Surface alloying using TiC, $TiB_2$ and VC ceramic particles on carbon steel has been performed using high voltage electron beam. Each type of ceramic particles was mixed with flux of Al and $MgF_2$ in 1 to 4 ratio. The microstructures of the surface alloyed layers consisted of melted region, interface region. heat affected region and the unaffected matrix. The surface layer of the TiC surface alloyed had a cubed primary and a eutectic type of TiC. $TiB_2$ in surface layer of $TiB_2$ surface alloyed were incompletely melted with$ TiB_2$ particles as observed before the alloying. On the surface layer of the VC surface alloyed, very well defined cell structure was observed with VC on the cell boundary. In addition, ~50 nm in diameter VC particles in high density were ubiquitous in the matrix. Those fine VC particles prominently improved the hardness and wear resistance of the surface layer of the VC surface alloyed.
$Ti_{0.33}Al_{0.67}N/CrN$ nano-multilayers, which are known to have excellent wear resistance, were prepared using an unbalanced magnetron sputter to have various periods of 2-5 nm. $Ti_{0.33}Al_{0.67}N$ had a hexagonal structure in a single layer, but converted to a cubic structure by forming a multilayer with CrN, which has a cubic structure. Thus, $Ti_{0.33}Al_{0.67}N$ formed a superlattice in the multilayer. The $Ti_{0.33}Al_{0.67}/CrN$ multilayer with a period of 2.5 nm greatly exceeded the hardness of the $Ti_{0.33}Al_{0.67}N$ and the CrN single layer, reaching 39 GPa. According to the low angle X-ray diffraction results, the $Ti_{0.33}Al_{0.67}N/CrN$ multilayer maintained its as-coated structure to a temperature as high as $700^{\circ}C$ and exhibited hardness of 30 GPa. The thickness of the oxide layer of the $Ti_{0.33}Al_{0.67}N/CrN$ multilayered coating was less than one-tenth of those of the single layers. Thus, $Ti_{0.33}Al_{0.67}N/CrN$ multilayered coating had hardness and oxidation resistance far superior to those of its constituent single layers.
Ceramic coatings with high hardness and excellent chemical stability have been successfully applied to various machine elements, tools, and implants. However, in the case of monolayer coating on soft substrates, a high-stress concentration at the interface between the coating and the substrate causes delamination of the coating layer. Recently, to overcome this problem, multilayer coatings with a metal layer with a low modulus of elasticity added between the ceramic and the substrate have been widely applied. This study presents the third part of a recent study and focuses on the effect of the number of coating layers on the Brinell hardness of multilayered coating with TiN/Ti, following the two previous studies on a new Brinell hardness test method for a coated surface and on the influence of substrate and coating thickness. Indentation analyses are performed using finite element analysis software, von Mises stress and equivalent plastic strain distributions, load-displacement curves, and residual indentation shapes are presented. The number of TiN/Ti layers considerably affect the stress distributions and indentation shapes. Moreover, the greater the number of TiN/Ti layers, the higher is the Brinell hardness. The stress and plastic strain distributions confirm that the multilayer coatings improve the wear resistance. The results are expected to be used to design and evaluate various coating systems, and additional study is required.
Ceramic materials have excellent material properties such as stability at high temperatures, chemical stability, corrosion resistance, and wear resistance, so they are applicable even in extreme environments of high temperature and pressure. In particular, silicon carbide can be applied in the field of structural ceramics due to its characteristics of high strength, hardness, corrosion resistance, and heat resistance even at high temperatures. In this study, considering the application of silicon carbide materials to next-generation turbines, silicon carbide materials were manufactured using a liquid phase sintering method. When manufacturing liquid phase sintered silicon carbide, sintering additives were added to lower the sintering temperature and densify the material. In Al2O3-SiO2, it was confirmed that the secondary product of the sintering additive was observed as a slightly dark area and was evenly distributed overall, and the fracture surface of Al2O3-SiO2 was in the form of transgranular fracture in which cracks progressed along the crystal plane, and the flexural strength for Al2O3-SiO2 was about 445.6 MPa.
Diamondlike carbon (DLC) coatings were deposited on alumina ceramic seals using a plasma immersion ion deposition technique (PIID). Then they were subjected to tribological tests using a pin-on-disc tribometer under a high load (1.3 GPa) and under elevated temperatures up to 400C. Coefficients of friction (COFs) were recorded and compared with that of the untreated alumina while the wear tracks were analyzed using SEM with EDS to characterize the DLC films. To enhance the DLC adhesion to the substrate, various interlayers including Si and Cr were deposited using the PIID process or an ion beam assisted deposition (IBAD) method. It was observed that the DLC coating, if adhering well to the substrate, reduced the COFs significantly, from 0.4-0.8 for the uncoated alumina to about 0.05-0.1, within the tested temperature range. The adhesion was determined by the interlayer type and possibly by the application method. Cr interlayer did not perform as well as the Si interlayer. This could also be due to the fact that the Cr interlayer and the subsequent DLC coating had to be done in two different processing systems, while both the Si interlayer and the subsequent DLC film were deposited in one system without breaking the chamber. The coating failure mode was found to be delamination between the Cr and the alumina substrate. In contrast, the Si interlayer with proper DLC deposition procedures resulted in very good adhesion and hence excellent tribological performance. Further study may lead to future DLC applications of ceramic seals.
