KR101306194B1 - 절삭공구용 소결체 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경질상 세라믹 분말과 결합상 금속 분말을 혼합하여 가압소결한 소결체에 관한 것으로서, 대량생산에 적합하고, 소결체의 미세조직에 코어를 갖지 않는 경질상의 조직을 형성하며 경질상 입자의 합체 비율을 높이고, 표면과 내부 사이의 금속 결합상 함량을 조절함으로써, 절삭성능을 크게 개선한 소결체에 관한 것이다.
본 발명에 따른 소결체는, 금속의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 경질상 분말과, 상기 경질상 분말을 결합시키는 결합상 금속 분말을 혼합하여 소결한 것으로서, 상기 경질상 분말의 평균입도는 0.5 ~ 3㎛이고, 상기 소결체의 미세조직 내에서 상기 경질상 분말을 구성하는 입자 간의 합체율이 70% 이상이며, 소결체의 표면부의 결합상 함량이 내부에 비해 30 ~ 70% 작은 것을 특징으로 한다.

Description

절삭공구용 소결체 및 이의 제조방법 {SINTERED BODY FOR CUTTING TOOLS AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 경질상 세라믹 분말과 결합상 금속 분말을 혼합하여 가압소결한 소결체와 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 상기 경질상 세라믹 분말은 평균입경이 500nm 이상이어서 대량생산에 적합하고, 소결체의 미세조직에 코어를 갖지 않는 경질상의 조직을 형성하며 경질상 입자의 합체 비율을 높이고, 표면과 내부 사이의 금속 결합상 함량을 조절함으로써, 절삭성능을 크게 개선한 소결체와 이의 제조방법에 관한 것이다.

금속의 절삭 가공에 사용되는 내마모성 공구나 절삭 공구 들은, 주로 WC-Co 초경합금, TiC나 Ti(C,N) 계열의 써메트(cermet), 기타 세라믹 또는 고속도강 등이 사용된다.

상기 WC-Co 초경합금은 전략 물질적 성격이 강한 코발트와 텅스텐으로 이루어져 있고 가격이 높은 단점이 있다.

한편, 상기 써메트는 세라믹 경질상과 금속 결합상으로 이루어진 복합체를 의미하는데, 특히 절삭공구 분야에서는, TiC 또는 Ti(C,N)을 바탕으로, WC, NbC, TaC, Mo₂C와 같은 경질 세라믹을 일부 혼합한 경질상 분말과 니켈(Ni), 코발트(Co) 및/또는 철(Fe)과 같은 금속을 주성분으로 하는 결합상 분말을 혼합하여 진공 또는 수소 분위기, 아르곤 분위기 하에서 소결한 세라믹-금속 복합 소결체를 말한다.

써메트는 높은 경도와 고온에서의 화학적 안정성, 낮은 비중과 저렴한 원료 가격 등의 장점이 있어, WC-Co계 초경합금을 대체하기 위한 물질로 주목을 받아 왔고 일부 분야에서 대체 물질로서의 사용이 시도되고 있으나, WC-Co계 초경합금에 비해 상대적으로 인성이 낮은 점이 적용 확대에 제한 요소로 작용하고 있다.

한편, TiC를 이용하여 써메트를 제조하는 경우, 소결 시 니켈(Ni), 코발트(Co) 및/또는 철(Fe) 등의 결합상 금속을 사용하게 되는데, 이 경우, WC-Co 조합에 비해서 젖음각(wetting angle)이 크기 때문에, TiC의 급속한 입성장이 일어나게 되어 그 결과로 인성이 떨어지는 문제점이 있었다.

이러한 TiC를 이용한 써메트의 문제점은, TiC에 TiN을 첨가하여 열역학적으로 보다 안정하며 미세한 조직을 갖는 Ti(C,N)을 형성함으로써, 어느 정도 인성의 증가를 얻을 수 있었다.

또한, 종래의 TiC계 또는 Ti(C,N)계 써메트 소결체의 미세조직에는, 통상 TiC 또는 Ti(C,N)으로 존재하는 코어(core)와 상기 코어를 둘러싸고 첨가된 다른 탄화물 간의 고용체(solid-solution:(Ti,M1,M2…)(C,N)으로 나타난다)로 이루어진 림(rim)이 형성된 유심구조(core/rim structure)가 생성된다. 이와 같이, 코어(core)를 둘러싼 림(rim) 조직은 코어를 이루는 TiC 또는 Ti(C,N)에 비해 높은 인성을 갖는 조직이므로, 써메트의 인성 향상에 도움을 줄 수 있다.

그러나 유심구조의 써메트도 취성을 유발하는 코어가 존재하기 때문에, WC-Co계 초경합금에 비하면 인성이 떨어져 WC-Co계 초경합금을 완전하게 대체하지 못하는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로, 한국공개특허 제2004-0009859호, 제2007-0099056호, 제2005-0038163호, 제2005-0032533호 및 제2007-0017564호 등에는, 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 티타늄을 포함하여 선택되는 둘 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물로 이루어지고, 유심구조가 없는 완전 고용상으로 이루어진 경질상 분말과, 이를 이용하여 유심구조가 없는 소결체와 이의 제조방법이 개시되어 있다.

