초경합금 기판에 나노결정질 다이아몬드 박막 코팅 시 금속 중간층의 효과 :Effect of Metal Interlayers on Nanocrystalline Diamond Coating on WC-Co Substrate

나봉권

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자료유형: 학위논문

저자정보: 나봉권 (한국산업기술대학교, 한국산업기술대학교 지식기반기술에너지대학원)

지도교수: 강찬형

발행연도: 2013

저작권: 한국산업기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수3

이 논문의 연구 히스토리 (5)

2013

초경합금에 나노결정질 다이아몬드 코팅 시 금속 중간층의 효과

나봉권 , 강찬형 한국표면공학회지 2013.04 학술저널

금속중간층을 이용한 나노결정질 다이아몬드 박막 코팅

나봉권 , 명재우 , 강찬형 한국진공학회 학술발표회초록집 2013.02 학술대회자료

초경합금 기판에 나노결정질 다이아몬드 박막 코팅 시 금속 중간층의 효과

나봉권 신소재 2013.01 학위논문

2012

고속도강에 Ti/W 복합중간층을 이용한 나노결정질 다이아몬드 코팅

나봉권 , 명재우 , 강찬형 한국진공학회 학술발표회초록집 2012.08 학술대회자료

2011

금속 중간층을 이용하여 고속도강에 나노결정질 다이아몬드 박막 코팅

나봉권 , 김인섭 , 강찬형 한국표면공학회 학술발표회 초록집 2011.11 학술대회자료

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나노결정질 다이아몬드 박막은 고경도와 낮은 마찰계수를 가지고 있어 초경합금(WC-10%Co)과 같은 절삭공구에 코팅하여 공구의 성능 향상을 도모하려는 노력이 있어 왔다. 그러나 초경합금에 코팅 시, 다이아몬드 박막의 잔류응력이 크고, 코발트에 의한 흑연화로 다이아몬드 증착이 어렵다는 문제점이 있다. 잔류응력 완화와 다이아몬드 핵생성 및 박막 성장을 용이하게 하기 위하여 제 3의 중간층 재료가 필요하다. 본 연구에서는 텅스텐(W) 또는 티타늄(Ti)을 중간층으로 하여 초경합금 기판에 나노결정질 다이아몬드 박막을 코팅하고 기계적 특성을 비교하였다. 기판에 DC magnetron sputter를 이용하여 1μm의 두께로 W 또는 Ti 박막을 증착하고, 그 위에 Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition(MPCVD) 방법으로 나노결정질 다이아몬드 박막을 2μm의 두께로 코팅하였다. FESEM으로 시편의 단면 형상을 관찰하였고, XRD와 Raman spectroscopy로 다이아몬드 박막의 결정성을 확인하였다. Nano-indenter를 이용하여 시편의 미소경도를 측정하였다. Tribology test를 실시하여 박막의 마찰계수를 측정하고 alpha step profiler로 시편의 마모 트랙을 관찰하였다. Rockwell C adhesion tester로 시편의 밀착력을 비교하였다. 실험 결과 W이 Ti보다 중간층으로서 더 적합한 것으로 나타났으며, 기판과 중간층과 다이아몬드 박막의 열팽창계수 차이가 적을수록 밀착력 향상에 효과가 있는 것으로 판단된다. 또한 중간층 두께의 효과를 보기 위해 W 중간층 두께를 1, 2, 4μm로 변화하여 증착하고 그 위에 나노결정질 다이아몬드 박막을 코팅하였다. 중간층 두께에 따라 마찰계수와 내마모특성의 차이는 나타나지 않았으나 밀착력에서 차이가 있었다. 중간층 두께가 증가하면서 밀착력이 향상되는 것으로 나타났는데 이는 중간층 두께 증가가 박막의 잔류응력 완화에 효과가 있는 것으로 해석된다.

For the coating of diamond films on WC-Co tools, a buffer interlayer is needed because Co catalyzes diamond into graphite. W and Ti were chosen as candidate interlayer materials to prevent the diffusion of Co during diamond deposition. The 1 μm thick W or Ti interlayer was deposited on WC-Co substrate under Ar in a DC magnetron sputter. After scratching the metal deposited specimens in an ultrasonic bath containing nanometer diamond powders, 2 μm thick nanocrystalline diamond(NCD) films were deposited at 600 ℃ over the metal layers in a 2.45 GHz microwave plasma CVD system. The cross-sectional morphology of films was observed by FESEM. X-ray diffraction and visual Raman spectroscopy were used to confirm the NCD crystal structure. Micro hardness was measured by nano-indenter. The coefficient of friction(COF) was measured by tribology test using ball on disk method. After tribology test, the track depth was measured by Alpha step profiler. Rockwell C adhesion test was performed to characterize the adhesion between films and substrate. Ti and W were found good interlayer materials to act as Co diffusion barriers and diamond nucleation layers. The COF on NCD films with W or Ti interlayer was measured as less than 0.1 whereas that on bare WC-Co was 0.6 ~ 1.0. However, W interlayer exhibited better results than Ti interlayer in terms of the adhesion to WC-Co substrate and to NCD film, respectively. This result is believed to be due to smaller difference in the coefficients of thermal expansion of the related films in the case of W interlayer than Ti one. By varying the thickness of W interlayer as 1, 2, and 4 μm with a fixed 2 μm thick NCD film, no difference in COF and wear behavior but in adhesion was observed. It was shown that the thicker the interlayer, the higher the adhesion. It can be interpreted that thicker interlayer is more effective in relieving the residual stress of NCD film during cooling after deposition and results in higher adhesion.

#Diamond #CVD #Diamond

목 차 Ⅱ
List of Tables Ⅳ
List of Figures Ⅴ
국문요약 Ⅵ
Ⅰ. 서론 1
Ⅱ. 이론적 배경 3
1. 박막의 잔류응력과 밀착력 3
2. Co에 의한 흑연화 4
3 금속 중간층 5
Ⅲ. 실험방법 9
1. 기판 전처리 11
2. 금속 중간층 증착 12
3. 나노결정질 다이아몬드 박막 코팅 15
4. 나노결정질 다이아몬드 박막 특성 분석 18
4-1. FE-SEM 18
4-2. Raman Spectroscopy 18
4-3. XRD 18
4-4. Nano-Indenter 18
4-5. Rocwell C Adhesion test 19
4-6. Tribology test 19
4-7. Alpha Step Profile test 19
Ⅳ. 실험결과 및 고찰 20
1. 중간층에 따른 나노결정질 다이아몬드 박막 특성 비교 20
1-1. 나노결정질 다이아몬드 박막의 성장 속도 비교 20
1-2. 마찰계수와 내마모 특성 평가 및 비교 25
1-3. 중간층에 따른 박막의 밀착력 비교 28
2. 중간층 두께에 따른 기계적 특성 비교 33
2-1. 마찰계수 및 내마모 특성 비교 33
2-2. 중간층 두께에 따른 박막의 밀착력 비교 37
Ⅴ. 결론 40
참고문헌 41
ABSTRACT 43

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