KR101935389B1 - 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강화재 예비성형체의 파손을 억제하고, 탄화물의 체적율을 50% 미만로 제어함으로써 기계적 가공이 용이한 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, STD 11, STD 61, SKH 2 및 SKH 9로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 공구강계 분말, 티타늄카바이드(TiC) 및 고분자수지를 포함하고 50% 미만의 체적율을 갖는 탄화물폼이 채택된 강화재 예비성형체; 및 상기 공구강계 분말과 동일한 금속으로 이루어지고, 상기 강화재 예비성형체 내부에 가압 함침되어 형성된 기지재를 포함하는 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 공구강계 분말이 써멧 제조 공정 중에서 소결 후에 바인더 역할을 함으로써 예비성형체의 강도를 증가시킬 수 있고, 함침시 열충격 등으로 인한 예비성형체의 파손을 억제하는 효과를 가진다.
또한 본 발명에 따른 강화재 예비성형체(200)가 탄화물의 체적율이 50% 미만가 됨으로써 본 발명의 써멧의 기계적 가공이 용이하고, 압연롤 또는 가이드롤 등에 적용이 가능하며, 열처리를 통한 경도 제어가 가능하다.

Description

탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧 및 그 제조방법{Cermet for wear-resistant with controlled volume ratio of carbide and method for manufacturing the same}

본 발명은 강화재 예비성형체의 파손을 억제하고, 탄화물의 체적율을 50% 미만로 제어함으로써 기계적 가공이 용이한 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧에 관한 것이다.

써멧(cermet)이란 세라믹(cermaic)과 금속(metal)의 합성어로서, 넓은 범위로 금속과 합금이 기지(Matrix)가 되며, 이에 세라믹 입자가 포함되어, 금속과 세라믹의 장점을 함께 지닌 재료를 말한다. 써멧 소재는 제조상 절삭 공구계에 가장 폭넓게 사용되는 초경합금(Cemented carbide)과 구별된다. 종래 기술 상의 써멧은 초경합금과 비교하여, 현저히 낮은 강도와 인성으로 적용상 한계가 있었으며, 이를 해결하기 위해서 기지 함량을 증가시키고, 이에 따른 경도의 감소를 기지상의 열처리 강화로 보상 가능한 개선형 써멧이 개발되었다. 개선형 써멧은 세라믹 입자 분말과 개별(individual elemenet) 또는 합금화(pre-alloyed) 분말이 혼합 후 성형 소결(sintering) 단계를 거쳐 제조되며, 이와 같이 제조된 소재는 원료 분말의 특성과 소결 단계 등의 제조 조건에 따라 내마모성과 인성이 크게 변화된다.

써멧을 제조하는 방식은 소결 단계를 이용한 분말야금 외에도 주조(casting) 단계와 목적하는 제품의 형상을 먼저 기공율(porosity)이 큰 예비성형체(pre-form) 형태로 제작, 기지 합금을 액상으로 하여 예비성형체에 가압 침투시켜 제조하는 용융가압 함침(pressure infiltration)법 등이 있다. 여러 가지 제조법 중 분말야금법은, 높은 기지금속 가격 및 난삭재 가공으로 고비용을 요구하며, 제품 형상이 단순하며, 크기에 한계가 있고, 단계가 복잡하고, 액상단계 대비 높은 투자 설비비가 요구되는 단점이 있다.

