Machining of die and mold by binder-free PCD, binder-free cBN
무라카미 다이스케 (村上大介), 고바야시 유타카 (小林豊), 야노 카즈야 (矢野和也) 住友電工하드메탈(주)
스미야 히토시 (角谷均) 住友電氣공업(주)
1. 서론
최근 전자기기 등 부품의 고정도화에 동반하여 고정도를 장 기간 유지할 수 있는 금형의 고경도화가 전개되고 있다. 강철 계의 경우 60HRC를 넘는 고경도재를 미세 가공할 필요가 있 으며 더 나아가서 향후 연료전지의 저비용화에는 초경합금을 직조할 수 있는 공구가 바람직하다.
고경도재의 가공에서는 cBN 엔드밀이 이용되며 또한 초경 합금 금형가공에서는 PCD의 엔드밀이 사용되기 시작했다. 그 러나 기존의 cBN이나 PCD는 경질입자를 결합재로 굳히고 있 기 때문에 재료 본래의 경도를 얻는 것이 불가능하다. 그래서 보다 경도가 높은 피삭재를 고능률, 고정도로 가공해야 한다는 요구에 대응하기 위해 결합재를 포함하지 않는 PCD인 바인더 리스 PCD(스미다이아 바인더리스), 동일한 바인더리스 cBN(스미보론 바인더리스)를 개발했다. 여기서는 이들 신재료 의 특성과 금형가공용 공구로서 적용한 경우의 절삭 특징을 소 개한다.
2. 스미다이아 바인더리스(BL-PCD)의 특징과 절삭 성능
그림 1에 스미다이아 바인더리스(이하 BL-PCD)와 기존 PCD의 조직 사진을 나타낸다. BL-PCD는 그라파이트를 출발 물질로 하여 초고압 고온 하에서 직접 다이아몬드로 변환하는 동시에 입자끼리 강하고 단단하게 결합시킨 다이아몬드 단상 의 소결체로 결합재를 포함하지 않고 평균 입자지름 30∼ 50nm 이하의 매우 미세한 다이아몬드 입자로 구성되는 획기 적인 신소재이다. BL-PCD를 절삭공구로서 적용하면, 다음과 같은 특성을 얻을 수 있다.
① 단결정 다이아몬드보다도 경도가 높아(그림 2) 내마모성이 향상된다.
② 단결정 다이아몬드와 같은 이방성이 없어 결정방위에 기인하는 편마모가 없다.
③ 초미립자 다이아몬드의 소결체이므로 기존 PCD와 비교하여 날입성이 우수하다.
④ 다결정체이므로 벽개성(일정한 방향의 쪼개지는 성격)이 없고 단결정 다이아몬드와 비교하여 내결손성이 매우 높다.
그림 3에 BL-PCD, PCD, 단결정 다이아몬드로 초경합금을 선삭가공했을 때의 릴리프면 마모폭의 변화를 나타낸다. 그림 과 같이 BL-PCD은 PCD보다도 양호한 내마모성을 나타내고 있다. 또한 단결정 다이아몬드와 비교하여 강도가 높아 기존 단결정에서는 초기 결손하는 조건에서도 결손 없이 안정적으 로 초경합금을 절삭가공할 수 있다.
위와 같이 스미다이아 바인더리스는 초경합금 가공에서 높 은 내마모성과 내결손성을 얻을 수 있어 단속절삭이 되는 엔드 밀 가공에서도 양호한 성능을 나타낼 것으로 기대된다. 현재 스미다이아 바인더리스의 엔드밀 개발을 진행하고 있어 초경 합금에 한정되지 않고 세라믹이나 유리 등의 경취 재료가공에 서 우수한 성능을 발휘할 것으로 기대된다.
3. 스미보론 바인더리스의 특성과 절삭 성능
다음으로 스미보론 바인더리스(이하 BL-cBN)의 특징을 소 개한다. BL-cBN도 hBN을 초고압 고온 하에서 cBN으로 직 접 변환시킨 cBN 단상의 다결정체이다. 기존의 결합재를 포함 하는 cBN 소결체에 대해서는 ①경도가 높고(그림 4) 열전도율 도 높기 때문에 소경 엔드밀에 의한 담금질강의 고속 가공에서 내마모성이 우수하다. ②내결손성이 높아 기존 cBN 소결체에 서는 불가능한 예리한 에지를 얻을 수 있다. ③cBN 입경도 기 존 cBN 소결체보다 작아 높은 날입성을 얻을 수 있다.
위와 같은 특징에서 고경도강의 연마리스 가공이나 경면가 공에 적용이 기대된다.
그림 5는 BL-cBN에 의해 경면가공을 한 예이다. 공구 형상 은 R0.4의 1매날 볼 엔드밀로 하고 피삭재 STAVAX(51HRC) 을 바닥날을 이용하여 공구 회전수 6만 회전으로 평행가공을 하고 광학측정기로 가공면의 조도를 측정했다. 가공기는 도시 바기계의 고속 머시닝센터 UVM 450C를 사용했다. 그림과 같 이 BL-cBN을 이용함으로써 이송 마크를 거의 볼 수 없는 가 공면을 얻을 수 있고, 가공면 조도도 Ra16.9nm의 경면을 얻 을 수 있었다. 이상 BL-cBN는 날입성이 좋은 날카로운 에지 를 cBN에서 얻을 수 있기 때문에 미세하고 정밀한 금형 고속 가공에 적합하다.
4. 맺음말
이상 기존의 PCD, cBN을 넘는 신 재료로서 결합재를 포함 하지 않은 신 경질 재료 스미다이아 바인더리스(BL-PCD), 스 미보론 바인더리스(BL-cBN)를 개발, 절삭공구에 적용한 경우 의 특성을 소개했다.
이들 신 재료는 초경합금 등 지금까지 직조가 어려웠던 고 경도 금형재의 정밀가공이나 담금질강 금형의 고속 다듬질가 공, 연마리스 가공에 효과적이다. 앞으로 이 재료를 활용한 엔 드밀을 개발, 시리즈화를 추진함으로써 금형가공 기술의 진화 에 공헌하겠다.
무라카미 다이스케, 고바야시 유타카, 야노 카즈야 & 스미야 히토시 : 디자인개발부 & 일렉트로닉스·재료연구소
우)664-0016 兵庫縣伊丹市昆陽北1-1-1
