KR100497850B1 - 고인성과 내마모성을 겸비한 탄화텅스텐(ｗｃ)계 소결합금및 이를 이용한 절삭공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄화텅스텐계 합금으로서, 높은 인성 및 내마모성을 동시에 갖게 하는데 적합한 절삭공구용 소결합금 및 그를 이용한 절삭공구에 관한 것이다

이에 따른 구성은 탄화텅스텐(WC)이 20∼55중량%, 주기율표상 4a, 5a, 6a족 원소 중에서 선택한 1종 이상을 포함한 탄화물 또는 탄질화물중 적어도 1종이 30∼50중량%, 천이금속으로 된 결합상금속이 15∼30 중량%로 조성되어 이루어짐을 특징으로하는 탄화텅스텐계 소결합금으로 이루어진다.

Description

고인성과 내마모성을 겸비한 탄화텅스텐(ＷＣ)계 소결합금 및 이를 이용한 절삭공구{sinterd alloy of tungsten carbide having tensile strength and wear resistance character ＆ cutting tools using the same}

본 발명은 탄화텅스텐(WC)계 소결합금 소결체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄·질화물을 함유하는 탄화텅스텐계 합금으로서, 높은 인성 및 내마모성을 동시에 갖게 하는데 적합한 절삭공구용 소결합금 및 그를 이용한 절삭공구에 관한 것이다.

절삭가공 분야의 고속절삭 및 정밀절삭 등의 공구류, 구조재 등을 이용하는 여러 공업분야에서는 고온 특성을 비롯하여 내마모성, 내소성변형, 고인성 특성을 갖게 하기 위해 서멧(cermet)공구 합금과 초경공구 합금 등이 알려지고 있다.

서멧공구는 탁원한 내마모성과 내소성변형 특성을 가지고 있는 반면에 초경공구에 비해 인성이 부족하여 초경공구와 같이 심한 단속가공 등에는 아직 폭 넓게 사용되지 못하고 있다.

또한 초경공구는 서멧공구에 비해 우수한 인성을 가지므로 칩핑이나 내결손 저항은 우수하지만 고속가공에서는 내마모성이 떨어지고 절삭날이 소성변형하기 쉬워 서멧과는 서로 상반된 특성을 가지고 있다.

종래의 서멧공구 합금의 조성은 티타늄(Ti), 탄화티타늄(TiC) 또는 티타늄탄 -질화물(TiCN)을 주성분으로 하고 주기율표상 4a, 5a, 6a족 원소의 탄화물(Mo₂C, TaC,NbC)등을 첨가하고, 결합상으로는 주로 철족 천이금속(Co, Ni)으로 구성된다.

이러한 서멧공구의 개발은 인성과 내마모성을 보다 더 개선시켜 공구수명을 높이기 위해 주로 경질상인 탄화티타늄(TiC) 또는 티타늄탄-질화물(TiCN)의 구성 함량을 높이거나, 결합금속(Co, Ni)함량을 줄이면서 질소함량을 높이는 연구가 제안되어 왔다.

또한 서멧공구 합금의 탄소와 질소 함량을 조절함으로써 조직 중 경질상을 둘러싸고 있는 탄·질화물 유심조직(core structure)의 두께를 조절하여 합금의 강도나 인성을 개선시키는 방법도 제시되었다. 상기와 같은 방법에 따라 본래 목적으로 한 서멧공구의 내마모성과 인성이 어느 정도 개선되긴 하였으나, 초경합금과 같은 우수한 인성을 얻기에는 아직까지 부족하였다.

초경공구 합금은 탄화텅스텐(WC)를 주성분으로 하고 결합상으로 코발트 (Co)를 사용하며, 고온 특성을 높이기 위해 소량의 TiC나 TaC를 첨가하기도 한다. 이러한 초경공구 합금의 내마모성을 높이기 위한 연구는 대부분 탄화바나듐(VC)과 같은 결정립 성장 억제재를 첨가하여 미립조직을 얻는 방법과 소결체 표면에 코발트 (Co)농도를 감소시켜 내마모성을 개선시키는 방법등이 보고되어 왔다.

