KR20190004192A - 초경 공구용 다층 코팅 구조물의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

초경 공구용 다층 코팅 구조물은, 기재와의 부착력을 개선하기 위한 접착성 박막, 상기 하부 코팅층 상에 형성되고, 20 GPa 이상 높은 경도를 갖는 나노입자들이 분산된 고경도 박막 및 상기 고경도 박막 상에 형성된 내산화 박막을 포함한다. 이로써, 초경 공구의 경도 및 내산화성이 개선되어 초경 공구의 수명이 증대될 수 있다.

Description

초경 공구용 다층 코팅 구조물 및 이의 제조 방법{MULTI-LAYERED COATING STRUCTURE FOR A CUTTING TOOL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 초경 공구용 다층 코팅 구조물 및 이의 제조 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 본 발명은 초경 공구의 강도, 경도 및 내마모성을 개선할 수 있는 초경 공구용 다층 코팅 구조물 이의 제조 방법에 관한 것이다.
소재 산업의 발전에 따라 유리 섬유나 탄소 섬유 강화 플라스틱 등 높은 인성을 갖는 상을 도입한 복합재의 사용이 늘어나고 있다. 일반적으로 차량이나 배의 에너지 효율을 증가시키는데 가장 좋은 방법은 무게를 줄이는 것이고, 이에 따른 구조물의 강도 및 인성 감소를 최소화 하거나 증대시키는 것이 신소재 적용의 목적이다. 상기 신소재로 이루어진 대상물을 가공하기 위하여 초경 공구가 이용될 수 있다.
특히, 탄소 섬유는 경량화를 필요로 하는 다양한 구조재에 적용되어 무게의 감소에 기여하면서 더욱 강한 구조물을 만드는데 기여할 수 있는 대상물의 소재에 해당한다. 한편, 세라믹 섬유상 소재는 높은 내마모도를 가짐에 따라 상기 대상물을 이루는 소재로서 이용되고 있다.
상기 세라믹 섬유상 소재로 이루진 대상물을 초경 공구를 이용하여 가공하여, 접합 부위를 갖는 제1 가공물을 형성한다. 이후, 접합 부위에 제2 가공물을 접합하여 구조물을 제조할 수 있다.
상기 초경 공구를 이용하여 가공하여, 접합 부위를 갖는 제1 가공물을 형성할 때, 상기 초경 공구의 절삭날이 급격히 마모되어, 이에 따라 접합 부위가 제대로 절삭되지 않을 수 있다. 이에 따라, 고경도, 고인성을 갖는 세라믹 섬유상 섬유들이 상기 절삭 부위에 잔류함에 따라 제1 및 제2 가공물들 간의 체결을 방해할 수 있다.
이러한 세라믹 섬유상 소재를 초경 공구를 이용하여 장시간 안정적으로 가공하기 위해서는 상기 초경 공구는, 다이아몬드나 붕화질소 결정들의 소결체(PCD / PcBN) 등과 같은 소결체를 이용하여 제조될 수 있다. 이러한 소결체는 경도는 매우 높지만 소재의 인성이 작아서 독자적인 공구 소재로 사용되는데 한계가 있다.
이에 따라 전통적인 방법으로는 초경공구의 절삭부에 PCD나 PcBN 를 경납 땜(Brazing) 공정을 통하여 사용하였으나, 경납땜 공정은 융점에 도달한 접합재에 적절한 압력을 인가하여 접하는 기술이다. 하지만, 상기 경납땜의 경우, 인가되는 접착력이 충분해야 하는 문제가 있음에 따라, 형상이 복잡한 드릴이나 앤드밀 등의 공구에는 적용하지 못한 문제가 있다.
한편, PCD / PcBN 소결체 대신 기존 경질코팅박막의 물성을 개선하여 양산제품에 적용하려는 노력들이 있었는데, 다이아몬드나 입방정계붕화질소 입자를 기존 분체도장에 사용하는 입자 분사장치를 통해 분사하면서 정전하를 유도하여 공구표면에 붙인 후 경질박막을 코팅함으로써 PCD / PcBN 소결체를 대체하면서 초경 공구의 수명을 수 배 연장하는 방법들이 개발되었다. 그러나 이런 장비를 사용하여 나노입자를 초경공구표면에 부착하는 공정은 다음과 같은 단점이 있다.
1. 정전기를 유발하면서 입자를 공구에 분산하는 개별 챔버가 구비된 장치가 별도로 요구된다.
2. 분사된 입자의 공구표면 고착율이 높지 않아서 고가의 나노입자 낭비를 막기 위한 리싸이클링 저장장치를 장비 하부에 따로 마련해야 하나 한 번 공구 표면에 분사된 나노입자를 재사용하는 것은 오염의 위험도 있고, 나노 입자를 리싸이클링하기 위해서는 분사챔버 하부 저장장치의 입자를 다시 분체도장장치 쪽으로 이송해야 할 필요가 있다.
