KR100813431B1

KR100813431B1 - 연성을 갖도록 코팅된 경질 분말과 이것의 소결제품

Info

Publication number: KR100813431B1
Application number: KR1020067026183A
Authority: KR
Inventors: 리챠드 에드먼드 토드
Original assignee: 리챠드 에드먼드 토드
Priority date: 1997-05-13
Filing date: 1998-05-13
Publication date: 2008-03-14
Also published as: CA2289200C; BR9809615A; WO1998051419A9; KR20070008723A; KR100769157B1; EP1009545A1; EE9900525A; EP1009545B1; IL132807A0; EP2009124B1; EA002903B1; ATE491528T1; ES2357806T3; CZ302016B6; CN1313150A; US6372346B1; DK1009545T3; AU7484698A; NO995498D0; JP2011168891A

Abstract

소결재와 이것을 만들 수 있도록 한 연성을 갖도록 코팅된 경질 분말(tchp)는 코어 입자로 이루어지되, 이 코어 입자는 식 M_aX_b 를 갖는 제1금속 합성물로 구성된 것으로서, M은 티타늄, 지르코늄, 하프니윰, 바나듐, 니오븀, 탄타륨, 크로늄, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄과 실리콘으로 구성된 그룹으로 부터 선택된 금속이며, X는 질소, 카본, 붕소와 산소로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나이상의 요소를 나타내고, 문자 a, b는 0에서 4까지의 숫자를 나타낸다.

상기 코어 입자는 제2금속 합성물로 구성된 중간층에 의하여 둘러 싸여지고, 제1금속 합성물과는 다른 조성을 가지며, 따라서 코팅된 입자를 성형한다.

중간층의 재료는 코어입자를 성형하는 금속 합성물과 결합될 수 있고, 또한, 철, 코발트, 니켈과도 결합할 수 있도록 한 재료보다 높은 파괴인성(Fracture Toughness)을 갖는다.

상기 코어입자는 철, 코발트, 니켈, 이것들의 혼합, 이것들의 합금, 이것들의 금속성분을 함유한 합성물로 이루어진 외부층에 의하여 둘러 싸여진다.

TCHP 입자내의 다양한 합금 특성에 대한 밀접한 관련점은 분말야금 기술에서 소결재품의 특성(강도와 경도)에 대립할 수 있는 결합을 허용한다.

분말, 소결제품, 경도, 중간층, 코어입자, 결합제, 코팅

Description

연성을 갖도록 코팅된 경질 분말과 이것의 소결제품{Tough-Coated Hard Powder and sintered article thereof}

첨부된 도면은 본 발명에 대한 이해를 제공하고, 본 발명의 주안점과 구성부분을 설명하고자 제공된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 성형된 소결재를 나타내는 도면,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 성형된 소결재의 단면을 20,000배로 확대한 전자광학 사진,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 분말을 성형하는 장치를 나타내는 도면,

도 4는 도 3의 장치 내부를 보여주는 도면으로서, 화학적 증착에 의한 중간층의 전이 동안에 상기 장치내에서의 입자의 이동을 설명하는 도면,

도 5는 도 3과 도4의 장치에 대한 바람직한 구현예로서, 장치의 일부구성요소의 끝단부를 보여주는 도면,

도 6은 종래 재료와 관련하여, 커팅(cutting)용 공구를 사용할때 본 발명의 소결재의 작용영역을 나타내는 그래프,

도 7은 실시예에서 설명되는 소결재의 특성을 나타내는 도면.

본 출원은 1997년 5월 13일에 출원된 잠정적 출원번호 60/046,885를 기반으로 한다.

본 발명은 세라믹 분말과 이 분말로부터 제조된 소결제품에 관한 것이다.

상기 재료는 커팅(cutting)용과 성형용 금속 공구와 같은 금속 성형부재로서 사용하고자 한다.

1930년대 중반, 공구강 합금은 소결된 텅스텐 카바이드 분말 공구에 의하여 대체되기 시작했으며, 횡적 기계 강도와 고유의 높은 인성과 우수한 경도를 지니고 있기 때문에 빠르게 표준품이 되었다.

상기 재료의 경도는 공구수명을 개선하였고, 향상된 인성과 강도는 보다 높은 피드와 속도, 보다 진보된 단조 범위를 허용함으로써 생산성을 향상시켜왔다.

카바이드 공구 개발과 상업적 유용성은 세계2차대전 이후에 현저하게 증가하였다.

상기 재료가 계속해서 마모되더라도 상기 마모의 메카니즘은 아직 완전히 이해되지 못하고 있다. 점진적인 마모는 일정 모양으로 띠게 되는 재료에 변형을 초래하게 하고, 결과적으로 부품의 허용오차를 주게 되는 필연성이 따르게 되며, 상기 공구는 정확한 치수로 부품을 성형할 수 없게 될 때 대체되어야만 한다.

상기와 같은 점이 발생하기 전에 성형된 부품의 수와 수명은 공구 수명의 한계범위를 결정하게 된다.

공구를 교체하는 동안에 최종 제품의 손실은 재조정, 정확치 않은 제품, 재작업을 따르게 하고, 손실된 계획은 보다 긴 공구수명을 제공하는 재료를 얻도록 한 원동력이 되어 왔다.

공구 수명은 여러 형태의 마모에 대한 저항, 큰 하중에 대한 반응, 충격에 대한 저항에 의하여 결정되어진다.

일반적으로, 칩 제거율(chip removal rate), 인발과 성형 압력이 높으면 높을수록 공구의 기하학적 구조는 오래가게 되고, 그 공구는 보다 우수한 공구라 할 것이다.

우수한 커팅(cutting)과 성형용 공구는 동시에 단단하고, 강하고, 딱딱하며, 칩핑(chipping), 파쇄, 열변형, 파손, 가공품과의 화학적 반응, 마찰마모 등에 대한 저항을 가지고 있어야만 한다.

그에따라, 소결 공구에서 찾아볼 수 있는 가장 우수하게 요구되는 기계적 특성은 강도, 경도, 높은 변형율, 파괴인성(Fracture Toughness), 가공품과의 낮은 화학적 상호작용, 가공품에 이익이 되는 낮은 마찰계수가 있고, 또한 열의 발생을 감소시킬 수 있어야 한다.

최근 몇년 동안에는, 분말야금(Powder metallugy) 산업이 현저하게 증가하여 왔는데, 그 이유는 정밀한 성형틀에 냉간상태로 분말을 흘려보낼 수 있기 때문이었다.

이는 종종 높은 체적에서 성형틀의 재사용을 허용하고, 동시에 기계가공, 성형등 다른 절차를 감소시키는데, 그 이유는 상기 소결된 부품은 거의 계획된 형상 또는 "정미(正味) 형상에 가깝게" 되기 때문이다.

알루미늄, 제1철, 구리분말로 만들어진 제품은 공구로서 요구되는 특성을 만족시켜야 한다.

예를들어, 많은 PM 부품이 추가로 국부적으로 경도, 인성, 강도를 향상시키고자 단조, 도금, 열처리 작업을 받게 된다.

대다수의 부품은 충격과 마모에 대한 저항을 요구하는 바, 공구용으로 요구되는 기계적 특성에 의존하게 된다.

텅스텐 카바이드 이외에, 다양한 합금, 코팅 기술, 이것들의 결합은 공구수명을 길게 할 수 있을 뿐만아니라 향상된 커팅(cutting)속도와 피드(feed)를 허용하여 왔다.

*분말야금과 소결은 향상된 경도와 인성과 함께 새로운 재료의 개발을 촉진시켜왔고, 화학적 증착(CVD: Chemical Vapor Deposition), 물리적 증착(PVD: Physical Vapor Deposition) 또는 화학적 증착이 보조된 플라즈마(PACVD: Plasma-assisted Chemical Vapor Deposition)에 의하여 소결된 합금에 하드 코팅(hard coating)을 추가함으로써 마모저항을 감소시켜왔다.

분말, 코팅부재, 다른 단단한 재료상에 코팅하는 기술은 종래기술에서 잘 알 수 있다.

공구재료의 종래기술은 현재 알려져 있고 일반적으로 향상된 마모저항과 인성을 달성하기 위하여 사용되며 각각 주요 장점과 단점을 가지고 있는 6가지 접근법이 다음과 같이 소개되고 있다.

(1) 단단하고 질긴 상입자를 혼합함, (2) 단단한 상층을 포함하는 소결부재의 화학적 증착(또는 다른)에 의한 코팅, (3) (1)과(2)의 접근법으로 조합시킴, (4) 서메탈릭(cermetallic = 서밋(cermet)) 성형, (5) 특수 공구용으로 비교적 약한 연마재를 제외하고 단단하고 큰 다이아몬드 또는 cBN 입자를 낮은 농도로 부착함, (6) 경사기능재료(FGM : Functionally Gradient Material).

상기와 같은 해석은 요구되는 공구 특성의 필수적인 조합을 초래하지는 않고, 단지 화학적 증착(또는 물리적 증착) 접근법은 현재 증가된 마모저항을 요구하는 특정 기계 부품에 적용하고 있다.

경도와 인성을 갖도록 혼합된 3원 시스템

당분야의 기술에서 알려진 바와 같이 다양한 부수적 처리와 변화에도 불구하고, 카바이드 분말을 포함하는 단단한 WC-TiN-Co 합금 입자의 혼합은 몇몇의 단점을 가진다.

그 이유는 상기의 보다 단단한 입자는 결합제와 낮은 상호 용해성을 갖고, 부재의 횡방향 강도는 약 6-10wt% 이상의 단단한 입자를 빠르게 탈락시키게 된다. 또한, 표면경도와 마모저항은 표면코팅과 비교하여 감소되어진다.

상기 마모 메카니즘은 크게 향상되지 않는데, 그 이유는 소수의 단단한 입자(필요로 하는 표면에 1/10이하)가 결합제와 약하게 결합되고 전체적으로 파손되 기 때문이다.

