KR20210002381A

KR20210002381A - 초경 합금, 그것을 포함하는 절삭 공구 및 초경 합금의 제조 방법

Info

Publication number: KR20210002381A
Application number: KR1020197031000A
Authority: KR
Inventors: 고스케 후카에; 히로아키 고토우; 마사토 미치우치; 게이이치 츠다
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2021-01-08
Also published as: US20210025038A1; EP3587609A1; EP3587609A8; JPWO2019207876A1; EP3587609B1; CN110651056A; CN110651056B; KR102619781B1; EP3587609A4; WO2019207876A1; JP7115486B2; US11401587B2

Abstract

초경 합금은 WC를 포함하는 제1 경질상 입자와, 적어도 Ti 및 Nb를 함유하는 탄질화물을 포함하는 제2 경질상 입자와, 철족 원소를 포함하는 금속 결합상을 포함하고, 상기 제2 경질상 입자는 입상의 코어부와, 상기 코어부 중 적어도 일부를 피복하는 주변부를 포함하고, 상기 코어부는 Ti₁ _-X- _YNb_XW_YC₁ _- _ZN_Z로 나타내는 복합 탄질화물을 포함하고, 상기 X는 0.1 이상 0.2 이하이고, 상기 Y는 0 이상 0.05 이하이고, 상기 Z는 0.3 이상 0.6 이하이고, 상기 주변부는 상기 코어부와 조성이 상이하고, 상기 초경 합금은 그 표면에 있어서 상기 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)과, 상기 표면으로부터 깊이 방향으로 0.5 ㎜까지의 영역에 있어서 상기 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)의 차의 절대값이 10 이내이다.

Description

초경 합금, 그것을 포함하는 절삭 공구 및 초경 합금의 제조 방법

본 개시는 초경 합금, 그것을 포함하는 절삭 공구 및 초경 합금의 제조 방법에 관한 것이다. 본 출원은 2018년 4월 26일에 출원한 일본 특허 출원인 특허 출원 제2018-085641호에 기초하는 우선권을 주장한다. 상기 일본 특허 출원에 기재된 모든 기재 내용은 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.

Ti를 포함하는 경질 재료로서 초경 합금, 서멧 등이 알려져 있다. 이들 경질 재료는, 내마모성이 우수하기 때문에, 절삭 공구, 내마모성 공구 등에 적합하게 이용되고 있다. 예컨대 국제 공개 제2011/136197호(특허문헌 1)에는, 복합 탄질화물 고용체를 포함하는 제1 경질상과, WC를 포함하는 제2 경질상과, Co 및 Ni의 양방 또는 어느 한쪽을 주성분으로 하는 결합상을 포함하는 서멧이 개시되어 있다.

특허문헌 1: 국제 공개 제2011/136197호

본 개시의 일양태에 따른 초경 합금은, WC를 포함하는 제1 경질상 입자와, 적어도 Ti 및 Nb를 함유하는 탄질화물을 포함하는 제2 경질상 입자와, 철족 원소를 포함하는 금속 결합상을 포함하는 초경 합금으로서, 상기 제2 경질상 입자는, 입상의 코어부와, 상기 코어부 중 적어도 일부를 피복하는 주변부를 포함하고, 상기 코어부는, Ti₁ _-X- _YNb_XW_YC₁ _- _ZN_Z로 나타내는 복합 탄질화물을 포함하고, 상기 X는, 0.1 이상 0.2 이하이고, 상기 Y는, 0 이상 0.05 이하이고, 상기 Z는, 0.3 이상 0.6 이하이고, 상기 주변부는, 상기 코어부와 조성이 상이하고, 상기 초경 합금은, 그 표면에 있어서 상기 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)과, 상기 표면으로부터 깊이 방향으로 0.5 ㎜까지의 영역에 있어서 상기 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)의 차의 절대값이, 10 이내이다.

본 개시의 일양태에 따른 절삭 공구는, 상기 초경 합금을 포함한다.

본 개시의 일양태에 따른 초경 합금의 제조 방법은, Ti₁ _-X- _YNb_XW_YC₁ _- _ZN_Z로 나타내는 복합 탄질화물의 분말, WC 분말 및 철족 원소의 분말을 준비하는 공정과, 상기 복합 탄질화물의 분말, 상기 WC 분말 및 상기 철족 원소의 분말을 혼합함으로써, 혼합 분말을 얻는 공정과, 상기 혼합 분말을 가압 성형함으로써 성형체를 얻는 공정과, 상기 성형체를 소결함으로써 소결체를 얻는 공정을 포함하는 초경 합금의 제조 방법으로서, 상기 X는, 0.1 이상 0.2 이하이고, 상기 Y는, 0 이상 0.05 이하이고, 상기 Z는, 0.3 이상 0.6 이하이고, 상기 초경 합금의 제조 방법에 따라 얻은 초경 합금은, 그 표면에 있어서 상기 복합 탄질화물을 포함하는 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)과, 상기 표면으로부터 깊이 방향으로 0.5 ㎜까지의 영역에 있어서 상기 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)의 차의 절대값이, 10 이내이다.

도 1은 본 실시형태에 따른 초경 합금의 단면을 모식적으로 나타낸 모식도이다.

[본 개시가 해결하고자 하는 과제]

특허문헌 1의 경질 재료에 있어서 제1 경질상이 되는 복합 탄질화물 고용체는, (Ti₁ _-x- _yL_xMo_y)(C_1- _zN_z)로 나타내는 코어를 갖는다. 이 화학식에 있어서, L은 Zr, Hf, Nb 및 Ta로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소이고, x는 0.01 이상 0.5 이하이고, y는 0.03 이상 0.05 이하이고, z는 0.05 이상 0.75 이하이다. 따라서, 상기 복합 탄질화물 고용체는, 전금속 원소(Ti, L, Mo)에서 차지하는 Mo의 원자비가 0.03 이상이다. 그러나 Mo는, 탄질화물 그 자체의 내강반응성을 열화시키기 때문에, 그 함유량이 적은 것이 바람직하다.

또한, 상기 복합 탄질화물 고용체와 같이 질소를 함유하는 원료를 포함하는 경질 재료는, 소결 조건에 따라, 복합 탄질화물 고용체를 포함하지 않고, WC와 Co로 이루어지는 탈β층이 경질 재료의 표면에 생성되는 경우가 있다. 그러나 상기 특허문헌 1은, 탈β층에 관한 언급이 없고, 또한 경질 재료의 표면 및 그 표면으로부터 내부의 깊이 방향에 있어서의 제1 경질상(복합 탄질화물 고용체)의 분포에 대해서도 명확히 하지 않고 있다. 경질 재료의 표면 및 그 표면으로부터 내부의 깊이 방향에 있어서 복합 탄질화물이 균일하게 분포됨으로써, 경도 및 인성의 균질성이 우수한 초경 합금을 얻는 것이 가능해지고, 따라서 상기 초경 합금은 내강반응성도 우수하다고 생각된다. 그러나, 그와 같은 경질 재료는 아직 얻어지고 않았고, 그 개발이 갈망되고 있다.

이상의 실정을 감안하여, 본 개시는 내강반응성이 우수한 초경 합금, 그것을 포함하는 절삭 공구 및 초경 합금의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

[본 개시의 효과]

이상에 따르면, 내강반응성이 우수한 초경 합금, 그것을 포함하는 절삭 공구 및 초경 합금의 제조 방법을 제공할 수 있다.

[본 개시의 실시형태의 설명]

본 발명자들은 Ti₁ _-X- _YNb_XW_YC₁ _- _ZN_Z로 나타내는 복합 탄질화물을 새로운 원료로서 적용한 초경 합금을 개발하였다. 이 Ti₁ _-X- _YNb_XW_YC₁ _- _ZN_Z로 나타내는 복합 탄질화물은, 종래의 Ti계 화합물에 비해서, 내강반응성이 우수한 것을 발견하였다. 또한, 소결 조건을 적절하게 제어함으로써 소결체의 표면 및 표면 근방(내부)에 있어서 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)을 균일하게 하여, 경도 및 인성의 균질성이 우수한 초경 합금을 얻는 것에 성공하였다. 이에 의해 내강반응성이 현저히 우수한 초경 합금을 개발하여, 본 개시에 도달하였다. 여기서 본 명세서에 있어서 「탈β층」이란, 전술한 Ti₁ _-X- _YNb_XW_YC₁ _- _ZN_Z로 나타내는 복합 탄질화물을 포함하지 않고, 제1 경질상 입자와 금속 결합상을 포함하는 조직을 말한다.

먼저 본 개시의 실시양태를 열기하여 설명한다.

