[국내논문]hBN의 첨가량에 따른 Si3N4/hBN 세라믹의 재료특성 및 마이크로 홀가공 유용성 평가 Feasibility Evaluation of Micro Hole Drilling and the Material Properties of Si3N4/hBN Ceramic with hBN Contents원문보기
In this paper, $Si_3N_4/hBN$ ceramics with various hexagonal boron nitride (hBN) contents (0, 10, 20, or 30 wt%) were fabricated via spark plasma sintering (SPS) at $1500^{\circ}C$, 50MPa, and 10m holding time. The material properties such as the relative density, hardness, and...
In this paper, $Si_3N_4/hBN$ ceramics with various hexagonal boron nitride (hBN) contents (0, 10, 20, or 30 wt%) were fabricated via spark plasma sintering (SPS) at $1500^{\circ}C$, 50MPa, and 10m holding time. The material properties such as the relative density, hardness, and fracture toughness were systematically evaluated according to the hBN content in the $Si_3N_4/hBN$ ceramics. The results show that relative density, hardness, and fracture toughness continuously decreased as the hBN content increased. In addition, peak-step drilling (with tool diameter $500{\mu}m$) was performed to observe the effects of hBN content in micro-hole shape and cutting force. A machined hole diameter of $510{\mu}m$ (entrance) and stable cutting force were obtained at 30 wt% hBN content. Consequently, $Si_3N_4/30wt%$ hBN ceramic is a feasible material upon which to apply semi-conductor components, and this study is very meaningful for determining correlations between material properties and machining performance.
In this paper, $Si_3N_4/hBN$ ceramics with various hexagonal boron nitride (hBN) contents (0, 10, 20, or 30 wt%) were fabricated via spark plasma sintering (SPS) at $1500^{\circ}C$, 50MPa, and 10m holding time. The material properties such as the relative density, hardness, and fracture toughness were systematically evaluated according to the hBN content in the $Si_3N_4/hBN$ ceramics. The results show that relative density, hardness, and fracture toughness continuously decreased as the hBN content increased. In addition, peak-step drilling (with tool diameter $500{\mu}m$) was performed to observe the effects of hBN content in micro-hole shape and cutting force. A machined hole diameter of $510{\mu}m$ (entrance) and stable cutting force were obtained at 30 wt% hBN content. Consequently, $Si_3N_4/30wt%$ hBN ceramic is a feasible material upon which to apply semi-conductor components, and this study is very meaningful for determining correlations between material properties and machining performance.
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문제 정의
따라서, 본 논문에서는 육방정질화붕소(hBN)의함유량 0, 10, 20 및 30wt%에 따른 기계적 특성으로서 밀도, 경도, 파괴인성을 비교 분석하고, 고속 회전수인 30,000rpm에서의 미세드릴링가공을 수행하였다. 드릴링공정에서 절삭력과 마이크로홀 형상을 분석하여 Si3N4/hBN 세라믹의 기계적 특성과 마이크로 홀가공의 유용성을 제시하고자 한다.
)에서 두께 2mm의 복합체를 소결하고자 ɑ상의 Si3N4가 β상으로 변화하는 온도인 1500℃ [6] 에서 유지시간 10분, 50MPa에서 소결을 진행 하였다. Si3N4 의 결정상의 변화와 함유량에 따른 hBN의 배향도를 분석하기 위해 X선 회절분석기 (D8-Advance, Bruker)를 사용하였다. 또한, 밀도측정기(SECURA224–IS, SARTORIOUS)로 상대밀도를 측정하였다.
가공성 평가방법으로 S/N비가 높은 절삭력(Cutting force)을 알아보기 위해 각 시편을 지그로고정하고 드릴링 가공을 실시하여 직접적인 가공과 이송을 하는 Z축 방향에서의 주분력(Principal cutting force)과 칩이 배출 되면서 발생하는 배분력(Thrust cutting force)을 X, Y 축 방향에서의 절삭력을 공구 동력계(9256C2, Kistler)를 이용하여 측정하고 증폭기(Amplifier)를 통해 A/D board (Orion-0816-5M, Dewetron) 를 거쳐 절삭력 파형을 분석하였다. hBN의 함유량과 마이크로드릴링 가공조건에서의 가공표면 상태를 관찰하기 위해서 고배율의 광학현미경(KH-8700, Hirox)를 이용하였다.
