KR102554677B1 - 초경합금, 이를 포함하는 절삭 공구 및 초경합금의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 초경합금은, Ti 및 Nb를 함유하는 탄질화물을 포함하는 제2 경질상 입자를 포함하고, 제2 경질상 입자는 심부를 포함하고, 심부는 Ti_{1 -X- Z}Nb_XM_ZC_{1 - Y}N_Y로 표시되는 복합 탄질화물로 이루어지고, M은 V, Cr 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 불순물 원소이고, X는 0.1 이상 0.2 이하이고, Y는 0.3 이상 0.6 이하이고, Z는 0 이상 0.02 이하이고, 초경합금의 임의의 단면을 1500배의 배율로 촬영한 현미경 이미지 중에, 한 변이 8 ㎛인 정방형으로 이루어지는 단위 영역을 세로 방향으로 7개, 가로 방향으로 10개 연속해서 늘어놓음으로써 합계 70개의 단위 영역을 마련하여, 각각의 단위 영역의 내부에 있는 심부의 개수를 카운트함으로써, 합계 70개의 단위 영역의 내부에 있는 심부의 총 개수를 구하며, 또한 총 개수에 대한 각각의 단위 영역의 내부에 있는 심부의 개수의 백분율을 산출한 경우, 백분율이 0.43% 미만 또는 2.43% 초과가 되는 단위 영역의 수가 10 이하이다.

Description

초경합금, 이를 포함하는 절삭 공구 및 초경합금의 제조 방법

본 개시는 초경합금, 그것을 포함하는 절삭 공구 및 초경합금의 제조 방법에 관한 것이다. 본 출원은 2018년 10월 4일에 출원한 일본 특허출원인 특원 2018-189083호에 기초한 우선권을 주장한다. 이 일본 특허출원에 기재된 모든 기재 내용은 참조에 의해서 본 명세서에 원용된다.

티탄(Ti)을 포함하는 경질 재료로서 초경합금, 서멧 등이 알려져 있다. 이들 경질 재료는 내마모성이 우수하기 때문에 절삭 공구, 내마모성 공구 등에 적합하게 이용되고 있다. 예컨대 국제공개 제2011/136197호(특허문헌 1)에는, Ti을 포함하는 복합 탄질화물로 이루어지는 제1 경질상과, 탄화텅스텐(WC)으로 이루어지는 제2 경질상과, 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중의 어느 하나 또는 양자 모두를 주성분으로 하는 결합상으로 이루어지는 서멧이 개시되어 있다. 또한, 국제공개 제2017/191744호(특허문헌 2)에는, WC을 주성분으로 하는 제1 경질상과, Ti 및 W을 포함하는 복합 탄질화물을 주성분으로 하는 제2 경질상을 구비한 초경합금이 개시되어 있다.

[특허문헌 1] 국제공개 제2011/136197호 [특허문헌 2] 국제공개 제2017/191744호

본 개시의 일 양태에 따른 초경합금은, WC을 포함하는 제1 경질상 입자와, Ti 및 Nb를 함유하는 탄질화물을 포함하는 제2 경질상 입자와, 철족 원소를 포함하는 금속 결합상을 포함하는 초경합금으로서, 상기 제2 경질상 입자는 입자형의 심부(芯部)와 이 심부의 적어도 일부를 피복하는 주변부를 포함하고, 상기 심부는 Ti_1-X-ZNb_XM_ZC_1-YN_Y로 표시되는 복합 탄질화물로 이루어지고, 상기 M은 V, Cr 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 불순물 원소이고, 상기 X는 0.1 이상 0.2 이하이고, 상기 Y는 0.3 이상 0.6 이하이고, 상기 Z는 0 이상 0.02 이하이고, 상기 주변부는 상기 심부와 조성이 상이하고, 상기 초경합금은 그 임의의 단면을 1500배의 배율로 촬영한 전자현미경 이미지 중에, 한 변이 8 ㎛인 정방형으로 이루어지는 단위 영역을 세로 방향으로 7개 또한 가로 방향으로 10개 연속하여 늘어놓음으로써 합계 70개의 상기 단위 영역을 마련하여, 각각의 상기 단위 영역의 내부에 있는 상기 심부의 개수를 카운트함으로써, 합계 70개의 상기 단위 영역의 내부에 있는 상기 심부의 총 개수를 구하고, 상기 총 개수에 대한 각각의 상기 단위 영역의 내부에 있는 상기 심부의 개수의 백분율을 산출한 경우, 상기 백분율이 0.43% 미만 또는 2.43% 초과가 되는 상기 단위 영역의 수가 10 이하이다.

본 개시의 일 양태에 따른 절삭 공구는 상기 초경합금을 포함한다.

본 개시의 일 양태에 따른 초경합금의 제조 방법은, Ti_{1 -X- Z}Nb_XM_ZC_{1 - Y}N_Y로 표시되는 복합 탄질화물의 분말을 얻는 공정과, 상기 복합 탄질화물의 분말과 WC 분말과 철족 원소의 분말을 볼밀을 이용하여 9시간 이상 15시간 이하 혼합함으로써 혼합 분말을 얻는 공정과, 상기 혼합 분말을 가압 성형함으로써 성형체를 얻는 공정과, 상기 성형체를 소결함으로써 소결체를 얻는 공정을 포함하는 초경합금의 제조 방법으로서, 상기 M은 V, Cr 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 불순물 원소이고, 상기 X는 0.1 이상 0.2 이하이고, 상기 Y는 0.3 이상 0.6 이하이고, 상기 Z는 0 이상 0.02 이하이고, 상기 복합 탄질화물의 분말을 얻는 공정은, Ti와 Nb를 포함하는 제1 분말과 적어도 그래파이트를 포함하는 제2 분말을 혼합함으로써 제3 분말을 얻는 공정과, 상기 제3 분말을 조립(造粒)함으로써 조립체를 얻는 공정과, 상기 조립체를 질소 가스를 포함하는 분위기하 또한 1800℃ 이상에서 열처리함으로써 상기 복합 탄질화물로 이루어지는 분말 전구체를 얻는 공정과, 상기 분말 전구체를 해쇄(解碎)함으로써 상기 복합 탄질화물의 분말을 얻는 공정을 포함한다.

도 1은 본 실시형태에 따른 초경합금의 한 단면을 모식적으로 도시한 모식도이다.
도 2a는 시료 12에 따른 초경합금의 한 단면의 전자현미경 이미지를 도시하는 도면 대용 사진이다.
도 2b는 도 2a에 도시하는 전자현미경 이미지 중에 마련한 각 단위 영역에 있는 심부의 개수를 나타낸 설명도이다.
도 2c는 도 2a에 도시하는 전자현미경 이미지 중에 마련한 합계 70개의 단위 영역에 있는 심부의 총 개수에 대한 각 단위 영역에 있는 심부의 개수를 백분율로 나타낸 설명도이다.
도 3a는 시료 114에 따른 초경합금의 한 단면의 전자현미경 이미지를 도시하는 도면 대용 사진이다.
도 3b는 도 3a에 도시하는 전자현미경 이미지 중에 마련한 각 단위 영역에 있는 심부의 개수를 나타낸 설명도이다.
도 3c는 도 3a에 도시하는 전자현미경 이미지 중에 마련한 합계 70개의 단위 영역에 있는 심부의 총 개수에 대한 각 단위 영역에 있는 심부의 개수를 백분율로 나타낸 설명도이다.
도 4는 본 실시형태에 따른 절삭 공구의 구성의 일례를 도시하는 부분 단면도이다.

[본 개시가 해결하고자 하는 과제]

특허문헌 1의 경질 재료에 있어서 복합 탄질화물은 (Ti_{1 -x- y}L_xMo_y)(C_1-zN_z)로 표시되는 코어를 갖는다. 이 화학식에 있어서, L은 Zr, Hf, Nb 및 Ta로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소이고, x는 0.01 이상 0.5 이하이고, y는 0.03 이상 0.05 이하이고, z는 0.05 이상 0.75 이하이다. 따라서, 상기 복합 탄질화물은 전체 금속 원소(Ti, L, Mo)에서 차지하는 Mo의 원자비가 0.03 이상이다. 그러나 Mo는 탄질화물 그 자체의 내강(耐鋼) 반응성(이하, 「내용착성」이라고도 한다)을 열화시키기 때문에, 그 함유량이 적은 것이 바람직하다.

특허문헌 2에서는, Ti 및 W을 포함하는 복합 탄질화물을 주성분으로 하는 제2 경질상에 관해서, 가장 근접하는 2개의 입자의 무게중심 사이 거리(σ²)를 작게 함으로써, 상기 제2 경질상을 초경합금 전체에 걸쳐 균일하게 분산시키고, 이로써 내결손성을 향상시킨 것이 개시되어 있다. 그러나, 특허문헌 2는 초경합금의 내강 반응성에 관해서 언급하고 있지 않다. 이 때문에, 아직 우수한 내강 반응성을 갖춘 경질 재료는 얻지 못하여, 그 개발이 갈망되고 있다.

상기 실정에 감안하여, 본 개시는 우수한 내강 반응성을 갖춘 초경합금, 그것을 포함하는 절삭 공구, 초경합금의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

[본 개시의 효과]

본 개시에 의하면, 우수한 내강 반응성을 갖춘 초경합금, 그것을 포함하는 절삭 공구, 초경합금의 제조 방법을 제공할 수 있다.

[본 개시의 실시형태의 설명]

본 발명자들은, Ti 및 Nb를 함유하는 탄질화물(이하, 「TiNbMCN」이라고도 한다)을 새로운 원료로서 첨가한 초경합금을 개발했다. 이 초경합금은, TiNbMCN을 포함함으로써 종래의 Ti계 화합물과 비교하여 내강 반응성이 우수하다는 것을 알아냈다. 또한, TiNbMCN에 있어서의 Nb 및 N의 조성을 적절히 제어함으로써, 상기 내강 반응성과 기계적 강도를 양립시킬 수 있다는 것을 알아냈다.

단, TiNbMCN은 초경합금 내에서 응집되기 쉽다. 이것을 막기 위해서 TiNbMCN의 입경을 미립(微粒)으로 한 경우, 초경합금을 제조하기 위한 소결 공정에 있어서, TiNbMCN 중의 Ti 및 Nb가 WC의 결정 중에 고용(固溶)되는 경향이 있다는 것을 지견했다. 이 지견에 기초하여, TiNbMCN을 WC의 결정 내에 고용시키지 않으며 또한 초경합금 내에서 치우치지 않게 분산시킴으로써 내강 반응성이 보다 향상된 초경합금에 상도하여, 본 개시에 도달했다.

맨 처음 본 개시의 실시양태를 열거하여 설명한다.

[1] 본 개시의 일 양태에 따른 초경합금은, WC을 포함하는 제1 경질상 입자와, Ti 및 Nb를 함유하는 탄질화물을 포함하는 제2 경질상 입자와, 철족 원소를 포함하는 금속 결합상을 포함하는 초경합금으로서, 상기 제2 경질상 입자는 입자형의 심부와 이 심부의 적어도 일부를 피복하는 주변부를 포함하고, 상기 심부는 Ti_{1 -X-Z}Nb_XM_ZC_1-YN_Y로 표시되는 복합 탄질화물로 이루어지고, 상기 M은 V, Cr 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 불순물 원소이고, 상기 X는 0.1 이상 0.2 이하이고, 상기 Y는 0.3 이상 0.6 이하이고, 상기 Z는 0 이상 0.02 이하이고, 상기 주변부는 상기 심부와 조성이 상이하고, 상기 초경합금은 그 임의의 단면을 1500배의 배율로 촬영한 전자현미경 이미지 중에, 한 변이 8 ㎛인 정방형으로 이루어지는 단위 영역을 세로 방향으로 7개 또한 가로 방향으로 10개 연속해서 늘어놓음으로써 합계 70개의 상기 단위 영역을 마련하여, 각각의 상기 단위 영역의 내부에 있는 상기 심부의 개수를 카운트함으로써, 합계 70개의 상기 단위 영역의 내부에 있는 상기 심부의 총 개수를 구하고, 상기 총 개수에 대한 각각의 상기 단위 영역의 내부에 있는 상기 심부의 개수의 백분율을 산출한 경우, 상기 백분율이 0.43% 미만 또는 2.43% 초과가 되는 상기 단위 영역의 수가 10 이하이다. 이러한 특징을 갖는 초경합금은 우수한 내강 반응성을 갖출 수 있다.