[1] 본 개시의 일양태에 따른 초경 합금은, WC를 포함하는 제1 경질상 입자와, 적어도 Ti 및 Nb를 함유하는 탄질화물을 포함하는 제2 경질상 입자와, 철족 원소를 포함하는 금속 결합상을 포함하는 초경 합금으로서, 상기 제2 경질상 입자는, 입상의 코어부와, 상기 코어부 중 적어도 일부를 피복하는 주변부를 포함하고, 상기 코어부는, Ti₁ _-X- _YNb_XW_YC₁ _- _ZN_Z로 나타내는 복합 탄질화물을 포함하고, 상기 X는, 0.1 이상 0.2 이하이고, 상기 Y는, 0 이상 0.05 이하이고, 상기 Z는, 0.3 이상 0.6 이하이고, 상기 주변부는, 상기 코어부와 조성이 상이하고, 상기 초경 합금은, 그 표면에 있어서 상기 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)과, 상기 표면으로부터 깊이 방향으로 0.5 ㎜까지의 영역에 있어서 상기 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)의 차의 절대값이, 10 이내이다. 이러한 초경 합금은, 우수한 내강반응성을 구비할 수 있다.

[2] 상기 코어부는, Ti, Nb, W, V, Cr 및 Mo의 총량에서 차지하는 V, Cr 및 Mo의 합계량이 2 원자％ 미만인 것이 바람직하다. 이에 의해, 초경 합금의 특성에 영향이 있는 원소인 V, Cr 및 Mo를 충분히 억제할 수 있기 때문에, 보다 우수한 내강반응성을 구비할 수 있다.

[3] 상기 코어부는, 그 50％ 누적 개수 입경이 1.5 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이에 의해, 기계적 강도 중에서도 특히 굽힘 강도 및 인성을 향상시킬 수 있기 때문에, 보다 우수한 내강반응성을 구비할 수 있다.

[4] 상기 코어부는, 상기 초경 합금에서 차지하는 체적 비율이 2 체적％ 이상 20 체적％ 이하인 것이 바람직하다. 이에 의해, 더욱 우수한 내강반응성을 구비할 수 있다.

[5] 본 개시의 일양태에 따른 절삭 공구는, 상기 초경 합금을 포함한다. 이에 의해, 초경 합금의 내강반응성이 우수하다고 하는 특성을 구비하는 절삭 공구를 제공할 수 있다.

[6] 상기 절삭 공구는, 상기 초경 합금을 포함하는 기재와, 상기 기재를 피복하는 피막을 포함한다. 이러한 절삭 공구도, 초경 합금의 내강반응성이 우수하다고 하는 특성을 구비할 수 있다.

[7] 본 개시의 일양태에 따른 초경 합금의 제조 방법은, Ti₁ _-X- _YNb_XW_YC₁ _- _ZN_Z로 나타내는 복합 탄질화물의 분말, WC 분말 및 철족 원소의 분말을 준비하는 공정과, 상기 복합 탄질화물의 분말, 상기 WC 분말 및 상기 철족 원소의 분말을 혼합함으로써, 혼합 분말을 얻는 공정과, 상기 혼합 분말을 가압 성형함으로써 성형체를 얻는 공정과, 상기 성형체를 소결함으로써 소결체를 얻는 공정을 포함하는 초경 합금의 제조 방법으로서, 상기 X는, 0.1 이상 0.2 이하이고, 상기 Y는, 0 이상 0.05 이하이고, 상기 Z는, 0.3 이상 0.6 이하이고, 상기 초경 합금의 제조 방법에 따라 얻은 초경 합금은, 그 표면에 있어서 상기 복합 탄질화물을 포함하는 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)과, 상기 표면으로부터 깊이 방향으로 0.5 ㎜까지의 영역에 있어서 상기 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)의 차의 절대값이, 10 이내이다. 이러한 초경 합금의 제조 방법에 따라, 내강반응성이 우수한 초경 합금을 얻을 수 있다.

[8] 상기 소결체를 얻는 공정은, 질소 분압이 3 ㎪ 이상 15 ㎪ 이하이고, 유지 온도가 1300℃ 이상 1600℃ 이하이고, 또한 유지 시간이 0.5시간 이상 2시간 이하인 소결 조건에서 상기 성형체를 소결하는 공정인 것이 바람직하다. 이에 의해 내강반응성이 우수한 초경 합금을 수율 좋게 얻을 수 있다.

[본 개시의 실시형태의 상세]

이하, 본 개시의 실시형태(이하, 「본 실시형태」라고도 기재함)에 대해서 더욱 상세하게 설명하는데, 본 실시형태는 이들에 한정되는 것이 아니다. 이하에서는 도면을 참조하면서 설명한다.

여기서, 본 명세서에 있어서 「A∼B」라고 하는 형식의 표기는, 범위의 상한과 하한(즉 A 이상 B 이하)을 의미하고, A에 있어서 단위의 기재가 없고, B에 있어서만 단위가 기재되어 있는 경우, A의 단위와 B의 단위는 동일하다. 또한, 본 명세서에 있어서 화합물 등을 화학식으로 나타내는 경우, 원자비를 특별히 한정하지 않을 때는 종래 공지의 모든 원자비를 포함하는 것으로 하고, 반드시 화학양론적 범위의 것에만 한정되는 것이 아니다. 예컨대 「TiAlN」이라고 기재되어 있는 경우, TiAlN을 구성하는 원자수의 비는 Ti:Al:N=0.5:0.5:1에 한정되지 않고, 종래 공지의 모든 원자비가 포함된다. 이것은, 「TiAlN」 이외의 화합물의 기재에 대해서도 동일하다. 본 실시형태에 있어서, 티탄(Ti), 알루미늄(Al), 규소(Si), 탄탈(Ta), 크롬(Cr), 니오븀(Nb), 텅스텐(W) 등의 금속 원소와, 질소(N), 산소(O) 또는 탄소(C) 등의 비금속 원소로 나타내는 화합물은, 반드시 화학양론적인 조성을 구성하고 있을 필요가 없다. 본 명세서에 있어서 「기계적 강도」란, 내마모성, 내결손성 및 굽힘 강도 등의 여러 가지 특성을 포함하는 기계적인 강도를 의미한다.

[초경 합금]

본 실시형태에 따른 초경 합금은, 도 1에 나타내는 바와 같이, WC를 포함하는 제1 경질상 입자(a)와, 적어도 Ti 및 Nb를 함유하는 탄질화물을 포함하는 제2 경질상 입자(b)와, 철족 원소를 포함하는 금속 결합상(c)을 포함한다. 제2 경질상 입자(b)는, 입상의 코어부(ba)와, 코어부(ba) 중 적어도 일부를 피복하는 주변부(bb)를 포함하고, 코어부(ba)는, Ti₁ _-X- _YNb_XW_YC₁ _- _ZN_Z로 나타내는 복합 탄질화물을 포함한다. X는, 0.1 이상 0.2 이하이고, Y는, 0 이상 0.05 이하이고, Z는, 0.3 이상 0.6 이하이다. 주변부(bb)는, 코어부(ba)와 조성이 상이하다. 또한 초경 합금은, 그 표면에 있어서 제2 경질상 입자(b)가 점유하는 면적률(％)과, 상기 표면으로부터 깊이 방향으로 0.5 ㎜까지의 영역에 있어서 제2 경질상 입자(b)가 점유하는 면적률(％)의 차의 절대값이, 10 이내이다. 이러한 초경 합금은, 그 표면 및 표면 근방(내부)에 있어서 제2 경질상 입자가 균일하게 포함되게 되기 때문에, 경도 및 인성의 균질성이 우수하고, 따라서 내강반응성이 우수하다고 하는 특성을 구비할 수 있다.

<제1 경질상 입자>

제1 경질상 입자(a)는, WC를 포함한다. 즉 제1 경질상 입자(a)는, 그 주성분이 WC(탄화텅스텐)이다. 제1 경질상 입자(a)는, WC 외에, WC의 제조 과정에서 혼입되는 불가피 원소, 미량의 불순물 원소 등을 포함할 수 있다. 제1 경질상 입자(a) 에 있어서의 WC의 함유량은, 본 개시의 효과를 발휘하는 관점에서, 99 질량％ 이상인 것이 바람직하다. 제1 경질상 입자(a)에 포함할 수 있는 W 및 C 이외의 원소에는, 예컨대 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr) 등을 가능성으로서 들 수 있다.

<제2 경질상 입자>

제2 경질상 입자(b)는, 적어도 Ti 및 Nb를 함유하는 탄질화물을 포함한다. 특히 제2 경질상 입자(b)는, 입상의 코어부(ba)와, 코어부(ba) 중 적어도 일부를 피복하는 주변부(bb)를 포함하고, 코어부(ba)는, Ti₁ _-X- _YNb_XW_YC₁ _- _ZN_Z로 나타내는 복합 탄질화물을 포함한다. X는, 0.1 이상 0.2 이하이고, Y는, 0 이상 0.05 이하이고, Z는, 0.3 이상 0.6 이하이다. 주변부(bb)는, 코어부(ba)와 조성이 상이하다. 초경 합금은, 제2 경질상 입자(b)에 있어서의 입상의 코어부(ba)의 조성(Ti, Nb, W, C 및 N)이 전술한 범위의 원자비인 경우, 우수한 기계적 강도를 구비할 수 있다. 제2 경질상 입자(b)가, 코어부(ba)와, 이 코어부(ba) 중 적어도 일부를 피복하는 주변부(bb)를 포함함으로써, 제2 경질상 입자(b)와 금속 결합상(c) 사이의 밀착 강도를 높여, 기계적 강도가 우수하다고 하는 효과를 얻을 수 있다.

