쾌삭성 회주철의 개발

Development of Free Machining Gray Cast Iron

Abstract

This study aims to improve the machinability of gray cast irons in high speed cutting by using nonmetallic inclusions. In this research, small quantities of AL and Mg were added to conventional gray cast irons without influencing their mechanical characteristics and castability to investigate the effects of these nonmetallic inclusions in the gray cast irons on tool wear in high speed cutting. During the high speed turning of gray cast iron containing Al and Mg using a cermet tool, protective layers consisting of Al, Mg, Si, Mn, S and O were detected on the flank face and rake face of the tool, and flank and crater wear were significantly reduced compared to the turning of conventional gray cast iron and gray cast iron added with Al. The effect of inclusions on tool wear increased with increasing cutting speed, and flank and crater wear was the smallest at the cutting speed of 700m/min. Moreover, in face milling, the addition of Al and Mg drastically decreased the wear rate, and wear hardly progressed even in prolonged cutting length after initial wear. The amount of adhesion on tool faces increased as the cutting speed increased. This increase in cutting speed resulted in the formation of a thick protective layer and the reduction of tool wear. Furthermore, the addition of small amounts of Al and Mg prevented thermal cracks in the face milling of gray cast irons.

1. 서론

주철을 기계부품의 재료로 사용하는 경우, 거의 예외 없이 제조 마무리 단계에서 부분적 또는 전체적으로 절삭 가공할 필요가 있다. 그 생산성 향상과 비용 절감을 위하여 수작업 공정을 단계 적으로 감소적으로 감소시키기 위하여 더욱 빠르게 공작기계를 개발하고 진화시키고 있다. 한편 순수하게 절삭 시간을 단축시키는 것은 그 실현이 어려워 문제가 되고 있다.

일반적으로 회주철은 쾌삭성이 좋은 금속재료이지만 현장에서 고속 절삭하는 경우 열 확산 등에 의한 열적 마모와 같은 지배적 요인으로 인하여, 공구의 마모가 현저하게 증가하기 때문에 공구 수명은 극단적으로 저하된다. 공구 수명의 저하로 인하여 가공형상 불량이나 공구 비의 증가를 초래하는 것을 말할 것도 없고, 공구 교환 등에 따른 준비 시간 증가를 야기시켜 생산 효율이 감소한다.

그런데 Ca 탈탄강 [1-3]의 예와 같이 절삭 시 재료 중에 존재하는 비금속 개재물로 이루어진 보호피막을 공구표면에 형성시키는 것이 공구에 생기는 열적 마모를 제어하기 위한 효과적인 방법이다. 다만 이와 같은 쾌삭화 기술을 실용화한 사례는 드물고 주철에 적용한 사례 [4-6]도 있지만, 비용 면에서 실용적인 공구재료의 종류에 대한 고속도 영역에서 이와 같은 쾌삭화 기술을 개발하지는 못하였다.

본 연구에서는, 회주철에 대하여, 현재에는 고속 절삭에 대하여 적용할 수 없는 공구 재료 종류에 대해 비금속 개재물을 형성시키는 방법을 적용할 수 있는 새로운 쾌삭화 회주철을 개발하였다. 구체적으로는 새로운 쾌삭화 원소로서 Mg으로부터 착안하여, 지금까지 보호피막 효과가 보고 [4-6]되어 있는 Al과 함께 Mg을, 기계적 성질이나 주조성에 문제가 생기지 않는 범위에서, 극미량 첨가한 회주철 (특허 제3707675호)을 제조하고 있다. 본 보고에서는 고속 절삭 영역에서의 쾌삭성을 연속 및 단속 두 절삭 양식에 대하여 공구 마모의 관점에서 검증한 결과를 소개한다.

2. 개발한 쾌삭성 편상흑연주철의 개요

본 연구에서 새롭게 개발한 Al 및 Mg 첨가 회주철 (특허 제3707675호)의 개요를, 한 로트 (rought)의 큐폴라 용탕을 주조하여 얻은 일반적인 회주철과 Al을 단독첨가한 회주철의 쾌삭성을 실험한 결과를 비교하여, 아래에서 설명한다.

