KR870000309B1 - 절삭 공구용 질화규소 소결체 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

절삭 공구용 질화규소 소결체 및 그의 제조 방법

본 발명은 고속 절삭에 있어서 절삭성이 우수한 질화규소(Si₃N₄)를 주제로 한 세라믹 절삭 공구용 소결체 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 질화규소를 주제로 한 세라믹들은 고온 강도, 고온 경도 등의 우수한 특성을 지니고 있어서 내열 구조에 응용되고 있다.

최근 절삭 공구에의 응용을 위한 몇가지 시도가 행해지고 있는 바, 이들은 주로 소결성을 높이고 강도를 개선하기 위한 첨가물에 관한 것으로서, 다음과 같은 사실들이 알려지고 있다. 즉, 소결성을 높이고 질화규소 입자들의 밀도를 치밀화시키기 위한 고밑도화 조제로서 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화마그네슘(MgO), 산화이트륨(Y₂O₃) 등이 이용되고 있다. 또한, 세라믹 소결체의 내열성, 내마모성 및 인성을 증진시키기 위한 첨가제로서, 탄화티탄(TiC), 질화티탄(TiN), 탄화티탄-질화티탄 고용체(TiC, N), 탄화텅스텐(WC, 탄화탄탈륨(TaC), 질화탄탈륨(TaN)을 이용하고 있다.

이 중에서도 첨가제로서, 탄화티탄 및 질화티탄 계통의 첨가제를 사용하여 소결한 세라믹 절삭 공구는 내열성, 내마성, 인성 등의 성능면에서 가장 우수한 것으로 나타나 있고, 이에 관한 특허 출원도 다수 공개되어 있다.

예를 들면, 일본국 공개 특허 출원 (소) 56-32377호에서는 절삭 구조용 질화규소 재료로서, 질화알루미늄(AlN), 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화규소(SiO₂) 등을 이용하고 있으며, 여기에 인성 증진을 위하여 탄화티탄, 질화티탄, 탄화티탄-질화티탄 고용체 중 1종 또는 2종 이상을 5-40 w/o 첨가하고 있다. 또한, 일본국 공개 특허 출원 (소) 56-73670호에서는 질화규소에 산화이트륨, 산화마그네슘, 산화세륨(CeO₂) 및 산화지르코늄(ZrO₂)으로 이루어진 혼합물과 산화알루미늄, 탄화텅스텐(WC), 규화텅스텐(WSi₂), 텅스텐(W) 및 탄화티탄으로 이루어진 혼합물과 고성능 절삭 공구용 재료의 제조 방법이 기재되어 있다. 이 특허 출원에는 일본국공개 특허 출원 (소) 57-205374, (소) 58-95662, (소) 58-199782 및 (소) 58-213696호 등이 관련된다.

그러나, 위에서 인용된 특허 출원들에 기재되어 있는 바와 같이, 질화규소를 주성분으로 하고 첨가제로서 특히 탄화티탄을 사용한 절삭 공구는 질화티탄 및 다른 성분을 사용하는 것보다 절삭 성능은 우수하지만, 소결 중 2차 생성물이 형성되어 소결성을 저하시키는 동시에 절삭 공구의 치밀성을 불량하게 하는 등 몇 가지 문제점을 내포하고 있다.

따라서, 이 분야의 업계에서는 이러한 종전 기술들에서 발견되는 문제점들이 해소된 절삭 공구의 출현이 절실히 요망되고 있다. 그리하여, 본 발명자들은 이를 문제점들을 해결하기 위하여 장기간 연구한 결과, 질화규소와 혼합하여 소결할 때 문제점이 내포된 탄화티탄을 본 발명에 따라 특수 처리함으로써 우수한 성능의 절삭 공구를 용이하게 소결시킬 수 있음을 알아내고 본 발명에 도달할 수 있었다.

본 발명의 주목적은 세라믹 절삭 공구용 소결체를 제공하고자 함이 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 이러한 소결체의 제조 방법을 제공하고자 함에 있다.

