세라믹스는 일반적으로 고온 특성과 기계적 특성, 절연성등이 우수하여 기타 금속이나 플라스틱등이 쓰일 수 없는 용도에 많이 사용되고 있다. 특히 기계구조용 세라믹스는 우수한 내열특성과 내마모 특성으로 특수한 환경에 쓰일 수 있는 유일한 재료로 인식되고 있다. 그러나 이러한 우수한 특성에도 불구하고 세라믹스의 실용화에 많은 여러움이 있는데 그 이유중의 하나가 취성파괴가 일어난다는 것이다. 즉 재료표면에 결함이 존재할 경우 재료의 강도가 저하되고, 이러한 결함의 존재에 의해 재료 전체가 급작파괴될 수 있어 결국 신뢰도가 낮아지므로 그 응용이 크게 확대되지 못하고 있는 실정이다. 질화규소 세라믹스 역시 열충격 저항성이 요구되는 재료로 수십년전부터 관심을 끌어 왔으나 이러한 낮은 취성으로 실제 응용에 제약이 있다.
이러한 단점을 극복하기 위해 많은 노력이 있어왔지만 최근들어 자체강화된 세라믹스에 관한 관심이 대두되고 있다. 이는 입자의 크기, 길이 대 직경비, 입계상의 강도나 잔류응력등을 조절하여 미세구조를 제어함으로써 재료의 낮은 취성을 극복하고자 하는 것이 목적으로, 표면에 결함이 존재한다 하더라도 강도저하가 일어나지 않는 '손상저항성'을 증가시키고자 많은 연구가 수행되어졌다. 그 결과 재료의 인성을 증가시키기 위해서는 입자크기를 크게 하거나 길이 대직경비를 크게, 입계상을 약하게 하고 잔류응력을 입계에 도입하도록 미세구조를 조절하는 것이 유리함을 알아내었다. 그러나 이와 같이 재료의 인성만을 높이기 위한 미세구조의 조절은 큰 입자의 의한 강도저하와 강도의 취약성에 기인한 내마모성과 피로특성의 감소를 수반하는 단점을 초래할 수 있다는 문제점이 있다.
따라서 강도와 인성, 내마모성, 피로특성등이 모두 요구되는 기능을 만족하는 재료의 개발을 위해 보다 최근에는 코팅시스템이나 서로 다른 재료가 층상을 이루며 결합되어 있는 세라믹스 층상재료에 관한 관심이 증가하고 있다. 내열코팅, 내마모코팅, 생체재료용 코팅재, 금속/세라믹 층상 복합재료, 세라믹 층상재료등 서로 다른 특성을 갖는 재료들을 결합시킨 이와 같은 신 개념의 재료는 각 층을 이루고 있는 재료들의 고유특성과 계면특성을 제어하여 최적화할 경우, 재료표면이나 내부에 결함과 존재한다 하더라도 급격한 강도저하가 일어나지 않아 궁극적으로 신뢰도가 높은 재료의 개발이 가능하다.
이와 같은 코팅시스템이나 세라믹 층상재료에 있어서는 특히 서로 다른 층을 결합시킬 때 수반되는 응력이나 특성불일치의 이해와 연구가 수반된다. 이는 응력이나 특성불일치가 재료의 파괴를 더욱 일으키는 원인이 될 수도 있고, 반면 재료 디자인이나 제조조건 제어 등에 의해 재료의 파괴를 방지하는데 기여할 수도 있기 때문이다. 따라서 재료가 사용될 때 가해지는 하중을 고려한 층의 두께와 층간 계면의 결합강도, 그리고 층간이 탄성/소성 불일치 등과 같은 특성의 제어와 이해가 매우 중요하다. 그러나 현재까지 코팅시스템이나 세라믹 층상재료에 있어서 이와같은 재료 디자인 변수들의 영향에 관한 체계적 연구는 국내는 물론 국외에도 전혀없는 실정이다. 따라서 본 논문에서는 질화규소 층상재료의 구조를 이층 층상재료로 단순화한 후 코팅층의 두께와 두 층간의 탄성/소성 불일치의 영향을 살펴보고자 하였다.
