KR20080091921A - ＷＣ-Ｎｉ계 초경합금 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소결체를 형성할 때 기공이나 편석이 없이 균질한 조직을 가짐으로써, 기계적, 물리적 특성이 우수한 WC-Ni계 초경합금 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다. 이를 위해, 본 발명의 WC-Ni계 초경합금의 제조방법은 Ni, Ni와 고용체를 형성하는 원소성분으로 Ag, Sn, Zn, Cu, Al, Si, Fe, Cr 중 선택된 적어도 하나 이상의 성분, 다른 소재와의 접합부위의 젖음성을 향상시키는 원소성분으로 Cd, P, B 중 선택된 적어도 하나 이상의 성분, 및 잔부가 WC 성분으로 이루어지는 원료들을 준비하여 에탄올을 사용하여 혼합하는 혼합 단계와, 상기 혼합이 완료된 원료 재료를 건조시키는 건조 단계와, 상기 건조된 원료 재료를 성형체로 성형하는 성형 단계와, 그리고 상기 성형체를 소결하는 소결 단계를 포함하며, 그리고 상기 원료 재료는 전체 조성물의 중량비를 기준으로, Ni 성분이 20 내지 30중량%, Ni와 고용체를 형성하는 원소 성분이 1 내지 5중량%, 다른 소재와의 접합 부위의 젖음성을 향상시키는 원소 성분이 0.1 내지 3중량%, 그리고 WC 성분이 그 나머지를 차지하고, 그리고 Ni는 그 두께가 0.1 내지 1㎛이고, 그 크기가 1 내지 50㎛인 플레이크상의 입자 형상을 갖는다.
WC-Ni, 초경합금, 제조

Description

ＷＣ-Ｎｉ계 초경합금 및 이의 제조방법{WC-Ni HARD METAL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 WC-Ni계 초경합금의 제조방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 WC-Ni계 초경합금의 제조방법을 통해 제조된 WC-Ni계 초경합금을 전자 현미경으로 본 조직사진이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명과의 비교를 위해 여러 비교예들을 통해 얻어진 WC-Ni계 초경합금을 전자 현미경으로 본 조직사진들이다.
도 7은 Ni입자를 전자 현미경으로 본 조직 사진으로서, (a)는 본 발명과의 비교를 위한 것으로서 구슬형 Ni입자를 나타낸 것이고, (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 WC-Ni계 초경합금의 제조방법에서 사용되는 플레이크상 Ni입자를 나타낸 것이다.
본 발명은 초경합금에 관한 것으로서, 더 상세하게는 소결체를 형성할 때 기공이나 편석이 없이 균질한 조직을 이룸으로써, 기계적, 물리적 특성 등의 물성이 우수한 WC-Ni계 초경합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 초경 합금이란 탄화텅스텐(WC) 입자가 인성이 강한 Co 등의 기지에 분산되어 있는 형태의 합금이다. 초경합금은 경도가 높고 인성이 강하여 절삭공구 소재, 너트 성형기(nut former)와 같은 내충격 공구 소재, 신선용 금형(다이)과 같은 내마모 공구 소재로 널리 활용되고 있다. 또한, 초경합금에는 내열성, 내식성, 내용착성 등을 개선할 목적으로 다른 종류의 탄화물 즉 TiC, Cr2C3, VC, TaC 등을 첨가하기도 한다.
제조 방법과 관련해서, 대표적인 초경합금인 WC-Co계 초경합금을 예로 들면, 융점이 높은 WC(2870℃)와 상대적으로 융점이 낮은 Co(1495℃)의 합금이기 때문에 통상적인 용해법으로는 제조가 불가능하다. 따라서, WC 분말과 Co 분말을 혼합한 분말 성형체를 1280℃ 이상의 온도로 가열하여 Co를 액상으로 만듦으로써 WC 입자를 결속시킴에 따라 복합 조직을 형성하는 방식으로 제조한다. 이때, 액상 형성 온도가 순수 Co의 융점인 1495℃보다 현저히 낮아지는 것은 WC 탄화물 혹은 공정시 첨가하는 탄소(C)와 합금을 형성하기 때문이다. WC-Co계 초경합금에서 액상 형성 온도는 일반적으로 1280℃ ~ 1320℃ 사이에 있다.
