난삭재 란, 난삭재의 재료 특성

난삭재는 일반적으로 가공이 힘든것을 다 난삭재라고 하겠지요. ^^;; 정의를 보면  -가공경화가 잘 일어나고  - 열전도율이 적고 공구재료와 친화성이 있는 재질 즉 가공시 공구랑 잘 들러붙는다.  - 난삭재의 종류로는 SUS 종류, 티타늄강, 덕타일주철, Si 알미늄, 망간강, 크롬강, FRP등이 있으며    이러한 난삭재에 관한 가공 데이터는 다른 피삭재에 비해 비싸서 데이터도 충분하지 않다고 하네요 5. 난삭성을 일으키는 재료 특성   난삭재의 절삭에서 트러블을 사전에 방지하여 생산성을 높이기 위하여는 난삭재종의 특성을 알 것 l  적정한 공작기계로 절삭할 것 l  적정한 공구재종을 선택할 것 l  적정한 절삭날 형상의 절삭공구를 선택할 것 l  정확한 절삭조건을 설정할 것 l  적정한 절삭유제를 사용할 것 등 7가지 기본 원칙을 지켜야 한다. 특히 앞 두가지, 난삭재와 공구재종의 여러 특성을 충분히 파악해 두지 않으면 최적한 공구재종이나 적정한 절삭날 형상의 선택은 물론, 정확한 절삭조건의 설정도 불가능해진다. 공구재종의 특성에 대하여는 다음 장에서 설명하기로 하고 여기서는 난삭재의 특성에 대하여 공구 손상이나 가공 정밀도의 관계를 중심으로 간단히 설명하겠다. 난삭재의 특성 중 절삭가공에서 중요한 것은 난삭성을 야기하는 재료의 특성이다. 각각의 난삭성을 일으키는 재료특성과 트러블 현상의 관계는 <그림 2-1>(전월 호 참조) 에서와 같지만 구체적인 사례를 들어서 설명하겠다.  <사진 2-6> 절삭날의 마멸   (1) 고경도 특성   일반적으로 고경도재라고 하는 종류인 난삭재의 재료특성이다. 담금질강, 표피 강화강, 다이스강, 프리하든강, 비조질강, 고속도 공구강, Co기 초내열합금 등을 들 수 있다. 담금질강에는 단순한 탄소강의 담금질강부터 각종의 공구강, 합금강, 특수강 등의 담금질강까지 많은 종류의 강철이 포함된다. 또 침탄처리나 질화처리, 크롬도금, 기타의 표면 처리법에 의해서 금속재료의 표면층만을 경화시킨 재료도 대상이 된다. 일정량 이상의 탄소 성분을 함유하는 탄소강이나 합금강, 특수강 등의 용단면, 잉곳재의 흑피 스케일부, 주철 등 흑피부에 칠(chill)화 현상을 일으킨 표면층 등도 고경도 특성을 가지다. 고경도 특성이 어느 정도에 도달하면 난삭재라고 할 수 있는가에 대하여는 명확한 기준이 없다.경제적인 의미의 절삭가공이 성립되기 위해서는 피가공물의 경도와 공구재종의 성립되기 위해서는 피가공물의 경도와 공구재종의 경도가 1대4의 관계를 충족하여야 한다고 한다. 즉 공구 재종의 4분의 1 이상인 경도의 재료는 절삭가공 그 자체가 곤란한 정도로 절삭이 어려워진다. 또 초경합금으로 원활히 절삭하기가 곤란한 재료를 고경도재라고 하는 경우가 많다. 초경합금은 비커스 경도로 1,500~1,850HV이므로 그 4분의 1 정도 이상의 경도인 것은 절삭가공이 극히 곤란한 고경도재라고 할 수 있다. <사진 2-6>은 코팅 초경합금을 사용하여 담금질강을 절삭하였을 때의 절삭날의 마멸 손상 상태다. 공구재료나 공구재종은 하나하나에 경도가 다르므로 그것에 호응해서 공구재종에서 본 고경도 특성의 레벨이 달라진다고도 생각된다. 고속도 공구강으로 가공이 현저히 곤란한 것이 초경합금이나 세라믹스에서는 절삭이 쉽고 초경합금으로 절삭 불능인 것이라도 CBN소결체나 다이아몬드 소결체를 사용하면 절삭이 가능해지는 경우가 많다. 