KR101581081B1

KR101581081B1 - 초경합금 및 이를 이용한 절삭 공구

Info

Publication number: KR101581081B1
Application number: KR1020127006815A
Authority: KR
Inventors: 다쿠야 오쿠노; 가즈히로 히로세; 히데키 모리구치; 아키히코 이케가야; 가즈오 사사야; 요시하루 야마모토
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤; 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤; 가부시끼가이샤 아라이도 마테리아루
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2010-08-11
Publication date: 2015-12-29
Also published as: JP5462549B2; US8801816B2; CN105154744B; JP2011042830A; TW201122117A; US20120144753A1; EP2474634B1; TWI470088B; EP2474634A4; EP2474634A1; KR20120041265A; CN102482739A; CN105154744A; WO2011021554A1

Abstract

본 발명은 열확산율이 높고, 내마모성이 우수한 초경합금 및 이 초경합금을 포함하는 기재를 구비하는 절삭 공구를 제공한다. 본 발명의 초경합금은 WC 입자를 주체로 하는 경질상이 Co를 주체로 하는 결합상에 의해 결합되어 이루어지고, 절삭 공구에 이용되는 WC기 초경합금이다. 상기 결합상은, Co, 또는 Co 및 Ni로 실질적으로 구성되고, Co 및 Ni의 합계 함유량이 4.5 질량% 이상 15 질량% 이하이다. 이 초경합금중의 WC 입자의 평균 입경은, 0.4 ㎛ 이상 4 ㎛ 이하이며, WC 입자의 평균 입경을 x(㎛)로 할 때, 이 합금의 열확산율 X(㎠/sec)는 X>0.055x+0.238을 만족시킨다. 이 초경합금은 Cr, Ta, Nb, Zr 및 Ti으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 합계 0.05 질량% 이상 5 질량% 이하 더 함유할 수 있다.

Description

초경합금 및 이를 이용한 절삭 공구{SUPER HARD ALLOY AND CUTTING TOOL USING SAME}

본 발명은, 절삭 공구의 소재에 적합한 초경합금 및 이 초경합금을 포함하는 기재를 구비하는 절삭 공구에 관한 것이다. 특히, 내열균열성과 내마모성 모두 우수한 초경합금에 관한 것이다.

종래 기술에서는, WC(탄화텅스텐) 입자를 Co(코발트)로 결합한 WC기 초경합금이, 절삭 공구의 소재로 이용되고 있다.

절삭 공구의 날끝은, 피삭재를 절단할 때의 변형이나 마찰 등에 수반하여 발생하는 열에 의해, 통상 고온이 된다. 이 때문에 절삭 공구의 소재(기재)에는, 고온이 되어도 충분한 경도나 강도를 유지할 수 있는 것이 요구된다. 종래 기술에서는, 절삭 공구의 고온에서의 내마모성을 향상시키기 위해, 소재가 되는 초경합금에 Ti, Nb, Ta, Zr 등의 원소를 첨가하는 것에 의해 고온 경도를 향상시키거나, 공구 표면에 알루미나나 탄화티탄이라고 하는 고온 경도가 높은 세라믹스막을 피복하였다. 또한, 절삭 공구 자체나 피삭재 자체의 온도를 내리기 위해서는, 절삭유를 이용하는 것이 효과적이다. 일본 특허 공개 평성08-225877호 공보(이하 「특허문헌 1」로 기재함)는, 고온이 되기 쉬운 합금 표면의 열전도율을 높이기 위해, 열전도율이 높은 WC 입자가 많은 층을 합금 표면에 마련한 소결 합금을 개시하고 있다.

일본 특허 공개 평성08-225877호 공보

그러나, 종래의 절삭 공구에서는, 고속 절삭이나 난삭재의 가공이라고 하는 절삭시의 발열량이 큰 절삭 조건에서의 사용에 대하여 충분한 성능을 갖고 있지 않아, 성능의 향상이 더 요구된다.

상기 절삭유의 사용은, 연속 절삭에서 마모 억제에 효과가 있다. 그러나, 단속(斷續) 절삭에서는, 상기 절삭유에 의해 공전(空轉)시의 열충격이 강해지기 때문에, 열 균열이 발생하기 쉬워져, 공구가 파손되기 쉽다.

상기 피복막을 구성하는 세라믹스는, 일반적으로 열확산율이 낮다. 이 때문에 피복막을 공구 표면에 설치하는 것에 의해, 공구 표면의 피복막으로부터 공구 내부의 기재에 열이 전해지기 어려워져, 기재에 가해지는 열충격을 완화시키는 효과가 있다. 그러나, 최근에는, 절삭 속도의 고속화가 더 요구되고 있어, 피복막에 의한 단열 효과만으로는, 이러한 요구에 충분히 대응하는 것이 어렵다. 또한, 난삭재를 절삭하는 경우, 절삭 온도가 통상보다 높아지는 것이나 피삭재와의 용착성이 오르는 등의 현상에 기인하여, 피복막의 박리가 발생하기 쉽고, 상기 피복막에 의한 열 균열의 억제 효과를 충분히 발휘할 수 없는 경우가 있다. 특히, 피삭재의 난삭화가 해마다 높아지고 있고, 공구 표면에 발생하는 열량이 많아지는 경향이 있다. 이 때문에 공구 내부에 열이 모인 상태가 되기 쉽고, 최근에는, 상기 열 균열의 발생 등의 문제가 현저해지고 있다.

한편, 상기 초경합금의 고온 경도를 충분히 높이기 위해 첨가 원소를 많게 하면, 기재의 인성이나 열확산율이 저하된다. 그리고, 기재의 열확산율의 저하로 인해 내열균열성이 저하된다.

한편, 특허문헌 1에 기재된 바와 같이, 공구 표면 근방의 열전도율을 향상시키는 것만으로는, 공구 표면측의 고열전도율 부분과 공구 내부측의 저열전도율 부분의 경계 부근에서 온도차가 커져, 열 균열이 생길 우려가 있다.

이러한 날끝이 고온이 되기 쉬운 사용 환경에 있는 절삭 공구의 장수명화를 도모하기 위해서는, 열 충격에 대한 내구성을 향상시키는 것이 요구된다. 그래서, 본 발명의 목적은, 내열균열성 및 내마모성이 우수한 절삭 공구의 소재에 적합한 초경합금을 제공하는 것에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 내열균열성 및 내마모성이 우수한 절삭 공구를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 초경합금은, WC 입자를 주체로 하는 경질상이 Co를 주체로 하는 결합상에 의해 결합되어 이루어지고, 상기 결합상이 Co, 또는 Co 및 Ni로 실질적으로 구성되며, Co 및 Ni의 합계 함유량이 4.5 질량% 이상 15 질량% 이하이다. 이 초경합금중의 WC 입자의 평균 입경은 0.4 ㎛ 이상 4 ㎛ 이하이다. 또한, 이 초경합금중의 WC 입자의 평균 입경을 x(㎛)로 할 때, 이 초경합금의 열확산율 X(㎠/sec)는, X>0.055x+0.238을 만족시킨다.

상기한 초경합금은, Cr만을 0.05 질량% 이상 3 질량% 이하 더 함유하는 것이 바람직하다. 또한 초경합금은, Cr과, Ta, Nb, Zr 및 Ti으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 합계로 0.05 질량% 이상 5 질량% 이하 더 함유하는 것이 바람직하다.

