KR100584702B1 - 초경합금 소결체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소결체의 미세 조직을 고인성 및 고내열성을 갖도록 제어하여 절삭 가공 시 내치핑성, 내결손성 및 고온 내마모성을 증가시킨 초경합금 소결체 및 이 소결체를 모재로 한 피복 초경 합금 절삭 공구에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 68~88%의 WC와 5~12%의 Co 결합상을 함유하고, 주기율표 4a, 5a 및 6a족 원소들의 탄화물, 질화물 및 탄질화물 중에서 선택되는 1종 이상의 첨가물을 7~20% 포함하는 초경 합금 소결체가 제공되고, 상기 초경 합금의 미세 조직은 소정의 범위 내에 결합상 조직의 크기가 1.5㎛ 이상인 결합상 빈도가 10회 이하이고 최대 결합상 조직의 크기가 2.5㎛ 미만이며, 결합상 내 순수 Co 함량이 65 중량% 이상인 특징을 갖도록 제어하여 공구의 내열성 및 고온 내마모성을 증가시킨다. 또한 상기 미세 조직에서 직경 3㎛ 이상의 WC 상 면적 비율이 총 WC 면적 비율의 80% 이상이 되도록 제어하여 내결손성 및 내치핑성을 향상시킬 수 있다. 이렇게 제조된 초경 합금 소결체를 모재로 하여 모재 보다 높은 경도를 갖는 물질로 구성된 박막으로 이루어진 피복 초경 합금 절삭 공구는 강의 단속 및 연속 절삭 과정에서 우수한 절삭 성능을 나타낸다.

Description

초경합금 소결체{Sintered body having high toughness and heat resistance}

도 1은 본 발명 소결체의 주사 전자 현미경(SEM)을 이용하여 촬영한 미세 조직 도면

도 2는 미세 조직적 특성을 분석하기 위해 본 발명에서 규정한 실제 미세 조직 분석 영역 도면

도 3은 WC 상과 결합상 크기 측정법 예시로 측정하고자 하는 상 형태의 내부에 최대 크기의 가상 내접원을 그려 내접원 직경을 측정하고자 하는 상의 크기로 한다는 것을 나타낸 도면

본 발명은 초경 합금 소결체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공구용으로 사용되는 초경 합금 소결체로서 고인성 및 고내열성을 가지는 초경합금 소결체에 관한 것이다.

1929년 독일의 Schrter에 의해 탄화텅스텐(WC), 코발트(Co)를 주성분으로 하는 초경 합금이 개발된 이래 여러 가지 적용 분야에 적합한 물성을 갖게 하기 위한 다양한 방법이 연구되어 왔고, 현재 탄화텅스텐(WC), 코발트(Co)를 주성분으로 하는 초경 합금은 절삭 공구 및 내마모 공구로 널리 사용되어 지고 있다. 절삭 공구는 철, 강(합금강) 등의 소재를 절삭 가공하는 용도로서 사용되는데, 부분적 고인성 및 고경도를 갖는 여러 가지 모재 제조 방법이 개발되었고, 공구의 내마모성 및 인성을 보다 좋게 하기 위하여 공구 모재 표면에 각종 세라믹 산화물, 탄화물 등을 화학 증착법 (Chemical Vapor Deposition: CVD) 또는 물리 증착법(Physical Vapor Deposition: PVD)에 의하여 형성된 피복층을 지닌 피복 절삭 공구가 널리 사용되고 있다.

근래 사용되고 있는 대부분의 피복 초경 합금 공구는 절삭 가공이 고속화되고 동시에 고절미, 고이송 등의 중절삭화의 경향에 따라 피복 초경 합금 공구를 제조함에 있어서, 공구 모재에 코팅되는 박막 특성을 개량하려는 여러 가지 기술이 개발되고 있다. 그러나 실제 절삭 작업 중 발생하는 충격 및 고온을 극복하는 역할은 주로 공구 모재가 담당하고 있으며, 지금까지 알려진 공구 모재 물성 향상법 예를 들어, 경질상 입도 제어, 첨가제 종류 및 함량 제어, 결합상 함량 제어 등은 인성을 증가시키면 내마모성이 저하되고 내마모성이 향상되면 인성이 열악해지는 인성과 내마모성 간의 트레이드 오프(trade-off) 문제점이 있어왔다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 피복 절삭 공구 모재인 초경 합금 소결체의 미세 조직 형태를 적절히 제어하고, 결합상의 미세 조직적 크기 및 조성을 최적화하여 단속 절삭 시 필요한 인성 및 연속 작업에서 필수적인 내열성 및 고온 내마모성을 증가시켜 공구 수명을 연장하게 할 수 있는 고인성 및 고내열성을 갖는 초경 합금 소결체를 제공하는데 있다.

