[국내논문]다이아몬드 가공을 위한 연마판의 제조 및 플라즈마 용사 코팅층의 열처리 거동 Heat-treatment of Diffusional Behaviors of Plasma Spray Coated Layer for Fabrication of Abrasive Plates for Diamond원문보기
본 연구에서는 다이아몬드의 기계적 화학적 연마(MCP) 에 주목하여 기존에 알려진 다이아몬드 가공연마판을 주물 또는 파우더 소결 방식이 아닌 플라즈마 열분사 기법을 통하여 경제성이 높게 제작하고 이를 상용화 하고자 하였다. 저렴한 주철 모재에 연성이 높고 밀착성이 우수한 Al을 중간 코팅층으로 코팅하고, 상부 코팅층으로 다이아몬드와 화학반응을 하게 되는 Fe-Cr-Ni 및 Ti 코팅층을 플라즈마로 코팅하여 다이아몬드 연마판을 제작하였다. 또한, 물리적인 코팅방법인 플라즈마 열분사 코팅층의 밀착력을 개선 하기 위하여 $550^{\circ}C$ 6시간 동안 열처리를 수행하고 모재와 Al 코팅층 사이에 약 $5{\mu}m$ 정도의 확산층을 형성하여 밀착력을 개선할 수 있었다.
본 연구에서는 다이아몬드의 기계적 화학적 연마(MCP) 에 주목하여 기존에 알려진 다이아몬드 가공연마판을 주물 또는 파우더 소결 방식이 아닌 플라즈마 열분사 기법을 통하여 경제성이 높게 제작하고 이를 상용화 하고자 하였다. 저렴한 주철 모재에 연성이 높고 밀착성이 우수한 Al을 중간 코팅층으로 코팅하고, 상부 코팅층으로 다이아몬드와 화학반응을 하게 되는 Fe-Cr-Ni 및 Ti 코팅층을 플라즈마로 코팅하여 다이아몬드 연마판을 제작하였다. 또한, 물리적인 코팅방법인 플라즈마 열분사 코팅층의 밀착력을 개선 하기 위하여 $550^{\circ}C$ 6시간 동안 열처리를 수행하고 모재와 Al 코팅층 사이에 약 $5{\mu}m$ 정도의 확산층을 형성하여 밀착력을 개선할 수 있었다.
In this study, while the abrasive plates for diamond have been prepared through mechanical alloying and sintering of elemental powders, a fabrication route of plasma thermal coatings has been adopted for the first time. When diamond knife is sharped or polished, a metal plate has been applied, which...
In this study, while the abrasive plates for diamond have been prepared through mechanical alloying and sintering of elemental powders, a fabrication route of plasma thermal coatings has been adopted for the first time. When diamond knife is sharped or polished, a metal plate has been applied, which is made of mechanical alloying and sintering. In this study, in order to develop a cost - effective manufacturing process, plasma coatings of FeCrNi and Ti on cast iron plate were applied together with Al intermediate layer coatings. The plasma coatings were successfully performed, and the optimum coating layer conditions were discussed in terms of micro-structural observations at the interfaces.
In this study, while the abrasive plates for diamond have been prepared through mechanical alloying and sintering of elemental powders, a fabrication route of plasma thermal coatings has been adopted for the first time. When diamond knife is sharped or polished, a metal plate has been applied, which is made of mechanical alloying and sintering. In this study, in order to develop a cost - effective manufacturing process, plasma coatings of FeCrNi and Ti on cast iron plate were applied together with Al intermediate layer coatings. The plasma coatings were successfully performed, and the optimum coating layer conditions were discussed in terms of micro-structural observations at the interfaces.
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문제 정의
본 연구에서는 두께조절이 용이한 금속분말을 이용한 플라즈마 열분사법을 이용하여 다이아몬드를 연마할 수 있는 연마판을 제작하였다. 또한, 코팅층의 밀착력을 높이기 위하여 열처리를 통해 코팅층과 모재 사이에 확산을 진행시켜 효율적인 다이아몬드 연마판을 제조하고 열처리 조건을 최적화 하고자 하였다.
