KR20140000463A - 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형은 탄화텅스텐(WC) 분말과, 프리카본 분말 또는 코발트 분말 또는 탄화티타늄(TiC) 분말의 혼합으로 이루어지거나, 탄화텅스텐(WC) 분말과, 프리카본 분말, 코발트 분말, 탄화티타늄(TiC) 분말의 조합 조성으로 이루어지는 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료로 이를 분말소결시켜 제조된 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광학렌즈로 사용되는 비구면 렌즈의 제작을 위하여 높은 경도, 내마모성, 내부식성, 고밀도, 고강도를 가진 탄화텅스텐 및 불가피적 불순물만으로 이루어지는 바인더리스의 탄화텅스텐계 초경질재료를 이용하여 분말소결로 제조되는 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형에 관한 것이다.
높은 경도, 내마모성, 내부식성을 갖는 탄화텅스텐계의 초경질재료는 종래부터 다양하게 개발되어 제안되고 있다. 이와 같은 탄화텅스텐계의 초경질재료 중에서 코발트 (Co) 등의 바인더를 거의 갖지 않는, 소위 바인더리스의 탄화텅스텐계 경질소결체로는, 예컨대 일본공개특허 특개평3-115541호와, 일본공개특허 평8-208335호에 나타나는 바와 같이 이미 알려진 것이 있다. 여기에서 「바인더리스」란 바인더가 되는 Co, Ni 등의 결합금속원소를 전혀 함유하지 않은 경우뿐만 아니라, 이와 같은 원소의 함유량이 바인더로 기능할 수 있는 최저 양에 미달되는 경우, 예컨대 1중량% 이하 또는 불가피적 불순물로 함유되는 경우도 포함하는 것을 말한다.
상기 이미 알려진 탄화텅스텐계 경질소결체 중, 일본공개특허 특개평3-115541호에 나타난 소결체는 진공분위기하에서 실행하는 통상의 가압 소결법에 의해 소결하는 것으로 소결시간이 길기 때문에, 소결과정에서 분말인 탄화텅스텐의 입자가 성장되어 소결체의 입자가 커져, 미세 구조 조직과 높은 경도의 소결체를 얻을 수 없는 문제가 있으며, 탄화텅스텐 및 불가피적 불순물 외에 탄화탄탈, 탄화티탄 또는 질화티탄을 함유하는 것으로 탄화텅스텐계 초경질재료와는 다른 소재이다. 또 일본공개특허 평8-208335호에 기재된 소결체는 펄스통전가압 소결법을 이용하여 소결한 탄화텅스텐 및 불가피적 불순물로 이루어지는 소결체이기는 하지만, 평균입경이 0.3㎛ 이상으로 초경질재료는 제공할 수 없다.
또 미국특허 제5,681,783호에 의하면, 핫프레스법, 상압소결법으로 제작된, 0.2중량% 이하의 코발트를 함유하는 바인더리스 WC 소결체는, 밀도 97%, 98% 에서 각각 비커스경도가 2400㎏/㎟ 이상, 2500㎏/㎟ 이상을 나타내고 있으나, 탄화텅스텐계의 초경질재료는 WC의 고순도재료의 관점에서는 반드시 만족할 수 있는 것이 아니어서 개선이 더욱 요망되었다.
종래의 소결법과 달리 방전 플라스마 소결법에서는 원리적으로 출발 원료분말의 입자표면에서의 확산이 지배적이고, 이 소결기구에 합치된 특히 원료분말의 입자표면성상, 조성의 적절한 선택이 고품질의 소결체를 얻는 데에 중요한 인자가 되고 있다.
따라서, 높은 경도, 내마모성, 내부식성, 고밀도, 고강도를 갖는 소위 바인더리스 탄화텅스텐계 초경질재료에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 광학렌즈로 사용되는 비구면 렌즈의 제작을 위하여 높은 경도, 내마모성, 내부식성, 고밀도, 고강도를 가진 탄화텅스텐 및 불가피적 불순물만으로 이루어지는 바인더리스의 탄화텅스텐계 초경질재료를 이용하여 분말소결로 제조되도록 하며 소결제품의 치수정확도 확보와 분말결합도를 향상시켜 소결제품의 강도를 개선할 수 있도록 하는 고품질 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형은 95 내지 99.5wt%의 텅스텐 카바이드 분말과, 0.05 내지 0.1wt%의 프리카본 분말을 혼합하여 가압력 40 내지 70MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 1700 내지 1850℃ 온도로 방전 플라즈마 소결시킨 것으로 소결후 상대밀도는 98 내지 100%특징으로 한다.
