KR890004489B1 - 고온특성이 우수한 절삭공구용 소결재료 및 그 제조법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

고온특성이 우수한 절삭공구용 소결재료 및 그 제조법

본 발명은 우수한 고온특성을 가지며, 특히 고온특성이 요구되는 고속절삭이나 고속이송절삭에 절삭공구로서 사용한 경우에 우수한 절삭성능을 발휘하는 소결재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 강의 절삭가공에 있어서 절삭속도를 빠르게 하거나, 이송량(속도)을 크게하면, 절삭공구의 날끝온도가 상승하고, 날끝이 마모되기 보다는, 오히려 고온에 원인하는 소성변형에 의하여 사용수명이 다 되는 경우가 많으며, 이 경향은 최근의 고속절삭화 및 고능률절삭화에 의하여 점점 등대되고 있다.

그러나, 현재 실용에 제공되고 있는, 분산상이 주로 W탄화물이나, Ti탄화물로 구성되고, 한편 결합상이 주로 철족금속으로 구성되어 있는 초경합금이나, 세멧트는 날끝온도가 1000°C를 초과하면 급격히 연화하게 되므로, 이들 초경합금이나, 서멧트는 물론이고, 이들 표면에 경질피복층을 형성한 표면 피복초경합금이나 표면피복서멧트에 있어서도, 그 사용조건은 날끝온도가 1000°C를 약간 웃도는 정도로 제한되어 있다.

한편 A1산화물을 주성분으로 하는 세라믹은, 고온에 있어서 높은 경도와 우수한 내산화성을 가지므로, 고속절삭용 절삭공구로서 사용은 되고 있으나, 그 날끝은 내충격성이 결여되고 신뢰성이 불충분한 것이므로 고속절삭에 있어서는 낮은 이송량으로 사용되고 있으이 현실이다.

또 최근에 고속절삭이나 고속이송절삭용의 절삭공구재료로서 W 또는 Mo등의 고융점 금속으로 되는 매트릭스(Matrix) 중에 W 및 Ti의 탄화물을 층상으로 분산시킨 조직을 가지는 주조합금(예로서 미국특허 제3690962호 참조)이 제안되어 주목되었으나, 이 주조합금은 융점이 2700°C로 대단히 높고 그리고 주조합금이므로 형상부여가 곤란할 뿐만 아니라 내산화성 및 내충격성도 불충분하여 널리 사용되고 있지는 않다.

본 발명자들은 상기한 바와같은 관점으로부터 고속절삭, 고속이송절삭이 가능한우수한 고온특성을 가지는 절삭공구용 재료, 즉 내마모성, 내소성변형성, 내산화성 및 내충격성에 우수한 절삭공구를 분말야금법을 사용하여 제조하려고 연구를 행한 결과, 원료분말로서, 금속탄화물분말, 금속질화물분말, 금속탄질화물분말, Ni-A1합금분말, 및 W분말을 준비하고, 이들 원료분말중 2종 이상을 사용하여 소정배합조성으로 배합하고, 통상의 조건으로 혼합하고, 프레스성형하여, 이 압분체를 비산화성 분위기중 온도 : 2000-2700°C의 고온, 즉 완전고용체화 온도로 소결한후, 비산화성 분위기중 전기 소결온도로부터 냉각하여, 1000-1600°C범위내의 소정온도에 소정시간 유지하는 화합물 석출처리를 행하여, 원자5%로 Ti : 5-25%. Zr 및 Hf중의 1종 또는 2종 : 5-20%, Nb 및 Ta중의 1종 또는 2종 : 5-20%, Ni : 0.5-3.0%, A1 : 0.5-2.0%(A1/Ni = 0.25-0.5), C : 15-40%, N : 1-15%를 함유하고 나머지 W와 불가피불순물(단 W : 20-50%함유)로 되는 조성을 가지며, 그리고 분산상이, Ti와 C와 N와를 주성분으로 하는 화합물상과, Zr 및 Hf중의 1종 또는 2종과 C와 N와를 주성분으로 하는 화합물상과의 미세경질상으로 되고, 한편 결합상이 Ni-A1금속간 화합물과 W를 주성분으로 하는 W기합금으로 되는 조직을 가지는 소결합금을 제조한 바, 이 결과의 소결재료는 우수한 내마모성, 내소성변형성, 내산화성, 및 내충격성을 가지며, 따라서 이들의 고온특성이 요구되는 고속절삭이나 고속이송절삭의 절삭공구로서 사용하면 대단히 우수한 절삭성능을 발휘한다는 것을 알게되었다.

