KR890004539B1 - 초내열 소결합금 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

초내열 소결합금 및 그 제조방법
본 발명은 높은 인성 및 강도를 가지고 또한 우수한 내마모성, 내소성변형성 및 내충격성을 가지며 따라서 이들 특성이 요구되는 고속절삭, 고속이송절삭 및 깊은 절삭등의 증절삭에 사용되는 절삭공구로서 또한 열간압연로울러, 열간선인발로울러, 열간압측다이. 열간단조다이 및 열간압출펀치 등의 비교적 장시간 고온에 노출되는 열간가공용 공구로서 사용하는 경우에 우수한 성능을 발휘하는 초내열 소결합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.
근년 가공능률 향상을 위하여 고속절삭화, 고속이송절삭화가 검토되고 있으나, 절삭속도를 높이하거나, 이 송량을 크게하면 절삭공구의 날끝온도가 상승하여 날끝이 마모보다는 오히려 고온에 기인하는 소성변형에 의하여 사용수명이 끝나는 경우가 많다.
그러나 현재 실용에 제공되는 결질상을 주로한 탄화텅그스텐(이하 WC로 표시함)이나 탄화티탄(이하 TiC로 표시함)으로 구성되고, 일방 결합상 이주로 철속금속으르 구성되어 있는 WC가 초경합금이나, TiC기 세 멧트는 날끝온도가 1000℃를 초과하면 급격히 연화하게 되므로 이들 WC 기초경합금이나 TiC기 세멧트는 물론이고 이들의 표면에 경질피복층을 형성한 것에 있어서도 그 사용조건은 날끝온도가 1000℃를 약간 상회하는 정도로 제한되어 있다.
또 결질상이 Ti와 W의 복합탄화물 고용체(이하 (Ti, W) C로 표시함) 또는 복합탄질화물고용체(이하, (Ti,W)CN로 표시함)로 구성되고, 한편 결합상이 W-Mo 합금으로 구성된 서멧트가 제안되었고 이 서멧트를 고속절삭이나 중절삭(重切削)에 절삭공구로서 사용하려는 시도가 있으나, 이 종래의 서멧트는 소결정이 나쁘고, 그리고 원료분말로서 사용되는(Ti, W)C분말, 혹은(Ti, W) CN 분말에 있어서의 C농도가 비교적 높으므로, 소결시에 그 일부가 W분말의 일부와 반응하여 취약한W2C를 형성하고, 이 W2C와 존재에 의하여 내충격성이 낮은 것이 되므로 충분히 만족할 수 있는 절삭성능을 나타내지 못하는 형편이다.
본 발명자들은 상술한 관점에서, 특히 우수한 내충격성과 내마모성이 요구되는 강등의 고속절삭이나. 증절삭에 절삭공구로서 사용함에 적당한 재료를 개발하고자 연구한 결과 중량%로, ⓐ(Ti, W) CN 분말 또는 Ti와 W와 주기율표의 5a족금속 중의 1종 또는 2종 이상과의 복합탄화질화물고용체 (이하.( Ti, W, 5a족금속)CN로 표시)분말‥10-65% 산화마그네슘(MgO)분말‥0.5-10% W분말‥‥나머지 ⓑ (Ti, W) CN 또는 (Ti, W, 5a종금속)···10-65% MgO분말‥‥0.5-10% Al2O3분말 및 Y2O3분말중의 1종 또는 2종···0.1-10% W 분말‥‥나머지 이상의 배합조성을 가진 압분체를 진공중 혹은 분활성가스 분위기중 l800-2700℃의 범위내의 고온으로 소결하면, 경질상 형성성분으로서, (Ti, W) CN 또는 (Ti. W, 5a종금속)···10- 65% MgO ···0.1-1.0%를 함유하고 다시 필요에 따라 경질상 형성성분으로서, Al2O3및 Y2O3중의 1종 또는 2종‥‥0.5-10%를 함유하고 나머지, 결합상 형성성분으로서 W 및 불가피불순물로된 조성을 가지는 초내열 소결합금을 얻을 수 있으며, 이 초내열소결합금은 소결시에 원료분말인(Ti, W) CN 또는 (Ti. W, 5a 족금속) CN분말중의 C성분이 MgO와 반응하여 감소되고, 이 결과 소결성이 현저히 향상됨과 더불어 취약한 W2C의 형성도 전무하게 되어 우수한 내충격성을 가지게 되고, 그리고 내마모성 및 내소성변형성에도 우수한 고로, 이를 고속절삭이나 증절삭등의 절삭공구로서 사용한 경우 우수한 절삭성능을 발휘함을 알 수 있다.
