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문제 정의
- 본 연구에서는 부식분위기에서 보다 우수한 수명을 갖는 세라믹 베어링의 개발을 위하여, 현재 세라믹 베어링용 소재로 적용중인 질화규소세라믹 소재의 시편 1종과 알카리 용액에 대하여 비교적 안정한 산화물인 지르코니아세라믹 시편 2종을 준비하여 각각의 내식성 및 구름마모 특성을 조사하였다.
제안 방법
- 부식실험을 실시한 후에 시편의 경도변화, SEM에 의한 조직관찰, X-RD에 의한 결정구조 해석을 실시하였다. 경도측정은 일본 Akashi사의 DMH-2를 사용하였으며 측정하중은 200 g으로 하였고, 유지시간은 5초로 하였다. 표면에 경화처리를 실시한 제품 등의 경우는 즉 정하중을 작게하면 경도값이 크게 나타나는 경향[5] 이 있으며 200g의 측정하중은 세라믹 제품을 측정하는 경우에는 흔히 사용되는 방법은 아니지만, 측정 하중을 작게하여 Indentor의 압입깊이를 작게하므로써 부식실험후 시편 표면에 형성된 부식층만의 특성이 효과적으로 나타날 수 있게 하였다.
- 구름마모실험은 각각의 시편에 대하여 부식실험 전과 후에 2시간씩 실시하였고, 시편수는 3개씩 실시하였다. 시험기는 일본 MORI제작소에서 제작한 MJ Type 구름피로수명시험기로 실시하였으며, Fig.
- 76GPa 의 칙대접촉응력(Hertzian stress)을 야기하게 된다. 마모실험시 윤활은 세라믹시편을 고정하고 있는 부위에 기계유 ISO VG 10을 주입하여 윤활이 되도록 하였다. 구름마모실험을 실시한 시편은 표면형상을 측정하므로써 구름접촉에 의한 시편의 마모량을 구하였으며, 표면형상측정기는 영국 Taylor Hobson사의 Form Talysurf를 사용하였다.
- 부식실험 전과 후의 각각의 시편을 MJ Type 구름 피로 수명시험기로 구름마모실험을 실시하였으며 , 시편과 강구가 구름접촉한 부위의 표면형상 측정결과를 Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7, 에 각각 나타내었다. 그림에 나타난 바와 같이 질화규소재 시편 A와 지르코니아 재 시편 B는 부식실험 전에는 접촉부의 마모가 발생하지 않았으나, 부식실험 후에는 모든 시편의 접촉부에서 마모가 발생하였으며 마모분에 의해 윤활유가 짙은색으로 변하였다.
- 부식실험을 실시한 후에 시편의 경도변화, SEM에 의한 조직관찰, X-RD에 의한 결정구조 해석을 실시하였다. 경도측정은 일본 Akashi사의 DMH-2를 사용하였으며 측정하중은 200 g으로 하였고, 유지시간은 5초로 하였다.
- 모든 시편은 정수압성형 (CIP)에 의해 성형하였으며, Sinter- HIP 방법으로 소결하였다. 소결된 각각의 시편은 Φ48mm(외경)Φ25 mm(내경)×5 mm(두께)의 치수로 연마한 후에 표면거칠기가 0.02μmRa 이하가 되도록 정밀가공을 실시하였다.
- 원료 및 제조공정을 달리하여 제작한 3가지의 세라믹 베어링용 소재에 대하여 90±2℃의 NaOH 25 wt% 수용액에 15일간 침적하여 부식실험을 실시하고, 부식실험 전·후 각각의 시편에 대하여 구름 마모실험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 시편은 대한중석초경(주)에서 제조한 것으로 종류 및 특성을 Table 1에 나타내었다. 시편 A는 A1O3 와 Y2O3를 소결 첨가제로 하여 제조한 질화규소 소재이며 현재 세라믹베어링 소재로 상용화 되어 있는 제품이다.
