KR20180095909A - 절삭 공구 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Co, Fe 및 Ni 중 하나 이상을 포함하는 바인더 상 및 WC 를 포함하는 초경합금 기재를 포함하는 절삭 공구로서, 초경합금은 Me12C 및/또는 Me6C 카바이드를 포함하는 균일하게 분산된 에타 상을 또한 포함하고, 여기서 Me 는 W, Mo 및 바인더 상 금속들로부터 선택된 하나 이상의 금속이고, 상기 초경합금 중의 아화학량론 탄소 함량이 -0.30 내지 -0.16 wt% 인, 절삭 공구에 관한 것이다. 본 절삭 공구는 빗형 균열에 대한 향상된 저항성을 달성할 것이다.

Description

절삭 공구
본 발명은 제어된 양의 미세 분산 에타 상을 포함하는 초경합금 기재 (substrate) 를 포함하는 절삭 공구에 관한 것이다.
초경합금으로 제조된 절삭 공구는 당해 기술분야에 공지되어 있다.
초경합금 구조에 대한 탄소 함량의 영향은 잘 알려져 있다. 탄소가 부족하면 에타 상, 예컨대 W6Co6C, W3Co3C 이 형성되는 반면, 과잉 탄소는 유리 (free) 그래파이트의 석출을 초래한다. 탄소 함량은 일반적으로 에타 상이나 그래파이트가 형성되지 않도록 균형잡힌다. 에타 상과 그래파이트 쌍방은 피할 수 있는 것으로 간주된다. 에타 상을 함유하는 초경합금은 부서지기 쉬운 것으로 알려져 있고, 그 때문에 에타 상은 일반적으로 바람직하지 않다.
그러나, 당해 기술분야에서 에타 상이 의도적으로 형성되는 몇몇 초경합금이 존재한다. US 4,843,039 에서, 소결 후에 초경합금이 에타 상을 함유하도록 코팅된 초경합금 인서트가 낮은 탄소 함량으로 제조된다. 그 후, 초경합금은 침탄 처리를 거쳐, 구배 표면 구역이 형성된다. 구배 표면 구역은 에타 상이 없고 초경합금의 내부 부분보다 낮은 Co 함량을 갖는다. 그러나, 이러한 타입의 재료는 절삭 작업에 적합하지 않다. 대신에, 이러한 타입의 재료는 EP0182759 와 같은 광업 분야에 일반적으로 사용된다.
EP2691198 에는 에타 상의 나노 입자에 의해 강화된 광업 분야에 적합한 초경합금이 기재되어 있다. 나노 입자의 결정립 크기는 10 ㎚ 미만이고, 초경합금은 적어도 0.70*201.9 μT㎥/㎏ = 141 μT㎥/㎏ 의 자기 포화를 갖는다.
빗형 균열 (comb crack) 은 일부 밀링 분야에서 오랜 기간 동안 문제가 되어 왔으며, 빗형 균열에 대한 향상된 저항성을 가져서 연장된 공구 수명을 갖는 절삭 공구 재료를 찾기 위해 지속적으로 노력해 왔다.
제어되고 잘 분포된 에타 상을 갖는 초경합금 기재를 제공함으로써, 빗형 균열에 대한 저항성이 상당히 향상될 수 있다는 것이 밝혀졌다.
본 발명은 Co, Fe 및 Ni 중 하나 이상을 포함하는 바인더 상 및 WC 를 포함하는 초경합금 기재를 포함하는 절삭 공구에 관한 것이다. 초경합금 기재는 Me12C 및/또는 Me6C 카바이드를 포함하는 에타 상을 더 포함하고, 여기서 Me 는 W, Mo 및 바인더 상 금속들 중의 하나 이상으로부터 선택되고, 초경합금 중의 아화학량론 탄소 함량이 -0.30 내지 -0.16 wt% 이다.
