KR19990033899A - 경질성 서메트(Cermet)합금 소결체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 TiB₂에 스테인레스 326L계(SUS316L)합금을 적절히 배합시켜 소결성 향상과 기계적 특성을 증대시킨 경질성 서메트(Cermet) 소결체 및 그 제조에 관한 것으로, 75∼97wt%의 TiB와 3∼25wt%의 SUS316L계 합금으로 조성된 서메트 소결체로 구성되고, 이를 제조함에 있어서는 상기 조성된 합금을 성형하고 아르곤(Ar)분위기에서 액상소결하여서된 제조방법에 관한 것이다.

Description

경질성 서메트(Ｃｅｒｍｅｔ)합금 소결체 및 그 제조방법

본 발명은 경질성이 우수한 서메트(Cermet) 합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 붕화티타늄(TiB₂)과 스테인레스 316L(SUS316L)계 합금을 적절히 배합하여 소결하므로써 소결성 향상과 기계적 특성을 증대시킨 경질성 서메트(Cermet)에 관한 것이다.

각종 공구류, 구조재 등을 이용하는 여러 공업분야에서는 고온 특성을 비롯한 내식성, 특히 경질특성이 우수한 초경합금 또는 서메트 등이 사용되고 있다.

이와 같은 초경합금 또는 서메트는 경질상으로서 WC, TiC, TiCN 등의 경질 탄화물을 주성분으로 하고 여기에 결합상으로 Ni, Co, Cr을 혼합하여 성형하고, 진공소결처리하여서된 소결체를 얻고 있다.

그러나 상기 탄화물 재료로된 소결체는 우수한 내마모성을 얻지 못하고 있다.

한편, 붕화티타늄(TiB₂)는 상기 탄화물에 비해 높은 경도(Hv 3300), 탄성계수(540 GPa), 융점(3063K)을 가짐으로써 뛰어난 경질특성을 가지고 있지만 상기 초경합금이나 서메트에 있어서는 결합상인 Co, Ni처럼 적합한 결합상을 찾지 못해 실용화가 되지 못한 실정에 있다.

따라서 현재까지 TiB₂의 결합상으로써 Ni, Co, Cr 등을 이용한 연구가 진행되어 왔으나 TiB₂와 결합금속 소결시 액상과의 젖음성(wettability)저하로 소결성의 부족, 소결반응에 의한 취약한 제 3상의 생성등으로 인하여 실용가능한 경질재료로서의 충분한 기계적 성질을 얻을 수 없었다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, TiB₂와의 결합상으로써 철(Fe)이 열역학적으로 가장 적합한 결합상임을 발견하고 TiB₂에 Fe를 기(基)로하는 스테인레스 316L계 합금을 첨가함으로써 액상 소결시 소결성의 대폭개선으로 WC-Co계 초경합금과 유사한 치밀하고 미세한 소결조직을 갖게 함과 함께 실용화에 충분한 경질특성 및 내식성을 갖는 서메트를 얻고자 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 미끄럼 속도에 따른 비마모량을 나타낸 그래프

도 2는 본 발명과 종래 재질에 따른 경도 및 인성과의 관계를 나타낸 그래프

상기 목적 달성을 위한 본 발명은 75∼97중량%의 TiB₂와 3∼25중량%의 스테인레스 316L계(SUS316L계 합금)의 합금으로 조성된 서메트(Cermet) 소결체로 이루어진다.

상기 스테인레스강은 JIS규격 SUS 136L 및 KS규격 STS 316L의 표준규격으로 공인되고 있는 5대성분(C, Si, Mn, P, S)을 포함한 Ni, Cr, Mo 및 Fe 성분으로 조성되어 진다.

이러한 스테인레스 316L계를 TiB₂에 합금화시켜 소결하면 액상소결에 있어서 TiB₂와 SUS316L 합금 액상과의 젖음성(wettability)이 온도상승과 함께 급격히 향상됨으로써 소결성이 대폭 개선되어 기존의 WC-Co계 초경합금과 유사한 액상소결기구로써 치밀하고 미세한 조직을 갖게 되어 충분한 기계적 성질 및 내식성을 가진다.

