다이아몬드 와이어 톱을 이용한 경금속 절단 — 티타늄, 텅스텐, 몰리브덴

단단한 금속 절단은 대부분의 기존 도구가 빠르게 고장나는 부분입니다. 티타늄 합금, 텅스텐, 몰리브덴은 이를 가공해 본 사람이라면 누구나 잘 알고 있는 평판을 공유합니다. 이들은 공구를 파괴합니다. Ti-6Al-4V는 열이 빠져나갈 곳이 없기 때문에 탄화물 인서트가 마모됩니다. 열전도율은 약 7W/m·K로 강철의 약 1/6에 불과합니다. 순수 텅스텐은 대부분의 절삭 공구보다 단단하며(단조 텅스텐의 경우 HV 350–450), 상온 취성의 가장자리에 있어 절단 중에 예고 없이 균열이 발생할 수 있습니다. 몰리브덴은 연성 면에서 약간 더 관대하지만 500°C 이상에서 공격적으로 산화되므로 심각한 열을 발생하는 모든 절단 공정은 연삭해야 하는 변색되고 산화물로 오염된 표면을 남깁니다.

이들은 모두 공작물 비용이 절단 작업 자체보다 훨씬 더 많이 드는 재료입니다. Ti-6Al-4V의 50mm × 50mm × 200mm 빌렛은 300–600달러이며, 비슷한 크기의 텅스텐 블록은 1,000달러를 초과할 수 있습니다. 넓은 절단 폭으로 인해 재료를 낭비하거나 열 손상으로 인해 부품을 폐기하는 것은 비용이 많이 듭니다. 바로 여기서 다이아몬드 와이어 커팅 는 냉간 공정, 좁은 절단 폭, 열 영향부가 없고 종종 2차 연삭을 제거하는 표면 품질로 인해 그 가치를 인정받습니다.

이 기사에서는 이 세 가지 재료 각각에 대한 단단한 금속 절단의 특정 과제, 기존 방법이 부족한 부분, 그리고 다이아몬드 와이어 톱질에 사용하는 공정 매개변수를 살펴봅니다.

단단한 금속 절단이 왜 그렇게 어려운가요?

이 세 가지 금속은 모두 기존 가공에서 다르게 실패하지만, 공통점이 있습니다. 절단 공정 자체가 재료 또는 공구, 또는 둘 다 손상시키는 경향이 있습니다.

티타늄 합금 (Ti-6Al-4V, Ti Grade 2, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo)

Ti-6Al-4V (ASTM B265 Grade 5)는 전 세계 티타늄 합금 사용량의 약 70%를 차지합니다. 비슷한 강도의 강철보다 약 40% 가벼워 항공 우주 구조 부품, 의료 임플란트 및 해양 하드웨어에 선호되는 재료입니다.

가공 문제는 동시에 불리하게 작용하는 세 가지 특성으로 요약됩니다.

열전도율 7W/m·K. 비교하자면, 연강은 약 50W/m·K이고 알루미늄은 200W/m·K 이상입니다. 티타늄을 절단할 때 절단 인터페이스에서 발생하는 열은 공작물 본체로 거의 빠져나갈 경로가 없습니다. 공구 끝과 절단 표면에 집중됩니다. 이는 공구 마모를 가속화하고 티타늄이 탄화물 표면과 결합하고 접착 마모를 유발하는 화학적으로 반응하는 온도 범위에 해당하는 600°C 이상의 국부적인 과열 지점을 생성할 수 있습니다.

높은 탄성 (낮은 계수). 티타늄의 탄성 계수는 약 114GPa로 강철의 절반 정도입니다. 절단 중에 공작물은 공구에서 벗어나 다시 튀어 오릅니다. 이는 깨끗한 재료 제거보다는 마찰을 유발하여 추가적인 열을 발생시키고 좋지 않은 표면 마감을 생성합니다. 얇은 벽 티타늄 부품을 가공하기 어려운 이유이기도 합니다. 절단력에 의해 변형되고 떨림이 발생합니다.

