초경합금에 대하여 공부하기

왼쪽 부터 그림1, 그림2

초경합금에 대하여 알아보려고 한다. 이 재료는 초경공구 위에 특수한 코팅을 하여, 상업적으로 절삭공구로 지배적인 위치에 있다. 초경공구를 사용하는 기계는 견고해야 하고, 적당한 동력을 갖고 재질에 적당한 범위의 절삭속도와 이송을 가져야 한다.

• 초경합금은 탄화물과 금속 결합제로 만든 매우 단단한 합금이다.
• 경도가 높고 마모에 강해서 절삭 공구나 금형 등에 많이 사용된다.
• 내열성이 뛰어나 고온에서도 성능을 유지한다.
• 충격에는 약해서 깨지기 쉽고 가격이 비싼 편이다.
• 정밀 가공이나 산업용 공구에 많이 쓰이는 중요한 소재다.

 

초경합금

코발트결합 탄화텅스텐으로 이루어진 초경공구는 탄화티타늄 또는 탄화탄탈륨의 양을 변화시켜 첨가한 탄화텅스텐 합금과는 다른 종류이다. 탄화텅스텐과 코발트(94 : 6)만을 함유하는 초경합금 공구는 강 이외의 주철과 대부분의 재료를 절삭하는데 적당하다. 강재는 이 성분조성으로는 만족스럽게 절삭될 수 없는데, 그 이유는 칩이 탄화물 표면에 달라붙거나 용접되고 크레이터 마멸을 일으켜 공구를 빨리 못쓰게 만들기 때문이다.

 

이 어려움을 제거하기 위하여 코발트의 함량을 증가시키고 탄화티타늄과 탄화탄탈륨을 첨가한다. 강절삭에 적합한 초경합금의 전형적인 성분은 WC82%, TiC10%, Co8%이다. 이 성분은 낮은 마찰계수를 가지며 또한, 그 결과 공구 윗면 마멸 즉, 크레이터링이 발생경향이 거의 없다. 성분의 변화는 초경합금 재료의 특성을 바꾸므로 다양한 용도에 적당한 상업적 종류가 다양하다.

 

초경합금공구재료의 적열경도는 세라믹을 제외한 다른 모든 재료보다 우위에 있으며, 그것은 1200°C 이상의 온도에서 절삭날을 유지하기 때문이다. 경도부호 HRC로 측정된 적열경도의 비교를 위하여 그림 1을 주목해야 한다. 그것은 높은 압축강도, 450~850 psi를 갖는다. 그러나 이 재료는 매우 취약하고 내충격성이 낮고, 따라서 균열을 방지하기 위여 견고하게 지지되어야 한다. 연삭이 어렵고 탄화규소 또는 다이아몬드 숫돌로만 연삭 된다. 공구여유각은 최소로 유지하여야 한다. 초경합금공구는 주조합금공구의 2 내지 3배의 절삭속도를 허용하지만 그러한 절삭 속도에서는 훨씬 작은 이송을 사용하여야 한다.

 

미소입자초경합금으로 알려진 초경합금의 성질은 높은 강도, 고경도, 미마멸을 감소시킬 수 없을 때 사용된다. 절삭날이 공작물에 들어오고 날 때 계속되는 가열과 냉각으로 인하여 열충격 수준이 높은 밀링의 경우에도 적절하다. 매우 미세한 입자를 갖는 WC-Co급은 입자가 거친 것과 같은 조건하에서 운용되지만 수명은 길다.

 

초경합금 공구는 WC기저에 TiC, Al2O3, TiN의 결합층을 0.002 내지 0.003in. 로 피복할 수 있다. 초경합금 공구의 대다수는 피복되어 사용되고 이 팁은 황금색이다. 피복은 화학적 증기용착(CVD)에 의하여 1000°C 정도의 온도에서 행해지는데, 고온이므로 기질재료의 특성에 영향을 주게 된다. 고온의 CVD기법은 공구강을 피복하기에 부적당하다. 그 대신 물리적 증기용착(PVD) 기법은 대략 400°C의 훨씬 낮은 온도에서 TiN을 적용한다. PVD는 날카로운 모서리를 유지할 수 있고 낮은 마찰계수를 주는데 둘 다 바람직한 성질이다.

 

피복하지 않은 초경은 높은 마멸저항의 필요성과 높은 파손저항의 필요성 때문에 늘어나는 모순이 있다. 그러나 피복한 초경은 얇은 피복층이 플랭크와 크레이터 마멸저항을 제공하므로, 초경기질이 파손과 열변형을 막을 수 있도록 해준다. 그러므로, 비폭한 초경은 기질과 피복의 재질 특성을 교환할 수 있어서 최적의 성능을 준다.

 

여러 층에서 2 내지 3의 피복을 조합하면 더욱 넓은 성능을 주게 된다. 실제로, 이러한 피복의 조합이 특수한 요구사항을 만족시키기 위하여 개발되고 있다. 그림2는 코발트가 풍부한 기질에 CVD와 PVD의 다층 피복한 것을 나타낸다. 팁은 밀링에서 보이는 바와 같은 단속절삭 중에 날이 치핑 되는 것에 저항을 주도록 설계되어 있다. 이 재질은 강을 400~900ft/min의 속도로 건식 밀링하도록 개발되었다.