KR830000707B1 - 초경 합금 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

초경 합금

제1도는 절삭시험에 사용한 4홈재의 단면도.

WC를 주성분으로 하고 원소 주기율표 IV_a, V_a및 VI_a족 금속의 1종 또는 2종 이상의 탄화물 또는 탄질화물을 철족금속의 1종 또는 2종 이상으로 결합한, 소위 초경합금부재는 이미 일반에 실용화되어 있다.

또 상기 초경합금부재의 표면에 보다 내마모성이 있는 박층(薄層), 예를 들면 T_iC, T_iCN, T_iN, Al₂O₃등의 박층을 1층 또는 2층 이상을 피복한 피복초경합금 부재가 발명되어 있으며, 이 피복초경합금 부재는 모재의 강인성과 표면의 내마모성을 겸하여 구비한 우수한 절삭 공구로서 널리 주목되고 있다. 또한 최근업계에서는 이 피복초경합금 부재보다 일층 우수한 재료를 제공하려는 노력이 여러가지 행하여지고 있다. 그 하나로서, 초경합금 모재의 표면에서 10-200μ의 표면층의 경도를 비커스(Vickers) 경도로 타부분보다 2-20% 낮게한 피복초경합금 부재가 발명되어 있다(일본국 특개소 52-110209).

이 발명에 있어, 상기 부재를 제조하는 방법으로서,

(1) 모재의 조성 및 성질에 대하여, 그 경도를 비커스 경도로 2-20% 저하시키도록 조절한 조성의 슬라리를 준비하고, 이어 상기 슬라리를 형성한 압분기체(壓粉基體)의 표면에 층 두께가 10-100μ가 되도록 아주 작은 액적(液滴)의 상태로 N₂가스중에서 고르게 분무하여 부착하고, 감압하여서 건조한후, 소결하므로서 성형한다.

(2) 프레스 가공으로 모재의 표면층으로서 바람직한 조성의 박층을 압분기체로 형성하고, 통상의 분말 야금법에 의하여 소결하여 성형한다는 2방법이 표시되어 있다.

그러나 상기 2방법은 모두 제조 비용이 많이 들고 공업성의 면에서도 현실적이라고 할수 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결함과 동시에 보다 우수한 절삭공구를 제공하려는 것이며, 특히 초경합금모재의 조성과 그 소결현상에 대하여 상세하게 검토를 하였다.

본원 발명자는 이전에 B-1형 결정구조를 가지는 경질상을 함유하는 초경합금의 B-1형 경질상의 안정성과 소결 분위기에 대하여 검토하였다. 이 검토에 있어 본원 발명자는 경질상의 안정성을 생각하는 지표로서 외각전자수(Valence Electron Concentration, 이하 VEC라고 기재한다)를 사용하는 것이 적당하다는 것을 발견하였는데, B-1형 경질상은 VEC

D일 때 불안정하나, VEC<D일 때는 안정하다는 것을 발견하였다(D는 나중에 정의한다). 그리고 VEC

D일때 불안정하게된 탄질화물(炭窒化物) 결정에 W가 함유되었을 경우에는 WC가 석출한다는 것을 발견하였다.

또한 주지된 바와같이 B-1형 경질상의 분자식을(M_A,M'_B,M_C")(C_U,C_V)_X로 하고, (M는 T_i,Z_r,H_f같은 IV_a족 금속의 1종(種) 또는 2종 이상, M'는 V, N_b, T_a같은 V_a족 금속의 1종 또는 2종 이상, M"는 C_r, M_o, W 같은 VI_a족 금속의 1종 이상, C는 탄소, N은 질소, X는 금속 구성원소에 대한 비금속 구성원소의 비를 나타낸다), A +B +C =1, U + V=1로 했을 때, VEC는 VEC=4A +5B +6C +4UX+5VX가 된다.

또 D는 소결분위기 중의 질소분압의 변수이며, 대략 소결분위기의 질소분압이 작을수록 크게된다.

그러나 상기한 바에 따라, 각가지의 조건으로 합금을 제작한 결과, 소결합금중의 WC 상응량이 일정이상, 실용상은 50중량% 이상의 합금에서는, 소결분위기가 높은진공(즉 D가 크다)일 때는, 소결합금의 표면층에는 B-1형 경질상이 빈약해지고, 소결분위기가 N₂분위기(즉 D가 작다)일 때는, 소결합금의 표면층에는 B-1형 경질상이 풍부하게 되는 현상을 발견하였다.