초경합금은, Ta 및 Nb 중 1종 이상의 원소를 Cr과의 합계로 0.05 질량% 이상 5 질량% 이하 함유하는 것이 바람직하다.

결합상은, Co 및 Ni로 실질적으로 구성되고, Ni의 함유량이 Co 및 Ni의 합계 함유량의 25% 이하인 것이 바람직하다.

초경합금은, 항자력(Hc)이 16 kA/m 이하인 것이 바람직하다. 초경합금은, Cr을 0.05 질량% 이상 2 질량% 이하, Ta를 0.2 질량% 이상 5 질량% 이하 더 함유하고, 경질상을 구성하는 입자의 평균 입경이 1 ㎛ 이상 4 ㎛ 이하, Co의 함유량이 7 질량% 이상 12 질량% 이하이며, 크랭크샤프트 가공용 공구에 이용되는 것이 바람직하다.

초경합금은, Cr을 0.05 질량% 이상 1.2 질량% 이하 더 함유하고, 경질상을 구성하는 입자의 평균 입경이 0.5 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하이며, Co의 함유량이 4.5 질량% 이상 9 질량% 이하이고, 티탄 가공용 공구에 이용되는 것이 바람직하다.

본 발명은, 절삭 공구에 관한 것이기도 하고, 상기 절삭 공구는, 상기한 초경합금을 포함하는 기재와, 상기 기재의 표면에 PVD법에 의해 형성된 피복막을 구비하는 것이며, 상기 피복막은, 주기율표 4a, 5a, 6a족 원소, Al 및 Si로부터 선택되는 1종 이상의 제1 원소와 탄소(C), 질소(N), 산소(O) 및 붕소(B)로부터 선택되는 1종 이상의 제2 원소의 화합물, 및 다이아몬드형 카본(DLC)으로부터 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 절삭 공구는, 초경합금을 포함하는 기재와, 상기 기재의 표면에 CVD법에 의해 형성된 피복막을 구비하는 것이고, 상기 피복막은, 주기율표 4a, 5a, 6a족 원소, Al 및 Si로부터 선택되는 1종 이상의 제1 원소와 탄소(C), 질소(N), 산소(O) 및 붕소(B)로부터 선택되는 1종 이상의 제2 원소의 화합물, 및 다이아몬드로부터 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 초경합금은, 상기와 같은 구성을 가짐으로써, 초경합금의 표면뿐만 아니라 전체에 걸쳐 열확산율이 높다. 이 때문에, 본 발명의 초경합금을 포함하는 기재를 구비하는 절삭 공구는, 공구 전체의 열확산율이 높으므로, 부분적인 열팽창차에 기인하는 열 균열의 발생을 억제할 수 있어, 장수명화를 도모할 수 있다. 또한, 절삭시에 고온이 되기 쉽고, 국소적인 온도 상승이 생기는 경향이 있는 난삭재를 절삭하는 경우, 본 발명의 초경합금을 포함하는 기재를 구비하는 절삭 공구는, 공구 전체의 열확산율이 높은 것이므로, 이 경향을 완화시킬 수 있다. 이 때문에 이 절삭 공구는, 날끝 강도의 저하나 마모의 진행을 억제할 수 있어, 내마모성이나 인성에도 우수하다.

본 발명의 초경합금은, 열확산율이 높고, 고온 경도가 높다. 이 때문에 본 발명의 초경합금을 포함하는 기재를 구비하는 절삭 공구는, 내열균열성 및 내마모성이 우수하다.

도 1은 초경합금중의 WC 입자의 평균 입경과 열확산율의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 2는 초경합금의 주사형 전자현미경의 사진이며(4000배), (Ⅰ)는 시료 No.12이고, (Ⅱ)는 시료 No.103이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

<초경합금>

《조성》

[경질상]

본 발명의 초경합금은, 경질상에 WC 입자를 가장 많이 포함하는 WC기 초경합금이다. 이 WC 입자는, 후술하는 화합물 입자 및 결합상, 불가피 불순물을 제외한, 초경합금의 잔부를 실질적으로 구성한다. 경질상이 실질적으로 WC 입자만으로 구성되는 경우, 내열균열성, 인성, 강도가 우수하다. 경질상이 WC 입자에 추가로, 주기율표 4a, 5a, 6a족 원소로부터 선택되는 1종 이상의 금속과, 탄소 및 질소 중 1종 이상의 원소의 화합물(단, WC을 제외), 즉 상기 금속의 탄화물(단, WC을 제외), 질화물, 탄질화물 및 이들의 고용체로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 화합물을 포함하는 화합물 입자를 함유하면, 내마모성이 우수하다. 구체적인 화합물로서, TaC, (Ta, Nb)C, VC, Cr₃C₂, NbC, TiCN 등을 들 수 있다.

본 발명의 초경합금에서, 상기 화합물 입자를 포함하는 경우, 화합물 입자를 구성하는 W 이외의 금속 원소의 합계 함유량이, 0.05 질량% 이상 5 질량% 이하인 것이 바람직하다. 이로써 후술하는 열확산율의 저하가 줄어들고, 내마모성 및 내열균열성이 우수해진다. 또한, 후술하는 바와 같이, 원료인 WC로서, 코너부가 둥글게 된 형상, 단적으로 말하면 구형상에 가까운 형상이며, 이 성상이 유지되도록 초경합금을 제조하는 것이 바람직하다. 이로써 열확산율이 높아지고, 내열균열성이 우수해진다.

[결합상]

결합상은, Co를 가장 많이 포함한다. Co에 추가로, Ni, Fe 등의 다른 철족 원소를 함유하여도 좋지만, Co만, 또는 Co 및 Ni로 실질적으로 구성되는 것이 바람직하다. 또한 Ni을 함유하면 열확산율이 저하되는 경향이 있기 때문에, 인성이나 열확산율을 고려하면 Co만이 바람직하다. 초경합금중의 Co 및 Ni의 합계 함유량은 4.5 질량% 이상 15 질량% 이하로 한다. 상기 합계 함유량이 4.5 질량% 미만이면, 고열전도율인 WC의 함유 비율이 많아지지만, 인성이 부족하기 때문에, 열 균열의 억제 효과가 불충분해진다. 결합상량의 증가에 따라 인성이 향상되지만, Co 및 Ni의 합계 함유량이 15 질량%를 초과하면, WC의 함유량이 상대적으로 저감함으로써, 후술하는 열확산율의 저하가 커진다. 또한, WC이 저감함으로써 경도의 저하를 초래하고, 더 나아가서는 내마모성이 저하되기 쉽다. 특히 Co 및 Ni의 합계 함유량이 6 질량% 이상 13 질량% 이하이면, 소결성이 높고 치밀한 초경합금이 되기 쉽고, 또한 고경도와 고인성을 밸런스 좋게 구비할 수 있어, 이 초경합금은, 열확산율이 높고, 내마모성 및 인성이 우수하다. 결합상에 Ni을 함유하는 경우, Ni의 함유량은, Co 및 Ni의 합계 함유량의 25% 이하가 바람직하고, 10% 이하가 보다 바람직하다. 또한 「실질적으로 구성된다」란, 불가피 불순물을 제외하고, Co에 의해 구성되는 경우, Co 및 Ni에 의해 구성되는 경우 외에 원료에 이용한 화합물(WC, Cr₃C₂등)의 구성 원소(W, Cr 등)가 고용(固溶)되어 있는 것을 허용한다.

