WO2016111452A1 - 절삭공구용 소결합금 - Google Patents

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WO2016111452A1
WO2016111452A1 PCT/KR2015/012056 KR2015012056W WO2016111452A1 WO 2016111452 A1 WO2016111452 A1 WO 2016111452A1 KR 2015012056 W KR2015012056 W KR 2015012056W WO 2016111452 A1 WO2016111452 A1 WO 2016111452A1
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WO
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hardness
depth
weight
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present
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PCT/KR2015/012056
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English (en)
French (fr)
Inventor
김홍은
오세웅
이대기
안선용
김영흠
Original Assignee
한국야금 주식회사
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/04—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbonitrides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10—Sintering only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C2202/00—Physical properties

Definitions

  • the present invention relates to a small alloy used for cutting tools, and more particularly, to a Ti-based small alloy having a core including a hard phase and a rim structure surrounding the core (hereinafter, ' Cermet ') relates to a small alloy for cutting tools that can achieve improved tool life compared to conventional cermets by controlling the composition and hardness profile in a predetermined thickness range from the surface to the interior of the base material.
  • the wear resistant tool used in the cutting of metals or the base material of the cutting tool mainly WC-Co cemented carbide, TiC or Ti (C, N) -based Ti-based small-alloy cermet, other ceramics or high-speed steel are used.
  • WC-Co cemented carbide is composed of cobalt and tungsten, which have strong strategic material characteristics, and has a high price.
  • a cermet refers to a composite composed of a ceramic hard phase and a metal bonded phase. Particularly in the cutting tool field, based on TiC or Ti (C, N), a part of hard ceramic such as WC, NbC, TaC, and Mo 2 C is used. Ceramic-metal composite sintered body sintered under vacuum, hydrogen atmosphere, or argon atmosphere by mixing the mixed hard phase powder and the combined phase powder mainly composed of metals such as nickel (Ni), cobalt (Co) and / or iron (Fe) Say.
  • Cermet has attracted attention as a substitute for WC-Co cemented carbides because of its high hardness, chemical stability at high temperatures, low specific gravity, and low raw material prices.
  • the low toughness of WC-Co cemented carbide is a limiting factor in application expansion.
  • a sintered metal such as nickel (Ni), cobalt (Co) and / or iron (Fe) is used during sintering, in which case the WC-Co combination Compared with the larger wetting angle, rapid grain growth of TiC occurs, leading to a problem of poor toughness.
  • the problem with the cermet using TiC is that TiN is added to TiC to form Ti (C, N), which is more thermodynamically stable and has a finer structure, thereby increasing the toughness to some extent.
  • a solid solution between a core usually present as TiC or Ti (C, N) and other carbides added surrounding the core A core-rim structure is created with a rim consisting of solid-solution: (Ti, M1, M2) (C, N).
  • the rim structure surrounding the core is a tissue having higher toughness than TiC or Ti (C, N) constituting the core, it may help to improve the toughness of the cermet.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 2004-0009859
  • Patent Document 2 Korean Patent Publication No. 2007-0099056
  • Patent Document 3 Korean Patent Publication No. 2005-0038163
  • Patent Document 4 Korean Patent Laid-Open Publication No. 2005-0032533
  • Patent Document 5 Korean Patent Laid-Open Publication No. 2007-0017564
  • the present invention discloses a hard phase powder composed of carbonitride, or a mixture thereof, and composed of a completely solid solution phase having no core structure, and a sintered body having no core structure and a method of manufacturing the same.
  • the particle size of the solid solution powder having no core structure as the starting material is limited to 200 nm or less, and a method of miniaturizing the structure and lowering the sintering temperature is used.
  • the metal binder phase contains about 20% by weight, and the content of the metal binder phase is 20% by weight. If it is kept high, it is difficult to obtain the hardness and wear resistance required as the cutting tool.
  • An object of the present invention is to provide a small-alloy alloy for cutting tools capable of obtaining improved cutting performance while having a core structure.
  • the present invention provides 40 to 94% by weight of carbonitride containing Ti, 5 to 20% by weight of at least one metal selected from Fe, Co, and Ni, and groups IVa, Va, and VIa in the periodic table. It is a small alloy obtained by sintering a raw material powder containing 1 to 40% by weight of carbides, carbonitrides, or mixtures of at least one metal selected from metals. , Ti maximum content of the Ti composition profile from the surface to 5 ⁇ m depth is at least 50% by weight, and the hardness from the surface to 20 ⁇ m depth provides a small alloy for cutting tools, characterized in that 90% or more of the surface hardness.
  • the surface layer portion from the surface to the very shallow region is maintained by the high hardness layer having a high Ti content, and by controlling the inclined functional layer so that the hardness from the surface to a depth of 20 ⁇ m is 90% or more of the surface hardness.
  • Improved cutting performance can be obtained as compared with the prior art by preventing the hardness from dropping rapidly in the lower layer of the surface layer portion having the hardness.