가공 경화. 오스테나이트계 스테인리스강과 유사하게, 절삭 시 티타늄 합금은 표면에서 경화됩니다. 공구가 재료를 제거하지 않고 머물거나 마찰하면 표면이 가공 경화되어 후속 패스가 점점 더 어려워집니다. 이는 악순환을 만듭니다. 더 단단한 표면은 더 많은 열을 발생시키고, 이는 공구를 더 빨리 무디게 하며, 이는 더 많은 마찰을 유발합니다.

텅스텐 (순수 W, W-Ni-Fe, W-Cu)

순수 텅스텐은 비커스 경도가 350–450 HV(단조)이고 녹는점이 3,422°C로 모든 금속 중에서 가장 높습니다. 방사선 차폐, 고온 용광로 부품, 평형추 및 전기 접점에 사용됩니다. ASTM B760 규격 은 이러한 응용 분야에 사용되는 텅스텐 판 및 시트를 다룹니다.

정의되는 가공 문제는 연성-취성 전이 온도 (DBTT). 입니다. 상온에서 순수 텅스텐은 취성에 가깝습니다. 상업적으로 순수한 텅스텐의 DBTT는 일반적으로 가공 이력, 결정립 구조 및 불순물 함량에 따라 200°C에서 400°C 사이에 있습니다. DBTT 이하에서는 텅스텐이 결정립계를 가로지르는 균열 모드로 파괴됩니다. 즉, 균열이 최소한의 소성 변형으로 결정립을 통해 전파됩니다. 이는 상온에서 높은 기계적 응력을 가하는 모든 절삭 방법이 공작물 균열의 위험을 초래한다는 것을 의미합니다.

텅스텐의 일반적인 가공은 주로 다이아몬드 연삭 및 와이어 EDM으로 제한됩니다. 일부 텅스텐 합금(W-Ni-Fe 중합금은 더 연성이 있음)의 경우 카바이드 공구를 사용한 CNC 밀링이 가능하지만, 순수 텅스텐 및 W-Cu 복합재는 밀링의 간헐적인 절삭력으로 인해 칩이 떨어지고 균열이 발생합니다.

또 다른 복잡한 점은 텅스텐은 밀도가 19.3 g/cm³으로 강철보다 거의 2.5배 무겁다는 것입니다. 이는 작은 공작물조차도 무겁다는 것을 의미하며, 고정구 설계는 질량을 고려해야 합니다. 절삭 중 부품이 이동하면 중력으로 인한 테스트 절삭이 실제로 골칫거리가 될 수 있습니다.

몰리브덴 (순수 Mo, TZM)

몰리브덴은 가공 난이도 면에서 텅스텐과 티타늄 사이에 있습니다. 경도는 중간 정도(단조 Mo의 경우 HV 200–300)이며, 텅스텐보다 상온 연성이 다소 좋습니다. TZM 합금(Mo-0.5Ti-0.1Zr)은 가장 일반적으로 가공되는 등급으로, 고온 구조 부품, 방열판 및 반도체 공정 장비에 사용됩니다.

문제점:

500°C 이상에서의 산화. 몰리브덴은 고온에서 휘발성 MoO₃를 형성합니다. 산화물은 보호층을 형성하는 대신 증발하므로 금속이 뜨거울 때 실제로 침식됩니다. 표면을 500°C 이상으로 가열하는 모든 절삭 공정은 산화되고 구멍이 뚫린 표면을 남깁니다. 이는 정밀 작업에 레이저 절단을 배제하고 연삭 절단 중 열 관리를 중요하게 만듭니다.

상온에서의 낮은 파괴 인성. 텅스텐과 마찬가지로 몰리브덴도 DBTT를 가지고 있습니다. 단조 재료의 경우 일반적으로 0°C ~ 100°C이며, 텅스텐보다 낮지만 상온에 충분히 가깝기 때문에 공격적인 절단 시 취성 파괴가 문제가 됩니다.

스미어링. 절삭 속도가 불충분한 상태에서 일반 공구로 가공할 때 몰리브덴은 깨끗한 칩을 형성하기보다는 스미어링되는 경향이 있습니다. 이로 인해 공구에 빌드업된 날이 생기고 가공물 표면이 찢어지고 거칠어집니다.