이와 같은 시점에서 보면 고경도 특성은 공구재료나 구체적인 공구재종 별로 절삭 가능한 한계 영역을 기준으로 하여 고속도 공구강에서 본 고경도재, 초경합금 K10에서 본 고경도재, CBN소결체에서 본 고경도재에 대한 한계 특성을 기준으로 한 방식도 가능해진다. 고경도재의 절삭에서는 절삭 저항의 3분력 관계가 일반재와 크게 다른 특징을 가리킨다. 일반재에서는  주분력이 가장 크고, 이송분력이나 배분력은 그것보다 작은 것이 보통이다. 그러나 고경도재의 절삭에서는 이송 분력이나 배분력이 주분력보다 현저히 커진다. 이송분력이나 배분력의 관계는 절삭날의 노즈(루트면) 반지름이나 절삭량과의 관계로 결정되며 다듬질 여유가 같으면 노즈 반지름이 클수록, 또 노즈 반지름이 같으면 다듬질 여유가 작을수록 이송분력보다 배분력의 값이 커진다. 고경도강의 절삭은 다듬질 여유의 작은 다듬질 가공이 많다. 공구 마모가 발달하면 배분력의 값이 주분력의 4~6배에 달하는 일도 드물지 않다. 이송분력도 배분력도 절삭공구의 여유면에 작용하므로 <사진 2-7>처럼 절삭날의 경사면에 조개껍질상인 플레이킹 손상을 일으키기 쉽다.   (2) 단단하고 무른 특성     고경도재는 단단하고 차진 재료보다도 단단하고 무른 재료, 즉 고경도 취성 재료쪽이 많다. 대표적인 것으로는 초경합금, 서멧, 세라믹스, 틸드 주철, 고경도 주철, 내화 벽돌, 천연암석, 유리, 단결정 실리콘, 강화물질을 많이 포함하는 MMC등의 복합재료 등을 들 수 있다. 절삭날의 공구마모가 진행되기 쉬울 뿐 아니라 잔조각으로 깨지거나 파내어지는 형상이 생기기 쉽고 에지 품질이나 표면 거칠성을 얻지 못하는 트러블이 일어난다. <사진 2-8>은 잔조각 결손의 예이다. 또 트러블이 없는 상태에서 절삭할 수 있는 것은 절삭날 모서리가 날카롭게 형성되어 있는 절삭 초기뿐이고 공구 마모가 진행되면 심하게 잔조각 결손이 생기거나 파내어진다. 공구 수명 기준을 초기 마모와 같은 미소한 공구마모량으로 설정하지 않으면 안 되므로 절삭날 수명은 현저히 짧아진다.       (3) 고온 강도가 크다 초내열 합금은 고온 환경에서 장시간 유지하여도 인장 강도나 내력 기타의 재료 강도가 저하하기 어렵고 고온 부식 분위기에서도 우수한 내식성을 나타낸다. 초내열 합금에는 A286이나 Discaloy, N155등의 Fe기, 인코넬1718이나 Waspaloy, Nimonic 80A, Udimet 500등의 Ni기, HS21이나 HS31, Mar-302등의 Co기가 있다. 항공・우주산업이나 원자력 발전, 폐기물 소각로 등의 수요에서 초내열 합금의 사용량이 증가하고 또 합금의 종류도250종을 넘을 정도로 다양화가 진전되고 있다. 초내열 합금 정도는 아니지만, 고온 강도가 큰 것으로는 스테인리스강, 스테인리스 주강, 내열강,내열주강 등이 있다. <그림 2-7>은 Ni기 초내열 합금  인코넬718과 스테인리스강 SUS310S에 대하여 고온하에서의 인장강도를 실험한 것이다. 또 <그림 2-8>은 Ni기 초내열 합금의 인코넬718과 Waspaloy에 대하여 각각의 재료를 최적 조건으로 피삭가공을 할 때의 주분력의 비절삭 저항의 값을 이송량과의 관계로 실험하여 탄소강 S45C와 비교한 것이다. 탄소강 등은 절삭속도가 고속 사이드로 이행하면 절삭열에 의해서 재료 강도가 열화하므로 <그림 2-9>처럼 저항이 감소한다. 한편, 초내열 합금은 칩이 샛빨간 작열 상태에 달하면 절삭 조건에서도 재료 강도가 열화되기 어렵고 절삭 저항의 감소 비율은 극히 적다.   (4) 가공 경화가 생기기 쉽다.   가공 경화는 일반재에서도 생기기 쉬운 현상이다. 피가공면의 표층, 구성 날끝, 칩이나 에지에 생긴 버 등은 소재의 원래의 경도에 비하면 1.5~4.0배 정도까지 가공 경화된다. 특히 가공 경화가 생기기 쉬운 철도의 레이 클로싱 용도나 죠플레이트, 캐터필러슈 용도의 고망간강 SCMnH, 비자성・내식・내열 용도의 오스테나이트계 스테인리스강 등이 있다.  <그림 2-10>과 <그림 2-11>은 저합금강 AISI-4340강에 대하여 전자는 이송량을 변화시켜서 이송 방향의 가공 경화와의 관계, 후자는 절삭을 작게 하여 절삭 방향의 가공 경화와의 관계에서 피삭면의 가공 경화층과 공구 마모의 관계를 실험한 것이다. 양자 모두 이송량이나 절삭량이 작아질수록 가공 경화층만을 절삭하게 되므로 공구 마모가 많이 발생하고 있다. 가공 경화가 생기기 쉬운 재료의 절삭에서는 공구 교환을 좀 일찍이 하는 것이 중요하다. 공구 마모가 진행하거나 치핑이나 결손 등의 이상 손상이 생긴 절삭날로 절삭을 계속하면 가공 경화가 심해진다. 공구 교환을 하여도 교환전의 상한 절삭날로 절삭하였을 때의 가공 경화층을 절삭하는 것만으로 새로운 절삭공구가 크게 마모하거나 새 절삭날의 결손 현상을 일으키는 일이 많다. 또 칩의 물려들기나 재절삭이 일어나지 않게 하여야 한다.  특히 상술한 고망간강이나 초내열 합금, 스테인리스강의 정면 프라이스 절삭이나 엔드밀 절삭에서 고경도로 가공 경화한 칩이 물려들면<사진 2-9>와 <사진 2-10>처럼 절삭날 모서리가 심한 결락 현상을 일으킨다.     (5) 공구 재료와의 친화성이 높다 공구재료의 성분과 같은 원소를 함유하는 합금에 많이 볼 수 있다. 공구재료의 성분이란 W, Ti, Mo, Cr, Ni, Co, Nb, Ta, V, Hf등과  이들의 탄화물이다. 평범한 것으로는 스테인리스강이나 내열강, 초내열 합금, 티탄 합금 등이 있다. 공구재료와의 친화성이 크면 절삭날에 용착현상이나 칩 부착 현상이 생기기 쉽고 상술한 칩의 물려들기 트러블을 야기하기 쉽다. 또 공구재료와 칩이 화학 반응을 일으켜서 절삭날 모서리 근처의 경사면에 확산 마모를 발생시킨다. <사진 2-11>은 스테인리스강의 절삭가공에서 생긴 절삭날에의 용착현상, <사진 2-12>는 초내열 합금 인코넬 600의 절삭에서 생긴 용착현상과 그것에 기인하는 용착 박리 결손이다. <사진 2-13>은 티탄 합금의 절삭으로 생긴 절삭날 모서리 근처의 경사면에 발생한 크레이터 마모의 예이다. 공구재료와의 친화성이 모두 원인이라고는 할 수 없지만 이런 종류의 재료 절삭에서는 절삭공구의 절삭 경계부에 노치 마모나 이상한 경계 손상이 발생하기 쉽다. <사진 2-14>는 코팅 초경합금에 의한 오스테나이트계 스테인리스강 SUS316의 선삭 가공에서의 발생례, <사진 2-15>는Al₂O₃-TiC계 세라믹스와 Al₂O₃-ZrO계 세라믹스에 의한 초내열 합금 Waspaloy의 선삭가공에서의 발생 예다. 이들 실험 데이터는 같은 두께 절삭의 것이지만 NC선반에 의한 모방 절삭에서는 절삭이나 다듬질 여유가 계속 변화하므로 노치 마모가 발생하는 절삭날 위치도 변화하고 노즈부에서 절삭 경계부까지 절삭날 모서리 전역이 이상 손상을 일으키는 일도 있다. Co 이외의 원소인 순금속이나 이것들의 원소를 다량으로 함유하는 합금은 고융점 금속, 고융점 합금이다. 공구 마모가 생기기 쉽고 절삭열도 상승하므로 절삭 속도를 높이기는 곤란하다. 