[2] 개수를 카운트하는 상기 단위 영역의 내부에 있는 상기 심부는 그 입경이 0.2 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이에 따라, WC의 결정 내에 고용되지 않으며 또한 응집하기 어려운 입경의 심부를 초경합금 내에서 치우치지 않게 분산시킬 수 있고, 이로써 우수한 내강 반응성을 갖출 수 있다.

[3] 상기 주변부는 Ti, Nb 및 W을 함유하는 탄질화물인 것이 바람직하다. 이에 따라, 더욱 우수한 내강 반응성을 갖출 수 있다.

[4] 상기 심부는, 그 면적 기준의 50% 누적 개수 입경이 0.2 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이에 따라, 우수한 내강 반응성을 수율 좋게 갖출 수 있다.

[5] 상기 심부는, 상기 초경합금에서 차지하는 체적 비율이 2 체적% 이상 10 체적% 이하인 것이 바람직하다. 이에 따라, 우수한 내강 반응성을 수율 좋게 갖출 수 있다.

[6] 본 개시의 일 양태에 따른 절삭 공구는 상기 초경합금을 포함한다. 이러한 절삭 공구는, 초경합금이 원래 갖는 우수한 기계적 강도에 더하여, 우수한 내강 반응성도 갖출 수 있다.

[7] 상기 절삭 공구는, 상기 초경합금으로 이루어지는 기재와, 상기 기재를 피복하는 피막을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 절삭 공구도, 초경합금이 원래 갖는 우수한 기계적 강도에 더하여, 우수한 내강 반응성도 갖출 수 있다.

[8] 본 개시의 일 양태에 따른 초경합금의 제조 방법은, Ti_{1 -X- Z}Nb_XM_ZC_{1 - Y}N_Y로 표시되는 복합 탄질화물의 분말을 얻는 공정과, 상기 복합 탄질화물의 분말과 WC 분말과 철족 원소의 분말을 볼밀을 이용하여 9시간 이상 15시간 이하 혼합함으로써 혼합 분말을 얻는 공정과, 상기 혼합 분말을 가압 성형함으로써 성형체를 얻는 공정과, 상기 성형체를 소결함으로써 소결체를 얻는 공정을 포함하는 초경합금의 제조 방법으로서, 상기 M은 V, Cr 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 불순물 원소이고, 상기 X는 0.1 이상 0.2 이하이고, 상기 Y는 0.3 이상 0.6 이하이고, 상기 Z는 0 이상 0.02 이하이고, 상기 복합 탄질화물의 분말을 얻는 공정은, Ti와 Nb를 포함하는 제1 분말과 적어도 그래파이트를 포함하는 제2 분말을 혼합함으로써 제3 분말을 얻는 공정과, 상기 제3 분말을 조립함으로써 조립체를 얻는 공정과, 상기 조립체를 질소 가스를 포함하는 분위기하 또한 1800℃ 이상에서 열처리함으로써 상기 복합 탄질화물로 이루어지는 분말 전구체를 얻는 공정과, 상기 분말 전구체를 해쇄함으로써 상기 복합 탄질화물의 분말을 얻는 공정을 포함한다. 이러한 초경합금의 제조 방법에 의해, 우수한 내강 반응성을 갖춘 초경합금을 제조할 수 있다.

[본 개시의 실시형태의 상세]

이하, 본 개시의 실시형태(이하 「본 실시형태」라고도 한다)에 관해서 더욱 상세히 설명하지만, 본 실시형태는 이들에 한정되는 것은 아니다. 이하에서는 도면을 참조하면서 설명한다.

여기서, 본 명세서에서 「A~B」라고 하는 형식의 표기는, 범위의 상한 하한(즉, A 이상 B 이하)을 의미하고, A에서 단위의 기재가 없고 B에서만 단위가 기재되어 있는 경우, A의 단위와 B의 단위는 같다. 또한, 본 명세서에서 화합물 등을 화학식으로 나타내는 경우, 원자비를 특별히 한정하지 않을 때는 종래 공지된 모든 원자비를 포함하는 것으로 하며, 반드시 화학양론적 범위의 것에만 한정되는 것은 아니다. 예컨대 「TiAlN」이라고 기재되어 있는 경우, TiAlN을 구성하는 원자수의 비는 Ti:Al:N=0.5:0.5:1에 한정되지 않고, 종래 공지된 모든 원자비가 포함된다. 이것은 「TiAlN」 이외의 화합물의 기재에 관해서도 마찬가지다. 본 실시형태에 있어서, 티탄(Ti), 알루미늄(Al), 규소(Si), 탄탈(Ta), 크롬(Cr), 니오븀(Nb), 텅스텐(W) 등의 금속 원소와, 질소(N), 산소(O) 또는 탄소(C) 등의 비금속 원소는 반드시 화학양론적인 조성을 구성하고 있을 필요는 없다. 본 명세서에서 「기계적 강도」란, 초경합금의 내마모성, 내결손성 및 굽힘 강도 등의 제반 특성을 포함하는 기계적인 세기를 의미한다.

≪초경합금≫

본 실시형태에 따른 초경합금은, 도 1에 도시하는 것과 같이, WC을 포함하는 제1 경질상 입자(1)와, Ti 및 Nb를 함유하는 탄질화물을 포함하는 제2 경질상 입자(2)와, 철족 원소를 포함하는 금속 결합상(3)을 포함한다. 제2 경질상 입자(2)는 입자형의 심부(21)와 심부(21)의 적어도 일부를 피복하는 주변부(22)를 포함한다. 심부(21)는 Ti_{1 -X- Z}Nb_XM_ZC_{1 - Y}N_Y로 표시되는 복합 탄질화물로 이루어지고, 상기 M은 V, Cr 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 불순물 원소이고, 상기 X는 0.1 이상 0.2 이하이고, 상기 Y는 0.3 이상 0.6 이하이고, 상기 Z는 0 이상 0.02 이하이다. 주변부(22)는 심부(21)와 조성이 상이하다.

또한 본 실시형태에 따른 초경합금은, 예컨대 도 2a~도 2c에 도시하는 것과 같이, 그 임의의 단면을 1500배의 배율로 촬영한 전자현미경 이미지 중에, 한 변이 8 ㎛인 정방형으로 이루어지는 단위 영역을 세로 방향으로 7개 또한 가로 방향으로 10개 연속해서 늘어놓음으로써 합계 70개의 상기 단위 영역을 마련하여, 각각의 상기 단위 영역의 내부에 있는 상기 심부의 개수를 카운트함으로써, 합계 70개의 상기 단위 영역의 내부에 있는 상기 심부의 총 개수를 구하고, 상기 총 개수에 대한 각각의 상기 단위 영역의 내부에 있는 상기 심부의 개수의 백분율을 산출한 경우, 상기 백분율이 0.43% 미만 또는 2.43% 초과가 되는 상기 단위 영역의 수가 10 이하이다. 이러한 특징을 갖는 초경합금은 우수한 내강 반응성을 갖출 수 있다.

<제1 경질상 입자>

제1 경질상 입자(1)는 WC을 포함한다. 바람직하게는 제1 경질상 입자(1)는 그 주성분이 WC(탄화텅스텐)이다. 제1 경질상 입자(1)는, WC 외에, WC의 제조 과정에서 혼입되는 불가피 원소, 미량의 불순물 원소 등을 포함할 수 있다. 제1 경질상 입자(1)에 있어서의 WC의 함유량은, 본 개시의 효과를 발휘한다는 관점에서, 99 질량% 이상이 바람직하고, 실질적으로 100 질량%인 것이 보다 바람직하다. 제1 경질상 입자(1)에 포함할 수 있는 W 및 C 이외의 원소로서는 예컨대 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr) 등을 들 수 있다.

초경합금에 있어서, 제1 경질상 입자(1)의 함유량은 65~95 체적%인 것이 바람직하다. 초경합금 중의 제1 경질상 입자(1)의 함유량이 65 체적% 미만인 경우, 충분한 기계적 강도를 얻을 수 없는 경향이 있다. 초경합금 중의 제1 경질상 입자(1)의 함유량이 95 체적%를 넘는 경우, 충분한 인성(靭性)을 얻을 수 없는 경향이 있다. 초경합금 내의 제1 경질상 입자(1)의 바람직한 함유량은 75~85 체적%이다.

제1 경질상 입자(1)의 함유량(체적%)은 다음의 측정 방법을 이용하여 구할 수 있다. 즉, 아르곤의 이온 빔 등을 이용하여 초경합금을 CP(Cross Section Polisher) 가공함으로써 평활한 단면을 갖는 시료를 얻는다. 이 시료의 상기 단면에 대하여, 전계방출형 주사 전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope: FE-SEM, 상품명: 「JSM-7000F」, 닛폰덴시 가부시키가이샤 제조)을 이용하여 5000배로 촬상함으로써, 상기 시료 단면의 전자현미경 이미지(SEM-BSE 이미지)를 얻고, 이 전자현미경 이미지 중의 제1 경질상 입자(1)의 외곽을 특정한다.

이어서, 화상 해석 소프트웨어(상품명: 「Mac-View」, 가부시키가이샤 마운테크 제조)를 이용한 2치화 처리에 기초하여, 상기 전자현미경 이미지 중의 제1 경질상 입자(1)의 입자 전부의 면적의 합(총 면적)을 산출한다. 마지막으로, 이 총 면적이 상기 단면의 깊이 방향으로 연속된다고 간주함으로써, 상기 총 면적을 초경합금 내의 제1 경질상 입자(1)의 함유량(체적%)으로 할 수 있다. 특히 제1 경질상 입자(1)의 함유량(체적%)은, 상기 시료의 단면에 있어서, 중복되는 촬상 부분이 나타나지 않게 하여 5장(5 시야)의 전자현미경 이미지를 준비하여, 이 5 시야에 있어서 산출된 각 총 면적의 평균치로서 구하는 것이 바람직하다.

<제2 경질상 입자>

제2 경질상 입자(2)는 Ti 및 Nb를 함유하는 탄질화물을 포함한다. 제2 경질상 입자(2)는 입자형의 심부(21)와 심부(21)의 적어도 일부를 피복하는 주변부(22)를 포함한다. 심부(21)는 Ti_{1 -X- Z}Nb_XM_ZC_{1 - Y}N_Y로 표시되는 복합 탄질화물로 이루어지고, 상기 M은 V, Cr 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 불순물 원소이고, 상기 X는 0.1 이상 0.2 이하이고, 상기 Y는 0.3 이상 0.6 이하이고, 상기 Z는 0 이상 0.02 이하이다. 주변부(22)는 심부(21)와 조성이 상이하다. 특히 주변부(22)는 Ti, Nb 및 W을 함유하는 탄질화물인 것이 바람직하다. 초경합금은, 제2 경질상 입자(2)에 있어서의 입자형 심부(21)의 조성(Ti, Nb, C 및 N)이 전술한 범위의 원자비인 경우에 우수한 내강 반응성을 갖출 수 있다. 상기 M으로 표시되는 V, Cr 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 불순물 원소에 관해서는 후술한다.

