[첨단 헬로티]
1. 서론
초경합금은 고정도와 내마모성을 요구받는 절삭공구나 금형 등의 분야에서 사용되고 있다. 그러나 초경합금을 이용한 툴에서 외적 요소의 영향에 의해 불량으로 이어져 버린 케이스가 종종 보고되고 있다. 여기에는 복잡한 형상가공을 실시할 때의 전기가공, 표면특성(내마모성이나 슬라이딩성, 내산화성) 향상을 도모한 표면처리, 보관 환경이나 취급이 크게 영향을 미치고 있는 경우도 적지 않다. 이 글에서는 초경합금의 소재특성(특징)을 다루는 동시에, 소재에 영향을 미치는 외적 요소와 실례를 소개한다.
2. 초경합금의 소재특성
초경합금은 분말야금법이라고 불리는 금속분말을 가공해 재료나 제품을 만드는 금속가공법으로 만들어진다. 금속(주기율표 Ⅳa, Ⅴa, Ⅵa족) 9종류의 탄화물을 코발트, 니켈 등의 철계 금속으로 소결한 복잡 재료로 구성되며, 일반적으로는 가장 기계적 특성이 우수한 WC-Co계 합금을 초경합금이라고 부르는 경우가 많다. WC(탄화텅스텐)이 경질상, Co(코발트)가 소결상을 담당, 조성비율이나 WC 입자지름에 따라 경도·인성 등의 특성이 변동한다(그림 1).
▲ 그림 1. 초경합금의 내부 조직 (SEM)
초경합금의 소재특성으로서 이하의 점을 들 수 있다.
① 경도가 높고, 내마모성이 우수하다.
② 영률이 높고, 가공·제품 정도를 유지하기 쉽다.
③ 열팽창계수가 낮다.
④ 마찰계수가 낮고, 피가공재의 흐름이 좋다.
이상과 같은 특성으로부터 절삭공구나 금형 등의 분야에서 이용된다. 그림 2에 초경합금의 제품을 나타냈다.
▲ 그림 2. 초경합금의 제품
3. 소재에 영향을 미치는 외적 요소
(1) 전기(방전)가공
초경합금은 경도 때문에 가공이 어렵다고 여겨지고 있다. 전기가공은 피가공물이 도전성 재료이면, 경도나 강도에 관계없이 복잡한 형상가공을 실시하는 것이 가능하기 때문에 정밀 형상가공 등에 이용되는 케이스가 많다. 전기가공에서 형상가공을 하면, 그 방전 작용에 의해 피가공물의 소재 표면은 용융·증발한다. 초경합금 소재 표층은 이 프로세스에 의한 영향을 적지 않게 받는다.
초경합금의 표면에는 방전에 의한 급가열, 급랭의 과정을 거쳐, 용융층이 형성된다. 이 때 방전 크랙(마이크로 크랙)이라고 불리는 미세한 균열이 발생한다. 또한 그 가공 조건이 까다롭고, 방전 에너지가 높은 경우에는 용융층의 부화에 동반하는 마이크로 크랙의 현재화나 Co의 용출 등에 의한 취화층의 출현으로 이어진다. 이와 같은 취화층이나 마이크로 크랙의 존재는 초경합금의 표면강도를 저하시키는 요인이 된다. 연삭가공과 비교해 표면강도는 약 40%(조성에 따라서는 그 이상) 저하한다고 하는 데이터도 얻고 있다.
(2) 코팅 (표면피복)
내마모성 향상이나 피가공재의 응착 억제 등의 목적으로, 초경합금 소재에 WC보다 단단하고 내열성이 우수한 소재로 표면을 피복하는 경우가 있다. 피복법에는 화학반응을 이용해 증착시키는 CVD법과 물리적으로 피막재를 증착시키는 PVD법이 있다. 각 피복법이나 피복재 성분의 종류에 따라 처리 온도대나 막두께, 모재와의 밀착강도가 다르다.
표층에 코팅된 세라믹층은 초경합금보다 강도가 낮고, 충격이나 부하 등에 의해 외부 응력이 걸렸을 때에 막 박리가 생기거나, 코팅층에 생긴 균열이 모재에 도달해 파손에 이르거나 하는 케이스가 있다. 또한 CVD법에서는 증착 시의 온도와 화학반응에 의해 초경합금 모재의 카본 성분이 사용되기 때문에 초경합금의 건전한 조성 상태에서 벗어난 상태인 탈탄상(?상)이 발생, 이것도 강도를 저하시키는 원인이 된다. 더구나 코팅의 밀착성, 박리, 탈막(그림 3), 드롭렛 등은 표면강도나 공구 수명에 크게 영향을 미치는 요인이 될 수도 있다.
▲ 그림 3. 탈막이 생긴 코팅 표면
(3) 부식 (전기화학적 Co의 용출)
초경합금 소재에 수분이나 연삭액 등이 부착한 상태 그대로 방치해 두면, 부착한 부위가 전기화학적 반응에 의해 변질된다. 이 현상을 부식이라고 부른다(그림 4). 이 현상은 물이나 연삭액 등에 초경합금 소재 중의 Co 성분이 이온화되어 용출되어 감으로써 진행한다. 조직 중의 결합상인 Co가 용출함으로써 유지되고 있던 WC가 노출되고, WC 입자의 탈락이 발생한다. 더구나 증상이 조직 내부로 진행함으로써 면질은 악화한다. 이 부식 현상은 표면 거칠음·면질의 악화뿐 아니라 전기가공성, 코팅성에도 영향을 미친다. 그 결과, 공구 수명의 저하나 불안정성을 발생시키는 요인이 된다.
▲ 그림 4. 부식기구 이미지도
(4) 결손·파손
공구, 금형의 사용 중에 결손·파손에 이르는 케이스가 있다. 그 원인은 ‘반복 피로에 의한 강도의 저하, 표면처리 상황에 의한 표면강도의 저하, 가공·사용 중의 국소적인 부하(응력 집중)나 잔류응력, 마모·버닝, 설계’ 등의 사용 조건에 대한 소재 강도(인성)의 불일치(부적합)를 요인으로서 들 수 있는 경우가 많다.
우리들은 그 원인을 조사할 때, 우선 파손부(불량부)의 파면을 관찰한다. 파면의 질감이나 크랙의 진전 방향으로부터 기점부를 추정, 불량의 요인을 고찰한다. 더구나 기점 부근의 조직 상황, 단면 관찰 등을 진행, 불량이 가공이나 취급에 의한 것인가, 혹은 소재의 불량에 기인한 것인가를 판단한다. 이러한 조사 결과로부터 가공·사용 상황 등의 정보를 근거로 최종적으로 불량이나 파손 등의 발생 원인을 추찰한다.
4. 맺음말
초경합금 공구는 여러 가지 분야에서 적용되며, 요구되는 형상이나 성능도 다양하다. 최적이 되는 소재라도 가공·사용 조건이나 취급, 보관 환경 등에 따라서는 초경합금 소재의 특성·수명을 저하시킬 가능성도 충분히 있다. 이번에 소개한 외적 요소에 대해 배려를 하면서 초경합금 공구의 장수명화와 생산성 향상 등으로 이어지길 바란다.
타카야마 사토시 (高山 知士) ㈜東海합금제작소
스기모토 쇼고 (杉本 昇悟) ㈜本山합금제작소
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