KR20090086965A - 초경 팁 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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KR1020097008672A
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가부시키 가이샤 미야나가
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Abstract

날끝측은 내마모성을 구비하고, 접합측은 인성을 구비하고 있는 초경 팁을 제공한다. 초경 팁을 구성하는 초경합금의 조성은, WC 대 Co의 배합비율이 날끝측으로부터 접합측에 걸쳐서 실질적으로 동일함과 더불어, WC와는 공정조직을 형성하지 않거나 또는 WC-Co계 초경합금의 공정점 이상의 WC와의 공정점을 가지는 한편 WC-Co계 초경합금의 액상소결온도 이상의 융점을 가지는 결합금속의 함유량이 날끝측으로부터 접합측에 걸쳐서 증가하는 경사조성을 가진다.
초경, 팁, 드릴, 비트, 날끝, 내마모성, 접합, 인성, 소결

Description

초경 팁 및 그의 제조 방법{SUPERHARD TIP AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은, 예를 들면, 드릴 비트(Drill bit) 본체의 선단에 납땜이나 용접 등으로 접합하는 초경합금제의 절삭날 팁(Tip)으로서, 또는 팁-소(Tip-saw), 예초기, 쇠톱 등의 각종 절삭공구나 각종 절단공구의 날끝 재료로서 매우 적합한 초경 팁에 관한 것이다.
예를 들면, 콘크리트나 석재 등에 대한 천공(구멍뚫기)에는, 회전 해머 드릴(Hammer drill)에 전용의 드릴 비트를 부착하여 행하고, 드릴 비트에 대하여 축심 방향의 진동적인 타격력과 회전 토크의 두 가지 작용을 동시에 부여하는 천공이 행해지고 있다. 그리고 천공작업의 고능률화 요구에 부응하기 위하여, 이런 종류의 천공에 사용하는 드릴 비트는, 강제(鋼製)의 비트 본체 선단에 내마모성이 우수한 초경합금제의 절삭날 팁을 납땜이나 용접 등으로 고착한 것이 많이 사용되고 있다. 예를 들면, 일본 특개평7-180463호 공보에는, 절삭날 팁이 단면 사각형 모양을 이루고, 그의 한쪽 대각선을 따라서 주 커터를 형성하고, 다른 쪽 대각선을 따라서 보조 커터를 형성하며, 서로 등지게 배치한 2개의 주 커터는, 그의 정점(頂点)에서 치즐 에지(Chisel edge)를 형성하여 연접시킨 구성의 것이 개시되어 있다.
그런데 드릴 비트의 절삭날 팁은, 그의 절삭기능을 달성하기 위하여, 날끝 측의 재료로서는 비교적 경도 및 강도가 높고 내마모성을 지니고 있는 금속 탄화물 등의 경질 금속을 주로 사용하고, 절삭 팁을 드릴 비트 본체측에 접합하는 절삭 팁 접합측의 재료로서는 비교적 경도가 낮고 인성을 지니고 있는 Co 등의 결합금속이 주로 사용되고 있다. 즉, 절삭 팁의 날끝측 재료는 내마모성을 갖추는 것이 필요하고, 절삭 팁의 접합측 재료는 결합 상대방 재료와의 결합이 용이한 재료가 많이 포함되어 있을 것과 열팽창률이 비슷할 것이 필요하다. 이와 같이, 드릴 비트 선단에 접합하는 절삭 팁의 날끝측과 접합측은 상이한 특성을 지니고 있을 필요가 있다.
이런 종류의 선행기술에 관한 것으로서, 예를 들면, 특허문헌 1에는, 「암반 또는 땅과의 접촉면 전체를 형성하는 비트 머리부 및 기기(機器)에 장착되는 부분인 축부로 이루어지고, 상기 비트 머리부는 정수리(頭頂) 부재 및 이 정수리 부재의 기초단부에 일체로 융착접합됨과 동시에 상기 축부에 끼워 맞추어지는 끼워맞춤부재로 이루어지며, 상기 정수리 부재는 상기 끼워맞춤부재보다도 경도가 높으면서 상기 기초단부측 부분 보다도 선단측 부분의 경도가 높아지는 경도경사(硬度傾斜)를 부여한 초경합금으로 이루어지는 굴삭용 비트」가 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 「암반 또는 땅에 대한 굴삭의 주체가 되는 정수리 부재 및 기기에 장착되는 부분인 섕크(Shank) 부재로 이루어지고, 상기 정수리 부재는 상기 섕크 부재에 일체로 융착접합됨과 동시에, 섕크 부재측의 기초단부로부 터 선단을 향하여 경도가 높아지는 경도경사를 부여한 초경합금으로 이루어지는 굴삭용 비트」가 개시되어 있다.
더 나아가서, 특허문헌 3에는, 경사 조성 소결체(傾斜組成燒結體)를 펄스(Pulse) 통전 소결에 의해 제조하는 방법이 개시되어 있다.
그리고 특허문헌 4와 특허문헌 5에는, 제1영역과 제2영역으로 이루어지고, 제1영역에는 입경이 굵은 내마모성 금속입자를 배치하고, 제2영역에는 입경이 가는 내마모성 금속입자를 배치하며, 제1영역의 결합금속의 함유량을 적게, 제2영역의 결합금속의 함유량을 많게 한 금속제품이 개시되어 있다.