이러한 본 발명의 목적 및 기타의 목적들은 질화규소에 산화이트륨 2-10w/o, 산화알루미늄 1-5 w/o 및 질화티탄 피복의 탄화티탄 10-40 w/o가 함유된 혼합물을 고온에서 열간가압 소결시킨 것이 특징인 본 발명의 절삭 공구용 질화규소 소결체에 의하여 달성된다.

질화규소 미립 분말에 탄화티탄 미립분을 첨가하여 비산화성 분위기 중에서 약 1600-1800℃의 온도로 소결하여 절삭 공구를 제조할 경우, 다음과 같은 화학 반응이 일어난다.

Si₃N₄+3TiC→ 3TiN+1/2N₂↑ (1)

이 반응에 따라 탄화티탄이 일부 질화티탄으로 변환된다. 그런데, 이 반응은 절삭 공구의 구조상 아래와 같은 바람직스럽지 못한 몇 가지 이유가 있다.

- 첫째로는, 위 (1)의 반응이 일어날 경우 질화규소가 탄화규소로 변환된다는 점이다. 이와 같이 생성된 탄화규소의 소결 온도는 2000℃ 이상이 되므로, 약 1600-1800℃의 온도 범위에서는 액상 소결 반응에 의해 치밀화가 일어나는 질화규소의 소결이 방해 받게 된다.

- 둘째로는, 첨가된 탄화티탄의 일부가 질화티탄으로 변환되므로, 본래 탄화티탄을 질화규소 속에 분산시켜 절삭 공구의 성능을 향상시키려는 본래의 의도와는 거리가 멀어지게 된다.

- 셋째로는, 질소(N₂) 가스가 발생되기 때문에 그 가스의 이동에 따라 제품에 미세한 기공이 형성되기쉽고, 이에 따라 치밀화 소결에 막대한 지장을 초래하여 절삭 공구의 성능이 저하되는 요인이 된다.

그러나, 만일 탄화티탄 대신에 질화티탄을 인성 증진제로 첨가시킬 경우에는 상기 (1)과 같은 반응이 일어나지 않으므로, 질화규소를 주성분으로 하는 절삭 공구의 소결은 탄화티탄에 비하여 훨씬 용이하게 되지만, 질화티탄은 탄화티탄이 비하여 여러가지 측면에서 성능이 떨어지고 있다. 흔히 절삭 공구에 사용되는 물질들의 물리적 특징은 다음 표 1에 나타낸 바와 같다.

[표 1] 세라믹 절삭 공구에 사용되는 재료의 물리적 특성

위의 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 탄화티탄은 절삭 공구에 사용되는 여러 가지 물질 중 대체적으로 우수한 성질을 가지고 있다. 특히, 탄화티탄은 질화티탄에 비하여 절삭 공구로서의 요구 특성에서 가장 중요한 경도와 영율이 높다.

이 때, 탄화티탄이 질화규소를 모재로 하는 절삭 공구에 첨가되는 경우에는, 탄화티탄은 질화규소와 반응하지 않고, 미반응 상태인 채로 고르게 분산되는 것이 바람직하다.

위에서 말한 두 가지 현상 즉, 질화규소 미립자 속이 탄화티탄을 분산시키는 것이 이상적이지만, 불필요한 반응이 일어나게 되어 소결이 용이하지 않은 점과, 질화규소 미립자속에 질화티탄을 분산시키는 것은 탄화티탄에 비해 훨씬 용이하지만, 절삭 공구의 성능, 즉 경도, 인성, 내열성 면에서 탄화티탄 분산의 질화규소 소결체에 비하여 성능이 떨어진다는 점을 파악하였다. 따라서, 본 발명자들을 이들 두 가지 현상의 결점을 보완하기 위하여 다음과 같은 구성을 착안하기에 이르렀다. 즉, 탄화티탄의 미립자 표면에질화티탄의 얇은 피막을 형성시켜 소결에 사용하는 것이다. 이와 같이 함으로써, 이러한 질화티탄이 피복된 탄화티탄은 외관상 질화티탄처럼 행동하지만, 그 실제는 탄화티탄인 것이다.

