KR100325355B1

KR100325355B1 - ＷＣ-Ｃｏ계 초경합금과 공구강의 접합방법

Info

Publication number: KR100325355B1
Application number: KR1019990033635A
Authority: KR
Inventors: 김숙환; 장웅성
Original assignee: 신현준; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 1999-08-16
Filing date: 1999-08-16
Publication date: 2002-03-06
Also published as: KR20010017892A

Abstract

본 발명은 초경합금과 공구강의 접합방법에 관한 것으로, 소정의 조도로 연마된 공구강과 초경합금사이에 호일(foil)상 Ni계 금속을 삽입하여 접합 (brazing)시키면서 그 응고폭 및 반응층의 크기를 적절히 조절함으로써 접합강도가 우수한 초경합금과 공구강의 접합방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

따라서 본 발명은 WC-Co계 초경합금과 공구강을 접합(brazing)하는 방법에 있어서, 상기 초경합금과 공구강의 일측면을 연마한 후 초음파로 세척하는 단계; 상기 세척된 초경합금과 공구강을 그 연마된 면이 마주하도록 지그를 통해 고정하고 그 사이에 호일(foil)상의 Ni계 금속을 삽입하여 적층재를 형성하는 단계; 상기 적층재를 진공로에서 상기 Ni계 삽입금속의 용융점보다 20~100℃ 높는 온도로 가열하여 접합시키는 단계; 및 상기 접합된 적층재를 상온까지 노냉시키는 단계;를 특징으로 하는 초경합금와 공구강의 접합방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

ＷＣ-Ｃｏ계 초경합금과 공구강의 접합방법{A method for brazing WC-Co and tool steel}

본 발명은 초경합금과 공구강의 접합(브레이징:brazing)방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초경합금과 공구강사이에 호일(foil)상의 Ni계 금속을 삽입하여 가열접합시킴으로서 우수한 접합강도를 갖는 초경합금과 공구강의 접합방법에 관한 것이다.

종래 프레스나 타발기 등의 공작기계에 사용되는 펀치는 크게 2종류로 구분할 수 있다. 하나는 펀치 전체를 텅스텐 카바이드로 성형하는 방법으로서, 이 방법에 의해 제조된 펀치를 사용할 경우 그 재질자체가 탄화물이기 때문에 취약하여 쉽게 파손될 수 있다. 또한, 그 전체가 초경합금이기 때문에 가공이 힘들뿐만 아니라 그 재료비도 비싸다는 문제가 있었다. 다른 하나의 방법으로 텅스텐 카바이드 팁 길이의 1/3이상을 공구강의 단부에 삽입한 후 은납 또는 동 용접으로 결합시키는 방법이 있다. 그러나 이 방법으로 펀치를 제조할 경우 팁을 안정하게 삽입하기 위하여 필요이상의 길이를 준비하지 않으면 안되고 이에 따라 값이 비싸지는 문제가 있었다. 또한, 초경합금 팁과 공구강을 결합시키기 위한 공정이 복잡할 뿐만 아니라 고속 및 연속적인 충격에 견디기 위하여 초경합금 팁과 공구강의 요철 접척부분에 유격이 허용되지 않아 가공의 정도가 요구되었다. 특히, 각을 이루는 부분에 있어서는 응력집중을 피할 수 없으므로 결함이 생기기 쉽다는 문제가 있었다. 따라서 텅스텐 카바이드 팁을 필요한 두께로 직접 공구강의 샹크(shank)단부에 결합시킴과 아울러 재료를 절약하고 동시에 공구강의 수명이 향상될 수 있는 텅스텐 카바이드 팁과 샹크(shank)를 접합(brazing)할 수 있는 방법의 개발이 요청되었다.

이러한 텅스텐 카바이드 팁과 공구강 단부를 직접 접합(brazing)할 수 있는 기술의 일예로서 공구강에 초경합금을 소결접합하는 것을 제시하고 있는 일본 특허공개공보(평 9-300024)가 있다. 그러나 소결공정은 그 자체가 복잡하고 제조시간이 많이 소요되므로 제품원가측면에서 문제가 있다.

