journal of welding and joining (jwj)
TRANSCRIPT
ๅคง้็ๆฅโคๆฅๅๅญธๆ่ช ็ฌฌ28ๅท ็ฌฌ4่, 2010ๅนด 8ๆ 415
61
์งํ๊ท์ ์ธ๋ผ๋ฏน์ ๋ ์ด์ ์์ด์ ์ญ์ ๊ดํ ์ฐ๊ตฌ (โ )- ๊ณต์ ๋ณ์์ ๋ฐ๋ฅธ ์งํ๊ท์์ ์์ดํน์ฑ ๋ฐ ์ฐํ๊ฑฐ๋ -
๊น์ข ๋*,โ โค์ด์์ง
**โค์ ์
***โค์ด์ ํ
***
*ํ๊ตญํด์๋ํ๊ต ๊ธฐ๊ด์์คํ ๊ณตํ๋ถ
**ํ๊ตญํด์๋ํ๊ต ๋ํ์
***ํ๊ตญ๊ธฐ๊ณ์ฐ๊ตฌ์ ๊ด์์ฉ์์ฐ๊ธฐ๊ณ์ฐ๊ตฌ์ค
A Study on Laser Assisted Machining for Silicon Nitride Ceramics (โ )- Preheating Characteristics and Oxidation Behaviors of Silicon Nitride Ceramics with Machining Parameters -
Jong-Do Kim*,โ , Su-Jin Lee**, Jeong Suh*** and Jae-Hoon Lee***
*Division of Marine System Engineering, College of Maritime Sciences, Korea Maritime University, Busan 606-791, Korea
** Graduate School, Korea Maritime University, Busan 606-791, Korea*** Korea Institute of Machinery & Materials, Laser Application Team, Daejeon 305-343, Korea
โ Corresponding author : [email protected](Receive March 24, 2010 ; Revised April 13, 2010 ; Accepted May 17, 2010)
Abstract
Silicon nitride is widely used as an engineering ceramics because it has high strength, abrasion resistance and corrosion resistance even at high temperature. However, machining of silicon nitride is difficult due to its high hardness and brittleness. Laser assisted machining(LAM) allows effective cutting using CBN tool by locally heating the cutting part to the softening temperature of YSiAlON using the laser beam. The effect of preheating depending on process parameters were studied to find out the oxidation mechanism. If silicon nitride is sufficiently preheated, the surface is oxidized and N2 gas is formed and escapes from the material, thereby making the cutting process more advantageous. During laser preheating process before machining, high temperature results in strong oxidation which makes the bloating, silicate layers and micro cracks. Using the results of these experiments, preheating characteristics and oxidation behavior were found out.
Key Words : Silicon nitride, HPDL, LAM, Oxidation behavior, Machining parameters
1. ์ ๋ก
๋น์ฝ์ ์ธ ๊ธฐ์ ์ ๋ฐ์ ์ ํ์ ์ด ์ต๊ทผ์๋ ๊ธฐ๊ธฐ์ ์
๋ช ๋ฐ ๊ด๋ฆฌ์ ๋ํ ๊ด์ฌ์ด ๋์์ ธ ํน์ํฉ๊ธ, ์คํ ์ธ๋ฆฌ
์ค๊ฐ, ํ๋ผ์คํฑ ๋ฐ ์ธ๋ผ๋ฏน๊ณผ ๊ฐ์ ์ ์์ฌ์ ๊ดํ ์ฐ๊ตฌ
๊ฐ ์ง์๋์ด ์ค๊ณ ์๋ค. ๊ณ ํ์ง ์ธ๋ผ๋ฏน ์ฌ๋ฃ๋ ์ค๋๋
๋น ๊ณ ๊ฐ๋, ์ฐ์ํ ๋ด๋ง๋ชจ์ฑ, ํํ์ ์์ ์ฑ ๋ฐ ๊ณ ์จ์
์์ ๊ณ ๊ฐ๋ ์ ์ง์ ๊ฐ์ ๋ฐ์ด๋ ํน์ฑ์ผ๋ก ๊ฑด์ถ, ์์ง,
์๋ฃ์์ฉ, ํญ๊ณต ๋ฐ ํด์ ๋ถ์ผ ๋ฑ ๋ค์ํ ๋ถ์ผ์์ ๋๋ฆฌ
์ฌ์ฉ๋๊ณ ์ฃผ๋ชฉ์ ๋ฐ๊ณ ์๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋ ๊ณ ํ์ง ์ธ๋ผ๋ฏน์ ๊ณ
๊ฐ๋ ๋ฐ ๋์ ์ทจ์ฑ์ด๋ผ๋ ์ฌ๋ฃ์ ํน์ฑ์ผ๋ก ์ธํ์ฌ ํ๋ฉด
๊ฒฐํจ, ๋ฏธ์๊ท ์ด, ํ์ธตํ๋ถ์ ์์ ๋ฑ์ด ์ฝ๊ฒ ๋ฐ์ํ์ฌ
์ฌ๋ฃ๋ฅผ ์ ํ์ผ๋ก ํ์ํํ๋ ๊ฒ์ด ์ด๋ ต๊ณ , ์ ํ๊ฐ๊ณต์
์์ด์ ๋์ ๋น์ฉ ๋ฐ ๊ธด ๊ฐ๊ณต์๊ฐ์ ์๊ตฌํ๋ฏ๋ก ์ฌ๋ฌ
๋ถ์ผ์์์ ํญ๋์ ์ ์ฉ์ ํฐ ์ ์ฝ์ด ๋ค๋ฐ๋ฅด๊ณ ์๋ค1,2).
