KR940006288B1

KR940006288B1 - 결합금속을 최소화한 초경 합금

Info

Publication number: KR940006288B1
Application number: KR1019910017979A
Authority: KR
Inventors: 홍준표
Original assignee: 홍준표
Priority date: 1991-10-12
Filing date: 1991-10-12
Publication date: 1994-07-14
Also published as: KR930008176A

Abstract

내용 없음.

Description

결합금속을 최소화한 초경 합금

본 발명은 결합금속(Binder Metal)을 최소화한 초경 합금(High Hardness Material)에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 초경 합금을 제조함에 있어서, 결합금속을 극히 소량 포함시키거나 경우에 따라서는 전연 포함시키지 않은 탄화물 초경 합금(Cemented Carbide)에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 고온 단열가압(HIP : Hot Isotatic Pressing)이나, 전방향 신속압축(ROC : Rapid Omnidirectional Compaction) 또는 열 가압(Hot Pressing)과 같은 처리를 하지 않고 또한 결합 금속(Binder Metal)이 거의 포함되어 있지 않은 초경합금(超硬合金)에 관한 것이다.

일찌기 미국 특허 4,124,665호는 폴리머(Polymer)에서 나오는 탄소와 텅스텐 금속의 반응 소결(Reaction Sintering)을 다룬 것이고, 미국 특허 4,945,073은 ROC공정(Rapid Omnidirectional Compaction)으로 만드는 방법을 다룬 것이다.

별로 단단하지는 않으나 잘 깨어지지 않는 코발트나 니켈 같은 금속과 단단하지만 잘 깨어지는 금속 카바이드의 복합 물질(Composite Material)로서 두 가지 물질의 장점들을 갖춘 물질이 이 탄화물 초경 합금(Cemented Carbide)이다. 이들은 단단하나 상대적으로 잘 깨어지지 않아 여러가지 공구나 내마모성이 요구되는 기계 부분에 쓰여지고 있다. 그러나 이 물질은 금속부분이 상대적으로 약해 화학적으로 침식을 당하거나 단단한 입자와 고속으로 부딪치거나 하면 상대적으로 약한 금속 부분이 먼저 마모되어 떨어져 나가 금속 부분이 차지했던 부분이 동공(Porosity)으로 남게 되어 이 동공 부분에서 부터 부서지는 현상(Fracture)이 일어나게 된다.

이러한 단점을 근본적으로 없애주기 위해서는 결합금속이 없는 초경합금이 필요하다.

그러나, 결합 금속(Binder Metal)이 없는 경우에는 초경합금의 특성상 결합금속을 필요로 하는 자리가 동고(Porosity)으로 남게되는 결과를 나타내게 되므로 양질의 제품을 얻을 수 없기 때문에 이러한 동공(Porosity)을 메꾸어 주기 위하여 고압처리(HIP 또는 ROC처리)를 하여 주는 것이 일반적인 방법이다.

그러나, 본 발명은 결합금속을 거의 사용하지 않거나 최소화시키고 또한, HIP나 ROC같은 고압처리를 하지 않은 탄화물 초경 합금(Cemented Carbide)에 관한 것이다.

본 발명의 내용을 자세히 설명하면 다음과 같다.

2wt%미만의 금속 분말과 금속 카바이드의 분말을 원료로 하고, 진공 소결 공정을 거치면 공정중에서 금속의 많은 부분이 증발되어 제품이 남아있는 양이 감소하게 되므로 최종제품에는 1wt%미만인 극소량의 금속만이 남아 있게 된다. 또 일반적인 초경 공업에서 알려졌듯이 제품에 함유된 탄소의 양에 따라 이 소량의 금속은 탄소와 카바이드를 구성하는 금속과 함께 금소결합 화합물(Intermetallic Compound)을 만드는 수도 있다. 이 금속은 코발트, 니켈, 철, 몰리브덴, 크롬 혹은 이들의 합금 또는 이들을 한가지 이상 혼합하여 사용할 수도 있다.

금속 카바이드는 두 종류 이상의 금속의 복합 카바이드(Composite Carbide)와 금속의 카바이드로 되어 있다. 금속의 카바이드는 주기율표 IVA와 VA족의 전이금속(Transition Metal)의 카바이드와 몰리브덴, 크롬, 철의 카바이드를 포함한다.

이 초경 합금속에는 기계적, 화학적, 물리적 성질을 높이기 위하여 1wt%이내의 의도적으로 넣어주는 원소가 있다.

