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Surface Roughness Evolution and Tool-Wear Mechanisms in Prolonged Milling of Ti6Al4V ELI under Sunflower-Oil and MoS₂-Enhanced MQL Environments

본 연구는 해바라기유 기반의 MQL이 Ti6Al4V ELI의 장시간 밀링 공정 동안 표면 거칠기를 유의미하게 개선하는 반면, MoS₂ 나노입자의 첨가는 표면 거칠을 추가로 감소시키기보다는 주로 구성 인선(built-up edge)과 델라미네이션(delamination)을 억제함으로써 공구 보존을 향상시킨다는 것을 입증한다.

원저자: Deniz ÇOBAN ÖZKAN, Fikret Sönmez

게시일 2026-08-19

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CC BY 4.0

원저자: Deniz ÇOBAN ÖZKAN, Fikret Sönmez

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

강철만큼 단단하면서도 열을 배출하기를 거부하는 금속 조각을 깎는 일을 상상해 보십시오. 이것은 Ti6Al4V ELI라고 알려진 특정 티타늄 합금을 다루는 엔지니어들이 마주하는 일상의 현실입니다. 이 재료는 놀라운 강도와 인체에 해를 끼치지 않고 몸속에서 생존할 수 있는 능력 덕분에 항공우주 부품과 의료용 임플란트의 애용품으로 귀하게 대접받습니다. 하지만 그 강도 자체가 가공에는 악몽이 됩니다. 절삭 공구가 이 금속을 베려고 시도할 때, 금속은 열을 외부로 전달하지 않고 대신 접촉 지점에 열을 가두어 버립니다. 이 강렬한 마찰은 금방 금속이 공구에 달라붙게 만들어, 절삭면의 매끄러움을 망치고 공구를 빠르게 마모시키는 거칠고 울퉁불퉁한 덩어리를 형성합니다. 이를 해결하기 위해 제조업체들은 보통 액체 냉각제를 폭포처럼 쏟아붓지만, 이는 폐기물 문제와 건강상의 위험을 초색합니다. 더 깨끗한 대안은 최소 유량 윤활(minimum quantity lubrication)이라 불리는 방법으로, 이는 아주 미세하고 정밀한 오일 안개를 절삭날에 직접 분사하는 방식입니다. 연구자들이 오랫동안 논쟁해 온 질문은 이 안개에 특수한 미립자를 추가하는 것이 성능을 더욱 향상시킬 수 있는지, 아니면 오일만으로도 충분한가 하는 점입니다.

최근 연구에서 마니사 젤랄 바이아르 대학교(Manisa Celal Bayar University)의 연구진은 이러한 아이디어들을 엄격한 테스트를 통해 답을 찾고자 했습니다. 그들은 단순히 짧게 한 번 깎아보고 결과를 확인하는 데 그치지 않고, 84분 동안 지속되는 혹독하고 연속적인 가공 세션을 통해 도구들을 시험했습니다. 이 연장된 지속 시간은 매우 중요했는데, 이는 단순히 시작 단계의 스냅샷을 보는 것이 아니라 시간이 흐름에 따라 도구와 금속 표면이 어떻게 변화하는지를 관찰할 수 있게 해주었기 때문입니다. 그들은 다섯 가지 서로 다른 환경을 테스트했습니다: 윤활유를 전혀 사용하지 않는 경우, 표준 산업용 절삭액을 사용하는 경우, 해바라기유 미스트를 사용하는 경우, 그리고 산업용 절삭액과 해바라기유 각각에 이황화 몰리브덴이라는 특정 나노입자를 첨가하는 경우입니다. 목표는 어떤 조합이 가공 과정이 진행됨에 따라 도구를 날카롭게 유지하고 금속 표면을 가장 매끄럽게 유지하는지 확인하는 것이었습니다.

