KR101261487B1

KR101261487B1 - 고자력 초경합금

Info

Publication number: KR101261487B1
Application number: KR1020120071982A
Authority: KR
Inventors: 신영식
Original assignee: 신영식
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2013-05-13

Abstract

본 발명은 고자력초경합금에 관한 것으로, 42∼45 중량% 티타늄 카바이드(TiC), 40∼45 중량 % 코발트(Co), 4∼5 중량 % 니켈(Ni), 0.5∼2.5 중량% 크롬 카바이드(Cr₃C₂), 6∼7.5 중량% 철(Fe) 분말을 볼밀(Ball Mill)에 넣고 20시간 빻은 후, 0.25 중량 %의 탄소 분말과 2 중량 %의 양초(Paraffin Wax)를 섞어서 성형한 후, 1300∼1400℃에서 30∼40분간 소결하여 초경합금을 제작하여 금속 카바이드(Metal Carbide)입자 사이를 매워주는 결합 금속(Binder Metal)을 고자력니켈-크롬게 합금을 사용하여 고자력초경합금을 제작할 수 있고, 또 면심입방구조를 갖는 니켈-크롬계 합금을 결합금속으로 사용하여 입자의 밀도가 높고 상호간의 결합력도 강하여 다른 입자의 침투가 어렵게 하는 면심입방구조의 결합금속을 사용함으로써 표면에 산화가 되어도 내부로까지 깊숙하게 산화가 되지 않게 되어 고자력초경합금을 제작할 수 있다.

Description

고자력 초경합금{high magnetic cemented carbide}

본 발명은 고자력 초경합금에 관한 것으로, 특히 티탄 카바이드와 코발트 및 니켈을 주성분으로 하여 니켈-크롬의 합금의 결합금속(Binder Metal)으로 사용하여 고자력 초경합금을 제작할 수 있도록 하는 고자력 초경합금에 관한 것이다.

초경합금은 공구(工具) 등에 사용되는 초경질 합금으로 금속의 탄화물 분말을 소성(燒成)해서 만든 경도가 대단히 높은 합금이다. 이런 조직의 합금은 대단히 굳고 내마모성(耐磨耗性)이 우수하므로 금속제품을 자르거나 깎는 커터(절단기)·다이스 등에 사용되고, 그 밖에 광산이나 토목용에서 바위에 구멍을 뚫는 착암용 공구의 선단 등에도 사용된다.

초경합금은 금속의 탄화물 분말을 소성(燒成)해서 만든 경도가 대단히 높은 합금이다. 흔히 사용되는 것은 탄화(炭化) 텅스텐을 주체로 한 결합금속인 코발트와 소결합금(燒結合金)으로, 코발트는 중량비율이 6 % 정도이므로 탄화텅스텐 입자들 사이의 코발트에 탄소와 텅스텐의 녹은 것이 개재해 있다.

이런 조직의 합금은 대단히 굳고 내마모성(耐磨耗性)이 우수하므로 금속제품을 자르거나 깎는 커터(절단기)·다이스 등에 사용되고, 그 밖에 광산이나 토목용에서 바위에 구멍을 뚫는 착암용 공구의 선단 등에도 사용된다.

이러한 초경합금을 만드는 데는 코발트 가루와 탄화텅스텐 가루를 별도로 준비하고 프레스하여 성형(成形)한 다음 온도를 올려 소결(燒結)하는데, 먼저 1,000 ℃에서 코발트 가루끼리를 소결(예비소결)하였을 때쯤 최종 형태로 마무리하고, 그 다음에 1,400 ℃로 가열하여 본소결한다.

이것으로 텅스텐과 탄소가 코발트 속으로 확산하여 들어가 강한 고용체가 되며, 이로 인하여 탄화텅스텐의 입자가 결합되어 조직이 형성된다. 그 밖에 실용상 중요한 것은 WC Co계, WC TiC TaC Co계, WC TiC Co계의 3종이 있다.