초경합금에 있어서, 제2 경질상 입자(2)의 함유량은 2~15 체적%인 것이 바람직하다. 초경합금 내의 제2 경질상 입자(2)의 함유량이 2 체적% 미만인 경우, 충분한 내강 반응성을 얻을 수 없는 경향이 있다. 초경합금 내의 제2 경질상 입자(2)의 함유량이 15 체적%를 넘는 경우, 충분한 기계적 강도를 얻을 수 없는 경향이 있다. 초경합금 내의 제2 경질상 입자(2)의 바람직한 함유량은 5~10 체적%이다.

제2 경질상 입자(2)의 함유량(체적%)은 제1 경질상 입자(1)의 함유량을 측정하는 방법과 동일한 방법에 의해서 구할 수 있다.

(심부)

심부(21)는 Ti_{1 -X- Z}Nb_XM_ZC_{1 - Y}N_Y로 표시되는 복합 탄질화물로 이루어진다. X는 0.1 이상 0.2 이하이고, Y는 0.3 이상 0.6 이하이고, 상기 Z는 0 이상 0.02 이하이다. 즉, 심부(21)는 Ti가 주성분이고, Nb가 부성분이다. 상기 M은 V, Cr 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 불순물 원소이다. Ti의 원자비(1-X-Z)는, 부성분의 첨가량을 고용 한계 이하로 하며 또한 첨가 금속 원소인 Ti 및 Nb의 효과를 충분히 이끌어낸다는 관점에서, 0.8 이상 0.9 이하이다. 복합 탄질화물 중의 질소(N)의 원자비를 나타내는 Y는, 우수한 내강 반응성을 얻는다는 관점에서, 0.3 이상 0.6 이하이다. 심부(21)의 조성은, 본 개시의 효과를 발휘하여, 전술한 범위의 원자비(X, Y, Z)이며, 또한 주변부(22)와 조성이 다른 한 특별히 제한되어서는 안 되지만, 예컨대 Ti_0.85Nb_0.15C_0.5N_0.5, Ti_0.8Nb_0.2C_0.45N_0.55 등을 들 수 있다.

여기서 심부(21)의 Ti_{1 -X- Z}Nb_XM_ZC_{1 - Y}N_Y로 표시되는 복합 탄질화물에 관해서, X는 0.12 이상 0.18 이하인 것이 바람직하다. 또한, X는 0.14 이상 0.16 이하인 것이 보다 바람직하다. Y는 0.4 이상 0.55 이하인 것이 바람직하다. 이에 따라, 내강 반응성이 우수하고, 내마모성 및 내결손성 등의 기계적인 강도에 있어서도 바람직한 특성을 얻을 수 있다.

심부(21)에 포함되는 복합 탄질화물의 조성 및 그 원자비는, 초경합금의 전술한 단면을 갖는 전자현미경 이미지에 대하여, 이것에 나타난 제2 경질상 입자(2)에 포함되는 심부(21)를 상기한 전계방출형 주사 전자현미경(FE-SEM)에 딸린 에너지 분산형 X선 분광장치(EDX) 또는 전자선 마이크로애널라이저(EPMA)를 이용하여 분석함으로써 동정(同定)할 수 있다. 제1 경질상 입자(1)에 있어서의 WC, 후술하는 금속 결합상(3)에 있어서의 철족 원소의 조성도, 상기 전자현미경 이미지에 나타난 제1 경질상 입자(1), 금속 결합상(3)을 대상으로 함으로써, 동일한 측정 방법에 의해서 이들 조성을 동정할 수 있다.

(심부의 분산도)

본 실시형태에 따른 초경합금은, 그 임의의 단면을 1500배의 배율로 촬영한 전자현미경 이미지 중에, 한 변이 8 ㎛인 정방형으로 이루어지는 단위 영역(R)을 세로 방향으로 7개 또한 가로 방향으로 10개 연속해서 늘어놓음으로써 합계 70개의 단위 영역(R)을 마련하여, 각각의 단위 영역(R)의 내부에 있는 심부(21)의 개수를 카운트함으로써, 합계 70개의 단위 영역(R)의 내부에 있는 심부(21)의 총 개수를 구하고, 상기 총 개수에 대한 각각의 단위 영역(R)의 내부에 있는 심부(21)의 개수의 백분율을 산출한 경우, 상기 백분율이 0.43% 미만 또는 2.43% 초과가 되는 단위 영역(R)의 수가 10 이하이다.

전술한 것과 같이 본 발명자들은, 심부인 Ti_{1 -X- Z}Nb_XM_ZC_{1 - Y}N_Y를 WC의 결정 내에 고용시키지 않고 또한 초경합금 내에서 치우치지 않게 분산시킴으로써, 내강 반응성이 향상된 초경합금에 상도했다. 구체적으로는, 초경합금의 임의의 단면을 촬상 대상으로 한 전자현미경 이미지 중에, 소정의 크기를 갖는 단위 영역을 합계 70개 마련하고, 각 단위 영역의 내부에 있는 심부의 개수를 카운트하여, 그 단위 영역마다 심부의 개수를 백분율로 산출했다. 또한, 이 백분율로 표시되는 심부의 개수가 일정한 범위(0.43~2.43%)에서 일탈하게 되는 단위 영역의 수를 구했다.

그 결과, 심부의 개수가 일정 범위에서 일탈하는 단위 영역의 수가 10 이하가 되는 경우, 초경합금 내에 심부가 치우치지 않게 균일하게 분산되어 있다고 평가되고, 이로써 초경합금이 우수한 내강 반응성을 갖추는 것을 알아냈다. 또한, 상기 단위 영역의 수가 11 이상이 되는 경우, 초경합금은 원하는 우수한 내강 반응성을 갖추기가 어려워지는 경향도 발견했다. 여기서 본 명세서에서는, 초경합금 내에 심부가 치우치지 않게 균일하게 분산되어 있는지의 여부를, 초경합금 내의 「심부의 분산도」라는 용어를 이용하여, 그 고저에 의해 설명하는 경우가 있다.

이하, 본 실시형태에 있어서 심부의 분산도의 고저를 평가하는 방법(이하, 「분산도 측정 방법」이라고도 한다)을 도 2a~도 2c를 이용하여 설명한다. 도 2a~도 2c는 후술하는 실시예에 있어서 시료 12로서 제작한 초경합금에 대응하는 도면이다.

우선 아르곤의 이온 빔을 이용하여 초경합금을 CP 가공함으로써, 초경합금의 평활한 단면을 준비한다. 이 단면에 대하여, 전계방출형 주사 전자현미경(FE-SEM, 상품명: 「JSM-7000F」, 닛폰덴시 가부시키가이샤 제조)을 이용하여 1500배로 촬상함으로써, 도 2a에 도시하는 전자현미경 이미지(SEM-BSE 이미지)를 얻는다.

이어서 도 2b에 도시하는 것과 같이, 전자현미경 이미지 중에 세로 방향으로 7개, 가로 방향으로 10개의 단위 영역(R)을 늘어놓음으로써 합계 70개의 단위 영역(R)을 마련한다. 또한, 화상 해석 소프트웨어(상품명: 「Mac-View」, 가부시키가이샤 마운테크 제조)를 이용하여 화상 해석함으로써, 단위 영역(R)의 내부에 있는 심부(21)의 개수를 카운트한다. 이어서, 합계 70개의 단위 영역(R)의 내부에 있는 심부(21)의 총 개수를 구하고, 도 2c에 도시하는 것과 같이, 상기 총 개수에 대한 각각의 단위 영역(R)의 내부에 있는 심부(21)의 개수의 백분율을 산출한다.

상기 전자현미경 이미지에는, 세로 방향으로 7개, 가로 방향으로 10개의 합계 70개의 단위 영역(R)이 마련되어 있기 때문에, 초경합금 내에 심부(21)가 전혀 치우치지 않게 균일하게 분산되는 경우, 각 단위 영역(R)에 있어서의 상기 백분율로 표시되는 심부(21)의 개수는 1.43%(1/70×100%)가 된다. 이 때문에 단위 영역(R)에 있어서 카운트한 심부(21)의 개수(백분율)가 1.43%에서 플러스마이너스 1% 이내인 0.43~2.43% 이내가 되는 경우, 상기 단위 영역(R)에 있어서 심부(21)의 개수에 치우침이 없다고 판단한다. 한편, 단위 영역(R)에 있어서 카운트한 심부(21)의 개수(백분율)가 1.43%에서 플러스마이너스 1%를 넘는 0.43% 미만 또는 2.43% 초과가 되는 경우, 상기 단위 영역(R)에 있어서 심부(21)의 개수에 치우침이 있다고 판단한다.

이어서, 이러한 판단 하에서, 상기 백분율로 표시되는 심부(21)의 개수가 0.43% 미만 또는 2.43% 초과가 되는 단위 영역(R)의 수를 구한다. 이에 따라 심부(21)의 개수가 0.43% 미만 또는 2.43% 초과가 되는 단위 영역(R)의 수가 적을수록, 상기 전자현미경 이미지를 제공한 초경합금은 심부(21)가 치우치지 않게 균일하게 분산되어 있다고 평가할 수 있다. 바꿔 말하면, 심부(21)의 개수가 0.43% 미만 또는 2.43% 초과가 되는 단위 영역(R)의 수가 10 이하[단위 영역(R)의 총수의 15% 이하]가 되는 초경합금은, 심부(21)의 분산도가 높아지기 때문에, 우수한 내강 반응성을 갖출 수 있다. 이상으로부터, 상기 전자현미경 이미지에 있어서 상기 백분율이 0.43% 미만 또는 2.43% 초과가 되는 단위 영역(R)의 수가 10 이하인지 여부를 분석함으로써, 초경합금 내의 심부(21)의 분산도의 고저를 평가할 수 있다.

도 2c에 있어서, 상기 백분율이 0.43% 미만 또는 2.43% 초과가 되는 단위 영역(R)의 수는 4개[단위 영역(R)의 총수의 6%]이다. 이 때문에 도 2a의 전자현미경 이미지에 제공한 초경합금(시료 12)은, 심부(21)의 분산도가 높다고 평가할 수 있으며, 이로써 우수한 내강 반응성을 갖출 수 있다고 고려된다.

한편, 도 3a~도 3c는 후술하는 참고예인 시료 114로서 제작한 초경합금에 대응하는 도면이다. 도 3a는 시료 114에 따른 초경합금의 한 단면의 전자현미경 이미지를 도시한 도면 대용 사진이고, 도 3b는 도 3a에 도시하는 전자현미경 이미지 중에 마련한 각 단위 영역에 있는 심부의 개수를 나타낸 설명도이고, 도 3c는 도 3a에 도시하는 전자현미경 이미지 중에 마련한 합계 70개의 단위 영역에 있는 심부의 총 개수에 대한 각 단위 영역에 있는 심부의 개수를 백분율로 나타낸 설명도이다. 도 3c에 있어서, 시료 114의 초경합금은 상기 백분율이 0.43% 미만 또는 2.43% 초과가 되는 단위 영역(R)의 수가 12개[단위 영역(R)의 총수의 17%]이다. 이 때문에 도 3a의 전자현미경 이미지에 제공한 초경합금(시료 114)은 심부(21)의 분산도가 낮다고 평가할 수 있으며, 이로써 원하는 내강 반응성을 갖추기가 어렵다고 고려된다.

