KR102120015B1 - 나노 다이아몬드 분말 및 금속 분말을 이용한 금속 매트릭스 소결체 및 이의 제조방법 - Google Patents
나노 다이아몬드 분말 및 금속 분말을 이용한 금속 매트릭스 소결체 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 나노 다이아몬드 분말 및 금속 분말을 이용한 금속 매트릭스 소결체로서, 상기 금속 분말은 Na, Mg, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Pd, Pt, W, Mo 및 이를 포함하는 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것이고, 상기 금속 매트릭스 소결체는 금속 매트릭스에 다이아몬드가 분포된 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 분말 및 금속 분말을 이용한 금속 매트릭스 소결체 및 이의 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 내마모성이 우수한 금속 매트릭스 소결체에 관한 것으로서, 나노 다이아몬드 분말과 금속 분말을 포함하는 금속 매트릭스 소결체가 금속 매트릭스에 다이아몬드가 분포된 형태를 이룸으로써, 기존의 합금공구강에 비해 더욱 향상된 내마모성과 경도(Hardness)를 가져 절삭공구와 같이 높은 내마모성과 경도(Hardness)를 요하는 공구에 사용하기에 적합하며 이에 따라 공구의 수명을 향상시킬 수 있는 금속 매트릭스 소결체에 관한 것이다.
합금이란 금속의 물성을 개선하기 위해, 이종의 금속이나 다른 원소를 첨가하여 얻어진 금속성의 물질을 의미한다.
인간생활이 복잡화되고 고도화됨에 따라, 합금은 요구되는 물성에 맞게 다양한 형태로 연구되어 왔으며, 현재에도 새로운 물성과 더 개선된 물성을 구현하기 위한 합금을 개발하기 위한 노력이 계속되고 있다.
합금 중에서도 우수한 강도와 내구성, 내식성 등의 물성으로 인해 일상 생활에서 쉽게 접할 수 있는 합금이 강철이라 불리우는 스테인리스 스틸(Stainless Steel)인데, 건물, 건축의 구조강으로 활용되거나, 공구의 재료로서 널리 활용되고 있다.
공구는 일반적으로, 어떠한 대상을 제작하거나, 기계를 조립, 분해 등을 하기 위해 사용되는 도구이므로, 피가공물과의 접촉 또는 다른 공구와의 접촉이 많은 물건이다.
이러한 공구는 사용횟수가 증가할 때마다, 마찰에 의한 마모, 변성 등이 일어나게 되고, 이는 공구의 수명 뿐만아니라, 피가공물의 품질과 작업시간, 작업효율성에도 직결되는 문제여서, 합금, 강철 등을 이용하여, 더 향상된 물성의 공구를 개발하고자 노력해 왔다.
강철 내의 탄소 함량을 달리 구성하거나, 추가되는 금속 원소의 함량, 비율 등을 달리하여 다양한 합금 및 복합소재가 개발되어 왔으며, 상용화되었으나, 대부분 수입 합금강을 활용하고 있는 점에서 국내외의 수요를 대체할 수 있는 새로운 공구용 소재에 관한 연구는 지속되고 있는 실정이다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0017020호는 다이아몬드-금속 복합분말의 제조방법에 관한 것으로서, 폴리머 소재를 이용한 복합분말을 제조하고 이를 이용하여 공구소재를 이용하는 기술에 대해서 개시하고 있다.
다만, 본 기술에서는 다이아몬드와 금속 분말을 폴리머소재를 이용하여 슬러리를 제조하는 과정을 포함하고 있어서, 나노 다이아몬드 분말을 금속 분말과 볼밀링하여 얻어지는 혼합분말을 소결함으로써, 우수한 내마모성과 경도를 가지는 금속 매트릭스 소결체 및 이의 제조방법에 관해서는 개시하고 있지 않다.