그리고, 상기 공개특허 들에 개시된 소결체의 경우, 출발물질로 유심구조가 없는 고용상 분말의 입도를 200nm 이하로 한정하여 조직의 미세화와 소결온도를 낮추는 방법을 사용하고 있다.

그런데, 최소 100Kg 이상의 대량 생산시에는 상기 공개특허들에 제시된 바와 같이, 소결체의 출발물질로 200nm 이하의 나노 사이즈 분말을 사용할 경우, 분말이 응집되고 산화되기 쉽기 때문에, 상기 공개특허들에 제시된 소결체의 제조방법은 대량생산이 어려운 문제점이 있다.

더욱이, 상기 공개특허에 개시된 소결체의 경우, 고용상 분말의 입도를 200nm 이하로 한정하면서도, 높은 파괴인성을 얻기 위해 금속 결합상을 20중량% 정도 함유시키고 있는데, 금속 결합상의 함량을 20중량%로 높게 유지할 경우 절삭 공구로서 요구되는 경도와 내마모성을 얻기 어렵게 된다. 예를 들어 최근의 절삭공정에는 고속, 고이송에 대한 요구가 높아지고 있는데, 고속, 고이송 절삭환경에 대응하기 위해서는 최소 15GPa 이상의 경도를 확보해야만 하나 상기 공개 특허들에 개시된 소결체들의 경우 이를 충족시키기 어렵다.

이에 따라, 지금까지 제안된 TiWC 혹은 TiWCN계 고용상 합금의 경우, 고속 조건에서의 사용은 일부 제한되고 있기 때문에 코팅(물리적 증착 혹은 화학적 증착)과 같은 추가 공정을 적용하여 모재의 단점을 보완하고 있는 실정이다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 연구개발된 것으로서, 100nm 이하의 초미립자를 사용하지 않아 대량생산이 용이하면서도, 미세조직상 경질 입자들의 합체율 조절과 표면부와 내부의 금속 결합상(Co, Ni, 또는 Fe)의 함량차이를 통해 인성과 내마모성을 동시에 향상시킴으로써, WC-Co계 초경합금의 대체용으로 적합하게 사용될 수 있는 절삭공구용 소결체를 제공하는 것을 해결하려는 과제로 한다.

또한, 본 발명의 다른 과제는 상기한 소결체를 얻을 수 있는 제조방법을 제공하는 것이다.

(1) 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 금속의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 경질상 분말과, 상기 경질상 분말을 결합시키는 결합상 금속 분말을 혼합하여 소결한 소결체로서, 상기 경질상 분말의 평균입도는 0.5 ~ 3㎛이고, 상기 소결체의 미세조직 내에서 상기 경질상 분말을 구성하는 입자 간의 합체율이 70% 이상이며, 상기 소결체의 표면부의 결합상 함량이 내부에 비해 30 ~ 70% 작은 것을 특징으로 하는 소결체를 제공한다.

또한, 상기 (1)에 따른 소결체에 있어서, 상기 경질상 분말은, 티타늄과, 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa족 금속에서 선택된 1종 이상의 금속의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로 이루어지며, 상기 소결체는 유심구조가 형성되지 않을 수 있다.

또한, 상기 (1)에 따른 소결체에 있어서, 상기 경질상 분말을 구성하는 금속들은 하기 [화학식 1]의 비율로 이루어지는 것이 바람직하다.

[화학식 1]

Tix,Wy,Mz

(여기서, M은 Ti와 W를 제외한 주기율표상 IVa, Va, 및 VIa족의 원소이고, x+y+z ≤ 1, 0.1 ≤ y+z ≤ 0.5, 0 ≤ z ＜ 0.5임)

또한, 상기 (1)에 따른 소결체에 있어서, 상기 결합상 금속은 Co, Ni 및 Fe 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로서, 4 ~ 18중량% 포함되는 것이 바람직하다.

(2) 상기 다른 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 평균입도가 0.5 ~ 3㎛이며 금속의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 경질상 분말과 상기 경질상을 결합시키는 결합상 금속 분말을 혼합하는 단계, 혼합된 분말을 성형하는 단계, 및 성형된 분말을 가압 소결하는 단계를 포함하며, 상기 가압 소결은, 800℃ ~ 소결온도 사이에는 5℃/min ~ 20℃/min 미만의 속도로 승온시킨 후, 소결온도 1380 ~ 1450℃, 가압력 40 ~ 120MPa의 조건으로 Ar, N₂, CH₄, H₂중 1종 또는 2종 이상의 혼합 가스 분위기 하에서 수행되며, 가압 소결 후의 소결체의 표면부의 결합상 함량이 내부에 비해 30 ~ 70% 작은 것을 특징으로 하는 소결체의 제조방법을 제공한다.

상기 (2)에 따른 제조방법에 있어서, 상기 소결체의 미세조직상 경질상 분말 입자 간의 합체율이 70% 이상인 것이 바람직하다.

상기 (2)에 따른 제조방법에 있어서, 상기 소결체는 유심구조가 형성되지 않는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 소결체 및 이의 제조방법은 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 본 발명에 따른 소결체는 출발 원료의 입자 크기가 0.5㎛ ~ 3.0㎛의 분포를 갖는 것을 사용하기 때문에, 200nm 이하의 초미립자를 사용하는 종래의 소결체에 비해 산화가 적고 응집현상이 줄어들 뿐 아니라 불순물의 혼입을 제어하기 용이하여 대량생산에 적합하다.