이 현상이 생기는 이유는 다음과 같은 이유에 의한 것으로 추정된다.

즉 상기 소결합금중에는 WC 상응량이 충분히 함유되어 있기 때문에 B-1형 고용체가 (M_A,M'_B,M_C")(C_U,N_V)_X

(M_A',M'_B,M_C")(C_U',N_V')×+(C-C')WC 단, C

C'인 반응으로 WC가 석출되어도, 소결합금 총체로서는, 원래 WC상응량이 충분히 있기 때문에, 다소 WC가 석출하여도 조직, 성능상 큰 영향은 없다.

한편, 소결시, 소결합금 표면층에 B-1형 경질상은 소결분위기가 평형상태에 있기 때문에, 소결분위기가 높은 진공일 때에는 탈질 현상이 일어난다. 그리고 소결 함금중에는 WC상응량이 충분히 있기 때문에 즉 탄소 포텐샬이 충분하게 큰 상태에 있기 때문이 탈질된 양만큼 침탄현상이 진전되어, 소결합금 표면층에 B-1형 경질상중의 탄소량이 증가한다. 또 소결분위가 N₂분위기일 때에는 반대로 표면층의 B-1형 경질상중의 탄소량은 감소한다.

이 탄소량의 증감은 소결이 발생하는 액상이 유성(Wettabilitg)에 큰 영향을 준다. 즉 B-1형 경질상중의 탄소량과 소결시 발생하는 액상의 유성과는 상관관계가 있고, 탄소함유량이 많을수록 유성이 나빠진다는 관계가 있다. 따라서 소결분위기가 고진공일 경우에는 B-1형 경질상은 액상에 젖지않기 때문에 합금 내부에 밀여흘러 버리고, 표면층에는, B-1형 경질상이 빈화(貪化)한다. 반대로 소결분위기가 N₂분위기일 경우에는, 유성이 좋기 때문에, 표면층에는 B-1형 경질상이 부화(富化)한다.

이상과 같은 이유로서, 소결분위기가 고진공일 때에는 표면층에 B-1형 경질상이 빈화하며, N₂분위기 때에는 부화하는 것으로 생각된다.

발명자들은 상기한 바에 따라, 종래의 초경합금에 비하여, 극히 우수한 초경합금을 발명하였다.

즉 분자식이 (M_A,M'_B,M_C")(C_U,N_V)_X로 표시되고, 구성원소의 일부로서 W를 함유한 B-1형 결정구조를 가지는 상과, 초경합금총량의 50중량 이상의 WC상과를, 경질상으로서 가지며, 철족금속을 결합금속으로 가지며, 또한 일정의 표면층은 B-1형 결정구조를 가지는 상의 비율이, 타부분보다 적은 것을 특징으로 하는 초경합금이다.

본 발명에 있어 WC 상응량은 초경합금 총량의 50중량% 이상이어야 할 필요가 있고, 50중량% 미만의 경우에는 B-1형 경질상의 분해에 의한 석출WC량의 영향이 크게되어, 본 발명의 효과가 나타나지 않는다. 또 일본국 특개소 52-110209이 제안된 발명과 같이 소정폭의 표면층을 타부분보다 일정의 경도를 낮춘 초경합금에 있어, 인성, 내마모성, 내열성을 향상시키기 위한 실험결과, 5-200μ의 초경합금 표면층에 B-1형 경질상이 타부분보다 적으면 좋다는 것이 판명되었다. 그리고, 이것을 달성하기 위하여는 VEC가 10.0

VEC

8.4이며 소결분위기가 온도 1300℃-1500℃, 진공도 1torr 이하의 조건으로할 필요가 있음을 알았다.

상기 한정은 VEC가 10.0 이상이면 B-1형 경질상의 소멸폭이 200μ를 넘고, VEC가 8.4미만이 되면 5μ미만이 되는데 의존한다. 다시금 VEC값의 제한(8.4≤4A+5B+6C+X(4U+5V)≤10.0에 대하여 상세하게 설명한다.

B-1형 경질상의 구성성분에 대해서는, 상기 범위내에서 자유이나, 분자식(M_A,M'_B,M_C")(C_U,C_V)로 표시되는 B-1형 경질상에 대해서는 0.1≤A≤0.9, 0.01≤B 0.5, 0.1≤C≤0.9, 0.01≤V≤0 5, 0.60X≤1.0인 것이 바람직하다.

