KR100453720B1 - Ｚｒ 및 Ｈｆ 성분을 함유하는 Ｔｉ(ＣＮ)계 서멧트 및이의 제조방법 - Google Patents

Ｚｒ 및 Ｈｆ 성분을 함유하는 Ｔｉ(ＣＮ)계 서멧트 및이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에는 강(steel)의 선삭(turning) 또는 밀링(milling) 절삭 공구용 재료로 적합한 Zr 및 Hf 성분을 함유한 Ti(CN)계 서멧트(cermet)에 대해 개시되어있다. 본 발명에 의하면 50wt% 이상의 Ti(CxNyOz)[단, 0<x+y+z≤1]와 10wt% 이하의 Ni 및 10wt% 이하의 Co를 주성분으로 하고, 첨가물로 1wt% 이하의 Zr(CxNyOz)[단, 0<x+y+z≤1], Hf(CxNyOz)][단, 0<x+y+z≤1], 그리고 (HfaZrb)(CxNyOz)[단, 0<a+b≤1; 0<x+y+z≤1] 중 한 종류 이상 함유하고, 40wt% 이하의 Me(CxNyOz)[단, 0<x+y+z≤1; Me = 주기율표에서 Va 족 또는 VIa 족 금속 중 하나] 중 한 종류 이상을 함유한 합금을 소결 온도 1450℃에서 1 시간 진공 소결하여 제조함으로써 종래의 서멧트보다 우수한 합금 특성 및 절삭 성능을 나타내는 Ti(CN)계 서멧트 및 그 제조 방법이 제공된다.

