드릴탭 나사탭의 표면처리

지난 글에 이어서 드릴탭 나사탭의 표면처리의 종류와 특성 등에 관해 알아보겠습니다.

6. 나사탭의 표면처리

 나사탭의 절삭성능은 형상과 강종, 열처리등에 의해서 결정되고 표면처리는 성능을 향상하는 수단으로 사용됩니다. 스테인레스강과 같은 다른 재질과의 친화성이 높은 재질은 표면처리에 대해 생각하지 않으면 안됩니다.

탭의 표면처리는 공구 표면의 경도를 높여 내마모성을 향상시키고 피삭재와 공구가 용착이나 소착 되는 것을 방지합니다. 또 피삭재와의 마찰계수를 낮추는 역할도 합니다.

 이런 목적에 따라 표면처리 방법이 여러가지 개발되어 있습니다. SKH 탭의 경우 소려온도가 550-580도 정도이기 때문에 이것보다 낮은 온도에서 처리해야 합니다.

 

6.1 호모처리

 호모처리는 500-550도씨의 수증기로 30분에서 60분 동안 가열해, 표면에 Fe3O4 피막을 생성하는 것입니다. 산화처리의 일종으로 수증기처리라고 할 수도 있습니다.

철 산화물에는 FeO, Fe2O3, Fe3O4의 3종류가 있습니다. 이 중 FeO는 570도 이상에서 생성하므로 하이스 호모처리에는 해당되지 않습니다.

호모처리로 발생되는 Fe3O4(검은녹)와 Fe2O3(붉은녹) 중에 붉은녹은 절삭성능에 이롭지 않습니다. 따라서 제대로된 호모처리는 Fe3O4 피막이며 표면이 깨끗한 청흑색입니다. 호모처리의 두께는 1-3㎛정도입니다.

 

6.1.1 특성

 호모처리를 하면 다음의 성능향상을 노릴 수 있습니다.

• 다공질이라 절삭유를 머금어 마찰열 발생을 줄입니다.
• 피삭재 간의 용착과 소착을 방지합니다.
• 탭 표면의 연삭응력을 제거합니다.

 하지만 호모처리가 탭 피막의 경도를 높이지는 않기 때문에 피막자체에 내마모성은 없다고 볼 수 있습니다.

 

6.1.2 적용범위

 용착 현상이 일어나기 쉬운 스테인레스강이나 주강, S35C이하 탄소강, 니켈강, 크롬강 등의 피삭재에 호모처리는 큰 효과를 보입니다. 강계열의 피삭재라면 전반적으로 적용이 가능합니다.

하지만 알루미늄과 알루미늄 다이케스트, 황동 등 비철합금 종류에는 효과가 없고 오히려 절삭성능을 저하시킵니다. 따라서 주의가 필요합니다.

용도별 탭에 호모처리는 폭넓게 적용됩니다.

 

6.1.3 절삭성능

 포인트 탭의 피삭재에는 스테인레스강이 용착하기 굉장히 쉽습니다. 여기에 호모처리를 하면 내구성이 10배 이상 증가하게 됩니다. 핸드탭에서도 기계구조용 탄소강에 적용하면 수명차이가 현저하게 나타나는 것을 볼 수 있습니다.

 

6.2 질화처리

500에서 560도씨로 30~90분 가열하는 특수가스 지로하법은 무른 층이 없어 표면이 매끄럽고 내칩핑성이 뛰어납니다. 안정된 표면경도와 균일한 경도구배의 질화층을 얻을 수 있습니다. 

질화층의 경도는 유지온도, 시간에 따라 결정됩니다. 그러나 바탕경도도 고려해야 할 필요가 있습니다. 

 

6.2.1 특성

 질화처리를 하면 다음의 성능 향상을 노릴 수 있습니다.

• 경도가 높아져 내마모성이 향상됩니다.
• 내열성이 높아져 고온에서 절삭성능이 향상됩니다.

질화처리를 통해 탭 표면경도를 Hv1300(비커스 경도)까지 향상시킬 수 있습니다. 이 경도는 탭 바탕 경도 HRC64(Hv870)과 비교하면 약 1.5배입니다.