화학적으로 증착된(CVD) 코팅

공구강 또는 소결된 제품 부재상에 서멋층(cermet layer)과 단단한 금속제를 외부에 코팅하는 것은 높은 표면경도용으로 가치가 있고, 전형적으로 2400비커스(TiN)에서 5000비커스(큐빅 붕소 질화물) 9000(다이아몬드)의 값을 보여준다.

추가적인 코팅층, 국부적으로 변경된 부재 구조, 입자크기를 감소시키는 불순물을 포함하는 종래기술에 소개되어 있는 부수적인 처리, 변화, 소결에도 불구하고, 상기 외부 코팅 용해제는 몇가지 단점을 갖는데 그 단점은 코팅의 분리와 사용시의 균열(휨과 표면하중에 의한 코팅과 부재의 서로 다른 열팽창율에 의함)과 높은 CVD 처리 온도(900℃-1200℃)가 소결부품의 기하학적 형상 또는 강도에 필요한 열처리와 일치되지 않을 수 있다.

몇몇의 다른 코팅 또는 층을 갖는 종래 소결 제품의 CVD 코팅은 두개 또는 세개의 가공요구에 저항을 할 수 있도록 한다.

그러나 각각의 층은 순서대로 배열되어야 하기 때문에 잔여의 하나 또는 두개의 특정 코팅은 다른층이 마모될때까지 계속 덮혀있어야만 한다. 따라서, 부재의 코팅설계 요구치중 하나는 동시에 이루어질 수 있다.

인발다이(drawing dies) 및 노즐(nozzles)과 같은 공구의 몇몇 카테고리는 매우 비싸며, 그 이유는 코팅재의 침전을 위한 다이 오리피스(die orifice)를 통하여 충분히 CVD증기를 순환시키기 위한 비용이 추가로 들기 때문이다.

상기 CVD가스의 확산은 느리고 침투는 0.5에서 10마이크로미터 또는 그 이하 이다.

첫째, 코팅층의 두께에 있어서 코팅은 대부분의 와이어(wire) 또는 튜브직경 (tube diameter) 공차가 허용되기 전에 그 하층의 카바이드까지 마모되어진다. 둘째, 큰 직경의 다이의 정상적인 재사용은 단단한 코팅없이 사용되어야만 하고, 공구수명 연장은 부가된 CVD비용에 비례하지는 않는다.

현재, 외부 코팅은 소결된 텅스텐 카바이드 제품의 성능을 향상시키는 가장 통상적인 상업적 해결책이다.

보다 긴 수명을 얻기 위하여 외부층의 배열두께를 증가시키는 것은 복원력을 감소시키는 바, 이는 공구끝단을 무뎌지게 하거나 균열을 발생시키는 현상을 증가시키게 되고, 역으로 최적의 커팅(cutting) 또는 다이 형상에 영향을 미치게 된다.

결합된 혼합물과 코팅재

CVD 코팅과 혼합된 경질합금 입자, 상술한 (1)과(2)의 결합은 제한된 부수적이득을 주는 동시에 단점도 있다.

서멋(cermet)

서멋은 금속산화물 또는 카바이드 매트릭스(carbide matrix)에서 확산된 세라믹 입자이다. 서멋은 카바이드의 연성 및 인성과 세라믹의 고온 저항을 결합시킨다.

또한, 상기 서멋은 보통의 텅스텐 카비이드와 동일한 가치가 있고, 보통의 카바이드를 능가하는 깨끗한 최종 절단면을 제외하고는 마모도 거의 동일하다.

소결된 연마재 합성물

상기 네번째 접근법은 1985년 뉴욕의 프레넘 프레스사, 랜달 엠의 독일저서 액상 소결에 소개되어 있고, 그라인딩(grinding)과 샌딩(sanding) 그리고 니치(niche) 적용 공구용 초연마 조성물의 등급을 소개하고 있다

상기 합성물은 다이아몬드입자(또는 큐빅 붕소 질화물, cBN)와 코발트 분말을 혼합하거나 또는 금속(니켈) 전기도금 침전물내에 다이아몬드입자(또는 큐빅 붕소 질화물, cBN(cubic boronitride))와 코발트 분말를 포착시키는 동시에 낮은 온도로 열간 가압을 함으로써 제조되어진다.

다른 방법으로는 전이금속 카바이드의 중간층을 갖는 다이아몬드(또는 cBN)를 코팅하는데 있으며, 코발트, 철, 니켈과 같은 연성의 금속 결합제를 제외하고 비습윤(nonwetting)의 낮은 용융점을 갖는 다른 결합제와 화학적으로 결합시킨다.

상기 전이금속은 구조적 기계적 하중에 견디지 못하는 두께로서 화학적 브릿지(bridge)로서의 역할을 하도록 적용된다.

주된 결합제 매트릭스로 사용된 상기 금속은 우수한 소결성을 갖지만, 비교적 낮은 용해점, 탄성변형율, 강도를 갖는다. 상기 재료는 연마재를 적용할때 바람직한 특성을 갖는다. 대부분의 적용에 있어 다이아몬드는 조성물의 10에서 60%의 체적을 갖는다.

결합제 코팅은 낮은 온도에서 처리되는 것을 보조하기 위하여 수 마이크로미터 두께이고, 기계적 특성에 나쁜 영향을 주지 않는 범위에서 다이아몬드 함량을 희석시킨다.

상기 합성물의 특성은 탄성변형, 강도, 파괴인성(Fracture Toughness)과 같 은 기계적 특성이 아닌 화학적 고려에 위하여 제어되어진다.

따라서, 큰 다이아몬드 입자 크기와 큰 결합제의 농도와 함께, 상기 합성물의 기계적 특성은 혼합법칙에 의하여 결정되어진다.

상기 합성물은 다이아몬드간의 상호작용이 적도록 이루어진 최종구조에서 다이아몬드 입자가 분리되는 것을 확증하기 위하여 선택되어진다.

기계적 장점의 작은 증폭은 소결 카바이드의 1 마이크로미터에서 나노스케일(nano scale) 입자범위에서 찾아볼 수 있다.

그라인딩 공구의 요구조건은 금속 제거를 증가시키기 위하여 비교적 큰 입자(50에서 600마이크로미터)이어야 하고, 휠에 상기 입자가 부착하며, 가공품 입자의 제거가 용이하게 되도록 입자간의 적당한 간격과 그라인딩된 휠 형상의 오랜 유지등이 필요하다.

상기 재료는 연마 입자간의 경도에서 전단 차이에 의하여 가공품으로부터 분리 마모되어 형성된다.

상기 연마 합성물은 때로 매우 낮은 칩 제거율을 제외하고 고속에서 높은 경도 재료를 기계가공하는데 사용되는 커팅(cutting)용 공구로 사용되어진다.

다이아몬드 커팅(cutting) 공구의 커팅(cutting)력은 시멘티드 카바이드(cemented carbide)공구의 커팅(cutting)력과는 다르다. 커팅(cutting)용 공구에 있어서 다이아몬드 또는 합성물의 범위는 그것의 커팅(cutting)력으로부터 제어된다.

상기 연마의 기능을 하게 되는 합성물은 일반적으로 가공품 조각을 분리 마 모함으로써라기 보다는 고하중에서 칩을 제거하여 그 역할을 수행하게 된다.

가공품을 가로지르는 슬라이딩 동안에 다이아몬드는 반대면을 자르기 위하여 노출되어지지만, 마모에 대하여 저항을 하는 동시에 매트릭스가 부식되는 동시에 점진적으로 다이아몬드를 노출시킨다.

돌출된 다이아몬드는 그대로 그 형상을 유지하는 한 커팅(cutting)을 수행할 수 있게 된다.

다이아몬드가 무뎌지게 되면, 둥글게 되고, 매트릭스는 파손되어진다.

마찬가지로, 다이아몬드는 가공품 조각에 의하여 당겨지게 되고, 매트릭스는 또 다른 다이아몬드가 노출될때까지 부식되어진다.

또한, 단단하고 깨지기 쉬운 연마 합성물은 석조용 대패와 톱과 같은 공구에 사용되어지고, 고가의 와이어 인발다이, 철 또는 강한 이재의 출현에 의하여 허용된 성능을 갖는 커팅(cutting)용 공구에서 찾아볼 수 있다.

경사기능재료(FGM : Functionally Gradient Material)

코팅재가 갖는 문제점은 층의 기계적, 화학적, 열적 특성간의 불일치성에 있다.

불일치되는 층간에 점진적인 전이를 제공하여 상기 문제를 해결하기 위해서 FGM은 다음과 같은 하나 이상의 변수를 가져야 한다: 화학적 합성물, 마이크로구조, 밀도, 동일한 재료의 다양한 형성.

또 다른 목적은 FGM이 적용되는 부재의 전기적, 열적, 화학적, 광학적 특성을 변경하기 위하여 코팅을 하는데 있다.

상기 재료의 주된 단점은 제조가 어렵고, 특성변화를 유발하는 위치를 변경시키는데 경향이 있다.

본 발명의 주된 목적은 현재 알려진 공구재료와 단단한 품목이상의 증가된 가치를 제공하고자 연성을 갖도록 코팅된 경질 분말(TCHPs)로 불려지는 소결 미립재를 제공하는데 있다.

상기 소결 미립재로부터 제조된 상기 입자와 품목은 강도, 경도, 고탄성변형, 파괴인성(Fracture Toughness), 가공품과의 낮은 상호작용, 종래재료에서 분리되어 존재하는 불일치된 특성을 갖는 품목의 낮은 마찰계수와 같은 최상의 기계적 특성을 결합시킨다.

본 발명의 다른 목적은 사용자에게 상기 재료의 제공비용을 감소키고자 하는데 있다. 예를들어, 공구 삽입물은 다양한 공구홀더에 맞도록 다양한 기하학적 형상으로 제공되어야 한다. 또한 현재 공구재료는 특정한 적용에 맞도록 설계되어야 한다.

