KR101721316B1

KR101721316B1 - 주얼리용 서멧합금 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101721316B1
Application number: KR1020150070891A
Authority: KR
Inventors: 최정남
Original assignee: 최정남
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2017-03-29
Also published as: KR20150063997A; WO2016186232A1

Abstract

주얼리용 서멧합금 및 이의 제조방법이 개시된다. 개시된 본 발명의 서멧합금은, 탄화텅스텐 10중량% 내지 49중량%, 제2 탄화물질 또는 탄질화물 35중량% 내지 75중량%, 금속결합상 10중량% 내지 30중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 서멧합금은, 내구성, 내식성, 고강도, 고인성, 경량성 등 주얼리용 합금으로 탁월한 특성을 갖고, 다양하고 미려한 표면색상을 구현할 수 있으며, 가공성이 우수하여 다양한 디자인의 구현이 가능한 장점이 있다.

Description

주얼리용 서멧합금 및 이의 제조방법{Cermet alloy for jewelry}

본 발명은 주얼리용 신합금에 관한 것으로, 내마모성, 고인성, 내식성 및 고광택성을 가지며 기존의 공구용 탄화텅스텐계 합금을 기반으로 하는 초경합금과 달리 탄화텅스텐 함량을 50중량% 이하로 줄이면서 새로운 탄화물 또는 탄질화물 성분이 적절히 첨가되어 경량화되고 고기능화된 주얼리용 신소재 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

기존의 주얼리 용도로 적용하고 있는 초경합금은, 모두 절삭공구용 초경합금 성분과 조성을 기본으로 하여 구성되어 있으며, 이것은 70~95 중량%의 탄화텅스텐 조성을 가지고 있다. 따라서 이러한 조성의 합금은 경도가 높아 상당히 난가공성이며, 취성이 높고 색상이 어두울 뿐만 아니라 광택색상이 제한되는 등 여러 가지 단점을 가지고 있었다.

예를 들어, 미국특허 제6062045호에서는, 분말합금법(powder metallurgy)을 이용한 가열 합금 혹은 세라믹의 소재를 이용하여 특정 형상을 가지는 원형 반지를 제공하는 것으로, 텅스텐 소재가 총 중량의 80중량%를 이루도록 구성되는 주얼리 합금을 개시하고 있으며, 미국특허 제6928734호에는 텅스텐을 주 재료로 이용하여 반지를 제조하되, 텅스텐 카바이드를 50중량% ~ 85중량% 이상을 함유한 재질의 분말을 이용하여 분말야금 압축성형하고, 소결처리하여, 연마가공하여 만들어진 주얼리를 개시하고 있다.

상술한 미국특허 선행기술문헌들에 따르면, 반지 등의 주얼리를 제조함에 있어 주 소재로 텅스텐을 이용하면서 텅스템의 함유율을 최대 85중량%까지 사용하기 때문에 스크래치에 약한 단점에 의해 반지의 표면 손상이 발생하여 반지의 가치를 하락시키는 원인을 제공하고 있으며, 텅스텐의 재질 특유의 취성으로 인하여 외부 충격 등으로 인해 깨지거나, 표면에 금이 가는 등과 같이 손상이 발생하는 단점이 있었다.

또한 기존의 초경합금 소재는 높은 탄화텅스텐 ?t량으로 인하여 밀도가 12 g/Cm³ 이상으로 아주 높아 기존의 주얼리 소재에 비해 상당히 무거운 단점이 있다. 그리고 기존 합금은 탄화텅스텐과 바인드 금속인 코발트를 주요 성분으로 하고, 이를 혼합, 분쇄한 후, 성형, 소결공정을 거쳐서 제조되는데 고가의 수입 희유금속인 텅스텐이 다량 함유되어 있어 실용성과 공급 안정성에도 문제점도 안고 있다.

그리고 기존의 합금은 원래 절삭공구용으로 개발된 조성을 기반으로 하고 있기 때문에 내마모성은 우수하지만 인성이 낮아 충격에 대한 저항성이 크게 떨어지는 문제점이 있어 낙하, 충돌파손이 쉽게 일어나기 때문에 이를 개선할 수 있는 합금소재의 요구가 대두되고 있다.

