[논문]Ti2AlN과 Ti2AlC 소결체의 마이크로 방전가공에서 재료물성에 따른 가공표면 특성

최의성; 이창훈; 백경래; 김광호; 강명창

doi:10.4150/kpmi.2015.22.3.163

Ti2AlN과 Ti2AlC 소결체의 마이크로 방전가공에서 재료물성에 따른 가공표면 특성
Characteristics of Material Properties and Machining Surface in Electrical Discharge Machining of Ti2AlN and Ti2AlC Materials 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.22 no.3, 2015년, pp.163 - 168

최의성 (부산대학교 융합학부 하이브리드소재응용전공) , 이창훈 (부산대학교 융합학부 하이브리드소재응용전공) , 백경래 (부산대학교 융합학부 하이브리드소재응용전공) , 김광호 (하이브리드 인터페이스기반 미래소재 글로벌프론티어 연구단) , 강명창 (부산대학교 융합학부 하이브리드소재응용전공)

Abstract ▼ AI-Helper

Ti alloys are extensively used in high-technology application because of their strength, oxidation resistance at high temperature. However, Ti alloys tend to be classified very difficult to cut material. In this paper, The powder synthesis, spark plasma sintering (SPS), bulk material properties such as electrical conductivity and thermal conductivity are systematically examined on $Ti_2AlN$ and $Ti_2AlC$ materials having most light-weight and oxidation resistance among the MAX phases. The bulk samples mainly consisted of $Ti_2AlN$ and $Ti_2AlC$ materials with density close to theoretical value were synthesized by a SPS method. Machining characteristics such as machining time, surface quality are analyzed with measurement of voltage and current waveform according to machining condition of micro-electrical discharge machining with micro-channel shape.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

