KR20010102287A - 소결된 초경합금체 및 그 용도 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소결된 초경합금체에 관한 것으로, 적어도 하나의 경질 성분 및 Co-Ni-Fe 결합제를 포함하며, 상기 결합제는 약 40 내지 90 중량%의 코발트를 포함하고, 부수적인 불순물을 별도로 하면 상기 결합제의 나머지는 니켈 및 철로 이루어지는데, 니켈은 결합제의 4 내지 36 중량%를 구성하고, 철은 결합제의 4 내지 36 중량%를 구성하며, 상기 결합제는 약1.5:1 내지 1:1.5의 Ni:Fe 비를 지닌다. 소결된 초경합금체의, 특히, 인성 및 피로 저항과 같은 기계적 특성을 개선하기 위하여, 상기 결합제의 농도가 초경합금체 내에서의 변화도를 지니는 것이 제안된다.

Description

소결된 초경합금체 및 그 용도{SINTERED CEMENTED CARBIDE BODY AND USE THEREOF}

이러한 형태의 초경합금체(서멧)는 WO99/10549, WO99/10550, WO99/10551, WO99/10552 및 WO99/10553호로 발행된 국제 특허 출원에 개시되어 있다. 상기 국제 특허 출원은 또한 절삭 인서트 및 절삭 비트로서 상기 소결된 초경합금체의 용도와 모든 종류의 드릴과 초경합금 공구 및 공구 인서트를 제조하기 위한 용도를 개시한다. 이에 상기 국제 특허 출원의 모든 내용이 본원에 참고로 포함된다.

본원에 사용될 때는 언제든지, 상기 용어 “서멧”은 텅스텐 카바이드(WC)와 같은 적어도 하나의 금속 상(相)과 적어도 하나의 세라믹 상(相)으로 이루어지는 재료만을 지칭한다. 다이아몬드와 흑연은 본질적으로 본 출원에서의 용어 “세라믹”으로 여겨지지 않는다. 그러므로, 금속 매트릭스에 매립되거나 또는 금속 합금에 결합된 다이아몬드 또는 흑연을 포함하는 재료는 본 발명의 의미에서의 “서멧”을 형성하지 않는다.

독일 특허 제32 11 047호와 미국 재발행 특허 제34,180호로부터, 코발트, 니켈 또는 철로 이루어지는 결합제를 포함하는 초경합금의 경우에 있어서, 특정한 소결 조건하에서, 경질의 성분의 분말 블렌드에 특수한 첨가제를 부가한 후, 고용체 카바이드에서 동시에 소모되거나 또는 고용체 카바이드가 없는 상태로 되는 결합제 강화된 층이 소결된 초경합금체의 표면 부근에 형성되지만, 동시에 고용체 카바이드에서 강화되는 결합제 고갈된 층은 상기 강화된 층의 아래에 형성된다는 것이 공지되어 있다.

본 발명은 적어도 하나의 경질 성분 및 코발트-니켈-철 결합제를 포함하는 소결된 초경합금체(서멧)에 관한 것이며, 상기 결합제는 약 40 내지 90 중량%의 코발트를 포함하고, 부수적인 불순물을 별도로 하면 상기 결합제의 나머지는 니켈 및 철로 이루어지는데, 니켈은 결합제의 4 내지 36 중량%를 구성하고, 철은 결합제의 4 내지 36 중량%를 구성하며, 상기 결합제는 약1.5:1 내지 1:1.5의 Ni:Fe 비를 지닌다.

도1 내지 도3은 실시예1 내지 실시예3에 따라 제조되는 소결된 초경합금체의 Co-Ni-Fe 결합제의 에너지 분산 스펙트럼(EDS)이다. 도면들에 있어서, 각각의 결합제 합금의 3가지 요소(Co, Ni 및 Fe)의 K-라인들은, 층의 깊이, 다시 말하면, 소결된 초경합금체의 표면으로부터의 거리의 함수로서의 원소들의 농도를 제시한다.

