재료 특성에 따른 최적 연마재 선택 방법

연마재는 연마 가공에서 핵심적인 재료로, 그 종류와 특성은 가공 효율과 품질에 중대한 영향을 미칩니다. 재료의 성질, 가공 요구사항, 작업 조건에 따라 적절한 연마재를 선택하면 가공 성능을 효과적으로 향상시키고 에너지 소비를 줄이며 공구 수명을 연장할 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 연마재로는 산화알루미늄계, 탄화규소계, 지르코니아, 슈퍼 연마재(다이아몬드, CBN)가 있으며, 각각은 경도, 인성, 내마모성 측면에서 고유한 특성을 가지고 있어 다양한 산업 및 공정 재료에 널리 활용됩니다.

본 문서에서는 연마재의 특성과 응용을 결합하여, 다양한 재질 가공에서의 선택 기준을 분석합니다.

연마재 분류 및 코드

천연 일반 연마재: 고대에는 많이 사용되었으나, 경도가 낮고 조직이 불균일하며 불순물이 많아 연삭 성능이 떨어지므로 현재는 거의 사용되지 않음.

인조 일반 연마재: 현대 산업에서 주로 사용되는 연마재로, 산화알루미늄계와 탄화규소계 두 가지 주요 계열이 있습니다.

초경 연마재: 매우 높은 경도와 내마모성을 가지고 있어, 고경도 및 난삭재의 고정밀 연마 및 절삭 가공에 적합합니다. 주요 연마재로는 다이아몬드와 입방정 질화붕소(CBN) 두 가지가 있습니다.

(연장 읽기: 연마-연마재 소개)

※ 본 글에서는 산화알루미늄계 및 탄화규소계 연마재의 응용에 중점을 두고 설명합니다.

산화알루미늄계 연마재의 구조

산화알루미늄계 연마재(A 및 WA 등)는 특정 방향으로의 절리선을 가지고 있어, 해당 방향에서 쉽게 균열이 발생합니다. 그러나 이러한 절리는 완전하지 않아 파단면은 조개껍질 모양의 특징을 나타냅니다. 절삭날이 무뎌졌을 때, 연마재에 가해지는 연마 저항이 증가하며, 이로 인해 연마재가 더 많이 파쇄되어 새로운 절삭날이 생성됩니다. 동시에 일부 결합제와 파쇄된 연마재 입자가 제거되면서, 그 자리에 새로운 칩 배출 공간이 형성됩니다.

연마휠 내의 연마재가 파쇄되는 과정에서 계속해서 날카로운 절삭날을 생성할 수 있기 때문에, 연마 성능을 지속적으로 유지할 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해 산화알루미늄계 연마재는 고효율 연마에 매우 적합하며, 특히 자생적으로 날카로운 절삭날을 형성하여 안정적인 연마 성능을 유지해야 하는 작업에 적합합니다.

탄화규소 연마재의 구조

탄화규소 연마재(C 및 GC 등)는 절삭날이 파쇄되는 메커니즘이 산화알루미늄계 연마재와 유사합니다. 연마 과정에서 저항이 증가함에 따라 파쇄가 일어나고, 새로운 절삭날이 생성됩니다. 그러나 탄화규소 연마재의 파쇄 특성은 다릅니다. 파쇄 시 완전히 절리되며, 파단면은 조개껍질 형태가 아니라 훨씬 더 날카로운 절삭날이 형성됩니다.

이러한 완전 절리 특성 덕분에 탄화규소 연마재는 매우 날카로운 연마날을 빠르게 형성할 수 있어, 인장 강도가 낮은 재료에 특히 적합합니다.

연마재 인성 순위

연마재는 파쇄될 때 새로운 연마날이 드러나지만, 파쇄의 용이성은 연마재의 인성에 따라 달라집니다. 인성의 순서는 다음과 같습니다: A 연마재 > WA 연마재 > C 연마재 > GC 연마재. 그러나 새로운 연마날이 형성되는 용이성의 관점에서는 순서가 반대입니다. 즉, GC 연마재가 가장 쉽게 날이 생성되며, 그다음은 C, WA, 마지막으로 A 연마재 순입니다.

따라서 가공 대상 재료의 인성에 따라 적절한 연마재를 선택하면 보다 높은 연마 효율을 얻을 수 있습니다.

1. GC 연마재 (인성이 가장 낮음): 유리, 세라믹, 초경합금 등 경도는 높지만 취성이 강한 재료 가공에 적합하며, 날카로운 절삭날을 빠르게 형성하여 고효율 연마가 가능합니다.
2. C 연마재: 약간 더 높은 인성을 가지지만 여전히 단단한 재료, 예를 들어 일부 금속 및 비금속 재료의 가공에 적합합니다.
3. WA 연마재: 인성이 비교적 큰 중간 경도의 재료, 예를 들어 일반 합금강이나 공구강 등의 가공에 적합합니다.
4. A 연마재 (인성이 가장 높음): 탄소강, 스테인리스강 등 인성이 높은 재료의 가공에 적합하며, 파쇄가 어려워 절삭 수명이 안정적으로 유지됩니다.

A계 연마재와 C계 연마재가 서로 다른 금속을 연마할 때의 차이점

A 연마재와 C 연마재를 사용하여 연강과 주철을 연마하는 예시:

A 연마재가 연강에 유리한 이유:

• 연강은 인장 강도가 높기 때문에, 인성이 높은 A 연마재를 사용하면 절삭날이 취성 파괴로 인해 쉽게 손상되는 것을 방지할 수 있습니다.
• A 연마재의 절삭날은 내마모성이 뛰어나고 쉽게 파괴되지 않으며, 공작물에 안정적으로 침투하여 연마 능력을 충분히 발휘할 수 있습니다.

C 연마재가 주철에 유리한 이유:

• 주철은 인장 강도가 낮고 취성이 크기 때문에, 취성이 높은 C 연마재는 날카로운 새로운 절삭날을 쉽게 형성할 수 있습니다.
• C 연마재의 절삭날은 연마 시 공작물에 깊이 침투하면서 빠르게 파쇄되어 새로운 절삭날이 형성되어 연마 효율이 향상됩니다.

따라서 다음과 같은 결론을 도출할 수 있습니다:

인장 강도가 높은 재료(예: 연강)에는 A 연마재가 적합하다:

• C 연마재는 절삭날이 취성으로 인해 쉽게 파손되며, 공작물에 안정적으로 침투하지 못해 연마 효율이 떨어집니다.
• A 연마재는 인성이 높아 절삭날이 공작물에 안정적으로 침투하여 연마 능력을 충분히 발휘할 수 있습니다.

인장 강도가 낮은 재료(예: 주철)에는 C 연마재가 적합하다:

• C 연마재를 사용하면 절삭날이 빠르게 새롭게 형성되고 날카로움을 유지할 수 있어, 연마 효율이 향상됩니다.
• A 연마재는 파쇄되기 어렵기 때문에 새로운 절삭날 형성이 느려, C 연마재보다 효율이 떨어집니다.

하지만 압연강과 같이 중간 성질을 가진 재료의 경우, A 연마재나 C 연마재 모두 만족스러운 절삭 효율을 얻기 어렵습니다. 이런 재료는 어떤 연마재를 사용하더라도 최상의 해답은 되지 않으므로, 경제적이고 실용적인 측면에서 저렴한 A 연마재를 사용하는 것이 더 유리합니다.

A계 연마재보다 인성이 낮은 WA 연마재는 어떤 경우에 사용되는가?

1. 절삭날의 재생 능력이 뛰어남: A 연마재에 비해 WA 연마재는 새로운 절삭날이 더 쉽게 형성되어, 절삭 능력이 우수합니다.
2. 접촉 면적이 큰 경우에 적합: 공작물과 연마휠의 접촉 면적이 클 경우, WA 연마재는 접촉면 확대에 따른 연삭 성능 저하를 효과적으로 방지할 수 있습니다. 예를 들어, 직경 6mm 이하의 연마휠로 인장 강도가 높은 강재의 내면을 연마할 경우, A 연마재는 휠 직경이 커질수록 접촉 면적이 증가하여 효율이 떨어질 수 있는데, 이 경우 WA 연마재를 사용하는 것이 적합합니다.
3. 연마 시 발열 감소: 절삭날이 원활하게 재생되므로 연마 과정에서 발생하는 열이 줄어들며, 과도한 발열을 피해야 하는 가공 조건에 특히 적합합니다.

그렇다면 GC 연마재는 어떤 경우에 사용되는가?

• 경도는 높지만 취성이 강한 재료: 공작물 선택 기준은 C 연마재와 동일하게 적용됩니다.
• 접촉 면적이 크고 열에 민감한 가공에 적합: GC 연마재는 더 높은 취성을 가지고 있어, 절삭날이 무뎌진 후 빠르게 파쇄되어 새로운 절삭날을 생성하므로 연마 시 발생하는 발열을 효과적으로 줄여 균열 위험을 감소시킬 수 있습니다.

GC 연마재의 적용 범위는 C 연마재와 거의 동일하지만, 발열을 줄이는 특성이 추가되어 열에 약한 경취성 재료에는 더 나은 선택이 됩니다. 반면, 내열성이 좋은 재료에는 C 연마재가 더 적합합니다.

연마재는 어떻게 선택해야 할까?

1. 산화알루미늄계 연마재 (A, WA)

• 인장 강도가 높은 공작물 재료 (예: 연강, 스테인리스강)
• WA 연마재는 기존 특성에 더해 접촉 면적이 넓은 가공이나 열에 약한 작업에 특히 적합함

2. 탄화규소계 연마재 (C, GC)

• 인장 강도가 낮은 공작물 재료 (예: 주철, 경취성 재료)
• 경취성 재료 (예: 세라믹, 유리)
• 접촉 면적이 크고 저온 작업이 필요한 경우 GC 연마재가 더 효과적임

3.지르코니아, 산화알루미늄계 연마재, 지르코니아 연마재

• 고온 저항성, 내마모성, 우수한 연마 성능, 높은 인성을 지니며 고강도 하중 가공에 적합
• 산화알루미늄 연마재보다 높은 연삭비를 제공하며, 강, 주철, 내열강, 티타늄, 니켈 합금, 알루미늄 합금, 티타늄 합금, 텅스텐 등의 연삭에 사용 가능
• 특히 오스테나이트계 스테인리스강과 같은 고인성 재료의 연마에 적합

보충: 오스테나이트계 스테인리스강: 강도는 비교적 낮지만 가공성은 보통 수준이며, 우수한 연성과 인성을 가지고 있습니다. 고온과 저온 환경 모두에서 기계적 성질이 안정적으로 유지되며, 탁월한 내산성을 겸비하고 있어 산업 설비, 에너지 및 전력 분야, 의료 및 위생 산업 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다.

4.슈퍼 연마재 (다이아몬드, 입방정 질화붕소/CBN)

• 다이아몬드 연마재: 초경합금, 세라믹 및 기타 경취성 재료의 연마에 적합하지만, 철계 금속의 연마 시 열 마모가 발생하기 쉬우며, 특히 철족 원소는 연마에 부적합함
• CBN 연마재: 경질 입자가 포함된 금속(예: 고속도강, 난삭강)에 적합하며, 연마 효율이 매우 높고 연삭비는 1000 이상에 이를 수 있음

마지막으로, 다음과 같은 재료의 특성에 따라 적절한 연마재를 선택할 수 있습니다.

• 연하고 인성이 있는 재료 (예: 연강, 스테인리스강): A 또는 WA 연마재를 선택
• 단단하고 취성이 강한 재료 (예: 주철, 세라믹): C 또는 GC 연마재를 선택
• 특수 난삭재 (예: 고속도강, 초경합금): 다이아몬드 또는 CBN 연마재를 선택
• 접촉 면적이 크고 고온에 취약한 작업: WA 또는 GC 연마재를 우선 선택
• 높은 연삭비가 요구되는 경우: 지르코니아 연마재 또는 CBN 연마재가 더 효율적인 선택

결론

연마재는 그 특성과 적용 범위에 따라 각각 다른 장점을 가지고 있습니다. 산화알루미늄계 연마재(A, WA)는 우수한 인성과 안정성 덕분에 연강이나 스테인리스강처럼 인장 강도가 높은 재료 가공에 적합합니다. 탄화규소계 연마재(C, GC)는 취성이 높아 주철 및 세라믹과 같은 경질 취성 재료, 특히 접촉 면적이 큰 작업에 적합합니다. 지르코니아 연마재는 높은 인성으로 인해 고하중 연마 작업에서 탁월한 성능을 보이며, 오스테나이트계 스테인리스강과 같은 인성이 높은 재료에 특히 적합합니다. 슈퍼 연마재(다이아몬드, CBN)는 극도의 경도로 인해 초경합금, 세라믹, 난삭재 가공에 이상적인 선택입니다. 적절한 연마재를 선택하면 연마 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 가공 비용을 절감하고 다양한 가공 요구를 만족시킬 수 있습니다.

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