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ISSN : 1225-7591(Print)
ISSN : 2287-8173(Online)
Journal of Korean Powder Metallurgy Institute Vol.26 No.5 pp.415-420
DOI : https://doi.org/10.4150/KPMI.2019.26.5.415

Effect of Sintering Additive and Composition on Cutting Performance of SiAlON

Jae-Hyeong Choia,b, Sung-Min Leea, Sahn Nahmb, Seongwon Kima*
aEngineering Ceramics Center, Korea Institute of Ceramic Engineering & Technology, Icheon, Gyeonggi-do 17303, Republic of Korea
bDepartment of Materials Science and Engineering, Korea University, Anam-dong, Seongbuk-gu, Seoul 02841, Republic of Korea
-

최재형: 학생, 이성민: 분원장, 남 산: 교수, 김성원: 책임연구원


Corresponding Author: Seongwon Kim, TEL: +82-31-645-1452, FAX: +82-31-645-1492, E-mail: woods3@kicet.re.kr
October 11, 2019 October 24, 2019 October 25, 2019

Abstract


SiAlON ceramics are used as ceramic cutting tools for heat-resistant super alloys (HRSAs) due to their excellent fracture toughness and thermal properties. They are manufactured from nitride and oxide raw materials. Mixtures of nitrides and oxides are densified via liquid phase sintering by using gas pressure sintering. Rare earth oxides, when used as sintering additives, affect the color and mechanical properties of SiAlON. Moreover, these sintering additives influence the cutting performance. In this study, we have prepared Ybm/3Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n (m = 0.5; n = 0.5, 1.0) ceramics and manufactured SiAlON ceramics, which resulted in different colors. In addition, the characteristics of the sintered SiAlON ceramics such as fracture toughness and microstructure have been investigated and results of the cutting test have been analyzed.



SiAlON의 절삭성능에 미치는 소결조제와 조성의 영향에 대한 연구

최 재형a,b, 이 성민a, 남 산b, 김 성원a*
a한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹센터
b고려대학교 신소재공학과

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy 10067065

    1. 서 론

    최근 우주항공, 발전소용 가스터빈의 국산화개발이 진 행되면서 Ni-계 합금인 내열초합금(HRSA, Heat Resistant Superalloy)이 관련부품의 고온 구조소재로 널리 사용되고 있다[1]. 특히, 내열초합금 중 Ni-Fe-Cr 합금으로 알려진 Inconel 718은 저열전도도, 고경도, 고온 내식성 등의 특성 을 지니며 우주항공 및 발전용 가스터빈의 부품으로 상당 부분 차지하고 있다[2]. 이에 난삭재에 해당하는 내열초합 금의 적합한 가공을 위해 절삭공구의 개발 수요도 증가하 고 있으며 국내 절삭공구 개발은 피삭재 종류 및 가공 용 도에 따라 대표적으로 코팅초경, cBN, SiAlON 세라믹스 등에 집중되어 있다. 이 중에서 SiAlON 세라믹스의 경우 에는 빠른 절삭가공속도에 의해 발생되는 고온의 환경에 서 우수한 열적 특성 및 파괴인성을 지니고 있어서 산업 적으로 널리 사용되고 있다.

    SiAlON은 Si-Al-O-N계의 고용화된 oxynitride로 Si3N4 의 (Si-N) 결합에 (Al-O) 결합과 (Al-N) 결합이 부분적으 로 치환된 고용체(solid solution) 세라믹스 소재이다[3]. SiAlON은 경도와 관련된 α-SiAlON, 파괴인성과 관련되는 β-SiAlON, 액상 소결 과정에서 잔류된 유리상이 미세구조 내에 존재하고 각 상의 비율이나 형상이 SiAlON 세라믹 스의 기계적, 화학적 특성을 결정한다[4]. 특히, 미세구조 내에서 β-SiAlON은 조성설계나 공정조건에 따라서 이방 입성장(anisotropic grain growth)이 일어나 파괴인성의 향 상을 기대할 수 있으며 치환되는 Al2O3의 함량에 따라 고 온에서의 화학적 안정성을 향상시킬 수 있다[5]. 이에 SiAlON 절삭공구 재종은 절삭가공의 속도, 절삭가공의 조 건, 피삭재의 기계적, 열적 특성 따라서 조성설계를 β- SiAlON 단일조성 또는 α-/β-SiAlON 복합조성으로 분류 된다.

