KR20100091348A - ＷＣ-Ｆｅ계 초경합금 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

기공이 없고 WC가 균일하게 분포됨으로써 우수한 기계적 성질과 내마모성을 가지며 탄소강과의 접합성이 우수한 WC-Fe계 초경합금 및 그 제조방법을 제공한다.

이를 위해, 본 발명의 WC-Fe계 초경합금 제조방법은, Fe 5 내지 40중량%, 상기 Fe와 고용체를 형성하는 원소 1 내지 10중량%, 그리고 다른 소재와의 접합부위의 젖음성을 향상시키는 물질 0.1 내지 3중량%, 및 잔부가 WC로 이루어지는 원료를 혼합하는 단계; 상기 혼합이 완료된 원재료를 건조시키는 단계; 상기 건조된 원재료를 성형체로 성형하는 단계; 상기 성형체를 소결하는 소결단계; 및 상기 소결된 합금을 냉각하는 단계를 포함한다.

본 발명에 의하면 WC에 바인더로 사용된 Fe는 기존의 Co나 Ni보다 가격이 매우 저렴하여 초경합금의 제조원가를 획기적으로 낮출 수 있다.

WC-Fe, 초경합금, 소결, 경도, 파괴인성

Description

ＷＣ-Ｆｅ계 초경합금 및 그 제조방법{WC-Fe BASED HARD MATERIALS AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 초경합금에 관한 것이며, 더욱 상세히는 WC-Fe 기지에, 소결온도를 낮추고 다른 소재와의 접합성을 향상시키기 위해서 소량의 제3원소 또는 화합물을 첨가한 WC-Fe계 초경합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

초경합금이란 경도가 매우 높은 WC가 인성이 좋은 Co나 Ni에 분산된 형태의 재료이다. 따라서 경도와 동시에 인성이 좋기 때문에 현재 절삭공구, 인발다이, 노즐 및 금형에 활용되고 있다.

일반적으로 초경합금의 제조방법은 WC와 바인더를 혼합한 후 성형하고 소결하는데, 바인더로 첨가되는 Co나 Ni량에 따라서 소결온도 차이가 있지만 보통 1300⁰C이상의 온도에서 1시간 동안 가열해서 치밀한 초경합금를 제조한다. 그런데, 이때 소결온도가 높기 때문에 가열 중 WC결정립이 성장하게 된다. 따라서 금속 탄화물의 입자가 커져서 기계적 성질이 나쁘게 되며, 탄소강과 직접 접합이 어려운 문제가 있다. 또한 바인더로 사용하는 Co나 Ni은 고가이기 때문에 가격이 싼 새로 운 바인더가 필요하다.

본 발명은 이러한 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로서, WC에 바인더로 값이 매우 싼 Fe를 사용하고, 소결온도를 낮추면서 동시에 탄소강과 접합이 용이하도록 Fe에 고용할 수 있는 특정 금속 및 화합물을 첨가해서 소결하는 초경합금을 제공하여, 결정립 성장이 제한되면서 기계적 성질은 우수하며 탄소강과 접합이 용이한 저가용 초경합금 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 아래 조성의 WC-Fe계 초경합금을 제공한다.

Fe 5 내지 40중량%, 상기 Fe와 고용체를 형성하는 원소 1 내지 10중량%, 그리고 다른 소재와의 접합부위의 젖음성을 향상시키는 물질 0.1 내지 3중량%, 그리고 잔부가 WC로 이루어지는 것을 특징으로 하는 WC-Fe계 초경합금.

Fe와 고용체를 형성하는 원소는 Si, Ni 및 Cr로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상이다. 또 젖음성을 향상시키는 원소는 B, C, B₄C 및 B₂O₃로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상이다.

상기 입자 성장 억제를 위한 화합물로서는 Cr₃C₂ 및/또는 VC가 더 첨가되며, 첨가량은 0.5 내지 2 중량%이다.

또 본 발명에서는 아래 단계로 이루어지는 WC-Fe계 초경합금의 제조방법을 제공한다.