2.1. 화학 조성 및 기계적 성질

본 실험에서 쾌삭재로 사용한 회주철의 화학 조성, 인장강도 및 경도는 Table 1에서 보이는 바와 같다. 본 연구에서는 JIS규격의 FC200을 목표재질로 쾌삭재를 주조하였다. 일반적인 회주철인 FC200-1을 기준으로 이 용탕에 Al이 재료 중에 0.01 mass% 잔류하도록 조성을 제어한 Al 첨가 회주철 FC200-2와 Al과 Mg 모두 0.01 mass% 잔류하도록 제어한 Al 및 Mg 동시 첨가 회주철 FC200-3의 3종류이다. 각 피삭재의 기계적 성질은 큰 차이 없이다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Al 및 Mg 동시 첨가 회주철 FC200-3에 대해서는 특허를 등록하였다 (특허 제3707675호). 각 피삭재 모두 주조한 직경 30 mm의 환봉을 가공한 표준 인장 시편 (JIS Z 22018호 C)으로부터는 인장강도가 JI S 규격에서 FC250의 사양을을 만족하고 있다. 이것은 피삭재의 두께가 두껍기 때문에, 절삭실험에서 사용하는 모든 곳에서 FC200을 만족하도록 두께 민감도를 고려하여 화학 조성이나 접종량을 결정하여 주조하였기 때문이다.

Table 1. 피삭재의 화학 조성, 인장 강도 및 경도

2.2. 기지조직 및 흑연 형상

5% Nital로 부식한 각 피삭재의 표준 인장 시편의 광학 현미경 조직사진은 Fig. 1에서 보이는 바와 같다. 각 피삭재 모두 흑연 형상은 거의 동일한 A 형태이며, 기지조직도 균일한 펄라이트인 표준 회주철이다. 당독으로 첨가한 Al 또는 Al과 Mg 동시 첨가량은 FC200-2 및 3의 흑연 형상 및 기지조직에 거의 영향을 미치지 않는 범위인 것을 확인할 수 있다.

Fig. 1. 피삭재의 광학현미경 조직; (a) FC200-1, (b) FC200-2 and (c) FC200-3.

2.3. 비금속 개재물

각 피삭재에서는 황화물과 몇 가지 종류의 비금속 개재물이 존재하지만, 가장 많이 발견되는 것은 MnS 또는 MnS를 포함한 복합 개재물이며 FC200-2 및 3 피삭재에 첨가한 각 원소는 이미 존재하는 MnS에 부가된 복합 화합물에 존재하는 것을 확인하였다. Al과 Mg를 동시에 첨가한 회주철 피삭재 FC200-3에서 관찰한 대표적인 복합 개재물의 주사전자현미경조직 (조성상) 및 에너지 분산형 X선 미세 분석 장치 (이하, EDS)에 의한 원소 분석 결과는 Fig. 2에서 보이는 바와 같다. 흑연에 인접하여 존재하는 이 개재물은 첨가 원소인 Al 및 Mg을 주성분으로 하는 산화물 주변을 Mg을 포함하는 MnS 황화물이 둘러싸고 있는 형태인 것을 알 수 있다. 그 밖의 개재물에 존재하는 Al 및 Mg의 분포를 보면, Al은 주로 O와 동일한 위치에서 검출되고, Mg은 MnS와 함께 검출되는 경우와 Al 및 O와 함께 동일한 위치에서 검출되는 경우 2가지의 경향을 나타냈다. 즉, Al은 주로 산화물의 형태로 그리고 Mg은 황화물과 산화물의 형태로 복합개재물을 형성하는 것으로 생각된다.

Fig. 2. FC200-3 피삭재에서 확인된 비금속 개재물의 주사전자현미경 조직과 EDS 분석 결과.

3. 고속선삭 시의 쾌삭성

3.1. 실험방법

선삭 실험 조건은 Table 2에서 보이는 바와 같다. 직경과 길이가 각각 약 85 및 300mm인 원주형으로 주조한, 앞에서 언급한 바와 같은, 회주철 (FC200-1 ~ 3) 시험 주조품을, 주방 상태에서 주입부를 제거하고, 피삭재로 사용하였다. 절삭 공구로는 TiC, TiN, TaC 및 WC를 주성분으로 하여 절삭날 능선을 둥글게 (R=0.05mm) 호닝 (horning)처리한 서멧(cermet) 공구를 사용하였다. 각 피삭재를 건식 조건에서 길이 방향으로 선삭하고, 임의의 거리를 절삭한 후, 공구의 마모 상황을 관찰하고 공구의 마모량을 측정하였다.