대한민국 등록특허 제10-1457066호는 다결정 다이아몬드 소결체에 관한 것으로서, 절삭 공구 재료로 이용되는 다결정 다이아몬드 소결체의 크랙을 최소화하는 기술에 관한 것이다.
본 기술은 초경층, 다결정 다이아몬드층 및 인성부를 구성한 소결체 구조를 개시하고 있을 뿐, 본 발명과 같이 금속 매트릭스에 다이아몬드가 분포된 형태의 금속 매트릭스 소결체에 관한 기술을 개시되어 있지 않다.
본 발명의 발명자들은 이러한 연구를 거듭한 끝에, 신규한 금속 매트릭스 소결체가 내마모성이 우수하여 마모성 공구에 사용하기에 적합한 물성을 가지는 것을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 기존의 공구강에 비해 더욱 향상된 내마모성과 경도(Hardness)를 가지는 금속 매트릭스 소결체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 절삭공구, 금형, 프레스와 같이 반복적인 마찰에 의해 마모되기 쉬운 공구에 적용함으로써, 공구의 수명을 향상시킬 수 있는 금속 매트릭스 소결체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 나노 다이아몬드 분말 및 금속 분말을 이용한 금속 매트릭스 소결체에 있어서, 나노 다이아몬드 분말은 평균 직경이 0.1 내지 50 nm(나노미터)이고, 금속 분말은 Fe과 Al을 포함하는 합금을 포함하는 것으로 평균 직경이 10 내지 300 ㎛(마이크로미터)이며, 금속 매트릭스 소결체는 금속 매트릭스에 다이아몬드가 분포된 형태를 이루는 것으로 나노 다이아몬드 분말과 금속 분말을 볼밀(Ball mill)하여 혼합한 혼합분말을 소결한 것이고, 혼합분말은 혼합분말의 전체 부피를 기준으로 나노 다이아몬드 1 내지 30 vol% 및 금속 분말 70 내지 99 vol%를 포함하되,
상기 금속 매트릭스 소결체는 i)600℃의 온도 조건 및 250 MPa(메가파스칼)의 압력 조건 또는 ii)1000℃의 온도 조건 및 50 MPa의 압력 조건으로 방전 플라즈마 소결법(SPS, Spark Plasma Sintering)으로 소결한 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 나노 다이아몬드 분말은 평균 직경이 1 내지 20 nm(나노미터)이고, 상기 금속 분말은 평균 직경이 50 내지 200 ㎛(마이크로미터)인 것일 수 있다.
또한 상기 금속 분말은 합금공구강이고, 상기 합금공구강은 SKS, SKD, SKT, STS, STD 및 STF로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 금속 매트릭스 소결체는 절삭공구, 금형 및 프레스로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 공구인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 나노 다이아몬드 분말 및 금속 분말을 이용한 금속 매트릭스 소결체는,
(a) 나노 다이아몬드 분말과 금속 분말을 혼합한 후 밀링하여 혼합분말을 얻는 단계; 및
(b) 상기 (a) 단계에서 얻어진 혼합분말을 소결하여 금속 메트릭스 소결체를 얻는 단계;를 포함하여 제조된 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 (a) 단계는 상기 혼합분말 전체 부피를 기준으로 나노 다이아몬드 분말 1 내지 30 vol%와 금속 분말 99 내지 70 vol%를 혼합하여 고에너지 볼밀링(High-Energy Ball Milling)하여 혼합분말을 얻는 것을 특징으로 한다.
상기 금속 매트릭스 소결체는 i)600℃의 온도 조건 및 250 MPa(메가파스칼)의 압력 조건 또는 ii)1000℃의 온도 조건 및 50 MPa의 압력 조건으로 방전 플라즈마 소결법(SPS, Spark Plasma Sintering)으로 소결한 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 나노 다이아몬드 분말은 평균 직경이 1 내지 20 nm(나노미터)이고, 상기 금속 분말은 평균 직경이 50 내지 200 ㎛(마이크로미터)인 것일 수 있다.
