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KR100976731B1 - 초고경도 복합 물질 및 그 제조 방법 - Google Patents

초고경도 복합 물질 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR100976731B1 KR1020080044828A KR20080044828A KR100976731B1 KR 100976731 B1 KR100976731 B1 KR 100976731B1 KR 1020080044828 A KR1020080044828 A KR 1020080044828A KR 20080044828 A KR20080044828 A KR 20080044828A KR 100976731 B1 KR100976731 B1 KR 100976731B1
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Abstract

초고경도 복합 물질이 개시된다. 초고경도 복합 물질을 제조하는 방법은 금속 탄화물 분말 및 다중 성분 합금 분말을 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계, 혼합물을 성형하는 단계 및 혼합물을 소결하여 초고경도 복합 물질을 형성하는 단계를 포함한다. 다중 성분 합금 분말은 다중 성분 합금 분말의 5 내지 8 몰분율을 차지하는 탄소, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 알루미늄, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 크롬, 다중 성분 합금 분말의 17 내지 35 몰분율을 차지하는 코발트, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 구리, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 35 몰분율을 차지하는 철, 다중 성분 합금 분말의 17 내지 35 몰분율을 차지하는 니켈, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 바나듐, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 티타늄, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 망간으로 이루어진 그룹에서 선택된 5 내지 7개의 다중 성분 합금 분말이다.

Description

초고경도 복합 물질 및 그 제조 방법{ULTRA-HARD COMPOSITE MATERIAL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 초고경도 복합 물질들에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초고경도 복합 물질의 바인더 금속들의 조성들에 관한 것이다.
1920년 초반 이후에, 초고경도 복합 물질은 높은 경도, 높은 열저항성 및 높은 내마모성과 같은 훌륭한 물성으로 인해 산업에 널리 적용되어 왔다. 복합 물질중 하나인 탄화물은 널리 사용되는 개략적으로 두 타입, 복합 물질에 기초하는 텅스텐 탄화물(WC) 및 복합 물질에 기초하는 티타늄 탄화물(TiC)로 분류된다. 상기 초고경도 복합 물질은 두 다른 성분으로 구성된다. 제1 성분은 탄화물(텅스텐 탄화물, 티타늄 탄화물, 바나듐 탄화물, 니오븀 탄화물, 크롬 탄화물 또는 탄탈륨 탄화물), 탄소 질화물, 붕산염, 붕산화물 또는 산화물과 같은 고융점, 고경도(high hardness) 및 높은 강성(high brittle)의 세라믹 상의 분말이다. 제2 성분은 저경도 및 고인성(high toughness)을 갖는 바인더 금속이다. 예를 들어, 복합 물질에 기초한 텅스텐 탄화물을 위한 주 바인더 금속은 코발트이다. 이와 다르게 복합 물질에 기초하는 티타늄 탄화물을 위한 주 바인더 금속은 니켈 또는 니켈 몰리브덴 합금이다. 초고경도 복합 물질을 제조하는 방법은 분말 야금이다. 상기 바인더 금속은 액체상으로 변환되고 나아가 소결 온도 아래에서 탄화물과 공융(eutectic) 액체상을 형성한다. 나아가, 탄화물 파우더는 모세관 움직임에 의해 감싸지고, 응집하고 수축되어 고 소결 밀도를 달성한다. 소결 밀도를 향상하기 위하여, 초고경도 복합 물질은 압축 소결 또는 고온 등압 압축에 의해 처리되어 초고경도 복합 물질 내에서 바인더의 인성 및 탄화물의 고경도, 고내마모성은 결합된다.
설명되는 초고경도 복합 물질은 일반적으로 커터, 몰드, 기구 및 회전 기구, 분쇄기, 과즙기, 평면 도구, 톱, 드릴, 펀치, 전단 가공 몰드, 세이핑 몰드, 드로잉 몰드, 압출 성형기, 시계 부품 또는 펜의 볼과 같은 내마모성 장치에 사용된다. 텅스텐 탄화물 초고경도 복합 물질은 가장 널리 적용된다. 복합 물질의 조성비는 요청에 의해 한정된다. 고 탄화물 비율과 저비율 바인더 금속을 결합하는 것은 고경도 및 높은 내마모성을 갖는 복합 물질을 제조하지만, 또한 상기 복합 물질은 저강성 및 고단단함을 가진다. 경도 및 내마모성이 가장 많이 요구된다면, 탄화물의 비율은 향상되어야만 한다. 인성이 가장 중요하다면, 탄화물 비율은 제거되어야만 한다. 또한, 장치가 고온 또는 부식되는 조건하에서 사용된다면 장치는 비부식성이고 비산화성이어야만 한다. 다른 요구들은 고수율, 긴 가동시간 및 커터, 몰드, 기구 및 내마모성 장치와 같은 제품의 저비용과 같은 사회의 발전에 의해 도출된다. 그럼에도 불구하고, 전통적인 텅스텐 탄화물 및 티타늄 탄화물 초고경도 복합 물질에 대한 강성, 내열성, 내마모성, 비부식성 및 비접착성은 다른 응용기구들에 적용될 때 일반적으로 불충분하다.
전통적인 텅스텐 탄화물 초고경도 물질의 바인더 금속은 코발트에 기초해서 미량의 철 및 니켈을 첨가한 합금이다.