๋ฐ๋ผ์, ๋ณธ ๋ ผ๋ฌธ์์๋ ๋ ์ด์ ๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ์ธ๋ผ๋ฏน์
๊ตญ๋ถ์ ์ผ๋ก ๊ฐ์ดํ๊ณ ์ฐํ๋ ๋ถ๋ถ์ ์ ์ญํ์ฌ ์ ๊ฑฐํ๋
์ฐ ๊ตฌ ๋ ผ ๋ฌธ
๊น์ข ๋โค์ด์์งโค์ ์ โค์ด์ ํ
416 Journal of KWJS, Vol. 28, No. 4, August, 2010
62
Fig. 3 Experimental system for LAM
Photograph SEM image
Fig. 1 Photograph of as-received surface and
SEM image of fractured silicon nitride
14
12
10
8
6
4
2
0800 1000 1200 1400 1600 1800
Vis
cosi
ty (
ฮท)(
Pa.
s)
Temperature(โ)
Fig. 2 Variation of YSiAlON viscosity with
temperature7)
๋ ์ด์ ๋ณด์กฐ๊ฐ๊ณต(Laser assisted machining, LAM)
์ ๋ํ์ฌ ์ฐ๊ตฌ๋ฅผ ์งํํ์๋ค. ๋ ์ด์ ๋ ๊ณ ๋ฐ๋์ ์๋
์ง๋ฅผ ์ง์์ํค๋ฏ๋ก ๊ตญ๋ถ์ ์ธ ๊ฐ์ด์ด ๊ฐ๋ฅํ์ฌ ์ํธ ๊ฐ
์ด๋ถ์ ์จ๋๋ฅผ ๋งค์ฐ ํจ๊ณผ์ ์ผ๋ก ์ ์ดํ ์ ์๋ค.
๋ณธ ๋ ผ๋ฌธ์์๋ ์์ด์ ์ญ์์ ๊ฐ๊ณต ์ง๋ฐฐ์ธ์๋ฅผ ๋์ถํ
๊ณ , ๊ทธ์ ๋ฐ๋ฅธ ๋ฉ์ปค๋์ฆ์ ์ดํดํจ์ผ๋ก์จ ์ธ๋ผ๋ฏน์ ํจ์จ
์ ์ธ ๊ฐ๊ณต๋ฒ์ ์ ์ํ๊ณ ์ ํ์๋ค.
2. ์ฌ์ฉ ์ฌ๋ฃ ๋ฐ ์คํ๋ฐฉ๋ฒ
2.1 ์ฌ์ฉ ์ฌ๋ฃ
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ํ์ฌ ์ฐ์ ๊ณ์ ๋๋ฆฌ ์ฌ์ฉ๋๊ณ ์๋ ์ง
ํ๊ท์(Si3N4) ์ธ๋ผ๋ฏน์ ์ฌ์ฉํ์ฌ ์คํ์ ์งํํ์๋ค.
์งํ๊ท์๋ ๊ณต์ ๊ฒฐํฉ์ฑ์ด ํฐ ๋ฌผ์ง๋ก์จ ๋ฌผ์ง์ ์ ๊ณ์๋
์ง์ ํ๋ฉด์๋์ง์ ๋น๊ฐ ์ด์จ๊ฒฐํฉ์ด๋ ๊ธ์๊ฒฐํฉ์ ํ๊ณ
์๋ ๋ฌผ์ง์ ๋นํ์ฌ ํฌ๋ฉฐ, ์งํ๊ท์ ๊ฒฐ์ ์์ ์ง์์
์์ฒดํ์ฐ๊ณ์๊ฐ ์๊ณ , 1๊ธฐ์ ์ง์๋ถ์๊ธฐ ์ค์์ 1,883โ
์ ๋๋ฌํ๋ฉด Si์ N2๋ก ์ด๋ถํด๊ฐ ๋ฐ์ํ๋ค. Fig. 1์
๋ณธ ์คํ์ ์ฌ์ฉ๋ ์ํธ์ ํ๋ฉด์ฌ์ง ๋ฐ ํ๋จ๋ฉด์ SEM ์ฌ
์ง์ด๋ค. ์ํธ์ ํ๋ฉด์ ์ ์ญ์ ๋ ์ด์ ์์ดํน์ฑ์ด๋ ์
์ญ์ ๊ณต๊ตฌ์ ์์ ๋ฑ์ ์คํ์ค์ฐจ๋ฅผ ์ค์ด๊ธฐ ์ํ์ฌ ํ๋ฉด
์ ๋งค๋๋ฝ๊ฒ ์ฐ์ญํ์๋ค. ํ๋จ๋ฉด์ ๊ด์ฐฐํ์ฌ๋ณด๋ฉด ์ก๊ฐ
๋ด์์ ฮฒ-Si3N4 ์ ์์ ์ก๊ฐ ์ ์์ฌ์ด์ ์๋ก์ด ํ์ฑ
๋๋ ๊ฒฐ์ ์ง์ 2์ฐจ์(secondary phase) ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ ๊ฒฐ์
๋ฆฝ๊ณ ์ฃผ๋ณ์ YSiAlON ๋น์ ์ง๋ก ์ด๋ฃจ์ด์ ธ ์๋ ๊ฒ์
์ ์ ์๋ค3-9). ํนํ YSiAlON์ ๊ฒฝ์ฐ ์จ๋์ ๋ฐ๋ฅธ ์
๋๋ณํ ๊ทธ๋ํ์ธ Fig. 2์์ ๋ณด์ด๋ฏ์ด 1,000โ ์ด์์
์จ๋์์ ์ ๋๊ฐ ๊ฐ์ํ์ฌ ์์ฑ๋ณํ์ ์ํ ์ ์ญ์ ์
๋ํ ์ ์๋ค4-9).