이러한 내마모성과 인성의 서로 상반되는 특성을 이상적으로 동시에 대폭 개선하여 절사특성을 높이는 것은 서멧공구나 초경공구에서는 한계가 있었다고 볼수 있다.

본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 서멧공구 합금이 가지는 우수한 내마모성 및 내열특성 등과 초경공구 합금에 필적하는 인성을 동시에 만족시킬 수 있는데 적합한 소결합금을 얻는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 탄화텅스텐(WC)이 20∼65중량%, 주기율표상 4a, 5a, 6a족 원소의 탄화물 또는 탄질화물 중 적어도 1종이 30∼60중량%, 천이금속으로 된 결합상금속이 10∼30 중량%로 조성됨을 특징으로하는 탄화텅스텐 소결합금으로 이루어진다.

본 발명은 상기한 소결합금을 이용하여 각종 인써트형 절삭공구를 얻을 수 있음은 물론 인써트형 절삭공구를 모재로 하여 물리증착법(PVD) 또는 화학증착법(CVD)으로 경질 세라믹물질을 표면에 코팅처리한 코팅 절삭공구를 얻을 수 있음은 물론이다.

상기 조성에서 주기율표상의 4a, 5a, 6a족 원소로서는 타타늄(Ti), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb), 지르코늄(Zr)등이 바람직하며, 탄질화물로서가장바람직하기로는 탄질화티타늄(TiCN) 이다.

상기 탄질화물인 TiCN분말은 TiN비가 25∼95%의 조성비를 갖는 TiN(TiC/TiN)=0.25∼0.95의 분말을 사용하여 TiCN이 20∼50중량%이고, 이때 기타 탄화물은 Mo₂C, TaC, NbC, ZrC 중 적어도 1종이 10중량% 이하인 경우가 가장 바람직 하다. 한편 천이금속으로서 결합상을 이루는 금속은 Co-Ni결합상이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 합금에 따른 현미경사진을 나타낸 것으로, 이러한 복합조직은 질소함유로 인해 미립화된 조직이며, 고농도의 WC가 TiCN 및 제2탄화물과 반응하여 (W, Ti, Ta)CN 등의 탄질화물을 형성하고 주위에 WC입자가 분산되어 있는 조직을 나타낸다.

상기 복합조직 중 주경질상인 탄질화물 입자들은 공구의 내마모성 및 내열특성을 개선시키고 주위에 분산되어 있는 높은 탄성계수를 가진 WC입자는 충격을 흡수하여 인성을 개선시키는 역할을 하여 절삭공구로서 우수한 절삭특성을 나타낸다.

또한 서멧공구와 같이 탄질화물(TiCN)을 함유하는 합금의 경우 주요 제조공정인 소결공정에서 특히, 소결성이 크게 떨어져 1450℃ 이상의 높은 소결온도를 요하지만, 본 발명의 합금은 오히려 1400℃이하의 낮은 온도에서도 손쉽게 소결이 가능한 특성을 얻을 수 있다.

다음은 실시예에 따라 설명한다.

실시예 1

본 발명의 합금을 설계함에 있어, 각 탄화물 및 코발트(Co), 니켈(Ni)은 평균입도 1.0∼1.5㎛, 순도99.9%의 공업용 원료분말을 사용하였다. 그리고 탄질화물(TiCN)분말은 질소함유 합금을 만들기 위해 TiN비가 25∼95%의 조성비를 갖는 TiN(TiC/TiN)=0.25∼0.95의 분말을 사용하였다. 본 발명의 합금과 종래의 서멧합금 및 유사재종의 ISO P-계열의 초경합금의 조성을 표1에 나타냈다.

