[논문]AIP 코팅법에서 로의 온도가 고속도강의 TiN 코팅에 미치는 영향에 관한 실험적 연구

김해지; 이상욱; 전만수

AIP 코팅법에서 로의 온도가 고속도강의 TiN 코팅에 미치는 영향에 관한 실험적 연구
Experimental Study on Effect of Furnace Temperature on TiN-Coating of High Speed Steel by Arc Ion Plating 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.23 no.2 = no.179, 2006년, pp.97 - 103

김해지 (경상대학교 대학원 기계공학과) , 이상욱 (경상대학교 대학원 기계공학과) , 전만수 (경상대학교 기계항공공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, effect of temperature in TiN-coating by arc ion plating on surface characteristics of a TiN coated high speed steel is investigated by experiments. Hardness, surface roughness, TiN-coating thickness and adsorption force are measured in order to evaluate the effects. For evaluation of the experimental data, one-way ANOVA method is used. It is concluded that the furnace temperature in the range $400^[\circ}C\~500^{\circ}C$ in AIP processing has a little influence on the TiN coating of the SKH51 steels.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

AIP 코팅법에서 로의온도가 재료에 미치는 영향을 연구하기 위하여 고속도강의 열처리 특성인 청열취성과 2차 경화 온도 범위를 제외한 400℃, 450℃, 500℃의 온도 조건에 대하여 TiN 코팅을 적용하였다. 각 온도에서 코팅된 재료는 표면경도, 표면 거칠기, TiN 코팅 층 두께, 밀착력 등을 상호 비교하여 로의 온도가 SK町51종 재료 표면의 TiN 코팅에 미치는 영향에 관하여 실험적으로 평가하고자 한다.
본 논문에서는 AIP 코팅법에서 로의 온도가 고속도강의 TiN 코팅에 미치는 영향에 관하여 실험적 및 통계학적 고찰을 통하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
있다. 본 논문에서는 위의 시험법과 비교하여 소요 시간 단축, 분석법이 쉬운 압흔에 의하여 발생된 크랙의 파형분석법을 제시하였다. 이를 통하여 코팅 층의 밀착력을 평가하였다.

제안 방법

TiN 코팅을 적용하였다. AIP 코팅법에서 로의온도가 재료에 미치는 영향을 연구하기 위하여 고속도강의 열처리 특성인 청열취성과 2차 경화 온도 범위를 제외한 400℃, 450℃, 500℃의 온도 조건에 대하여 TiN 코팅을 적용하였다. 각 온도에서 코팅된 재료는 표면경도, 표면 거칠기, TiN 코팅 층 두께, 밀착력 등을 상호 비교하여 로의 온도가 SK町51종 재료 표면의 TiN 코팅에 미치는 영향에 관하여 실험적으로 평가하고자 한다.
증착 시간은 모두 110분으로 하였다. N₂ 가스를 공급함과 동시에 바이어스(Bias) 전압을 낮추어 TiN 코팅을 실시하였다. 코팅이 끝난 후에는 로의 온도가 150℃ 이하가 될 때까지 계속 진공도를 유지하며로냉하였다.
9시(尸 Pa이며, 400℃(a)에서 180분 가열한 후 420℃(b)에서 약 10 분간 이온세정을 하였고, 450℃(c)에서 110분간 코팅을 하였다. SKH₅₁ 종 재료의 TiN 코팅 특성을 평가하기 위하여 Fig. 2의 증착온도©를 400, 450, 500℃ 세조 건으로 설정하였다. 나머지 공정변수인 전압, 시간, 반응가스량 등은 모두 동일하게 설정하였다.
전처리 공정에서는 열처리된 시편의 산화막을 제거하기 위하여 쇼트처리를 하였고, 코팅 면은 샌드페이퍼 (san) paper)로 #400 ~ #1200까지 순차적으로 연마하였다. 그리고 최종적으로 양모 휠과 다이아몬드 페이스트로 시편의 표면 청정 도를 높이기 위하여 미세 버(burr)를 제거하였다. 시편을 로에 장입하기 전에 초음파 세정 시스템에서 약 15분간 세정, 헹굼, 증기 탈지 등을 수행하였다.
본 논문에서는 전체 공구 재료 중 사용 빈도가 높은 고탄소 합금강인 SKH₅₁ 종(고속도강)에 대하여 TiN 코팅을 적용하였다. AIP 코팅법에서 로의온도가 재료에 미치는 영향을 연구하기 위하여 고속도강의 열처리 특성인 청열취성과 2차 경화 온도 범위를 제외한 400℃, 450℃, 500℃의 온도 조건에 대하여 TiN 코팅을 적용하였다.
그리고 최종적으로 양모 휠과 다이아몬드 페이스트로 시편의 표면 청정 도를 높이기 위하여 미세 버(burr)를 제거하였다. 시편을 로에 장입하기 전에 초음파 세정 시스템에서 약 15분간 세정, 헹굼, 증기 탈지 등을 수행하였다. AIP 코팅법에서의 이온세정과 코팅의 작업 조건을 Table 2 에 정리하였다.
본 논문에서는 위의 시험법과 비교하여 소요 시간 단축, 분석법이 쉬운 압흔에 의하여 발생된 크랙의 파형분석법을 제시하였다. 이를 통하여 코팅 층의 밀착력을 평가하였다.'' 밀착력의 판정 기준은 1등급에서 6등급까지로 규정되어 있고, 1등급의 경우 압흔의 중심으로부터 사선형태의 크랙이 생성되었을 때 TiN 코팅의 밀착력을 1등급으로 판정한다.
동일 조건하에서 실험을 하기 위하여 코팅 시편의 크기는 직경 20mm, 두께 10mm、로 하였다. 전처리 공정에서는 열처리된 시편의 산화막을 제거하기 위하여 쇼트처리를 하였고, 코팅 면은 샌드페이퍼 (san) paper)로 #400 ~ #1200까지 순차적으로 연마하였다. 그리고 최종적으로 양모 휠과 다이아몬드 페이스트로 시편의 표면 청정 도를 높이기 위하여 미세 버(burr)를 제거하였다.
표면 거칠기의 측정은 촉 침식 표면조도계(Mitutoyo, SV-3000)를 사용하여 중심선 평균 거칠기(R为婀로 나타내었다. 코팅 두께 층과 밀착력 형상은 주사전자현미경(JEOL, JSNU 600 LV)으로측정하였다. 표면경도, 표면 거칠기, 코팅 두께층둥의 측정은 코팅 전과 후의 시편 5개에 대하여 실시되 었다.