기술적 효과, 즉 빗형 균열에 대한 향상된 저항성은 아마도 다음의 두 가지, 즉 본원에 개시된 바와 같이 바인더 상 중의 높은 W 함량 및 잘 분포된 에타 상의 존재의 결과이다. 바인더 상 중의 W 의 용해도는 탄소 함량과 직접 관련이 있다. 에타 상 형성 한계에 도달할 때까지, 탄소 함량이 감소함에 따라 바인더 중의 W 의 양이 증가한다. 탄소 함량이 훨씬 더 낮아지면, 바인더 중의 W 의 용해도는 더욱 증가하지 않을 것이다. 바인더에 용해된 많은 양의 W 를 얻는 것이 유익한 일부 초경합금 그레이드에서는, 탄소 함량이 낮지만 에타 상 형성 한계보다는 높게 유지되었다.
본 발명에 따른 초경합금은 훨씬 더 낮은 탄소 함량을 가지므로, 에타 상이 형성된다. 이는 바인더 중의 높은 W 함량 및 에타 상 쌍방을 갖는 초경합금을 초래할 것이다.
본원에서 에타 상이란 Me12C 및 Me6C 로부터 선택된 카바이드를 의미하며, 여기서 Me 는 W, Mo 및 바인더 상 금속들 중의 하나 이상으로부터 선택된다. 통상적인 카바이드는 W6Co6C, W3Co3C, W6Ni6C, W3Ni3C, W6Fe6C, W3Fe3C 이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 에타 상은 Me12C 및 Me6C 쌍방을 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 에타 상은 XRD 측정으로 추정했을 때 90 vol% 초과의 Me12C 를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 에타 상은 Mo 를 함유하지 않는다.
본 발명의 또 다른 실시형태에서, 에타 상은 Mo 를 함유한다. Mo 가 초경합금에 존재하면, Mo 는 에타 상에서 텅스텐의 일부를 대체할 것이다.
에타 상의 평균 결정립 크기는 적절하게는 0.1 내지 10 ㎛, 바람직하게는 0.5 내지 3 ㎛ 이다. 이는 다양한 방식으로, 예컨대 SEM/LOM 이미지에서의 평균 선형 절편 (mean linear intercept) 에 의해 또는 EBSD 에 의해 측정될 수 있다.
에타 상의 분포는 가능한 한 균일해야 한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 에타 상의 부피 분율은 적절하게는 2 내지 10 vol%, 바람직하게는 4 내지 8 vol%, 더 바람직하게는 4 내지 6 vol% 이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 에타 상 분포는 초경합금 기재 전체에 걸쳐 동일하다. 이는 본원에서 초경합금이 예컨대 US 4,843,039 에서처럼 에타 상이 없는 구역 또는 에타 상의 구배를 포함하지 않음을 의미한다.
본 발명의 초경합금은 특정 범위 내의 아화학량론 탄소 함량을 갖는다. 아화학량론 탄소는 화학량론 값 탄소에 대한 탄소 함량의 척도이다. 아화학량론 값은 바인더 상 함량, 다른 탄화물 등과 같은 다른 파라미터에 의존하지 않기 때문에 사용하기에 좋은 측정치이다.
탄소 균형 (carbon balance) 은 에타 상 형성을 제어하기 위해 중요하다. 적절하게는, 탄소 함량은 -0.30 내지 -0.16 wt% 아화학량론 탄소, 바람직하게는 -0.28 내지 -0.17 wt% 아화학량론 탄소이다.
반면, 화학량론 탄소 함량은 바인더 상 함량 등과 같은 다른 파라미터에 의존한다. 분말의 경우, 소결 전에, 화학량론 값은 WC 가 완전히 화학량론적이라고 가정하여, 즉 원자 비 W : C 가 1 : 1 이라고 가정하여 계산된다. 다른 카바이드가 존재한다면, 그것들도 또한 화학량론적이라고 가정한다.
화학량론 탄소 함량이 소결 초경합금, 예컨대 Co 및 WC 로 구성된 초경합금에서 추정되는 때, 이는 원자 비 W : C 가 1 : 1 이라고 가정하고 첨가된 WC 원료의 양에 기초하여 행해지거나, 또는 소결된 재료의 측정으로부터 그리고 측정된 텅스텐 함량으로부터, 원지 비 W : C 가 1 : 1 이라고 가정하고 화학량론 탄소 함량을 계산할 수 있다.
이는 본원에서 사용되는 용어 아화학량론 탄소가 화학 분석에 의해 결정되는 총 탄소 함량에서 WC 및 초경합금 내에 존재할 수 있는 다른 탄화물에 기초하여 계산된 화학량론 탄소 함량을 뺀 것임을 의미한다.