Table 2. 선삭 실험 조건

3.2. 실험결과

각 절삭 속도에서, 그림에서 보이는 바와 같이, 비슷한 거리(1.1 ~ 1.4km)를 절삭한 후 측정한 공구의 측면 마모 폭은 Fig. 3에서 보이는 바와 같다. FC200-1 피삭재의 경우 절삭 속도가 증가함에 따라 공구 마모량이 증가하는 일반적인 경향을 나타냈다. 그러나 Al을 단독으로 그리고 Al과 Mg을 동시 첨가한 FC200-2 및 3피삭재의 경우, 700m/min 이하의 절삭 속도 범위에서 절삭 속도가 증가함에 따라 마모량이 감소하는 FC200-1 피삭재를 절삭한 경우와는 반대인 경향이 나타났다. 특히 FC200-3 피삭재의 경우 절삭 속도 400m/min에서도 공구 마모량은 피삭재 FC200-1 의 경우에 비하여 반으로 감소하였고, 피삭재 FC200-2의 경우에 비해서도 공구 마모 억제 효과를 얻었으며 그 효과는 700m/min의 절삭 속도 조건에서 제일 컸다. 600 ~ 700m/min 범위의 절삭 속도 영역에서 피삭재 FC200-3의 경우 절삭 공구 마모 저감률은 피삭재 FC200-1의 경우에 비하여 90%를 넘고, 피삭재 FC200-2에 비해서도 79~83% 정도의 값을 나타내고 있어 공구 마모 억제효과는 극적이다.

Fig. 3. 각 회주철 피삭재를 서멧 공구로 선삭 실험했을 때 측면 마모의 비교 결과.

Fig. 3에서 보이는 바와 같은, 측면 마모 폭을 나타낸 공구의 최대 크레이터 (crater) 마모 깊이의 비교 결과는 Fig. 4에서 보이는 바와 같다. 절삭면에 생긴 크레이터 마모에 대해서도 피삭재 FC200-2 및 3의 절삭에서는 측면 마모의 경우와 마찬가지로 공구 마모의 억제 효과가 나타났으며 피삭재 FC200-1 경우의 공구 손상 상태와는 명확한 차이를 나타냈다. 특히 피삭재 FC200-3 절삭의 경우에는 절삭 속도가 400m/min일 때의 공구 마모도 다른 재료에 비해 크게 감소하였으며 600 m/min 이상의 조건에서는 크레이터 마모는 발생하지 않았다.

Fig. 4. 각 회주철 피삭재를 서멧 공구로 선삭 실험했을 때 크레이터 마모의 비교 결과.

Fig. 5. 700m/min의 절삭 속도에서 선삭했을 때의 서멧 공구 마모 형태: (a) FC200-1, (b) FC200-2 and (c) FC200-3.

피삭재 FC200-2 및 3의 절삭 실험에서에서 공구 마모 억제효과가 가장 크게 나타난 절삭 속도인, 700m/min에서의 공구 마모 형태를 피삭재 FC200-1을 절삭한 경우와 비교한 결과는 Fig. 4에서 보이는 바와 같다. 피삭재 FC200-2를 절삭한 경우에는 약간의 공구 마모가 발생하였지만 피삭재 FC200-1의 경우에 비하여는 매우 더 작은 것을 알 수 있다. 또한 피삭재 FC200-3의 경우에도 FC200-2의 경우와 차이를 확인할 수 없을 만큼 공구 마모는 충분히 작다.

3.3. 고찰

열적 마모가 주로 일어나는 고속 절삭 속도 영역에서, 화학 조성을 조정한 재료를 절삭할 때 공구 마모가 크게 감소한 현상은 보호피막의 생성 때문이라고 생각된다. 따라서 피삭재 FC200-2 및 3을 절삭한 후, 공구 절삭면 및 가로 측면의 주사전자현미경 (SEM) 조직을 관찰하고 EDS 원소분석을 하여 보호 피막의 생성 여부를 확인하고 공구 표면의 부착 물질을 분석하였다. 700m/min의 속도에서 피삭재 FC200-2 및 3을 절삭한 공구의 주사전자현미경 조직과 EDS 분석 결과는 각각 Fig. 6 및 7에서 보이는 바와 같다.

