다결정 다이아몬드 공구의 제조 및 응용

PCD 공구는 다결정 다이아몬드 팁과 초경 매트릭스를 고온 고압 소결하여 제작됩니다. 높은 경도, 높은 열전도도, 낮은 마찰 계수, 낮은 열팽창 계수, 금속 및 비금속과의 낮은 친화성, 높은 탄성 계수, 무절개 표면, 등방성 등의 장점을 최대한 활용할 뿐만 아니라, 경질 합금의 높은 강도도 고려합니다.
열 안정성, 충격 인성, 그리고 내마모성은 PCD의 주요 성능 지표입니다. PCD는 주로 고온 및 고응력 환경에서 사용되기 때문에 열 안정성이 가장 중요합니다. 연구에 따르면 PCD의 열 안정성은 내마모성과 충격 인성에 큰 영향을 미칩니다. 데이터에 따르면 온도가 750℃를 초과하면 PCD의 내마모성과 충격 인성이 일반적으로 5~10% 감소합니다.
PCD의 결정 상태는 그 특성을 결정합니다. 미세 구조에서 탄소 원자는 네 개의 인접한 원자와 공유 결합을 형성하여 사면체 구조를 얻은 다음 강한 배향성과 결합력, 높은 경도를 갖는 원자 결정을 형성합니다. PCD의 주요 성능 지표는 다음과 같습니다. ① 경도는 8000 HV에 도달할 수 있으며, 이는 카바이드의 8~12배입니다. ② 열전도도는 700W/mK로 1.5~9배로 PCBN 및 구리보다 더 높습니다. ③ 마찰 계수는 일반적으로 0.1~0.3에 불과하여 카바이드의 0.4~1보다 훨씬 낮아 절삭력을 크게 줄입니다. ④ 열팽창 계수는 카바이드의 0.9x10-6~1.18x10-6,1/5에 불과하여 열 변형을 줄이고 가공 정확도를 향상시킬 수 있습니다. ⑤ 비금속 재료와의 친화성이 낮아 결절을 형성합니다.
입방정 질화붕소는 강한 산화 저항성을 가지고 있으며 철 함유 재료를 가공할 수 있지만, 단결정 다이아몬드보다 경도가 낮고 가공 속도가 느리며 효율이 낮습니다. 단결정 다이아몬드는 경도는 높지만 인성이 부족합니다. 이방성은 외력의 충격으로 (111) 표면을 따라 해리되기 쉽고 가공 효율이 제한적입니다. PCD는 미크론 크기의 다이아몬드 입자를 특정 방법으로 합성한 중합체입니다. 입자의 무질서한 축적으로 인한 혼란스러운 특성은 거시적인 등방성으로 이어지며, 인장 강도에 방향성 및 벽개면이 없습니다. 단결정 다이아몬드와 비교하여 PCD의 결정립계는 이방성을 효과적으로 줄이고 기계적 특성을 최적화합니다.
1. PCD 절삭 공구의 설계 원리
(1) PCD 입자 크기의 합리적 선택
이론적으로 PCD는 입자를 미세화해야 하며, 이방성을 극복하기 위해 제품 간 첨가제 분포는 가능한 한 균일해야 합니다. PCD 입자 크기의 선택은 가공 조건과도 관련이 있습니다. 일반적으로 고강도, 우수한 인성, 우수한 내충격성을 가진 미세 입자 PCD는 정삭 또는 초정삭 가공에 사용할 수 있으며, 조립질 PCD는 일반적인 황삭 가공에 사용할 수 있습니다. PCD 입자 크기는 공구의 마모 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 관련 문헌에 따르면, 원료 입자가 클 경우 입자 크기가 감소함에 따라 마모 저항성이 점차 증가하지만, 입자 크기가 매우 작을 경우에는 이러한 규칙이 적용되지 않습니다.
관련 실험에서는 평균 입자 크기가 10um, 5um, 2um, 1um인 다이아몬드 분말 4개를 선택하여 다음과 같은 결론을 얻었습니다. ① 원료 입자 크기가 작을수록 Co가 더 균일하게 확산되고, ②가 작을수록 PCD의 내마모성과 내열성이 점차 감소합니다.