  • the inclined functional layer is composed of a slope of two hardness profiles, the first slope from the surface to a predetermined depth, compared to the second slope from the predetermined depth to the inside of the base material Small ones are preferable.
  • the predetermined depth is preferably 15-30 ⁇ m, which means that when the predetermined depth is smaller than 15 ⁇ m, the hardness of the layer adjacent to the high hardness layer of the surface layer is not sufficient, and when the predetermined depth is larger than 30 ⁇ m, the toughness may not be sufficient. Because there is.
  • the hardness of the surface layer portion is very high and the hardness gradient to the area adjacent to the surface layer having such high hardness is not drastically reduced, and then a rapid gradient of hardness is formed to the inside of the base material, thereby improving wear resistance and good toughness. Can be implemented.
  • the Ti content from the surface to a depth of 5 ⁇ m is 40 to 50% by weight
  • the W content is 15 to 25% by weight
  • from 5 to 30 ⁇ m in depth from the surface Ti content of 30 to 40% by weight, W content of 15 to 25% by weight, Ti content from the surface of more than 30 ⁇ m depth to 100 ⁇ m 35-45% by weight, W content of 20-30% by weight Can be.
  • the small-alloy alloy for cutting tools according to the present invention is a cermet having a core structure, made of a high Ti content structure having a high hardness as a surface layer portion, and an area adjacent to the surface layer portion is formed with an inclined functional structure having a relatively high hardness, and a surface layer portion. In the area away from the inclined structure, the inclined functional tissue is rapidly reduced, and excellent wear resistance and toughness can be obtained simultaneously.
  • 1 is a composition profile of Ti, W, Ni and Co measured from the surface of the small alloy prepared in accordance with an embodiment of the present invention to a thickness of 200 ⁇ m.
  • Figure 3 is a profile of hardness measured from the surface of the small alloy prepared in accordance with an embodiment of the present invention to a thickness of 100 ⁇ m.
  • FIG. 4 is a profile of hardness measured up to 100 ⁇ m in thickness from the surface of the small alloy prepared according to Comparative Example 1.
  • Figure 5 shows the wear resistance evaluation results of the insert prepared according to Example (A) and Comparative Example 1 (B) of the present invention.
  • Figure 6 shows the impact resistance evaluation results of the insert prepared according to Example (A) and Comparative Example 1 (B) of the present invention.
  • the cermet according to an embodiment of the present invention was prepared through the following process.
  • Carbide balls and an organic solvent were added to the raw material powder, followed by mixing and grinding for 10 hours to obtain a mixed powder.
  • a press was carried out at a pressure of 2 ton / cm 2 through a shape die of CNMG120408 to prepare a molded body.
  • a dewaxing process is performed at 700 ° C. to remove the organic binder component introduced into the molded product manufacturing process, and the main sintering is performed at 1500 ° C. for 1 to 2 hours, and the temperature is 10 ° C. in an inert gas atmosphere up to 900 ° C. After cooling at a rate of / min, the sintering process was performed by a natural cooling method.
  • the production of the raw material powder and the molded body was carried out in the same manner as in Example, and then only the sintering process was prepared in accordance with Comparative Example 1 through the following process unlike the embodiment .
  • the main sintering was performed at 1500 ° C. for 1 to 2 hours, and 5 ° C./to 900 ° C. through an inert gas atmosphere. After cooling at a rate of min, it was naturally cooled in a furnace.
  • the production of the raw material powder and the molded body was carried out in the same manner as in Example, and only the sintering process was prepared in accordance with Comparative Example 2 through the following process different from the embodiment .
  • the main sintering was performed at 1500 ° C. for 1 to 2 hours, and 20 ° C./to 900 ° C. through an inert gas atmosphere. After cooling at a rate of min, it was naturally cooled in a furnace.
  • the production of the raw material powder and the molded article was carried out in the same manner as in Example, and then only the sintering process was prepared in accordance with Comparative Example 3 through the following process, unlike the embodiment .
  • the main sintering is performed at 1500 ° C. for 1 to 2 hours, and the temperature is 10 ° C. up to 900 ° C. without using a gas atmosphere. After cooling at a rate of / min, it was naturally cooled in a furnace.
  • the production of the raw material powder and the molded body was carried out in the same manner as in Example, and only the sintering process was prepared in accordance with Comparative Example 4 through the following process differently from the embodiment .
  • the main sintering was performed at 1400 ° C. for 1 to 2 hours, and 10 ° C. to 900 ° C. through an inert gas atmosphere. After cooling at a rate of min, it was naturally cooled in a furnace.
  • the production of the raw material powder and the molded body was carried out in the same manner as in Example, and only the sintering process was prepared in accordance with Comparative Example 5 through the following process unlike the embodiment .
