이에 따르면 니켈 연구소, 니켈은 지구상에서 다섯 번째로 풍부한 원소입니다. 다른 금속과 쉽게 결합하여 뛰어난 강도와 내식성을 부여하는 매우 다재다능한 합금 원소입니다. 그러나 이러한 동일한 특성은 CNC 가공 합금에서 상당한 과제를 제시합니다.
이 글에서는 산업계에서 사용되는 다양한 니켈 합금과 그 가공 공정, 그리고 CNC 가공 작업 중에 발생하는 특정 과제에 대해 살펴봅니다.
니켈 합금 이해: 그룹 및 특성
니켈은 수천 개의 합금을 형성하므로 각각을 추적하기 어렵습니다. 이를 더 잘 이해하기 위해 니켈 기반 합금은 유사한 특성을 기준으로 5가지 주요 그룹으로 분류됩니다.
그룹 A – 니켈 함량이 높은 합금
이 합금은 니켈 함량이 높으며, 보통 95%가 넘습니다. 따라서 니켈의 가장 고유한 특성인 내식성과 우수한 열 및 전기 전도성을 공유합니다. 인기 있는 니켈 합금으로는 니켈 200, 201, 205가 있습니다.
그룹 B – 니켈 구리 합금
니켈-구리 합금(모넬 계열)은 52~67%의 니켈을 함유하고 있으며, 구리는 주요 구성 요소 중 하나이며, 미량의 다른 원소도 포함되어 있습니다. 이 합금은 A군(순수 니켈) 합금보다 강도는 높지만 인성은 약간 낮습니다. 냉간 가공을 통해 내식성이 향상되며, 특히 해양 및 화학 환경에서 더욱 그렇습니다. 인코넬 400/합금 400 및 인바 36 이 그룹에서 잘 알려진 합금입니다.
그룹 C – 니켈 크롬 합금
그룹 C는 니켈-크롬 합금으로 구성되어 있으며, 구성이 오스테나이트계 스테인리스강과 유사합니다. 크롬이 존재하기 때문에 특히 고온에서 산화 저항성이 있습니다. 크롬은 보호 산화층을 형성하여 추가 부식을 방지합니다. 이러한 합금은 동일한 니켈-크롬 매트릭스로 인해 고용체 강도도 있습니다. Inconel 600과 Nirmonic 75는 이 그룹의 주목할 만한 구성원입니다.
그룹 D1-D2 시효 경화 합금
이 그룹은 다음과 같이 나뉩니다.
- D1 (숙성되지 않음): 이러한 합금은 강도를 위해 냉간 가공에 의존하며 열처리 전에는 우수한 인성을 보입니다.
- D2(노화): 이러한 합금은 노화 후 침전 경화를 거쳐 강도와 내구성이 향상됩니다. 알루미늄이나 티타늄과 같은 원소를 추가하면 합금이 극한의 힘과 온도를 견뎌낼 수 있는 능력을 향상시키는 침전물이 형성됩니다.
그룹 E – 고가공 합금
그룹 E는 단일 고가공 합금인 Monel R-405의 한 종류입니다. 여기에는 가공성 계수를 개선하는 유황이 추가되었습니다. 내식성 및 기타 물리적 특성은 그룹 B 합금과 유사합니다. 그러나 기계적 특성은 약간 다릅니다.