Fig. 6. FC200-2를 700m/min의 절삭 속도에서 선삭했을 때의 서멧 공구의 주사전자현미경 조직과 EDS 분석 결과.

Fig. 7. FC200-2를 700m/min의 절삭 속도에서 선삭했을 때의 서멧 공구의 주사전자현미경 조직과 EDS 분석 결과.

Fig. 6에서 보이는 바와 같이, 피삭재 FC200-2를 절삭한 공구의 절삭면에는 약간의 크레이터 마모 발생을 확인할 수 있으며, 마모가 진행되지 않은 부분에서 첨가 원소인 Al은 Mn, S 및 O와 동일한 부분에서 검출되고 있다. 검출 강도는 낮지만, O는 Al이 검출되는 부분에서 대체로 같이 존재하고 있으며, Mn은 S이 검출된 칼날 쪽을 주로 그리고 대체로 Al이 존재하는 부분에서 같이 검출되고 있다. 더불어 공구 측면에서도 모따기부 및 마모 종단부에서 Al이 검출되었다.

Fig. 7에서 보이는 바와 같이, 피삭재 FC200-3을 절삭한 공구에서는 SEM 조직 관찰에서 절삭 중 피삭재 또는 절삭칩과 접촉하는 광범위한 부분에서 형성한 막 형상의 부착물을 확인할 수 있다. 첨가 원소인 Al과 Mg이 광범위하게 동일한 부분에서 검출되었으며, Mn, S 및 O는 Al 및 Mg이 검출되는 부분과 전범위에 걸쳐 일치하지는 않더라도 첨가 원소가 존재하는 부분에서 같이 검출되고 있다. 절삭면의 분석 결과에서 주목할 것은 첨가원소인 Al 및 Mg이 검출되는 부분이 일치하고 있고, 피삭재 FC200-2를 선삭한 공구에 비하여 Mn과 S가 검출되는 범위가 확대되어 있는 것이다. 더불어 이 부착물은 측면에서도 확인되었다. 이상의 분석결과로부터 피삭재 FC200-2 및 3의 절삭에서는 재료에 미량 첨가한 Al과 Mg을 주성분으로 하는 보호 피막이 공구 표면에 생성되고, 이것이 공구 마모 억제에 기여하고 있다고 생각할 수 있다. 그 생성 상황 및 구성 원소의 검출 범위는 절삭조건에 따라 다르며, 공구 마모의 억제 효과가 높은 절삭 조건일수록 광범위한 영역에서 생성되는 경향을 나타냈다. 보호 피막의 생성·부착 기구로는, 일반적으로 재료 중에 존재하는 비금속 개재물이 공구 표면에 부착되거나 개재물로서 존재하지 않는 새로운 화합물이 절삭 중 공구 표면에 생성되는 것으로 생각한다. 본 실험 결과로부터 보호 피막 생성 기구를 생각할 때, Fig. 2에서 보이는 바와 같이, 공구 표면에 생성된 보호 피막의 성분으로 생각되는 비금속 개재물이 기지조직 중에도 존재하기 때문에, 재료 중 비금속 개재물이 대략 그 형태를 유지한 상태에서 공구 표면에 공급되어 보호 피막이 생성되었다고 생각하는 것이 타당하다. 지금까지 보고된 자료 [6]를 보면, 피삭재 FC200-2를 절삭한 공구의 보호 피막은 주로 Al₂O₃계 산화물과 MnS 등이며, 전자는 확산 마모 억제에 기여하고, 후자는 전자의 생성을 촉진시키는 작용을 하는 것으로 생각한다. 또한 피삭재 FC200-3를 절삭한 공구 표면에 생성된 보호 피막은 MgO-Al₂O₃ (또는 MgO-Al₂O₃-SiO₂)계의 복합 개재물과 Mg-Mn-S 황화물의 복합화를 하는 것으로 생각한다. 그러나 피삭재 FC200-3를 절삭한 공구에 부착된 원소의 분포 영역은 공구 마모면의 고온 부분에서 저온 부분까지 넓고, 마모 억제 효과가 나타난 절삭 조건을 고려해서도 피삭재 FC200-2를 절삭한 공구보다 광범위하게 걸쳐 있기 때문에, Mg 첨가에 의해 보호 피막의 생성 온도 조건이 확대된 것으로 생각된다. 보호 피막의, 복합화로 인하여, 융점 (또는 액상선 온도)이 낮아지고 피삭재 FC200-2를 절삭한 공구에 비해 보다 낮은 절삭 속도 영역에서 충분한 효과를 발휘했다고도 생각할 수 있다. Mg을 주성분으로 하는 화합물이 보호 피막으로서 생성된 피삭재 FC200-3를 절삭한 공구에서는 Mg을 부가하여 첨가함으로써 피삭재 FC200-2를 절삭한 공구에 비해 회주철의 실용적인 고속 절삭 속도 영역에서 광범위하게 안정된 공구 마모 억제 효과를 얻었다. MgO-Al₂O₃계 복합 산화물이 확산 방지벽으로서 효과적으로 작용하고, Mg을 포함한 황화물이 반응성 개재물로서 보호 피막 생성을 촉진하는 작용에 더해 황화물 형태 제어형 쾌삭성 재료로 보고 [7,8]되어 있는 황화물계 보호 피막으로서 스스로 공구 마모의 억제에 기여했을 가능성도 있다.

