에너지로 증착 효율이 높은 것이 특징이다. 스퍼터법은 이온화된 Ar과 같은 불활성기체가 타겟물질에 부딪혀 증착하고자 하는 원소를 탈리시키면, 그 원소가 반대쪽에 있는 기판에 붙어 성장해 증착이 이루어지는 방식이다. 스퍼터법은 아크 이온 플레이팅법 보다 증착 에너지 및 증착 효율은 낮지만, 성막 속도가 안정되고 균일한 막이 형성가능하다는 장점이 있다.

더욱 구체적으로 증착 공정을 설명하면, 상기 아크 이온 플레이팅 법은 Ti을 타겟으로 하며, 스퍼터법은 Ag을 타겟으로 한다. 이와 같은 공정 설정은, Ti이 Ag에 비해 증착 시 높은 에너지를 필요로 하므로, 증착효율이 높은 아크 이온 플레이팅법을 Ti에 적용함으로써 TiN_x 합성을 유도한 것이며, 상대적으로 증착효율이 낮은 스퍼터법을 Ag에 적용함으로써 Ag의 함량을 1 ~ 2 at%로 낮게 유지되도록 한 것이다.

코팅 챔버 내 분위기가스로는, Ar가스를 유입하여 Ag원소의 스퍼터링이 가능하도록 하며, 질소가스(N₂)를 유입하여 TiN_x 합성이 이루어지도록 한다. 이때 코팅처리를 하고자 하는 대상물에 바이어스 전압을 인가하여, 증착효율을 높이도록 하며, Ti 타겟이 장착된 아크 건과 Ag 타겟이 장착된 스퍼터 건에 각각 전원이 인가됨으로서, 상기 Ti-Ag-N 계 코팅재가 대상물에 코팅될 수 있다. 이때 아크 건 및 스퍼터 건의 전력, 증착 시간을 조절하여 코팅재 내 Ag 함량을 1 ~ 2 at%로 조절할 수 있다.

상기 아크 건의 전력은 50 ~ 200 A인 것이 바람직하며, 스퍼터 건의 전력은 0.1 ~ 1.2 A인 것이 바람직하다. 또한 상기 아크 건 및 스퍼터 건의 인가 시간은 10 ~ 60 분 인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게 상기 아크 건의 전력은 60 ~ 100 A이며, 스퍼터 건의 전력은 0.5 ~ 0.7 A이고, 인가 시간은 20 ~ 40분이 될 수 있다.

이하 본 발명을 구체적인 실시예를 들어 상세히 설명하고자 하지만, 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

먼저, 상기 23 x 58 x 4 mm크기의 시편을 진공챔버 내에 위치시키고, 상기 진공챔버의 내부를 10^-2torr의 진공 상태로 한 후, 400 ℃까지 가열한 후, 상기 진공챔버 내부에 아르곤(Ar)가스를 유입시킨 후, 상기 시편에 100 V의 바이어스 전압을 인가하여 시편의 전처리를 수행하였다.

그 다음 상기 진공챔버 내부로의 아르곤가스의 유입을 차단하고, 상기 진공챔버 내부를 다시 진공상태로 한 후, 400 ℃ 온도까지 가열하여, 상기 진공챔버 내부로 아르곤가스와 질소(N₂)가스를 유입시키고, 상기 대상물에 바이어스 전압을 인가한 상태에서, 은(Ag)타겟을 장착한 스퍼터 건과 티타늄(Ti)타겟을 장착한 아크 건에 각각 0.1 A, 100 A의 전원을 30분 동안 인가시켰다. 상기 진공챔버 내부에 상기 조성물로 형성된 플라즈마가 형성되어 상기 시편의 표면에 Ti-Ag-N계 코팅막을 증착하였다. 제조한 코팅층의 주사전자현미경 이미지를 도 1에 나타내었다.

실시예 2 ~ 실시예 6

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 은 타겟을 장착한 스퍼터 건의 전류를 0.3 ~ 1.2 A로 조절하였다. 상기 실시예 1 ~ 6에서 제조한 코팅막의 Ti, N 및 Ag의 함량을 분석하여 하기 표 1에 나타내었다.

	스퍼터 건의 전류(A)	Ti(at%)	N(at%)	Ag(at%)
실시예 1	0.1	48.07	51.88	0.05
실시예 2	0.3	43.5	56.0	0.5
실시예 3	0.5	40.8	58.1	1.1
실시예 4	0.7	40.2	58.3	1.5
실시예 5	0.9	39.4	58.3	2.3
실시예 6	1.2	38.6	58.4	3.0

비교예 1

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 은 타겟을 장착한 스퍼터 건을 사용하지 아니하고, TiN만을 증착시켰다.

실험예

상기 실시예 1 ~ 6 및 비교예 1에서 제조한 코팅된 시편의 고온내마모성을 마모테스터 장비를 이용해 측정하였으며, 또한 저마찰 특성을 스크레치 테스터를 이용해 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.

	고온 내마모성(m²/N)	저마찰(마찰계수)
실시예 1	2 E-14	0.4
실시예 2	1 E-14	0.39
실시예 3	0.1 E-14	0.33
실시예 4	0.09 E-14	0.35
실시예 5	2.6 E-14	0.43
실시예 6	4.6 E-14	0.52
비교예 1	3 E-14	0.4

상기 표 2에서 나타나는 것과 같이 비교예 1에 비하여 실시예 1 ~ 5가 고온 내마모성뿐 아니라 저마찰 특성이 뛰어남을 확인할 수 있다. 이는 Ag의 연성특성이 코팅재에 부여되었기 때문인 것으로 예상된다.

또한 Ag가 포함된 코팅재 중에서도 특히 Ag의 함량이 1 ~ 2 at%인 실시예 3 ~ 4가 고온내마모성 및 저마찰면에서 현저히 뛰어난 것을 확인할 수 있었다.

Claims

코팅처리를 하고자 하는 대상물에 바이어스 전압이 인가되고, 질소가스(N₂)가 유입되며, 티타늄(Ti)타켓이 장착된 아크 건과 은(Ag)타겟이 장착된 스퍼터 건에 각각 전원이 인가되는 것을 특징으로 하는 Ti-Ag-N계 코팅재의 코팅 방법.
제 1항에 있어서, 상기 아크 건의 전력은 50 ~ 200 A 인 것을 특징으로 하는 Ti-Ag-N계 코팅재의 코팅 방법.
제 1항에 있어서, 상기 스퍼터 건의 전력은 0.1 ~ 1.2 A인 것을 특징으로 하는 Ti-Ag-N계 코팅재의 코팅 방법.
제 1항에 있어서, 상기 아크 건 및 스퍼터 건의 전원 인가 시간은 10 ~ 60 분인 것을 특징으로 하는 Ti-Ag-N계 코팅재의 코팅 방법.
제 1항에 있어서, 상기 아크 건의 전력은 60 ~ 100 A이며, 스퍼터 건의 전력은 0.5 ~ 0.7 A이고, 아크 건 및 스퍼터 건의 전원 인가 시간은 20 ~ 40분인 것을 특징으로 하는 Ti-Ag-N계 코팅재의 코팅 방법.
제 1항에 있어서, 상기 Ti-Ag-N계 코팅재 중 Ag의 함량이 1 ~ 2 at%인 것을 특징으로 하는 Ti-Ag-N계 코팅재의 코팅 방법.