KR20130072155A - 초경합금체 및 그 용도 - Google Patents

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귄터 요한 로더
앤더스 에버트 피터슨
찰스 그레이엄 맥너니
판 카지 쿠마르 메흐로트라
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케나메탈 아이엔씨.
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Abstract

일 양상으로, 초경합금체를 제공한다. 본원에 설명된 초경합금체는, 일부 실시예들에서, 탄화텅스텐상, 철족의 하나 이상의 금속 또는 이들의 합금을 포함하는 바인더상, 지르코늄 및 니오븀의 탄화물((Zr,Nb)C)의 고용체상, 및 약 0.5부피% 내지 약 6부피%의 양으로 입방정 탄화물을 포함한다.

Description

초경합금체 및 그 용도{CEMENTED CARBIDE BODY AND APPLICATIONS THEREOF}
본 발명은 초경합금체에 관한 것으로, 특히 주기율표의 IVB족, VB족, VIB족 금속들을 포함하는 초경합금체에 관한 것이다.
초경합금체를 포함하는 절삭 공구는 다양한 금속 및 합금을 가공하기 위해 코팅 상태와 비코팅 상태 모두에서 사용되었다. 열변형, 파괴, 치핑(chipping)을 포함하는 마모 및 고장 모드에 대한 절삭 공구의 저항성을 증가시키는 것은 치열한 연구 및 개발 분야로 남아있다. 이를 위해, 상당한 자원들이 절삭 공구용 내마모 내화 코팅재의 개발에 할당되었다. 예컨대, TiC, TiCN, TiOCN, TiN, Al2O3가 화학기상증착(CVD) 및 물리기상증착(PVD)에 의해 초경합금에 적용되었다.
게다가, 하부에 배치되는 절삭 공구 기재의 특성들이 연구되었다. 절삭 공구 제조업자들은 초경합금체의 조성 변화와, 경도, 내마모성, 열변형 저항성, 인성, 밀도, 및 다양한 자기적 특성들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 초경합금 특성들에 미치는 결과적인 영향을 조사하였다. 그러나, 하나의 초경합금 특성이 향상되면, 종종 다른 초경합금 특성이 열화된다. 예컨대, 초경합금체의 변형 저항성이 증가하면, 초경합금체의 인성과 열전도성이 감소할 수 있다. 일본 특허출원공개 JP 2002-356734A호는 이러한 문제점을 인식하고, 소성변형 저항성 및 증가된 경도와 열전도성을 가진 초경합금체를 기술한다. JP 2002-356734A호에 따르면, 이러한 목적들은 IVB족, VB족, VIB족에서 선택된 금속들의 탄화물, 질화물, 탄질화물의 수 개의 상이한 고용체상들을 초경합금체에 통합함으로써 달성된다.
그럼에도, 금속가공 응용의 진화하는 요구를 만족시키기 위해서는 초경합금 기재의 개선이 필요하며, 성능이 개선된 절삭 공구를 제공하기 위한 노력으로 초경합금체에 조성 변화를 수행할 때는 경쟁 특성들 간의 조심스러운 균형이 요구된다.
일 양상으로, 일부 실시예들에서 마모 및/또는 하나 이상의 고장 모드에 대한 저항성의 개선을 보일 수 있는 초경합금체가 본원에 설명된다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 본원에 설명된 초경합금체는 인성의 실질적인 손실 없이 열변형에 대한 저항성의 증가를 보인다.
본원에 설명된 초경합금체는, 일부 실시예들에서, 탄화텅스텐상, 철족의 하나 이상의 금속 또는 이들의 합금을 포함하는 바인더상, 지르코늄 및 니오븀의 탄화물((Zr,Nb)C)의 고용체상, 및 약 0.5부피% 내지 약 6부피%의 양으로 입방정 탄화물을 포함한다. 일부 실시예들에서, 초경합금체는 약 1부피% 내지 약 5.5부피%의 양으로 입방정 탄화물을 포함한다. 초경합금체는, 일부 실시예들에서, 약 2부피% 초과, 약 5부피% 이하의 양으로 입방정 탄화물을 포함한다. 게다가, 일부 실시예들에서, 초경합금체의 입방정 탄화물은 고용체상의 지르코늄 및 니오븀 탄화물로 이루어진다.
본원에 설명된 초경합금체는, 일부 실시예들에서, 그 위에 물리기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD), 또는 이들의 조합에 의해 증착되는 코팅재를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 코팅재는 알루미늄 및 주기율표의 IVB족, VB족, VIB족의 금속 원소들로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속 원소, 및 주기율표의 IIIA족, IVA족, VIA족의 비금속 원소들로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 비금속 원소를 포함한다. 본원에 설명된 주기율표의 족들은 CAS 지정방식(CAS designation)에 따라 식별된다. 일부 실시예들에서, 코팅재는 단층 코팅재이다. 대안으로, 일부 실시예들에서, 코팅재는 다층 코팅재이다.
일부 실시예들에서, 본원에 설명된 초경합금체는 하나 이상의 금속가공 응용을 위해 절삭 공구의 형상을 가진다. 초경합금체는, 일부 실시예들에서, 경사면(rake face), 및 절삭날을 형성하기 위해 경사면을 가로지르는 측면(flank face)을 포함한다.
