KR950009222B1 - 절삭공구용 고강도 질소함유 써메트 및 그 제조방법 - Google Patents

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Description

절삭공구용 고강도 질소함유 써메트 및 그 제조방법

제1도는 본 발명 실시예 2에 의해서 제조된 써메트의 주사전자현미경(SEM)에 의한 조직사진(7500배율).

본 발명은 고강도 질소함유 써메트(cermet)에 관한 것으로, 특히 종래의 써메트보다 높은 경도 및 강도를 보유하며, 절삭성능면에 있어서도 양호한 내마모성 및 내결손성을 나타내는 절삭공구용 고강도 질소함유써메트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적인 써메트 제조방법으로는 다음의 두가지가 알려진 바 있다.

즉, 루디(Rudy)의 미합중국 특허 제3,971,656호에서 기술된 바와 같이, 몰리브덴 또는 텅스텐과 티타늄탄화물 고용체분말과의 혼합물을 고온에서 질소가스와 반응시켜 탄질화물 고용체분말을 제조한 다음, 니켈 또는 코발트 결합제금속을 첨가하여 소결시키므로써 제조하는 방법이 있다.

또, 일본 특허공보(공고번호 ; 소55-14856)에서 기술된 바와 같이, 질화티탄, 탄화티탄 또는 탄질화티탄과 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈, 니오븀 또는 지르콘 탄화분말중 1종 이상 선택하여 첨가한 후 니켈과 코발트분말을 혼합하여 진공 또는 질소분위기하에서 소결하여 제조하는 방법이 있다.

상기 두 방법에 의해 제조된 질소함유 TiC기재 써메트는 TiC-Ni의 기본조성을 가진 N-비함유 TiC기재 써메트와 비교하여 강도 및 내소성변형성에 있어서 보다 양호한 것으로 밝혀졌다.

이러한 이유로 최근에는 질소함유 TiC기재에 대한 연구 및 개발이 활발하게 진행되고 있다.

그러나 개발 초기단계에서는 합금의 소결과정중 탈질로 인하여 고질소합금의 경우 소결성의 저하로 기공이 발생하여 강도가 저하되므로 절삭공구로 사용하기에는 부적합하여서 합금내 질소함유량이 2 내지 3중량% 정도로 적은 것을 사용하는 경향이 있었다.

최근에는 질소함유량이 다량이고 고도의 치밀성을 갖는 TiC기재 써메트의 제조방법이 보고되고 있는데, 예를들어, 일본 특허공보 소63-39649호에 기재된 바와 같이, 질화티타늄 25 내지 50중량%, 탄화티타늄 10 내지 30중량%, 탄화텅스텐과 탄화몰리브덴 10 내지 25중량%, 탄탈, 니오븀 또는 지르콘탄화물중 1종 이상 선택하여 5 내지 25중량% 및 니켈과 알루미늄, 또는 니켈, 코발트 및 알루미늄 7.5 내지 25중량%의 조성을 가지며, 두가지 이상으로 된 경질분산상인 절삭공구용 써메트가 있다.

또한, 이와 유사한 성질인 일본 특허공개 평2-254131호에서는 경질상이 결합상으로 결합되어지는 형태의 질소함유 써메트 및 그 제조방법에 대한 것이 제안된 바 있다.

이 써메트의 구성에 의하면, 결합상이 Co, 또는 Ni을 주성분으로 하고, 경질상은 심부가 TiC 혹은 TiCN이고, 이를 둘러싼 주변부가 (Ti, M) 또 (C, N), 여기서 M은 Ta, W, Nb, Mo중 1종 이상과, 또 이것과 Zr, Hf, V중 1종 이상으로 이루어진 유심구조로 이루어져 있다.

이러한 써메트 절삭공구는 일반적인 소재를 가공하는 공구의 용도로 이용되고 있으나, 상업적으로 우수한 공구성능 및 장구한 수명을 갖는 절삭공구를 제공하기에는 부족한 면이 많았다.