상기 분산도 측정 방법에 있어서, 전술한 화상 해석 소프트웨어에 의해 화상 해석함으로써 개수를 카운트하는 단위 영역(R)의 내부에 있는 심부(21)는, 그 입경이 0.2 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 바꿔 말하면, 단위 영역(R)의 내부에 있는 심부(21)는, 그 입경이 0.2 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하인 경우에만 개수로서 카운트되는 것이 바람직하다. WC의 결정 중에 고용되지 않은 심부(21)(Ti_{1 - X}Nb_XC_{1 - Y}N_Y로 표시되는 복합 탄질화물)만을 분산도 측정 방법의 대상으로 하기 위해서이다. 이에 따라 응집이 일어나기 어려우며 또한 WC의 결정 중에 고용되지 않은 적절한 크기의 입경을 갖는 심부(21)를 초경합금 내에서 치우치지 않게 분산시킬 수 있다. 이러한 초경합금은 더욱 우수한 내강 반응성을 갖출 수 있다.

단위 영역(R)의 내부에 있어서 입경이 0.2 ㎛ 미만인 심부(21)는, 초경합금에 응집을 야기하여 내강 반응성에 불리하게 되는 영향을 주는 경향이 있다. 단위 영역(R)의 내부에 있어서 입경이 3 ㎛를 넘는 심부(21)는, 초경합금에 미세한 분산이 곤란하게 됨으로써 내강 반응성에 불리하게 되는 영향을 주는 경향이 있다. 또한, 심부(21)의 입경 측정 방법은 후술한다.

또한, 상기 분산도 측정 방법에서는, 인접하는 단위 영역(R)에 심부(21)가 걸쳐 존재한 경우, 상기 심부(21)는, 걸쳐 존재하는 단위 영역(R) 중, 가장 개수가 적은 단위 영역(R)에 포함되어 있다고 간주하여 카운트한다. 또한, 상기 분산도 측정 방법에서는, 초경합금의 한 단면에 대하여, 중복되는 촬상 부분이 나타나지 않게 하여 5장(5 시야)의 전자현미경 이미지를 준비한다. 이 5 시야는, 상기 한 단면의 중앙 부분의 1 시야와, 이 1 시야에 대하여 상하 및 좌우에 위치하는 4 시야로 하는 것이 바람직하다. 상기 분산도 측정 방법에서는, 상기 5 시야에 있어서 백분율이 0.43% 미만 또는 2.43% 초과가 되는 단위 영역(R)의 수를 각각 구하여, 5 시야 전부에서 상기 단위 영역(R)의 수가 10 이하인 경우에 한하여, 상기 전자현미경 이미지를 제공한 초경합금이 우수한 내강 반응성을 갖춘다고 평가하는 것으로 한다.

(심부에 있어서 허용되는 불순물 원소)

심부(21)는 전술한 것과 같이 Ti_{1 -X- Z}Nb_XM_ZC_{1 - Y}N_Y로 표시되는 복합 탄질화물로 이루어진다. 상기 M은 V, Cr 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 불순물 원소이다. 따라서 심부(21)는 V, Cr 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 불순물 원소를 포함하는 경우가 있다. 이 경우, 상기 Z는 0 이상 0.02 이하인 것, 즉 Ti, Nb, V, Cr 및 Mo의 총량에서 차지하는 V, Cr 및 Mo의 합계량이 2 원자% 미만인 것이 바람직하다. 이에 따라, 초경합금의 내강 반응성에 악영향이 있는 원소인 V, Cr 및 Mo를 충분히 억제할 수 있다.

심부(21)인 복합 탄질화물은, 주성분인 Ti, 부성분인 Nb로 이루어지는 탄질화물이지만, 예외적으로 불순물 원소가 되는 금속 원소로서 전술한 V, Cr, Mo를 포함하는 경우가 있다. 심부(21)에 포함되는 것이 허용되는 이들 불순물 원소의 양은, Ti, Nb, V, Cr 및 Mo의 총량에서 차지하는 V, Cr 및 Mo의 합계량이 2 원자% 미만인 것이 바람직하다. 상기 합계량이 2 원자% 이상이 되는 경우, 불순물 원소가 되는 금속 원소에 의해서 복합 탄질화물이 갖는 내강 반응성이 영향을 주는 경향이 있다.

(심부의 D50)

심부(21)는, 그 면적 기준의 50% 누적 개수 입경(이하, 「심부의 D50」이라고도 한다)이 0.2 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이에 따라, 우수한 내강 반응성을 수율 좋게 갖출 수 있다.

즉, 전술한 심부의 분산도 측정에 이용한 전자현미경 이미지에 나타난 심부(21)를 측정한 경우, 심부(21)의 D50이 0.2 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하가 되는 것이 바람직하다. 심부(21)의 D50은 0.6 ㎛ 이상 1.6 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.8 ㎛ 이상 1.4 ㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 심부(21)의 D50이 0.2 ㎛ 미만인 경우, 원하는 내강 반응성을 얻기 어려워지는 경향이 있다. 심부(21)의 D50이 2 ㎛를 넘는 경우, 충분한 기계적 강도를 얻기 어려워지는 경향이 있다.

심부(21)의 입경은, 전술한 것과 같이 심부의 분산도 측정에 이용한 전자현미경 이미지에 기초하여 구할 수 있다. 구체적으로는, 상기 전자현미경 이미지에 대하여, 제1 경질상 입자의 함유량의 측정에서 활용한 화상 해석 소프트웨어를 이용하여 2치화 처리함으로써 심부(21)를 특정한다. 또한, 상기 심부(21)의 면적과 같은 면적을 갖는 원의 직경(원 상당 직경)을 산출하여, 이 원 상당 직경을 심부(21)의 입경으로 한다. 심부(21)의 D50[심부(21)의 면적 기준의 50% 누적 개수 입경]에 관해서는, 상기 전자현미경 이미지에 나타난 모든 심부(21)의 원 상당 직경을 산출하여, 이 산출된 원 상당 직경의 평균치로 할 수 있다.

(심부의 체적 비율)

심부(21)는, 상기 초경합금에서 차지하는 체적 비율이 2 체적% 이상 10 체적% 이하인 것이 바람직하다. 이에 따라 우수한 내강 반응성을 수율 좋게 갖출 수 있다. 초경합금에서 차지하는 심부(21)의 체적 비율은 4 체적% 이상 8 체적% 이하인 것이 보다 바람직하다.

초경합금에서 차지하는 심부(21)의 체적 비율은, 화상 해석 소프트웨어를 이용하여 심부(21)를 특정하기까지의 프로세스에 있어서, 심부(21)의 입경을 구하는 경우와 같은 식으로 구할 수 있다. 구체적으로는, 화상 해석 소프트웨어를 이용하여 심부(21)를 특정한 후, 상기 전자현미경 이미지에 있어서의 심부(21)의 면적 비율을 구하고, 이 면적 비율이 상기 단면의 깊이 방향으로도 연속되는 것으로 간주함으로써, 상기 면적 비율을 초경합금에서 차지하는 심부(21)의 체적 비율로서 구할 수 있다. 초경합금에서 차지하는 심부(21)의 체적 비율은, 하나의 초경합금으로부터 그 단면을 촬영한 전자현미경 이미지를 5장(5 시야) 준비하여, 이 5 시야에 있어서 산출된 각 체적 비율의 평균치로 하는 것이 바람직하다.

(주변부)

제2 경질상 입자(2)는 심부(21)의 적어도 일부를 피복하는 주변부(22)를 포함한다. 주변부(22)는 후술하는 초경합금의 소결 공정(제4 공정)에서 형성된다. 주변부(22)는, 액상 소결 시에 복합 탄질화물의 입자와 주위의 WC 입자가 상호 고용 및 용해 재석출됨으로써, 심부(21)의 복합 탄질화물(Ti_{1 -X- Z}Nb_XM_ZC_{1 - Y}N_Y)의 조성에 대하여, W 및 C가 풍부한 조성으로서 심부(21)의 주위에 형성된다. 이 때문에 주변부(22)는, 심부(21)의 적어도 일부를 피복하게 되며 또한 심부(21)와 조성이 상이하다. 구체적으로는 주변부(22)는 Ti, Nb 및 W을 함유하는 탄질화물인 것이 바람직하다.

주변부(22)는, 제2 경질상 입자(2)와 금속 결합상(3)의 밀착 강도를 높이는 밀착층으로서 기능한다. 이에 따라, 제2 경질상 입자(2)와 금속 결합상(3)의 계면 강도가 저하하는 것을 억제할 수 있고, 이로써 초경합금의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다. 주변부(22)는, 본 개시의 효과를 발휘하는 한, 심부(21)를 피복하는 것이 일부라도 좋고, 전부라도 좋으며, 그 두께도 한정되어서는 안 된다. 주변부(22)의 조성은, 본 개시의 효과를 발휘하며 또한 심부(21)와 조성이 다른 한 특별히 제한되어서는 안 되지만, 예컨대 Ti_{0 . 82}Nb_{0 .13}W_{0. 05}C_{0 . 5}N_{0 .5}, Ti_{0 . 78}Nb_{0 .14}W_{0. 08}C_{0 . 65}N_{0 .35} 등을 들 수 있다.

<금속 결합상>

금속 결합상(3)은 철족 원소를 포함한다. 즉, 금속 결합상(3)은 그 주성분이 철족 원소이다. 금속 결합상(3)은, 철족 원소 외에, 제1 경질상 입자(1) 및 제2 경질상 입자(2)로부터 혼입되는 불가피 원소, 미량의 불순물 원소 등을 포함할 수 있다. 금속 결합상(3)에 있어서의 철족 원소의 함유량은, 금속인 상태를 유지하여 취약한 중간 화합물의 형성을 피한다는 관점에서, 90 원자% 이상이 바람직하고, 95 원자% 이상이 보다 바람직하다. 금속 결합상(3)에 있어서의 철족 원소의 함유량의 상한은 100 원자%이다. 여기서 철족 원소란, 제4 주기의 제8족, 제9족 및 제10족의 원소, 즉 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni)을 말한다. 금속 결합상(3)에 함유되는 철족 원소 이외의 원소에는, 예컨대 티탄(Ti), 텅스텐(W) 등을 들 수 있다.

금속 결합상(3)은 그 주성분이 Co인 것이 바람직하다. 금속 결합상(3)에 있어서의 Co를 제외한 철족 원소의 함유량은, 1 체적% 미만이 바람직하고, 0.5 체적% 미만이 보다 바람직하다.

초경합금에 있어서, 금속 결합상(3)의 함유량은 7~15 체적%인 것이 바람직하다. 초경합금 내의 금속 결합상(3)의 함유량이 7 체적% 미만인 경우, 충분한 밀착 강도를 얻을 수 없음으로 인해 인성이 저하하는 경향이 있다. 초경합금 내의 금속 결합상(3)의 함유량이 15 체적%를 넘는 경우, 경도가 저하하는 경향이 있다. 초경합금 내의 금속 결합상(3)의 보다 바람직한 함유량은 9~13 체적%이다. 금속 결합상(3)의 함유량(체적%)은 제1 경질상 입자(1)의 함유량을 측정하는 방법과 같은 방법에 의해서 구할 수 있다.

또한, 제1 경질상 입자(1), 제2 경질상 입자(2) 및 금속 결합상(3)의 함유량의 합계는, 95 체적% 이상인 것이 바람직하고, 98 체적% 이상인 것이 더욱 바람직하고, 100 체적%인 것이 가장 바람직하다. 이에 따라, 우수한 내강 반응성을 수율 좋게 갖출 수 있다.

