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이제는 기본이 된 ‘난삭재’의 기본 – 샌드빅 코로만트 전문가가 본 난삭재 이야기

난삭재란
난삭재라는 것은 말그대로 절삭이 난해한 소재라 할 수 있다. 예전에는 내열합금(HRSA- Heat Resistance Super Alloy)과 티타늄합금 등을 일반적으로 난삭재로 통칭하며, 경도가 높고 질긴 소재를 말했다. 요즘은 가공이 어려운 다양한 인자들의 첨가로 인해 새로운 난삭재들이 개발되고 있고, 스테인리스, 알루미늄, 주철, 탄소 섬유 강화 플라스틱 등 다양한 재질에서 파생되는 난삭 소재들이 쏟아져 나오고있다. 이에 따라 절삭 공구 업계에서도 다양한 가공 방법을 시도하는 동시에 새로운 제품을 출시하고 있다. 난삭재의 절삭 가공에서 원활한 가공을 유지하기 위해서는 각각의 소재가 가지는 특성에 따라 적절한 공구를 선정하여야 하며, 적용 가능한 절삭 조건과 이를 수용 가능한 설비, 안정적인 치구, 절삭 유재 등 다양한 인자들이 난삭재의 절삭 가공에 수반되는 요소들이다. 먼저, 대표적인 난삭재로 불리는 내열합금과 티타늄합금을 살펴보도록 하겠다.

내열합금
내열합금 재질은 크게 니켈 기지(Nickel-based), 철 기지(Iron-based), 코발트 기지(Cobalt-based)의 3가지 그룹으로 나눌 수 있다. 이들의 물리적 특징과 가공성은 성분의 화학적 특성 및 제조 공정에 따라 다양해 진다. 또한 소재의 후처리로 소둔(Annealing) 혹은 시효(Aged) 시키게 되면, 가공 특성에 크게 달라지며 완전히 다른 결과가 나타난다.

항공기 엔진은 내열합금으로 이루어져 있다.
항공기 엔진은 내열합금으로 이루어져 있다.

– 니켈 기지(Nickel based): 아주 광범위하게 사용되며, 항공기 엔진 산업에서 약 50% 이상을 점유하고 있다. 일반적으로 포함되는 재질은 석출 경화 합금의 Inconel 718 및 Waspaloy, Udimet 720, 용체화 강화(Solution strengthening) 합금의 Inconel 625 등이 있다.
– 철 기지(Iron-based): 오스테나이트계 스테인레스 강으로 개발되었으며, 재질 중에는 ‘Incoloy 909’와 같이 아주 낮은 열 팽창 계수를 갖는 재질도 있다. 이 소재는 항공기 엔진의 샤프트, 링 및 케이싱(Casing)에 적합하다. 그러나 세 그룹 중 고온 인장 강도 수치가 가장 나쁘다. 일반적으로 포함되는 재질은 Inconel 909, A286, Greek Ascoloy 등이 있다.
– 코발트 기지(Cobalt-based): 니켈 기지의 내열 합금보다 고온에서 아주 뛰어난 내식성을 갖고 있다. 그러나 이 합금은 가격이 니켈 기지 보다 고가이며, 가공 하기도 어려운 난삭재이다. 그래서 엔진의 고온 연소 부분에 사용된다. 또한 고유의 내식성으로 인하여, 원자로(Nuclear reactor) 및 외과용 이식 재료로 사용된다. 일반적으로 포함되는 재질은 Haynes 25, Stellite 31 등이 있다.

티타늄합금
다음으로 티타늄합금을 살펴보자. 티타늄합금 재질은 다양한 가공 방법이 요구된다. 그리고 금속학적 특징 및 가공성은 주물이나 스테인레스 등과 같은 다른 재질에 비하여 상당히 어렵다. 티타늄 합금은 첨가 원소의 결정 상태에 따라 3개 그룹으로 나뉘어 진다. 이 첨가 원소는 각각의 티타늄 합금을 구별하는 디자인 코드에 반영되기도 한다.

– 알파 합금(Alpha alloys) – Al, O 및 N의 첨가는 α-상을 안정화 시킨다
– 베타 합금(Beta alloys) – Mb, Fe V Cr 및 Mn의 첨가는 β-상을 안정화 시킨다
– 혼합상(Mixed alloys) – α + β 의 혼합 합금, 이 혼합상에는 α-상 β-상이 공존해 있다. 현재 사용하고 있는 티타늄합금의 상당부분을 차지하고 있다. Ti-6Al-4V은 가장 보편적으로 사용하는 재질이다.

