[논문]WC-Ni-Si-B4C계 초경합금 제조 및 스테인레스 스틸과의 확산접합

원종운

doi:10.7735/ksmte.2015.24.6.594

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of Ni on the mechanical properties of WC-Xwt.%Ni-1.5wt.%Si-1.1wt.%$B_4C$ composite (X = 21.6, 23.6, 25.6 and 27.6 wt.%) were investigated in order to replace Co with Ni as the binder metal for hard materials based on WC-Co system. Using X-ray diffraction, optical microscopy, f...

The effects of Ni on the mechanical properties of WC-Xwt.%Ni-1.5wt.%Si-1.1wt.%$B_4C$ composite (X = 21.6, 23.6, 25.6 and 27.6 wt.%) were investigated in order to replace Co with Ni as the binder metal for hard materials based on WC-Co system. Using X-ray diffraction, optical microscopy, field-emission scanning electron microscopy results, the microstructure, pore distribution and grain size of the composites sintered at $1,150^{\circ}C$ were examined with different fraction (X = 21.6, 23.6, 25.6 and 27.6 wt.%) of binder metal Ni. The average WC grain size of the $WC-Ni-Si-B_4C$ composites was about $1{\mu}m$. The Rockwell hardness : A (HRA) and transverse rupture strength were about 88HRA and $110kgf/mm^2$, respectively. The obtained sample was bonded with SM45C at a temperature of $1,050^{\circ}C$. The thickness and mechanical properties of the bonded area were investigated with different dwell time at a bonding temperature of $1,050^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 WC-Ni-Si-B₄C 합금계의 Ni 함량을 변화시켜 치밀하고 균일한 미세조직을 통한 최적의 WC-Ni-Si-B₄C계 초경합금을 제조하고 함량에 따른 기계적 특성 변화를 관찰하였다. 또한 마모나 부식 등의 열약한 조건하에서 사용되어지는 부품들의 수명을 향상시키기 위하여, 본 연구에서 개발된 초경합금과 SM45C강의 확산접합 공정을 최적화 하는 것을 목표로 하였다.
C계 초경합금을 제조하고 함량에 따른 기계적 특성 변화를 관찰하였다. 또한 마모나 부식 등의 열약한 조건하에서 사용되어지는 부품들의 수명을 향상시키기 위하여, 본 연구에서 개발된 초경합금과 SM45C강의 확산접합 공정을 최적화 하는 것을 목표로 하였다.
이러한 초경합금의 특성을 이용하여 최근에는 기계부품의 마모나 부식 등의 열약한 조건하에서 사용되어지는 부품들의 수명을 향상시키기 위하여 초경합금의 가스화염 용사, 플라즈마 용사, 폭발 용사, 초고속 화염 용사 등 많은 연구들이 이루어지고 있다^[5-9]. 하지만 본 연구에서는 초경합금과 SM45C강을 소결과 동시에 접합을 시켜 공정을 단순화 시킬 수 있는 확산접합을 적용하고자 하였다. 초경합급은 주로 텅스텐카바이드계가 주로 사용되고 있으며, 경도가 높은 텅스텐카바이드에 인성이 좋은 금속(Co, Fe, Ni)이 결합되어 사용된다.

제안 방법

%B₄C 조성의 복합재료의 기계적 특성이 가장 적합하였으며, 약 1 μm 정도의 결정립이 균일하게 분포한 것을 확인하였다. 본 연구에서 제조된 초경합금은 1,050℃에서 30, 60, 90분간 스테인리스 스틸(SM45C)과 확산접합을 실시하였다. 유지 시간이 증가할수록 접합층이 잘 형성되었지만, 초경부에 결함이 발생하는 현상이 관찰되었다.
WC-Ni계 초경합금은 경질의 WC와 연질의 Ni 합금이 복합화된 일종의 복합재료로서 경질상과 연질상의 혼합비에 따라 기계적 특성이 크게 변화한다. 본 연구에서는 경질인 WC와 연질인 Ni 합금의 최적 혼합비를 도출하고자 합금원소인 Si와 B₄C의 양을 일정하게 하고 WC와 Ni의 양을 변화시켜, 이에 따른 기계적 특성의 변화를 바탕으로 최적의 Ni 함량 개발연구를 수행하였다. Table 1은 Ni 함량에 따른 WC-Ni-Si-B₄C 초경합금의 조성변화를 나타낸 것이다.