5mm, 선단각 (Point angle) 130°, 날길이 5mm의 초경마이크로 드릴(UDCMX 2050-050, UNION TOOL)을 이용했으며 [5] , 가공물은 본 연구에서 소결한 Si3N4 /hBN 세라믹을 대상으로 하였다. 가공성 평가방법으로 S/N비가 높은 절삭력(Cutting force)을 알아보기 위해 각 시편을 지그로고정하고 드릴링 가공을 실시하여 직접적인 가공과 이송을 하는 Z축 방향에서의 주분력(Principal cutting force)과 칩이 배출 되면서 발생하는 배분력(Thrust cutting force)을 X, Y 축 방향에서의 절삭력을 공구 동력계(9256C2, Kistler)를 이용하여 측정하고 증폭기(Amplifier)를 통해 A/D board (Orion-0816-5M, Dewetron) 를 거쳐 절삭력 파형을 분석하였다. hBN의 함유량과 마이크로드릴링 가공조건에서의 가공표면 상태를 관찰하기 위해서 고배율의 광학현미경(KH-8700, Hirox)를 이용하였다.
고강도 흑연몰드에 장입하여 스파크방전소결장치(SPS-825 Syntex Inc.)에서 두께 2mm의 복합체를 소결하고자 ɑ상의 Si3N4가 β상으로 변화하는 온도인 1500℃ [6] 에서 유지시간 10분, 50MPa에서 소결을 진행 하였다.
5µm) 사용하였으며, 소결조제로 8mol% Y2O3와 6mol% Al2O3를 첨가하여, hBN의 함유량을 0, 10, 20, 30wt%로 각각 첨가하였다. 고에너지 볼 밀링기( High ener gy ballmilling)로 200rpm, 24시간 진행하였다. 고강도 흑연몰드에 장입하여 스파크방전소결장치(SPS-825 Syntex Inc.
그리고 주사전자현미경(FE-SEM, S-4800, Hitachi) 을 사용하여 파단면의 미세구조를 관찰하였다.
따라서, 본 논문에서는 육방정질화붕소(hBN)의함유량 0, 10, 20 및 30wt%에 따른 기계적 특성으로서 밀도, 경도, 파괴인성을 비교 분석하고, 고속 회전수인 30,000rpm에서의 미세드릴링가공을 수행하였다. 드릴링공정에서 절삭력과 마이크로홀 형상을 분석하여 Si3N4/hBN 세라믹의 기계적 특성과 마이크로 홀가공의 유용성을 제시하고자 한다.
또한, 밀도측정기(SECURA224–IS, SARTORIOUS)로 상대밀도를 측정하였다.
회전수는 스핀들 최고사양에서 80%이내의 조건인 30,000rpm을 선정하였고, 가공형상정도를 고려하여 예비실험을 통하여 이송속도는 20mm/min으로 결정하였다. 복합체의 2mm두께를 가공하고자 0.2mm씩 가공하고 처음 지점까지 올라왔다가 다시 0.2mm씩 가공하는 스텝이송(Step feed)방식을 적용하여 홀가공을 실시하였으며, 스텝이송은 원활한 칩 배출과 공구 에서 발생하는 열방출 효과를 얻을 수 있다 [2] .
대상 데이터
마이크로 홀 가공에는 직경 0.5mm, 선단각 (Point angle) 130°, 날길이 5mm의 초경마이크로 드릴(UDCMX 2050-050, UNION TOOL)을 이용했으며 [5] , 가공물은 본 연구에서 소결한 Si3N4 /hBN 세라믹을 대상으로 하였다.
실험에 사용된 마이크로 드릴링 머신은 최고 40000rpm의 고주파스핀들, 주축의 정적 흔들림(Static run-out)은 5µm이고 각 축의 이송은볼 스크류(Ball screw)방식을 사용하고 있으며 가공조건은 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
또한, 밀도측정기(SECURA224–IS, SARTORIOUS)로 상대밀도를 측정하였다. 비커스경도기(VMI-X, MATSUZAWA)를 통해서 압자압입법(Indentation)을 이용하여 경도를 측정하고 압입자의 압흔길이와 압흔주변에서 균열전파거동으로 발생한 균열길이를 측정하여 식 (1)을 이용하여 파괴인성을 분석하였다 [4] .
성능/효과
6%이상의 고밀도를 얻었다. hBN의 함유량이 증가할수록 경도는 16GPa에서 6GPa로 감소하고, 파괴인성 또한 6GPa에서 2GPa로 감소하는 것을 관찰하였다. 이러한 재료특성으로 부터 500µm의 드릴로 미세 홀가공에서 절삭력과 공구마멸이 감소하여 양호한홀 형상과 510µm의 가공직경을 얻을 수 있었다.
