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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

김왕렬 (부산대학교, 부산대학교 대학원)

지도교수
정원섭
발행연도
2020
저작권
부산대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수8

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이 논문의 연구 히스토리 (4)

2020

고온상태 저마찰 특성을 가진 나노복합체 코팅막을 적용한 밀링 공구 수명에 관한 연구
김왕렬 ,  허성보 ,  김준호 외 2명 한국표면공학회 학술발표회 초록집 2020.12 학술대회자료
절삭가공용 공구 적용을 위한 Cr-Al-X-N계 나노복합체 코팅막에 관한 연구
김왕렬 ,  허성보 ,  김준호 외 1명 한국진공학회 학술발표회초록집 2020.08 학술대회자료
난삭재 가공을 위한 경사 기능성 Cr-Al-Ti-Si-N 나노복합체 코팅막의 응용에 관한 연구
김왕렬 재료공학과 2020.01 학위논문

2018

초경공구 적용을 위한 초고경도 나노복합체 코팅막 제조기술개발
김왕렬 ,  허성보 ,  김현동 외 2명 한국생산제조학회 학술발표대회 논문집 2018.10 학술대회자료

초록· 키워드

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난삭재(difficult-to-cut materials) 절삭가공을 위한 경사 기능성 Cr?Al?Ti?Si?N 나노복합체 코팅막은 공구 소재로 많이 쓰이는 WC-Co 합금 및 AISI304, Si wafer 모재위에 아크 이온 플레이팅 장치를 이용하여 CrAl2, Cr4Si, TiSi 합금 타켓과 순수 Cr 타겟을 이용하여 증착되었다. 절삭가공 공구에서 요구되는 내산화성, 고경도, 고인성 특성을 구현하기 위하여 나노복합체 코팅막 설계의 개념을 바탕으로 Cr, CrN, Cr?Al?N, Cr?Al?Si?N 그리고 Cr?Al?Ti?Si?N 코팅막을 다층으로 증착시켜 경사 기능성을 부여하였다. 이러한 경사기능성 나노복합체 코팅막은 아크 이온 플레이팅의 최적 공정조건을 바탕으로 코팅막의 조성과 상의 최적의 조합을 구현하기 위해서 열역학적 계산 및 각종 분석을 통하여 설계되었다. 최종층인 Cr-Al-Ti-Si-N 코팅막은 비정질상인 Si3N4 기지에 결정상인 (Cr,Al,Ti)N (3~5 nm)이 분산되어 있는 구조로서 계면 및 입자사이에 강한 결합에너지를 가지고 있으며, 비정질 Si3N4 상에 의하여 결정상이 재정립됨으로서, 결정립 크기의 감소로 인하여 46 GPa의 높은 표면경도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Cr0.21Al0.13Ti0.07Si0.04N0.54 조성을 가질 때, 107.9 N의 높은 밀착력과 0.087의 H/E 비율을 나타내었으며, 0.5의 마찰계수를 나타내었다. 내마모 특성 분석을 위하여 마모량을 측정한 결과, 2.51×10-6 mm3/Nm 가장 낮은 마모율을 보이는데 이는 Si(O,H)와 같은 자기윤활막의 형성이 큰 역할을 한 것으로 판단된다. 또한 절삭가공 시에 발생되는 고온 및 절삭유가 분사되는 등의 분위기로 인하여 표면 및 계면에 발생되는 Cr2O3, SiO2 그리고 Al2O3와 같은 산화막이 산소의 확산방지막 역할을 하게 되고, 이로 인하여 내산화 특성이 유지되는 효과를 나타낸 것으로 확인되었다. 최종 절삭가공시험을 통하여 밀링 공구의 수명을 분석해 본 결과, Cr-Al-Ti-Si-N 코팅막을 최종층으로 경사기능성 나노복합체 코팅막을 설계, 합성하였을 때, 가장 낮은 마모폭을 보이며 가장 높은 수명을 나타내는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 항공?우주 산업분야에 많이 사용되는 내열합금, Ti 합금 그리고 CFRP와 같은 난삭재를 가공하기 위한 절삭공구용 경사기능성 Cr?Al?Ti?Si?N 나노복합체 코팅막 설계-합성-평가에 대한 것으로, 재료공학적인 이론적 배경을 바탕으로 경사 기능성 다성분계 코팅막을 설계 하였고 열역학적 분석, 구조적 특성, 기계적 특성, 내산화 특성 그리고 내마모 특성을 분석하였다. 또한 최종적으로 성능을 알아보기 위하여 실제 인서트 공구에 코팅막을 증착시키고 절삭가공 테스트를 진행하여 적용 가능성을 알아보았다.
#경사기능성 #나노복합체 #코팅 #플라즈마 #아크이온플레이팅

