공구 재료와 절삭특성

1. 공구 재료의 구비 조건
  공구는 절삭 시 국부적인 높은 압력과 온도가 발생되며 이로 인한 마멸에 대응할 수 있는
  여러 조건을 갖추어야 하며, 그 특성에 맞는 적절한 재료의 공구를 선택해야 한다.

공구재료의 구비조건은      1) 일감보다 경도가 높고 인성이 있을 것.      2) 고온에서도 경도가 감소되지 않을 것.      3) 내마모성(wear resistance)이 클 것      4) 내용착성 , 내산화성 , 내확산성이 클 것      5) 마찰계수(coefficient of friction)가 작을 것      6) 조형이 쉽고 가격이 저렴 할 것.

                           공구 재료의 비교 (Comparison of Tool Materials)

2. 공구 재료의 물성 (Physical Properties of Tool Materials)

    주) PCD : Polycrystalline Diamond, 다결정 다이아몬드
        CBN : Cubic Boron Nitride (입방정 질화붕소)

3. 탄소 공구강 (Carbon Tool Steel)
  3.1 조성
      0.90 ~ 1.50% C의 탄소강을 담금질하여 경화 시킴.
  3.2 특징
      1) 고온경도가 적어 저온(300℃ 이하)에서 사용
      2) 저속절삭용, 총형 바이트, 수공구 등에 이용

4 합금 공구강(Alloy Tool Steel)
   4.1 조성
     탄소 공구강에 Cr , W , Ni , V 등의 합금원소를 첨가하여 경화능을 개선한 것.
   4.2 특징
      ① 저속 절삭용 공구로 450℃까지 사용이 가능
      ② 탄소공구강에 비해 절삭 성능이 좋고 고온경도가 높다.

5. 고속도강 (High Speed Steel, 하이스)
   5.1 탄소 공구강에 W, Cr, V, Mo 등을 첨가하여 고온경도를 향상 시킨 것.
     - 기존 탄소강은 담금질하여 경도 확보 → 300℃ 이상에서 연화,
      고속도강은 500~600℃까지 경도 유지,
     - 개발 당시 고온 경도가 커서 절삭속도 크게 향상 → 고속도강이라 명명,
     - 1858년 R. 머셋이 처음 만들었으며, 1900년 T. White 가 Cr 첨가하여 성능 향상
　

   5.2 조성

      ① 표준 고속도강
        18-4-1 (W18, Cr4, V1) 형으로써 드릴, 밀링커터, 바이트 등을 Shank에 고정하여 사용.
      ② Co계 고속도강
        표준 고속도강에 코발트(Co)를 첨가하여 경도 및 내열성을 향상시켜 중절삭용으로 사용.
      ③ Mo계 고속도강
        표준 고속도강의 텅스텐(W)를 절약하기 위해, 대신 몰리브덴을 4~10% 첨가한 것으로,
        유럽에서는 표준 고속도강의 대용품으로 널리 사용된다.

   5.3 함유원소의 영향
      1) 텅스텐(W)
        철탄화물(Fe-C)과 결합하여 복탄화물을 형성한다. 이것은 매우 단단하고 열에 의해 잘 분해되지
        않아, 높은 강도와 경도로써 고온에서 내마멸성을 유지시킨다.
      2) 크롬(Cr)
        담금질에 의한 경화능을 증대시키고 탄화물을 형성하여 경도와 인성을 준다.
      3) 바나듐(V)
        열처리 시 고온에서의 결정성장을 방지하고, 탈산, 탈가스 작용이 크다.
         Fe-V의 복탄화물은 공구의 내마모성과 고온경도를 향상 시킨다.
      4) 코발트(Co)
         재료의 내열성과 열처리 온도를 높여 고속 중절삭을 가능하게 한다.
      5) 몰리브덴(Mo)
         W의 대용으로 4~6% 첨가하여 경도와 절삭능력을 크게 하나, 탈탄을 촉진시키고 결정조직을
        크게 하는 결점이 있다.
　

