KR920004669B1 - 씨메트(cermet) 절삭공구 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
[발명의 명칭]
씨메트(cermet) 절삭공구
[발명의 상세한 설명]
[발명의 배경]
본 발명은 씨메트(세라믹+금속)조성물, 특히 금속 및 합금을 절삭 가공하는데 사용되는 씨메트 절삭공구에 관한 것이다.
본원에 사용된 씨메트는, 티타늄 카보나이트라이드(carbonitride) 및 바인더(binder)금속을 포함하는 소결된 조성물을 의미할 것이다.
종래에는, 여러 가지 씨메트 절삭공구들이 금속 및 합금을 가공하는데 사용되었다. 이 씨메트들은, 몰리브덴 또는 텅스텐 고용체내의 티타늄의 카보나이트라이드, 및 니켈이나 코발트와 같은 바인더 금속및/또는 합금을 함유하는 루디 미합중국 특허 제 3,971,656호에 설명된 씨메트를 포함한다. 티타늄 카보나이트라이드를 함유하는 다른 씨메트 조성물들은 미합중국 특허 제 3,994,692호, 제 3,741,733호, 제 3,671,201호, 제 4,120,719호에 설명되어 있다. 또한 이점에 관한 관심사가, 1986년 에치 도이(H,Doi)에 의해 사이언스오브하드메터리얼수에서 펴낸 "어드밴스도 TiC와 TiC-TiN성분 씨메트들"이라는 책자의 페이지 489-523에 수록되 있다.
상용(商用)씨메트 절삭공구 조성물들의 조성비가 표 I 에 나타나 있다(단위는 w/o(중량퍼센트)).
[표 I]
상기 표와 같은 조성비로서 널리 실행되어왔지만, 가공물을 가공하기 위한 씨메트 조성 절삭공구는, 종래의 씨메트 절삭공구들에 필적할만하거나 보다 우수한 좋은 인성을 갖추며, 금속 절삭중 더 우수한 마멸저항과 현저하게 우수한 성능(즉 긴 공구수명)을 갖추어야 할 필요가 있다.
[발명의 요약]
본 발명자들은, 다음과 같은 원소를 함유하는 씨메트 조성물내에 작은 량의 바인더 금속과 많은 량의 높은 텅스텐을 조합시킴으로써, 고속 다듬질(즉 저급송)가공 작업에 사용하는 개선된 씨메트 절삭공구가 제공된다는 것을 발견했다. 상기 함유 원소는, 약 3.5 내지 6.5중량퍼센트의 니켈 ; 약 4.5 내지 7.5중량퍼센트의 코발트 ; 니켈과 코발트의 합은 약 8 내지 11 중량퍼센트이며, 약 20 내지 25중량퍼센트의 텅스텐 ; 약 5 내지 11중량퍼센트의 몰리브덴 ; 약 6중량퍼센트까지의 탄탈륨과 니오비움의 합 ; 약 0.05중량퍼센트까지의 크롬 ; 약 1 중량퍼센트의 알루미늄 ; 약 3중량퍼센트까지의 바나디움 ; 및 나머지는 필수적으로 불순물들을 제외한 티타늄, 탄소 및 질소로되는바, 실제로 적어도 모든 탄소와 질소는, 금속이 텅스텐, 몰리브덴, 티타늄, 탄탈륨, 니오비움, 바나디움, 크롬, 그들의 고용체들 및 그들의 혼함물들로부터 선정되는 금속 카바이드 및 금속 카보나이트라이드의 혼합물과, 금속 카보나이트라이드로 이루어진 조합으로부터 선정된 금속 혼합물들로써 존재한다.
