나노 구조 Ti-Al-Si-N 박막의 기계적 특성 및 고온 안정성에 관한 연구

Abstract

Ti₁-_(x)Al_(x)N has been 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. Recently, by addition of Si, mechanical properties of TiAlN coatings were reported to be much improved. Furthermore, the mechanical properties of the Ti-Al-Si-N based coating were greatly enhanced by controlling its microstructure in nanoscale. Nanoscale multilayered and nanocomposite coatings are two main examples. In this study, for direct comparison, effect of nanoscale multilayered structure and nanocomposite structure on the hardness and wear resistance in TiAlN/a-Si₃N₄ coatings prepared with same deposition process, has been investigated. The nanostructured TiAlN/a-Si₃N₄ coatings were deposited by reactive D.C. magnetron sputtering with TiAl alloy and Si targets. N₂ and Ar were used as reactive gases and total gas pressure was controlled to be 8 mtorr. The microstructure of the coatings was controlled from TiAlN/ a-Si₃N₄ nanoscale multilayered structure to nanocomposite one by changing process parameters such as rotation speed of substrate holder and Si target power density. The crystalline structure, mechanical properties and thermal stability of the obtained the TiAlN/a-Si₃N₄ nanoscale multilayered and nanocomposite coatings were measured and compared. As-deposited nanostructured TiAlN/a-Si₃N₄ coatings are composed of nanocrystalline (<10 nm) TiAlN grains and amorphous stoichiometric Si₃N₄ phase. For the nanoscale multilayered coatings, bilayer period were increased with increase in Si target power density, which showed that Si₃N₄ volume fraction in the coatings was increased with Si target power density. The mechanical properties such as hardness and wear resistance were observed to be enhanced in nanostructured TiAlN/a-Si₃N₄ coatings as compared with TiAlN coating. Degree of the enhancement in mechanical properties was inversely proportional to Si power density (the amount of Si₃N₄ in the coatings). The hardness enhancement in the nanostructured TiAlN/a-Si₃N₄ coatings was observed to be more pronounced in nanocomposite coating than nanoscale multilayered coating. Besides hardness and wear resistance, thermal stability of the nanostructured TiAlN/a-Si₃N₄ coatings in terms of nanostructure and hardness were also checked. For the annealing time of 1 h in N₂ atmosphere, nanoscale multilayered and nanocomposite TiAlN/a-Si₃N₄ coatings were stable in hardness up to 900℃. The hardness of the coatings was measured to be increased about 1~3 GPa after the annealing. By observing the change in intensity of low angle XRD peak of nanomultilayered TiAlN/a-Si₃N₄ coatings the increased hardness after annealing in the nanostructured TiAlN/a-Si₃N₄ coatings were closely related with the sharpness in chemical composition at interface of TiAlN and Si₃N₄ phase.; TiAlN은 내산화성 및 고경도, 내마모성 등의 기계적 특성이 우수하여 금형 및 공구 분야의 보호 코팅용 소재로 많이 사용되고 있다. 또한 비정질의 SiNx는 경도 특성과 더불어 화학적 안정성이 우수하여 구조재료의 연구에 있어서 전이 금속질화물의 첨가재로 사용되어 왔다. 최근 질화물 코팅 소재에서 나노다층구조 (nanoscale multilayered structure) 및 나노복합구조 (nanocomposite structure)와 같은 미세구조적 변화에 의해 소재의 기계적 물성이 크게 향상될 수 있음이 보고되고 있다. TiAlN 코팅의 경우, 비정질의 SiNx, BN과의 나노다층, 나노복합 구조화에 의해 경도 및 고온 안정성이 크게 향상됨이 독립적으로 보고 되어 왔으나, 같은 TiAlN 코팅 소재에 있어서 나노다층, 나노복합의 구조적 차 이에 의한 기계적 물성과 고온 안정성을 직접적으로 비교하여 논의된 적은 없었다. 따라서 본 연구에서는, Unbalanced Magnetron Sputtering 법으로 박막의 미세구조를 제어하여 나노다층구조 및 나노복합구조를 갖는 TiAlN/a-Si₃N₄ 박막을 증착하였다. 또한 두 종류 박막의 Si₃N₄의 함량에 따른 특성변화를 관찰하기 위해 TiAlN 타겟 파워는 16.5 Wcm^(-2) 로 고정한 상태에서 Si 타겟 파워를 1.1, 2.8, 4.4, 6.0 Wcm^(-2) 로써 조건을 변화시켜 박막을 합성하였다. 증착된 TiAlN/a-Si₃N₄ 박막은 B1 입방정구조의 TiAlN 결정과 비정질의 Si₃N₄상의 혼합구조임을 보였다. 나노다층박막은 Si 타겟 파워의 증가에 따라 2.7 nm ~5.7 nm로 주기가 증가함을 보였고 나노복합박막의 TiAlN입자는 10 nm이하의 결정립을 가짐을 확인하였다. 두 종류의 구조박막은 비정질 Si₃N₄의 첨가에 의해 TiAlN 단일막보다 높은 경도특성과 내마멸성 및 고온안정성을 나타내었다. 그러나 두 종류의 구조박막중 다층구조를 이루는 박막은 Si₃N₄함량변화에 따라 기계적 특성이 민감하게 변화하였다. 반면 복합구조를 이루는 박막은 Si₃N₄함량이 변화하여도 비교적 우수한 경도특성 및 내마멸성을 보여 주었다. 두 종류의 구조박막은 900℃의 경도변화를 통하여 고온안정성이 우수함을 알 수 있었으며, 2차원 계면구조를 가지는 나노다층박막의 구조분석을 통해서 TiAlN/a-Si₃N₄박막의 상 분리에 의한 계면의 치밀화가 이루어짐을 확인할 수 있었다.