용융가압 함침법은, 종래의 경우 예비성형체(pre-form) 제조시 티타늄카바이드(TiC)에 고분자수지(Wax 등)를 결합하여 소결함으로써 형성하고, 상기 예비성형체에 기지재를 함침시켜 써멧을 제조하고 있으나, 탄화물의 체적율이 50% 이상이 되어 예비성형체가 파손되고 제조된 써멧의 기계적 가공이 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 강화재 예비성형체의 파손을 억제할 수 있는 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 강화재 예비성형체의 탄화물의 체적율을 50% 미만로 제어함으로써 기계적 가공이 용이한 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧은 STD 11, STD 61, SKH 2 및 SKH 9로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 공구강계 분말, 티타늄카바이드(TiC) 및 고분자수지를 포함하고 50% 미만의 체적율을 갖는 탄화물폼이 채택된 강화재 예비성형체; 및 상기 공구강계 분말과 동일한 금속으로 이루어지고, 상기 강화재 예비성형체 내부에 가압 함침되어 형성된 기지재를 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 기지재는 온도 1,500 내지 1,700 ℃ 및 대기압 이상 100기압 이하의 압력에서 가압 함침되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 탄화물폼은, STD 11, STD 61, SKH 2 및 SKH 9로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 공구강계 분말, 티타늄카바이드(TiC) 및 고분자수지를 혼합하고 가압성형한 후 1,100℃ 내지 1,300℃의 온도범위의 소결 공정을 거쳐 제조됨을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 공구강계 분말은, Fe를 포함하고, 크롬(Cr) 3 중량% 내지 25 중량%, 니켈(Ni) 0 중량% 초과 5 중량% 이하, 실리콘(Si) 0.1 중량% 내지 3.0 중량%, 망간(Mn) 0 중량% 초과 1.0 중량% 이하, 구리(Cu) 0 중량% 초과 8.0 중량% 이하 및 몰리브덴(Mo) 0 중량% 초과 3.0 중량% 이하로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 공구강계 분말은 1.0㎛ 내지 50㎛의 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧의 제조 방법은, 티타늄카바이드(TiC)에 STD 11, STD 61, SKH 2 및 SKH 9로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 공구강계 분말 및 고분자수지를 혼합하여 50% 미만의 체적율을 갖는 탄화물폼이 채택된 강화재 예비성형체를 형성하는 단계; 상기 강화재 예비성형체를 성형공간에 장입하는 강화재 예비성형체 장입단계; 상기 성형공간에 상기 공구강계 분말과 동일한 금속 재료로 이루어진 기지재를 제공하여 상기 강화재 예비성형체 내부에 기지재를 가압함침하여 혼합물을 형성하는 단계; 상기 함침된 혼합물을 분쇄하는 단계; 상기 분쇄된 혼합물을 압축하여 성형물을 형성하는 단계; 및 상기 성형물을 소결하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어서, 상기 가압함침하여 혼합물을 형성하는 단계는 온도 1,500 내지 1,700 ℃ 및 대기압 이상 100기압 이하의 압력에서 가압 함침하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어서, 상기 탄화물폼은, STD 11, STD 61, SKH 2 및 SKH 9로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 공구강계 분말, 티타늄카바이드(TiC) 및 고분자수지를 혼합하고 가압성형한 후 1,100℃ 내지 1,300℃의 온도범위의 소결 공정을 거쳐 제조됨을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어서, 상기 성형물을 소결하는 단계는 1100℃ 내지 1400℃의 온도 범위 및 1 × 10^-3 Torr 내지 1 × 10 Torr의 압력 범위에서 0.5 시간 내지 24 시간 범위 동안 유지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어서, 상기 공구강계 분말은, Fe를 포함하고, 크롬(Cr) 3 중량% 내지 25 중량%, 니켈(Ni) 0 중량% 초과 5 중량% 이하, 실리콘(Si) 0.1 중량% 내지 3.0 중량%, 망간(Mn) 0 중량% 초과 1.0 중량% 이하, 구리(Cu) 0 중량% 초과 8.0 중량% 이하 및 몰리브덴(Mo) 0 중량% 초과 3.0 중량% 이하로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에 있어서, 상기 공구강계 분말은 1.0㎛ 내지 50㎛의 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 본 발명의 공구강계 분말이 써멧 제조 공정 중에서 소결 후에 바인더 역할을 함으로써 예비성형체의 강도를 증가시킬 수 있고, 함침시 열충격 등으로 인한 예비성형체의 파손을 억제하는 효과를 가진다.

