[논문]Micro Blade용 Bond재료의 소결조건과 조성이 기계적 특성에 미치는 영향

김송희; 문종철

문제 정의

Micro-blade용 bond 소결체를 제조하기 위한 최적 조건을 갖는 diamond 분말 첨가량을 알아 보기 위해서 다양한 diamond 첨가량에 따른 제조된 소결체의 기계적 특성을 평가하였다.
주로 사용된다.[1, 3] 따라서 본 연구에서는 우수한 품질의 micro-blade의 개발을 위한 Cu/Sn 계 bond 재료의 분말조성과 소결조건에 대한 최적화를 위하여 다양한 조성에 대하여 기계적 특성평가와 파면조사 등을 행하였다. 고, 순수한 Cu와 Sn 분말을 사용하는 경우와 CuSn33합금 분말을 사용할 경우 기계적 특성이 다르게 된다고 알려져 있으나 그 차이를 확실하게 규명할 필요가 있다.
따라서 Co, Ni, Ag등의 금속첨가에 따른 Bond 합금의 소결체의 소결조건과 강도에 미치는 영향에 대해서도 조사하고자 하였다.
따라서 본 연구는 첫째, 국내에서 생산되는 micro-blade의 품질을 향상시키기 위한 새로운 조성의 Bond재료의 조성을 최적화하고, 둘째, Bond 합금재료의 이상적인 소결조건을 찾아 내구성과 절삭성이 우수한 micro-blade를 개발하기 위한 기초 자료를 구축하는 것을 목표로 정하였다.
필요하다[7]~[9]. 따라서 본 연구에서는 이러한 윤활제로써 흑연의 첨가 효과가 소결조건과 소결체의 강도에 미치는 영향에 대하여 조사하였다.

제안 방법

1~5wt.% 의 혹연을 충진 윤활제로 첨가하였다. MB계열의 bond 재료의 경우 소결체의 기계적 특성에 미치는혹연첨가 효과를 알아보기 위한 3점 굽힘 시험을 행하였다.
3wt.%Sn 합금분말 (이하 CuSn33 합금분말이라 표기함을 혼합하여 사용하는 경우의 소결체에 대하여 비교조사를 행하였다.
% 의 혹연을 충진 윤활제로 첨가하였다. MB계열의 bond 재료의 경우 소결체의 기계적 특성에 미치는혹연첨가 효과를 알아보기 위한 3점 굽힘 시험을 행하였다. 이 결과는 표 2에 보듯이 혹연의 첨가량이 증가함에 따라 점차적으로 굽힘강도가 감소함을 알 수 있다.
그림에서 보는 바와 같이 소결시간이 5분인 경우(그림 10(b))가 2분인 경우보다(그림 10(a)) 불완전 소결에 의한 공극(pore)이 적게 관찰되고 있다. ME1 조성은 가압 시 압축이 잘 되도록 혹연을 고온 윤활제로 4% 첨가하였다. 그림 10(c) 와 그림 10(d) 에서 벽개면 (Cleavage)처럼 보이는 것은 흑연입자의 벽개면이거나 흑연이 파단 시 빠져나간 자리이다.
Micro blade에 적합한 bond재료를 개발하기 위하여 다양한 금속 분말 조성을 이용하였으며 표1 에 그 조성을 나타내었다. 함량을 조절하기 위하여 금속 분말을 전자저울을 이용 칭량 후, turbo ball mixer를 이용하여 금속 분말을 혼합하였다.
가압 소결된 시편을 평가하기 위하여 체적, 질량, 경도, 굽힘 강도(flexural strength) 및 파괴 인성 등을 측정하였다. 질량은 전자저울을, 경도는 RockweU(B scale)을 이용하여 측정하였으며, 이들 시편의 기계적 특성평가를 위하여 3점 굽힘 강도와 파괴 인성을 측정하였다.
후는 공냉을 하였다. 가압열처리시의 로내 분위기는 처음에는 진공상태를 유지하고 이어서 H₂가스가 5%섞인 M가스 혼합가스를 분당 2L/min 씩소결로에 공급하면서 가압열처리를 행하였다.
관찰하였고, 고온. 고압에서의 소결을 통해 생산된 micro blade bond에 있어 발생 가능한 확산층의 존재 여부 등의 특성을 관찰, 평가하기 위해서 EDAX Micro-Spot Analysis 와 EDAX Line 분석을 실행하였다.
굽힘 시험은 Servo-Hydraulic 다이나믹 만능 시험기(MTS 810Model)와 현장에서 손쉽게 굽힘 시험을 할 수 있도록 시험기를 그림 2와 같이 자체 제작하여 사용하였다. 자체 제작한 시험기는 그림 2 에서 보듯이 air cylinder를 이용하여 cross head를 움직이도록 제작하였고 load cell 과 digital indicaSr를 이용하여 굽힘 시험 중 최대하중을 기록하도록 제작하였다.
또한 기계적 특성 평가 후 발생한 재료의 파괴양상과 EDAX분석을 위하여 파면을 field emission 주사 전자 현미경(FE-SEM, HITACHI)을 사용하여 관찰하였고, 고온. 고압에서의 소결을 통해 생산된 micro blade bond에 있어 발생 가능한 확산층의 존재 여부 등의 특성을 관찰, 평가하기 위해서 EDAX Micro-Spot Analysis 와 EDAX Line 분석을 실행하였다.
또한 산업체의 지원을 받아 진행하는 연구인 만큼 현장에서 굽힘 강도측정을 위해 고가의 장비를 구입하는 대신에 본 연구를 통하여 현장에서 즉각적으로 소결체의 강도를 평가를 할 수 있도록 굽힘 강도 측정기를 직접 설계와 제작하였고, 기존의 MTS사의 다이나믹 만능시험기(Model No.810)와 비교 측정하여 사용하였다.
사용하였다. 자체 제작한 시험기는 그림 2 에서 보듯이 air cylinder를 이용하여 cross head를 움직이도록 제작하였고 load cell 과 digital indicaSr를 이용하여 굽힘 시험 중 최대하중을 기록하도록 제작하였다. 굽힘시험과 파괴인성 시험은 4mm X 8mm x 50mm의 직육면체 형상으로 방전 가공하여 사용하였다.
ASTM E-399-90[, 15]에 제시된 대로 평면변형 파괴인성 시험조건을 참고로 행하였다. 파괴인성 시편은 SENB(single edge notched beam) 시편으로 폭 8mm중 노치깊이가 3mm가 되게 방전가공을 한 후 가공된 노치로 부터피로하중을 가하여 예비균열을 만든 후[12]~[14] 파괴인성을 3점 굽힘 시험을 통하여 행하였다.
그 조성을 나타내었다. 함량을 조절하기 위하여 금속 분말을 전자저울을 이용 칭량 후, turbo ball mixer를 이용하여 금속 분말을 혼합하였다. 혼합한 재료를 그림 3.
1에서 보듯이 시편 5개를 한꺼번에 가압 소결할 수 있도록 몰드를 만들어 사용하였다. 흑연으로 만든 몰드에 금속분말을 넣고 셋팅을 한 후 진공저항가압소결기(HP)에서 60(广8001에서 분말의 조성에 따라 각각 2분과 5분 두 가지의 holding time을 주는 가압소결을 하였다