이때, 텅스텐 카바이드 분말의 크기는 직경 0.6~10㎛이고, 프리카본 분말의 크기는 직경 10~25㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 다른 형태의 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형은 99.5 내지 99.9wt%의 텅스텐 카바이드 분말과, 0.1 내지 0.5wt%의 코발트 분말을 혼합하여 가압력 40 내지 70MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 1400 내지 1550℃ 온도로 방전 플라즈마 소결시킨 것으로 소결밀도는 98 내지 100% 특징으로 한다.
이때, 텅스텐 카바이드 분말의 크기는 직경 0.6~10㎛이고, 코발트 분말의 크기는 직경 10~25㎛인 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 의한 또 다른 형태의 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형은 98 내지 99.5wt%의 텅스텐 카바이드 분말과, 0.5 내지 2wt%의 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말을 혼합하여 가압력 40 내지 70MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 1550 내지 1700℃ 온도로 방전 플라즈마 소결시킨 것으로 소결밀도는 98 내지 100% 특징으로 한다.
이때, 텅스텐 카바이드 분말의 크기는 직경 0.6~10㎛이고, 탄화티타늄 또는 탄화탄탈 분말의 크기는 직경 0.5~20㎛인 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 의한 또 다른 형태의 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형은 98.5 내지 99.4wt%의 텅스텐 카바이드 분말과, 0.05 내지 0.1wt%의 프리카본 분말 및 0.1 내지 0.5wt%의 코발트 분말을 혼합하여 가압력 40 내지 70MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 1500 내지 1800℃ 온도로 방전 플라즈마 소결시킨 것으로 소결밀도는 98 내지 100% 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 의한 또 다른 형태의 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형은 97 내지 99.0wt%의 텅스텐 카바이드 분말과, 0.05 내지 0.1wt%의 프리카본 분말 및 0.5 내지 2wt%의 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말을 혼합하여 가압력 40 내지 70MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 1550 내지 1800℃ 온도로 방전 플라즈마 소결시킨 것으로 소결밀도는 98 내지 100% 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 의한 또 다른 형태의 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형은 97.5 내지 99.4wt%의 텅스텐 카바이드 분말과, 0.1 내지 0.5wt%의 코발트 분말 및 0.5 내지 2wt%의 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말을 혼합하여 가압력 40 내지 70MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 1450 내지 1700℃ 온도로 방전 플라즈마 소결시킨 것으로 소결밀도 98 내지 100% 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 의한 또 다른 형태의 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형은 96.5 내지 98.9wt%의 텅스텐 카바이드 분말과, 0.05 내지 0.1wt%의 프리카본 분말과, 0.1 내지 0.5wt%의 코발트 분말 및 0.5 내지 2wt%의 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말을 혼합하여가압력 40 내지 70MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 1500 내지 1700℃ 온도로 방전 플라즈마 소결시킨 것으로 소결밀도 98 내지 100% 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명은 광학렌즈로 사용되는 비구면 렌즈의 제작을 위하여 높은 경도, 내마모성, 내부식성, 고밀도, 고강도를 가진 탄화텅스텐 및 불가피적 불순물만으로 이루어지는 바인더리스의 탄화텅스텐계 초경질재료를 이용하여 분말소결로 제조되도록 하고 소결제품의 치수정확도 확보와 분말결합도를 향상시켜 소결제품의 강도를 개선할 수 있도록 하는 효과가 있다. 또한, 고온 성형에서 이물질 배출을 억제하여 고품질의 비구면렌즈를 성형하는데 적합하며, 소결제품의 표면이 양호하여 우수한 경면 마무리를 할 수 있고, 렌즈의 후가공 공정이 간단하여 생산성 향상 및 비용절감을 가져올 수 있으며, 고정밀도의 소결제품을 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명에 사용된 방전 플라즈마 소결장치를 나타낸 계락도.
도 2는 소결온도에 따른 분말성형밀도와 경도의 상관관계를 나타낸 그래프.
도 3은 텅스텐 카바이드 분말의 크기에 따른 분말성형밀도와 소결온도의 상관관계를 나타낸 그래프.
도 4는 방전 플라즈마 소결온도에 따른 수축거동을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명에 의한 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형의 제조공정을 나타낸 흐름도.
