KR20120069626A - 절삭 공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로된 결합제 상 (binder phase) 및 텅스텐 카바이드를 함유하는 금속 기계 가공 장치용 절삭 공구 인서트에 관한 것이다. 인서트는 X 레이의 회절 패턴에서 피크비 (peak ratio) W₂C (101)/W (110) 이 0.3 보다 작게 되는 양으로 W₂C 을 추가로 함유한다. 이러한 특별한 미세 조직은 소결 후의 약 1200℃ 에서 추가적인 열처리에 의해 얻어진다.

Description

절삭 공구{CUTTING TOOL}

본 발명은 우수한 고온 경도와 내 마모성 및 인성을 지니며 결합제 상이 금속 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 되어 있는 금속 기계 가공용 절삭 공구 및 그를 제작하는 방법 그리고 그 용도에 관한 것이다. 본 발명의 절삭 공구는 경화강과 같은 높은 경도를 지닌 작업 재료의 기계 가공에 특별히 유용하다.

초경 합금은 금속 기계 가공용 절삭 공구 재료로 잘 알려져 있으며 결합제 상 및 경질 상 (hard phase) 의 많은 종류의 합금을 포함하며, 결합제는 주로 코발트로 이루어지고, 경질 상은 주로 WC 를 포함하며, TiC, TaC, NbC 등 또는 그 혼합물과 같은 입방 탄화물을 추가적으로 가질 수 있다. 초경 합금으로 절삭 공구를 제조할 때, 특별히 준비된 파우더를 가압하고 이어서, 코발트가 용융하는 온도에서 소결 한다. 소결된 재료의 인성 및 경도는 코발트 및 경질 상의 양에 따라 폭넓게 변할 수 있다. 실제 사용에서, 재료가 소성 변형 없이 받을 수 있는 온도는 그 재료의 고온 경도에 의해 결정된다.

이는 특히 세라믹과 CBN 및 다이아몬드와 같은 더욱 배타적인 재료의 사용이 필요한 금속 절삭 분야에서 심각한 제한 요인이 될 수 있다.

*고온 경도를 향상시키기 위한 명백한 방법은 코발트 대신에 고용융점의 금속을 사용하는 것이다. 그러나, 이러한 방법은 결합제 상을 용융시키기 위해서 매우 높은 온도로 소결해야 하며 그에 따라 대량 생산에는 적합하지 않다는 새로운 문제를 일으킨다.

GB 504 522 에는 Co 와 Si 및 B 그리고 WC 를 추가로 함유하며 W 또는 Mo 으로 이루어진 합금을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 소결은 W 의 용융점 아래의 온도에서 수행된다. 15 ~ 35 % 의 W 로 구성되는 상기 특허의 혼합물은 15 분 동안 1750℃ ~ 1900℃ 의 온도에서 16.5 MPa 의 압력을 받는다. 이러한 공정으로 결합제로서 금속성 W 를 지닌 합금이 생산된다고 주장한다.

GB 503 397 은 코발트와 실리카 및 붕소와 같은 추가 성분을 지니며 동일한 종류의 결합제 (즉, W 또는 Mo) 로 이루어진 합금의 제조 방법을 개시하고 있는데, 그러나 이러한 경우에 경질 상으로서 TiC 와 MoC 및 TaC 와 같은 입방 탄화물이 사용된다. 이러한 경우에 제안된 압력은 23.4 MPa 이었으며 온도는 2500℃ 이었다.

US 3,507, 631 은 결합제로서 Mo 와 W 와 Rh 또는 그 혼합물을 사용하고 경질 상으로서 다른 질화물로 구성된 재료를 개시한다. 결합제와 질화물의 열 팽창 계수의 비는 2 보다 작아야 하며, 특별한 경우에는 질화물 상의 최대 50 % 는 Ti, Nb, Zr, Ta 의 탄화물과 산화물 및 규산염에 의해 대체될 수 있다. WC 는 경질 상으로서 포함되지 않는다. 제조 시 1800℃ 에서 고온 가압이 실행된다.

SE 8406461-7 에는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Cr, Mo 또는 W 의 산화물, 탄화물 또는 질화물 및 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Cr, Mo 또는 W 중의 1 종 이상의 원소로 된 결합제로 이루어진 합금을 제조하는 상이한 방법들이 개시되어있다. 일 예의 제조 방법은 파우더 가압, 예비 소결, 최종 소결 및 아이소스테틱 (isostatic) 가압을 포함한다. 결합제 상의 양은 적어도 25 부피 %, 많게는 70 부피 % 로 비교적 높다. 또한 금속 절삭성이 상응하는 상용의 초경 합금 등급 보다 약 다섯배 우수하다는 것도 언급되어 있다.

