KR20060126633A - 지르코늄 및 니오븀을 포함하는 초경합금 본체 및, 그것을제조하는 방법 - Google Patents

지르코늄 및 니오븀을 포함하는 초경합금 본체 및, 그것을제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

소결 초경합금 동체(예를 들면, 절삭 공구) 및 그것을 제조하는 방법이 개시된다. 소결 초경합금 동체는 텅스텐 카바이드, 철 그룹 또는 그것의 합금중 적어도 하나의 금속의 바인더 상 및, 하나 또는 그 이상의 고용체 상들을 포함한다. 고용체 상들중 각각의 하나는 지르코늄, 니오븀 및 텅스텐의 화합물의 카바이드 및 카보나이트라이드들중 적어도 하나를 가진다. 본 발명의 방법은, 텅스텐 카바이드, 철 그룹 또는 그것의 합금들중 적어도 하나의 금속을 포함하는 바인더 금속 분말 및, 지르코늄과 니오븀의 카바이드 또는 카보나이트라이드의 분말을 포함하는 지르코늄 및 니오븀 양쪽의 카바이드 및 카보나이트라이드들중 적어도 하나를 포함하는 분말 혼합물을 제공하는 단계, 상기 분말 혼합물의 그린 콤팩트를 형성하는 단계 및, 1400 내지 1560℃ 의 온도에서 상기 그린 콤팩트를 진공 소결하거나 소결-HIP 하는 단계를 포함한다.

Description

지르코늄 및 니오븀을 포함하는 초경합금 본체 및, 그것을 제조하는 방법{Cemented carbide body containing zirconium and niobium and method of making the same}
본 발명은 소성 변형에 대하여 저항성이 향상된 소결 초경합금 동체(sintered cemented carbide body)에 관한 것으로서, 이것은 텅스텐 카바이드(WC), 바인더 금속의 상(phase) 및, 원소의 주기율표에서 IVb, Vb 및, VIb 그룹들의 원소들중 적어도 하나의 카보나이트라이드(carbonitride), 나이트라이드(nitride) 및, 카바이드(carbide)중 적어도 하나를 포함하는 하나 또는 그 이상의 고용체 상을 포함하는 것이다. 본 발명은 또한 이들 소결 초경합금 동체를 제조하는 방법을 제공한다. 이들 소결 초경합금 동체들은 절삭 공구의 제조에 유용하며, 특히 강철 및, 다른 금속들 또는 금속 합금들의 기계 가공을 위한 인덱스 가능 절삭 인서트의 제조에 유용하다.
소결 초경합금 동체들과 그것의 제조를 위한 분말 야금 방법은 예를 들면 네메츠(Nemeth)등에 허여된 미국 특허 Re. 34,180 에 개시되어 있다. 원래는 코발트가 주 성분을 위한 바인더 금속으로서 이용되었던 반면에, 미국 특허 제 6,024,776 호에 개시된 텅스텐 카바이드, 코발트-니켈-철 합금은 텅스텐 카바이드와 다른 카 바이드들, 나이트라이드 및, 티타늄, 지르코늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈륨, 크롬, 몰리브데늄 및, 텅스텐 각각의 원소들중 적어도 하나의 카보나이트라이드들에 대한 바인더 상으로서 특히 유용한 것으로 밝혀졌다.
분말 야금 방법들에 의해 제조된 소결 초경합금 동체들의 특성 또는 특질들을 개량하기 위하여 다양한 시도가 이루어졌다. 이러한 특성들은 경도, 마모 저항성, 상승된 온도에서의 소성 변형, 밀도, 자기 특성, 플랭크 마모(flank wear)에 대한 저항성 및, 분화구 형성(cratering)에 대한 저항성을 포함하는데, 그에 제한된 것은 아니다. 빠른 절삭 속도에서 향상된 마모 특성들을 가지는 절삭 공구를 제공하기 위하여, 예를 들면, 소결 초경합금 동체들이 티타늄 또는 탄탈륨과 니오븀의 증가된 함량을 가져야하는 것이 공지되어 있다. 그러나, 다른 한편으로, 소결 초경합금 동체내에 최대의 강도를 제공하는 텅스텐 카바이드-상의 분량은 고용체 카바이드의 형성과 함께 감소하기 때문에, 티타늄 또는 탄탈륨 또는 니오븀의 증가되는 함량은 그들이 텅스텐 카바이드와 함께 고용체 카바이드들을 형성할 때 강도의 현저한 감소를 초래한다.
또한 당업자에게 잘 알려진 바로서 지르코늄 및 하프늄의 첨가는 실내 온도와 상승된 온도 양쪽에서 소결 초경합금 동체의 강도를 증가시킨다는 사실이다. 그러나, 강도가 증가하는 것은 경도가 낮아지고 마모 저항성이 감소되는 것과 조합된다. 또한, 지르코늄 첨가의 단점은 산소에 대한 높은 친화력(affinity) 및, 그것의 불량한 가용성(wettability)인데, 이것은 소결 초경합금 동체의 제조에서 이용된 소결 과정을 억제한다.
미국 특허 제 5,643,658 호 및, 제 5,503,925 호는 모두 본원에 참고로서 포함되는데, 이것은 철 계열 바인더 금속과 텅스텐 카바이드의 분말 혼합물에 카보나이트라이드, 나이트라이드 및, 지르코늄 및/또는 하프늄 카바이드를 첨가함으로써 소결된 초경합금 동체의 고온에서의 마모 저항성과 고온에서의 경도를 목표로 하는 것이다. 그 결과로서, 지르코늄과 하프늄의 적어도 하나의 경질 상이 IVb, Vb 및, VIb 그룹들중 금속의 다른 경질의 상(hard phase)들과 함께 존재하지만, 상기 경질의 상들이 각각의 경우에 텅스텐 카바이드와 함께 고용체를 형성하면서 지르코늄과 하프늄을 배제시킨다. 산소에 대한 지르코늄의 높은 친화력에 기인하여, 개시 분말 재료들은 산소가 극히 낮아야 하거나, 또는 환원 소결 분위기를 이용하여 산소 함량이 제어되어야 한다.
일본 특허 출원 JP-A2-2002-356734 (2002.12.13. 간행)는 WC, 철 그룹의 적어도 하나의 금속을 포함하는 바인더 상 및, 하나 또는 그 이상의 고용체 상들을 포함하는 소결 초경합금 동체를 개시하는데, 여기에서 상기 고용체들중 하나는 Zr 및 Nb를 포함하는 반면에, 제 1 의 것이 아닌 모든 고용체 상들은 Ti, V, Cr, Mo, Ta 및, W 원소들중 적어도 하나를 포함하지만 Zr 과 Nb 는 포함하지 않아야 한다. 상기 일본 특허 문헌에 따르면, 최고의 절삭 결과는 TaC 로서 계산된, 전체 조성 중량의 1 % 보다 적은 탄탈륨 함량에서 달성된다.
본 발명은 상승된 온도에서의 소성 변형에 대하여 저항성이 증가되고, 그 결과로서 향상된 마모 저항성을 가지는 신규의 소결 초경합금 동체를 달성하는 것을 목적으로 한다. 이외에도, 본 발명은 상기 소결 초경합금 동체를 제조하기 위한 분 말 야금 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 보다 상세하게는, 본 발명의 목적은 지르코늄과 니오븀을 함유하는 적어도 2 개의 공존하는 고용체 상들을 가지거나, 또는 지르코늄과 니오븀을 함유하는 하나의 단일 균질 고용체 상을 가지는 소결 초경합금 동체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 각각의 경우에 지르코늄과 니오븀을 함유하며 소결시에 적어도 2 개의 공존하는 고용체 상들, 또는 하나의 단일 균질 고용체 상을 제공하는 분말 혼합물을 제공하는 단계 및, 원소들의 주기율표에서 IVb, Vb 및, VIb 그룹의 원소들중 경질 성분들로써 향상된 소결 활성 및 가용성을 제공하는 단계를 포함하는, 소결 초경합금 동체의 제조 방법을 제공하는 것으로 이루어진다.