    SiAlON의 치밀화는 Si-/Al- 계 질화물과 산화물 외에 소 결조제로 희토류 산화물 등이 혼합되어 액상소결을 통해 제조되며[6], 선행연구에서는 소결조제인 Yb2O3가 치밀화 과정에서 환원이 되어 소결체의 색상, 기계적 물성 및 미 세구조 에 영향을 미치는 것을 확인하고[7], 질화규소 함 량이 낮아짐에 따라 액상소결에 의한 치밀화가 불안정하 여 소결체의 물성과 색상구현의 균일성이 낮아지는 것을 고찰하였다[8]. 본 연구에서는 소결 분위기로부터 소결조 제인 Yb2O3의 환원과 낮은 액상분율에 의해 불균일한 색 상 및 기계적 물성이 저하된 SiAlON 절삭공구와 비교적 안정적인 치밀화를 통해 색상구현이 균일하게 이루어진 SiAlON 절삭공구의 미세구조 및 파괴인성을 평가하였으 며 절삭시험결과를 통해서 조성과 소결조제의 환원 및 환 원제어가 공구의 절삭성능에 미치는 영향을 비교 분석하 였다.

    2. 실험 방법

    본 연구에서는 α-/β-SiAlON 혼합 조성으로 Ybm/3Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n(m=0.5, n = 0.5, 1.0)의 두 조성으로 소결 체를 준비하고 절삭시험 후 절삭면에 대한 고찰을 하였다. 원료는 Si3N4(UBE-E10, UBE Ind., Japan), AlN(E-grade, Tokuyama, Japan), Al2O3(AES 11, Sumitomo, Japan), Y2O3(99.99%, Kojundo Chemical Laboratory Co., Japan), Yb2O3(99.99%, Kojundo Chemical Laboratory Co., Japan) 를 사용하였다. 원료의 칭량 후 분산을 위해서 용매로는 무수에탄올을 사용했으며 분산제(Elvacite 2028, Lucite International)를 첨가하여 직경 10 mm의 알루미나 볼과 함 께 24시간 볼밀하여 슬러리를 제조하였다. 혼합공정 후 슬 러리의 건조는 산소의 유입이 없는 고순도 질소의 분위기 에서 불활성 폐쇄시스템(Inert loop, B-295, BÜCHI)이 연 결된 분무건조기(Mini spray drier, B-290, BÜCHI)를 사용 하여 진행하였다. 건조가 완료된 과립은 20 MPa의 일축 가압성형하고 150 MPa의 압력으로 냉간 등방압 가압성형 (Cold isostatic pressing)을 하였다. 성형체의 탈지를 위해 450°C에서 30 분동안 열처리하였다. 치밀화는 가스압소결 (GPS, Gas Pressure Sintering)를 이용하여 10 bar의 N2 가 압분위기에서 1820°C의 소결온도로 90분 동안 유지하여 진행하였다.

    제조한 SiAlON 세라믹스는 소결조제의 환원제어 및 Si3N4 함량에 따라서 색상이 불균일한 green 세라믹스 한 가지, 균일한 색상구현이 된 brown 세라믹스 두 가지로 총 세 가지 소결체를 준비하였고 조성과 함께 Table 1에 정리하였다. 시편 A1은 m=0.5, n=0.5 조성계로 높은 Si3N4 함량에 의해 비교적 액상분율이 높으며 낮은 액상형 성온도를 가져서 치밀화가 균일하게 이루어지고 소결조제 의 환원을 제어하지 않은 brown 소결체이다. 시편 B1은 A1과 동일한 m 값을 가지고 n=1.0인 조성계로 액상소결 과정에서 조성설계에 따라서 낮아진 액상분율로 액상형성 온도가 높아져 치밀화가 균일하게 이루어지지 못 한 소결 체이다. 시편 B2의 경우에는 B1과 동일한 조성계이나 소 결조제의 환원 현상을 제어하여서 치밀화 및 색상구현을 균일하게 재현한 brown 소결체이다. 준비된 세라믹스는 표면연마를 하고 비커스 경도 시험기(HV-114, Mitutoyo Corporation, Japan)를 사용하여 ISO 14627:2012의 규격에 규정된 절차에 따라 파괴인성을 평가하였으며 다음의 식 을 통하여 계산하여 나타내었다.