Description

Ｚｒ 및 Ｈｆ 성분을 함유하는 Ｔｉ(ＣＮ)계 서멧트 및 이의 제조방법{Ti(CN)-based cermets containing Zr or Hf components and manufacturing method thereof}
본 발명은 강(steel)의 선삭(turning) 또는 밀링(milling) 절삭 공구용 재료에 적합한 서멧트(cermet) 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 내마모성과 내충격성이 우수한 Ti(CN)계 서멧트 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 바람직하게는 본 발명은 Zr 및 Hf 성분을 함유하는 Ti(CN)계 서멧트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
대한민국 특허공보(등록번호:1995-0009222)에 기술된바와 같이, 일반적으로, 서멧트는 경질상으로 Ti(CN)과 결합상으로 Ni, Co 및 Fe 등의 금속을 주성분으로 하고, 주기율표에서 IVa, Va, 그리고 VIa 족 금속의 탄화물, 질화물, 그리고 탄질화물 등을 첨가물로 함유한 세라믹-금속 복합 소결체를 말한다.
미합중국 특허 제 4,942,097호와 제 5,149,361호에서 언급된 것처럼 Ti(CN)-Me1C-Me2C-Me3C-Ni/Co(Me는 주기율표에서 IVa, Va, 그리고 VIa 족 금속 중 하나) 형태의 성분을 갖는 Ti(CN)계 서멧트에 대해 자세히 기술해보면 다음과 같은 특징이있다.
Ti(CN)계 서멧트 소결체의 전형적인 미세 조직은 유심 구조(core/rim structure)를 나타난다. 유심 구조에서, 코어(core)는 소결 중 녹지 않고 남아 있는 Ti(CN)이고, 림(rim)은 (Ti,Me1,Me2,Me3)(CN)형태의 고용상이다. 결합상은 유심 구조 경질상을 둘러싼 형태로 존재한다.
Ti(CN) 서멧트에서 유심 구조 경질상은 내마모성에, 결합상은 인성에 가장 큰 영향을 주는 성분으로 알려져 있다. 또한, MeC 형태로 첨가된 첨가 탄화물은 각각 서멧트의 특성에 다른 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 즉, WC 또는 Mo2C는 경질상과 결합상 간의 습윤성(wettability)을 향상시켜 입자 미세화 효과를 부여 경도를 증가시키는 것으로 보고되어 있으며, TaC 또는 NbC는 서멧트의 고온 경도(hot hardness)나 고온 항절력과 같은 고온 성질을 향상시키는 탄화물로 알려져 있다.
또한, VC 또는 Cr3C2는 서멧트 결합상에 고용되어 결합상의 경도를 증가시키는 탄화물로 보고되어 있다.
하지만, 최신 Ti(CN)계 서멧트의 조성 디자인에 있어 경질상, 결합상 및 첨가 탄화물 양의 최적화, 그리고 적절한 첨가 탄화물의 선택이 필수적이나 이에 대한 이해가 미흡한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 종래의 Ti(CN)계 서멧트보다 우수한 합금 특성 및 절삭 성능을 나타낼 수 있고, 따라서 내마모성 및 내충격성이 우수한 새로운Ti(CN)계 서멧트 및 그 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 Zr 또는 Hf와 C, N 및 O와 의 화합물을 1wt% 이하 함유하는 Ti(CN)계 서멧트를 제공한다.
보다 상세하게는, 본 발명에 따르면 50wt%이상, 바람직하게는 50~59.5wt%의 Ti(CxNyOz) [단, 0<x+y+z≤1]와 10wt% 이하, 바람직하게는 5~10wt%의 Ni 및 10wt% 이하, 바람직하게는 5~10wt%의 Co를 주성분으로 하고, 첨가물로 1wt% 이하, 바람직하게는 0.5~1wt%의 Zr(CxNyOz)[단, 0<x+y+z≤1], Hf(CxNyOz)[단, 0<x+y+z≤1] 및 (HfaZrb)(CxNyOz)[단, 0<a+b≤1, 0<x+y+z≤1] 중 한 종류 이상, 그리고 40wt% 이하, 바람직하게는 30~40wt%의 Me(CxNyOz)[단, 0<x+y+z, Me = 주기율표에서 Va족 또는 VIa족 금속 중 하나] 중 한 종류 이상을 함유하는 합금으로 구성되는 Ti(CN)계 서멧트를 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기와 같은 합금을 1450℃의 소결 온도에서 1 시간 진공 소결하는 Ti(CN)계 서메트의 제조 방법을 제공한다.
이하에서는 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
먼저 본 발명의 주성분인 Ti(CxNyOz)[단, 0<x+y+z≤1]의 양은 50wt% 이상으로 하는데, 이는 이 성분의 양이 50wt% 미만이 되면, 절삭 성능 중 내마모성이 급격히 저하되기 때문이다.
또한 상기한 Me(CxNyOz) 중 한 종류 이상의 첨가량을 40wt% 이하로 제한하는이유는 이 성분이 40wt%를 초과하게 되면 첨가 화합물의 석출, 결합상과 금속간 화합물의 형성 등의 물성 저하 원인이 될 수 있기 때문이다. 여기서 Me는 V, Cr, Nb, Ta, Mo 또는 W 중에서 한 종류 이상을 선택한다. 또한 상기한 Zr(CxNyOz), Hf(CxNyOz) 및 (HfaZrb)(CxNyOz) 중 한 종류 이상의 첨가량이 1wt% 이상이 되면 소결성 저하 및 미세 기공 형성 등의 원인이 되므로 이들 성분은 1wt% 이하로 제한한다.
또한 이들 합금의 소결체는 진공 상태에서 1450℃로 1시간 소결 하면 충분히 치밀화된 소결체를 얻을 수 있으므로 소결 온도와 시간은 이와 같이 한다.
<실시 예>
표 1에서와 같은 배합 조성으로 하고 상기한 온도 및 시간으로 본 발명의 샘플 5 가지를 제조하였다. 이들 샘플의 제조 방법은 다음과 같다.
먼저, 표 1에 나타난 혼합 조성으로 배합하여 직경 5mm의 초경 구석과 함께 알코올을 용매로하여 애트리터(attritor)를 이용하여 15 시간 혼합 밀링한다. 혼합된 슬러리는 스프레이드라이어에서 건조한 후 1000kg/cm2의 압력으로 성행한다.
이렇게 제작한 성형체를 흑연제 평면판(plate)에 올려놓고 흑연제 발열체와 단열재로 이루어진 로내에서 진공 소결하였다. 소결 온도는 1450℃이고, 소결 시간은 1시간으로 하였다. 이렇게 제조된 소결체에 대하여 합금 특성, 즉 경도(HRA), 강도(Hv), 항절력(TRS) 및 기공(porosity)을 측정함과 동시에,
(A) 연속 선삭 내마모 시험
피삭재 : SCM440
절삭속도 : 180m/min.
이송량 : 0.3mm/rev.
절입량 : 1.5mm
절삭시간 : 40분
절삭팁 형상 : CNMG120408
평가 : 50분 절삭 후 측면 마모(frank wear, VB)측정
(B) 내충격
피삭재 : SCM440
절삭속도 : 200m/min
이송량 : 0.15mm/rev.부터 파손까지
절입량 : 1.5mm
절삭시간 : 파손까지
절삭팁 형상 : CNMG120408
평가 : 파손시까지의 한계 이송값(3회 반복의 평균)의 조건에서 선삭 절삭 시험을 실시하여. 그 결과를 하기 표 2에 나타냈다.
배합조성(wt%)
Ti(CxNyOz)[단, 0<x+y+z≤1] Me(CxNyOz)[단, 0<x+y+z≤1; Me=주기율표에서 Va족 또는 VIa족 금속 중 하나] 중 한 종류 이상 Zr(CxNyOz)[단, 0<x+y+z≤1] Hf(CxNyOz)[단, 0<x+y+z≤1] Ni Co
발명 서멧트 1 52.0 31.5 0.5 - 8.0 8.0
2 52.0 31.5 - 0.5 8.0 8.0
3 52.0 31.0 0.5 0.5 8.0 8.0
4 52.0 31.0 1.0 - 8.0 8.0
5 54.0 33.0 1.0 - 8.0 8.0
비교서멧트 1 52.0 30.0 2.0 - 8.0 8.0
2 52.0 30.0 - 2.0 8.0 8.0
3 52.0 30.0 1.0 1.0 8.0 8.0
4 48.0 34.0 1.0 1.0 8.0 8.0
표 1
합금 특성 절삭 성능
경도(HRA) 강도(HV)MPa/m2 항절력(TRS)Kg/mm2 기공 VB(Frank wear,mm) 한계이송(mm/rev.)
발명서멧트 1 92.5 1750 178 A02B02 0.18 0.185
2 92.8 1760 180 A02B02 0.16 0.185
3 92.6 1755 179 A02B02 0.16 0.185
4 92.5 1752 185 A02B02 0.16 0.185
5 93.0 1792 175 A02B04 0.18 0.185
비교서멧트 1 92.8 1766 170 A04B02 0.25 0.15
2 92.2 1690 164 A04B04 0.26 0.15
3 92.3 1700 152 A04B06 0.24 파손
4 92.0 1685 147 A04B06 파손 파손
표 2
상기한 바와 같이 (표 2 참조) 본 발명의 서멧트는 우수한 합금 특성을 나타내며 따라서 절삭 성능에서도 우수한 내마모성과 내충격성(이송값으로 계산)을 나타냄을 알 수 있다.
따라서 본 발명의 제조 방법으로 제조되는 본 발명의 서멧트는 선삭이나 밀링 절삭 공구용으로 유용하게 사용할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
상기에서는 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명을 기술하였지만, 해당 기술의 당업자들은 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변경 및 수정할 수 있음을 알 수 있을 것이다.