Fe 5 내지 40중량%, 상기 Fe와 고용체를 형성하는 원소 1 내지 10중량%, 그리고 다른 소재와의 접합부위의 젖음성을 향상시키는 물질 0.1 내지 3중량%, 및 잔부가 WC로 이루어지는 원료를 혼합하는 단계;

상기 혼합이 완료된 원재료를 건조시키는 단계;

상기 건조된 원재료를 성형체로 성형하는 단계;

상기 성형체를 소결하는 소결단계; 및

소결된 합금을 냉각하는 단계.

이때 Fe와 고용체를 형성하는 원소로서 Ni, Cr, Si, B, C, B₄C 중 적어도 하나 이상의 성분을 첨가하는 것이 바람직하다.

혼합 단계에서 WC 분말은 입자가 크면 기계적 성질과 균일혼합에 나쁜 영향을 주기 때문에, 0.1 내지 10㎛가 바람직하다. 반면 입자가 작으면 가격이 비싸다. 더욱 바람직한 WC 입자크기는 0.1 내지 2㎛ 이하이다.

가압성형단계는 10∼1000㎫ 압력에서 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 압력 범위가 10㎫ 미만일 경우에는 시편을 충분히 성형할 수 없는 문제점이 있으며, 1000㎫를 초과할 경우에는 성형 장치제작 비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.

또한, 소결단계는 1000∼1200℃ 온도에서 1시간 가열하는 것이 바람직하며, 소결을 위한 가열속도는 1∼1000℃/분이 바람직하다. 가열속도가 1℃/min 미만일 경우에는 소결하는 시간이 많이 걸려서 결정립이 성장하는 문제점이 발생할 수 있고, 1000℃/min을 초과할 경우에는 가열속도가 너무 빨라서 시편에 열 응력이 발생하는 문제점이 있기 때문이다.

냉각 단계는 10∼1000℃의 속도로 이루어지는 것이 바람직하다. 본 발명의 WC-Fe계 초경합금를 상온으로 냉각하는 단계는 통상의 방법에 따라 실시할 수 있다.

그리고 초경합금 제조는 진공상태에서 실시하는 것이 좋다. 진공도는 재료에 따라 다를 수 있으나, 0.001∼1torr로 유지하는 것이 좋다. 0.001torr보다 진공도를 높이면 산화억제로 양호한 소결 재료를 얻을 수 있지만 제조 시간이 많이 걸리고 장치 비용이 많이 들기 때문에 그 이상 높일 필요는 없다. 금속 산화를 억제하기 위한 바람직한 진공도는 0.01torr다.

본 발명에 따른 WC-Fe계 초경합금 제조 방법에 의하면, 기존의 성형 및 소결 장치로 가능하며, 그 결과 종래에 비해 가격이 싸고, 낮은 온도에서 소결이 가능하고, 다른 재료와 접합성이 우수한 초경합금를 제조할 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 통하여 보다 상세히 설명한다. 본 실시예는 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 발명을 한정하고자 하는 것은 아니다.

먼저 입자크기가 0.8㎛인 텅스텐 카바이드, 10㎛ 미만의 철, 7.5㎛인 실리 콘, 1.0㎛인 보론카바이드 원료분말 15g을 에탄올을 이용하여 24시간 동안 습식 밀링하였다. 이 혼합 분말을 공구강 다이에 충전한 후, 80㎫의 기계적 압력을 가해 성형 하였다.

성형한 시편을 가열로 안에 넣고 진공펌프로 0.01 torr의 진공상태를 만든 후, 5℃/min로 가열하여 1170℃에서 1 시간동안 가열 후 상온으로 로냉하여 최종적으로 치밀한 WC-Fe계 초경합금를 수득하였다.