결과는 놀라웠으며 명확한 성능의 위계를 보여주었습니다. 연구진이 윤활유 없이 티타늄을 깎았을 때, 공구는 즉각적으로 손상을 입었습니다. 절삭날은 파손되었고, 보호 코팅은 벗겨졌으며, 금속 표면은 매우 거칠어졌습니다. 반면, 어떤 형태든 윤활 전략을 사용하는 것은 상황을 크게 개선했습니다. 가장 매끄러운 표면을 만드는 데 가장 성공적인 결과는 순수한 해바라기유 미스트를 사용하는 것이었습니다. 이 천연 오일은 0.159 마이크로미터의 표면 거칠기를 만들어냈는데, 이는 건식 가공 방식이 초래한 0.645 마이크로미터의 거칠기에 비해 엄청난 개선입니다. 연구진은 해바라기유가 자연적으로 금속을 잘 적시고 마찰을 줄이는 데 탁월하여, 시작부터 우수한 윤활제 역할을 한다는 것을 발견했습니다.

흥미롭게도, 이황화 몰리브덴 나노입자를 추가하는 것은 순수 해바라기유만 사용했을 때보다 표면을 더 매끄럽게 만들지는 못했습니다. 데이터에 따르면 순수 해바라기유와 나노입자가 혼합된 해바라기유 사이의 최종 표면 매끄러움에는 통계적 차이가 없었습니다. 이 발견은 더 발전된 입자를 추가하면 항상 더 나은 마무리가 될 것이라는 일반적인 가설에 도전합니다. 그러나 연구진이 공구 자체를 살펴보았을 때 이야기는 바뀌었습니다. 나노입자가 표면 질감을 개선하지는 못했지만, 절삭 공구를 보호하는 데는 결정적인 역할을 했습니다. 현미경 관찰 결과, 나노입자가 첨가된 오일을 사용한 공구는 손상이 현저히 적었습니다. 나노입자는 금속이 공구에 달라붙어 해로운 덩어리를 형성하는 것을 방지했고, 공구의 보호 코팅이 벗겨지는 것을 막아주었습니다.

이 연구는 또한 가공이 시간에 따라 어떻게 진행되는지에 대한 미묘하지만 중요한 진실을 밝혀냈습니다. 윤활의 효과는 일정하지 않았으며, 공구가 마모됨에 따라 변화했습니다. 연구진은 사용된 오일의 종류와 표면 품질 사이의 관계가 공구가 이미 몇 번의 패스(pass)를 수행했는지에 따라 크게 달라진다는 것을 발견했습니다. 시작 단계에서 완벽하게 작동했던 윤활제가 한 시간 동안 가공을 마친 후에는 다르게 행동할 수 있습니다. 이는 단 한 번의 짧은 테스트로 윤활법을 판단하는 것이 오해를 불러일킬 수 있음을 의미합니다. 윤활제의 진정한 성능은 작업 전체 기간에 걸쳐 펼쳐지는 역동적인 이야기입니다.

궁극적으로, 이 연구는 이 까다로운 티타늄 합량을 가공하는 데 있어 단순하고 지속 가능한 접근 방식이 최선일 수 있음을 시사합니다. 흔한 식물성 오일인 해바라기유는 그 자체로 가장 매끄러운 표면을 만들어낼 수 있는 매우 효과적이고 친환경적인 대안임이 증명되었습니다. 나노입자의 추가는 표면 매끄러움을 위해서는 필수적이지 않지만, 공구를 보존하고 마모를 줄여 수명을 연장하는 데 뚜렷한 이점을 제공했습니다. 이 연구 결과는 지속 가능한 식물 기반 윤활제가 가혹한 산업용 냉각제를 대체하여, 우리 항공기와 의료 기기를 움직이는 고강도 부품을 제조하는 더 깨끗한 방법을 제시하는 미래를 향하고 있습니다.