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์ ์ญ๊ฐ๊ณต์ ์ํ์ฌ ๊ธธ์ด๋ 150mm
์ง๊ฒฝ์16mm์ HIP ์๊ฒฐํ ํ๋ด์์ ์งํ๊ท์ ์ํํธ
์ ์ฌ์ฉํ์๋ค.
2.2 ์คํ ๋ฐฉ๋ฒ
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ LASERLINE์ฌ์ LDF 1000-2500
๋ชจ๋ธ๋ก ์ฐ์ํ ํ์ ์ ๋นํ์ฅ 910nm์ 980nm๋ฅผ ์ปคํ
๋งํ ์ต๋์ถ๋ ฅ 2.5kW์ ๊ณ ์ถ๋ ฅ๋ค์ด์ค๋๋ ์ด์ (HPDL)
๋ฅผ ์ด์์ผ๋ก ์ฌ์ฉํ์์ผ๋ฉฐ, ์ํธ์ ํ๋ฉด์จ๋๋ฅผ ์ค์๊ฐ
์ผ๋ก ์ธก์ ํ๊ธฐ์ํ์ฌ ์ ์ธ์ ํ์ ์ ๊ณ ์จ๊ณ(pyrometer)
๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์๋ค.
๋ณธ ์คํ์์ ์ฌ์ฉ๋ ๊ณต๊ตฌ๋ CBN(cubic boron nitride) ๊ณต
๊ตฌ๋ก์จ ๋ ธ์ฆ๋ฐ๊ฒฝ(nose radius)์ด 0.8mm, ๋๊ป 4.76mm
๋ฐ -6ยฐ์ ์์ ๊ฒฝ์ฌ๊ฐ์ ๊ฐ์ง๋ ์ธ์ํธ๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์๋ค.
๋ ์ด์ ์์ด์ ์ญ์ ์ํด ์ค์นํ ์คํ์ฅ์น์ ์ฌ์ง์
Fig. 3์ ๋ํ๋ธ๋ค. ์งํ๊ท์ ์ธ๋ผ๋ฏน์ํธ์ 3-jar ์ฒ์
๊ณ ์ ๋๊ณ , ๋ ์ด์ ๊ฐ ์กฐ์ฌ๋๋ค. ๋ ์ด์ ์ ์กฐ์ฌ๋ถ๋ก๋ถํฐ
90ยฐ ์ง์ ์ ๊ณ ์จ๊ณ๋ฅผ ์ค์นํ์ฌ ์ค์๊ฐ์ผ๋ก ํ๋ฉด์จ๋๋ฅผ
์ธก์ ํ์๋ค.
3. ์คํ ๊ฒฐ๊ณผ ๋ฐ ๊ณ ์ฐฐ
3.1 ๋ ์ด์ ์ถ๋ ฅ์ ๋ฐ๋ฅธ ์งํ๊ท์ ์ธ๋ผ๋ฏน์ ์์ดํน์ฑ
์ํธ์ ์ฒ์ ๊ณ ์ ํ๊ณ , ํ์ ์๋(N) 620 rpm, ์ด์ก
์งํ๊ท์ ์ธ๋ผ๋ฏน์ ๋ ์ด์ ์์ด์ ์ญ์ ๊ดํ ์ฐ๊ตฌ (โ ) - ๊ณต์ ๋ณ์์ ๋ฐ๋ฅธ ์งํ๊ท์์ ์์ดํน์ฑ ๋ฐ ์ฐํ๊ฑฐ๋ -
ๅคง้็ๆฅโคๆฅๅๅญธๆ่ช ็ฌฌ28ๅท ็ฌฌ4่, 2010ๅนด 8ๆ 417
63
0W 400W 600W 800W0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Vic
kers
har
dness
,H
v
Laser power, W
Fig. 5 Variation of Vickers hardness with laser power
Si3N4, N = 620 rpm, P=800W
f(mm/rev)
Image0.013mm/rev 0.024mm/rev 0.03mm/rev
Photo
SEM image
10ใ10ใ 10ใ10ใ 10ใ10ใ
Fig. 6 Variation of surface morphology with laser power and feed rate
HIP Si3N4, N= 620 rpm, f = 0.013mm/rev
Surf
ace
Surf
ace
tem
pera
ture
by
lase
r pow
er
0 100 200 300 400 500 600
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Tem
pera
ture
, โ
Time, sec
400W
600W
800W
Fig. 4 Variation of surface morphology and surface temperature with laser power
์๋(f) 0.013mm/rev, ์ด์ก๊ฑฐ๋ฆฌ 70mm์์ 400
W, 600W ๋ฐ 800W์ ๋ ์ด์ ์ถ๋ ฅ(P)์ ๋ณํ๋ฅผ ์ฃผ์ด
์์ด์ ์ค์ํ ํ ๊ทธ ํ๋ฉด์จ๋์ ํ๋ฉดํ์์ ๋ณํ๋ฅผ
Fig. 4์ ๋ํ๋ด์๋ค. ๋น๊ต์ ๋ฎ์ ์ถ๋ ฅ์ธ 400W์
๊ฒฝ์ฐ ์จ๋๋ ์ฝ 1,250โ๋ฅผ ์ ์งํ๋ฉฐ ํ๋ฉด์ ํฐ ๋ณํ๋
์์์ง๋ง ์์์ด ๊ฒ์์์์ ์ด๋์ด ํ์์ผ๋ก ๋ณํ๋
๊ฒ์ ๋ณผ ์ ์๋ค. 600W์ ๊ฒฝ์ฐ ํ๋ฉด์ด ๋ถํ์ด ์ค๋ฅด๊ธฐ
์์ํ๋ฉฐ ์ด๋ฌํ ๊ฒฝํฅ์ 800W์์ ๋์ฑ ์ฌํ๋๋ค.
