KR20040044153A - 밀링 절삭 공구용Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)-(Ｔｉ,Ｎｂ,Ｗ)(Ｃ,Ｎ)-Ｃｏ 합금 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 절삭용으로, 특히 밀링 작업용으로 사용되는 Ti, Nb, W, C, N 및 Co 를 함유하는 티타늄계 탄질화물 합금에 관한 것이다. 이 합금은 Ti외에, 불순물로서 Ni와 Fe를 갖는 9 - 14 at% Co, 1 - 3 at% Nb, 3 - 8 at% W, C/(C+N) 의 원자비가 0.50 - 0.75 인 C와 N 을 함유한다. 불용성 Ti(C,N) 코어의 양은 경질성분의 26 - 37 vol% 으로 유지되어야 하며, 나머지는 Ti, Nb 및 W 를 함유하는 1종 이상의 복합 탄질화물이다. 본 발명 합금은 강의 밀링에 특히 유용하다.

Description

밀링 절삭 공구용 Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)-(Ｔｉ,Ｎｂ,Ｗ)(Ｃ,Ｎ)-Ｃｏ 합금{Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)-(Ｔｉ,Ｎｂ,Ｗ)(Ｃ,Ｎ)-Ｃｏ ALLOY FOR MILLING CUTTING TOOL APPLICATIONS}
본 발명은 주성분으로서의 Ti 과 코발트 결합제(binder phase)를 가지며, 금속 절단, 특히 강 밀링 작업을 위한 공구재료로서 사용될 때 특히 개선된 특성을 갖는 소결된 탄질화물 합금에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 불용성 Ti(C,N)코어의 양은 최대 연삭마모 저항성에 대해 최적화되는 반면, Co 와 Nb 함량은 요구되는 인성과 소성변형 저항성을 주기위해 동시에 최적화되는 특정 조성물의 탄질화물계 경질상(hard phase)에 관한 것이다.
티타늄계 탄질화물 합금은(소위, 서멧(cermets))은 금속을 절삭하는데 널리사용된다. WC-Co계 재료와 비교하여, 서멧은 뜨거운 강철과 접촉할때, 심지어 서멧이 피막을 형성하지 않는 경우에도 우수한 화학안정성을 갖고 있지만, 실질적으로 강도가 낮다. 이러한 특성 때문에 서멧은, 일반적으로 절삭날에 제한된 기계적 하중이 작용하고 다듬질된 구성품에 대한 높은 표면마무리가 요구되는 다듬질 작업에 가장 적합하다.
서멧은 일반적으로 Co 와 Ni 의 금속 결합제에 파묻힌 탄질화물 경질성분을 포함한다. 경질성분 입자는 일반적으로 상이한 조성을 갖는 1 이상의 림(rim)으로 종종 둘러싸이는 코어를 갖는 복합 조직을 갖는다. Ti외에, VIa 족의 원소인 Mo 와 W 둘 다를 첨가하여, 결합제와 경질성분간의 젖음성을 촉진하고 용체화경화(Solution hardening)에 의해 결합제를 강화시킨다. Ⅳa 및/또는 Ⅴa 족 원소, 예를 들어, Zr, Hf, V, Nb, 및 Ta 도 오늘날 이용가능한 모든 상업적인 합금에 첨가된다. 서멧은 분말야금법을 사용하여 생산된다. 분말형성 결합제와 분말형성 경질성분을 혼합하고, 가압하여 소결시킨다. 탄질화물 형성원소를 단일 또는 복합 탄화물, 질화물 및/또는 탄질화물로서 첨가한다. 소결동안 경질성분이 액체 결합제에서 부분적으로 또는 완전히 용해한다. WC 등은 쉽게 용해하지만, Ti(C,N) 등은 좀 더 안정적이어서 소결기간중의 마지막까지 부분적으로 용해되지 않은채로 남아있을 수 있다. 냉각동안, 불용성 성분은 불용성 경질상 입자에서 복합상(complex phase)으로서 석출하거나 또는 상술한 코어-림 조직을 형성하는 결합제에서 핵으로서 석출한다.