기술 요약: 해바라기유 및 MoS₂ 강화 MQL 환경 하에서의 Ti6Al4V ELI 장시간 밀링에 따른 표면 거칠기 진화 및 공구 마모 메커니나즘

문제 제기
Ti6Al4V ELI (Grade 23)는 높은 비강도와 생체 적합성 덕분에 항공우주 및 의료 분야에서 매우 중요한 재료이다. 그러나 낮은 열전도율, 절삭 공구와의 높은 화학적 친화성, 그리고 구성인선(BUE) 형성 경향으로 인해 가공성이 심각하게 저하된다. 이러한 요인들은 급격한 공구 퇴화와 불량한 표면 무결성을 초래한다. MQL(최소량 윤활)은 범람 냉각(flood cooling)의 친환경적인 대안으로 주목받고 있으며, 나노입자가 강화된 MQL(NFMQL) 또한 유망한 결과를 보여주었으나, 여전히 상당한 연구 공백이 존재한다. 구체적으로, 일반적인 Grade 5가 아닌 Ti6Al4V ELI의 장기적인 트라이볼로지(tribological) 거동, 해바라기유와 MoS₂ 나노입자의 결합 적용, 그리고 장기간 가공 진행(패스 수)에 따른 윤활 전략과 통계적 상호작용에 대한 데이터가 부족하다. 기존의 대부분의 연구는 단기 실험에 집중되어 있어, 점진적인 마모 메커니즘과 코팅 퇴화를 포착하지 못하고 있다.

연구 방법
본 연구는 4날 AlCrN 코팅 초경 엔드밀을 사용하여 Ti6Al4V ELI (Grade 23)의 페이스 밀링 작업을 수행하였다. 실험은 총 6mm의 재료를 제거하기 위해 6회의 연속적인 축 방향 패스를 포함하는 84분간의 지속적인 프로토콜 하에 진행되었다. 다섯 가지의 서로 다른 냉각/윤활 환경을 평가하였다:

건식 절삭 (Dry cutting).
범용 절삭유(Werte Fastcut Ultra)를 사용한 일반 MQL.
MoS₂가 강화된 범용 절삭유(0.5 vol.%)를 사용한 MQL.
해바라기유를 사용한 MQL.
해바라기유와 MoS₂ 나노입자(0.5 vol.%)를 혼합한 MQL.

일관성을 보장하기 위해 각 윤활 조건마다 전용 공구를 사용하였다. 프로파일로미터를 사용하여 매 패스 이후 표면 거칠기( $R_a$ 및 $R_z$ )를 측정하였으며, 공구 마모는 공구 제작자 현미경(toolmaker's microscope)을 통해 모니터링하였다. 사후 분석에는 마모 메커니즘과 코팅 무결성을 특성화하기 위해 주사 전자 현미경(SEM) 및 에너지 분산형 X선 분광법(EDX)이 포함되었다. MoS₂ 나노입자는 상 순도와 결정 크기를 확인하기 위해 SEM, FTIR, XRD, XPS를 통해 추가로 특성화되었다. 통계적 분석은 윤활 전략과 패스 수(가공 진행) 사이의 주효과 및 그 상호작용을 평가하기 위해 이원 배치 분산 분석(Two-Way ANOVA) 및 Tukey HSD 테스트를 수행하였다.

주요 기여
본 연구는 지속 가능한 가공 분야에 다음과 같은 세 가지 주요 기여를 한다:

장기 지속 프로토콜: 본 연구는 84분간의 장기 밀링 프로토콜 하에서 Ti6Al4V ELI에 대한 다섯 가지 윤활 환경을 체계적으로 비교함으로써, 정상 상태(steady-state)의 마모와 점진적인 표면 진화를 관찰할 수 있는 첫 사례를 제공한다.
통계적 상호작용 분석: 본 연구는 Two-Way ANOVA를 활용하여 윤 l활 전략과 패스 수 사이의 상호작용을 통계적으로 규명하였으며, 이를 통해 윤활 방식의 효과가 공구 마모가 진행됨에 따라 정체되어 있지 않고 진화한다는 것을 입증하였다.
MoS₂ 이점의 차별화: 본 연구는 표면 조도에 미치는 영향과 공구 보존에 미치는 영향을 구분함으로써, 기존 문헌에서 흔히 모호하게 다루어졌던 MoS₂ 나노입자의 구체적인 역할을 명확히 하였다.

