KR20150065732A

KR20150065732A - 저 바인더의 내마모성 경질 금속

Info

Publication number: KR20150065732A
Application number: KR1020157009679A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 히르쉬; 안나벨르 메이앙; 스테판 에데뤼드; 마리옹 퓌마롤; 일바 게르하르드손
Original assignee: 산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2015-06-15
Also published as: WO2014057358A8; EP2906515A2; PT2906515T; KR102109227B1; US20150259590A1; CN104755446A; WO2014057358A3; JP6271567B2; EP2906515B1; JP2016500755A; US9624417B2; ES2715824T3; CN104755446B; WO2014057358A2

Abstract

본 발명의 일 실시형태는, 원료 물질의 중량% 로, 원소 또는 화합물 형태로 첨가된 약 15% 내지 약 20% 의 탄화 몰리브덴; 약 0.9% 내지 약 3% 의 코발트, 니켈, 또는 코발트 및 니켈의 조합으로 된 합금; 약 0% 내지 약 0.1% 의 탄화 크롬, 및 잔부 탄화 텅스텐을 포함하는, 저 바인더, 내마모성 재료이다. 선택적으로, 저 바인더, 내마모성 재료는 탄화 티타늄, 티타늄 텅스텐 카바이드와 같은 재료들을 포함할 수도 있다.

Description

저 바인더의 내마모성 경질 금속{LOW BINDER, WEAR RESISTANT HARD METAL}

본 발명은, 적은 양의 바인더와 높은 경도를 나타내는 많은 양의 Mo₂C 를 가지며 낮은 마찰 계수를 가지는 WC 계 재료에 관한 것이다.

무바인더 탄화 텅스텐은, 여기서, 코발트, 철 또는 니켈과 같은 임의의 금속 상이 없는 탄화 텅스텐으로 정의된다. 이는, 임의의 금속 상의 부재로 인해, 산화 및 부식에 대한 우수한 높은 내성 뿐만 아니라, 높은 경도 및 높은 열 전도성을 나타낸다. 또한, 이는 종래의 초경합금보다 훨씬 높은 온도를 견딜 수 있다. 그러나, 임의의 저 용융 상의 부재로 인해, 밀집 무바인더 탄화 텅스텐의 소결이 곤란하다. 저 금속 상의 탄화 텅스텐은 펌프 설비, 복합 재료를 드릴링하기 위한 공구, 와이어 드로잉 다이, 마모 패드, 밀봉 링 및 경질 재료를 활용하는 여러 가지의 다른 어플리케이션을 제작하는데 사용될 수 있다.

본 발명의 목적은, 경도 (다공성에 관련됨), 파괴 인성, 내마모성 및 가압 압력 간의 양호한 절충을 제공하는 조성물을 제공하는 것이다.

일 실시형태에서, 저 바인더, 내마모성 재료는, 중량% 로, 약 15% 내지 약 20% 의 탄화 몰리브덴, 약 0.9% 내지 약 3% 의 코발트, 니켈, 또는 코발트 및 니켈의 조합으로 된 합금, 약 0% 내지 약 0.1% 의 탄화 크롬, 및 잔부 탄화 텅스텐을 포함한다. 이 새로운 재료는 높은 내마모성 및 내식성을 갖는다.

또 다른 실시형태에서, 저 바인더, 내마모성 재료는 20% 의 탄화 몰리브덴 및 1.8% 의 코발트를 포함한다.

또 다른 실시형태에서, 저 바인더, 내마모성 재료는 0.1% 의 탄화 크롬을 포함한다.

본 발명의 이러한 목적 및 다른 목적, 특징, 양태 및 이점은 첨부 도면과 관련한 바람직한 실시형태의 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.

