KR101754163B1 - 분말 처리 기술에 의한 초경합금의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분말 처리 기술에 의한 초경합금의 제조 방법에 관한 것으로, WC 및 Co로 이루어지는 초경재료에 대한 고에너지 밀링 공정을 수행하고, 수득된 분말성형체에 대한 압축성형 공정을 수행한 후에, 수득된 성형물에 대한 소결 공정을 수행함으로써, 밀링 과정에서 발생하는 불균일 혼합 및 불순물 혼입을 방지할 수 있고, 치수정밀도 및 성형성을 향상시킬 수 있다.

Description

분말 처리 기술에 의한 초경합금의 제조 방법{METHOD FOR FABRICATING HARD METAL USING POWDER PROCESS TECHNIQUE}

본 발명은 고에너지 밀링을 통해 분말입자를 효과적으로 미세화시키고, 균일하게 혼합하여 고밀도의 초경합금을 제조함으로써, 밀링 과정에서 발생하는 불균일 혼합 및 불순물 혼입을 방지할 수 있고, 치수정밀도 및 성형성을 향상시킬 수 있는 분말 처리 기술에 의한 초경합금의 제조 방법에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 최근에 고강도 및 고성능의 높은 기계적 특성을 갖는 제품의 수요가 증가함에 따라, 이를 가공하기 위한 절삭공구의 성능 향상 요구가 크게 증가하고 있다.

특히, 절삭공구의 경우 가공 시 발생하는 고온/고압의 가혹한 사용 환경에 노출되기 쉽고, 용도와 사용 범위가 점차 다양화됨에 따라 가공 특성과 생산성 향상 문제가 매우 중요하게 대두되고 있다.

이러한 문제는 공구를 구성하고 있는 재료의 미세 조직 제어, 즉, 조직 미세화와 균일화를 통한 경도, 인성 및 내마모 특성을 향상시킴으로써 해결이 가능한데, 이를 해결하기 위한 새로운 공정 기술의 개발 및 적용에 의한 절삭공구의 성능 향상이 필수적으로 요구되고 있다.

한편, 절삭공구에 사용되는 여러 가지 재료 중 초경합금(예를 들면, WC/Co 등)은 우수한 기계적 특성으로 인해 현재 가장 많이 사용되고 있는데, 초경합금은 주로 화학적 조성, WC 및 Co의 크기와 분포, 미세 조직, 기공도, 다양한 결함 등에서 영향을 받는다.

특히, 이 중에서도 입자 크기와 분포는 초경합금의 전체 성능에 영향을 주는 가장 중요한 변수로서, 이에 대한 적합한 제어기술 개발이 필요한 실정이다. 일반적으로 WC의 입자 크기가 미세할수록 Co가 균일하게 분산될수록 우순한 기계적 성능을 나타내는 것으로 알려져 있기 때문에, WC/Co의 입자 크기 미세화 및 균일 혼합이 초경합금의 성능 향상을 위한 핵심적인 요소라고 할 수 있다.

도 1은 종래에 따른 초경합금의 제조 과정에 대해 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 초경합금의 제조는 밀링 공정에 의한 분말 혼합, 저압 성형, 1차 및 2차 소결 등과 같이 복잡한 과정이 이용되고 있는데, 특히, 밀링 과정에서 분말의 혼합 특성 및 성형성 향상을 위해 WC와 Co 외에 추가적으로 다량의 헥산과 파라핀이 사용되고, 저에너지 밀링과 스틸 재질의 용기 및 볼을 사용하기 때문에, 긴 공정 시간과 다량의 불순물이 혼입되는 단점이 있다.

또한, 성형 과정에서 저압으로 제조되기 때문에, 성형체의 초기 성형밀도가 매우 낮고 높은 불량률을 나타내는 단점이 있다.

또한, 소결 과정에서는 성형성 향상 목적으로 첨가된 파라핀 왁스의 제거를 위해 1차 소결을 통한 하소가 이루어지고, 미세 조직의 치밀화를 위해 고온에서 2차 소결이 이루어지며, 초기의 낮은 성형밀도로 인해 소결 시 큰 수축률을 나타내기 때문에, 장시간 고온에 노출되어 조직의 성장이 유발되고, 낮은 기계적 성능을 가지며, 치수정밀도가 낮은 단점이 있고, 결과적으로 최종 제품의 성능, 공정의 복잡성으로 인한 높은 공정비용 및 긴 제조시간 소요, 낮은 생산성 등의 문제점이 있다.

