제조 산업에 있어 세라믹스는 그 우수한 재료특성(고경도, 내열성, 내마모성 등)에 의해 다양한 용도에 적용되고 있다. 월간세라믹스는 2009년 1월호부터 일본 「Ceramics Japan」지에 게재된 ‘기계 부품과 소재가공’ 분야를 세라믹스베어링, 세라믹스절삭공구, 다이아몬드공구연삭지석, 반도체소자 제조에 사용되는 연마재에 대해 시리즈로 소개하고자 한다.                                  - 편집자주 -

2   세라믹스 절삭공구 (1953년~현재)             
절삭공구는 금속을 절삭 가공할 때 사용하는 공구로, 초경합금, 서메트, 세라믹스 재료가 이용되고 있다. 사용 환경은 상대 재료(주로 금속)과 접촉하면서 깎아내기 때문에 매우 가혹한데, 높은 응력과 고온에 노출되며, 심한 마찰마모(화학반응도)를 받는다. 따라서 세라믹스가 가진 우수한 재료 특성(높은 경도 . 내열성 . 내마모성)이 오래 전부터 주목을 받아, 1950년대에 알루미나 세라믹스가 사용된 것이 시초이다. 알루미나계와 질화규소계 세라믹스가 대표적인 제품이다. 재료 그 자체의 특성이 제품의 좋고 나쁨을 결정하기 때문에 복합화 기술이나 가압소결 등의 특수한 제법이 적용되고 있다. 재료의 진보와 함께 발전해 온 전형적인 세라믹 제품의 하나이다.

1. 제품적응 분야
선삭(旋削) 및 전삭도 포함한 기계가공용 절삭공구

2. 적용분야의 배경
절삭공구는 고온·고응력 하의 엄격한 환경에서 이용되므로 재료로서 다음과 같은 특성이 요구된다.
⑴ 고경도, 특히 고온에서의 경도가 높을 것.
⑵ 화학적으로 안정적이어서 피삭재와 반응을 일으키지 않을 것.
⑶ 기계적 응력, 특히 내결손성과 내열충격성이 우수할 것.
이러한 요구특성으로 세라믹스는 극히 유망한 후보재료로 여겨져, 거슬러 올라가면 1930년대부터 개발이 검토되어 초경공구에 10년 여 뒤쳐진 1938년에 시판된 것이 최초로 알려져 있다. 그러나 개발 당시, 세라믹 공구는 인성이 낮고 저항력이 300MPa정도로 낮았기 때문에 절삭 중에 도발적인 파손이 일어나는 일이 많아 그 적용은 확대되지 않은 상황이었다. 그 가운데 원료의 고순도화 기술과 소결기술의 발달로 기계적 특성이 대폭 개선되어 알루미나 세라믹스에서 질화규소 세라믹까지 이용되게 되었다.
특히 일본에서는 연구개발이 활발하게 이루어져, 핫프레스 소결법, 가스압 소결법, 열가 정수압 소결법(HIP법)등 새로운 소결기술이 도입되었고, 나아가서는 성분의 탐색과 조직제어 기술의 개발로 보급률은 크게 향상되었다. 또 사용되는 기계에 있어서도 높은 강성을 가진 공작기계가 개발되어, 절삭속도가 향상되었다는 사실도 중첩되어 세라믹 공구의 적용분야는 확대되어 자동차 산업의 주철을 비롯하여 내열합금을 사용하는 항공기 산업분야까지도 확대되고 있다. 현재는 환경대책으로서 주목되고 있는 드라이 절삭이나 미스트 절삭에도 적용이 기대되고 있다.
 
