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Drilling작업에의 PVD코팅 적용
 
드릴링 (Drilling)
 
월간 기계기술기자 | 2003.09.01 | 2003년 9월호
 
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금속 소재의 절삭 가공에 있어 가장 기본적인 작업으로는 구멍을 가공하는 드릴링, 가공소재의 면과 홈을 가공하거나 모방절삭을 할 수있는 밀링 그리고 나사의 홈을 가공하는 태핑 작업을 들 수있다.
  현재 드릴과 앤드밀의 소재로는 하이스, 분말-하 이스, 초경 등이 보편적으로 사용되고 있으며, 이러한 절삭 공구들은 피삭재의 재질과 작업의 용도에 적합하게 공구의 형상이나 재질 등이 디자인되어 왔다. 특히, 최근에는 공작물의 고정도화, 난삭재화, 가공능률 향상에의 요구와 공작기계의 고성능화로 인해 고속 정밀 가공용 절삭공구가 급속하게 개발 되었다.
  이러한 시점에서 각종 공구의 내마모성을 증가시 키기 위해서는 초경과 cermet 및 cBN과 같은 보다 고경도의 소재를 사용하는 것이 유리하지만 이러한 소재는 인성이 약하다는 단점을 가진다. 이처럼 서로 상반되는 물성의 보완을 위하여, 각종 절삭 공구 류에 PVD 내마모 코팅의 적용이 증가하고 있는 추세이다.
 본 기술보고서에서는 현재 발저스한국코팅(유) 에서서비스하고있는각종드릴과앤드밀 류의 PVD 코팅 종류와 그 적용에 대하여 살펴보기로 한다.
2. 드릴링 (Drilling)
기계 가공에 종사하는 사람이라면 누구나 경험하는 것이 드릴을 사용한 구멍 가공이다. 구멍이 없는 기계 부품은 없다고 해도 과언이 아닐 정도로 보루 반과 선반 등을 사용한 드릴가공은 가장 빈번한 가공이라고 할 수있다.
  드릴은 선단부에 절삭날을 가지며, 몸체에 절삭칩을 배출하기 위한 홈을 갖는 구멍 가공 공구로서 드릴의 형상, 재질, 구조, 기능 등에 따라서 다양한 종류가 있다.
 가. 드릴류에 적용되는 다양한 표면처리 보편화되어 있는 드릴류의 표면처리로는 호모처 리, 질화처리, PVD 코팅 등이 있다.
  호모처리는 고온(500~550℃)의 수증기 내에서 공구의 표면에 Fe3O4를 형성하는 방법으로 수증기 처리라고도 하며 철계 재료인 하이스 공구류에만 적용이 가능하다. 형성된 피막은 내마모용 표면처 리로 적용되기 보다는 다공질의 피막이 절삭 가공시 절삭유를 유지하기 쉽고 마찰열의 발생을 적게 하여 용착을 방지하여 주기 때문에 마찰저항을 줄이기 위해 연성과 전성이 큰 피삭재에 적용시 효과가 있는 것으로 보고되었다.
  질화처리는 제품의 표면에 질소를 확산시켜 고용 경화에 의해 표면을 경화하는 방법으로 내마모성을 향상시켜 준다.
  이에 비하여 PVD 코팅은 450~500℃ 정도의 진공상태에서 공구의 표면에 금속간 질화물을 형성시켜 내마모성 및 마찰계수를 감소시켜 공구의 성능을 향상시키는 방법이다. 1000℃ 정도의 공정온도를 가지는 CVD와 비교하여 저온에서 코팅이 진행 되므로, 일반 하이스 및 초경 팁이 브레이징된 드릴 에도 모재의 경도 저하없이 코팅의 적용이 가능하다.
3. PVD 코팅
드릴은 포인트 부분의 형상이나 씨닝의 방법 및드릴 선단 여유면의 여유 각에 따라 그 적용과 성능이 좌우되므로, 코팅시 이러한 부분의 형상이 디자인 초기 상태를 그대로 유지하는 것이 성능 향상의 정도를 좌우한다.