둘째, 출발 원료의 입자 크기가 500nm 이상이 되면서 가압 소결 방식으로 소결할 경우 200nm 이하의 원료를 사용한 소결체에 비해, 소결 후 미세조직상 경질상 입자의 크기가 상대적으로 증가하여 경질상 입자 간 합체 현상이 증가하게 되어, 경질상을 구성하는 입자 간의 합체율을 70% 이상으로 유지할 수 있게 된다. 이에 따라, 입자 간 결합력이 증가하여 절삭 공구로 활용시 깨짐 혹은 입자 탈락에 의한 인선부 파손에 대한 저항성이 커지게 되므로, 종래의 써메트이나 WC-Co 초경합금 재료를 대체할 수 있다.

셋째, 본 발명에 따른 소결체는 금속 결합상의 함량을 18중량% 이하로 유지할 수 있기 때문에, 금속 결합상 함량의 높아짐에 따른 소결체의 내마모성 저하 등의 문제를 제거할 수 있다.

넷째, 본 발명에 따른 소결체는 소결체 내부보다 표면부에 최대 50% 이상 적은 금속 결합상 함량을 갖기 때문에 소결체 내부보다 경도가 높은 소결체를 구현하여, 절삭 공구로 활용시 내마모성을 높일 수 있다. 또한, 소결체 내부는 표면보다 훨씬 많은 금속 결합상 함량을 유지하고 있기 때문에 표면부의 고경도화로 인한 치핑, 파손에 대한 충격완화 기능을 할 수 있어, 소결체의 내마모성과 인성을 함께 향상시킬 수 있게 된다.

다섯째, 본 발명에 따른 소결체의 제조방법은, 가압소결 방식을 통해 입자 간의 합체율을 70% 이상으로 형성할 수 있으며, 동시에 절삭공구로 활용 가능한 99.8% 이상의 상대 밀도를 달성할 수 있다.

도 1은 본 발명에 있어서, 경질상 입자 간 합체율의 측정방법을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소결체의 미세조직 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 소결체의 표면부와 내부의 경도를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 소결체에 대하여 상세하게 설명하겠지만 본 발명이 하기의 실시예에 제한되는 것은 아니다. 따라서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변경할 수 있음은 자명하다.

또한, 본 발명의 실시예를 설명하기 위해 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함하는 것을 의미한다.

[용어의 정의]

본 발명에 있어서, '입자 간의 합체'란, 도 1에 도시된 바와 같이, 소결에 의해 경질상 입자와 입자가 상호 결합되어 넥(neck)을 형성하고, 형성된 넥의 내각중 하나 이상이 90°이하로 이루어진 결합 상태를 의미한다.

또한, '입자 간의 합체율'은 소결체의 미세조직을 3000배율의 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였을 때, 관찰된 경질상 입자 총 수에 대해 합체된 입자의 수의 백분율을 의미한다.

또한, '소결체의 표면부'란 소결체의 표면에서 깊이 30㎛까지의 부분을 의미한다.

또한, '표면부의 결합상 함량'이란 표면에서부터 깊이 30㎛까지의 0.01㎛ 간격으로 측정한 결합상의 함량의 평균을 의미한다.

또한, '내부'란 소결체의 표면부 경계에서 소결체 중심까지의 영역을 의미한다.

또한, '내부의 결합상 함량'이란 소결체의 표면부 경계에서 소결체 중심까지의 0.01㎛ 간격으로 측정한 함량의 평균을 의미한다.

본 발명에 따른 소결체는, 금속의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 경질상 분말과, 상기 경질상 분말을 결합시키는 결합상 금속 분말을 혼합하여 소결한 소결체로서, 상기 경질상 분말의 평균입도는 0.5 ~ 3㎛이고, 상기 소결체의 미세조직 내에서 상기 경질상 분말을 구성하는 입자 간의 합체율이 70% 이상이며, 상기 소결체의 표면부의 결합상 함량이 내부"에 비해 30 ~ 70% 작은 것을 특징으로 한다.

본 발명자들은 경질상으로 대량생산에 용이하지 않은 200nm 이하의 초미립자를 사용하지 않으면서도, 인성과 내마모성이 우수하여 절삭공구용으로 적합한 소결체를 얻기 위하여 연구개발한 결과, 소결 시 출발 분말의 평균입도가 커지면 절삭 공구에서 인성이라는 항목을 대변해 주는 "파괴인성값"이 증가하여 절삭 공구에 유리하고, 특히, 경질상 입자 간에 형성된 넥의 내각이 90°를 초과하는 경우 양 입자가 하나의 입자처럼 작용하여 입자가 조대해진 것과 같은 결과를 초래하여 절삭공구로 적용시 오히려 조대 입자의 탈락 등에 의해 내마모성이 저하될 수 있으나, 결합된 입자 간의 내각이 90°이하를 유지할 경우 입자 상호간의 결합력을 이용하여 충격에 대한 저항성을 높이면서도 입자 조대화시 나타날 수 있는 악영향은 최소화할 수 있어, 소결체의 인성을 증대시킬 수 있음을 밝혀내었다. 또한, 소결공정의 조절을 통해 소결체 표면에 존재하는 금속 결합상의 함량을 줄이고 내부의 결합상 함량을 높일 경우 절삭공구에 요구되는 내마모성을 높임과 동시에 충격에 대한 인성도 향상시킬 수 있어, 기존에 WC-Co 초경합금으로 제조되어 온 절삭공구를 대체할 수 있는 범위를 확장시킬 수 있음을 밝혀내어, 본 발명에 이르게 되었다.

