KR102314870B1 - 복합 소재 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 복합 소재의 제조 방법은,
(a) 스테인리스(SUS) 분말, 초경 분말 및 바인더 분말을 혼합하는 단계;
(b) 몰드에 스테인리스(SUS) 분말을 먼저 장입하고, 상기 혼합하는 단계로부터 수득한 혼합 분말을 장입하여 성형하는 단계; 및
(c) 상기 성형하는 단계로부터 수득한 성형체를 탈지 및 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
(a) 스테인리스(SUS) 분말, 초경 분말 및 바인더 분말을 혼합하는 단계;
(b) 몰드에 스테인리스(SUS) 분말을 먼저 장입하고, 상기 혼합하는 단계로부터 수득한 혼합 분말을 장입하여 성형하는 단계; 및
(c) 상기 성형하는 단계로부터 수득한 성형체를 탈지 및 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 복합 소재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 스테인리스강 표면에 초경 코팅층을 포함하는 복합 소재 및 초경 코팅층 제조 방법에 관한 것이다.
현대 산업에서 초경합금은 그 특유의 높은 내마모성 때문에 고속도강과 다이아몬드 복합재 등과 함께 대표적인 공구용 소재로서 주로 절삭, 절단용 공구, 내마모용 부품 및 금형소재에 쓰이며, 또한 초전도체와 광통신 같은 첨단산업에서도 핵심 소재로서 점차적으로 각광받고 있는 추세이다. 일반적으로 초경합금은 WC, TiC 등의 분말에 5~10%의 코발트를 결합재로 하여 가압 성형 후에 소결한 것으로 고속도강보다 높은 고속절삭에 견딘다. WC와 Co의 조성에 따라 주요 물성이 좌우되어 현재 다양한 용도의 제품이 생산되고 있다.
세계적으로 저탄소 녹색성장 및 그린 재활용 공정과 같은 친환경 공정의 기술개발에 대한 필요성이 대두되고 있다. 한편, 스테인리스강의 경화를 위한 크롬 도금공정시 환경 문제가 발생하여, 도금 공장이 환경 처리시설을 강화함에 따라 공정 단가가 높아지고 결과적으로 제품의 단가가 상승하게 되는 문제가 있다. 이와 같은 환경 및 단가 등의 문제점들을 해결하기 위해, 크롬 도금을 대체할 수 있는 새로운 코팅 공정 기술이 요구되고 있다.
한편, 일반적으로 도금제품을 대기중에 사용하고 있으면, 표면이 하얗게 되는 백화현상이 발생한다. 백화현상은 발생환경으로부터 개방되면 저절로 소멸되며 도금표면에는 치밀한 보호성 피막을 형성하기 때문에 내식성에는 영향이 없고 시간이 경과함에 따라 외관상 차이도 없어지게 되며 도금품질 상의 결함으로 취급할 문제는 아니지만, 폐쇄적인 반도체 라인의 특성상 분말이나 먼지, 특히 부식생성물(녹, 백화 등)에 의한 오염을 완전 배제해야 하는 조건에서는 반드시 해결해야 할 필요성이 있다.
본 발명의 목적은 도금제품의 백화현상을 방지하여 청정도 및 정밀도를 요구하는 반도체 부품 제조 과정에서 효율적으로 적용 가능한 복합 소재를 제공하고자 하며, 크롬 도금을 대체할 수 있는 친환경적인 초경 코팅층 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서,
본 발명의 복합 소재의 제조 방법은,
(a) 스테인리스(SUS) 분말, 초경 분말 및 바인더 분말을 혼합하는 단계;
(b) 몰드에 스테인리스(SUS) 분말을 먼저 장입하고, 상기 혼합하는 단계로부터 수득한 혼합 분말을 장입하여 성형하는 단계; 및
(c) 상기 성형하는 단계로부터 수득한 성형체를 탈지 및 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a)단계에서 상기 초경 분말은 텅스텐 카바이드(WC), 티타늄 카바이드(TiC), 바나듐 카바이드(VC), 및 탄탈륨 카바이드(TaC) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a)단계에서 상기 초경 분말은 코발트(Co), 니켈(Ni), 탄소(C) 및 철(Fe)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
코발트(Co)는 상기 혼합 분말 전체 중량 대비 1 중량% 내지 20 중량%로 포함하는 것을 특징으로 한다.
니켈(Ni)은 상기 혼합 분말 전체 중량 대비 1 중량% 내지 20 중량%로 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 탄소(C)는 상기 혼합 분말 전체 중량 대비 0.1 중량% 내지 5 중량%로 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 철(Fe)은 상기 혼합 분말 전체 중량 대비 1 중량% 내지 30 중량%로 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a)단계는 볼밀링 공정으로 수행되고, 100 rpm 내지 500 rpm의 속도로 1 시간 내지 5 시간 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 (a)단계에서 볼밀링 시 jar 및 ball은 초경소재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (C)단계에서 상기 탈지는 진공 분위기에서 650 ℃ 내지 750 ℃의 온도에서 30 분 내지 2 시간 동안 진행되는 것을 특징으로 한다.