(코어부)

코어부(ba)는, Ti₁ _-X- _YNb_XW_YC₁ _- _ZN_Z로 나타내는 복합 탄질화물을 포함한다. X는, 0.1 이상 0.2 이하이고, Y는, 0 이상 0.05 이하이고, Z는, 0.3 이상 0.6 이하이다. 즉 코어부(ba)는, Ti가 주성분이고, 또한 부성분으로서 Nb를 포함한다. 또한 제3 성분으로서 W를 포함하는 경우가 있다. X 및 Y의 값이 전술한 범위인 경우, 복합 탄질화물의 기계적 강도 및 내강반응성을 밸런스 좋게 향상시킬 수 있다. 또한, Nb의 원자비(X)는, 0.13 이상 0.17 이하인 것이 바람직하고, W의 원자비(Y)는, 0 이상 0.03 이하인 것이 바람직하다. 한편, Ti의 원자비(1-XY)는, 부성분 및 제3 성분의 첨가량을 고용 한계 이하로 하고, 또한 첨가 금속 원소의 효과를 충분히 끌어내는 관점에서, 0.75 이상 0.9 이하인 것이 바람직하다. 복합 탄질화물 중 탄소(C) 및 질소(N)의 원자비를 나타내는 Z는, 0.4 이상 0.6 이하인 것이 바람직하다. 코어부(ba)의 조성은, 본 개시의 효과를 발휘하는 한, 주변부(bb)와 상이하면, 그 조성은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예컨대 Ti₀ _. ₈₅Nb₀ _. ₁₅C₀ _. ₅N₀ _.5, Ti₀ _. ₈Nb₀ _.17W_0. ₀₃C₀ _. ₄₅N₀ _.55 등을 들 수 있다.

코어부(ba)는, Ti, Nb, W, V, Cr 및 Mo의 총량에서 차지하는 V, Cr 및 Mo의 합계량이 2 원자％ 미만인 것이 바람직하다. 코어부(ba)의 Ti, Nb, W, V, Cr 및 Mo의 총량에서 차지하는 V, Cr 및 Mo의 합계의 함유량은, 1 원자％ 이하인 것이 보다 바람직하다. 상기 함유량은, 0인 것이 가장 바람직하다.

코어부(ba)는, 주성분인 Ti, 부성분인 Nb, 제3 성분인 W에 더하여, 불순물 또는 미량 원소로서 전술한 V, Cr, Mo 등의 원소를 포함할 가능성이 있다. 본 실시형태에서는, 상기 원소 중, V, Cr 및 Mo의 합계의 함유량을 이들 모든 금속 원소에 대하여 2 원자％ 미만으로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 보다 우수한 내강반응성을 얻을 수 있다. 상기 함유량이 2 원자％ 이상인 경우, 이들 불순물에 의해 탄질화물 그 자체의 기계적 강도 및 내강반응성에 악영향을 끼칠 우려가 있다.

여기서 코어부(ba)에 포함되는 복합 탄질화물의 조성 및 그 원자비는, 초경 합금을 임의의 면으로 절단한 절단면에 대하여, 주사형 전자 현미경(SEM)에 부대한 에너지 분산형 X선 분광 장치(EDX)를 이용하여 분석함으로써 동정할 수 있다. 예컨대 하나의 초경 합금으로부터 상기 절단면을 준비한 뒤에, 이 절단면에 나타난 제2 경질상 입자(b)에 포함되는 코어부(ba)를 상기 장치로 측정함으로써, 복합 탄질화물의 조성 및 그 원자비를 구할 수 있다. 제1 경질상 입자(a)에 있어서의 WC의 함유량, 후술하는 금속 결합상(c)에 있어서의 철족 원소의 함유량도, 상기 절단면에 나타난 제1 경질상 입자(a), 금속 결합상(c)을 대상으로 함으로써, 동일한 측정 방법에 따라 동정할 수 있다. 상기 절단면에 대해서는, SEM에 의한 관찰 전에, 표면을 집속 이온 빔(FIB)에 의해 연마 가공하는 것이 바람직하다.

코어부(ba)는, 입상이고, 그 50％ 누적 개수 입경(이하, 「코어부의 D50」이라고도 기재함)이 1.5 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 즉 상기 절단면에 나타난 복수의 코어부(ba)의 D50이 1.5 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이에 의해, 기계적 강도 중에서도 특별히 굽힘 강도 및 인성을 향상시킬 수 있기 때문에, 보다 우수한 내강반응성을 구비할 수 있다. 코어부(ba)의 D50은, 1 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 그 하한값은, 0.1 ㎛다.

개개의 코어부(ba)의 입경은, 초경 합금의 단면(상기 절단면)으로부터 취득한 SEM상을 화상 해석함으로써 구할 수 있다. 화상 해석에 사용하는 소프트웨어로서는, 예컨대 ImageJ(https://imagej.nih.gov/ij/)를 이용할 수 있다. 여기서 코어부(ba)의 「입경」이란, 최대 페렛 직경을 의미한다. 코어부(ba)의 D50을 구하기 위한 모수(즉, 코어부(ba)의 「입경」의 개수)를, 적어도 50개 이상으로 하고, 100개 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 화상 해석을 행하기 위한 상기 SEM 화상은, 해석 정밀도의 관점에서 그 배율을 3000∼5000배로 촬상하는 것으로 하고, 복수 시야에 의해 상기 모수를 만족하는 코어부(ba)의 입경의 개수를 준비하는 것이 바람직하다.

코어부(ba)는, 상기 초경 합금에 차지하는 체적 비율이 2 체적％ 이상 20 체적％ 이하인 것이 바람직하다. 이에 의해, 보다 우수한 내강반응성을 얻을 수 있다. 초경 합금에 차지하는 코어부(ba)의 체적 비율은, 10 체적％ 이상 20 체적％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

초경 합금에 차지하는 코어부(ba)의 체적 비율은, 코어부(ba)의 D50의 해석의 경우와 동일하게 하여 구할 수 있다. 보다 구체적으로는, 전술한 절단면을 준비하고, 그 절단면을 SEM을 이용하여 3000∼5000배의 배율로 관찰하고, 전술한 소프트웨어를 이용하여 화상 해석함으로써, 관찰 시야에 있어서의 코어부(ba)의 면적 비율을 구할 수 있다. 다음에, 이 면적 비율이 상기 절단면의 깊이 방향으로도 연속하는 것으로 간주함으로써, 상기 면적 비율을 초경 합금에 차지하는 코어부(ba)의 체적 비율이라고 간주한다. 이에 의해, 초경 합금에 차지하는 코어부(ba)의 체적 비율을 구할 수 있다. 초경 합금에 차지하는 코어부(ba)의 체적 비율은, 하나의 상기 절단면으로부터 3 이상의 시야에서 촬상한 SEM상을 준비한 뒤에 전술한 화상 해석을 행하고, 이들로부터 산출된 각 값의 평균값으로 하는 것이 바람직하다.

(주변부)

제2 경질상 입자(b)는, 코어부(ba) 중 적어도 일부를 피복하는 주변부(bb)를 포함한다. 주변부(bb)는, 후술하는 초경 합금의 소결 공정(제4 공정)에서 형성된다. 주변부(bb)는, 액상 소결 시에 복합 탄질화물의 입자와 주위의 WC 입자가 상호 고용 및 용해 재석출함으로써, 복합 탄질화물(즉 Ti₁ _-X- _YNb_XW_YC₁ _- _ZN_Z) 중 W 및 C의 원자비가 풍부한 조성으로서, 코어부(ba)의 주위에 형성된다. 이 때문에 주변부(bb)는, 코어부(ba)와 조성이 상이하다.

주변부(bb)는, 제2 경질상 입자(b)와 금속 결합상(c)의 밀착 강도를 높이는 밀착층으로서 기능한다. 이에 의해, 제2 경질상 입자(b)와 금속 결합상(c)의 계면 강도가 저하하는 것을 억제할 수 있고, 따라서 초경 합금의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다. 주변부(bb)는, 본 개시의 효과를 발휘하는 한, 코어부(ba)의 일부를 피복하여도 좋고, 코어부(ba)의 전부를 피복하여도 좋고, 그 두께도 제한되어서는 안 된다. 주변부(bb)는, 본 개시의 효과를 발휘하는 한, 코어부(ba)와 상이하면, 그 조성은 특별히 제한되어서는 안 되지만, 예컨대 Ti₀ _. ₇₇Nb₀ _.13W_0. ₁C₀ _. ₅N₀ _.5, Ti_0.67Nb_0.13W_0.2C_0.65N_0.35 등을 들 수 있다.

