공구 재료, 절삭 공구 재료, 공구 코팅, 구비조건, 초경합금, 소결 카바이드, 피복방법 (CVD, PVD)

 

<기출 정리> 

• 22-4-2 절삭공구재료의 구비조건 및 공구재료의 종류별 특징을 설명하시오
• 21-4-4 절삭 공구 재료 중 고속도강, WC, Ceramics, CBN, Diamond에 대하여 설명하시오.
• 20-1-7 절삭공구의 재료 구비 조건을 5가지만 설명하시오.
• 19-4-1 피복 공구의 특성과 피복방법(PVD, CVD)에 대하여 설명하시오.
• 18-2-4 초경공구에 TiN, Al2O3, TiC 등을 코팅하는 이유와 코팅 방법 2가지에 대하여 설명 하시오.
• 17-1-12 코팅 카바이드 절삭 공구에 코팅되는 3개층의 명칭을 쓰고 각각 설명하시오.
• 15-3-5 초경합금 절삭공구를 분류하고 작업조건 및 특성에 대해 설명하시오.
• 14-1-9 절삭공구재료가 구비하여야 할 조건에는 어떤 것들이 있는지 5가지를 설명하고, 2)공구재료의 종류를 5가지를 들고 각각의 특성을 설명하시오.
• 12-2-1 절삭공구재료의 특성을 들고 절삭성능을 설명하시오
• 12-3-2 소결 카바이드 (sintered carbideds) 인서트(insert) 공구 제작을 위한 분말야금 공정을 설명하시오

 

1. 개요

 

1) 절삭공구 개요

 가공의 효율성을 결정하는 가장 중요한 요인 중 하나가 절삭공구의 재질 
절삭시 절삭공구에 높은 압력과 마찰에 의한 절삭열로 인해 공구의 인선에 마모가 발생 
따라서 능률을 향상시키기 위해서는 공구의 수명을 길게 하면서, 동시에 절삭 속도와 이송속도의 향상이 필요함

 

2) 절삭공구 요구 조건

① 고온경도 (hot hardness)

마찰, 압력에 의한 절삭열로 인해 온도가 높아지는데 고온에서도 경도가 저하되면 안됨 (고온경도 필요)

 

② 내마모성 (Resistance wear) 

절삭공구와 가공재료의 마찰에 의해 절삭공구의 표면이 미세하게 소모됨(마모)
마모에 대한 강도를 내마모성이라 함

 

③ 강인성 (toughness)

절삭 중 충격 등의 큰 외력을 받을 시 파괴됨. 절삭공구는 외력에 의해 파손되지 않을 강인성이 필요함 

 

④ 저마찰 (low friction)

마찰계수가 적을수록 경제적이고 효율성이 높은 절삭이 가능 

(온도, 마모, 금액 측면)

 

⑤ 성형성 우수

원하는 형상으로 공구를 제작하기 위해 성형성이 좋아야함 

 

⑥ 염가

쉽게 파손이 되기 때문에 가격이 저렴해야함 

 

3) 절삭열 발생 메커니즘 

절삭열, 절삭열 측정 방법, 절삭 열원 비율, 절삭 열원 위치

 

 

4) 절삭공구 선정 

재종에 따라 가공범위가 다르기 때문에 각각의 특성을 고려 공구 선정 필요 

일반적으로 피삭재가 경할수록, 중절삭 및 황삭일 수록 경도가 높은 것 
일반적으로 피삭재가 연하고, 고속절삭이고, 정밀다듬질일 수록 경도가 낮은 것  

절삭공구의 경도와 온도의 관계, 절삭속도 및 이송 별 절삭공구 적용영역, HRD

 

2. 공구 별 특성 및 절삭 성능 

강재 분류; 탄소강, 합금강, 특수강, 비조질강, 조질강, 듀얼페이스강, 스테인리스 강(듀플렉스강

 

<종류>

• 탄소 공구강 (STC 1 ~ STC 7)
• 합금 공구강 (alloy tool steel, STS, STD)
• 고속도강 (HSS; High Speed Steel, SKH 2 ~ 57)
  • 표준 고속도강
  • 특수 고속도강
• 소결 초경합금 (sintered hard metal)
• 주조 경질합금 (Cast alloyed hard metal) : stellite
• 세라믹 (Ceramic)
• 서멧 (Cermet) 
• 다이아몬드 (Diamond)
• 입방정 질화붕소 (CBN; Cubic Boron Nitride)
• 피복 초경합금 (Coated  Tungsten Carbide Material) 

1) 탄소 공구강 

탄소량이 0.6 ~ 1.5% 
STC 1종 ~ 7종으로 분류됨 (절삭공구로는 1 ~ 3종이 주로 사용됨) 
 * 1종 ~ 3종은 탄소량 1% 이상, 경도 63 이상 

• 고온경도가 낮아 인선이 300도가 되면 경도가 저하되고 사용이 곤란함 
  : 따라서 저온 절삭이나 수공구, 총형공구 등에 한정됨 
• 경화층이 얇고 중심부는 비교적 무르고 강인성을 갖음 