본 발명의 목적은 코발트, 니켈 및 철로 이루어지는 결합제를 포함하지만, 현재 이용가능한 Co-Ni-Fe 결합제를 지니는 서멧과 비교하여, 특히, 향상된 피로저항 및 동시에 향상된 인성과 같은 개선된 기계적 특성을 나타내는 신규한 소결된 초경합금체를 제공하는 것이다.

이러한 목적은, Co-Ni-Fe 결합제의 농도가 소결된 초경합금체 내에서의 변화도를 지니며, 상기 Co-Ni-Fe 결합제가 면심입방구조를 지니지만, 인장, 변형 또는 다른 응력에 의해 유발된 상 변태(phase transformation)를 격지 않는 것을 특징으로 하는 서두에 언급된 종류의 소결된 초경합금체인 본 발명에 따라 달성된다.

상기 Co-Ni-Fe 결합제의 농도는 초경합금체의 내측으로부터 그 표면을 향해증가하는 변화도를 지니는 것이 바람직하다. 이러한 변화도의 재료는 본 기술분야의 당업자에게 놀랄 만한 것인데, 그 이유는, 합금의 형태로 존재하는 것이 바람직하지만 반드시 합금으로서 존재할 필요는 없는, 코발트, 니켈 및 철로 이루어지는 3가지-성분의 결합제가 뜻밖에도 과거에 빈번히 사용된 코발트 결합제와 유사한 반응을 나타냈기 때문이다. 특히, 상기 언급된 바와 같은 소결된 초경합금에 결합제의 분포가 가능하리라고는 생각하지 못했었다.

상기 Co-Ni-Fe 결합제가 초경합금체의 표면 근처의 영역(“결합제 강화된 영역”, BEZ)에서 강화되면 특히 유리하다.

상기 결합제 강화된 영역(BEZ)은 초경합금체의 표면으로부터 측정하여 40 ㎛까지의 깊이에 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 소결된 초경합금체의 바람직한 실시예에 있어서, (Co:Ni:Fe) 상호간의 결합제의 성분 비는, 결합제의 강화된 영역(BEZ)에서, 결합제의 강화된 영역(BEZ)의 외측에서의 성분비와 동일하다. 이 실시예에 있어서, 강화된 영역내로 결합제의 확산은, 정조성 방식(congruent manner)으로, 다시 말하면, 결합제의 조성의 변화없이 이루어진다. 이것은, 복잡한 다중-성분 시스템에 있어서, 결합제 합금의 성분의 비정조성 반응이 대체적인 방식이기 때문에, 본 기술분야의 당업자에게 놀라운 일이었다.

본 발명에 따른 소결된 초경합금체의 Co-Ni-Fe 결합제는 면심입방구조를 지니며, 인장, 변형 또는 다른 응력에 의해 유발된 상 변태를 격지 않는다. 그 Co-Ni-Fe 결합제는 실질적으로 오스테나이트(austenitic)이다.

그 초경합금의 결합제의 비는 4 내지 10 중량%로 되는 것이 바람직하다.

상기 적어도 하나의 경질 성분은 카바이드, 니트라이드, 카보니트라이드, 그 혼합물, 및 그 고용체로부터 소정의 조합으로 선택되는 것이 바람직하다. 특히 바람직한 경질 성분은, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈, 크롬, 몰리브덴, 및 텅스텐의 카바이드 뿐만 아니라, 상기 카바이드들의 복수의 혼합물로 된다. 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈, 크롬, 몰리브덴, 및 텅스텐의 카보니트라이드 뿐만 아니라, 그 혼합물들이 경질 성분으로서 바람직하다.

본 발명에 따른 소결된 초경합금체는 절삭 인서트, 분할가능한 인서트로서 사용되는 것이 바람직하며, 또한 모든 종류의 초경합금 공구 및 공구 인서트를 생산하기 위해 사용되는 것이 바람직하다.

이제, 본 발명이 첨부도면을 참조하여 실시예 방식으로 보다 상세하게 설명될 것이다.

