고속 절삭 공구: 재료 및 다양한 응용 분야
금속을 매우 정밀하게 절삭하여 시간을 절약하고 비용을 절감한다고 상상해 보세요. 고속 절삭 공구는 바로 이러한 기능을 제공함으로써 제조업에 혁명을 일으키고 있습니다. 이 기사에서는 재료에 대해 살펴봅니다...
CNC 밀링 기계에 가장 적합한 절삭 공구를 선택하는 방법이 궁금한 적이 있으신가요? 이 문서에서는 절삭 공구 재료의 필수 특성과 유형을 살펴보고 각 선택이 생산성, 공구 수명 및 가공 품질에 어떤 영향을 미치는지 설명합니다. 마지막에는 특정 요구 사항에 적합한 절삭 공구 재질을 만드는 핵심 요소를 이해하여 금속 가공 프로젝트의 효율성과 정밀도를 모두 보장할 수 있습니다.
금속 절삭 공정에서 공구의 절삭 부분은 절삭 작업을 직접 담당합니다. 따라서 공구의 절삭 부분의 재질을 일반적으로 공구 재질이라고 합니다.
공구 재료의 합리적인 선택은 절삭 생산성, 공구 소모량 및 가공 비용, 가공 정확도 및 표면 품질 수준을 크게 결정하기 때문에 절삭 공정에서 중요한 부분입니다.
의 개발 절단 도구 공작물 재료의 개발도 촉진되고 영향을 받습니다.
오늘은 절삭 공구 재료의 기본 사항과 이를 선택하는 방법에 대해 알려드리겠습니다.
절삭 공정 중에 절삭 공구는 높은 절삭 압력, 심한 마찰, 상당한 충격력 등 극한의 조건에 노출됩니다. 이러한 요인으로 인해 공구와 공작물 인터페이스의 절삭 온도가 상승합니다.
고온, 고압, 심한 마찰이 특징인 열악한 환경에서 작동하는 절삭 공구는 신중하게 선택한 재료가 필요합니다. 부적절한 재료를 사용하면 공구의 빠른 마모, 조기 고장 또는 치명적인 파손으로 이어질 수 있습니다.
따라서 절삭 공구 재료는 최적의 성능과 수명을 보장하기 위해 특정 특성을 가져야 합니다:
경도는 공구 재료가 갖춰야 할 기본적인 특성입니다.
공작물에서 칩을 절단하려면 공구의 경도가 공작물 재료의 경도보다 커야 합니다.
금속 재료를 절단하는 데 사용되는 도구의 절삭 날은 일반적으로 60HRC 이상의 경도를 가지고 있습니다.
탄소 공구강의 경우 경도는 상온에서 62HRC 이상이어야 합니다.
고속강의 경도는 63-70HRC이고 초경 공구의 경도는 89-93HRC입니다.
내마모성은 공구 재료가 마모에 견디는 능력을 말합니다.
일반적으로 공구 재료의 경도가 높을수록 내마모성이 우수합니다.
내마모성은 공구 재료의 금속학적 구조에서 단단한 점(탄화물, 질화물 등)의 경도, 이러한 점의 수, 입자 크기 및 분포의 균일성뿐만 아니라 공구 재료의 화학적 조성, 강도, 미세 구조 및 마찰 영역의 온도에 따라 달라집니다.
소재의 품질을 고려하고 마찰 영역의 온도와 화학적 마모를 고려하지 않는 경우 다음 방법을 사용하여 소재의 내마모성 WR을 표현할 수 있습니다:
Where:
공구가 상당한 압력 하에서 작동하고 절삭 공정에서 일반적으로 발생하는 충격과 진동을 칩핑이나 파손 없이 견딜 수 있으려면 공구 재료가 충분한 강도와 인성을 가져야 합니다.
일반적으로 공구 재료의 인성이 높을수록 더 많은 절삭력을 견딜 수 있습니다.
내열성은 공구 재료의 절단 성능을 측정하는 데 사용되는 주요 지표입니다.
일반적으로 열경도라고도 하는 고온에서 높은 경도, 내마모성, 강도 및 인성을 유지하는 공구의 능력으로 측정합니다.
공구 재질의 고온 경도가 높을수록 내열성이 우수합니다. 공구는 소성 변형에 대한 고온 저항성과 내마모성이 높아질 뿐만 아니라 허용 절삭 속도도 높아집니다.
공구 재료는 고온 경도 외에도 고온에서 산화에 저항할 수 있어야 하며, 우수한 결합 방지 및 확산 방지 기능을 갖춰야 합니다.
이러한 특성을 화학적 안정성이라고 합니다.
공구 재료의 열전도율이 높을수록 절삭 열이 절삭 부위에서 더 쉽게 전도됩니다. 이렇게 하면 공구 재료의 절삭 부분 온도가 낮아져 공구 마모가 줄어듭니다.
절삭 공구는 간헐적으로 사용하거나 절삭유를 사용할 때 상당한 열 충격을 받는 경우가 많습니다. 그 결과 공구 내부에 균열이 발생하여 파손될 수 있습니다.
열충격에 견디는 공구 재료의 능력은 열충격 계수 R로 표현할 수 있습니다:
Where:
공구 재료의 열전도율이 높을수록 열이 더 쉽게 전달됩니다. 이렇게 하면 공구 표면의 온도 구배가 줄어듭니다.
열팽창 계수가 작으면 열 변형을 줄일 수 있습니다.
탄성 계수가 작으면 열팽창으로 인한 교대 응력의 진폭을 줄일 수 있습니다.