이는 hBN 과 Si3N4 의 입자의 성장에서 서로의 성장을 억제 하여 발생한 기공이 원인으로 판단된다 [7] . hBN의함유량이 20wt%에서 경도값이 약 8GPa로 단일상 Si3N4 와 비교하여 약 2배 감소하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 사용용도에 맞게 적정한 경도 값과 가공성을 동시에 고려해야 할 것이다.
5에 나타내었다. 고에너지를 통한 스파크방전소결법 [6] 으로 97.6%이상의 고치밀도의 상대밀도가 얻어지는 결과를 얻었다. 또한 hBN의 함유량이 증가할수록 상대밀도는 감소하는 경향을 보여주며, hBN의 함유량이 30wt% 에서 상대밀도가 가장 낮은 것을확 인할 수 있었다.
6은 hBN의 함유량에 따른 Si3N4/hBN 복합체의 경도변화를 나타내고 있다. 단일상 Si3N4 에서 경도값은 16.2GPa이며, hBN의 함유량이 증가함에 따라 경도는 감소하는 경향을 보였다. 이는 hBN 과 Si3N4 의 입자의 성장에서 서로의 성장을 억제 하여 발생한 기공이 원인으로 판단된다 [7] .
7N의 연속적으로 일정한 절삭력신호(Stable signal) 거동을 보이며, 드릴 날의 마멸이 거의 발생하지 않음을 관찰할 수 있었다. 또한 Fig. 6에서 나타나는 결과를 통해 경도가 높을수록 드릴의 진입에서 높은 부하가 발생하는 것을 알 수 있었다. 따라서, hBN 의 함유량이 증가할수록 마이크로 홀 가공시 공구 마멸이 감소하는 효과가 있음을 알 수 있다 [7,10] .
6%이상의 고치밀도의 상대밀도가 얻어지는 결과를 얻었다. 또한 hBN의 함유량이 증가할수록 상대밀도는 감소하는 경향을 보여주며, hBN의 함유량이 30wt% 에서 상대밀도가 가장 낮은 것을확 인할 수 있었다. 이는 hBN 함유량의 증가에 따라 소결시 판상구조의 hBN이 Si3N4 의 입계에서 적층 구조로 성장하여 Si3N4 의 성장을 억제시킴으로써 발생된 기공의 원인으로 판단된다 [4] .
스파크방전소결(SPS)을 통하여 소결온도 150 0℃, 소결압력 50MPa, 유지시간 10분에서 0~30 wt%의 hBN을 첨가한 Si3N4 /hBN계 세라믹을 제조 하였고, 제조된 복합체의 상대밀도는 97.6%이상의 고밀도를 얻었다. hBN의 함유량이 증가할수록 경도는 16GPa에서 6GPa로 감소하고, 파괴인성 또한 6GPa에서 2GPa로 감소하는 것을 관찰하였다.
7은 hBN의 함유량에 따른 파괴인성을 나타내었다. 시편의 균열을 FE-SEM을 통해 관찰한 결과 함유량이 증가할수록 파괴인성은 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 벽개성을 가진 hBN이 Si3N4 사이에서 성장하면서 기존의 Si3N4 에 비하여 결합력이 감소하여 균열전파를 분산해주는 역할을 하는 브렌칭(Branching)이 증가하고 Si3N4 의 재료적 특성인 나뭇가지형상의 브릿지(Bridge)가 균열을 억제 하는 성질로 취성을 감소시키는 것으로 설명되어 진다 [5] .
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
구조용 세라믹인 질화규소의 장점은 무엇인가?
구조용 세라믹인 질화규소(Silicon nitride, Si3N4) 는 우수한 강도, 경도, 화학적 안정성, 고온강도, 내마모성, 열전도도와 낮은 열팽창계수로 인하여 전기자동차용 파워 일렉트로닉 부품, 방열판, 자동차 베어링, 반도체, 항공우주용 부품 등에 널리 사용되며, 반도체 분야에서 우수한 절연성과 내열성으로 반도체 검사 장비의 부품인 프로브카드 (Probe card)의 지지판(Guide plate)으로 응용되고 있다 [1] . 하지만, Si3N4 는 취성으로 인해 기계적 가공시 균열 전파에 의한 파괴가 발생하므로, 다이아몬드 지석을 가진 초음파가공이나 레이저 등을 이용한 비전통적인 가공을 사용하고 있다.
