KR101284546B1 - 인듐이 함유된 내마모성 복합재료 및 그 제조방법 - Google Patents

인듐이 함유된 내마모성 복합재료 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인듐이 함유된 내마모성 복합재료에 관한 것으로서, 텅스텐 카바이드 및 구리와 인듐을 함유하는 바인더(binder)를 포함하는 내마모성 복합재료 및 이의 제조방법과 상기 복합재료로 제조된 드릴날을 제공한다. 보다 구체적으로는 본 발명에 따른 내마모성 복합재료는 텅스텐 카바이드를 포함하고, 바인더(binder)로서 구리와 인듐을 포함하되 니켈, 아연, 망가니즈를 더 포함할 수 있다. 또한 상기 내마모성 복합재료를 함침 공정을 사용하여 제조하고, 상기의 내마모성 복합재료를 사용한 드릴날을 제공한다.
본 발명의 내마모성 복합재료 및 그 제조방법을 통해 강도와 내마모성이 우수한 내마모성 복합재료를 제공하여, 보다 수명과 능력이 향상된 드릴날을 얻을 수 있게 된다.

Description

인듐이 함유된 내마모성 복합재료 및 그 제조방법{Abrasion Resistible Composite Comprising Indium Doped Copper Alloy Matrix with Tungsten Carbide Particles and Producing Method Thereof}
본 발명은 인듐이 함유된 내마모성 복합재료 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 우수한 마모 저항성과 낮은 마찰계수를 필요로 하는 자동차 브레이크 패드, 반도체 기판 또는 석유 시추 산업에서 쓰이는 드릴 날(drill bit)의 몸통으로 사용되는 구리합금을 기반으로 한 내마모성 복합재료의 성능 향상에 필요한 신소재 및 그 제조방법에 관한 것이다. 더 상세하게는 구리합금에 텅스텐 카바이드(tungsten carbide)가 분산되어 강화된 기존의 복합재료에 소량의 인듐(indium)을 첨가한 내마모성 복합재료이고, 상기의 복합재료를 함침 공정(infiltration process)에 의해 제조하는 내마모성 복합재료 제조방법에 관한 것이다.
자동차 브레이크 패드, 반도체 기판 또는 석유 및 가스 산업에서 사용되는 드릴 날(drill bit)은 우수한 마모 저항성이 요구되는 환경에서 사용되어, 일반적으로 강한 강화상(reinforcement phase)이 분산된 복합재료로 만들어진다. 그 중, 금속 기지(metal matrix)와 세라믹 강화상으로 구성된 복합재료로 만들어진 드릴 날의 몸체(drill bit body)는 과거 사용되던 강철 날(steel bit)을 대체할 재료로 제안되었다. 상기와 같이 금속합금을 기지로 하고 세라믹을 강화상으로 사용한 복합재료를 PRMMC(particle-reinforced metal-matrix composite)이라 부른다. 특히, 세라믹 입자 강화상이 고비율로 첨가된 high-volume PRMMC은 강도, 마모 저항성 및 인성에서 우수한 조합을 가지는 소재로 알려져 있다.
다양한 high-volume PRMMC 중에서도 텅스텐 카바이드가 분산된 복합재료는 뛰어난 기계적 성질을 보인다. 특히, 기지로 사용되는 구리 합금에 텅스텐 카바이드가 분산된 복합재료는 다음과 같은 네 가지 이유로 인해 반도체 산업 및 석유 시추 산업 등에서 사용되는 드릴 날에 널리 적용되어 왔다. 첫째, 구리 합금 기지와 텅스텐 카바이드 분산상 사이의 우수한 젖음성(wettability)으로 계면 강화 효과를 한다. 둘째, 구리 합금을 기지로 한 복합재료는 텅스텐이나 세라믹 입자와 같은 강한 입자상이 분산되었을 때 상당히 우수한 마모 저항성을 보인다. 셋째, 현재까지 알려진 바에 의하면 텅스텐 카바이드는 구리에 용해 한계가 있어 구리 합금과 텅스텐 카바이드 경계에 어떠한 중간상(금속간층, intermetallic layer)도 형성하지 않는다. 넷째, 텅스텐 카바이드는 어떠한 상(phase)변화 없이 실온에서 1400℃까지 무기한으로 경도를 유지한다.