VEC는 IV_a족 금속으로 4, V_a족 금속으로 5, VI_a족금속으로 6, 탄소로 4, 질소로 5이다. 먼저 이 경질상의 비금속 구성원소에 대하여, 질소는 탄소에 비하여 VEC가 크기 때문에, VEC를 일정치 이상으로 안정하게 보조하기 위하여 유효하고, 또한 본 발명은 B-1형 경질상과 소결분위기에 탈질 및 질화현상을 이용한 것이므로 질소는 필요 불가결하며, 탈질 및 질화현상의 효과를 증진시키기 위해서는 V가 0.01 이상이어야 한다. 한편, V가 0.5를 넘으면, 합금의 소결성이 악화되기 때문에 0.5이하인 것이 바람직하다.

또 X가 0.6 미만이 되면 B-1형 경질상의 조성이 화학량론적 조성에서의 차이가 지나치게 커서 강도가 저하하여 바람직하지 못하다. 또 X의 값이 너무 작으면, VEC의 값이 작아지므로 이것도 또한 적당하지 않다. 다음에 그 경질상의 금속구성원소에 대하여 VI_a족 금속은 VEC가 6으로 크고, 또 IV_a족 원소는 그 경질상의 강도를 높이므로 바람직하고, 0.1≤C≤0.9인 것이 바람직하다. 0.1 미만에서는 효과가 빈약하고, 0.9 이상이면, 그 경질상의 소멸폭이 200μ를 넘어 바람직하지 못하다. 또한 VI_a족 원소 가운데서도 특히 W는 그 경질상의 소결성 향상에 현저한 효과가 있어 바람직하나 W의 량은 원자비로 0.1-0.5인 것이 바람직하다. 이것은 0.1 미만에서는 강도가 저하하고 0.5를 넘으면 효과가 포화하기 때문이다.

다음에 V_a즉 금속에 대하여는, 그 경질상의 내열성을 향상시켜서 바람직하고, 0.01≤B≤0.5인 것이 바람직하다. 0.01 미만이면 효과가 빈약하고, 0.5 이상에서는 효과가 포화하기 때문이다. 또 V_a족 금속은 본 발명에서 꼭 필요한 것은 아니지만 효과를 보다 높이는 역할을 수행하고 있음은 말할것도 없다. IV_a족 금속 특히 T_i에 괸하여는, VEC가 4로 작지만, 그 경질상의 경도를 높이는데 필요하고, 0.1≤A≤0.9인 것이 바람직하다. 0.1 미만에서는 그 경질상을 포함하는 초경합금의 내마모성이 충분하지 못하고, 0.9 이상이면 그 경질상의 소멸 폭이 5μ미만이 되어버려 바람직하지 못하다.

본 발명에 의한 초경합금은 인성, 내마모성등 절삭공구에 요구되는 일반적 제성질을 가지고 있으나, 다시 다음과 같은 성질도 구비하고 있다. 즉 강성(剛性)이 강하고, 열균열에 대하여 강한 성질을 가지고 있다. 초경합금에 있어 B-1형 경질상의 비율이 커지면 열전도율 및 탄성율이 작아진다.

본 발명에 의한 초경합금은 표면층의 B-1형 경질상의 비율이 작아지기 때문에 표면층은 열도전율이나 탄성율이 같이 커진다. 그리고, 표면층의 열전도율이 크기 때문에, 예를들면 밀링과 같이 아주 격한 열응력이 공구표면에 발생하여도 열구배가 완화되고, 발생하는 열응력이 작아져, 열응력에 의한 결손이 현저하게 감소한다, 또 탄성율이 크기 때문에, 초경합금 전체의 강성이 좋아진다. 특히 W가 고가인 근래에는 본 발명과 같이 염가이며, 강성이 좋은 절삭공구가 공업성에 적합하다. 또 WC상의 비중이 15.6이란 큰점에서 생각할 때, 본 발명에 의한 초경합금은 강성면에서는 충분히 큰 것이며, 또한 총체로서는 W상이 적기 때문에 비중이 작아져, 기계설계상 바람직하다.

다시 본 발명에 의한 초경합금은 표면층의 인성이 우수하기 때문에, 소위 치핑(Chipping)현상이 감소된다.

본 발명에 의한 초경합금은 그대로 절삭공구로서 사용하여도 좋으나, 소위 피복 초경합금의 모재로서 사용하면 피복층과의 상승 효과에 의하여 더 한층 우수한 절삭공구을 얻을 수 있다.