일례로서, 특정 초경합금에 대한 화학량론 탄소 함량이 5.60 wt% 이고, 동일한 초경합금이 만들어지지만 탄소 함량이 5.30 wt% 이라면, 아화학량론 탄소는 -0.30 wt% 일 것이다.
빗형 균열에 대한 향상된 저항성을 얻는데 필요한 잘 분포된 에타 상을 획득하기 위해서는, 정확한 탄소 함량을 달성하는 것이 필수적이다. 따라서, 빗형 균열에 대한 저항성을 향상시키는 것은 단지 에타 상의 단순한 존재가 아니며, 에타 상은 적절한 양으로 잘 분포될 필요가 있다. 이는 제조 중에 탄소 균형을 조심스럽게 제어함으로써 달성된다.
소결 초경합금 중의 탄소 함량이 너무 낮으면, 즉 -0.30 wt% 화학량론 미만이면, 에타 상의 양이 너무 많아져 초경합금이 부서지기 쉬울 것이다. 반면, 탄소 함량이 청구된 범위보다 높으면, 즉 -0.16 초과이지만 여전히 에타 상 형성 영역에 있다면, 형성된 에타 상은 큰 클러스터와 같이 불균일하게 분포되어, 초경합금의 인성의 감소를 초래할 것이다. 아화학량론 탄소 함량의 범위에 대한 한계는 예에서 설명된 방법에 의해 얻은 분석에 기초한다. 원하지 않는 큰 클러스터의 에타 상을 얻는 것 (예컨대, 도 3 참조) 과 목적으로 하는 미세 분포된 에타 상을 얻는 것 (도 1 참조) 사이의 탄소 함량의 차이는 매우 작을 수 있다. 그 한계에 근접하는 것은, 원하지 않는 큰 클러스터를 확실히 피하기 위해 미세구조의 모니터링을 필요로 한다.
본 발명에 따른 초경합금은 균일하게 분포된 에타 상을 가져야 하는데, 이는 본원에서 초경합금이 큰 클러스터를 갖지 않음을 의미한다.
바인더 상은 소결체의 2 내지 20 wt%, 바람직하게는 소결체의 5 내지 12 wt% 의 양으로 Fe, Co 및 Ni 중 하나 이상, 바람직하게는 Co 로부터 적절히 선택된다.
본 발명의 일 실시형태에서, Cr 이 초경합금 중에 존재하는 경우, Cr 의 일부는 바인더 상에 용해된다.
초경합금 중의 WC 의 양은 적절하게는 80 내지 98 wt% 이다. 소결 전의 원료 분말 중의 WC 의 결정립 크기 (FSSS) 는 적절하게는 0.1 내지 12 ㎛, 바람직하게는 0.4 내지 9 ㎛ 이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 초경합금은 또한 Mo 를 0.5 내지 20 wt%, 바람직하게는 0.8 내지 5 wt% 의 양으로 포함한다.
초경합금은 초경합금 분야에서 통상적인 다른 성분, 예컨대 Ti, Ta, Nb, Cr 또는 V 중의 하나 이상의 카바이드, 카보나이트라이드 또는 나이트라이드를 또한 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 초경합금 인서트에는 내마모성 CVD (화학 기상 증착) 가 제공된다. 본 발명의 또 다른 실시형태에서, 초경합금 인서트에는 여러 층, 적절하게는 적어도 예컨대 Ti 의 카보나이트라이드 층 및 Al2O3 층, 바람직하게는 적어도 하나의 Ti(C,N) 층, α-Al2O3 및 외부 TiN 층을 포함하는 내마모성 CVD 코팅이 제공된다.
코팅은 또한 브러싱, 블라스팅 등과 같은 종래 기술에 공지된 추가 처리를 거칠 수 있다.
본원에서 절삭 공구는 인서트, 엔드 밀 또는 드릴을 의미한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 절삭 공구는 인서트, 바람직하게는 밀링 인서트이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 초경합금 기재는 주철, 강 또는 Ti-합금의 밀링에 사용된다.