따라서, 상기 각각의 기하학적인 변형물을 위하여, 재료선택(비코팅된, CVD 코팅된, PVD코팅된, 서멋, 세라믹, 폴리크리탈레인 cBN, 폴리크리탈린 다이아몬드)이 따라야만 한다

기하학적 변형과 재료변형의 조합은 값비싼 비용, 필요로 하지 않는 공구제작의 과잉, 공급자 및 특정한 포장을 갖는 사용자 목록 확인, 사용자에게 혼동되는 판매와 설명에 대한 수고를 따르게 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 좀 더 일반적인 목적으로 그리고 높은 성능을 갖으며 적당한 가격으로 제공함으로써 본 시스템과 연루된 비용과 소비를 감소시키고자 하는데 있다.

또한, 본 발명의 구현예로서, 제품을 제조하는 방법은 본 발명과 관련되어 제조된 제품의 비용을 감소시키고자 하는데 있다.

또 다른 목적은 최초 제품 수명을 연장시키고 제품의 제조비용을 감소시킴으로써, 현저한 비용감소를 제공하는데 있다.

본 발명의 제품은 광학적으로 동질성을 갖는다기 보다는 코팅된 것으로서, 사용자나 공급자에게 경제적으로 초기의 마모 품목에 대한 재그라인딩과 재사용을 제공하게 된다.

본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 재료가 갖는 고성능의 기계적 특성을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 공구물(인발 다이(drawing dies), 압출 다이(extrision dies), 단조 다이(forging dies), 커팅(cutting) 및 스탬핑 다이(stamping die), 성형기, 성형롤러, 사출 성형틀, 전단기, 드릴, 밀링과 선반, 톱, 호브(hobs), 브로키(broaches), 리이머(reamers), 탭과 다이(tap and dies)); 개별 기계 부품(기어, 캠(cam), 저어널(journal), 노즐(nozzle), 실(seal), 밸브 시트(valve seats), 펌프 임펠러(pump impeller), 캡스턴(capstans), 도르래, 베어링과 마모면)을 포함하는 넓은 영역에 사용할 수 있도록 향상된 마모저항과 인성을 갖는 재료를 제공하는데 있고, 또는 열처리 된 영역(캠샤프트, 트랜스미션 부품, 프린트/복사기 부품); 중공업 품목(딥웰 드릴링(deep well drilling)) 날, 광산과 땅을 고르는 기계, 스틸 밀용 핫롤(hot roll for steel mill); 전기기구 요소(메모리 드라이브 읽기 헤드(memory drive reading heads), 특수 마그네트)를 포함하는 단조 또는 기계 스틸 부품을 대체하는 분말화된 금속 기계 부품에 표면 경화영역을 제공하는데 있다.

또한 새로운 품목을 제공하기 위하여, 본 발명의 주된 목적은 새로운 합성물 미립재료(예를들어,TCHP's), 상기 재료를 제조하기 위한 새로운 방법, 상기 재료로부터 제품을 제조하기 위한 새로운 방법을 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 식 M_aX_b 를 갖는 제1금속 합성물로 구성된 다수의 코어 입자를 포함하는 소결재를 제공하게 된다. 여기서 M은 티타늄, 지르코늄, 하프니윰, 바나듐, 니오븀, 탄타륨, 크로늄, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄과 실리콘으로 구성된 그룹으로 부터 선택된 금속이다.

X는 질소, 카본, 붕소와 산소로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나이상의 요소를 나타내고, a,b는 0에서 4까지의 숫자를 나타낸다.

중간층은 코어 입자를 둘러싸고, 제2금속 합성물로 구성되며, 상기 제1금속 합성물의 조성과는 다르다.

상기 제2금속 합성물은 비교적 높은 파쇄 인성을 갖고, 제1금속 합성물과의 결합력이 우수하며, 또한 철, 코발트 또는 니켈과의 결합력도 우수하다.

상기 중간층을 포함하는 코어입자는 다수의 코팅된 입자를 형성한다.

외부층은 코팅된 입자상의 중간층에 겹쳐지게 되고, 결합제로서의 기능을 하게 된다. 또한 외부층은 철과 코발트, 니켈, 이것들의 혼합물, 이것들의 합금 또는 이것들의 금속성분을 갖도록 한 혼합물로 구성된다.

상기 바람직한 코팅된 입자는 약 2㎛이하의 평균입자크기를 갖고, 더욱 바람직하게는 약 1㎛이하이다.

또한, 중간층은 소결후에 코어입자 직경에 대하여 5%에서 25% 범위의 두께를 갖도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 외부층의 두께는 소결후에 코팅된 입자의 직경에 대하여 3%에서 12% 범위의 두께를 갖도록 하는 것이 바림직하다.

상기와 같은 외부층의 두께는 중간층과 인접한 외부 결합층을 통하여 전달되는 코팅 입자의 전위와 관련된 변형영역(strain field)(strain field)으로 여겨지게 된다.

상기 바람직한 제1금속 합성물은 TiN, TiCN, TiB₂, TiC, ZrC, ZrN, VC, cBN, Al₂O₃, Si₃N₄, AlN과 같은 화학량론적 혼합물로 구성된다.

또한, 상기 제2금속 합성물은 텅스텐 카바이드(WC),W₂C로 구성되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하기로는 텅스텐 카바이드(WC)로 구성된다. 상기 재료는 큐빅 질화물보다 큰 파괴인성(Fracture Toughness)을 갖는다.

바람직한 구현예로서, 소결재는 텅스텐 카바이드(WC)로 구성된 상기 각각의 코어 입자층상에 중간층을 갖는 큐빅 붕소 질화물로 구성된 다수의 코어 입자로 이루어진다.

상기 중간층은 소결후에 코어 입자의 직경에 대하여 5%에서 25%범위에 해당되는 두께를 갖는다.

코발트 또는 니켈을 포함하는 외부층은 상기 중간층에 결쳐지게 되는 동시에소결후 코팅된 입자의 직경에 대하여 3%에서 12% 범위에 해당되는 두께를 갖는다.

상기 코어 입자의 결합, 중간층, 코팅된 입자를 형성하는 외부층은 1㎛ 이하의 평균입자크기를 갖도록 한다.

본 발명의 또 다른 구현예로서, 분말은 다수의 코팅된 입자로 이루어진다.

대부분의 코팅된 입자는 식 M_aX_b 를 갖는 제1금속 합성물로 구성된 코어 입자를 가지고, 여기서 M은 티타늄, 지르코늄, 하프니윰, 바나듐, 니오븀, 탄타륨, 크로늄, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄과 실리콘으로 구성된 그룹으로 부터 선택된 금속이다.

상기 제1금속 합성물과 다른 조성을 제2금속 합성물로 구성된 주변층에 코팅된 코어 입자는 비교적 높은 파괴인성(Fracture Toughness)을 갖는다.

또한, 상기 층은 제1금속 합성물과 결합력이 우수하고, 철, 코발트와 니켈로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속과의 결합력도 우수하다.

상기 코팅된 입자의 바람직한 평균입자크기는 약 2㎛이하이고, 더욱 바람직 하게는 약 1㎛이하이다.

또한 상기 코어 입자를 둘러싸고 있는 층은 소결후에 상기 코어 입자의 직경에 대하여 3%에서 200%범위에 해당되는 두께를 갖도록 하는 것이 바람직하다.

코어 입자와 주변층(중간층)의 바람직한 조성은 소결된 품목용 분말과 동일하다.

외부 결합제층은 철과 코발트, 니켈, 이것들의 혼합물, 이것들의 합금 또는 연속층을 형성하는데 있어 제2금속 합성물의 외표면상에 침전된 이것들의 금속성분을 갖도록 한 혼합물로 구성된다.

여기서 구현되는 본 발명은 분말로부터 성형된 새로운 형태의 재료이다.

본 발명에 따른 분말은 다수의 코어 입자로 구성되어진다.

상기 코어 입자는 전체 분말 구조에 대한 물리적 특성을 분배하는 성향을 갖는다.

여기서 상기 코어 입자는 식 M_aX_b 를 갖는 제1금속 합성물로 구성된 것으로서, M은 티타늄, 지르코늄, 하프니윰, 바나듐, 니오븀, 탄타륨, 크로늄, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄과 실리콘으로 구성된 그룹으로 부터 선택된 금속이며, X는 질소, 카본, 붕소와 산소로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나이상의 요소를 나타내고, 문자 (a),(b)는 0에서 4까지의 숫자를 나타낸다.

상기 금속 합성물은 경질이고 마모저항을 가지며, 대부분의 주위환경과 가공물에 대하여 화학적 저항을 갖는다.

본 발명의 코어재는 노출될 수 있는 바, 예를들어, 분말이 커팅(cutting)용 공구를 성형하기 위하여 소결되고, 소결된 제품은 그라인딩, 래핑, 최종제품을 형성하기 위한 연마에 의하여 형성되어진다.

이는 코어입자 위의 중간층 재료를 제거하고, 기계가공된 가공품에 코어 입자를 노출시킨다.

이하 좀 더 상세하게 설명되는 바와 같이 본 발명의 코어재는 중요한 장점을 갖는다.

상기 분말의 코어 입자는 적어도 하나의 화학량론 합성물로 구성된다.

상기 코어 합성물은 이것으로부터 성형된 제품에 다양한 코어 입자의 특성을 분배하는 것과는 다르다.

코어의 금속 합성물은 TiN, TiCN, TiB₂, TiC, ZrC, ZrN, VC, cBN, Al₂O₃, Si₃N₄, AlN으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속으로 이루어진다.

상기 재료는 상업적으로 유용한 분말, 휘스커, 크리스탈, 필라멘트, 기술적으로 중요시되는 코어입자의 형상과 같은 형태로 사용될 수 있다.

상기 코어 입자는 중간층으로 명명된 또 다른 혼합물의 층에 덮혀지게 된다.

