스탠포드 어드밴스드 머티리얼즈, WBN으로 정밀 가공을 발전시키다

소개

스탠포드 어드밴스드 머티리얼즈(Stanford Advanced Materials, SAM) 가 우르츠자이트 질화 붕소(WBN)의 적용 성공 사례를 공유하게 되어 기쁘게 생각합니다. 이 초경질 소재는 극도의 경도, 열 안정성 및 내충격성으로 높은 평가를 받고 있습니다. SAM의WBN 기반 공구 솔루션은 한 정밀 가공 회사가 경화강을 간헐적으로 선삭하는 동안 지속적으로 발생하는 공구 성능 저하 문제를 극복하는 데 도움이 되었습니다.

SAM의 세라믹 수석 엔지니어인 Lisa Ross는 다음과 같이 설명합니다:

"특히 미세 다이아몬드 입자로 강화된 Wurtzite BN 복합재는 기존의 초경질 소재를 능가하는 인성과 내열성의 독특한 조합을 제공합니다. 첨단 가공 과제의 판도를 바꿀 수 있는 소재입니다."

그림 1 맞춤형 질화붕소 부품

우르츠자이트 질화붕소 사례 연구

-과제: 충격 부하 가공에서의 공구 마모

경화강 부품을 전문으로 가공하는 한 정밀 가공 회사는 고속 간헐적 선삭 작업 중에 심각한 문제에 직면했습니다. 이 회사의 기존 공구는 특히 경도가 61-63 HRC인 100Cr6 베어링 강을 사용하는 응용 분야에서 빠른 모서리 칩핑과 열 마모로 어려움을 겪었습니다. 주요 문제는 다음과 같습니다:

• 절삭 중단 중 모서리 파손으로 인한 조기 공구 고장.
• 절삭 영역에 과도한 열 축적.
• 고르지 않은 마모로 인한 일관성 없는 치수 제어.
• 잦은 공구 교체로 인한 생산 중단 시간 증가.

이 회사는 열 열화에 견디는 동시에 절삭 중단과 관련된 기계적 충격을 견딜 수 있는 공구 소재가 필요했습니다.

더 읽어보기: HBN, CBN 및 WBN: 질화붕소 폴리모프의 비교 분석

-SAM의솔루션: WBN-다이아몬드 복합 인서트

고객의 응용 분야를 자세히 평가한 후 SAM은 나노 다이아몬드 입자로 강화된 다결정 WBN(Wurtzite Boron Nitride)으로 만든 특수 절삭 인서트를 추천했습니다. 이 소재는 다이아몬드의 열전도율과 WBN의 충격 인성을 결합하는 능력 때문에 선택되었습니다.

WBN-다이아몬드 복합재의 주요 장점은 다이아몬드 상이 절삭날에서 열을 발산하여 국부적인 온도 상승을 줄여 열 관리가 크게 개선되었다는 점입니다. 또한 이 소재는 강화 다결정 WBN의 경도가 54GPa에 달할 정도로 뛰어난 경도를 보여주었습니다. 또한 공격적이고 충격이 심한 절삭 조건에서도 연마 마모 및 모서리 미세 칩핑에 대한 탁월한 저항성을 보여주었습니다.

SAM은 절삭 파라미터, 권장 소결 온도, 인서트에 최적화된 다이아몬드 함량에 대한 기술 지원을 제공하여 고객의 CNC 작업에 안정적으로 통합할 수 있도록 보장했습니다.

--구현 및 결과

WBN 다이아몬드 공구는 경화 베어링 강을 사용하는 정삭 작업에서 테스트를 거쳤습니다. 그 결과는 상당했습니다:

• 공구 수명이 300% 이상 증가하여 모서리 고장 없이 여러 번의 중단된 절삭 사이클을 견뎌냈습니다.
• 절삭 인터페이스의 가공 온도가 약 20% 감소하여 인서트 성능이 확장되었습니다.
• 표면 조도가 Ra 0.6µm에서 Ra 0.3µm로 개선되어 고객의 항공우주 등급 공차를 충족했습니다.
• 교체 횟수가 줄어들고 불량률이 감소하여 3개월 동안 총 툴링 비용이 27% 절감되었습니다.

우르츠자이트 질화 붕소란?

우르트자이트 질화 붕소는 극한 조건에서 우르트자이트 형태로 변형되는 육각형 결정 구조를 가진 질화 붕소의 고압, 고온 다형성 물질입니다. 가장 단단한 합성 물질 중 하나로, 복합 형태의 비커스 경도 값은 24Gpa에서 50Gpa 이상에 이르는 것으로 보고되고 있습니다.

WBN의 주요 특성은 다음과 같습니다:

WBN은 일반적으로 분말 또는 소결 인서트로 생산되며 기존 공구 재료가 실패하는 고정밀, 고충격 가공 작업에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

더 읽어보기: 우르츠자이트 질화 붕소(w-BN): 구조, 특성 및 응용 분야

그림 2 BN의 결정 구조 ͑ a͒ 입방형 아연 혼합 상, ͑ b͒ 우르트자이트 상, ͑ c͒ 육각형 상[1].

WBN 대 다이아몬드

우르츠자이트 질화 붕소와 다이아몬드는 모두 초경질 소재로 간주되지만, 산업적 유용성에서는 큰 차이가 있습니다. 다이아몬드는 가장 단단한 재료로 알려져 있지만 고온에서 철 금속과 화학적으로 반응하기 때문에 철강 및 철 기반 합금 가공에 제한적으로 사용됩니다. 또한 부서지기 쉽고 충격이나 절삭 중단 시 가장자리가 깨지기 쉽습니다.

반면 WBN은 철 소재와 함께 우수한 화학적 안정성을 유지하며 파단 인성이 더 뛰어납니다. 따라서 WBN은 열 순환 또는 간헐적인 접촉이 필요한 까다로운 응용 분야에 특히 적합합니다. 복합 구조에서 다이아몬드와 결합하면 WBN 공구는 기계적 신뢰성을 유지하면서 다이아몬드의 열적 이점을 얻을 수 있어 균형 잡힌 고성능 솔루션을 제공합니다.

결론

스탠포드 어드밴스드 머티리얼즈는 정밀 가공 고객이 첨단 Wurtzite 질화 붕소를 사용하여 공구 성능 저하 문제를 성공적으로 극복할 수 있도록 지원했습니다. SAM은 응용 분야별 지침과 함께 엔지니어링된 WBN-다이아몬드 복합재를 제공함으로써 공구 수명 연장, 공정 신뢰성 향상 및 표면 품질 개선을 실현했습니다.

WBN 공구에 대해 자세히 알아보거나 맞춤형 솔루션을 요청하려면 www.samaterials.com 을 방문하세요 .

참고자료

[1] Janotti, Anderson & Wei, Su-Huai & Singh, 박사(2001). BN과 C의 안정성에 대한 제1원리 연구. Physical Review B - 응축 물질 및 재료 물리학. 64. 1741071-1741075.