본 발명에 따르는 조성물에서, 바인더 함유량이 감소되면 파괴인성을 감소시키기 때문에 필요한 파괴인성을 제공하도록 바인더메탈 함유량의 합(Ni+Co)은 최소한 8.0중량퍼센트로되야 할 것이다. 그러나 바인더 함유량이 증가되면 마멸저항과 공구수명이 감소되기 때문에 바인더 함유량은 11중량퍼센트를 초과하지 않을 것이다. 본 발명에 있어서 다량의 텅스텐 카바이드를 고려하면, 니켈은 코발트보다 티타늄 카바이드와 티타늄 카보나이트라이드를 잘 적시지만 코발트는 니켈보다 텅스텐 카바이드를 잘 적시기 때문에 니켈과 코발트 모두 첨가된다. 니켈은 약 3.5 내지 5.5 중량퍼센트로 그리고 코발트는 약 4.5 내지 6.5 중량퍼센트로 유지되는 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는, 니켈은 약 3.5 내지 4.5 중량퍼센트로 제한되고 코발트는 약 4.5 내지 5.5중량퍼센트로 제한된다.
몰리브덴은, 티타늄 카보나이트라이드 그레인들에 대한 니켈 바인더의 습윤성(젖는 성질)을 향상시키기 위해 적어도 약 5중량퍼센트의 수준으로 존재한다. 그러나 몰리브덴은 약 11중량퍼센트를 초과하지 않는것이 바람직할 것이다. 더 바람직하게는, 본 조성물은 약 9.5 내지 10.5중량퍼센트의 몰리브덴을 함유한다.
텅스텐이 약 20중량퍼센트 이상의 수준으로 조성물내에 존재하여 향상된 열전도성을 갖는 조성물을 제공하고 취성 및 마멸저항의 적정 결합을 제공한다.
그러나 텅스텐은 약 25중량퍼센트를 초과할 수 없는바, 이는 그 이상 초과되면 절삭공구 사용중에 그 절삭공구의 더 불충분한 크레이터 마멸저항에 의해 화학적 마멸저항에 대한 텅스텐의 역효과가 현저해질 수 있기 때문이다. 필요한 크레이터 마멸저항을 더 확실하게 제공하기 위해, 텅스텐은 약 23중량퍼센트 이하로 유지되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의해 조성된 절삭공구들에서 얻어진 향상된 절삭공구의 성능은, 값비싼 합금원소인 탄탈륨의 사용없이도 달성된다는 것을 인식하게 될 것이다. 본원에는 이같은 원소가 첨가 비용 때문에 사용되지 않는 것이 바람직한 반면, 더 우수한 성능을 얻기 위해 니오비움, 바나디움, 크룸 또는 알루비늄 중에서 하나 또는 그 이상이 첨가될 것으로 사료된다.
탄탈륨 및/또는 니오비움은, 열충격 및 변형저항을 향상시키도록 약 6중량퍼센트(Ta과 Nb의 합계)를 초과하지 않는 양으로 첨가될 수 있다.
바나디움은, 고용체 티타니움-바나디움 카바이드들과 카보나이트라이드의 형성으로 인해 향상된 고온 변형저항을 제공하도록 약 3중량퍼센트까지, 바람직하게는 2중량퍼센트 미만의 양으로 존재될 수 있다.
크롬은, 바인더의 강화에 의해 고온 크리이프저항을 향상시키도록 0.05중량퍼센트 수준으로 첨가될 수 있다. 0.05중량퍼센트 이상이 되면, 크롬은 바인더의 연성(ductility)을 감소시킴으로써 조성물의 인성을 감소시키는 경향을 갖는다.
알루미늄은, 바인더의 니켈알루미나이드 응결물들의 형성을 통해 바인더 강화 작용을 향상시키도록 약 1중량퍼센트 수준으로 본 조성물에 첨가될 수 있다.
나머지 재료는 불순물들(예컨대, 산소)을 제외한 티타늄, 탄소 및 질소이다. 탄탈륨, 니오비움, 바나디움 또는 알루미늄이 신중히 첨가되지 않으면, 그 원소들은 각각 0.05중량퍼센트 미만의 불순물들로 존재될 수 있다.