800W์ ๋ ์ด์ ์ถ๋ ฅ์์ ๋ถํ์ด ์ค๋ฅธ ๋ฐํฌ(bloating)
๋ ๊ท์ฐ์ผ ์ ๋ฆฌ์ง๋ก์จ ์์ ์ถฉ๊ฒฉ์๋ ์ฝ๊ฒ ๋จ์ด์ ธ ๋๊ฐ
๋ ๊ฒ์ ์ ์ ์์๋ค. ์จ๋๊ทธ๋ํ์์ ๋ํ๋ด๋ฏ์ด ์ถ
๋ ฅ์ด ์ฆ๊ฐํ ์๋ก ์จ๋๊ฐ ์์นํ๋ ๊ธฐ์ธ๊ธฐ๊ฐ ์ปค์ง๊ณ , ๊ณ
์จ์์ ์ผ์ ์จ๋๋ก ์ ์ง๋๋ ์จ๋๊ฐ ์์นํ๋ ๊ฒ์ ์
์ ์๋ค.
๊ฐ ํ๋ฉด์ ๊ฒฝ๋๋ฅผ ์ธก์ ํ์ฌ Fig. 5์ ๋ํ๋ด์๋ค. ์
ํธ ํ๋ฉด์ ์์ดํ๋ ์ถ๋ ฅ์ด ์ฆ๊ฐํ ์๋ก ์ํธํ๋ฉด์ ๊ฐ
์ด์จ๋๋ ์์นํ์ฌ ์ํธํ๋ฉด์ ์กฐ์ง์ ๋ณํ๊ฐ ํ๋ฐํ๊ฒ
์ผ์ด๋๋ฉฐ, 800W์ด์์์๋ ๊ณผ๋ํ ์ฐํ์ ์ํด ์ํธ
ํ๋ฉด์ ๊ฒฝ๋๊ฐ ์ ํ๋๋ ๊ฒ์ ์์ํ ์ ์์ผ๋ฉฐ, ๋น์ปค
์ค ๊ฒฝ๋๊ธฐ๋ก ์ธก์ ํ ๊ฒฐ๊ณผ ์ถ๋ ฅ์ด ์์นํจ์ ๋ฐ๋ผ ์ํธํ
๋ฉด ๊ฒฝ๋๊ฐ ๊ธ๊ฒฉํ๊ฒ ๊ฐ์ํ๋ ๊ฒ์ ์ ์ ์๋ค.
3.2 ์ด์ก์๋์ ๋ฐ๋ฅธ ์งํ๊ท์์ ์์ดํน์ฑ
Fig. 6์ ํ์ ์๋ 620 rpm๊ณผ 800W์ ๋ ์ด์ ์ถ
๋ ฅ ์กฐ๊ฑด์์ 0.013, 0.024 ๋ฐ 0.03mm/rev๋ก ์ด์ก
๊น์ข ๋โค์ด์์งโค์ ์ โค์ด์ ํ
418 Journal of KWJS, Vol. 28, No. 4, August, 2010
64
0 100 200 300 4000
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Tem
pera
ture
, โ
Time, sec
0.013mm/rev
0.024mm/rev
0.03mm/rev
Si 3 N 4 , N = 620 rpm, ะค p = 90 ยฐ, P = 600 W
Fig. 7 Variation of surface temperature at one point
with feed rate and time
์๋์ ๋ณํ๋ฅผ ์ฃผ์์ ๋์ ์ํธํ๋ฉด ๋ณํ๋ฅผ ๋ํ๋ธ๋ค.
์ด์ก์๋๊ฐ ์ฆ๊ฐํจ์ ๋ฐ๋ผ ํ๋ฉด์ ์ฐํ์ ๋๊ฐ ์ค์ด๋๋
๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์๋ค. 0.013mm/rev์ ์ด์ก์๋์์
๋ ํฌ๊ณ ๋ง์ ๋ฐํฌ๋ฅผ ๊ฐ์ง๋ ํ๋ฉด์ด ๊ด์ฐฐ๋๊ณ , ์ด๊ฒ์
์ด์ก์๋๊ฐ ์ฆ๊ฐํจ์ ๋ฐ๋ผ ํฌ๊ฒ ๊ฐ์ํ๋ค. SEM์ฌ์ง์
๋ณด๋ฉด Fig. 1์ ๊ฐ๊ณต์ ์ํธํ๋ฉด์ ๋นํ์ฌ ๊ท์ฐ์ผ ์ ๋ฆฌ
์ง์ด ๋์ ๋๊ฒ ๋ฎ์ฌ์ ธ ์๊ณ , ์ด์ก์๋๊ฐ ์ฆ๊ฐํ ์๋ก
๊ท์ฐ์ผ ์ ๋ฆฌ์ง์ ๋๊ป๊ฐ ์ฆ๊ฐํ๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์
๋ค. ํนํ 0.013mm/rev์ ๊ฒฝ์ฐ ํ๋ฉด์ ๊ท์ฐ์ผ ์ ๋ฆฌ์ง
๊ณผ ํจ๊ป ํฌ๋ ์ดํฐ ํ์์ด ๋ํ๋๋ ๊ฒ์ ์ ์ ์๋ค.
์ด์ก์๋๊ฐ ๋น ๋ฅธ 0.03mm/rev์ ์ด์ก์๋์์๋ ์ฐ์ญ
์๊ตญ์ ๋ณด์ด์ง ์๊ณ , ๊ท์ฐ์ผ ์ ๋ฆฌ์ง ์์ชฝ์์ ๊ธฐ๊ณต์ด
ํ์ฑ๋๋ ๊ฒ์ ํ์ธ ํ ์ ์์ผ๋ฉฐ ์ด๋ฌํ ์กฐ์ง์ ๋ณํ
๋ ์ด์ก์๋๊ฐ ์ค์ด๋ฆ์ ๋ฐ๋ผ ์ฆ๊ฐํ๋ค.