또한 상기 금속 분말은 합금공구강이고, 상기 합금공구강은 SKS, SKD, SKT, STS, STD 및 STF로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 금속 매트릭스 소결체는 절삭공구, 금형 및 프레스로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 공구인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 나노 다이아몬드 분말 및 금속 분말을 이용한 금속 매트릭스 소결체는,
(a) 나노 다이아몬드 분말과 금속 분말을 혼합한 후 밀링하여 혼합분말을 얻는 단계; 및
(b) 상기 (a) 단계에서 얻어진 혼합분말을 소결하여 금속 메트릭스 소결체를 얻는 단계;를 포함하여 제조된 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 (a) 단계는 상기 혼합분말 전체 부피를 기준으로 나노 다이아몬드 분말 1 내지 30 vol%와 금속 분말 99 내지 70 vol%를 혼합하여 고에너지 볼밀링(High-Energy Ball Milling)하여 혼합분말을 얻는 것을 특징으로 한다.
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이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 금속 매트릭스 소결체는 기존의 공구강에 비해 더욱 향상된 내마모성과 경도(Hardness)를 가지는 특징이 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 금속 매트릭스 소결체를 절삭공구와 같이 마모되기 쉬운 공구에 적용함으로써, 공구의 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 특히, 공구의 제조가격 대비 수명을 크게 향상시킴으로써, 공구를 이용한 공정의 생산성이 높아지는 효과가 있다.
도 1은 실시예와 비교예의 시편을 촬영한 이미지이다.
도 2는 실시예와 비교예의 마찰계수 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예와 비교예의 마모 부피 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예와 비교예의 경도(Hardness) 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예와 비교예의 미세구조를 촬영한 SEM 이미지이다.
도 2는 실시예와 비교예의 마찰계수 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예와 비교예의 마모 부피 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예와 비교예의 경도(Hardness) 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예와 비교예의 미세구조를 촬영한 SEM 이미지이다.
이하에서, 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.
본 발명에 따른 나노 다이아몬드 분말과 금속 분말을 포함하는 금속 매트릭스 소결체는 상기 금속 분말은 Na, Mg, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Pd, Pt, W, Mo 및 이를 포함하는 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하고, 상기 금속 매트릭스 소결체는 금속 매트릭스에 다이아몬드가 분포된 형태를 이루는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 금속 매트릭스 소결체는 금속 분말에 나노 다이아몬드 분말을 소결하여 얻어진 복합재료이다. 본 발명에 따른 금속 매트릭스 소결체는 소결한 후 얻어진 최종 산물이 금속 매트릭스에 다이아몬드가 분포된 형태를 이루고 있다.
본 발명에 따른 금속 매트릭스 소결체의 구체적인 형태는, 금속 매트릭스에 나노 다이아몬드강 분포된 형태이면 구체적인 분포형태와는 무관하게 적용이 가능하다.
바람직하게는, 금속 매트릭스에 다이아몬드가 분포된 형태는 나노 다이아몬드가 결정이 금속 사이사이에 분포되어 있는 형태를 의미할 수 있고, 예를 들면, 도 5의 실시예1의 SEM 이미지와 같은 형태를 가질 수 있다.
본 발명의 금속 매트릭스 소결체는 공구 재료로서 적합한 특성을 가지며, 특히, 절삭공구, 금형, 프레스와 같은 반복적인 마찰에 의한 마모가 일어나기 쉬운 공구에 적용하면 내마모성과 경도(Hardness)가 우수하여 해당 공구에 의해 얻어진 작업물의 품질향상과 공구의 수명이 향상되는 효과가 있다.
가공용 공구의 제작에는 공구강이라는 강철 소재를 사용하는데, 공구강은 대표적으로 탄소공구강과 합금공구강으로 나눌 수 있다. 탄소공구강과 합금공구강은 모두 탄소를 일정량 포함하는데, 탄소공구강은 0.6 내지 1.5%의 고탄소강으로서, 내마모성과 절삭능력이 우수하다. 합금공구강은 탄소공구강에 Cr(크로뮴), W(텅스텐), Ni(니켈), V(바나듐) 등의 금속을 용도에 따라 적절히 첨가한 것을 지칭한다.
