KR20220027583A - Method for manufacturing metal matrix composite(mmc) coating layer having excellent wear resistance and mmc coating layer manufactured thereby - Google Patents

Method for manufacturing metal matrix composite(mmc) coating layer having excellent wear resistance and mmc coating layer manufactured thereby Download PDF

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KR20220027583A
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김태호
유와라즈 케트리 쿠세트리
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선문대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a method of manufacturing a metal matrix composite (MMC) material. The method includes the following steps of: (a) forming an Ni-P-Si3N4 composite coating layer by performing electroless plating on the surface of a metal base material with a plating solution including a nickel (Ni) precursor, a phosphorus (P) precursor and silicon nitride (Si3N4) nano powder; and (b) thermally treating the Ni-P-Si3N4 composite coating layer. In accordance with the method of manufacturing a metal matrix composite material, an Si3N4 nanoparticles are bound to an Ni-P alloy matrix as a reinforcing agent to manufacture an electroless composite coating layer, and then, thermally treat the coating layer, thereby applying stress from the Si3N4 nanoparticles to Ni and Ni3P grains extracted and grown during the thermal treatment to contract lattice constants of the Ni and Ni3P grains while improving adhesiveness between the Ni and Ni3P grains and the Si3N4 nanoparticles, which can lead to a considerable improvement in mechanical properties such as hardness, wear resistance and the like.

Description

우수한 내마모성을 가지는 금속기지 복합재료 코팅층의 제조방법 및 이에 의해 제조된 금속기지 복합재료 코팅층{METHOD FOR MANUFACTURING METAL MATRIX COMPOSITE(MMC) COATING LAYER HAVING EXCELLENT WEAR RESISTANCE AND MMC COATING LAYER MANUFACTURED THEREBY}Method for manufacturing a metal matrix composite coating layer having excellent wear resistance and a metal matrix composite coating layer manufactured thereby

본 발명은 금속기지 복합재료로 이루어진 코팅층의 제조방법 및 이에 의해 제조된 코팅층에 대한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a coating layer made of a metal matrix composite material and a coating layer manufactured by the method.

무전해 도금(electroless-plating)이란 내부 전류(전자)를 공급하는 환원제의 산화를 통해 도금액 중의 금속 이온이 산화됨과 동시에 필름이 증착되는 자체촉매 공정을 말한다. 증착되는 금속 이온은 촉매의 표면 혹은 금속 기재의 표면으로부터 전자를 받아서 환원된다. 즉, 무전해 도금은 외부 전류의 유입 없이 도금액 중의 금속 이온이 기재에 코팅되는 자체 촉매 혹은 화학적 환원 반응이다. Electroless-plating refers to a self-catalytic process in which metal ions in a plating solution are oxidized and a film is deposited at the same time through oxidation of a reducing agent that supplies an internal current (electrons). The deposited metal ions are reduced by receiving electrons from the surface of the catalyst or the surface of the metal substrate. That is, electroless plating is a self-catalyzed or chemical reduction reaction in which metal ions in a plating solution are coated on a substrate without an external current.

니켈, 동, 금, 은, 팔라듐 및 코발트와 같은 다양한 금속들을 무전해 도금할 수 있지만, 니켈 기반 무전해 코팅이 우수한 특성을 발현하기 때문에 마크로에서부터 나노 영역의 용도에 걸쳐서 활발한 전개가 이루어지고 있다. 특히, 무전해 니켈-인(Ni-P) 혹은 니켈-보론(Ni-P) 합금 증착이 현재 전체 산업적 무전해 도금의 95%를 차지하고 있다. Although various metals such as nickel, copper, gold, silver, palladium and cobalt can be electroless-plated, nickel-based electroless coatings exhibit excellent properties, so they are being actively developed from macro to nano-area applications. In particular, electroless nickel-phosphorus (Ni-P) or nickel-boron (Ni-P) alloy deposition currently accounts for 95% of the total industrial electroless plating.

한편, 산업적으로 내마모성, 내식성 및 윤활성 등의 다양한 특성을 가지는 재료 개발이 요구되고 있다. 단일 재료로는 이러한 다양한 특성을 모두 만족시키기 어려워져, 서로 다른 특성을 가지는 재료를 복합하여 사용하는 복합 도금 방법들이 최근에 활발히 연구, 개발되고 있는 상황이며, 대표적으로, 금속 기지에 세라믹 강화상을 도입한 복합 도금 코팅층이 알려져 있다. On the other hand, industrially, the development of materials having various properties such as wear resistance, corrosion resistance and lubricity is required. It is difficult to satisfy all these various properties with a single material, so composite plating methods using materials with different properties are being actively researched and developed recently. The introduced composite plating coating layer is known.

한국공개특허 제10-2013-0136283호 (공개일 : 2013.12.12)Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2013-0136283 (published date: December 12, 2013) 한국공개특허 제10-2019-0071149호 (공개일 : 2019.06.24.)Korean Patent Publication No. 10-2019-0071149 (published date: 2019.06.24.)

본 발명은 기존의 무전해 니켈-인(Ni-P) 코팅층의 물성 향상을 위해 니켈-인(Ni-P) 합금에 이종(異種) 재료를 도입시켜 형성되는 무전해 복합 코팅층의 제조방법 및 이에 의해 제조된 무전해 복합 코팅층의 제공을 그 목적으로 한다. The present invention relates to a method for manufacturing an electroless composite coating layer formed by introducing a heterogeneous material into a nickel-phosphorus (Ni-P) alloy to improve the physical properties of the existing electroless nickel-phosphorus (Ni-P) coating layer, and An object of the present invention is to provide an electroless composite coating layer prepared by

본 발명은 (a) 니켈(Ni) 전구체, 인(P) 전구체 및 질화규소(Si3N4) 나노분말을 포함하는 도금액으로 금속 모재 표면에 무전해 도금을 실시해 Ni-P-Si3N4 복합 코팅층을 형성시키는 단계; 및 (b) 상기 Ni-P-Si3N4 복합 코팅층을 열처리하는 단계;를 포함하는 금속기지 복합재료(metal matrix composite, MMC) 코팅층의 제조방법을 제공한다. The present invention is a Ni-P-Si 3 N 4 composite by electroless plating on the surface of a metal base material with a plating solution containing (a) a nickel (Ni) precursor, a phosphorus (P) precursor, and a silicon nitride (Si 3 N 4 ) nanopowder forming a coating layer; And (b) heat-treating the Ni-P-Si 3 N 4 composite coating layer; provides a method for manufacturing a metal matrix composite (MMC) coating layer comprising a.

또한, 상기 니켈(Ni) 전구체는 황산니켈(NiSO4·6H2O)이고, 상기 인(P) 전구체는 차아인산나트륨 (NaH2PO2·H2O)인 것을 특징으로 하는 금속기지 복합재료 코팅층의 제조방법을 제공한다. In addition, the nickel (Ni) precursor is nickel sulfate (NiSO 4 ·6H 2 O), the phosphorus (P) precursor is sodium hypophosphite (NaH 2 PO 2 ·H 2 O) Metal matrix composite material, characterized in that A method for manufacturing a coating layer is provided.

또한, 상기 도금액은, 황산니켈 25 gL-1, 차아인산나트륨 30 gL-1 및 질화규소 나노분말 0.4 gL-1를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합재료 코팅층의 제조방법을 제공한다. In addition, the plating solution, nickel sulfate 25 gL -1 , sodium hypophosphite 30 gL -1 and silicon nitride nanopowder 0.4 gL -1 It provides a method of manufacturing a coating layer of a metal matrix composite material, characterized in that it contains.

또한, 상기 단계 (b)에서 불활성 분위기 하에서 400 ℃의 온도로 1 시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합재료 코팅층의 제조방법을 제공한다. In addition, it provides a method of manufacturing a metal matrix composite coating layer, characterized in that the heat treatment for 1 hour at a temperature of 400 ℃ under an inert atmosphere in step (b).

그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서 상기 제조방법에 따라 제조된 내마모성이 우수한 금속기지 복합재료 코팅층을 제공한다.Further, in another aspect of the present invention, there is provided a coating layer of a metal matrix composite material having excellent wear resistance manufactured according to the above manufacturing method.

본 발명에 따른 금속기지 복합재료 코팅층의 제조방법에 의하면, Ni-P 합금 매트릭스에 강화재로서 Si3N4 나노입자를 결합시켜 무전해 복합 코팅층을 제조한 후에 열처리를 실시함으로써, 열처리시 석출되어 성장하는 Ni 및 Ni3P 결정립에 Si3N4 나노입자에 의해 응력이 가해져 Ni 및 Ni3P 결정의 격자 상수가 수축되는 한편 Ni 및 Ni3P 결정립과 Si3N4 나노입자와의 접착력이 향상되어 경도 및 내마모성 등 기계적 특성이 크게 향상된 복합 코팅층을 제조할 수 있다. According to the method for manufacturing a metal matrix composite coating layer according to the present invention, by performing heat treatment after manufacturing an electroless composite coating layer by bonding Si 3 N 4 nanoparticles as a reinforcement to a Ni-P alloy matrix, precipitation and growth during heat treatment Stress is applied to the Ni and Ni 3 P grains by Si 3 N 4 nanoparticles to contract the lattice constants of Ni and Ni 3 P crystals, while the adhesion between Ni and Ni 3 P grains and Si 3 N 4 nanoparticles is improved As a result, it is possible to manufacture a composite coating layer with greatly improved mechanical properties such as hardness and abrasion resistance.

