[논문]튜브형상 반응소결 탄화규소 부품의 시편크기에 따른 강도평가 유용성 고찰

김성원; 이소율; 오윤석; 이성민; 한윤수; 신현익; 김영석

doi:10.4150/kpmi.2017.24.6.450

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Reaction-bonded silicon carbide (RBSC) is a SiC-based composite ceramic fabricated by the infiltration of molten silicon into a skeleton of SiC particles and carbon, in order to manufacture a ceramic body with full density. RBSC has been widely used and studied for many years in the SiC field, becau...

Reaction-bonded silicon carbide (RBSC) is a SiC-based composite ceramic fabricated by the infiltration of molten silicon into a skeleton of SiC particles and carbon, in order to manufacture a ceramic body with full density. RBSC has been widely used and studied for many years in the SiC field, because of its relatively low processing temperature for fabrication, easy use in forming components with a near-net shape, and high density, compared with other sintering methods for SiC. A radiant tube is one of the most commonly employed ceramics components when using RBSC materials in industrial fields. In this study, the mechanical strengths of commercial RBSC tubes with different sizes are evaluated using 3-point flexural and C-ring tests. The size scaling law is applied to the obtained mechanical strength values for specimens with different sizes. The discrepancy between the flexural and C-ring strengths is also discussed.

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문제 정의

ASTM C1323-10에는 압축시험시 인장응력이 한쪽면 바깥에 분표하는 C-ring 형태의 시편에 대한 강도평가를 규정하였고 본 연구에서는 ASTM C1323-10 규격에 따라 가공된 튜브의 C-ring 강도를 평가하고자 한다. 압축하중 하의 C-ring은 하중축에 수직인 외부면에 최대 인장응력이 가해지며 파괴강도는 아래와 같이 구할 수 있다.
본 연구에서는 상용 반응소결 탄화규소 튜브를 이용하여 일반적으로 세라믹 소재의 강도평가에 사용되는 3점 곡강도 및 튜브형상 세라믹 부품의 강도평가에 사용되는 C-ring 강도를 평가하여 통계적으로 처리하고 강도변환을 적용하여 튜브형상 세라믹 부품의 강도평가 유용성을 고찰하였다.
본 연구에서는 튜브형상 세라믹 부품의 강도평가 유용성을 살피기 위하여 상용 반응소결 탄화규소 튜브를 이용하여 일반 3점 곡강도 및 C-ring 강도를 평가하고 비교하였다.

제안 방법

본 연구에서는 구경이 다른 두 가지 상용 반응소결 탄화규소 튜브를 입수하고 가공한 후 세라믹 강도평가에 사용되는 일반적인 3점 곡강도와 튜브형상 세라믹 부품의 강도평가에 사용되는 C-ring 강도를 평가하였다. 강도값으로부터 Weibull 계수를 구하고 시편의 형상변수를 고려한 강도변환(size scaling)을 적용하여 튜브형상 세라믹부품의 강도평가 유용성을 고찰하였다.
두 가지 구경(외경 100 mm, 200 mm)의 C-ring 시편과 곡강도 시편을 각각 25 개씩 가공하여 만능재료시험기 (UNITECH RB-301, R&B Inc., Korea) 로 강도를 측정하고 Weibull 계수를 구하였다.
본 연구에 사용된 반응소결 탄화규소 시편을 다이아몬드 휠로 절단하고 에폭시에 마운팅하여 mesh #100, #600, #1000 사포로 연삭한 후 6 μm에서 1 μm 직경의 다이아몬드 슬러리로 연마한 단면시편의 미세구조를 SEM(Scanning electron microscope, JSM-6770F, JEOL, Japan)으로 관찰하였고, 곡강도 시험 후 시편의 파단면에 대해서 강도시험 시에 인장응력을 받는 부분을 위주로 관찰하였다.
본 연구에서는 구경이 다른 두 가지 상용 반응소결 탄화규소 튜브를 입수하고 가공한 후 세라믹 강도평가에 사용되는 일반적인 3점 곡강도와 튜브형상 세라믹 부품의 강도평가에 사용되는 C-ring 강도를 평가하였다. 강도값으로부터 Weibull 계수를 구하고 시편의 형상변수를 고려한 강도변환(size scaling)을 적용하여 튜브형상 세라믹부품의 강도평가 유용성을 고찰하였다.
위 결과에서 곡강도와 C-ring 강도 간의 강도변환이 유효하지 않은 이유를 고찰하기 위해 시편의 파단면을 관찰하였다. 그림 7은 곡강도 시편과 C-ring 시편의 파괴단면과 인장응력을 받는 표면의 미세구조이다.
세라믹 강도평가에 사용되는 일반적인 곡강도 시험편은 KS L 1591에 규정된 시편크기(3 mm × 4 mm × 40 mm, span 30 mm)로 가공하여 제조하였다. 튜브형상의 세라믹 시편에 대한 C-ring 강도시편의 가공은 해당규격(ASTM C1323-10 Standard Test Method for Ultimate Strength of Advanced Ceramics with Diametrally Compressed C-Ring Specimens at Ambient Temperature)에 규정된 시편형상으로 가공하였고 강도시험시에 인장응력을 받는 C-ring 외측모서리에 대해서 mesh # 200 사포를 이용하여 모따기 가공을 진행하였다. 그림 1에 본 연구에 사용된 두 가지 구경의 반응 소결 탄화규소 튜브와 가공된 C-ring 및 곡강도 시편의 형상을 보였고 그림 2에 C-ring 강도시험의 시편 배치를 실제 시험과 규격의 개략도로 보였다.