이와 같이 경도가 높은 초경합금은 휴대폰 카메라의 액츄에이터 등 마모가 많이 되는 액츄에이터의 가이드레일에 사용되고 있지만, 액츄에이터의 가이드레일에 사용되는 초경합금은 특히 고자력 성질이 필요하다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 탄화물 초경합금(Cemented Carbide)에서 결합 금속(Binder Metal)을 니켈-크롬계 결합 금속(Binder Metal)을 사용하여 고자력 초경합금(Cemented Carbide)을 제공함에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 고자력 초경합금은 금속 카바이드(Metal Carbide)와 니켈-크롬 합금을 결합 금속(Binder Metal)으로 하는 초경 함금(Cemented Carbide)으로 53 중량%에서 54.5 중량%의 결합 금속(Binder Metal)에 45.5 중량%에서 47 중량%의의 금속 카바이드(Metal Carbide)로 된 탄화물 초경 합금으로 구성한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 결합금속은 Co, Ni, Fe로 구성되며 Co 40∼45 중량%, Ni 2∼5 중량%, Fe 5∼7.5 중량%로 혼합되거나 Ni 40∼45 중량%, Co 2∼5 중량%, Fe 5∼7.5 중량%로 혼합되고, 금속 카바이드는 TiC, Cr₃C₂ 로 구성되고, 각각 40∼45 중량%, 2.5∼4.5 중량%로 혼합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 금속 카바이드 TiC 를 텅스텐 카바이드 WC로 대체 하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 42∼45 중량% 티타늄 카바이드(TiC), 43∼45 중량 % 코발트(Co), 4∼5 중량 % 니켈(Ni), 0.5∼2.5 중량% 크롬 카바이드(Cr₃C₂), 6∼7.5 중량% 철(Fe) 분말을 볼밀(Ball Mill)에 넣고 20시간 빻은 후, 0.25 중량 %의 탄소 분말과 2 중량 %의 양초(Paraffin Wax)를 섞어서 성형한 후, 1400℃에서 소결하여 초경합금을 제작되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 티탄 카바이드에 대신하여 텅스텐 카바이드 42∼45 중량%, 니켈 43∼45 중량%, 4∼5 중량 % 코발트(Co), 0.5∼2.5 중량% 크롬 카바이드Cr₃C₂ (탄화크롬), 6∼7.5 중량% 철(Fe) 분말을 볼밀(Ball Mill)에 넣고 20시간 빻은 후, 0.25 중량 %의 탄소 분말과 2 중량 %의 양초(Paraffin Wax)를 섞어서 성형한 후, 1400℃에서 소결하여 초경합금을 제작하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 42∼45 중량% 텅스텐 카바이드 , 43∼45 중량% 코발트(Co), 4∼5 중량 % 니켈(Ni), 0.5∼2.5 중량% 크롬 카바이드Cr₃C₂ (탄화크롬), 6∼7.5 중량% 철(Fe) 분말을 볼밀(Ball Mill)에 넣고 20시간 빻은 후, 0.25 중량 %의 탄소 분말과 2 중량 %의 양초(Paraffin Wax)를 섞어서 성형한 후, 1400℃에서 소결하여 초경합금을 제작하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 42∼45 중량% 티타늄 카바이드(TiC), 43∼45 중량 % 니켈(Ni), 4∼5 중량 % 코발트(Co), 0.5∼2.5 중량% 크롬 카바이드(Cr₃C₂), 6∼7.5 중량% 철(Fe) 분말을 볼밀(Ball Mill)에 넣고 20시간 빻은 후, 0.25 중량 %의 탄소 분말과 2 중량 %의 양초(Paraffin Wax)를 섞어서 성형한 후, 1400℃에서 소결하여 초경합금을 제작하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 고자력 초경합금에 의하면, 금속 카바이드(Metal Carbide)입자 사이를 매워주는 결합금속(Binder Metal)을 니켈-크롬계 합금을 사용하여 초경합금을 제작할 수 있고, 또 면심입방구조를 갖는 니켈-크롬계 합금을 결합금속으로 사용하여 입자의 밀도가 높고 상호간의 결합력도 강하여 다른 입자의 침투가 어렵게 하는 면심입방구조의 결합금속을 사용함으로써 표면에 산화가 되어도 내부로까지 깊숙하게 산화가 되지 않게 되어 고자력초경합금을 제작할 수 있다.

도 1은 본 발명이 적용된 고자력 초경합금을 소금물 부식액에 담아 내식성을 실험하기 전 초경합금의 표면을 촬영한 전자현미경 사진,
도 2는 본 발명이 적용된 고자력 초경합금을 소금물 부식액에 담가 2시간 후 부식상태를 나타내는 전자현미경 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 구성을 실시예에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에 본 발명이 적용된 고자력 초경합금을 소금물 부식액에 담아 내식성을 실험하기 전 초경합금의 표면을 촬영한 전자현미경 사진이 도시되고, 도 2는 본 발명이 적용된 고자력 초경합금을 소금물 부식액에 담가 2시간 후 부식상태를 나타내는 전자현미경 사진이다.