도 1(a) 및 도 1(b)는 각각 Ni-P 코팅 표면 형태 및 단면 이미지이고, 도 1(c) 및 도 1(d)는 각각 Ni-P-nSN 코팅 표면 형태 및 단면 이미지이다(Si3N4 결합 코팅은 나노입자가 Ni-P 사전 코팅 후 10분이 경과한 후에 욕에 첨가됨에 따라 Ni-P층 (두께 약 5 μm)을 포함함).
도 2는 도금 후 열처리하지 않은(as-plated) 시편 및 열처리한 코팅 시편의 XRD 회절 패턴이다(도금 후 열처리하지 않은(as-plated) 시편의 비정질 피크가 열처리한 시편의 날카로운 결정질 피크로 변환되며, 회절 피크는 Ni 또는 Ni3P 상과 관련됨).
도 3(a) 및 도 3(b)는 각각 Ni-P(H) 시편 및 (b) Ni-P-nSN(H) 시편에서 관찰된 XRD 스펙트럼의 리트벨트 분석 결과이다((a)의 내삽도는 Ni 및 Ni3P 결정의 단위 셀을 보여주며, 이때, 파란색 및 분홍색 구체는 각각 Ni 및 P 원자를 나타냄).
도 4(a)는 Si3N4 나노입자가 결합된 Ni-P 매트릭스를 보여주는 모식도이고, 도 4(a)는 열처리 후 Ni 및 Ni3P 결정립의 형성에 의한 미세 구조 변화를 보여주는 모식도이다(Si3N4 나노입자는 결정립 사이에 존재하면서 열처리 중에 성장하는 Ni 및 Ni3P 입자에 응력(화살표로 표시됨)을 가함).
도 5(a) 및 (b)는 열처리 후 석출된 Ni 및 Ni3P 결정립을 보여주는 TEM 이미지 및 그 확대 이미지(Ni 및 Ni3P 입자가 보다 뚜렷하게 보임)이고, 도 5(c) 및 (d)는 도 5(b)의 표시된 영역 (1)과 (2) 각각에 대한 SAED 패턴이며, 도 5(e) 및 (f)는 각각 Ni 및 Ni3P 상의 HRTEM 이미지이다.
도 6(a)는 Ni-P-nSN(H) 시편의 환형 고각도 암시야(High-angle annular dark field, HAADF) 이미지이고 도 6(b) 내지 도 6(f)는 Ni-P-nSN(H) 시편의 원소 매핑 이미지이다.
도 7은 도금 후 열처리하지 않은(as-plated) 및 열처리된(heat-treated) Ni-P 및 Ni-P-nSN 시편의 마찰 계수 대 시간 곡선이다.
도 8(a) 및 도 8(b)는 각각 Ni-P 및 Ni-P-nSN 시편의 마모흔 이미지 및 해당 깊이 프로파일 플롯이다.
도 9(a) 및 도 9(b)는 각각 Ni-P(H) 및 Ni-P-nSN(H) 시편의 마모흔 이미지 및 해당 깊이 프로파일 플롯이다.
도 10(a)은 각 시편의 코팅 표면에 대한 라만 스펙트럼이고, 도 10(b) 각 시편의 마모편에 대한 라만 스펙트럼이다.
1(a) and 1(b) are Ni-P coating surface morphology and cross-sectional images, respectively, and FIGS. 1(c) and 1(d) are Ni-P-nSN coating surface morphology and cross-sectional images, respectively ( The Si 3 N 4 bonding coating contained a Ni-P layer (about 5 μm thick) as the nanoparticles were added to the bath 10 min after the Ni-P pre-coating.
2 is an XRD diffraction pattern of a specimen that is not heat treated after plating (as-plated) and a coated specimen that has been heat treated (an amorphous peak of a specimen that is not heat treated after plating is converted into a sharp crystalline peak of a specimen that has been heat treated, , diffraction peaks are associated with Ni or Ni 3 P phases).
3(a) and 3(b) are the Rietveld analysis results of the XRD spectra observed in the Ni-P(H) specimen and (b) Ni-P-nSN(H) specimen, respectively (in (a) Inset shows unit cells of Ni and Ni 3 P crystals, with blue and pink spheres representing Ni and P atoms, respectively).
Figure 4 (a) is a schematic diagram showing the Ni-P matrix Si 3 N 4 nanoparticles are bonded, Figure 4 (a) is a schematic diagram showing the microstructure change by the formation of Ni and Ni 3 P crystal grains after heat treatment ( Si 3 N 4 nanoparticles exist between the grains and exert stress (indicated by arrows) on the growing Ni and Ni 3 P grains during heat treatment.
5 (a) and (b) are TEM images and enlarged images (Ni and Ni 3 P particles are more clearly visible) showing Ni and Ni 3 P crystal grains precipitated after heat treatment, FIGS. 5 (c) and (d) ) is the SAED pattern for each of the indicated regions (1) and (2) in FIG. 5(b), and FIGS. 5(e) and (f) are HRTEM images on Ni and Ni 3 P, respectively.
6(a) is an annular high-angle annular dark field (HAADF) image of a Ni-P-nSN(H) specimen, and FIGS. 6(b) to 6(f) are Ni-P-nSN (H) Elemental mapping image of the specimen.
7 is a coefficient of friction versus time curves of Ni-P and Ni-P-nSN specimens as-plated and heat-treated after plating.
8(a) and 8(b) are wear scar images and corresponding depth profile plots of Ni-P and Ni-P-nSN specimens, respectively.
9(a) and 9(b) are wear scar images and corresponding depth profile plots of Ni-P(H) and Ni-P-nSN(H) specimens, respectively.
FIG. 10(a) is a Raman spectrum of the coated surface of each specimen, and FIG. 10(b) is a Raman spectrum of a wear piece of each specimen.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the embodiment according to the concept of the present invention may have various changes and may have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the present specification or application. However, this is not intended to limit the embodiment according to the concept of the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that the described feature, number, step, operation, component, part, or a combination thereof exists, but one or more other features or numbers , it should be understood that it does not preclude the possibility of the existence or addition of steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples.

본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Embodiments according to the present specification may be modified in various other forms, and the scope of the present specification is not to be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present specification are provided to more completely explain the present specification to those of ordinary skill in the art.

<실시예><Example>

저탄소강 패널을 20mm × 15mm × 0.4mm로 크기를 가공하고 1200 grit SiC 연마지로 연마했다. 연마된 패널을 아세톤으로 세척하고 탈이온수로 헹구었다. 이어서, 10% NaOH (w/w) 용액에서 탈지하고 10% H2SO4 (v/v) 용액에서 각각 10분 및 2분 동안 에칭했다. 기판 패널은 각 처리 단계 사이에 탈 이온수로 적절히 헹구었다. 표면 처리의 모든 공정은 실온(25 ℃)에서 수행되었다. 처리된 기판은 즉시 무전해 코팅조로 옮겨져 자기 촉매 산화환원 반응(autocatalytic redox reaction)을 통해 코팅되었다.Low carbon steel panels were machined to size 20 mm × 15 mm × 0.4 mm and polished with 1200 grit SiC abrasive paper. The polished panel was washed with acetone and rinsed with deionized water. It was then degreased in 10% NaOH (w/w) solution and etched in 10% H 2 SO 4 (v/v) solution for 10 min and 2 min, respectively. The substrate panels were properly rinsed with deionized water between each treatment step. All processes of surface treatment were performed at room temperature (25° C.). The treated substrates were immediately transferred to an electroless coating bath and coated through an autocatalytic redox reaction.

