• 제목/요약/키워드: Cr/CrN

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하이브리드 코팅시스템에 의한 Cr-Si-O-N 코팅막 합성 및 기계적 성질 (Syntheses and Mechanical Properties of Quaternary Cr-Si-O-N Coatings by Hybrid Coating System)

  • 이정두;왕치민;김광호
    • 한국표면공학회지
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    • 제43권5호
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    • pp.238-242
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    • 2010
  • In the present work, the influence of oxide on the Cr-Si-N coatings was investigated for the Cr-Si-O-N coatings on AISI 304 and Si wafer deposited by hybrid system, which combines the DC magnetron sputtering technique and arc ion plating (AIP) using Cr and Si target in an $Ar/N_2/O_2$ gaseous mixture. As the O content in the Cr-Si-N coatings increased, the diffraction patterns of the Cr-Si-O-N coatings showed CrN and $Cr_2O_3$ phases. However, as the O content increased to 28.8 at.%, diffraction peak of $Cr_2O_3$ was disappeared in the Cr-Si-O-N coating. The $d_{200}$ value was decreased with increasing of O content. The average grain size increased from about 40 nm to 65 nm as the O content increased. The maximum micro-hardness of the Cr-Si-O-N coating was obtained 4507 Hk at the O content of 24.8 at.%. The average friction coefficient of the Cr-Si-O-N coatings was gradually decreased by increasing the O content and the average friction coefficient decreased from 0.37 to 0.25 by increasing the O content. These results indicated that amorphous phase was increased in the Cr-Si-O-N coatings by increasing of O content.

CrZrN 박막의 대기 중 고온산화 (High-temperature Oxidation of CrZrN Films in Air)

  • 김민정;황연상;봉성준;이상율;이동복
    • 한국표면공학회:학술대회논문집
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    • 한국표면공학회 2012년도 춘계학술발표회 논문집
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    • pp.167-168
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    • 2012
  • Films of CrN, $Cr_{40}Zr_9N$, and $Cr_{31}Zr_{16}N$ were deposited on a steel substrate by closed field unbalanced magnetron sputtering, and their oxidation behaviors at $700^{\circ}C$ and $800^{\circ}C$ for up to 60h in air were investigated. All the deposited films were composed of the CrN phase. Zirconium atoms in $Cr_{40}Zr_9N$ and $Cr_{31}Zr_{16}N$ films partially dissolved in the CrN phase. They advantageously refined the columnar structure, reduced the surface roughness, and increased the microhardness. The CrN film displayed relatively good oxidation resistance, owing to the formation of the highly protective $Cr_2O_3$ on its surface. The $Cr_{40}Zr_9N$ and $Cr_{31}Zr_{16}N$ films oxidized to $Cr_2O_3$ as the major phase and ${\alpha}-ZrO_2$ as the minor one. They oxidized primarily by the inward transport of oxygen. The addition of Zr could not increase the oxidation resistance of the CrN film, because the formed $ZrO_2$ that was intermixed in the $Cr_2O_3$-rich oxide layer was oxygen permeable, and developed the compressive stress in the oxide scale owing to the volume expansion during its formation.

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하이브리드 코팅시스템에 의해 제조된 Ti-Cr-Si-N 박막의 미세구조 및 기계적 특성연구 (Microstructure of Ti-Cr-Si-N Coatings Deposited by a Hybrid System of Arc ion Plating and Sputtering Techniques)

  • 강동식;전진우;송풍근;김광호
    • 한국표면공학회지
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    • 제38권3호
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    • pp.95-99
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    • 2005
  • Quaternary Ti-Cr-Si-N coatings were synthesized onto steel substrates (SKD 11) using a hybrid method of arc ion plating (AIP) and sputtering techniques. For the Syntheses of Ti-Cr-Si-N coatings, the Ti-Cr-N coating process was performed substantially by a multi-cathodic AIP technique rising Cr and Ti targets, and Si was added by sputtering Si target during Ti-Cr-N deposition. In this work, comparative studies on microstructure and evaluation of mechanical properties between Ti-Cr-N and Ti-Cr-Si-N coatings were conducted. As the Si was incorporated into Ti-Cr-N coatings, the Ti-Cr-Si-N coatings showed largely increased hardness value of approximately 42 GPa than one of 28 GPa for Ti-Cr-N coatings. The average friction coefficient of Ti-Cr-N coatings largely decreased from 0.7 to 0.35 with increasing Si content up to 20 at. $\%$. In addition, wear behavior of Ti-Cr-N coatings against steel ball was much improved with Si addition due to the surface smoothening effect and tribe-chemical reaction.

