KR102205475B1 - WC-Ni계 초경합금을 포함하는 박판타펫 및 그 제조방법 - Google Patents

WC-Ni계 초경합금을 포함하는 박판타펫 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초경 타펫의 초경팁의 두께를 줄임으로써 원재료 투입량을 절감하여 제조단가를 획기적으로 절감할 수 있는 WC-Ni계 초경합금을 포함하는 박판타펫 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 타펫 몸체와 상기 타펫 몸체의 캠 접촉면에 초경층이 형성되어 있으며, 상기 초경층은 니켈(Ni) 20~30중량%, 규소(Si) 1~2중량%, 보론카바이드(B4C) 0.1~2중량%, 탄소(C) 3~6중량% 및 잔부 텅스텐카바이드(WC)로 구성되는 것을 특징으로 하는 WC-Ni계 초경합금을 포함하는 박판타펫을 제공한다.

Description

WC-Ni계 초경합금을 포함하는 박판타펫 및 그 제조방법{Thin layer tappet including WC-Ni based hard metals and manufacturing thereof}
본 발명은 WC-Ni계 초경합금을 포함하는 박판타펫 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초경 타펫의 초경팁의 두께를 줄임으로써 원재료 투입량을 절감하여 제조단가를 획기적으로 절감할 수 있는 WC-Ni계 초경합금을 포함하는 박판타펫 및 그 제조방법에 관한 것이다.
밸브 트레인계는 엔진에서 실린더의 흡배기 밸브를 여닫는 역할을 수행하는 기구로, 트럭, 버스 등에 사용되는 대형 디젤 엔진에서는 밸브 스프링을 개재하여 밸브가 장착된 로커 아암과 푸시 로드, 그리고 타펫(혹은 캠팔로우)(Tappet)으로 구성된 오버헤드캠 타입(Overhead Cam Type)의 밸브 트레인계를 사용하는데, 타펫은 푸시 로드와 캠 샤프트 사이에서 캠의 변위 변화를 이용하여 왕복 운동하게 한다.
이러한 타펫에 대해, 최근에는 환경보호와 소비자 보호 운동에 의해 고출력, 저연비, 무정비(Maintenance Free) 엔진에 대한 요구가 높아지면서 밸브 트레인계의 사용 환경은 고출력으로 인하여 접촉 응력과 윤활 조건이 가혹해지고 장시간의 수명이 요구되고 있다. 밸브 트레인계에서의 파손은 불완전 연소로 인하여 배기 가스와 매연이 증가하고 엔진의 소음과 진동을 과도하게 하여 차량 전체시스템의 성능을 급격하게 감소시킨다.
밸브 트레인계 부품중 핵심 요소인 타펫의 파손(Failure)은 주로 캠과의 접촉으로 고속으로 미끄럼 마찰을 하기 때문에 미끄럼 마모에 의해 스커핑(Scuffing)을 일으키거나 표면 피로에 의한 박리 현상인 피팅(Pitting)을 일으킨다. 스커핑과 피팅의 손상을 받으면 급격하게 파손이 진전되기 때문에 엔진 소음 증가와 밸브 개폐 시기의 불안정화나 밸브 기밀 유지의 불안정으로 연료가 불완전 연소하고 결국 소음이나 배기가스의 문제를 낳게 된다.
일반적으로 기존의 캠과 타펫의 재료는 강의 표면을 경화시키는 기술인 고주파 표면 경화, 침탄 경화, 질화 경화 등 여러 가지의 표면 경화 기술을 활용하여 표면의 경도를 향상시켜 적용하고 있으며, 칠주철계(Chilled Cast Iron)를 적용시켜 캠과 타펫의 재료로 활용하고 있다. 현재 주로 이용되고 있는 타펫의 재료로는 칠주철과 담금질칠주철계가 대표적이다. 칠주철계는 주조시 냉각 속도를 빠르게 하여 초석 시멘타이트(Fe3C)를 석출시킨 것이다. 금속 조직적으로는 A 변태에 의해 시멘타이트로부터 변화한 퍼얼라이트(Pearlite) 기지와 침상의 시멘타이트로 구성된다. 또한, 담금질 칠주철은 칠주철에 대해 담금질과 뜨임(Quenching Tempering) 처리를 실시한 것으로, 기지는 마르텐사이트(Martensite), 또는 뜨임 마르텐사이트(Tempered Martensite)이며, 시멘타이트와 시멘타이트로 분해된 템퍼 카본으로 이루어진다.
이들 재료를 많이 사용하는 이유를 들면, 시멘타이트는 경도가 높고 내마모성이 우수함과 동시에 기지조직의 소성 유동을 방지하며, 또한 융점이 높기 때문에 스커핑 방지 효과가 크다. 또, 기지조직은 경도 또는 강도가 부족하면, 과대 마모나 피팅의 발생 원인으로 된다. 담금질 칠주철은 담금질에 의한 기지의 고경도/고강도화를 목적으로 한 것이고, 캠과 타펫의 접촉면압이 높은 엔진에 있어서는 칠주철재 보다 유리하다.