(표면 및 그 근방에 있어서 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％))

본 실시형태에 따른 초경 합금은, 그 표면에 있어서 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)과, 상기 표면으로부터 깊이 방향으로 0.5 ㎜까지의 영역에 있어서 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)의 차의 절대값이, 10 이내이다. 즉 본 실시형태에 따른 초경 합금은, 그 표면 및 표면 근방에 있어서 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)이 거의 동일하고, 따라서 균질한 것을 의미한다. 이에 의해 초경 합금은, 그 표면과 표면 근방(내부)의 경도차, 인성의 차 등이 생기지 않기 때문에, 경도 및 인성의 균질성이 우수하고, 따라서 우수한 내강반응성을 가질 수 있다.

초경 합금의 표면에 있어서 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％) 및 상기 표면으로부터 깊이 방향으로 0.5 ㎜까지의 영역에 있어서 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)을 구하는 방법은, 각각 다음과 같다. 즉, 우선 초경 합금의 표면 및 표면으로부터 깊이 방향으로 0.5 ㎜까지의 영역을 포함하는 시료편을 준비한다. 이 시료편에 있어서 상기 표면에 해당하는 부분에 대하여, SEM을 이용하여 3000∼5000배의 배율로 관찰한다. 계속해서 관찰한 시야에 대하여, 전술한 소프트웨어를 이용하여 화상 해석함으로써, 상기 시야 중의 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)을 구한다. 이에 의해, 초경 합금의 표면에 있어서 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)을 구할 수 있다.

다음에, 상기 시료편을 연마 가공함으로써, 초경 합금의 표면과 평행하고, 또한 상기 표면으로부터 깊이 방향으로 0.1 ㎜의 깊이의 절단면(이하, 「깊이 0.1 ㎜ 면」이라고도 기재함)을 준비한다. 이 깊이 0.1 ㎜ 면에 대하여, SEM을 이용하여 3000∼5000배의 배율로 관찰한다. 계속해서 관찰한 시야에 대하여 전술한 소프트웨어를 이용하여 화상 해석함으로써, 상기 시야 중의 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)을 구한다. 이에 의해, 초경 합금의 표면으로부터 깊이 방향으로 0.5 ㎜까지의 영역에 있어서 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％) 중, 초경 합금의 깊이 0.1 ㎜ 면에 있어서 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)을 구할 수 있다.

또한, 상기 시료편을 연마 가공하는 것 등에 의해, 초경 합금의 표면과 평행하고, 또한 상기 표면으로부터 깊이 방향으로 0.2 ㎜의 깊이의 절단면(이하, 「깊이 0.2 ㎜ 면」이라고도 기재함), 초경 합금의 표면과 평행하고, 또한 상기 표면으로부터 깊이 방향으로 0.3 ㎜의 깊이의 절단면(이하, 「깊이 0.3 ㎜ 면」이라고도 기재함), 초경 합금의 표면과 평행하고, 또한 상기 표면으로부터 깊이 방향으로 0.4 ㎜의 깊이의 절단면(이하, 「깊이 0.4 ㎜ 면」이라고도 기재함)과, 초경 합금의 표면과 평행하고, 또한 상기 표면으로부터 깊이 방향으로 0.5 ㎜의 깊이의 절단면(이하, 「깊이 0.5 ㎜ 면」이라고도 기재함)을 각각 준비한다. 이들 깊이 0.2 ㎜ 면, 깊이 0.3 ㎜ 면, 깊이 0.4 ㎜ 면 및 깊이 0.5 ㎜ 면에 대하여, 깊이 0.1 ㎜ 면과 동일하게 SEM을 이용하여 3000∼5000배의 배율로 관찰하고, 계속해서 화상 해석함으로써, 각 시야 중의 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)을 구한다. 이에 의해, 초경 합금의 표면으로부터 깊이 방향으로 0.5 ㎜까지의 영역에 있어서 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％) 중, 초경 합금의 깊이 0.2 ㎜ 면, 깊이 0.3 ㎜면, 깊이 0.4 ㎜ 면 및 깊이 0.5 ㎜ 면에 있어서 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)을 각각 구할 수 있다.

마지막으로, 초경 합금의 깊이 0.1 ㎜ 면∼깊이 0.5 ㎜ 면의 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)에 대해서 그 평균값을 구하고, 그 값을 초경 합금의 표면으로부터 깊이 방향으로 0.5 ㎜까지의 영역의 제2 경질상 입자의 면적률(％)로 한다.

여기서, 전술한 면적률(％)의 측정은, 하나의 시료편으로부터 3부분의 초경 합금의 표면 및 초경 합금의 표면으로부터 깊이 방향으로 0.5 ㎜까지의 영역을 선택하여 각 SEM상을 준비한다. 그 뒤에, 전술한 방법에 따라 얻어진 값의 평균값을 각각, 초경 합금의 표면 및 초경 합금의 표면으로부터 깊이 방향으로 0.5 ㎜까지의 영역에 있어서의 제2 경질상 입자의 면적률(％)로 한다. 따라서, 초경 합금의 표면 및 초경 합금의 표면으로부터 깊이 방향으로 0.5 ㎜까지의 영역에 있어서의 제2 경질상 입자의 면적률(％)을 구하는 데 필요한 SEM상은, 18(6×3) 시야가 된다.

본 실시형태에서는, 전술한 방법에 따라 구한, 초경 합금의 표면에 있어서 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)과, 초경 합금의 표면으로부터 깊이 방향으로 0.5 ㎜까지의 영역에 있어서 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)의 차의 절대값이, 10(「10 포인트」등으로 칭하는 것으로 함) 이내가 된다. 상기 면적률(％)의 차의 절대값은, 8 이내인 것이 바람직하고, 4 이내인 것이 보다 바람직하다. 가장 바람직한 것은 0(즉 차가 없는 것)이다.

<금속 결합상>

금속 결합상(c)은, 철족 원소를 포함한다. 즉 금속 결합상(c)은, 그 주성분이 철족 원소이다. 금속 결합상(c)은, 철족 원소 외에, 제1 경질상 입자(a) 및 제2 경질상 입자(b)로부터 혼입하는 불가피 원소, 미량의 불순물 원소 등을 포함할 수 있다. 금속 결합상(c)에 있어서의 철족 원소의 함유량은, 금속인 상태를 유지하여 취성적인 중간 화합물의 형성을 피하는 관점에서, 90 원자％ 이상인 것이 바람직하고, 95 원자％ 이상인 것이 보다 바람직하다. 금속 결합상(c)에 있어서의 철족 원소의 함유량의 상한은, 100 원자％이다. 여기서 철족 원소란, 주기표에 있어서의 제4 주기의 제8족, 제9족 및 제10족의 원소, 즉, 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni)을 말한다. 금속 결합상(c)에 함유되는 철족 원소 이외의 원소에는, 예컨대, 티탄(Ti), 텅스텐(W) 등을 들 수 있다.

초경 합금에 있어서 금속 결합상(c)은, 그 주성분이 Co인 것이 바람직하다. 금속 결합상(c)에 있어서의 Co를 제외한 철족 원소의 함유량은, 1 체적％ 미만이 바람직하고, 0.6 체적％ 미만이 보다 바람직하다.

[초경 합금의 제조 방법]

본 실시형태에 따른 초경 합금의 제조 방법은, 특별히 제한되어서는 안 되지만, 다음 방법으로 하는 것이 바람직하다. 즉 초경 합금의 제조 방법은, Ti₁ _-X- _YNb_XW_YC₁ _- _ZN_Z로 나타내는 복합 탄질화물의 분말, WC 분말 및 철족 원소의 분말을 준비하는 공정(제1 공정)과, 복합 탄질화물의 분말, WC 분말 및 철족 원소의 분말을 혼합함으로써, 혼합 분말을 얻는 공정(제2 공정)과, 혼합 분말을 가압 성형함으로써 성형체를 얻는 공정(제3 공정)과, 성형체를 소결함으로써 소결체를 얻는 공정(제4 공정)을 포함한다. 상기 Ti₁ _-X- _YNb_XW_YC₁ _- _ZN_Z에 있어서, X는, 0.1 이상 0.2 이하이고, Y는, 0 이상 0.05 이하이고, Z는, 0.3 이상 0.6 이하이다.

상기 초경 합금의 제조 방법에 따라 얻은 초경 합금은, 그 표면에 있어서 복합 탄질화물을 포함하는 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)과, 상기 표면으로부터 깊이 방향으로 0.5 ㎜까지의 영역에 있어서 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)의 차의 절대값이, 10 이내이다. 이에 의해, 내강반응성이 우수한 초경 합금을 얻을 수 있다.

