나노복합 코팅층 형성을 위한 Ti-Al-X계 스퍼터링 타겟 제조 및 이를 이용한 형성된 코팅에 관한 연구 Fabrication of Ti-AI-X sputtering target material for the formation nanocomposite coating layer and the analysis of the coating formed by Ti-AI-X sputtering target material원문보기
공구와 절삭 기술의 진보와 함께 고효율과 강한 재료의 고속가공은 생산성, 비용절감 및 환경적인 관점에서 점점 더 중요해 지고 있다. 특히 TiAlN 에 Si이 첨가된 코팅 TiN+SiN 상이 40GPa 이상의 높은 경도와 1000℃이상의 산화온도, 나노복합구조를 가진 것으로 알려져 있다. 이밖에 최근에는 다양한 원소를 첨가하여 경도와 고온특성에 다기능성을 부여하고자 하는 연구가 진행중이다. PVD 공정에서 다성분으로 이루어진 나노복합코팅층을 형성하는 것은 매우 어렵다. 원소들간의 합금화가 어렵기 때문이다. 따라서 일반적으로 두 개 이상 원소타겟 또는 멀티타겟을 이용한 PVD+PECVD 의 융합공정에 의해 제조되고 있다.
본 연구에서는 기존의 전통적인 합금 타겟 제조방법으로 처리가 어려운 Ti-Al-X(X=Cr, B, Si) 합금 타겟을 기계적합금화와 방전플라즈마소결법등의 ...
공구와 절삭 기술의 진보와 함께 고효율과 강한 재료의 고속가공은 생산성, 비용절감 및 환경적인 관점에서 점점 더 중요해 지고 있다. 특히 TiAlN 에 Si이 첨가된 코팅 TiN+SiN 상이 40GPa 이상의 높은 경도와 1000℃이상의 산화온도, 나노복합구조를 가진 것으로 알려져 있다. 이밖에 최근에는 다양한 원소를 첨가하여 경도와 고온특성에 다기능성을 부여하고자 하는 연구가 진행중이다. PVD 공정에서 다성분으로 이루어진 나노복합코팅층을 형성하는 것은 매우 어렵다. 원소들간의 합금화가 어렵기 때문이다. 따라서 일반적으로 두 개 이상 원소타겟 또는 멀티타겟을 이용한 PVD+PECVD 의 융합공정에 의해 제조되고 있다.
본 연구에서는 기존의 전통적인 합금 타겟 제조방법으로 처리가 어려운 Ti-Al-X(X=Cr, B, Si) 합금 타겟을 기계적합금화와 방전플라즈마소결법등의 분말야금법으로 제작하였다. 그리고 소결합금의 특성이 스퍼터링 타겟으로 유용한지 확인하였다. 합금시편의 미세구조 크기는 약 20~30㎚ 이었으며, 모든 성분이 균일하게 분산된 것으로 나타났다. 열적 및 기계적 특성은 타겟 재료로서의 사용 가능성이 높았다. Ti계 나노복합체 코팅은 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 진행하였으며, 박막의 구조 및 기계적 특성은 XRD, SEM, Nanoindentation 등을 통하여 분석하였다. 합금분말은 밀링조건 300RPM, 볼과 분말의 비율 10:1, 밀링시간 40h에서 정상상태에 도달하였다. 이때, particle size 는 5㎛ 이하였으며, grain size 는 20~25㎚ 로 측정되었다. 소결은 소결압력 70MPa 하에서 소결온도 800℃, 1000℃, 1200℃로 각각 변화하면서 진행하였고, 소결온도 1000℃에서 가장 높은 수축률을 나타냈으며, 밀도와 경도가 가장 높았다. 합금타겟의 특성분석을 위한 코팅 공정은 DC마그네트론 스퍼터링 공정을 이용하였다. 코팅은 100% Ar 분위기와 Ar+N2=5:1 비율 분위기에서 DC300W 전류로 30분간 증착하였다. 그 결과, TiAlN 코팅의 증착률은 0.067㎛/min 였으며, TiAlN-Cr 코팅의 증착률은 0.086㎛/min 로 가장 높았다. TiAlN-B 와 TiAlN-Si 의 증착률은 각각 0.0593㎛/min, 0.653㎛/min 로 TiAlN 보다 낮은 증착률을 나타냈다. TiAlN-B 코팅은 35.3GPa로 가장 높은 경도를 나타냈다. 이는 TiAlN 보다 약 10GPa 높은 결과였다. TiAlN-Si 코팅은 35.2GPa 높은 경도와 295GPa의 낮은 탄성률로 가장 뛰어난 기계적 특성을 나타냈으며, 인성의 증가를 기대 할 수 있었다.
