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문제 정의
- 본 연구에서는 Ti(C, N)-WC-Ni 서메트 기본 계에 물성 향상을 위해 사용되는 WC, HfC, ZrN, ZrC의 탄(질)화물 원소를 첨가하여 진공 분위기에서 소결한 TW-series를 제조하여, 첨가물이 서메트의 기능적 특성에 영향을 미치는 미세구조의 분석과 조성 변화에 따른 단속절삭과 연속절삭의 조건에서 절삭공구 개발의 목적으로 상용 공구와 공구 수명의 관점에서 살펴보았다. 또한, 공구마멸분포의 신뢰성 분석을 정규분포 함수 (Normal distribution) 와 대수정규 함수 (Log normal distribution), 와이블분포 함수(Weibull distribution)를 대상으로 X2 검정을 수행하였다.
제안 방법
- 2mm/rev., 절삭깊이 d=0.5mm의 조건에서 비교평가하였다. 정면 밀링가공 실험의 경우에는 대우중공업 머시닝 센터 ACE-V500과 M415SN04R- 12 Cutter 를 이용하였고, 피삭재 SCM 440(HB 240)과 SM45C를 사용하여 TW-series와 상용 서메트긍구인 A30(한국야금)을 절삭속도 v=200m/min, 이송량 f=0.
- Ti(C, N) 계 서메트에 WC 의 첨가량을 변화시키고, IV족 탄(질)화물 원소를 첨가하여 소결한 TW-series를 제조하여, SM45C과 SCM440을 피삭재로 사용하여 선삭가공과 정면 밀링가공 실험을 한 결과 WC와 IV족 원소 첨 가가 Ti(C, N)계 서메트공구의 절삭성능에 미치는 영향 대하여 비교분석하였고, 또한 공구의 시간대별 마멸량이 어떤 분포도가 적합한가를 판단하기 위하여 X2 검정를 통해 공구 마멸의 분포의 신뢰성 분석을 하였다.
- 서메트 공구의 소결은 일반적인 분말야금(powder metallurgy) 공정으로 행해졌고, 서메트합금의 제조에 있어서 Ti(C, N)겨】 서메트의 원료분말은 평균입경 3.4例의 Ti(C, N) (C/N 비 : 7/3) 과 평균입경 1.9例와 4.1 例의 WC와 Ni 분말을 사용하였고, 각 서메트의 조성에 따라 1510°C와 1450°C에서 1시간동안 소결하여 SNGN 120408의 규격으로 연삭가공하여 TW-series 서메트 공구를 제조하였다.
- 경사면 마멸은 거의 발생하지 않았고, 공구 수명보다는 공구의 파괴에 관련되어 있기 때문에 이번 실험에서는 고려하지 않았다. 절삭 시험 동안의 절삭력과 AE 신호를 측정하기 위해 Kistler사의 9257B 공구동력계와 Physical Acoustics Corporation사의 AE센서를 사용하였고, 측정된 절삭력과 AE 신호는 데이터 레코더에 의해 저장된 후 Ni-DAQ -MIO16E-14 보드를 통해 A/D변환한 후 586PC에 저장한 후 해석하였다.
- 절삭특성 실험에 있어서 공통적으로 건식절삭으로 절삭하였고, 공구 현미경(Hanra Engineering, Micro Vision System SV-2000)을 이용하여 공구의 플랭크면 평균 마멸량(VB)을 측정하고, 플랭크면 마멸량 300/5?를 공구 수명으로 판정하였다. 경사면 마멸은 거의 발생하지 않았고, 공구 수명보다는 공구의 파괴에 관련되어 있기 때문에 이번 실험에서는 고려하지 않았다.
대상 데이터
- 절삭특성 평가 실험은 선삭가공 실험의 경우,400x600 수동선반과, CSDNN 2525M 12CEA Tool holder를 이용하였고, TW-series와 상용 서메트 공구인 CT-320(Taegu-tec)과 상용 코팅 초경공구인 TT-2500(Taegu-tec) 을 피삭재 SM45C(HB 220)를 사용하여 절삭속도 v=160m/min, 이송량f=0.2mm/rev., 절삭깊이 d=0.
