KR101172925B1

KR101172925B1 - 고품위 표면 성상 가공용 ｃＢＮ 소결체 및 ｃＢＮ 소결체절삭 공구

Info

Publication number: KR101172925B1
Application number: KR1020077001253A
Authority: KR
Inventors: 사토루 구키노; 요시히로 구로다; 도모히로 후카야; 가츠미 오카무라
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2005-10-04
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2012-08-10
Also published as: WO2007039955A1; US7758976B2; JP4704360B2; JPWO2007039955A1; US20080254282A1; EP1932816A1; CN101068759A; EP1932816B1; KR20080063228A; CA2577615C; CA2577615A1; EP1932816A4; CN100509701C

Abstract

철계 재료의 고경도 난삭재 절삭의 고능률 절삭에 있어서, 종래의 cBN 소결체 공구와 비교하여, 피삭재의 가공면에 형성되는 가공 변질층 생성의 억제 및 압축 응력의 잔류를 촉진함으로써, 가공 부품의 피로 수명의 향상을 달성하고, 또한 공구의 장기 수명화를 도모한다. 본 발명에 따른 cBN 소결체는, 체적으로 60% 이상 95% 이하의 cBN 성분을 지니고, 70 W/m?K 이상의 열전도율을 가지며, 4a, 5a, 6a족 원소 및 Al 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소와, C, N, O 중에서 선택되는 1종 이상의 원소의 화합물로 이루어지는 내열막으로 최외측 표면이 피복되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

고품위 표면 성상 가공용 ｃＢＮ 소결체 및 ｃＢＮ 소결체 절삭 공구{cBN SINTERED BODY FOR HIGH SURFACE INTEGRITY MACHINING AND cBN SINTERED BODY CUTTING TOOL}

본 발명은, 철계 재료의 고경도 난삭재 절삭의 고품위 표면 성상 가공용 cBN 소결체에 관한 것으로서, 절삭 중에 인선(刃先)의 온도를 제어함으로써, 가공 부품의 절삭면에의 가공 변질층의 생성을 억제하여, 압축 응력의 잔류가 촉진되고, 이로써 가공 부품의 피로 수명을 향상시켜, 절삭 공구의 장기 수명화를 달성한다.

예컨대, cBN기 소결체 절삭 공구는, 종래의 초경 공구 등의 절삭 공구 재료와 비교하여, cBN 소결체의 화학적 안정성이나 경도의 높이에 기인하는 고능률로 긴 수명을 달성할 수 있는 재료적인 고성능 특성과, 또한 절삭 공구로서의 연삭 공구를 크게 능가하는 우수한 유연성이나 고환경성이 평가되어, 철계 난삭 재료 가공에 있어서 종래 공구를 치환하여 왔다.

cBN 소결체 재종(材種)은 2개로 분류되며, 하나는 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이 cBN 함유율이 높고, cBN끼리 결합하며, 잔부가 Co나 Al을 주성분으로 하는 결합재로 이루어지는 것이나, 특허문헌 2에 기재되어 있는 바와 같이 최대한 cBN 이외의 성분을 함유하지 않는 소결체(이후, 높은 cBN 함유율 소결체라고 약칭 함)이며, 또 하나는, 특허문헌 3에 기재되어 있는 것과 같이 cBN 함유율이 비교적 낮아, cBN끼리의 접촉율이 낮고, 철과의 친화성이 낮은 Ti의 질화물(TiN)이나 탄화물(TiC)로 이루어지는 세라믹스를 통해 결합되어 있는 것(이후, 「낮은 cBN 함유율 소결체」라고 약칭함)이다.

전자의 높은 cBN 함유율 소결체는, 칩(chip)이 분단되어 칩에서의 전단열(剪斷熱)이 발생하기 어려운 용도에서는, cBN의 우수한 기계 특성(고경도, 고강도, 고인성)과 고열전도성에 의해 뛰어난 안정성과 긴 수명을 달성하여, 경질 입자와의 마찰에 의한 기계적인 마모 또는 손상이나, 고속 단속 절삭에 의한 열 충격에 의한 손상이 지배적인 철계 소결 부품이나 회주철의 절삭 가공에 적합하다.

그러나, 연속된 칩에 의해 발생하는 다량의 전단열에 의해 인선이 고온에 노출되는 강이나 담금질강 등의 가공에서는, cBN 성분이 철과의 열적인 마모에 의해, 종래의 초경 공구나 세라믹스 공구보다도 급속하게 마모가 발달하기 때문에 짧은 수명이 된다.