    K I , I F R = 0.000978 ( E H V ) 0.4 ( p c 1.5 )
    (1)

    • E: 탄성계수(GPa), HV: 경도(GPa), P: 적용된 하중(N), c: 균열 길이의 반(μm)

    세라믹스의 미세구조는 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, JSM-6390, JEOL, Japan)의 SE(secondary electron) mode를 이용하여 관찰하였다. 절삭시험은 절삭 속도(Vc)=250 m/min, 날 당 이송(fn)=0.2 mm/rev, 절입량 (ap)=2.0 mm 조건으로 세 가지 세라믹스 모두 습식가공으 로 1분, 4분 동안 진행하였으며 Fig. 1에 나타내었다. 절삭 시험이 마친 시편은 에칭 처리를 하였으며 광학현미경 (Optical Microscope, Nikon Digital Sight DS-Fi2, Nikon Corporation, Japan)으로 절삭면을 관찰하였다. 절삭공구의 마모량은 Image J를 사용하여 면적계산하였으며 절삭성능 결과를 다음의 식을 통하여 계산하여 나타내었다.

    Metal removal rate, Q (cm 3 /min) = V c  x a p  x f n
    (2)

    • Vc: 절삭속도(m/min), ap: 절입량(mm), fn: 날 당 이송(공 구가 회전당 이송된 양, mm/rev)

    Total metal removed, Q total  (cm 3 ) = Q x time (min)
    (3)

    • Q: 소재제거율(cm3/min)

    3. 결과 및 고찰

    선행 연구를 통해서 Si-Al-O-N계에 소결조제인 Yb2O3 의 환원제어와 Si3N4 함량에 따라서 소결체 형상구현이 달 라지는 Yb-SiAlON 세라믹스의 특성관찰을 하였다. 본 연 구에서는 Ybm/3Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n의 조성계에서 동일한 m 값을 가지며 n 값의 증가에 따라 변하는 Si3N4의 함량 과 Al2O3의 함량이 세라믹스의 절삭성능에 미치는 영향을 고찰하였다. 또한 동일한 m 값과 n 값을 가지는 SiAlON 세라믹스의 경우에 Yb2O3의 환원 제어에 따라 색상 및 파 괴인성이 다르게 나타나는 두 가지 세라믹스의 파괴인성, 미세구조, 절삭성능 평가를 하였다. Fig. 2에는 A1/B1/B2 의 파괴인성 평가결과와 압흔 크기 및 균열(crack)의 관찰 이미지를 정리하였다. A1의 경우에는 높은 Si3N4 함량에 의해 비교적 높은 액상분율로 균일한 치밀화를 통해 높은 파괴인성이 구현된 것으로 보인다. B1은 앞서 언급한 바 와 같이 Si3N4 함량이 A1에 비해 낮은 조성이고 소결조제 인 Yb2O3의 환원제어가 되지 못 한 세라믹스이다. 액상소 결 과정에서 불균일한 치밀화를 통해서 낮은 파괴인성이 구현된 것으로 사료된다. B2는 선행연구를 통해서 액상형 성온도를 감소시키고 소결조제의 환원제어가 되어 높은 파괴인성이 관찰되는 세라믹스이다[7, 8]. Si3N4 기반으로 제조되는 SiAlON 세라믹스의 경우 파괴인성이 증가하는 이유는 미세구조 내에 β-SiAlON의 형상과 밀접한 관계가 있으며[9], A1과 B1, B2의 미세구조 관찰 결과를 Fig. 3에 나타내었다. A1의 경우에는 Fig. 3(a)에서 확인할 수 있듯 이 미세구조 내에 β-SiAlON의 분포가 상대적으로 균일하 며 이방입성장이 이루어진 것을 알 수 있다. Fig. 3(b) 에 서는 β-SiAlON의 분포가 불균일하며 이방성 결정립 성장 이 원활히 이루어지지 않은 B1을 확인 할 수 있다. 또한, Fig. 3(c)을 통해서 B1과 동일한 조성계이나 소결조제의 환원 제어를 통해서 원활하게 이방입성장이 진행되고 분 율이 증가한 β-SiAlON을 관찰할 수 있다. 세라믹스 절삭 공구의 경우 마모가 감소할수록 향상된 성능발휘를 할 수 있으며 절삭속도, 온도, 습도 등이 마모 특성의 변수가 된 다[10]. 이러한 변수를 통해서 세라믹스 절삭공구와 피삭 재 사이에서 발생하는 마모는 피삭재의 성분이 세라믹스 로 확산됨에 따라 나타나지만[11] 근본적으로 절삭시험 과 정에서 빠른 절삭속도에 의해서 발생되는 마찰과 하중에 의해 세라믹스가 파손되지 않는 것이 가장 중요하다[12]. 따라서 세라믹스 절삭공구의 경우 열적, 화학적 특성을 제 어 하기 전에 기계적 특성의 확보가 중요함을 알 수 있다. 이를 통해 조성설계를 통한 파괴인성의 결과를 참고하여 습식의 조건에서 절삭시험을 실시하여 관찰결과를 분석하 였다.