따라서, 코어 입자의 재료는 중간층을 형성하는 재료와 함께 적합도를 가져야만 하고, 중간층의 조성과는 다른 조성을 가져야만 한다.

본 발명의 구현예로서, 분말은 코어 입자의 외부면에 적용되는 중간층을 포함한다.

상기 중간층은 제2금속 합성물로 구성되고, 입자의 코어를 형성하는 제1금속 합성물과는 다른 조성을 갖는다.

상기 중간층은 코어로 성형되는 재료보다 비교적 높은 파괴인성(Fracture Toughness)을 갖는다. 또한 제2금속 합성물은 제1금속 혼합물과 결합력이 우수하여야 하고 철, 코발트, 니켈, 이것들의 혼합물, 이것들의 합금, 이것들의 금속제를 포함하는 합성물과도 결합력이 우수하여야 한다. 상기 바람직한 제2금속 합성물은 텅스텐 카바이드(WC), W₂C로 이루어진다.

이하 서술하는 바와 같이, 비교적 질기고 강한 중간층과 단단한 코어의 결합은 분말과 이것으로부터 소결된 재료에 예외적인 기계적 특성을 제공한다. 이는 또한 코팅된 입자의 크기와 층두께와 관련되어진다. 특히, 입자크기와 층두께는 혼합 측정의 고유법칙에 의하여 설명될 수는 없다. 이에 소결제품을 다루고 있는 본 명세서 전반에 설명되어진다.

결과적으로, 코팅된 입자의 바람직한 평균입자크기는 2㎛이하이고, 보다 바람직하게는 1㎛이하이다.

또한, 중간층은 코어 입자의 직경에 대하여 5%에서 25% 범위에 해당되는 두께를 갖는 것이 바람직하다.

상기 중간층의 두께는 분말로부터 만들어진 제품의 기계적 특성에 현저한 영 향을 준다. 상기 코팅된 입자는 2㎛이하의 평균자유행로(mean free path) 방법을 사용하여 단면한 사진에서 측정된 평균입자직경을 갖는다.

소결된 입자내로 전위이동에 대한 저항이 소결된 제품의 기계적 특성을 향상시키면서 향상되어진다.

심지어는 한정된 요소 분석을 사용하는 고유의 기계적 접근법을 사용하여, 0.1㎛에서 0.4㎛의 구형 TiN을 둘러싸고 있는 구형 셸 텅스텐 카바이드(WC)의 두께를 증가시킴은 40%이상의 이론적인 인성을 증가시키게 됨이 분명하다.

상기 중간층은 소결전에 코어 입자 직경의 3%에서 200%범위에 해당되는 두께를 갖는다.

소결이 진행되는 동안에, 코어재, 입자와 입자의 상호작용, 입자경계와 성장 현상과의 상호작용에 의하여 중간층의 두께 감소를 초래하게 된다.

따라서, 최종 소결 제품에서 중간층의 설계두께를 달성하기 위하여, 코어 입자 직경의 300%의 두께를 초기에 갖도록 함이 바람직하다.

분말의 바람직한 형태는 분말에 적용되는 외부 결합제 층을 갖도록 한다.

종래에 금속 결합제는 금속 분말과 함께 밀링하여, 금속 혼합 입자에 적용되어진다.

이러한 물리적 작용은 결합제의 밀링된 분말의 최소 퍼센테지가 예를들어 6%일때 오래가게 되고, 입자의 94% 잔여분의 표면상에 결합제 금속을 바르기 위한 시간은 역으로 금속 결합제를 사용하여 소결 제품을 성형하는 경제적 영향을 미치게 되고, 코팅된 입자 손상을 입히게 된다.

본 발명은 연속층의 형태로 금속 합성물 입자의 외부상에 일정한 코팅층과 같은 입자를 적용시키는 것이다.

본 발명에 따르면, 결합제층은 철, 코발트, 니켈, 이것들의 혼합, 이것들의 합금, 이것들의 금속성분을 함유하는 합성물로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속이다.

상기 결합제의 연속층은 화학적 증착, 스퍼트 증착, 무전해 도금, 전해도금, 물리적 증착, 증착, 용해 스프레이 증착, 또는 물리적 증착을 보조하는 플라즈마에 의하여 침전되어진다.

그 이유는 코발트와 니켈이 코어 입자 재료의 바람직한 범주와 중간층용 재료와 양립되고, 우수한 고온특성을 가지며, 결합제 금속 합성물이기 때문이다.

본 발명의 바람직한 구현예로서, 상기 소결재는 식 M_aX_b 를 갖는 제1금속 합성물로 구성된 다수의 코어 입자를 포함하는 것으로서, 여기서 M은 티타늄, 지르코늄, 하프니윰, 바나듐, 니오븀, 탄타륨, 크로늄, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄과 실리콘으로 구성된 그룹으로 부터 선택된 금속이다.

상기 바람직한 제1금속 합성물은 주로 화학량론적 금속으로서, TiN, TiCN, TiB₂, TiC, ZrC, ZrN, VC, 큐빅 BN, Al₂O₃, Si₃N₄, AlN으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속 합성물이다.

상기 금속 합성물은 단단하고, 유용한 기계적인 특성을 보유하지만, 제한된 파괴인성(Fracture Toughness)(크랙의 증식을 방지하는 성능)을 갖는다.

다른 금속 합성물은 본 발명으로 실시 가능하고, 이전에 목록화된 합성물도 가능하다.

입자의 다른 부분을 위한 합성물의 선택은 매크로 레벨(macro level)상에 올라와 있는 재료의 공지된 특징에 관한 종래의 정보를 기반으로 한다.

예를들면, 작용 온도에서 표준 자유에너지 형성을 고려함으로써, 다양한 재료의 확산마모(diffusion wear)를 평가할 수 있는 것으로서 알려져 있다.

텅스텐 카바이드(WC), TiC, TiN과 Al₂O₃를 순서대로 선택하면 조직의 네가티브 에너지(negative energies)가 증가하는 바; 이에, TiN은 표준 텅스텐 카바이드(WC)서멋과 비교하여 현저히 감소된 확산마모(diffusion wear)를 제공하게 된다.

더욱이, 1000-1100℃범위에서 철(일반적인 기공품)에 대한 다양한 공구재의 용해율은 다른 것들과는 전혀 다른다. 이는 공구 표면상에 나타난 TiN이 철에 대하여 텅스텐 카바이드(WC)용해의 감소를 증명하는 것으로 인식한다.

500℃에서 적절한 용해율은:

WC : 5.4 ×10⁴

TiC : 1.0

TiN : 1.8 ×10^-3

Al₂O₃: 8.9 ×10^-11

이는 텅스텐 카바이드(WC)가 TiN 코어와 관련되었을때, 철에 대하여 텅스텐 카바이드(WC)공구의 마모정도의 개선을 설명할 수 있는 것으로 여겨진다.; 예를들어 노출된 TiN 코어는 텅스텐 카바이드(WC)보다 철에 대한 낮은 확산마모(diffusion wear)를 갖는 것으로 나타난다.

텅스텐 카바이드(WC) 연속 입자 코팅은 강한 셸과 높은 기계적 특성(TiN용 250GPa값에 비하여 696GPa의 영계수)을 달성하기 위하여 필요한 것으로 여겨진다.

TiN코어(WC용 H_V= 2350에 비하여 비이커 경도 H_V=2400을 가지고, WC용 μ=0.200의 값에 비하여 슬라이딩 마찰계수 μ=0.125를 갖는다)는 철에 대한 마찰마모를 감소시키고, 따라서 코어는 최종 그라인딩과 연마후에 공구의 표면에 노출되어진다.

상기 코어 입자는 각각 양립하는 한 다수의 다른 금속 합성물일 수 있고, 코어 입자를 덮고 있는 층을 포함하는 재료와는 다르다.

소결재로 만들어진 제품의 특성은 코어입자가 중간층의 일부를 제거함으로써 노출되었을때, 코어입자의 특성과, 이것의 소결재에서의 농도, 결합에 의하여 결정되어진다.

예를들어, 상기 소결제품이 커팅(cutting)용 인서트로 성형시키고자 한다면, 소결제품은 코어입자를 노출시키도록 EDM(전기방전가공)에 의하여 형성되어진다.

코어입자의 바람직한 구현예에 있어서, 코어입자는 TiN이고 중간층은 텅스텐 카바이드(WC)이며, TiN의 마찰계수와 이것의 경도, 마모저항은 커팅(cutting)용 인서트에 분배되어지고, 동시에 인서트의 전체 강도와 크랙 전이(crack propagation)에 대한 저항은 TiN코어 입자를 둘러싸고 있는 텅스텐 카바이드(WC)층에 의하여 향상되어진다.

상기 인서트의 마모는 인서트의 특징을 감소시키는 것을 초래하지는 않는데 그 이유는 TiN이 마모되는 코팅재가 아니기 때문이다.

인서트 재료의 집적화된 부분은 이 부분이 마모될때 새로운 표면이 된다.

바람직한 코어재는 큐빅 붕소 질화물(cBN)이다.

그러나, 상기 구현예는 cBN 코어 입자의 전위를 실현하기 위하여 입자와 층의 특정 크기와 두께를 요구한다.

cBN의 특정한 경도는 또 다른 조성과 두께를 갖는 금속 혼합물의 층을 둘러싸고 있는 로드 베어링의 사용에 의하여 해당 제품에 포함되어야만 하고, 소결되어질때, 최종 적층된 입자는 상기 연마제로서의 유용한 기계적인 특성을 갖게 된다.

상기 소결재의 구현예는 텅스텐 카바이드(WC), 또는 WC₂으로 구성된 각각의 cBN 코어 입자상에 중간층을 포함한다.

또한, 소결재의 구현예는 코팅된 입자상에 중간층이 겹쳐진 외부층을 포함한다.

상기 외부층의 기능은 결합재로 형성되고, 조밀한 소결재에 적당한 소결시간과 온도로 코팅입자를 결합되도록 한다. 여기서 상기 외부층은 결합제로서의 기능을 한다.

