[논문]다이아몬드 입자에 형성된 중간층이 다이아몬드 공구 성능에 미치는 영향

손경식; 이정훈; 최용제; 정우창; 정원섭

doi:10.5695/jkise.2013.46.5.216

다이아몬드 입자에 형성된 중간층이 다이아몬드 공구 성능에 미치는 영향
Effect of Intermediate Layer Coated Diamond Particles on Performance of Diamond Tool 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.46 no.5, 2013년, pp.216 - 222

손경식 (부산대학교 재료공학과) , 이정훈 (부산대학교 재료공학과) , 최용제 (부산대학교 재료공학과) , 정우창 (한국생산기술연구원) , 정원섭 (부산대학교 재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to improve the performance of electrodeposited diamond-nickel composite, surface modification of diamond particles was carried out using powder immersion reaction assisted coating (PIRAC). Titanium and chromium were selected as coating elements, which are known as carbide former. With respect to the powder elements, various phases were formed on diamond; metallic Ti and TiC for Ti powder, $Cr_3C_2$ for Cr powder, and TiC and $Cr_3C_2$ for Ti-Cr mixed powder. Surface modified diamond particle showed higher specific surface area, especially Ti coating induced considerable increase of specific surface area. The increase of specific surface area suggests increase of surface roughness, and that was confirmed by surface observation using FE-SEM. In addition, wear properties of diamond-nickel composite including surface modified diamonds were improved, and Ti coated diamond showed the highest performance. The wear property of diamond-nickel composite is dependent on adhesion strength between diamond particle and nickel layer. Therefore, surface modification of diamond particle by PIRAC increasing surface roughness is effective to improve the properties of diamond-nickel composite.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

코팅된 다이아몬드를 복합도금을 통해 다이아몬드/니켈 복합재를 제작 하였다. 마모 테스트를 통해 중간층이 니켈 도금 층과 다이아몬드 사이의 밀착 특성과 복합재의 절삭 성능에 미치는 영향에 대하여 고찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
카바이드 형성물질로 알려진 Ti 및 Cr을 Powder Immersion Reaction Assisted Coating(PIRAC) 법을 통해 다이아몬드 표면에 무전해 니켈 도금 전에 중간층을 형성하였다. 무전해 니켈 도금된 각 다이아몬드로 제작된 다이아몬드/니켈 복합재의 마모 특성을 분석하였으며, 중간층이 이에 미치는 영향에 대하여 논의하였다.
본 연구에서는 다이아몬드 표면에 이종 물질을 도입, 다이아몬드와 무전해 니켈 층 사이 중간층을 형성 함으로써 복합재의 절삭 성능을 향상시키고자 하였다. 카바이드 형성물질로 알려진 Ti 및 Cr을 Powder Immersion Reaction Assisted Coating(PIRAC) 법을 통해 다이아몬드 표면에 무전해 니켈 도금 전에 중간층을 형성하였다.

제안 방법

AISI 스테인레스(25 × 25 × 1 mm)에 층간 밀착 특성을 향상시키기 위해 예비 도금(strike 도금)을 한 후 복합도금 조에서 니켈과 함께 각각의 니켈 코팅된 다이아몬드를 균일하게 판에 부착하였다.
금속 바인더인 니켈 도금 층과 다이아몬드 사이의 밀착 특성을 향상시키기 위해 다이아몬드 표면에 중간층을 코팅하였다. 코팅된 다이아몬드를 복합도금을 통해 다이아몬드/니켈 복합재를 제작 하였다.
다이아몬드(6-12 µm), Ti(<38 µm), Cr(<38 µm), 요오드 분말을 표 1과 같이 혼합하여 가스 분위기 튜브 로에서 1173 K에서 2시간 동안 가열하였다.
무전해 니켈 도금 조건은 표 2에 나타내었다. 도금 진행시 응집을 방지하기 위해 임펠러 교반과 초음파 교반을 동시에 실시하였다.
또한 BET(Brunauer, Emmet & Teller) 분석으로부터 중간층 코팅된 다이아몬드의 비표면적을 측정하였다.
테스트 전후의 알루미나 볼의 무게 변화로부터 중간층 종류에 따른 다이아몬드의 절삭 성능을 비교하였다. 마모된 시편의 트랙 단면 형상으로부터 잔류 다이아몬드의 양과 복합도금 층의 상태를 분석하였다.
AISI 스테인레스(25 × 25 × 1 mm)에 층간 밀착 특성을 향상시키기 위해 예비 도금(strike 도금)을 한 후 복합도금 조에서 니켈과 함께 각각의 니켈 코팅된 다이아몬드를 균일하게 판에 부착하였다. 복합 도금 조에서 부착된 다이아몬드 입자는 니켈도금 조에서의 후도금 과정을 통해 시편 표면에 고정시켜 다이아몬드/니켈 복합재를 제작하였다. 구체적인 도금 조의 조건은 표 3에 나타내었다.
복합재에 다이아몬드를 균일하게 분포시키기 위해 중간층이 코팅된 각 다이아몬드에 무전해 니켈도금을 실시하였다. 그림 3에 무전해 니켈 도금된다이아몬드 형상을 나타내었다.
복합재의 절삭 성능을 비교하기 위해 Ball on Disk 타입의 Tribo meter를 이용하여 마모 실험을 실시 하였다. 상대재로는 직경 6 mm(0.
시편에 다이아몬드를 복합도금하기 위하여 중간 층이 코팅되지 않은 다이아몬드(ND), 티타늄 코팅된 다이아몬드(TD), 크롬 코팅된 다이아몬드(CD) 그리고 티타늄-크롬 혼합물 코팅된 다이아몬드(TCD) 총 4종에 무전해 니켈 도금을 실시하였다. 무전해 니켈 도금 조건은 표 2에 나타내었다.
코팅된 다이아몬드 입자는 FESEM과 XRD를 통해 중간층 형상과 구성 상에 대하여 분석하였다. 또한 BET(Brunauer, Emmet & Teller) 분석으로부터 중간층 코팅된 다이아몬드의 비표면적을 측정하였다.
금속 바인더인 니켈 도금 층과 다이아몬드 사이의 밀착 특성을 향상시키기 위해 다이아몬드 표면에 중간층을 코팅하였다. 코팅된 다이아몬드를 복합도금을 통해 다이아몬드/니켈 복합재를 제작 하였다. 마모 테스트를 통해 중간층이 니켈 도금 층과 다이아몬드 사이의 밀착 특성과 복합재의 절삭 성능에 미치는 영향에 대하여 고찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
44 g)의 알루미나 볼을 사용하였고, 20 N의 하중, 100 mm/s의 속도로 75분간 마모하였다. 테스트 전후의 알루미나 볼의 무게 변화로부터 중간층 종류에 따른 다이아몬드의 절삭 성능을 비교하였다. 마모된 시편의 트랙 단면 형상으로부터 잔류 다이아몬드의 양과 복합도금 층의 상태를 분석하였다.