또한 본 발명에 따른 강화재 예비성형체(200)가 탄화물의 체적율이 50% 미만가 됨으로써 본 발명의 써멧의 기계적 가공이 용이하고, 압연롤 또는 가이드롤 등에 적용이 가능하며, 열처리를 통한 경도 제어가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융 가압 함침 공정의 모식도이다.
도 2는 종래의 예비성형체에 기지재를 함침하여 제조된 탄화물 체적율이 50% 이상인 써멧의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 예비성형체에 기지재를 함침하여 제조된 탄화물 체적율이 50% 미만인 써멧의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 써멧의 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 써멧의 기계적 가공 용이성을 나타내는 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 써멧의 내마모성 테스트 결과이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융 가압 함침 공정의 모식도이다.

도 1을 참조하면, 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧(100)은 강화재 예비성형체(200) 및 기지재(300)을 포함한다.

강화재 예비성형체(200)는 STD 11, STD 61, SKH 2 및 SKH 9로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 공구강계 분말, 티타늄카바이드(TiC) 및 고분자수지를 포함한다.

상기 공구강계 분말은 스테인레스 합금계를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 스테인레스 합금계는 마르텐사이트형 또는 석출경화형일 수 있다.

STD 11 및 STD 61은 합금공구강 재료로 주성분으로 Fe, C, Si, Mn, P, S, Cr, Mo, V 등을 포함한다. SKH 2 및 SKH9는 고속도강이다.

본 발명에 따른 공구강계 분말은 써멧 제조 공정 중에서 소결 후에 바인더 역할을 함으로써 예비성형체의 강도를 증가시킬 수 있고, 함침시 열충격 등으로 인한 예비성형체의 파손을 억제하는 효과를 가진다. 이로 인해 본 발명에 따른 강화재 예비성형체(200)는 50% 미만의 체적율을 갖는 탄화물폼이 채택될 수 있다. 탄화물의 체적율이 50% 미만이 될 경우 기계적 가공이 용이하고, 압연롤 또는 가이드롤 등에 적용이 가능하며, 열처리를 통한 경도 제어가 가능하다.

도 2는 종래의 예비성형체에 기지재를 함침하여 제조된 탄화물 체적율이 50% 이상인 써멧의 모식도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 예비성형체에 기지재를 함침하여 제조된 탄화물 체적율이 50% 미만인 써멧의 모식도이다.

도 2를 참조하면, 종래의 예비성형체는 강화재인 티타늄카바이드(TiC)에 고분자수지(Wax 등)가 결합되어 형성되고, 300 ℃ ~ 500 ℃에서 가소결하면 고분자수지가 제거된다. 이러한 예비성형체에 기지재를 가압 함침하면 내부에 존재하는 기공 사이에 기지재가 함침된다. 이때, 종래의 예비성형체는 내부에 존재하는 기공율이 40%가 되므로 강화재인 티타늄카바이드(TiC)의 체적율은 60%가 되고, 상기 기공 사이에 기지재가 함침되므로 기지재의 체적율은 40%가 된다. 최종적으로 강화재인 티타늄카바이드(TiC), 즉, 탄화물의 체적율이 60%가 되므로, 이로 인해 기계적 가공이 어렵고, 소결 및 함침 과정에서 예비성형체의 파손이 발생된다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 강화재 예비성형체는 STD 11, STD 61, SKH 2 및 SKH 9로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 공구강계 분말, 티타늄카바이드(TiC) 및 고분자수지를 포함한다. 일 실시예로서, 공구강계 분말 25 중량부에 대하여 티타늄카바이드(TiC) 75 중량부가 바람직하다. 이 경우 예비성형체의 체적율은 내부에 존재하는 기공율 40%, 티타늄카바이드(TiC) 40% 및 공구강계 분말 20%로 구성된다.