미국특허 제6062045호 미국특허 제6928734호

본 발명의 목적은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 종래기술의 주얼리용 초경합금과 달리 비중이 11 g/Cm³ 이하로 더 낮고 안정적인 합금조직을 가지며, 표면가공 후 미려한 광택을 가지고 내마모성 및 내결손성이 우수하여 새로운 반지, 목걸이 등의 주얼리 제품의 제조에 적합하고 상품성이 뛰어난 새로운 텅스텐 함유 주얼리용 서멧합금 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

기존에 사용되는 주얼리용 초경합금보다 동 용도의 우수한 특성을 가지는 새로운 주얼리용 합금을 발명하기 위해서는 새로운 성분과 조성이 필요하며, 이는 새로운 서멧합금의 개발로 목적을 달성할 수 있다.

본 발명의 서멧합금은, 기존의 70중량% 이상 높은 탄화텅스텐 함량의 주얼리용 초경합금과 달리 탄화텅스텐 함량을 크게 낮추고 제2탄화물로서 티타늄, 탄탈늄, 네오비윰, 몰리브덴, 크롬 (Ti, Ta, Nb, Mo, Cr) 등의 탄화물 또는 탄질화물을 적절히 함유하는 서멧합금 성분으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 서멧합금은, 탄화텅스텐 10중량% 내지 49중량%, 제2 탄화물질 또는 탄질화물 35중량% 내지 75중량%, 금속결합상 10중량% 내지 30중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 금속결합상은 코발트 및 니켈 중 하나 또는 둘의 합금으로 함유하거나, 스테인레스 합금 단독으로 구성될 수 있다.

상기 제2탄화물 또는 탄질화물은, 탄화몰리브덴(Mo2C), 탄화티타늄(TiC), 탄화크롬(Cr3c2), 탄화탄탈늄(TaC), 탄화텅스텐티타늄(WTiC), 탄화텅스텐몰리브덴(WMoC), 탄질화텅스텐티타늄(WTiCN) 및 탄질화티타늄(TiCN)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 구성될 수 있다.

상기 서멧합금은 산화알루미늄 1 중량% 내지 5중량%를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 목적은, (a) 탄화텅스텐 10 내지 49 중량%, 탄화물 또는 탄질화물을 35 내지 75중량%로, 코발트, 니켈 또는 스텐레스 합금 금속결합상 10 내지 30중량%의 각 분말원료를 준비하는 분말원료 준비단계; (b) 상기 각각의 분말원료를 개별적으로 분쇄, 혼합 및 건조하는 혼합단계; (c) 혼합이 완료된 상기 분말원료들을 각각 개별적으로 주얼리 성형기에 투입하여 압력을 가해 주얼리 성형체를 제조하는 주얼리 성형단계; (d) 상기 주얼리 성형체를 진공 분위기의 소결온도 1300℃ ~1400℃에서 30부 ~ 60분간 소결하여 상기 주얼리 성형체의 조직 치밀성을 극대화한 주얼리 소결체를 제조하는 소결단계; 및, (e) 상기 주얼리 소결체를 연마가공, 폴리싱 가공을 통하여 주얼리 형상을 이루는 형상 디자인을 수행하는 가공단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 주얼리용 서멧합금 제조방법에 의해서도 달성된다.

상기 혼합단계는, (b1) 상기 분말원료를 습식 볼밀링(Ball milling)으로 40시간 ~ 60시간 동안 2 내지 8 마이크론의 입도를 가지도록 분쇄하는 분쇄단계; (b2) 상기 (b1) 단계 완료 후, 상기 분말원료를 혼합하는 제1혼합단계; 및, (b3) 상기 분말원료의 혼합이 완료되면, 상기 분말원료를 건조하는 건조단계;를 포함할 수 있다.

본 발명의 주얼리용 서멧합금은, 탄화텅스텐의 함량을 대폭 줄이고, 제2의 탄화물 또는 탄질화물을 사용함으로서 새로운 합금성분과 우수한 물리 화학적 특성을 가지므로 내구성, 내식성, 고강도, 고인성, 경량성 등 주얼리용 합금으로 탁월한 특성을 가진다.

또한 본 발명의 서멧합금은 새로운 원소인 티타늄, 탄탈늄, 네오비윰, 몰리브덴, 크롬 (Ti, Ta, Nb, Mo, Cr) 등의 탄화물 또는 탄질화물을 적절히 사용함으로서 다양하고 미려한 표면색상을 구현할 수 있어 주얼리용 합금소재로서 상품성이 탁월한 특징을 가지므로 기존의 합금과 차별성을 가진다.