상기 경질상 입자 간의 합체율이 70% 미만일 경우, 인선부 파손에 대한 저항성이 충분하지 못하므로, 경질상 입자 간의 합체율은 70% 이상이 되는 것이 바람직하다.

또한, 표면부와 내부 간의 금속 결합상 함량의 차이가 30%를 미만이면, 내마모성의 향상 효과가 충분하지 못하므로, 표면부와 내부 간의 금속 결합상 함량의 차이는 30%를 초과하는 것이 바람직하다. 다만, 표면부의 금속 결합상 함량이 차이가 70%를 초과할 경우 입자 탈락 등의 문제가 발생하므로, 70% 미만이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 소결체에 있어서, 상기 경질상은, 티타늄과, 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa족 금속에서 선택된 1종 이상의 금속의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로 이루어지며, 상기 소결체는 유심구조(core-rim 구조)가 없는 것이 바람직한데, 소결체에 유심구조가 형성될 경우, 취성이 강하여 균열전파 경로로 작용하는 코어(core)의 존재에 의해, 소결체의 파괴인성이 저하되기 때문이다.

또한, 본 발명에 따른 소결체에 있어서, 상기 경질상 분말을 구성하는 금속들은 하기 [화학식 1]의 비율로 이루어지는 것이 바람직하다.

[화학식 1]

Tix,Wy,Mz

(여기서, M은 Ti와 W를 제외한 주기율표상 IVa, Va, 및 VIa족의 원소이고, x+y+z ≤ 1, 0.1 ≤ y+z ≤ 0.5, 0 ≤ z ＜ 0.5임)

상기 [화학식 1]과 같이, 티타늄(Ti)을 주 원소로 하는 탄화물, 질화물 또는 탄질화물에서 코발트(Co), 니켈(Ni) 또는 철(Fe)과 같은 결합상을 제외한 핵심 원소들이 2 이상의 고용체 상태를 생성할 때, 티타늄(Ti)과 텅스텐(W)의 몰 비율의 차이에 의해서 소결 후 취성이 강한 코어(Core)의 형성 유무를 결정하는 미세조직적 차이점을 갖게 된다.

구체적으로, 티타늄(Ti)을 주 원소로 할 경우, 본 발명에서 정한 금속원소 상호 간의 몰비를 유지할 경우, 소결체에 포함되는 코발트(Co), 니켈(Ni) 또는 철(Fe)과 같은 결합상을 제외한 핵심 원소들이, 티타늄(Ti) 단독의 TiC 또는 TiCN 상태의 단일상(single phase)으로 존재하는 것보다 티타늄(Ti)과 첨가된 다른 경질상 금속원소 간의 고용체 상태로 존재하는 것이 열역학적으로 안정하기 때문에 고용체를 형성하여 유심구조가 형성되지 않는다.

반면, 티타늄(Ti)을 주 원소로 할 때, 본 발명에서 정한 금속원소 상호 간의 몰비를 벗어날 경우, 예를 들어, 상기 [화학식 1]에서 z가 0인 2원계나 z가 0이 아닌 3원계에 있어서 y 또는 y+z값이 0.1 미만인 경우 경질상 내에 티타늄(Ti) 성분이 많아지게 되어 소결 후 단독으로 존재하는 티타늄(Ti)이 발생하고 단독으로 존재하는 티타늄(Ti)은 취성이 강한 TiC 또는 TiCN으로 이루어진 코어를 생성하여 유심구조를 형성하게 된다. 한편, y 또는 y+z값이 0.5를 초과할 경우 취성이 강한 코어는 생성되지 않으나 텅스텐(W)을 포함한 IVa, Va, 및 VIa 원소의 탄화물들이 2차 상을 형성하여 고용상 조직 내에 잔류하게 되어, 고용상 입자 간 결합력을 감소시켜 충격에 대한 저항성을 떨어뜨린다. 그러므로, 상기 경질상 분말을 구성하는 금속들은 상기 [화학식 1]의 비율로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 소결체에 있어서, 상기 결합상 금속 분말은 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 철(Fe) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로서, 4 ~ 18중량%로 함유되는 것이 바람직한데, 4중량% 미만일 경우 금속 결합상이 충분치 못하여 경질상인 WC와의 결합력이 떨어지게 되어 정상 합금화가 어렵게 되고, 18중량%를 초과할 경우 경질상 대비 다량이 금속 결합상 존재로 인하여 경도 저하로 인하여 고속, 고이송 절삭조건에 대응하기 어렵기 때문이다.

