KR20060111103A

KR20060111103A - 고인성 탄질화 티탄기 서멧트 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR20060111103A
Application number: KR1020050033456A
Authority: KR
Inventors: 안선용; 이성구; 오세웅; 김영흠
Original assignee: 한국야금 주식회사
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2006-10-26
Also published as: KR100663666B1

Abstract

급냉 방식을 적용함으로써 합금 특성 및 절삭 성능이 향상된 탄질화 티탄기(Ti(CN)-based) 서멧트의 제조 방법이 개시되어 있다. 본 발명에 따르면, 50wt% 이상의 탄질화 티탄륨(Ti(CN)) 및 10wt% 이하의 니켈(Ni)과 10wt% 이하의 코발트(Co)를 주성분으로 하고, 첨가제로서 20wt% 이하의 탄화 텅스텐(WC), 10wt% 이하의 탄화 몰리브데늄(Mo₂C), 10wt% 이하의 탄화 니오븀(NbC), 5wt% 이하의 질화 티탄륨(TiN)을 첨가하여, 이를 소결 온도 1450℃에서 1시간 진공 소결한 후, 100~200 torr 불활성 가스 분위기 하에서 10℃/min.이상으로 급냉하여 제조한다. 이렇게 제조된 탄질화 티탄기 서멧트는 우수한 합금 특성 및 절삭 특성을 가지며, 강의 선삭 절삭 과정 동안에 우수한 내마모성 및 내충격성을 나타낸다.

Description

고인성 탄질화 티탄기 서멧트 및 이의 제조 방법{High toughness titanium carbonitride-based cermet and a manufacturing method thereof}

본 발명은 급속 냉각 소결 방식을 적용하여 합금 특성 및 절삭 성능을 향상시킨 탄질화 티탄기(Ti(CN)-based) 서멧트 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

최근에, 탄질화 티탄기 합금, 다시 말해서, 서멧트는 금속 절삭 분야에서 전통적 절삭 공구인 초경 합금(WC-Co) 대체 인써트 재료로 그 사용이 점점 증가하는 추세에 있다. 특히, 고온에서의 우수한 내마모성과 화학적 안정성 때문에 고속도 마무리 가공 분야에 폭넓게 적용되고 있다.

일반적으로, 탄질화 티탄기 서멧트는 탄질화 경질상과 이를 둘러쌓고 있는 결합상으로 이루어져있다. 탄질화 경질상은 전형적으로 중심부(core)와 주변 조직(rim)으로 이루어진 유심구조를 갖는다. 중심부는 용해되지 않고 남아있는 탄질화 티타륨(Ti(CN))이고, 주변 조직은 액상 소결 중 용해/재석출에 의해 형성된 고용상으로 알려져 있다.

또한, 경질상을 둘러싸고 있는 결합상은 액상 소결 중 물질 이동의 통로로 작용하며, 서멧트의 기계적 성질 중에서 인성(toughness)을 좌우하는 중요한 인자 이다. 일반적으로, 결합상 성분은 코발트 또는 니켈이 주로 사용되나 최근 결합상의 고용 강화 효과을 목적으로 알루미늄과 같은 금속 원소가 소량 첨가되는 것으로 보고 되어있다. 서멧트에서 결합상이 차지하는 비율은 전체 성분의 10~20wt% 정도 이다.

통상, 서멧트에서 경질상 성분은 Ti 금속 원소와 더불어 IVa 족의 금속 원소 Zr, Hf, Va 족의 금속 원소 V, Nb, Ta, 그리고 VIa 족의 금속 원소 Cr, Mo, W으로 알려져 있지만, 그 성분은 첨가 탄화물이나 질화물 성분에 의해서 결정된다. 첨가 탄화물이나 질화물은 경질상과 결합상 간에 안정한 계면을 형성하여 기계적 성질의 향상을 가져오며, 탄화물의 금속 성분 원소에 의한 결합상의 고용 강화 효과도 나타난다.

미합중국 특허 제 4,942,097호와 제 5,149,361호 등에는 탄질화 티탄기 서멧트에 각각의 탄화물의 첨가 효과가 다음과 같이 나타나 있다.

육방정계인 탄화 텅스텐(WC)의 첨가는 경질상 탄질화물과 결합상 간의 적심성(wettability)을 향상시켜 입자 미세화 효과를 부여한다. 그러나, 텅스텐과 질소간의 친화력(affinity)이 약하기 때문에 탄질화 티탄기 서멧트 조성 내의 질소 함량의 증가하는 경우 탄화 텡스텐(WC)의 고용상으로의 흡수가 억제되어 고용되지 않은 탄화 텡스텐(WC)이 존재하게 되는데 이는 물성 저하의 원인이 된다.