특히, 구리 합금-텅스텐 카바이드 복합재료 소재는 상기 설명한 바처럼 강하고 뛰어난 기계적 성질들 때문에, 석유 산업에서 이용되는 드릴의 몸체로 사용되어 왔다. 그러나, 높은 온도에서 거친 바위와 충돌이 반복되는 극한의 환경에서 사용되는 이유로 강도, 연성, 마모의 성질 등에 있어서 때때로 한계점에 도달하게 되고, 드릴의 조기 파괴(premature failure)가 발생함에 따라 큰 경제적 손실을 가져온다.
예를 들면, 석유 시추 과정 중 예상치 않은 드릴의 파괴가 발생하면 새로운 드릴로 교체하는 시간 및 과정 자체가 막대한 경제적 손실과 연관된다(도 1 참조). 따라서, 드릴 산업이 요구하는 드릴의 조건이 점점 더 늘어감에 따라 드릴 몸체에 사용되는 소재의 발전된 기계적 성질이 요구된다. 특히, 석유 발굴 중 암석을 뚫는데 사용되는 Polycrystalline Diamond Compact(PDC, 도 2 참조) 드릴은 수천에서 수억에 이르는 고부가가치의 제품으로 몸체에 사용되는 구리 합금-텅스텐 카바이드 복합재료의 기계적 성질이 매우 중요하다. 따라서, Exxon, Shell등의 석유 관련 회사들은 드릴의 성능과 수명을 증가시킴으로써 드릴 및 석유 시추의 비용을 감소시키고 에너지를 절약하려는 연구 목표를 가지고 있다.
1. P.K. Deshpande 이하, Mater. Sci. Eng. A 418 2006년
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 구리합금 기지에 텅스텐 카바이드로 강화된 복합재료(구리 합금-텅스텐 카바이드 복합재료) 소재가 드릴 날 또는 브레이크 패드 등으로 사용되는 경우, 강도, 연성 및 마모 저항성을 증가시키고 마찰계수가 낮은 내마모성 복합재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 내마모성 복합재료를 통해 높은 온도에서 거친 바위와 충돌이 반복되는 극한의 환경에서 발생하는 조기파괴를 막아 드릴 날 또는 브레이크 패드의 성능과 수명을 증가시키고 교체 비용 등의 소모 비용을 절감시키는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따르면, 텅스텐 카바이드 및 구리와 인듐을 함유하는 바인더(binder)를 포함하는 내마모성 복합재료를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 내마모성 복합재료의 텅스텐 카바이드의 평균 입자 크기가 0.01 내지 900 ㎛ 인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 내마모성 복합재료의 바인더(binder)는 니켈, 아연 및 망가니즈로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 내마모성 복합재료의 바인더(binder)는 상기 내마모성 복합재료 총 중량 대비 10 내지 90 중량%로 포함된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 내마모성 복합재료의 바인더(binder)는 상기 바인더(binder) 중량 대비 14 내지 16 중량%의 니켈, 상기 바인더(binder) 중량 대비 7 내지 9 중량%의 아연, 및 상기 바인더(binder) 중량 대비 23 내지 25 중량%의 망가니즈를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 내마모성 복합재료의 인듐의 함량은 상기 바인더(binder) 중량 대비 0.001 내지 5.0 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 상술한 내마모성 복합재료의 원료를 흑연도가니에 투입하는 단계; 상기 원료가 투입된 흑연도가니를 가열하는 단계; 상기 가열된 온도에서 유지하는 단계 및 상기 온도 유지하는 단계 종료 후 즉시 냉각시키는 단계를 포함하는 내마모성 복합재료의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 내마모성 복합재료 제조방법에 의하면, 상기 가열된 온도를 유지하는 단계의 온도는 1000 내지 1500 ℃인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 상술한 내마모성 복합재료를 사용한 드릴 날을 제공한다.