์ด์ก์๋๊ฐ ์ฆ๊ฐํจ์ ๋ฐ๋ผ ์ํธ์ ํ๋ฉด๋ณํ๊ฐ ์ค์ด๋
๋ ์ด์ ๋ฅผ ํ์ธํ๊ธฐ ์ํ์ฌ ์ํธ์ ํ์ ์ ๊ณ ์จ๊ณ๋ฅผ ๊ณ
์ ํ๊ณ ๋ ์ด์ ์ด์์ด ์ด ์ง์ ์ ํต๊ณผํ์ฌ ์ง๋๊ฐ ๋์
์ํธ์ ์จ๋๋ณํ๋ฅผ 600W์ ๋ ์ด์ ์ถ๋ ฅ์์ ์ด์ก์๋
์ ๋ณํ๋ฅผ ์ฃผ์ด๊ฐ๋ฉฐ ์ธก์ ํ์๊ณ ๊ทธ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ Fig. 7์ ๋
ํ๋ด์๋ค. ์ด๋ ๋๋ฌํ๋ ์ต๊ณ ์จ๋์๋ ํฐ ์ฐจ์ด๊ฐ ์์ผ
๋, ๊ทธ๋ํ์ ๊ธฐ์ธ๊ธฐ์ ๊ณ ์จ์์์ ์ ์ง์๊ฐ ์ฐจ์ด๋ ์ด
์๋์ง๋ฅผ ๋ํ๋ด๋ ๊ทธ๋ํ์ ๋ฉด์ ์ ์ํฅ์ ๋ฏธ์น๋ค. ๋ฐ
๋ผ์ ์ด์ก์๋๊ฐ ์ฆ๊ฐํจ์ ๋ฐ๋ผ ์ ์ด๋์ด ํฌ๊ฒ ์ค์ด๋ค
์ด ์ํธํ๋ฉด์ด ์๋์ ์ผ๋ก ์ ์ ์ด์ํฅ์ ๋ฐ๋ ๊ฒ์ ํ
์ธ ํ ์ ์๋ค.
3.3 ๊ณต์ ๋ณ์์ ๋ฐ๋ฅธ ์์ด๋ ํ๋ฉด๊ณผ ํ๋จ๋ฉด ๊ด์ฐฐ
600W์ 800W์ ๋ ์ด์ ์ถ๋ ฅ์์ ์ด์ก์๋์ ๋ฐ
๋ฅธ ํ๋ฉดํ์๋ณํ ๋ฐ ํ๋จ๋ฉด์ ๊ด์ฐฐํ์ฌ Fig. 8์ ์ ์
ํ์๋ค. ๋น๊ต์ ์ ๋ฐฐ์จ๋ก ์ํธํ๋ฉด์ ๊ด์ฐฐํ ๊ฒฐ๊ณผ ์ด์ก
์๋์ ๋ฐ๋ฅธ ํ๋ฉด์ ๋ณํ๋ฅผ ๋์ฑ ํ์คํ ๊ด์ฐฐํ ์ ์
์๋ค. ๋ ์ด์ ์ถ๋ ฅ 600W์ ๊ฒฝ์ฐ ์ด์ก์๋๊ฐ ์ ํํ ์
๋ก ์ฐํ๋๊ฐ ์ฆ๊ฐํ๋ ๊ฒ์ ์ ์ ์์์ผ๋ฉฐ, ๊ฐ์ฅ ๋ฎ์
0.013mm/rev์ ์ด์ก์๋์์ ๋ฐํฌ๊ฐ ๊ด์ฐฐ๋์๋ค. ๋ฐ
๋ฉด ๋ ์ด์ ์ถ๋ ฅ 800W์ ๊ฒฝ์ฐ 0.03mm/rev์ ์ด์ก์
๋์์๋ถํฐ ๋ฐํฌ๊ฐ ๊ด์ฐฐ๋์์ผ๋ฉฐ ์ด์ก์๋๊ฐ ๊ฐ์ํ
์๋ก ๋ฐํฌ์ ํฌ๊ธฐ๊ฐ ์ปค์ง๋ ๊ฒ์ ์ ์ ์๋ค. ํ๋จ๋ฉด์
๊ด์ฐฐํ์ฌ๋ณด๋ฉด ๋ ์ด์ ์ถ๋ ฅ 600W์ ์ด์ก์๋ 0.03mm/rev
์ ํ๋ฉด ๊ด์ฐฐ์์๋ ๋ณด์ด์ง ์๋ ๊ท์ฐ์ผ์์ ๊ธฐ๊ณต์ด ํ
๋จ๋ฉด์์ ๊ด์ฐฐ์ด ๋์๋ค. ํ๋จ๋ฉด์์ ๊ด์ฐฐ๋ ๋ฐํฌ๋ ์ด
์ก์๋๊ฐ ๊ฐ์ํ๋ฉด์ ํฌ๊ธฐ๊ฐ ์ปค์ง๋ ๊ฒ์ ํ์ธ ํ ์
์์์ผ๋ฉฐ, 800W์ ๋ ์ด์ ์ถ๋ ฅ์์๋ ๋ชจ๋ ์กฐ๊ฑด์์
๋ฐํฌ๊ฐ ๊ด์ฐฐ๋์๊ณ , 0.013mm/rev์ ์ด์ก์๋์ ๊ฒฝ์ฐ
๋ฐํฌ๊ฐ ์ถฉ๊ฒฉ์ ์ฝํ์ฌ ํ๋จ๋ฉด ์์ฑ๊ณผ์ ์์ ํ์๋์ด
๊ด์ฐฐํ๊ธฐ ์ด๋ ค์ ์ผ๋, ๊ทธ ์๋ ๊ธฐ์ง ์๋ถ๋ถ์์ ๊ณต๊ทน์ด
๋ฐ๊ฒฌ๋์๋ค. ๋ํ ๊ฐ ๋ฐํฌ์๋ ๊ธฐ์ง์ฌ์ด์ ๊ท์ฐ์ผ ์ ๋ฆฌ
์ง์ ๋๊ป๊ฐ ์ ์ ๋๊บผ์ ์ง๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์๋ค.