본 발명의 일 형태에 있어서, 본 발명은 소성 변형에 대하여 저항성이 향상된 소결 초경합금 동체이다. 소결 초경합금 동체는 텅스텐 카바이드, 철 그룹 또는 그것의 합금의 적어도 하나의 금속을 구비하는 바인더 상 및, 하나 또는 그 이상의 고용체 상들을 구비하는데, 고용체 상들의 각각의 하나는 지르코늄, 니오븀 및 텅스텐의 화합물의 카바이드와 카보나이트라이드의 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 다른 형태에 있어서, 본 발명은 소결 초경합금 동체를 제조하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은, 텅스텐 카바이드, 철 그룹 또는 그것의 합금의 적어도 하나의 금속을 구비하는 바인더 금속 분말 및, 지르코늄과 니오븀 양쪽의 카바이드와 카보나이트라이드의 적어도 하나를 포함하는 분말 혼합물을 제공하는 단계; 상기 분말 혼합물의 그린 콤팩트(green compact)를 형성하는 단계; 및, 1400 내지 1500℃ 의 온도에서 상기 그린 콤팩트를 진공 소결하거나 또는 소결-HIP 하는 단계를 포함하고, 지르코늄과 니오븀의 카바이드 또는 카보나이트라이드의 분말 고용체는 상기 분말 혼합물을 형성하도록 이용된다.
본 발명의 다른 형태에 있어서, 본 발명은 레이크 면(rake face)과 플랭크 면(falnk face)을 구비하는 동체를 포함하는 절삭 공구인데, 레이크 면과 플랭크 면은 그것의 교차부에서 절삭날을 형성하도록 교차된다. 동체는 텅스텐 카바이드, 철 그룹 또는 그것의 합금의 적어도 하나의 금속을 포함하는 바인더 상 및, 하나 또는 그 이상의 고용체 상들을 포함하고, 상기 고용체 상의 각각의 하나는 지르코늄, 니오븀 및 텅스텐의 화합물의 카바이드와 카보나이트라이드의 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 본 발명은 소성 변형에 대하여 저항성이 향상된 소결 초경합금이다. 소결 초경합금 동체는 텅스텐 카바이드, 철 그룹 또는 그것의 합금의 적어도 금속을 구비하는 바인더 상 및, 하나 또는 그 이상의 고용체 상들을 구비하고, 고용체 상들의 각각의 하나는 지르코늄, 니오븀 및 텅스텐으로 이루어지는 화합물의 카바이드 및 카보나이트라이드의 적어도 하나를 포함한다.
다음은 본 출원의 일부를 형성하는 도면에 대한 개략적인 설명이다.
도 1 은 본 발명의 절삭 공구에 대한 사시도로서, 절삭 공구는 CNMG 스타일의 절삭 공구이다.
도 2a 는 샘플(A)의 에칭되지 않은 마이크로구조를 도시하는 현미경 사진으 로서, 이것은 1,500 배로 확대된(10 마이크로미터 축척) 소결 초경합금 동체이며 여기에서 샘플(A)은 이후에 설명되는 바와 같이 본 발명에 따라서 제조되었고, 샘플(A)은 도 2a 에 도시된 바와 같이 <A02 의 다공성을 가진다.
도 2b 는 샘플(B)의 에칭되지 않은 마이크로구조를 도시하는 현미경 사진으로서, 이것은 1,500 배로 확대된(10 마이크로 축척) 소결 초경합금 동체이며, 여기에서 샘플(B)은 이후에 개시된 바와 같이 종래의 공정에 따라서 제조되었고, 샘플(B)은 도 2b 에 도시된 바와 같은 A08 의 잔여의 다공성을 가진다.
도 3a 는 소결된 굽힘 강도 시험용 로드(rod)의 단면에 대한 현미경 사진으로서, 이것은 이후에 설명된 바와 같이 본 발명에 따라서 제조되었으며 소결 왜곡(sinter distortion)을 나타내지 않는다.
도 3b 는 소결된 굽힘 강도 시험용 로드의 단면에 대한 현미경 사진으로서, 이것은 이후에 설명된 바와 같이 종래의 방식으로 제조되었으며 소결 왜곡을 매우 선명하게 나타낸다.
도 4 는 본 발명의 소결 초경합금 동체에 대한 구현예의 에칭되지 않은 마이크로구조를 도시하는 현미경 사진(20 마이크로 축척)으로서, 여기에는 고용체 카바이드가 없는 바인더 농후화(enrichment) 표면 영역이 도시되어 있는데, 바인더 농후화 표면 영역은 기판의 표면에서 개시되어 그로부터 내측으로 연장되며, 또한 하나의 단일 균질 고용체 상(MC)이 도시되어 있다.
도 5 는 본 발명의 소결 초경합금 동체의 다른 구현예에 대한 에칭되지 않은 마이크로구조를 도시하는 현미경 사진(20 마이크로미터 축척)으로서, 여기에는 고 용체 카바이드가 없는 바인더 농후화 표면 영역이 도시되어 있는데, 바인더 농후화 표면 영역은 기판의 표면에서 개시되어 그로부터 내측으로 연장되고, 고용체 상이 없는 바인더 농후화 표면 영역 아래에는 단일 상의 MC1 이 존재하는 영역이 도시되어 있으며 (MC1 은 밝은 갈색이다), MC1 영역 아래에는 2 개의 공존하는 고용체 카바이드 상들을 가지는 영역이 있으며, 여기에서 하나의 고용체 상은 MC1 으로서 밝은 갈색이고 다른 고용체 상은 MC2 로서 어두운 갈색이다.
도 1을 참조하면, 절삭 공구가 도시되어 있는데, 이것은 전체적으로 도면 번호 20 으로 표시된 것으로서 소결 초경합금 동체를 도시한다. 절삭 공구(20)는 레이크 면(rake face,22)과 플랭크 면(24)을 가진다. 레이크 면(22)과 플랭크 면(24)의 교차부에는 절삭날(cutting edge,26)이 있다. 절삭 공구(20)는 통공(28)을 더 구비하며, 그에 의해서 절삭 공구(20)는 공구 홀더(tool holder)에 고정된다. 도 5 에 도시된 절삭 공구의 유형은 CNMG 유형의 절삭 공구이다. 절삭 공구의 CNMG 유형에 대한 도 1 의 도면이 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 아니 된다. 본 발명은 절삭 공구로서 이용될 수 있는 신규의 초경합금 재료이며 절삭 공구의 기하학적 형태는 그 어떤 공지의 절삭 공구의 기하학적 형태일 수 있다는 점이 이해되어야 한다.
절삭 공구, 즉, 소결 초경합금 동체의 조성에 관하여, 상기 조성은 (Zr,Nb,W)C 및/또는 (Zr,Nb,W)CN 의 식으로 예시되는 바와 같은 지르코늄, 니오븀 및, 텅스텐들의 조합의 카보나이트라이드 및/또는 카바이드들을 포함하는 하나 또 는 그 이상의 고용체 상들 뿐만 아니라, 텅스텐 카바이드 및, 바인더를 포함한다. 조성의 바람직한 일 구현예에 있어서, 고용체 상들중 단지 하나는 지르코늄, 니오븀 및, 텅스텐의 화합물의 카보나이트라이드 또는 카바이드를 포함한다. 조성의 다른 바람직한 구현예에 있어서, 지르코늄, 니오븀 및, 텅스텐의 화합물의 카보나이트라이드 또는 카바이드로 이루어지는 고용체 상은 동체의 유일한 고용체 상으로서, 여기에는 티타늄, 하프늄, 바나듐, 탄탈륨, 크롬 및, 몰리브데늄과 같은 다른 요소들이 상기 고용체 상에 존재하지 않는다.