AlC 소결체 및 Ti6Al4V 합금을 마이크로 방전가공 후 표면특성에 대해 주사전자현미경으로 표면을 관찰한 이미지이며, 그림 7은 광학현미경을 사용하여 표면조도를 측정한 그래프이다. Ti₂AlN과 Ti₂AlC는 소결체로서의 재료특성을 고려하여 중심선평균 거칠기 Ra 및 10점 평균거칠기인 Rz 값을 각각 비교하였다. 그림 6에서 전압과 커패시터가 증가함에 따라 Ti6Al4V의 경우 방전흔의 크기가 커지는 것을 확인할 수 있다.
Ti:Al:TiN과 Ti:Al:TiC 분말의 몰 비율을 1:1:1로 혼합한 후 고에너지 방전플라즈마 소결법을 이용하여 Ti2AlN과 Ti2AlC 소결체를 제조하였다. 제조된 Ti₂AlN과 Ti₂AlC 소결체의 상대밀도는 98.
5%, 3 μm)의 분말을 사용하였다. 각각의 분말은 Ti:Al:TiN= 1:1:1과 Ti:Al:TiC=1:1:1의 비율로 혼합하여 200 rpm 1.5시간동안 어트리션 볼밀링(Attrition ball milling)을 수행하여 균일하게 혼합하였고, 직경 30 mm의 흑연몰드에 넣어 SPS 장치(SPS-825, SPS Syntex Inc.)에서 제조하였다. 제조조건은 Ti₂AlN 소결온도 1250℃, 압력 40 MPa, 유지시간 10분, 그리고 Ti₂AlC는 소결온도 1100℃, 압력 50 MPa, 유지시간 10분으로 하여 소결 제조하였다.
따라서, 본 논문에서는 세라믹과 금속의 특성을 동시에 가지는 Ti₂AlN과 Ti₂AlC 소결체를 제조하기 위해 Ti, Al, TiN과 TiC분말을 각각 1:1:1 비율로 합성한 후 방전플라즈마 소결법(SPS, Spark Plasma Sintering)으로 제조하였고, 제조된 Ti₂AlN과 Ti₂AlC 소결체에 대한 재료특성분석을 위해 X-선 회절, SEM, 상대밀도, 경도, 전기전도도 및 열전도도를 측정하였다. 이러한 재료특성이 방전 가공표면특성에 미치는 영향을 관찰하기 위해 Ti₂AlN과 Ti₂AlC 소결체에 대해 마이크로방전가공을 수행하였다.
서보 제어기(Servo controller)는 전극과 가공물이 수 μm 이내로 가까워지면 절연액(Dielectric fluid)의 절연강도를 넘어선 절연파괴가 진행되어 전극과 가공물 사이에 연속적으로 방전이 발생하며, 이때 원활한 방전을 위해 서보제어기는 방전 gap제어를 하여 일정한 방전 gap을 유지한다. 방전 가공 중 발생하는 전압, 전류신호를 획득하기 위해 전압신호(1:1, 400V/700kHz)는 증폭기(Amplifier)를 통해서 획득하였고, 전류신호는 1 mA/5 mV와 20V/700 kHz의 성능을 가지는 Hall sensor(CT-1, Tektronix)를 사용하였다. 발생되는 신호의 증폭을 위해 신호변환장치(DAQP-HV, LV, DEWETRON)를 사용하였다.
AlC 소결체에 대한 재료특성분석을 위해 X-선 회절, SEM, 상대밀도, 경도, 전기전도도 및 열전도도를 측정하였다. 이러한 재료특성이 방전 가공표면특성에 미치는 영향을 관찰하기 위해 Ti₂AlN과 Ti₂AlC 소결체에 대해 마이크로방전가공을 수행하였다.
제조조건은 Ti₂AlN 소결온도 1250℃, 압력 40 MPa, 유지시간 10분, 그리고 Ti₂AlC는 소결온도 1100℃, 압력 50 MPa, 유지시간 10분으로 하여 소결 제조하였다. 제조된 소결체의 재료특성을 분석하기 위해 X-선 회절분석(Xray Diffraction, D8 advance, Bruker)을 이용하여 결정상을 확인하였고, 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, S-4800, Hitachi, Japan)을 이용하여 표면특성을 관찰하였다. 표면조도를 측정하기 위해 광학현미경(Optical microscope, KH-8700, Hirox, Japan)을 이용하였다.
)에서 제조하였다. 제조조건은 Ti₂AlN 소결온도 1250℃, 압력 40 MPa, 유지시간 10분, 그리고 Ti₂AlC는 소결온도 1100℃, 압력 50 MPa, 유지시간 10분으로 하여 소결 제조하였다. 제조된 소결체의 재료특성을 분석하기 위해 X-선 회절분석(Xray Diffraction, D8 advance, Bruker)을 이용하여 결정상을 확인하였고, 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, S-4800, Hitachi, Japan)을 이용하여 표면특성을 관찰하였다.