전술한 바와 같은 새로운 구성을 갖는 질화티탄이 피복된 탄화티탄을 질화규소에 분산시킨 세라믹 공구를 소결시키는 것이 본 발명의 기술적 요체이다. 이와 같은 방법에 의하여 소결 반응을 행하면, 질화규소미립자 사이에 분산되는 질화티탄이 피복된 탄화티탄은 반응시에는 질화티탄으로 행동하여 쉽게 분산되고, 또한 반응을 저해하는 질소가스 및 반응물인 탄화규소를 생성하지 않을 뿐만 아니라, 소결 후에는 탄화티탄의 성능을 나타내므로, 탄화티탄이 분산된 질화규소 세라믹 절삭 공구의 성능과, 질화티탄과 질화규소사이의 비교적 용이한 소결 반응성을 동시에 내포하는 것이다.

이하, 본 발명의 방법이 관하여 설명하기로 한다. 우선, 탄화티탄 미립분 표면을 질화티탄으로 질화시키는 방법을 살펴 보기로 하겠다.

일반적으로, 질화티탄은 옥사이드(oxide)법, 메탈(metal)법, 염화물법 등에 의하여 제조된다. 옥사이드법에서는 산화티탄을 환원에 필요한 탄소를 충분히 혼합하여 질소 가스 또는 암모니아 가스 중에서 1500-1800℃의 온도로 가열하여 환원과 동시에 질화시키는 방법이지만, 질소가 충분하지 못하거나 부분적으로 탄소가 몰려 있는 경우 탄화티탄이 생성되는 경우가 있으므로, 고순도의 질화티탄을 얻기가 곤란하다. 이에 반하여, 염화물 방법은 절삭 공구의 피복에 멀리 이용되는 원리로서, 수소와 질소 또는 암모니아를 사염화티탄(TiCl₄) 기체와 동시에 반응시켜서 염화물을 분해시킴과 동시에 질화반응이 일어나면서 질화티탄이 석출되는 방법으로서, 질화티탄의 입자 크기도 상당히 미세하여 순도도 높다. 이와 같은 관점에서 고려해 볼 때, 탄화티탄의 미립분 표면을 질화티탄으로 피복하기 위해서는 전술한 염화물법이 적합하다.

본 발명에 있어서는 이 염화물법에 의해 탄화티탄 표면에 질화티탄 피막을 형성시키는 방법을 설명하고자 한다. 질화티탄이 탄화티단 표면에 피복될 때 일어나는 원리는 다음의 반응식,

2TiCl₄+N₂+4H₂→ 2TiN +8HCl (2)

과 같다. 사용되는 기체는 수소, 질소, 아르곤인데, 수소와 질소는 사염화티탄과항께 질화티탄 피막형성 반응에 관여하는 기체이며, 아르곤은 전기로 속의 공기를 제거하기 위하여 사용된다. 사염화티탄 가스는 수소 가스를 캐리어 가스(Carrier gas)로 사용하여 사염화티탄 용액을 버블링(bubblinq)시킴으로써 기화된다. 이 때, 사염화티탄 용액은 온도에 따라 증기압이 달라지고, 수소 가스의 유량에 따라 변화하게되므로, 사염화티탄 기체의 유량은 수소 가스 유량과 사염화티탄의 온도로 조절할 수 있다. 사염화티탄용기의 온도는 50℃로 유하지고, 사염화티탄화 질소 가스가 만나는 부분부터는 온도를 200℃로 유지시켜서 사염화티탄이 응축되는 것을 방지한다.

피막은 탄화티탄 미립분을 전기로에 장입한 후에 아르곤 가스를 채워넣어 그 내 부를 비활성 분위기로 만들어 주고, 사염화티탄 기화기로부터 사염화티탄 기체와 질소 및 수소가스를 흘려주면서 1000-1200℃의 온도까지 상기 미립분을 가열하여 탄화티탄 미립분 표면에 질화티탄을 증착시키고 150℃까지 서냉시킴으로써 실시한다. 이 때, 사염화티탄 분압과 수소 분압은 각각 0.1-0.5atm으로 유지하여야 한다. 여기서 생성된 질화티탄 피막은 탄화티탄에 비하여 화학적으로 안정하기 때문에, 탄화티탄 주위에 피복된 질화티탄이 다시 제2의 반응을 일으키기는 대단히 어렵다.