상기 실시예1에서 텅스텐 카바이드, 철, 실리콘, 및 보론 카바이드 원료분말을 혼합한 후, 소결한 시편의 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진, 및 XRD(X-ray diffraction) 패턴을 각각 도 1과 도 2에 나타내었다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따라 혼합한 원료분말(a) 및 소결된 시편(b)의 X-선 회절 그래프이고, 도 2는 (a)혼합한 원료분말 및 (b)가열 소결 후의 SEM 사진이다. 도 1에서 혼합한 원료분말이나 소결한 시편의 X-선 회절도형에서 WC와 Fe피크만 관찰되고 실리콘이나 보론 카바이드는 양이 적아서 관찰되지 않았다. 또 도 2에서 혼합 후 기공이 많은 미세한 텅스텐 카바이드, 철, 실리콘, 보론 카바이드가 분산되었으나, 가열 소결 후에는 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이 기공이 거의 없는 치밀한 텅스텐 카바이드-철 상이 얻어졌으며, 이로부터 소결이 완료되었음을 알 수 있다.

X-선 회절 피크의 반가폭으로부터 결정립의 크기가 약 1㎛로서, 소결에 의해 원하는 치밀한 WC-Fe계 초경합금이 얻어졌음을 확인할 수 있었다. 이 소결재료의 경도(HRB)와 항절력은 각각 90과 97 Kg/mm²이었다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만 본 발명은 특정 실시예에 한정되지 않고, 당업자라면 다양한 변형예를 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 사상 범위는 특정 실시예가 아니라 첨부된 특허청구범위에 의해 정해지는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따라 혼합한 원료분말(a) 및 소결된 시편(b)의 X-선 회절 그래프이다.

도 2는 (a)혼합한 원료분말 및 (b)가열 소결 후의 SEM 사진이다.

Claims (11)

1. Fe 5 내지 40중량%, 상기 Fe와 고용체를 형성하는 원소 1 내지 10중량%, 그리고 다른 소재와의 접합부위의 젖음성을 향상시키는 물질 0.1 내지 3중량%, 그리고 잔부가 WC로 이루어지는 것을 특징으로 하는 WC-Fe계 초경합금.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 Fe와 고용체를 형성하는 원소가 Si, Ni 및 Cr로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 WC-Fe계 초경합금.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 젖음성을 향상시키는 원소가 B, C, B₄C 및 B₂O₃로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 WC-Fe계 초경합금.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 입자 성장 억제를 위한 화합물로서 Cr₃C₂ 및 VC로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상이 더 첨가되는 것을 특징으로 하는 WC-Fe계 초경합금.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 입자 성장 억제를 위한 화합물이 0.5 내지 2 중량% 로 첨가되는 것을 특징으로 하는 WC-Fe계 초경합금.
6. Fe 5 내지 40중량%, 상기 Fe와 고용체를 형성하는 원소 1 내지 10중량%, 그리고 다른 소재와의 접합부위의 젖음성을 향상시키는 물질 0.1 내지 3중량%, 및 잔부가 WC로 이루어지는 원료를 혼합하는 단계;

   상기 혼합이 완료된 원재료를 건조시키는 단계;

   상기 건조된 원재료를 성형체로 성형하는 단계;

   상기 성형체를 소결하는 소결단계; 및

   소결된 합금을 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 WC-Fe계 초경합금의 제조방법.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 Fe와 고용체를 형성하는 원소가 Si, Ni 및 Cr로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 WC-Fe계 초경합금의 제조방법.
8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서, 상기 젖음성을 향상시키는 원소가 B, C, B₄C 및 B₂O₃로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 WC-Fe계 초경합금의 제조방법.
9. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서, 상기 입자 성장 억제를 위한 화합물로서 Cr₃C₂ 및 VC로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 이상이 더 첨가되는 것을 특징으로 하는 WC-Fe계 초경합금의 제조방법.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 입자 성장 억제를 위한 화합물이 0.5 내지 2 중량%로 첨가되는 것을 특징으로 하는 WC-Fe 계 초경합금.
11. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서, 상기 WC 분말의 크기가 0.1 내지 10㎛인 것을 특징으로 하는 WC-Fe계 초경합금의 제조방법.

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