다만 이러한 재료의 변경에도 불구하고 만족스러운 타펫의 강도를 형성하기 어려움에 따라, 최근에는 타펫의 접촉부위에 초경합금을 적용하여 그 강도를 향상시키고 있다(도 1 참조). 아울러 최근 각광을 받는 소형 디젤엔진의 고효율 및 고출력의 필요성이 대두됨에 따라, 기존 디젤엔진에 적용되는 칠타펫이나 텍스처링 타펫으로는 최근의 소형 디젤엔진에서 요구되고 있는 마모성 및 수명 보증한계를 만족할 수 없다. 따라서 이를 극복하기 위하여 새로운 종류의 타펫 제작기술이 필요로 하고 있다.
일반적으로, 초경 합금이란 탄화텅스텐(WC) 입자가 인성이 강한 Co 등의 기지에 분산된 형태의 합금이다. 초경합금은 경도가 높고 인성이 강하여 절삭공구 소재, 너트 성형기(nut former)와 같은 내충격 공구 소재, 신선용 금형(다이)과 같은 내마모 공구 소재로 널리 활용되고 있다. 또한, 초경합금에는 내열성, 내식성, 내용착성 등을 개선할 목적으로 다른 종류의 탄화물 즉 TiC, Cr2C3, VC, TaC 등을 첨가하기도 한다.
제조방법과 관련해서, 대표적인 초경합금인 WC-Co계 초경합금을 예로 들면, 융점이 높은 WC(2870℃)와 상대적으로 융점이 낮은 Co(1495℃)의 합금이기 때문에 통상적인 용해법으로는 제조가 불가능하다. 따라서, WC 분말과 Co 분말을 혼합한 분말 성형체를 1280℃ 이상의 온도로 가열하여 Co를 액상으로 만듦으로써 WC 입자를 결속시킴에 따라 복합 조직을 형성하는 방식으로 제조한다. 이때, 액상 형성 온도가 순수 Co의 융점인 1495℃보다 현저히 낮아지는 것은 WC 탄화물 혹은 공정 중 첨가하는 탄소(C)와 합금을 형성하기 때문이다. WC-Co계 초경합금에서 액상 형성 온도는 일반적으로 1280℃ ~ 1320℃ 사이에 있다.
이러한 WC-Co계 초경합금의 일반적인 제조방법은 다음과 같다. 먼저 원료 분말을 준비해서 이를 미리 정한 조성으로 배합하여 볼밀 등에서 혼합한다. 이후 스프레이 드라이어를 거쳐 초경분말(RTP; Ready To Press)을 형성한다. 다음으로, 이 분말을 성형 및 소결 과정을 거쳐 원하는 초경합금 재료를 제조한다.
하지만, WC-Ni계 초경합금의 경우 Co가 고가인 데다 수급이 안정적이지 못한 관계로 대체 금속에 관한 연구가 진행되었고, 이에 따라 Ni가 부각되었다. WC-Ni계 초경합금은 WC-Co계 초경합금보다 경도는 떨어지는 편이지만, 자성 재료의 성형 등 비자성체가 필요한 분야에 널리 사용되는 장점이 있다.
다만 WC-Ni계 초경합금을 터펫의 접촉부위에만 제한적으로 사용함에도 불구하고 타펫의 제작단가가 기존의 합금형 타펫에 비하여 높아짐에 따라 이를 저감하기 위한 노력이 필요한 실정이다.
아울러 기존의 초경타펫의 경우 중, 대형의 디젤엔진에는 적용되고 있었지만, 소형 디젤엔진에는 가격상의 문제로 적용되지 못할 뿐만 아니라 소형화가 어려워 일부 고급디젤엔진에만 제한적으로 적용되는 실정이다. 따라서 이러한 원가상의 부담을 줄이기 위한 초경팁의 박판화가 필요하다. 그러나, 초경 팁의 박판화에서는 성형시의 파손의 문제가 발생 또, 소결이나 접합 과정의 고온에서 탈탄 현상의 심화 등이 발생하기 쉬우므로, 이에 대한 해결이 우선되어야겠다.
(0001) 대한민국 공개특허공보 제10-1998-0086296호 (0002) 대한민국 공개특허공보 제10-1998-0086280호
본 발명은 초경 타펫의 초경팁의 두께를 줄임으로써 발생하는 성형 파손 및 탈탄 현상을 해결한 WC-Ni계 초경합금을 포함하는 박판타펫 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
전술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 타펫 몸체와 상기 타펫 몸체의 캠 접촉면에 초경층이 형성되어 있으며, 상기 초경층은 니켈(Ni) 20~30중량%, 규소(Si) 1~2중량%, 보론카바이드(B4C) 0.1~2중량%, 탄소(C) 3~6중량% 및 잔부 텅스텐카바이드(WC)로 구성되는 것을 특징으로 하는 WC-Ni계 초경합금을 포함하는 박판타펫을 제공한다.