탄화 몰리브데늄(Mo₂C)은 경질상과 결합상 간의 완전 적심(complete wetting)이 일어나도록 하여 경질상의 입자 미세화에 의한 기계적 성질을 향상시키는 첨가 탄화물로 보고되어 있다. 그러나, 어느 이상의 첨가는 유리된 탄화 몰리브 데늄(Mo₂C)이 존재하게 되어 경도 및 내마모성을 저하시키는 것으로 보고 되어 있다. 특히, 탄화 몰리브데늄(Mo₂C)은 서멧트의 취성 파괴의 주요 원인으로 알려져 있다.

탄화 탈탄륨(TaC)의 첨가는 서멧트의 고온 경도(hot hardness)나 고온 항절력과 같은 고온 성질을 향상시키는 탄화물로 알려져 있다. 탄화 탈탄륨(TaC)는 소결 초기에 가장 먼저 분해하여 주변조직에서 중심부에 가까운 부분에 대부분 고용되어 경질상과 결합상간의 계면을 변화시켜 입성장 및 소결성에 영향을 미친다.

또한, 서멧트의 조성이 고질소화되면서 상용 서멧트에 질화 지르코늄(ZrN)과 같은 질화물이 첨가되고 있으나 소결성 및 탈질에 의한 물성 저하 원인 때문에 극히 소량 첨가되는 것으로 보고되어 있다.

상기 언급한 특허들의 기술적 특징은 주로 첨가탄화물의 양을 제어하여 서멧트의 성능을 개량시키고자한 것으로 보인다. 하지만, 절삭 속도의 고속화 및 피삭재의 고경도화에 따라 절삭 성능이 더욱 향상된 서멧트의 필요는 날로 증가하고 있어 기존 기술과 차별화 된 기술 도입의 필요성이 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점 및 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 소결 후 냉각 시 불활성 가스 분위기 하에서 급냉 방식을 사용하여 기존 서멧트 대비 동등 이상의 내마모성과 내충격성을 동시에 만족하는 서멧트 소결체를 얻는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해서 본 발명은,

50wt% 이상의 탄질화 티탄륨(Ti(CN)) 및 10wt% 이하의 니켈(Ni)과 10wt% 이하의 코발트(Co)를 주성분으로 하고, 첨가제로서 20wt% 이하의 탄화 텅스텐(WC), 10wt% 이하의 탄화 몰리브데늄(Mo₂C), 10wt% 이하의 탄화 니오븀(NbC) 및 5wt% 이하의 질화 티탄륨(TiN)을 첨가하여, 이를 1450℃에서 1 시간 진공 소결한 후, 100~200 torr 불활성 가스 분위기 하에서 10^oC/min. 이상의 냉각 속도로 냉각하여 제조하는 것을 특징으로 하는 탄질화 티탄기 서멧트의 제조 방법을 제공한다.

이상에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 급속 냉각 소결 방식 도입에 의해서 우수한 합금 특성 및 절삭 성능을 갖는 탄질화 티탄기 서멧트를 제조한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 탄질화 티탄기(Ti(CN)) 서멧트 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 경질상으로 탄질화 티탄륨(Ti(CN))을 주성분으로하고 탄화 텡스텐(WC), 탄화 니오븀(NbC), 탄화 몰리브데늄(Mo₂C), 및 질화 티탄륨(TiN), 결합상으로 철족 금속인 니켈과 코발트로 탄질화 티탄기 서멧트 소결체를 제조함에 있어, 소결 후 급속 냉각 과정을 도입하는 것을 기초로 한다.

한편, 본 발명에 의해서 제조된 서멧트 소결체의 조성에 있어서, 탄질화 티탄륨(Ti(CN))의 양이 50wt% 미만이 되면, 절삭 성능 중 내마모성이 급격히 저하되므로 탄질화 티탄륨(Ti(CN))의 양을 50wt% 이상으로 유지한다.

또한, 탄화 텅스텐(WC)이 20wt% 이상 첨가되는 경우에는 고용되지 않은 탄화 텡스텐(WC)이 존재하게 되는데 이는 물성 저하의 원인이 된다. 따라서, 탄화 텅스텐(WC)이 20wt%이하 첨가한다.