열충격 저항성이 우수한 공구 재료는 절삭 공정에서 절삭유를 사용할 수 있습니다.
절삭 공구는 절단 성능이 우수해야 할 뿐만 아니라 제조도 쉬워야 합니다.
이를 위해서는 공구 재료가 단조 성능, 열처리 성능, 용접 성능, 연삭 성능, 고온 소성 변형과 같은 더 나은 공정 특성을 가져야 합니다.
경제성은 도구 재료의 필수 지표 중 하나입니다.
도구 재료의 개발은 경제적, 전략적으로 중요한 의미를 갖는 국가의 자원 상황을 고려해야 합니다.
일부 공구는 개당 가격이 비싸지만 수명이 길기 때문에 각 부품에 할당되는 비용이 반드시 높지는 않습니다. 따라서 도구를 선택할 때는 경제적 효과를 고려해야 합니다.
또한 첨단 가공 시스템(예: 절삭 가공 자동화 시스템 및 유연한 제조 시스템)은 공구의 절삭 성능이 안정적이고 신뢰할 수 있으며 예측 가능하고 높은 신뢰성을 가져야 합니다.
표 1에는 다양한 도구 재료의 물리적, 기계적 특성이 나와 있습니다. 재료의 물리적, 기계적 특성은 서로 다르며 용도 또한 다릅니다.
표 1 다양한 공구 재료의 물리적 및 기계적 특성
| 자료 유형 성능 | 고속 강철 | 초경합금 | TC(N) 기반 카바이드 기판 | 세라믹 | PcBN | PCD | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| K-시스템(WC-Co) | P-시스템 (WC-TIC-TaC-Co) | Al2O3 | Al2O3- TiC | Si3N4 | |||||
| 밀도(g/cm3) | 8.7-8.8 | 14-15 | 10-13 | 5.4-7 | 3.90-3.98 | 4.2-4.3 | 3.2-3.6 | 3.48 | 3.52 |
| HRA | 84-85 | 91-93 | 90-92 | 91-93 | 92.5-93.5 | 93.5-94.5 | 1350-1600HV | 4500HV | ＞9000HV |
| 굴곡 강도 / MPa | 2000-4000 | 1500-2000 | 1300-1800 | 1400-1800 | 400-750 | 700-900 | 600-900 | 500-800 | 600-1100 |
| 압축 강도 /MPa | 2800-3800 | 3500-6000 | 3000-4000 | 3500-5500 | 3000-4000 | 2500-5000 | 7000-8000 | ||
| 파괴 인성 KIC /(MPa-m1/2) | 18-30 | 10-15 | 9-14 | 7.4-7.7 | 3.0-3.5 | 3.5-4.0 | 5-7 | 6.5-8.5 | 6.89 |
| 탄성 계수 /MPa | 210 | 610-640 | 480-560 | 390-440 | 400-420 | 360-390 | 280-320 | 710 | 1020 |
| 열전도율(W/(m-K)) | 20-30 | 80-110 | 25-42 | 21-71 | 29 | 17 | 20-35 | 130 | 210 |
| 열팽창 계수 /(×10-6/K) | 5-10 | 4.5-5.5 | 5.5-6.5 | 6.5-7.5 | 7 | 8 | 3.0-3.3 | 4.7 | 3.1 |
| 내열성 / ℃ | 600-700 | 800-900 | 900-1000 | 1000-1100 | 1200 | 1200 | 1300 | 1000-1300 | 700-800 |
| 재료 유형 | 상대 밀도 | 경도 HRC(HV) | 굽힘 강도/GPa | 충격 인성 / (MJ / m2) | 열 전도성 / (W/m-K) | 내열성 / °C | 대략적인 절단 속도 비율 | |
| 공구강 | 탄소 공구강 | 7.6~7.8 | 60 ~ 65(81.2~84) | 2.16 | ≈41. 87 | 200~250 | 0. 32 ~ 0. 4 | |
| 합금 공구강 | 7.7~7.9 | 60 ~ 65(81. 2~84) | 2.35 | ≈41. 87 | 300~ 400 | 0. 48 ~ 0. 6 | ||
| 고속 공구강 | 8.0~8.8 | 63 ~ 70(83 ~ 86. 6) | 1. 96 ~4. 41 | 0. 098 ~0. 588 | 16. 75 ~ 25. 1 | 600~ 700 | 1 ~ 1. 2 | |
| 초경합금 | 텅스텐 코발트 클래스 | 14. 3 ~ 15. 3 | (89~91.5) | 1. 08 ~ 2. 16 | 0. 019 ~ 0. 059 | 75. 4~87. 9 | 800 | 3. 2 ~ 4. 8 |
| 텅스텐 티타늄 코발트 클래스 | 9. 35 ~ 13. 2 | (89 ~92.5) | 0. 882 ~ 1. 37 | 0. 0029 ~ 0. 0068 | 20. 9 ~ 62. 8 | 900 | 4 ~ 4.8 | |
| 탄탈 카바이드, 니오븀 함유 클래스 | (~92) | ~ 1. 47 | 1000 ~ 1100 | 6~10 | ||||
| 티타늄 카바이드 베이스 클래스 | 5. 56 ~ 6. 3 | (92 ~ 93. 3) | 0. 78 ~ 1. 08 | 1100 | 6~10 | |||
| 세라믹 | 알루미나 세라믹 | 3.6~4. 7 | (91~95) | 0. 44 ~ 0. 686 | 0. 0049 ~0. 0117 | 4. 19 ~ 20. 93 | 1200 | 8~12 |
| 혼합 알루미나 카바이드 세라믹 | 0. 71 ~ 0. 88 | 1100 | 6~10 | |||||
| 초경질 소재 | 입방정 질화붕소 | 3. 44~3. 49 | (8000 ~9000) | ≈0. 294 | 75.55 | 1300~1500 | ||
| 합성 다이아몬드 | 3. 47 ~3. 56 | -10000 | 0. 21 ~ 0. 48 | 146. 54 | 700~ 800 | ≈25 | ||
일반적으로 사용되는 도구 자료는 네 가지 범주로 나눌 수 있습니다:
탄소 공구강과 합금 공구강은 내열성이 좋지 않아 절삭 속도가 낮은 일부 수공구 및 공구에만 적합합니다.