대상 데이터

본 연구에 사용한 WC(99.5%, -325 mesh), Ni(99.8%, -325 mesh), Si(99.5%, -325 mesh), B₄C(99.4%, 1~7 μm) 분말은 모두 Alfa Aesar에서 구입하였다. WC, Ni, Si, B₄C 분말은 혼합을 위하여 조성에 맞게 계량한 후 250 rpm의 속도로 10시간 동안 고에너지 볼 밀링을 실시하였다.

이론/모형

이때 상의 명암대비(contrast)를 높이기 위하여 Murakami(10 g potassium ferricyanide, 10 g sodium hydroxide, and 100 ml water) 용액을 이용하여 부식하였다. 소결체의 기계적 특성 평가는 경도(HRA, Rockwell hardness)와 항절력(TRS: transverse rupture strength)을 이용하여 측정하였다.
1과 같은 소결패턴에 의하여 소결하였다. 소결체의 상대밀도는 아르키메데스 법으로 측정하였고, 측정한 소결밀도는 12.5~12.2 g/cm³이었다. 시편에 존재하는 상(phase)은 x-선 회절법(XRD)을 이용하여 분석하였으며, 소결체의 미세조직은 상온에서 표면연마 후 광학현미경과 전계방사형 주사전자현미경 (FE-SEM)을 이용하여 관찰하였다.
2 g/cm³이었다. 시편에 존재하는 상(phase)은 x-선 회절법(XRD)을 이용하여 분석하였으며, 소결체의 미세조직은 상온에서 표면연마 후 광학현미경과 전계방사형 주사전자현미경 (FE-SEM)을 이용하여 관찰하였다. 이때 상의 명암대비(contrast)를 높이기 위하여 Murakami(10 g potassium ferricyanide, 10 g sodium hydroxide, and 100 ml water) 용액을 이용하여 부식하였다.

성능/효과

5와 65~110 kgf/mm²이었다. HRA와 TRS를 고려한 결과 WC-25.6 wt.%Ni1.5 wt.%Si-1.1 wt.%B₄C 조성의 복합재료의 기계적 특성이 가장 적합하였으며, 약 1 μm 정도의 결정립이 균일하게 분포한 것을 확인하였다. 본 연구에서 제조된 초경합금은 1,050℃에서 30, 60, 90분간 스테인리스 스틸(SM45C)과 확산접합을 실시하였다.
유지 시간이 증가할수록 접합층이 잘 형성되었지만, 초경부에 결함이 발생하는 현상이 관찰되었다. 따라서, 본 연구에서 스테인리스 스틸과의 접합공정은 30분 유지조건이 가장 우수한 접합공정으로 도출이 되었다.
%) 조성의 복합재료를 제조하였다. 소결체의 HRA와 TRS는 각각 88~89.5와 65~110 kgf/mm²이었다. HRA와 TRS를 고려한 결과 WC-25.
본 연구에서 제조된 초경합금은 1,050℃에서 30, 60, 90분간 스테인리스 스틸(SM45C)과 확산접합을 실시하였다. 유지 시간이 증가할수록 접합층이 잘 형성되었지만, 초경부에 결함이 발생하는 현상이 관찰되었다. 따라서, 본 연구에서 스테인리스 스틸과의 접합공정은 30분 유지조건이 가장 우수한 접합공정으로 도출이 되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초경합금은 어떤 성질이 뛰어난가?	초경합금은 높은 경도, 강도, 인성, 내마모성, 내충격성이 우수하며 안정된 물리적 성질을 가진 재료로서 절삭공구, 내마모성 공구, 내식성 부품, 금형 등 다양한 용도로 사용되고 있다[1-4]. 이러한 초경합금의 특성을 이용하여 최근에는 기계부품의 마모나 부식 등의 열약한 조건하에서 사용되어지는 부품들의 수명을 향상시키기 위하여 초경합금의 가스화염 용사, 플라즈마 용사, 폭발 용사, 초고속 화염 용사 등 많은 연구들이 이루어지고 있다[5-9].
	초경합급에 주로 사용되는 재료는 무엇인가?	하지만 본 연구에서는 초경합금과 SM45C강을 소결과 동시에 접합을 시켜 공정을 단순화 시킬 수 있는 확산접합을 적용하고자 하였다. 초경합급은 주로 텅스텐카바이드계가 주로 사용되고 있으며, 경도가 높은 텅스텐카바이드에 인성이 좋은 금속(Co, Fe, Ni)이 결합되어 사용된다.
	금속 바인더로 Ni를 사용할 때의 문제점은?	Ni은 Co에 비하여 내부식성, 내열성, 내산화성이 뛰어나며 비자성으로 인하여 성형 다이 및 공구 등에 사용될 수 있다. 또한, Ni는 Co에 비하여 연한금속이기 때문에 WC-Ni계 초경합금의 인성이 증가하지만, Ni분말의 응집성으로 인하여, 소결 시 결합제 응집현상(binder pool)이 발생함으로써 소결 후 기공이 형성되고, 결과적으로 기계적 성질이 저하되는 것으로 알려져 있다[11]. 현재까지 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 Si, Ti, Cr, Fe, Al, Mo등의 금속간화합물을 형성시키는 합금원소를 첨가하거나, WC의 입자 조대화 현상을 억제하기 위해서 Cr3C2, VC, TaC, Mo2C, B4C, HfC, ZrC 등의 탄화물계열을 첨가하여 기계적 특성을 향상시키는 연구가 발표되었다.

