KR102002072B1 - 튜브 형상 세라믹부품의 강도측정용 세라믹스 시편 및 이의 제조방법 - Google Patents

튜브 형상 세라믹부품의 강도측정용 세라믹스 시편 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 강도 측정 대상이 되는 튜브 형상 세라믹 부품의 외주면과 동일한 곡률을 가지는 곡면을 일면으로 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브 형상 세라믹부품 강도측정용 세라믹스 시편 및 그 제조방법에 대한 것으로서, 본 발명에 따른 튜브 형상 세라믹부품의 강도 측정용 세라믹스 시편은, 측정 대상 튜브 형상 부품의 외주면 곡률과 동일한 곡률을 가지는 일면을 포함함으로써, 튜브의 직경방향으로 압축하중을 받는 경우에 튜브의 파괴가 일어나는 표면에서의 결함을 실제 튜브와 동일한 조건으로 유지하면서도, C-ring 강도시편 제조의 가공 어려움을 피하는 단순한 형상의 강도시편을 제조하여 강도 측정시 C-ring 강도와 변환 가능한 강도값의 제공을 가능케 하여 래디언트 튜브 등에 사용되기에 최적의 재료를 종래보다 신속하고 경제적으로 개발할 수 있다.

Description

튜브 형상 세라믹부품의 강도측정용 세라믹스 시편 및 이의 제조방법{SPECIMEN CONSISTING OF CERAMICS TO MEASURE MECHANICAL STRENGTH OF TUBE-SHAPED CERAMIC COMPONENTS AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 튜브 형상의 세라믹부품의 강도를 측정하기 위한 세라믹스 시편 및 그 제조방법에 대한 것이다.
반응소결 탄화규소(RBSC, reaction-bonded silicon carbide)는 SiC 분말과 페놀과 같은 레진을 이용하여 성형체를 제조하고 탄화열처리한 SiC와 C의 골격체(skeleton)에 액상 Si를 함침하여 치밀화한 세라믹소재로 C와 Si가 반응하여 2차 SiC가 합성되면서 완전치밀화에 필요한 공정온도를 낮출 수 있으며 정밀정형(near-net shape)의 부품제조가 가능하여 산업적으로 널리 사용되고 있다.
반응소결 탄화규소의 산업적 응용의 예로 래디언트 튜브(radiant tube)를 들 수 있는데 이는 반응소결 탄화규소로 제조된 튜브 내에 가스버너를 연소시켜 금속 등의 열처리에 있어서 버너 연소에 의한 분위기의 영향이 없이 경제적으로 열처리를 진행할 수 있게 하는 세라믹 부품으로 기존의 초합금 소재의 부품보다 내구성이 뛰어난 것으로 알려져 있다.
세라믹 소재의 기계적 강도는 파괴를 일으키는 크랙이나 기공과 같은 결함의 크기, 위치, 방향 등의 산포에 따라 달라지므로 명목상 동일한 세라믹 소재의 시편으로 측정하더라도 상당한 산포를 지니는 값으로 나타난다[비특허문헌 0001].
따라서, 동일한 세라믹 소재로 만든 부품이더라도 일반적인 곡강도에서 얻은 강도값과 부품형상에 근사한 시험편으로 평가한 강도값 간의 차이가 있어 부품형상에 따른 강도값을 평가하고자 하는 연구가 이루어졌다[비특허문헌 0001].
예를 들어, 래디언트 튜브나 열교환기와 같이 속이 빈 실린더 형태의 세라믹 부품의 강도는 실제 그 부품이 적용될 때의 응력상황과 유사한 하중조건으로 시험해야 하며 튜브의 일부분을 절단하여 가공한 O-ring 혹은 C-ring 형상의 시편으로 압축하중을 가하여 강도시험을 실시한다[비특허문헌 0002, 0003].
또한, Weibull plot과 같은 통계적 처리를 통해 소재와 파괴원(fracture origin)이 동일하고 크기가 다른 두 종류의 세라믹 시험편의 강도간의 강도변환(size scaling)이 가능하다[비특허문헌 0004].
Figure 112017108072550-pat00001
(
Figure 112017108072550-pat00002
,
Figure 112017108072550-pat00003
는 형상이 다른 두 부품의 강도,
Figure 112017108072550-pat00004
,
Figure 112017108072550-pat00005
는 각 시편의 (유효)부피,
Figure 112017108072550-pat00006
,
Figure 112017108072550-pat00007
는 각 시편의 (유효)면적, m은 Weibull 계수)
하지만, C-ring 형상 시편의 경우 튜브 형상 세라믹 부품의 실질적인 강도를 측정할 수 있는 반면에 큰 튜브형태를 살린 시편의 가공이 어렵고 일반적인 세라믹 곡강도 시편의 경우에는 튜브 형상 세라믹 부품의 파괴가 일어나는 튜브의 표면상태를 반영하지 않아 강도변환을 적용하는 것이 어렵다.