- 5mm의 조건에서 비교평가하였다. 정면 밀링가공 실험의 경우에는 대우중공업 머시닝 센터 ACE-V500과 M415SN04R- 12 Cutter 를 이용하였고, 피삭재 SCM 440(HB 240)과 SM45C를 사용하여 TW-series와 상용 서메트긍구인 A30(한국야금)을 절삭속도 v=200m/min, 이송량 f=0.2mm/rev„ 절삭깊이 d=lmm의 조건에서 실험하였다. 공구마멸의 신뢰도 평가 실험의 경우 정면밀링 절삭실험에서 가장 좋은 성능을 보인 TW-series를 피삭재 SCM 440을 사용하여 절삭속도 v=200m/min, 이송량 f=0.
데이터처리
- 2mm/rev., 절삭 깊이 d=lmm의 조건에서 한번 절삭하는데 걸리는 시간을 6.43분으로 하여 평균 플랭크 마멸량 300 個 이상이 될 때까지 27회 반복 실험하여 플랭寻 면 평균마멸량을 측정한 후 정计■분포 함수와 대수 정규 함수, 와이블분포 함수를 적용하여 이중 적합한 분포를 검증하기 위하여 X2 검정을 수행하였다. 心
- 관점에서 살펴보았다. 또한, 공구마멸분포의 신뢰성 분석을 정규분포 함수 (Normal distribution) 와 대수정규 함수 (Log normal distribution), 와이블분포 함수(Weibull distribution)를 대상으로 X2 검정을 수행하였다.
이론/모형
- 서메트공구의 밀도는 아르키메데스법을 이용하여 즉정하였으며, 입자압입법 (Indentation Fracture Method)에 의 해 파괴인성 을 측정 하였고, IV족 탄(질)화물 원소를 첨 가시 킨 서메트의 경우 시편의 기공상태가 좋지 않아서 파괴인성을 측정하지 않았다. Table 2에 각 서메트공구의 기 계적 특성값을 나타내었다.
성능/효과
- (1) WC 첨가량에 따른 Ti(C, N)계 서메트공구의 절삭가공 실험에서 WC의 첨가량이 증가할수록 공구 수명이 증가하여 연속 절삭시 WC 첨가량이 15wt% 인 TW-I5 가, 단속 절삭시 WC 첨가량이 20wt%인 TW-20이 가장 우수한 공구수명을 보였다.
- (2) IV족 탄(질)화물의 첨가로 WC 첨가량에 따른 TW-series보다 SM45C를 피삭재로하여 연속절삭의 경우, 약 5배의 공구수명 증가가 이루어졌고, 단속절삭시 약 1.5배의 공구수명 증가가 이루어 졌 다.
- (3) IV족 탄(질)화물을 첨가한 TW-series 중 연속 절삭시, 소량의 HfC의 첨가가, 단속 절삭시 ZrC의 첨가가 절삭성능을 크게 향상 시켰다.
- Fig. 2에서 비교적 우수한 인성을 가지고 있지만, 경도가 낮은 WC 첨가량이5wt%인 TW-5가가장 빠른 마멸진행을 보여 정상적인 절삭이 어려운 것을 알 수 있고, WC 첨가량이 증가할수록 마멸 진행이 느려져 WC 첨가량이 15wt% 인 TW-15가 WC 첨가량을 변화시킨 TW-series 중에서 가장 공구 수명이 긴 것을 알 수가 있다. 하지만, 상용 공구에 비해 마멸진행이 빠른 것을 알 수 있다.
- 3에서 WC첨가량을 14 wt % 로고 정하고, IV족 탄(실)화물을 Iwt% 씩 첨가한 TW-series의 공구마멸진행이 WC 첨가량을 변화시킨 TW-series보다 3배 이상 느려진 것을 알 수 있어, IV족 탄(질)화물 첨가에 의해 Ti(C, N)- WC-Ni계 서메트 공구의 절삭성능이 상당히 개선된 것을 알 수 있다. IV족 탄(진)화물을 첨가한 TW-series는 모두 상용공구보다 공구 마멸 진행이 느린 것을 알 수 있고, 상용 코팅 초경공구인 TT2500은 TiN-TiCN-AhCh-TiN은 경질 세라믹층이 코팅되어 절삭시 피삭재와 초경모재의 화학적 반응을 방지할 뿐만 아니라 고온에서 모재의 결합 상인 Co으로 인한 소성변형을 억제함으로써 초기에는 우수한 성능을 보이지만, 초기 마멸 후에 코팅 층의 박리가 일어나 코팅 초경공구의 마멸이 급격하게 증가함을 알 수 있다. 또한, 상용서 메트 공구인 CT320은 코팅 초경 공구와 유사한 마멸 경향을 보이지만, 코팅 초경긍구보다 고온 경도와 고온에서의 화학적 안정성이 뛰어나 더 우수한 성능을 보이는 것을 알 수가 있다.