본 발명은 또한 상기한 초경합금 기재를 포함하는 절삭 공구의 제조 방법에 관한 것이다. 본 방법은,
- 경질 성분들을 형성하는 분말(들)을 제공하는 단계,
- 바인더 상을 형성하는 Co, Fe 및 Ni 로부터 선택된 분말(들)을 제공하는 단계,
- 밀링 액을 제공하는 단계,
- 분말들을 밀링, 건조, 프레싱 및 소결하여 초경합금으로 만드는 단계를 포함하고,
소결된 초경합금 중의 탄소 함량이 아화학량론적으로 -0.30 내지 -0.16 wt% 이도록 하는 양으로 W, W2C, Mo 또는 Mo2C 중의 하나 이상이 첨가된다.
최종 소결된 초경합금 제조에서 정확한 탄소 함량을 획득하기 위해, W, W2C, Mo 또는 Mo2C 중의 하나 이상이 첨가된다.
본 발명의 일 실시형태에서, W 및 W2C 중의 하나 이상이 첨가된다.
본 발명의 일 실시형태에서, W, W2C, Mo 또는 Mo2C 분말들 중의 하나 이상은 다른 원료에 첨가되기 전에 예비밀링된다.
W, W2C, Mo 또는 Mo2C 의 정확한 양은 다른 원료의 조성에 의존한다.
일반적으로 일부 탄소는 산소의 존재로 인해 소결 중에 손실된다. 산소는 탄소와 반응하고 소결 중에 CO 또는 CO2 로서 떠나서 탄소 균형을 이동시키므로, W, W2C, Mo 또는 Mo2C 중의 하나 이상의 첨가량은 조정되어야 한다. 소결 동안 손실되는 탄소의 정확한 양은 사용된 원료 및 제조 기술에 의존하며, 소결된 재료에서 목표하는 아화학량론 탄소 함량을 달성하도록 W, W2C, Mo 또는 Mo2C 첨가를 조정하는 것은 당업자가 할 일이다.
경질 성분들을 형성하는 분말들은 WC 및 초경합금 분야에서 통상적인 다른 성분, 예컨대 Ti, Ta, Nb, Cr 또는 V 중의 하나 이상의 카바이드, 카보나이트라이드 또는 나이트라이드로부터 선택된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 첨가된 WC 의 양은 건조 분말 중량을 기준으로 80 내지 98 wt% 이다. WC 분말의 결정립 크기 (FSSS) 는 적절하게는 0.1 내지 12 ㎛, 바람직하게는 0.4 내지 9 ㎛ 이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 경질 성분들을 형성하는 분말들은 WC 이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 경질 성분들을 형성하는 분말들의 적어도 일부는 주로 원소 W, C 및 Co 를 포함하는, 재순환된 초경 합금 스크랩으로부터 제조된 분말 분획으로서 첨가된다.
바인더 상을 형성하는 분말(들)은 Co, Ni 또는 Fe, 또는 이들의 합금 중 하나 이상이다. 바인더 상을 형성하는 분말(들)은 건조 분말 중량을 기준으로 2 내지 20 wt%, 바람직하게는 5 내지 12 wt% 의 양으로 첨가된다.
종래의 초경합금 제조에서 밀링 액으로서 통상적으로 사용되는 임의의 액체가 사용될 수 있다. 밀링 액은 바람직하게는 물, 알코올 또는 유기 용매, 더 바람직하게는 물 또는 물과 알코올 혼합물, 가장 바람직하게는 물과 에탄올 혼합물이다. 슬러리의 성질은 첨가된 밀링 액의 양에 의존한다. 슬러리의 건조에는 에너지가 필요하기 때문에, 비용을 낮추기 위해서는 액체의 양을 최소화해야 한다. 그러나, 펌핑 가능한 슬러리를 획득하고 시스템의 막힘을 피하기 위해, 충분한 액체가 추가되어야 한다. 또한, 본 기술분야에 일반적으로 공지된 다른 화합물, 예컨대 분산제, pH 조절제 등이 슬러리에 첨가될 수 있다.
