• Title/Summary/Keyword: AlCrN

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모재/중간층/박막의 H/E ratio 구배에 따른 Cr계 경질 박막의 기계적 특성에 관한 연구

  • Kim, Hoe-Geun;Song, Myeon-Gyu;Lee, Sang-Yul
    • Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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    • 2018.06a
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    • pp.135-135
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    • 2018
  • 천이금속 질화물 코팅은 우수한 기계적 특성들로 인해 공구 코팅으로 많이 사용 되어왔다. 그 중에서도 특히 Cr계 경질 코팅은 높은 경도와 낮은 표면조도, 우수한 마찰특성 등 뛰어난 기계적 특성을 나타내므로 공구 코팅으로의 적용 가능성이 크다. 그러나 최근 공구산업의 발전으로 인해 공구가 더욱 가혹한 환경에서 사용됨에 따라, 공구의 수명을 향상시키고 보호하기 위해 코팅의 높은 밀착력이 요구되고 있으며, 모재와 코팅 사이에 중간층을 합성함으로써 공구의 밀착력을 향상시키는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이전 연구에서 모재/중간층/코팅간의 경도와 탄성계수 비율(H/E ratio)의 구배가 코팅의 밀착력에 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 그러므로, WC 모재와 Cr계 코팅의 중간값의 H/E ratio를 갖는 중간층의 합성을 통해 코팅의 밀착력을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는, 코팅의 밀착력을 향상시키기 위해 다양한 중간층을 증착한 CrZrN, CrAlN 코팅을 비대칭 마그네트론 스퍼터링 장비를 이용하여 합성하였다. 모재로는 디스크 형상의 WC-6wt.%Co 시편을 사용하였고 Cr, Zr, Si, Al single 타겟을 이용하여 Cr, CrN, CrZrN, CrZrSiN 등의 중간층이 증착된 코팅을 합성했다. 코팅의 합금상, 경도 및 탄성계수, 미세조직 및 조성, 표면 조도을 확인하기 위해 X-ray diffractometer (XRD), Fischer scope, field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), atomic force microscopy를 사용하였고, 코팅의 밀착 특성을 분석하기 위해 scratch tester와 optical microscopy (OM)를 이용하였다. 코팅의 내열성을 확인하기 위해 코팅을 furnace에 넣어 공기중에서 500, 600, 700, 800, 900, $1,000^{\circ}C$로 30분 동안 annealing 한 후에 nano-indentation을 사용하여 경도를 측정하였다. CrZrN 및 CrAlN 코팅을 나노 인덴테이션으로 분석한 결과, 모든 코팅의 경도(33.4-35.8 GPa)와 탄성계수(384.1-391.4 GPa)는 중간층의 종류에 상관없이 비슷한 값을 보인 것으로 확인됐다. 그러나, 코팅의 마찰계수는 중간층의 종류에 따라 다른 값을 보였다. CrZrN 코팅의 경우 CrN 합금상 중간층을 갖을 때 가장 낮은 값을 보였으며, CrAlN 코팅의 경우 CrN/CrZrSiN 중간층을 증착하였을때 마찰계수는 0.34로 CrZrN 중간층을 증착하였을 때(0.41)에 비해 낮은 값을 보였다. 또한, 코팅의 마모율 및 마모폭도 비슷한 경향을 보인 것으로 보아, CrN/CrZrSiN 중간층을 합성한 CrAlN 코팅의 내마모성이 상대적으로 우수한 것으로 판단된다. 코팅의 밀착력의 경우도 마찰계수와 비슷한 경향을 보였다. 이것은 중간층의 H/E ratio가 코팅의 내마모성에 미치는 영향에 의한 결과로 사료된다. H/E ratio는 파단시의 최대 탄성 변형율로써, 모재/중간층/코팅의 H/E ratio 구배에 따라 코팅 내의 응력의 완화 정도가 변하게 된다. WC 모재 (H/E=0.040)와 CrAlN 코팅(H/E=0.089) 사이에서 CrN, CrZrSiN 중간층의 H/E ratio는 각각 0.076, 0.083으로 모재/중간층/코팅의 H/E ratio 구배가 점차 증가함을 확인 할 수 있었고, 일정 응력이 지속적으로 가해지면서 진행되는 마모시험중에 CrN과 CrZrSiN 중간층이 WC와 CrAlN 코팅 사이에서 코팅 내부의 응력구배를 완화시키는 역할을 함으로써 CrAlN 코팅의 내마모성이 향상된 것으로 판단된다. 모든 코팅을 열처리 후 경도 분석 결과, CrN/CrZrSiN 중간층을 증착한 CrAlN 코팅은 $1,000^{\circ}C$까지 약 28GPa의 높은 경도를 유지한 것으로 확인 되었고, 이는 CrZrSiN 중간층 내에 존재하는 SiNx 비정질상의 우수한 내산화성에 의한 결과로 판단된다.

