KR20070070193A - 초경합금의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 불필요한 바인더상층이 없는 표면을 갖는 초경 합금의 제조 방법에 관한 것이다. 이는 탄화물 조성물에 제어된 다량의 탄질화물을 포함함으로써 달성된다. 본 발명은 또한 이렇게 형성된 초경합금에 관한 것이다.

Description

초경합금의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING CEMENTED CARBIDE}

본 발명은 초경 합금 인서트 및 소결을 통한 그 제조 방법에 관한 것이고, 이렇게 형성된 소결된 인서트는 바인더상 표면층이 없다. 따라서 인서트의 표면은 벌크상의 바인더상과 유사하거나 더 작은 바인더 함량을 갖는다.

초경 합금이 금속 절삭에 사용되어 온 거의 70 년 동안, 초경 합금 인서트의 제조품 분야에서 지속적인 발전이 있어 왔다. 원래의 형상에 가까운 분말 성형체의 사용이 증가하고 있어, 전처리를 하지 않고도 물리적 기상 증착(PVD: Physical Vapour Deposition), 화학적 기상 증착 (CVD: Chemical Vapour Deposition) 및 중온 화학적 기상 증착 (MTCVD: Medium Temperature Chemical Vapour Deposition) 에 적합한 잘 규정된 표면을 갖는 초경 합금 등급이 필요하게 되었다. 이러한 인서트는 일반적으로 Nb, Ti, Ta 등의 다른 금속의 탄화물과 함께, 보통 WC 인 금속 탄화물 및 코발트의 금속 바인더상으로 코발트로 이루어진다. 내마모성을 증가시키기 위해서, TiC, TiN, Al₂O₃ 등의 일종 이상의 내마모성재의 일종 이상의 박층을 표면에 형성하는 것이 통상적이다.

많은 초경 합급 등급의 공통된 문제점은 외부 텅스텐 탄화물 입자가 부분적 으로 또는 완전히 덮는 바인더상 표면층이 존재한다는 것이다. 1 ㎛ 보다 큰 두께를 가질 수 있는 이 원치 않는 바인더상층은 소결 단계 중에 형성된다. 바인더상층이 표면에 존재하면, CVD 및 PVD 공정에 부정적인 영향을 끼쳐서, 기계적 특성이 불량하고 기재에 대한 코팅의 부착성이 불충분한 층이 얻어지게 된다. 따라서, 바인더상층은 증착 공정을 실행하기 전에 반드시 제거되어야 한다. 바인더상층의 형성은 텅스텐 탄화물의 입도와 상호관련되어 있다. 일반적으로, 입도가 약 2 ㎛ 아래, 특히 1.5 ㎛ 아래로 감소되면, 바인더상은 표면상에서 더 널리 퍼지게 되고 따라서 기계적 특성 및 코팅 부착성과 관련하여 문제가 많이 된다. 미세 등급 및 미크론 이하 등급의 초경 합금은 특히 표면 바인더 형성이 잘 된다.

종래 기술이 다양한 방법으로 바인더상 형성 문제에 대처하고 있는데, 이 중 대부분은 크게 두 가지 방안으로 나눌 수 있다. 제 1 방안은 처음부터 바인더상의 형성을 억제하는 방법이다. 제 2 방안은 처음에는 바인더상이 표면에 형성되도록 허용하고 다음에 기계적 또는 화학적 방법으로 바인더를 제거하는 방법이다.

상기와 같이, 바인더상 표면층은 2 ㎛ 보다 작은 입도의 초경 합금 등급에서 발생하는 경향이 있다. 따라서, 단순하게 바인더상 형성을 위한 한계값보다 크게 입도를 유지함으로써, 전체 문제를 회피하게 된다. 예컨데, 벌크 초경 합금의 주어진 바인더 레벨에서, 실온 (RT: Room Temperature) 경도, 즉 내소성 변형성은 입도가 증가함에 따라 감소한다. 유사한 방식으로, 주어진 RT 경도 레벨을 얻기 위해서, 바인더의 레벨은 텅스텐 탄화물의 입도가 증가함에 따라 감소되어야 한다. 바인더의 레벨이 더 높을수록 인성이 증가하기 때문에, 입도가 증가함에 따라 RT 경도 또는 인성은 통상 나빠진다.

입도가 클 때의 경도와 인성 사이의 이 트레이드-오프는 분말 조성물에 고레벨의 입방 탄화물 (4 ~ 12 wt%) 을 첨가하는 것을 교시한 U.S 특허 제 6333100 호에 의한 유일한 방법으로 처리된다. 이 특허의 최종적으로 소결된 탄화물 인서트는 절삭날측을 따라 풍부한 코발트 바인더상 및 소정의 두께 및 조성을 가지며 본질적으로 입방형 탄화물이 없는 표면 영역을 갖는다. 이는, 절삭날 근처의 입방 탄화물의 최적화와 결합되면, 내소성 변형성 및 인성의 동시적인 향상에 기여한다. 동시에, 인서트의 실제 표면 (이 표면 바로 아래에 있는 표면 영역과는 반대로) 은 특히 사용된 큰 입도로 인해 과도한 바인더상이 없기 때문에, 코팅은 인서트에 부착되어 유지될 것이고 기계적 특성도 유지될 것이다.