| 그룹 | Alloy | 조성 | 형질 | 어플리케이션 |
| A 조 | 니켈 200 | 99.6 % 니켈 | 우수한 내식성, 좋은 열전도성 | 화학처리, 해양환경, 전자부품 |
| 니켈 201 | 99.6% 니켈(저탄소) | 니켈 200과 유사하며 고온 응용 분야에 더 적합함 | 가성 증발기, 전기 도금 장비 | |
| 니켈 205 | 99.6 % 니켈 | 높은 전기 전도도, 향상된 기계적 특성 | 전기부품, 양극판 | |
| B 조 | 인코넬 400 | 63% 니켈, 30% 구리 | 강도가 높고, 해수내식성이 우수하다 | 해양공학, 열교환기 |
| 인바 36 | 36% 니켈, 64% 철 | 매우 낮은 열팽창 | 항공기 제어장치, 온도조절장치, 광학계기 | |
| 그룹 C | 인코넬 600 | 72% 니켈, 14-17% 크롬, 6-10% 철 | 고온에서의 산화 저항성, 우수한 기계적 강도 | 제트 배기 라인, 증발 튜브, 열처리 장비 |
| 니모닉 75 | 80% 니켈, 20% 크롬 | 고온에서도 높은 강도, 우수한 산화 저항성 | 가스터빈 블레이드, 산업용로 | |
| 그룹 D1 | 듀라니켈 301 | 94% 니켈, 4.75% 철 | 노화 경화성, 고강도, 내식성 | 항공우주, 고응력 부품 |
| 그룹 D2 | 인코넬 718 | 50-55% 니켈, 17-21% 크롬, 2.8-3.3% 몰리브덴 | 침전경화, 고강도, 내열성 | 제트 엔진, 가스터빈, 원자로, 게이트 밸브 |
| 그룹 E | 모넬 R-405 | 63% 니켈, 30% 구리, 0.03% 유황 | 향상된 가공성, 내식성 | 고속가공, 선박, 화학장비 |
니켈 합금의 가공 작업
산업에서 니켈 합금은 원하는 모양, 크기 및 형태를 얻기 위해 다양한 가공 공정을 거칩니다. 그중에서 가장 많이 사용되는 가공 공정은 다음과 같습니다.
선회
선회 회전하는 작업물에서 재료를 제거하기 위해 단일 포인트 절삭 공구를 사용하는 가공 작업입니다. 이 작업은 CNC 선반에서 수행되며, 공구가 표면을 따라 이동하여 원통형 부품을 형성합니다.
니켈 합금의 경우, 선삭은 인성 때문에 정밀성이 필요합니다. 도구를 최소화하고 재료가 밀리지 않고 절단되도록 하려면 양의 레이크 각도를 사용해야 합니다. 카바이드 도구는 공정 중에 발생하는 고온을 견딜 수 있으므로 이 작업에 가장 적합합니다.
니켈 개발 연구소는 니켈 합금을 선삭하는 데는 강철을 가공하는 것보다 30-50% 더 낮은 속도가 필요하다고 제안합니다. 일반적으로 50~100 FPM(분당 피트)입니다.
터닝 공정 중 칩을 제어하기 위해 칩 컬러 또는 브레이커가 있는 공구가 선호됩니다. 연구에 따르면 이러한 공구는 공구 수명을 최대 40%까지 연장할 수 있습니다.
갈기
갈기 회전 커터를 사용하여 재료를 성형하는 것입니다. 니켈 합금의 경우, 워드 경화를 최소화하기 위해 기존(위) 밀링보다 클라임 밀링이 선호됩니다. 니켈 인성을 고려할 때, 고속 강철(HSS) 또는 카바이드 엔드 밀은 니켈에 완벽합니다.
게다가, 공정 중 과도한 열을 방지하기 위해 전문가들은 이송 속도를 낮게 유지할 것을 제안합니다. 고강도 밀링의 경우, 12°~18°의 양의 레이크 각도를 가진 특수 커터가 가장 잘 작동합니다.
교련
니켈 합금을 드릴링할 때는 구멍 바닥에서 작업 경화를 피하기 위해 일정한 이송 속도가 중요합니다. HSS 드릴은 일반적으로 그룹 A 및 B 합금에 효과적인 반면, 코발트 드릴은 더 강한 그룹 C 및 D 합금에 가장 적합합니다. 이 코발트 드릴은 HSS 드릴보다 50% 더 오래 지속됩니다.
깊은 구멍 드릴링의 경우 스페이드 드릴이나 건 드릴이 일반적입니다. 이 작업에는 칩을 배출하고 열 축적을 방지하기 위해 고압 절삭유가 필요합니다. 부드러운 합금의 경우 드릴링 속도는 10~18 SFM(분당 표면 피트)이고, 단단한 등급의 경우 5~12 SFM입니다.
연마
대부분의 가공 공정은 종종 원하는 표면 마감과 치수 정밀도를 얻기 위해 연삭을 수반합니다. 니켈 합금의 성공적인 연삭의 핵심은 산화 알루미늄이나 탄화규소와 같은 연마재를 사용하는 것입니다.