한편, 후자의 낮은 cBN 함유율 소결체는, cBN보다도, 고온 하에서의 철과의 친화성이 낮은 TiN이나 TiC로 이루어지는 세라믹스 결합재의 작용에 의해, 우수한 내마모성을 발휘하여, 특히, 종래의 초경 공구나 세라믹스 공구에서는 실용 가공을 할 수 없었던 담금질강 가공에 있어서, 종래 공구의 10배～수십배의 공구 수명을 달성할 수 있는 절삭 공구로서, 연삭 가공을 적극적으로 치환하여 왔다.

최근에는, 공작 기계의 고강성화나 낮은 cBN 함유율 소결체 재종의 cBN과 TiN이나 TiN으로 이루어지는 세라믹스 결합재의 비율을 조정함으로써, 예컨대 침탄 담금질 등의 소위 담금질 처리에 의해 표면 경도를 Hv 4.5 ㎬～7.6 ㎬로 높인 강인 담금질강으로 이루어지는 자동차의 트랜스미션 부품의 절삭 가공과 같이, 십점 평균 거칠기(이후 Rz라 약칭함)로 3.2 ㎛～6.3 ㎛의 요구 정밀도인 가공 용도에 있어서도 연삭 가공 대신에 cBN 소결체 공구가 적용되고 있다.

더욱이 최근에는, Rz 0.4 ㎛～3.2 ㎛의 고정밀도의 표면 거칠기가 필요하게 되는 미끄럼 이동면이나 회전면 등에서는, 가공 부위에 충분한 피로 강도를 갖는 고품위 표면이 필요하게 되는 최종 다듬질 공정이나, 혹은 그 후의 연삭 가공과 비교하여 가공 여유가 적은 호닝 가공 등의 5～10 ㎛ 이하의 극미소의 가공 여유에서의 다듬질 가공만으로 고품위 표면을 얻을 수 있는 중간 다듬질 가공 용도에 있어서도, 가공 능률이나 유연성의 관점에서 제약이 있는 연삭 가공에 대신하여, 낮은 cBN 함유율 소결체로 이루어지는 절삭 공구의 적용이 검토되기 시작하고 있다.

<특허문헌 1> 일본 특허 공고 소52-43486호 공보

<특허문헌 2> 일본 특허 공개 평10-158065호 공보

<특허문헌 3> 일본 특허 공개 소53-77811호 공보

<특허문헌 4> 일본 특허 공개 평08-119774호 공보

그러나, 담금질강 가공에 있어서 공업적으로 cBN 소결체 절삭 공구를 적용할 가치가 있다고 판단되는, 절삭 속도 V=100 m/min, 절삭 깊이 d=0.15 ㎜, 이송량 f=0.08 ㎜/rev.(단위시간당 칩 제거 체적량 W가 1,200 ㎣/min) 이상의 가공 능률로, 담금질강 절삭을 행하면, 1～20 ㎛의 두께로 이루어지는 가공 변질층이 가공 부품 표면에 형성되는 경우가 있다. 이 가공 변질층의 생성량에 관한 허용 범위 는, 가공 부품이 최종 제품으로 되었을 때에 부가되는 것으로 상정되는 여러 가지 응력 환경에 따라서 필요하게 되는 피로 수명 특성에 따라서 규정되어 있다.

구체적으로는, 롤러나 볼의 구름면이 되는, 유니버셜 조인트나 베어링의 레이스면의 절삭 가공 용도에서는, 상기 가공 변질층이 수 ㎛ 정도까지라면, 이 가공 변질층이 담금질된 경도 이상의 고경도 보호막으로서 작용하는 경우도 있지만, 고응력이 부가되는 용도를 위한 베어링의 레이스면에서의 가공 변질층이 10 ㎛을 넘는 경우에는, 맞춤면의 마모, 플레이킹(flaking) 또는 필링(peeling) 등의 손상을 가속하여, 피로 수명을 저하시키는 것이 우려되기 때문에, 공업적으로는 수십 ㎛의 가공 여유를, 다른 공정의 연삭 가공으로 시간을 들여 제거하는 가공 공정이 적용되고 있다.

담금질 후 절삭을 할 때에 발생하는 가공 변질층은, 고능률 조건으로 가공하면 할수록 생성량이 증가하는 것을 알 수 있다. 그러나, 상세한 가공 변질층의 생성 조건이나 가공 변질층 자체의 특성에 대해서는 명확하지 않았다.

그래서, 담금질강 절삭에 있어서, 시판되는 cBN 소결체 공구를 이용한 여러 가의 절삭 조건을 평가하여, 가공 변질층의 생성 조사와 분석을 한 바, 담금질강 절삭에 있어서의 가공 변질층은, 마르텐사이트를 주성분으로 하여, 잔류 오스테나이트, 베이나이트나 산화철 및 극소량의 질화철 등의 혼상으로 이루어져, Hv 9 ㎬～10 ㎬ 정도의 고경도와, 원래 압축 응력이 잔류하고 있었을 담금질강 표면의 잔류 응력과 달리 인장 응력을 갖는 경향이 있고, 가공 변질층이 5 ㎛를 넘으면, 결국은 대부분의 경우 가공면에 인장 응력이 잔류하는 것을 알 수 있었다.