특허문헌 1 : 일본 특개평8-100589호 공보
특허문헌 2 : 일본 특개평8-170482호 공보
특허문헌 3 : 일본 특개2006-118033호 공보
특허문헌 4 : 일본 특공표평10-51740호 공보
특허문헌 5 : 일본 특개소61-231104호 공보
그러나, 상기 특허문헌 1 내지 특허문헌 5에 개시된 발명에는 다음과 같은 결점이 있다.
즉, 특허문헌 1에 개시된 굴삭용 비트의 제조방법에 의하면, 도 23의 (a)에 나타낸 바와 같이, 「정수리 부재와 대응하는 형상의 성형면을 가지는 방전 플라즈마 소결기의 소결 다이(21) 내에, Co가 10% 배합된 WC-Co 분말재료(22)를 소요량 충전하고, 다음으로 도 23의 (b)에 나타낸 바와 같이, 상기 분말재료(22) 상에, Co가 25% 배합된 WC-Co 분말재료(23)를 소요 두께로 충전하고, 아울러 도 23의 (c)에 나타낸 바와 같이, 상기 분말재료(23)의 상면에, 탄소강 봉재(棒材)에서 잘라내어 형성한 끼워맞춤부재(24)의 선단 플랜지(25)를 접촉시키며, 그 상태에서 가압하면서 상기 방전 플라즈마 소결기의 전극 사이에 끼워놓고 펄스 전압을 인가한다. 이러한 방전 플라즈마 소결법에 의하면, 펄스 전압이 인가되었을 때의 분말재료의 각 입자 상호간의 접촉부에 극히 고온의 방전 플라즈마가 생성됨과 동시에, 방전에 의해서 각 입자가 순식간에 가열되어, 서로 간에 융착 상태가 되어 소결된다.」라고 되어 있다. 또한, 특허문헌 2의 단락번호 0012와 0013에도, 방전 플라즈마 소결법에 의해 굴삭용 비트를 제조하는 것이 기재되어 있다. 그런데 특허문헌 1과 2에 개시된 방전 플라즈마 소결법은 소결시간은 짧으나 설비구성이 복합하기 때문에, 비용이 지나치게 높아지고, 또한 복잡한 설비조작이 필요하여, 대량생산에는 적합하지 않은 방법이다.
또한, 특허문헌 3에 개시된 펄스 통전 소결은 단시간 가열(급속 승온)로 행하는 것이 일반적이고, 이 경우 펄스 통전 방향에 대한 직각평면에서는 균일한 소결 온도가 얻어지지 않고, 중앙부에 비하면 외주측의 온도가 낮아져, 외주측의 소결이 부족하게 되거나, 또는 중앙부의 소결이 과다하게 되어 성분이 용출(溶出)하는 경우가 있다.
또한, 일반적으로, 금속입자의 입경이 가늘어지면 경도가 상승하고, 금속입자의 입경이 굵어지면 경도는 저하하는 경향이 있다. 또한, 결합금속의 함유량이 많아지면 경도가 저하하고, 결합금속의 함유량이 적어지면 경도는 상승하는 경향이 있다. 이러한 점에서, 특허문헌 4와 특허문헌 5에 개시된 금속제품에 의하면, 제1 영역의 금속입자의 입경은 굵기 때문에 그의 경도는 낮고, 제2영역의 금속입자의 입경은 가늘기 때문에 그의 경도는 비교적 높을 것이지만, 제2영역은 경도를 저하시키는 경향이 있는 결합금속의 함유량이 많기 때문에, 그 결과 제2영역의 경도는 그다지 높아지지 않는다. 따라서, 제1, 제2 중 어떤 하나의 영역도 드릴 비트의 절삭날 팁 날끝측의 재료로서 사용할 수는 없다.
또한, 초경합금으로 이루어지는 절삭날 팁을 특수강으로 이루어진 드릴 비트 본체에 납땜 또는 용접 등의 수단에 의해 접합할 때, 성분이 상이한 절삭날 팁과 드릴 비트 본체 사이에서의 열팽창률의 차이에 의한 복잡한 잔류응력이 절삭날 팁과 드릴 비트 본체 사이에 발생하기 때문에, 절삭날 팁의 접합측이 인성(靭性)을 갖추지 못한 경우 파손이 된다. 또한 접합시에 파손되지 않더라도, 실제 천공작업 도중에, 성분이 상이한 절삭날 팁과 드릴 비트 본체와의 사이에서의 열팽창률의 차이에 의한 복잡한 잔류응력이 절삭날 팁과 드릴 비트 본체 사이에 발생하기 때문에, 절삭날 팁의 접합측이 인성을 갖추지 못한 경우 절삭날 팁이 드릴 비트 본체로부터 박리하게 된다.
상기는 일례로서, 본 발명의 초경 팁을 드릴 비트 선단의 절삭날 팁에 적용한 경우에 대하여 설명하였으나, 드릴 비트 이외에도 팁-소나 예초기나 쇠톱 등의 각종 절삭공구와 각종 절단공구의 날끝의 재료에 대한 공통된 요구로서, 날끝 재료의 날끝측은 내마모성을 갖추고 있을 것이 요구되고 있고, 날끝 재료를 본체에 접합하는 접합측은 결합 상대방 재료와의 결합이 용이한 재료가 많이 함유되어 있을 것과 열팽창률이 비슷할 것이 요구되고 있다. 이와 같이, 날끝측과 접합측이 상이 한 특성을 지니고 있는 초경 팁을 공업적으로 대량생산하는 것이 요망되고 있다.