(2) 블레이드 입구 형태 및 블레이드 두께의 합리적인 선택
블레이드 입구 형태는 주로 역날, 무딘 원형, 역날 무딘 원형 복합, 예각의 네 가지 구조로 구성됩니다. 예각 구조는 날을 날카롭게 만들고 절삭 속도가 빠르며 절삭력과 버를 크게 줄여 제품 표면 품질을 향상시킵니다. 저규소 알루미늄 합금 및 기타 저경도, 균일한 비철 금속 마감에 더 적합합니다. 둔각 원형 구조는 블레이드 입구를 부동태화하여 R 각도를 형성하고 블레이드 파손을 효과적으로 방지하며 중/고규소 알루미늄 합금 가공에 적합합니다. 얕은 절삭 깊이나 작은 칼날 이송과 같은 특수한 경우에는 무딘 원형 구조가 선호됩니다. 역날 구조는 날과 모서리를 증가시켜 블레이드를 안정시키는 동시에 압력과 절삭 저항을 증가시켜 고하중 고규소 알루미늄 합금 절삭에 더 적합합니다.
방전 가공을 용이하게 하기 위해 일반적으로 얇은 PDC 판재층(0.3~1.0mm)과 초경층을 선택합니다. 공구의 총 두께는 약 28mm입니다. 접합면 사이의 응력 차이로 인한 층화를 방지하기 위해 초경층은 너무 두껍지 않아야 합니다.
2, PCD 공구 제조 공정
PCD 공구의 제조 공정은 공구의 절삭 성능과 수명을 직접적으로 결정하며, 이는 공구의 적용 및 개발에 핵심적인 요소입니다. PCD 공구의 제조 공정은 그림 5에 나와 있습니다.
(1) PCD 복합정제(PDC) 제조
① PDC 제조공정
PDC는 일반적으로 고온(1000~2000℃) 및 고압(5~10기압)에서 천연 또는 합성 다이아몬드 분말과 결합제로 구성됩니다. 결합제는 TiC, SiC, Fe, Co, Ni 등을 주성분으로 하여 결합 브릿지를 형성하고, 다이아몬드 결정은 공유 결합의 형태로 결합 브릿지의 골격에 매립됩니다. PDC는 일반적으로 고정된 직경과 두께를 가진 디스크 형태로 제작되며, 연삭, 연마 및 기타 물리적, 화학적 처리를 거칩니다. 본질적으로 PDC의 이상적인 형태는 단결정 다이아몬드의 우수한 물리적 특성을 최대한 유지하는 것입니다. 따라서 소결체 내 첨가제는 가능한 한 적게 사용되어야 하며, 동시에 입자 간 DD 결합의 조합도 가능한 한 많아야 합니다.
② 바인더의 분류 및 선정
바인더는 PCD 도구의 열 안정성에 영향을 미치는 가장 중요한 요소이며, 경도, 내마모성 및 열 안정성에 직접적인 영향을 미칩니다. 일반적인 PCD 접합 방법은 철, 코발트, 니켈 및 기타 전이 금속입니다. Co와 W 혼합 분말을 결합제로 사용했으며, 합성 압력이 5.5 GPa, 소결 온도가 1450℃, 절연이 4분일 때 소결 PCD의 종합적인 성능이 가장 좋았습니다. SiC, TiC, WC, TiB2 및 기타 세라믹 재료. SiC SiC의 열 안정성은 Co보다 우수하지만 경도와 파괴 인성이 비교적 낮습니다. 원료 크기를 적절히 줄이면 PCD의 경도와 인성을 향상시킬 수 있습니다. 접착제 없이 초고온 고압에서 흑연이나 기타 탄소원을 사용하여 나노스케일 폴리머 다이아몬드(NPD)로 소성했습니다. 흑연을 전구체로 사용하여 NPD를 제조하는 것은 가장 까다로운 조건이지만 합성 NPD는 가장 높은 경도와 최상의 기계적 특성을 갖습니다.
③ 곡물의 선별 및 관리
원료 다이아몬드 분말은 PCD 성능에 영향을 미치는 핵심 요소입니다. 다이아몬드 미세 분말을 전처리하고, 이상 다이아몬드 입자 성장을 저해하는 소량의 물질을 첨가하고, 소결 첨가제를 적절히 선택하면 이상 다이아몬드 입자의 성장을 억제할 수 있습니다.
균일한 구조를 가진 고순도 NPD는 이방성을 효과적으로 제거하고 기계적 특성을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 고에너지 볼 분쇄법으로 제조된 나노흑연 전구체 분말을 사용하여 고온 예비 소결 시 산소 함량을 조절하여 18 GPa의 압력과 2100~2300℃의 온도에서 흑연을 다이아몬드로 변환시켜 라멜라와 입상 NPD를 생성했으며, 라멜라 두께가 감소함에 따라 경도가 증가했습니다.