연구에 따르면, 무심연삭 기술은 니켈 합금의 정밀성을 달성하는 데 효과적이며, 진원도와 치수 정확도를 유지하는 데 도움이 됩니다.
지루한
보링 공정은 이미 뚫렸거나 주조된 구멍을 확대합니다. 니켈 합금에서는 작업 경도를 고려할 때 달성하기 어렵습니다. 도구 마모를 줄이기 위해 카바이드 팁 보링 바를 사용합니다.
기계공들은 니켈 합금의 보링 작업은 보통 30-60 SFM 정도의 부드러운 재료보다 낮은 속도로 수행해야 한다고 제안합니다. 적절한 윤활이 필요합니다. 즉, 유황 오일이나 이와 유사한 고성능 냉각수를 사용해야 합니다.
통계적으로, 니켈 합금의 보링 작업에서는 표준 강철보다 도구 마모율이 30~40% 더 높습니다. 즉, 도구를 자주 교체해야 한다는 뜻입니다.
도청
기존 구멍에 나사산을 꿰는 것을 태핑이라고 합니다. 다시 말하지만, HSS와 코발트 기반 태핑 도구는 내열성과 내구성 덕분에 잘 작동합니다. 가장 단단한 니켈 합금의 경우, 연속적인 탭이 나사산 직경을 늘리는 직렬 탭이 도구 파손을 방지하기 위해 필요합니다.
또한 표준 60% 대신 75% 나사산 깊이를 사용하면 태핑에 필요한 토크가 줄어들고 탭 파손 가능성이 줄어듭니다. 태핑 속도는 일반적으로 드릴링보다 느리며 10~20 SFM 범위입니다. 그리고 더 부드러운 작동을 위해 유체를 아낌없이 사용해야 합니다.
EDM(방전 가공)
EDM 전기 방전(스파크)을 사용하여 재료를 제거하는 비전통적인 가공 공정입니다. 이 공정은 정밀한 내부 절단을 하고 기존 공정에서는 만들 수 없는 형상을 만드는 데 사용됩니다. 와이어 EDM은 니켈 합금에 매우 일반적이며, 싱커 EDM은 내부 캐비티가 필요한 형상에 사용할 수 있습니다.
EDM은 전통적인 가공보다 느리며, 재료 제거 속도는 분당 0.1~0.5입방인치이지만, 타의 추종을 불허하는 정밀도를 제공하여 항공우주, 의료 및 고성능 애플리케이션에 적합합니다. 절삭 공구가 없거나 재료와 접촉하지 않으므로 공구 마모 및 재료 변형 문제가 없습니다.
워터젯 커팅
워터젯 커터는 열을 발생시키지 않고 니켈 합금의 두꺼운 판을 절단하는 데 가장 적합한 솔루션입니다. 이 커터는 연마재와 혼합된 고압 물을 사용하여 조각을 절단합니다. 이 공정은 더 큰 설정에서 최대 10인치 두께의 니켈 합금을 ±0.005인치의 정확도로 절단하는 데 사용됩니다.
열 영향 구역(HAZ)이 없기 때문에 워터젯 절단은 정밀도와 재료 무결성이 중요할 때 가치가 있습니다. EDM보다 정밀도는 낮을 수 있지만 훨씬 빠릅니다(일반적인 속도는 6~10 IPM).
니켈 합금 가공의 과제
니켈 합금은 강도를 크게 잃지 않고 고온을 견딜 수 있습니다. 그러나 기계 가공에 있어서는 번거로울 수 있습니다. 기계공은 여러 가지 어려움에 직면합니다.
과도한 열 발생
니켈 합금은 가공 중에 과도한 열을 발생시키는 것으로 악명이 높습니다. 이 열은 주로 두 가지 출처에서 발생합니다. 절삭 공구와 재료 사이의 마찰 접촉과 가공 중의 소성 변형입니다.
니켈 합금은 열전도성이 좋지 않기 때문에 마찰열이 분산되지 않고 대신 절삭 영역에 집중됩니다. 이 국부적인 온도 스파이크는 재료의 표면 변화를 가져오고 공구에 부담을 줍니다.
작업 경화
니켈 합금의 가공 경화는 소성 변형, 열 발생 및 연속 가공의 동시 효과로 인해 악화됩니다. 모든 재료가 어느 정도 가공 경화를 거치지만 니켈 합금은 더 공격적으로 경화됩니다. 가공되는 각 연속적인 층은 이 과정으로 인해 점점 더 단단해집니다.