이에, 래디언트 튜브 등에 사용되는 튜브 형상 세라믹부품의 최종 제품에서 허용될 수 있는 목적함수와의 설계오차 폭을 재료의 강도 예측 및 평가 단계에서 최소화함으로써 보다 신속하고 경제적으로 성능이 크게 향상된 신소재를 개발할 필요성이 큰 분야에서, 정확하고 신뢰성 있는 세라믹 강도의 측정이 가능하여 결과적으로 정확하고 신뢰성 있는 강도 데이터 확보로 이어질 수 있는 방안이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
J. B. Wachtman, W. R. Cannon, M. J. Matthewson, 2009, Mechanical properties of ceramics, John Wiley & Sons, 119-150. S. Freiman, J. J. Mecholsky Jr, 2012, The fracture of brittle materials: testing and analysis, John Wiley & Sons, 83-86. ASTM C1323, 2010, Standard Test Method for Ultimate Strength of Advanced Ceramics with Diametrally Compressed C-Ring Specimens at Ambient Temperature. ASTM C1683, 2010, Standard Practice for Size Scaling of Tensile Strength Using Weibull Statistics for Advanced Ceramics.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 튜브 형상 세라믹부품에 대한 정확하고 신뢰성 있는 변환 가능한 강도 측정이 가능하여 래디언트 튜브 등에 사용되기에 최적의 재료를 보다 신속하고 경제적으로 개발하는데 유용하게 사용할 수 있는 튜브 형상 세라믹부품 강도 측정용 세라믹스 시편 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 도 1에 도시한 튜브 형상 탄화규소 세라믹 부품 등의 강도 측정 대상이 되는 튜브 형상 세라믹 부품의 외주면과 동일한 곡률을 가지는 곡면을 일면으로 포함하는 세라믹스 시편을 제안한다.
도 2는 본 발명에 따른 세라믹스 시편의 일례로서, 도 2(a) 내지 도 2(d)에 도시한 바와 같이 장방형(長方形)의 평탄면으로 이루어진 상면; 상기 장방형의 양측 단변으로부터 하향 수직 방향으로 연장되어 형성된 한 쌍의 측면; 및 상기 장방형과 동일한 폭을 가지고 상기 한 쌍의 측면 각각의 하단 모서리를 연결하는 곡면으로 이루어지는 하면;을 포함하며, 상기 곡면의 곡률은 강도를 측정하고자 하는 튜브 형상 세라믹 부품의 외주면 곡률과 동일한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 세라믹스 시편은, 요구되는 규격 및 강도 측정 대상 튜브 형상 세라믹 부품의 크기에 따라 상기 한 쌍의 측면을 포함하지 않을 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 세라믹스 시편의 다른 일례는, 도 3(a) 내지 도 3(d)에 도시한 바와 같이 장방형(長方形)의 평탄면으로 이루어진 상면; 및 상기 장방형과 동일한 폭을 가지고 상기 장방형의 양측 단변을 연결하는 곡면으로 이루어지는 하면;을 포함하며, 상기 곡면의 곡률은, 강도를 측정하고자 하는 튜브 형상 세라믹 부품의 외주면 곡률과 동일한 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 세라믹스 시편의 재질은 탄화규소(SiC)로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 세라믹스 시편의 규격은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 상기 장방형의 장변 및 단변은 각각 40 mm 및 4 mm이며, 상기 상면으로부터 상기 하면 최하단부까지의 거리는 3 mm일 수 있다.