도 1 은 테스트된 2 개의 바인더리스 변종의 내마모성의 그래프이다.
도 2a 는 표 2 의 샘플 15/0.9 의 다공성을 나타낸다.
도 2b 는 표 2 의 샘플 15/1.8 의 다공성을 나타낸다.
도 2c 는 표 2 의 샘플 20/0.9 의 다공성을 나타낸다.
도 2d 는 표 2 의 샘플 20/1.8 의 다공성을 나타낸다.
도 3a - 3e 는 표 2 의 샘플 15/0.9 에 존재하는 마이크로구조의 전자 현미경 이미지와 EDX 맵이다.
도 4a - 4e 는 표 2 의 샘플 20/1.8 에 존재하는 마이크로구조의 전자 현미경 이미지와 EDX 맵이다.
도 5 는 2 개의 바인더리스 변종과 샘플 15/0.9, 20/0.9, 15/1.8 및 20/1.8 의 내마모성의 그래프이다.
도 6 은 Cr₃C₂ 에 의한 15/0.9 변종의 다공성을 나타낸다.
도 7a - 7e 는 Cr₃C₂ 없이 샘플 15/0.9 에 존재하는 마이크로구조의 전자 현미경 이미지와 EDX 맵이다.
도 8 은 테스트된 두 가지 변종의 내마모성의 그래프이다.
도 9 는 등급 20/1.8 2 와 3 가지 변종 사이의 HV30 그래프이다.
도 10 은 등급 20/1.8 2 와 3 가지 변종 사이의 K_1C 의 그래프이다.
도 11a 는 샘플 19.87/2.4 의 다공성을 나타낸다.
도 11b 는 샘플 19.75/3 의 다공성을 나타낸다.
도 11c 는 샘플 20/1.8 WCO20 의 다공성을 나타낸다.
도 12 는 표 8 의 변종의 내마모성의 그래프이다.

본 발명의 일 실시형태는, 원료 물질의 중량% 로, 원소 또는 화합물 형태로 첨가된 약 15% 내지 약 20% 의 탄화 몰리브덴, 약 0.9% 내지 약 3% 의 코발트, 니켈, 또는 코발트 및 니켈의 조합으로 된 합금, 약 0% 내지 약 0.1% 의 탄화 크롬, 및 잔부 탄화 텅스텐을 포함하는, 저 바인더, 내마모성 재료이다. 선택적으로, 상기 저 바인더, 내마모성 재료는 탄화 티타늄 및/또는 탄화 티타늄 텅스텐과 같은 재료들을 포함할 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시형태는, 원료 물질의 중량% 로, 원소 또는 화합물 형태로 첨가된 약 20% 의 몰리브덴, 약 1.8% 코발트의 합금, 약 0% 내지 약 0.1% 의 탄화 크롬, 및 잔부 탄화 텅스텐을 포함하는, 저 바인더, 내마모성 재료이다. 선택적으로, 상기 저 바인더, 내마모성 재료는 탄화 티타늄 및/또는 탄화 티타늄 텅스텐과 같은 재료들을 포함할 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시형태는, 원료 물질의 중량% 로, 원소 또는 화합물 형태로 첨가된 약 20% 의 몰리브덴, 약 1.8% 니켈의 합금, 약 0% 내지 약 0.1% 의 탄화 크롬, 및 잔부 탄화 텅스텐을 포함하는, 저 바인더, 내마모성 재료이다. 선택적으로, 상기 저 바인더, 내마모성 재료는 탄화 티타늄 및/또는 탄화 티타늄 텅스텐과 같은 재료들을 포함할 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시형태는, 원료 물질의 중량% 로, 원소 또는 화합물 형태로 첨가된 약 20% 의 몰리브덴, 약 1.8% 니켈의 합금, 약 0.1% 의 탄화 크롬, 및 잔부 탄화 텅스텐을 포함하는, 저 바인더, 내마모성 재료이다. 선택적으로, 상기 저 바인더, 내마모성 재료는 탄화 티타늄 및/또는 탄화 티타늄 텅스텐과 같은 재료들을 포함할 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시형태는, 원소 또는 화합물 형태로 첨가된 약 15% 내지 약 20% 의 탄화 몰리브덴을 제공하고, 코발트, 니켈, 또는 코발트 및 니켈의 조합으로 된 약 0.9% 내지 약 3% 의 합금을 제공하고, 약 0% 내지 약 0.1% 의 탄화 크롬을 제공하고, 그리고 잔부 탄화 텅스텐을 제공하여 분말 블렌드를 형성하는 단계; 상기 분말 블렌드를 밀링하는 단계, 상기 분말 블렌드를 건조시키는 단계, 상기 분말 블렌드를 체질하는 단계, 상기 분말 블렌드를 가압하는 단계, 및 아르곤 분위기하에서 약 50 바아의 압력하에 약 1,450℃ 의 온도에서 상기 분말 블렌드를 소결시키는 단계를 포함하는, 저 바인더, 내마모성 재료의 제조 방법을 포함한다.

전술한 방법의 또 다른 실시형태는, 탄화 티타늄을 제공하는 추가 단계를 포함한다.