조성의 다른 바람직한 구현예에 있어서, 고용체 상들중 하나는 지르코늄, 니오븀 및, 텅스텐의 화합물의 카보나이트라이드 또는 카바이드, 티타늄, 하프늄, 바나듐, 탄탈륨, 크롬 및, 몰리브데늄의 하나 또는 그 이상의 적어도 하나의 카바이드, 카보나이트라이드, 또는 나이트라이드를 포함하는데, 여기에서 상기 고용체 상은 동체의 유일한 고용체 상이거나, 또는 2 개 또는 그 이상의 상이한 고용체 상들중 하나일 수 있다. 보다 상세하게는, 각각의 고용체 상이 존재하는 2 개 또는 그 이상의 상이한 고용체 상들이 있을 수 있는데, 상기 각각의 고용체 상은 지르코늄, 니오븀 및, 텅스텐의 화합물의 카보나이트라이드 또는 카바이드 및, 티타늄, 하프늄, 바나듐, 탄탈륨, 크롬 및, 몰리브데늄들중 하나 또는 그 이상의 적어도 하나의 카바이드, 카보나이트라이드, 또는 나이트라이드를 각각 포함한다. 고용체 상이 지르코늄, 니오븀 및 텅스텐의 화합물의 카보나이트라이드 또는 카바이드 및, 다른 금속들의 하나 또는 그 이상을 포함하는 적어도 하나의 카바이드, 카보나이트라이드, 또는 나이트라이드를 포함하는 경우들에 있어서, 상기 적어도 하나의 다른 금 속은 티타늄, 탄탈륨 및, 하프늄중 하나 또는 그 이상의 것이 되는 것이 더욱 바라직스럽다.
본 발명에 따르면, 바인더 합금이 바람직스럽게는 코발트, CoNi-합금 또는 CoNiFe-합금을 포함하는데, 이들 각각은 크롬 및 텅스텐과 같은 부가적인 합금 요소를 함유할 수 있거나 또는 함유하지 않을 수 있다. 바인더 합금이 바람직스럽게는 전체 동체의 약 3 중량 퍼센트 내지 약 15 중량 퍼센트 사이를 포함한다.
바람직스럽게는, 하나 또는 그 이상의 고용체 상(들)의 지르코늄, 니오븀 및, 텅스텐의 조합의 카보나이트라이드 또는 카바이드의 전체 함량은 전체 동체의 약 1 중량 퍼센트와 약 15 중량 퍼센트 사이를 포함한다. 또한 바람직스럽게는 본 발명의 이들 구현예에서 티타늄, 하프늄, 바나듐, 탄탈륨, 크롬 및, 몰리브데늄 원소들의 전체적인 함량은 전체 동체의 약 8 중량 퍼센트를 초과하지 않는다. 본 발명의 특히 바람직스러운 구현예들에 따르면, 티타늄은 전체 동체의 약 1 중량 퍼센트와 약 8 중량 퍼센트 사이를 포함하며, 탄탈륨은 전체 동체의 약 1 중량 퍼센트와 약 7 중량 퍼센트 사이를 포함하며, 하프늄은 전체 동체의 약 1 중량 퍼센트와 약 4 중량 퍼센트를 포함한다.
초경합금 동체가 약 0.5 보다 큰 질량비 Nb/(Zr+Nb)를 가진다면, 그리고 보다 바람직스럽게는 약 0.6 보다 크거나 또는 그와 같은 질량비를 가진다면, 소결 초경합금 동체 안의 2 개 또는 그 이상의 공존하는 고용체 상들의 형성, 또는 단일의 균질 고용체 상의 형성이 주목할 만하게 증가된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 소결된 초경합금 동체는 상기 나이트라이드 또는 카보나이트라이드들중 적어도 하나를 포함하며, 상기 동체의 코팅되지 않은 표면으로부터 약 50 마이크로미터(㎛)의 깊이까지 농후화된 바인더를 제외하고 그 어떤 고용체도 없는 최외측의 영역을 포함한다.
당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해서 인식되는 바로서, 바인더의 농후화(enrichment)와 고용체 카바이드(SSC)가 없는 표면 영역의 형성은, 일단 적어도 하나의 나이트라이드 또는 카보나이트라이드가 개시 분말 혼합물 안에 존재하면 소결되는 동안에 유도된다. 소결하는 동안에 자유 질소의 형성에 기인하여, 본체(bulk)로부터 표면으로의 바인더 금속의 확산 및, 표면 영역으로부터 본체를 향하는 고용체 상의 확산이 발생하며, 바인더 농후화 표면 영역에 그 어떤 고용체 상도 없게 되는 결과를 초래한다. 이들 확산 과정에 기인하여, 표면과 동체의 중심 사이에서 농도 증감(gradient)을 나타내는 2 개 또는 그 이상의 공존하는 상이한 고용체 상들이, 본 발명의 보다 바람직스러운 구현예에 따라서, 바인더 농후화 영역의 아래에서 형성된다. 그러나, 동체를 통하여 균질이 되는 단지 하나의 단일 고용체가 존재하는 이러한 경우들에 있어서, 단일의 고용체 상이 농후화된 영역을 제외하고 상기 동체를 통하여 균질이 되도록, 상기 하나의 유일한 균질의 고용체 상이 바인더 농후화 영역의 아래에 위치될 것이다.
본 발명의 다른 바람직한 구현예들에 따라서, 공지된 물리 증기 증착(PVD) 또는 화학적 증기 증착(CVD) 방법들에 따라서 증착된 하나 또는 그 이상의 마모 저항 층들은 소결 초경합금 동체의 표면 위로 코팅된다. 바람직스럽게는, 이들 마모 저항 코팅들이 알루미나, 원소 주기율표에서 IVb, Vb 및, VIb 그룹들 금속의 붕화 물, 산화물, 카보나이트라이드, 나이트라이드, 또는 카바이드들중 하나 또는 그 이상을 포함한다.
본 발명의 방법의 특징들을 참조하면, 본 발명의 방법의 바람직한 구현예에 따라서, 약 0.5 보다 크고, 그리고 바람직스럽게는 약 0.6 또는 그 이상보다 크거나 같은 질량 비율 Nb/(Zr+Nb)을 가지는 지르코늄과 니오븀의 화합물의 카보나이트라이드 또는 카바이드의 고용체는, 지르코늄 및, 니오븀의 화합물의 카보나이트라이드 또는 카바이드의 분말화된 고용체로서 이용된다. 지르코늄, 니오븀 및, 텅스텐의 화합물의 카보나이트라이드 또는 카바이드의 분말화된 고용체는 전체 분말 혼합물의 약 1 중량 퍼센트와 약 15 중량 퍼센트 사이를 포함한다.
바람직스럽게는, 코발트 분말, 코발트와 니켈의 분말 또는 코발트와 니켈과 철의 분말, 또는 코발트-니켈 합금의 분말 또는 코발트-니켈-철 합금의 분말들이 본 발명의 방법내에서 바인더 금속 분말로서 이용된다. 선택적으로는, 바인더 금속 분말들이 부가적인 요소들을 포함할 수 있는데, 바람직스럽게는 크롬 및 텅스텐의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 바람직스럽게는, 바인더 금속 분말이 전체 분말 혼합물의 약 3 중량 퍼센트와 약 15 중량 퍼센트 사이를 포함한다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 분말 혼합물이 부가적으로는, 티타늄, 하프늄, 바나듐, 탄탈륨, 크롬 및, 몰리브데늄의 하나 또는 그 이상의 카보나이트라이드, 또는 나이트라이드 또는 카바이드를 적어도 하나 포함한다. 바람직스럽게는, 분말 혼합물이 티타늄, 하프늄, 바나듐, 탄탈륨, 크롬 및 몰리브데늄의 원소들중 적어도 하나를 전체 분말 혼합물의 약 1 중량 퍼센트와 약 8 중량 퍼센트 사이의 양으로 포함한다.
본 발명에서 놀랍게 밝혀진 것으로서, 지르코늄 카바이드에 니오븀 카바이드를 더한 것이나, 또는 지르코늄 카보나이트라이드에 니오븀 카보나이트라이드를 더한 것을 이용하는 대신에, 지르코늄과 니오븀의 화합물의 카보나이트라이드 또는 카바이드의 분말화된 고용체의 형태로 지르코늄과 니오븀을 개시 분말 혼합물에 부가하는 것에 기인하여, 지르코늄, 니오븀 및, 텅스텐의 화합물의 카보나이트라이드 및/또는 카바이드를 포함하는 각각의 개별적인, 어느 하나의 단일 균질의 고용체 상이나, 또는 지르코늄, 니오븀 및, 텅스텐의 화합물의 카보나이트라이드 및/또는 카바이드와, 티타늄, 하프늄, 바나듐, 탄탈륨, 크롬 및, 몰리브데늄의 하나 또는 그 이상의 카보나이트라이드, 나이트라이드 또는 카바이드의 적어도 하나를 포함하는 2 개 또는 그 이상의 공존하는 고용체 상들이, 개시 분말 혼합물에 부가된 성분들에 따라서, 본 발명에 따른 방법에 의하여 소결중에 형성된다.