본 발명은 상기한 지식에 근거하여서된 것으로, 이하 배합조성(성분조성) 및 소결온도를 상기한 바와같이 한정한 이유를 설명한다.
(a). (Ti, W) CN 및 (Ti, W, M) CN 단 M는 5a종금속.
이들 성분은 주체 경질상 형성성분이며, 이 합금에 우수한 내마모성과 내소성변형성을 부여하는 작용을 가지나 그 배합량 (함유량)이 10% 미만에서는. W소지중에 스켈톤을 형성함이 없이 균일히 분산하여 버리기 때문에 상기 작용에 소망의 효과를 얻을 수 없으며, 한편 65% 이상을 함유할때는 상대적으로 소지를 형성하는 W량이 감소되어 인성이 나빠지므로, 그 배합량(함량)을 10-65%로 정한다.
(b). MgO MgO는 그 대부분이 소결시에 (Ti, W) CN, (Ti. W, M) CN 또는 (Ti, W, M) C 중의 C와 반응하여 합금의 C량을 감소함과 동시에 소결성을 개선하고 그리고 그 약간 량이 합금중에 잔류하여 내충격성을 현저히 향상시키는 작용을 가지나, 0.5%미만에서는 바라는 소결성 개선효과를 얻을 수 없을 뿐아니라, 합금중에 잔류하는 MgO의 량이 0.01% 미만으로 되버려 소망의 내충격성은 확보할 수 없고, 한편 10%를 초과하면, 소결온도가 낮은 경우는 합금중의 MgO의 함유량이 1.0%를 초과 높아진다.
이 결과 합금의 내소성변형성이 저하될뿐 아니라 합금에 기포가 형성되기 쉬워 내충격성이 나빠지므로, MgO의 배합량은 0.5-10%, 즉 , MgO의 함유량을 0.01-1.0%로 정한다.
(C). Al2O3및 Y2O3이들 성분은, 거의 전부가 소지중에 균일히 분산하여 소결성을 향상시킴과 동시에 합금의 내마모성 및 내충격성을 더욱 일층 향상시키는 작용을 가지므로, 필요에 따라 배합(함유)되지만 배합량이0.5% 미만에서는 상기한 작용의 소망되는 향상효과를 얻을 수 없으며, 한편 10%를 초과하면 합금의 내충격성 및 내소변형성 이 나빠지는 경향이 나타나므로, 그 배합(함유)량을 0.5-10%로 정한다.
(d). W 및 불가피불순물 W는 그 일부가 경질상에 고용하지만, 대부분은 결합상으로서 존재하여 경질층과 견고히 결합하여, 소결 합금에 우수한 내충격성을 부여하는 작용을 가진다. 또 불가피불순물로서 Mo, Cr, Fe, Ni. Co, Re. Pt 및 Pd등 중에서 1종 또는 2종 이상을 함유하여도 이들 성분함유량이 1%이하이면 합금의 특성에 하등 손상을 주지아니 한다.
(e). 소결온도 소결온도가 1800℃ 미만에서는, MgO의 증발이 불충분하고 이때문에 합금에 있어서의 탄소량의 감소가 적고, 소망의 소결성 및 내충격성을 확보할 수 없고, 한편 2700℃를 초과하면 소결합금에 액상이 발생하여 그 형상이 변화하게 되므로, 소결온도를 1800-2700℃로 정한다.
다음으로 본 발명을 실시예에 의하여 구체적으로 설명한다.
[실시예 1]
원료분말로서 평균입도 1.5μm의 완전고용체의 (Ti0.85W0.15)(CO0.70N0.30) 분말 (괄호내의 수사는 원자비), 0.4μm의 MgO분말, 0.5μm의 Al2O3분말, 0.4μm의 Y2O3및 0.8μm의 W분말을 각기 제 1표의 배합조성으로_ 배합하고. 볼밑에서 72시간 습식 분쇄 혼합하여, 건조후, l5kg/mm2의 압력으로 가압 성형하여 압분체로 하고. 이를 760torr의 질소분위기중에서 제 1표에 표시된 온도로 2시간 유지조건으로 소결하므로서, 제 1표의 발명합금 1-24 및 비교합금 1-3을 각기 제조하였다.
다음으로 본발명 합금 1∼24 및 비교합금 1-3의 경도(록웰경도 A스켈) 및 항절력을 측정함과 동시에 이로부터 SNP433의 형상을 가진 절삭팀을 만들고.