무전해 도금욕의 화학적 조성은 첨가되는 나노입자 외에는 기존 연구(D.R. Dhakal et al.; Surface & Coatings Technology 381 (2020) 125135)와 동일하게 준비하였다. 본 실시예에서 Sodium Dodecyl Sulfate (SDS)의 양은 0.05 gL-1을 취했다. 25℃에서 측정된 욕의 pH는 5.0이었고 도금 온도는 코팅 공정 전체에 걸쳐 80 ㅁ 2 ℃로 유지되었다. 세라믹 첨가제로는 시판되는 평균 입경 20nm의 Si3N4 나노 파우더를 사용하였다. 50 mL 욕 용액(bath solution)에 혼합되는 Si3N4 나노 분말과 SDS의 슬러리를 별도의 용기에 준비했다. 응집된 나노 분말 입자를 분산시키기 위해 1 시간 동안 초음파 처리하였다. 욕에 슬러리를 첨가하기 전에 기판과 코팅 사이의 우수한 접착력을 확보하기 위해 기판을 Ni-P로 10 분 동안 코팅했다. 욕에서 Si3N4 나노 분말의 농도는 0.4 gL-1이었다. 1 시간 코팅 공정 동안 250 rpm로 중단 없이 교반하였다. 비교를 위해 두 종류의 도금, 즉 Ni-P 복합체 및 Ni-P-Si3N4 복합체가 준비되었다.The chemical composition of the electroless plating bath was prepared in the same way as in the previous study (DR Dhakal et al.; Surface & Coatings Technology 381 (2020) 125135) except for the added nanoparticles. In this example, the amount of Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) was taken as 0.05 gL -1 . The pH of the bath measured at 25 °C was 5.0 and the plating temperature was maintained at 80 °C 2 °C throughout the coating process. As the ceramic additive, a commercially available Si 3 N 4 nanopowder having an average particle diameter of 20 nm was used. A slurry of Si 3 N 4 nanopowder and SDS mixed in a 50 mL bath solution was prepared in a separate container. It was sonicated for 1 hour to disperse the agglomerated nanopowder particles. Before adding the slurry to the bath, the substrate was coated with Ni-P for 10 min to ensure good adhesion between the substrate and the coating. The concentration of Si 3 N 4 nanopowder in the bath was 0.4 gL −1 . The stirring was continued at 250 rpm during the 1 hour coating process. For comparison, two types of plating, that is, a Ni-P composite and a Ni-P-Si 3 N 4 composite were prepared.

두 종류의 코팅 시편은 불활성 아르곤(Ar) 분위기에서 1 시간 동안 400 ℃에서 열처리되었다. 시편을 도금 및 열처리 조건에 따라 구별하기 위해 아래의 각 시편에 대해 아래와 같이 심벌을 채택하였다. The two types of coated specimens were heat treated at 400 °C for 1 hour in an inert argon (Ar) atmosphere. In order to distinguish specimens according to plating and heat treatment conditions, the following symbols were adopted for each specimen below.

1. Ni-P → Ni-P 코팅1. Ni-P → Ni-P coating

2. Ni-P-nSN → Si3N4 나노입자가 포함된 Ni-P 코팅2. Ni-P-nSN → Ni-P coating with Si 3 N 4 nanoparticles

3. Ni-P (H) → Ni-P 코팅 후 400 ℃에서 1 시간 동안 열처리3. Ni-P(H)→Ni-P coating, heat treatment at 400℃ for 1 hour

4. Ni-P-nSN (H) → Ni-P-nSN 코팅 후 400 ℃에서 1 시간 동안 열처리4. Ni-P-nSN(H)→Ni-P-nSN coating after heat treatment at 400℃ for 1 hour

<실험예><Experimental example>

1. 복합재의 표면 및 단면 특성1. Surface and cross-sectional properties of composites

도 1은 Ni-P 및 Ni-P-nSN 복합 코팅에 대한 코팅 표면과 단면도를 보여준다. Ni-P 매트릭스에 Si3N4 입자를 결합한 후 Ni-P-nSN 복합 코팅에서 형태 학적 외관은 크게 변하지 않았다(도 1a 및 c). 복합재 표면에서 관찰되는 결절(nodule)의 모양은 코팅의 균일성과 간결함을 나타낸다. 또한, 복합 코팅은 공동(cavity), 균열 또는 결절의 불규칙한 성장이 없기 때문에 결합된 나노입자가 니켈과 인의 코팅 메커니즘을 변화시키지 않았다. 표면 프로파일 테스트에 의해서도 복합 코팅의 평활도(smoothness)가 입증되었다. Ni-P 코팅의 경우 평균 거칠기(Ra) 값이 0.02 μm이고 Ni-P-nSN 복합 코팅의 경우 0.04 μm로서 크게 다르지 않았다(표 1).1 shows the coating surface and cross-sectional views for Ni-P and Ni-P-nSN composite coatings. After bonding the Si 3 N 4 particles to the Ni-P matrix, the morphological appearance did not change significantly in the Ni-P-nSN composite coating (Figs. 1a and c). The shape of the nodules observed on the composite surface indicates the uniformity and conciseness of the coating. In addition, the bonded nanoparticles did not change the coating mechanism of nickel and phosphorus because the composite coating did not have irregular growth of cavities, cracks or nodules. The smoothness of the composite coating was also verified by the surface profile test. The average roughness (R a ) value was 0.02 μm for the Ni-P coating and 0.04 μm for the Ni-P-nSN composite coating, which was not significantly different (Table 1).

도 1b와 도 1d에 나타낸 Ni-P 및 Ni-P-nSN의 단면 이미지는 각각 두 코팅의 균일성을 보여준다. Ni-P 복합 코팅의 두께(20.1μm) 및 Ni-P-nSN 복합 코팅의 두께 (20.3μm)는 모두 다 한 시간 동안 코팅되어 사실상 동일하다. 두 코팅의 유사한 코팅 두께는 나노입자의 존재가 욕의 촉매 활성에 영향을 미치지 않았음을 시사한다. 즉, Ni-P 코팅 과정에서 나노입자가 촉매 표면에 물리적으로 흡착되지만 촉매 표면에서의 Ni 이온의 환원이 나노입자의 존재에 의해 영향을 받지 않는다. 따라서 한 시간의 코팅 공정에서 코팅 두께는 두 코팅에서 거의 동일하다. The cross-sectional images of Ni-P and Ni-P-nSN shown in FIGS. 1b and 1d show the uniformity of the two coatings, respectively. The thickness of the Ni-P composite coating (20.1 μm) and the thickness of the Ni-P-nSN composite coating (20.3 μm) were both coated for one hour and were virtually identical. The similar coating thickness of the two coatings suggests that the presence of nanoparticles did not affect the catalytic activity of the bath. That is, during the Ni-P coating process, nanoparticles are physically adsorbed to the catalyst surface, but the reduction of Ni ions on the catalyst surface is not affected by the presence of nanoparticles. Therefore, the coating thickness in the one-hour coating process is almost the same for both coatings.

두 열처리 시편 모두 도금 후 열처리하지 않은(as-plated) 시편과 유사한 형태 학적 특성을 갖는 것으로 관찰되었다. 일반적으로 Ni-P 매트릭스에 세라믹 첨가제가 있으면 코팅 증착이 불규칙하게 일어난다. 따라서, Ni-P-Ceramic 복합 코팅 표면은 일반적으로 부적절하게 성장한 큰 결절(nodule), 결절 간 틈(inter-nodular gap), 크레이터(crater) 및 꼬임(kink)으로 구성되어 훨씬 거친 코팅 표면을 나타낸다. 열처리는 Ni 및 P 확산을 통해 구조를 재배열함으로써 표면의 평활화에 주로 영향을 미친다. 이러한 구조 재배열은 열처리 후 Ni-P-Ceramic 복합 코팅에서 코팅 두께를 어느 정도 감소시킨다. 그러나, 본 실시예에서는 열처리된 시편의 코팅 두께 감소가 관찰되지 않았다(표 1 참조). 코팅에 공극(void), 공동(cavity) 또는 부적절한 결절 성장이 없기 때문에 열처리로 인해 표면 요철이 눈에 띄게 변하지 않았다. Both heat-treated specimens were observed to have morphological characteristics similar to those of as-plated specimens after plating. In general, the presence of ceramic additives in the Ni-P matrix results in irregular coating deposition. Thus, Ni-P-Ceramic composite coating surfaces typically consist of large, improperly grown nodules, inter-nodular gaps, craters, and kinks, resulting in a much rougher coating surface. . Heat treatment mainly affects the smoothing of the surface by rearranging the structure through Ni and P diffusion. This structural rearrangement reduces the coating thickness to some extent in the Ni-P-Ceramic composite coating after heat treatment. However, in this example, a decrease in the coating thickness of the heat-treated specimen was not observed (see Table 1). There was no appreciable change in surface asperities due to heat treatment as there were no voids, cavities, or inappropriate nodule growth in the coating.

<표 1> 코팅 특성 파라미터<Table 1> Coating property parameters

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2. 비커스 경도2. Vickers hardness

Ni-P-nSN 코팅의 경도는 개선되지 않았고 오히려 기준 Ni-P 코팅에 비해 감소했다(표 1 참조). 입자-매트릭스 접착력은 경도 향상에 중요한 역할을 한다. 따라서, 비정질 코팅 매트릭스에서 Si3N4 나노입자의 약한 접착력이 소프트 복합 코팅을 생성하는 이유가 될 수 있다. 그러나, 열처리를 거친 코팅인 Ni-P (H) 및 Ni-P-nSN (H)의 경도는 도금 후 열처리하지 않은(as-plated) 시편에 비해 현저하게 향상되었다.The hardness of the Ni-P-nSN coating did not improve but rather decreased compared to the reference Ni-P coating (see Table 1). Particle-matrix adhesion plays an important role in improving hardness. Therefore, the weak adhesion of Si 3 N 4 nanoparticles in the amorphous coating matrix could be the reason for creating a soft composite coating. However, the hardness of Ni-P (H) and Ni-P-nSN (H) coatings that were subjected to heat treatment were significantly improved after plating compared to the as-plated specimens.