상기 본 발명에 따른 튜브 형상 세라믹부품의 강도측정용 세라믹스 시편을 제조하기 위한 방법의 일례는, (a) 강도를 측정하고자 하는 튜브 형상 세라믹 부품과 외경, 내경 및 소재가 동일한 링(ring) 형상 소재를 준비하는 단계; 및 (b) 상기 링 형상 소재를 가공해 상기 링 형상 소재의 외주면을 하면으로 포함하는 시편을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 단계 (b)에서는, 상기 링 형상 소재를 외주면과 내주면 사이의 소정의 지점에서 직경 방향과 수직 방향으로 절단해 상기 하면과 대향하는 평탄한 상면을 형성시킨 후 소정의 길이로 가공함으로써, 전술한 본 발명에 따른 튜브 형상 세라믹부품의 강도측정용 세라믹스 시편을 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 튜브 형상 세라믹부품의 강도 측정용 세라믹스 시편은, 측정 대상 튜브 형상 부품의 외주면 곡률과 동일한 곡률을 가지는 일면을 포함함으로써, 튜브의 직경방향으로 압축하중을 받는 경우에 튜브의 파괴가 일어나는 표면에서의 결함을 실제 튜브와 동일한 조건으로 유지하면서도, C-ring 강도시편 제조의 가공 어려움을 피하는 단순한 형상의 강도시편을 제조하여 강도 측정시 C-ring 강도와 변환 가능한 강도값의 제공을 가능케 하여 래디언트 튜브 등에 사용되기에 최적의 재료를 종래보다 신속하고 경제적으로 개발할 수 있다.
도 1은 튜브 형상 세라믹스(탄화규소) 부품의 사진이다.
도 2(a) 내지 도 2(d)는 각각 본원 발명에 따른 튜브 형상 세라믹부품의 강도측정용 세라믹스 시편의 일례에 대한 사시도, 정면도(배면도), 평면도(저면도) 및 좌측면도(우측면도)이다.
도 3(a) 내지 도 3(d)는 각각 본원 발명에 따른 튜브 형상 세라믹부품의 강도측정용 세라믹스 시편의 다른 일례에 대한 사시도, 정면도(배면도), 평면도(저면도) 및 좌측면도(우측면도)이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 및 비교예 2에 의해 가공된 튜브형 탄화규소 부품의 강도측정용 탄화규소 세라믹스 시편의 사진이다.
도 5는 본원의 튜브형 탄화규소 부품의 사진과 비교예 1 및 2 각각에서 제조된 강도 측정용 탄화규소 세라믹스 시편의 사진이다.
도 6은 ASTM C1323-10에 기술된 비교예 1의 시편 및 강도시험의 개략도이다.
도 7(a) 내지 도 7(c)는 각각 본원 실시예에서 제조된 튜브형 탄화규소 부품의 강도 측정용 세라믹스 시편의 유한요소해석을 위한 그리드형상과 강도시험시 응력분포 및 압축하중과 최대인장응력 사이의 관계를 나타내는 그래프와 표이다.
도 8(a) 내지 도 8(c)는 각각 본원 실시예 및 비교예 1 및 2에서 제조된 탄화규소 부품의 강도 측정용 시편의 곡강도값과 파괴확률로부터 얻은 Weibull plot 그래프이다.
도 9는 각각 본원 실시예 및 비교예 1 및 2에서 제조된 탄화규소 부품의 강도 측정용 시편의 곡강도값과 시편부피로부터 얻은 강도변환(size scaling) 그래프이다.
도 10(a) 내지 도 10(c)는 각각 본원 실시예 및 비교예 1 및 2에서 제조된 탄화규소 부품의 강도 측정용 시편의 강도측정 후 파괴의 시점을 표시한 파단면 사진으로서, 세라믹 소재의 강도평가의 통계적 처리를 위해서 파괴의 시점이 시편의 표면인지 내부인지 혹은 기공 등의 본래적인 결함인지 가공크랙과 같은 가공 결함인지를 판단하는 근거가 된다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 제시된 실시예는 본 발명의 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 목적으로 제공되는 것이 아니다.
<실시예>
직경 200 mm의 세라믹 튜브에서 외부표면을 살려 튜브의 직경방향에 수직한 방향으로 평평한 면을 잡고 시편의 길이 40 mm와 폭 4 mm는 곡강도 시험편과 같이 유지하고 인장응력을 받는 표면의 가장 두꺼운 부분이 3 mm가 되도록 가공하였다(도 4 참조).
<비교예 1>
출발 튜브 형상의 세라믹 시편에 대한 C-ring 강도시편의 가공은 규격(ASTM C1323-10 Standard Test Method for Ultimate Strength of Advanced Ceramics with Diametrally Compressed C-Ring Specimens at Ambient Temperature)에 규정된 시편형상으로 가공하였고 강도시험시에 인장응력을 받는 C-ring 외측모서리에 대해서 mesh # 200 사포를 이용하여 모따기 가공을 진행하였다(도 5 참조).
