KR950009440B1 - 절삭공구용 TiCN계 써메트 소결체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

절삭공구용 TiCN계 써메트 소결체의 제조방법

[발명의 상세한 설명]

본 발명은 TiCN계 써메트의 제조방법에 관한 것으로, 특히 소결시 소결시구와의 반응으로부터 발생되는 변질층의 생성을 제거함으로써, 표면물성과 내부의 물성이 균일한 특성을 갖는 절삭공구로 사용할 수 있는 TiCN계 써메트 소결체의 제조방법에 관한 것이다.

종래 TiCN(Ti(C_xN_y), x+y≤1)계 써메트 소결체는 내열성 내마모성, 내식성, 내융착성이 개선되고, 철계금속의 가공시 TiN의 마찰저항의 감소작용으로 미려한 피삭체 표면을 얻을 수 있는 특성을 나타냄으로써, 절삭공구용 소재로 각광을 받고 있었다.

TiCN계 써메트 소결체를 제조하기 위해서는 소결공정이 필수적인데, 써메트의 소결은 소결치구인 그라파이트 기판위에서 일반적으로 행해지게 된다. 그 이유는 그라파이트 기판이 진공하에서 열화학적으로 안정 하고, 고온강도가 우수하여 소결시 고비중 시료의 하중을 견딜수 있으며 또한, 가격이 저렴하여 생산원가 감소측면에서 유리하기 때문이다.

그러나, 고도의 물성을 요구하는 절삭공구용 써메트 소결체 제조시 그라파이트 기판을 소결치구로 사용하면, 그파라이트 기판과 접하는 써메트 소결체의 접촉면에 변질층이 발생하는 문제점이 있게 된다.

즉, 이는 다음 반응식 (1)과 같이 그라파이트 기판에서 탄소가 Ti(C_xN_y), [x+y≤1] 써메트내로 이동하여 써메트내의 탄소함유량이 증가함에 따라 써메트 표면의 질소가 분해되어, 써메트 표면으로부터 빠져나오게 되므로 써메트의 감도가 저하되기 때문이다. 또한, 상기 써메트의 액상형성 금속인 Ni, Co가 그라파이트 기판으로 함침되어 소결후에 써메트의 그라파이트쪽 접촉면에 액상이 고갈되어 물성이 저하되는 현상이 발생하기 때문이다.

Ti(C_xN_y) +X₁C-Ti (C_x+x1N_y-x1) +N_x1↑‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (1)

이러한 써메트 소결체를 절삭공구로 사용하기 위해서는 변질층을 반드시 제거해야만 한다. 변질층의 제거 방법으로는 통상 소결후 표면연삭 가공방법이 주로 쓰이고 있으나, 이는 제조원가의 상승요인이 되고 있으며, 또한, 소결체표면에 잔류응력과 결함발생을 발생시켜 절삭공구의 수명을 저하시키는 등의 문제점을 발생시킨다.

지금까지의 TiCN계 써메트에 관련된 기술경향은 분산상으로 탄화, 질화 탄질화물 및 희토류를 첨가하여 물성을 증진시킨 쪽이 대부분이다. 예를 들면, 일본 특개소 57-16182호 "절삭공구용 강인 써메트"에서는 첨가제로 V, Na, Ta, Zr 및 Hf등을 첨가하고 있으며, 일본 특개소 59-190339호에서는 TiN 또는 TiCN계 휘스커를 첨가하고 있고, 그 외에도 일본 특개소 63-l1629호, 제63-35752호, 제63-35752호 및 63-83242호 등이 이에 해당된다.

그러나, TiCN계 써메트의 소결시 기판과의 접촉면의 물성 저하를 개선시키는 방법을 언급한 바는 없다.

따라서, 그동안 알루미나(Al₂O₃)기판, 지르코니아(ZrO₂) 기판을 사용하여 소결하거나, 그라파이트 기판에 홈을 내어 써메트와의 접촉면을 줄이는 방법을 연구하였으나, 전자의 방법에서는 기판이 열충격에 견디지 못하여 냉각시 균열발생으로 파손되는 문제점이 발생되었으며, 후자의 방법에서는 변질층의 면적은 줄어 들었으나, 접촉면의 반응을 근본적으로 제거하지는 못하였다.

따라서, 본 발명은 소결시 변질층의 생성을 제거하여, 표면과 내부의 물성이 균일한 TiCN계 써메트 소결체를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 TiCN계 써메트 성형체를 그라파이트 기판위에 올려 놓고 이를 진공로에 장입 소결처리하여서 TiCN계 써메트 소결체를 제조하는 데 있어서, 상기 TiCN계 써메트 성형체를 ZrO₂와 Y₂O₃의 혼합분말이 0.01 내지 2㎜의 두께로 플라스마 코팅된 그라파이트 기판위에 올려 놓고, 1450 내지 1550℃의 온도로 진공하에서 1 내지 3시간 동안 소결 처리하여서 제조함을 특징으로 하는 TiCN계 써메트 소결체의 제조방법 인 것 이다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 TiCN계 써메트 성형체를 소결치구인 그라파이트 기판위에 올려놓고 이를 진공로에 장입하여 소결처리하여서 변질층의 생성없이 TiCN계 써메트 소결체를 제조하기 위한 것으로서, 본 발명에서 사용되는 TiCN계 성형체는 Ti(C_xN_y)[x+y≤1] 42 내지 84중량%, Mo₂C 내지 16중량%, Ni 2 내지 11중량%, Co 2 내지 11중량% 및 WC 8 내지 20중량%를 혼합하여 만든 것이다.

