4부: 초경합금의 분류 및 응용 분야
제11장 초경 절삭 공구 및 가공
11.0 초경 절삭 공구 및 가공
11.0.1 절단이란 무엇인가요?
절삭은 가공의 핵심 공정으로, 공구를 사용하여 공작물 소재에서 불필요한 부분을 잘라내어 원하는 모양, 크기 및 표면 품질을 얻는 공정입니다. 절삭은 공구의 날카로움과 소재의 소성 또는 취성 변형에 의존하며, 전단, 압출, 마찰과 같은 힘을 사용하여 소재 층을 점진적으로 제거합니다. 절삭 공정은 일반적으로 고속 회전 또는 이송 동작을 수반하며, 이로 인해 칩이 생성되고 금속 절삭(예: 강, 주철) 또는 비금속 절삭(예: 복합 소재)에서 서로 다른 물리적 특성을 보입니다. 절삭의 효율성과 품질은 공구 소재, 형상 매개변수, 절삭 매개변수(예: 속도, 이송률, 절삭 깊이), 그리고 공작물 소재의 경도 및 인성에 직접적인 영향을 받습니다. 절삭 가공의 핵심 공구인 초경 절삭 공구는 탁월한 성능으로 절삭 정확도, 효율성 및 공구 수명을 크게 향상시켰으며, 현대 제조에 없어서는 안 될 부분이 되었습니다.
1.0.2 초경 절삭 공구란 무엇입니까?
초경합금 절삭 공구는 초경합금을 기본 소재로 한 절삭 공구입니다. 금속 절삭, 비금속 가공, 복합 소재 가공에 널리 사용됩니다. 뛰어난 기계적 성질과 내구성으로 현대 제조 산업에서 필수적인 핵심 장비로 자리 잡았습니다. 초경합금은 초경합금(예: 텅스텐 카바이드(WC), 티타늄 카바이드( TiC) , 탄탈륨 카바이드 (TaC )) 을 경질상으로, 금속(예: 코발트 Co, 니켈 Ni)을 접합상으로 하여 첨단 분말 야금 공정(혼합, 프레스, 소결, 후가공 포함)을 거쳐 제조된 복합 소재입니다. 초경합금의 제조 공정은 고순도 원료의 정밀 배합, 진공 또는 불활성 분위기에서 고온 소결(1400~1600°C), 그리고 정밀 가공 또는 코팅 처리를 통해 재료의 균일성과 성능 안정성을 보장합니다. 초경합금의 탁월한 성능은 주로 다음과 같은 핵심 측면에서 드러납니다.
의 우수한 성능 – 높은 경도
경도 범위는 HV 1600-2500(±30)으로, 기존 고속도강(HV 800-900)이나 공구강(HV 600-700)보다 훨씬 높습니다. 이 기능을 사용하면 강철(탄소강 Q235 HV 150-250±10, 합금강 40Cr HV 200-400±10 등), 주철(회주철 HT200 HV 150-220±10, 연성 주철 QT500 HV 200-250±10 등)은 물론, 가공이 어려운 재료(티타늄 합금 TC4 HV 300-400±10, 니켈 기반 합금 Inconel 718 HV 400-500±10 등) 및 초경질 재료(다결정 다이아몬드 PCD HV >5000±50 등) 등 다양한 고경도 재료를 효과적으로 절단할 수 있습니다. 이러한 높은 경도는 고속 절삭 시 절삭날의 안정성을 유지하고, 마모로 인한 기하학적 정렬 오류를 방지하며, 공구 수명을 크게 연장합니다(적절한 작업 조건에서 최대 수백 시간). 따라서 특히 고정밀 연속 절삭 작업에 적합합니다.
시멘트 카바이드 절삭 공구의 탁월한 성능 – 뛰어난 인성
파괴인성 ( K₁c ) 은 10-20MPa·m¹/² (± 0.5)이고, 결합제 상의 코발트 함량(보통 6%-20%)을 조절하거나 미량 희토류 원소(예: Ce, La)를 첨가하여 경도와 인성 간의 동적 균형을 이룹니다 . 이 인성 특성 덕분에 절삭 공정 중, 특히 간헐 절삭(주철이나 틈새가 있는 공작물 가공), 고부하 가공(예: 심공 드릴링) 또는 간헐적 부하 조건에서 고주파 충격, 진동 및 열 응력을 견딜 수 있습니다. 또한, 입자 크기(0.5-2μm)를 최적화하거나 나노 스케일 탄화물 을 도입함으로써 재료의 균열 전파 저항성이 더욱 향상되어 복잡한 작업 조건에서 공구의 구조적 무결성이 보장됩니다.