본 발명은 종래 기술이 가지고 있는 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 날끝측은 내마모성을 갖추고, 접합측은 인성을 갖추고 있는 초경 팁 및 그 초경 팁을 절삭공구나 절단공구 본체에 접합할 때 및 그 공구의 사용중에 공구 날끝의 재료인 초경 팁이 파손 또는 박리하지 않도록 할 수 있는 저비용으로 간단한 초경 팁의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명자는 열심히 연구한 결과, 다음에 설명하는 바와 같이, 날끝측은 내마모성을 갖추고 있고, 접합측은 인성을 갖추고 있는 경사 조성을 가지는 초경 팁을 간단한 조작에 의해 제공할 수 있다는 것을 찾아내었다.
즉, 비교적 비용이 낮은 진공소결(감압 분위기 하에서의 소결)은 대량생산을 지향하고 있으나, 소결온도(약1,350℃에서 1,450℃)로 유지하는 시간이 30분 내지 60분이나 필요하고, 소결을 완료하기 위하여는 긴 시간이 필요하다. 그 때문에, 날끝측이 내마모성이 우수한 특성을 구비하고, 접합측이 인성이 우수한 특성을 구비하는 경사조성의 초경 팁을 제공하려 하더라도, 장시간의 소결 공정 중에 경사조성을 구성하는 원소가 서로 확산하는 것에 의해서 조성이 균일화하여, 경사조성을 유지할 수가 없게 된다.
그런데, 도 22에 나타낸 바와 같이, WC-Co계 초경합금은 공정조직(共晶組織)을 형성하고, Co의 융점(1,490℃) 이하의 온도에서 액상 소결이 가능하다. 여기서, WC와는 공정조직을 형성하지 않거나 또는 WC-Co계 초경합금의 공정점 이상의 WC와의 공정점을 가지는 한편 WC-Co계 초경합금의 액상 소결온도 이상의 융점을 가지는 금속을 첨가하면, 그 첨가 금속은 고체 또는 반용융 상태로 첨가할 때의 조성을 유지하는 것이 기대된다.
여기서, 본 발명은, WC-Co계 초경합금 블록체로 이루어지는 초경 팁에 있어서, 초경 팁을 구성하는 초경합금의 조성은, WC 대 Co의 배합비율이 날끝측으로부터 접합측에 걸쳐서 실질적으로 동일함과 더불어, WC와는 공정조직을 형성하지 않거나 또는 WC-Co계 초경합금의 공정점 이상의 WC와의 공정점을 가지는 한편 WC-Co계 초경합금의 액상소결온도 이상의 융점을 가지는 결합금속의 함유량이 날끝측으로부터 접합측에 걸쳐서 증가하는 경사조성을 가지는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 본 발명의 초경 팁은, WC와 Co의 배합비율이 날끝측으로부터 접합측에 걸쳐서 실질적으로 동일하고, WC와는 공정조직을 형성하지 않거나 또는 WC-Co계 초경합금의 공정점 이상의 WC와의 공정점을 가짐과 더불어 WC-Co계 초경합금의 액상소결온도 이상의 융점을 가지는 결합금속의 함유량이 날끝측으로부터 접합측에 걸쳐서 증가하는 경사조성을 가지기 때문에, 내마모성 기능을 담당하는 WC에 대하여 바인더(Binder)로서의 기능을 발휘하는 Co 및 결합금속의 양이 날끝측에서는 적고 접합측에서는 많아진다. 그 결과, 날끝측에서는 경도가 높아서 내마모성을 갖추고, 접합측에서는 경도가 낮아서 인성을 갖추는 이상적인 특성의 초경 팁을 제공할 수가 있다.
WC는 75중량부 이상 95중량부 이하, Co는 5중량부 이상 25중량부 이하, WC와 Co의 합계를 100중량부로 한 경우, 이와 같은 범위 내에서, WC 대 Co의 배합비율이 날끝측으로부터 접합측에 걸쳐서 실질적으로 동일한 것이 바람직하다. 또한, 날끝측으로부터 접합측에 걸쳐서, WC와 Co의 합계량이 75중량%이상이고, 나머지(25중량% 이하)가 WC-Co계 초경합금의 공정점 이상의 WC와의 공정점을 가짐과 더불어 WC-Co계 초경합금의 액상 소결온도 이상의 융점을 가지는 결합금속이며, 25중량% 이하의 범위 내의 결합금속이 날끝측으로부터 접합측에 걸쳐서 증가하는 경사조성을 가지는 것이 바람직하다. 이와 같은 조성을 가지는 초경 팁은, 예를 들면, 콘크리트용 드릴 비트의 선단에 접합하는 절삭날 팁으로서 바람직하게 사용할 수 있다.