실시예 1

우선, 94 중량%의 경질 성분과 6 중량%의 결합제 금속으로 이루어지는 분말블렌드가 통상의 분말야금법에 따라 준비된다. 그 분말 블렌드는 아래의 조성을 갖는다(분말 블렌드의 전체적인 양과 관련하여, 각각 중량%로 표시됨):

입자 크기 0.5 ㎛의 86.5%의 WC

5.0%의 Ta(Nb)C 70/30

1.8%의 TiCN 70/30

0.7%의 TiC

3.6%의 Co

1.2%의 Ni

1.2%의 Fe

경질 성분 혼합물은 1.8%의 티타늄 카보니트라이드를 포함하므로, 이러한 조성은, 본 기술분야의 당업자들에 의해, 분말 블렌드에 “질소 강화”를 지니는 것으로 지칭된다.

이러한 분말 블렌드로부터 입방형 절삭 인서트 블랭크(그린 바디)가 통상의 방식으로 제조되며, 압분체를 형성하도록 압축된다. 그 압분체는 약 1300 내지 1760℃의 온도, 바람직하게는 약 1400 내지 1600℃의 온도와 약 1.7 내지 206 MPa.의 압력하에서 바람직하게는 공지된 “소결 HIPping(열간 정수압 처리)”공정을 이용하여 소결 및/또는 열간 정수압 처리된다. 소결은 특수한 온도-시간 사이클이 적용되는 감소된 온도하에서 또는 불활성 가스 분위기에서 또는 환원성 가스 분위기에서 실행되는 것이 바람직하다.

이러한 방식으로 제조된 소결된 초경합금체는 아래와 같은 물리적 특성을 지녔다.

밀도: 13.96 g/cm³

자기 포화: 114 [4πσ]

자기장의 세기 (Hc): 99 [Oe]

비커즈 경도 (HV30): 1510

기공율: <A02 e.B

(초경합금의 기공율은 ASTM(미국 재료시험 협회)에 따라 아래와 같이 분류된다:

타입 A: 직경이 10 ㎛보다 작은 기공;

타입 B: 직경이 10 내지 40 ㎛인 기공;

타입 C: 유리 탄소에 의한 불규칙한 기공.)

도1로부터, 결합제 합금의 3개의 원소들의 분포와, 그 농도의 변화도가 각각의 경우에 초경합금체의 내측으로부터 그 표면을 향하는 방향으로 증가한다는 것을 확실하게 알 수 있다. 결합제 강화는 (본래의 표면으로부터의 거리) 약 40㎛까지의 깊이의 영역에 배치된다(도1 참조).

실시예2

아래의 조성을 갖는 분말 블렌드가 준비된다:

86.5%의 WC(0.5 ㎛의 평균 입자 크기)

5.0%의 Ta(Nb)C 70/30

2.5%의 TiC

3.6%의 Co

1.2%의 Ni

1.2%의 Fe

이러한 분말 블렌드가 실시예 1에 개시된 바와같이 소결된 초경합금체를 제조하기 위해 사용되었다. 이 경우, 경질 성분 혼합물은 카보니트라이드를 포함하지 않으며, 단지 카바이드만을 포함하는데, 그것은 경질 성분 혼합물이 “카본 강화”(과잉 화학량론적 비의 Ｃ함량)를 지니는 것으로 지칭되기 때문이다.

이러한 방식으로 제조된 소결된 초경합금체의 물리적 특성은 다음과 같다.

밀도: 13.87 g/cm³

자기 포화: 118 [4πσ]

자기장의 세기 (Hc): 103 [Oe]

비커즈 경도 (HV30): 1510

기공율: <A02 e.B C06.

도2는 상기와 같이 제조된 서멧의 결합제 합금에 원소들의 분포를 제시한다. 유리 탄소가 없는 영역은 약 150 내지 250 ㎛의 깊이에서 결정되었다.

실시예3

아래의 조성의 분말 블렌드가 준비되었다.

86.5%의 WC(0.5 ㎛의 평균 입자 크기)

5.0%의 Ta(Nb)C 70/30

2.0%의 TiC

0.5%의 TiCN 70/30

3.6%의 Co

1.2%의 Ni

1.2%의 Fe

과잉 화학량론적 비의 Ｃ함량은 별문제로 하고, 이 경우에 있어서, 경질 성분 혼합물은 주요 성분으로서 텅스텐 카비이드 외에도, 티타늄 카보니트라이드와 티타늄 카바이드, 또한 탄탈 니오븀 카바이드를 포함하였다.