상기의 목적은 출발 원료의 종류, 입도 및 배합량을 적절히 선택하고 그에 따른 적절한 소결법을 적용하여 최종 소결체 미세 조직의 조대 경질상 입도 분포 제어로 인성을 향상시킴과 동시에 결합상 크기와 조성을 제어하여 내열성 및 고온 내마모성을 증가시킴으로써 달성할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 68~88wt%의 WC와 5~12wt%의 Co 결합상을 함유하고, 주기율표 4a, 5a 및 6a 족 원소들의 탄화물, 질화물 및 탄질화물 중에서 선택되는 1종 이상의 첨가물을 7~20wt% 포함하는 합금으로 이루어지는, 절삭 공구용 초경 합금 소결체를 제공한다.

상기에서 첨가물은 4a, 5a, 및 6a 족 원소들 중 Ti와 Ta 금속의 탄화물, 질화물 및 탄질화물 중 1종 이상이 7~15wt%가 포함되고, Ti와 Ta를 제외한 4a, 5a 및 6a족 금속의 탄화물, 질화물 및 탄질화물 중 1종 이상이 0~5wt%가 혼합된 조성으로 함이 바람직하다.

본 발명자들은 상기한 종래의 문제점을 효과적으로 개선하기 위하여 피복 절삭 공구의 절삭 특성과 소결체 모재의 미세 조직 특성의 연관성을 관찰한 결과 WC의 입도가 절삭 인성 특성을 결정하고, 결합상의 조성이 고온 내열성을 좌우하며, 결합상 조직의 크기 및 분포가 내마모성을 결정함을 알 수 있었고, 절삭 공구 모재로 가장 이상적인 미세 조직적 특성을 찾아내게 되었다.

본 발명에서는 미세 조직적 특성을 규정하기 위하여 결정상의 크기 및 측정 면적에 대한 규정이 필요한데, 측정 면적은 소결체 내부(표면으로부터 500㎛ 이상) 임의 부분의 미세 조직을 주사 전자 현미경(SEM)을 이용하여 ×3000 배율로 관찰 시 30㎛ ×25㎛ 크기로 규정하며, 도 2에 실제 분석 견본 사진을 나타냈다. 또한 결합상 또는 WC 결정상의 크기는 상 형태 내부에 최대 내접원의 직경으로 규정하며, 그 예시를 도 3에 나타냈다. 이후의 설명에서 소정의 구역이라 함은 상술한 SEM 관찰 시 배율과 관찰 영역을 의미하며, 결합상이나 결정상의 크기 또한 도 3과 같은 방법으로 측정함을 의미한다.

상기와 같은 본 발명의 초경 합금 소결체는 아래의 미세 조직적 특성을 갖도록 진공 소결 또는 등방압 소결(HIP) 방법으로 제조함으로써 절삭공구의 인성 및 내열성, 내마모성을 향상시킬 수 있다.

상기 초경 합금 소결체의 미세 조직에서 3㎛ 이상 크기의 WC 면적비율이 총 WC 면적 비율의 80% 이상으로 제어함이 바람직하며, 도 1의 결합상 조직의 직경(내접원 지름)이 1.5㎛ 이상인 결합상(③) 빈도가 소정의 구역 내에 10회 이하로 많지 않으며 최대 결합상 조직의 크기가 2.5㎛ 미만이 되도록 제어하는 것이 바람직하다.

상기 초경 합금 소결체의 내열성 및 내마모성을 결정하는 결합상 조성은 직경이 1.5~2.5㎛ 인 결합상의 중심부 EDS 조성 분석결과 Co 함량이 65 중량% 이상을 유지하도록 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 초경 합금 소결체의 소결면 표면부에는 결합상이 농후하고 입방 정 카바이드 상이 없는 표면 구역을 40㎛ 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

또한 상기 초경 합금 소결체에 적용되는 박막으로는 모재 보다 경도가 높으며 주기율표 상에서 4a, 5a 및 6a 족의 원소들을 포함하는 적어도 하나의 탄화물, 질화물, 탄산화물, 탄질화물, 그리고 산화물이 사용되며 그 고용상이 사용될 수도 있다.

