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[11] 절삭공구재료(교과서 p.666)

    절삭공구의 구비 조건은 다음과 같이 요약할 수 있다.

  1. 고온경도가 클 것(공구경도가 피삭재의 것의 4 ~ 5배)
  2. 인성이 클 것
  3. 마찰계수가 작을 것
  4. 내용착성(耐熔着性)이 클 것
  5. 내산화성(耐酸化性) 및 내확산성(耐擴散性) 등 화학적으로 안정성이 클 것
  6. 가격이 저렴하고, 구입이 용이할 것

주로 사용되어 온 공구재료를 소개하면 다음과 같다.

(1) 탄소공구강(炭素工具鋼; carbon tool steel):

탄소공구강은 C가 0.9 ~ 1.5% 정도의 고탄소강으로서 주요 성분범위는 다음 표와 같고, 고온경도가 낮고 경화성이 적기 때문에 상대적으로 저속에서 절삭단면적(절삭깊이×이송)이 작은 경우에 사용된다.

(2) 합금공구강(合金工具鋼; alloyed tool steel):

합금공구강은 탄소공구강과 같이 고탄소를 함유하고 있고, 단지 경화능(硬化能)을 향상시키기 위하여 탄소공구강에 W, Cr, Mo, V, Ni 등을 1종 또는 그 이상 첨가한 것으로서 주요 성분범위는 다음 표와 같다.

(3) 고속도강(高速度鋼; high speed steel, H.S.S.):

고속도강은 1900년경에 Taylor와 White에 의하여 개발되었으며, C가 0.7 ~ 1.5% 정도인 탄소강에 W, Cr, V, Mo 등의 금속원소를 합금시킨 일종의 합금공구강으로서 널리 사용되고 있고, 특히 충격을 받는 단속절삭(斷續切削)에 많이 사용되는 공구재료이다. 개발 당시에는 고온경도가 커서 고속절삭에 적합한 공구재료라 하여 붙여진 이름이나, 보다 고온경도가 큰 공구재료가 개발되어 사용되고 있는 현 시점에서는 본래의 의미는 퇴색되었지만 아직도 많이 사용되고 있으며, 다음은 대표적인 고속도강의 성분 예이다.

(4) 초경합금(超硬合金; cemented carbide):

WC, TiC, TaC 등의 고용융점, 경질탄화물의 분말에 Co 분말을 결합제로 혼합하여 Co의 용융점 부근(1300 ~ 1700oC)에서 소결(燒結)시키는 분말야금법에 의하여 만들며, 고온경도가 크다. 오늘날 절삭공구로 상용되는 초경합금 중에는 Co를 결합제로 사용한 WC로 된 C급은 주로 주철과 비철의 절삭공구에 사용되고, Co를 결합제로 한 WC, TiC, TaC로 된 S급은 주로 강의 절삭에 사용된다.
초경합금의 특성을 정리하면 다음과 같다.

  1. 넓은 온도범위에서 높은 경도를 갖는다.
  2. 강성(剛性)이 크며 탄성계수가 강의 3배 정도이다.
  3. 350kg/cm2 의 높은 응력에서도 소성유동이 나타나지 않는다.
  4. 강에 비하여 열팽창이 적다.
  5. 열전도도가 높다(특히 C급에서).
  6. 저속에서 응착성이 크다.

(5) ceramics:

공구재료로 사용되는 ceramics은 89~99%의 Al2O3와 SiO2, MgO, Cr, Ni, 기타의 소결산화물(燒結酸化物)로 되어 있다. ceramic 공구는 다른 공구재료에 비하여 다음과 같은 장·단점을 갖고 있다.

장점

  1. 고온경도가 커서 내용착성과 내마모성이 크며, 초경합금공구의 2 ~ 5배의 고속절삭이 가능하다.
  2. 고경도 피삭재의 절삭이 가능하다.
  3. ceramics는 비금속재료이기 때문에 금속피삭재와 친화성이 적어 고품질의 가공면이 얻어진다.

단점

  1. 충격저항이 낮아 단속절삭에서 공구수명이 짧다.
  2. 강도가 낮아 중절삭(重切削)을 할 수 없고, chip breaker의 제작이 곤란하다.

보충(10매, chip breaker)


(6) diamond:

diamond tip 공구는 절삭가공하기 곤란한 연성재료(延性材料)를 경부하(輕負荷)에서 연속절삭하여 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, 중절삭을 할 수 없는 등의 단점이 있다.
diamond의 일반적 성질을 정리하면 다음과 같다.

  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 화학반응 때문에 부적합하다.
  6. 금속에 대한 마찰계수가 적다.

(7) CBN(cubic boron nitride):

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

(8) cermet:

cermet은 ceramics와 metal의 복합어로서 ceramics의 취성을 보완하기 위해서 개발된 내화물과 금속으로 된 복합체의 총칭으로, 독일에서 1938년에 Al2O3 분말에 철분을 20 ~ 30%를 혼합한 것을 수소 분위기에서 소결하여 만들었다. cermet은 강도면에서는 초경합금보다 낮으나 ceramics의 2배 정도로서 큰 편이고, 열의 변화에 안정되고 고온에서 creep 강도가 크나 금속 결합제를 사용하기 때문에 고온경도가 낮아 ceramics에 비해 절삭속도가 낮다.
cermet의 종류를 들면 다음과 같다.

  1. 산화물계(oxide base cermets): Al2O3, ZrO2, ThO2, BeO, Cr2O3, MgO
  2. 탄화물계(carbide base cermets): TiC, ZrC, Cr3C2, B4C, BeC, TaC, SiC, NbC
  3. 붕화물계(boride base cermets): TiB2, ZrB2, CrB2
  4. 질화물계(nitride base cermets): TiN, TaN
  5. 기타 규화물(硅化物)에는 TiSi2, MoSi2, WSi2와 화합물의 Co, Ni, Cr, Fe, Mo, Si, Nb 등의 금속과 조합에 의한 많은 소결체가 있다.

(9) 피복공구(被服工具; coated tool):

열전도도가 크고 강인(强靭)한 WC-Co 급 절삭공구 tip의 경사면에 TiC, TiN 및 Al2O3를 두께 0.25mm 정도 분말야금학적 기술로 피복한다. 이와 같이 피복된 공구는

  1. 내마모성이 우수하다.
  2. 피삭재와의 고온 반응이 낮다.
  3. 내산화성이 우수하다.
  4. 내부 초경합금으로 유입되는 열이 적게 된다.

따라서

  1. 절삭속도를 증대시킬 수 있다.
  2. 가공면의 표면조도를 향상시킨다.
  3. 공구수명을 증대시킨다.
  4. 생산성을 향상시킬 수 있다.
  5. 특히 강, 주철, 비철금속의 다듬질 절삭에 많이 사용된다.

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