대상 데이터

Ti2AlN의 제조에 사용된 분말은 Ti(99.5%, 10 μm), Al(99.8%, 3 μm), TiN(99.5%, 3 μm) 이며, Ti2AlC는 Ti(99.5%, 43 μm), Al(99.6%, 30μm), TiC(99.5%, 3 μm)의 분말을 사용하였다.
3. XRD pattern of sintered Ti6Al4V, Ti₂AlN and Ti₂AlC materials.
가공형상은 100 μm의 가공깊이(Depth of cut)로 1,000 μm의 가공거리 (Length of cut)만큼 설정된 미세채널형상이다.
또한, 전극직경 300 μm의 텅스텐 전극과 두께 1,000 μm의 제조된 소결체를 사용하였으며 고순도의 광물유(mineral oil)를 절연액으로 사용함으로서 극간의 방전발생을 더욱 원활하게 하였다.
방전 가공 중 발생하는 전압, 전류신호를 획득하기 위해 전압신호(1:1, 400V/700kHz)는 증폭기(Amplifier)를 통해서 획득하였고, 전류신호는 1 mA/5 mV와 20V/700 kHz의 성능을 가지는 Hall sensor(CT-1, Tektronix)를 사용하였다. 발생되는 신호의 증폭을 위해 신호변환장치(DAQP-HV, LV, DEWETRON)를 사용하였다. 전압, 전류의 세분화된 데이터 획득을 위해서 DEWETRON사의 샘플링 주파수 5Ms/s, 분해능 16Bit의 A/D 컨버터(Orion0816-5M)와 계측전용 소프트웨어(DEWESoft 7.
표면의 잔류응력이 재료의 인장강도를 초과할 시 globules, microcrack, thermal spalling이 발견되는데 이는 주로 세라믹소재의 방전가공 표면특성이다[10-13]. 본 연구에서 제조된 Ti₂AlN과 Ti₂AlC 소결체는 방전가공조건에 관계없이 표면에 세라믹의 방전 가공 후 표면특성이 발견되었다. 이를 통해 세라믹의 재료 특성을 가지는 소재라는 것을 확인하였다.
실험에 사용된 마이크로 방전가공기(Hyper-15, Hybrid precision, Korea)는 마이크로 펄스 발생이 용이한 RC-type의 전원공급장치를 사용하였으며 130 mm (X-axis) × 75 mm (Y-axis) × 75 mm(Z-axis)의 이송거리를 가지고 있다.
발생되는 신호의 증폭을 위해 신호변환장치(DAQP-HV, LV, DEWETRON)를 사용하였다. 전압, 전류의 세분화된 데이터 획득을 위해서 DEWETRON사의 샘플링 주파수 5Ms/s, 분해능 16Bit의 A/D 컨버터(Orion0816-5M)와 계측전용 소프트웨어(DEWESoft 7.1)를 사용하였다. 가공형상은 100 μm의 가공깊이(Depth of cut)로 1,000 μm의 가공거리 (Length of cut)만큼 설정된 미세채널형상이다.

데이터처리

또한 경도는 Vickers hardness(WMT-X, Matsuzawa, Japan)를 이용하였으며 밀도는 아르키메데스법(SECURA224-1S, Germany)을 이용하여 벌크밀도를 측정 후 이론밀도로 나누어서 상대밀도로 계산하였다. 상대밀도, 전기전도도, 열전도도 등은 각각 5회 측정 후 평균값으로 계산하여 나타내었다.

이론/모형

표면조도를 측정하기 위해 광학현미경(Optical microscope, KH-8700, Hirox, Japan)을 이용하였다. 4-point probe(CMTSR1000N, Advanced Instrument Technology, USA)를 이용하여 전기전도도를 측정하였으며 레이저섬광법(LFA-467, Netzsch, Germany)을 이용하여 열확산계수를 측정 후 열전도도로 환산하였다. 또한 경도는 Vickers hardness(WMT-X, Matsuzawa, Japan)를 이용하였으며 밀도는 아르키메데스법(SECURA224-1S, Germany)을 이용하여 벌크밀도를 측정 후 이론밀도로 나누어서 상대밀도로 계산하였다.
4-point probe(CMTSR1000N, Advanced Instrument Technology, USA)를 이용하여 전기전도도를 측정하였으며 레이저섬광법(LFA-467, Netzsch, Germany)을 이용하여 열확산계수를 측정 후 열전도도로 환산하였다. 또한 경도는 Vickers hardness(WMT-X, Matsuzawa, Japan)를 이용하였으며 밀도는 아르키메데스법(SECURA224-1S, Germany)을 이용하여 벌크밀도를 측정 후 이론밀도로 나누어서 상대밀도로 계산하였다. 상대밀도, 전기전도도, 열전도도 등은 각각 5회 측정 후 평균값으로 계산하여 나타내었다.
제조된 소결체의 재료특성을 분석하기 위해 X-선 회절분석(Xray Diffraction, D8 advance, Bruker)을 이용하여 결정상을 확인하였고, 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, S-4800, Hitachi, Japan)을 이용하여 표면특성을 관찰하였다. 표면조도를 측정하기 위해 광학현미경(Optical microscope, KH-8700, Hirox, Japan)을 이용하였다. 4-point probe(CMTSR1000N, Advanced Instrument Technology, USA)를 이용하여 전기전도도를 측정하였으며 레이저섬광법(LFA-467, Netzsch, Germany)을 이용하여 열확산계수를 측정 후 열전도도로 환산하였다.

