KR20090033960A - 인성이 향상된 세라믹스, 그 제조방법, 인성이 향상된서멧트, 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는, 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 선택되는 하나 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물과 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 티타늄을 포함하여 선택되는 적어도 둘 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물로 이루어지고, 완전 고용상인 것을 특징으로 하는 고용체 분말을 혼합한 탄화물 및 탄질화물 혼합 세라믹 분말, 이를 포함하는 서멧트용 분말, 상기 고용체 분말을 소결한 세라믹스 소결체, 상기 서멧트용 분말을 소결한 서멧트, 세라믹 제조방법 및 서멧트 제조 방법을 개시하고, 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 티타늄을 포함하여 선택되는 적어도 둘 이상의 금속의 산화물로부터 제조된 완전 고용상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고용체 분말의 제조 방법, 상기 고용체 분말을 포함하는 서멧트용 분말의 제조 방법을 개시한다.
본 발명에 따라, TiC계 또는 Ti(CN)계 복합 분말의 미세 구조에 있어서 완전 고용상을 사용함으로써, 금속 결합재가 적은 고경도 세라믹스의 인성과 금속결합재를 포함하는 서멧트 재료의 인성을 현저히 향상시키고 미세구조를 제어할 수 있는 효과를 달성한다.
탄질화물, 탄화물, 유심조직, 완전고용체, 미세구조 제어, 세라믹스, 서멧트

Description

인성이 향상된 세라믹스, 그 제조방법, 인성이 향상된 서멧트, 그 제조방법 {Toughness-improved ceramics, method to prepare the ceramics, toughness-improved cermets and method to prepare the cermets}
본 발명은 고용체 분말, 상기 고용체 분말을 포함하는 서멧트용 분말, 상기 고용체 분말 및 서멧트용 분말을 이용한 세라믹스 및 서멧트의 제조에 관한 것으로, 상세하게는 기계 제조업과 자동차 공업 등 기계 산업 분야에 사용되는 고속 절삭 공구 재료 및 금형 재료등에 적용되는, 전반적인 기계적 물성 및 특히 인성과 경도를 향상할 수 있는 세라믹스 소결체 및 그 제조 방법, 상기 고용체 분말을 포함하는 서멧트용 분말 및 상기 서멧트용 분말을 이용한 서멧트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
기계 산업에 필요한 금속 절삭 가공 등에 활용되는 주된 절삭 공구 또는 내마모성 공구들에는, WC 계열의 초경합금, TiC나 Ti(CN) 계열의 각종 서멧트(cermet) 합금, 기타 세라믹 또는 고속도강 등이 사용된다.
그 중에서, 상기 서멧트는, 일반적으로, 경질상인 TiC, Ti(CN)과, 결합상인 Ni, Co 및 Fe 등의 금속을 주성분으로 하며, 주기율표 중에서 IVa, Va, 그리고 VIa 족 금속의 탄화물, 질화물, 그리고 탄질화물 등을 첨가물로 함유하는 세라믹-금속 복합 소결체를 말한다.
즉, 상기 서멧트는, TiC나 Ti(CN)등 이외에 WC, NbC, TaC, Mo2C 등의 경질 세라믹 분체 및 이들을 결합하기 위한 기지상인 Co와 Ni 등의 금속 분체를 혼합하여, 이들을 진공 또는 수소 분위기하에서 소결함으로써 제조된다.
상기 TiC와 Ti(CN)은 우수한 고강도 재료로써 많은 분야에 응용되어 왔다. 특히 TiC는 경도(Vicker's hardness)가 3,200kg/mm2로 대단히 단단하고, 녹는점이 3,150 내지 3,250℃로 상당히 높으며, 700℃ 까지는 비교적 우수한 내산화성을 가지고 있고, 내마모성, 내식성, 전자 방사성, 집광성 등 우수한 성질을 가지고 있으므로, 고속도 절삭 공구용 재료로서 WC-Co 합금을 대체해서 많이 사용되었다.
그러나, 상기 TiC를 이용하여 서멧트를 제조하는 경우, 소결 시 액상 금속으로서 Ni등 결합상 금속을 사용하게 되는데, 이 경우, WC-Co 조합에 비해서 적심각(wetting angle)이 크기 때문에, TiC의 급속한 입성장이 일어나게 되고, 이에 따라 인성이 떨어진다는 문제점을 갖고 있었다.