본 발명은 상기 사실을 기초로 하여된 것으로 이하 재료의 성분조성범위 및 소결온도를 상기한 바와같이 한정한 이유를 설명한다.

(a) . Ti

Ti성분은, 소지중에 미세한 경질상으로 분산하는 Ti와 C와 N를 주성분으로 하는 화합물상을 형성하여 재료에 높은 경도를 부여하여, 내마모성을 향상시키는 작용을 가지나, 그 함유량이 5% 미만에서는 소결공정에서의 고용상태로부터의 냉각과정에서의 화합물 석출처리공정에서 소망량의 전기화합물을 석출시킬 수 없고, 그 결과 소망의 내마모성을 확보할 수 없으며, 한편 25%를 초과 함유하면 상대적으로 결합상에 비하여 전기 분산상을 형성하는 화합물상이 과다하게 되어 재료의 내충격성이 나빠지는 관계상, 그 함유량을 5-25%로 정한다.

(a) . Zr 및 Hf

이 양성분도, Ti와 마찬가지로 Zr 및 Hf중의 1종 또는 2종과 C와 N와를 주성분으로하고, 소지중에 미세한 경질상으로서 분산하는 화합물상을 형성하여 재료의 내마모성을 향상시키는 작용을 가지나, 그 함유량이 5%미만에서는 Ti와 마찬가지로 높은 경도, 즉 높은 내마모성을 확보할 수 없고, 한편 20%를 초과하면 마찬가지로 전기 분산상을 형성하는 화합물상이 과다하여, 재료의 내충격성을 나쁘게 하므로, 그 함유량을 5-20%로 정한다.

(c) . Ni 및 Ta

이 두성분은 상기한 2종의 화합물상에 확산하고, 그리고 소지에 고용하여 재료의 내산화성을 향상시키는 작용이 있으나, 그 함량이 5% 미만에서는 그 작용의 소망효과를 얻을 수 없고 한편 20%를 초과 함유하면, 재료의 내마모성이 나빠지는 경향이 나타나므로, 그 함량을 5-29%로 정한다.

(d) . Ni 및 A1

이들 양 성분은 결합상을 구성하는 W의 소결성을 향상시킴과 동시에, Ni₃A1로 되는 금속간 화합물을 형성하여, 분산상을 구성하는 화합물상과 결합상과의 결합강도를 향상시켜, 재료의 내충격성을 현저히 향상시키는 작용이 있으나, 그 함유량이 Ni : 0.5% 미만 및 A1 : 0.5% 미만에서는 전기 작용에 소망의 효과를 얻을 수 없고, 한편 Ni : 3.0% 및 A1 : 2.0%를 초과 함유하면, 재료의 내마모성이 저하되게 되므로, 그 함유량을 Ni : 0.5-3.0% 및 A1 : 0.5-2.0%로 정한다.

(e) . C

C성분은, 상기한 바와같이 2종의 화합물상을 형성하여 재료의 내마모성을 향상시키는 작용이 있으나, 그 함량이 15% 미만에서는 경질분산상의 량이 상대적으로 과소하여 소망의 내마모성을 확보할 수 없으며, 한편 40%를 초과 함유하면, 결합상에 대한 전기 화합물상의 비율이 과다하여 재료의 내충격성이 나빠지므로 그 함량을 15-40%로 정한다.

(f) . N

N성분은 상기 화합물상을 미세화하여 재료의 내충격성을 일층 향상시키는 작용이 있으나, 그 함량이 1% 미만에서는 소망하는 내충격성을 확보할 수 없고, 한편 15%를 초과 함유하면, 소결시에 N의 분해량이 많아져 재료중에 기포가 형성되게 되고, 그 결과 내충격성이 나빠지므로 그 함량을 1-15%로 정한다.