본 발명에 따른 강화재 예비성형체를 성형후에 1,100℃의 고온에서 소결하면 공구강계 분말이 고분자 수지(Wax 등)가 제거된 후에 예비성형체의 형상을 유지할 수 있도록 바인더 역할을 한다. 즉, 본 발명에 따른 공구강계 분말은 써멧 제조 공정 중에서 소결 후에 바인더 역할을 함으로써 예비성형체의 강도를 증가시킬 수 있고, 함침시 열충격 등으로 인한 예비성형체의 파손을 억제하는 효과를 가진다.

이어서, 상기 예비성형체에 공구강계 분말과 동일한 금속으로 이루어지고 상기 강화재 예비성형체 내부에 기지재를 가압 함침하면 기지재의 체적율이 60%가 된다. 따라서, 본 발명에 따른 강화재 예비성형체는 최종적으로 강화재인 티타늄카바이드(TiC), 즉, 탄화물의 체적율이 40%가 되므로, 기계적 가공이 용이하고, 압연롤 또는 가이드롤 등에 적용이 가능하며, 열처리를 통한 경도 제어가 가능하다는 장점이 있다.

본 발명에 따른 기지재는 온도 1,500 내지 1,700 ℃ 및 대기압 이상 100기압 이하의 압력에서 가압 함침되어 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예로서, 본 발명에 따른 탄화물폼은, STD 11, STD 61, SKH 2 및 SKH 9로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 공구강계 분말, 티타늄카바이드(TiC) 및 고분자수지를 혼합하고 가압성형한 후 1,100℃ 내지 1,300℃의 온도범위의 소결 공정을 거쳐 제조될 수 있다.

하기 표 1은 예비성형체의 소결온도에 따른 파손 정도를 나타내는 결과이다. 하기 표 1에 나타난 바와 같이, 소결온도가 1,000℃ 이하일 경우 작은 충격에도 예비성형체가 파손되는 반면, 소결온도가 1,100℃ 이상일 경우 예비성형체의 강도가 증가된다. 또한, 소결온도가 1,400℃를 초과할 경우 과소결되어 경도가 저하되는 문제가 있다.

항목	조건
온도(℃)	800	900	1000	1100	1200	1300
시간	1hr
결과	작은 충격에도 파손발생			강도 증가

본 발명에 따른 공구강계 분말은, Fe를 포함하고, 크롬(Cr) 3 중량% 내지 25 중량%, 니켈(Ni) 0 중량% 초과 5 중량% 이하, 실리콘(Si) 0.1 중량% 내지 3.0 중량%, 망간(Mn) 0 중량% 초과 1.0 중량% 이하, 구리(Cu) 0 중량% 초과 8.0 중량% 이하 및 몰리브덴(Mo) 0 중량% 초과 3.0 중량% 이하로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 이렇게 써멧에 크롬(Cr), 니켈(Ni), 실리콘(Si), 망간(Mn), 구리(Cu) 및 몰리브덴(Mo)로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 추가적으로 더 포함하면, 인장강도, 경도, 인성, 강직성, 내마모, 내충격성, 내식성 및 크립(creep) 특성 등을 향상시킬 수 있다.

상기 공구강계 분말은 1.0㎛ 내지 50㎛의 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 한다. 상기 공구강계 분말의 입자 크기가 1.0 ㎛ 미만이면, 상대적으로 기지 합금이 많아 결합상 응집(binderpool)이 발생할 수 있고, 50 ㎛를 초과하면 공구강계 분말에 대한 기지 합금의 젖음성(wettability)이 떨어져 인성이 낮아지고, 입자간 거리가 커져 입자 석출 및 분산 강화 효과(Orowan 강화)가 저하될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 써멧의 SEM 사진으로서, 탄화물 체적율이 65 ~ 70%인 종래의 써멧의 미세조직에 대한 SEM 사진과 탄화물 체적율이 40%인 본 발명의 써멧의 미세조직에 대한 SEM 사진을 나타내고 있다. 본 발명에 따른 써멧의 밀도가 6.2g/cm³로서, 종래의 써멧 밀도 5.8g/cm³ 보다 높음을 알 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧의 제조 방법은, 티타늄카바이드(TiC)에 STD 11, STD 61, SKH 2 및 SKH 9로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 공구강계 분말 및 고분자수지를 혼합하여 50% 미만의 체적율을 갖는 탄화물폼이 채택된 강화재 예비성형체를 형성하는 단계(S10); 상기 강화재 예비성형체를 성형공간에 장입하는 강화재 예비성형체 장입단계(S20); 상기 성형공간에 상기 공구강계 분말과 동일한 금속 재료로 이루어진 기지재를 제공하여 상기 강화재 예비성형체 내부에 기지재를 가압함침하여 혼합물을 형성하는 단계(S30); 상기 함침된 혼합물을 분쇄하는 단계(S40); 상기 분쇄된 혼합물을 압축하여 성형물을 형성하는 단계(S50); 및 상기 성형물을 소결하는 단계(S60)를 포함할 수 있다.