공구와 절삭 기술의 진보와 함께 고효율과 강한 재료의 고속가공은 생산성, 비용절감 및 환경적인 관점에서 점점 더 중요해 지고 있다. 특히 TiAlN 에 Si이 첨가된 코팅 TiN+SiN 상이 40GPa 이상의 높은 경도와 1000℃이상의 산화온도, 나노복합구조를 가진 것으로 알려져 있다. 이밖에 최근에는 다양한 원소를 첨가하여 경도와 고온특성에 다기능성을 부여하고자 하는 연구가 진행중이다. PVD 공정에서 다성분으로 이루어진 나노복합코팅층을 형성하는 것은 매우 어렵다. 원소들간의 합금화가 어렵기 때문이다. 따라서 일반적으로 두 개 이상 원소타겟 또는 멀티타겟을 이용한 PVD+PECVD 의 융합공정에 의해 제조되고 있다.
본 연구에서는 기존의 전통적인 합금 타겟 제조방법으로 처리가 어려운 Ti-Al-X(X=Cr, B, Si) 합금 타겟을 기계적합금화와 방전플라즈마소결법등의 분말야금법으로 제작하였다. 그리고 소결합금의 특성이 스퍼터링 타겟으로 유용한지 확인하였다. 합금시편의 미세구조 크기는 약 20~30㎚ 이었으며, 모든 성분이 균일하게 분산된 것으로 나타났다. 열적 및 기계적 특성은 타겟 재료로서의 사용 가능성이 높았다. Ti계 나노복합체 코팅은 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 진행하였으며, 박막의 구조 및 기계적 특성은 XRD, SEM, Nanoindentation 등을 통하여 분석하였다. 합금분말은 밀링조건 300RPM, 볼과 분말의 비율 10:1, 밀링시간 40h에서 정상상태에 도달하였다. 이때, particle size 는 5㎛ 이하였으며, grain size 는 20~25㎚ 로 측정되었다. 소결은 소결압력 70MPa 하에서 소결온도 800℃, 1000℃, 1200℃로 각각 변화하면서 진행하였고, 소결온도 1000℃에서 가장 높은 수축률을 나타냈으며, 밀도와 경도가 가장 높았다. 합금타겟의 특성분석을 위한 코팅 공정은 DC마그네트론 스퍼터링 공정을 이용하였다. 코팅은 100% Ar 분위기와 Ar+N2=5:1 비율 분위기에서 DC300W 전류로 30분간 증착하였다. 그 결과, TiAlN 코팅의 증착률은 0.067㎛/min 였으며, TiAlN-Cr 코팅의 증착률은 0.086㎛/min 로 가장 높았다. TiAlN-B 와 TiAlN-Si 의 증착률은 각각 0.0593㎛/min, 0.653㎛/min 로 TiAlN 보다 낮은 증착률을 나타냈다. TiAlN-B 코팅은 35.3GPa로 가장 높은 경도를 나타냈다. 이는 TiAlN 보다 약 10GPa 높은 결과였다. TiAlN-Si 코팅은 35.2GPa 높은 경도와 295GPa의 낮은 탄성률로 가장 뛰어난 기계적 특성을 나타냈으며, 인성의 증가를 기대 할 수 있었다.
Fabrication of Ti-AI-X sputtering target material for the
formation nanocomposite coating layer and the analysis of
the coating formed by Ti-AI-X sputtering target material
Jin Ho Pyun
Dept. of Metallurgy and
Materials Engineering.