1. 등록특허 제10-0374705호(2003.02.20.등록) : 탄화텅스텐/코발트계 초경합금의 제조방법 2. 등록특허 제10-1001903호(2010.12.10.등록) : 고밀도 초경합금의 제조방법

본 발명은 고에너지 밀링을 통해 분말입자를 효과적으로 미세화시키고, 균일하게 혼합하여 고밀도의 초경합금을 제조함으로써, 밀링 과정에서 발생하는 불균일 혼합 및 불순물 혼입을 방지할 수 있고, 치수정밀도 및 성형성을 향상시킬 수 있는 분말 처리 기술에 의한 초경합금의 제조 방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 WC 및 Co로 이루어지는 초경재료에 대한 고에너지 밀링 공정을 수행하여 분말성형체를 수득함으로써, 기존의 저에너지 밀링 공정에 비해 공정 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있고, 밀링 과정에서 발생하는 불균일 혼합 및 불순물 혼입을 방지할 수 있으며, 혼합 특성이 매우 우수하여 종래에 첨가되었던 파라핀, 헥산 등과 같은 첨가제의 사용을 감소시킬 수 있는 분말 처리 기술에 의한 초경합금의 제조 방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 적어도 1회의 성형만으로도 분말성형체에 대한 진밀도의 성형 특성을 달성할 수 있으며, 성형성이 매우 우수하여 고밀도로 성형할 수 있고, 매우 높은 치수정밀도를 갖도록 성형할 수 있으며, 성형성 향상을 목적으로 종래에 첨가되었던 바인더 및 Co 함량을 감소시킬 수 있는 분말 처리 기술에 의한 초경합금의 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, WC 및 Co로 이루어지는 초경재료에 대한 고에너지 밀링 공정을 수행하는 제 1 단계와, 상기 제 1 단계를 통해 수득된 분말성형체에 대한 압축성형 공정을 수행하는 제 2 단계와, 상기 제 2 단계를 통해 수득된 성형물에 대한 소결 공정을 수행하는 제 3 단계를 포함하는 분말 처리 기술에 의한 초경합금의 제조 방법이 제공될 수 있다.

본 발명에서는, 고에너지 밀링을 통해 분말입자를 효과적으로 미세화시키고, 균일하게 혼합하여 고밀도의 초경합금을 제조함으로써, 밀링 과정에서 발생하는 불균일 혼합 및 불순물 혼입을 방지할 수 있고, 치수정밀도 및 성형성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 WC 및 Co로 이루어지는 초경재료에 대한 고에너지 밀링 공정을 수행하여 분말성형체를 수득함으로써, 기존의 저에너지 밀링 공정에 비해 공정 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있고, 밀링 과정에서 발생하는 불균일 혼합 및 불순물 혼입을 방지할 수 있으며, 혼합 특성이 매우 우수하여 종래에 첨가되었던 파라핀, 헥산 등과 같은 첨가제의 사용을 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 적어도 1회의 성형만으로도 분말성형체에 대한 진밀도의 성형 성을 달성할 수 있으며, 성형성이 매우 우수하여 고밀도로 성형할 수 있고, 매우 높은 치수정밀도를 갖도록 성형할 수 있으며, 성형성 향상을 목적으로 종래에 첨가되었던 바인더 및 Co 함량을 감소시킬 수 있다.

도 1은 종래에 따른 초경합금의 제조 과정에 대해 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 초경합금을 제조하는 과정을 나타낸 단계별 흐름도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초경합금의 제조 과정에서 사용되는 고에너지 밀링 장치를 예시한 도면,
도 4a 내지 도 4g는 종래에 따른 분말성형체와 본 발명에 따른 분말성형체의 분말 특성을 비교 설명하기 위한 도면,
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 성형물의 형상 및 성형 밀도 특성을 설명하기 위한 도면,
도 6a 내지 도 6f는 본 발명에 따른 소결체의 형상, 밀도 및 미세조직 특성을 설명하기 위한 도면,
도 7a 내지 도 7f는 본 발명에 따른 초경합금의 특성을 설명하기 위한 도면.

