KR970008043B1

KR970008043B1 - 내마모성이 우수한 붕화티탄계 가이드롤러 제조방법

Info

Publication number: KR970008043B1
Application number: KR1019940030764A
Authority: KR
Inventors: 김도형; 장철우; 이강호
Original assignee: 김만제; 포항종합제철주식회사; 신창식; 재단법인산업과학기술연구소
Priority date: 1994-11-22
Filing date: 1994-11-22
Publication date: 1997-05-20
Also published as: KR960017014A

Abstract

요약없음

Description

내마모성이 우수한 붕화티탄계 가이드롤러 제조방법

제1도는 선재압연공정에서 사용되는 일반적인 가이드롤러의 단면도

본 발명은 철, 동 또는 알루미늄 등의 금속선재를 압연롤까지 인도하는 가이드롤러의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내마모성이 우수한 붕화티탄계 가이드롤러의 제조방법에 관한 것이다.

통상 가이드롤러는 금속선재의 제조라인에서 선재를 압연롤까지 안내하는 역할을 하는 롤러인데, 이러한 가이드롤러는 경화합금 또는 초경합금류의 금속재질로 만들어진다. 그러나, 금속재질의 가이드롤러는 내마모성이 낮기 때문에 고속으로 통과하는 선재와의 접촉시 마모수명이 짧아 잦은 교체가 필요한 단점이 있다.

이에 따라 가이드롤러의 재질을 보다 내마모성이 높은 세라믹스계로 대체하려는 시도가 행해지고 있다. 예를들면, 일본 특개소 62-234612호에 제시된 바에 의하면, 질화규소를 소결하여 가이드롤러를 제조하는 방법이 제안되어 있다. 그러나, 일반적으로 알루미나, 지르코니아 등의 세라믹스는 그 충격저항성이 낮아 선재의 비정상 인입시의 충격에 의한 파괴를 감당하기가 어려우며, 또한 상대적으로 기계적 특성이 우수한 것으로 보고된 질화규소계 세라믹스의 경우도 고온에서 철선재와의 반응과 기계화학적 열화현상 등으로 인하여 동선재에는 적합한 반면 철선재에의 적용에는 문제점을 안고 있다.

한편, 세라믹스 중에서도 붕화티탄 세라믹스는 특히 경도와 내마모특성이 우수하여 형상이 간단한 소형부품 등에 매우 적합한 것으로 알려져 있다. 이러한 붕화티탄세라믹스는 붕화티탄분말에 소결조제로 Co, Ni, 및 Fe와 같은 금속원소를 1종 또는 2종이상 첨가하거나, 또는 ZrO₂, SiC, 및 탄소 등의 무기물을 1종 또는 2종이상 첨가하여 소결하여 얻어진다고 알려져 있다.(Journal of Am, Ceram, Soc, Vol. 72, P1868-72, 1989) 그러나, 상기 붕화티탄 소결법만으로는 실용성 있는 가이드롤러를 제작하기가 용이하지 않는데, 그 이유는 첫째 치밀한 밀도와 우수한 기계적 물성을 갖는 붕화티탄 소결체를 얻기 위해서는 값비싼 초미립(1μm 미만)의 원료분말을 사용하거나 아니면 가압소결을 행해야만 한다는 단점이 있고, 둘째 일반적인 상압소결에 의해 붕화티탄 소결체를 제조할 경우 그 밀도가 기계적 물성이 현저히 낮아져 가이드롤러와 같은 고기능성을 요구하는 부위에는 적합하지 않기 때문이다. 특히, 선재압연용 가이드롤러들은 제1도에 도시된 바와같이 복잡한 형상을 갖는 대형롤러이며 동시에 치밀한 밀도와 우수한 기계적 특성을 요구하는 부품이기 때문에 형상의 제약을 받는 가압소결 방법으로 직접제조하기는 힘들며, 또한 가압소결을 한 후 기계적 가공을 행하는 방법도 붕화티탄 소결체의 높은 경도와 난삭성으로 인하여 경제성을 기대할 수가 없는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 붕화티탄 분말에 금속분말을 첨가하여 성형한 다음 기존의 경화합금이나 초경합금보다도 선재에 의한 충격파괴에 견딜수 있을 정도의 우수한 기계적 특성을 갖도록 2단계 소결을 실시하므로서 내마모성이 우수한 붕화티탄계 가이드롤러의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 붕화티탄 분말에 금속분말과 유기결합제를 첨가하여 최종형상으로 성형하고, 성형된 성형체를 소결한 후 연마하는 가이드롤러의 제조방법에 있어서, 상기 성형체를 진공분위기하에서 1300∼1500℃의 온도범위에서 1차소결하고, 바로 불활성 분위기 하에서 1600∼1800℃의 온도로 1-2시간 유지한 다음 냉각하여 2차소결하는 것을 포함하여 구성되는 내마모성이 우수한 가이드롤러의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

먼저 미립의 붕화티탄 분말들을 코발트, 니켈 등과 같은 금속 분말들과 혼합한 뒤 통상적인 유기결합체를 첨가하여 최종형상에 가깝게 성형하거나 또는 단순형상으로 성형한 후 성형체를 기계가공하여 최종형상에 가까운 모양(near-net shape)으로 만든다. 이후, 상기 성형체들을 분위기 조절이 가능한 로에 장입한 다음 진공분위기 하에서 1300∼1500℃의 온도로 승온시켜 1차소결한다. 상기 승온과정중 유기결합제들은 대략 600℃의 근처에서 열분해되어 제거되며, 상기 소결조제로 첨가된 금속원소들은 액상을 형성하며 치밀화가 진행되게 된다. 이때, 소결온도가 1300℃이하로 되면 소결조제로 첨가된 금속원소들이 액상으로 형성되기 어려워 소결이 곤란하고, 1500℃ 이상으로 되면 액상화된 금속원소들이 소결이 진행됨에 따라 진공분위기에서 증발되어 소실되기 때문에 바람직하지 않다.

