선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 지르코니아 소재와 지르코니아/알루미나 복합물 소재를 기계 가공하기 위한 기초 조건 실험과 이들의 표면 특성이 물성에 미치는 영향을 고찰하였다. 향후 지르코니아 소재에 대한 가공 특성 연구와 치과 CAD/CAM 가공 분야의 기초 자료로 활용 될 전망이다.
가설 설정
- 그리고 경사각이 10º일 때 (Fig. 3(b)) 진원도는 증가 후 감소하지만 조도는 증가하고 있다. 즉 경사각에 따라 진원도의 변화는 크게 없고 표면 조도의 차이가 관찰되었다.
제안 방법
- X선 회절 분석 측정 조건은 Cu Kα선을 이용하여 20~40º의 범위에서 주사속도 5º/min로 행하였다.
- 가공 표면의 조도 (surface roughness)를 측정하기 위해 조도 측정기 (CS-3000, cut off: 0.8 mm, Mitutoyo, Japan)를 이용하여 관찰하였다. 촉침으로 시편 표면을 접촉함에 따라 시편 표면의 높낮이를 측정할 수 있는 접촉 방식으로, 측정범위는 z600 µm/×100 µm, 측정배율은 Max.
- 진원도는 진원 측정기 (RA-H5000AS, Mitutoyo, Japan)를 이용하였다. 각 시편 당 5회씩 반복 실험 하였고 필터링(filtering)을 거쳐 평균을 취했다. 이는 최소 실체 공차(LSC)를 이용하여 진원도를 측정하는 방식으로 최대 원주 측정면을 설정하고 여러 개의 원의 크기를 비교하여 정밀도를 평가하였다.
- 경 가공 시 가공 공정에 따른 단사정 함량 분석을 위하여 X선 회절분석기 (Philips, PW3719)를 사용하였다. X선 회절 분석 측정 조건은 Cu Kα선을 이용하여 20~40º의 범위에서 주사속도 5º/min로 행하였다.
- 경 가공 시 가공 공정에 따른 이축 강도값 측정은 ball-on-3 ball 이축 강도 지그를 사용하여 Instron 시험기에서 0.5 mm/min의 하중 속도로 측정하였다.
- 과립형의 100Z 분말을 고무몰드에 넣어 밀봉 후, 냉간 정수압 성형기를 이용해 실린더 형태의 성형체를 제조하였다. 생가공은 이들 성형체를 복합선반으로 가공하는 공정으로 1,000 rpm의 주축 회전과 0.
- 미세구조를 관찰하기 위한 소결체 시편의 에칭 전처리는 소결온도보다 50도 낮은 온도에서 열 에칭 하였고, 가공 표면의 관찰은 전처리 없이 관찰하였다. 관찰 조건은 시료를 IB-2 ion coater (Giko Engineering)에서 ion current를 8 mV로 하고 1분간 유지하여 Pt로 코팅한 후, 가속전안 15 kV하에서 관찰하였다.
- 6 mm 일 때 평균 표면 조도(Ra, µm)와 진원도 (roundness, µm)를 측정하였다. 또한 복합선반의 가공 조건에 따른 가공성을 알아보기 위해 주축의 회전속도 (spindle rate, rpm)와 이송 속도 (feed rate, mm/rev)에 따른 가공 표면의 거칠기와 진원도도 측정하였다.
- 이를 위해 먼저 성형소지를 생 가공 후 열처리하여 경 가공을 실시하였고, 지르코니아에 대한 생 가공시 공구의 조건 및 장비의 절삭 속도(spindle rate)와 이송 거리(feed rate)에 따른 표면 가공 정도를 거칠기와 진원도를 통해 알아보았다. 또한, 경 가공 시 표면의 상변화 및 공구 자국의 제거에 따른 강도변화를 고찰하였다.
- 소결체에 대한 미세구조 및 가공표면을 관찰하기 위해 주사전자현미경 (Scanning electron microscopy: Jeol, JSM 5500)을 사용하였다. 미세구조를 관찰하기 위한 소결체 시편의 에칭 전처리는 소결온도보다 50도 낮은 온도에서 열 에칭 하였고, 가공 표면의 관찰은 전처리 없이 관찰하였다. 관찰 조건은 시료를 IB-2 ion coater (Giko Engineering)에서 ion current를 8 mV로 하고 1분간 유지하여 Pt로 코팅한 후, 가속전안 15 kV하에서 관찰하였다.
