공구 재료는 주로 공구의 절삭 부분의 재질을 말합니다. 공구의 성능은 가공 품질, 절삭 효율, 공구 수명에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 새로운 공구 재료를 합리적으로 적용하면 생산성, 가공 품질 및 경제적 이점을 효과적으로 개선할 수 있을 뿐만 아니라 가공하기 어려운 일부 재료를 가공하는 핵심 공정이 되는 경우가 많습니다.
I. 도구 재료의 성능 요구 사항
1. 높은 경도
공구는 공작물에서 금속층을 제거해야 하므로 공구 재료의 경도가 공작물 재료의 경도보다 커야 합니다. 일반적으로 공구 재료의 실온 경도는 60HRC보다 높아야 합니다.
2. 높은 내마모성
공구 재료는 공작물과 칩의 마모에 견딜 수 있는 높은 내마모성을 가져야 합니다. 이 성능은 공구 재료의 경도와 화학적 구성 및 미세 구조에 따라 달라집니다.
공구 재료의 경도가 높을수록 내마모성이 향상되고, 공구 재료에 내마모성 합금 탄화물이 많을수록 입자가 더 미세하고 균일하게 분포할수록 내마모성이 향상됩니다.
3. 충분한 강도와 인성
절삭하는 동안 공구는 다양한 응력, 충격 및 진동에 노출됩니다. 치핑과 파손을 방지하려면 공구 재료가 충분한 강도와 인성을 가져야 합니다.
4. 높은 내열성
내열성은 공구 재료가 고온 조건에서 실온 경도, 강도 및 인성을 유지하는 능력을 말합니다. 고온 경도 또는 고온 경도로도 표현할 수 있습니다. 내열성이 우수할수록 허용되는 허용 절단 속도 가공에서. 이는 공구 재료 성능의 핵심 지표입니다.
5. 좋은 작업성
제조를 용이하게 하려면 공구 재료는 가공성, 연삭성, 단조성, 용접성, 열처리 특성 등 작업성이 우수해야 합니다. 또한 자원이 풍부하고 비용이 저렴한 공구 재료를 가능한 한 많이 사용해야 합니다.
II. 도구 재료의 유형
공구 재료에는 주로 공구강(비합금 공구강 및 합금 공구강), 고속강, 초경합금, 세라믹 재료 및 초경 공구 재료가 포함됩니다. 주요 물리적 및 기계적 특성은 표 1에 나와 있습니다.
표 1 다양한 도구 재료의 물리적 및 기계적 특성
| 머티리얼 유형 | 재료 경도 | 재료 굽힘 강도 /GPa | 재료 충격 인성 /(kJ/m2) | 재료 열 전도성 /[W/(m-K1)] | 소재 내열성 /℃ | |
| 비합금 공구강 | 60~65HRC 81.2~83.9HRA | 2.45~2.74 | 67.2 | 200~250 | ||
| 고속 공구강 | 63~70HRC 83~86.6HRA | 1.96~5.88 | 98~588 | 1.67~25 | 600~700 | |
| 합금 공구강 | 63~66HRC | 2.4 | 41.8 | 300~400 | ||
| 경도 합금 | YG6 | 89.5HRA | 1.45 | 30 | 79.6 | 900 |
| YT14 | 90.5HRA | 1.2 | 7 | 33.5 | 900 | |
| 세라믹 | Al2O3 AM | >91HRA | 0.45~0.55 | 5 | 19.2 | 1200 |
| Al2O3+T1C T8 | 93~94HRA | 0.55~0.65 | ||||
| Si3N4 SM | 91~93HRA | 0.75~0.85 | 4 | 38.2 | 1300 | |
| 다이아몬드 | 천연 다이아몬드 | 10000HV | 0.21~0.49 | 146.5 | 700~800 | |
| 다결정 다이아몬드 복합 블레이드 | 6500~8000HV | 2.8 | 100～108.7 | 700~800 | ||
| 입방정 질화 붕소 | 소결 바디 | 6000~8000HV | 1.0 | 41.8 | 1000~1200 | |
| 입방정 질화 붕소 복합 블레이드 FD | ≥5000HV | 1.5 | >1000 | |||
1. 고속 공구강
고속 공구강의 전체 이름은 고속 합금 공구강으로, 백강 또는 샤프강이라고도 합니다.
고속 공구강은 합금 공구강에 W, Mo, Cr, V와 같은 합금 원소를 다량 첨가한 고합금 공구강입니다. 이러한 합금 원소는 탄소와 함께 고경도 탄화물을 형성하여 고속 공구강에 뛰어난 내마모성을 부여합니다.
