KR920010531B1 - TiCN계 써멧트 소결체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

TiCN계 써멧트 소결체의 제조방법

제1도는 본 발명에 따른 소결체의 제조공정을 나타낸 블록다이아그램.

제2도는 본 발명에 따른 소결체의 제조시 사용되는 열처리로를 개략적으로 나타낸 도면.

제3도는 본 발명에 따라 제조된 소결체와 타사제품의 미세구조를 비교한 광학현미경 사진이다(배율 : 500배).

본 발명은 고강도 TiCN계 써멧트 소결체 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미세기공이 없고, 고경도이며, 고강도인 TiCN계 써멧트(Cermet)소결체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 TiCN계 써멧트 절삭공구는 종래의 TiCN계 절삭공구에 비해서 인성이 우수할 뿐만 아니라 고온에서의 기계적 성질과 내산화성이 우수하고 철과의 친화성이 적어서 깨끗한 절삭 사상면을 얻을 수 있으므로 최근에 상품화가 급진전되어 절삭공구로서 널리 사용되고 있다.

그러나, TiCN계 써멧트 소결체 내부에 미세기공이 존재하여 소결체의 물성을 저하시키는 단점을 가지는데, 즉 소결체 내부의 미세기공은 소결중에 질소가 외부로 빠져나간 자리에 발생하는 것으로 상기 현상은 TiCN계 조성에서 TiN의 양이 증가할수록 더욱 심한, TiCN계 써멧트에 일정량 포함되어 있는 TiN의 분해에 의한 탈질소현상 때문으로 상기 현상을 완전히 방지하지 않는 한 본질적으로 미세기공의 완전한 제거는 어려우며 상기 미세기공의 존재가 TiCN계 써멧트 소결체의 물성을 저하시킬 수 밖에 없었다.

써멧트 소결체에 대한 종래 기술로는 TiCO, TiNO, TiCNO등을 첨가제로 사용한 일본공개특허 소 54-68814호 “산소를 함유한 강인 써멧트”, TiC, TiN, WC, NbC등을 첨가제로 사용한 일본공개특허 소 58-126954호 “질화 티탄계 강인성 써멧트”와 ZrC, HfC, NbC, VC등의 첨가제를 사용한 일본공개특허 소 58-52551호 “절삭공구용 강인 써멧트”등과 일본공개특허 소 63-11629호, 소 63-35752호, 소 63-3575호, 소 63-83241호 등이며, 이러한 기술의 경량은 분산성성분으로 희토류를 비롯한 탄화물 또는 질화물, 탄질화물을 사용한 특성치 향상에 관한 연구가 대부분이며, 상기 써멧트 소결체에 있어서, 첨가제 효과는 소결체의 특성치 향상에는 기여할 수 있었으나 미세기공의 근본적인 문제점은 극복하지 못하였다.

이에 본 발명은 종래의 문제점인 미세기공의 발생을 억제시켜 우수한 특성치를 갖게 하는 TiCN계 써멧트 소결체의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

써멧트 소결체를 제조하는 방법에 있어서, 통상의 써멧트조성물에 덱스트린을 2 내지 5중량% 첨가하고, 800 내지 1000℃의 질소분위기하에서 2 내지 5시간의 열처리에 의해 덱스트린[(C₆H₁₀O₅)_nxH₂O]을 비정질 탄소로 잔류시킨 후 이를 진공하에서 1400 내지 1,500℃의 온도로 30분 내지 1시간 동안 소결처리하여서 되는 TiCN계 써멧트 소결체의 제조방법임을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 통상의 써멧트 원료조성물을 덱스트린과 혼합하고 이를 열처리하여 덱스트린을 비정질 탄소로 변화시켜 성형체내에 적당량을 잔류시켜서 되는 것인바, 상기 탄소는 소결과정에서 탈질소에 의해 저탄소로 되는 것을 방지하게 되므로 소결성을 증대시키게 되고, 미세기공의 발생을 억제하여 결과적으로 우수한 경도, 파괴강도, 파괴인성을 갖는 치밀한 TiCN계 써멧트 소결체를 제조하는 방법인 것이다. 즉, 본 발명은 첨부 도면 제1도의 소결체 제조공정도에 나타낸 바와 같이 먼저 본 발명은 TiC_xN_y(x+y≤1) 31 내지 80중량%, Mo₂C 8 내지 18중량%, Ni 2 내지 15중량%, Co 2 내지 15중량%, WC 6내지 16중량%의 분말이 균일하게 혼합되도록 하기 위해 각각의 분말을 초경으로된 용기에서 분리분쇄하여 평균입경이 1 내지 2μm범위의 균일한 입도가 되게 한 다음 서로 혼합시킨다.

