Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.16 No.1 pp.36-41
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2016.16.1.036

Feasibility Evaluation of Micro Hole Drilling and the Material Properties of Si3N4/hBN Ceramic with hBN Contents

Kwi-Deuk Park*, Gun-Ho Go**, Dong-Jin Lee***, Jin-Hyeong Kim***, Myung Chang Kang***#
*Gyeongnam Technopark LTD.
**Samkee Automotive LTD.
***School of Convergence Science, Pusan UNIV.
Corresponding author : kangmc@pusan.ac.kr+85-51-510-2361, +82-51-510-7396
December 27, 2016 January 10, 2017 January 10, 2017

Abstract

In this paper, Si3N4/hBN ceramics with various hexagonal boron nitride (hBN) contents (0, 10, 20, or 30 wt%) were fabricated via spark plasma sintering (SPS) at 1500°C, 50MPa, and 10m holding time. The material properties such as the relative density, hardness, and fracture toughness were systematically evaluated according to the hBN content in the Si3N4/hBN ceramics. The results show that relative density, hardness, and fracture toughness continuously decreased as the hBN content increased. In addition, peak-step drilling (with tool diameter 500 μm) was performed to observe the effects of hBN content in micro-hole shape and cutting force. A machined hole diameter of 510 μm (entrance) and stable cutting force were obtained at 30 wt% hBN content. Consequently, Si3N4/30wt% hBN ceramic is a feasible material upon which to apply semi-conductor components, and this study is very meaningful for determining correlations between material properties and machining performance.


hBN의 첨가량에 따른 Si3N4/hBN 세라믹의 재료특성 및 마이크로 홀가공 유용성 평가

박 귀득*, 고 건호**, 이 동진***, 김 진형***, 강 명창***#
*(재)경남테크노파크 지능기계소재부품센터
**(주)삼기오토모티브 선행개발팀
***부산대학교 융합학부

초록


    Pusan National University

    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    구조용 세라믹인 질화규소(Silicon nitride, Si3N4) 는 우수한 강도, 경도, 화학적 안정성, 고온강도, 내마모성, 열전도도와 낮은 열팽창계수로 인하여 전기자동차용 파워 일렉트로닉 부품, 방열판, 자동 차 베어링, 반도체, 항공우주용 부품 등에 널리 사 용되며, 반도체 분야에서 우수한 절연성과 내열성 으로 반도체 검사 장비의 부품인 프로브카드 (Probe card)의 지지판(Guide plate)으로 응용되고 있다[1]. 하지만, Si3N4는 취성으로 인해 기계적 가 공시 균열 전파에 의한 파괴가 발생하므로, 다이 아몬드 지석을 가진 초음파가공이나 레이저 등을 이용한 비전통적인 가공을 사용하고 있다. 이러한 가공공정은 제조원가의 상승 및 고종횡비(High aspect ratio) 형상가공의 한계를 가지고 있다[2].

    이를 보완하기 위해 기지재(Matrix)에 2차상을 첨가하여 내열성, 내화학성을 향상시키고 경도를 감소시켜 전통적인 가공법을 통한 쾌삭성 세라믹 (Machinable ceramic)연구가 진행되고 있으며, 주로 사용하는 2차상 종류는 운모(Mica)계[3]와 육방정질 화붕소(hBN)계[4]가 있다. 운모계 쾌삭성 세라믹은 유리내부에 층상구조를 가져 층간의 결합이 약한 운모를 성장시켜서 가공성을 향상시키는 연구[2]가 진행되고 있으며, hBN계 쾌삭성 세라믹은 Fig. 1 에서 판상구조인 hBN과 Si3N4입자간의 상대적으 로 결합력이 약한 반 데 발스(Van der Waals)결합 에서 물리적인 충격발생 시 결합력이 약한 방향으 로 쪼개지는 벽개성(Cleavage)거동의 특성으로 가 공에너지를 감소시켜 가공성을 향상시키는 연구가 진행되고 있다[4]. 하지만 운모계는 육방정질화붕 소에 비하여 결정상의 폭과 두께의 비인 형상비의 변화에 따라 기계가공성에 편차가 크다[3,4] . 또한 이러한 연구는 상대적으로 재료물성의 기계적 특 성 향상에 대한 연구가 대부분[5]이며, 고치밀화를 위한 고에너지방법인 스파크방전소결법(Spark plas ma sintering, SPS)을 통한 실제 가공응용연구에 대 한 보고는 거의 되고 있지 않다.