사진에서 관찰되는 바와 같이 본 발명이 적용된 자성을 띄는 초경합금은 내식성이 강하고 강도가 2000 이상인 티탄계 초경합금이다. 본 발명은 52.5∼57.5 wt%의 금속과 45.5~47.5 wt%의 금속 카바이드(Metal Carbide)로 되어 있다.

본 발명에 따른 초경합금은 분말 야금(Powder Metallurgy)방법에 따라 2가지 이상의 다른 금속 카바이드의 분말과 결합 금속(Binder Metal)의 분말을 원료로 해서 소결하여 자성체(magnetic) 카바이드(Carbide)와 결합금속에 의해 면심입방구조의 합금이 되도록 하여 고자력초경합금을 제작한다.

본 발명에 의한 초경합금에 사용되는 결합금속은 Co, Ni, Fe로 구성되며 각각 40∼45 중량%, 2∼5 중량%, 5∼7.5 중량%로 혼합되고, 금속 카바이드는 TiC, Cr₃C₂ 로 구성되고, 각각 40∼45 중량%, 2.5∼4.5 중량%로 혼합되어 사용된다.

본 발명에 의한 초경합금의 조성비는 가장 좋게는 TiC(탄화티탄) 42∼45 중량%, Co(코발트) 43∼45중량%, Ni(니켈) 4∼5중량%, Cr₃C₂ (탄화크롬) 0.5∼2.5 중량%, Fe(철) 6∼7.5 중량%로 구성하고, 탄소 0.25 중량%와 왁스 2중량 %는 소결시에 모양을 유지하기 위해 혼합한다.

서로 다른 금속의 카바이드들은 그들의 전부 혹은 일부가 소결(Sintering) 공정중 반응이 일어나 고용체 카바이드(Solid Solution Carbide)로 변환된다. 이 반응 과정에서 고용체 카바이드 자체가 부분적으로 연속된 상(Phase)을 만들어 마치 초경합금(Cemented Carbide)의 결합 금속(Binder Metal)과 같은 역할을 한다.

니켈 또는 코발트, 철을 결합금속으로 사용한 초경 합금(Cemented Carbide)에 탄소의 양을 조절하므로서 결합 금속을 비자성인 니켈-텅스텐 합금으로 변화시켜 초경 합금(Carbide)으로 만들 수 있다.

본 발명은 티타늄 뿐만 아니라 카바이드를 만드는 금속들과 또 이들의 금속 카바이드들의 분말을 원료로 사용하므로 용이하게 양질의 제품을 만들고 또 필요한 미세구조(Micro-Structure)를 만들어 줄 수 있다.

본 발명은 2가지 이상의 금속 카바이드의 분말과 결합 금속(Binder Metal)의 분말을 원료로 해서 탄화물 초경합금(Cemented Carbide)을 제작하는 것이다. 결합 금속(Binder Metal)은 금속 카바이드(Metal Carbide)입자 사이를 매워주고, 또 금속 카바이드 입자(Particle)들을 고정 혹은 결합시키는 역할을 한다.

이러한 결합금속의 고정 혹은 결합에 의해 부식에 강한 면심입방구조로 제작될 수 있다. 면심입방구조를 갖는 결합금속은 정육면체의 중심에 원자가 하나 있고, 6개의 면의 중심에 1/2 개씩의 원자가 있다. 그래서 1개의 격자에 포함된 원자의 수는 (1 + 1/2 * 6) ==> 4개의 원자가 있게 된다.

이러한 면심입방구조는 체심입방구조에 비하여 입자의 밀도가 높고 상호간의 결합력도 강하여 다른 입자의 침투가 어렵게 된다. 그러므로 면심입방구조의 결합금속은 표면에 산화가 되어도 내부로까지 깊숙하게 산화가 되지 않게 되어 부식에 강한 고자력 초경합금을 제작할 수 있다.

본 발명은 52.5∼54.5 wt%의 금속과 45.5~47.5 wt%의 금속 카바이드(Metal Carbide)로 되어 있다. 카바이드는 무게로 20%에서 80%의 입자로 된 불연속적인 단일금속 카바이드(Single Metal Carbide)와 2%에서 80% 의 부분적으로 연속된 고용체(Solid Solation) 카바이드로 되어 있다.

