KR0178577B1 - 초경합금 소결용 트레이 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초경합금 소결용 트레이(tray)에 관한 것으로, 특히 내식성과 비자성 초경합금 소결제품인 소형정밀 부품이나 박판형 제품생산시 트레이와 소결제품간의 반응을 억제하고 제품불량 발생을 감소하는데 적합한 소결용 트레이와 그 제조에 관한 것으로, WC-Ni계 초경합금 소결용 트레이에 있어서, 트레이에 금속탄화물(특히 WC)이 코팅된 트레이로 구성됨과 함께 이에 대한 제조에 있어서는 트레이에 금속분말(M : 특히 W)을 도포한 후 1200∼1600℃ 온도 및 30∼3시간에서 M(W) + C → MC(WC)+ C 반응열처리하여 MC(특히 WC)코팅층이 형성된 트레이를 얻게 하는 제조방법에 관한 기술이다.

Description

초경합금 소결용 트레이(Tray) 및 그 제조방법

제1도는 본 발명 트레이에 코팅층 단면조직을 나타낸 현미경 사진으로써,

(a)는 200배 확대조직도.

(b)는 800배 확대조직도.

제2도는 본 발명 트레이의 코팅층에 대한 XRD 성분분석도.

제3도는 본 발명과 종래에 따른 소결제품(시계케이스)의 반응표면상태도 사진으로써,

(a)는 종래 트레이에 의한 표면 상태도.

(b)는 본 발명 트레이에 의한 표면 상태도.

제4도는 제3도에 대한 소결체의 미세조직을 나타낸 현미경 사진으로써,

(a)는 종래 상태도.

(b)는 본 발명 상태도.

제5도는 본 발명의 WC 코팅 트레이로 소결한 WC-Ni계 초경합금 박판을 나타낸 상태도 사진.

본 발명은 초경합금 소결용 트레이(Tray)에 관한 것으로서, 특히 내식성과 비자성 초경합금 소결제품인 소형정밀 부품이나 박판형 제품생산시 트레이와 소결제품간에 반응을 억제하고 제품불량 발생을 감소하는데 적합한 소결용 트레이 및 그 제조에 관한 것이다.

WC(탄화텅스텐)기 초경합금은 WC-Co 계와 WC-Ni 계로 대별할 수 있다.

WC-Ni계 합금은 WC-Co계 합금과는 달리 합금탄소량의 조절 및 첨가원소등에 의해 비자성 특성을 보일 뿐 아니라 내식성도 WC-Co계 합금에 비해 우수한 것으로 알려져 있다.

따라서 내식성 및 비자성 초경합금이란, 주로 WC-Ni계 합금을 말하는데, 초경합금이 절삭공구나 내마모 및 금형소재, 광산팁(tip) 등과 같은 용도를 비롯하여 자석용 금형, 오디오와 비디오 테이프(audio video tape) 및 각종 자기기록용 테이프 캇 터(tape cutter), 시계용 부품, 내식성 칼(knife)등과 같은 용도로까지 그 응용분야가 넓어지면서 사용환경적 특수성에 부합하는 물성이 요구되고 있다.

따라서 WC-Co계와는 또 다른 용도로의 WC-Ni계 합금의 폭넓은 응용이 예견된다.

그러나 이같은 전망에도 불구하고 WC-Ni계는, WC-Co계에 비해 소결분위기에 예민할 뿐 아니라, 소결용 트레이로 일반적으로 사용되고 있는 흑연(graphite)이나 세라믹 트레이와는 활발한 반응을 일으킨다.

따라서 소결공정에서 높은 불량율과 낮은 생산성으로 인해, 극히 한정된 용도 및 형상의 제품만이 생산 공급되고 있는 실정이어서 WC-Ni계 합금의 다양한 용도로의 높은 응용 가능성을 제한하는 주된 요인으로 작용하고 있다.