그럼에도 불구하고, 1956년 미국의 포드 자동차(Ford Motor)에서는 TiC-Mo2C-Ni 서멧트를 최초로 양산하였는데, 비록 그 인성이 크게 개선되지는 못하였지만, 정밀 가공을 위한 고경도 공구 재료로서 중삭(semi-finishing)과 정삭(finishing)등에 사용되었다.
1960년대, 1970년대에는 상기 TiC-Ni 서멧트 시스템이 가지고 있는 가장 큰 약점인 인성을 개선하고자 여러 종류의 원소를 첨가하는 시도가 있었는데, 뚜렷한 성과를 거두지는 못하였다.
그러던 중 1970년대 TiC에 TiN을 첨가함으로써 열역학적으로 보다 안정한 상(相)인 Ti(C,N)을 형성하게 되었으며, 이에 따라 인성을 어느 정도 개선할 수 있게 되었다.
즉, Ti(C,N)은 TiC에 비해서 미세한 조직을 가지고 있어서 인성이 개선될 수 있었고, 그 외에도 화학적 안정성, 기계적 충격 저항성을 향상할 수 있었다.
한편, 인성의 향상을 위해 WC, Mo2C, TaC, NbC 등 많은 첨가 탄화물을 사용하여 왔고, 지금까지도 Ti(C,N)-M1C-M2C-…-Ni/Co 형태의 제품들이 상용화되고 있다.
인성의 향상을 위해 첨가 탄화물을 적용하는 경우, TiC계 혹은 Ti(C,N)계 서멧트 소결체의 일반적인 미세구조는 유심구조(core/rim structure)로 관찰되는데, 이와 같은 유심구조의 경질상을 Ni, Co 등의 결합상이 둘러싸게 된다.
상기 유심구조 중 코어(core)는 소결 중 액화된 금속 결합물(binder : Ni, Co 등) 내에서 용해되지 않은 TiC 또는 Ti(C,N)으로써 고경도를 가지고 있는 조직이다.
반면에 이들 코어 주변을 싸고 있는 주변의 림(rim) 조직은 코어의 성분인 TiC 혹은 Ti(CN)과 첨가 탄화물 간의 고용체(solid-solution : (Ti,M1,M2…)(C,N)으로 나 타난다)로 경도보다는 고인성을 갖는 조직이다.
이와 같이, 서멧트는 림조직의 형성을 통하여, TiC-Ni 혹은 Ti(C,N)-Ni 같은 단순계 서멧트가 가지고 있던 치명적인 약점인 인성의 문제를 어느 정도 해결하였다.
그러나, 상기 유심구조를 갖는 서멧트의 경우, 여전히 WC-Co의 초경 합금에 비하여 인성이 낮다는 문제점이 있었으며, 따라서 아직까지도 WC-Co를 완전하게 대체하지 못하고 있다.
이에, 유심구조를 갖지 않는 완전 고용상의 형성을 통해, 인성이 향상된 서멧트를 개발하고자 하는 시도가 스미토모(Sumitomo), 쿄세라(Kyocera) 등 일본 공구회사들과 유럽 NATO 연합국 연구진들에 의해 꾸준히 이루어져 왔다.
그러나 현 상용 기술에서는 고용상이 소결 중에 형성되며, 형성되는 양이 소결 온도와 시간에 연관되어 있으므로, 완전 고용체만으로 구성된 서멧트를 얻을 수 없었고, 또한 현 상용 서멧트 소재로 실질적인 고인성을 달성하기 위해, 고용상의 양을 요구하는 특성에 따라 제어할 수 있는 기술이 제공된 바 없다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 보완하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 종래 TiC계, Ti(CN)계 서멧트가 가지는 고경도에 따른 저인성의 문제를 해결하고, TiC계 또는 Ti(CN)계 복합 분말의 소결체에 있어서 유심 구조내 주변조직을 제어할 수 있는 기술을 제공함으로써, 서멧트 재료의 인성을 실질적으로 크게 향상시키거나, 요구되는 특성을 가진 소재의 제조를 가능하게 하는 제조방법과 소 결체를 제공하는 것이다.