또한, 본 발명에 따른 소결체의 제조방법은, 평균입도가 0.5 ~ 3㎛이며 금속의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 경질상 분말과 상기 경질상을 결합시키는 결합상 금속 분말을 혼합하는 단계, 혼합된 분말을 성형하는 단계, 및 성형된 분말을 가압 소결하는 단계를 포함하며, 상기 가압 소결은, 800℃ ~ 소결온도 사이에는 5℃/min ~ 20℃/min 미만의 속도로 승온시키면서 가압력 40 ~ 120MPa의 조건으로 Ar, N₂, CH₄, H₂중 1종 또는 2종 이상의 혼합 가스 분위기 하에서 수행되며, 가압 소결 후의 소결체의 표면부의 결합상 함량이 내부에 비해 30 ~ 70% 작은 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명은 승온속도를 높이면서 동시에 해당 구간에서 통상적으로 행하지 않는 가압을 수행하는데 특징이 있다.

본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 원료 분말의 평균입도, 소결체의 표면부의 결합상 함량의 수치한정의 이유는 상기한 바와 동일하다.

800℃ ~ 소결온도 구간에서의 승온속도가 5℃/min 미만일 경우 소결시 표면과 내부의 물질이동을 일으키는 탈탄/탈질 반응이 부족해지고, 20℃/min 이상일 경우, 소결체의 정상적인 합금화 및 치밀화가 일어나기 어렵기 때문에, 상기 온도구간에서의 승온속도는 5℃/min ~ 20℃/min 미만인 것이 바람직하다.

또한, 승온 속도를 5℃/min ~ 20℃/min 미만의 조건하에서만 소결할 경우 정상 치밀화 합금을 구현하기 어렵기 때문에 본 발명의 실시예에서는 승온시 가압을 동시에 적용하여 급속 승온에 의한 탈탄/탈진 반응을 억제함으로써, 상대밀도가 99.8% 이상인 정상 소결체를 제조한다. 또한 가압시 사용하는 가스의 조합에 의해서 보다 효과적인 소결체를 제조할 수 있다.

한편, 소결온도를 1380℃ 미만으로 할 경우 경질상과 금속 결합상간의 정상 치밀화가 일어나지 않기 때문에 기공 및 불건전 조직이 발생하여 물성 저하를 야기 시킬 수 있다. 또한 소결온도를 1450℃ 초과로 할 경우 과도한 비정상 입자 성장을초래하기 때문에 소결온도는 상기 범위로 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 가압력은 40MPa 미만으로 할 경우 경질상 입자 간의 합체율 70% 이상을 충족시킬 수 없으며, 상대밀도 역시 감소하여 정상적인 복합화의 구현이 어렵게 된다. 반대로 가압력을 120MPa 초과로 할 경우에는 합금내 잔류하는 카본 및 질소의 분해가 충분하지 못하여 기공과 같은 결함 및 불건전상인 유리탄소(Free Carbon)의 발생 가능성이 높다. 또한 소결 공정상 상기와 같은 120MPa 이상의 가압력을 가하기 위해서 추가 소결 공정비용이 발생하여 생산비용 증가의 단점을 갖게 된다.

[실시예]

소결체의 제조

본 발명의 실시예에 따른 소결체의 제조를 위하여, 먼저 출발 원료로 평균 입도가 0.5 ~ 3.0㎛인 (TixWy)C 분말 1,368g과, 금속 결합상으로서 코발트(Co)와 니켈(Ni)의 혼합 분말을 252g 준비하였다.

또한, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 소결체의 특성을 비교 평가하기 위하여, 상용 TiC, TiN 혹은 TiCN-WC-Co/Ni을 사용한 조성과 (Ti,W)C-Co/Ni로 구성된 조성으로 비교예 1 ~ 6의 소결체를 제조하였는데, 구체적으로 비교예 1의 경우 평균 입도가 1.2 ~ 2.0㎛인 TiC와 TiN 분말 각각 684g, 비교예 2, 3 4 및 6의 경우 입도가 각각 500nm이상이고 y값을 하기 표 1과 같이 상이하게 조절한(TixWy)C 분말 각각 1,368g, 비교예 5의 경우 평균입도가 350nm인 (TixWy)C 분말 1,368g을 칭량하여 경질상 분말로 사용하였다. 이때 금속 결합상 분말의 조성과 함량은 본 발명의 실시예와 동일하게 하였다.

이외에 ßt(티타늄(Ti)과 텅스텐(W)을 제외한 원소로 일반적으로 소량 첨가되는 주기율표상 IVa, Va, 및 VIa족 중 한 가지 이상이 포함된 탄화물의 함량)함량도 본 발명의 실시예나 비교예 1~6의 물성 비교를 위하여, 모두 동일하게 180g씩 준비하였다.

이와 같이 준비된 분말을 알코올을 용매로 사용하고 직경 5mm의 초경 구석을 통해 어트리터(Attritor)를 이용하여 약 20시간 밀링하였다. 이러한 밀링공정을 통해 경질상 분말과 금속 결합상 분말이 혼합된 슬러리를 얻었다.

혼합된 슬러리는 스프레이 드라이어(spray dryer)를 이용하여 건조한 후, 1000kg/㎠의 압력으로 SNMG120408 및 SPCN1203EDTR 형번으로 형압하여 성형체를 제조하였다.

이와 같이 제조한 성형체를 99.5% Ar과 99.8% H₂의 혼합가스 분위기 하에서 이 분야에 통상적으로 사용되는 가압소결장치를 이용하여 가압소결방식으로 소결하였다.