더구나, WC-Ni계 합금의 주요 용도가 주로 고도의 소결성이 요구되는 소형 정밀부품이나 박판형 제품들이기 때문에, 전용 트레이 개발을 통한 소결기술의 확립은 WC-Ni계 합금제조의 가장 핵심적인 기술로 평가되고 있어, 내식성 비자성 초경합금 제품의 주도권 확보를 위해서 반드시 극복해야할 기술적 과제라 하겠다.

지금까지 알려져 있는 WC-Ni계 초경합금의 소결용 트레이는 크게 두가지 방법으로 제조하고 있다.

첫째 방법은 흑연판(graphite plate)에 패킹(packing) 재로 A1₂O₃분말과 흑연(graphite)의 혼합분말을 45-60 매쉬망(mesh screen)을 사용하여 얇게 뿌려준 뒤, 그 위에 성형체를 놓고 소결하는 방법으로 주로 칫수가 큰 제품의 소결에 사용되고 있다.

그러나 이 방법은 소형품의 소결에는 부적합할 뿐 아니라, 소결시 패킹(Packing)재로 사용된 혼합분말의 비산으로 소결로 내부오염은 물론, 진공오일에 조기오염에 따른 펌프의 수면저하를 초래한다.

둘째 방법은 ZrO₂와 같은 세라믹판을 다이론(Dylon)(내열성 흑연도료)이나 흑연(graphite)과 알콜 혼합용액에 함침 및 건조하여 진공 혹은 수소분위기로 1500℃, 1시간 이상 반응 열처리한 후, 그 위에 성형체를 놓고 소결하는 방법이다.

그러나, 이 경우 역시 소결중 제품이 트레이와의 반응으로 인해 탈탄이나 침탄 및 휨현상(warpage)이 일어나기 쉬워, 품질 저하는 물론 높은 불량율을 보이기 때문에 생산성이 떨어진다.

더욱이 세라믹판의 칫수 제한으로 제품의 칫수 및 형상은 물론 생산량에 많은 제한이 따른다.

이처럼 기존의 소결 트레이들로는 다양한 규격 및 용도의 비자성 초경합금의 제조가 어렵고 품질 또한 불안정하다.

현재 CVD법에 의해 TiC 코팅 트레이와 SiC 코팅 트레이가 공업적으로 일부 사용되고 있지만, 제조비용이 비싸고 패킹(packing)성이 떨어져 WC-Ni계 초경합금용 소결 트레이로는 부적합하다.

이에 본 발명은 일반적으로 사용되고 있는 종래의 소결용 트레이에서 나타나는 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 기존의 트레이에 금속탄화물을 코팅함으로써, 특히 WC-Ni계 초경합금 소결시 오염에 따른 물성저하의 염려가 없을 뿐만 아니라 우수한 패킹(packing)성을 갖게 되어 정밀소형 부품 내지는 박판의 소결제품의 제조가 이용하는 등 다양한 용도의 내식성, 비자성 초경합금 소결을 트레이를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적 달성을 위해 본 발명은 WC-Ni계 초경합금 소결용 트레이에 있어서, 트레이에 각종 금속탄화물이 코팅된 트레이로 이루어진다.

본 발명은 이와 같은 금속탄화물 중 특히 WC이 코팅된 트레이가 가장 바람직하다.

상기한 트레이를 제조함에 있어서는 트레이에 금속분말(M)을 도포하여 건조한 후 수소 또는 진공분위기에서 1200∼1600℃ 온도 및 30분∼3시간 열처리하여 M + C → MC + C 반응유도로 되게 하거나 상기 단계를 반복적으로 한 후 상기한 코팅층에 다이론용액 또는 흑연과 알콜이 혼합된 용액을 도포한 후 상기한 동일 열처리조건으로 열처리 함으로서 MC 코팅층이 형성된 트레이를 얻게된다.

