KR0170453B1 - 절삭공구용초경합금 및 피복초경합금 - Google Patents

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토시오 노무라
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카즈오 야마가타
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쿠라우찌 노리타카
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Abstract

본 발명의 피복초경합금은, 결합상으로서 4∼10중량%의 Co를 함유한 WC기 초경합금으로서, 이 합금단면의 경면연마조직에 있어서의 비율로 경질상인 WC결정의 70%이상이 입도 0.1∼1㎛이 미립자 A와 입도 3∼10㎛의 조립자 B의 어느 하나로 이루어지고, 이 미립자 A와 조립자 B의 면적비율 SA/SB가 0.22∼0.45인 WC기 초경합금으로 이루어진 기재와; 이 초경합금의 표면에 배치된, 전체의 막두께가 5∼100㎛의 피복층으로 이루어지고, 상기 피복층은 적어도, Ti, Zr 및/또는 HF의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 탄산화물 또는 붕질화물을 함유한 1이상의 층과; 적어도 Ti, Zr혹은 Hf의 산화물 또는 Al2O3을 함유한 1이상의 층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

[발명의 명칭]
절삭공구용초경합금 및 피복초경합금
[발명의 상세한 설명]
[기술분야]
본 발명은 피복초경합금에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 본 발명은 절삭공구, 내마모공구, 충격공구, 광산공구 등의 공구(특히, 일반강, 난삭재 등의 절삭에 적합한 절삭공구)에 바람직하게 사용가능한 피복초경합금에 관한 것이다.
[배경기술]
종래부터, 일반강절삭용 절상공구재질로서는, JIS분류에 의한 P종 초경합금(예를 들면, WC-Co 합금에 Ti나 Ta, Nb의 탄질화물을 10중량%이상 첨가한 합금)이 사용되어 왔으나, 최근에는 절삭조건의 고속화에 따라서 M종 초경합금(예를 들면, WC-Co초경합금에 Ti나 Ta, Nb의 탄질화물을 5∼10중량% 첨가한 합금)으로 이루어진 모재표면에, TiC, TiCN, TiN, Al2O3등으로 이루어진 세라믹막을 화학증착법(Chemical vapor deposition, CVD)이나 물리증착법(Physical vapor deposition, PVD)등의 기상(氣相)퇴적법에 의해 3∼10㎛정도의 두께의 코팅을 피복한 초경합금의 사용비율이 증대하고 있다.
그러나, 상기 코팅을 초경합금에 피복함으로써, 취약성재료인 코팅막 그 자체가 결함이 되거나, 혹은 초경합금의 모재표면에 η상(Co3W3C)등으로 이루어진 탈탄상의 총칭이 발생하고, 피복강도의 저하가 발생하는 경우가 있었다. 이와 같은 결함 내지 η상의 발생을 방지하기 위하여, 종래부터 여러 가지 연구가 코팅모재인 초경합금에 대해서 행해져 왔다.
예를 들면, 일본국 특공소 59-7349호 공보에는, 사용하는 초경모재인 유리(游離)탄소를 함유시킴으로써, 코팅시에 초경모재표면에 발생하기 쉬운 η상의 발생을 억제한 피복초경합금모재가 개시되어 있다. 또, 일본국 특개평 3-97866호 공보에는, η상을 형성하기 어려운 반응가스를 원료로서 사용한 CVD법에 의해, 저탄소의 초경합금모재를 피복한 피복초경합금 공구가 제안되고 있다. 또, 스즈키 히사시저 「초경합금과 소결정질재료」제221항, 마루젠(1986년)에는, 피복초경합금 모재표면에 탈 β상((W, Ti),(C,N)등의 복탄질화물 상이 소실된 상)을 형성시키고, 초경합금 표면에서의 Co량을 증대시킴으로써, 피복시의 강도저하를 방지하는 기술이 개시되어 있다.
상기한 일본국 특공소 59-9349호 공보 및 일본국 특개평 3-97866호 공보의 기술에 의하면 η상의 형성방지는 가능하나, 방지할 수 있었던 η상의 두께는 약 5㎛정도로서 작기 때문에, 실제로 절삭공구 사용시에 문제가 되는 100㎛이상이 피로균일(후카와아쯔시, 「분체 및 분말야금」, 41(1), 제3항(1994)의 진전방지에는 효과가 작고, 여전히 공구수명은 짧은 것이였다.
또, 상기한 탈 β상을 초경합금 모재에 형성시키는 기술에 의하면, 초경표면에 결합상(相)량이 증가한 영역을 약 20㎛정도 형성할 수 있기 때문에, 초기결손의 방지를 기대할 수 있으나, 피로균열의 길이에 대해서 그 두께가 얇기 때문에, 균열진전의 억제에는 효과가 작았다. 그에 더하여, 초경표면의 결합상량이 증가한 결과, 고속절삭 조건하에서는, 내소성변형성의 저하에 의해 오히려 공구수명은, 짧은 것으로 되고 있었다.
일반적으로, 동일 Co량의 초경합금의 강도는, 그 합금의 WC입도와 거의 상관관계에 있고, WC입도가 미세하게 되면 될 수록 굽힘강도는 향상되나, 반대로 파괴인성은 저하한다. 그런데, 굽힘강도가 클수록 미소균열의 발생은 일어나기 어렵고, 파괴인성이 클수록 미소균열의 진전은 늦어진다고 생각되기 때문에, 공구수명의 향상을 위해서는 강도와 인성의 양자를 향상시키는 것이 필요하고, 그러기 위한 개발노력이 거듭되고 있다.
이와 같은 개발노력에 의해 강도와 인성으 동시에 개선한 초경합금으로서, 예를 들면 일본국 특개소 62-170451호 공보 및 미국특허(USP)4966627호에는, WC등의 경질상이 미립자와 조립자(粗粒子)로 이루어진 초경합금이 제안되고 있다. 그러나 이들 초경합금은 일반강 절삭용 피복초경합금 모재를 충분히 의식한 것은 아니기 때문에, 그 표면에 코팅을 행하는 초경합금 모재로서의 최적화는 불충분하고, 이들 초경합금모재를 피복절상공구로서 사용한 경우에는 그 성능은 아직 불충분한 것이었다.
또, 일본국 특개평 5-255795호 공보에는, 초경합금모재의 경질상인 WC를 조립자, 중립자, 미립자의 3종류로 나누고, 각각의 함유율을 규정한 피복절삭공구가 기재되어 있다. 이 피복절상공구에서는 WC의 입도분포를 규정함으로써, 균열전파의 억제효과를 얻는 것이 의도되고 있으나, 입도분포의 폭이 종래제품보다도 넓을뿐이고 연속적이기 때문에 결합상량을 적게 해서, 피복절삭공구로서의 내소성변형성을 높이는 것은 기대할 수 없다. 이에 더하여, 이 일본국 특개평 5-255795호의 절삭공구에 있어서는 WC미립자의 비율이 많기 때문에, 균열진전의 억제효과가 불충분했다.
보다 구체적으로는, 최근, 피복초경합금이 사용되는 절삭조건은 매우 가혹하게 되어 있고, 절삭속도 300m/min이상의 고속절삭의 경우, 날끝의 온도는 대단한 고온이 되기 때문에, 이와 같은 고온에 있어서의 내소성변형성의 향상이 특히 요망되고 있다. 또, 마모의 진행을 억제하기 위하여, 절삭공구는 냉각제를 사용한 습식절삭에 제공되는 경우가 많으나, 이와 같은 습식절삭에 있어서는, 특히 공구의 결손이 발생하기 쉬웠기 때문에, 고온에 있어서의 내소성변형성이 향상하고, 또한 습식절삭에 있어서 결손하기 어려운 공구를 부여하는 피복초경합금이 강력히 요망되고 있었다.
본 발명의 목적은, 상기한 종래기술의 결점을 해소한 피복초경합금을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 강도와 인성을 균형좋게 향상시킨 피복조경합금을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 고온에 있어서의 내소성변형성이 향상하고, 또한 습식절삭에 있어서 결손하기 어려운 공구에 바람직하게 사용가능한 피복초경합금을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 일반강 및 난삭재에 대해서, 고속절삭에서 뛰어난 절삭성능을 가지고, 또한 공구의 장수명화를 가능하게 하는 절삭공구에 바람직하게 사용가능한 피복초경합금을 제공하는데 있다.
