세라믹 소재를 위한 고급 CNC 가공 솔루션

시계, 칼, 벽돌, 도자기 등 일상 용품에 널리 쓰이는 소재인 세라믹을 가공할 수 있으면 기업의 소재 포트폴리오를 확장하는 좋은 방법이 됩니다. 전통적으로 가마에서 굽지만, 가공 방식을 도입하면 공작소에 독특한 셀링 포인트가 생깁니다.

소재 계열로서 세라믹은 다양한 형태로 존재하며 가공이 까다로울 수 있습니다. 하지만 독특한 외관과 감촉, 뛰어난 압축 내구성(인장 강도 내구성은 상대적으로 낮음)을 가지며 다양한 제품의 훌륭한 기반이 됩니다.

세라믹 소재 가공

이미 소결된 세라믹은 CNC 가공이 꽤 까다로울 수 있습니다. 경화된 이 세라믹들은 파편과 덩어리가 사방으로 튀어 꽤 큰 도전이 됩니다. 세라믹 부품은 최종 소결 단계 전 '그린(green, 비소결 분말) 압축 상태' 또는 예비 소결된 '비스크(bisque)' 상태에서 가공하는 것이 가장 효과적일 수 있습니다.

일반적으로 밀링, 드릴링, 터닝 같은 가공 방식은 예비 소결 상태의 세라믹 부품에 적용 가능합니다. 툴링 면에선 티타늄 질화물(TiN) 코팅 고속도강 공구, 텅스텐 카바이드 공구, 다결정 다이아몬드(PCD) 공구가 예비 소결 세라믹 가공에 사용됩니다. 비스크 상태에서 공작기계가 달성할 수 있는 금속제거율(MRR)은 공구강 및 다이스강 수준과 맞먹습니다.

소결 상태에서는 연삭(grinding)이 가장 일반적인 가공 공정입니다. 연마 휠로 연마된 표면 조도를 얻을 수 있습니다. 세라믹 연삭은 가공 부위에 윤활을 공급하는 유체 냉각제와 함께 하는 것이 가장 좋습니다. 소결 세라믹에는 합성 또는 천연 다이아몬드를 다양한 입도와 농도로 폴리머 레진에 프레스한 레진 본드 휠(resin-bonded wheels)을 사용하는 것이 최적입니다.

물론 세라믹에는 많은 유형이 있고 각각 고유한 특성이 있습니다. 이는 일반적인 경험칙이지만 공정은 달라질 수 있습니다.

세라믹 유형

마코(Macor)

마코는 코닝(Corning Inc.)이 보유·생산하는 가공 가능한 유리 세라믹입니다. 항공우주, 의료, 반도체 생산 등 다양한 용도가 있습니다. 소량 생산이 필요하지만 고가 툴링 비용은 부담스러울 때 가공 가능 유리 세라믹을 쓰는 것이 비용 효율적입니다. 마코의 연속 사용 온도는 800°C, 피크 온도는 1,000°C입니다. 열팽창 계수가 대부분 금속과 실링 유리와 일치합니다. 마코는 비습윤(non-wetting) 특성을 보이며 기공이 전혀 없고, 연성 소재와 달리 변형되지 않습니다. 또한 고전압, 다양한 주파수, 고온에서 효과적인 절연체 역할을 합니다. 진공 환경에서도 '아웃가싱(outgassing)'이 발생하지 않습니다.

알루미나(Alumina)

알루미나는 우수한 기계적·전기적 특성을 가져 광범위한 용도가 있습니다. 다양한 순도로 생산 가능하며 물성 향상을 위한 첨가제도 설계돼 있습니다. 다양한 세라믹 가공 공법으로 성형 가능하고, 가공이나 성형으로 다양한 크기와 형상 제작이 가능합니다. 또한 금속화(metallizing)와 브레이징(brazing) 기술로 금속이나 다른 세라믹과 쉽게 접합할 수 있습니다.