즉 상기 초경합금 표면에 원소주기율표 Ⅳ_a족, V_a족, Ⅵ_a족의 금속의 탄화물, 질화물 및 산화물과 Al의 산화물로되는 그룹에서 선택한 1종 또는 2종 이상을 1층 혹은 그 이상 피복하여 사용하면 보다 우수한 절삭공구로서 사용된다.

본 발명에 의한 극히 용이한 방법에 의하여 인성, 내마모성, 내열성 기타 절삭공구로서 필요로 하는 저성질에 대하여, 종래의 초경합금에 비하여 극히 우수하며, 또한 값싼 초경합금을 제공하는 것이 가능하게 되었다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.

[실시예 1]

TiN 9.6중량%, TiC 14.1중량%, WC 76.3중량%을 혼합하고 1800℃로 1시간 열간 압축을 한후, 분쇄하여 복합탄질화물을 만들었다. 분석결과 복합탄질화물의 조성은(Ti_0.75W_0.25)(C_0.68N_0.32)이며, X선회절의 결과로는 B-1형의 결정구조를 가지고 있는 것을 알았다.

상기 복합탄질화물을 4.0중량%, WC을 85.5중량%, Ta_0.75Nb_0.25C를 5.0중량%, CO를 5.5중량% 계취하고, 아세톤을 가하여 초경금속밀을 사용하여 스텐레스 제볼밀에 의하여 습식혼합하였다. 이 혼합분말에 대하여 캄퍼(Compher)를 3중량% 가하고 2ton/cm²로 프레스 가공하였다. (형번 SNV432)이 프레스 가공한 것을 1450℃로서 10^-3torr 하에서 소결하였다.

얻어진 합금을 현미경으로 조사한 결과 표면에서 10μ까지는 완전히 B-1형 경질상이 소멸되어 있었다.

이 합금에 공지의 화학 증착법으로 TiC를 6μ피복한 것을 A라고 한다. 비교하기 위하여 상술의 프레스 가공한 것을 N₂분압 10torr의 분위기로서 소결한 후 상기와 같이 TiC를 6μ 피복한 것을 B라고 한다. 본 발명의 합금과 W, Ti, Ta, Nb, Co의 조성비는 꼭 같으나, 출발원료로서 사용한 B-1형 경질상의 함유 질소량이 원자비로서 0.01 이하의 것을 같은 공정으로 혼합, 프레스 가공하고, 소결한 것을 C라고 한다.

(A, B, C는 어느 것이나 형번은 SNU 432형)

이 세가지를 이하의 조건으로 절삭시험을 하였다.

20분 절삭한 결과 칩 A는 V_B0.21mm, B는 0.19mm, C는 0.18mm 였다.

조건(2) 피삭재 SCM₃(H_B=280) 4홈재 단연 형상은 도면 1 참조

각칩 100 칼날 절삭 시험을 한 결과 A는 파손율 0%, B는 83%, C는 45%로 본 발명품은 내마모성을 손상하지 않고 인성이 상승한다는 것을 알았다.

[실시예 2]

실시예 1과 같은 방법으로(Ti_0.75W_0.25)(C_0.68N_0.32)를 만들었다. 이 복탄질화물 6.3중량%, WC_75.7중량%, Ta_0.75Nb_0.25C_7.5중량%, Co_10.5중량%를 계취하고, 실시예 1과 같은 공정으로 프레스가공체를 작성하고 1380℃, 10^-3torr 하에서 소결하였다. 이칩(형번 SPV 422)에, 실시예 1과 같은 공정으로 TiC를 6μ 피복하였다.

이 칩으로서 실시예 1의 조건(2)로 100칼날시험을 한 결과 파손율이 3%인데 대하여 시판의 P-40합금에 TiC를 6μ 피복한 크팅칩은 파손율 86%였었다.

[실시예 3]

실시예 1과 같은 방법으로 WC_85.5중량%(Ti_0.75W_0.25)(C_0.68N_0.32) 4.0중량%(Ta_0.75Nb_0.25) C를 5중량%, Co_5·5중량%를 계취하고, 또한 함유 탄소량을 적절히 조정하고, 실시예 1과 같은 공정으로 프레스 가공체(형번SNU432)를 작성 1450℃,10^-3torr로서 소결하였다. 소결후 합금의 탄소분석을 하고, 유리탄소가 석출되지 않은 것을 D, 0.03중량% 석출한 것을 E, 0.15중량% 석출한 것을 F, 0.30중량% 석출한 것을 G, 0.45중량% 석축한 것을 H, 0.60중량% 석출한 것을 I로 한다. 이들의 칩에 화학 증착법에 의하여 TiC를 6μ, Al₂O₃를 1μ피복하였다. 이들의 칩을 피삭재 SCM₃(H_B=280) 절삭속도 170m/min, 공급 0.36mm/rov 절삭깊이 2mm로서 프랑크 마모가 0.25mm가 되기까지의 절삭수명을 조사하였다. D는 37분간, E는 36분간, F는 29분간, G는 21분간, H는 16분간, 절삭가능한데 대하에 I는 2분간밖에 절삭을 하지 못했다. 비교를 위하여 시판의 Al₂O₃/TiC 2중 피복 초경합금 부재로는(이하 J라함) 22분간 절삭이 가능하였다.