    3.4 고속도강 공구의 특징
      1) 탄소 공구강 보다 높은 고온에서도 인성이 좋아 중절삭 가능. (600℃ 까지 경도 유지)
      2) 내마모성이 크며 공구수명이 탄소공구강의 2 배 이상이다.
      3) 저속, 고이송 가공에 적합

6. 초경합금(Cemented Carbide Steel)
  6.1 조성
    W , Ti , Ta 등의 탄화물 분말을 Co 또는 Ni 를 결합제로 하여 1400℃ 이상에서 소결(Sintering)한 것.
   1) 초경합금의 종류

   2) 초경 합금 적용 원료의 특성

   3) 초경 공구의 제조 공정 (Manufacturing of Cemented Carbide Tools)


　

  6.2 특징
     1) 장점

      - 사용목적에 따라 재종/형상 다양
      - 내마모성 우수 (고온경도가 높다)
      - 강성이 크며 탄성계수가 강의 3 배
      - 큰 부하 아래에서도 소성 변형이 작다.
      - 강에 비해 열팽창율이 작다.

    2)  단점.
      - 취성이 높다
      - 열전도율이 비교적 높다.
      - 저속에서 응착성이 크다.

     **  일반적으로 초경은 단점 보완을 목적으로 피복 초경합금(Coated Carbide Steel)을 사용합니다.
　

7. 피복 초경합금(Coated Carbide Steel)
  7.1 조성
    초경합금을 모재로 하여 내마모성이 우수한 물질인
    탄화티탄(Tic), 질화티탄(TiN), 산화알루미늄(AL₂O₃) 등을
    3 ~ 20 μm 정도 얇게 피복한 것.

  7.2 특징
    1) 내열성, 내마모성, 내용착성이 우수하여 일반 초경합금에 비해 2 ~ 5 배의 공구수명이 증대된다.
       (외부(코팅) --> 고경도, 내부 (초경모재) : 인성 확보)
    2) 고온, 고속절삭에서 우수한 성능을 갖는다.
  7.3 피복 특성
    1) Al₂O₃ 피복
        고속 절삭 시 발생되는 열에 대해 화학적, 물리적으로 안정되어 용착 마모나 크레이터 마모에
        높은 내마모성을 가짐.
    2) Ti (C, N) 피복
        높은 밀착강도를 갖게 하고 윤활작용이 있어 구성인선의 발생을 억제하고, 내마모성과 인성을 가짐. 

    3) 코팅 재료의 종류 및 특성 (Properties of Coating Materials)

   7.4 코팅 재료의 구비 조건
     

8. 서멧(Cermet)
  8.1 조성
     세라믹(Ceramics)과 금속(metal)의 합성어(Cermet = Ceramic + Metal) 로 탄화물, 산화물, 질화물
     등의 분말과 철분을 혼합한 것을 소결한 절삭공구로써, TiC 를 주성분으로 한 것은 고온에서의
     강도 및 마찰저항이 우수하고, 열의 변화에 내성이 있어 강의 절삭에 매우 우수한 성능을 나타낸다.
     - 세라믹을 (경질입자) : TiC, TiN, WC, TaC
     - 결합재 : Ni, Mo, Co 등의 금속과
     ※ 참고: 초경합금(WC+Co)도 엄밀히는 서멧에 속하지만,
       일반적으로 공구재료에서는 WC의 성분이 주종이 아닌 경우에만 서멧으로 구분.

   8.2 특징
      ① 마모가 적어 공구 수명이 길다.
      ② 고속, 저속 등 절삭의 속도범위가 넓다.
      ③ 구성인선의 발생이 적고 가공 정도가 높다.
      ④ TiN은 내충격성이 우수하다.
      ⑤ 중절삭 시 인선의 소성변형과 치핑의 우려가 있다.
        (치핑 방지를 위해 인선 호닝 처리 )

9. 주조합금(Cast Alloy Tool Steel)
   9.1 조성
      Co, W, Cr, C 등을 주조하여 만든 합금으로 스텔라이트(Stellite)가 대표적이며, 주조로 성형한
      것을 연삭으로 다듬질하여 사용하며, 금속 절삭에는 널리 사용되지 않는다.
     (스텔라이트 : C 2~4% , Cr 15~3% , W 10~17% , Co 40 ~ 50%)

   9.2 특징
      ① 초경합금과 고속도강의 중간 성능을 갖는다.
      ② 단조나 열처리가 되지 않으면서도 매우 단단하다.
      ③ 850℃까지 경도가 유지되나 취성이 있고 값이 비싸다.
      ④ 절삭 날을 연강 자루에 전기용접이나 경납땜을 하여 사용한다.
　

