가공 및 금속 가공 분야에서 최적의 성능, 효율성 및 비용 효율성을 달성하려면 올바른 절삭 공구 재질을 선택하는 것이 중요합니다. 이 종합 가이드에서는 서멧 인서트, 카바이드, 입방정질화붕소(CBN), 다결정 다이아몬드(PCD) 절삭 공구의 주요 차이점을 살펴봅니다. 각 재료의 고유한 특성, 응용 분야 및 비용 고려 사항을 이해하면 가공 요구 사항에 대한 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있습니다.
1. 소개: 재료 과학의 최첨단
절삭 공구 재질의 경우, 모든 기공사 또는 제조 전문가가 서멧 인서트와 카바이드, CBN, PCD를 비교하는 것은 필수적입니다. 이러한 각 재료는 뚜렷한 장점과 한계를 제공하므로 다양한 응용 분야와 공작물 재료에 적합합니다. 이 글에서는 이러한 절삭 공구 재질의 복잡성에 대해 자세히 살펴보고 복잡한 가공 세계를 자신 있게 탐색할 수 있도록 도와드립니다.
2. 서멧 인서트: 두 가지 장점의 장점
구성 및 속성
“세라믹'과 ”금속'의 합성어인 서멧 인서트는 세라믹 소재의 경도와 금속 바인더의 인성을 결합한 제품입니다. 일반적으로 니켈 기반 합금과 결합된 티타늄 카바이드(TiC) 또는 티타늄 탄화물(TiCN) 입자로 구성된 서멧 인서트는 고유한 특성의 균형을 제공합니다.
장점과 단점
장점:
- 카바이드보다 높은 내마모성
- 뛰어난 열 안정성
- 뛰어난 표면 마감 기능
- 우수한 화학적 안정성
단점:
- 카바이드에 비해 낮은 인성
- 카바이드 인서트보다 더 잘 부러짐
- 카바이드에 비해 제한된 가용성
애플리케이션
서멧 인서트는 탁월한 성능을 발휘합니다:
- 강철 및 주철 마감 작업
- 부드러운 소재의 고속 가공
- 우수한 표면 마감이 필요한 애플리케이션
3. 카바이드 인서트: 다재다능한 일꾼
구성 및 속성
카바이드 인서트, 초경합금이라고도 하는 텅스텐 카바이드는 코발트 매트릭스와 결합된 텅스텐 카바이드(WC) 입자로 구성되어 있습니다. 이 구성으로 인해 경도와 인성을 결합한 소재가 만들어져 다양한 가공 분야에 적합합니다.
장점과 단점
장점:
- 경도와 인성의 탁월한 균형
- 다양한 애플리케이션에 사용할 수 있는 다양한 등급
- 우수한 내마모성
- 다양한 가공 작업에 비용 효율적
단점:
- 세라믹 및 초경질 소재에 비해 낮은 열경도
- 특정 애플리케이션에서 성능 향상을 위해 코팅이 필요할 수 있습니다.
애플리케이션
카바이드 인서트는 다음과 같은 분야에서 널리 사용됩니다:
- 다양한 재료의 범용 가공
- 밀링, 터닝 및 드릴링 작업
- 황삭 및 반가공 작업
4. 입방정 질화 붕소(CBN): 철강 전문가
구성 및 속성
입방정 질화 붕소(CBN)는 다이아몬드 다음으로 경도가 높은 합성 초경도 소재입니다. 육각형 질화붕소를 고온과 고압에 노출시켜 정육면체 결정 구조로 만들어집니다.
장점과 단점
장점:
- 극한의 경도 및 내마모성
- 뛰어난 열 안정성
- 경화강 가공에서 탁월한 성능 발휘
- 철 소재 가공 시 화학적 안정성
단점:
- 카바이드 및 서멧에 비해 높은 비용
- 깨지기 쉬운 특성으로 인해 신중한 취급과 적용이 필요합니다.