본 발명에 따른 내마모성 복합재료는 구리 합금-텅스텐 카바이드 복합재료에 인듐을 첨가함으로써, 경도 및 스크래치 저항성을 증가시키고, 마모율을 감소시키고, 이를 통해 높은 온도에서 거친 바위와 충돌이 반복되는 극한의 환경에서 사용되는 경우에 있어서의 조기파괴를 감소시키는 효과를 가진다.
본 발명에 따른 내마모성 복합재료는 드릴 날이나 브레이크 패드 등에 사용되는 경우 성능과 수명을 증가시키고 교체 비용을 절감시켜 소모 비용 및 관련 산업의 에너지 소모를 절약할 수 있는 효과를 가진다.
도면 1은 손상된 PDC(Polycrystalline Diamond Compact) 드릴 몸체의 모습이다.
도면 2는 구리 합금-텅스텐 카바이드 복합재료가 드릴 날의 몸체로 사용된 PDC 드릴 날의 모습이다.
도면 3a는 인듐을 함유하지 않는 구리 합금-텅스텐 카바이드 복합재료를 300 N 하중에서 20 회 수행한 나노 스크래치 테스트 결과이다.
도면 3b는 인듐을 함유하는 구리 합금-텅스텐 카바이드 복합재료를 300 N 하중에서 20 회 수행한 나노 스크래치 테스트 결과이다.
도면 3c는 텅스텐 카바이드 입자를 300 μN 하중에서 20회(cycle) 수행한 나노 스크래치 테스트 결과이다.
도면 4는 구리 합금-텅스텐 카바이드 복합재료의 마모율(6N, 600m)을 시험 하중에 따른 마모율의 비교 자료와 함께 나타낸 그래프이다. ○는 인듐을 함유하지 않는 구리 합금-텅스텐 카바이드 복합재료, ●는 인듐을 함유하는 구리 합금-텅스텐 카바이드 복합재료에 대한 결과이다.
도면 5는 시험 거리(10N, ~3,000m)에 따른 구리 합금-텅스텐 카바이드 복합재료의 마찰계수변화를 나타낸 그래프이다. 흑색은 인듐을 함유하지 않는 구리 합금-텅스텐 카바이드 복합재료, 적색은 인듐을 함유하는 구리 합금-텅스텐 카바이드 복합재료에 대한 결과이다.
도면 6은 시험 거리(10N, ~3,000m)에 따른 구리 합금-텅스텐 카바이드 복합재료의 마모율이다. ○는 인듐을 함유하지 않는 구리 합금-텅스텐 카바이드 복합재료, ●는 인듐을 함유하는 구리 합금-텅스텐 카바이드 복합재료에 대한 결과이다.
도면 7은 구리 합금-텅스텐 카바이드 복합재료의 마모손실부피와 경도와의 관계(10N, 3,000m)를 나타낸 그래프이다. ■는 인듐을 함유하지 않는 구리 합금-텅스텐 카바이드 복합재료, ▲는 인듐을 함유하는 구리 합금-텅스텐 카바이드 복합재료에 대한 결과이다.
도면 8은 전자현미분석기(Electron Probe Micro Analyzer, EPMA)로 관찰한 사진결과이다. (a)는 텅스텐 카바이드, (b)는 구리, (c)는 인듐이다.
상기 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 내마모성 복합재료는 텅스텐 카바이드 및 구리와 인듐을 함유하는 바인더(binder)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이하 첨부된 도면을 이용하여 본 발명의 구성을 더욱 상세하게 살펴보도록 한다. 본 명세서에 사용되는 바인더(binder)는 결합제 또는 금속기지라는 용어와 동일한 의미로 사용될 수 있다.
