구조용 세라믹스의 어브래시브 제트 가공 和久田 學 / 닛산자동차 총합연구소 재료연구소 1. 들어가며 구조용 세라믹스는 고경도, 고강도, 내마모성 등의 우수한 특성을 살려서 접동용(摺動用) 재료로 사용되는 경우가 많다. 최근 에너지 절약이나 기기의 장수명화, 멘터넌스 프리화의 관점에서 마찰에 의한 에너지 로스를 줄이는 방법이 강하게 요구되고 있어 세라믹스의 마찰마모저감에 관한 연구개발은 한층 활발해지고 있다. 필자 등은 접동부재용 세라믹스의 표면에 텍스처링 처리를 함으로써 마찰저감을 꾀했다. 접동면에 미소한 딤플이나 도랑을 설치한 것은 단순히 접촉면적을 줄이는 것 이외에 윤활성능을 향상하는 효과가 기대되고 있다. 본고에서는 표면 텍스처링 방법으로 필자 등이 몰두한 어브래시브 제트 가공(Abrasive Jet Machining 이하 AJM이라고 표기한다)을 소개하겠다. AJM은 원래 플라스트로 대표되는 분사가공의 일종으로, 분사기구의 정밀제어로 최근 마이크로 가공 분야에의 응용이 진행되고 있는 가공법이다. 2. AJM이란 오래 전부터 알려져 온 프러스트 가공은 공작물의 클리닝, 피닝, 배리 제거 등의 폭넓은 용도에서 사용되고 있다. 분사하는 입자에는 통상 유리비즈나 스틸쇼트 등이 이용된다. 용도에 따라서 샌드 브라스트, 쇼트 피닝 등의 이름으로 다르게 불리지만 모두 지금까지는 금속부품을 대상으로 한 이용이 일반적이었다. 이에 대해 AJM은 경질미세지립을 경취(硬脆) 재료의 표면에 고속으로 충돌시켜 미소한 취성 파괴의 집적으로 마이크로 가공을 하려는 것이다. 최근 특히 주목을 받고 있으며 반도체나 전자기기에 사용되는 부품에서의 실용화가 급속하게 증대되고 있다. 가공기의 구성이 단순하며 값이 싸다는 것, 건조한 환경에서 가공할 수 있다는 것, 공작물에의 열 영향이 없다는 것 등의 특징을 갖는다. 그런데 세라믹스의 경우에는 입자 충돌은 에로젼 마찰로서 회피하는 현상이다. AJM은 이 현상을 역으로 적극적으로 이용하고자 하는 것이다. 종래의 에로젼에 관한 연구에서는 수 백㎛ 이상의 입자가 사용되는데, AJM에서는 몇 ㎛에서 수 십㎛의 미세 지립을 이용한다는 점이 다르다. 따라서 재료제거단위가 작아져 에로젼 현상에서 문제가 될만한 대규모 크랙의 생성에 반드시 이르게 되는 것은 아니지 않을까 생각했다. AJM의 가공원리를 그림 1에 제시하였다. 통상, 분사재로서는 알루미나(WA)나 탄화규소(GC) 등 지립(砥粒)이 사용된다. 종전의 브라스트 가공과 달리 미량이면서 정량의 분사를 가능케 하는 정량공급장치가 장비되어 있다는 것이 특징으로, 그 덕분에 마이크로 가공에의 가능성이 열렸다고 해도 과언이 아니다. 廚川은 여기에 지립의 분사를 간헐적으로 제어하는 기능을 부가, 마이크로초 레벨에서의 온·오프 제어를 실현했다. 한편, 가공가능 사이즈는 노즐의 내경(內徑) 치수에 의존하는데, 현재는 노즐 지름 0.5㎜ 정도까지 미소화가 진행되어 있다. 또 마스킹 필름을 공작물 표면에 붙이는 방식을 채택함으로써 한 자릿수 더 작은 구멍의 가공과 도랑의 가공을 하고 있는 예도 있다. AJM의 가까운 응용 예로서 센다이(仙臺)니콘사에서는 글래스 포토 등 아트 사업에서 실용화하고 있다. 이 예에서는 지립의 분사시간을 정밀하게 제어함으로써 가공 도트의 깊이를 컨트롤하고, 그것이 결과적으로 농담이 되어 나타난다는 점을 이용해서 디지털 사진 데이터를 점묘화로 유리 표면에 조각하는데 성공했다. 