KR101233474B1

KR101233474B1 - 초경합금

Info

Publication number: KR101233474B1
Application number: KR1020067021577A
Authority: KR
Inventors: 가즈히로 히로세; 에이지 야마모토
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤; 스미토모 덴키 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2004-10-19
Filing date: 2005-10-05
Publication date: 2013-02-14
Anticipated expiration: 2025-10-05
Also published as: TW200626731A; CN1950529A; EP1803830A4; WO2006043421A1; EP1803830A1; TWI479027B; EP1803830B1; IL178268A0; CN100460546C; US20080276544A1; JP3762777B1; JP2006117974A; IL178268A; KR20070060047A

Abstract

합금 중의 WC 를 균일하게 미세화시킴과 함께, 조대한 WC 로 성장하는 것을 효과적으로 억제하여, 강도와 인성의 쌍방이 우수한 초경합금을 제공한다. 평균 입경 0.3㎛ 이하의 WC 를 경질상으로 하고, 질량% 로 5.5%∼15% 의 적어도 1 종의 철족 금속 원소를 결합상으로 하는 초경합금이다. 이 초경합금은 상기 경질상, 결합상에 추가하여, Ti 를 질량% 로 0.005%∼0.06% 함유하고, Cr 을 결합상에 대한 중량비로 0.04 이상 0.2 이하 함유하며, 잔부가 불가피한 불순물로 이루어진다. 특히, 이 초경합금은 Ta 를 함유하지 않는다.

Description

초경합금{CEMENTED CARBIDES}

본 발명은 초경합금 및 이 초경합금을 이용한 가공 공구에 관한 것이다. 특히, 절삭 공구나 내마모 부재에 이용했을 때, 우수한 강도를 발휘할 수 있는 초경합금에 관한 것이다.

종래, 평균 입경이 1㎛ 이하의 WC 를 경질상으로 하는 초경합금, 이른바 미립 초경합금은, 강도나 내마모성이 우수한 재료로 알려져 있다 (예를 들어, 특허 문헌 1 참조). 초경합금에 있어서 WC 를 미립으로 하기 위해서는, 재료가 되는 WC 원료 분말로 미립인 것을 이용하는 것이 일반적이다. 그러나, 미립의 WC 원료 분말을 이용하여 제작한 초경합금이어도, 이 초경합금으로 이루어지는 공구의 사용에 따라서는 돌발적인 파손이나 결손이 발생되는 경우가 있다. 이 원인으로, 경질상이 되는 WC 의 입도를 극도로 미소하게 하여 경도를 향상시킴으로써, 트레이드 오프의 관계에 있는 파괴 인성이 저하되는 것이 알려져 있다. 또한, 다른 원인으로서, 현미경 단면 조직 관찰에서 볼 수 있는 2㎛ 이상으로 입성장한 조대한 WC 의 존재를 들 수 있다. 이 조대한 WC 는 파괴의 기점이 되기 쉽고, 합금 특성, 공구로 한 경우, 절삭 특성이나 내마모성을 현저하게 저하시킨다. 초경합금은 통상, 액상 소결이기 때문에, 소결 중에 결합상이 액상 상태가 되고, 이 액상 중에 고용 확산된 경질상이 냉각 공정으로 조대한 WC 로 재석출되는, 이른바 오스트발트 성장에 의한 입성장을 일으키는 경우가 있다. 이 입성장은 1㎛ 미만이라는 초미립의 원료 분말을 이용한 경우에 특히 억제하기 어렵고, 미세 조직의 불균일성으로 이어진다. 그래서, 입성장 억제의 효과가 큰 V,Cr,Ta 라는 입성장 억제제를 합금 조성에 첨가하여, WC 의 입성장을 억제하는 것이 검토되고 있다 (특허 문헌 2 참조).

특허 문헌 1:일본 공개특허공보 소61-195951호

특허 문헌 2:일본 공개특허공보 2001-115229호

발명이 해결하고자 하는 과제

V,Cr,Ta 의 첨가에 의해 WC 의 입성장을 억제하여 평균 입경을 미세화할 수 있다. 그러나, 이들 입성장 억제제의 첨가만으로는, 조대하게 입성장하는 것을 완전하게 억제하기 어려워, 균일한 미세화에 추가하여, 파괴나 결손의 기점이 되기 쉬운 조대 입자의 저감이 요구되고 있다.