다른 양상으로, 초경합금체를 제조하는 방법이 본원에 설명된다. 일부 실시예들에서, 초경합금체를 제조하는 방법은 탄화텅스텐 분말, 철족의 하나 이상의 금속 또는 이들의 합금을 포함하는 바인더 분말, 및 지르코늄 및 니오븀의 탄화물((Zr,Nb)C)의 분말 고용체를 포함하는 혼합물을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 혼합물로 압축 생형(green compact)을 형성 및 소결하여, 탄화텅스텐상, 바인더상, (Zr,Nb)C의 고용체상, 및 약 0.5부피% 내지 약 6부피%의 양으로 입방정 탄화물을 포함하는 초경합금체를 제공한다.
또 다른 양상으로, 금속을 절삭하는 방법이 본원에 설명된다. 일부 실시예들에서, 금속을 절삭하는 방법은 금속 공작물을 제공하는 단계, 및 금속 공작물을 절삭 공구로 절삭하는 단계를 포함하되, 절삭 공구는, 탄화텅스텐상, 철족의 하나 이상의 금속 또는 이들의 합금을 포함하는 바인더상, 지르코늄 및 니오븀의 탄화물((Zr,Nb)C)의 고용체상, 및 약 0.5부피% 내지 약 6부피%의 양으로 입방정 탄화물을 포함하는 초경합금체를 구비한다.
금속을 절삭하는 방법의 일부 실시예들에서, 초경합금체는 그 위에 물리기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD), 또는 이들의 조합에 의해 증착되는 코팅재를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 코팅재는 알루미늄 및 주기율표의 IVB족, VB족, VIB족의 금속 원소들로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속 원소, 및 주기율표의 IIIA족, IVA족, VIA족의 비금속 원소들로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 비금속 원소를 포함한다. 일부 실시예들에서, 코팅재는 단층 코팅재이다. 대안으로, 일부 실시예들에서, 코팅재는 다층 코팅재이다.
이러한 실시예들 및 다른 실시예들을 후술하는 상세한 설명에서 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본원에 설명된 일 실시예에 따른 절삭 공구의 형상을 가진 초경합금체를 도시한다.
도 2는 비교 초경합금체들의 관점에서 본원에 설명된 일 실시예에 따른 초경합금체의 변형 시험 결과를 도시한다.
도 3은 비교 초경합금체들의 관점에서 본원에 설명된 일 실시예에 따른 초경합금체의 인성 시험 결과를 도시한다.
도 4는 비교 초경합금체들의 관점에서 본원에 설명된 일 실시예에 따른 초경합금체의 단속 절삭 시험 결과를 도시한다.
도 5는 비교 초경합금체들의 관점에서 본원에 설명된 일 실시예에 따른 초경합금체의 단속 절삭 시험 결과를 도시한다.
도 6은 비교 초경합금체들의 관점에서 본원에 설명된 일 실시예에 따른 초경합금체의 밀링 시험 결과를 도시한다.
본원에 설명된 실시예들은 후술하는 상세한 설명 및 예들과 이들에 대한 전술한 설명 및 후술하는 설명을 참조함으로써 보다 용이하게 이해될 것이다. 그러나, 본원에 설명된 구성요소들, 장치들, 방법들은 상세한 설명 및 예들에 제시된 특정한 실시예들에 제한되지 않는다. 이러한 실시예들은 단지 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것임을 인식해야 한다. 본 발명의 정신 및 범주를 벗어남 없이 무수한 수정 및 변경이 당해 기술분야의 숙련자들에게 즉시 명확해질 것이다.
일 양상으로, 일부 실시예들에서 마모 및/또는 하나 이상의 고장 모드에 대한 저항성의 개선을 보일 수 있는 초경합금체가 본원에 설명된다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 본원에 설명된 초경합금체는 인성의 실질적인 손실 없이 열변형에 대한 저항성의 증가를 보인다.
본원에 설명된 초경합금체는, 일부 실시예들에서, 탄화텅스텐상, 철족의 하나 이상의 금속 또는 이들의 합금을 포함하는 바인더상, 지르코늄 및 니오븀의 탄화물((Zr,Nb)C)의 고용체상, 및 약 0.5부피% 내지 약 6부피%의 양으로 입방정 탄화물을 포함한다.
이제 초경합금체의 성분들을 살펴보면, 본원에 설명된 초경합금체는 지르코늄 및 니오븀의 탄화물((Zr,Nb)C)의 고용체상을 포함한다. 고용체상이 지르코늄 및 니오븀의 탄화물로 형성될 때, 고용체상은, 일부 실시예들에서, 미량 혹은 불순물량을 초과하여 하나 이상의 추가적인 금속 원소를 포함하지 않는다. 게다가, 일부 실시예들에서, (Zr,Nb)C의 고용체상은 초경합금체의 유일한 고용체상이다. 따라서, 일부 실시예들에서, 본원에 설명된 초경합금체는 주기율표의 IVB족, VB족, VIB족의 금속들의 탄화물, 질화물, 및/또는 탄질화물의 하나 이상의 추가적인 고용체상을 포함하지 않는다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 본원에 설명된 초경합금체는 티타늄, 하프늄, 바나듐, 탄탈륨, 텅스텐, 몰리브덴 또는 크롬, 또는 이들의 혼합물의 탄화물, 질화물, 및/또는 탄질화물을 포함하는 고용체상을 포함하지 않는다.