탄화 몰리브데늄(Mo₂C)는 10wt% 이상 첨가되는 경우에는 소결체의 취성을 증가시키기 때문에 10wt% 이하로 첨가한다.

탄화 니오븀(NbC)은 Ta 성분 함유 원료의 대체 첨가물로 10wt% 이하 첨가한다.

또한, 질화 티타늄(TiN)이 5wt% 이상 첨가되는 경우 소결성이 급격히 저하되므로 각각 5wt% 이하로 유지한다.

본 발명에 의해서 제조된 서멧트 소결체의 제조 공정에 있어서, 1450℃ 소결 후, 100~200 torr 불활성 가스 분위기 하에서 10^oC/min. 이상으로급속 냉각한다

즉, 1450℃, 소결 온도에서 1시간 진공 분위기를 유지하는 것은 입자 재배열 및 입성장 시 탄질화물의 탈질에 의한 질소 가스의 포획을 최소화하여 기공 생성을 억제하기 위한 것이다.

냉각 중 불활성 가스를 사용하여 로 내 압력을 100~200 torr로 유지하는 것은 경질상과 결합상의 나쁜 적심성 때문에 100 torr 미만의 압력에서 냉각 시 수반되는 액상의 표면 기어나옴(sweating)을 억제하기 위함이다. 또한, 200 torr 이상의 압력에서 냉각하면 소결체와 가스 간의 피할 수 없는 반응이 있어 적절하지 않다.

냉각 속도를 10^oC 이상으로 하는 것은 절삭 성능이 우수한 표면 구조를 갖는 소결체를 얻기 위함이다.

<실시예>

먼저, 원료 분말로서 평균 입도가 1.5㎛ 탄질화 티탄륨(Ti(C_0.5N_0.5)) 분체(Kennametal 제품), 3.0㎛ 탄화 텡스텐(WC) 분체(대한 중석 제품), 1.4㎛ 탄화 몰리브데늄(Mo₂C) 분체(Kennametal 제품), 0.8㎛ 탄화 니오븀(NbC) 분체(Starck사 제품), 1.5㎛ 질화 티탄륨(TiN) 분체(Kennametal 제품), 1.4㎛ 코발트(Co) 분체(OMG 제품), 1.5㎛ 니켈(Ni) 분체(INCO 제품)를 하기 표 1에 나타난 혼합 조성으로 배합하여 직경 5mm의 초경 구석과 함께 알코올을 용매로 애트리터(attritor)를 이용하여 20시간 혼합 밀링한다.

혼합된 슬러리를 스프레이 드라이어(spray dryer)에서 건조한 후 1000kg/cm²의 압력으로 프레스하여 성형체를 하기 표 1에 표시된 냉각 조건으로 소결하였다.

이렇게 제작한 성형체를 흑연제 평면판(plate)에 올려놓고 흑연제 발열체와 단열재로 이루어진 로 내에서 소결한다. 소결 온도는 1450℃ 이다.

하기 표 2에 실시예 및 비교예에 의해서 얻어진 서멧트에 대하여 합금 특성, 즉, 경도(H_RA), 강도(H_V), 항절력(TRS) 및 기공(porosity)을 측정함과 동시에,

(A) 연속 선삭 내마모 시험

피삭재 : SCM440

절삭속도 : 180m/min.

이송량 : 0.3mm/rev.

절입량 : 1.5mm

절삭시간 : 50분

절삭팁 형상 : CNMG120408

평가 : 50분 절삭 후 측면 마모(frank wear,V_B) 측정

(B) 내충격

피삭재 : SCM440

절삭속도 : 200m/min.

이송량 : 0.15mm/rev.부터 파손까지

절입량 : 1.5mm

절삭시간 : 파손까지

절삭팁 형상 : CNMG120408

평가 : 파손시까지의 한계 이송값(3회 반복의 평균)의 조건에서 선삭 절삭 시험을 실시하여, 그 결과를 하기 표 2에 나타냈다. 하기 표 2에서도 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 급속 냉각 방식을 적용한 서멧트는 비교 예의 서멧트와 비교하여 우수한 합금 특성를 나타내며, 절삭 성능에서도 우수한 내마모성과 내충격성(이송값으로 계산)을 나타냄을 알 수 있다.