시멘트 초경 절삭 공구의 우수한 성능 – 내마모성
마모율은 0.05 mm³ / N · m (± 0.01 mm³ / N · m) 미만입니다 . 탄화물의 높은 경도와 결합제상의 윤활 덕분에 공구는 장기 절삭 후에도 절삭 성능을 유지할 수 있습니다(수명 >10시간±1시간, 작업 조건에 따라 최대 50-100시간). 특히 고속(1000-2000 m/min±10 m/min) 또는 경질 입자(예: 연삭 휠 연마재, 세라믹 분말)가 포함된 조건에서 초경 공구는 우수한 내마모성을 보입니다. 이 내마모성은 재료 내부의 치밀한 구조(밀도 >98% 이론값)와 표면 코팅(예: TiN) 의 상승 효과에서 비롯됩니다 . Al₂O₃ , TiAlN , 두께 5-25 μm ) 이며 고속 밀링, 드릴링 및 터닝 과 같은 고부하 가공 시나리오에서 널리 사용됩니다.
시멘트 카바이드 절삭 공구의 뛰어난 성능 – 기타 성능 이점
초경합금 절삭 공구는 위의 핵심 특성 외에도 고온 산화에 대한 우수한 저항성(800~1000°C), 낮은 열팽창 계수(약 4.5~6.0×10⁻⁶/°C), 그리고 우수한 화학적 안정성(산 및 알칼리 내식성)을 가지고 있습니다. 이러한 특성 덕분에 상온에서 고온(300~800°C)까지 다양한 가공 환경에 적응할 수 있으며, 특히 항공우주(티타늄 합금 가공 등), 에너지 산업(고온 합금 블레이드 등), 전자 산업(고정밀 미세 가공 등)에 적합합니다. 또한, 최신 제조 기술(열간 등방성 성형, HIP, 레이저 표면 처리 등)을 통해 공구 내부 결함(기공 및 균열 등)을 효과적으로 줄여 수명과 신뢰성을 더욱 향상시킵니다.
초경 절삭공구의 응용 및 개발
초경 절삭 공구의 적용 범위는 강철, 주철, 난삭재, 비철 금속, 복합 소재, 초경 소재 등 다양한 가공물에 걸쳐 있습니다. 자동차 제조(엔진 부품 등), 항공우주(터빈 디스크 등), 금형 가공(스탬핑 다이 등), 전자 산업(회로 기판 드릴링 등) 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 인더스트리 4.0과 지능형 제조의 발전에 따라 초경 공구는 나노 코팅, 그래디언트 소재 등 고성능과 더불어 마모 상태를 모니터링하거나 AI를 통해 절삭 매개변수를 최적화하는 통합 센서와 같은 지능화로 전환되고 있습니다. 이러한 지능형 기술은 더 높은 효율성과 더욱 복잡한 요구 사항을 충족합니다.
11.0.3 시멘트 카바이드 절삭 공구란 무엇입니까?
초경 절삭 공구는 초경합금을 기본 소재로 사용하여 제작된 절삭 공구입니다. 뛰어난 경도, 내마모성, 그리고 인성을 갖추고 있어 금속 절삭 및 비금속 가공에 널리 사용됩니다. 이 공구는 정밀 설계, 첨단 표면 처리 공정, 그리고 형상 최적화를 통해 일반 가공부터 고정밀 및 복잡한 작업 조건에 이르기까지 다양한 요구를 충족합니다. 다음은 주요 초경 절삭 공구 유형과 그 특성, 적용 시나리오, 그리고 최적화 기술을 업계 실무 및 최신 기술 개발과 함께 종합적이고 자세하게 설명합니다.
(1) 초경 선삭 공구
는 선반 가공의 핵심 공구입니다. 공작물의 회전과 공구의 축 방향 또는 반경 방향 이송을 통해 외경, 내경, 단면, 단차, 나사산 및 복잡한 형상의 절삭이 완료됩니다. 초경 선삭 공구는 일반적으로 고경도 소재(예: YG6, YG8, YT15, YT30)로 제작됩니다. 공구 본체는 다양한 가공 요구 사항을 충족하기 위해 솔리드 초경, 용접 초경 블레이드 또는 교체 가능한 블레이드 구조를 포함합니다. 공구 경사각(5°-15°±0.5°)과 백각(6°-12°)은 절삭력과 칩 저항을 줄이고 절삭 효율을 향상시키기 위해 정밀하게 기하학적으로 최적화되었습니다. 보조 백각(1°-3°)과 절삭날 모따기(0.1-0.2mm)는 칩핑에 대한 저항력을 더욱 향상시킵니다 . 표면코팅 기술 은 PVD코팅 ( TiN , TiCN , 두께 2-5μm ) 및 CVD코팅 ( Al₂O₃ , TiAlN ( 두께 5-25 μm±0.1 μm ) 은 내열성(최대 1000°C), 내마모성, 내산화성 을 크게 향상시킵니다. 절삭 공정 중 선삭 공구는 연속 절삭의 안정적인 하중이나 간헐 절삭의 충격을 견뎌야 합니다. 사용 수명은 일반적으로 10-20시간(±1시간)이며 정확도는 <0.01 mm(±0.001 mm)에 도달할 수 있어 고정밀 부품 가공에 적합합니다. 기술적 특징으로는 절삭 속도 100-500 m/min(±10 m/min), 경도 HV 1800-2200, 파괴 인성 12-18 MPa·m¹ / ², 마모율 <0.05 mm³ / N· m가 있습니다. 자동차 산업에서 크랭크샤프트, 캠샤프트 및 커넥팅로드 가공, 금형 제작 정밀 선삭 금형 캐비티 및 스탬핑 다이 가공, 항공 부품 가공 티타늄 합금 외륜 및 알루미늄 합금 부품 가공에 널리 사용됩니다.