Ni-P(H)의 미세 경도 증가는 경질의 Ni3P 상으로 인한 석출 경화와 관련이 있으며, Ni-P-nSN (H) 코팅의 미세 경도는 결정립(Ni 및 Ni3P) 사이에 단단히 부착된 Si3N4 나노입자에 의해 더욱 증가된다. 열처리 후. 구조 변화 측면에서 Ni-P(H)와 비교하여 Ni-P-nSN(H)의 개선된 미세 경도에 대한 이해는 아래에서 논의할 것이다. The increase in microhardness of Ni-P(H) is associated with precipitation hardening due to the hard Ni 3 P phase, and the microhardness of Ni-P-nSN (H) coatings is firmly between grains (Ni and Ni 3 P). It is further increased by the attached Si 3 N 4 nanoparticles. after heat treatment. The understanding of the improved microhardness of Ni-P-nSN(H) compared to Ni-P(H) in terms of structural change will be discussed below.

3. 미세구조 및 상 분석3. Microstructure and Phase Analysis

(1) XRD 분석(1) XRD analysis

도금 후 열처리하지 않은(as-plated) Ni-P 및 Ni-P-nSN 시편과 열처리된 시편의 XRD 패턴은 도 2에 도시하였다. 도금 후 열처리하지 않은(as-plated) 두 코팅 시편에서 37ㅀ에서 55ㅀ에 이르는 넓은 피크는 코팅된 재료가 단주기(short-range) 초미세 나노 결정이거나 비정질임을 시사한다. 한편, 도금 후 열처리하지 않은(as-plated) 두 코팅 시편에서 다른 추가 회절 피크는 감지되지 않았다. 혼입된 Si3N4 나노입자와 관련된 피크는 뚜렷하게 나타나지 않았는데, 이는 본 실시예에 제공된 Si3N4 나노 분말이 단주기 결정성을 나타내고 코팅에 포함된 양이 X-선으로 검출하기에 충분하지 않기 때문인 것으로 보인다. Fiolek et al.은 크기가 15 ~ 30nm인 Si3N4 나노 분말에 대해 유사한 XRD 패턴을 보고했으며, 여기서 나노 분말의 확산된 SAED 고리 패턴도 관찰되었다. The XRD patterns of the as-plated Ni-P and Ni-P-nSN specimens and the heat-treated specimens after plating are shown in FIG. 2 . The broad peaks ranging from 37° to 55° in both coated specimens that were not as-plated after plating suggest that the coated material is short-range ultrafine nanocrystals or amorphous. On the other hand, no additional diffraction peaks were detected in the two coated specimens that were not heat treated after plating (as-plated). The peak related to the incorporated Si 3 N 4 nanoparticles did not appear clearly, indicating that the Si 3 N 4 nanoparticles provided in this example exhibit short-period crystallinity and the amount contained in the coating was not sufficient to detect by X-ray. seems to be because it is not. Fiolek et al. reported a similar XRD pattern for Si 3 N 4 nanopowders with sizes ranging from 15 to 30 nm, where a diffuse SAED ring pattern of the nanopowders was also observed.

Ni-P(H) 및 Ni-P-nSN(H) 시편에서 비정질 상이 결정질 상으로 변환되는 것을 알 수 있다. 코팅을 400 ℃에서 1 시간 동안 열처리하면 미세 구조상 비정질에서 결정질로 변한다. Ni-P 무전해 코팅 시스템의 상 구성과 Si3N4 나노입자의 영향에 대한 정보를 얻기 위해 Ni-P(H) 및 Ni-P-nSN(H)의 회절 데이터의 리트벨트 정제(Rietveld refinement)를 실시했다. 도 3은 리트벨트 정제 후 Ni-P(H) 및 Ni-P-nSN(H) 시편의 XRD 스펙트럼으로서, 정제 파라미터로부터 계산한 전체 회절 패턴은 실험적인 회절 패턴과 거의 일치함을 알 수 있다. 결정상의 날카로운 회절 피크는 Ni 및 Ni3P 나노입자에 대한 것이며, 다른 상은 관찰되지 않있다. 따라서, 리트벨트 정제는 400 ℃에서 1 시간 동안 열처리한 Ni-P 무전해 코팅 시스템이 각각 공간군 Fm-3mI-4를 갖는 순수한 Ni 및 Ni3P 상으로 구성되어 있음을 확인시켜 준다. 표 2에 정제의 결과를 제시했다. 정제의 높은 수렴성은 낮은 R 계수로 나타난다. Ni-P(H) 무전해 코팅 시스템의 Ni 및 Ni3P 결정 구조 각각의 격자 상수는 기존의 다른 연구에서 제시한 순수한 Ni 및 Ni3P 결정 구조의 격자 상수와 잘 일치한다. 그러나, Ni-P-nSN(H) 시스템에서 Ni 및 Ni3P 결정의 격자 상수와 단위 셀 부피가 감소했다. 격자 상수의 수축은 Ni-P-nSN(H) 시스템에 Si3N4 나노입자가 존재하기 때문이라고 여겨진다. Si3N4 나노입자가 없는 비정질 Ni-P 무전해 코팅의 열처리는 Ni 및 P 원자의 확산 및 재배열을 유도하여 Ni 및 Ni3P 결정상의 자유로운 입자 성장을 유도한다. 그러나, 도 4(a)에 도식적으로 나타낸 바와 같이 비정질 코팅층에 분산된 Si3N4 나노입자가 존재하면, 도 4(b)에 도시한 바와 같이 열처리 중에 Ni 및 Ni3P 입자 성장은 훨씬 제한된다. Ni 및 Ni3P 입자가 점점 더 커짐에 따라, 결합된 Si3N4 나노입자는 주변의 Ni 및 Ni3P 입자에 점점 더 많은 응력을 가하며, 그에 따른 두 가지 직접적인 결과가 예상될 수 있다. 첫째, Si3N4 나노입자의 잔류 응력으로 인해 Ni-P-nSN(H) 시스템에서 Ni 및 Ni3P 결정의 격자 상수가 감소하며 이는 리트벨트 정제를 통해 확인되었다. 둘째, Si3N4 나노입자는 결정립 사이에 일종의 단단한 결합 효과(tight binding effect)를 발생시켜 Ni-P-nSN(H) 코팅 시스템의 미세 경도 및 내마모성 거동과 같은 기계적 특성의 향상을 가져오는 조밀한 미세 구조를 생성한다. 따라서, 표 1에서 볼 수 있듯이 Ni-P(H) 코팅에 비해 Ni-P-nSN(H) 코팅의 미세 경도가 증가한 것은 Ni-P-nSN(H)에서 Ni 및 Ni3P 결정의 격자 상수가 감소했기 때문으로 볼 수 있다. It can be seen that the amorphous phase is converted into a crystalline phase in the Ni-P(H) and Ni-P-nSN(H) specimens. When the coating is heat treated at 400 °C for 1 hour, the microstructure changes from amorphous to crystalline. Rietveld refinement of the diffraction data of Ni-P(H) and Ni-P-nSN(H) to obtain information on the phase composition of the Ni-P electroless coating system and the influence of Si 3 N 4 nanoparticles. ) was carried out. 3 is an XRD spectrum of Ni-P(H) and Ni-P-nSN(H) specimens after Rietveld refining, and it can be seen that the overall diffraction pattern calculated from the refining parameters is almost identical to the experimental diffraction pattern. The sharp diffraction peaks of the crystalline phase are for Ni and Ni 3 P nanoparticles, no other phases are observed. Therefore, Rietveld purification confirmed that the Ni-P electroless coating system heat treated at 400 °C for 1 hour was composed of pure Ni and Ni 3 P phases with space groups Fm-3m and I-4 , respectively. Table 2 presents the results of purification. The high astringency of the tablets is indicated by a low R coefficient. The lattice constants of Ni and Ni 3 P crystal structures of the Ni-P(H) electroless coating system are in good agreement with those of pure Ni and Ni 3 P crystal structures presented in other previous studies. However, the lattice constant and unit cell volume of Ni and Ni 3 P crystals decreased in the Ni-P-nSN(H) system. The contraction of the lattice constant is believed to be due to the presence of Si 3 N 4 nanoparticles in the Ni-P-nSN(H) system. Heat treatment of amorphous Ni-P electroless coating without Si 3 N 4 nanoparticles induces diffusion and rearrangement of Ni and P atoms, leading to free grain growth of Ni and Ni 3 P crystal phases. However, when Si 3 N 4 nanoparticles dispersed in the amorphous coating layer are present in the amorphous coating layer as schematically shown in FIG . do. As the Ni and Ni 3 P particles become larger and larger, the bound Si 3 N 4 nanoparticles exert more and more stress on the surrounding Ni and Ni 3 P particles, and two direct results can be expected. First, the lattice constants of Ni and Ni 3 P crystals decreased in the Ni-P-nSN(H) system due to the residual stress of Si 3 N 4 nanoparticles, which was confirmed through Rietveld purification. Second, Si 3 N 4 nanoparticles generate a kind of tight binding effect between grains, resulting in improved mechanical properties such as microhardness and abrasion resistance behavior of the Ni-P-nSN(H) coating system. create a microstructure. Therefore, as can be seen in Table 1, the increase in microhardness of the Ni-P-nSN(H) coating compared to the Ni-P(H) coating was the result of the lattice constants of Ni and Ni 3 P crystals in Ni-P-nSN(H). This can be attributed to the decrease in

<표 2> 리트벨트 분석 후 계산된 Ni 및 Ni<Table 2> Ni and Ni calculated after Rietveld analysis 33 P 상의 결정 정보P-phase decision information

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(2) 복합 코팅의 TEM, HRTEM 및 SAED 패턴 분석(2) TEM, HRTEM and SAED pattern analysis of composite coatings

도 5에 열처리된 Ni-P-nSN(H)의 TEM, HRTEM 및 SAED 이미지를 도시했다. TEM, HRTEM and SAED images of Ni-P-nSN(H) heat treated in FIG. 5 are shown.