일부 실시예들에서, 니오븀은 본원에 설명된 초경합금체 내에 약 0.5질량% 내지 약 1.5질량%의 양으로 존재한다. 니오븀은, 일부 실시예들에서, 약 0.7질량% 내지 약 1.3질량%의 양으로 존재한다. 일부 실시예들에서, 니오븀은 약 0.8질량% 내지 약 1질량%의 양으로 존재한다. 또한, 일부 실시예들에서, 지르코늄은 초경합금체 내에 약 0.3질량% 내지 약 1질량%의 양으로 존재한다. 일부 실시예들에서, 지르코늄은 약 0.5질량% 내지 약 0.7질량%의 양으로 존재한다. 초경합금체는, 일부 실시예들에서, Nb/(Nb+Zr)≥0.5의 질량비를 가진다. 일부 실시예들에서, 전술한 질량비는 0.6 이상이다. 질량비는, 일부 실시예들에서, 0.7 이상이다.
본원에 설명된 초경합금체는 또한 약 0.5부피% 내지 약 6부피%의 양으로 입방정 탄화물을 포함한다. 일부 실시예들에서, 입방정 탄화물은 초경합금체 내에 약 1부피% 내지 약 5부피%의 양으로 존재한다. 일부 실시예들에서, 입방정 탄화물은 2부피% 초과, 5부피% 이하의 양으로 존재한다. 일부 실시예들에서, 입방정 탄화물은 약 2.5부피% 내지 약 4부피%의 양으로 존재한다.
일부 실시예들에서, 초경합금체의 입방정 탄화물은 고용체상의 니오븀 및 지르코늄의 탄화물((Zr,Nb)C)로 이루어진다. 따라서, 일부 실시예들에서, 초경합금체의 입방정 탄화물은 미량 혹은 불순물량을 초과하여 주기율표의 IVB족, VB족, VIB족의 하나 이상의 추가적인 금속을 포함하지 않는다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 초경합금체의 입방정 탄화물은 미량 혹은 불순물량을 초과하여 티타늄, 탄탈륨, 또는 이들의 혼합물을 포함하지 않는다.
본원에 설명된 초경합금체는 또한 탄화텅스텐(WC)상을 포함한다. 일부 실시예들에서, 탄화텅스텐상의 입자들은 약 1㎛ 내지 약 12㎛의 입자크기 분포를 보인다. 일부 실시예들에서, 탄화텅스텐상의 입자들은 약 2㎛ 내지 약 10㎛의 입자크기 분포를 가진다.
아울러, 본원에 설명된 초경합금체의 바인더상은 철족의 하나 이상의 금속 또는 이들의 합금을 포함한다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 바인더상은 코발트를 포함한다. 일부 실시예들에서, 바인더상은 코발트-니켈 합금 또는 코발트-니켈-철 합금을 포함한다. 크롬 및/또는 텅스텐과 같은 추가적인 합금 원소들이 바인더상에 포함될 수 있다. 바인더상은, 일부 실시예들에서, 초경합금체 내에 약 5질량% 내지 약 15질량%의 양으로 존재한다. 일부 실시예들에서, 바인더상은 약 7질량% 내지 약 13질량%의 양으로 존재한다. 일부 실시예들에서, 바인더상은 약 9질량% 내지 약 12질량%의 양으로 존재한다.
본원에 설명된 초경합금체는, 일부 실시예들에서, 바인더 농축면 구역을 포함하지만 이에 제한되지 않는 바인더 농축 구역(binder enriched zone)을 포함하지 않는다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 초경합금체는, 입방정 탄화물 및/또는 (Zr,Nb)C 고용체상이 없거나 실질적으로 없는 바인더 농축면 구역을 포함하지 않는다.
본원에 설명된 초경합금체는, 일부 실시예들에서, 그 위에 물리기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD), 또는 이들의 조합에 의해 증착되는 코팅재를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 코팅재는 알루미늄 및 주기율표의 IVB족, VB족, VIB족의 금속 원소들로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속 원소, 및 주기율표의 IIIA족, IVA족, VIA족의 비금속 원소들로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 비금속 원소를 포함한다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 코팅재는 알루미늄 및 주기율표의 IVB족, VB족, VIB족의 금속 원소들로 이루어진 군에서 선택된 금속 원소의 하나 이상의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 산화물, 또는 붕화물을 포함한다.
또한, 일부 실시예들에서, 코팅재는 단층 코팅재이다. 대안으로, 일부 실시예들에서, 코팅재는 다층 코팅재이다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 다층 코팅재는 초경합금체에 인접하게 형성된 TiCN층, 및 그에 이어 형성된 알루미나(Al2O3) 외층을 포함한다. 일부 실시예들에서, TiCN층은 중온(medium temperature, MT) TiCN층인 반면, 알루미나층은 α-알루미나층, κ-알루미나층, 또는 이들의 혼합물이다. 더욱이, 일부 실시예들에서, 단층 코팅재 또는 다층 코팅재에는 코팅후 블라스팅(post-coat blasting)과 같은 하나 이상의 코팅후 처리 공정이 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅후 블라스팅 처리는 미국 특허 제6,869,334호의 개시에 따라 실시되며, 그 전체가 이에 참조로서 포함된다.