또한 본 발명의 합금은 기존의 주얼리용 합금에 비해 가공성이 우수하여 다양한 디자인의 구현이 가능하며 표면연마에 의한 광택과 표면조도가 우수하여 뛰어난 상품적 특징을 가진다.

도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 주얼리용 서멧합금의 제조방법을 나타낸 순서도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 성분과 제조조건 및 물성을 상세히 설명하고 바람직한 실시 예도 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하였으나, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

본 발명에 따른 주얼리용 탄화텅스텐 함유 서멧합금은 제2탄화물로서 철족 탄화물 또는 탄질화물의 조합과 금속결합상으로 이루어진다. 탄화텅스텐은 49중량% 이하의 조성을 갖으며, 탄화텅스텐을 제외한 각 탄화물 또는 탄질화물은 그 구성에 따라 35 내지 75중량%로 이루어지는 것이 바람직하다.

금속결합상으로는 코발트, 니켈 또는 스텐레스 합금이 단독 또는 혼합적으로10 내지 30중량%로 구성되어 있으며 코발트와 니켈은 각각 또는 혼합적으로 이루어 질 수 있으나, 스텐레스 합금은 단독으로 이루어져 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 서멧합금에 사용되는 탄화텅스텐 WC이외의 제2탄화물(XC)은 Mo₂C, TiC, Cr₃C₂, TaC, WTiC, WMoC 이며, 탄질화물(XCN)은 WTiCN, TiCN 이다. 각각의 탄화물 또는 탄질화물은 각 그룹에서 선택된 하나 이상으로 구성되어 이루어 지는 것이 바람직하다.

합금에 사용되는 탄화텅스텐의 입도는 2 내지 8 마이크론이 바람직한데, 상기 탄화텅스텐의 입도가 2마이크론 이하이면 분말의 비표면적이 커서 밀링, 성형공정에서 작업성이 떨어지며, 8마이크론 이상이면 강도, 인성, 내구성 등 물성의 저하를 나타내기 때문이다.

본 발명의 서멧합금에서 탄화텅스텐의 함량을 50 중량% 이하로 하는 것은, 기존의 70 내지 90중량% 함량의 주얼리용 초경합금에 비해 경량성, 내구성, 내충격성, 광택성, 가공성 등을 크게 향상시켜 주얼리용 합금으로서 탁월한 특성을 얻고자 하는 목적에 있다.

또한 본 발명의 서멧합금은 제조공정에 있어 산화 알루미늄을 1 내지 5중량%로 첨가 할 수 있는데, 이는 소결체 제조공정에서 첨가된 산화알루미늄이 본 서멧합금과 화학적으로 반응하지 않고 독자적으로 존재하는 것을 의미하며 이로 인해 주얼리의 상품성을 크게 높힐 수 있다.

상기와 같은 성분과 조성을 가진 발명의 합금은 기존의 주얼리용 초경합금에 비해 제조공정상 성형성, 소결성이 뛰어나 치밀한 조직의 서멧합금을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 주얼리 가공에 있어 뛰어난 가공성을 나타내는 특성을 가진다.

본 발명 서멧합금은, 우선 탄화텅스텐 10 내지 49 중량%, 주기율표상 4a, 5a, 6a철족 원소의 각 탄화물 또는 탄질화물을 35 내지 75중량%로, 코발트, 니켈 또는 스텐레스 합금 금속결합상 10 내지 30중량%로 구성된 각 분말원료를 준비한다. 각 분말들을 습식 볼밀링(Ball milling)으로 40내지 60시간 분쇄 및 혼합한 후, 건조하여 각 규격의 시험편을 150~200MPa의 압력으로 성형한다, 성형체는 진공분위기의 소결온도 1300 내지1400도 에서 30 내지 60분간 소결하여 치밀화한 소결체를 제조한다. 제조된 소결체를 주얼리의 형상 디자인에 따라 연마가공, 폴리싱 가공을 통하여 목적 디자인의 주얼리 소재를 만들 수 있다.

도 1은, 본 발명의 서멧합금의 제조방법의 일 실시 예로서, 주얼리의 일 예로 반지를 성형하는 과정을 설명한 흐름도이다.

주얼리 제품(주얼리 제품은 반지, 목걸이, 팔찌, 귀걸이, 브로치 등 다양한 제품들이 있으나, 이하에서는 반지를 일 예로 들어 설명한다)의 성형을 위하여 일정 입도 상태의 분말로 이루어진 탄화텅스텐 10 내지 49 중량%, 탄화물 또는 탄질화물을 35 내지 75중량%로, 코발트, 니켈 또는 스텐레스 합금 금속결합상 10 내지 30중량%의 각 분말원료를 준비하는 분말원료 준비단계(S310)를 수행한다.

