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논문 상세정보

스퍼터링법으로 TiN 및 ZrN 피막 코팅된 STD 61의 표면특성

Surface Characteristics of TiN and ZrN Film Coated STD 61 by Sputtering

Abstract

STD 61 steel has been widely used for tools, metallic mold and die for press working because of its favorable mechanical properties such as high toughness, and creep strength as well as excellent oxidation resistance. The STD 61 tool steel coated with TiN and ZrN by sputtering results in improvement of wear and corrosion resistance. In this study, surface characteristics of TiN and ZrN film coated STD 61 by sputtering were studied by using FE-SEM, EDS, XRD, and XRR and nanoindentation tests. From the results of surface characteristics of coated specimen, the ZrN coated surface showed finer granular than that of TiN coated surface. The coated layer structures of ZrN and TiN were grown to (111) and (200) preferred orientation. From the results of XRR test for surface roughness, density and growth rate of coating film, surface roughness and growth rate of ZrN coated film revealed lower values those of TiN coated film, whereas density of ZrN coated film showed higher values than that of TiN coated film. From the nanohardness and elastic modulus test, nanohardness value and elastic modulus of ZrN coated film became higher than those of TiN coated film.

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절삭공구
절삭공구가 고속의 가공 및 고온에 견디기 위하여 공구자체와 공구표면은 어떤 특성을 가져야 하는가?
공구자체로는 큰 압축강도와 인성을 보유하고 있어야 하고 공구표면은 고온에 따른 확산이 일어나지 않도록 화학적으로 안정하여야 한다

산업이 고도화됨에 따라 절삭가공에 있어서도 고속도화, 고능률화 및 고정밀화에 대한 요구가 점차 증대되고 있다. 이에 절삭공구가 고속의 가공 및 고온에 견디기 위하여 공구자체로는 큰 압축강도와 인성을 보유하고 있어야 하고 공구표면은 고온에 따른 확산이 일어나지 않도록 화학적으로 안정하여야 한다. 마찰 및 마모에 견딜 수 있도록 경도는 높아야 하며 또한 충분한 내식성을 갖추어야 한다.

내 절삭성, 경도와 내마모성 등을 겸비한 TiN 및 ZrN 코팅 방법을 통한 표면처리
내 절삭성, 경도와 내마모성 등을 겸비한 TiN 및 ZrN 코팅 방법을 통한 표면처리에서 TiN 및 ZrN은 어떤 장점이 있는가?
다른 코팅층에 비교하여 경도, 밀착성 및 내마모성 등의 기계적 성질이 우수하고, 고온에서 박막 중의 Zr이 선택적으로 산화됨으로써 박막표면에 Zr의 산화물이 우선적으로 생성된다. 따라서 Zr 산화물은 박막 내부의 산화를 방지하는 고온 산화특성 재료이므로 가공 중 공구 마모가 심하고 열 발생이 큰 고경도 재료를 가공 하는데 적절한 표면코팅 물질이며, 또한 단독의 질화물에서 볼 수 없는 표면 코팅재료서 우수한 특성을 보유하고 있어서 널리 응용되고 있다

최근 공구 및 금형 등의 내구성 향상을 목적으로 내 절삭성, 경도와 내마모성 등을 겸비한 TiN 및 ZrN 코팅 방법을 통한 표면처리가 활발히 연구되고 있다. 이 중에서 특히 TiN 및 ZrN은 다른 코팅층에 비교하여 경도, 밀착성 및 내마모성 등의 기계적 성질이 우수하고, 고온에서 박막 중의 Zr이 선택적으로 산화됨으로써 박막표면에 Zr의 산화물이 우선적으로 생성된다. 따라서 Zr 산화물은 박막 내부의 산화를 방지하는 고온 산화특성 재료이므로 가공 중 공구 마모가 심하고 열 발생이 큰 고경도 재료를 가공 하는데 적절한 표면코팅 물질이며, 또한 단독의 질화물에서 볼 수 없는 표면 코팅재료서 우수한 특성을 보유하고 있어서 널리 응용되고 있다2-5). 이러한 이유로 기존의 연구들은 공구강에 TiN 및 ZrN을 코팅하여 공구강의 표면의 경도, 밀착성, 내마모성 등을 개선하려는 시도가 이루어졌다.

공구 및 금형 등의 내구성 향상
최근 공구 및 금형 등의 내구성 향상을 목적으로 어떤 연구가 활발히 진행되고 있는가?
내 절삭성, 경도와 내마모성 등을 겸비한 TiN 및 ZrN 코팅 방법을 통한 표면처리

이와 같은 요건을 만족시키기 위하여 공구의 표면에 경도가 크고 내마모성 및 내식성이 좋은 보호피막을 입히는 연구가 활발히 진행되어 왔다1). 최근 공구 및 금형 등의 내구성 향상을 목적으로 내 절삭성, 경도와 내마모성 등을 겸비한 TiN 및 ZrN 코팅 방법을 통한 표면처리가 활발히 연구되고 있다. 이 중에서 특히 TiN 및 ZrN은 다른 코팅층에 비교하여 경도, 밀착성 및 내마모성 등의 기계적 성질이 우수하고, 고온에서 박막 중의 Zr이 선택적으로 산화됨으로써 박막표면에 Zr의 산화물이 우선적으로 생성된다.

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저자의 다른 논문

참고문헌 (10)

  1. D. H. Cho, C. G. Lee, J. H. Yoon, Y. S. Choi, H. K. Sin, 창원대학교 생산기술연구소 논문집, 11 (1997) 445. 
  2. G. C. Ye, H. J. Shin, S. C. Kwon, W. S. Beak, J. of the Kor. Inst. of Met. & Mater., 31 (1993) 61. 
  3. J. J. Zhang, M. X. Yang, Q. X. Liu, D. J. Li, Surf. and Coat. Tech., 201 (2007) 5189. 
  4. D. W. Song, G. S. Yang, J. K. Lee, J. of the Kor. Soc. for Heat Treatment, 19 (2006) 225. 
  5. H. J. Bae, C. M. Lee, S. K. Hwang, S. W. Choi, J. of the Kor. Phy. Soc., 33 (1998) 689. 
  6. A. Rizzo, M. A. Signore, M. Pemza, M. A. Tagliente, F. D. Riccardis, E. Serra, Thin Solid Films, 515 (2006) 500. 
  7. C. J. Tavares, L. Rebouta, B. Almeida, J. Bessa e Sousa, Surf. and Coat., 100 (1998) 65. 
  8. T. Ana, H. W. Tiana, M. Wena, W. T. Zheng, Vacuum, 82 (2008) 1187. 
  9. H. Ljungcrantz, C. Engstrm, L. Hultman, M. Olsson, X. Chu, M. S. Wong, W. D. Sproul, J. Vac. Sci. Technol., A 16 (1998) 3104. 
  10. J. A. Thornton, A. S. Penfold, Thin Film Processes, edited by Vossen, J. L. and Kern, W., Academic Press (1978) 75. 

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