스테인리스강 CNC 가공 | 가공성, 등급, 솔루션

스테인리스강은 높은 강도, 인성, 탁월한 내열성 및 내식성으로 인해 엔지니어링 분야에서 널리 사용됩니다. 그러나 이러한 물리적, 기계적 특성은 제조 공정에서 상당한 어려움을 야기하기도 합니다. 가공 관점에서 볼 때, 스테인리스강은 심한 가공 경화 경향, 높은 절삭력, 낮은 열전도율 때문에 가공하기 어려운 소재로 여겨집니다.

가공성 개요

가공성은 금속 재료가 절삭 공정을 거치기 쉬운 정도를 나타냅니다. 정상적인 절삭 조건이 확립되면, 금속의 가공성은 공작물의 표면 조도, 절삭 속도 및 공구 마모 정도를 기준으로 평가됩니다.

가공성은 마찰과 고속 탄성 및 소성 변형을 포함하는 복잡한 표면층 현상입니다. 따라서 절삭 용이성과 결과물의 품질은 여러 요인과 관련이 있습니다.

1. 도구의 재료와 기하학.
2. 공작물 재료의 절삭 성능.
3. 가공 과정 중 절삭유의 존재 및 특성.
4. 절단 유형 및 조건.

다른 조건이 일정하다고 가정할 때, 절삭하기 가장 쉬운 금속은 최대 절삭 속도, 최소 공구 마모, 최저 에너지 소비를 달성하면서 가장 만족스러운 표면 조도를 얻을 수 있는 금속입니다. 대부분의 경우 절삭의 주요 요구 사항은 고속 절삭과 긴 공구 수명이지만, 어떤 상황에서는 표면 평활도가 더 중요한 요소가 될 수 있습니다.

가공성 판단 방법

1. 동일한 절삭 속도에서 서로 다른 금속을 절삭할 때 동일한 공구의 수명을 비교합니다.
2. 동일한 압력, 회전 속도 및 시간을 사용하여 서로 다른 금속에 뚫린 깊이를 비교합니다.
3. 서로 다른 금속의 일정량을 절삭할 때 소모되는 에너지 또는 방출되는 열을 기준으로 가공성을 비교합니다.

이러한 방법들은 가공된 부품의 표면 거칠기를 고려하지 않고, 단지 절삭 용이성만을 이용하여 금속의 가공성을 상대적으로 비교합니다.

금속 가공성은 금속의 다른 특성과 관련된 매우 복잡한 기술적 특성입니다. 먼저 금속을 절단하기 어려운 이유를 이해해야 합니다.

1. 경도나 강도가 너무 높으면 절삭에 소모되는 에너지가 많아지고, 속도가 증가함에 따라 발생하는 열이 공구 날을 쉽게 무르게 만들어 절삭이 매우 어려워집니다.
2. 연성이 높은 금속은 절삭 시 구성날(BUE)이 발생하고 공구날에 달라붙는 경향이 있어 절삭이 어려워지고 표면 거칠기가 증가합니다.
3. 가공 경화가 잘 되는 금속, 예를 들어 고탄소강, 고망간강, 내마모강, 오스테나이트계 스테인리스강은 절삭하기 어렵습니다. 또한 탄화물이나 산화물과 같은 단단한 2차상을 함유한 금속은 공구 날을 쉽게 마모시키기 때문에 절삭이 어렵습니다.

둘째로, 금속을 절삭하기 쉽게 만드는 구조가 무엇인지 알아야 합니다. 기지 내에 불용성인 3차상은 윤활성을 갖거나 재료의 취성을 증가시켜 가공성을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 흑연, 납, 비스무트는 절삭 시 윤활 효과를 높이고, 취성 황화물과 인화물(강철의 MnS 및 Fe₃P 등)은 칩이 더 쉽게 부서지도록 합니다.