세라믹, 다이아몬드, 입방정질화붕소는 제한된 용도로만 사용됩니다.
현재 가장 널리 사용되는 공구 재료는 고속강과 초경합금입니다.
고속강(HSS)은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 바나듐(V) 등의 합금 원소를 더 많이 함유한 고합금 공구강입니다.
1898년 미국의 기계 공학자 테일러와 야금 공학자 화이트가 발명했습니다.
당시 조성은 C 0.67%, W 18.91%, Cr 5.47%, V 0.29%, Mn 0.11%, 나머지는 철이었습니다.
550~600℃의 절삭 온도를 견딜 수 있으며, 25~30m의 절삭 속도로 일반 강재 절삭에 사용할 수 있습니다. 이는 합금공구강에 비해 가공 효율을 215배 이상 높여줍니다.
고속강은 종합적인 성능이 우수하고 적용 범위가 가장 넓은 공구 재료이며 열 안정성이 우수합니다. 500-600℃의 고온에서도 절단할 수 있습니다.
탄소 공구강 및 합금 공구강에 비해 절삭 속도가 1~3배 빨라지고 공구 내구성은 10~40배 이상 향상됩니다. 그 결과 비철금속부터 고온 합금까지 다양한 소재를 가공할 수 있습니다.
고속강은 강도와 인성이 높고 어느 정도의 경도와 내마모성을 가지고 있습니다. 굽힘 강도는 일반 초경합금의 2~3배, 세라믹의 5~6배에 달하며 경도는 63~70HRC입니다.
따라서 다양한 절삭 공구에 적합하며 강성이 약한 기계의 가공에도 사용할 수 있습니다.
또한 고속 강철 공구의 제조 공정은 비교적 간단합니다. 쉽게 연마할 수 있고 절삭날을 단조할 수 있습니다. 이는 다음과 같은 공구를 제조할 때 매우 중요합니다. 복잡한 모양. 따라서 고속강은 드릴, 탭, 성형 공구, 브로치 및 기어 공구와 같은 복잡한 공구를 제조하는 데 필수적인 위치를 차지합니다.
고속 강철의 성능은 초경합금 및 세라믹보다 안정적이어서 자동 공작 기계에 사용하기에 더 안정적입니다.
위와 같은 요인으로 인해 다양한 새로운 공구 소재가 지속적으로 등장하고 있음에도 불구하고 고속강은 여전히 현재 공구 소재에서 큰 비중을 차지하고 있습니다.
그러나 전 세계적으로 HSS 도구의 W 및 Co와 같은 주요 요소에 대한 자원이 부족하여 점점 고갈되고 있으며, 그 내용은 40~60년 동안만 충분합니다.
공구 재료에서 HSS 공구가 차지하는 비중은 점차 감소하고 있으며, 매년 1%에서 2%의 비율로 줄어들고 있습니다.
앞으로도 고속강의 비중은 계속 감소할 것으로 예상됩니다.
HSS 절삭 공구의 개발 방향 에는 다음과 같은 측면이 포함됩니다:
다양한 용도에 따라 고속 강철은 다음과 같이 나눌 수 있습니다:
다양한 프로세스 방법에 따라 다릅니다, 고속 강철 로 나눌 수 있습니다:
일반적으로 사용되는 몇 가지 고속강의 기계적 특성은 표 2에 나와 있습니다.
표 2 일반적으로 사용되는 고속 강재의 물리적 및 기계적 특성
| 유형 | 성적 | 경도(HRC) | 굴곡 강도 σM/GPa | 충격 인성 αK/(MJ-m-2) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| YB12-77 등급 | 미국 AISI 코드 | 관련 중국 공장 코드 | 실내 온도 | 500 oC | 600 oC | ||||
| 일반 HHS | W18Cr4V(T1) | 63-66 | 56 | 48.5 | 2.94-3.33 | 0.176~0.314 | |||
| W6Mo5C4V2 (M2) | 63-66 | 55-56 | 47-48 | 3.43-3.92 | 0.294~0.392 | ||||
| W9Mo3Cr4V | 65-66.5 | __ | __ | 4-4.5 | 0.343-0.392 | ||||
| 고성능 강철 | 높은 바나듐 | W12C4V4Mo(EV4) | 65~67 | __ | 51.7 | ≈3.136 | =0.245 | ||
| W6Mo5Cr4V3 (M3) | 65~67 | __ | 51.7 | ≈3.136 | ≈0.245 | ||||
| 코발트성 | W6Mo5Cr4V2Co5 (M36) | 66-68 | __ | 54 | ≈2.92 | ≈0.294 | |||
| W2Mo9Cr4VCo8 (M42) | 67~70 | 60 | 55 | 2.665~3.72 | 0.225-0.294 | ||||
| 알루미늄 | W6Mo5Cr4V2Al (M2A1)(501) | 67~69 | 60 | 55 | 2.84-3.82 | 0.225-0.294 | |||
| W10Mo4Cr4V3Al (5F6) | 67-69 | 60 | 54 | 3.04-~3.43 | 0.196~0.274 | ||||
| W6Mo5Cr4V5SiNbAl(B201) | 66~68 | 57.7 | 50.9 | 3.53~3.82 | 0.255-0.265 | ||||
1. 일반 고속 강철
일반 HSS가 가장 널리 사용되며 전체 HSS의 약 75%를 차지합니다.
