4.3 소결방법에 따른 질화규소 세라믹의 예열선삭 특성비교
4.3.2 절삭된 시편의 표면비교
SSN 처리된 질화규소 세라믹을 회전속도 620 rpm, 이송속도 0.013 mm/rev 및 절삭깊이 1 mm의 가공조건을 고정하고 레이저 출력에 따른 절삭된 시편의 표 면의 매크로 및 SEM 사진을 Fig. 4.28에 나타내었다. 레이저 출력 400 W의 경 우, 육안으로 관찰시 미려한 표면을 가지고 있었으며, 10,000배의 SEM사진으로 관찰하여 보면 소성유동에 의한 유동형 표면이 확인되고 규산염 유리층이 거의 관찰되지 않았다. 레이저 출력이 증가할수록 가공면이 열화되는 것을 확인 할 수 있는데, 600 W 부터는 산화층이 절삭시 제거되어도 400 W보다 입열량이 크 기 때문에 절삭전 예열에 의해 받은 열과 절삭후 절삭면 선단에 있는 레이저 빔 조사부의 열전달에 의해 형성된 후열로 가공부에 질화규소가 열분해 되면서 형성된 규산염 유리질 및 개기공이 관찰되며, 800 W에서는 개기공의 크기 및 수량뿐만 아니라 규산염 유리층의 두께도 증가하는 것이 관찰되었다. 즉, SSN 세라믹의 예열선삭 시에도 레이저 출력이 증가할수록 표면온도가 높아져 시편 의 연화가 촉진되므로 절삭에 필요한 에너지가 줄어들게 된다. 하지만 과도한 입열에 의한 절삭부 표면이나 내부의 질화규소 열분해는 N2가스를 발생시켜 개 기공이나 산화물을 남기므로 표면조도를 떨어뜨릴 수 있다. 그러나 600 W 이상 의 출력임에도 불구하고 0.9 mm의 절삭도 행해지지 않았던 HIP 처리된 시편에 비하여 비교적 저출력에서 1 mm까지 절삭이 가능하였다.
이상과 같은 조건으로 가공된 시편표면의 경도의 변화를 Fig. 4.29의 그래프 에 나타내었다. 그래프에서 보듯이 출력이 증가할수록 경도가 저하되는 것을 알 수 있는데, 이는 앞서 HIP 처리된 질화규소를 관찰한 바와 같은 양상이며, 그 원인은 과입열에 의한 시편표면의 열화에 의한 경도저하이다.
시편의 회전속도 620 rpm, 레이저 출력 600 W 그리고 절삭깊이를 1 mm로 고 정시키고 이송속도를 각각 0.013, 0.024 및 0.03 mm/rev으로 변화시켰을 때의 레 이저 예열선삭된 SSN 질화규소 세라믹의 표면을 관찰한 사진을 Fig. 4.30의 그 림에 나타낸다. 시편표면은 이송속도가 증가할수록 산화정도가 줄어들었다.
0.013 mm/rev의 이송속도에서는 상대적으로 느린 가공속도에 의한 후열의 영향
으로 표면에 개기공과 규산염 유리상의 존재가 확인되며, 0.024 mm/rev부터 이 러한 현상은 사라지고 소성가공에 의한 유동형 표면이 관찰된다. 600 W의 레이 저 출력에서 시편을 1 mm의 절삭깊이로 예열선삭 가공시 이송속도에 따른 가 공부 표면의 경도변화를 Fig. 4.31의 그래프에 나타내었다. 이송속도가 증가함에 따라 전반적으로 시편표면의 경도가 증가하는 것을 알 수 있다. 이로써 이송속 도가 빨라짐에 따라 입열량이 감소하여 가공부 표면의 산화 및 열화가 줄어들 고, 그에 따라 표면경도가 개선된다는 것을 알 수 있다.
시편의 회전속도 620 rpm, 레이저 출력 600 W, 그리고 이송속도를 0.013 mm/rev으로 고정하고 절삭깊이를 1, 2 및 3 mm로 변화 시켰을 때 시편의 표면 을 SEM으로 관찰한 사진을 Fig. 4.32에 나타낸다. 절삭깊이가 깊어짐에 따라 열 영향을 받은 부분의 제거 깊이가 깊어지므로 절삭부와 가공부 선단의 레이저 빔과의 거리도 멀어짐에 따라 후열의 영향도 감소하여 가공부의 산화 및 열화 정도가 개선됨을 알 수 있다. 그러나 3 mm이상의 절삭깊이는 절삭공구 팁 선단
의 CBN 코팅이 3 mm미만이어서 더 이상 실험을 진행하지 않았다. 이와 같이
절삭깊이에 따른 시편의 표면 경도변화를 Fig. 4.33의 그림에 나타내었다. 절삭 깊이가 깊어짐에 따라 대체적으로 경도 값이 상승한 것을 볼 수 있다. 이는 동 일 레이저 출력 하에서 깊이별로 미치는 열영향이 다르다는 것을 의미한다. 따 라서 열영향을 비교적 많이 받은 깊이까지 재료를 최대한 제거하는 것이 제품 의 표면품질을 향상시키는 방법이라는 것을 알 수 있다.
Fig. 4.28 Photos and SEM images of surface for SSN silicon nitride machined by laser power
SSN Si3N4, f= 0.013 mm/rev, d= 1 mm, Фp= 90 °, Фt= 180 °, Machining distance = 20 mm
P(W)
Magnification 400 W 600 W 800 W
×40
A
B B
A
B
A
×1,000
B
C
C
B
C
B
×10,000
C C
Open pore
C
Silicate glass layer Open pore
Fig. 4.29 Graph of vickers hardness for SSN silicon nitride machined by laser power
400W 600W 800W
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Vi cker s h a rdn e ss, H v
Laser power, W
Si3N4, f = 0.013 mm/rev , Фt= 180 °Fig. 4.30 Photos and SEM images of surface for SSN silicon nitride machined by feed rate
SSN Si3N4, P= 600 W, d= 1 mm, Фp= 90 °, Фt= 180 °, Machining distance = 20 mm
f(mm/rev)
Magnification 0.013 mm/rev 0.024 mm/rev 0.03 mm/rev
×40
A
B
A
B
A
B
×1,000
B
C
C
B
C
B
×10,000
C
Open pore
Silicate glass layer
C C
Fig. 4.31 Graph of vickers hardness for SSN silicon nitride machined by feed rate
0.013mm/rev 0.024mm/rev 0.03mm/rev 0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Vi ckers h a rd n e ss, Hv
Feed rate, mm/rev
Si3N4, P = 600 W, Фt= 180 °Fig. 4.32 Photos and SEM images of surface for SSN silicon nitride machined by cutting depth
SSN Si3N4, P= 600 W, f= 0.013 mm/rev, Фp= 90 °, Фt= 180 °, Machining distance = 20 mm
d(mm) Magnification
1 mm 2 mm 3 mm
×40
A
B
A
B
A
B
×1,000
C
B
C
B B
C
×10,000
C C C
Fig. 4.33 Graph of vickers hardness for SSN silicon nitride machined by cutting depth
1mm 2mm 3mm
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Vi ckers h a rd n e ss, Hv
Cutting depth, mm
Si3N4, P = 600 W, f = 0.013 mm/rev, Фt= 180 °