본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 초경합금을 제조하는 과정을 나타낸 단계별 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초경합금의 제조 과정에서 사용되는 고에너지 밀링 장치를 예시한 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, WC 및 Co로 이루어지는 초경재료에 대한 고에너지 볼 밀링 공정(high energy ball milling process)을 수행할 수 있다(단계202).

여기에서, 고에너지 볼 밀링 공정은 도 3에 도시한 바와 같은 고에너지 밀링 장치를 이용하여 진행될 수 있는데, 분말 입자를 밀링 용기 내에 투입한 후 밀링 용기 내에 실린더 모양의 스테인레스스틸강, 세라믹, 초경재료 중 선택된 어느 하나로 제조된 자(jar)와 볼을 사용하며, 두 용기가 중심축을 따라 공전을 함과 동시에 레일을 따라 자전을 하면서 회전하고, 고에너지 볼 밀을 이용하여 기계적으로 분쇄하여 분말 입자를 미세화하고 균일하게 혼합하는 공정으로, 밀링 용기의 자전과 공전을 동시에 가능하게 하여 순간적으로 매우 높은 충격량을 가할 수 있다.

이러한 고에너지 볼 밀링 공정은 공정 과정 중에 물을 분사하는 수냉 방식으로 내부 온도를 제어하며, 밀링 용기 및 볼 모두 WC 및 Co로 이루어지는 초경합금 재질을 이용하였고, 종래에 분말의 혼합 특성 및 성형성 향상을 위해 첨가되었던 헥산을 전혀 첨가하지 않아 원료비의 절감뿐만 아니라 분말 제조 후 건조/분쇄 과정을 생략할 수 있어 공정 단순화를 효과적으로 실현할 수 있다.

이를 구체적으로 설명하면, 밀링 용기 내에 투입되는 볼의 직경은 1-6 mm이고, WC는 70-95 wt%, Co는 5-30 wt% 로 하여 밀링 용기 내부에 투입되며, 수냉 방식으로 내부 온도를 대략 35-40℃로 유지하도록 제어하면서 500-11000 rpm의 회전 속도(자전속도와 공전속도를 포함함)로 밀링 용기를 회전시켜 고에너지 밀링 공정을 수행할 수 있다. 여기에서, WC와 Co에 분말의 혼합 특성 및 성형성 향상을 위해 윤활제를 더 첨가할 수 있는데, 윤활제로 파라핀 0초과-1.5 wt%이 밀링 용기 내부에 더 투입될 수 있고, 이 경우 WC는 70-95미만 wt%, Co는 5-30 wt% 로 하여 밀링 용기 내부에 투입될 수 있다.

한편, 고에너지 밀링 공정에서는 WC는 90-95 wt%, Co는 5-10 wt% 로 하여 밀링 용기 내부에 투입될 수도 있으며, 그에 대한 특성 분석은 후술하기로 한다.

상술한 바와 같은 고에너지 밀링 공정은 밀링 시간, 회전속도, 볼과 시료의 장입비, 용기 및 볼의 재질, 볼의 크기 등에 대한 공정 조건에 따라 수행될 수 있다.

상술한 바와 같은 고에너지 밀링 공정을 통해 제조되는 분말성형체는 종래의 방식으로 제조된 분말성형체보다 뛰어난 분말 특성을 나타내는데, 도 4a 내지 도 4g는 종래에 따른 분말성형체와 본 발명에 따른 분말성형체의 분말 특성을 비교 설명하기 위한 도면으로, 이들 도면들을 참조하여 이하에서 설명한다.

도 4a는 종래의 방식으로 제조된 분말 성형체의 미세조직 사진으로, 종래의 분말성형체는 WC 분말과 Co 분말에 파라핀을 첨가하여 제조되는데, WC 분말은 구형으로 3-5 μm 내외의 입자크기를 가지며, 입자들 간의 응집으로 ~10 μm 크기의 조대 응집 분말 형상을 나타내고 있고, Co 분말은 1-3 μm의 입자크기를 갖는 불규칙한 튜브 형태를 나타내고 있으며, 입자들 간의 응집으로 ~수십 μm 크기의 조대 응집 분말 형상을 나타내고 있다.

이와 같은 WC 분말과 Co 분말이 혼합된 분말성형체는 WC와 Co 간에 비교적 균일한 혼합 특성을 나타내고 있으나, 여전히 Co 입자의 부분적인 응집이 나타나는 것을 알 수 있다.