한편, 초경합금 중의 WC 는 미세할수록, 경도 및 강도가 향상되는 경향이 있다. 그래서, 경도 및 강도의 향상을 도모하기 위해, 초경합금 중의 WC 를 더욱 미세하게 하는, 구체적으로는 평균 입경 0.3㎛ 이하로 하기 위해, 더욱 미세한 WC 원료 분말을 이용하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 이러한 초미세한 원료 분말을 이용한 경우, 상기 입성장이 일어나기 쉽고, 결함이 되는 조대 입자가 발생되기 쉽다.

그래서, 본 발명의 주목적은, WC 가 균일하게 미세함과 함께 조대한 WC 수가 적고, 강도와 인성의 쌍방이 우수한 초경합금을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 이 초경합금을 이용한 가공 공구를 제공하는 것이다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명자들은, 상기 목적을 달성하기 위해 재료 분말로 더욱 미세한 것을 이용하여, 합금 조직의 미세화를 도모하는 것을 검토하였다. 경질상이 미립인 초경합금에서는, 일반적으로, WC 의 입경이 작을수록 강도 (예를 들어, 항절력) 가 향상된다고 생각되고 있다. 그러나, 미세한 재료 분말을 이용하여 1㎛ 이하라는 초미립의 WC 를 얻으려고 하면, 역으로 WC 가 입성장되어 강도의 저하를 초래한다. 그래서, WC 의 입성장을 억제하기 위해 다양한 입성장 억제제, 및 그 조합과 결합상량의 관계에 대해 검토를 반복한 결과, 종래, WC 의 입성장 억제제로 이용되어 온 원소 (구체적으로는 Ta) 이어도, 이 원소를 함유하는 상이 입성장하는 경우가 있고, 이것이 결함이 되는 것을 발견하였다. 또한, 종래, 입성장 억제제로 거의 이용되고 있지 않던 원소 (구체적으로는 Ti) 이어도, 특정량 첨가함으로써 WC 의 성장을 억제하는 것에 매우 효과가 있는 것을 발견하였다. 또한, 이 원소와 결합상의 원소 사이에는 상관 관계가 있고, WC 의 성장 억제에는 이 원소가 특정량 함유됨과 함께, 결합상의 원소도 특정량 함유될 필요가 있는 것을 발견하였다. 또한, 종래, 입성장 억제제로 이용되어 온 원소 (구체적으로는 Cr) 의 함유량은, 결합상량과 특정한 관계가 되도록 제어하는 것이 바람직하다는 지견도 얻었다. 이들의 지견에 기초하여, 본 발명은 경질상인 WC 의 평균 입경을 규정한다. 또한, 경질상이 되는 WC 의 미세화를 촉진하는 원소로서, Cr 및 Ti 를 함유하는 것을 규정함과 함께, Ti 의 함유량, Cr 과 결합상량의 관계, 및 결합상의 함유량을 규정한다.

즉, 본 발명 초경합금은, 평균 입경 0.3㎛ 이하의 WC 를 경질상으로 하고, 질량% 로 5.5%∼15% 의 적어도 1 종의 철족 금속 원소를 결합상으로 하고, Ti 를 질량% 로 0.005%∼0.06% 함유하고, Cr 을 결합상에 대한 중량비로 0.04 이상 0.2 이하 함유하고, 잔부가 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 특히, Ta 의 함유량을 질량% 로 0.005% 미만으로 한다. 이하, 본 발명을 더욱 자세하게 설명한다.

본 발명 초경합금은 WC 를 경질상으로 하고, Co,Ni,Fe 등이라는 철족 금속 원소를 결합상으로 하는 소결체이다. 특히, 소결체에 있어서의 경질상 (WC) 의 평균 입경을 0.3㎛ 이하로 한다. WC 의 평균 입경이 0.3㎛ 초과이면, 경도 (내마모성) 의 저하와 강도 (항절력) 의 저하를 일으키기 때문이다. 더욱 바람직한 평균 입경은 0.1㎛ 이하이다. WC 의 평균 입경은 작을수록 경도, 강도를 높일 수 있기 때문에 특별히 하한을 설정하지 않지만, 실질적인 제조 공정으로부터 생각하면 한도가 있다. WC 의 평균 입경은, 현미경에 의한 관찰 (예를 들어, SEM (주사 전자 현미경) 으로 8000∼10000 배) 로 실시하고, 풀맨 (Fullman) 의 식 (dm=4N_L/πN_S dm:평균 입도, N_L:현미경면 상의 임의의 직선에 있어서 단위 길이당 존재하는 경질상 (WC) 의 수, N_S:현미경면 상의 임의의 단위 면적당 존재하는 경질상 (WC) 의 수) 을 이용하여 산출한다. 측정 길이는 임의이며, 최종적으로 단위 길이 (1㎛) 당 입경을 산출한다. 또한, 초경합금의 표면을 SEM 으로 고배율 (예를 들어, 8000∼10000 배) 로 관찰하고, 그 관찰 화상을 컴퓨터에 입력하고, 화상 해석 장치로 해석하여, 일정한 면적 (예를 들어, 20∼30mm²) 의 범위에 존재하는 WC 의 입경 (㎛) 을 측정하고, 이들의 평균치를 풀맨의 식에 의해 적절하게 수정해도 된다. 본 발명품은 소결체 중의 경질상의 입경이 극미소하기 때문에, 단위 면적이 1㎛² 이라는 미소 범위이어도, 입경 측정이 충분히 가능하다고 판단할 수 있다. 종래의 조직 제어법에서는, 소결체 중의 WC 의 평균 입경을 0.3㎛ 이하의 초미세로 하는 것이 어렵다고 되어 있었다. 그러나, 본 발명에서는, 후술하는 바와 같이 Ti 의 극미량 첨가 및 Cr 의 첨가 제어에 추가하여, Ta 를 함유하지 않음으로써, 평균 입경 0.3㎛ 이하를 실현한다. 또한, 원료가 되는 WC 분말도 입성장에 의한 조대화를 저감시키기 위해서, 평균 입경이 보다 작은 것을 이용하는 것이 바람직하다.