④ 후기 화학처리
동일한 온도(200°C)와 시간(20h)에서 루이스산-FeCl3의 코발트 제거 효과는 물보다 현저히 우수했으며, HCl의 최적 비율은 10-15g/100ml였습니다. PCD의 열 안정성은 코발트 제거 깊이가 증가함에 따라 향상됩니다. 조립질 성장 PCD의 경우, 강산 처리로 Co를 완전히 제거할 수 있지만 폴리머 성능에 큰 영향을 미칩니다. TiC와 WC를 첨가하여 합성 다결정 구조를 변화시키고 강산 처리와 병행하면 PCD의 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 현재 PCD 소재의 제조 공정이 개선되어 제품 인성이 우수하고 이방성이 크게 향상되어 상업 생산이 실현되었으며 관련 산업이 빠르게 발전하고 있습니다.
(2) PCD 블레이드의 가공
① 절단 공정
PCD는 경도가 높고, 내마모성이 좋으며, 절삭 가공이 어렵습니다.
② 용접 절차
PDC와 나이프 본체는 기계적 클램프, 접합 및 브레이징을 통해 연결됩니다. 브레이징은 PDC를 초경 모재에 압착하는 것으로, 진공 브레이징, 진공 확산 용접, 고주파 유도 가열 브레이징, 레이저 용접 등이 있습니다. 고주파 유도 가열 브레이징은 비용이 저렴하고 회수율이 높아 널리 사용되고 있습니다. 용접 품질은 플럭스, 용접 합금, 그리고 용접 온도와 관련이 있습니다. 용접 온도(일반적으로 700°C 미만)가 가장 큰 영향을 미치는데, 온도가 너무 높으면 PCD 흑연화 또는 "과열"이 발생하기 쉬워 용접 효과에 직접적인 영향을 미치고, 온도가 너무 낮으면 용접 강도가 저하됩니다. 용접 온도는 절연 시간과 PCD 발화 깊이로 제어할 수 있습니다.
③ 블레이드 연삭 공정
PCD 공구 연삭 공정은 제조 공정의 핵심입니다. 일반적으로 블레이드와 블레이드의 피크값은 5um 이내, 아크 반경은 4um 이내입니다. 앞뒤 절삭면은 일정한 표면 조도를 보장하며, 경면 요건을 충족하기 위해 앞면 절삭면 Ra를 0.01um까지 줄여 칩이 앞면 칼날 표면을 따라 흐르도록 하고 칼날이 붙는 현상을 방지합니다.
블레이드 연삭 공정에는 다이아몬드 연삭 휠을 이용한 기계식 블레이드 연삭, 전기 스파크 블레이드 연삭(EDG), 금속 바인더 초경 연삭 휠을 이용한 온라인 전해 연마 블레이드 연삭(ELID), 복합 블레이드 연삭 가공 등이 있습니다. 그중에서도 다이아몬드 연삭 휠을 이용한 기계식 블레이드 연삭은 가장 발전된 형태이며, 가장 널리 사용됩니다.
관련 실험: ① 조립 연삭 휠은 블레이드 붕괴가 심각하고 연삭 휠의 입자 크기가 작아지며 블레이드 품질이 좋아집니다. ② 연삭 휠의 입자 크기는 미립자 또는 초미립자 PCD 공구의 블레이드 품질과 밀접한 관련이 있지만 조립자 PCD 공구에는 영향이 제한적입니다.
국내외 관련 연구는 주로 블레이드 연삭의 메커니즘과 공정에 집중되어 있습니다. 블레이드 연삭 메커니즘에서는 열화학적 제거와 기계적 제거가 지배적이며, 취성 제거와 피로 제거는 상대적으로 적습니다. 연삭 시, 다양한 결합제 다이아몬드 연삭 휠의 강도와 내열성에 따라 연삭 휠의 속도와 스윙 빈도를 최대한 높이고, 취성 및 피로 제거를 방지하며, 열화학적 제거 비율을 높이고, 표면 거칠기를 줄여야 합니다. 건식 연삭은 표면 거칠기가 낮지만, 가공 온도가 높아 공구 표면이 쉽게 타 버립니다.