상기와 같은 초경 합금 소결체의 조성 및 미세 조직 특성 규정 이유는 아래와 같다.

또한 상기에서와 같이 본 발명에서의 조성%는 특별히 규정하지 않는 한 중량%를 의미한다.

출발 원료 조합에서 WC의 함량이 68% 이하이면, 초경합금의 장점인 경도가 현저히 저하되고, 90% 이상이면 소결체의 진성 인성 및 내열성이 매우 열악하여 절삭 인성 및 내마모성의 동시 향상을 꾀하기 어렵다. 또한, 철족 결합상이 5% 미만이면 액상 소결 시 액상 부피비의 부족으로 치밀한 소결체를 얻기 어려우며, 12%를 초과하면 절삭시 내마모성의 급격한 저하를 초래한다. 또한 첨가제로 사용하는 4a, 5a 및 6a 족 원소들의 탄화물, 질화물 및 탄질화물이 7% 미만이면 내열성 및 내마모성의 향상을 꾀하기 어렵고, 20%를 넘으면 WC에 비해 열악한 자체 특성 때문에 전체 소결체의 물성을 저하시키게 된다.

여기서, 상기 4a, 5a 및 6a 족 원소들 중 Ti 와 Ta 가 포함된 탄화물, 질화물 및 탄질화물은 초경 합금의 내열성 향상에 특히 우수한데, Ti 와 Ta 가 포함된 탄화물, 질화물 및 탄질화물 합이 7~15 중량%로 첨가될 때 소결체의 고온 특성이 가장 우수하며, Ti, Ta를 제외한 0.1~5%의 4a, 5a 및 6a 족 원소들의 탄화물, 질화물 및 탄질화물은 경도 등의 특성 향상을 위하여 포함될 수 있다.

본 발명의 소결체는 상기와 같은 배합 조성을 이용하여 아래와 같은 미세 조직적 특성을 갖도록 통상의 진공 소결 또는 등방압 소결(HIP) 방법으로 제조함이 바람직하다.

상기한 초경합금 소결체의 미세 조직에서 WC의 크기는 3㎛ 이상인 결정상 비율이 총 WC 면적 비율의 80% 이상이 바람직한데, 이는 3㎛ 미만의 소형 WC가 너무 많이 분포되면 소결체의 인성을 저하시키고, 미세 조직 내 결합상 조직을 작고 얇게 제어하기 어렵기 때문이다.

소결체의 미세 조직에서 절삭 성능에 영향을 끼치는 또 하나의 큰 인자는 결합상 조직의 조성 및 크기로 결합상 조직의 크기가 1.5㎛ 이상인 결합상 빈도가 상기한 소정의 구역 내에 10회를 초과하게 빈번하면 내열적 특성의 저하로 고온 내마모성의 저하를 초래한다. 유사한 맥락으로 최대 결합상 조직의 크기가 2.5㎛를 넘지 않도록 제어하는 것이 중요하다.

결합상 조성은 소결체의 고온 특성에 직접적인 영향을 미치는데, 직경이 1.5㎛ 이상인 결합상의 분석에서 중심부 EDS 조성 분석결과 Co 함량이 65 중량% 미만일 경우 결합상의 융점 및 연화점이 낮아 절삭 온도에서 소성변형을 야기해 절삭 공구 수명의 향상을 이루기 어렵다. 따라서 상기한 바와 같이 결합상의 융점을 저하시키지 않으면서 강도를 효과적으로 증가시키는 원소로는 4a, 5a 및 6a 족 원소 중에서 특히 Ti와 Ta 적합하며 이들이 포함된 탄화물, 질화물 및 탄질화물 합이 7~15 중량%를 포함하는 경우가 고온 특성 및 결합상 강도 유지에 가장 적합하다.

질화물이 포함된 초경 합금 조성에서 진공 및 등방 가압소결을 실시할 경우 소결체의 소결면 표면부에 결합상이 농후하고 입방정 카바이드 상이 없는 표면구역(CFL: Cubic phase Free Layer) 형성되는데, 이 부분은 절삭성능의 인성을 향상시키는 역할을 하지만 그 두께가 40㎛ 이상으로 두꺼우면 절삭 작업시 내부 조직 특성의 영향을 받기 전에 두꺼운 표면 구역이 먼저 변형되어 절삭 공구 내마모성의 심각한 저하를 초래한다.

