다결정 다이아몬드 공구의 제조 및 응용

PCD 공구는 고온 고압 소결을 통해 다결정 다이아몬드 칼날 끝과 탄화물 기지로 만들어집니다. 이를 통해 높은 경도, 높은 열전도율, 낮은 마찰 계수, 낮은 열팽창 계수, 금속 및 비금속과의 낮은 친화성, 높은 탄성 계수, 절단면 없음, 등방성 등의 장점을 최대한 활용할 뿐만 아니라 경질 합금의 높은 강도까지 고려할 수 있습니다.
PCD의 주요 성능 지표는 열 안정성, 충격 인성 및 내마모성입니다. PCD는 주로 고온 및 고응력 환경에서 사용되므로 열 안정성이 가장 중요합니다. 본 연구는 PCD의 열 안정성이 내마모성과 충격 인성에 큰 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 데이터에 따르면 온도가 750℃를 초과할 경우 PCD의 내마모성과 충격 인성은 일반적으로 5%~10% 감소합니다.
PCD의 결정 상태는 그 특성을 결정합니다. 미세 구조에서 탄소 원자는 인접한 네 개의 원자와 공유 결합을 형성하여 사면체 구조를 이루고, 강한 배향성과 결합력, 높은 경도를 지닌 원자 결정을 형성합니다. PCD의 주요 성능 지표는 다음과 같습니다. ① 경도는 8000 HV에 달하며, 탄화물보다 8~12배 높습니다. ② 열전도율은 700W/mK로, PCBN 및 구리보다 1.5~9배 높습니다. ③ 마찰 계수는 일반적으로 0.1~0.3에 불과하여 탄화물의 0.4~1보다 훨씬 낮아 절삭력을 크게 감소시킵니다. ④ 열팽창 계수는 0.9x10⁻⁶~1.18x10⁻⁶으로 탄화물의 1/5에 불과하여 열 변형을 줄이고 가공 정밀도를 향상시킵니다. ⑤ 비금속 재료에 비해 결절 형성 경향이 적습니다.
입방정 질화붕소는 산화 저항성이 강하고 철 함유 재료를 가공할 수 있지만, 경도가 단결정 다이아몬드보다 낮아 가공 속도가 느리고 효율이 떨어집니다. 단결정 다이아몬드는 경도는 높지만 인성이 부족하고, 이방성으로 인해 외부 충격 시 (111) 면을 따라 쉽게 분리되어 가공 효율이 제한적입니다. PCD는 특정 방법을 통해 미크론 크기의 다이아몬드 입자로 합성된 고분자입니다. 입자의 불규칙적인 축적으로 인해 거시적으로 등방성을 나타내며, 인장 강도에서 방향성이나 쪼개짐면이 없습니다. 단결정 다이아몬드와 비교했을 때, PCD의 결정립계는 이방성을 효과적으로 감소시키고 기계적 특성을 최적화합니다.
1. PCD 절삭 공구의 설계 원칙
(1) PCD 입자 크기의 적절한 선택
이론적으로 PCD는 입자 크기를 미세화하는 것을 목표로 하며, 이방성을 극복하기 위해 제품 간 첨가제 분포를 최대한 균일하게 해야 합니다. PCD 입자 크기 선택은 가공 조건과도 관련이 있습니다. 일반적으로 강도, 인성, 내충격성이 우수하고 입자가 미세한 PCD는 정삭 또는 초정삭에 사용할 수 있으며, 입자가 굵은 PCD는 일반적인 황삭 가공에 사용할 수 있습니다. PCD 입자 크기는 공구의 내마모성에 상당한 영향을 미칩니다. 관련 문헌에 따르면 원료 입자가 클 때는 입자 크기가 작아질수록 내마모성이 점차 증가하지만, 입자 크기가 매우 작을 때는 이러한 규칙이 적용되지 않습니다.
관련 실험에서는 평균 입자 크기가 10μm, 5μm, 2μm, 1μm인 네 가지 다이아몬드 분말을 선택하여 다음과 같은 결론을 내렸습니다. ① 원료의 입자 크기가 감소함에 따라 Co가 더욱 균일하게 확산됩니다. ② 입자 크기가 감소함에 따라 PCD의 내마모성 및 내열성이 점차 감소합니다.