또, 질소함유 TiC기재 써메트를 제조하는데 있어서, 질소함유량은 실제 절삭성능에 큰 영향을 미치는데, 여기에는 질소함량에 따른 입자크기 변화, 탈질에 의한 가공 및 결함생성, 그리고 표면의 연질층 생성등 여러 복합적인 이유가 함유되어 있다. 따라서, 질소량 제어는 우수한 절삭공구를 제조하는데 있어서 매우 중요한 바, 상기한 종래의 방법으로는 고질소함유 써메트를 제조하기 어려운 문제점이 있었던 것이다.

본 발명의 목적은 질소함유량이 과량인 TiC기재 써메트내에 소결성을 저하하지 않는 범위내에서 최적량의 몰리브덴 또는 탄화몰리브덴을 첨가하고 결합상 강도를 향상시키기 위해 크롬 또는 크롬탄화물을 첨가한 미세하고 균일한 경질상과 양호한 강도를 갖는 다량의 질소를 함유한 써메트 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

구체적으로 말하면, 몰리브덴 및 텅스텐은 질화물을 쉽게 형성할 수 없고 두가지 모두가 용해-석출기구를 억제하므로써, 경질상의 미세입자를 형성하는 증대효과를 가지지만, 질화물 형성에 있어서 텅스텐이 몰리브덴보다 용해-석출기구가 어려우므로 경질상의 미세입자를 형성하는 효과가 더욱 크다. 따라서, 고온 기계적 성질이 상대적으로 나쁜 몰리브덴, 또는 탄화몰리브덴을 첨가하지 않을때에도 미세입자 구조와 함께 고강도 합금조직을 얻을 수 있다.

그러나, 액상출현 온도는 TiC-Ni계가 1270℃이고 WC-Ni계는 1370에서 1445℃이므로, WC-Ni계가 좀더 높아 과량의 WC를 함유한 TiC-WC-Ni계 합금에서는 WC-Ni 액상 출현전에 TiC결합성장이 발생하여 입자가 조대화되므로, 소정의 최저 적정량의 Mo 또는 Mo₂C 첨가에 의해 Mo 함유 탄질화물이 TiC 및 WC 입자 주위에 주변조직(Surround Structure)을 형성하여 TiC의 결합성장을 억제시키는 효과와 더불어, 미세한 경질상들이 TiC와 WC를 심부로 존재하여 재료의 강도 및 경도를 향상시킬 수 있었으며, 또한 소량의 크롬 또는 크롬탄화물 함유에 의해서 미세 탄화물 입자가 결합상중에 분산-석출하여 고온 크리이프저항이 개선됨에 따라 결합상 강도를 향상시킬 수 있다.

따라서 본 발명에서는 주성분이 Co 및/또는 Ni로 구성되는 결합상 15 내지 25중량%, 주성분이 TiC, TiN 및/또는 Ti(C, N)으로서 Ti 35 내지 50중량%, W 10 내지 20중량%, Mo 2 내지 6중량%, Ta, Nb, Cr중 어느 한가지 이상 9 내지 15중량%, N 4.5 내지 6.5중량% 및 C 5 내지 10중량%로 구성된 써메트중 경질상이 탄화티타늄 혹은 탄질화 티타늄의 심층조직과 Ti, Mo, W 및 Ta, Nb, Cr중 적어도 어느 한가지를 함유한 주변 조직을 가진 제1경질상과, 텅스텐 카바이드의 심층조직과, Ti, W, Mo 및 Ta, Nb, Cr중 어느한가지 이상을 함유한 제2경질상과 그외 경질상의 잔량 및 불가피한 불순물로 이루어진 절삭공구용 고강도 질소함유 써메트를 제공한다.