본 연구에서는 두께조절이 용이한 금속분말을 이용한 플라즈마 열분사법을 이용하여 다이아몬드를 연마할 수 있는 연마판을 제작하였다. 또한, 코팅층의 밀착력을 높이기 위하여 열처리를 통해 코팅층과 모재 사이에 확산을 진행시켜 효율적인 다이아몬드 연마판을 제조하고 열처리 조건을 최적화 하고자 하였다.
플라즈마 용융분사를 이용한 코팅은 원재료의 분말을 이용하는 물리적인 코팅(PVD) 방법으로 분말 재료가 완전히 융해되지 않거나 코팅층 밀착력에 근본적인 한계가 있을 수 있다. 따라서, 이를 개선하기 위하여 진공로(Furnace)에서 고온으로 열처리를 하여 추가적인 산화 과정없이 고체 확산을 통하여 코팅층을 개선하고자 하였다. 코팅층의 안정화 열처리는 코팅층 중에서 융점이 가장 낮은 Al을 기준으로 열처리 조건 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 다이아몬드의 기계적·화학적 연마 (MCP) 에 주목하여 기존에 알려진 다이아몬드 가공 연마판을 주물 또는 파우더 소결 방식이 아닌 플라즈마 열분사 기법을 통하여 경제성이 높게 제작하고 이를 상용화하고자 하였다.
제안 방법
실험에 사용한 모재는 주철 봉으로 직경 30 mm, 두께 10 mm 디스크 모양의 시편을 절단하여 사용하였다. 모재를 SiC 연마지 # 220으로 표면의 이 물질을 전부 제거하고 용사 코팅의 접착력의 증가시키기 위하여 샌드블라스팅을 통하여 표면을 거칠게 만들었다. 플라즈마 용사 코팅은 대기중에서 진행하였으며 총 2개의 코팅층으로 구성하였다.
모재를 SiC 연마지 # 220으로 표면의 이 물질을 전부 제거하고 용사 코팅의 접착력의 증가시키기 위하여 샌드블라스팅을 통하여 표면을 거칠게 만들었다. 플라즈마 용사 코팅은 대기중에서 진행하였으며 총 2개의 코팅층으로 구성하였다. 하부 코팅층은 Al 코팅층으로 모재위에 융점이 낮고 경도가 높지 않은 Al을 안정적으로 코팅하여 추후에 다이아몬드를 폴리싱하게 되는 코팅층의 밀착성을 더 높이기 위한 코팅층이다.
Table 1은 플라즈마 열분사법의 세부 코팅 조건이다. 플라즈마 용융분사 코팅은 물리적 코팅법으로 코팅층의 밀착력에 한계가 있기 때문에, 모재와 코팅층 상이의 밀착력 향상과 안정화를 위하여 진공에서 열처리를 진행하였다. 열처리 온도는 순수한 알루미늄의 융점이하와 융점이상의 온도를 설정하여 높은 확산속도를 유도하고자 550oC, 700oC, 850oC의 고온에서 열처리하여 코팅층을 비교하고 최적화된 열처리 온도를 제시하였다.
플라즈마 용융분사 코팅은 물리적 코팅법으로 코팅층의 밀착력에 한계가 있기 때문에, 모재와 코팅층 상이의 밀착력 향상과 안정화를 위하여 진공에서 열처리를 진행하였다. 열처리 온도는 순수한 알루미늄의 융점이하와 융점이상의 온도를 설정하여 높은 확산속도를 유도하고자 550oC, 700oC, 850oC의 고온에서 열처리하여 코팅층을 비교하고 최적화된 열처리 온도를 제시하였다.
따라서, 이를 개선하기 위하여 진공로(Furnace)에서 고온으로 열처리를 하여 추가적인 산화 과정없이 고체 확산을 통하여 코팅층을 개선하고자 하였다. 코팅층의 안정화 열처리는 코팅층 중에서 융점이 가장 낮은 Al을 기준으로 열처리 조건 실험을 수행하였다. 주철판에 Al 코팅층의 안정화는 Al 외부 코팅층을 안정적이게 지지해주는 범퍼 역할을 하는데에 중요하다고 할 수 있다.