대상 데이터

반응소결 탄화규소 튜브의 강도를 평가하기 위하여 두 가지 구경(외경 100 mm, 200 mm)을 지니는 상용 반응소결 탄화규소(Silit® SKD, Saint-Gobain, USA) 튜브를 입수하고 곡강도 및 C-ring 강도 시편을 준비하였다.
세라믹 강도평가에 사용되는 일반적인 곡강도 시험편은 KS L 1591에 규정된 시편크기(3 mm × 4 mm × 40 mm, span 30 mm)로 가공하여 제조하였다.

성능/효과

각 강도값, Weibull 계수 및 형상변수를 이용하여 세라믹 소재에서 사용하는 강도변환 결과로부터 구경이 다른 두 종의 C-ring 시편으로부터의 강도값과 일반 곡강도값 간의 강도변환이 유효하지 않다는 것을 확인하였다. 이를 고찰하기 위해 파단면 분석을 실시한 결과 C-ring 시편과 곡강도 시편에서 파단의 시점이 표면가공의 차이에 따라 다름을 관찰하고 이것이 강도변환에서 차이가 나는 원인임을 확인하였다.
즉, 본 연구에 사용된 튜브형상의 세라믹 부품의 파괴는 샌드블라스팅 처리된 표면의 결함을 시작점으로 하여 일어나 강도를 결정하지만 곡강도 시편으로 가공하면 이러한 본래의 결함이 사라지면서 내부의 결함으로부터 파괴가 일어나는 양상으로 변화된 것으로 사료된다. 또한, ASTM C1683-10에 규정되어 있는 강도변환에 있어 가장 기본적인 전제 중 하나는 파괴의 양상이 동일해야 한다는 것으로 세라믹 시편의 강도평가 및 크기/형상이 다른 시편 간의 강도변환에 있어서 Weibull 계수와 같은 통계적인 처리뿐만 아니라 파괴시편에 대한 파단면 분석도 필수적이라는 것을 반증한다. 따라서, 표면연마 가공을 거친 곡강도 시편을 이용해서 대형튜브와 같은 실형상세라믹 부품의 강도를 추산하는 데에는 어느 정도 한계가 존재하며 강도평가의 목적에 합당한 형상의 시편을 준비하여 강도평가를 진행해야 할 것으로 사료된다.
각 강도값, Weibull 계수 및 형상변수를 이용하여 세라믹 소재에서 사용하는 강도변환 결과로부터 구경이 다른 두 종의 C-ring 시편으로부터의 강도값과 일반 곡강도값 간의 강도변환이 유효하지 않다는 것을 확인하였다. 이를 고찰하기 위해 파단면 분석을 실시한 결과 C-ring 시편과 곡강도 시편에서 파단의 시점이 표면가공의 차이에 따라 다름을 관찰하고 이것이 강도변환에서 차이가 나는 원인임을 확인하였다. 본 결과를 통해 튜브형상과 같은 세라믹 부품의 기계적 강도를 다룸에 있어서 기존의 곡강도 시편 뿐만 아니라 강도평가의 목적에 합당한 형상의 시편을 사용한 강도평가가 필요하다고 사료된다.