또한, 본 발명에서는 TiC, TiN 및 Ti(C, N)분말, Ni 및/또는 Co분말중 어느 한가지 이상의 분말과 WC분말, Mo₂C분말 및 TaC, NbC, Cr₃C₂분말중 어느 한가지 이상의 분말을 배합, 혼합, 건조, 성형 및 소결하여 써메트를 제조하는 방법에 있어서, 소결공정이 탈왁스 및 반응개스를 제거하기 위하여 10^-2torr이하의 진공상태에서 1100℃까지 온도를 상승시킨 후, 1100℃에서 1300℃까지는 탈질을 방지하기 위하여 10 내지 20torr의 질소분위기로 하고 1370℃ 내지 1500℃에서 합금내 포획된 질소개스를 탈개스시키기 위해 10^-2내지 10^-5Torr의 압력범위를 갖는 진공분위기로 하여 30분 내지 90분간 소결시키는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 고강도 질소함유 써메트의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 성분중 Ti는 C 및 N와 화합물을 형성하여 재료에 높은 경도를 부여하여 내마모성을 향상시키는 작용을 하지만, 그 함유량이 35중량% 미만일 경우 소망의 우수한 내마모성을 나타낼 수 없으며, 50중량%를 초과하게 되면, 결합상에 비하여 상대적으로 경질상이 과대하게 되어 재료의 내충격성이 나빠져 인성저하가 현저하게 되므로, 그 함유량은 35에서 50중량%가 바람직하다.

또한, W성분은 NaCl형 고용체 상중에 고용되어 입성장을 억제함과 동시에 인성을 향상시키는 작용을 하는데, 그 배합량이 10중량% 미만일 경우, 소정의 입성장 억제효과를 얻을 수 없으며, 20중량% 이상일 때는 경질분산상중에 유리된 WC상이 과량으로 잔존하게 되어 내마모성을 저하시키게 되므로, 그 배합량을 10 내지 20중량%로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 Mo성분은 고용체상에 고용되어 경질분산상을 강화시키는 역할을 하는데, 그 함유량이 2중량% 미만에서는 소정의 강도향상 효과를 얻을 수 없고, 6중량%를 초과하게 되면 내산화성을 저하시키게 된다.

또한 Ta, Nb, Cr성분을 써메트의 내소성변형성 및 내산화성을 향상시키는 작용을 하는데, 그 함유량이 8중량% 미만일 경우 소정의 효과를 얻을 수 없고, 15중량%를 초과하게 되면 내마모성을 저하시키게 된다.

Ni 및 Co성분은 써메트의 결합상을 형성하여 인성을 향상시키는 작용을 하는데, 니켈은 탄화티탄이나 질화티탄을 코발트보다 잘 적시고, 코발트는 텅스텐카바이드를 니켈보다 잘 적시기 때문에 니켈과 코발트 모두를 첨가한다. 그 합한 양이 10중량% 미만일 경우 소정의 인성을 얻을 수 없고, 25중량%를 초과하여 배합하면 상대적으로 결합상의 양이 많아져서 내마모성을 저하시키게 된다.

본 발명의 고강도 써메트 제조방법에 있어서, 소결은 1100℃ 이하의 승온과정중에는 진공분위기로 하고 1100-1300℃의 승온과정에서는 탈질을 방지하기 위하여 10-20Torr 질소분위기로 유지하며 그 이상 온도에서의 승온 및 소결온도에서의 유지과정중에서 진공분위기로 한다. 이때 진공분위기는 10^-2내지 10^-5Torr 이고 소결온도는 1370-1500℃로 그 온도에서 30-90분의 일정시간 유지함을 의미한다. 질소분위기 사용을 1100-1300℃의 온도범위로 지정한 이유는 1100℃ 이하의 승온과정중에서는 진공분위기를 사용하여 탈 왁스 및 반응가스를 제거하기 위함으로, 이로한 온도범위에서는 탈질보다는 이와 같은 문제로 인한 결함발생의 위험이 높기 때문이다. 또한 1300℃이상의 온도에서 질소분위기를 사용할 경우에는 기공이 포획될 가능성이 높소 소결된 써메트의 표면이 거칠어질 확률이 높기 때문이다. 따라서 1300℃이상의 승온 및 소결 유지온도에서는 진공으로 유지하여 상기의 문제점을 개선하며 치밀한 써메트 소결체를 얻으려는 것이다.