[그 외 함유 원소]

본 발명의 초경합금은, WC과 Co(또는 Co 및 Ni)와 잔부 불가피 불순물을 포함하는 조성 외, WC과 Co(또는 Co 및 Ni)와 이하의 첨가 원소와 잔부 불가피 불순물을 포함하는 조성으로 할 수 있다. 첨가 원소는 Cr, Ta, Nb, Zr 및 Ti으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소를 들 수 있다. 상기 원소를 합계로 0.05 질량% 이상 5.0 질량% 이하 함유하고 있으면, 경질상을 구성하는 입자(주로 WC 입자)의 입성장을 억제하여, 원료에 이용한 분말의 크기, 형상을 유지하기 쉽다. 특히, Cr 등의 입성장 억제 효과가 있는 원소를 상기 범위 내에서 함유하는 것은, 강도의 저하를 저감하고, 고온 경도의 향상이나 후술하는 열확산율의 향상에 기여할 것으로 기대된다. 따라서, 상기 Cr 등의 원소를 함유하는 본 발명의 초경합금을 포함하는 기재를 구비하는 절삭 공구는, 입성장 억제 효과와 열확산율의 향상의 상승 효과에 의해, 절삭 성능(내마모성, 내열균열성)이 높을 것으로 기대된다. 상기 첨가 원소를 2종 이상 함유하는 경우, Cr과, Ta, Nb, Zr 및 Ti으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하는 것이 바람직하고, Cr과, Ta 및 Nb 중의 1종 이상의 원소를 함유하는 것이 보다 바람직하다. Ta, Nb을 함유하는 경우, Ti, Zr을 함유하는 경우와 비교하여, 열확산율의 저하나 인성의 저하가 적고, 입성장 억제 효과도 Cr과의 상승 효과로 높아진다. 상기 첨가 원소를 1종만 함유하는 경우, 입성장 억제 효과와 열확산율의 향상의 상승 효과가 가장 잘 발현되는 경향이 있기 때문에, Cr만을 함유하는 것이 바람직하고, 그 함유량은 0.05 질량% 이상 3 질량% 이하가 바람직하다. 상기 첨가 원소의 함유량이 0.05 질량% 미만이며, 전술한 효과가 충분히 얻어지기 어렵고, 5 질량%를 초과하면, 열확산율이 저하되기 쉽다. 특히, Cr만을 함유하는 경우, 그 함유량은 0.3 질량% 이상 3 질량% 이하가 보다 바람직하다. Cr과 상기 Ta 등의 원소를 함유하는 경우, Cr의 함유량은 0.05 질량% 이상 3 질량% 이하가 바람직하고, 합계 함유량은 0.3 질량% 이상 5 질량% 이하가 보다 바람직하다. 상기 첨가 원소를 초경합금중에 존재시키기 위해서는, 원료에 원소 단체(單體)를 이용하거나, 상기 금속 원소를 포함하는 탄화물 등의 화합물(예컨대 TaNbC, Cr₃C₂등)을 이용하는 것을 들 수 있다. 원료에 이용한 화합물은, 초경합금중에 그대로 화합물로서 존재하거나, 새로운 복합 화합물을 형성하여 존재하거나, 단체 원소가 되어 존재한다.

또한, 입성장 억제제로서, V도 자주 이용되지만, 본 발명의 초경합금은, V를 함유하지 않는 것이 바람직하다. 그 이유는, V는 입성장 억제 효과가 너무 강하여, 소결시 WC의 약간의 용해 및 재석출에 의해 인접하는 WC 입자끼리의 결합을 강화하는 효과를 방해함으로써, 결과적으로 열확산율이 낮아지기 때문이라고 고려되고 있다.

《경질상 입자의 형상》

본 발명자 등은, 각진 형상의 WC이 아니라, 코너부가 둥글게 된 형상(에지 라운딩 형상이라 함)의 WC을 원료로 사용하고, 그 형상이 유지되도록 초경합금을 제작하였다. 그리고, 얻어진 초경합금(에지 라운딩 형상의 WC이 존재하는 초경합금)을 조사한 바, 열확산율이 높았다. 따라서, 초경합금중의 경질상 입자의 형상이, 코너부가 둥글게 된 구형상에 가까운 형상인 것은, 초경합금의 열확산율이 높은 것에 밀접하게 관계되어 있는 것으로 고려된다. 그 이유는, 에지 라운딩을 지닌 형상의 WC은, 각진 형상의 WC과 비교하여, WC 입자끼리의 접촉 면적이 넓어지기 쉽고, 열확산율이 높은 WC 입자끼리를 통한 열확산이 발생하기 쉬워지기 때문에, 또는 WC이 에지 라운딩을 지닌 형상인 것으로 표면적이 작아지기 쉽고, 열이 확산되기 어려운 WC-Co의 계면이 초경합금 전체로서 작아지는 결과, 초경합금 전체의 열확산율이 높아지기 때문으로 생각된다.

또한, 본 발명자 등은, 초경합금중의 실질적으로 모든 WC 입자가 각진 예각적인 형상인 종래의 초경합금에 비하여, 초경합금의 단면에서, 각진 형상의 WC 입자의 함유율이 소정의 범위 이하이면, 열확산율이 높고 열 특성이 우수하다는 지견을 얻었다. 예컨대 초경합금의 단면의 SEM 관찰상(3000배)에서, 각 WC 입자의 코너부중, 곡률 반경이 100 ㎚ 이하인 예각의 개수를 조사하여, 10 ㎛×10 ㎛에서의 평균수[5개의 영역에 대해서 산출한 평균수(n=5의 평균) 이하, 이 평균수를 예각수라 함]를 구하고, 이 평균수를, WC 입자의 평균 입경 및 WC 입자의 체적 비율로부터 산출한 평균 입자수({100 ㎛²×WC의 체적%)}/{(평균 입경/2)²×π})로 나눠, WC 입자 1개당의 평균 예각수를 산출하였다. 그렇게 하면, 에지 라운딩 형상의 WC을 원료로 이용하고, 그 형상이 유지되도록 제작한 초경합금은, 에지 라운딩 형상의 WC 조직을 반영하여, 상기 WC 입자 1개당의 평균 예각수가 작고, 0.25 이하이다. 따라서, WC 입자 1 개당의 평균 예각수≤0.25를 만족시키는 초경합금은, 열확산율이 높고, 다른 특성도 우수하여 절삭 공구의 소재에 적합한 것으로 기대된다.

《경질상 입자의 크기》

WC 입자를 주체로 하는 경질상 입자는, 평균 입경이 0.4 ㎛ 이상 4 ㎛ 이하이면, 내마모성이나 인성이 우수하여 바람직하다. 본 발명자 등이 조사한 바, WC 입자가 커지면, WC 자체의 열확산율에 가까워지지만, 강도나 경도가 저하된다. 이 때문에, 초경합금 자체의 열확산율의 우위성이나 절삭 공구에 필요로 되는 강도나 경도를 고려하여, WC의 평균 입경을 4 ㎛ 이하로 한다. 한편, WC 입자가 너무 작으면, 인성이 저하하기 쉽고, 또한 WC 입자의 표면적이 많아져, 종래의 제조방법에 의해 얻어진 초경합금과의 우위차가 충분히 얻어지지 않는 것으로 고려되기 때문에, WC의 평균 입경을 0.4 ㎛ 이상으로 한다. 용도 등에도 따르지만, 특히 0.8 ㎛ 이상 2.4 ㎛ 이하가 바람직하다.

