【기술 동향】
다이아몬드 공구·cBN 공구의 최근 동향

최근 다이아몬드 및 cBN을 이용한 절삭가공 기술이 자동차, 항공우주, 광통신, 반도체, 환경·에너지 등 폭넓은 분야에서 응용되어 그 수요가 점점 더 증가하고 있다. 특히 다이아몬드 및 cBN 공구는 이들 산업의 심장부를 이루는 주요 부품의 가공에 다용되고 있어 없어서는 안 되는 중요한 존재로서 그 가치를 인정받고 있다.




김정아 기자 (prmoed@hellot.net)


다이아몬드, cBN 공구가 등장한지 오래되었지만, 높은 코스트, 코티드 초경합금 공구의 고성능화 등으로 인해 적용 분야가 한정되어 있었다. 최근에는 이들 공구의 적용 분야가 확대되어, 제조업의 변화와 함께 새로운 가능성이 열리고 있다.
제조업은 가공 정도의 고도화, 피삭재의 다양화, 초정밀·초미세, 초단납기화, 저코스트화 등의 요구에 직면하여 생산 기술이 변화하고 있다. 예를 들면 금형 부품의 단납기, 고정도화는 고속 밀링의 등장으로 고경도강의 고속 절삭이 가능해지고, 특히 다듬질 절삭에서 공구 수명 특성이 높은 cBN 소결체 엔드밀이 적용되고 있다.
하드터닝이라고 불리는 cBN 소결체 바이트에 의한 고경도강의 선삭은 기존의 선삭, 연삭의 가공 프로세스를 절삭만으로 끝내는 것이 가능하여 주목받고 있다. 메디컬, 일렉트로닉스 분야 등에서 제품의 콤팩트화, 고기능, 고밀도화에 의해 부품의 초정밀·미세화가 진행되어 절삭에 기대하는 가공 정도가 크게 높아지고 있다.
또한 머시닝센터로 실현 가능한 절삭가공 정도도 지금은 싱글 나노미터의 영역이 가능해졌으며, 절삭의 초정밀화 대응이 급속한 진전을 보이고 있다. 이와 같은 초정밀 절삭에서 중심적인 역할을 하는 다이아몬드, cBN 소결체 공구는 새로운 개발과 함께 적용 확대가 더욱 기대되고 있다.

다이아몬드 공구

다이아몬드는 지구 상에서 가장 단단한 물질로, 열전도율이 강의 5배로 매우 높고 화학적으로도 안정되어 있다. 또한 절삭 성능에는 관계없지만, 투광성이나 소리의 전파성 등도 우수하다. 다이아몬드 공구는 이러한 다이아몬드의 특징을 가지고 있기 때문에 우수한 내마모성과 비철금속 및 비금속 등에 대해 우수한 내용착성을 나타낸다. 절삭공구에 이용되는 다이아몬드에는 다결정인 다이아몬드 소결체와 단결정 다이아몬드가 있다.
다이아몬드 소결체는 합성 다이아몬드 분말을 코발트 등의 바인더를 이용하여, 보통은 초경합금을 합금으로 하고 그 위에 고압 고온 하에서 구워서 굳힌 것이다. 단결정 다이아몬드에 비해 바인더가 포함되어 있어 인성이 향상되기 때문에 과혹한 가공에도 견딜 수 있는 이점이 있다.
이에 반해 단결정 다이아몬드는 우수한 내마모성과 함께 매우 날카로운 공구 날끝을 가지는 특징이 있다. 단결정 다이아몬드에서는 날끝의 입자 탈락이나 경계면이 존재하지 않기 때문에 다른 공구 재질로는 실현할 수 없는 매우 예리한 절삭날의 형성이 가능하다. 그렇기 때문에 정밀 가공이나 미세 가공의 분야에서 단결정 다이아몬드 공구에 대한 기대가 크다.