상기 텅스텐 카바이드(WC)는 흑연과 분말 텅스텐을 높은 온도로 가열하여 만드는 육방 정계 결정으로 복합재료의 경도나 내마모성 면에서 우수하다. 상기 텅스텐 카바이드의 평균 입자 크기는 0.01 내지 900㎛에 해당하는 것이 내마모성 복합재료의 경도나 내마모성 면에서 가장 바람직하다.
상기 바인더(binder)는 구리와 인듐을 함유하며, 복합재료 총 중량 대비 20 내지 80 중량%로 포함되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 복합재료의 우수한 경도 및 내마모성 제공을 위하여 바인더(binder)는 복합재료 총 중량 대비 45 내지 55 중량%로 포함하는 것이 보다 바람직하다.
상기 인듐의 함량은 상기 바인더(binder) 중량 대비 0.001 내지 5.0 중량%인 것이 바람직하다. 이보다 더 낮은 함량으로 포함하는 경우에는 인듐 함유에 의한 고용강화 효과를 실질적으로 얻기 어려우며, 이보다 더 높은 함량으로 포함하는 경우에는 인듐이 고르게 분포되기 어려워 인듐의 함량 증가에 따른 고용강화 효과의 증가를 효과적으로 누리기 어렵다.
본 발명에 따른 내마모성 복합재료는 내마모성 복합재료에 사용되는 금속 원소들을 더욱 함유할 수 있다. 바인더(binder)에 더 함유할 수 있는 원소로는 니켈(Ni), 아연(Zn), 망가니즈(Mn), 실리콘(Si), 붕소(B) 등이 있다. 본 발명에 따른 내마모성 복합재료의 우수한 강도 및 내마모성 제공을 위하여 니켈, 아연 및 망가니즈로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 금속을 포함할 수 있다. 그 외 바인더(binder)로서 코발트(Co), 타이타늄(Ti), 탄탈럼(Ta) 등의 원소도 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 내마모성 복합재료의 우수한 강도 및 내마모성 제공을 위하여, 바인더(binder)에 상기 바인더(binder) 중량 대비 14 내지 16 중량%의 니켈, 상기 바인더(binder) 중량 대비 7 내지 9 중량%의 아연, 및 상기 바인더(binder) 중량 대비 23 내지 25 중량%의 망가니즈를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 기술된 복합재료는 당해 기술분야에 알려진 방법인 함침공정(infiltration process)으로 제조한다. 구체적인 방법은 내마모성 복합재료의 원료를 흑연도가니에 투입하는 단계; 상기 원료가 투입된 흑연도가니를 가열하는 단계; 상기 가열된 온도에서 유지하는 단계 및 상기 온도 유지하는 단계 종료 후 즉시 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성 복합재료의 제조방법을 제공한다.
상기 과정은 바인더(binder)가 텅스텐 카바이드 입자 사이로 들어갈 수 있을 정도로 용융되어야 하며, 일반적으로 1000 내지 1500 ℃ 정도에서 이루어진다. 한편, 함침 공정은 두 단계로 나뉘며, 열적 평형을 이루기 위한 시간과 이후의 함침 과정이 이뤄지는 시간으로 나뉜다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다 할 것이다.
[ 실시예 ] 복합재료 시편의 제조
평균 입자크기가 30 ㎛ 인 텅스텐 카바이드 파우더(대구텍(Taegutec), 대한민국)를 분산상으로 사용하고, 니켈(Ni) 14-16 중량%, 아연(Zn) 7-9 중량%, 망가니즈(Mn) 23-25 중량%를 함유하는 구리 합금(Kennametal, 미국)을 기지로 실험에 사용하였다. 또한, 함침 공정(infiltration process) 도중에 발생하는 산화(oxidation)를 막기 위하여 플럭스 파우더(flux powder, BP-1A flux, 대송금속자원, 대한민국)를 사용하였다. 상기 제조한 실시예 및 비교예의 조성물 함량비는 표 1과 같다.