상기 초경층은 0.1~1mm의 두께를 가질 수 있다.
상기 초경층은 상기 니켈(Ni)과 고용체를 형성하는 원소로서 Ag, Sn, Zn, Cu, Al, Fe, Cr, Si 중 선택된 어느 하나 또는 그 이상의 성분이 1 내지 5중량%; 다른 소재와의 접합 부위의 젖음성을 향상시키는 원소로서 Cd, P, B 중 선택된 어느 하나 또는 그 이상의 성분이 0.1 내지 3중량%; 및 입자성장 억제 화합물로 Cr3C2 또는 VC를 단독으로 또는 합하여 0.5 내지 1중량%를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 (a) 니켈(Ni) 20~30중량%, 규소(Si) 1~2중량%, 보론카바이드(B4C) 0.1~2중량%, 탄소(C) 3~6중량%, 왁스 1.5~2.5중량% 및 잔부 텅스텐카바이드(WC)를 포함하는 원료를 에탄올을 사용하여 혼합하는 혼합 단계; (b) 상기 혼합이 완료된 원재료를 건조하여 원료분말을 형성하는 건조 단계; (c) 상기 원료분말을 가압하여 성형하는 1차 성형단계; 및 (d) 상기 1차 성형이 완료된 이후 진공 소결하는 2차 성형하여 초경팁을 제조하는 단계를 포함하며, 상기 니켈은 2~3㎛의 직경을 가지는 구상입자인 것을 특징으로 하는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 WC-Ni계 초경합금을 포함하는 박판타펫 제조방법을 제공한다.
상기 텅스텐카바이드(WC)는 0.5~1㎛의 직경을 가지는 구상입자일 수 있다.
상기 2차 성형 단계에서 소결 진공도는 10-1torr 내지 10-3torr일 수 있다.
상기 2차 성형 단계에서 소결 온도는 1,000 내지 1,300℃이고, 소결 시간은 10분 내지 120분일 수 있다.
상기 원료를 에탄올과 혼합하는 단계는 70시간 내지 100시간 동안 볼밀 또는 습식 아트리션 밀링에서의 분쇄 및 혼합할 수 있다.
본 발명에 따른 WC-Ni계 초경합금을 포함하는 박판타펫은 고가의 초경합금의 사용량을 줄이면서도 높은 내구성을 가지는 박판 타펫을 제조 가능하여 저렴한 가격에 높은 내구성을 가지는 타펫의 공급이 가능할 뿐만 아니라 기존의 합금형 타펫에 비하여 캠 접촉면의 내구성이 월등히 우수하므로 오랜 시간 동안 고장 없이 운전 가능한 엔진에 사용될 수 있는 타펫의 제조가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 타펫의 외형 및 초경층의 박판화를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 박판타펫의 제조방법을 간략히 도시한 것이가.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 박판타펫의 B4C의 조성에 따른 경도의 변화를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 박판타펫의 B4C의 조성에 따른 밀도의 변화를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 박판타펫의 B4C의 조성에 따른 탄소함량의 변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 박판타펫의 B4C의 조성에 따른 항절력의 변화를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 박판타펫의 왁스함량에 따른 강도 및 내부기공의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 박판타펫 초경층의 두께에 따른 탄소함량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 박판타펫 초경층의 확대사진이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 초경층에 형성된 에타상의 확대사진이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 박판타펫 초경층의 확대사진이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 박판타펫 초경층의 전자현미경 사진이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명하면서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 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.
본 발명은 타펫 몸체와 상기 타펫 몸체의 캠 접촉면에 초경층이 형성되어 있으며, 상기 초경층은 니켈(Ni) 20~30중량%, 규소(Si) 1~2중량%, 보론카바이드(B4C) 0.1~2중량%, 탄소(C) 3~6중량% 및 잔부 텅스텐카바이드(WC)로 구성되는 것을 특징으로 하는 WC-Ni계 초경합금을 포함하는 박판타펫에 관한 것이다.
상기 타펫은 도1에 나타난 바와 같이 엔진의 캠과 흡기 또는 배기 밸브를 연결하는 부품으로 일면은 캡과 접촉하고 있으며, 타면은 밸브의 일부와 접촉하고 있다. 엔진이 작동되면 크랭크축에 연결된 캠의 회전에 의하여 타펫이 직선으로 왕복 운동하게 되어 이를 이용하여 적절한 시간에 흡기 밸브와 배기 밸브를 여닫을 수 있다. 하지만 캠과 접촉하고 있는 부분은 캠의 회전운동과 접촉하게 되므로 높은 내구성이 필요하며, 이에 따라 본 발명에서는 상기 접촉면에 초경합금으로 구성되는 초경층을 형성하여 높은 내구성을 가질 수 있도록 한다.