[초경합금의 제조 방법]

본 실시형태에 따른 초경합금의 제조 방법은, 특별히 제한되어서는 안 되지만, 다음의 방법으로 하는 것이 바람직하다. 즉, 초경합금의 제조 방법은, Ti_{1 -X-Z}Nb_XM_ZC_1-YN_Y로 표시되는 복합 탄질화물의 분말을 얻는 공정(제1 공정)과, 상기 복합 탄질화물의 분말과 WC 분말과 철족 원소의 분말을 볼밀을 이용하여 9시간 이상 15시간 이하 혼합함으로써 혼합 분말을 얻는 공정(제2 공정)과, 상기 혼합 분말을 가압 성형함으로써 성형체를 얻는 공정(제3 공정)과, 상기 성형체를 소결함으로써 소결체를 얻는 공정(제4 공정)을 포함한다. 상기 Ti_{1 -X- Z}Nb_XM_ZC_{1 - Y}N_Y에 있어서, M은 V, Cr 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 불순물 원소이고, X는 0.1 이상 0.2 이하이고, Y는 0.3 이상 0.6 이하이고, Z는 0 이상 0.02 이하이다. 이러한 제조 방법에 의해, 우수한 내강 반응성을 갖춘 초경합금을 제조할 수 있다.

<제1 공정>

제1 공정은 Ti_{1 -X- Z}Nb_XM_ZC_{1 - Y}N_Y로 표시되는 복합 탄질화물의 분말을 얻는 공정이다. 제1 공정은 다음 각 공정을 더 포함한다. 즉, 제1 공정인 상기 복합 탄질화물의 분말을 얻는 공정은, Ti와 Nb를 포함하는 제1 분말과, 적어도 그래파이트를 포함하는 제2 분말을 혼합함으로써, 제3 분말을 얻는 공정(혼합 공정)과, 이 제3 분말을 조립함으로써 조립체를 얻는 공정(조립 공정)과, 이 조립체를 질소 가스를 포함하는 분위기하 또한 1800℃ 이상에서 열처리함으로써 상기 복합 탄질화물로 이루어지는 분말 전구체를 얻는 공정(열처리 공정)과, 이 분말 전구체를 해쇄함으로써 상기 복합 탄질화물의 분말을 얻는 공정(해쇄 공정)을 포함한다.

(혼합 공정)

혼합 공정에서는, Ti와 Nb를 포함하는 제1 분말과, 적어도 그래파이트를 포함하는 제2 분말을 혼합함으로써, 제3 분말을 얻는다.

제1 분말은 Ti와 Nb를 포함한다. 제1 분말은 Ti와 Nb를 함유하는 산화물인 것이 바람직하다. 제1 분말이 산화물인 경우, 후술하는 해쇄 공정에 의해서 얻어지는 복합 탄질화물 분말의 일차 입경을 미세하게 하는 것이 용이하게 되고, 이로써 심부의 면적 기준의 50% 누적 개수 입경(심부의 D50)을 예컨대 0.2~2 ㎛로 할 수 있다. 또한, 제1 분말은, 제조에 이용하는 설비 등으로부터의 혼입 성분으로서 V, Cr, Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 1종류 이상의 불순물 원소를 포함하는 경우가 있다. 이 경우에 있어서 제1 분말은, Ti, Nb, V, Cr, Mo의 총량에 대하여 V, Cr 및 Mo의 합계량이 2 원자% 미만인 것이 바람직하다. 제1 분말로서는, 구체적으로는 Ti_{0 . 9}Nb_{0 . 1}O₂ 등의 복합 산화물을 들 수 있다. 제1 분말은 TiO₂, Nb₂O₅ 등의 산화물의 분말을 함유하는 혼합 분말이라도 좋다. 각 원소의 산화수, 불순물 원소의 함유량 등은 목적에 반하지 않는 한 변경이 가능하다.

제2 분말은 적어도 그래파이트를 포함한다. 혼합 공정에서는 이 제2 분말 및 상기 제1 분말을 혼합함으로써 제3 분말을 얻는다. 이에 따라, 후술하는 열처리 공정에 있어서, 상기 산화물의 환원 반응, 환원된 산화물에 있어서의 Ti 및 Nb의 상호 확산에 의한 고용화 반응, 그리고 고용화된 Ti 및 Nb의 탄질화 반응을 동시에 또한 연속해서 진행시킬 수 있다. 그 결과, 복합 탄질화물을 효율적으로 얻을 수 있다.

제1 분말 및 제2 분말을 혼합하는 혼합 방법은 종래 공지된 방법을 이용할 수 있다. 단, 제3 분말의 D50(면적 기준의 50% 누적 개수 입경)을 작게 한다는 관점에서, 분쇄 작용이 높은 건식 볼밀에 의한 혼합 방법, 습식 볼밀에 의한 혼합 방법을 적합하게 이용할 수 있다. 또한, 분쇄 작용이 낮은 회전날개식 유동 혼합기 등을 이용한 혼합 방법도 적용할 수 있다. 제3 분말의 D50은, SEM(주사형 전자현미경)을 이용하여 10000배의 배율로 관찰한 관찰 이미지에 나타난 모든 제3 분말의 입자에 기초하여 구할 수 있다. 이 관찰 이미지에 나타난 제3 분말의 모든 입자에 관해서, 전술한 화상 해석 소프트웨어를 이용하여 입자의 원 상당 직경을 산출하여, 그 50% 누적 개수가 되는 입자의 원 상당 직경을 제3 분말의 D50로 할 수 있다. 제1 분말 및 제2 분말의 혼합비는, 제1 분말을 1로 한 경우, 제2 분말이 0.3~0.4인 것이 바람직하다.

(조립 공정)

조립 공정에서는 상기 제3 분말을 조립함으로써 조립체를 얻는다. 조립 공정에 있어서의 조립 방법은 종래 공지된 조립 방법을 이용할 수 있다. 예컨대 스프레이 드라이어, 압출 조립기 등의 기지의 장치를 이용한 방법을 들 수 있다. 더구나, 조립함에 있어서, 예컨대 납재(蠟材)와 같은 바인더 성분을 결합재로서 적절하게 사용할 수 있다. 조립체의 형상 및 치수는 특별히 한정되어서는 안 된다. 조립체는 예컨대 직경이 0.5~5 ㎜, 길이가 5~20 ㎜인 원주 형상으로 할 수 있다.

(열처리 공정)

열처리 공정에서는, 상기 조립체를 질소 가스를 포함하는 분위기하 또한 1800℃ 이상에서 열처리함으로써 상기 복합 탄질화물로 이루어지는 분말 전구체를 얻는다. 열처리 공정에서는, 질소 가스를 포함하는 분위기하에 있어서, 상기 조립체에 포함되는 제1 분말에 있어서의 산화물 내의 산소가 제2 분말 내의 그래파이트와 반응하여, 제1 분말 내의 Ti 및 Nb가 환원된다. 또한, 환원된 Ti 및 Nb에 대하여, 상호 확산에 의해서 상호 고용화 반응이 진행된다. 이것과 동시에 환원된 Ti 및 Nb에 대하여, 분위기 내의 질소 및 제2 분말 내의 그래파이트와 반응하는 탄질화 반응도 일어난다. 이에 따라, 전술한 Ti_{1 -X- Z}Nb_XM_ZC_{1 - Y}N_Y로 표시되는 복합 탄질화물로 이루어지는 분말 전구체가 형성된다.

여기서 열처리 공정에 있어서, 제1 분말 대신에 Ti 및 Nb를 포함하는 금속 분말, 또는 Ti의 탄질화물 및 Nb의 탄질화물을 포함하는 분말을 제2 분말과 혼합한 혼합 분말을 전술한 조건 하에서 열처리하더라도, 상기 복합 탄질화물로 이루어지는 분말 전구체는 얻어지지 않는다. 왜냐하면 Ti 및 Nb를 포함하는 금속 분말은, 열처리에 의해서 매우 빨리 탄질화 반응이 진행되기 때문에, Ti 및 Nb의 상호 확산에 의한 고용화 반응이 진행되지 않기 때문이다. 또한, Ti의 탄질화물 및 Nb의 탄질화물을 포함하는 분말은, 2000℃를 넘는 고온 영역에서도 화학적으로 안정적이기 때문에, Ti 및 Nb의 상호 확산에 의한 고용화 반응이 진행되지 않기 때문이다.

열처리 공정에 있어서의 열처리의 분위기는, 질소 가스를 포함하는 분위기인 한, 특별히 한정되어서는 안 된다. 순수한 N₂ 가스라도 좋고, N₂ 가스에 수소 가스(H₂ 가스), 아르곤 가스(Ar 가스), 헬륨 가스(He 가스), 일산화탄소 가스(CO 가스) 등이 혼합된 혼합 가스라도 좋다.

열처리 공정에 있어서의 열처리 온도는, 제1 분말의 환원 반응, 고용화 반응 및 탄질화 반응을 진행시키며 또한 이것을 촉진시킨다는 관점에서, 1800℃ 이상이고, 2000℃ 이상인 것이 바람직하다. 단, 열처리에 의해 얻어지는 분말 전구체의 과도한 응집을 막는다는 관점에서, 2400℃ 이하인 것이 바람직하다.

열처리 공정에 있어서의 열처리 시간은 제3 분말의 D50에 의해서 조정하는 것이 바람직하다. 예컨대 제1 분말 및 제2 분말을 혼합한 제3 분말의 D50이 0.3~0.5 ㎛인 경우, 전술한 열처리 시간은 15~60분이 적합하다. 제3 분말의 D50의 값이 작을수록 열처리 공정에 있어서의 열처리 시간을 짧게 하고, 제3 분말의 D50의 값이 클수록 열처리 공정에 있어서의 열처리 시간을 길게 하는 것이 바람직하다.

열처리 공정에서는, 로터리 킬른 등의 회전식의 연속적인 열처리 장치를 이용하는 것이 바람직하다. 이 열처리 장치는 경사진 회전식 반응관을 갖추고 있다. 또한, 회전식 반응관을 가열하는 가열 기구, 질소를 포함하는 가스를 회전식 반응관에 도입하기 위한 가스 도입구, 질소를 포함하는 가스를 회전식 반응관으로부터 배출하기 위한 가스 배출구, 회전식 반응관 내에 조립체를 넣기 위한 투입구 및 분말 전구체를 회전식 반응관으로부터 빼내기 위한 취출구 등도 구비한다. 이러한 열처리 장치는, 조립체를 일정 조건 하에서 열처리할 수 있기 때문에, 품질이 안정적인 복합 탄질화물의 분말 전구체를 연속적으로 효율 좋게 제조할 수 있으므로 바람직하다.

열처리 공정에서는, 상기 열처리 장치를 이용하는 경우, 우선 가열 기구를 이용하여 회전식 반응관을 1800℃ 이상으로 가열하고, 질소 가스를 포함하는 가스를 가스 도입구로부터 도입함으로써, 회전식 반응관의 내부를 질소 분위기로 한다. 또한, 회전식 반응관 상부의 투입구로부터 조립체를 연속적으로 공급하고, 회전식 반응관을 회전시키고, 조립체에 회전식 반응관의 내부를 이동하게 함으로써 조립체를 열처리한다. 이에 따라, 복합 탄질화물 분말로 이루어지는 분말 전구체를 형성할 수 있다. 이 분말 전구체는 회전식 반응관 하부의 취출구로부터 빼낼수 있다.

(해쇄 공정)

해쇄 공정에서는, 위에서 얻은 분말 전구체를 해쇄함으로써 상기 복합 탄질화물의 분말을 얻는다. 분말 전구체를 해쇄하는 방법은 종래 공지된 해쇄 방법을 이용할 수 있다. 이에 따라, Ti_{1 -X- Z}Nb_XM_ZC_{1 - Y}N_Y로 표시되는 복합 탄질화물의 분말을 얻을 수 있다. 상기 Ti_{1 -X- Z}Nb_XM_ZC_{1 - Y}N_Y에 있어서, M은 V, Cr 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 불순물 원소이고, X는 0.1 이상 0.2 이하이고, Y는 0.3 이상 0.6 이하이고, Z는 0 이상 0.02 이하이다.