후속하는 분무 건조 작업 중에 과립화를 용이하게 하도록 그리고 임의의 후속하는 가압 및 소결 작업을 위한 가압제 (pressing agent) 로서 기능하도록, 유기 바인더가 또한 선택적으로 슬러리에 첨가된다. 유기 바인더는 본 기술분야에서 통상적으로 사용되는 임의의 바인더일 수 있다. 유기 바인더는 예컨대 파라핀, 폴리에틸렌 글리콜 (PEG), 장쇄 지방산 등일 수 있다. 유기 바인더의 양은 총 건조 분말 부피를 기준으로 적절하게는 15 내지 25 vol% 이고, 유기 바인더의 양은 총 건조 분말 부피에 포함되지 않는다.
경질 성분들을 형성하는 분말들 및 바인더 상을 형성하는 분말들, 그리고 가능하게는 유기 바인더를 포함하는 슬러리는 볼 밀 또는 어트리터 밀 (attritor mill) 에서 밀링 작업에 의해 적절하게 혼합된다. 그 다음, 슬러리는 볼 밀 또는 어트리터 밀에서 적절하게 밀링되어 균질 슬러리 블렌드를 획득한다.
유기 액체와 혼합된 분말 재료들 및 가능하게는 유기 바인더를 함유하는 슬러리는 건조 타워에서 적절한 노즐을 통해 미립화되고 (atomized), 여기서 작은 액적들이 고온 가스 스트림에 의해, 예컨대 질소 스트림 중에서 순간적으로 건조되어 응집된 과립을 형성한다. 소규모 실험의 경우, 다른 건조 방법, 예컨대 팬 건조가 또한 사용될 수 있다.
후속하여, 단축 가압, 다축 가압과 같은 가압 작업에 의해 건조 분말/과립으로부터 생형체가 형성된다.
본 발명에 따라 제조된 분말/과립으로부터 형성된 생형체는 후속하여 임의의 통상적인 소결 방법, 예컨대 진공 소결, 소결 HIP, 스파크 플라즈마 소결, 가스 압력 소결 (GPS) 등에 따라 소결된다.
소결 온도는 전형적으로 1300 내지 1580 ℃, 바람직하게는 1360 내지 1450 ℃ 이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 초경합금 인서트는 열처리를 거친다. 적절하게는, 온도는 850 내지 1150 ℃, 바람직하게는 900 내지 1050 ℃ 이다. 상승된 온도에서의 시간은 적절하게는 20 내지 2000 분, 바람직하게는 60 내지 1600 분이다. 이 열처리는 에타 상의 조성을 Me6C + Me12C 의 혼합물로부터 에타 상이 주로 Me12C 인 조성으로 변화시킬 것이다.
상 변태를 달성하기 위해 열처리 온도 및 시간을 당업자가 조절하지만, 온도가 낮아질수록 상승된 온도에서의 더 긴 시간이 요구되는 반면, 고온이 사용되는 경우에는 더 짧은 시간으로 충분할 것이다.
본 발명의 일 실시형태에서, 열처리는 CVD 기술을 사용하는 내마모성 코팅의 증착 공정에서 본질적으로 개시되어 있고, 즉, 증착을 위해 상승된 온도가 사용되므로, 초경합금은 열처리를 거칠 것이다.
본 발명의 또 다른 실시형태에서, 초경합금 인서트에는 내마모성 CVD 코팅이 제공된다. 통상적인 증착 온도는 전술한 바와 같은 열처리 단계와 동일한 에타 상에서의 변화를 초래할 것이다.
본 발명의 일 실시형태에서, CVD 코팅이 증착된다. 적절하게는, CVD 코팅은 수 개의 층, 적절하게는 적어도 MTCVD 에 의해 증착된 카보나이트라이드 층 및 CVD 에 의해 증착된 Al2O3 층, 더 바람직하게는 Ti(C,N) 및 Al2O3 층을 포함한다. 가능하게는 마모 검출을 위한 최외측 컬러 층, 예컨대 TiN 층이 또한 증착될 수 있다.
도 1 은 -0.17 wt% 의 소결체에서의 아화학량론 탄소 함량을 갖는 본 발명에 따른 초경합금의 LOM 이미지를 보여준다.
도 2 는 청구된 것보다 적은 탄소 함량, -0.35 wt% 의 아화학량론 탄소 함량을 갖는 분말로 제조된 초경합금의 LOM 이미지를 보여준다.
