최근 전자기기 등 부품의 소형화·고정도화에 동반하여 금형을 고정도로 장기간 유지할 수 있도록 금형의 고경도화가 진전되고 있다. 강계라면 60HRC를 넘는 고경도재를 미세 가공할 필요가 있고, 또한 앞으로의 연료전지를 비롯하여 광학계 부품의 고정도·저코스트화에는 초경합금을 직조할 수 있는 공구가 바람직하다. 그러나 초경합금 가공에서는 단결정 다이아몬드나 PCD(소결 다이아몬드)가 이용되고 있는데, 내결손성, 내마모성, 날성을 겸비한 공구 재료는 아직 없다. 동사에서는 이와 같은 경도가 높은 피삭재를 고능률 또한 고정도로 가공하는 요구에 대응하기 위해 ‘스미 다이아 바인더리스 NPD10’을 개발했다. NPD10은 결합재를 포함하지 않은 바인더리스 PCD로, 나노 다결정 다이아몬드(NPD)라고도 불린다. NPD10는 매우 경도가 높아 가공하는 것이 쉽지 않지만, 특수가공에 의해 볼 엔드밀(그림 1)을 제작하는 것이 가능하게 됐다.

이 공구는 초경합금 등의 고경도 재료의 가공에 우수한 특성을 가지고 있으며, 여기서는 스미 다이아 바인더리스 NPD10의 재료특성과 초경합금의 가공 사례(초기 개발 공구와 개선 공구에 의한다)를 소개한다.

스미 다이아 바인더리스 NPD10의 특성

스미 다이아 바인더리스 NPD10은 그라파이트 출발 물질로서 초고압·고온 하(15GPa 이상, 2,200℃ 이상)에서 직접 다이아몬드로 변환하는 동시에 입자끼리 강고하게 결합시킨 다이아몬드 단상의 소결체이다.

그림 2는 스미 다이아 바인더리스 NPD10의 조직 사진이다. 비교를 위해 기존 PCD의 조직 사진도 나타냈다. 단, 기존 PCD의 조직 사진은 조직을 보기 쉽게 하기 위해 결합재인 Co를 에칭에 의해 제거하고 있다. NPD10의 조직은 TEM상, 기존 PCD의 조직은 SEM 상이다. 기존 PCD가 1~10μm의 다이아몬드 입자를 Co를 개재물로서 소결시키고 있는데 대해, NPD10은 결합재를 전혀 포함하지 않고 평균 입자지름 30~50nm의 매우 미세한 다이아몬드 입자를 직접 결합시킨 획기적인 신 소재이다. 색깔이 얼룩져 보이는 것은 각각의 입자가 단결정으로 각각이 다른 방향을 향하고 있기 때문이다.
이와 같은 획기적인 재료인 NPD10을 절삭공구로서 적용하면, 다음과 같은 특성을 얻을 수 있다.

① 단결정 다이아몬드보다도 경도가 높고(그림 3) 기존에 가공할 수 없었던 고경도재 가공이 가능하며, 또한 단결정 다이아몬드나 기존 PCD와 비교하여 높은 내마모성을 얻을 수 있다.

② 단결정 다이아몬드와 같은 이방성이 없고, 결정 방위에 기인하는 편마모가 발생하지 않기 때문에 높은 형상 정도를 장시간 유지할 수 있다.
③ 다결정체이기 때문에 단결정과 같은 벽개성을 나타내지 않고, 높은 내결손성을 얻을 수 있다.
④ 나노 크기의 초미립자 다이아몬드 다결정 소결체이므로 기존 PCD와 비교하여 날성이 우수해 양호한 가공 면조도를 얻을 수 있다. 