그리고 공구강에 초경합금을 접합시키는 또다른 기술로서 일본특허공개공보(소60-250872)가 있다. 이 방법은 도 1(a)(b)에 나타난 바와같이 초경합금(1)과 공구강(2)을 Ni과 Co의 분말상 삽입금속(3)을 사용하여 접합시키는 기술로서, 그 접합계면의 중앙부가 요철되어 있다. 그러나, 이 방법은 별도로 공구강(2)을 요철가공해야 한다는 불편이 따른다. 또한, 접합부의 결함을 제거하여 접합강도 향상을 위해서는 접합면에 적당한 조도를 부여하는 것이 중요한데, 요철가공에 따라 표면연마가 힘들어 적당한 표면조도를 부여할 수 없다는 문제가 있다. 또한, 공구강은 열팽창계수가 큰 반면 초경합금은 열팽창계수가 작기 때문에 그 차이에 의해 접합(brazing)시 응력이 발생하여 초경합금에 균열이 발생하기 쉽다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 소정의 조도로 연마된 공구강과 초경합금사이에 평면의 호일(foil)상 Ni계 금속을 삽입하여 접합(brazing)시키면서 그 응고폭 및 반응층의 크기를 적절히 조절함으로써 접합강도가 우수한 초경합금과 공구강의 접합방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

도 1(a)(b)는 종래의 초경합금과 공구강의 접합방법으로서 공구강에 요철을 둔 분말상 Ni 금속을 이용한 접합방법의 개략도

도 2는 본 발명에 따른 초경합금과 공구강의 접합방법으로

도 2(a)는 지그(JIG)의 좌우시편고정장치에 의해 고정된 적층재를,

도 2(b)는 지그의 전후시편고정장치에 의해 고정된 적층재를 나타낸

개략도

도 3은 본 발명에서 응고폭변화에 따른 균열발생율을 나타내는 그래프

도 4는 본 발명에 있어서의 표면평균조도에 따른 접합강도의 변화를 나타내

는 그래프

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10..........하부 지지대 20..........좌우시편고정장치

21..........전후시편고정장치 22..........시편고정장치의 고정구

30..........초경합금 31,41........삽입금속 흐름방지제

40.......... 공구강 50..........삽입금속

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, WC-Co계 초경합금과 공구강을 접합(brazing)하는 방법에 있어서, 상기 초경합금과 공구강의 일측면을 연마한 후 초음파로 세척하는 단계; 상기 세척된 초경합금과 공구강을 그 연마된 면이 마주하도록 지그를 통해 고정하고 그 사이에 호일(foil)상의 Ni계 금속을 삽입하여 적층재를 형성하는 단계; 상기 적층재를 진공로에서 상기 Ni계 삽입금속의 용융점보다 20~100℃ 높는 온도로 가열하여 접합시키는 단계; 및 상기 접합된 적층재를 상온까지 노냉시키는 단계;를 특징으로 하는 초경합금와 공구강의 접합방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에선 공구강과 초경합금사이에 호일(foil)상의 Ni계 금속을 삽입한 적층재를 형성하고, 이를 소정의 온도로 가열하여 그 접합시 삽입금속의 응고폭 및 반응층을 제어함으로써 우수한 접합강도를 확보함을 그 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 있어선 상기 적층재를 10^-4Torr이하의 진공로에서 Ni계 삽입금속의 용융점보다 20~100℃ 높은 온도로 가열함이 바람직하다. 그 이유는, 가열온도가 삽입금속 용융점보다 20℃미만으로 높을 경우 삽입금속의 용융이 불완전하여 완벽한 접합을 형성할 수 없어 소정의 접합강도에 필요한 Ni계 삽입금속의 응고폭을 유지할 수 없기 때문이다. 또한, 가열온도가 삽입금속의 용융점보다 100℃를 초과하여 높을 경우 그 접합계면에서의 반응층이 너무 두꺼워져 취약하기 때문에 냉각중 균열발생의 염려가 있으며, 아울러 초경합금과 고속도공구강의 큰 열팽창계수 차이때문에 계면응력이 커져 균열이 발생하기 때문이다. 가장 바람직하게는 상기 적층재를 1030~1090℃ 온도범위에서 가열할 수 있도록 Ni계 금속은 그 만큼 용융점을 낮은 것을 사용한다. 순수Ni금속은 용융점이 약 1450℃로 높기 때문에 가열온도가 높아져 비경제적이다. 따라서, Ni계 합금으로서 용융점이 낮아 융점보다 20~100℃ 높은 1030~1090℃에서 가열할 수 있는 Ni계 금속을 선택한다.

또한, 본 발명에서는 상기 적층재의 가열시간은 5~15분으로 제한함이 바람직한데, 이는 5분미만의 경우 완벽한 접합부를 형성할 수 없으며 15분을 초과하는 경우 반응층이 너무 커질 염려가 있기 때문이다.