3. 분사된 나노입자층 위에 고경도 박막을 코팅하는 공정부터는 정전기분사공정을 사용할 수 없어 박막의 두께가 두꺼워짐에 따라 나노입자의 밀도가 현저히 떨어지는 것을 피할 수 없고, 이러한 문제를 극복하려면 입자분사공정과 코팅공정을 번갈아 복수 회 반복해야 하므로 작업 및 비용효율이 크게 떨어진다.
4. 실제 가공에 사용되는 말단부 절삭날 주변 극히 작은 면적에 초고경도나노입자를 적용하기 위해 나노입자 분사는 공구표면 전체에 이루어지므로 고가인 나노입자의 낭비를 피할 수 없는 문제가 있다.
본 발명의 일 목적은 기재 상에 형성되어 내마모성, 경도 및 강도를 개선할 수 있는 초경 공구용 다층 코팅 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기재 상에 형성되어 내마모성, 경도 및 강도를 개선할 수 있는 초경 공구용 다층 코팅 구조물의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 초경 공구용 다층 코팅 구조물은, 기재와의 부착력을 개선하기 위한 접착성 박막, 상기 하부 코팅층 상에 형성되고, 20 GPa 이상 높은 경도를 갖는 나노입자들이 분산된 고경도 박막 및 상기 고경도 박막 상에 형성된 내산화 박막을 포함한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 나노 입자들이 상기 고경도 박막의 끝단부에 선택적으로 분산될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 나노 입자들은 상기 고경도 박막, 접착성 박막 및 내산화 박막 각각의 끝단에 선택적으로 분산될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 나노 입자들은 다결정질 다이아몬드(polycrystalline diamond; PCD) 또는 다결정질 큐빅 붕소 나이트라이드(polycrystalline cubic boron nitride; PCBN)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 접착성 박막 및 상기 고경도 박막 사이에는, 상기 나노 입자와 반대의 극성을 갖는 고분자 물질로 이루어진 계면층이 추가적으로 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 초경 공구용 다층 코팅 구조물의 제조 방법에 따르면, 초경 공구의 기재 상에 부착력을 개선하기 위한 접착성 박막을 형성한 후, 상기 하부 코팅층 상에, 20 GPa 이상 높은 경도를 갖는 나노입자들이 분산된 고경도 박막을 형성한다. 이후, 상기 고경도 박막 상에 형성된 내산화 박막을 형성한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 고경도 박막은, 상기 나노 입자들 및 이온성 고분자 물질을 이용하는 정전하 자기조립 공정을 통하여 형성될 수 있다.
여기서, 상기 이온성 고분자 몰질은 폴리스티렌 설포네이트, 폴리아닐린, 나피온 및 폴리(디-메틸디알릴암모늄클로라이드) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 고경도 박막을 형성하기 위하여, 상기 나노 입자들을 분사하는 노즐 분사 공정 및 박막 증착 공정이 동시에 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 초경 공구용 다층 코팅 구조물은, 초경공구를 20GPa 이상 높은 경도를 갖는 나노입자를 함유한 고경도 박막 및 내산화박막을 포함한다. 이로서, 초고경도 나노입자의 분산에 의해 증대된 내마모성을 가짐에 따라 초경 공구의 수명을 증대시킬 수 있다. 또한, 내산화박막이 추가적으로 구비됨에 초경 공구의 내산화성이 개선되어 초경 공구의 수명이 증대될 수 있다.
한편, 고경도 세라믹 상을 포함하는 신소재를 가공하는 응용 분야에 적용하기에 적합한 초고경도/고인성 박막 코팅이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초경 공구용 다층 코팅 구조물을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 기재 상에 정전기 자기조립 공정을 통하여 나노입자를 코팅하는 단계를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 3은 기재 상에 분사 공정을 통하여 나노입자를 코팅하는 단계를 설명하기 위한 모식도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 초경 공구의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
초경 공구용 다층 코팅 구조물
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초경 공구용 다층 코팅 구조물을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초경 공구용 다층 코팅 구조물은, 접착성 박막(110), 나노 입자들(125)이 분산된 고경도 박막(120) 및 내산화 박막(130)을 포함한다. 상기 다층 코팅 구조물은 초경 공구의 기재 상에 형성된다. 이로써, 초경 공구의 경도, 강도 및 내식성을 개선시킬 수 있다.
상기 접착성 박막(110)은, 상기 기재 상에 형성된다. 상기 접착성 박막(110)은, 상기 기재 및 상기 고경도 박막(120) 사이의 부착력을 개선할 수 있다.
상기 접착성 박막을 이루는 물질은 티타늄을 들 수 있다. 상기 접착성 박막은 10 내지 50 μm 의 두께를 가질 수 있다.
