가공품

형질: P급 재료군은 탄소강과 합금강을 포함하며, 주성분은 철(Fe)입니다. 탄소강은 철-탄소 합금으로 구성되며, 탄소(C) 함량에 따라 저탄소강(10%)으로 분류할 수 있다.

가공상의 어려움: P급 소재는 일반적으로 가공성이 좋지만, 탄소 함량, 경도 등에 따라 큰 차이가 발생합니다. 저탄소강은 점성이 높아 칩 파쇄가 어렵고 접착 마모가 증가하여 구성날이 형성될 수 있습니다. 합금강의 가공성은 합금 원소 함량과 경도에 따라 달라지는데, 합금 함량과 경도가 높을수록 가공성이 떨어집니다. 탄화물과 일부 합금 원소는 마모를 악화시켜 주로 측면 마모와 크레이터 마모와 같은 파손 형태를 유발합니다.

형질: 이러한 종류의 재료의 경도는 45~65 HRC입니다. 일반적인 재료로는 침탄강, 베어링강, 공구강 등이 있습니다. 높은 경도 때문에 이 그룹에 속하는 모든 재료는 가공이 어렵습니다. 예를 들어 마르텐사이트계 기판은 치밀한 구조로 내마모성은 우수하지만 연성은 낮습니다. 열전도율이 15~25 W/mK 정도로 낮아 가공 중 열충격에 취약합니다. 이러한 재료로 만들어지는 대표적인 부품으로는 구동축, 기어, 조향 장치, 펀칭 다이 등이 있습니다.

가공상의 어려움: 일반적으로 이러한 재료의 주요 가공 공정은 마무리 가공입니다. 절삭 공정에서는 많은 열이 발생하고 절삭날은 심각한 마모를 겪습니다. 높은 경도로 인해 절삭 공구 날에 미세한 파손이 발생하기도 합니다. 이러한 문제를 방지하기 위해서는 초미세 입자 카바이드(K10-K20) 또는 CBN 공구를 사용해야 합니다. 이러한 공구는 우수한 내열 경도, 화학적 안정성, 기계적 강도 및 내마모성을 갖추고 있기 때문입니다. 선삭 가공에는 주로 CBN 공구가 사용되고, 밀링 및 드릴링에는 주로 카바이드 공구가 사용됩니다.

형질: M급 스테인리스강은 주로 철(Fe)로 구성되며, 크롬(Cr) 함량이 12% 이상이고 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb), 티타늄(Ti) 등의 다른 합금 원소를 포함합니다. 이러한 소재는 우수한 내식성과 고온 강도를 가지고 있습니다. 소재 내 크롬과 니켈(Ni) 함량에 따라 페라이트계, 마르텐사이트계, 오스테나이트계, 오스테나이트-페라이트계(듀플렉스) 스테인리스강으로 분류됩니다. 페라이트계 및 마르텐사이트계 스테인리스강은 크롬 함량이 일반적으로 12~18% 범위이며, 다른 합금 원소는 소량 함유되어 있습니다. 가공 및 경화가 용이하지만 용접성이 낮고 내식성은 중간 정도입니다. 오스테나이트계 스테인리스강은 크롬 함량이 일반적으로 18%, 니켈 함량이 8%입니다(예: 304 스테인리스강). 몰리브덴(Mo)을 2~3% 첨가하면 내식성을 향상시킬 수 있습니다(예: 316 스테인리스강). 듀플렉스 스테인리스강의 크롬 함량과 니켈 함량은 일반적으로 각각 18~28%와 4~7%입니다. 이러한 스테인리스강은 높은 인장 강도와 뛰어난 내식성을 가지고 있습니다.

가공상의 어려움: 이러한 재료를 가공할 때 절삭 공구의 마모는 주로 측면 마모, 크레이터 마모 및 빌드업 에지 마모로 나타납니다. 절삭 과정에서 절삭날에 많은 열이 발생하여 소성 변형과 심각한 크레이터 마모를 유발할 수 있으며, 동시에 절삭 가공 시 표면이 경화되고 단단한 칩이 생성되어 노치 마모가 발생합니다. 경화된 표면은 코팅과 모재가 절삭날에서 분리되도록 하여 칩 파손 및 표면 품질 저하를 초래합니다. 오스테나이트를 가공할 경우 강도가 높은 긴 연속 칩이 생성되어 칩을 파쇄하기 어렵습니다.