이때 상온에서 소결온도까지 가열함에 있어서, 특히 800℃ ~ 1380℃ 구간 사이에서는 10℃/min의 속도로 승온속도를 유지하였다.

그리고, 가압소결은 소결온도 1380℃, 소결시간 1시간, 가압력 60MPa의 조건을 실시하였다. 한편, 본 발명의 실시예에서는 분위기 가스로 아르곤(Ar)과 수소(H₂)의 혼합가스를 사용하였으나, 필요에 따라 진공 상태로 소결하거나, 아르곤(Ar), 질소(N₂), 수소(H₂) 및 메탄(CH₄)과 같은 가스 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합 가스를 사용할 수도 있다.

이러한 공정을 통해 하기 표 1에 나타낸 조성을 갖고, 도 2에 보여진 바와 같은 미세조직을 나타내는 소결체를 제조하였다. 한편, 본 발명의 실시예에서는 티타늄(Ti)과 텅스텐(W)을 주 원소로 하는 고용체 탄화물을 사용하였으나, 이 탄화물 외에 WC, NbC, TaC, Mo₂C 등 절삭공구용 소결체에 통상 첨가되는 경질상도 함께 포함될 수 있다.

각 소결체의 경질상을 구성하는 금속 성분의 성분비는 플라즈마 방전 성분분석기(GDOES)를 이용하여 측정하였다.

또한, 제조한 소결체의 미세조직에서 입자 간의 합체 여부의 판정은 3천배 배율의 주사전자현미경(SEM) 이미지에서 도 1에 도시된 바와 같이 결합된 입자 간에 형성된 넥(neck) 부분의 내각이 90°이하인지 여부를 판정하여 내각이 90°이하인 입자 수를 측정하여, 다음과 같이 백분율로 산출하였다.

합체율(%) = (합체된 경질상 입자수/관찰된 전체 경질상 입자수)× 100

본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 소결체의 조성, 미세조직 및 경질상의 유심구조 유무

종류	핵심조성	원료특징		소결방식	승온속도 (℃/min)	합체율 (%)	표면/ 중심 차이(%)	x	y
		고용체 여부	입도
비교예 1	(TiC+TiN)x+WyC	비고용체	500nm 이상	가압	4	50미만	95	1.0	1.0
비교예 2	TiCNx+WyC	비고용체	500nm 이상	가압	3	50미만	90	1.0	1.0
비교예 3	(Tix,Wy)C	고용체	500nm 이상	가압	3.5	50미만	90	0.25	0.75
비교예 4	(Tix,Wy)C	고용체	500nm 이상	가압	4	50미만	95	0.92	0.08
비교예 5	(Tix,Wy)C	고용체	500nm 미만	가압	2	50미만	97	0.75	0.25
비교예 6	(Tix,Wy)C	고용체	500nm 이상	진공	4.5	60미만	98	0.75	0.25
비교예 7	(Tix,Wy)C	고용체	500nm 이상	가압	4.8	70이상	100	0.75	0.25
비교예 8	(Tix,Wy)C	고용체	500nm 이상	가압	20	70이상	25	0.75	0.25
실시예 1	(Tix,Wy)C	고용체	500nm 이상	가압	10	70이상	42	0.75	0.25
실시예 2	(Tix,Wy)C	고용체	500nm 이상	가압	5	70이상	50 이상	0.75	0.25

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 및 2의 경우, 출발 원료물질의 조성을 조절하고 평균입도를 0.5 ~ 3㎛로 하며 가압소결조건을 적용함으로써, 미세조직상 유심구조를 갖지 않고 경질상 입자 간의 합체율이 70%를 상회하고 표면과 내부의 금속 결합상 조성차이가 각각 42%와 50% 정도로 차이가 있는 소결체를 제조할 수 있었다. 특히 실시예 2의 경우 도 3에 보여진 바와 같이 표면부와 중심부 간의 Co 함량의 차이가 50% 이상 차이가 나는 경사조직을 갖는 것이 확인되었다.

이에 비해, 본 발명의 실시예와 동일한 조성을 가지는 비교예 5 및 6은 소결조건을 가압을 하지 않는 진공소결 또는 가압소결조건을 본 발명의 실시예의 범위를 벗어나는 조건(진공 소결의 경우 본 발명과 동일한 소결 온도와 시간을 적용하였고, 가압 소결조건의 경우 소결 조건은 본 발명과 동일한 조건이지만 고용상 분말의 입도 크기를 만족하지 못한 결과, 미세조직상 유심구조는 나타나지 않으나 경질상 입자의 합체율이 각각 50% 미만, 60% 미만으로 측정되었다.

또한, 비교예 7은 본 발명과 유사한 원료 사용 및 미세조직적 특징을 나타내고 있었으나 소결시 승온 속도가 본 발명에서 설정한 범위에 도달하지 못한 관계로 표면과 내부이 금속 결합상 조성차이를 보이지 않았다.

반면, 비교예 8의 경우와 같은 조건으로 실시할 경우 표면과 내부의 금속 결합상 조성차이비 (Sb/Ib)는 본 발명에서 설정한 범위에 도달하였으나 승온 속도가 너무 빠른 관계로 소결체의 치밀화가 일어나지 못하여 소결체 내부에 기공 및 유리탄소(free carbon)와 같은 불건전 조직이 생성되어 절삭 공구로 사용이 불가능한 상태를 나타내었다.