상기 외부층은 철, 코발트, 니켈, 이것들의 혼합물, 이것들의 합금, 이것들 의 금속 혼합물로 구성된다.

본 발명의 구현예로서 상술한 바와 같이, 분말은 연속층을 형성하는데 있어서 금속 혼합물 입자의 외부상에 일정하게 코팅되는 결합제로서 적용되는 것으로서 인식된다.

상기 중간층(코팅된 입자로 서술된)을 덮고 있는 코어 입자의 크기는 소결재와 이것으로부터 만들어진 제품의 기계적 물성치에 영향을 주게 된다.

상기 분말과 관련하여 상술한 바와 같이, 이 분말은 약 2㎛이하 바람직하게는 1㎛의 평균입자크기를 갖는 코팅된 입자이다.

또한, 상기 중간층은 소결후에 코어입자의 직경에 대하여 5%에서 25%의 범위에 해당되는 두께를 갖는다.

더욱이, 상기 결합제 층의 두께는 소결재의 특성에 영향을 주는 것으로 여겨진다.

상기와 같은 크기를 갖는 소결재는 개선된 물성치를 갖는 것으로 여겨지는 바, 그 이유는 일정부분에 해당되는 코팅된 입자의 전위가 중간층에서 근접한 코어 입자까지 전달되기 때문이다.

본 발명에서 소결후에 코어입자의 직경에 대하여 3%에서 200%의 범위에 해당되는 두께를 갖는 중간층과 작용하는 것으로 알 수 있고, 그 바람직한 두께는 5%에서 25%의 범위에 해당하는 것이 바람직하다. 증가된 인성은 결과적으로 입자의 크기가 감소되었음을 의미한다.

상기 바람직한 코어 입자의 직경은 0.1나노미터에서 1.0마이크로미터 범위이 다. 이 범위의 입자크기는 중간층의 두께와 상호 관련이 있다. 결정체 물질의 강도는 원자 결합과 전위구조에 의존한다.

전위는 정상적으로 움직이지 않는 선형 원자 격자의 결함이다.원자적으로 결합된 두개의 결정체 재질을 혼합하는데 있어서, 상부와 하부영역은 혼합법칙 및 이 혼합법칙의 역순에 의하여 계측된 조성물의 탄성율로 평가되어진다.

하중을 증가시킴에 따라, 재료는 입자가 슬립 또는 흐름을 시작하여 전위될때까지 탄성적으로 재형성되어지고, 그에따라 영구변형과 사용강도의 제한이 따르게 된다.

대략 1마이크로미터와 그 이하의 입자크기에서는 전위응력에 의하여 예외적으로 상기 재료의 강도는 높아진다.

각 전위 주변의 원통형 변형 영역은 격자 주변의 외주면으로 연장되어진다.

이론적으로, 상기 각 전위 주변의 변형 영역은 변형 영역을 반대로 줌으로써 균형이 맞도록 하여야 하고, 그렇지 않으면 상기 전위는 표면으로부터 분리 이동을 하게 된다.

결정 크기가 이것의 변형영역(strain field)에 비해 크기가 크면, 상응력(image stress)은 결정 표면에 형성되지 않고 전위 주변에서 형성된다.

다수의 결정체 입자를 결합하고 있는 결합제를 갖는 소결재에 있어서, 상응력(image stress)은 결합제 매트릭스의 낮은 강도와 조화를 이루게 되지만, 큰 결정체를 제외하고는 표면 근처에 대부분은 전위가 없기 때문에 비교적 정확하다.

서브마이크로미터 다결정 입자에 있어서, 변형영역(strain field)입자의 원 자격자와 일치되지 않는 원자격자를 갖는 주변의 입자로 변형영역(strain field)이 연장될 수 있다.

입자표면의 외부쪽에 균형을 이루고 있는 변형 영역은 전위의 이동을 저지시키고 따라서 항복되는 것도 저지되어진다.

입자의 크기를 감소시킴으로써, 보다 많은 전위가 표면 주변에 발생하게 되고, 강도는 감소되어진다.

상기 중간층의 두께와 소결재에 코팅된 입자와 연결되는 결합제층은 얇게 되면, 실제적으로 변형영역(strain field)은 주변의 입자까지 결합제 매트릭스를 통과하여 지나게 된다. 이것은 단단한 코팅입자간의 리거멘트의 무시하는 높은 강도를 창출한다.

다시 말해서, 소결 제품의 기계적 특성은 결정체이고 매우 얇은 것으로서 추정되는 결합제상의 특성에 의존되어진다.

또한, 상기 중간층의 두께는 코어 입자주변에 걸쳐 기계적 셀룰라 지지 매트릭스를 창출할 수 있도록 코어에 비하여 두꺼운 두께를 갖는다.

상기 목적이외에 기대된 상응력(image stress) 강도는 1.0마이크로미터 그리고 보다 작은 코어 분말과 함께 증가하고, 강도특성은 입자크기의 상호작용, 코어재료의 특성, 중간층과 결합제의 두께와 특성에 의하여 소결된 TCHP 합금에서 달성될 수 있다.

1.0 마이크로미터의 5%에서 10%의 텅스텐 카바이드(WC) 코팅은 실질적으로 매우 얇고, 좀 더 처리하기 쉬운 입자 크기에서 나노스케일(nano scale)의 기계적 특성을 보유하고 있는 질긴 상입자(50에서 100나노미터)처럼 그 자체가 매우 작은 것처럼 작용될 수 있다.

상기 TCHP 구조는 매우 작고 질기며 단단한 코어 입자 크기로서, 나노스케일(nano scale) 셸은 입자, 최대탄성, 경도, 파괴인성(Fracture Toughness)과 강도간의 1마이크로미터 이하의 얇은 코발트 리게먼트에 의하여 분리되어진다.

주된점은 얇은 결합제 리게먼트에 의하여 소결된 TCHP 기계적 특성을 특징으로 하는 "합성물"의 손실이 있다는 점이다.

심지어는 낮은 경도의 재료(코발트와 같은)의 상은 표면(서브마이크로미터 입자를 갖는 표면 근처)근처의 전위로부터 압력을 받고, 이 합성물의 특성은 연마 합성물보다 우수하다.

또한, 결합제 매트릭스 리게먼트는 매우 얇게 되고, 합성물의 강도는 코발트 결합제의 가소 특성에 의존하여 이루어지고, 셀룰라 코팅의 구조적 강도는 우수하고 실질적으로 텅스텐 카바이드(WC)의 강도에 근접된 수준이다.

본 발명은 특성(인성, 강도, 낮은 마찰계수, 경도)의 최적 균형을 이루는 소결 가능한 금속 미립자 재료를 제공하고자 한다.

TCHP로부터 제조된 공구물과 다이에서 기대할 수 있는 개선점은 3가지로 나눌 수 있는데; (a) 가공물과 공구간의 계면에서의 낮은 마찰계수, 감소된 항복열, 마모, 크레터링(cratering), 처리되는 분말의 감소, 외부 윤활제의 보조사용 등으로 인해, 궁극적으로 공구수명을 연장시키고 보다 나은 처리 절차가 필요함; (b)철과의 낮은 반응, 점착과 확산의 감소, 프랜크(flank), 다이마모, 인발다이의 사용 수명을 연장시킴; (c)입자상에 질기고 강한 코팅재를 형성하고 있는 공구용 마이크로 구조를 지지하는 동시에 단단한 입자 코어용 탄성보호층을 제공하며, 이 탄성보호층을 제위치에 고정시키며, 마모저항 공구 표면에 단단한 상보유(phase retention)와 정밀한 노출을 실현시킨다.

이는 종래 방법(입자와 결합제간에 존재하는 비교적 낮은 결합강도는 인성과 휨강도를 감소시킨다.)에 의하여 제조된 제품과 대조되어진다.

소결된 제품은 전체적으로 경도(얇은 코팅은 제한수명이나 크랙을 갖는다)를 고르게 되도록 코팅되어진다.

코어 입자(외부 위치 대신에)와 같이, 경질의 상을 갖는 합금을 내부에 위치시키는 것은 경질의 상 합금(그라인딩이 끝난후에 외부면에 노출됨)을 종래 알려져 있는 재료보다 더 큰 비율(두께)의 소결된 마이크로구조를 통하여 분배시킨다.

경질의 상 합금은 자체적으로 마모저항을 증가시키고, 가공품과의 화학적 상호작용을 감소시키며, 마찰계수를 현저하게 감소시킨다.

공구수명은 반대쪽 슬라이딩 표면에 의하여 당겨지거나 마모되는 표면 입자의 일정한 재생에 의하여 향상되어진다.

또한, 대부분의 바람직한 코어재의 마모저항과 응착 특성은 종래 재료에서도 그 성능이 알려져 있는 바, 코어입자와 같은 성능은 본 설명에서 예측 가능한 핵심이 된다.

그 이유는 상기 코어 입자가 알려진 재료(예를들어, 텅스텐 카바이드(WC))와 함께 코팅되고, 몇몇의 다른 코어재를 갖는 소결 코팅입자와 블렌딩 코팅 입자가 많은 특성을 용이하게 향상시키기 때문이다.

따라서, 연구 개발비는 감소되고, 동시에 독특한 특성을 갖는 최종재료를 제공하게 된다.

따라서, 각 입자가 거친 셸(중간층)이 있는 소결된 마이크로구조를 설계하는 것은 소결된 제품 부재를 통하여 질긴 셀룰라 서포트 시스템이 형성되도록 인접입자를 부착시키고, 강도, 높은 탄성변형, 파괴인성(Fracture Toughness), 단단한 합금함량의 결합을 가능한 가장 높게 한 소결제품을 생산할 수 있다.

결과적인 제품의 마이크로구조는 질기고, 강하고, 서로 부착된 코팅입자 셸, 기계적으로 또는 화학적으로 부착된 코어 입자를 포함하거나 지지하고, 최종 그라인딩과 연마를 진행하는 동안 외부 표면상에 단면이 노출된 크리스탈, 섬유, 휘스커로 구성된 셀룰러 마이크로구조의 골격을 이룬다.