조성물은, 티타늄이 티타늄 카바이드 및 티타늄 카보나이트라이드 분말들로서 첨가된 출발물질들을 이용하는 통상의 분말 야금술에 의해 만들어진다. 텅스텐, 몰리브덴, 바나디움, 탄탈륨, 니오비움 및 크롬은 메탈 카바이드 문말로 첨가되는 것이 바람직하다. 코발트와 니켈은 메탈 분말로 첨가된다. 만일 알루미늄이 첨가된다면, 알루미늄 화합물로 첨가될 수 있다. 이같은 분말들은 함께 분쇄되고 가압된후 소결되어, 그라인딩 작업 및/또는 호우닝 작업에서 사용될수 있는 인덱시블(indexble)절삭인서트와 같은 고밀도의 제품을 제공한다.
상기와 같은 본 발명의 일면 및 다른 일면이 간단히 설명된 첨부 사진에 관련한 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명의 고찰중에 명백하게 될 것이다.
[사진의 간단한 설명]
사진은 본 발명에 따른 절삭인서트를 5000X 확대로 SEM(scanning electon microscopy)을 통해 관찰한 대표적인 미세구조를 나타낸다.
[본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명]
본 발명에 따르면 표 II와 III에 나타난 바와 같이 텅스텐 카바이드, 티타늄 카보나이트라이드, 티타늄카바이드, 몰리브덴, 카바이드, 코발트 및 니켈 분말들이 3000그램(g)계량되어 함께 첨가되어 제 1 출발 혼합물(혼합물 I)을 형성한다.
[표 II]
출발 성분
* 피셔 체(Fisher subsieve)분석에 의함
[표 III]
혼합 비율
출발 혼합물이 21,000그램의 시멘티드 텅스텐 카바이드 사이클로이드와 함께 36시간 동안 7각의 분쇄자아(mill jar)내에서 분쇄되어 약 0.7 내지 0.8미크론 크기의 입자로 형성됐다. 이후 분쇄 슬러리(slurry)는 윤활제와 표면 활성제와 함께 시그마 블레이드 건조기(sigma blade dryer)내로 방출되었다. 건조후, 혼합물은 스크린을 통해 피츠방식(Fitz)으로 분쇄되었다. 그후 혼합물은 냉간 필(pill)압축되었고 진공 소결되었다. 로가 90분간 1450℃까지 가열되는 동안 혼합물이 30분간 1200℃로 유지된후로(furnace)가 냉각됨으로써 혼합물이 소결된다.
상술한 공정에 의해, 사진에 나타난 대표적인 미세조직을 갖는 소결된 제품으로 나타났다. 사진에 나타나 있듯이 카바이드와 카보나이트라이드 입자들은 매우 미세하며(〈1-3미크론)이정(bimodal)크기 분포로 존재한다.
사진에 나타난 커다란 검은 입자들은 고용체내의 몰리브덴 및/또는 텅스텐을 함유할 수 있는 티타늄 카보나이트라이드상(phase)이 될것으로 믿어진다. 그러나 큰 검은 입자들을 둘러싼 밝은 회색상 또한, 검은 상보다는 더 높은 수준의 몰리브덴 및/또는 텅스텐을 지닌 티타늄 카보나이트라이드상이 될 것으로 믿어진다. 백색 입자들은 고용체내에서 몰리브덴 및 티타늄을 함유할 수 있는, 텅스텐이 풍부한 카바이드 입자로 될것으로 믿어진다. 니켈, 코발트 및 몰리브덴을 함유하고 또한 소량의 텅스텐, 탄소, 티타늄 및 질소를 함유할 수 있는 바인더 상은, SEM의 특성으로 인해 사진에는 선명히 나타나지 않았다.
상술한 공정에 의해 실제로, A형 다공성, 즉 대표적으로 단지 AO2 내지 AO4다공성을 나타내는 고밀도 제품이 생산된다. 바람직하진 않지만, B형 다공성 제품이 절삭성능에 대한 역효과 없이 존재될수 있다.
본 발명에 따른 제 2 혼합물 II(Mix II)은, 진공 소결이 아닌 아르곤 소결이 이용됐다는 특이할만한 사항을 제외하고는 혼합물 II의 제조방법과 유사한 방식으로 밀링(milling), 프레싱(Pressing) 및 소결(sintering)에 의해 만들어졌다. 혼합물 II는 혼합물 I보다 많은 텅스텐을 함유한다.