밀링 머신에서 여러 개의 블레이드를 사용하여 고속 절삭에 사용됩니다
. 평면, 슬롯, 단차, 측면 및 복잡한 곡면 가공에 적합합니다. 다축 머시닝 센터의 핵심 공구입니다. 초경 밀링 커터에는 엔드밀, 페이스밀, 볼엔드밀 및 프로파일 밀이 포함됩니다. 일반적으로 사용되는 재종으로는 YG10(고인성, 간헐 절삭에 적합), YT30(고내열성, 고온 조건에 적합), YW2(전반적으로 우수한 성능)가 있습니다. 엔드밀은 대부분 2~4개의 블레이드와 3~20mm 직경의 초경 구조입니다. 소직경 구멍 및 슬롯과 정밀 가공에 적합합니다. 페이스밀은 더 큰 직경(50~200mm)을 가지며 교체 가능한 블레이드 또는 일체형 디자인을 사용합니다. 4~12개의 블레이드를 가지고 있으며 대면적 평면 밀링에 적합합니다. 볼 엔드밀과 프로파일 밀은 복잡한 곡면 및 금형 가공에 사용됩니다. 형상 최적화에는 칩 배출 개선을 위한 헬릭스각(30°~45°±1°), 절삭력 감소를 위한 양의 경사각(5°~10°), 그리고 날 강도 향상을 위한 R각(0.5~2mm)이 포함됩니다. CVD 코팅(예: TiAlN ) Al₂O₃ ( 두께 10~ 25μm ) 또는 PVD 코팅(예: CrN , 두께 2~ 5μm ) 은 내열성(최대 1100°C)과 내마모성을 제공합니다. 절삭 속도는 200~1000m/min, 수명은 5~15시간, 정밀도는 0.02mm 미만이며, 기술적 특성으로는 경도 HV 1700~2100, 파괴인성 14~20MPa ·m¹ / ², 내충격성이 우수합니다. 주요 적용 분야는 알루미늄 합금 표면 및 티타늄 합금 부품의 항공우주 가공, 복잡한 표면 및 스탬핑 다이의 금형 산업 밀링, 슬롯 부품 및 기어 프로파일 가공 등입니다.
(3) 초경 드릴
초경 드릴은 기존 고속도강 드릴을 대체하는 드릴링에 사용되며, 깊은 구멍, 소구경 구멍 및 다층 소재의 드릴링에 적합합니다. 트위스트 드릴은 범용으로, YG6X(나노결정 구조, 경도 HV 1900-2000)를 사용하며, 나선각은 25°-35°±1°이고 직경 5-50mm의 구멍을 드릴링할 수 있어 범용 드릴링에 적합합니다. 딥홀 드릴(예: 건 드릴)은 YW1을 사용하며, 길이 대 직경 비율이 최대 100:1이고, 내부 냉각 채널을 통해 열 축적을 줄이고 칩을 제거하여 깊은 구멍 가공(예: 100mm 이상)에 적합합니다. 스텝 드릴은 다층 블레이드 설계를 사용하여 한 번에 다양한 직경의 스텝 구멍을 가공할 수 있으며, 금형 및 기계 부품에 널리 사용됩니다. PVD 코팅(예: TiN , TiCN ( 두께 10-15μm ) 또는 CVD 코팅(다이아몬드, 두께 5-10μm ) 은 내마모성 과 고온 저항성을 향상시키고 절삭 속도는 50-300m/min, 수명은 10-30시간, 정밀도는 <0.01mm입니다. 기술적 특징으로는 경도 HV 1800-2200, 내마모성 <0.03mm³/N· m, 우수한 고온 저항(최대 900°C)이 있으며, 자동차 부품 드릴링(실린더 블록, 커넥팅 로드 등), 전자 부품 PCB 기판 가공, 항공 구조 부품(예: 날개 조인트)의 심공 드릴링에 널리 사용됩니다. 최적화의 핵심은 마찰을 줄이고 칩 홈 설계를 최적화하여 막힘을 방지하기 위해 자체 윤활 코팅(예: MoS₂ ) 을 추가하는 것입니다.