4. 고속·단속 절삭 시의 피삭성

4.1. 실험방법

단속 절삭 실험 조건은 Table 3에서 보이는 바와 같다. 단속 절삭 실험에서는 회주철 (FC200-1, 2 및 3)를 폭 47mm의 직육면체 형상으로 전 가공하여 피삭재로 사용하였다. 공구 재료로는 여전히 TiC-TiN-TaC-WC계 서멧을 사용하였다. 이것을 직경 100mm의 커터에 장착하여 건식으로 상기 형상의 피삭재의 중심 깍기를 하였다. 400 ~ 1,000m/min의 절삭 속도 범위에서, 표에서 보이는 바와 같은, 3단계로 설정하여 실험을 하였다. 임의의 절삭 거리를 절삭한 후, 공구 마모 상황을 관찰하고 공구 마모량을 측정했다.

Table 3. 면 밀링 실험 조건

4.2. 실험 결과

각 절삭 속도에서의 공구 측면 마모 VBmax의 진행 곡선은 Fig. 8에서 보이는 바와 같다. 피삭재 FC200-3을 절삭한 경우에는 400m/min의 절삭 속도에서도 다른 피삭재에 비하여 공구의 마모진행상 뚜렷한 차이가 나타났다. 절삭 거리가 증가함에 따라 피삭재 FC200-1 및 2의 경우 모두 공구의 마모는 거의 동일하게 일어나는데 비하여 피삭재 FC200-3를 절삭하는 경우에는 초기에 공구 마모가 생긴 후에는 마모가 거의 더 이상 일어나지 않고, 절삭 거리가 3.67km (외관상 절삭시간 59min)일 때 VBmax는 다른 재료의 1/3 정도, 약 0.06mm,로 작은 값을 나타냈다. 피삭재 FC200-3의 절삭 시 공구 마모 억제 효과는 고속 절삭 속도 영역에서 더욱 현저하고, 피삭재 FC200-1 및 2를 절삭하는 경우에는 절삭 속도 증가함에 따라 마모 진행 속도가 증가하는 일반적인 경향을 나타내는 반면, 피삭재 FC200-3의 경우에는 절삭 속도가 1,000m/min에 이르러도 저속 영역에서와 같은 경향, 즉 일정한 초기 마모가 생긴 후 마모 진행비율은 매우 작고 절삭 거리가 증가해도 마모의 진행이 거의 없는, 이 지속적으로 나타났다. 피삭재 FC200-3의 타재료에 대한 공구 마모 저감율은 절삭 속도 700m/min에서 절삭거리 3.67km의 경우 그리고 1,000m/min에서는 더욱 증가한다.

Fig. 8. 각 회주철 피삭재를 면 밀링 가공했을 때 서멧 공구의 마모 진행 곡선.