《열 특성》

상기 특정한 조성을 포함하고, 상기 특정한 형상 및 크기의 경질상 입자를 함유하는 본 발명의 초경합금은, 합금중의 WC 입자의 평균 입경을 x(㎛)로 할 때, 열확산율 X(㎠/sec)가 X>0.055x+0.238을 만족시키는 것을 최대의 특징으로 한다. 초경합금의 열확산율은, WC 입자의 평균 입경(입도)과 상관이 있고, WC의 입경의 변화가 열확산율의 변화에 지배적으로 작용한다. 본 발명자 등은, 제조방법이나 원료 등을 변화시켜 여러 초경합금을 제작하고, 초경합금중의 WC의 입경과 열확산율의 관계를 조사한 바, 동일한 원료를 이용하여도, 종래의 제조방법에 의해 제작한 초경합금의 열확산율 X는 0.055x+0.238 이하이고, 후술하는 특정한 제조방법에 의해 제작한 초경합금의 열확산율 X는 0.055x+0.238을 초과하는 것이었다. 특히, 후술하는 특정한 방법으로 제조하면, 열확산율 X가 0.048x+0.270을 초과하는 초경합금(X>0.048x+0.270), 열확산율 X가 0.048x+0.287을 초과하는 초경합금(X>0.048x+0.287)이 더 얻어진다. 즉, 본 발명의 초경합금은, 열확산율이 충분히 높고, 내열균열성이나 고온에서의 내마모성이 우수하다. WC 입자의 입경을 크게 하면, 초경합금의 열확산율은 높아지고, 최종적으로 WC 자체의 열확산율에 수속된다. 그러나, WC 입자의 조대화는, 경도나 강도의 저하를 초래한다. 본 발명의 초경합금은, 경질상의 주성분인 WC 입자의 크기가 동일한 종래의 초경합금과 동등한 정도의 강도나 경도를 유지하면서, 열확산율이 높다.

《항자력(보자력) Hc》

초경합금의 항자력(JIS G 0202(6204) 1987년)이 16 kA/m 이하이면, 열확산율이나 인성이 높고 바람직하다. 통상, 경질상을 구성하는 입자가 미립이 되면, 주로 결합상을 구성하는 Co가 세분화되어, Co상의 평균 두께가 작아지고, 항자력이 커진다. 따라서, 항자력이 16 kA/m를 초과하는 초경합금은, 합금 조직중에 미세한 WC 입자의 함유율이 높고, 열확산율이 낮은 경향이 있거나, 또는 Co의 함유량이 극단적으로 적고, 통상의 절삭 공구로서 사용할 때에 요구되는 충분한 인성이 얻어지지 않는다. 단, 항자력이 너무 낮으면, 큰 WC 입자의 함유율이 높아지고, 내마모성의 저하를 초래하기 때문에, 8 kA/m 이상 15.5 kA/m 이하가 보다 바람직하다. 초경합금중의 WC 입자의 크기나 결합상량을 조정함으로써, 항자력을 16 kA/m 이하로 할 수 있다.

<제조방법>

초경합금은, 일반적으로, 원료의 준비→원료의 분쇄 및 혼합→건조→성형→소결(→적절한 열처리)이라는 공정으로 제조된다. 상기 분쇄 및 혼합은, 종래 볼밀이나 어트리터(attritor)를 이용하여 비교적 장시간(수∼수십 시간) 행해지고 있다. 그러나, 본 발명자 등이 조사한 바, 기공이 발생하지 않도록 충분히 혼합하는 종래의 방법에서는, WC의 분쇄가 과도하게 행해지기 때문에, WC 입자가 예각인 코너부를 갖는 각진 형상이 되거나, 매우 미세한 WC 입자가 다량으로 생기거나 함으로써, WC 입자와 결합상의 접촉 면적(WC-Co의 계면의 면적)이 증가한다. 이 때문에, WC 입자 사이에 WC 입자보다 열확산율이 낮은 Co 등의 결합상이 개재됨으로써, 열확산율이 낮은 초경합금밖에 얻어지지 않는 것으로 고려된다. 그래서, 본 발명자 등은, 상기 문제를 해결하기 위해, 액시얼 믹서나 헨쉘 믹서 등을 이용한 무매체 혼합을 행하는 것을 검토하였다. 그러나, 무매체 혼합만으로는 양호한 조직이 얻어지지 않고, 내열균열성이 우수한 초경합금이 얻어지지 않았다. 그래서, 여러 가지 검토한 결과, 이하의 전처리를 행한 후 혼합하면, 혼합 시간이 짧아도 내열균열성이 우수한 초경합금, 구체적으로는, X>0.055x+0.238을 만족시키는 초경합금이 얻어졌다. 전처리는, 응집을 해쇄할 수 있는 처리를 행한다. 예컨대 제트밀(원료 분말의 슬러리상체, 또는 기체와 원료 분말의 혼합물 등의 대상을 노즐로부터 가압하여 분사함으로써, 상기 대상을 분산하는 장치)을 이용하여, 원료 분말을 고압으로 처리하는 것을 들 수 있다. 또한 본 발명자 등이 조사한 바, 상기 전처리에서 건식 처리와 습식 처리에서의 충돌시의 열의 방산에 차가 있고, 건식 처리가 분말의 결정성에 악영향을 미치기 쉬운 경향이 있는 것을 발견하였다. 따라서, 슬러리상체를 이용하는 습식 처리가 바람직하다.

전술한 바와 같이 응집을 해쇄한 후 비교적 단시간의 혼합을 한 원료를 이용하여 제조된 초경합금이, 높은 열확산율을 갖는 이유는, 합금 조직중 WC 입자의 형상이 종래의 초경합금중의 WC 입자보다 에지 라운딩을 지닌 형상이고, 열확산율을 저하시키는 WC-Co 계면이 적기 때문인 것으로 고려된다. 또한 상기 특정한 분쇄 및 혼합 공정을 구비하는 제조방법을 채용함으로써, 미립[FSSS(피셔법)으로 1 ㎛ 이하]의 원료 분말을 사용하여도 원료의 Co 분말의 응집이 적기 때문에, 상기 미립의 원료 분말을 사용하여 양호한 합금 조직을 갖는 초경합금을 얻을 수 있다. 또한, 전술한 첨가 원소를 함유하는 초경합금으로 하는 경우, 첨가 원소의 원료도 그대로 혼합하면, 합금 조직에 응집 잔류물 등이 존재하여, 강도가 저하된다. 이 때문에 상기 제트밀에 의한 전처리를 행하거나, 또는 혼합 전에 어트리터 또는 볼밀 등으로 예비 분쇄를 행하면, 양호한 합금 조직을 갖는 초경합금이 얻어진다.

상기 건조, 성형, 소결 등은, 일반적인 조건을 이용할 수 있다. 예컨대 소결은, 진공 분위기에서 1320℃∼1500℃로 1∼2시간 유지함으로써 행한다.

