[논문]전류제어가 가능한 AIP-PVD법으로 증착된 TiMoN 코팅층 특성평가

신현정; 김동배; 김성철; 김남수

doi:10.12656/jksht.2019.32.5.224

[국내논문] 전류제어가 가능한 AIP-PVD법으로 증착된 TiMoN 코팅층 특성평가
Characteristic Evaluation of TiMoN Coating Layer Deposited by Current Control available AIP-PVD Method 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.32 no.5, 2019년, pp.224 - 229

신현정 ((재)대구기계부품연구원) , 김동배 ((재)대구기계부품연구원) , 김성철 (미래써모텍) , 김남수 (미래써모텍)

Abstract ▼ AI-Helper

PVD coating is a technology that can be applied to various industries, and is widely used for processing molds and machinery, improving performance of core parts, and extending the life. Therefore, there is a need for a research on a device and a process technology that can adjust the performance to suit each application. In this study, a PVD coating device with ion density control was used to deposit a coating layer on SKD 11, a cold die steel, with magnetron currents of 1 A, 2 A, 3 A at arc currents of 80 A, 100 A, 130 A. It examined the mechanical properties for each condition. Increasing the arc current and magnetron current could improve the thickness, adhesion, and hardness of the coating layer. Especially, When the magnetron current was high, it suppressed the droplets that could be generated by the high arc current, showing excellent surface uniformity and adhesion of the coating layer.

Keyword

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. The MRP-1100 coating machine.
그림 Fig. 2. Shape of test piece made by SKD 11.
표 Table 1. Chemical composition of SKD 11 steel (wt. %)
표 Table 2. Chemical composition of Ti-8Mo Target (wt. %)
표 Table 3. Working conditions of TiMoN coating
그림 Fig. 3. SEM image observation for coating surface by changing current condition of arc current and magnetron sputter.
그림 Fig. 4. Variation of surface roughness with changing the current conditions of arc current and magnetron sputter.
그림 Fig. 5. SEM images observation of thickness by changing the current conditions of arc current and magnetron sputter.
그림 Fig. 6. Variation of Thickness with changing the current conditions of arc current and magnetron sputter.
그림 Fig. 7. Variation of Hardness with changing the current conditions of arc current and magnetron sputter.
그림 Fig. 8. Load versus displacement curve recorded during nanoindentation test on each changing the current conditions of arc current and magnetron sputter.
그림 Fig. 9. Variation of micro-Hardness with changing the current conditions of arc current and magnetron sputter.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

다만 위의 방법이 코팅 공정 중 타겟이 국부적으로 용해되어 droplet이 형성되고 코팅특성을 저하시키는 단점[5-6]이 있어 이를 해결하기 위한 다양한 연구가 진행 중이다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 본 연구에서는 Ti-8Mo를 타겟으로 냉간 금형강 SKD 11과 이온밀도 조절이 가능한 PVD코팅장치를 활용하여 아크 전류와 마그네트론 전류에 변화에 따라 SKD 11의 표면 코팅층 특성에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 코팅시간 40 Min으로 고정하고 TiMoN 증착을 진행하여 최대 증착두께는 확인하지 않았지만 코팅두께를 증가시키기 위해 아크 전류를 높이지 않고 마그네트론 전류만을 제어하여 코팅층 두께를 일정부분 증가시킬 수 있을 것으로 사료된다.

제안 방법

TiMoN 코팅층을 형성하기 위하여 반응가스인 질소를 투입하고 아크 전류는 80 A, 100 A, 130 A로 마그네트론 전류는 1 A, 2 A, 3 A 조건으로 40 min 동안 코팅을 수행하였다.
코팅조건은 시편을 챔버에 장입한 후 챔버 내 진공 조건을 만들고 아르곤가스를 주입하여 이온세정을 실시하였다.
아크 전류와 마그네트론 전류가 TiMoN 코팅된 소재의 표면 특성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 코팅층의 표면과 두께는 주사전자현미경(SEM)을 사용해 단면을 측정 하였고, 증착된 코팅층의 거칠기는 접촉식 표면거칠기(Talor Hobson, Talysurf PGI)를 사용했다. 증착된 코팅층의 접착강도를 확인하기 위해서는 스크래치 테스터(CSM, REVETEST)를 사용해 하중을 일정속도로 증가시키면서 TiMoN 코팅층이 모재와 분리되는 양상 및 하중의 크기를 관찰했다.
아크 전류와 마그네트론 전류가 TiMoN 코팅된 소재의 표면 특성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 코팅층의 표면과 두께는 주사전자현미경(SEM)을 사용해 단면을 측정 하였고, 증착된 코팅층의 거칠기는 접촉식 표면거칠기(Talor Hobson, Talysurf PGI)를 사용했다. 증착된 코팅층의 접착강도를 확인하기 위해서는 스크래치 테스터(CSM, REVETEST)를 사용해 하중을 일정속도로 증가시키면서 TiMoN 코팅층이 모재와 분리되는 양상 및 하중의 크기를 관찰했다. 시험조건은 하중인가 속도 100 N/min 과 시편 이동 속도 3 mm/min를 유지했다.
시험조건은 하중인가 속도 100 N/min 과 시편 이동 속도 3 mm/min를 유지했다. 나노인덴터(MicroMateral, NANOTEST)를 이용하여 시험편을 압입하면서 연속적으로 하중-변위곡선을 측정하고 이 결과를 환산하여 각 조건의 나노경도값(GPa)을 계산했다. 나노인덴터 시험조건은 Maximum Depth 700 nm, Load 500 mN, Loading rate 10.
본 연구에서 스크래치 테스트(CSM, REVETEST) 로 얻은 임계하중(Lc)을 코팅층의 밀착력으로 보고 아크 전류와 마그네트론 전류의 조건에 따른 밀착력 변화를 Fig. 7에 나타내었다. TiMoN 코팅층의 밀착력은 대체로 최소 32 N~최대 45 N로 측정되었다.
전류제어가 가능한 AIP-PVD법으로 TiMoN 코팅시 아크 전류와 마그네트론 전류 변화가 코팅층 형성에 미치는 영향을 연구하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

