KR100935037B1

KR100935037B1 - 고인성 서멧트 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100935037B1
Application number: KR1020070017564A
Authority: KR
Inventors: 강신후; 정진관
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2007-02-21
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2009-12-30
Also published as: KR20080077849A

Abstract

고인성 서멧트 및 그 제조 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 서멧트는, 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa족 금속으로부터 티타늄(Ti)을 포함하여 선택되는 둘 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물로 이루어지고, 소결체 미세구조 내 완전 고용상들이 부피분율로 70% 이상을 차지하는 주된 입자를 구성하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, TiC계 또는 Ti(C,N)계 서멧트의 미세구조에 있어서 완전 고용상들을 주된 입자로 사용함으로써, 서멧트 재료의 인성을 현저히 향상시키고 미세구조를 제어할 수 있다.

탄질화물, 탄화물, 완전 고용상, 미세구조 제어, 서멧트

Description

고인성 서멧트 및 그 제조 방법{High toughness cermets and method of fabricating the same}

도 1은 본 발명에 따른 서멧트 제조 방법을 도시한 순서도이다.

도 2는 마이크로(micro) 크기의 Ti(C,N)을 사용하여 제조한 Ti(C,N)-xWC-20wt.%Ni 서멧트의 SEM 사진이다.

도 3은 초미세(ultra-fine) 크기의 Ti(C,N)을 사용하여 제조한 Ti(C,N)-xWC-20wt.%Ni 서멧트의 SEM 사진이다.

도 4는 본 발명에 따라 나노(nano) 크기의 Ti(C,N)을 사용하여 제조한 Ti(C,N)-xWC-20wt.%Ni 서멧트의 SEM 사진이다.

도 5a에는 본 발명에 따른 Ti(C,N)-xWC-20wt.%Ni 서멧트에서 WC 함량 변화에 따라 입자 및 내부 림 크기 변화가 도시되어 있다.

도 5b에는 본 발명에 따른 Ti(C,N)-xWC-20wt.%Ni 서멧트에서 WC 함량 변화에 따라 림 부피분율 변화가 도시되어 있다.

도 6은 코어, 내부 림, 외부 림 및 결합상에 대해 TEM/EDXA를 이용하여 조성분석을 실시한 결과이다.

도 7은 도 4에서 관찰한 샘플들의 TEM 이미지이다.

도 8은 TEM/EDXA로 측정한 결합상 안의 Ti, W 및 Ni 농도를 도시한다.

도 9에 WC의 함량에 따라 Ti(C,N)-xWC-20wt.%Ni 시스템의 경도 및 인성이 도시되어 있다.

도 10은 본 발명에 따라 나노 크기의 Ti(C,N)을 사용하여 제조한 Ti(C,N)-xWC-20wt.%Ni 서멧트 내에서 균열이 진행하는 과정을 보여주는 SEM 사진이다.

본 발명은 나노(nano) 크기의 탄(질)화물 분말을 이용한 고인성 서멧트 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기계 제조업과 자동차 공업 등 기계 산업 분야에 사용되는 고속 절삭 공구 재료 및 금형 재료 등에 적용되는, 전반적인 기계적 물성 및 특히 인성을 향상시킬 수 있는 서멧트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 명세서에 있어서, 나노 크기라 함은 500nm 이하의 크기를, 초미세(ultra-fine) 크기라 함은 500nm와 1㎛ 사이의 크기를, 마이크로(micro) 크기라 함은 1㎛ 이상의 크기를 의미한다.

기계 산업에 필요한 금속 절삭 가공 등에 활용되는 주된 절삭 공구 또는 내마모성 공구들에는, WC 계열의 초경합금, TiC나 Ti(C,N) 계열의 각종 서멧트, 기타 세라믹 또는 고속도강 등이 사용된다. 그 중에서 서멧트는, 일반적으로, 경질상인 TiC, Ti(C,N)과, 결합상인 Ni, Co 및 Fe 등의 금속을 주성분으로 하며, 주기율표 중에서 IVa, Va, 그리고 VIa족 금속의 탄화물, 질화물, 그리고 탄질화물 등을 첨가 물로 함유하는 세라믹-금속 복합 소결체를 말한다. 즉, 서멧트는 TiC나 Ti(C,N) 등 이외에 WC, NbC, TaC, Mo₂C 등의 경질 세라믹 분체 및 이들을 결합하기 위한 기지상인 Co와 Ni 등의 금속 분체를 혼합하여, 이들을 진공, 질소 또는 수소 분위기 하에서 소결함으로써 제조된다.

