초경합금 [超硬合金, hard metal]
요약
공구(工具) 등에 사용되는 초경질 합금.
본문
금속의 탄화물 분말을 소성(燒成)해서 만든 경도가 대단히 높은 합금이다.
흔히 사용되는 것은 탄화(炭化) 텅스텐을 주체로 한 결합금속인
코발트와 소결합금(燒結合金)으로, 코발트는 중량비율이 6 % 정도이므로
탄화텅스텐 입자들 사이의 코발트에 탄소와 텅스텐의 녹은 것이 개재해 있다.
이런 조직의 합금은 대단히 굳고 내마모성(耐磨耗性)이 우수하므로 금속제품을
자르거나 깎는 커터(절단기) ·다이스 등에 사용되고, 그 밖에 광산이나 토목용에서
바위에 구멍을 뚫는 착암용 공구의 선단 등에도 사용된다.
이 합금을 만드는 데는 코발트 가루와 탄화텅스텐 가루를 별도로 준비하여 프레스하여
성형(成形)한 다음 온도를 올려 소결(燒結)하는데, 먼저 1,000 ℃에서 코발트 가루끼리를
소결(예비소결)하였을 때쯤 최종 형태로 마무리하고, 그 다음에 1,400 ℃로 가열하여 본소결한다.
이것으로 텅스텐과 탄소가 코발트 속으로 확산하여 들어가 강한 고용체가 되며,
이로 인하여 탄화텅스텐의 입자가 결합되어 조직이 형성된다. 그 밖에 실용상 중요한 것은
WC Co계, WC TiC TaC Co계, WC TiC Co계의 3종이 있다.
텅스텐 [tungsten]
요약
주기율표 제6A족에 속하는 전이원소.
원소기호 W
원자번호 74
원자량 183.84
녹는점 3387℃
끓는점 5927℃
비중 19.3(0℃)
본문
볼프람(Wolfram)이라고도 한다. 예전에 주석광석에 이 원소의 광석이 혼입하면 다량의 주석이
슬래그화(化)되어 못쓰게 되었기 때문에, 탐욕스러운 늑대에 빗대어 이 원소의 광석을 Wolframite라
부르게 되었고, 이 원소를 Wolfram이라고 부르게 되었다.
또, 텅스텐이라는 이름은 스웨덴어로 ‘무거운 돌’이라는 뜻의 tungsten에서 연유한다. 즉, 이 원소의
광석이며 현재 회중석(灰重石)이라고 불리는 것이 1755년 A.크론슈테트에 의해서 tungsten이라고 명명된
데에 의한다.
텅스텐의 존재
지구상에 비교적 널리 존재하지만, 양은 그다지 많지 않다. 클라크수는 제26위이다.
주로 회중석 CaWO4, 철망간중석 (Fe·Mn)WO4 등의 텅스텐산염석으로서 산출되고,
아시아의 태평양 연안, 북아메리카 등에 풍부한 광맥이 있다.
기술동향
초경합금 공구의 특징과 스테인레스강 가공기술
1. 초경합금 공구의 특징
1) 초경합금
초경합금(Hard Metal, Cemented Carbide)이란 원소주기율표상의 4, 5, 6족에 속하는 9종류의 금속탄화물
을 철족 금속인 Co, Ni, Fe를 결합제로 사용하여 소결결합한 합금을 총칭한다.
당초의 사용목적은 주로 절삭공구 성형다이 등이었으나 그외에도 내마모공구, 광산공구 등 그 응용범위가
넓으며 용도에 따라 그 조성 및 입자크기 등이 조절되고 있다.
2) 초경합금 특징
초경합금은 경도가 높고 내마모성이 높으며, 강의 2.5배∼3배나 높은 영율을 가지고 있다.
특히 열전도율에 있어서는 강의 2배로 탁월하다.
반면 열팽창계수는 강의 1/2배로 작은 편이며, 압축강도는 약 400∼600㎏/㎟로 높다.
무게도 마찬가지로 강보다 2배 정도 무겁다.