본원에 설명된 초경합금체는, 일부 실시예들에서, 약 1200 내지 약 1600의 경도(HV30)를 가지며, 여기서 HV30은 30kg의 힘하중을 이용한 비커스 경도(Vickers Hardness)를 말한다. 일부 실시예들에서, 초경합금체는 약 1200 내지 약 1500 HV30의 경도 또는 약 1200 내지 약 1460 HV30의 경도를 가진다. 일부 실시예들에서, 초경합금체는 약 1250 내지 약 1400 HV30의 경도를 가진다. 초경합금체는, 일부 실시예들에서, 약 1280 내지 약 1380 HV30의 경도를 가진다. 본원에 열거된 비커스 경도값들은 ASTM E 384("재료들의 누프 및 비커스 경도를 위한 표준 방법(Standard Method for Knoop and Vickers Hardness of Materials)", ASTM International)에 따라 측정된다.
게다가, 일부 실시예들에서, 본원에 설명된 초경합금체는 약 120 Oe 내지 약 170 Oe의 보자력(coercivity)을 가진다. 일부 실시예들에서, 초경합금체는 약 130 Oe 내지 약 160 Oe의 보자력을 가진다. 초경합금체는, 일부 실시예들에서, 약 135 Oe 내지 약 150 Oe의 보자력을 가진다. 본원에 열거된 보자력값들은 ASTM B 887("초경합금의 보자력(Hcs)을 측정하기 위한 표준 시험 방법(Standard Test Method for Determination of Coercivity (Hcs) of Cemented Carbides)", ASTM International)에 따라 측정된다.
일부 실시예들에서, 본원에 설명된 초경합금체는 약 75% 내지 약 95%의 자기 포화도(Ms)를 가진다. 초경합금체는, 일부 실시예들에서, 약 79% 내지 약 89%의 자기 포화도를 가진다. 일부 실시예들에서, 초경합금체는 약 80% 내지 약 85%의 자기 포μ화도를 가진다. 본원에 열거된 자기 포화도값들은 ASTM B 886("초경합금의 자기 포화도(Ms)를 측정하기 위한 표준 시험 방법(Standard Test Method for Determination of Magnetic Saturation (Ms) of Cemented Carbides)", ASTM International)에 따라 측정된다. 당해 기술분야의 숙련자에게 알려진 바와 같이, 자기 포화도값들은 명목상 순수한 Co 바인더상에 대한 비교에 기반하여 백분율로부터 μTm-3/kg로 변환될 수 있다. 예컨대, Roebuck, B.의 "초경합금의 자기 모멘트(포화도) 측정(Magnetic Moment (Saturation) Measurements on Hardmetals), Int . J. Refractory Metals & Hard Materials, 14 (1996) 419-424"를 참조한다.
또한, 본원에 설명된 초경합금체는 약 12.5g/cm-3 내지 약 15.0g/cm-3의 밀도를 가진다. 일부 실시예들에서, 초경합금체는 약 13.0g/cm-3 내지 약 14.5g/cm-3의 밀도를 가진다. 일부 실시예들에서, 초경합금체는 약 14.1g/cm-3 내지 약 14.4g/cm-3의 밀도를 가진다.
본원에 설명된 초경합금체는 전술한 특성들의 임의의 조합을 가질 수 있다. 예컨대, 초경합금체는 본원에 열거된 경도, 보자력, 자기 포화도, 밀도의 임의의 값을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 초경합금체는 절삭 공구의 형상을 가진다. 초경합금체는, 일부 실시예들에서, 경사면, 및 절삭날을 형성하기 위해 경사면을 가로지르는 측면을 포함한다. 도 1은 본원에 설명된 일 실시예에 따른 절삭 공구의 형상을 가진 초경합금체를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 초경합금체(10)는 측면(12)과 경사면(14)을 포함하고, 여기서 측면(12)과 경사면(14)은 절삭날(16)을 제공하기 위해 교차한다. 초경합금체(10)는 또한 이를 공구 홀더에 고정하기 위해 사용할 수 있는 구멍(18)을 포함한다.
다른 양상으로, 초경합금체를 제조하는 방법이 본원에 설명된다. 일부 실시예들에서, 초경합금체를 제조하는 방법은 탄화텅스텐 분말, 철족의 하나 이상의 금속 또는 이들의 합금을 포함하는 바인더 분말, 및 지르코늄 및 니오븀의 탄화물((Zr,Nb)C)의 분말 고용체를 포함하는 혼합물을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 혼합물로 압축 생형을 형성 및 소결하여, 탄화텅스텐상, 바인더상, (Zr,Nb)C의 고용체상, 및 약 0.5부피% 내지 약 6부피%의 양으로 입방정 탄화물을 포함하는 초경합금체를 제공한다. 탄화텅스텐상, 바인더상, (Zr,Nb)C의 고용체상, 및 입방정 탄화물은 이러한 상들에 대해 전술한 특성들 중 임의의 특성을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 예컨대, (Zr,Nb)C의 고용체상은 본원에 설명된 바와 같이 초경합금체의 유일한 고용체상이다. 게다가, 입방정 탄화물은, 일부 실시예들에서, 고용체상의 니오븀 및 지르코늄의 탄화물로 이루어진다.
본원에 설명된 방법의 일부 실시예들에서, 분말 혼합물의 금속들은 소결된 초경합금체의 금속들의 원하는 조성 백분율과 동등한 양으로 제공된다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 철족의 하나 이상의 금속 또는 이들의 합금을 포함하는 바인더 분말은 약 5질량% 내지 약 15질량%의 양으로 혼합물에 제공된다. 바인더 분말은, 일부 실시예들에서, 약 7질량% 내지 약 13질량%의 양으로 혼합물에 제공된다. 일부 실시예들에서, 바인더 분말은 약 9질량% 내지 약 12질량%의 양으로 혼합물에 제공된다.