TiC와 Ti(C,N)은 우수한 고강도 재료로써 많은 분야에 응용되어 왔다. 특히 TiC는 경도(Vicker's hardness)가 3,200kg/mm²로 대단히 단단하고, 녹는점이 3,150℃ 내지 3,250℃로 상당히 높으며, 700℃까지는 비교적 우수한 내산화성을 가지고 있고, 내마모성, 내식성, 전자 방사성, 집광성 등 우수한 성질을 가지고 있으므로, 고속도 절삭 공구용 재료로서 WC-Co 합금을 대체해서 많이 사용되었다.

그러나, TiC를 이용하여 서멧트를 제조하는 경우, 소결시 액상 금속으로서 Ni 등 결합상 금속을 사용하게 되는데, 이 경우, WC-Co 조합에 비해서 적심각(wetting angle)이 크기 때문에, TiC의 급속한 입성장이 일어나게 되고, 이에 따라 인성이 떨어진다는 문제점을 갖고 있었다. 그럼에도 불구하고, 1956년 미국의 포드 자동차(Ford Motor)에서는 TiC-Mo₂C-Ni 서멧트를 최초로 양산하였는데, 비록 그 인성이 크게 개선되지는 못하였지만, 정밀 가공을 위한 고경도 공구 재료로서 중삭(semi-finishing)과 정삭(finishing) 등에 사용되었다.

1960년대, 1970년대에는 TiC-Ni 서멧트 시스템이 가지고 있는 가장 큰 약점인 인성을 개선하고자 여러 종류의 원소를 첨가하는 시도가 있었는데, 뚜렷한 성과를 거두지는 못하였다.

그러던 중 1970년대, TiC에 TiN을 첨가함으로써 열역학적으로 보다 안정한 상(相)인 Ti(C,N)을 형성하게 되었으며, 이에 따라 인성을 어느 정도 개선할 수 있게 되었다. 즉, Ti(C,N)은 TiC에 비해서 미세한 조직을 가지고 있어서 인성이 개선될 수 있었고, 그 외에도 화학적 안정성, 기계적 충격 저항성을 향상할 수 있었다. 한편, 인성의 향상을 위해 WC, Mo₂C, TaC, NbC 등 많은 첨가 탄화물을 사용하여 왔고, 지금까지도 Ti(C,N)-M1C-M2C-…-Ni/Co 형태의 제품들이 상용화되고 있다.

인성의 향상을 위해 첨가 탄화물을 적용하는 경우, TiC계 혹은 Ti(C,N)계 서멧트의 일반적인 미세구조는 유심구조(core/rim structure)로 관찰되는데, 이와 같은 유심구조의 경질상을 Ni, Co 등의 결합상이 둘러싸게 된다. 유심구조 중 코어(core)는 소결 중 액화된 금속 결합물(binder : Ni, Co 등) 내에서 용해되지 않은 TiC 또는 Ti(C,N)으로써 고경도를 가지고 있는 조직이다. 반면에 이들 코어를 둘러싸고 있는 주변의 림(rim) 조직은 코어의 성분인 TiC 혹은 Ti(C,N)과 첨가 탄화물 간의 고용체(solid-solution : (Ti,M1,M2…)(C,N)으로 나타난다)로, 경도보다는 고인성을 갖는 조직이다. 이와 같이, 서멧트는 림 조직의 형성을 통하여, TiC-Ni 혹은 Ti(C,N)-Ni 같은 단순계 서멧트가 가지고 있던 치명적인 약점인 인성의 문제를 어느 정도 해결하였다.

그러나, 일반적으로 제조된 서멧트의 경우, 유심구조 중의 림 조직 부피분율이 낮아, 여전히 경쟁 소재인 WC-Co의 초경 합금에 비하여 인성이 낮다는 문제점이 있다. 이에, 유심구조를 갖지 않거나 최소화된, 인성이 향상된 서멧트를 개발하고 자 하는 시도가 스미토모(Sumitomo), 교세라(Kyocera) 등 일본 공구회사들과 유럽 NATO 연합국 연구진들에 의해 꾸준히 이루어져 왔다.