- 나타내었다. 시편 A는 A1O3 와 Y2O3를 소결 첨가제로 하여 제조한 질화규소 소재이며 현재 세라믹베어링 소재로 상용화 되어 있는 제품이다. 시편 B는 파괴인성이 크고, 경도도 비교적 높은 지르코니아 재질로써 Y2O3 를 사용하여 안정화시킨 정방정지르코니아다결정체(3Y-TZP)이다.
- 시험기는 일본 MORI제작소에서 제작한 MJ Type 구름피로수명시험기로 실시하였으며, Fig. 1에 시험기의 개략도를 나타내었다. 실험의 원리는 Fig.
- 1에 시험기의 개략도를 나타내었다. 실험의 원리는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 고정된 세라믹 시편위를 등급 10을 만족하는 3개의 9.525 mm 강구가 일정한 궤도를 구름운동하면서 회전하는 형태로, 시편 위의 강구를 회전시키는 주축의 회전수는 LOOOrpm이며, 1 시간 동안 시편에 가해지는 반복접촉횟수는 9×104 cycle이 된다. 세라믹 시편에 인가되는 하중은 하중 추에 의해 가해지며, 본 실험에서 인가한 하중은 980 N이었다.
이론/모형
- 마모실험시 윤활은 세라믹시편을 고정하고 있는 부위에 기계유 ISO VG 10을 주입하여 윤활이 되도록 하였다. 구름마모실험을 실시한 시편은 표면형상을 측정하므로써 구름접촉에 의한 시편의 마모량을 구하였으며, 표면형상측정기는 영국 Taylor Hobson사의 Form Talysurf를 사용하였다.
- 시편 C는 3Y-TZP 소결체의 단점인 저온 열화현상을 억제시키기 위해 시편 B의 원료에 CeO2를 5wt% 첨가하여 제조한 소재이다[4]. 모든 시편은 정수압성형 (CIP)에 의해 성형하였으며, Sinter- HIP 방법으로 소결하였다. 소결된 각각의 시편은 Φ48mm(외경)Φ25 mm(내경)×5 mm(두께)의 치수로 연마한 후에 표면거칠기가 0.
성능/효과
- 1. Al2O3> Y2O3를 소결조제로 하여 Sinter-HIP에 의해 제조한 질화규소 소재는 고온의 알카리 용액에 의해 결정조직이 침식되어 다공성의 구조로 변화하였으며, 이로인한 내하중능력의 저하로 구름 마모실험 시 접촉부의 심한 마모가 발생하였다.
- 2. Y2O3를 사용하여 안정화시킨 정방 정 지르코니아다 결정체 (3Y-TZP)는 고온의 알카리용액 내에서 결정상 변태(정방정→단사정)가 발생하였고, 결정상 변태와 함께 발생하는 체적변화로 인해 시편의 표면 부위에 미세균열이 유발되어 내하중능력이 저하하므로써 구름접촉에 의한 심한 마모가 발생하였다.
- 3. 정방정지르코니아다결정체 (3Y-TZP)에 5wt%의 CeCb를 고용시켜 제조한 소결체는 상기의 부식조건 하에서는 결정상의 변태가 발생하지 않았으며, 경도값의 저하도 발생하지 않았고, 구름마모실험에 의해 접촉부의 마모도 발생하지 않았다.
- 질화규소재 시편 A는 부식실험에 의해 검은색의 색상이 회색으로 변화하였으며, Fig. 2의 SEM 사진에 나타난 바와 같이 표면 및 표면직하 부위(Subsurface) 가 부식에 의해 다공성의 구조로 변화하였고, 평균경도값은 19.53 GPa에서 11.75 GPa로 낮아졌다. 즉시 편 A는 질화규소 조직내의 액상성분이 고온의 알카리용액에 의해 침식되면서 다공성의 구조로 변화하였으며, 이로 인해 경도값이 낮아진 것으로 판단된다.
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