이 특허의 교시는 초경 합금에 큰 텅스텐 탄화물 입자를 사용하는 트레이드 오프를 향상시킴으로써 종래 기술보자 분명히 진보한 것이지만, 이는 입도를 더 작게 하여 바인더상 형성의 문제점을 직접 처리함으로써 그렇게 되는 것이다. 또한, 상기 특허는 바인더상이 풍부한 표면 영역의 특정 두께와 같은, 주의깊은 모니터링이 요구될 수 있는 다수의 특정 사항도 함께 고려할 것을 요구하고 있다. 이는 몇몇 경우에 있어서 덜 엄격한 조성 및 기하학적 요건을 갖는 공정에 비해 제조 비용을 증가시킬 수 있다.

바인더상 형성은 또한 U.S. 특허 제 6207102 호에 기재된 바와 같이 냉각 온 도를 엄격하게 조절함으로써 억제되는데, 이 특허에 따르면 소결 후 초경 합금은 급속 냉각된다. 급속 냉각에 의해 바인더상층이 없는 표면이 얻어진다. 이 방법은 효과적지만, 원하는 결과를 얻기 위해서는 냉각 단계의 모니터링 및 특수한 장비를 요구한다.

제 2 방안의 방법, 즉 처음에 바인더층의 형성을 허용하고 다음에 그 층을 제거하는 방법은 블라스팅 등의 기계적 제거 방법을 포함한다. 그러나, 블라스팅은 블라스팅 깊이를 정확하게 제어하는 것이 불가능하기 때문에 제어하기가 어렵다. 또한 블라스팅은 코팅된 인서트 최종 제품의 특성의 편차를 증가시키고 또한 기재 표면의 경질 구성 입자에 손상을 주게 된다. 그러나, U.S. 특허 제 6123293 호에는, 미립자를 사용해 블라스팅을 하면 경질 구성 입자에 손상을 주지 않고 바인더상층을 균일하게 제거할 수 있다는 것이 기재되어 있다.

이와 달리, 화학적 또는 전해적 방법이 바인더층을 제거하는데 사용될 수 있다. 그러나 이 방법들은 코발트 표면층 외에 다른 것도 제거한다. 이 방법들은 또한 특히 인서트 가장자리에 가까운 영역에서 깊은 침투를 야기한다. 이는 층과 기재 사이에 바람직하지 않는 세공을 만들 수 있고 동시에 바인더층은 인서트의 다른 영역에 부분적으로 남을 수도 있다.

상기의 종래 기술 방법의 다른 결점은 표면 바인더층을 제거하기 위한 추가적인 제조 단계를 요구한다는 것이고, 이러한 이유로 대량 생산에는 덜 매력적이라는 것이다. 소결이 바인더상이 형성되지 않는 방식으로 수행될 수 있다면 바람직하다.

본 발명의 목적은 초경 합금 기재에 대한 코팅층의 접착력을 향상시키기 위한 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 소결 동안에 특별한 온도 제어에 대한 필요성 없이 기재 표면에서 바인더상의 양을 제어함으로써 부착성이 증가되는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기와 같이, 소결 후 단계에서 표면 바인더층의 기계적 또는 화학적 제거에 대한 필요성이 없는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 분말 조성을 변화시켜서 소결 후 기재 표면에 존재하는 바인더상의 양을 정밀하게 제어하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 바인더상 표면층의 동시 형성 없이 작은 입도를 갖는 초경 합금 등급을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법으로부터 형성된 초경 합금 인서트를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 화학적 또는 물리적 기상 증착에 의해 강하게 부착된 표면 코팅을 갖는 초경 합금 인서트를 제공하는 것이다.

상기 목적 및 이하에 설명할 다른 목적들은, 텅스텐 탄화물과, 코발트, 철 또는 니켈 또는 이들의 조합물을 함유하는 바인더 및 소결품의 표면에 바인더가 축적되는 것을 억제할 수 있는 충분한 양으로 탄화물 및/또는 입방 탄질화물의 혼합물을 포함하는 입방상 [(Ti, Zr, Hf, Ta, Nb)(C,N)] 의 혼합물을 제공하고, 이 혼합물을 성형품으로 성형하여, 소결품을 형성하기 위해 성형품을 소결하는 것을 포함하는 초경 합금의 제조 방법에 의해 달성된다.