이러한 WC-Co계 초경합금의 일반적인 제조방법은 다음과 같다. 먼저 원료 분말을 준비해서 이를 미리 정한 조성으로 배합하여 볼밀 등에서 혼합한다. 이후 스프레이 드라이어를 거쳐 초경분말(RTP; Ready To Press)을 형성한다. 다음으로, 이 분말을 성형 및 소결 과정을 거쳐 원하는 초경합금 재료를 제조한다.
하지만, WC-Ni계 초경합금의 경우 Co가 고가인데다 수급이 안정적이지 못한 관계로 대체 금속에 대한 연구가 진행되었고, 이에 따라 Ni가 부각되었다. WC-Ni계 초경합금은 WC-Co계 초경합금보다 경도는 떨어지는 편이지만, 자성 재료의 성형 등 비자성체가 필요한 분야에 널리 사용되는 장점이 있다.
하지만, 종래 WC-Ni계 초경합금은, 도 3 내지 도 6에 나타난 바와 같이, 소결체로 제조된 상태에서 기공이나 편석이 존재하는 경우가 많다. 왜냐하면, 종래의 WC-Ni계 초경합금의 경우에는 Ni 입자의 형태로서 구형 또는 사슬상의 입자 형태를 가진 것을 사용함이 일반적이기 때문이다. 구체적으로, 실험을 통해 확인해 본 결과에 의하면, 이와 같은 구형 도는 사슬상 입자 형태를 가진 Ni 입자가 WC 입자 분말 등과 혼합되어 소결될 때 원래 Ni 입자가 차지하고 있던 공간이 기공으로 남게 될 확률이 높았으며, 특히 소결 시간을 길게 가져가는 경우 초기에 형성된 기공들이 합체하여 더욱 큰 기공을 형성하는 문제점이 도출되었다. 또한, 이러한 기공 형성의 문제점을 해결하기 위해 Ni 입자의 크기를 보다 작게 형성해 본 결과, 볼밀에서의 혼합 가공 시간이 길어지거나 Ni 입자가 덩어리져서 소결체에서 편석이 남게 되는 문제점을 나타내었다. 이러한 기공이나 편석은 일반적으로 재료의 물성을 균질하게 하는데 방해가 됨은 물론이고, 경도 저하 등 각종 기계적 성질을 떨어뜨리는 원인이 되기 때문에 최대한 없애는 것이 바람직할 것이다.
본 발명은 종래기술에 대한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 기술적 과제는, 소결체를 형성할 때 기공이나 편석이 없이 균질한 조직을 가짐으로 써, 기계적, 물리적 특성이 우수한 WC-Ni계 초경합금 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 WC-Ni계 초경합금은 전체 조성물의 중량비 기준으로 Ni 성분이 20 내지 30중량%, 상기 Ni와 고용체를 형성하는 원소로서 Ag, Sn, Zn, Cu, Al, Si, Fe, Cr 중 선택된 어느 하나 또는 그 이상의 성분이 1 내지 5중량%, 다른 소재와의 접합 부위의 젖음성을 향상시키는 원소로서 Cd, P, B 중 선택된 어느 하나 또는 그 이상의 성분이 0.1 내지 3중량%, 및 잔부가 WC 성분으로 이루어진다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 WC-Ni계 초경합금은 입자성장 억제 화합물로 Cr3C2 또는 VC를 단독으로 또는 합하여 0.5 내지 1중량% 더 첨가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 WC-Ni계 초경합금의 제조방법은 원료 재료를 준비하여 준비된 원료 재료를 에탄올을 사용하여 습식 혼합하는 혼합 단계와, 상기 혼합이 완료된 원료 재료를 건조시키는 건조 단계와, 상기 건조된 원료 재료를 성형체로 성형하는 성형 단계와, 그리고 상기 성형체를 소결하는 소결 단계를 포함하고, 상기 원료 재료는 전체 조성물의 중량비를 기준으로, Ni 성분이 20 내지 30중량%, 상기 Ni와 고용체를 형성하는 원소 성분이 1 내지 5중량%, 다른 소재와의 접합 부위의 젖음성을 향상시키는 원소 성분이 0.1 내지 3중량%, 그리고 WC 성분이 그 나머지를 차지하고, 그리고 상기 준비 단계에서 상기 Ni는 그 두께가 0.1 내지 1㎛이고, 그 크기가 1 내지 50㎛인 플레이크상의 입자 형상을 갖는다.
또한, 상기 혼합 단계에서, 볼밀 혹은 아트리타 등의 습식 혼합기를 이용하여 10시간 내지 100시간 혼합하는 것이 바람직하고, 그리고 상기 소결 단계에서, 소결 진공도는 약 10-1 torr 내지 10-3 torr이고, 소결 온도는 약 1,000 내지 1,300℃이고, 그리고 소결 시간은 약 10분 내지 120분인 것이 바람직하다.
또한, 상기 Ni와 고용체를 형성하는 원소로서 Ag, Sn, Zn, Cu, Al, Si 중 적어도 하나가 선택될 수 있으며, 이외에도 Ni와 고온에서 고용(Solid Solution)되어 상온에서 일정 부분 Ni 단상(Single phase)이 형성될 수 있는 Fe, Cr 등이 포함될 수 있다.
또한, 상기 Ni 합금에 첨가되어 타 재료와의 젖음성을 향상시키는 원소 성분으로서 Cd, P, B 중 적어도 하나가 선택될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 WC-Ni계 초경합금의 제조방법을 나타낸 플로우 차트이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 WC-Ni계 초경합금의 제조방법을 통해 제조된 WC-Ni계 초경합금을 전자 현미경으로 본 조직사진이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명과의 비교를 위해 여러 비교예들을 통해 얻어진 WC-Ni계 초경합금을 전자 현미경으로 본 조직사진들이고, 도 7은 Ni 입자를 전자 현미경으로 본 조직 사진으로서, (a)는 본 발명과의 비교를 위한 것으로서 구형 혹은 괴형의 Ni 입자를 나타낸 것이고, (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 WC-Ni계 초경합금의 제조방법에서 사용되는 플레이크상 Ni입자를 나타낸 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 WC-Ni계 초경합금의 제조 방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 원료 재료를 준비하는 준비 단계(S10)와, 준비된 원료 재료를 에탄올을 사용하여 습식 혼합하는 혼합 단계(S20)와, 혼합이 완료된 원료 재료를 건조시키는 건조 단계(S30)와, 건조된 원료 재료를 성형체로 성형하는 성형 단계(S40)와, 그리고 성형체를 소결하는 소결 단계(S50)를 포함한다. 상기 원료 재료는, 전체 조성물의 중량비를 기준으로, Ni 성분이 20 내지 30중량%, 상기 Ni와 고용체를 형성하는 원소 성분이 1 내지 5중량%, 다른 소재와의 접합 부위의 젖음성을 향상시키는 원소 성분이 0.1 내지 3중량%, 그리고 WC 성분이 그 나머지를 차지한다. 상기 준비 단계(S10)에서 상기 Ni는 그 두께가 0.1 내지 1㎛이고, 그 크기가 1 내지 50㎛인 플레이크상의 입자 형상을 갖는다.
한편, 상기 Ni와 고용체를 형성하는 원소로는 Ag, Sn, Zn, Cu, Al, Si 이외에도 Ni와 고온에서 고용(Solid Solution)되어 상온에서 일정 부분 Ni 단상(Single phase)이 형성될 수 있는 Fe, Cr 등이 포함될 수 있다.
먼저, 상술한 원료 재료를 준비하여 혼합하는 단계(S10~S20)를 상세히 설명한다.
실험에 의하면, WC-Ni계 초경합금은 Ni 입자의 형상에 따라 소결체 내에 기 공 빈도가 변화하여 재료 물성에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 즉, Ni 입자의 형상이 도 7의 (a)에 나타난 구형일 경우, 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이 Ni 입자가 용융된 이후에 소결체 조직에서 Ni 입자 자리에 기공을 형성하기 때문에 좋지 않았다. 그리고 Ni 입자의 형상이 플레이크상이라고 해도 그 크기에 따라 재료의 편석 현상이 발생되는 것으로 나타났다.
따라서, 이러한 기공과 편석을 최소로 하기 위하여, Ni 입자의 두께와 크기 그리고 형상을 최적으로 설계할 필요가 인식되었고, 이러한 필요에 따라, 두께가 0.1 내지 1㎛이고, 그 크기가 1 내지 50㎛인 플레이크상의 Ni 입자를 상술한 중량비로 준비한 후, 본 발명의 일 실시예에 따른 WC-Ni계 초경합금의 제조 방법을 순차적으로 수행한 결과, 기공 및 편석이 최소화됨을 확인하였다.
구체적으로, 실험에 의하면, Ni 입자의 크기가 1㎛ 미만인 경우 혼합시 Ni 입자가 서로 뭉쳐서 소결체에서 편석이 발생되기 때문에 이 값을 하한으로 설정하였고, Ni 입자의 크기가 50㎛를 초과하면 입자가 너무 커서 소결체의 조직에서 기공이 형성되기 때문에 이 값을 상한으로 설정하였다.
이와 함께, Ni 입자의 두께가 0.1㎛ 미만인 경우에는 제조가 용이하지 않으며, Ni 입자의 두께가 1㎛를 초과하는 경우 실험 결과 소결체에서 미소 기공이 다량 형성되는 것으로 확인되었다.
이러한 Ni 분말은 다음과 같은 공정을 통해 얻을 수 있다.
플레이크상의 Ni 분말은 용융된 Ni 금속을 고속으로 회전하는 디스크(Disc)에 분사하는 급속 응고법을 통해 얻을 수 있다. 또한, 그 두께가 0.1 내지 1㎛이 고, 그 크기가 1 내지 50㎛인 Ni 분말은 체(Sieve)를 이용하여 선별할 수 있다.
이와 같이 준비된 Ni 분말과, 평균 입도 1 내지 5㎛인 WC 입자를 준비한다.
나아가, WC-Ni계 초경합금은 WC-Co계 초경합금 보다 소결 온도가 약 70℃ 정도 높다. 따라서, 상술한 고용체를 형성하는 원소 성분으로 Ag, Sn, Zn, Cu, Al, Si, 중 적어도 하나를 첨가하여 Ni 고용체를 형성함으로써 액상 소결 가능한 온도를 1,300℃ 이하로 낮추어줄 수 있다. 또한, 상기 Ni와 고용체를 형성하는 원소로서, 고온에서 고용(Solid Solution)되어 상온에서 일정 부분 Ni 단상(Single phase)이 형성될 수 있는 Fe, Cr 등이 포함될 수 있다.
WC-Ni계 초경합금 소결체로 형성된 이후 다른 소재와 접합되어 사용되는 경우에 그 접합 부위의 젖음성(wettability)을 높여주기 위해, 상기 접합 부위의 젖음성을 향상시키는 원소 성분으로 Cd, P, B 중 적어도 하나가 첨가될 수 있다.
상술한 원료 재료에는 입자성장 억제 화합물(표 1의 "기타" 참조)로 Cr3C2 또는 VC가 더 첨가될 수 있다. 그 첨가량은 상기 Cr3C2 및 상기 VC를 합쳐서 상기 원료 재료의 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.5 내지 1중량%를 차지할 수도 있고, Cr3C2 또는 VC 중 어느 하나가 상기 원료 재료의 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.5 내지 1중량%를 차지할 수 있다.
특히, 실험을 위해, 표 1과 같이, 상술한 고용체를 형성하는 원소 성분으로 Si를 선택하고, 상술한 접합 부위의 젖음성을 향상시키는 원소 성분으로 B를 선택하였고, Si 분말의 평균 입도는 10㎛로 하고, B 분말의 평균 입도는 5㎛로 하였다. 또한, 기타에 해당하는 입자 성장억제 화합물로 Cr3C2 분말을 1 중량% 첨가하였다.
원소 WC Ni Si B 기타
첨가량(wt%) Bal. 25 4 1 1 이하
이렇게 준비된 원료 분말 재료는 다음과 같은 혼합 단계(S20)를 거치게 된다.
이하, 상술한 혼합 단계(S20)를 상세히 설명한다.
준비된 원료 분말 재료는 에탄올과 혼합되어 분쇄 및 혼합기인 볼밀을 통해 70시간 혼합된다. 볼밀에서의 혼합시간이 10시간 이하면 혼합이 부족하여 편석이 발생하기 쉽고, 반대로 100시간 이상이면 과분쇄로 분말이 뭉쳐서 기공이 형성될 수 있으므로, 그 사이의 시간에서 혼합하는 것이 바람직하므로, 본 실험에서는 혼합 시간을 70시간으로 하였다.
이렇게 혼합이 완료된 원료 분말 재료는 건조 단계(S30)를 거쳐 에틸 알콜 및 수분을 제거하고, 이후, 건조된 분말은 프레스에 의해 성형체로 성형(S40)된다.
이하, 상술한 성형체를 소결하는 소결 단계(S50)를 상세히 설명한다.
첫째, 소결시 요구되는 소결 진공도는 약 10-1 torr 내지 10-3 torr일 수 있다. 구체적으로, 최소값 이하이면 소결시 내부 발생 기포가 충분히 배출되지 않아 기공이 잔존하는 경우가 많고, 최대값 이상이면 진공펌프의 성능이 일반 로터리 펌프 용량을 벗어남으로써 고가의 장비가 요구될 수 있다. 특히, 실험에서는 소결 진공도로 10-2 torr이 사용되었다.
둘째, 소결시 요구되는 소결 온도는 약 1,000 내지 1,300℃일 수 있다. 구체적으로, 소결 온도를 1,000℃ 이하로 낮추기 위해서는 첨가하는 첨가물(Ni와 고용체를 형성하는 원소 성분)의 양이 너무 많아지게 되고 이로써 상대적으로 소결체의 경도가 낮아지는 결과를 초래하는 문제가 있을 수 있고, 소결 온도가 1,300℃ 이상이면 소결로의 구조가 특이해져야 함으로써 소결로의 비용이 높아져 경제성이 없어지는 결과를 초래할 수 있다. 특히, 실험에서는 소결 온도로 1,100℃가 사용되었다.
셋째, 소결시 요구되는 소결 시간은 약 10분 내지 120분일 수 있다. 구체적으로, 10분 이하면 소결 시간이 너무 짧아 전체 용융이 되지 않으며, 120분 이상이면 내부 미세기공의 합체가 발생할 수 있어 불건전한 큰 크기의 기공이 형성될 수 있다. 특히, 실험에서는 소결 시간으로 60분이 사용되었다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 WC-Ni계 초경합금의 제조 방법에 의해 얻어진 소결체의 조직 사진은 도 2에 도시된 바와 같다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 WC-Ni계 초경합금의 제조 방법에 의해 얻어진 소결체의 우수함을 비교하기 위해, 표 2와 같이, 여러 다른 비교예들을 실험해 보았다. 참고로, 편의상 표 2의 첫 열에는 "본 발명의 일 실시예"와 "비교예 1 내지 5"로 구분하였다. 또한, Ni 입자의 두께, 크기 및 형상에 변화를 줄 경우, 소결 후 WC-Ni계 초경합금 소결체의 조직 내의 기공 형성 유무와 편석 유무의 변화를 배율 500배의 광학 현미경으로 이용하여 관찰하였다.
구분 Ni 입자 형상 Ni 분말 두께 (㎛) Ni 분말 크기 (㎛) 소결체 기공 유무 소결체 Ni 편석 유무
비교예 1 플레이크상 0.1 ~ 1 1 이하 기공 형성 편석 발생
본 발명의 일 실시예 플레이크상 0.1 ~ 1 1 ~ 20 무 무
본 발명의 일 실시예 플레이크상 0.1 ~ 1 10 ~ 40 무 무
본 발명의 일 실시예 플레이크상 0.1 ~ 1 20 ~ 50 무 무
비교예 2 플레이크상 0.1 ~ 1 40 ~ 100 기공 형성 무
비교예 3 구형 입경 1 ~ 10 기공 형성 일부 편석 발생
비교예 4 구형 입경 20 ~ 50 기공 형성 편석 발생
위 표 2에서 볼 때, 본 발명의 일 실시예의 Ni 입자 형상은, 비교예 3과 4에서의 Ni 입자 형상이 구형인 경우와 달리 플레이크상이고, 또한 본 발명의 일 실시예의 Ni 입자의 두께가 0.1 내지 1㎛이고, 그 크기가 1 내지 50㎛인 인 경우에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 소결 단계를 거친 WC-Ni 초경합금의 소결 조직에서 기공이나 편석이 발생하지 않음이 확인되었다.
반면에, 위의 표 2에 나타난 바와 같이, 비교예 3과 4에서는 Ni의 입경 혹은 크기가 1 내지 50㎛ 임에도 불구하고 Ni 입자 형상이 구형이어서, 진공로에서 소결하여 초경합금이 형성되는 과정에서 Ni의 응고가 소결 과정의 최후반에서야 이루어지기 때문에 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 Ni 입자가 녹은 공간에 기공이 형성되는 양상이 관찰되었다. 또한, 비교예 2에서는 Ni 입자 형상이 플레이크상 임에도 불구하고 그 크기가 너무 커서 도 5에 도시된 바와 같이 기공이 형성되는 양상이 관찰되었다. 또한, 비교예 1에서는 Ni 입자 형상이 플레이크상 임에도 불구하고 그 크기가 너무 작아서 습식 혼합 단계(S20)에서 분말이 뭉치는 현상이 발생함으로써 결과적으로 WC-Ni 초경합금 소결 조직에서 도 6에 나타낸 바와 같이 기공과 편석이 발생하는 문제점을 나타냈다.
한편, 두께 0.1 내지 1㎛이고, 그 크기가 1 내지 50㎛인 Ni 분말 및 표 3과 같은 조성을 가지고, 본 발명의 일 실시예에 따른 WC-Ni 초경 합금의 제조 방법의 혼합 단계(S20)와, 건조 단계(S30)와, 성형 단계(S40)와, 그리고 소결 단계(S50)를 순차적으로 수행한 후, 500배율의 광학 현미경을 이용하여 소결체의 조직을 관찰해 보았다.
구분 WC Ni Si B VC Cr3C2 소결체 기공유무 소결체 Ni 편석 유무
실시예1 Bal. 25 0.5 1 1 0 미 소결-기공 다량 발생
실시예2 Bal. 32 4 1 1 0 기공형성 편석발생
실시예3 Bal. 25 4 4 1 0 기공형성 편석발생
실시예4 Bal. 29 4 0.5 1 0 무 무
실시예5 Bal. 25 4 1 0.5 0.5 무 무
실시예6 Bal. 21 1 2 0 1 무 무
실시예7 Bal. 19 3 2 0.5 0 기공형성 편석발생
그 결과, 실시예 4 내지 6에서는 상술한 본 발명의 일 실시예와 동일한 소결 조건(소결 온도; 1,100℃, 소결 시간; 60분)에서 본 발명의 일 실시예와 동일한 결과인 Ni의 편성이나 기공이 관찰되지 않았다. 그러나, 상술한 본 발명의 일 실시예와 동일한 소결 조건(소결 온도; 1,100℃, 소결 시간; 60분)에서 실험을 하였지만, 실시예 1에서는 Ni와 고용체를 형성하는 원소인 Si의 중량비가 1중량% 미만인 0.5중량%이어서 소결이 진행되지 않았으며, 실시예 2에서는 니켈의 중량비가 30중량%을 초과한 32중량%이어서 경도가 낮아지며 편석이 다수 관찰되었고, 실시예에 3에서는 B의 함량이 3중량%를 넘어선 4중량%으로 경도가 낮아지며 기공과 편석이 관찰되었고, 실시예 7에서는 니켈의 중량비가 20중량% 미안인 19중량%이어서 소결이 저해되어 다수의 기공이 관찰되었다.
구체적으로, 표 3을 기초하여, 상술한 조성에 대한 임계적 의의를 살펴보면 다음과 같다.
Ni의 함량은 초경 소결체의 물리적 성질 즉, 경도와 관련 있는 것으로 20중량% 미만인 경우 결합재인 Ni의 량이 절대적으로 부족하여 소결 접합력이 약하여 경도가 낮아지며, 30중량%를 초과하면 결합재량이 초경합금에 비하여 너무 많아 결합재의 편석이 발생하며 초경합금의 경도를 반감함으로 경도가 낮아진다.
Si은 Ni와 공정을 형성함으로 녹는 점을 낮추는데 이것으로 소결 온도를 낮출 수 있으며, 이때 1중량% 미만은 그 량이 너무 적어 효과가 없으며, 5중량%를 초과하면 오히려 초정 Si을 형성함으로 편석 발생을 일으켜 부분적으로 경도를 낮추게 된다.
B은 통상 단원자로의 첨가가 불가능하여 반드시 결합상으로 넣게 되는데 가장 대표적인 것이 B4C이다. 첨가후 소결할 경우 B4C는 보론과 카본으로 분리되며, 분리된 B가 소결시에 젖음성을 향상시켜 준다. 첨가량이 0.1중량% 미만인 경우는 그 효과가 미미하고, 3중량%를 초과할 경우 초경합금의 편석과 기공을 발생시켜 경도가 낮아지는 결과가 초래된다.
Cr3C2 및 VC는 둘 다 모두 입자 성장 억제제로써 각각이든 합하여서든, 0.5중량% 미만이면 효과가 미미하고, 1중량%를 초과하면 소결성을 저해하며 부분적 편석이 발생함으로 경도를 떨어뜨린다.
이상에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 WC-Ni계 초경합금의 제조방법은 다음과 같은 효과를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 기공이나 편석이 크게 감소된 건전한 조직의 소결체를 얻을 수 있다. 따라서, 각종 기계적 특성이 종래에 비해 향상된 초경합금을 얻을 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 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. 전체 조성물의 중량비 기준으로 Ni 성분이 20 내지 30중량%;
    상기 Ni와 고용체를 형성하는 원소로서 Ag, Sn, Zn, Cu, Al, Si, Fe, Cr 중 선택된 어느 하나 또는 그 이상의 성분이 1 내지 5중량%;
    다른 소재와의 접합 부위의 젖음성을 향상시키는 원소로서 Cd, P, B 중 선택된 어느 하나 또는 그 이상의 성분이 0.1 내지 3중량%; 및
    잔부가 WC 성분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 WC-Ni계 초경합금.
  2. 제 1 항에 있어서,
    입자성장 억제 화합물로 Cr3C2 또는 VC를 단독으로 또는 합하여 0.5 내지 1중량% 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 WC-Ni계 초경합금.
  3. Ni과, Ni과 고용체를 형성하는 원소로서 Ag, Sn, Zn, Cu, Al, Si, Fe, Cr 중 선택된 적어도 하나 이상의 원소와, 다른 소재와의 접합부위의 젖음성을 향상시키는 원소 또는 화합물로서 Cd, P, B, B4C 중 선택된 적어도 하나 이상의 원소 또는 화합물과, 그리고 잔부가 WC 성분으로 이루어지는 원료들을 에탄올을 사용하여 혼합하는 혼합 단계와;
    상기 혼합이 완료된 원재료를 건조시키는 건조 단계와;
    상기 건조된 원료 재료를 성형체로 성형하는 성형 단계와; 그리고
    상기 성형체를 소결하는 소결 단계를 포함하는 WC-Ni계 초경합금의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 원료들은 전체 조성물의 중량비를 기준으로, Ni 성분이 20 내지 30중량%,
    상기 고용체를 형성하는 원소 성분이 1 내지 5중량%,
    상기 젖음성을 향상시키는 원소 또는 화합물 성분이 0.1 내지 3중량%, 및
    잔부가 WC 성분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 WC-Ni계 초경합금의 제조 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 Ni은 그 두께가 0.1 내지 1㎛이고, 그 크기가 1 내지 50㎛인 플레이크상의 입자 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 WC-Ni계 초경합금의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 플레이크상의 Ni 분말은 용융된 Ni 금속을 고속으로 회전하는 디스크(Disc)에 분사하여 급속 응고하여 제조하는 것을 특징으로 하는 WC-Ni계 초경합금의 제조방법.
  7. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 소결 단계에서 소결 진공도는 10-1 torr 내지 10-3 torr인 것을 특징으로 하는 WC-Ni계 초경합금의 제조방법.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 소결 단계에서 소결 온도는 1,000 내지 1,300℃이고,
    소결 시간은 10분 내지 120분인 것을 특징으로 하는 WC-Ni계 초경합금의 제조방법.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 원료 재료에는 입자성장 억제 화합물로 Cr3C2 또는 VC를 단독으로 또는 합하여 0.5 내지 1중량% 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 WC-Ni계 초경합금의 제조방법.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 원료 분말 분말을 에탄올과 혼합하는 단계는 70시간 내지 100시간 동안 볼밀에서의 분쇄 및 혼합하는 것을 특징으로 하는 WC-Ni계 초경합금의 제조방법.
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