세라믹 인서트는 선반 가공에서 거울과 같은 매끄러운 표면을 얻는 데 탁월한 도구입니다. 먼저 세라믹금속(세라믹-금속 복합재) 재료란 무엇인지 정의해 보겠습니다.

문자 그대로 이 용어는 금속과 세라믹 재료의 조합을 의미합니다. ASTM에서는 이를 금속 또는 합금과 하나 이상의 세라믹 상으로 구성된 비균질 복합재료로 정의하며, 세라믹 상이 전체 부피의 약 15%에서 85%를 차지한다고 규정하고 있습니다.

이들은 WC, TiC 등 금속 카바이드 분말과 Co, Ni 등 결합제를 혼합한 후 압축 성형 및 소결 과정을 통해 제조됩니다.

I. 세르메트의 특성

1. 높은 경도: 티타늄 카보니트라이드(TiCN) 기반 세라믹금속은 텅스텐 카바이드(WC) 기반 초경합금보다 더 높은 경도를 지닙니다. 따라서 일반적으로 주철, 연성주철, 덕트일철, 탄소강, 합금강, 티타늄 합금 등의 가공에 적합합니다.

2. 우수한 내마모성 및 크레이터 마모 저항성: 고속 강절삭 작업 시 매우 낮은 마모율을 보입니다.

3. 높은 내열성: 이러한 재료로 만든 절삭공구는 1100℃에서 1300℃ 사이의 온도에서도 작동 가능하며, WC 기반 초경합금과 비슷하거나 더 높은 절삭 속도인 200~400 m/min까지 지원합니다.

4. 높은 산화 저항성: TiC가 산화되어 생성되는 TiO2는 윤활제 역할을 하므로, Ti(C,N) 기반 세라믹금속의 산화 수준은 WC 기반 초경합금보다 약 10% 정도 낮습니다.

5. 우수한 화학적 안정성: 절삭 중 TiCN 기반 세라믹금속 공구는 공구-칩 접촉면에 Mo2O3, 니켈 몰리브데나트, TiO2 등의 박막을 형성합니다. 700~900℃의 고온에서도 접착이 거의 발생하지 않으며, 빌드업 엣지(BUE)도 잘 형성되지 않습니다. 이는 공작물 표면 품질을 향상시켜 거울과 같은 광택 표면을 구현하는 데 유리합니다.

이러한 특성으로 인해 건식 절삭에도 매우 적합하며, 생산 비용 절감에도 기여합니다.

2. 적합한 세르메트 인서트 선택

전형적인 세르메트 재료

절삭 공정을 설계할 때는 초경합금 인서트와 세라믹금속 인서트 중에서 적절한 선택을 하는 것이 중요합니다.

코팅 처리된 초경합금과 달리, 세라믹금속은 드래프팅 작업에는 적합하지 않습니다. 큰 칩이 발생할 경우 전단력과 절삭 저항에 큰 변동이 생기며, 이러한 지속적인 충격으로 인해 치수 오차가 발생하고 결국 공구 파손으로 이어질 수 있습니다.

또한, 절삭 깊이가 큰 가공에서는 커다란 칩 코일이 공구의 옆면에 충격을 주어 노치 마모를 더욱 악화시키므로, 세라믹-금속 복합재 공구가 손상됩니다. 이러한 심각한 노치 마모는 특히 니켈계, 철계, 코발트계 내열합금과 같은 절삭성이 낮은 재료를 가공할 때 발생하기 쉽습니다.

따라서 세라믹-금속 복합재 공구는 일반적으로 절삭성이 낮은 재료의 가공에는 적합하지 않습니다. 이 때문에 거친 가공 및 절삭성이 낮은 재료의 가공에서는 세라믹-금속 복합재 공구보다 코팅된 초경합금 공구가 더 나은 선택입니다.

위 그림은 탄소강을 선삭할 때 초경합금, 코팅 초경합금, 세라믹-금속 복합재 공구의 공구 수명과 소재 제거량을 비교한 것입니다. 높은 절삭 속도에서 더 많은 소재를 제거할 수 있어 비용 효율성이 우수함을 알 수 있습니다. CVD 코팅 초경합금 공구와 마찬가지로, 세라믹-금속 복합재 공구 역시 고속 절삭 시 매우 경제적인 선택입니다.

공구 등급의 예시

대표적인 사례로는 Seco의 TP1020 및 TP1030, Sandvik Coromant의 CT5015 및 GC1525, Kennametal의 KT5020, Iscar의 IC20N 및 IC520N 등이 있습니다.

아래에 열거된 등급들—NX2525, NX3035, NS730, GT720, TN60, CT3000, CN1000, TT9080, TC430, PV3010—이 각각 어떤 브랜드에 해당하는지 기억하시나요? 그리고 이 제품들을 사용해 보신 적이 있으신가요?