  • the main sintering was performed at 1600 ° C. for 1 to 2 hours, and 10 ° C. to 900 ° C. through an inert gas atmosphere. After cooling at a rate of min, it was naturally cooled in a furnace.
  • 1 is a composition profile of Ti, W, Ni and Co measured from the surface of the small alloy prepared in accordance with an embodiment of the present invention to a thickness of 200 ⁇ m.
  • the small-bonded alloy prepared according to the embodiment of the present invention exhibits a high content of more than 50 wt% of Ti content within 2.5 ⁇ m of depth from the surface portion, which indicates that the surface layer portion is a metal binder (No, Co).
  • the relatively low content means that the hardness is very high.
  • composition profiles of Ti and W of the small alloy according to the embodiment of the present invention are shown in Table 1 below.
  • the Ti content rapidly decreases to a depth of 5 ⁇ m, and then gradually increases.
  • the W content is low on the surface and increases rapidly to a depth of 5 ⁇ m shows a tendency to maintain a constant state.
  • the small-bonded alloy prepared according to Comparative Example 1 has a very low Ti content of the surface portion and increases rapidly to 5 ⁇ m, and after a gentle increase thereafter tends to remain constant. That is, it can be seen that the Ti composition profile of the small binder alloy according to Comparative Example 1 is significantly different from that of the embodiment of the present invention.
  • composition profiles of Ti and W of the small bond alloy according to Comparative Example 1 are shown in Table 2 below.
  • the W content is maintained at a low state on the surface and then rapidly increased to a depth of 5 ⁇ m, and then tends to decrease slowly.
  • Figure 3 is a profile of hardness measured from the surface of the small alloy prepared in accordance with an embodiment of the present invention to a thickness of 100 ⁇ m.
  • the surface portion of the small alloy showed a tendency to slowly decrease from about 2350 to about 2250 in Vickers hardness (Hv) up to 20 ⁇ m in thickness, and about 2250 to about 2250 in Vickers hardness (Hv) from 20 ⁇ m to 100 ⁇ m. Decrease sharply until 1850. That is, the first inclined functional region and the second inclined functional region are divided by a thickness of 20 ⁇ m, and the hardness inclination of the first inclined functional region is smaller than that of the second inclined functional region (that is, gradually reduced). It is characterized by). In addition, although not shown in Figure 3, after 100 ⁇ m shows a constant hardness.
  • the small alloy according to the embodiment of the present invention includes a surface layer having a high hardness and two inclined functional regions, and has a gentle hardness inclination from the first inclined functional region and a sharp hardness from the first inclined functional region to the base material. It is characterized by having a slope.
  • FIG. 4 is a profile of hardness measured up to 100 ⁇ m in thickness from the surface of the small alloy prepared according to Comparative Example 1.
  • the surface portion of the small alloy shows a tendency to rapidly decrease from about 2250 Vickers hardness (Hv) of about 2250 to 20 ⁇ m in thickness due to the low Ti content, compared to the embodiment. From 20 ⁇ m to 100 ⁇ m, the relatively mild decrease in Vickers hardness (Hv) from about 1950 to about 1750. That is, the first inclined functional region and the second inclined functional region are divided by a thickness of 20 ⁇ m, and the hardness inclination of the first inclined functional region is greater than that of the second inclined functional region.
  • Hv Vickers hardness
  • Figure 5 shows the wear resistance evaluation results of the insert prepared according to Example (A) and Comparative Example 1 (B) of the present invention. As shown in FIG. 5, it is visually confirmed that the insert according to the embodiment of the present invention has superior wear resistance on the upper surface and abrasion resistance of the main cutting edge, compared to the insert according to Comparative Example 1.
  • Figure 6 shows the impact resistance evaluation results for each corner of the insert prepared according to Example (A) and Comparative Example 1 (B) of the present invention.
  • the insert according to the embodiment of the present invention can be seen that the average life is increased and the corner deviation is reduced compared to the insert according to Comparative Example 1.
  • the insert according to the embodiment of the present invention can be seen that the wear resistance and toughness increase compared to the insert according to Comparative Example 1.
  • Table 3 summarizes the results of evaluation of cutting performance performed for Examples and Comparative Examples 1 to 5 of the present invention under the above three cutting conditions.
  • Psalter Surface Ti layer thickness ( ⁇ m) Maximum surface Ti content (% by weight) Carbon Steel Wear Resistance Alloy Steel Wear Resistance Impact resistance Minutes Life End Trends Minutes Life End Trends Minutes Life End Trends Minutes Life End Trends Example 5 50 50 Top wear 40 Side wear 35 damage Comparative Example 1 3 40 30 Top wear 24 Side wear 20 damage Comparative Example 2 7 50 30 Top wear 27 Side wear 17 damage Comparative Example 3 One 20 24 Top wear 20 Side wear 15 damage Comparative Example 4 2 25 26 Top wear 22 Side wear 22 damage Comparative Example 5 One 30 24 Top wear 20 Side wear 22 damage
  • the 'surface Ti layer thickness' is the thickness of the layer in which the Ti compound formed on the surface is segregated
  • the 'surface Ti maximum content' is the maximum Ti content from the surface to a thickness of 5 ⁇ m.

