공구재료의 종류

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공구재료의 종류에 대한 보고서 자료입니다.

목차

< 탄소공구강 (carbon tool steel) >
< 합금공구강 (alloyed tool steel) >
< 고속도강 (high speed steel) >
< 초경합금 (cemented carbide) >
< cermet >
< ceramics >
< CBN (cubic boron nitride) >
< diamond >

본문내용

등의 제품이 있다.
< CBN (cubic boron nitride) >
CBN은 고온, 고압 하에서 제조되며, 고온 경도가 극히 높은 공구 재료이다.
연삭용 지립으로 처음 개발되었으며, 현재도 연삭 입자(Abrasive)로서의 수요가 큰 비중을 차지하고 있으나, 여기서는 일반 절삭 가공 분야에의 적용 위주로 설명하기로 한다.
CBN은 다이아 몬드와 달리 철과 잘 반응하지 않으므로 고경도강의 가공이나 주철의 고속 가공에 적용이 가능하며, 특히 담금질강의 연삭을 대신하는 다듬질 절삭용으로 많이 사용된다.
특히 CBN은 1000℃ 에서도 HB200 정도의 경도가 유지되므로 초고속 가공이나 열처리된 강의 가공 등에 널리 사용되고 있다.
보통 경도의 주철 고속 가공은 초경, 세라믹 공구로도 가능하지만, 가공면의 품질이 더 안정적이고, 수명이 길어 CBN 공구의 활용이 증가하고 있다.
예를 들어 수사상 없이 기계 가공만으로 대형 금형을 완성하기(Finishless) 위해서는 최종 정삭을 초고속으로 피치(Pitch 또는 Peak Feed)를 작게 한 상태에서 공구 교환 없이 수행할 필요가 있으며, 이를 위해서는 CBN이 현재로서는 최선의 선택이라고 할 수 있다.
절삭 속도의 상승에 따라 공구 수명이 증가하며, 4000 m/분에서도 절삭이 가능하고, 세라믹에 비해 강도가 높아 보다 안정적이며 신뢰성이 높다.
현재 사용되고 있는 CBN 공구는 결합재 속에 CBN이 분리되어 있는 다결정 형태가 대부분이며, 결합재는 주로 내열성이 높은 세라믹 재료 (TiN, TiC, Al2O3 등)가 사용된다.
결합재
주요 용도
TiC, Al2O3
- 주철, 철계 합금강
Co 합금
- 단속절삭
TiN, Al2O3, 기타
- 경화강의 단속절삭
세라믹 공구에 비해서는 항절력이 강하지만, 초경에 비해 약하므로 네거티브 랜드 등의 날끝 처리로 날끝 강도를 높여 사용하는 것이 일반적이다.
보통 -5도 정도의 음의 경사각, 5~9도 정도의 여유각으로 제작 사용된다.
CBN 공구의 재연삭성은 별로 좋지 않아, 어느 정도의 치핑은 불가피하므로, 보다 작은 날끝 처리나 날카로운 절삭날 필요시는 #800 이하의 미립자 숫돌로 가공해야 된다.
1500℃에서 8GPa의 고온 고압을 유지할 수 있는 장비를 사용하여 boron nitride를 육각형 구조에서 diamond에 근사한 구조로 변형시키고, 결합제인 metal과 boron nitride를 충분히 혼합하여 고온 고압하에서 필요한 형태로 소결한다.
CBN은 diamond와 같이 강성이 크고, 경도는 diamond 다음으로 carbide의 것의 20~30배 정도이다.
CBN의 가장 큰 장점은 공기 중에서 1000℃ 이상의 고온에서 경화강과 장시간 접촉해도 안정하고 강을 고속으로 절삭해도 급속한 반응이 없다는 것이다.