도 3 은 -0.15 wt% 의 소결체에서의 아화학량론 탄소 함량, 즉 청구된 것보다 많은 탄소 함량을 갖는 초경합금의 LOM 이미지를 보여준다.
도 4 는 -0.13 wt% 의 아화학량론 탄소 함량을 갖는 분말로부터 제조된 바인더로서의 Ni를 갖는 본 발명에 따른 초경합금의 LOM 이미지를 보여준다.
도 5 는 소결체의 아화학량론 탄소 함량이 -0.14 wt% 인 구배를 생성하는 침탄 열처리를 거친 초경합금의 LOM 이미지를 보여준다.
도 6 은 CVD 코팅 전 (A) 과 후 (B) 의 XRD 회절도 (diffractogram) 을 보여주며, 피크의 넘버링은 1 = WC, 2 = M6C, 3 = M12C, 4 = Co 이다.
예 1
표 1 에 따른 원료로 초경합금 인서트를 제조한다.
Figure pct00001
분말을 밀링 액 (물/에탄올의 비 9/91) 및 유기 바인더, 2 wt% PEG (PEG 의 양은 건조 분말 중량에 포함되지 않음) 와 함께 8 시간 동안 볼 밀에서 밀링하였다. 그런 다음, 슬러리를 팬 건조시켰다. 후속하여, 응집체를 가압하여 생형체로 만들었고, 이를 1410 ℃ 에서 40 mbar Ar + CO 에서 소결시켰다.
그러고 나서, 소결된 조각을 탄소 함량 및 파라미터 (경도 등) 에 대해 분석하였고, 에타 상의 양 등을 측정하였다. 에타 상의 양은 셋업 "오토매틱" 을 사용하여 소프트웨어 이미지 J 를 사용하는 이미지 분석에 의해 결정되었다. 분석을 위해 사용된 이미지는 1000X 및 2000X 의 배율을 갖는 LOM 이미지이었고, 각 배율에서 두 번의 측정을 행하였고, 표 2 의 값은 이들의 평균값이다. 표의 값은 두 이미지에서 수행된 총 4 개의 이미지 분석 (각 이미지에서 두 번의 측정) 의 평균이다. magnetic-% Co 는 표준 DIN IEC 60404-7 을 사용하여 Foerster Instruments Inc. 의 Foerster Koerzimat CS 1.096 으로 분석하여 결정되었다. 결과는 표 2 에 기재되어 있다.
초경합금의 자기 특성은 Co 바인더 상의 강자성 특성에 의해 결정되는 반면, 경질 상 (WC 등) 은 비강자성이다. 측정된 자기 모멘트에 대한 바인더 상의 Co 의 기여는 항상 100% 순수 Co 의 (이론적) 자기 모멘트의 단지 일부 (percentage) 이다. 이는 예를 들어, 초경합금 조성의 일부 금속 (W 및 Cr 등) 이 소결 동안 Co 바인더 상에 용해될 수 있고 순수 Co 에 비해 Co 바인더 상의 강자성 특성을 감소시킬 수 있는 것에 기인할 수 있다. 따라서, magnetic-% Co 라는 용어는 순수한 Co 의 자기 모멘트에 관하여 측정된 자기 모멘트를 의미한다.
소결된 재료의 화학량론 탄소 함량은 먼저 LECO WC-600 장치를 사용하여 총 탄소 함량을 측정함으로써 계산되고, 이 분석을 위해 , 분석 전에 샘플을 분쇄하였다. 값의 정확도는 ±0.01 wt% 이다. Co 함량은 Panalytical Axios Max Advanced 기기를 사용하여 XRF (X선 형광) 로 측정된다. WC 가 1 : 1 의 비를 갖는다고 가정하고, 샘플의 총 중량에서 코발트와 탄소 양을 뺌으로써, 화학량론 탄소 함량을 계산하는 데 사용되는 W 함량이 획득된다.
LECO WC-600 기기에 의해 측정된 총 탄소에서 화학량론 탄소 함량을 뺌으로써, 화학량론 탄소 함량이 획득된다. 표 2 에서 볼 수 있듯이, 소결된 재료의 화학량론 탄소 함량은 분말에서의 화학량론 탄소 함량과 다르다. 이는, 탄소의 일부가 원료 중의 불순물인 산소와 반응하여 소결 중에 CO 또는 CO2 로 배출되고 합금의 총 최종 C 함량을 감소시키는 것에 기인한다.
