[논문]초소형 PCD 공구 제작을 위한 확산접합부의 형상에 따른 인장강도 특성

정바위; 김욱수; 정우섭; 박정우

doi:10.14775/ksmpe.2015.14.2.025

초소형 PCD 공구 제작을 위한 확산접합부의 형상에 따른 인장강도 특성
Tensile Strength Properties of the Diffusion Bonding Copula Shape for Micro PCD Tool Fabrication 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.14 no.2, 2015년, pp.25 - 30

정바위 (조선대학교 첨단부품소재공학과) , 김욱수 (조선대학교 기계시스템공학과) , 정우섭 ((주)테크맥) , 박정우 (조선대학교 기계시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study involved the fabrication of precision machine tools using a polycrystalline diamond tip [sintered PCD and cemented carbide (WC-Co) tip] and WC-Co shanks via diffusion bonding with a paste-type nickel alloy filler metal. Diffusion bonding is a process whereby two materials are pressed together at high temperature and high pressure for a sufficient period of time to allow significant atomic diffusion to occur. For smooth progress, a filler metal of nickel alloy was used at the interface. Optical microscopy images were used to observe the copula of the bonded layer. It was confirmed that cracks occurred near the junction in all cases. The tensile strength of the bond was measured using a universal testing machine (UTM) with WC-Co proportional test specimens.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험은 Fig. 1과 같이 확산접합 공정을 통해 제작된 초소형 PCD 드릴 공구 블랭크는 소형화 부품 가공을 위한 공구로써 그 성능에 대한 평가를 하고자 한다. 접합부 형상에 따른 인장강도의 시험 평가를 위해 초경합금은 Fig.
이와 같은 특성을 가지는 PCD를 이용하여 초경합금과 함께 복합소재 공구로 가공된 것이 PCD드릴이다. 본 연구는 Fig. 1과 같은 초소형 PCD 드릴 공구를 제작하기 위한 블랭크를 개발하고자 Fig. 2 와 같이 두 재료를 확산접합 하였다. Fig.

가설 설정

Fig. 3 에서 알 수 있듯이 접합과정은 4단계 (a) 삽입금속의 삽입 및 용융과정, (b) 삽입금속에 의한 모재의 용융과정, (c) 액상의 소멸 및 비균질화, (d) 금속 조직의 균질화를 거치게 된다. 대부분 모든 과정에서 등온응고가 진행되기 때문에 추후에 기존의 접합온도로 재가열하여도 재용융하지 않는 특징이 있다.

제안 방법

쐐기형 시험편의 중심각은 60˚, 90˚, 120˚이다. 그에 따라 확산접합에 필요한 흑연 지그를 제작했다. Fig.
본 연구는 동일한 확산 접합 공정 조건에서 다양한 중심각의 쐐기형 비례시험편과 톱니형 비례 시험편을 확산접합하여, 그 결과를 바탕으로 접합부 형상에 따른 접합 특성을 광학현미경 및 만능시험기를 이용하여 분석하였다. 접합부 상태 측정시 모든 조건에서는 원활할 확산접합 결과가 나타났고, 경우에 따라서 균열이 확인되었다.
2는 공정 전 초소형 PCD 팁과 초경합금 생크 (cemented carbide shank)이다. 이 초소형 PCD 드릴 공구 블랭크의 성능 평가를 위해 초경합금 비례 시험편 (proportional specimen) 을 이용하여 접합부의 형상에 따른 확산접합 특성을 고찰하였다.
그리고 Table 2의 접합 공정 조건에 따라 접합을 진행하였다. 확산 접합된 비례시험편을 광학현미경(Olympus SZ61) 과 만능시험기(UTM : Shimadzu AG - IS, 50 kN)를 이용하여 접합부의 상태 및 인장강도를 측정하여 각 접합부 형상에 따른 확산접합 특성을 분석하였다.

대상 데이터

그리고 접합 표면의 산화막 제거 및 접합 공정이 종료된 후 기계적 성질을 향상시키는 역할을 하게 된다. 본 실험에서는 니켈이 주성분으로 이루어진 합금 분말이 포함된 반죽형의 삽입금속을 사용하였다. 반죽형 삽입금속을 사용하게 된 이유는 판형의 경우에 접합면의 형태로 가공하기가 어렵고, 하중 분포가 고르지 않더라도 모든 면에서 확산 반응이 일어날 것으로 판단하였기 때문이다.
1과 같이 확산접합 공정을 통해 제작된 초소형 PCD 드릴 공구 블랭크는 소형화 부품 가공을 위한 공구로써 그 성능에 대한 평가를 하고자 한다. 접합부 형상에 따른 인장강도의 시험 평가를 위해 초경합금은 Fig. 4와 같이 접합부를 쐐기형과 1 mm 톱니형으로 제작했다. 쐐기형 시험편의 중심각은 60˚, 90˚, 120˚이다.

