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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

허성보 (울산대학교, 울산대학교 대학원)

지도교수
김대일
발행연도
2020
저작권
울산대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수13

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

초고경도 Ti–Al–Si–N 나노복합체 코팅막의 미세구조 및 트라이볼로지 거동에 관한 연구
허성보 ,  김왕렬 한국표면공학회지 2021.10 학술저널

2020

내열합금 가공을 위한 초고경도 Titanium-Aluminum-Silicon-Copper-Nitride 나노복합체 코팅막의 응용에 관한 연구
허성보 첨단소재공학과 2020.01 학위논문

초록· 키워드

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최근 국내산업의 고도화에 따라 고성능 수송기기 및 우주항공용 부품소재 등 초고속 회전과 고온조건에서 사용되는 제품들의 수요가 급격하게 증가하고 있다. 특히 초정밀 항공부품소재(피삭재)의 성능 향상에 따른 내열합금 가공용 첨단 공구의 수명과 성능향상을 위한 고성능 코팅막(가공재)을 적용한 증착기술이 중요한 화두로 나타나고 있다. 다기능을 갖는 고성능 코팅막의 중요성이 부각 되면서 현재 다수의 대학, 연구기관 등에서 나노복합체 코팅막에 대한 연구가 진행되고 있으며 이를 상용화를 위한 공정개발이 활발하게 이루어지고 있다. 본 연구의 목적은 내열합금 가공용 공구의 성능 및 수명 향상을 위해 광범위하게 적용될 수 있는 다목적/다기능성 (Multi-function)을 가지는 차세대 절삭공구용 코팅막을 합성하는 공정을 개발하는 것이다. 내열합금 가공을 위해 절삭가공 공구에서 요구되는 내산화성, 고경도, 고인성 특성을 구현하기 위해 나노구조 코팅막을 다층으로 성막시켜 경사 기능성을 부여하였다. 이를 위해 나노복합체 코팅막의 합성공정은 아크 이온 플레이팅(Arc Ion Plating) 시스템을 이용하여 합성하였다. 코팅막의 최적을 조성조건을 찾기 위해 조성 내 실리콘(Si)과 구리(Cu) 함량을 조절하였으며, 공정 중 티타늄-알루미늄 합금 (TiAl2) 타겟 및 티타늄-실리콘합금 (Ti4Si) 타겟에 인가되는 전류의 변화를 조절하여 최종 조성변화별 Ti-Al-Si-Cu-N 나노복합체 코팅막을 합성하였다. 최종층인 Ti-Al-Si-Cu-N 코팅막은 비정질상인 Si3N4 기지에 결정상인 (Ti,Al)N (3~5nm)이 분산되어 있는 구조로서 계면 및 입자사이에 강한 결합에너지를 가지고 있으며, 비정질 Si3N4 상에 의하여 결정상이 상분리됨으로서, 결정립 크기의 감소로 인하여 47 GPa의 높은 표면경도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한 약 5%의 Si, 3%의 Cu 조성을 가질 때, 약 110 N의 높은 밀착력을 나타내었으며, 0.4 의 마찰계수를 나타내었다. 고온 XRD, GD-OES, TG-DTA 분석 결과 절삭가공 시에 발생되는 고온 및 절삭유가 분사되는 등의 분위기로 인하여 표면 및 계면에 발생되는 SiO2, Al2O3와 같은 산화막이 산소의 확산방지막 역할을 하게 되고, 이로 인하여 내산화 특성이 유지되는 효과를 나타낸 것으로 확인되었다. 따라서 본 연구에서는 항공?우주 산업분야에 많이 사용되는 내열합금(Inconel)을 가공하기 위한 절삭공구용 경사기능성 Ti-Al?Si-Cu?N 나노복합체 코팅막의 설계-합성-평가에 대한 것으로, 재료공학적인 이론적 배경을 바탕으로 경사 기능성 다성분계 코팅막을 설계 하였고 열역학적 분석, 구조적 특성, 기계적 특성, 내산화 특성 그리고 내마모 특성을 분석하였으며 절삭공구의 응용에 관한 연구를 수행하고 적용 가능성을 고찰하였다.