(2) 날 입구 형상 및 날 두께의 적절한 선택
날끝 형상은 크게 역날, 뭉툭한 원형, 역날과 뭉툭한 원형이 결합된 형태, 예리한 각도의 네 가지 구조로 나뉩니다. 예리한 각도 구조는 날끝을 날카롭게 하여 절삭 속도를 높이고 절삭력과 버(burr) 발생을 크게 줄여 제품의 표면 품질을 향상시킵니다. 저실리콘 알루미늄 합금 등 경도가 낮은 비철금속의 균일한 가공에 적합합니다. 둔각 원형 구조는 날끝을 부동태화하고 R자형 각도를 형성하여 날 파손을 효과적으로 방지하며, 중/고실리콘 알루미늄 합금 가공에 적합합니다. 절삭 깊이가 얕거나 칼날 이송량이 적은 특수한 경우에는 뭉툭한 원형 구조가 더 적합합니다. 역날 구조는 모서리와 날끝을 늘려 날을 안정화시키지만, 동시에 압력과 절삭 저항을 증가시켜 고실리콘 알루미늄 합금과 같은 고하중 절삭에 더 적합합니다.
방전가공(EDM)을 용이하게 하기 위해 일반적으로 얇은 PDC 판재층(0.3~1.0mm)에 초경합금층을 더하여 공구의 총 두께를 약 28mm로 합니다. 초경합금층은 접합면 사이의 응력 차이로 인한 층분리를 방지하기 위해 너무 두껍지 않아야 합니다.
2. PCD 금형 제조 공정
PCD 공구의 제조 공정은 공구의 절삭 성능과 수명을 직접적으로 결정하며, 이는 PCD 공구의 적용 및 개발에 있어 핵심적인 요소입니다. PCD 공구의 제조 공정은 그림 5에 나타나 있습니다.
(1) PCD 복합정제(PDC)의 제조
① PDC의 제조 공정
PDC는 일반적으로 천연 또는 합성 다이아몬드 분말과 결합제를 고온(1000~2000℃) 고압(5~10기압)에서 소결하여 제조됩니다. 결합제는 TiC, SiC, Fe, Co, Ni 등을 주성분으로 하여 결합 가교를 형성하고, 다이아몬드 결정은 공유 결합 형태로 이 결합 가교의 골격에 내장됩니다. PDC는 일반적으로 일정한 직경과 두께의 디스크 형태로 제조되며, 연마, 광택 처리 등의 물리적 및 화학적 처리를 거칩니다. 본질적으로 이상적인 PDC는 단결정 다이아몬드의 우수한 물리적 특성을 최대한 유지해야 하므로, 소결체 내 첨가제는 최소화하고 동시에 입자 간 DD 결합을 최대한 강화해야 합니다.
② 바인더의 분류 및 선택
결합제는 PCD(폴리머 다이아몬드) 공구의 열 안정성에 영향을 미치는 가장 중요한 요소이며, 이는 경도, 내마모성 및 열 안정성에 직접적인 영향을 미칩니다. 일반적인 PCD 결합 방법으로는 철, 코발트, 니켈 및 기타 전이 금속이 있습니다. 코발트와 텅스텐 혼합 분말을 결합제로 사용했을 때, 합성 압력 5.5 GPa, 소결 온도 1450℃, 절연 시간 4분에서 소결된 PCD의 종합적인 성능이 가장 우수했습니다. SiC, TiC, WC, TiB2 등의 세라믹 재료도 사용됩니다. SiC는 코발트보다 열 안정성이 우수하지만 경도와 파괴 인성은 상대적으로 낮습니다. 원료 입자 크기를 적절히 줄이면 PCD의 경도와 인성을 향상시킬 수 있습니다. 접착제를 사용하지 않고 흑연이나 다른 탄소원을 초고온 고압에서 소성하여 나노 크기의 폴리머 다이아몬드(NPD)를 제조하는 방법도 있습니다. 흑연을 전구체로 사용하여 NPD를 제조하는 것은 가장 까다로운 조건이지만, 이렇게 합성된 NPD는 가장 높은 경도와 우수한 기계적 특성을 나타냅니다.
③ 곡물의 선택 및 관리
원료인 다이아몬드 분말은 PCD의 성능에 영향을 미치는 핵심 요소입니다. 다이아몬드 미세 분말을 전처리하고, 비정상적인 다이아몬드 입자 성장을 억제하는 물질을 소량 첨가하며, 소결 첨가제를 적절히 선택하면 비정상적인 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 예비소결에서 산소 함량을 조절함으로써 18 GPa의 압력과 2100-2300℃의 온도 조건에서 흑연을 다이아몬드로 변환시켜 층상 및 입상 NPD를 생성하였으며, 층상 두께가 감소함에 따라 경도가 증가했습니다.