결과

표면 거칠기: 건식 절삭은 심각한 날 끝 파손과 BUE 형성으로 인해 가장 불량한 표면 품질( $R_a = 0.645$ µm)을 보였다. 해바라기유 기반 MQL은 가장 우수한 표면 조도( $R_a = 0.159$ µm)를 나타냈으며, 이는 건식 절삭 대비 75% 감소한 수치이다. 해바라기유에 MoS₂ 나노입자를 첨가하는 것은 표면 거칠기 측면에서 통계적으로 유의미한 추가 개선을 가져오지는 않았다( $R_a = 0.166$ µm).
통계적 결과: Two-Way ANOVA 결과, 윤활 조건과 패스 수 모두 표면 거칠기에 유의미한 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 결정적으로, 매우 유의미한 상호작용 효과( $p < 0.001$ , 부분 $\eta^2 = 0.822$ )가 발견되었는데, 이는 윤활 전략의 성능이 가공 패스에 따라 변화함을 나타낸다. 예를 들어, 건식 절삭은 초기에 가장 나쁜 결과를 보였으나, 최종 패스에서는 심하게 마모된 날 끝의 버니싱(burnishing) 효과로 인해 거칠기가 일시적으로 감소하는 현상이 나타났다. 이는 향상된 절삭 성능이 아니라 마모된 공구의 결과이다.
공구 마모 및 메커니즘: 건식 절삭은 심각한 날 끝 파손과 코팅 박리를 유발하였으며, 최대 플랭크 마모(flank wear)는 252 µm에 달했다. SEM-EDX 분석 결과, MoS₂ 나노입자는 BUE 형성과 코팅 박리를 효과적으로 억제하는 것으로 나타났다. MoS₂는 표면 조도를 크게 개선하지는 않았지만, 금속 간 직접 접촉과 재료 부착을 줄이는 트라이보필름(tribofilm)을 형성함으로써 공구 보존에 기여하였다. 그러나 84분간의 프로토콜 하의 지속적인 열적 응력 하에서, 합금의 낮은 열전도율과 MQL의 제한적인 대류 냉각 효과로 인해 크레이터 마모(crater wear)는 여전히 유의미하게 발생하였다. 이는 MoS₂가 열 활성화 확산 마모보다는 점착 마모(adhesive wear) 억제에 더 효과적임을 시사한다.
나노입자 특성화: XRD 분석을 통해 평균 결정 크기가 40.74 nm인 육방정계 상의 MoS₂를 확인하였으며, SEM은 200–400 nm 범위의 입자 크기를 보여 다결정 구조와 일치함을 확인하였다. FTIR 및 XPS는 산화물 형성 없이 특징적인 Mo–S 결합이 존재함을 검증하였다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 Ti6Al4V ELI의 정밀 밀링을 위한 지속 가능하고 우수한 대안으로서 해바라기유 기반 MQL의 우수성을 확립한다고 주장한다. 이는 우수한 표면 무결성과 감소된 공구 마모를 제공한다. 논문은 MoS₂ 나노입자가 고품질 식물성 오일이 달성할 수 있는 수준 이상의 표면 거칠기 개선을 가져오지는 않지만, BUE와 코팅 손상을 억제함으로써 공구 수명을 연장하는 데 일차적인 가치가 있다고 기술한다. 본 연구는 가공 성능을 평가할 때 단일 지점 측정에 의존하기보다, 시간 경과에 따른 윤활과 공구 마모 진행의 동적인 상호작용을 고려해야 함을 강조한다. 결론적으로, 공구 수명이 주요 제약 조건인 응용 분야에서는 해바라기유에 MoS₂를 첨가하는 것이 유익하지만, 표면 조도 최적화가 목적인 경우에는 해바라기유만으로도 충분하다.

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