여기서 S10단계에 따른 강화재 예비성형체를 형성하는 단계는 티타늄카바이드(TiC)에 STD 11, STD 61, SKH 2 및 SKH 9로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 공구강계 분말 및 고분자수지를 혼합하여 형성된 탄화물폼이 채택된다. 특히, 상기 탄화물폼은, STD 11, STD 61, SKH 2 및 SKH 9로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 공구강계 분말, 티타늄카바이드(TiC) 및 고분자수지를 혼합하고 가압성형한 후 1,100℃ 내지 1,300℃의 온도범위의 소결 공정을 거쳐 제조됨을 특징으로 한다.

상기 공구강계 분말은, Fe를 포함하고, 크롬(Cr) 3 중량% 내지 25 중량%, 니켈(Ni) 0 중량% 초과 5 중량% 이하, 실리콘(Si) 0.1 중량% 내지 3.0 중량%, 망간(Mn) 0 중량% 초과 1.0 중량% 이하, 구리(Cu) 0 중량% 초과 8.0 중량% 이하 및 몰리브덴(Mo) 0 중량% 초과 3.0 중량% 이하로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 공구강계 분말은 1.0㎛ 내지 50㎛의 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 한다.

그리고, S30단계에 따른 가압함침하여 혼합물을 형성하는 단계는 온도 1,500 내지 1,700 ℃ 및 대기압 이상 100기압 이하의 압력에서 가압 함침하는 것을 특징으로 한다.

다음으로, S40단계에 따른 함침된 혼합물을 분쇄하는 단계는 분쇄 용기에서 분쇄할 수 있다.

상기 분쇄는 건식 분쇄 또는 습식 분쇄하는 것일 수 있으며, 상기 건식 분쇄는 건식 볼밀, 건식 제트밀 단계를 포함하고, 상기 습식 분쇄는 초음파, 습식 볼밀, 습식 제트밀 단계를 포함할 수 있다. 대표적으로 볼 밀링을 수행할 수 있다. 상기 볼 밀링은 공구강(tool steel), 스테인레스강(stainless steel), 초경합금(cemented carbide), 질화규소(silicon nitride), 알루미나(alumina) 및 지르코니아(zirconia) 등에서 선택되는 재질의 볼 밀링 용기(jar)와 이들 중에서 선택되는 재질의 볼을 사용하여 수행할 수 있다. 볼은, 예를 들어, 5 내지 30 mm의 직경인 것을 사용할 수 있는데, 모두 같은 크기를 갖는 것을 사용하거나 2가지 이상의 크기를 가지는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 또한, 볼 밀링 용기에 투입되는 혼합물과 볼의 비율은 중량비로 1 : 1 내지 1 : 100 범위가 되도록 할 수 있다. 혼합물과 볼의 중량비가 1:1 미만일 경우, 볼과 볼 밀링 용기의 마모에 의해 혼입되는 불순물의 양이 필요 이상으로 증가할 수 있고, 1 : 100을 초과하는 경우, 밀링 효과가 저하되어 균일한 혼합체 제조가 어려울 수 있다. 구체적으로, 볼 밀링은 볼 밀링 용기에 에틸알콜 및 헵탄(유기용매) 등을 충진한 후 쉐이커 밀(shaker mill), 진동 밀(vibratory mill), 유성 밀(planetary mill) 또는 어트리터 밀(attritor mill)을 포함할 수 있다. 상기 볼 밀링의 종류 중에서 볼이 들어 있는 용기가 공전과 자전을 동시에 수행함으로써 볼의 충돌에너지를 극대화시켜 분말을 더욱 미세하게 만들 수 있으며 입자크기를 고르게 해주는 유성 밀을 이용하여 수행할 수 있다. 여기서, 볼 밀링 용기에 에틸알콜을 충진하는 이유는 밀링 중 공기중의 산소에 의한 분말의 산화를 막기 위함이다.