최근 수년동안, 절삭공구에 사용되는 서멧의 주요 특성, 즉, 인성, 내마모성및 소성변형 저항성을 제어하기 위한 많은 시도가 있었다. 특히, 결합제 및/또는 경질상의 화학적 성질과 경질상에서의 코어-림 조직의 형성에 관하여 많은 노력이 있어왔다. 그러나, 대부분 3가지 특성 중 1개 또는 기껏해야 2개의 특성만이 3번째 특성을 희생시켜 동시에 최적화 될 수 있었다.
US 5,308,376 에서는, 경질상의 80 vol% 이상이 코어 및/또는 림에 대하여 여러종의 상이한 경질성분, 바람직하게는 2종 이상의 상이한 경질성분을 갖는 코어-림 조직 입자를 포함하는 서멧을 개시하고 있다. 이러한 개개의 경질성분 각각은 전체 경질성분 함량의 10 - 80 vol%, 바람직하게는 20 - 70 vol% 를 차지한다.
JP-A-6-248385 에서는, 경질상의 1 vol% 이상이 무코어 입자를 그 조성에 관계없이 코어가 없는 입자를 포함하는 Ti-Nb-W-C-N-서멧을 개시하고 있다.
EP-A-872 566 에서는, 코어-림의 비율이 상이한 입자들이 공존하는 서멧을 개시하고 있다. SEM으로 티타늄계 합금조직을 관찰하는 경우, 합금내에서 경질상을 형성하는 입자들은 블랙코어 부분을 가지며, 이 블랙코어 부분을 둘러싸는 주변부는 회색을 나타낸다. 일부 입자들은 블랙코어 부분이 전체 입자면적의 30% 이상의 면적을 차지하는 큰 코어를 가지며, 다른 입자들은 블랙코어 부분이 전체 입자면적의 30% 미만의 면적을 차지하는 작은 코어를 가지고 있다. 큰 코어를 갖는 입자량은 코어를 갖는 총 입자수의 30 - 80 % 이다.
US 6,004,371 에서는, 상이한 미세조직 성분을 포함하는 서멧을 개시하고 있는데, 이 서멧은 원재료 분말, 소결중에 형성된 텅스텐-리치 코어, 소결중에 형성된 중간 텅스텐의 함량 및 적어도 코발트내 티타늄과 텅스텐의 고용체의 결합제에 의해 결정된 금속조성을 갖는 잔여물이다. 원재료에 따라 WC, (Ti,W)C, 및/또는 (Ti,W)(C,N) 의 양을 변화시켜 첨가함으로서 인성과 내마모성을 변화시킬 수 있다.
US 3,994,692 에서는, Co 결합제내에 Ti, W 및 Nb 로 이루어지는 경질성분을 갖는 서멧 조성을 개시하고 있다. 이 특허에 개시된 이러한 합금의 기술적 특성은 인상적이지 않다.
상기 종래기술과 비교하여 상당한 향상이 US 6,344,170 에서 이루어졌다. Ti-Ta-W-C-N-Co 계의 조성을 최적화하고 소결처리를 함으로써, 인성과 소성변형 저항성의 향상을 달성하였다. 인성과 소성변형 저항성을 최적화하는데 사용된 2개의 파라미터는 Ta함량과 Co함량이다. 순수한 Co계 결합제의 사용은, Co 와 Ni 간의 용체화 경화의 차이로 인해, 인성거동과 관련하여 혼합 Co-Ni계 결합제 보다 두드러지게 유리하다. 그러나, 여기에는 연삭마모 저항성을 어떻게 다른 2개의 성능 파라미터와 동시에 최적화시키는가에 대한 설명이 없다. 따라서, 특히 밀링분야에서 종종 가장 필요한 연삭마모 저항성은 여전히 최적이 아니며, 한편, 밀링에서 소성변형 저항성은 보통 선삭분야에서 만큼 중요하지 않다.
본 발명의 목적은 상술한 문제점 등을 해결하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 인성과 소성변형 저항성은 종래의 서멧과 동일한 정도로 유지시키면서 실질적으로 내마모성이 향상된 서멧재료를 제공하는 것이다.
인성과 소성변형 저항성은 종래의 서멧과 동일한 정도로 유지시키면서 실질적으로 내마모성이 향상된 재료를 설계하여 제조하는 것이 가능하다고 밝혀졌다. 이것은 Ti-Nb-W-C-N-Co 계 합금으로 달성된다.