도 6은 방전 플라즈마 소결한 비구면 렌즈용 금형시편의 미세조직사진.
도 7은 방전 플라즈마 소결하여 제조한 비구면 렌즈용 금형실물과 계략도.
도 2는 소결온도에 따른 분말성형밀도와 경도의 상관관계를 나타낸 그래프.
도 3은 텅스텐 카바이드 분말의 크기에 따른 분말성형밀도와 소결온도의 상관관계를 나타낸 그래프.
도 4는 방전 플라즈마 소결온도에 따른 수축거동을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명에 의한 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형의 제조공정을 나타낸 흐름도.
도 6은 방전 플라즈마 소결한 비구면 렌즈용 금형시편의 미세조직사진.
도 7은 방전 플라즈마 소결하여 제조한 비구면 렌즈용 금형실물과 계략도.
이하, 본 발명의 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 사용된 방전 플라즈마 소결장치를 나타낸 계락도이다.
방전 플라즈마 소결장치는 금형(Die)에 분말을 삽입하며 펀치(Punch)로 가압하고 전극(Electrode)에 전류(Current) 및 전압(Voltage)을 가하여 가압(Pressure)하여 소결하는 장치이다.
본 발명에 의한 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형은 탄화텅스텐(WC) 분말과, 프리카본 분말 또는 코발트 분말 또는 탄화티타늄(TiC) 분말의 혼합으로 이루어지거나, 탄화텅스텐(WC) 분말과, 프리카본 분말, 코발트 분말, 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말의 조합 조성으로 이루어지는 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료로 이를 분말소결시켜 제조된다.
이때, 입자의 평균입경이 바람직하게는 0.3㎛ 미만인 원료분말을 사용하여 소결되고, 소결체의 이론 밀도비가 99.0% 이상이다.
텅스텐 카바이드 분말은 텅스텐(C)과 탄소(C)를 반응시켜 만든 분말로서 분말 성형된 소결품은 비정질 나노 복합소재로서 고온 고압에 의한 강도가 우수한 특성이 있다.
또한 바인더 및 1탄화 2텅스텐(W2C)을 실질적으로 함유하지 않는, 방전플라스마 소결법으로 대표되는 소결되는 점에 특징을 갖는다.
여기에서 바인더를 실질적으로 함유하지 않는다는 것은, 바인더로서의 기능을 갖는 원소, 예컨대 코발트(Co), 니켈(Ni) 등을 함유하지 않는 것이 아니라 그 기능을 발휘할 수 있는 양만큼 함유하고 있지 않은 것을 말한다.
미량의 프리카본은 단시간 신속소결을 실행하는 방전 플라스마 소결에서는, 소결 도중에 탄화텅스텐(WC) 입자끼리가 결합되는 치밀화 공정중에 텅스텐 카바이드 분말의 입자성장 억제제로 작용하여 WC 단일 상 소결체를 얻는 데에 중요한 요소이다.
방전 플라스마 소결법에서는 급속가열, 방전 플라스마, 방전충격압력, 주울(joule) 열 등의 열확산효과와 전자장에 의한 전계확산 효과 등을 발생시키기 때문에, 종래의 프로세스와는 다른 소결 메카니즘으로 탄화텅스텐(WC) 입자끼리가 결합되어 간다. 소결조건의 적정한 선택을 도모함으로써 밀도 99.0%이상의 치밀도로 미세기포가 전혀 없는 양호한 탄화텅스텐(WC) 단일 상 소결체를 안정적으로 얻을 수 있게 된다.
이때, 프리카본 분말의 조성비율은 0.5 내지 1.0wt%이다.
분말소결시에 원료분말 내부의 카본량이 과소하면 소결한 결과 W2C(1탄화 2텅스텐)를 생성하여 물성이 열화된다. 카본량이 과다하면 프리카본이 잔류되어 물성이 저하된다. 따라서, 적당한 카본량의 제어가 필요하다.