적은 텅스텐 함유로 되어있는 본 발명 이외의 세 번째 혼합물 III 은 비교 목적을 위해 만들어졌다. 혼합물들(I,II,III)의 소결된 화학적 성질뿐 아니라 또 다른 특성이 표 IV에 나타나 있다. 약 23중량퍼센트의 텅스텐이 함유된 혼합물 I을 소결시킨 이후, 밀링이전 혼합물 I내의 텅스텐 수준보다 2.5중량퍼센트가 증가되는 것을 이해할 것이다. 텅스텐 함유량의 이러한 증가는 분말 혼합물을 밀링가공하는데 사용된 시멘티드 텅스텐 카바이드 사이클로이드로부터의 텅스텐 카바이드의 픽업(pickup)에 따른것으로 믿어진다.
[표 IV]
소결된 혼합물의 화학적 성질
상술한 세 개의 혼합물로부터 소결된 제품들은 SNG-433형 인덱시블 절삭인서트로 연삭되었고, 또한 표V 내지 IX(공구 수명은 분으로 기록됨)에 절차 및 결과가 설명된 금속 절삭 시험에서 상용제품(B,C,D,E)으로 이루어진 SNG-433형 인서트들에 대하여 시험됐다.
표 V에 설명된 시험들에 있어서, 고속, 저급송(즉 다듬질 조건)가공 시험 조건하에서 시험된 상용제품보다 본 발명에 따른 혼합물II가 월등히 우수하다는 것을 명확히 볼 수 있다. 그러나 표 VI에서 설명된 시험에서 사용된 고속 및 고급송 조건(황삭)에서는, 혼합물II의 성능이 C,B와 거의 비슷하다.
[표 V]
AISI 145강(180-200BHN) 가공시
시험조건 : 1000sfm(표면적/분), 0.010ipr(인치/회전), 0.100인치 doc(절삭 깊이), SNG-433(0.003-0.004인치 X 25°K-랜드), 리이드 각 : 15°, 냉각제 사용않음.
공구수명기준(표 V-IX에 기록된 모든 시험에 사용됨)
: fw-0.015인치 균일 측면 마멸
mw-0.030인치 집중측면 마멸
cr-0.004인치 크레이터 마멸
dn-0.030인치 절삭 노치 깊이
ch-0.030인치 집중 마멸 또는 칩
bk-파손
[표 VI]
AISI 1045강(180-200BHN)가공시
시험조건 : 1000sfm, 0.026ipr, 0.100인치 doc, 나머지 시험조건들은 표 V와 동일함
표 VII에 설명된 시험에 있어서, 혼합물II의 성능은 비교 혼합물III과 상용제품B보다 약 2배 내지 1배 우수하게 나타났다.
표 VIII에 설명된 시험에서, 혼합물 II의 성능은 상용제품 B 및 비교혼합물 III보다 각각 2 내지 1배 미만 및 3 내지 1배 미만 우수하게 나타났다. 한번의 시도에서 혼합물 II는 단지 8.1분 후에 파괴되었으며, 뒤이은 인서트의 시험은 초기 파괴에 대한 이유를 밝혀줄 다른 인서트들 보다 약간 큰 K-랜드를 지니는 것으로 나타났다.
상술한 시험들로부터, 혼합물 II는 다듬질형 가공 조건하에서 시험된 상용제품에 비해 더 우수한 마멸저항을 제공한다.
[표 VII]
AISI 1045강(180-200BHN) 가공시
시험조건 : 표 V와 동일함.
[표 VIII]
AISI 4340강(280-300BHN) 가공시
시험조건 : 800sfm, 0.010ipr, 0.100인치 doc, 나머지 시험조건들은 표 V와 동일함
표 IX에 설명된 시험값들에 있어서, (호우닝처리된 것 대 챔퍼링처리된 것, 즉, K-랜드로된)절삭날 제품의 성능이 연구되었고, 본 발명에 따라 호우닝처리된(honed)절삭인서트들의 성능은 호우닝처리된 시판인서트들과 비교되었다. 표 IX에서 볼 수 있듯이, 호우닝처리된 혼합물 I 인서트는 K-랜드된(K-landed)혼합물 I인서트들보다 전체적으로 양호하게 수행되었다. 호운된 조건에서의 혼합물 I 인서트들은 K-랜드된 조건에서의 혼합물 I 인서트들보다 칩핑(chipping)이나 파손이 쉽게 발생되지 않은 것으로 명백히 관찰되어 있다.