참고문헌 (11)

Lee, G. H., Kang, S., 2006, Sintering of Nano-sized WC-Co Powders Produced by Gas Reduction-Carburization Process, Journal of Alloys and Compounds, 419:1-2 281-289.

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Zhang, J. X., Zhang, G. Z., Zhao, S. X., Song, X. Y. 2009, Binder-free WC Bulk Synthesized by Spark Plasma Sintering, Journal of Alloys and Compounds, 479:1 427-431.

상세보기
Shon, I. J., Kim, B. R., Doh, J. M. Yoon, J. K., Woo, K. D., 2010, Properties and Rapid Consolidation of Ultra-hard Tungsten Carbide, Journal of Alloys and Compounds, 489:1 L4-L8.

상세보기
Ryu, T., Sohn, H. Y., Hwang, K. S., Fang, Z. Z., 2009, Plasma Synthesis of Tungsten Carbide and Cobalt Nanocomposite Powder, Journal of Alloys and Compounds, 481:1 274-277.

상세보기
Wang, L., Fang, J. C., Zeng, H. P., 2007, Application of Backward Propagation Network for Forecasting Hardness and Porosity of Coatings by Plasma Spraying, Surf. Coat. Technol., 201:9-11 5085-5089.

상세보기
Yu, H., Zhang, W., Wang, H., Guo, Y., Wei, M., Song, Z., Wang, Y., 2013, Bonding and Sliding Wear Behaviors of the Plasma Sprayed NiCrBSi Coatings, Tribology International, 66 105-113.

상세보기
Beghini, M., Santus, C., 2013, An application of the Weight Function Technique to Inclined Surface Cracks under Rolling Contact Fatigue, Assessment and Parametric Analysis, Eng. Fract. Mech., 98 ,153-168.

상세보기
Nicholson, G. L., Davis, C. L., 2012, Modelling of the Response of an ACFM Sensor to Rail and Rail Wheel RCF Cracks, NDT & E. Int., 46 107-114.

상세보기
Upadhyay, R. K., Kumaraswamidhas, L. A., Azam, M. S.., 2013, Rolling Element Bearing Failure Analysis : A Case Study, Case Studies in Engineering Failure Analysis, 1:1 15-17.

상세보기
Imasato, S., Tokumoto, K., Kitada, T., Sakaguchi S., 1995, Properties of Ultra-fine Binderless Cemented Carbide RCCFN, Int. J. of Refractory Metals And Hard Materials, 13:5 305-312.

상세보기
Shi, K. H., Zhou, K. C., Li, Z. Y., Zhang, D., Zan, X. Q., 2015, Microstructure and Formation Process of Ni-pool Defect in WC-8Ni Cemented Carbides, Transactions-Nonferrous Metals Society of China, 25:3 873-878.

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