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문제 정의
- 본 논문에서는 상용 AIP 장비를 이용하여 AIP 법에서 질소가스 압력이 고속도강의 TiN 코팅층 성질에 미치는 영향에 관하여 실험적으로 고찰하고자 한다.
- 본 논문에서는 상용 AIP 장비를 이용하여 다양한 질소가스 압력의 조건에서 질소가스 압력이 고속도강의 TiN 코팅 층 성질에 미치는 영향에 관하여 실험적으로 고찰하였다. 질소가스 압력의 변화에 따른 TiN 코팅된 표면의 원자분포는 EDS 로 측정하였고, TiN 코팅 층의 두께와 미소입자는 SEM 으로 측정하였다.
제안 방법
- 진행된다. 증착공정으로 챔버에 시편을 장입하고 저진공배기 (9.9xlO-1Pa), 고진공배기(9.9xl0-3pa)등의 순서로 진공도를 조절하였으며 9.9xlO'3Pa 의 고진공에서 증착 온도 450"C까지 서서히 가열하였다. 전 처리된 시편에 잔류하는 불순물을 제거하기 위해 6.
- 미소입자와 코팅 충의 두께는 주사전자현미경 (Scanning electron microscope, SEM)으로 측정 되 었 다. TiN 코팅 된 표면 의 Ti, N, Fe 둥의 성분의 원자 분포를 정량적으로 분석하기 위하여 원소분석장비 (Energy dispersive spectroscopy, EDS)를 사용하여 600 ㎛(가로)x600 ㎛(세로) 면적으로 측정되었다.
- 열처리된 시편의 산화막을 제거하기 위해 샌딩기(Sanding machine)에서 쇼트처리를 하였고, 증착될 실험 시편의 표면 거칠기를 최소화시키기 위해 400 번에서부터 1200 번까지의 샌드페이퍼를 이용하여 순차적으로 시편을 연마하였다. 그리고 양모 휠과 다이아몬드 페이스트를 사용하여 마무리 연마를 하였다. 열처리된 시편의 표면에 존재하는 오염물질은 코팅의 밀착성과 표면특성에 나쁜 영향을 미치므로 트라이클로로 에틸렌(Trichloro ethane)을 사용하는 초음파세정기에서 약 15 분간 세정, 헹굼, 증기탈지 등의 작업이 실시되었다.
- 질소가스 압력의 변화에 따른 TiN 코팅된 표면의 원자분포는 EDS 로 측정하였고, TiN 코팅 층의 두께와 미소입자는 SEM 으로 측정하였다. 그리고 질소가스 압력의 변화에 따른 TiN 코팅 층의 표면 거 칠기, 미소경도, 밀착력 등으로 표면특성을 분석하였다.
- 미소 경도는 Akashi 사-의 비커 스경도(Vickers hardness, Hv)기를 이용하여 측정되었으며, 사용된 피라미드형 다이아몬드 압자의 대면각은 136° 이다. 미소 경도의 측정조건으로 25g 의 압입하중과 30 초의 유지 시간을 설정하였다. 미소입자와 코팅 충의 두께는 주사전자현미경 (Scanning electron microscope, SEM)으로 측정 되 었 다.
- 열처리된 시편의 미소경도치 (Hv)는 약 680 으로 측정되었다. 열처리된 시편의 산화막을 제거하기 위해 샌딩기(Sanding machine)에서 쇼트처리를 하였고, 증착될 실험 시편의 표면 거칠기를 최소화시키기 위해 400 번에서부터 1200 번까지의 샌드페이퍼를 이용하여 순차적으로 시편을 연마하였다. 그리고 양모 휠과 다이아몬드 페이스트를 사용하여 마무리 연마를 하였다.
- 9xlO'3Pa 의 고진공에서 증착 온도 450"C까지 서서히 가열하였다. 전 처리된 시편에 잔류하는 불순물을 제거하기 위해 6.6x10' 고Pa 의 고진공에서 아르곤(Ar)가스를 투입하여 약 10 분간 이온세정을 하였다. 증착온도, 증착시간, 바이어스 전압, 아크 전류 등의 증착조건은 AIP 법의 일반 증착조건을 적용하였다.
- 실험적으로 고찰하였다. 질소가스 압력의 변화에 따른 TiN 코팅된 표면의 원자분포는 EDS 로 측정하였고, TiN 코팅 층의 두께와 미소입자는 SEM 으로 측정하였다. 그리고 질소가스 압력의 변화에 따른 TiN 코팅 층의 표면 거 칠기, 미소경도, 밀착력 등으로 표면특성을 분석하였다.
- 측정의 신뢰성과 재현성을 얻기 위하여 각 시편에 대하여 5 회씩 측정하여, 그 평균치를 실측치로 취하였다.
대상 데이터
- Table 1과 같다. 시편은 고속도강 봉재를지름 20mm 와 높이 10mm 의 크기로 절단한 후 열처리하여 제작되었다. 열처리된 시편의 미소경도치 (Hv)는 약 680 으로 측정되었다.