    따라서, 본 논문에서는 육방정질화붕소(hBN)의 함유량 0, 10, 20 및 30wt%에 따른 기계적 특성으 로서 밀도, 경도, 파괴인성을 비교 분석하고, 고속 회전수인 30,000rpm에서의 미세드릴링가공을 수 행하였다. 드릴링공정에서 절삭력과 마이크로홀 형상을 분석하여 Si3N4/hBN 세라믹의 기계적 특성 과 마이크로 홀가공의 유용성을 제시하고자 한다.

    2.실험방법

    2.1.Si3N4/hBN 세라믹 제조 및 평가방법

    Si3N4/hBN 세라믹의 제조와 재료 및 가공특성 평가방법의 연구흐름도는 Fig. 2에 나타내고 있다. Si3N4/hBN의 제조에 사용된 분말은 α-Si3N4(95%, α-phase, 0.17μm), hBN(98%, 1.5μm) 사용하였으 며, 소결조제로 8mol% Y2O3와 6mol% Al2O3를 첨 가하여, hBN의 함유량을 0, 10, 20, 30wt%로 각각 첨가하였다. 고에너지 볼 밀링기(High energy ballmilling)로 200rpm, 24시간 진행하였다. 고강도 흑연몰드에 장입하여 스파크방전소결장치(SPS-825 Syntex Inc.)에서 두께 2mm의 복합체를 소결하고 자 ɑ상의 Si3N4β상으로 변화하는 온도인 150 0℃[6]에서 유지시간 10분, 50MPa에서 소결을 진행 하였다. Si3N4의 결정상의 변화와 함유량에 따른 hBN의 배향도를 분석하기 위해 X선 회절분석기 (D8-Advance, Bruker)를 사용하였다. 또한, 밀도측 정기(SECURA224–IS, SARTORIOUS)로 상대밀도를 측정하였다. 비커스경도기(VMI-X, MATSUZAWA) 를 통해서 압자압입법(Indentation)을 이용하여 경도를 측정하고 압입자의 압흔길이와 압흔주변에 서 균열전파거동으로 발생한 균열길이를 측정하여 식 (1)을 이용하여 파괴인성을 분석하였다[4].

    K I C = 0.203 ( c a ) 3 / 2 H υ ( a 2 ) 1 / 2
    (1)

    • a = 합흔길이

    • b = 균열길이

    그리고 주사전자현미경(FE-SEM, S-4800, Hitachi) 을 사용하여 파단면의 미세구조를 관찰하였다.

    2.2.Si3N4/hBN의 마이크로홀가공 평가방법

    홀가공 특성평가를 위한 실험장치는 Fig. 3에 나타내었다. 실험에 사용된 마이크로 드릴링 머신 은 최고 40000rpm의 고주파스핀들, 주축의 정적 흔들림(Static run-out)은 5μm이고 각 축의 이송은 볼 스크류(Ball screw)방식을 사용하고 있으며 가 공조건은 Table 1에 나타내었다. 회전수는 스핀들 최고사양에서 80%이내의 조건인 30,000rpm을 선 정하였고, 가공형상정도를 고려하여 예비실험을 통하여 이송속도는 20mm/min으로 결정하였다. 복 합체의 2mm두께를 가공하고자 0.2mm씩 가공하고 처음 지점까지 올라왔다가 다시 0.2mm씩 가공하 는 스텝이송(Step feed)방식을 적용하여 홀가공을 실시하였으며, 스텝이송은 원활한 칩 배출과 공구 에서 발생하는 열방출 효과를 얻을 수 있다[2].

