금속 소재 차이가 절삭 성능에 미치는 영향

금속 절삭에서 다양한 공작물 소재가 존재하며, 소재마다 절삭 칩 형성과 제거 특성이 다릅니다. 어떻게 각 소재 특성을 파악할까요? ISO 표준 금속 소재는 6개 그룹으로 분류되며, 각 그룹은 가공성 측면에서 고유 특성을 가집니다. 각각 요약합니다.

금속 소재 6대 분류:

• P - 강(Steel)
• M - 스테인리스강(Stainless Steel)
• K - 주철(Cast Iron)
• N - 비철금속(Non-ferrous Metals)
• S - 내열 합금(Heat Resistant Alloy)
• H - 경화강(Hardened Steel)

1-P 강(Steel)

강이란?

• 금속 절삭 분야에서 최대 소재 그룹.
• 비경화강 또는 조정질 강(경도 최대 400HB) 가능.
• 철(Fe) 주성분 합금, 제련 공정 제조.
• 비합금강 탄소 함량 0.8% 미만, Fe만 있고 타 합금 원소 없음.
• 합금강 탄소 함량 1.7% 미만, Ni, Cr, Mo, V, W 등 합금 원소 첨가.

적용 분야:

금속 절삭 범위에서 P그룹이 최대. 여러 산업 분야 포괄.

소재는 보통 장칩 재질로 연속적·균일한 칩 형성. 구체적 칩 형태는 탄소 함량 의존.

• 저탄소 = 질기고 끈적한 소재.
• 고탄소 = 취성 소재.

가공 특성:

• 장칩 재질.
• 칩 제어 비교적 쉽고 안정적.
• 연강은 끈적해 날카로운 절삭날 필요.
• 단위 절삭력 kc: 1500~3100 N/mm²
• ISO P 소재 가공 필요 절삭력과 동력 제한적 범위 내.

2-M 스테인리스강(Stainless Steel)

스테인리스강이란?

• 최소 11~12% 크롬 함유 합금 소재.
• 탄소 함량 보통 매우 낮음(최저 0.01%).
• 주 합금 원소: Ni(니켈), Mo(몰리브덴), Ti(티타늄).
• 강 표면에 치밀한 Cr2O3 층 형성돼 내식성 부여.

적용 분야:

M그룹 응용처: 오일·가스, 파이프 피팅, 플랜지, 가공 산업, 제약 산업.

칩 형태: 불규칙 플레이크 칩 형성, 일반 강 대비 절삭력 높음. 스테인리스강 종류 많음. 칩 브레이킹 성능(쉬움~거의 불가능)은 합금 특성·열처리에 따라 달라짐.

가공 특성:

• 장칩 재질.
• 페라이트계 칩 제어 수월, 오스테나이트계·이상질계 어려움.
• 단위 절삭력: 1800~2850 N/mm²
• 가공 중 높은 절삭력, 빌트업 에지, 열, 가공 경화 발생.

3-K 주철(Cast Iron)

주철이란?

• 주철 3대 유형: 회주철(GCI), 구상흑연주철(NCI), 압축흑연주철(CGI).
• 주철 주성분 Fe-C, 규소 함량 상대적 높음(1~3%).
• 탄소 함량 2% 초과, 오스테나이트상 내 C 최대 용해도 초과.
• Cr, Mo, V 첨가로 탄화물 형성, 강도·경도 향상하나 가공성 저하.

적용 분야:

K그룹: 자동차 부품, 기계 제조, 제철.

칩 형상(Chip Shape):

소재 칩 형상 다양, 분말 칩~장칩. 이 소재 그룹 가공 필요 동력 보통 작음.

*주: 회주철(보통 분말 칩)과 구상흑연주철 큰 차이. 후자 칩 브레이킹은 강과 유사.

가공 특성:

• 단칩 재질.
• 모든 조건서 칩 제어 양호.
• 단위 절삭력: 790~1350 N/mm²
• 고속 가공 시 마모성 마모 발생.
• 중간 절삭력.

4-N 비철금속(Non-ferrous Metals)

비철금속 소재란?

• 경도 130HB 미만 비철금속과 연질 금속 포함.
• 실리콘(Si) 약 22% 함유 알루미늄(Al) 합금이 최대 비중.
• 구리, 청동, 황동.

적용 분야:

항공기 제조와 알루미늄 합금 자동차 휠 제조사가 N그룹 주도.

입방인치당 필요 동력 낮지만, 높은 금속 제거율 위해 최대 필요 동력 계산 여전히 필요.

가공 특성:

• 장칩 재질.
• 합금이면 칩 제어 비교적 수월.
• 비철금속(Al) 끈적해 날카로운 절삭날 필요.
• 단위 절삭력: 350~700 N/mm²
• ISO N 소재 가공 필요 절삭력·동력 제한적 범위.

5-S 내열 합금(Heat Resistant Alloy)

내열 합금이란?

• 내열 합금(HRSA): 고합금 철, 니켈, 코발트, 티타늄 기반 소재 다수 포함.
• 그룹: 철계, 니켈계, 코발트계.
• 상태: 어닐링, 용체화 열처리, 에이징, 압연, 단조, 주조.
• 특성: 합금 함량 높을수록(코발트>니켈) 내열성, 인장 강도, 내식성 우수.

적용 분야:

난삭 S그룹 소재: 항공우주, 가스 터빈, 발전기 산업 주용.

범위 넓으나 보통 높은 절삭력 존재.

가공 특성:

• 장칩 재질.
• 칩 제어 어려움(톱니 칩).
• 세라믹 공구: 네거티브 레이크 앵글 필요, 초경 공구: 포지티브 레이크 앵글 필요.
• 단위 절삭력:

내열 합금: 2400~3100 N/mm²

티타늄 합금: 1300~1400 N/mm²

• 필요 절삭력·동력 높음.

6-H 경화강(Hardened Steel)

경화강이란?

• 가공 관점서 최소 그룹.
• 경도 >45~65 HRC 조정질 강 포함.
• 선삭 가공 경화 부품 경도 보통 55~68 HRC 사이.

적용 분야:

H그룹 경화강: 자동차 산업 및 협력사, 기계 제조, 금형 업계 등 다양한 산업 사용.

칩 형상(Chip Shape):

보통 연속적, 적열 칩. 고온으로 kc1 값 감소 도움, 응용 문제 해결에 중요.

가공 특성:

• 장칩 재질.
• 칩 제어 비교적 양호.
• 네거티브 레이크 앵글 필요.
• 단위 절삭력: 2550~4870 N/mm²
• 필요 절삭력·동력 높음.