<제1 공정>

제1 공정은, Ti₁ _-X- _YNb_XW_YC₁ _- _ZN_Z로 나타내는 복합 탄질화물의 분말, WC 분말 및 철족 원소의 분말을 준비하는 공정이다.

상기 복합 탄질화물의 분말의 준비에서는, Ti와 Nb의 2가지 또는 Ti와 Nb와 W의 3가지를 포함하는 제1 분말과, 적어도 그래파이트를 포함하는 제2 분말을 혼합함으로써, 제3 분말을 얻는다(제1 조작). 다음에, 제3 분말을 조립(造粒)함으로써 조립체(造粒體)를 얻는다(제2 조작). 또한 조립체를, 질소 가스를 포함하는 분위기에 있어서 1800℃ 이상으로 열 처리함으로써 상기 복합 탄질화물를 포함하는 분말 전구체를 얻는다(제3 조작). 마지막으로, 이 분말 전구체를 해쇄함으로써 상기 복합 탄질화물의 분말을 얻을 수 있다.

(제1 조작)

제1 조작에서는, Ti와 Nb의 2가지 또는 Ti와 Nb와 W의 3가지를 포함하는 제1 분말과, 적어도 그래파이트를 포함하는 제2 분말을 혼합함으로써, 제3 분말을 얻는다.

제1 분말은, Ti와 Nb의 2가지 또는 Ti와 Nb와 W의 3가지를 포함한다. 제1 분말은, Ti와 Nb의 2가지 또는 Ti와 Nb와 W의 3가지를 함유하는 산화물인 것이 바람직하다. 제1 분말이 산화물인 경우, 미세한 1차 입경을 갖는 복합 탄질화물의 분말을 얻는 것이 용이해지고, 따라서 코어부의 50％ 누적 개수 입경(코어부의 D50)을, 예컨대 1.5 ㎛ 이하로 작게 할 수 있다. 또한 제1 분말은, 제조에 이용하는 설비 등으로부터의 혼입 성분으로서 V, Cr, Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 1종류 이상의 원소를 포함하는 경우가 있다. 이 경우에 있어서 제1 분말은, Ti, Nb, W, V, Cr, Mo의 총량에 대하여, V, Cr 및 Mo의 합계의 함유량이 2 원자％ 미만인 것이 바람직하다. 제1 분말로서는, 구체적으로는 Ti₀ _. ₉Nb₀ _. ₁O₂, Ti₀ _. ₉Nb₀ _.05W_0. ₀₅O₂ 등의 복합 산화물을 들 수 있다. 제1 분말은, TiO₂, Nb₂O₅, WO₃ 등의 산화물의 분말을 함유하는 혼합 분말이어도 좋다. 각 원소의 산화수, 불순물의 함유량 등은, 목적에 반하지 않는 한 변경이 가능하다.

제2 분말은, 적어도 그래파이트를 포함한다. 또한 제2 분말은, 그래파이트를 포함하는 것이 바람직하다. 제1 조작에서는, 이 제2 분말 및 상기 제1 분말을 혼합함으로써, 제3 분말을 얻는다. 이에 의해 후술하는 제3 조작에 있어서, 질소 가스를 포함하는 분위기 하에서 상기 산화물의 환원 반응, 환원된 산화물에 있어서의 Ti, Nb 및 W의 상호 확산에 의한 고용화 반응과, 고용화된 Ti, Nb 및 W의 탄질화 반응을 동시에 또한 연속하여 진행시킬 수 있다. 그 결과, 복합 탄질화물을 효율적으로 얻을 수 있다.

제1 분말 및 제2 분말을 혼합하는 혼합 방법은, 종래 공지의 방법을 이용할 수 있다. 단, 제3 분말의 50％ 누적 개수 입경(이하, 「제3 분말의 D50」이라고도 기재함)을 작게 하는 관점에서, 분쇄 작용이 높은 건식 볼 밀에 의한 혼합 방법, 습식 볼 밀에 의한 혼합 방법을 적합하게 이용할 수 있다. 또한 분쇄 작용이 낮은 회전 날개식 유동 혼합기 등을 이용한 혼합 방법도 적용할 수 있다. 제3 분말의 D50은, SEM(주사형 전자 현미경)을 이용하여 10000배의 배율로 관찰한 현미경상에 나타난 100개 이상의 입자에 기초하여 구한다. 이 현미경상에 나타난 모든 입자에 대해서, 화상 해석 소프트(예컨대 ImageJ)를 이용하여 입자의 면적과 같은 면적을 갖는 원의 직경(원상당 직경)을 산출하고, 그 50％ 누적 개수가 되는 입자의 원상당 직경을 제3 분말의 D50으로 한다.

(제2 조작)

제2 조작에서는, 상기 제3 분말을 조립함으로써 조립체를 얻는다. 제2 조작에 있어서 조립 방법은, 종래 공지의 조립 방법을 이용할 수 있다. 예컨대, 스프레이 드라이어, 압출 조립기 등의 기지의 장치를 이용한 방법을 들 수 있다. 또한 조립에 있어서, 예컨대, 납재와 같은 바인더 성분을 결합재로서 적절하게 사용할 수 있다. 조립체의 형상 및 치수는 특별히 제한되어서는 안 된다. 조립체는, 예컨대 직경이 0.5∼5 ㎜, 길이가 5∼20 ㎜의 원기둥 형상으로 할 수 있다.

(제3 조작)

제3 조작에서는, 질소 가스를 포함하는 분위기에 있어서 상기 조립체를 1800℃ 이상으로 열 처리함으로써 상기 복합 탄질화물를 포함하는 분말 전구체를 얻는다. 제3 조작에서는, 질소 가스를 포함하는 분위기에 있어서, 상기 조립체에 포함되는 제1 분말에 있어서의 산화물 중의 산소가, 제2 분말 중의 그래파이트와 반응하여, 제1 분말 중의 Ti, Nb 및 W가 환원된다. 또한 환원된 Ti, Nb 및 W에 대하여, 상호 확산에 의해 서로에 대해 고용화 반응이 진행된다. 이와 동시에 환원된 Ti, Nb 및 W에 대하여, 분위기 중의 질소 및 제2 분말 중의 그래파이트와 반응하는 탄질화 반응도 발생한다. 이에 의해 전술한 Ti₁ _-X- _YNb_XW_YC₁ _- _ZN_Z로 나타내는 복합 탄질화물을 포함하는 분말 전구체가 형성된다. 즉, 분위기에 포함되는 질소 가스가 복합 탄질화물의 N원(N源)이 된다.

여기서 제3 조작에 있어서, 제1 분말 대신에 Ti, Nb 및 W를 포함하는 금속 분말 또는 Ti, Nb 및 W를 포함하는 탄질화물 분말을 제2 분말과 혼합한 혼합 분말을 열 처리한 경우, 상기 복합 탄질화물을 포함하는 분말 전구체는 얻어지지 않는다. 왜냐하면 Ti, Nb 및 W를 포함하는 금속 분말은, 열 처리에 의해 매우 빨리 탄질화 반응이 진행되기 때문에, Ti, Nb 및 W의 상호 확산에 의한 고용화 반응이 진행되지 않기 때문이다. 또한 Ti, Nb 및 W를 포함하는 탄질화물 분말은, 2000℃를 넘는 고온 영역에 있어서도 화학적으로 안정적이기 때문에, Ti, Nb 및 W의 상호 확산에 의한 고용화 반응이 진행되지 않기 때문이다.

제3 조작에 있어서의 열 처리의 분위기는, 질소 가스를 포함하는 분위기인 한, 특별히 제한되어서는 안 된다. 순수한 N₂ 가스여도 좋고, N₂ 가스에, 수소 가스(H₂ 가스), 아르곤 가스(Ar 가스), 헬륨 가스(He 가스), 일산화탄소 가스(CO 가스) 등이 혼합된 혼합 가스여도 좋다.

제3 조작에 있어서의 열 처리의 온도는, 제1 분말의 환원 반응, 고용화 반응 및 탄질화 반응을 진행시키고, 또한 이것을 촉진시키는 관점에서, 1800℃ 이상인 것이 바람직하고, 2000℃ 이상인 것이 보다 바람직하다. 단 열 처리에 의해 얻어지는 분말 전구체의 과도한 응집을 막는 관점에서, 2400℃ 이하인 것이 바람직하다.

제3 조작에 있어서의 열 처리의 시간은, 제3 분말의 D50에 따라 조정하는 것이 바람직하다. 예컨대 제3 분말의 D50이 0.3∼0.5 ㎛인 경우, 전술한 열 처리의 시간은 15∼60분이 적합하다. D50의 값이 작을수록, 제3 조작에 있어서의 열 처리의 시간을 짧게 하는 것이 바람직하고, D50의 값이 클수록, 제3 조작에 있어서의 열 처리의 시간을 길게 하는 것이 바람직하다.