상기 초경층은 니켈(Ni) 20~30중량%, 규소(Si) 1~2중량%, 보론카바이드(B4C) 0.1~2중량%, 탄소(C) 3~6중량% 및 잔부 텅스텐카바이드(WC)로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 니켈은 상기 텅스텐카바이드의 결합재로서 첨가되는 물질로 20~30중량% 바람직하게는 25~29중량%를 포함할 수 있다. 20중량% 미만으로 첨가되는 경우 텅스텐카바이드의 결합을 수행하기 어려워 내구성이 떨어질 수 있으며, 30중량%를 초과하는 경우 고강도 물질인 텅스텐카바이드의 함량이 떨어져 내마모성이 떨어짐과 더불어, 결합재의 편석이 발생하여 경도가 오히려 낮아질 수 있다.
상기 규소는 이종재료 특히 타펫의 몸체를 구성하는 탄소강재료와의 접합을 촉진하기 위한 융점저하를 위하여 첨가하는 물질로서, 1~2중량% 바람직하게는 1.5~1.8중량%를 포함할 수 있다. 1중량%미만으로 첨가되는 경우 상기 융점저하의 효과가 낮아짐에 따라 초경층의 접합이 약해져서 초경층의 탈락이 발생할 수 있으며 2중량%를 초과하여 첨가되는 경우에는 규소의 석출로 인하여 캠에 손상 및 부분적인 경도 저하가 있을 수 있다.
상기 보론카바이드는 합금의 젖음성 향상을 통해 기공잔류의 억제와 이종재료 특히 타펫본체와의 결합의 향상시키기 위하여 참가 될 수 있으며, 0.1~2중량% 바람직하게는 0.8~1.2중량%를 포함할 수 있다. 0.1중량% 미만으로 포함되는 경우 그 첨가 효과가 미미하며, 2중량%를 초과하여 포함되는 경우 고경도의 보론카바이드가 응집하여 캠의 회전 시 손상을 가져오거나 기공, 편석 등이 발생하여 경도가 떨어질 수 있다.
상기 탄소는 건전상(정상조직)을 위한 탄소량 제어의 결과로 포함되는 것으로 3~6중량% 바람직하게는 4~5중량%가 포함될 수 있다. 3중량% 미만으로 포함되는 경우 정상조직의 형성 및 입자의 성장이 늦어져 내구성이 떨어질 수 있으며, 6중량%를 초과하는 경우 탄소의 편석이 발생하여 경도와 내마모 특성이 저하될 수 있다.
또한 제조되는 초경팁의 박판화에 따라, 탄소의 이탈량(탈탄량)이 늘어나서 탄소의 함량이 부족하게 된다. 탄소의 경우 건전상 조직의 존재 여부에 큰 영향을 주게 되므로, 탈탄량의 증가는 탄소의 부족으로 이어져 취성이 강한 에타상(η-phase)의 발생을 가져온다. 따라서 탄소량을 조절 및 제어하는 것으로 초경팁의 강도를 크게 개선할 수 있다.
상기 텅스텐카바이드는 상기 초경층의 내마모성을 발휘하는 주재료로 사용되며, 상기 니켈, 실리콘, 보론카바이드 및 탄소의 혼합물에 잔량으로 혼합될 수 있다.
상기 초경층은 0.1~1mm의 두께로 제작될 수 있다. 기존의 초경층을 포함하는 타펫의 경우 내구성을 확보하기 위하여 초경층의 두께를 1.5mm이상으로 제작하였지만, 이 경우 초경층의 단가가 높음에 따라 제작비용이 많이 발생하는 문제를 가지고 있다. 따라서 본원 발명에서는 상기 초경층의 두께를 0.1~1mm 바람직하게는 0.5~0.8mm의 두께를 가지도록 제작하여 제조원가를 크게 감소시킬 수 있다. 상기 초경층의 두께가 0.1mm미만인 경우 원하는 내구성을 나타낼 수 없으며, 1mm를 초과하여 제작되는 경우 기존의 초경타펫과 마찬가지로 가격경쟁력이 떨어지게 된다.
상기 초경층은 상기 니켈(Ni)과 고용체를 형성하는 원소로서 Ag, Sn, Zn, Cu, Al, Fe, Cr, Si 중 선택된 어느 하나 또는 그 이상의 성분이 1 내지 5중량%; 다른 소재와의 접합 부위의 젖음성을 향상시키는 원소로서 Cd, P, B 중 선택된 어느 하나 또는 그 이상의 성분이 0.1 내지 3중량%; 및 입자성장 억제 화합물로 Cr3C2 또는 VC를 단독으로 또는 합하여 0.5 내지 1중량%를 추가로 포함할 수 있다.