전술한 방법의 또 다른 실시형태는, 탄화 티타늄 텅스텐을 제공하는 추가 단계를 포함한다.

전술한 방법의 또 다른 실시형태는, 약 20% 의 몰리브덴 및 약 1.8 % 의 코발트를 제공하는 추가 단계를 포함한다.

전술한 방법의 또 다른 실시형태는, 약 20% 의 몰리브덴 및 약 1.8 % 의 니켈을 제공하는 추가 단계를 포함한다.

전술한 방법의 또 다른 실시형태는, 약 0.1% 의 탄화 크롬을 제공하는 추가 단계를 포함한다.

저마찰 및 양호한 열전도를 갖는 내마모성 그레이드들은 라운드 공구들 및 밀봉 링 적용 부위들을 위해 사용된다. 일 실시형태에 따르면, Mo₂C 변종을 위한 조성물이 표 1 에 나타난다.

[표 1]

도 1 의 그래프에 도시된 바와 같이, 표 1 의 Mo₂C 변종은 높은 경도 및 높은 내마모성을 나타낸다.

이하에서, 본 발명의 상이한 실시형태들에 따른 보디들의 예들이 설명되며, 상기 보디들의 제조 방법이 개시될 것이다.

예 I

네 가지의 상이한 분말 조성물들이 볼 밀에서 밀링되었다; 조성물들은 표 2에 나타낸다. PEG 가 가압제로서 첨가되었다. 분말은 75℃ 에서 Gallenkamp 오븐 (모델 135/30027) 에서 건조되었고, 500 ㎛ 메시 체에서 체질되었고, Tox 프레스 (모델 STE 510-008-102) 를 이용하여 파고 (fargo) 피이스들, 40 × 25 × 5 mm 로 가압되었다. 이들 샘플은 FCT Anlagenbau GmbH Sinter-HIP 노에서 50 bar의 높은 등방 아르곤 압력하에 1450℃ 에서 소결되었다.

[표 2a]

소결후에 각 보디는 200 및 80 ㎛ 그리트를 이용하여 폴리싱되었고 이어서 9, 3 및 1 ㎛ 의 다이아몬드 페이스트가 이어졌다. 파괴 인성, K_1C 및 경도, HV30 이 측정되었다. 표 3 은 샘플들간에 측정된 K_1C 및 HV30 에서 중대한 차이가 없음을 나타낸다.

[표 3]

도 2a - 2d 는 네 개의 샘플 변종들 각각의 다공도를 나타내는 사진이다. SEM 이미지들이 10kV 의 전자 고장력 (EHT) 및 6 mm 의 작동 거리 (WD) 를 갖는 백스캐터 전자 검출기에 의해 20k 배율로 취해지고 EDX 맵들이 21kV 의 EHT 과 13 mm 의 WD 로 취해져, 제조된 조성물에 존재하는 상들과 마이크로구조가 연구되었다.

[표 2b]

도 3a - 3d 는 전자 현미경 이미지들이고, 도 3e 는 샘플 15/0.9 의 EDX 맵이고, 도 4a - 4d 는 전자 현미경 이미지들이고, 도 4e 는 샘플 20/1.8 의 EDX 맵이다. WC 입자들이 라운드형이고 입자 크기가 1 ㎛ 미만이어서, 입자 크기가 출발 WC 재료 크기에 근접함을 알 수 있다. 따라서, 소결시에는 입자 성장이 없는 것으로 보인다. 모두에서, 입자의 진원도 (roundness) 는 용해-재침전을 통해 일어나는 많은 입자 성장이 존재하는 것이 아니라 오히려 입자 응집을 통해 존재하는 것을 제시한다.

도 3e 및 4e 는 세 개의 상이 관찰될 수 있음을 제시한다.

B611 마모 테스트는 가장 다공도를 나타내는 샘플들에 대해 수행되었다. B611 마모 테스트는 ASTM, 85 (2005) 에 따라 모두 수행되었다. 결과는 도 5 의 그래프에서 볼 수 있다.

도시된 바와 같이, 도시된 네 개의 샘플들 15/0.9, 20/0.9, 15/1.8 및 20/1.8 은 이전의 무바인더 변종들보다 더 양호한 마모 결과를 보였다.

