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초미세 단결정 다이아몬드 코팅 절삭공구의 최신 동향
 
 
월간 기계기술기자 | 2006.11.01 | 2006년 11월호
 
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다이아몬드는 지구상에서 가장 단단한 물질임과 동시에 철계 금속을 제외한 다른 물질과의 친화성이 작으 므로 절삭공구에 적용할 수 있다면 장수명이고 또 아주 평활한 다듬질면을 얻을 수 있으리라는 점은 쉽게 상상할수있다. 이 특질을 살려 옛날부터 단결정 다이아몬드 바이트 혹은 다이아몬드 소결체 팁으로 알루미늄 합금을경면 선삭했고 이 분야에서는 압도적인 우위성을 보이고 있다. 그러나 단결정 다이아몬드나 다이아몬드 소결 체에 서는 엔드밀, 드릴, 탭과 같이 복잡한 형상의 절삭공구에 적용할 수는 없다. 따라서 이같이 복잡한 형상의 절삭공 구에 다이아몬드를 적용하려면 기상(氣相) 합성법에 의한 다이아몬드 코팅이 불가피하다.
1. 다이아몬드 코팅의 원리
다이아몬드 코팅은 메탄가스로 대표되는 하이드로 카본 가스를 주원료로 하고 캐리어 가스로서 수소를 사용한다. 인조 다이아몬드는 그래파이트에 초고온 고압의 에너지를 주어 합성하는 것으로 널리 알려져 있다.
  기상합성법에서는 초고온 고압 대신에 플라즈마 속에 하이드로 카본 가스를 도입하여 다이아몬드를 생성하는 플라즈마 CVD법이 적용된다. 플라즈마를공급하는 방법으로는 직류방전, 마이크로파, 열 필라멘트, 토치 등의 다양한 방법이 있는데 공업적으 로는 <그림 1>의 마이크로파 및 <그림 2>의 열 필라멘 트법이 주로 적용되고 있다. 플라즈마 속에서 하이 드로 카본 가스에 포함되는 탄소원자는 SP3 결합의 다이아몬드로 바뀌는데 그와 동시에 SP 혹은 SP2 결합의 DLC나 그래파이트도 생성된다. 이 불순물 들은 캐리어 가스인 수소에 의해 제거되고 양질의 다이아몬드만 기판상에 퇴적한다.
  다이아몬드 코팅 절삭공구의 기재인 공구 재료는 절삭저항에 의해 변형이나 파괴가 일어나지 않을 정도의 강도를 필요로 하기 때문에 현재 상황에서는 초경합금에 한정된다. 철족(鐵族) 원소는 다이아몬드 생성을 저해하므로 고속도공구강이나 다이스강은 다이아몬드 코팅 기재가 될 수 없다.
  다이아몬드 코팅 절삭공구를 제조함에 있어서는전(前)처리가 매우 중요하다. 앞에서 말한 바와 같이 코발트는 다이아몬드의 생성을 저해하므로 초경합금 표면의 코발트를 벗겨줄 필요가 있다. 그리고 다이 아몬드 코팅막과 모재 사이에서 원소가 상호 확산되는 일은 전혀 없으므로 코팅층이 들뜨는 것을 방지하기 위해 필요한 요철을 주어야 한다. 그후에 이루어 지는 핵부착 행정까지가 다이아몬드 코팅의 전처리이다. 다이아몬드 코팅 자체의 품질은 거의가 이 전처리에 의해 결정된다고 해도 과언이 아닐 정도로 중요한 행정이다.
  <그림 3>은 다이아몬드가 코팅된 엔드밀 날끝의 외관 및 단면 사진이다. 외관상으로는 10㎛ 전후의 결정이 집적해 있음을 알 수 있다.
2. 초미세 결정 다이아몬드 코팅 기술의 개발
기존의 기상합성법에서는 앞장에서 설명했듯이 입자지름이 10㎛ 정도의 결정 집합체이므로 공구 표면의 거칠기가 커져 다듬질 절삭에는 적용할수 없는 수준이었다. 기상합성에 의한 다이 아몬드 결정은 전(前)처리의 핵을 기점으로 막두께와 거의 동등한 상태로까지 성장한다. 따라서 막두께가 작아지면 미세 결정을 작성할 수는 있으나 다이아몬드 코팅층 자체의 강도가 필요하기 때문에 10㎛ 이상의 막두께가 바람직하다. 전처리와 플라즈마 조건을 적절히 조합함으로써 후막이지만 초미세 결정의 다이아몬드 코팅을 확립할 수 있었다.
  <그림 4>⒜는 기존의 다이아몬드 코팅 공구이고 <그림 4>⒝는 초미세 결정의 다이아몬드 코팅품이다.