WC-Ni계 초경합금은 WC-Co계 초경합금보다 소결 온도가 약 70℃ 정도 높다. 따라서, 상술한 고용체를 형성하는 원소 성분으로 Ag, Sn, Zn, Cu, Al, Si 중 적어도 하나를 첨가하여 Ni 고용체를 형성함으로써 액상 소결 가능한 온도를 1,300℃ 이하로 낮추어줄 수 있다. 또한, 상기 Ni와 고용체를 형성하는 원소로서, 고온에서 고용(Solid Solution)되어 상온에서 일정 부분 Ni 단상(Single phase)이 형성될 수 있는 Fe, Cr 등이 포함될 수 있다.
WC-Ni계 초경층을 형성한 이후 다른 소재(타펫의 몸체)와 접합되어 사용되거나 다른 소재의 표면에 적층되어 직접 소결되는 경우에 그 접합 부위의 젖음성(wettability)을 높여주기 위해, 상기 접합 부위의 젖음성을 향상시키는 원소 성분으로 Cd, P, B 중 적어도 하나가 첨가될 수 있다.
상술한 초경층에는 입자성장 억제 화합물로 Cr3C2 또는 VC가 더 첨가될 수 있다. 그 첨가량은 상기 Cr3C2 및 상기 VC를 합쳐서 상기 초경층의 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.5 내지 1중량%를 차지할 수도 있고, Cr3C2 또는 VC 중 어느 하나가 상기 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.5 내지 1중량%를 차지할 수 있다. 이때 0.5중량% 미만으로 포함되는 경우 그 효과가 미미하며, 1중량%를 초과하는 경우 편석이 발생하여 강도가 떨어질 수 있다.
이하 본 발명을 제조방법을 통하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제조방법을 간략히 나타낸 것이다.
본 발명은 또한 (a) 니켈(Ni) 20~30중량%, 규소(Si) 1~2중량%, 보론카바이드(B4C) 0.1~2중량%, 탄소(C) 3~6중량%, 왁스 1.5~2.5중량% 및 잔부 텅스텐카바이드(WC)를 포함하는 원료를 에탄올을 사용하여 혼합하는 혼합 단계; (b) 상기 혼합이 완료된 원재료를 건조하여 원료분말을 형성하는 건조 단계; (c) 상기 원료분말을 가압하여 성형하는 1차 성형단계; 및 (d) 상기 1차 성형이 완료된 이후 진공 소결하는 2차 성형하여 초경팁을 제조하는 단계를 포함하며, 상기 니켈은 2~3㎛의 직경을 가지는 구상입자인 것을 특징으로 하는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 WC-Ni계 초경합금을 포함하는 박판타펫 제조방법을 제공한다.
상기 (a)단계는 원료를 에탄올을 사용하여 혼합하는 단계로, 니켈(Ni) 20~30중량%, 규소(Si) 1~2중량%, 보론카바이드(B4C) 0.1~2중량%, 탄소(C) 3~6중량%, 왁스 1.5~2.5중량% 및 잔부 텅스텐카바이드(WC)를 포함하는 원료를 에탄올을 이용하여 혼합하는 것이 바람직하다. 이때 상기 원료 중 니켈은 기존의 발명에서 공동의 형성을 방지하기 위하여 플레이크(flake)타입의 원료를 사용하였지만 본 발명에서는 탄소, 규소 및 보론카바이드를 혼합하여 기공의 발생을 억제하고 있으므로, 구상의 입자로 된 니켈을 사용하는 것이 바람직하다. 니켈 플레이크의 경우 대기 중에 쉽게 비산되므로, 작업자에게 흡입되어 폐의 이상을 가져오거나, 작업공간의 오염을 일으킬 수 있으며, 플레이크 타입의 특성상 정확한 칭량이 어렵다는 단점을 가지고 있다. 이에 반하여 구상(bid)입자의 경우 대기 중의 비산이 적어 작업자 및 작업공간의 오염이 최소화될 수 있으며 정확한 칭량이 가능하여 불량률을 줄일 수 있다.
또한 상기 니켈은 2~3㎛의 직경을 가지는 것이 바람직하다. 2㎛미만의 직경을 가지는 구상입자의 경우 공기 중에 비산되어 플레이크 타입과 같은 문제(작업자 및 주변의 오염)를 일으킬 수 있으며, 3㎛를 초과하는 크기의 구상입자를 사용하는 경우 초경층 내부에 공동이 발생할 수 있다.