한편, 본 발명에서 사용하는 소결용 치구인 그라파이트 기판은, 먼저 그 표면을 샌드블래스팅 처리를 하여 불순물을 제거하고, ZrO₂와 Y₂O₃혼합분말을 상기 기판의 표면에 0.01 내지 0.2㎜의 두께로 플라스마 코팅을 시켜서 Y₂O₃로 안정화된 ZrO₂코팅막을 형성하여서 얻어진 것이다.

상기에서, ZrO₂와 Y₂O₃의 혼합분말은 평균입경이 0.5 내지 3㎛인 Y₂O₃분말 4 내지 12중량%와 평균 입경이 1 내지 2㎛인 ZrO₂분말 88 내지 96중량%를 6시간 동안 습식혼합시키고, 건조시켜서 만든 것이다.

상기의 혼합분말중에서, Y₂O₃의 함량을 4%이하로 하면, ZrO₂가 단사정구조로 존재하게 되어, 소결과 냉각시 마르텐사이트 변태에 따른 열균열 발생으로 ZrO₂코팅층이 그라파이트 기판으로부터 박리되어 떨어져 나가게 되며, 반대로 12중량% 이상으로 하게되면, 입경이 큰 완전안정화 ZrO₂가 생성되어 열충격 저항성이 저하되므로, 코팅층의 수명이 짧아지게 된다. 이와 마찬가지로 ZrO₂의 함량이 96중량% 이상이면 냉각시 마르텐사이트 변태에 따른 열균열 발생으로 ZrO₂코팅층이 그라파이트 기판으로부터 박리되어 떨어져 나가게 되며, 반대로 ZrO₂의 함량이 88중량% 이하이면, 입경이 큰 완전 안정화 ZrO₂가 생성되어 열충격 저항성이 저하되게 된다.

상기에서, 언급한 바와 같은 TiCN계 써메트 성형체와 그라파이트 기판상에서의 소결처리는, 상기의 TiCN계 써메트 성형체를 상기의 그라파이트 기판위에 올려놓고, 1450 내지 1550℃의 온도에서 10^-1내지 10^-3토르의 진공하에서, 1 내지 3시간 동안 소결처리를 한다.

상기에서 소결 온도를 1450℃ 이하에서 소결하는 경우는 소결체의 소결 밀도가 불충분하고, 공구로서 부적합 소결체가 얻어지고, 또한 1550℃ 이상에서는 소결체의 조성중 액상(예를 들면 Co, Ni)이 용융(melting)되어 소결체의 공구로서의 형상을 유지할 수 없게된다.

또한, 소결시간을 1시간 이하로 소결할 경우 소결체의 밀도가 역시 불량해지고, 반면에 3시간 이상 소결 하는 경우는 고소결이 일어나고, 이로인해 소결체의 입자크기가 조대해져 소결체의 강도저하가 일어나게 된다.

상기와 같이 소결처리를 하게되면 변질층의 생성없이 본 발명에 따른 TiCN계 써메트 소결체가 얻어지게 된다.

본 발명에 따른 TiCN계 써메트소결체는 ZrO₂와 Y₂O₃의 혼합층이 플라스마 코팅되어 있는 그라파이트 기판과의 접촉면에서 반응이 일어나지 않아 그 사이에서 발생되는 탄소 및 액상이 차단되어 소결체 표면과 내부의 물성이 균일하게 얻어지게 된다.

이로부터 얻어진 TiCN계 써메트 소결체는 포면층에 나쁜 변질층이 존재하지 않아 외부면과 내부면과의 물성차이가 거의 없이 표면연삭가공을 하지않고서도 직접경도 및 강도가 우수한 팁등의 절삭공구를 만드는 데 사용될 수 있다.

이와 같은 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명한다.

[실시예 1]

다음 표 1과 같은 조성으로 된 TiCN계 써메트 성형체를 미리 준비하였다. 그리고, 다음 표 1과 같은 조성으로 혼합된 ZrO₂와 Y₂O₃의 혼합분말을 6시간 동안 습식혼합한 후 건조시켜서 이 혼합분말이 약 0.1㎜ 의 두께로 플라스마 코팅된 그라파이트 기판을 만들었다.

여기서. ZrO₂분말의 평균입경은 1 내지 2㎛인 것을 사용하였고, Y₂O₃분말의 평균입경은 0.5 내지 3㎛인 것을 사용하였다.

