초록 ▼

용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

경질 코팅은 내마모성, 내열성, 내식성등이 요구되는 자동차, 반도체, 제조 장비·기계, 건·습식 절삭 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 특히, 최근의 절삭 산업에서는 환경 규제 및 원가 절감 이슈에 대응하여 고속·건식 가공을 위한 고기능성 코팅 물질에 대한 수요가 증가하고 있다. 초경합금 표면에 전이 금속 질화물로 경질 코팅 된 절삭공구는 ...

경질 코팅은 내마모성, 내열성, 내식성등이 요구되는 자동차, 반도체, 제조 장비·기계, 건·습식 절삭 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 특히, 최근의 절삭 산업에서는 환경 규제 및 원가 절감 이슈에 대응하여 고속·건식 가공을 위한 고기능성 코팅 물질에 대한 수요가 증가하고 있다. 초경합금 표면에 전이 금속 질화물로 경질 코팅 된 절삭공구는 Ti 및 Ni기반 합금, 복합재, 퀜칭 강, 세라믹 합금과 같은 난삭재를 가공하기위한 핵심기술로 부상하고 있다. 여기서, 절삭 공구는 기판, 스퍼터 코팅 타겟, 코팅층의 세 가지 구성 요소로 분류할 수 있다.
WC계 초경합금은 주로 절삭공구의 기본 재료(기판)로 사용되며, WC-Co 초경합금은 연성의 Co 바인더 상에 내장 된 경질 WC 기지상으로 구성된다. 이 경질 재료의 특성에서 중요 고려사항은 경도, 인성 및 굽힘강도의 우수한 조합을 결정하는 것이다. 종래에는 이러한 문제를 해결하기 위해 바인더 또는 C 함량, WC 입자 크기 조절 및 후속 열처리와 같은 시도들이 고려되어왔지만, WC 고유의 취성으로 인한 취약한 소결성 및 Co의 전기화학적 부식에 의한 기계적 특성이 악화되는 문제가 여전히 남아있다.
스퍼터 타겟은 경질 코팅의 코팅원으로 사용되며, 금속 원소 또는 함금으로 구성된다. 종래의 코팅 타겟 제조방법인 주조법 적용 시, 조성의 불균일, 치밀화 불량, 편석, 입자 조대화 등의 문제점이 발생하여 최종 코팅층의 기계적 특성을 저하시킬 수 있다.
코팅 된 재료의 향상된 기계적 특성을 부여하기 위해서는 코팅층의 미세구조 및 적절한 합금 조성 설계가 필수적이다. 즉, 구조 영역 모델을 기반으로 결정질/비정질의 다층화, 운동에너지 관점에서 나노 결정들의 핵생성 및 재배열, 주상정의 성장 억제와 같은 몇 가지 요인들을 고려해야한다.
따라서, 본 논문의 목적은 고기능성의 Ti/Al (Cr, Si, W, N) 질화물 코팅물질을 물리적·기계적 특성이 향상 된 WC 기판 및 Ti/Al계 스퍼터 타겟에 형성하는 것이다. WC, Co, Ti, Al, Cr 및 Si 초기분말은 입자 미세화 및 균일 합성을 위해 기계적으로 합금화하였으며, 합금분말의 소결을 위해 SPS법을 적용하여 치밀화하였다. Ti/Al계 경질 코팅은 AIP 공정을 적용하여, WC계 기판과 Ti/Al계 스퍼터 타겟이 장착 된 진공 챔버 내에서 증착시켰다.
WC 및 WC-Co 초경합금의 치밀화 거동은 치밀화 변형률, 소결 온도, 확산 경로 및 겉보기 활성화 에너지와 같은 소결 역학인자에 따라 결정되었다. WC 경질상의 인성 강화 거동은 Co 바인더와의 관계에 대해서 포괄적으로 다루었으며, hcp-WC/fcc-Co 정합면 관계, WC 탈탄현상에 의한 W상의 분리, Co의 평균 자유 행로 등이 논의되었다. 후속 열처리는 등온 가열(950 ~ 1300)℃과 극저온 처리(-196℃)가 실시되었으며, 이 때의 미세 구조 및 기계적 특성 변화를 조사하였다.
Ti-Al-Si 및 Al-Cr-Si계는 볼밀링 공정 중의 기계적 합금화에 의해 분말 상태에 강성을 부여할 수 있는 조성으로 설계되었으며, 각 삼원계에서의 적합한 소결 거동을 도출하였다. 연성-연성 및 취성-연성과 같은 분말의 결합 상태에 따른 구조적 진화는 심각한 소성변형 하에서 Al/(Ti+Al) 및 Al/(Al+Cr) 비율에 크게 의존하며, 결과적으로 상전이를 야기하였다. 소결 거동은 온도 및 밀링 조건에 따른 금속간화합물의 형성 및 Al의 용융 여부에 따라 결정되었다. 즉, Ti-Al, Ti-Si, Ti-Al-Si, Al-Cr, Cr-Si 및 Al-Cr-Si의 고상 반응은 각 온도에서 우선시되는 형성에 대한 계면에서의 상호확산 거동에 의해 결정되었다.
Ti-Al-Si-N 및 Al-Cr-Si-N 경질 코팅은 설계된 조성에 따라 AIP 공정에 의해 형성되며, 증착 된 코팅층의 구조적 진화 및 기계적 특성을 조사하였다. 분말에서부터 소결체까지의 구조적 진화 거동은 단일상, 금속간화합물 및 과포화고용체와 같은 합성 상태에 따라 크게 좌우되었다. 또한, 코팅층에서 구조적 특성을 결정짓는 요인은 나노 결정립 구조의 상 안정성과 관련되며, Ti-Al, Al-Cr 조성 및 Si3N4 형성에 따라 영향을 받는다. 앞서 언급한 요인들을 기준으로, 코팅층의 미세구조 분포와 기계적 특성과의 상관관계를 면밀히 조사하기 위해 다음과 같은 실험적 접근들을 수행하였다. 각 질화물의 결합에너지, 격자 왜곡에 따른 응력 분포 거동, 비정질/결정질의 분포, 경도, 부착력 및 내산화 거동은 최종 코팅층의 특성에 영향을 미쳤다. 추가적으로, 본 연구의 Ti-Al-Si-N 및 Al-Cr-Si-N 코팅층과 비교하여 열적 및 기계적 특성에 대한 고융점 원소 (W)의 첨가 효과를 조사하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The hard coating has been applied in various fields such as automotive, semiconductors, manufacturing equipment/machinery, wet/dry cutting is required properties to wear, heat, corrosion resistance. Exceptionally, In response to recent environmental regulation and cost reduction issues, the demand f...