그러나 현 상용 기술에서는 고용상이 소결 중에 형성되며, 형성되는 양이 소결 온도와 시간에 연관되어 있으므로, 완전 고용상들만으로 구성된 서멧트를 얻을 수 없었고, 또한 현 상용 서멧트 소재로 실질적인 고인성을 달성하기 위해, 고용상의 양을 요구하는 특성에 따라 제어할 수 있는 기술이 제공된 바 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 종래 TiC계, Ti(C,N)계 서멧트가 가지는 고경도에 따른 저인성의 문제를 해결하고, TiC계 또는 Ti(C,N)계 복합 분말의 소결체에 있어서 유심구조내 주변 조직을 제어할 수 있는 기술을 제공함으로써, 서멧트 재료의 인성을 실질적으로 크게 향상시키거나, 요구되는 특성을 가진 소재의 제조를 가능하게 하는 서멧트 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 고인성 서멧트 및 그 제조 방법에 관한 것으로, TiC계 또는 Ti(C,N)계 상용 서멧트가 고경도화에 따른 저인성화의 문제점을 완화하기 위해 나노 크기의 탄화물, 탄질화물 분말을 사용함으로써 미세구조를 현격히 제어하고 특성을 현저히 향상시킬 수 있는 효과를 달성한다.

본 발명에서는 상기의 목적을 달성하기 위하여, 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa족 금속으로부터 티타늄(Ti)을 포함하여 선택되는 둘 이상의 금속의 탄화물, 탄 질화물, 또는 이들의 혼합물; 및 니켈, 코발트 및 철로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속;을 포함하여 이루어지고, 소결체 미세구조 내 완전 고용상들이 부피분율로 70% 이상을 차지하는 주된 입자를 구성하는 것을 특징으로 하는 서멧트를 제공한다.

본 발명에서는 상기의 목적을 달성하기 위하여, 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa족 금속으로부터 티타늄을 포함하여 선택되는 둘 이상의 금속의 탄화물 또는 탄질화물; 및 니켈, 코발트 및 철로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속;을 혼합하여 성형하고 소결하여 소결체를 얻는 단계를 포함하되, 주기율표 중 IVa족 금속으로부터 티타늄을 포함하여 선택되는 하나 이상의 금속의 탄화물 또는 탄질화물은 크기가 500nm 이하인 원료 분말을 사용함으로써, 상기 소결체 미세구조 내 완전 고용상들이 부피분율로 70% 이상을 차지하는 주된 입자를 구성하는 서멧트를 제조하는 것을 특징으로 하는 서멧트 제조 방법도 제공한다.

이와 같이, 본 발명은 주기율표 중 IVa족 금속으로부터 티타늄을 포함하여 선택되는 하나 이상의 금속의 탄화물 또는 탄질화물은 나노 크기의 분말을 사용하는 것이다. 니켈, 코발트 및 철로부터 선택된 하나 이상의 금속 분말의 크기는 마이크로 크기 이상일 수 있다.

본 발명에 의하면, (i)주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa족 금속으로부터 티타늄을 포함하여 선택되는 둘 이상의 금속의 탄화물 또는 탄질화물; 및 (ii)니켈, 코발트 및 철로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속;을 혼합하여 성형하고 소결하여 소결체를 얻는 단계를 포함하되, 주기율표 중 IVa족 금속으로부터 티 타늄을 포함하여 선택되는 하나 이상의 금속의 탄화물 또는 탄질화물은 크기가 500nm 이하인 원료 분말을 사용하며, 이들의 혼합물을 혼합 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다. 성형체의 소결은 일반적인 소결 방법으로 진공에서 할 수 있다.

이상의 방법은 일반적으로 고경도 특성을 보이는 나노 크기의 TiC 혹은 Ti(C,N)계 분말과 WC, Mo₂C, NbC, TaC, ZrC계 분말을 원하는 조성에 따라 혼합한 후 소결하여 완전 고용상들의 부피분율을 70% 이상으로 현격히 증가시킴으로써 서멧트의 인성을 강화시키는 것이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다음에 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 본 발명의 실시예를 설명하는 도면에 있어서, 도면 상의 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

먼저, 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa족 금속으로부터 티타늄을 포함하여 선택되는 둘 이상의 금속의 탄화물 또는 탄질화물; 및 니켈, 코발트 및 철로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속;을 혼합하여 분말 혼합체를 제조한다(단계 s1).