		배합조성(wt%)							소결 후 냉각 조건
		Ti(C_0.5N_0.5)	TiN	WC	Mo₂C	NbC	Ni	Co	Gas	진공도	냉각 속도
발 명 서 멧 트	1	50	5	15	8	6	8	8	불활성 가스	100 torr	20^oC/min.
	2	50	5	15	8	6	8	8		150 torr	20^oC/min.
	3	55	5	12	8	5	8	7		200 torr	10^oC/min.
	4	55	5	12	8	5	8	7		200 torr	20^oC/min.
	5	52	4	17	9	3	7	8		100 torr	10^oC/min.
	6	52	4	17	9	3	7	8		150 torr	15^oC/min.
비 교 서 멧 트	1	50	5	15	8	6	8	8	no	10^-2 torr	20^oC/min.
	2	50	5	15	8	6	8	8	불활성 가스	100 torr	5^oC/min.
	3	52	5	13.5	7	3	8.5	7.5		200 torr	5^oC/min.
	4	50	0	22	7	6	8	8		200 torr	20^oC/min.
	5	48.0	5	15.5	9	6	8.5	8		200 torr	20^oC/min.
	6	48.0	5	15.5	9	6	8.5	8		100 torr	20^oC/min.

표 1

		합금 특성				절삭 성능
		경도(H_RA)	강도(H_V) MPa/m²	항절력(TRS) Kg/mm²	기공	V_B (Frank wear,mm)	한계이송 (mm/rev.)
실시예	1	92.5	1600	200	A02B02	0.25	0.185
	2	92.5	1610	200	A02B02	0.25	0.2
	3	93.0	1720	190	A02B02	0.20	0.185
	4	93.0	1720	195	A02B02	0.19	0.185
	5	92.8	1650	195	A02B02	0.23	0.2
	6	92.7	1640	200	A02B02	0.23	0.2
비 교 예	1	92.5	1610	170	A02B02	0.30	0.145
	2	92.5	1620	160	A02B02	0.25	0.145
	3	92.7	1660	150	A02B02	0.20	0.145
	4	92.0	1550	180	A04B04	0.35	0.17
	5	91.0	1500	180	A02B02	0.35	0.185
	6	91.2	1510	170	A04B02	0.35	0.185

표 2

이상에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 탄질화 티탄기 서멧트는 불활성 가스 분위기 하에서 급냉 소결 방식 도입에 의해 제조 되어 우수한 합금 특성 및 절삭 성능을 가지며, 특히, 급냉 소결 방식이 적용된 바 제조 공정 단가 감소에 따른 생산성 향상 효과를 얻을 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

탄질화 티탄륨(Ti(CN)) 45~65wt%, 니켈(Ni) 6~10wt%, 코발트(Co) 6~10wt%를 주성분으로 하고, 탄화 텅스텐(WC) 10~20wt%, 탄화 몰리브데늄(Mo2C) 7~10wt%, 탄화 니오븀(NbC) 3~8wt% 및 질화 티탄륨(TiN) 3~6wt%를 첨가제로하여 구성되며, 서멧트의 미세 구조상에서 표면으로부터 1000㎛까지 경질상 중 고용상으로 이루어진 경질상의 부피 분율이 70% 이상임을 특징으로 하는 고인성 탄질화 티탄기 서멧트.
제 2 항에 있어서, 상기 고용상은 (Ti, W, Mo, Nb)(CN)으로 이루어짐을 특징으로 하는 고인성 탄질화 티탄기 서멧트.
고인성 탄질화 티탄기 서멧트의 제조방법에 있어서,

Ti(CN) 45~65wt%, Ni 6~10wt%, Co 6~10wt%를 주성분으로 하고 첨가제로서 WC 10~20wt%, Mo2C 7~10wt%, NbC 3~8wt% 및 TiN 3~6wt%를 첨가하여 혼합 밀링한 후, 성형체를 만든 다음, 진공 소결 후 불활성 가스 하에서 냉각함에 있어, 상기 혼합 밀링은 초경 구석과 함께 알코올을 용매로하여 애트리터를 이용하여 행하고, 상기 성형체는 혼합물을 건조 후 1000㎏/㎠의 압력으로 프레스하여 만들어지며, 상기 진공 소결은 1450℃에서 1시간 행함을 특징으로 하는 고인성 탄질화 티탄기 서멧트의 제조 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 불활성 가스는 Ar, He, N2, CH4 중에서 선택되는 하나 이상이고, 상기 냉각은 10~25℃/min으로 행해짐을 특징으로 하는 고인성 탄질화 티탄기 서멧트의 제조 방법.