WC-Co계 초경합금의 공정점(1,280℃) 이상의 WC와의 공정점을 가짐과 더불어 WC-Co계 초경합금의 액상 소결온도(1,400℃) 이상의 융점을 가지는 결합 금속으로서는, 비교적 연성(延性)이 우수한 Ni(융점=1,450℃, 영률=207×109N/㎡) 또는 Cr(융점=1,860℃, 영률=249×109N/㎡)을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은, 날끝측의 날끝층으로부터 1층 또는 2층 이상의 중간층을 지나 접합측의 접합층에 이르는 각 층의 WC 대 Co의 배합비율이 실질적으로 동일하며, WC와는 공정조직을 형성하지 않거나 또는 WC-Co계 초경합금의 공정점 이상의 WC와의 공정점을 가지는 한편 WC-Co계 초경합금의 액상소결온도 이상의 융점을 가지는 결합금속의 함유량이 날끝층으로부터 접합층에 걸쳐서 증가하는 경사조성을 가지는 초경 팁의 제조 방법에 있어서, 소정 배합비율의 WC 대 Co 및 가장 함유량이 적은 결합금속으로 이루어지는 배합의 날끝층 형성용 초경합금 분말을 초경 팁용 성형몰드에 넣고, 다음으로, 소정 배합비율의 WC 대 Co 및 날끝층에 비해 함유량이 순차적으로 증가하는 결합금속으로 이루어지는 배합의 1층 또는 2층 이상의 중간층 형성용 초경합금분말을 초경 팁용 성형 몰드 안의 날끝층 상에 적층하고, 아울러 소정 배합비율의 WC 대 Co 및 가장 함유량이 많은 결합금속으로 이루어지는 배합의 접합층 형성용 초경합금분말을 초경 팁용 성형 몰드 안의 중간층 상에 적층하여 가압하는 것에 의해 압분체(壓粉體)를 얻고, 이 압분체를 가열로에 넣어 감압 분위기 하에서 결합금속의 융점 이하의 온도에서 소결하는 것에 의해 초경 팁을 제조하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 소정 배합비율의 WC와 Co는 공정조직을 형성하지만, WC-Co계 초경합금의 공정점 이상의 WC와의 공정점을 가짐과 더불어 WC-Co계 초경합금의 액상소결온도 이상의 융점을 가지는 결합금속이 WC와는 공정조직을 형성하기 어렵다는 작용을 교묘하게 이용한 본 발명의 초경 팁 제조방법에 의하면, 날끝층으로부터 접합층에 이르는 WC 대 Co의 비율은 실질적으로 동일하며, WC와는 공정조직을 형성하지 않거나 또는 WC-Co계 초경합금의 공정점 이상의 WC의 공정점을 가짐과 더불어 WC-Co계 초경합금의 액상소결온도 이상의 융점을 가지는 결합금속의 함유량이 날끝층으로부터 접합층에 걸쳐서 증가하는 경사조성을 가지는 초경 팁을 제조할 수 있다. 따라서, 날끝측에서는 경도가 높아 내마모성을 갖추고, 접합층에서는 경도가 낮아 인성을 갖추고 있는 초경 팁을 제공할 수 있다. 그 결과, 초경 팁을 납땜 또는 용접 등의 수단에 의해 절삭공구나 절단공구 본체에 접합할 때 및 그 공구의 사용중에 있어서, 성분이 상이한 초경 팁과 공구본체와의 사이에서의 열팽창률의 차이에 의한 잔류응력이 초경 팁과 절삭공구나 절단공구 본체와의 사이에 생기더라도, 그 잔류응력을 인성을 갖춘 접합층에서 흡수하는 것에 의해, 접합시 또는 사용시에 초경 팁이 파손 또는 박리하는 일이 없다.
본 발명은 상기와 같이 구성되어 있으므로, 날끝측은 내마모성을 갖추고, 접합층은 인성을 갖추고 있는 초경 팁 및 그의 초경 팁을 절삭공구나 절단공구 본체에 접합할 때 및 그 공구의 사용 중에, 공구 날끝의 재료인 초경 팁이 파손 또는 박리하지 않도록 할 수 있는 저비용으로 간단한 초경 팁의 제조방법을 제공할 수가 있다.
도 1은 본 발명의 초경 팁의 제1실시예를 절삭날 팁으로서 선단에 접합한 드릴 비트의 일부를 생략한 주요부의 정면도이다.
도 2는 초경 팁 성형 몰드 및 가압 적층 압분체의 일례의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 초경 팁의 제1실시예로서의 드릴 비트용 절삭날 팁의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예의 절삭날 팁의 각 층의 두께를 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예의 절삭날 팁의 날끝측으로부터 접합측에 이르는 성분원소의 농도분포를 나타내는 도면이다.
도 6의 (a) 내지 (f)는 본 발명의 제1실시예의 절삭날 팁의 주 칼날의 저면으로부터 날끝에 이르는 외주 각 부분의 현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 제1실시예의 절삭날 팁의 주 칼날의 저면으로부터 날끝에 이르는 외주 각 부분의 Co농도(중량%)와 Ni농도(중량%)와 로크웰(Rockwell) 경도(HRA)를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예의 절삭날 팁의 각 층의 두께를 나타내는 개략도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예의 절삭날 팁의 날끝측으로부터 접합측에 이르는 성분원소의 농도분포를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예의 절삭날 팁의 주 칼날의 저면으로부터 날끝에 이르는 외주 각 부분의 Co농도(중량%)와 Ni농도(중량%)를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예의 절삭날 팁의 각 층의 두께를 나타내는 개략도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예의 절삭날 팁의 날끝측으로부터 접합측에 이르는 성분원소의 농도분포를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예의 절삭날 팁의 주 칼날의 저면으로부터 날끝에 이르는 외주 각 부분의 Co농도(중량%)와 Ni농도(중량%)를 나타내는 도면이다.