Ti-Nb-W-C-N-Co 계 내에서, 의도하는 이용분야에 대한 최적의 특성을 얻는데 일련의 제한을 발견하였다. 특히, 연삭마모 저항성은 주어진 인성과 소성변형 저항성에 대해 불용성 Ti(C,N) 코어의 양을 최적화함으로써 최대가 된다. 불용성 Ti(C,N) 코어의 양은 Nb 및 결합제 함량 등의 다른 파라미터와는 독립적으로 변경될 수 있다. 따라서, 모든 3개의 주요 절삭성능 기준, 즉, 인성, 연삭마모 저항성 및 소성변형 저항성을 동시에 최적화하는 것이 가능하다.
도 1 은 SEM(주사전자현미경)에서 후방산란법(back scattering mode)으로 관찰한 본 발명에 따른 합금의 미세조직을 도시하고 있으며, 여기서
A 는 불용성 Ti(C,N)-코어를 나타내고,
B 는 때때로 A-코어를 둘러싸는 복합 탄질화물 상(相)을 나타내며, 그리고
C 는 Co 결합제를 나타낸다.
일 측면에서, 본 발명은 특히 밀링작업에 유용한 티타늄계 탄질화물 합금을 제공하는 것이다. 이 합금은 Ti, Nb, W, C, N 및 Co 로 이루어져 있다. SEM에서 후방산란법으로 관찰할때, 상기 조직은 도 1 에 나타나 있듯이 블랙코어로 도시된 Ti(C,N)인 "A", 회색코어로 도시되어 있으며 때때로 A-코어를 둘러싸는 복합 탄질화물 상(相)인 "B", 및 밝은 회색으로 도시되어 있는 Co결합제인 "C"로 이루어져 있다.
본 발명에 따르면, 불용성 Ti(C,N) 코어 (A) 의 양을 최적화함으로써 주어진 소성변형 저항성과 인성에 대해 연삭마모 저항성이 극대화될 수 있다는 것을 우연히 발견하였다. 불용성 코어의 양이 많으면 연삭마모 저항성에 있어 유리하다. 그러나, 불용성 코어의 양이 많으면 인성이 감소하기 때문에 이러한 코어의 최대량은 특정 용도에 대한 충분한 인성의 필요에 의해 제한된다. 따라서, 이 양은 경질성분의 26 내지 37 vol%로 유지해야 하며, 바람직하게는 27 내지 35 vol%, 가장 바람직하게는 28 내지 32 vol%로 유지해야 하며, 나머지는 Ti, Nb 및 W를 함유하는 1종 이상의 복합 탄질화물 상이어야 한다.
Ti(C,N)-코어의 조성은 TiCxN1-x으로서 더욱 정확히 정의될 수 있다. 이러한 코어에서, C/(C+N) 의 원자비 X 는 0.46 - 0.70, 바람직하게는 0.52 - 0.64, 가장 바람직하게는 0.55 - 0.61 이어야 한다.
소결 합금에서 전체 C(C+N)의 원자비는 0.50 - 0.75 이어야 한다.
불용성 코어 "A" 의 평균입도는 0.1 - 2 ㎛ 이어야 하며 불용성 코어를 함유하는 경질상의 평균입도는 0.5 - 3㎛ 이어야 한다.
Nb 및 Co 의 함량은 의도하는 용도에 필요한 특성을 주도록 적절히 선택되어야 한다.
밀링작업에서는 소성변형에 대한 충분한 저항성과 함께 고생산성 및 고신뢰성이 요구되는데, 이는 높은 연삭마모 저항성 및 고인성이 필요하다는 뜻이다. 이러한 요구는 1.0 - < 3.0 at%, 바람직하게는 1.5 - 2.5 at% 의 Nb 함량 및 9 - 14 at%, 바람직하게는 10 - 13 at% 의 Co 함량에 의해 가장 잘 달성될 수 있다. 충분한 젖음성을 얻기위해 W이 필요하다. W 의 함량은 3 - 8 at%, 바람직하게는 4 at% 미만이어야, 허용될 수 없이 큰 다공성을 피할 수 있다.