상기 (C)단계에서 상기 소결은 진공 분위기에서 1000 ℃ 내지 1350 ℃의 온도에서 30 분 내지 2 시간 동안 진행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 복합 소재는, 스테인리스강; 및 상기 스테인리스강 표면에 형성되고, 초경 합금을 포함하는 초경 코팅층을 포함한다.
본 발명의 복합 소재에서, 상기 초경 합금은, 텅스텐 카바이드(WC), 티타늄 카바이드(TiC), 바나듐 카바이드(VC), 또는 탄탈륨 카바이드(TaC)만을 포함하거나, 코발트(Co), 니켈(Ni), 탄소(C) 및 철(Fe)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제조 방법을 통해 스테인리스강 상에 초경 분말이 코팅될 수 있다. 또한, 기존 스테인리스강의 경화를 위해 사용된 크롬 도금 공정을 생략할 수 있어 환경적으로 우수하다.
본 발명의 복합 소재는 도금제품의 백화현상을 방지하여 청정도 및 정밀도를 요구하는 반도체 부품 제조 과정에서 효율적으로 적용 가능하다. 또한, 초경 코팅층을 통해 HRA 경도를 현저히 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 소재의 제조 방법의 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 소재의 제조 방법의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 복합 소재의 사진이다.
도 4는 본 발명의 복합 소재의 초경 코팅층의 미세 조직 사진이다.
도 5는 실시예 및 비교예의 HRA 경도를 비교한 그래프이다.
도 6은 실시예 및 비교예의 압흔을 비교한 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 소재의 제조 방법의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 복합 소재의 사진이다.
도 4는 본 발명의 복합 소재의 초경 코팅층의 미세 조직 사진이다.
도 5는 실시예 및 비교예의 HRA 경도를 비교한 그래프이다.
도 6은 실시예 및 비교예의 압흔을 비교한 사진이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 복합 소재의 제조 방법은,
(a) 스테인리스(SUS) 분말, 초경 분말 및 바인더 분말을 혼합하는 단계;
(b) 몰드에 스테인리스(SUS) 분말을 먼저 장입하고, 상기 혼합하는 단계로부터 수득한 혼합 분말을 장입하여 성형하는 단계; 및
(c) 상기 성형하는 단계로부터 수득한 성형체를 탈지 및 소결하는 단계를 포함한다.
상기 (a)단계에서 혼합되는 초경 분말은 텅스텐 카바이드(WC), 티타늄 카바이드(TiC), 바나듐 카바이드(VC), 및 탄탈륨 카바이드(TaC) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이때, 초경 분말은 텅스텐 카바이드(WC), 티타늄 카바이드(TiC), 바나듐 카바이드(VC), 탄탈륨 카바이드(TaC) 중 어느 하나만 단독으로 포함하는 분말일 수 있다. 한편, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 초경 분말은 이 외에 코발트(Co), 니켈(Ni), 탄소(C) 및 철(Fe)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 추가로 포함할 수 있다.
코발트(Co)가 추가로 포함될 경우, 코발트(Co)는 혼합 분말 전체 중량 대비 1 중량% 내지 20 중량%로 포함될 수 있다.
니켈(Ni)이 추가로 포함될 경우, 니켈(Ni)은 혼합 분말 전체 중량 대비 1 중량% 내지 20 중량%로 포함될 수 있다.
탄소(C)가 추가로 포함될 경우, 탄소(C)는 혼합 분말 전체 중량 대비 0.1 중량% 내지 5 중량%로 포함될 수 있다.
철(Fe)이 추가로 포함될 경우, 철(Fe)은 혼합 분말 전체 중량 대비 1 중량% 내지 30 중량%로 포함될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 초경 분말은 텅스텐 카바이드(WC), 코발트(Co) 및 탄소(C)의 혼합 분말일 수 있다. 또는, 초경 분말은 텅스텐 카바이드(WC), 철(Fe) 및 탄소(C)의 혼합 분말일 수 있다. 또는, 초경 분말은 텅스텐 카바이드(WC), 코발트(Co), 탄소(C) 및 철(Fe)의 혼합 분말일 수 있다.
한편, 혼합 분말에 포함되는 바인더 분말은 혼합분말 전체 중량 대비 0.1 중량% 내지 10 중량%로 포함될 수 있다.
이러한 혼합하는 단계는 볼밀링 공정 또는 믹서로 진행될 수 있다. 볼밀링 공정으로 진행될 경우, 100 rpm 내지 500 rpm의 속도로 1 시간 내지 5 시간 수행할 수 있다. 본 발명에서는 공정 효율성의 측면에서 5 시간 이하로 볼밀링할 수 있다.
볼밀링 시 jar 및 ball은 초경소재를 포함할 수 있다. 혼합 분말을 볼밀링 함에 있어서 jar 및 ball이 동일 소재인 초경소재를 포함함으로써, 이형 재질에 의한 오염을 최소화하고 볼밀링 시간을 단축할 수 있다.
(b) 단계에서는, 복합 성형이 진행될 수 있다. 구체적으로, 몰드에 스테인리스(SUS) 분말을 먼저 장입하고, 혼합 분말을 다음으로 장입하여 성형할 수 있다. 성형하는 단계는 10 MPa 내지 100 MPa의 압력을 가해 진행될 수 있다.