cBN 공구

cBN은 입방정 질화붕소로, 천연으로는 존재하지 않고 고온, 고압의 조건 하에서 다이아몬드와 동일한 과정으로 인공적으로 합성하여 만들어진다. 다이아몬드에 버금가는 경도와 열전도율을 가지며, 철계 재료와의 반응성이 매우 작아 다이아몬드보다 열적 화학적 안정성이 우수하다.
이러한 cBN의 미세 분말을 바인더와 혼합하여 고온, 고압으로 구워서 굳힌 것을 cBN 소결체라고 부르며, 절삭공구 재료로서 사용된다.
cBN 소결체는 cBN의 특성으로 인해 다이아몬드나 다이아몬드 소결체로는 불가능한 철계 재료의 고속 절삭가공이나 장시간 연속가공을 실현한다. 최근에는 cBN 입자지름, 함유율, 바인더의 종류 등을 변화시킨 다양한 특성의 공구가 개발되고 있다.
고밀도 cBN 공구와 저밀도 cBN 공구 등이 있으며, 전자는 cBN 입자끼리 강하게 결합된 조직을 가지고 있어 주철이나 내열합금 등의 고경도 재료의 고속 절삭에 적용되고 있으며, 후자는 cBN 입자가 주로 세라믹 바인더 등을 통해 강하게 결합되어 있어 cBN 입자의 유지력이 강하고 또한 인성이 높기 때문에 담금질강의 연속 절삭·단속 절삭 등에 좋은 성능을 발휘한다.
또한 cBN 소결체는 일반적으로 이용되고 있는 초경합금에 비해 절삭 속도 영역이 높고, 또한 발군의 공구 수명 특성을 가지고 있다. 따라서 이들 공구를 이용하는 공작기계도 주축 회전수, 이송 속도와 준민성(가감속 특성)을 가능한 한 높이는 고성능화가 요구된다.

초정밀·미세 절삭 분야

일렉트로닉스, 빛, 에너지 및 메디컬 분야는 제품의 콤팩트, 고기능, 고밀도화 등으로 인해 디지털 디바이스 개발 경쟁이 치열해지고 있다. 이들 분야에서 공통으로 필요한 생산 기술은 초미세·정밀 가공 기술로, 나노 임프린트, 레이저 가공, 방전가공 등 여러 가지 방식이 채택되고 있다.
고속 밀링의 연구로 절삭에 의한 가공 정도와 공구 수명 특성이 비약적으로 높아졌으며, 고경도강의 고속 절삭 등이 가능해졌다. 이 연구 성과를 바탕으로 초미세·정밀 절삭을 추구하여 나노 영역의 가공 정도를 실현, 초미세·정밀 분야의 유력한 가공 기술로서의 인식이 높아지고 있다.
서브 마이크로미터 이하의 초정밀 절삭의 공구 마모 한계는 수 마이크로미터 이하로, 공구의 초내구성이 요구된다. 동시에 피삭재는 고경도강에서부터 초경합금을 포함하는 세라믹 등의 경취재까지 광범위하다. 이에 코티드 초경합금보다도 내마모 특성이 더 우수한 cBN 소결체, 다이아몬드 소결체 등이 다용되게 되었다.
한편으로 초미세·정밀 절삭은 초미세·정밀 절삭 대응의 머시닝센터의 고성능화가 필요하다. 동시에 엔드밀 등 공구의 미소경화도 적용 범위를 결정짓는 중요한 요소로, 공구 수명 특성과 함께 미소경화의 개발이 요구되고 있다.

공구 디자인과 절삭날 성형 기술

cBN 소결체 및 다이아몬드 소결체는 고경도이기 때문에 공구 성형이 어렵고, 미소경 대응의 디자인과 동시에 고정도, 고효율의 최적 공구 성형 방식을 찾는 것이 앞으로의 개발 과제가 된다.
다이아몬드 소결체 엔드밀은 주로 초경합금 등 세라믹재 등의 피삭재에 이용되는데, 바닥날 기능을 중시한 디자인으로 메디컬 디바이스 등의 가공이 가능해진 예가 있다. 또한 나노 레벨의 다듬질가공에서 다이아몬드 소결체 공구의 적용이 유효한 것은 절삭실험 등으로 확인되고 있으며, 특수한 표면처리를 실시하여 소결체의 다이아몬드 입자를 절삭날로서 기능시킨 예도 있다. 이와 같이 공구 디자인 및 성형 기술도 다양화되고 있으며, 적재적소의 적용이 요구되고 있다.

고경도강의 고속 밀링, 초정밀·미세 절삭, 항공기 부품의 고능률화 등으로 다이아몬드, cBN 소결체 공구의 적용이 늘어나고 있으며, 이들 공구를 더욱 고도화시키기 위한 새로운 제품·기술 개발이 시작되고 있다. 예를 들면 초미세·정밀 절삭의 요구가 높아지고 공구의 미소경 및 고정도화 추구는 급상승하고 있으며, 이들의 개발 동향은 유저에게 있어 최대의 관심사되고 있다. 한편 세계는 정보시대가 되어 기술 정보를 보다 빨리 파악할 수 있는 환경에 있으며, 중국을 시작으로 다이아몬드, cBN 소결체 공구의 생산 거점이 확대되고 있다.