절삭 공구 재료 선정 가이드: HSS부터 다이아몬드·CBN까지 특성 비교

절삭 공구 재료는 가공 정밀도, 표면 조도, 생산성, 공구 수명을 좌우하는 핵심 요소입니다. 이상적인 공구 재료는 고온 경도(Hot hardness), 내마모성, 인성, 열전도율, 낮은 열팽창 계수, 고강도, 낮은 마찰 계수, 화학적 안정성을 겸비해야 합니다. 대표 공구 재료 11종의 특성과 적용 범위를 정리했습니다.

주요 절삭 공구 재료 상세 비교

1. 탄소 공구강 (Carbon Tool Steel)

• 성분: C, Si, Mn 등
• 용도: 연질재(알루미늄, 마그네슘, 목재) 가공용 드릴, 탭, 다이, 끌 등 수공구
• 절삭 속도: ~10 m/min
• 사용 온도 한계: 200~250°C (고온 경도 낮음)
• 저가, 연마 용이나 고속 가공 불가

2. 고속도강 (High Speed Steel, HSS)

• 성분: 18% W, 4% Cr, 1% V (텅스텐계) / Mo 대체형(몰리브덴계, 저가·고인성)
• 특성: 심경화성, 오일/공기/염욕 담금질 가능, 최고 인성
• 절삭 속도: 30~50 m/min
• 사용 온도 한계: ~650°C
• 용도: 드릴, 엔드밀, 탭, 리머, 호브, 브로치 등 범용 공구

3. 스텔라이트 (Stellite)

• 성분: Co(38~53%), Cr(30~33%), W(10~20%), C(1~3%), Mo, B
• 특성: HSS와 초경 중간 특성, 비철 합금
• 절삭 속도: 50~80 m/min
• 사용 온도 한계: ~900°C
• 용도: 고장력강, 스테인리스강, 내열강 등 난삭재 황삭 고속 가공

4. 초경 합금 (Cemented Carbide)

• 제법: 분말 야금(Co 바인더)
• 분류:
  1. WC-Co (K급: 주철, 비철용)
  2. WC-TiC-TaC-Co (P급: 강용)
  3. TiC-Ni/Mo (M급: 강/스테인리스용)
• 절삭 속도: 60~200 m/min
• 사용 온도 한계: 1000~1200°C
• 특성: 고경도·내마모성 우수하나 취성 큼(진동/충격에 약함)

5. 세라믹 (Ceramics)

• 성분: Al₂O₃ + SiC (화이트/블랙 세라믹) 또는 Si₃N₄ 계(사이알론)
• 제법: 분말 야금
• 특성: 초경 대비 고경도·내마모성, 고온 강도 우수, 저속 불가, 취성 극대
• 절삭 속도: 300~600 m/min
• 사용 온도 한계: ~1400°C
• 용도: 주철, 고장력강 고속 정삭, 고온 합금 가공

6. 서멧 (Cermets)

• 성분: Al₂O₃/TiC 등 세라믹 + 금속(W, Mo, Ti 등 10~20%)
• 특성: 세라믹 내열성 + 금속 인성/내열충격성 겸비
• 용도: 강 정삭, 고속 가공에서 초경 대체

7. 다이아몬드 (Diamond)

• 특성: 최고 경도, 고열전도율, 저열팽창, 저마찰계수
• 절삭 속도: 1500~2000 m/min
• 용도: 초경, 세라믹, 질화물 등 초경도 재료 / 비철금속(알루미늄, 구리) 초정삭 / 흑연, 복합재료
• 주의: 철족 원소(Fe, Ni, Co)와 친화력 커 고온에서 화학적 마모(확산 마모) 발생 → 강 가공 부적합

8. 입방정 질화붕소 (Cubic Boron Nitride, CBN)

• 특성: 다이아몬드 다음 경도, 고열전도율, 화학적 불활성(철족과 반응 안 함)
• 절삭 속도: 600~800 m/min
• 용도: 경화강(50 HRC 이상), 주철, 초내열 합금, 연마숫돌 숫돌 입자
• 다이아몬드의 강 가공 한계 극복한 '제2의 다이아몬드'

9. UCON

• 성분: Nb 50%, Ti 30%, W 20%
• 특성: 고경도·고인성·우수 내충격성 겸비
• 용도: 강 절삭 전용(초경 대비 60% 절삭 속도 향상), 주철/스테인리스/Ni-Co-Ti계 초내열 합금엔 부적합

10. 코로나이트 (Coronite)

• 성분: 미세 TiCN 입자가 내열강 모재에 분산된 복합체
• 특성: HSS와 초경 중간 특성
• 용도: 중소형 드릴/엔드밀 심재(Core material), 코팅 베이스 소재

11. 코팅 공구 (Coated Tools) - 보완 설명

상기 기재 재료 표면에 TiN, TiCN, Al₂O₃, TiAlN 등 박막 코팅(PVD/CVD)하여 내마모성, 내열성, 윤활성 향상. 현대 양산 가공의 표준 사양.

재료 선정 가이드라인

가공 조건/소재	추천 1순위	추천 2순위
일반 강/주철 범용(저~중속)	HSS	초경(P/K급)
고속 정삭(강/주철)	코팅 초경 / 서멧	세라믹
경화강(50 HRC↑)	CBN	코팅 초경(고경도용)
비철/알루미늄 고속	PCD(다이아몬드)	초경(K급) / DLC 코팅
난삭재(인코넬, 티타늄)	코팅 초경 / 세라믹(Si₃N₄)	CBN / 휘스커 세라믹
초경/세라믹 가공	PCD / CBN	-

절삭 공구 재료는 '가공 소재 × 절삭 속도 × 절삭 깊이 × 기계 강성 × 비용'의 다차원 트레이드오프 속에서 최적해를 찾는 과정입니다. 신소재(나노 복합 코팅, BAM 소재 등) 개발도 지속되고 있으니 최신 카탈로그와 절삭 시험을 병행하시길 권장합니다.