    Fig. 4는 A1과 B1, B2를 1 분 동안 절삭시험 한 후 절 삭면을 광학현미경으로 관찰한 결과이다. A1의 경우에는 Fig. 4(a)를 통해 확인할 수 있으며 공구 경사면(rake face) 에서 크레이터 마모(crater wear)가 관찰되지 않으며 여유 면 마모(flank wear)가 균일하고 일정한 형상으로 관찰되 었다. Green 소결체인 B1의 경우에는 Fig. 4(b)에서 확인 할 수 있듯이 공구 경사면에서 크레이터 마모가 확인되었 고 불균일한 여유면 마모가 미약하게 관찰되었다. B2의 경우에는 Fig. 4(c)에서 확인할 수 있으며 앞서 B1과 다르 게 크레이터 마모가 관찰되지 않으며 균일하고 일정한 형 상의 여유면 마모가 미약하게 관찰되고 A1과 유사한 마모 현상을 보였다. 크레이터 마모는 고속 절삭할 때 피삭재로 부터 연속된 칩이 발생되어 인선 윗면의 손상에 의해 발 생된다. 이는 인선의 결손을 유도하며 공구의 수명을 단축 시키는 것으로 알려져 있다. 이를 통해 질화규소 함량이 낮거나 소결조제인 Yb2O3의 환원으로 인해 치밀화가 안 정적이지 못한 경우에는 1분의 절삭시험 결과일지라도 절 삭공구와 피삭재 사이에서 발생되는 마찰과 하중에 상당 히 취약한 것을 확인할 수 있다.

    Fig. 5는 4분 동안 절삭시험 한 후 절삭면을 관찰한 결 과이며 1분 절삭시험과 동일한 절삭조건 및 세라믹스로 진행되었다. B1의 경우에는 절삭시험 진행 중에 파손이 되어 그림을 통해 확인이 불가능하였다. 4 분의 절삭시험 과정에서 B1이 파손된 이유는 Fig. 2에서 확인할 수 있듯 이 낮은 파괴인성을 가지며 Fig. 3(b)에서 확인할 수 있듯 이 β-SiAlON의 함량이 낮고 이방성 성장이 아닌 등방성 성장이 되어 미세균열(micro crack)의 전파로부터 큰 입자 탈락이 발생되어 4분의 절삭과정에서 파손이 발생된 것으 로 사료된다[13]. A1은 Fig. 5(a)를 통해서 알 수 있듯이 1 분 절삭시험 결과보다 마모가 두드러지게 진행되었으며, 특히 여유면 마모 부위에서 절삭공구 표면의 결손 형상이 거칠게 확인되었다. B2의 경우에는 Fig. 5(b)에서 확인할 수 있듯이 A1에 비해서 깔끔한 여유면 마모가 관찰되고 인선 마모가 관찰되지만 크레이터 마모는 관찰되지 않는 다. A1과 B2의 4분 절삭시험 관찰결과를 통해서 마모의 정도는 차이가 존재하지만 공통적으로 피삭재로부터 확산 에 의해 마찰마모(abrasive wear)가 두드러지게 관찰이 되 었다. A1의 경우에는 Fig. 1를 통해서 확인할 수 있듯이 B1 보다는 높은 파괴인성이 확인되는 소결체이다. 따라서 4분의 절삭시험 과정에서 A1이 파손되지 않은 이유는 절 삭가공 중에 세라믹스와 피삭재 사이에서 발생하는 화학 적 현상에 앞서 높은 기계적 물성에 의해 피삭재로부터 발생하는 마찰과 하중에서 견딜 수 있었기 때문이라고 사 료된다. 또한 다른 조성계의 brown 소결체인 B2에 비해 높은 Si3N4 함량과 낮은 Al2O3 함량에 의해 내열초합금의 Ni, Fe, Cr 등의 금속성분이 세라믹스로 확산되는 현상에 상대적으로 취약하다[12]. 이는 내열초합금에서 확산되어 발생한 부착층(adhesion layer)로부터 지속적인 마찰과 고 온의 환경, 하중에 의해 절삭공구의 표면에서 발생되는 미 세균열의 전파가 B1에 비해 이방입성장된 β-SiAlON의 결 정립계를 따라서 빠르게 이루어져 파손은 되지 않았으나 절삭가공 과정에서 화학적, 열적 특성에서 B2에 비해 취 약하기 때문에 거칠게 마모된 마찰마모에 많은 영향을 주 었을 것으로 사료된다[12-14]. 또한 절삭과정에서 B2에 비 해 많은 마모가 발생함에 따라 파손된 절삭공구의 파편이 나 칩에 의해 크레이터 마모가 더욱 심하게 진행된 것으 로 사료된다. B2의 경우에는 Fig. 5(b)를 통해서 확인할 수 있으며 균일하게 마찰마모가 진행되었으며 공구 경사면에 서의 마모가 두드러지게 관찰되지 않는다.