본 발명 초경합금은, 결합상으로서 철족 금속으로부터 선택되는 적어도 1 종의 원소를 함유한다. 특히 Co 가 바람직하며, 결합상을 Co 만으로 해도 되지만, 그 일부를 Ni 로 치환해도 된다. 결합상의 함유량 (결합상을 구성하는 원소를 복수의 원소로 하는 경우에는 합계 함유량) 은, 5.5 질량% 이상 15 질량% 이하로 한다. 5.5 질량% 미만이면, 후술하는 Ti 나 Cr 이 적절하게 함유되어 있어도, 저항력이 낮아지기 때문이다. 15 질량% 초과이면, 결합상이 지나치게 많아짐으로써 결합상 중에 W (텅스텐) 가 많이 고용되어, 재석출 현상을 일으킨다고 생각할 수 있다. 이 때문에, 조대한 경질상 (WC) 의 발생 빈도를 저하시키기 어려워, 조대한 경질상의 존재 저감의 효과가 작아진다. 보다 바람직한 결합상의 함유량은, 7.0 질량% 이상 12.0 질량% 이하이다.

본 발명 초경합금에서는, 합금 조직 중에 있어서의 WC 의 입성장의 억제를 도모하기 위해 입성장 억제제로 Cr 을 함유한다. 특히, Cr 의 함유량은, 상기 결합상인 철족 금속 원소의 중량 (질량%) 에 대해서 특정한 비율로 한다. 구체적으로는, 결합상에 대해서 Cr 의 중량비를 0.04 이상 0.2 이하로 한다. 중량비로 0.04 이상으로 하면, 후술하는 극소량의 Ti 와의 공존에 의한 상승 효과에 의해 입성장 억제 효과가 커져서 바람직하다. 그러나, 중량비로 0.2 보다 크면 Cr 이 지나치게 많음으로써 취성상(脆性相) (예를 들어, Cr 의 탄화물 등) 이 합금 조직 중에 석출되고, 이 석출물을 기점으로 하여 강도 저하를 일으키기 쉽다. 보다 바람직한 Cr 의 중량비는, 0.08 이상 0.14 이하이다.

상기 Cr 에 추가하여, 본 발명에서는 Ti 를 극미량, 구체적으로는, 0.005 질량% 이상 0.06 질량% 이하 함유한다. Ti 는, 입성장 억제 효과가 적다고 여겨져, 종래 기술에 있어서 조직 제어를 위해 적극적으로 Ti 를 첨가하는 일은 거의 없었다. 그러나, 본 발명자들이 검토한 바, WC 를 0.3㎛ 이하라는 초미립으로 제어하는 경우에 있어서, 극미량의 Ti 가 WC 의 입성장의 억제에 상당히 공헌하는 것을 발견하였다. 이때, 본 발명자들은, 단지 Ti 를 극미량으로 할 뿐만 아니라, 상기와 같이 결합상이 되는 철족 금속 원소의 함유량을 아울러 제어하는, 구체적으로는, 결합상을 5.5 질량% 이상 함유시킨 경우에 입성장 억제 효과에 의한 항절 강도의 향상을 기대할 수 있는 것을 발견하였다. 초경합금 조성으로서 Ti 를 미량 첨가하면, 결합상이 되는 원소와 WC 의 젖음성을 약간 악화시키는 효과가 있다. 그 때문에, 액상 출현시에 결합상 중에 WC 가 확산 고용되는 것을 억제하며, WC 의 오스트발트 성장을 억제한다고 생각할 수 있다. 그래서, 본 발명에서는, Ti 의 함유량과 함께, 결합상의 함유량을 특정한다. Ti 의 함유량이 0.005 질량% 미만이면, 불순물 레벨의 함유율이 되어, 입성장 억제 효과가 작다. 0.06 질량% 초과이면, 강도의 저하를 일으킨다. 특히 바람직한 Ti 의 함유량은, 0.01 질량% 이상 0.04 질량% 이하이다. 본 발명에서는, 이와 같이 Cr 에 추가하여 Ti 를 미량 첨가함으로써, WC 를 균일하게 미세화시킴과 함께, 2㎛ 를 초과하는 조대한 입자의 생성을 최대한 억제하고, 우수한 항절력을 가질 수 있다. 또한, 각 성분의 함유량은, 예를 들어, ICP (유도 결합 플라즈마 발광 분석) 로 분석함으로써 구할 수 있다.

