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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 다이아몬드 톱의 원가절감 방안의 하나로서 고가의 Co 분말 대신 저가의 Ni 분말로 대체하여 Co가 다량 함유된 조성과 동등 수준의 기계적 특성과 공구 수명을 출현함으로써 원가 절감에 기여하는데 중점을 두어 최적의 배합조성과 소결조건을 결정하고자 하였다.
제안 방법
- 결합제로 첨가한 파라핀 왁스는 관상로에서 약 4시간 동안 가열하여 제거하였는데, 이때 상온에서 200℃까지는 노 내의 공기를 제거하고 불활성 분위기를 유지하기 위하여 알곤가스를 사용하였고, 200℃~400℃까지는 환원성 분위기를 유지하기 위하여 수소가스를 이용하여 탈왁스 처리 하였다. Fig.
- 또한 본 연구에서는 제품의 절삭능력 및 각종 석재의 절삭특성을 측정하기 위하여 각 조성별로 제작된 소결체를 직경 8 인치의 톱날몸체 (steel shank)에 각각 4개씩 용접하여 다이아몬드 톱날을 제작하였으며, 절삭시험 시 톱날의 회전속도는 2000rpm, 석재를 이동시키는 대차의 속도는 1.25 m/min, 1회 절삭 이동시의 절삭 깊이는 5 ㎜로 하여, 6시간 가동시킨 후 세그먼트의 길이변화와 절삭 시 절삭기에 걸리는 전류량을 측정하였다.
- 시편의 제작은 각 분말의 균일한 혼합을 위하여 Table 1의 중량비율로 정량한 후, 8 ㎜ 강구와 함께 회전원통형 ball mill에 넣고 회전속도 10rpm으로 약 3시간 동안 혼합하였다. 또한 분말중량의 3 wt% 의 파라핀 왁스를 결합제로 첨가하고 핵산을 용매로 하여 KXTC의 가열판에서 가열하여 왁스처리 하였다. 이렇게 제조된 분말은 다시 26.
- 미세조직관찰은 주사전자현미경 (JEOL, JSM 6400)을 이용하여 관찰하였고, 각 조성별로 EDS(energy dispersive spectroscopy, Oxpord Link ISIS)를 사용하여 정성분석 하였다.
- 본 연구에서는 50Fe-30Co-20(Cu-Sn)을 기본 조성으로 하여, 고가의 Co분말을 저가의 Ni 분말로 대체하였을 경우, 각 조성별 소결체의 밀도, 경도 및 마멸성의 변화를 측정하고자 Table 1과 같은 조성으로 시편을 제작하였다.
- 석재가공용 다이아몬드 톱의 원가절감을 목적으로 최적의 배합조성과 소결조건을 찾기 위하여 50Fe- 20(Cu-Sn)-30Co를 기본조성으로, 여기에 Co를 Ni로 각각 5%, 10%, 15% 대체시켜 통전가압소결을 실시한 후, 소결체의 밀도, 경도, 굽힘강도, 절삭성 시험 및 파단면 관찰 등을 행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 소결은 성형체를 흑연몰드로 감싸고 여기에 전류를 통전해줌으로써 흑연몰드에서 발생하는 저항열로 소결이 이루어지는 통전가압소결방식을 이용하였으며, 통전가압소결장치의 구성은 소결체를 둘러싸고 있는 흑연몰드, 소결 시 압력을 공급하는 유압펌프와 유압 실린더, 분위기 조절을 위한 진공챔버와 진공펌프, 설정온도에 따라 전류량을 자동 조절하는 프로그램타입의 PID 온도제어기, 전원 공급 장치 등으로 구성되어 있다. 주변장치로는 소결체에 가해진 압력을 load cell에서 감지하여 측정할 수 있는 디지털 압력계, 소결체의 수축율을 측정할 수 있는 디지털 변위 측정장치 (Linear Variable Differential Transfoiiner : LVDT) 등이 부착되어 있다.
- 소결조건으로는 통전가압 소결 시의 온도조건을 정량화하기 위하여, 소결 시 흑연몰드를 통하여 소결체에 전달되는 전류의 양을 자동 제어함으로써 온도를 조절하는 온도제어 방식과 소결체의 재현성 향상을 위한 치수(수축율)제어에 의한 소결방식을 적용하였다. 온도제어 방식은 소결압력 300 MPa, 소결온도 650℃, 700℃, 750℃, 800℃에서 소결하였으며, 치수제어 방식은 소결전후의 소결체의 수축률(두께변화)이 35%가 되도록 소결압력 300MPa, 소결온도 750℃에서 소결을 실시하였다.
- 이는 소결체의 수축율 측정결과와도 잘 일치하고 있다. 여러 소결체의 평균밀도가 750℃부근에서 가장 양호한 것으로 볼 때, 가장 적합한 소결온도를 약 750℃로 추정하고, 치수제어에 의한 소결시험에서는 소결온도가 약 750℃로 유지되도록 소결압력과 전류량을 고정시키고 소결 전, 후의 소결체의 치수변화가 일정(수축율 35%)하도록 소결시간을 달리하여 소결 하였다.