1,000m/min의 절삭 속도에서 각 피삭재를 절삭한 공구의 마모 형태의 주사전자현미경 상 (image)은 Fig. 9에서 보이는 바와 같다. 피삭재 FC200-1을 절삭한 공구는 매우 큰 측면 마모가 일어났으며 엣지 (edge) 부분이 크게 무뎌져 있다. 또한 큰 열 균열이 발생한는 것을 알 수 있다. 다른 두 피삭재를 절삭한 공구의 경우에도 같은 형태의 마모가 일어났으나 이 피삭재를 절삭한 공구의 절삭 거리 (2.3km)는 다른 공구의 70%에도 미치지 않는다. 선삭의 경우와는 달리 피삭재 FC200-2를 절삭한 공구는 마모 억제 효과를 발휘하는데 이르지 않았고, 반대로 고속 영역에서는 피삭재 FC200-1을 절삭한 공구보다 더 크게 마모되었다. 한편 FC200-3을 절삭한 공구는 마모도 매우 적고, 열 균열도 발생하지 않았으며 엣지 부분에 부착물이 존재하는 것을 명확하게 확인할 수 있다. 이 절삭재 FC200-3를 절삭할 때 생기는 부착물은 절삭 속도가 증가함에 따라 그 생성 량이 증가하였으며, EDS 분석 결과, 첨가 원소인 Mg 및 Al이 Si, O, Mn 및 S와 함께 검출되는 경향이 있었다. 특히 Mg, Al 및 O는 부착물의 생성 상황과 관련되어 절삭 속도가 증가함에 따라 점점 더 명확하게 검출되었다.

Fig. 9. 1,000m/min의 절삭 속도에서 면 밀링했을 때의 서멧 공구의 주사전자현미경 상: (a) FC200-1 (절삭 거리; 3.45km), (b) FC200-2 (절삭 거리; 2.3km) and (c) FC200-3 (절삭 거리; 3.45km).

4.3. 고찰

Al 및 Mg 첨가를 통한 보호 피막 생성 효과는 선삭 실험의 결과로부터 보호 피막의 구성 성분이라고 생각되는 화합물의 예를 들어 앞에서 이미 고찰하였다. 더욱이 피삭재 FC200-3의 면 밀링 가공의 경우에는, 단속 절삭 특유의, air cut에 의한 공구 표면으로의 산소 공급이 그 보호 피막 생성에 유리하게 작용하고 있는 것으로 생각된다. 비금속 개재물 내에 존재하거나 또는 기지 내에 고용된 원소가 공구 표면에 노출되고 air cut로 인하여 산소가 수시로 공급되어 Mg을 포함하는, 고온에서 안정한, 산화물계 화합물이 빠르게 생성하며 특히 고속 절삭 속도 영역에서 가속화되는 것으로 추측된다. 또한 표준 생성 자유 에너지와 온도의 관계 [9]로부터 알 수 있는 바와 같이, MgO와 Al₂O₃는 모두 열역학적으로 안정한 산화물이고, 절삭 온도의 범위에서는 Al₂O₃보다 MgO가 더 안정하다. 그리고 이 두 가지 고융점 산화물을 주 구성 요소로 한 MgO-Al₂O₃ 및 MgO-Al₂O₃-SiO₂와 같은 복합 산화물은 평형상태도 [10, 11]로부터 알 수 있는 바와 같이 고 융점을 유지하는 것도 이와 같은 추측의 근거가 된다. 피삭재 FC200-3의 단속 절삭에서는 첨가원소 Mg와 Al을 주성분으로 한 산화물계 보호 피막의 생성이 촉진되어 열적 마모의 억제 효과를 얻은 것으로 생각한다.

또한 피삭재 FC200-3를 절삭 가공한 공구에서 열 균열이 발생하지 않은 것으로 나타났다. 절삭 분위기를 제어한 실험 결과¹²⁾에 의하면, 열 균열의 발생에 분위기 중 산소 분압이 크게 영향을 미치고, 공구 표면의 산화에 의한 피로 열화가 일어나 열 균열이 발생하는 것으로 보고되어 있으며 피삭재 FC200-3를 절삭하는 경우에는 보호 피막이 공구 표면에 형성하여 air cut 중 산소와의 접촉을 차단하고 공구 모재의 표면 산화를 방지하여 피로 열화의 진행을 방지한 것으로 생각할 수 있다. 이와 같은 피삭재 FC200-3의 면 밀링 가공의 경우 단속 절삭 특유의 공구 손상도 억제하는 우월성을 나타냈다.