가공성을 향상시키는 방법

1. 단단한 금속을 부드럽게 하다템퍼링 또는 어닐링).
2. 지나치게 무른 금속을 경화시킨다(냉간 가공, 결정립 미세화, 노멀라이징).
3. 2차 경질화 단계를 줄입니다(제련 품질 향상, 불순물 감소).
4. 하드 세컨드 페이즈의 분포를 개선합니다.가열 냉각 또는 정규화).
5. 절삭 성능을 향상시키는 2차상 원소(Pb, Bi, 흑연, MnS, Fe3P 등)를 첨가하십시오.

최종 방법(5)은 자동 공작 기계에 적합한 우수한 가공성을 갖는 합금을 생산할 수 있으므로 이를 자유 절삭강 및 합금이라고 합니다.

가공성에 영향을 미치는 일부 물리적 및 기계적 특성은 미세구조에 둔감하여 구조 개선을 통해 변화시키기 어렵습니다. 이러한 특성에는 기지 금속의 열팽창 계수, 열전도율 및 탄성 계수가 포함됩니다.

스테인리스강 절단 개요

스테인리스강의 종류에 따라 가공성이 다르며, 그 차이는 상당합니다. 일반적으로 스테인리스강의 가공성은 다른 강재에 비해 떨어집니다. 예를 들어 탄소강과 비교했을 때 오스테나이트계 스테인리스강은 가공성이 가장 좋지 않습니다. 이는 오스테나이트계 스테인리스강의 심한 가공경화와 낮은 열전도율 때문입니다. 따라서 가공 시 열변형을 줄이기 위해 수성 절삭유를 사용해야 합니다. 특히 용접 후 열처리가 불량한 경우, 가공 정밀도를 아무리 높여도 변형은 불가피합니다. 마르텐사이트계 및 페라이트계 스테인리스강과 같은 다른 종류의 스테인리스강은 담금질 후 가공하지 않는 한 탄소강과 가공성이 크게 다르지 않습니다. 그러나 마르텐사이트계와 페라이트계 모두 탄소 함량이 높을수록 가공성이 떨어집니다. 석출경화 스테인리스강은 구조 및 처리 방법의 차이로 인해 가공 성능이 다르지만, 일반적으로 어닐링 상태에서는 동일한 계열 및 강도의 마르텐사이트계 및 오스테나이트계 스테인리스강과 기본적으로 동일한 가공성을 나타낸다.

스테인리스강은 뛰어난 내열성 및 내식성뿐만 아니라 높은 강도와 ​​인성을 지니고 있어 널리 사용됩니다. 많은 응용 분야에서 한 금속 재료가 다른 금속을 절삭하는 능력은 가공성에 의해 결정됩니다. 모든 스테인리스강은 가공이 가능하며, 등급에 관계없이 가공성이 우수합니다. 스테인리스강의 가공성은 물리적 및 기계적 특성과 마찬가지로 매우 다양합니다.

일반적으로 스테인리스강은 크롬 함량이 11.5% 이상인 철 기반 합금을 의미합니다. 필요한 내식성 및/또는 기계적 특성을 얻기 위해 탄소, 니켈, 망간, 실리콘, 알루미늄, 티타늄, 니오븀 및 기타 합금 원소를 첨가할 수 있습니다.

가공성에 따른 스테인리스강의 종류

미세구조와 열처리 조건에 따른 분류가 가장 일반적인 방법입니다. 이 방법은 모든 스테인리스강을 경화성(마르텐사이트계), 비경화성(페라이트계), 오스테나이트계의 세 가지 범주로 나눕니다. 각 범주에는 쾌삭강이 포함됩니다.

경화성 스테인리스강

이 그룹은 열처리 로 경화시킬 수 있는 400 시리즈 강으로 구성됩니다 . 절삭성이 좋은 강종으로는 스테인리스강 416, 420F, 440F가 있습니다. 일반적인 가공성을 가진 강종으로는 403, 410, 420, 431, 440A, 440B, 440C가 있습니다. 이들 모두 마르텐사이트계 강으로, 어닐링 상태에서는 자성을 띠며, 담금질과 템퍼링을 통해 다양한 강도를 얻을 수 있습니다. 가공성이 가장 좋은 강종은 416이고, 탄소 함량이 높아 공구 마모가 심한 440C가 가장 가공하기 어렵습니다.