본 발명은 고용체 분말, 상기 고용체 분말을 포함하는 서멧트용 분말, 상기 고용체 분말 및 서멧트용 분말을 이용한 세라믹스 및 서멧트의 제조 방법 및 소결체에 관한 것으로, TiC계 또는 Ti(CN)계 상용 서멧트가 고경도화에 따른 저인성화의 문제점을 완화하기위해 완전 고용상(monolithic)을 부분적으로 첨가하여 사용함으로써 특성을 현저히 향상시키고 미세구조를 현격히 제어할 수 있는 효과를 달성한다.
본 발명에서는 상기의 목적을 달성하기 위하여 (i) 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 선택되는 하나 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물과 (ii) 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 티타늄을 포함하여 선택되는 적어도 둘 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물로 이루어지고, 완전 고용상인 것을 특징으로 하는 고용체 분말을 혼합한 탄화물 및 탄질화물 혼합 세라믹 분말을 제공한다.
본 발명에 의해 (i) 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 선택되는 하나 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물; 및 니켈, 코발트 및 철로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속;을 포함하여 이루어진 서멧트 분말과 (ii) 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 티타늄을 포함하여 선택되는 적어도 둘 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물; 및 니켈, 코발트 및 철로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 금속;을 포함 하여 이루어지고, 완전 고용체를 포함하여 이루어진 서멧트 분말을 혼합한 탄화물 및 탄질화물 혼합 서멧트 분말을 제공한다.
본 발명에 의해 고용체 분말은 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 티타늄을 포함하는 적어도 두 가지 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 유심구조가 없는 완전고용체인 응집체이다.
본 발명에 의한 서멧트용 분말 내에서의 서멧트용 분말 (ii)는 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 티타늄을 포함하는 적어도 두 가지 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물을 포함하고 Ni, Co 그리고 Fe 중 적어도 한가지 금속을 포함하는 완전고용체인 응집체이나 서멧트용 분말 (i)에 존재하는 결합상(Ni, Co, Fe)의 양에 따라 고용체만으로도 구성될 수 있다.
본 발명에 의한 서멧트용 분말 내에서의 서멧트용 분말 (i)은 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 티타늄을 포함하는 적어도 한 가지 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물을 포함하고 Ni, Co 그리고 Fe 중 적어도 한가지 금속을 포함하는 분말의 혼합체이나 서멧트용 분말 (i)에 존재하는 결합상의 양에 따라 결합상없이 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물만으로도 구성될 수 있다.
본 발명에 의해 (i) 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 선택되는 하나 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물과 (ii) 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 티타늄을 포함하여 선택되는 적어도 둘 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물로 이루어지고, 완전 고용상인 것을 특징으 로 하는 고용체 분말을 혼합한 탄화물 및 탄질화물 혼합 세라믹 분말을 소결하여 세라믹을 제공한다.
본 발명에 의해 (i) 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 선택되는 하나 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물; 및 니켈, 코발트 및 철로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속;을 포함하여 이루어진 서멧트 분말과 (ii) 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 티타늄을 포함하여 선택되는 적어도 둘 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물; 및 니켈, 코발트 및 철로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 금속;을 포함하여 이루어지고, 완전 고용체를 포함하여 이루어진 서멧트 분말을 혼합한 탄화물 및 탄질화물 혼합 서멧트 분말을 소결하여 서멧트를 제공한다.
본 발명에 의한 서멧트에서 서멧트는 (i) TiC-WC-Mo2C-TaC-NbC-Me 혹은 Ti(CN)-WC-Mo2C-TaC-NbC-Me (Me는 Ni, Co, Fe으로 구성된 그룹으로부터 한 가지 또는 그 이상 선택된 결합상) 등의 일반 서멧트용 분말과 (ii) (Ti,W,M1,..)C-Me, (Ti,M1,M2,..)C-Me, (Ti,W,M1,..)(CN)-Me, (Ti,W,M1,..)(CN)-Me, (Me는 Ni, Co, Fe으로 구성된 그룹으로부터 한 가지 또는 그 이상 선택된 결합상) 등과 같이 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로 둘 이상 선택된 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물의 완전고용체와 결합상으로 구성된 서멧트용 분말의 혼합 분말 소결체이고 이 소결체는 Ti(CN)의 코어를 대체적으로 가질 수 있다.