상기한 금속분말은 텅스텐(W)분말이 가장 바람직하며 상기한 열처리에 따라 WC 코팅이 형성된다.

일반적으로 초미립 텅스텐 분말은 탄소 분위기에서 비교적 낮은 온도(약 1200℃)에서 쉽게 탄화가 일어나고, 일단 탄화되면 다른 금속탄화물과는 달리 탄소와 화학량론적 화합물을 만들어 매우 안정하다.

또한. 흑연 트레이(graphite tray)의 입계사이로 침투된 초미립 텅스텐 입자들이 탄화와 함께 약 32%의 부피팽창으로 트레이에 강하고 고착됨과 동시에 입자간 상호 활발한 반응으로 매우 치밀하고 견고한 코팅층을 형성한다.

뿐만 아니라 초경합금의 주원료인 텅스텐 분말을 사용하기 때문에 오염에 따른 물성저하의 염려가 없으며, WC-Ni계 합금과는 특이하게 우수한 패킹(packing)성을 보이는데(본 발명을 통해 확인) 이에 대한 정확한 원인은 아직 규명되지 않고 있다.

상기한 다이론(dylon)용액은 주성분이 흑연분말이고, 주용도는 이형제로 사용되는데, 이와 같는 다이론은 텅스텐을 탄화시켜 트레이에 코팅시키는 작용을 한다.

상기한 열처리조건에 있어서 온도인 1200℃는 텅스텐(W)과 탄소(C)가 반응하여 WC상태로 되기 위한 최소온도이고, 1600℃이상에서도 반응이 짧아 가능하나 1600℃이하에서도 충분히 탄화가 일어나기 때문에 경제적으로 불리한 1600℃이상으로 할 필요가 없다.

또한 30분이하에서는 충분한 탄화가 곤란하고 3시간 이상의 경우도 가능하나 경제성을 고려하여 3시간 이내로 하였다.

다음은 실시예에 따라 설명한다.

하기한 실시예는 본 발명중 하나의 예를 제시하는데 불과함으로 이에 국한되지 않는다.

[실시예 1]

0.8㎛의 텅스텐 분말 500gr을 소량의 계면활성제(원료분말의 0.lwt%)가 첨가된 알콜응액과 함께 460cc의 미니자(mini-jar)를 사용하여 88rpm의 속도로 약 5시간 밀링(milling)하여 응집체를 완전히 분해한다.

본 실시예에서 계면활성제는 볼 밀링시 밀링효과를 높여 이와 같은 밀링 효과에 따라 코팅효율을 증대시키기 위해 당해분야에서 일반적으로 첨가하여 실시하고 있는 바 본 발명에서는 특정하지 않는다.

이 혼합용액을 압축 분사기(sprayer)를 사용하여 미리 표면을 가볍게 센드 브라스트(sandblasting) 처리해 놓은 흑연 트레이(graphite tray)상에 일정두께(반응열처리 후의 코팅층 기준으로 10-20㎛)로 분사하여 자연건조 시킨 후, 수소 혹은 진공 분위기 중에서 시간당 350℃에 승온속도로 1500℃, 1시간 동안 반응열처리를 행하여 트레이상에 1차 코팅층을 형성시킨다.

그러나 이때 형성된 코팅층은 반응열처리 동안 수축에 의해 미세균열들이 여러갈래로 생겨날 수 있기 때문에, 이 균열들을 메움과 동시에 보다 치밀하고 견고한 코팅층을 만들기 위해 앞과 동일한 방법으로 2차 코팅처리를 행함이 바람직하다.

2차 코팅처리가 끝나면. 다시 묶은 다이론(dylon) 용액이나. 흑연(graphite)과 알콜 혼합액을 분사기(sprayer)를 사용하여 코팅층 내부로 충분히 침투시켜 자연 건조시킨 후, 다시 1500℃에서 1∼3 시간 반응열처리를 행함으로써 미탄화된 텅스텐 분말을 완전 탄화시킴과 동시에 코팅층과 트레이와의 부착력을 향상시키고 또한 코팅층을 형성하고 있는 탄화물 입자간의 결합력을 높여 치밀하고 견고하게 코팅 트레이를 제조하였다.