<제2 공정>

제2 공정은, 상기 복합 탄질화물의 분말과 WC 분말과 철족 원소의 분말을 볼밀을 이용하여 9시간 이상 15시간 이하 혼합함으로써 혼합 분말을 얻는 공정이다. 이들 분말은 볼밀을 이용하는 종래 공지된 혼합 방법을 이용할 수 있다. 예컨대 분쇄 작용이 높은 건식 볼밀에 의한 혼합 방법, 습식 볼밀에 의한 혼합 방법을 이용하는 것이 바람직하다. 이 볼밀을 이용한 혼합 시간은 9시간 이상 15시간 이하로 한다. 볼밀을 이용한 혼합 시간은 11시간 이상 13시간 이하인 것이 바람직하다. 이에 따라, 후술하는 소결 공정(제4 공정)을 거쳐 제조되는 초경합금에 있어서, 복합 탄질화물(심부)의 분산도를 높일 수 있다.

볼밀을 이용한 혼합 시간이 9시간 미만인 경우, 혼합 부족에 의해, 소결 공정(제4 공정)을 거쳐 제조되는 초경합금에 있어서 복합 탄질화물(심부)의 분산도가 충분히 높아지지 않을 우려가 있다. 볼밀을 이용한 혼합 시간이 15시간을 넘는 경우, 혼합 과다에 의해, 소결 공정(제4 공정)을 거쳐 제조되는 초경합금에 있어서 원하는 기계적 강도, 특히 원하는 인성을 얻을 수 없을 우려가 있다.

<제3 공정>

제3 공정은 전술의 혼합 분말을 가압 성형함으로써 성형체를 얻는 공정이다. 상기 혼합 분말의 가압 성형 방법은 종래 공지된 가압 성형 방법을 이용할 수 있다. 예컨대 혼합 분말을 금형에 충전하여, 소정의 압력으로 소정의 형상으로 성형할 수 있다. 성형 방법으로서는, 건식 가압 성형법, 냉간정수압 성형법, 사출 성형법, 압출 성형법 등을 들 수 있다. 이 성형 시의 압력은 0.5 ton weight/㎠(약 50 ㎫) 이상 2.0 ton weight/㎠(약 200 ㎫) 이하 정도가 바람직하다. 성형체의 형상은, 요구되는 제품의 형상을 따르면 되며, 과도하게 복잡한 형상으로 되지 않는 형상을 선택한다.

<제4 공정>

제4 공정은 전술한 성형체를 소결함으로써 소결체를 얻는 공정이다. 성형체를 소결하는 소결 방법은, 액상이 생기는 온도 영역에서 성형체를 소정 시간 유지하여 행하는 것이 바람직하다. 소결 온도는 1300℃ 이상 1600℃ 이하인 것이 바람직하다. 유지 시간은 0.5시간 이상 2시간 이하인 것이 바람직하고, 1시간 이상 1.5시간 이하인 것이 보다 바람직하다. 소결 시의 분위기는, 질소, 아르곤 등의 불활성 가스 분위기 또는 진공(0.5 ㎩ 이하 정도)으로 하는 것이 바람직하다. 이로써, 소결체를 얻은 후, 기계 가공을 필요에 따라서 행함으로써, 최종적인 제품으로서 초경합금을 얻을 수 있다. 이러한 제조 방법에 의해 얻어지는 초경합금은 우수한 내강 반응성을 갖출 수 있다.

여기서 복합 탄질화물 분말에 있어서의 조성 및 그 원자비는 종래 공지된 성분 분석 기술에 의해 구할 수 있다. 예컨대 유도 플라즈마 발광 분광법, 고주파 연소법, 열전도도법을 이용함으로써, 각각 분말 중의 조성(금속, 탄소 및 질소 등) 및 그 함유량을 동정할 수 있다.

복합 탄질화물 분말의 D50(면적 기준의 50% 누계 개수 입경)은, 핸들링 용이성 및 후술하는 절삭 공구로서 적용하는 경우에 내강 반응성을 양호하게 한다는 관점에서, 0.5 ㎛ 이상 3.5 ㎛ 이하로 입경 제어하는 것이 바람직하다. 복합 탄질화물 분말의 D50은, 제3 분말의 D50을 측정하는 방법과 같은 방법에 의해서 구할 수 있다.

[절삭 공구]

본 실시형태에 따른 절삭 공구는 상기 초경합금을 포함한다. 본 실시형태의 절삭 공구는, 상기 초경합금을 포함하므로, 초경합금이 원래 갖는 우수한 기계적 강도에 더하여, 우수한 내강 반응성도 갖출 수 있다.

상기 절삭 공구의 용도로서는, 드릴, 엔드밀, 드릴용 커팅 에지 교환형 절삭 팁, 엔드밀용 커팅 에지 교환형 팁, 밀링 가공용 드로우어웨어 팁, 선삭 가공용 드로우어웨이 팁, 메탈 소우, 기어 커팅 툴, 리머, 탭, 절삭 바이트, 내마모성 공구, 마찰 교반 접합용 툴 등을 들 수 있다.

절삭 공구가 커팅 에지 교환형 절삭 팁 등인 경우, 기재는 칩 브레이커를 갖는 것도 갖지 않는 것도 포함된다. 또한, 피삭재를 절삭할 때에 절삭의 중심부가 되는 커팅 에지 능선부는, 그 형상이 샤프 에지[경사면과 여유면이 교차하는 능(稜)], 호닝(샤프 에지에 대하여 라운딩이 된 것), 네거티브 랜드(모따기를 한 것), 호닝과 네거티브 랜드를 조합한 것 중의 어느 것이나 포함된다.

또한, 본 실시형태에 따른 절삭 공구는, 상기 초경합금으로 이루어지는 기재와 이 기재를 피복하는 피막을 포함한다. 도 4는 본 실시형태에 따른 절삭 공구의 구성의 일례를 도시하는 부분 단면도이다. 도 4에 도시하는 것과 같이, 절삭 공구(10)는, 상기 초경합금으로 이루어지는 기재(11)와, 기재(11)에 접하여 기재(11)를 피복하는 피막(12)을 구비한다. 이 절삭 공구(10)는, 초경합금이 원래 갖는 우수한 기계적 강도, 우수한 내강 반응성에 더하여 피막(12)을 추가로 포함하므로, 내마모성 및 내결손성에 있어서 보다 우수하다. 여기서 피막(12)은, 기재(11) 전면에 피복되어 있어도 좋고, 일부(예컨대 절삭 성능에 크게 기여하는 영역인 커팅 에지)에만 피복되어 있어도 좋다. 또한, 기재(11)를 피복하는 피막(12)의 조성은 특별히 한정되어서는 안 되고, 종래 공지된 피막(12)을 임의로 채용할 수 있다. 예컨대 기재(11)를 피복하는 피막(12)의 조성으로서는, AlTiSiN, AlCrN, TiZrSiN, CrTaN, HfWSiN, CrAlN, TiN, TiBNO, TiCN, TiCNO, TiB₂, TiAlN, TiAlCN, TiAlON, TiAlONC, Al₂O₃ 등을 예시할 수 있다.

초경합금으로 이루어지는 기재에 피막을 피복하는 방법은 종래 공지된 방법을 이용할 수 있다. 예컨대 물리 기상 성장(PVD)법, 화학 기상 성장(CVD)법 등에 의해 피복할 수 있다. 특히 PVD법으로서는, 예컨대 저항 가열 증착법, 전자선(EB) 증착법, 분자선 성장(MBE)법, 이온 도금법, 이온빔 퇴적법, 스퍼터법 등을 이용할 수 있다.

(부기)

이상의 설명은 이하에 부기하는 실시형태를 포함한다.

(부기 1)

WC을 포함하는 제1 경질상 입자와, Ti 및 Nb를 함유하는 탄질화물을 포함하는 제2 경질상 입자와, 철족 원소를 포함하는 금속 결합상을 포함하는 초경합금으로서,

상기 제2 경질상 입자는 입자형의 심부와 이 심부의 적어도 일부를 피복하는 주변부를 포함하고,

상기 심부는 Ti_{1 - X}Nb_XC_{1 - Y}N_Y로 표시되는 복합 탄질화물로 이루어지고,

상기 X는 0.1 이상 0.2 이하이고,

상기 Y는 0.3 이상 0.6 이하이고,

상기 주변부는 상기 심부와 조성이 상이하고,

상기 초경합금은, 그 임의의 단면을 1500배의 배율로 촬영한 전자현미경 이미지 중에, 한 변이 8 ㎛인 정방형으로 이루어지는 단위 영역을 세로 방향으로 7개 또한 가로 방향으로 10개 연속해서 늘어놓음으로써 합계 70개의 상기 단위 영역을 마련하여, 각각의 상기 단위 영역의 내부에 있는 상기 심부의 개수를 카운트함으로써, 합계 70개의 상기 단위 영역의 내부에 있는 상기 심부의 총 개수를 구하고, 상기 총 개수에 대한 각각의 상기 단위 영역의 내부에 있는 상기 심부의 개수의 백분율을 산출한 경우, 상기 백분율이 0.43% 미만 또는 2.43% 초과가 되는 상기 단위 영역의 수가 10 이하인 초경합금.

(부기 2)

개수를 카운트하는 상기 단위 영역의 내부에 있는 상기 심부는 그 입경이 0.2 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하인 부기 1에 기재한 초경합금.

(부기 3)

상기 주변부는 Ti, Nb 및 W을 함유하는 탄질화물인 부기 1 또는 부기 2에 기재한 초경합금.

(부기 4)

상기 복합 탄질화물은 V, Cr 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 불순물 원소를 포함하는 경우, Ti, Nb, V, Cr 및 Mo의 총량에서 차지하는 V, Cr 및 Mo의 합계량이 2 원자% 미만인 부기 1 내지 부기 3 중의 어느 한 항에 기재한 초경합금.

(부기 5)

상기 심부는 그 면적 기준의 50% 누적 개수 입경이 0.2 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하인 부기 1 내지 부기 4 중의 어느 한 항에 기재한 초경합금.

(부기 6)

상기 심부는 상기 초경합금에서 차지하는 체적 비율이 2 체적% 이상 10 체적% 이하인 부기 1 내지 부기 5 중의 어느 한 항에 기재한 초경합금.

(부기 7)

부기 1 내지 부기 6 중의 어느 한 항에 기재한 초경합금을 포함하는 절삭 공구.

(부기 8)

상기 초경합금으로 이루어지는 기재와 이 기재를 피복하는 피막을 포함하는 부기 7에 기재한 절삭 공구.

(부기 9)

Ti_{1 - X}Nb_XC_{1 - Y}N_Y로 표시되는 복합 탄질화물의 분말을 얻는 공정과,

상기 복합 탄질화물의 분말과 WC 분말과 철족 원소의 분말을 볼밀을 이용하여 9시간 이상 15시간 이하 혼합함으로써 혼합 분말을 얻는 공정과,

상기 혼합 분말을 가압 성형함으로써 성형체를 얻는 공정과,

상기 성형체를 소결함으로써 소결체를 얻는 공정을 포함하는 초경합금의 제조 방법으로서,

상기 X는 0.1 이상 0.2 이하이고,

상기 Y는 0.3 이상 0.6 이하이고,

상기 복합 탄질화물의 분말을 얻는 공정은,

Ti와 Nb를 포함하는 제1 분말과, 적어도 그래파이트를 포함하는 제2 분말을 혼합함으로써, 제3 분말을 얻는 공정과,

상기 제3 분말을 조립함으로써 조립체를 얻는 공정과,

상기 조립체를, 질소 가스를 포함하는 분위기하 또한 1800℃ 이상에서 열처리함으로써 상기 복합 탄질화물로 이루어지는 분말 전구체를 얻는 공정과,

상기 분말 전구체를 해쇄함으로써 상기 복합 탄질화물의 분말을 얻는 공정을 포함하는 초경합금의 제조 방법.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 개시를 보다 상세히 설명하지만, 본 개시는 이들에 한정되는 것은 아니다.