์ด๋ ์ด์ก์๋๊ฐ ์ค์ด๋ฆ์ ๋ฐ๋ผ ์ฐํ์ ๋์ ๊น์ด๊ฐ ์ฆ
๊ฐํ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ด๋ค.
800W์ ๊ฒฝ์ฐ ๋ฐํฌ์ ํจ๊ป ๋ฐํฌ ์๋ ๊ธฐ์ง๋ถ๊ทผ์ ๊ท
์ด์ ์ ๋ฐํ๋ ๊ณต๊ทน์ ํ์ธํ์๊ณ ๊ด์ฐฐ๊ฒฐ๊ณผ ์กฐ์ง์ด ๋ณ
์ง๋ ์ด๋ฌํ ์ฐํ์ธต์ ์ถ๋ ฅ์ด ๋์ ์ฐํ๊ฐ ๋ง์ด ์ผ์ด๋
๋ ๋น๊ต์ ๋์ ๋ ์ด์ ์ถ๋ ฅ์ ๊ฒฝ์ฐ์์๋ ๋ถ๊ตฌํ๊ณ 20ใ
๋ฅผ ๋์ง ์๋ ๊ฒ์ ์ ์ ์์๋ค. ๊ทธ ์ฐํ์ธต ์๋์์
๋ ๋ชจ์ฌ์ ์กฐ์ง๊ณผ ์ ์ฌํ ๋ด์์ ์งํ๊ท์์กฐ์ง์ ๋ณด์ธ
๋ค. ์ค์๋ถ์ ์กฐ์ง์ ๋ชจ๋ ๋ ์ด์ ์ถ๋ ฅ ์กฐ๊ฑด์์ ์ฒ๋ฆฌ๋
๊ธฐ ์ ๋ชจ์ฌ์กฐ์ง๊ณผ ๊ฐ์ ํ์์ ๋ณด์ธ๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ์ํธ์
๋ด๋ถ์๋ ์ด์ํฅ์ ์ํ ์กฐ์ง์ ๋ณํ๊ฐ ์์์์ ์ ์
์์๋ค. ๊ฒฐ๊ณผ์ ์ผ๋ก ์๋ฌด๋ฆฌ ๊ณ ์จ์ผ๋ก ๊ฐ์ด๋์ด๋ ์ํธ
ํ๋ฉด์ ์ฐํ๋ก ์ธํ ์ถฉ๊ฒฉ์๋ ์ฐ์์ ์นจํฌํ๊ณ๊น์ด์
์ํ์ฌ ์กฐ์ง์ ๋ณํ์ ํ๊ณ๊ฐ ์์์ ํ๋จํ ์ ์
์๋ค.
3.4 ์งํ๊ท์์ ์ฐํ๋ฐ์
์ผ๋ฐ์ ์ผ๋ก ์งํ๊ท์ ์ธ๋ผ๋ฏน์ ํ๋ฉด ์ฐํ๋ฐ์์ ๊ธฐ๊ณต
์ ํฌ๊ธฐ ๋ฐ ๋ถํฌ, ํ๊ธฐ๊ณต์ด๋ ๊ฐ๊ธฐ๊ณต ๋ฑ์ ์ํ ๋ณตํฉ์
์์ ์ํด ์ด๋ฃจ์ด์ง์ง๋ง, ๋ณดํต์ ๊ธฐ๊ณต์จ์ด ๋์์๋ก ์ฐ
ํ๋ฐ์์จ์ด ๋๋ค๊ณ ์๋ ค์ ธ ์๋ค. ์งํ๊ท์ ์ธ๋ผ๋ฏน์ ๊ฐ
๊ณต ์ค ์ฐํ๋๊ธฐ ์ด์ ์ ๊ฐ์ด์ํ์์ ์ด๋ถํด ๋ฐ์์ ์ผ
์ผํจ๋ค. ์ด ์ด๋ถํด ๋ฐ์ํ์์ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ๋ค.
(1)
(2)
(3)
์งํ๊ท์ ์ธ๋ผ๋ฏน์ ๋ ์ด์ ์์ด์ ์ญ์ ๊ดํ ์ฐ๊ตฌ (โ ) - ๊ณต์ ๋ณ์์ ๋ฐ๋ฅธ ์งํ๊ท์์ ์์ดํน์ฑ ๋ฐ ์ฐํ๊ฑฐ๋ -
ๅคง้็ๆฅโคๆฅๅๅญธๆ่ช ็ฌฌ28ๅท ็ฌฌ4่, 2010ๅนด 8ๆ 419
65
HIP Si3N4, N = 620 rpm
f(mm/rev)
P(W)0.013mm/rev 0.024mm/rev 0.03mm/rev
600
W
Surf
ace Bloating
Cro
ss se
ctio
n
Bloating
Pore
Substrate
Bloating
Substrate
Bloating
Substrate
800
W
Surf
ace
Bloating Bloating Bloating
Cro
ss se
ctio
n
Pore
SubstrateSubstrate Substrate
Fig. 8 SEM image of surface and cross section preheated by laser power and feed rate
(4)
(5)
์ฌ๊ธฐ์ M์ Al๊ณผ Y ๊ฐ์ ์ฒจ๊ฐ์ฌ์ ๊ธ์์ฑ๋ถ์ ๋ํ๋ธ
๋ค5).