    마이크로 홀 가공에는 직경 0.5mm, 선단각 (Point angle) 130°, 날길이 5mm의 초경마이크로 드릴(UDCMX 2050-050, UNION TOOL)을 이용했 으며[5], 가공물은 본 연구에서 소결한 Si3N4/hBN 세라믹을 대상으로 하였다. 가공성 평가방법으로 S/N비가 높은 절삭력(Cutting force)을 알아보기 위 해 각 시편을 지그로고정하고 드릴링 가공을 실시 하여 직접적인 가공과 이송을 하는 Z축 방향에서 의 주분력(Principal cutting force)과 칩이 배출 되 면서 발생하는 배분력(Thrust cutting force)을 X, Y 축 방향에서의 절삭력을 공구 동력계(9256C2, Kistler)를 이용하여측정하고 증폭기(Amplifier)를 통해 A/D board (Orion-0816-5M, Dewetron) 를 거 쳐 절삭력 파형을 분석하였다. hBN의 함유량과 마이크로드릴링 가공조건에서의 가공표면 상태를 관찰하기 위해서 고배율의 광학현미경(KH-8700, Hirox)를 이용하였다.

    3.실험결과 및 고찰

    3.1.Si3N4/hBN계 세라믹의 기계적 특성

    Fig. 4는 hBN 함유량의 변화에 따른 복합체의 결정상을 나타낸 결과로서, 소결한 복합체에서 α -Si3N4, β-Si3N4, hBN의 피크를 나타내고 있다. 단 일상 Si3N4를 제외하고는 1500℃의 소결온도에서 α-Si3N4파우더는 모두 β-Si3N4 으로 바뀐 것을 확인할 수 있으며, 함유량이 증가할수록 피크가 상승하는 것을 통해 Si3N4의 입자가 동일한 방향 으로 많은 성장을 볼 수 있다[5]. hBN의 함유량에 따른 Si3N4/hBN 복합체의 상대밀도를 Fig. 5에 나 타내었다. 고에너지를 통한 스파크방전소결법[6]으 로 97.6%이상의 고치밀도의 상대밀도가 얻어지는 결과를 얻었다. 또한 hBN의 함유량이 증가할수록 상대밀도는 감소하는 경향을 보여주며, hBN의 함 유량이 30wt% 에서 상대밀도가 가장 낮은 것을확 인할 수 있었다. 이는 hBN 함유량의 증가에 따라 소결시 판상구조의 hBN이 Si3N4의 입계에서 적층 구조로 성장하여 Si3N4의 성장을 억제시킴으로써 발생된 기공의 원인으로 판단된다[4].

    Fig. 6은 hBN의 함유량에 따른 Si3N4/hBN 복합 체의 경도변화를 나타내고 있다. 단일상 Si3N4에서 경도값은 16.2GPa이며, hBN의 함유량이 증가함에 따라 경도는 감소하는 경향을 보였다. 이는 hBN 과 Si3N4의 입자의 성장에서 서로의 성장을 억제 하여 발생한 기공이 원인으로 판단된다[7]. hBN의 함유량이 20wt%에서 경도값이 약 8GPa로 단일상 Si3N4와 비교하여 약 2배 감소하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 사용용도에 맞게 적정한 경도값 과 가공성을 동시에 고려해야 할 것이다. Fig. 7은 hBN의 함유량에 따른 파괴인성을 나타내었다. 시 편의 균열을 FE-SEM을 통해 관찰한 결과 함유량 이 증가할수록 파괴인성은 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 벽개성을 가진 hBN이 Si3N4사이 에서 성장하면서 기존의 Si3N4에 비하여 결합력이 감소하여 균열전파를 분산해주는 역할을 하는 브 렌칭(Branching)이 증가하고 Si3N4의 재료적 특성 인 나뭇가지형상의 브릿지(Bridge)가 균열을 억제 하는 성질로 취성을 감소시키는 것으로 설명되어 진다[5]. 하지만 함유량의 증가로 분산된 hBN이 먼 저 부서지면서 균열전파를 감소시키고, 미세홀 가 공에 영향을 미칠 것으로 예상된다[8].