합금조성

	시료	조성(중량%)
		TiCN(TiC/TiN)	WC	(Mo,Ta,Zr)C	o-Ni
본 발 명	1	52(38/14)	26	10	16
	2	42(29/13)	35	9	14
	3	31(26/5)	50	6	13
	4	20(10/10)	65	4	11
서멧합금	5	59(47/12)	8	20	13
	6	58(29/29)	14	12	16
초경합금	7	8(TiC)	73	9	10(Co)
	8	6(TiC)	77	8	9(Co)

상기 표1에서와 같이 본 발명의 합금은 종래의 서멧과 초경합금의 조성과 크게 다름을 알 수 있다. 상기한 본 발명의 합금을 이용한 소결방법에 있어서는 통상의 초경합금 또는 서멧공구의 제조방법인 분말야금법으로 제조하였다.

먼저, 각 원료분말을 습식 볼 밀링 분쇄법으로 50∼80시간 분쇄, 혼합한 후 건조하여 각 규격의 시험편 및 절삭공구를 성형압 150∼200MPa로 성형하였으며, 성형체의 소결은 소결온도 1350∼1400℃구간에서 30∼60분 진공(또는 질소)분위기로 소결하였다. 종래의 서멧 절삭공구의 소결온도는 1450℃이상인 것에 비해 본 발명의 경우는 1400℃이하에서 충분히 치밀한 소결이 이루어졌다.

실시예 2

상기와 같이 소결제조한 본 발명의 합금을 다이야몬드 연삭 휠을 사용하여 연삭가공하여 물성 시험편 및 규격의 절삭공구를 제조하였다. 연삭 가공성은 서멧합금보다 양호하였으며, 초경합금과 유사한 연삭특성을 나타내었다.

상기 제조된 각 시험편으로부터 합금의 조직사진(시료번호2)을 도 1에 나타내었다. 앞에서 설명하였듯이 본 발명의 합금조직은 종래의 서멧과 초경합금 조직과는 다른 양 조직을 복합화한 조직으로 나타내었다.

각 합금의 항자력, 경도, 굽힘강도. 파괴인정 등의 기계적특성을 특정하여 표2에 나타내었다.

기계적 특성

	시료	항자력 (Oe)	경도 (Hra)	굽힘강도 (kg/mm2)	파괴인성(MPam1/2)	열전도도 (W/mK)
본 발 명	1	243	92.6	224	10.8	22.2
	2	226	92.4	231	12.1	25.0
	3	213	91.9	228	13.0	29.7
	4	202	91.7	220	13.1	35.1
서멧합금	5	157	92.8	208	8.8	17.6
	6	172	92.6	218	9.4	19.1
초경합금	7	198	91.6	242	13.8	37.6
	8	206	91.8	237	13.5	39.2

상기 표2와 같이, 본 발명의 합금은 기존의 절삭공구 합금인 서멧과 비교하여 유사한 경도를 가지는 반면에 파괴인성과 열전도도가 대폭향상된 것을 알 수 있다. 또한 동일 용도의 ISO P-계열의 대표적인 초경합금에 비해서는 유사 강도 및 파괴인성 값을 가지면서도 서멧공구 합금 수준의 높은 경도 값을 가지는 것을 알 수 있다.

실시예 3

상기 실시예 1, 2의 각 합금을 이용 절삭공구를 제작하여 절삭성능을 평가하였다. 절삭공구의 규격은 SPKN1203EDTR 밀링 인서트로 제작하여 동일용도의 종래의 서멧 및 초경합금 공구와 절삭성능을 비교하여 표3에 나타내었다.

밀링시험은 90×90×200mm의 피삭제 합금강인 SCM4(HB240) 및 KP4(합금강, HB320)를 건식 상향 절삭으로 하였고, 서멧 또는 초경공구가 기존 사용되는 절삭조건(절삭속도 V, 이송속도 f, 절삭깊이d)에서 각 절삭공구의 절삭날 측면(flank)마모량이 0.25mm에 도달 할 때까지의 절삭한 거리로 평가하였고, 절삭도중 공구의 결손이 발생하거나 칩핑이 발생하여 더 이상 절삭가공이 어려울 경우에는 공구수명이 끝난 것으로 평가하였다.