그리고, 본 발명 초경합금에서는, Ta 의 함유량을 0.005 질량% 미만으로 한다. 본 발명에서는, Ta 를 유의적으로 함유시키지 않는다. 따라서, 본 발명에서는 Ta 를 함유하지 않는, 즉, Ta 의 함유량이 0 인 것이 가장 바람직하고, 불가피하게 혼입되는 경우를 고려하면, 0.003 질량% 이하가 바람직하고, 0.005 질량% 를 상한으로 한다. 종래, Ta 는 입성장 억제제로 알려져 있고, 적극적으로 첨가하는 것이 실시되고 있지만, 본 발명자들이 검토한 결과, 특히, WC 를 0.3㎛ 이하라는 초미립으로 제어하기 위해서는, Ta 의 첨가가 바람직하지 않다는 지견을 얻었다. 구체적으로는, 액상 소결 중에 Ta 를 함유하는 복탄화물상 ((W,Ta)C) 이나 Ta 의 탄화물이 생성되어, 경질상이 크게 성장하는 경우가 있는 것을 알았다. 그리고, 이들 Ta 를 함유하는 석출물은 Ti, Cr 이라는 원소를 첨가하고 있어도, 입성장을 억제하여 미세화시키기 어렵다는 것을 알았다. 그래서, 본 발명에서는, Ta 를 함유하지 않는 것으로 한다.

또한, V (바나듐) 를 특정량 첨가함으로써, 입성장을 더욱 효과적으로 억제하여 미세화를 안정시킬 수 있어 바람직하다. 구체적으로는, 결합상인 철족 금속 원소의 중량 (질량%) 에 대한 V 의 중량 (질량%) 의 비 (중량비) 가 0.01 이상 0.1 이하가 되도록 V 를 함유시킨다. 중량비가 0.01 보다 작으면, 미립 조직의 안정성이 불충분해지고, V 를 첨가한 것에 따른 효과를 충분히 얻을 수 없다. 중량비가 0.1 보다 크면, 경질상과 결합상의 젖음성의 열화를 일으키고, 파괴 인성이 저하되는 경향이 있다. 특히 바람직한 중량비는, 0.01 이상 0.06 이하이다.