이 기술의 결정적인 방법은 지립분사량의 제어로, 정량공급장치가 정밀가공에의 응용을 가능케 한 좋은 예라고 할 수 있다. 3. AJM에 의한 세라믹스의 피가공성 구조용 세라믹스에의 응용가능성을 가늠할 목적으로 몇몇 대표적인 구조용 세라믹스에 대해 AJM의 기초실험을 실시했다. 실험에는 그림 2에서 볼 수 있는 마이크로 브래스터(新東 브레이터, MB2-ML-001)를 사용했다. 그림 3에 3종류의 시판 지립을 이용하여 4종류의 시판 세라믹스 재료에 딤플 가공했을 때의 공작물 표면의 모습을 나타내었다. 언뜻 보아도 알 수 있듯이 지립과 공작물의 조합에 의해 가공 구멍의 모습은 현저하게 달라진다. 다이아몬드(SD) 지립은 어떤 세라믹스 재료에 대해서도 효율적으로 딤플 가공을 시행할 수 있다. 반면 이 지립은 아주 고가이며 또 분사 노즐의 마모가 아주 빠르다는 점에서 용도가 한정될 것이다. 현실적으로는 GC를 이용하면 대부분의 세라믹스에는 딤플 가공을 할 수 있다는 것을 기초 실험에서 확인되었다. 또한 세라믹스의 에로젼은 이미 확립된 연구분야로, 에로젼 마모속도(다시 말하면 가공능률)와 재료의 물성을 연관짓는 이론식이 몇 가지 제안되어 있다. 그러나 위의 실험에서는 분사입자가 아주 작기 때문에 종래의 에로젼 모델이 가정하고 있는 것과 같은 크랙의 생성을 전제로 한 에로젼 모델식의 이론이 적용되지 않는다는 것을 알았다. 또 재료제거 메커니즘은 사용하는 지립의 종류나 공작물마다 상당히 달라 피가공성을 재료의 경도나 파괴인성 등의 패러미터로 정리하기는 곤란했다. 앞으로 AJM의 가공 메커니즘에 관한 더 깊은 연구가 요망된다. 4. 트라이볼로지 분야에의 응용 접동면 위에 미세한 딤플이나 도랑을 형성하여 마찰특성을 향상시키려고 하는 시도가 최근 활발하게 이루어지고 있다. 필자 등은 실제로 질화규소의 표면에 AJM에 의해 마이크로 딤플 패터닝을 실행, 가공면의 기계특성과 마찰특성을 평가했다. 또 AJM에 의한 딤플 가공에서는 마스킹 필름을 매개로 지립을 분사하는 방식을 채택, 수 십㎛ 레벨의 미소 딤플을 분포시켰다. 마찰시험에 앞서 딤플 가공이 강도저하에 미치는 영향을 검토했다. 마이크로 딤플은 4점 굴곡 실험 조각의 인장면에 패터닝하고, 비교를 위해 딤플이 없는 래핑 마무리 면 및 레이저 가공에 의한 패터닝 면의 강도도 평가했다. 그림 4는 AJM과 레이저 가공에 의한 딤플의 모습이다. AJM에서는 완만한 커브의 단면 프로필이 되었는데 비해 레이저 가공에서는 각이 진 형상이 되고, 바닥면 주위에는 샤프 에지가 형성되었다. 레이저 가공에 의한 실험 조각에서는 이 부분이 파괴원이 되어 강도가 현저하게 저하되었다(그림 5). 한편 AJM에 의해 가공된 실험 조각에서는 강도 저하는 발생하지 않았다. 이런 점에서 딤플 가공에 의해 생기는 결함의 치수는 원래 재료 내부에 존재하는 파괴원의 치수보다 작다고 생각된다. 이어서 마이크로 딤플 패터닝에 의한 마찰 저감효과를 조사했다. 마찰실험은 자동차용 엔진의 컴/폴로와를 모델화한 특수한 피온디스크 방식을 채용, 선 접촉의 미끄러짐 마찰 상태를 재현했다. 실험 조건에 대해서도 컴/폴로와의 접동조건에 가까운 경계윤활마찰이 되도록 하중과 접속(摺速)을 선정하고, 60분간의 연속마찰실험을 실시했다. 