알루미늄 질화물(Aluminum nitride)

알루미늄 질화물은 알루미나보다 낮은 열팽창을 보이며 실리콘 웨이퍼의 팽창과 거의 일치하고, 금속화가 가능해 반도체 용도에 이상적인 소재입니다.

알루미나 실리케이트(라바, Lava)

알루미나 실리케이트 또는 라바는 가공 가능한 세라믹 소재입니다. 높은 사용 온도와 우수한 열/전기 절연 특성을 가집니다.

질화 붕소(Boron nitride)

질화 붕소는 표준 초경 드릴로 가공 가능합니다. BN은 높은 전기 저항, 낮은 유전율과 손실 탄젠트, 낮은 열팽창, 화학적 불활성, 양호한 열충격 저항성을 가집니다. 이런 특성으로 진공 부품, 각종 전기 부품, 원자력 용도에 유용한 소재가 됩니다.

유리(Pyrex, Vycor 등)

광학, 고열충격 저항, 절연 특성이 요구되는 많은 용도에 다양한 유리가 사용됩니다.

흑연(Graphite)

탄소 기반 세라믹 소재인 흑연은 폴리머 상태에 따라 다양한 밀도로 존재합니다. 흑연은 우수한 열충격 저항과 내화학성을 가져 금형, 퍼니스 보트(furnace boats), 도금 양극(plating anodes), 브레이징 지그(brazing fixtures)에 이상적입니다.

뮬라이트(Mullite)

뮬라이트는 고온 안정성, 강도, 크립 저항성 덕분에 우수한 구조 소재입니다. 낮은 유전율과 높은 전기 절연 능력을 가집니다. 일반적인 용도로는 킬른 퍼니처(kiln furniture), 퍼니스 센터 튜브, 열교환 부품, 단열 부품, 롤러 등이 있습니다. 뮬라이트는 가공 가능하지만 레이저 가공이 더 편리합니다.

마이칼렉스(Mycalex)

강도와 온도 성능이 다른 여러 등급으로 제공되며, 마이칼렉스는 복잡한 부품으로 가공 가능한 우수한 세라믹 절연 소재입니다. 산업 장비의 소형 부품에 자주 쓰입니다.

석영(Quartz)

우수한 열적, 화학적, 광학적 특성으로 조명과 반도체 분야에 자주 쓰입니다. 다이아몬드 공구, 연삭, 워터젯으로 가공하는 것이 최적입니다. 연마 기술이 절삭 기술보다 훨씬 유용합니다.

탄화 규소(Silicon carbide)

탄화 규소는 높은 경도와 내마모성으로 유명합니다. 일반적인 용도: 펌프 씰, 밸브 부품, 마모 심한 부품. 이 소재의 높은 경도 값에도 불구하고 비교적 취성이 있어 다이아몬드 연삭 기술로만 가공 가능합니다. 일반적으로 아케슨 흑연 저항로에서 생산되며 미세 분말이나 결합 덩어리 형태로 형성돼, 분말 원료로 쓰기 위해 파쇄와 분쇄 과정을 거쳐야 합니다.

스테아타이트(Steatite)

스테아타이트 비용은 다른 세라믹 소재들에 비해 상대적으로 저렴합니다. 절연과 내온성이 중요한 용도에 유용합니다.

지르코니아(Zirconia)

안정화 지르코니아는 알루미나 녹는점 훨씬 이상의 온도에서도 화학적·부식 저항성을 제공합니다. 이런 특성으로 치과 용도와 보철물에 꽤 좋은 소재가 됩니다. 높은 경도로 가공이 까다롭지만 높은 절삭 속도(670m/분 이상)로 가공하면 도움이 됩니다. 지르코니아 세라믹은 다른 세라믹 소재들에 비해 많은 응력을 흡수할 수 있습니다. 실온에서 최고 기계적 강도와 인성을 보입니다.

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