(4) 초경 보링 공구
보링 공구는 기존 구멍 직경을 확장하거나 미세 조정하는 데 사용됩니다. 초경 보링 공구는 대부분 조절식, 일체형 또는 교체형입니다. 황삭 보링 공구는 절삭 깊이가 1~5mm인 YG8(고인성, HV 1700~1900)을 사용하여 빠른 황삭에 적합하며 공구 직경 범위는 20~150mm입니다. 정삭 보링 공구는 절삭 깊이가 0.1~0.5mm이고 정확도가 <0.005mm인 YT5(경도 HV 1750~1850)를 사용하여 고정밀 구멍 가공에 적합합니다. 공구 형상은 5~10°의 경사각(황삭 보링에는 음의 경사각 사용 가능), 2~5°의 보조 백각 및 절삭 날 이완각(0.2~0.5°)을 포함합니다. CVD 코팅(예: Al₂O₃ , 두께 10~ 20μm ) 또는 PVD 코팅(예: TiAlN ) 은 내열성과 표면 조도를 향상시킵니다. 절삭 속도는 100~400m/min이고, 수명은 15~25시간이며, 기술적 특성은 파괴 인성 12~16MPa ·m¹ /², 표면 조도 Ra <0.4μm입니다 . 주요 적용 분야 는 엔진 실린더 블록 정밀 보링(실린더 직경 정밀도 <0.01mm), 유압 부품 내부 구멍 가공(예: 펌프 본체), 금형 정밀 보링(예: 펀칭 다이)입니다.
(5) 초경 리머(Reamers)
리머는 구멍 직경의 마무리, 진원도, 공차 및 표면 마감을 개선하는 데 사용되며 대량 생산 및 고정밀 요구 사항에 적합합니다.기계 리머는 직경 범위가 5-50mm, 4-8개의 블레이드, 블레이드 길이가 직경의 1.5-2배인 YG6(경도 HV 1800-2000)를 사용합니다.조정 가능 리머는 조정 범위가 ±0.02mm인 YT 15를 사용하며 이는 구멍 직경의 미세 조정 및 다중 사양 가공에 적합합니다.기하학적 설계에는 직선 또는 나선형 블레이드(나선 각도 5°-10°), 레이크 각도 5°-8°, PVD 코팅(예: TiCN , 두께 10-15μm ) 또는 CVD 코팅(예: Al₂O₃ ) 이 포함되어 내마모성과 내점착성을 개선합니다. 절삭 속도 20-100m/min, 수명 20-40시간, 정확도 <0.002mm, 기술적 특징으로는 경도 HV 1800-2100, 내마모성 <0.02mm³/N· m이 있으며, 베어링 구멍 마감(진원도 <0.005mm), 자동차 변속기 샤프트 구멍, 정밀 기기 부품(측정 도구 구멍 등)에 널리 사용됩니다.
(6) 카바이드 브로치 :
브로치는 브로칭에 사용되며 키웨이, 치형, 랙 및 복잡한 윤곽의 대량 생산에 적합합니다. 원형 브로치는 직경 10-100mm, 10-20개, 점진적인 치 높이(0.1-0.5mm/치아)를 가진 YW2(강력한 내열성, HV 1750-2000)를 사용합니다. 평면 브로치는 너비 20-100mm, 치형 15-30개를 가진 YG10을 사용하여 평면 브로칭에 적합합니다. 기하학적 최적화에는 5°-10°의 레이크 각도, 2-5mm의 칩 홈 깊이, 충격 저항성과 내열성을 향상시키기 위한 CVD 코팅(예: TiAlN, 두께 15-20μm) 또는 PVD 코팅(예: CrN)이 포함됩니다 . 절삭 속도 는 10-50m / min 이고 , 서비스 수명은 10-20시간이고 정확도는 <0.01mm입니다. 이 제품의 기술적 특징은 14~18 MPa·m¹ /²의 파괴인성과 뛰어난 내충격성을 특징으로 합니다. 주요 적용 분야로는 기어 키웨이 브로칭(모듈 1~5), 항공 구조 부품 치형 드로잉(예: 동체 커넥터), 금형 드로잉(예: 펀칭 다이) 등이 있습니다.
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