상기 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료에 있어서, 입자의 평균입경을 바람직하게는 0.3μm미만으로 한 것은, 평균입경이 0.3μm를 초과하면, 방전 플라스마 소결법으로 입성장을 억제한 소결이 진행되어 초미세한 조직구조의 탄화텅스텐(WC) 단일 상 소결체를 얻을 수 있게 된다. 또 보다 바람직하게는 0.3㎛ 미만 0.1㎛ 이상인 것으로 한 것은 0.1㎛ 미만인 분말재료의 가격이 매우 고가로 되어 비용적으로 실용에 적합하지 않기 때문이다. 또한 이론 밀도비를 99.0% 이상으로 한 것은, 이론 밀도비가 99.0% 미만에서는 소결체로서 경도가 저하되고, 마이크로 포어가 잔류되거나 하여 양호한 경질재료가 되지 않고, 또 편차 없이 균질하게 안정적으로 소결할 수 없기 때문이다. 그리고 또 바인더 및 탄화 2텅스텐(W2C)을 실질적으로 함유하지 않는다고 한 것은, 이들 함유량이 많아지면 경도, 인성, 항절력 등의 기계적 성질이 저하되어 경질재료로서의 특성이 열화되기 때문이다.
상기 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료에 있어서, 상기 바인더의 함유량이 0 (0으로 간주할 수 있는 양도 포함) 이어도 되고, 또 W2C 의 함유량이 0이어도 된다.
이와 같이 함으로써, 탄화텅스텐계 초경질재료의 순도를 높여, 경도, 내부식성, 내마모성 등의 향상을 도모할 수 있고, 예컨대 본 발명의 초경질재료를 비구면뿐만 아니라 구면렌즈용 렌즈금형에 응용해도 에치 핏(etch pit) 등을 발생시키지 않아, 내식성, 내마모성 및 내열성이 있는 매우 고품위의 경면을 갖는 성형면이 얻어지기 때문이다.
또한 상기 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료에 있어서, 프리카본을 실질적으로 함유하지 않도록 해도 된다.
이와 같이 함으로써 탄화텅스텐계 초경질재료의 순도를 높이고, 상기와 동일하게 탄화텅스텐계 초경질재료의 순도를 높여, 경도, 내부식성, 내마모성 등의 향상을 도모할 수 있기 때문이다.
아울러, 상기 원료분말의 소정량을 그래파이트제의 소결형내에 충전하고, 상기 소결형을 진공 또는 불활성 분위기 중에 놓고, 원하는 방전 플라즈마 소결조건으로 소결하는 것에 특징을 갖는다.
또, 소결을 실시하는 소결형을 그래파이트로 한 것은 비용면에서 유리하며 통전성이 있고 또한 고온에 견딜 수 있는 소결형재가 달리 발견되지 않기 때문이다. 또한, 방전 플라즈마 소결법에 의해 소결하는 것으로 한 것은, 종래의 다른 소결법에서는 소결시간이 길어지고 입자성장과 결정의 조대화에 의해 경도, 항절력, 인성 등의 기계적 성질이 저하되기 때문이다. 또 방전 플라즈마 소결법에 의한 특유의 효과, 즉 입계에서의 급속가열, 방전플라즈마, 방전충격압력 및 줄 열 등의 열확산효과와 전자장에 의한 전계확산효과 등 단시간에 고상 확산소결할 수 있고, 치밀화속도, 확산속도를 변화시켜 탄화텅스텐(WC)의 격자정수를 변화시키는 현상을 초래하여 화학량론 조성과 다른 총카본량을 갖는 단일 상의 탄화텅스텐(WC)을 얻는 효과를 종래의 다른 소결법에서는 기대할 수 없기 때문이다.
아울러, 상기 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료의 제조방법에 있어서, 상기 첨가하는 카본량을 소결에 의해 형성되는 소결체의 표면적 및 용적의 적어도 한쪽을 고려하여 결정해도 된다. 이와 같이 함으로써 그래파이트제 소결형으로부터 소결체로 이행하는 카본량을 예측할 수 있어 카본의 총함유량의 제어를 정확하게 할 수 있기 때문이다.
방전 플라즈마 분말 소결법에 의해 소결하는 것은 액상소결에 의해 치밀화되는 일반적인 소결 초경합금과 달리 개발 소결 초경합금은 카본함량이 극히 낮기 때문에 액상 및 고상소결이 동시에 진행되어 기존 초경제품 소결공정 조건과는 차별화됨으로써 치밀화가 일어나기 때문에 경도 및 강도면에서 우수한 소결품을 얻기 위함이다.
분말성형밀도는 텅스텐 카바이드 분말에 대한 Co 분말의 밀도비로 상대적인 값이다.
이때, 분말성형밀도는 93 내지 99 로 한다.