억제제 탄화 크롬을 제거하는 효과를 결정하기 위해 이전에 기재한 바와 동일한 방식으로 실험을 행하였다. 입자 크기가 1 ㎛ 미만임을 알고, 억제제 탄화 크롬을 첨가하지 않고 다른 밀을 행하였다. 따라서, 특성에 있어서의 탄화 크롬의 영향을 평가하였다.

탄화 크롬이 없는 15/0.9 변종의 레시피는 표 4 에 나타낸다.

[표 4]

K_1C 및 HV30 은 탄화 크롬이 있는 15/0.9 변종 및 탄화 크롬이 없는 15/0.9 변종에 대해 측정되었다. 결과는 표 5 에 나타낸다.

[표 5]

HV30 및 K_1C 에 있어서 아무런 변화가 관찰되지 않아서, 탄화 크롬의 존재는 이러한 특성에 영향을 미치지 않는 것으로 보인다.

도 7a - 7d 는 전자 현미경 이미지들이고, 도 7e 는 Cr₃C₂ 없는 샘플 15/0.9에 대한 EDX 맵이다. 관찰은 이전의 15/0.9 변종과 동일하다; 특히 입자는 라운드형이고 약 1 ㎛ 크기이다. 도 7e 에서 세 개의 상들을 또한 관찰할 수 있다. Cr₃C₂ 는 내식성을 개선하는 것으로 알려져 있지만, 그 이외의 경우는 조성 및 미세 조직에 대해 영향이 없는 것으로 보이고, 따라서 경도 및 파괴 인성에 영향이 없는 것으로 보인다.

마모 테스트는 Cr₃C₂ 가 있는 그리고 Cr₃C₂ 가 없는 변종에 대해 행해졌다. 결과는 도 8 에서 볼 수 있다.

이전의 모든 실험에서, 소결은 50 bar 의 높은 등방 아르곤 압력하에 1450 ℃ 에서 수행되었다. 아래의 또 다른 예는, 1450℃ 로 Carbolite 진공 노 (모델 16/75/450) 에서의 20/1.8 변종을 소결하는 것을 보여준다.

[표 6]

표 6 은 경도 또는 파괴 인성에 있어서 중대한 변화가 없음을 보여준다.

20/1.8 은 내마모성, 약 600cm^-3, 마모 경로에 있어서의 무다공성의 견지에서의 신뢰성 및, Mo 및 Co 분포의 균질성에 관한 최적의 변종으로 보인다.

또 다른 예에서, 파괴 인성을 증가시키기 위해 실험이 수행되었다. 일반적으로, K_1C 증가는 크랙 전파를 방지한다. 통상적으로, 코발트 함량이 많을 수록 경도는 낮아지고 파괴 인성은 커진다. 따라서, 표 7 에 나타낸 예들은 더 많은 코발트 함량을 갖고서 밀링되었다. 또 다른 예가 표 7 에 나타나는데, 파괴 인성에 있어서의 입자 크기의 영향을 알기 위해 여기서 0.8 ㎛ 의 WC 가 2.0 ㎛의 WC 로 대체된다.

[표 7]

분말은 75℃ 에서 Gallenkamp 오븐 (모델 135/30027) 에서 건조되었고, 500 ㎛ 메시 체에서 체질되었고, Tox 프레스 (모델 STE 510-008-102) 를 이용하여 파고 (fargo) 피이스들, 40 × 25 × 5 mm 로 가압되었다. 이들 샘플은 FCT Anlagenbau GmbH Sinter-HIP 노에서 50 bar 의 높은 등방 아르곤 압력하에 1450℃ 에서 소결되었다. 도 9 및 10 을 참조하면, 그레이드 20/1.8 2 와 세 개의 새로운 변종간의 HV30 및 K_1C 가 비교되었다. 결과는 코발트 함량이 증가함에 따라 경도의 감소의 견지에서 예상과 같았다; 그러나 파괴 인성의 개선은 보이지 않았다.

변종들의 다공성은 도 11a - 11c 에 나타낸다.

도 12 를 참조하면, 내마모성 결과는 경도 결과와 일치한다; 즉 내마모성은 경도와 감소한다. 또 다른 예에서, 화합물 형태, Mo₂C 로 첨가된 것과 같이, 원소 성분의 탄화 몰리브덴, Mo + C 을 첨가함으로써 동일 재료 특성이 달성될 수 있음이 밝혀졌다. 84.1 % WC, 0.9 % Co, 14.12 % Mo, 0.88 % C, 2.0 % PEG 를 포함하는 15/0.9 조성물의 변종은 밀링되고 프레싱되고 이어서 50 bar 의 높은 등방 아르곤 압력하에 1450℃ 에서 소결되었다. HV30 은 2185 인 것으로 측정되고 K_1C 는 7.2 인 것으로 측정되었는데, 이는 화합물 형태로 15% Mo₂C 의 첨가를 사용하여 동일 조성물로부터 제조된 샘플에 필적한다.