    Fig. 6은 A1과 B2의 절삭성능 평가 결과 데이터이다. x 축의 경우에는 실험방법에서 소개한 식 (3)에 의한 값으로 정의하였다. y축의 경우 절삭시험 후 Fig. 4과 Fig. 5의 광 학현미경 자료를 통해 여유면 마모를 면적계산한 값이다. 절삭공구의 마모량을 도출하는 방법은 절삭시험을 통해 칩 배출량과 함께 계산이 이루어지지만 본 연구에서는 원 활한 칩 회수가 이루어지지 못 하여 Image J를 통해서 마 모량 정도를 추정하였다. 1분 절삭시험 시에 제거된 100 cm3 의 축을 통해 확인할 수 있듯이 A1과 B1, B2의 경우 마모의 차이가 크지 않으나 4 분 절삭시험의 결과를 통해서 파손되지 않은 A1의 경우에는 Fig. 5의 광학현미 경 자료를 참고하여 B2에 비해 많은 마모가 발생한 것으 로 관찰된다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 Ybm/3Si12-(m+n)Alm+nOnN16-n(m=0.5, n=0.5, 1.0)의 두 조성을 지니는 Si-Al-O-N계에 소결조제로 희토 류 산화물인 Yb2O3을 사용하여 세 가지 세라믹스를 준비 하였다. 소결조제의 환원 정도와 조성설계 및 치밀화 정도 에 따라 다르게 관찰되는 SiAlON 세라믹스의 색상, 기계 적 물성, 미세구조 및 절삭성능을 평가하였다. 이를 통해 서 소결조제의 환원이 제어되지 않으며 조성설계를 통해 낮은 액상분율을 가지는 세라믹스의 경우 절삭성능이 현 저히 저하되는 것을 확인하였다. 안정적인 치밀화 가 이루 어져 색상구현이 된 세라믹스 경우에는 높은 파괴인성과 미세구조 내에 β-SiAlON의 함량 및 형상을 통해서 내열 초합금 사이에서 발생되는 마모로부터 절삭성능 향상되는 것을 확인하였다. 또한 조성계에 따라서 Si3N4 함량이 낮 고 Al2O3 함량이 높아서 치밀화가 어려운 세라믹스의 경 우에는 안정적인 치밀화 제어를 통해 세라믹스의 내마모 성이 두드러지게 향상되는 것을 확인하였다.

    감사의 글

    본 연구는 산업통상자원부의 미래성장동력 기술개발사 업의 첨단공구고도화(과제번호 10067065)의 연구비 지원 으로 수행되었으며 이에 감사드립니다.

    Figure

    KPMI-26-5-415_F1.gif
    A schematic of geometry of cutting test.
    KPMI-26-5-415_F2.gif
    (a) Fracture toughness values under 20 kgf of SiAlON ceramics and optical images from indentation fracture test of experimental compositions; (b) A1, (c) B1 and (d) B2.
    KPMI-26-5-415_F3.gif
    (Scanning electron microscope) micrographs in SE (secondary electron) mode of SiAlON ceramics; (a) A1, (b) B1 and (c) B2.
    KPMI-26-5-415_F4.gif
    OM(Optical microscope) images of SiAlON ceramics from the cutting test for 1 min; (a) A1, (b) B1 and (c) B2.
    KPMI-26-5-415_F5.gif
    OM(Optical microscope) images of SiAlON ceramics from the cutting test for 4 min; (a) A1 and (b) B2.
    KPMI-26-5-415_F6.gif
    Relationship between the tool flank wear and total metal removed during the machining of Inconel 718 at 1 min and 4 min about SiAlON ceramics (A1 and B2).

    Table

    Compositions and colors of SiAlON ceramics used in this study

    Reference

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