<용도>

본 발명의 초경합금은, 열확산율이 높고, 내열균열성 뿐만 아니라 내마모성, 인성도 우수하다. 따라서, 내열균열성이나 내마모성, 인성이 요구되는 부재의 소재에 적합하게 이용할 수 있다. 예컨대 밀링 절삭용 공구, 난삭재 가공용 공구, 중절삭(重切削) 공구 등의 절삭 공구의 소재에 적합하다. 특히, 본 발명의 초경합금은 내열균열성이 요구되는 크랭크샤프트 가공용 공구의 소재에 적합하다.

크랭크샤프트 가공용 공구의 소재에 이용하는 경우, 이 초경합금은 Co의 함유량이 7 질량% 이상 12 질량% 이하이며, Cr을 0.05 질량 이상% 2 질량% 이하, Ta를 0.2 질량% 이상 5 질량% 이하 함유하고, 상기 경질상을 구성하는 입자의 평균 입경이 1 ㎛ 이상 4 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상기 구성을 구비함으로써, 본 발명의 초경합금의 특징인 고열확산율을 실현할 뿐만 아니라, 균열의 진전 저항을 높일 수 있다.

한편, 티탄(Ti) 및 Ti 합금을 피삭재로 하는 경우, 절삭시에 피삭재가 공구 표면에 응착하기 쉽고, 마모의 진행은, 이 응착에 수반되는 WC의 탈락이 큰 요인이 되고 있는 것으로 고려된다. 또한 Ti 및 Ti 합금은, 열전도율이 낮고, 절삭한 경우, 절삭 칩의 접촉 길이가 짧기 때문에, 공구 날끝부에 열이 집중되기 쉽다. 이에 비하여, 본 발명의 초경합금은, 전술한 바와 같이 상기 합금중의 WC 입자가 에지 라운딩 형상이므로 WC의 탈락이 억제될 뿐만 아니라, 열확산율이 높으므로, Ti 및 Ti 합금을 피삭재로 하는 경우라도, 본 발명의 초경합금은, 양호한 내마모성을 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 초경합금은 Ti 및 Ti 합금의 절삭에 이용되는 공구의 소재에 적합하다. 상기 티탄 가공용 공구의 소재에 이용하는 경우, 이 초경합금은, Co의 함유량이 4.5 질량% 이상 9 질량% 이하이며, Cr을 0.05 질량% 이상 1.2 질량% 이하 함유하고, 상기 경질상을 구성하는 입자의 평균 입경이 0.5 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 초경합금을 기재로 하고, 이 기재 표면에 1층 또는 복수층의 피복막을 구비한 절삭 공구(피복 절삭 공구)로 할 수 있다. 이 절삭 공구는, 고경도의 막의 존재에 의해 내마모성을 더 향상시킬 수 있거나, 막의 단열 효과에 의해 내열균열성을 더 향상시킬 수 있다. 특히, 본 발명의 초경합금 상에 PVD법이나 CVD법에 의해 형성된 피복막은 모두, 종래의 초경합금 상에 형성된 피복막보다 밀착성, 내마모성, 내결손성의 면에서 우수하다. 그 이유는, 이하와 같은 것으로 고려된다. 본 발명의 초경합금은, 전술한 바와 같이 각진 WC의 함유율이 낮기 때문에, 상기 합금 표면에, 각진 WC에 유래하는 각진 돌기가 적다. 여기서, PVD법에 의해 성막하는 경우, 막 성장은, 초경합금의 표면에서의 경질상으로부터 성장하는 경향이 있다. 이 때문에 본 발명의 초경합금 상에 PVD법에 의해 성막하는 경우, 각진 경질상 입자로부터 막 성장하는 경우와 비교하여, 기재의 표면을 따라 피복막이 연속적으로 형성되기 쉬워져, 막의 표면 방향의 피복막의 연속성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 초경합금 상에 PVD법에 의해 성막하는 경우, 종래의 초경합금 상에 피복한 경우와 비교하여, 내마모성, 내박리성이 우수한 막질이 된다고 고려된다. 한편, CVD법에 의해 성막하는 경우, 막 성장은, 초경합금의 표면에서의 결합상으로부터 성장하는 경향이 있고, 상기 합금 표면에 노출되어 있는 결합상의 영역의 크기의 영향을 받기 쉽다. 본 발명의 초경합금은, 전술한 바와 같이 미립 WC의 함유량이 적고, 상기 합금 표면의 Co상의 영역이 세분화되어 있지 않기 때문에, 본 발명의 초경합금 상에 CVD법에 의해 성막하는 경우, 종래의 초경합금 상에 피복한 경우와 비교하여, 막의 결정성이나 밀착성이 향상되고, 결과적으로 내마모성이 우수한 막질이 되는 것으로 고려된다.

상기 피복막은, 주기율표 4a, 5a, 6a족 원소, Al 및 Si로부터 선택되는 1종 이상의 제1 원소와, 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 및 붕소(B)로부터 선택되는 1종 이상의 제2 원소를 포함하는 화합물, 즉 상기 제1 원소의 탄화물, 질화물, 산화물, 붕화물 및 이들 고용체를 포함하는 것(예컨대 TiCN, Al₂O₃, TiAlN, TiN, AlCrN, TiAlON), 다이아몬드, 다이아몬드형 카본(DLC), 및 입방정 질화붕소(cBN)로부터 선택되는 1종 또는 2종을 포함하는 것을 들 수 있다. 상기 피복막의 형성은 PVD법, CVD법 모두 이용할 수 있다. 다이아몬드는 CVD법이, DLC는 PVD법이 바람직하다.

실시예 1

(시험예 1)

복수의 WC기 초경합금을 상이한 제조방법으로 제작하고, 각 초경합금에 대해서 열확산율(㎠/sec)과 WC 입자의 평균 입경(㎛)을 조사하였다.

초경합금의 제작에 있어서, 원료 분말로서, 표 1에 나타내는 평균 입경의 WC 분말, Cr₃C₂분말(평균 입경: 2 ㎛), TaC 분말(평균 입경: 3 ㎛), NbC 분말(평균 입경: 3 ㎛), VC 분말(평균 입경: 2 ㎛), ZrC 분말(평균 입경: 2 ㎛), TiC 분말(평균 입경: 2 ㎛), Co 분말(분말 α: 평균 입경 1.2 ㎛{시료 No.3, 7, 11, 16, 101∼106}, 분말 β: 평균 입경 0.5 ㎛{시료 No.1, 2, 4∼6, 8∼10, 12∼15, 17∼27}), Ni 분말(평균 입경: 0.5 ㎛)을 각각 준비하고, 표 1에 나타내는 조성(질량%)이 되도록 배합한다. 원료의 WC 분말은, 고온 탄화(탄화 온도: 1900℃∼2170℃)의 것을 이용하였다. 고습 탄화로 제조한 WC 분말은, 결정성이 높고, 열확산율이 우수하기 때문에, 열확산율이 높은 초경합금을 얻기 쉽다. 그 외 원료 분말은, 시판되는 것을 이용하였다.

시료 No.1∼27은, 우선, 배합한 원료 분말에 제트밀을 이용하여 전처리를 행하였다. 상기 전처리는, 습식 또는 건식으로 행하고, 건식의 경우(시료 No.7, 19), 압력: 0.4 MPa, 습식의 경우(시료 No.1∼27 중 시료 No.7, 19 이외의 시료), 압력: 100 MPa로 하였다. 상기 전처리 후, 배합한 원료 분말을 표 1에 나타내는 혼합 방법 및 혼합 시간으로 분쇄 혼합하였다(습식 혼합). 액시얼 믹서(AM), 볼밀(BM), 어트리터(ATR)는, 모두 시판되는 장치를 이용하였다.