블레이드 연삭 공정은 다음 사항에 주의해야 합니다. ① 합리적인 블레이드 연삭 공정 매개변수를 선택하면 날끝 품질을 더욱 우수하게 유지하고, 앞뒤 블레이드 표면 조도를 더욱 향상시킬 수 있습니다. 단, 높은 연삭력, 큰 손실, 낮은 연삭 효율, 높은 비용도 고려해야 합니다. ② 바인더 종류, 입자 크기, 농도, 바인더, 휠 드레싱 등 합리적인 연삭 휠 품질을 선택하고, 건식 및 습식 블레이드 연삭 조건을 최적화하여 공구 앞뒤 모서리, 칼날 끝의 부동태화 값 등의 매개변수를 최적화하고 공구 표면 품질을 향상시킬 수 있습니다.
다양한 바인더 다이아몬드 연삭 휠은 각기 다른 특성과 연삭 메커니즘 및 효과를 가지고 있습니다. 레진 바인더 다이아몬드 샌드 휠은 부드럽고, 연삭 입자가 조기에 떨어지기 쉬우며, 내열성이 부족하고, 표면이 열에 의해 쉽게 변형되며, 블레이드 연삭 표면에 마모 흔적이 생기기 쉽고, 거칠기가 큽니다. 금속 바인더 다이아몬드 연삭 휠은 연삭 분쇄를 통해 날카로움을 유지하며, 성형성과 표면 처리가 우수하고, 블레이드 연삭 표면 거칠기가 낮아 연삭 효율이 높습니다. 하지만 연삭 입자의 결합력으로 인해 자체 연삭력이 약해지고, 절삭날에 충격 틈이 생기기 쉬워 심각한 연삭 손상을 유발합니다. 세라믹 바인더 다이아몬드 연삭 휠은 적당한 강도를 가지고 있으며, 자려 성능이 우수하고, 내부 기공이 많으며, 먼지 제거 및 방열에 유리합니다. 다양한 냉각수에 적응할 수 있으며, 연삭 온도가 낮고, 연삭 휠의 마모가 적으며, 형상 유지력이 우수하고, 가장 높은 효율의 정밀도를 자랑합니다. 하지만 다이아몬드 연삭 및 바인더 본체로 인해 공구 표면에 피트가 형성될 수 있습니다. 가공재료, 종합적인 연삭효율, 연마내구성, 작업물의 표면품질 등에 따라 사용하세요.
연삭 효율 연구는 주로 생산성 향상과 비용 관리에 중점을 두고 있습니다. 일반적으로 연삭 속도 Q(단위 시간당 PCD 제거율)와 마모율 G(연삭 휠 손실 대비 PCD 제거율)를 평가 기준으로 사용합니다.
독일 학자 KENTER는 정압으로 PCD 공구를 연삭할 때 다음과 같은 실험을 수행했습니다. ① 연삭 휠 속도, PDC 입자 크기 및 냉각수 농도를 증가시키면 연삭 속도와 마모율이 감소합니다. ② 연삭 입자 크기를 증가시키고 정압을 증가시키면 연삭 휠 내 다이아몬드 농도가 증가하여 연삭 속도와 마모율이 증가합니다. ③ 바인더 종류가 다르면 연삭 속도와 마모율이 다릅니다. KENTER는 PCD 공구의 블레이드 연삭 공정을 체계적으로 연구했지만 블레이드 연삭 공정의 영향을 체계적으로 분석하지 못했습니다.

3. PCD 절삭공구의 사용 및 고장
(1) 공구 절삭 매개변수의 선택
PCD 공구의 초기 단계에서는 날카로운 날의 입구가 점차 부동태화되어 가공 표면 품질이 향상되었습니다. 부동태화는 날 연삭으로 인해 발생하는 미세 간극과 작은 버를 효과적으로 제거하여 절삭날의 표면 품질을 향상시킵니다. 동시에 원형 날 반경을 형성하여 가공된 표면을 압축 및 보수하여 공작물의 표면 품질을 개선합니다.
PCD 공구 표면 밀링 알루미늄 합금의 경우, 절삭 속도는 일반적으로 4,000m/min, 홀 가공은 일반적으로 800m/min입니다. 고탄성 플라스틱 비철 금속 가공에는 더 높은 회전 속도(300~1,000m/min)가 필요합니다. 이송량은 일반적으로 0.08~0.15mm/r 사이가 권장됩니다. 이송량이 너무 크면 절삭력이 증가하고, 가공물 표면의 잔류 형상 면적이 증가합니다. 이송량이 너무 작으면 절삭 열이 증가하고 마모가 증가합니다. 절삭 깊이가 증가하면 절삭력이 증가하고 절삭 열이 증가하여 수명이 단축됩니다. 절삭 깊이가 너무 깊으면 블레이드가 쉽게 파손될 수 있습니다. 절삭 깊이가 너무 얕으면 가공 경화, 마모, 심지어 블레이드 파손으로 이어질 수 있습니다.
