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연마재

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목차

1. 개요

연마재는 다른 물질의 표면을 깎거나 다듬는 데 사용되는 물질로, 천연 연마재와 인조 연마재로 분류된다. 천연 연마재는 다이아몬드, 강옥, 석류석 등이 있으며, 인조 연마재는 탄화규소, 산화알루미늄, 입방정 질화붕소 등이 있다. 연마재는 제조 방법에 따라 고온 고압법, 전기로 제련법, 분쇄 및 분급 과정을 거쳐 만들어지며, 표면 처리 및 열처리를 통해 성능을 향상시키기도 한다. 연마재는 연삭, 연마, 샌드블라스팅, 표면 준비 등 다양한 분야에서 활용되며, 연마 속도는 연마재와 가공물의 경도 차이, 입자 크기, 접착력, 접촉력, 윤활제 사용 등에 의해 영향을 받는다.

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연마재
개요
종류재료
용도모양 만들기
다듬기
마무리
사용법마찰
재료
천연 연마재다이아몬드
산화 알루미늄
실리콘 카바이드
규산
규조토
석류석
탄산 칼슘
산화철
탄산 마그네슘
퍼마이스
탈크
석회
백운석
벤토나이트
인공 연마재보론 카바이드
세리아
산화 크롬(III)
다이아몬드
산화 알루미늄
실리콘 카바이드
질화 붕소
탄화 붕소
형태
종류접착 연마재
코팅 연마재
연마 화합물
느슨한 연마재
공정
연마 공정연삭
호닝
래핑
버핑
샌드블라스팅
텀블링
폴리싱

2. 연마재의 종류

연마재는 크게 천연 연마재와 인조 연마재로 나눌 수 있다.

연마석을 논할 때, 오랫동안 천연석이 우수하다고 여겨졌지만, 재료 기술의 발전으로 이러한 구분이 덜 명확해지고 있다. 많은 합성 연마재는 채굴된 것이 아니라 제조되었다는 점만 다를 뿐, 천연 광물과 효과적으로 동일하다. 오히려 천연 광물의 불순물은 연마 효과를 떨어뜨릴 수 있다.

일반적으로 산업 현장에서는 희귀하거나 비용 문제로 인해 천연 연마재보다는 인조 연마재가 많이 사용된다.

2. 1. 천연 연마재

다이아몬드 분말 페이스트


천연 연마재는 자연에서 산출되는 광물로 만든 연마재이다.

연마석을 논할 때, 천연석이 오랫동안 우수하다고 여겨져 왔지만, 재료 기술의 발전으로 이러한 구분이 덜 명확해지고 있다. 많은 합성 연마재는 채굴된 것이 아니라 제조되었다는 점만 다를 뿐, 천연 광물과 효과적으로 동일하다. 천연 광물의 불순물은 효과를 떨어뜨릴 수 있다.[3]

2. 2. 인조 연마재

인조 연마재는 인공적으로 합성하거나 제조한 연마재를 말한다. 탄화규소(SiC), 산화알루미늄(Al₂O₃), 입방정 질화붕소(CBN), 인조 다이아몬드 등이 대표적이다.[1] 이러한 인조 연마재는 천연 연마재에 비해 경도, 강도, 입자 크기 등을 조절하기 쉽고, 대량 생산이 가능하다는 장점이 있어 널리 사용된다.[1]

지르코니아 알루미나와 같은 일부 연마 광물은 천연으로 존재하지만, 희귀하거나 채취가 어려워 산업적으로는 합성 연마재가 주로 사용된다.[1]

현재 사용되는 주요 인조 연마재는 다음과 같이 분류할 수 있다.[1]

인조 연마재의 종류
명칭화학식수정 모스 경도누프 경도(kgf/mm2)밀도(g/cm3)
다이아몬드C157000～80003.52
입방정질 질화붕소BN--4500～47003.48
탄화규소SiC132500～32003.22
산화알루미늄(III)(코런덤)Al2O3121700～25003.99



다이아몬드는 주기율표의 IV족 가장 위에 있는 탄소가 공유 결합하여 가장 단단하며, 입방정질 질화붕소는 탄소의 왼쪽에 있는 붕소와 오른쪽에 있는 질소의 화합물로, 다이아몬드보다 약간 경도가 낮다.[1]