본 발명은 특히, 시중의 공구 재료로 사용되어 온 금속이나 합금 분말을 활용하되, 나노 다이아몬드 분말을 첨가하여 소결하여 얻어진다. 이에 따라, 본 발명에 따른 금속 매트릭스 소결체는 공구를 제작하는데 적합한 특성을 가진다.
본 발명에 있어서, 바람직한 일 실시예에서는, 상기 금속 분말이 Fe, Al 및 이를 포함하는 합금들로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 상기 금속 분말이 합금공구강으로 구성될 수 있다.
상기 합금공구강은, 예를 들어, SKS, SKD, SKT, STS, STD 및 STF로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 상기 예시의 합금공구강은 KS 규격에 의한 기계재료 표시기호에 따른 것이다.
구체적으로, 상기 SKS(Steel Kogu Special)는 SKS11, SKS2, SKS3, SKS31 등을 비롯한 다양한 종류의 SKS계열의 합금공구강을 통칭하며, 상기 SKD(Steel Kogu Dies)는 SKD1, SKD2, SKD11 등을 비롯한 다양한 종류의 SKD계열의 합금공구강을 통칭한다. 상기 SKT(Steel Kogu Tanjo) 또한, SKT3, SKT4 등을 비롯한 다양한 종류의 SKT계열의 합금공구강을 통칭하고, 상기 STS(Stainless Steel, Steel Tool Special), STD(Steel Tool Die), STF(Steel Tool Forging) 또한 마찬가지로, 동일계열의 합금공구강을 통칭하는 의미로 사용되었다.
본 발명은 상기와 같이 합금공구강 뿐만 아니라, Al(알루미늄) 금속 분말도 사용할 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 나노 다이아몬드 분말은 시중에서 금속 표면 강화를 위해 사용되는 다이아몬드 분말과는 달리, 분말의 평균 직경이 나노미터 사이즈에 이르는 것을 의미한다. 구체적으로는, 0.1 내지 50 nm(나노미터)이고, 바람직하게는, 1 내지 20 nm(나노미터)의 평균 직경을 가지는 것이 바람직하다.
상기 평균 직경보다 큰 사이즈를 가지는 경우에는, 본 발명의 금속 매트릭스 소결체에 포함되는 금속 분말과 동일한 금속(합금)과 대비하여 경도(Hardness)와 인성(Toughness)이 큰 차이가 없는 문제가 있고, 특히, 나노 다이아몬드 분말과 금속 분말의 볼밀(Ball mill)공정을 통해 얻어진 혼합분말을 소결할 때, 소결체의 생성이 어려운 단점이 있다.
상기 평균 직경보다 작은 사이즈를 가지는 경우에는, 나노 다이아몬드 분말의 제조단가가 크게 증가하거나 시중에서 쉽게 구할 수 없는 단점이 있어, 최종적으로는 공구의 제조비용이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명의 금속 매트릭스 소결체에 포함되는 상기 금속 분말은 평균 직경이 10 내지 300㎛(마이크로미터)인 것일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 50 내지 200 ㎛(마이크로미터)인 것일 수 있다.
상기 평균 직경보다 큰 금속 분말을 사용하는 경우에는, 소결하여 얻어진 금속 매트릭스 소결체 내에서 나노 다이아몬드의 분산성이 떨어져, 내마모성과 경도의 개선도가 저하되는 문제가 있고, 상기 평균 직경보다 작은 금속 분말을 사용하는 경우에는, 작은 직경의 금속 분말을 제조하기 위해 추가 공정을 수행하거나, 고운 분말로 제조하기 위한 고가의 장비가 필요함에 따라 제조단가가 증가되는 문제가 있다.