아울러 상기 니켈 입자의 경우 용융분무, 습식응고 또는 화학적 합성과 같은 방법으로 제작되는 것을 사용하는 것이 바람직하지만 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 텅스텐카바이드(WC)는 0.5~1㎛의 직경을 가지는 구상입자일 수 있다. 분말 입자를 사용하거나 플레이크 타입의 입자를 사용하는 것도 가능하지만, 상기 텅스텐카바이드의 경우 용융되어 혼합되지 않으므로, 높은 내구성을 보임과 동시에 취급이 간편한 0.5~1㎛의 직경을 가지는 구상입자로 된 텅스텐카바이드를 사용하는 것이 바람직하다. 텅스텐카바이드의 입자가 0.5㎛미만인 경우 작은 텅스텐카바이드 입자로 인하여 타펫 접촉면의 내구성이 떨어질 수 있으며, 1㎛를 초과하는 텅스텐카바이드 입자를 사용하는 경우 굵은 입자로 인하여 접촉되는 캠이 손상될 수 있다.
상기 왁스는 성형체의 강도를 증가시키기 위하여 사용되는 것으로, 원료 중에는 1.5~2.5중량%가 포함될 수 있지만, 진공 소결 시 증발하여 제조된 초경층에는 포함되지 않을 수 있다. 또한 상기 초경층의 박판화에 따라, 제조 시 초경층에 크랙의 발생이 증가하게 되므로, 왁스를 첨가하여 파손을 방지하는 것이 바람직하다. 다만 왁스의 양이 늘어남에 따라, 진공 소결 시 내부기공의 발생이 증가하게 되므로, 원료에 실리콘 및 보론카바이드의 양을 조절하여 기공의 발생을 최소화하는 것이 바람직하다. 상기 왁스는 성형체의 강도를 증가시킬 수 있는 왁스라면 제한 없이 사용 가능하지만 바람직하게는 파라핀 왁스를 사용할 수 있다.
상기 (b) 단계는 상기 혼합이 완료된 원재료를 건조하여 원료분말을 형성하는 건조 단계로, 에탄올과 혼합된 원료를 분무건조하여 구형의 입자를 형성하는 것이 바람직하다.
상기 (c) 단계는 상기 원료분말을 가압하여 성형하는 1차 성형단계로 상기 원료분말을 일정두께(0.5~3㎛)로 적층한 다음 가압하여 1차 성형하는 것이 바람직하다.
상기 (d) 단계는 상기 1차 성형이 완료된 이후 진공 소결하는 2차 성형단계로 상기 2차 성형 단계에서 소결 진공도는 10- 1torr 내지 10- 3torr이며, 소결 온도는 1,000 내지 1,300℃이고, 소결 시간은 10분 내지 120분인 것이 바람직하다. 진공도가 10- 3torr미만인 경우 장비의 대형화 및 진공 형성의 어려움으로 인하여 제작단가가 상승할 수 있으며, 10- 1torr를 초과하는 진공도를 가지는 경우 탈탄소화 및 내부기포의 배출불량에 의한 기공발생 등의 부영향이 나타나 불량이 발생할 수 있다. 온도가 1,000℃미만에서 소결하는 경우에는 소결이 이루어지지 않아 강도가 떨어지거나 낮은 온도에서 소결하기 위한 첨가물(Ni와 고용체를 형성하는 첨가물)의 사용량이 많아져 경도가 떨어질 수 있으며, 1,300℃를 초과하는 온도에서 소결이 수행되는 경우 제작단가의 상승과 더불어 내부에 공동이 형성되어 내구성이 떨어질 수 있다. 또한 소결시간이 10분 미만인 경우 원활한 소결이 이루어지지 않으며, 120분을 초과하여 소결하는 경우 제작시간이 많이 소요되며, 내부 미세기공의 응집이 일어나 거대 기공을 형성할 수 있어 생산성이 떨어질 수 있다.
상기 원료를 에탄올과 혼합하는 단계는 70시간 내지 100시간 동안 볼밀 또는 습식 아트리션 밀링에서의 분쇄 및 혼합할 수 있다. 볼밀 또는 습식 아트리션 밀링에서의 혼합시간이 10시간 이하면 혼합이 부족하여 편석이 발생하기 쉽고, 반대로 100시간 이상이면 과분쇄로 분말이 뭉쳐서 기공이 형성될 수 있으므로, 그 사이의 시간에서 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 (d)단계 이후, (e) 타펫모재를 세척하고 상기 (d)단계에서 제조된 초경팁을 임시 접합하는 단계; 및 (f) 진공로를 이용하여 상기 초경팁과 상기 타펫 모제간의 확산접합을 수행하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기와 같이 제조된 초경팁은 입시접합 및 확산접합을 통하여 타펫모재와 결합될 수 있다. 이때 임시접합은 접착제를 사용하여 접합되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
실시예 1~9
하기의 표 1과 같은 비율로 원료를 준비하였다. 이때 텅스텐카바이드(WC)는 직경 0.5~1㎛의 구상입자이며, 니켈(Ni)은 2.0~3.0㎛의 구상입자, 실리콘(Si)의 평균입도는 10㎛, 보론카바이드(B4C)의 평균입도는 5㎛인 원료를 혼합하였다.