- 소결조건으로는 통전가압 소결 시의 온도조건을 정량화하기 위하여, 소결 시 흑연몰드를 통하여 소결체에 전달되는 전류의 양을 자동 제어함으로써 온도를 조절하는 온도제어 방식과 소결체의 재현성 향상을 위한 치수(수축율)제어에 의한 소결방식을 적용하였다. 온도제어 방식은 소결압력 300 MPa, 소결온도 650℃, 700℃, 750℃, 800℃에서 소결하였으며, 치수제어 방식은 소결전후의 소결체의 수축률(두께변화)이 35%가 되도록 소결압력 300MPa, 소결온도 750℃에서 소결을 실시하였다.
- 절삭중에 모터에 걸리는 전기부하량은 곧 톱에 걸리는 부하량과 비례하며 절삭성이 양호한 경우 톱에 걸리는 전기 부하량이 적어지므로, 소결된 제품의 절삭성을 시험하기 위하여 실제 현장에서 사용되고 있는 절삭기에 전압, 전류 측정장치를 부착한 절삭성시험기로 전류량의 변화를 측정하였다. Fig.
대상 데이터
- X선 회절분석은 RIGAKU, D/MAX-111A X서 회절장치를 이용하였으며, 타겟으로는 Cu 타겟을 사용하였고, 회절선측정은 40 kV, 30 mA에서 10°<26 <120°범위에서 실시하였다.
이론/모형
- 위와 같은 방법으로 제조한 시료는 디지털 변위 측정 장치를- 이용하여 1/100 ㎜까지 선 수축율을 측정하였으며, 소결체의 겉보기밀도 및 기공율은 수분합침법(KSL 3114)에 의하여 측정하였다. 경도측정 은 Rockwell B scale(하중 100 kg, 1/16인치 강구)을 사용하여 측정하였고, 각 조성별로 제작한 소결체의 인성 및 굽힘 강도를 측정하기 위하여 JIS 규격(R 1601-1981)에서 정한 표준시험법을 이용, Instron 사 (Model 4483)의 만능시험기 (Universal testing machine : UTM)로 3점 굽힘 시험을 실시하였다.
- 위와 같은 방법으로 제조한 시료는 디지털 변위 측정 장치를- 이용하여 1/100 ㎜까지 선 수축율을 측정하였으며, 소결체의 겉보기밀도 및 기공율은 수분합침법(KSL 3114)에 의하여 측정하였다. 경도측정 은 Rockwell B scale(하중 100 kg, 1/16인치 강구)을 사용하여 측정하였고, 각 조성별로 제작한 소결체의 인성 및 굽힘 강도를 측정하기 위하여 JIS 규격(R 1601-1981)에서 정한 표준시험법을 이용, Instron 사 (Model 4483)의 만능시험기 (Universal testing machine : UTM)로 3점 굽힘 시험을 실시하였다.
성능/효과
- 1. Ni 함량이 증가함에 따라 소결체의 경도는 증가하는 반면, 굽힘 강도는 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 Ni 함량이 증가할수록 Sn과 Ni이 기지조직 내에 NixSn의 금속간화합물을 형성함으로써 취성을 증가시키고 연성을 저하시키기 때문인 것으로 생각된다.
- 2. 절삭성시험을 통하여 소결체의 마모량과 전력 부하량을 측정한 결과, Ni 대체량 10%까지는 기본 조성에 비해 큰 차이를 보이지 않았으나, Ni을 15% 대체하였을 경우에는 전력 부하가 높게 걸리고 소결 체의 마모량이 크게 나타났다. 또한, 3점 굽힘시험 후 소결체의 파단면을 관찰한 결과, Ni 함량 0%, 5%, 10%에서는 다이아몬드가 파단 되었으나, Ni 함량 15%인 조성에서는 다이아몬드가 기지조직에 붙어 있지 못하고 다이아몬드와 기지와의 계면에서 파단이 발생하였다.
- 3. 이상의 결과를 종합해 볼 때, 50Fe-20(CuSn)- 20Co-10Ni 조성이 다이아몬드 톱의 기계적 특성과 공구 수명을 유지하면서, 고가의 Co 분말을 저가의 Ni 분말로 대체 할 수 있는 임계 조성으로 판단된다.
- 절삭성시험을 통하여 소결체의 마모량과 전력 부하량을 측정한 결과, Ni 대체량 10%까지는 기본 조성에 비해 큰 차이를 보이지 않았으나, Ni을 15% 대체하였을 경우에는 전력 부하가 높게 걸리고 소결 체의 마모량이 크게 나타났다. 또한, 3점 굽힘시험 후 소결체의 파단면을 관찰한 결과, Ni 함량 0%, 5%, 10%에서는 다이아몬드가 파단 되었으나, Ni 함량 15%인 조성에서는 다이아몬드가 기지조직에 붙어 있지 못하고 다이아몬드와 기지와의 계면에서 파단이 발생하였다. 이는 다이아몬드와의 결합성이 우수한 Co 분말이 Ni 분말로 대체되면서 점차 금속본드와 다이아몬드 지립간의 결합성이 저하되어 다이아몬드 지립이 쉽게 탈락해 버리기 때문인 것으로 판단된다.
- 3에 나타내었다. 온도제어에 의한 소결에서는 50Fe- 20(Cu.Sn)-25Co-5Ni와 50Fe-20(CuSn)-20Co-10Ni 조성이 대체적으로 높은 밀도값을 나타냈으며, 각 조성 모두 온도가 증가할수록 높은 밀도값을 나타내었다. 이는 소결체의 수축율 측정결과와도 잘 일치하고 있다.
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