KR101310206B1 - 마찰교반 접합용 고인성 경사기능 초경 공구 및 이의 제조방법 - Google Patents

마찰교반 접합용 고인성 경사기능 초경 공구 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 초경 공구는 전단에 구비되는 가공부(10)와, 가공부(10) 상부에 구비되는 테이퍼부(20)와, 테이퍼부(20) 상부에 구비되며 지그가 고정되는 하부 생크부(31) 및 하부 생크부(31) 상부에 구비되는 상부 생크부(32)로 구성되는 생크부(30)로 이루어지며, 상기 가공부(10)로부터 상기 상부 생크부(32)까지 텅스텐 카바이드 분말과 코발트 분말의 조성을 달리하여 금형(100) 내에서 일체로 분말 소결로 성형되는 것을 특징으로 한다.

Description

마찰교반 접합용 고인성 경사기능 초경 공구 및 이의 제조방법{HIGE TOUGHNESS FUNCTIONAL GRADED HARD METAL TOOL FOR FRICTION STIR JOINING AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 마찰교반 접합(FSW)용 고인성 경사기능 초경(FGM) 공구 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초경 공구의 각 부위별로 요구되는 강도에 맞게 부위별 조성을 달리하여 일체로 분말 소결되도록 하는 마찰교반 접합(FSW)용 고인성 경사기능 초경(FGM) 공구 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 초경 공구는 고가의 텅스텐(W)과 탄소(C)를 반응시켜 만든 텅스텐탄화물(WC)에 고가의 코발트(Co), 니켈(Ni) 또는 티탄탄화물(TiC), 탄탈탄화물(TaC) 등의 탄화물을 첨가하여 소결한 WC계의 초경합금 복합재료가 널리 사용되고 있다.
이러한 초경 공구는 공구본체의 전단부에 접합을 하게 되는데 비 용융고상 접합인 마찰교반 접합(Friction Stir Welding, FSW)을 이용하게 된다. 이러한 마찰교반 접합은 경량소재뿐만 아니라 티타늄(Ti), 강철(Steel), 스테인레스강철(Stainless steel), 니켈 합금(Nickel basealloys)과 같은 고융점 소재의 동종 및 이종소재의 접합에도 적용 확대 되어 여러 산업분야에 응용, 차세대 접합기술로 각광을 받고 있다. 텅스텐 카바이드는 고융점, 고강도 및 내마모성이 좋아 가공용 공구, 내마모성 공구, 절삭공구, 금형 등 다양한 용도로 사용되고 있으며, 코발트 첨가시 인성이 향상되어 고인성 재료를 만들수 있어 마찰교반 접합(FSW) 기술에 사용되는 공구 재료로 사용하기에 적합하다.
초경 공구는 전단에 구비되는 가공부와, 가공부 상부에 구비되는 테이퍼부와, 테이퍼부 상부에 구비되는 랜드부 및 랜드부 상부에 구비되는 고정부로 구성되며, 가공부와 테이퍼부는 접합시키게 된다.
이러한 접합은 가공시 가공제품의 표면정도가 불량해지고, 치수정확도가 저하되며, 마멸과 치핑(chipping)이 촉진되어 특히 취성이 큰 초경합금으로 제작된 절삭공구의 경우 조기에 파손된다.
또한 제품가공시 발생되는 열에 의해 초경합금과 일반강의 열전도도가 다르기 때문에 열을 받았을 때 두 금속의 팽창 혹은 수축 정도가 다르게 되어 공구의 접합부위가 변형될 수 있다.
이러한 접합의 문제점을 개선하기 위하여 한국공개특허 제10-2011-0002904호(발명의 명칭: 방전플라즈마 소결법을 이용한 초경절삭공구 및 이의 제조 방법)가 개시된 바 있다.
상기 방법은 고가의 초경합금 재질로 이루어진 초경절삭공구의 가공을 위한 날부를 가지는 가공부만 고가의 초경합금 재질로 형성하고 초경합금 재질의 가공부와 초경합금 재질과 다른 금속 재질의 지지부 사이에 방전플라즈마 소결법으로 팽창율이 다른 금속 재료를 급격히 승온시켜 입자의 성장을 제어하여 단시간에 치밀한 소결체로 접합되는 연결부를 제공하는 것이다.
