KR101640690B1 - 인성이 향상된 초경합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초경합금에 형성되는 CFL층 내의 Co 조직이 불규칙하게 생기는 조대한 조직 없이 균일하게 형성되도록 함으로써, 그 상부에 고경도 피막이 형성될 때 내마모성과 함께 양호한 내충격성을 얻을 수 있어, 고속 이송 및 고속 가공에 적합하게 사용될 수 있는 절삭공구용 초경합금에 관한 것이다.
본 발명에 따른 절삭공구는, 탄화텅스텐(WC)를 주성분으로 하는 입자와, Co를 주성분으로 하는 결합상과, 4a족, 5a족 및 6a족 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 탄화물, 탄질화물 또는 이들의 고용체를 포함하는 입자를 포함하는 초경합금으로, 상기 초경합금의 표면으로부터 내부쪽으로 탄화물 또는 탄질화물이 형성되지 않은 CFL(Cubic phase Free Layer)층이 5~50㎛까지 형성되어 있으며, 상기 CFL층의 중심부로부터 표면까지를 CFL 상부라고 하고, 상기 CFL층의 중심부로부터 모재 하부의 경계부까지를 CFL 하부라고 하고, CFL층에 형성된 Co 조직의 장축 길이에 대한 단축 길이의 비가 5 이하인 조직 중 장축 길이를 Co 조직의 크기라고 할 때, CFL 하부 내 최대 Co 조직 크기가 상부 내 최대 Co 조직 크기의 2배 이하인 조직을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

인성이 향상된 초경합금 {TUNGSTEN CARBIDE HAVING ENHANCED TOUGHNESS}

본 발명은 절삭공구용 초경합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초경합금에 형성되는 CFL층 내에 불규칙한 조대 Co 조직의 생성을 최대한 억제함으로써, 초경합금 모재 상에 고경도 피막이 형성되더라도 우수한 내마모성과 함께 양호한 내충격성을 얻을 수 있어, 고속 이송 및 고속 가공에 적합하게 사용될 수 있는 절삭공구용 초경합금에 관한 것이다.

절삭공구용 초경합금은 WC 경질상과 Co 결합금속상의 복합재료로 대표적인 분산형 합금이며, 그 기계적 특성은 기본적으로 WC 경질상의 입도와 Co 결합금속상의 양에 의존하며, 특히 경도와 인성은 상호 반비례하는 관계에 있고, 절삭가공 방법에 따라 절삭공구용 초경합금에 요구되는 특성도 달라지며, 이에 따라 초경합금의 기계적 특성을 제어하기 위한 다양한 시도가 행해져 왔다.

최근 절삭가공시장은 원가 절감을 통한 경쟁력 향상을 목적으로 가공시간(Cycle Time) 단축에 대한 요구가 커지고 있다. 가공시간 단축을 위하여 절삭조건도 점차적으로 고속, 고이송 조건으로 변모하고 있어, 이에 대응하여 절삭공구의 물성도 고속, 고이송 조건에서도 양호한 절삭가공이 이루어 질 수 있도록 내마모성과 인성이 동시에 양호한 특성을 구비할 필요성이 점점 높아지고 있는 실정이다.

이에 따라, 절삭공구에 형성되는 경질피막도 고온에서 안정성이 우수한 알파상의 알루미나층을 포함하는 피막이 선호되고 있으며, 알루미나층의 하지층으로 형성되는 MT-TiCN층도 고경도화 추세로 미세하고 균일한 주상정 조직이 선호되고 있다.

한편, 절삭공구의 모재에 불균일한 소성변형 발생할 경우, 모재 상에 형성된 고경도 피막에는 치핑이 쉽게 발생하므로, 고경도 피막의 물성이 제대로 발휘되기 위해서는 피막의 수직 방향에 대한 모재 특성의 안정성이 요구된다.

경질피막이 형성되는 모재의 표층부에는 특허문헌에 개시된 바와 같이, 절삭가공 시에 발생하는 충격을 흡수할 수 있도록, 표면부터 약 10~40㎛ 깊이까지 모재를 구성하는 입방정의 탄화물이 존재하지 않는 인성 보강층(Cubic phase Free Layer, 이하 'CFL층'이라 함)을 형성하는데, 전술한 고경도 피막에는 CFL층의 균일성(위치별 미세조직의 균일성, 위치별 조성의 균일성)이 요구된다.