    3.2.미세 홀 가공성능 평가

    Fig. 8은 hBN의 함유량 변화에 따른 미세홀 1 개 가공시의 절삭력을 나타낸 것이다[9]. 가공 중 측정된 절삭력신호에서 신호간의 간격과 가공시간 이 길어지는 것은 0.2mm가공 후 초기 위치로 복 귀하는 스텝방식을 반영하여, 이송속도 20mm/min 로 두께 2mm를 가공하는데 총 80초의 가공시간 이 소요됨을 나타내고 있다. Fig. 8(a)는 절삭력신 호가 갑자기 사라지는 것은 가공 중 드릴파손(Dill breakage state)을 의미하며, 실제로 파손된 드릴 날을 관찰할 수 있었다. Fig. 8(b)는 Si3N4/ 20wt%hBN 세라믹소재의 홀 가공에 있어서, 3번째 드릴진입에서 9.4N으로 돌발 절삭력신호(Burst signal)가 나타나고 다소 불규칙한 절삭력파형이 발생하는데, 이는 가공 중 날에 급격한 상태변화 가 발생함을 추측할 수 있으며, 가공 후 드릴 날 을 확인한 결과 드릴 날에 과다 칩핑(Chipping) 현 상을 발견할 수 있었다. 이러한 결과는 가공시 hBN입자가의 균열전파 과정중 방향성없이 성장된 Si3N4입자와 함께 뜯겨진 것으로 생각된다[7]. Fig. 8(c)는 앞선 Fig. 8(a,b)조건과는 다르게 3.7N의 연 속적으로 일정한 절삭력신호(Stable signal) 거동을 보이며, 드릴 날의 마멸이 거의 발생하지 않음을 관찰할 수 있었다. 또한 Fig. 6에서 나타나는 결과 를 통해 경도가 높을수록 드릴의 진입에서 높은 부하가 발생하는 것을 알 수 있었다. 따라서, hBN 의 함유량이 증가할수록 마이크로 홀 가공시 공구 마멸이 감소하는 효과가 있음을 알 수 있다[7,10].

    Fig. 9는 광학현미경을 이용하여 가공된 미세홀 입구 형상을 나타내고 있다. 앞선 Fig. 8에서의 절 삭력과 공구마멸의 관계로부터, 가공성을 예상한 바와 같이, Si3N4/30wt%hBN 세라믹소재에서의 홀 형상이 가장 양호하다. 이는 가공시 벽개성으로 인해 입자간에 발생한 균열이 균열전파를 촉진시 키는 것으로 판단된다[10]. 또한 각 홀의 직경차이 가 발생하는 것은 함유량이 낮을수록 Fig. 6와 Fig. 8의 경도와 절삭력값이 높은 것을 통해 초기 진입시 드릴에 부하되는 저항의 증가로 발생한 주 축 흔들림의 영향으로 판단된다[7,11].

    4.결 론

    스파크방전소결(SPS)을 통하여 소결온도 150 0℃, 소결압력 50MPa, 유지시간 10분에서 0~30 wt%의 hBN을 첨가한 Si3N4/hBN계 세라믹을 제조 하였고, 제조된 복합체의 상대밀도는 97.6%이상의 고밀도를 얻었다. hBN의 함유량이 증가할수록 경 도는 16GPa에서 6GPa로 감소하고, 파괴인성 또한 6GPa에서 2GPa로 감소하는 것을 관찰하였다. 이 러한 재료특성으로 부터 500μm의 드릴로 미세 홀 가공에서 절삭력과 공구마멸이 감소하여 양호한 홀 형상과 510μm의 가공직경을 얻을 수 있었다.