한편, 질소분위기를 10-20Torr로 제한하는 이유는 10Torr 이하에서는 탈질방지등 상기의 목적을 달성하기 어럽고, 20Torr 이상에서는 기공발생등 결함발생의 확률이 높기 때문이다.

또한, 소결온도를 1370-1500℃로 한정하는 이유는 1370℃ 이하의 온도에서는 소결이 충분히 이루어지지 못하여 합금내 기공의 잔존으로 인성이 저하되고, 1500℃ 이상에서는 경질상 입자의 성장으로 인한 경도 저하가 발생될 뿐만 아니라, 소결하는 동안 TiN의 급격한 분해가 일어나 써메트내 기공 발생의 위험이 높기 때문이다.

본 발명은 이하 실시예에 의해 보다 상세히 이해될 것이다.

[실시예]

원료분말로서 평균입도 1.0㎛ TiN분말, 0.8㎛ TiC분말, 1.0㎛ TaC분말, 0.6㎛ WC분말, 1.5㎛ Mo₂C분말, 1.5㎛ Co분말, 1.5㎛ Ni분말을 준비하여 이들 원료분말을 표 1에 나타낸 배합조성으로 배합하여 ATR밀(마멸분쇄기)에서 초경합금볼과 에탄올 용매와 함께 20시간 혼합-분쇄하여 건조한 후 1000㎏/㎠의 압력으로 프레스하여 압분체를 성형한 다음, 표 2에 표시한 조건으로 소결함에 따라 본 발명의 실시예 1에서 6 및 비교예 7에서 14를 각각 실시하였다(비교예 11, 12 및 13, 14는 각각 표 1에서 나타낸 본 발명 써메트 2와 3의 배합조성을 소결조건만을 달리하여 실시한 것임).

다음으로 본 발명의 실시예 1에서 6에 의해서 얻어진 써메트 및 비교예 7에서 14에 의해서 얻어진 써메트에 대해서 그 조직을 관찰한 결과를 표 2에서 나타내었다.

제1도의 사진은 본 발명의 실시예 2에 의해서 제조된 써메트의 주사현미경에 의한 조직사진을 나타내는데, 사진에 나타나 있듯이 카바이드와 질화탄소 조직들은 1 내지 3㎛로 매우 미세하고 균일하게 분포됨을 알수 있으며, 사진에 나타난 커다란 검은 조직들은 W, Ta, Nb, Mo을 함유하는 티타늄 탄질화물상이고, 검은 조직들 주위의 밝은 회색상 역시 티타늄 탄질화물이나 검은상보다는 더 많은 양의 W, Ta, Nb, Mo을 함유하고 있다. 또한, 중심은 미세한 백색상이고 주변은 회색상으로 나타나는 조직도 볼 수 있는데, 백색상은 용해-재석출된 텅스텐 탄화물상이며 회색상은 검은 조직주위의 회색상 조직과 마찬가지로 W, Ta, Nb, Mo을 함유한 티타늄 탄질화물상을 나타낸다. Ni, Co와 Mo을 포함하고, 또한 소량의 W, Ti, Cr과 C, N을 함유하는 결합상은 주사전자현미경의 특성으로 인해 사진에는 잘 나타나 있지 않다.

[표 1]

[표 2]

(* 표시는 본 발명 범위를 벗어남을 나타냄)

상기 실시예 및 비교예에 의해서 얻어진 써메트에 대하여 기공발생상황(KS규격)과 록크웰 경도(A Scale) 및 인성을 평가할 목적으로 항절력을 측정함을 동시에

(A) 연속 밀링절삭 시험

피 삭 제 : SCM440(HB 230)

절삭속도 : 190m/min

이 송 량 : 0.18㎜/tooth

절 입 량 : 2.0㎜

절삭시간 : 80분

절삭팁 형상 : SDKN 42MT(0.10∼0.15×-25°인선처리)

평 가 : 80분간 절삭후 평균 측면마모(VB) 및 크레이터면 마모깊이(KT)를 측정함.