3) 코팅공구의 특징
코팅공구는 초경합금의 모재에 경질의 Ceramic (TiC, TiN, Al2O3)을 단층 또는 다층 피복하여 초경합금
이 가지는 기존의 인성에 경한 피복물질의 내마모성을 동시에 실현시킨 공구로서 광범위한 절삭영역에 사
용되 있다.
코팅공구의 특징으로는 ① 내마모성이 우수하다, ②초경합금과 유사한 인성을 가진다, ③ 절삭영역이 광범
위하다, ④내산화성이 우수하다 등이 있다
일반적으로 절삭작용은 공구와 피삭재의 경도차이에 따라 공구수명이 달라지는데 공구의 경도를 일정하
게 하였을 때 피삭재의 경도가 높아지게 되면 상대적으로 공구의 경도가 저하되는일이 있는데 이로 인해
날끝의 내마모성이 낮아지고 공구수명의 저하를 가져오게 된다. 경우에 따라 날끝의 소성변형에서 결손에
이르는 일도 있다.
따라서 경도가 높은 재료를 절삭하려면 더 단단한 공구가 필요하게 되며 피삭재와 공구의 경도비는 일반적
으로 1 : 4 이상 필요하게 된다.
하지만 절삭공구의 경도는 제한되어져 있어 피삭재의 경도가 높다고 하는 것은 난삭의 요인이 되며 절삭
시 고온(600∼1200℃)이 되는 것이 보통이므로 코팅공구의 박막물질인 경우 상온에서의 비교치보다는 절
삭시 발생되는 절삭온도에 미치는 반응 즉, 내산화 개시온도를 비교하여 채택하는 것이 공구수명 향상에 유리하다.
2. 난삭재 가공기술
1) 스테인레스강의 특성과 적용공구
▶ 개 요
스테인레스강이란 철(Fe)에 상당량의 크롬(Cr, 보통 12% 이상)을 넣어서 녹이 잘 슬지 않도록 만들어진 강
으로 여기에 필요에 따라 탄소(C), 니켈(Ni), 규소(Si), 몰리브덴(Mo) 등을 소량씩 포함하고 있는 복잡한
성분을 가지고 있는 합금강이다
▶ 일반적인 특성
① 표면이 아름답다.
② 내식성이 우수하다.(보통 강에 비해 수백∼수천 배 이상)
③ 내마모성이 높다.(기계적 성질이 양호)
④ 강도가 크다. (박판가공이 가능)
⑤ 저온 특성이 우수(오스테나이트 스테인레스강, 최저 -269°C 유지)
⑥ 내화 및 내열성(고온 강도)이 크다. (최고 내열 온도는 900°C )
⑦ 용융 온도는 1,427∼1,510°C (18Cr강), 1,400∼1,454°C (18-8계)
⑧ 내 산화성이 크다.(800∼850°C)
⑨ 우수한 가공성(단, 마르텐사이트강에서는 절단시 Micro-Crack 발생)
⑩ 경제적
▶ 스테인레스강의 종류
·오스테나이트계 스테인레스강 : Fe-Cr-Ni합금으로 18Cr-Ni이 대표적이며 상온에서 고온까지 비자성의 오
스테나이트 단상
·페라이트계 스테인레스강 : Fe-Cr합금으로 18%의 Cr을 함유함으로써 거의 고온에서도 r상을 생성하지 않
는 페라이트 단상
·마르덴사이트계 스테인레스강 : Fe-Cr계 합금으로 13%의 Cr 함유로 적당한 열처리에 의해 폭넓은 기계
적 성질을 발휘한다.
·크롬계 스테인레스
① 18Cr 스테인레스·미량성분중 주된 것 C, Si, Mn, P, S, N
② 마르텐사이트계, 페라이트계 스테인레스
·크롬·니켈계 스테인레스
① 18Cr-8Ni 스테인레스
② 오스테나이트계 스테인레스
(난삭재)
▶ 스테인레스강의 난삭성 이유
스테인레스강은 금속조직학상으로 Austenite계와 Martensite계, 그리고 Ferrite가 있으나 이중 Austenite
계열에 속하는 300 Series가 난삭재라고 불리워지고 있으며 그 이유는 다음과 같다.