상기 WC 가 0.3㎛ 이하라는 초미립인 본 발명 초경합금을 제조하기 위해서는, 예를 들어, 재료 분말의 준비→재료 분말의 혼합 분쇄→프레스 성형→소결→열간 정수압 프레스 (HIP) 를 실시하는 것을 들 수 있다. 재료 분말에 있어서 WC 분말은 초미립인 것, 구체적으로는 0.5㎛ 이하, 0.2㎛ 이하인 것을 이용하는 것이 특히 바람직하다. 이러한 초미립의 WC 분말은, 산화 텅스텐을 직접 탄화하는 직접 탄화법에 의해, WC 를 미세하고 또한 균일한 입자로 조정함으로써 얻을 수 있다. 또한, 재료 분말을 혼합 분쇄함으로써 WC 입자를 더욱 작게 할 수 있다. WC 분말 외에, 결합상이 되는 철족 금속 분말, 입성장 억제를 목적으로 한 Cr, Ti, 적절하게 V 를 함유한 분말을 준비한다. Cr, Ti, V 는 금속 단체, 화합물, 복합 화합물, 고용체의 어느 형태로 첨가해도 된다. 화합물 또는 복합 화합물은, 예를 들어, 탄소, 질소, 산소, 붕소로부터 선택되는 1 종 이상과 상기 원소 Cr, Ti, V 가 화합된 것을 들 수 있다. 시판되는 분말을 이용해도 된다. 이들의 분말이 미리 혼합된 것을 이용하여 더욱 혼합 분쇄해도 되고, 각각의 분말을 별개로 준비하여 혼합 분쇄시에 혼합시켜도 된다. 여기에서, Ti 의 함유량의 조정은, 계측에 의해 실시해도 되지만, 예를 들어, 볼밀로 혼합하는 경우, Ti 피막을 형성한 볼을 사용하여, 혼합 시간을 조정함으로써 실시해도 된다. 상기 혼합 분쇄한 재료는 소정의 압력, 예를 들어, 500∼2000kg/cm² 으로 프레스 성형하고, 진공 중에서 소결한다. 소결 온도로는, WC 의 입성장을 억제하기 위해, 저온으로 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 1300∼1350℃ 가 바람직하다. 그리고, 본 발명에서는 경도, 항절력, 인성이라는 특성을 더욱 향상시키기 위해, 소결 후 HIP 를 실시한다. 구체적인 HIP 조건은 온도를 소결 온도와 동일 정도 (1300∼1350℃) 로 하고, 압력을 10∼100MPa, 특히 약 100MPa (1000 기압) 정도로 하는 것이 바람직하다. 이러한 HIP 처리를 실시함으로써, 저온 소결이어도 상기 특성이 더욱 우수한 초경합금으로 할 수 있다.

상기 본 발명 초경합금은, 절삭 공구나 내마모 공구라는 가공 공구의 모재 재료에 이용하는 것이 바람직하다. 절삭 공구로는, 예를 들어, 드릴, 엔드밀, 라우터, 리머 등의 회전 공구, 마이크로드릴 등의 프린트 기판 가공용 회전 공구, 알루미늄이나 주철강 등의 선삭 가공, 특히 마무리 가공을 실시하는 슬로 어웨이 칩 등의 선삭 가공용 공구를 들 수 있다. 또한, 예리한 칼날이 요구되는 전기·전자기기 등의 고정밀도 가공 용도에서도 효과가 발휘된다. 내마모 공구로는, 예를 들어, 로터리나이프 등의 절단용 공구, 펀칭 금형 등의 펀칭용 공구를 들 수 있다. 본 발명 초경합금을 모재 전체에 이용한 가공 공구는, 모재의 부분적으로가 아닌 전체에 있어서 조대한 WC 가 저감됨으로써 파괴의 기점이 적고, 내절손성, 내결손성의 향상이 기대됨과 함께, 모재 전체에 걸친 WC 의 균일한 미세화에 따라, 강도의 향상도 기대되기 때문에, 양호한 가공 성능을 발휘한다.

마이크로 드릴은, 프린트 기판의 천공 등에 사용되는 공구이며, 드릴 직경:φ0.1∼0.3mm 라는 극소 직경인 것이 주류가 되고 있다. 이와 같이 극소 직경인 것으로, 모재 전체의 합금 조직이 미세하고 또한 균질하지 않으면 조직 중의 조대한 경질상을 기점으로 한 파괴나 절손이 생기기 쉽다. 따라서, 마이크로 드릴의 모재 재료로 본 발명 미립 초경합금을 이용하면, 본 발명 초경합금의 성능이 발휘되어, 종래와 비교하여 양호한 절삭 성능이 기대된다. 또한, 본 발명 초경합금은, 내마모성 뿐만 아니라, 강도, 인성도 우수하기 때문에, 종래의 마이크로 드릴에서는 절손된 스테인리스 판 등의 재료에 대해서도 천공 가공을 실시할 수 있다. 또한, 본 발명 초경합금을 이용한 경우, 드릴 직경:φ0.05mm (50㎛) 라는 초미세 드릴을 제작할 수 있다.

본 발명 초경합금을 이용한 선삭 가공용 공구도, 돌발적으로 칼날의 이가 나가는 것 등을 방지함으로써 내칩핑성의 향상이 기대됨과 함께, 고경도화에 의한 내마모성의 향상도 기대되기 때문에, 우수한 절삭 성능을 발휘한다.