더욱이, 일부 실시예들에서, 니오븀 및 지르코늄의 탄화물((Zr,Nb)C)의 고용체 분말은 약 0.5질량% 내지 약 1.5질량%의 니오븀 함량 및 약 0.3질량% 내지 약 1질량%의 지르코늄 함량을 제공하기에 충분한 양으로 혼합물에 추가된다. 일부 실시예들에서, (Zr,Nb)C 고용체 분말은 약 0.7질량% 내지 약 1.3질량%의 니오븀 함량 및 약 0.5질량% 내지 약 0.7질량%의 지르코늄 함량을 제공하기에 충분한 양으로 혼합물에 추가된다. 본원에 설명된 방법의 일부 실시예들에서 사용되는 (Zr,Nb)C 고용체 분말은 Nb/(Nb+Zr)≥0.5의 질량비를 가진다. 일부 실시예들에서, 전술한 질량비는 0.6 이상이다. 질량비는, 일부 실시예들에서, 0.7 이상이다.
탄화텅스텐 분말은, 일부 실시예들에서, 본원에 설명된 초경합금체를 형성하기 위해 사용된 혼합물의 잔량(balance) 역할을 한다.
압축 생형(green compact)은 본원에 설명된 초경합금체를 제공하도록 본 발명의 목적들과 일치하는 임의의 조건 하에서 소결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 압축 생형은 약 1400℃ 내지 약 1560℃의 온도에서 진공 소결 또는 소결-열간 등방 가압(hot isostatic press, HIP)된다. 일부 실시예들에서, 압축 생형은 약 15분 내지 약 120분의 시간 주기 동안 소결된다. 일부 실시예들에서, 압축 생형은 약 15분 내지 약 90분의 시간 주기 또는 약 30분 내지 약 75분의 시간 주기 동안 소결된다.
초경합금체를 제조하는 방법은, 일부 실시예들에서, 물리기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD), 또는 이들의 조합에 의해 초경합금체에 코팅재를 증착하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 코팅재는 알루미늄 및 주기율표의 IVB족, VB족, VIB족의 금속 원소들로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속 원소, 및 주기율표의 IIIA족, IVA족, VIA족의 비금속 원소들로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 비금속 원소를 포함한다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 코팅재는 알루미늄 및 주기율표의 IVB족, VB족, VIB족의 금속 원소들로 이루어진 군에서 선택된 금속 원소의 하나 이상의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 산화물, 또는 붕화물을 포함한다. 또한, 일부 실시예들에서, 코팅재는 단층 코팅재이다. 대안으로, 일부 실시예들에서, 코팅재는 다층 코팅재이다.
또 다른 양상으로, 금속을 절삭하는 방법이 본원에 설명된다. 일부 실시예들에서, 금속을 절삭하는 방법은 금속 공작물을 제공하는 단계, 및 금속 공작물을 절삭 공구로 절삭하는 단계를 포함하되, 절삭 공구는, 탄화텅스텐상, 철족의 하나 이상의 금속 또는 이들의 합금을 포함하는 바인더상, 지르코늄 및 니오븀의 탄화물((Zr,Nb)C)의 고용체상, 및 약 0.5부피% 내지 약 6부피%의 양으로 입방정 탄화물을 포함하는 초경합금체를 구비한다. 금속을 절삭하는 방법의 일부 실시예들에서, 초경합금체는 그에 대해 전술한 특성들 중 임의의 특성을 가질 수 있다. 더욱이, 일부 실시예들에서, 초경합금체는 본원에 설명된 바와 같은 코팅재를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 금속 공작물은 보통 및 합금강, 스테인리스강, 회주철, 구상 흑연주철을 가진 회주철, 및 다양한 고온 합금을 포함한다.
이러한 실시예들 및 다른 실시예들을 후술하는 비제한적인 예들을 참조하여 추가로 설명한다.
실시예 1: 초경합금체
표 1에 제공된 금속 조성 파라미터들을 가진 본원에 설명된 일 실시예에 따른 분말 혼합물(A)을 가압하여 CNMG120408 RP의 ANSI 표준 형상을 가진 압축 생형을 형성하였다. 표 1에 나타낸 바와 같이, (ZrNb)C 고용체 분말을 0.93질량%의 니오븀 함량 및 0.62질량%의 지르코늄 함량을 제공하기에 충분한 양으로 혼합물에 추가하였다. 탄화텅스텐(WC) 분말은 10.6질량%의 코발트를 추가한 후 혼합물의 잔량을 구성하였다. 압축 생형을 30분 내지 60분의 시간 주기 동안 1400℃ 내지 1560℃의 온도에서 진공 소결하여 초경합금체를 제공하였다.
초경합금체의 분말 혼합물(질량%)
예 코발트 크롬 탄탈륨(TaC) 니오븀/지르코늄* 텅스텐(WC)
A 10.6 - - 0.93/0.62 잔량
* Nb/(Nb+Zr)≥0.5의 질량비를 가진 (ZrNb)C 고용체.
