마그네트론 스퍼터를 이용하여 증착시킨 TiAlN코팅의 boron 첨가에 따른 특성 연구

Abstract

산업 환경에서 친환경 및 에너지 효율성이 중요한 조건이 되면서 고효율성 및 다기능성을 가진 재료에 대한 연구가 활발히 진행 되고 있다. 특히 TiAlN 코팅은 우수한 경도와 내마모 특성으로 고속 공구 부품으로 널리 사용되고 있다. 최근 TiAlN에 제 4원계 원소를 첨가하여 고경도와 열적안정성 특성 이외에 우수한 인성, 낮은 마찰계수 등 다양한 특성을 구현이 가능한 nano-composite 코팅이 집중 연구되고있다. 4원계 이상의 코팅을 형성하는 방법에는 현재 두가지 이상의 소스를 이용하여 하는 방법이 많이 사용되고 있지만 신뢰성 및 양산성이 힘든 문제점을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 Ti-Al합금 조성중 특성이 우수한 것으로 알려진 비율 Ti:Al=1:1을 기본으로 B을 10at%첨가하여 TiAlB 합금 분말을 형성하고, SPS 장비를 이용하여 단일 합금 타겟을 형성하였다. TiAlB 단일 타겟은 마그네트론 스퍼터를 이용하여 TiAlN-B 코팅을 Ar+N2 비율을 변화하여 증착하였다. 코팅 분석은 질소 함량에 따른 특성을 확인하였다, 코팅 내 질소 함량을 확인하기 위해 EPMA장비를 이용하였다. 구조 분석으로는 XPS, XRD, AFM 그리고 FE-SEM을 이용하여 확인하였다. 또한 경도 특성을 확인하기 위해 나노인덴터를 사용하였다. 마찰계수 및 마모현상을 확인하기 위해 Ball on disk test를 진행하였다. 내식성 특성은 potentiodynamic polarization scan 장비로 비교해 보았다. 공정 중 Ar:N2=3:1비율에서 코팅 내에 질소가 가장 많이 고용되었고, 이때 경도는 36GPa로 TiAlN 코팅보다 약 10GPa 높은 결과를 나타났다. 하지만 마모테스트와 부식테스트 결과 질소 함량이 적은 코팅에서 마찰계수 및 부식 저항성이 높은 것으로 확인되었다. 또한 본 연구에서 밀착력을 높이고, 경도 및 기계적, 화학적 특성을 높이기 위해서 한 코팅내에 질소를 구배하여 경사구조 코팅을 형성하였다. 이렇게 형성된 경사구조 코팅은 calo 장비를 이용하여 마모흔을 만들고 광학으로 경사구조 형상을 확인하였다. 그리고 코팅 층 마다 질소 함량을 확인하기 위해 EPMA 분석을 진행하였다. 그 결과 총 5단계 층이 광학현미경으로 관찰되었으며, SEM과 AFM 분석결과 단면이 단일 층에 비해 매우 미세한 형태의 특징을 가졌다. 경도 측정시 경사 구조의 코팅층을 가진 TiAlN-B가 단일층을 가진 TiAlN-B 보다 6Gpa 상승 하였으며, 밀착력 또한 30N 이상으로 기존 단일층에 비해 16N 향상된 결과를 나타냈다. 부식 저항성 또한 전위가 130㎷ 증가하였으며, 전류밀도는 1.0×10-2 A/㎠ 낮아져 이 향상되었다. 그러므로 이러한 경사구조의 코팅층은 자동차용 타펫과 실리콘 웨이퍼(111), 그리고 금속소재 중 하나인 하이스강(HSS)에 사용되며, 그 응용범위를 공구뿐만 아니라 금형, 반도체등 다양한 분야로 넓힐 수 있을 것으로 기대된다. |With its progress of machine tools and cutting technology, study of multi-funcrional matrials with high efficiency is becoming increasingly important in terms of productivity, cost reduction and from an environmental point of view. The role of adding third elements have been studied to improve the properties of TiAl-N coating. In this study, Ti-Al based single alloying targets were prepared by powder metallurgy of mechanical alloying and spark plasma sintering. Also Boron added targets were prepared to improve wear and corrosion properties. Ternary TiAlN-B based coatings were deposited by unbalanced magnetron sputtering method with various alloying targets. During deposition, the substrate temperature was kept constant at 25℃ in the mixture of Ar+N2 atmospheres. The composition of the coating was almost the same with that of the target. Their micro-structures and mechanical properties were investigated by XPS, XRD, SEM, nano-indenter, tribometer, potentiodynamic polarization measurement and etc. Also, the effects of the boron on the mechnical and corrosion properties of the TiAlN-B coatings were studied by changing Ar:N2 ratio. The color of the coating was dark-purple and they showed the highest hardness at the gas ratio of Ar:N2 being 3:1. It was found that adding boron elements results in increasing its hardness by 5~10Gpa compared with that of TiAlN coating itself. Finally characterization of coating was studied by comparing the single nitride coating with its graded nitride coating.; With its progress of machine tools and cutting technology, study of multi-funcrional matrials with high efficiency is becoming increasingly important in terms of productivity, cost reduction and from an environmental point of view. The role of adding third elements have been studied to improve the properties of TiAl-N coating. In this study, Ti-Al based single alloying targets were prepared by powder metallurgy of mechanical alloying and spark plasma sintering. Also Boron added targets were prepared to improve wear and corrosion properties. Ternary TiAlN-B based coatings were deposited by unbalanced magnetron sputtering method with various alloying targets. During deposition, the substrate temperature was kept constant at 25℃ in the mixture of Ar+N2 atmospheres. The composition of the coating was almost the same with that of the target. Their micro-structures and mechanical properties were investigated by XPS, XRD, SEM, nano-indenter, tribometer, potentiodynamic polarization measurement and etc. Also, the effects of the boron on the mechnical and corrosion properties of the TiAlN-B coatings were studied by changing Ar:N2 ratio. The color of the coating was dark-purple and they showed the highest hardness at the gas ratio of Ar:N2 being 3:1. It was found that adding boron elements results in increasing its hardness by 5~10Gpa compared with that of TiAlN coating itself. Finally characterization of coating was studied by comparing the single nitride coating with its graded nitride coating.