[발명의 개시]
본 발명의 피복초경합금은, 결합상으로서 4∼10중량%의 Co를 함유한 WC기(基)초경합금으로서, 이 합금단면의 경면연마조직에 있어서의 비율로 경질상인 WC 결정의 70%이상이, 입도 0.1∼1㎛의 미립자 A와 입도 3∼10㎛의 조립자 B의 어느하나로 이루어지고, 이 미립자 A와 조립자 B의 면적비율 SA/SB가 0.22∼0.45인 WC기 초경합금으로 이루어진 기재(基材)와, 이 초경합금의 표면에 배치된 전체의 막두께가 5∼100㎛의 피복층으로 이루어지고, 상기 피복층이 적어도 Ti, Zr 및 /또는 Hf의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 탄산화물 또는 붕질화물을 함유한 1이상의 층(단독 또는 복수층)과, 적어도 Ti, Zr 혹은 Hf의 산화물 또는 Al2O3를 함유한 1이상의 층(단층 또는 복수층)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의하면, 또 결합상으로서 4∼10중량%의 Co를 함유한 WC기 초경합금으로 이루어진 기재와, 이 기재의 표면에 배치된 전체의 막두께가 0.2∼10㎛의 피복층으로 이루어진 피복초경합금에 있어서,
(a)이 초경합금단면의 경면연마조직상의 면적비율로 경질상인 WC결정의 70%이상이, 입도 0.1∼1㎛의 미립자 A와 입도 3∼10㎛의 조립자 B의 어느하나로 이루어지고, 미립자 A와 조립자 B의 면적비율 SA/SB가 0.22∼0.45이고,
(b)상기 초경합금중의 탄소량 X가,
0.5≤(X-b)/(a-b)≤0.67
(상기 식중, a(중량%)는 당해조성을 가진 합금에 있어서 유리탄소를 발생하는 하한탄소량을 표시하고, b(중량%)는 당해조성을 가진 합금에 있어서 η상을 발생하는 상한탄소량을 표시한다)의 관계를 만족하고, 또한,
(c)상기 피복층이 적어도 Ti의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물, 또는 Ti와 Al의 합금의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물을 함유한 1이상의 층(단층 또는 복수층)인 피복초경합금이 제공된다.
상기한 본 발명의 피복초경합금은, 본 발명자들이 후술하는 연구결과에 의거해서 알아낸 것이다.
즉, 본 발명자들은 일반강 및 난삭재의 절삭가공에 있어서의 공구의 마모기구를 예의 연구한 결과, 강을 절삭속도 30m/min이상, Ni기 내열합금을 100m/min이상 등의 조건에서 고속절삭한 경우, 날끝온도는 1000℃이상이 되는 것, 또 공구의 마모의 진행을 억제하기 위하여 습식절삭에 제공한 경우, 부품의 다수개절삭이나 단속선삭, 밀링절삭시에 절삭중의 고온과 비절삭시의 냉각이 교대로 반복되고, 큰 열충격이 공구에 가해진 결과, 도입되는 균일이 원인이 되어서 피복층의 박리나 결손이 발생하는 것, 또는, 이와 같은 반복의 충격에 의해 균열이 피로적으로 진전하고, 최후에 공구의 결손을 초래하기 때문에, 단시간에 수명이 다하는 것을 알아냈다.
상기한 바와 같이, 피복초경합금의 강도저하를 방지하는 관점에서 종래부터 코팅막 그 자체의 결함, 초경모재표면에 있어서의 η상의 형성방지를 목적으로 한 여러 가지의 연구가, 코팅모재가 되는 초경합금에 행해져 왔다. 예를 들면, 상기 일본국 특공소 59-7349호 공보, 일본국 특개평 3-97866호 공보, 및 스즈키 히사시(鈴木禱箸)저, 「초경합금과 소결경질재료」제221항에는, 피복초경합금 모재표면에 형성되기 쉬운 η상을 방지하는 기술이나, 초경합금 모재표면을 고인성화하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 이들 기술에 있어서는 초경합금 모재표면부의 극히 얕은 영역이 개량되고 있는데 불과했기 때문에, 100㎛이상의 길이에 달하는 피로균열의 진전을 막고, 절삭공구의 수명을 연장하는 것은 불가능했다.
이와 같은 실험 및 사실의 검토에 의거해서, 본 발명자들은, WC기 초경합금에 있어서 WC결정을(단일입도가 아니고)특정한 입도를 가진 미립자군과, 특정한 입도를 가진 조립자군의 2종류가 혼합된 것으로 하고, 또한 이들 특정한 입도를 가진 미립자 A와 조립자 B의 비율 SA/SB를 특정한 비율로 하므로써, 초경합금의 강도와 인성을 함께 개선, 향상시키는 것이 가능하다는 것을 알아냈다. 본 발명자들은 또 연구를 진행한 결과, 이와 같은 초경합금을 기재로 해서 특정재료로 이루어진 코팅을 행한 피복초경합금에서는, 상기한 피로균열의 진전이 억제되고, 일반강이나 난삭재에 대해서도 뛰어난 절삭성능을 얻을 수 있는 것을 알아내고, 본 발명에 이른 것이다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명의 피복초경합금 모재에 있어서의 WC입도와, 이 입도를 가진 WC입자의 빈도의 관계의 일예를 모식적으로 표시한 그래프.
제2도는 본 발명의 피복초경합금에 있어서의 WC조립자, WC미립자 및 결합상의 관계의 일예를 표시한 모식단면도.
제3도는 조립자 WC속을 균열이 진전하는 태양을 표시한 모식단면도.
제4도는 WC입자와 결합상과의 계면을 균열이 진전하는 태양을 표시한 모식단면도.
제5도(표 10)는 실시예 4에서 얻어진 초경합금 각 시료에 있어서의 미립자 A와 조립자 B의 면적비율 및 조성을 표시한 표.
제6도(표 11)는 실시예 4에서 얻어진 초경합금모재와 피복층의 조합을, 절삭조건 1에서 성능평가를 행하였을 때의 절삭가능시간을 표시한 표.
제7도(표 12)는 실시예 4에서 얻어진 초경합금모재와 피복층의 조합을 절삭조건 2에서 성능평가를 행하였을 때의 절삭가능시간을 표시한 표.
제8도(표 13)는 실시예 5에서 얻어진 초경합금 각 시료에 있어서의 미립자 A와 조립자 B의 면적비율 및 조성을 표시한 표.
제9도(표 14)는 실시예 5에서 얻어진 초경합금모재와 피복층의 조합을 절삭조건 3에서 성능평가를 행하였을 때의 절삭가능시간을 표시한 표.
제10도(표 15)는 실시예 5에서 얻어진 초경합금모재와 피복층의 조합을 절삭조건 4에서 성능평가를 행하였을 때의 절삭가능시간을 표시한 표.
[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]
이하, 필요에 따라서 도면을 참조하면서, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 피복초경합금은, 모재인 WC(탄화텅스텐)기 초경합금과, 그 표면에 배치된 특정재료로 이루어진 피복층으로 구성된다.
(WC기 초경합금)
본 발명에 사용하는 WC기 초경합금은, 적어도 결합상인 4∼10중량%인 Co와, 경질상인 WC로 이루어진다.
(경질상)
본 발명의 피복초경합금모재를 구성하는 경질상인 WC결정에 있어서는 전체 WC결정의 70면적%이상(더욱 바람직하게는 80%이상)이 0.1∼1㎛의 입도를 가진 미립자 A, 또는 3∼10㎛(더욱 바람직하게는 3∼6㎛)의 입도를 가진 조립자 B의 어느하나의 군에 포함된다. 본 발명에 있어서는, 이 미립자군 A의 평균입자사이즈인 PA와, 조립자군 B의 평균입자사이즈인 PB와의 비 PB/PA는 3이상, 나아가서는 5이상(특히 7이상)인 것이 바람직하다.
이와 같은 평균입자사이즈 PA, PB는 예를 들면, 합금의 임의의 단면을 경면가공하고, 배율×1500이상에서 5개소를 사진촬영하고, 이 사진으로부터 미립자군 A의 평균입자사이즈(PA), 조립자군 B의 평균입자사이즈(PB)로서 화상처리장치에 의해서 구할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 전체 WC결정의 입도가 상기 2종류(0.1∼1㎛, 3∼10㎛)의 어느하나여도 되나, 초경합금제조의 용이성 등의 점에서는, 전체 WC결정의 70(면적)%이상(더욱 바람직하게는 80%이상)이, 상기한 미립자 A와 조립자 B의 어느하나의 군에 포함되어 있으면 된다.
상기한 미립자 A는, 주로 피복초경합금 모재의 강도와 경도를 높이는 기능을 가지고 조립자 B는 주로 피로균열의 진전을 방지하는 기능을 가진다.
종래기술로서, 상기 일본국 특개소 62-170451호 공보에는 미립자 A와 조립자 B의 중량비 A/B를 0.33∼3(면적비로 환산하면 0.48∼2.08에 상당)으로 한 초경합금이 제안되고 있다. 그러나, 본 발명자의 검토에 의하면, 미립자와 조립자의 비가 이와 같은 범위내에 있는 경우에는, 피복절삭공구로서 사용했을 때의 피로균열의 진전의 억제효과는 불충분한 것이었다.
