The objective of this study is to evaluate micro end-milling characteristics and tool wear behavior of AlN-hBN composites. First, AlN based composites with hBN contents in the range of 10 to 20vol% were prepared by hot-pressing. Vickers hardness and flexural strength of the prepared composite specimens were measured and compared according to the vol% of hBN variations. Then, cutting force variations were measured and analyzed using a tool dynamometer during the micro end-milling experiments; and machined surface shapes and roughness were investigated using a 3D non-contact type surface profiler. After micro end-milling, worn tools were investigated using a tool microscope and SEM images. From the experimental results, it can be observed that the cutting forces decreased, and surface qualities were improved with increasing hBN contents. At low content of hBN, tool chipping was observed; and tool wear rate decreased with increasing hBN contents. The results of this study insist that proper machining conditions, including tool wear behavior investigation, should be determined for the micro end-milling of AlN-hBN composites for its further application.
AlN-BN ceramic composites were fabricated and their mechanical properties were investigated. The relative density of hot-pressed composites decreased with increasing BN content, but over $99\%$ could be obtained with 30 $vol\%$ BN in AlN. YAG was formed in the composites and monolithic AlN as a second phase by the reaction between $Y_2O_3$, added as sintering aid, and $Al_2O_3$. As expected, Vickers hardness and Young's modulus decreased with increasing BN content. The three-point flexural strength also showed similar behavior decreasing from 500 MPa of monolith down to 250 MPa by the addition 30 $vol\%$ BN. However, interestingly, the standard deviation of the strength values decreased significantly as BN was added to AlN. As a result, the Weibull modulus of the AlN-30 $vol\% BN composite was 21.3, which was extremely high. Fractography and crack path studies revealed that BN platelets induced grain pull-out and crack bridging in a bigger scale during crack propagation. Consequently, fracture toughness increased as more BN was added, reaching 4.5 $MPa\sqrt{m}$ at 40 $vol\%$ BN.
The objective of this study is to evaluate various machining characteristics of AlN-hBN machinable ceramics in micro end-milling process for its further application. First, AlN based machinable ceramics with hBN contents in the range of 10 to 20vol% were prepared by hot-pressing. Material properties of the composites, such as relative density, Vickers hardness, flexural strength, Young's modulus and fracture toughness were measured and compared. Then, micro end-milling experiments were performed to fabricate micro channels using prepared system. During the process, cutting forces, vibrations and AE signals were measured and analyzed using applied sensor system. Machined micro channel shapes and surface roughness were measured using 3D non-contact type surface profiler. From the experimental results, it can be observed that the cutting forces, vibrations and AE signal amplitudes decreased with increasing hBN contents. Also, measured surface roughness and profiles were improved with increasing hBN contents. As a result of this study, optimum machining conditions can be determined to fabricate desired products with AlN-hBN machinable ceramics based on the experimental results of this research.
AIN-BN계 머시너블 세라믹의 미세조직, 기계적 성질 및 기계 가공성에 미치는 h-BN 첨가의 영향을 조사하였다. 소결체의 상대밀도는 h-BN 첨가량의 증가와 더불어 감소하였다. 또한, 4점 굽힘 강도도 AIN 단미의 238 MPa에서 30 vo1% BN 첨가에 의해 182 MPa까지 감소하였다. 낮은 탄성계수와 AIN 매트릭스와 h-BN 입자와의 열팽창계수의 차이에 의해 발생한 잔류인장응력에 의해 AIN-BN 복합재료의 강도가 감소되었다고 생각된다. 판상형태의 h-BN 입자에 의해 균열편향과 pull-out은 증가하였으나, 파괴인성은 BN 첨가량과 더불어 감소하였다. AIN 분말표면에 존재하는 알루미나와 소결조제인 $Y_2$O$_3$와의 반응에 의해 2차상인 YAG상과 ${\gamma}$-Al$_2$O$_3$상이 생성되었다. AIN에 10~30 vo1%의 BN을 첨가한 복합재료에 대하여 수행한 절삭시험에서 절삭력과 배분력은 h-BN 첨가량에 따라 감소하였으며, 우수한 기계 가공성을 입증하였다. 또한, 모든 시편에서 짧은 시간 내에 0.5 $\mu$m (Ra) 이하의 비교적 양호한 표면 거칠기에 도달할 수 있었다.
Ceramic based nanocomposite, in which nano-sized ceramics and metals were dispersed within matrix grains and/or at grain boundaries, were successfully fabricated in the ceramic/cerarnic and ceramic/metal composite systems such as $Al_2O_3$/SiC, $Al_2O_3$/$Si_3N_4$, MgO/SiC, mullite/SiC, $Si_3N_4/SiC, $Si_3N_4$/B, $Al_2O_3$/W, $Al_2O_3$/Mo, $Al_2O_3$/Ni and $ZrO_2$/Mo systems. In these systems, the ceramiclceramic composites were fabricated from homogeneously mixed powders, powders with thin coatings of the second phases and amorphous precursor composite powders by usual powder metallurgical methods. The ceramiclmetal nanocomposites were prepared by combination of H2 reduction of metal oxides in the early stage of sinterings and usual powder metallurgical processes. The transmission electron microscopic observation for the $Al_2O_3$/SiC nanocomposite indicated that the second phases less than 70nm were mainly located within matrix grains and the larger particles were dispersed at the grain boundaries. The similar observation was also identified for other cerarnic/ceramic and ceramiclmetal nanocornposites. The striking findings in these nanocomposites were that mechanical properties were significantly improved by the nano-sized dispersion from 5 to 10 vol% even at high temperatures. For example, the improvement in hcture strength by 2 to 5 times and in creep resistance by 2 to 4 orders was observed not only for the ceramidceramic nanocomposites but also for the ceramiclmetal nanocomposites with only 5~01%se cond phase. The newly developed silicon nitride/boron nitride nanocomposites, in which nano-sized hexagonal BN particulates with low Young's modulus and fracture strength were dispersed mainly within matrix grains, gave also the strong improvement in fracture strength and thermal shock fracture resistance. In presentation, the process-rnicro/nanostructure-properties relationship will be presented in detail. The special emphasis will be placed on the understanding of the roles of nano-sized dispersions on mechanical properties.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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