발명의 효과

이상과 같이 본 발명 초경합금에서는, 종래 입성장 억제제로는 거의 이용되고 있지 않은 Ti 를 함유함과 함께, 입성장 억제제로 이용되고 있던 Ta 를 함유시키지 않는다. 그리고, 본 발명 초경합금은 결합상의 함유량과 함께 Cr 의 함유량, Ti 의 함유량을 특정함으로써, 경질상의 입성장을 효과적으로 억제하여, 경질상의 균일한 미세화를 도모함과 함께, 조대한 입자수를 저감시킬 수 있다는 우수한 효과를 가져올 수 있다. 그 때문에, 본 발명 초경합금을 이용한 각종의 가공 공구에서는, 합금 조직 중에 조대한 경질상이 존재함으로써 발생되고 있던 돌발적인 파괴나 결손이 억제됨과 함께, 경질상의 균일한 미세화에 의해 강도를 향상시킬 수 있어, 고강도와 고인성을 양립한다. 따라서, 본 발명 초경합금은 회전 절삭 가공, 정밀 가공, 선삭 가공, 내마모성이 요구되는 가공 등의 각종 가공 분야에 있어서 유용하다.

이하, 본 발명의 실시형태를 설명한다.

(실시예 1)

평균 입경 0.5㎛ 의 WC 원료 분말, 평균 입경 1㎛ 의 Co 원료 분말, 표 1 에 나타내는 조성의 Cr, V, Ti, Ta 의 화합물 분말, 및 적당량의 분말 C (카본) 를 각각 준비하여, 표 1 에 나타내는 첨가량 (질량%) 으로 배합하고, 볼밀로 48 시간 분쇄, 혼합하였다. 그리고, 스프레이 드라이어를 이용하여 건조, 조립시킨 후, 1000kg/cm² 의 압력으로 프레스 성형하고, 진공 중에서 소결 온도 1350℃ 까지 승온시키고, 그 소결 온도에서 1 시간 소결하였다. 그 후, 1320℃, 100MPa, 1 시간의 조건으로 HIP 처리를 실시하고, 시료 No.1∼27 의 초경합금을 제작하였다. 여기에서는, 시료마다 20mm 스판의 JIS 시험편, 비커스 경도 Hv 평가용 샘플, 조직 관찰용 샘플, 성분 측정용 샘플을 각각 제작하였다.

그 외에, 시료 No.6 과 동일한 조성으로, WC 의 평균 입경이 상이한 것 (시료 No.50), Co 의 일부를 Ni 로 치환한 것 (시료 No.51), 미리 혼합된 재료 분말을 이용한 것 (시료 No.52), HIP 를 실시하지 않은 것 (시료 No.53) 을 제작해 보았다. 시료 No.50 은 평균 입경 1.0㎛ 의 WC 원료 분말, 평균 입경 1㎛ 의 Co 원료 분말, 표 1 에 나타내는 조성의 Cr, Ti 의 화합물 분말, 및 적당량의 분말 C 를 각각 준비하여, 표 1 에 나타내는 첨가량으로 배합하고, 볼밀로 24 시간 분쇄, 혼합한 후, 상기와 동일하게 건조, 조립, 프레스 형성을 실시하고, 소결 온도를 1400℃ 로 하여 소결하여 얻었다. 시료 No.51 은, 평균 입경 1㎛ 의 Ni 원료 분말 및 Co 원료 분말을 이용한 것 이외에는, 상기 시료 No.1∼27 과 동일한 조건으로 제작하였다. 시료 No.52 는, 표 1 에 나타내는 조성의 재료 분말이 미리 혼합되어 있는 것을 이용한 것 이외에는, 상기 시료 No.1∼27 과 동일한 조건으로 제작하였다. 시료 No.53 은, 표 1 에 나타내는 조성의 재료 분말을 각각 준비하여, 표 1 에 나타내는 첨가량으로 배합하고, 볼밀로 24 시간 분쇄, 혼합한 후, 상기와 동일하게 건조, 조립, 프레스 형성을 실시하여, 소결 온도를 1450℃ 로 하여 소결 하여 얻었다.

얻어진 각 시료에 있어서 Cr, Ti, Ta, V 의 함유량을 조사하기 위해, 성분 측정용 샘플을 이용하여, 각각 ICP 로 분석함과 함께, 결합상 (Co 또는 Co+Ni) 의 중량 (질량%) 에 대한 Cr 의 중량비, 동 V 의 중량비를 구하였다. Ti 의 분석치, Co 에 대한 Cr 의 중량비, Co 에 대한 V 의 중량비를 표 1 에 나타낸다. 또한, VC 나 TaC 를 첨가하지 않았던 시료 (표 1 에서는 「-(하이픈)」이 기재되어 있다) 에서는 V 나 Ta 가 검출되지 않았다.