분쇄 단계 이후에, 채를 사용하여 볼을 분리시키고, 에틸알콜을 증발시키기 위해 히터와 같은 외부의 별도 열원을 통해 가열을 하여, 육안으로 에틸알콜이 모두 증발된 것이 확인되면 분말이 타는 것을 방지하도록 열원을 즉시 제거 후 잔열로 건조하는 고정을 추가로 수행할 수 있다. 이처럼 건조된 분말은, 스펀지 형태를 띄게 되며 뭉쳐지게 되는데, 이를 분쇄기나 막자사발 등에 넣어 분쇄시키고, 분쇄된 분말은 진공건조기에 넣어, 예를 들어, 65℃이상의 온도에서 4 시간 이상 건조시킨 후, 63 ㎛의 채눈을 가진 채로 걸러내어 분쇄 분말을 확보할 수 있다.

다음으로 S50단계에 따른 압축 성형 단계는 볼 밀링으로 합성한 분말 (결과물)을 회수하여 정해진 형상으로 성형하여 성형체를 형성하는 것일 수 있다. 압축 성형기의 금형 벽면에 윤활성을 향상시키기 위하여 윤활제로서, 예를 들어, 스테아린산 아연(zinc stearate)을 도포할 수 있다. 그리고, 상기 분말은, 예를 들어, 증류수 1 l에 폴리비닐알콜(PVA) 또는 이소프로필알콜(IPA) 50 g을 용해한 결합제와 혼합할 수 있는데, 상기 결합제는 압착 성형하고자 하는 분말 중량의 2.5 내지 3중량%를 혼합할 수 있다. 그 이유는, 결합제가 2.5 중량%미만인 경우, 성형이 잘 되지 않고, 반대로 3 중량% 초과인 경우 결합제가 성형체 외부로 흘러나오게 되기 때문이다. 이처럼, 결합제를 잘 혼합한 분말은 정량을 취하여 압착 성형기의 금형 내부에 넣은 후, 예를 들어, 50 MPa의 압력을 가함으로써, 분말 성형체를 압착 성형할 수 있다. 50 MPa보다 압력이 낮을 경우에는 밀도가 낮아지기 때문에 원하고자 하는 밀도의 물성을 얻을 수 없으며, 50 MPa 보다 압력이 높을 경우에는 밀도는 높아지나 과하중이 부하되어 도리어 성형체 내부에 균열 등이 일어나기 쉽다.

그리고, S60단계에 따른 성형물을 소결하는 단계는 1,100℃ 내지 1,400℃의 온도 범위 및 1 × 10^-3 Torr 내지 1 × 10 Torr의 압력 범위에서 0.5 시간 내지 24 시간 범위 동안 유지하는 것을 특징으로 한다. 소결 시, 소결 온도가 1100℃ 미만, 소결 압력이 1 × 10^{- 3}Torr 미만, 소결 시간이 0.5 시간 미만이면, 충분한 소결 효과를 얻을 수 없고, 소결 온도가 1400℃ 초과, 소결 압력이 1 × 10 Torr 이상, 소결 시간이 24 시간을 초과하면, 과소결되어 TiC 의 입자가 비정상적 입자성장이 일어나기 때문에 소결체의 경도 및 꺽임강도의 물성도 함께 저하되게 된다.

