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난삭재여 영원하라

이제 ‘난삭재’라는 용어는 더 이상 새로운 것이 아니다.
제조 역사를 통틀어서도 항상 있어 왔고, 앞으로도 그럴 것이다.
이번 글에서는 2019년 현재 난삭재 가공을 위한 솔루션의 위치를 알아본다.

독자께서 기억하실지 모르겠지만 몇 년 전 본지가 절삭 가공 실무자 574명을 대상으로 난삭재에 대한 설문조사를 실시한 적이 있다. 당시 무려 80%에 달하는 응답자가 ‘난삭재를 가공하고 있다’라고 답변했다.
흥미로운 점은 가공 실무자들이 난삭재라고 생각하는 소재가 사실상 대부분의 소재에 해당한다는 사실이었다. ‘내가 가공하기에 어려운 것’이라는 주관적인 견해로 난삭재를 정의하는 경향도 있는 것이다.
‘앞으로 난삭재 가공의 비중이 늘어날 것으로 보는가’라는 질문에 역시 80%에 달하는 응답자가 ‘늘어날 것’이라고 답했다. 5년이 지났다. 지금 이 시점에 다시 설문조사를 해 보지는 못했지만, 전문가들은 난삭재 비중이 높아진 것은 분명한 것으로 보고 있다.

 

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2013년도 당시의 설문결과이지만 난삭재에 대한 인식은 지금도 크게 바뀌었다고 보기는 어렵다.

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시대를 초월한 난삭재 이슈
무려 30년 전에도 난삭재는 이슈였다. 본 지(당시 월간 기계기술) 1986년 11월호 관련 기사에는 이렇게 쓰여있다. ‘작금에 이으러 다양한 신소재가 개발되고 있는데 이것을 제품화, 부품화하는 데 있어서 없으면 안 되는 것이 가공기술이다. 여기에서는 금속계의 난삭재인 스테인레스강, 고망간강, 티탄 합금, 고경도재, 내열합금 등에 대하여 그 절삭 가공기술의 최근 동향을 해설하기로 한다.’ 이렇듯 전혀 새로운 이슈가 아닌, 그러나 영원히 화두가 될 난삭재 가공 이슈를 2019년 현재를 기준으로 살펴본다.

난삭재 정의
난삭재는 고강성 및 초경량 등 기계적 성질이 우수한 반면, 절삭이 어려운 소재로 분류되는 재료들로 내열성, 내식성 및 내마모성이 우수한 티타늄과 인코넬 등과 같은 신소재부터 알루미늄 합금과 같이 일반적으로 사용하고 있는 소재도 사용 목적에 따라 난삭재로 분류되기도 한다.

일반적으로는 경도와 인장강도가 크고 열전도율이 낮은 반면 가공경화가 생기기 쉽고 공구재료와 친화성이 높은 성질의 소재를 난삭재로 분류한다. 보다 광의적으로 분류할 경우도 있다. 피가공물의 재질 그 자체가 난삭성을 야기하는 특성을 가진 재료, 예를 들어 티타늄 합금, 초내열 합금, 세라믹, CFRP 등이 있다. 절삭 데이터가 없는 신소재 처럼 피삭성이 불명확한 재료의 경우, 또한 최적 가공조건이 다른 두 재료의 동시 가공, 예를 들어 금속과 복합재료가 결합된 재료도 광의적으로 난삭재로 분류해 볼 수 있다.
난삭재의 적용분야로는 항공/우주, 자동차 및 바이오분야와 같이 고강성/초경량/고품질의 소재를 요구하는 분야에 주로 사용되고 있으며, 그 비중이 급속히 늘어나고 있는 추세다. 특히, 항공 및 자동차 산업에서는 연료절감을 위한 고경도 경량소재 사용 비율이 급격히 증가하고 있다. 하지만, 이러한 첨단 소재들은 주로 절삭가공이 어려운 고강성 및 고인성 소재로 가공성이 낮은 것이 단점이다.