내열합금과 티타늄합금은 소재의 생산 방식에 따라 가공의 결과가 크게 달라진다.
단조 소재는 주조 소재보다 결정의 조직이 더 치밀하다. 결정 입자가 치밀하면 인장 강도와 고유 특성을 개선시키게 되지만 가공 특성은 나빠진다. 그래서 단조 소재를 가공할 때는 절삭 속도를 줄이고 이송을 높여야만 높은 금속 제거율과 우수한 공구 수명을 얻을 수 있다.
주조 소재를 가공할 때는 이송을 낮추고, 절삭 속도를 높이는 것이 유리하다. 주조 소재는 가공성이 나쁘고, 절삭 공구의 노치 마모 및 마멸 마모를 일으킨다. 노치 마모는 내열합금과 티타늄합금 가공 시, 가장 크게 나타나는 마모의 패턴이다. 공구의 측면에서, 가장 나쁜 노치 마모는 인서트 코너 반경보다 큰 절입 깊이로 인해, 접입각이 90 도에 가까울 때 일어나는 것이다. 이처럼, 절입각과 절입깊이는 인서트의 노치 마모를 일으키는 주요 인자이다.

노치 마모

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난삭 소재 가공에서 절삭날의 노치 마모는 완전히 방지(혹은 예방)할 수 없으나, 아래의 일반적인 법칙을 따르면 조정 될 수 있다.
•가능한 한, 낮은 절입각의 공구를 사용.
•원형 인서트를 사용하여 인서트 반경보다 적은 절입깊이로 낮은 절입각을 사용.
•램핑 가공 – 가공 패스마다 절입 깊이를 다양하게 변화를 준다. 이 것은 국부적인 부분에 노치 마모를 전체적인 절삭 날에 배분하여, 노치 마모를 예방할 수 있다.

일반적으로 선삭의 경우, ISO 표준의 C/D/S*** 형상의 인서트로 가공하면 절입 깊이에 상관없이 절입각은 인서트의 형상에 따라 정해져 있다. 그러나 원형 인서트의 절입각은 인서트의 크기와 절입 깊이에 따라 0 에서 90도까지 다양하게 변화한다. 그리고, ISO 표준 인서트일지라도 절입깊이가 인서트 코너 반경 보다 작으면 인서트 형상의 각도가 90도 일지라도 절입각은 줄어들 수 있다.

티타늄으로 가공된 항공기 구조물
티타늄으로 가공된 항공기 구조물

CFRP
새롭게 떠오르는 신소재로 탄소 섬유 강화 플라스틱 (CFRP – Carbon Fiber Reinforced Plastic)을 살펴 보자. 항공 산업이 발전함에 따라 탄소 섬유 강화 플라스틱의 사용량이 점점 더 증가하는 추세이며 자동차 산업 등 다양한 영역에서 활용도를 높이고 있다. 탄소 섬유 강화 플라스틱을를 사용하는 이점으로, 강철 보다 강하고, 알루미늄 보다 가벼우며, 티타늄합금과 같이 질긴 성질을 가진다. 그로 인해 구조물의 무게를 줄이게 되고, 결과적으로 연비 향상 효과와 함께 환경 오염을 줄일 수 있다.
하지만 이러한 이점과 대비되는 단점들이 있다. 우선, 소재 제작이 어렵고, 섬유질로 인하여 가공 시 공구에 상당한 마멸 마모를 초래한다. 또한 절삭 가공 시 발생되는 미세 섬유질의 입자는, 호흡기를 통하여 폐에 심각한 손상을 일으키며 설비의 주요 구동부 사이에 침투하여 마모를 일으켜 설비의 내구성을 떨어트리게 된다. 탄소 섬유 강화 플라스틱 가공 시, 공구 수명을 결정 짓는 인자로 공구의 마모도와 가공물의 품질을 들 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 질긴 탄소 섬유질로 인하여 공구의 절삭 날에 마모가 급격하게 진행되는 특징이 있다. 마모로 인하여 무뎌진 절삭날은 적층된 섬유층을 박피하여 가공부의 품질을 저하시키는 결과를 초래한다. 적층된 섬유가 박피되는 현상을 방지하기 위하여 절삭날은 날카롭게 하며, 진입은 가능한 부드럽도록 낮은 절입 각도를 유지하도록 한다. 그래서 탄소 섬유 강화 플라스틱 가공 공구로 초경의 경우 절삭날은 가능한 날카롭고 내마모성이 우수한 코팅이 적용된다. 그 외 PCD 재질의 공구를 사용하여 공구수명과 안정성을 향상시킨다.