성능/효과

00 W/m·k으로 Ti6Al4V 합금에 비해 2~3배 높은 것을 확인할 수 있었다. Ti₂AlN과 Ti₂AlC 소결체의 경우 Ti6Al4V 합금에 비해 약 2~3배 높은 전기전도도 및 열전도도로 인해 마이크로방전 가공시 Ti6Al4V 합금에 비해 가공시간 및 표면조도가 향상되는 것을 확인하였다. 또한 두 소결체에 있어서 Ti₂AlN의 높은 경도의 영향으로 Ti₂AlC보다 높은전압과 높은 커패시터의 경우 표면조도가 2~2.
기존 상용소재인 Ti6Al4V 소재에 비해 소결체의 경도 및 용융점은 약 1.5배 정도 높고 전기전도도는 약 3배 높게, 열전도도는 약 2배 높게 측정되었다. 이를 통해 Ti₂AlC와 Ti₂AlN는 금속과 세라믹의 특성을 동시에 가지는 소결체임을 확인하였다.
Ti₂AlN과 Ti₂AlC 소결체의 경우 Ti6Al4V 합금에 비해 약 2~3배 높은 전기전도도 및 열전도도로 인해 마이크로방전 가공시 Ti6Al4V 합금에 비해 가공시간 및 표면조도가 향상되는 것을 확인하였다. 또한 두 소결체에 있어서 Ti₂AlN의 높은 경도의 영향으로 Ti₂AlC보다 높은전압과 높은 커패시터의 경우 표면조도가 2~2.5배 증가하였으며 Ti₂AlC의 경우 가공조건이 증가할 수록 표면조도가 감소하는 경향을 보였다.
본 연구에서 도입된 SPS 소결방법에 의해 제조된 소결체들의 결정상은 HP(Hot press) 또는 HIP(Hot istatic press) 등의 기존공정으로 보고되고 있는 Ti₂AlN 및 Ti₂AlC 상과 잘 일치함을 알 수 있었다. 또한 비교적 저온에서 급속소결이 가능한 장점이 있어 Ti₂AlN과 Ti₂AlC가 소결온도 1400℃이상에서 제조된 경우 상대밀도가 각각 99.07%[6]와 96.59%[9]에 비교해 보았을 때 1250℃ 및 1100℃에서도 고치밀화된 소결체의 제조가 가능하다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 각 분말의 소결 반응은 다결정화의 형성에 기인하여 발생함을 알 수 있다[3].
1 GPa로 측정되었다. 또한, 전기전도도는 4.347 S/m와 4.170 S/m 였으며 열전도도는 55.80W/m·k와 46.00 W/m·k으로 Ti6Al4V 합금에 비해 2~3배 높은 것을 확인할 수 있었다. Ti₂AlN과 Ti₂AlC 소결체의 경우 Ti6Al4V 합금에 비해 약 2~3배 높은 전기전도도 및 열전도도로 인해 마이크로방전 가공시 Ti6Al4V 합금에 비해 가공시간 및 표면조도가 향상되는 것을 확인하였다.
AlN 소결체 및 Ti6Al4V의 XRD 분석을 그림 3과 같이 나타내었다. 본 연구에서 도입된 SPS 소결방법에 의해 제조된 소결체들의 결정상은 HP(Hot press) 또는 HIP(Hot istatic press) 등의 기존공정으로 보고되고 있는 Ti₂AlN 및 Ti₂AlC 상과 잘 일치함을 알 수 있었다. 또한 비교적 저온에서 급속소결이 가능한 장점이 있어 Ti₂AlN과 Ti₂AlC가 소결온도 1400℃이상에서 제조된 경우 상대밀도가 각각 99.
5배 정도 높고 전기전도도는 약 3배 높게, 열전도도는 약 2배 높게 측정되었다. 이를 통해 Ti₂AlC와 Ti₂AlN는 금속과 세라믹의 특성을 동시에 가지는 소결체임을 확인하였다.
본 연구에서 제조된 Ti₂AlN과 Ti₂AlC 소결체는 방전가공조건에 관계없이 표면에 세라믹의 방전 가공 후 표면특성이 발견되었다. 이를 통해 세라믹의 재료 특성을 가지는 소재라는 것을 확인하였다.