또한, 본 발명의 다른 관점에 의하면, 탄화티탄 표면에의 질화티탄의 피복 증착은 탄화티탄과 질소의 직접 반응에 의하여 행하는 것이 가능하다. 이 때의 반응은 다음과 같다.

2TiC+N₂+4H₂→ 2TiN +2CH₄↑ (3)

이 반응의 주목적은 탄화티탄을 질화 반응시키는 것인데, 탄화티탄보다도 질화티탄이 안정하기 때문에, 탄화티탄과 질소 가스가 반응하여 탄화티탄이 질화티탄으로 변화되는 것이다. 이 때, 탄소를 질소로 치환시키기 위하여 수소가 필요하게 된다. 이 반응에서 수소 분압이 탄화티탄으로의 피막 증착 반응을 조절하는 인자가 된다. 이 방법에서는 전기로에 탄화티탄 분말을 얇게 분산시키고, 1000-1500℃의 온도에서 질소와 수소의 혼합 기체를 긍급하면 탄화티탄의 질화가 일어나는 데, 이때 수소의 분압은 0.001-0.01atm으로 하고 2시간 반응시킨다.

전술한 방법들로부터 얻은 질화티탄 피복의 탄화티탄을 질화규소에 30w/o 첨가한 다음, 소결 촉진제로서 산화알루미늄 1-5w/o 및 산화이트륨 1-8w/o를 첨가하여 메틸알코올과 교반시키고, 이어서 알루미나 볼 밀에서 약 16시간 분쇄 및 교반하여 110℃의 온도로 건조시킨다. 여기서 얻은 미립분, 즉 -60 메시와 +100 메시 사이의 입도분포를 가진 미립을 취하여, 1600-1800℃의 온도에서 350kg/cm²의 압력으로 1-2시간 가량 열간 가압 소결하여 절삭 공구를 제조한다. 이 경우, 열간 가압 소결하면 제품을 재가공하여야 사용될 수 있지만, 열간 가압 소결의 경우 시편의 경도가 커서 가공이 매우 곤란하다. 그러므로, 대량 생산을 가능하게 하기 위해서는 열간 정수압 소결(hot isostatic pressing)을 하여야 한다.

이 경우에는 시편을 원하는 모양으로 성형하여 예비적으로 소결하여 정밀 가공을 한 다음, 다시 열간 정수압 소결을 행하면, 제품에 변형이 적게 일어나게 되어 후속되는 가공 공정이 훨씬 줄어들게 되어 경제적으로 질화규소를 주제로 하는 고성능의 절삭 공구를 제조할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예로서 상술하겠다. 그러나, 본 발명이 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

평균 입경 2μm의 탄화티탄 분말을 100g 탄화규소 발열체 전기로에 투입하고, 질소와 수소의 혼합 기체를 그 수소분압을 0...1, 0.003, 0.005, 0.01 atm으로 각각 달리하여 2ℓ/분으로 공급하면서 1500℃의 온도에서 8시간 가열하여 탄화티탄의 표면이 질화티탄을 피복시켰다.

산화이트륨만을 단독으로 알루미나 볼 밀에 8서시 간분쇄하여 얻은 미립분 6g과 알루미나 2g을 에틸 알코올을 용매로 하여 교반기에서 15분간 교반하여 고르게 분산시킨 다음, 여기에 질화규소 75g을 첨가 혼합하였다. 이 혼합물을 위에서 얻은 질화티탄이 피복된 탄화티탄 분발 28g과 함께 알루미나 볼 밀에서 18시간 분쇄 및 혼합하여 110℃의 온도에서 건조시켰다. 이와같이 하여 얻은 시료를 -60메시와 +100메시 사이의 입도 분포를 가진 입자를 취하여 소결 원료로 삼았다.

시료와 흑연 모울드 사이의 반응을 방지하기 위하여 표면에 질화붕소(BN) 분말을 얇게 도포한 다음, 시료 20g을 직경 3cm의 흑연 모울드에 넣고, 1700℃ 및 1750℃의 온도에서 각각 1시간씩 열간 가압 소결하여 절삭 공구를 제조하였다.