원소 WC Ni Si B4C 왁스 C(전체탄소량)
첨가량
(중량%)		 Bal. 27.6 1.61 0.0(실시예1) 1.5(실시예6) 4.556
0.3(실시예2)
2.0(실시예7)
0.6(실시예3)
2.25(실시예8)
0.99(실시예4)
2.5(실시예9)
1.13(실시예5)
준비된 원료 분말 재료는 에탄올과 혼합되어 분쇄 및 혼합기인 볼밀을 통해 70시간 동안 혼합된다. 이렇게 혼합이 완료된 원료 분말 재료는 건조 단계(분무건조)를 거쳐 에탄올 및 수분을 제거하고, 이후, 건조된 분말을 높이 1.5㎛로 적층한 다음, 압력을 가하여 1차 성형한다.
상기 1차 성형된 타펫을 진공도 10- 2torr, 온도 1,100℃의 소결로에 투입한 다음, 60분간 소결하여 2차 성형하였다.
이후 타펫 모재에 접착제를 이용하여 임시접합하였으며, 진공도 10- 2torr, 온도 1,100℃의 진공로에서 확산접합하여 박판 타펫을 제조하였다.
비교예
기존의 특허인 KR10-2007-0034995에 나타난 바와 같이 하기의 표 2와 같은 비율로 원료를 준비하였으며, 상기 실시예와 동일한 방법으로 타펫을 제작하였다.
원소 WC Ni Si B 왁스 기타(Cr3C2)
첨가량
(중량%)		 Bal. 25 4 1 1 1
이때 사용되는 니켈은 플레이크 상의 니켈을 사용하였다.
실험예 1
상기 실시예 1~5 및 비교예에서 제작된 타펫을 이용하여 초경층의 기공유무 및 편석 유무를 조사하였다(왁스의 양은 2중량%로 고정).
Ni 형상 B4C함량 기공유무 편석 유무
실시예1 구상 0.0 유 무
실시예2 구상 0.3 유 무
실시예3 구상 0.6 유 무
실시예4 구상 0.99 무 무
실시예5 구상 1.13 무 유
비교예 플레이크 - 무 무
표 3에 나타난 바와 같이 본원 발명에 의한 실시예 1~4의 경우 플레이크형의 Ni를 사용하지 않음에도 불구하고 기공 및 편석이 관찰되지 않은 것을 확인 할 수 있었다.
실험예 2
상기와 같이 제작된 박판 타펫을 이용하여 B4C의 함량에 따른 물성을 조사하였다. 도3에 나타난 바와 같이, 함량의 증가에 따라 경도가 증가하고 있었지만, 1.13중량%를 초과하는 경우 그 증가폭이 둔화되거나 미미하게 증가하는 것을 확인 할 수 있었으며, 도 4에 나타난 바와 같이, B4C의 함량이 0.2중량%까지는 밀도가 증가하였지만, 이후로는 밀도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 즉 B4C의 함량이 0.99중량%를 초과하는 경우 경도 증가의 폭이 줄어들며, 밀도의 감소폭이 높아져 전체적인 강도가 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.
또한 도 5에 나타난 바와 같이, 이론적으로는 B4C의 함량이 증가할수록 탄소의 함량이 증가하여야 하지만, 실제로는 붉은색으로 표기된 것과 같이, 1중량%를 초과하는 경우 탄소의 함량이 급격하게 증가하고 있다. 아울러 도 6에 나타난 바와 같이, B4C의 함량이 높아짐에 따라 항절력이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 3
상기 실시예 6~9에서 제작된 타벳을 이용하여 왁스의 함량에 따른 변화를 측정하였다(B4C는 0.3중량%로 고정)
도7 에 나타난 바와 같이, 왁스의 함량이 증가함에 따라, 성형체의 강도가 증가하였지만 2.25중량%를 초과하는 경우 강도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 반면 왁스의 함량이 증가함에 따라, 조직 내의 기공량은 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 10~13
두께에 따른 탄소함량 변화를 알아보기 위하여 상기 실시예 1과 동일한 조성의 초경층을 0.8mm(실시예10), 0.9mm(실시예11), 1.0mm(실시예12) 및 1.5mm(실시예 13)의 두께로 제작하여 탄소함량의 변화를 측정하였다.
도 8에 나타난 바와 같이, 두께가 감소함에 따라 탈탄량의 증가로 인한 탄소량의 감소를 확인할 수 있었다.
또한 실시예 10에서 제조된 초경팁을 타펫에 접합한 다음, 타펫의 조직을 확대하여 보면 도 9 및 도 10에 나타난 바와 같이 검은색 반점으로 나타나는 기공 및 에타상 조직을 확인 할 수 있었다.