조직 관찰용 샘플을 이용하여, 조직 관찰로부터 풀맨 식에 의해 합금 중의 경질상 (WC) 의 평균 입경 (㎛) 을 구하였다. 관찰은, SEM (3000 배) 으로 실시하고, 단위 길이, 단위 면적은 각각 1㎛, 1㎛² 로 하였다. 또한, 비커스 경도 Hv 평가용 샘플을 이용하여, 비커스 경도 Hv 를 측정하였다. 게다가, JIS 시험편을 이용하여 항절력 시험을 실시하여, 항절력을 구했다. 이 시험은, 시료마다 10 개씩 항절력을 측정하고, 10 개의 항절력의 평균치 (GPa) 와, 10 개 중 최저치 (GPa) 를 구했다. 이 항절력 시험에 있어서의 평가에서는, 평균치와 최저치의 차가 클수록, 항절력의 편차가 크고, 조직 중에 파괴나 결손의 기점이 되기 쉬운 조대한 경질상이 존재하고 있다고 할 수 있다. 이들의 결과를 표 2 에 나타낸다.

표 2 에 나타내는 바와 같이 특정량의 철족 금속을 결합상으로 하고, 극미량의 Ti 를 함유함과 함께, 결합상에 대해서 특정량의 Cr 을 함유한 시료 No.4-7, 10-11, 15-18, 23-27, 51, 52 는, WC 의 평균 입경이 0.3㎛ 이하로 미세하고, 고경도인 것을 알 수 있다. 또한, 이들 시료는, 평균 항절력의 평균치가 높고, 또한 항절력의 편차가 작은 것을 알 수 있다.

통상, 경질상의 입도가 작아지면, 경도가 향상되는 반면, 항절력이 저하되는 경향이 있다. 그러나, 시료 No.4-7, 10, 11, 15-18, 23-27, 51, 52 에서는, 경도와 항절 강도의 쌍방이 우수한 것을 알 수 있다. 특히, V 를 특정량 함유하는 시료 No.23-27 은, 항절력이 보다 우수함과 함께, 고경도인 것을 알 수 있다.

시료 No.1∼8 을 비교함으로써, 결합상의 함유량이 강도에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 시료 No.6 및 9∼13 을 비교함으로써, Ti 의 함유량이 WC 의 입성장 억제에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 시료 No.6 및 14∼19 를 비교함으로써, Cr 의 함유량이 항절력의 편차에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 시료 No.14 나 시료 No.19 는 항절력의 편차가 크기 때문에, 파괴나 결손의 기점이 되는 조대한 경질상이 존재했다고 생각할 수 있다. 즉, Cr 의 함유량은 WC 의 입성장 억제에 기여하는 것을 알 수 있다. 시료 No.6 및 20∼23 을 비교함으로써, Ta 의 유무가 WC 의 입성장 억제에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

시료 No.6 과 50 을 비교함으로써, 원료 분말로 더욱 미립인 것을 이용함으로써, 보다 미세한 WC 가 되어 고강도이고 고경도인 초경합금이 얻어지는 것을 알 수 있다. 시료 No.6 과 51 을 비교함으로써, 결합상은 Co 만으로 하면, 더욱 우수한 특성을 갖는 초경합금이 얻어지는 것을 알 수 있다. 시료 No.6 과 52 를 비교함으로써, 다양한 재료 분말을 이용할 수 있는 것을 알 수 있다. 시료 No.6 과 53 을 비교함으로써, 저온 소결 및 HIP 처리에 의해, 우수한 특성을 갖는 미세 초경합금이 얻어지는 것을 알 수 있다.

(실시예 2)

실시예 1 의 시료 No.1∼27 과 동일한 조성의 원료 분말을 이용하여, φ0.3mm 의 마이크로 드릴을 제작하였다. 마이크로 드릴은, 실시예 1 과 동일하게 분쇄, 혼합한 후, 건조, 조립을 실시하고, φ3.5mm 의 환봉에 프레스 성형하여, 1350℃ 에서 소결한 후, 1320℃ 에서 HIP 처리를 실시하고, 외주 가공 (홈 가공) 을 실시함으로써 제작하였다.

제작된 마이크로 드릴에 의해 천공 시험 (관통 구멍) 을 실시하여, 절삭 평가를 실시하였다. 피삭재는 유리층과 에폭시 수지층의 교eo 4 층 적층판 (미국 규격 협회가 규정하는 동장적층판의 그레이드:FR-4) 로 이루어지는 프린트 기판 (두께 1.6mm) 을 2 장 겹친 것 (합계 두께 3.2mm) 으로 하고, 절삭 조건은 회전수 N=150,000r.p.m, 이송량 f=15㎛/rev., 절삭유 불사용 (건식) 으로 하였다. 절삭 평가는, 절손될 때까지의 천공 가공수로 실시하였다. 그 결과를 표 3 에 나타낸다.