피삭재 SNCM-8(경도 HB240)
절삭속도 200m/min
이송량(속도) 0.3mm/rev
절삭깊이 2mn
절삭시간 10min
의 조건에서 고속연속 절삭시험 및
피삭재 SNCM-8(경도 HB270)
절삭속도 120m/min
이송량 0.4mm/rev
절입깊이 3mm
절삭시간 3min
의 조건에서 단속절삭 시험을 행하고 고속연속 절삭시험에서는 절삭날의 플랭크 마모폭과 크레타 깊이를 측정하고 또 단속절삭 시험에서는 10개의 시험절삭날중 그 날 끝에 결손이 발생한 절삭날수를 측정하고, 결과를 제 2표에 표시하였다.
또 비교목적으로 ISO의 PIO 그레이트의 WC 초경합금제 절삭팀 1이라함 ) 및 TiC-10% Mo-15% Ni의 조성 (증량%로 표시함)을 가지는 TiC기 서멧트제 절삭팀 (이하 종래 절삭팀 2라함)에 대하여 상기 조건으로 절삭시험을 행하고 결과를 제 2표에 표시하였다.
제 2표에서 명백한 바 본 발명합금 1-24는 모두 고경도, 고인성을 가지고 우수한 내마모성, 내충격성을 표시한데 대하여 MgO를 함유하지 않는 비교합금 1은 소결성, 내충격성이 떨어지므로, 특히 단속 절삭시험에서 전체 절삭날이 결손이 발생하고, 또 (Ti, W) CN의 함유량이 본 발명 범위 이상인 비교합금 2, 3은 비교적 우수한 내마모성을 나타내나, 인성이 낮아 단속 시험에서 거의 전부의 절삭날에 결손이 발생하였다.
또한 종래 절삭팀 1, 2는 내마모성 및 내충격성이 떨어지고 극히 나쁜 절삭성능을 표시함을 알 수 있다.
[제1표의 1]
Figure kpo00001
[제1표의 2]
Figure kpo00002
[제2표]
Figure kpo00003
[실시예 2]
실시예 1에서 사용한 원료 분말외에, 평균입도 1.5μm를 가지는 완전 고용체의 (Ti0.75W0.25)(C0.80N0.20)분말, 1.8μm 의 (Ti0.7W0.30)(C0.70N0.30)분말, 2.0μm의 (Ti0.80W0.20)(C0.80N0.20) 분말을 제 3표의 배합조성으로 배합한 후, 실시예 1에서와 동일 조건방법으로 압분체를 성형하여, 제 3표의 각종 압력의 N2가스분위기중 2000℃에 2시간 유지조건으로 소결 제 3표의 성분조성을 가진 본발명합근 25-46를 각각 제조하여 경도, 항절력을 측정함과 동시에 이로부터 SNP 433의 형상으로 절삭팀을 만들어, 비교목적의 ISO P30 그레이드의 WC 기초경합금제 절삭팀(이하 종래 절삭팀 3이라함)과 함께
Figure kpo00004
의 시험조건에서 시험한 결과를 제4표에 표시하였다.
제4표로부터 본발명 합금 25-46은 모두 고경도, 고인성을 가지며 고속연속절삭 및 단속절삭에 있어 우수한 절삭성능을 가짐에 대하여 종래 절삭팀 3은 특히 내소성변 형성이 나빠 고속연속절삭시험에서 3분에 절삭 불능이었다.
[제3표의 1]
Figure kpo00005
[제3표의 2]
Figure kpo00006
[제4표]
Figure kpo00007
[실시예 3]
실시예 1에서 사용한 MgO 분말, Al203분말, Y2O3분말 및 W분말외에, 평균입도 1.5μm를 가지는 완전고용체의 (Ti0.80W0.20)(C0.70N0.30) 분말, 다시 불순물로서 0.8μm의 MO분말, 2.5μm의 Ni 분말 1.2μm의 Co분말 및 3.0μm의 Re 분말을 제 5표의 배합조성으로 배합후, 실시예 1과 같은 조건으로 압분제를 만들어 300torr의 질소분위기중에서 제 5표의 표시된 온도에서 2시간 유지조건으로 소결합으로서 본발명합금 47-66 및 비교합금 4-11를 제조하였다.
이들 합금의 경도, 항절력을 측정하고 이로부터 SNP 433외 형상을 가진 팀을 만들어 비교목적으로 준비한 ISO의 P4O 그체이드의 WC 기초경합금제 절삭팁(이하 절삭팁 4)와 같이,
Figure kpo00008
의 조건으로 고속 연속 절삭시험과 단속절삭시험한 결과를 제 6표에 표시하며, 본발명 합금 46-66은 모두 고경도, 고인성을 표시하며 모두 우수한 절삭성능을 보여준다.