도 6은 ASTM C1323-10에 기술된 비교예 1의 시편 및 강도시험의 개략도로 래디언트 튜브나 열교환기 등의 속이 빈 실린더 형태의 세라믹 부품의 강도는 실제 그 부품이 적용될 때의 응력상황과 유사한 하중조건으로 시험해야 하며 튜브의 일부분을 절단하여 가공한 O-ring 혹은 C-ring 형상의 시편으로 압축하중을 가하여 강도시험을 실시하는데 여기서 O-ring 시편의 경우에는 시편이 압축하중 하에 놓였을 때 세라믹부품의 파괴를 일으킬 수 있는 인장응력이 하중점 바로 아래의 시편내부와 하중축에 90ㅀ가 되는 시편외부에 최대로 가해지게 되어 이런 응력조건에서는 시편내의 파괴를 일으키는 결함의 크기 및 분포에 따라 파괴의 시점이 달라지므로 시편의 강도값을 구하는 것이 복잡해지고 이러한 문제를 해결하기 위해 고안된 것이 비교예 1에서 제시된 C-ring 강도시험이다.
<비교예 2>
비교예 2의 세라믹소재에 대한 일반적인 곡강도 시험편은 KS L 1591에 규정된 시편크기(3 mm x 4 mm x 40 mm, span 30 mm)로 절단 및 연삭 가공하고 모따기하여 제조하였다(도 4 및 도 5 참조).
<실험예 1> 실시예에서 가공된 표준시편에 대한 유한요소해석
아래 표 1의 실험조건에 따라 본원 실시예에서 제조된 튜브형 탄화규소 부품의 강도 측정용 세라믹스 시편의 유한요소해석을 위한 그리드형상과 강도 시험시 응력분포 및 압축하중과 최대인장응력 사이의 관계를 나타내는 그래프를 도 7(a) 및 도 7(c)에 나타내었다.
표 1. 실시예에서 제시된 강도 시험편의 유한요소해석 실험조건
Figure 112017108072550-pat00008
강도시험편에서 시험의 형상과 하중 및 시편에 가해지는 최대응력을 재료역학을 통해 일반해를 구할 수 있는 경우를 제외하고는 유한요소해석을 통해 주어진 형상과 시험조건에서의 시편에 가해지는 하중과 최대응력 사이의 관계를 구한다.
도 7(b)에서 알 수 있듯이 외경 200 mm의 래디언트 튜브의 외면을 살려 가공한 시험편으로 3점 곡강도 시험을 실시하였을 때 최대 인장응력은 시편의 가장 하단부에 걸리며 인가 하중과 최대인장응력의 관계는 도 7(c)에 나타나는 바와 같이 선형적으로 비례하는 관계로 나타나 이를 이용하여 외면을 살려 가공한 시험편을 가지고 3점 곡강도 시험시의 파괴하중으로부터 시험편의 곡강도값을 환산할 수 있다.
<실험예 2> 실시예 및 비교예 1 및 2에서 가공된 시편에 대한 곡강도 측정
아래 표 2와 도 8(a) 내지 도 8(c)에 외경 200 mm 탄화규소 래디언트 튜브를 이용한 실시예 및 비교예 1 및 2에 제시된 세라믹 강도시편을 각 예시당 20개 이상씩 이용하여 측정한 강도값과 Weibull 계수값을 보였다. Weibull 계수값이 클수록 강도값의 분포가 좁은 것으로 해석할 수 있는데 실시예 시편의 경우에는 Weibull 계수값도 12.4로 높은 값을 나타내었고 Weibull 계수값이 비교예 1의 경우에는 9.4, 비교예 2의 경우에는 7.3으로 나타났다.
표 2. 실시예 및 비교예 1 및 2의 곡강도 값과 Weibull 계수
Figure 112017108072550-pat00009
<실험예 3> 실시예 및 비교예 1 및 2에서 가공된 시편에 대한 강도변환
도 9는 각각 본원 실시예 및 비교예 1 및 2에서 제조된 탄화규소 부품의 강도 측정용 시편의 곡강도값과 시편부피로부터 얻은 강도변환(size scaling) 그래프로서 파괴원이 동일한 경우에 각 형상의 시편으로부터 얻은 Weibull 계수와 파괴를 일으키는 시편 내 결함에 따라 인장하중을 받는 유효부피 혹은 유효면적의 비를 통해 크기가 다른 시편 사이에 강도값을 예측할 수 있다.