비경화성 스테인리스강

이 그룹에는 열처리로 크게 경화시킬 수 없는 400 시리즈 강이 포함됩니다. 이 강들은 어닐링 상태에서 페라이트 구조를 가지며 자성을 띕니다. 절삭성이 좋은 강종으로는 430F가 있으며, 일반적인 가공성을 가진 강종으로는 405, 430, 446이 있습니다.

오스테 나이트 계 스테인리스 강

크롬-니켈 300 시리즈 강은 최근 크롬-니켈-망간 200 시리즈 강까지 포함하도록 범위가 확장되었습니다. 이 강들은 어닐링 상태에서 오스테나이트 구조를 가지며, 기본적으로 비자성이고 열처리로 경화시킬 수 없습니다. 그러나 대부분의 오스테나이트 강은 페라이트 강이나 마르텐사이트 강보다 훨씬 높은 가공 경화율을 나타냅니다. 쾌삭강으로는 303과 303Se가 있으며, 표준 등급으로는 201, 202, 301, 302, 304, 305, 308, 309, 310, 316, 317, 321, 347 등이 있습니다. 오스테나이트 강은 대부분의 마르텐사이트 강이나 페라이트 강보다 가공이 훨씬 어렵습니다. 어닐링 상태에서 점착성이 강하고 특수 가공 기술을 사용하지 않으면 섬유질 칩이 생성됩니다. 높은 가공 경화율 또한 절삭 난이도를 높이는 요인입니다.

스테인리스강 CNC 가공의 특성

스테인리스강의 가공성은 중탄소강보다 훨씬 떨어집니다. 1045강을 100%로 했을 때, 오스테나이트계 321강은 40%, 페라이트계 10Cr28강은 48%, 마르텐사이트계 420강은 55%입니다. 오스테나이트계 및 오스테나이트+페라이트계 스테인리스강이 가공성이 가장 나쁩니다. 주요 특징은 다음과 같습니다.

심각한 작업 경화

오스테나이트계 강과 오스테나이트-페라이트계 강에서 가장 두드러지게 나타납니다. 경화 후 강도는 1470~1960 MPa에 달할 수 있습니다. 항복 강도는 어닐링 상태에서 30~45%에서 경화 후 85~95%로 증가합니다. 경화층의 깊이는 절삭 깊이의 1/3 이상일 수 있으며, 경도는 초기 경도의 1.4~2.2배에 이릅니다. 이는 높은 소성, 격자 변형, 그리고 응력 하에서 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하는 현상 때문입니다.

큰 절삭력

특히 오스테나이트계에서 높은 가소성을 보이며, 1045강보다 1.5배 높은 연신율을 통해 절삭력을 향상시킵니다. 가공 경화 및 높은 열 강도는 내구성을 더욱 높이고 칩 파손을 어렵게 합니다. 06Cr18Ni11Ti의 단위 절삭력은 2450MPa로, 1045강보다 25% 높습니다.

고온 절삭 온도

큰 소성 변형과 마찰로 인해 상당한 열이 발생합니다. 여기에 낮은 열전도율(1045강의 1/4~1/2 수준)이 더해져 열이 절삭 부위에 집중됩니다. 동일한 조건에서 321강의 온도는 1045강보다 약 200°C 더 높습니다.

깨기 어려운 칩

높은 가소성과 인성으로 인해 표면을 긁을 수 있는 연속적인 칩이 발생합니다. 다른 금속에 대한 높은 친화력으로 인해 점착 및 빌드업 에지가 발생하여 공구 마모와 표면 손상을 악화시킵니다.

공구 마모

친화력은 접착 및 확산 마모를 일으켜 공구 표면에 크레이터가 생기고 미세한 파손이 발생합니다. 강철에 함유된 단단한 탄화물 입자 또한 연삭 마모를 유발합니다.

큰 선팽창 계수

탄소강보다 약 1.5배 높습니다. 절삭 시 발생하는 열로 인해 가공물이 열적으로 변형되어 치수 정밀도를 제어하기 어렵습니다.