(2) 마모형태
공구 가공 시, 마찰, 고온 등의 이유로 마모는 불가피합니다. 다이아몬드 공구의 마모는 세 단계로 구성됩니다. 초기의 급속 마모 단계(과도기라고도 함), 일정한 마모율을 보이는 안정 마모 단계, 그리고 이후의 급속 마모 단계입니다. 급속 마모 단계는 공구가 제대로 작동하지 않아 재연삭이 필요함을 나타냅니다. 절삭 공구의 마모 유형에는 점착 마모(냉간 용접 마모), 확산 마모, 연삭 마모, 산화 마모 등이 있습니다.
기존 공구와 달리 PCD 공구의 마모 형태는 점착 마모, 확산 마모, 다결정층 손상입니다. 그중 다결정층 손상이 주요 원인으로, 외부 충격으로 인한 미세한 날의 붕괴 또는 PDC의 점착력 손실로 인해 발생하는 간극으로 나타납니다. 이는 물리적 기계적 손상에 속하며, 가공 정밀도 저하 및 공작물 스크랩 발생으로 이어질 수 있습니다. PCD 입자 크기, 날 형태, 날 각도, 공작물 재질 및 가공 변수는 날의 강도와 절삭력에 영향을 미쳐 다결정층 손상을 유발합니다. 엔지니어링 실무에서는 가공 조건에 따라 적절한 원료 입자 크기, 공구 변수 및 가공 변수를 선택해야 합니다.

4. PCD 절삭공구의 개발 동향
현재 PCD 공구의 적용 범위는 기존 선삭에서 드릴링, 밀링, 고속 절삭으로 확장되어 국내외에서 널리 사용되고 있습니다. 전기 자동차의 급속한 발전은 기존 자동차 산업에 큰 영향을 미쳤을 뿐만 아니라 공구 산업에도 전례 없는 도전을 안겨주어 공구 산업의 최적화와 혁신을 가속화할 것을 촉구하고 있습니다.
PCD 절삭 공구의 폭넓은 적용은 절삭 공구 연구 개발을 심화시키고 촉진해 왔습니다. 연구가 심화됨에 따라 PDC 규격은 점점 더 미세화되고, 결정립 미세화 품질 최적화, 성능 균일성, 연삭률 및 마모율은 점점 더 높아지고 있으며, 형상 및 구조도 다양화되고 있습니다. PCD 공구의 연구 방향은 다음과 같습니다. ① 얇은 PCD 층의 연구 개발, ② 새로운 PCD 공구 소재의 연구 개발, ③ PCD 공구의 용접 개선 및 비용 절감 연구, ④ PCD 공구 블레이드 연삭 공정 개선을 통한 효율 향상 연구, ⑤ PCD 공구 매개변수 최적화 및 현장 조건에 따른 공구 사용 연구, ⑥ 가공 소재에 따른 절삭 매개변수의 합리적 선택 연구.
간략한 요약
(1) PCD 공구 절삭 성능은 많은 초경 공구의 부족을 보완합니다. 동시에 가격은 단결정 다이아몬드 공구보다 훨씬 낮아 현대 절삭에서 유망한 공구입니다.
(2) 가공되는 소재의 종류 및 성능에 따라 PCD 공구의 입자크기 및 매개변수를 합리적으로 선정하는 것이 공구 제작 및 사용의 전제이며,
(3) PCD 소재는 높은 경도를 가지고 있어 절삭 공구 제작에 이상적인 소재이지만, 절삭 공구 제작에는 어려움이 따릅니다. 따라서 제작 시에는 공정 난이도와 가공 요구 사항을 종합적으로 고려하여 최적의 비용 대비 성능을 달성해야 합니다.
(4) PCD 가공재료를 나이프 카운티에서 사용할 경우, 제품 성능을 충족시키는 기준으로 절단 매개변수를 합리적으로 선택해야 하며, 공구 수명, 생산 효율 및 제품 품질의 균형을 이루기 위해 공구의 사용 수명을 최대한 연장해야 합니다.
(5) PCD의 본질적인 단점을 극복하기 위한 새로운 PCD 공구 소재 연구 및 개발
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