탄소 공구강 성분 및 용도, HRD

 

2) 합금 공구강 (Alloy tool steel) 

경화능을 개선시키기 위하여 탄소량이  0.8 ~ 1.5% 정도를 함유한 탄소 공구강에
소량의 크롬(Cr), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 바나듐(V) 등의 원소를 첨가한 강 

• 탄소 공구강보다 절삭성이 우수 
• 탄소 공구강보다 내마멸성과 고온 경도가 높음
• W강, W-Cr강, Cr강 등이 사용됨 
• 절삭공구 인선 온도는 450도가 한계
• 따라서 성능이 좋지 않아 저속 절삭용, 총형 절삭용 정도로만 쓰임 

3) 고속도 공구강 (HSS; High Speed Steel) 

합금공구강 대비 W, Cr, V, Co등의 원소가 더 많이 첨가된 강 
고속절삭시 온도 상승에 따라 경도, 강도가 떨어지는 것을 방지하고자 Co, Mo 등을 다량 첨가하여 고온 경도를 유지

• 담금질 및 뜨임시 600도까지 고온 경도 유지 
• 고온경도가 높고 내마모성이 우수 
• 1250도에서 담금질 후 550 ~ 600도에서 고온뜨임하면 2차 경화가 발생 (미세 석출물 석출에 의한 석출 경화) 
• 고온 가열로 인한 산화, 탈탄 방지를 위해 염욕(salt bath)을 하는 것이 효과적 
• 밀링커터, 드릴, 탭, 리머, 바이트, 엔드밀 등으로 사용되며 바이트 tool holder로도 사용됨 

(1) 고속도강 구분

① 표준 고속도강

W(18%) - Cr(4%) - V(1%)를 함유하는 고속도강. 18-4-1 표준 고속도강 

 

② 특수 고속도강 

표준 고속도강 대비 Co 및 V 함유량을 많이 첨가 
코발트를 4 ~ 20% 첨가, 혹은 탄소 함유량에 따라 바나듐 함유량을 증가 
W의 일부를 Mo로 대치할 수도 있음 (Mo계 고속도강, 아래 표 참고) 

 

 

고속도 공구강 종류 및 화학 성분

 

 

4) 소결 초경합금 (sintered hard metal)

W, Ti, Ta, Mo, Zr등의 경질 합금 탄화물 분말을 Co, Ni을 결합재로 하여 1400도 이상의 고온으로 가열하면서 프레스로 소결 성형한 절삭공구 

• 고온이나 고속절삭에서도 경도 유지 (고온 경도 우수) 
• 절삭공구로서 우수한 성능 (Hv1500 ~ 1800)
• 취성이 커서 진동이나 충격에 약해 주의하여 사용해야함 
• WC-Co계, WC-TiC-Co계, WC-TaC-Co계가 주로 사용됨 
• 열팽창계수가 강과 상이하기 때문에, 용접시, 가열과 냉각으로 인한 열, 절삭열로 인한 파손이나 연삭시 국부적인 가열로 인한 미세 균열로 인해 수명에 많은 영향을 미치므로 유의해야함 

초경합금 분류, P종/M종/K종이 있음

5) 주조 경질합금 (Cast alloyed hard metal) 

대표적으로 스텔라이트 (Stellite)가 있음 
주 성분은 W, Cr, Co, Fe이며 주조로 만든다 (주조합금) 

• 스텔라이트는 상온에서 고속도강보다 경도가 낮으나, 고온에서 오히려 경도가 높아져서 고속도강보다 고속절삭용으로 사용됨 
• 850도까지 경도와 인성이 유지되며, 단조나 열처리 되지 않는 특징이 있음 
• 절삭공구재질의 발달로 현재는 사용하지 않음 

6) 세라믹 (Ceramic) 

알루미나(Al2O3)를 주성분으로 하여, 산화물(Mg, Si)과 약간의 첨가원소를 바탕으로 1600도 이상에서 소결한 것
재종으로 AS10, AW20,  AB30 등이 있음  

• 고온 경도가 우수
• 내마모성이 우수 (초경합금 대비 우수) 
• 초경합금 대비 가벼움
• 초경합금보다 인성이 적고 취성이 큼 → 충격이나 진동에 매우 약함 
• 세라믹은 용접이 불가하므로 고정용 홀더를 사용 
  (홀더가 인장력과 굽힘모멘트를 작용하게 하고, 세라믹에는 only 압축력과 내마모성만 작용하도록 설계 필요) 
• 고속 다듬질에서는 우수하지만, 중 절삭에는 적합하지 않음 

7) 서멧 (Cermet) 

세라믹과 메탈의 복합어,  세라믹의 취성을 보완하기 위해 개발된 내화물과 금속 복합체의 총칭 
Al2O3분말 70% + TiC or TiN 분말 30%를 혼합하여 수소 분위기 속에서 소결하여 제작 
탄화물계(SiC, TaC, TiC, VC 분말), 질화물계(TiN, TaN), 산화물계 (Al2O3, BeO, MgO, ThO2, ZrO2) 등이 있음 