주변의 중간층과 코어 입자를 위하여 서로 다른 재료의 조합을 활용하는 주안점은 정상적으로 충돌하는 제품의 성능 특성(강도와 경도)의 조합을 허용한다.

이러한 개념은 재료 설계자에게 다양한 기계와 하나의 물품 또는 기계를 가지고 다양하고 고유한, 복합된 그리고 특별한 요구조건을 만족하는 TCHP 입자구조(적당한 층두께, 사이즈 그리고 코어재료)와 혼합(다양한 분말을 기계와 물품영역 내에 합치기 위함)을 적합하게 하기 위한 용이하고 전체적인 수월한 방법을 부여한다.

게다가, 단단한 외부 입자 셸(shell)로써 강한 재료(예를들면, 텅스텐 카바이드(WC))를 이용하면 많은 양이 혼합된 전구가스와 반응가스를 다양한 외부 기질코팅에 사용하는 대신에 단지 하나의 재료 반응 전구가스(예를들면, 텅스텐 카바이드)를 분말 입자를 코팅하는데 사용하기 때문에 효과적으로 연구, 개발 그리고 공업화 노력을 줄일 수 있다. 이러한 미립자 재료는 코발트와 같이 주변의 텅스텐 카바이드와 바인더와 함께 결합되는 텅스텐 카바이드 입자처럼 소결될 것이다.

따라서, 지난 60여년간 사용된 표준이되는 단단한 재료는 사라질 것이고 전체적인 구조가 강화될 것이다. 보다 효율적인 강도의 적용성을 만족시키기 위하여 입자에 텅스텐 카바이드 코팅 두께를 증가시키는것 또는 임계의 마모 적용성을 만족시키기 위하여 상기 텅스텐 카바이드 코팅 두께를 줄이는 것은 모든 설계 요구를 해결해야 한다.

코어 입자 사이즈를 증가시키는 것은 마모 저항에 대한 보다 까다로운 요구조건을 쉽게 만족시킬 수 있는 경우에 달성되고 또한 고강도의 적용성을 위하여 상기 코어 입자 사이즈를 줄인다.

또한 잘 알려지고 발견된 특정한 적용성(예를들면, 플랭크(flank) 마모 또는 크레이터(crater) 마모)를 더욱 잘 수행하기 위하여 특성(경도, 마찰계수)을 가진 다양한 코어 입자 재료를 사용하는 것은 코어 재료의 선택에 의해 달성된다. 또한 모든 다양한 표준 적용성을 만족시키기 위하여 상기 두께, 지름 그리고 코어 재료 분말 특성을 조화시키는 것은 가능하다.

또한 예열되어 압출된 왁스/분말 단면을 이용하여 TCHP의 상을 점차적으로 단단하게 하기 위한 영역 또는 층으로부터 보다 단단한 중간층 재료로 변화시키는 것은 가능하다. 이것은 현재 이용되는 FGM(Functionally Gradient Material)보다 융통성 있고 효율적인 방식이다.

또한 본 발명은 다양한 성능 요구에 대응하기 위하여 여러 부위의 다른 분말층(혼합층)을 통합하는데 이용될 수 있다. 이것은 원자 준위 그레디언트(atomic-level gradient)에 못미쳐도 가능한 미세구조 설계 정제의 궁극적인 수준이다. 다른 금속 분말과 소결된 코발트는 경화되지 않은 소결된 부위를 국부적으로 경화시키고, TCHP는 열처리를 필요로하는 스틸 부위를 적은 제조 공정을 필요로 하는 분말로된 금속(Powdered Metal(P/M)) 부위로 대체되는 것을 허용한다.

첨부한 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면, 도 1은 소결된 재료의 도식적인 단면도이다. 이러한 실시예에 있어서 텅스텐 카바이드와 같은 단단하고 부러지지 않는 금속 컴파운드 중간층(14)을 갖는 하나 또는 그 이상의 금속 컴파운드 입자(10)가 있다. 상기 코팅된 입자는 통상적으로 코발트 또는 니켈, 바람직하게는 철과 같은 금속인 적절한 소결 바인더(16)의 외층을 포함한다. 최종적으로 코팅된 분말(18)은 마지막으로 절반 완성된 또는 완성된 입자(article)로 소결되고, 상기 입자의 미세단면은 도면 부호 20으로 나타난다.

상기 소결된 입자(20)의 미세 구조는 단일화된 텅스텐 카바이드(WC)층(14)이 강하게 상호결합된 미세 조직이고, 각각의 미세 구조는 단단하게 결합된 금속 컴파운드 코어를 포함하고 지지하며, 매트릭스(16) 형태를 이루고 연삭과 폴리싱이 끝나는 동안 외면(22)에 단면이 노출된다.

W₂C의 두께가 거의 0.25㎛(15%)인 두께로 코팅(7)된 1.6㎛ 질화티타늄 코어 입자(6)로 이루어진 단일화된 TCHP 입자의 주사형 전자 현미경 사진이 도 2에 보여진다. 이것은 후부(9)에 나타나고 연마된 수지 야금의 견본에 배열되는 많은 TCHP 그레인(grains) 중의 하나이다. 경합금 입자는 (a)그레인(저감된 유동성을 야기하고, 고온공정을 필요로함)의 불규칙성과 (b)강화되는 동안 적은 소성변형 때문에 종종 이론적인 밀도에 만족되도록 조밀하게 소결되지 않는 것은 잘 알려져 있다.

8자 모양의 코어 입자(6)는 통상적인 견본에서 오목한 불규칙성을 나타낸다. CVD 코팅 공정은 통상적으로 코팅된 입자를 더욱 둥글고, 매끄러운 형상으로 형성하도록 오목형(8)으로 완성되고 실제로 분말의 유동성과 조밀성을 향상시킨다. 이것은 공정비용을 절감해야 하고, 결과적으로 보다 규칙적이고 얇은 바인더층을 형성하고, 분말의 조밀성을 향상시키고 소결된 입자의 기계적 특성을 향상시킨다.

본 발명에 따른 독특한 분말은 화학기상증착(CVD) 반응기 내에서 제조된다. 입자의 사이즈가 코팅되기 때문에, 반응기는 코팅된 입자가 집적되는 것을 방지하기 위한 구성을 포함한다. 상기 반응기의 개략적인 도면이 도 3 내지 도 5에 도시된다.

도 3에 나타난 CVD 반응기 시스템은 각각 양단에 형성된 가스 유입,유출도관(36,26)을 통하여 반응기 내에 유입되고 유출되는 분말과 반응가스를 가열하기 위한 가열로(22)에 수용되어 회동되는 CVD 반응기 용기(22)를 포함하여 이루어진다. 라인(30)은 WF₆ 전구물체를 공급하고, 라인(28)은 99.999% 순도의 수소를 공 급하며, 상기 두 가스는 CVD 코팅을 형성하기 위하여 반응기 용기(20) 내에서 반응하고, 회동 실(rotating seal)과 유입도관(36)을 유동측정기(32)를 통하여 연결한다.

또한 라인(28)은 버블러(34)를 관통하고 99.9% 순도의 이소프로필 벤젠을 포함한다. 필터(38)은 작동을 위해 진공 시스템(미도시됨)과 트랩장치(40)와 유동 게이지(42)에 연결된 유출도관(26)의 전면인 반응기(20)의 외측에 개재된다. 상기 반응기(20)는 내화성 금속 또는 드럼의 지름과 코팅된 분말의 비중에 따라 50 에서 150rpm의 회전속도로 회동하고 방향을 변화시킬 수 있는 그래파이트(graphite) 실린더 형상을 갖을 수 있다.

따라서, 기울어진 각도(24)와회전속도는 반응가스 환경이 야기되는 고온(500 ~ 1600℃) 내에서 코팅된 분말을 제조하기 위한 적절한 잔류시간에 따라 조정될 수 있다.

미크론보다 작은 TCHP 미립자 물질을 제조하기 위하여 CVD 방법을 실시하는 데에는 네가지의 중대한 문제가 있다. (1) WF₆ 전구가스의 가격문제, (2) 독성을 가진 WF₆의 관리문제, (3) 코어 분말보다 먼저 발생하는 표면에서의 전구가스의 조기반응문제, (4) 응집된 집괴의 분해문제. 마지막 3가지 문제는 기술적인 해결책이 있다. 비록 다른 공정에서의 비용 절감이 상기 첫번째 문제점을 보상할 수 있으나, 카르보닐을 포함하는 금속을 이용하는 방법과 같은 다른 방법으로 비용을 절감하여 궁극적인 CVD는 달성될 수 있다.

상기 세번째 문제점(반응가스의 비효율적인 사용)의 해결책은 반응가스가 거의 코어 입자에 도달할 때까지 반응시작온도 아래에서 유지하는 것으로부터 알아냈다. 이것은 상기 반응가스를 분리된 상태로 유지하고, 상기 반응가스를 난류 가열된 분말과 함께 혼합함으로써 더욱 문제점을 해결할 수 있다.

극초단파 에너지(유도 주파수(induction frequencies)는 해당되지 않음)는 입자를 가열하는 경향이 있는 것은 발견되었다. 2.45Ghz의 주파수로 2분간 가열하고 500W의 전력을 인가하면 37℃~40℃의 온도가 상승된다. 순환되는 석영 튜브 내에서 분발 자체에 의해 가열된(극초단파 에너지에 의해 가열됨) 반응가스의 집중되고, 난류유동의 고온비율 개념은 미크론 단위보다 보다 작은 분말의 균질의 집괴분해, 혼합, 순환, 그리고 코팅을 달성하는데 있어서 많은 장점을 갖는다.