여기에 언급된 문헌들과는 반대로, 소결시에 개시 분말 혼합물에 부가된 모든 요소들은 본 발명에 따라서 함께 존재하는 고용체 상들의 각각의 하나에 용해된다. 예를 들면, 최대 약 65 중량 퍼센트의 텅스텐, 최대 약 75 중량 퍼센트의 니오븀, 최대 약 60 중량 퍼센트의 지르코늄, 최대 약 20 중량 퍼센트의 티타늄, 최대 약 15 중량 퍼센트의 탄탈륨, 최대 약 20 중량 퍼센트의 하프늄이 공존하는 고용체 상들 안에 용해될 수 있다.
본 발명에 따른 개시 분말 혼합물의 일부로서 지르코늄과 니오븀의 조합을 카보나이트라이드 또는 카바이드의 분말화된 고용체로 이용하는 다른 장점은, 탄탈 륨이 전체적인 개시 분말 혼합물의 약 1 중량 퍼센트 또는 그 이상의 양으로 바인더 상의 분포와 거칠기(roughness)를 향상시키도록 조성물에 부가될 수 있다는 사실이다.
본 발명에 따라서 형성된 고용체 상(들)의 균질성에 관한 최고의 결과는, 약 40 중량 퍼센트의 지르코늄 카바이드와 약 60 중량 퍼센트의 니오븀 카바이드의 비율을 가진 지르코늄과 니오븀의 화합물의 카바이드 또는 카보나이트라이드 분말 고용체가 개시 분말 혼합물에 부가되었을 경우에 얻어진다.
도 2a 및, 도 2b를 참조하면, 이들 도면들 각각의 하나는 1500 X에서의 현미경 사진으로서 (각각의 현미경 사진은 10 마이크로미터 축척이다), 2 개 샘플들의 에칭되지 않은 마이크로구조, 즉 샘플(A)와 샘플(B)를 도시한다. 샘플(A)은 본 발명에 따라서 (Zr,Nb)C를 이용하여 개시 분말 혼합물에서 제조되었던 반면에, 샘플(B)은 개별의 카바이드들을 이용하여 종래의 방식으로; 즉, 개시 분말 혼합물에서 (Zr,Nb)C 대신에 ZrC 및 NbC를 이용하여 만들었다. 도 2a 는 샘플(A)이 A02 보다 작은 다공성을 가지는 것을 도시하며, 도 2b 는 샘플(B)이 A08 의 다공성을 가지는 것을 도시한다. 더욱이, 도 2a에서 알 수 있는 바와 같이, 개시 분말에서 (Zr,Nb)C 고용체를 이용하여 얻어진 샘플(A)의 마이크로구조는, 샘플(B)의 마이크로구조(도 2b 참조)와 비교했을 때 다공성에 관련하여 훨씬 균질화 되어 있는데, 샘플(B)은 개시 분말 혼합물의 일부로서 ZrC+NbC를 이용하여 종래와 같이 제조된 소결 초경합금(sintered cemented carbide) 동체이다.
도 3a 및, 도 3b를 참조하면, 이들 도면들은 소결된 굽힘 강도 시험용 로 드(rods)의 현미경 사진이며, 여기에서 각각의 로드들은 단면도로 도시되어 있다. 도 3b 는 개시 분말 혼합물에서 ZrC 와 NbC를 이용하여 종래의 방식으로 제조된 샘플(B)의 마이크로구조를 도시하며, 여기에는 매우 명확하게 볼 수 있는 소결 왜곡이 있다. 도 3a 는 지르코늄과 니오븀(Zr,Nb)C 의 고용체 카바이드를 이용하는 본 발명에 따라서 제조되었던 마이크로구조(A)를 도시하는데, 여기에서 도 3a 는 소결 왜곡을 나타내지 않는다. 이러한 비교가 나타내는 것은, 소결 왜곡과 관련하여, 샘플(A)이 종래의 샘플(B) 보다 본 발명에서 훨씬 좋다는 점이다.
이전에 지적된 바와 같이, 개시 분말 혼합물의 일부로서 지르코늄과 니오븀의 화합물의 카바이드 또는 카보나이트라이드의 분말 고용체를 이용하는 다른 장점은, 소결 초경합금 동체의 종래 방법들과 비교하여, 산소에 대한 낮은 친화성(affinity)으로 이루어지며, 그에 의해서 환원 소결 분위기(reducing sintering atmosphere)을 가질 필요가 없다는 것이다. 소결 분위기 환원의 질을 제어하고 모니터해야 하는 것을 회피하기 때문에, 본 발명에 따른 소결은 종래 기술에 비교하여 용이하고 저렴하다.
도 4를 참조하면, 도 4 는 본 발명의 소결 초경합금 동체의 구현예에 대한 현미경 사진이며, 여기에는 고용체 카바이드가 없는 바인더 농후 표면(binder enriched surface)의 영역과 하나의 단일 균질 고용체 상(MC)이 도시되어 있다. 도 4 는 본 발명이 단일 균질 고용체 상을 가진 소결 초경합금 동체의 제조를 허용한다는 것을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 도 5 는 본 발명의 소결 초경합금 동체의 다른 구현예에 대한 현미경 사진으로서, 여기에는 고용체 카바이드가 없는 바인더 농후 표면 영역이 도시되어 있다. 고용체 상이 없는 바인더 농후 표면 영역 아래에는 고용체 상(MC1)이 존재하는 영역이 도시되어 있다. MC1 는 밝은 브라운색이다. 단지 MC1 고용체 상만을 포함하는 영역 아래에는, 2 개의 공존하는 고용체 상들을 구비하는 영역이 있다. 하나의 고용체 상은 MC1 이고 그것은 갈색이다. 다른 고용체 상은 MC2 이고, 이것은 어두운 브라운색이다. 도 5 가 도시하는 것은 본 발명이 공존하는 상이한 고용체 상들(MC1; MC1+MC2)을 가지는 소결 초경합금 동체들의 제조를 허용하는 것으로서, 상기의 고용체 상들은 고용체 상이 없는 최외측 바인더 농후 영역의 아래를 공학 현미경으로 볼 수 있다.
본 발명의 다른 상세한 내용은 다음의 예를 통해서 설명될 것이다. 표 1 은 이후에 기재된 예에서 이용되었던 새로운 물질을 나타낸다.
표 1- 예를 들기 위해 이용된 원료 물질
원료물질 제조사 평균입자크기(㎛)
Co OMG 1.3
(W,Ti)C 50/50 H.C. 스타크(Starck) 1.1
NbC 케나케탈(Kennametal) 1.5
TaC 케나메탈 1.2
(Ta,Nb)C 70/30 H.C. 스타크 2.1
HfC 세저스(Cezus) 0.5
ZrC H.C. 스타크 3.0
(Zr,Nb)C 40/60 H.C. 스타크 1.7
(Zr,Nb)C 50/50 H.C. 스타크 1.1
TiC/N 70/30 H.C. 스타크 1.5
TiN H.C. 스타크 1.1
WC1 케나메탈 1.0
WC2 케나메탈 2.5
WC3 케나메탈 8.0
WC4 케나메탈 12.0
상기 예들을 처리하는 것과 관련하여, 상기 예들중 각각의 하나에 대하여 특정의 원료 물질들이 10 시간 동안 마쇄기(attritor)에서 습식 밀링 가공(wet milled)되고 건조되었다. 그린 콤팩트(Green compacts)가 결과적인 분말 혼합물로부터 압축되어서 상기 예들에 설명된 소결 조건에 따라서 소결된다. 상기 예들에서 백분율은 달리 설명되지 않는 한 중량 퍼센트이다.
분말 야금술의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 알려진 바와 같이, 지르코늄과 하프늄 뿐만 아니라 원소들의 쌍인 탄탈륨과 니오븀은 발생되는 대부분의 경우에 서로 결합됨으로써, 완전한 분리는 종종 획득하기 곤란하다. 이것은 상업적인 적용예에서 니오븀의 적은 양 또는 근소한 양이 탄탈륨에 존재하고, 또 그 반대가 되는 이유이며, 그리고 지르코늄의 적은 양 또는 근소한 양이 하프늄에 존재하고, 그리고 그 반대가 되는 이유이다. 이것은 또한 이들 원소들 또는 그것의 화합물들이 그것의 명칭이나 또는 화학식에 의해 언급될 때마다 본 발명에 개시된 바에 대하여 타당하게 된다.