상기한 가공 변질층은, 고능률 조건으로 가공한 경우나 절삭 공구의 여유면 마모량(flank wear)이 발달한 경우에 생성량이 현저하므로, 담금질강 특유의 연속된 칩의 전단열과 마찰열 및 가공 부품의 가공면과 공구 여유면과의 마찰열에 의한 절삭시의 발열에 의해, 담금질 처리에 의해 가공 부품 표면에 생성된 마르텐사이트가 오스테나이트로 상 변태하여, 산소, 질소 및 수증기를 포함한 대기 중에서 절삭 후의 급냉에 의해, 산화상이나 질화상 등을 포함한 마르텐사이트를 주체로 하는 혼상이 형성된다. 따라서, 인선이 가공면을 통과할 때에, 적어도 공석강의 오스테나이트 변태 온도인 727℃ 이상의 고온에 노출되기 때문에, 이 때의 열 응력에 의해 가공물의 최외측 표면에서 선택적인 소성 변형이 생겨, 가공면의 압축 잔류 응력을 상쇄시키는 메커니즘에 의해, 가공 변질층의 생성이 5 ㎛를 초과하도록 고온에 가공면이 노출되는 경우에는, 인장 응력이 가공면에 잔류하여, 이 인장 응력이 가공 부품의 용도에 따라서는 피로 강도를 저하시키는 경우가 있다고 하는 가설을 얻기에 이르렀다.

더욱이, 문제 해결을 위한 공구 측의 요구 특성을 명확하게 하기 위해, TiC-Al₂O₃계 세라믹이나 cBN 소결체 공구를 이용하여, 동일한 인선 형상, 동일 절삭 조건으로, 또한 동일한 여유면 마모량의 시점에서의 가공 변질층의 생성 형태의 차이에 대해서, Hv 7 ㎬의 경도로 담금질된 SUJ2제의 시험편을 이용하여 절삭 평가를 실시한 바, 동일한 여유면 마모량의 시점임에도 불구하고, cBN 소결체 공구에서는, 세라믹스 공구와 비교하여, 가공 변질층이 생성되기 어렵고, 생성되었다고 해도 가 공 변질층의 두께가 세라믹스 공구의 2/3 이하인 것이 판명되었지만, cBN 소결체 공구를 이용하더라도 가공 변질층이 10 ㎛를 넘으면, 대부분의 경우 잔류 응력이 압축에서 인장으로 변화하는 것을 알았다.

상기한 잔류 응력 생성의 메커니즘에 관한 가설로부터, cBN 소결체 공구 쪽이 절삭시의 인선 온도가 낮게 되는 영향인 것으로 추정되었지만, 보다 명확하게 하기 위해서, 여유면 마모량에 차이가 없는 절삭 초기의 단계에서, 공구 재료나 공구 표면의 상태의 영향을 받지 않고서, 미소 영역의 온도 측정이 가능한 2색 온도계를 이용하여 절삭시의 공구 인선의 온도를 측정한 바, cBN 소결체 공구에서는 세라믹스 공구의 50%～80%의 절삭 온도인 것으로 판명되어, cBN 소결체 공구를 이용한 담금질강 절삭에 있어서의 가공 변질층 발생 메커니즘에 관한 상기 가설을 지지하는 결과를 얻을 수 있었다.

상기한 조사 결과로부터, 담금질강 절삭에 있어서의 가공 부품의 피로 수명을 향상시키기 위해서는, 공구의 인선 온도의 저온화가 필요하며, 가장 간단한 해결 수단은, 저가공 능률화에 의한 절삭시의 발열량의 억제가 유효했다. 그러나, 시판되는 담금질강 절삭용의 TiN이나 TiC로 이루어지는 세라믹스를 결합재에 이용한 cBN 소결체 공구로, 절삭 조건을 여러 가지로 하여 검토한 바, 냉각재의 유무에 관계없이 절삭 속도 V=70 m/min, 절삭 깊이 d=0.15 ㎜, 이송량 f=0.07 ㎜/rev.(단위시간당 칩 제거 체적량 W가 735 ㎣/min)의 가공 능률 이상이면, 일반적으로 담금질강 절삭을 할 때의 치수 정밀도의 관점에서 수명으로 판단되는 여유면 마모(flank wear)량 VB의 값인 VB=0.2 ㎜의 반인 VB=0.1 ㎜의 시점에서도 10 ㎛의 두 께의 가공 변질층이 발생하여, 잔류 응력이 인장 응력으로 되어, cBN 소결체 공구에 의한 담금질강 절삭을 할 때의 큰 이점의 하나인 고능률 가공이 불가능하게 되어 버린다.