W 의 결합제 상과 18 % 의 WC 를 지닌 합금을 생산하기 위해, 상기 언급된 GB 504 522 에 개시된 발명에 따랐다. 그러나, 상기 특허에서 제안된 공정 조건으로는 실제로 저경도의 취성 재료가 생산됨이 발견되었다. 그러나, 상기 특허에서 제안된 공정 조건에서는 실제로 대부분의 W 가 W₂C 로 전환되는 합금이 생산되는 것이 발견되었다. 이러한 사실은 상기 특허에서는 언급되지 않았으며 그 발명 당시 실험 장비의 제약으로 상기 사실을 발견하지 못했다는 것을 추측할 수 있다.

놀랍게도 만약 제조 공정이 약 1200℃ 에서의 열처리를 포함한다면 경도를 떨어뜨리지 않으면서 인성이 충분히 향상될 수 있다는 것이 발견되었다. W 의 양을 25 부피 % 이상으로 증가시키면 인성의 증가 없이 경도가 낮아지게 되며, 따라서 결합제의 함량은 5 부피 % ~ 25 부피 % 가 된다. 앞선 특허 문헌에서 결합제의 함량을 그렇게 높게 한 이유는, 결합제가 본래 의도했던 금속성 텅스텐으로 있는 것이 아니라 W₂C 로 존재한다는 사실을 알지 못했기 때문일 것이다.

본 발명의 목적은 공극이 없으며 결합제가 금속성 텅스텐 또는 그의 합금으로 된 균질한 합금 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

도 1 은 종래 기술에 따른 합금의 X 레이 회절 패턴을 보여준다. 도 2a 및 2b 는 열처리 이전과 이후의 본 발명에 따른 조성을 지닌 합금의 X 레이 회절 패턴을 보여주며, 식별을 위해 사용된 JCPDS PDF 카드는 WC 카드 번호: 25-1047 (Bind and McCarthy Penn State University, University Park Pennsylvania, USA JCPDS Grant-in-aid report (1973)) 와 W 카드 번호: 04-0806 (Swanson and Tatge JC. Fel. Rep. NBS, (1951)) 및 W₂C 카드 번호: 35-0776 (Nat. Bur. Stand. (US) Monogr. 25, 21, 128 (1984)) 이다. 도 3 은 종래 기술의 재료의 미세 조직을 주사 전자 현미경으로 10000 배 확대한 이미지이다. 도 4 는 본 발명에 따른 재료의 이미지로, 도면에서 A 는 WC 이며 B 는 W₂C 및 C 는 W 이다. 도 5 는 비교 인서트의 마모 패턴을 도시한다. 도 6 은 기계 가공 테스트 후의 본 발명에 따른 인서트의 마모 패턴을 도시한다.

본 발명은 우수한 고온 경도와 내 마모성 및 인성을 지니며 결합제 상이 금속 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 되어 있는 금속 기계 가공용 절삭 공구 및 그를 제작하는 방법 그리고 그 용도에 관한 것이다. 본 발명의 절삭 공구는 경화강과 같은 높은 경도를 지닌 작업 재료의 기계 가공에 특별히 유용하다.

도 1 은 종래 기술에 따른 합금의 X 레이 회절 패턴을 보여주는 도면,
도 2a 및 2b 는 열처리 이전과 이후의 본 발명에 따른 조성을 지닌 합금의 X 레이 회절 패턴을 보여주는 도면,
도 3 은 종래 기술의 재료의 미세 조직을 주사 전자 현미경으로 10000 배 확대한 이미지,
도 4 는 본 발명에 따른 재료의 이미지,
도 5 는 비교 인서트의 마모 패턴의 도면 및,
도 6 은 기계 가공 테스트 후의 본 발명에 따른 인서트의 마모 패턴의 도면.

본 발명에 따라, 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 된 결합제 상 및 텅스텐 카바이드를 함유하는 금속 기계 가공용 절삭 공구 인서트가 제공된다. 인서트의 결합제 함유량은 2-25 부피%, 바람직하게는 5-20 부피% 이며 WC 의 평균 결정립 크기는 5㎛ 보다 작다. 인서트는, X 레이 회절 패턴에서 피크비 W₂C (101)/W(110) 이 0.3 보다 작으며, 바람직하게는 0.2 보다 작고 가장 바람직하게는 0.15 보다 작게 되는 양으로 아래에 설명된 열처리 후에 잔여 성분으로서 W₂C 를 함유할 수 있다. 회절 피크의 높이는 배경을 고려하지 않고 기선으로 부터 측정된다.