또한, 비교예 1 ~ 4의 경우, 미세조직상 유심구조를 나타낼 뿐 아니라, 경질상의 합체율도 모두 50% 미만으로 측정되었다.

또한, 비교예 7은 본 발명과 유사한 원료 사용 및 미세조직적 특징을 나타내고 있으나 소결시 승온속도가 본 발명의 실시예와 달라 표면부와 내부 간의 금속 결합상의 차이가 발생하지 않았다.

이에 비해, 비교예 8의 경우, 표면부와 내부 간의 금속 결합상 조성차이비 (Sb/Ib)는 본 발명에서 설정한 범위에 도달하였으나 승온 속도가 너무 빠른 관계로 소결체의 치밀화가 일어나지 못하여 소결체 내부에 기공 및 유리탄소(free carbon)와 같은 불건전 조직이 발생하여 절삭 공구로 사용이 불가능한 상태를 나타내었다.

소결체의 특성 평가

본 발명자들은 상기와 같은 본 발명의 실시예 1 및 2와 비교예 1 ~ 8의 미세조직의 차이(유심구조의 유무, 합체율의 차이)가 소결체의 물성(경도 및 파괴인성)에 미치는 영향과 함께 실제 절삭공구에 적용하였을 때 미치는 영향을 평가하였다.

(1) 밀링 내마모성 평가 - GC250

첫 번째 밀링 내마모성 시험은 피삭재로 GC250 주철을 사용하였으며, 절삭 속도(vc)는 500 m/min, 이송(공급)은 0.3mm/tooth, 절삭깊이(ap)는 2.0mm, 절삭 인서트 형상은　SPKN1203EDER, 절삭유는 습식 조건으로 수행하였으며, 평가는 상기 조건에 측면 마모량이 0.2mm까지 도달시 까지의 시간을 측정하여 마모 시험을 실시 하였다.

(2) 밀링 내마모성 평가 - FCD600

두 번째 밀링 내마모성 시험은 피삭재로 FCD600 연(ductile) 주철을 사용하였는데 FCD600은 연질로 GC250에 비해 용착성이 강한 피삭재이다. 이때 절삭 속도(vc)는 150 m/min, 이송(공급)은 0.2mm/tooth, 절삭깊이(ap)는 2.0mm, 절삭 인서트 형상은　SPKN1203EDER, 절삭유는 습식 조건으로 수행하였으며, 평가는 상기 조건에서 측면 마모량이 0.2mm까지 도달시 까지의 시간을 측정하여 마모 시험을 실시 하였다.

(3) 밀링 인성(내결손성) 평가

밀링 내결손성 평가는 상기 (1)의 조건으로 내마모성을 평가한 후 최종 파손시까지의 시간을 측정하는 방식을 사용하였으며, 최종 파손시까지의 시간이 길수록 절삭시 지속적인 단속에 의한 내치핑성 혹은 내결손성이 좋은 소결체로 간주하였다.

이상과 같은 방법으로 평가한 절삭성능의 평가결과와, 소결체의 경도(Hv 2.0Kg 하중 적용) 및 파괴인성(50Kg 하중)을 하기 표 2에 나타내었다.

종류	경도(Hv)		파괴인성 (MPam1 /2 )	절삭성능
	표면	내부		FCD600	GC250
				마모량 (mm)	마모량 (mm)	밀링인성
비교예 1	1300~1400	1300~1400	5.3~5.8	0.030	0.045	30분
비교예 2	1300~1400	1300~1400	5.5~6.0	0.020	0.028	27분
비교예 3	1200~1300	1200~1300	6.5~7.0	0.024	0.040	32분
비교예 4	1300~1400	1300~1400	6.0~6.5	0.020	0.25	25분
비교예 5	1400~1500	1400~1500	6.5~7.0	0.015	0.018	40분
비교예 6	1350~1450	1350~1450	6.4~6.9	0.014	0.180	38분
비교예 7	1400~1500	1400~1500	7.5~8.0	0.011	0.130	40분
비교예 8	측정불가	측정불가	4.0~5.0	치핑,파손	치핑,파손.	10분 이내
실시예 1	1700~1800	1400~1500	7.5~8.0	0.090	0.010	60분
실시예 2	1700~1800	1400~1500	7.7~8.3	0.0010	0.012	70분

※ 비교예 8은, 조직 내 불건전 조직출현으로 절삭 시험시 조기 치핑 및 파손으로 공구 수명 산출 불가하였음 (인써트 코너 8코너 이상 평균)

상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 소결체의 경도 의 경우 비교예 1 ~ 6과 대비할 때 동등하거나 그 이상이다. 더욱이 절삭공구의 내구성에 큰 영향을 미치는 파괴인성의 경우, 비교예 1 ~ 6에 비해 상당히 향상되었음을 알 수 있다.

구체적으로, 비교예 1 및 2의 경우 비고용체 원료 사용에 의한 영향으로, 비교예 3 및 4는 그 조성이 본 발명에서 규정한 범위를 만족하지 못한 영향으로 미세조직상 유심구조를 나타내기 때문에, 본 발명의 실시예는 유심구조가 나타나지 않는 비교예 5 및 6에 비해서도 파괴인성이 낮음을 알 수 있다.