예 1
표 2 에 주어진 조성(중량 퍼센트)을 가진 분말 혼합물(A, B)이 제조되었다. TRS 바아(bar)(ISO 3327, B 유형)가 이들 분말 혼합물로부터 가압되어서 그린 콤팩트를 형성하였다. 콤팩트들은 섭씨 1430 도 내지 1520 도 사이의 온도에서 소결-HIP 되었다. 결과적인 소결 초경합금 동체들은 야금학적으로 시험되었다. 이들 시험들의 결과는 도 2A 및, 도 2B 와 도 3A 및, 도 3B 에 도시되어 있다. (본 발명에 따른) 샘플(A)은 <A02 의 다공성을 나타내는 반면에 (도 2A 참조), (선행 기술의 비교예인) 샘플(B)은 높은 잔류 다공성을 나타내고(도 2B 참조) 강한 소결 왜곡을 나타낸다(도 3B 참조).
표 2- 샘플(A) 및, 샘플(B)를 위한 개시 분말 혼합물(중량 퍼센트)
샘플 Co (Zr,Nb)C 50/50 ZrC NbC WC2
(A) 10 15 잔여
(B) 10 7.5 7.5 잔여
샘플(A) 및, 샘플(B)의 결과적인 소결 초경합금들은 아래에 도시된 표 3 에서와 같은 특성들을 가진다.
표 3- 샘플(A) 및, 샘플(B)에 대한 선택된 특성
밀도 [g/cm3] 자기포화도 [0.1μTm3/kg] Hc [Oe] 경도 HV30 다공성(porosity)/ 비고
A 12.58 182 167 1500 <A02,OK (소결 왜곡 없음)
B 12.51 188 155 1500 A08, 소결 왜곡
표 3 의 열에 있어서, 밀도는 입방 센티미터당 그램으로 표시되고, 자기 포화도는 킬로그램당 1 micro testla 입방 미터로 표시되며, 보자력(coercive force)은 oersted 로 표시되고, 경도는 20 킬로그램의 하중을 이용하는 비커스 경도 수로서 표시되고, 다공성은 시각적인 검사에 의하여 확인되었다. 전체적인 특허 출원에 대한 것뿐만 아니라, 표 3 에 나타난 특성을 측정하도록 이용된 시험 방법들은 아래에 설명되어있다. 밀도를 측정하는 방법은 ASTM Standard B311-93 (2002) 등에 따르게 되는데, 이것은 "2 퍼센트의 다공성 보다 적게 포함하는 분말 야금(P/M) 물질에 대한 밀도 측정 시험 방법"(Test Method for Density Determination for Powder Metallurgy (P/M) Materials Containing Less Than Two Percent Porosity) 으로 지칭된 것이다. 자기 포화도를 측정하는데 이용된 방법은 ASTM Standard B886-03 의 행들에 있으며 이것은 "초경합금의 자기 포화도(Ms)의 측정을 위한 표준 시험 방법(Standard Test Methods for Determination of Magnetic Saturation (Ms) of Cemented Carbides)"으로 지칭된 것이다. 보자력을 측정하는 방법은 ASTM Standard B887-03 에 따른 것이며 이것은 "초경합금에 대한 보자력(Hcs)의 측정을 위한 표준 시험 방법"(Standard Test Method for Determination of Coercivity (Hcs) for Cemented Carbides)으로 지칭된 것이다. 비커스 경도를 측정하는 방법은 ASTM Standard E92-82 (2003) 등에 따른 것으로서, 이것은 "금속 물질의 비커스 경도의 표준 시험 방법"(Standard Test Method for VICKERS Hardness of Metallic Materials)으로 지칭된 것이다. 다공성을 측정하도록 이용된 방법은 ASTM Standard B276-91 (2000)의 행들에 따른 것으로서, 이것은 "초경합금에서 명백한 가공성에 대한 표준 시험 방법"(Test Method for Apparent Porosity in Cemented Carbides"으로 지칭된 것이다.
예 2
예 1 과 유사하게, 분말 혼합물 C 내지 G 가 제조되었으며, 아래의 표 4 에 주어진 바와 같다.
표 4 - 샘플(C) 내지 샘플(G)에 대한 개시 분말 혼합물
Co (Zr,Nb)C 50/50 TiC† TaC HfC WC3
C 6.0 7.5 잔여
D 6.0 5.0 2.5 잔여
E 6.0 3.25 2.5 1.75 잔여
F 6.0 3.0 2.5 1.0 1.0 잔여
G 6.0 2.5 5.0* 잔여
* 는 (Ta,Nb)C 70/30 으로서
† 는 (W,Ti)C 50/50 으로서임.
절삭 인서트가 분말 혼합물 C 내지 G 로부터 기하 형상인 CNMG 120412-UN 으로 압축되었으며, 다음에 소결되고 (소결 \-HIP 1505℃/85 분), CVD 코팅되어 티타늄 카보나이트라이드(carbonitride)와 알루미늄 층들을 포함하는 표준의 다층 코팅을 형성하였다. 모든 샘플들은 동등하게 코팅되었다. 결과적인 소결 동체들은 아래의 표 5 에 설명된 다음의 특성들을 가진다.
표 5- 샘플(C) 내지 샘플(G)에 대하여 선택된 특성
밀도[g/cm3] 자기 포화도 [0.1μTm3/Kg] Hc [Oe] 경도 HV30
C 13.95 91 199 1560
D 13.56 106 216 1560
E 13.72 106 189 1540
F 13.66 108 185 1500
G 13.88 111 165 1500
이들 절삭 인서트들은 다음의 조건들하에서 변형 저항 선삭 시험(deformation resistance turning test)을 받았다.
소재 재료: 42 CrMo4 (1.7225)-합금 강
절삭 속도: 500, 550 m/min, 550 m/min부터 열적 과부하 때문에 소성 변형에 기인하여 절삭 인서트가 파손될 때까지 25 min/min 의 단계들로 증가시킴.
절삭 시간: 각각의 절삭 속도에 대하여 15 sec.
이송 비율: 0.4 mm/rev
절삭 깊이: 2.5 mm
냉각제: 사용 않음.
이들 시험들의 결과는 아래의 표 6 에 나타나 있다.
표 6- 실례(C) 내지 실례(G)에 대한 시험 결과
절삭 속도에 대한 절삭 시간[초]
절삭속도 (m/min) G 선행기술 C D E F
500 15 15 15 15 15
550 15 15 15 15 15
575 미도달 15 15 15 15
600 미도달 15 15 15 15
625 미도달 4 15 8 13
650 미도달 미도달 2 미도달 미도달
∑절삭시간 30 64 77 68 73
또한, 분말 혼합물 C 내지 G 로부터 CVD 코팅된 (예 2 에서와 같은 코팅) 절삭 인서트들은 다음의 파라미터들 하에서 마모 선삭(wear turning)을 받았다.
소재 재료: 42 CrMo4 (1.7225)- 합금 강
절삭 속도: 320 및 340 m/min
절삭 속도: 각각의 절삭 속도에 대하여 2 min
이송 비율: 0.3 mm/rev
절삭 깊이: 2.5 mm
냉각제 : 사용 않음
결과들은 표 7 에 나타내었으며 이들은 플랭크 마모(flank wear)의 양을 밀리미터 단위로 표시한다.
표 7-샘플(C) 내지 샘플(G)에 대한 시험의 결과
플랭크(flank) 마모(mm)
절삭속도 m/min G (종래 기술) C D E F
320 0.19 0.17 0.15 0.19 0.17
340 0.70 0.30 0.19 0.33 0.24
시험편들은 분말 혼합물(D,C,F 및, G)들로 압축되고 소결되었다. 이들 시험편들은 다음의 조건하에서 경도 시험(비커스 경도)을 받았다.
시험 하중: 1000 그램
시험 온도: 실온 RT, 400,600,800 및 900 ℃
경도 시험들의 결과들은 아래의 표 8 에 나타나 있다.
