KR102574445B1 - 서멧, 이의 제조방법 및 절삭공구 - Google Patents

서멧, 이의 제조방법 및 절삭공구 Download PDF

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Abstract

내마모성 및 내결손성을 균형 있게 개선하는 서멧이 제공된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 경질상 및 결합상으로 이루어진 서멧으로, 상기 경질상은, Ti의 탄화물, 질화물 및 탄질화물 중 적어도 1종 이상을 주성분으로 포함하는 제1 경질상 및 주기율표 제4족, 제5족 및 제6족 중 적어도 1종 이상의 금속과 Ti의 탄질화물 고용체를 포함하는 제2 경질상을 포함하고, XRD(X-ray diffraction) 분석에 의한 회절 패턴에서, 상기 제1 경질상에 기인하는 제1 피크 및 상기 제2 경질상에 기인하는 제2 피크가 분리되어 존재하고, 하기 식 1을 만족하는 서멧이 제공된다.
[식 1]
0.5<IB(111)/IH2(200)≤1.5
상기 식 1에서, IB(111)은 상기 결합상의 (111)면 피크 강도이고, IH2(200)은 상기 제2 경질상의 (200)면 피크 강도이다.

Description

서멧, 이의 제조방법 및 절삭공구{CERMET, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND CUTTING TOOL}
본 발명은 서멧에 관한 것으로, 보다 구체적으로 서멧, 이의 제조방법 및 절삭공구에 관한 것이다.
절삭공구의 대표적인 소재 중 하나인 서멧(Cermet)은, 일반적으로 Ti를 주성분으로 하는 탄질화물 등의 경질상을 Ni 및/또는 Co로 구성되는 결합상으로 결합한 소결합금으로서 구성되어 있다. 이러한 서멧은, 그 경도에 비해 파괴 인성이 약하다는 단점이 있다. 이에, 경도와 파괴 인성 향상을 위한 다양한 연구가 이루어져왔고, 서멧의 조성에 따른 X선 회절 패턴 변화에 착안한 물성 개선이 시도되고 있다.
예를 들어, 특허문헌 1(JP5393044 B2)에는 Co와 Ni의 함유비가 1.1~4.0인 서멧 분말의 X선 회절 측정에 의한 회절 패턴에 있어서 Co의 (220)면 피크 강도와 Ni의 (220)면 피크 강도의 비 ICo/INi가 0보다 크고 0.5 이하인 서멧이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 2(JP5213644 B2)에는 소결체 내부의 Ｘ선 회절 측정 시 경질상의 (220)면에서 저각도ㆍ고각도ㆍ중간 피크가 검출되고, 고각도 피크와 중간 피크의 강도 비율이 0.8~1.1이며, 소결체 표면으로부터 30~50㎛ 깊이 영역의 Ｘ선 회절 측정시 경질상의 (220) 면에서 저각도ㆍ고각도ㆍ중간 피크가 검출되고, 고각도 피크와 중간 피크의 강도 비율이 0.5~0.7인 서멧 소결체가 개시되어 있다.
그러나, 특허문헌 1과 특허문헌 2는 서멧의 내결손성 향상에 주안점을 두고 있어, 경도와 파괴 인성 모두를 향상시켜 내마모성과 내결손성을 동시에 개선하는 조성이나 방법은 개시되어 있지 않다.
또한, 피삭재가 다양해지고, 고속화 절삭조건이 요구됨에 따라 종래의 경도와 인성의 한계를 뛰어넘는 서멧 소재가 요구되는 실정이다.
본 발명의 목적은 내마모성 및 내결손성을 균형 있게 개선하는 서멧을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 서멧의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 수명이 연장된 절삭공구를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따르면, 경질상 및 결합상으로 이루어진 서멧으로, 상기 경질상은, Ti의 탄화물, 질화물 및 탄질화물 중 적어도 1종 이상을 주성분으로 포함하는 제1 경질상 및 주기율표 제4족, 제5족 및 제6족 중 적어도 1종 이상의 금속과 Ti의 탄질화물 고용체(Solid solution)를 포함하는 제2 경질상을 포함하고, XRD(X-ray diffraction) 분석에 의한 회절 패턴에서, 상기 제1 경질상에 기인하는 제1 피크 및 상기 제2 경질상에 기인하는 제2 피크가 분리되어 존재하고, 하기 식 1을 만족하는, 서멧이 제공된다.
[식 1]
0.5<IB(111)/IH2(200)≤1.5
상기 식 1에서, IB(111)은 상기 결합상의 (111)면 피크 강도이고, IH2(200)은 상기 제2 경질상의 (200)면 피크 강도이다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 상기 제1 측면에 있어서 하기 식 2를 만족하는 서멧이 제공될 수 있다.
[식 2]
0.5 < IH1(200)/IH2(200) < 0.9
상기 식 2에서 IH1(200)은 상기 제1 경질상의 (200)면 피크 강도이고, IH2(200)은 상기 제2 경질상의 (200)면 피크 강도이다.
본 발명의 제3 측면에 따르면, 상기 제1 또는 제2 측면에 있어서 하기 식 3을 만족하는 서멧이 제공될 수 있다.