다양한 기계 가공 장비 중에서 자동 선반은 스테인리스강 봉을 수많은 부품으로 가공하는 데 매우 효율적입니다.

스테인리스강 가공 시 고려 사항:

1. 공구는 견고하고, 첨단 기술을 갖추고, 과부하 용량이 높아야 합니다. 기계 정격 용량의 75% 미만으로 절삭하는 것이 가장 좋습니다.
2. 가공물과 공구는 단단히 고정해야 합니다. 공구의 돌출부는 가능한 한 짧아야 하며, 필요한 경우 추가 지지대를 사용하십시오.
3. 공구는 항상 날카롭게 유지하십시오(고강도강 또는 초경합금). 정기적으로 연마하고, 필요할 때까지 기다리지 마십시오.
4. 염소계 석유 그리스와 같은 고성능 윤활유를 사용하십시오. 이는 저속 이송에서 중절삭 작업에 효과적입니다. 고속 마무리 작업 시에는 온도를 낮게 유지하기 위해 등유로 희석하여 사용하십시오.
5. 크롬-니켈 오스테나이트강에 주의하십시오. 가공 경화 및 미끄러짐을 방지하기 위해 강제 절삭을 사용하고 절삭 중간에 멈추지 마십시오.

탄소강과 비교했을 때:

1. 열처리된 스테인리스강은 일반적으로 강도가 더 높습니다.
2. 항복강도와 인장강도 사이의 차이가 더 크다.
3. 가공 경화율이 더 높습니다.
4. 고탄소강(440A/B/C)에는 기지를 경화시키고 마모성을 증가시키는 자유 합금 탄화물이 포함되어 있습니다.

스테인리스강 CNC 가공 공정

스테인리스강 가공 제조 공정에는 CNC 선삭, 밀링, 연삭, 드릴링 등이 포함됩니다.

CNC 터닝

일반적으로 단일점 절삭으로 간주됩니다. 공구는 양의 경사각을 가져야 합니다. 마르텐사이트계(420, 440)는 마모를 줄이기 위해 음의 경사각이 필요합니다. 오스테나이트계(200/300)는 가공 경화되는 경향이 있으므로 강제 이송을 유지하고 급정거하지 않도록 해야 합니다. 구조적 강성이 우수한 고출력 선반을 사용하십시오. 터릿 선반에는 초경 공구 사용을 권장합니다.

• 조삭 이송량: 0.229–0.406 mm.
• 마무리 이송량: 0.076–0.254 mm.
• 속도(크롬 재질): 61~152m/min.
• 속도(크롬-니켈 유형): 61~122m/min.
• 농축된 수용성 오일 혼합물을 사용하십시오.

CNC 밀링

높은 접착력과 융합 경향으로 인해 칩이 치아에 달라붙습니다. 상향 밀링 시, 치아가 경화된 표면 위를 미끄러지면서 경화가 더욱 심해집니다. 진동과 충격도 큽니다.

• 공구: 고속도강(W-Mo 또는 고바나듐강) 또는 초경합금(YG8, YW2, 813, 798 등)을 사용하십시오.
• 형상: 큰 헬릭스 각도(20°~45°)를 사용하십시오. 엔드밀은 톱니의 약화를 방지하기 위해 β 35에서 사용하는 것이 좋습니다.
• 방법: 클라임 밀링(하향 밀링)을 사용하여 날이 금속에서 부드럽게 빠져나오도록 하고 원심력에 의해 칩이 배출되도록 합니다.
• 냉각: 분무 냉각이 가장 효과적이며, 그렇지 않을 경우 10% 에멀젼이 충분히 흐르도록 하십시오.
• 속도: 초경합금의 경우 약 24m/min, 고속강철(HSS)의 경우 약 9m/min에서 시작하십시오.