도 4는 분말의 집괴에 대한 문제를 해결하기 위한 하나의 해결책을 보여준다. 회동하는 반응기 내의 유동화는 계속 새로운 형태로 변하는 집괴를 분해하기 위해 필요한 힘을 사용하지 않는다. 실제로는, 상기에서 언급되지 않았지만, 집괴는 사이즈, 더욱 자세하게는 균질성 공정을 방해하는 사이즈에 따라 그 자체를 분류하는 경향을 갖는다.

게다가, 일반적인 수평형 반응기는 배치(batch) 내의 코팅 두께의 균질성을 저감시킬 수 있는 단부 영역(end zones)을 갖는다. 도 4에 도시된 바와 같이, 규칙적이지 않은 코팅을 생성하는 집괴와 단부 영역(end zones)의 문제점에 대한 해결책은 (a) 배치를 순환시키고 균질화 하기 위하여, (b) 분말을 분해하기 위한 충분한 절단을 위하여 반응기를 경사지게 하고 고정된 빗(comb) 형상의 가이드(80)를 설치함으로써 달성된다.

가열로 내에서, 반응기 챔버(62)는 석영 실린더(60)를 포함한 그래파이트로 구성된다. 회전속도(66)는 코어 분말에 작용하는 중력이 원심력보다 클 수 있을 정도이어야 하고, 따라서 떨어지는 분말 그레인은 반응가스에 최대한 노출되도록 유동화되고, 그 위에 중간 코팅층이 집적된다. 목적은 전구가스에 대하여 분말을 최대한 노출시키기 위하여 실린더의 회전에 의한 원심력, 중력 그리고 회전관성을 적절히 조합함으로써 코어 분말을 유동화하고, 구르고, 단계적으로 떨어뜨리고 혼합하는 것이다.

이것은 실질적인 지름이 120mm 이상인 것을 내포한다. 각 입자에 균질층의 증착을 저지하는 집괴를 분해하는 것을 돕기 위하여, 반응가스는 전단력을 가지고 집괴를 분해하기 위하여 떨어지는 분말을 통해 고흐름율(high flow rate)로 유입된다.

전단력은 드럼의 저부 끝단에 도시된 단면(67)인 가이드(80)의 두 영역 내에서 분말에 작용한다. 회전 드럼(60,62)에 의해 분말이 가이드 아래에서 반출되기 때문에 제 1 영역(68)은 약한 압력과 전단력을 분말 부위에 작용한다. 13°의 진행 압착각(69)은 드럼과 랙(rack) 사이에 형성되고, 상기 압착각은 집괴를 분해하기 위한 충분한 압축 전단력이 작용한다.

제 2 영역(70)은 긴 부위(70)로 랙 그자체를 형성하는 직각으로 절삭되어 스테인레스 스틸로 끝단이 융합된 각이(angular teeth)로 이루어진다. 상기 제 2 영역(70)은 다음 회전동안 노출을 위하여 더욱 입자를 분해하고 균질화할 수 있도 록 적은 전단력 하에서 압축된 분말이 배출될 수 있도록 한다. 석영 라이너(60)로부터 5mm의 간격(74)을 두고, 랙이(rack teeth)의 진행각은 이(teeth)(72)의 개방이 최고에 도달하는 압착을 증가시키는 굴곡점과 함께 종결된다. 0.5mm~1.0mm의 간극(76)은 랙으로부터 석영이 마모되는 것을 방지한다.

랙의 나선형 영역(80)은 반응기 저부에 도시된(점선으로 상단부에 도시됨) 가이드(78)를 제공한다. 상기 나선형 가이드는 분말을 측면으로 순화되는 것을 확고히하고 배치를 균질화하기 위하여 리프트(lift)를 제공한다.

도 5는 나선형의 랙을 도시하므로 나선형 가이드(80)가 보다 명백하게 보여진다. 상부 플랫폼(platform)에는 분말이 모여서 순환을 위하여 관통되어 떨어질 수 있도록 구멍(92)이 형성된다. 랙(90)의 이 또한 명백하게 보여진다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예는 질화 티타늄으로 구성되어 미리 압착된 입자 코어 분말을 이용한다. 상기 분말은 텅스텐 카바이드의 중간층을 갖으며 CVD 코팅된다. 소결을 위해 코발트 바인더를 사용하는 것은 바람직하다. TiN/WC/Co 시스템에 있어서, 코발트(Co)에 대하여 텅스텐(W)은 용해성이 뛰어나고 탄소(C)와 질화 티타늄(TiN)는 Ti(C,N)를 생성하기 위해 효율적으로 반응하고, 비록 텅스텐(W)과 코발트(Co) 사이에 형성되는 결합력보다는 덜 강하지만, 소결된 물품에 대하여 강한 TiN/WC 그레인 경계상과 훌륭한 기계적 특성을 이루어낸다.

상기 질화 티타늄(TiN) 상(phase)은 재료 내부에 집중되고, 표면 마모로인한 성능의 저하는 없다(통상적인 기계는 세라믹 코팅으로 보호됨). 따라서, TCHP로 만들어진 다이, 기계 또는 다른 단단한 물품은 다른 적용성에 대하여 보다 큰 지름 또는 리그라운드(reground)를 위해 다시 사용할 수 있다. 만약 나중에 바인더 효율을 증가시키기 위하여 Ti(C,N) 중간층이 최소화 되어야 한다는 것이 결정되면, 입자상 바인더 층의 기상 증착을 통하여 탄화 텅스텐(WC) 코팅 두께를 증가시키고 소결시간과 온도를 줄이는 방법이 사용될 수 있다.

다시 말해, 비커스 경도(Vickers hardness) 기준으로 Ti(C,N)의 경도 Hv=3200은 TiN의 경도 Hv=2400 또는 TiC의 경도 Hv=2800보다 현저하게 단단한 것이다. 이것은 어떤 적용에 있어서 장점이라는 것은 증명된다. 질화 티타늄(TiN)보다 단단한 질화 지르코늄(ZrN)은 상기 질화 티타늄(TiN)보다 2/3 적은 마찰계수를 갖고, 프랜크(frank) 마모에 있어서는 더욱 유리하다고 간주된다. 또한 상기 질화 지르코늄(ZrN)은 코어 재료에 있어서도 바람직하다.

도 6은 절삭 기계 재료로 사용되는 여러 종래 기계 재료의 작용 영역과 본 발명의 실시예의 예상되는 작용 영역에 대한 편집물이다. 종래의 단단한 재료를 코어로써 사용하고, 원하는 영역에 대한 입자 사이즈를 줄이고, 상기 코어에 적절한 두께로 인성이 있는 코팅(예를들면, 탄화 텅스텐(WC))을 적용함으로써, 본 발명에 따른 TCHP는 종래 재료에 대한 작용 영역을 넓힐 수 있는 것이다.

공구 이송율(tool feedrate)를 증가함으로써, 즉 본 발명에 따른 TCHP의 우측 작용 영역은 인성이 있는 코팅과 경도와 다른 코어 재료의 특성을 이용하여 증가된 인성이 제공되는 것을 알 수 있다.

도 3에 도시된 반응기 시스템을 사용함으로써, 본 발명을 구현하는 혼합 미 립자 재료는 각각의 합금이 1.0~1.5㎛의 지름을 갖는 티타늄 니트라이드, 티타늄 카바이드, 지르코늄 니트라이드, 바나듐 카바이드, 알루미늄 옥사이드 그리고 큐빅 보론 니트라이드와 같은 분말로 형성함으로써 이루어진다(또한 티타늄 디보라이드, 지르코늄 카바이드, 탄타륨 니트라이드 그리고 바나듐 카바이드와 같은 합금도 사용될 수 있다.).

WCx의 증착을 이용하는 화학기상의 반응 성분은 수소와 지방족 또는 방향족 탄소질 혼합물(aliphatic or aromatic carbonaceous compound)의 존재하에서 텅스텐 헥사플로로라이드(WF₆)이고, 상기 반응 성분은 재생 특성을 갖으며 WCx 코팅을 형성하기 위하여 500℃에서 700℃의 온도 영역에서 작용한다. 반응기 내의 낮은 압력(예를들면, 10밀리바 이하) 상태는 가스 내의 반응물의 확산을 증가시키고 분말 표면에 균질한 코팅이 이루어지도록 할 수 있다. 이러한 기술은 일반적으로 저압 화학기상증착법(LPCVD : Low Pressure Chemical Vapor Deposition)으로 불린다. 상기 반응기는 코어 분말을 연속적으로 자유낙하 하기에 충분한 속도로 작동하고, 반응가스의 속도는 다른 변수의 조건(압력과 전체 유동율)에 의해 조정되며, 이러한 경우에 반응 성분으로 이용되는 방향성 액체 혼합물은 가스 버블러에 사용된다.

모든 WCx 소결된 카바이드의 바람직한 90~95%의 강성과 CVD 잔류시간을 최소화하는 것을 기반으로 하여 바람직한 코팅의 두께는 평균 입자 지름의 2 내지 25%의 두께이다. 상기 CVD 작용 변수들은 컴퓨터 프로그램을 이용하여 조정될 수 있 고, 그로 인하여 주요 "지표(indicator)", 예를들면 반응기 각 부위에서의 WCx 코팅두께에 따라 최적화가 조정될 수 있다.

분말상에 증착되는 WCx 양은 텅스텐과 티타늄의 강도 최고치에 비교하여 측정되는 분말의 EDX 마이크로 측정에 의해 측정되고, W_M, Ti_K(여기에서 _M과 _K는 원자의 비율 계수이다)의 비율은 가열로의 여러 부위와 여러 시간에서 취해진 입자 샘플에 의해 결정된다. 이것은 균질성의 지표, 증착의 비율과 WCx 표면 그리고 소결되기전 WCx/코어 입자 계면 특성을 제공한다.

상기 WCx의 단면 두께는 수지 사이에 끼워있는 TCHP 그레인으로 이루어진 견본을 이용하여 광학 현마경과 주사형 전자 현미경을 이용하여 측정되고, 그레인의 단면을 노출시키기 위하여 연마되며 X-Ray분석 또한 분말의 WCx 상을 보기 위하여 이용된다.