[식 3]
0.85 < IH2(111)/IH2(200) < 1.15
상기 식 3에서, IH2(111)은 상기 제2 경질상의 (111)면 피크 강도이고, IH2(200)은 상기 제2 경질상의 (200)면 피크 강도이다.
본 발명의 제4 측면에 따르면, 상기 제1 내지 제3 측면 중 어느 하나에 있어서 상기 서멧은 경질상 75 내지 95 질량% 및 결합상 5 내지 25 질량%를 포함할 수 있다.
본 발명의 제5 측면에 따르면, 상기 제1 내지 제4 측면 중 어느 하나에 있어서 상기 결합상은 Co, Ni, 및 Fe로 이어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 서멧의 전체 질량을 기준으로, 상기 Co의 함량은 3 내지 12 질량%이고, 상기 Ni의 함량은 2 내지 11 질량%일 수 있다.
본 발명의 제6 측면에 따르면, 상기 제1 내지 제5 측면 중 어느 하나에 있어서 상기 서멧은 호닝(Honing), 블라스팅(Blasting), 및 폴리싱(Polishing) 중 어느 하나 이상으로 후처리된 것일 수 있다.
본 발명의 제7 측면에 따르면, 상기 제1 내지 제6 측면 중 어느 하나에 있어서 상기 서멧은 적어도 일면 상에 코팅부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제8 측면에 따르면, 상기 제1 내지 제7 측면 중 어느 하나에 따른 서멧의 제조방법으로, (S1) Ti의 탄화물, 질화물, 탄질화물 중 적어도 1종과; 주기율표 제4족, 제5족, 제6족 금속 중 1종 이상의 탄화물, 질화물 및 탄질화물 중 1종 이상; 및 Co, Ni, 및 Fe로 이어진 군에서 선택된 1종 이상;이 혼합된 혼합 분말을 준비하는 단계; (S2) 상기 혼합 분말에 바인더를 첨가하고, 바인더가 첨가된 혼합 분말을 금형에 충진한 후 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및 (S3) 상기 성형체를 소결하여 서멧을 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 (S3) 단계는, (a) 상기 성형체를 불활성 가스 분위기 하에서 탈지하는 단계; (b) 진공 분위기 하에서 상기 탈지된 성형체를 1,300 내지 1370℃로 승온하여 40 내지 70분 동안 유지하는 단계; (c) 진공 분위기 하에서 상기 (b) 단계의 결과물을 1,430 내지 1,500℃로 승온하여 40 내지 70분 동안 유지하여 소결체를 제조하는 단계 및 (d) 상기 소결체를 냉각하여 서멧을 제조하는 단계를 포함하는, 서멧의 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 제9 측면에 따르면, 상기 제8 측면에 있어서 상기 혼합 분말의 전체 중량을 기준으로 상기 Ti의 탄화물, 질화물, 탄질화물 중 적어도 1종 이상의 함량은 56 내지 65 질량%이고, 상기 Co, Ni, 및 Fe로 이어진 군에서 선택된 1종 이상의 함량은 10 내지 18 질량%일 수 있다.
본 발명의 제10 측면에 따르면, 상기 제1 내지 제7 측면 중 어느 하나에 따른 서멧을 포함하는 절삭공구가 제공될 수 있다.
상기 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시예를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면(Aspect)에 따르면, 내마모성 및 내결손성을 균형 있게 개선하는 서멧을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 수명이 연장되는 절삭공구를 제공할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1a는 실시예 1에 따른 서멧의 XRD 분석 결과이다.
도 1b는 실시예 2에 따른 서멧의 XRD 분석 결과이다.
도 2는 비교예 1에 따른 서멧의 XRD 분석 결과이다.
도 3은 비교예 2에 따른 서멧의 XRD 분석 결과이다.
도 4는 비교예 3에 따른 서멧의 XRD 분석 결과이다.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥 상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 용어 '내지'를 사용하여 나타낸 수치의 범위는, 상기 용어의 앞과 뒤에 기재된 값을 각각 하한 값과 상한 값으로 포함하는 수치의 범위를 나타낸다. 임의의 수치범위의 상한과 하한으로의 수치 값이 각각 복수 개로 개시된 경우, 본 명세서에서 개시하는 수치의 범위는 복수의 하한 값 중 임의의 하나의 값 및 복수의 상한 값 중 임의의 하나의 값을 각각 하한 값 및 상한 값으로 하는 임의의 수치의 범위로 이해될 수 있다.
본 명세서에서 XRD(X-ray diffraction) 분석법은 X-ray를 시편에 회절시켜 시편의 내부 정보를 그래프로 나타내는 분석법으로, 여러 상들의 고유한 각도에서 피크가 나타나 시편 속에 어떠한 상(Phase)으로 이루어져 있는지 확인할 수 있는 분석법이다. 구체적으로 상기 XRD 분석법의 결과는 x축이 2θ 및 y축이 강도(Intensity)로 표시된 그래프로 표시될 수 있다. 일 예시에 따르면, 상기 XRD 분석법을 위해 Malvern Panalytical社의 X선 회절 장비(모델명:X'pert)를 사용할 수 있고, Bragg Brentano HD(이하, 'BBHD'라 함)와 Pixel 3D가 장착된 검출기를 사용할 수 있고, XRD 전극 물질로 구리(Cu)를 사용할 수 있고, 45kV 전압과 40 mA의 Cu-Kα 파장을 이용할 수 있다. BBHD에는 1/2°안티스캐터 슬릿 및 1/8°다이버전스를 장착할 수 있고, 검출기에는 1/2 솔라슬릿을 체결하여 사용할 수 있다. 측정은 θ-2θ 방법으로 35°내지 45°의 2θ에 대해 실시할 수 있고, 시료의 높이와 평형을 맞춘 상태에서 서멧 시료의 소결 표면(플랭크면)에 대하여 분석을 실시할 수 있다.