제1도는 본 발명의 WC 코팅처리가 끝난 트레이에 탄면조직을 나타낸 것으로, (a) 및 (b)는 각각 200배와 800배 확대한 현미경 사진이다.

이에 알 수 있는 바와 같이 약 20∼40㎛의 코팅층이 형성되었음을 알수 있다.

제2도는 코팅층에 대한 XRD 분석결과를 나타낸 것으로 W + C → WC +C 반응에 의해 W의 WC로의 완전 탄화가 일어났음을 알 수 있다.

제3도는 기존의 세라믹 트레이 (a)와 본 발명 트레이 (b)를 사용하여 통상적인 조건으로 동시에 소결한 남자용 시계 케이스 제품의 소결체 표면 상태(트레이와의 반응면)를 나타낸 것으로, 본 발명 트레이를 사용한 경우의 소결체 표면조직이 기존 트레이를 사용한 경우에 비해 더 양호함을 보여주고 있다.

또한 제4도는 제3도의 두 소결체의 미세조직을 상호 비교한 것으로, 이에 나타난 바와 같이 발명 트레이로 소결한 제품(b)이 기존 트레이를 사용한 제품(a)에 비해 더욱 균일한 바인더(binder) 분포를 보여주고 있다.

한편 제5도는 기존 트레이로는 종래 생산이 어려웠던 OD 124 × ID 30.5 × T 1.34 규격의 박판 성형체를 본 발명 트레이를 사용하여 통상적인 소결 조건(1400℃/60min)으로 생산한 제품의 소결체 사진으로 2/1000 이내의 직진도를 보여주고 있다.

기존 트레이로 이같은 제품을 소결할 경우, 제품과 트레이와의 활발한 반응으로 탈탄이나 침탄에 의한 불순상이 생성되기 쉽고, 또한 심한 휨현상(warpage)이 발생하여 생산이 불가능하였다.

이상에서와 같이, 본 발명(WC 코팅 트레이 및 제조방법)을 통하여 손쉽게 그리고 매우 저렴한 비용으로 WC 코팅 트레이를 비롯한 기타 각종의 금속탄화물 코팅 트레이의 제조는 물론, 고부가치의 소형 정밀부품 및 박판 제품의 WC-Ni계 합금제조가 가능해짐에 따라 다양한 용도의 내식성, 비자성 초경합금의 본격적인 제품개발이 가능해졌다.

Claims (2)

1. WC-Ni계 초경합금 소결용 흑연(Graphite)재질로 된 트레이(tray)에 있어서, 트레이 표면에 탄화텅스텐(WC)이 코팅되어 이루어짐을 특징으로 하는 초경합금 소결용 트레이(tray).
2. WC-Ni계 초경합금 소결용 흑연(Graphite)재질로 된 트레이(tray)에 있어서, 텅스텐(W)분말을 계면활성제가 첨가된 알콜용액과 혼합하여서 된 혼합액을 흑연(Graphite)재질로 된 트레이상에 도포하여 건조한 후, 수소 또는 진공분위기에서 1200~1600℃ 및 제30~3시간 열처리하여 코팅층을 형성시키는 단계로 하거나 이 단계를 반복적으로 한 후 이어서 상기한 코팅층에 묽은 다이론(dylon) 용액(내열성 흑연 도료) 또는 흑연과 알콜이 혼합된 혼합액을 도포한 후 수소 또는 진공분위기에서 1200~1600℃ 및 30분~3시간 열처리하는 단계로 하여 탄화 텅스텐(WC)이 코팅된 트레이를 얻게 함을 특징으로 하는 초경합금 소결용 트레이(tray)의 제조방법.