이와 같은 본 발명에 따른 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧을 이용한 기계적 가공 용이성 및 내마모성을 아래와 같이 평가하였다. 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 써멧의 기계적 가공 용이성을 나타내는 사진이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 써멧의 내마모성 테스트 결과이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 써멧은 로크웰 경도 HRC가 48이고, 탄화물 체적율이 65~70%인 종래의 써멧은 HRC가 60으로서, 본 발명은 가공이 용이한 반면, 종래의 써멧은 높은 탄화물의 영향으로 기계 가공이 어렵고, 인서트 및 가공 바이트 파손이 발생된다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 탄화물 체적율과 동일한 분말야금재와 대비하여 내마모성을 비교 테스트한 결과, 내마모성이 30% 이상 향상됨을 확인할 수 있었다.

결국, 본 발명에 따르면, 본 발명의 공구강계 분말이 써멧 제조 공정 중에서 소결 후에 바인더 역할을 함으로써 예비성형체의 강도를 증가시킬 수 있고, 함침시 열충격 등으로 인한 예비성형체의 파손을 억제하는 효과를 가진다.

또한 본 발명에 따른 강화재 예비성형체가 탄화물의 체적율이 50% 미만이 됨으로써 본 발명의 써멧의 기계적 가공이 용이하고, 압연롤 또는 가이드롤 등에 적용이 가능하며, 강화재의 체적율이 50% 이하인 써멧은 1,050℃의 온도에서 열처리를 수행할 경우 HRC 68~70으로 제어가 가능하며 탬퍼링(200℃)을 통한 더 낮은 경도 제어가 가능하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

실시예

용융가압함침 공정으로 TiC복합재를 제조하기 위하여 25% SKD11+75% TiC 중량%를 혼합하여 전체 프리폼 제작을 위한 혼합분말을 조성하였다. 그리고 스테인레스 볼좌에 혼합분말과 헵탄(heptane)을 충진하여 볼밀 공정을 수행하였다. 볼밀 공정 수행 후 바인더 추가를 위한 왁스를 추가하여 건조 공정을 수행하였으며 균일한 분말 회수를 위하여 60 mesh의 체를 이용하여 시빙을 수행하였다. 회수한 분말을 바탕으로 단압 프레스를 활용하여 체적율 60%의 프리폼을 성형하였으며, 성형시 필요했던 바인더인 왁스를 제거하고 프리폼의 성형강도 유지를 위하여 진공 탈지로를 이용하여 1,100℃에서 성형 크기에 따라 유지시간을 1시간~5시간 유지하여 탈지 및 가소결 공정을 수행하였다. 이후 프리폼 및 기지재를 활용하여 지르코니아 몰드에 장입하여 용융가압함침장비에 장입하였다. 장입 후 5X10^{- 2}Torr의 진공분위기, 1,600℃의 온도까지 승온하여 Ar gas를 활용하여 10bar까지 가압을 준 후 1분을 유지 후 용융가압함침장비 내에서 상온까지 12시간 동안 냉각시켰다.

상기 함침된 혼합물을 분쇄하고, 분쇄된 혼합물을 압축하여 성형물을 형성하고, 상기 성형물을 소결하여, 그 결과 밀도 6.2~6.4g/cm³를 가지는 함침재를 제조하였다.

비교예

100%TiC 분말을 활용하여 프리폼을 제조하였으며, 나머지 조건은 실시예와 동일하게 실시하여 밀도 5.9g/cm³의 함침재를 제조하였다.