그런데, 현재 상용화된 초경합금의 CFL층의 경우, 표면쪽의 Co 조직은 작고 내부로 갈수록 불규칙한 조대 Co 조직이 생성되는 경향을 가지며, 이러한 불규칙하게 형성된 조대 Co 조직은 CFL층의 균일성을 저해하여, 전체적인 절삭공구의 물성을 저하시키는 요인이 되고 있다.

이러한 이유로, 현재의 기술적 동향은 절삭공구의 내마모성과 내소성변형성을 향상시키기 위하여 고경도 피막을 사용하면서 CFL층의 두께를 줄이는 방향으로 개발이 진행되고 있는데, 외부 충격을 흡수하는 인성 보강층의 역할을 하는 CFL층의 두께라 너무 얇아지면 충격 흡수층의 역할이 급격하게 축소되어 절삭공구의 인성을 저해하는 문제점이 있다.

한국공개특허공보 제2005-0110822호

본 발명은 초경합금 모재 상에 고경도 피막을 형성하더라도 내마모성과 내충격성이 우수한 초경합금을 제공하는 것을 해결 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 탄화텅스텐(WC)을 주성분으로 하는 입자와, Co를 주성분으로 하는 결합상과, 4a족, 5a족 및 6a족 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 탄화물, 탄질화물 또는 이들의 고용체를 포함하는 입자를 포함하는 초경합금으로, 상기 초경합금의 표면으로부터 내부쪽으로 탄화물 또는 탄질화물이 형성되지 않은 CFL(Cubic phase Free Layer)층이 5~50㎛까지 형성되어 있으며, 상기 CFL층의 중심부로부터 표면까지를 CFL 상부라고 하고, 상기 CFL층의 중심부로부터 모재 하부의 경계부까지를 CFL 하부라고 하고, CFL층에 형성된 Co 조직의 장축 길이에 대한 단축 길이의 비가 5 이하인 조직 중 장축 길이를 Co 조직의 크기라고 할 때, CFL 하부 내 최대 Co 조직 크기가 상부 내 최대 Co 조직 크기의 2배 이하인 조직을 갖는 초경합금을 제공한다.

이 구성에 의하면, CFL층의 중심부를 기준으로 하부에 위치한 Co 조직의 최대 크기가 CFL층의 중심부를 기준으로 상부에 위치한 Co 조직의 최대 크기의 2배 이상이 되지 않게 함으로써(즉, CFL층의 두께 방향으로 Co 조직의 균일성을 높임으로써), CFL층의 두께에 따른 Co 조직의 불균일성이 크게 줄어들게 된다. 이에 따라 상기 CFL층 상에 고경도 피막을 형성하더라도 모재의 불균일성이 줄어들기 때문에, 절삭공구의 내마모성과 함께 내충격성도 동시에 양호하게 유지될 수 있게 된다.

본 발명에 따른 초경합금은, CFL층 내에 균일한 Co 조직을 구비하여, 초경합금의 상부에 고경도 피막을 형성하면서도 CFL층의 두께를 두껍게 유지할 수 있어, 고속 이송, 고속 가공에 적합한 우수한 내마모성과 내충격성을 구비할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예 2에 따른 초경합금의 미세조직 사진이다.
도 2는 본 발명의 비교예 2에 따른 초경합금의 미세조직 사진이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명에 있어서, 'CFL(Cubic phase Free Layer)층'이란, 초경합금 소결체로 이루어진 모재의 표면에서 소정 깊이까지 결합상이 리치(rich)하고 입방정 탄화물 상(phase)이 없는 표면 구역을 의미한다.

또한, 'Co 조직의 크기'란, CFL층에서 관찰되는 Co 조직 중 길이가 가장 짧은 단축 길이와 Co 조직 중 길이가 가장 긴 장축 길이의 비가 5를 넘는 조직을 제외한 Co 조직 중에서 장축 길이를 의미한다. 여기서 단축 길이에 대한 장축 길이의 비가 5를 넘는 가늘고 길게 연장하는 Co 조직을 제외한 것은 이 Co 조직을 CFL층의 물성에 큰 영향을 미치는 불규칙한 조대 Co 조직과 구분하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 절삭공구는, 탄화텅스텐(WC)를 주성분으로 하는 입자와, Co를 주성분으로 하는 결합상과, 4a족, 5a족 및 6a족 원소로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 탄화물, 탄질화물 또는 이들의 고용체를 포함하는 입자를 포함하는 초경합금으로, 상기 초경합금의 표면으로부터 내부쪽으로 탄화물 또는 탄질화물이 형성되지 않은 CFL(Cubic Free Layer)층이 5~50㎛까지 형성되어 있으며, CFL층의 중심부로부터 표면까지를 CFL 상부라고 하고, CFL층의 중심부로부터 모재 하부의 경계부까지를 CFL 하부라고 하고, CFL층에 형성된 Co 조직의 장축 길이를 Co 조직의 크기라고 할 때, CFL 하부 내 최대 Co 조직 크기가 상부 내 최대 Co 조직 크기의 2배 이하인 조직을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 CFL층의 두께는 5㎛ 미만일 경우 인성 보강층의 역할을 거의 수행하지 못하고, 50㎛ 초과일 경우 내마모성이 급격하게 감소되므로, 5~50㎛이내여야 하며, 바람직한 CFL층의 두께는 10~30㎛이다.