실시예 14
상기 실시예 1과 같은 방법으로 초경팁을 제조하였으며, 다만 탄소의 함량을 제조완료 이후 4.566중량%가 되도록 조절하여 초경팁을 제작하였다.
도 11에 나타난 바와 같이, 흑색의 반점으로 표현되는 기공 및 에타상의 발생이 나타나지 않은 것을 확인할 수 있었다.
실시예 15
상기 실시예 및 실험예의 결과에 따라 하기의 표 4와 같은 비율로 원료를 혼합하여 초경팁을 제조하였다.
원소 WC Ni Si B4C 왁스 C(전체탄소량)
첨가량
(중량%)		 Bal. 27.6 1.61 0.99 2.25 4.556
제조된 초경팁의 실제 함량은 하기의 표 5와 같으며, 도 12에 나타난 바와 같이 균일한 초경층이 형성되는 것을 확인할 수 있었다.
원소 WC Ni Si B4C C(전체탄소량)
측정량
(중량%)		 Bal. 29.8 1.64 0.21 4.15
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (8)

  1. 타펫 몸체와 상기 타펫 몸체의 캠 접촉면에 초경층이 형성되어 있으며,
    상기 초경층은 니켈(Ni) 20~30중량%, 규소(Si) 1~2중량%, 보론카바이드(B4C) 0.1~2중량%, 탄소(C) 3~6중량% 및 잔부의 텅스텐카바이드(WC)로 구성되는 것이고,
    상기 초경층은 0.1~1mm의 두께로 제작하며,
    상기 초경층에는 입자성장 억제 화합물로 Cr3C2 또는 VC가 더 첨가되며,
    상기 Cr3C2 또는 상기 VC는 상기 초경층의 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.5 내지 1중량%를 차지하며,
    상기 니켈은 2~3㎛의 직경을 갖는 구상입자인 것이며, 상기 텅스텐카바이드는 0.5~1㎛의 직경을 가지는 입자인 것을 특징으로 하는 WC-Ni계 초경합금을 포함하는 박판타펫.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 초경층은
    상기 니켈(Ni)과 고용체를 형성하는 원소로서 Ag, Sn, Zn, Cu, Al, Fe, Cr, Si 중 선택된 어느 하나 또는 그 이상의 성분이 1 내지 5중량%;
    다른 소재와의 접합 부위의 젖음성을 향상시키는 원소로서 Cd, P, B 중 선택된 어느 하나 또는 그 이상의 성분이 0.1 내지 3중량%; 및
    입자성장 억제 화합물로 Cr3C2 또는 VC를 단독으로 또는 합하여 0.5 내지 1중량%를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 WC-Ni계 초경합금을 포함하는 박판타펫.
  4. (a) 니켈(Ni) 20~30중량%, 규소(Si) 1~2중량%, 보론카바이드(B4C) 0.1~2중량%, 탄소(C) 3~6중량%, 왁스 1.5~2.5중량% 및 잔부의 텅스텐카바이드(WC)를 포함하는 원료를 에탄올을 사용하여 혼합하는 혼합 단계;
    (b) 상기 혼합이 완료된 원재료를 건조하여 원료분말을 형성하는 건조 단계;
    (c) 상기 원료분말을 가압하여 성형하는 1차 성형단계; 및
    (d) 상기 1차 성형이 완료된 이후 진공 소결하는 2차 성형하여 초경팁을 제조하는 단계;
    를 포함하며,
    초경층은 0.1~1mm의 두께로 제작하며,
    상기 초경층에는 입자성장 억제 화합물로 Cr3C2 또는 VC가 더 첨가되며,
    상기 Cr3C2 또는 상기 VC는 상기 초경층의 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.5 내지 1중량%를 차지하며,
    상기 니켈은 2~3㎛의 직경을 가지는 구상입자이고, 상기 텅스텐카바이드는 0.5~1㎛의 직경을 가지는 입자인 것을 특징으로 하는 제1항 및 제3항 중 어느 한 항의 WC-Ni계 초경합금을 포함하는 박판타펫 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 2차 성형 단계에서 소결 진공도는 10- 1torr 내지 10- 3torr인 것을 특징으로 하는 WC-Ni계 초경합금을 포함하는 박판타펫 제조방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 2차 성형 단계에서 소결 온도는 1,000 내지 1,300℃이고,
    소결 시간은 10분 내지 120분인 것을 특징으로 하는 WC-Ni계 초경합금을 포함하는 박판타펫 제조방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 원료를 에탄올과 혼합하는 단계는 70시간 내지 100시간 동안 볼밀 또는 습식아트리션 밀링에서의 분쇄 및 혼합하는 것을 특징으로 하는 WC-Ni계 초경합금을 포함하는 박판타펫 제조방법.
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