그리고, 도 4b는 종래의 분말성형체에 대한 EDS 맵핑(Energy Dispersive Spectroscope mapping) 결과로서, 전단의 SEM(Scanning Electron Microscope) 결과에서와 같이 비교적 균일한 혼합과 부분적 Co 응집 입자들이 주로 관찰됨을 알 수 있으며, W, C, Co 이외에 다른 성분은 검출되지 않았음을 알 수 있다.

또한, 도 4c는 종래의 분말성형체에 대한 상분석(XRD : X-Ray Diffraction) 결과로서, 초기 WC, Co 분말은 순수한 성분을 나타내고 있으며, 이들의 혼합 분말에서도 불순물 없이 제조되었음을 알 수 있고, 혼합과정에서 응집 입자의 분산으로 입자 크기가 감소하여 혼합 분말의 피크 강도가 감소함을 알 수 있다.

한편, 도 4d 및 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 고에너지 밀링 조건으로 제조된 분말성형체의 미세조직 사진으로, 밀링 시간(예를 들면, 5분, 10분, 30분 등)과 첨가물 유무(파라핀 첨가(도4d) 또는 파라핀 미첨가(도4e))에 따라 제조된 WC-Co 혼합 분말의 형상과 크기는 밀링 시간이 증가함에 따라 분말 입자의 미세화와 동시에 미세 분말간의 응집이 발생하는 것을 알 수 있고, 결과적으로 대략 30분에서 가장 미세한 입자크기와 조대한 응집 분말 크기를 나타냄을 알 수 있다.

아울러, 분말의 혼합 특성 및 성형성 향상을 위한 파라핀의 첨가 유무에 따라서는 가시적으로 큰 차이를 나타내지 않았지만, 파라핀의 윤활 특성에 따라 파라핀 미첨가 조건에서 미세화 속도가 증가한 것을 알 수 있다.

또한, 도 4f 및 도 4g는 본 발명의 분말성형체에 대한 EDS 맵핑 결과로서, 혼합 분말 내 Co의 분산성(빨간색)을 보면 밀링 시간 5분에서는 다소 불균일한 혼합 특성을 나타내고 있고, 밀링 시간이 증가함에 따라 분산성이 증가하고 대략 30분에서는 분말 전체에 균일하게 분산되었음을 알 수 있으며, 파라핀의 첨가 유무(파라핀 첨가(도4f) 또는 파라핀 미첨가(도4g))에 따라서는 뚜렷한 차이가 나타나지 않음을 알 수 있다.

이와 같이 EDS를 이용한 정량 측정 및 XRD를 이용한 상분석에서 불순물이나 조성의 변화는 전혀 나타나지 않았고, 결과적으로 고에너지 밀링 공정을 통해 균일하게 혼합된 고순도의 WC-Co 분말(분말성형체)를 제조할 수 있다.

상술한 바와 같이 WC 및 Co로 이루어지는 초경재료에 대한 고에너지 밀링 공정을 수행하여 분말성형체를 수득함으로써, 기존의 저에너지 밀링 공정에 비해 공정 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있고, 밀링 과정에서 발생하는 불균일 혼합 및 불순물 혼입을 방지할 수 있으며, 혼합 특성이 매우 우수하여 종래에 첨가되었던 파라핀, 헥산 등과 같은 첨가제의 사용을 감소시킬 수 있다.

다음에, 상기 단계(202)를 통해 수득된 분말성형체에 대한 자기펄스 압축성형 공정(magnetic pulsed compaction process)을 수행할 수 있다(단계204).

예를 들면, 압축성형 공정은 성형 몰드 안에 분말성형체를 장입한 후, 성형 몰드를 진공챔버 내부에 위치시키고, 진공 또는 불활성 기체 분위기에서 온도를 조절하며, 전기에너지를 공급하여 자기펄스 압축력을 발생시켜 성형하는 공정으로, 동적 성형 방식으로 자기펄스를 이용하여 1초내의 짧은 시간동안 최대 4GPa의 압력으로 고밀도의 성형물을 제조할 수 있다.

이러한 압축성형 공정은 성형압력, 금형의 내부직경(금형 내 분말이 장입되는 실제 공간), 점결제 유무 및 종류, 분말의 장입량, 성형몰드의 구조(예를 들면, 일체형, 분리형 등), 윤활제 종류 등의 공정 조건에 따라 수행될 수 있다.