① 가공경화가 커서 경계마모나 치핑이 발생하기 쉽다
② 열전도율이 나빠서 인선온도가 증가하므로
③ 공구마모가 빠르다
④ 열용착이 쉬워 인선에 미소 치핑이 잘 생긴다
▶ 스테인레스강 가공특성과 공구선정
<공구수명>
스테인레스강 가공에 있어서 공구수명을 결정짓는 주요 사항은 다음과 같다.
① 경계부 치핑이 공구수명을 결정하는 경우 : 난삭재가공에서 나타나는 전형적인 마모현상이며 특히 절삭
부와 절삭되지 않는 Edge부의 산화작용에 의한 마모로 대표된다.
② 인선강도 : 난삭재료는 공구절인에 약60㎏/㎟ 이상의 높은 인장응력이 집중되어 공구손상을 촉진시키
므로 이에 대응한 강인한 인성을 가진 공구재종이 필요하다
③ 칩의 원활한 배출 : 스테인레스 및 알루미늄 등 대체적으로 질긴 재료들을 가공할 때 나타나는 현상으
로 절삭시 인선부 용착의 생성, 탈락에 대한 치핑 누적의 이상마모로 이어지는 경우가 종종 있기 때문에 절
미가 좋은 칩브레이크 선정이 필요하다.
<가공경화성>
스테인레스강 가공시 칩(Chip)의 생성을 보면 극대한 비틀림이 생김과 동시에 칩이 가공 경화되어 경도가
증가됨을 알 수 있다. 즉, 공구인선부의 절입경계부 상당부분이 마모가 발생하고 칩은 강인하기 때문에 구
부러지기 어렵다.
또한 칩처리가 어렵게 되어 절인형상에 따라 절인이외 부분에 치핑이 발생하기가 쉽다.
따라서 절삭력이 크고 절삭력 변동이 크기 때문에, 절삭동력이 증대하여 공구절인에 집중력이 걸려 공구손
상을 촉진시킨다. 특히 소절입 절삭시에는 마찰마모가 발생하여 공구수명을 저하시키므로 가급적 절입깊
이를 많이 하는 것이 공구수명에 효과적이다.
<열전도>
절삭시 생긴 절삭열은 고속절삭에서는 70% 이상 칩이 가져가며, 열전도율이 낮은 경우에는 칩에 의해 공
구쪽으로 열의 전도가 많다. 또한 절삭력 증대와 더불어 인선온도를 상승시켜 공구를 소성 변형시킨다.
<용착>
밀링절삭 등 단속절삭시 치핑의 원인이 되어 사상가공면이 나쁘게 된다. 반복작업시 공구절인에 칩이 용착
한 그대로 다시 피삭재에 절입되므로 큰 충격력이 걸려 절인치핑이 발생한다.
따라서 스테인레스강 가공에는 상기 언급한 절삭특성 요인으로 공구수명이 일반강을 절삭할 때와는 현저
히 낮아짐을 알 수 있고 특히 Austenite 스테인레스강 가공시에는 다음의 사항에 대하여 준비를 해야한다.
① 경사각을 크게 하여 절미를 좋게 하고 강성이 높은 공구를 사용한다.
② 절입, 이송을 적지 않게 한다.
③ 절삭유제를 사용한다.
<스테인레스강의 제품 예>
한국야금(주)의 신제품 STS용 신재종 PC9030(선삭용)과 PC9530(밀링용)은 스테인레스강의 저속·중속 작
업에 적합한 고인성 모재를 적용하고 있다.
또한 이 제품은 난삭재 가공시 내치핑성 및 내용착성 향상을 위한 PVD 코팅을 적용하고 있으며 내산화성
이 우수한 TiAlN 박막 적용으로 건식 가공에서도 우수한 성능을 발휘한다. 특히 신모재와 신박막의 결합으
로 월등한 성능을 보인다.