텅스텐 원자와 탄소 원자는 강한 결합력을 가지고있어 강철의 고온 경도를 증가시킵니다. 몰리브덴의 역할은 기본적으로 텅스텐의 역할과 동일하며 탄화물 입자를 정제하고 강철의 탄화물 불균일성을 줄이고 강철의 인성을 향상시킬 수 있습니다.
고속 공구강은 전반적인 성능이 우수하고 적용 범위가 가장 넓은 공구 소재입니다. 굽힘 강도가 높고 인성이 좋으며 열처리 후 경도는 63~66HRC입니다. 날카로운 절삭날로 연삭하기 쉽기 때문에 생산에서 "샤프 스틸"이라고도 불립니다.
내열성은 600~660℃이며 탄소강 소재 절삭 시 절삭 속도는 약 30m/min에 달할 수 있습니다. 가공성이 우수하고 드릴, 탭, 성형 공구, 브로치 및 기어 공구와 같은 복잡한 형상의 공구를 제조하는 데 사용할 수 있습니다. 또한 탄소강, 합금강, 비철금속, 주철 등 다양한 소재 가공에도 적합합니다.
고속공구강은 절삭 성능에 따라 일반 고속공구강과 고성능 고속공구강으로 나눌 수 있습니다.
(1) 일반 고속 공구강
일반 고속 공구강은 텅스텐 계열 고속 공구강과 텅스텐-몰리브덴 계열 고속 공구강으로 나눌 수 있습니다.
텅스텐 계열 고속 공구강의 초기 일반 등급은 W18Cr4V로 전반적인 성능과 연삭성이 우수합니다. 다양한 복잡한 공구 및 마감 공구를 제조하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 텅스텐은 중요한 전략적 자원이고이 등급에는 텅스텐의 비율이 높기 때문에 현재 그 적용이 덜 일반적이며 일부 선진국에서는 점차적으로 단계적으로 폐지되고 있습니다.
텅스텐-몰리브덴 계열 고속 공구강의 일반적인 등급은 W6Mo5Cr4V2로 전반적인 성능이 우수합니다. 몰리브덴의 역할로 인해 탄화물은 미세 입자이고 고르게 분포되어있어 굽힘 강도와 충격 인성이 텅스텐 계열 고속 공구강보다 높습니다. 또한 열가소성이 우수하여 열간 압연 공구 제조에 적합합니다. 그러나 이 소재는 탈탄에 대한 민감도가 높고 담금질 온도 범위가 좁으며 열처리 공정을 숙달하기가 어렵습니다.
W9Mo3Cr4V는 중국에서 독자적으로 개발한 고속 공구강입니다. 경도, 강도 및 열가소성은 W6Mo5Cr4V2보다 약간 높습니다. 경도와 인성이 우수하고 압연, 단조가 용이하며 열처리 온도 범위가 넓고 탈탄 감도가 낮으며 비용이 저렴합니다.
(2) 고성능 고속 공구강
고성능 고속 공구강은 화학 성분을 조정하고 다른 합금 원소를 추가하여 일반 고속 공구강보다 개선된 새로운 유형의 고속 공구강입니다. 이러한 유형의 고속 공구강은 주로 고온 합금, 티타늄 합금, 고강도 강철 및 스테인리스강과 같이 가공하기 어려운 재료를 절삭하는 데 사용됩니다.
고성능 고속 공구강에는 여러 가지 유형이 있습니다:
1) 고탄소 고속 공구강
탄소의 질량 분율이 0.9%에서 1.05%로 증가하여 강철의 모든 합금 원소가 탄화물을 형성하여 강철의 경도, 내마모성 및 내열성이 향상되지만 강도와 인성은 약간 감소합니다. 일반적인 등급은 95W18Cr4V입니다.
2) 고바나듐 고속 공구강
바나듐의 질량 분율은 3%에서 5%로 증가하며, 일반적인 등급은 W6Mo5Cr4V3입니다. 바나듐 카바이드의 함량이 증가함에 따라 고속 공구강의 내마모성이 향상되고 일반적으로 고강도 강철 절단에 사용됩니다. 그러나 이러한 유형의 고속 공구강은 일반 고속 공구강보다 연삭하기가 더 어렵습니다.
3) 코발트 고속 공구강
고속 공구강에 코발트를 첨가하면 고온 경도와 내산화성이 향상됩니다. 대표적인 재종은 W2Mo9Cr4VCo8로, 종합적인 성능이 우수하고 고온 합금 및 스테인리스강과 같이 가공하기 어려운 소재를 가공하는 데 매우 효과적입니다.