주철판에 Al 코팅층의 안정화는 Al 외부 코팅층을 안정적이게 지지해주는 범퍼 역할을 하는데에 중요하다고 할 수 있다. 따라서, Al 코팅층이 무너지거나 박리되지 않는 최적의 안정화 열처리 조건을 찾기 위하여 주철 모재-Al 코팅 시편으로 진행하였으며, 열처리 온도는 550oC, 700oC, 850oC의 온도에서 6시간 진공로에서 열처리하고 로냉(FC) 하였다.
12는 FeCrNi, Ti 코팅층의 밀착력을 코팅층 접합강도 test 이미지와 접합강도를 표를 나타낸 것이다. 접합강도 test란 코팅된 시편에 하드록 CEMEINE Y-358 본드를 이용하여 코팅층의 표면과 위쪽에 지그용 시편에 단단히 고정하고 인장시험을 통하여 모재와 용사 코팅층 사이의 접합력을 치수화 하였다. FeCrNi 코팅층은 4.
본 연구에서는 다이아몬드의 기계적·화학적 연마 (MCP) 에 주목하여 기존에 알려진 다이아몬드 가공 연마판을 주물 또는 파우더 소결 방식이 아닌 플라즈마 열분사 기법을 통하여 경제성이 높게 제작하고 이를 상용화하고자 하였다. 저렴한 주철 모재에 연성이 높고 밀착성이 우수한 Al을 중간 코팅층으로 코팅하고, 상부 코팅층으로 다이아몬드와 화학반응을 하게 되는 Fe-Cr-Ni 및 Ti 코팅층을 플라즈마로 코팅하여 다이아몬드 연마판을 제작하였다. 또한, 물리적인 코팅방법인 플라즈마 열분사 코팅층의 밀착력을 개선하기 위하여 550oC 6시간 동안 열처리를 수행하고 모재와 Al 코팅층 사이에 약 5 µm 정도의 확산층을 형성하여 밀착력을 개선할 수 있었다.
대상 데이터
실험에 사용한 모재는 주철 봉으로 직경 30 mm, 두께 10 mm 디스크 모양의 시편을 절단하여 사용하였다. 모재를 SiC 연마지 # 220으로 표면의 이 물질을 전부 제거하고 용사 코팅의 접착력의 증가시키기 위하여 샌드블라스팅을 통하여 표면을 거칠게 만들었다.
성능/효과
3(b)는 Al 코팅층의 단면 이미지로, 코팅층이 약 110 µm 두께로 일정하게 코팅되었다. 단면 EDS 분석 결과도 약 10% 정도의 Al 산화가 일어났으며, Al 코팅층의 산화는 산소의 포함 분율이 높지 않아 중간층의 역할을 할 수 있을 것으로 사료된다.
9(a)인 700oC 시편과 마찬가지로 코팅층의 박리가 일어났으며, 확산층의 두께는 500 µm 정도로 700oC의 열처리보다 두껍게 생성되었고 확산층과 Al 코팅층 사이에서 박리현상이 나타났다. 이에 따라 열처리의 온도가 높아질수록 Fe-Al-O 확산층의 성장이 촉진되어 Al 코팅층의 밀착력 향상에는 악영향을 미칠것으로 판단하였다. Fig.
하지만, 융점이상의 온도인 700oC, 850oC 온도에서는 확산층이 빠르게 성장하여 Al 코팅층을 박리시키는 현상을 나타내었다. 따라서 550oC 6시간 열처리를 본 용사코팅의 안정화 열처리 조건으로 나타났다.
11 (c), (d)은 Ti 코팅의 안정화 열처리 후 표면, 단면 SEM BSE 이미지로 Ti 코팅층은 큰변화가 없으며, 모재-Al 코팅층에서 확산층을 형성하였다. 결론적으로, Fe-Cr-Ni 및 Ti 코팅층을 550oC 6시간 열처리 를 통해 모재와 Al 코팅층 사이에 확산층을 형성하여 물리적인 코팅에 화학적 코팅을 결합하여 박리되 지 않는 코팅층이 형성되었다. Fig.
저렴한 주철 모재에 연성이 높고 밀착성이 우수한 Al을 중간 코팅층으로 코팅하고, 상부 코팅층으로 다이아몬드와 화학반응을 하게 되는 Fe-Cr-Ni 및 Ti 코팅층을 플라즈마로 코팅하여 다이아몬드 연마판을 제작하였다. 또한, 물리적인 코팅방법인 플라즈마 열분사 코팅층의 밀착력을 개선하기 위하여 550oC 6시간 동안 열처리를 수행하고 모재와 Al 코팅층 사이에 약 5 µm 정도의 확산층을 형성하여 밀착력을 개선할 수 있었다.