한편, 비교예 5 및 6은 본 발명의 실시예와 동일하게 유심구조가 나타나지 않음에도 불구하고, 본 발명의 실시예에 비해 파괴인성이 낮은데 이는 본 발명의 실시예에 따른 소결체의 미세조직상 경질상 입자의 합체율이 70%를 상회함에 비해 비교예 5 및 6은 합체율이 60% 미만임에 기인하는 차이로 판단되며, 비교예 7은 상기 경질상 입자의 합체율은 본 발명의 범위를 만족하나 소결시 승온 조건이 다른 특징을 갖기 때문에 내마모성은 기존 공구 대비 향상됨을 확인할 수 있었으나 인성적으로 본 발명 대비 열세함을 알 수 있다.

또한, 실제 절삭성능 시험에 있어서도 모든 항목에 있어서 본 발명의 실시예 1 및 2에 따른 소결체는 비교예 1 ~ 8에 비해 인선부의 깨짐 시점이 약 20% 이상 지연되고 내마모성이 개선되는 결과를 보였다.

이로부터, 본 발명의 실시예에 따른 소결체는 특히 주철가공용 절삭공구의 모재로서 적합하게 사용될 수 있음을 알 수 있다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 소결체 상에 화학적 증착법 및 물리적 증착법을 사용한 코팅층을 형성할 경우, 보다 우수한 내마모성을 얻을 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 소결체는 종래의 써메트의 부족한 취성을 보완하고 나아가 WC계 초경 합금을 부분적으로 대체할 수 있을 것이다.

Claims (9)

1. 금속의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 경질상 분말과, 상기 경질상 분말을 결합시키는 결합상 금속 분말을 혼합하여 소결한 소결체로서,
   상기 경질상 분말의 평균입도는 0.5 ~ 3㎛이고, 상기 소결체의 미세조직 내에서 상기 경질상 분말을 구성하는 입자 간의 합체율이 70% 이상이며,
   상기 소결체의 표면에서 깊이 30㎛까지 영역의 결합상의 함량이, 상기 깊이 30㎛를 초과하여 소결체 중심까지의 영역의 결합상의 함량에 비해, 30 ~ 70% 작은 것을 특징으로 하는 소결체.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 경질상 분말은, 티타늄과, 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa족 금속에서 선택된 1종 이상의 금속의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로 이루어지며, 상기 소결체는 유심구조가 형성되지 않는 것을 특징으로 하는 소결체.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 경질상 분말을 구성하는 금속들은 하기 [화학식 1]의 비율로 이루어지는 것을 특징으로 하는 소결체.
   [화학식 1]
   Tix,Wy,Mz
   (여기서, M은 Ti와 W를 제외한 주기율표상 IVa, Va, 및 VIa족의 원소이고, x+y+z ≤ 1, 0.1 ≤ y+z ≤ 0.5, 0 ≤ z ＜ 0.5임)
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 결합상 금속은 Co, Ni 및 Fe 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로서, 4 ~ 18중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 소결체.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 소결체상에는 화학기상증착법 또는 물리기상증착법으로 증착한 박막이 형성되는 것을 특징으로 하는 소결체.
6. 평균입도가 0.5 ~ 3㎛이며 금속의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로 이루어지는 경질상 분말과 상기 경질상을 결합시키는 결합상 금속 분말을 혼합하는 단계,
   혼합된 분말을 성형하는 단계, 및
   성형된 분말을 가압 소결하는 단계를 포함하며,
   상기 가압 소결은, 800℃ ~ 소결온도 사이에는 5℃/min ~ 20℃/min 미만의 속도로 승온시킨 후, 소결온도 1380 ~ 1450℃, 가압력 40 ~ 120MPa의 조건으로 Ar, N₂, CH₄, H₂중 1종 또는 2종 이상의 혼합 가스 분위기 하에서 수행되며,
   가압 소결 후의 소결체의 표면에서 깊이 30㎛까지 영역의 결합상의 함량이, 상기 깊이 30㎛를 초과하여 소결체 중심까지 영역의 결합상의 함량에 비해, 30 ~ 70% 작은 것을 특징으로 하는 소결체의 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 소결체의 미세조직상 경질상 분말 입자 간의 합체율이 70% 이상이고,
   상기 합체율은 하기 식 1에 의해 구해지는 값인 것을 특징으로 하는 소결체의 제조방법.
   [식 1]
   합체율(%) = (합체된 경질상 입자수 / 관찰된 전체 경질상 입자수)×100
   (여기서, 관찰된 전체 경질상 입자수는 상기 소결체의 미세조직을 3000배율의 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였을 때 관찰된 경질상 입자 총 수이고,
   합체된 경질상 입자수는 관찰된 경질상 입자 중에서, 소결에 의해 경질상 입자와 입자가 상호 결합되어 넥(neck)을 형성하고 형성된 넥의 내각 중 하나 이상이 90°이하로 이루어진 입자의 수이다.)
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 소결체는 유심구조가 형성되지 않는 것을 특징으로 하는 소결체의 제조방법.
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 소결체상에는 화학기상증착법 또는 물리기상증착법으로 증착한 박막이 형성되는 것을 특징으로 하는 소결체의 제조방법.
   

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