우주/항공, 자동차, 조선, 의료 등 첨단 주력산업을 중심으로 타이타늄 및 복합재료와 같은 초경량, 고경도의 난삭소재 비중이 급격히 증가함에 따라 이러한 소재의 고효율 가공기술 개발이 대두되고 있다. 난삭소재의 정밀가공에 필요한 절삭공구의 소재로는 기계적으로 뛰어난 특성을 갖는 초경합금이 주로 사용되고 있으며, ...
우주/항공, 자동차, 조선, 의료 등 첨단 주력산업을 중심으로 타이타늄 및 복합재료와 같은 초경량, 고경도의 난삭소재 비중이 급격히 증가함에 따라 이러한 소재의 고효율 가공기술 개발이 대두되고 있다. 난삭소재의 정밀가공에 필요한 절삭공구의 소재로는 기계적으로 뛰어난 특성을 갖는 초경합금이 주로 사용되고 있으며, 다이아몬드상 탄소 박막 등 표면처리를 통하여 가공성과 공구수명 등 기능을 향상시키기 위한 연구들이 진행되고 있다. 그러나 산업전반에서 다양하게 활용되고 있는 WC-Co계 초경합금에 다이아몬드상 탄소 박막을 증착하기 위한 성장 mechanism이나 증착방법, 증착조건 등에 따른 물성변화에 대한 체계적인 연구는 미흡한 수준이다. 따라서 WC-Co계 초경합금의 코발트 함량 및 공정변수가 다이아몬드상 탄소 박막의 합성에 미치는 영향을 연구함으로써, 응용목적에 적합한 다이아몬드상 탄소 박막 제조를 위한 공정조건을 규명하고자 하였다. 본 연구에서는 자장여과 진공 아크 공정을 이용하여 바인더인 코발트가 각각 6[wt.%], 8[wt.%] 및 10[wt.%] 함유된 WC-Co계 초경합금 기판위에 다이아몬드상 탄소 박막을 증착하였으며, 주요 공정변수인 바이어스 전압의 변화에 따른 구조적, 기계적 특성을 분석하였다. Raman 측정을 통해 다이아몬드상 탄소 박막의 특징인 약 1,550[cm−1]을 중심으로 넓은 스펙트럼을 관찰할 수 있었으나, 바이어스 전압이나 코발트 함량에 따른 Raman-shift는 크게 관찰되지 않았다. 따라서 보다 정확하고, 정량적인 sp2, sp3 결합의 분석을 위하여 XPS 측정을 실시한 결과, 바이어스 전압에 따른 sp3 분율 변화는 크지 않았으나 초경합금의 코발트 함량이 높아질수록 다이아몬드상 탄소 박막의 sp3 결합이 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 코발트 원소가 다이아몬드 핵형성과 결정화를 방해하고 있음을 알 수 있었다. 경도의 경우, 다이아몬드상 탄소 박막의 형성으로 인해 코팅 전 기판의 경도보다 약 2~3배 이상 특성이 향상되었으며, 바이어스 전압이 –110[V] 이상에서는 70[㎬] 이상의 높은 경도를 갖는 박막을 얻을 수 있었다. 그러나 초경합금 기판의 코발트 함량에 따른 경도 변화는 크지 않았다. 이온 에너지의 증가에 따른 잔류응력과 두께증가에 따른 buckling 현상으로 인하여 바이어스 전압이 커질수록 박막의 부착력은 감소하였으며, 코발트 함량이 증가함에 따라 sp3 결합이 감소하는 결정학적 구조 변화로 인하여 코발트가 부착력에 부정적인 영향을 미치고 있음을 알 수 있었다. 타 증착공정과 비교하여 치밀한 ta-C 구조의 다이아몬드상 탄소 박막 형성으로 인해 우수한 조도특성을 갖는 전형적인 주상구조의 표면을 볼 수 있었으나, 바이어스 전압이나 코발트 함량에 따른 유의할 만한 표면 거칠기의 변화는 관찰되지 않았다.
우주/항공, 자동차, 조선, 의료 등 첨단 주력산업을 중심으로 타이타늄 및 복합재료와 같은 초경량, 고경도의 난삭소재 비중이 급격히 증가함에 따라 이러한 소재의 고효율 가공기술 개발이 대두되고 있다. 난삭소재의 정밀가공에 필요한 절삭공구의 소재로는 기계적으로 뛰어난 특성을 갖는 초경합금이 주로 사용되고 있으며, 다이아몬드상 탄소 박막 등 표면처리를 통하여 가공성과 공구수명 등 기능을 향상시키기 위한 연구들이 진행되고 있다. 그러나 산업전반에서 다양하게 활용되고 있는 WC-Co계 초경합금에 다이아몬드상 탄소 박막을 증착하기 위한 성장 mechanism이나 증착방법, 증착조건 등에 따른 물성변화에 대한 체계적인 연구는 미흡한 수준이다. 따라서 WC-Co계 초경합금의 코발트 함량 및 공정변수가 다이아몬드상 탄소 박막의 합성에 미치는 영향을 연구함으로써, 응용목적에 적합한 다이아몬드상 탄소 박막 제조를 위한 공정조건을 규명하고자 하였다. 본 연구에서는 자장여과 진공 아크 공정을 이용하여 바인더인 코발트가 각각 6[wt.%], 8[wt.%] 및 10[wt.%] 함유된 WC-Co계 초경합금 기판위에 다이아몬드상 탄소 박막을 증착하였으며, 주요 공정변수인 바이어스 전압의 변화에 따른 구조적, 기계적 특성을 분석하였다. Raman 측정을 통해 다이아몬드상 탄소 박막의 특징인 약 1,550[cm−1]을 중심으로 넓은 스펙트럼을 관찰할 수 있었으나, 바이어스 전압이나 코발트 함량에 따른 Raman-shift는 크게 관찰되지 않았다. 따라서 보다 정확하고, 정량적인 sp2, sp3 결합의 분석을 위하여 XPS 측정을 실시한 결과, 바이어스 전압에 따른 sp3 분율 변화는 크지 않았으나 초경합금의 코발트 함량이 높아질수록 다이아몬드상 탄소 박막의 sp3 결합이 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 코발트 원소가 다이아몬드 핵형성과 결정화를 방해하고 있음을 알 수 있었다. 경도의 경우, 다이아몬드상 탄소 박막의 형성으로 인해 코팅 전 기판의 경도보다 약 2~3배 이상 특성이 향상되었으며, 바이어스 전압이 –110[V] 이상에서는 70[㎬] 이상의 높은 경도를 갖는 박막을 얻을 수 있었다. 그러나 초경합금 기판의 코발트 함량에 따른 경도 변화는 크지 않았다. 이온 에너지의 증가에 따른 잔류응력과 두께증가에 따른 buckling 현상으로 인하여 바이어스 전압이 커질수록 박막의 부착력은 감소하였으며, 코발트 함량이 증가함에 따라 sp3 결합이 감소하는 결정학적 구조 변화로 인하여 코발트가 부착력에 부정적인 영향을 미치고 있음을 알 수 있었다. 타 증착공정과 비교하여 치밀한 ta-C 구조의 다이아몬드상 탄소 박막 형성으로 인해 우수한 조도특성을 갖는 전형적인 주상구조의 표면을 볼 수 있었으나, 바이어스 전압이나 코발트 함량에 따른 유의할 만한 표면 거칠기의 변화는 관찰되지 않았다.
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