한편 질화규소 세라믹스 제품을 제조하는 도중이나 실제 부품으로써 사용될 때는 재료 표면이 접촉환경에 놓이는 경우가 매우 많다. 예를 들면 금속재를 깎는데 사용하는 절삭공구나 기계부품의 하나인 베어링등으로 응용될 때 금속과의 접촉이나 베어링과 베어링간의 접촉이 중요하게 된다. 이러한 접촉은 충격, 마찰, 회전등의 형태로 세라믹스에 하중을 전달할 수 있고, 가해자는 하중이 크거나 또는 낮은 하중이라도 접촉횟수가 증가할 경우 재료에 손상을 유발할 수 있으며, 형성된 결함에 의해 재료강도가 증가할 경우 재료에 손상을 유발할 수 있으며, 형성된 결함에 의해 재료강도가 저하하거나 재료전체가 파괴되어 시스템에 문제를 야기할 수도 있다. 그러나 접촉하중시 파괴를 야기시키고 인가된 접촉하중에 의한 파괴거동을 평가하는 기술이 국내에 전무한 실정이며, 국외의 경우에도 산업계는 물론 학계의 연구가 그다지 활발하지 못하다. 따라서 본 연구에서는 '구형압자 압흔법'이라는 새로운 평가방법을 활용하여 미세구조와 디자인 변수가 제어된 질화규소 이층 층상재료의 파괴거동을 고찰함으로써, 접촉손상에 끼치는 코팅층의 두께와 탄성/소성 불일치 특성의 영향을 고찰하고자 하였으며, 궁극적으로 재료가 외부로부터 접촉에 의한 하중이 가해진다 하더라도 손상저항성이 높은 재료를 개발하고자 하였다.
질화규소 이층 층상재료로서 두가지 시스템을 준비하였다. 첫째는 층간 탄성/소성 불일치가 매우 적지만 미세구조가 다른 재료들을 상호 결합하여 코팅층은 내마모성이 높고 기판층은 인성이나 손상저항성이 높은 재료로 구성된 질화규소/질화규소 이층 층상재료이고, 둘째는 인성이 높은 질화규소·질화붕소 재료위에 내마모성이 우수한 질화규소를 코팅한, 층간 탄성/소성 불일치가 큰 질화규소/질화규소·질화붕소 층상재료이다. 특히 이 시스템에서는 기판층의 질화붕소 첨가량을 변화시켜 두 층간에 서로 다른 탄성/소성 불일치 특성을 갖도록 제어함으로써 탄성/소성 불일치의 영향을 살펴보고자 하였다. 특히 두 시스템 모두 코팅층과 기판층간 계면강도를 강하게 유지시켜 외부의 손상이 기판층내로 전달되도록 제어하였다. 또한 이층 층상재료의 코팅층의 두께를 변화시켜 코팅층의 두께에 영향을 살펴보았다.
코팅층의 두께와 탄성/소성 불일치가 각기 다르게 제조된 각 세라믹 층상재료들을 '구형압자 압흔법'으로 재료의 파괴거동과 손상저항성을 평가하였다. 구형압자 압흔법은 일정 반경을 갖는 구형압자로 잘 연마된 편평한 재료표면에 일정하중으로 압축하중을 가하는 방법으로, 접촉하중을 가한 후 재료에 발생한 손상을 광학현미경이나 주사 전자현미경으로 관찰할 수 있고 손상에 기인한 강도저하를 측정하여 재료의 손상저항성을 평가할 수 있는 장점이 있다.
각 이층 층상재료의 제조방법과 실험방법, 그리고 연구결과는 다음과 같다.
1. 질화규소/질화규소 시스템
본 연구에서는 동일한 질화규소 재료로 이루어져 있으나 미세구조가 서로 다른 이층 층상재료를 제조하였다. 질량비로 각각 2%의 알루미나, 5%의 이트리아, 1%의 마그네시아를 소결조제로 첨가하여 혼합분말을 미리 제조하였다. 초기 입자크기가 미세한 (0.3 $\mu m$) 질화규소 혼합분말 위에 조대한 (1 $\mu m$) 분말을 적층한 후 1700℃에서 30 MPa 의 압력으로 1시간 동안 소결하여 미세구조가 서로 다른 소결체를 얻었다. 얻어진 소결체를 연마하여 코팅층의 두께를 20 $\sim$ 600 $\mu m$ 내에서 조절하였다. 서로 다른 코팅층의 두께를 갖는 층상재료의 접촉 손상 거동을 연구한 결과는 다음과 같다.
1) 상대적으로 초기분말 입자크가가 큰 분말 (1 $\mu m$) 을 이용하여 $1700^{\circ}C$ 에서 제조한 코팅용 재료는 비교적 구형의 입자로 구성된 $\alpha$ 상의 미세구조를 나타내었고 인성은 낮지만 경도가 높은 특성을 보였다반면 상대적으로 미세한 질화규소의 분말 (0.3 $\mu m$) 을 출발원료로 사용한 경우는 모두 $\beta$ 상의 입자로 구성되었으며 경도는 낮지만 큰 인성과 높은 손상저항성을 보였다. 두 재료의 응력에 대한 변형거동은 거의동일하여 탄성/소성 불일치 특성이 거의 없는 시스템임을 확인하였다.