또, 상기 일본국 특개평 5-255795호 공보에는, WC입자를 조립, 중립, 미립으로 나누고 각각의 함유율을 규정한 피복초경합금이 제안되어 있다. 그러나, 본 발명자의 검토에 의하면, 이 합금에서는 WC입자의 입도분포가 연속적이기 때문에 조립자와 미립자의 WC가 가진 각각의 뛰어난 특징을 충분히 발휘할 수 없다.
이에 대해서, 본 발명에 있어서는, 합금의 임의의 단면의 경면연마 조직상의 면적비율에서, 미립자 A와 조립자 B의 면적비율 SA/SB를 0.22∼0.45로 하고 있기 때문에, 각각의 입자군이 가진 뛰어난 특성을 잃지 않고, 강도와 인성을 균형있게 향상시킨 피복초경합금이 제공된다. 특히, 이와 같은 본 발명의 피복초경합금을 절삭공구 등의 공구에 사용한 경우에는, 일반강 및 난삭재의 절삭에 있어서, 굴곡강도와 경도를 유지하면서, 피로균열의 진전이 특히 적고, 뛰어난 절삭성능을 발휘하는 피복초경합금으로 할 수 있다.
초경합금의 임의의 단면의 경면연마 조직상에 있어서의 미립자 A와 조립자 B의 면적비율 SA/SB가 0.22미만에서는 미립자 A의 양이 지나치게 적기 때문에, 초경합금으로서의 강도가 부족하다. 다른 한편 SA/SB가 0.45를 넘으면, 초경합금의 파괴인성이 저하하고, 피로균열 진전의 억제효과가 작아진다.
본 발명의 초경합금을 구성하는 WC결정의 입도분포에 있어서는, 제1도에 표시한 바와 같이, 적어도 2개의 피이크(미립자 A의 범위에서 적어도 1개의 피이크, 조립자 B의 범위에서 적어도 1개의 피이크)가 있는 것이 바람직하다. 또, 상기한 바와 같이 그들의 평균입자사이즈의 비 PB/PA는 3이상(나아가서는 5이상, 특히 7이상)인 것이 바람직하다.
(면적 비율)
상기한 바와 같이, 본 발명에 있어서는, 피복초경합금의 기재의 미립자 WC(미립자 A)와 조립자 WC(조립자 B)와의 함유비율은, 이 합금의 임의의 단면의 경면연마조직에 있어서의 면적비율 SA/SB에 의해서 정의된다. 이와 같은 면적비율 SA/SB는 예를 들면, 이하에 설명하는 방법에 의해 바람직하게 행할 수 있다.
즉, 먼저 합금의 임의의 단면을 경면가공하고, 예를 들면, 「무라카미시약」인 NaOH-적혈염(K3[Fe(CN)6], 수용액을 사용해서 에칭을 행한 후, 광학현미경 또는 주사형전자현미경에 의해 1500배 이상의 비율로 5개소를 (5매)사진 촬영한다(이와 같이 촬영한 사진에 있어서는, WC입자는 제2도의 모식도에 표시한 바와 같은 다각형상이 되기 때문에, 결합상이나 그 밖의 탄화물과 색조에 의한 구별이 가능하게 된다). 이와 같이 해서 얻은 사진(5개소의 전체)을 사용하고, 화상처리장치(피어스주식회사제, 상품명 LA555)에 의해서 WC입자만을 흑색, 그 밖의 부분을 백색으로 하는 2치화처리를 행하고, 또한 입자의 포개짐의 영향을 배제하기 위한 입자분산처리를 행한 후, 미립자 A와 조립자 B를 그룹나누기하고, 미립자 A의 면적의 합계를 SB, 조립자 B의 면적의 합계를 SB로 해서, 미립자 A와 조립자 B의 면적비율 SA/SB를 구했다.
이 그룹나누기할 때의 기준이 되는 입도(내지 입자직경, particle size)는, 다각형의 WC입자의 경우는 대각선의 최대길이, 삼각형의 WC입자의 경우는 최대변의 길이를 가지고, 그 입도치로 하고, 이 입도치가 0.1∼1㎛인 입자를 미립자 A로 하고, 3∼10㎛의 입자를 조립자 B로 했다.
또한, 합금을 구성하는 WC입자를 구형으로 가정하면, 미립자 A의 입자직경을 rA, 조립자 B의 입자직경을 rB로 했을 때, 면적은 π(r/2)2, 체적은 4π(r/2)3/3으로 표시되므로, 미립자 A와 조립자 B의 면적비 X는(rA/rB)2이 된다. 또, 미립자 A와 조립자 B의 체적비 Y는(rA/rB)3가 되고, 소구와 대구의 밀도는 동일하기 때문에, 이 체적비 Y는 미립자 A와 조립자 B의 중량비와도 동등하게 된다. 따라서 Y=X3/2의 관계가 성립하고, 면적비 X에서 0.22는 중량비 Y에서 0.1에 상당하고, 면적비 X에서 0.45는 중량비 Y에서 0.3에 상당하는 것이 된다.
(피복초경합금 모재)
이와 같이 본 발명의 피복초경합금 모재는 WC결정의 미립자 A와 조립자 B의 가장 적합한 조합에 의거해서, 강도 및 인성의 쌍방이 뛰어나기 때문에, 용도에 따라서 가장 적합한 세라믹막을 피복함으로써, 일반강은 물론 난삭재용으로서 가장 적합한 공구재료가 된다.
본 발명의 초경합금에 있어서는, 소정의 입도를 가진 미립자와 조립자의 조합에 의거해서 조립자 WC의 사이에 미립자 WC가 들어가고, 제2도에 표시한 바와 같이, 조립자 WC의 사이의 틈새를 미립자 WC가 메우는 구조가 된다. 따라서, 보다 적은 결합상 양으로 초경합금을 형성할 수 있기 때문에 뛰어난 내소성변형성을 얻을 수 있다. 또, 동일 결합상 양의 경우에는, 본 발명의 지견에 의하면, 초경합금 전체에서의 결합상의 평균자유행정이 커지기 때문에, 기계적 성질이 향상한다고 추정된다.
(결합상)
본 발명의 피복초경합금 모재에 있어서는, 상기한 WC결정의 미립자와 조립자의 가장 적합한 조합에 의거해서 결합상으로서의 Co량의 조정을 특별히 행하지 않는(예를 들면, Co량을 증가시키지 않는)경우에도, 초경합금으로서의 인성을 향상시키는 것이 가능하나, 통상, Co함유량은 4∼10%중량의 범위가 바람직하다. 이 Co 함유량이 4중량%미만에서는, 인성의 저하가 현저하게 된다. 다른 한편, Co함유량이 10중량%를 넘으면 내소성변형성이 저하한다.
(기타성분)
본 발명의 초경합금의 결합상 중에는 다른 경질입자로서, V 또는 Cr의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 물질, 및/또는 V, 및/또는 Cr가 함유되어 있어도 된다. 이들 「기타 경질입자」는, 미립 WC결정의 용해 및 석출에 의한 이상한 입자성장을 방지하는 기능을 가지나, 이 경질입자량의 합계는 0.1∼3중량%인 것이 바람직하다. 이들 「기타 경질입자」의 함유량의 합계가 합금전체의 0.1중량%미만에서는, 입자성장방지의 효과가 불충분하고, 다른 한편이 함유량의 합계가 3중량%를 넘으면, 초경합금의 강도에 악영향을 미칠 가능성이 있다. 따라서 이들 「기타 경질입자」의 함유량은 합금전체의 0.1∼3중량%의 범위로 하는 것이 바람직하다.
또, 본 발명의 기재합금 속에는, Ti, Nb, Ta의 1종 또는 2종 이상의 탄화물 및/또는 그들의 고용체가 함유되어 있어도 된다. 이 Ti, Nb, Ta의 1종 또는 2종 이상의 탄화물 및/또는 그들의 고용체는, 초경합금의 강도, 고온경도, 열전도율, 및 내(耐)크레이터(마모)성을 향상시키는 기능을 가진다. 그러나, 본 발명의 피복초경합금 모재에 있어서는, 이들 탄화물을 다량으로 첨가하면 오히려 초경합금의 강도저하를 초래할 가능성이 있기 때문에, 이들 탄화물 및 그들의 고용체의 함유량은, 합계로서 5중량%이하인 것이 바람직하다.
(초경합금모재의 제조법)
본 발명의 피복초경합금 모재는, 원료분말인 WC분말의 입자직경을, 목적으로 하는 WC결정의 미립자군과 조립자군의 입도에 따라서 조정해서 혼합하고, 얻어진 혼합 WC분말을 Co분말 등과 함께 소결함으로써 제조할 수 있다.