그림 7은 방전가공조건에 따라 Ra와 Rz 값을 소재에 따라 나타낸 그래프이다. 전압과 정전용량이 증가할수록 표면조도가 증가하는 경향이 있고, 높은 방전가공조건의 경우(200V, 47,000pF) Ti6Al4V의 표면조도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. Ti₂AlC 소결체의 경우 Ra, Rz가 감소 하는 것을 확인할 수 있다.
AlC 소결체의 가공시간을 나타내었다. 전압과 커패시터 증가에 따라 가공시간이 전반적으로 감소하는 경향이 보이며 표 2에서의 전기전도도 및 열전도도의 경우 Ti₂AlN 소결이 가장 높았으며 가공시간 또한 가장 빨랐다. 이는 전기전도도 및 열전도도가 높을수록 방전가공성능에 영향을 미친다는 것을 의미하며, Ti₂AlC와 Ti6Al4V에 대해서도 이를 잘 반영하고 있다.
Ti:Al:TiN과 Ti:Al:TiC 분말의 몰 비율을 1:1:1로 혼합한 후 고에너지 방전플라즈마 소결법을 이용하여 Ti2AlN과 Ti2AlC 소결체를 제조하였다. 제조된 Ti₂AlN과 Ti₂AlC 소결체의 상대밀도는 98.80%와 98.60%로 고치밀화되었으며, 경도는 6.3 GPa과 5.1 GPa로 측정되었다. 또한, 전기전도도는 4.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로방전가공의 장점은 무엇인가?	한편, 마이크로방전가공(Micro-electrical discharge machining)은 비접촉식 가공공정으로서 평균적으로 0.4 μm 이하의 좋은 표면조도를 가질 수 있어 고정밀도의 형상이 요구되는 부품에 적용가능하다고 보고되고 있다. 또한, 표면특성에 영향을 미치는 중요한 방전가공인자는 전압 및 전류로서 방전가공인자에 따라 표면특성 또한 달라질 수 있다.
	티타늄합금 소재가 갖고 있는 문제점은 무엇인가?	특히, 티타늄합금 (Ti6Al4V)은 용융점이 1660oC정도로서 고온강도가 우수하며, 내산화성 및 내식성, 조직안정성이 매우 우수하여 로켓, 항공기, 선박 엔진, 터빈, 우주선 외관 등에 널리 사용되고 있다. 그러나 낮은 탄성계수와 열전도도 및 높은 화학적 활성으로 인해 선삭, 밀링 등의 전통적인 가공방식으로 가공할 경우 공구의 마모 및 파손을 일으키는 원인이 된다[2]. 이를 보완하기 위해 최근에 가장 많이 사용되는 티타늄합금 소재 중의 하나인 Ti6Al4V의 가공성을 향상시키고자 액화질소를 절삭유로 사용하는 냉간가공(Cryogenic machining)에 대한 연구가 진행되고 있으나 이는 액화질소 탱크 및 펌프 그리고 노즐을 포함한 복잡한 가공공정시스템의 개발을 필요로 한다[3].
	티타늄합금의 특징은 무엇인가?	최근 정밀성과 내환경성, 내식성, 견고성, 내마모성을 요구하는 자동차, 항공, 우주, 의료, 국방산업에 응용하기 위한 신소재 및 난삭성 소재(Difficult-to-cut materials)의 사용빈도가 증가하고 있는 추세이다[1]. 특히, 티타늄합금 (Ti6Al4V)은 용융점이 1660oC정도로서 고온강도가 우수하며, 내산화성 및 내식성, 조직안정성이 매우 우수하여 로켓, 항공기, 선박 엔진, 터빈, 우주선 외관 등에 널리 사용되고 있다. 그러나 낮은 탄성계수와 열전도도 및 높은 화학적 활성으로 인해 선삭, 밀링 등의 전통적인 가공방식으로 가공할 경우 공구의 마모 및 파손을 일으키는 원인이 된다[2].

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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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