이 때, 주기율표 중 IVa족 금속으로부터 티타늄을 포함하여 선택되는 하나 이상의 금속의 탄화물 또는 탄질화물은 크기가 500nm 이하인 원료 분말, 즉 나노 크기의 원료 분말을 사용한다. 바람직하게는 100 ~ 200nm 사이의 크기를 가진 분말을 사용하며, 더욱 바람직하게는, 크기가 100nm 이하인 분말을 사용한다. 크기가 500nm 이하인 원료 분말을 사용하되, 분말 혼합체를 혼합 분쇄함으로써 분말 크기를 감소시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

주된 원료가 되는 TiC, Ti(C,N)을 포함한 IVa족 금속의 탄화물 또는 탄질화물은 열역학적으로 다른 Va, VIa족보다 안정하여 소결시 잘 용해되지 않는다. 따라서, 본 발명에서는 IVa족 금속 원료의 크기를 작게 하여 표면적을 넓힘으로써 용해 속도를 조정하여 완전 고용상들로 주가 되게 이루어진(결합상을 제외하고) 미세구조를 얻도록 하는 것이다.

계속하여, 이 분말 혼합체를 성형하고(단계 s2), 소결하여(단계 s3) 소결체를 얻는다.

본 발명에서는 이와 같이, 주기율표 중 IVa족 금속은 나노 크기의 원료 분말을 사용함에 따라, 일반적인 성형 방법 및 소결 방법을 이용하더라도, 소결체 미세구조 내 완전 고용상들이 부피분율로 70% 이상을 차지하는 주된 입자를 구성하는 서멧트를 제조할 수 있다. 또한, 아래의 실험예에서 자세히 설명하는 바와 같이, 이렇게 제조한 서멧트는 VIa족 금속의 함량에 따라 내부 완전 고용상(내부 림)보다 외부 완전 고용상(외부 림)에서 VIa족 금속의 농도가 더 높도록 제조할 수도 있다.

종래 일반적으로 제조된 서멧트의 경우, 림 조직 부피분율이 낮아 인성이 낮다는 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명에 의한 서멧트는 완전 고용상(림) 부피분 율이 70% 이상을 차지함에 따라 고인성을 달성할 수 있다.

(실험예)

실험예로써 하기 표 1에 나타난 대로, 크기가 다양한 Ti(C,N), WC 및 Ni을 사용하여 Ti(C,N)-xWC-20wt.%Ni 조성을 만들고 이를 20시간 볼밀을 사용하여 혼합하고 성형한 후 진공 1510℃에서 1시간 소결하였다. 본 발명에 따른 서멧트 제조 방법에서의 분말 크기를 나노 시스템(a), 그 이상의 것을 초미세 시스템(b), 그리고 그 이상의 것을 마이크로 시스템(c)이라고 나누었다.

나노 시스템(a)에서는 나노 크기의 Ti(C,N), 200nm 크기의 WC 및 나노 크기의 Ni을 사용하였고 Ni의 양은 20wt.%로 고정하였다. WC의 크기는 초미세 시스템과의 비교를 위해 200nm로 고정하였다. 초미세 시스템(b)에서는 300nm 크기의 Ti(C,N), 200nm 크기의 WC 및 4.2㎛ 크기의 Ni을 사용하였다. 마이크로 시스템(c)에서는 3-5㎛ 크기의 Ti(C,N), 1.9㎛ 크기의 WC 및 4.2㎛ 크기의 Ni을 사용하였다.

모든 시스템에 있어서, WC의 양은 10-70wt.%로 변화시켰다. 칭량한 분말은 아세톤을 매질로 하여 24시간 볼밀한 후 체거름하여 100MPa의 압력을 가하여 원반 모양으로 성형하였다.

도 2는 마이크로 시스템(c), 즉 마이크로 크기의 Ti(C,N)을 사용하여 제조한 Ti(C,N)-xWC-20wt.%Ni 서멧트의 SEM 사진이다. 코어와 림의 경계가 분명한 유심구조가 관찰됨을 알 수 있다. (A)는 x=10, (B)는 x=20, (C)는 x=30, (D)는 x=40, (E)는 x=50을 나타낸다.