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Characterization of Tribolayers and Sliding wear at High Temperature between AlCrN Coated Tool Steels and Ultra-high Strength Boron Steels

  • Choi, Byung-Young;Gu, Yoon-Sik
    • Journal of the Korean Society for Heat Treatment
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    • v.24 no.1
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    • pp.37-44
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    • 2011
  • High temperature wear of AlCrN coated tool steels sliding against the ultra-high strength boron steels used for hot press forming has been studied. The sliding wear tests have been carried out using a pin-on-disc of configuration under applied normal load of 50 N for 20 min with heating the ultra-high strength boron steels up to $800^{\circ}C$. Characterizations of tribolayers formed on the contacting surfaces between the tribopairs of the AlCrN coated tool steels and the ultra-high strength boron steels have been studied. It was found on the tribolayers of the AlCrN coated tool steels that microcracking and oxides containing Fe and Cr to increase friction coefficient were formed at the early stage of sliding wear, followed by the generation of the smeared oxide layers containing Fe transferred from the tribopair to decrease friction coefficient. This may mainly contribute to very low specific wear rate of the AlCrN coated tool steels sliding against the ultra-high strength boron steels, resulting from oxideoxide contact between the tribopair.

Mechanical Properties and Fatigue Characteristics of CrN Coated Ti-6Al-4V alloy (CrN 박막처리된 Ti-6Al-4V 합금의 기계적 성질과 피로특성)

  • Park, Yong-Gwon;Baeg, Chang-Hyung;Wey, Myeong-Yong
    • Korean Journal of Materials Research
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    • v.12 no.8
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    • pp.669-675
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    • 2002
  • CrN film coated by AIP method, improved the mechanical properties (Hardness, Roughness, wear and fatigue) of Ti-6Al-4V alloy. The properties were studied using GXRD, XPS, Hardness, Roughness, wear and fatigue testers. CrN thin film thickness was about 7.5$\mu\textrm{m}$ and grew with (111) orientation. Hardness of CrN thin film was very high (Hv 1390) and roughness of the surface layer was greatly improved (Ra=0.063$\mu\textrm{m}$) compared with matrix alloy (Ra=0.321$\mu\textrm{m}$). Such changes of hardness and roughness could be contributed to improving the wear resistance and fatigue life. Striation like pattern with dimples and voids, a typical fatigue fracture mode, was observed throughout the specimen.

Microstructural and Mechanical Properties of CrTiAlN Nanocomposite thin films synthesis by Closed Field Unbalanced Magnetron Sputtering (비대칭 마그네트론을 이용한 CrTiAlN 나노복합 박막의 미세구조와 기계적 특성)

  • Kim, Yeon-Jun;Lee, Ho-Yeong;Byeon, Tae-Jun;Kim, Gap-Seok;Han, Jeon-Geon
    • Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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    • 2007.04a
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    • pp.65-66
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    • 2007
  • 비대칭 마그네트론을 이용하여 사원계 CrTiAlN 나노 복합 박막을 합성하였고 합성된 박막의 특성을 분석하였다. CrTiAlN 나노복합 박막의 미세구조는 CrN (111)과 CrN (200)방향으로 성장하였고 기계적 특성은 $30\;{\sim}\;39\;GPa$의 경도 값을 얻었다. 질소 분압이 0.33 Pa에서 가장 높은 경도 값을 얻을 수 있었다.