이 단일금속 카바이드 상(Single Metal Carbide Phase)은 한가지 혹은 여러가지 단일 금속 카바이드이다. 고용체 카바이드(Solid Solution Carbide)는 주기율표 IV A, V A, VI A족들의 전이 금속 카바이드의 혼합물이다.

결합 금속(Binder Metal)은 무게로 5%에서 30%의 크롬과 나머지 니켈을 주성분으로 다른 카바이드를 구성하는 금속과 초경 합금의 성질개선을 위하여 추가하거나 혹은 불순물로 존재하는 미량의 이물질이 포함될 수 있다.

본 발명에 의한 초경합금을 만들때, 원료 분말들을 잘 섞어주는 것이 중요하다. 위에서 언급한 제품의 구성 성분 분말들을 분말야금의 방법으로 제품을 만든다. 니켈의 금속 분말을 원료로 사용할 수도 있고, 니켈합금의 분말을 원료로서 사용할 수도 있다.

결합 금속 내의 크롬의 양은 소결중에 물리적, 화학적으로 변하여 최종의 성분은 처음 원료의 성분과 다를 수가 있다. 이런 초경합금을 만드는 공정에서는 탄소의 양을 적절히 유지하는 것이 가장 중요한 요점의 하나이다.

본 발명에 의한 탄화물 초경합금(Cemented Carbide)은 일반적으로 알려진 초경합금의 분말 야금 방법에 의한 공정에 따라 제품을 만든다. 일반적으로 수 마이크론(micron)의 크기의 금속, 금속합금, 금속 카바이드, 고용체 카바이드(Solid Solution Carbide) 등의 분말을 원료로 사용한다.

이런 분말들을 볼 밀(Ball Mill)에 넣고 빻은 후에 양초등의 적당한 유기물(예를 들면, 왁스 등)을 섞어서 성형하기 좋은 완성된 분말(grade Powder)를 만든다. 여기서 첨가되는 유기물(예를 들면, 왁스 등)은 성형된 모양을 소결시까지 그 모양을 유지케하고 또 성형중 윤활 역할을 한다.

볼 밀(Ball Mill)에서나 성형을 위하여 유기물을 첨가할 때, 유기용제(Solvent)를 사용하고 나중에 건조시켜 준다. 이 완성된 분말(grade Powder)을 금형에 넣고 프레스로 찍어 모형을 만든다. 또 그밖에 압출(Extrusion)공법으로 성형하기도 한다.

이 성형된 모양을 소결로에 넣어 소결해서 완성된 초경합금을 만든다. 소결은 진공소결, 수소로 소결 등 여러가지가 있을 수 있다. 소결온도는 통상 1350℃에서 1600℃사이이고, 소결시간은 보통 30분에서 3시간 정도이다. 보통 소결로는 전기 저항을 이용한 열을 이용하나 유도전기로(Induction Furnace)를 쓰기도 한다.

본 발명에 의한 초경합금의 천이금속인 Ti는 비금속원소인 C 나 N을 취입하여 NaCl 형 격자를 형성한 침입형 화합물을 형성한다. Ti는 면심입방격자를 형성하여 Ti 보다 원자반경이 작은 C, N은 그 8면체 공극위치에 배치된다.

Ti-N, Ti-C는 거의 입자의 크기가 같다. Ni, Co는 원자반경이 크기 때문에 N, C와 치환하기 어렵다. 또한 Ni, Co는 Ti와 치환하면 결정격자가 상당히 외곡되기 때문에 Ti-N, Ti-C의 격자내로 Ni, Co는 들어가지 못한다.

W는 Ti에 원자반경이 약간 가깝기 때문에 Ti와 치환할 가능성 있으며, TiC에 대체하여 사용가능하다. Co와 Ni 은 원자반경이 동일하기 때문에 Ni을 40 중량% 로 구성하는 결정상의 초경합금인 경우 Co는 5 중량 %로 구성할 수 있고, Co를 40 중량% 로 구성하는 결정상의 초경합금에서는 Ni을 5 중량 %로 구성할 수 있다

원소	원자의 반지름(Å)
Ti	1.47
W	1.37
Ni	1.25
Co	1.25
N	0.53
C	0.71

본 니켈 크롬을 결합 금속(Binder Metal)으로 이용하는 탄화물 초경합금(Cemented Carbide)은 부식에 강하기 때문에 내부식성 탄화물 초경 합금(Corrosion Resistant Carbide)으로 응용될 수 있다.