소결된 초경합금체는, 실시예 1에서 설명된 바와같이 분말 블렌드로부터 제조되었다. 이러한 초경합금체의 물리적 특성은 아래와 같다.

밀도: 13.88 g/cm³

자기 포화: 117 [4πσ]

자기장의 세기 (Hc): 99 [Oe]

비커즈 경도 (HV30): 1530

기공율: <A02 e.B C06.

이러한 서멧에 대한 결합제 농도 변화도가 도3에 도시되어 있다. 이 경우에, 고용체 카바이드 고갈된 영역은 소결된 초경합금체의 본래의 표면으로부터 5 내지 10 ㎛의 거리에서 결정되었지만, 유리 탄소가 없는 영역은 약 150 내지 300 ㎛의깊이에 존재하였다.

본 발명에 따른 소결된 초경합금체는 종래의 방식(PVD, CVD)으로 접착성 코팅을 구비할 수 있다.

Claims (11)

1. 적어도 하나의 경질 성분 및 Co-Ni-Fe 결합제를 포함하는 소결된 초경합금체로서, 상기 결합제는 약 40 내지 90 중량%의 코발트를 포함하고, 부수적인 불순물을 별도로 하면 상기 결합제의 나머지는 니켈 및 철로 이루어지는데, 니켈은 결합제의 4 내지 36 중량%를 구성하고, 철은 결합제의 4 내지 36 중량%를 구성하며, 상기 결합제는 약1.5:1 내지 1:1.5의 Ni:Fe 비를 지니는 소결된 초경합금체에 있어서, 상기 Co-Ni-Fe 결합제의 농도가 초경합금체 내에서의 변화도를 지니며, 상기 Co-Ni-Fe 결합제가 실질적으로 면심입방구조를 지니지만, 인장, 변형 또는 다른 응력에 의해 유발된 상 변태(phase transformation)를 격지 않는 것을 특징으로 하는 소결된 초경합금체.
2. 제1항에 있어서, 상기 Co-Ni-Fe 결합제의 농도는 초경합금체의 내측으로부터 그 표면을 향해 증가하는 변화도를 지니는 것을 특징으로 하는 소결된 초경합금체.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 Co-Ni-Fe 결합제가 초경합금체의 표면 근처의 영역(BEZ)에서 강화되는 것을 특징으로 하는 소결된 초경합금체.
4. 제3항에 있어서, 상기 강화된 영역(BEZ)은 초경합금체의 표면으로부터 측정하여 약 40 ㎛까지의 깊이에 배치되는 것을 특징으로 하는 소결된 초경합금체.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, (Co:Ni:Fe) 상호간의 결합제의 성분 비는, 결합제의 강화된 영역(BEZ)에서, 결합제의 강화된 영역(BEZ)의 외측에서의 성분비와 동일하게 되는 것을 특징으로 하는 소결된 초경합금체.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 Co-Ni-Fe 결합제는 실질적으로 오스테나이트(austenitic)인 것을 특징으로 하는 소결된 초경합금체.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소결된 초경합금의 결합제의 비는 4 내지 10 중량%로 되는 것을 특징으로 하는 소결된 초경합금체.
8. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 경질 성분은 카바이드, 니트라이드, 카보니트라이드, 그 혼합물, 및 그 고용체로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 소결된 초경합금체.
9. 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 경질 성분은, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈, 크롬, 몰리브덴, 및/또는 텅스텐의 카바이드로부터 선택되는 적어도 하나의 카바이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결된 초경합금체.
10. 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 경질 성분은 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈, 크롬, 몰리브덴, 및/또는 텅스텐의 카보니트라이드로부터 선택되는 적어도 하나의 카보니트라이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결된 초경합금체.
11. 절삭 인서트, 분할가능한 인서트 또는 초경합금 공구 및 공구 인서트의 생산을 위한 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 소결된 초경합금체의 용도.