Figure 112011027403417-pat00001
높이가 13.5㎝, 외경이 5㎝, 두께가 0.5㎝인 실린더 모양의 흑연 도가니(graphite crucible, 삼정C&G, 대한민국)에 구리 합금과 텅스텐 카바이드 파우더, 플럭스 파우더(flux powder)를 넣고 함침 공정을 사용하여 시편을 제작하였다. 텅스텐 카바이드 파우더를 흑연 도가니의 맨 아래에 두고 그 위에 구리 합금 덩어리를 위치시키고, 필요하다면 인듐도 추가한 뒤, 플럭스 파우더를 가장 위에 넣었다. 플럭스 파우더와 인듐은 기지 양에 각각 1 중량%, 2 중량%가 되게 첨가하였다.
상기 준비된 흑연 도가니를 미리 가열된 풍로((주)고려전기로개발, 대한민국)에서 1177 ℃에서 45분간 열처리하였다. 상기 45분 중 처음의 15분은 열적 평형을 이루기 위한 시간이고, 이후의 30분 동안은 실질적인 함침 공정이 이뤄지는 시간이다. 온도가 증가하면, 구리합금은 녹아 중력에 의해 밑으로 떨어져 구리 합금과 텅스텐 카바이드 파우더가 섞인 복합재료가 된다. 침투 공정을 거친 흑연 도가니는 풍로에서 즉시 꺼내져 공기 중에서 급격히 냉각한다. 제작된 복합재료 시편은 이후에 진행될 시험을 위하여 방전가공(electrical discharge machining)으로 잘랐다.
[ 실험예 1] 로크웰 경도 실험
상기에서 제조한 복합재료 시편에 대해 로크웰 경도시험기(rockwell hardness testing machine, Mitutoyo, 일본)를 사용하여 로크웰 경도를 측정하였다(HRB scale). 실험 조건은 1.6㎜의 소형강구(steel ball)로 100kg의 하중을 적용하여, 구리합금 기지, 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료 및 순수한 구리의 미세경도를 측정하였다. 이에 따른 실험결과는 표 2에 나타내었다.
Figure 112011027403417-pat00002
상기 표 2의 결과에 나타난 바처럼, 인듐을 2 중량% 함유한 실시예 2와 실시예 4의 경도값이 인듐을 함유하지 않는 실시예 1 및 실시예 3의 경도값보다 각각 높은 것을 알 수 있다.
이는 인듐에 의한 고용강화(solid solution strengthening)효과로 경도 값이 미세하게 증가한 것으로 결론 내릴 수 있다. 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료는 구리합금보다 훨씬 향상된 108 내지 110 HRB의 경도값을 가졌고, 인듐을 함유하는 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료의 경도는 109.6 HRB로, 인듐을 함유하지 않는 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료(108.4 HRB)보다 약간 증가하였다.
이러한 미세한 경도 증가의 주원인은 인듐의 고용강화 효과에 따른 기지강화에 의한 것이라 예상된다. 인듐 함유에 의한 경도 증가 현상은 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료에서보다 구리합금 기지에서 더욱 분명해 보이는데, 이는 복합재료 내에서 텅스텐 카바이드 입자가 경도에 더 많은 영향을 미치기 때문으로 예상된다.
[ 실험예 2]나노 스크래치 시험( Nano - scratch test )
상기에서 제조한 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료 시편에 대해 나노 스크래치 시험(Nano-scratch test)을 실시하였다. 모든 실험은 300μN 하중에서 각각 20회(cycle) 반복하였으며, 나노인덴터는 지정된 하중으로 시편을 누른 뒤 사이클의 수만큼 앞뒤로 스크래치를 만든 후 제거되었다.
나노 스크래치 시험 결과를 도 3a 내지 도 3c에 나타내었다. 인듐을 함유하지 않는 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료에 대한 시험 결과는 도 3a, 인듐을 함유하는 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료에 대한 시험 결과는 도 3b, 텅스텐 카바이드 입자에 대한 시험 결과는 도 3c에 나타내었다. 그래프에서 x축 선분(線分, segment)은 한 회(cycle)의 절반을 의미하고 Y축은 Z-변위이다. 각각의 선분을 지날 때마다 스크래치 깊이는 조금씩 깊어진다.