5. 정리

본 연구에서는 주철 전체 생산량의 약 60%를 차지하는 회주철을 절삭 가공하는 경우, 현재는 고속 절삭에 사용할 수 없는 공구 재료 종류에 대하여, 비금속 개재물을 활용한 쾌삭화 기술을 이용하여 고속 절삭을 적용할 수 있는 재료를 개발하였다. 구체적으로는 쾌삭화 산화물 형성 원소로 Mg에 주목하고, 이것을 Al과 함께 기계적 성질이나 주조성에 영향을 미치지 않는 범위에서 극미량 첨가하는 것이다 (특허 제3707675 호). 재료 중에 생성된 비금속 개재물은 첨가 원소인 Al 및 Mg을 주성분으로 하는 중심의 산화물을 MnS에 Mg을 포함한 황화물이 둘러싸는 형태의 복합 개재물을 형성하게 하는 것이다. 첨가 원소인 Al은 주로 산화물로서 Mg은 산화물 및 황화물 두 가지 형태로 복합 비금속 개재물 중에 존재하는 것이 특징이다.

이와 같은 회주철에 미량의 Al과 Mg의 첨가가, 보호 피막 생성 여부를 포함한, 고속 절삭 속도 영역에서의 피삭성에 미치는 영향를 검증하기 위하여, 공구 재료로 TiC-TiN-TaC-WC계 서멧을 사용하고, 동일한 용탕으로부터 얻은 회주철 재료(무첨가 재료) 및 Al 단독 첨가 재료와 함께 실용적인 고속 절삭 속도 영역에서 건식 선삭 가공하여 이들 재료의 공구 마모에 미치는 영향을 연구하였다. Al 및 Mg을 첨가한 피삭재를 절삭하는 경우 공구 표면에 첨가원소인 Al 및 Mg을 주성분으로 하고 Mn, S 및 O 등의 원소가 결합한 부착물 층 (보호피막)이 생성되어 무첨가 피삭재를 절삭하는 경우에 비해 공구의 절삭면과 측면 모두 마모가 대폭적으로 억제되었다. 보호 피막 생성에 기인한 공구 마모 억제 효과는 Al을 단독 첨가한 경우에도 얻을 수 있었으며, 모든 경우 절삭 속도가 증가함에 따라 그 효과는 증가하는 경향을 나타냈지만, Al을 단독 첨가한 재료에 비해 Al 및 Mg을 모두 첨가한 재료를 절삭하는 경우 공구 마모는 크게 억제되었으며 특히 700m/min의 절삭 속도 조건에서 마모 억제 효과는 현저하게 컸다.

단속 절삭의 경우에도 Al 및 Mg 첨가 재료의 절삭 시 공구 성능이 크게 개선되었다. 무 첨가 재료 및 Al 단독 첨가재료의 면 밀링 절삭 가공한 경우 모두 열 균열 발생과 더불어 공구가 마모되어 큰 손상이 생겼지만, Al 및 Mg 첨가 재료를 가공한 경우에는 공구의 마모 진행 속도는 매우 낮고 초기 마모가 일정하게 생긴 후에는 절삭 거리가 증가해도 마모는 거의 진행되지 않았다. 공구 표면에는 첨가원소를 주성분으로 한 다량의 보호 피막이 생성되었으며 그 생성 정도는 절삭 속도가 증가함에 따라 증가했다. 무 첨가 재료 및 Al 단독 첨가 재료에 대한 마모 저감율도 절삭 속도가 증가함에 따라 증가했다. 또한 단속 절삭 특유의 공구 손상인 열 균열 발생도 억제되었다.

본 연구에서 개발한 Al 및 Mg 첨가 회주철은 기존의 방법과 큰 차이 없이 제조 주조할 수 있어서 기술을 적용할 때 큰 투자가 필요하지 않다. 또한 일반적인 회주철에 비하여 기계적 성질에 차이가 없으며 사용 시에 제품 설계상의 새로운 문제가 생기지 않는다. 주철은 강도가 낮은 흑연이 기지 조직 중에 산재하기 때문에, 개재물이 재료의 기계적 특성에 미치는 영향은 철강 재료 등에 비해 작다. 즉, 주철 재료 중 비금속 개재물을 이용하여 열적 마모 억제 효과를 얻는 쾌삭화 기술은, 재료의 특성 면에서도, 효과적인 방법이다. 본 연구에서 얻은 쾌삭화 기술은 회주철의 절삭 가공 비용을 감소시킬 수 있어 실용성이 높다.