본 발명 소결체를 모재로 하여 그 위에 코팅되는 박막은 통상의 CVD 법에 의한 피복이 적용되는데 그 예로 첫번째 층으로써 0.1 ~ 2.0㎛ 두께의 Ti(C_xN_y)(x+y=1), 두번째 층은 중온 화학 증착법(700~950℃)에 의해 코팅되는 두께 0.5 ~ 15㎛의 MT-Ti(CN) 또는 MT-Ti(B_xC_yN_z), 그 위층은 두께 0.5~5㎛의 알루미나(Al₂O₃) 박막이고 최외각 박막은 두께가 0.1 ~ 2.0㎛으로 주기율표상 4a, 5a 및 6a 족의 탄화물, 질화물, 탄산화물, 탄질화물, 그리고 산화물로 구성되거나 그것들의 고용상도 포함될 수도 있게 박막 코팅할 수 있다.

[실시예]

상기와 같은 조성 및 특성을 갖는 소결체를 소결 방법으로 미세 조직적 특성이 다른 소결체를 제조하여 이를 모재로 통상의 CVD 공법으로 제조한 박막을 적용한 후 절삭 시험을 실시하였다. 적용 박막으로 첫번째 0.5㎛ 두께의 Ti(CN), 두번째 층은 중온 화학 증착법(700~950℃)에 의해 코팅되는 두께 8㎛의 MT-Ti(BCN), 세 번째 층은 두께 4㎛의 알루미나(Al₂O₃), 최외각은 두께가 0.2㎛인 TiN을 사용하였다.

소결체를 표면으로부터 500㎛ 이상 경면 연마한 후 표면부와 연마면의 미세 조직을 주사 전자 현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였다. 이미지 분석기를 이용하여 미세 조직 내 WC, 결합상 및 첨가 탄질화물의 입도와 면적비율을 측정하였고, EDS를 이용하여 결합상 내 순수 Co의 함량을 분석하였다.

절삭 시험은 아래와 같은 방법으로 실시하였으며, 소결체의 조성 및 소결법을 표 1에, 미세 조직적 특성 및 절삭 성능 결과를 표 2에 정리하였다.

(1) 절삭 조건(내마모성)

피삭재 : SCM440

절삭 속도 : 180 m/min.

이송(공급) : 0.31 mm/rev

절삭 깊이 : 2.0 mm

절삭팁 형상 : CNMG120408

건식 절삭

평가 : 20분 절삭 후 측면 마모량(Flank Wear, V_B) 측정

(2) 절삭 조건(내충격성)

피삭재 : SCM440-4 grooves

절삭속도 : 150 m/min.

이송(공급) : 0.50 mm/rev.

절삭 깊이 : 2.0 mm

절삭팁 형상 : CNMG120408

건식 절삭

평가 : 파손 및 변형에 의한 수명 종료까지 시간(초)(5회 실시한 평균값을 표 2에 결과 표시)

표 1. 발명과 비교 시료의 조성 및 소결 조건

구분/번호		조성(중량%)									소결
		WC	Co	TaC	TaN	NbC	Mo2C	WTiCN	WTiC	TiCN	온도(℃)	소결 방법
발명	1	80	10	3		1	2		4		1450	진공
발명	2	76	10	5		5				4	1500	진공
발명	3	75	10	5	3	3	1			3	1500	진공
발명	4	75	10		5	5		4		1	1450	HIP
발명	5	75	10	5			5	4		1	1450	진공
발명	6	82	9		4	1		3		1	1450	HIP
비교	7	90	5	1				4			1450	HIP
비교	8	85	10				1	4			1450	진공
비교	9	80	10	5	1			4			1450	진공
비교	10	66	14	5	3	3	1		5	3	1500	진공
비교	11	80	10	5	1					4	1450	진공
비교	12	80	10			5		4		1	1450	HIP

표 2. 발명과 비교 시료의 미세 조직적 특성 및 절삭 성능 평가 결과

구분/번호		미세 조직적 특성					절삭 성능
		3㎛ 이상 WC	결합상 크기별 출현 빈도		결합상 성분 분석	CFL	내마모	내충격
		면적비율(%)	1.5~2.5㎛	2.5㎛초과	Co함량(%)	두께(㎛)	마모량 (mm)	견딘시간 (초)
발명	1	85	3	0	72	30	0.12	126
발명	2	84	3	0	71	28	0.11	140
발명	3	83	5	0	68	30	0.14	132
발명	4	82	0	0	72	18	0.11	128
발명	5	90	5	0	72	20	0.15	186
발명	6	88	4	0	68	14	0.13	143
비교	7	25	20	5	55	6	0.33	5
비교	8	85	2	0	52	21	0.14	6
비교	9	40	18	4	75	21	0.36	2
비교	10	90	2	0	72	28	0.29	1
비교	11	78	8	0	66	46	0.32	10
비교	12	90	0	0	50	5	0.15	8