이러한 자기펄스 압축성형 공정은 0.5-2.5 GPa의 압력 조건으로 수행될 수 있고, 대략 20 mm 직경의 성형 몰드 내에 대략 20 g의 분말성형체를 장입한 후 자기펄스 압축성형할 수 있다.

상술한 바와 같은 자기펄스 압축성형 공정으로 제조되는 성형물은 그 형상 및 성형 밀도에서 미세한 차이가 있는데, 도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 성형물의 형상 및 성형 밀도 특성을 설명하기 위한 도면으로, 이들 도면을 참조하여 이하에서 설명한다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따라 자기펄스 압축성형 공정을 이용하여 제조된 성형물의 높이 및 직경 변화를 나타내는데, 도 5a에 도시한 바와 같은 성형 압력에 따른 성형물의 높이는 성형 압력이 1 GPa에서 2 GPa로 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타냄을 알 수 있고, 성형체의 직경은 성형 압력이 1 GPa에서 2 GPa로 증가하더라도 큰 변화가 나타나지 않음을 알 수 있다.

또한, 도 5b에 도시한 바와 같이 밀링 시간(예를 들면, 5분, 10분, 30분 등)에 따라서는 파라핀이 첨가된 2 GPa의 압력 조건의 성형물을 제외하고 다른 조건의 성형물에서는 모두 직경이 증가하는 경향을 나타냄을 알 수 있는데, 이는 입자가 미세화됨에 따라 성형성이 다소 감소하였기 때문인 것을 알 수 있으며, 밀링 시간에 따른 직경의 변화는 거의 나타나지 않음을 알 수 있다.

특히, 파라핀을 첨가한 2 GPa의 압력 조건의 성형물은 밀링 시간이 증가함에 따라 반대로 높이가 감소하는 경향을 나타냈는데, 이는 저압에서는 차이가 없으나 고압에서는 파라핀의 첨가가 성형성 변화에 큰 영향을 준 것임을 알 수 있다.

도 5c 및 도 5d는 본 발명의 실시예에 따라 자기펄스 압축성형 공정을 이용하여 제조된 성형물의 밀도 변화를 나타내는데, 도 5c에 도시한 바와 같이 자기펄스 압축성형 공정을 이용하여 제조된 성형물은 종래의 성형물(수평한 빨간 점선)에 비해 모두 향상된 밀도값을 나타내고 있으며, 특히, 2 GPa의 압력으로 압축성형한 경우 대략 0.6-1.0 g/cm³ 의 밀도값 향상이 나타남을 알 수 있다. 이는 자기펄스 압축성형 공정의 고압 성형에 의해 고밀도의 성형물을 제조할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 도 5d에 도시한 바와 같이 파라핀을 첨가하지 않은 2 GPa의 압력으로 제조된 성형물을 제외하고 밀링 시간(예를 들면, 5분, 10분, 30분 등)에 따라 성형물의 밀도값이 감소하는 경향을 나타내는데, 이는 수축률과 마찬가지로 미세분말에 의한 성형성 감소 때문이다.

한편, 파라핀의 첨가유무에 따라 1 GPa의 압력에서는 밀도값의 차이가 거의 없었으나, 2 GPa의 압력에서는 밀도값의 차이가 나타남을 알 수 있고, 파라핀을 첨가할 경우 밀링 시간에 따라 밀도값이 증가하며, 파라핀을 첨가하지 않을 경우 밀도값이 감소하는 경향이 나타남을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 분말성형체에 대한 자기펄스 압축성형 공정을 수행하여 성형물을 수득함으로써, 적어도 1회의 성형만으로도 진밀도의 성형 특성을 달성할 수 있으며, 성형성이 매우 우수하여 고밀도로 성형할 수 있고, 매우 높은 치수정밀도를 갖도록 성형할 수 있으며, 성형성 향상을 목적으로 종래에 첨가되었던 바인더 및 Co 함량을 감소시킬 수 있다.

다음에, 상기 단계(204)를 통해 수득된 성형물에 대한 소결 공정(sintering process)을 수행할 수 있다(단계206).