④ 후기 화학 처리
동일한 온도(200℃)와 시간(20시간)에서 루이스산인 염화철(FeCl₃)의 코발트 제거 효과는 물보다 현저히 우수했으며, 최적의 염산 비율은 10-15g/100ml였다. 코발트 제거 깊이가 증가함에 따라 PCD의 열 안정성이 향상되었다. 조립 성장 PCD의 경우, 강산 처리로 코발트를 완전히 제거할 수 있지만 고분자 성능에 큰 영향을 미친다. TiC와 WC를 첨가하여 합성 다결정 구조를 변화시키고 강산 처리와 병행하면 PCD의 안정성을 향상시킬 수 있다. 현재 PCD 소재의 제조 공정이 개선되어 제품의 인성이 우수하고 이방성이 크게 향상되어 상업 생산이 실현되고 있으며 관련 산업이 빠르게 발전하고 있다.
(2) PCD 블레이드의 가공
① 절단 공정
PCD는 경도가 높고 내마모성이 우수하며 절삭 공정이 매우 어렵습니다.
② 용접 절차
PDC와 칼날 본체는 기계적 클램프, 접합 및 브레이징으로 결합됩니다. 브레이징은 진공 브레이징, 진공 확산 용접, 고주파 유도 가열 브레이징, 레이저 용접 등 다양한 방법으로 PDC를 탄화물 기지에 압착하는 것입니다. 고주파 유도 가열 브레이징은 비용이 저렴하고 효과가 뛰어나 널리 사용되고 있습니다. 용접 품질은 플럭스, 용접 합금 및 용접 온도와 관련이 있습니다. 용접 온도(일반적으로 700℃ 미만)가 가장 큰 영향을 미치는데, 온도가 너무 높으면 PDC가 흑연화되거나 과열되어 용접 효과에 직접적인 영향을 미치고, 온도가 너무 낮으면 용접 강도가 부족해집니다. 용접 온도는 절연 시간과 PDC의 발화 깊이를 조절하여 제어할 수 있습니다.
③ 블레이드 연삭 공정
PCD 공구 연삭 공정은 제조 공정의 핵심입니다. 일반적으로 날과 날끝의 최대 높이는 5μm 이내이고, 호의 반경은 4μm 이내입니다. 앞면과 뒷면의 절삭면은 일정한 표면 조도를 확보해야 하며, 특히 앞면 절삭면의 Ra 값을 0.01μm까지 낮춰 거울면과 같은 표면 조도를 요구합니다. 이를 통해 칩이 칼날 앞면을 따라 흐르도록 하고 칼날이 달라붙는 것을 방지합니다.
블레이드 연삭 공정에는 다이아몬드 연삭 휠을 이용한 기계식 블레이드 연삭, 전기 스파크 블레이드 연삭(EDG), 금속 결합제를 사용한 초경질 연마재 연삭 휠을 이용한 온라인 전해 연마(ELID), 복합 블레이드 연삭 가공 등이 있습니다. 이 중 다이아몬드 연삭 휠을 이용한 기계식 블레이드 연삭이 가장 성숙하고 널리 사용되는 기술입니다.
관련 실험 결과: ① 입자가 굵은 연삭 휠은 심각한 날 파손을 초래하며, 연삭 휠의 입자 크기가 작아질수록 날의 품질이 향상됩니다. ② 연삭 휠의 입자 크기는 미세 입자 또는 초미세 입자 PCD 공구의 날 품질과 밀접한 관련이 있지만, 입자가 굵은 PCD 공구에는 영향이 제한적입니다.
국내외 관련 연구는 주로 블레이드 연삭의 메커니즘과 공정에 초점을 맞추고 있습니다. 블레이드 연삭 메커니즘에서는 열화학적 제거와 기계적 제거가 주를 이루며, 취성 제거와 피로 제거는 상대적으로 적습니다. 연삭 시, 다양한 결합제를 사용한 다이아몬드 연삭 휠의 강도와 내열성을 고려하여 연삭 휠의 속도와 진동수를 최대한 높여 취성 제거와 피로 제거를 방지하고 열화학적 제거 비율을 높여 표면 조도를 낮춥니다. 건식 연삭은 표면 조도가 낮지만, 높은 가공 온도로 인해 공구 표면이 타버리는 문제가 발생하기 쉽습니다.