아울러, 분말성형밀도가 93% 미만으로 너무 낮게 되면 텅스텐 카바이드 분말의 양이 많아지므로 성형성이 좋아지게 되나 강도가 저하되게 되며, 분말성형밀도가 98%를 초과하여 너무 높게 되면 텅스텐 카바이드 분말의 양이 많아지므로 강도가 향상되나, 성형성이 나빠지게 된다. 따라서, 적당한 분말 성형밀도를 유지하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 텅스텐 카바이드 분말과 프리카본 분말은 지르코니아 볼을 이용하여 200 내지 250rpm의 속도로 20 내지 25시간 볼밀 분산처리되는 것이 바람직하다.
250rpm을 초과한 빠른 속도로 교반하거나, 25시간을 초과하여 너무 오랜 시간 교반하게 되면 분말이 미립화되어 소결이 용이하지 않고, 200rpm 미만의 너무 느린 속도로 교반하거나, 20시간 미만의 짧은 시간 동안 교반하게 되면 텅스텐 카바이드 분말에 코발트 분말이 고르게 분산되지 않아 분말 성형성이 저하되므로 적당한 속도와 적당한 시간으로 교반하는 것이 바람직하다.
교반시의 온도는 20~30℃로 유지하며, 기포발생을 억제하기 위하여 76cmHg의 진공을 가하여 교반을 하도록 한다. 혼합물 내부에 기포가 존재할 경우 기포에 의한 고온 강도가 저하되기 때문에 이를 방지하기 위함이다.
또한, 프리카본 분말을 혼합한 텅스텐 카바이드 분말의 소결온도는 1700 내지 1850℃이며, 상기 온도에서의 소결시간은 3 내지 7분이고, 승온속도는 80~100℃/분이다.
소결온도가 1700℃ 미만으로 너무 낮거나, 소결시간이 3분 미만으로 너무 짧게 되면 텅스텐 카바이드 분말과 프리카본 분말의 결합도가 저하되어 성형성 및 강도가 저하되게 된다. 반면에, 소결온도가 1850℃를 초과하여 너무 높거나, 소결시간이 7분을 초과하여 너무 길게 되면 바인더로 사용되는 프리카본 분말의 증발이 이루어져 바인더로서의 역할이 저하되게 되므로 결합도와 강도가 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 적당한 소결온도와 소결시간으로 소결하는 것이 바람직하다. 승온온도가 80℃/분 미만으로 너무 낮게 되면 소결품의 외측과 내측 온도의 구배가 적게 되나 소결품의 내부로 열전달이 원활하게 이루어지지 않게 되어 원활한 소결이 이루어지지 않게 되며, 승온온도가 100℃/분 초과하여 너무 크게 되면 소결품의 외측과 내측 온도의 구배가 크게 되어 소결후 소결품의 품질에 영향을 주게 되므로 적당한 승온온도로 제어하는 것이 바람직하다.
도 2는 소결온도에 따른 분말성형밀도와 경도의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 2는 프리카본 분말을 혼합한 텅스텐 카바이드 분말의 소결한 것이다.
도시된 바와 같이, 소결온도가 1700 내지 1850℃에서 분말성형밀도는 93 내지 99를 나타내며, 경도가 증가함을 알 수 있다.
아울러, 텅스텐 카바이드 분말의 크기는 직경 0.6~10㎛이고, 프리카본 분말의 크기는 직경 10~25㎛인 것이 바람직하며, 분말을 압축하는 압축압력은 40~70MPa 인 것이 바람직하다.
도 3은 텅스텐 카바이드 분말의 크기에 따른 분말성형밀도와 소결온도의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 프리카본 분말을 혼합한 텅스텐 카바이드 분말의 소결한 것이다.
도시된 바와 같이, 소결온도가 1700 내지 1850℃에서 텅스텐 카바이드 분말의 크기가 직경 0.6 이상 6㎛이하인 경우에 분말성형밀도가 95이상이 되는 것을 알 수 있다. 텅스텐 카바이드 분말의 크기는 직경 10㎛이하가 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
이때, 분말을 압축하는 압축압력이 40MPa 미만으로 너무 작으면 분말밀도가 낮아져 성형성이 나빠지게 되고 혼합 분말에 기포가 존재할 수 있어 강도가 저하되게 되며, 압축압력이 70MPa 초과하여 너무 크면 분말밀도가 높아져 성형성이 좋아지고 강도가 향상되나 스프링백 현상이 크게 되어 소결품의 정밀도 및 치수안정성이 나빠지게 된다. 따라서, 적당하게 분말을 압축하는 가압력으로 가압하여 제조되는 것이 바람직하다.