The Graduate School
Hanyang university
Directed by Prof. Chang He...
Fabrication of Ti-AI-X sputtering target material for the
formation nanocomposite coating layer and the analysis of
the coating formed by Ti-AI-X sputtering target material
Jin Ho Pyun
Dept. of Metallurgy and
Materials Engineering.
The Graduate School
Hanyang university
Directed by Prof. Chang Hee Lee
Kyoung Il Moon
With the progress of machine tools and cutting technology, high speed dry machining of harder work materials with high efficiency is becoming increasingly important in terms of productivity, cost reduction and from an environmental point of view. The addition of Si to TiAlN is known to form nano-composite coating with higher hardness over 40 GPa and oxidation temperature over 1000 °C. However, it is not easy to add Si to the TiAlN by a proper PVD system. Therefore, Ti-Al-Si-N coating has been prepared by hybrid process with PVD with multiple target sources or PVD + PECVD with Si source gas.
In this study, various Ti-Al-X (X = Cr, B, Si) alloy specimens were prepared by the powder metallurgy process of mechanical alloying and spark plasma sintering. And the properties of the sintered alloys have been investigated to find out their usefulness as sputtering targets. The investigation on the alloyed specimens showed that their microstructure was nano-sized about 20-30 nm and all the elements were homogeneously distributed. Further, their thermal and mechanical properties were enough high to be used as a target material.
The Ti-based nano-composite coatings were deposited by unbalanced magnetron sputtering method with the prepared targets. The composition of the coating was almost same with that of the target. Their microstructures and mechanical properties were investigated by XRD, SEM, nanoindenter etc.
Alloying powder became steady state at milling time of 40hour. In the sintering temperature of 1000℃, the target with high density and high hardness had the highest thickness shrinkage.
The TiAlN-Cr showed the highest deposition rate of 0.9㎛/min. TiAlN-B coating had the highest hardness of 35.2 GPa. TiAlN-Si coating has with excellent mechanical properties and high hardness of 35.2 GPa, and low elastic modulus of 295GPa.
Fabrication of Ti-AI-X sputtering target material for the
formation nanocomposite coating layer and the analysis of
the coating formed by Ti-AI-X sputtering target material
Jin Ho Pyun
Dept. of Metallurgy and
Materials Engineering.
The Graduate School
Hanyang university
Directed by Prof. Chang Hee Lee
Kyoung Il Moon
With the progress of machine tools and cutting technology, high speed dry machining of harder work materials with high efficiency is becoming increasingly important in terms of productivity, cost reduction and from an environmental point of view. The addition of Si to TiAlN is known to form nano-composite coating with higher hardness over 40 GPa and oxidation temperature over 1000 °C. However, it is not easy to add Si to the TiAlN by a proper PVD system. Therefore, Ti-Al-Si-N coating has been prepared by hybrid process with PVD with multiple target sources or PVD + PECVD with Si source gas.
In this study, various Ti-Al-X (X = Cr, B, Si) alloy specimens were prepared by the powder metallurgy process of mechanical alloying and spark plasma sintering. And the properties of the sintered alloys have been investigated to find out their usefulness as sputtering targets. The investigation on the alloyed specimens showed that their microstructure was nano-sized about 20-30 nm and all the elements were homogeneously distributed. Further, their thermal and mechanical properties were enough high to be used as a target material.
The Ti-based nano-composite coatings were deposited by unbalanced magnetron sputtering method with the prepared targets. The composition of the coating was almost same with that of the target. Their microstructures and mechanical properties were investigated by XRD, SEM, nanoindenter etc.
Alloying powder became steady state at milling time of 40hour. In the sintering temperature of 1000℃, the target with high density and high hardness had the highest thickness shrinkage.
The TiAlN-Cr showed the highest deposition rate of 0.9㎛/min. TiAlN-B coating had the highest hardness of 35.2 GPa. TiAlN-Si coating has with excellent mechanical properties and high hardness of 35.2 GPa, and low elastic modulus of 295GPa.
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