AIP법으로 증착된 TiN/CrN 다층박막의 특성 분석 (Analysis of Properties Multi-Layered TiN/CrN Thin Films Deposited by AIP Method)

  • 백민숙;윤동주;허기복;김병일
    • 한국재료학회지
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    • 제28권7호
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    • pp.405-410
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    • 2018
  • TiN and CrN thin films are among the most used coatings in machine and tool steels. TiN and CrN are deposited by arc ion plating(AIP) method. The AIP method inhibits the reaction by depositing a hard, protective coating on the material surface. In this study, the characteristics of multi-layer(TiN/CrN/TiN(TCT), CrN/TiN/CrN(CTC)) are investigated. For comparison, TiN with the same thickness as the multilayer is formed as a single layer and analyzed. Thin films formed as multilayers are well stacked. The characteristics of micro hardness and corrosion resistance are better than those of single layer TiN. The TiN/CrN peak is confirmed because both TCT and CTC are formed of the same component(TiN, CrN), and the phase is first grown in the (111) direction, which is the growth direction. However, the adhesion and abrasion resistance of the multilayer films are somewhat lower.

내마모 구조 코팅용 Cr-Al-Si-N 코팅막의 미세구조와 기계적 특성에 관한 연구 (Microstructure and Mechanical Properties of Cr-Al-Si-N Coatings for Wear Resistant and Structural Applications)

  • 강동식;김광호
    • 한국재료학회지
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    • 제15권11호
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    • pp.730-734
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    • 2005
  • Cr-Al-Si-N coatings were deposited on WC-Co substrates by a hybrid coating system of arc ion plating and DC magnet :on sputtering technique in $N_2/Ar$ mixture. The Cr-tll-Si-N coatings were synthesized with different Si contents. Their microstructure and mechanical properties were systematically investigated. The average size of crystallites largely decreases with the increase of Si content compared with Cr-Al-N. The microhardness of Cr-Al-Si-N coatings largely increases from 24 to 55 GPa. The enhanced hardness is believed to originate from the microstructural change by the fine composite microstructure of Cr-Al-N coatings with Si addition. The average friction coefficient of Cr-Al-Si-N coatings decreases from 0.84 to 0.45 with increasing Si content up to $16\;at.\%$.

두께 비율과 기판 바이어스 전압이 AlCrN/AlCrSiN 이중층 코팅의 기계적 특성에 미치는 영향 (Influence of thickness ratio and substrate bias voltage on mechanical properties of AlCrN/AlCrSiN double-layer coating)

  • 김회근;라정현;이상율;한희덕
    • 한국표면공학회:학술대회논문집
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    • 한국표면공학회 2017년도 춘계학술대회 논문집
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    • pp.162-162
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    • 2017
  • AlCrN 코팅은 높은 경도, 낮은 표면 조도 등의 상온에서의 우수한 기계적 특성 이외에 고온에서 안정한 합금상의 형성으로 인하여 우수한 내열성을 보이는 코팅이며, Si을 첨가하여 나노복합구조를 갖는 AlCrSiN 코팅은 고경도 특성을 나타내는 나노결정립과 고내열성을 나타내는 $Si_3N_4$ 비정질이 동시에 존재함으로써 뛰어난 고온 특성까지 보유하여 공구 코팅으로의 적용 가능성이 크다. 본 연구에서는, 가혹화된 공구사용 환경 대응 하는 더욱 우수한 내마모성 및 내열성을 보이는 코팅막을 개발하기 위해 AlCrN/AlCrSiN 이중층 코팅을 합성하였다. 합성된 코팅의 구조 및 물성을 분석하기 위해 field emission scanning electron microscopy(FE-SEM), nano-indentation, atomic force microscopy(AFM) 및 ball-on-disk wear tester를 사용하였다. 내열성을 확인하기 위하여 코팅을 furnace에 넣어 500, 600, 700, 800, 900도에서 30분 동안 annealing한 후에 nano-indentation을 사용하여 경도를 측정을 하였다. 5:5, 7:3, 9:1의 두께 비율로 AlCrN/AlCrSiN 이중층 코팅을 합성하였으며 모든 코팅의 두께는 $3{\mu}m$로 제어되었다. AlCrN 코팅층의 두께가 증가할수록, 이중층 코팅의 경도 및 내마모성은 점차 향상되었지만 코팅의 밀착력은 감소하였다. 일반적으로 AlCrN 코팅은 상대적으로 높은 잔류응력을 갖고 있으므로, AlCrN 층의 두께비율이 증가함에 따라 코팅내의 잔류응력이 높아져 코팅의 경도는 증가하고 밀착특성은 낮아진 것으로 판단된다. AlCrSiN 상부층 공정시 기판 바이어스 전압을 -50 ~ -200V 로 증가시키면서 이중층 코팅을 합성하였다. XRD 분석 결과, 공정 바이어스 전압이 증가함에 따라 AlCrSiN 상부층은 점차 비정질화 되었고, 코팅의 경도와 표면 특성이 향상되는 것을 확인하였다. 이러한 특성 향상은 높은 바이어스 인가가 이온 충돌효과의 증가를 야기시켰으, 이로 인해 치밀한 코팅층 합성에 의한 결과로 판단된다. AlCrN/AlCrSiN 이중층 코팅을 어닐링 한 후 경도 분석 결과, -150, -200V에서 합성한 코팅은 900도 이상에서 26GPa 이상의 높은 경도를 보인 것으로 보아 우수한 내열성을 갖는 것으로 확인 되었다. 이는 AlCrSiN 상부층의 높은 Si 함량 (11at.%) 으로 인한 충분한 $Si_3N_4$ 비정질상의 형성과, 고바이어스 인가로 인한 AlCrN 결정상과 $Si_3N_4$ 비정질상의 고른 분배가 코팅의 내열성을 향상시키는데 기여를 한 결과로 판단된다.