도 14는 초경 팁 성형 몰드 및 가압 적층 압분체의 다른 예의 개략도면이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예의 절삭날 팁의 각층의 두께를 나타내는 개략도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예의 절삭날 팁의 주 칼날 외주의 저면에 가까운 부분과 날끝에 가까운 부분의 Co농도(중량%)와 Cr농도(중량%)를 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예의 절삭날 팁의 날끝측으로부터 접합측에 이르는 성분 원소의 농도분포를 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예의 절삭날 팁의 날끝측의 현미경 사진이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예의 절삭날 팁의 접합측의 현미경 사진이다.
도 20의 (a)는 본 발명의 초경 팁의 제1실시예를 절삭날 팁으로서 선단에 접합한 드릴 비트의 10시간 사용 후의 상태를 나타내는 사진이고, 도 20의 (b)는 비교예의 초경 팁을 절삭날 팁으로서 선단에 접합한 드릴 비트의 10시간 사용 후의 상태를 나타내는 사진이다.
도 21은 본 명세서에 있어서의 평균 입경을 설명하는 도면이다.
도 22는 W-C-Co 3원소계의 상태도이다.
도 23의 (a) ~ (c)는 종래의 굴삭용 비트의 제조 방법에 있어서의 비트 머리부의 소결공정을 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 성형 몰드
2 : 상부 펀치
3 : 하부 펀치
4 : 다이
5 : 날끝층
6 : 제1중간층
7 : 제2중간층
8 : 접합층
9 : 절삭날 팁
10 : 날끝측
11 : 접합측
12 : 주(主) 칼날
13 : 부(副) 칼날
14 : 비트 본체
이하에서는 본 발명을 실시하기 위한 가장 바람직한 실시예에 대하여 설명하지만, 본 발명은 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 범위를 일탈하지 않는 범위에서 적절한 변경이나 수정이 가능하다.
(제1실시예)
날끝층 형성용으로서, 평균입경 0.2㎛의 WC분말 85중량%와 평균입경 1.25㎛의 Co분말 15중량%를 균일하게 혼합하고, 이 혼합분말을 도 2에 나타낸 바와 같이, 상부 펀치(2)와 하부 펀치(3)와 다이(4)로 이루어지는 성형 몰드(1)에 삽입하여 날끝층(5)을 얻었다. 다음으로, 상기 날끝층(5) 상에, 전술한 WC분말 85중량부 및 전술한 Co분말 15중량부로 이루어지는 WC-Co분말 98중량%와 평균입경 5.0㎛의 Ni분말 2중량%를 균일하게 혼합한 혼합분말을 적층하여 제1중간층(6)을 얻었다. 그리고 상기 제1중간층(6) 상에, 전술한 WC분말 85중량부 및 Co분말 15중량부로 이루어지는 WC-Co분말 95중량%와 전술한 Ni분말 5중량%를 균일하게 혼합한 혼합분말을 적층하여 제2중간층(7)을 얻었다. 또한, 상기 제2중간층(7) 상에, 전술한 WC분말 85중량부 및 Co분말 15중량부로 이루어지는 WC-Co분말 92중량%와 전술한 Ni분말 8중량%를 균일하게 혼합한 혼합분말을 적층하여 접합층(8)을 얻고, 상기 상부 펀치(2)로 가압하는 것에 의해, 높이 방향으로 조성이 경사진 가압 적층 압분체(加壓積層壓粉體)를 제조하였다. 본 제1실시예 및 후술하는 각 실시예에서, 분말의 평균입경이란, 도 21에 나타낸 바와 같이, 횡축에 각 분말의 최대지름을 취하고, 종축에 수량을 취한 경우에 있어서, 가장 수량이 많은 분말의 입경을 말한다. 제1실시예에서는, 날끝층 위에 제1중간층, 제2중간층 및 접합층을 적층하여 높이 방향으로 조성이 경사진 가압 적층 압분체를 제조하였으나, 이의 역순, 즉, 접합층 위에 제2중간층, 제1중간층 및 날끝층을 적층하여 높이방향으로 조성이 경사진 가압 적층 압분체를 제조하기도 한다.
다음으로, 상기 가압 적층 압분체를 도시하지 않은 진공 가열로에 삽입하고, 그 진공 가열로 내부를 200Pa의 압력으로 감압함과 동시에 1,400℃로 가열하여, 1,400℃에서 40분간, 이른바 '진공소결'을 행하였다. 또한, 이 경우의 가열은 재료의 산화를 방지하기 위하여 N2 가스 분위기 하에서 행하였다.
이상의 진공소결의 결과, 도 3에 나타낸 바와 같은 절삭날 팁(9)을 얻었다. 도 4는, 상기와 같이 하여 얻은 절삭날 팁(9)의 각 층의 두께를 나타내는 개략도이다.
도 5는, 도 3에 나타낸 절삭날 팁(9)의 예리한 정점(날끝측)(10)으로부터 저면(접합측)(11)에 이르는 부분의 성분원소의 농도분포를 주사전자현미경으로 측정한 결과를 나타내는 도면이다. WC는 접합측으로부터 날끝측에 걸쳐서 근소하게 증가하고 있으나, WC 대 Co의 비율은 날끝측으로부터 접합측에 걸쳐서 거의 동일하고, Ni은 날끝측으로부터 접합측에 걸쳐서 증가하는 경사조성(傾斜組成)을 보이고 있다.
도 6의 (a)는 도 3에 나타낸 절삭날 팁(9)의 주 칼날(12)의 날끝(도 7의 (f) 참조)의 4,000배 현미경 사진이고, 도 6의 (b)는 주 칼날(9)의 저면으로부터 8mm 위쪽(도 7의 (e) 참조)의 4,000배 현미경 사진이고, 도 6의 (c)는 주 칼날(9)의 저면으로부터 6mm 위쪽(도 7의 (d) 참조)의 4,000배 현미경 사진이고, 도 6의 (d)는 주 칼날(9)의 저면으로부터 4mm 위쪽(도 7의 (c) 참조)의 4,000배 현미경 사진이고, 도 6의 (e)는 주 칼날(9)의 저면으로부터 2mm 위쪽(도 7의 (b) 참조)의 4,000 배 현미경 사진이며, 도 6의 (f)는 절삭날 팁(9)의 저면으로부터 8mm 위쪽(도 7의 (a) 참조)의 4,000배 현미경 사진이다. 도 6의 (a) ~ (f)의 현미경 사진에 나타난 바와 같이, 조대(粗大)한 개재물은 없고 미세하고 양호한 소결조직을 보이고 있다.
도 7은, 도 3에 나타낸 절삭날 팁(9)의 주 칼날(12)의 저면으로부터 날끝에 이르는 외주 각 부분(a ~ f)의 Co농도(중량%)와 Ni농도(중량%)와 로크웰 경도(HRA)를 나타낸다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 결합금속(Co 및 Ni)의 양이 적은 날끝측이 경(硬)하고, 결합금속(Co 및 Ni)의 양이 많은 저면(접합측)에서 연(軟)하게 되어 있어, 절삭날 팁에 요구되는 절삭기능에 적합한 경도분포를 보이고 있다.
(제2실시예)
제1실시예와 동일한 배합으로 날끝층으로부터 제1중간층 및 제2중간층을 지나서 접합층에 이르는 4층으로 이루어지는 가압 적층 압분체를 제1실시예와 동일한 조건으로 제조하였다. 다음으로, 상기한 가압 적층 압분체를 도시하지 않은 진공 가열로에 삽입하고, 그 진공 가열로 내부를 200Pa의 압력으로 감압함과 더불어 1,470℃로 가열하여, 1,470℃에서 40분간, 이른바 진공소결을 행하였다. 또한, 이 경우의 가열은 재료의 산화를 방지하기 위하여 N2 가스 분위기 하에서 행하였다.
이상의 진공소결의 결과, 도 3에 나타낸 바와 같은 절삭날 팁(9)을 얻었다. 도 8은, 상기와 같이 하여 얻은 절삭날 팁(9)의 각 층의 두께를 나타내는 개략도이다.
도 9는, 상기와 같이 하여 얻은 절삭날 팁의 예리한 정점(날끝측)으로부터 저면(접합측)에 이르는 부분의 성분원소의 농도분포를 주사전자현미경으로 측정한 결과를 나타내는 도면이다. Ni은 날끝측으로부터 접합측에 걸쳐서 증가하는 경사조성을 보이고 있으나, 절삭날 팁의 주 칼날 저면으로부터 날끝에 이르는 외주 각 부분(n ~ r)의 Co농도(중량%)와 Ni농도(중량%)를 표시하는 도 10에 나타낸 바와 같이, 날끝의 Ni농도(중량%)는 0.5중량% 이상도 있다.
이와 같이, Ni의 융점을 초과하는 온도에서 소결하는 것에 의해 Ni의 날끝측으로의 확산이 진행되어, 날끝측의 경도가 저하하는 경향인 것을 알 수 있다.
(제3실시예)
날끝층 형성용으로서, 평균입경 0.9㎛의 WC분말 90중량%와 평균입경 1.25㎛의 Co분말 10중량%를 균일하게 혼합하고, 이 혼합분말을 도 2에 나타낸 바와 같이, 상부 펀치(2)와 하부 펀치(3)와 다이(4)로 이루어지는 성형 몰드(1)에 삽입하여 날끝층(5)을 얻었다. 다음으로, 상기 날끝층(5) 상에, 전술한 WC분말 90중량부 및 전술한 Co분말 10중량부로 이루어지는 WC-Co분말 95중량%와 평균입경 5.0㎛의 Ni분말 5중량%를 균일하게 혼합한 혼합분말을 적층하여 제1중간층(6)을 얻었다. 그리고 상기 제1중간층(6) 상에, 전술한 WC분말 90중량부 및 Co분말 10중량부로 이루어지는 WC-Co분말 90중량%와 전술한 Ni분말 10중량%를 균일하게 혼합한 혼합분말을 적층하여 제2중간층(7)을 얻었다. 또한, 상기 제2중간층(7) 상에, 전술한 WC분말 90중량부 및 Co분말 10중량부로 이루어지는 WC-Co분말 85중량%와 전술한 Ni분말 15중량% 를 균일하게 혼합한 혼합분말을 적층하여 접합층(8)을 얻고, 상기 상부 펀치(2)로 가압하는 것에 의해, 높이 방향으로 조성이 경사진 가압 적층 압분체를 제조하였다.
다음으로, 상기 가압 적층 압분체를 도시하지 않은 진공 가열로에 삽입하고, 그 진공 가열로 내부를 200Pa의 압력으로 감압함과 동시에 1,550℃로 가열하여, 1,550℃에서 40분간, 이른바 진공소결을 행하였다. 또한, 이 경우의 가열은 재료의 산화를 방지하기 위하여 N2 가스 분위기 하에서 행하였다.
이상의 진공소결 결과, 도 3에 나타낸 바와 같은 절삭날 팁(9)을 얻었다. 도 11은 상기와 같이 하여 얻은 절삭날 팁(9)의 각 층의 두께를 나타내는 개략도이다.
도 12는, 상기와 같이 하여 얻은 절삭날 팁의 예리한 정점(날끝측)으로부터 저면(접합측)에 이르는 부분의 성분원소의 농도분포를 주사전자현미경으로 측정한 결과를 나타내는 도면이다. 또한, 다음의 [표 1]은, 절삭날 팁(6)의 주 칼날의 외주 각 부분에서의 저면으로부터의 거리와, 그 각 부분에서의 Co농도(중량%)와 Ni농도(중량%)와 로크웰 경도(HRA)를 나타내고, 도 13은 [표 1] 중의 Co농도(중량%)와 Ni농도(중량%)를 발췌하여 나타내는 도면이다.
도 12에 나타낸 바와 같이, Ni은 날끝측으로부터 접합측에 걸쳐서 증가하는 경사조성을 보이고 있으나, [표 1]에 나타낸 바와 같이, 저면으로부터의 거리가 11mm인 곳(날끝에 극히 가까운 부분, 도 13 참조)에서도 Ni은 1.5중량% 이상도 있어, Ni의 날끝측으로의 확산이 진행되고 있는 것을 알 수 있다.
저면으로부터의 거리(mm) 함유량[wt.%] 경도[HRA]
Co Ni 합계
0.1 6.028 8.424 14.452 86.3
1 6.376 8.416 14.792 85.9
2 6.906 7.913 14.819 85.7
3 8.085 7.837 15.922 85.8
4 8.565 6.362 14.927 86.1
5 8.338 4.760 13.098 86.8
6 9.945 4.204 14.149 86.7
7 9.746 3.155 12.901 87.0
8 9.517 2.383 11.900 87.8
9 9.955 1.969 11.924 87.8
10 9.799 1.757 11.556 87.5
11 9.184 1.558 10.742 87.9
이와 같이, Ni의 융점을 초과하는 온도에서 소결하는 것에 의해 Ni의 날끝측으로의 확산이 진행되어, 날끝측의 경도가 저하하는 경항이 있는 것을 알 수 있다.
(제4실시예)
날끝층 형성용으로서, 평균입경 0.9㎛의 WC분말 92중량%와 평균입경 1.25㎛의 Co분말 8중량%를 균일하게 혼합하고, 이 혼합분말을 도 14에 나타낸 바와 같이, 상부 펀치(2)와 하부 펀치(3)와 다이(4)로 이루어지는 성형 몰드(1)에 삽입하여 날끝층(5)을 얻었다. 다음으로, 상기 날끝층(5) 상에, 전술한 WC분말 92중량부 및 전술한 Co분말 8중량부로 이루어지는 WC-Co분말 95중량%와 평균입경 10.0㎛의 Cr분말 5중량%를 균일하게 혼합한 혼합분말을 적층하여 접합층(8)을 얻고, 상기 상부 펀치(2)로 가압하는 것에 의해, 높이 방향으로 조성이 경사진 가압 적층 압분체를 제조하였다.
다음으로, 상기 가압 적층 압분체를 도시하지 않은 진공 가열로에 삽입하고, 그 진공 가열로 내부를 200Pa의 압력으로 감압함과 동시에 1,400℃로 가열하여, 1,400℃에서 40분간, 이른바 진공소결을 행하였다. 또한, 이 경우의 가열은 재료의 산화를 방지하기 위하여 N2 가스 분위기 하에서 행하였다.
이상의 진공소결 결과, 도 3에 나타낸 바와 같은 절삭날 팁(9)을 얻었다. 도 15는 상기와 같이 하여 얻은 절삭날 팁(9)의 각 층의 두께를 나타내는 개략도이다. 도 16은 상기와 같이 하여 얻은 절삭날 팁의 주 칼날의 외주 저면에 가까운 부분과 날끝에 가까운 부분의 Co농도(중량%)와 Cr농도(중량%)를 나타내고 있다.
도 17은 상기와 같이 하여 얻은 절삭날 팁의 예리한 정점(날끝측)으로부터 저면(접합측)에 이르는 부분의 성분원소의 농도분포를 주사전자현미경으로 측정한 결과를 나타내는 도면이다. WC는 접합측으로부터 날끝측에 걸쳐서 거의 변화되지 않고, Cr은 날끝측으로부터 접합측에 걸쳐서 증가하는 경사조성을 나타내고 있으나, Co의 비율은 날끝측으로부터 접합측에 걸쳐서 크게 변화하고 있다.
도 18은, 상기와 같이 하여 얻은 절삭날 팁의 날끝측의 4,000배의 현미경 사진이고, 도 19는 절삭날 팁의 접합측의 4,000배 현미경 사진이다. 도 19에 나타낸 접합측의 조직은 도 18에 나타낸 날끝측의 조직에 비하여 미세화되어 있는 것을 알 수 있다. 이러한 현미경 사진에 대응하는 날끝측의 Co+Cr의 합계량(도 16 참조, 8.527중량%)보다 접합측의 Co+Cr의 합계량(도 16 참조, 11.338중량%) 쪽이 많음에도 불구하고, 날끝측의 로크웰 경도(HRA)는 90.6인 것에 대해 접합측의 로크웰 경도(HRA)는 측정계기의 상한인 92.0을 나타내었기 때문에, 실제 결합측의 로크웰 경도(HRA)는 92.0 이상인 것으로 생각된다. 이와 같이, Cr을 결합금속으로서 첨가하더라도 조성은 경사지지만, 소결에 의해 조직은 미세화하여 경도가 상승하는 경향이 있는 것을 알 수 있다.