(g) . W

W성분은, 그 일부가 상기한 화합물상중에 확산하나, 나머지 대부분은 소기의 결합상을 구성하며, 이 결합상은, 상기 분산상을 구성하는 성분 및 Ni 및 A1가 고용된 W기합금으로 되므로, 재료는 우수한 내소성변형성, 및 내충격성을 가지게 된다.

그러나, 그 함량이 20% 미만에서는, 상대적으로 상기 결합상의 량이 과소하여, 특히 내충격성이 나빠지고, 한편 55%를 초과하면, 상대적으로 분산상이 과소하여, 재료의 내마모성이 저하되므로, 그 함유량을 20-55%로 정한다. 또한 본 발명의 소결재료는, 불가피불순물로서, Fe, Co, Cr, Mo, Si 및 백금족금속(Pt, Pd, Rh, Ru, Ir, Os) 중의 1종 또는 2종 이상을 함유하더라도, 그 합계 함유량이 2% 이하이면, 이 소결재료의 가지는 특성이 하등 손상되지 않는다.

(h) . 소결온도

2000°C미만의 소결온도에서는 소결시의 조직이 완전 고용체로 되지 아니하며, 그결과 소결후의 화합물 석출처리 공정에서, W기합금소지에 미세한 경질화합물이 균일히 분산된 조직을 얻을 수 없으며, 그 결과 소망의 내마모성 및 내충격성을 확보할수 없게되며, 한편 2700°C를 초과한 소결온도로 하면, 액상이 출현하게 되어 형상유지가 곤란하게 되므로, 소결온도를 2000-2700°C로 정한다.

(i) . 화합물 석출처리 온도

그 온도가 1000°C 미만에서는 분해석출하는 화합물의 량이 너무적어, 미세한 경질화합물이 균일히 분산한 조직을 얻을 수 없으며, 이 결과 재료의 내마모ㅓㅇ 및 내충격성이 나빠지고, 한편 그 온도가 1600°C를 초과하여도 마찬가지로 소망량의 화합물 및 금속간 화합물의 분해석출을 행할 수 없으므로 화합물석출 처리온도를 1000-1600°C로 정한다.

또한, 본 발명의 절삭공구용 소결재료는, 그 자체 단독으로 사용할수가 있으나, 이것을 결합상 형성성분으로서의 Ni 및 A1중 1종 또는 2종 : 25-60%, Mo 및 W중의 1종 또는 2종 : 5-20%를 함유하고, 나머지가 경질분산상 형성성분으로서의 주기율표의 4a, 5a 및 6a족의 금속의 탄화물 및 질화물중 1종 또는 2종 이상과 불가피불순물로 되는 조성(이상원자%)을 가지는 서멧트 기체상에 증합하고, 이 상태로, 예로서 10^-2torr의 진공중, 온도 : 1370°C에 30분간 유지하여 양자를 접합하여, 복합재로서 사용하여도 좋으며, 이 경우는 일층 내충격성이 증대하게 된다.

또 상기의 본 발명 소결재료의 단체 혹은 복합재의 표면에, 화학증착법을 사용하여, 주기율표의 4a, 5a 및 6a족 금속의 탄화물, 질화물 및 산화물 및 이들 2종 이상의 고용체, 다시 산화알미늄(이하 A1₂O₃로 표시함), 산화질코늄(이하 ZrO₂로 표시함) 중의 1종의 단층 또는 2종 이상의 복층으로 된 경질피복층을 0.5-1.5㎛의 평균층두께로 피복한 상태로 사용하면 일층 우수한 내산화성을 나타낸다.