3. 제품의 분류와 특징
현재 시판되고 있는 세라믹 공구를 재료로 분류하면 ①알루미나계 재료, ②알루미나 탄화물 복합재료, ③질화규소재료, ④사이어론 재료 등이 있다.
이밖에도 사미트(세라믹과 메탈의 중간적 성질의 공구)와 입방정 질화붕소(cBN) 및 다이아몬드공구도 있는데 제법 상의 차이도 있기 때문에 여기에서는 생략하겠다.
위 제품의 대표적인 재료 특성을 표 1에, 적용되는 파삭재의 계열을 표2에 제시하였다. 알루미나계는 알루미나 가루에 소량의 마그네시아나 지르코니아 등의 첨가제를 섞어서 소결되어 화학안정성이 높고 우수한 내마모성을 갖고 있다.
보통 소결된 것도 있지만 최근에는 HIP소결을 적용하는 것이 많아 백색을 드러내기 때문에 흰색 세라믹이라고도 불리며 비교적 값싼 공구이다.
이에 대해 탄화물을 복합 첨가한 알루미나 탄화물 재료는 소결성이 알루미나계에 비해 떨어지므로 핫프레스나 HIP소결이 이용되어 고가가 된다. 그 색 때문에 검은색 세라믹이라고도 불린다. 탄화물로서는 탄화티탄을 이용하는 것이 일반적인데 그밖에 탄화몰리브덴, 질화티탄, 탄화탄탈, 탄질화티탄, 탄화규소 등은 첨가하는 경우도 있다.
복합화로 재료 경도와 강도 등이 향상되어 난삭재의 가공에 대응할 수 있다. 질화규소와 사이어론 세라믹스는 모두 침상의 형상을 갖는 결정입자를 갖고 있다는 것이 특징으로, 열팽창계수도 작기 때문에 내열충격성이 필요한 용도에 사용된다. 결점으로는 질화규소의 주성분인 실리콘이 철강과 반응하기 쉬워서 특정한 절삭조건에서 마모가 큰 경우가 있어 표면에 알루미나를 피복시켜서 성능을 향상시킨 것도 제품화되고 있다.
사이어론은 질화규소 입자에 알루미나 성분을 고용시킨 것으로 내열성이 높다는 점과 내화학마모가 우수하다는 점에서 내열합금 가공에 이용된다.

4. 제법
절삭공구는 재료의 진보와 함께 발전해 왔다고 말해도 좋을 정도로 그 제법이 중요하다. 고순도로 미세한 세라믹스 분말을 사용하고 여분의 첨가물은 극력 배제하여 소결할 것이 요구된다. 소결 수법과 그 조건의 연구에 따라 원하는 특성을 얻을 수 있다. 포어나 조직얼룩 등의 결함이 없는 완전 치밀체를 소결시키는 연구가 중요하다.
그림2에 현재 이루어지고 있는 세라믹 공구의 제조 플로를 제시하였다. 1500℃를 넘는 고온에서 소결시키는 것이 보통이다. 개발 당초, 양산성과 형상 부여가 용이한 보통 소결법으로 제조되었으나, 현재는 최상의 특성을 얻기 위해 핫프레스나 갓압 소결법, HIP소결법이 채용되고 있다. 핫프레스는 카본 등의 지그를 이용하여 기계적 압력을 직접 시료에 넣어 소결을 촉진시키는 우수한 소결방법이다.
한 축 방향에서의 가압방법이기 때문에 이방성이 생기는 일이 있어 주의가 필요하다. 수 백 기압 레벨의 가스압을 이용하여 소결을 촉진시키는 가스압 소결법은 주로 질호규소에 대해 실시되고 있다.
이와 유사한 수법인 HIP소결법은 압력이 더욱 높아 수 천 기압의 압력을 이용하여 완전히 치밀화시키는 방법으로, 미세하며 균질적인 소결체를 얻는 방법으로 세라믹 공구의 제조에 널리 이용되고 있다. 두 방법 모두 등방적이어서 이방성 문제가 발생하지 않는 방법이다.

5. 앞으로의 전망
지금까지 세라믹 공구는 고능률 가공 특히 고속이며 드라이한 가공에 이용되어 에너지 소비의 관점에서 활용되어 왔다. 산업계에서 앞으로도 환경부하 문제는 중요한데, 예를 들면 자동차 산업이나 항공기 산업에서는 경량이며 튼튼한 신소재가 요구되고 있다.
이것은 가공면에서 보면 난삭재료가 될 경향이 있으며, 이들 신소재를 고속으로 효율적으로 가공할 공구로서 가능성을 갖고 있어 앞으로도 드라이 절삭이나 미스트 절삭 등의 분야에서 적용이 넓어질 것이 기대된다. (다음호에 계속)
Ceramics Japan

그림 1. 세라믹스 공구와 홀더
  세라믹 공구의 대표 예(왼쪽). 절삭 조건 등에 의해 재료의 종류와 형상이 선택된다. 가공할 때에는 세라믹 공구를 전용 홀더에 부착하여 사용한다.(오른쪽)

그림 2. 세라믹스 공구의 제조 프로세스
각종 원료 분말을 조합한 후, 스프레이에 의해 건조·조립한다. 프레스 성형(핫프레스에서는 분말 그대로 사용)으로 소정의 형상으로 가공하여 소결시킨다. 가압을 이용함으로써 거의 완전하게 치밀화시키는 것이 중요