상기 초경합금은, 바람직하게 Ta, Nb, 및 Ti 중에서 1종 이상을 포함하는 탄화물 또는 탄질화물 1.5~20중량%와, Co 4~10중량%와, 나머지 WC 및 불가피한 불순물을 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 탄화물 또는 탄질화물의 함량이 1.5중량% 미만일 경우 내마모성이 급격히 감소하고, 20중량%를 초과할 경우 내용착성 및 내치핑성이 급격히 감소하므로, 1.5~20중량%가 바람직하다. 또한, 상기 Co의 함량이 4중량% 미만일 경우 바인더가 부족하여 WC 입자 간의 결합력이 약하여 내치핑성이 떨어지고, 10중량% 초과일 경우 바인더가 많아 내마모성이 급격히 감소하므로, 4~10중량%가 바람직하다.

[실시예 1]

본 발명의 실시예 1에 따른 절삭공구의 모재로, WC 분말 83중량%, Co 분말 8중량%, Ti 탄질화물 분말 3중량%, Nb 탄화물 분말 6중량%을 칭량하여 혼합한 후 소결공정을 통해 초경합금을 제조하였다.

소결 공정은, 250℃의 저온영역에서 2시간 동안 열처리하는 탈지(dewaxing)공정을 수행한 후, 1200℃에서 1시간 동안 예비소결을 하고, 1500℃에서 1시간 동안 본 소결을 수행하고, 1500℃에서 1100℃까지 냉각속도 13.3℃/min, 진공압력 6mbar의 조건으로 냉각시킨 후, 상온까지 자연냉각시켰다.

일반적으로 1500℃에서 1100℃까지 냉각하는 동안에, 탈질이 발생하여 타탄화물이 모재 내부로 이동하여 CFL층이 생성된다. 그리고 1100℃ 이상에서는 표면으로부터 고상화가 진행되고, 탄화물이 이동하는 정도에 따라 CFL층의 두께, Co 조직의 크기 차이가 발생한다.

본 발명의 실시예 1에서는 본 소결공정 후 고상화 완료 시점인 1100℃까지의 냉각속도를 빠르게 조절하고 동시에 진공압력을 조절함으로써, CFL층에 형성되는 Co 조직의 균일성을 높이도록 하였다.

이와 같이 제조된 초경합금을 모재로 하여 제조한 인써트의 표면에, 화학기상증착(CVD)법으로 두께 2.5㎛의 TiN층, 두께 7㎛의 MT-TiCN층, 두께 6㎛의 α-Al₂O₃층, 두께 1.5㎛의 TiN층을 순차적으로 적층하여 다층구조의 경질 피막층을 형성하였다.

[실시예 2]

본 발명의 실시예 2에 따른 절삭공구의 모재로, WC 분말 87.5중량%, Co 분말 6.5중량%, Ti 탄질화물 분말 1.8중량%, Nb 탄화물 분말 4.2중량%을 칭량하여 혼합한 후, 실시예 1과 동일한 소결조건으로 초경합금을 제조하였다.

이와 같이 제조된 초경합금을 모재로 하여 제조한 인써트의 표면에, 본 발명의 실시예 1과 동일한 경질피막층을 형성하였다.

[실시예 3]

본 발명의 실시예 3에 따른 절삭공구의 모재로, WC 분말 78.8중량%, Co 분말 5중량%, Ti 탄질화물 분말 1.2중량%, Ta 탄화물 분말 6.8중량%, Nb 탄화물 분말 8.2중량%를 칭량하여 혼합한 후, 실시예 1과 동일한 소결조건으로 초경합금을 제조하였다.

이와 같이 제조된 초경합금을 모재로 하여 제조한 인써트의 표면에, 본 발명의 실시예 1과 동일한 경질피막층을 형성하였다.