(제5실시예)
도 1은 상기와 같이 하여 얻은 절삭날 팁(9)을 비트 본체(14)에 대하여 저항용접에 의해 접합한 드릴 비트의 일부를 생략한 주요부 정면도이다.
(제6실시예)
도 20의 (a)는, 제1실시예에 의해 얻은 절삭날 팁(9)을 크롬ㆍ몰리브덴 강으로 이루어지는 드릴 비트 본체(14)에 저항용접에 의해 접합하여, 10시간 콘크리트의 천공에 사용한 후의 접합부의 상태를 포함하는 확대도로서, 접합시는 물론, 10시간 사용 후에도 접합부는 파손되지 않은 것을 알 수 있다.
도 20의 (b)는, 비교예의 절삭날 팁을 드릴 비트 본체에 접합하여, 콘크리트의 천공에 사용한 경우의 예를 나타내는 도면이다. 즉, 본 비교예의 절삭날 팁은, 평균입경 0.2㎛의 WC분말 85중량%와 평균입경 1.25㎛의 Co분말 15중량%를 균일하게 혼합한 혼합분말을 도 2에 나타낸 바와 같은 단면상태의 성형 몰드(1)에 삽입하여, 상기와 동일한 방법에 의해 가압 압분체를 얻고, 이 가압 압분체를 도시하지 않은 진공 가열로에 삽입하고, 그 진공 가열로(N2 가스 분위기) 내부를 200Pa의 압력으로 감압함과 더불어 1,400℃로 가열하여, 1,400℃에서 40분간 진공소결을 행하는 것에 의해 얻은 것이다.
그리고 상기 비교예의 절삭날 팁(9a)을 크롬ㆍ몰리브덴 강으로 이루어지는 드릴 비트 본체(14a)에 저항용접에 의해 접합하여, 콘크리트의 천공에 사용하면, 접합시는 파손되지 않았으나, 천공 개시로부터 3시간 후에, 도 20의 (b)에 나타난 바와 같이, 절삭팁(9a)은 드릴 비트 본체(14a)로부터 떨어져 나갔다. 본 비교예의 절삭날 팁은 조성이 경사지지 않고, 날끝측으로부터 접합측에 걸쳐서 거의 균일한 단층(單層)으로 이루어져, 접합측이 인성을 갖추고 있지 않기 때문에, 성분이 상이한 절삭날 팁과 드릴 비트 본체와의 사이에서의 열팽창률의 차이에 의해 발생하는 복잡한 잔류응력에 의해 절삭날 팁이 떨어지기 때문이다.
본 발명의 초경 팁은, 드릴 비트, 또는, 팁-소, 예초기, 쇠톱 등, 각종의 절삭공구나 각종의 절단공구의 날끝 재료로서 매우 적합하다.

Claims (2)

  1. WC-Co계 초경합금 블록체로 이루어지는 초경 팁에 있어서,
    초경 팁을 구성하는 초경합금의 조성은, WC 대 Co의 배합비율이 날끝측으로부터 접합측에 걸쳐서 실질적으로 동일하고, WC와는 공정조직을 형성하지 않거나 또는 WC-Co계 초경합금의 공정점 이상의 WC와의 공정점을 가지면서 WC-Co계 초경합금의 액상소결온도 이상의 융점을 가지는 결합금속의 함유량이 날끝측으로부터 접합측에 걸쳐서 증가하는 경사조성을 가지는 것을 특징으로 하는 초경 팁.
  2. 날끝측의 날끝층으로부터 1층 또는 2층 이상의 중간층을 지나 접합측의 접합층에 이르는 각 층의 WC 대 Co의 배합비율이 실질적으로 동일하며, WC와는 공정조직을 형성하지 않거나 또는 WC-Co계 초경합금의 공정점 이상의 WC와의 공정점을 가지면서 WC-Co계 초경합금의 액상소결온도 이상의 융점을 가지는 결합금속의 함유량이 날끝층으로부터 접합층에 걸쳐서 증가하는 경사조성을 가지는 초경 팁의 제조 방법에 있어서,
    소정 배합비율의 WC 대 Co 및 가장 함유량이 적은 결합금속으로 이루어지는 배합의 날끝층 형성용 초경합금 분말을 초경 팁용 성형 몰드에 넣고, 다음으로 소정 배합비율의 WC 대 Co 및 날끝층에 비해 함유량이 순차적으로 증가하는 결합금속으로 이루어지는 배합의 1층 또는 2층 이상의 중간층 형성용 초경합금분말을 초경 팁용 성형 몰드 안의 날끝층 상에 적층하고, 아울러 소정 배합비율의 WC 대 Co 및 가장 함유량이 많은 결합금속으로 이루어지는 배합의 접합층 형성용 초경합금분말을 초경 팁용 성형 몰드 안의 중간층 상에 적층하여 가압하는 것에 의해 압분체를 얻고, 상기 압분체를 가열로에 삽입하여 감압 분위기 하에서 결합금속의 융점 이하의 온도에서 소결하는 것에 의해 초경 팁을 제조하는 것을 특징으로 하는 초경 팁의 제조 방법.
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