표 8- 샘플(D,C,F) 및, 샘플(G)에 대한 비커스 경도 시험 결과
샘플 RT 400℃ 600℃ 800℃ 900℃
D 1685 1460 1180 789 599
C 1686 1372 1062 718 536
F 1710 1375 1116 730 553
G(종래기술) 1636 1174 969 645 498
고온 경도 선삭 시험(hot hardness turning test)과 같이, 비커스 경도(고온 경도) 시험이 본 발명에 따른 소결 동체들에 대하여 나타내는 것은 고온에서의 소성 변형에 대하여 종래 기술에 비해 명백히 저항이 증가된다는 것이다.
샘플 C, D, E 및, F 의 고용체 카바이드(SSC) 상의 조성물들은 EDAX 의 보조를 받아서 주사 전자 현미경 사용법(scanning electron microscopy;SEM)에 의해 분석되었다. 샘플 D, E 및, F 에 있어서, 2 개의 상이한 SSC-상(phase)들은 광학 현 미경 사용에 의해 식별될 수 있는데 반해, 샘플 C 는 단지 하나의 단일 SSC 상을 나타내었다. 2 개의 상이한 SSC 상들이 나타났던 경우에, 어두운 곳은 밝은 곳에 비하여 텅스텐이 농후하고 지르코늄이 희박한 것이다. 상기 측정의 결과들은 표 9 에 나타나 있는데, 이것은 (소결된 바로서) 고용체 카바이드의 조성을 중량 퍼센트로 나타낸 것이다.
표 9- 샘플(C,D,E) 및, 샘플(F)에 대한 고용체 상의 조성
Zr Nb Ti W Ta Hf 광학 마이크로스코피에 의해 발견된 SSC 상
C 25-40 40-75 1-25 1
D SSC1 12-15 18-28 9-15 45-65 2
SSC2 40-52 23-45 1-6 4-27
E SSC1 7-10 10-17 12-17 48-62 5-13 2
SSC2 43-58 15-25 3-6 12-32 5-10
F SSC1 5-9 10-16 13-20 48-56 8-13 1-6 2
SSC2 15-43 7-19 4-11 15-43 1-10 10-19
예 3
예 1 과 유사하게, 표 10 에 도시된 분말 혼합물 H 내지 K 가 제조되었다.
표 10- 샘플(H) 내지 샘플(K)에 대한 개시 분말 혼합물
Co (Zr,Nb)C 50/50 TiC† TaC WC*
H 6.0 2.0 잔여
I 6.0 2.0 0.5 잔여
J 6.0 2.0 1.0 잔여
K 6.0 3.5 잔여
* WC1 과 WC2 의 혼합물:75 % 의 WC1, 25% 의 WC2
† (W,Ti)C 50/50 으로서 표시됨.
분말 혼합물 H, I, J 및, K (종래 기술)로부터, 기하 형상 CNMG120412-UN을 가지는 절삭 인서트들이 제조되고, 압축되고, 소결/소결-HIP 되고(1505℃/85 min) 그리고 CVD 코팅되었다. 결과적인 소결 동체들은 표 11 에 나타낸 바와 같은 다음의 특성들을 가졌다.
표 11- 샘플(H) 내지 샘플(K)에 대한 선택된 특성들
밀도[g/cm3] 자기 포화도 [0.1μTm3/kg] Hc [Oe] 경도 HV 30
H 14.71 95 253 1660
I 14.57 96 300 1700
J 14.42 100 289 1680
K 14.89 96 245 1640
이들 절삭 인서트들은 다음의 조건들 하에서 고온 경도 시험을 받았다.
소재 재료: 42 CrMo4 (1.7225)-합금 강
절삭 속도: 열적 과부하 때문에 소성 변형에 기인하여 인서트가 파손될 때까지 450 m/min 로부터 25 m/min의 단계들로 증가됨.
절삭 시간: 각각의 절삭 속도에 대하여 15 초.
이송 비율: 0.4 mm/rev
절삭 깊이: 2.5 ㎛
냉각제: 사용 않음
이들 절삭 시험들의 결과는 아래의 표 12 에 나타나 있다.
표 12- 샘플(K) 내지 샘플(J)에 대한 절삭 시험의 결과
절삭 속도에 대한 절삭 시간[초]
절삭 속도(m/min) K (종래 기술) H I J
450 15 15 15 15
475 15 15 15 15
500 9 15 15 15
525 미도달 2 13 15
550 미도달 미도달 미도달 5
575 미도달 미도달 미도달 미도달
Σ시간 39 47 58 65
이들 시험 결과들을 조사하면 공구 수명이 약 20 퍼센트와 약 67 퍼센트 사이에서 향상된다는 것이 나타난다.
다른 인서트들이 혼합물 H 내지 K 로부터 제작되어서 CVD 코팅되었다. 이들 코팅된 인서트들은 다음의 파라미터들하에서 증가되는 절삭 속도들로 마모 선삭 시험을 받았다.
소재 재료: 42 CrMo4 (1.7225)-합금 강
절삭 속도: 260, 300, 320 및, 340 m/min
절삭 시간: 각각의 절삭 속도에 대하여 2 min
이송 비율: 0.5 mm/rev
절삭 깊이:1.5 mm
냉각제: 사용 않음
그 결과들은 표 13 에 나타나 있다.
표 13 - 코팅된 샘플(K) 내지 샘플(J)에 대한 절삭 테스트의 결과
플랭크 마모[mm]
절삭속도(m/min) K 종래기술 H I J
260 0.14 0.14 0.13 0.13
300 0.20 0.20 0.17 0.17
320 0.31 0.25 0.21 0.21
340 미도달 0.39 0.29 0.29
예 4
분말 혼합물 L 및 M (선행 기술)은 표 14 에 주어진 조성에 따라서 제조되었다 (조성은 아래에서 중량 퍼센트로 나타낸 것이다).
표 14- 샘플(L) 및, 샘플(M)에 대한 개시 분말 혼합물
Co (Zr,Nb)C 50/50 TiC† TiN TiCN 70/30 TaC NbC WC4
L 6.3 4.0 0.8 1.2 1.0 0.3 잔여
M 6.3 1.7 0.8 5.4* 잔여
* 는 (Ta,Nb)C 70/30 으로서 표시됨
†는 (W,Ti)C 50/50 으로서 표시됨.
절삭 인서트들은 분말 혼합물 L 및, M 으로부터 기하 형상 CNMG120412-UN 으로 압축되고, 다음에 소결(소결-HIP 1505℃/85min)되었고 CVD 코팅되었다. 결과적인 소결 동체들은 표 15 에 나타난 바와 같은 다음의 특성들을 가졌다. 상기 예들에 대하여 보고된 특성들에 더하여, 표 15 는 코발트 농후 SSC-결여(SSC-free) 영역의 깊이를 마이크로미터로, 그리고 텅스텐 카바이드를 제외하고 나타나는 입방체 카바이드(cubic carbide)들의 체적 퍼센트를 나타낸다.
표 15- 샘플(L) 및, 샘플(M)의 절삭 인서트의 선택된 특성
밀도 [g/cm3 ] 자기 포화도 [0.1μTm3/kg] He [Oe] 경도 HV 30 Co 농후화 SSC 결여 영역[μm] 입방체 카바이드 Vol.-%
L 13.57 114 166 1460 25 14.8
M 13.92 113 149 1460 25 13.7
이들 절삭 인서트들은 다음의 조건들과 함께 인성 시험(toughness test)(차단 절삭 테스트(interrupt cutting test)를 받았다.
소재 재료:Ck60 (1.1221)- 탄소강
절삭 속도: 200 m/min
절삭 깊이:2.5 mm
이송 비율:0.3, 0.4, 0.5 mm/rev., 이송 비율당 100 회 충격
냉각제: 사용 않음
이송은 파괴가 발생할 때까지 언급된 증분에 따라서 증가되었다. 아래의 표 16 은 인성 시험의 결과를 나타낸다.
표 16-샘플(L) 및, 샘플(M)에 대한 인성(toughness) 시험(차단 절삭) 결과
파괴시까지의 충격 회수
인서트 1 인서트 2 인서트 3 평균
L 950 875 950 925
M 종래 기술 875 692 820 796
부가적인 절삭 인서트들은 다음의 조건들 하에서 변형 저항 선삭 시험을 받았다.