표 1과 2의 1~6번 발명 시료와 같이 첨가 조성 및 미세 조직이 본 발명의 내용에 부합하는 경우 우수한 내마모성 및 내충격 성능을 나타내는 것을 볼 수 있다. 반면 비교 7번과 9번 시료는 WC 입도가 작아 결합상 크기를 작게 제어하기 어려워 내마모성 및 내충격성이 열세하게 나타났고, 8번과 12번 시료는 우수한 내마모성을 보였지만 내열성 증가에 중요한 Ta 및 Ti 탄(질)화물 함량이 부족하여 열세한 내충격 성능을 나타냈다. 그 이외에 출발 조성에서 WC 함량이 너무 낮은 10번 시료와 상대적으로 대형 결합상이 많고 CFL 두께가 너무 두꺼운 11번 시료도 열세한 절삭 성능을 보임을 알 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 초경 합금 소결체의 미세 조직적 제어를 통해 인성과 내열성을 동시에 증가시켜 절삭 작업 중의 내치핑성, 내결손성 및 고온 내마모성을 크게 증가시킬 수 있는 절삭 공구용 삽입체를 제공할 수 있다.

상기한 본 발명이 이후의 특허 청구 범위에서 정하고 있는 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 변화가 가능함을 당업자들은 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

1. 초경 합금 소결체에 있어서, 경도 및 내열성을 유지시켜 절삭인성 및 내마모성을 유지시키기 위한 68~88%의 WC와, 치밀한 소결체를 만들어 절삭시 내마모성을 유지시키기 위해 5~12%의 Co 결합상을 함유하고, 내열성 및 내마모성 향상과 소결체의 물성을 유지시키게 주기율표 4a, 5a 및 6a 족 원소들의 탄화물, 질화물 그리고 탄질화물 중에서 선택되는 1종 이상의 첨가물을 7~20% 포함하는 합금으로, 소결체의 미세 조직 내 결합상 크기의 90% 이상이 1.5㎛ ~ 2.5㎛ 범위를 갖고, 결합상 내 순수 Co 함량이 65 중량% 이상이며, 나머지는 WC와, 그리고 주기율표 4a, 5a 및 6a족 원소들의 탄화물, 질화물 그리고 탄질화물 중에서 선택되는 1종 이상이며, 상기 첨가물은 주기율표 4a, 5a 및 6a 족 원소들 중 Ti와 Ta 금속의 탄화물, 질화물 및 탄질화물 중 1종 이상이 7~15%이고, Ti와 Ta를 제외한 4a, 5a 및 6a 족 금속의 탄화물, 질화물 그리고 탄질화물 중 1종 이상이 0.1~5%임을 특징으로 하는 초경 합금 소결체.
2. 삭제
3. 제1항 있어서, 상기 소결체는 통상의 진공 소결된 것이며, 표면으로부터 500㎛이상의 내부 임의의 부분 미세 조직은 주사 전자 현미경으로 ×3000 배율로 관찰 시 30㎛ ×25㎛ 크기 범위에 결합상 조직의 직경이 1.5~2.5㎛ 이상인 결합상 빈도가 10회 이하이며 최대 결합상 크기가 2.5㎛ 미만인 미세 조직으로 이루어짐을 특징으로 하는 초경 합금 소결체.
4. 제3항에 있어서, 상기 직경이 1.5㎛ 이상인 결합상의 중심부 EDS 조성 분석 결과 순수 Co 함량이 65 중량% 이상임을 특징으로 하는 초경 합금 소결체.
5. 제3항에 있어서, 상기 주사 전자 현미경 관찰 시 3㎛ 이상 크기의 WC 면적 비율이 총 WC 면적 비율의 80% 이상임을 특징으로 하는 초경 합금 소결체.
6. 제1항에 있어서, 상기 소결체의 표면부에는 절삭성 등의 인성을 향상시키는 입방정 카바이드 상이 없는 표면구역(CFL : Cubic phase Fvee Layer)으로서 그 두께가 40㎛ 이하의 표면 구역을 갖고 있음을 특징으로 하는, 초경 합금 소결체.
7. 삭제

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