CNC 연삭

높은 인성과 내열성으로 인해 음의 경사각을 가진 결정립은 칩을 쉽게 분리하지 못합니다. 에너지가 높아 온도가 1000~1500°C에 달하고, 칩이 연삭 휠에 쌓일 수 있습니다. 열전도율이 낮아 표면이 타거나 어닐링(깊이 0.01~0.02mm)될 수 있습니다. 팽창으로 인해 특히 얇은 벽 부품에서 변형이 발생할 수 있습니다. 대부분의 스테인리스강은 비자성이므로 기계적 클램핑이 필요하며, 이로 인해 진동이나 변형이 발생할 수 있습니다. 불균일한 연삭이나 국부적인 과열을 피해야 합니다.

CNC 드릴링

일반적으로는 트위스트 드릴을 사용합니다. 경화강 가공에는 카바이드 또는 초경질 고속도강(HSS) 드릴을 사용하십시오. 토크가 높고 칩이 달라붙어 경화됩니다. 칩 파쇄 홈을 연마하고 드릴 비트의 두께를 얇게 하여 축 방향 힘을 줄이십시오.

• 연마/경화: 절단이 잘 되도록 가장자리나 구멍에 분필 가루를 뿌리세요.
• 드릴 지그: 부싱은 짧게 유지하고, 칩 배출을 위해 드릴 직경 하나만큼의 간격을 유지하십시오.
• 속도: 경사도 및 수심에 따라 분당 12~38m.
• 이송 속도: 0.051–0.508 mm/r. 경화 현상을 줄이기 위해 정지 시간을 최소화하십시오.

CNC 태핑

쾌삭강은 탄소강과 유사합니다. 15°의 경사각이 좋습니다. 깊은 구멍을 뚫을 때는 압력을 줄이기 위해 얇은 홈이 있는 탭을 사용하십시오. 정밀 연삭된 나사산과 연마된 홈이 있는 고속도강(HSS) 탭을 사용하십시오. 나선형 홈이 있는 탭은 칩 제어에 더 효과적입니다. 파손을 방지하기 위해 나사산 깊이가 75%를 넘지 않도록 하십시오(65%가 더 좋은 경우가 많습니다). 높은 정밀도를 위해서는 드릴링 시 실제 크기보다 0.152~0.305mm 작게 뚫은 후 리밍하여 탭을 내십시오. 탭을 손으로 연삭하는 것은 피하십시오.

• 속도: 3~11m/분.
• 윤활: 굵은 나사산에는 유황유, 가는 나사산에는 등유 희석액, 심한 탭핑 작업에는 백연 분말을 사용합니다.

가공 후 세척 및 부동태화 처리

부식 방지를 위해 먼지와 얼룩을 모두 제거하십시오. 깨끗한 표면은 보호막 형성을 촉진합니다.

탈지: 모든 윤활유와 오일을 완전히 제거하기 위해 철저하고 완벽해야 합니다.

질산 용액: 일반적으로 20% 농도의 질산 용액을 49°C에서 최소 30분 동안 처리합니다. 질산은 철 입자를 용해시키고 부식 부위를 세척합니다.

조정 방법: 300 시리즈 또는 고크롬 400 시리즈의 경우, 20%~40% 농도의 용액을 54~71°C에서 30~60분간 사용합니다. 저크롬 400 시리즈의 경우 더 낮은 온도를 사용합니다. 뜨거운 물로 헹구고 즉시 건조하십시오.

스테인리스강 CNC 가공 표면 마감

일반적인 생각과는 달리 스테인리스강은 녹이 전혀 슬지 않는 것이 아니라, 상대적으로 녹에 강한 것입니다. 표면에 형성된 매우 얇은 크롬이 풍부한 산화막이 보호막 역할을 합니다. 그러나 이 산화막은 표면 긁힘, 부적절한 세척, 탄소강 오염, 용접과 같은 환경적 요인 및 기계적 가공 과정에서 손상될 수 있습니다. 이러한 표면 오염은 보호막을 심각하게 손상시킬 수 있습니다.