그리고 탄소 함량 일반 고속강의 인장 강도는 0.7% ~ 0.9%입니다.
강철의 다른 텅스텐 함량에 따라 다음과 같이 나눌 수 있습니다:
일반적인 고속 강철 공구의 절삭 속도는 일반적으로 너무 높지 않습니다. 일반 강철 재료를 절단할 때는 일반적으로 40-60m/분보다 높지 않습니다.
(1) 텅스텐 스틸
텅스텐강의 일반적인 강종은 W18강입니다.
W18강의 장점은 담금질 시 과열되는 경향이 적다는 것입니다. 바나듐 함량이 적기 때문에 연삭 가공성이 좋습니다. 카바이드 함량이 높기 때문에 소성 변형 저항이 더 큽니다.
이 강철의 단점은 카바이드 분포가 고르지 않은 경우가 많고 강도와 인성이 충분히 강하지 않다는 것입니다. 열가소성이 좋지 않아 큰 단면 공구로 제작하기에는 적합하지 않습니다.
위에서 언급한 단점 및 기타 이유로 인해 W18 강재는 현재 국내에서는 점차 사용 빈도가 줄어들고 있으며 해외에서는 거의 사용되지 않습니다.
(2) 텅스텐-몰리브덴 강철
텅스텐-몰리브덴 강은 텅스텐의 일부를 몰리브덴으로 대체하여 만들어집니다.
텅스텐-몰리브덴 강의 몰리브덴이 5% 이하이고 텅스텐이 6% 이상이며 [wW + (1.4~1.5)wMo] = 12%~13%를 충족하면 몰리브덴은 열 안정성을 손상시키지 않고 강철의 강도와 인성을 향상시킬 수 있습니다.
텅스텐-몰리브덴 강철의 일반적인 강종은 W6Mo5Cr4V2(M2라고 함)입니다.
이 강철의 장점은 탄화물의 수와 분포의 불균일성을 줄인다는 것입니다.
M2는 W18 강철에 비해 굽힘 강도는 10%-15%, 인성은 40% 이상 증가했습니다.
또한 단면이 큰 공구는 강도와 인성이 동일하며 더 큰 충격력을 가진 더 큰 크기로 제조할 수 있습니다.
텅스텐-몰리브덴강의 열가소성이 특히 우수하고 연삭 가공성 또한 우수하여 많은 국가에서 사용되는 범용 고속강입니다.
텅스텐-몰리브덴 강은 W18 강보다 열 안정성이 약간 낮습니다. 고속 절삭 시에는 W18강보다 절삭 성능이 약간 떨어지지만 저속 절삭 시에는 둘 사이에 큰 차이가 없습니다.
텅스텐-몰리브덴 강철의 단점은 열처리 경향입니다. 탈탄에 비해 산화가 쉽고, 담금질 온도 범위가 좁으며, 고온 절단 성능이 약간 떨어집니다.
중국에서 생산되는 또 다른 텅스텐-몰리브덴 계열 강철은 W9Mo3Cr4V1(약칭 W9)입니다.
굽힘 강도, 충격 인성 및 열 안정성이 모두 M2보다 높습니다. 열가소성, 공구 내구성, 연삭 가공성, 열처리 시 탈탄 경향도 M2보다 높습니다.
2. 고성능 고속 강철
고성능 고속 강철은 새로운 강철 유형 일반 고속강에 탄소와 바나듐 함량을 추가하고 코발트, 알루미늄 등의 원소를 합금하여 만든 강재입니다. 종류에는 고탄소 고속강, 고바나듐 고속강, 코발트 고속강, 초경량 고속강 등이 있습니다.
고성능 고속강은 내열성이 우수하여 고열 안정성 고속강이라고도 합니다. 630~650℃의 고온에서 60HRC의 높은 경도를 유지할 수 있어 오스테나이트 스테인리스강, 고온 합금과 같이 가공하기 어려운 소재를 가공하는 데 적합합니다, 티타늄 합금 및 초고강도 강철을 사용합니다. 공구 내구성은 일반 고속강의 1.5~3배에 달합니다.
이러한 유형의 강철의 단점은 강도와 인성이 일반 고속 강철보다 낮고 고바나듐 고속 강철은 연삭 가공성이 좋지 않다는 것입니다. 이러한 유형의 강철의 다른 등급은 규정된 절삭 조건에서 사용할 때만 우수한 절삭 성능을 얻을 수 있습니다. 다양한 고성능 고속강의 특성으로 인해 특정 범위 내에서만 사용이 제한됩니다.
대표적인 강종으로는 고탄소 고속강 9W6Mo5Cr4V2, 고바나듐 고속강 W6Mo5Cr4V3, 코발트 고속강 W6Mo5Cr4V2Co5, 초경량 고속강 W2Mo9Cr4VCo8, W6Mo5Cr4V2Al 등이 있습니다.
최근에는 고속 강종, 특히 절삭 효율을 높이기 위해 개발된 고성능 고속 강종이 빠르게 발전하고 있습니다.
해외에서 사용되는 고성능 고속강의 비중이 20%에서 30%를 넘어섰습니다.
기존의 W18Cr4V 고속강은 기본적으로 제거되고 코발트 함유 고속강과 고바나듐강으로 대체되었습니다.