탄화물 초경 합금(Cemented Carbide)에서 결합 금속(Binder Metal)이 부식에 제일 약한 부분으로 고자력결합 금속(Binder Metal)을 쓰면 고자력초경합금(Noncorrosive Cemented Carbide)를 만들 수 있다. 니켈-크롬의 합금은 보통 결합 금속(Binder Metal)에 쓰이는 코발트나 니켈보다 훨씬 고자력금속의 합금으로 알려져 있다.

본 발명을 실시예를 들어 설명하면 다음과 같다.

제 1실시예로서 42∼45 중량% 티타늄 카바이드(TiC), 40∼45 중량 % 코발트(Co), 4∼5 중량 % 니켈(Ni), 0.5∼2.5 중량% 크롬 카바이드(Cr₃C₂), 6∼7.5 중량% 철(Fe) 분말을 볼밀(Ball Mill)에 넣고 20시간 빻은 후, 0.25 중량 %의 탄소 분말과 2 중량 %의 양초(Paraffin Wax)를 섞어서 성형한 후, 1300∼1400℃에서 30 ∼40분간 소결하여 초경합금을 제작한다.

또한 제2실시예로서 티탄 카바이드에 대신하여 텅스텐 카바이드 42∼45 중량%, 니켈 43∼45 중량%, 4∼5 중량 % 코발트(Co), 0.5∼2.5 중량% 크롬 카바이드Cr₃C₂ (탄화크롬), 6∼7.5 중량% 철(Fe) 분말을 볼밀(Ball Mill)에 넣고 20시간 빻은 후, 0.25 중량 %의 탄소 분말과 2 중량 %의 양초(Paraffin Wax)를 섞어서 성형한 후, 1400℃에서 소결하여 초경합금을 제작한다.

제 3실시예로서 42∼45 중량% 텅스텐 카바이드 , 43∼45 중량% 코발트(Co), 4∼5 중량 % 니켈(Ni), 0.5∼2.5 중량% 크롬 카바이드Cr₃C₂ (탄화크롬), 6∼7.5 중량% 철(Fe) 분말을 볼밀(Ball Mill)에 넣고 20시간 빻은 후, 0.25 중량 %의 탄소 분말과 2 중량 %의 양초(Paraffin Wax)를 섞어서 성형한 후, 1400℃에서 소결하여 초경합금을 제작한다.

제 4실시예로서 42∼45 중량% 티타늄 카바이드(TiC), 43∼45 중량 % 니켈(Ni), 4∼5 중량 % 코발트(Co), 0.5∼2.5 중량% 크롬 카바이드(Cr₃C₂), 6∼7.5 중량% 철(Fe) 분말을 볼밀(Ball Mill)에 넣고 20시간 빻은 후, 0.25 중량 %의 탄소 분말과 2 중량 %의 양초(Paraffin Wax)를 섞어서 성형한 후, 1400℃에서 소결하여 초경합금을 제작한다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따른 초경합금은 분말 야금(Powder Metallurgy)방법에 따라 2가지 이상의 다른 금속 카바이드의 분말과 결합 금속(Binder Metal)의 분말을 원료로 해서 소결하여 자성체(magnetic) 카바이드(Carbide)와 결합금속에 의해 면심입방구조의 합금이 되도록 하여 고자력초경합금을 제작한다.

이상에서 본 발명의 실시예를 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 초경합금에 대해 설명하였으나, 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

금속 카바이드(Metal Carbide)와 니켈-크롬 합금을 결합 금속(Binder Metal)으로 하는 초경 함금(Cemented Carbide)으로 Co, Ni, Fe로 구성되며 Co 40∼45 중량%, Ni 2∼5 중량%, Fe 5∼7.5 중량%로 혼합되거나 Ni 40∼45 중량%, Co 2∼5 중량%, Fe 5∼7.5 중량%로 혼합되는 결합 금속(Binder Metal)에 TiC, Cr₃C₂ 로 구성되고, 각각 40∼45 중량%, 2.5∼4.5 중량%로 혼합되는 금속 카바이드(Metal Carbide)와 0.25 중량 %의 탄소 분말과 2 중량 %의 양초(Paraffin Wax)를 섞어서 성형한 후, 1300∼1400℃에서 30 ∼40분간 소결하여 탄화물 초경 합금으로 구성한 것을 특징으로 하는 고자력초경합금.
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