Ni 및 Ni3P 상의 결정립은 TEM 현미경 사진에서 명확하게 볼 수 있다(도 5(a) 및 (b)). 관찰된 결정립의 상을 확인하기 위해, 도 5(b)의 두 영역 1 및 2에서 제한시야 전자회절(selected area electron diffraction, SAED) 패턴을 분석했다. 결정립 1과 2에 해당하는 SAED 패턴은 각각 도 5(c) 및 (d)에 도시했다. 영역 1에서 격자 간격이 각각 0.205 nm 및 0.238 nm인 (111) 및 (200) 반사(reflection)가 얻어지며 이는 Ni 결정립에 해당한다. 유사하게, 영역 2는 격자 간격이 (101) 반사에 대해 0.397 nm이고 (310) 반사에 대해 0.286 nm인 Ni3P 상의 결정립으로 확인되었다. 또한, 도 5(e) 및 (f)의 HRTEM 이미지에서 결정면이 명확하게 관찰된다. 격자 간격 0.207 nm의 Ni 결정에 해당하는 (111)면이 HRTEM 이미지에서 발견되며 이는 SAED 패턴에서 얻은 것과 일치한다. 도 5(e)는 또한 Ni 결정면과 함께 Ni3P와 관련된 (141)면을 보여준다. HRTEM 및 SAED 패턴 분석 결과, 니켈 인화물(nickel phosphide)의 다른 준안정상은 관찰되지 않았다. 그 외에도 Ni 및 Ni3P 입자를 분리하는 인계면도 도 5(e)에서 볼 수 있다(적색 점선으로 표시됨). 그러나, 결정면은 계면의 일부 부분에서 겹치고 일부 부분은 Ni3P 결정과 관련될 것으로 생각되는 반결정성(semi-crystalline) 구조로 구성된다. 도 5(f)에 표시된 영역 2에서 촬영한 HRTEM 이미지는 Ni3P 상 결정립을 추가로 확인해 준다. 명확하고 정렬된 격자 평면이 나타나고(도 5(f) 참조) 그중 일부는 격자 간격이 각각 0.393 nm와 0.299 nm인 (101) 면 및 (121) 면으로 확인되었다. The crystal grains of the Ni and Ni 3 P phases can be clearly seen in the TEM micrographs (FIGS. 5(a) and (b)). In order to confirm the phase of the observed grains, a selected area electron diffraction (SAED) pattern was analyzed in both regions 1 and 2 of FIG. 5(b). The SAED patterns corresponding to grains 1 and 2 are shown in FIGS. 5(c) and 5(d), respectively. In region 1, (111) and (200) reflections with lattice spacing of 0.205 nm and 0.238 nm, respectively, are obtained, which correspond to Ni grains. Similarly, region 2 was identified as grains on Ni 3 P with grating spacing of 0.397 nm for (101) reflection and 0.286 nm for (310) reflection. In addition, the crystal plane is clearly observed in the HRTEM images of FIGS. 5(e) and (f). A (111) plane corresponding to a Ni crystal with a lattice spacing of 0.207 nm is found in the HRTEM image, which is consistent with that obtained from the SAED pattern. Fig. 5(e) also shows the (141) plane associated with Ni 3 P along with the Ni crystal plane. As a result of HRTEM and SAED pattern analysis, no other metastable phase of nickel phosphide was observed. In addition, a phosphorus interface separating Ni and Ni 3 P particles can also be seen in FIG. 5(e) (indicated by a red dotted line). However, the crystal planes overlap in some parts of the interface and some parts consist of a semi-crystalline structure, which is thought to be related to the Ni 3 P crystals. The HRTEM image taken in region 2 shown in FIG. 5(f) further confirms the crystal grains of the Ni 3 P phase. Clear and ordered grating planes appeared (see Fig. 5(f)), some of which were identified as (101) and (121) planes with grating spacings of 0.393 nm and 0.299 nm, respectively.

(3) 복합 코팅 미세 구조의 EDS 분석(3) EDS analysis of the composite coating microstructure

도 6에 EDS를 통해 분석된 Ni-P-nSN(H)의 원소 조성을 도시했다. 도 6(a)의 HAADF 이미지에서 작은 스페로이드(spheroid)는 열처리 후 발달한 결정립을 나타낸다. 또한, 원소 매핑 이미지(도 6(c) 및 (d))에서 뚜렷히 확인되는 Ni 풍부 영역 및 P 풍부 영역은 Ni 및 Ni3P의 나노 결정상의 형성을 시사한다. Ni 농도가 큰 P 결핍 영역은 Ni 결정립에 속하고 Ni에 비해 P 농도가 상대적으로 높은 영역은 Ni3P 결정립을 나타낸다. 명백히 Ni 결정립의 Ni 농도는 Ni3P 결정립의 Ni 농도보다 높습니다. Si의 EDS 매핑(도 6(b))은 Si3N4 나노입자가 결합되었음을 보여준다. 도금 욕에서 Si3N4 나노입자의 농도는 0.4 gL-1이다. 강화 나노입자의 부피 백분율은 복합 코팅에서 비슷한 비율이어야 한다. EDS 정량 매핑 결과에 따르면, Si 및 N의 중량%는 각각 0.9 중량% 및 1.3 중량%이다. 이 농도는 낮긴 하지만 Ni-P-nSN(H) 복합 코팅에서 Ni 및 Ni3P 결정 단위 셀의 수축을 유발하여 Ni-P(H) 코팅에 비해 미세 경도를 향상시키는데 있어서 중요하다. 6 shows the elemental composition of Ni-P-nSN(H) analyzed by EDS. In the HAADF image of FIG. 6( a ), small spheroids represent crystal grains developed after heat treatment. In addition, the Ni-rich region and the P-rich region clearly identified in the elemental mapping images (Figs. 6(c) and (d)) suggest the formation of nanocrystalline phases of Ni and Ni 3 P. A P-deficient region with a large Ni concentration belongs to Ni grains, and a region with a relatively high P concentration compared to Ni indicates Ni 3 P grains. Obviously, the Ni concentration of Ni grains is higher than that of Ni 3 P grains. EDS mapping of Si (Fig. 6(b)) shows that Si 3 N 4 nanoparticles are bound. The concentration of Si 3 N 4 nanoparticles in the plating bath is 0.4 gL −1 . The volume percentage of reinforcing nanoparticles should be similar in the composite coating. According to the EDS quantitative mapping result, the weight% of Si and N are 0.9% by weight and 1.3% by weight, respectively. Although this concentration is low, it is important for improving microhardness compared to Ni-P(H) coatings by causing shrinkage of Ni and Ni 3 P crystal unit cells in Ni-P-nSN(H) composite coatings.

또한, 두 코팅의 인(P) 함량은 약 11 중량%인 반면 Ni-P-nSN 코팅 표면의 산소 함량은 Ni-P 코팅 표면에 비해 감소한다. 따라서 코팅은 P 함량이 높은 코팅으로 볼 수 있으며 미세 구조가 도금 상태에서는 비정질이다. 시료를 고정하는 클립으로부터의 불순물과 욕에 있는 유기 화합물로부터 불순물이 나오기 때문에 철과 탄소도 증착된다. 코팅 내에 탄소 존재가 미치는 영향은 아래에서 살펴볼 것이다. In addition, the phosphorus (P) content of the two coatings is about 11% by weight, while the oxygen content of the Ni-P-nSN coating surface decreases compared to the Ni-P coating surface. Therefore, the coating can be viewed as a coating with a high P content, and the microstructure is amorphous in the plated state. Iron and carbon are also deposited as impurities come from the clips holding the sample and from organic compounds in the bath. The effect of the presence of carbon in the coating will be discussed below.