도구 접착
열 발생과 관련된 또 다른 일반적인 문제는 공구 접착으로, 니켈 합금의 칩이 절삭 공구에 달라붙는 것입니다. 대부분의 공구는 800℃ 이상의 고온을 견딜 수 없습니다. 대부분의 경우, 공구에 작업물 재료가 용접되는 결과가 발생합니다. 공구가 덜 효과적이 되면 절단이 더 어려워집니다.
도구 고장 위험
니켈 합금은 인성 때문에 공구 마모를 가속화하고 조기 공구 고장으로 이어질 수 있습니다. 과도한 열, 높은 절삭력, 재료 경도의 조합은 절삭 공구에 큰 스트레스를 가합니다. 높은 온도를 더하면 열 균열이 공구의 구조적 무결성을 약화시킬 수 있습니다.
니켈 합금 CNC 가공 시 고려 사항
우리는 이미 각 가공 공정에 대한 많은 유용한 팁을 공유했습니다. 다음은 니켈 합금 가공을 위해 집합적으로 올바르게 설정해야 하는 것들의 일반화된 버전입니다.
디자인 고려 사항
니켈 합금으로 가공할 부품을 설계할 때는 재료의 작업 경화 및 열 발생을 고려하는 것이 중요합니다. 형상은 단순해야 하며, 과도한 공구 마모와 열악한 표면 마감을 피하기 위해 매끄러운 전환이 있어야 합니다. 복잡한 모양이나 날카로운 모서리는 이러한 문제를 악화시켜 허용 오차와 공구 안정성을 유지하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다.
아마도 나중에 조립할 수 있는 몇 가지 더 간단한 기하학적 구조를 갖도록 제품을 설계할 수 있을 것입니다. 가공성을 최적화하기 위해 설계는 효과적인 열 발산도 허용해야 합니다.
절단 도구
니켈은 경도를 능가하는 도구가 필요합니다. 카바이드 도구는 내구성과 내열성 때문에 연속 절단에 널리 선호되는 반면, HSS 도구는 단속 절단이나 마무리 작업에 적합합니다.
더 나은 칩 배출을 위해 6~8개의 플루트가 있는 도구가 더 좋습니다. 게다가, 칩 컬러나 브레이커는 도구에 재료가 쌓이는 것을 방지하는 데 가장 좋습니다.
가공 매개변수(절삭 속도, 이송 속도)
가공 매개변수는 열 발생과 작업 경화를 줄이기 위해 신중하게 최적화되어야 합니다. 절삭 속도와 이송 속도는 다양한 가공 공정에 따라 다르며 그에 따라 조정해야 합니다. 예를 들어, 밀링 작업은 종종 100~330 SPM에서 수행됩니다. 반면 선삭의 경우 50~100 SFM입니다.
절삭유
절삭유는 니켈 합금 가공에서 중요한 역할을 하는데, 주로 온도를 제어하고 마찰을 줄이는 역할을 합니다. 일반적으로 1000psi 이상의 고압 냉각수가 최적의 열 발산을 위해 권장됩니다. 물과 황화 미네랄 오일을 모두 냉각수로 사용할 수 있습니다.
기계 가공 니켈 합금의 응용
니켈 합금은 강도, 내열성, 내식성 등의 특성을 가지고 있어 다양한 산업 분야의 응용 분야에 완벽하게 적합합니다.
| 업종 | 어플리케이션 |
| 우주항공 | 터빈 블레이드, 로켓 엔진 구성 요소 |
| 화학 처리 | 탱크, 배관, 혼합 장치 |
| 석유 및 가스 | 펌프, 파이프, 압력용기, 열교환기 |
| 의료 장비 | 수술 도구, 정형외과 임플란트, 스텐트(니티놀®) |
| 전기 전자 | 전기 접점, 변압기, 메모리 저장 장치 |
| 해양 응용 | 프로펠러, 빌지 펌프, 밸브 |
| 정밀 기기 | 밀폐형 씰, 온도 스위치 |
| 발전 | 열교환기, 가스터빈, 원자로 부품 |
| 자동차 | 배기 시스템, 터보차저 |
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