절삭 공구 코팅은 절삭 공구의 마찰 및 마모 특성을 개선하므로 절삭 작업에 필수적입니다. 표면 처리 기술 업체들은 수년간 절삭 공구 내마모성, 가공 효율 및 수명을 향상시키기 위한 맞춤형 코팅 솔루션을 개발해 왔습니다. 이러한 과제는 네 가지 요소에 대한 집중과 최적화에서 비롯됩니다. (i) 절삭 공구 표면의 코팅 전/후 처리, (ii) 코팅 재료, (iii) 코팅 구조, 그리고 (iv) 코팅 절삭 공구를 위한 통합 처리 기술.
절삭 공구 마모 원인
절삭 공정 중 절삭 공구와 피삭재 사이의 접촉 영역에서 일부 마모 메커니즘이 발생합니다. 예를 들어, 칩과 절삭면 사이의 접합 마모, 피삭재의 경도점에 의한 공구의 연삭 마모, 그리고 마찰 화학 반응(기계적 작용과 고온에 의해 발생하는 재료의 화학 반응)으로 인한 마모가 있습니다. 이러한 마찰 응력은 절삭 공구의 절삭력을 감소시키고 공구 수명을 단축시키므로, 절삭 공구의 가공 효율에 주로 영향을 미칩니다.
표면 코팅은 마찰 효과를 감소시키고, 절삭 공구 모재는 코팅을 지지하고 기계적 응력을 흡수합니다. 마찰 시스템의 성능 향상은 생산성 향상은 물론, 재료 절감 및 에너지 소비 감소에도 기여합니다.
가공비용 절감에 있어서 코팅의 역할
절삭 공구 수명은 생산 주기에서 중요한 비용 요소입니다. 절삭 공구 수명은 무엇보다도 유지 보수가 필요하기 전까지 기계가 중단 없이 가공될 수 있는 시간으로 정의할 수 있습니다. 절삭 공구 수명이 길수록 생산 중단으로 인한 비용이 감소하고 기계의 유지 보수 작업도 줄어듭니다.
매우 높은 절삭 온도에서도 코팅을 통해 절삭 공구의 수명을 연장하여 가공 비용을 크게 절감할 수 있습니다. 또한, 절삭 공구 코팅은 윤활유의 필요성을 줄여 재료비를 절감할 뿐만 아니라 환경 보호에도 기여합니다.
코팅 전·후 처리가 생산성에 미치는 영향
현대 절삭 작업에서 절삭 공구는 높은 압력(2 GPa 이상), 고온, 그리고 지속적인 열응력을 견뎌야 합니다. 절삭 공구 코팅 전후에는 적절한 공정을 거쳐야 합니다.
절삭 공구 코팅 전, 다양한 전처리 방법을 활용하여 후속 코팅 공정을 준비할 수 있으며, 코팅의 접착력을 크게 향상시킬 수 있습니다. 코팅과 함께 공구 절삭날을 준비하면 절삭 속도와 이송 속도를 높이고 절삭 공구 수명을 연장할 수 있습니다.
코팅 후처리(날 준비, 표면 처리 및 구조화)도 절삭 공구의 최적화에 결정적인 역할을 하며, 특히 칩(공구의 절삭 날에 공작물 재료가 결합)이 형성되어 조기에 마모되는 것을 방지하는 데 중요합니다.
코팅 고려 사항 및 선택
코팅 성능에 대한 요건은 매우 다양할 수 있습니다. 절삭날 온도가 높은 가공 조건에서는 코팅의 내열 마모 특성이 매우 중요합니다. 최신 코팅은 우수한 고온 성능, 내산화성, 높은 경도(고온에서도), 그리고 나노 구조층 설계를 통한 미세 인성(소성)과 같은 특성을 가져야 합니다.
효율적인 절삭 공구를 위해서는 최적화된 코팅 접착력과 적절한 잔류 응력 분포가 두 가지 결정적인 요소입니다. 첫째, 모재와 코팅 재료 간의 상호작용을 고려해야 합니다. 둘째, 코팅 재료와 가공 대상 재료 간의 친화력을 최소화해야 합니다. 적절한 공구 형상을 사용하고 코팅을 연마하면 코팅과 가공물 간의 접착 가능성을 크게 줄일 수 있습니다.
알루미늄 기반 코팅(예: AlTiN)은 절삭 산업에서 절삭 공구 코팅으로 일반적으로 사용됩니다. 높은 절삭 온도에서 이러한 알루미늄 기반 코팅은 가공 중 지속적으로 재생되는 얇고 조밀한 산화알루미늄층을 형성하여 코팅과 그 아래의 모재를 산화로부터 보호합니다.
코팅의 경도 및 내산화 성능은 알루미늄 함량과 코팅 구조를 변경하여 조절할 수 있습니다. 예를 들어, 알루미늄 함량을 증가시키거나, 나노 구조 또는 미세 합금화(즉, 저함량 원소와의 합금화)를 통해 코팅의 내산화성을 향상시킬 수 있습니다.
코팅 재료의 화학적 조성 외에도, 코팅 구조의 변화는 코팅 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 절삭 공구 성능의 차이는 코팅 미세 구조 내 다양한 원소의 분포에 따라 달라집니다.
오늘날, 다양한 화학 조성을 가진 여러 개의 단일 코팅층을 결합하여 원하는 성능을 얻을 수 있는 복합 코팅층이 개발되고 있습니다. 이러한 추세는 앞으로도 계속 발전할 것으로 예상되는데, 특히 세 가지 고이온화 코팅 공정을 하나로 결합한 HI3(High Ionization Triple) 아크 증착 및 스퍼터링 하이브리드 코팅 기술과 같은 새로운 코팅 시스템과 코팅 공정을 통해 더욱 강화될 것입니다.
티타늄-실리콘 기반(TiSi) 코팅은 다용도 코팅으로서 탁월한 가공성을 제공합니다. 이 코팅은 다양한 탄화물 함량을 가진 고경도강(심부 경도 최대 HRC 65)과 중경도강(심부 경도 HRC 40) 모두 가공할 수 있습니다. 코팅 구조 설계는 다양한 가공 용도에 맞게 조정할 수 있습니다. 따라서 티타늄-실리콘 기반 코팅 절삭 공구는 고합금강, 저합금강부터 경화강 및 티타늄 합금에 이르기까지 다양한 피삭재의 절삭 및 가공에 사용할 수 있습니다. 평평한 피삭재(경도 HRC 44)에 대한 고마무리 절삭 시험 결과, 코팅된 절삭 공구는 공구 수명을 거의 두 배 증가시키고 표면 거칠기를 약 10배 감소시킬 수 있는 것으로 나타났습니다.
티타늄-실리콘 기반 코팅은 후속 표면 연마를 최소화합니다. 이러한 코팅은 높은 절삭 속도, 높은 절삭날 온도, 그리고 높은 금속 제거율을 요구하는 가공에 사용될 것으로 예상됩니다.
일부 다른 PVD 코팅(특히 미세 합금 코팅)의 경우, 코팅 회사들은 가공업체와 긴밀히 협력하여 다양한 최적화된 표면 처리 솔루션을 연구 개발하고 있습니다. 이를 통해 가공 효율, 절삭 공구 사용, 가공 품질, 그리고 소재, 코팅, 가공 간의 상호 작용이 크게 향상될 수 있으며, 이는 실질적으로 적용 가능합니다. 전문 코팅 파트너와 협력함으로써 사용자는 공구 수명 주기 전반에 걸쳐 공구 활용 효율을 높일 수 있습니다.
게시 시간: 2022년 11월 7일