- 부드러운 소재에는 제한적인 효과
애플리케이션
CBN은 탁월합니다:
- 경화강 가공(>45 HRC)
- 주철의 고속 가공
- 엄격한 허용 오차가 필요한 마감 작업
CBN 대 PCBN
다결정 입방정 질화 붕소(PCBN)는 CBN 입자가 세라믹 또는 금속 바인더로 소결된 CBN의 변형입니다. PCBN은 순수 CBN에 비해 인성이 향상되어 중단된 절단 작업 및 보다 다양한 응용 분야에 적합합니다.
5. 다결정 다이아몬드(PCD): 비철 전문가
구성 및 속성
다결정 다이아몬드(PCD)는 다이아몬드 입자를 금속 바인더(일반적으로 코발트)와 함께 소결한 것으로 구성됩니다. 그 결과 경도와 내마모성이 뛰어난 소재가 탄생합니다.
장점과 단점
장점:
- 탁월한 경도 및 내마모성
- 뛰어난 열 전도성
- 뛰어난 표면 마감 기능
- 적절한 애플리케이션에서 긴 공구 수명
단점:
- 높은 비용
- 고온에서 철 물질과의 화학 반응성
- 깨지기 쉬운 특성으로 인해 신중한 취급과 적용이 필요합니다.
애플리케이션
PCD 커팅 도구는 다음과 같은 경우에 이상적입니다:
- 비철 금속 가공(알루미늄, 구리, 황동)
- 연마재 절단(유리섬유, 탄소섬유 복합재)
- 초정밀 가공 작업
6. 비교 분석: 서멧 인서트 대 카바이드 대 CBN 대 PCD
경도 비교
서멧 인서트와 카바이드, CBN, PCD를 비교할 때 경도는 중요한 요소입니다. 가장 부드러운 것부터 가장 단단한 것까지:
- 카바이드
- Cermet
- CBN
- PCD
PCD가 가장 단단하지만 철 소재의 한계로 인해 모든 애플리케이션에 항상 최선의 선택은 아니라는 점에 유의해야 합니다.
비용 비교
이러한 절삭 공구 재료의 가격은 매우 다양합니다. 가장 저렴한 것부터 가장 비싼 것까지 다양합니다:
- 카바이드
- Cermet
- CBN
- PCD
CBN과 PCD의 높은 비용은 적절한 애플리케이션에서 우수한 성능과 더 긴 도구 수명으로 정당화될 수 있습니다.
다양한 애플리케이션에서의 성능
- 서멧 인서트: 강철 및 주철의 마감 작업에 가장 적합하며 뛰어난 표면 마감을 제공합니다.
- 카바이드: 다양한 재료와 작업에 적합한 다목적 성능.
- CBN: 경화강 및 주철 가공, 특히 고속 가공에 탁월합니다.
- PCD: 비철 및 마모성 소재에서 탁월한 성능을 발휘합니다.
7. 자주 묻는 질문
CBN은 카바이드보다 더 단단하나요?
예, CBN은 카바이드보다 훨씬 더 단단합니다. 크누프 경도 척도에서 CBN은 일반적으로 4000~5000KHN 범위인 반면 카바이드는 1000~2000KHN 범위입니다.
CBN 인서트는 어떤 용도로 사용되나요?
CBN 인서트는 주로 경화강(>45 HRC), 주철 및 기타 경질 소재 가공에 사용됩니다. 엄격한 공차가 요구되는 고속 가공 및 정삭 작업에 탁월합니다.
CBN 휠은 카바이드를 연마할 수 있나요?
예, CBN 휠은 카바이드 공구를 효과적으로 연마할 수 있습니다. CBN은 경도가 매우 높아 카바이드 절삭 공구를 연마하고 연삭하는 데 적합하며, 정밀하고 내구성이 뛰어난 모서리를 제공합니다.
PCD와 CBN의 차이점은 무엇인가요?
PCD와 CBN의 주요 차이점은 다음과 같습니다:
- 경도: PCD는 CBN보다 더 단단합니다.
- 화학적 안정성: 철 소재 가공 시 CBN이 더 안정적입니다.
- 응용 분야: PCD는 비철 및 연마성 소재에 탁월하며, CBN은 경화강 및 주철에 더 적합합니다.