4. 코팅의 마찰 및 마모 거동4. Friction and wear behavior of coatings

(1) 마찰 계수(1) coefficient of friction

코팅 매트릭스에 결합된 나노입자의 효과를 살펴보기 위해 코팅의 마찰 및 마모 거동을 조사했다. 도 7은 도금 후 열처리하지 않은(as-plated) 시편 및 열처리된 시편 표면에 베어링 강구가 미끄러지는 동안 기록된 마찰 계수 (coefficient of friction, COF) 대 슬라이딩 시간의 플롯을 보여준다. 표면 거칠기는 코팅의 마찰 및 마모 거동에 직접적인 영향을 미치는 중요한 파라미터이다. 앞서 언급했듯이 도금된 코팅과 열처리된 코팅 모두 평균 거칠기 파라미터가 비슷하다. 따라서, 코팅 시편의 COF 및 마모 거동은 표면 요철이 아닌 순전히 재료 특성으로 인한 것으로 예상된다. 처음에는, 도금 후 열처리하지 않은(as-plated) 시편은 슬라이딩 첫 1 분 동안 COF 곡선이 유사한 진행을 보여준다. Ni-P 코팅에서 COF는 슬라이딩 시간이 1.2 분에 가까워질 때까지 계속 감소하고 나서 슬라이딩 시간 5분까지 거의 일정하게 유지되고, 이후 슬라이딩 프로세스가 끝날 때까지 곡선의 COF 값은 변화를 나타냈다. Ni-P(H) 시편에서도 COF 곡선이 유사한 경향을 나타냈다. 처음에 Ni-P(H)의 COF 곡선은 Ni-P보다 낮은 값에서 시작하여 슬라이딩 시간이 6 분을 넘을 때까지 Ni-P의 유사한 추세를 계속 따르며, 슬라이딩이 진행됨에 따라 슬라이딩 프로세스가 끝날 때까지 COF에 상당한 변동이 나타났다. 반면에, Ni-P-nSN 코팅은 처음에 더 높은 COF 값을 나타내지만 2 분이 지나서는 꾸준한 곡선을 나타낸다. Ni-P-nSN 복합체의 경도는 Ni-P 코팅의 경도보다 낮기 때문에 복합재가 제공하는 큰 마찰로 인해 연질 코팅이 곧바로 찢어질 수 있다. 슬라이딩 프로세스가 계속됨에 따라 부서진 코팅층에 파편이 형성되기 시작하여 COF가 감소한다. 복합 코팅에서 발생된 파편은 Si3N4 나노입자로 구성되어 Ni-P 코팅의 파편에 비해 COF를 더욱 낮춘다. 전형적인 COF 곡선은 Ni-P-nSN(H) 복합 코팅에서 관찰되는데, 처음에는 낮은 COF 값으로 시작하고 슬라이딩 프로세스의 진행에 따라 약간 증가한다. COF 값의 안정성은 2 분 후에 관찰되었으며 끝까지 유지되었다. 도 7을 보면 도금 후 열처리하지 않은 복합재 및 열처리된 복합재 모두 낮은 COF 값을 나타냈음을 알 수 있다. 2 분의 슬라이딩 후 일치하는 곡선은 나노입자 결합의 효과이다. To investigate the effect of nanoparticles bound to the coating matrix, the friction and wear behavior of the coating was investigated. 7 shows plots of the coefficient of friction (COF) versus sliding time recorded during the sliding of a bearing steel ball on the surface of an as-plated and heat treated specimen after plating. Surface roughness is an important parameter that directly affects the friction and wear behavior of coatings. As mentioned earlier, both the plated and annealed coatings have similar average roughness parameters. Therefore, it is expected that the COF and wear behaviors of the coated specimens are purely due to the material properties and not the surface irregularities. Initially, the as-plated specimens after plating show a similar progression in the COF curve during the first minute of sliding. In the Ni-P coating, the COF continued to decrease until the sliding time approached 1.2 min, and then remained almost constant until the sliding time of 5 min. Then, the COF value of the curve showed a change until the sliding process was finished. The COF curve also showed a similar trend in the Ni-P(H) specimen. Initially, the COF curve of Ni-P(H) starts at a lower value than that of Ni-P and continues to follow a similar trend for Ni-P until the sliding time exceeds 6 min, and as the sliding progresses, at the end of the sliding process There were significant fluctuations in COF. On the other hand, the Ni-P-nSN coating shows a higher COF value at first but a steady curve after 2 min. Since the hardness of the Ni-P-nSN composite is lower than that of the Ni-P coating, the high friction provided by the composite can lead to immediate tearing of the soft coating. As the sliding process continues, debris begins to form on the shattered coating, reducing the COF. The debris generated from the composite coating is composed of Si 3 N 4 nanoparticles, which further lowers the COF compared to that of the Ni-P coating. A typical COF curve is observed for Ni-P-nSN(H) composite coatings, starting with low COF values and increasing slightly as the sliding process progresses. The stability of the COF values was observed after 2 min and maintained until the end. 7, it can be seen that both the non-heat-treated composite material and the heat-treated composite material after plating exhibited low COF values. The matching curve after 2 min of sliding is the effect of nanoparticle binding.

(2) SEM 및 프로필러미터(Profilometer)를 통한 마모흔(wear scar) 분석(2) Analysis of wear scars through SEM and profilometer

도 8은 마모흔의 이미지와 해당 깊이 프로파일 플롯을 보여준다. 이미지에서 볼 수 있듯이 Ni-P-nSN의 마모흔 폭(~ 495 μm)은 Ni-P에서 형성된 마모흔 폭(~ 460 μm)보다 약간 더 크다. 마찬가지로, 평평한 표면에 대한 마모흔의 최대 깊이는 Ni-P보다 Ni-P-nSN에서 더 크다. Ni-P-nSN 코팅은 더 넓고 깊어진 마모흔(도 8(a) 및 (b))을 가지고, 마모흔 주변에 상대적으로 더 많은 마모편 축적이 일어난다. 따라서, Ni-P의 마모율(2.26 × 10-5 mm3N-1m-1)에 비해 Ni-P-nSN의 마모율(3.37 × 10-5 mm3N-1m-1)이 더 높다. 각 시편의 마모율은 다음 방정식을 사용하여 계산된다. 8 shows an image of a wear scar and a corresponding depth profile plot. As can be seen in the image, the wear scar width of Ni-P-nSN (~495 μm) is slightly larger than the wear scar width formed in Ni-P (~460 μm). Likewise, the maximum depth of wear scars on flat surfaces is greater for Ni-P-nSN than for Ni-P. The Ni-P-nSN coating has wider and deeper wear scars (Figs. 8(a) and (b)), and relatively more wear debris accumulation occurs around the wear marks. Therefore, the wear rate of Ni-P-nSN (3.37 × 10 -5 mm 3 N -1 m -1 ) is higher than that of Ni-P (2.26 × 10 -5 mm 3 N -1 m -1 ). The wear rate for each specimen is calculated using the following equation:

Figure pat00003
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여기서, V는 마모량(mm 3 ), S는 슬라이딩 거리(m), F는 적용된 수직 하중(N)이다. 모든 시편의 마모량과 마모율은 표 3에 기재했다.where V is the amount of wear ( mm 3 ), S is the sliding distance ( m ), and F is the applied vertical load ( N ). The wear amount and wear rate of all specimens are shown in Table 3.

대조적으로, 열처리된 시편은 향상된 내마모성 거동을 보여주었다. Ni-P(H) 및 Ni-P-nSN(H)의 마모율은 각각 0.39 × 10-5 mm3N-1m-1 및 0.07 × 10-5 mm3N-1m-1이었다. 도 9(a)와 (b)는 Ni-P (H) 및 Ni-P-nSN (H) 시편의 마모흔과 해당 깊이 프로파일 이미지를 나타내는데, 도금 후 열처리하지 않은(as-plated) 시편과 비교해 마모흔국의 폭과 깊이에서 적절한 감소를 나타내었다. 또한, 2개의 열처리 시편 중 Ni-P-nSN(H) 복합 코팅은 Ni-P(H) 코팅에 비해 내마모성이 향상되었음을 알 수 있다. 이러한 코팅 내마모성 거동의 개선은 Si3N4 나노입자의 존재에 의한 Ni 및 Ni3P 결정의 격자 상수 수축에 기인한다. In contrast, the heat treated specimens showed improved wear resistance behavior. The wear rates of Ni-P(H) and Ni-P-nSN(H) were 0.39×10 −5 mm 3 N −1 m −1 and 0.07×10 −5 mm 3 N −1 m −1 , respectively. 9(a) and (b) show the wear marks and corresponding depth profile images of Ni-P (H) and Ni-P-nSN (H) specimens, compared with the as-plated specimens after plating. Appropriate reduction was shown in the width and depth of the wear scar. In addition, it can be seen that the Ni-P-nSN(H) composite coating among the two heat treatment specimens has improved wear resistance compared to the Ni-P(H) coating. This improvement in coating abrasion resistance behavior is due to the shrinkage of the lattice constants of Ni and Ni 3 P crystals by the presence of Si 3 N 4 nanoparticles.