상기 방법은 가공부와 지지부를 연결하는 연결부를 소결접합되도록 하여 이종금속의 접합으로 인해 불리해지는 접합면의 파손을 줄이는 장점이 있으나, 가공부로부터 지지부까지 각 부위별로 각각 다른 강도가 요구되고 있어 이에 부합되지 못하여 결국 공구수명이 단축되는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-0550265호 (등록일: 2006.02.01) 한국공개특허 제10-2011-0002904호(공개일:.2011.01.11) 한국공개특허 제10-2008-0089036호(공개일:.2008.10.06) 한국공개특허 제10-2010-0050571호(공개일: 2010.05.13)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 초경 공구의 각 부위별로 요구되는 강도에 맞게 부위별 조성을 달리하여 일체로 분말 소결되도록 하는 마찰교반 접합(FSW)용 고인성 경사기능 초경(FGM) 공구 제조방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초경 공구는 전단에 구비되는 가공부(10)와, 가공부(10) 상부에 구비되는 테이퍼부(20)와, 테이퍼부(20) 상부에 구비되며 지그가 고정되는 하부 생크(shank)부(31) 및 하부 생크부(31) 상부에 구비되는 상부 생크부(32)로 구성되는 생크부(30)로 이루어지며, 상기 가공부(10)로부터 상기 상부 생크부(32)까지 텅스텐 카바이드 분말과 코발트(Co) 분말의 조성을 달리하여 금형(100) 내에서 일체로 분말 소결로 성형되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가공부(10)로부터 상기 상부 생크부(32)까지 텅스텐 카바이드 분말과 코발트 분말의 조성은 가공부(10)로 갈수록 텅스텐 카바이드 분말의 조성이 증가하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 가공부(10)의 조성은 텅스텐 카바이드 분말 95 내지 97wt%와 코발트 분말 3 내지 5wt%이고, 상기 테이퍼부(20)의 조성은 텅스텐 카바이드 분말 88 내지 92wt%와 코발트 분말 8 내지 12wt%이며, 상기 하부 생크부(31)의 조성은 텅스텐 카바이드 분말 83 내지 87wt%와 코발트 분말 13 내지 17wt%이며, 상기 상부 생크부(32)의 조성은 텅스텐 카바이드 분말 75 내지 80wt%와 코발트 분말 20 내지 25wt%인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 가공부(10)로부터 상기 상부 생크부(32)까지 접하는 금형의 온도를 달리하여 일체로 분말 소결로 성형되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 가공부(10)로부터 상기 상부 생크부(32)까지 접하는 금형의 온도가 상기 가공부(10)로 갈수록 높아지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가공부(10)와 접하는 금형(100)의 온도는 1340 내지 1350℃이고, 상기 테이퍼부(20)와 접하는 금형의 온도는 1310 내지 1330℃이며, 상기 하부 생크부(31)와 접하는 금형의 온도는 1290 내지 1300℃이고, 상기 상부 생크부(32)와 접하는 금형의 온도는 1270 내지 1280℃인 것을 특징으로 한다.
또, 텅스텐 카바이드 분말의 크기는 직경 0.6~10㎛이고, 코발트 분말의 크기는 직경 20~100㎛인 것을 특징으로 한다.
아울러, 분말을 압축하는 압축압력은 55~70MPa 인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명은 초경 공구의 각 부위별로 요구되는 강도에 맞게 부위별 조성을 달리하여 각 부위별로 요구되는 기계적 특성에 맞게 일체로 분말 소결되도록 하여 제조됨으로써 각 부위별 기계적 특성과 무관하여 응력이 크게 작용하는 부위와 응력이 작게 작용하는 부위의 조성이 같은 종래의 초경 공구에서 발생될 수 있는 응력집중 현상을 방지할 수 있어 수명을 길게 연장할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 초경 공구를 나타낸 측면도.
도 2는 본 발명에 의한 초경 공구를 나타낸 평면도.
도 3은 본 발명에 의한 초경 공구 성형을 위한 금형 및 다이를 나타낸 도면.
이하, 본 발명의 초경 공구를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 초경 공구를 나타낸 측면도이고, 도 2는 본 발명에 의한 초경 공구를 나타낸 평면도이며, 도 3은 본 발명에 의한 초경 공구 성형을 위한 금형 및 다이를 나타낸 도면이다.
본 발명에 의한 초경 공구는 전단에 구비되는 가공부(10)와, 가공부(10) 상부에 구비되는 테이퍼부(20)와, 테이퍼부(20) 상부에 구비되는 생크부(30)로 이루어진다.
상기 가공부(10)는 가공에 직접 관여하는 것으로 고강도와 고인성 및 내마멸성이 요구된다.
상기 테이퍼부(20)는 초경공구를 고정하기 위하여 직경을 증가시키는 부분이다.