* diamond와 CBN의 온도에 대한 경도비교
< diamond >
다이아몬드는 현존하는 공구 재료 중 경도가 가장 높은 재료이다,
철계 재료에 적용할 수 없는 단점이 있으나, 비철 금속이나 비금속 재료의 고속 경면 가공에는 다른 공구 재료에 비해 훨씬 뛰어나다.
diamond tip 공구는 절삭가공하기 곤란한 연성재료를 경부하 에서 연속 절삭하여 고정도 표면다듬질과 같은 특수한 목적에 사용되어 왔으며, 특히 단결정인 천연 diamond는 경도가 크고 절인이 예리하고 절인의 조도가 작기 때문에 정밀절삭용 공구재료에 유리한 조건을 갖추고 있다.
그러나 diamond는 취성이 크기 때문에 인선의 강도를 고려하여 경사각을 작게 하여야 하고, 중 절삭을 할 수 없는 등, 연마에 전문성이 요구되는 단점이 있다.
*diamond의 일반적 성질
①. 알려져 있는 물질 중에서 경도가 가장 크다(HB 7000 정도).
②. 열팽창계수가 적다.
③. 열전도율이 크다(강의 2배 정도).
④. 도전성(導電性)이 좋지 않다.
⑤. 공기 중에서 816℃로 가열하면 연소하여 CO₂로 된다.
(특히 철합금의 절삭에는 화학반 응 때문에 부적합하다.)
⑥. 금속에 대한 마찰계수가 적다.
⑦. 내열성, 구성인선 없다. (절삭면 양호)
⑧. 잔류응력이 작고, 절삭 면에 녹이 없다.
일반적으로 단결정 다이아몬드와 다결정(소결) 다이아몬드의 2가지 형태로 제작되며, 요즘은 CVD 다이아몬드도 실용화 되어 있다.
1) 단결정 다이아 몬드 (SCD : Single Crystalline Diamond )
합성 단결정 다이아몬드는 입자 크기를 수 mm로 만들기 어려워, 아직은 사용 실적이 저조하며, 주로 자연산 다이아몬드가 사용된다.
비철 금속이나 수지의 경면 가공에서는 다른 공구 재료에 비해 월등한 특성을 가지며, 비철금속의 경면 가공시 1~2 마이크로인치의 표면 조도 수준까지 가능하다.
이방성 재료이므로 방향에 따라 내마모성과 벽개성이 다르다.
2) 다결정 다이아몬드 (PCD : Poly Crystalline Diamond )
일반적으로 초경 합금 위에 다이아몬드층이 소결된 형태로 제작되며, 소결 다이아몬드라고도 한다.
다이아몬드 미세 분말을 초고온, 초고압 하에서 소결하여 제조하며, 아주 작은 다이아몬드 입자의 집적체이므로 이방성은 없다.
비철금속, 비금속, 고경도 재료 등의 절삭 공구로 폭넓게 사용되고 있다.
다이아몬드 입자 크기와 내마모성, 항절력은 상관 관계를 가지며, 단속 절삭을 포함하는 가공이나, 고품위의 절삭면이 요구되는 가공에서는, 입도 3㎛ 정도의 미세 입자 소결 공구를 사용한다.
수용성 절삭유제를 사용하는 경우가 많으나, 건식 절삭할 경우도 공구 마모는 별로 영향을 받지 않는다.
비철금속 경면 가공 시 10 마이크로인치 수준의 표면 조도 수준까지 가능하다.
3) CVD 다이아몬드 (화학 증착 : Chemical Vapor Deposition)
세라믹이나 초경 접착기판의 윗경사면(Rake)과 여유면(Flank) 표면에 다이아몬드를 코팅한 형태, 또는 CVD 다이아몬드 팁을 접착기판에 경납땜한 형태로 제작된다.
주로 PCD(다결정 다이아몬드)의 대체품으로 사용되지만, 다이아몬드 입자 크기가 작아 일반 PCD에 비해 우수한 표면 조도를 얻을 수 있다.

키워드

공구재료의 종류,   금속계,   공작기계