(3) 마모편의 특성 및 COF 및 마모율에 대한 마모편의 역할(3) Characteristics of wear fragments and the role of wear fragments on COF and wear rate

도금 후 열처리하지 않은(as-plated) 두 코팅의 마모흔 주변에는 시트 모양의 파편이 쌓인다(도 8(a) 및 (b)). 그러나 Ni-P-nSN 코팅의 시트 크기는 Ni-P 코팅에서보다 더 크고 대량으로 축적된다. 경도 측정 결과는 Ni-P-nSN 복합 코팅이 Ni-P 코팅보다 부드럽다는 것을 보여준다. 나노입자와 매트릭스의 접착력이 낮아서 나노입자의 존재 하에서 연질 코팅이 형성된 것으로 보인다. 슬라이딩 과정에서 소성 변형으로 인해 접촉면에서 많은 전위가 발생한다. 표면층에 전위 밀도가 계속 축적됨에 따라 슬라이딩 표면에 균열과 공극(void)가 생성될 수 있다. 복합 코팅 시스템에서 입자와 매트릭스의 접착력이 강하면 입자가 균열 전파를 방해한다. 그러나 입자가 매트릭스에 느슨하게 부착되면 단단한 입자 주변의 매트릭스의 소성 유동(plastic flow)이 공극을 생성한다. 균열 전파 및 공극 성장의 결합은 슬라이딩 과정에서 전단 응력이 계속 축적됨에 따라 하위 층(sub-layer)에서 떨어져 나올 수 있는 느슨한 마모 입자의 형성으로 이어질 수 있다. 균열 또는 공극의 결합은 하위 층의 강도를 슬라이더와 표면 사이의 계면에 가해지는 전단 응력보다 약하게 만들며, 이러한 방식으로 Ni-P-nSN 코팅에서 느슨하게 결합된 경질 Si3N4 나노입자는 코팅의 박리 및 시트 모양의 파편의 형성을 촉진시킬 수 있다. 따라서, Ni-P-nSN의 시트 형상 파편의 갯수는 Ni-P 코팅에 비해 높다. 파편 시트가 생성되자마자 일부는 슬라이딩 트랙의 두 표면 사이에 갇혀 작은 조각으로 부서질 수 있다. 결합된 나노입자를 포함하는 작은 파편의 롤링은 두 표면의 슬라이딩이 더 진행됨에 따라 Ni-P-nSN 복합 코팅의 COF를 감소시켰을 수 있다. 반면에, 두 열처리 시편은 경질의 Ni3P 침전물로 구성되어 결과적으로 코팅은 상대적으로 더 단단하다. 더 단단한 표면 상의 접촉 응력이 국부적인 전위 생성에 충분하다면, 전위의 연속적인 축적은 더 단단한 금속에 균열을 생성할 수 있다. 마모편을 형성하려면 많은 수의 균열이 생성되어야 하지만, 단단한 표면은 소성 전단 변형이 극히 적다. 따라서, 마모율(wear rate)은 부드러운 소재보다 단단한 소재에서 훨씬 낮다. 리트벨트 분석에 의해 제안된 바와 같이 Ni3P 석출 및 Si3N4 나노입자에 의해 변형 유도가 Ni-P-nSN (H) 시편의 경도를 향상시켰으며, 표면층의 손상 및 분리는 단단한 표면에서 더 느리다. 따라서, 열처리된 시편에서 더 적은 마모편이 발생한다. 열처리 후에 은 Ni-P(H) 코팅에 비해 더 단단한 코팅이 생성되기 때문에 Ni-P-nSN(H) 코팅은 Ni-P(H) 코팅에 비해 마모편이 훨씬 적다(도 9(a) 및 (b) 참조).After plating, sheet-shaped fragments are accumulated around the wear marks of the two coatings that are not heat treated (as-plated) (FIGS. 8(a) and (b)). However, the sheet size of the Ni-P-nSN coating is larger than that of the Ni-P coating and accumulates in large quantities. The hardness measurement results show that the Ni-P-nSN composite coating is softer than the Ni-P coating. The low adhesion between the nanoparticles and the matrix suggests that a soft coating was formed in the presence of the nanoparticles. Many dislocations are generated at the contact surface due to plastic deformation during the sliding process. As the dislocation density continues to accumulate in the surface layer, cracks and voids can be created in the sliding surface. In the composite coating system, the strong adhesion between the particles and the matrix prevents the particles from propagating cracks. However, when the particles are loosely attached to the matrix, the plastic flow of the matrix around the rigid particles creates voids. The combination of crack propagation and void growth can lead to the formation of loose wear particles that can dislodge from sub-layers as shear stresses continue to accumulate during the sliding process. The incorporation of cracks or voids makes the strength of the underlying layer weaker than the shear stress applied to the interface between the slider and the surface, and in this way the loosely bound rigid Si 3 N 4 nanoparticles in the Ni-P-nSN coating prevent delamination of the coating. and the formation of sheet-like fragments. Therefore, the number of sheet-like fragments of Ni-P-nSN is higher than that of Ni-P coating. As soon as a sheet of debris is created, some can become trapped between the two surfaces of the sliding track and break into small pieces. The rolling of small fragments containing bound nanoparticles may have reduced the COF of the Ni-P-nSN composite coating as the sliding of the two surfaces further proceeded. On the other hand, both heat-treated specimens consisted of hard Ni 3 P precipitates, resulting in a relatively hard coating. If the contact stress on the harder surface is sufficient to generate localized dislocations, then successive accumulation of dislocations can create cracks in the harder metal. Although a large number of cracks must be created to form wear flakes, hard surfaces exhibit very little plastic shear deformation. Thus, the wear rate is much lower for hard materials than for soft materials. As suggested by Rietveld analysis, Ni 3 P precipitation and strain induction by Si 3 N 4 nanoparticles improved the hardness of Ni-P-nSN (H) specimens, and damage and separation of the surface layer were slower Therefore, less wear fragments occur in the heat treated specimen. The Ni-P-nSN(H) coating has much less wear debris compared to the Ni-P(H) coating because after heat treatment a harder coating is produced compared to the silver Ni-P(H) coating (Fig. b) see).

<표 3> 각 시편의 마모 부피와 마모율<Table 3> Wear volume and wear rate of each specimen

Figure pat00004
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(4) 마모편의 라만 분석(4) Raman analysis of wear pieces

적층 박막의 구조적 및 화학적 특성은 라만 측정에 의해 광범위하게 특성화되며, 일례로 Ni 박막의 산화 거동을 이해하는데 라만 측정은 탁월한 도구이다. 그러나, 무전해 Ni-P 코팅 시스템을 분석하는데 거의 사용되지 않았다. 기존 연구에서는 실온에서도 Ni-P 무전해 코팅 시스템의 표면에 NiO층이 존재하는 것이 코팅 표면의 온도 의존적 라만 측정에 의해 밝혀졌다. 본 실시예에서는 마모편의 산화 거동을 연구하고 이를 정상 상태의 코팅의 특성과 구별한다. 마모 테스트 중에 마모흔 주위에 축적된 마모편의 라만 밴드가 도 10에 도시되어 있다. Structural and chemical properties of laminated thin films are extensively characterized by Raman measurements, and Raman measurements are an excellent tool for understanding the oxidation behavior of Ni thin films, for example. However, it has been rarely used to analyze electroless Ni-P coating systems. In previous studies, the presence of a NiO layer on the surface of the Ni-P electroless coating system even at room temperature was revealed by temperature-dependent Raman measurement of the coating surface. In this example, the oxidation behavior of the wear pieces is studied and differentiated from the properties of the coating in the steady state. The Raman bands of the wear pieces accumulated around the wear marks during the wear test are shown in FIG. 10 .