목차

Ⅰ. 서론 1
1. 연구의 필요성 및 목적 1
2. 가설 및 추진전략 7
Ⅱ. 이론적 배경 10
1. 절삭공구의 최근 연구 동향 10
2. 절삭공구용 나노구조 코팅 종류 16
2.1. 나노스케일 다층 (superlattice) 코팅 16
2.2. 나노복합체 (nanocomposite) 코팅 18
2.3. 기능성 경사 (functional graded) 코팅 19
2.4. 절삭공구용 코팅막의 이상적 발전방향 21
3. 나노복합체 구조에서의 상분리 (phase segregation) 23
3.1. 스피노달 (spinodal) 상분리의 기초 23
3.2. 스피노달 상분리에 의한 비정질상의 형성 26
4. 다기능성 나노복합체 코팅막의 개발 배경 30
4.1. 경도와 결정립계 미끄럼 (grain boundary sliding) 현상 30
4.2. 나노복합체의 강화 기구 (hardening mechanism) 34
4.3. 파괴인성 (fracture toughness)과 경도/탄성계수 비율 36
4.4. 트라이볼로지 (tribology) 거동 40
4.5. 열적 안정성과 내산화 (oxidation resistance) 거동 44
5. 아크 이온 플레이팅 (arc ion plating) 코팅공정 시스템 46
5.1. 선형이온원 (linear ion source)의 구조 및 원리 46
5.2. I-V에 따른 플라즈마 밀도 측정 49
5.3. 플라즈마 에칭 (plasma etching) 공정 52
5.4. 글로우 방전 (glow discharge)과 아크 방전 (arc discharge) 55
6. Structure zone models 그리고 미세구조 제어 59
7. Cr-Al-Ti-Si-N 코팅막의 연구 동향 63
Ⅲ. 실험 방법 64
1. 모재 전처리 공정 64
1.1. 물리적 및 화학적 전처리 방법 (1단계) 65
1.2. 플라즈마 이온세정 (2단계) 67
2. 코팅막 합성 (deposition) 68
2.1. 아크 이온 플레이팅 장치의 구성 68
2.2. 공정 변수 최적화 71
2.3. 열역학적 계산 71
2.4. 경사 기능성 코팅막(FGC'') 합성 72
3. 코팅막 조성 및 미세구조 분석 75
3.1. 조성 및 결정성 분석 75
3.2. 화학적 결합상태 분석 77
3.3. 표면 및 단면 관찰 78
3.4. 다기능성 코팅막 특성 평가 80
3.4.1. 경도 및 탄성계수 평가 80
3.4.2. 상온 및 고온 tribology 평가 82
3.4.3. 코팅과 모재간의 밀착력 평가 85
3.4.4. 잔류응력 평가 87
3.4.5. 고온 내산화성 평가 88
3.5. 코팅막 적용 공구의 성능 평가 90
3.5.1. 절삭 가공평가 시스템 구성 90
3.5.2. 절삭 공구의 성능 및 수명 평가 91
Ⅳ. 실험 결과 및 고찰 93
1. 코팅의 조성 및 구조 예측 93
1.1. 코팅 형성을 위한 깁스자유에너지 (Gibb''s free energy of formation) 93
1.2. 평형 조성 (equilibrium composition) 95
1.2.1. Cr-Al-N 3성분계 96
1.2.2. Cr-Al-Si-N 4성분계 98
1.2.3. Cr-Al-Ti-Si-N 5성분계 100
1.2.4. 코팅막 형성의 속도론적 관점 104
2. WC-Co alloy 모재의 선정 및 준비 105
2.1. WC-Co alloy 의 합성-소결-성형 105
2.2. 소재 전처리 109
2.2.1. 장입 전 전처리 공정 110
2.2.2. 장입 후 전처리 공정 111
3. 밀착층 및 중간층 114
3.1. Cr/CrN 밀착층 114
3.2. Cr-Al-N 코팅 및 공정 최적화 115
3.2.1. 기판 바이어스 전압에 따른 공정 최적화 115
3.2.2. 챔버 분위기 온도에 따른 공정 최적화 118
3.2.3. 공정압력에 따른 공정 최적화 120
3.3. Cr-Al-N 코팅 미세구조 122
4. Cr-Al-Si-N 코팅막 (지지층) 126
4.1. Cr-Al-Si-N 코팅의 미세구조 126
4.2. Cr-Al-Si-N 코팅의 기계적 특성 135
4.3. Cr-Al-Si-N 코팅의 내마모 특성 140
4.4. Cr-Al-Si-N 코팅의 내산화 특성 145
5. Cr-Al-Ti-Si-N 코팅막 (최종층) 150
5.1. Cr-Al-Ti-Si-N 코팅의 미세구조 151
5.2. Cr-Al-Ti-Si-N 코팅의 기계적 특성 160
5.3. Cr-Al-Ti-Si-N 코팅의 내마모 특성 164
5.4. Cr-Al-Ti-Si-N 코팅의 내산화 특성 168
6. 나노복합체 코팅 적용 공구 절삭 가공 테스트 176
6.1. 고온 마모 시험 177
6.2. 절삭 가공 테스트 178
Ⅴ. 결론 183
참고 문헌 185
부록 (appendix) 195
영문 초록 (abstract) 211

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