본 발명의 목적들은 또한 3 ~ 15 중량 % 의 바인더와 (0.17×Co 함량) wt% 이상이고 (예컨데, Co=6 wt% 에 대해 1 wt%) 최대 4.0 wt% 의 입방상을 포함하는 조성으로 이루어진 코팅된 초경 합금체를 만드는 방법에 의해 달성된다. 이 조성은 금속에 대해 약 0.08 ~ 약 1.0 의 Ti/[입방상] 비를 가지며, 이는 입방상 조성이 순수 Ti(C_{1 - x}N_x) 로부터 소량의 Ti 만을 함유하는 조성까지 될 수 있다는 것을 의미한다. N/Ti 로 표현된 질소 함량 (몰 비) 은 0.05 보다 크고 0.6 보다 작다. 크롬 탄화물은 1 ㎛ 보다 작은 입도에 대해 0 ~ 약 2 wt%, 바람직하게는 약 0.2 ~ 약 1.5 wt% 로 포함되며, 나머지는 WC 이다. 본 방법은 소결 온도까지 가열하여 초경 합금을 소결하는 단계를 포함한다. 본 발명의 바람직한 소결 방법은 HIP소결 및 진공 소결을 포함하고, 이때 질소가 입방상을 통해 첨가될 수 있거나 Ts (소결온도) 에 도달하기 전에 질소 가스로서 참가될 수 있다. 적절한 Ts 는 1380 ~ 1500 ℃ 의 범위이고, 소결 시간은 10 ~ 90 분이고, 이어서 냉각, 소결 후처리를 하고, CVD, MTCVD 또는 PVD 기술을 사용하여 하나 이상의 층을 포함하는 얇은 내마모성 코팅을 상기 초경 합금체에 제공하고, 브러싱 및/또는 드래그 마무리 등의 코팅 후처리를 한다.

본 발명은 소결된 상태에서 제어된 레벨의 바인더상 재료를 함유하는 표면을 갖는, 절삭 공구용 인서트 등의 초경 합금품의 제조 방법을 제공한다. 특히, 초경 합금 표면의 바인더상 재료의 레벨은 초경 합금 형성에 사용되는 분말 조성물에 비교적 소량의 입방 탄질화물을 첨가함으로써 제어될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 바인더상 레벨은 입도가 1.5 ㎛ 이하 크기의 텅스텐 탄화물 입자를 갖는 초경 합금 등급, 및 심지어 미크론 이하 등급의 경우에도 제어될 수 있다.

표면 바인더 조성을 제어하는데 있어서 입방상의 역할은 지금까지 인식되지 않았기 때문에 완전히 예상되지 못했다. 또한 바인더 레벨에 대한 효과를 표면에 국한시키고 초경 합금의 다른 영역은 상대적으로 영향을 받지 않은 상태로 남겨둘 수 있는 것도 예상되지 못하였다. 따라서 비교적 소량의 입방 탄질화물을 추가함으로써, 표면에서 바인더의 제어된 레벨을 달성할 수 있고 그 표면 바로 아래, 즉 소위 표면 영역에서는 바인더가 없게 할 수 있다. 이는 도 1 과 도 2 ~ 4 를 비교해보면 알 수 있다.

"제어된 레벨" 은 탄화물품의 표면상에서 바인더상의 양이 제조 파라미터에 따라 제조, 특히 분말 혼합물에 입방 탄질화물을 첨가함으로써 및/또는 소결 단계 동안 질소 가스를 첨가함으로써 변화될 수 있다는 것을 의미한다. 분말에 첨가되거나 또는 소결 동안에 원위치에서 질소 가스로 형성되는 입방 탄질화물의 양 및 조성을 변화시킴으로써, 표면에서의 바인더의 양은 초경 합금의 벌크상의 바인더의 양과 유사하도록 제어될 수 있고, 또는 벌크상 레벨보다 작게 될 수도 있다. 본 발명을 위해, 표면 바인더의 양을 벌크상의 바인더의 양보다 작도록 제어하는 것이 바람직하다. 어느 경우이건, 초경 합금 표면은 과도한 유해 바인더상층은 없다. 따라서 표면 바인더 레벨의 제어가 가능하며 또한 특히 바인더가 원치 않는 벌크상의 경우보다 높은 레벨로 축적되는 것을 방지할 수 있으며, 표면 바인더상이 형성된 후에 이것을 기계적으로 제거하거나, 또는 특수한 온도 제어 장비를 통해 소결품의 냉각을 정밀하게 제어하는 등의 종래 방법과 관련된 문제점이 생기지 않는다.