형질: K급 재료인 주철은 주로 철(Fe), 탄소(C), 규소(Si)로 구성된 합금으로, 탄소 함량은 일반적으로 2.11% 이상이거나 공융 조직을 갖는 Fe-C 합금입니다. 주철에 존재하는 탄소는 주로 흑연 형태입니다. 결과적으로 주철은 높은 진동 소산성, 낮은 노치 민감도, 우수한 내마모성 및 가공성을 갖습니다. 주철은 회주철(HT250), 가단주철(KTH300-06), 구상흑연주철(QT400-18), 압축주철(RuT400)로 분류됩니다. 주철은 2.5%~4.0%의 높은 탄소 함량과 1.0%~3.0%의 규소 함량, 150~300 HB의 경도, 50~80 W/mK의 열전도율 및 낮은 열팽창 계수를 가지고 있습니다. 이러한 특성으로 인해 주철은 고속 가공에 적합합니다. 주조 성능이 우수하고 가격이 저렴하여 다양한 공작기계 베이스, 철관 및 자동차 부품에 사용됩니다.

가공상의 어려움: 주철의 흑연 형태는 절삭 특성을 결정짓는데, 편상 흑연은 초단칩을 생성하는 경향이 있고, 구형 흑연은 절삭 저항을 증가시킵니다. 모든 주철에는 탄화규소(SiC) 흑연상이 포함되어 있는데, 이는 절삭날을 심하게 마모시켜 연삭마모를 유발합니다. 또한, 주철의 취성으로 인해 절삭날에 칩이 발생할 수 있습니다. 회주철과 가단주철은 가공이 매우 용이하지만, 구상흑연주철, 압축주철, 등온담금질 구상흑연주철은 탄소와 규소 함량이 높아 가공이 더 어렵습니다.

형질: S급 소재는 티타늄 기반 소재와 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 등의 고합금 소재를 포함하며, 이러한 소재들은 철계, 니켈계, 코발트계 고온 합금으로 분류됩니다. S급 소재는 높은 강도, 우수한 내식성, 높은 내열성을 지니고 있으며, 600℃ 이상의 고온 및 일정 응력 조건에서도 장시간 안정적으로 사용할 수 있습니다. Ti-6Al-4V, TC4 및 기타 α + β 티타늄 합금과 같은 소재는 강도 대 중량비가 최대 110 kN·m/kg에 달하고 열전도율은 7 W/mK에 불과하며 절삭 영역 온도는 최대 1000 °C까지 견딜 수 있습니다. 그러나 β상 함량이 20%를 초과하면 소성이 크게 증가하여 칩 부착이 심각해집니다. γ' 강화상을 포함하는 GH4169와 같은 고온 합금은 내열성이 최대 650 °C까지 유지되므로 가공이 어렵습니다. 고온 합금은 주로 항공우주, 가스 터빈 및 발전 산업에 사용됩니다. 티타늄 합금은 휴대폰 프레임과 같은 전자 제품 구조에도 널리 사용됩니다.

가공상의 어려움: 고온 합금은 가공성이 매우 낮은 소재로, 가공 시 점착성이 높고 탄성 계수가 비교적 크며 열전도율이 낮아 많은 열을 발생시키고 마모를 유발합니다. 따라서 코팅 칼날 가공에는 더욱 높은 요구 조건이 적용되며, 이로 인해 공구는 마모, 확산 마모, 결합 마모 등 다양한 형태의 파손에 취약합니다.

형질: N급 비철금속은 철(Fe), 망간(Mn), 크롬(Cr)을 제외한 모든 금속을 말합니다. 예를 들어 알루미늄 합금(6061, 7075), 구리 합금(H62, C1100), 마그네슘 합금(AZ91D, AM60) 등이 이 범주에 속합니다. 비철금속은 경도가 HB 50~150이고 열전도율이 120W/mK 이상입니다. 일반적으로 비철금속은 강철보다 부드러우며, 알루미늄 합금은 강도가 우수하고 내식성이 뛰어나며, 구리 합금은 전기 전도성이 우수하는 등 고유한 장점을 가지고 있습니다. 비철금속은 기계 제조, 전력, 통신, 가전제품 등 다양한 산업 분야에서 폭넓게 사용됩니다.

가공상의 어려움: 비철금속 가공 시 비교적 날카로운 절삭날을 가진 절삭 공구를 사용하면 절삭 속도를 높이고 절삭 수명을 연장할 수 있습니다. 그러나 비철금속은 탄성 계수가 작고 소성 변형 능력이 낮으며 점도(Fo)가 비교적 높습니다. 알루미늄 합금의 경우, Si 함량이 12% 이상일 때(예: AlSi10Mg) 단단한 SiC 상이 형성되어 공구의 내마모성과 인성에 대한 요구 조건이 더욱 높아집니다. 구리 합금은 절삭 시 긴 칩 롤이 발생하기 쉬운데, 이는 절삭 효율에 부정적인 영향을 미칩니다.