또한, 절삭 작업을 통하여 절삭 공구의 성능 시험을 행하였다. 피삭 재료로서는 FC 25주철을 사용하고, 절삭 속도 300m/분, 이송 속도 0.3mm/rev., 및 절삭 깊이 2.0mm의 절삭 조건 하에서 절삭 공구의 상면 마모(crater)가 0.1mm, 측면 마모(flank)가 0.4mm로 될 때까지의 절삭 공구의 수명을 측정하여, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

[표 2] 질화규소-탄화티탄 절삭 공구의 물리적 성능

[실시예 2]

탄화티탄의 표면을 질화티탄으로 피막시키기 위하여 앞에서 설명한 염화물법의 방법대로 실시하여 질화 반응 시킨다. 평균 입경 2μm의 탄화티탄 분발 50g을 취하고, 이것을 유도로(induction furnace)에 넣고 분말을 회전시켜 주면서 수소 가스와 질소 가스를 흘려주면서, 사염화티탄으로 질화시키며, 반응온도는 1050℃와 1100℃로 변화시키고, 사염화티탄의 분압은 0.2atm, 0.4atm, 수소의 분압은 0.3atm, 0.5atm로 변화시키면서 질화티탄이 피복된 탄화티탄 분말을 얻는다.

이렇게 얻어진 분말을 실시예 1에서 상술한 바와 같은 조성비로, 질화규소를 주제로 하고 산화알루미늄, 산화이트륨이 첨가된 조성물이 인성 증진제로 가하여 1750℃의 온도에서 1시간씩 질소하에서 소결한 후 1750℃의 온도에서 1시간씩 2000kg/cm²의 질소 압력하에 열간 정수압 소결을 하여 절삭 공구를 제조하였다. 이 때 제조된 절삭 공구의 성능 시험을 위하여, 피삭 재료로서 FC 25 주철을 사용하고, 절삭 속도300m/분, 이동 속도 0.3mm/rec., 절삭 깊이 2.0mm의 절삭 조건하에서 절삭 공구의 상면 마모(crater)가 0.1 측면 마모(flank)가 0.4mm로 될 때까지의 절삭공구의 수명을 측정하여 그 결과를 표 3에 나타내었다.

[표 3] 질화규소-탄화티탄 절삭 공구의 수명

Claims (6)

1. 산화이트룸 2-10 w/o, 산화알루미늄 1-5 w/o과 질화티탄 피복 탄화티탄 10-40 w/o 및 잔량이 질화규소로 이루어진 것이 특징인 절삭 공구용 질화규소 소결체.
2. 제1항에 있어서, 질화티탄 피복 탄화티탄은 탄화티탄의 표면에 질화티탄이 증착된 것이 특징인 절삭공구용 질화규소 소결체.
3. 질화규소에 산화이트륨 1-10w/o, 산화알루미늄 1-5w/o 및 질화티탄 피복 탄화티탄 10-4w/o 를 혼합하여 11℃에서 건조 후 1600-1800℃의 고온에서 소결 및 열간 정수압 소결하는 것이 특징인 절삭공구용 질화규소 소결체의 제조 방법.
4. 제3항에 있어서, 질화티탄 피복 탄화티탄은 탄화티탄이 사염화티탄 기체, 수소 및 질소를 작용시켜 탄화티탄 표면에 질화티탄 피막을 증착시키는 것이 특징인 방법.
5. 제4항에 있어서, 증착시의 사염화티탄과 수소의 분압은 각각 0.1-0.5atm이고, 증착시의 아르곤 및 질소의 분압은 각각 0.3-0.7atm 이며, 반응 온도가 1000-1200℃인 것이 특징인 방법.
6. 제3항에 있어서, 질화티탄 피복 탄화티탄은 탄화티탄을 그의 표면에서 직접 질소로 질화시킴으로써 형성되고, 이 질화시의 수소의 분압은 0.001-0.01atm 이고, 반응 온도가 1000-1500℃인 것이 특징인 방법.