표 2에 제공된 금속 조성 파라미터들을 가진 분말 혼합물들(B~E)을 또한 가압하여 CNMG120408 RP의 인서트 형상을 가진 압축 생형을 형성하였고, 분말 혼합물(A)과 일치하는 방식으로 소결하여 비교 초경합금체들을 제공하였다.
비교 초경합금체들의 분말 혼합물들(질량%)
예 코발트 크롬 탄탈륨(TaC)* 니오븀(NbC)* 지르코늄(ZrC) 텅스텐(WC)
B 11.5 0.40 - - - 잔량
C 10.0 0.35 - - - 잔량
D 10.5 - 1.7 0.83 - 잔량
E 10.5 - 1.1 0.27 - 잔량
* (TaNb)C 고용체 분말을 제공.
표 2에 나타낸 바와 같이, 예 D, E의 (TaNb)C 고용체 분말을 탄탈륨 및 니오븀 질량%를 제공하기에 충분한 양으로 혼합물에 추가하였다. WC 분말은 10.5질량%의 코발트를 추가한 후 분말 혼합물의 잔량을 구성하였다. 예 B, C에 대해, WC 분말은 또한 코발트 및 크롬 질량%를 추가한 후 혼합물의 잔량을 구성하였다.
화학기상증착(CVD)에 의해 증착된 탄질화티타늄(TiCN) 내층 및 α-알루미나 외층으로 이루어진 다층 코팅재를 예 A~E의 초경합금체들에 구비하였고, 여기서 각 예의 코팅재 두께를 아래의 표 3에 나타내었다. 이후, 본원에 열거된 다양한 ASTM 검사 절차를 예 A~E의 초경합금체들에 수행하였고, 그 결과 역시 표 3에 나타내었다.
초경합금체들의 특성들
예 밀도(g/cm3) 자기 포화도(0.1μTm-3/kg) 보자력(Oe) 경도(HV30) 코팅재 두께(㎛)
A 14.10 181 143 1331 7.0
B 14.19 191 146 1316 7.7
C 14.33 167 143 1351 7.7
D 14.22 179 147 1321 8.8
E 14.35 181 148 1327 8.3
실시예 2: 변형 시험
실시예 1의 예 A~E에 따라 제조된 초경합금체들에 변형 선삭 시험을 후술하는 조건 하에서 수행하였다:
공작물 - 42CrMo4(1.7225)
절삭 속도 - 270m/min, 285m/min, 300m/min, 315m/min, 330m/min
절삭 시간 - 절삭 속도당 5초
공급율 - 0.3㎜/rev
절삭 깊이 - 2.5㎜
냉각제 - 없음
절삭 인서트 홀더 - MCLNL3225P12
3회의 반복에 걸쳐 315m/min의 절삭 속도에서 예 A~E의 초경합금체들의 평균 노우즈 마모(㎜)를 표 4에 나타내었다. 예 A~E의 초경합금체들은 270m/min, 285m/min, 300m/min의 절삭 속도를 통과한 후 315m/min의 절삭 속도에 도달하였다. 일부 경우에, 초경합금 절삭 공구는 315m/min의 절삭 속도의 적용 전에 또는 적용 중에 수명 종료(end of life, EOL)에 도달하였다. EOL은 0.6㎜ 이상의 노우즈 마모 및/또는 코팅재 박리에 의해 증명된 바와 같은 열적 과부하에 의해 초래된 소성 변형에 의해 판단되었다.
315m/min의 절삭 속도에서의 평균 노우즈 마모(㎜)
예 1회 반복 2회 반복 3회 반복 평균
A 0.295 0.293 0.364 0.320
B EOL 0.520 EOL >0.5
C 0.438 0.361 0.327 0.380
D 0.247 0.347 0.357 0.320
E 0.417 0.360 0.433 0.400
표 4에 나타낸 바와 같이, 본원에 설명된 조성 파라미터들 및 특성들을 가진 예 A의 초경합금체는 노우즈 마모에 대한 최고의 저항성을 보였고, 그에 따라 비교예 B, C, E를 넘어서는 한편, 비교예 D의 성능에 필적하였다.
더욱이, 예 A의 초경합금체는 비교예들의 관점에서 열변형에 대한 바람직한 저항성을 보였다. 도 2에 도시된 바와 같이, 예 A의 초경합금체는 285m/min의 절삭 속도에서 예 B, C에 비해 현저히 적은 열변형을 보였다. 예컨대, 코팅재 박리는 예 B, C에서는 상당했지만, 예 A에서는 실질적으로 없었다.
실시예 3: 인성 검사
실시예 1의 예 A~E에 따라 제조된 초경합금체들에 인성 선삭 시험을 후술하는 조건 하에서 수행하였다:
공작물 - CK60(1.1221)
절삭 속도 - 100m/min
공급율 - 0.4㎜/rev, 0.5㎜/rev, 0.6㎜/rev, 0.7㎜/rev, 0.8㎜/rev
공급율당 충격 - 100
절삭 깊이 - 2.5㎜
냉각제 - 없음
절삭 인서트 홀더 - MCLNL3225P12
2회의 반복에 걸쳐 예 A~E의 초경합금체들의 인성 시험 결과를 도 3에 나타내었다. EOL의 기준은 0.6㎜ 이상의 노우즈 마모 및/또는 코팅재 박리에 의해 증명된 바와 같은 열적 과부하에 의해 초래된 초경합금체의 파손 및/또는 소성 변형이었다. 도 3에 도시된 바와 같이, 예 A의 초경합금체는 비교예 B~E에 필적하는 인성을 보였다.