이때의 소결방법으로서는, 통상의 진공소결이 사용가능한 것은 물론이지만, 또 열간정수압프레스(HIP)소결을 사용하거나 신터HIP(SINTER-HIP)소결을 행한 경우에는 얻어지는 초경합금의 항절력을 300kg/㎟이상으로 할 수 있고, 절삭성능을 더욱 높일 수 있다.
(초경합금 모재의 특성)
본 발명의 초경합금은 상기한 특성에 추가해서, 뛰어난 내열충격성을 가진다. 이 내열충격성은, 하기 식 ①에 의해서 표시된다.
△T=K × σk/αE …①
(△T : 내열충격성, σ : 항절력, α : 열팽창계수, k : 열전도율, E : 영률, K : 정수)
본 발명의 피복초경합금 모재는, 미립자 WC에 의해 결함치수가 작아지기 때문에 항절력 σ가 커지고, 열을 전달하는 결합상의 평균자유행정이 크기 때문에 열전도율 k가 크고, 또한 영률 E 및 열팽창계수 α는 통상의 초경합금과 실질적으로 다름없기 때문에, 상기 식 ①로부터 본 발명의 초경합금 모재가 내열충격성이 뛰어나다는 것을 설명할 수 있다.
일반적으로, 초경합금에 세라믹 막을 코팅하면, 항절력이 저하하는 것이 알려져 있다. 그 원인은 코팅후의 냉각시에 모재와 피복층과의 열팽창계수의 차에 의해 도입되는 균열이, 그리피드(Griffith)의 균열과 마찬가지로 응력집중원(原)의 역할을 다하기 때문이라고 한다(스즈키히사시저 「초경합금과 소결경질재료」마루젠 발행, 제213페이지 참조). 이때, 응력집중원이 되는 균열 깊이는(피복층의 두께 +모재에 침입한 균열깊이)라고 생각할 수 있다. 따라서, 피복초경합금의 항절력은 하기 식 ②로 표시할 수 있다.
(σm: 피복초경합금의 항절력, σo: 초경합금 모재의 항절력, dc: 피복층의 두께, dw: 초경합금 모재에 침입한 균열깊이, K: 정수)
본 발명의 초경합금에 있어서는, 미립자 WC를 가지기 때문에 초경합금의 항절력 σo은 크고, 또 조립자 WC에 의해 파괴인성이 커지기 때문에, 균열이 모재깊은 곳까지 달하기 어렵게 되고, 초경합금모재에 침입한 균열깊이 dw는 작아진다. 따라서 본 발명의 초경합금을 모재로 하는 피복초경합금은, 종래의 것과 비교해서 세라믹을 피복한 후의 항절력의 저하가 적기 때문에, 초기결손을 효과적으로 방지할 수 있다.
또, 본 발명의 초경합금내부에서는 조립자 WC의 존재에 의해, 파괴인성이 커지고 있기 때문에, 일단 도입된 균열의 진전이 늦어지고, 파괴의 진행을 느리게 하는 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 특히 열적인 충격을 받기 쉬운 습식절삭이나 단속선삭, 밀링절삭에 있어서 본 발명의 피복초경합금을 사용한 경우에는, 피로균열의 진전의 방지에 특히 큰 효과를 얻을 수 있다.
본 발명자들은 이와 같은 미립자와 조립자를 합하여 가진 피복초경합금을 실제로 절삭에 사용했을 때의 균열의 진전상태를 더욱 상세하게 관찰한 바, 균열의 진행은 종래제품과 비교해서 만곡량(灣曲量)이 커지고 있고, 균열진전을 위한 에너지소비량이, 조립자 WC의 첨가에 의해 커지고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이 경우, 보다 미세하게 관찰하면, 제3도에 표시한 바와 같이, 조립자 WC의 속을 균열이 진전하고 있는 경우로 많은 것을 알아냈다. 조립자의 WC의 첨가한 합금구조의 효과를 최대한으로 높이기 위해서는, 제4도에 표시한 바와 같이, 균열의 진전이 WC와 결합상의 계면을 통과하도록 하는 것이 바람직했다.
본 발명자들은 이와 같이 균열의 진전을 제어하는 방법을 예의 검토한 결과, 다음의 2가지의 방법이 특히 유효하다는 것을 알아냈다. 즉, 한가지의 방법은, 기재합금을 저탄소합금으로 하는 것이고, 다른 한가지의 방법은, 기재합금에 Ni및/또는 Fe를 첨가하는 것이다. 본 발명자의 검토에 의하면, 이들 방법을 사용한 경우, 결합상과 WC의 젖음성이 저하하는 결과, 피로에 의해 진전하는 균열은 제4도에 표시한 바와 같이, WC와 결합상의 계면을 조립자 WC를 우회하도록 통과하게 되고, 조립자 WC를 가진 본 발명의 피복초경합금에 있어서는 결손에 이르기까지의 절삭시간을 더욱 연장시킬 수 있는 것이 판명되었다.
본 발명의 검토에 의하면, 본 발명의 피복초경합금 모재에 있어서는, 합금속의 탄소량을 X, 유리탄소를 발생하는 하한탄소량을 a, η상을 발생하는 상한탄소량을 b(X, a 및 b는 중량%)로 했을 때, -0.5≤(X-b)/(a-b)≤0.67의 관계(나아가서는 -0.5≤(X-b)/(a-b)≤0.5의 관계)가 되었을 때에, 특히 균열진전의 억제효과가 컸다. (X-b)/(a-b)의 값이 -0.5보다 작으면, 합금 그 자체의 강도저하가 보였다. 다른 한편, (X-b)/(a-b)의 값이 0.67보다도 크면, 합금탄소량을 제어한 효과를 얻을 수 없었다.
상기한 유리탄소를 발생하는 하한탄소량 a, 및 η상을 발생하는 상한탄소량 b는 합금계의 경질상 성분 및 결합상 성분의 조성에 의존하는 탄소량이지만, 실험적으로 구하는 것이 가능하다. 즉, 예를 들면, 각 합금조성에 있어서 탄소량을 변화시킨 합금을 작성하고 경질상, 결합상량 및 탄소량을 분석하는 동시에, 이 합금 속의 η상 및 유리탄소의 석출을 임의의 합금 단면에 있어서 경면연마한 조직을 (상기한 WC입자의 면적비의 측정시와 마찬가지로)에칭한 후, 광학현미경에 의해서 관찰함으로써, 유리탄소를 발생하는 하한탄소량 a, 및 η상을 발생하는 상한탄소량 b를 구할 수 있다.
또, 본 발명에 있어서 기재합금에 Ni 및/또는 Fe를 첨가할 경우에는, Ni 및/또는 Fe의 첨가량이 0.1중량%보다도 적으면, 균열진전억제의 효과가 불충분하고, 한편 첨가량이 10중량%보다 많으면, 그 균열진전억제의 효과는 실질적으로 변하지 않고, 오히려 고속절삭시에 내소성변형성의 저하를 볼 수 있다. 따라서, 기재합금에 Ni 및/또는 Fe를 첨가하는 경우에는, Ni 및/또는 Fe의 첨가량은 0.1∼10중량%인 것이 바람직하다.
또, 본 발명자의 검토에 의하면, 본 발명의 기재합금 속에 주기율표 IVa, Va, VIa족으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속의 질화물 및/또는 탄질화물을 0.1∼15중량%첨가하면, 균열의 진전저항이 향상하는 것이 확인되고 있다. 이 현상은, 본 발명자의 지견에 의하면, WC와 결합상의 젖음성의 저하, 또는 질화물과 탄질화물과 결합상과의 낮은 젖음성에 기인하는 것으로 추정된다.
상기한 주기율표 IVa, Va, VIa족으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속의 질화물 및/또는 탄질화물을 0.1∼15중량%를 첨가한 경우에는, WC의 입자성장이 억제된 결과, 합금의 강도도 향상하고, 내크레이터마모성도 향상하고 있으나 특히, Zr, Ta, Nb의 1종 또는 2종 이상의 질화물 및/또는 탄질화물을 첨가하면, 이들의 효과가 더욱 증강되기 대문에 바람직하다. 이들 질화물 및/또는 탄질화물의 첨가량은 0.1중량%보다 적으면 상기 효과가 불충분하고, 한편 첨가량이 15중량%보다 많으면 합금의 강도저하가 현저하게 된다. 따라서, Zr, Ta, Nb의 1종 또는 2종 이상의 질화물 및/또는 탄질화물의 합금에 첨가하는 경우에는, 이들 첨가량(합계)은 0.1∼15중량%인 것이 바람직하다.