여기에서, 소결 공정은 파라핀을 첨가한 경우 파라핀을 제거하기 위해 저온(예를 들면, 400-600 ℃)에서 100-300 분 동안 하소하고, 조직의 치밀화를 위해 고온(예를 들면, 1200-1500 ℃)에서 10-100 분 동안 소결할 수 있고, 파라핀을 첨가하지 않은 경우 하소 과정 없이 조직의 치밀화를 위해 고온(예를 들면, 1000-1500 ℃)에서 10-100 분 동안 소결을 수행할 수 있다.

상술한 바와 같은 소결 공정을 통해 제조되는 소결체(초경합금)는 다른 형상 및 결함 경향을 나타내는데, 도 6a 내지 도 6f는 본 발명에 따른 초경합금의 형상, 밀도 및 미세조직 특성을 설명하기 위한 도면으로, 이들 도면을 참조하여 이하에서 설명한다.

도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 소결 공정을 통해 제조된 소결체(초경합금)의 밀도 변화를 나타내는데, 파라핀을 첨가한 경우 밀링 시간 5분과 30분에서는 대략 13.4-13.6 g/cm³ 의 소결 밀도를 나타냈고, 파라핀을 첨가하지 않은 경우 밀링 시간 30분을 제외하고 모두 낮은 밀도를 나타냄을 알 수 있었으며, 소결체를 절단하여 내부를 관찰한 결과 심한 균열 또는 기포가 형성되어 있음을 확인할 수 있다.

또한, 성형 압력(예를 들면, 1 GPa, 2 GPa 등)에 따라 소결체의 밀도는 큰 차이를 보이지 않았으며, 밀링 시간 30분의 조건에서는 거의 유사한 결과가 나타남을 알 수 있다.

그럼에도 불구하고, 본 발명에 따른 공정을 통해 제조된 소결체 중에서 결함이 없이 제조된 경우 종래의 방식으로 제조된 소결체의 밀도(파란색 밑줄)보다 향상된 밀도값을 갖는 것을 알 수 있다.

도 6b 및 도 6c는 본 발명의 실시예에 따른 소결 공정을 통해 제조된 소결체(초경합금)에 대한 SEM 분석 결과를 나타내는데, 도 6b에 도시한 바와 같이 정상 시편의 경우 밀링 시간이 증가함에 따라 WC 입자가 미세화되고 비교적 균일한 크기를 가지고 있음을 알 수 있고, 도 6c에 도시한 바와 같이 결함 시편의 경우 밀링 시간이 증가함에 따라 미세화되는 경향은 유사하였으나, WC 입자가 불균일한 크기를 나타내며, 미세한 입자 영역과 조대한 입자 영역이 불균일하게 분포하고 있음을 알 수 있다.

일반적으로 밀링 공정에서 미세화는 볼과 분말 입자의 충돌이 발생하는 부분부터 시작되고, 균일한 입자 크기를 갖기 위해서 전체적으로 동일한 충돌 횟수와 시간이 주어져야 하는데, 결함 시편의 균열 및 기공 부분에서 매우 미세한 입자 영역이 그 외 부분에서는 조대한 입자 영역이 나타남을 알 수 있다. 즉, 미세화 과정 중에 WC 입자의 불균일 미세화가 발생되었음을 알 수 있다.

한편, 결함 경향은 파라핀의 첨가유무에 관계없이 밀링 시간 10분의 조건에서 모든 소결체에 동일한 결함이 발생되었고, 이 조건에서는 조대 입자와 미세 입자가 혼재된 미세화 거동이 있었음을 알 수 있다.

특히, 파라핀을 첨가하지 않은 조건에서는 밀링 시간 5분의 조건부터 이미 불균일 미세화가 시작되었고, 이 조건에서는 파라핀이 윤활 작용 또는 혼합 특성 향상에 도움을 주는 것을 알 수 있다.

또한, 밀링 시간 30분의 조건에서는 입자의 미세화와 균일화를 위한 충분한 볼의 충격 횟수와 시간으로 인해 파라핀 첨가유무, 성형 압력 등의 변화에 관계없이 유사한 미세조직이 나타나는 것을 알 수 있다.