실시예

3가지 시리즈(series)의 소결된 샘플이 준비된다: 하나의 시리즈는 WCx 코팅된 티타늄 니트라이드 미립자 재료이고(본 발명의 실시예에 있어서, 포뮬레이션 C, D, E 그리고 F), 또 하나의 시리즈는 어떠한 코팅도 없는 텅스텐 카바이드 분말이고(포뮬레이션 A), 또 다른 비교 시리즈는 TiN(포뮬레이션 B) 및 TiN, TiC 그리고 Al₂O₃로 코팅된 표준 샌드빅(Sandvik) 재료(도 7의 컬럼 G 참조)가 첨가되고 코팅되지 않은 텅스텐 카바이드 분말의 혼합물이다(포뮬레이션 G).

포뮬레이션(formulation)을 형성하기 위해 사용되는 텅스텐 카바이드(WC) 분말은 상업용으로 등급 DS100으로써 H.C. Stark Company에서 제조되는 것이 통용되고 전형적인 평균 입자 사이즈는 약 1.0㎛(±0.1㎛)이다. 통용되는 코발트 분말은 Strack 등급 Ⅱ로써 전형적인 입자 사이즈는 1.5㎛(±0.2㎛)이고; 통용되는 티타늄 니트라이드 분말은 Strack 등급 C로써 전형적인 입자 사이즈는 1.0㎛(0.8 내지 1.2㎛ 사이)이다; 그리고 상업적으로 사용되는 니켈 분말의 전형적인 입자 사이즈는 2.2㎛이다.

본 발명을 구현하는 포뮬레이션은 입자 크기는 약 1.0㎛를 갖는 혼합 미립자재료(TCHP)를 형성하기 위하여 텅스텐 카바이드(W₂C)로 두께는 약 0.16㎛로 코팅된 TiN 코어 그레인 CVD로 이루어진다. 상기 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한 장치는 TiN 분말의 CVD 코팅을 달성하기 위하여 사용된다. 상기 장치는 빗이 13°의 압착각으로 고정되고 20°의 나사선각이 개방되면서 작동한다. 적당한 양의 TiN 분말이 그래파이트 반응기의 챔버내로 유입된다. 상기 시스템이 작동하면, 수소가 유동하기 시작하고, 내부압력은 11.25토르(Torr)로 조정된다. 그리고나서 전원이 약 550℃의 온도(약 1시간)로 90rpm의 회전속도로 반응기의 드럼을 회동할 수 있도록 전기 가열로에 인가된다. WF₆공급과 버블러(cumene bubbler) 측정용 유동 측정기는 TiN 기질 분말상에 W₂C 증착을 위한 반응가스의 모랄비(molar ratio)를 제공하기 위하여 개방된다; 상기 버블러는 20℃에서 작동하고, 수소가스는 액체(liquid cumene)용 캐리어(carrier)로써 사용된다. 상기 작동은 TiN 입자상에 바람직한 W₂C 두께를 형성하기 위한 충분한 시간동안 계속되고, 상기 작동 후에 WF₆ 유동 측정기와 버블러(cumene bubbler)는 닫혀지고 가열로는 수소에 의해 냉각된다.

포뮬레이션 A는 94w%의 WC와 6w%로 이루어진 두가지 혼합물이다; 포뮬레이션 B는 87w%의 WC, 6w%의 Co 그리고 7w%의 TiN으로 이루어진 세가지 혼합물이다; 포뮬레이션 C는 84w%의 설명된 TCHP 혼합물과 16w%의 Ni로 이루어진다; 포뮬레이션 D는 84w%의 TCHP 혼합물과 16w%의 Co로 이루어진다; 그리고 포뮬레이션 E는 90w%의 TCHP 혼합물과 10w%의 Co로 이루어진다.

포뮬레이션 B는 아크라왁스(Acrawax) C(에틸렌 바이스테어라마이드 공정에 의해 뉴저지주 페어 런에 위치한 Lonza Inc.에서 제조됨)와 헥산을 혼합함으로써 53×16×11mm의 크기 및 130그램(g)의 무게로 계량된 소결 바(sintered bar)로 형성된다. 이것은 WC 볼로 16시간 동안 볼 압축(ball milled)되고, 진공 상태에서 건조되고, 300㎛의 체로 걸러지고, 2000바(bars)의 압력하에서 5분간 등안정적으로 냉각되고, 1 내지 3토르(Torr)의 진공하에서 1450℃로 20분동안 처리되어 소결된다. 상기 가열 및 냉각율은 1시간당 150℃∼200℃이며, 전체 소결작용은 두시간동안 진행된다.

포뮬레이션 A, C, D, E 그리고 F로부터 샘플 디스크가 준비된다. 이렇게 준비함으로써, 포뮬레이션은 캠포어 템포러리 바인더(champor temporary binder)와 알콜 솔벤트와 혼합되고, 텅스텐 카바이드 밀링 볼에 의하여 유성운동 방 향(planetary)으로 밀링되며, 80℃에서 15분간 건조되고, 300㎛ 체로 걸러진다. 샘플 A, C 그리고 D에 있어서, 형성된 디스크는 지름이 10mm이고 상술한 샘플 A와 B 같이 진공 상태하에서 소결된다. 샘플 E와 F를 제조하기 위하여 연마, 건조 그리고 체로 걸려진 포뮬레이션은 200kg/

의 압력과 1400℃의 상태하에서 단축 프레싱에서 지름 50mm를 갖는 디스크로 형성된다.

상술한 소결된 물품의 다수개 샘플은 각각의 몇몇 특성을 측정하기 위하여 테스트된다. 상기 포뮬레이션, 소결조건(진공 또는 압력), 물품의 형태(바 또는 디스크), 소결후 바인더 물질 그리고 몇몇 측정된 특성값은 도 7에 나타난다. 플랭크 마모와 크레이터 마모의 측정은 표준 재료(CK45)로 접면속도 200m/min, 0.2mm/rev의 공급비로 2mm 깊이까지 절삭되는 것으로 측정된다. 샘플 No. 1의 경도, 굽힘강도 그리고 탄성강도는 도면의 표에서 알 수 있다. 상술한 예에 있어서, 본 발명을 구현하는 소결된 샘플은 지금까지 설명한 바와 같이, 기계와 다른 물품의 제조에 특히 적합한 금속 분말을 형성하는 방식으로 기능을 수행하는 것에 기반을 둔다.

본 발명에 따른 소결된 미립자 재료를 제조하는데 이용되는 금속의 혼합(추가적인 결합수단 또는 소결 보조재를 포함한다) 뿐만 아니라 코어 입자의 상대 두께와 미립자 재료와 그로부터 제조되는 물품으로부터 제시되는 특성을 조절할 수 있는 주변 중간층을 변화시키는 것은 고려해야 한다. 예를들면, 셸(shell)의 두께를 변화시킴으로써(예를들어, TCHP 입자 지름의 5, 10 또는 15%), 경도, 인성, 강도, 내구성 그리고 열전달 성능의 최적 조화를 얻을 수 있고 소결할 수 있는 것 이다.

본 발명은 새로운 종류의 분말재료, 다시말해, 코어 입자 레벨에 비해 단단한 금속 혼합물(또는 월등한 인성 금속의 혼합물)의 월등한 마모 저항력을 갖으며 금속 카바이드 고유의 기계적 강도를 더함으로써, 종래 재료의 성능 레벨을 초과하는 인성을 갖도록 코팅되고 단단한 분말을 제조하는 소결된 물품를 제공한다. 상기 재료로부터 제조되는 기계 또는 물품은 지금의 특별한 방법으로 달성되는 조건보다 넓은 영역의 조건들을 수행할 수 있고, 이러한 기계와 물품의 성능/가격 또는 가치는 현저하게 증가한다.

본 발명은 예시와 바람직한 실시예를 기초하여 설명되었다. 본발명은 범위는 상기 예시와 실시예에 한정하지 않고 첨부된 청구범위의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 명시된다.

Claims

소결제품은:

큐빅 붕소 질화물로 이루어진 다수의 코어 입자;

상기 코어입자의 직경에 대하여 소결후에 5%에서 25% 범위의 두께를 갖고 텅스텐 카바이드(WC)로 이루어진 각각의 코어입자층상의 중간층과;

철, 코발트, 니켈, 이것들의 혼합, 이것들의 합금 또는 금속성분을 함유하는 합성물을 포함하고, 중간층에 겹쳐지게 되며, 상기 코어 입자 직경에 대하여 소결후에 3%에서 12%범위에 해당되는 두께를 갖는 결합제를 포함하여 이루어지고,

상기 코어입자의 조합, 상기 중간층 및 결합제가 코팅된 입자로 형성되는 것을 특징으로 하는 소결제품.
청구항 2에 있어서, 상기 코팅된 입자의 평균입자크기는 1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 소결제품.
다이아몬드 또는 큐빅 붕소 질화물중 적어도 하나를 포함하는 다수의 코어 입자와; 상기 코어 입자보다 높은 파괴인성을 갖는 금속 합성물으로 이루어진 층으로서, 상기 다수의 코어 입자 표면상의 중간층과; 결합제를 포함하여 이루어지며,

상기 중간층은 상기 코어 입자 직경에 대하여 소결후에 5%에서 25%범위에 해당되는 두께를 가지고, 상기 코어 입자의 조합, 상기 중간층이 코팅된 입자로 형성되며,

상기 결합제는 상기 코팅된 입자를 겹쳐지게 하는 구성으로서 철, 코발트, 니켈, 이것들의 혼합물, 이것들의 합금 또는 이것들의 금속성분을 함유하는 합성물로 이루어지고, 상기 코팅된 입자의 직경에 대하여 소결후 3% 내지 12%범위에 해당하는 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 소결제품.
청구항 3에 있어서, 상기 코팅된 입자는 평균 1㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 소결제품.