일 실시 형태에서 WC 의 평균 결정립 크기는 1-3㎛ 이다.

바람직한 실시 형태에서, WC 의 평균 결정립 크기는 1㎛ 보다 작으며, 1.5㎛ 보다 큰 결정립은 실질적으로 (즉, 1.5㎛ 보다 큰 결정립은 5 % 미만이다) 없다.

다른 실시 형태에서 인서트는 두가지 형태의 WC 결정립 크기 분포를 갖는다.

WC 와는 별도로 인서트는 1400 HV3 보다 큰 실온 경도를 지닌 일 종류 이상의 경질 성분을 포함할 수 있다. 상기 경질 성분의 양은 50 부피 % 미만인 것이 바람직하다. 바람직하게는 상기 경질 성분은 TiC, TaC, NbC 및/또는 VC 및/또는 이들의 혼합 탄화물이다.

인서트에는 본 기술 분야에서 알려진 바와 같이 바람직하게는 4-10 ㎛ Ti (C, N) + 5-13㎛ Al₂O₃ 인 얇은 내마모 코팅이 제공될 수 있다.

또한 본 발명은 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로된 결합제 상 및 텅스텐 카바이드를 함유하는 금속 기계가공용 절삭 공구 인서트의 제작 방법에 관한 것으로, 본 발명의 방법에 따르면 밀링으로 텅스텐 카바이드 및 텅스텐 합금으로 된 분말을 혼합시킨 다음 혼합물을 소결시켜 W₂C 를 함유한 블랭크를 얻고 그 블랭크를 연삭하여 원하는 형상 및 치수의 인서트를 만들게 된다. 재료의 경화는 본 기술 분야에서 알려진 방법에 의해 소결 중에 외부 압력을 가함으로서 향상된다. 본 발명에 따르면, 상기 블랭크는 실질적으로 모든 W₂C 를 W 및 WC 으로 전환시키는데 요구되는 시간 동안 비 활성 분위기 또는 진공에서, 1250℃ 보다 낮은 온도, 바람직하게는 1000℃ 보다 높은 온도에서 열처리를 받게 된다. 대안적으로, 블랭크의 열처리는 동일한 노 또는 다른 노에서 블랭크를 연삭하여 인서트로 만들기 전에 또는 블랭크를 연삭하여 인서트를 얻은 후에 소결 과정 중에 제 2 단계로서 실시된다.

본 발명은 경화강과 같은 높은 경도를 지닌 작업 재료의 기계 가공을 위한 인서트의 용도에 관한 것이다.

예 1 (종래 기술)

18 중량 % 의 W 및 0.25 ㎛ 의 초기 FSSS 결정립 크기를 지닌 나머지 WC 으로된 혼합 분말을 초경 합금재 밀링 본체를 지닌 볼 밀에서 8 시간 동안 습식 밀링 하였다. 건조 후에, 분말은 흑연 다이에서 1800℃ 에서 70 분 동안 30 MPa 의 기계적인 압력을 작용시켜 진공 (p<0.1 mbar) 하에서 열간 가압되어 직경 45mm 이며 높이 5mm 의 디스크로 되었다.

예 2 (본 발명)

예 2 의 디스크의 절반을 8 시간 동안 1200℃ 에서 아르곤 가스에서 열처리 하였다.

예 3 (본 발명)

10 중량 % 의 W 및 0.25 ㎛ 의 초기 FSSS 결정립 크기를 지닌 나머지 WC 으로 된 혼합 분말을 예 1 에 따라 처리하고 예 2 에 따라 열처리 하였다.

예 4

예 1, 2, 3 및 4 에서 얻어진 소재로 부터 연마된 샘플을 준비하여 X 레이 회절 분석 및 주사 현미경으로 분석하였다.

예 1 의 샘플의 X 레이 회절 패턴에서 W₂C 와 WC 및 일부 W 에 대한 피크가 나타났다 (도 1 참조) . 그러나, 예 2 및 3 의 샘플의 회절 패턴에서는, W, WC 과 X 레이 피크비가 W₂C(101)/W(110) 이 0.11 임이 나타났고 (도 2a 참조 (예 3 의 샘플)) 또한 도 2b (예 3 의 샘플) 에서 보듯이 W₂C (101) 이 확대되었다.

예 1 및 예 2 의 샘플의 미세 조직은 10000 배 확대한 도 3 및 도 4 에 도시하였다.

이를 도면에서 A 는 WC

B 는 W₂C 및

C 는 W.

WC 결정립 크기는 인터셉트 방법으로 또한 결정되었으며, 상기 결정립 크기는 예 1 의 샘플의 경우 0.5㎛ 이고 예 2 의 샘플의 경우에는 0.8㎛ 이었다.

경도 외에, 실온에서의 HV3 와 900℃ 에서의 HV1 및 실온에서 K1C (동일 방법에 따라) 이 결정되며, 결과는 다음과 같다.

예 HV3 HV1(900℃) K1C, MPam^{1 /2}

1 2250 - 3.7 종래 기술

2 1789 1260 6.4 본 발명

3 2192 1450 5.1 본 발명

예 5

SNG432 형 인서트를 제작하기 위하여 예 3 을 반복하였다. 약 6㎛ Ti (C, N) 및 약 5㎛ Al₂O₃ 으로 된 내마모 코팅으로 상기 인서트를 피복하였다.

6 중량 % 의 코발트 함량 및 동일한 코팅을 지닌 초경 합금 인서트가 비교용으로 사용되었다.

인서트는 180 m/분의 절삭 속도와 0.1 mm/rev 의 이송 속도 및 0.15 mm 의 절삭 깊이에서 60 HRC 보다 큰 경도를 지닌 볼 베이링 경화강을 기계 가공하는 테스트를 받았다.

도 5 는 3 개 요소를 기계 가공한 후에 비교 인서트의 마모 패턴의 외양을 도시하며 도 6 은 12 개 요소의 기계 가공후에 본 발명에 따른 인서트의 마모 패턴의 외양을 도시한다.

예 6 (본 발명)

10 부피 % 의 W 와 0.25㎛ 의 초기 FSSS 결정립 크기를 지닌 잔부 WC 및 30 부피 % 의 (Ti, W) C 또는 (Nb, W) C 로 이루어진 혼합 분말은 예 1 에 따라 처리하였고 또한 예 2 에 따라 열처리하였으나 이때 열처리 온도는 (Ti, W) C 에 대해서는 1050℃ 이고 (Nb, W) C 에 대해서는 1100℃ 이었으며 열처리 시간은 8 시간이었다. 열처리된 조직의 X 레이 회절 패턴에서 W₂C (101) 피크는 발견되지 않았다.

Claims (10)

1. 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로된 결합제 상 및 텅스텐 카바이드를 함유하는 금속 기계 가공용 절삭 공구 인서트에 있어서,
   인서트의 표면으로 부터 CuKα- 라인에 의한 X 레이 회절 패턴에서 피크비 W₂C (101)/W (110) 이 0.3 보다 작게 되는 양으로 W₂C을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
2. 제 1 항에 있어서, 결합제 상의 함량은 2-25 부피 % 인 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, WC 의 평균 결정립 크기가 5㎛ 보다 작고 0 보다 큰 것을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
4. 제 3 항에 있어서, WC 의 평균 결정립 크기가 1-3 ㎛ 임을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
5. 제 3 항에 있어서, WC 의 평균 결정립 크기가 1㎛ 보다 작으며, 1.5㎛ 보다 큰 결정립은 없음을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, W 와 WC 와는 별도로, 1400 HV3 이상의 실온 경도를 지닌 1종 이상의 경질 성분이 포함됨을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
7. 제 6 항에 있어서, 1종 이상의 경질 성분의 양은 50 부피 % 미만임을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 인서트에는 당 기술 분야에 알려진 바와 같은 내마모 코팅을 지님을 특징으로 하는 절삭 공구 인서트.
9. 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로된 결합제 상 및 텅스텐 카바이드를 함유하는 금속 기계 가공용 절삭 공구 인서트를 제조하는 방법으로서, 텅스텐 카바이드 및 선택적으로 다른 경질 성분과 텅스텐으로 된 분말을 혼합하고 혼합물을 1500℃ 이상의 온도에서 경화시켜, W₂C 를 함유하는 블랭크를 얻고 원하는 형상 및 치수의 인서트로 되도록 블랭크를 연삭하는 상기 방법에 있어서,
   모든 W₂C 를 W 및 WC 으로 전환시키는데 요구되는 시간 동안 비 활성 분위기 또는 진공에서 1250℃ 보다 낮은 온도, 1000℃ 보다 높은 온도에서 상기 블랭크 또는 인서트를 열처리하는 것을 특징으로 하는 금속 기계 가공용 절삭 공구 인서트의 제조 방법.
10. 경화강과 같은 고경도를 지닌 작업 재료의 기계 가공을 위한 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 인서트를 사용하는 방법.

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