또, 본 발명의 피복초경합금 기재의 표면에 탈 β상을 형성시키면, 종래의 탈 β상을 가진 초경합금과 비교해서, 탈 β상 속에 조립자의 WC가 존재하기 대문에, 결합상량 증대의 효과에 추가해서, 보다 한층 균열이 진전하기 어렵게 되고 있기 때문에 초기의 균열발생의 억제효과가 크다. 따라서, 이와 같은 탈 β상의 형성에 의해, 초기결손에 더욱 강한 피복합금을 제조할 수 있다. 이에 더하여, 합금내부에 있어서 균열의 진전저항이 크기 때문에, 피로결손에도 강한 피복합금으로 할 수 있다. 즉, 기재합금의 표면근방에 있어서, WC를 제외한 IVa, Va, VIa족으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속의 탄화물, 질화물, 탄질화물 및/또는 그들의 고용체가, 합금내부에 비교해서 감소하고 있거나 혹은 존재하지 않는 상을 5∼50㎛가지도록 하므로써, 더욱 뛰어난 특성을 가진 피복초경합금 모재를 얻을 수 있다. 단, 이와 같은 상의 두께가 5㎛보다 얇으면 그 효과는 불충분하고, 한편 두께가 50㎛보다도 두꺼우면 내소성변형성의 저하가 현저하게 되기 때문에 바람직하지 않다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 피복초경합금은, 입자직경이 명확하게(예를 들면, 미립자와 조립자의 평균입자직경으로서 5배이상)다른 2종류의 WC입자를 피복용모재로 하고 가장 적합한 비율로 구성한 초경합금을 기재로 하고 있기 때문에, 강도와 인성이 양립하고 있고, 또한 내열충격성이 뛰어나고, 피복층 형성후의 강도의 저하가 작고, 피로균열의 진전도 일어나기 때문에, 피복초경합금, 특히 절삭용 피복초경합금으로서 뛰어난 특성을 가진 것이 된다.
(절삭용 피복초경합금)
이하, 일반강 절삭용과 난삭재절삭용 피복초경합금에 대해서, 특히 뛰어난 특성을 가진 것을 구체적으로 설명한다.
①먼저, 결합상으로서 4∼10중량%를 Co를 함유한 WC기 초경합금에 있어서, WC결정의 80%이상이, 입도 0.1∼1㎛의 미립자 A와 입도 3∼10㎛의 조립자 B의 어느하나로 이루어지고, 또한 이 합금의 임의의 단면의 경면연마조직상에서, 조립자 B에 대한 미립자 A의 면적비율 SA/SB가 0.22∼0.45인 WC기 초경합금을 기재로 해서 그 표면에 Ti, Zr 또는 Hf의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 탄산화물 또는 붕질화물의 단층 또는 복수층과, Ti, Zr 또는 Hf의 산화물 혹은 Al2O3의 단층 또는 복수층으로 이루어지고, 전체의 막두게가 5∼100㎛의 피복층을 구비한 피복초경합금은, 일반강의 절삭용으로서 특히 우수한 성능을 가지고 있다. 특히, 20㎛이상의 세라믹막을 가진 피복초경합금은, 종래에 있어서는 내결손성이 낮아지기 때문에 실용화되고 있지 않았으나, 본 발명에 의해 실용화가 가능하게 되고, 강의 고속절삭에 있어서 뛰어난 성능을 발휘할 수 있게 된다.
상기 피복층은 통상의 화학적증착법(CVD법)혹은 물리적증착법(PVD법)을 사용해서 형성할 수 있다. 이 피복층 전체의 막두께가 5㎛미만에서는 이 피복층의 형성에 의한 내마모성의 향상이 불충분하고, 한편 이 막두께가 100㎛를 넘으면 피복초경합금으로서의 내결손성이 저하한다. 따라서, 상기 피복층 전체의 막두께는 5∼100㎛의 범위로 하는 것이 바람직하다.
②또, 결합상으로서 4∼10중량%의 Co를 함유한 WC기 초경합금에 있어서, WC결정의 80%이상이 입도 0.1∼1㎛의 미립자 A와 입도 3∼10㎛의 조립자 B의 어느하나로 이루어지고, 또한, 합금의 임의의 단면의 경연연마조직상에서, 조립자 B에 대한 미립자 A의 면적비율 SA/SB가 0.22∼0.45이고, 합금 속의 탄소량을 X, 유리탄소를 발생하는 하한탄소량을 a, η상을 발생하는 상한탄소량을 b(X, a, b는 중량%)로 했을 때, -0.5≤(X-b)/(a-b)≤0.67의 관계가 있는 WC기 초경합금을 기재로 해서, 그 표면에 Ti의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물이나, Ti와 Al의 합금의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로 이루어진 단층 또는 복수층이고, 전체의 막두께가 0.2∼10㎛의 피복층을 구비한 피복초경합금은, 특히 난삭재용 절삭공구에 바람직하게 사용가능하다.
상기 피복층은, 통상의 화학적증착법(CVD법)혹은 물리적증착법(PVD법)을 사용해서 형성가능하다. 그 중에서도, 피복층을 물리적증착법에 의해 형성한 피복초경합금은, 피복층에 압축잔류응력을 가지기 때문에 균열이 생기기 어렵고, 피복후에도 모재가 되는 초경합금이 뛰어난 강도와 인성을 유지할 수 있다. 따라서, 이 피복초경합금은, 난삭재의 절삭에 있어서도 치핑이 발생하기 어렵고, 피복층에 의한 내용착성이 향상과 아울러서, 난삭재 절삭에 있어서의 대폭적인 공구수명의 연장을 도모할 수 있다.
상기 피복층 전체의 막두께는 0.2㎛미만에서는 피복에 의한 효과가 불충분하고, 한편 10㎛를 넘으면 강도가 저하하기 쉽게 되기 때문에 0.2㎛∼10㎛의 범위로 하는 것이 바람직하다.
(각 성분의 함유량 등)
본 명세서 및 청구의 범위에 있어서의 각 성분의 함유량 등의 값은, 예를 들면, 소결체 속의 각 성분의 함유량을 이하의 방법에 의해 정량분석해서 얻을 수 있다.
Co: 전위차 적정법(측정기기명:「야나기모토」사, 상품명:KY8, 문헌명:일본분석화학회편 「분석화학편람」(개정 3판), P102)
Ni, Ti, Ta, Nb, Zr등: ICP법(inductively coupled plasma atomic emission spectrometry), (측정기기명: 세이코전자공업주식회사, 상품명: SPS1200VR)
C: 열전도도법(측정기기명: LECO사제, WR 112)
O(적외흡수법), N(열전도법):(측정기기명: LECO사, TC136)
Fe: 원자흡광법(atomic absorption spectrometry), (측정기기명: 히타치세이사쿠쇼, 상품명: Z-6100, 문헌명: 타케우치 츠기오「원자흡광 분광분석」난코도: 편광 제만원자흡광, 히타치세이사쿠쇼「히타치 이화학기기분석 데이터집」P263)
또,「고용체」인 것은, x선의 정성분석에 의해서 확인하는 것이 가능하다(문헌명: 아사다에이치 「x선분석」(쿄리쯔출판) P90).
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
[실시예 1]
시판의 평균입자직경 0.5㎛의 미립자 WC분말과, 평균입자직경 5㎛의 조립자 WC분말, Co분말, Cr3C2분말, VC분말을 준비하고, 이들의 원료분말을 볼밀에 의해서 24시간 습식혼합하고 건조한 후, 1.5kg/㎠의 압력으로 프레스성형했다. 이어서 이와 같이 해서 얻은 압분체를 진공속에서 1450℃로 소결하고, 그후, 또 1000kg/㎠의 압력으로 HIP처리했다.
사용하는 WC분말의 조립자와 미랍자의 비율을 조정하고, 상기 방법에 따라서, 경질상인 WC결정의 입도분포가 다른 초경합금을 작성했다.
하기 표 1에 이와 같이 해서 작성한 초경합금의 WC결정입도의 0.1∼1.0㎛의 미립자 A, 입도 3.0∼10㎛의 조립자 B, Co, Cr 및 V의 합금전체에 대한 비율, 및 WC의 미립자 A와 조립자 B의 비율(면적비율)SA/SB를 표시한다. 또한, 초경합금 속의 WC결정의 입도분포는 상기한 바와 같은 합금의 경면연마조직이 광학현미경관찰 및 주사형전자현미경 관찰에 의해 측정했다.
또, 표 1중의 본 발명품인 시료 No.8에서는 V는 일부 탄화물의 모양으로 초경합금 속에 존재하고, 또 다른 본 발명품인 시료 No. 11에서는 Cr은 일부탄화물의 모양으로 초경합금 속에 존재하고 있었다.
상기에 의해 얻은 초경합금을 모재로서 사용하고, 그 표면에 공지의 CVD법(일본국 특공소 62-3234호 공보)에 의해 하기 표 2에 표시한 피복층을 각각 형성했다.