일본등록특허 제8,319,532호에 따르면, 펀치 물질은 니켈에 기초한 합금의 바인더 금속(5 내지 15 중량%)과의 복합물에 기초한 텅스텐 탄화물이다. 니켈에 기초한 합금은 또한 1 내지 13 중량% 정도의 탄화크롬(CR3C2)을 포함한다.
일본등록특허 제10,110,235호에 따르면, 텅스텐 탄화물 복합물의 바인더 금속은 철에 기초한 합금이며, 이러한 합금은 바나듐, 크롬, 바나듐 탄화물 및 크롬 탄화물을 더 포함한다.
미국등록특허 제6,030,912호에 따르면, 텅스텐 탄화물(WC, W2C) 복합 물질의 금속 바인더는 0.02 내지 0.1 중량% 정도의 철, 코발트, 니켈과 같은 금속이거나, 0.3 내지 3 중량%의 4, 5 및 6 그룹의 전이 금속들의 탄화물, 질화물 및 탄화질화물이다.
미국등록특허 제6,241,799호에 따르면, 텅스텐 탄화물의 소결 금속은 코발트 및/또는 니켈이다. 바인더 금속의 공식에 있어서, 코발트는 많아도 90 중량%, 니켈은 많아도 90중량%, 크롬은 많아도 3 내지 15중량%, 텅스텐은 많아도 30중량%, 몰리브덴은 많아도 15중량% 정도이며, 소결 도중 텅스텐 탄화물의 결정 성장을 억제한다.
현재, 중국은 초고경도 텅스텐 탄화물 복합물의 최대 소비국이다. 이에 따라, 강도, 경도, 인성 및 내마모성과 같은 향상된 물성에 대한 고경도 텅스텐 탄화 물 복합물의 특허들이 대다수 중국에서 나타나왔다.
중국등록특허 제1,548,567호에 따르면, 고 마그네슘 스틸이 텅스텐 탄화물 복합물의 바인더 금속으로 사용된다. 이러한 고 마그네슘 스틸은 14 내지 18중량%의 마그네슘, 3내지 6중량%의 니켈, 0.19 내지 1.9중량%의 탄소 및 74.1중량% 내지 82.1 중량%의 철로 구성된다. 이 텅스텐 탄화물 복합물은 고강도, 고경도 및 고 내마모성을 가진다. 또한, 탄화물은 바인더 금속의 일부의 역할을 할 수 있다.
중국등록특허 제1,718,813호에 따르면, 바인더 금속은 7내지 9중량%의 코발트, 0.1 내지 0.5중량%의 바나듐 탄화물 및 0.3 내지 0.7중량%의 크롬 탄화물을 포함한다. 바인더 금속은 텅스텐 탄화물 분말과 함께 소결되어 고강도, 고경도, 고인성의 텅스텐 탄화물 복합물을 형성한다.
이에 따라, 종래의 금속 바인더는 다른 금속 성분이 도핑된 두 개의 금속의 조합 또는 하나의 금속을 다른 금속 성분들이 도핑된 주요 부분(50중량% 이상)으로 갖고 탄화물 세라믹 상을 가진다. 그러나, 본 발명의 바인더 금속은 대만특허 제193729호에 개시된 고 엔트로피 합금이다. 본 발명에 있어서, 다중 성분 고 엔트로피 합금 분말은 5 내지 11 가지의 주요 성분들로 구성되며, 모든 주요 성분은 상기 다중 성분 고 엔트로피 합금 분말의 약 5 내지 약 34 정도의 몰분율(mole percentage)을 가진다. 다중 성분 고 엔트로피 합금의 효과 및 개념은 본 발명의 발명자들 가운데 Yeh에 의해 "Advanced Engineering Materials" 2004년 6월호의 299 내지 303쪽에 게재되었다. 상기 문헌에 따르면, 적어도 5개의 주요 성분들로 구성되며, 모든 주요 성분들이 고 엔트로피 합금의 약 5 내지 약 35 정도의 몰분율 을 가진다. 고 엔트로피 합금으로 구성된 바인더 금속은 고 엔트로피 효과, 둔화(sluggish) 효과, 격자 왜곡 효과 및 칵테일 효과와 같은 특성을 보여주고 열저항성 및 경도를 가지기 때문에, 상기 바인더 금속을 사용하는 복합물은 고경도, 고내열성 및 높은 내마모성을 가진다. 또한, 고 엔트로피 합금의 둔화 효과는 액상에서 소결된 바인더 금속이 이송되거나 확산되는 것을 어렵게 만들고 텅스텐 탄화물 또는 티타늄 탄화물의 결정 성장을 막기 때문에, 소결된 복합물의 경도, 인성, 내열성 및 내마모성이 감소하지 않는다. 게다가 바인더 금속에서 상기 성분들의 일부가 탄소와 결합하여 탄화물이 되기 때문에, 복합물의 경도는 증가한다. 본 발명에 있어서, 바인더 금속 내의 니켈 및 크롬은 복합물의 내부식성을 향상시키고, 바인더 금속내의 크롬, 알루미늄 및 실리콘은 내산화성을 증가시키며, 바인더 금속 내의 구리는 복합물의 매끄러움을 증가시킨다. 본 발명에 있어서, 복합물의 성능 및 동작 수명은 적절한 몰분율 및 성분 타입에 의해 조절될 수 있다. 본 발명과 비교하여, 종래의 바인더 금속은 더 적은 변화로 더 적은 성분으로 구성되고 이로 인해 복합물의 성능이 제한된다.