본 발명의 금속 매트릭스 소결체는 나노 다이아몬드 분말과 금속 분말을 포함하되, 상세하게는 나노 다이아몬드 분말과 금속 분말의 볼밀(Ball mill)공정을 통해 얻어진 혼합분말을 소결하여 얻어진 것이다. 구체적으로, 상기 혼합분말은 혼합분말의 전체 부피를 기준으로 나노 다이아몬드 1 내지 30 vol% 및 금속 분말 99 내지 70 vol%를 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는, 나노 다이아몬드 3 내지 25 vol%와 금속 분말 97 내지 75vol%를 포함하는 혼합분말일 수 있다.
상기 함량보다 나노 다이아몬드의 함량이 적은 경우에는 금속 분말의 원재료 금속(합금)과 비교하여 내마모성과 경도의 차이가 크지 않아 나노 다이아몬드를 첨가하는 효과가 없는 문제가 있고, 상기 함량보다 나노 다이아몬드의 함량이 과다한 경우에는 제조단가가 올라가는 문제가 있다.
상술한 본 발명에 따른 금속 매트릭스 소결체를 이용하여 다양한 공구를 제작할 수 있으며, 특히, 마찰이 잦아 마모되기 쉬운 공구로 제조하는 경우, 내마모성이 커서 사용기간이나 횟수에 대비하여 마모가 잘 되지 않아 공구의 수명이 향상되며, 경도 또한 우수하며, 공구의 기능저하 없이 장기간 동안 사용할 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 상기 공구는 절삭공구, 금형 및 프레스로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 공구로 제작하기에 적합하다.
보다 상세하게는, 상기 절삭공구는 금속, 비금속, 복합재료를 절삭(Cutting)하는 공구로서, 절삭 대상물과의 마찰 및 절삭공구끼리의 마찰에 의해 마모되기 쉬운 공구인 바, 본 발명의 금속 매트릭스 소결체로 제작될 수 있다. 상기 금형(Mold)는 금속으로 만든 거푸집으로서, 동일한 윤곽의 다수의 제품을 제조하기 위한 형틀을 말한다. 금형이나 프레스는 한 쌍의 금형 또는 하나의 금형(프레스)과 다이(Die)를 두고 그 사이에 피성형물을 넣은 후에 압착하는 공정에 이용되기 때문에 반복적인 마찰이 일어나므로 마모되기 쉬운 공구여서, 본 발명과 같이 내마모성의 금속 매트릭스 소결체로 제작하기에 적합하다.
한편, 본 발명에 따른 금속 매트릭스 소결체의 제조방법은, (a) 나노 다이아몬드 분말과 금속 분말을 혼합한 후 밀링하여 혼합분말을 얻는 단계 및 (b) 상기 (a) 단계에서 얻어진 혼합분말을 소결하여 소결체를 얻는 단계를 포함한다.
상기 금속 매트릭스 소결체의 제조방법에 관한 기술 구성은 상술한 금속 매트릭스 소결체의 기술 구성을 참고할 수 있다.
상기 금속 매트릭스 소결체의 제조방법에 있어서, 나노 다이아몬드 분말과 금속 분말은 이를 혼합한 상태에서 밀링하는 공정을 거침으로써, 더 고운 분말로 형성됨과 동시에 균일하게 혼합된다.
구체적으로, 상기 (a) 단계는 상기 혼합분말 전체 부피를 기준으로 나노 다이아몬드 분말 1 내지 30 vol%와 금속 분말 99 내지 70 vol%를 혼합하여 고에너지 볼밀링(High-Energy Ball Milling)하여 혼합분말을 얻는 것일 수 있다.