대상 데이터

MC계열의 Bond재료는 Cu분말과 Cu와 Sn이 혼합된 CuSn33 합금분말(Cu:Sn의비, 2:1)을 이용하여 제조하였으며 MCI의 경우는 76.7wt.%의 Cu 를 포함하고 있고 MC₄의 경우는 80wt.

이론/모형

굽힘시험과 파괴인성 시험은 4mm X 8mm x 50mm의 직육면체 형상으로 방전 가공하여 사용하였다. ASTM E-399-90[, 15]에 제시된 대로 평면변형 파괴인성 시험조건을 참고로 행하였다. 파괴인성 시편은 SENB(single edge notched beam) 시편으로 폭 8mm중 노치깊이가 3mm가 되게 방전가공을 한 후 가공된 노치로 부터피로하중을 가하여 예비균열을 만든 후[12]~[14] 파괴인성을 3점 굽힘 시험을 통하여 행하였다.
측정하였다. 질량은 전자저울을, 경도는 RockweU(B scale)을 이용하여 측정하였으며, 이들 시편의 기계적 특성평가를 위하여 3점 굽힘 강도와 파괴 인성을 측정하였다. 3점 굽힘 시험은 각 종류마다 5개씩을 제조하여 시험을 행하여 평균값을 굽힘 강도로 정하였다.
toughness)값을 나타낸다. 파괴인성 값은 ASTM-E399-90 의거하여 구하였다. 시험결과 Diamond 첨가량을 6.