본 발명의 일 목적은 초고경도 복합 물질의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 초고경도 복합 물질을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 적어도 하나의 세라믹 상의 분말 및 다중 성분 합금 분말을 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계, 상기 혼합물을 성형(green compact)하는 단계 및 상기 혼합물을 소결하여 초고경도 복합 물질을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 다중 성분 합금 분말은 다중 성분 합금 분말의 5 내지 8 몰분율을 차지하는 탄소, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 알루미늄, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 크롬, 다중 성분 합금 분말의 17 내지 35 몰분율을 차지하는 코발트, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 구리, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 35 몰분율을 차지하는 철, 다중 성분 합금 분말의 17 내지 35 몰분율을 차지하는 니켈, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 바나듐, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 티타늄, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 망간으로 이루어진 그룹에서 선택된 5 내지 7개의 다중 성분 합금 분말이다.
본 발명은, 또한 (a) 적어도 하나의 세라믹 상 분말 및 (b) 다중 성분 합금 분말을 포함하며, 다중 성분 합금 분말은 다중 성분 합금 분말의 5 내지 8 몰분율을 차지하는 탄소, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 알루미늄, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 크롬, 다중 성분 합금 분말의 17 내지 35 몰분율을 차지하는 코발트, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 구리, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 35 몰분율을 차지하는 철, 다중 성분 합금 분말의 17 내지 35 몰분율을 차지하는 니켈, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 바나듐, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 티타늄, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 망간으로 이루어진 그룹에서 선택된 5 내지 7개의 다중 성분 합금 분말이다.
본 발명에 따른 초고경도 복합 물질 및 그 제조 방법에 대한 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 다음의 실시예들과 함께 설명된다.
고 엔트로피 효과, 둔화 효과, 격자 왜곡 효과 및 칵테일 효과와 같은 특성을 갖는 고 엔트로피 합금은 열저항성 및 경도를 가지기 때문에, 바인더 금속을 사용하는 복합물은 또한 고내열성을 가진다. 또한, 고 엔트로피 합금의 둔화 효과는 액상에서 소결된 바인더 금속이 이송되거나 확산되는 것을 어렵게 만들고 텅스텐 탄화물 또는 티타늄 탄화물의 결정 성장을 막기 때문에, 소결된 복합물의 경도, 인성, 내열성 및 내마모성이 감소하지 않는다. 또한, 바인더 금속에서 상기 성분들의 일부가 탄소와 결합하여 탄화물이 되기 때문에, 복합물의 경도가 증가한다. 본 발명에 있어서, 바인더 금속 내의 니켈 및 크롬은 복합물의 내부식성을 향상시키고, 바인더 금속내의 크롬, 알루미늄 및 실리콘은 내산화성을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 고 엔트로피 합금은 다른 물성들을 나타내며 복합물의 응용 범위를 증가시킨다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 초고경도 복합 물질 및 그 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하지만, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 공정, 구성 성분 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 공정, 구성 성분 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
다음의 설명은 본 발명의 최적의 모드에 대한 것이지만, 이러한 설명은 본 발명의 일반적인 원리를 설명하기 위한 목적이며 이에 의해 제한되지는 것은 아니다. 본 발명의 범주는 특허청구범위에 기재된 바에 따른다.
본 발명에 있어서, 바인더 금속으로 사용되는 다중 성분 합금은 (텅스텐 탄화물, 티타늄 탄화물 등과 같은)세라믹 상(phase)의 분말과 결합하여 초고경도 복합 물질의 물성을 향상시킴으로써, 다른 응용 기구나 장치들의 동작 수명을 연장시킨다. 본 발명의 발명자 가운데 Yeh는 대만등록특허 제193729호에서 고 엔트로피 합금을 개시한 바 있다. 다중 성분 고 엔트로피 합금 분말은 약 5 내지 11의 주요 성분들을 포함하며, 모든 주요 성분들은 상기 다중 성분 고 엔트로피 합금 분말의 약 5 내지 약 35 정도의 몰분율(molar percentage)을 점유한다. 다중 성분 고 엔트로피 합금의 효과 및 개념은 Yeh에 의해 "Advanced Engineering Materials" 2004년 6월호의 299 페이지 내지 303 페이지에 게재되었다. 상기 문헌에서, 고 엔트로피 합금은 적어도 5개 정도의 성분들을 포함하고, 각 성분은 고 엔트로피 합금의 약 5 내지 35 정도의 몰분율을 점유한다. 고 엔트로피 합금은 용융(melting), 주조(casting), 단조(forging) 및 분말 야금 등을 통해 형성될 수 있다. 고 엔트로피 효과, 둔화 효과(sluggish effect), 격자 왜곡 효과(lattice distortion effect) 및 칵테일 효과 등과 같은 특성을 가지는 고 엔트로피 합금은 열저항성 및 경도를 갖기 때문에, 상기 바인더 금속을 사용하는 복합물 또한 고내열성을 가진다. 더욱이, 고 엔트로피 합금의 둔화 효과는 액상에서 소결된 바인더 금속이 이송되거나 확산되는 것을 어렵게 만들고 텅스텐 탄화물(WC) 또는 티타늄 탄화물(TiC)의 결정 성장을 막기 때문에, 소결된 복합물의 경도(hardness), 인성(toughness), 내열성(thermal resistance) 및 내마모성(grinding resistance)이 감소하지 않는다. 또한, 바인더 금속에서 상기 성분들의 일부가 탄소와 결합하여 탄화물이 되기 때문에, 복합물의 경도는 보다 증가한다. 본 발명에 있어서, 바인더 금속 내의 니켈 및 크롬은 복합물의 내부식성을 향상시키며, 바인더 금속 내의 크롬, 알루미늄 및 실리콘은 내산화성을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 고 엔트로피 합금이 상이한 물성들을 가질 수 있으므로 복합물의 응용 범위를 증가시킨다.