CBN이 PCD보다 강철 가공에 더 좋은 이유는 무엇인가요?
CBN은 고온에서의 화학적 안정성으로 인해 강철 가공에 더 적합합니다. PCD는 고온에서 철과 반응하여 공구가 빠르게 마모되는 경향이 있습니다. CBN은 안정성을 유지하여 경화강과 주철을 효율적으로 가공할 수 있습니다.
CBN은 다이아몬드보다 더 단단하나요?
아니요, CBN은 다이아몬드보다 단단하지 않습니다. 다이아몬드(PCD 포함)는 가장 단단한 천연 소재로 알려져 있습니다. 그러나 CBN은 두 번째로 단단한 재료이며 특정 응용 분야, 특히 철 소재를 가공할 때 다이아몬드보다 유리합니다.
CBN이 왜 그렇게 비싼가요?
CBN은 여러 가지 요인으로 인해 가격이 비쌉니다:
- 고온과 고압이 수반되는 복잡한 제조 공정
- 자연 발생은 제한적이며 합성 생산이 필요합니다.
- 생산에 필요한 전문 장비 및 전문 지식
- 고유한 특성으로 인해 산업용 애플리케이션에서 높은 수요 증가
8. 자세한 구성 및 물리화학적 특성
서멧 인서트와 카바이드, CBN, PCD를 비교할 때는 각 소재의 세부적인 구성과 물리화학적 특성을 이해하는 것이 중요합니다. 이러한 지식은 다양한 가공 응용 분야에서의 성능에 대한 통찰력을 제공합니다.
8.1 Cermet
구성:
- 경질상: 일반적으로 부피 기준으로 70-85%, 티타늄 카바이드(TiC), 탄화 티타늄(TiCN) 또는 질화 티타늄(TiN)으로 구성됩니다.
- 바인더 단계: 보통 부피 기준으로 15-30%, 니켈, 몰리브덴, 코발트로 구성됩니다.
물리화학적 특성:
- 밀도: 5.6-7.4 g/cm³, 구성에 따라 다름
- 경도: 1500-2200 HV(비커스 경도)
- 열 전도성: 15-40 W/m-K
- 열팽창 계수: 7.0-8.5 × 10-⁶/K
- 횡 파열 강도: 1200-2500 MPa
- 영탄성계수: 400-450 GPa
세라믹의 높은 경도와 금속의 인성을 결합하여 뛰어난 내마모성과 열 안정성을 제공하는 Cermet. 티타늄 기반의 경상은 경도와 내마모성을 제공하며, 금속 바인더는 인성과 열충격 저항성을 향상시킵니다.
8.2 카바이드
구성:
- 경질상: 일반적으로 텅스텐 카바이드(WC)로 구성된 부피 기준 70-97%
- 바인더 단계: 보통 부피 기준으로 3-30%, 주로 코발트(Co)
물리화학적 특성:
- 밀도: 11.0-15.0g/cm³, 코발트 함량에 따라 다름
- 경도: 1000-1800 HV, 코발트 함량과 반비례함
- 열 전도성: 50-100W/m-K
- 열팽창 계수: 4.9-7.1 × 10-⁶/K
- 횡 파열 강도: 1500-3000 MPa
- 영탄성계수: 450-650 GPa
카바이드 인서트는 경도와 인성 사이의 균형을 제공합니다. 텅스텐 카바이드는 내마모성과 경도를 제공하고, 코발트 바인더는 인성과 내충격성을 향상시킵니다. 카바이드 입자 크기와 코발트 함량을 변경하여 특성을 조정할 수 있습니다.
8.3 입방정 질화 붕소(CBN)
구성:
- CBN 결정: 부피 기준 50-95%
- 바인더 상: 부피 기준 5-50%, 일반적으로 세라믹(예: TiN, AlN) 또는 금속(예: Co, Ni, Al)
물리화학적 특성:
- 밀도: 3.4-4.3 g/cm³
- 경도: 4000-5500 HV
- 열 전도성: 100-200W/m-K
- 열팽창 계수: 4.6-4.9 × 10-⁶/K
- 횡 파열 강도: 500-800 MPa
- 영탄성계수: 680-720 GPa
CBN은 다이아몬드와 유사한 큐빅 결정 구조를 가진 합성 초경질 소재입니다. 특히 철 소재를 가공할 때 탁월한 경도, 열 안정성 및 화학적 불활성을 제공합니다. 열전도율이 높기 때문에 가공 시 열을 효율적으로 방출할 수 있습니다.