소재 재료: 42 CrMo4 (1.7225)- 합금강
절삭 속도: 열적 과부하 때문에 소성 변형에 기인하여 인서트가 파손될 때까지 30 m/min 의 단계들로 증가하는, 400, 430, 460 m/min
절삭 시간: 각각의 절삭 속도에 대하여 5 sec.
절삭 깊이: 2.5 mm
이송 비율: 0.3 mm/rev
냉각제: 사용 않음
표 17 은 이들 변형 저항 선삭 시험들에 대한 결과를 나타낸다.
표 17- 샘플(L) 및, 샘플(M)에 대한 변형 저항 선삭 시험의 결과
절삭 속도 (m/min) M 종래 기술 L
400 5 5
430 5 5
460 미도달 5
490 미도달 5
총 절삭 시간 10 초 20 초
다른 절삭 인서트들은 다음의 조건들 하에서 마모 선삭 시험을 받았다.
소재 재료: 42 CrMo4 (1.7225)-합금강
절삭 속도: 208 m/min
절삭 깊이: 2.5 mm
이송 비율: 0.4 mm/rev
냉각제: 사용 않음
마모 선삭 시험의 결과들은 아래의 표 18 에 나타나 있다.
표 18- 샘플(L) 및 샘플(M)에 대한 마모 선삭 시험의 결과
절삭 시간 플랭크 마모[mm]
M 선행 기술 L
2 분 0.191 0.153
4 분 0.352(수명의 끝) 0.250
예 5
분말 혼합물 N 및 O 는 표 19 에 주어진 조성물(중량 퍼센트)을 가지는 것을 제조되었다.
표 19-샘플(N) 및, 샘플(O) 에 대한 개시 분말 조성
Co (Zr,Nb)C 40/60 (Zr,Nb)C 40/60 TiC† TiCN 70/30 TaC NbC WC3
N 6.0 8.0 1.0 1.5 1.0 0.4 잔여
O 6.0 10.0 1.0 1.5 1.0 0.4 잔여
† (W, Ti)C 50/50 으로서 나타냄
개시 분말 혼합물 N 및, O 로부터, 그린 콤팩트들이 압축되어서(TRS 바아, ISO 3327, B 유형) 1530℃/60 min에서 진공 소결된다. 샘플 N 및, O 의 소결된 바로서의 특성들은 아래의 표 20 에 나타나 있다.
표 20-샘플(N) 및, 샘플(O)의 선택된 특성
밀도[g/cm3] 자기 포화도[0.1μTm3/kg] Hc [Oe] 경도 HV30 Co 농후화된 SSC 결여 영역[μm]
N 13.10 108 221 1610 20
O 12.89 103 206 1660 15
소결 동체들의 분석이 나타내는 것은, 샘플 N 이 2 개의 상이한 공존의 고용체 상들을 나타낸다는 점이며, 이들 고용체 상들이 광학 현미경 사용에 의해 식별되었다. 광학 현미경 사용에 의해서 샘플 O 은 단일의 균질 고용체 상을 나타내었다. 샘플 N 과 O 의 분석의 조성 결과들은 아래의 표 21 에 나타나 있다.
표 21-샘플(N) 및 샘플(O)에서의 고용체 카바이드(소결된 것)의 조성
(성분들은 중량 퍼센트로 기재됨)
Zr Nb Ti W Ta 광학 마이크로스코피에 의해 발견되는 SSC-상
N SSC1* 12-17 19-22 8-13 44-48 8-11 2
SSC2 33-38 49-57 1-4 2-10 2-7
O 13-16 24-28 8-10 39-45 7-10 1
*) SSCI 영역의 두께-약 80 내지 120 ㎛
위에서 언급된 선행 기술의 문제점들은 본 발명에 의해서 극복되는데, 본 발명은 소성 변형에 대한 저항이 증가된 소결 초경합금을 제공하는 것으로서, 텅스텐 카바이드, 철 그룹 또는 철의 합금의 적어도 하나의 금속을 포함하는 바인더 상(binder phase) 및, 하나 또는 그 이상의 고용체 상들을 구비하며, 고용체 상들의 각각의 하나는 지르코늄, 니오븀 및 텅스텐들의 화합물(combination)의 카보나이트라이드 및 카바이드의 적어도 하나를 포함한다. 또한, 선행 기술의 문제점들은 본 발명의 방법에 의해 극복되는데, 상기 방법은 상기 소결 초경합금 동체를 제조하는 방법으로서, 본 발명에 따르면,
(a) 텅스텐 카바이드, 철 그룹 또는 그것의 합금들중 적어도 하나의 금속을 포함하는 바인더 금속 분말 및, 지르코늄 및 니오븀의 카보나이트라이드 및 카바이드들중 적어도 하나를 포함하는 분말 혼합물을 제공하는 단계;
(b) 상기 분말 혼합물의 그린 콤팩트를 형성하는 단계;
(c) 1400 내지 1560℃ 의 온도에서 상기 그린 콤팩트를 진공 소결하거나 또는 소결-HIP 시키는 단계를 구비하며,
단계(b)에서 지르코늄과 니오븀의 카보나이트라이드 또는 카바이드의 분말화된 고용체가 상기 분말 혼합물을 형성하도록 이용된다. 본 발명의 소결 초경합금 동체들은 소성 변형에 대한 저항성이 증가되어, 상기 소결 초경합금 동체로부터 제 조된 절삭 공구의 수명이 길어지고 마모 저항성이 향상되는 결과를 초래한다. 이외에도, 종래 기술의 소결 초경합금 동체들과 비교하여 다공성 및 소결 왜곡(sinter distortion)의 상당한 최소화가 본 발명에 의해 달성된다.
또한 본 발명의 방법에도 상당한 장점이 있는데, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 방법은 종래에 이용된 단일 카바이드 ZrC 및 NbC 대신에, (Zr, Nb)C의 분말 고용체를 이용한다. 이러한 장점은 산소에 대한 (Zr, Nb)C 의 고용체의 낮은 친화성에 기인한 것으로서, 환원 소결 분위기도 필요하지 않고, 소결 분위기의 환원력을 연속적으로 제어할 필요도 없게 되는 것을 초래한다.
여기에서 식별된 특허들과 다른 문헌들은 본원에 참조로서 포함된다. 본 발명의 다른 구현예들은 여기에 개시된 본 발명의 명세 또는 실례를 숙고함으로써 당업자에게 명백할 것이다. 명세서와 예들은 단지 예시적인 것이며 본 발명의 범위를 제한하도록 의도된 것은 아니다.
본 발명은 절삭 공구등의 제작에 이용될 수 있다.

Claims (36)

  1. 소성 변형에 대하여 저항성이 증가된 소결 초경합금으로서, 텅스텐 카바이드, 철 그룹 또는 철 그룹의 합금들중 적어도 하나를 포함하는 바인더 상(binder phase) 및, 하나 또는 그 이상의 고용체 상을 포함하고, 상기 고용체 상의 각각의 하나는 지르코늄, 니오븀 및 텅스텐 화합물의 카보나이트라이드 및 카바이드들중 적어도 하나를 구비하는, 소결 초경합금 동체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고용체 상들중 하나는 지르코늄, 니오븀 및 텅스텐의 화합물의 카보나이트라이드 또는 카바이드로 이루어지는, 소결 초경합금 동체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    지르코늄, 니오븀 및 텅스텐의 화합물의 카보나이트라이드 또는 카바이드로 이루어진 상기 고용체 상은 상기 동체의 유일한 고용체 상(phase)인, 소결 초경합금 동체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고용체 상들중 하나는 지르코늄, 니오븀 및 텅스텐의 화합물의 카보나이트라이드 또는 카바이드 및, 티타늄, 하프늄, 바나듐, 탄탈륨, 크롬 및, 몰리브 데늄의 하나 또는 그 이상의 적어도 하나의 카바이드, 나이트라이드 또는 카보나이트라이드를 포함하는, 소결 초경합금 동체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    지르코늄, 니오븀 및 텅스텐의 화합물의 카보나이트라이드 또는 카바이드 및, 티타늄, 하프늄, 바나듐, 탄탈륨, 크롬 및, 몰리브데늄의 하나 또는 그 이상의 적어도 하나의 카바이드, 나이트라이드 또는 카보나이트라이드를 포함하는 상기 고용체 상은 상기 동체의 유일한 고용체 상인, 소결 초경합금 동체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    2 개 또는 그 이상의 상이한 고용체 상들이 존재하고, 각각의 하나는 지르코늄, 니오븀 및 텅스텐의 화합물의 카보나이트라이드 또는 카바이드 및, 티타늄, 하프늄, 바나듐, 탄탈륨, 크롬 및, 몰리브데늄의 하나 또는 그 이상의 적어도 하나의 카바이드, 나이트라이드 또는 카보나이트라이드를 포함하는, 소결 초경합금 동체.