본 발명에 있어서, 소결 물성들은 미세한 세라믹 상 분말이 균일하게 분사되는 것과 같은 기계적인 합금 공정을 통해 개선된다. 상기 기계적인 합금 공정에 있어서, 분말들은 냉각 융합되고, 분쇄되며, 충격을 가해 합금을 완성하고 혼합 공정을 결합하거나 고 에너지 볼 그라인딩(ball grinding)에 의해 재냉각 융합된다. 이러한 기계적인 합금으로 인해, 금속 탄화물 세라믹 상 분말들을 포함하는 성분 분말들, 금속 탄화물 세라믹 상 분말들 또는 성분 분말들, 합금 분말들 및 금속 탄화물 세라믹 상 분말들을 포함하는 합금 분말들과 같은 본 발명에 따른 혼합 분말들은 다음과 같은 몇 가지 특성들을 가진다. (1) 합금 성분 분말들 (2) 미세 탄화물 세라믹 상 분말들, 그리고 (3) 상기 탄화물 세라믹 상 분말의 표면을 균일하게 감싸는 바인더 금속 및 미세한 사이즈의 다중 성분 합금 분말들과 같은 성분을 포함한다. 상기 다중 성분 합금 분말은 다중 성분 합금 분말의 5 내지 8 몰분율을 차지하는 탄소, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 알루미늄, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 크롬, 다중 성분 합금 분말의 17 내지 35 몰분율을 차지하는 코발트, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 구리, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 35 몰분율을 차지하는 철, 다중 성분 합금 분말의 17 내지 35 몰분율을 차지하는 니켈, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 바나듐, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 티타늄, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 망간으로 이루어진 그룹에서 선택된 5 내지 7개의 다중 성분 합금 분말이다. 본 발명에 있어서, 세라믹 상 분말 및 다중 성분 합금 분말은 약 5：95 내지 약 40：60 정도의 중량비(weight ratio)를 가진다.
본 발명의 따른 세라믹 상 분말/ 합금 초고경도 복합 물질의 소결 공정은 종래의 텅스텐 탄화물/코발트 고경도 복합 물질의 소결 공정인 디바인딩(debinding), 디개싱(degassing), 소결 또는 액상 소결 및 완성을 위한 냉각 공정과 유사하다. 선택적으로, 복합물은 낮은 온도에서 예비 소결되거나, 절단되거나, 적절한 형상으로 가공되고 완성을 위해 재소결될 수 있다. 소결 밀도를 향상시키기 위해, 소결 공정은 압축 소결 과정 또는 소결 후 고온 등압(hot isostatic) 압축 과정을 더 포함할 수 있다. 디바인딩, 디개싱 및 소결과 같은 단계는 진공 챔버 또는 아르곤, 수소 등의 혼합 가스 하에서 수행될 수 있다. 소결 온도는 바인더 금속 성분에 따라 조절된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 액상 소결은 약 1300℃ 내지 약 1500℃ 정도의 온도에서 우수하다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전술한 공정에 의해 제조된 초고경도 복합 물질은 적어도 하나의 세라믹 상 분말 및 다중 성분 합금 분말을 포함하고, 다중 성분 합금 분말은 다중 성분 합금 분말의 5 내지 8 몰분율을 차지하는 탄소, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 알루미늄, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 크롬, 다중 성분 합금 분말의 17 내지 35 몰분율을 차지하는 코발트, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 구리, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 35 몰분율을 차지하는 철, 다중 성분 합금 분말의 17 내지 35 몰분율을 차지하는 니켈, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 바나듐, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 티타늄, 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 망간으로 이루어진 그룹에서 선택된 5 내지 7개의 다중 성분 합금 분말이다. 설명된 세라믹 상 분말 및 다중 성분 합금 분말은 약 5：95 내지 약 40：60 정도의 중량비를 가진다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 초고경도 복합 물질은 약 800Hv 내지 약 2,400Hv 정도의 경도를 가진다.
실험예1
도 1은 본 발명의 실험예 1에 따른 소결 공정을 나타낸다. 우선, 몇 조각들의 순수한 금속 또는 합금 분말을 볼 그라인딩하여 다중 성분 합금 분말을 형성하였다. 다음에, 다른 비율로 다중 성분 합금 분말 및 텅스텐 탄화물 분말을 혼합하고 볼 그라인딩하여 균일한 혼합 분말을 형성하였다. 이어서, 텅스텐 탄화물/다중 성분 합금 혼합물을 성형하였고, 고온에서 소결하여 초고경도 복합 물질을 형성하였다. 마지막으로, 상기 복합 물질을 시험하고 분석하였다. 실험예 1에 있어서, 합금 분말은 알루미늄, 크롬, 구리, 철, 망간, 티타늄 및 바나듐으로 구성되었다. Taguch의 방법(L827)에 따른 A 계열의 합금들의 성분비를 직교 배열표로 다음 표 1에 배열하였다.