다음으로 본 발명의 소결재와 그 제조방법을 실시예에 의하여 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

원료분말로서 평균입도 1.0㎛의 TiC, 1.2㎛의 (Ti_0.58W_0.42) C분말, 1.2㎛의 ZrC분말, 1.0㎛의 (Hf_0.45Nb_0.55) C분말, 1.2㎛의 TaC분말, 1.5㎛의 TiN분말, 1.7㎛의 Ni-A1합금(A1 : 31.5%함유)분말, 2.5㎛의 Ni분말, 및 1.2㎛의 W분말을 준비하고, 이들 원료분말중 2종 이상을 적당히 조합하여 소정 배합조성으로 배합하고, 볼밀로 72시간 습식 혼합하여, 건조후, 15Kg/mm²의 압력으로 프레스 성형하여 압분체로 하고, 이 압분체를 H₂기류중, 800°C에 1시간 유지시켜 예비 소결 처리후, 10^-1torr의 진공중 2600°C에 1시간 유지조건으로 소결하고, 소결종료후, 이 소결온도로부터 1500°C까지의 온도범위를 700°C/hr냉각속도로 냉각하고, 이 1500°C로 3시간 유지 조건으로 화합물 석출처리를 행하므로서 제1표에 표시한 성분조성을 가지는 본 발명 소결재 1-6 및 비교 소결재료 1-7을 각기 제조하였다.

비교 소결재료 1-7은 모두 구성성분중, 어느 하나의 성분함량이 본 발명범위에서 벗어난 조성을 가지며, 제1표에 *표로 표시하였다.

다음으로, 이 결과 얻은 본 발명 소결재료 1-6 및 비교소결합금 1-7의 각각으로부터 SNP432의 형상을 가진 절삭팁을 제작하고, 피삭재 : JIS,SNCM-8(경도 H_B260), 절삭속도 : 230m/min, 이송속도 : 0.4mm/rev, 절삭깊이 : 2mm, 절삭시간 각 10분의 조건으로 연속절삭시험 및 피삭재 : JIS.SNCM-8(경도 H...280), 절삭속도 : 140m/min, 이송속도 : 0.275mm, 절삭깊이 : 2mm, 절삭시간 3분의 조건에서 단속 고속절삭시험을 행하고, 연속고속절삭 시험에서는 팁날에 있어서의 플랭크마모의 심도와 크레타마모심도를 측정하였으며, 또 단속 고속절상시험에서는, 시험절삭날수 10개중의 결손발생 날수를 측정하였다.

이들 측정결과를 제1표에 표시하였다.

또한 제1표에는 비교의 목적으로 A1산화물을 주성분으로 한 세라믹 절삭팁 및 W탄화물을 주성분으로 하는 초경합급 기체의 표면에 화학증착법에 의한 Ti탄화물(TiC) 및 A1산화물(A1₂O₃)를 7㎛의 합계 평균층두께로 피복하여서 된 표면 피복초경합금 절삭팁(종래 절삭팁 1-2이라 함)의 동일조건에서의 절삭시험결과를 표시한다. 제1표에서 명백한 바와같이, 조앨 절삭팁 1은, 특히 내충격성이 낮으므로 시험 절삭팁날 모두가 결손되고, 또 종래 절삭팁 2는 우수한 내충격성을 가지므로 단속 고속절삭 시험에서는 본 발명 소결재료와 동등의 우수한 절삭성능을 표시하지만, 내마모성이 낮아 연속 고속절삭시험에서는 마모가 많다.

이에 대하여 본 발명 소결재료 1-6은, 단속 및 연속고속절삭 시험의 어느것도 우수한 고속절삭성능을 발휘함이 명백하다.

1-7에서 보는 바와같이, 구성성분중 어느 하나의 성분 함유량이 본발명 범위를 벗어나면, 연속 및 단속 고속절삭시험의 적어도 어느것에 있어 성능이 낮은 절삭시험 결과를 표시하고 있다.

[실시예 2]

실시예 1에서 사용한 원료분말에, 다시 평균입도 : 1.2㎛의 (Ti_0.58W_0.42) C_0.95분말, 및 1.0㎛의 TiC_0.5N_0.5분말을 준비하고 이들 원료분말을 적당히 조합 사용하여 소정 조성으로 배합하고, 이 배합분말을 실시예 1에서와 동일조건으로 혼합하여, 프레스 성형하고, 다시 예비 재소 처리한후, 10^-2torr의 진공중, 온도 : 2100°C에 2시간 유지하여 소결하고, 소결후 고용체조직을 가지고 있는 전기 소결온도로부터 1200°C까지의 온도범위를 700°C/hr의 냉각속도로 냉각하고, 1200°C로 5시간

[표 1]

유지하여 화합물 석출처리를 행하므로서, 제2표에 표시된 성분조성을 가진 본 발명 소결재료 7-16 및 마찬가지로 구성 성분중 어느것인가의 성분함량(제2표에 *로 표시)이 본 발명 범위를 벗어난 조성을 가지는 비교소결재료 8-13을 각각 제조하였다.