- 앞서 설명한 주축의 회전속도와 더불어 선반을 이용한 생 가공에서 가공정도를 결정하는 장비의 중요인자 중에 하나가 이송속도이다. 본 실험에서 사용한 선반은 피삭물을 고정한 척(chuck) 부위가 회전을 하고 공구가 고정된 베드(bed) 부위가 이송하면서 가공이 이루어졌다. 피삭물의 회전 속도가 1,300 rpm일 때 공구의 이송속도에 따른 피삭물의 표면조도와 진원도 변화를 Fig.
- 분무 건조된 과립 분말을 고무 몰드에 충진한 뒤 밴드로 밀봉하여 냉간 정수압성형기 (Cold Isostatic Press, CP20-50-40, Nikkiso)에서 1,500 bar의 압력으로 성형하여 실린더 형상 (Φ25×30 mm)의 성형 소지를 얻었다.
- 실리콘 고무 몰드를 제작하기 위하여 폴리우레탄을 금속몰드에 끼운 후 이것을 형틀로 해서 여기에 고무 페이스트를 부어 고무-금속 몰드를 제작하였다. 분무 건조된 과립 분말을 고무 몰드에 충진한 뒤 밴드로 밀봉하여 냉간 정수압성형기 (Cold Isostatic Press, CP20-50-40, Nikkiso)에서 1,500 bar의 압력으로 성형하여 실린더 형상 (Φ25×30 mm)의 성형 소지를 얻었다.
- 각 시편 당 5회씩 반복 실험 하였고 필터링(filtering)을 거쳐 평균을 취했다. 이는 최소 실체 공차(LSC)를 이용하여 진원도를 측정하는 방식으로 최대 원주 측정면을 설정하고 여러 개의 원의 크기를 비교하여 정밀도를 평가하였다.
- 2의 실험 결과를 토대로 100Z과 80Z20A의 경우에는 1450℃에서 20Z80A의 경우에는 1600℃에서 2시간 동안 소결하였다. 이들을 다이아몬드 전착 버와 5축 연삭기를 이용해 경가공을 실시하였다. 전착 버의 다이아몬드 지립 크기는 400 mesh와 800 mesh를 사용하였고, 이들 전착공구를 주축에 척킹 (chucking) 하고 회전 속도에 따른 지르코니아 표면의 상 변화를 X-선 회절분석으로 관찰하여 피크의 적분강도로부터 Garvie와 Nicholson식으로 정량화하여 Fig.
- 이를 collect에 장착하고 PCD(polycrystalline diamond) 인서트(insert)를 이용해 복합선반(NUCLET-10, EGURO)에서 Φ20×20 mm의 크기로 생가공을 실시하였다.
- 향후 지르코니아 소재에 대한 가공 특성 연구와 치과 CAD/CAM 가공 분야의 기초 자료로 활용 될 전망이다. 이를 위해 먼저 성형소지를 생 가공 후 열처리하여 경 가공을 실시하였고, 지르코니아에 대한 생 가공시 공구의 조건 및 장비의 절삭 속도(spindle rate)와 이송 거리(feed rate)에 따른 표면 가공 정도를 거칠기와 진원도를 통해 알아보았다. 또한, 경 가공 시 표면의 상변화 및 공구 자국의 제거에 따른 강도변화를 고찰하였다.
- 실험에 사용한 지르코니아와 알루미나의 조성비를 Table 1에 나타내었다. 이를 제조하기 위해 1 kg 배치의 지르코니아와 알루미나를 지르코니아 볼과 증류수를 이용해 습식으로 슬러리를 제조하였다. 분무건조기는 챔버 지름 1.
- 인서트의 성상에 따른 가공성을 알아보기 위해 경사각 (rake angle)이 0º와 10º, 노즈 반경 (nose radius)이 0.2, 0.4, 0.6 mm 일 때 평균 표면 조도(Ra, µm)와 진원도 (roundness, µm)를 측정하였다.
- 이들을 다이아몬드 전착 버와 5축 연삭기를 이용해 경가공을 실시하였다. 전착 버의 다이아몬드 지립 크기는 400 mesh와 800 mesh를 사용하였고, 이들 전착공구를 주축에 척킹 (chucking) 하고 회전 속도에 따른 지르코니아 표면의 상 변화를 X-선 회절분석으로 관찰하여 피크의 적분강도로부터 Garvie와 Nicholson식으로 정량화하여 Fig. 5에 나타내었다.