도 6d는 본 발명의 실시예에 따른 소결 공정을 통해 제조된 소결체(초경합금)의 비커스 경도를 나타내는데, 종래에 따른 소결체(A)는 대략 92 Hv의 경도값을 나타내고 있고, 본 발명에 따른 소결체는 밀링 시간(예를 들면, 5분, 10분, 30분 등)에 따라 증가하여 밀링 시간 30분의 조건에서 최대 1050 Hv의 경도값을 나타내고 있음을 알 수 있다.

이는 WC 입자 크기의 감소와 균일 혼합에 의한 것으로, 정상 시편의 경우 파라핀 첨가유무, 성형 압력 등의 변화에 관계없이 거의 유사한 결과를 나타내고 있음을 알 수 있다. 즉, 미세조직의 제어(예를 들면, 입자 크기, 균일 혼합 등)가 초경합금의 전체 성능을 결정하는 가장 중요한 변수임을 알 수 있다.

도 6e 및 도 6f는 본 발명의 실시예에 따른 소결 공정을 통해 제조된 소결체의 수축률을 나타내는데, 소결체의 높이 및 직경 변화를 관찰하여 수축률을 계산하였고, 결함이 있는 시편의 경우 결함이 발생하지 않은 부분의 높이를 측정하여 수축률을 계산한 결과, 모든 시편에서 가로수축률(도 6e 참조) 및 세로수축률(도 6f 참조) 모두 평균적으로 대략 10-12 %의 낮은 수축률이 나타남을 알 수 있다. 이는 종래의 공정에 따른 20 % 이상의 수축률에 비해 매우 낮은 값을 갖는다는 점을 알 수 있다.

일반적으로 높은 수축률은 낮은 치수 정밀도를 의미하고, 이는 결과적으로 최종 제품인 초경합금의 품질과 생산성에 영향을 미치므로 이의 제어가 매우 중요함을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 고에너지 밀링을 통해 분말입자를 효과적으로 미세화시키고, 균일하게 혼합시켜 고밀도의 초경합금을 제조함으로써, 밀링 과정에서 발생하는 불균일 혼합 및 불순물 혼입을 방지할 수 있고, 치수정밀도 및 성형성을 향상시킬 수 있다.

한편, 도 7a 내지 도 7f는 본 발명에 따른 초경합금의 특성을 설명하기 위한 도면으로, 이러한 도면들을 통해 Co 함량 및 소결 온도에 따른 초경합금의 특성과 그 밀도 변화 및 경도 변화를 설명하고, 최종 제품인 초경합금의 특성 시험 결과에 대해 이하에서 설명한다. 여기에서, Co 함량은 5-30 wt% 또는 5-10 wt%로 포함될 수 있는데, 5-30 wt%의 Co 함량이 포함되는 초경합금의 경우 대표적으로 19.3 wt%의 함량으로 하고, 5-10 wt%의 Co 함량이 포함되는 초경합금의 경우 대표적으로 7.5 wt%의 함량으로 하여 분석하기로 한다.

도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 실시예에 따른 초경합금에 대해 코발트 함량 및 소결 온도 변화에 따른 특성을 설명하기 위한 도면으로, 상술한 바와 같은 분석 결과들로부터 미세조직의 제어가 초경합금 소재의 전체 특성에 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있었고, 분말 혼합 조건 및 성형 조건 외에 큰 영향을 미치는 소결 조건(예를 들면, Co 함량, 소결 온도 등)에 대해 살펴보면, 초경합금은 기본적으로 액상소결에 의한 것으로 Co 함량에 따라 소결 특성이 크게 달라지며, 소결 온도의 변화는 WC 입자의 성장 및 Co 입자의 분포를 수반한다는 것을 알 수 있다.

구체적으로, 도 7a에 도시한 바와 같은 종래의 초경합금(소결체 WC-19.3wt%Co)과 도 7b 내지 도 7d에 도시한 바와 같은 본 발명에 따른 초경합금(WC-7.5wt%Co, WC-19.3wt%Co의 Co 함량, 1450℃의 고온 소결온도)의 미세조직을 비교하면, 종래의 Co 함량(19.3wt%)에 비해 크게 낮은 7.5wt%의 Co 함량으로 제조된 초경합금(도 7c 및 도 7d)은 미세한 WC 입자 크기 및 균일한 혼합 특성이 나타남을 알 수 있고, Co 함량이 적어 WC 입자 간 결합과 입자의 조대화 영역이 일부 관찰되지만 전체적으로 매우 균일하고 치밀한 미세조직이 나타남을 알 수 있다.