물질을 연마하는 연마재는 단단할수록 좋지만, 경제적인 문제도 고려해야 한다. 탄화규소 및 코런덤계 연삭재 1kg당 가격은 다이아몬드 및 입방정질 질화붕소 1캐럿(0.2g)당 가격과 비슷한 수준이다.[1]

다이아몬드와 탄화규소는 철과 강의 연삭 연마에는 적합하지 않다. 연마나 절삭 작업은 깎는 쪽과 깎이는 쪽이 격렬하게 접촉하면서 이루어지는데, 철강은 선철 조성의 4.25%까지 탄소를 함유할 수 있기 때문이다. 따라서 다이아몬드나 탄화규소 연삭석으로 연마하면 철강이 탄소를 흡수하여 연삭석이 급격히 마모된다.[1] 이러한 이유로 철강에는 입방정질 질화붕소와 코런덤계 연마재가 사용된다.[1]

랩핑 등의 연마 작업에는 습식으로 석출시킨 분말상의 산화크롬, 산화철(II), 알루미나 등도 사용된다.[1]

2. 2. 1. 주요 인조 연마재

탄화규소(SiC)는 다이아몬드 다음으로 단단하며, 철강 재료보다는 비철금속, 세라믹, 유리 등의 가공에 주로 사용된다.[1] 탄화규소는 다이아몬드와 규소의 중간 정도의 경도를 가지며, 다이아몬드보다는 무르고 규소보다는 단단하다.[1]

산화알루미늄(Al₂O₃)은 코런덤이라고도 불리며, 철강 재료 연삭에 널리 사용된다.[1] 산화알루미늄은 III족과 VI족의 화합물로, Al3+ 이온과 O2- 이온이 이온 결합하고 있으며, 천연 광물은 코런덤으로 산출된다.[1] 백색, 갈색, 분홍색 등 다양한 종류가 있다.

입방정 질화붕소(CBN)는 다이아몬드와 유사한 결정 구조를 가지며, 다이아몬드보다 열에 강하여 고온에서 철강 재료를 가공하는 데 사용된다.[1] 입방정질 질화붕소는 탄소의 왼쪽에 있는 붕소와 오른쪽에 있는 질소의 화합물로, 다이아몬드보다 약간 경도가 낮다.[1]

인조 다이아몬드는 고온 고압법 등으로 합성한 다이아몬드로, 천연 다이아몬드보다 저렴하고 대량 생산이 가능하여 산업용으로 널리 사용된다.[1]

3. 연마재의 제조 방법

고온고압법으로 다이아몬드와 입방정질질화붕소를, 저항 가열식 전기로에서 탄화규소를, 아크로에서 전융 코런덤 덩어리를 제조한다.[3]

큰 소재는 여러 종류의 분쇄기로 잘게 부수고, 미반응 원료, 부산물, 장치 재료 등의 불순물은 선별·정제 처리한다.[1]

미세 입자 분쇄는 볼밀등을 사용해 오염을 방지하지만, 조잡한 입자는 철강 날붙이 분쇄기로 분쇄하므로 자력 선별, 산세척 등으로 철분을 제거한다.[1]

연마재는 입도가 고르지 않거나 거친 입자가 섞이면 연마 작업에 문제가 생기므로, JIS에서 입도를 규정하고 있다.[1]

JIS에서는 탄화규소 및 코런덤계 연마재에 대해 [JIS R6001:1998 연마재의 입도]와 [JIS R6010:2000 연마포지용 연마재의 입도]를 규정한다. 연마재 지름은 균일하지 않고 정규 분포를 가지므로 '지름 약'으로 표현한다.[1]

"조립" 범위는 체로, "미분" 범위는 스토크스의 법칙을 이용해 입도를 분류(분급)한다.[1]

3. 1. 고온 고압법

고온 고압법(High-pressure high-temperature method)은 다이아몬드, 입방정 질화붕소 등 초고경도 연마재를 합성하는 데 사용되는 방법이다. 고온, 고압 조건에서 탄소, 질화붕소 등의 원료 물질을 결정화시켜 연마재를 만든다.