이론/모형
- 8 #를 사용하였다. 미소 경도는 Akashi 사-의 비커 스경도(Vickers hardness, Hv)기를 이용하여 측정되었으며, 사용된 피라미드형 다이아몬드 압자의 대면각은 136° 이다. 미소 경도의 측정조건으로 25g 의 압입하중과 30 초의 유지 시간을 설정하였다.
- 6x10' 고Pa 의 고진공에서 아르곤(Ar)가스를 투입하여 약 10 분간 이온세정을 하였다. 증착온도, 증착시간, 바이어스 전압, 아크 전류 등의 증착조건은 AIP 법의 일반 증착조건을 적용하였다. AIP 법에서는 상대적으로 저진공에서 증착공정이 이루어지기 때문에 실험목적으로 0.
성능/효과
- lPa 에서부터 IPa 까지의 질소가스 압력에서는 질소가스 압력의 증가에 따라 표면 거칠기 값이 감소하는 것으로 나타났다. IPa 이상의 질소가스 압력에서는 질소가스 압력의 증가에 따라 표면거칠기 값이 거의 일정하게 나타났다, 그 이유는 Fig. 3의 결과에서 보는 바와 같이 질소가스 압력이 증가할수록 표면에 TiN 층의 증착이 잘된 것에 있다고 사료된다. 그리고 질소가스 압력이 증가할수록 미소입자의 양이 급격히 감소한 것도 중요한 이유 중의 하나라고 판단된다.
- N 원자분포는 질소가스 압력이 증가하여도 거의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. O.lPa 와 IPa 사이의 질소가스 압력에서는 Fe 원자분포는 큰 폭으로 감소하였으며, IPa 이상의 질소가스 압력에서 Fe 원자분포는 거의 변화가 없는 것으로 나타났다.
- 1 ㎛ 이다. 결과적으로 O.lPa 에서부터 IPa 까지의 질소가스 압력에서는 질소가스 압력의 증가에 따라 코팅 층의 두께는 미소하게 증가하였으며, IPa 이상의 질소가스 압력에서는 질소가스 압력이 증가하여도 코팅 층의 두께는 거의 변화가 없는 것으로 나타났다.
- 밀착력은 질소가스 압력이 증가할수록 우수하였고 상대적으로 낮은 질소가스 압력에서는 밀착력이 낮은 것으로 나타났다. 그리고 시험된 칠소가스 압력의 범위 내에서는 IPa 이상의 질소가스 압력에서 공업적으로 사용될 수 있는 HF4 등급 이상의 밀착력이 관찰되었다.
- 4는 질소가스 압력에 따른 미소경도(Hv) 값을 그래프로 나타내고 있다. 그림에서 보는 바와 같이, 0.1 Pa 에서 IPa 사이의 질소가스 압력에서는 질소가스 압력의 증가에 따라 미소경도 값은 미소하게 증가하였으며, IPa 이상의 질소가스 압력에서는 질소가스 압력이 증가하여도 미소경도 값은 거의 변화가 없는 것으로 나타났다.
- 2는 질소가스 압력에 따른 표면거칠기(Ra, #) 값을 그래프로 나타내고 있다. 그림에서 보는 바와 같이, 코팅 전과 비교하여 0.1 Pa 의 질소가스 압력에서는 표면거칠기 값이 급격히 나빠지는 것으로 나타났고, O.lPa 에서부터 IPa 까지의 질소가스 압력에서는 질소가스 압력의 증가에 따라 표면 거칠기 값이 감소하는 것으로 나타났다. IPa 이상의 질소가스 압력에서는 질소가스 압력의 증가에 따라 표면거칠기 값이 거의 일정하게 나타났다, 그 이유는 Fig.
- IPa 이상의 질소가스 압력에서는 밀착력이 HF1 둥급으로 관찰되었다. 밀착력은 질소가스 압력이 증가할수록 우수하였고 상대적으로 낮은 질소가스 압력에서는 밀착력이 낮은 것으로 나타났다. 그리고 시험된 칠소가스 압력의 범위 내에서는 IPa 이상의 질소가스 압력에서 공업적으로 사용될 수 있는 HF4 등급 이상의 밀착력이 관찰되었다.
- 실험된 질소가스 압력의 범위 내에서는 질소가스 압력의 증가에 따라 표면거칠기, 미소입자, 밀착력, TiN 의 표면증착, Ti, N, Fe 등의 성분분포 등에 비교적 큰 영향을 미쳤으며, 반면 미소경도와 TiN 코팅 충의 두께에 질소가스의 압력이 큰 영향을 주지 못하였다.
- 측정되었다. 제안된 밀착력의 등급은 HF1에서 HF6 까지 구분되며, 등급이 낮을수록 밀착력은 좋고 둥급이 높을수록 밀착력은 나쁘다. 그리고 HF1에서 HF4 등급까지가 공업적으로 사용될 수 있는 충분한 밀착력을 가지고 있다는 것으로 평가한다.
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