얻어진 각 피복초경합금 시료(표 3, 표 4에 표시한 모재와 피복막과의 조합)으로 이루어진 일본공업규격(JIS)에 의한 형번호 SNMG 120412형상의 절삭공구를 사용하고, JIS에 의한 SCM 415(HB180)를 피삭재로 해서, 하기 2종의 절삭조건에 있어서 피복초경합금의 성능평가를 행하였다. 각 시험에 있어서는, 여유면 마모량이 0.2mm에 달하거나, 혹은 결손이 발생할 때까지의 시간을 절삭가능시간으로 했다. 얻어진 결과를 표 3 및 표 4에 정리해서 표시한다.
시험조건 1(3초의 반복선삭)
절삭속도: 500m/min
이송량: 0.5mm/rev
절삭깊이: 1.5mm
습식
시험조건 2(4V홈재 단속선삭)
절삭속도: 250m/min
이송량: 0.4mm/rev
절삭깊이: 1.5mm
습식
표 3및 표 4의 결과로부터, 미립자 WC와 조립자 WC를 가진 초경합금모재의 표면에 산화물을 함유한 피복층을 형성한, 본 발명의 피복초경합금 시료로 이루어진 절삭공구는 일반강을 절삭한 경우의 내마모성 및 내결손성이 모두 뛰어나고, 절삭성능이 향상하고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 표 1에 표시한 초경합금 그 자체(피복층을 형성하지 않는)시료를 절삭공구로서 사용한 경우에는, 절삭조건 1 및 2의 어느 것에 있어서도 가공개시후 1초 이내에 결손을 발생하여, 절삭공구로서 전혀 사용불능이었다.
[실시예 2]
시판의 평균입자직경 0.5㎛의 미립자 WC분말과, 평균입경 5㎛의 조립자 WC분말, Co분말, TiC, TaC, NbC, CrC및 C분말을 준비하고, 이들의 원료분말을 볼밀에 의해서 24시간 습식혼합하고 건조한 후, 1.5kg/㎠의 압력으로 프레스 성형했다. 이어서 압분체를 진공속에서 1450℃로 소결하고, 그후, 또 1000kg/㎠의 압력으로 HIP처리했다.
사용하는 WC분말의 조립자와 미립자의 비율을 조정하고, 상기 방법에 따라서, 경질상인 WC결정의 입도분포가 다른 초경합금을 작성했다.
하기 표 5에 WC결정입도 0.1∼1.0㎛의 미립자 A, 입도 3.0∼10㎛의 조립자 B, Co, Cr 및 V의 합금전체에 대한 비율, 복탄화물량(TiC, TaC, NbC량) 및 WC의 미립자 A와 조립자 B의 비율(면적비율)S/S를 표시한다. 또한, 초경합금 속의 WC결정의 입도분포는 실시예 1과 마찬가지로, 합금의 경면연마조직의 광학현미경관찰 및 주사형전자현미경관찰에 의해 측정했다.
표 5에 표시한 시료중, 2종이상의 복탄화물을 함유한 시료 12∼15에서는 이들은 상호의 고용체의 탄화물로서 초경합금 속에 존재하고 있었다. 또, 어느 시료에 있어서도 복탄화물 속에는 다소 W가 고용(固溶)한 모양으로 존재하고 있었다.
또, 시료 14 및 18에서는 V는 일부 탄화물의 모양으로 초경합금 속에 존재하고, 본 발명품시료 15에서는, Cr은 일부 탄화물의 모양으로 초경합금 속에 존재하고 있었다.
상기 초경합금을 모재로서 사용하고, 실시예 1과 마찬가지 방법으로, 실시예 1에 표시한 표 2중의 A,B 및 E∼J의 피복층을 각각 형성했다.
이와 같이 해서 얻어진 각 피복초경합금 시료(표 3, 표 4에 표시한 모재와 막의 조합)으로 이루어진 형번호 SNMG 120412 형상의 절삭공구를 사용하고, 실시예 1에 표시한 것과 마찬가지의 절삭평가를 행하고, 절삭가능시간을 평가했다. 얻어진 결과를 하기 표 6 및 표 7에 정리해서 표시한다.
표 6 및 표 7의 결과로부터 미립자 WC와 조립자 WC를 가진 초경합금모재의 표면에 산화물을 함유한 피복층을 형성한 본 발명의 피복초경합금 시료로 이루어진 절삭공구는, 일반강을 절삭한 경우의 내마모성 및 내결손성이 모두 뛰어나고, 절삭성능이 향상하고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 표 5에 표시한 초경합금으로서 피복층을 형성하지 않는 시료에서는 절삭조건 1 및 2의 어느 것에 있어서도 가공개시후 1초이내에 결손을 발생하여 절삭공구로서 전혀 사용불능이었다.
[실시예 3]
실시예 1 및 2에서 얻은 시료 6,7,15 및 17을 사용하여, 합금탄소량 x를 ((x-b)/(a-b))=-0.5,0,0.33,0.67의 범위에서 변화시켜 초경합금을 얻었다.
이와 같이 해서 얻은 초경합금의 표면에 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 실시예 1에 표시한 피복층 I 및 J를 형성하고, 실시예 1에 표시한 것과 마찬가지의 절삭조건에서 평가를 행하였다. 얻어진 결과를 하기 표 8 및 표 9에 표시한다.
이 평가의 결과, 합금탄소량 x를 ((x-b)/(a-b))=-0.5∼0.67의 범위에서 제어함으로써, 본 발명의 효과가 더욱 개량하고, 절삭성능이 향상하는 것이 판명되었다. 이 효과는, ((x-b)/(a-b))=-0.5∼0.05의 범위에서 특히 크다는 것이 판명되었다.
[실시예 4]
시판의 평균입자직경 0.5㎛의 미립자 WC분말과, 평균입자직경 5㎛의 조립자 WC분말, Co, Ni, Fe분말, CrC분말, VC분말 및 TiC, NbC, TaC분말을 준비하고, 이들의 원료분말을 볼밀에 의해서 24시간 습식혼합하고 건조한 후, 1.5kg/㎠의 압력으로 프레스성형했다. 이어서 압분체를 진공속에서 1450℃로 소결하고, 그후, 또 1000kg/㎠의 압력으로 HIP처리했다.
사용하는 WC분말의 조립자와 미립자의 비율을 조정하고 상기 방법에 따라서 경질상인 WC결정의 입도분포가 다른 초경합금을 작성했다. 하기 표 10에 WC결정입도 0.1∼1.0㎛의 미립자 A, 입도 3.0∼10㎛의 조립자 B, WC의 미립자 A와 조립자 B의 비율(면적비율) S/S및 시료의 조성을 표시한다. 또한, 초경합금 속의 WC결정의 입도분포는 실시예 1과 마찬가지로 합금의 경면연마조직의 광학현미경관찰 및 주사형전자현미경관찰에 의해 측정했다.
2종이상의 복탄화물을 함유한 시료 21,26,27 및 30에서는, 이들은 상호의 고용체의 탄화물로서 초경합금 속에 존재하고 있었다. 또, 시료 21 및 26∼35의 어느 시료에 있어서도 복탄화물 속에는 다소 W가 고용한 모양으로 존재하고 있었다.
또, 본 발명품인 시료 29에서는 V는 일부 탄화물의 모양으로 초경합금 속에 존재하고, 본 발명품인 시료 31∼35에서는, Cr은 일부 탄화물의 모양으로 초경합금속에 존재하고 있었다.
상기 초경합금을 모재로서 사용하고, 그 표면에 실시예 1과 마찬가지의 통상의 CVD법에 의해 실시예 1의 표 2에 표시한 피복층 A,B 및 E∼J를 각각 형성했다. 이와 같이 해서 얻어진 각 피복초경합금 시료(표 11, 표 12에 표시한 모재와 막의 조합)으로 이루어진 형번호 SNMG 120412형상의 절삭공구를 사용하고 SCM 415(HB180)를 피삭재로 해서, 실시예 1의 절삭조건 1 및 2의 2종의 절삭조건에서 성능평가를 행하였다. 각 시험에 있어서, 여유면 마모량이 0.2mm에 달하거나 혹은 결손이 발생할 때까지의 시간을 절삭가능시간으로 하고 표 11 및 표 12에 정리해서 표시했다.
표 11 및 표 12의 결과로부터, 미립자 WC와 조립자 WC를 가진 초경합금모재의 표면에 산화물을 함유한 피복층을 형성한, 본 발명의 피복초경합금 시료로 이루어진 절삭공구는, 일반강을 절삭한 경우의 내마모성 및 내결손성이 모두 뛰어나고, 절삭성능이 향상하고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 표 10에 표시한 초경합금으로서 피복층을 형성하지 않는 시료를 절삭공구로서 사용한 경우에는, 절삭조건 1 및 2의 어느 것에 있어서도 가공개시후 1초이내에 결손을 발생하여 절삭공구로서 전혀 사용불능이었다.