10. 세라믹(Ceramics)
  10.1 조성
     알루미나(Al₂O₃ ) 분말에 규소 및 마그네슘 등의 산화물이나 다른 산화물의 첨가물을 넣고
     소결한 것으로, 최근에 많은 종류가 개발되어 절삭성능이 높아지고 있다.
  10.2 종류 및 용도

   10.3 특징
     1) 초경합금, Cermet 대비 고온경도가 높고 내마멸성이 크다.
     2) 고속 절삭 시 구성인선이 생기지 않아 가공면이 좋다.
         (열처리강, Chilled Iron 등 고경도 난삭재 및 주물 등 폭넓은 적용)
     3) 땜(Cementing)이 곤란하여 고정용 홀더 나 접착제를 사용한다.
     4) 초경합금보다도 취성이 크며, 진동, 충격에 약하다.
     5) 절삭 열에 대해 냉각제를 사용하지 않는다.(백색계)
     6) 칩 브레이커(Chip Breaker) 제작이 불가능하다.

      세라믹 공구의 특성 (Properties of Cermic Cutting Tools)

종류	밀도 (g/cm3)	경도 (HRA)	영률 (kg/mm2)	항절력 (x103 kg/mm2 )	열팽창계수 (x 10-6/℃)	열전도율 (cal/cm ℃)	색상 (Color)
고순도 알루미나계 (Al2O3 계)	4.0	94.0	50	48	7.8	0.01
알루미나 탄화물계 (Al2O3 + TiC계)	4.3	94.5	80	50	7.9	0.05
질화규소계 (Si3N4계)	3.2	93.0	120	32	3.2	0.06

11. CBN (Cubic Boron Nitride Tool)
    PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride, 다결정 입방정 질화 붕소)
             
    11.1 조성
      CBN (육방정 질화붕소)의 미소분말을 초고온, 고압(약2000℃, 7 만 기압)으로 소결한 공구이다.

             
    11.2 특징
      1) 초경합금보다 1.5 ~ 2배의 경도를 가지며 열전도율이 높고 열팽창이 작다.
      2) 담금질강, 고속도강, 내열강 등의 난삭재의 절삭, 연삭에 우수한 성능을 갖는다.
      3) 철계 금속과 반응하지 않음

12.  다이아몬드(Diamond)

   12.1 조성
      PCD (Polycrystalline Diamond, 다결정 다이아몬드)
      인조 다이아몬드(경질재료) 분말을 세라믹 또는 금속재 (결합재)와
      고압, 고온(5~8GPa, 1,500~2,000℃)에서 소결한 재료
　

   12.2 종류

    1) 탄소(Ballas)

       -  다결정질, 밀도와 경도가 작다.
       - 공업용으로 많이 사용
      - 절삭공구로는 사용하지 않음

   2) Boart

     - 일반적으로 절삭공구로 사용
     - 단결정질이며 결함이 적다

   3) 장식용 보석 (Ornamental Stone)
      - 단결정으로 투명하나 절삭공구로는 사용하지 않는다.

   12.3 특징
      1) 지구상에서 가장 경도가 높고 1500 m/min의 고속절삭이 가능하다.
      2) 비철금속의 정밀완성가공 및 경절삭의 연속 절삭에 적합하다.
        - 철계 금속 가공 시 탈탄 현상 (다이아몬드내의 C가 빠져CO2화, 사용 안함)

      ③ 취성이 크고 가격이 비싸 일반 절삭에는 이용되지 않는다.
      ④ 열팽창이 적고 열전도율이 크다(강의 2배).
      ⑤ 마찰계수가 대단히 적다.
    12.4 다이아몬드 공구 사용 시 유의 사항.
      1) 인선 파손 시 재생이 어려우므로 취급 및 보관에 유의한다.
      2) 인선의 강도 유지를 위해 경사각을 작게 한다.
      3) 고온에서 쉽게 화학 반응 (작업온도 주의 필요)
      4) 특수 용도 외에는 사용을 제한한다.