2) 층상재료의 접촉파괴 실험결과 높은 하중과 적은 코팅층의 두께를 갖는 시스템에 파괴의 원인이 되는 균열이 억제되는 현상이 발견되었다. 이러한 균열의 억제현상은 층상재료 제조시 발생하는 열적응력 불일치에 주로 기인하나 인성이 높은 기판층도 영향을 끼친 것으로 분석 되었다.
3) 층상재료의 손상저항성은 코팅층에 사용된 재료에 비하여 증가하였으며 높은 경도에 의해 내마모성이 향상될 것으로 기대된다.
2. 질화규소/질화규소-질화붕소 시스템
본 시스템을 제조하기 위해 질화규소-질화붕소 분말과 질화규소 분말을 준비하였다. 이때 질화규소 첨가량을 다르게 하여 (질량비로 5%에서 30%)층간 탄성/소성 불일치 특성이 서로 다르게 되도록 조절하였으며, 소결을 돕기위해 질량비로 2%의 알루미나, 5%의 이트리아, 1%의 마그네시아를 첨가하였다. 계면의 층간 박리현상을 방지하기 위해 두층간의 결합을 강하게 유지하고자 고온가압소결을 행하였으며 $1730^{\circ}C$ , 30MPa의 질소 분위기하에서 1시간 동안 소결하였다. 코팅층의 두께와 탄성/소성 불일치의 두가지 역학적 변수가 제어된 이층 층상재료의 접촉손상 특성을 구형압자 압흔법으로 행하였으며 그 결과는 다음과 같다.
1) 질화규소·질화붕소 복합재료에 질화붕소의 첨가량이 증가함에 따라 탄성거동에서 벗어난 소성거동을 보였으며, 층상재료의 두층간 탄성/소성 불일치가 증가하였다.
2) 큰 탄성/소성 불일치는 코팅층의 파괴를 일으키는 원인이 되었다. 가해지는 접촉하중이 클수록, 탄성/소성 불일치 특성이 증가할수록, 그리고 코팅층의 두께가 감소할수록 코팅층이 휘어지는 양상을 야기시켜 코팅층에 많은 균열을 발생시켰다. 따라서 코팅층의 파괴를 억제하기 위해서는 어느 적정임계두께로 코팅층의 두께를 두껍게 해야 함을 알 수 있었고, 이러한 적정임계 두께는 탄성/소성 불일치 특성과 가해지는 하중을 고려하여 결정해야 함을 밝혀내었다. 한편 코팅층에서 야기된 많은 균열들을 기판층의 영향에 의해 기판층내로 전파되지 않고 억제되는 특징을 보였다.
3) 탄성/소성 불일치가 상대적으로 적었던, 질량비로 5%의 질화붕소가 첨가된 이층 층상재료의 손상저항성은 질화규소·질화붕소 복합재료 혹은 상용화되고 있는 질화규소 코팅에 의해 재료 표면에 결함 생성 자체가 방지되어 강도저하를 감소시킨데 기인한다.
두가지 질화규소 세라믹 층상재료의 접촉손상을 평가한 결과, 두 층간의 탄성/소성 불일치가 큰 경우는 코팅층의 파괴를 야기시키고 기존의 원추형 균열에 의한 파괴와는 다른 복잡한 형태의 파괴양상이 나타났으며 따라서 코팅층을 두껍게 디자인 하는 것이 유리하다는 중요한 결론을 얻었다. 반면 두 층간의 탄성/소성 불일치가 상대적으로 적은 경우는 원추형 균열에 기인한 파괴만이 일어났으며 코팅층의 두께가 적을수록 유리하였다. 한편 탄성/소성 불일치가 상대적으로 적었던 질화규소 세라믹 층상재료의 손상저항성을 평가한 결과 외부로부터 손상이 가해진다 하더라도 급격한 강도저하가 일어나지 않은 우수한 재료로 평가되었다.
인성이 높은 재료위에 내마모성이 우수한 재료가 강한 결합으로 코팅된 시스템에 있어서 탄성/소성 불일치 특성 및 가해질 수 있는 하중등의 사용환경등을 고려하여 코팅층의 두께를 적절히 설계한다면, 외부 접촉하중으로 부터의 균열생성 자체를 방지할 수 있고, 균열이 생성된다 하더라도 균열의 전파가 억제되어 상대적으로 강도저하가 일어나지 않는 우수한 손상저항성을 갖는 재료의 개발이 가능함을 본 연구를 통해 제시할 수 있었다.