제3 조작에서는, 로터리 킬른 등의 회전식의 연속적인 열 처리 장치를 이용하는 것이 바람직하다. 이 열 처리 장치는, 경사진 회전식 반응관을 구비하고 있다. 또한 회전식 반응관을 가열하는 가열 기구, 질소를 포함하는 가스를 회전식 반응관에 도입하기 위한 가스 도입구, 질소를 포함하는 가스를 회전식 반응관으로부터 배출하기 위한 가스 배출구, 회전식 반응관 내에 조립체를 넣기 위한 투입구 및 분말 전구체를 회전식 반응관으로부터 취출하기 위한 취출구 등도 구비한다. 이러한 열 처리 장치는, 조립체를 일정 조건 하에서 열 처리할 수 있기 때문에, 품질이 안정적인 복합 탄질화물의 분말 전구체를 연속적으로 효율적으로 제조할 수 있기 때문에 바람직하다.

제3 조작에서는, 상기 열 처리 장치를 이용하는 경우, 먼저 가열 기구를 이용하여 회전식 반응관을 1800℃ 이상으로 가열하며, 질소 가스를 포함하는 가스를 가스 도입구로부터 도입함으로써, 회전식 반응관의 내부를 질소 분위기로 한다. 또한 회전식 반응관의 상부의 투입구로부터 조립체를 연속적으로 공급하고, 회전식 반응관을 회전시켜, 조립체를 회전식 반응관의 내부에서 이동시킴으로써, 조립체를 열 처리한다. 이에 의해, 복합 탄질화물을 포함하는 분말 전구체를 형성할 수 있다. 이 분말 전구체는, 회전식 반응관의 하부의 취출구로부터 취출할 수 있다.

마지막으로, 상기 분말 전구체를 해쇄함으로써 복합 탄질화물의 분말을 얻을 수 있다. 분말 전구체를 해쇄하는 방법은, 종래 공지의 해쇄 방법을 이용할 수 있다.

<제2 공정>

제2 공정은, 전술한 복합 탄질화물의 분말, WC 분말 및 철족 원소의 분말을 혼합함으로써, 혼합 분말을 얻는 공정이다. 이들 분말의 혼합 방법은, 종래 공지의 혼합 방법을 이용할 수 있다. 예컨대, 분쇄 작용이 높은 건식 볼 밀에 의한 혼합 방법, 습식 볼 밀에 의한 혼합 방법, 분말의 응집이 약한 경우에는 분쇄 작용이 낮은 회전 날개식 유동 혼합기를 이용한 혼합 방법 등을 들 수 있다.

<제3 공정>

제3 공정은, 전술한 혼합 분말을 가압 성형함으로써 성형체를 얻는 공정이다. 상기 혼합 분말의 가압 성형 방법은, 종래 공지의 가압 성형 방법을 이용할 수 있다. 예컨대, 혼합 분말을 금형에 충전하고, 공이를 이용하여 압력을 가하는 프레스법, 냉간 정수압 성형법, 사출 성형법, 압출 성형법 등을 들 수 있다. 가압 성형 시의 압력은, 0.5 t/㎠(약 50 ㎫) 이상 2.0 t/㎠(약 200 ㎫) 이하인 것이 바람직하다.

<제4 공정>

제4 공정은, 전술한 성형체를 소결함으로써 소결체를 얻는 공정이다. 본 공정에서는, 소결로를 성형체의 액상이 생기는 온도역까지 승온한 뒤에, 정해진 유지 온도 및 유지 시간 하에서 성형체를 유지하는 것이 바람직하다.

구체적으로는, 소결체를 얻는 공정은, 질소 분압이 3 ㎪ 이상 15 ㎪ 이하이고, 유지 온도가 1300℃ 이상 1600℃ 이하이고, 또한 유지 시간이 0.5시간 이상 2시간 이하인 소결 조건으로 성형체를 소결하는 공정인 것이 바람직하다. 유지 온도는 1400℃ 이상 1500℃ 이하인 것이 보다 바람직하고, 유지 시간은 1시간 이상 1.5시간 이하인 것이 보다 바람직하다. 소결 시의 분위기에 관하여, 질소 분압을 3 ㎪ 미만으로 하면, 성형체의 표면에 있어서 탈질 반응이 일어나기 때문에, 탈β층이 생성되기 쉬워진다. 질소 분압이 15 ㎪를 넘으면, 성형체의 표면에 질소 부화층이 형성되기 쉬워지기 때문에, 내결손성이 저하할 우려가 있다. 이러한 관점에서 질소 분압은 3 ㎪ 이상 15 ㎪ 이하인 것이 바람직하고, 7 ㎪ 이상 10 ㎪ 이하인 것이 보다 바람직하다.

이에 의해 소결체를 얻은 후, 필요에 따라 기계 가공을 행함으로써, 최종적인 제품으로서 초경 합금을 얻을 수 있다. 단, 상기 제조 방법에 따라 얻어지는 소결체는, 그 표면 및 표면 근방(내부)에 있어서의 제2 경질상 입자의 분포가 균일하기 때문에, 균질해진다. 이 때문에, 표면 연마 등의 기계 가공은 반드시 필요하지 않고, 소결체가 버닝면인 채로 최종 제품(초경 합금)으로 한 경우에도, 우수한 내강반응성을 얻을 수 있다.

여기서 복합 탄질화물의 분말에 있어서의 조성 및 그 원자비는, 종래 공지의 성분 분석 기술에 따라 구할 수 있다. 예컨대, 유도 플라즈마 발광 분광법, 고주파 연소법, 열 전도도법을 이용함으로써, 각각 분말 중의 조성(금속, 탄소 및 질소 등) 및 그 함유량을 동정할 수 있다.

복합 탄질화물의 분말의 50％ 누계 개수 입경(이하, 「복합 탄질화물의 분말의 D50」이라고도 기재함)은, 핸들링하기 쉽게 하고, 절삭 공구로서 적용하는 경우에 있어서 경도 및 인성의 양방을 양호하게 하는 관점에서, 0.3 ㎛ 이상 1.5 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 복합 탄질화물의 분말의 D50을 측정하는 방법은, 코어부의 D50를 측정하는 방법과는 상이하다. 즉, 복합 탄질화물의 분말의 D50은, 레이저 회절식 입도 분포 측정기(상품명: 「마이크로트랙 MT3000II」, 마이크로트랙·벨 가부시키가이샤 제조)를 이용하고, 입자의 굴절률을 2.4로 하여 측정함으로써 구할 수 있다. 상기 복합 탄질화물의 분말의 D50은, 복합 탄질화물의 1차 입자의 D50을 의미한다.

[절삭 공구]

본 실시형태에 따른 절삭 공구는, 상기 초경 합금을 포함한다. 이 때문에 절삭 공구는, 우수한 내강반응성을 구비할 수 있다. 또한 절삭 공구는, 복잡함 그리고 또한 소결 후의 기계 가공이 곤란한 형상을 갖는 등의 이유에서 버닝면을 남기고 최종 제품으로 한 초경 합금이 그대로 이용된 경우라도, 초경 합금의 표면 및 표면 근방(내부)에 있어서의 제2 경질상 입자의 분포는 균일하기 때문에, 균질해지고, 따라서 우수한 내강반응성을 구비할 수 있다.

상기 절삭 공구는, 드릴, 엔드 밀, 드릴용 날끝 교환형 절삭 칩, 엔드 밀용 날끝 교환형 절삭 칩, 밀링 커터 가공용 날끝 교환형 절삭 칩, 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 칩, 메탈 소우, 치절 공구, 리머, 탭 절삭 바이트, 내마모 공구, 마찰 교반 접합용 툴 등으로서 적합하게 사용할 수 있다.

절삭 공구가 날끝 교환형 절삭 칩 등인 경우, 기재는, 칩 브레이커를 갖는 것도 포함하며, 갖지 않는 것도 포함한다. 또한 피삭재를 절삭할 때에 절삭의 중심부가 되는 날끝 능선부는, 그 형상이 샤프 엣지(경사면과 여유면이 교차하는 모서리), 호우닝(샤프 엣지에 대하여 라운드를 부여한 것), 네거티브 랜드(모따기를 한 것), 호우닝과 네거티브 랜드를 조합한 모든 것을 포함된다.

또한 본 실시형태에 따른 절삭 공구는, 상기 초경 합금을 포함하는 기재와, 이 기재를 피복하는 피막을 포함한다. 이 절삭 공구는, 피막을 더 포함하기 때문에, 내마모성 및 내결손성이 향상한다. 여기서 피막은, 기재의 전체면에 피복되어 있어도 좋고, 일부(예컨대 절삭 성능에 크게 기여하는 영역인 날끝 능선부)에만 피복되어 있어도 좋다. 또한 피막의 조성은, 특별히 제한되어서는 안 되고, 종래 공지의 피막을 임의로 채용할 수 있다.