본 발명에서는 출원 2004-9859, 2005-38163, 2005-32533 의거하여, 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 티타늄을 포함하여 선택되는 적어도 둘 이상의 금속의 산화물을 탄소 분말과 함께 원하는 조성에 따라 혼합하는 단계(S1-1);와 산화물과 탄소 분말이 혼합된 분말의 환원, 탄화시키는 단계(S2);를 포함하는 고용체 분말을 준비하는 방법을 사용한다.
이 발명들에 의한 방법에는 (S1-1)단계는 산화물과 탄소 분말 혹은 탄소 소스;의 혼합분말을 분쇄하는 단계를 더 포함한다.
상기 발명들에 의하면 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 티타늄을 포함하여 선택되는 적어도 둘 이상의 금속의 산화물을 탄소 분말 혹은 탄소 소스;와 함께 원하는 조성에 따라 혼합 후 분쇄하는 단계(S1-2); 및 산화물과 탄소 분말 혹은 탄소 소스;가 혼합된 분말의 환원, 탄화시키는 단계(S2);를 포함하는 고용체 분말을 준비하는 방법을 제시하고 있다.
상기 발명에 의하면 (i) Ni, Co 및 Fe 으로부터 선택된 적어도 한가지 이상의 금속성분을 갖는 산화물, (ii)주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 선택된 적어도 한가지 이상의 성분을 갖는 산화물 그리고 (iii)원하는 조성에 따른 탄소 분말 혹은 탄소 소스;의 혼합(S1-3);하는 단계와 산화물[(i)과 (ii)]과 탄소 분말 혹은 탄소 소스;(iii)의 혼합분말의 환원 및 탄화단계(S2)를 포함하고 있는 방법을 사용한 서멧트용 분말 제조 방법을 포함하고 있다.
상기 발명에 의하면 단계(S1-3)은 (i)Ni, Co 및 Fe 으로부터 선택된 적어도 한가지 이상의 금속성분을 갖는 산화물, (ii)주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 티타늄을 포함하여 선택된 적어도 두 가지 이상의 성분을 갖는 산화물 그리고 (iii)원하는 조성에 따른 탄소 분말 혹은 탄소 소스;의 혼합을 포함하고 있다.
상기 발명에 의하면 단계 (S1-3)은 산화물[(i)과 (ii)]과 탄소 분말 혹은 탄소 소스;(iii)의 혼합분말의 분쇄공정을 더 포함하고 있다.
상기 발명에 의하면 (i)Ni, Co 및 Fe 으로부터 선택된 마이크론 크기의 적어도 한가지 이상의 금속성분을 갖는 산화물, (ii)주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 선택된 마이크론 크기의 적어도 한 가지 이상의 성분을 갖는 산화물 그리고 (iii)원하는 조성에 따른 탄소 분말 혹은 탄소 소스;의 혼합공정과 산화물[(i)과 (ii)]과 탄소 분말 혹은 탄소 소스;(iii)의 혼합분말을 나노 크기 또는 비정질 상태로 분쇄하는 단계(S1-4);와 산화물[(i)과 (ii)]과 탄소 분말 혹은 탄소 소스;(iii)의 혼합분말의 환원 및 탄화단계(S2)를 포함하는 서멧트용 분말의 제조 방법을 제공한다.
상기 발명에 의하면 단계 (S1-4)는 (i)Ni, Co 및 Fe 으로부터 선택된 마이크론 크기의 적어도 한가지 이상의 금속성분을 갖는 산화물, (ii)주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 티타늄을 포함하여 선택된 적어도 두 가지 이상의 성분을 갖는 산화물 그리고 (iii)원하는 조성에 따른 탄소 분말 혹은 탄소 소스;의 혼합공정과 산화물[(i)과 (ii)]과 탄소 분말 혹은 탄소 소스;(iii)의 혼합분말을 분쇄하는 단계를 포함한다.
상기 발명에 의하면 단계 (S2)는 산화물 분말과 탄소 분말 혹은 탄소 소스;의 환원 및 탄화공정에 추가하여 질화공정을 더 포함한다.
본 발명에 의하면 단계 (S2)는 환원 및 탄화공정은 진공 또는 수소, CH4, CO/CO2 분위기에서 1000 내지 1700℃에서 3시간 이하에서 질화공정은 질소 분위기에서 동시에 수행된다.