CFRP
CFRP
CFRP를 날카로운 절삭 날로 가공하였을 때(좌)와 마모가 진행된 공구를 사용하였을 때의 품질(우)
CFRP를 날카로운 절삭 날로 가공하였을 때(좌)와 마모가 진행된 공구를 사용하였을 때의 품질(우)

 

스테인레스 계열
탄소 섬유 강화 플라스틱이 무게를 줄여 기관의 효율을 높이는 컨셉이라면, 스테인레스 계열의 난삭재는 부품의 고온에서의 효율을 높이는 컨셉의 소재라 할 수 있다. 서두에 설명한 내열합금과 유사하게 스테인레스 소재의 특성을 그대로 유지하며, 소재 경도가 높아 공구 날끝의 치핑이 많이 발생되는 경향을 보인다. 대표적인 스테인레스 난삭재는 1.4848 , HA2 등과 같이 자동차 산업에서 개발이 왕성하다. 폭스바겐의 디젤 게이트에서도 볼 수 있듯이, 터보차저의 에너지 재순환 기술이 얼마나 중요한 부분을 담당하는지를 역설적으로 보여준다. 터보 차저의 소재가 발전되면서 기관의 효율이 높아지는 결과로 자동차 산업분야의 새로운 시대가 열렸으나 반대로 소재에 Cr과 Ni의 함유량이 많아 절삭성이 떨어져 공구 수명이 급격히 감소하여 공구비가 증가하는 단점이 있다.

스테인레스 합금
스테인레스 합금

가공경화, 소재 점착(BUE-Built Up Edge), 치핑은 스테인레스 계열의 난삭재 가공 시 발생되는 대표적인 마모 패턴이다. 일반적인 경우 날카로운 잘삭날을 통하여 가공 경화와 소재 점착은 피할 수 있겠으나 날끝 치핑은 더 큰 문제가 된다. 반대의 경우도 마찬가지. 결국 모든 상황을 만족하기 어렵다. 날끝 치핑을 위하여 충분한 인성을 가지는 모재와 소재 점착을 방지할 수 있는 미려하고 내마모성이 뛰어난 코팅 기술, 날카로운 절삭날을 위한 공구 형상이 중요하게 검토되어야 될 요소이다.

주철 계열
마지막으로 주철 계열의 난삭재를 살펴보자. 자동차 산업을 기반으로 익숙한 주철 소재는 오랜 동안 꾸준한 발전을 해왔다. 최근 CGI, Hi-Simo, FCD-series 등의 난삭 소재들이 소개되고 이미 현장에서는 많은 어려움에 난항을 겪고있다. 주물 계열의 난삭 소재들은 각각의 물리적, 기계적 성질이 크게 다르다. 기계적인 가공성에 차이는 열전도율과 인장강도에 따라 달라지며, 이는 소재 제작 과정의 흑연의 상과 물성치에 따라 달라진다. 일반적인 회주철의 공구 수명 대비 주철 계열의 난삭 소재의 공구 수명은 현저히 낮아지며, 합금 성분에 따라 마모성이 크게 달라진다.
잘게 부스러지는 형태의 칩의 회주철에 비해 난삭의 주물은 칩이 강과 유사한 형태로 말리는 경향이 있어 칩의 문제가 종종 발생하기도 한다. 이러한 주물 계열의 난삭 소재의 가공에서, 주물 가공의 일반화된 특징인 네거티브 절삭날은 가공에 도움이 되지 못한다. 날카로운 포지티브 절삭날과 내마모성이 우수한 코팅의 공구를 선정하는 것이 중요하며 공구 형상에서 충분한 칩 배출 공간의 확보가 중요하다.

CGI 엔진블럭
CGI 엔진블럭

이런 광범위한 소재에 추천 절삭 조건을 하나의 세트로 도식화 하여 제공하는 것은 불가능하다. 그리고 같은 합금 그룹이라도 가공성은 다양하며, 실제로 동일 재질에서도 공정에 따라 수 많은 추천 절삭 조건이 있다. 이렇게 다양한 난삭재를 올바르게 가공하기 위해서는 가공 하고자 하는 소재의 특성을 이해하고 가공 시 발생되는 마모의 기재를 판단하여 개선해 나아가는 것이 중요할것이다.

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About 이상준 기자

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