The hard coating has been applied in various fields such as automotive, semiconductors, manufacturing equipment/machinery, wet/dry cutting is required properties to wear, heat, corrosion resistance. Exceptionally, In response to recent environmental regulation and cost reduction issues, the demand for high-functionality coating materials for high-speed/dry processing in the cutting industry is increasing. Moreover, a cutting tool for hard coated with transition metal nitrides on the surface of the cemented carbide are emerging as a core technology to machine difficult-to-cut materials such as Ti and Ni-based alloys, composites, quenched steels, and ceramics. The cutting tools can be classified into three components: substrate, sputter coating target, and a coating layer.
Cemented carbide is mainly used as the base material (substrate) for cutting tools. WC-Co cemented carbide consists of a matrix of hard faceted WC grains embedded in a ductile Co binder phase. An essential issue of the properties of this hardened material is what determines its excellent combination of hardness, toughness, and transverse rupture strength. Conventionally, attempts to control the binder or carbon content, WC particle size, and subsequent heat treatment have been considered to challenge this problem. However, there are remaining difficulties such as poor sinterability and mechanical deterioration caused by the inherent brittleness of WC and electrochemical corrosion of Co-rich corner.
A sputter target is used as a hard coating source and is composed of metallic elements or alloys. The casting technique, a conventional coating target manufacturing method, is caused by non-uniformity in phase composition, poor densification, segregation, and grain coarsening, thereby deteriorating the mechanical properties of the final coatings.
The design of microstructures and alloy composition on hard coatings is essential to enhance the mechanical properties of the coated material. Based on the structure zone model, several factors need to be considered, such as the formation of multi-layer on crystalline/amorphous, the kinetic energy perspective of re-nucleation, and rearrangement of nanocrystalline, and suppression of columnar growth.
Thus, the objective of the thesis is to form that high functionality Ti/Al (Cr, Si, and W) nitride coated hard material, which focused on the enhancement of the physical/mechanical properties of the underlying materials such as WC-based substrate and the Ti/Al-based sputter target. The WC, Co, Ti, Al, Cr, and Si initial powders are mechanically alloyed for refining particles and homogeneous synthesis. It is highly densified using the SPS technique for the consolidation of the powders. A Ti/Al-based hard coatings are deposited in the vacuum chamber in which the WC-based substrate and Ti/Al-based sputter target are mounted during the AIP process.
The densification behavior of WC and WC-Co cemented carbides depends on their sintering kinetics, such as densification strain, sintering temperature, diffusion path, and apparent activation energy. The strengthening mechanism of toughness on WC hard phase is comprehensively focused on Co binder, wherein discussed the coherent interface hcp-WC/fcc-Co, segregation of WC-rich phase during the WC decarburization, and mean free path of Co binder. The subsequent heat treatments are implemented isothermal heating (950 ~ 1300℃) and deep cryogenic treatment (-196℃) to observe their microstructural and mechanical evolution.
The Ti-Al-Si and Al-Cr-Si ternary system is designed to impart stiffness into a powder state by mechanical alloying, resulting in a reasonable deduction of consolidation behavior from a comprehensive ternary system. The structural evolution of powder states such as ductile-ductile and brittle-ductile strongly depends on Al/(Ti +Al) or Al/(Al + Cr) ratio to regard severe plastic deformation, resulting in phase transformation. The consolidation behavior as a function of sintering temperature depends on whether the Al component melted based on the appropriate milling time to prevent melting reaction by forming intermetallic compounds. Consequently, The direct solid-state reaction between Ti-Al, Ti-Si, Ti-Al-Si, Al-Cr, Cr-Si, and Al-Cr-Si is determined by inter-diffusion of the interface to preferential formation.
The Ti-Al-Si-N and Al-Cr-Si-N hard coatings according to designed composition are formed to investigate the structural evolution and mechanical properties deposited by the AIP process. The structural evolution from a powder to a compact is determined significantly by their synthesized states such as single-phase, intermetallic compounds, and supersaturated solid solution. Moreover, in coating layers, the factors that determine the structural evolution are associated with the phase stability of the nano-crystalline structure are derived from the Ti/Al, Al/Cr composition, and Si3N4 content. The binding energy, distribution, lattice, crystalline, and amorphous of nitrides are considered to explore the correlation between the microstructure and mechanical properties in hard coatings. Upon the coating layer properties, a significant effect attributed to the hardness, adhesion, and oxidation resistance. In addition, the effect of the addition of high melting point elements (W) on the thermal and mechanical properties is investigated compared to TiAlSiN and AlCrSiN coatings in this thesis.

주제어