Claims (5)

  1. Zr 및 Hf 성분을 함유하는 Ti(CN)계 서멧트로서, 50~59.5wt%의 Ti(CxNyOz)와 5~10wt%의 Ni 및 5~10wt%의 Co를 주성분으로 하고, 첨가물로, 0.5~1wt%의 Zr(CxNyOz), Hf(CxNyOz) 및 (HfaZrb)(CxNyOz) 중 한 종류 이상, 그리고 30~40wt%의 Me(CxNyOz)(Me = 주기율표에서 Va족 또는 VIa족 금속 중 하나) 중 한 종류 이상을 함유하는 합금으로 구성됨을 특징으로 하는 Ti(CN)계 서멧트
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 모든 x, y 및 z는 0<x+y+z≤1을 만족시키고, 상기 a 및 b는 0<a+b≤1을 만족시킴을 특징으로 Ti(CN)계 서멧트
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 Me는 V, Cr, Nb, Ta, Mo 또는 W로 이루어지는 그룹에서 선택되는 것임을 특징으로 하는 Ti(CN)계 서멧트
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항의 Ti(CN)계 서멧트를 제조하는 방법으로, 상기 혼합 조성으로 배합하고, 혼합물을 밀링한 다음, 건조 후 성형하여 성형체를 1450℃에서 1시간 동안 진공 소결함을 특징으로 하는 Ti(CN)계 서멧트의 제조 방법
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 밀링은 배합물을 직경 5mm의 초경 구석과 함께 알코올을 용매로 하여 애트리터를 이용 15 시간 혼합 밀링하는 것이며, 상기 성형은 건조 후 1000Kg/cm2의 압력으로 행하는 것임을 특징으로 하는 Ti(CN)계 서멧트 및 그 제조 방법
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