상기 고에너지 볼밀링은 고에너지 볼밀링 장치를 이용하여 수행되는데 볼밀링 장치와 마찬가지로 장치 내부의 볼과 피분쇄물의 마찰에 의해 피분쇄물을 분쇄하되, 보다 빠른 속도로 분쇄하는 것이 가능하며, 특히, 고에너지 볼밀링 장치의 경우, 초고온이 아닌 온도 조건에서도 금속이나 세라믹 등의 고상을 기계적을 활성화시킬 수 있는 특징을 가진다.
본 발명에서도, 나노 다이아몬드 분말과 금속 분말을 혼합한 상태에서 고에너지 볼밀링함으로써, 소결 전에 혼합형성체를 형성하여 소결 후에 더욱 견고하고 물성이 우수한 금속 매트릭스 소결체로 제조된다.
한편, 상기 (b) 단계는 400 내지 1200℃의 온도 조건 및 50 내지 700 mPa(메가파스칼)의 압력 조건에서 방전 플라즈마 소결법(SPS, Spark Plasma Sintering)으로 소결하여 소결체를 얻는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 온도 조건은 500 내지 700℃일 수 있고, 상기 압력 조건은 50 내지 300mPa(메가파스칼)일 수 있다.
상기 온도 조건과 압력 조건을 만족하도록 제조된 금속 매트릭스 소결체가 가장 마찰계수가 낮아 윤활성이 높고, 이에 따라, 금속 매트릭스 소결체의 내마모성이 우수하며, 경도가 우수한 특성을 가진다.
한편, 상기 온도보다 높은 온도에서 소결되는 경우에는, 내마모성이 다소 떨어지는 문제가 있고, 상기 온도보다 낮은 온도에선 소결되는 경우에는, 소결체가 무르거나, 소결체가 형성되지 않는 문제가 있다.
특히, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 금속 매트릭스 소결체가 금속 매트릭스에 다이아몬드가 분포된 형태를 가지기 위해서는, 상기의 온도 조건 범위에서 소결되어야 하며, 이보다 고온에서 소결되는 경우에는, 금속 매트릭스에 다이아몬드가 존재하지 않는 문제가 있다.
상기 (b) 단계의 소결 공정은 어떠한 소결방법을 사용하더라도 무방하나, 바람직하게는, 방전 플라즈마 소결법(SPS, Spark Plasma Sintering)으로 소결하여 얻어진 것일 수 있다. 고압조건의 소결장치 내에 대상물을 넣고 전류를 흘려 넣어 방전 현상에 의해 소결하는 대상물을 소결하는 방법으로서, 단시간 내에 소결이 이루어지는 장점을 가지는 소결법이다. 본 발명은 이와 같은 소결법을 이용함으로써, 단시간 내에 치밀한 금속 매트릭스를 형성할 수 있다.
이하에서는, 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명한다. 이는, 본 발명의 일 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 이에 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
나노 다이아몬드 분말(평균직경:10nm) 20 vol%, SKD11 분말(평균직경:100㎛) 80 vol%을 고에너지 볼밀링 머신에 넣고, 약 160분간 360의 속도로 밀링하여, 혼합분말을 얻었다.
얻어진 혼합분말을 방전 플라즈마 소결장치(fuji electronic industrial. co)에 넣고 소결조건을 600℃, 250 mPa(진공)으로 하여 약 5 분간 소결함으로써 실시예의 시편을 제조하였다.
실시예 2
실시예 1에서, 소결조건을 1000℃, 50 mPa로 한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
비교예
1
실시예 1에서, 나노 다이아몬드 분말 대신 SKD11 분말을 20vol% 첨가하고, 소결조건을 1000℃, 50 mPa로 한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
비교예
2
실시예 1에서, 나노 다이아몬드 분말 20vol%, SKD11 분말 80vol% 대신 각각 50 vol%로 첨가한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
비교예 3
실시예 1에서, 나노 다이아몬드 분말 20vol%, SKD11 분말 80vol% 대신 각각 80 vol%와 20vol%로 첨가한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
비교예 4
실시예 2에서, 나노 다이아몬드 분말 20vol%, SKD11 분말 80vol% 대신 각각 50 vol%로 첨가한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
비교예 5
실시예 2에서, 나노 다이아몬드 분말 20vol%, SKD11 분말 80vol% 대신 각각 80 vol%와 20vol%로 첨가한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
비교예 6
비교예 5에서, 소결조건을 800℃, 50 mPa로 한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 시편을 제조하였다.