실시예 4: 단속 절삭 시험
실시예 1의 예 A~E에 따라 제조된 초경합금체들에 단속 절삭 선삭 시험을 후술하는 조건 하에서 수행하였다:
공작물 - 42CrMo4(1.7225)
절삭 속도 - 160m/min
절삭 시간 - 4분 이하 또는 공구 고장까지
공급율 - 3분 동안 0.3㎜/rev, 3분 내지 4분부터 0.35㎜/rev
절삭 깊이 - 3㎜
냉각제 - 있음
절삭 인서트 홀더 - MCLNL3225P12
도 4는 단속 절삭 시험의 결과를 도시하되, 각 예 A~E에 대해 5회의 반복으로부터 얻어진 최고 성능을 나타낸다. EOL의 기준은 0.4㎜ 초과의 노우즈 마모, 및/또는 0.4㎜ 초과의 노우즈 마모와 함께 코팅재 박리에 의해 증명된 바와 같은 열적 과부하에 의해 초래된 소성 변형이었다. 도 4에 도시된 바와 같이, 예 A의 초경합금체는 마모에 대한 최고의 저항성을 보였다. 도 5는 예 B, C에 비해 향상된 예 A의 초경합금체의 내마모 특성을 추가로 도시한다.
실시예 5: 밀링 시험
실시예 1의 표 1, 표 2에 나타낸 분말 혼합물들(A, B~E)을 각각 가압하여 SEKN1203AFSN3의 ANSI 표준 형상을 가진 압축 생형을 형성하였고, 30분 내지 60분의 시간 주기 동안 1400℃ 내지 1560℃의 온도에서 진공 소결하여 예 A~E의 초경합금체들을 제공하였다.
TiCN 내층 및 α-알루미나 외층으로 이루어진 다층 코팅재를 예 A~E의 초경합금체에 구비하였고, 여기서 각 예의 코팅재 두께는 약 9㎛였다. 이후, 예 A~E의 초경합금체들에 후술하는 조건을 가진 면 밀링 시험을 수행하였다.
공작물 - 42CrMo4V
절삭 속도 - 250m/min
톱니당 공급 - 0.3㎜
축방향 절삭 깊이 - 2.0㎜
반경방향 절삭 깊이 - 120㎜
냉각제 - 없음
기계 - 헬러 PFH 12-1400
공구 어댑터 - SK 50
3회의 반복에 걸쳐 예 A~E의 초경합금체들의 EOL까지의 평균 절삭 깊이를 표 5에 나타내었다. EOL의 기준은 0.3㎜ 초과의 측면 마모, 및/또는 0.3㎜ 초과의 측면 마모와 함께 코팅재 박리에 의해 증명된 바와 같은 열적 과부하에 의한 소성 변형이었다.
EOL 전의 평균 절삭 깊이(㎜)
예 1회 반복 2회 반복 3회 반복 표준편차 평균
A 1009 800 962 110 924
B 118 115 125 5 119
C 365 370 360 5 365
D 669 903 800 117 794
E 790 738 800 33 776
표 5에 나타낸 바와 같이, 본원에 설명된 조성 파라미터들을 가진 예 A의 초경합금체는 최장 절삭 길이를 보였고, 그에 따라 전술한 엄격한 밀링 조건 하에서 인성 손실 없이 열변형에 대한 저항성의 증가를 보였다. 도 6은 예 E의 비교 초경합금체에 비해 향상된 예 A의 초경합금체의 성능을 추가로 도시한다. 800㎜의 대략 동일한 절삭 길이에서, 예 E의 초경합금체는 예 A의 초경합금체에 비해 경사면 상의 상당한 코팅재 박리, 크레이터 마모와 변형을 보였다.
실시예 6: 밀링 시험
실시예 5의 밀링 시험을 반복하되, 단지 절삭 속도를 200m/min에서 250m/min으로 변경하였다. 시험 결과를 표 6에 나타내었다.
EOL 전의 평균 절삭 깊이(㎜)
예 1회 반복 2회 반복 3회 반복 표준편차 평균
A 4000 4000 4800 462 4267
B 932 485 400 286 606
C 1600 2800 2000 611 2133
D 2800 2800 4400 924 3333
E 2800 2800 4000 693 3200
표 6에 나타낸 바와 같이, 본원에 설명된 조성 파라미터들을 가진 예 A의 초경합금체는 최장 절삭 길이를 보였고, 그에 따라 전술한 엄격한 밀링 조건 하에서 인성 손실 없이 열변형 저항성의 증가를 보였다.
본 발명의 다양한 실시예들을 본 발명의 다양한 목적들의 달성에 있어 설명하였다. 이러한 실시예들은 단지 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것임을 인식해야 한다. 본 발명의 정신 및 범주를 벗어남 없이 무수한 수정 및 변경이 당해 기술분야의 숙련자들에게 즉시 명확해질 것이다.
10. 초경합금체 12. 측면
14. 경사면 18. 구멍

Claims (28)

  1. 탄화텅스텐상;
    철족의 하나 이상의 금속 또는 이들의 합금을 포함하는 바인더상;
    지르코늄 및 니오븀의 탄화물((Zr,Nb)C)의 고용체상; 및
    약 0.5부피% 내지 약 6부피% 범위의 양으로 입방정 탄화물을 포함하는 초경합금체.