대상 데이터

연구에 사용된 SKH₅₁ 종 재료의 화학적 조성을 Table 1 에 나타내었다. 동일 조건하에서 실험을 하기 위하여 코팅 시편의 크기는 직경 20mm, 두께 10mm、로 하였다. 전처리 공정에서는 열처리된 시편의 산화막을 제거하기 위하여 쇼트처리를 하였고, 코팅 면은 샌드페이퍼 (san) paper)로 #400 ~ #1200까지 순차적으로 연마하였다.
본.연구에 사용된 SKH₅₁ 종 재료의 화학적 조성을 Table 1 에 나타내었다. 동일 조건하에서 실험을 하기 위하여 코팅 시편의 크기는 직경 20mm, 두께 10mm、로 하였다.

데이터처리

측정 결과의 정규성을 검증하기 위하여 일원 분산분석(one-way ANOVA) 통계처리기법을 이용하였으며, 통계처리 프로그램으로 SPSS가 사용되었다.

성능/효과

50㎛ 으로 TiN 코팅 층이 측정되었다. AIP 공정에서 요구되는 코팅 층의 두께인 1~4㎛° 을 만족하는 결과임을 알 수 있었다. 따라서 시험한 온도 범위 내에서 온도가 TiN 코팅 층의 두께에 미치는 영향은 적음을 알 수 있었다.
AIP 공정에서 요구되는 코팅 층의 두께인 1~4㎛° 을 만족하는 결과임을 알 수 있었다. 따라서 시험한 온도 범위 내에서 온도가 TiN 코팅 층의 두께에 미치는 영향은 적음을 알 수 있었다.
11은 TiN 코팅 층에 다이아몬드 압입자로하중 150kg을 10초 동안 가하여 나타난 압흔 형상을 나타낸 것이다. 밀착력 형상은 압흔의 중심에서 사선 형태로 1등급의 크랙 파형이 생성되었고, 시험한 온도 범위 내에서는 400笆에서 우수한 결과를 얻을 수 있었다.
본 실험을 통해 SKH₅₁ 종의 AIP 코팅법에서 온도가 TiN 코팅 층 형성에 미치는 영향은 적었다. 그러나, AIP 코팅법에서 온도가 큰 변수이기 때문에 결과들을 정량적으로 분석함으로서 실제 산업 체에서는 아주 유용한 기술이라고 사료된다.
시험한 온도 범위에서 TiN 코팅된 SKH₅₁ 종의 로크웰 경도, 미소경도, 표면 거칠기 등은 온도가 증가함에 따라 미소하게 낮아지는 경향을 보였다. 그리고 밀착력 평가에서는 40。℃에서 크랙 파형이 가장 우수한 결과를 보였다.

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