그 다음에 상기 써멧트 원료혼합조성물에 데스트린을 2 내지 5중량%를 첨가시키고, 초경용기에서 메틸 알코올을 혼합용매로 하여 볼 밀링으로 12 내지 48시간 동안 균일하게 혼합시킨다. 일반적으로 덱스트린은 녹말을 산등으로 가수분해할 때 얻어지는 분해생성물의 혼합물로서 백색분말과 황색분말이 있으며, 요오드화 녹말반응의 정도에 따라 아밀로덱스트린, 에리트로덱스트린, 아크로덱스트린 등으로 구별된다. 본 발명에서 사용하는 덱스트린은 메틸알콜에 완전히 용해되어 써멧트 원료조성물에 균질하게 분산되어야 하고, 또한 가열도중 분해과정에서 다른 불순물이 존재하지 않고 순수한 탄소성분만 잔류되어야 하므로 백색 덱스트린 분말을 사용한다.

그리고, 상기와 같이 볼 밀링한 혼합슬러리(slurry)를 진공감압 건조기에서 충분히 건조시킨 후 열처리 과정에서 분위기 가스와의 반응성을 최대화하기 위해서 크기가 1 내지 3mm정도의 작은 알갱이로 만든다.

상기의 알갱이를 탄화시키기 위해서 써멧트 조성물의 작은 알갱이들을 첨부 도면 제2도와 같은 관상로(tube furnace)를 사용한 열처리로에 장입시키고, 질소 분위기하에서 800 내지 1,000℃의 온도하에서 2 내지 5시간 열처리하여 코킹(coking)에 의해 덱스트린을 비정질 탄소로 잔류시킨다.

상기에서 질소분위기 가스의 유량은 분말과의 반응성을 증진시키기 위해서 흘려줄 수 있는 충분한 양으로 0.5ι/min를 사용하는데, 분위기 가스에 있어서 산소분위기를 사용하지 않고 질소분위기하에서 열처리를 하는 이유는 TiCN성분을 비롯한 써멧트 첨가제 성분들이 산소와 산화반응을 일으키는 것을 방지하기 위해서이며, 또한 덱스트린이 비정질 탄소로 잔류하지 않고 산소에 의해 산화되어 버리는 것을 방지하기 위해서이다. 뿐만 아니라 TiCN은 상기에서 설명된 바와 같이 소결중에 TiN이 분해되어 질소의 방출에 의해 조성상질소가 부족된 경향이 나타날 수 있으므로 이들 출발 조성물을 질소분위기 하에서 질화 열처리하므로써 소결시 TiC_xN_y(x+y≤1) 조성물로부터 질소의 방출을 방지할 수 있다.

상기의 소결에 있어서, 열처리 온도가 800℃이하로 너무 낮으면, 성형체 내의 덱스트린이 탄소로 변하지 않고 그대로 잔류될 우려가 있고, 100℃이상이면 써멧트의 주성분이 분해되거나, 비정질 탄소로 잔류한 덱스트린이 과열로 인해 날아갈 수도 있다. 그리고, 열처리 시간이 2시간 이하일 경우에는 열처리 효과가 없으며, 5시간 이상의 장시간을 소요하는 경우에도 잔류한 비정질 탄소가 날아가 버릴 수 있으므로 비효울적이다.

한편, 덱스트린의 첨가량이 2중량%이하이면, 첨가 효과가 없으며, 5중량% 이상이면 과잉의 탄소가 존재하여 소결체의 특성치가 저하되거나 소결체의 색깔을 오염시키게 된다.

그러므로 상기의 열처리상의 문제점들을 극복하여 덱스트린이 성형체내에서 높은 활성을 갖는 비정질 탄소로 잔류시키기 위한 조건은 덱스트린을 2 내지 5중량%로 첨가한 조성물을 800℃ 내지 1000℃에서 2 내지 5시간 범위에서 열처리하는 것이 좋다.

상기와 같이 열처리된 시료를 본 발명에서는 500kg/cm²의 성형압력으로 성형하고 10^-3mmHg의 진공하에서 소결온도 1400 내지 1500℃의 범위에서 30분 내지 1시간 소결하게 되는바, 여기서, 만일 소결 온도를 1400℃이하로 할 경우, 상대 밀도는 92% 정도로 소결성이 저하되고, 반대로 1500℃이상으로 할 경우에는 거의 이론밀도에 가까운 소결체를 제조할 수는 있으나, 미세구조에서 입자성장이 관찰되게 된다. 그리고, 소결시간에 있어서는 소결시간을 30분 이하로 하면 소결체의 상대밀도가 96% 이하로 되고, 1시간 이상으로 하면 이미 이론밀도에 접근한 상태이므로 역시 입자성장이 일어나게 된다.

