세라믹스의 연삭가공 손상평가

편집부
등록 2005-10-18 14:32:15

세라믹스의 연삭가공 손상평가

兼松涉 National Institute of Advanced Science and Technology

1. 들어가며
세라믹스의 형상부여는 일차적으로는 분체성형·소결과정으로 이루어지지만, 일반적으로 그 치수 정밀도는 기계부품으로서는 충분치 않아서 어떤 2차적인 가공을 필요로 하는 경우가 많다. 수많은 가공기술 가운데에서도 연삭가공은 금속재료의 마무리 가공에 이용되어 온 오랜 역사가 있고, 세라믹스의 기계가공법으로서도 가장 많이 이용되고 있다. 그러나 세라믹스를 비롯한 단단하고 무른 재료의 가공은 경면가공과 같은 특수한 경우를 제외하고, 미세한 취성 파괴의 집적으로 재료제거가 이루어지고, 이때 발생하는 균열(가공균열)이 표면에 잔류할 위험이 있다는데 주의할 필요가 있다. 가공균열은 마무리 가공의 경우에는 부재의 강도·수명 등의 신뢰성에 직접 영향을 주고, 최종 마무리에 이르기 전 단계의 가공으로 이용될 경우에도, 후가공의 가공비 등 가공조건을 정하는 중요한 인자가 된다. 균열의 강도특성에 대한 영향에 대해서는 지금까지 단순화된 모델을 이용하여 설명되어 왔는데, 가공균열의 실제 형태에 관해서는 제한된 정보밖에 얻을 수 없다는 것이 실상이다.
본고에서는 필자 등이 개발한 방법으로 얻어진 가공균열의 형태 및 그것이 균열 진전특성에 미치는 영향에 관한 견해를 소개함과 동시에, 가공균열이 강도의 비균일에 미치는 영향에 대해서 기술하겠다. 마지막으로 현재 진행되고 있는 가공손상평가방법의 규격화 상황에 대해서 간단히 소개하겠다.

2. 연삭가공 균열의 상태
가공손상에 의한 강도열화에 대해서는 세라믹스의 구조부재에 대한 적용이 검토되기 시작한 1970년대 후반부터 경취재료 특유의 현상으로서 지적되어 왔다. 지금까지 수많은 연구에 의해 평면연삭가공 시에 발생하는 균열에는 방향성이 있고, 지립(砥粒)진행방향과 평행되는 방행으로 생기는 균열이 더욱 깊다는 것, 일반적으로 거친 지석을 이용한 중연삭(重硏削) 조건일수록 강도열화가 현저해진다는 등이 밝혀져 왔다. 파괴역학적 해석에 의해, 가공조건과 피가공재료의 강도와의 관계를 정량적으로 나타내려는 시도도 이루어져, 특정한 재료·가공조건에서는 이 둘의 관계의 정식화가 가능하다는 것이 제기되었다. 이러한 해석에서는 지립 진행방향과 평행으로 발생하는 메디언형(型) 균열과 이것과 수직적인 방향의 트랜스 버스 균열 등 2종류가 존재한다는 모델을 기초로 하고 있다. 그러나 현실적인 균열의 형상·치수, 분포상태에 관한 정보는 한정적이어서 균열형태가 완전히 밝혀지지 못한 상태이다.
연삭가공된 표면은 눈으로 보기에는 평평하게 보여도, 그림1에 나타나 있는 것처럼 미시적으로는 요철이 현저하다는 것을 알 수 있다. 좁은 간격으로 분포하는 좌우방향의 조흔(條痕)은 지석 표면에 분포하는 지립이 가공물과 접촉하면서 형성된다. 가공균열은 이 조흔 바로 아래 존재한다고 추정되는데, 표면에서 직접 관찰할 수 있는 것은 아니다. 보통은 파괴시험을 하고, 파면관찰에 의해 기점이 된 균열형상을 추정하는 경우(클랙트그래피)가 많다. 그러나 클랙트그래피는 관찰자에게 어느 정도의 숙련이 요구되는데다가, 주관의 영향을 완전히 배제하기기 어렵다. 이러한 문제를 해결하가 위해, 필자 등은 개구 균열에 염색액을 함침시켜서 균열을 가시화하는 방법(함침법)을 기초로, 가공균열의 2차원 형상을 객관적으로 평가하는 방법을 개발했다. 이 방법에서는 가공면을 요철이 없어질 때까지 연마하고, 다시 프레온 14가스에 의한 프라즈마 에칭을 실시한 후, 그림 2에 모식적으로 나타내었듯이 정수압에 의한 초산 파라듐 수용액의 강제 함침을 시행했다. 건조 후, 굴곡 실험을 하여 EP-MA에 의하 파라듐(Pd) 원소의 파면 위에서의 분포지도(Pd맵)을 작성했다. Pd의 SDH도가 백그라운드 레벨보다도 높은 영역이, 액체가 스며든 영역 증, 균열에 상당한다. 그림 3(a)는 굴곡 실험 조각 파편(핫프레스 질화규소)의 연삭가공면 표면을 SEM관찰한 결과로, 삼각형의 정점으로 나타낸 사진 하단의 지면 수직방향에 파면이 위치한다. 같은 그림(b)는 대응하는 파면의 SEM사진에서 하얀 삼각형으로 둘러싸인 주위에 비해 명도가 낮은 부분이 균열의 일부를 나타낸다. 이 균열은 이 그림(a) 위에서는 하얀 삼각형으로 나타낸 부분에 위치한다. 이 그림(c)는 동일 파면 위의 Pd맵을 나타내며, 하얀 픽셀이 Pd원소의 존재를 나타낸다. SEM사진에서는 일부만 동정(同定)할 수 없었던 가공균열이 Pd맵 위에서는 하얀 픽셀의 집합으로 전체를 명료하게 관찰할 수 있다는 것을 알 수 있다.
이상과 같은 관찰결과에서는 가공균열은 가공방향에 평행인 투영면 위에서는 상당히 가늘고 긴 주(主) 균열과 그에 부수하는 미소한 균열의 집합(균열군(群))으로 간주할 수 있다. 이러한 균열군을 형성하는 개개의 균열은 그림 3(c)에 나타나있듯이 근접해 있으므로 파괴원인은 단일한 균열뿐 아니라 몇 개의 근접한 균열도 관여한다고 추측된다. 그림3의 예에서는 근접해 있는 균열 C0~C4로 된 균열군을, 같은 그림(b)엔에 점선으로 나타나 있듯이 편평한 반타원 균열(폭 920㎛, 깊이 60㎛)DP 근사하여, 그 파괴응력 부하 시(342MPa)의 응력확대계수를 산출했다. 그 값은 약 5MPa .m1/2로, 공시재료의 파괴인성 값과 거의 일치했다. 이러한 점에서 균열군 가운데 즉시파괴강도에 영향을 미치는 것은 주 균열과 그 근방의 균열로 제한되며, 떨어진 위치에 있는 균열은 파괴에는 직접 관여하지 않는다는 것이 밝혀졌다.