도 4는 방전 플라즈마 소결온도에 따른 수축거동을 나타낸 그래프이다.
프리카본 분말과 텅스텐 카바이드 분말을 혼합하고 1850℃에서 5분간 50MPa의 압축압력과, 1720℃에서 5분간 50MPa의 압축압력으로 방전플라즈마 소결한 결과로서 수축과 수축률을 나타낸 그래프이다.
각각 1850℃와 1720℃의 소결온도에서 수축률이 거의 최소화되는 것을 나타내며, 수축은 거의 최대가 되는 것을 나타낸다. 즉, 각각의 소결온도에서 소결이 잘된다는 것을 나타낸다.
본 발명에 의한 다른 형태의 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료는 텅스텐 카바이드 분말과 코발트 분말의 혼합 조성으로 이루어지며 이를 분말소결한다.
이때, 코발드 분말의 조성은 0.1 내지 0.5wt%로 하며, 분말성형밀도는 93 내지 99 로 한다.
아울러, 상기 텅스텐 카바이드 분말과 코발트 분말의 혼합조건은 전술한 텅스텐 카바이드 분말과 프리카본 분말의 혼합조건과 동일하다.
또한, 코발트 분말을 혼합한 텅스텐 카바이드 분말의 소결온도는 1400 내지 1550℃이며, 상기 온도에서의 소결시간은 3 내지 7분이고, 승온속도는 80~100℃/분이다.
소결온도가 1400℃ 미만으로 너무 낮거나, 소결시간이 3분 미만으로 너무 짧게 되면 텅스텐 카바이드 분말과 코발트 분말의 결합도가 저하되어 성형성 및 강도가 저하되게 된다. 반면에, 소결온도가 1550℃를 초과하여 너무 높거나, 소결시간이 7분을 초과하여 너무 길게 되면 바인더로 사용되는 코발트 분말의 증발이 이루어져 바인더로서의 역할이 저하되게 되므로 결합도와 강도가 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 적당한 소결온도와 소결시간으로 소결하는 것이 바람직하다. 승온온도가 80℃/분 미만으로 너무 낮게 되면 소결품의 외측과 내측 온도의 구배가 적게 되나 소결품의 내부로 열전달이 원활하게 이루어지지 않게 되어 원활한 소결이 이루어지지 않게 되며, 승온온도가 100℃/분 초과하여 너무 크게 되면 소결품의 외측과 내측 온도의 구배가 크게 되어 소결후 소결품의 품질에 영향을 주게 되므로 적당한 승온온도로 제어하는 것이 바람직하다.
아울러, 텅스텐 카바이드 분말의 크기는 직경 0.6~10㎛이고, 코발트 분말의 크기는 직경 10~25㎛인 것이 바람직하며, 분말을 압축하는 압축압력은 전술한 텅스텐 카바이드 분말과 프리카본 분말의 혼합분말의 소결조건과 동일하며 40~70MPa 로 한다.
본 발명에 의한 또 다른 형태의 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료는 텅스텐 카바이드 분말과 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말의 혼합 조성으로 이루어지며 이를 분말소결한다.
이때, 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말의 조성은 0.5 내지 2wt%로 한다.
또한, 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말을 혼합한 텅스텐 카바이드 분말의 소결온도는 1550 내지 1700℃이며, 상기 온도에서의 소결시간은 3 내지 7분이고, 승온속도는 80~100℃/분이다.
소결온도가 1550℃ 미만으로 너무 낮거나, 소결시간이 3분 미만으로 너무 짧게 되면 텅스텐 카바이드 분말과 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말의 결합도가 저하되어 성형성 및 강도가 저하되게 된다. 반면에, 소결온도가 1700℃를 초과하여 너무 높거나, 소결시간이 7분을 초과하여 너무 길게 되면 바인더로 사용되는 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말의 증발이 이루어져 바인더로서의 역할이 저하되게 되므로 결합도와 강도가 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 적당한 소결온도와 소결시간으로 소결하는 것이 바람직하다. 승온온도가 80℃/분 미만으로 너무 낮게 되면 소결품의 외측과 내측 온도의 구배가 적게 되나 소결품의 내부로 열전달이 원활하게 이루어지지 않게 되어 원활한 소결이 이루어지지 않게 되며, 승온온도가 100℃/분 초과하여 너무 크게 되면 소결품의 외측과 내측 온도의 구배가 크게 되어 소결후 소결품의 품질에 영향을 주게 되므로 적당한 승온온도로 제어하는 것이 바람직하다.