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Abstract

본 발명은 경질상을 포함하는 코어(core)와 이 코어(core)를 둘러싼 림(rim) 구조를 갖는 Ti계 소결합금(이하, '써메트'라 함)으로, 표면으로부터 모재 내부까지 소정 두께 범위에 경도 프로파일 및 코어-림 조직의 상태를 제어함으로써, 종래의 써메트에 비해 향상된 공구수명을 얻을 수 있는 절삭공구용 소결합금에 관한 것이다. 본 발명에 따른 절삭공구용 소결합금은, Ti를 포함하는 탄질화물 40~94중량%와, Fe, Co 및 Ni 중에서 선택된 1종 이상의 금속 5~20중량%와, 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 선택되는 1종 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물 1~40중량%를 포함하는 원료분말을 소결한 소결합금으로, 표면으로부터 깊이 80~150㎛까지 경사기능층이 형성되어 있고, 표면으로부터 깊이 5.0㎛까지의 Ti 조성 프로파일 중, Ti 최대 함량은 50중량% 이상이며, 표면에서 깊이 20㎛까지의 경도가 표면경도의 90% 이상인 것을 특징으로 한다.

Description

절삭공구용 소결합금
본 발명은 절삭공구에 사용되는 소결합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 경질상을 포함하는 코어(core)와 이 코어(core)를 둘러싼 림(rim) 구조를 갖는 Ti계 소결합금(이하, '써메트'라 함)으로, 표면으로부터 모재 내부까지 소정 두께 범위에 조성 및 경도 프로파일을 제어함으로써, 종래의 써메트에 비해 향상된 공구수명을 얻을 수 있는 절삭공구용 소결합금에 관한 것이다.
금속의 절삭 가공에 사용되는 내마모성 공구나 절삭 공구의 모재로는, 주로 WC-Co 초경합금, TiC나 Ti(C,N) 계열의 Ti계 소결합금인 써메트, 기타 세라믹 또는 고속도강 등이 사용된다.
이중, WC-Co 초경합금은 전략 물질적 성격이 강한 코발트와 텅스텐으로 이루어져 있고 가격이 높은 단점이 있다.
써메트는 세라믹 경질상과 금속 결합상으로 이루어진 복합체를 의미하는데, 특히 절삭공구 분야에서는, TiC 또는 Ti(C,N)을 바탕으로, WC, NbC, TaC, Mo2C와 같은 경질 세라믹을 일부 혼합한 경질상 분말과 니켈(Ni), 코발트(Co) 및/또는 철(Fe)과 같은 금속을 주성분으로 하는 결합상 분말을 혼합하여 진공 또는 수소 분위기, 아르곤 분위기 하에서 소결한 세라믹-금속 복합 소결체를 말한다.
써메트는 높은 경도와 고온에서의 화학적 안정성, 낮은 비중과 저렴한 원료 가격 등의 장점이 있어, WC-Co계 초경합금을 대체하기 위한 물질로 주목을 받아 왔고 일부 분야에서 대체 물질로서의 사용이 시도되고 있으나, WC-Co계 초경합금에 비해 상대적으로 인성이 낮은 점이 적용 확대에 제한 요소로 작용하고 있다.
예를 들어, TiC를 이용하여 써메트를 제조하는 경우, 소결 시 니켈(Ni), 코발트(Co) 및/또는 철(Fe) 등의 결합상 금속을 사용하게 되는데, 이 경우, WC-Co 조합에 비해서 젖음각(wetting angle)이 크기 때문에, TiC의 급속한 입성장이 일어나게 되어 인성이 떨어지는 문제점이 있었다.
이러한 TiC를 이용한 써메트의 문제점은, TiC에 TiN을 첨가하여 열역학적으로 보다 안정하며 미세한 조직을 갖는 Ti(C,N)을 형성함으로써, 어느 정도 인성의 증가를 얻을 수 있었다.
한편, 종래의 TiC계 또는 Ti(C,N)계 써메트 소결체의 미세조직에는, 통상 TiC 또는 Ti(C,N)으로 존재하는 코어(core)와 상기 코어를 둘러싸고 첨가된 다른 탄화물 간의 고용체(solid-solution:(Ti,M1,M2)(C,N)으로 나타난다)로 이루어진 림(rim)이 형성된 유심구조(core-rim structure)가 생성된다. 이와 같이, 코어(core)를 둘러싼 림(rim) 조직은 코어를 이루는 TiC 또는 Ti(C,N)에 비해 높은 인성을 갖는 조직이므로, 써메트의 인성 향상에 도움을 줄 수 있다.