본 발명에 의하면 (i) 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 선택되는 하나 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물과 (ii) 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 티타늄을 포함하여 선택되는 적어도 둘 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물로 이루어지고, 완전 고용상인 것을 특징으로 하는 고용체 분말을 혼합한 탄화물 및 탄질화물 혼합 세라믹 분말의 혼합분말이 일반적인 소결 방법으로 진공에서 소결된다.
본 발명에 의하면, 서멧트는 (i) TiC-WC-Mo2C-TaC-NbC-Me 혹은 Ti(CN)-WC-Mo2C-TaC-NbC-Me (Me는 Ni, Co, Fe으로 구성된 그룹으로부터 한 가지 또는 그 이상 선택된 결합상) 등의 일반 서멧트용 분말과 (ii) (Ti,W,M1,..)C-Me, (Ti,M1,M2,..)C-Me, (Ti,W,M1,..)(CN)-Me, (Ti,W,M1,..)(CN)-Me, (Me는 Ni, Co, Fe으로 구성된 그룹으로부터 한 가지 또는 그 이상 선택된 결합상) 등과 같이 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로 둘 이상 선택된 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물의 완전고용체와 결합상으로 구성된 서멧트용 분말의 혼합 분말이 일반적인 소결 방법으로 진공에서 소결된다.
이상의 방법은 일반적으로 고경도 특성을 보이는 TiC- 혹은 Ti(CN)-계 서멧트용 분말과 완전고용체의 고용체 혹은 서멧트 용 분말을 원하는 조성에 따라 혼합한 후 소결하여 유심조직 내 주변조직의 양을 증가 시키므로 서멧트의 인성을 강화시키는 것이다.
본 발명에 따르는 고용체 분말을 부분적으로 함유한 혼합 분말을 소결한 세라믹스 소결체 및 소결체 제조 방법, 상기 서멧트용 분말을 부분적으로 함유한 혼합 분말을 소결한 서멧트 소결체 및 소결체 제조 방법을 사용하는 경우, TiC계 또는 Ti(CN)계 세라믹스 및 서멧트의 미세 구조에 있어서 유심구조의 주변 조직을 증가시키므로, 서멧트 재료의 인성을 실질적으로 향상시킬 수 있으며, 다양한 미세구조를 가진 고경도 고인성 절삭공구를 제공하는 효과를 달성한다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시 예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상술한다.
예로써 순도99%의 TiO2 (anatase)와 평균입도 45 ㎛의 크기를 갖는 순도 99%의 NiO 와 평균입도 20 ㎛ 를 가지고 있는 WO3 를 사용하였다.
이들은 탄소분말과 함께 혼합하여 다음의 다섯 가지 목표조성을 선택하였다. 즉, 목표 조성은, (i) (Ti,W)C-Ni (15 wt.% WC 함유), (ii) (Ti,W)C-Ni (30 wt.% WC 함 유), (iii) (Ti,W)(C,N)-Ni (15 wt.% WC 함유, C/N= 2:1), (iv) (Ti,W)(C,N)-Ni (30 wt.% WC 함유, C/N= 3:1), (v) (Ti,W)C (15 wt.% WC 함유)의 다섯 가지이다.
이들은 모두 플래니터리 밀(planetary mill, Fritsch Pulverisette 7)을 이용하여 고에너지 볼밀링을 행하였고 이때 사용된 WC 재질의 볼의 직경은 5mm 이다. 분쇄하는 볼과 분쇄되는 분체의 질량비는 20:1이다.
분쇄공정에 사용된 용기의 재질은 WC이며 이때 분쇄는 250rpm의 속도에서 20시간동안 행하였다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 완전 고용상 분말의 XRD 상분석 결과이다.
도 1중 (a)는 TiO2, WO3, C의 혼합물로부터 (Ti,W)C (15 wt.% WC 함유)의 완전 고용체 분말이 제조되었음을, 도 1중 (b)는 TiO2, WO3, NiO, C의 혼합물로부터 (Ti,W)C-Ni (30 wt.% WC 함유)의 완전 고용상을 갖는 서멧트용 분말이 제조되었음을, 그리고 도 1중 (c)는 TiO2, WO3, NiO, C의 혼합물로부터 (Ti,W)(C,N)-Ni (30 wt.% WC 함유) 완전 고용상을 갖는 서멧트용 분말이 제조되었음을 보여준다.