(C)단계에서는 성형하는 단계로부터 수득한 성형체를 탈지 및 소결할 수 있다. 탈지는 진공 분위기에서 650 ℃ 내지 750 ℃의 온도에서 30 분 내지 2 시간 동안 진행되는 것을 특징으로 한다.
또한, (C)단계에서 소결은 진공 분위기에서 1000 ℃ 내지 1350 ℃의 온도에서 30 분 내지 2 시간 동안 진행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 탈지 및 소결을 동시에 진행할 수 있다. 또한, 탈지 및 소결이 고온에서 진행되므로 초경 코팅층의 밀착력이 향상될 수 있다.
상술한 제조 방법을 통해 스테인리스강 상에 초경 분말이 코팅될 수 있다. 또한, 기존 스테인리스강의 경화를 위해 사용된 크롬 도금 공정을 생략할 수 있어 환경적으로 우수하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 제조 방법에 따라 제조된 복합 소재의 사진이다. 도 3을 참고하면, 본 발명의 복합 성형 및 소결 공정으로 통해 스테인리스강이 초경코팅되었음을 알 수 있다.
본 발명의 복합 소재는, 상술한 방법으로 제조될 수 있다. 본 발명의 복합 소재는 스테인리스강 및 상기 스테인리스강 표면에 형성되고, 초경 합금을 포함하는 초경 코팅층을 포함한다.
본 발명의 복합 소재에서, 상기 초경 합금은, 텅스텐 카바이드(WC), 티타늄 카바이드(TiC), 바나듐 카바이드(VC), 또는 탄탈륨 카바이드(TaC) 중 어느 하나만을 포함하거나, 이 외에 코발트(Co), 니켈(Ni), 탄소(C) 및 철(Fe)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 4는 본 발명의 복합 소재의 초경 코팅층의 미세 조직 사진이다. 도 4를 참고하면, 초경 코팅층의 두께는 10 μm 내지 50 mm 일 수 있다.
한편, 도 5를 참고하면, 본 발명의 복합 소재인 초경 코팅층을 포함하는 스테인리스강(Coated)과 초경 코팅층이 없는 스테인리스강(Non-coated)의 HRA 경도를 비교하였을 때, 본 발명의 복합 소재의 HRA 경도가 50 HRA로 현저히 높음을 알 수 있다.
또한, 도 6을 참고하면, 본 발명의 복합 소재인 초경 코팅층을 포함하는 스테인리스강(오른쪽 도면)과 초경 코팅층이 없는 스테인리스강(왼쪽 도면)의 압흔(Pressure Mark)를 비교하였을 때, 본 발명의 복합 소재가 경도가 현저히 높음을 알 수 있다.
본 발명의 복합 소재에서 스테인리스강은 고경도의 초경 코팅층으로 코팅될 수 있고, 백화 현상을 방지할 수 있어 청정도 및 정밀도를 요구하는 반도체 부품 제조 과정에서 효율적으로 적용할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (13)
- (a) 스테인리스(SUS) 분말, 초경 분말 및 바인더 분말을 100 rpm 내지 500 rpm의 속도로 1 시간 내지 5시간 볼밀링 공정으로 혼합하는 단계;
(b) 몰드에 스테인리스(SUS) 분말을 먼저 장입하고, 상기 혼합하는 단계로부터 수득한 혼합 분말을 장입하여 성형하는 단계; 및
(c) 상기 성형하는 단계로부터 수득한 성형체를 진공 분위기에서 650 ℃ 내지 750 ℃의 온도에서 30 분 내지 2 시간 동안 탈지 및 진공 분위기에서 1000 ℃ 내지 1350 ℃의 온도에서 30 분 내지 2 시간 동안 소결하는 단계를 포함하고,
상기 (a)단계에서 상기 초경 분말은 텅스텐 카바이드(WC), 티타늄 카바이드(TiC), 바나듐 카바이드(VC), 및 탄탈륨 카바이드(TaC) 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 초경 분말은 코발트(Co), 니켈(Ni), 탄소(C) 및 철(Fe)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 추가로 포함하고,
상기 코발트(Co)는 상기 혼합 분말 전체 중량 대비 1 중량% 내지 20 중량%로 포함되고,
상기 니켈(Ni)은 상기 혼합 분말 전체 중량 대비 1 중량% 내지 20 중량%로 포함되고,
상기 탄소(C)는 상기 혼합 분말 전체 중량 대비 0.1 중량% 내지 5 중량%로 포함되고,
상기 철(Fe)은 상기 혼합 분말 전체 중량 대비 1 중량% 내지 30 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 복합 소재의 제조 방법. - 삭제
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- 제1항에 있어서,
상기 (a)단계에서 볼밀링 시 jar 및 ball은 초경소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 소재의 제조 방법. - 삭제
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| KR20230076350A (ko) | 2021-11-24 | 2023-05-31 | 주식회사 와이케이신터링 | 초경합금제 복합소재 및 이의 제조방법 |
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