• 고속절삭에서 저속절삭까지 사용범위가 넓음
• 크레이터 마모, 플랭크 마모 등이 적음 
• 구성인선이 거의 발생하지 않음 (공구 수명이 김)
• 중절삭에는 적합하지 않음 

서멧 특성 (탄화물계, 산화물계)

 

8) 다이아몬드 

알려져있는 절삭공구 중 가장 경도가 크고 내마모성이 큼 
절삭속도가 빠르고 절삭가공이 능률적임 

• 경질고무, 베크라이트, Al, Al합금, 황동 등의 절삭에 대해 대단히 능률이 좋음 
• 초정밀 완성 가공 및 연삭 숫돌의 보정, 유리가공에도 사용됨 
• 취성이 커서 잘 깨지고 가격이 고가 (경도가 큼 HB7000)
• 가공이 어려움 
• 열팽창이 적음 (강의 12% 정도) 
• 열 전도율이 큼 (강의 12배정도)
• 공기중에서 800도 이상으로 가열시 CO2가 됨
• 날 끝이 손상되면 재가공이 어려움 

 

9) 입방정 질화붕소 (CBN; Cubic Boron Nitride) 

다이아몬드의 2/3배의 경도를 가지며 CBN 미소 분말을 초고온(2000도), 초고압(5만기압 이상)으로 소결한 것 
현재 많이 사용 되는 절삭공구 재료 

• 공기중에서도 안정, 절삭열이 많이 발생하는 철 금속  가공에도 이상적인 조건
• 난삭재료, 고속도강, 담금질 강, 내열강 등의 절삭에 많이 사용됨

 

10) 피복 초경합금 (Coated Tungsten Carbide Material)  

초경합금 공구에 TiC, TiCN, TiN, Al2O3 등을 2 ~ 15미크론 두께로 피복하여 사용하는 절삭 공구
인성이 우수한 초경합금에 내마모성과 내열성을 향상 
대표적으로 PVD와 CVD를 사용함 

 

 

 

3. 공구 코팅 / 표면 피복  

 

1) 공구 코팅  종류 및 특성 

"공구 수명이 획기적으로 늘어나거나, 기존 작업이 불가능한 것을 가능하게 만들 수 있음"

<피막별 경도 비교>

TiC :  Hv3000 ~ 3800 
VC : Hv2800 ~ 3000
TiCN : Hv2500 ~ 3000
TiN : Hv1700 ~ 2400 
초경합금 : Hv1500 ~ 1800 
질화처리(질화철) : Hv1000 ~ 1300
경질크롬도금 : Hv1000~1400 

•  증착처리
  • PVD : TiN, TiC, TiCN
  • CVD : TiN, TiC, TiCN
• 확산처리
  • 질화처리 : TiN
  • TD처리 : VC, NbC 
• 도금
  • 경질크롬도금 

초경질 피막법의 종류별 특징

 

 

2) 공구 코팅 (표면 피복) 방안 : PVD, CVD

코팅물질	특성	적용효과
TiC, TiCN (탄화티탄)	저온영역에서 경도가 높음 초경모재와의 밀착강도가 좋음 높은 내마찰, 내마모성	초경모재와 표층 코팅 중간에 코팅하여 높은 밀착강도를 갖게 하여 (접착제 역할) 코팅층의 박리 방지 내마찰, 내마모성이 높아 릴리프면의 마모를 개선
TiN (질화티탄)	걍재와 친화성이 없음 강재와 마찰계수가 낮다  윤활 작용이 있음	팁(바이트 등)의 가장 표층에 코팅  마찰계수가 낮은 특성으로 칩이나 공작물과의 마찰저항을 줄이고 칩의 흐름을 원할하게 하고, 발열과 마모를 줄임  구성인선의 발생을 억제 (용착이나 치핑을 방지)
Al2O3 (알루미나)	고온경도가 높음 고온 하에서 화학적으로 안정되고 다른 물질과 반응하지 않음	고속절삭시 발생하는 열에 대하여 화학적이나 물리적으로 내성을 가지고, 강재 가공시 크레이터 마모나 주철 가공시 플랭크 마모에 높은 항력 발휘

 

• 일반적으로 초경공구 (WC, 탄화텅스텐 계열, Ti와 Ta 등의 탄화물 분말을 Co or Ni 분말과 혼합하여 1400도 이상으로 압축 성형하여 소결시킨 합금)의 기계적 성질을 증대하고 수명을 향상시키기 위해 코팅을 함 
  (코팅부 : 내마모성 증대, 공구수명 2 ~ 300% 증대) 

Coated 초경합금 개략도

물리증착법(PVD; Physical Vapor Deposition), 화학증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 공구코팅, 초경합금

 

3) 공구 코팅 (표면 피복) 방안 : 질화처리

질화법 (Nitriding), 연질화법, 이온질화법, 가스질화법, 청화법, 액체질화법, 표면경화