성능/효과

1, 2, 3, 4, 5wt.% 첨가하였을 때(MB계 소결체) 굽힘 실험 결과 첨가된 흑연 윤활제의 양이 증가함에 따라 강도가 감소하였다. 또한, 윤활제로써 소량의 혹연을 첨가하였을 때 훅연을 첨가하지 않은 경우보다 낮은 기계적 특성을 나타내었다.
600도에서 가압소결한 경우 Cu 함량이 76wt.%인 MA1에서 굽힘강도가 610MPa으로 가장 낮게 나타났으며, 83wt%의 Cu가 포함된 MA4에서 670MPa로 굽힘 강도가 가장 높게 나타났음을 관찰하였다. 또한 Cu 함량이 많은 MA4 조성의 소결체 제조 시 소결온도가 6001에서 650匸로 중가시킴에 따라 굽힘 강도역시 중가함을 알 수 있다.
630X:에서 소결한 bond 재료 소결체의 굽힘 강도 시험결과 Cu/Sn(MCl) 조성에 Ni과 Ag가 첨가된 MF2(17wt.%Ni 포함)와 MF4(37wt.%Ni 포함) 에서는 소결이 충분히 일어나지 않음을 알 수 있었으며, Ni 함량이 중가할수록 강도가 431MPa에서 331MPa로 감소함을 알 수 있었다. 630P의 소결 온도에서도 완전한 소결이 이뤄지지 않았으므로 63 (TC 에서 가압소결 했을 경우 소결시간을 2분 보다는 5분 했을 경우 굽힘 강도가 우수하였다.
Cu 분말과 Sn분말을 혼합한 MAO bond 재료에 대한 최적의 소결온도는 60(广65(贝C정도로 나타났으며 가압소결시 유지시간도 2~5분정도가 적합한 것으로 나타났다. MA계 bond 소결체 제조 시 Cu 함량이 높고 Sn함량이 낮을수록 강도가 증가함을 알 수 있었다.
것으로 나타났다. MA계 bond 소결체 제조 시 Cu 함량이 높고 Sn함량이 낮을수록 강도가 증가함을 알 수 있었다.
Micro-blade용 bond 소결체 제조 시 diamond abrasive (30~40um) 첨가효과를 알아보기 위해서 MCI조성에 diamond 분말을 첨가하여 소결 처리한 시편에 대한 굽힘 강도와 파괴인성 시험 결과 diamond 첨가량이 증가함에 따라 상대적으로 감소하였다.
파면조사 결과에서도 알 수 있듯이 MA4 소결체가 MAI, MA2, MA3 소결체의 경우보다 상대적으로 기공이 적게 관찰되었으며, 파면의 조직이 조밀하였음을 관찰할 수 있었다. 따라서 MA4 경우(Cu:Sn의 비가 높은 경우)가 다른 MA 계열보다 소결밀도가 상대적으로 우수하였고 따라서 굽힘 강도가 가장 우수하였음을 알 수 있었다.
이는 흑연의 첨가량이 증가 할 수록접촉 면적당 흑연의 분포 정도가 늘어날 것이고, 그 면적 증가에 의해 혹연의 전단파괴 증가와 혹 연과 금속 결합재사이의 계면의 증가에 따른 계면결함(interfacial defect)에 의한 초기 균열의 성장촉진에 의해 계면으로부터 조장된 벽개파괴에 의한 취성파괴 빈도가 증가하기 때문으로 사료된다. 또한 원료 첨가량과 소결온도가 같다고 하더라도 가압소결 시간이 2분인 경우보다는 5분인 경우의 굽힘 강도가 높게 나타났다. 이는 MB2-60-H₂₇} MB2-60-H₅ 의 경우보다 완전한 소결에 의한 densification0! 충분히 발생하지 않아 기공이 그림9에서 보듯이 더 많이 나타나고 있으며 이로 의해 비교적 기계적 특성을 떨어짐을 알 수 있다.
% 첨가하였을 때(MB계 소결체) 굽힘 실험 결과 첨가된 흑연 윤활제의 양이 증가함에 따라 강도가 감소하였다. 또한, 윤활제로써 소량의 혹연을 첨가하였을 때 훅연을 첨가하지 않은 경우보다 낮은 기계적 특성을 나타내었다.
특성을 나타내었다. 이로부터 또한 Ni 함량이 높을수록 소결온도와 가압시간의 증가가 요구됨을 알 수 있었다.
동안 소결한 MA계 소결체에 대한 굽힘 강도 시험 후 관찰한 파면사진을 나타내었다. 파면조사 결과에서도 알 수 있듯이 MA4 소결체가 MAI, MA2, MA3 소결체의 경우보다 상대적으로 기공이 적게 관찰되었으며, 파면의 조직이 조밀하였음을 관찰할 수 있었다. 따라서 MA4 경우(Cu:Sn의 비가 높은 경우)가 다른 MA 계열보다 소결밀도가 상대적으로 우수하였고 따라서 굽힘 강도가 가장 우수하였음을 알 수 있었다.
이로부터 합금분말을 사용할 경우 분말의 높은 항복강도로 인하여 소결온도와 소결 시간을 중가시키거나 소결압력을 증가시킬 필요가 있음을 발견할 수 있었다. 표 2에 나타나듯이 MC₄ 조성의 경우는 가압소결 시간이 2분인 경우보다 5분인 경우 강도가 높게 나타났으며, 소결 온도도 6001 보다는 63012 경우의 소결시편 특성이 우수하게 나타났음을 알 수 있었다. 600도에서 2분간 소결한 경우 그림8에서 나타나듯이 소결이 불완전하여 기공이 많이 관찰되었다.
또한 75 (TC에서 소결한 경우 7000 경우보다 파면에 불균일한 공극이 더 많이 관찰되고 있는데 일정 온도 이상으로 소결 시 소결체의 계면에 미소균열들이 증가함을 알 수 있다. 혹연 함량이 2wt%가 첨가된 ME-2의 기계적 특성이 4wt%가 첨가된 ME-1 보다 우수함을 알 수 있었다.(표2 참조)

후속연구

전무하다. 따라서 diamond 함량에 따른 bond 재료 소결체의 강도와 파괴인성의 변화에 대하여서도 조사를 행하였으며 이는 절삭성능의 최적화를 위한 기초 자료로 활용될 예정이다. .

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