  2. 제1항에 있어서,
    입방정 탄화물은 2부피% 초과 내지 5부피 % 이하 범위의 양으로 존재하는 것인 초경합금체.
  3. 제1항에 있어서,
    입방정 탄화물은 지르코늄(Zr) 및 니오븀(Nb)의 탄화물로 이루어지는 것인 초경합금체.
  4. 제1항에 있어서,
    바인더상은 약 5질량% 내지 약 15질량% 범위의 양으로 존재하는 것인 초경합금체.
  5. 제1항에 있어서,
    바인더상은 코발트, 코발트-니켈 합금, 또는 코발트-니켈-철 합금을 포함하는 것인 초경합금체.
  6. 제1항에 있어서,
    초경합금체는 바인더 농축 구역(binder enriched zone)을 포함하지 않는 것인 초경합금체.
  7. 제1항에 있어서,
    약 1200 내지 약 1600 HV30 범위의 경도를 가진 초경합금체.
  8. 제1항에 있어서,
    약 1280 내지 약 1380 HV30 범위의 경도를 가진 초경합금체.
  9. 제1항에 있어서,
    약 120 Oe 내지 약 170 Oe 범위의 보자력(Hcs)을 가진 초경합금체.
  10. 제1항에 있어서,
    약 130 Oe 내지 약 160 Oe 범위의 보자력을 가진 초경합금체.
  11. 제1항에 있어서,
    니오븀(Nb)은 약 0.5 질량% 내지 약 1.5질량% 범위의 양으로 존재하는 것인 초경합금체.
  12. 제1항에 있어서,
    지르코늄(Zr)은 약 0.3 질량% 내지 약 1질량% 범위의 양으로 존재하는 것인 초경합금체.
  13. 제1항에 있어서,
    Nb/(Nb+Zr)≥0.5의 질량비를 가진 초경합금체.
  14. 제1항에 있어서,
    (Zr,Nb)C 고용체상은 존재하는 유일한 고용체상인 것인 초경합금체.
  15. 제1항에 있어서,
    물리기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD), 또는 이들의 조합에 의해 증착되는 코팅재를 더 포함하며,
    코팅재는 알루미늄 및 주기율표의 IVB족, VB족, VIB족의 금속 원소들로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속 원소, 및 주기율표의 IIIA족, IVA족, VIA족의 비금속 원소들로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 비금속 원소를 포함하는 것인 초경합금체.
  16. 제1항에 있어서,
    절삭 공구의 형상을 가진 초경합금체.
  17. 제16항에 있어서,
    초경합금체는 경사면, 및 절삭날을 형성하기 위해 경사면을 가로지르는 측면을 포함하는 것인 초경합금체.
  18. 초경합금체를 제조하는 방법에 있어서,
    탄화텅스텐 분말, 철족의 하나 이상의 금속 또는 이들의 합금을 포함하는 바인더 분말, 및 지르코늄 및 니오븀의 탄화물((Zr,Nb)C)의 분말 고용체를 포함하는 혼합물을 제공하는 단계;
    상기 혼합물로 압축 생형(green compact)을 형성하는 단계; 및
    상기 압축 생형을 소결하여, 탄화텅스텐상, 바인더상, (Zr,Nb)C의 고용체상, 및 약 0.5부피% 내지 약 6부피% 범위의 양으로 입방정 탄화물을 포함하는 초경합금체를 제공하는 단계;를 포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 소결 단계는 진공 소결 또는 소결-열간 등방 가압(HIP)을 포함하는 것인 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    입방정 탄화물은 2부피% 초과, 5부피% 이하의 양으로 존재하는 것인 방법.
  21. 제18항에 있어서,
    입방정 탄화물은 지르코늄(Zr) 및 니오븀(Nb)의 탄화물로 이루어지는 것인 방법.
  22. 제18항에 있어서,
    바인더 분말은 코발트 분말, 니켈 분말, 철 분말, 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것인 방법.
  23. 제18항에 있어서,
    바인더 분말은 혼합물 내에 약 5질량% 내지 약 15질량 % 범위의 양으로 존재하는 것인 방법.
  24. 제18항에 있어서,
    니오븀(Nb)은 혼합물 내에 약 0.5질량% 내지 약 1질량 % 범위의 양으로 존재하는 것인 방법.
  25. 제18항에 있어서,
    지르코늄(Zr)은 혼합물 내에 약 0.3질량% 내지 약 1질량% 범위의 양으로 존재하는 것인 방법.
  26. 제18항에 있어서,
    분말 고용체는 Nb/(Nb+Zr)≥0.5의 질량비를 가진 것인 방법.
  27. 제18항에 있어서,
    압축 생형은 약 1400℃ 내지 약 1560℃ 범위의 온도에서 소결되는 것인 방법.
  28. 제18항에 있어서,
    물리기상증착(PVD), 화학기상증착(CVD), 또는 이들의 조합에 의해 초경합금체에 코팅재를 증착하는 단계를 더 포함하며,
    코팅재는 알루미늄 및 주기율표의 IVB족, VB족, VIB족의 금속 원소들로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 금속 원소, 및 주기율표의 IIIA족, IVA족, VIA족의 비금속 원소들로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 비금속 원소를 포함하는 것인 방법.
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