  그리고 <그림 5>에 나타내는 바와 같이 통상적인 결정과 초미세 결정 다이아몬드 코팅에 대한 라만 분광 분석결과에서 순수한 다이아몬드가 생성된 것으로 확인되었다.
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3. 초미세 결정 다이아몬드 코팅 절삭공구의 성능
3.1 엔드밀에 대한 적용
  기존의 다이아몬드 코팅 엔드밀은 주로 그래파이트 절삭에만 사용되었다. 알루미늄에 대해 다이아 몬드는 뛰어난 절삭성능을 발휘하는 것은 알았지만 기존의 다이아몬드 코팅에서는 표면 거칠기가 컸으므로 <표 1>의 조건으로 초(超)듀랄루민 A7075를 엔드밀로 절삭했을 경우에는 <그림 6>⒝와 같이 다이아몬드 결정이 전사(轉寫)되어 양질의 다듬질면을 얻을 수 없었다.
  미세 결정 다이아몬드 코팅을 사용함으로써 <그림 6>⒜와 같이 <그림 6>⒞의 무(無)처리 엔드밀과 동등한 양질의 다듬질면을 얻을 수있었다.
  다이아몬드의 결정입자 지름이 크면 <그림 7>에 나타내는 바와 같이 결정과 결정과의 틈새에 알루미늄이 문질러져 박히듯이 응착 하므로 공구수명을 저하시키고 또한 건식 절삭을 어렵게 했다.
  초미세 결정 다이아몬드 코팅이면 알루미 늄이 응착하기 어려우므로 건식 절삭이 가능하고 장수명도 달성할 수 있었다. <표 2>의 조건에 따라 알루미늄 다이캐스트 ADC12를 절삭하여 <그림 8>의 결과를 얻었다. <그림 8> ⒜의 무처리 엔드밀은 3.5m 절삭 시점에서 엔드밀의 홈에 알루미늄 칩이 막혀 더 이상 절삭할 수 없었지만 <그림 8>⒝의 미세 결정 다이아몬드 코팅품은 8.7.5m절삭 시점에서 응착 현상을 약간 볼 수 있지만 계속해서 절삭할 수 있다.
  초미세 결정화하면 다이아몬드 코팅막 자체의 인성(靭性)도 향상될 것이라는 생각에 엔드밀에 의한 검증시험을 실시했다. <표 2>와 동일한 조건으로 알루미늄 다이캐스트를 연속 절삭하여 다이아몬드 코팅막의 파괴강 도를 조사했다. 그 결과 <그림 9>⒜의 통상적인 결정 다이아몬드 코팅 엔드밀은 1,108m 절삭시점에서 코너날의 코팅층이 크게 박리 되어 수명에 이르렀으나 <그림 9>⒝의 초미세 결정품에서는 동(同)시점에서의 손상이 전혀 없고 초미세 결정화에 따른 인성 향상이 입증되었다.
  이상과 같이 실시한 실험에 의해 초미세 결정 다이아몬드 코팅 엔드밀의 우위성이 판명되었으므로 피삭재의 범위를 넓혀 적당한 용도를 모색했다. <그림 10>은 금속기 복합재료 MMC를 볼엔드밀로 가공한 예이다.
  MMC는 알루미늄 기지(基地) 내에 단단한 세라믹스 입자를 다량 함유하고 있으므로 공구의 날끝 마모를 촉진한다. 범용 TiAlN계 코팅 엔드밀에서는 20m 정도의 절삭에서 날끝 마모가 최대로 되어 절삭 불능에 이르 렀으나 초미세 결정 다이아몬드 코팅 엔드밀은 200m 이상을 절삭하더라도 날끝 마모는 미미했다.
  <그림 11>은 초미세 결정 다이아몬드 코팅을 실시하여 둥근 팁 WDC를 탑재한 커터 보디 F2139로 방전가공용 그래파이트 전극을 절삭한 예이다. 통상적인 엔드밀은 39분 만에 날이 망가져 수명에 이르렀으나 초미세 결정 다이아몬드 코팅품은 400분의 내구력을 보였다.
  경량에 고강도인 신소재의 하나로 FRP(Fiber ReinforcedPlastic)가 있다. 이 신소재는 수지 기지 안에 세라믹스 혹은 유리섬유를 다량 함유하는 소재로, MMC와 마찬가지로 통상적인 공구로는 거의 절삭할 수 없다. <그림 12>는 유리섬유 강화(20%) 플라스틱을 엔드밀로 측면 절삭한 결과이다. <그림 12> ⒜의 고속도강 엔드밀은 3.8m 절삭시점에서 절삭 날이 마멸되어 수명에 이르렀으나 <그림 12>⒝의 초미세 결정 다이아몬드 코팅 엔드밀은 11.4m 절삭시 점에서도 날끝 손상이 미미했다.
 