대표적인 난삭재 및 가공기술의 특징
난삭재 가공 시에는 공구 마모가 빠르고 절삭온도 및 절삭저항이 크며, 절삭칩이 날에 융착하는 현상이 발생한다. 따라서, 난삭재는 소재에 따라 가공 시의 급격한 소성 변형, 절삭공구의 급격한 마모 및 공구와의 화학 반응 등 다양한 특성을 고려해야 한다.

티타늄 (Titanium)
티타늄은 중량 대비 고강도, 내부식성, 생체 친화성, 용접성이 우수한 금속으로써, 높은 융점, 낮은 열팽창 계수, 열전도도를 갖는다. 고온에서도 유지되는 고강도 특성 때문에 우주/항공 분야에서 제트엔진의 부품 재료로 사용되며, 알루미늄 대비 낮은 열 팽창 특성과 탄소섬유복합재와의 재료 친화성 때문에 항공기에서 구조체를 위한 소재로 활용되고 있다. 또한 우수한 내부식성 특성은 해양 플랜트, 선박용 부품에 적합하며, 생체 친화성은 바이오 산업에서 임플란트 제작에 활용된다.

티타늄 합금 부품의 제조 비용 감소를 위해 주조, 항온 단조, 메탈 3D 프린팅과 같은 제조 공법이 도입되어 왔으나, 형상 정밀도, 제품 무결성 등을 요구하는 우주/항공 분야의 대부분의 부품들은 여전히 밀링, 터닝, 드릴링과 같은 종래의 절삭가공을 사용하여 제작된다. 그러나 티타늄 합금의 낮은 열전도도와 고강도 특성 때문에 절삭 가공 시 1,000°C 이상의 고온의 절삭열이 발생하고, 고온에서 화학적 활성이 높기 때문에 공구에 응착이 쉽게 일어남으로써 크레이터 마모를 가속시켜 공구 수명을 단 축시킨다.

티타늄 가공을 위한 절삭공구는 대부분 비철계열 초경과 다결정질의 다이아몬드(PCD)가 쓰이는데, PCD는 마모 측면에서 초경보다 확실히 좋지만 부서지기 쉽고 매우 고가여서 한정된 범위 내에서만 사용되고 있다. 이 때문에 현장에서는 초경을 사용하는데 코팅된 초경은 코팅이 쉽게 벗겨져 실제로 비용측면에서 코팅이 안 된 카바이드가 사용되고 있지만, 최근 다이아몬드 코팅기술 개발에 힘입어 다이아몬드 코팅된 카바이드 사용 비중이 늘어나고 있다.

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티타늄

인코넬 (Inconel)
인코넬은 대표적인 니켈-크롬 합금으로써 철, 니오븀, 몰리브덴을 주로 함유하고 있으며, 미량의 알루미늄, 티타늄을 포함하고 있는 내열 합금강이다. 그 중 Inconel 718은 대표적인 니켈 합금으로 고온 강도와 내부식성이 우수하고, 700°C 이상의 고온 환경에서도 피로 저항성이 높기 때문에, 우주/항공 분야에서 제트엔진 터빈블레이드 소재로 주로 사용된다.

티타늄 합금과 마찬가지로 인코넬 역시 고온 강도와 낮은 열전도도를 가지기 때문에 절삭가공이 쉽지 않다. 특히 인코넬이 난삭 소재로 분류될 수 있는 이유는 절삭 시 가공경화 현상의 발생과 함께 석출경화가 발생하여 가공물의 인장강도와 항복강도를 증가시켜 더욱 절삭이 어렵게 만들기 때문이다. 또한 가공물의 미세구조 내부에 생성 된 고경도 입자는 절삭성을 악화시키며 공구수명을 단축 시키고 가공 품질을 떨어뜨린다. 가공 시 공구 파단 및 공구 홀더의 강성 부족도 주의해야 하는 요소이다. 이런 인코넬 가공 상의 문제점을 극복하기위해 주로 초경 공구에 여러가지 소재로 코팅해 사용하고 있으며, 최근 높은 내산화성, 고온 경도 및 높은 표면 윤활성을 가진 PVD 코팅이 확산되고 있다.