[표 IX]
AISI 4340강(280-300BHN) 가공시
시험조건 : 1200sfm, 0.010ipr, 0.100인치 doc, SNG-433(0.001-0.002인치 반경의 호우닝처리), SNG-433(0.003-0.004 인치 X 25℃K-랜드), 리이드각 : 15°, 냉각제 사용 않음.
호우닝처리된 혼합물 I 인서트들은, 실제로 호우닝처리된 상용제품 B와 C그리고 호우닝처리된 혼합물 II보다 우수하게 수행되 있다. 호우닝처리된 혼합물II인서트들은 대체로 상용제품C와 등가이며 상용제품B보다 약간 우수하게 수행되었다.
혼합물 I,II로 구현된, 본 발명과 상용제품 A들간의 직접 비교는 상용제품 A 절삭인서트들의 유용한 기하학적 차이 때문에 불가능했다. 그러나 상용제품 A에 대해 본 발명을 비교하기 위한 시도들이 유사한(동일하지 않음) 기하학적 인서트들을 사용하여 만들어졌다. 이러한 시험들에 있어서, 상용제품 A 인서트들은 본 발명에 따른 인서트들보다 더 긴 공구수명을 지닌 반면, 이러한 결과들은 관찰된 성능이 인서트 기하학, 화학적성질 또는 그 두개의 조합으로 인해서 차이가 나타났는지의 여부가 불확실하기 때문에 결론이 나지 않았다. 상용제품 A는 높은 텅스텐 함량에 관련하여 현저하게 탄탈륨, 니오비움과 비나디움 첨가물을 함유한다는 것이 주목될 것이다. 본 발명을 만들기 위해 그러한 첨가물들이 사용되지만, 혼합물 I 및 II는 그러한 첨가물들을 함유하지 않는다.
본원에 제시된 모든 특허와 서류는 참조로써 이용된다.
본 발명의 또 다른 실시예가, 본원에 설명된 본 발명의 명세서 또는 실시예를 고찰함으로써 본 기술분야의 숙련자들에게 명백해질 것이다. 명세서 및 실시예들은 단지 예시로서 설명될 뿐이며, 본 발명의 진실한 범위 및 사상은 특허청구 범위에 의해 제시된다.
Claims (24)
- 약 3.5 내지 6.5중량퍼센트(w/o)의 니켈 ; 약 4.5 내지 7.5 중량퍼센트의 코발트 ; 상기 니켈과 코발트와의 합은 약 8.0 내지 11.0중량퍼센트이며, 약 20 내지 25중량퍼센트의 텅스텐 ; 약 5 내지 11.0중량퍼센트의 몰리브덴 ; 약 6중량퍼센트까지의 탄탈륨과 니오비움의 합 ; 약 0.05중량퍼센트까지의 크롬 ; 약 1 중량퍼센트까지의 알루미늄 ; 약 3중량퍼센트까지의 바나디움 ; 및 티타늄, 탄소 및 질소의 잔여분으로 이루어지며, 적어도 모든 탄소 및 질소는 금속 카보나이트라이드들로 이루어진 조합으로부터 선정된 금속 화합물 및, 상기 금속이 텅스텐, 몰리브덴, 티타늄, 탄탈륨, 니오비움, 바나디움, 크롬, 및 그 고용체 및 혼합물들로 이루어진 조합으로부터 선정되는 금속 카바이드 및 금속 카보나이트라이드의 혼합물로서 존재하는 씨메트(cermet)절삭공구.
- 제 1 항에 있어서, 니켈은 3.5 내지 5.5중량퍼센트로 제한되는 씨메트 절삭공구.
- 제 1 항에 있어서, 코발트는 4.5 내지 6.4중량퍼센트로 제한되는 씨메트 절삭공구.