[비교예 1]

비교예 1에 따른 절삭공구의 모재로 실시예 1과 동일하게, WC 분말 83중량%, Co 분말 8중량%, Ti 탄질화물 분말 3중량%, Nb 탄화물 분말 6중량%을 칭량하여 혼합한 후 소결공정을 통해 초경합금을 제조하였다.

소결 공정은, 250℃의 저온영역에서 2시간 동안 열처리하는 탈지(dewaxing)공정을 수행한 후, 1200℃에서 1시간 동안 예비소결을 하고, 1500℃에서 1시간 동안 본 소결을 수행하고, 1500℃에서 1100℃까지 냉각속도 3.3℃/min, 진공압력 4mbar의 조건으로 냉각시킨 후, 상온까지 자연냉각시켰다.

즉, 비교예 1은 실시예 1과 대비할 때, 1500℃에서 1100℃까지의 냉각조건을 상이하게 하여 제조한 초경합금이다.

이와 같이 제조된 초경합금을 모재로 하여 제조한 인써트의 표면에, 본 발명의 실시예 1과 동일한 경질피막층을 형성하였다.

[비교예 2]

비교예 2에 따른 절삭공구의 모재로, WC 분말 87.5중량%, Co 분말 6.5중량%, Ti 탄질화물 분말 1.8중량%, Nb 탄화물 분말 4.2중량%을 칭량하여 혼합한 후, 비교예 1과 동일한 소결조건으로 초경합금을 제조하였다.

이와 같이 제조된 초경합금을 모재로 하여 제조한 인써트의 표면에, 본 발명의 실시예 1과 동일한 경질피막층을 형성하였다.

[비교예 3]

비교예 3에 따른 절삭공구의 모재로, WC 분말 78.8중량%, Co 분말 5중량%, Ti 탄질화물 분말 1.2중량%, Ta 탄화물 분말 6.8중량%, Nb 탄화물 분말 8.2중량%를 칭량하여 혼합한 후, 비교예 1과 동일한 소결조건으로 초경합금을 제조하였다.

이와 같이 제조된 초경합금을 모재로 하여 제조한 인써트의 표면에, 본 발명의 실시예 1과 동일한 경질피막층을 형성하였다.

미세 조직

도 1은 본 발명의 실시예 2에 따른 초경합금의 미세조직 사진이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 초경합금으로부터 일정 깊이 아래로부터 연한 회식의 타탄화물 입자가 관찰되며, 그 상부에는 타탄화물 입자가 관찰되지 않는 CFL층이 형성되어 있다.

CFL층의 중심을 기준으로 표면측의 'CFL 상부'와 'CFL 하부'에 형성된 검은색에 가까운 조직이 Co 조직인데, 본 발명의 실시예 2에 따른 초경합금의 경우, CFL 하부에 불규칙하게 조대 성장한 Co 조직이 거의 관찰되지 않는다.

도 2는 본 발명의 비교예 2에 따른 초경합금의 미세조직 사진이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 비교예 2에 따른 초경합금의 경우, CFL 하부에 형성된 Co 조직이 CFL 상부에 형성된 Co 조직에 비해 조대한 것이 일부 관찰된다.

아래 표 1은 본 발명의 실시예 1~3과 비교예 1~3에 따라 제조된 초경합금에서 측정된 CFL층의 두께와, 미세조직 사진을 이미지 분석기를 사용하여 상부 Co 조직 최대 크기에 대한 하부 Co 조직 최대 크기의 비를 측정한 결과를 나타낸 것이다.

시편	CFL층 두께 (㎛)	Co 조직크기 비 (하부/상부)
실시예 1	32	1.2
실시예 2	25	1.2
실시예 3	14	1.3
비교예 1	32	4
비교예 2	25	3.4
비교예 3	14	2.1

표 1에 나타난 바와 같이, Co 함량이 많은 실시예 1과 비교예 1의 CFL층의 두께가 32㎛로 두껍게 형성된 반면, Co 함량이 중간인 실시예 2와 비교예 2의 CFL층의 두께는 25㎛이고, Co 함량이 가장 적은 실시예 3과 비교예 3의 CFL층의 두께는 14㎛로 나타났다.

그런데, 본 발명의 실시예 1~3에 따른 초경합금에서 CFL층 내에 형성된 Co 조직의 상부 최대 크기에 대한 하부 최대 크기의 비는 1.2~1.3으로 낮은데 비해, 비교예 1~3에 따른 초경합금에서 CFL층 내에 형성된 Co 조직의 상부 최대 크기에 대한 하부 최대 크기의 비는 2.1~4로 모두 2배를 초과하였다.