시료 No.101∼106은, 상기 전처리를 행하지 않고, 표 1에 나타내는 혼합 방법 및 혼합 시간으로 원료 분말을 습식 혼합하였다.

상기 혼합 후, 건조→성형(성형 압력: 1000 ㎏/㎠)→소결(진공 분위기, 1400℃×1시간)의 공정을 거쳐, 시료 No.1∼27, 101∼106의 초경합금을 얻었다.

얻어진 각 초경합금에 대해서, Cr, Ta, Nb, V, Zr 및 Ti의 함유량(질량%), WC 입자의 평균 입경(㎛), 열확산율(㎠/sec), 항자력(kA/m)을 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

Cr, Ta, Nb, V, Zr 및 Ti의 함유량(질량%)은, EDX(Energy Dispersiven X-ray Spectroscopy) 분석하여 측정한다. 초경합금중의 Co 및 Ni의 함유량도 EDX 분석하여 측정한 바, 원료에 이용한 양과 대략 같았다. 또한, 초경합금중 경질상의 조성을 X선 회절로써 조사한 바, 어느 시료의 경질상이나, 실질적으로 WC 입자에 의해 구성되어 있었다. 또한, 조성의 분석은, XPS(X-ray Photo electron Spectroscopy)나, SIMS(secondary ion mass spectrometry)에 의해서도 측정할 수 있다.

초경합금중의 WC 입자의 평균 입경(㎛)은, FESEM(Field Emission Scanning Electron Microscope)에 의한 EBSD(Electron Back-Scatter diffraction)법을 이용하여 측정한다. 구체적으로는, 이하와 같이 측정한다. 초경합금의 임의의 단면을 취하고(여기서는, 단면수: 2개), 그 단면에서의 임의의 복수의 시야(여기서는, 1시야: 500 ㎛²에서 2시야)에 대해서 각각, 결정립 방위에 의해 WC 입자의 식별(맵핑)을 행한다. 각 시야에 존재하는 모든 WC 입자에 대해서 면적의 원 상당 직경을 구하고, 이 원 상당 직경을 WC 입자의 직경으로 하며, 이 직경의 평균을 이 시야의 평균 입경으로 한다. 그리고, 모든 시야의 평균 입경(여기서는, 2개의 단면 각각에 2개의 시야를 취하기 때문에, 합계 4시야분)에 대한 평균을 WC 입자의 평균 입경으로 하고, 표 2에 나타낸다. WC 입자의 입경의 측정 조건은, 가속 전압: 15 kV, 조사 전류: 1.0 nA, 스캔 단계: 75 ㎚로 한다. 이 측정에는, 시판되는 EBSD 장치를 이용할 수 있다.

열확산율(㎠/sec)은, 초경합금을 φ10 ㎜×2 ㎜로 가공하고, 레이저 플래시법을 이용하여 측정한다. 각 시료에서 임의의 5점을 선택하여 각 점의 열확산율을 측정하고, 이들 5점의 평균을 이 시료의 열확산율로 하여, 표 2에 나타낸다.

항자력(kA/m)은, 시판되는 측정 장치를 이용하여 측정한다.

또한, 얻어진 초경합금중 WC 입자의 평균 입경 x와 열확산율 X의 상관관계를 최소 제곱법에 의해 근사한 결과(1차 함수의 직선)를 도 1에 도시한다. Co를 4.5 질량%∼15 질량% 함유하는 원료를 이용하여, 전처리 후에 액시얼 믹서나 볼밀에 의해 단시간의 혼합을 행하여 제작한 시료 No.1∼25의 근사식은, X=0.048x+0.281이다. 한편, 볼밀이나 어트리터로 장시간 혼합 분쇄를 행하여 제작한 시료 No.101∼106의 근사식은 X=0.055x+0.226이다. 상기 근사식으로부터, 시료 No.1∼25와, 시료 No.101∼106은, 기울기 0.055의 직선에 의해 구별할 수 있는 것으로 고려된다. 그래서, 시료 No.1∼25와, 시료 No.101∼106을 구별하는 직선으로서, 기울기 0.055의 1차 함수의 직선을 채용하고, 이하와 같이 하여 절편(切片)(종축과의 교점)을 구한다. 기울기 0.055의 직선으로서, 시료 No.1∼25의 각 데이터점을 통과하는 직선을 취했을 때, 각 절편의 최소값은, 0.2435이다. 또한, 기울기 0.055의 직선으로서, 시료 No.101∼106의 각 데이터점을 통과하는 직선을 취했을 때, 각 절편의 최대값은 0.2325이다. 이 절편의 최소값: 0.2435와 절편의 최대값: 0.2325의 중간값: 0.238을 상기 구별하는 직선의 절편으로 한다. 이상으로부터, 시료 No.1∼25와, 시료 No.101∼106을 구별하는 직선으로서, X=0.055x+0.238이 얻어진다.

또한, 시료 No.1∼25에서, WC 입자의 평균 입경과 열확산율의 관계가 보다 바람직한 상태에 있는 시료 No.2, 4∼6, 8∼15, 17, 18, 20∼22, 24(이하, 그룹 α라 함)와, 그 이외의 시료(이하, 그룹 β라 함)를 구별하는 직선으로서, 기울기 0.048의 1차 함수의 직선을 채용하고, 이하와 같이 하여 절편(종축과의 교점)을 구한다. 기울기 0.048의 직선으로서, 그룹 α의 시료의 각 데이터점을 통과하는 직선을 취했을 때, 각 절편의 최소값은 0.273, 그룹 β의 시료의 각 데이터점을 통과하는 직선을 취했을 때, 각 절편의 최대값은 0.268이다. 이 절편의 최소값: 0.273과 절편의 최대값: 0.268의 중간값: 0.270을 상기 구별하는 직선의 절편으로 한다. 이상으로부터, 그룹 α와 그룹 β를 구별하는 직선으로서, X=0.048x+0.270이 얻어진다. 마찬가지로 하여, 더 바람직한 시료 No.5, 6, 8∼10, 12∼14, 17과, 그 이외의 시료를 구별하는 직선으로서, X=0.048x+0.287이 얻어진다. 이들 근사식의 값도 표 2에 나타낸다.

표 2에 나타내는 바와 같이, 특정한 전처리 후에 단시간의 혼합을 행함으로써, 열확산율이 높은 초경합금이 얻어지는 것을 알 수 있다. 특히, 전처리를 행한 후 단시간의 혼합을 행하여 얻어진 시료 No.1∼25의 초경합금은, 초경합금중의 WC 입자의 평균 입경이 동일한 경우, 종래의 제조방법에 의해 얻어진 시료 No.101∼106와 비교하여, 열확산율이 높고, X>0.055x+0.238을 만족시킨다.

또한, 표 1, 2로부터, 이하의 것을 알 수 있다.

1. 조성이 같은 경우, 초경합금중의 WC의 평균 입경이 클수록 열확산율이 높은 경향이 있다.

2. 첨가 원소의 함유량이 같은 경우, 결합상인 Co 및 Ni의 합계 함유량이 적을수록 열확산율이 높은 경향이 있다.