상기 고경도 박막(120)은, 상기 하부 코팅층 상에 형성된다. 상기 고경도 박막(120)은 베이스 물질 내에 20 GPa 이상 높은 경도를 갖는 나노입자들이 분산된 상태를 가질 수 있다. 상기 베이스 물질은, 예를 들면 TiN, TiC, TiCN, AlN, CrN 등과 같은 물질을 포함할 수 있따.
상기 나노 입자들(125)은 다결정질 다이아몬드(polycrystalline diamond; PCD) 또는 다결정질 큐빅 붕소 나이트라이드(polycrystalline cubic boron nitride; PCBN)를 포함할 수 있다. 이들 물질은 고경도를 가짐에 따라 상기 초경 공구의 표면에 대한 경도가 개선될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 나노 입자들(125)이 상기 고경도 박막(120)의 끝단 주위에 선택적으로 분산될 수 있다. 즉, 초경 공구의 경우, 주로 끝단이 사용됨으로써, 상기 끝단에 고경도가 요구된다. 따라서, 상기 나노 입자들(125)이 상기 끝단 주위에 선택적으로 분산됨으로써, 상기 나노 입자들(125)이 보다 특정 영역에 선택적으로 제공될 수 있다.
상기 내산화 박막(130)은, 상기 고경도 박막(120) 상에 형성된다. 상기 내산화 박막은, 상기 내산화 물질을 포함함으로써, 상기 초경 공구의 내산화성을 개선함으로써, 결과적으로 내구성을 개선할 수 있다.
상기 내산화물질의 예로는 크롬, 이트리아, 알루미늄 및 이들의 합금 또는 상기 합금 산화물/질화물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 접착성 박막(110) 및 상기 고경도 박막(120) 사이에, 상기 나노 입자와 반대의 극성을 갖는 고분자 물질로 이루어진 계면층(미도시)이 추가적으로 구비될 수 있다.
예를 들면, 상기 계면층은. 상기 나노 입자와 반대의 극성을 갖는 고분자 물질로 이루어질 수 있다. 이로써, 상기 고경도 박막(120) 내에 분산된 나노 입자들(125)이 상기 계면층을 이용하여 보다 견고하게 상기 접착성 박막(110)에 부착될 수 있다. 상기 고분자 물질의 예로는 PSS(폴리(스티렌 설포네이트)), 폴리아닐린, 나피온과 같이 음의 정전하를 갖는 고분자 물질과 PDDA(폴리(디-메틸디알릴암모늄클로라이드)와 같이 양의 정전하를 갖는 고분자 물질을 들 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 초경 공구용 다층 코팅 구조물은, 접착성 박막(110), 초경도 특성을 갖는 나노 입자들(125)이 분산된 고경도 박막(120) 및 내산화 박막(130)을 구비함으로써, 초경 공구의 경도, 강도 및 내산화성을 개선할 수 있다.
초경 공구용 다층 코팅 구조물의 제조 방법
본 발명의 일 실시예에 따른 초경 공구용 다층 코팅 구조물의 제조 방법에 있어서, 먼저, 초경 공구의 기재 상에 부착력을 개선하기 위한 접착성 박막을 형성한다. 상기 접착성 박막은 코팅 공정 또는 스프레이 분사 공정을 통하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 접착성 박막은 스퍼터링 공정과 같은 물리기상증착 공정을 통하여 형성될 수 있다.
이어서, 상기 하부 코팅층 상에, 20 GPa 이상 높은 경도를 갖는 나노입자들이 분산된 고경도 박막을 형성한다.
상기 고경도 박막을 형성하는 공정의 예로는 정전하 자기조립 공정 및 노즐 분사 공정을 들 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전하 자기조립 공정에 따르면, 나노입자가 가진 정전하와 반대되는 극성을 가진 고분자 사슬로 나노입자를 코팅한다. 이어서, 초경 공구를 초경 공구의 정전하와 반대되는 극성을 가진 고분자 사슬로 코팅한다.
이후, 고분자 사슬로 코팅된 나노입자를 상기 초경 공구에 자기 조립 공정을 통하여 코팅할 수 있다.
상기 정전하 자기조립 공정을 보다 상세하게 설명하면, 나노 입자의 표면을 상기 나노 입자 표면의 정전하와 반대되는 극성(정전하)을 갖는 고분자 물질로 코팅하다. 이후, 접착성 박막의 표면을 상기 접착성 박막의 정전하와 반대되는 극성(정전하)을 갖는 고분자 물질로 표면 처리한다. 이 후, 상기 코팅된 나노 입자가 분산된 용액에 상기 표면 처리된 기재를 침지시켜 상기 나노 입자들이 정전하에 의한 자기조립을 통해 접착성 박막에 부착된다.