아울러, 텅스텐 카바이드 분말의 크기는 직경 0.6~10㎛이고, 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말의 크기는 직경 0.5~20㎛인 것이 바람직하며, 분말을 압축하는 압축압력은 전술한 텅스텐 카바이드 분말과 프리카본 분말의 혼합분말 소결조건 및 텅스텐 카바이드 분말과 코발트 분말의 혼합분말 소결조건과 동일하며 40~70MPa 로 한다.
본 발명에 의한 또 다른 형태의 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료는 텅스텐 카바이드 분말과 바인더 역할을 하는 프리카본 분말, 코발트 분말 및 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말의 혼합 조성으로 이루어지며 이를 분말소결한다.
이때, 혼합조성은 바인더 역할을 하는 프리카본 분말, 코발트 분말 및 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말 중에서 2가지 이상을 혼합하여 조성한다. 즉, 프리카본 분말과 코발트 분말을 혼합하거나, 프리카본 분말과 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말을 혼합하거나, 코발트 분말과 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말을 혼합하거나, 프리카본 분말과 코발트 분말 및 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말을 모두 혼합하여 조성한다.
이때, 프리카본 분말의 조성비율은 0.5 내지 1.0wt%이고, 코발트 분말의 조성은 0.1 내지 0.5wt%이며, 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말의 조성은 0.5 내지 2wt%로 한다.
여기에서 사용되는 프리카본 분말과 코발트 분말 및 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말은 단시간 신속소결을 실행하는 방전 플라스마 소결에서는, 소결 도중에 탄화텅스텐(WC) 입자끼리가 결합되는 치밀화 공정 중에 텅스텐 카바이드 분말의 입자성장 억제제로 작용하여 탄화텅스텐(WC) 단일 상 소결체를 얻는 데에 중요한 요소이다.
이러한 프리카본 분말과 코발트 분말 및 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말로 이루어지는 바인더 분말의 첨가량이 감소할수록 경도와 내마모성이 증가될 수 있으나, 제품의 소결이 용이하지 않아 균열이 발생되어 파괴되기 쉽고, 바인더 분말의 첨가량이 증가할수록 제품의 소결이 용이하게 되나 소결 제품의 경도 및 내마모성이 감소하여 금형으로서의 강도를 기대할 수 없게 된다.
프리카본 분말과 코발트 분말 및 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말의 혼합조성을 이용한 바인더 분말을 이용한 탄화텅스텐계 바인더리스 초경질재료의 성형조건은 전술한 바인더 분말의 성형조건에서 소결시간, 승온온도, 각 분말의 직경, 압축압력은 동일하게 적용한다. 다만, 소결온도는 다르게 적용한다.
바인더에 프리카본 분말과 코발트 분말을 혼합한 텅스텐 카바이드 분말의 소결온도는 1500 내지 1800℃이며, 바인더에 프리카본 분말과 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말을 혼합한 텅스텐 카바이드 분말의 소결온도는 1550 내지 1800℃이고, 바인더에 코발트 분말과 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말을 혼합한 텅스텐 카바이드 분말의 소결온도는 1450 내지 1700℃이다.
아울러, 바인더에 프리카본 분말과 코발트 분말 및 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말을 모두 혼합한 텅스텐 카바이드 분말의 소결온도는 1500 내지 1700℃이다.
도 5는 본 발명에 의한 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형의 제조공정을 나타낸 흐름도이다.
먼저, 텅스텐 카바이드 분말과 각 바인더를 계량하고, 지르코니아 볼을 이용하여 200 내지 250rpm의 속도로 20 내지 25시간 볼밀 분산처리시켜 혼합한다. 혼합한 분말을 건조시키고 성형틀에 건조된 분말을 가압하여 1차금형을 성형한다. 성형한 1차금형을 온도 700 내지 1000℃로 예비소결한다. 이렇게 되면 성형틀에서 1차금형을 제거를 원활하게 하기 위한 왁스가 제거되고 1차금형을 가공하기 위한 강도를 갖게 된다. 예비소결된 1차금형을 비구면 렌즈 제작을 위한 크기에 맞는 형상으로 가공한다. 비구면 렌즈 제작을 위한 크기에 맞는 형상으로 가공된 금형을 적정소결온도로 2차 소결한다.