심지어 더 높은 내마모성을 요구하는 일부 밀링작업에서는, PVD, CVD, MTCVD또는 유사한 기술을 사용하여 본 발명의 본체에 얇은 내마모성 피막을 피복하는 것이 유리하다. 물론 피막의 선택이 재료의 내변형성과 인성에 영향을 끼치지만, 인서트의 조성은, WC-Co계 재료 또는 서멧에 대해 오늘날 사용되는 어떠한 피막기술 및 피막도 직접 적용될 수 있도록 되어 있다.
본 발명의 다른 양태에서는, 소결된 티타늄계 탄질화물 합금의 제조방법을 제시하고 있다. TiCxN1-x(X 는 0.46 - 0.70, 바람직하게는 0.52 - 0.64, 가장 바람직하게는 0.55 - 0.61 임), NbC 및 WC 의 경질성분 분말은 Co 분말과 함께 위에서 정의된 조성으로 혼합되어 필요한 성형체로 가압된다. 소결은 N2-CO-Ar 의 분위기에서 1370 - 1500℃의 온도로 1.5 -2 시간동안, 바람직하게는 EP-A-1052297 에 기재된 기술을 사용하여 행하였다. 필요한 양의 불용성 Ti(C,N)코어를 얻기위해, Ti(C,N) 분말의 양은 50 -70 wt% 이고, 입도는 1 - 3 ㎛ 이며 소결온도 및 소결시간은 적절하게 선택해야 한다. 본 명세서에 따른 바람직한 미세조직을 얻기 위해 필요한 조건을 실험적으로 결정하는 것은 당업자의 범위내에 속한다.
실시예 1
1.43 ㎛의 입도를 갖는 62.0 wt%의 TiC0.58N0.42,
1.75 ㎛의 입도를 갖는 4.7 wt%의 NbC,
1.25 ㎛의 입도를 갖는 17.9 wt%의 WC, 및
15.4 wt%의 Co 를 습식밀링(wet milling)하여,
Ti 39.5, W 3.7, Nb 1.7, Co 10.0 의 공칭조성(at%) 을 갖고 C/(C+N) 의 원자비가 0.62 인 분말혼합물(합금 A)을 제조하였다.
상기 분말을 스프레이 건조하고 가압하여 SEKN1203-EDR 인서트를 만들었다. 이 인서트를 H2에서 탈수(dewaw)시킨 후, EP-A-1052297 에 따라 N2-CO-Ar 의 분위기에서 1480℃의 온도에서 1.5 시간동안 소결하고, 그 후 연삭 및 종래의 에지처리(edge treatment)를 하였다. 표준 금속조직학 기술을 사용하여 인서트의 단면을 연마한 후 SEM을 사용하여 분석하였다. 도 1 은 후방산란법을 사용한, 상기 단면의 전자주사 미세조직을 보여주고 있다. 도 1 에 도시된 것처럼, 검은입자 (A) 는 불용성 Ti(C,N) 코어이고 밝은 회색영역 (C) 은 결합제이다. 나머지 회색입자 (B) 는 Ti, Nb 및 W 를 함유하는 탄질화물을 구성하는 경질상 부분이다. 이미지 분석을 사용한 결과, 불용성 Ti(C,N) 코어인 (A) 의 양은 경질성분의 31.3 vol% 이었다.
실시예 2(비교예)
US 5, 314,65 에 따라 상업적으로 확정된 서멧 밀링 그레이드내의 인서트(합금 B)를 제조하였다.
합금 B 의 조성(at%)은 Ti 34.2, W 4.1, Ta 2.5, Mo 2.0, Nb 0.8, Co 8.2, Ni 4.2 이고, C(C+N) 의 원자비는 0.63 이다.
실시예 1 과 동일한 방법으로 분석을 실시하였다. 이미지 분석을 사용한 결과, 불용성 Ti(C,N) 코어의 양은 경질성분의 20.3 vol% 이었다.
실시예 3
실시예 1 과 2 의 2개의 티타늄계 합금으로부터의 SEKN 1203 인서트를 밀링작업에서 시험하였다. 80 mm 의 직경을 갖는 SS2541 로 만들어진 로드에 대해 싱글 투쓰 엔드밀링(single tooth end milling)을 사용하여 인성시험을 하였다. 250 mm의 직경을 갖는 절삭체를 로드에 대해 중심을 맞추었다. 사용된 절삭변수는 절삭속도가 130 m/min 이고 절삭깊이가 2.0 mm 였다. 어떤 냉각제도 사용하지 않았다. 변동(variant)당 10 개의 인서트를 시험한 후 50% 파괴에 해당하는 이송속도(feed)는 본 발명에 따른 합금 A 에 대해서는 0.38 mm/rev 이고 합금 B 에 대해서는 0.35 mm/rev 였다.