3. 가공균열이 균열성장에 미치는 영향
위에 기술한 것처럼 가공균열은 근접한 균열군으로 구성되므로, 개개의 균열 끝 근방의 응력상태는 독립해서 존재하는 경우에 비해 복잡해진다. 특히 응력부식 등에 의한 균열진전이 생길 경우에는 즉시 파괴강도에 대해서는 영향을 미치지 않았던 균열이 균열진전특성에 영향을 주어, 뒤늦게 파괴특성으로 변화를 일으키는 것도 예상된다. 균열진전을 조사하는 방법에는 몇 가지가 있는데, 여기에서는 몇 종류의 다른 부하속도에서의 파괴실험을 실시, 파괴응력과 부하속도와의 관계로 균열진전속도의 지표가 될 피로지수 n을 구하는 정부하(正負荷) 속도실험(동피로실험(動疲勞實驗))과, 실험조각에 일정한 응력을 계속 부하함으로써 파괴시켜서 수명과 부하응력과의 관계를 직접 구하는 정응력(靜應力)실험(정피로실험(靜疲勞實驗)) 등 2종류의 실험방법을 이용했다. 동피로실험은 피로지수 n은 가공균열의 존재에 의해 저하된다, 즉 균열진전은 가속된다는 것을 시사하였다. 그림4는 그림 3과 동일한 공시재료, 가공조건의 실험조각을 이용, 정피로실험을 실시한 결과를 나타낸 것이다. 각 실험 점은 어떤 부하응력에 대한 파괴까지의 시간(수명)을 나타내며, 오른쪽으로 향한 화살표는 그 응력에서는 파괴를 일으키지 않는 실험을 중단했다는 것을 나타낸다. 그림 속의 실선은 동일 실험조각을 이용한 동피로 실험 결과에서 환산된 정피로 수명곡선(예측 값)을 나타낸다. 또 그림 속의 완전히 칠해진 부분은 이 예측 값의 90% 신뢰구간을 나타낸다. 이 수명곡선에서 구해진 피로지수는 약 60으로, 가공균열이 없을 경우의 값(약 80)에 비해 저하 즉, 균열진전속도가 크다는 것을 보여주고 있다. 이 그림에서 주목되는 것은 270MPa근방을 경계로 하여 이보다 고(高)응력 레벨에서는 실험점이 예측 값을 중심으로 일정하지 않은데 비해, 저(低)응력 레벨에서는 측 값보다도 확실히 수명이 긴 쪽에 속한다는 것이다. 이것은 균열진전의 상황이 부하응력 레벨에 따라서 변화한다는 것을 시사한다. 그림 5는 106초에서 중단한 실험조각에 대해, 그림 3과 같은 함침법을 이용한 균열형상의 측정을 실시한 결과이다. 관찰된 Pd맵은 부하개시부터 106초 후의 균열형상을 나타내게 된다. 그림 5(a)는 Pd맵, 같은 그림(b)는 대응하는 SEM사진을 나타낸다. 가공균열은 같은 그림(b)에 삼각형에 둘러싸인 부분에서 볼 수 있듯이, 깊이 40㎛정도의 평평한 두 개의 반타원, E1, E2로서 인정되며, 이것들이 균열성장의 기점이 되었다고 생각된다. 한편, 실험중지 시점에서의 균일은 같은 그림(a)의 Pd맵의 하얀 부분이 나타내듯이 이들로부터 분명하게 성장하고 있고, 80㎛을 넘는 깊이가 되었다. 또한 E1, E2는 그림 5(a) 위에서는 단일한 균열 Ec에 포함되어 있다는 점에서 E1, E2는 균열성장 도중에 합체하고, 그 후 단일한 균열로써 성장했다고 추측된다. 성장한 후의 균열 전체는 그림 속의 파선으로 나타나 있듯이, 반타원에 가깝다고 할 수 있다. 이러한 관찰결과로 그림4의 피로실험결과에 대해 다음과 같은 해석이 가능해진다. 즉, 가공균열의 합체는 균열진전 초기에 생기고, 개개의 균열이 단독으로 성장할 경우와 비교했을 때, 합체 후의 균열의 성장속도는 커진다. 그러나 합체할 수 있는 균열을 모두 포함한 시점에서 가속효과는 없어지며, 응력 - 수명 관계도(關係圖)에서는 균열진전양이 작은 고응력 측에서는 가공균열에 의한 가속효과가 나타나는 한편, 충분히 성장하여 가속효과가 없어지는 저응력 측에서는 균열진전속도가 단일 균열의 경우가 같아져서 실험 점은 장수명 쪽으로 이동하게 된다.