본 명세서에서 "Ti의 탄화물, 질화물, 탄질화물 중 적어도 1종 이상을 주성분으로 하는 제1 경질상"은, 제1 결합상의 전체 질량을 기준으로 Ti의 탄화물, 질화물, 탄질화물 중 적어도 1종 이상의 함량이 50 질량% 이상 100 질량% 이하인 것을 의미하는 것으로 정의될 수 있다.
본 명세서에서 경질상(Hard phase)은 서멧(Cermet)에 높은 경도와 강도를 부여하는 상(Phase)을 의미할 수 있다.
본 명세서에서 결합상(Binder phase)은 제1 경질상을 구성하는 입자 간, 제2 경질상을 구성하는 입자 간, 또는 제1 경질상을 구성하는 입자와 제2 경질상을 구성하는 입자 간을 서로 결합시키는 상을 의미할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 경질상 및 결합상으로 이루어진 서멧으로, 상기 경질상은, Ti의 탄화물, 질화물 및 탄질화물 중 적어도 1종 이상을 주성분으로 포함하는 제1 경질상 및 주기율표 제4족, 제5족 및 제6족 중 적어도 1종 이상의 금속과 Ti의 탄질화물 고용체를 포함하는 제2 경질상을 포함하고, XRD(X-ray diffraction) 분석에 의한 회절 패턴에서, 상기 제1 경질상에 기인하는 제1 피크 및 상기 제2 경질상에 기인하는 제2 피크가 분리되어 존재하고, 하기 식 1을 만족하는 서멧이 제공된다.
[식 1]
0.5<IB(111)/IH2(200)≤1.5
상기 식 1에서, IB(111)은 상기 결합상의 (111)면 피크 강도이고, IH2(200)은 상기 제2 경질상의 (200)면 피크 강도이다. 제1 경질상에 기인하는 제1 피크와 제2 경질상에 기인하는 제2 피크가 분리되어 존재하고, 제2 경질상의 (200)면 피크강도에 대한 결합상의 (111)면 피크강도의 비율(IB(111)/IH2(200))이 0.5 초과 1.5 이하를 동시에 만족함으로써, 서멧의 내마모성 및 내결손성이 모두 균형 있게 개선될 수 있다. 만약 제2 경질상의 (200)면 피크강도에 대한 결합상의 (111)면 피크강도의 비율(IB(111)/IH2(200))이 상기 수치 범위보다 적을 경우 충분한 내마모성 및 내결손성이 충분히 달성되기 어려운 문제가 발생할 수 있고 상기 수치 범위를 초과할 경우 내마모성과 내결손성의 불균형이 초래되는 문제가 발생할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명한다.
1. 서멧
본 발명에 따른 서멧은 경질상 및 결합상으로 이루어진 것이다.
경질상
본 발명에 따른 경질상(Hard phase)은 서멧(Cermet)에 높은 경도와 강도를 부여하는 상(Phase)일 수 있다. 구체적으로 상기 경질상의 함량은 상기 서멧의 전체 질량을 기준으로 75 내지 95 질량%, 77 내지 93 질량%, 79 내지 91 질량%, 80 내지 90 질량%, 81 내지 88 질량%, 82 내지 87 질량%, 83 내지 86 질량%, 또는 84 내지 86 질량%일 수 있다. 상기 경질상의 함량이 상기 수치 범위 내를 만족할 때 서멧의 높은 경도와 강도가 충분히 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 제1 경질상은 Ti의 탄화물, 질화물, 탄질화물 중 적어도 1종 이상을 주성분으로 포함한다. 여기서 주성분으로 포함한다는 것의 의미는 상기 제1 경질상의 전체 질량을 기준으로 Ti의 탄화물, 질화물, 탄질화물 중 적어도 1종 이상이 50 질량% 이상 100 질량% 이하로 포함되는 것을 의미할 수 있다.
구체적으로 상기 Ti의 탄화물, 질화물, 탄질화물 중 적어도 1종 이상의 함량은 상기 제1 경질상의 전체 질량을 기준으로 55 내지 99 질량%, 60 내지 99 질량%, 65 내지 99 질량%, 70 내지 99 질량%, 75 내지 99 질량%, 80 내지 99 질량%, 85 내지 99 질량%, 또는 90 내지 99 질량%일 수 있다. 상기 Ti의 탄화물, 질화물, 탄질화물 중 적어도 1종 이상의 함량이 상기 수치 범위 내를 만족할 때 서멧의 내마모성 및 내결손성이 충분히 구현될 수 있다.
예를 들어 상기 제1 경질상은 TiC, TiN 및 TiCN로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 제2 경질상은 주기율표 제4족, 제5족 및 제6족 중 적어도 1종 이상의 금속과 Ti의 탄질화물 고용체를 포함할 수 있다. 여기서 고용체(Solid solution)는 결정구조 내의 특정한 원자의 자리가 2 이상의 다른 원소들이 다양한 비율로 점유되는 단일상(Single phase)의 결정구조를 의미한다. 즉, 주기율표 제4족, 제5족 및 제6족 중 적어도 1종 이상의 금속(Ti 제외)은 Ti, C 및 N와 단일상을 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 주기율표 제4족, 제5족 및 제6족 중 적어도 1종 이상의 금속은 Zr, Hf, Rf, Ce, Th, V, Nb, Ta, Db, Pr, Pa, Cr, Mo, W, Sg, Nd 및 U로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상으로, Ti을 제외한 원소일 수 있다.
[식 1]
0.5<IB(111)/IH2(200)≤1.5
상기 식 1에서 IB(111)은 상기 결합상의 (111)면 피크 강도이고, IH2(200)은 상기 제2 경질상의 (200)면 피크 강도이다. 제1 경질상에 기인하는 제1 피크와 제2 경질상에 기인하는 제2 피크가 분리되어 존재하고, 제2 경질상의 (200)면 피크강도에 대한 결합상의 (111)면 피크강도의 비율(IB(111)/IH2(200))이 0.5 초과 1.5 이하를 동시에 만족함으로써, 서멧의 내마모성 및 내결손성이 모두 균형 있게 개선될 수 있다. 만약 제2 경질상의 (200)면 피크강도에 대한 결합상의 (111)면 피크강도의 비율(IB(111)/IH2(200))이 상기 수치 범위보다 적을 경우 충분한 내마모성 및 내결손성이 충분히 달성되기 어려운 문제가 발생할 수 있고 상기 수치 범위를 초과할 경우 내마모성과 내결손성의 불균형이 초래되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 식 2를 만족하는 서멧이 제공될 수 있다.
[식 2]
0.5 < IH1(200)/IH2(200) < 0.9
상기 식 2에서 IH1(200)은 상기 제1 경질상의 (200)면 피크 강도이고, IH2(200)은 상기 제2 경질상의 (200)면 피크 강도이다. 구체적으로 상기 제2 경질상의 (200)면 피크 강도에 대한 상기 제1 경질상의 (200)면 피크 강도의 비율(IH1(200)/IH2(200))이 상기 수치 범위보다 적을 경우 충분한 내마모성 및 내결손성이 충분히 달성되기 어려운 문제가 발생할 수 있고 상기 수치 범위를 초과할 경우 내마모성과 내결손성의 불균형이 초래되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 식 3을 만족하는 서멧이 제공될 수 있다.
[식 3]
0.85 < IH2(111)/IH2(200) < 1.15
상기 식 3에서 IH2(111)은 상기 제2 경질상의 (111)면 피크 강도이고, IH2(200)은 상기 제2 경질상의 (200)면 피크 강도이다. 구체적으로 상기 제2 경질상의 (200)면 피크 강도에 대한 상기 제2 경질상의 (111)면 피크 강도의 비율(IH2(111)/IH2(200))이 상기 수치 범위보다 적을 경우 충분한 내마모성이 달성되기 어려운 문제가 발생할 수 있고 상기 수치 범위를 초과할 경우 내결손성이 떨어져 내마모성과 내결손성의 불균형이 초래되는 문제가 발생할 수 있다.
결합상
본 발명에 따른 결합상(Binder phase)은 제1 경질상을 구성하는 입자 간, 제2 경질상을 구성하는 입자 간, 또는 제1 경질상을 구성하는 입자와 제2 경질상을 구성하는 입자 간을 서로 결합시키는 상을 의미할 수 있다. 구체적으로 상기 결합상의 함량은 상기 서멧의 전체 질량을 기준으로 5 내지 25 질량%, 7 내지 23 질량%, 9 내지 21 질량%, 10 내지 20 질량%, 12 내지 19 질량%, 13 내지 18 질량%, 14 내지 17 질량%, 또는 14 내지 16 질량%일 수 있다. 상기 결합상의 함량이 상기 수치 범위 내를 만족할 때 제1 경질상을 구성하는 입자 간, 제2 경질상을 구성하는 입자 간, 또는 제1 경질상을 구성하는 입자와 제2 경질상을 구성하는 입자 간을 잘 결합시킬 수 있음과 동시에 서멧의 내마모성 및 내결손성이 충분히 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 결합상은 Co, Ni, 및 Fe로 이어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 구체적으로 Co 및 Ni를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 결합상이 Co 및 Ni를 포함함으로써 경질상을 이루는 입자 간을 서로 잘 결합시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 서멧의 전체 질량을 기준으로, 상기 Co의 함량은 3 내지 12 질량%, 4 내지 11 질량%, 5 내지 10 질량%, 6 내지 9 질량%, 또는 7 내지 8 질량%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 서멧의 전체 질량을 기준으로, 상기 Ni의 함량은 2 내지 11 질량%, 3 내지 10 질량%, 4 내지 9 질량%, 5 내지 8 질량%, 또는 6 내지 7 질량%일 수 있다.
서멧
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 서멧은 호닝(Honing), 블라스팅(Blasting), 및 폴리싱(Polishing) 중 어느 하나 이상으로 후처리된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 호닝(Honing)은 서멧의 표면 정밀도를 높이기 위한 정밀입자 가공법으로, 서멧의 표면조도를 개선시킬 수 있다. 구체적으로 상기 서멧은 호닝 처리됨으로써 서멧의 마모를 줄일 수 있음과 동시에 공구의 수명을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 블라스팅(Blasting)은 예를 들어 Al2O3 입자를 포함하는 연마재를 첨가한 물을 압축 공기 또는 기타의 방법으로 서멧의 표면에 강력하게 분사하여 표면조도를 개선하는 공정을 의미할 수 있다. 상기 블라스팅은 습식과 건식을 모두 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 폴리싱(Polishing)은 서멧의 표면조도를 개선하여 표면을 광택화하는 연마 공정을 의미할 수 있다. 구체적으로 상기 폴리싱을 구현하기 위한 수단으로 해당 기술분야에서 상용되는 연마재를 이용할 수 있다. 예를 들어 상기 연마재는 알루미나, 탄화규소, 및 탄화텅스텐으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 연마입자를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 서멧은 적어도 일면 상에 코팅부재를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 코팅부재가 서멧의 적어도 일면에 코팅됨으로써 공구의 수명을 연장시키는 효과가 구현될 수 있다. 예를 들어 상기 코팅부재는 이온 플레이팅, 스퍼터링법 등의 물리적 기상증착법(Physical vapor deposition; PVD) 또는 화학적 기상증착법(Chemical vapor deposition; CVD)을 이용하여 형성된 것일 수 있고, 구체적으로 물리적 기상증착법을 이용하여 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코팅부재는 TiCN, TiAlN, 및 TiN 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
2. 서멧의 제조방법
본 발명의 다른 측면에 따르면, (S1) Ti의 탄화물, 질화물, 탄질화물 중 적어도 1종과; 주기율표 제4족, 제5족, 제6족 금속 중 1종 이상의 탄화물, 질화물 및 탄질화물 중 1종 이상; 및 Co, Ni, 및 Fe로 이어진 군에서 선택된 1종 이상;이 혼합된 혼합 분말을 준비하는 단계; (S2) 상기 혼합 분말에 바인더를 첨가하고, 바인더가 첨가된 혼합 분말을 금형에 충진한 후 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및 (S3) 상기 성형체를 소결하여 서멧을 제조하는 단계;를 포함하고, 상기 (S3) 단계는, (a) 상기 성형체를 불활성 가스 분위기 하에서 탈지하는 단계; (b) 진공 분위기 하에서 상기 탈지된 성형체를 1,300 내지 1370℃로 승온하여 40 내지 70분 동안 유지하는 단계; 및 (c) 진공 분위기 하에서 상기 (b) 단계의 결과물을 1,430 내지 1,500℃로 승온하여 40 내지 70분 동안 유지하여 소결체를 제조하는 단계; 및 (d) 상기 소결체를 냉각하여 서멧을 제조하는 단계를 포함하는, 서멧의 제조방법이 제공될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 서멧의 제조방법에 대해 단계 별로 설명한다.
(S1) 단계: 혼합분말을 준비하는 단계;
본 발명에 따른 혼합 분말은 (i) Ti의 탄화물, 질화물, 탄질화물 중 적어도 1종 이상의 분말 (ii) 주기율표 제4족, 제5족, 제6족 금속 중 1종 이상의 탄화물, 질화물 및 탄질화물 중 1종 이상의 분말 및 (iii) Co, Ni, 및 Fe로 이어진 군에서 선택된 1종 이상의 분말이 혼합된 분말일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 혼합 분말의 전체 중량을 기준으로 상기 (i) 분말의 함량은, 56 내지 65 질량%, 57 내지 64 질량%, 57 내지 63 질량%, 57 내지 62 질량%, 57 내지 61 질량%, 57 내지 60 질량%, 57 내지 59 질량%, 또는 57 내지 58 질량%일 수 있다. 상기 혼합 분말의 전체 중량을 기준으로 상기 (i) 분말의 함량이 상기 수치 범위 내를 만족할 때 서멧의 내마모성 및 내결손성이 모두 균형 있게 개선될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 혼합 분말의 전체 중량을 기준으로 상기 (ii) 분말의 함량이 25 내지 34 질량%, 26 내지 33 질량%, 27 내지 32 질량%, 28 내지 31 질량%, 또는 29 내지 30 질량%일 수 있다. 상기 혼합 분말의 전체 중량을 기준으로 상기 (ii) 분말의 함량이 상기 수치 범위 내를 만족할 때 서멧의 내마모성 및 내결손성이 모두 균형 있게 개선될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 혼합 분말의 전체 중량을 기준으로 상기 (iii) 분말의 함량이 10 내지 18 질량%, 11 내지 17 질량%, 12 내지 16 질량%, 13 내지 15 질량%, 또는 14 내지 15 질량%일 수 있다. 상기 혼합 분말의 전체 중량을 기준으로 상기 (iii) 분말의 함량이 상기 수치 범위 내를 만족할 때 서멧의 내마모성 및 내결손성이 모두 균형 있게 개선될 수 있다.
(S2) 단계: 성형체를 제조하는 단계;
본 발명에 따른 서멧의 제조방법은 (S2) 상기 혼합 분말에 바인더를 첨가하고, 바인더가 첨가된 혼합 분말을 금형에 충진한 후 성형하여 성형체를 제조하는 단계를 포함한다.
예를 들어 상기 바인더는 파라핀, 폴리에틸렌글리콜, 및 지방산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 유기 바인더를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 성형체는 공지된 프레스 성형 방법으로 형성될 수 있다.
(S3) 단계: 소결체를 제조하는 단계;
본 발명에 따른 서멧의 제조방법은 상기 바인더가 첨가된 혼합 분말을 열적으로 활성화하기 위해 (S3) 상기 성형체를 소결하여 소결체를 제조하는 단계를 포함한다.
구체적으로 상기 (S3) 단계는, (a) 상기 성형체를 불활성 가스 분위기 하에서 탈지하는 단계; (b) 진공 분위기 하에서 상기 탈지된 성형체를 1,300 내지 1370℃로 승온하여 40 내지 70분 동안 유지하는 단계; (c) 진공 분위기 하에서 상기 (b) 단계의 결과물을 1,430 내지 1,500℃로 승온하여 40 내지 70분 동안 유지하여 소결체를 제조하는 단계 및 (d) 상기 소결체를 냉각하여 서멧을 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 (b) 단계 및 (c) 단계의 조합을 만족할 때 제1 경질상에 기인하는 제1 피크와 제2 경질상에 기인하는 제2 피크가 분리되어 존재하고, 제2 경질상의 (200)면 피크강도에 대한 결합상의 (111)면 피크강도의 비율(IB(111)/IH2(200))이 0.5 초과 1.5 이하를 동시에 만족함으로써, 서멧의 내마모성 및 내결손성이 모두 균형 있게 개선될 수 있다.
예를 들어 상기 (a) 단계는 상기 성형체에 대하여, 불활성 가스분위기에서 7 내지 8시간 동안 탈지(Debinding)하는 단계일 수 있다. 상기 (a) 단계를 통해 바인더가 제거될 수 있다.
예를 들어 상기 (b) 단계는 상기 탈지된 성형체를 진공 분위기 하에서 1,300 내지 1,320℃로 승온하여 최고온도에서 40 내지 60분 동안 유지하는 단계일 수 있다.
예를 들어 상기 (c) 단계는, 진공 또는 질소 분위기 하에서 1,430 내지 1,450℃로 승온하여 최고온도에서 40 내지 50분 동안 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 (d) 단계는, 상기 소결체를 진공 분위기 하에서 최고온도에서 40 내지 50℃로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
3. 절삭공구
본 발명의 또 다른 측면에 따르면 상기 서멧을 포함하는 절삭공구가 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 절삭공구는 모재를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 모재에 상술한 본 발명의 여러 실시예에 따른 서멧이 포함될 수 있다. 구체적으로 상기 절삭공구에 서멧이 모재로 포함됨으로써 절삭공구의 내마모성 및 내결손성이 더욱 향상될 수 있고 이에 따라 절삭공구의 수명이 연장될 수 있다.
예를 들어, 상기 절삭공구의 형태는 특별히 제한되지 않고 날끝 교환형의 절삭팁이나 드릴, 리머 등일 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.
[제조예 1: 서멧의 제조]
혼합 분말의 준비 단계;
하기 표 1에 기재된 함량으로 TiCN 분말(평균입경=0.6~2.0㎛), 주기율표 제4족, 제5족, 제6족 금속 중 1종 이상의 탄화물, 질화물 및 탄질화물 중 1종 이상의 분말(평균입경=0.1~2.0㎛), Co 분말(평균입경=1~3㎛) 및 Ni 분말(평균입경1~3㎛)을 스테인리스 재질의 볼밀과 초경 볼을 이용하여 습식 혼합하여 혼합 분말을 준비하였다.
성형 단계;
혼합 분말에 바인더를 첨가하고, 바인더가 첨가된 혼합 분말을 금형에 충진한 후 , 공지된 프레스 성형을 실시하여 인서트 형번 CNMG120408 형상의 성형체를 제조하였다.
소결 단계;
(a) 상기 성형체에 대하여, 불활성 가스분위기에서 7 내지 8시간 동안 탈지(Debinding)하는 단계: (b) 상기 탈지된 성형체를 진공 분위기 하에서 1,300 내지 1,550℃로 승온하여 최고온도에서 40 내지 80분 동안 유지하는 단계 및 (c) 진공 또는 질소 분위기 하에서 1,430 내지 1,550℃로 승온하여 최고온도에서 30 내지 70분 동안 유지하는 단계를 실시하여 소결체를 제조하였다.
냉각 단계;
상기 소결체를 진공 분위기 하에서 최고온도에서 40 내지 50℃로 냉각하여 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3의 서멧을 각각 제조하였다.
시료 원료조성(단위:질량%) 소결공정
(b)단계 (c)단계
TiCN WC Mo2C TaC NbC ZrC Co Ni 소결온도
(℃)		 유지시간(min) 분위기 소결온도
(℃)		 유지시간
(min)		 분위기
실시예1 57 18 6 3 1.5 0.5 7 7 1320 60 진공 1450 50 진공
실시예2 57 14.5 7.8 0 6.5 0.2 7 7 1320 60 진공 1450 50 진공
비교예1 55 22 4.5 2 1 0.5 7.5 7.5 1450 30 진공 1450 60 진공
비교예2 54 24.5 0 4 2 1 7.5 7 1380 50 진공 1450 60 N2
비교예3 55 24 2 0 9 0.5 7 2.5 1550 60 진공 1450 60 N2
[실험예 1: 서멧의 XRD 분석]
각각의 상기 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3에 따른 서멧에 대하여 XRD(X-ray diffraction) 분석을 실시하였다. 구체적으로 상기 XRD 분석을 위해 Malvern Panalytical社의 X선 회절 장비(모델명:X'pert)를 사용하였고, Bragg Brentano HD(이하, 'BBHD'라 함)와 Pixel 3D가 장착된 검출기를 사용하였다. XRD 전극 물질로 구리(Cu)를 사용하였고, 45kV 전압과 40 mA의 Cu-Kα 파장을 이용하였다. BBHD에는 1/2°안티스캐터 슬릿 및 1/8°다이버전스를 장착하였고, 검출기에는 1/2 솔라슬릿을 체결하여 사용하였다. 측정은 θ-2θ 방법으로 35°내지 45°의 2θ에 대해 실시하였고, 시료의 높이와 평형을 맞춘 상태에서 서멧 시료의 소결 표면(플랭크면)에 대하여 분석을 실시하였다.
시료 XRD 피크 식 1 식 2 식 3
경질상 (111)면 경질상 (200)면 IB(111) e)/IH2(200) IH1(200)/IH2(200) IH2(111)/IH2(200)
IH1(111) a) IH2(111) b) IH1(200) c) IH2(200) d)
실시예1 있음 있음 있음 있음 1.09 0.76 0.95
실시예2 있음 있음 있음 있음 1.18 0.71 0.97
비교예1 없음 있음 없음 있음 0.12 - 1.17
비교예2 있음 있음 있음 있음 5.73 1.26 0.91
비교예3 있음 있음 있음 있음 2.55 2.07 0.78
a) 제1 경질상의 (111)면 피크 강도
b) 제2 경질상의 (111)면 피크 강도
c) 제1 경질상의 (200)면 피크 강도
d) 제2 경질상의 (200)면 피크 강도
e) 결합상의 (111)면 피크 강도
여기서 제1 경질상은 TiCN을 주성분으로 하는 상(Phase)을 의미하고, 제2 경질상은 WC, Mo2C, TaC, NbC, 및 ZrC 중 적어도 1종 이상과 TiCN의 고용체(Solid solution)에 대한 상을 의미하고, 결합상은 Co와 Ni로 이루어진 상을 의미한다.
도 1a는 실시예 1에 따른 서멧의 XRD 분석 결과이다. 도 1b는 실시예 2에 따른 서멧의 XRD 분석 결과이다. 도 2는 비교예 1에 따른 서멧의 XRD 분석 결과이다. 도 3은 비교예 2에 따른 서멧의 XRD 분석 결과이다. 도 4는 비교예 3에 따른 서멧의 XRD 분석 결과이다.
상기 표 2 및 도 1a 내지 4를 참고할 때, 제2 경질상의 (200)면 피크강도에 대한 결합상의 (111)면 피크강도의 비율(IB(111)/IH2(200))의 관점에서 비교예 1 내지 3과 실시예 1 및 2를 비교하면, 실시예 1 및 2는 비교예 1 내지 3과 달리 제1 경질상에 기인하는 제1 피크와 제2 경질상에 기인하는 제2 피크가 분리되어 존재하고, 제2 경질상의 (200)면 피크강도에 대한 결합상의 (111)면 피크강도의 비율(IB(111)/IH2(200))이 0.5 초과 1.5 이하를 만족하는 것을 확인할 수 있다.
[실험예 2: 서멧의 절삭성능 평가]
하기 표 3에 기재된 분석조건으로 상기 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3에 따른 서멧의 내마모성 및 내결손성을 평가한 후 그 결과를 하기 표 4에 나타냈다.
