내열합금 가공을 위한 초고경도 Titanium-Aluminum-Silicon-Copper-Nitride 나노복합체 코팅막의 응용에 관한 연구

Abstract

최근 국내산업의 고도화에 따라 고성능 수송기기 및 우주항공용 부품소재 등 초고속 회전과 고온조건에서 사용되는 제품들의 수요가 급격하게 증가하고 있다. 특히 초정밀 항공부품소재(피삭재)의 성능 향상에 따른 내열합금 가공용 첨단 공구의 수명과 성능향상을 위한 고성능 코팅막(가공재)을 적용한 증착기술이 중요한 화두로 나타나고 있다. 다기능을 갖는 고성능 코팅막의 중요성이 부각 되면서 현재 다수의 대학, 연구기관 등에서 나노복합체 코팅막에 대한 연구가 진행되고 있으며 이를 상용화를 위한 공정개발이 활발하게 이루어지고 있다. 본 연구의 목적은 내열합금 가공용 공구의 성능 및 수명 향상을 위해 광범위하게 적용될 수 있는 다목적/다기능성 (Multi-function)을 가지는 차세대 절삭공구용 코팅막을 합성하는 공정을 개발하는 것이다. 내열합금 가공을 위해 절삭가공 공구에서 요구되는 내산화성, 고경도, 고인성 특성을 구현하기 위해 나노구조 코팅막을 다층으로 성막시켜 경사 기능성을 부여하였다. 이를 위해 나노복합체 코팅막의 합성공정은 아크 이온 플레이팅(Arc Ion Plating) 시스템을 이용하여 합성하였다. 코팅막의 최적을 조성조건을 찾기 위해 조성 내 실리콘(Si)과 구리(Cu) 함량을 조절하였으며, 공정 중 티타늄-알루미늄 합금 (TiAl2) 타겟 및 티타늄-실리콘합금 (Ti4Si) 타겟에 인가되는 전류의 변화를 조절하여 최종 조성변화별 Ti-Al-Si-Cu-N 나노복합체 코팅막을 합성하였다. 최종층인 Ti-Al-Si-Cu-N 코팅막은 비정질상인 Si3N4 기지에 결정상인 (Ti,Al)N (3~5nm)이 분산되어 있는 구조로서 계면 및 입자사이에 강한 결합에너지를 가지고 있으며, 비정질 Si3N4 상에 의하여 결정상이 상분리됨으로서, 결정립 크기의 감소로 인하여 47 GPa의 높은 표면경도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한 약 5%의 Si, 3%의 Cu 조성을 가질 때, 약 110 N의 높은 밀착력을 나타내었으며, 0.4 의 마찰계수를 나타내었다. 고온 XRD, GD-OES, TG-DTA 분석 결과 절삭가공 시에 발생되는 고온 및 절삭유가 분사되는 등의 분위기로 인하여 표면 및 계면에 발생되는 SiO2, Al2O3와 같은 산화막이 산소의 확산방지막 역할을 하게 되고, 이로 인하여 내산화 특성이 유지되는 효과를 나타낸 것으로 확인되었다. 따라서 본 연구에서는 항공・우주 산업분야에 많이 사용되는 내열합금(Inconel)을 가공하기 위한 절삭공구용 경사기능성 Ti-Al–Si-Cu–N 나노복합체 코팅막의 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 분석하였으며 절삭공구의 응용에 관한 연구를 수행하고 적용 가능성을 고찰하였다.