공작기계 절삭공구재료(tool material)

절삭공구재료(tool material)

절삭 공구가 가져야 할 기계적 성질은 고온에서 경도를 오래 유지할 수 있는 성질인 고온경고, 공구의 표면 정밀도, 표면 처리 및 절삭액에 관계되는 내마모성과 공구가 잘 파손도지 않아야 하는 강인성을 가져야 하며, 가격이 싸야 한다.

 

 

(1) 절삭공구 재료의 구비 조건

① 고온경도(Hot hardness)：고온에서 경도를 유지할 수 있는 성질

② 내마모성(Resistance to wear)：피삭재의 용착성 및 경화성 등의 특성보다 공구는 사용 속도 범위에서 과도한 연마가 생기지 않는 상태에 있어야 한다.

③ 강인성(Toughness)：공구재료가 내마모성이 높고 경도가 높아야 함은 물론이나 동시에 파괴되지 말아야 한다.

④ 마찰계수(Coeggicient if friction)：사용절삭속도와 feed에 chip 공구 경사면간의 마찰계수는 작아야 한다.(공구마모 및 가공면조도에 중요)

 

(2) 공구 재료의 종류

현재 절삭 공구 재료로서 사용되고 있는 것을 분류하여 보면 탄소공구강, 합금공구강, 고속도강, 초경합금, 주조합금, 피복초경합금, 서멧, 세라믹, 다이아몬드, CBN 공구 등 다양하다.

① 탄소공구강(Cabin tool steel)

탄소공구강은 0.9～1.5%의 탄소를 함유한 고탄소강이며, 담금질하여 경도와 강도, 강성을 크게 하여 공구로 사용한다. 그러나 날끝의 온도가 200℃ 부근에 달하면 뜨임 효과를 가지게 되어 경도 저하로 사용이 불가능하게 된다.

② 합금공구강(Alloy tool steel)SKS

탄소공구강에 Cr, W, Ni, V, Co, Mo, Mn 등의 성분을 첨가한 것으로 탄소공구강보다 절삭 성능이 좋고 내마멸성과 고온 경도가 높다. 450℃ 정도까지 경도를 유지한다.

③ 고속도강(High spped steel)SKH

고속도강(High speed steel)은 0.8% 정도의 탄소강에 텅스턴(W), 크롬(Cr), 바나듐(V)을 합금시킨 것이며, 적당한 열처리에 의해 현저하게 경화되며 날이 600℃ 정도의 고온에 달하여도 절삭할 수 있어 절삭 공구에 처음으로 큰 진보를 가져왔던 공구 재료로서 현재에도 많이 사용되고 있으며, W 18%, Cr 4%, V 1%의 조성의 것은 18-4-1 표준형 고속도강이라 불리운다.

④ 주조 경질합금강(Cast Alloy tool steel)

주조 합금의 대표적인 것으로 스텔라이트(stellite)가 있다. 이것은 Co, W, Cr, C 등을 주조하여 만든 합금으로 단조나 열처리가 되지 않으면서도 매우 단단하다.

주조작업에서 성형한 것을 연삭하여 다듬질하여 그대로 사용한다.

⑤ 초경합금(cemented carbide steel, sintered carbine)

초경합금의 기본성분은 Wc(탄화텅스텐)이며 여기에 티탄(Ti), 탈탄(Ta) 등이 탄화물의 가루(분말)를 Co 또는 Ni 분말과 혼합하여 프레스로 성형한 후 1400℃ 이상의 고온에서 소결한 것이다. 초경합금은 고온, 고속절삭에서도 높은 경도를 유지하므로 절삭공구 재료로 뛰어나게 좋은 특징이 있으며 특히 탄화티탄계는 강재를 절삭하는데 좋다. 다만, 진동이나 충격을 받으면 부서지기 쉬우므로 주의해야 한다.

⑥ 서멧(cermets)

초경합금과 동일한 소결 합금이지만 Tic를 주성분으로 한 것에 cermet가 있다. 이것은 Tic를 Ni 합금(Ni- Mo, Ni-Mo-Cr)을 결합재로 하며 1,350～1,450℃ 정도로 소결한 것이며 고온경도, 내용착성, 내산화성이 초경합금보다 우수하다. 그러나, 초경합금보다 취성이 크고 또 공정점(1,250℃)이 초경합금보다 낮으므로 열영화는 낮은 온도에서 시작된다.

⑦ 세라믹(ceramic tool)

산화알루미늄(Al2O3)분발에 (순도 99.5% 이상) Si 및 Mg의 산화물 또는 다른 산화물의 첨가물을 넣고 소결한 것으로서 흰색, 분홍색, 회색, 검은색 등이 있다. Al2O3는 용융점이 1960℃이며 1100℃ 이상에서도 경도를 유지한다. ceramic 자체가 산화물인 까닭에 더 이상 산화되지 않으며 고온에서도 경도가 높고 내마멸성이 좋으며 초경합금보다 더욱 높은 속도로 절삭할 수 있으나 취약한 결점이 있다.

 

▣ceramic 공구의 특성

∙세라믹 공구는 삽입형(insert blade)으로 쓰이며, Al2O3 압축 소결된 작은 결정이고, 연삭하지 않고 사용하는 것이 보통이다.

∙취약하므로 견고히 공구자루에 고정하고 떨림이 없어야 한다.

∙고속 및 연속절삭에 적합한다.

∙절삭날의 마모가 적고 Built-up edge가 감소하므로 정밀가공에는 적합하나, 다만 절삭깊이는 깊게 하지 못한다.

 

⑧ CBN공구(Cubic Boron Nitrite tool 입방 질화 붕소)

다이아몬드 다음가는 경도를 지닌 공구로서 CBN의 미소분말을 초고온, 고압 2000℃ 7만 기압으로 소결한 공구로서 최근에 많이 사용하고 있는 소재이다. CBN는 초경합금이나 세라믹보다도 고경도, 고열전도율, 저팽창률을 가지고 있으며 다이아몬드 공구와는 달리 공기 중에서도 안정된 물질로서 철과의 반응성이 작으므로 고온에서 되는 철계금속의 절삭에는 이상적인 특성을 가지고 있다.

 

⑨ 다이아몬드(Diamond)

다이아몬드 공구는 절삭 가공하기 곤란한 연성 재료의 고정도 표면 다듬질과 같은 특수한 목적에 때때로 사용된다. 다이아몬드는 고속도이며, 금속에 대한 용착성이 적으므로 절삭시 마찰계수가 적으며 구성인선도 생기기 어렵다. 따라서 다듬질면이 양호하다. 그러나 값이 고가이며 결손의 위험이 높고 연마가 어려운 결점이 있다.

 

▣다이아몬드(diamond)의 일반적인 성질

∙알려져 있는 물질 중에서 가장 경도가 크다.(Hb：7000)

∙어떤 순수한 물질보다도 열팽창이 적다.

∙열전도율이 크다.(강의 2배 Al의 1/3배)

∙공기 중에서 815℃로 가열하면 연소하여 CO2로 된다.

∙금속에 대한 마찰계수가 적다.