상기 1차소결을 완료한 후 곧바로 로의 분위기를 진공에서 질소나 아르곤 등과 같은 불활성 기체 분위기로 바꾼 뒤 1600∼1800℃의 온도로 승온하여 대략 1-2시간 정도 유지하고 냉각하는 2차 소결한다.

이때, 2차소결온도가 1600℃ 이하로 되면 치밀한 소결체를 얻기가 곤란하고, 1800℃ 이상으로 되면 소결체의 입성장이 과도하게 되어 기계적 물성이 저하되어 바람직하지 않다.

또한, 상기 2차소결온도에서 유지시간은 성형체의 크기와 밀접한 관계가 있는데, 유지시간이 1시간 미만에서는 충분한 치밀화가 일어나기 어려우며, 2시간을 초과한 경우 소결체의 물성이 향상될 수는 있으나 에너지 소비가 너무 커지므로 바람직하지 않다.

본 발명에서는 이와같이 소결분위기를 2단계로 변화시키는데 그 특징이 있는데, 그 이유는 승온도중 성형체내에서 액상들이 형성되어 치밀화가 시작된 뒤 폐기공이 형성되는 시점까지는 진공으로 유지하고, 폐기공이 형성된 직후 불활성 기체분위기로 바꾸어 줌으로써 소결체 내의 기공내부는 진공상태로 그리고 소결체 외부는 등방가압상태로 만들어 줄 수가 있기 때문이다. 이렇게 해주므로서 기공내부와 외부의 압력차이에 의한 소결촉진효과를 얻을 수 있으며 아울러 일반적인 진공소결에서와 같이 고온에서 장시간 진송소결을 행할 때 나타나는 액상의 증발에 의한 소결지연현상도 방지하게 되는 이중적인 효과를 얻을 수 있다. 그러나, 승온도중 로의 분위기를 바꾸어 주는 시점은 성형체 내부의 개기공들이 닫혀서 폐기공들이 형성된 직후의 시점이 되어야 하는데, 이 시점은 성형체의 크기와 액상의 종류와 양 등에 따라 달라지게 되므로 시편의 밀도 측정을 통하여 정확한 온도를 선정하여야만 한다.

이와 같이, 본 발명에 의한 소결을 거친 소결체에 대해 표면정도와 치수정밀도를 향상시키기 위한 최소한의 연마공정만을 행하게 되면 난소결성인 미립(10μm 이하)의 붕화티탄분말을 가지고서 대형의 복잡한 형상을 갖는 가이드롤러와 같은 부품을 매우 경제적이면서도 용이하게 제조할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

실시예

입자크기가 1-10μm인 붕화티탄(TiB₂) 분말에 소결조제로 Co를 20wt% 첨가하여 혼합한 다음, 유기결합제로 폴리비닐알코올을 0.5wt% 첨가하여 최종 가이드롤러 형상에 가깝게 가압 성형하였다. 이후, 상기 성형체롤을 하기 표1과 같은 소결조건으로 소결한 다음, 얻어진 소결체에 대한 소결밀도를 측정하고, 그 결과를 하기 표1에 나타내었다.

[표 1]

상기 표1에 나타난 바와같이, 소결분위기를 전환하지 않은 비교재(1-2) 및 본 발명의 조건범위를 벗어나서 소결분위기를 2단계로 실시한 비교재(3-4)의 경우에는 소결밀도가 95% 이하로 소결체가 치밀하지 못한 반면에, 본 발명의 조건범위내에서 소결분위기를 2단계로 변화시킨 발명재(1-2)의 경우에는 소결밀도가 99%로 매우 치밀한 소결체가 얻어짐을 알 수 있었다. 또한, 본 발명재(1-2)로 제작된 가이드롤러의 경우 파괴인성(K_IC)의 약 10-12MPa의 값을 가지므로서 사용시 선재에 의한 충격을 견디기에 충분한 것으로 나타났으며, 내마모성을 좌우하는 경도는 약 1600∼1800kg/mm²의 비커스 경도값(로크웰 경도로 환산하였을 때는 약 90∼93)을 가지므로서 종래의 경화합금계 가이드롤러(로크웰 경도 약 50)나 초경합금계 가이드롤러(로크웰 경도 약 61) 보다도 훨씬 높은 것으로 나타났다.

상술한 바와같이, 본 발명에 따라 제조된 붕화티탄계 가이드롤러는 그 내마모성이 종래의 경화합금류보다 우수하기 때문에 선재 압연시의 마모수명과 생산성을 현저하게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 붕화티탄의 비중이 경화합금류보다 2/3 이하로 가볍기 때문에 고속선재의 통과시 회전저항을 줄여주게 되며, 마모후의 표면상태가 양호하여 선재제품의 표면품질 향상에도 기여할 수 있는 부수적인 효과도 있는 것이다.

Claims

붕화티탄 분말에 금속분말과 유기결합제를 첨가하여 최종형상으로 성형하고, 성형된 성형체를 소결한 후 연마하는 가이드롤러의 제조방법에 있어서, 상기 성형체를 진공분위기하에서 1300∼1500℃의 온도범위에서 1차소결하고, 바로 불활성 분위기 하에서 1600∼1800℃의 온도로 1-2시간 유지한 다음 냉각하여 2차 소결하는 것을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 가이드롤러의 제조방법.