 

 6.2.2 적용범위

열경화성수지 회주철과 알루미늄 다이케스트, 알루미늄 주물등의 피삭재는 특히 내마모성을 고려해야 하므로 이것에 적용할시 큰 효과를 볼 수 있습니다.

하지만 강계열 탭은 이 빠짐과 파손 위험이 있기 때문에, 사용시 충분히 주의를 할 필요가 있습니다. 적용 경도 범위는 Hv1000-1300이지만 강계열은 Hv1100 이하가 일반적입니다.

주로 핸드탭에 적용되고 포인트탭이나 스파이럴탭에는 거의 적용되지 않습니다.

 

6.2.3 절삭성능

 Hv1200의 질화처리가 된 핸드탭과 아무 처리 되지 않은 핸드탭을 주철(FC250)에 탭핑하여 절삭토크(탭핑시의 회전저항)를 살펴보면, 질화처리 한 탭이 더 높은 내마모성을 가지고 있음을 확인할 수 있습니다.

 

6.3 TiN코팅 처리 

 TiC(티탄 탄화물), TiN(티탄 질화물) 등 경질물질을 코팅하는 방법은 크게 두가지가 있습니다. CVD법(화학적증착법)과 PVD법(물리적증착법)입니다.

CVD 법은 900-1100도씨의 높은 처리온도를 갖고 이것은 하이스의 소려 온도를 초과하기 때문에 SKH탭(하이스탭)에는 적용하지 않습니다.

PVD 법은 550도씨 이하의 저온으로 처리하기 때문에 탭이나 엔드밀 같은 하이스 공구에 적용하기 적합합니다. PVD 법 중 대표적인 것은 HCD이온플레이팅법입니다.

이것은 고진공로 탱크에 증발금속 티타늄(Ti)을 넣어서 전자빔으로 용해증발시키고 질소(N2) 가스와 반응시켜 예열한 처리품의 표면에 TiN피막을 얇게 형성하는 것입니다. 처리품에 음(-)의 전압을 가하면 밀착성 높은 황금색의 코팅층이 생성됩니다.

탭 처리층의 두께는 1-3㎛정도입니다.

 

6.3.1 특성

 TiN코팅 처리를 하면 다음의 성능 향상을 노릴 수 있습니다.

• 표면경도가 높아 지고 내마모성이 향상됩니다.
• 마찰계수가 감소됩니다.
• 용착, 소착 현상을 방지합니다.

이것은 표면처리의 목적을 전부 달성하는 것입니다. 질화처리 또한 표면경도를 높이는 효과가 있지만 TiN코팅 피막은 경도를 Hv2000 이상으로 할 수 있습니다. 이것은 하이스에 비해 3배 가까운 경도입니다.

TiN을 다른 질화물이나 탄화물(TiC)과 비교하면, 열전도율과 열팽창계수가 하이스에 가까워 밀착강도에 좋은 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 탭에는 TiN 코팅이 적합합니다. 마찰계수도 적습니다. TiN코팅의 니켈 마찰 계수는 하이스의 절반 수준입니다.

 

6.3.2 적용범위

 질화처리와 호모처리 특성을 모두 갖춘 TiN코팅 탭은 연질과 경질까지 폭넓은 재질에 사용됩니다. 일반구조용 압연강 이나 용착이 생기기 쉬운 스테인레스강 그리고 내마모성이 필요한 조질재(열처리에 의해 경도를 높게 한 재료), 구조용합금강과 합금공구강에도 효과를 볼 수 있습니다.

 

6.3.3 절삭성능

석출경화계스테인레스강 재질 포인트 탭에 무처리, 호모처리 그리고 TiN코팅처리의 3가지 각기 다르게 표면처리하여 내구성테스트를 해보면, 무처리품에 비해 호모처리한 것이 약 3배의 내구성을 갖고, TiN코팅 처리품의 경우 다시 호모처리품의 3배 이상의 내구성을 보이는 것을 확인할 수 있습니다.

뉴롤탭 호모처리품과 TiN코팅 처리품을 비교해 보아도 TiN코팅 처리품의 내구성이 약 3배 높은 효과를 보입니다.

 

마무리

표면처리에 관해 적용범위와 성능 등을 살펴보았습니다. 감사합니다.