[실시예 5]
시판의 평균입자직경 0.5㎛의 미립자 WC분말과, 평균입자직경 5㎛의 조립자 WC분말, Co, Ni, Fe분말, CrC, VC, TiCN, ZrCN, HfCN, TaCN, NbCN, TiN, ZrN, HfN, TaN, NbN을 준비하고, 이들의 원료분말을 볼밀에 의해서 24시간 습식혼합하고 건조한 후, 1.5kg/㎠의 압력으로 프레스성형했다. 이어서 압분체를 진공속에서 1450℃로 소결하고, 그후, 또 1000kg/㎠의 압력으로 HIP처리했다.
사용하는 WC분말의 조립자와 미립자의 비율을 조정하고, 상기 방법에 따라서, 경질상인 WC결정의 입도분포가 다른 초경합금을 작성했다. 하기 표 13에 WC결정입도 0.1∼1.0㎛의 미립자를 A, 입도 3.0∼10㎛의 조립자 B, WC의 미립자 A와 조립자 B의 비율(면적비율) S/S및 시료의 조성을 표시한다. 또한, 기재초경합금의 표면부근에 있어서 WC를 제외한 주기율표 IVa, Va, VIa족 금속의 탄질화물의 합금내부에 비해서, 감소 혹은 소실되고 있는 영역의 두께를 표중에 C(㎛)로 표시했다.
또한, 초경합금 속의 WC의 결정의 입도분포는, 실시예 1과 마찬가지로 합금의 경면연마조직의 광학현미경관찰 및 주사형전자현미경관찰에 의해 측정했다. 시료 36∼43에서는 각각 2종이상의 복탄화물을 함유하고 있었으나, 이들은 상호의 고용체와 탄화물로서 초경합금 속에 존재하고 있었다. 또, 어느 시료에 있어서도 복탄화물 속에는 다소 W가 고용한 모양으로 존재하고 있었다.
또, 본 발명품 시료 42에서는 V는 일부 탄화물의 모양으로 초경합금 속에 존재하고, 본 발명품인 시료 39에서는, Cr은 일부 탄화물의 모양으로 초경합금속에 존재하고 있었다.
상기 초경합금을 모재로서 사용하고, 그 표면에 실시예 1과 마찬가지의 통상의 CVD법으로 실시예 1의 표 2에 표시한 피복층 A,B 및 E∼J를 각각 형성했다.
이와 같이 해서 얻어진 각 피복초경합금 시료(표 14, 표 15에 표시한 모재와 막의 조합)으로 이루어진 형번호 SNMG 120412형상의 절삭공구를 사용하고, SCM 415(HB180)를 피삭재로 해서, 하기 2종의 절삭조건에 있어서 성능평가를 행하였다. 각 시험에 있어서 여유면 마모량이 0.2mm에 달하거나, 혹은 결손이 발생할 때까지의 시간을 절삭가능시간으로 하고 표 14 및 표 15에 정리했다.
시험조건 3(3초의 반복선삭)
절삭속도: 300m/min
이송량: 0.8mm/rev
절삭깊이: 1.5mm
습식
시험조건 4(4V홈재 단속선삭)
절삭속도: 300m/min
이송량: 0.35mm/rev
절삭깊이: 1.5mm
습식
표 14 및 표 15의 결과로부터, 미립자 WC와 조립자 WC를 가진 초경합금모재의 표면에 산화물을 함유한 피복층을 형성한, 본 발명의 피복초경합금 시료로 이루어진 절삭공구는, 일반강을 절삭한 경우의 내마모성 및 내결손성이 모두 뛰어나고, 절삭성능이 향상하고 있는 것을 알 수 있다.
또, 본 발명품중에서도 Zr, Ta, Nb의 질화물, 탄질화물을 함유한 시료 40∼43에서는 특히 절삭성능이 뛰어난 것을 알 수 있다. 또한, 표면부근에 복탄화물양이 감소 혹은 소실하고 있는 층을 가진 시료에서는, 이것을 가지지 않은 시료 42보다도 내결손성이 뛰어난 경향이 있으나, 시료 42에서도, 종래제품의 시료 36에 비교하면, 내결손성과 내마모성의 균형은 충분히 향상하고 있는 것을 알 수 있다.
또한, 표 13에 표시한 초경합금으로서 피복층을 형성하지 않는 시료에서는 절삭조건 3 및 4의 어느 것에 있어서도 가공개시후 1초이내에 결손을 발생하여 절삭공구로서 전혀 사용불능이었다.
[실시예 6]
조립자 WC(조립자 B)쪽의 입도를 3∼6㎛로 제어한 이외에는, 실시예 1∼5에서 사용한 시료 4,15,27 및 43의 초경합금의 작성과 마찬가지로 해서, 시료 4', 15', 27' 및 43'의 초경합금을 작성하고, 이것에 피복층 I를 형성해서 피복초경합금으로 했다(표 15a).
이와 같이 해서 얻은 시료중, 시료 4'I, I5'I 및 27'I에 대해서는 절삭조건 1,2에서 평가하고, 시료 43'에 대해서는 절삭조건 3,4에서 평가했다.
그 결과, 조립자 WC(조립자 B)쪽의 입도를 3∼10㎛로 하고 있었을 경우에 비해서, 내마모성과 내결손성의 균형이 더욱 향상하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 즉 조립자쪽 WC는 입도 3∼6㎛로 제어하는 것이 더욱 바람직하다는 것이 판명되었다.
[실시예 7]
시판의 평균입자직경 0.5㎛의 미립자 WC분말과, 평균입자직경 5㎛의 조립자 WC분말, Co, Ni, Fe분말, CrC분말, VC분말 및 이들의 원료분말을 볼밀에 의해서 24시간 습식혼합하고 건조한 후, 1.5kg/㎠의 압력으로 프레스성형했다. 이어서 압분체를 진공속에서 1450℃로 소결하고, 그후, 또 1000kg/㎠의 압력으로 HIP처리했다.
사용하는 WC분말의 조립자와 미립자의 비율을 조정하고 상기 방법에 따라서 경질상인 WC결정의 입도분포가 다른 초경합금을 작성했다.
하기 표 16에 WC결정입도 0.1∼1.0㎛의 미립자 A, 입도 3.0∼10㎛의 조립자 B, Co, Cr 및 V의 합금전체에 대한 비율, 및 WC의 미립자 A와 조립자 B의 비율(면적비율) S/S및 합금탄소량 X와 각각의 합금조성에 있어서의 유리탄소량을 발생하는 하한탄소량 a, η상을 발생하는 상한탄소량 b와의 관계를 표시했다. 또한, 초경합금 속의 WC결정의 입도분포는 실시예 1과 마찬가지로 합금의 경면연마조직의 광학현미경관찰 및 주사형전자현미경관찰에 의해 측정했다.
또, 본 발명품 시료 55에서는 V는 일부 탄화물의 모양으로 초경합금 속에 존재하고, 본 발명품 시료 58에서는 Cr은 일부 탄화물의 모양으로 초경합금 속에 존재하고 있었다.
상기 초경합금을 모재로서 사용하고, 그 표면에 실시예 1과 마찬가지의 통상의 PVD, CVD법에 의해 하기 표 17에 표시한 피복층을 각각 형성했다.
얻어진 각 피복초경합금 시료(표 18에 표시한 모재와 막의 조합)으로 이루어진 형번호 SPGN 120308형상의 절삭공구를 사용하고, 인코넬 718을 피삭재로 해서, 하기 절삭조건에서 성능평가를 행하였다. 각 시험에 있어서는, 여유면마모량 0.2mm에 달하거나 혹은 결손이 발생할 때까지의 시간을 절삭가능시간으로 했다. 얻어진 결과를 하기 표 18에 정리해서 표시한다.
표 18의 결과로부터 미립자 WC와 조립자 WC를 가진 초경합금 모재의 표면에 피복층을 형성한, 본 발명의 피복초경합금 시료로 이루어진 절삭공구는, 내마모성 및 내결손성이 모두 뛰어나고, 절삭성능이 향상하고 있는 것을 알 수 있다.
시험조건
절삭속도: 60m/min
이송량: 0.2m/rev
절삭깊이: 0.5mm
습식절삭
[실시예 8]
시판의 평균입자직경 0.5㎛의 미립자 WC분말과, 평균입자직경 5㎛의 조립자 WC분말, Co분말, TiC, TaC, NbC, CrC및 VC분말을 준비하고, 이들의 원료분말을 볼밀에 의해서 24시간 습식혼합하고 건조한 후, 1.5kg/㎠의 압력으로 프레스성형했다. 이어서 압분체를 진공속에서 1450℃로 소결하고, 그후, 또 1000kg/㎠의 압력으로 HIP처리했다.
