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논문KCI 등재

새로운 고경도 Ti-Mo-Si-N 코팅막의 합성 및 기계적 특성

Synthesis and Characteristics of New Quaternary Superhard Ti-Mo-Si-N Coatings

김광호|전진우|홍승균
한국표면공학회 (The Korean Society of Surface Science and Engineering)|2006.12|한국표면공학회지 (Journal of Surface Science and Engineering)|제39권 제6호|pp. 245-249

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Mechanical propertiesMicrostructureHybrid coating systemTi-Mo-Si-N
주제분류기계공학

초록

3 성분계 Ti-Mo-N 박막은 TiN 박막과 비교하여 고경도이며, 내마모성이 우수하다고 알려져있다.1,2) Mo 원자의 고용강화에 의한 향상된 경도를 보여주고, 1) 마모 트랙에 MoO3 윤활막 형성으로 향상된 마모특성을 보여준다. 2) 이러한 이유 때문에 Ti-Mo-N 박막은 절단 공구나 기계부품 등에 적용될 수 있는 훌륭한 후보이다. 그러나 지금까지 몇몇 논문에서 반응성 마그네트론 스퍼터링법에 의해 연구된게 전부이다. 1-4) 한편, 어떤 그룹에서는 3 성분계 Ti-Si-N 박막과 Si 첨가에 의한 효과를 연구하였다. 5-7) TiN 박막 내로 Si 첨가의 효과는 40 GPa 이상의 고경도를 가지고, 8,9) 나노 결정질 TiN 과 비정질 Si3N4 로 구성된 나노 복합체로써10-12) 내마모성과13) 내산화성의 향상된 특징들을 보여준다. 14) 이 같이 Ti-Mo-N과 Ti-Si-N 의 3성분계 박막들로부터 만들어진 4 성분계 Ti-Mo-Si-N 박막은 경도, 내마모성, 내산화성 등의 뛰어난 성질을 가질 것이라 기대된다. 이번 연구에서는 아크이온 플레이팅법 (AIP) 과 스퍼터링법의 복합공정으로 이루어진 하이브리드 시스템을 이용하여 Ti-Mo-Si-N 박막을 Si wafer 와 AISI D2 기판 위에 증착하였으며, Si 함량에 따른 미세구조의 변화를 체계적으로 연구하였다.

Abstract

In this study, ternary Ti-Mo-N and new quaternary Ti-Mo-Si-N coatings were synthesized on steel substrates (AISI D2) and Si wafers by a hybrid coating system of arc ion plating (AIP) using Ti target and d.c. magnetron sputtering technique using Mo and Si targets in N2/Ar gaseous mixture. Ternary Ti-Mo-N coatings were substitutional solid-solution of (Ti,Mo)N and showed maximum hardness of approximately 30 GPa at the Mo content of ~10 at. %. The Ti-Mo-Si-N coating with the Si content of 8.8 at.% was a composite consisting of fine (Ti,Mo)N crystallites and amorphous Si3N4 phase. The hardness of the Ti-Mo-Si(8.8 at. %)-N coatings exhibited largely increased hardness value of ~48 GPa due to the microstructural evolution to the fine composite microstructure and the refinement of (Ti,Mo)N crystallites. The average friction coefficient of the Ti-Mo-Si-N coatings largely decreased with increase of Si content. The microstructures of Ti-Mo-Si-N coatings were investigated with instrumental analyses of XRD, XPS, and HRTEM in this work.

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