그러나 유심구조의 써메트도 취성을 유발하는 코어가 존재하기 때문에, WC-Co계 초경합금에 비하면 인성이 떨어져 WC-Co계 초경합금을 완전하게 대체하지 못하는 문제점이 있다.
또한, 특허문헌 1(대한민국 특허공개공보 제2004-0009859호), 특허문헌 2(대한민국 특허공개공보 제2007-0099056호), 특허문헌 3(대한민국 특허공개공보 제2005-0038163호), 특허문헌 4(대한민국 특허공개공보 제2005-0032533호), 특허문헌5(대한민국 특허공개공보 제2007-0017564호)에는, 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 티타늄을 포함하여 선택되는 둘 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물로 이루어지고, 유심구조가 없는 완전 고용상으로 이루어진 경질상 분말과, 이를 이용하여 유심구조가 없는 소결체와 이의 제조방법이 개시되어 있다.
상기 특허문헌 들에 개시된 소결체의 경우, 출발 원료물질로 유심구조가 없는 고용상 분말의 입도를 200nm 이하로 한정하여 조직의 미세화와 소결온도를 낮추는 방법을 사용하고 있다.
그런데, 최소 100Kg 이상의 대량 생산시에는 상기 특허문헌들에 제시된 바와 같이, 소결체의 출발물질로 200nm 이하의 나노 사이즈 분말을 사용할 경우, 분말이 응집되고 산화되기 쉽기 때문에, 상기 공개특허들에 제시된 소결체의 제조방법은 대량생산이 어려운 문제점이 있다.
더욱이, 상기 특허문헌들에 개시된 소결체의 경우, 고용상 분말의 입도를 200nm 이하로 한정하면서도, 높은 파괴인성을 얻기 위해 금속 결합상을 20중량% 정도 함유시키고 있는데, 금속 결합상의 함량을 20중량%로 높게 유지할 경우 절삭 공구로서 요구되는 경도와 내마모성을 얻기 어렵게 된다.
본 발명의 과제는, 유심구조를 가지면서도 향상된 절삭성능을 얻을 수 있는 절삭공구용 소결합금을 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, Ti를 포함하는 탄질화물 40~94중량%와, Fe, Co 및 Ni 중에서 선택된 1종 이상의 금속 5~20중량%와, 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 선택되는 1종 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물 1~40중량%를 포함하는 원료분말을 소결한 소결합금으로, 표면으로부터 깊이 80~150㎛까지 경사기능층이 형성되어 있고, 표면으로부터 깊이 5㎛까지의 Ti 조성 프로파일의 Ti 최대 함량은 50중량% 이상이며, 표면에서 깊이 20㎛까지의 경도가 표면경도의 90% 이상인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 소결합금을 제공한다.
이 구성에 의하면, 표면에서 매우 얕은 영역까지의 표층부는 Ti 함량이 높은 고경도층을 유지하고, 표면으로부터 깊이 20㎛까지의 경도가 표면경도의 90% 이상이 되도록 경사기능층을 제어함으로써, 높은 경도를 갖는 표층부의 아래층에서 급격하게 경도가 저하되지 않도록 함으로써, 종래에 비해 향상된 절삭성능을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 소결합금에 있어서, 상기 경사기능층은 2개의 경도 프로파일의 기울기로 이루어지고, 표면으로부터 소정깊이까지의 제1 기울기가, 상기 소정깊이로부터 모재내부까지의 제2 기울기에 비해 작은 것이 바람직하다.
상기 소정깊이는 15~30㎛가 바람직한데, 이는 소정깊이가 15㎛보다 작을 경우 표층부의 높은 경도층에 인접한 층의 경도가 충분하지 않고, 소정깊이가 30㎛보다 클 경우 인성이 충분하지 않을 수 있기 때문이다.
이 구성에 의하면, 표층부의 경도가 매우 높고 이와 같이 높은 경도의 표층부에 인접한 영역까지의 경도 기울기가 급격하게 감소하지 않게 한 후, 모재내부까지는 급격한 경도 구배가 이루어지도록 함으로써, 향상된 내마모성과 함께 양호한 인성을 구현할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 소결합금에 있어서, 바람직하게 표면으로부터 깊이 5㎛까지의 Ti 함량은 40~50중량%이고, W 함량은 15~25중량%이고, 표면으로부터 깊이 5㎛ 초과에서 30㎛까지의 Ti 함량은 30~40중량%이고, W 함량은 15~25중량%이며, 표면으로부터 깊이 30㎛ 초과에서 100㎛까지의 Ti 함량은 35~45중량%이고, W 함량은 20~30중량%일 수 있다.
이 구성에 의하면, Ti 및 W 조성 프로파일을 통해 상기한 경도 프로파일의 구성이 용이해진다.