질화규소 가공시 다이아몬드 지석을 가진 초음파가공이나 레이저를 이용한 비전통적 가공을 사용하는 이유는 무엇인가?
구조용 세라믹인 질화규소(Silicon nitride, Si3N4) 는 우수한 강도, 경도, 화학적 안정성, 고온강도, 내마모성, 열전도도와 낮은 열팽창계수로 인하여 전기자동차용 파워 일렉트로닉 부품, 방열판, 자동차 베어링, 반도체, 항공우주용 부품 등에 널리 사용되며, 반도체 분야에서 우수한 절연성과 내열성으로 반도체 검사 장비의 부품인 프로브카드 (Probe card)의 지지판(Guide plate)으로 응용되고 있다 [1] . 하지만, Si3N4 는 취성으로 인해 기계적 가공시 균열 전파에 의한 파괴가 발생하므로, 다이아몬드 지석을 가진 초음파가공이나 레이저 등을 이용한 비전통적인 가공을 사용하고 있다. 이러한 가공공정은 제조원가의 상승 및 고종횡비(High aspect ratio) 형상가공의 한계를 가지고 있다 [2] .
질화규소는 어떤 분야에 주로 사용되고 있는가?
구조용 세라믹인 질화규소(Silicon nitride, Si3N4) 는 우수한 강도, 경도, 화학적 안정성, 고온강도, 내마모성, 열전도도와 낮은 열팽창계수로 인하여 전기자동차용 파워 일렉트로닉 부품, 방열판, 자동차 베어링, 반도체, 항공우주용 부품 등에 널리 사용되며, 반도체 분야에서 우수한 절연성과 내열성으로 반도체 검사 장비의 부품인 프로브카드 (Probe card)의 지지판(Guide plate)으로 응용되고 있다 [1] . 하지만, Si3N4 는 취성으로 인해 기계적 가공시 균열 전파에 의한 파괴가 발생하므로, 다이아몬드 지석을 가진 초음파가공이나 레이저 등을 이용한 비전통적인 가공을 사용하고 있다.
참고문헌 (11)
Sung, J. W., Kim, K. H. and Kang, M. C., "Effects of Graphene Nanoplatelet Contents on Mater ial and Machining Properties of GNP-Dispersed $ Al_2O_3$ Ceramics for Micro-Electric Discharge Machining," IJPEM-GT, Vol. 3, pp.247-252, 2016.
Blake, P., Bifano, T. and Dow, T., "Precision Machining of Ceramic Materials," J. of the American Cermaic Society, Vol. 67, 1988.
Henry, J. and Hill, R. G., "The Influence of Lithia Content on the Properties of Fluorphlogopite Glass-ceramics," J. of Noncrystalline Solids, Vol. 319, pp. 13-30, 2003.
Ceja, C. and Ruiz, L. J., "Spark Plasma Sintering of ${\alpha}-Si_3N_4$ Ceramics with $Al_2O_3$ and $Y_2O_3$ as Additives and Its Morpholgy Transformation," J. of Alloy compounds, Vol. 501, pp. 345-351, 2010.
Shuba, R. and Chen, I. W., "Machinable ${\alpha}$ -SiAlOBN/BN Composites," J. of the American Cermaic Society, Vol. 89, pp. 2147-2153, 2006.
Zhou, M., "Effects of the Electric Current on Conductive Si3N4/TiN Composites in Spark Plasma Sintering," J. of Alloys and Compounds Vol. 547, pp. 51-58, 2013.
Go, G. H., "Orientation and micro hole drilling characteristics of $Si_3N_4/hBN$ ceramic composites with hBN contents and sintering pressure," A Thesis for a Master, Pusan National University, Republic of Korea, 2015.
Kim, J. D. and Yoon, M. C., "An analysis of Cutting Force according to Specific Force Coefficients," J. of KSMPE, Vol. 13, pp. 108-116, 2014.
Byun, J. Y., Park, N. R., Chung, S. W., Kwon, S. H., Park, J .M. and Kim, J. S., "Drilling Characteristics of PVC Materials," J. of KSMPE, Vol. 14 pp. 70-77, 2015.
Durao, L. M. P. and Andrade, O. N. G., "Drilling Damage in Composite Material," J. of Materia ls, Vol. 7, pp3802-3819, 2014.
Kang, M. C., Je, S. K., Kim, K. H., Shin, B. S. Kwon, D. H. and Kim, J. S., "Cutting performance of CrN-based coatings tool deposited by hybrid coating method for micro drilling applications,"Surface & Coatings Technology, Vol. 202, pp. 5629-5632, 2008.
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