도 3은 초미세 시스템(b), 즉 초미세 크기의 Ti(C,N)을 사용하여 제조한 Ti(C,N)-xWC-20wt.%Ni 서멧트의 SEM 사진이다. (A)는 x=10, (B)는 x=20, (C)는 x=30, (D)는 x=40, (E)는 x=50, (F)는 x=60, (G)는 x=70을 나타낸다. Ti(C,N)의 크기가 마이크로 시스템(c)보다 작아졌지만, 여전히 코어와 림의 경계가 분명한 유심구조가 관찰됨을 알 수 있다.

도 4는 본 발명에 따라 나노 시스템(a), 즉 나노 크기의 Ti(C,N)을 사용하여 제조한 Ti(C,N)-xWC-20wt.%Ni 서멧트의 SEM 사진이다. (A)는 x=10, (B)는 x=20, (C)는 x=30, (D)는 x=40, (E)는 x=50, (F)는 x=60, (G)는 x=70을 나타낸다. SEM 사진 상에서 검은색으로 나타나는 Ti(C,N)의 코어는 도 4의 모든 조성에 있어서 보이지 않으며 미세구조는 크게 두 종류의 림(내부 림, 외부 림) 구조로 이루어져 있음을 알 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 경우 모든 조성에 있어서 코어가 나타나지 않는다. 즉, 완전 고용상(림)과 결합상으로만 이루어진 구조이며 완전 고용상의 부피분율이 70% 이상임을 미세구조에 대한 라인 인터셉트 방법(line intercept method)으로 확인하였다.

WC가 10wt.%인 도 4(A)에서 한 종류의 경질상만이 관찰되는데, 이는 낮은 WC 시스템에서 완전 고용상이 형성되었음을 의미한다. WC가 20wt.%인 도 4(B)에서는 미세구조상 내부 림이 관찰된다. WC 첨가량이 늘어남에 따라 내부 림의 양 또한 증가한다.

모든 상은 WC 함량의 함수로서 콘트라스트가 변화한다. 우선, 내부 림 상은 밝은 회색에서 어두운 회색으로 내부 림 상의 콘트라스트가 변화한다. 외부 림의 콘트라스트도 WC 함량 증가에 따라 밝은 회색에서 회백색으로 변화한다. 특히 도 4(D)와 도 4(E)를 보면, WC가 40wt.% 부근에서 콘트라스트의 반전이 일어난다. BSE 모드에서의 SEM 이미지는 중금속에 대해 밝은 콘트라스트를 가진다. 반전은 림 상 안에서의 W 콘트라스트의 반전을 가리킨다. 초미세 및 마이크로 시스템에서는 항상 외부 림보다 내부 림에 더 높은 W 함량이 존재하는 것으로 알려져 있다. WC가 많이 첨가된 경우에 내부 림과 외부 림의 반전은 동일한 소결 조건 내에서는 본 발명과 같은 나노 시스템에서 유일한 것으로 생각된다. 이와 같이 본 발명에 의할 경우에는 내부 림보다 외부 림에서 VIa족 금속의 농도가 더 높도록 제조할 수 있다.

결합상의 콘트라스트는 WC 함량 증가에 따라 변화하는 것으로 밝혀졌다. WC 함량이 50wt.%를 넘는 경우 (즉, 도 4(E) 및 도 4(F)), 림과 결합상간의 콘트라스트 차이는 반전된다. 이것은 WC 함량 증가에 따라 외부 림이 더 많은 W을 함유하게 된다는 것을 의미한다. 나노 시스템에서 70wt.%의 WC가 첨가된 경우, 도 4(G)에서와 같이, 용해되지 않은 WC가 나타나기 시작한다. 이렇게 용해되지 않은 WC가 나타나는 조성은 초미세 시스템의 60wt.%에 비하여 높다. 이것은 나노 시스템에서 일어나는 용해/석출이 초미세 및 마이크로 시스템과는 다르다는 것을 시사한다.

이상의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 나노 크기의 Ti(C,N)을 사용하는 경우, 초미세 및 마이크로 시스템과는 다른 용해/석출에 의해, 모든 조성에 있어서 코어가 존재하지 않으며 림의 부피분율만 70% 이상인, 즉 완전 고용상들의 부피분율이 70% 이상인 고인성 서멧트를 제조할 수 있다.