써지컬 스테인레스 스틸이란, 의료용 소재로 사용될 정도로 인체에 무해하다. 또한 타 금속에 비해 훨씬 가벼운 착용감과 디테일한 세공 작업이 가능한 소재로 변색이나 알러지가 전혀 없는 소재로서, 존의 주얼리용 합금에 비해 가공성이 우수하여 다양한 디자인의 구현이 가능하며 표면연마에 의한 광택과 표면조도가 우수하여 뛰어난 상품적 특징을 가진다. 본 발명에서 스테인레스 스틸이란 써지컬 스테인레스 스틸을 의미한다.

이후, 준비된 분말원료들을 이용하여 일정 중량비로 혼합하는 혼합단계(S320)를 수행한다.

혼합단계(S320)는 분말원료를 습식 볼밀링(Ball milling)으로 40시간 ~ 60시간 동안 2 내지 8 마이크론의 입도를 가지도록 분쇄하는 분쇄단계를 수행하고, 분쇄가 완료되면 분말원료를 혼합 및 건조하는 단계를 통해 주얼리 성형 전처리 단계가 이루어지도록 한다.

혼합이 완료된 분말원료들을 반지 성형기에 투입하여 압력을 가해 반지 성형체를 제조하는 반지 성형단계(S330)가 수행된다. 반지 성형단계(S330)는 150~200MPa의 압력으로 성형하여 반지의 형태를 이루는 반지 성형체로 성형하는 단계이다,

반지의 성형이 완료되면, 이 반지 성형체를 진공 분위기의 소결온도 1300℃ ~1400℃에서 30부 ~ 60분간 소결하여 반지 성형체의 조직 치밀성을 극대화한 반지 소결체를 제조하는 소결단계(S340)가 수행된다.

또한, 상기 반지 소결체를 연마가공, 폴리싱 가공을 통하여 반지 형상 디자인을 수행하는 가공단계(S350)를 통해 반지의 제조가 이루어지도록 한다.

< 실시예>

본 발명의 반지를 제조하는 실시 예로서 반지의 각 성분 및 조성비는 탄화텅스텐 10내지 49중량%, 제2탄화물 또는 탄질화물 35 내지 75중량%, 금속결합상 코발트, 니켈 또는 스텐레스 합금 10 내지 30중량%, 산화알루미늄을 3중량% 범위의 조성을 가진 서멧합금 5종을 제조하였다. 한편 기존의 주얼리용 초경합금의 대표적인 조성의 합금 3종도 동시에 제조하여 여러 가지 특성을 비교하고자 하였다.

	No.	합금조성(wt%)
		WC	(Mo, Ti, Cr, Ta)C or CN	Co, Ni, SUS	Al2O3
본발명합금	1	10	75 C	15 Co-Ni
	2	28	56 C	16 Co	-
	3	38	43 CN	19 Ni	-
	4	49	36 C	15 SUS	-
	5	32	35 C	30 Co-Ni	3
기존초경합금	6	92	-	8Ni	-
	7	92	-	8Co	-
	8	90	-	10Co	-

<본 발명의 합금성분과 기존 초경합금과의 조성 비교>

표1의 각 8종 합금은 분말 야금법을 이용하여 각각 제조하였다. 각 조성의 합금분말을 볼밀링을 이용하여 45시간 습식밀링 후 슬러리 분말을 건조하여 성형압 180MPa로 가압하여 성형체를 제조하고 1300 내지 1450도 진공분위기에서 소결하여 기공이 없는 치밀한 합금들을 제조하였다. 한편 본 발명의 1~5합금은 소결성이 우수하여 1400℃ 이하의 온도에서 치밀한 소결이 이루어졌다.

제조한 상기의 소결체 샘플들을 다이아몬드 휠을 사용하여 연마하여 스퀘어타입 규격 6.5x5x20mm 및 원통타입 10x8mm의 샘플을 제조하고 각각의 물성과 화학적 안정성을 측정 및 조사하였다. 각 물성값의 측정은 비중과 비커스 경도값을 측정하였고, 합금의 강도는 3점 굽힘강도를 각각 측정하였으며, 내충격성을 평가하기 위하여 Indentationq법을 사용하여 파괴인성 값을 측정하였다. 또한 내식성은 3% 염산, 질산용액을 이용하여 기존의 초경합금과의 시간별 부식정도를 비교하였고, 내산화성은 대기중에서 500도 까지 가열하여 표면 산화정도를 서로 비교하였다.