초경 합금을 포함하는 기재에 피막을 피복하는 방법은, 종래 공지의 방법을 이용할 수 있다. 예컨대, 물리 기상 성장(PVD)법, 화학 기상 성장(CVD)법에 따라 피복할 수 있다. 특히 PVD법으로서는, 예컨대 저항 가열 증착법, 전자선(EB) 증착법, 분자선 성장(MBE)법, 이온 도금법, 이온 빔 퇴적법, 스퍼터법 등을 이용할 수 있다.

실시예

이하, 실시예를 들어, 본 발명을 보다 상세하게 설명하는데, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니다.

[실시예 1]

<시료 11∼시료 20 및 시료 111∼시료 116의 제작>

(제1 공정)

제1 분말로서, 시판의 TiO₂ 분말(사이즈 약 0.5 ㎛, 가부시키가이샤 고쥰도가가쿠겐큐쇼 제조), 시판의 Nb₂O₅ 분말(사이즈 약 1 ㎛, 가부시키가이샤 고쥰도가가쿠겐큐쇼 제조) 및 시판의 WO₃ 분말(순도 3N, 가부시키가이샤 고쥰도가가쿠겐큐쇼 제조)을 준비하였다. 제2 분말로서 시판의 그래파이트 분말(사이즈 약 5 ㎛, 가부시키가이샤 고쥰도가가쿠겐큐쇼 제조)을 준비하였다. 이들을 표 1의 시료 11∼시료 20 및 시료 111∼시료 116에 나타내는 복합 탄질화물의 설계 조성이 되는 배합비로 각각 혼합함으로써, 시료 11∼시료 20 및 시료 111∼시료 116에 대응하는 제3 분말을 얻었다(제1 조작). 혼합은, 볼 밀법에 따라 행하였다.

다음에, 상기 제3 분말을 압출 조립기(압출 구멍 직경: φ2.5 ㎜)를 이용하여 조립함으로써, 평균 직경이 2.4 ㎜이며 평균 길이가 10 ㎜ 정도인 원기둥 형상의 조립체를 얻었다(제2 조작). 조립체의 평균 직경 및 평균 길이는, 마이크로미터에 의해 측정하였다.

다음에, 상기 조립체를 전술한 로터리 킬른을 이용하여 질소 분위기 중, 1800℃에서 열 처리함으로써 복합 탄질화물을 포함하는 분말 전구체를 얻었다(제3 조작). 조립체가 로터리 킬른 내의 가열 구간을 통과하는 통과 시간은 약 30분이었다.

마지막으로, 상기 분말 전구체를 공지의 해쇄기[전동(轉動) 볼 밀, 분쇄 미디어로서 φ4.5 ㎜의 초경 볼을 사용]를 이용하여 건식 해쇄하였다. 이에 의해, 표 1의 시료 11∼시료 20 및 시료 111∼시료 116에 나타내는 설계 조성을 갖는 복합 탄질화물의 분말을 얻었다. 복합 탄질화물의 분말의 조성은, 전술한 방법에 따라 EDX를 이용하여 동정하였다.

(제2 공정)

전술한 복합 탄질화물의 분말 5 체적％와, 시판의 WC 분말(상품명: 「WC-25」, 니혼신킨조쿠 가부시키가이샤 제조) 85 체적％와, 철족 원소의 분말로서 시판의 Co 분말(사이즈 약 5 ㎛, 가부시키가이샤 고쥰도가가쿠겐큐쇼 제조) 10 체적％를 혼합함으로써 혼합 분말을 얻었다. 이 혼합은, 볼 밀법에 따라 8시간 동안 행하였다.

(제3 공정)

상기 혼합 분말을 장뇌와 에탄올을 이용하여 조립하고, 1 t/㎠(약 98 ㎫)의 압력으로 프레스 성형함으로써, 성형체를 얻었다. 그때의 성형체의 형상을 SNMN120408로 하였다.

(제4 공정)

성형체를 소결로에 장입하고, 노 내를 1400℃까지 승온하였다. 계속해서 질소 분압 7 ㎪로 한 분위기 하에서, 유지 온도 1400℃ 그리고 또한 유지 시간 1시간의 조건으로 소결함으로써 소결체를 얻었다. 계속해서, 이 소결체에 대하여 기계 가공을 하는 일 없이, 표면에 버닝면을 잔존시킨 채로 초경 합금을 얻었다. 마지막으로, 이 초경 합금을 이용함으로써 시료 11∼시료 20 및 시료 111∼시료 116의 절삭 공구를 얻었다.

상기 절삭 공구(초경 합금)에 있어서의 제2 경질상 입자의 코어부에 대하여, 그 조성을 전술한 방법에 따라 EDX를 이용하여 분석한 바, 복합 탄질화물의 분말의 조성과 일치하였다. 구체적인 복합 탄질화물의 조성을 표 1에 나타내었다. EDX에 의해, 코어부의 조성(즉 Ti₁ _-X- _YNb_XW_YC₁ _- _ZN_Z) 중 W 및 C의 원자비가 풍부한 조성으로서 특정된 주변부가, 상기 코어부의 일부를 피복하고 있는 것도 확인하였다.

또한 전술한 방법에 따라, 절삭 공구(초경 합금)의 표면 및 상기 표면으로부터 깊이 방향으로 0.5 ㎜까지의 영역에 있어서, 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)을 각각 구하였다. 이 경우에 있어서의 면적률(％)의 차의 절대값을 표 1에 나타낸다. 이에 의해 시료 11∼시료 20의 절삭 공구(초경 합금)에 있어서는, 상기 면적률(％)의 차의 절대값이 4∼8이고, 10 이내인 것이 확인되었다.

본 실시예 1에서는 후술하는 절삭 시험에 대응하기 위해, 시료 11∼시료 20 및 시료 111∼시료 116의 절삭 공구를, 각각 필요한 개수만큼 제작하였다. 시료 11∼시료 20의 절삭 공구가 실시예에 해당하고, 시료 111∼시료 116의 절삭 공구가 비교예에 해당한다.

<절삭 시험>

시료 11∼시료 20 및 시료 111∼시료 116의 절삭 공구에 대하여, 하기의 조건으로 내마모성 시험, 내결손성 시험 및 내강반응성 시험을 각각 행하였다. 이들의 결과를 표 1에 나타낸다. Ti₁ _-X- _YNb_XW_YC₁ _- _ZN_Z로 나타내는 복합 탄질화물이 정해진 조성이고, 또한 절삭 공구(초경 합금)의 표면 및 표면 근방(내부)이 균질[상기 면적률(％)의 차의 절대값이 10 이내]할수록, 내강반응성 시험에서 양호한 결과가 얻어진다고 생각된다.

(내마모성 시험)

피삭재: SCM435

주속: 250 m/min

이송: 0.2 ㎜/rev

절입: 2 ㎜

절삭유: 없음.

내마모성 시험에서는, 각 시료의 절삭 공구에 있어서의 날끝의 여유면 마모폭이 0.2 ㎜ 이상이 되기까지의 절삭 거리(단위는, m)를 수명으로서 판정하였다. 이 거리가 길수록, 내마모성이 우수하다고 평가된다.

(내결손성 시험)

피삭재: SCM435 - 구멍을 가짐

주속: 200 m/min

이송: 0.5 ㎜/rev

절입: 2 ㎜

절삭유: 없음.

내결손성 시험에서는, 각 시료의 절삭 공구에 있어서의 날끝의 결손이 동력계 및 절삭음으로 확인되기까지의 절삭 거리(단위는, m)를 수명으로서 판정하였다. 이 거리가 길수록, 내결손성이 우수하다고 평가된다.

(내강반응성 시험)

피삭재: SCM435

주속: 100 m/min

이송: 0.15 ㎜/rev

절입: 1.5 ㎜

절삭유: 없음.

내강반응성 시험에서는, 각 시료의 절삭 공구에 있어서의 날끝의 여유면 마모폭이 0.2 ㎜ 이상이 되기까지의 절삭 거리(단위는, m)를 수명으로서 판정하였다. 이 거리가 길수록, 내강반응성이 우수하다고 평가된다.