4) 알루미늄 고속 공구강
알루미늄 고속 공구강은 중국에서 독자적으로 개발한 새로운 유형의 고속 공구강입니다. 일반 고속강에 소량의 알루미늄을 첨가하여 고속공구강의 내열성과 내마모성이 향상되고 종합적인 성능이 우수합니다.
대표적인 재종은 코발트 고속 공구강의 절삭 성능을 달성하고 가공성이 우수하며 가격이 저렴하고 일반 고속 공구강에 가까운 W6Mo5Cr4V2Al입니다. 하지만 연삭성이 떨어지고 엄격한 열처리 공정이 필요합니다.
고정밀 복합 공구의 사용이 증가함에 따라 공구 비용에서 가공 비용이 큰 비중을 차지하는 반면 재료비가 차지하는 비중은 작아집니다(15% ~ 30%). 따라서 고성능 공구 재료를 사용하는 것이 경제적으로 합리적입니다. 공구 교환 비용이 높은 머시닝 센터와 같은 공작 기계의 경우 고성능 공구 재료를 더욱 많이 사용해야 합니다.
위에서 언급한 고속 공구강의 등급과 주요 기계적 특성은 표 2에 나와 있습니다.
표 2 고속강의 등급 및 주요 기계적 특성
| 등급 | 실온 경도 HRC | 굽힘 강도 σw /GPa | 충격 인성 aK /(MJ/m) | 고온 경도 HRC | ||
| 500℃ | 600℃ | |||||
| W18Cr4V W6Mo5Cr4V2 95W18Cr4V W6Mo5Cr4V3 W6Mo5Cr4V2Co8 W2Mo9Cr4VCo8 W6Mo5Cr4V2Al W10Mo4Cr4V3Al | 63~66 63~66 66~68 65~67 66~68 67~69 67~69 67~69 | 3~3.4 3.5~4 3~3.4 3.2 3.0 2.7~3.8 2.9~3.9 3.1~3.5 | 0.18~0.32 0.3~0.4 0.17~0.22 0.25 0.3 0.23~0.3 0.23~0.3 0.2~0.28 | 56 55~56 57 - - ~60 60 59.5 | 48.5 47~48 51 51.7 54 ~55 55 54 | |
2. 경질 합금
경합금은 텅스텐 카바이드(WC)와 티타늄 카바이드(TiC) 분말을 주성분으로 하고 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni)을 바인더로 하여 진공로 또는 수소 환원로에서 소결하여 만든 분말 야금 제품입니다.
경질 합금의 경도는 71~76HRC에 해당하는 89~94HRA에 이르며 내마모성이 매우 우수합니다. 내열성은 800~1000℃에 달할 수 있으며, 중 탄소강 절단 시 절단 속도는 100m/min 이상에 달할 수 있습니다. 그러나 굽힘 강도와 인성은 고속강보다 낮고 가공성은 고속강보다 약간 떨어집니다.
현재 경질 합금은 절삭 가공의 주요 공구 재료가되었으며 절삭 속도가 더 빠른 다양한 공구와 경질 합금 페이스 밀링 커터, 엔드 밀, 보링 공구, 드릴, 리머 등과 같은 복잡한 공구에도 널리 사용됩니다.
경질 합금의 성능은 주로 금속 탄화물의 종류, 함량 및 입자 크기와 바인더의 종류 및 함량에 따라 달라집니다. 경질 합금에서 탄화물 비율이 높을수록 경도가 높아지고 내마모성이 향상되며, 바인더가 많을수록 굽힘 강도가 높아집니다. 일반적으로 미세 입자 경질 합금의 강도는 같은 조성을 가진 거친 입자 경질 합금보다 낮고, 경도는 거친 입자 경질 합금보다 높습니다.
GB/T 18376.1-2008은 절삭 공구용 경질 합금을 6가지 카테고리로 분류합니다: 가공되는 재료에 따라 K, P, M, H, S, N으로 분류합니다. 다양한 사용 요건을 충족하기 위해 내마모성과 인성에 따라 01, 10, 20, 30, 40 등과 같은 두 자리 숫자로 표시되는 여러 그룹으로 나뉩니다.
표 3에는 처음 세 가지 카테고리의 분류, 그룹화 및 권장 작업 조건이 나와 있습니다. H 카테고리(H01~H30)는 주로 경질 절삭 재료 가공에, S 카테고리(S01~S30)는 주로 내열성 및 고품질 합금 재료 가공에, N 카테고리(N01~N30)는 주로 비철금속 및 비금속 재료 가공에 사용됩니다.