70wt.% WC의 경우는 벗어나지만 평균적인 입자 크기는 0.8-0.9㎛로 일정하게 유지되고 있다. 나노 크기의 원료분말을 사용했음에도 불구하고 미세구조에서는 나노 크기의 입자가 별로 없다. 내부 림의 크기는 WC 함량 증가에 따라 점차적으로 증가한다. 40wt.% 이상의 WC가 첨가되어도 크기는 거의 일정하게 유지된다. 전체적인 결과는 고용상의 성장은 WC 함량 또는 조성에 크게 의존하는 함수가 아니라는 점을 알려준다.

도 5b에는 본 발명에 따른 Ti(C,N)-xWC-20wt.%Ni 서멧트에서 WC 함량 변화에 따라 림 부피분율 변화가 도시되어 있다. 내부 림의 부피분율의 변화는 크기의 변화와 유사한 경향을 보인다. 이것은 내부 림 부피분율이 꾸준히 증가하는 초미세 시스템과는 매우 다른 결과이다. 림 두께에 미치는 WC 함량의 효과는 마이크로 시스템에 있어서 가장 적었다.

실험예에 따라 얻은 각 서멧트의 코어, 내부 림, 외부 림 및 결합상에 대해 TEM/EDXA를 이용하여 조성분석을 실시하였다. 도 6에 그 결과 및 비교 데이터가 정리되어 있다.

TEM/EDXA 장비의 한계로 인해 C, N 및 O는 검출되지 않았다. WC 함량 증가에 따라 나노 시스템에서는 림 상 안의 W 농도가 평형값에 도달함이 없이 지속적으로 증가한다. 이것은 마이크로 시스템 및 초미세 시스템에서와 다른데, 이들 시스템은 림 안에서 W 농도의 포화점을 가진다. 뿐만 아니라, 나노 시스템에서 내부 림 및 외부 림 안의 W 농도는 초미세 시스템에서보다 낮다. 특히, WC 함량이 40wt.%를 넘으면 콘트라스트의 변화로부터 명백하듯이, 외부 림에서의 W 농도가 내부 림에서의 농도를 초과하였다.

도 7은 도 4에서 관찰한 샘플들의 TEM 이미지이다. 즉, 본 발명에 따라 나노 크기의 Ti(C,N)을 사용하여 제조한 Ti(C,N)-xWC-20wt.%Ni 서멧트의 TEM 결과로서, (A)는 x=10, (B)는 x=20, (C)는 x=30, (D)는 x=40, (E)는 x=50, (F)는 x=60, (G)는 x=70을 나타낸다.

WC가 10wt.%인 도 7(A)에서 한 종류의 경질상만이 결합상과 함께 관찰된다.

WC 함량이 증가함에 따라 외부 림의 크기는 감소하지만 내부 림의 크기는 증가한다. WC가 20wt.%인 도 7(B)에서는 하얗게 보이는 용해되지 않은 Ti(C,N) 코어가 관찰된다. 이것은 Ti(C,N)의 크기가 나노 크기이더라도 여전히 일부 입자는 용해되지 않고 남아 있음을 의미한다. 도 7(D)와 도 7(E)를 보면, WC 함량이 40-50wt.% 부근에서 외부 림과 내부 림 사이의 콘트라스트가 반전됨을 알 수 있다. W과 같은 중금속의 고농도는 TEM 이미지에서 어두운 콘트라스트로 나타난다. 외부 림과 내부 림 모두 모든 조성에서 존재한다.

도 8은 TEM/EDXA로 측정한 결합상 안의 Ti, W 및 Ni 농도를 도시한다. 60wt.% WC 조성에서 W는 최대값에, Ti는 최소값에 도달하는 것을 주목할 만하다. 이 조성을 넘어서면 Ti와 W 농도는 각각 2at.%와 4at.%로 유지된다.

도 9에 WC의 함량에 따라 Ti(C,N)-xWC-20wt.%Ni 시스템의 경도 및 인성이 도시되어 있다. WC의 양이 증가함에 따라 인성도 증가한다. 적은 양의 WC가 첨가되는 경우 소결이 어렵기 때문에 파괴인성을 측정하기에는 기공도가 너무 높았다. 가장 높은 경도는 40wt.%의 WC에서 얻어졌다. 나노 시스템에 있어서 기계적인 물성은 마이크로 시스템에 비하여 훨씬 높았다. 일반적으로 경도를 손해보더라도 초미세 시스템에 비하여 인성은 높다.