3. 2. 전기로 제련법

탄화규소와 산화알루미늄 등의 연마재는 주로 전기로 제련법으로 제조된다. 이 방법은 전기로에서 원료 물질을 녹인 후 냉각 및 응고시켜 연마재를 만드는 방식이다.[3] 전기로의 종류에는 아크로와 저항 가열로 등이 있다.[3] 다이아몬드와 입방정질질화붕소는 주로 고온고압법으로 제조하고, 탄화규소는 저항 가열식 전기로에서 제조하며, 전융 코런덤 덩어리는 아크로에서 제조한다.[3]

3. 3. 분쇄 및 분급

큰 덩어리 형태의 연마재는 여러 종류의 분쇄기를 사용하여 원하는 크기의 입자로 만든다. 이렇게 만들어진 소재에는 불순물이 섞여 있을 수 있으므로, 선별 및 정제 처리가 필요하다.[1]

미세한 입자를 분쇄할 때는 오염을 방지하기 위해, 코런덤 성분의 분말을 부수는 데 코런덤 성분의 라이닝과 알루미나 성분 볼을 사용하는 볼밀을 사용하기도 한다. 하지만 그보다 큰 입자는 철강 날붙이 분쇄기로 분쇄하기 때문에, 철분 혼입을 막기 위해 자력 선별, 산세척 등의 추가 공정이 필요하다.[1]

연마재의 입도는 매우 중요한데, 입도가 고르지 않으면 연마 작업이 제대로 되지 않고, 거친 입자가 섞이면 연마 표면에 큰 흠집을 낼 수 있다. 따라서 JIS에서는 연마재의 입도를 규정하고 있다.[1]

JIS에서는 탄화규소 및 코런덤계 연마재에 대해, [JIS R6001:1998 연마재의 입도]는 지름 약 4mm 이상부터 지름 약 50µm까지의 "조립" 범위에서 26단계, 지름 약 50µm 이상부터 지름 약 3µm까지의 "일반 연마재용 미분" 범위에서 11단계, 지름 약 60µm부터 지름 약 1µm 이상까지의 "정밀 연마용 미분" 범위에서 18단계의 입도를 정하고 있다. [JIS R6010:2000 연마포지용 연마재의 입도]는 지름 약 2mm부터 지름 약 60µm 이상까지의 연마포지용 연마재 "조립" 범위에서 15단계의 입도를 정하고 있다. 여기서 '지름 약'이라고 표현하는 이유는 연마재 입자의 지름이 균일하지 않고 정규 분포 형태를 띠기 때문이다.[1]

JIS에서 "조립" 범위의 입도는 체를 사용하여 분류(분급)한다.[1]

"미분" 범위의 입도는 스토크스의 법칙을 이용하여 분류한다. 스토크스의 법칙에 따르면, 구형 고체 입자가 무한히 넓은 유체 속에서 침강할 때, 침강 속도는 입자 지름의 제곱에 비례한다. 따라서 물속에서 입자가 가라앉는 속도의 차이를 이용하여 입도를 분류할 수 있다.[1]

3. 4. 표면 처리 및 열처리

연마재의 표면 처리는 연마포에 연마재를 부착할 때 정전기에서 더 잘 튀어 오르게 하기 위해 사용된다. 탄화규소는 전기 전도도가 좋아 문제가 없지만, 코런덤계 연마재는 약품을 뿌려 표면 처리하여 튀어 오르기 쉽게 만든다. 또한, 연마석 제작 시 연마재와 결합재의 접착성을 높이기 위해 연마재 표면에 피막을 씌우기도 한다.

갈색 전융 알루미나 연마재는 가열하여 입자 내 비정질을 표면에 스며 나오게 해 파괴 원인이 되는 흠집을 메워 잘 부서지지 않도록 열처리하기도 한다.