상기 도 3a 내지 도 3c에 나타난 결과처럼, 인듐을 함유하는 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료의 스크래치 깊이는 ~36nm로서, 인듐을 함유하지 않았을 때의 값인 ~49nm 보다 더 작다. 이를 통해, 인듐이 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료의 스크래치 저항성(scratch resistance)을 향상시킨다는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 인듐이 고용강화로 구리합금 기지를 강화시켰기 때문으로 예상된다. 복합재료 시편의 스크래치 저항성이 높은 것은 실제로 드릴이 사용될 때 필요한 성능인 마모(wear) 및 침식(erosion)저항성의 향상과도 상관 있을 것으로 예상된다.
[ 실험예 3] 마모 저항성 시험( 핀온디스크 테스트, Pin - on - Disk Test )
상기에서 제조한 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료 시편에 대해 마모 저항성을 평가하기 위해 Pin-on-Disk Test를 진행하였다. 마모시험(wear test)전, 모든 시편은 1㎛ 산화알루미늄(Al2O3)입자로 연마되었다. 마모시험에는 산화알루미늄구(Al2O3 ball)를 사용하고, 시험 속도(sliding speed)는 0.1m/s, 적용하중은 10N, 시험 거리(sliding distance)는 300 내지 3000m 였다. 시험 후 질량감소는 10-4g 까지 측정 가능한 저울로 관찰하였다.
구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료에 대해 10N의 하중으로 600m 거리에서 시험하였을 때의 마모율(wear rate, ㎎/m)을 도 4에 나타내었다. 상기 결과의 비교를 위해, 동일한 재료로 구성한 Cu-52W 복합재료 및 Cu-53WC 복합재료에 대해 500m 거리에서 평가한 시험 하중별 마모율 결과를 점선으로 도시하였다(비특허문헌 2 참조).
도 4에 나타난 것처럼, 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료에서 차지하는 텅스텐 카바이드의 비율이 높음에도 불구하고 Cu-52W 복합재료 또는 Cu-53WC 복합재료 보다 더 작은 마모율을 보였다. 이러한 차이는 첫째, 기지로 사용된 구리합금이 순수한 구리보다 높은 강도를 가지기 때문이고, 둘째, 제작한 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료 내 텅스텐 카바이드 양은 약 62%로, 비교 대상인 Cu-52W 복합재료 또는 Cu-53WC 복합재료 보다 더 많은 양을 차지한데서 기인한다고 설명될 수 있다.
나아가 본 발명에 따른 인듐을 함유하는 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료의 마모율이 비교 대상인 순수구리, Cu-52W 복합재료 및 Cu-53WC 복합재료 보다 낮은 것은 물론, 인듐을 함유하지 않은 구리합금-텅스텐 카바이드 보다도 더욱 낮은 것으로 나타났다.
인듐을 함유하는 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료와 인듐을 함유하지 않는 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료의 마찰거동을 도 5에 나타내었다. 양쪽 경우 모두 200m 이내의 시험 거리 구간에서는 마찰계수(μ)가 불안정하다가, 그 이후부터 시험 구간 종료시까지 거의 안정적으로 마찰계수(μ)를 유지하는 것을 알 수 있다. 이와 더불어 이들 금속의 비교적 높은 표면 거칠기(1㎛)는 일반 마찰 거동에 영향을 미치는 것으로 예상된다.