특히 본발명합금 54-57 및 63-66에서 보는 바, Mo, Ni, Co 또는 Re등의 불순물을 함유하여도 그 함유량이 1% 이하이면 합금 특성에 거이 영향을 미치지 않는다.
이에 대하여 MgO의 배합량이 본발명 범위 이상인 비교합금 4,5, (Ti,W)CN 함유량이 본 발명 범위 이하인 비교합금 6,7,불순물인 Ni 함유량이 1%를 초과하는 비교합금 8,9 및 소결온도가 본발명 범위보다 낮은 조건에서 제조된 비교합금 10, 11에 있어서는 모두 인성 부족이 원인으로 극히 나쁜 절삭 성능을 보였고, 또 종래 절삭팁 4는 본발명 합금과 동등한 내충격성을 가지나, 내소성변형성이 낮아 고속연속 절삭시험에서는 1분에서 절삭불능에 도달되었다.
[제5표의 1]
Figure kpo00009
[제5표의 2]
Figure kpo00010
[제6표]
Figure kpo00011
[실시예 4]
원료분말로서 평균입도 1.5μm의 (Ti0.75W0.15Ta0.10)(Co0.70N0.30)분말, 0.4μm의 MgO분말, 0.5μm의 Al2O3, 0.4μm의 Y2O3분말 및 0.8μm의 W분말을 제7표의 배합조성으로 배합하여, 실시예 1과 동일 조건방법으로 본발명합금 101-124 및 비교합금 11-13을 제조하고 경도, 항절력을 측정하고 이로부터 SNP 432 형상의 팁을 만들어 실시예 1의 절삭시험과 동일조건 방법으로 절삭시험을 한 결과를 제 8표에 표시하였다.
본 발명합금 101-124는 모두 고경도, 고인성을 가지며 모두 절삭시험에서 우수한 내층격성 및 내마모성을 표시하는데 대하여 MgO를 함유치 않는 비교 소결합금 11은 소결성 및 내충격성이 낮아 단속절삭시험에서 전부 결손이 발생하였고, 또(Ti.W,Ta) CN의 함유량이 본 발명 범위 이상인 비교합금 12, 13은 비교적 우수한 내마모성을 보이나 인성이 낮아 단속절삭시험에서 거의 전부의 절삭날에 결손이 발생하였다. 또한 종래 적삭팁는 1,2는 내마모성, 내충격성이 낮고 극히 나쁜 절삭성능을 보여준다.
[실시예 5]
원료분말로서 실시예 4에서 사용한 원로분말 외에, 평균입도 1.5μm를 가지는 완전 고용체의 (Ti0.65W0.25Ta0.10) (C0.80N0.20) 분말, 1.8μm의 (Ti0.75W0.15V0.10) (C0.70N0.30)분말, 1.5μm의 (Ti0.75W0.15Nb0.10)(C0.70N0.30) 분말, 2.0μm의 (Ti0.75W0.15Ta0.10) C1.0분말, 1.2μm의 Tin분말. 1.6μm의 VN분말, 1.8μm의 NbN 분말, 1.5μm의 TaN 분말을 제 9표의 배합조성으로 배합하여, 실시예 1의 조건의 방법으로 압분체로 하여. 제 9표의 각압력의 N2가스 또는 Ar 가스분위기중에 2000℃에 2시간 유지조건으로 소결하여 제 10표에 성분 조성의 본발명합금 125-142를 제조하여 경도, 항절력을 특정하고 SNP 432 형상을 가지는 절삭팁을 만들고 비교육적으로 준비한 ISO의 P3O 그레이드의 WC 기초 경합금제 절삭팀 13이하라함) 더불어,
Figure kpo00012
[제7표의 1]
Figure kpo00013
[제7표의 2]
Figure kpo00014
[제8표]
Figure kpo00015
의 조건으로 고속연속절삭시험과 단속절삭시험을 행하고, 실시예 1과 같은 측정방법 결과를 제11표에 표시한 바 본 발명 합금 125-142는 모두 고경도. 고인성을 가지며, 고속연속절삭 및 단속절삭시험에서 모두 우수한 성능을 표시하는데 대하여 종래 절삭팁 13은 내소성변형성이 낮아 고속연속절삭시험에서 3분에서 절삭 불능케 되었다.