(B) 단속 밀링절삭 시험

피 삭 제 : 2개의 홈을 가진 SCM440(HB 230)

절삭속도 : 130m/min

이 송 량 : 0.30㎜/tooth

절 입 량 : 3.0㎜

절삭팁 형상 : SDKN 42MT(0.10∼0.15×-25°인선처리)

평 가 : 파손까지의 절삭길이(4회 반복의 평균)의 조건에서 절삭시험을 실시하여, 그 결과를 다음 표 3에 나타내었다.

[표 3]

상기 표 3에서는 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 고강도 질소함유 써메트는 비교예의 써메트와 비교하여 좀더 높은 경도 및 강도치를 나타내며, 절삭성능면에서도 양호한 내마모성 및 내결손성을 나타냄을 알 수 있다.

따라서 본 발명의 고강도 질소함유 써메트는 종래의 질소함유 써메트의 이용분야 이외에, 추가로 내충격성이 요구되는 분야인 초경합금의 사용영역에서도 상용화될 수 있는 우수한 절삭공구 재료이다.

Claims (2)

1. 주성분이 Co 및/또는 Ni로 구성되는 결합상 15-25중량%와 ; 경질상의 주성분이 TiC, TiN 또는 Ti(C, N)으로 구성되며 그 외 진량 및 불가피한 불순물로 이루어진 과량의 질소함유 고강도 써메트로서 상기 경질상이 Ti 35-50중량%, W 10-20중량%, Mo 2-6중량%, Ta, Nb, Cr중 어느 한가지 이상을 9-15중량%, N 4.5-6.5중량% 및 C 5-10중량%로 구성된 것에 있어서 ; 상기 경질상의 탄화 티타늄 혹은 탄질화 티타늄의 심층조직과, Ti, W, Mo 및 Ta, Nb, Cr중 어느 한가지 이상을 함유한 주변조직을 가진 제1경질상과 ; 텅스텐 카바이드의 심층조직과, Ti, W, Mo 및 Ta, Nb, Cr중 어느 한가지 이상을 함유한 주변 조직을 가진 제2경질상을 갖는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 고강도 질소함유 써메트.
2. 주성분이 Co 및/또는 Ni로 구성되는 결합상 15-25중량%와 ; 경질상의 주성분이 TiC, TiN 또는 Ti(C, N)으로 구성되며 그 외 진량 및 불가피한 불순물로 이루어진 과량의 질소함유 고강도 써메트로서 상기 경질상이 Ti 35-50중량%, W 10-20중량%, Mo 2-6중량%, Ta, Nb, Cr중 어느 한가지 이상을 9-15중량%, N 4.5-6.5중량% 및 C 5-10중량% 구성을 통상의 분말야금 방법으로 TiC 또는 Ti(C, N)분말 및 TiN분말, Ni 또는 Co분말중 어느 한가지 이상의 분말과 WC, Mo 또는 Mo₂C분말 및 TaC, NbC, Cr₃C₂분말중 적어도 어느 한가지 이상의 분말을 배합, 혼합, 건조, 성형 및 소결공정을 경유하여 써메트를 성형하는 것에 있어서 ; 상기 소결공정은 1100℃까지의 승온과정에서 10^-2내지 10^-5Torr 사이의 진공분위기로, 1100℃-1300℃승온분위기에서는 10 내지 20Torr 질소분위기로 소결하며, 1300℃ 이상의 승온과정은 10^-2내지 10^-5Torr의 압력범위를 갖는 진공분위기로 1370℃ 내지 1500℃에서 30분 내지 90분간 소결시키는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 고강도 질소함유 써메트의 제조방법.