상기 생크부(30)는 초경공구를 고정하는 부분으로 지그에 고정할 수 있도록 방사형태로 평탄부가 구비되며(도 2 참조), 사각형태로 구비될 수도 있다.
상기 생크부(30)는 지그가 고정되는 하부 생크부(31)와 지그 내부에 위치하는 상부 생크부(32)로 이루어진다.
상기 초경 공구는 상기 가공부(10)로부터 상기 상부 생크부(32)까지 텅스텐 카바이드 분말과 코발트 분말의 조성을 달리하여 금형 내에서 일체로 분말 소결로 성형된다.
이와 같이 본 발명의 초경 공구는 일체로 분말 소결로 성형됨으로써 종래에서와 같은 접합을 수행하지 않아 접합의 문제점을 개선할 수 있게 된다.
텅스텐 카바이드 분말과 코발트 분말의 조성은 상기 가공부(10)로부터 상기 상부 생크부(32)까지 달리하게 되는데, 텅스텐 카바이드 분말과 코발트 분말의 조성은 가공부(10)로 갈수록 텅스텐 카바이드 분말의 조성이 증가하는 것이 바람직하다. 가공부(10)는 고강도와 고인성 및 내마멸성이 요구되고 상부 생크부(32)로 갈수록 상기 가공부(10)보다는 낮은 강도와 인성이 요구되므로 경도와 내마모성을 가지는 텅스텐 카바이드 분말의 조성을 가공부(10)로 갈수록 증가하도록 조절하여 일체로 분말 소결되도록 한다.
이때, 상기 가공부(10)의 조성은 텅스텐 카바이드 분말 95 내지 97wt%와 코발트 분말 3 내지 5wt%이고, 상기 테이퍼부(20)의 조성은 텅스텐 카바이드 분말 88 내지 92wt%와 코발트 분말 8 내지 12wt%이며, 상기 하부 생크부(31)의 조성은 텅스텐 카바이드 분말 83 내지 87wt%와 코발트 분말 13 내지 17wt%이며, 상기 상부 생크부(32)의 조성은 텅스텐 카바이드 분말 75 내지 80wt%와 코발트 분말 20 내지 25wt%가 되도록 한다.
본 발명의 초경공구는 텅스텐(C)과 탄소(C)를 반응시켜 만든 텅스텐 카바이드(WC) 분말을 사용하여 소결하는 것을 언급하였으나, 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 탄탈(Ta) 등과 탄소(C)를 반응시켜 만든 니켈탄화물(NiC), 티탄탄화물(TiC), 탄탈탄화물(TaC) 분말을 사용하여 소결하여도 무방하다.
아울러, 텅스텐 카바이드 분말의 크기는 직경 0.6~10㎛이고, 코발트 분말의 크기는 직경 20~100㎛인 것이 바람직하며, 분말을 압축하는 압축압력은 55~70MPa 인 것이 바람직하다.
이때, 분말을 압축하는 압축압력이 55MPa 미만으로 너무 작으면 분말밀도가 낮아져 성형성이 나빠지게 되고, 압축압력이 70MPa 초과하여 너무 크면 분말밀도가 높아져 성형성이 좋아지게 되나 스프링백 현상이 크게 되어 정밀도 및 치수안정성이 나빠지게 된다.
이와 같이 초경 공구의 부위별 텅스텐 카바이드 분말 및 코발트 분말의 조성이 다르므로 분말 소결 성형시 금형의 온도를 달리할 필요가 있다.
상기 가공부(10)로부터 상기 상부 생크부(32)까지 접하는 금형의 온도를 달리하여 일체로 분말 소결로 성형되도록 한다.
텅스텐 카바이드 분말의 조성이 상기 가공부(10)로 갈수록 증가하므로 이를 분말 소결 성형하기 위해서는 금형의 온도를 높여야 한다. 따라서, 상기 가공부(10)로부터 상기 상부 생크부(32)까지 접하는 금형의 온도가 상기 가공부(10)로 갈수록 높아지도록 한다.
이때, 상기 가공부(10)와 접하는 금형의 온도는 1340 내지 1350℃이고, 상기 테이퍼부(20)와 접하는 금형의 온도는 1310 내지 1330℃이며, 상기 하부 생크부(31)와 접하는 금형의 온도는 1290 내지 1300℃이고, 상기 상부 생크부(32)와 접하는 금형의 온도는 1270 내지 1280℃인 것이 바람직하다.