사용하는 WC분말의 조립자와 미립자의 비율을 조정하고 상기 방법에 따라서 경질상인 WC결정의 입도분포가 다른 초경합금을 작성했다. 하기 표 19에, WC결정입도 0.1∼1.0㎛의 미립자 A, 입도 3.0∼10㎛의 조립자 B, Co, Cr 및 V의 합금전체에 대한 비율, 복탄화물량(TiC, TaC, NbC량), WC의 미립자 A와 조립자 B의 비율(면적비율) S/S및 합금탄소량 X와 각각의 합금조성에 있어서의 유리탄소량을 발생하는 하한탄소량 a, η상을 발생하는 상한탄소량 b와의 관계를 표시했다. 또한, 초경합금 속의 WC결정의 입도분포는 실시예 1과 마찬가지로 합금의 경면연마조직의 광학현미경관찰 및 주사형전자현미경관찰에 의해 측정했다.
2종이상의 복탄화물을 함유한 시료 59∼65에서는, 이들은 상호의 고용체의 탄화물로서 초경합금 속에 존재하고 있었다. 또, 어느 시료에 있어서도 복탄화물속에는 다소 W가 고용한 모양으로 존재하고 있었다.
또, 시료 61 및 65에서는, V는 일부 탄화물의 모양으로 초경합금 속에 존재하고, 본 발명품시료 60에서는, Cr은 일부 탄화물의 모양으로 초경합금 속에 존재하고 있었다.
상기 초경합금을 모재로서 사용하고, 실시예 7에 표시한 표 17중의 B,C 및 D∼F의 피복층을 각각 형성했다.
얻어진 각 피복층초경합금 시료(표 20에 표시한 모재와 막의 조합)로 이루어진 형번호 SPGN 1200308형상의 절삭공구를 사용해서, 실시예 7에 표시한 것과 마찬가지의 절삭평가를 평가했다. 얻어진 결과를 표 20에 정리해서 표시한다.
표 20의 결과로부터 미립자 WC와 조립자 WC를 초경합금 모재의 표면에 피복층을 형성한, 본 발명의 피복초경합금 재료로 이루어진 절삭공구는, 내마모성 및 내결손성이 모두 뛰어나고, 절삭성능이 향상하고 있는 것을 알 수 있다.
[산업상의 이용가능성]
상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 강도와 인성을 균형좋게 향상시킨 피복초경합금이 제공된다. 본 발명의 피복초경합금은, 이 강도와 인성의 균형에 의거해서, 공구일반 등의 기계분야에 있어서 바람직하게 사용가능하나, 절삭공구, 내마공구, 충격공구, 광산공구 등의(나아가서는 일반강, 난삭재 등의 절삭용 절삭공구)에 특히 바람직하게 사용가능하다.
본 발명의 피복초경합금을 절삭공구용 피복초경합금으로서 사용한 경우에는, 특히 뛰어난 내(耐)초기결손성을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 피로균열의 진전을 특히 효과적으로 억제하는 것이 가능하게 된다.

Claims (13)

  1. 결합상으로서 4∼10중량%의 Co를 함유한 WC기 초경합금으로서, 이 합금단면의 경면연마조직에 있어서의 비율에 의거하여 경질상인 WC결정의 70%이상이 입도 0.1∼1㎛의 미립자 A의 군과 입도 3∼10㎛의 조립자 B의 군의 어느 하나로 분류되고, 이 미립자 A와 조립자 B의 면적비율(SA/SB)이 0.22∼0.45이고 2개의 피이크를 가진 입도분포를 가진 WC기 초경합금으로 이루어진 기재와; 이 초경합금의 표면에 배치된, 전체의 막두께가 5∼100㎛의 피복층으로 이루어지고; 상기 피복층이 Ti, Zr 또는 Hf의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 탄산화물 및 붕질화물로 구성한 군으로부터 선택된 1이상의 물질로 이루어진 1이상의 층과: Ti, Zr 또는 Hf의 산화물과 Al2O3로 구성한 군으로부터 선택된 1이상의 물질로 이루어진 층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 피복초경합금.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기재의 합금 속에, V; Cr; V 및 Cr; V 또는 Cr의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로 구성한 군으로부터 선택된 1이상의 성분; V 및 상기 1이상의 성분; Cr 및 상기 1이상의 성분; 또는 V와 Cr 및 상기 1이상의 성분을 함유하고, 이들 성분의 합계량이 0.1∼3중량%인 것을 특징으로 하는 피복초경합금.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기재의 합금 속에, Ti, Nb 또는 Ta의 1이상의 탄화물; Ti, Nb 또는 Ta의 1이상의 탄화물의 고용체; 또는 상기 1이상의 탄화물 및 상기 고용체가 5중량% 이하의 비율로 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 피복초경합금.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기재의 합금 중의 탄소량 X(중량%)가, -0.5(X-b)(a-b)0.67(상기 식중에, a(중량%)는 유리탄소가 초경합금 내에 발생되는 하한탄소량을 표시하고, b(중량%)는 η상이 초경합금내에 발생되는 상한탄소량을 표시한다.)의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 피복초경합금.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기재의 합금 속에 Ni와 Fe의 하나이상을 0.1∼10중량%로 함유하는 것을 특징으로 하는 피복초경합금.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기재의 합금 속에, 주기율표의 IVa, Va, VIa족 금속으로 구성한 군으로부터 선택된 금속의 질화물 및 탄질화물의 하나이상이 0.1∼15중량%의 비율로 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 피복초경합금.
  7. 제6항에 있어서, 상기 기재의 합금 속에, Zr, Ta, Nb로 구성한 군으로부터 선택된 금속의 질화물 및 탄질화물의 하나이상이 0.1∼15중량%의 비율로 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 피복초경합금.
  8. 제1항에 있어서, 상기 기재의 합금은, WC를 제외한 IVa, Va, VIa족 금속으로 구성한 군으로부터 선택된 금속의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물; 상기 금속의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물의 고용체; 또는 상기 금속의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물 및 상기 고용체가 합금내부와 비교하여 감소하고 있거나 혹은 실질적으로 존재하지 않는 두께 5∼50㎛의 표면영역을 가지는 것을 특징으로 하는 피복초경합금.
  9. 결합상으로서 4∼10중량%인 Co를 함유한 WC기 초경합금과 2개의 피이크를 가진 입도분포로 이루어진 기재와; 이 기재의 표면에 배치된, 전체의 막두께가 0.2∼10㎛의 피복층으로 이루어진 피복초경합금에 있어서, (a) 이 초경합금단면의 경면연마조직상의 면적비율에 의거하여 경질상인 WC결정의 70%이상이 입도 0.1∼1㎛의 미립자 A의 군과 입도 3∼10㎛의 조립자 B의 군의 어느 하나로 분류되고, 미립자 A와 조립자 B의 면적비율(SA/SB)이 0.22∼0.45이고; (b) 상기 초경합금 중의 탄소량 X(중량%)가, -0.5(X-b)(a-b)0.67(상기 식중에, a(중량%)는 당해조성을 가진 합금에 있어서 유리탄소가 발생되는 하한탄소량을 표시하고, b(중량%)는 당해조성을 가진 합금에 있어서 η상이 발생되는 상한탄소량을 표시한다.)의 관계를 만족하고; 또한 (c) 상기 피복층이 Ti의 탄화물, 질화물이나 탄질화물, 또는 Ti와 Al의 합금의 탄화물, 질화물이나 탄질화물로 이루어진 하나이상의 층인 것을 특징으로 하는 피복초경합금.
  10. 제9항에 있어서, 상기 기재의 합금 속에, V; Cr; V 및 Cr; V 또는 Cr의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로 구성한 군으로부터 선택된 1이상의 성분; V 및 상기 1이상의 성분; 또는 V와 Cr 및 상기 1이상의 성분을 함유하고, 이들 성분량의 합계가 0.1∼3중량%인 것을 특징으로 하는 피복초경합금.
  11. 제9항에 있어서, 상기 기재의 합금 속에, Ti, Nb 또는 Ta의 1이상의 탄화물; Ti, Nb 또는 Ta의 1이상의 탄화물의 고용체; 또는 상기 1이상의 탄화물 및 상기 그들의 고용체가 5중량%이하의 비율로 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 피복초경합금.
  12. 제6항에 있어서, 상기 IVa, Va, VIa족 금속은 Ti, Hf, Zr, Ta 및 Nb로 구성한 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 피복초경합금.
  13. 제8항에 있어서, 상기 IVa, Va, VIa족 금속은 Ti, Hf, Zr, Ta 및 Nb로 구성한 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 피복초경합금.
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