- 지르코니아 복합물에 대한 생 가공과 경 가공 조건과 표면특성 변화를 관찰하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
이론/모형
- 소결체에 대한 미세구조 및 가공표면을 관찰하기 위해 주사전자현미경 (Scanning electron microscopy: Jeol, JSM 5500)을 사용하였다. 미세구조를 관찰하기 위한 소결체 시편의 에칭 전처리는 소결온도보다 50도 낮은 온도에서 열 에칭 하였고, 가공 표면의 관찰은 전처리 없이 관찰하였다.
- X선 회절 분석 측정 조건은 Cu Kα선을 이용하여 20~40º의 범위에서 주사속도 5º/min로 행하였다. 이를 토대로 Garvie and Nicholson 식2)에 의해 단사정 함량을 계산하였다.
성능/효과
- Fig. 7(a)는 100Z 시편의 가공 표면 사진으로 900 rpm/#400 mesh의 가공 조건으로 가공했을 때 수평방향으로 공구흔적이 선명히 관찰되었고, 18,000 rpm/#800 mesh에선 그 흔적이 많이 줄어들고 마지막 폴리싱 후 깨끗이 제거된 상태를 확인할 수 있었다. 80Z20A의 시편에서는 (Fig.
- 80Z20A의 시편에서는 (Fig. 7(b)) 공구 가공흔적과 더불어 뜯김에 의한 기공이 관찰되었고, 18,000 rpm/#800 mesh의 조건에서 100Z와 비교하면 거칠기가 더 심하였다. Fig.
- Fig. 7(c)의 20Z80A시편에서는 앞의 두 복합물에서의 경우 보다 거친 표면 상태를 확인할 수 있었는데, 18,000 rpm/#800 mesh에서 가공한 후에는 넓은 범위의 알루미나의 뜯김 현상이 관찰되었고, 20,000 rpm/#8000에서는 20Z80A보다 더 많은 기공이 관찰되었다.
- 1. 지르코니아 소재의 생가공시 PCD 인서트 공구의 노즈 반경이 증가하면 절삭저항이 높아져 성형체의 표면 조도가 증가하였고, 미끄럼 파괴가 시작되면서 조도가 감소하였다. 가공 조건은 주축회전 속도가 1,300 rpm이고, 이송 속도가 작아질수록 좋은 표면 조도값을 나타냈다.
- 2. 경가공시 알루미나의 첨가량이 증가할수록 공구에 의한 입자의 pull-out 등이 심해 단사정 지르코니아의 함량이 높게 나타났고, 경면연마 과정을 거치면서 상전이 층이 제거되면서 단사정 함량이 감소하였다. 가공 중 강도 변화는 표면의 단사정 함량이 많은 곳에서 낮게 나타났고, 가공이 완료된 시편에서는 단사정 함량에 상관없이 알루미나 첨가량이 많을수록 높게 나타났다.
- 3가지 복합물의 단사정 함량을 비교해 보면, 연마 조건에 상관없이 100A<80Z20A<20Z80A 순으로 관찰되었고, 알루미나의 첨가량이 증가할수록 단사정 함량이 높게 나타났다.
- 2에 나타내었다. Garvie와 Nicholson식으로 단사정(monoclinic) 지르코니아의 함량을 계산해 본 결과, 100Z가 81%, 80Z20가 60%, 20Z80A가 6%로 나타났다. 따라서, 지르코니아에 알루미나 첨가량이 증가하면서 지르코니아의 상전이가 억제됨을 알 수 있다.
- 지르코니아 소재의 생가공시 PCD 인서트 공구의 노즈 반경이 증가하면 절삭저항이 높아져 성형체의 표면 조도가 증가하였고, 미끄럼 파괴가 시작되면서 조도가 감소하였다. 가공 조건은 주축회전 속도가 1,300 rpm이고, 이송 속도가 작아질수록 좋은 표면 조도값을 나타냈다.
- 경가공시 알루미나의 첨가량이 증가할수록 공구에 의한 입자의 pull-out 등이 심해 단사정 지르코니아의 함량이 높게 나타났고, 경면연마 과정을 거치면서 상전이 층이 제거되면서 단사정 함량이 감소하였다. 가공 중 강도 변화는 표면의 단사정 함량이 많은 곳에서 낮게 나타났고, 가공이 완료된 시편에서는 단사정 함량에 상관없이 알루미나 첨가량이 많을수록 높게 나타났다.