합금 계열
번호		 성 분 Al Cr Cu Fe Mn Ti V
A1 몰비율
(molar ratio)		 1 1 1 1 1 1 1
몰분율
(molar percentage) 		14.28 14.28 14.28 14.29 14.29 14.29 14.29
A2 몰비율 1 1 1 0.2 0.2 0.2 0.2
몰분율 26.32 26.32 26.32 5.26 5.26 5.26 5.26
A3 몰비율 1 0.2 0.2 1 1 0.2 0.2
몰분율 26.32 5.26 5.26 26.32 26.32 5.26 5.26
A4 몰비율 1 0.2 0.2 0.2 0.2 1 1
몰분율 26.32 5.26 5.26 5.26 5.26 26.32 26.32
A5 몰비율 0.2 1 0.2 1 0.2 1 0.2
몰분율 5.26 26.32 5.26 26.32 5.26 26.32 5.26
A6 몰비율 0.2 1 0.2 0.2 1 0.2 1
몰분율 5.26 26.32 5.26 5.26 26.32 5.26 26.32
A7 몰비율 0.2 0.2 1 1 0.2 0.2 1
몰분율 5.26 5.26 26.32 26.32 5.26 5.26 26.32
A8 몰비율 0.2 0.2 1 0.2 1 1 0.2
몰분율 5.26 5.26 26.32 5.26 26.32 26.32 5.26
몰분율의 합은 100이 되어야 하며, 대략적인 수는 소수 둘째 자리까지 나타내었다.
다른 성분 분말들의 비율은 약 18 시간 동안 볼 그라인딩하여 다중 성분 합금 분말을 형성하였다. 도 2는 다중 성분 합금 분말의 X선 회절 그래프이며, 이러한 그래프는 합금 현상의 특정한 정도를 갖는 합금 분말을 나타낸다. 텅스텐 탄화물 분말의 비율은 다음 표 2에 나타낸 바와 같이 다중 성분 합금 분말과 혼합되었다. 혼합물은 볼 그라인딩되었으며, 성형되고 소결되어 표 2에 표시된 복합 물질의 경도를 갖는 초고경도 복합 물질을 형성하였다. 상기 복합 물질의 경도는 요구되는 응용 범위에 따라, 금속 및 텅스텐 탄화물의 비율을 변화시키는 것에 의해 조절될 수 있다.
테스트 샘플 번호 합금 분말 중량비 텅스텐 탄화물 중량비 경도(Hv)
A1W-20 20%A1 80% 1312
A2W-20 20%A2 80% 1405
A3W-20 20%A3 80% 1352
A4W-20 20%A4 80% 1607
A5W-20 20%A5 80% 1423
A6W-20 20%A6 80% 1501
A7W-20 20%A7 80% 1532
A8W-20 20%A8 80% 1468
실험예 2
도 1은 본 발명의 실험예 2에 따른 소결 공정도 나타낸다. 알루미늄, 크롬, 코발트, 구리, 철 및 니켈의 6가지 성분 분말들을 볼 그라인딩하여 다중 성분 합금 분말을 형성하였다. B 계열 합금의 구성 비율은 다음 표 3에 나타낸다. B2 분말의 예에 있어서, 볼 그라인딩 시간과 결정 구조 사이의 관계는 X선 회절로 분석되었으며, 도 3에 그래프로 나타내었다. 도 3을 참조하면, 단일 면심 입방(FCC) 상의 고용체와 같은 완성된 합금은 적어도 약 24 시간 정도의 볼 그라인딩 과정에 의해 달성되었다.
합금 계열 번호 성분 Al Cr Co Cu Fe Ni
B1 몰비율 0.3 1 1 1 1 1
몰분율 5.70 18.86 18.86 18.86 18.86 18.86
B2 몰비율 0.5 1 1 1 1 1
몰분율 9.1 18.18 18.18 18.18 18.18 18.18
B3 몰비율 0.8 1 1 1 1 1
몰분율 13.80 17.24 17.24 17.24 17.24 17.24
다음 표 4는 B 계열 합금들과 텅스텐 탄화물 분말의 다른 비율로 구성된 혼합물을 나타낸다. 도 4는 표 4에 나타낸 혼합물의 X선 회절 결과이다. 도 4는 텅스텐 탄화물 혼합 상 및 단일 면심 입방(FCC) 혼합 상을 갖는 혼합물을 나타낸다. 상기 혼합 상은 또한 다른 혼합물에서도 발생된다.
테스트 샘플 번호 합금 분말 중량비 텅스텐 탄화물 분말비
B1W-20 20%B1 80%
B2W-20 20%B2 80%
B3W-20 20%B3 80%
성형 이후에, 혼합물의 소결 조건들을 다음 표 5에 나타내었다.