결합상인 SUS316L계 합금을 첨가함에 있어 그 량이 3중량% 이하면 그량이 너무 적어 결합상으로써의 특성을 얻을 수 없고, 25중량% 이상이면 상대적으로 TiB₂의 량이 적게 됨에 따라 경질특성이 저하된다.

상기 합금을 이용한 제조방법에 있어서는 분말야금법에 의해 최적입도의 TiB₂및 SUS316L 분말을 적정조성으로 설계하여 습식분쇄·혼합하여 건조시킨후 성형하여 약 1600∼1700℃의 온도에서 소결시킨다.

그러나 소결공정에 있어서는 서메트의 통상 소결조건인 진공소결법을 이용할 경우 소결온도에 있어서 SUS316L 액상의 휘발이 일어나 소결체의 조성이 변하므로 여기에서는 아르곤 분위기 소결을 도입하여 이를 억제하면서 치밀한 소결체를 얻게 된다.

또한 소결에 있어서는 Fe결합상만을 사용한 경우에 비해 SUS316L 결합상의 경우 액상소결 과정에 있어서 소결 초기단계인 입자 재배열단계에서부터 우수한 치밀화특성을 나타내었고, 취약상이 생성되지 않으므로써 미세한 건전조직을 얻을 수 있다.

TiB₂-SUS316L계 서메트는 기존의 TiCN계 서메트와 유사한 인성을 가지면서 WC-Co계 초경합금 및 TiCN계 서메트보다 뛰어난 경도(내마모성)을 가질 뿐만 아니라 내식성이 우수하고 고온에 있어서도 낮은 열팽창계수와 강 및 비철금속과의 반응성이 낮아 새로운 서메트 재료로써 여러 공업분야에서의 응용이 예상된다.

다음은 실시예에 따라 설명한다.

본 발명의 제조에 사용된 원료분말로는 평균입도 1.3㎛, 순도 99.5%의 TiB₂및 2.5㎛의 SUS316L(Fe-Cr-Ni-Mo-Low Carbon)분말을 사용하였다.

표 1에 각 원료분말의 화학조성을 나타내었다.

원료분말의 화학조성

TiB2	69.2% Ti-30.3% B-0.22% O-0.08% C-0.14% N	나머지
SUS316L	Fe-18% Cr-12% Ni-2.5% Mo-0.8% Si-0.1% Mn	3∼25wt%

상기 조성을 갖는 원료분말을 에칠알콜을 이용한 습식분쇄·혼합하여 슬러리 혼합분말을 제조한 후 산화를 방지하기 위해 아르곤 분위기하에서 건조시킨 후 1.5∼2㎏/㎟의 압력으로 성형하여 아르곤 분위기하의 약 1550∼1700℃의 온도에서 소결하였다.

소결공정에 있어서 원료분말의 순도 및 평균입도는 소결특성에 민감한 영향을 미치며 특히, TiB₂의 평균입도 및 산소함량이 소결특성에 크게 영향을 미치는 것을 기초시험을 통하여 알았다.

표 2에 TiB₂-10wt% Fe 및 TiB₂010wt% SUS316L의 각 소결온도에 따른 소결밀도 변화를 나타내었다.

2종의 TiB₂기 서메트의 소결온도와 이론소결밀도

소결온도합금계	1450℃	1550℃	1600℃	1650℃	1700℃
TiB2-10wt% Fe	94.6	96.9	98.3	99.6	100
TiB2-10wt% SUS316L	96.8	98.4	99.5	100	100

동일조성의 경우 결합상으로 Fe보다도 SUS316L의 경우가 각 소결온도에 있어서 높은 소결밀도를 나타내고 있고, 이론밀도에 도달하는 온도가 낮은 것을 알 수 있는데, 이것은 TiB₂의 결합상으로 Fe보다도 SUS316L가 액상소결에 있어서 TiB₂와의 젖음성(Wettability)이 우수하여 SUS316L 액상에 의해 TiB₂입자의 활발한 재배열과 TiB₂입자로의 액상침투가 빠르게 진행되어 소결을 촉진시키기 때문이다.