피삭재에 대한 절삭조건: 절삭속도 V=200m/min.

이송속도 f=0.2mm/rev.

절삭깊이 d= 2.0mm

밀링 절삭성능 시험

피삭재		공구종류	시료	시험결과
				절삭거리(m,공구수명까지)	손상비교
SCM4(합금강,HB240)		본 발명	2	5.8	정상마모
			4	5.5	정상마모
		서멧	6	3.9	칩핑마모
		초경	8	2.1	정상마모
KP4(합금강,HB320)		본 발명	2	3.1	정상마모
			4	3.7	정상마모
		서멧	6	2.2	칩핑마모
		초경	8	1.3	결손마모

상기 표3에서와 같이 본 발명 합금의 절삭공구는 종래의 서멧공구나 초경공구에 비해 탁월한 절삭성능을 가지는 것을 알 수 있다.

본 발명 합금 절삭공구는 공구수명까지의 절삭거리가 타 공구에 비해 뛰어날 뿐 만 아니라, 공구수명까지의 절삭 날끝이 정상마모로 진행되는데 비해 서멧과 초경공구는 수명말기에 칩핑이나 결손현상이 발생하였다. 이는 서멧공구의 칩핑마모는 인성이 부족하기 때문이며, 초경공구의 경우 수명말기에 결손마모가 일어나는 것은 내마모성이 부족하기 때문으로 볼 수 있다. 이에 비해 본 발명 합금의 절삭공구가 뛰어난 절삭성능을 가지는 것은 내마모성과 인성을 균형있게 가지고 있기 때문으로 판단된다.

또한 각 절삭공구의 인성(내결손성)을 조사하기 위해 SCM4피삭재를 절삭 할 때 동일 절삭조건에서 이동속도를 증가시켜 칩핑 및 결손을 유도해 가면서 각 공구가 결손 될 때까지 절삭시험한 결과를 표4에 나타내었다.

인성(내결손성)비교시험

공구종류	시료	이송속도(feed. mm/rev)							비고
		0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7
본발명공구	2	0	0	0	0	0	0	0
	4	0	0	0	0	0	0	×	f=0.7결손
서멧	6	0	0	0	×	×	×	×	f=0.4결손
초경	8	0	0	0	0	0	×	×	f=0.6결손

※ 피삭재: SCM4. 절삭속도: V=100m/min. 절삭깊이: d=2.0mm

상기 인성시험 결과, 본 발명 합금의 절삭공구는 서멧은 물론 초경공구보다도 오히려 우수한 인성을 나타내었다. 표2에서와 같이 파괴인성 값은 초경합금이 가장 우수하지만, 본 발명은 이에 근접한 파괴인성을 가지면서 보다 높은 경도 값을 가지는 본 발명 합금공구가 상대적으로 더 높은 이송속도에서도 공구의 결손이 없었다. 이는 공구재료의 요구 특성 중 인성과 내마모성이 균형있게 겸비하여야 함을 잘 말해 주고 있다.

한편, 밀링절삭에 있어서는 절삭속도가 높아질수록 공구 절삭날에 열크랙이 발생하기 쉬우며, 특히 이러한 열크랙의 발생과 발달 유무에 따라 공구수명이 결정되는 경우가 많다. 각 공구의 열크랙 저항성을 조사하기 위하여 표3에서 피삭재 KP4 절삭조건과 동일한 밀링절삭 시험에서 절삭속도를 250m/min으로 상향조정하여 절삭거리 1.5m를 절삭한 후 절삭날부의 열균열을 조사하였다.