인코넬
인코넬

티타늄, 인코넬 가공시 어려움
티타늄 합금, 니켈 합금과 같은 초합금(Superalloy)의 절삭가공 시, 소재의 난삭성과 증가된 공구마모는 가공물의 표면거칠기를 악화시킬 뿐 아니라, 다양한 형태의 표면 결함과 내부 결함, 기계적 결함을 야기할 수 있다.
•표면 결함은 가공표면에 존재하는 동공, 크랙, 응착 등을 포함한다. 이는 칩의 응착에 의해 공구 끝단에 발생한 구성인선의 영향이 크며, 가공 경화가 이뤄진 표면에서 발생하기 쉽다. 구성인선에 의해 가공 표면에 높은 응력이 걸리면서 깨끗한 절삭이 이뤄지지 못하고 표면을 문지르며 지나가는 경우나 가공경화에 의해 취성이 높아진 소재가 공구에 들러붙어 뜯겨 나오면서 찢기는 현상이 발생하게 된다. 이러한 표면 결함이 존재할 경우 표면 거칠기가 증가할 뿐만 아니라, 결함 부분에서 크랙의 발생 및 전파가 쉬워져서 이로인해 피로 강도가 감소할 수 있다.
•내부 결함은 표면 아래의 미세구조에 대한 결함이며, 소성변형, 열변형, 백색층 등이 있다. 공구마모와 함께 소재의 고강도 특성 때문에 높은 절삭 부하가 걸리며, 이는 미세 구조에 전단 응력에 의한 물리적 변형을 발생시킨다. 한편 고온의 절삭열이 발생한 표면에서 급격한 냉각이 발생하는 경우 담금질 현상이 발생하면서 높은 취성을 갖는 백색층과 같은 열영향부가 발생할 수 있다.
•기계적 결함은 이러한 가공물 표면과 내부에서의 결함으로 인해 발생한다. 고온의 절삭열과 높은 절삭부하는 가공 표면에 잔류응력을 발생시키며, 크랙에 의한 피로강도의 감소 발생이 가능하다. 기계적 결함은 가공물의 표면 결함과 내부 결함에 주로 영향을 받으므로 이들을 제거함으로써 향상이 가능하다. 티타늄 합금, 니켈 합금의 절삭가공 시 표면과 내부의 결함은 주로 낮은 열전도도에 의해 발생하는 고온의 절삭열과 소재의 고강도 특성, 가속화된 공구 마모의 영향을 받으므로 다양한 윤활, 냉각 방법으로 공구 수명을 향상시키고, 절삭성을 향상시키기 위한 노력이 필요하다.

CFRP
탄소섬유복합재는 열가소성 또는 열경화성 수지에 탄소섬유가 강화제로 첨가되어 있는 복합재로, 중량 대비 고강도 특성, 높은 내구성, 우수한 내부식성 때문에 항공 산업뿐만 아니라 자동차 산업에 그 수요가 점차 증가하고 있다. CFRP에 들어있는 탄소섬유는 방향성을 가지고 폴리머 매트릭스와 함께 여러 층을 갖도록 적층되어 있는데, 모두 같은 각도로 적층된 경우를 UD CFRP (Uni-Directional CFRP), 층별로 다른 각도를 이루는 경우 MD CFRP (Multi-Directional CFRP) 라고 하며, 각 층의 탄소섬유가 섬유처럼 직조되어 있는 경우를 Woven CFRP라 한다. CFRP는 각층의 탄소섬유 방향에 따라 그 물성이 다르기 때문에 층의 개수, 적층 각도는 제품에 요구되는 물성을 충족시킬 수 있도록 설계된다. 또한 사용되는 탄소섬유의 종류, 탄소섬유의 체적비에 따라서 CFRP의 물성이 달라지기 때문에 용도에 맞게 다양한 물성을 갖는 CFRP가 제작될 수 있다.