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Effect of Si Content on the Phase Formation Behavior and Surface Properties of the Cr-Si-Al-N Coatings (Cr-Si-Al-N 코팅의 상형성 및 표면 물성에 미치는 Si 함량의 영향)

  • Choi, Seon-A;Kim, Hyung-Sun;Kim, Seong-Won;Lee, Sungmin;Kim, Hyung-Tae;Oh, Yoon-Suk
    • Journal of the Korean institute of surface engineering
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    • v.49 no.6
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    • pp.580-586
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    • 2016
  • Cr-Si-Al-N coating with different Si content were deposited by hybrid physical vapor deposition (PVD) method consisting of unbalanced magnetron (UBM) sputtering and arc ion plating (AIP). The deposition temperature was $300^{\circ}C$, and the gas ratio of $Ar/N_2$ were 9:1. The CrSi alloy and aluminum targets used for arc ion plating and sputtering process, respectively. Si content of the CrSi alloy targets were varied with 1 at%, 5 at%, and 10 at%. The phase analysis, composition and microstructural analysis performed using x-ray diffraction (XRD) and field emission scanning electron microscopy (FESEM) including energy dispersive spectroscopy (EDS), respectively. All of the coatings grown with textured CrN phase (200) plane. The thickness of the Cr-Si-Al-N films were measured about $2{\mu}m$. The friction coefficient and removal rate of films were measured by a ball-on-disk test under 20N load. The friction coefficient of all samples were 0.6 ~ 0.8. Among all of the samples, the removal rate of CrSiAlN (10 at% Si) film shows the lowest values, $4.827{\times}10^{-12}mm^3/Nm$. As increasing of Si contents of the CrSiAlN coatings, the hardness and elastic modulus of CrSiAlN coatings were increased. The morphology and composition of wear track of the films was examined by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy, respectively. The surface energy of the films were obtained by measuring of contact angle of water drop. Among all of the samples, the CrSiAlN (10 at% Si) films shows the highest value of the surface energy, 41 N/m.

Effect of Working Pressure and Substrate Bias on the Tribology Properties of the Cr-Al-N Coatings (Cr-Al-N 코팅의 마찰마모 특성에 미치는 공정압력과 바이어스 전압의 영향)

  • Choi, Seon-A;Kim, Seong-Won;Lee, Sungmin;Kim, Hyung-Tae;Oh, Yoon-Suk
    • Journal of the Korean institute of surface engineering
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    • v.50 no.6
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    • pp.473-479
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    • 2017
  • CrN coatings have been used as protective coatings for cutting tools, forming tools, and various tribological machining applications because these coatings have high hardness. Cr-Al-N coatings have been investigated to improve the properties of CrN coatings. Cr-Al-N coatings were fabricated by a hybrid physical vapor deposition method consisting of unbalanced magnetron sputtering and arc ion plating with different working pressure and substrate bias voltage. The phase analysis of the composition was performed using XRD (x-ray diffraction). Cr-Al-N coatings were grown with textured CrN phase and (111), (200), and (220) planes. The adhesion strength of the coatings tested by scratch test increased. The friction coefficient and removal rate of the coatings were measured by a ball-on-disk test. The friction coefficient and removal rate of the coatings decreased from 0.46. to 0.22, and from $2.00{\times}10^{-12}m^2/N$ to $1.31{\times}10^{-13}m^2/N$, respectively, with increasing bias voltage. The tribological properties of the coatings increased with increasing substrate bias voltage.

Effect of Electron Irradiation on the Surface Hardness and Wear Characteristic of CrAlN Thin Film Deposited on the SKD61 Mold Steel (전자빔 조사에 따른 CrAlN/SKD61의 표면경도 및 내마모도 개선효과)

  • Eom, Tae-Young;Song, Young-Hwan;Choi, Su-Hyun;Choi, Jin-Young;Heo, Sung-Bo;Kim, Jun-Ho;Kim, Daeil
    • Journal of the Korean Society for Heat Treatment
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    • v.30 no.4
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    • pp.164-168
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    • 2017
  • Intense electron beam was irradiated on the CrAlN thin films deposited in SKD61 under different incident energies and then the effect of electron beam irradiation on the enhancement of surface hardness and wear resistance was investigated. Surface hardness and wear resistance of the CrAlN films is increased proportionally with the electron beam energy. While the surface hardness of as deposited CrAlN film is Hv ($0.1g{\cdot}f$) 450, the hardness oflectron irradiated (600 eV) film is Hv ($0.1g{\cdot}f$) 2050. The width of wear track of the untreated SKD61 is $X\_{\mu}m$, while the track-width of the electron irradiated CrAlN (600 eV) film is $787{\mu}m$, respectively. From the observed results, it is supposed that the optimal electron beam irradiation can be one of the useful surface treatment technologies for the enhancement of surface hardness and wear resistance of CrAlN/SKD61, simultaneously.