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하이브리드 코팅시스템에 의해 제조된 Cr-Mo-Si-C-N 박막의 미세구조 및 기계적 특성연구 (Microstructure and Mechanical Properties of Cr-Mo-Si-C-N Coatings Deposited by a Hybrid Coating System)

  • 윤지환;안성규;김광호
    • 한국표면공학회지
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    • 제40권6호
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    • pp.279-282
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    • 2007
  • Cr-Mo-Si-C-N coatings were deposited on steel and Si wafer by a hybrid system of AIP and sputtering techniques using Cr, Mo and Si target in $Ar/N_2/CH_4$ gaseous mixture. Instrumental analyses of XRD and XPS revealed that the Cr-Mo-Si-C-N coatings must be a composite consisting of fine(Cr, Mo and Si)(C and N) crystallites and amorphous $Si_3N_4$ and SiC. The hardness value of Cr-Mo-Si-C-N coatings significantly increased from 41 GPa of Cr-Mo-C-N coatings to about 53 GPa with Si content of 9.3 at.% due to the refinement of (Cr, Mo and Si)(C and N) crystallites and the composite microstructure characteristics. A systematic investigation of the microstructures and mechanical properties of Cr-Mo-Si-C-N coatings prepared with various Si contents is reported in this paper.

탈기된 $3.5wt.\%$ NaCl 용액 환경에서의 스테인리스 강에 증착된 CrN 박막의 Si 첨가에 따른 영향 평가 (Effect of Si Addition on the Corrosion Resistance of CrN Coatings in a Deaerated $3.5wt.\%$ NaCl Solution)

  • 김우중;최윤석;김정구;이호영;한전건
    • 한국표면공학회지
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    • 제38권4호
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    • pp.137-143
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    • 2005
  • CrSiN coatings of stepwise changing Si concentration were deposited on stainless steel by closed field unbalanced magnetron sputtering (CFUBM) system. Microstructure of the films due to the Si concentration is measured by XRD. The corrosion behavior of CrSiN coatings in deaerated $3.5\%$ NaCl solution was investigated by potentiodynamic test, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and surface analyses. The microstructure of CrSiN film depends on the Si concentration. When Si/(Cr+si) was under $11.7\%$, preferred orientation is defined at CrN(220), CrN(311) and $Cr_2N(111).$ The results of potentiodynamic polarization tests showed that the corrosion current density and porosity decreased with increasing Si/(Cr+si) ratio. EIS measurements showed that the corrosion resistance of Si-bearing CrN was improved by phase transformation of the film, which leads to increase of pore resistance and charge transfer resistance. At the Si(Cr+si) ratio of 20, the Si-bearing CrN possesses the best corrosion resistance due to the highest pore resistance and charge transfer resistance.

HIPIMS와 ALD 하이브리드 공정에 의한 CrN/Al2O3/CrN 다층코팅의 기계적/화학적 특성 평가 (CrN/Al2O3/CrN multilayered coatings with excellent mechanical property and corrosion behavior synthesized by a hybrid HIPIMS/ALD process)

  • 만지흠;장등비;김광호;권세훈
    • 한국표면공학회:학술대회논문집
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    • 한국표면공학회 2014년도 추계학술대회 논문집
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    • pp.21-21
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    • 2014
  • $CrN/Al_2O_3/CrN$ 다층 코팅을 HIPIMS와 ALD간 하이브리드 코팅법을 통해 형성하였다. ALD를 통해 CrN 층에 도입한 $Al2O_3$층의 두께 및 위치가 $CrN/Al_2O_3/CrN$ 다층 코팅층의 미세구조, 표면 거칠기, 기계적 특성 및 화학적 특성에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 전체 공정시간은 거의 변화시키지 않고도, ALD를 이용한 $Al2O_3$층의 삽입에 의하여 기계적/화학적 특성이 크게 개선될 수 있음을 확인하였으며, 개선된 특성에 대한 원인에 대해 조사하였다.

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

  • 김회근;송면규;이상율
    • 한국표면공학회:학술대회논문집
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    • 한국표면공학회 2018년도 춘계학술대회 논문집
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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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