다음으로 상기 본 발명 소결재료 7-16 및 비교소결재료 8-13으로부터, 각기 SNP432의 형상을 가진 절삭팁을 제작하고, 피삭재 : JIS.SNCM-8 (경도H_B250), 절삭속도 : 115m/min, 이송속도 : 0.8mm/rev, 절삭깊이 : 5mm, 절삭시간 10분의 조건으로 연속고속이송절삭시험을 행하고, 플램크마모 심도와 크레타 마모심도를 측정하였다.

또 피삭재 : SNCM^-8(경도 : H_B280), 절삭속도 : 100m/min, 이송속도 : 0.3/ mm/rev, 절삭깊이 : 2mm, 절삭시간 3분의 조건으로 단속절삭시험을 행하여 10개의 시험절삭날중의 결손수를 측정하였다.

이 측정결과를 제2표에 표시한다.

또 제2표에는, 비교목적으로 시판의 W탄화물을 주성분으로 하는 초경합금 기체의 표면에 화학증착법에 의한 6㎛의 평균층두께로 Ti탄화물의 경질층을 피복한 표면 피복 초경합금절삭팁 및 P30의 W탄화물을 주성분으로 한 초경합금절삭팁(이하 종래 절삭팁 3, 4라함)을 상기 동일 조건으로 절삭시험결과를 표시한다.

제2표에서 보는 바와같이, 실시예 1에 있어서와 같은 결과를 나타내며, 본 발명 재료 7-16로 제작된 절삭팁은 종래절삭팁 3, 4 및 비교소결재료 8-13로 제작된 절삭팁과 비교하여 일층 우수한 절삭성능을 발휘함이 명백하다.

[실시예 3]

[표 2]

실시예 2에서 제조된 본 발명 소결재료 8를 SNP523의 형상으로 절삭팁으로 연마하여 이 절삭팁을 평균입도 : 2.0㎛를 가지는 Ti (C_0.7N_0.3) 분말, 0.8㎛의 Mo분말, 2.5㎛의 Ni분말 및 1.7㎛의 Ni-A1합금(A1 : 31.5%함유) 분말을 원료로 하여 Ti (C_0.7N_0.3) : 45%, Mo : 10%, Ni : 43%, A1 : 2%의 배합조성(이상원자%)으로 배합하고, 볼밀에서 60시간 습식 혼합하여, 건조후, 15Kg/mm²의 압력으로 프레스 셩형한 압분체를 10^-1torr의 진공중, 온도 : 1400°C에 1시간 유지 배소하고, 이어서 연마가공하므로서 제조하였다.

상기 배합조성과 실질적으로 동일한 최종 성분조성을 가지며, 그리고 SNP523형상을 가진 서멧트팁상에 중합하여, 이 상태로 10^-4torr의 진공중, 1370°C에 30분간 유지시켜 양자를 접합시켰다.

이결과 얻은 본 발명 복합절삭팁을, 피삭재 : JIS.SNCM-8 (경도 : H_B260), 절삭속도 : 120m/min, 이송속도 : 0.8mm/rev, 절삭깊이 : 5mm, 절삭시간 10분의 조건으로 연속 고속이송절삭시험 및 피삭재 : JIS.SNCM^-8(경도 : H_B280), 절삭속도 : 120m/min, 이송속도 : 0.35mm/rev, 절삭깊이 : 3mm, 절삭시간 3분의 조건으로 단속시험을 한 결과 연속 이송 절삭시험에서는 팁날에 있어서의 플랭크 마모깊이 : 0.13min, 크레타마모깊이 : 30㎛를, 또 단속 절삭시험에서는 절삭날 10개중 결손이 전혀 발생하지 않았다.