또한, 종래의 고온 소결 온도(대략 1350 ℃)보다 높은 1450 ℃(도 7d)의 고온 조건에서는 입자의 조대화가 나타나고, Co의 응집 구간이 나타남을 알 수 있다. 이는 고온의 열에 장시간 노출되면서 입자의 성장 및 Co의 액상화로 재배열이 발생하기 때문이다.

도 7e 및 도 7f는 본 발명의 실시예에 따른 초경합금의 밀도 및 경도 변화를 나타내는데, 초경합금의 밀도는 도 7e에 도시한 바와 같이 Co 함량에 따라 증가하는 경향을 나타내고, 소결 온도에 따라 감소하는 경향을 나타냄을 알 수 있다.

이를 상대밀도로 계산하면, 종래의 초경합금(A)은 대략 94.5%, 본 발명의 19.3wt%Co 함유 초경합금(B)은 대략 96.3%, 본 발명의 7.5wt%Co 함유 초경합금(C)은 99.8%, 본 발명의 7.5wt%Co 함유 및 1450℃의 온도 조건인 초경합금(D)는 99.14%를 각각 나타냈다. 즉, Co 함량이 감소하였음에도 불구하고 오히려 소결 밀도는 다소 증가하는 경향이 나타남을 알 수 있다.

또한, 초경합금의 경도 변화는 도 7f에 도시한 바와 같이 Co 함량에 비례하여 큰 폭으로 상승하고 있는데, 본 발명에 따른 19.3wt%Co 함유 초경합금(B)에 비해 7.5wt%Co 함유 초경합금(C)은 대략 1560 Hv의 우수한 경도값을 나타내고 있음을 알 수 있고, 소결 온도가 증가함에 따라 WC 입자의 조대화로 약간 감소하였으나, 여전히 대략 1550 Hv의 우수한 경도값을 나타내고 있음을 알 수 있다. 이는 종래의 초경합금(A)에 비해 대략 600 Hv 이상의 큰 차이로 기계적 특성이 향상되었음을 알 수 있다.

일반적으로 초경합금의 기계적 특성은 경도 및 균열 길이를 측정하고, 이를 파괴 인성으로 계산하여 나타내는데, 경도가 높을수록 균열 길이가 짧을수록 우수한 파괴 인성이 나타나기 때문에 본 발명에 따라 제조된 초경합금은 매우 우수한 값을 나타낼 것으로 예측된다.

이에 따라, 본 발명에서는 고에너지 밀링 공정과 자기펄스 압축성형 공정을 통해 공정을 단순화하면서도 우수한 기계적 특성을 갖는 초경합금을 제조할 수 있고, 헥산, 파라핀 등의 첨가제와 Co 등의 바인더의 함량을 저감시킬 수 있기 때문에, 종래의 공정에 비해 품질 및 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다.

이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (12)

1. 윤활제를 첨가하지 않고 WC 및 Co로 이루어지는 초경재료에 대한 고에너지 밀링 공정을 수행하는 제 1 단계와,
   상기 제 1 단계를 통해 수득된 분말성형체에 대한 압축성형 공정을 수행하는 제 2 단계와,
   상기 제 2 단계를 통해 수득된 성형물에 대한 소결 공정을 수행하는 제 3 단계를 포함하며,
   상기 제 1 단계는, 상기 고에너지 밀링 공정에서 WC 및 Co로 이루어지는 초경합금 재질의 밀링 용기 및 볼을 사용하고, 상기 볼은 1-6 mm의 직경을 가지며, 상기 WC는 70-95 wt%, 상기 Co는 5-30 wt% 로 하여 상기 밀링 용기에 투입되거나 상기 WC는 90-95 wt%, 상기 Co는 5-10 wt% 로 하여 상기 밀링 용기에 투입되고,
   상기 고에너지 밀링 공정은, 수냉 방식으로 내부 온도를 35-40 ℃를 유지하도록 제어하면서 500-11000 rpm의 회전 속도로 수행되며,
   상기 제 2 단계는, 0.5-2.5 GPa의 압력으로 자기펄스 압축성형 공정이 수행되고,
   상기 제 3 단계는, 1000-1500 ℃의 온도에서 10-100 분 동안 소결하는 분말 처리 기술에 의한 초경합금의 제조 방법.
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