 3.2 드릴에 대한 적용
  드릴은 그 절삭기구상 절삭열의 방산(放散)이 어렵기 때문에 냉각제를 다량 뿌리면서 사용하는 것이 상식이었는데 최근에 와서는 환경대응 가공이라고 해서 건식 절삭 및 MQL(Minimum Quantity Lubrication 미량 윤활제) 절삭이 요구되고 있다.
  왜냐하면 절삭제 세정용 플론 용제의 제조 중지 및절삭제를 공급하는 설비의 초기비용과 사용전력이 환경 측면에서 바람직하지 않은 것으로 판단됐기 때문이다.
  강재(鋼材)의 건식 혹은 MQL 구멍가공은 PVD 코팅 공구를 사용해서 이미 실용화되고 있다. 그러나 알루미늄은 공구 모재와의 친화성이 커서 건식및 MQL로는 구멍가공을 하기가 곤란했다. 특히 실리콘 함유량이 높은 알루미늄에 대한 건식 구멍가 공에서는 드릴의 홈에 알루미늄 칩이 막혀 드릴의 수명을 단축시켰다. 실리콘 함유량이 낮은 알루미늄 연신(延伸)재에서 응축 방지효과가 있는 DLC 코팅도 실리콘 함유량이 높은 알루미늄 합금에는 못당한다.
  <그림 13>은 <표 3>의 조건으로 알루미늄 다이캐스트 ADC12를 DLC 코팅 드릴과 초미세 결정 다이아 몬드 코팅 드릴로 건식(Air Flow) 절삭한 사례이다.
  <그림 13>⒜의 DLC 코팅 드릴은 450개 구멍을 절삭한 시점에서 드릴 홈에 알루미늄 칩이 막혀 더 이상 절삭할 수 없는 상황에 이르렀으나 <그림 13>⒝의 초미세 결정 다이아몬드 코팅품은 3,600개 구멍을 절삭한 시점에서도 크게 용착하는 현상이 보이지 않아 계속해서 절삭할 수 있어 우위성을 보였다.
  <그림 14>는 Air Flow와 MQL 조건하에서 코팅 없음, 통상적인 결정 다이아몬드 코팅, 초미세 결정 다이아몬드 코팅을 한 각각의 드릴로 ADC12에 대한 공구수명을 조사한 그래프이다. 절삭제 이외의 조건은 동일하다. 표면처리를 하지 않은 드릴을 Air Flow 하에서 사용했을 경우는 94개째 구멍에서 칩이 드릴 홈에 막혀 절손되었으나 MQL 하에서는 447개 구멍까지 수명이 연장되었다. 이와 마찬가 지로 통상적인 결정 다이아몬드 코팅 드릴과 초미세 결정 다이아몬드 코팅 드릴에 대해서도 Air Flow 및 MQL 하에서 공구수명을 시험했다. 통상 적인 결정 다이아몬드 코팅 드릴은 Air Flow 하에서 731개 구멍이 절손됐고 MQL 하에서도 2,160개 구멍이 절손됐다. 절손된 원인은 모두 칩의 용착및 홈에 막혔기 때문이다. 미세 결정품은 Air Flow 하에서 3,080개 구멍, MQL 하에서 9,216개 구멍의 장수명을 얻었다. 이 경우 수명에 이른 원인은 드릴 선단 날끝의 치핑으로 통상적인 결정품과는 손상된 형태가 달라 미세 결정 다이아몬드 코팅 드릴의 알루미늄 합금 건식 절삭에 대한 적성(適性)이 입증되었다.
  <그림 15>는 시험 중에 혹은 시험 후에 찍은 드릴의 외관 사진이다. <그림 15>⒜는 통상적인 결정 다이아몬드 코팅 드릴로 MQL 하에서 2,000개 구멍을 절삭한 시점에 시험중인 드릴의 외관을 촬영한 모습인데 홈 일면에 알루미 늄이 용착했음을 알 수 있다. 그후 160개 구멍을 절삭하여 합계 2,160개 구멍을 절삭한 시점에서 이 드릴은 칩 막힘 때문에 절손됐다. <그림 15>⒝는 미세 결정 다이아몬드 코팅 드릴로 Air Flow 하에서 3,080개 구멍을 절삭한 시점에 날끝의 치핑으로 인해 수명에 이른 모습이다. 홈 바닥에 피삭 재가 적지 않게 용착해 있고 칩 물림으로 인한 날끝의 치핑이 조장됐음을 확실하게 보여준다. <그림 15>⒞는 미세 결정 다이아 몬드 코팅 드릴로 MQL 하에서 9,216개 구멍을 절삭한 시점에 날끝의 치핑으로 인해 수명에 이른 모습인데 피삭재인 알루미늄은 전혀 용착되지 않아 미세 결정 다이아몬드 코팅과 MQL을 조합함으로써 공구수명이 현저히 향상됨을 알았다.
 