도 9에 도시된 강도값에 대한 부피-강도 간의 강도변환(size scaling) 그래프에 따르면, 튜브 형상 부품의 표면상태를 유지한 실시예 1과 부품의 형상을 그대로 살려 가공하여 제조한 비교예 1 간에는 강도변환식을 이용한 강도변환이 유효하지만 일반 곡강도 시편인 비교예 2의 경우에는 제한적인 것으로 나타났다.
이는 도 10에 나타난 바와 같이 파괴단면 분석에서 그 이유를 찾을 수 있는데 곡강도 시편의 경우에는 파괴의 시점이 시편내부에 존재하는 반면에 표면상태를 유지한 실시예와 C-ring 형태의 비교예 1의 경우에는 파괴의 시점이 표면부 근처에 존재하므로 튜브 형상 부품의 표면을 살린 실시예 시편은 Weibull 계수가 전반적으로 높고 튜브 형상 부품의 형상을 거의 그대로 살린 C-ring 형태의 비교예 시편과 강도변환 유효하여 시험의 편의성과 함께 부품에 대한 정확하고 신뢰성 있는 강도 데이터 확보에 유용하게 사용될 수 있으리라 예상된다.
상기에서 상세히 설명한 본 발명에 따른 튜브 형상의 세라믹부품의 강도를 측정하기 위한 세라믹스 시편은, 측정 대상 튜브 형상 부품의 외부표면을 살려 가공된 일면을 구비해 튜브의 직경방향으로 압축하중을 받는 경우에 튜브의 파괴가 일어나는 표면에서의 결함을 실제 튜브와 동일한 조건으로 유지하면서도, C-ring 강도시편 제조의 가공 어려움을 피하는 단순한 형상의 강도시편을 제조하여 강도측정시 C-ring 강도와 변환가능한 강도값의 제공을 가능케 하여 래디언트 튜브 등에 사용되기에 최적의 재료를 종래보다 신속하고 경제적으로 개발할 수 있다.

Claims (6)

  1. 튜브 형상 세라믹 부품의 강도 측정을 위한 세라믹스 시편으로서,
    장방형(長方形)의 평탄면으로 이루어진 상면;
    상기 장방형의 양측 단변으로부터 하향 수직 방향으로 연장되어 형성된 한 쌍의 측면; 및
    상기 장방형과 동일한 폭을 가지고 상기 한 쌍의 측면 각각의 하단 모서리를 연결하는 곡면으로 이루어지는 하면;을 포함하며,
    상기 곡면의 곡률은, 강도를 측정하고자 하는 튜브 형상 세라믹 부품의 외주면 곡률과 동일하고,
    상기 장방형의 장변 및 단변은 각각 40 mm 및 4 mm이며, 상기 상면으로부터 상기 하면 최하단부까지의 거리는 3 mm인 것을 특징으로 하는 튜브 형상 세라믹부품의 강도측정용 세라믹스 시편.
  2. 튜브 형상 세라믹 부품의 강도 측정을 위한 세라믹스 시편으로서,
    장방형(長方形)의 평탄면으로 이루어진 상면; 및
    상기 장방형과 동일한 폭을 가지고 상기 장방형의 양측 단변을 연결하는 곡면으로 이루어지는 하면;을 포함하며,
    상기 곡면의 곡률은, 강도를 측정하고자 하는 튜브 형상 세라믹 부품의 외주면 곡률과 동일하고,
    상기 장방형의 장변 및 단변은 각각 40 mm 및 4 mm이며, 상기 상면으로부터 상기 하면 최하단부까지의 거리는 3 mm인 것을 특징으로 하는 튜브 형상 세라믹부품의 강도측정용 세라믹스 시편.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    탄화규소(SiC)로 이루어진 것을 특징으로 하는 튜브 형상 세라믹부품의 강도측정용 세라믹스 시편.
  4. 삭제
  5. (a) 강도를 측정하고자 하는 튜브 형상 세라믹 부품과 외경, 내경 및 소재가 동일한 링(ring) 형상 소재를 준비하는 단계; 및
    (b) 상기 링 형상 소재를 가공해 상기 링 형상 소재의 외주면을 하면으로 포함하는 시편을 제조하는 단계를 포함하는, 튜브 형상 세라믹부품의 강도측정용 세라믹스 시편의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단계 (b)에서,
    상기 링 형상 소재를 외주면과 내주면 사이의 소정의 지점에서 직경 방향과 수직 방향으로 절단해 상기 하면과 대향하는 평탄한 상면을 형성시킨 후,
    소정의 길이로 가공해 시편을 제조하는 것을 특징으로 하는 튜브 형상 세라믹부품의 강도측정용 세라믹스 시편의 제조방법.
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