본 발명의 미세구조를 보면, 극 소량의 금속이 카바이드 입자들 사이에 불연속적으로 존재함을 알 수 있다. 경우에 따라서는 금속이 전혀 보이지 않을 수도 있다. 또 불연속 입자들로 된 금속 카바이드 사이에 부분적으로 연속된 카바이드 사이를 매워 주는 고용체 카바이드(Solid Solution Carbide)로 되어 있다. 여기서 "금속 카바이드(Metal Carbide)"라 칭함은 한가지 금속으로만 된 카바이드를 말한다.

고용체 카바이드는 둘이나 그 이상의 금속 카바이드로 되어 있으며, 복합 카바이드(Composite Carbide)라 불리워지기도 하며, 일부에서는 베타 상(βPhase)카바이드라고 알려져 있다. 이 복합 카바이드(Composite Carbide)는 부분적으로 연속해서 카바이드 입자를 부분적으로 둘러 쌓여서 마치 보통의 초경 합금(Cemented Carbide)의 결합 금속(Binder Metal)과 같은 구조를 보인다. 이것이 소량의 결합 금속(Binder Metal)을 사용하더라도 혹은 결합금속(Binder Metal)이 없더라도 동공(Porosity)으로 인한 결합이 거의 없는 제품을 만들 수 있는 이유로 믿어진다.

일반적으로 소결(Sintering)에는 수소로와 진공로 방법을 쓸 수가 있으나, 진공로가 이 제품의 생산에는 더 좋은 방법이다. 여기에서 수소로라 하면, 1기압 정도의 기압에서 사용하는 수소 및 불활성 분위기(inertatmosphere)에서 소결하는 로(Furnace)를 포함해서 말하며, 진공로라 하면, 1기압 아래의 기압에서의 수소 및 불활성 분위기를 사용하는 로(Furmace)를 통칭한다. 소결중 결합 금속(Binder Metal)이 증발(evaporation)에 의해 제품에서 줄어드는 것은 잘 알려진 현상이다. 특히 이 증발은 수소로(Hydrogen Furnace)나 불활성 기체를 이용한 로 보다는 진공로가 심하고 이 제품의 공정에서는 소량의 결합금속(Binder Metal)을 사용하는 경우 소결을 도와 주고 소결후에는 가능한 최소의 금속을 남기기 위하여 진공로(Vacuum Furnace)방법이 더 바람직한 방법이 될 것이다.

본 발명품을 만드는 방법은 보통의 초경 합금 공업에서는 알려진 분말 야금 방법을 쓴다. 원료가 되는 금속 카바이드(Metal Carbide)와 금속의 분말을 볼 밀(Ball Mill)에 넣고 분쇄해서 무게로 1-3%의 파라핀 왁스같은 유기물질을 섞어서 틀에 넣고 성형한다. 이 유기물질은 성형중 윤활역활과 성형후 소결시까지 부서지지 않고 성형한 모양을 유지하는 역할을 한다.

가장 많이 쓰이는 이 유기물질은 양초(Paraffin Wax)와 이 유기물질이 포함된 분말은 대부분의 경우 펠렛트(Pellet)모양으로 만들어진다. 이런 가공은 물과 같이 쉽게 흐를 수 있게 하여 다음의 성형과정을 쉽게하기 위해서이다. 이 공정은 분무건조(Spray Dry)나, 또 여러 다른 방법이 있을 수 있다. 이 유기물이 포함된 분말을 틀(Dye)에 넣고 프레스(Press)를 이용하여 성형해낸다. 또 사출(Extrusion)공법이나, 다른 공법으로 성형할 수도 있다. 일차 성형된 제품을 가공기계에 넣고 모양을 가공한 후, 다음 소결 공정으로 가기도 한다. 소결은 낮은 온도에서 1차 소결한 후 필요한 가공을 한 후, 본 소결을 행할 수도 있다. 소결은 통상 1350℃에서 1600℃정도 사이에서 행한다.

본 발명에서 처음 원료로 사용하는 금속 카바이드의 분말은 한가지 금속의 카바이드(Single Metal Carbide)분말들을 섞어서 사용할 수도 있고, 한가지 이상의 금속의 고용체 카바이드(Solid Solution Carbide)가 포함될 수도 있다. 이 금속 카바이드(Metal Carbide)들은 소결 과정에서 아주 복잡한 고용체 카바이드(Solid Solution)가 생성되면서 동공(Porosity)이 적은 양질의 제품을 만들게 된다.

[실시예]

[실시예 1]

92.5wt%의 텅스텐 카바이드, 7wt%의 몰리브덴 카바이드, 0.5wt%의 코발트 분말은 볼 밀(Ball Mill)에 넣고 24시간 분쇄후, 1.5wt%의 양초를 섞어서 프레스에 넣고 성형한 후, 1500℃에서 소결한 결과 ASTM(American Standard for Testing and Material)의 표준(B276)으로 A02 B00 C00의 동공(Porosity)을 보이는 양질의 제품을 얻을 수 있었고, 록크욀 경도로 95.2A라는 높은 값을 얻을 수 있었다.