상기의 실험들로부터 소결조건은 1400 내지 1500℃의 온도범위에서 30분 내지 1시간이 적절한 바, 써멧트 조성물에 덱스트린을 첨가하여 열처리에 의해 탄소로 잔류시키고 이를 소결하여 얻어진 본 발명의 소결체는 일반적인 비정질 탄소가 없는 써멧트조성물로부터 제조된 소결체에 비해 미세기공이 거의 없고 고경도, 고강도를 나타내게 된다.

이러한 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

[실시예 1]

평균입경 1 내지 2μm을 가진 TiC_0.7N_0.3분말 75중량%와 Ni 2중량% Co 5중량%, Mo₂C 8중량%, WC 8중량%가 혼합된 써멧트 조성물에 덱스트린 2중량%를 첨가시킨다. 그런 다음 상기 혼합물 500g을 초경볼을 사용하여 초경용기에서 48시간 동안 균일하게 혼합한 후 건조하면서 1~3mm크기로 미립화한다. 미립자화된 상기 성형체를 제2도와 같은 열처리장치에 장입시켜 열처리 온도 800℃, 질소분위기하에서 가스유입량을 0.5ι/min속도로 하여 5시간 동안 열처리하여 써멧트 조성물에 첨가된 덱스트린이 활성 높은 비정질 탄소로 남도록 잔류시켰다.

그런 다음 상기의 열처리된 써멧트 조성물을 분쇄기에서 미분화시킨 상태로 하여 성형공정에 따라 성형체를 만들어 내부가 ZrO₂로 코팅된 Al₂O₃도가니와 판을 사용하여 시편을 적재한다. 상기 시편을 몰리브덴(Molybdenum)발열체 전기로에서 승온속도 20℃/min의 속도로 소결온도 1500℃, 10^-3mmHg진공하에서 1시간 동안 상압소결하였다. 소결이 끝난 후 상온까지 로냉시켜서 써멧트소결체를 제조하였다.

이 소결체의 특성값은 다음 표 1에 나타내었다.

[실시예 2 내지 21]

다음 표 1과 같이 TiC_0.7N_0.3분말과 Ni, Co, Mo₂C, WC 및 덱스트린의 조성비와 열처리조건과 소결조건을 변화시키는 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 소결체를 제조하였다.

이 소결체의 특성값은 다음 표 1에 나타내었다.

[비교예 1 내지 7]

실시예 1에서 덱스트린을 사용하지 않고 열처리를 실시하지 않는 것 이외에 다음 표 1과 같이 TiC_0.7N_0.3분말과 Ni, Co, Mo₂C, WC의 조성비와 소결조건을 변화시키고, 상기 실시예 1과 동일하게 하여 소결체를 제조하였다.

이 소결체의 특성값은 다음 표 1에 나타내었다.

[표 1]

이와 같이 하여 얻어진 본 발명에 따른 소결체는 상기 표 1에 나타낸 바와 같이 HRA값이나 상온강도면에서 종래의 소결체인 비교예에 비하여 훨씬 우수하였으며, 특히 본 발명의 소결체는 첨부도면 제3b도에 나타낸 바와 같이, 비교예에 의하여 제조된 소결체의 광학현미경사진인 제3a도에 비하여 미세기공이 거의 존재하지 않았으며, 상대밀도는 대부분 100%에 가까운 써멧트 소결체를 얻을 수 있었다.

Claims (1)

1. 써멧트소결체를 제조하는 방법에 있어서, TiC_xN_y(x+y≤1) 31 내지 80중량%, Mo₂C 8 내지 18중량%, Ni 2 내지 15중량%, Co 2 내지 15중량%, WC 6 내지 16중량%로 이루어진 통상의 써멧트조성물에 백색 덱스트린을 2 내지 5중량% 첨가하고, 800 내지 1000℃의 질소분위기하에서 2 내지 5시간의 열처리에 의해 상기 덱스트린을 비정질 탄소로 잔류시킨 후 이를 진공하에서, 1,400 내지 1,500℃의 온도에서 30분 내지 1시간 동안 소결처리하여서 되는 것을 특징으로 하는 TiCN계 써멧트 소결체의 제조방법.

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