도 10은 본 발명에 따라 나노 크기의 Ti(C,N)을 사용하여 제조한 Ti(C,N)-xWC-20wt.%Ni 서멧트 내에서 균열이 진행하는 과정을 보여주는 SEM 사진이다. (A)는 30wt.% WC이고 (B)는 40wt.% WC인 경우이다. 크랙은 고용상 코어 및 림 구조를 따라 전파한다. 크랙 전파에 특별히 선호되는 계면은 없다. 즉, 나노 시스템에서는 입자를 관통하는 파괴가 우세한 것이다.

본 발명에서는 나노 크기의 Ti(C,N)을 사용함에 따라 WC보다 열역학적으로 안정한 Ti(C,N)의 용해를 촉진시킬 수 있다. 본 발명에 따른 나노 시스템에 있어서 Ti(C,N)은 WC에 비하여 8배의 표면적을 가진다. 이와 같이 본 발명에 따라 나노 티타늄 탄화물, 탄질화물을 포함하여 소결한 서멧트 및 그 제조 방법은, TiC 혹은 Ti(C,N) 서멧트가 가지고 있던 고경도에 따른 저인성의 문제를 향상시킬 수 있고, 미세구조를 현격히 조절할 수 있으므로 절삭공구, 금형 재료 등에 적합하게 사용될 수 있다.

한편, 실험예 등에서는 Ti(C,N)과 WC를 포함하는 조성에 대하여 설명을 하였으나, 다른 금속의 탄화물도 나노 크기의 분말을 이용하여 이렇게 완전 고용상이 주가 되는 구조의 서멧트를 제조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 본 발명으로부터 알 수 있을 것이다.

이상, 본 발명의 상세한 설명을 하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않은 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다. 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명에 따라 나노 크기의 원료분말을 사용하여 서멧트를 제조하는 경우, TiC계 또는 Ti(C,N)계 서멧트의 미세구조에 있어서 기존 유심구조 내의 주변조직의 양을 현격히 증가시키므로, 서멧트 재료의 인성을 실질적으로 향상시킬 수 있으며, 다양한 미세구조를 가진 고인성 절삭공구를 제공하는 효과를 달성한다.

Claims

주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa족 금속으로부터 티타늄(Ti)을 포함하여 선택되는 둘 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물인 제1 성분; 및

니켈, 코발트 및 철로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속인 제2 성분;을 포함하여 이루어지고,

소결체 미세구조 내에서 상기 제1 성분을 구성하는 물질간의 완전 고용상들이 부피분율로 70% 이상을 차지하는 주된 입자를 구성하고, 나머지는 상기 제1 성분과 제2 성분이 결합한 결합상이거나 상기 제2 성분과도 결합하지 못한 잔여 제1 성분으로 이루어지며,

상기 주된 입자는 조성이 서로 다른 내부 완전 고용상과 외부 완전 고용상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 서멧트.
제1항에 있어서, VIa족 금속의 농도가 상기 내부 완전 고용상보다 상기 외부 완전 고용상에서 더 높은 것을 특징으로 하는 서멧트.
주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa족 금속으로부터 티타늄을 포함하여 선택되는 둘 이상의 금속의 탄화물 또는 탄질화물인 제1 성분; 및

니켈, 코발트 및 철로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 금속인 제2 성분;을 혼합하여 성형하고 소결하여 소결체를 얻는 단계를 포함하되,

상기 티타늄의 금속의 탄화물 또는 탄질화물은 상기 주기율표 중 IVa족 금속으로부터 선택되는 다른 금속의 탄화물 또는 탄질화물은 크기보다 작은 원료 분말을 사용함으로써,

상기 소결체 미세구조 내에서 상기 제1 성분을 구성하는 물질간의 완전 고용상들이 부피분율로 70% 이상을 차지하는 주된 입자를 구성하고, 나머지는 상기 제1 성분과 제2 성분이 결합한 결합상이거나 상기 제2 성분과도 결합하지 못한 잔여 제1 성분으로 이루어지며,

상기 주된 입자는 조성이 서로 다른 내부 완전 고용상과 외부 완전 고용상으로 이루어지는 서멧트를 제조하는 것을 특징으로 하는 서멧트 제조 방법.
제3항에 있어서, 상기 티타늄의 탄화물 또는 탄질화물은 크기가 100nm 이하인 분말을 사용하는 것을 특징으로 하는 서멧트 제조 방법.