블레이드 연삭 공정에서 주의해야 할 사항은 다음과 같습니다. ① 적절한 블레이드 연삭 공정 매개변수를 선택하면 날끝 품질을 향상시키고 블레이드 앞뒤 표면 조도를 높일 수 있습니다. 그러나 높은 연삭력은 손실 증가, 연삭 효율 저하, 비용 상승으로 이어질 수 있다는 점도 고려해야 합니다. ② 바인더 종류, 입자 크기, 농도, 바인더, 연삭 휠 드레싱 등을 포함한 적절한 연삭 휠 품질을 선택하고 건식 및 습식 블레이드 연삭 조건을 적절히 적용하면 공구 앞뒤 모서리, 칼끝 패시베이션 값 등의 매개변수를 최적화하고 공구 표면 품질을 향상시킬 수 있습니다.
결합재 종류에 따라 다이아몬드 연삭 휠의 특성과 연삭 메커니즘 및 효과가 다릅니다. 수지 결합재 다이아몬드 연삭 휠은 부드러워 연삭 입자가 조기에 탈락하기 쉽고 내열성이 부족하여 표면이 열에 의해 쉽게 변형되며, 블레이드 연삭면에 마모 자국이 생기기 쉽고 표면 조도가 높습니다. 금속 결합재 다이아몬드 연삭 휠은 연삭 파쇄를 통해 날카로움을 유지하고 성형성, 표면 처리가 우수하며 블레이드 연삭 시 표면 조도가 낮아 효율이 높습니다. 그러나 연삭 입자의 결합력이 약하여 자가 연마 기능이 떨어지고 절삭날에 충격 틈이 생겨 심각한 가장자리 손상을 초래할 수 있습니다. 세라믹 결합재 다이아몬드 연삭 휠은 적당한 강도를 가지며 자가 여기 성능이 우수하고 내부 기공이 많아 분진 제거 및 열 방출에 유리하며 다양한 냉각제에 적응할 수 있습니다. 연삭 온도가 낮고 연삭 휠 마모가 적으며 형상 유지력이 우수하여 최고 효율의 정밀도를 제공합니다. 그러나 다이아몬드 연삭체와 결합재의 결합으로 인해 공구 표면에 피트가 발생할 수 있습니다. 가공 재료, 종합적인 연삭 효율, 연마재 내구성 및 가공물의 표면 품질에 따라 사용하십시오.
연삭 효율에 대한 연구는 주로 생산성 향상과 비용 절감에 초점을 맞추고 있습니다. 일반적으로 연삭 속도 Q(단위 시간당 PCD 제거량)와 마모율 G(PCD 제거량 대비 연삭 휠 손실량 비율)가 평가 기준으로 사용됩니다.
독일 학자 ​​KENTER는 정압 연삭 PCD 공구에 대한 실험을 통해 다음과 같은 결과를 얻었습니다. ① 연삭 휠 속도, PCD 입자 크기 및 냉각제 농도를 증가시키면 연삭 속도와 마모율이 감소합니다. ② 연삭 입자 크기를 증가시키고, 정압을 증가시키고, 연삭 휠 내 다이아몬드 농도를 증가시키면 연삭 속도와 마모율이 증가합니다. ③ 바인더 종류에 따라 연삭 속도와 마모율이 달라집니다. KENTER는 PCD 공구의 블레이드 연삭 공정을 체계적으로 연구했지만, 블레이드 연삭 공정의 영향에 대한 체계적인 분석은 이루어지지 않았습니다.

3. PCD 절삭 공구의 사용 및 고장
(1) 공구 절삭 매개변수 선택
PCD 공구의 초기 사용 기간 동안 날카로운 모서리 부분은 점차 부동태화 처리되어 가공면 품질이 향상됩니다. 부동태화 처리는 날 연마로 인해 발생하는 미세한 틈과 작은 버를 효과적으로 제거하고 절삭날의 표면 품질을 개선하며, 동시에 원형 모서리 반경을 형성하여 가공면을 압착 및 보수함으로써 공작물의 표면 품질을 향상시킵니다.
PCD 공구를 이용한 알루미늄 합금 표면 밀링 가공 시 절삭 속도는 일반적으로 4000m/min이며, 홀 가공 시에는 일반적으로 800m/min입니다. 탄성 및 소성 특성이 높은 비철금속 가공 시에는 더 높은 선회 속도(300~1000m/min)를 사용해야 합니다. 이송량은 일반적으로 0.08~0.15mm/r을 권장합니다. 이송량이 너무 크면 절삭력이 증가하고 공작물 표면의 잔류 형상 면적이 커지며, 너무 작으면 절삭열과 마모가 증가합니다. 절삭 깊이가 증가하면 절삭력과 절삭열이 증가하고 수명이 단축됩니다. 절삭 깊이가 너무 깊으면 날이 쉽게 파손될 수 있으며, 절삭 깊이가 너무 얕으면 가공 경화, 마모 및 날이 파손될 수 있습니다.