또한, 본 발명에서는 초경합금의 크기를 공구강 90~98% 수준이되도록 함이 바람직한데, 이는 양 소재간 열팽창계수의 차이에 기인한 균열발생을 방지하고 접합후 가공량을 최소하기 위함이다.

상술한 바와같이, 본 발명에선 적층재의 우수한 접합강도를 담보하기 위해선 상기 적층재의 고온접합시 Ni계 삽입금속의 응고폭이 소정의 크기로 제한될 것이 요구된다. 이러한 응고폭은 상기 적층재의 가열온도, 가열시간 등에 따라 달라질 수 있으나, 가장 바람직하게는 그 응고폭을 60~90㎛로 제한하는 것이다.

또한, 본 발명은 상기 적층재의 우수한 접합강도를 담보하기 위해선 그 접합부를 이루는 초경합금과 공구강의 표면부를 그 적층전에 적절한 조도로 연마함을 특징으로 하는데, 바람직하게는 그 평균 표면조도(Ra)를 0.06~0.07μ범위로 제한하는 것이다. 왜냐하면, 상기 표면조도가 0.06미만일 경우 용융된 Ni계 삽입금속의 젖음성이 나빠지며, 0.07을 초과할 경우 그 표면이 거칠게 연마되어 용융된 삽입금속간의 접촉면적의 감소를 초래하여 접합강도가 떨어질뿐만 아니라 결함발생측면에서도 불리하기 때문이다.

한편, 상기 진공로에서 접합된 적층재는 상온으로 노냉되는데, 이때 접합(brazing)직후부터 750℃까지는 10^-2Torr 정도의 저진공상태로 유지함이 바람직하다. 왜냐하면, 10^-4Torr이하의 고진공하에서 냉각시킬 경우 초경합금중의 Co등이 증발되어 초경합금의 경도저하 및 강도저하를 초래하기 때문이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 있어 초경합금과 공구강와의 사이에 Ni계 금속을 지그(JIG)를 통해 삽입하는 것을 나타내는 개략도이다.

먼저 초경합금과 공구강은 그 접합계면이 될 일측면을 소정의 조도로 연마하고 초음파로 세척시킨다. 그리고 도 2에 나타난 바와같이, 세척된 공구강 (40)과 초경금합금(30)은 좌우시편고정장치(20)과 전후시편고정장치 (21)를 통하여 그 연마된 면이 마주하고 중심선이 일치하도록 고정하고 그 사이에 호일(foil)상의 Ni계 금속(50)을 삽입시켜 적층재를 형성한다. 여기에서 상기 시편고정장치들은 하부지지대(10)에 의해 지지되며, 시편고정장치 고정구(22)에 의해 고정된다.

상기와 같이 형성된 적층재는 소재의 산화 및 불순물의 오염을 최소화하기 위하여 10^-4Torr이하의 진공로에서 가열되며, 그 가열온도는 상기 삽입금속의 용융점보다 20~100℃높은 온도로 제한함이 바람직하다. 이러한 온도로 가열되면 Ni계 삽입금속이 용융되어 소재에 젖으면서 표면장력에 의해 퍼져 접합된다. 그러나, 통상 Ni계 금속은 초경합금과 공구강에 젖음성이 좋기 때문에 접합시 용융된 삽입금속이 접합부의 외부로 흘러 결국 삽입금속량의 감소를 초래하여 건전한 접합부를 형성할 수 없다는 문제가 있다.

따라서 필요한 부위에만 삽입금속이 젖으면서 건전한 접합부가 형성되도록 삽입금속 흐름방지제(stopoff:31,41)를 초경합금과 공구강주변에 도포함이 바람직하다. 이렇게 삽입금속 흐름방지제를 도포함으로서 접합부가 항상 일정한 응고폭과 반응층을 형성하도록 유지시켜 주기 때문에 균열발생 없는 건전한 접합부를 얻을 수 있는 것이다.