목차

<목 차>
제 1 장. 서 론
1-1. 연구의 필요성 및 목적 ···················· 1
1-2. 가설 및 추진전략 ······················ 6
<참고문헌> ···························· 8
제 2 장. 이론적 배경
2-1. 절삭공구의 최근 연구 동향 ·················· 9
2-2. 절삭공구용 나노구조 코팅막 종류 ··············· 12
2-2-1. 나노스케일 다층 코팅막 ·················· 12
2-2-2. 나노복합체 코팅막 ···················· 14
2-2-3. 기능성 경사(Functional Graded) 코팅막 ··········· 15
2-2-4. 절삭공구용 코팅막의 이상적 발전방향 ··········· 16
2-3. 나노복합체 구조에서의 상분리 ················ 17
2-3-1. 스피노달 상분리의 기초 ·················· 17
2-3-2. 스피노달 상분리에 의한 비정질상의 형성 ·········· 20
2-4. 다기능성 나노복합체 코팅막의 개발 배경 ··········· 23
2-4-1. 경도와 결정입계 미끄럼 현상 ··············· 23
2-4-2. 나노복합체의 강화 기구 ·················· 26
2-4-3. 파괴인성과 경도/탄성계수 비율 ·············· 27
2-4-4. 트라이볼라지 거동 ···················· 31
2-4-5. 열적 안정성과 내산화 거동 ················ 33
2-5. 아크이온플래이팅 코팅공정 시스템 ·············· 34
2-5-1. 플라즈마 이온세정 ···················· 34
2-5-2. 글로우방전과 아크방전 ·················· 36
2-5-3. Structure Zone Models 그리고 미세구조 제어 ········ 39
<참고문헌> ···························· 42
제 3 장. 실험장치 구성 및 방법 ·················· 46
3-1. 모재 전처리 공정 ······················ 46
3-2. 물리적 및 화학적 방법 ···················· 46
3-3. 코팅막 합성 (Deposition) ··················· 47
3-3-1. 아크이온플레이팅 장치의 구성 ··············· 47
3-3-2. 공정변수 최적화 ····················· 50
3-3-3. 열역학적 계산 ······················ 50
3-3-4. Ti-Al-Si-Cu-N 코팅막 합성 ················ 50
3-4. 코팅막 조성 및 미세구조 분석 ················ 53
3-4-1. 조성 및 결정성 분석 ··················· 53
3-4-2. 화학적 결합상태 분석 ··················· 54
3-4-3. 표면 및 단면 관찰 ···················· 55
3-5. 다기능성 코팅막 특성 평가 ·················· 56
3-5-1. 경도 및 탄성계수 평가 ·················· 56
3-5-2. 상온 및 고온 Tribology 평가 ················ 58
3-5-3. 코팅막과 모재간 밀착력 평가 ··············· 60
3-5-4. 잔류응력 평가 ······················ 61
3-5-5. 고온 내산화성 평가 ···················· 61
<참고문헌> ···························· 64
제 4 장. 실험결과 및 고찰 ···················· 65
4-1. 코팅물질에 대한 열역학적 계산 및 예측 ············ 65
4-1-1. 코팅물질에 대한 열역학적 계산 ·············· 65
4-1-2. 코팅물질에 대한 열역학적 평형조성 계산 ·········· 67
4-2. WC-Co alloy 모재의 선정 및 준비 ·············· 74
4-2-1 WC-Co alloy의 합성-소결-성형 ··············· 74
4-3. 소재 전처리 ························· 77
4-3-1. 장입 전 전처리 공정 ··················· 77
4-4. 밀착층(Ti/TiN) 및 중간층(TiAlN) 공정 최적화 ·········· 78
4-4-1 Ti/TiN 밀착층 ······················· 78
4-4-2. Substarate bias voltage에 따른 공정 최적화 ········· 82
4-4-2-1. Ti-Al-N 코팅막의 XRD 분석 결과 ············ 82
4-4-2-2. Ti-Al-N 코팅막의 미소경도(Nanohardness) 변화 ······ 83
4-4-2-3. Reactive gas ratio 에 따른 공정 최적화 ·········· 84
4-4-2-4. Ti-Al-N 코팅막의 XPS 분석 결과 ············ 86
4-4-2-5. Ti-Al-N 코팅막의 TEM 분석 결과 ············ 87
4-5. Si 함량에 따른 Ti-Al-Si-N 코팅막 특성 연구 ·········· 88
4-5-1. Ti-Al-Si-N 코팅막의 미세구조 변화 ············ 88
4-5-2. Ti-Al-Si-N 코팅막의 기계적 특성 변화 ··········· 95
4-5-3. Ti-Al-Si-N 코팅막의 내마모 특성 변화 ··········· 98
4-5-4. Ti-Al-Si-N 코팅막 내산화 특성 변화 ············ 101
4-6. Cu 조성에 따른 Ti-Al-Si-Cu-N 코팅막 특성 연구 ······· 105
4-6-1. Ti-Al-Si-Cu-N 코팅막의 미세구조 변화 ··········· 105
4-6-2. Ti-Al-Si-N 코팅막의 기계적 특성 변화 ··········· 112
4-6-3. Ti-Al-Si-Cu-N 코팅막의 내마모 특성 변화 ········· 115
4-6-4. Ti-Al-Si-Cu-N 코팅막 내산화 특성 변화 ·········· 118
<참고문헌> ··························· 124
제 5 장. 결 론 ·························· 125
부 록

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