도 1중 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 형성된 고용상은 완전고용체 단일상(monolithic)이다. 도 1중 (b), (c) 역시, Ni 분말이 단일 고용상과 혼합된 형태로 존재함을 보여 준다.
표 1은 상기 조성을 바탕으로 상기 과정에 의해 제조된 분말의 CNO 원소 분석 결과이다. 비교 자료로서 같은 조성의 상용 분말에 대해 동일한 분석을 하였다.
조성 C N O
15 wt.% WC Nano ( Ti ,W)C- Ni * 12.14 0.52 1.14
상용 TiC - WC - Ni 14.19 0.00 0.99
30 wt.% WC Nano ( Ti ,W)C- Ni ** 10.65 0.38 1.08
상용 TiC - WC - Ni 12.15 0.00 0.83
15 wt.% WC Nano ( Ti ,W)C- Ni * 11.45 5.58 0.38
상용 TiC - WC - Ni 10.10 4.44 0.81
30 wt.% WC Nano ( Ti ,W)C- Ni ** 10.39 3.66 0.08
상용 TiC - WC - Ni 9.00 3.39 0.83
*의 조성은 Ti(CN)-15 wt.% WC-Ni 을 시작조성으로 하여 제작하였다.
**의 조성은 Ti(CN)-30 wt.% WC-Ni 을 시작조성으로 하여 제작하였다.
표 1로부터 확인할 수 있듯이, 제조된 나노 분말은 15, 30 wt.%를 갖는 (Ti,W)C-Ni과 (Ti,W)(C,N)-Ni 서멧트용 분말인데, 특히 (Ti,W)(C,N)-Ni 의 경우, 상용 분말과 비교할 때, 낮은 산소 함유량을 가짐을 알 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 (Ti,W)C-20wt.%Ni (15 wt.% WC 함유) 완전고용체 서멧트 분말과 TiC-15wt.%WC-20wt.%Ni 조성의 일반적 P/M(powder metallurgy) 방식에 의해 준비된 서멧트 분말을 혼합한, 혼합 분말 소결체의 SEM 미세조직 사진이다. 두 분말의 혼합은 horizontal milling에 의해 24시간동안 습식으로 이루어졌고, 건조 후 125MPa 압력으로 성형하여 disc 형태(1cm dia.)의 시료를 진공로(10-2Torr)를 사용하여 1510℃에서 1시간 소결하였다.
도 2중 (a)는 (Ti,W)C-20wt.%Ni (15 wt.% WC 함유) 완전고용체 서멧트 분말과 TiC-15wt.%WC-20wt.%Ni 조성의 마이크론 크기 탄화물로 구성된 서멧트 분말을 1:5, 1:3, 그리고 1:1 비율로 혼합한 분말의 소결체 미세조직 사진이며, (b)는 상기의 고용체 서멧트 분말과 상기 조성의 ultra-fine(submicron) 마이크론 크기 탄화물로 구성된 서멧트 분말을 1:5, 1:3, 그리고 1:1 비율로 혼합한 분말의 소결체 미세조직 사진이며, (c)는 상기의 고용체 서멧트 분말과 상기 조성의 나노 크기 탄화물로 구성된 서멧트 분말을 1:5, 1:3, 그리고 1:1 비율로 혼합한 분말의 소결체 미세조직 사진이다.
SEM 사진으로부터 완전 고용상 분말의 첨가량이 증가할수록 유심 조직내 주변조직(rim phase)의 양이 증가함을 볼 수 있으며 또 완전 고용상 분말 외에 사용된 분말, 즉 TiC-15wt.%WC-20wt.%Ni 서멧트 분말의 크기에 따라 TiC 혹은 Ti(CN) 코어의 크기를 비롯하여 미세구조를 현격히 조절할 수 있음을 보여 주고 있다.
(1:5) 혼합분말 (1:3) 혼합분말 (1:1) 혼합분말 (1:0.5) 혼합분말
경도(GPa) 14.1 12.3 12.5 12.7
인성(MPam1 /2) 9.3 10.4 11.5 10.9
(1:5)는 완전 고용상 서멧트 분말과 일반 탄화물 혼합 서멧트 분말의 무게비
표 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 서멧트의 기계적 물성을 나타내는 것이다.