상기와 같이 얻어진 접합된 적층재는 최종적으로 상온까지 노냉시켜 접합강도가 우수한 초경합금과 공구강의 접합재를 얻을 수 있는데, 보다 바람직하게는, 초경합금중의 Co의 증발에 따라 야기될 수 있는 초경합금의 경도 및 강도저하를 방지하기 위해서 접합직후부터 750℃까지는 10^-2Torr정도의 저진공상태에서 냉각시킴이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예 1)

초경합금과 공구강의 접합면을 연마한후 초음파세척하고 이를 지그를 통해 고정하면서 Ni의 함량이 85%인 Ni-Cr-Fe-Si등을 포함한 합금금속을 삽입시켜 적층재를 만들었다. 이 적층재를 진공로에서 1030℃에서 10분간 접합시키고 그후 접합된 적층재를 상온으로 냉각시켰다. 그리고 상기 접합된 적층재를 절단하여 삽입금속의 응고폭을 측정한후 그에 따른 접합부의 균열발생여부를 측정하여 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3에 나타난 바와같이 삽입금속의 응고폭이 60~90㎛일때 균열발생없는 건전한 접합부가 얻어짐을 알 수 있다.

(실시예 2)

접합부가 될 초경합금과 공구강의 일측면을 그 조도를 달리하여 연마된 수개의 시편을 마련하였으며, 중간 삽입금속으로 상기 실시예 1과 동일한 Ni계 삽입금속을 사용하였다. 그리고 이들을 상기 실시예 1에서와 동일한 조건으로 진공로에서 접합시킨후 상온으로 냉각시켰으며, 그 평균 표면조도(Ra)에 따른 접합강도를 측정하여 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타난 바와같이, 그 평균표면조도가 0.06~0.07μ일때 가장 우수한 접합강도를 가짐을 알 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 호일(foil)상의 Ni계 금속을 초경합금과 공구강사이에 삽입하여 접합하면서 그 반응층 및 응고폭을 적절히 제어함으로써 접합강도가 우수한 초경합금과 공구강의 접합재를 제조할 수 있다. 또한 본 발명은 그 접합계면이 평면이므로 자동화 연마가 용이하여 생산성제고를 꾀할 수 있음과 아울러 초경합금과 공구강 소재의 표면조도를 적절히 제어함으로써 우수한 접합강도를 얻음에도 유용한 효과가 있는 것이다.

Claims

WC-Co계 초경합금과 공구강을 접합하는 방법에 있어서, 상기 초경합금과 공구강의 일측면을 연마한 후 초음파로 세척하는 단계; 상기 세척된 초경합금과 공구강을 그 연마된 면이 마주하도록 지그(JIG)를 통해 고정하고 그 사이에 호일(foil)상의 Ni계 금속을 삽입하여 적층재를 형성하는 단계; 상기 적층재를 진공로에서 상기 삽입재의 용융점 보다 20~100℃ 높은 온도범위에서 5~15분 동안 가열시켜 접합시키는 단계; 및 상기 접합된 적층재를 상온으로 노냉시키는 단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 WC-Co계 초경합금과 공구강의 접합방법
제 1항에 있어서, 상기 적층재가 진공로에서 Ni계 금속의 용융점 보다 20~100℃ 높은 온도인 1030~1090℃의 온도에서 가열되도록 상기 Ni계 금속을 선택하는 것을 특징으로 하는 접합방법
제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 적층재를 형성하는 단계에서 삽입금속 흐름방지제(stopoff)를 초경합금과 공구강주변에 도포함을 특징으로 하는 접합방법
제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 Ni계 삽입금속의 응고폭은 60~90㎛임을 특징으로 하는 접합방법
제 4항에 있어서, 상기 초경합금은 공구강의 90~98%크기임을 특징으로 하는 접합방법
제 3항에 있어서, 상기 Ni계 삽입금속의 응고폭은 60~90㎛이며, 상기 초경합금은 공구강의 90~98%크기임을 특징으로 하는 접합방법
제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 초경합금과 공구강의 연마는 표면평균조도가 0.56~0.74 μ의 범위가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 접합방법
제 7항에 있어서, 상기 초경합금은 고속도공구강의 90~98%크기이고 상기 Ni계 삽입금속의 응고폭은 60~90㎛임을 특징으로 하는 접합방법
제 6항에 있어서, 상기 초금합금과 공구강의 연마는 표면평균조도가 0.56~0.74 μ의 범위가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 접합방법
제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 접합된 적층재는 접합후 750℃에 이를때까지 10^-2Torr정도의 저진공상태에서 냉각됨을 특징으로 하는 접합방법
제 10항에 있어서, 상기 초경합금은 고속도공구강의 90~98%크기이고, 상기 Ni계 삽입금속의 응고폭은 60~90㎛임을 특징으로 하는 접합방법
제 6항 또는 9항에 있어서, 상기 접합된 적층재는 접합후 750℃에 이를때까지 10^-2Torr정도의 저진공상태에서 냉각됨을 특징으로 하는 접합방법