CFRP
CFRP

CFRP의 절삭가공은 보통 드릴링이나 끝단 트리밍이 많이 쓰이나 터닝과 밀링도 사용되고 항공 분야에서는 주로 드릴링 공정이 사용된다. 드릴링 시에는 소재의 박리(delamination), 표면조도 악화, 마찰 마모가 많이 발생하는 편이다. CFRP 절삭가공에서는 공구가 파이버(fiber)를 자르므로 공구의 기하적인 특성이 매우 중요하며 특히, 끝단 반경은 공구의 성능을 결정하는 매우 중요한 기하 특성이다. 주로 카바이드(초경공구)가 쓰이는데 코팅은 공구수명에 도움이 안 되는 것으로 알려졌으나, 새로 개발된 다이아몬드 코팅은 복합재료 가공에 성공적으로 사용되고 있다.

CFRP 가공시 어려움
탄소섬유는 취성이 높은 재료이기 때문에 일반 금속의 절삭 메커니즘과는 다른 원리로 절삭된다. 일반적인 금속 가공의 경우 공구가 재료에 가하는 힘에 의한 소성변형으로 절삭되지만 CFRP의 경우 취성 파괴의 형태로 재료가 절삭된다. 이러한 절삭원리와 CFRP의 이방성에 의해 금속 가공결함과 다른 형태의 결함이 발생하게 되는 것이다. CFRP는 공구에 의한 압축력에 기인한 파괴로 절삭되는데 탄소섬유와 절삭 공구가 이루는 각도에 따라 각기 다른 형태로 절삭되게 된다. 이 과정에서 발생하는 박리는 CFRP의 층과 층 사이가 벌어지며 발생하는 결함이다. 표면의 섬유가 파손되어 가공 면 안쪽까지 제거되는 경우와 가공면 밖으로 돌출된 미절삭 섬유가 남는 경우, 그리고 이 두가지가 동시에 발생하는 박리도 있다. 마지막으로 가공 후 떨어지지 않은 섬유들이 부분적으로 가공면에 잔존하고, 크랙이 가공면과 평행하게 발생하는 경우도 있다.

CGI (Compacted Graphite Iron; 강화 흑연 주철)
내구성, 인장강도, 강성이 높지만 중량은 가볍다. 인장강도가 일반 강철이 25kg/mm², CGI가 45kg/mm²다. 진동 방지 특성이 있고 피로 강성은 회주철 대비 2배 이상 높다. 구상흑연주철보다는 덜하지만 회주철에 비해 가공 부하가 더 크다. CGI는 경량화와 내수성 향상에는 좋지만 고속가공에 약하기 때문에 회주철에 비해 가공시간이 약 3배 느리다. 때문에 일반적으로 평면 밀링과 실린더 보링 가공을 하는데, 실린더 보링 대신 원형 밀링으로 가공하면 공구 수명과 생산성이 모두 개선된다. 적용되는 부품은 주로 실린더 헤드, 디스크 브레이크 등인데, 엔진 블록의 경우 회주철로 만든 것에 비해 20%의 중량을 감소할 수 있다.

CGI
CGI

고경도강
고경도강은 경도가 45~68HRC에 위치하는 뜨임 처리한 경화강을 말한다. 이름 그대로 경도가 높고 인성이 좋으나 소재 제거율이 낮아 같은 시간을 가공해도 제거되는 소재의 양이 적다. 연삭 공정을 많이 쓰지만 상대적으로 높은 가공비와 절삭유가 필요하다는 단점이 있다. 칩 컨트롤은 양호한 편이고, 절삭 부하 및 가공 시 요구되는 출력이 2,550~4,870N/mm²로 매우 높은 수준이다. 때문에 절삭 공구 재질은 고온에서 화학적으로 안정적이고 물성 및 연마성 마모에 대한 저항성을 가져야 한다. 입방정질화붕소 (Cubic Boron Nitride: CBN)가 이러한 특성을 보유하고 있으며 연삭 대신 선삭을 수행하게 한다. 적용 부품은 트랜스미션, 샤프트, 기어박스 하우징 등이다. 현재 가공에 가장 많이 채용되는 공정은 연삭이지만 상대적으로 생산성이 높고 건식 가공으로 친환경적인 하드 터닝 공정을 적용하는 방안도 검토되고 있다.

고경도강
고경도강

About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.