<고찰>

표 1에 따르면, 실시예(시료 11∼시료 20)의 절삭 공구는, 비교예(시료 111∼시료 116)의 절삭 공구에 비해서, 내강반응성이 우수한 것이 이해된다. 또한 실시예(시료 11∼시료 20)의 절삭 공구는, 이러한 우수한 내강반응성에 기초하여, 우수한 내마모성 및 내결손성도 구비할 수 있었다고 생각된다

[실시예 2]

<시료 21∼시료 28의 제작>

시료 21∼시료 28에 대해서는, 그 복합 탄질화물의 설계 조성을 표 2에 나타내는 바와 같이 하며, Ti, Nb, W, V, Cr 및 Mo의 총량에서 차지하는 합계의 함유량(원자％)이 표 2에 나타내는 바와 같이 되는 불순물(V, Cr, Mo)이 포함되도록, V₂O₅ 분말(순도 3N, 가부시키가이샤 고쥰도가가쿠겐큐쇼 제조), Cr₂O₃ 분말(사이즈 약 3 ㎛, 가부시키가이샤 고쥰도가가쿠겐큐쇼 제조), MoO₃ 분말(순도 3N, 가부시키가이샤 고쥰도가가쿠겐큐쇼 제조)을 첨가한 제1 분말을 각각 준비하였다. 계속해서, 제1 분말의 준비 이외에는 시료 11과 동일하게 하여 시료 21∼시료 28의 초경 합금을 각각 제작하였다. 본 실시예 2에서는, 그 제품 형상을 실시예 1과 동일한 SNMN120408로 하였다.

또한, 시료 21∼시료 28의 초경 합금을 기재로 하고, 이 기재를 이하의 PVD 조건에 따라 TiAlN을 포함하는 피막으로 피복함으로써 시료 21∼시료 28의 절삭 공구를 제작하였다.

(PVD 조건)

AlTi 타겟(타겟 조성, Al:Ti=50:50)

아크 전류: 100 A

바이어스 전압: -100 V

챔버 내 압력: 4.0 ㎩

반응 가스: 질소.

시료 21∼시료 28의 절삭 공구에 대하여, 다음 조건에 따라 절삭 시험(내강반응성 시험)을 행하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

(내강반응성 시험)

피삭재: SCM415 - 슬롯홈을 가짐

주속: 120 m/min

이송: 0.4 ㎜/rev

절입: 2 ㎜

절삭유: 없음.

이 내강반응성 시험에서는, 절삭 시간을 5분으로 하고, 5분 경과 시점에서 결손이 확인되지 않는 것을 양품이라고 판정하였다. 표 2에 있어서, 양품에 대해서는 5분이 경과할 때까지 결손이 눈으로 보아 확인되지 않은 것을 「5」로서 나타내었다. 5분이 경과할 때까지 결손이 눈으로 보아 확인된 시료에 대해서는, 그 확인된 시간(분)을 기재하였다.

<고찰>

표 2에 따르면, Ti, Nb, W, V, Cr 및 Mo의 총량에서 차지하는 V, Cr 및 Mo의 합계의 함유량이 2 원자％ 미만인 시료 21∼시료 23의 절삭 공구는, 시료 24∼시료 28의 절삭 공구에 비해서, 내강반응성이 보다 우수한 것이 이해된다.

[실시예 3]

<시료 31∼시료 36의 제작>

시료 31∼시료 36에 대해서는, 먼저 시료 21과 동일한 불순물량(V, Cr, Mo의 양)으로서, 또한 동일한 복합 탄질화물의 설계 조성인 분말을 이용하여, 이것을 표 3에 나타내는 코어부의 D50(50％ 누적 개수 입경)이 되도록, 미리 볼 밀법에 따라 분쇄 가공함으로써 분말 입도를 각각 조제하였다. 그 뒤에, 실시예 1의 제2 공정, 제3 공정 및 제4 공정을 행함으로써, 실시예 1과 동일한 SNMN120408의 형상으로 한 초경 합금을 포함하는 시료 31∼시료 36의 절삭 공구를 제작하였다. 이들 절삭 공구에 대하여, 실시예 2와 동일한 내강반응성 시험을 행하였다. 이들 결과를 표 3에 나타낸다.

<고찰>

표 3에 따르면, 코어부의 D50이 1.5 ㎛ 이하인 시료 31∼시료 33의 절삭 공구는, 시료 34∼시료 36의 절삭 공구에 비해서, 내강반응성이 보다 우수한 것이 이해된다.

[실시예 4]

<시료 41∼시료 48의 제작>

시료 41∼시료 48에 대해서는, 전술한 시료 11의 복합 탄질화물의 분말, WC 분말 및 Co 분말을, 표 4에 나타내는 초경 합금에 차지하는 코어부의 체적 비율(％)이 되도록 조정하여 제3 분말을 얻고, 그 이외에는 시료 11과 동일하게 하여 초경 합금을 포함하는 절삭 공구를 각각 제작하였다. 본 실시예 4에서는, 그 제품 형상을 실시예 1과 동일한 SNMN120408로 하였다. 또한, 후술하는 절삭 시험에 대응하기 위해, 시료 41∼시료 46의 절삭 공구를 각각 필요한 개수만큼 제작하였다.

시료 41∼시료 46의 절삭 공구에 대하여, 실시예 1과 동일한 조건 하에서 내마모성 시험, 내결손성 시험 및 내강반응성 시험을 각각 행하였다. 이들 결과를 표 4에 나타낸다.

<고찰>

표 4에 따르면, 초경 합금에 차지하는 코어부의 체적 비율(％)이 2∼20 체적％인 시료 41∼시료 46의 절삭 공구는, 시료 47∼시료 48의 절삭 공구에 비해서, 내강반응성이 우수한 것이 이해된다. 또한 시료 41∼시료 46의 절삭 공구는, 이러한 우수한 내강반응성에 기초하여, 우수한 내마모성 및 내결손성도 구비할 수 있었다고 생각된다.

이상과 같이 본 발명의 실시형태 및 실시예에 대해서 설명을 행하였지만, 전술한 각 실시형태 및 실시예의 구성을 적절하게 조합하는 것도 당초부터 예정하고 있다.

이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시로서, 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기 실시형태 및 실시예가 아니라 청구범위에 의해 나타나며, 청구범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

a 제1 경질상 입자, b 제2 경질상 입자, ba 코어부, bb 주변부, c 금속 결합상.

Claims

WC를 포함하는 제1 경질상 입자와,
적어도 Ti 및 Nb를 함유하는 탄질화물을 포함하는 제2 경질상 입자와,
철족 원소를 포함하는 금속 결합상
을 포함하는 초경 합금으로서,
상기 제2 경질상 입자는 입상의 코어부와, 상기 코어부 중 적어도 일부를 피복하는 주변부를 포함하고,
상기 코어부는 Ti₁ _-X- _YNb_XW_YC₁ _- _ZN_Z로 나타내는 복합 탄질화물을 포함하고,
상기 X는 0.1 이상 0.2 이하이고,
상기 Y는 0 이상 0.05 이하이고,
상기 Z는 0.3 이상 0.6 이하이고,
상기 주변부는 상기 코어부와 조성이 상이하고,
상기 초경 합금은, 그 표면에 있어서 상기 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)과, 상기 표면으로부터 깊이 방향으로 0.5 ㎜까지의 영역에 있어서 상기 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)의 차의 절대값이 10 이내인 것인, 초경 합금.
제1항에 있어서, 상기 코어부는 Ti, Nb, W, V, Cr 및 Mo의 총량에서 차지하는 V, Cr 및 Mo의 합계량이 2 원자％ 미만인 것인, 초경 합금.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코어부는 그 50％ 누적 개수 입경이 1.5 ㎛ 이하인 것인, 초경 합금.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코어부는 상기 초경 합금에서 차지하는 체적 비율이 2 체적％ 이상 20 체적％ 이하인 것인, 초경 합금.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 초경 합금
을 포함하는, 절삭 공구.
제5항에 있어서,
상기 초경 합금을 포함하는 기재와,
상기 기재를 피복하는 피막
을 포함하는, 절삭 공구.
Ti₁ _-X- _YNb_XW_YC₁ _- _ZN_Z로 나타내는 복합 탄질화물의 분말, WC 분말 및 철족 원소의 분말을 준비하는 공정과,
상기 복합 탄질화물의 분말, 상기 WC 분말 및 상기 철족 원소의 분말을 혼합함으로써, 혼합 분말을 얻는 공정과,
상기 혼합 분말을 가압 성형함으로써 성형체를 얻는 공정과,
상기 성형체를 소결함으로써 소결체를 얻는 공정을 포함하는 초경 합금의 제조 방법으로서,
상기 X는 0.1 이상 0.2 이하이고,
상기 Y는 0 이상 0.05 이하이고,
상기 Z는 0.3 이상 0.6 이하이고,
상기 초경 합금의 제조 방법에 따라 얻은 초경 합금은, 그 표면에 있어서 상기 복합 탄질화물을 포함하는 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)과, 상기 표면으로부터 깊이 방향으로 0.5 ㎜까지의 영역에 있어서 상기 제2 경질상 입자가 점유하는 면적률(％)의 차의 절대값이 10 이내인 것인, 초경 합금의 제조 방법.
제7항에 있어서, 상기 소결체를 얻는 공정은, 질소 분압이 3 ㎪ 이상 15 ㎪ 이하이고, 유지 온도가 1300℃ 이상 1600℃ 이하이고, 또한 유지 시간이 0.5시간 이상 2시간 이하인 소결 조건에서 상기 성형체를 소결하는 공정인 것인, 초경 합금의 제조 방법.