4. 연마재의 활용

연마재는 다양한 산업 분야에서 활용된다. 가공물의 형태, 크기, 성질, 원하는 표면 마감에 따라 적절한 연마재를 선택해야 한다. 예를 들어 칼을 전문적으로 연마할 때는 결합재 연마숫돌을 사용하여 오목하게 연삭할 수 있지만, 일반인은 천연 숫돌이나 사포와 같이 부드럽고 미끄럼 방지 처리가 된 표면에 붙인 유연한 코팅 연마재를 사용하여 볼록하게 연삭하는 것이 더 쉽다. 황동 거울은 결합재 연마재로 절단하고, 코팅 연마재로 표면을 평평하게 만든 후, 점점 더 고운 입자의 연마재를 순차적으로 적용하여 최종적으로 루즈가 함침된 왁스 페이스트를 사용하여 "거울 마감"이라고 하는 "무결점 마감"을 얻을 수 있다.[8]

너무 단단하거나 거친 연마재는 너무 많은 재료를 제거하거나 원치 않는 긁힘을 남길 수 있다. 긁힘은 보기 흉할 뿐만 아니라, 유용성 감소, 파괴, 먼지나 물의 끼임, 표면적 증가, 코팅 부식, 물체의 과도한 마모, 마찰 증가 등의 문제를 일으킬 수 있다. 반면, 더 고운 입자나 부드러운 연마재는 매우 미세한 긁힘을 남겨 광택, 반사력, 투명도를 높이는 데 사용된다. 하지만 부드러운 연마재는 연마재 자체가 마모되어 효과가 빨리 떨어질 수 있고, 절삭 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.

연마재의 절삭 특성은 화학적 또는 구조적 변형을 통해 변경할 수 있다.[9] 또한, 가격과 구매 가능성도 중요한 고려 사항이다. 다이아몬드는 오랫동안 가장 단단한 물질로 알려졌지만, 실험실에서 합성된 풀러렌과 집합체 다이아몬드 나노로드보다 부드럽다. 다이아몬드는 자연에서 희귀하고 합성 비용이 비싸기 때문에 가격이 비싸다. 반면, 보크사이트는 매우 일반적인 광석이며, 강옥의 높은 경도와 함께 저렴한 연마재로 사용된다.

연마재는 페인트나 접착제를 바르기 위한 표면 준비에도 사용될 수 있다. 너무 매끄러운 표면은 페인트와 접착제가 불규칙한 표면만큼 강하게 달라붙는 것을 방지할 수 있다. 공기주입식 타이어 수리 키트는 자체 가황화 접착제가 강하게 달라붙도록 연마제를 사용해야 한다.

유리나 금속 도마에 칼을 사용하면 칼날이 연마될 수 있다. 칼날의 압력으로 도마에 미세한 상처가 생기고, 이 상처는 연마재 역할을 하기 때문이다. 따라서 나무 도마를 사용하는 것이 좋다. 유리 절단기에서도 비슷한 현상이 발생하는데, 유리 절단기는 이미 절단된 부분을 다시 따라 절단해서는 안 된다.

내연 기관에 탄소가 존재하면 원하지 않는 마모가 발생할 수 있다. 작은 탄소 입자는 윤활 시스템에 의해 쉽게 운반되지만, 큰 탄소 입자는 좁은 공차를 가진 부품을 마모시킬 수 있다. 탄소는 엔진 오일의 과도한 가열 또는 불완전 연소에서 발생하며, 그을음에는 극도의 경도를 지닌 풀러렌이 포함될 수 있지만, 크기가 작고 양이 제한적이어서 그 효과는 제한적이다.

그 외에 연마재가 활용되는 분야는 다음과 같다.


  • 샌드블라스팅, 배럴 연마, 버핑, 랩핑 등의 가공 작업
  • 연삭 연마석, 연마사포, 연마 테이프의 원료
  • 조리용 스펀지 수세미 뒷면의 부직포 연마사포
  • 고무 시트를 원하는 모양으로 잘라 돌에 붙이고 연마재를 샌드블라스팅하여 홈 새기기

4. 1. 연삭 및 절삭 가공

결합 연마재의 예로 다양한 연삭휠


연삭휠은 결합재와 연마재를 혼합하여 만든 것으로, 금속, 세라믹, 유리 등을 깎거나 자르는 데 사용된다.[3] 연마재로는 탄화규소, 탄화텅스텐, 석류석 등이 사용되며, 결합재로는 점토, 수지, 유리, 고무 등이 사용된다. 이 혼합물은 블록, 스틱, 휠 모양으로 만들어진다.

연삭휠은 고속으로 회전하며, 이때 발생하는 반경응력을 견디기 위해 휠 제작에 주의해야 한다. 절단휠은 섬유로 보강하여 사용하기도 한다. 연마재와 공작물 사이의 마찰열을 줄이기 위해 냉각제와 같은 윤활제를 사용한다.[3]

회전 공구의 헤드로 사용되어 모형 제작과 같은 정밀 작업에도 사용된다.