또 다른 예에서, 상이한 결합제 시스템의 효과도 탐색되었다. 펌프 어플리케이션과 같은 일부 어플리케이션의 경우, 니켈 (Ni) 바인더가 또한 사용될 수도 있다.

[표 8]

표 8 에 나타낸 바와 같이, 경도는 Ni 에 의해 약간 더 낮지만, 여전히 높은 수준이다. K_1C 에서의 변화는 없었다.

본 발명이 그 특정 실시형태들과 관련하여 설명되었으나, 많은 다른 변형예 및 수정예 그리고 다른 사용이 당업자들에게 명백할 것이다. 그러므로, 본 발명은 여기의 특정 개시에 의해 한정되는 것이 아니라 오직 첨부된 청구항들에 의해 한정되는 것이 바람직하다.

Claims

원료 물질의 중량% 로,
원소 또는 화합물 형태로 첨가된 약 15% 내지 약 20% 의 탄화 몰리브덴,
약 0.9% 내지 약 3% 의 코발트, 니켈, 또는 코발트 및 니켈의 조합으로 된 합금,
약 0% 내지 약 0.1% 의 탄화 크롬, 및
잔부의 탄화 텅스텐
을 포함하는, 저 바인더의 내마모성 재료.
제 1 항에 있어서,
탄화 티타늄을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저 바인더의 내마모성 재료.
제 1 항에 있어서,
탄화 티타늄 텅스텐을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저 바인더의 내마모성 재료.
제 1 항에 있어서,
약 20% 의 몰리브덴 및 약 1.8 % 의 코발트를 포함하는 것을 특징으로 하는 저 바인더의 내마모성 재료.
제 1 항에 있어서,
약 20% 의 몰리브덴 및 약 1.8 % 의 니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는 저 바인더의 내마모성 재료.
제 1 항에 있어서,
0% 의 탄화 크롬을 포함하는 것을 특징으로 하는 저 바인더의 내마모성 재료.
제 1 항에 있어서,
약 0.1% 의 탄화 크롬을 포함하는 것을 특징으로 하는 저 바인더의 내마모성 재료.
제 1 항의 저 바인더의 내마모성 재료를 포함하는 밀봉 링, 마모 패드, 와이어 드로잉 다이 또는 복합 드릴링 어플리케이션.
원소 또는 화합물 형태로 첨가된 약 15% 내지 약 20% 의 탄화 몰리브덴을 제공하고, 약 0.9% 내지 약 3% 의 코발트, 니켈, 또는 코발트 및 니켈의 조합으로 된 합금을 제공하고, 약 0% 내지 약 0.1% 의 탄화 크롬을 제공하고, 그리고 잔부의 탄화 텅스텐을 제공하여 분말 블렌드를 형성하는 단계,
상기 분말 블렌드를 밀링하는 단계,
상기 분말 블렌드를 건조시키는 단계,
상기 분말 블렌드를 체질하는 단계,
상기 분말 블렌드를 가압하는 단계, 및
아르곤 분위기하에서 약 50 바아의 압력하에 약 1,450℃ 의 온도에서 상기 분말 블렌드를 소결시키는 단계
를 포함하는, 저 바인더의 내마모성 재료의 제조 방법.
제 9 항에 있어서,
탄화 티타늄을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저 바인더의 내마모성 재료의 제조 방법.
제 9 항에 있어서,
탄화 티타늄 텅스텐을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저 바인더의 내마모성 재료의 제조 방법.
제 9 항에 있어서,
약 20% 의 몰리브덴 및 약 1.8 % 의 코발트를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저 바인더의 내마모성 재료의 제조 방법.
제 9 항에 있어서,
약 20% 의 몰리브덴 및 약 1.8 % 의 니켈을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저 바인더의 내마모성 재료의 제조 방법.
제 9 항에 있어서,
약 0.1% 의 탄화 크롬을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저 바인더의 내마모성 재료의 제조 방법.