3. Co의 일부를 Ni로 치환하여도, 전술한 바와 같이 전처리를 행한 후 단시간의 혼합을 행하여 제작한 경우, 열확산율이 높은 초경합금이 얻어진다.

4. 초경합금중의 WC의 평균 입경이 같은 경우, 첨가 원소의 함유량이 많아지면 열확산율이 낮은 경향이 있다.

5. 항자력(Hc)이 16 kA/m 이하인 초경합금은, 열확산율이 높은 경향이 있다.

6. 전처리를 행하는 경우, 습식 처리를 행하면, 열확산율이 높은 초경합금이 얻어지는 경향이 있다.

도 2의 (I)는, 시료 No.12의 단면의 SEM 관찰상(4000배)이고, 도 2의 (Ⅱ)는, 시료 No.103의 단면의 SEM 관찰상(4000배)이다. 도 2에서 회색의 입체(粒體)는, 경질상 입자를 도시한다. 도 2의 (I)에 도시하는 바와 같이, 특정한 전처리 후에 단시간의 혼합을 행하여 얻어진 시료 No.12는, 경질상 입자가 에지 라운딩을 지니고 있고, 미세한 입자가 적은 조직인 것을 알 수 있다. 이에 비하여, 장시간의 혼합을 행한 시료 No.103은, 경질상 입자가 각진 형상이며, 미세한 입자가 많이 존재하는 조직인 것을 알 수 있다.

시료 No.6, 8, 12, 102, 103, 104에서, 전술한 평균 예각수를 산출하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.

표 3에 나타내는 바와 같이, X>0.055x+0.238을 만족시키는 시료 No.6, 8, 12는 평균 예각수가 0.25 이하로 작고, 초경합금중의 WC이 에지 라운딩을 지닌 형상인 것을 알 수 있다.

(시험예 2)

시험예 1에서 제작한 초경합금을 기재로 하는 절삭 공구를 제작하고, 절삭 성능을 조사하였다.

이 시험에서 이용한 절삭 공구(기재)는, 시험예 1과 마찬가지로 하여 혼합 분말을 건조 후, SNGN120804의 형상의 프레스 성형체를 제작하고, 이 성형체를 시험예 1과 같은 조건으로 소결하여 제작하였다. 얻어진 절삭 공구에 대해서, 이하의 조건으로 절삭 시험을 행하여, 내마모성, 내열균열성, 인성을 평가하였다. 내마모성 시험, 내열균열성 시험, 인성 시험의 결과를 표 4에 나타낸다.

[내마모성]

시험 대상: 시료 No.6, 8∼12, 14, 17∼20, 23, 27, 105, 106

피삭재(질량%): Ti-6Al-4V재(환봉)

절삭 속도: V=70 m/min, 이송: f=0.1 ㎜/rev., 절삭 깊이: d=1 ㎜, wet(습식)의 선삭 가공

평가: 9분간 절삭한 후의 여유면 마모량 Vb(㎜)

[내열균열성]

시험 대상: 시료 No.6, 9, 11, 12, 17∼20, 23, 25, 102, 103

초경합금을 포함하는 절삭 공구 팁(기재)에 CVD법에 의해, 기재측으로부터 순서대로 TiCN막(두께: 4 ㎛), Al₂O₃막(두께: 1 ㎛)을 피복한 피복 절삭 공구를 사용

피삭재: SCM435

절삭 속도: V=250 m/min, 이송: f=0.3 ㎜/날, 절삭 깊이: Ad=2 ㎜, Rd=40 ㎜, wet(습식)의 밀링 가공

평가: 절삭 거리가 1200 ㎜가 된 시점에서 절삭을 중지하고, 열 균열 손상에 의해 여유면에 생긴 균열 개수(개) 및 균열의 평균 길이(㎜).

[인성]

시험 대상: 시료 No.6, 9, 11, 12, 17, 26

초경합금을 포함하는 절삭 공구 팁(기재)에 PVD법에 의해 TiAlN막(두께: 3 ㎛)을 피복한 피복 절삭 공구를 사용

피삭재: SCM435(환봉 4개 구입)

절삭 속도: V=100 m/min, 이송: f=0.2 ㎜/rev., 절삭 깊이: 2 ㎜, dry(건식)의 단속 절삭 가공(선삭)

평가: 날끝에 결손이 생길 때까지의 절삭 시간을 합계 10 코너 측정하고, 10 코너의 평균 시간(분). 최대 절삭 시간: 10분.

X>0.055x+0.238을 만족시키는 초경합금은, 전술한 바와 같이 초경합금중의 WC의 평균 입경이 동일한 초경합금과 비교하면, 열확산율이 높다. 이 때문에 X>0.055x+0.238을 만족시키는 초경합금을 기재로 하는 절삭 공구는, WC의 평균 입경이 같은 정도로서, X>0.055x+0.238을 만족시키지 않는 시료 No.102, 103와 비교하여 내열균열성이 우수하다. 또한 X>0.055x+0.238을 만족시키는 초경합금을 포함하는 기재를 구비하는 절삭 공구는, 시료 No.105, 106과 비교하여, 내마모성이 우수하다. 특히, 절삭시에 큰 발열을 수반하는 절삭 가공, 구체적으로는 상기 시험과 같이 Ti 합금 등의 난삭재를 피삭재로 하는 절삭 가공이어도, 상기 열확산율이 높은 초경합금을 기재로 하는 절삭 공구는, 내마모성이 우수하다. 또한, 표 4로부터, 티탄 가공용 공구는, Co의 함유량이 4.5 질량% 이상 9 질량% 이하이며, Cr을 0.05 질량% 이상 1.2 질량% 이하 함유하고, 경질상 입자의 평균 입경이 0.5 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하인 초경 합금을 이용하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.

한편, X>0.055x+0.238을 만족시키는 초경합금이어도 시료 No.27과 같이 Co 및 Ni의 합계 함유량이 너무 많으면, 내마모성이 뒤떨어지고, 시료 No.2와 같이 상기 합계 함유량이 너무 적으면, 인성이 뒤떨어지는 것을 알 수 있다.

따라서, X>0.055x+0.238을 만족시키고, Co 및 Ni의 합계 함유량이 4 질량% 이상 15 질량% 이하, 특히 6 질량% 이상 13 질량% 이하를 만족시키는 초경합금은, 절삭 공구의 소재에 적합하다고 할 수 있다. 또한, WC 입자의 평균 입경이 0.4 ㎛ 이상 4.0 ㎛ 이하, 특히 0.8 ㎛ 이상 2.4 ㎛ 이하인 초경합금은 내열균열성, 내마모성, 인성이 더 우수하여, 절삭 공구의 소재에 의해 적합하다고 할 수 있다.

(시험예 3)

초경합금을 포함하는 기재에 피복막을 형성한 피복 절삭 공구를 제작하고, 절삭 성능을 조사하였다.