그 결과, 딤플의 사이즈와 분포밀도를 적절하게 선택하면 마찰특성을 대폭 향상시킬 수 있다는 것을 알았다. 실험결과의 일례로서 딤플의 유무에 의한 마찰계수의 차이를 그림 6에 나타내었다. 이 예에서는 딤플을 패터닝함으로써 약 20%의 마찰저감을 실현했다. 이렇게 AJM은 세라믹스 자체의 강도를 저하시키는 일 없이 마찰특성을 향상시킬 수 있는 마이크로 가공 기술로서 높은 가능성을 가지고 있다는 것이 실증되었다. 5. 표면 마무리 가공으로서의 가능성 알루미나에 GC지립을 분사했을 때 매끄러운 마무리 면을 얻을 수 있다는 것을 기초실험에서 알았으므로, 표면 데스크챠링 이외의 어플리케이션으로서 표면 마무리 가공에의 전개를 꾀했다. 여기에서는 GC지립과 알루미나와의 조합에 의한 AJM에 대해 더 상사하게 검토한 결과를 소개하겠다. 실험에서는 알루미나의 4점 굴절 실험 조각의 인장면을 래핑, AJM, 연삭에 의해 마무리했다. AJM에서는 넓은 면을 효율적으로 가공할 수 있도록 두꺼운 노즐을 사용했다. 그림7에 입도 ＃800의 다이아몬드 호일에 의한 연삭면과 입도 ＃800의 GC지립에 의한 AJM 마무리면의 표면 상태를 나타내었다. 연삭가공에서는 입계파괴에 의한 결정립의 탈락을 주체로 한 가공 메커니즘인데 AJM에서는 이와는 완전히 다르게, 매끄러운 표면상태였다 분사지립과의 충돌에 의해 알루미나의 극히 얇은 표층부분에서 미크로한 소성변형이 일어났다고 생각할 수 있다. 더 흥미로운 것은 이렇게 다른 가공법으로 마무리된 알루미나의 굴곡 강도를 평가한 결과, AJM 마무리의 실험조각에서는 래핑 마무리 실험조각보다 더욱 높은 강도를 얻을 수 있었다(그림 8). 아직 이 원인을 특정하기에 이르지는 않았지만 지립분사에 의해 표면에 압축잔류응력을 도입시켜 강도향상을 꾀하는 소위 피닝 효과를 얻었을 가능성이 있다. 이 실험결과는 AJM이 거칠기와 강도를 동시에 향상시키는 공법으로서 높은 잠재력을 갖는다는 것을 시사했다. 6. 맺으며 최근 급속하게 응용분야의 확대를 보이고 있는 어브래시브제트 가공에 대해 그 기초원리와 응용 예를 간단히 소개했다. 세라믹스에 대한 AJM은 뒤집으면 에로젼 현상 그 자체인데, 대규모 크랙의 생성 없이 강도에의 악영향이 보이지 않는다는 점에서 구조용 세라믹스에 대해 충분히 이용가치가 있는 마이크로 가공법이라고 필자는 생각하고 있다. 브라스트 공법은 한 마디로 말하면 현장적인 작업으로 실용화가 상당히 진척되었음에도 불구하고 학술적인 고찰이 이루어지지 않은 측면이 있다. 앞으로 가공 메커니즘의 해명이 진행되고 응용분야가 점점 더 넓어지기를 기대한다. (Ceramic Japan 2002년 10월) 그림 1. AJM의 가공원리 분사 노즐 미세 지립(고압분류)공작물 지립 탱크 가스봄베 가공실 그림 2. 그림 3. 각종 세라믹스 재료의 AJM 가공법 분사지립 공작물 그림 4. AJM과 레이저 가공에 의해 형성된 마이크로 딤플 레이저 가공 그림 5. 마이크로딤플 패터닝에 의한 강도 저하 4 점 굴곡 강도 ㎫ ㅡ 딤플 없음 AJM 레이저 가공 그림 6. 마이크로 딤플 패터닝된 질화규소의 마찰특성 딤플 직경 : 120㎛ 딤플 면적률 : 15% 딤플 있음 마찰계수 μ 딤플 없음 그림 7. 알루미나의 연삭면과 AJM면의 비교 연삭면 그림 8. AJM에 의한 알루미나의 굴곡 강도 향상 4 점 굴곡 강도 ㎫ 래핑 마무리 연삭 마무리 AJM 마무리