본 발명에 따른 절삭공구용 소결합금은, 유심구조를 갖는 써메트로, 표층부인 경도가 높은 고 Ti 함량 조직으로 이루어지고, 표층부에 인접한 영역은 경도가 비교적 높게 유지되는 경사기능 조직이 형성되고, 표층부로부터 멀어진 영역에서는 경도가 급격하게 감소하는 경사기능 조직이 형성되어 있어, 우수한 내마모성과 인성을 동시에 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 소결합금의 표면으로부터 두께 200㎛까지 측정된 Ti, W, Ni 및 Co의 조성 프로파일이다.
도 2는 비교예 1에 따라 제조된 소결합금의 표면으로부터 두께 200㎛까지 측정된 Ti, W, Ni 및 Co의 조성 프로파일이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 소결합금의 표면으로부터 두께 100㎛까지 측정된 경도의 프로파일이다.
도 4는 비교예 1에 따라 제조된 소결합금의 표면으로부터 두께 100㎛까지 측정된 경도의 프로파일이다.
도 5는 본 발명의 실시예(A)와 비교예 1(B)에 따라 제조된 인써트의 내마모성 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예(A)와 비교예 1(B)에 따라 제조된 인써트의 내충격성 평가 결과를 나타낸 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
[실시예]
본 발명의 실시예에 따른 써메트는 다음과 같은 공정을 통해 제조하였다.
먼저, TiCN 50중량%, 결합상 Co 7중량%, Ni 7중량%, WC탄화물 20 중량%, 기타 탄화물로 Mo2C 16중량%가 되도록 칭량하여 혼합하여 소결용 원료분말을 만들었다.
상기 원료분말에 초경 볼과 유기용매를 첨가하여 10시간 혼합 분쇄 이후 건조해 혼합분말을 얻었다. 얻어진 혼합분말을 가지고 CNMG120408의 형상용 금형을 통해 2 ton/㎠의 압력으로 프레스를 수행하여 성형체를 제조하였다.
다음으로, 700℃에서 탈지(dewaxing) 공정을 수행하여, 성형체 제조과정에 투입된 유기 바인더 성분을 제거한 후, 1500℃에서 본 소결을 1~2시간 동안 진행하고, 900℃까지 불활성 가스 분위기에서 10℃/min의 속도로 냉각시킨 후, 자연냉각시키는 방법으로 소결공정을 수행하였다.
[비교예 1]
본 발명의 실시예와의 비교를 위하여, 원료분말 및 성형체의 제조는 실시예와 동일하게 수행한 후, 소결공정만 실시예와 다르게 다음과 같은 공정을 통해 비교예 1에 따른 써메트를 제조하였다.
성형체를 700℃에서 탈지(dewaxing) 공정을 수행하여 성형체 제조과정에 투입된 유기 바인더 성분을 제거한 후, 1500℃에서 본 소결을 1~2시간 동안 진행하고, 불활성 가스 분위기를 통해 900℃까지 5℃/min의 속도로 냉각시킨 후, 노내에서 자연냉각시켰다.
[비교예 2]
본 발명의 실시예와의 비교를 위하여, 원료분말 및 성형체의 제조는 실시예와 동일하게 수행한 후, 소결공정만 실시예와 다르게 다음과 같은 공정을 통해 비교예 2에 따른 써메트를 제조하였다.
성형체를 700℃에서 탈지(dewaxing) 공정을 수행하여 성형체 제조과정에 투입된 유기 바인더 성분을 제거한 후, 1500℃에서 본 소결을 1~2시간 동안 진행하고, 불활성 가스 분위기를 통해 900℃까지 20℃/min의 속도로 냉각시킨 후, 노내에서 자연냉각시켰다.
[비교예 3]
본 발명의 실시예와의 비교를 위하여, 원료분말 및 성형체의 제조는 실시예와 동일하게 수행한 후, 소결공정만 실시예와 다르게 다음과 같은 공정을 통해 비교예 3에 따른 써메트를 제조하였다.
성형체를 700℃에서 탈지(dewaxing) 공정을 수행하여 성형체 제조과정에 투입된 유기 바인더 성분을 제거한 후, 1500℃에서 본 소결을 1~2시간 동안 진행하고, 가스 분위기를 사용하지 않고 900℃까지 10℃/min의 속도로 냉각시킨 후, 노내에서 자연냉각시켰다.
[비교예 4]
본 발명의 실시예와의 비교를 위하여, 원료분말 및 성형체의 제조는 실시예와 동일하게 수행한 후, 소결공정만 실시예와 다르게 다음과 같은 공정을 통해 비교예 4에 따른 써메트를 제조하였다.
성형체를 700℃에서 탈지(dewaxing) 공정을 수행하여 성형체 제조과정에 투입된 유기 바인더 성분을 제거한 후, 1400℃에서 본 소결을 1~2시간 동안 진행하고, 불활성 가스 분위기를 통해 900℃까지 10℃/min의 속도로 냉각시킨 후, 노내에서 자연냉각시켰다.
