Ti1-xAlxN계를 기반으로 한 초격자 나노다층박막의 기계적 특성과 열적 안정성에 관한 연구.

Abstract

Ti1-xAlxN has been used for a main protective coating material for many types of machine parts, molds and cutting tools due to its excellent mechanical properties such as wear and oxidation resistance. For the application of the coating, however, it is important to evaluate its thermal stability, which contains stability of microstructure and oxidation resistance at high temperature, because the mechanical and tribological properties of coating are deteriorated at high working temperature. For example, the operating temperature at the cutting tool tip may increases as high as 1000°C. Recently, the nano-structured coatings such as nanoscale multilayered coating and nanocomposite has been widely investigated due to their outstanding mechanical properties. Consideirng that the excellent mechanical properties come from the nano-structure, the thermal stability of the coating should be checked for the application at high temperature. In this study, therefore, the effect of nanostructure and compressive stress on hardness and oxidation resistance of Ti05Al0.5N/VN, AlN/VN and AlN/CrN coatings have been investigated. The nanostructured coatings were deposited by reactive D.C. magnetron sputtering of Ti0.5Al0.5 alloy, Al, Cr and V targets with N2 and Ar reactive gases. The microstructure of the coatings was controlled from nanomultilayered structure to nanocomposite one by changing rotation speed of substrate holder. The compressive stress of the coatings was controlled by changing substrate bias. The crystalline structure, mechanical properties and oxidation resistance were measured and compared. The nanostructured coatings are composed of nano-crystalline grains and columnar structure. The mechanical properties such as hardness were observed to be enhanced in the nanostructured coatings as compared with single coatings. For the coatings with same nano-structure, higher compressive stress increased hardness value of the coatings. After annealing for 30 min in air, nanostructured coatings showed superior oxidation resistance to that of single coatings. In this case, the higher compressive stress retards oxidation of coatings at high temperature. As a result, the nanostructure and compressive stress are two main factors for the increase of hardness and oxidation resistance of hard coating. It is thought that the nanostructure and compressive stress suppress the movement of dislocations and diffusion of oxygen, which enhances hardness and oxidation resistance of nanostructured coating.; TiAlN, CrN, AlN, VN과 같은 전이금속 질화물들은 높은 경도, 내마모 특성을 지니고 있어 각종 기계 부품 공구나 금형 등에 보호 코팅 소재로 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 이 같은 다양한 모재들은 고속가공등 가혹한 작업환경하에서 고온에 노출되어 확산이나 산화에 의한 소재의 열화 현상에 의해 마모가 심해지기 때문에 실제 절삭공구로써 응용을 위해 고온에서의 안정성이 매우 중요하다. 따라서 수명 및 성능향상을 위해서는 고경도 뿐만 아니라 고온안정성, 내산화성 등이 뛰어난 코팅 소재를 필요로 한다. 최근 TiN에 Al이 첨가 된 형태의 삼원계 화합물인 TiAlN을 기반으로 TiN와 같은 높은 경도와 고온 안정성을 가지는 다른 질화물계 박막소재를 이용하여 나노 다층구조(nano-scale multilayered structure) 및 나노 복합구조(nano-composite structure)와 같은 나노 미세구조를 형성시킬 경우, 기계적 물성 및 고온안정성이 크게 향상될 수 있음이 보고 되고 있다. 그러나 고온안정성의 기구인 내산화성에 대한 체계적인 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 TiAlN을 기반으로 또 다른 질화물계 박막소재인 AlN, CrN, VN을 이용하여 Ti1-xAlxN을 기반으로 한 나노 다층 및 나노 복합 구조 박막을 증착하여, 박막의 강화기구인 미세구조와 압축응력이 경도 및 내산화성에 미치는 영향에 대하여 비교 분석하고자 하였다. 박막의 합성은 비대칭 마그네트론 스퍼터링법(UBMS)으로 나노구조 Ti0.5Al0.5N/VN, AlN/VN, AlN/CrN 박막을 증착하였다. 미세구조변화를 통하여 특정 주기를 갖는 나노 다층박막 및 나노 복합박막을 증착하였으며, 또한 증착 시 기판의 바이어스의 조절을 통하여 박막의 압축응력을 변화시켰다. 증착 된 나노 다층 및 복합박막은 모두 B1 입방정구조를 나타냈었으며, 수 nm의 결정립을 가진 columnar 구조를 보였다. 나노 구조의 박막은 단일박막에 비하여 높은 경도 값을 보였으며, 같은 구조의 박막에서는 압축응력이 큰 박막의 경도가 높게 나옴을 확인 할 수 있었다. RTA(Rapid Temperature Annealing)장치를 사용하여 Air 분위기에서 600℃, 650℃, 700℃, 800℃, 900℃에서 30분 동안 열처리하여 각각의 박막의 내산화 특성에 대하여 조사하였다. 단일 박막보다 나노 다층박막과 복합박막구조를 형성하는 박막에서 산화막의 두께는 상대적으로 매우 낮게 낮았으며, 이는 구조적인 요소 즉 나노 다층 및 복합구조 형성 시 산소의 확산에 큰 영향을 미친다고 생각되어진다. 그리고 같은 구조의 박막에서는 압축응력이 큰 박막에서 산화막의 두께가 더 얇게 나타남을 확인 할 수 있었다.