- IV족 탄(진)화물을 첨가한 TW-series는 모두 상용공구보다 공구 마멸 진행이 느린 것을 알 수 있고, 상용 코팅 초경공구인 TT2500은 TiN-TiCN-AhCh-TiN은 경질 세라믹층이 코팅되어 절삭시 피삭재와 초경모재의 화학적 반응을 방지할 뿐만 아니라 고온에서 모재의 결합 상인 Co으로 인한 소성변형을 억제함으로써 초기에는 우수한 성능을 보이지만, 초기 마멸 후에 코팅 층의 박리가 일어나 코팅 초경공구의 마멸이 급격하게 증가함을 알 수 있다. 또한, 상용서 메트 공구인 CT320은 코팅 초경 공구와 유사한 마멸 경향을 보이지만, 코팅 초경긍구보다 고온 경도와 고온에서의 화학적 안정성이 뛰어나 더 우수한 성능을 보이는 것을 알 수가 있다.
- 4에 나타내었다. 모든 TW-series는 유사한 경향의 공구마멸 진행을 나타내고 있고, 비교적 우수한 인성을 가지고 있지만, 경도가 낮은 WC 첨가량이 5 wt % 인 TW-5가 가장 빠른 마멸진행을 보여 성상적인 절삭이 어려운 것을 알 수 있고, WC 첨 가량이 증가할수록 마멸진행 이 W려겨 WC 첨가량이 20wt%인 TW-20이 WC 첨가량을 변화시킨 TW-series 중에서 가장 공구 수명이 긴 것을 알 수가 있다.
- 공구마멸량이 증가함에 따라 주절삭력, 배분력, 이송 분력이 증가하며, 마멸의 진행에 따라 거의 비례적으로 증가한다. 반면, AE 신호의 경우 공구마멸량에 따라 함께 증가하다가 공구의 마멸이 약 200例가 되는 지점에서 최대치를 보인 후 다시 감소하는 경향을 보였다. 선삭가공 실험 중 공구 마멸이 증가함에 따라 AE 신호도 증가하다가 다시 감소하는 추세를 보였는데서메트 공구를 사용한 단속절삭에서도 유사한 결과를 보였다.
- 모든 실험데이터는 ±3。범위 내에 모두 포함되어 있었으며, 똑같은 조건 아래에서의 실험이었으므로 예상했던대로 Fig. 7에 보이는 것처럼 시간대별 공구 마멸의 분포는 X2 검정 결과 정규분포와 대수 정규분포가 잘 일치하는 분포도임을 확인 할 수 있었다.
- 선삭가공 실험 중 공구 마멸이 증가함에 따라 AE 신호도 증가하다가 다시 감소하는 추세를 보였는데서메트 공구를 사용한 단속절삭에서도 유사한 결과를 보였다. 이로써 단속절삭에서도 AE 신호가 공구마멸를 감시할 수 있는 신호로 사용할 수 있음을 확인하였다.
- 이와 같은 동일한 실험조건에서의 반복적인 시간대별 마멸량을 측정하고 검증함으로써 이번 실험의 유효성을 입증 할 수 있었다.
- 증가되는 것이 보고되었다. 즉 l~2mol% 의 ZrC나 HfC를 서메트에 첨가하는 경우 고온 강도는 약 20% 정도, 경도는 약 10% 정도 증가하는 것이 관찰되었고, 이는 탄화물 골격체의 강화나 결합상의 탄성변형 중 전위의 동적 회복이 늦어짐에 의한 현상으로 해석되고 있다.㈤ Fig.
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