이들의 삭을 실시예 1의 조건(2)로서 각 칩 100칼날씩 시험을 한 결과 D는 24%, E는 12%, F는 6% G는 0%, H는 0%, I도 0%의 파손율을 나타낸데 비하여 J는 49%의 파손율을 나타냈다.

[실시예 4]

실시예 1이 기재한 것과 같은 방법으로 각종 합금을 만들었다. 합금조성 및 그때의 소결분위기를 아래의 표 1이 표시한다.

(B-1형 경질상은 각각 원료의 조성, 형번은 모두 SNU 432)

(소결온도는 1380℃, 1시간, Co량은 10중량%)

표 1에 표시한 각종 합금의 B-1형 경질상의 VEC는 i-m에서는 8.70, n은 9.02, O는 8.30, P는 10.0이다.

소결후 칩을 절단하여 조사한 결과 i는 표면보다 20μ 약간 B-1형 경질상이 내부보다 증가되었는데 대하여, i에서는 반대로 표면보다 20μ 약간 B-1형 경질상이 내부보다 감소되어 있고, k에서는 표면보다 20μ 완전히 B-1형 경질상이 소멸되어 있었다. 1에서는 표면보다 10μ까지 완전히 B-1형 경질상이 소멸되하대어 있는데 여 i에서는 반대로 표면에서 5μ까지는 B-1형 경질상의 Co밖에 확인되지 않고, WC가 완전히 소멸되어 있었다.

n은 표면에서 내부까지 완전히 균일하며, 0에서는 표면에서 100μ까지 B-1형 경질상이 소멸한데 대하여, p에서는 표면에서 200μ까지도 B-1형 경질상이 소멸되어 있었다.

이중 k,o,p에 공지의 방법으로 TiN을 6μ피복하고, 피삭재 SCM₃(H_B=280), 절삭속도 170m/min, 공급 0.36mm/rev, 절삭깊이 2mm로서 절삭시험을 하고, 프랑크마모가 0.20mm를 수명으로 한바, k에서 36분간, 0 에서 31분간, p에서 21분간이 절삭 가능하였다(시판의 TiN 피복 초경합금으로는 37분간 절삭 가능하며, 그 모재만으로는 16분간 절삭 가능하였다).

다음에 k와 0와 m으로서 피삭제 SCM₃(H_B=280) 200×100의 판재를 절삭속도 108m/min, 공급 0.18mm/날, 절삭깊이 2mm로서 밀링을 하였다(절삭기는 NFLO6R).

각각 5패스 했을때의 칼날에 보이는 열균열의 수는 k가 1본에 대하여 0가 6본, m는 열균열 때문에 2패스한 시점에서 절삭불능이 되었다.

Claims (1)

1. 분자식이(M_A, M'_B, M_C")(C_U,N_V)x로 표시되고, 구성원소의 일부로서 W를 함유한 B-1형 결정구조를 가지는 상(相)과, 초경합금총량의 50중량% 이상의 WC상을 경질상으로서 가지며, 또한 철족금속을 결합금속으로서 가지고, 또한 표면층의 5-200μ는 상기 B-1형 결정구조를 가지는 상의 비율이 다른 부분보다 적은 것을 특징으로 하는 초경합금.

   단, M은 Ⅳ_a족 금속의 1종 또는 2종 이상을, M'는 Va족 금속의 1종 또는 2종 이상을, M"는 Ⅵ_a족 금속의 1종 또는 2종 이상을, C는 탄소를, N은 질소를, A, B, C, U 및 V는 각각의 원자비를, X는 금속 구성원소에 대한 비금속 구성원소의 비를 나타내고 또한, 0.1≤A≤0.9, 0.01≤B≤0.5, 0.1≤C≤0.9, 0.6≤×≤1이므로 A+B+C=1, U+V=1, 8.4≤4A+5B+6C+X(4U+5V)≤10.0으로 한다.

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