NPD10에 의한 초경합금의 가공

그림 4는 스미 다이아 바인더리스 NPD10, 기존의 미립계 PCD(입자지름 5μm), 조립계 PCD(입자지름 30~50μm), 단결정 다이아몬드(Ib)로, 초경합금을 선삭가공했을 때의 릴리프면 마모 폭의 변화를 나타내고 있다. Vc＝20m/min, ap＝0.05mm, f＝0.1mm/rev.이고, 습식 조건으로 선삭가공을 했다.
단결정 다이아몬드는 내마모성과 날성이 우수하지만, 벽개성에 의해 이와 같은 고이송 조건에서는 물린 순간에 결손되어 버린다. 또한 일반적인 PCD에서는 미립계보다도 조립계 PCD 쪽이 양호한 내마모성을 나타내고 있다. 일반적으로는 초경합금 가공에서는 조립계 PCD 쪽이 내마모성은 양호하지만, 날성이 나빠지는 결점이 있어 내마모성과 양호한 가공 면조도를 양립시키는 것은 어렵다. 이와 같이 일반적인 다이아몬드계 재료에서는 날성, 내마모성, 내결손성을 모두 갖추는 것은 매우 어려웠다.
한편 NPD10은 단결정에서는 결손되어 버리는 조건에서도 가공이 가능하고, 조립계의 PCD와 비교해도 압도적으로 양호한 내마모성을 나타내고 있다. 또한 NPD10은 나노 크기의 다이아몬드를 직접 접합하고 있기 때문에 높은 날성도 유지할 수 있다. 즉, NPD10는 높은 내마모성, 내결손성, 날성을 겸비한 재료이다.

NPD10에 의한 초경합금의 엔드밀 가공

다음으로 스미 다이아 바인더리스 NPD10에 의한 볼 엔드밀의 가공 사례를 소개한다.
선삭가공용 공구는 형상이 단순하기 때문에 시간을 들이면 연마가공으로 공구를 제작하는 것은 가능하다. 그러나 엔드밀과 같은 형상을 연마로 가공하는 것은 어려워, 일반적인 PCD의 미세 가공용 엔드밀이라도 방전가공으로 만들어지는 경우가 많다. NPD10는 도전성이 없고, 방전가공도 할 수 없기 때문에 이번에 특수한 가공 방법을 개발함으로써 엔드밀 형상의 제작이 가능하게 됐다. 우선은 개발 초기에 특수한 가공 방법으로 제작한 볼 엔드밀로 초경합금 가공에 대한 기초 평가, 적용 가능성을 탐색했다.

금형용 초경 소재는 그 용도에 따라 다양한 것이 제품화되고 있지만(표 1) 이번에는 고인성·고경도를 양립시킨 소재로, 금형 펀치 및 정밀 금형용 소재로서 폭넓게 사용되고 있는 초초미립 초경 재종 AF1을 피삭재로서 사용했다.
그림 5는 NPD10의 볼 엔드밀로 평면가공한 예이다. R0.5의 볼 엔드밀로 주축 회전수 36,000회전, 절입 5μm로 3.5시간 가공을 했다. 바닥날에 의한 바니시 가공이 되는데, 가공면에 다소의 물결 모양이 생기지만 표면조도는 광학 Zygo에 의한 측정으로 Ra＝40.3nm과 경면가공의 기준이 되는 Ra＝40nm을 거의 달성할 수 있었다.