가열 범위(℃) 가열 속도(℃/min) 소결 시간(min) 소결 분위기
상온 ~ 300 3 30 아르곤 + 10wt% 수소
300 ~ 500 3 60 아르곤 + 10wt% 수소
500 ~ 1250 6 30 진공
1250 ~ 1385 3 60 진공
1385 ~ 상온 냉각 - 진공
혼합물을 성형하고 소결한 다음, 테스트 샘플을 수득하였다. 상온에서 B2 분말 및 텅스텐 탄화물의 다른 비율로 구성된 테스트 샘플의 밀도, 경도 및 내마모성을 다음 표 6에 나타낸다. 표 6은 적은 텅스텐 탄화물을 갖는 테스트 샘플이 상온에서 낮은 경도 및 내마모성을 가짐을 보여준다. 도 5는 다른 테스트 샘플들의 온도에 대한 경도의 그래프를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 텅스텐 탄화물의 비율이 낮을수록 경도도 낮아짐을 보여준다. 동일 현상이 다른 텅스텐 탄화물 분말 비율로 소결되고 혼합된 다른 B 계열에서도 보여졌다. 이에 따라, 본 발명의 다중 성분 합금의 비율은 다른 응용을 위해 복합 경도를 변화시키도록 조절될 수 있다. 또한, B 계열의 다중 성분 합금의 니켈 및 크롬의 비율이 높기 때문에, 복합물은 고 내부식성을 가진다. 나아가, B 계열의 다중 성분 합금의 알루미늄 때문에, 고밀도의 알루미늄 산화물 필름이 복합물의 표면에 형성되고 복합물의 열저항성이 향상된다. 그러므로 실험예 2에 따른 초고경도 복합물은 고온 조건 및 부식 조건에서의 사용에 적합하다.
테스트 샘플 번호 B2 합금 분말비(wt%) 텅스텐 탄화물
분말비(Wt%)		 밀도(g/㎤) 경도(Hv) 내마모성
(m/㎣)
B2W-10 10 90 12.71 1512 38
B2W-15 15 85 12.28 1455 24
B2W-20 20 80 11.92 1413 10
B2W-25 25 75 11.55 1389 7
B2W-30 30 70 11.27 1225 5
B2W-35 35 65 10.79 1023 4
실험예 3
도 1은 본 발명의 실험예 3에 따른 소결 공정도 나타낸다. 탄소, 크롬, 니켈, 티타늄 및 바나듐과 같은 성분 분말들을 볼 그라인딩하여 다중 성분 합금 분말을 형성하였다. C1 합금의 성분비는 다음 표 7에 나타낸다. 도 6은 볼 그라인딩 이후에 단일 체심 입방(BCC)상 고용체(solid solution)로서 완성된 합금 분말로서의 C1 합금의 X선 회절 그래프를 나타낸다.
합금 번호 성분 C Cr Ni Ti V
C1 몰비율 0.3 1 2 1 1
몰분율 5.70 18.86 3.72 18.86 18.86
다른 온도에서 소결된 텅스텐 탄화물 분말 및 C1 합금 분말의 다른 비율로 구성된 테스트 샘플의 상온에서의 소결 밀도 및 경도를 다음 표 8에 나타낸다. 예를 들면, 20% 정도의 C1 합금 및 80% 정도의 텅스텐 탄화물 분말의 테스트 샘플에 있어서, 테스트 샘플의 경도는 약 1,825Hv 정도에 달하였다. 예를 들면, 15% 정도의 C1 합금 및 85% 정도의 텅스텐 탄화물 분말의 테스트 샘플에 있어서, 테스트 샘플의 경도는 약 1,825Hv 정도에 도달하였다. 이러한 경도의 차이는 다른 요구에 대한 다른 성분비에 의해 조절될 수 있다.
테스트 샘플 번호 C1 합금 분말
비율 (%)		 텅스텐 탄화물
분말 비율 (%)		 소결 온도
(℃)		 밀도(g/㎤) 경도(Hv)
C1W-151 15 85 1375 12.00 1633
C1W-152 15 85 1425 11.56 1972
C1W-153 15 85 1450 12.13 1732
C1W-201 20 80 1280 12.19 1366
C1W-202 20 80 1320 12.45 1825
C1W-203 20 80 1385 12.18 1302
실험예 4
도 1은 본 발명의 실험예 4에 따른 소결 공정도 나타낸다. 탄소, 크롬, 철, 티타늄 및 바나듐과 같은 성분 분말들을 볼 그라인딩하여 다중 성분 분말을 형성하였다. D1 합금의 성분비를 다음 표 9에 나타낸다. 도 7은 볼 그라인딩 이후의 단일 체심 입방(BCC) 상 고용체(solid solution)로 완성된 합금 분말로서의 D1 합금의 X선 회절 그래프를 나타낸다.
합금 계열 번호 성분 C Cr Fe Ti V
D1 몰비율 0.3 1 2 1 1
몰분율 5.70 18.86 37.72 18.86 18.86
다른 온도에서 소결된 텅스텐 탄화물 분말 및 D1 합금 분말의 다른 비율로 구성된 테스트 샘플의 상온에서의 소결 밀도 및 경도를 다음 표 10에 나타낸다. 경도의 차이는 다른 요구에 대한 다른 성분비에 의해 조절될 수 있다.
테스트 샘플
번호		 D1 합금 분말
비율 (%)		 텅스텐 탄화물
분말 비율 (%)		 소결 온도
(℃)		 밀도(g/㎤) 경도(Hv)
D1W-151 15 85 1375 11.64 2224
D1W-152 15 85 1425 11.65 2278
D1W-153 15 85 1450 11.58 2278
D1W-201 20 80 1385 11.93 1971
D1W-202 20 80 1450 11.76 2033
실험예 5
도 1은 본 발명의 실험예 5에 따른 소결 공정도 나타낸다. 탄소, 크롬, 코발트, 티타늄 및 바나듐과 같은 성분 분말들을 볼 그라인딩하여 다중 성분 합금 분말을 형성하였다. E1 합금의 성분비를 다음 표 11에 나타낸다. 도 8은 볼 그라인딩 이후에 단일 체심 입방(BCC) 상 고용체로 완성된 합금 분말로서의 E1 합금의 X선 회절 그래프를 나타낸다.