- 제 1 항에 있어서, 니켈은 3.5 내지 4.5중량퍼센트로 제한되는 씨메트 절삭공구.
- 제 3 항에 있어서, 니켈은 3.5 내지 4.5중량퍼센트로 제한되는 소결된 씨메트 절삭공구.
- 제 1 항에 있어서, 코발트는 4.5 내지 5.5중량퍼센트로 제한되는 소결된 씨메트 절삭공구.
- 제 4 항에 있어서, 코발트는 4.5 내지 5.5중량퍼센트로 제한되는 소결된 씨메트 절삭공구.
- 제 1 항에 있어서, 몰리브덴은 약 9.5 내지 10.5중량퍼센트로 제한되는 소결된 씨메트 절삭공구.
- 제 4 항에 있어서, 몰리브덴은 약 10 내지 10.4중량퍼센트로 제한되는 소결된 씨메트 절삭공구.
- 제 1 항에 있어서, 바나디움은 0.05중량퍼센트 이하로 존재하는 불순물인 소결된 씨메트 절삭공구.
- 제 4 항에 있어서, 바나디움은 0.05중량퍼센트 이하로 존재하는 불순물인 소결된 씨메트 절삭공구.
- 제 8 항에 있어서, 바나디움은 0.05중량퍼센트 이하로 존재하는 불순물인 소결된 씨메트 절삭공구.
- 제 9 항에 있어서, 바나디움은 0.05중량퍼센트 이하로 존재하는 불순물인 소결된 씨메트 절삭공구.
- 제 1 항에 있어서, 탄탈륨은 0.05중량퍼센트 이하로 존재하는 불순물이며 니오비움은 0.05중량퍼센트 이하로 존재하는 불순물인 씨메트 절삭공구.
- 제 7 항에 있어서, 탄탈륨은 0.05중량퍼센트 이하로 존재하는 불순물이며 니오비움은 0.05중량퍼센트 이하로 존재하는 불순물인 씨메트 절삭공구.
- 제 8 항에 있어서, 탄탈륨은 0.05중량퍼센트 이하로 존재하는 불순물이며 니오비움은 0.05중량퍼센트 이하로 존재하는 불순물인 씨메트 절삭공구.
- 제 9 항에 있어서, 탄탈륨은 0.05중량퍼센트 이하로 존재하는 불순물이며 니오비움은 0.05중량퍼센트 이하로 존재하는 불순물인 씨메트 절삭공구.
- 제 10 항에 있어서, 탄탈륨은 0.05중량퍼센트 이하로 존재하는 불순물이며 니오비움은 0.05중량퍼센트 이하로 존재하는 불순물인 씨메트 절삭공구.
- 제 13 항에 있어서, 탄탈륨은 0.05중량퍼센트 이하로 존재하는 불순물이며 니오비움은 0.05중량퍼센트 이하로 존재하는 불순물인 씨메트 절삭공구.
- 제 1 항에 있어서, 텅스텐은 약 20 내지 23 중량퍼센트로 제한되는 씨메트 절삭공구.
- 제 7 항에 있어서, 텅스텐은 약 20 내지 23 중량퍼센트로 제한되는 씨메트 절삭공구.
- 제 8 항에 있어서, 텅스텐은 약 20 내지 23중량퍼센트로 제한되는 씨메트 절삭공구.
- 제 9 항에 있어서, 텅스텐은 약 20 내지 23중량퍼센트로 제한되는 씨메트 절삭공구.
- 약 3.5 내지 4.5 중량퍼센트의 니켈.약 4.5 내지 5.5중량퍼센트의 코발트, 약 20 내지 25중량퍼센트의 텅스텐, 약 9.5 내지 10.5중량퍼센트의 몰리브덴 및, 불순물들을 제외한 티타늄, 탄소 및 질소의 잔여분으로 이루어지며, 상기 모든 탄소 및 질소는 티타늄, 텅스텐, 몰리브덴, 그 고용체들 및 혼합물들의 카바이드 및 카보나이트라이드로 이루어진 조합으로부터 선정된 금속 화합물들로써 존재하는 씨메트 절삭공구.
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