≪실시예 1≫

<시료 11~시료 13 및 시료 111~시료 114의 제작>

(제1 공정)

제1 분말로서 TiO₂ 분말(사이즈 약 0.5 ㎛, 가부시키가이샤 고쥰도카가쿠겐쿠쇼 제조) 및 Nb₂O₅ 분말(사이즈 약 1 ㎛, 가부시키가이샤 고쥰도카가쿠겐쿠쇼 제조)을 준비했다. 제2 분말로서 그래파이트 분말(사이즈 약 5 ㎛, 가부시키가이샤 고쥰도카가쿠겐쿠쇼 제조)을 준비했다. 이들을 표 1의 시료 11~시료 13 및 시료 113~시료 114에 나타내는 복합 탄질화물의 조성 및 시료 111 및 시료 112에 나타내는 탄질화물의 조성이 되는 배합비로 각각 혼합함으로써 제3 분말을 얻었다(혼합 공정). 혼합은 볼밀법에 의해 행했다.

이어서, 제3 분말을 압출 조립기(압출 구멍 직경: φ 2.5 ㎜)를 이용하여 조립함으로써, 평균 직경이 2.4 ㎜이고 평균 길이가 10 ㎜ 정도인 원주 형상의 조립체를 얻었다(조립 공정). 조립체의 평균 직경 및 평균 길이는 마이크로미터에 의해 측정했다.

이어서, 조립체를 전술한 로터리 킬른을 이용하여 질소 분위기 중 1800℃에서 열처리함으로써 복합 탄질화물로 이루어지는 분말 전구체를 얻었다(열처리 공정). 조립체가 로터리 킬른 내의 가열 구간을 통과하는 통과 시간은 약 30분이었다.

마지막으로, 분말 전구체를 공지된 해쇄기(전동볼밀, 분쇄 미디어로서 φ 4.5 ㎜의 초경볼을 사용)를 이용하여 건식 해쇄함으로써, 표 1에 나타내는 조성을 갖는 시료 11~시료 13 및 시료 113~시료 114의 복합 탄질화물의 분말 및 시료 111 및 시료 112의 탄질화물의 분말을 얻었다(해쇄 공정). 복합 탄질화물 및 탄질화물 분말의 조성은 전술한 방법에 의해 측정했다.

(제2 공정)

전술한 복합 탄질화물 또는 탄질화물의 분말 10 체적%와, 시판되는 WC 분말(상품명: 「WC-25」, 닛폰신긴조쿠 가부시키가이샤 제조) 75 체적%와, 철족 원소의 분말로서 시판되는 Co 분말(사이즈 약 5 ㎛, 가부시키가이샤 고쥰도카가쿠겐쿠쇼 제조) 15 체적%를 혼합함으로써 혼합 분말을 얻었다. 이 혼합은 습식 볼밀법에 의해 10시간 행했다. 단, 시료 114에 관해서는, 그 복합 탄질화물의 분말 10 체적%와, 상기 WC 분말 75 체적%와, 상기 Co 분말 15 체적%를 습식 볼밀법에 의해 5시간 혼합함으로써 혼합 분말을 얻었다.

(제3 공정)

상기한 혼합 분말을 장뇌와 에탄올을 이용하여 조립하고, 1 ton weight/㎠(약 98 ㎫)의 압력으로 프레스 성형함으로써 성형체를 얻었다.

(제4 공정)

성형체를, 액상 소결법을 이용하여 진공(0.1 ㎩) 분위기하, 1410℃ 또한 유지 시간 1시간의 조건으로 소결함으로써 소결체를 얻었다. 이어서, 이 소결체의 소결 스킨을 번호(#)400[번호(#)는 지립의 미세함을 의미하며, 숫자가 커질수록 지립이 미세하게 된다]의 다이아몬드 휠을 이용하여 연삭 제거함으로써, SNGN120408의 형상으로 한 초경합금으로 이루어지는 절삭 공구(시료 11~시료 13 및 시료 111~시료 114)를 얻었다.

이들 절삭 공구(초경합금)에 있어서의 제2 경질상 입자의 심부에 대하여, 그 조성을 전술한 방법에 의해 EDX를 이용하여 분석한 바, 표 1에 나타낸 복합 탄질화물 및 탄질화물 분말의 조성과 각각 일치했다. 주변부는 심부의 조성에 W가 첨가된 조성을 갖는 것을 EDX에 의해 확인하고, 또한 심부의 적어도 일부를 피복하고 있는 것을 전자현미경 이미지에 있어서 눈으로 보아 확인했다. 또한, 심부의 복합 탄질화물 및 탄질화물(Ti_{1 -X- Z}Nb_XM_ZC_{1 - Y}N_Y) 중의 M으로서 V, Cr, Mo 등의 불순물 원소가 포함되지 않는(즉, Z=0인) 것도 EDX에 의해 확인했다.

표 1에 시료 11~시료 13 및 시료 111~시료 114에 있어서의 주변부의 조성을 나타낸다. 또한, 시료 11~시료 13 및 시료 111~시료 114의 절삭 공구(초경합금)에 대하여, 전술한 측정 방법을 이용하여 심부의 면적 기준의 50% 누적 개수 입경 및 심부의 분산도(백분율로 나타내는 심부의 개수가 0.43% 미만 또는 2.43% 초과가 되는 단위 영역의 수)를 분석하여, 그 분석 결과를 각각 표 1에 나타냈다. 시료 11~시료 13 및 시료 111~시료 114의 절삭 공구(초경합금)에 있어서 초경합금에서 차지하는 심부의 체적 비율은 10 체적%였다.

또한, 도 2a~도 2c 및 도 3a~도 3c에는, 시료 12 및 시료 114에 있어서의 심부의 분산도를 분석한 전자현미경 이미지(도 2a 및 도 3a), 각 단위 영역의 내부에 있는 심부의 개수(도 2b 및 도 3b) 및 그 백분율(도 2c 및 도 3c)을 각각 나타냈다.

<절삭 시험>

상기 시료 11~시료 13 및 시료 111~시료 114의 절삭 공구에 대하여, 절삭시험으로서, 하기의 조건 하에서 내강 반응성 시험을 행했다. 결과를 표 1에 나타낸다. 여기서 시료 11~시료 13의 절삭 공구가 실시예에 해당되고, 시료 111~시료 113의 절삭 공구가 비교예에 해당되고, 시료 114가 참고예에 해당된다.

(내강 반응성 시험)

피삭재: SCM435

주속: 150 m/min

이송: 0.15 ㎜/rev

절삭 깊이: 1.5 ㎜

절삭유: 없음.

내강 반응성 시험에서는, 용착 마모를 평가할 목적으로 각 시료의 절삭 공구에 있어서의 커팅 에지의 여유면 마모 폭이 0.2 ㎜ 이상이 될 때까지의 절삭 시간(단위는 분)을 계측했다. 이 시간이 길수록 내강 반응성이 우수하다고 평가된다.

<고찰>

표 1에 의하면, 실시예(시료 11~시료 13)의 절삭 공구는, 비교예(시료 111~시료 113)의 절삭 공구 및 참고예(시료 114)의 절삭 공구와 비교하여, 내강 반응성이 우수하다는 것이 이해된다.

≪실시예 2≫

<시료 21~시료 27 및 시료 211~시료 216의 제작>

(제1 공정)

제1 분말로서, TiO₂ 분말(사이즈 약 0.5 ㎛, 가부시키가이샤 고쥰도카가쿠겐쿠쇼 제조) 및 Nb₂O₅ 분말(사이즈 약 1 ㎛, 가부시키가이샤 고쥰도카가쿠겐쿠쇼 제조)을 준비했다. 제2 분말로서 그래파이트 분말(사이즈 약 5 ㎛, 가부시키가이샤 고쥰도카가쿠겐쿠쇼 제조)을 준비했다. 이들을 표 2의 시료 21~시료 27 및 시료 211~시료 216에 나타내는 복합 탄질화물의 조성이 되는 배합비로 각각 혼합함으로써 제3 분말을 얻었다(혼합 공정). 혼합은 볼밀법에 의해 행했다. 여기서 시료 215 및 시료 216에 관해서는, 표 2에 나타내는 복합 탄질화물의 조성이 되도록 제1 분말 중에 WO₃ 분말(순도 3N, 가부시키가이샤 고쥰도카가쿠겐쿠쇼 제조)도 첨가했다.

이어서, 실시예 1과 동일한 조립 공정, 열처리 공정 및 해쇄 공정을 행함으로써, 표 2의 시료 21~시료 27 및 시료 211~시료 216에 나타내는 조성을 갖는 복합 탄질화물의 분말을 얻었다.

(제2 공정)

전술한 복합 탄질화물의 분말 5 체적%와, 시판되는 WC 분말(상품명: 「WC-25」, 닛폰신긴조쿠 가부시키가이샤 제조) 85 체적%와, 철족 원소의 분말로서 시판되는 Co 분말(사이즈 약 5 ㎛, 가부시키가이샤 고쥰도카가쿠겐쿠쇼 제조) 10 체적%를 혼합함으로써 혼합 분말을 얻었다. 이 혼합은, 실시예 1과 동일한 볼 및 밀을 이용하여 습식 볼밀법에 의해 10시간 행했다. 단, 시료 213 및 시료 214에 관해서는, 그 복합 탄질화물의 분말 5 체적%와, 상기 WC 분말 85 체적%와, 상기 Co 분말 10 체적%를 습식 볼밀법에 의해 각각 3시간 및 5시간 혼합함으로써 혼합 분말을 얻었다.

(제3 공정 및 제4 공정)

이어서, 실시예 1과 동일한 제3 공정 및 제4 공정을 행함으로써, SNGN120408의 형상으로 한 초경합금으로 이루어지는 절삭 공구(시료 21~시료 27 및 시료 211~시료 216)를 얻었다.

이들 절삭 공구(초경합금)에 있어서의 제2 경질상 입자의 심부에 대하여, 그 조성을 전술한 방법에 의해 EDX를 이용하여 분석한 바, 표 2의 복합 탄질화물 분말의 조성과 일치했다. 주변부는 심부의 조성에 W가 첨가된 조성을 갖는 것을 EDX에 의해 확인하고, 또한 심부의 적어도 일부를 피복하고 있는 것을 전자현미경 이미지에 있어서 눈으로 보아 확인했다. 또한, 심부의 복합 탄질화물(Ti_{1 -X- Z}Nb_XM_ZC_{1 - Y}N_Y) 중의 M으로서 V, Cr, Mo 등의 불순물 원소가 포함되지 않는(즉, Z=0인) 것도 EDX에 의해 확인했다.

표 2에 시료 21~시료 27 및 시료 211~시료 216에 있어서의 주변부의 조성을 나타낸다. 또한, 시료 21~시료 27 및 시료 211~시료 216의 절삭 공구(초경합금)에 대하여, 전술한 측정 방법을 이용하여 심부의 면적 기준의 50% 누적 개수 입경 및 심부의 분산도(백분율로 표시되는 심부의 개수가 0.43% 미만 또는 2.43% 초과가 되는 단위 영역의 수)를 분석하여, 그 분석 결과를 각각 표 2에 나타냈다. 시료 21~시료 27 및 시료 211~시료 216의 절삭 공구(초경합금)에 있어서, 초경합금에서 차지하는 심부의 체적 비율은 5 체적%였다.