상기 안정적인 마찰계수(μ)를 유지하는 구간 동안, 인듐을 함유하는 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료의 마찰계수(μ)는 0.23 내지 0.35 정도를 유지하고, 인듐을 함유하지 않는 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료는 0.28 내지 0.41 정도로 유지하여, 인듐을 함유하는 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료의 마찰계수(μ)가 낮은 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료의 시험 거리(300m, 600m, 3000m)에 따른 마모율을 도 6에 나타내었다. 시험거리가 증가할수록 자연스럽게 마모율이 증가하였고, 이러한 마모율 증가의 가장 근본적인 이유는 반복되는 미끄러지는 접촉 과정 동안 강화된 텅스텐 카바이드 입자가 더 이상 지탱할 수 없고 급격하게 부서지거나 조각나기 때문이다. 인듐을 함유하는 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료 및 인듐을 함유하지 않는 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료의 마모율은 모두 300 내지 600m의 단거리 구간에서는 급격하게 증가하였다가, 600 내지 3,000m의 장거리 구간에서는 단조롭게 증가하는 경향을 보였다. 특히, 장거리 시험거리에서 인듐을 함유하지 않는 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료의 마모율이 인듐을 함유하는 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료보다 더 가파른 기울기로 마모되었다.
연마 마모 상황하에서의 마모 저항성에 대한 경도의 영향은, 하기 수학식으로 표현되어 마모 손실 부피와 경도 간의 반비례 관계를 보여주는 아차드 법칙(Archard's Law)을 통해 알 수 있다.
Figure 112011027403417-pat00003
본 발명에 대한 시험 결과에서도 아차드 법칙에 따르는 반비례 관계가 잘 나타났으며, 인듐을 함유하는 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료의 마모 손실 부피가 38%나 낮은 것을 알 수 있다.
[ 실험예 4] 전자현미분석기( Electron Probe Micro Analyzer , EPMA ) 분석
본 발명에 따른 인듐을 함유하는 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료를 전자현미분석기(Electron Probe Micro Analyzer, EPMA)로 분석한 결과, 인듐이 구리합금의 매트릭스 내에서 균일하게 분포되는 것을 확인하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
상기 결과를 통해, 인듐을 함유하는 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료의 우수한 마모 저항성은 인듐이 균일하게 분포됨에 따른 고용 강화 효과로부터 주로 기인하는 것으로 예상할 수 있다.
상기 시험 결과를 모두 종합하면, 인듐을 함유하는 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료가 인듐을 함유하지 않는 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료에 비하여 더 우수한 마모저항성을 보이는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 인듐 함유로 인한 고용 강화 효과와 향상된 젖음성(수화성, wettability)으로 인하여 구리합금 기지의 마모 저항성 또한 향상되었기 때문에 인듐을 함유하는 구리합금-텅스텐 카바이드 복합재료의 전반적인 마모 저항성이 증가하는 것으로 예상된다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항 들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 복합재료 총 중량 대비 20 내지 80 중량%의 텅스텐 카바이드 및 20 내지 80 중량%의 바인더로 이루어진 내마모성 복합재료에 있어서,
    상기 바인더는 구리에 바인더 중량 대비 0.001 내지 5.0 중량%의 인듐이 고용되어 있는 것을 특징으로 하는 내마모성 복합재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 텅스텐 카바이드는 평균 입자 크기가 0.01 내지 900 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 내마모성 복합재료.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 바인더는 상기 바인더 중량 대비 14 내지 16 중량%의 니켈, 상기 바인더 중량 대비 7 내지 9 중량%의 아연, 및 상기 바인더 중량 대비 23 내지 25 중량%의 망가니즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성 복합재료.
  6. 삭제
  7. 제1항, 제2항 및 제5항 중 어느 하나의 항에 따른 내마모성 복합재료의 원료를 흑연도가니에 투입하는 단계;
    상기 원료가 투입된 흑연도가니를 가열하는 단계;
    상기 가열된 온도를 유지하는 단계;및
    상기 온도 유지하는 단계 종료 후 즉시 냉각시키는 단계를 포함하는 내마모성 복합재료 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가열된 온도를 유지하는 단계의 온도는 1000 내지 1500 ℃인 것을 특징으로 하는 내마모성 복합재료 제조방법.
  9. 제1항, 제2항 및 제5항 중 어느 하나의 항에 따른 내마모성 복합재료를 이용한 드릴날.
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