์งํ๊ท์ ์ธ๋ผ๋ฏน์ ์ ์ํ๊ธฐ์ํ ์๊ฒฐ๊ณต์ ์ค ์ด๋ฌํ
์ด๋ถํด ๋ฐ์์ด ์๊ฒฐ์จ๋๋ ๋ถ์๊ธฐ ๊ฐ์ค ๋ฐ ์๋ ฅ ๋ฑ์
์ ์ด์กฐ๊ฑด์ ๋ฌธ์ ๊ฐ ์์ผ๋ฉด ์น๋ฐํ ๋ฐ์๋ณด๋ค ๋จผ์ ์ด๋ถ
ํด๊ฐ ๋ฐ์ํ์ฌ ์ค๋๊ฐ์์ ์ํ ๋ฐ๋์ ํ๊ฐ ์ผ์ด๋๊ฒ
๋ ์ ์๋ค. ๋ํ ์น๋ฐํ ๋ฐ์ ์ดํ ์ด๋ถํด๊ฐ ์ผ์ด๋๋ฉด
ํ๋ฉด์ ๋ฐํฌ ๋ฐ ๋ค๊ณต์งํ ๋ฑ์ ์์ฑํ ์ ์๋ค.
์งํ๊ท์ ์ธ๋ผ๋ฏน์ ๋ถํด๋ฅผ ์ต์ ํ๊ธฐ ์ํด N2๊ฐ์ ๋ถ
์๊ธฐ ๋ด์์ ์๊ฒฐ๋ ์งํ๊ท์๋ ๋๊ธฐ ์ค์์ ์ด์ ๋ ธ์ถ
๋๋ฉด ํ๋ฉด๋ถ์์ ์ด๋ถํด๋ Si3N4์ Si(g)๊ฐ ๋๊ธฐ์ค์
O2์ ๋ง๋ SiO2๋ก ํ์๋๋ฉฐ Si3N4๋ถํด๋ฅผ ์ด์งํ๋ค.
SiO2๋ Si3N4์ ๋นํ์ฌ ์ฐํ๋๋ ์จ๋๊ฐ ๋ฎ์ ๋น๊ต์
๋ฎ์ ์จ๋์์ ์ฐํ๋๊ณ ์ฉ์ต๋๊ฒ ๋๋ค. ๋ํ ์ง์๊ฐ
N2๊ฐ์ค๋ก ๊ฒฐํฉํ์ฌ ๋ถ์ถํ๋ ๊ณผ์ ์์ ํ๋ฉด์ ๋ฐํฌ ๋ฐ
๊ท ์ด์ ์ ๋ฐํ์ฌ ํ๋ฉด์ ๊ฒฝ๋๋ฅผ ์ ํ์ํจ๋ค.
์ด๋ฌํ ๋ฉ์ปค๋์ฆ์ ํ์ธํ๊ธฐ ์ํ์ฌ ์งํ๊ท์๋ฅผ ๋ ์ด
์ ์ถ๋ ฅ 800W๋ก ์์ดํ ํ๋ฉด์ N๊ณผ O๋ฅผ ์ค์ฌ์ผ๋ก
๋ฉด๋ถ์ํ์ฌ Fig. 9์ ๋ํ๋ด์๋ค. N์ ๊ฒฝ์ฐ ์กฐ์ง์ ๋ณ
ํ๊ฐ ์๋ ๊ธฐ์ง๋ถ์ ๊ณจ๊ณ ๋ฃจ ๋ถํฌํ๊ณ ์์ผ๋ ํ๋ฉด์์
๋ ๊ฑฐ์ ๊ฒ์ถ๋์ง ์์์ผ๋ฉฐ, ์ด๋ ํ๋ฉด์ ์ง์๊ฐ N2๊ฐ
์ค๋ก ๊ฒฐํฉํ์ฌ ๋ถ์ถ๋์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ด๋ค. O์ ๊ฒฝ์ฐ ๊ธฐ์ง์
๋ ๊ฑฐ์ ๋ถํฌํด ์์ง ์์ง๋ง ํ๋ฉด์์ ๋๋ ํจ์ ๋์ด
์๋ ๊ฒ์ ์ ์ ์์ด, ํ๋ฉด์ด ์ธ๋ถ ์ฐ์์ ์นจํฌ์ ์
ํ์ฌ ์ฐํ๋ ๊ฒ์ ์ ์ ์๋ค.
๊น์ข ๋โค์ด์์งโค์ ์ โค์ด์ ํ
420 Journal of KWJS, Vol. 28, No. 4, August, 2010
66
(a) SEM image (ร1,500) (b) N (c) O
Fig. 9 Element mapping of HIP silicon nitride heated by 800W of laser power with EDX detector
4. ๊ฒฐ ๋ก
๋์ ๊ฐ๋์ ์ทจ์ฑ์ ๊ฐ์ง ์งํ๊ท์ ์ธ๋ผ๋ฏน์ ํ๋ฐํ
์ ์ฉ์ ์ํ ์๋ก์ด ๊ฐ๊ณต๋ฒ๊ฐ๋ฐ์ ์ผํ์ผ๋ก ๋ ์ด์ ์
์ด์ ์ญ์ ๊ฐ๋ฅ์ฑ์ ํ๊ฐํ๊ณ ์ฌ๋ฃ์ ์กฐ์ง์ ๋ณํ ๋ฐ ์ง
ํ๊ท์์ ์ฐํ๊ฑฐ๋์ ์ฐ๊ตฌํ์ฌ ๊ทธ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ค์์ ์ ๋ฆฌ
ํ๋ค.