상기에서 미리 준비한 성형체를 그라파이트 기판위에 올려놓고, 10^-1내지 10^-3토르의 진공하에서, 다음 표 1과 같은 소결 조건으로 소결시킨 후에 상온까지 냉각시켜서 TiCN계 써메트 소결체를 제조하였다.

이로부터 얻어진 소결체의 접촉면과 내부면과의 비커스 경도와 절삭공구로의 가공전, 가공후 및 최종제품의 꺽임강도는 다음 표 1과 같다.

[실시예 2 내지 16]

상기 실시예 1에서 TiCN계 써메트 성형체의 조성과 ZrO₂와 Y₂O₂의 혼합분말 조성 및 소결 조건을 다음 표 1과 같이 변화시킨 것 이외에는 상기 실시에 1과 동일하게 실시하여 TiCN계 써메트 소결체를 제조하였다.

이로부터, 얻어진 소결체의 접촉면과 내부면과의 비커스 경도와 절삭공구로의 가공전, 가공후 및 최종제품의 꺽임강도는 다음 표 1과 같다.

[비교예 1 내지 4]

상기 실시예 1에서 TiCN계 써메트 성형체의 조성과 소결조건을 다음 표 1과 같이 변화시키고, ZrO₂와 Y₂O₃가 코팅되지 않은 그라파이트 기판을 사용하는 것 이외에는 상기 실시예와 동일하게 실시하여 TiCN계 써메트 소결체를 제조하였다.

이로부터 얻어진 소결체의 접촉면과 내부면과의 비커스 경도와 절삭공구로의 가공전, 가공후 및 최종제품의 꺽임강도는 다음 표 1과 같다.

[표 1]

[실시예와 비교예에 따른 써메트 소결체의 특성비교]

주) 본 발명은 가공 후 꺽임강도"( )"는 가공 후 물성저하를 반중하고자 나타낸 것임.

상기 표 1에서 알수 있듯이, 본 발명에 따른 실시예와 비교예에서 제조한 소결체간의 물성 특성치를 비교해 보면 실시예와 비교에에서 제조한 소결체간의 내부 비커스경도는 유사하지만, 그라파이트 기판과의 접촉면에서의 비커스경도는 실시예가 1551 내지 1699㎏/㎟인 반면에 비교예가 1420 내지 1579㎏/㎟ 정도로서 본 발명에 따른 실시예에서 얻어진 소결체의 물성이 훨씬 우수함을 알 수 있다.

또한, 꺽임강도 역시 가공전에 본 발명에 의한 소결방법의 소결체가 166 내지 181㎏/㎟인 반면, 비교 소결체는 140 내지 160㎏/㎟로 본 발명에 의한 소결체가 비교소결체보다 21 내지 26㎏/㎟가 높았으며, 가공 후에는 가공전에 비하여 약간씩 강도가 감소한 것으로 나타났다.

최종제품의 꺽임강도도 166 내지 181㎏/㎟인 반면, 비교소결체는 152 내지 162㎏/㎟로 본 발명에 의한 소결체가 비교소결체보다 14 내지 19㎏/㎟가 높았다.

즉, 이러한 물성의 측정결과는 Y₂O₃로 안정화된 ZrO₂코팅이 그라파이트 기판과 TiCN계 써메트사이의 반응을 완전히 차단하는 것을 입증하는 것이며, 또한 소결후 가공시에 발생되는 표면결함으로 인하여, 소결체의 강도가 가공전보다 감소하는 것을 설명하고 있다.

이와 같이, 본 발명에 의한 소결방법으로 TiCN계 써메트 절삭공구를 제조하게 되면, 소결치구와의 접촉면과 내부의 물성이 동일한 소결체의 제조가 가능해져서 표면가공이 필요없는 절삭공구를 제조할 수 있게 되므로, 가공에 따른 제품물성의 저하를 막아 절삭시 공구의 수명을 약 30%정도 연장시킬 수 있을 뿐만 아니라, 소결후 가공공정을 생략할 수 있게 되어 생산성 향상이 이루어진다.

Claims (2)

1. TiCN계 써메트 성형체를 그라파이트 기판위에 올려 놓고 이를 진공로에 장입 소결처리하여서 TiCN계 써메트 소결체를 제조하는데 있어서, 상기 TiCN계 써메트 성형체를 ZrO₂와 Y₂O₃의 혼합분말이 0.01 내지 2㎜의 두께로 플라스마 코팅된 그라파이트 기판위에 올려놓고, 1450 내지 1550℃의 온도로 진공하에서 1 내지 3시간 동안 소결 처리하여서 제조함을 특징으로 하는 TiCN계 써메트 소결체의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, ZrO₂와 Y₂O₃의 혼합분말은 평균입경이 0.5 내지 3㎛인 Y₂O₃분말 4 내지 12중량%와 평균입경이 1 내지 2㎛인 ZrO₂분말 88 내지 96중량%를 6시간 동안 습식혼합시키고, 건조시켜서 만든 것임을 특징으로 하는 방법.