  7. 제 4 항, 제 5 항 또는 제 6 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 카바이드, 나이트라이드 또는 카보나이트라이드는 티타늄, 탄탈륨 및 하프늄의 하나 또는 그 이상인, 소결 초경합금 동체.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 바인더 상은 코발트, CoNi-합금 또는 CoNiFe-합금을 포함하는, 소결 초경합금 동체.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 바인더 상은 크롬 및 텅스텐의 하나 또는 그 이상을 부가적으로 포함하는, 소결 초경합금 동체.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 바인더 상은 상기 동체의 전체 중량의 3 내지 15 %를 포함하는, 소결 초경합금 동체.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 이상의 고용체 상(들)의 지르코늄, 니오븀 및 텅스텐의 화합물의 카바이드 또는 카보나이트라이드의 전체 함량은 상기 동체의 전체 중량의 1 내지 15 %를 포함하는, 소결 초경합금 동체.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항의 어느 한 항에 있어서,
    원소들이 티타늄, 하프늄, 바나듐, 탄탈륨, 크롬 및 몰리브데늄의 전체 함량은 상기 동체의 전체 중량의 8 %를 초과하지 않는, 소결 초경합금 동체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    티타늄은 상기 동체의 전체 중량의 1 내지 8 %를 포함하는, 소결 초경합금 동체.
  14. 제 12 항에 있어서,
    탄탈륨은 상기 동체의 전체 중량의 1 내지 7 %를 포함하는, 소결 초경합금 동체.
  15. 제 12 항에 있어서,
    하프늄은 상기 동체의 전체 중량의 1 내지 4 %를 포함하는, 소결 초경합금 동체.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 동체는 0.5 보다 큰 질량 비율 Nb/(Zr + Nb)를 가지는, 소결 초경합금 동체.
  17. 제 16 항에 있어서,
    질량 비율 Nb/(Zr + Nb)는 0.6 또는 그 이상인, 소결 초경합금 동체.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 동체는 상기 나이트라이드 또는 카보나이트라이드들중 적어도 하나를 포함하고, 그 어떤 고용체 상도 없지만, 상기 동체의 코팅되지 않은 표면으로부터 약 50 ㎛ 의 깊이까지 바인더로 농후화된 최외측 영역을 포함하는, 소결 초경합금 동체.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 바인더 농후 영역의 아래에, 상기 바인더 농후 영역을 제외하고 상기 동체에 걸쳐서 균질인 하나의 단일 고용체 상을 가지는, 소결 초경합금 동체.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 바인더 농후 영역의 아래에, 상기 동체의 중심과 표면 사이에서 농도의 증감(concentration gradient)을 나타내는 2 개 또는 그 이상의 공존하는 상이한 고용체 상들을 가지는, 소결 초경합금 동체.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항의 어느 한 항에 있어서,
    하나 또는 그 이상의 마모 저항 PVD- 층들 또는 CVD-층들이 상기 동체의 표면 위에 코팅되는, 소결 초경합금 동체.
  22. 제 1 항 내지 제 20 항의 어느 한 항에 따른 소결 초경합금 동체를 제조하는 방법으로서,
    (a) 텅스텐 카바이드, 철 그룹 또는 그것의 합금의 적어도 하나의 금속을 포함하는 바인더 금속 분말 및, 지르코늄과 니오븀 양쪽의 카바이드 및 카보나이트라이드들중 적어도 하나를 포함하는 분말 혼합물을 제고하는 단계;
    (b) 상기 분말 혼합물의 그린 콤팩트(green compact)를 형성하는 단계;
    (c) 1400 내지 1560℃ 의 온도에서 상기 그린 콤팩트를 진공 소결하거나 또는 소결-HIP 하는 단계를 포함하고,
    상기 (a) 단계에서 지르코늄과 니오븀의 카바이드 또는 카보나이트라이드의 분말화된 고용체는 상기 분말 혼합물을 형성하도록 이용되는 것을 특징으로 하는, 소결 초경합금 동체를 제조하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    0.5 보다 큰 질량 비율 Nb/(Zr + Nb)를 가진 니오븀과 지르코늄의 화합물의 카바이드 또는 카보나이트라이드의 고용체의 고용체는, 지르코늄과 니오븀의 화합물의 카바이드 또는 카보나이트라이드의 상기 분말화된 고용체로서 이용되는, 소결 초경합금 동체를 제조하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    0.6 또는 그 이상의 질량 비율 Nb/(Zr + Nb)를 가진 니오븀과 지르코늄의 화합물의 카바이드 또는 카보나이트라이드의 고용체의 분말화된 고용체가 이용되는, 소결 초경합금 동체를 제조하는 방법.
  25. 제 22 항 내지 제 24 항의 어느 한 항에 있어서,
    코발트, 분말화된 CoNi-합금 또는 분말화된 CoNiFe-합금이 상기 바인더 금속 분말로서 이용되는, 소결 초경합금 동체를 제조하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 바인더 금속 분말은 크롬과 텅스텐중 적어도 하나를 부가적으로 포함하는, 소결 초경합금 동체를 제조하는 방법.
  27. 제 22 항 내지 제 26 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 바인더 금속 분말은 상기 분말 혼합물의 전체 중량의 3 내지 15 %를 포함하는, 소결 초경합금 동체를 제조하는 방법.
  28. 제 22 항 내지 제 27 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분말 혼합물은 티타늄, 하프늄, 바나듐, 탄탈륨, 크롬 및 몰리브데늄중 하나 또는 그 이상의 적어도 하나의 카바이드, 나이트라이드 또는 카보나이트라이드를 부가적으로 포함하는, 소결 초경합금 동체를 제조하는 방법.
  29. 제 22 항 내지 제 28 항의 어느 한 항에 있어서,
    지르코늄 및 니오븀의 화합물의 카바이드 또는 카보나이트라이드의 상기 분 말화된 고용체는 상기 분말 혼합물의 전체 중량의 1 내지 15 %를 포함하는, 소결 초경합금 동체를 제조하는 방법.
  30. 제 22 항 내지 제 29 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 분말 혼합물은 상기 분말 혼합물의 전체 중량의 1 내지 8 % 의 중량으로 원소들인 티타늄, 하프늄, 바나듐, 탄탈륨, 크롬 및 몰리브데늄중 적어도 하나를 포함하는, 소결 초경합금 동체를 제조하는 방법.
  31. 절삭 공구의 제조를 위해 제 1 항 내지 제 20 항의 어느 한 항에 따른 소결 초경합금 동체의 이용.
  32. 제 31 항에 있어서,
    절삭 인서트의 제조를 위한, 소결 초경합금 동체의 이용.
  33. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서,
    상기 동체는 그 어떤 고용체 상도 없지만, 코팅되지 않은 표면으로부터 약 50 ㎛ 의 깊이까지 바인더 농후화된 최외측 영역을 포함하는, 소결 초경합금 동체의 이용.
  34. 제 31 항 내지 제 33 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 동체는, 상기 바인더 농후화 영역의 아래에서, 상기 바인더 농후화된 영역을 제외하고 상기 동체에 걸쳐서 균질인 하나의 단일 고용체 상을 가지는, 소결 초경합금 동체의 이용.
  35. 제 31 항 내지 제 34 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 동체는, 상기 바인더 농후화 영역의 아래에서, 2 개 또는 그 이상의 공존하는 상이한 고용체 상들을 가지는, 소결 초경합금 동체의 이용.
  36. 제 31 항 내지 제 35 항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 절삭 공구는 상기 동체상에 마모 저항 코팅을 더 구비하는, 소결 초경합금 동체의 이용.
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