이것은 TiB₂입자가 결합상 SUS316L의 합금원소인 Cr, Ni 및 Mo가 TiC-Mo-Ni계 서메트에 있어서 Mo처럼 소결성 향상과 기계적 특성 향상에 크게 기여하기 때문이다.

한편 소결체의 기계적 성질에 있어서도 SUS316L의 합금원소인 Cr, Ni 및 Mo의 고용효과에 의해 우수한 결합상 강도를 가짐으로서 TiB₂-SUS316L계 서메트는 우수한 경질특성과 내식성 및 화학적 안정성을 가진 차세대 세머트로써 평가된다.

표 3에서는 TiB₂-SUS316L계 서메트의 기계적 특성을 나타내었다.

TiB₂-SUS316L계 서메트 기계적 성질

결합상량	상대소결밀도(%)	비커스경도(GPa)	굽힘강도(MPa)	파괴인성(MPam½)	탄성계수(GPa)	열전도도(W/m·K)
3%SUS316L	98.9	21.1	860	-	-	-
5%SUS316L	100	22.5	910	4.6	498	67
10%SUS316L	100	19.4	1280	5.7	489	55
15%SUS316L	100	17.8	1290	7.2	468	48
20%SUS316L	99.6	16.3	1250	8.4	455	42

이상과 같이 TiB₂-SUS316L계 서메트는 기존의 대표적인 경질재료인 TiCN계 서메트에 비해 동등수준의 인성값을 가지면서도 TiB₂의 뛰어난 경질특성으로 인한 높은 경도값 및 탄성계수를 가지며, 또한 열전도도가 우수하고 실온뿐만 아니라 고온에서도 우수한 경질특성을 가진다.

도 1은 대월식마모시험기로 시험한 TiB₂-SUS316L계 서메트와 함께 이와 유사한 경도값을 갖는 기존 경질재료 (WC-Co 및 TiCN계 서메트)의 내마모 특성을 비교하여 나타내었다.

본 발명의 서메트는 동일한 마모조건에서 기존의 경질재료에 비해 가장 낮은 비마모량을 나타내므로써 뛰어난 내마모특성을 가지는 것을 알 수 있으며, 내마모 재료 및 습동재료로의 응용이 크게 기대된다.

한편, 공업화 제품인 기존의 각종 경질재료와 인성-경도특성을 비교하면 도 2와 같다.

여기에서 본 발명의 서메트는 TiCN계 서메트 수준의 인성을 가지면서도 세라믹재종에 가까운 뛰어난 경도를 갖는 것을 알 수 있어 새로운 차세대 서메트로서의 가능성을 잘 나타내고 있다.

합금조직에 있어서는 WC-Co계 초경합금과 유사한 경질상과 결합상의 치밀한 조직을 가지며 외관상으로는 금속광택을 가진다.

또한 TiB₂-SUS316L계 서메트는 철계 및 알루미늄과 같은 비철금속과도 반응성이 적고 내식성이 뛰어난 특성을 가짐으로써 더욱 폭넓은 응용분야가 예상된다.

이상에서와 같이 본 발명은 TiB₂를 주성분으로 하고 여기에 결합상으로써 SUS316L 합금을 첨가시켜 소결함으로써 SUS316L 합금이 TiB₂와의 젖음성(wettability)이 우수하여 TiB₂입자로의 액상 침투가 빠르게 진행되어 소결성 향상과 기계적 특성을 향상시키는 효과를 갖는 서메트를 얻게 된다.

Claims (2)

1. 75∼97중량%의 TiB₂와 3∼25중량%의 스테인레스 316L계 합금으로 조성됨을 특징으로 하는 경질성 서메트(Cermet) 합금소결체.
2. 75∼97중량%의 TiB₂와 3∼25중량%의 스테인레스 316L계 합금을 혼합하여 성형한 후 아르곤(Ar)분위기에서 액상소결하여서됨을 특징으로 하는 경질성 서메트(Cermet)합금 소결체의 제조방법.