Synthesis and mechanical properties of $CrAlC_xN_{1-x}$ coatings by a hybrid coating system (하이브리드 코팅 시스템을 이용한 $CrAlC_xN_{1-x}$ 코팅의 합성과 기계적 특성)

  • Choi, Ji-Hwan;Hong, Yeong-Su;Kim, Kwang-Ho
    • Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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    • 2009.10a
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    • pp.200-200
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    • 2009
  • 아크이온플래이팅 기술과 DC 마그네트론 스퍼터링 기술이 결합된 하이브리드 코팅 시스템을 이용하여 STS 304와 Si 기판에 4성분계 CrAlCxN1-x 코팅을 증착하였다. 합성된 CrAlCxN1-x 코팅은 주로 유도결합형로 f구성되었다. CrAlCxN1-x 코팅의 carbon 함량이 0.17 at.%일 때 약 34 GPa을 나타내었으며 마찰계수는 carbon 함량이 0에서 1 at.%로 증가함에 따라 0.82에서 0.38까지 크게 감소하였다. 이는 코팅 표면과 steel 볼 사이에 amorphous carbon layer가 형성되어 고체윤활제로 작용한 것으로 사료된다.

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Thermal stability and microstructure of CrZr-Al-N films synthesized by unbalanced magnetron sputtering with Cr-Zr-Al segment target (Cr-Zr-Al segment 타겟을 장착한 Unbalanced magnetron sputtering 활용하여 증착한 CrZr-Al-N 박막의 thermal stability와 microstructure에 관한 연구)

  • Kim, Dong-Jun;Ra, Jeong-Hyeon;Lee, Sang-Yul
    • Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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    • 2012.05a
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    • pp.173-173
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    • 2012
  • 본 연구는 segment target을 장착한 unbalanced magnetron sputtering을 활용하여 CrZr-Al-N 박막을 합성하고 박막의 고온안정성과 미세구조를 연구하는데 그 목적이 있다. 박막의 Al 함량을 조절하기 위하여 각 segment target은 Cr,Zr을 일정vol% 유지하며 Al vol%만 변화하여 설계하였다. 박막의 고온안정성을 실험하기 위해 각 시편은 $100{\sim}500^{\circ}C$ 사이의 온도에서 1시간씩 annealing 처리를 실시한 후에 경도를 측정하였다. 박막의 미세구조 단면을 위해 FE-SEM을 이용하였으며 이밖에 박막의 조성, 경도 및 결정구조를 측정하기 위해 EDS, microhardness testing system, XRD를 사용하였다. Al 부피비를 변화시킨 Segment target을 활용한 박막합성에서 박막의 Al함량은 각각 1/11에서 4.6at.%, 1/5에서 8.1at.%, 1/3에서 12.9at.% 로 나타났으며, 박막의 경도는 4.6~12.9at.% 사이의 Al 함량을 갖는 박막에 대해 모두 유사한 값을 가졌으며 31GPa로 측정되었다. 박막의 단면 구조 역시 4.6~12.9at.% 사이의 Al 함량을 갖는 박막에 대해 모두 columnar 구조가 관찰되었다.

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Formation Mechanism of a Large Schottky Barrier Height for Cr-AlGaN/GaN Heterostructure (Cr/n-AlGaN/GaN Schottky Contact에서 높은 쇼트키 장벽 형성 메카니즘에 관한 연구)

  • Nam, Hyo-Duk;Lee, Yeung-Min;Jang, Ja-Soon
    • Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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    • v.24 no.4
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    • pp.266-270
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    • 2011
  • We report on the formation mechanism of large Schottky barrier height (SBH) of nonalloyed Cr Schottky contacts on strained Al0.25Ga0.75N/GaN. Based on the current-voltage (I-V) and capacitance-voltage (C-V) data, the SBHs are determined to be 1.98 (${\pm}0.02$) and 2.07 (${\pm}0.02$) eV from the thermionic field emission and two-dimensional electron gas (2DEG) calculations, respectively. Possible formation mechanism of large SBH will be described in terms of the formation of Cr-O chemical bonding at the interface between Cr and AlGaN/GaN, low binding-energy shift to surface Fermi level, and the reduction of 2DEG electrons.