New Milling Cutter FMA for Mold (45도)의 경우도 절입각 45도, 4코너 타입의 고이송용 범용형 카터로 스
크류언식으로 구조가 간단하며 체결이 쉽다. 또한 다양한 칩브레이크 적용으로 절삭영역이 높고 절삭성이
뛰어나다.
2) 고속가공
고속가공(High Speed Cutting Tools)으로 종래보다 절삭시 접촉호의 감소와 절삭속도 및 이송속도의 향
상을 꾀할 수 있다. 고속가공의 가장 큰 장점은 공구의 수명을 향상시키고 Cycle Time을 단축시킬 수 있
으며 황삭에서 사상까지 한가지의 Solid Cabrid 공구로 해결할 수 있다는 점이다.
또한 열처리 및 수사상 가공을 위한 피삭재의 취출이 불필요하다.
일반 엔드밀의 경우 저속·고절입, 저이송 영역에 사용하며 저경도 피삭재용으로 쓰인다. 고속가공용 엔드
밀은 고속·저절입, 고이송 영역에 사용하며 금형강동의 고경도 피삭재 대응이 가능하다.
고속가공기술 중 Helical 절삭은 사용하는 공구경의 2배 이하의 구멍가공이 가능하며, 1Cycle 가공을 하
는 경우 최대 3배까지의 구멍가공도 가능하다.
Trocoid 절삭의 경우, 가공하는 홈폭은 공구경의 공전경으로 설정함으로써 임의 가공이 가능하고, 절삭칩
도 양호하게 절단되어 절삭온도의 상승없이 공구의 수명향상이 가능하다.
특히 고속가공시 구비조건을 살펴보면 CAD/CAM 시스템을 이용해 공구 경로를 산출하고 다양한 가공방
법을 실현할 수 있다. 급변하는 부품의 이송제어, Nurbs 보간, 트로코이드 및 헬리칼 절삭이 가능하다.
고속가공의 적용 영역 및 대상업체를 살펴보면 주로 PreHarden강 또는 고경도강의 금형가공에 사용하며
대상설비는 고속가공기 30,000∼42,000rpm급 설비로서 금형전문가공업체에 공급된다.
대표적인 제품으로 한국야금(주)의 HSE Series의 경우, 고속가공시 안정된 수명을 보장하고 금형의 정밀
도를 고려한 고정밀가공이 가능하다.
또한 고경도강 절삭시 뛰어난 내마모성을 발휘하는 모재 및 코팅 박막을 적용하고 인선 강도 확보를 위한
최적의 경사각 채용과 강성을 고려한 설계가 가능하다.
고속엔드밀 HSE6000-Q도 고속·고이송 정밀가공이 가능하며 인선강도 및 강성 강화형에 유리하다. 특히 P
VD코팅을 통한 고능률 가공이 용이하다. HSBE2000의 경우도 인선강도, 강성 강화형으로 고경도강의 고속
가공 영역에서 뛰어난 능력을 발휘하며, 탁월한 내치핑성으로 안정된 가공 기능을 수행한다.
3. 절삭공구의 전망
최근 절삭공구는 공구재료 분야에서는 나노분말(Nano-Powder)을 이용한 특성을 향상시키고 경사기능합
금(FGM)기술의 응용이 확대되고 있다.
또한 코팅기술분야에서는 신물질을 이용한 박막의 물성 및 공구수명 향상이 요구되고 있으며 PVD 코팅제
품 및 Diamond, DLC 코팅의 응용분야가 확대될 것으로 예상된다.
공구형상분야에서는 칩브레이크의 경우 3차원 저저항형에 의한 절미중심의 인선, 생산성 향상에 따른 고
이송화와 가공품위, 디자인 차별성 및 제품가치 향상을 위한 방향으로 발전해 나갈 것으로 기대된다.
특히 절삭공구의 제품분야에서는 기능의 다양화에 의한 복합가공, 클램핑방식의 스크류언타입 확대, 내구
성 향상 및 Fool-Proof화, 설계구조화로 이어질 것으로 예상된다.