실험예 1
실시예와 비교예의 시편을 이미지로 촬영하여 도 1에 도시하고, 소결체 형성여부(색, 형태 등)를 평가하여 하기 표 1에 도시하였다.
| 구분 | Mixing 비율(vol%) | 소결조건 | 소결상태 | ||
| 나노다이아몬드 | 금속 분말 | 온도(℃) | 압력(mPa) | ||
| 실시예 1 | 20 | 80 | 600 | 250 | ◎ |
| 실시예 2 | 20 | 80 | 1000 | 50 | ◎ |
| 비교예 1 | 0 | 100 | 1000 | 50 | ◎ |
| 비교예 2 | 50 | 50 | 600 | 250 | ○ |
| 비교예 3 | 80 | 20 | 600 | 250 | X |
| 비교예 4 | 50 | 50 | 1000 | 50 | ○ |
| 비교예 5 | 80 | 20 | 1000 | 50 | X |
| 비교예 6 | 80 | 20 | 800 | 50 | X |
(◎: 매우 좋음, ○: 좋음, X: 불량)
실험예 2
실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에 대해서 마모시험기(Bruker社(모델명 : UMT-TRIBOLAB))를 활용하여 마찰계수를 측정하였다. 그 결과를 표 2 및 도 2에 도시하였다. 추가로, SKD11 금속판재(일반주조공정으로 제조)를 참고예로 하여 동일 실험을 진행하였다.
실험 중 마찰거동 및 운동 마찰계수는 아래의 식에 따라 계산하였다.
| 구분 | Mixing 비율(vol%) | 소결조건 | 마찰계수 | ||
| 나노다이아몬드 | 금속 분말 | 온도(℃) | 압력(mPa) | ||
| 실시예 1 | 20 | 80 | 600 | 250 | 0.391305 |
| 실시예 2 | 20 | 80 | 1000 | 50 | 0.479897 |
| 비교예 1 | 0 | 100 | 1000 | 50 | 0.590191 |
| 참고예 | SKD11 금속판재 | - | - | 0.561751 | |
실험예 3
실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 참고예에 대해서 공초점 현미경(ZEISS社(모델명 : LSM 800))을 이용하여 마모시험 후 마모부피를 측정하였다. 그 결과를 도 3에 도시하였다.
실험예 4
실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 참고예에 대해서 미소비커스경도기(퓨쳐트크社(모델명 : XM70198))를 이용하여 경도를 측정하였다. 그 결과를 도 4에 도시하였다.
실험예
5
실시예와 비교예의 시편에 대해서 SEM 이미지를 도 5에 도시하였다.
표 1을 참조하면, 실시예 1, 2, 비교예 1, 2, 4에서 소결체가 형성되었고, 실시예 1, 2 및 비교예 1만이 공구에 이용가능한 수준으로 매우 양호한 상태의 소결체를 형성하는 것을 확인할 수 있었다. 도 1을 참고하면, 실시예 1, 2 및 비교예 1에서만 공구강으로 활용될 수 있는 소결체로 형성되었으며, 다른 시편의 경우에는, 불완전한 상태로 소결된 것을 알 수 있다.