아울러, 금형의 온도를 각 부위별로 달리 하기 위해서는 금형의 두께를 달리하여 분말 소결 성형온도를 제어한다. 금형의 외부에서 가열하게 되면 두께가 얇은 금형에서 열전달이 잘 이루어지고 두께가 두꺼운 금형에서 열전달이 더디게 이루어지게 된다. 따라서, 도 3에서와 같이, 가공부(10)와 접하는 금형(100)의 두께를 작게 하고 상부 생크부(32)로 갈수록 금형의 두께를 크게 함으로써 가공부(10)로 갈수록 전달되는 열의 온도를 높일 수 있고 상기 상부 생크부(32)로 갈수록 전달되는 열의 온도를 낮출 수 있도록 한다.
이와 같이 본 발명은 온도 구배를 갖도록 제어함으로써 성분이 다른 분말의 성형조건을 조절할 수 있다.
상기와 같은 구성으로 된 본 발명의 초경 공구는 각 부위별로 요구되는 기계적 특성에 맞게 분말 소결 성형함으로써 종래의 초경 공구에서 발생될 수 있는 응력집중 현상을 방지할 수 있어 수명을 길게 연장할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 초경 공구 제조방법은 각 부위별 성분으로 조성되도록 각 분말의 투입량을 조절하여 각각 혼합하고, 각각 조성된 분말을 금형(100)에 투입하여 적층하고 상부 다이(210)와 하부 다이(220)로 가압하고 금형의 온도를 조절하여 분말소결함으로써 성형물을 완성한다. 이때 전체적인 경도와 파괴인성은 각각 2000~2300kg/mm2, 10~35MPa'm1/2이다.
본 발명의 상기한 실시예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
10 : 가공부
20 : 테이퍼부
30 : 생크부
31 : 하부 생크부
32 : 상부 생크부
100: 금형

Claims (7)

  1. 전단에 구비되는 가공부(10)와, 가공부(10) 상부에 구비되는 테이퍼부(20)와, 테이퍼부(20) 상부에 구비되며 지그가 고정되는 하부 생크부(31) 및 하부 생크부(31) 상부에 구비되는 상부 생크부(32)로 구성되는 생크부(30)로 이루어지며, 상기 가공부(10)로부터 상기 상부 생크부(32)까지 텅스텐 카바이드 분말과 코발트 분말의 조성을 달리하여 금형(100) 내에서 일체로 분말 소결로 성형되며,
    상기 가공부(10)로부터 상기 상부 생크부(32)까지 텅스텐 카바이드 분말과 코발트 분말의 조성은 가공부(10)로 갈수록 텅스텐 카바이드 분말의 조성이 증가하며,
    상기 가공부(10)의 조성은 텅스텐 카바이드 분말 95 내지 97wt%와 코발트 분말 3 내지 5wt%이고, 상기 테이퍼부(20)의 조성은 텅스텐 카바이드 분말 88 내지 92wt%와 코발트 분말 8 내지 12wt%이며, 상기 하부 생크부(31)의 조성은 텅스텐 카바이드 분말 83 내지 87wt%와 코발트 분말 13 내지 17wt%이며, 상기 상부 생크부(32)의 조성은 텅스텐 카바이드 분말 75 내지 80wt%와 코발트 분말 20 내지 25wt%인 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합용 고인성 경사기능 초경 공구.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가공부(10)로부터 상기 상부 생크부(32)까지 접하는 금형의 온도를 달리하여 일체로 분말 소결로 성형되는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합용 고인성 경사기능 초경 공구.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가공부(10)로부터 상기 상부 생크부(32)까지 접하는 금형의 온도가 상기 가공부(10)로 갈수록 높아지는 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합용 고인성 경사기능 초경 공구.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 가공부(10)와 접하는 금형(100)의 온도는 1340 내지 1350℃이고, 상기 테이퍼부(20)와 접하는 금형의 온도는 1310 내지 1330℃이며, 상기 하부 생크부(31)와 접하는 금형의 온도는 1290 내지 1300℃이고, 상기 상부 생크부(32)와 접하는 금형의 온도는 1270 내지 1280℃인 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합용 고인성 경사기능 초경 공구.
  7. 제 6 항에 있어서,
    텅스텐 카바이드 분말의 크기는 직경 0.6~10㎛이고, 코발트 분말의 크기는 직경 20~100㎛인 것을 특징으로 하며, 분말을 압축하는 압축압력은 55~70MPa인 것을 특징으로 하는 마찰교반 접합용 고인성 경사기능 초경 공구.
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