초경합금이란? 성분별 종류 일람부터 제조 프로세스까지 정리

초경합금이란? 성분별 종류 일람부터 제조 프로세스까지 정리

초경합금(超硬合金, Cemented Carbide)은 높은 경도와 내마모성을 갖춘 합금으로, 주로 절삭 공구, 금형, 광산 기계 부품 등에 사용됩니다. 이 글에서는 초경합금의 개요부터 성분별 종류, 제조 과정까지 자세히 정리해 보겠습니다.

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1. 초경합금이란?

초경합금은 금속 카바이드(탄화물, Carbide)와 금속 결합제(Binder Metal)를 혼합하여 만든 합금으로, 일반적인 금속보다 훨씬 단단합니다.

✅ 특징:

• 높은 경도(硬度) → 일반 강철보다 단단하여 절삭 공구로 적합
• 우수한 내마모성(耐摩耗性) → 마찰과 마모에 강함
• 고온에서도 강도 유지 → 절삭 작업 중 고온에서도 변형이 적음
• 높은 압축 강도 → 기계 부품으로 사용 시 내구성이 뛰어남

💡 응용 분야: 절삭 공구(드릴, 밀링 커터, 톱날), 금형, 광산용 기계 부품, 자동차 및 항공 우주 부품

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2. 초경합금의 성분별 종류

초경합금은 주로 탄화물(카바이드)과 결합 금속으로 구성됩니다. 탄화물의 종류에 따라 성질이 달라지며, 주요 성분은 다음과 같습니다.

(1) 텅스텐 카바이드(WC) 기반 초경합금

• 가장 널리 사용되는 초경합금
• 철, 니켈, 코발트 등의 금속을 결합제로 사용
• 절삭 공구, 금형, 내마모 부품에 사용

📌 예시:

• WC-Co (텅스텐 카바이드 + 코발트) → 공구용
• WC-Ni (텅스텐 카바이드 + 니켈) → 내식성 필요할 때 사용

(2) 티타늄 카바이드(TiC) 기반 초경합금

• WC보다 경도는 낮지만, 산화 저항성이 우수
• 초고온에서도 경도가 유지됨
• 철강 절삭 공구(선삭, 밀링) 등에 사용

📌 예시:

• TiC-Ni-Mo → 고속 절삭 공구용

(3) 탄탈럼 카바이드(TaC), 니오븀 카바이드(NbC) 기반 초경합금

• WC나 TiC에 소량 첨가하여 고온 강도와 내산화성을 향상
• 항공기, 우주 산업 등 극한 환경용 부품에 사용

📌 예시:

• WC-TiC-TaC-Co → 고속 절삭 공구, 내마모 부품

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3. 초경합금의 제조 프로세스

초경합금은 일반적인 금속과 달리 분말 야금(Powder Metallurgy) 공정을 통해 제조됩니다.

(1) 원료 준비 (탄화물 + 결합제 분말 혼합)

• 텅스텐(W), 탄탈럼(Ta), 니오븀(Nb) 등과 같은 금속을 탄화(TiC, WC 등)
• 결합제로 사용될 코발트(Co) 또는 니켈(Ni) 분말과 혼합

(2) 분쇄 및 혼합 (Ball Milling)

• 혼합된 원료를 **볼 밀(Ball Mill)**을 사용하여 미세 분말로 분쇄
• 균일한 입자로 만들어야 제품의 품질이 향상됨

(3) 프레싱(성형) → 가압 성형(Pressing)

• 분말을 금형(Die)에서 고압으로 압축하여 원하는 형태로 성형
• 가공 후에는 **"녹색 상태(Green Compact)"**라고 부름

(4) 소결(Sintering) → 고온 가열

• **1,300~1,600°C의 고온에서 소결(燒結)**하여 입자를 결합
• 이 과정에서 금속 결합제(Co, Ni 등)가 녹으면서 입자 간 결합을 강화
• 완전한 초경합금으로 변환됨

(5) 후처리 (연삭, 코팅, 열처리 등)

• 필요한 경우 추가 가공(연삭, 폴리싱 등)
• 절삭 공구의 경우 TiN, TiAlN 코팅을 하여 내구성 향상

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4. 초경합금과 고속도강(High-Speed Steel, HSS)의 비교

초경합금과 고속도강(HSS)은 모두 절삭 공구에 사용되지만, 각자 장단점이 있습니다.

구분	초경합금 (Cemented Carbide)	고속도강 (HSS)
경도	매우 높음 (HV 1,400~2,000)	낮음 (HV 600~900)
내마모성	우수	보통
절삭 속도	빠름	느림
충격 저항성	낮음 (깨지기 쉬움)	높음
가격	비쌈	저렴함
사용 용도	고속 절삭 공구, 내마모 부품	범용 공구 (드릴, 톱날 등)

📌 정리:

• 초경합금: 경도가 높아 고속 절삭, 내마모성 필요할 때 사용
• 고속도강: 상대적으로 유연하고 충격에 강해 일반적인 절삭 공구에 적합

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5. 초경합금의 최신 기술과 발전 방향

최근 초경합금 기술은 더 높은 내구성과 성능을 목표로 발전하고 있습니다.

(1) 나노 구조 초경합금

• 초미세 입자(WC-Co)를 활용하여 내마모성 및 인성을 동시에 향상
• 기존 초경합금보다 더 정밀한 가공 가능

(2) 기능성 코팅 기술

• TiN(질화 티타늄), TiAlN(질화 티타늄-알루미늄) 코팅으로 마찰 감소 및 내열성 향상
• 다층 코팅(multilayer coating) 기술 발전

(3) 3D 프린팅을 이용한 제조

• 적층 제조(AM, Additive Manufacturing) 기술을 활용하여 복잡한 형상의 초경합금 제작 가능

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6. 결론

초경합금은 고경도, 내마모성, 고온 강도 등의 특성을 가진 산업 필수 소재입니다. 텅스텐 카바이드(WC), 티타늄 카바이드(TiC), 탄탈럼 카바이드(TaC) 등의 성분 조합에 따라 다양한 종류가 있으며, 절삭 공구, 금형, 내마모 부품 등에 폭넓게 사용됩니다.

 

📌 요약:
✅ 초경합금의 주요 특징 → 높은 경도, 내마모성, 고온에서도 강함
✅ 종류 → WC, TiC, TaC 등 다양한 성분 조합
✅ 제조 과정 → 분말 혼합 → 성형 → 소결 → 후처리
✅ HSS와 비교 → 초경합금은 경도가 높지만 충격 저항성이 낮음
✅ 최신 기술 → 나노 구조, 코팅 기술, 3D 프린팅 활용

초경합금의 발전과 함께 더 정밀하고 효율적인 산업 공구가 지속적으로 개발되고 있습니다! 🚀