한편, 이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (11)

1. STD 11, STD 61, SKH 2 및 SKH 9로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 공구강계 분말, 티타늄카바이드(TiC) 및 고분자수지를 포함하고 50% 미만의 체적율을 갖는 탄화물폼이 채택된 강화재 예비성형체; 및
   상기 공구강계 분말과 동일한 금속으로 이루어지고, 상기 강화재 예비성형체 내부에 가압 함침되어 형성된 기지재;
   를 포함하고,
   상기 강화재 예비성형체는 상기 공구강계 분말과 티타늄카바이드(TiC)를 중량비 25:75의 비율로 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 기지재는 온도 1,500 내지 1,700 ℃및 대기압 이상 100기압 이하의 압력에서 가압 함침되어 형성되는 것을 특징으로 하는 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 탄화물폼은,
   STD 11, STD 61, SKH 2 및 SKH 9로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 공구강계 분말, 티타늄카바이드(TiC) 및 고분자수지를 혼합하고 가압성형한 후 1,100℃내지 1,300℃의 온도범위의 소결 공정을 거쳐 제조됨을 특징으로 하는 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 공구강계 분말은,
   Fe를 포함하고, 크롬(Cr) 3 중량% 내지 25 중량%, 니켈(Ni) 0 중량% 초과 5 중량% 이하, 실리콘(Si) 0.1 중량% 내지 3.0 중량%, 망간(Mn) 0 중량% 초과 1.0 중량% 이하, 구리(Cu) 0 중량% 초과 8.0 중량% 이하 및 몰리브덴(Mo) 0 중량% 초과 3.0 중량% 이하로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 공구강계 분말은 1.0㎛ 내지 50㎛의 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧.
   
6. 티타늄카바이드(TiC)에 STD 11, STD 61, SKH 2 및 SKH 9로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 공구강계 분말 및 고분자수지를 혼합하여 50% 미만의 체적율을 갖는 탄화물폼이 채택된 강화재 예비성형체를 형성하는 단계;
   상기 강화재 예비성형체를 성형공간에 장입하는 강화재 예비성형체 장입단계;
   상기 성형공간에 상기 공구강계 분말과 동일한 금속 재료로 이루어진 기지재를 제공하여 상기 강화재 예비성형체 내부에 기지재를 가압 함침하여 혼합물을 형성하는 단계;
   상기 가압 함침된 혼합물을 분쇄하는 단계;
   상기 분쇄된 혼합물을 압축하여 성형물을 형성하는 단계; 및
   상기 성형물을 소결하는 단계;
   를 포함하고,
   상기 강화재 예비성형체는 상기 공구강계 분말과 티타늄카바이드(TiC)를 중량비 25:75의 비율로 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧의 제조 방법.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 혼합물을 형성하는 단계는 온도 1,500 내지 1,700 ℃및 대기압 이상 100기압 이하의 압력에서 가압 함침하는 것을 특징으로 하는 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧의 제조 방법.
   
8. 제6항에 있어서, 상기 탄화물폼은,
   STD 11, STD 61, SKH 2 및 SKH 9로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 공구강계 분말, 티타늄카바이드(TiC) 및 고분자수지를 혼합하고 가압성형한 후 1,100℃내지 1,300℃의 온도범위의 소결 공정을 거쳐 제조됨을 특징으로 하는 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧의 제조 방법.
   
9. 제6항에 있어서,
   상기 성형물을 소결하는 단계는 1100℃내지 1400℃의 온도 범위 및 1 × 10^-3 Torr 내지 1 × 10 Torr의 압력 범위에서 0.5 시간 내지 24 시간 범위 동안 유지하는 것을 특징으로 하는 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧의 제조 방법.
   
10. 제6항에 있어서, 상기 공구강계 분말은,
    Fe를 포함하고, 크롬(Cr) 3 중량% 내지 25 중량%, 니켈(Ni) 0 중량% 초과 5 중량% 이하, 실리콘(Si) 0.1 중량% 내지 3.0 중량%, 망간(Mn) 0 중량% 초과 1.0 중량% 이하, 구리(Cu) 0 중량% 초과 8.0 중량% 이하 및 몰리브덴(Mo) 0 중량% 초과 3.0 중량% 이하로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧의 제조방법.
    
11. 제6항에 있어서,
    상기 공구강계 분말은 1.0㎛ 내지 50㎛의 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 탄화물 체적율이 제어된 내마모용 써멧의 제조방법.

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