  PVD 코팅은 공구의 표면에 1~수㎛ 정도의 얇은 코팅층을 형성시키므로 공구의 형상 변화는 거의 없다. 특히 날카로운 날끝 부분을 그대로 유지함으 로써, 공구의 성능과 수명을 더욱 향상시켜 준다.
 1) Ti - based coating 발저스한국코팅(유)에서 서비스하고 있는 Ti- based coating으로는 TiN과 TiCN 코팅이 있다.
  TiN 코팅은 2300 Hv(0.05) 정도의 고경도 코팅으로 적용범위가 광범위하여 일반 드릴 류에 가장 보편적으로 사용되고 있다. 이에 비하여 TiCN 코팅은 TiN 코팅에 탄소(C)가 첨가되어 코팅층의 경도를 약3000Hv(0.05) 정도로 향상시킨 코팅이다.
  <그림 1>은 TiN 코팅과 TiCN 코팅의 Calo-test 사진으로 TiN 코팅은 단층으로 이루어져 있고, TiCN 코팅은 하단의 TiN 코팅층 위에 TiCN gradient coating과 최외곽의 coloring layer로 구성된 멀티 코팅임을 알 수있다.
 2) TiAl - based coating 드릴에 적용하고 있는 코팅으로는 Balinit(r) Futura, Balinit(r) Futura Nano, Balinit(r) Hardlube 등이 있다.
  TiAlN 코팅은 TiN 코팅에 알루미늄(Al)이 첨가 되어 코팅층의 고온 내산화성과 열적 화학적 안전성 및내마모성이 향상된 코팅이다. 이러한 TiAl- based coating은 고속의 건식 가공에 유리하며, 기존의 TiN 코팅과 대비하여 3~5배 이상의 성능 향상을 도모한다.
  <표 1>는 Balinit(r) Futura와 Balinit(r) Futura Nano, Balinit(r) Hardlube 코팅의 특성을 비교한 자료이다.
  최근에 개발되어 상용화시킨 Balinit(r) Futura Nano 코팅은 기존의 Balinit(r) Futura 코팅에서 알루미늄의 함량을 증가시켜 보다 고경도를 가지고 고온 안정성을 더욱 향상 시킨 코팅이다.
  <그림 2>은 Balinit(r) Futura와 Balinit(r) Futura Nano 코팅의 Calo-test 사진으로, Balinit(r) Futura 코팅은 TiN과 TiAlN 코팅 층이 교대로 성장된 다층 코팅이며, Balinit(r) Futura Nano 코팅은 TiN adhesion layer 상에 TiAlN 코팅을 단층으로 성장시킨 코팅 임을 알 수있다.
  Balinit(r) Futura Nano 코팅은 코팅 프로세스 상에서 코팅층을 보다 미세하게 성장시켜 코팅층 표면을 smooth하게 성장시킨 코팅으로, 드릴 선단의 포인트 부분과 날카로운 인선부를 그대로 유지 시켜 주며, 절삭시 가공 칩의 배출을 원할하게 해준다.
  이와는 대조적으로 Balinit(r) Hardlube 코팅은 TiAlN의 우수한 내마모성 및 열적 화학적 안정성에 WC/C 코팅이 가지는 낮은 마찰계수의 특징을 멀티 코팅이다. Balinit(r) Hardlube 코팅은 주로 연성과 전성이 큰 알루미늄 합금과 같은 피삭재의 고속 건식 가공에 적용하여 사용되고 있다.
  <그림 3>은 Balinit(r) Futura Nano 코팅을 실시한 드릴은 절삭 날끝의 안정성을 유지하고, 보다 개선된 코팅층 표면이 한번의 드릴링 작업 후에 표면 품질이 보다 우수한 구멍 가공이 가능하다는 것을 보여주고 있다.
4. PVD 코팅 적용의 사례
PVD 코팅은 드릴류에 적용되어 다양한 작업분야에서 공구의 성능과 수명을 향상시켜왔다.