결합 연마재는 사용 후 트루잉(truing)과 드레싱(dressing)이 필요하다. 드레싱은 표면의 절삭 부스러기와 느슨한 연마재를 제거하고 새로운 입자를 노출시키는 작업이다. 트루잉은 연마재를 원래 형태로 복원하는 작업으로, 고르지 않게 마모된 표면을 평평하게 만들거나 절삭면의 직경을 균일하게 만든다.

4. 2. 연마 가공

코팅 연마재는 종이, 천, 고무, 수지, 폴리에스터 또는 금속과 같은 지지재에 연마재를 고정시켜 만든다. 이 중 많은 수는 유연하다. 사포는 매우 일반적인 코팅 연마재이다. 코팅 연마재는 결합 연마재에 사용되는 것과 동일한 광물을 사용한다. 결합제(종종 접착제나 수지의 일종)를 지지대에 도포하여 입자가 부착될 평평한 표면을 제공한다. 직조된 지지대는 충전제(마찬가지로 종종 수지)를 사용하여 추가적인 탄력성을 제공하기도 한다.

코팅 연마재는 회전식 및 진동식 샌더에 사용하도록 성형하거나, 샌딩 블록에 감싸거나, 핸드패드로 사용하거나, 벨트 그라인더에 사용할 수 있는 폐쇄 루프로 만들 수 있다.

지지대와 FEPA 입도를 보여주는 독일 Klingspor 사포

4. 3. 기타 활용

상대적 상아질 마모도(RDA)로 나타낸 치약의 마모도


모래, 유리 구슬, 금속 펠릿(구리 슬래그) 및 드라이아이스는 샌드블라스팅 같은 공정에 사용될 수 있다. 드라이아이스는 승화되어 잔류 연마제를 남기지 않는다.[6] 탄화규소 분말도 워터젯 절단과 같은 다양한 기계 가공 공정에 연마재로 사용된다.[6] 이러한 분말은 반도체, 세라믹, 철강 재료의 미세 연삭 또는 거친 연마에 효과적이다.[7] 샌드블라스팅에는 고무 시트를 원하는 모양으로 잘라 돌에 붙이고 연마재를 샌드블라스팅하면 그 모양의 홈을 새길 수 있다.

치약에는 탄산칼슘 또는 실리카가 "광택제"로 포함되어 있어 치아의 플라크 및 기타 물질을 제거한다. 탄산칼슘의 경도는 치아 법랑질보다 낮지만 오염 물질보다 높기 때문이다. 세척제에는 페이스트 또는 크림에 연마제가 포함될 수도 있다. 이들은 일부 리놀륨, 타일, 금속 또는 돌 표면에 상대적으로 안전하도록 선택되지만, 많은 라미네이트 표면과 세라믹 상판 스토브는 쉽게 손상된다.[4] 금속 냄비와 스토브는 연마 세척제, 강철 수세미, 부직포 수세미 등으로 문질러 청소한다. 조리용 스펀지 수세미 뒷면에는 부직포로 된 연마사포 형태의 연마재가 들어 있다.

인체 피부도 각질 제거 형태의 마모에 노출된다. 이를 위한 연마제는 아몬드와 오트밀 등이 있다.[5] 더마브레이션과 마이크로더마브레이션은 광물 연마제를 사용하는 일반적인 화장품 시술이다.

긁힌 컴팩트 디스크와 DVD는 매우 미세한 화합물로 연마하여 수리할 수 있다.

5. 연마 작용의 원리

연마 작용은 일반적으로 연마재와 가공되는 재료 사이의 경도 차이에 의해 일어난다. 연마재가 가공물보다 더 단단하여 가공물을 깎아내는 방식이다.[2] 그러나 더 부드러운 재료로도 연마 작용이 일어날 수 있다. 예를 들어, 수십 년 또는 수세기 동안 더 부드러운 신발 밑창이 나무 또는 돌 계단을 마모시키거나 빙하가 돌을 마모시키는 경우가 있다.