본 발명의 초경 합금은 텅스텐 탄화물 (WC) 계의 제 1 상, 이 제 1 상을 둘러싸며 코발트 (Co), 철 (Fe), 니켈 (Ni) 또는 이들의 조합물에 기초한 금속성 바인더를 포함하는 제 2 상 및 소결품의 표면에 바인더가 축적되는 것을 방지하기에 충분한 양의 입방 탄질화물 및/또는 탄화물 [(Ti, Zr, Hf, Ta, Nb)(C, N)] 및/또는 크롬 탄화물의 혼합물을 포함하는 추가적인 상들을 포함한다. 보다 바람직한 실시형태에 있어서, 바인더상은 코발트이다.

큰 입도의 갖는 텅스텐 탄화물 등급을 사용하는 것이 가능하지만, 본 발명의 이점은 더 미세한 등급을 사용함으로써 실현된다. 따라서, 제 1 상으로서 유용한 텅스텐 탄화물의 등급은 약 1.5 ㎛ 이하, 바람직하게는 1.0 ㎛ 이하의 입도를 갖는 것을 포함한다.

이 재료가 소결 처리될 때, 그렇지 않은 경우에 통상 발생하는 과도한 바인더상이 존재하지 않는다는 것이 놀랍게도 밝혀졌다. 도 3 및 4 에 도시된 바와 같이, 입방 탄화물이 없는 영역이 형성되고, 표면에서의 바인더상 농도는 최대 초경 합금의 벌크와 동일하거나 일반적으로는 그보다 상당히 작다. 최종적으로는 놀랍게도 바인더 표면층이 없고 또한 동일한 바인더 함량을 갖는 기재처럼 보이고 거동하는 재료가 입방 탄질화물이 없이 얻어진다. 입방 탄질화물의 첨가는 예컨데 경도 및 파괴 인성과 같은 물리적 특성에 대한 영향이 상기 첨가가 없는 초경 합금에 비해 최소로 되기에 충분히 작은 양이지만, 입방상이 소결된 초경 합금의 냉각 동안에 재석출되기에 충분한 양, 즉 실온 용해 한계보다 많은 양으로 이루어진다.

특정 이론에 제한을 받는 것은 아니지만, 입방 탄질화물은 인서트의 표면 아래에서 용해되어 질소 활성도가 표면 영역보다 높은 인서트의 벌크에서 재석출되며, 용해된 탄질화물에 의해 남겨진 표면 아래의 공극은 바인더상이 채우게 된다.

본 발명에 유용한 소결 기술은 예컨데 U.S.특허 제 4277283, 4610931, 4548786, 6554548 및 6333100 호 및 WO98/16665 에 기재되어 있고, 이 모두는 전체가 본 발명에 참조로 관련되어 있다. 이 특허들에 기재된 소결 기술은 본 발명에서 사용되는 소결 기술과 유사하고, 상기 종래의 특허는 코발트가 많이 풍부하여 표면에서의 재료 특성이 벌크 재료와 상당히 상이한 재료를 기재하고 있다. 본 발명의 바람직한 소결 방법은 HIP 소결, 및 진공 소결을 포함하고, 이때 질소는 입방상을 통해 첨가될 수 있거나 Ts 에 도달하기 전에 질소 가스로서 첨가될 수도 있다. 사용되는 소결 온도는 1380℃ ~ 1500℃ 이고, 바람직하게는 1390℃ ~ 1460℃ 이며, 소결 시간은 10 ~ 90 분, 바람직하게는 30 ~ 60 분이다. 첨가되는 질소의 양은 소결 공정 동안 입방상의 용해 속도를 통한 고형화 후에 초경 합금의 원소들의 전체적인 분포를 결정할 것이다. 첨가되는 질소의 적정량은 초경 합금의 조성 및 특히 입방상의 양에 의존한다. 정확한 조건은 사용될 소결 장비의 구성에도 어느 정도 의존한다.

소결 후의 바인더상은 텅스텐 및 다른 첨가 원소를 실온에서의 바인더상에 대한 각각의 용해도에 대응하는 양으로 포함하게 된다. 만약 크롬이 있다면, 첨가된 크롬의 양만이 바람직하게 실온에서 바인더상의 용해 한계 아래에 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 스테인리스 강 및 Ni 계 합금의 정밀 선삭에 유용한 인서트는 4.8 ~ 5.8 wt% 의 Co 함량, 0.16 ~ 0.36 wt% 의 크롬 탄화물, 1.5 ~2.0 wt% 의 입방 탄질화물 [(Ti_aTa_bNb_c)(C, N)] 을 가지며, 여기서 (a+b+c)=1, 0.1<a<0,5, 0.5<b+c<0.8 및 0.10<N(몰)/Ti(몰)<0.45 이고, 표면에서의 바인더의 양은 약 2.5 ~ 3.0 wt% 이다. 인서트는 x 가 0.1 ~ 0.2 인 1 ~ 3 ㎛ 의 (Ti_{1 - x}Si_x)N 으로 된 PVD 코팅 및/또는 x 가 0.6 ~ 0.7 인 PVD(Ti_{1 - x}Al_x)N 코팅을 가지며, 연마 및 연삭된 대표 단면에서 측정된 텅스텐 탄화물상의 평균 절단 길이는 0.5 ~ 0.9 ㎛ 의 범위이다. 이 절단 길이는 10000 배 확대된 현미경 사진의 이미지 분석으로 측정되고 약 1000 개의 절단 길이의 평균값으로 계산된다. 더 바람직한 실시형태에서, TiN 및/또는 CrN 및/또는 ZrN, 또는 이들의 혼합물의 상부층이 최외각에 형성된다.

다른 바람직한 실시형태에서, 스테인리스 강 및 Ni 계 합금의 중간 거친 선삭용 인서트는 4.8 ~ 5.8 wt% 의 Co 함량, 0.16 ~ 0.36 wt% 의 크롬 탄화물, 1.5 ~2.0 wt% 의 입방 탄질화물 [(Ti_aTa_bNb_c)(C, N)] 을 가지며, 여기서 (a+b+c)=1, 0.1<a<0.5, 0.5<b+c<0.8 및 0.10<N(몰)/Ti(몰)<0.45 이고, 표면에서의 바인더의 양은 약 2.5 ~ 3.0 wt% 이다. 인서트는 주로 Al₂O₃ 으로 된 총 두께 3 ~ 15 ㎛ 의 CVD 코팅을 가지며, 텅스텐 탄화물상의 평균 절단 길이는 0.5 ~ 0.9 ㎛ 이다. 더 바람직한 실시형태에서, TiN 및/또는 ZrN 또는 이들의 혼합물의 CVD 상부층이 최외각에 형성된다.

더 바람직한 실시형태에서, 나사가공 (treading), 홈가공 (grooving) 및 분단 (parting off) 용 인서트는 7.5 ~ 8.5 wt% 의 Co 함량, 0.26 ~ 0.52 wt% 의 크롬 탄화물, 1.5 ~2.0 wt% 의 입방 탄질화물 [(Ti_aTa_bNb_c)(C, N)] 을 가지며, 여기서 (a+b+c)=1, 0.1<a<0.5, 0.5<b+c<0.8 및 0.10<N(몰)/Ti(몰)<0.45 이고, 표면에서의 바인더의 양은 약 3.5 ~ 5.0 wt% 이다. 인서트는 x 가 0.1 ~ 0.2 인 1 ~ 3 ㎛ 의 (Ti_{1 - x}Si_x)N 의 PVD 코팅 및/또는 x 가 0.6 ~ 0.7 인 PVD(Ti_{1 - x}Al_x)N 코팅을 가지며, 텅스텐 탄화물상의 평균 절단 길이는 0.5 ~ 0.9 ㎛의 범위이다. 더 바람직한 실시형태에서, TiN 및/또는 CrN 및/또는 ZrN, 또는 이들의 혼합물의 상부층이 최외각에 형성된다.

다른 바람직한 실시형태에서, 밀링용 인서트는 9.2 ~ 10.1 wt% 의 Co 함량, 0.36 ~ 0.62 wt% 의 크롬 탄화물, 1.5 ~2.0 wt% 의 입방 탄질화물 [(Ti_aTa_bNb_c)(C,N)] 을 가지며, 여기서 (a+b+c)=1, 0.1<a<0.5, 0.5<b+c<0.8 및 0.10<N(몰)/Ti(몰)<0.45 이고, 표면에서의 바인더의 양은 약 4 ~ 5.5 wt% 이다. 인서트는 x 가 0.1 ~ 0.2 인 1 ~ 3 ㎛ 의 (Ti_{1 - x}Si_x)N 의 PVD 코팅 및/또는 x 가 0.6 ~ 0.7 인 PVD(Ti_{1 - x}Al_x)N 코팅을 가지며, 텅스텐 탄화물상의 평균 절단 길이는 0.5 ~ 0.9 ㎛의 범위이다. 더 바람직한 실시형태에서, TiN 및/또는 CrN 및/또는 ZrN, 또는 이들의 혼합물의 상부층이 최외각에 형성된다.

또 다른 바람직한 실시형태에서, 경화 강의 면 밀링용 인서트는 4.6 ~ 5.3 wt% 의 Co 함량, 0.20 ~ 0.35 wt% 의 크롬 탄화물, 1.5 ~2.0 wt% 의 입방 탄질화물 [(Ti_aTa_bNb_c)(C, N)] 을 가지며, 여기서 (a+b+c)=1, 0.1<a<0.5, 0.5<b+c<0.8 및 0.10<N(몰)/Ti(몰)<0.45 이고, 표면에서의 바인더의 양은 약 2 ~ 3 wt% 이다. 인서트는 x 가 0.1 ~ 0.2 인 1 ~ 3 ㎛ 의 (Ti_{1 - x}Si_x)N 의 PVD 코팅 및/또는 x 가 0.6 ~ 0.7 인 PVD(Ti_{1 - x}Al_x)N 코팅을 가지며, 텅스텐 탄화물 상의 평균 절단 길이는 0.3 ~ 0.7 ㎛ 의 범위이다. 더 바람직한 실시형태에서, TiN 및/또는 CrN 및/또는 ZrN, 또는 이들의 혼합물의 상부층이 최외각에 형성된다.

본 발명에 따른 초경 합금의 일반적이고 바람직한 범위는 이하와 같고, 모든 퍼센트는 분말 혼합물의 총 중량에 대한 것이다.

바인더는 분말의 약 3 ~ 약 15 wt%, 바람직하게는 약 4 ~ 약 10 wt% 의 양으로 함유된다. 입방 탄질화물은 (0.17×Co 함량)wt% (예컨데 Co=6 wt% 에 대해 1 wt%) 이상이고, 최대 4.0 wt% 의 양으로 함유되고, 바람직하게는 (0.2×Co 함량)wt% (예컨데 Co=6 wt% 에 대해 1.2 wt%) 이상이고, 최대 3.5 wt% 의 양으로 함유되고, 보다 바람직하게는 (0.2×Co 함량)wt% (예컨데 Co=6 wt% 에 대해 1.2 wt%) 이상이고, 최대 3.0 wt% 의 양으로 함유되고, 가장 바람직하게는 (0.22×Co 함량)wt% (예컨데 Co=6 wt% 에 대해 1.32 wt%) 이상이고, 최대 2.2 wt% 의 양으로 함유된다. 크롬 탄화물은 1 ㎛ 보다 작은 입도에 대해서 0 ~ 약 2 wt%, 바람직하게는 약 0.2 ~ 약 1.5 wt% 의 양으로 함유된다. N/Ti 로 표현된 질소 함량 (몰비) 은 약 0.05 보다 크고 약 0.6 보다 작으며, 바람직하게는 약 0.15 보다 크고 약 0.55 보다 작으며, 나머지 WC 는 약 0.2 ~ 1.5 ㎛, 바람직하게는 약 0.4 ~ 1.2㎛ 의 입도를 갖는다. 또한, 조성물은 약 0.08 ~ 약 1.0 사이의 Ti/탄질화물 중량비를 가지며, 이는 탄질화물 조성이 순수 Ti(C, N) 에서부터 소량의 Ti 만이 함량된 조성의 범위일 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명의 방법은 초경 합금을 위해 가능한 기재, 기하학적 형상 및 코팅 조합의 다양성 및 생산성에 긍정적인 영향을 제공한다. 이는 다시 전체 생산성을 높이고, 더 나은 생산 경제성 및 더 나은 제품을 생산하도록 한다.

본 발명에 따라, 소결은 종래의 방식으로 수행되고 새로운 장비를 위한 투자는 필요하지 않다. 입방 탄질화물상의 최적의 조성은 초경 합금의 조성 및 소결 조건에 의존한다. 표면의 바인더의 양은 에너지 분산 분광분석기 (EDS: Energy Dispersive Spectrometer) 를 구비하고 미지 표면의 강도(intensity)를 동일한 공칭 조성의 연마된 단면과 비교하는 주사 전자 현미경 (SEM) 을 사용하여 측정된다.

도 1 은 거의 바인더상층으로 덮이고, 6.0 wt% 의 Co, 0.5 wt% 의 크롬 탄화물 및 나머지는 0.8 ㎛ 의 입도를 갖는 WC 의 조성을 갖는 종래 기술의 초경 합금 인서트의 표면의 상부면을 4000 배 확대하여 도시한 것이다.

도 2 는 6.0 wt% 의 Co, 0.5 wt% 의 크롬 탄화물, 0.5 wt% 의 Ti 및 N/Ti 의 비가 약 0.4 인 2 wt% 의 입방 탄질화물 ((Ti, Ta, Nb)(C, N)), 및 나머지는 0.8 ㎛ 의 입도를 갖는 WC 의 조성을 갖는 본 발명에 따른 초경 합금 인서트의 표면의 상부면을 4000 배 확대하여 도시한 것이다.

도 3 은 6 wt% 의 Co, 0.5 wt% 의 크롬 탄화물, 0.5 wt% 의 Ti 와 약 0.4 의 N/Ti 비를 갖는 2 wt% 의 입방 탄질화물 [(Ti, Ta, Nb)(C, N)], 나머지는 입도가 0.8 ㎛ 인 WC 을 포함하는 조성을 갖는 초경합금의 연마된 단면을 1000 배 확대하여 도시한 것이다.

도 4 는 6 wt% 의 Co, 0.5 wt% 의 크롬 탄화물, 0.5 wt% 의 Ti 와 약 0.4 의 N/Ti 비를 갖는 2 wt% 의 입방 탄질화물 [(Ti, Ta, Nb)(C, N)], 나머지는 입도가 0.8 ㎛ 인 WC 을 포함하는 조성을 갖는 본 발명에 따른 초경 합금의 표면에서부터 100 ㎛ 아래의 깊이까지의 Co 함량을 도시한다.

도 5 는 1 분 가공 후에 코팅된 초경합금 인서트의 상부면을 40 배 확대하여 도시한 것으로, C 와 E 는 심한 크레이터 마모를 나타내고, 본 발명에 따른 D 와 F 는 더 양호한 내크레이터 마모성을 가져서 더 긴 공구 수명을 갖는 것을 보여준다.

실시예 1:

A) 6.0 wt% 의 Co, 0.5 wt% 의 크롬 탄화물 및 나머지는 0.8 ㎛ 입도의 WC 인 CNMG120408 형의 초경 합금 인서트가 종래의 방식으로 1420℃ 에서 HIP 소결되 었다(Ts 에서 60분, P_{( ar )}max=30 bar, 및 Ts 로부터 냉각되는 속도는 6℃/분 보다 작음). 표면은 도 1 에 도시된 바와 같이 98 % 까지 바인더층으로 덮였다.

B) 도 2 에 도시된 바와 같이, 6.0 wt% 의 Co, 0.5 wt% 의 크롬 탄화물, 0.5 wt% 의 Ti 를 갖고 N/Ti 의 비가 0.4 인 2 wt% 의 입방 탄질화물 ((Ti, Ta, Nb)(C, N)), 및 나머지는 0.8 ㎛ 입도의 WC 이며 상기와 동일하게 소결된, CNMG120408 형의 초경 합금 인서트가 6 wt% 의 공칭값보다 작은 약 3 wt% 의 Co 로 덮인 표면을 가졌다. 탄화물이 없는 영역은 대략 60 ~ 70 ㎛ 깊이였고, 최대 Co 함량은 0.8 wt% (Co_max-Co_bulk)였다.

실시예 2:

6.0 wt% 의 Co,1.5 wt% 의 입방 탄화물 및 나머지는 1.5 ㎛ 입도의 WC 인 SNUN 120408 형의 초경 합금 인서트가 종래의 방식으로 Ts= 1460℃ 에서 진공 소결되었다(Ts 에서 60분, P_{( ar )}max=50 bar, 및 Ts 로부터 냉각 속도는 6℃/분보다 작음). 상기와 동일하게 소결된, 6.0 wt% 의 Co, 0.25 wt% 의 Ti 를 갖고 N/Ti 의 비가 0.4 인 1.5 wt% 의 입방 탄질화물 ((Ti, Ta, Nb)(C, N)), 및 나머지가 1.5 ㎛ 의 입도의 WC 인 초경 합금 인서트가 6 wt% 의 공칭값보다 작은 약 3 wt% 의 Co 로 덮인 표면을 가졌다. 탄화물 자유 영역은 거의 60 ~ 70 ㎛ 깊이였고, 최대 Co 함량은 0.7 wt%(Co_max-Co_bulk) 였다.

실시예 3:

이 실시예는 기계 가공시 본 발명의 이점을 보여줄 것이다.

C) PVD 기술을 사용하여 A 의 인서트에 3 ㎛ 의 (Ti₃₅Al₇₅)N/TiN 코팅을 입혔다.

D) PVD 기술을 사용하여 B 의 인서트에 3 ㎛ 의 (Ti₃₅Al₇₅)N/TiN 코팅을 입혔다.

E) MTCVD 및 CVD 기술을 사용하여 A 의 인서트에 2 ㎛ 의 Ti(C, N) 및 2 ㎛ 의 AlO₂ 의 코팅을 입혔다.

F) MTCVD 및 CVD 기술을 사용하여 B 의 인서트에 2 ㎛ 의 Ti(C, N) 및 2 ㎛ 의 AlO₂ 의 코팅을 입혔다.

C 와 E 의 인서트는 길이 방향 선삭 작업시의 공구 수명에 대해 D 와 F 의 인서트와 비교 시험되었다.

절삭 시간: 60 초

재료: 스테인리스강 316L

절삭 속도: 140 m/mim

이송량: 0.4 mm/rev

절삭 깊이: 2 mm

비고: 습식 선삭

도 5 에 보여진 시험 결과는 본 발명에 따른 D 와 F 의 초경 합금 인서트가 C(종래 기술) 와 E (종래 기술)보다 특히 크레이터 마모에 대해 더 긴 공구 수명을 보여준다는 것을 나타낸다. 본 발명은 공칭 바인더상 함량보다 작거나 같게 함유한 초경 합금 표면과 CVD 및 MTCVD 또는 PVD 기술의 결합의 이점을 보여준다.

본 발명의 바람직한 실시형태 및 작업 모델의 이론은 상기 설명에 기재되었다. 그러나, 여기에서 보호된 본 발명은 보여주기 위한 목적으로 도시되었기 때문에, 기재된 특별한 형태로 제한하지는 않는다. 본 발명의 요지에서 벗어나지 않는 한 종래 기술에 의한 변형 및 변화가 가능하다.

Claims (22)

1. 초경 합금의 제조 방법으로서,

   a) 텅스텐 탄화물과, 코발트, 철, 니켈 및 이들의 혼합물로부터 선택된 바인더, 및 IVB 족 원소 (Ti, Zr, Hf) 를 포함하는 탄질화물의 혼합물을 제공하는 단계,

   b) 상기 혼합물을 표면 및 이 표면 아래의 표면 영역을 갖는 성형품으로 성형하는 단계, 및

   c) 상기 성형품을 소결함과 동시에 표면에서의 바인더 농도를 상기 성형품의 벌크 내부의 바인더 농도 이하로 유지하는 단계를 포함하는 초경 합금의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 표면에서의 바인더 농도를 유지하는 단계는 상기 표면에 바인더가 축적되는 것을 억제하기에 충분한 양의 IVB 족 원소 함유 탄질화물을 제공하는 것을 포함하는 초경 합금의 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 탄질화물의 존재에 의해, 소결된 초경 합금의 바인더상 분포가 실질적으로 영향을 받지 않는 초경 합금의 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 화학적 기상 증착으로 하나 이상의 코팅을 형성하는 단계 를 포함하는 초경 합금의 제조 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 물리적 기상 증착으로 하나 이상의 코팅을 형성하는 단계를 포함하는 초경 합금의 제조 방법.
6. 코발트, 철, 니켈 및 이들의 혼합물로부터 선택된 바인더를 포함하고, 소결된 초경 합금의 표면에 바인더가 적층되는 것을 억제하기에 충분한 양으로 원소 [Ti, Zr 또는 Hf] 중 일종 이상을 포함하는 약 1.0 wt% ~ 4 wt% 의 입방 탄질화물 및, 나머지로서 약 1.5 ㎛ 이하의 평균 입도를 갖는 텅스텐 탄화물을 포함하는 소결된 초경 합금.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 혼합물 중의 탄질화물의 양이 상기 혼합물 중의 코발트 양의 약 0.17 배 이상인 소결된 초경 합금.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 혼합물 중의 탄질화물의 최대량이 약 3.5 wt% 인 소결된 초경 합금.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 혼합물 중의 탄질화물의 양이 상기 혼합물 중의 코발트 양의 약 0.20 배 이상인 소결된 초경 합금.
10. 제 6 항에 있어서, 상기 혼합물 중의 탄질화물의 최대량이 약 3.0 wt% 인 소결된 초경 합금.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 혼합물 중의 탄질화물의 양이 상기 혼합물 중의 코발트 양의 약 0.2 배 이상인 소결된 초경 합금.
12. 제 6 항에 있어서, 상기 혼합물 중의 탄질화물의 최대량이 약 2.2 wt% 인 소결된 초경 합금.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 혼합물 중의 탄질화물의 양이 상기 혼합물 중의 코발트 양의 약 0.22 배 이상인 소결된 초경 합금.
14. 제 6 항에 있어서, 0 보다 크고 약 2 wt% 까지의 크롬 탄화물을 더 포함하는 소결된 초경 합금.
15. 제 6 항에 있어서, 0 보다 크고 약 1.0 wt% 까지의 크롬 탄화물을 더 포함하는 소결된 초경 합금.
16. 제 6 항에 있어서, 상기 텅스텐 탄화물이 약 0.2 ~ 약 1.5 ㎛ 의 평균 입도를 갖는 소결된 초경 합금.
17. 제 6 항에 있어서, 상기 텅스텐 탄화물이 약 0.4 ~ 약 1.2 ㎛ 의 평균 입도를 갖는 소결된 초경 합금.
18. 제 6 항에 있어서, 상기 바인더가 코발트를 포함하고, 표면에서의 코발트 바인더의 양이 벌크상의 바인더의 양의 약 50 % ~ 약 75 % 인 소결된 초경 합금.
19. 제 6 항에 있어서, 상기 초경 합금의 탄질화물 성분이 약 0.08 ~ 약 1.0 의 Ti/탄질화물 중량비를 갖는 소결된 초경 합금.
20. 제 6 항에 있어서, 화학적 기상 증착으로 형성된 하나 이상의 코팅을 더 포함하는 소결된 초경 합금.
21. 제 6 항에 있어서, 물리적 기상 증착으로 형성된 하나 이상의 코팅을 더 포함하는 소결된 초경 합금.
22. 제 6 항에 있어서, 상기 텅스텐 탄화물이 1.0 ㎛ 이하의 입도를 갖는 소결된 초경 합금.

Images