중국에서 고성능 고속강의 사용량은 전체 고속강 사용량 중 3%~5%에 불과합니다.
(1) W2Mo9Cr4VCo8(줄여서 M42)
이는 종합적인 특성이 우수하고 경도가 67~70HRC인 가장 널리 사용되는 코발트 함유 초경량 고속강 중 하나입니다.
600℃의 고온 경도는 55HRC로 더 빠른 절삭 속도를 제공합니다.
이 강철은 인성이 일정하고 바나듐 함량이 낮아 연삭 가공성이 우수합니다.
코발트의 존재는 강철의 템퍼링 경도와 열전도율을 증가시키고 마찰 계수를 감소시킵니다.
이 강철로 만든 공구는 내열 합금 및 스테인리스 스틸을 가공할 때 W18 및 M2 강철로 만든 공구에 비해 내구성이 크게 향상되었습니다. 가공된 재료의 경도가 높을수록 그 효과는 더욱 커집니다.
이 강철은 코발트 함량이 높기 때문에 더 비쌉니다.
(2) W6Mo5Cr4V2Al(약칭 501)
알루미늄 함유 초경량 고속강으로, 중국이 자국 실정에 맞게 개발한 고성능 고속강입니다.
알루미늄은 강철에서 텅스텐, 몰리브덴 및 기타 원소의 용해도를 높이고 입자 성장을 방지할 수 있습니다.
따라서 알루미늄 고속강은 고온 경도, 열가소성 및 인성이 더 높습니다.
알루미늄은 절삭 온도의 영향을 받아 공구 표면에 산화 알루미늄 막을 형성하여 마찰을 줄이고 칩과의 접착력을 높일 수 있습니다.
알루미늄 고속강은 절단 성능이 뛰어납니다.
이러한 종류의 강철은 열처리 공정 요건이 더 엄격합니다.
3. 분말 야금 고속 강철
분말 야금 고속강은 고압 아르곤 또는 순수 질소로 분무하여 미세한 고속강 분말을 직접 얻는 용융 고속강입니다.
그런 다음 분말을 고온 고압에서 고밀도 강철 빌릿으로 만들고, 마지막으로 강철 빌릿을 단조하여 고속 강철 또는 공구로 압연합니다.
분말 야금 고속강은 1960년대 스웨덴에서 처음 개발에 성공했으며, 국내 분말 야금 고속강은 1970년대에 처음 시도되었습니다.
분말 야금으로 제조된 고속강은 다음과 같은 장점이 있습니다:
카바이드 분리가 없으므로 강도, 인성 및 강철의 경도로 설정하면 경도 값이 69-70HRC에 도달합니다.
재료의 등방성을 보장하고 다음을 줄입니다. 내부 스트레스 열처리 중 변형이 발생할 수 있습니다.
연삭 가공성이 우수하고 연삭 효율이 고속강을 녹이는 것보다 2~3배 높습니다.
내마모성이 우수하여 20-30%까지 증가시킬 수 있습니다.
이 강종은 가공하기 어려운 재료를 절단하는 공구, 대형 공구(예: 호브 및 기어 셰이퍼), 정밀 공구 및 연삭량이 많은 복잡한 공구를 제조하는 데 적합합니다.
산업 생산의 발전과 함께 고속 스틸 커팅 도구는 더 이상 효율적인 가공, 고품질 가공 및 다양한 가공하기 어려운 재료에 대한 요구 사항을 충족하지 못합니다.
따라서 텅스텐-코발트-티타늄 초경합금은 1920년대와 1930년대 사이에 발명되었습니다. 실온 경도는 89-93 HRA로 높고 800-900℃ 이상의 절삭 온도를 견딜 수 있으며 절삭 속도는 100m/min에 달하며 절삭 효율은 고속강의 5-10배에 이릅니다. 초경합금의 생산은 전 세계적으로 매우 빠르게 성장했으며 주요 공구 재료 중 하나가되었습니다.
초경 절삭 공구는 다음과 같은 주요 제품입니다. CNC 가공 도구. 일부 국가에서는 90% 이상의 선삭 공구와 55% 이상의 밀링 커터가 초경합금으로 만들어지고 있으며 이러한 추세는 점점 더 증가하고 있습니다.
1. 초경합금의 성능 특성
초경합금은 분말 야금을 통해 내화성 금속 탄화물(예: TiC, WC, TaC, NbC 등)과 금속 바인더(예: Co, Ni 등)로 만들어집니다.
초경합금 공구의 성능 특성은 다음과 같습니다:
(1) 높은 경도
초경합금은 탄화물 함량이 높고 녹는점이 높기 때문에 상온에서 경도가 높습니다.
일반적으로 사용되는 초경합금의 경도는 89-93 HRA로 고속강보다 훨씬 높습니다. 540℃에서도 경도는 상온에서 고속강의 경도(83-86 HRA)와 동일한 82-87 HRA에 도달할 수 있습니다.
초경합금의 경도는 초경의 종류와 양, 분말 입자의 두께, 바인더의 함량에 따라 달라집니다. 카바이드의 경도와 융점이 높을수록 초경합금의 열 경도가 더 우수합니다.
바인더 함량이 높을수록 경도가 낮아집니다. 카바이드 분말이 미세하고 바인더 함량이 일정할수록 경도가 높아집니다.
(2) 굴곡 강도 및 인성
일반적으로 사용되는 초경합금의 굽힘 강도는 0.9~1.5 GPa로 고속강의 강도보다 훨씬 낮습니다. 굽힘 강도는 고속강의 1/3~1/2에 불과하며 충격 인성 또한 고속강의 1/30~1/8에 불과할 정도로 열악합니다.