[실시예 6]
원료분말로서, 실시예 1에서 사용한 MgO분말, Al2O3분말, Y2O3분말 및 W분말외에 평균입도 1.5μm의 완전 고용체의 (Ti0.70W0.10Ta0.10Nb0.05),(C0.70N0.30)분말, 그리고 불순물로서 0.8μm의 Mo분말, 2.5μm의 Ni분말, 1.2μm의 Co 분말, 3.0μm의 Re분말을 준비하여 제12표의 배합조성으로 배합후, 실시예 1과 동일조건 방법으로 압분체를 성형하여, 300torr의 질소 분위기중에서
[제9표]
Figure kpo00016
[제10표]
Figure kpo00017
[제11표]
Figure kpo00018
제12표에 표시된 온도에 2시간 유지조건으로 소결하여, 제12표의 성분조성을 가지는 본 발명 소결합금 143-162 및 비교소결합금 14-21을 각각 제조하고 경도, 항절력을 측정함과 동시에, 이로부터 SNP 432의 형상으로 절삭팁을 만들고, 비교목적으로 ISO의 P4O그레이드의 WC기초경합금제 절삭팁(이하 종래절삭팁 14)과 같이,
Figure kpo00019
의 조건으로 고속연속 절삭시험과 단속절삭시험을 실시하고, 실시예 1과 같은 측정결과를 표13에 표시하였다. 이 결과 본 발명 143-162는 모두 고경도, 고인성을 가지고 모두 절삭시험도 우수한 성능을 표시하며, 특히 본 발명 합금 150-l53 및 l59-162에서 보는바, Mo, Ni, Co 또는 Re등의 불순물을 함유하여도 그 함유량이 1.0%이하이면 소결합금의 특성에 거의 영향을 미치지 않는다. 이에 대하여 MgO의 함량이 본 발명 범위 이상인 비교소결 합금 14, 15 복합탄질화물의 함유량이 본 발명 범위 이하인, 비교소결합금 16, 17, 불순물인 Ni의 함유량이 1%이상의 비교 소결합금 18 및 19, 그리고 소결온도가 본 발명 범위보다 낮은 조건에서 제조한 비교소결합금 20및 21에 있어서는 모두 인성부족으로 극히 불량한 절삭성능을 표시하며 또 종래 절삭팁 4는 본 발명 소결합금과 동등의 우수한 내충격성을 가지나 내소성변형성이 낮아 고속연속 절삭
[제12표의 1]
Figure kpo00020
[제12표의 2]
Figure kpo00021
[제13표]
Figure kpo00022
시험에서는 0.9분에시 절삭불능으로 되었다.
이상과 같이 본발명 초내열 소결합금은 고인성 및 고경도를 가지고 내마모성, 내소성변형성 및 내충격성이 우수하기 때문에, 이들 특성이 요구되는 강의 고속절삭과 증절삭등의 절삭공구로서 사용한 경우 우수한 절삭성능을 표시하여 열간압연로울러, 열간인선로울러. 열간압축다이, 열간단조다이. 열간압출펀치 등의 비교적 장시간 고온에 노출되는 열간가공용 공구로서 사용되는 경우 우수한 성능을 장기에 걸처 발휘하는 등 공업상 유용한 특성을 가진다.

Claims (3)

  1. 결질상 형성성분으로서, Ti와 W의 복합금속탄질화물고용체 10-65%와 산화마그네슘 : 0.01-1.0%,를 함유하고, 나머지 결합상 형성성분으로서, W및 불가피불순물로 조성(이상중량%)됨을 특징으로 하는 초내열소결합금.
  2. 경징살 형성성분으로서, Ti와 W또는 이들과 5족금속중의 1종이상의 복합금속탄질화물 고용체 : 10-65%와 산화마그네슘 :0.01-1.0%를 함유하고, 다시 결질상 형성성분으로서 산화알미늄과 산화잇트륨을 0.5-10%와 W와 불가피불순물로 조성 (이상중량%)됨을 특징으로한 초내열 소결합금.
  3. Ti와 W 또는 이들과 5족금속중의 1종이상의 복합금속탄화물 고용체분말 10-65%와 산화마그네슘분말 : 0.5-10.0%와 또는 산화알미늄분말 및 산화잇트륨분말중의 1종이상 0.5-10.0%를 배합하고 나머지 W 분말로된 조성을 가지는 압분체를 진공중 또는 불활성 가스분위기중 1800-2700℃의 범위내에서 고온에서 소결하고 이소결중이 증발한 산화마그네슘에 의하여 Ti와 W의 복합금속탄질화물 고용체분말의 탈탄을 행하고, 이에 의하여 경질상 형성성분으로서 Ti와 W 또는 이들과 5족 금속중의 1종이상의 복합금속탄질환물고용체 : 10-65%와 산화마그네슘 : 0.01-1.0%를 함유하고 나머지 W와 불순물로 조성(이상중량%)되는 초내열 소결합금의 제조방법.
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