(a)인 700oC 시편과 마찬가지로 코팅층의 박리가 일어났으며, 확산층의 두께는 500 µm 정도로 700oC의 열처리보다 두껍게 생성되었고 확산층과 Al 코팅층 사이에서 박리현상이 나타났다.
후속연구
Ti 코팅층은 중간층인 Al 코팅층 위에 약 300 µm의 두께로 코팅됨을 알 수 있었다. 또한, Al 코팅층과 Ti 코팅층이 밀착되어 있어 우수한 밀착력을 가질 수 있을 것으로 사료된다. 최종적으로 생산된 Fe-Cr-Ni 및 Ti 연마판 은 고온 고압의 환경에서 다이아몬드 연마에서 다음과 같은 가능한 반응식을 가진다.
코팅층의 원소와 산화물이 모두 다이아몬드의 연마 도중에 Carbide를 생성하여 다이아몬드의 연마를 일으킬 수 있으며, 플라즈마 용사 코팅을 통하여 분말야금, 소결법을 이용한 연마판 보다 경제성이 높은 다이아몬드 연마판을 제조할 수 있을 것으로 사료된다.
06 MPa의 코팅층 접합강도를 나타내었다. 본 연구조건으로 제작한 최적화된 연마판을 사용한 연마조건은 추후에 보고하겠지만, 본 연구에서 제시한 열처리 조건과 열분사 조건은 연마판과 코팅층의 높은 밀착력을 얻기 위한 기초자료로 사용될 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
다이아몬드의 성질은?
다이아몬드는 경도나 열전도율에 있어서 물질 중 최고값을 나타낼 뿐만 아니라, 기계적 성질, 열적 성질, 광학적 성질, 전기적 성질, 내약품성, 생체진화성이라 일컫는 폭넓은 분야에 있어서 극히 우수한 성질을 가진 재료이다[1]. 현재로는 생성기술의 확립에 의해 안정된 다이아몬드를 생성하는 것이 가능하게 되었지만, 제품화를 위해서는 형상가공이 필요불가결 하다.
기존 다이아몬드 가공법의 문제점은?
현재로는 생성기술의 확립에 의해 안정된 다이아몬드를 생성하는 것이 가능하게 되었지만, 제품화를 위해서는 형상가공이 필요불가결 하다. 기존의 다이아몬드 가공법으로는 다이아몬드를 이용한 동종재의 기계적 연마로 가공속도가 낮고, 고 하중으로 연마 면에 가공중 변질이 생기는 문제가 있다[2].
다이아몬드를 고온에서 금속과 반응하는 현상을 이용한 기계적·화학적 연마법은 어떻게 연구되어왔는가?
따라서, 단순한 기계적 가공 이외에 다이아몬드를 고온에서 금속과 반응하는 현상을 이용한 여러 기계적·화학적 연마법(Mechanical Chemical Polishing) 에 대한 연구들이 발표되었다[3-5]. Naomichi Hurushiro et. al. 등은 Cu 연마판을 이용하여 고온에서 Cu와 C의 산화의 Gibbs free energy 차이를 이용하여 다이아몬드를 가공하였다[3]. Akihisa Kubota et. al 등은 Ni 연마판을 대기중과 H2O2 용액 분위기에서 기계적·화학적 연마법을 이용하여 다이아몬드를 가공하였으며 H2O2분위기에서 대기중 보다 material removal rate(MRR)이 우수하다고 발표하였다[3]. Zewei Yuan et. al 등은 Stainless 및 Ti 합금의 금속간화합물 연마판과 다이아몬드의 마찰로 인한 연마법을 보고하였다[5]. 이와 같은 연마판의 제조는 성공적인 다이아몬드 가공의 핵심 요소라고 할 수 있다.
참고문헌 (5)
A. Denisenko and E. Kohn : Diamond Relat, Mater, 14 (2005) 49.
H. Tanaka, S. Shimada, M. Higuchi, T. Yamaguchi, T. Kaneeda and K. Obata : CIRPAnn, 54 (2005) 51.
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