[실시예 4]

실시예 1에서 제조된 본 발명 소결재료 2의 절삭팁을 사용하여, 이 팁을 공지의 화학증착장치에 장입하여 그 표면에, 반응온도 : 1020°C, 반응가스 : H₂96%, TiC1₄: 2% (이상용량%), 반응시간 : 150분의 조건으로 처리하여 평균층두께 6um를 가지는 TiC를 피복하고, 다음으로 같은 온도에서, H₂: 96%, TiC1₄: 2%, CH₄: 1.95%, CO : 0.05% (이상용량%)로 된 조성을 가지는 반응가스를 100분간 흘러 보내 평균층두께 1㎛를 가지는 Ti (C_0.7O_0.3)을 피복하고, 다시 계속하여 잔류가스를 완전히 제거한후, 반응온도 : 1000°C, 반응가스조성 : H₂: 93%, A1C1₃: 3%, CO₂: 4% (이상용량%), 반응시간 100분의 조건으로 처리하여 평균층두께 1㎛의 A1₂O₃를 피복하였다.

이결과 얻은 3층 피복의 본 발명 표면피복팁을 실시예 1과 동일 절삭조건으로 연속고속 절삭시험과, 단속 절삭시험을 한 결과, 연속고속 절삭시험에서는, 팁날에 있어서의 플랭크마모깊이 : 0.08mm, 크래타마모깊이 : 10㎛, 단속고속절삭시험에서는 시험절삭날 수 10개중 1개만이 결손되었을 뿐이다.

상술한 바와같이 본 발명에 의하면 고온특성, 즉 내마모성, 내소성변형성, 내산화성 및 내충격성이 우수한 소결재료를 통상의 분말야급법을 이용하여 제조할수가 있으며 따라서 이 결과의 소결재료를 전기한 고온특성이 요구되는 고속절삭이나, 고속이송절삭에 절삭공구로서 사용하는 경우 현저히 우수한 절삭성능을 발휘하는 것이다.

Claims (2)

1. Ti : 5-25%, Zr 및 Hf중 1종 또는 2종 : 5-20%, Nb 및 Ta중 1종 또는 2종 : 5-20%, Ni : 0.5-3.0%, A1 : 0.5-2.0% (A1/Ni = 0.25-0.5), C : 15-40%. N : 1-15%를 함유하고, 나머지 W와 불가피불순물 (단 W : 20-55%함유)로 조성 (이상원자%)되고, 분산상이 Ti와 C와 N와를 주성분으로 하는 화합물상과, Zr 및Ff중의 1종 또는 2종과 C와 N와를 주성분으로 하는 화합물상과의 미세경질상으로 되고, 한편 경합상이 Ni-A1금속간화합물과, W를 주성분으로 하는 W기합금으로 된 조직을 가짐을 특징으로 하는 고온특성이 우수한 절삭공구용 소결재료.
2. 원료분말로서 금속탄화물분말, 금속질화물분말, 금속탄질화물분말, Ni-A1합금분말, 및 W분말을 준비하고, 이들 원료 분말중의 2종 이상을 가지고 소정배합조성으로 배합하고, 통상의 조건으로 혼합하여, 프레스 성형하여, 이어서 이 압분체를 비산화성 분위기중, 2000-2700°C의 고온에서, 완전 고용체화 소결한 후, 비산화성 분위기중, 1000-1600°C에서 화합물 석출처리를 행하고, Ti : 5-25%, Zr 및 Hf중 1종 또는 2종 : 5-20%, Nb 및 Ta중의 1종 또는 2종 : 5-20%, Ni : 0.5-3.0%, A1 : 0.5-2.0% (A1/Ni = 0.25-0.5), C : 15-40%, N : 1-15%를 함유하고, 나머지 W와 불가피불순물 (단 W : 20-55%함유)로 된 조성 (이상원자%)을 가지며, 그리고 분산상이 Ti와 C와 N와를 주성분으로 한 화합물상과 Zr 및 Hf중의 1종 또는 2종과 C와 N와를 주성분으로 한 화합물상과의 미세경질상으로 되고, 한편 결합상이 Ni-A1금속간화합물과, W를 주성분으로 한 W기합금으로 된 조직성을 가지는 소결재료를 제조함을 특징으로 한 고온특성이 우수한 절삭공구용 소결재료의 제조법.