[실시예 2]

90wt%의 텅스텐 카바이드, 6wt%의 몰리브덴 카바이드, 1wt% 탄탈륨 카바이드, 0.5wt% 티타늄 카바이드, 1.5wt%의 크롬 카바이드, 1wt%의 코발트를 예 1과 같은 과정을 거쳐 시편을 얻었다. 이 시편은 ASTM 표준 B276으로 봤을때, A02 B02 C00의 동공(Porosity)을 보이는 양질의 제품을 얻을 수 있었고, 록크욀 경도로 94.9A라는 높은 값을 얻을 수 있었다.

[실시예 3]

91.1wt%의 텅스텐 카바이드, 7.5wt%의 몰리브덴 카바이드, 1wt%의 크롬 카바이드, 0.4wt%의 코발트 분말을 섞어서 예 1과 같은 공정을 거쳐 얻은 시편은 ASTM B276표준으로 봤을때, A02 B02 C00 동공을 보이는 양질의 제품을 얻을 수 있었고, 록크욀 경도로 95.3A라는 높은 값을 얻을 수 있었다.

[실시예 4]

무게로 96.4wt%의 텅스텐 카바이드 1wt%의 탄탈륨 카바이드, 0.8wt%의 티타늄 카바이드, 1.2wt%의 크롬 카바이드, 0.6wt%의 코발트를 섞어서 예 1과 같은 공정을 거쳐 얻은 시편은 ASTM B276표준으로 봤을 때, A02 B02 C00의 양질의 결과를 보이고, 록크욀 경도로 95.2A라는 높은 값을 얻을 수 있다.

[실시예 5]

92wt%의 텅스텐 카바이드, 8wt%의 몰리브덴 카바이드와 0.2wt%의 코발트 분말을 섞어서 예 1과 같은 공정을 거쳐 얻은 시편은 ASTM B276표준으로 봤을때, A02 B02 C00를 보이는 양질의 제품을 얻을 수 있었고, 록크욀 경도로 95.0A라는 높은 값을 얻을 수 있었다.

[실시예 6]

96.4wt%의 텅스텐 카바이드, 1wt%의 탄탈륨 카바이드, 0.8wt%의 티타늄 카바이드, 1.2wt%의 크롬 카바이드, 0.6wt%의 니켈을 섞어서 예 1과 같은 공정을 거쳐 얻은 시편은 ASTM B276 표준으로 봤을때, A04 B02 C00의 양질의 시편을 얻을 수 있었고, 록크욀 경도로 94.9A라는 높은 값을 얻을 수 있다.

[실시예 7]

92.5wt%의 텅스텐 카바이드, 7wt%의 몰리브덴 카바이드, 0.3wt%의 코발트, 0.2wt%의 철 분말을 넣고 예 1과 같은 공정을 거쳐 얻은 시편은 ASTM B276표준으로 봤을때, A02 B02 C00의 양질의 제품을 얻을 수 있었고 록크욀 경도로 95.0A라는 높은 값을 얻을 수 있었다.

Claims

코발트, 철, 니켈, 크롬중 어느 하나이거나 또는 그들의 혼합물이거나 또는 그들의 합금의 금속분말 2wt%이하 0.05wt%이상과 텅스텐 카바이드, 탄탈륨 카바이드, 티타늄 카바이드, 몰리브덴 카바이드, 코롬 카바이드 중 한가지 이상의 금속 카바이드를 포함하여 한가지의 금속 카바이드가 98wt%를 넘지 않으며 전 카바이드량이 98wt%이상으로된 합금소재를 1350℃~1600℃에서 진공소결 또는 상압소결 하여서된 소결 탄화물 초경 합금.
제1항에 있어서, 1.0wt%이하의 코발트 분말과 80wt% 이상의 텅스텐 카바이드와 20wt%이하의 몰리브덴 카바이드를 합금소재로 사용한 소결 탄화물 초경 합금.
제1항에 있어서, 60wt%이상의 텅스텐 카바이드, 5wt%이하의 탄탈륨 카바이드, 4wt%이하의 티타늄 카바이드, 4wt%이하의 크롬 카바이드와 1.0wt%이하의 코발트 분말을 합금 소재로 사용한 소결 탄화물 초경 합금.
제1항에 있어서, 60wt%이상의 텅스텐 카바이드, 5wt%이하의 탄탈륨 카바이드, 5wt%이하의 티타늄 카바이드, 5wt%이하의 크롬카바이드와 0.5wt%이하의 코발트 분말을 합금소재로 사용한 소결 탄화물 초경 합금.