한편, 상기 초경도 박막을 형성하기 위한 화학기상증착공정 또는 물리기상증착공정이 부가적으로 수행된다.
이로써, 상기 나노 입자들이 분산된 초경도 박막이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 노즐 분사 공정을 통하여 나노 입자들이 분산된 초경도 박막이 형성될 수 있다.
상기 노즐 분사 공정에 대하여 아래와 같이 상술하기로 한다.
먼저, 입방정계 질화 붕소(cBN) 입자와 같은 나노 입자들을 알루미늄 산화물(Al2O3), 질화 티타늄(TiN), 티타늄 알루미늄 질화물(TiAlN)로 위에 코팅할 수 있다.이는, cBN 입자의 유동성을 개선하기 위함이다.
이어서, 압축 공기, 질소 또는 다른 적합한 캐리어 가스가 압력 조절 밸브로 공급되어, 상기 캐리어 가스를 이용하여 노즐로부터 상기 나노 입자들을 분사함으 나노 입자를 상기 접착성 박막 상에 부착시킬 수 있다. 이때, 상기 나노 입자들이 상기 접착성 박막의 특정 위치에 선택적으로 분사됨으로써, 상기 나노 입자들이 특정 위치, 예를 들면, 접착성 박막의 단부에 부착될 수 있다.
한편, 상기 초경도 박막을 형성하기 위한 화학기상증착공정 또는 물리기상증착공정이 부가적으로 수행된다.
이로써, 상기 나노 입자들이 분산된 초경도 박막이 형성될 수 있다.
이후, 상기 고경도 박막 상에 상기 내산화 박막을 형성한다. 상기 내산화 박막은, 상기 내산화 물질을 포함함으로써, 상기 초경 공구의 내산화성을 개선함으로써, 결과적으로 내구성을 개선할 수 있다.
상기 내산화 박막은 크롬, 이트리아, 알루니늄 및 이들의 합금 또는 상기 합금 산화물/질화물을 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 초경 공구용 다층 박막 구조물 및 이의 제조 방법은 드릴날이나 앤드밀에 응용될 수 있다. 나아가, 초경도를 요구하는 공구에 용이하게 적용될 수 있다.
110 : 접착성 박막 120 : 초경도 박막
125 : 나노 입자들 130 : 내산화성 박막
10 : 초경 공구의 기재

Claims (9)

  1. 초경 공구의 기재 상에 형성되는 다층 코팅 구조물로서,
    상기 기재와의 부착력을 개선하기 위한 접착성 박막;
    상기 하부 코팅층 상에 형성되고, 20 GPa 이상 높은 경도를 갖는 나노입자들이 분산된 고경도 박막; 및
    상기 고경도 박막 상에 형성된 내산화 박막을 포함하는 초경 공구용 다층 코팅 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 나노 입자들이 상기 고경도 박막의 끝단부에 선택적으로 분산된 것을 특징으로 하는 초경 공구용 다층 코팅 구조물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 나노 입자들은 상기 고경도 박막, 접착성 박막 및 내산화 박막 각각의 끝단에 선택적으로 분산된 것을 특징으로 하는 초경 공구용 다층 코팅 구조물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 나노 입자들은 다결정질 다이아몬드(polycrystalline diamond; PCD) 또는 다결정질 큐빅 붕소 나이트라이드(polycrystalline cubic boron nitride; PCBN)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초경 공구용 다층 코팅 구조물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 접착성 박막 및 상기 고경도 박막 사이에는, 상기 나노 입자와 반대의 극성을 갖는 고분자 물질로 이루어진 계면층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초경 공구용 다층 코팅 구조물.
  6. 초경 공구의 기재 상에 부착력을 개선하기 위한 접착성 박막을 형성하는 단계;
    상기 하부 코팅층 상에, 20 GPa 이상 높은 경도를 갖는 나노입자들이 분산된 고경도 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 고경도 박막 상에 형성된 내산화 박막을 형성하는 단계를 포함하는 초경 공구용 다층 코팅 구조물의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 고경도 박막을 형성하는 단계는, 상기 나노 입자들 및 이온성 고분자 물질을 이용하는 정전하 자기조립 공정을 통하여 수행되는 것을 특징으로 하는 초경 공구용 다층 코팅 구조물의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 이온성 고분자 몰질은 폴리스티렌 설포네이트, 폴리아닐린, 나피온 및 폴리(디-메틸디알릴암모늄클로라이드) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 초경 공구용 다층 코팅 구조물의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 고경도 박막을 형성하는 단계는, 상기 나노 입자들을 노즐을 통하여 분사하는 노즐분사 공정 및 박막 증착 공정을 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 초경 공구용 다층 코팅 구조물의 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111154126A (zh) * 2020-01-16 2020-05-15 哈尔滨工业大学 一种纳米金刚石修饰氮化硼高柔性高导热复合薄膜的制备方法

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