Figure pct00002
본 발명 1-4 의 미세조직을 살펴보면, W 또는 W2C 첨가 타입이 미세조직에 덜 중요하다는 것을 알 수 있다. 모든 샘플에서 잘 분포된 에타 상이 나타난다. 도 1 에서, 예 4 에 따라 제조된 본 발명 1 의 LOM 이미지가 도시되어 있다.
청구된 범위 미만의 아화학량론 탄소를 갖는 기준 1 은 에타 상의 증가량을 보여주는데, 이는 초경합금을 부서지기 쉽게 만들기 때문에 바람직하지 않다. 도 2 에는, 기준 1 의 LOM 이미지가 도시되어 있다.
청구된 범위 초과의 아화학량론 탄소를 갖는 기준 2 는 클러스터로 불균일하게 분포된 제어되지 않은 에타 상 형성을 보여준다. 도 3 에는, 기준 2 의 LOM 이미지가 도시되어 있다.
예 2
코발트를 6 wt% Ni 로 대체하고 소결 전의 분말 내의 아화학량론 탄소 함량이 -0.13 wt% 이었다는 점만 상이할 뿐, 예 1 과 동일한 방식으로 초경합금을 제조하였다.
소결된 재료의 LOM 이미지 (도 4) 는, Co 가 Ni 로 대체되더라도 에타 상에 대해 동일한 미세조직이 획득될 수 있음을 보여준다.
예 3
본 발명 1 과 동일한 조성을 갖는 초경합금 인서트를 예 1 과 동일한 방식으로 제조하였다.
이어서, 초경합금 인서트를 1350 ℃ 의 침탄 환경에서 15-20 분 동안 열처리하였다. 에타 상이 없고 또한 인서트의 내부 부분보다 낮은 Co 함량을 갖는 평균 약 200 ㎛ 두께의 표면 구역이 형성되었다. 소결체의 아화학량론 탄소 함량은 -0.14 wt% 이었다.
이 샘플 1 의 LOM 이미지가 도 5 에 도시되어 있다.
예 4
초경합금 인서트는 표 1 의 본 발명 1 과 동일한 원료로 제조되었으나, 분말 중 아화학량론 탄소는 -0.11 wt% 이었다. 분말을 팬 건조 대신에 분무 건조시켰다는 차이점을 제외하고는 예 1 과 동일한 방식으로 인서트를 제조하였다. 후속하여, 인서트 중 하나를, 제 1 의 얇은 TiN 층을 포함하는 CVD 코팅으로 코팅하였고, 이어서 885 ℃ 에서 2.7 ㎛ Ti(C,N) 을 증착시켰고, 그러고 나서 2.7 ㎛ α-Al2O3 및 최외측 1.2 ㎛ TiN 층 (1000 ℃ 에서 4 시간 + 4 시간 (총 약 8.5 시간) 증착시킴) 을 증착시켰다.
Figure pct00003
초경합금 기재가 CVD 증착 공정을 거치는 때에 상 변태가 일어나는 것이 관찰되었다. 증착 이전에, 서브카바이드는 (CoW)6C + (CoW)12C 의 혼합물이지만, 증착 후에 서브카바이드는 주로 (CoW)12C 이다. 고온 (1250 ℃ 이상) 평형에서, 서브카바이드 상은 (CoW)6C 이고, 1250 ℃ 이하에서, Co 및 WC 와 평형인 가장 안정한 서브카바이드는 (CoW)12C 이라는 것을 알 수 있다. 비교적 오랜 시간 동안 1050 ℃ 에서 CVD 공정을 행하였기 때문에, (CoW)6C 의 (CoW)12C 로의 상 변태가 일어났다. 이는 XRD 회절도를 보여주는 도 6 에 명확하게 나타나 있다.
예 4 (작업 예)
이 시험, 정면 밀링 시험에서, 본 발명에 따른 코팅된 초경합금은 모두 동일한 형상을 갖는 종래 기술에 따른 3 개의 인서트와 비교되었다. 이 시험은 다음의 절삭 파라미터로 습식 조건에서 회색 주철에서 수행되었다:
Vc: 220
Fz: 0.35
Ap: 3
Ae: 60+60 mm
공구 수명 기준은 0.35 ㎜ 의 깊이까지의 치핑/균열이었다. 이하의 패스 수는 각각 3 회 시험의 평균이다.
