초경질 절삭공구 (Superhard Cutting Tools)
1. 서언
알루미나, 다이아몬드소결체, cBN소결체등 세라믹재료의 출현으로 절삭가공의 고속화가 비약적으로 발전하였다. 난 절삭 가공물의 증가에 의한 초경질 절삭공구의 개발도 진행될 것이다. 초경질 절삭공구를 구성하는 세라믹재료는 기계가공의 발전을 지탱하는 원자재로서 중요한 위치를 차지하고 있다. 이러한 초경질재료의 최근의 발전과 향후의 전망을 요약한다.
2. 다이아몬드 절삭공구
다이아몬드는 물질 중 가장 단단하고 열전도율이 높으며 그 단결정은 날카로운 날을 얻을 수 있어 비철재료의 초정밀가공에 매우 적합하다. 미국 GE사의 다이아몬드 합성 발표 후 지난 30년간 공업적으로 분말형태의 미세한 결정밖에 합성되지 않았던 다이아몬드가 현재는 수 mm의 대형 고순도 단결정 생산이 가능하게 되었다.
이러한 합성 다이아몬드 단결정은 레이저 창, 광자기디스크, 광학렌즈, 금형 등의 초정밀 절삭가공에 실용화되어, 전자산업과 광기술 등 첨단산업분야의 기반을 지탱하고 있다.
다이아몬드 소결체는 합성 다이아몬드분말을 코발트 등의 바인더를 사용하여 성형된 다이아몬드가 약 5만 기압의 초고압과 천 수백도의 고온에서 소결된 것으로 1975년 미국 GE사에서 개발되었다. 이 다이아몬드 소결체는 비철금속과 비금속재료의 절삭에 뛰어난 내마모성을 나타내고, Al-Si 합금과 초경질합금, 강화 플라스틱 등의 난가공물의 고정밀도, 고효율 절삭공구로서 활용됨으로서 지금은 비철금속, 비금속 가공분야에서는 없어서는 안될 공구로 발전하였다.
앞으로도 각종제품의 경량화, 소형화와 고기능화에 따르는 난 가공물을 보다 높은 수준의 정밀도로 가공하는 요구가 많아질 것이 예상되므로 이 다이아몬드 소결체 공구에 대한 기대는 크다. 그러나 금속 바인더를 함유하고있어 내열온도가 700℃정도로 낮고, 용도와 사용조건이 제한된다. 최근 비철금속 촉매에 의한 소결과 무바인더(binderless) 등에 의하여 내열성이 뛰어난 고강도 소결체의 연구개발이 진행되고 있다.
3. cBN 절삭공구
다이아몬드에 다음가는 경도, 열 전도율을 갖는 cBN은, 철계통의 재료와의 반응성이 적고 열에 대한 화학적 안전성이 다이아몬드보다 뛰어나다. 때문에 다이아몬드에서는 불가능했던 철계통의 금속가공을 할 수 있는 공구재료로서 주목되어왔다. cBN은 천연으로 존재하지 않고 다이아몬드와 같은 고온, 고압조건에서 인공적으로 합성된다.
합성된 분말상태의 cBN을 바인더를 사용하여 고온 하에서 소결한 cBN 소결체가 1970년대에 GE와 스미또모 전공에서 개발되었다. 이 cBN 소결체 공구의 출현으로 그때까지 곤란하였던 각종 철계통 고경도재료의 고속절삭이 가능하게되었다. 특히 주철(cast iron)과 각종 합금강 및 절삭용 강철 등의 가공능률이 비약적으로 향상하여 자동차산업을 비롯한 기계가공업계에 큰 기여를 하게되었다.
현재 시판되고있는 cBN 소결체는 cBN의 분말과 바인더를 혼합하여 다이아몬드의 소결과 같은 초고압, 고온의 조건하에서 제조되고 있다. 사용되는 바인더의 종류와 첨가량에 의하여 cBN 소결체의 기계적, 열적 특성이 크게 좌우되어 절삭공구로서의 성능도 많은 영향을 받는다. 공구용으로 시판되고있는 cBN 소결체는 cBN 입자가 서로 직접 결합하여 바인더가 분산되고있는 다결정 타입과 cBN 입자가 결합제중에 분산되고있는 복합형 타입으로 크게 나누어진다. 전자는 주철(cast iron)과 내열합금의 가공에서 뛰어난 성능을 나타내고 후자는 합금강에 적합하다. 어느 것이든 엔진블록, 샤프트, 베어링 등의 자동차부품 등, 철계통 경질재료의 고능률 절삭가공에 없어서는 안될 공구로서 활용되고 있다. 그러나 아직까지 연삭가공에 의존할 수밖에 없는 경질 난삭물의 가공과 고정밀도 완성가공의 용도가 증가하여 위의 특성보다 뛰어난 cBN 공구의 개발이 요구되고있다. 이에 각 공구 제조업체도 재질개발에 필사적인 노력을 기울여 신제품 개발에 주력하고 있다.
최근 바인더를 함유하지 않는 무바인더(binderless) cBN 소결체가 개발되었다. cBN 입자를 미립으로 제어한 무바인더 소결체는 고온 하에서도 높은 경도와 항석력을 갖고있고 열전도율이 높고, 열안정성도 뛰어나다. 이러한 뛰어난 기계적 특성에 기인하여 철계통 재료에 사용할 수 있는 새로운 절삭공구로서 매우 높은 경쟁력을 갖는다고 예상되며, 실제로 주철과 강의 밀링가공 실험에서 매우 뛰어난 절삭성능이 나타나는 것이 확인되고 있다. 이러한 cBN 소결체의 무바인더화, 미립화에 따라 절삭가공이 광범위한 범위에서 고속화, 고능률화가 기대된다.
4. 맺음말
기계 가공에 있어서
생산능률 향상의 동향은 더욱 높아질 것으로 예상된다. 이 고능률화의 수단으로서
절삭속도의 고속화와 새로운 가공양식의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 또 가공물
쪽에서도 강도, 내열성의 향상이 진행되어 보다 가공이 어려워지는 경향이 있다.
여기에 대응하기 위한 공구로서는 cBN 소결체 등의 초 경질재료가 가장 유력하고
그 재질개발의 동향이 주목된다. 특히 바인더가 없는 소결체의 출현이 기대된다.
예를 들면 고강도 binderless 소결체는 종래에 없는 초고속 절삭가공과 복합 NC 가공기를
사용한 새로운 절삭가공에도 응용할 수 있는 가능성이 있어 차세대 절삭공구로서
주목할만한 신소재이다.
2000년 6월 19일 김영욱