대상 데이터

복합재의 절삭 성능을 비교하기 위해 Ball on Disk 타입의 Tribo meter를 이용하여 마모 실험을 실시 하였다. 상대재로는 직경 6 mm(0.44 g)의 알루미나 볼을 사용하였고, 20 N의 하중, 100 mm/s의 속도로 75분간 마모하였다. 테스트 전후의 알루미나 볼의 무게 변화로부터 중간층 종류에 따른 다이아몬드의 절삭 성능을 비교하였다.

이론/모형

본 연구에서는 다이아몬드 표면에 이종 물질을 도입, 다이아몬드와 무전해 니켈 층 사이 중간층을 형성 함으로써 복합재의 절삭 성능을 향상시키고자 하였다. 카바이드 형성물질로 알려진 Ti 및 Cr을 Powder Immersion Reaction Assisted Coating(PIRAC) 법을 통해 다이아몬드 표면에 무전해 니켈 도금 전에 중간층을 형성하였다. 무전해 니켈 도금된 각 다이아몬드로 제작된 다이아몬드/니켈 복합재의 마모 특성을 분석하였으며, 중간층이 이에 미치는 영향에 대하여 논의하였다.

성능/효과

1. PIRAC 법을 통해 다이아몬드 표면에 Ti, Cr 그리고 Ti- Cr 혼합물질을 코팅하였고 형성된 코팅 층의 상은 각각 Ti- TiC, Cr₃C₂, TiC-Cr₃C₂으로 카바이드 물질이 형성된다.
2. Ti와 Ti- Cr 혼합물을 코팅한 경우 거친 표면으로 인하여 다이아몬드 입자의 비표면적이 증가하고 이에 따라 복합재의 절삭 성능이 향상된다.
3. 4종류 다이아몬드로 제작된 다이아몬드/니켈 복합재의 마모 특성 분석 결과 티타늄 코팅된 다이아몬드의 경우 복합재의 절삭 성능이 가장 우수하다.
5 mg으로 마모 량이 가장 많다. TCD 또한 절삭 성능이 향상되었다. 하지만 CD의 경우 알루미나 볼 마모량은 ND 에 비해 단지 소폭 상승하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무전해 니켈 도금된 다이아몬드가 복합 도금시 역할은?	이러한 복합도금을 위해 주로 무전해 니켈 도금된 다이아몬드를 사용한다4). 무전해 니켈 도금된 다이아몬드는 복합 도금 시 복합재에 입자가 균일하게 분포될 수 있게 할 뿐만 아니라 다이아몬드와 금속 바인더 사이 밀착 특성을 개선하여 공구의 절삭성능을 향상시키는 역할을 한다5)
	다이아몬드의 밀착 특성을 향상시키기 위한 코팅 방법은?	다이아몬드의 밀착 특성을 향상시킨 또 다른 시도로는 카바이드 형성 물질을 다이아몬드 표면에 코팅하는 방법이 있다. 코팅 방법으로는 molten salt reaction, vacuum slow vapor deposition 법 등이 제시되어 있으며 코팅된 다이아몬드로 제작된 복합재의 경우 절삭 성능이 향상됨이 보고되었다10-13).
	다이아몬드/니켈 복합재의 절삭 성능이 금속 바인더인 니켈과 다이아몬드 사이 밀착 특성에 큰 영향을 받는 이유는?	절삭이 진행될 때 복합재의 다이아몬드 입자는 바인더에 고정되어 있거나 또는 이로부터 탈락된다. 상대재의 절삭은 주로 복합재 내에 고정되어 있는 다이아몬드 입자에 의해 일어나는 반면 탈락된 다이아몬드는 상대재 절삭에 거의 기여하지 못한다6-8). 또한 탈락된 다이아몬드는 복합재의 니켈과 고정된 다이아몬드를 마모, 파괴함으로써 상대재 절삭에 이바지하는 다이아몬드 수를 감소시켜 절삭 성능에 악영향을 끼친다. 따라서 다이아몬드/니켈 복합재의 절삭 성능은 금속 바인더인 니켈과 다이아몬드 사이 밀착 특성에 큰 영향을 받는다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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