일반적으로 연마재로는 모스 경도계에서 7 이상으로 평가되는 단단한 광물이나 합성 석재가 사용된다. 일부 합성 석재는 자연적으로 발생하는 광물과 화학적, 물리적으로 동일하지만, 자연적으로 생성되지 않았기 때문에 광물이라고 할 수 없다.[2] 다이아몬드나 코런덤과 같이 천연, 산업적으로 생산되는 물질이나, 탄산칼슘과 같이 더 부드러운 광물도 연마재로 사용된다.[2]

이러한 광물은 분쇄되거나, 이미 충분히 작은 크기의 입자 형태로 존재하여 연마재로 사용될 수 있다. 이러한 입자는 거친 가장자리를 가지고 있으며, 종종 뾰족한 끝부분을 가져 접촉 면적을 줄이고 국부적인 접촉 압력을 높인다.[2] 연마재와 가공물은 상대적인 움직임을 통해 접촉하며, 이때 입자에 가해지는 힘은 가공물 조각을 떨어져 나가게 한다. 동시에 연마 입자가 마모되거나, 연마재에서 떨어져 나가기도 한다.

5. 1. 연마 속도에 영향을 미치는 요인


  • 두 물질 간의 경도 차이: 훨씬 더 단단한 연마재는 더 빠르고 더 깊게 절삭한다.[2]
  • 입자 크기(입도): 더 큰 입자는 더 깊게 절삭하기 때문에 더 빠르게 절삭한다. 반면 더 작은 입자는 더 고운 표면을 만든다.[2]

2 mm(큰 입자)(FEPA 표준을 사용하여 약 F 10)에서 약 40 마이크로미터(약 F 240 또는 P 360)까지의 입도.

  • 입자 간의 접착력, 입자와 지지체 간의 접착력, 입자와 매트릭스 간의 접착력: 연마재에서 입자가 얼마나 빨리 손실되는지, 그리고 새로운 입자가 존재하는 경우 얼마나 빨리 노출되는지를 결정한다.[2]
  • 접촉력: 더 큰 힘은 더 빠른 마모를 유발한다.[2]
  • 윤활제/냉각제/금속 가공 유체의 사용: 절삭물을 제거(로딩 방지)하고, 열을 전달하며(가공물이나 연마재의 물리적 특성에 영향을 미칠 수 있음), 마찰을 감소시키고(기판이나 매트릭스와의 마찰), 마모된 가공 재료와 연마재 현탁을 통해 더 미세한 마무리를 가능하게 하며, 가공물에 응력을 전달할 수 있다.[2]

6. 참고: 연마 관련 용어


  • 결합 연마재: 연마재 입자를 점토, 수지, 유리, 고무 등의 결합재로 결합시켜 만든 연마재이다. 연삭휠이 대표적인 예시이다. 산화알루미늄이 가장 흔하게 사용되는 연마재이며, 탄화규소, 탄화텅스텐, 석류석도 사용된다.
  • 코팅 연마재: 종이, 천, 필름 등의 지지재에 연마재 입자를 접착제로 코팅한 연마재이다. 사포가 대표적인 예시이다. 결합 연마재와 동일한 광물이 주로 사용된다.
  • 트루잉(Truing): 결합 연마재의 형상이 고르지 않게 마모되었을 때, 원래의 표면 형태로 복원하는 작업이다.
  • 드레싱(Dressing): 결합 연마재 표면의 마모된 입자를 제거하고 새로운 입자를 노출시키는 작업이다.

참조

[1] 서적 ENGINEERING CHEMISTRY https://books.google[...] Tata McGraw-Hill Education
[2] 웹사이트 Abrasives engineering glossary http://www.abrasivee[...] 2007-04-06
[3] 간행물 Grinding Stresses Grinding Wheel Institute 1964
[4] 웹사이트 Care of laminate surface https://web.archive.[...] 2007-04-07
[5] 상품 Nutrimetics, Honey and Almond Scrub
[6] 웹사이트 An Introduction to Silicon Carbide Abrasives https://www.precisec[...] 2024-07-31
[7] 서적 Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications Wiley
[8] 웹사이트 OSH Answers: Metalworking fluids http://www.ccohs.ca/[...] 2007-04-06
[9] 웹사이트 FEPA Structure https://web.archive.[...] 2007-04-05
[10] 서적 みがき加工
[11] 서적 みがき加工


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