플라즈마 이온질화 방법을 이용하여 CP Ti, Ti-6Al-4V 및 Ti-10Ta-10Nb 합금에 형성한 질화층의 특성 = Characteristics of nitride layer formed on CP Ti, Ti-6Al-4V and Ti-10Ta-10Nb alloys by plasma nitriding

국문 초록 (Abstract)

플라즈마 이온질화 방법을 이용하여 Ti 및 Ti 합금에 이온질화를 실시하였다. 공정온도 변화에 따른 질화층의 두께변화, 경도변화, 부식시험, 마모시험, scratch test와 EDX분석, XRD에 의한 상 분석, 0.5μm씩 연마 후 XRD 상 분석 등을 실험을 실시하여 결과를 고찰하였다.
Plasma assisted chemical vapor deposition(PACVD) 장비를 이용하여 D.C 펄스파워(unipolar), 진공도, 시간, 가스량 등을 고정하였고, 공정온도 750℃, 800℃, 850℃로 변수를 주어서 티타늄 질화처리를 실시하였다.
플라즈마 이온질화 방법에 의해 생성된 TiN 질화 층을 SEM으로 관찰한 결과 TiN 질화 층의 두께는 온도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었으며, XRD 분석결과 δ-TiN상, ε-Ti2N상, α-Ti상 등이 검출되었고 TiN 질화 층의 우선방위는 온도가 증가할수록 TiN (220)으로 우선성장 하는 것이 뚜렷하게 나타내었다.
Micro vickers 경도계로 질화층의 표면을 측정한 미세경도는 모재에 따라 달랐고 동일 모재의 경우에는 질화층의 두께의 증가에 따라 미세경도가 증가를 하였으며, 질화온도 850℃에서 높은 미세경도 값을 나타내었다.
EDX 분석결과 표면의 질화층에서 안쪽으로 들어갈수록 질소의 량은 점차 감소하는 경향을 나타내었고, Ti 양은 점점 증가하는 경향을 나타내었으며 Ti-6Al-4V 합금의 경우는 Al량이 증가함에 따라 질소의 농도는 급히 감소함을 나타내었다.
850℃에서 질화한 시료를 약0.5μm씩 연마한 후의 XRD 분석결과에서 연마가 진행될수록 TiN상과 Ti2N상이 점점 감소하였음을 확인하였으며, 약4μm를 연마한 후에는 미량의 Ti2N상과 α-Ti상이 존재하는 경향을 나타내었다.
부식시험을 분석한 결과 Ti-6Al-4V의 경우 질화를 했던 시료가 질화를 하지 않은 시료에 비해 부식전위는 0.3V정도 더 높게 나타냈으며, 질화 온도가 증가할수록 0.5V에서 0.68V, 0.72V로 부식전위는 증가를 나타내었다. Ti-10Ta-10Nb의 경우 질화를 했던 시료가 질화를 하지 않은 시료에 비해 부식전위는 0.4V정도 더 높게 나타냈고, 질화온도가 증가할수록 0.6V에서 0.73V, 0.8V로 부식전위는 증가를 나타냈으며, Ti-10Ta-10Nb 합금이 Ti-6Al-4V 합금에 비해 더 좋은 내식성을 나타내었다.
Scratch test에 의한 TiN 질화층의 밀착력을 측정한 결과 온도가 증가할수록 접착력은 증가를 하였으며, 850℃에서 모재에 따른 접착력을 측정한 결과 Ti-6Al-4V에서는 평균 85.9N의 높은 접착력을 나타내었으며, CP Ti에서는 평균 70.6N, Ti-10Ta-10Nb에서는 평균 67.5N으로 상대적으로 낮은 접착력을 나타내었다.
TiN 질화 층의 마모시험을 실시한 결과를 정성적으로 비교한 결과 질화를 했던 시료가 질화를 하지 않은 시료보다 광학 현미경으로 관찰한 마모트랙 부피의 감소와 낮은 마찰력을 나타내었다. 또한 Ti-10Ta-10Nb 합금의 마찰력이 CP Ti 마찰력보다 더 낮은 마찰력을 나타내었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The nitride layer was formed on Ti and Ti alloys by plasma nitriding and then nitride layer analysis, hardness test, corrosion test, wear test, scratch test, EDX analysis, XRD analysis were analyzed. The nitriding was preformed in various temperature.
At the result of observing TiN nitride layer with SEM, the thickness of nitride layer tended to increase when temperature increased , δ-TiN, ε-Ti2N, α-Ti phases were detected by XRD analysis and the preferred orientation of TiN nitride layer was obviously observed at (220) with increasing temperature.
The micro-harness measuring the surface of nitride layer with Micro vickers was various in accordance with the kind of matrix. Micro-hardness increased depending on an increase of nitride layer thickness in case of same matrix and the high micro hardness was shown at 850℃.
From XRD analysis after polishing the nitrided specimens at 850℃. As polishing, TiN and Ti2N phases decreased gradually. After polishing with 4μm, the small amount of Ti2N and α-Ti phases were indicated.
At the result of corrosion tests, the corrosion potential of nitrided specimen was higher than non-nitrided one by 0.3V, AS nitriding temperature increased, corrosion potential increased from 0.5V to 0.68V, 0.72V in case of Ti-6Al-4V.
In case of Ti-10Ta-10Nb, the corrosion potential of nitrided specimen was higher than non-nitrided one by 0.4V. As nitriding temperature increased, corrosion potential increased from 0.6V to 0.73V, 0.8V and Ti-10Ta-10Nb alloy showed better corrosion resistance than Ti-6Al-4V alloy.
At the test of adhesive strength by scratch test, as temperature increased, adhesive strength increased, at the test of adhesive strength in accordance with the kind of matrix at 850℃, Ti-6Al-4V showed the highest adhesive strength at an average of 85.9N.
On the other hand, CP Ti and Ti-10Ta-10Nb showed lower values such as 70.6N and 67.5N.
From the wear test of nitride layer, nitrided specimen showed a decrease of wear track volume, lower frictional force comparing to non-nitrided one.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 = 1
• 2. 이론적 배경 = 3
• 2.1. TiN 박막의 형성방법 = 3
• 2.2. TiN의 특성 = 6
• 2.3. 증착기술의 발달 = 8
• 2.3.1. 증착기술의 발달 = 8
• 2.3.2. 최근의 증착기술의 동향 = 9
• 2.4. 이온질화법의 원리 = 10
• 3. 실험 방법 = 13
• 3.1. 시료의 준비 = 13
• 3.2. 티타늄 질화처리방법 및 공정조건 = 16
• 3.2.1. 실험장치 = 16
• 3.2.2. 전처리 = 19
• 3.2.3. 초기 스퍼터링 = 19
• 3.2.4. 질화처리 = 19
• 3.3. 경도시험 = 21
• 3.4. 부식시험 = 21
• 3.5. Scratch Test = 23
• 3.6. 마모시험 = 24
• 4. 실험 결과 및 고찰 = 26
• 4.1. 질화층의 두께 변화 = 26
• 4.2. XRD 분석 = 29
• 4.3. 경도시험 = 37
• 4.4. Scratch Test = 39
• 4.5. 표면 거칠기 시험 = 42
• 4.6. EDX 시험 = 47
• 4.7. 부식시험 = 51
• 4.8. 마모시험 = 54
• 5. 결론 = 57
• 6. 참고 문헌 = 59
• 영문초록 = 62