NiO 상에 해당하는 4 개의 밴드는 도금된 상태의 두 종류의 코팅 라만 스펙트럼 모두에서 볼 수 있다(도 10(a)). ~ 535cm-1, 800cm-1, 920cm-1 및 1090cm-1의 밴드는 각각 1 차 종방향 광학(LO) (first order longitudinal optical (LO) ) 모드, 2 차 횡방향 광학(2TO) (second order transverse optical (2TO)) 모드, 1 차 종방향 및 횡방향 광학 조합(LO + TO) 모드 및 2 차 종방향 광학(2LO) 모드에 대응한다. 열처리된 시편도 2LO 밴드를 제외하고 유사한 밴드를 보였으며 LO의 위치는 515cm-1로 약간 변하였다(도 10(a) 참조). 밴드의 이동 및 소멸은 코팅의 기존 결정성 거동과 관련이 있을 수 있다. 1350cm-1과 1580cm-1에서 나타나는 다른 밴드는 흑연질 탄소의 D 및 G 밴드로 식별된다. 이러한 밴드의 강도가 뚜렷하게 증가하면 흑연질 탄소가 열처리된 시편에서 더 정렬되어 있음을 시사한다. 흑연질 탄소의 격자 진동에서 발생하는 신호는 구조적 무질서의 정도에 대단히 민감하다. EDS 데이터에서 알 수 있듯이 탄소는 유기 화합물에서 공급되는 불순물로 무전해 Ni-P 코팅 시스템에 증착될 수 있다. 열처리는 불순한 유기 물질이 코팅에 탄소를 남기면서 가스 형태로 코팅에서 빠져나가도록 유도했을 수 있다. 따라서 흑연질 탄소 밴드는 열처리된 시편에서 더 깊게 나타난다. 흑연은 본질적으로 윤활성을 가져 마찰을 감소시킬 수 있다. 이러한 이유로 Ni-P(H) 코팅은 슬라이딩 초기 단계에서 Ni-P보다 상대적으로 낮은 COF를 나타낸다. 그러나, COF 대 시간 곡선(도 7)은 시간 경과에 따른 COF의 변동이 코팅의 파손에 기인해 들러붙은 마모편 및 공극에 의해 생긴 큰 장애물과 관련이 있음을 보여준다. 이와는 대조적으로, 나노입자가 결합된 복합 코팅에서는 다소 낮은 마찰이 관찰된다. 나노입자가 혼합된 파편은 슬라이딩 트랙에 달라붙는 대신 슬라이딩 표면 사이로 굴러 들어갔을 수 있다.Four bands corresponding to the NiO phase can be seen in both the plated Raman spectra of the two types of coatings (Fig. 10(a)). The bands of ~ 535 cm -1 , 800 cm -1 , 920 cm -1 and 1090 cm -1 are respectively a first order longitudinal optical (LO) mode, a second order longitudinal optical (2TO) (second order) transverse optical (2TO) mode, the primary longitudinal and transverse optical combination (LO + TO) mode, and the secondary longitudinal optical (2LO) mode. The heat-treated specimen also showed similar bands except for the 2LO band, and the position of the LO was slightly changed to 515 cm -1 (see Fig. 10(a)). The band shift and disappearance may be related to the existing crystalline behavior of the coating. The other bands appearing at 1350 cm -1 and 1580 cm -1 are identified as the D and G bands of graphitic carbon. A marked increase in the strength of these bands suggests that the graphitic carbons are more ordered in the annealed specimens. Signals from lattice vibrations of graphitic carbon are very sensitive to the degree of structural disorder. As the EDS data show, carbon can be deposited on the electroless Ni-P coating system as an impurity sourced from organic compounds. Heat treatment may have caused impure organic matter to escape from the coating in gaseous form, leaving carbon in the coating. Thus, graphitic carbon bands appear deeper in the annealed specimens. Graphite is inherently lubricious and can reduce friction. For this reason, the Ni-P(H) coating exhibits a relatively lower COF than that of Ni-P at the initial stage of sliding. However, the COF versus time curve (FIG. 7) shows that the variation in COF over time is associated with large obstacles caused by voids and adhered wear debris due to failure of the coating. In contrast, rather low friction is observed in the composite coating to which the nanoparticles are bonded. Debris mixed with nanoparticles may have rolled between sliding surfaces instead of sticking to the sliding tracks.

유사하게, 마모편의 라만 스펙트럼은 4 개의 NiO 밴드와 D 및 G 밴드를 일관되게 보여줍니다 (도 10(b) 참조). 도금 후 열처리하지 않은(as-plated) 시편과 관련된 파편은 표면에 나타나는 것과 똑같은 특성 밴드를 가지며 이는 코팅이 더 약하고 추가 산화 없이 쉽게 분리됨을 시사한다. 코팅에서 파편이 너무 일찍 분리되어, 지속적인 표면 슬라이딩에 의한 추가 산화가 일어나지 않았다. 반면, 열처리된(heat-treated) 시편에서 생성되는 미세한 파편은 다른 산화 거동을 보인다. 열처리된 시편의 파편 모두에서 LO 밴드의 급격한 상승이 관찰되는 반면 2TO 밴드는 사라졌다(도 9(a) 및 (b0 참조).Similarly, the Raman spectrum of the wear piece consistently shows four NiO bands and D and G bands (see Fig. 10(b)). After plating, the fragments associated with the as-plated specimens had the same characteristic bands that appeared on the surface, suggesting that the coating was weaker and separated easily without further oxidation. Debris detached from the coating too early, so further oxidation by continuous surface sliding did not occur. On the other hand, fine fragments generated from heat-treated specimens show different oxidation behaviors. A sharp rise in the LO band was observed in all fragments of the heat treated specimen, while the 2TO band disappeared (see Figs. 9(a) and (b0)).

요컨대, Ni-P 코팅 매트릭스에 대한 Si3N4 나노입자의 결합(incorporation)은 열처리 후 마모 방지에 효과적인 것으로 확인되었다. Ni-P-nSN(H) 코팅 시편에서 Ni 및 Ni3P 결정립의 성장 중에 나노입자에 의해 가해지는 변형(strain)은 Ni 및 Ni3P 결정의 격자상수의 수축을 야기했으며, 열처리 후 나노입자와 석출된 입자 사이의 접착력이 향상되어 Ni-P-nSN(H) 코팅의 경도 및 내마모성 거동과 같은 기계적 특성이 향상되었다. 또한, 라만 측정 결과에 따르면 열처리 된 시편에서 생성된 마모편의 산화 정도가 도금 후 열처리하지 않은(as-plated) 시편의 마모편에 비해 높은 것으로 나타났다. 또한, 1350cm-1과 1580cm-1의 라만 밴드는 무전해 Ni-P 코팅 시스템에서 Ni 및 P 원자 뿐만 아니라 유기 화합물로부터의 탄소 불순물도 자가 촉매(autocatalytic) 공정 중에 증착되는 것을 보여주었다. 열처리 후 불순물 탄소의 밴드 피크는 흑연질 탄소 재료처럼 더욱 뚜렷해졌다. In summary, it was confirmed that the incorporation of Si 3 N 4 nanoparticles to the Ni-P coating matrix was effective in preventing wear after heat treatment. Strain applied by nanoparticles during the growth of Ni and Ni 3 P grains in Ni-P-nSN(H) coated specimens caused shrinkage of the lattice constants of Ni and Ni 3 P crystals, and after heat treatment, the nanoparticles The mechanical properties such as hardness and abrasion resistance behavior of Ni-P-nSN(H) coatings were improved due to the improved adhesion between the particles and the precipitated particles. In addition, according to the Raman measurement results, the degree of oxidation of the wear fragments generated from the heat treated specimen was higher than that of the as-plated specimen after plating. In addition, the Raman bands of 1350 cm -1 and 1580 cm -1 showed that Ni and P atoms as well as carbon impurities from organic compounds were deposited during the autocatalytic process in the electroless Ni-P coating system. After the heat treatment, the band peak of the impurity carbon became more pronounced like the graphitic carbon material.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.The present invention is not limited to the above embodiments, but can be manufactured in various different forms, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can take other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. It will be understood that it can be implemented as Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (5)

(a) 니켈(Ni) 전구체, 인(P) 전구체 및 질화규소(Si3N4) 나노분말을 포함하는 도금액으로 금속 모재 표면에 무전해 도금을 실시해 Ni-P-Si3N4 복합 코팅층을 형성시키는 단계; 및
(b) 상기 Ni-P-Si3N4 복합 코팅층을 열처리하는 단계;를 포함하는
금속기지 복합재료(metal matrix composite, MMC) 코팅층의 제조방법.
(a) Electroless plating on the surface of a metal base material with a plating solution containing a nickel (Ni) precursor, a phosphorus (P) precursor, and a silicon nitride (Si 3 N 4 ) nanopowder to form a Ni-P-Si 3 N 4 composite coating layer making; and
(b) heat-treating the Ni-P-Si 3 N 4 composite coating layer; including
Method of manufacturing a metal matrix composite (MMC) coating layer.
제1항에 있어서,
상기 니켈(Ni) 전구체는 황산니켈(NiSO4·6H2O)이고,
상기 인(P) 전구체는 차아인산나트륨 (NaH2PO2·H2O)인 것을 특징으로 하는 금속기지 복합재료 코팅층의 제조방법.
The method of claim 1,
The nickel (Ni) precursor is nickel sulfate (NiSO 4 ·6H 2 O),
The phosphorus (P) precursor is sodium hypophosphite (NaH 2 PO 2 ·H 2 O) Method for producing a coating layer of a metal matrix composite material, characterized in that.
제2항에 있어서,
상기 도금액은,
황산니켈 25 gL-1, 차아인산나트륨 30 gL-1 및 질화규소 나노분말 0.4 gL-1를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합재료 코팅층의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The plating solution is
25 gL -1 of nickel sulfate, 30 gL -1 of sodium hypophosphite, and 0.4 gL -1 of silicon nitride nanopowder A method of manufacturing a coating layer for a metal matrix composite material.
제1항에 있어서,
상기 단계 (b)에서 불활성 분위기 하에서 400 ℃의 온도로 1 시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 금속기지 복합재료 코팅층의 제조방법.
The method of claim 1,
Method for producing a metal matrix composite coating layer, characterized in that heat treatment for 1 hour at a temperature of 400 ℃ under an inert atmosphere in step (b).
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조된 금속기지 복합재료 코팅층.A metal matrix composite coating layer prepared by the method of any one of claims 1 to 4.
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