세라믹 복합체의 미세구조는 이차상의 종류 및 양, 소결 조제, 그리고 소결 조건(즉, 소결온도, 압력, 유지시간)에 영향을 받는다. 또한, 내마모 특성은 미세구조와 작업 조건이 내마모 특성에 크게 영향을 미친다. 본 실험에서는 질화규소에 마그네시아의 양을 변화시켜 가압 소결(Hot Press) 방법으로 시편을 제조하였다. 마그네시아 양에 따른 미세구조, 기계적 특성(경도, 강도, 파괴인성), 그리고 다양한 분위기(공기, 물, paraffin oil)에서의 내마모 특성을 조사하였다. 질화규소에 마그네시아의 양이 증가하였을 때, 입계의 유리상이 $\beta$-상의 장주형 입자를 커지게 하고, 또한 Hertzian contact damage를 저하시킨다. 대기 중에서 내마모 거동은 강도뿐만 아니라 파괴인성과 관련이 있고, 물과 paraffin oil에서는 경도와 밀접하다. 물속에서 마모시험 중 많은 유리상이 물과 반응하는 것을 생각할 수 있다. 그러므로 마찰 화학적 반응(tribochemical reaction)은 마모도 저하시킨다. Paaraffin oil에서 높은 하중을 부하할 경우, Hertzian contact damage 때문에 초기 마모가 마모량에 지배적이다.
스플린터(splinter) 및 판상(plate shape) 형상을 가지는 티탄산칼륨염(K2O·nTiO2, PT)을 합성하고 브레이크 마찰재의 보강재로 이용하여 마찰 특성을 평가하였다. 스플린터형 티탄산칼륨염을 합성하기 위하여 먼저 판상 형상을 가지는 사티탄산칼륨염(K2O·4TiO2, PT4)을 합성하고 칼륨 이온(K+)을 일부 산침출(acid leaching)하여 육티탄산칼륨염(K2O·6TiO2, PT6)으로 변환시킨 후, 800℃에서 열처리하여 스플린터 형상의 입자를 얻었다. 판상형 티탄산칼륨염을 합성하기 위해서 염화칼륨을 융제로 사용하고 마그네슘(Mg)을 일부 첨가하여 판상의 형상을 가지는 마그네슘티탄산칼륨염(K0.8Mg0.4Ti1.6O4, PMT)을 합성하였다. 얻어진 육티탄산칼륨염 및 마그네슘티탄산칼륨염 입자를 보강재로 이용하여 브레이크 패드 마찰재를 제작하고 1/ 5-스케일 다이나모미터(scale dynamometer)를 이용하여 마찰 마모 특성을 평가하였다. 평가 결과, 두 종류의 보강재가 유사한 마찰계수 및 Fade & recovery 특성을 보였으며 판상형 마그네슘티탄산칼륨염의 경우, 스플린터형 육티탄산칼륨염보다 우수한 내마모성을 보이는 것을 알 수 있었다.
In this study, nanoscale Al2O3 ceramic particles were used due its exceptionally high hardness characteristics, chemical stability, and wear resistance properties. These nanoparticles will be used to investigate the optimal process conditions for the electro co-deposition of the Ni-Al2O3 composite coatings. A Watts bath electrolytic solution of a controlled composition along with a fixed agitation speed was used for this study. Whereas the current density, the pH value, temperature and concentration of the nano Al2O3 particles of the electrolyte were designated as the manipulative variables. The experimental design method was based on the orthogonal array to find the optimum processing parameters for the electro co-deposition of Ni-Al2O3 composite coatings. The result of confirmation experimental based on the optimal processing condition through the analysis of variance ; EDX analysis found that the ratio of alumina increased to 8.65 wt.% and subsequently the overall hardness increased to 983 Hv. Specially, alumina were evenly distributed on Nickel matrix and particles were embedded more firmly and finely in Nickel matrix.
Composites of Si$_3$N$_4$-SiC containing up to 30 wt% of dispersed SiC particles were fabricated via hot-pressing with an oxynitride glass. To determine the effect of sintering time and SiC content on the mechanical properties and the cutting performance, the composites with fixed 8hr-sintering time and 20 wt% SiC content were fabricated and tested. Fracture toughness of the composites increased with increasing sintering time, while the hardness increased as the SiC content increased up to 20 wt%. The hardness of the composites was relatively independent of the grain size and the sintered density. For machining heat-treated AISI4140, the insert with 20 wt% SiC sintered for 8hr showed the longest tool life while the insert with 20 wt% SiC sintered for 12hr showed the longest tool life for machining gray cast iron. An effort was made to relate the mechanical properties, such as hardness, fracture toughness and wear resistance coefficient with the tool life. However, no apparent relationship was found between them. It may be stated that tool life is affected by not only the mechanical properties but also other properties such as surface roughness, density, grian size and the number of the inherent defects in the inserts.
In the semiconductor and display component industries, the use of ceramic materials, which are high-strength materials, is increasing for ensuring durability and wear resistance. Among them, alumina materials are used increasingly. Alumina materials are extremely difficult to process because of their high strength; as such, research and development in the area of mineral material processing is being promoted actively to improve their processing. In this study, the processability of an electrodeposition tool is investigated using the electrodeposition method to smoothly process alumina materials. Furthermore, processing is conducted under various processing conditions, such as spindle speed, feed speed, and depth of cut. In addition, the processing characteristics of the workpiece are analyzed based on the tooling.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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