성능/효과

실험에서 사용된 반죽형의 삽입금속은 퍼짐현상 등의 부정적인 영향으로 균열이 발생한 것으로 보인다. 결론적으로 모든 형상 조건에서 초경합금의 원 소재보다 우수한 인장강도가 도출되었으며, 미소한 접합 표면적의 차이, 즉 비슷한 접합 표면 조건에서는 모든 접합 면적에 대하여 일정하게 가압해야만 우수한 접합 품질을 얻을 수 있다.
톱니형은 쐐기의 깊이가 크지 않기 때문에 압력의 집중이 적어 균열이 발생하지 않은 것으로 추측된다. 광학 현미경으로 측정한 결과에서 쐐기형의 접합부 압력이 집중되는 경향이 심하기 때문에 톱니형에 비해 균열의 발생이 쉽다는 것을 알 수 있었다. Fig.
파단결과, 쐐기 및 톱니형의 확산접합 전 형상과 비교하면, 비록 거친 표면이지만 평평한 형상이 나타났다. 시험 결과 초경합금 모재의 인장응력보다 접합부의 인장 응력이 더 높다는 것을 알 수 있으며 쐐기 및 톱니형의 측면부, 즉 경사면 위치에서도 확산접합 공정이 진행되었다는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 외부의 큰 균열은 내부의 깊은 부분까지 영향을 준다는 것도 확인하였다.
전체적으로 우수한 인장응력이 도출된 것을 확인할 수 있다. 이 결과는 접합부 표면적이 가장 넓은 조건이었던 (A) 조건이 가장 인장 응력이 높을 것이라는 추측과 달리 가장 표면적이 작았던 조건 (C) 에서 매우 우수한 인장응력이 도출된 것을 확인할 수 있었다. 이는 크지 않는 접합부 면적 차이에서 조건 (C) 와 같이 표 면적이 작지만, 접합부 표면에 접합 압력이 고르게 분포된 것이 확산접합 공정에 큰 영향을 준 것으로 판단된다.
본 연구는 동일한 확산 접합 공정 조건에서 다양한 중심각의 쐐기형 비례시험편과 톱니형 비례 시험편을 확산접합하여, 그 결과를 바탕으로 접합부 형상에 따른 접합 특성을 광학현미경 및 만능시험기를 이용하여 분석하였다. 접합부 상태 측정시 모든 조건에서는 원활할 확산접합 결과가 나타났고, 경우에 따라서 균열이 확인되었다. 실험에서 사용된 반죽형의 삽입금속은 퍼짐현상 등의 부정적인 영향으로 균열이 발생한 것으로 보인다.
9 는 초경합금 비례시험편의 파단면을 광학현미경으로 측정한 것이다. 파단결과, 쐐기 및 톱니형의 확산접합 전 형상과 비교하면, 비록 거친 표면이지만 평평한 형상이 나타났다. 시험 결과 초경합금 모재의 인장응력보다 접합부의 인장 응력이 더 높다는 것을 알 수 있으며 쐐기 및 톱니형의 측면부, 즉 경사면 위치에서도 확산접합 공정이 진행되었다는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	확산접합이란 무엇인가?	확산접합이란 접합하고자 하는 두 금속 사이에 삽입금속 (filler metal) 을 위치시킨 후 융점 이하의 온도로 가열하여 소성변형을 일으키지 않을 정도의 압력을 가해 두 금속을 결합시키는 공정이다. Fig.
	PCD는 전도성이 있기 때문에 어떤 장점이 있는가?	열팽창계수가 적고 열전도율이 크다는 장점이 있기 때문에 유리 소재 등 기계 부품 가공 이외에도 다 양한 분야에서 절삭 공구로 많이 사용되고 있다. 전도성이 있기 때문에 방전가공을 통해 원하는 공구 형상을 만들 수 있는 장점이 있다 [4] . 이와 같은 특성을 가지는 PCD 를 이용하여 초경합금과 함께 복합소재 공구로 가공된 것이 PCD드릴이다.
	PCD는 어떻게 제작되는가?	일하게 다결정 다이아몬드 (polycrystalline diamond, PCD) 드릴이나 PCD 코팅 드릴을 사용하고 있다 [1-4] . PCD 는 다이아몬드 입자와 코발트 바인더를 고온, 압착하는 방식으로 소결하여 제작된다. 그 특성은 다이아몬드와 비슷한 강도를 지니고 있으며, 고속 절삭 및 비철 금속의 정밀 완성 가공에 사용한다.

참고문헌 (8)

Karpat, Y., Bahtiyar, O., Deger, B., and Kafanoglu, B., "A mechanistic approach to investigate drilling of UD-CFRP laminate with PCD drills", CIR Annals-Manufacturing, Vol. 63, pp. 81-84, 2014.

상세보기
Jinyang Xu. Qinglong An and Ming Chen, "A comparative evaluation of polycrystalline diamond drills in drilling high-strength T800S/250F CFRP" Composit Structure, Vol. 117, pp. 71-82, 2014.

상세보기
Kwon D. J., Wang Z. J., Gu G. Y. and Park J. M.., "Comparison of Optimum Drilling Conditions of Aircraft CFRP Composites using CVD Diamond and PCD drills, J. KSCM, Vol. 24, No. 4, pp. 23-28, 2011.
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상세보기
Jeong B. W. and Park J. W., "Transient liquid phase diffusion bonding for micor PCD tool fabrication", Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 27, pp. 3005-3010, 2013.

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Jeong B. W. and Park J. W., "Temperature dependency of diffusion bonding for micro WC-PCD tool fabrication", Journal of Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol. 22, No. 5, pp. 812-817, 2013.

원문보기 상세보기
Jose Lemus-Ruiz, Leonel Ceja-Cardenas, J. A. Verduzco and Osvaldo Flores, "Joining of tungsten carbide to nickel by direct diffusion bonding and using a Cu-Zn alloy", Journal of Materials Science, Vol. 43, pp. 6296-6300, 2008.

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Kang C. Y., "On the transient liquid phase diffusion bonding," Journal of the Krean Welding Society, Vol. 7, No. 2, pp. 12-24, 1989.

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