<절삭 시험>

상기 시료 21~시료 27 및 시료 211~시료 216의 절삭 공구에 대하여, 절삭시험으로서, 실시예 1과 동일한 조건 하에서 내강 반응성 시험을 행했다. 결과를 표 2에 나타낸다. 여기서 시료 21~시료 27의 절삭 공구가 실시예에 해당되고, 시료 211~시료 216의 절삭 공구가 비교예에 해당된다.

<고찰>

표 2에 의하면, 실시예(시료 21~시료 27)의 절삭 공구는, 비교예(시료 211~시료 216)의 절삭 공구와 비교하여 내강 반응성이 우수하다는 것이 이해된다.

≪실시예 3≫

<시료 31~시료 37의 제작>

제1 분말로서, TiO₂ 분말(사이즈 약 0.5 ㎛, 가부시키가이샤 고쥰도카가쿠겐쿠쇼 제조) 및 Nb₂O₅ 분말(사이즈 약 1 ㎛, 가부시키가이샤 고쥰도카가쿠겐쿠쇼 제조)을 준비했다. 제2 분말로서 그래파이트 분말(사이즈 약 5 ㎛, 가부시키가이샤 고쥰도카가쿠겐쿠쇼 제조)을 준비했다. 또한, 시료 31~시료 37에 관해서는, 제1 분말을 준비할 때에, 그 복합 탄질화물(Ti_{1 -X- Z}Nb_XM_ZC_{1 - Y}N_Y)의 조성에 있어서, Ti, Nb, V, Cr 및 Mo의 총량에서 차지하는 합계량(원자%)이, 표 3에 나타내는 것과 같이 되는 불순물 원소(V, Cr, Mo, 이들은 상기 조성 중에서 M으로서 표시된다)가 포함되도록 V₂O₅ 분말(순도 3N, 가부시키가이샤 고쥰도카가쿠겐쿠쇼 제조), Cr₂O₃ 분말(사이즈 약 3 ㎛, 가부시키가이샤 고쥰도카가쿠겐쿠쇼 제조), MoO₃ 분말(순도 3N, 가부시키가이샤 고쥰도카가쿠겐쿠쇼 제조)을 제1 분말에 첨가했다. 시료 31~시료 37에 관해서는, 각각 상기한 불순물 원소 이외의 조성을 시료 12와 같게 하여 초경합금을 제작했다. 단, 실시예 3에서는 그 제품 형상을 CNGN120404로 했다.

또한, 시료 31~시료 37의 초경합금을 기재로 하여, 이 기재를 이하의 PVD 조건에 의해 TiAlN으로 이루어지는 피막으로 피복함으로써 시료 31~시료 37의 절삭 공구를 제작했다.

(PVD 조건)

AlTi 타겟(타겟 조성, Al:Ti=50:50)

아크 전류: 100 A

바이어스 전압: -100 V

챔버 내 압력: 4.0 ㎩

반응 가스: 질소.

시료 31~시료 37의 절삭 공구에 대하여, 실시예 1과 동일한 조건 하에서 절삭 시험(내강 반응성 시험)을 행했다. 결과를 표 3에 나타낸다. 단, 실시예 3에 있어서의 내강 반응성 시험에서는, 절삭 시간을 5분으로 하여, 5분 경과 시점에서 커팅 에지의 여유면 마모 폭이 0.2 ㎜ 미만이 되는 시료를 양품(良品)이라고 평가했다. 표 3에 있어서, 5분이 경과할 때까지 커팅 에지의 여유면 마모 폭이 0.2 ㎜ 이상이 되는 것이 확인된 시료에 관해서는 그 확인된 시간을 기재했다.

<고찰>

표 3에 의하면, 심부의 복합 탄질화물에 있어서의 Ti, Nb, V, Cr 및 Mo의 총량에서 차지하는 V, Cr 및 Mo의 합계량이 2 원자% 미만(즉, Z가 0 이상 0.02 이하)인 시료 31~시료 33의 절삭 공구는, 시료 34~시료 37의 절삭 공구와 비교하여, 내강 반응성이 우수하고, 이로써 장수명으로 되는 것이 이해된다.

≪실시예 4≫

<시료 41~시료 46의 제작>

시료 41~시료 46에 관해서는, 우선 시료 31과 동일한 불순물 원소(V, Cr, Mo)량이며 또한 동일한 복합 탄질화물의 조성인 분말을 이용하여, 이것을 표 4에 나타내는 심부의 D50(면적 기준의 50% 누적 개수 입경)이 되도록 미리 볼밀법에 의해서 분쇄 가공함으로써 분말 입도를 각각 조제했다(제1 공정). 그런 다음, 실시예 2의 제2 공정, 제3 공정 및 제4 공정을 행함으로써, SNGN120408의 형상으로 한 초경합금으로 이루어지는 시료 41~시료 46의 절삭 공구를 제작했다. 이들 절삭 공구에 대하여, 실시예 1과 동일한 내강 반응성 시험을 행했다. 결과를 표 4에 나타낸다.

<고찰>

표 4에 의하면, 심부의 D50이 0.2~2 ㎛의 범위 내인 시료 42~시료 45의 절삭 공구는, 시료 41 및 시료 46의 절삭 공구와 비교하여, 내강 반응성이 우수하다는 것이 이해된다.

≪실시예 5≫

<시료 51~시료 56의 제작>

시료 51~시료 56에 관해서는, 전술한 시료 12의 복합 탄질화물 분말, WC 분말 및 Co 분말을, 표 5에 나타내는 초경합금에서 차지하는 심부의 체적 비율(%)이 되도록 조정하여 제2 공정을 행하고, 그 이외에는 시료 12와 같게 하여 초경합금으로 이루어지는 절삭 공구를 제작했다. 단, 실시예 5에서는 그 제품 형상을 TNGN160404로 했다. 이들 절삭 공구에 대하여, 실시예 1과 동일한 조건 하에서 내강 반응성 시험을 행했다. 결과를 표 5에 나타낸다.

<고찰>

표 5에 의하면, 초경합금에서 차지하는 심부의 체적 비율(%)이 2~10 체적%인 시료 52~시료 55의 절삭 공구는, 시료 51 및 시료 56의 절삭 공구와 비교하여, 내강 반응성이 우수하다는 것이 이해된다.

이상과 같이 본 개시의 실시형태 및 실시예에 관해서 설명했지만, 전술한 각 실시형태 및 실시예의 구성을 적절하게 조합하는 것도 당초부터 예정하고 있다.

이번에 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이며, 제한적인 것이 아니라고 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 실시형태가 아니라 청구범위에 의해서 나타내어지며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

1: 제1 경질상 입자 2: 제2 경질상 입자
10: 절삭 공구 11: 기재
12: 피막 21: 심부
22: 주변부 3: 금속 결합상
R: 단위 영역

Claims (15)

1. WC을 포함하는 제1 경질상 입자와, Ti 및 Nb를 함유하는 탄질화물을 포함하는 제2 경질상 입자와, 철족 원소를 포함하는 금속 결합상을 포함하는 초경합금으로서,
   상기 제2 경질상 입자는, 입자형의 심부(芯部)와, 이 심부의 적어도 일부를 피복하는 주변부를 포함하고,
   상기 심부는 Ti_{1 -X- Z}Nb_XM_ZC_{1 - Y}N_Y로 표시되는 복합 탄질화물로 이루어지고,
   상기 M은 V, Cr 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 불순물 원소이고,
   상기 X는 0.1 이상 0.2 이하이고,
   상기 Y는 0.3 이상 0.6 이하이고,
   상기 Z는 0 이상 0.02 이하이고,
   상기 주변부는 상기 심부와 조성이 상이하고,
   상기 초경합금은, 그 임의의 단면을 1500배의 배율로 촬영한 전자현미경 이미지 중에, 한 변이 8 ㎛인 정방형으로 이루어지는 단위 영역을 세로 방향으로 7개, 또한 가로 방향으로 10개 연속해서 늘어놓음으로써 합계 70개의 상기 단위 영역을 마련하여, 각각의 상기 단위 영역의 내부에 있는 상기 심부의 개수를 카운트함으로써, 합계 70개의 상기 단위 영역의 내부에 있는 상기 심부의 총 개수를 구하고, 상기 총 개수에 대한 각각의 상기 단위 영역의 내부에 있는 상기 심부의 개수의 백분율을 산출한 경우, 상기 백분율이 0.43% 미만 또는 2.43% 초과가 되는 상기 단위 영역의 수가 10 이하인 것인 초경합금.
2. 제1항에 있어서, 개수를 카운트하는 상기 단위 영역의 내부에 있는 상기 심부는, 그 입경이 0.2 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하인 것인 초경합금.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주변부는 Ti, Nb 및 W을 함유하는 탄질화물인 것인 초경합금.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 심부는, 그 면적 기준의 50% 누적 개수 입경이 0.2 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하인 것인 초경합금.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 심부는, 상기 초경합금에서 차지하는 체적 비율이 2 체적% 이상 10 체적% 이하인 것인 초경합금.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 경질상 입자는, 주성분이 WC인 것인 초경합금.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 경질상 입자의 함유량은, 65~95 체적%인 것인 초경합금.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 경질상 입자의 함유량은, 2~15 체적%인 것인 초경합금.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속 결합상의 함유량은, 7~15 체적%인 것인 초경합금.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 X는 0.12 이상 0.18 이하이고,
    상기 Y는 0.4 이상 0.55 이하인 것인 초경합금.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 Z는 0인 것인 초경합금.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 경질상 입자, 상기 제2 경질상 입자 및 상기 금속 결합상의 함유량의 합계는, 95 체적% 이상인 것인 초경합금.
13. 제1항 또는 제2항에 따른 초경합금을 포함하는 절삭 공구.
14. 제13항에 있어서, 상기 초경합금으로 이루어지는 기재(基材)와, 이 기재를 피복하는 피막을 포함하는 절삭 공구.
15. Ti_1-X-ZNb_XM_ZC_1-YN_Y로 표시되는 복합 탄질화물의 분말을 얻는 공정과,
    상기 복합 탄질화물의 분말과, WC 분말과, 철족 원소의 분말을 볼밀을 이용하여 9시간 이상 15시간 이하 혼합함으로써 혼합 분말을 얻는 공정과,
    상기 혼합 분말을 가압 성형함으로써 성형체를 얻는 공정과,
    상기 성형체를 소결함으로써 소결체를 얻는 공정
    을 포함하는 초경합금의 제조 방법으로서,
    상기 M은 V, Cr 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 불순물 원소이고,
    상기 X는 0.1 이상 0.2 이하이고,
    상기 Y는 0.3 이상 0.6 이하이고,
    상기 Z는 0 이상 0.02 이하이고,
    상기 복합 탄질화물의 분말을 얻는 공정은,
    Ti와 Nb를 포함하는 제1 분말과, 적어도 그래파이트를 포함하는 제2 분말을 혼합함으로써, 제3 분말을 얻는 공정과,
    상기 제3 분말을 조립(造粒)함으로써 조립체를 얻는 공정과,
    상기 조립체를, 질소 가스를 포함하는 분위기하 또한 1800℃ 이상에서 열처리함으로써, 상기 복합 탄질화물로 이루어지는 분말 전구체를 얻는 공정과,
    상기 분말 전구체를 해쇄(解碎)함으로써 상기 복합 탄질화물의 분말을 얻는 공정을 포함하는 것인 초경합금의 제조 방법.

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