- 가공 표면의 주사전자현미경 사진 관찰 결과, 알루미나 첨가량이 많을수록 표면의 거칠기가 더 심한 것을 확인할 수 있었고, 이를 통해 앞서 설명한 Fig. 5와 Fig. 6의 가공 조건에 따른 표면의 단사정 함량과 강도 변화 결과를 확인할 수 있었다. 즉 상변화 층은 피삭물의 가공 표면에 형성된 공구의 흔적에서 발생하였고, 그 자국을 제거할수록 단사정 함량은 감소하였고 강도는 증가하였다.
- 그러나 가공 중 상변화는 연삭 휠이나 버에 의해 발생되고 그들이 지나간 공구 가공흔적 지점에서만 발생하기 때문에 상변화를 시료 전체적으로 일어나는 현상으로 보기 어렵고, 최초 연삭이 이뤄질 때 가장 크게 발생해서 연삭 과정이 미세연마로 진행될수록 상변화층이 제거되기 때문에 물리적인 방법으로도 상안정화가 가능하다는 차이점이 있다. 따라서 가공 중 열화는 저온 및 고온에서 상변화에 의한 열화와는 달리 상변화 정도가 열화에 중요변수로 작용하는 것이 아니라 상변화 층인 공구 가공 흔적을 제거하는 정도가 강도에 중요하게 영향을 미쳤다.
- 가공장비의 특성상 특정 속도로 반복 작업시간이 길어지면 이 속도에서 기계의 취약 부위에 부하가 생겨 물리적인 손상이 갈 수 있기 때문이다. 따라서 최적의 회전 속도는 피삭물의 상태나 가공장비의 성능에 따라 결정되며, 본 실험의 지르코니아 소재의 피삭물 생가공에서는 1,300 rpm이 최적의 회전 속도라 사료된다.
- 또한 2차상의 입자 크기가 증가하면 입자크기도 같이 증가할 수 있다. 본 연구에서도 80 vol%의 알루미나의 첨가로 지르코니아의 비정상적인 입성장을 억제할 수 있었고, 이것은 알루미나의 입성장이 함께 이뤄지면서 미세구조가 강화되어 지르코니아의 팽창을 억제한 것이라 생각한다.
- 18) 그리고 지르코니아에 알루미나를 첨가하면 지르코니아의 상변화를 억제 할 수 있다는 보고도 있다. 본 연구의 예비실험에서도 증기압에 의한 상변화를 관찰해 봤을 때 100Z보다 알루미나가 첨가된 복합물에서 정방정에서 단사정으로 상변화량이 적었다. 그러나 가공 중 상변화는 연삭 휠이나 버에 의해 발생되고 그들이 지나간 공구 가공흔적 지점에서만 발생하기 때문에 상변화를 시료 전체적으로 일어나는 현상으로 보기 어렵고, 최초 연삭이 이뤄질 때 가장 크게 발생해서 연삭 과정이 미세연마로 진행될수록 상변화층이 제거되기 때문에 물리적인 방법으로도 상안정화가 가능하다는 차이점이 있다.
- 6의 가공 조건에 따른 표면의 단사정 함량과 강도 변화 결과를 확인할 수 있었다. 즉 상변화 층은 피삭물의 가공 표면에 형성된 공구의 흔적에서 발생하였고, 그 자국을 제거할수록 단사정 함량은 감소하였고 강도는 증가하였다.
- 최초 연삭이 이뤄지는 9,000 rpm/#400 시점에서 3가지 복합물의 강도는 모두 감소를 하였고, 그 이후부터 강도는 증가하였다. 연삭이 이뤄지기 전의 강도 측정에서는 20Z80A>80Z20A>100Z의 순으로 높게 나왔고, 이와는 반대로 연삭 중간 과정인 9,000 rpm/#400부터 18,000 rpm/#800까지는 100Z>80Z20A>20Z80A순으로 강도가 높았으며 마지막 폴리싱을 거친 후에는 연삭이 이뤄지기 전과 동일한 강도순서를 보였다.
후속연구
- 본 연구에서는 지르코니아 소재와 지르코니아/알루미나 복합물 소재를 기계 가공하기 위한 기초 조건 실험과 이들의 표면 특성이 물성에 미치는 영향을 고찰하였다. 향후 지르코니아 소재에 대한 가공 특성 연구와 치과 CAD/CAM 가공 분야의 기초 자료로 활용 될 전망이다. 이를 위해 먼저 성형소지를 생 가공 후 열처리하여 경 가공을 실시하였고, 지르코니아에 대한 생 가공시 공구의 조건 및 장비의 절삭 속도(spindle rate)와 이송 거리(feed rate)에 따른 표면 가공 정도를 거칠기와 진원도를 통해 알아보았다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.