표 3 절삭 가공용 경질 합금의 분류, 그룹화 및 권장 작업 조건
| 그룹 | 근무 조건 | 성능 개선 방향 | ||
| 처리할 자료 | 적합한 처리 조건 | 절단 성능 | 합금 성능 | |
| K01 | 주철, 냉각 주철, 숏칩 가단 주철 | 선삭, 선삭 마무리, 밀링, 보링, 스크래핑 | ← 절단 속도-이송 속도 → | ← 내마모성-인성 → |
| K10 | 브리넬 경도 220 이상의 주철, 짧은 칩 가단성 주철 | 선삭, 밀링, 보링, 스크래핑, 브로칭 | ||
| K20 | 브리넬 경도가 220 미만인 회색 주철, 짧은 칩 가단 주철 | 중간 절삭 속도와 가벼운 하중에서 선삭, 밀링, 보링 등 황삭 및 반정삭 가공에 사용됩니다. | ||
| K30 | 주철, 짧은 칩 연성 주철 | 절삭 각도가 크고 인서트의 인성이 필요한 불리한 조건에서 선삭, 밀링, 평면 가공 및 홈 가공에 사용됩니다. 특정 요구 사항 | ||
| K40 | 주철, 짧은 칩 연성 주철 | 낮은 절삭 속도와 큰 이송 속도로 열악한 조건에서 거친 가공에 사용됩니다. | ||
| P01 | 강철, 주강 | 높은 절삭 속도, 작은 칩 섹션, 무진동 조건에서 선삭 및 보링 마무리 가공 | ||
| P10 | 강철, 주강 | 높은 절삭 속도와 중소형 칩 섹션 조건에서 선삭, 프로파일 선삭, 나사산 가공 및 밀링 작업 | ||
| P20 | 강철, 주강, 긴 칩 연성 주철 | 중간 절삭 속도 및 중간 칩 섹션 조건에서 선삭, 프로파일 선삭 및 밀링, 작은 칩 섹션의 평면 가공 | ||
| P30 | 강철, 주강, 긴 칩 연성 주철 | 중간 또는 낮은 절삭 속도와 중간 또는 큰 칩 섹션의 불리한 조건에서의 선삭, 밀링, 평면 가공 및 가공 | ||
| P40 | 강철, 모래 구멍과 기공이 있는 주조 강철 | 낮은 절삭 속도, 큰 절삭 각도, 큰 칩 섹션 및 불리한 조건에서 자동 기계의 선삭, 평면 가공, 홈 가공 및 기계 가공 | ||
| M01 | 스테인리스 스틸, 페라이트강, 주강 | 무진동 조건에서 높은 절삭 속도, 작은 하중, 미세 선삭 및 미세 보링 | ||
| M10 | 스테인리스 스틸, 주강, 망간강, 합금강, 합금 주철, 연성 주철 | 중간 또는 높은 절삭 속도, 중간 또는 작은 칩 섹션 조건에서 선삭하기 | ||
| M20 | 스테인리스 스틸, 주강, 망간강, 합금강, 합금 주철, 연성 주철 | 중간 절삭 속도 및 중간 칩 섹션 조건에서의 선삭 절단, 밀링 | ||
| M30 | 스테인리스 스틸, 주강, 망간강, 합금강, 합금 주철, 연성 주철 | 중간 또는 높은 절삭 속도와 중간 또는 큰 칩 섹션 조건에서 선삭, 밀링 및 평면 가공하기 | ||
| M40 | 스테인리스 스틸, 주강, 망간강, 합금강, 합금 주철, 연성 주철 | 선삭, 절삭 및 헤비 밀링 | ||
다음은 절단에 일반적으로 사용되는 몇 가지 경질 합금을 소개합니다:
(1) K형 경질 합금
Co를 바인더로 사용하거나 소량의 TaC와 NbC를 첨가한 WC를 기반으로 한 합금입니다. 주로 주철, 냉각 주철, 쇼트 칩 가단 주철, 회주철 등과 같은 쇼트 칩 재료 가공에 사용됩니다. 일반적인 등급으로는 K01, K10, K20, K30, K40 등이 있습니다.
10, 20, 30, 40으로 등급이 높아질수록 코발트 함량이 증가하여 강도는 높아지지만 경도, 내열성, 내마모성이 낮아져 거친 가공에 적합합니다. 반대로 텅스텐 카바이드의 함유량이 많을수록 경도, 내열성, 내마모성은 높아지지만 강도는 낮아져 미세 가공에 적합합니다.