표 2에서 확인할 수 있듯이, 제조된 서멧트는 간단한 조성임에도 불구하고 높은 소결밀도와 낮은 기공도를 나타내었으며 K1C 값이 일반 서멧트의 경우 68 MPam1 /2 을 보이지만, 본 발명에 따른 서멧트에 있어서는 9-12 MPam1 /2에 이르는 높은 인성 값을 보였다. 완전 고용상의 양이 증가함에 따라 인성의 증가와 경도의 감소를 동시에 이룰 수 있어 서멧트의 활용을 크게 넓힐 수 있는 가능성을 보여준다.
(1:5) 혼합분말 (분무건조) (1:5) 혼합분말 (일반건조)
경도(GPa) 14.3 14.1
인성(MPam1 /2) 12.2 9.3
표3에 나타난 바와 같이 동일한 양의 완전 고용상이 사용된 경우에도 건조법에 따라 특성에 대한 효과가 많이 달라지고 있다. 일반적인 분무건조법을 사용하여 소결을 위한 성형을 최적화하는 경우에는 더 높은 효과를 기대할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 고용체 분말, 상기 고용체 분말을 포함하는 서멧트용 분말을 부분적으로 혼합하여 소결한 세라믹스 소결체, 상기 서멧트용 분말을 이용한 서멧트 및 그 제조방법들은, TiC 혹은 Ti(CN) 서멧트가 가지고 있던 고경도에 따른 저인성의 문제를 향상시킬 수 있고, 미세구조를 현격히 조절할 수 있으므로 절삭공구, 금형 재료 등에 적합하게 사용될 수 있다.
도 1a 는 본 발명에 의한 15wt%의 WC를 포함하는 (Ti,W)C 고용체 분말의 XRD 상분석 결과이다.
도 1b 는 본 발명에 의한 30wt%의 WC를 포함하는 (Ti,W)C-Ni 서멧트용 분말의 XRD 상분석 결과이다.
도 1c 는 본 발명에 의한 30wt%의 WC를 포함하고 C와 N의 비가 3대 1인 (Ti,W)(C,N)-Ni 서멧트용 분말의 XRD 상분석 결과이다.
도 2a 는 본 발명에 의한 15wt%의 WC를 포함하는 (Ti,W)C-Ni 서멧트용 분말과 TiC-15wt.%WC-20wt.%Ni 분말(micron 크기)을 혼합하여 소결한 세멧트의 미세구조를 보여주는 SEM 사진이다.
도 2b 는 본 발명에 의한 15wt%의 WC를 포함하는 (Ti,W)C-Ni 서멧트용 분말과 TiC-15wt.%WC-20wt.%Ni 분말(ultr-fine, submicron 크기)을 혼합하여 소결한 세멧트의 미세구조를 보여주는 SEM 사진이다.
도 2c 는 본 발명에 의한 15wt%의 WC를 포함하는 (Ti,W)C-Ni 서멧트용 분말과 TiC-15wt.%WC-20wt.%Ni 분말(nano 크기)을 혼합하여 소결한 세멧트의 미세구조를 보여주는 SEM 사진이다.

Claims (6)

  1. 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa족 금속으로부터 티타늄(Ti)을 포함하여 선택되는 둘 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물로 이루어지고, 완전 고용상인 고용체 분말을 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 분말.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고용체 분말은 원료로서 금속의 산화물을 환원 및 탄화 혹은 환원, 탄화 및 질화시켜 제조된 것을 특징으로 하는 혼합 분말.
  3. 제1항에 따른 혼합 분말을 소결시켜 제조된 것을 특징으로 하는 소결체.
  4. 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa족 금속으로부터 티타늄(Ti)을 포함하여 선택되는 둘 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물과, Ni, Co 및 Fe로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속을 포함하여 이루어지고 완전 고용상인 서멧트 분말을 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 서멧트 분말.
  5. 제4항에 있어서, 상기 완전 고용상인 서멧트 분말은 원료로서 금속의 산화물을 환원 및 탄화 혹은 환원, 탄화 및 질화시켜 제조된 것을 특징으로 하는 혼합 서멧트 분말.
  6. 제4항에 따른 혼합 서멧트 분말을 소결시켜 제조된 것을 특징으로 하는 서멧트.
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