동일하게 공구재료와 같은 물질이 절삭가공의 대상이 되는 경우가 있다. 초경합금, 서멧, Al₂O₃계나Si₃N₄계, SiC계 세라믹스, 단결정 실리콘 등의 절삭이다. 이러한 케이스는 단단하고 무른 고경도 취성재료의 절삭에 상당한다.   (6) 연마재 물질의 함유  분말 야금법으로 만드는 소결강이나 초결합금, P/M 고속도 공구강, 강화 섬유를 사용한FRP(Fiber Reinforced Plastics), FRM(Fiber Reinforced Metal), MMC(Metal Matrix Composites)등의 복합 재료가 대표적이지만 고속도 공구강(용해 야금법에 의한 것) 이나 고Si 알루미늄 합금 등도 금속 조직중에 큰 경질 입자를 함유하고 있다.  소결강은 Fe-C, Fe-Cu-C계라는 단순 조성인 것이 있지만 고융점 금속의 Cr, Ni, Nb등을 함유하는  Fe-Cu-Mo-Cr-Ni-C, Fe-Cr-Mo-Ni-Nb-CaFe-C계가 많다. 초경합금과 P/M 고속도 공구강이 절삭가공의 대상이 될 때는 절삭공구 재료로 절삭공구 재료 그 자체를 가공하게 된다.  FRP는 카본 섬유나 유리 섬유를 사용한 CFRP, GFRP에서는 공구 마모의 진행이 빠르다. FRP나MMC에서는 SiC나 Al₂O₃의 장섬유나 단섬유, 입자, 위스커 등이 사용되고 있다.  고속도 공구강은 P/M 제법으로 만들어진 것과 동일하게 생각하여도 된다. 또 고Si 알루미늄 합금에서는 금속 조직 중에 거칠고 큰 Si결정립이 생성되어서 연마재 물질로 된다.    <사진 2-16. 2-17>에 A6061에 SiC 위스커를 25% 함유하는 FRM과 Si를 16~18%함유하는 고Si알루미늄 합금 A390의 현미경 조직을 가리킨다. 복합 재료로 사용되는 연마재 물질이 많은 것은<표 2-3>처럼 초경합금보다도 고경도인 것이 많다. SiC 나 Al₂O₃를 함유하는 복합 재료를 초경합금으로 절삭하는 경우는 숫돌을 절삭하는 경우와 동일한 현상이 발생한다고 생각하여도 된다. 칩은 생성되지만 절삭날 모서리가 연마재 물질로 닳아서 극히 짧은 절삭시간에 공구 수명이 다한다.   (7) 재료 강도가 크다.  재료 강도가 큰 금속 재료의 대표적인 것으로 다이스강, 마르에이징강, 고장력강을 들 수 있다.금형용 강을 비롯하여 재료 강도가 큰 새로운 금속 재료가 많이 개발되었다. 재료 강도가 크다는 것만으로는 피삭성이 현저히 저하하는 것이 아니다. 다이스강이나 마르에이징강은 담금질이나 시효 등의 열처리를 하기 전은 절삭가공이 비교적 용이하고 절삭 저항도 별로 크지 않다. <그림 2-12>는 다이스 강 SKD11에 대하여 정면 프라이스 절삭을 하여 비절삭 저항을 구하여 다른 일반재료와 비교한 것이다.  그러나 <사진 2-18>의 실험처럼 다이스강 SKD61의 정면 프라이스 절삭을 하여 부절삭날부의 공구 손상을 보면 탄소강 S45C에 비하여 피드마크가 손상 형태에 뚜렷이 나타나 있다. 정면 프라이스의 부절삭날은 피가공면을 와이퍼가공하는 경사날의 기능을 가지고 있어서 가공 경화한 표면층만을 절삭한다. 탄소강 S45C와 비교하면 부절삭날의 이송 경계부에 이송량의 크기와 같은 간격으로 노치 마모가 발달하고 있으며 난삭재의 특성이 나타나고 있다.  경도가 50~60HRC로 열처리된 것은 고경도 특성인 재료를 가공하는 경우의 절삭 현상이 그대로 타당하다.    (8) 열전도율이 작다.    열전도율이 작은 특성의 재료로서 순니켈, 고망간강, 티탄, 티탄합금, 오스테나이트계 스테인리스강 등이 있다.  <그림 2-13>은 절삭가공에서 발생하는 가공점의 열원을 가리킨다. 절삭날 경사면에서 절삭 온도는 최대로 된다. <그림 2-14>는 탄소강 S55C의 절삭열 분배율이다. 피가공물의 열전도율의 차이에 따라서 절삭열의 분배율은 크게 변한다. 열전도율이 큰 Al나 Cu의 순금속이나 합금의 절삭에서는 피가공물에의 분배율도 상당히 많아지지만 열전도율이 작은 재료는 절삭 공구의 여유면 마모가 미발달인 단계에서는 열전도율이 작은 외에 주된 열원이 전단 존과 칩이 찰과하는 절삭날 경사면이 되므로 칩과 절삭공구에의 절삭열의 분배율이 많아진다. 따라서 칩과 절삭날은 고온이 되지만 피가공물의 온도는 상승하지 않고 열변형도 일어나기 어렵다.  열전도율이 작은 재료의 절삭에서는 절삭열이 가공점에 국부적으로 집중하므로 공구 재종의 특성으로서 고온화학 안정성과 내취성 병형성이 풍부하여야 한다.  칩은 톱니상 또는 전단형으로 생성된다. 칩 생성 과정에서 전단 미끄럼을 반복할 때마다 절삭 저항이 변동하고 가공점에서 높은 주파수의 진동이 발생하여 절삭날의 마모나 이상 손상을 확대시킨다.오스테나이트계 스테인리스강 SUS304에 대하여 <사진 2-19>에 톱니상칩, <그림 2-15>에 절삭 저항의 동적 성분을 가리킨다.    (9) 연성이 크다.   순철이나 순니켈, 순알루미늄 등은 연성이 크다는 특성이 있다. 연성이 크면 절삭날에 칩이 용착하기 쉽고 또 절취 두께에 대한 칩 두께의 증가 비율, 즉 칩 압축비가 커져서 절삭비나 전단각이 현저히 감소한다.  <사진 2-20>이나 <사진 2-21>처럼 심한 용착 현상이 발생하면 절삭날이나 절삭공구는 용착물을 쉽게 제거할 수 없게 되고 신품의 것이라도 사용 불능이 되어 버리는 일이 많다. 또 전단각이 작아져서 칩 압축비가 커지면 순알루미늄이나 순동의 절삭에서도 합금강에 필적하는 절삭 저항이 발생한다.  구성선단이 생기기 쉽고 중저속의 절삭 속도에서 가공하면 우수한 표면 거칠성을 얻기가 곤란해 진다. 또 칩이 길게 늘어나기 쉽고 컨드롤도 곤란하다 피가공면에 칩이 감기거나 접촉하거나 하면 피가공물의 표면에 상처나거나 가공면에 칩의 재응착이 일어나거나 한다.   6. 난삭재와 절삭가공의 트러블   절삭 가공의 트러블 현상은 난삭재 가공에 결코 고유한 것은 아니다. 일반재를 절삭하는 경우에도 트러블 방지의 요인 관리를 게을리하면 절삭가공의 트러블은 쉽게 일어난다. 그 트러블 원인을 대충 정리하여서 일반재와 난삭재의 경우를 비교하면 <그림 2-16>처럼 된다. 난삭재에서는 모든 재료에 공통하는 트러블 요인 외에 [난삭성을 일으키는 재료 특성]이라는 요인이 더 추가될 뿐이다. 그러나 큰 문제점은 일반적인 트러블 요인은 이것을 제거하여 적정화를 도모하는 것이 가능하지만 난삭재의 재료 특성, 즉 난삭성을 일으키는 재료 특성은 이것을 제거할 수 없다는 것이다. 예를 들면 공구 재종의 선택이 부적정하면 새로 적정한 공구 재료를 다시 선정할 수 있지만 초내열 합금의 절삭이 곤란하다고 하여 초내열 합금의 재료 특성을 절삭하기 쉬운 것으로 변경할 수는 없다. 난삭재의 절삭에서는 특히 일반적인 트러블요인을 가급적 배제하여야 한다. 공구 재종의 선택이나 가공 조건의 설정을 잘못해 버려 그 난삭재가 본래 가지고 있던 난삭성의 레벨보다 한층 연삭이 곤란한 상태에서 절삭을 하고 있는 경우가 많다. 이러한 트러블을 배제할 수 있게 생산 기술의 하드웨어나 소프트웨어를 완비하여야 한다