(2) P형 경질 합금
TiC와 WC를 기본으로 하고 Co(Ni+Mo, Ni+Co)를 바인더로 사용하는 합금입니다. TiC의 존재로 인해 강철과의 결합 온도와 확산 방지 기능이 향상됩니다. 주로 강철, 주강, 긴 칩 가단 주철 등과 같은 긴 칩 재료를 가공하는 데 사용됩니다.
일반적인 등급으로는 P01, P10, P20, P30, P40 등이 있습니다. 코발트 함량이 순차적으로 증가하여 강도는 높아지지만 경도, 내열성, 내마모성이 낮아져 거친 가공에 적합합니다. 반대로 TiC 함유량이 많을수록 경도, 내열성, 내마모성은 높아지지만 강도는 낮아져 미세 가공에 적합합니다.
(3) M형 경질 합금
Co를 바인더로 하는 WC를 기본으로 소량의 TiC(TaC, NbC)를 첨가한 합금입니다. 일정량의 희귀 금속 TaC(NbC)가 첨가되어 굽힘 강도, 피로 강도, 충격 인성뿐만 아니라 고온 경도, 강도, 내산화성, 내마모성이 향상됩니다.
일반적인 등급에는 M01, M10, M20, M30, M40 등이 있습니다. M형 경질 합금은 범용 합금으로 스테인리스강, 주강, 망간강, 연성 주철, 합금강, 합금 주철 등의 가공에 사용할 수 있습니다.
3. 기타 도구 자료
(1) 도자기
세라믹 공구 재료는 고압에서 형성되고 고온에서 소결된 인공 화합물로 만들어집니다. 91~95HRA의 경도, 최대 1200℃의 내열성, 우수한 화학적 안정성, 금속과의 낮은 친화성을 가지고 있습니다. 경질 합금에 비해 절삭 속도를 3~5배까지 높일 수 있습니다.
그러나 가장 큰 단점은 굽힘 강도가 낮고 충격 인성이 낮다는 것입니다. 주로 연속 절단 중 강철, 주철 및 고경도 재료(예: 담금질 강철)의 반정삭 및 마감에 사용됩니다.
(2) 다이아몬드
다이아몬드는 천연 다이아몬드와 합성 다이아몬드로 나뉘며, 둘 다 탄소의 동소체입니다. 천연 다이아몬드는 가격이 비싸서 거의 사용되지 않습니다. 합성 다이아몬드는 고온, 고압에서 흑연으로 만들어지며 경도는 10000HV입니다.
다이아몬드 공구는 비철금속 및 합금, 세라믹 및 기타 고경도, 고내마모성 소재를 정밀하게 절삭할 수 있습니다. 그러나 철과의 화학적 안정성이 좋지 않아 철 소재 가공에는 적합하지 않습니다. 열 안정성도 떨어지며 온도가 800℃에 도달하면 다이아몬드 공구는 공기 중에서 탄화되어 빠르게 마모됩니다.
(3) 입방정 질화 붕소
입방정 질화 붕소는 촉매를 첨가하여 고온, 고압에서 인공적인 방법으로 합성합니다. 경도는 8000~9000HV, 내열성은 1400℃입니다. 주로 고온 합금, 경화강 및 냉간 주철 재료의 반가공 및 마감에 사용됩니다.
III. 공구 재료의 표면 코팅
공구 재료의 인성과 경도는 일반적으로 균형을 이룰 수 없기 때문에 대부분의 공구 재료의 수명은 주로 마모에 의해 영향을 받습니다. 최근에는 이 문제를 적절히 해결하기 위해 표면 코팅 처리 방법이 채택되고 있습니다.
공구 재료의 표면 코팅은 고속 강철 및 견고한 초경합금 재료로 만들어진 공구에 적용됩니다. 화학 기상 증착 및 진공 스퍼터링과 같은 방법을 통해 공구 표면에 매우 얇은(5~12μm) 고경도, 고내마모성, 내화성 금속 화합물인 티타늄 카바이드(TiC) 또는 티타늄 질화물(TiN) 층을 증착하여 황금빛 노란색 표면 코팅을 형성합니다.
코팅의 높은 경도와 낮은 마찰 계수로 인해 공구의 내마모성이 향상됩니다. 코팅은 또한 산화 방지 및 접착 방지 특성을 가지고 있어 공구 마모를 지연시킵니다. 따라서 절삭 속도를 30%에서 50%로 높일 수 있으며 공구 수명을 여러 번 연장할 수 있습니다.
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