[비교예 5]
본 발명의 실시예와의 비교를 위하여, 원료분말 및 성형체의 제조는 실시예와 동일하게 수행한 후, 소결공정만 실시예와 다르게 다음과 같은 공정을 통해 비교예 5에 따른 써메트를 제조하였다.
성형체를 700℃에서 탈지(dewaxing) 공정을 수행하여 성형체 제조과정에 투입된 유기 바인더 성분을 제거한 후, 1600℃에서 본 소결을 1~2시간 동안 진행하고, 불활성 가스 분위기를 통해 900℃까지 10℃/min의 속도로 냉각시킨 후, 노내에서 자연냉각시켰다.
조성 프로파일
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 소결합금의 표면으로부터 두께 200㎛까지 측정된 Ti, W, Ni 및 Co의 조성 프로파일이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 소결합금은 표면부로부터 깊이 2.5㎛ 내의 Ti 함량이 50중량%를 초과하는 높은 함량을 나타내는데, 이는 표층부가 금속 바인더(No, Co)의 함량이 상대적으로 낮아 경도가 매우 높은 상태가 되어 있음을 의미한다.
본 발명의 실시예에 따른 소결합금의 Ti 및 W의 조성 프로파일을 깊이별로 구분해보면 아래 표 1과 같다.
표면으로부터의 깊이(㎛) Ti(중량%) W(중량%)
0~5 40~50 15~25
5~30 30~40 20~30
100~ 35~45 20~30
도 1 및 상기 표 1에 나타난 바와 같이, Ti 함량은 깊이 5㎛까지는 급격하게 감소하다가, 완만하게 증가하는 경향을 나타낸다. 또한, W 함량은 표면에서 낮다가 깊이 5㎛까지는 급격하게 증가하다가 일정한 상태를 유지하는 경향을 나타낸다.
도 2는 비교예 1에 따라 제조된 소결합금의 표면으로부터 두께 200㎛까지 측정된 Ti, W, Ni 및 Co의 조성 프로파일이다.
도 2에 나타난 바와 같이, 비교예 1에 따라 제조된 소결합금은 표면부의 Ti 함량은 매우 낮고 5㎛까지 급격하게 증가하고, 이후부터는 완만하게 증가한 후, 일정하게 유지하는 경향을 보인다. 즉, 비교예 1에 따른 소결합금의 Ti 조성 프로파일은 본 발명의 실시예와 크게 차이가 있음을 알 수 있다.
비교예 1에 따른 소결합금의 Ti 및 W의 조성 프로파일을 깊이별로 구분해보면 아래 표 2와 같다.
표면으로부터의 깊이(㎛) Ti(중량%) W(중량%)
0~5 15~25 15~25
5~30 30~40 20~30
100~ 35~45 20~30
상기 표 2에 나타난 바와 같이, W 함량은 표면에서 낮은 상태를 유지하다가 깊이 5㎛까지는 급격하게 증가한 후, 완만하게 감소하는 경향을 나타낸다.
경도 프로파일
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 소결합금의 표면으로부터 두께 100㎛까지 측정된 경도의 프로파일이다.
도 3에 나타난 바와 같이, 소결합금의 표면부는 두께 20㎛까지 비커스 경도(Hv) 약 2350에서 약 2250까지 완만하게 감소하는 경향을 나타내고, 20㎛부터 100㎛까지는 비커스 경도(Hv) 약 2250에서 약 1850까지 급격하게 감소한다. 즉, 두께 20㎛를 경계로 제1 경사기능영역과 제2 경사기능영역이 구분되며, 제1 경사기능영역의 경도 기울기가 제2 경사기능영역의 경도 기울기에 비해 작은 것(즉, 완만하게 감소하는 것)을 특징으로 한다. 또한, 도 3에 나타나지는 않았으나, 100㎛ 이후부터는 일정한 경도를 나타낸다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 소결합금은 높은 경도를 갖는 표층부와 2개의 경사기능영역을 구비하고, 제1 경사기능영역까지의 완만한 경도 기울기와, 제1 경사기능영역으로부터 모재까지 급격한 경도 기울기를 갖는 것을 특징으로 한다.
도 4는 비교예 1에 따라 제조된 소결합금의 표면으로부터 두께 100㎛까지 측정된 경도의 프로파일이다.
도 4에 나타난 바와 같이, 소결합금의 표면부는 실시예에 비해 낮은 Ti 함량에 기인하는 상대적으로 낮은 표면의 비커스 경도(Hv) 약 2250에서 두께 20㎛까지 약 1950까지 급격하게 감소하는 경향을 나타내고, 20㎛부터 100㎛까지는 비커스 경도(Hv) 약 1950에서 약 1750까지 상대적으로 완만하게 감소한다. 즉, 두께 20㎛를 경계로 제1 경사기능영역과 제2 경사기능영역이 구분되며, 제1 경사기능영역의 경도 기울기가 제2 경사기능영역의 경도 기울기에 비해 크게 나타난다.