(2) 착용 형태
공구 가공 시 마찰, 고온 등의 이유로 마모는 불가피합니다. 다이아몬드 공구의 마모는 초기 급속 마모 단계(전이 단계라고도 함), 일정한 마모율을 보이는 안정 마모 단계, 그리고 이후의 급속 마모 단계의 세 단계로 구성됩니다. 급속 마모 단계는 공구가 더 이상 작동하지 않아 재연삭이 필요한 시점을 나타냅니다. 절삭 공구의 마모 형태에는 접착 마모(냉간 용접 마모), 확산 마모, 연삭 마모, 산화 마모 등이 있습니다.
기존 공구와 달리 PCD 공구의 마모 형태는 접착 마모, 확산 마모 및 다결정층 손상으로 나뉩니다. 그중에서도 다결정층 손상이 주된 원인이며, 이는 외부 충격으로 인한 미세한 날 변형이나 PCD 내 접착력 손실로 인한 틈 형성으로 나타납니다. 이러한 물리적, 기계적 손상은 가공 정밀도 저하 및 불량품 발생으로 이어질 수 있습니다. PCD 입자 크기, 날 형상, 날 각도, 공작물 재질 및 가공 매개변수는 날 강도와 절삭력에 영향을 미치고, 결과적으로 다결정층 손상 발생에 영향을 줍니다. 따라서 실제 공정에서는 가공 조건에 따라 적절한 원료 입자 크기, 공구 매개변수 및 가공 매개변수를 선택해야 합니다.

4. PCD 절삭 공구의 개발 동향
현재 PCD 공구의 적용 범위는 전통적인 선삭 가공에서 드릴링, 밀링, 고속 절삭 등으로 확대되어 국내외에서 널리 사용되고 있습니다. 전기 자동차의 급속한 발전은 전통적인 자동차 산업에 영향을 미쳤을 뿐만 아니라 공구 산업에도 전례 없는 도전을 제기하며, 공구 산업이 최적화와 혁신을 가속화하도록 촉구하고 있습니다.
PCD 절삭 공구의 광범위한 적용이 심화됨에 따라 절삭 공구 연구 개발이 촉진되었습니다. 연구가 심화됨에 따라 PCD 규격은 더욱 소형화되고, 결정립 미세화 품질이 최적화되며, 성능 균일성, 연삭 속도 및 마모율이 향상되고, 형상 및 구조가 다양화되고 있습니다. PCD 공구 연구 방향은 다음과 같습니다. ① 얇은 PCD 층 연구 개발; ② 새로운 PCD 공구 재료 연구 개발; ③ PCD 공구 용접 품질 개선 및 비용 절감 연구; ④ PCD 공구 날 연삭 공정 개선을 통한 효율 향상 연구; ⑤ PCD 공구 매개변수 최적화 및 현장 조건에 따른 공구 사용 연구; ⑥ 가공 재료에 따른 절삭 매개변수의 합리적인 선택 연구.
간략한 요약
(1) PCD 공구의 절삭 성능은 많은 초경 공구의 부족함을 보완합니다. 동시에 가격은 단결정 다이아몬드 공구보다 훨씬 저렴하며 현대 절삭에서 유망한 공구입니다.
(2) 가공 재료의 종류와 성능에 따라 PCD 공구의 입자 크기 및 매개변수를 합리적으로 선택하는 것이 공구 제조 및 사용의 전제 조건이다.
(3) PCD 소재는 경도가 높아 절삭 칼날 제작에 이상적인 소재이지만 절삭 공구 제조에 어려움을 초래하기도 합니다. 제조 시 공정 난이도와 가공 요구 사항을 종합적으로 고려하여 최상의 비용 대비 성능을 달성해야 합니다.
(4) 칼날 제조에 사용되는 PCD 가공 재료의 경우, 제품 성능을 충족하는 것을 기반으로 공구의 수명을 최대한 연장하여 공구 수명, 생산 효율 및 제품 품질의 균형을 이루기 위해 절삭 매개변수를 합리적으로 선택해야 합니다.
(5) PCD의 고유한 단점을 극복하기 위해 새로운 PCD 공구 재료를 연구 개발한다.
이 기사는 다음 출처에서 가져왔습니다.초경질 물질 네트워크"