비교예 1 은 이러한 타입의 적용에 이미 사용된 인서트이다. 비교예 1 에서의 감마 상의 체적 분율은 약 2 vol% 이다.
비교예 2 는 η상 없이 본 발명 1 과 동일한 초경합금을 목표로 한다. 본 발명 1 과 비교예 2 사이에 코발트 함량이 다른 이유는, 에타 상이 형성될 때에 Co 가 에타 상의 일부이므로 Co 가 소비되기 때문이다. 이는 금속 코발트의 양, 즉 초경합금에서 바인더로서 기능하는 코발트의 양이 보상을 여분의 코발트가 첨가되지 않는 한 첨가된 양보다 적을 것임을 의미한다. 본 발명 1 에 있어서, 7.4 wt% Co 는 첨가된 Co 의 총량인 반면, 본 발명 1 에서의 금속 코발트의 양은 약 6 wt% 인 것으로 추정된다. 비교예 3 은 청구된 범위보다 많은 아화학량론 탄소 함량을 나타내는 비교예 2 와 유사한 초경합금을 목표로 한다. 비교예 4 는 소결된 초경합금이 침탄 처리를 거친 예 3 의 샘플이다.
모든 인서트에는 동일한 코팅, 즉 예 4 에서 기술된 CVD 코팅이 제공되었다.
Figure pct00004
표 4 에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 인서트는 비교 절삭 공구인 비교예 1-4 에 비해 더 긴 공구 수명을 갖는다.

Claims (13)

  1. Co, Fe 및 Ni 중 하나 이상을 포함하는 바인더 상 및 WC 를 포함하는 초경합금 기재를 포함하는 절삭 공구로서,
    초경합금은 Me12C 및/또는 Me6C 카바이드를 포함하는 에타 상을 또한 포함하고, 여기서 Me 는 W, Mo 및 바인더 상 금속들로부터 선택된 하나 이상의 금속이고, 상기 초경합금 중의 아화학량론 탄소 함량이 -0.30 내지 -0.16 wt% 인, 절삭 공구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초경합금 중의 아화학량론 탄소 함량은 -0.28 내지 -0.17 wt% 인, 절삭 공구.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 초경합금 중의 에타 상의 양은 2 내지 10 vol% 인, 절삭 공구.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에타 상은 0.1 내지 10 ㎛ 의 결정립 크기를 갖는, 절삭 공구.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바인더 상의 함량은 2 내지 20 wt% 인, 절삭 공구.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바인더 상은 코발트인, 절삭 공구.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    에타 상 분포가 전체 초경합금 기재에 걸쳐 동일한, 절삭 공구.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초경합금 기재에 내마모성 CVD 코팅이 제공되는, 절삭 공구.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초경합금 기재에 적어도 Ti(C,N) 층 및 Al2O3 층을 포함하는 CVD 코팅이 제공되는, 절삭 공구.
  10. 초경합금 기재를 포함하는 절삭 공구의 제조 방법으로서,
    - WC 분말을 포함하는 경질 성분들을 형성하는 분말(들)을 제공하는 단계,
    - 바인더 상을 형성하는 Co, Fe 및 Ni 로부터 선택된 분말(들)을 제공하는 단계,
    - 밀링 액을 제공하는 단계,
    - 분말들을 밀링, 건조, 프레싱 및 소결하여 초경합금으로 만드는 단계를 포함하고,
    소결된 초경합금 중의 탄소 함량이 아화학량론적으로 -0.30 내지 -0.16 wt% 이도록 하는 양으로 W, W2C, Mo 또는 Mo2C 중의 하나 이상이 첨가되는, 절삭 공구의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 초경합금 중의 아화학량론 탄소 함량이 -0.28 내지 -0.17 wt% 인, 절삭 공구의 제조 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    W 또는 W2C 가 첨가되는, 절삭 공구의 제조 방법.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초경합금 기재에 내마모성 CVD 코팅이 제공되는, 절삭 공구의 제조 방법.
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