경질 금속 절단에 다이아몬드 와이어 쏘가 효과적인 이유

티타늄, 텅스텐, 몰리브덴에 공통적인 점은 일반적인 절단이 너무 많은 열, 너무 많은 기계적 응력 또는 둘 다를 발생시킨다는 것입니다. A 다이아몬드 와이어 톱 근본적으로 다른 제거 메커니즘, 즉 높은 선속도와 낮은 단위 절삭력으로 유연한 공구를 사용한 마이크로 연삭을 통해 이를 해결합니다.

타협 없는 열 제어

그만큼 다이아몬드 와이어 루프 40-70m/s로 이동합니다. 각 다이아몬드 입자는 마이크로초 동안 가공물과 접촉하고, 미세한 칩을 제거하고, 이동합니다. 입자당 발생하는 열은 미미하며, 단일 절삭날에 집중되는 것이 아니라 전체 와이어 둘레에 분산됩니다.

연속적인 냉각수 공급(수성 또는 경질 광유)과 결합하면 절단 영역이 100°C 미만으로 유지됩니다. 표준 매개변수에서 티타늄 절단 시 표면 온도를 50-70°C로 측정했습니다. 몰리브덴의 경우 MoO₃ 형성이 없습니다. 텅스텐의 경우 취성 재료를 균열로 밀어 넣는 열 응력이 없습니다.

이것은 가공물 보호에 관한 것만이 아닙니다. 특히 티타늄의 경우 낮은 절삭 온도는 가공물과 공구 사이에 화학적 결합이 없음을 의미합니다. 일반적인 티타늄 가공에서 탄화물 인서트를 파괴하는 메커니즘은 다이아몬드 입자가 티타늄이 화학적으로 공격적이 되는 온도에 도달하지 않기 때문에 여기에 적용되지 않습니다.

낮은 기계적 응력으로 균열 방지

금속의 와이어 장력은 180-230N으로 설정되며, 절삭력은 와이어와 가공물 사이의 접촉 호를 따라 분산됩니다. 가공물의 어느 지점에서든 최대 기계적 응력은 단단한 날이나 밀링 커터보다 훨씬 낮습니다. 텅스텐과 몰리브덴의 경우 재료가 탄성 범위 내에 유지되어 균열을 시작할 수 있는 집중된 응력 집중이 없습니다.

0.5mm 와이어, 200N 장력, 0.2mm/min 이송 속도로 상온(22°C)에서 순수 텅스텐 블록을 균열 없이 절단했습니다. 동일한 블록이 밴드 쏘 시도 중에 균열이 발생했습니다. 톱니는 취성 파괴 임계값을 초과하는 국부적인 응력 집중을 생성했습니다.

좁은 커프로 귀중한 재료 절약

0.35-0.5mm 와이어는 약 0.4-0.55mm의 커프를 생성합니다. 일반적인 연삭 절단 휠의 1.5-3mm 커프 또는 밴드 쏘의 1-2mm와 비교하십시오. $20+/cm³ 텅스텐을 절단할 때 커프가 스와프가 되는 모든 밀리미터는 돈을 잃는 것입니다.

실질적인 예: 40mm x 40mm 텅스텐 블록을 2mm 웨이퍼 20개로 슬라이스합니다. 0.5mm 커프(다이아몬드 와이어)를 사용하면 커프에 약 10mm의 블록 길이가 손실됩니다. 이는 웨이퍼 하나 분량의 재료입니다. 2mm 커프(연삭 휠)를 사용하면 40mm, 즉 웨이퍼 10개 분량이 손실됩니다. 텅스텐의 경우 회수된 재료에서 수백 달러에 해당합니다.

권장 경질 금속 절단 매개변수

다음 매개변수는 당사의 생산 경험을 바탕으로 합니다. SG20 그리고 SGI20 플랫폼. 이는 시작점입니다. 프로덕션 설정으로 진행하기 전에 항상 특정 재료에 대해 테스트 절단을 수행하십시오.

절단 경험에 대한 몇 가지 참고 사항:

티타늄: 가장 큰 실수는 공급 속도를 너무 빠르게 설정하는 것입니다. 티타늄의 탄성은 더 단단한 재료보다 단위 공급력당 와이어 처짐이 더 커진다는 것을 의미합니다. 30mm 이상의 단면에서 공급 속도를 1mm/min 이상으로 올리면 와이어가 휘어지고 절단 표면에 테이퍼가 발생합니다. 일반적으로 0.5mm/min에서 시작하여 0.1mm/min 단위로 증가시키면서 기계 내장 변위 센서로 와이어 처짐을 모니터링합니다.

텅스텐: 느리고 꾸준하게. 공급 속도는 낮게 유지해야 합니다. 0.2–0.5 mm/min. 이는 경도 때문이 아니라(다이아몬드가 처리함) 취성 위험 때문입니다. 더 높은 공급 속도는 순간 절단력을 증가시키며, 상온의 텅스텐은 응력 스파이크를 견디지 못합니다. 기계적 안정성을 위해 더 두꺼운 0.5mm 와이어를 사용하십시오. 가능하다면 가열된 냉각수를 사용하여 작업물을 약간 따뜻하게(40–50°C) 가열하십시오. 이렇게 하면 재료가 DBTT에서 더 멀어지고 파손 위험이 줄어듭니다. 일부 실험실에서는 같은 이유로 고정구를 가열 패드로 감쌉니다.

몰리브덴: 텅스텐보다 더 관대합니다. 공급 속도를 더 높일 수 있으며(단면 30mm 이하에서 최대 1.5mm/min), 표면 품질이 일관되게 우수합니다(별다른 노력 없이 Ra 0.3–0.5 μm). 가장 중요한 문제는 산화 방지입니다. 몰리브덴에서 최상의 결과를 얻으려면 수성 냉각수 대신 유성 냉각수를 사용하십시오. 수성 냉각수를 사용하더라도 절단 온도가 너무 낮아 상당한 MoO₃ 형성이 일어나지 않지만, 오일은 표면 변색에 대한 추가적인 장벽을 제공합니다. 절단 후에는 이소프로판올로 절단면을 닦고 즉시 부품을 사용하지 않을 경우 건조기 보관을 권장합니다.

경금속 절단에 와이어 쏘가 가장 적합한 경우

금속 조직 시편 준비

이것이 우리가 가장 흔하게 보는 사용 사례입니다. 연구실 및 품질 부서에서는 미세 구조 분석을 위해 티타늄 항공 우주 부품, 텅스텐 스퍼터링 타겟 또는 몰리브덴 방열판의 단면이 필요합니다. 절단면은 열 아티팩트, 기계적 변형층, 스미어링이 없어야 합니다. 왜냐하면 전체 목적은 실제 미세 구조를 검사하는 것이기 때문입니다.

다이아몬드 와이어 쏘잉은 연마 절단 휠의 50–200 μm에 비해 일반적으로 5 μm 이하 깊이의 표면 아래 손상층을 가진 표면을 생성합니다. 이는 SEM 또는 EBSD 검사를 위해 시편을 준비하기 전에 후속 래핑 및 연마량을 크게 줄여줍니다.

항공 우주 부품 절단

제트 엔진 냉각 부품의 티타늄 부품은 종종 고장 분석 또는 잔여 수명 평가를 위해 절단해야 합니다. 절단 방법은 미세 구조를 변경하거나 분석을 혼동할 수 있는 잔류 응력을 도입해서는 안 됩니다. 다이아몬드 와이어 쏘잉은 절단면까지 원래 재료 상태를 보존합니다.

스퍼터링 타겟 제조

반도체 제조용 텅스텐 및 몰리브덴 스퍼터링 타겟은 정밀한 치수 제어와 오염 없는 표면이 필요합니다. 타겟은 일반적으로 더 큰 빌렛에서 특정 직경과 두께로 절단됩니다. 와이어 EDM으로 이 작업을 수행할 수 있지만, 재용융층을 남기고 EDM 와이어 전극에서 구리 또는 황동 오염을 유발합니다. 다이아몬드 와이어 절단은 두 가지 문제를 모두 피합니다. 재용융층도 없고 금속 오염도 없습니다. 와이어는 전기 도금된 다이아몬드가 있는 스테인리스 스틸 코어이며, 유일한 잔류물은 쉽게 세척되는 다이아몬드 연마 입자와 냉각수입니다.

의료용 임플란트 R&D

Ti-6Al-4V는 정형 외과 임플란트(고관절 줄기, 척추 케이지, 치과용 어버트먼트)의 주요 합금입니다. 개발 중에는 프로토타입 및 테스트 쿠폰이 기계적 테스트(피로 시험편, 인장 쿠폰) 및 생체 적합성 평가를 위해 자주 절단됩니다. 절단 방법은 절단면에서 재료의 피로 특성을 보존해야 하며, 이는 인장 잔류 응력이나 열 영향 영역을 도입하는 모든 공정을 배제합니다.

경금속 절단 방법 비교

와이어 EDM은 이러한 금속에 대한 가장 일반적인 정밀 대안이기 때문에 특별히 언급할 가치가 있습니다. 이는 엄격한 치수 정확도를 제공하며 와이어 톱으로는 절단할 수 없는 복잡한 윤곽을 절단할 수 있습니다. 그러나 재응고층은 금속학적 작업에 있어 심각한 문제입니다. 이는 변형된 결정 구조와 조성을 가진 용융 및 재응고된 재료의 얇은 영역입니다. 텅스텐 스퍼터링 타겟의 경우 황동 EDM 와이어 전극에서 발생하는 구리 오염은 반도체 응용 분야에서 부적격 사유가 됩니다. 다이아몬드 와이어 톱질은 두 가지 문제를 모두 피합니다.

경금속 절단을 위한 와이어 톱의 한계

절단 속도가 느립니다. 0.2–1.0 mm/min의 공급 속도로는 고처리량 작업이 아닙니다. Ti-6Al-4V의 40mm 단면을 절단하는 데 40–130분이 걸립니다. 하루에 수백 개의 부품을 절단해야 하는 경우 후처리 기능을 갖춘 기존 방법이 전체적으로 더 빠를 것입니다.

와이어 마모는 취성 재료보다 금속에서 더 높습니다. 티타늄, 텅스텐 및 몰리브덴은 유리, 세라믹 또는 실리콘보다 빠른 다이아몬드 와이어 마모를 유발합니다. 재료 및 단면 크기에 따라 매 2–4일(하루 8시간)마다 와이어 교체를 예상하십시오. 텅스텐의 경우 와이어 수명이 가장 짧습니다. 높은 경도는 다이아몬드 코팅을 더 빨리 마모시킵니다. 예산을 책정하십시오. 전착 다이아몬드 와이어 루프 소모품 비용으로, 정기적인 점검을 통해 와이어 상태를 추적하십시오. 장력 보정 검사.

직선 절단만 가능합니다. 로터리 축을 추가하지 않는 한(SG20-R 지원하는 경우), 와이어는 직선으로 절단됩니다. 복잡한 3D 프로파일은 여전히 EDM 또는 다축 CNC 연삭이 필요합니다.

단면 크기 제약. SG20은 최대 약 80mm의 단면을 처리합니다. 더 큰 빌렛은 더 큰 기계 프레임이 필요합니다. 매우 큰 텅스텐 또는 티타늄 단면의 경우 엔지니어링 팀과 맞춤형 구성을 상담하십시오.

실질적인 다음 단계

티타늄, 텅스텐 또는 몰리브덴을 절단하고 현재 방법으로 인해 공구 마모, 재료 낭비 또는 절단 후 표면 준비 시간이 많이 소요된다면 테스트 샘플을 보내주십시오. 최적화된 매개변수로 절단을 수행하고 측정된 Ra 값, 치수 데이터 및 단면 사진과 함께 조각을 반환해 드립니다. 첫 번째 테스트 실행은 무료입니다.

모든 금속 재료에 대한 다이아몬드 와이어 절단에 대한 전체 개요는 다음 허브 페이지를 참조하십시오. 금속용 와이어 톱.

금속 와이어 톱 절단에 대해 자세히 알아보십시오.