열균열 저항은 본 발명 합금공구와 초경공구가 유사하게 나타났으나, 마모현상은 초경합금이 더욱 심하게 나타났다. 서멧공구는 열균열이 가장 크게 발달하였는데, 이는 기본적으로 표2에서와 같이 열전도도가 낮기 때문인 것으로 판단된다.

본 발명 합금공구는 표2에서와 같이 서멧에비해 상대적으로 열전도도가 높아 열균열 저항성이 큰 것을 알 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명 합금공구는 기계적 특성 및 절삭특성이 종래의 초경공구(코팅공구), 서멧공구 및 세라믹공구에 비해 인성과 내마모성을 균형있게 갖추고 있을 뿐 만 아니라 열적특성도 우수하여 뛰어난 절삭특성을 나타내는 것을 확인 하였으며, 향후 새로운 범용성 공구로서 각종 금속 피삭재의 절삭가공에서 뛰어난 성능을 발휘할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 코팅모재로 사용할 경우 더욱 뛰어난 내마모특성을 나타내므로 비코팅 공구 뿐만 아니라 코팅공구로도 응용히 기대된다.

이상에서와 같이 본 발명 합금을 이용한 절석공구는 인성과 내마모성을 동시에 만족함으로써 기존 서멧공구의 사용영역인 절삭 뿐만아니라 초경공구의 사용영역까지를 장수명 공구로서 폭 넓게 사용할 수 있으므로써 탄소강, 합금강, 금형강 뿐만 아니라 스테인레스강 등의 절삭가공 분야에서 새로운 범용성 절삭공구로서의 폭 넓은 적용이 가능하며, 상기 소재를 모재로 하고 그 표면에 물리증착법(PVD)또는 화학증착법(CVD)으로 코팅처리하여 사용하는 절삭공구에 사용됨은 물론 상기 소재를 사용한 금형, 다이스, 치구 등의 각종 내마모 재료등에 광범위하게 사용할 수 있다. 또한 기존의 각종 강의 절삭방식인 단속가공이나 황삭가공에서는 코팅 초경공구를 사용하고, 정삭가공 또는 마무리 가공에서는 서멧공구로 바꾸어 사용하는 것에 비해 본 발명의 절삭공구로 두 영역의 절삭가공을 모두 대체 할 수 있는 큰 장점이 있다. 또한 본 발명의 합금을 제조함에 있어서는 기존의 서멧공구 합금보다 소결성이 양호하여 기존보다 약50℃ 이하 낮은 온도에서도 소결이 가능하고, 성형성 및 연삭성도 우수하여 공구합금의 제조가 용이하고 제조원가도 낮출 수 있는 장점도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 현미경 확대 합금조직 사진

Claims (5)

1. 탄화텅스텐(WC)이 20∼55중량%, 주기율표상 4a, 5a, 6a족 원소 중에서 선택한 1종 이상을 포함한 탄화물 또는 탄질화물중 적어도 1종이 30∼50중량%, 천이금속으로 된 결합상금속이 15∼30 중량%로 조성되어 이루어짐을 특징으로하는 고인성과 내마모성을 갖는 탄화텅스텐계 소결합금.
2. 제 1항에 있어서,

   탄질화물 또는 탄화물을 이루는 원소가 Ti, Ta, Mo, Nb , Zr중 적어도 1종 을 포함 함을 특징으로 하는 고인성과 내마모성을 갖는 탄화텅스텐계 소결합금.
3. 제 2항에 있어서,

   TiN(TiC/TiN)의 비가 0.25∼0.95가 되는 TiCN의 함량이 20∼50중량%이고, 탄화물이 10중량% 이하 이고, 천이금속이 Co-Ni결합상으로 됨을 특징으로 하는 고인성과 내마모성을 갖는 탄화텅스텐계 소결합금.
4. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 소결합금으로 이루어짐을 특징으로 하는 절삭공구.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 절삭공구 모재 표면에 경질 세라믹물질이 형성됨을 특징으로 하는 고인성과 내마모성을 갖는 코팅 절삭공구.