실시예 4
실시예 1 과 2 의 2개의 티타늄계 합금으로부터의 SPKN 1203 인서트를 밀링작업에서 시험하였다. 공구수명은 도피면 마모기준(Vb)이 0.3 mm 를 초과하도록 결정되었다. 시료는 SS1672 강이며 절삭조건은 다음과 같다.
48 mm 의 폭과 600 mm 의 길이를 갖는 직사각 형상의 공작물을 지니는 싱글 투쓰 드라이 밀링을 사용하고, 절삭깊이는 1.0 mm, 이송속도는 0.10 mm/rev 및 절삭속도는 400 m/min 였다.
80 mm 의 직경을 갖는 절삭체를 공작물에 대해 중심에 맞추었다. 각 합금에 대해 3개의 에지를 시험하였다. 공구수명기준은 Vb> 0.3 mm 이다. 각 에지에 대해 절삭된 길이(mm)가 아래의 테이블에 나타나 있다.
에지 번호
1 2 3
합금 A 13200 15000 13800
합금 B 12000 12600 10800
실시예 3 - 4 의 결과를 요약한다면, 본 발명에 따른 합금은 종래의 합금과 비교해서 전체적으로 향상된 절삭작용을 얻을 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 인성과 소성변형 저항성은 종래의 서멧과 동일한 정도로 유지시키면서 실질적으로 내마모성이 향상된 재료를 제조할 수 있다.

Claims (6)

  1. 미세조직이 불용성 Ti(C,N) 코어를 갖는 경질성분을 포함하며, Ti, Nb, W, C, N 및 Co 를 함유하는 밀링작업용 티타늄계 탄질화물 합금에 있어서,
    Ti외에, 불순물로서 Ni과 Fe을 갖는 9 - 14 at% Co, 1 - < 3 at% Nb, 3 - 8 at% W, C/(C+N) 의 원자비가 0.50 - 0.75 인 C와 N을 함유하며, 불용성 Ti(C,N) 코어의 양은 경질성분의 26 - 37 vol% 이고 나머지는 1종 이상의 복합 탄질화물 상인 것을 특징으로 하는 합금.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 합금이 10 - 13 at% Co 를 함유하는 것을 특징으로 하는 합금.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 합금이 1.5 - 2.5 at% Nb를 함유하는 것을 특징으로 하는 합금.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 합금이 3 - 4 at% W 를 함유하는 것을 특징으로 하는 합금.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 불용성 Ti(C,N) 코어의 양이 경질성분의 27 - 35 vol% 이며, 나머지는 1종 이상의 복합 탄질화물 상인 것을 특징으로 하는 합금.
  6. TiCxN1-x(X는 0.46 - 0.70 임), NbC 및 WC 의 경질성분 분말과 Co 분말을 필요한 조성으로 혼합하고, 필요한 성형체로 가압하며, 그리고 N2-CO-Ar 의 분위기에서 1370 - 1500℃의 온도에서 1.5 - 2 시간동안 소결함으로서, 미세조직이 불용성 Ti(C,N) 코어를 갖는 경질성분을 포함하며, Ti, Nb, W, C, N 및 Co 를 함유하는 밀링 작업용 티타늄계 소결 탄질화물 합금을 제조하는 방법에 있어서,
    필요한 양의 불용성 Ti(C,N) 코어를 얻기위해, Ti(C,N) 분말의 양은 분말 혼합물의 50 - 70 wt%이고, 그 입도는 1 - 3㎛ 이며 소결온도와 소결시간은 불용성 Ti(C,N) 코어의 양이 경질성분의 26 - 37 vol% 가 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020030081367A 2002-11-19 2003-11-18 밀링 절삭 공구용Ｔｉ(Ｃ,Ｎ)-(Ｔｉ,Ｎｂ,Ｗ)(Ｃ,Ｎ)-Ｃｏ 합금 KR20040044153A (ko)

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SE0203408-0 2002-11-19
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