후속연구

또한, ASTM C1683-10에 규정되어 있는 강도변환에 있어 가장 기본적인 전제 중 하나는 파괴의 양상이 동일해야 한다는 것으로 세라믹 시편의 강도평가 및 크기/형상이 다른 시편 간의 강도변환에 있어서 Weibull 계수와 같은 통계적인 처리뿐만 아니라 파괴시편에 대한 파단면 분석도 필수적이라는 것을 반증한다. 따라서, 표면연마 가공을 거친 곡강도 시편을 이용해서 대형튜브와 같은 실형상세라믹 부품의 강도를 추산하는 데에는 어느 정도 한계가 존재하며 강도평가의 목적에 합당한 형상의 시편을 준비하여 강도평가를 진행해야 할 것으로 사료된다.
이를 고찰하기 위해 파단면 분석을 실시한 결과 C-ring 시편과 곡강도 시편에서 파단의 시점이 표면가공의 차이에 따라 다름을 관찰하고 이것이 강도변환에서 차이가 나는 원인임을 확인하였다. 본 결과를 통해 튜브형상과 같은 세라믹 부품의 기계적 강도를 다룸에 있어서 기존의 곡강도 시편 뿐만 아니라 강도평가의 목적에 합당한 형상의 시편을 사용한 강도평가가 필요하다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반응소결 탄화규소란 무엇인가?	반응소결 탄화규소(RBSC, reaction-bonded silicon carbide)는 SiC 분말과 페놀과 같은 레진을 이용하여 성형체를 제조하고 탄화열처리한 SiC와 C의 골격체(skeleton)에 액상 Si를 함침하여 치밀화한 세라믹 소재이다. 고온에서 액상의 Si가 골격체 내부로 함침할 때에 C와 Si가 반응하여 2차 SiC가 합성되면서 완전치밀화에 필요한 공정온도를 낮출 수 있으며[1-3] 정밀정형(near-net shape)의 부품제조가 가능[4, 5]하여 산업적으로 널리 사용되고 있다.
	반응소결 탄화규소 소재의 장점은 무엇인가?	반응소결 탄화규소(RBSC, reaction-bonded silicon carbide)는 SiC 분말과 페놀과 같은 레진을 이용하여 성형체를 제조하고 탄화열처리한 SiC와 C의 골격체(skeleton)에 액상 Si를 함침하여 치밀화한 세라믹 소재이다. 고온에서 액상의 Si가 골격체 내부로 함침할 때에 C와 Si가 반응하여 2차 SiC가 합성되면서 완전치밀화에 필요한 공정온도를 낮출 수 있으며[1-3] 정밀정형(near-net shape)의 부품제조가 가능[4, 5]하여 산업적으로 널리 사용되고 있다. 반응소결 탄화규소는 2000°C 이상의 소결온도가 필요한 상압소결 탄화규소에 비해 저온에서 완전치밀화된 소결체를 제조할 수 있지만 소결체 내의 잔류탄소가 결함으로 작용하고 골격체 내의 SiC가 최종 SiC 양을 좌우하므로 레진과 같은 탄소원료를 바꾸거나[3, 6, 7] 다양한 성형공정을 거쳐 SiC 골격체의 성형밀도를 높이고자 하는 연구[8-11]가 이루어지고 있다.
	세라믹 소재의 기계적 강도는 무엇에 따라 달라지는가?	세라믹 소재의 기계적 강도는 파괴를 일으키는 크랙이나 기공과 같은 결함의 크기, 위치, 방향 등의 분포에 따라 달라지므로 명목상 동일한 세라믹 소재의 시편으로 측정하더라도 상당한 산포를 지니는 값으로 나타난다[13]. 따라서, 동일한 세라믹 소재로 만든 부품이더라도 일반적인 곡강도 시편에서 얻은 강도값과 부품형상과 유사한 시편으로 평가한 강도값 간의 차이가 있어 부품형상에 따른 강도값을 평가하고자 하는 연구가 이루어졌다[14-16].

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