도 6은 텅스텐 카바이드 분말과 프리카본 분말을 혼합하여 방전 플라즈마 소결한 비구면 렌즈용 금형시편의 미세조직사진이다.
도시된 바와 같이, 텅스텐 카바이드 분말이 고르게 분포되며 치밀한 구조를 갖는 것을 알 수 있다.
도 7은 텅스텐 카바이드 분말과 프리카본 분말을 혼합하여 방전 플라즈마 소결하여 제조한 비구면 렌즈용 금형실물과 계략도를 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이, 제조된 비구면 렌즈용 금형이 깨끗한 경면을 갖는 것을 알 수 있어 비구면 렌즈 제작용 금형으로도 충분히 적용할 수 있을 것으로 사료된다.
본 발명의 상기한 실시예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
Claims (10)
- 90 내지 99.5wt%의 텅스텐 카바이드 분말과, 0.5 내지 1.0wt%의 프리카본 분말을 혼합하여, 분말성형밀도 93 내지 99%, 가압력 40 내지 70MPa로 가압하여 3 내지 7분간, 1700 내지 1850℃ 온도로 방전 플라즈마 소결시킨 것을 특징으로 하는 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형.
- 제 1 항에 있어서,
텅스텐 카바이드 분말의 크기는 직경 0.6~10㎛이고, 프리카본 분말의 크기는 직경 10~25㎛인 것을 특징으로 하는 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형. - 99.5 내지 99.9wt%의 텅스텐 카바이드 분말과, 0.1 내지 0.5wt%의 코발트 분말을 혼합하여, 분말성형밀도 93 내지 99%, 가압력 40 내지 70MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 1400 내지 1550℃ 온도로 방전 플라즈마 소결시킨 것을 특징으로 하는 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형.
- 제 3 항에 있어서,
텅스텐 카바이드 분말의 크기는 직경 0.6~10㎛이고, 코발트 분말의 크기는 직경 10~25㎛인 것을 특징으로 하는 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형.
- 98 내지 99.5wt%의 텅스텐 카바이드 분말과, 0.5 내지 2wt%의 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말을 혼합하여, 분말성형밀도 93 내지 99%, 가압력 40 내지 70MPa로 가압하여 3 내지 7분간, 1550 내지 1700℃ 온도로 방전 플라즈마 소결시킨 것을 특징으로 하는 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형.
- 제 5 항에 있어서,
텅스텐 카바이드 분말의 크기는 직경 0.6~10㎛이고, 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말의 크기는 직경 0.5~20㎛인 것을 특징으로 하는 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형. - 98.5 내지 99.4wt%의 텅스텐 카바이드 분말과, 0.5 내지 1.0wt%의 프리카본 분말 및 0.1 내지 0.5wt%의 코발트 분말을 혼합하여, 분말성형밀도 93 내지 99%, 가압력 40 내지 70MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 1500 내지 1800℃ 온도로 방전 플라즈마 소결시킨 것을 특징으로 하는 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형.
- 97 내지 99.0wt%의 텅스텐 카바이드 분말과, 0.5 내지 1.0wt%의 프리카본 분말 및 0.5 내지 2wt%의 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말을 혼합하여, 분말성형밀도 93 내지 99%, 가압력 40 내지 70MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 1550 내지 1800℃ 온도로 방전 플라즈마 소결시킨 것을 특징으로 하는 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형.
- 97.5 내지 99.4wt%의 텅스텐 카바이드 분말과, 0.1 내지 0.5wt%의 코발트 분말 및 0.5 내지 2wt%의 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말을 혼합하여, 분말성형밀도 93 내지 99%, 가압력 40 내지 70MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 1450 내지 1700℃ 온도로 방전 플라즈마 소결시킨 것을 특징으로 하는 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형.
- 96.5 내지 98.9wt%의 텅스텐 카바이드 분말과, 0.5 내지 1.0wt%의 프리카본 분말과, 0.1 내지 0.5wt%의 코발트 분말 및 0.5 내지 2wt%의 탄화티타늄(TiC) 또는 탄화탈탄(TaC) 분말을 혼합하여, 분말성형밀도 93 내지 99%, 가압력 40 내지 70MPa로 가압하여 5 내지 10분간, 1500 내지 1700℃ 온도로 방전 플라즈마 소결시킨 것을 특징으로 하는 비구면 렌즈 제작용 소결 초경합금 금형.
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