합금 계열 번호 성분 C Cr Co Ti V
E1 몰비율 0.3 1 2 1 1
몰분율 5.70 18.86 37.72 18.86 18.86
다른 온도에서 소결된 15%의 E1 합금 분말 및 85%의 텅스텐 탄화물 분말로 구성된 테스트 샘플의 상온에서의 소결 밀도 및 경도를 다음 표 12에 나타낸다. 경도의 차이는 다른 요구들에 대한 다른 성분비에 의해 조절될 수 있다.
테스트 샘플 번호 E1 합금 분말 비율 (%) 텅스텐 탄화물
분말 비율 (%)		 소결 온도
(℃)		 밀도(g/㎤) 경도(Hv)
E1W-151 15 85 1425 11.95 2213
E1W-152 15 85 1450 12.38 2318
실험예 6
도 1은 본 발명의 실험예 6에 따른 소결 공정도 나타낸다. 탄소, 크롬, 철, 니켈, 티타늄 및 바나듐과 같은 성분 분말들을 볼 그라인딩하여 다중 성분 합금 분말을 형성하였다. F1 합금의 성분비를 다음 표 13에 나타낸다. 도 9는 볼 그라인딩 이후에 단일 체심 입방(BCC) 상 고용체로 완성된 합금 분말로서의 F1 합금의 X선 회절 그래프를 나타낸다.
합금 계열 번호 성분 C Cr Fe Ni Ti V
F1 몰비율 0.3 1 1 1 1 1
몰분율 5.70 18.86 18.86 18.86 18.86 18.86
다른 온도에서 소결된 15% 정도의 F1 합금 분말 및 85% 정도의 텅스텐 탄화물 분말로 구성된 테스트 샘플의 상온에서의 소결 밀도 및 경도를 다음 표 14에 나타낸다. 경도의 차이는 다른 요구들에 대한 다른 성분비에 의해 조절될 수 있다.
테스트 샘플 번호 D1 합금 분말 비율 (%) 텅스텐 탄화물
분말 비율 (%)		 소결 온도
(℃)		 밀도(g/㎤) 경도(Hv)
F1W-151 15 85 1375 11.85 1907
F1W-152 15 85 1425 12.15 2050
F1W-153 15 85 1450 11.95 1791
실험예 7
도 1은 본 발명의 실험예 7에 따른 소결 공정도 나타낸다. 실험예 7에 있어서, 바인더 금속은 실험예 2에 따른 B2 고 에너지 합금 분말이었으며, 세라믹 상 분말은 티타늄 탄화물 분말이었다. 1,350℃ 정도의 온도에서 소결된 다른 비율의 B2 합금 분말 및 티타늄 탄화물로 구성된 테스트 샘플의 상온에서의 경도를 다음 표 15에 나타낸다. 경도의 차이는 다른 요구들에 대한 다른 성분비에 의해 조절될 수 있다.
테스트 샘플 번호 합금 분말 중량비 티타늄 탄화물 분말
중량비		 경도(Hv)
B2T-10 10%B2 90% 1176
B2T-15 15%B2 85% 1705
B2T-20 20%B2 80% 1937
B2T-25 25%B2 75% 1774
B2T-40 40%B2 60% 1678
B2T-60 60%B2 40% 1266
실험예 8
도 1은 본 발명의 실험예 8에 따른 소결 공정도 나타낸다. 코발트, 크롬, 철, 니켈 및 티타늄과 같은 성분 분말들을 볼 그라인딩하여 다중 성분 합금 분말을 형성하였다. G1 합금의 성분비를 다음 표 16에 나타낸다.
합금 계열 번호 성분 Co Cr Fe Ni Ti
G1 몰비율 1.5 1 1 1.5 0.5
몰분율 27.27 18.18 18.18 27.27 9.10
1,380℃ 정도의 온도에서 소결된 다른 비율의 G1 합금 분말 및 티타늄 탄화물로 구성된 테스트 샘플의 상온에서의 경도를 다음 표 17에 나타낸다. 경도의 차이는 다른 요구들에 대한 다른 성분비에 의해 조절될 수 있다. 또한, G1 합금의 크롬 및 니켈의 고비율 때문에, 테스트 샘플은 높은 내부식성 및 높은 온도에서의 비산화성을 가지며, 이러한 테스트 샘플은 고온 및 부식 조건에서의 사용에 적합하다.
테스트 샘플 번호 합금 분말 중량비 티타늄 탄화물 분말
중량비		 경도(Hv)
G1T-10 10%G2 90% 1884
G1T-15 15%G2 85% 1754
G1T-20 20%G2 80% 1876
G1T-30 30%G2 70% 1525
G1T-40 40%G2 60% 1223
G1T-60 60%G2 40% 809
실험예 9
테스트 샘플, C1W 및 D1W 그리고 상업적으로 이용 가능한 텅스텐 탄화물, F10 및 LC106의 경도(Hv) 및 파괴 인성(KIC)을 측정하여 다음 표 18에 비교하였다. 테스트 샘플은 상업적으로 이용 가능한 텅스텐 탄화물보다 뛰어난 경도 및 파괴 인성을 가진다. 종래의 텅스텐 탄화물 초 복합물과 비교하여 본 발명의 텅스텐 탄화물/다중 성분 합금 초고경도 복합 물질은 고경도 및 고파괴 인성을 가진다.