따라서 스테인리스강 제품 제작 시 효과적인 조치를 취해야 합니다. 부식을 방지하는 가장 좋은 방법은 적절한 표면 처리입니다. 일반적인 처리 방법으로는 브러싱, 미러 폴리싱, 샌드 블라스팅, 지문 방지 코팅 등이 있으며, 각각 고유한 미적 효과와 기능적 이점을 제공합니다.

거울 연마

미러 마감은 물리적 또는 화학적 방법을 사용하여 스테인리스 스틸 표면을 연마하는 것을 말합니다. 연마는 표면 전체 또는 특정 부위에 적용할 수 있습니다. 미러 마감 등급은 일반 연마, 6K(표준 미러), 8K(미세 연마), 10K(초미세 연마)로 나뉩니다. 미러 마감은 고급스럽고 미니멀하며 세련되고 미래지향적인 미적 감각을 선사합니다.

모래 발파

샌드블라스팅 은 스테인리스강 가공에서 흔히 사용되는 표면 처리 공정입니다. 압축 공기를 동력으로 사용하여 연마재를 고속으로 공작물 표면에 분사함으로써 표면 질감을 변화시킵니다. 샌드블라스팅 은 주로 접합 부품의 접착력 향상, 가공 표면의 버 제거, 오염 제거, 무광택 마감 처리 등과 같은 엔지니어링 및 공정 최적화에 사용됩니다. 이 공정은 수동 샌딩보다 훨씬 우수하며, 균일한 표면 구조와 깔끔하고 내구성 있는 외관을 제공하면서 생산 효율성도 높습니다. 수동 샌딩도 거친 표면을 만들 수 있지만 시간이 너무 오래 걸리고, 화학 세척은 종종 표면을 너무 매끄럽게 만들어 코팅 접착력을 최적화하지 못하는 경우가 있습니다.

화학 처리

이 공정은 화학적 및 전기화학적 방법을 조합하여 스테인리스강 표면에 안정적인 화합물 층을 형성하는 것입니다. 전기 도금은 화학적 처리의 대표적인 예입니다. 이 방법은 주로 스케일 제거를 위해 단일 또는 혼합 산성 용액과 양극 용액을 사용합니다. 그 후, 크롬산염 처리, 인산염 처리 또는 흑색 산화물 처리를 통해 보호막을 형성합니다 . 이 공정은 주로 복잡한 패턴을 만들거나 특정 빈티지 또는 현대 디자인 요구 사항을 충족하는 데 사용됩니다.

착색

표면 착색 공정을 통해 스테인리스강에 다양한 색상을 입힐 수 있어 금속의 외관을 더욱 생동감 있게 만들 수 있습니다. 시각적인 매력 외에도, 착색은 제품의 내마모성 및 내식성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 일반적인 착색 방법으로는 화학적 착색, 전기화학적 산화 착색, 이온 증착 산화물 착색, 고온 산화 착색, 기상 열분해 착색 등이 있습니다.

칫솔질

금속 브러싱은 매우 흔한 표면 장식 기법입니다. 직선, 실선, 물결무늬, 불규칙 무늬, 회전 무늬 등 다양한 패턴을 만들 수 있습니다. 브러싱 처리된 표면은 촉감이 좋고, 은은한 광택이 나며, 내마모성이 뛰어납니다. 이러한 처리 방식은 전자 기기, 가전 제품, 기계 장비 등 다양한 분야에 널리 적용됩니다.

스프레이 코팅

스테인리스강 스프레이 코팅은 앞서 언급한 착색 공정과는 상당히 다릅니다. 사용되는 재료에 따라 일부 페인트는 스테인리스강의 산화막을 손상시킬 수도 있습니다. 그러나 특정 스프레이 코팅은 간단한 공정을 통해 다양한 색상을 구현할 수 있으며, 코팅 종류에 따라 스테인리스강 표면의 촉감이나 질감을 바꿀 수도 있습니다.

Getzshape CNC 가공 공차 및 용량

Getzshape는 고품질 맞춤형 CNC 가공, 판금 제작, 방전 가공, 다이캐스팅 등을 제공합니다. 스테인리스강 가공을 위한 당사의 CNC 가공 능력은 아래에 나열되어 있습니다.