분석조건 내마모성 내결손성
피삭재 SCM440 S45C
가공방식 연속 단속(200Ψ 피삭재에 22Ψ 홀 25개를 뚫어 단속조건 형성)
절삭속도(m/min 또는 RPM) 400m/min 1200RPM
이송속도(mm/rev) 0.15 0.02
절입(mm) 1.5 1.0
절삭상태 습식 건식
성능 비교방법 마모량 220㎛ 도달시간 비교 공구 파손 시까지의 절삭거리 비교
시료 XRD 피크 식 1 식 2 식 3 절삭성능
경질상 (111)면 경질상 (200)면 IB(111) e)/IH2(200) IH1(200)/IH2(200) IH2(111)/IH2(200) 내마모성
(min)		 내결손성
(mm)
IH1(111) a) IH2(111) b) IH1(200) c) IH2(200) d)
실시예1 있음 있음 있음 있음 1.09 0.76 0.95 36 567
실시예2 있음 있음 있음 있음 1.18 0.71 0.97 32 603
비교예1 없음 있음 없음 있음 0.12 - 1.17 25 325
비교예2 있음 있음 있음 있음 5.73 1.26 0.91 17 438
비교예3 있음 있음 있음 있음 2.55 2.07 0.78 12 571
상기 표 4를 참고하면, 제1 경질상에 기인하는 제1 피크와 제2 경질상에 기인하는 제2 피크가 분리되어 존재하고, 제2 경질상의 (200)면 피크강도에 대한 결합상의 (111)면 피크강도의 비율(IB(111)/IH2(200))이 0.5 초과 1.5 이하를 동시에 만족함으로써, 서멧의 내마모성 및 내결손성이 모두 개선됨을 확인할 수 있다. 만약 제2 경질상의 (200)면 피크강도에 대한 결합상의 (111)면 피크강도의 비율(IB(111)/IH2(200))이 상기 수치 범위보다 적을 경우 충분한 내마모성 및 내결손성이 충분히 달성되기 어려운 문제가 발생할 수 있고 상기 수치 범위를 초과할 경우 내마모성과 내결손성의 불균형이 초래되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 실험결과를 종합적으로 고려할 때 본 발명의 일 측면에 따르면 제2 경질상의 (200)면 피크강도에 대한 결합상의 (111)면 피크강도의 비율(IB(111)/IH2(200))이 0.5 초과 1.5 이하를 만족함으로써 내마모성과 내결손성이 균형 있게 개선되는 서멧이 제공될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (10)

  1. 경질상 및 결합상으로 이루어진 서멧으로,
    상기 경질상은,
    Ti의 탄화물, 질화물 및 탄질화물 중 적어도 1종 이상을 50 질량% 이상 100 질량% 이하의 함량으로 포함하는 제1 경질상 및
    주기율표 제4족, 제5족 및 제6족 중 적어도 1종 이상의 금속과 Ti의 탄질화물 고용체(Solid solution)를 포함하는 제2 경질상을 포함하고,
    XRD(X-ray diffraction) 분석에 의한 회절 패턴에서,
    상기 제1 경질상에 기인하는 제1 피크 및 상기 제2 경질상에 기인하는 제2 피크가 분리되어 존재하고,
    상기 제1 피크와 제2 피크는 하기 식 1 내지 식 3을 모두 만족하며,
    상기 서멧은 경질상 75 내지 95 질량% 및 결합상 5 내지 25 질량%를 포함하는,
    서멧.
    [식 1]
    0.5<IB(111)/IH2(200)≤1.5
    [식 2]
    0.5<IH1(200)/IH2(200)<0.9
    [식 3]
    0.85<IH2(111)/IH2(200)<1.15
    상기 식 1 내지 식 3에서,
    IB(111)은 상기 결합상의 (111)면 피크 강도이고,
    IH1(200)은 상기 제1 경질상의 (200)면 피크 강도이고,
    IH2(111)은 상기 제2 경질상의 (111)면 피크 강도이고,
    IH2(200)은 상기 제2 경질상의 (200)면 피크 강도이다.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 결합상은,
    Co 및 Ni로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하고,
    상기 서멧의 전체 질량을 기준으로,
    상기 Co의 함량은 3 내지 12 질량%이고,
    상기 Ni의 함량은 2 내지 11 질량%인,
    서멧.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 서멧은,
    호닝(Honing), 블라스팅(Blasting), 및 폴리싱(Polishing) 중 어느 하나 이상으로 후처리된 것인,
    서멧.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 서멧은 적어도 일면 상에 코팅부재를 더 포함하는,
    서멧.
  8. 제1항에 따른 서멧의 제조방법으로,
    (S1) (ⅰ) Ti의 탄화물, 질화물, 탄질화물 중 적어도 1종의 분말 56 내지 65 질량%; (ⅱ) 주기율표 제4족, 제5족, 제6족 금속 중 1종 이상의 탄화물, 질화물 및 탄질화물 중 1종 이상의 분말 25% 내지 34 질량%; 및 (ⅲ) Co 및 Ni로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 분말 10 내지 18 질량%; 이 혼합된 혼합 분말을 준비하는 단계;
    (S2) 상기 혼합 분말에 바인더를 첨가하고, 바인더가 첨가된 혼합 분말을 금형에 충진한 후 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및
    (S3) 상기 성형체를 소결하여 서멧을 제조하는 단계; 를 포함하고,
    상기 (S3) 단계는,
    (a) 상기 성형체를 불활성 가스 분위기 하에서 탈지하는 단계;
    (b) 진공 분위기 하에서 상기 탈지된 성형체를 1,300 내지 1,370℃로 승온하여 40 내지 70분 동안 유지하는 단계;
    (c) 진공 분위기 하에서 상기 (b) 단계의 결과물을 1,430 내지 1,500℃로 승온하여 40 내지 70분 동안 유지하여 소결체를 제조하는 단계; 및
    (d) 상기 소결체를 냉각하여 서멧을 제조하는 단계를 포함하는,
    서멧의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제1항 및 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 서멧을 포함하는, 절삭공구.
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