그 결과 초경합금 공구는 고속강만큼 큰 절삭 진동과 충격 하중을 견디지 못합니다. 바인더 함량이 높을수록 굽힘 강도는 높아지지만 경도는 낮아집니다.
(3) 열 전도성
TiC의 열전도율은 WC의 열전도율보다 낮습니다. 따라서 WC-TiC-Co 합금의 열전도도는 WC-Co 합금보다 낮으며 TiC 함량이 증가함에 따라 감소합니다.
(4) 열팽창 계수
초경합금의 열팽창 계수는 고속 강철의 열팽창 계수보다 훨씬 작습니다. WC-TiC-Co 합금의 선팽창 계수는 WC-Co 합금보다 크며, TiC 함량이 증가함에 따라 증가합니다.
(5) 냉간 용접 저항
감기 용접 온도 의 초경합금과 강철은 고속 강철보다 높습니다. 또한 WC-TiC-Co 합금과 강철의 냉간 용접 온도는 WC-Co 합금보다 높습니다.
2. 절삭 공구용 초경합금의 분류 및 지정 규칙
절삭 공구용 초경 재종은 6가지 종류로 나뉩니다: 표 3에 나와 있는 것처럼 사용 분야에 따라 P, M, K, N, S, H로 나뉩니다.
각 카테고리는 절삭 공구용 초경합금 재질의 내마모성과 인성에 따라 다양한 사용 요건을 충족하기 위해 여러 그룹으로 다시 나뉩니다. 이러한 그룹은 01, 10, 20과 같은 두 자리 숫자로 표시됩니다.
필요한 경우 두 그룹 번호 사이에 05, 15, 25 등으로 표시되는 추가 그룹 번호를 삽입할 수 있습니다.
표 3 절삭 공구용 초경합금 유형
| 유형 | 사용 분야 |
| P | 강철, 주강, 가단 주철 등과 같은 긴 절단 재료의 가공 |
| M | 스테인리스 스틸, 주강, 망간강, 연성 주철 가공용 일반 합금입니다, 합금강합금 주철 등 |
| K | 주철, 냉간 주철, 단조 연성 철과 같은 단조 재료의 가공, 회색 주철등 |
| N | 비철금속 가공 및 비금속 재료알루미늄, 마그네슘, 플라스틱, 목재 등과 같은 소재를 사용할 수 있습니다. |
| S | 내열강, 니켈, 코발트, 티타늄 등을 함유한 합금 등 내열성 및 고품질 합금 처리 |
| H | 경화강, 냉각 주철 등과 같은 단단한 절삭 재료의 가공 |
3. 초경합금의 각 등급의 기본 구성 및 기계적 성능 요구 사항
표 4에는 절삭 공구용 초경합금 각 그룹의 기본 구성 및 기계적 성능 요구 사항이 나와 있습니다(GB/T 18376.1-2008에서 발췌).
표 4 초경합금의 기본 기계적 성능 요구 사항
| 그룹 | 주요 구성 요소 | 기계적 특성 | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 유형 | 그룹 번호 | 로크웰 경도 HRA, ≥ | 비커스 경도 HV, ≥ | 굴곡 강도 / MPa Ru, ≥ | |
| P | 01 | Co(N+Mo, Ni+Co)를 바인더로 사용하는 TNC 및 WC 기반 합금/코팅 합금 | 92.3 | 1750 | 700 |
| 10 | 91.7 | 1680 | 1200 | ||
| 20 | 91 | 1600 | 1400 | ||
| 30 | 90.2 | 1500 | 1550 | ||
| 40 | 89.5 | 1400 | 1750 | ||
| M | 01 | WC를 베이스로, Co를 바인더로 사용하고 소량의 TiC(TaC, NbC) 합금/코팅 합금을 추가합니다. | 92.3 | 1730 | 1200 |
| 10 | 91 | 1600 | 1350 | ||
| 20 | 90.2 | 1500 | 1500 | ||
| 30 | 89.9 | 1450 | 1650 | ||
| 40 | 88.9 | 1300 | 1800 | ||
| K | 01 | WC를 베이스로, Co를 바인더로 사용하거나 소량의 TaC, NbC 합금/코팅 합금을 추가합니다. | 92.3 | 1750 | 1350 |
| 10 | 91.7 | 1680 | 1460 | ||
| 20 | 91 | 1600 | 1550 | ||
| 30 | 89.5 | 1400 | 1650 | ||
| 40 | 88.5 | 1250 | 1800 | ||
| N | 01 | WC를 베이스로, Co를 결합제로 사용하거나 소량의 TaC, NbC 또는 CrC 합금/코팅 합금을 추가합니다. | 92.3 | 1750 | 1450 |
| 10 | 91.7 | 1680 | 1580 | ||
| 20 | 91 | 1600 | 1650 | ||
| 30 | 90 | 1450 | 1700 | ||
| S | 01 | WC를 베이스로, Co를 바인더로 사용하거나 소량의 TaC, NbC 또는 TiC 합금/코팅 합금을 추가합니다. | 92.3 | 1730 | 1500 |
| 10 | 91.5 | 1650 | 1580 | ||
| 20 | 91 | 1600 | 1650 | ||
| 30 | 90.5 | 1550 | 1750 | ||
| H | 01 | WC를 베이스로, Co를 바인더로 사용하거나 소량의 TaC, NbC 또는 TiC 합금/코팅 합금을 추가합니다. | 92.3 | 1730 | 1000 |
| 10 | 91.7 | 1680 | 1300 | ||
| 20 | 91 | 1600 | 1650 | ||
| 30 | 90.5 | 1520 | 1500 | ||
| 참고: 1. 로크웰 경도와 비커스 경도 중 하나를 선택합니다; 2. 위의 데이터는 비코팅 초경합금의 요구 사항이며, 코팅된 제품은 해당 비커스 경도에 따라 30~50%까지 감소할 수 있습니다. | |||||
4. 일반적으로 사용되는 초경합금과 그 특성
ISO는 절단용 카바이드를 세 가지 범주로 분류합니다:
관련 읽기: 철과 비철 금속
(1) 텅스텐 및 코발트(WC+Co)
합금 코드는 YG로 국가 표준 K 범주에 해당합니다. 이 유형의 합금은 WC와 Co로 구성됩니다.