실시예 1, 2, 비교예 1 및 참고예에 대해서 진행된 실험결과가 도시된 도 2 를 참조하면, 실시예 1과 2의 시편이 마찰계수는 비교예 1와 참고예에 비해 우수함을 확인할 수 있다. 마찰계수가 낮을수록 윤활성이 우수한 것으로, 실시예 1의 경우 다른 시편 대비 특히 마찰계수가 낮음을 확인할 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 실시예 1의 시편은 다수회의 공구 사용 이후에 마모부피가 가장 적은 것으로 확인되어, 내마모성이 가장 우수함을 확인할 수 있다. 다만, 실시예 2의 경우에는 비교예 1과 비교하여 조금 더 마모되었음을 확인할 수 있었는 바, 내마모성이 실시예 1에 비해서는 다소 떨어지고, 비교예 1과 유사한 수준으로 나타났다.
반면에, 도 4에 도시된 경도 측정 결과에서는, 실시예 2의 시편이 가장 우수한 것으로 확인되었고, 실시예 1은 비교예 1과 비슷한 수준의 경도를 갖는 것으로 확인되었는 바, 본 발명에 따른 금속 매트릭스 소결체가 기존의 합금공구강을 이용한 소결체(비교예 1)에 비해서는 우수하거나 양호한 수준의 경도를 가짐을 알 수 있다.
도 5를 참조하면, 실시예 1과 비교예 1의 소결 전 후의 SEM 이미지 및 소결 후의 실시예 2의 시편에 대한 SEM이미지를 확인할 수 있다. 이를 통해, 본 발명이 금속 분말과 나노 다이아몬드를 소정의 비율로 혼합하여 특정온도에서 소결함으로써 금속과 나노 다이아몬드 분말이 혼재하는 금속 매트릭스 소결체로 존재하는 형태임을 확인할 수 있다.
Claims (10)
- 나노 다이아몬드 분말 및 금속 분말을 이용한 금속 매트릭스 소결체에 있어서,
나노 다이아몬드 분말은 평균 직경이 10 nm(나노미터)이고,
금속 분말은 합금공구강이고, 상기 합금공구강은 SKD 11이고, 평균 직경이 100 ㎛(마이크로미터)이며,
금속 매트릭스 소결체는 금속 매트릭스에 다이아몬드가 분포된 형태를 이루는 것으로 나노 다이아몬드 분말과 금속 분말을 볼밀(Ball mill)하여 혼합한 혼합분말을 소결한 것이고,
혼합분말은 혼합분말의 전체 부피를 기준으로 나노 다이아몬드 20 vol% 및 금속 분말 80 vol%를 포함하되,
상기 금속 매트릭스 소결체는 i)600℃의 온도 조건 및 250 MPa(메가파스칼)의 압력 조건 또는 ii)1000℃의 온도 조건 및 50 MPa의 압력 조건으로 방전 플라즈마 소결법(SPS, Spark Plasma Sintering)으로 소결한 것이고,
상기 금속 매트릭스 소결체는 절삭공구, 금형 및 프레스로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 공구인 것을 특징으로 하는 나노 다이아몬드 분말 및 금속 분말을 이용한 금속 매트릭스 소결체.
- 삭제
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- 제1항의 나노 다이아몬드 분말 및 금속 분말을 이용한 금속 매트릭스 소결체는,
(a) 나노 다이아몬드 분말과 금속 분말을 혼합한 후 밀링하여 혼합분말을 얻는 단계; 및
(b) 상기 (a) 단계에서 얻어진 혼합분말을 소결하여 금속 메트릭스 소결체를 얻는 단계;를 포함하여 제조된 것을 특징으로 하는 나노 다이아몬드 분말 및 금속 분말을 이용한 금속 매트릭스 소결체의 제조방법.
- 제8항에 있어서,
상기 (a) 단계는 상기 혼합분말 전체 부피를 기준으로 나노 다이아몬드 분말 20 vol%와 금속 분말 80 vo%를 혼합하여 고에너지 볼밀링(High-Energy Ball Milling)하여 혼합분말을 얻는 것을 특징으로 하는 나노 다이아몬드 분말 및 금속 분말을 이용한 금속 매트릭스 소결체의 제조방법.
- 삭제
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AMND | Amendment | ||
| X091 | Application refused [patent] | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |