PCBN(폴리크리스탈린 큐빅 보론 나이트라이드) 인서트의 생산 공정은 소재 정제, 고온 고압 소결, 정밀 기계 가공 및 성능 최적화가 복합적으로 결합된 정교한 과정입니다. 핵심 단계는 아래에 상세히 설명되어 있습니다.
I. 원료 준비 및 정제
PCBN 인서트의 핵심 원료는 큐빅 보론 나이트라이드(CBN) 미분말, 결합제(금속 또는 세라믹), 그리고 초경 합금 기판으로 구성됩니다.
소재 선정: CBN 미분말은 고순도(≥99.9%) 및 균일한 입도(일반적으로 0.5~30μm; 정밀 가공용 미세 입자, 고내마모성 적용 분야용 조대 입자) 요건을 충족해야 합니다. 결합제는 금속계(예: Co, Ni, Ti)와 세라믹계(예: TiN, TiC, Al₂O₃)로 분류됩니다. 금속 결합제는 인성을 향상시키는 반면, 세라믹 결합제는 고온 안정성을 향상시킵니다.
정제 처리: CBN 미분말 내 함유된 활석, 흑연, 금속 불순물 및 흡착 산소/수분은 다단계 화학 처리 과정을 통해 제거해야 합니다:
약 300°C에서 NaOH로 처리하여 활석과 육방정 질화붕소(HBN) 제거.
흑연 제거를 위한 과염소산 비등 처리.
금속 불순물 제거를 위한 HCl 비등 처리 후, 증류수로 중성까지 세척. 결합제(예: Co, Ni, Al)는 표면 산화물 제거를 위해 수소 환원 처리됩니다.
II. 고온 고압 소결 공정
이는 PCBN 인서트 성형의 핵심 단계로, 복합 소결(CBN 층과 초경 합금 기판 결합)과 단일 소재 소결(기판 없는 순수 CBN)로 구분됩니다. 주류 공정은 2차 고밀화 법입니다:
금형 충진: 정제된 CBN 미분말과 결합제를 비율에 따라 혼합(결합제 함량 일반적으로 10~15%) 후 흑연 금형에 충진합니다. 복합 재료의 경우 CBN 층 아래에 초경 합금 기판(예: 코발트 함유 탄화텅스텐 합금)을铺设해야 합니다.
소결 조건: 전용 프레스(6면 또는 2면 압착형)를 사용하여 5~8 GPa의 압력을 가하고 1200~1800°C까지 가열하여 수 분에서 수 시간 동안 유지합니다. 이 과정에서 CBN 입자들은 공유 결합을 형성하거나 결합제의 액상 확산을 통해 고밀화를 달성합니다.
금속 결합제(예: Co)가 첨가된 경우, 소결 온도를 적절히 낮출 수 있으며, 초경 합금 기판의 Co가 CBN 입자 경계로 침투하여 층간 결합을 강화할 수 있습니다.
순수 CBN 소결(결합제 없음)의 경우, CBN 입자의 재결정 및 성장에 의존하여 고밀화를 이루며, 극히 높은 경도를 나타내지만 인성은 상대적으로 낮습니다.
III. 정밀 가공 및 절삭날 숙성
소결된 반제품은 완성된 인서트가 되기 위해 여러 공정 단계를 거쳐야 합니다:
절단 및 브레이징: 복합 소재 반제품은 먼저 인서트 형상으로 절단된 후, 토오울 홀더에 브레이징으로 접합됩니다. 단일 소재 소결 블록은 절삭날 숙성으로 직접 진행됩니다.
절삭날 숙성 공정:
조질 숙성: 180~240 메쉬 수지 결합 다이아몬드 숫돌을 사용, 이송량 0.01mm/왕복으로 예비 성형.
정밀 숙성: W10~W14 메쉬 숫돌을 사용, 이송량 0.005mm/왕복으로 표면 정밀도 향상.
래핑: W5~W3 다이아몬드 숫돌 또는 랩 페이스트를 사용하여 Ra 0.1~0.4μm의 절삭날 거칠기를 달성, "연삭 대체 선삭"의 정밀도 요건 충족.
IV. 코팅 기술 (선택 사항)
성능을 더욱 향상시키기 위해, 일부 PCBN 인서트는 코팅 처리를 거칩니다:
코팅 소재: 주로 TiN, Al₂O₃, AlTiN, CVD 다이아몬드 등이 사용되며, 두께는 2~30μm입니다.
코팅 공정:
전처리: 인서트 표면의 오일 및 오염물질 세정.
증착: 물리 기상 증착(PVD) 또는 화학 기상 증착(CVD) 기술을 사용하여 인서트 표면에 균일한 코팅 형성.
후처리: 코팅과 기판의 강력한 결합을 보장하며 표면 흑화 방지(온도 및 분위기 제어 필요)를 위한 열처리. 코팅은 내마모성, 항착성 및 공구 수명을 현저히 향상시킵니다.
V. 검사 및 품질 관리
성능 시험: 경도(HV 2600~3600), 굴곡 강도, 열전도율 등의 물성 및 모의 작업 조건下的 절삭 수명 시험 포함.
미세 구조 검사: 고배율 전자 현미경(SEM, TEM)을 사용하여 CBN 입자 결합 상태 관찰, 미세 균열 또는 불순물 존재 여부 확인; 절삭날은 육안으로 보이지 않는 미세 결함이 없어야 하며, 그렇지 않으면 날끊김 발생 가능성 있음.
치수 정밀도: 기하 공차, 표면 거칠기, M-값(인서트 핵심 치수) 등 확인, 가공 요구 사항 준수 보장.
위 공정들의 정밀한 제어를 통해 PCBN 인서트는 고경도, 우수한 내마모성 및 탁월한 열안정성의 조합을 달성하여, HRC 45 이상의 경화 재료(경화강, 냉경 주철 등) 가공의 핵심 공구가 됩니다. 다른 모델 간의 성능 차이는 본질적으로 원료 배합, 소결 공정 및 코팅 기술의 맞춤형 설계 결과입니다.