중국에서 일반적으로 사용되는 브랜드는 YG3X, YG6X, YG6, YG8 등입니다. 숫자는 Co의 비율을 나타내며, X는 미세 입자를 나타냅니다.
YG 초경합금은 거친 입자, 중간 입자, 미세 입자가 있습니다. 일반적으로 초경합금(예: YG6, YG8)은 중간 입자입니다.
미세 입자 초경합금(예: YG3X, YG6X)은 코발트 함량이 동일할 경우 중간 입자보다 경도와 내마모성이 높지만 굽힘 강도와 인성은 낮습니다.
미세 입자 초경합금은 일부 특수 경질 주철, 오스테나이트 스테인리스강, 내열 합금, 티타늄 합금, 경질 청동, 경질 내마모성 단열재 등의 가공에 적합하며, 일부 특수 경질 주철, 내열 합금, 티타늄 합금, 경질 청동, 내마모성 단열재 등의 가공에 적합합니다.
초미립자 초경합금의 WC 입자는 0.2-1 μm이며, 대부분 0.5 μm 미만입니다. 경상과 결합상이 고도로 분산되어 있기 때문에 결합 면적이 증가합니다. 코발트 함량을 적절히 증가시키면 높은 경도에서 높은 굴곡 강도를 얻을 수 있습니다.
이 합금의 코발트 함량이 높을수록 인성이 향상되어 거친 가공에 적합합니다. 낮은 코발트 함량은 정삭 가공에 적합합니다. 이 유형의 합금은 인성, 연삭 특성 및 열전도도가 우수하며 칩핑 칩을 생성하고 절삭날 근처에 충격 절삭력이 작용하는 부서지기 쉬운 재료를 가공하는 데 더 적합합니다.
주로 주철 및 청동과 같은 부서지기 쉬운 소재 가공에 사용되지만 강철 소재 가공에는 적합하지 않습니다. 640℃에서 심한 접착력이 발생하여 공구가 마모되고 내구성이 저하됩니다.
(2) 텅스텐 티타늄 코발트(WC+TiC+Co)
합금 코드는 국가 표준 P 범주에 해당하는 YT입니다. 이 유형의 합금의 경상에는 WC 외에도 5%-30% TiC도 포함되어 있습니다.
일반적으로 사용되는 등급은 YT5, YT14, YT15, YT30으로 TiC 함량은 5%, 14%, 15%, 30%이며, 해당 코발트 함량은 10%, 8%, 6%, 4%입니다.
이 유형의 합금은 경도와 내열성이 더 높습니다. 경도는 89.5-92.5 HRA이고 굽힘 강도는 0.9-1.4 GPa입니다.
주로 스트립 형태의 칩으로 강철 부품과 같은 플라스틱 소재를 가공하는 데 사용됩니다. 합금의 TiC 함량이 높으면 내마모성과 내열성은 향상되지만 강도는 감소합니다. 따라서 황삭 가공은 일반적으로 TiC 함량이 적은 재종을 선택하고, 정삭 가공은 TiC 함량이 많은 재종을 선택합니다.
주로 철강 및 비철금속 가공에 사용됩니다. 합금의 티타늄 성분과 가공 재료의 티타늄 원소 사이의 친화력이 심각한 고착 현상을 일으키고 공구가 더 빨리 마모되기 때문에 일반적으로 Ti-함유 재료 가공에는 사용되지 않습니다.
(3) 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨(니오븀) 및 코발트 [WC+TiC+TaC(Nb)+Co]
합금 코드는 YW로 국가 표준 M 등급에 해당합니다. 이는 위의 초경합금 구성에 일정량의 TaC(Nb)를 추가하여 달성됩니다.
일반적으로 사용되는 등급은 YW1과 YW2입니다. YT 초경합금의 성분에 일정량의 TaC(Nb)를 첨가하면 굽힘 강도를 향상시킬 수 있습니다, 피로 강도및 충격 인성을 높이고 합금의 고온 경도와 강도를 높이며 산화 및 내마모성을 향상시킵니다.
이 유형의 초경합금은 냉간 주철, 비철 금속 및 합금의 반정삭 가공뿐만 아니라 고망간강, 경화강, 합금강 및 내열 합금강의 반정삭 및 정삭 가공에도 적합합니다. 일반 초경합금으로 알려져 있습니다.
이 합금의 코발트 함량을 적절히 높이면 강도가 매우 높아질 수 있습니다. 다음을 견딜 수 있습니다. 기계적 진동 주기적인 온도 변화로 인한 열 충격에 강하며 간헐적 절단에 사용할 수 있습니다.
위의 세 가지 유형의 초경합금의 주요 구성 요소는 WC이므로 이를 통칭하여 WC 기반 초경합금이라고 할 수 있습니다.