표 3 에 나타내는 바와 같이, 특정량의 철족 금속을 결합상으로 하고, 극미량의 Ti 를 함유함과 함께, 결합상에 대해서 특정량의 Cr 을 함유한 시료 No.4-7, 10-11, 15-18, 23-27 로 이루어지는 마이크로 드릴은, 절손이 생기기 어렵고, 내절손성이 우수한, 즉, 인성이 우수한 것임을 알 수 있다. 이러한 결과가 된 것은, 이들의 마이크로 드릴에는 조대한 WC 가 거의 존재하지 않았기 때문이라고 추측된다. 이것으로부터, 본 발명 초경합금으로 이루어지는 절삭 공구는 내결손성이 우수하여 공구 수명을 향상시킬 수 있다.

(실시예 3)

실시예 1 의 시료 No.1∼27 과 동일한 조성의 원료 분말을 이용하여, TNGG160404R-UM 브레이커의 슬로 어웨이 칩을 동일한 조건으로 제작하여 절삭 시험을 실시하고, 절삭 평가를 실시하였다. 피삭재는 알루미늄재 (ADC12) 로 하고, 절삭 조건은 절삭 속도 V=500m/min, 이송량 f=0.1mm/rev., 절삭 깊이 d=1.0mm, 절삭유 사용 (습식) 으로 하였다. 절삭 평가는, 15 시간 절삭을 실시한 후의 플랭크면 마모량 (V_B 마모량) 으로 실시하였다. 그 결과, 특정량의 철족 금속을 결합상으로 하고, 극미량의 Ti 를 함유함과 함께, 결합상에 대해서 특정량의 Cr 을 함유한 시료 No.4-7, 10-11, 15-18, 23-27 로 이루어지는 칩은 마모가 적고, 우수한 강도를 갖는 것이 확인되었다. 이러한 결과가 된 것은, 이들 칩의 경질상이 균일하게 미세화되어 있기 때문이라고 추측된다. 이것으로부터, 본 발명 초경합금으로 이루어지는 절삭 공구는 내마모성이 우수하여 공구 수명의 향상을 도모할 수 있다.

(실시예 4)

실시예 1 의 시료 No.1∼27 과 동일한 조성의 원료 분말을 이용하여, 펀칭용 금형을 동일한 조건으로 제작하여 내마모 시험을 실시하고, 내마모성의 평가를 실시하였다. 시험은, 두께 0.2mm 의 스테인리스 판을 펀칭 펀치의 직경:1.0mm 로 펀칭하고, 소정 수의 펀칭을 실시한 후, 금형의 마모량을 평가하였다. 그 결과, 특정량의 철족 금속을 결합상으로 하고, 극미량의 Ti 를 함유함과 함께, 결합상에 대해서 특정량의 Cr 을 함유한 시료 No.4-7, 10-11, 15-18, 23-27 로 이루어지는 금형은 마모가 적어, 우수한 강도를 갖는 것이 확인되었다.

본 발명 초경합금은 내마모성, 강도, 인성이 우수한 것이 요구되는 다양한 공구 재료에 적합하다. 구체적으로는 회전 공구, 프린트 기판 가공용 회전 공구, 선삭 가공용 공구, 절단용 공구, 펀칭용 공구라는 절삭 공구나 내마모 공구에 바람직하게 이용할 수 있다. 특히, 프린트 기판 등의 천공에 사용되는 극소 직경 드릴 (마이크로 드릴) 로 대표되는 전자기기류의 미세 가공용 공구, 마이크로 머신 제작 시에 이용되는 부품 가공용 공구 등의 미세 가공 용도의 공구 재료에 가장 바람직하다. 또한, 본 발명 가공 공구는, 절삭 가공이나 내마모 가공에 바람직하게 이용할 수 있다.

Claims

평균 입경 0.3㎛ 이하의 WC 를 경질상으로 하고,

질량% 로 5.5%∼15% 의 적어도 1 종의 철족 금속 원소를 결합상으로 하고,

Ti 를 질량% 로 0.005%∼0.06% 함유하고,

Cr 을 결합상에 대한 중량비로 0.04 이상 0.2 이하 함유하고,

Ta 를 질량% 로 0.005% 미만 함유하며,

잔부가 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초경합금.
제 1 항에 있어서, 결합상은 Co 만으로 이루어진 것을 특징으로 하는 초경합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, V 를 결합상에 대한 중량비로 0.01 이상 0.1 이하 더 함유하는 것을 특징으로 하는 초경합금.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 초경합금에 의해 제조된 가공 공구로서, 회전 공구, 프린트 기판 가공용 회전 공구, 선삭 가공용 공구, 절단용 공구, 펀칭용 공구 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가공 공구.