Tungsten carbide (WC) hard materials are used in various industries and possess a superior hardness compared to other hard materials. They have particularly high melting points, high strength, and abrasion resistance. Accordingly, tungsten carbide hard materials are used for wear-resistant tools, cu...
Tungsten carbide (WC) hard materials are used in various industries and possess a superior hardness compared to other hard materials. They have particularly high melting points, high strength, and abrasion resistance. Accordingly, tungsten carbide hard materials are used for wear-resistant tools, cutting tools, machining tools, and other tooling materials. In this study, the WC-5wt.%Co, Fe, Ni hard materials are densified using the horizontal ball milled WC-Co, WC-Fe, and WC-Ni powders by a spark plasma sintering process. The WC-5Co, WC-5Fe, and WC-5Ni hard materials are almost completely densified with a relative density of up to 99.6% after simultaneous application of a pressure of 60 MPa and an electric current for about 15 min without any significant change in the grain size. The average grain size of WC-5Co, WC-5Fe, and WC-5Ni that was produced through SPS was about 0.421, 0.779, and $0.429{\mu}m$, respectively. The hardness and fracture toughness of the dense WC-5Co, WC-5Fe, WC-5Ni hard materials were also investigated.
Tungsten carbide (WC) hard materials are used in various industries and possess a superior hardness compared to other hard materials. They have particularly high melting points, high strength, and abrasion resistance. Accordingly, tungsten carbide hard materials are used for wear-resistant tools, cutting tools, machining tools, and other tooling materials. In this study, the WC-5wt.%Co, Fe, Ni hard materials are densified using the horizontal ball milled WC-Co, WC-Fe, and WC-Ni powders by a spark plasma sintering process. The WC-5Co, WC-5Fe, and WC-5Ni hard materials are almost completely densified with a relative density of up to 99.6% after simultaneous application of a pressure of 60 MPa and an electric current for about 15 min without any significant change in the grain size. The average grain size of WC-5Co, WC-5Fe, and WC-5Ni that was produced through SPS was about 0.421, 0.779, and $0.429{\mu}m$, respectively. The hardness and fracture toughness of the dense WC-5Co, WC-5Fe, WC-5Ni hard materials were also investigated.
본 연구에서는 WC에 소결조제 원료 분말을 수평 볼밀링을 이용하여 균일 혼합하였다. 또한 방전플라즈마 소결법을 이용하여 14분 이내의 단시간 공정으로 고경도/고밀도의 WC계 초경소재를 제조하였으며, 소결온도 및 소결조제에 따른 각각의 미세구조 및 상거동의 규명 및 기계적 특성을 비교 분석하였다.
본 연구에서는 WC에 소결조제 원료 분말을 수평 볼밀링을 이용하여 균일 혼합하였다. 또한 방전플라즈마 소결법을 이용하여 14분 이내의 단시간 공정으로 고경도/고밀도의 WC계 초경소재를 제조하였으며, 소결온도 및 소결조제에 따른 각각의 미세구조 및 상거동의 규명 및 기계적 특성을 비교 분석하였다.
소결조제인 Co, Fe, Ni를 WC에 첨가하여 혼합 후 방전 플라즈마 소결공정을 이용하여 소결을 진행하였다. 단일 공정으로 단시간에 치밀한 WC-5Co, WC-5Fe 및 WC-5Ni 소결체를 제조하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
초기 원료 분말로는 WC 분말(대구텍, 0.4~0.5 µm, 순도 99.95%), Co 분말(Alfa, 1.6 µm, 순도 99.8%), Fe 분말(RnD Korea, 44 µm, 순도 99.5%) 및 Ni 분말(RnD Korea, 10 µm, 순도 99%)을 사용하였다. WC와 소결조제의 중량비 95 : 5 비율로 분말을 혼합하였으며, 비중이 다른 각각의 소재의 균일혼합을 위해 알코올을 이용한 습식 수평볼 밀링을 진행하였다.
이론/모형
소결체의 표면을 관찰하기 위하여 Murakami 부식액(5 g, Fe3(CN)6, 5 g NaOH 및 50 ml의 증류수)을 이용하여 약 3분간 표면을 부식시켰다. 주사전자 현미경을 이용하여 표면 분석을 실시하였으며, X-선 회절 분석기를 이용하여 상분석을 진행하였다. 비커스 경도계를 이용해 30 kgf로 15초간 유지하고 시편의 압흔 및 크랙의 길이를 이용하여 경도 및 파괴인성을 측정하였다.
성능/효과
1. 방전플라즈마 소결공정으로 제조된 WC-5Co, WC-5Fe 및 WC-5Ni의 상대밀도는 소결온도 증가에 따라 99.6% 이상의 이론밀도에 가까운 소결체를 제조하였으며, 결정립 크기 또한 미세하게 증가하는 경향을 가졌다.
2. 제조된 소결체의 미세조직 분석결과 소결온도가 증가함에 따라 치밀한 미세구조를 가졌으며, W2C와 같은 제 2상은 분석되지 않았다.
3. 기계적 특성평가 결과 소결온도 증가에 따라 경도는 크게 증가하였고 파괴인성은 WC-5Ni에서 가장 높은값을 나타내었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
방전플라즈마 소결법은 무엇인가?
최근, 소결체 제조 시 급속소결법을 이용한 분말의 합성과 치밀화가 동시에 진행되어 기계적 특성을 향상시키는 연구가 보고되고 있다. 이 방법은 방전플라즈마 소결법으로, 기존의 외부 간접가열방식을 적용한 상압소결 및 열간 가압소결법에 비해 대전압 직류 펄스 전류를 직접 인가함으로써 내·외부 균일한 물성을 갖고 치밀한 소결체를 제조할 수 있는 방법이다[2-4].
소결조제에 따라 제조되는 WC계 합금은 어떤 요인에 의해 특성이 좌우되는가?
%이다[1]. 이와 같이 소결조제에 따라 제조되는 WC계 합금은 소결체 내부의 기공률, 기공 크기, 탄화물 입자 사이즈 및 소결조제 첨가량에 따라 그 특성이 좌우될 수 있다. 특히 WC의 결정립 성장 제어에 따른 경도 및 내마모성의 향상을 기대할 수 있으므로, 동일한 소결조제 첨가 시 탄화물의 미세화는 최종 제품의 기계적 특성을 극대화 할 수 있는 방법으로 간주된다.
Co, Fe, Ni와 같은 소결조제를 WC에 첨가하는 이유는 WC의 어떠한 문제점때 문인가?
최근 급속한 산업발전으로 자동차, 항공, 조선 및 일반 민생기기에서까지 난삭재 적용 산업이 증가함에 따라 이를 가공하는 절삭공구 개발이 필수적이다. 대표적인 절삭 공구로 사용되어지고 있는 WC는 고융점 및 고경도의 장점을 갖고 있지만 HCP 특유의 취성 및 높은 소결온도로 인해 대표적인 난성형성 소재로 분류된다. 성형성 향상을 위해 소결조제로 Co, Fe, Ni 등과 같은 소재를 첨가되며, 이러한 WC계 초경합금은 고경도 및 고인성, 고내마모 특성 향상으로 인해 공구 수명을 향상시키고 있다.
참고문헌 (15)
H. C. Kim, Ph D. Thesis (in Korean), Chonbuk University Chonbuk (2005) 15.
10.1007/s10853-005-2422-9 H. C. Kim, I. J. Shon and Z. A. Munir : J. Mater. Sci., 40 (2005) 2849.
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