절삭성능 평가 결과
본 발명의 실시예와 비교예 1~5에 따라 제조된 써메트로 이루어진 인써트의 절삭성능을 다음과 같은 3가지 절삭가공 조건으로 평가하였다.
(1) 탄소강 내마모 절삭조건
- 가공방식: 선삭
- 피삭재: SM45C (외경연속가공)
- Vc(절삭속도): 270mm/min
- fn(이송속도): 0.25mm/min
- ap(절입깊이): 2mm
- 건/습식: 습식(wet)
(2) 합금강 내마모 절삭조건
- 가공방식: 선삭
- 피삭재: SCM440 (외경연속가공)
- Vc(절삭속도): 250mm/min
- fn(이송속도): 0.22mm/min
- ap(절입깊이): 2mm
- 건/습식: 습식(wet)
(3) 탄소강 내충격성 절삭조건
- 가공방식: 선삭
- 피삭재: SM45C-4홈 (단면단속가공)
- Vc(절삭속도): 200mm/min
- fn(이송속도): 0.25mm/min
- ap(절입깊이): 1.5mm
- 건/습식: 습식(wet)
도 5는 본 발명의 실시예(A)와 비교예 1(B)에 따라 제조된 인써트의 내마모성 평가 결과를 나타낸 것이다. 도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 인써트가 비교예 1에 따른 인써트에 비해, 상면의 내마모성과 주절인부의 내마모성이 우수함이 육안으로 확인된다.
도 6은 본 발명의 실시예(A)와 비교예 1(B)에 따라 제조된 인써트의 코너별 내충격성 평가 결과를 나타낸 것이다. 도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 인써트가 비교예 1에 따른 인써트에 비해 평균 수명이 증가하고 코너 편차가 감소함을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 인써트는 비교예 1에 따른 인써트에 비해 내마모성 및 인성이 증가하는 것을 알 수 있다.
아래 표 3은, 상기 3가지 절삭조건으로 본 발명의 실시예 및 비교예 1~5에 대해 수행한 절삭성능 평가결과를 정리한 것이다.
시편 표면Ti층두께(㎛) 표면Ti최대함량(중량%) 탄소강 내마모성 합금강 내마모성 내충격성
시간(분) 수명종료경향 시간(분) 수명종료경향 시간(분) 수명종료경향
실시예 5 50 50 상면마모 40 측면마모 35 파손
비교예1 3 40 30 상면마모 24 측면마모 20 파손
비교예2 7 50 30 상면마모 27 측면마모 17 파손
비교예3 1 20 24 상면마모 20 측면마모 15 파손
비교예4 2 25 26 상면마모 22 측면마모 22 파손
비교예5 1 30 24 상면마모 20 측면마모 22 파손
여기서, '표면 Ti층 두께'는 표면에 형성된 Ti 화합물이 편석된 층의 두께이고, '표면 Ti 최대함량'은 표면으로부터 두께 5㎛까지에서의 최대 Ti 함량이다.
상기 표 3에서 확인되는 바와 같이, 탄소강 및 합금강의 내마모 특성이 비교예 1~5에 비해 높은 특성을 나타낼 뿐 아니라, 내충격성(인성)에 있어서도 비교예 1~5에 비해 양호한 특성을 나타내었다.

Claims (3)

  1. Ti를 포함하는 탄질화물 40~94중량%와, Fe, Co 및 Ni 중에서 선택된 1종 이상의 금속 5~20중량%와, 주기율표 중 IVa, Va, 및 VIa 족 금속으로부터 선택되는 1종 이상의 금속의 탄화물, 탄질화물, 또는 이들의 혼합물 1~40중량%를 포함하는 원료분말을 소결한 소결합금으로,
    표면으로부터 깊이 80~150㎛까지 경사기능층이 형성되어 있고,
    표면으로부터 깊이 5㎛까지의 Ti 조성 프로파일 중, Ti 최대 함량은 50중량% 이상이며,
    표면에서 깊이 20㎛까지의 경도가 표면경도의 90% 이상인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 소결합금.
  2. 제1항에 있어서,
    표면으로부터 깊이 5㎛까지의 Ti 함량은 40~50중량%이고, W 함량은 15~25중량%이고,
    표면으로부터 깊이 5㎛ 초과에서 30㎛까지의 Ti 함량은 30~40중량%이고, W 함량은 15~25중량%이며,
    표면으로부터 깊이 30㎛ 초과에서 100㎛까지의 Ti 함량은 35~45중량%이고, W 함량은 20~30중량%인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 소결합금.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 경사기능층은 2개의 경도 프로파일의 기울기로 이루어지고, 표면으로부터 소정깊이까지의 제1 기울기가, 상기 소정깊이로부터 모재내부까지의 제2 기울기에 비해 작은 것을 특징으로 하는 절삭공구용 소결합금.
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