각 시료는, 이하와 같이 제작하였다. 원료 분말로서, 시험예 1에서 이용한 것과 같은 WC 분말, Cr₃C₂분말, TaC 분말, Co 분말(분말 β)을 준비하였다. 특히, WC 분말은 고온 탄화된 것이며, 평균 입경은 적절하게 선택하였다. 그리고, 준비한 원료 분말을 소정의 조성이 되도록 배합하였다. 이 배합한 원료 분말에, 습식 제트밀에 의해 시험예 1과 같은 조건으로 전처리를 행하고 나서, 볼밀로 1.5 h 혼합한 후, 건조→성형(성형 압력: 1000 ㎏/㎠)→소결(진공 분위기, 1400℃×1시간)의 공정을 거쳐, SNGN120804의 형상의 초경합금제의 절삭 공구 팁(기재)을 얻었다. 이 기재에 CVD법에 의해 순서대로 TiCN막(두께: 4 ㎛), Al₂O₃막(두께: 1 ㎛)을 피복하여, 시료 No.31∼41의 피복 절삭 공구를 얻었다. 얻어진 피복 절삭 공구에 대해서, 이하의 조건으로 고속 단속 절삭 시험을 행하여, 내열균열성을 평가하였다. 그 결과를 표 5에 나타낸다. 내열균열성의 평가는, 시험예 2와 마찬가지로 행하였다.

피삭재: S50C

절삭 속도: V=300 m/min, 이송: f=0.3 ㎜/날, 절삭 깊이: Ad=2 ㎜, Rd=30 ㎜, wet(습식)의 밀링 가공

또한 시험예 1과 마찬가지로 하여, 초경합금중의 WC 입자의 평균 입경(㎛), Cr, Ta, Co의 함유량(질량%), 열확산율(㎠/sec)을 측정하였다. 그 결과를 표 5에 나타낸다. 또한 초경합금중의 WC 입자의 평균 입경을 x, 열확산율을 X로 할 때, X=0.055x+0.238의 값을 구하였다. 그 결과도 표 5에 나타낸다. 또한 시험예 1과 마찬가지로 하여, 초경합금중의 경질상의 조성을 조사한 바, 어느 시료의 경질상이나, 실질적으로 WC 입자에 의해 구성되어 있었다. 또한, 초경합금중 80 질량% 이상이 WC 입자였다.

표 5에 나타내는 바와 같이, X>0.055x+0.238을 만족시키는 초경합금으로서, 특히 Co의 함유량이 7 질량%∼12 질량%이고, Cr을 0.05 질량%∼2 질량% Ta를 0.2 질량%∼5 질량% 함유하며, WC 입자의 평균 입경이 1 ㎛ 이상 4 ㎛ 이하를 만족시키는 초경합금을 포함하는 기재를 구비하는 피복 절삭 공구는, 내열균열 특성이 우수한 것을 알 수 있다. 따라서, 이러한 초경합금을 포함하는 절삭 공구는, 특히 내열균열성이 우수한 것이 요구되는 크랭크샤프트 가공용 공구에 적합하게 이용할 수 있을 것으로 기대된다.

또한, 전술한 실시형태는, 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 적절하게 변경하는 것이 가능하며, 전술한 구성에 한정되는 것이 아니다. 예컨대 초경합금의 조성이나, 원료 분말의 평균 입경 등을 적절하게 변경할 수 있다.

본원에 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것이 아닌 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구범위에 의해 나타내어지고, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 포함하는 것이다.

본 발명의 초경합금은, 스로어웨이 팁 등의 절삭 공구에 적합하게 이용할 수 있다. 본 발명의 초경합금은, 특히 고속 절삭이나 난삭재의 가공에 이용되는 경우와 같이 날끝이 매우 고온이 되는 조건에서 이용되는 절삭 공구의 소재에 적합하게 이용할 수 있다. 본 발명 절삭 공구는, 밀링 가공, 난삭재의 절삭 가공, 중절삭 가공에 적합하게 이용할 수 있다.

Claims

WC 입자를 포함하는 경질상이 Co를 포함하는 결합상에 의해 결합되어 이루어지는 초경합금으로서,
상기 결합상은 Co로 구성되거나, Co 및 Ni로 구성되고, Co 및 Ni의 합계 함유량이 4.5 질량% 이상 15 질량% 이하이며,
상기 초경합금중의 WC 입자의 평균 입경이 0.4 ㎛ 이상 4 ㎛ 이하이고,
상기 초경합금중의 WC 입자의 평균 입경을 x(㎛)로 할 때, 이 초경합금의 열확산율 X(㎠/sec)는 X>0.055x+0.238을 만족시키며,
WC 입자 1개당 평균 예각수≤0.25를 만족시키고,
상기 초경합금은 Cr을 0.05 질량% 이상 3 질량% 이하 더 함유하는 것인 초경합금:
단, WC 입자 1개당 평균 예각수는, 초경합금의 단면의 SEM 관찰상(3000배)에서, 각 WC 입자의 코너부 중, 곡률 반경이 100 ㎚ 이하인 예각의 개수를 조사하여, 10 ㎛×10 ㎛인 5개의 영역에서의 예각의 평균수를 구하고, 이 평균수를, WC 입자의 평균 입경 및 WC 입자의 체적 비율로부터 산출한 평균 입자수({100 ㎛²×(WC의 체적%)}/{(평균 입경/2)²×π})로 나눈 값으로 한다.
삭제
제1항에 있어서, 상기 초경합금은, (i) Cr 및 (ii) Ta, Nb, Zr 및 Ti으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 합계로 0.05 질량% 초과 5 질량% 이하 함유하는 것인 초경합금.
제3항에 있어서, 상기 초경합금은 Ta 및 Nb 중 1종 이상의 원소를 Cr과의 합계로 0.05 질량% 초과 5 질량% 이하 함유하는 것인 초경합금.
제1항에 있어서, 상기 결합상은 Co 및 Ni로 구성되고, Ni의 함유량이 Co 및 Ni의 합계 함유량의 25% 이하인 것인 초경합금.
삭제
제1항에 있어서, 상기 초경합금은, Cr을 0.05 질량% 이상 2 질량% 이하, Ta를 0.2 질량% 이상 5 질량% 이하 함유하고,
상기 경질상을 구성하는 입자의 평균 입경이 1 ㎛ 이상 4 ㎛ 이하,
Co의 함유량이 7 질량% 이상 12 질량% 이하이며,
상기 초경합금은, 크랭크샤프트 가공용 공구에 이용되는 것인 초경합금.
제1항에 있어서, 상기 초경합금은, Cr을 0.05 질량% 이상 1.2 질량% 이하 함유하고,
상기 경질상을 구성하는 입자의 평균 입경이 0.5 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하이며,
Co의 함유량이 4.5 질량% 이상 9 질량% 이하이고,
상기 초경합금은, 티탄 가공용 공구에 이용되는 것인 초경합금.
제1항에 기재된 초경합금을 포함하는 기재와,
상기 기재의 표면에 PVD법에 의해 형성된 피복막
을 구비하는 절삭 공구로서,
상기 피복막은, 주기율표 4a, 5a, 6a족 원소, Al 및 Si로부터 선택되는 1종 이상의 제1 원소와, 탄소(C), 질소(N), 산소(O) 및 붕소(B)로부터 선택되는 1종 이상의 제2 원소와의 화합물, 및 다이아몬드형 카본(DLC)으로부터 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것인 절삭 공구.
제1항에 기재된 초경합금을 포함하는 기재와,
상기 기재의 표면에 CVD법에 의해 형성된 피복막
을 구비하는 절삭 공구로서,
상기 피복막은, 주기율표 4a, 5a, 6a족 원소, Al 및 Si로부터 선택되는 1종 이상의 제1 원소와, 탄소(C), 질소(N), 산소(O), 및 붕소(B)로부터 선택되는 1종 이상의 제2 원소와의 화합물, 및 다이아몬드로부터 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것인 절삭 공구.