	No	비중 D(g/Cm ³ )	경도 Hv(GPa)	굽힘강도 s(kg/mm ² )	파괴인성 Kic(MPam ^1/2 )	내식성, 내산화성
본 발명 합금	1	8.37	14.5	243	12.2	매우좋음
	2	9.10	14.3	305	13.1	매우좋음
	3	9.97	14.1	323	13.8	매우좋음
	4	10.67	14.0	296	13.1	매우좋음
	5	10.45	12.8	387	14.5	매우좋음
기존 초경합금	6	14.66	14.2	260	12.7	좋음
	7	14.65	14.4	293	12.5	좋음
	8	14.45	14.1	318	13.0	좋음

<본 발명의 합금과 기존 초경합금의 물성 비교>

표2에서와 같이, 본 발명의 합금 1~5는 기존의 초경합금 6~8에 비해 약 30%이상 낮은 비중을 나타내어 경량화에 효과가 있는 것을 알 수 있다. 또한 발명 합금들은 탄화텅스텐을 50비중% 이하로 낮추어도 경도 및 강도값은 기존 초경합금에 비해 동등이상의 높은 값을 가지며, 특히 내충격성을 의미하는 파괴인성 값은 기존합금에 비해 우수한 것을 알 수 있어 주얼리용 합금으로는 뛰어난 특성을 가진다. 더구나 내식성 및 내산화성도 기존 합금에 비해 탁월하였다. 한편 본 발명의 1~5합금은 표면 연마처리 공정에 의해 뛰어난 광택과 표면조도도 가지므로 이러한 특성을 기반으로 주얼리용 합금으로서 높은 상품성을 가진다고 할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

주얼리용 서멧합금에 있어서,
상기 주얼리용 서멧합금은 2 내지 8 마이크론의 입도를 가지는 탄화텅스텐 10중량% 내지 49중량%, 탄화몰리브덴(Mo2C), 탄화티타늄(TiC), 탄화크롬(Cr3c2), 탄화탄탈늄(TaC), 탄화텅스텐티타늄(WTiC), 탄화텅스텐몰리브덴(WMoC), 탄질화텅스텐티타늄(WTiCN) 및 탄질화티타늄(TiCN)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 구성되는 제2 탄화물질 또는 탄질화물 35중량% 내지 75중량%, 코발트 및 니켈 중 하나 또는 둘의 합금으로 함유하거나, 스테인레스 합금 단독으로 구성된 금속결합상 10중량% 내지 30중량% 및 산화알루미늄 1 중량% 내지 5중량%를 포함하고,
상기 주얼리용 서멧합금은 8.37~10.45 비중(D(g/Cm³)), 12.8~14.5의 경도(Hv(GPa))를 가지고, 243~387의 굽힘강도(s(kg/mm²)) 및 12.2~14.5의 파괴인성(Kic(MPam^1/2))을 가지는 것을 특징으로 하는 주얼리용 서멧합금.
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(a) 탄화텅스텐 10 내지 49 중량%, 탄화물 또는 탄질화물을 35 내지 75중량%로, 코발트, 니켈 또는 스텐레스 합금 금속결합상 10 내지 30중량%의 각 분말원료를 준비하는 분말원료 준비단계;
(b) 상기 분말원료를 개별적으로 습식 볼밀링(Ball milling)으로 40시간 ~ 60시간 동안 2 내지 8 마이크론의 입도를 가지도록 분쇄하고, 분쇄가 완료 후, 상기 분말원료를 상기 (a) 단계의 조성비로 혼합한 후, 건조하는 원료 혼합단계;
(c) 혼합이 완료된 상기 분말원료들을 각각 개별적으로 주얼리 성형기에 투입하여 150~200MPa의 압력을 가해 주얼리 성형체를 제조하는 주얼리 성형단계;
(d) 상기 주얼리 성형체를 진공 분위기의 소결온도 1300℃ ~1400℃에서 30분 ~ 60분간 소결하여 상기 주얼리 성형체의 조직 치밀성을 극대화한 주얼리 소결체를 제조하는 소결단계; 및
(e) 상기 주얼리 소결체를 연마가공, 폴리싱 가공을 통하여 주얼리 형상을 이루는 형상 디자인을 수행하는 가공단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 주얼리용 서멧합금 제조방법.
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