  <그림 4>는 ø6.8mm HSS 드릴을 Vc= 120m/ min f=120mm/rev의 작업조건으로 깊이 34mm 구멍을 드릴링한 테스트 결과이다.
  코팅하지 않은 일반 드릴은 15 개의 구멍을 가공하고 드릴의 마진부가 완전히 마모된 반면에 Balinit(r) Futura Nano 코팅된 드릴은 2,000개의 구멍을 가공 하고도 마진부의 마모가 적음을알 수있다.
  따라서 이러한 코팅의 적용은 생산 현장의 비용 절감은 물론 생산성 향상에 크게 기여한다는 것을 알수 있다.
  <그림 5>는 동일한 ø6.0mm HSS 드릴에 TiN, Balinit(r) Futura 및 Balinit(r) Futura Nano 코팅을 적용하여 동일한 작업조건으로 AISI type D2 steel(DIN3.4144) 상에 절삭 유를 사용하면서 드릴의 수명을 평가한 결과이다.
  데이터에서 보이는 바와 같이, TiAlN 다층 코팅 (Futura)이 일반 TiN 코팅보다 4배 정도 성능이 향상되며, 새로이 개발되어 현재 상용화시킨 TiAlN 단층 코팅(Futura Nano)은 일반 TiN 코팅보다 약6.5배 정도 성능이 향상되었다.
  이는 드릴링 작업 중에 발생하는 마찰열로 인해 TiAlN 코팅의 표면에 Al2O3 피막이 형성되고, 이러한 알루미늄 산화피막은 열적으로나 화학적으로 안정되어 가공시 발생한 마찰열이 가공 칩과 함께 제거되어 공구소재로 열이 전달되는 것을 방지하여 준다.
  이러한 작용으로인해 보다 고속의 가공조건에 TiAlN 코팅이 더욱 우수한 성능을 발휘한다.
  <그림 6>는 Balinit(r) Futura Nano 코팅된 ø1.5mm 초경 드릴에 서로 다른 작업조건으로 드릴링 테스트한 결과이다. 자료에서 보는 바와 같이, 보다 고속의 조건에서 플랭크 마모의 양이 더욱 감소 되는 것을 알 수있다.
  이러한 드릴 테스트의 결과로부터 Balinit(r) Futura Nano 코팅은 최근 생산성 향상과 고속가공에 대한 요구가 증가하면서 고속가공용 절삭공구에 적용하기 위해서 개발되었다고 할 수있다.
  현재까지 개발된 다양한 PVD 코팅은 광범위한 작업영역에 적용되어 공구의 성능을 향상시켜 왔다.
  <그림 7>은 이러한 PVD 코팅의 종류에 따른 성능과 적용 영역을 보여주고 있다.
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5. 결론
지금까지 생산 현장에서는 난삭재와 같이 코팅을 적용하지 않은 공구로는 가공이 불가능한 작업 영역에 한해서만 PVD 코팅을 적용하여 왔다.
  하지만, 이제는 이러한 고정관념을 깨어야 한다.
  기존의 작업 공구에 PVD 내마모 코팅을 적용함으 로써, 작업 조건을 보다 고속화하여 생산성을 향상 시킬 수 있을 뿐만 아니라, 약간의 추가적인 코팅비 용으로도 공구의 성능은 최소 3배 이상을 향상시킬수 있으므로, 생산 원가 절감적인 측면에서도 유리 하기 때문이다.
  산업이 고도화되면서 기계 가공에 있어서도 정밀하고 우수한 품질의 제품 가공과 다양한 소재의 기계가공에 대한 요구가 증가되고 있는 시점에서 절삭 공구류에 PVD 코팅의 적용은 이러한 당면 문제를 확실하게 해결해 줄 수있는 대안을 제시하여 줄것은 자명한 사실이다.

 
TAG :  공구소재  내마모성  드릴류  드릴링    PVD코팅
 
 
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