1) ๋ ์ด์ ์ถ๋ ฅ์ด ์ฆ๊ฐํจ์ ๋ฐ๋ผ ์ํธํ๋ฉด์ ์จ๋๊ฐ
์์นํ์ฌ ์งํ๊ท์ ์ธ๋ผ๋ฏน์ ์กฐ์ง์ ๋ณํ๊ฐ ํฌ๋ค. ์จ๋
๊ฐ ์์นํจ์ ๋ฐ๋ผ ์ง์๊ฐ์ค๊ฐ ๋ถ์ถ๋๊ณ ํ๋ฉด์ด ์ฐํ๋์ด
๊ท ์ด์ ๋ฐ์ํ์ฌ ๊ทธ ๊ฒฝ๋๊ฐ์ด ์ ํํ๋ ๊ฒฝํฅ์ ๋ณด์ธ๋ค.
2) ์ด์ก์๋๊ฐ ์ฆ๊ฐํจ์ ๋ฐ๋ผ ๋์ผํ ์ถ๋ ฅ์์ ํ ์ง
์ ์ ๋ ์ด์ ๊ฐ ์กฐ์ฌ๋๋ ์๊ฐ์ด ์งง์ ์ด ํก์๋๋ ์ด์
๋์ง๊ฐ ์ค์ด๋ ๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ์ํธํ๋ฉด์ ์จ๋๊ฐ ์๋์ ์ผ
๋ก ๋ฎ์ ์ํธํ๋ฉด์ ์ฐํ๋๋ ์ค์ด๋ ๋ค.
3) ์งํ๊ท์๋ฅผ ๊ณ ์จ์ผ๋ก ๊ฐ์ดํ๋ฉด Si3N4๊ฐ ์ด๋ถํด
๋ฐ์์ ์ผ์ผ์ผ N2 ๊ฐ์ค ๋ฐ SiO2์ ์์ฑ์ ์ ๋ฐํ๋ค.
N2 ๊ฐ์ค๊ฐ ๋ถ์ถ๋๋ฉด์ ํ๋ฉด์ ๊ท ์ด ๋ฐ ์ดํ๋ฅผ ์ผ๊ธฐ ์
ํค๊ณ , ์์ฑ๋ SiO2๋ ํ๋ฉด์ ๊ฐ๋๋ฅผ ์ ํ์์ผ ์ ์ญ์
์ ๋ฆฌํ ์ํฅ์ ์ค๋ค.
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์ ์ดํด๋ณธ ๋ ์ด์ ๋ฅผ ์ด์ฉํ ์ฌ๋ฃ์ ์์ด์
์กฐ์ง์ ๋ณํ๋ฅผ ์ ๋ฐํ๋ฉฐ ์ด๋ฌํ ์ฐํ๊ฑฐ๋์ ๋ ์ด์ ์
์ด์ ์ญ์ ์ ๋ฆฌํ๊ฒ ํ๋ค.
ํ ๊ธฐ
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ๋ ์ง์๊ฒฝ์ ๋ถ์ ์ง์ญ์ฐ์ ๊ธฐ์ ๊ฐ๋ฐ ์ฐ์ ์ธ
โ๋ ์ด์ ๋ณตํฉ๊ฐ๊ณต๊ธฐ ๊ฐ๋ฐโ๊ณผ์ ์ ์ง์๊ฒฝ์ ๋ถ ๋ฐ ์ ๋ณดํต
์ ์งํฅ์์ ๋ํ IT ์ฐ๊ตฌ์ผํฐ ์ง์์ฌ์ ์ ์ฐ๊ตฌ๊ฒฐ๊ณผ๋ก
์ํ๋์์(NIPA-2010-C1090-1021-0015)
์ฐธ ๊ณ ๋ฌธ ํ
1. ์ ์์ฌ์ฐ๊ตฌํ : 21์ธ๊ธฐ๋ฅผ ๋ค๋ฐ์นจํ ์ ์์ฌใ์ ์ฌ๋ฃ, ๊ฒธ์ง์ฌ,
2002 (in Korean)
2. ๊น์ข ํฌ, ๋ฐ์ง์ฐ, ๊น๋๊ฒฝ, โ์ต์ ์ธ๋ผ๋ฏน๊ณตํโ, ๋ฐ๋์ถํ์ฌ, 1991
(in Korean)
3. Somiya, Shigeyuki, Mitomo, Mamoru, Yoshimura,
Masahiro : Silicon nitride-1, ElseVier Applied Science,
1990
4. W. D. Kingery, H. K. Bowen, D. R. Uhlmann :
Introduction to Ceramics, JOHN WILEY & SONS,
1975, 448-515
5. Branko Matovic : Low temperature sintering additives
for silicon nitride, University Stuttgart, Bericht Nr.
137, 2003
6. Jong-Do Kim, Su-Jin Lee, Seo-Jeong Park : The
Basic Study on machinability of ceramics in CO2
laser assisted machining, Journal of the Korean
Society of Marine Engineering, 33-2, 2009, 322-329
(in Korean)
7. S.Lei, Y.C. Shin, and F.P.Incropera : Deformation
Mechanisms and Constitutive Modeling for Silicon
Nitride undergoing Laser-assisted Machining, Inter-
national Journal of Machine Tools & Manufacture,
40, 2000, 2213-2233
8. Jong-Do Kim, Su-Jin Lee, Hee-Jong Yoon, Seo-Jeong
Park : The Characteristics of Laser Assisted Machining
for Si3N4 by Laser Power and Cutting Feed Rate,
The 5th International Congress on Laser Advanced
Materials Processing LAMP 2009, HPL-3, Removal,
#TuOH 4-4(#258), 2009, 154
9. Jong-Do Kim, Su-Jin Lee, Jae-Hoon Lee, Yuji Sano
: A Study on the Microstructural, Thermal and
Mechanical Properties of Silicon Nitride Ceramic,
Journal of the Korean Society of Marine Engineering,
33-7, 2009, 1026-1033