 3.3 탭에 대한 적용
  탭은 구멍의 내면에 암나사를 형성하는 공구이기 때문에 절삭날 형상이 엔드밀이나 드릴에 비해 복잡하다. 따라서 탭에는 소결 다이아몬드를 적용할 수 없어 다이아몬드를 코팅하지 않을 수 없는 대표적인 절삭공구이다.
  <그림 16>에서는 FRP의 태핑 모습을 나타 낸다. 코팅하지 않은 초경 탭으로는 거의 태핑할 수 없었으나 초미세 결정 다이아몬드 코팅 탭으로는 500개 구멍을 절삭할 수 있었다. <그림 17>은 MMC의 태핑 결과 모습이다. 초미세 결정 다이아몬드 코팅 탭은 464개 구멍을 태핑하고 날끝 마모가 커져 수명에 이르렀으나 통상적인 결정 코팅품은 절반 이하의 수명을 보였고 코팅막이 크게 벗겨졌다. 역시 FRP 및 MMC의 태핑에는 다이아 몬드 코팅이 불가피하고 특히 초미세 결정 다이아몬드 코팅이 우수함을 알 수 있다.
  최근에는 엔드밀이나 드릴에 더하여 초미세 결정 다이아몬드 코팅도 표준화됐으므로 이용하기 바란다.
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4. 다이아몬드 코팅막의 재생
코팅 절삭공구에는 재연삭과 재코팅이 상식으로 되어 있는데 다이아몬드 코팅의 경우는 코팅층을 연삭하기가 쉽지 않다. 다이아 몬드층을 다이아몬드 숫돌로 연삭하기 때문에 비능률적인데다 단차가 생겨 재코팅을 실시한 후의 품질에 문제가 생긴다. 따라서 다이아몬드 코팅막을 제거하고 나서 재연삭하는 것이 좋겠다는 생각에 플라즈마 중에서 다이아몬드 코팅층을 연소 제거하는 방법을 개발했다. 이 공정을 적용하여 통상적인 재연삭 재코팅이 가능해졌다. 단, 플라즈마 조건을 적절히 조절하지 않으면 과연소로 인한 모재 초경의 용해 손상이라든가 연소 부족으로 인한 막 잔존현상이 일어난다.
  <그림 18>은 초경 볼엔드밀 3R로 알루미늄 다이캐스트를 절삭했을 때의 수명을 비교한 그래프이다. 적성 조건으로 막을 벗은 후 재코팅된 공구의 성능은 신품 코팅품과 다름없는 것으로 확인되었다.
  다이아몬드 코팅의 결정 입도를 미세하게 함으로써 절삭공구의 적용영역이 비약적으로 확대됐다. 종전에는 불가능했던 알루미늄 합금이나 구리합금까지 절삭할 수 있고 게다가 매우 장수명이기 때문에 실제로 가공 현장에서 생산하기 위해 준비해야 할 절삭공 구의 종류와 수량을 크게 줄일 수 있을 가능 성을 잠재하고 있다. 그리고 MMC, FRP와 같은 신소재는 경량·고강도의 우수한 특성을 갖고 있으나 가공이 어렵기 때문에 보급이 뒤쳐졌다. 초미세 결정 다이아몬드 코팅 공구가 출현하면 향후 재료혁명에 크게 기여 하리라고 확신한다.
㈜코리아테크닉스 신사옥 이전
절삭공구 전문 업체인 ㈜코리아테크닉스(www.koreate chnics.com)가 지난 10월 20일, 부천시 도당동에 신사옥을 건립하고 이전식 행사를 가졌다.
  코리아테크닉스는 1988년에 설립하여 18년간 인서트조립형 절삭공구를 전문으로 생산, 공급해 온 국내 대표적인 절삭공구 전문 업체로써, 특히 인덱서블 드릴은 국내 시장점유율 50%이상 공급하고 있으며, 기타 공구도 일관성 있게 생산되어 사용자의 편의성과 우수한 내구성으로 국내는 물론 해외시장에서도 좋은 반응을 얻고 있다. 현재 이태리, 독일, 영국, 미국, 일본, 동남아시아를 포함하여, 전세계 40여개국 80여개 업체에 수출중이며, 최근 IMTS2006 시카고전시회를 통한 미국시장에서, 많은 관심들로 좋은 성과가 기대되고 있다.
  앞으로도 코리아테크닉스는 신사옥 이전으로 생산량 증대와 고정밀 신제품 개발, 고객만 족을 통한 고품질의 제품, 효율적인 물류시스템으로 고객의 신뢰를 얻는 회사, 고객과 함께 하는 회사, 절삭공구 전문 메이커로서 손색이 없도록 가일층 노력할 것이다.
 
 ■ 주소 : 경기도 부천시 원미구 도당동 256-9
 ■ TEL: 032)673-1818(代)

 
 
 
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