또한 같은 조건으로 NPD10와 기존 PCD의 엔드밀로 45° 경사면을 가공했다(그림 6). 절삭 속도는 거의 0인 바닥날에서의 바시니 가공이 되는 평면가공과 달리, 45° 경사면가공에서는 바니시보다도 45° 부분의 날을 이용한 절삭이 주체가 된다. NPD10에 의한 가공에서는 기존 PCD와 비교하여 매우 양호한 표면조도를 얻을 수 있다.
이와 같이 NPD10의 볼 엔드밀은 초경합금의 가공에서 양호한 가공 면조도를 얻을 수 있는 가능성이 있다는 것을 알 수 있다. 그래서 다음에 실제의 형상가공에 가까운 모의가공을 기초 평가를 겸해 실시했다. 그림 7은 NPD10의 볼 엔드밀(R0.5)에 의해 초경합금의 다듬질 가공을 한 사례이다. 피삭재에 이용한 초경합금은 초초미립 초경합금 AF1이다. 모의가공은 5축 소형 머시닝센터 μV15X(가공 기술 협력 : 유한회사 NK정공)을 이용하여 했다. 전착 숫돌로 거친가공을 한 후에 가능한 한 바닥날을 사용하지 않도록 피삭재를 경사시켜 가공을 했다. 비교를 위해 전착 숫돌로 가공한 면도 나타냈다.
절삭 조건은 주축 회전수 40,000회전, ap＝0.5μm, fz＝2.5μm로 했다. 그림 7과 같이 NPD10로 다듬질가공을 함으로써 전착 숫돌의 거친가공 후에는 완전히 가공되어 있으며, 이송 마크도 거의 남지 않은 평활한 가공면을 얻을 수 있다. 이와 같이 형상가공에서도 표면조도 Ra＝16nm(비접촉 측정기로 측정)로 양호한 표면조도를 얻을 수 있다.
다음으로 위에서 말한 기초 평가 결과를 기반으로 개발 초기의 공구에 개선을 더한 연마 다듬질 공구로, 다음의 2가지 종류의 평가(샘플 작성)를 실시했다. 첫 번째는 면품위를 추구한 고품위 가공이다. 두 번째는 가공 능률과 면품위의 양립을 지향한 고능률 가공이다.
그림 8은 NPD10의 다듬질용 볼 엔드밀(R0.5)로 초경합금에 대한 고품위 가공을 한 사례이다. 피삭재에 이용한 초경합금은 초초미립 초경합금 AF1이다. 전착 숫돌로 거친가공을 한 후, 3차원 형상의 경면 품위를 추구하기 위해 다듬질가공의 절삭 조건은 이하로 했다. 주축 회전수 40,000회전, Vf＝120mm/min, 다듬질여유 3μm, 오일미스트. 다듬질 가공 시간은 6시간 미만을 필요로 했지만, 면품위로서 싱글 나노인 Ra＝8nm의 경면을 얻을 수 있었다.

그림 9는 실제 가공에 대한 적용을 고려하여 초경합금 A1(초미립합금)으로 이송 속도를 높인 고능률 가공을 한 사례이다. 거친가공 후에 다듬질가공의 절삭 조건은 주축 회전수 40,000회전, Vf＝800mm/min, 다듬질여유 5μm, 습식으로 했다. 다듬질 가공 시간 38분, 절삭 거리 29m에서 Ra＝15nm의 면품위를 얻을 수 있었다. 사진은 게재하지 않지만, 공구 마모도 거의 없이 양호하고 초경합금에 대한 직조가공이 가능하게 된 사례이다.
스미 다이아 바인더리스 NPD10의 가공에서는 전착 숫돌 등으로 거친가공을 한 다음에, 중간 다듬질, 다듬질가공을 NPD10로 하는 것이 현실적이다.

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스미 다이아 바인더리스 NPD10은 내마모성, 내결손성, 날성이 우수한 획기적인 공구 재료로, 초경합금과 같은 고경도재의 가공뿐만 아니라 세라믹스 등의 경취 재료의 가공에도 높은 가능성을 갖고 있다. NPD10은 다이아몬드보다 단단해 다이아몬드 숫돌로 공구 형상을 가공하면 가공 시간이 길어진다. 이번 특수가공 기술로 엔드밀 등의 공구 형상으로 가공함으로써 공구로서의 적용이 가능하게 됐다. 또한 특수 가공＋연마 타입의 엔드밀 개발에 의해 고정도 가공도 가능하게 됐다.

시마다 히로유키 (島田 浩之)  住友전공하드메탈(주)

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