8.4 다결정 다이아몬드(PCD)
구성:
- 다이아몬드 크리스탈: 부피 기준 90-95%
- 바인더 단계: 부피 기준 5-10%, 일반적으로 코발트
물리화학적 특성:
- 밀도: 3.5-4.0g/cm³
- 경도: 8000-10000 HV
- 열 전도성: 500-2000 W/m-K
- 열팽창 계수: 2.0-4.8 × 10-⁶/K
- 횡 파열 강도: 1200-1700 MPa
- 영탄성계수: 776-925 GPa
PCD는 다이아몬드 입자를 금속 바인더(보통 코발트)와 함께 소결한 것으로 구성됩니다. 탁월한 열전도율과 함께 탁월한 경도와 내마모성을 제공합니다. 하지만 PCD는 고온에서 철과 화학적으로 반응하기 때문에 철 소재 가공에는 사용이 제한됩니다.
물리화학적 특성 비교 분석
서멧 인서트와 카바이드, CBN, PCD를 평가할 때 몇 가지 주요 물리화학적 특성이 두드러집니다:
- 경도: PCD > CBN > 서멧 > 카바이드 이 계층 구조는 연마 응용 분야에서 내마모성과 공구 수명에 직접적인 영향을 미칩니다.
- 열 전도성: PCD > CBN > 카바이드 > 서멧 열전도율이 높을수록 가공 중 열 방출이 원활해져 절삭 속도가 빨라질 수 있습니다.
- 밀도: 초경 > 서멧 > PCD > CBN CBN과 같은 저밀도 소재는 고속 회전 공구에서 원심력을 줄여주는 이점이 있습니다.
- 열팽창: 서멧 > 카바이드 > CBN > PCD 열팽창 계수가 낮은 재료는 가공 공정의 온도 변동 시 치수 안정성을 더 잘 유지합니다.
- 횡방향 파열 강도: 카바이드 > 서멧 > PCD > CBN 가로 파열 강도가 높을수록 칩핑 및 파손에 대한 저항성이 우수하며, 특히 중단된 절삭 작업에서 중요합니다.
특정 가공 응용 분야에 최적의 절삭 공구 재질을 선택할 때는 이러한 세부적인 구성과 물리화학적 특성을 이해하는 것이 중요합니다. 서멧 인서트와 카바이드, CBN, PCD 중 어떤 재질을 선택할지는 공작물 재질, 가공 파라미터 및 원하는 결과와 관련하여 이러한 특성을 신중하게 고려해야 합니다.
9. 결론 올바른 절삭 공구 재료 선택
서멧 인서트 대 카바이드 대 CBN 대 PCD의 논쟁에서 모든 것을 충족하는 솔루션은 없습니다. 선택은 다음과 같은 다양한 요인에 따라 달라집니다:
- 공작물 소재
- 가공 작업(황삭, 정삭, 고속 가공)
- 필수 표면 마감
- 도구 수명 기대치
- 예산 제약
각 소재의 고유한 특성, 장점 및 한계를 이해하면 가공 공정을 최적화하기 위한 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있습니다. CBN 및 PCD와 같은 첨단 소재는 특정 응용 분야에서 뛰어난 성능을 제공하지만, 카바이드 및 서멧 인서트와 같은 전통적인 옵션은 여전히 최신 가공 작업에서 그 자리를 지키고 있습니다.
가공 기술이 계속 발전함에 따라 절삭 공구 소재에 대한 정보를 계속 파악하면 업계에서 경쟁력을 유지하는 데 도움이 됩니다. 일반적인 강철로 작업하든 이색적인 합금으로 작업하든, 고객의 요구에 맞는 절삭 공구 재질이 있습니다.
