[첨단 헬로티]

첸 준다 (陳 俊達), 사카베 코키 (坂部 晃紀), 고토 아키히로 (後藤 昭弘)   靜岡이공과대학
왕 시콩 (王 思聰)   靜岡대학

1. 서론

냉간단조에 의해 고정도․고기능의 부품을 제조하기 위해 금형 재료로서 강한 부하에 견딜 수 있는 초경합금이 주목받고 있다. 그러나 초경합금은 고경도이기 때문에 가공이 어렵다고 하는 문제가 있다.

현재 초경합금을 가공하기 위해 방전가공이 주로 사용되고 있다. 또한 절삭공구의 진척에 따라 직조가공의 소개 예도 많아지고 있다. 그러나 양쪽 모두 가공 속도가 느리고, 공구 비용이 비싸다는 문제가 있다.

지금까지 전해가공에 의해 초경합금을 고속․고품위로 가공하는 방법에 대해 제안해 왔는데, 이번 연구에서는 전해 현상과 밀링 가공을 조합한 복합가공에 대해 검토한다. 

2. 가공 원리

이번 연구에서 제안하는 복합가공 방법의 구상도를 그림 1에 나타냈다. 전해 현상에 의한 Co의 제거와 밀링 가공에 의한 WC 제거를 조합하는 방법이다. 공작물과의 사이에 전해 작용을 일으키기 위해 가공 공구로서 도전성의 본체에 절연 재료의 절삭날을 가진 회전공구를 사용한다.

회전공구와 공작물인 초경합금과의 사이에 도전성 전해액을 넣어 전류를 흐르게 함으로써 전해 현상을 일으키고, 공작물의 결합 재료인 Co를 제거하면서 국부적으로 취약화된 재료를 절연의 절삭날로 제거한다. 전해 현상을 이용함으로써 절삭저항을 절감할 수 있고, 초경합금의 효율적인 가공을 실현할 수 있을 것으로 기대한다.

3. 가공 실험

이번 실험에서는 입자 지름 약 50µm의 다이아몬드가 전착한 R 5mm의 공구를 사용했다. 회전공구를 절연막을 통해 스핀들에 고정하고, 공구의 축 부분에 브러시를 눌러 대어 급전했다. 초경합금의 절삭저항을 측정하기 위해 변형 게이지를 사용한 간이적인 측정장치를 제작했다.

공작물로서 87% WC, 13% Co의 초경합금을 이용하고, 축방향으로 약 4.3mm, 반경방향으로 40µm 절입을 넣어 가공했다. 절삭의 힘이 변형 게이지의 방향에 가까워지도록 이송 속도 238mm/min(업컷), 공구의 회전수는 3,600min-1로 가공했다.

전해액은 약 13%의 NaNO3 수용액으로 하고, 노즐에서 가공 부분 근처에 뿌렸다. 전해 현상 있음(전압 5V), 없음(전압 0V)의 가공 상황을 비교했다.

‘전해 없음’으로 가공했을 때의 절삭 부하는 60～70N 정도였다. ‘전해 있음’의 가공인 경우는 가공 중의 전해 평균 전류가 3.0～3.5A 정도이고, 절삭 부하는 0～20N 정도였다. 간이의 측정장치로 절삭저항을 측정했는데, 전해 있음으로 가공하는 경우에는 초경합금의 절삭저항을 대폭으로 절감할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

4. 가공면의 분석

전해 작용 있음, 없음의 가공면을 비교했다. 가공면의 SEM 상을 그림 2에 나타냈다. 전해 없음의 가공면은 매끄러운 절삭 흔적이 관찰된다. 전해 있음의 가공면은 표면이 작게 깨진 것처럼 관찰된다. 전해 있음 가공에서는 목표한 대로 Co를 용출시킬 수 있고, Co를 뺀 초경합금을 깨서 제거하고 있는 것으로 추측할 수 있다.

이 추측을 확인하기 위해 가공면에 대해 EDS에 의한 성분 원소 분석을 했다. 분석 결과를 표에 나타냈다. 실험에 사용한 초경합금은 WC가 87%, Co가 13%이므로 전해 없음의 조건으로 가공한 면은 거의 그 성분의 비율로 되어 있었다. C의 mass%가 많아지고 있는 것은 공구의 다이아몬드가 가공면에 부착한 것이 원인으로 추측된다.

전해 있음의 가공면은 Co의 양이 크게 감소하고 있다는 것을 알 수 있다. Co의 용출에 의한 가공 부위의 재료 취약화로부터 절삭저항을 저감할 수 있었던 것을 알 수 있다. 전해 있음, 전해 없음의 가공면에서 산소의 양이 거의 변화하지 않기 때문에 전해 있음의 조건에서는 전해의 대부분이 Co의 용출에 사용됐다고 추측할 수 있다.

5. 가공칩의 분석

앞에서 말한 추측을 확인하기 위해 가공칩을 채취, 그 성분을 XRD에 의해 분석했다. 전해 작용에 의해 초경합금에 일어날 가능성이 있는 반응으로서 Co의 Co2+로서의 용출, Co의 산화(CoO로 변화), WC의 산화(WO3로 변화) 등 3가지가 생각된다. 이번 가공칩 분석 결과를 그림 3에 나타냈다.

WC와 C가 존재하고, WO3와 CoC는 검출할 수 없었다. C는 공구의 다이아몬드 입자에 기인한다고 추측할 수 있다. 이상의 결과로부터 이번 실험에서는 앞의 3가지 반응 중에 Co가 Co2+로서 용출하는 반응이 주로 일어나고, 효율적인 가공이 가능했음을 확인할 수 있었다.

6. 맺음말

초경합금의 고속 가공을 지향해 전해 작용을 이용한 절삭가공의 가능성에 대해 조사하고, 이하의 결론을 얻었다.

① 전해 작용을 이용함으로써 절삭저항을 대폭으로 저감할 수 있었다.
② 이번 복합가공에서는 Co가 전해 작용에 의해 제거되고, 효율적인 가공이 가능하다는 것을 알 수 있었다.