평균 경도(Hv) 평균 KIC
상업적 이용 가능한
텅스텐 탄화물		 F10 1859 13.77
LC106 1768 13.73
텅스텐 탄화물 및 합금 복합 물질 C1W 1931 14.29
D1W 2162 14.08
이에 따라, 다중 성분 합금은 탄화물 세라믹 상 분말과 혼합되어 바인더 메탈로 사용되고 기계적 합금 및 액상 소결에 의해 처리되어 본 발명의 초고경도 복합 물질을 형성한다. 적당한 성분, 세라믹 상 분말 및 공정 조건을 선택하는 것에 의해, 초고경도 복합 물질은 고온 또는 상온에서 경화하는 동안 다른 경도, 내마모성, 내부식성, 내산화성 및 인성으로 주어지므로 초고경도 복합 물질의 응용 분야는 넓어진다.
전술한 바에 따르면 본 발명의 실시예들 및 실험예들을 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예들에 의해 제한되는 것이 아님을 이해할 수 있을 것이며, 다양한 변형들 및 유사한 배합들(해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한)도 보호하도록 의도된 것이다. 따라서, 하기 특허청구범위의 청구항들의 범위는 모든 변형들 및 유사 배합들을 보호하도록 최대한 넓게 해석되어야만 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 공정 순서도이다.
도 2는 다중 성분 합금 분말 A1 내지 A8의 X선 회절 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 볼 그라인딩 후의 다중 성분 합금 분말 B1의 X선 회절 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 볼 그라인딩 후의 텅스텐 탄화물 분말 및 B 계열 합금이 다른 비율로 구성된 혼합물의 X선 회절 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 각각 다른 테스트 샘플들의 온도에 따른 경도를 보여주는 그래프이다.
도 6은 다중 성분 합금 분말 C1의 X선 회절 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 다중 성분 합금 분말 D1의 X선 회절 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 다중 성분 합금 분말 E1의 X선 회절 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 다중 성분 합금 분말 F1의 X선 회절 결과를 나타낸 그래프이다.

Claims (14)

  1. 적어도 하나의 세라믹 상(ceramic phase) 분말 및 다중 성분 합금 분말을 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 혼합물을 성형하는 단계; 및
    상기 혼합물을 소결하여 초고경도 복합 물질을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 다중 성분 합금 분말은
    상기 다중 성분 합금 분말의 5 내지 8 몰분율을 차지하는 탄소,
    상기 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 알루미늄,
    상기 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 크롬,
    상기 다중 성분 합금 분말의 17 내지 35 몰분율을 차지하는 코발트,
    상기 다중 성분 합금 분말의 5 내지 35 몰분율을 차지하는 철,
    상기 다중 성분 합금 분말의 17 내지 35 몰분율을 차지하는 니켈,
    상기 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 바나듐,
    상기 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 티타늄,
    상기 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 망간으로 이루어진 그룹에서 선택된 4 내지 6개의 성분과, 상기 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 구리를 포함하는 상기 다중 성분 합금 분말인 것을 특징으로 하는 초고경도 복합 물질의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합물을 형성하는 단계는 기계적 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고경도 복합 물질의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합물을 소결하는 단계는 진공 챔버 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 초고경도 복합 물질의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합물을 소결하는 단계는 아르곤 및 수소의 혼합 기체 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 초고경도 복합 물질의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹 상 분말은 금속 탄화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고경도 복합 물질의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 금속 탄화물은 텅스텐 탄화물 또는 티타늄 탄화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고경도 복합 물질의 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 다중 성분 합금 분말 및 상기 세라믹 상 분말은 5：95 내지 40：60의 중량비를 가지는 것을 특징으로 하는 초고경도 복합 물질의 제조 방법.
  9. (a) 적어도 하나의 세라믹 상 분말; 및
    (b) 다중 성분 합금 분말을 포함하며,
    상기 다중 성분 합금 분말은
    상기 다중 성분 합금 분말의 5 내지 8 몰분율을 차지하는 탄소,
    상기 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 알루미늄,
    상기 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 크롬,
    상기 다중 성분 합금 분말의 17 내지 35 몰분율을 차지하는 코발트,
    상기 다중 성분 합금 분말의 5 내지 35 몰분율을 차지하는 철,
    상기 다중 성분 합금 분말의 17 내지 35 몰분율을 차지하는 니켈,
    상기 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 바나듐,
    상기 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 티타늄,
    상기 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 망간으로 이루어진 그룹에서 선택된 4 내지 6개의 성분과, 상기 다중 성분 합금 분말의 5 내지 27 몰분율을 차지하는 구리를 포함하는 상기 다중 성분 합금 분말인 것을 특징으로 하는 초고경도 복합 물질.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 세라믹 상 분말은 금속 탄화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고경도 복합 물질.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 금속 탄화물은 텅스텐 탄화물 또는 티타늄 탄화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고경도 복합 물질.
  12. 삭제
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 다중 성분 합금 분말 및 상기 세라믹 상 분말은 5：95 내지 40：60의 중량비를 가지는 것을 특징으로 하는 초고경도 복합 물질.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 초고경도 복합 물질은 800Hv 내지 2400Hv의 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 초고경도 복합 물질.
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