대상 데이터

본 연구는 시험편에 TiMoN 코팅층을 형성시키기 위해서 M사의 PVD 코팅장치(MRP-1100)를 사용하였다. 이 장치는 이온의 분포와 밀도를 제어할 수 있도록 캐소드 후면에 전자석을 배치해여 플라즈마의 직진성과 세기를 조절할 수 있는 것이 특징이다.
이 장치는 이온의 분포와 밀도를 제어할 수 있도록 캐소드 후면에 전자석을 배치해여 플라즈마의 직진성과 세기를 조절할 수 있는 것이 특징이다. Fig. 1에서 사용된 M사의 PVD 코팅장치를 나타내었다.
본 실험에 사용된 소재는 SKD 11의 화학조성은 Table 1과 같고, 시편은 지름 20 mm의 봉재를 12 mm 크기로 절단하여 제작하였다. 증착될 시편은 400 mm~1200 mm까지 Sand paper를 이용하여 순차적으로 연마하고, Diamond paste(3 μm~1 μm)를 이용하여 마무리 연마하였다.

성능/효과

코팅층의 밀착력은 아크 전류와 마그네트론 전류가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으며, 아크 전류를 높이지 않더라도 마그네트론 전류가 상승되면 밀착력 또한 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 9에서 볼 수 있듯이 아크 전류가 증가함에 따라 최소 19.89 GPa~최대 23.94 GPa로 측정되었고, 아크 전류 조건에 따른 나노경도는 조금씩 상승하였지만, 마그네트론 전류 조건에서는 나노경도의 변화 경향은 관찰되지 않았다.
1. 아크 전류와 마그네트론 전류를 상승시키면 코팅층의 표면 거칠기, 두께, 밀착력을 향상 시킬 수 있었다. 두께와 거칠기, 밀착력 데이터를 비교해 볼 때 TiMoN 코팅조건은 아크 전류 80 A, 마그네트론 전류 3 A 조건이 우수한 것으로 나타났다.
아크 전류와 마그네트론 전류를 상승시키면 코팅층의 표면 거칠기, 두께, 밀착력을 향상 시킬 수 있었다. 두께와 거칠기, 밀착력 데이터를 비교해 볼 때 TiMoN 코팅조건은 아크 전류 80 A, 마그네트론 전류 3 A 조건이 우수한 것으로 나타났다.
2. 마그네트론 전류가 상승 할수록 TiMoN코팅의 특성이 더 우수한 것으로 보아 마그네트론 전류가 상승되면 플라즈마의 직진성이 향상돼 이온밀도를 증가시키는 것으로 판단된다.
3. 아크 전류는 상승할수록 코팅층 표면이 균일해지지 않지만 상대적으로 균일하지 않던 코팅층 표면이 모든 마그네트론 전류 3 A 조건에서 코팅층이 균일해지는 것으로 볼 때 마그네트론 전류가 표면 거칠기에 영향을 주는 것으로 사료된다.
4. 낮은 아크 전류에 높은 마그네트론 전류 조건과 높은 아크 전류의 낮은 마그네트론 전류조건은 유사한 코팅층을 형성시키는 것으로 분석돼 코팅 시 발생하는 에너지비용을 절감할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산업이 발전함에 따라 무엇에 대한 요구가 높아지고 있는가?	산업이 발전함에 따라 금형과 기계류의 가공과 핵심부품의 성능향상에 대한 요구가 높아지고 있다. 가공툴, 금형 등 모재의 성능향상 및 수명연장을 위해 질화물계의 세라믹 코팅층이 널리 사용되고 있다[1].
	하중-변위곡선은 무엇을 통하여 무엇을 연속적으로 측정한 데이터인가?	8은 나노인덴테이션 실험으로부터 얻어진 변위-하중곡선이다. 하중-변위곡선은 나노인덴터를 이용한 압입시험 과정 중에 압입자와 연결된 압전센서를 통하여 압입하중을 제어하면서 압입깊이를 연속적으로 측정한 데이터이다[7]. 하중-변위곡선으로부터 최대 압입하중과 압입깊이를 구할 수 있고 이를 환산하여 경도를 구할 수 있다.

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