이는, 비교예 1~3의 CFL 하부에 불규칙하게 성장한 조대한 Co 조직이 형성되어 있다는 것을 의미한다.

절삭성능 평가 결과

상기와 같이 Co 조직의 차이가 절삭성능에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 다음과 같은 2가지 조건으로 절삭공구의 내마모성과 내충격성에 대한 절삭성능 평가시험을 수행하였다.

(1) 합금강 내마모 절삭조건

- 가공방식: 선삭 (외경연속가공)

- 피삭재 : SCM440

- Vc(절삭속도) : 280mm/min

- fn(이송속도) : 0.25mm/min

- ap(절입깊이) : 2mm

- 건/습식: 습식

(2) 탄소강 내충격성 절삭조건

- 가공방식: 선삭 (외경단속가공)

- 피삭재 : SM45C-V홈

- Vc(절삭속도) : 300mm/min

- fn(이송속도) : 0.3mm/min

- ap(절입깊이) : 2mm

- 건/습식 : 습식

아래 표 2는 상기한 조건으로 수행한 절삭성능 평가 결과를 나타낸 것이다.

시편	CFL 두께 (㎛)	Co 조직크기 비 (하부/상부)	합금강 내마모성	탄소강 내충격성
실시예 1	32	1.2	1370mm	360mm
실시예 2	25	1.2	1650mm	260mm
실시예 3	14	1.3	1980mm	180mm
비교예 1	32	4	1150mm	270mm
비교예 2	25	3.4	1400mm	150mm
비교예 3	14	2.1	1740mm	100mm

표 2에 나타난 바와 같이, 강(steel)의 내마모 절삭성능 평가결과는 초경합금의 Co 함량이 감소할수록 내마모성이 향상되고 내충격성은 감소되는 일반적인 경향을 나타낸다.

그런데, 동일한 CFL층 두께를 갖는 실시예 1과 비교예 1을 대비하면, 실시예 1의 내마모성 평가결과는 1370mm 인데 비해 비교예 1은 1150mm로 낮으며, 실시예 1의 내충격성 평가결과는 360mm 인데 비해 비교예 1은 270mm로 실시예 1에 비해 현저하게 낮은 특성을 보인다.

또한, 동일한 CFL층 두께를 갖는 실시예 2와 비교예 2를 대비하면, 실시예 2의 내마모성 평가결과는 1650mm 인데 비해 비교예 2는 1400mm로 낮으며, 실시예 2의 내충격성 평가결과는 260mm 인데 비해 비교예 2는 150mm로 낮게 나타난다.

또한, 동일한 CFL층 두께를 갖는 실시예 3과 비교예 3을 대비하면, 실시예 3의 내마모성 평가결과는 1980mm 인데 비해 비교예 3은 1740mm로 낮으며, 실시예 3의 내충격성 평가결과는 180mm 인데 비해 비교예 3은 100mm로 매우 낮게 나타난다.

이상의 결과로부터, 동일한 CFL층 두께를 갖는다면 본 발명의 실시예에 따른 Co 조직을 갖는 초경합금은 그렇지 않은 초경합금에 비해 향상된 내마모성과 내충격성을 가질 수 있음이 확인되었다.

Claims (3)

1. Ta, Nb, 및 Ti 중에서 1종 이상을 포함하는 탄화물 또는 탄질화물 1.5~20중량%와, Co 4~10중량%와, 잔부 WC 및 불가피한 불순물을 포함하여 이루어지는 절삭공구용 초경합금으로,
   상기 초경합금의 표면으로부터 내부쪽으로 탄화물 또는 탄질화물이 형성되지 않은 CFL(Cubic phase Free Layer)층이 5~50㎛까지 형성되어 있으며,
   상기 CFL층의 중심부로부터 표면까지를 CFL 상부라고 하고, 상기 CFL층의 중심부로부터 모재 하부의 경계부까지를 CFL 하부라고 하고, CFL층에 형성된 Co 조직의 장축 길이에 대한 단축 길이의 비가 5 이하인 조직 중 장축 길이를 Co 조직의 크기라고 할 때, CFL 하부 내 최대 Co 조직 크기가 상부 내 최대 Co 조직 크기의 2배 이하인 조직을 갖는 절삭공구용 초경합금.
2. 제1항에 있어서,
   상기 CFL층의 두께가 10~30㎛인 절삭공구용 초경합금.
3. 삭제

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