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 -

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다이아몬드 공구 (1975년~현재)                                               
다이아몬드 공구는 알루미늄 합금, 구리 합금 등의 비철금속 재료나 플라스틱, 목재, 세라믹스 성형체 등의 비금속 재료의 절삭가공에 널리 이용되고 있다. 특히 다이아몬드 분말을 초고압 고온에서 구워서 굳힌 다이아몬드 소결체는 고경도이며 강인하여 절삭공구와 내마모 공구로서 널리 사용되고 있다. 최근 기계가공의 고능률화, 고정도화와 함께 재료의 다양화, 난삭화가 진행되고 있어 다이아몬드공구에 대한 요구가 최근 점점 높아지고 있다.

1. 제품적응 분야
알루미늄 합금, 구리 합금 등의 비철금속 재료와 플라스틱, 목재, 세라믹스 성형체 등의 비금속 재료의 절삭 가공

2. 적용분야의 배경
기계, 전기·전자 등의 분야에 대한 절삭공구의 고능률화, 고정도화의 흐름으로 다이아몬드공구에 의한 절삭공구가 확대되기 시작했다. 자동차 업계의 예를 들면, 생산성을 높이기 위해 고능률 가공이 필요함과 아울러 차체의 경량화를 위해 알루미늄 합금의 사용률이 증가한 것 등에 의해 다이아몬드공구의 사용량이 증가하고 있다.

3. 제품의 특징
다이아몬드는 물질 가운데 최고의 경도와 열전도율을 갖고 있다. 이 성질 때문에 천연에서 산출되는 다이아몬드를 이용하여 공구로 만드는 일은 오래 전부터 이루어져 왔다. 그러나 천연 다이아몬드는 고가이며, 또 기계적 특성이 일정하지 않다는 문제가 있었다. 1955년에 GE(제네럴 일렉트릭)사가 초고압 고온 발생장치를 갖는 다이아몬드의 인공합성에 최초로 성공하여 분말상의 합성 다이아몬드가 지석의 원료로 사용되기 시작했다. 1975년 무렵, GE사에 의해 이 합성 다이아몬드 분말을 코발트 등의 금속결합재를 이용하여 구워서 굳히는 방법이 개발되었다. 이후, 다양한 다이아몬드 소결체가 개발되어 천연 다이아몬드보다도 값싸며 고품질인 다이아몬드 소결체는 널리 절삭가공에 이용되게 되었다(그림1). 2007년의 다이아몬드 절삭공구의 일본 내 생산액은 110억 엔에 이른다. 이 가운데에는 초고정도 가공에 이용되는 단결정 다이아몬드를 이용한 공구도 포함되지만, 여기에서는 생산액의 대부분을 차지하는 다이아몬드 소결체 공구에 대해 기술하겠다.
그림2에 전형적인 다이아몬드 소결체 조직의 모식도를 제시하였다. 몇 ㎛~수십 ㎛의 다이아몬드 입자가 상호 결합되어 있어, 다이아몬드 입자의 틈새에는 코발트 등의 금속결합재가 존재하고 있다. 다이아몬드 단결정은 벽개(깨짐,劈開) 특정한 방위에 대해서는 금세 파괴되어 인성이 낮다는 문제가 있었다. 한편, 다결정인 다이아몬드 소결체는 다양한 방위를 향한 결정의 집합체이기 때문에 벽개의 영향이 적어서 단결정에 비해 강인하며 높은 강도를 갖는다. 따라서 다이아몬드 소결체는 절삭가공용 바이트, 프라이스, 드릴 등 여러 가지 형상의 공구가 되어 폭넓은 분야의 절삭가공에 이용되고 있다.

4. 제법
다이아몬드 소결체 공구의 제조공정을 그림3에 제시하였다. 다이아몬드 분말과 코발트 등의 금속결합재를 혼합한다. 이 분말을 초고압 고온 발생장치를 이용하여 약 5만 기압, 천 수 백℃까지 가압·가열한다. 이렇게 하면, 결합재 금속이 융해하여 다이아몬드 입자의 틈새에 스며든다. 다이아몬드 입자는 액체가 된 결합재에 조금 용해하여 입자 사이에 석출함으로써 다이아몬드 입자끼리의 결합이 생성된다. 이 반복으로 다이아몬드 입자는 입성장을 동반하면서 강하게 결합하여 치밀한 소결체가 된다. 이 소결공정에서 사용하는 초고압 고온 발생장치는 다이아몬드 소결체의 제조에 불가결하여 양산기술이 요구된다고 말할 수 있지만 상세한 설명은 전문서에 양보하기로 하겠다. 소결체는 와이어 방전가공 등에 의해 가늘게 절단된다. 절단되어 작은 조각이 된 소결체는 초경합금 등으로 된 공구 본체에 납땜하고, 다이아몬드 지석으로 칼끝을 가공하여 공구를 완성한다.

5. 앞으로의 전망
최근 환경문제에 대한 대비책 가운데 고능률화, 고정도화와 함께 재료의 다양화, 난삭화가 진행되고 있다. 예를 들면, 항공기 부재가 고강도화, 경량화 때문에 난가공 재료의 사용률이 급증하고 있는 등, 다이아몬드공구에 대한 요구가 최근 점점 더 높아지고 있다.
이에 대응하여 제조 각사는 조직의 미세화 등에 의해 고강도, 고내마모성을 실현하는 방향으로 신제품을 개발하고 있다(그림4). 또 지금까지의 다이아몬드 소결체는 금속결합재를 포함하기 때문에 내열온도가 약 700℃로 낮아 사용조건에 한계가 있었으나, 최근에는 비금속 촉매를 이용하는 방법이나 결합재를 사용하지 않는 방법(흑연을 이용한 직접 변환법)에 의한 고강도 다이아몬드 소결체의 개발도 진행되고 있다.
이러한 대비를 통해 앞으로도 다이아몬드 소결체는 다채로운 절삭가공의 요구에 따라 산업의 발전에 공헌해 나갈 것으로 기대된다. (다음호에 계속)
Ceramics Japan

그림 1. 다이아몬드 소결체 공구
(왼쪽) 날 교환형 바이트에서 사용하는 절삭 칩. (오른쪽 위) 날 교환형 프라이스와 칩,
(오른쪽 아래) 드릴. 다이아몬드 소결체(검은 부분)은 공구 날 부분만 부착되어 있다.

그림 2. 다이아몬드 소결체 조직의 모식도  
  어두운 회색으로 표시된 영역이 다이아몬드. 밝은 회색으로 표시된 영역이 결합재를
나타낸다. 결합재의 작용으로 다이아몬드끼리 강하게 결합되어 있다.

그림 3. 다이아몬드 소결체 공구의 제조공정
  다이아몬드 소결체는 초고압·고온발생장치를 이용하여 소결된다.
소결체는 고가이므로 가늘게 분단시켜서 공구의 날 끝에만 사용한다.

그림 4. 새로운 다이아몬드 공구 소재의 특성
  조직의 미세화 등으로 고강도, 높은 내마모성을 실현하는 방향으로
신제품의 개발이 이루어지고 있다.