4. 강도의 흐트러짐에 대한 영향
잘 알려져 있는 것처럼 세라믹스의 강도는 그것이 내포하는 결함에 지배되어, 최약(最弱)링크설에서 나온 와이블 분포로 정리되는 예가 많다. 재료에 잠재하는 균열과 완전히 독립적으로 가공에 의한 균열이 발생한다고 생각하면, 경합 리스크 모델에 기초하여 강도는 잠재 균열과 가공균열 가운데 어느 쪽인가에 의해 지배된다고 생각할 수 있다. 그러나 실제로는 그림3에 나타나 있는 것처럼, 가공균열은 높은 밀도로 분포되어 있으므로 양자가 서로 영향을 주고받으면서 파괴에 관여할 가능성은 부정하기 어렵다. 그림6은 탄화규소를 공시재(公試材)로 하여 가공조건을 변화시켰을 경우의 와이블 계수 m(실험조각 수 : 30)의 변화를 조사한 것이다. 가로 축의 최대 지립 홈 깊이 g의 값이 작을수록 마일드한 가공조건이 된다. 원래 g의 감소에 대해 m은 가공손상이 없는 경우의 값 m0에 접근할 것이다. 그러나 그림 6에서는 m에 m0보다도 작은 극소치의 존재가 시사되고 있다는 점이 주목된다. 이것은 단순히 경합리스크모델로는 설명하기 어려운 현상이 존재한다는 것을 시사한다. 실제의 부재가공에서 가장 중요한 문제는 될 수 있는 한 고효율로 균열이 잔류하지 않는 가공조건을 선택하는 것이다. 가공손상이 생기지 않는 조건에 가까웠을 때 파괴원인이 어떻게 변화하는지 더욱 상세한 검토가 필요하다고 생각된다.

5. 맺으며
지금까지 기술한 바와 같이 가공균열의 형상, 분포형태는 기존의 모델만큼 단순하지 않으며, 그 자세한 내용은 앞으로의 연구를 기다려야 하는 부분도 있으나, 세라믹 부재의 신뢰성 향상으로 용도확대를 도모한다는 현실적 관점에서는 어떠한 방법으로든 가공균열이 없다는 것을 보증할 필요가 있다. 산업기술종합연구소에서는 2001년도부터 ‘세라믹스의 가공손상평가방법의 표준화’에 관한 연구를 해왔다. 그 중에는 재료 본래의 강도에서 비롯된 열화의 유무에 대하여 통계적인 평가를 실시, 설정된 위험률로 가공손상의 유무를 판정하는 방법을 개발했다. 일련의 수순을 그림 7에 차트로 나타내었다. 또한 올해부터 일본 파인세라믹스 협회의 협력을 얻어 가공손상평강방법에 대한 JIS원안 작성위원회를 조직, 검토를 실시하고 있다. (Ceramics Japan)