(4) TiC(N) 베이스(WC+TiC+Ni+Mo)
합금 코드는 YN으로, TiC를 주성분으로 하는 TiC-Ni-Mo 합금입니다(일부는 다른 탄화물 및 질화물과 함께 첨가됨). 이 유형의 합금의 경도는 90-94 HRA로 매우 높아 세라믹 수준에 이릅니다.
높은 내마모성 및 크레이터 내마모성, 높은 내열성 및 내산화성, 우수한 화학적 안정성, 작업 재료와의 낮은 친화력, 낮은 마찰 계수 및 강력한 접착력을 가지고 있습니다.
따라서 공구 내구성이 WC 기반 초경합금보다 몇 배 더 향상될 수 있습니다. TiC(N) 기반 초경합금은 일반적으로 정삭 및 반정삭에 사용됩니다.
특히 크고 긴 부품이나 가공 정확도가 높은 부품에 적합하지만 충격 부하가 있는 거친 가공 및 저속 절삭에는 적합하지 않습니다.
5. 새로운 초경합금
(1) 미세 입자 및 초미립자 초경합금
일반 초경합금에서 WC의 입자 크기는 수 미크론이며 미세 입자 합금의 평균 입자 크기는 약 1.5 μm입니다.
초미립자 합금의 입자 크기는 0.2~1μm이며, 대부분 0.5μm 미만입니다.
미세 입자 합금에서는 경상과 결합상이 고도로 분산되어 결합 면적이 증가하고 결합 강도가 향상됩니다. 따라서 동일한 조성의 합금보다 경도와 강도가 높습니다.
경도는 1.5-2 HRA 증가, 굽힘 강도는 0.6-0.8 GPa 증가합니다. 또한 고온 경도가 향상되어 저속 및 중속 절삭 시 발생하는 모서리 치핑 현상을 줄일 수 있습니다.
초미립자 합금의 생산 공정에서는 미세 WC 분말을 사용하는 것 외에도 입자 성장을 제어하기 위해 미량 억제제를 추가해야 합니다. 고급 소결 공정의 비용이 더 높습니다.
초미립자 초경합금은 주로 YG 합금에 사용됩니다. 경도와 내마모성이 크게 향상되었으며 굽힘 강도와 충격 인성 또한 고속강에 가까운 수준으로 개선되었습니다.
소형 밀링 커터, 드릴 등에 적합하며 경도가 높고 가공하기 어려운 소재를 가공하는 데 사용할 수 있습니다.
(2) 코팅 초경합금
코팅 초경 공구는 초경 공구 재료의 응용 분야에서 또 다른 주요 발전입니다. 코팅을 통해 견고한 재료와 내마모성 재료를 유기적으로 결합하여 초경합금 블레이드의 포괄적인 기계적 특성을 변화시키고 수명을 2~5배 연장합니다.
초경합금의 발전 속도는 매우 빠릅니다. 일부 선진국에서는 초경합금 공구 재료의 전체 사용량 중 절반 이상을 차지하고 있습니다.
중국은 현재 이러한 유형의 절삭 공구를 적극적으로 개발하고 있으며 CN15, 1N25, CN35, CN16, CN26 및 기타 코팅 카바이드 블레이드가 생산에 사용되고 있습니다.
(3) 고속 강철 기반 초경합금
분말 야금으로 만든 경상(30%~40%)으로 TiC 또는 WC를, 결합상(70%~60%)으로 고속강을 사용합니다. 성능은 고속강과 초경합금 사이에 있습니다. 단조, 절단, 열처리 및 용접이 가능합니다. 실온에서의 경도는 70-75 HRC이며 내마모성은 고속강보다 6-7배 높습니다. 드릴, 밀링 커터, 브로치, 호브와 같은 복잡한 공구를 제조하고 스테인리스강, 내열강 및 비철금속을 가공하는 데 사용할 수 있습니다.
고속 강철 기반 초경합금은 열전도율이 낮고 과열되기 쉬우며 초경합금보다 고온 성능이 떨어집니다. 절단 시 충분한 냉각이 필요하며 고속 절단에는 적합하지 않습니다.
(1) 일반 소재 공작물을 가공할 때는 일반적으로 일반 고속강과 초경합금이 사용됩니다. 가공하기 어려운 재료를 가공할 때는 고성능 및 새로운 공구 재료 등급을 선택할 수 있습니다. CBN 및 PCD 인서트는 고경도 재료를 가공하거나 정밀 가공에서 기존 공구 재료가 가공 정확도 요구 사항을 충족할 수 없는 경우에만 고려해야 합니다.
(2) 절삭 공구 재료의 강도, 구성, 경도 및 내마모성을 완전히 고려하기는 어렵습니다. 공구 재료 등급을 선택할 때 공작물 재료의 가공성 및 가공 조건을 고려해야 합니다. 내마모성은 일반적으로 처음에 고려되며, 치핑 문제는 가능한 한 공구의 합리적인 기하학적 매개 변수로 해결해야 합니다. 공구 재질이 너무 부서지기 쉽고 치핑을 유발하는 경우에만 내마모성 요구 사항을 줄이고 강도와 인성이 더 좋은 재종을 선택해야 합니다.
일반적인 상황에서는 저속으로 절단할 때 절단 공정이 안정적이지 않고 칩핑이 발생하기 쉽습니다. 강도와 인성이 좋은 공구 재종을 선택하는 것이 좋습니다. 고속 절삭에서는 절삭 온도가 공구 재질의 마모에 가장 큰 영향을 미칩니다. 연삭 특성이 좋은 내구성 있는 소비재의 공구 재료 등급을 선택하는 것이 좋습니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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