    후 기

    This work was supported by a 2-Year Reserch Grant of Pusan National University. The second co-authors have made equal contributions to the first author and thank you

    Figure

    KSMPE-16-36_F1.gif
    Schematic diagram of the cleavage behavior with hBN effect at machinable ceramics[4]
    KSMPE-16-36_F2.gif
    Flow chart for properties evaluation and fabrication of Si3N4/hBN ceramic
    KSMPE-16-36_F3.gif
    The micro drilling machining system
    KSMPE-16-36_F4.gif
    XRD patterns of Si3N4/hBN composites of various hBN content: (a) Si3N4, (b) Si3N4/ 10wt%hBN, (c) Si3N4/ 20wt%hBN, (d) Si3N4/ 30wt%hBN
    KSMPE-16-36_F5.gif
    Relative density according to hBN content of Si3N4/hBN composites
    KSMPE-16-36_F6.gif
    Vickers hardness according to hBN content of Si3N4/hBN composites
    KSMPE-16-36_F7.gif
    SEM image and fracture toughness according to hBN content of Si3N4/hBN composites
    KSMPE-16-36_F8.gif
    Variation in cutting force of peak-step drilling with hBN content
    KSMPE-16-36_F9.gif
    Optical microscope photographs of hole entrance diameter after micro drilling machining on Si3N4/hBN composites

    Table

    Micro drilling conditions for Si3N4/hBN

    Reference

    1. Sung J W , Kim K H , Kang M C (2016) “Effects of Graphene Nanoplatelet Contents on Mater ial and Machining Properties of GNP-Dispersed Al2O3Ceramics for Micro-Electric Discharge Mac hining” , IJPEM-GT, Vol.3 ; pp.247-252
    2. Blake P , Bifano T , Dow T (1988) “Precision Machining of Ceramic Materials” , J. of the American Cermaic Society, Vol.67
    3. Henry J , Hill R G (2003) “The Influence of Lithia Content on the Properties of Fluorphlogopite Glass-ceramics” , J. of Non -crystalline Solids, Vol.319 ; pp.13-30
    4. Ceja C , Ruiz L J (2010) “Spark Plasma Sintering of α-Si3N4 Ceramics with Al2O3 and Y2O3 as Additives and Its Morpholgy Transformation” , J. of Alloy compounds, Vol.501 ; pp.345-351
    5. Shuba R , Chen I W (2006) “Machinable α -SiAlOBN/BN Composites” , J. of the American Cermaic Society, Vol. 89 ; pp.2147-2153
    6. Zhou M (2013) “Effects of the Electric Current on Conductive Si3N4/TiN Composites in Spark Plasma Sintering” , J. of Alloys and Compounds, Vol.547 ; pp.51-58
    7. Go G H (2015) “Orientation and micro hole drilling characteristics of Si3N4/hBN ceramic composites with hBN contents and sintering pressure”, A Thesis for a Master, Pusan National University,
    8. Kim J D , Yoon M C (2014) “An analysis of Cutting Force according to Specific Force Coefficients” , J. of KSMPE, Vol. 13 ; pp.108-116
    9. Byun J Y , Park N R , Chung S W , Kwon S H , Park J M , Kim J S (2015) “Drilling Characteristics of PVC Materials” , J. of KSMPE, Vol.14 ; pp.70-77
    10. Durao L M P , Andrade O N G (2014) “Drilling Damage in Composite Material” , J. Of Materia ls, Vol. 7 ; pp.3802-3819
    11. Kang M C , Je S K , Kim K H , Shin B S , Kwon D H , Kim J S (2008) “Cutting performance of CrN-based coatings tool deposited by hybrid coating method for micro drilling applications” , Surface & Coatings Technology, Vol. 202 ; pp.5629-5632