그래서, cBN 소결체 공구를 이용한 담금질강 절삭에 있어서의 일반적인 가공능률인, cBN 소결체 팁 1개의 단위시간당 칩 제거 체적량 W가 1,200 ㎣/min 이상인 가공 능률을 유지하면서, 인장 응력의 잔류를 억제하는 방법을 개발할 필요가 있었다.

가공 능률을 저하시키지 않고서, 공구 인선 온도를 저하시키는 방법으로서, ⅰ) 칩의 전단과 마찰열에 의한 절삭시의 발열을 효율적으로 인선 부위에서 다른 부위로 방열하는 것, 혹은, ⅱ) 절삭시의 발열 자체를 억제하는 방책을 여러 가지로 검토했다.

상기한 TiC-Al₂O₃ 세라믹스 공구와 cBN 소결체 공구에 있어서, 절삭 조건이 동일하더라도 인선 온도가 다른 것에 주목하여, 여러 가지 분석을 한 결과, cBN 소결체 공구에서는, 공구의 열전도율이 향상되는 것, 및 절삭시의 고온 하에서 cBN 중의 B 원자가 산소와 반응하여 윤활성이 우수한 B₂O₃상이 인선 표면부에 형성되는 것이 확인되어, 칩이나 가공 부품과의 마찰열이 저감되어 공구 인선에서의 발열이 저감되고 있는 것으로 시사되는 결과를 얻었다.

그래서, 우선은, 종래의 cBN 소결체 공구보다도, 열전도율 및 윤활성이 우수한 전용 조성으로 이루어지는 cBN 소결체를, 절삭부에서의 발열을 효율적으로 공구(팁) 내부로 방열하는 구조를 갖는 cBN 소결체 공구를 발명했다.

상기 ⅰ)의 구체적인 방책으로서, 우선은 cBN 소결체 자체의 열전도율을 향상시키기 위해서, 고작 수십 W/m?K 정도의 열전도율인 TiN, TiC이나 W 화합물, Co 화합물, Al 화합물 등의 결합재보다도, 지구상에서 다이아몬드에 이은 1,000 W/m?K 이상의 열전도율을 갖는 cBN 분말의 함유율을 높이고, 잔부의 결합재에 대해서도, 결합재에서의 열 저항을 최대한 감소시키기 위해서, 본 발명에 있어서 이하의 구성이 채용되었다.

(1) 체적%로 60% 이상 95% 이하의 cBN 성분을 지니고, 또한 열전도율이 70 W/m?K 이상인 cBN 소결체의 최외측 표면이, 4a, 5a, 6a족 원소 및 Al 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소와, C, N, O 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소의 화합물로 이루어지는 0.5 ㎛～12 ㎛의 두께를 갖는 내열막으로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 고품위 표면 성상 가공용 cBN 소결체이다.

(2) 체적%로 72% 이상 95% 이하의 cBN 성분을 갖는 cBN 소결체로서, 이 cBN 소결체의 열전도율이 80 W/m?K 이상이며, 결합재 성분으로서 4a, 5a, 6a족 원소의 질화물, 탄화물, 탄질화물에서 선택되는 적어도 1종과, 상기 결합재 중의 비율이 중량%로 20% 이하인 N 화합물을 지니고, 상기 cBN 성분 이외의 성분에 있어서 C와 N의 몰수의 합에 대한 4a, 5a, 6a족 원소의 몰수의 합 M의 비가 1.3 이상 1.6 이하인 cBN 소결체의 최외측 표면이, 4a, 5a, 6a족 원소 및 Al 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소와, C, N, O 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소의 화합물로 이루어지는 0.5 ㎛～12 ㎛의 두께를 갖는 내열막으로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 cBN 소결체이다.

(3) 상기 cBN 소결체를 구성하고 있는 cBN 입자의 평균 입자 직경이 2 ㎛ 이상 4 ㎛ 이하이며, 이 cBN 성분 중에 Li, Si, Al, Ca, Mg 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소, 탄소 및 산소가 함유되고, 이 cBN 성분에 대해 함유되어 있는 상기 Li, Si, Al, Ca, Mg 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소 및 탄소의 합이, 중량%로 0.02% 이상 0.2% 이하이며, 이 cBN 성분에 대한 산소량이 중량%로 0.17% 이하인 고순도 cBN 성분으로 이루어지고, 또한 85 W/m?K 이상의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재한 cBN 소결체이다.

(4) 상기 cBN 소결체를 구성하고 있는 cBN 성분 중의 N에 대한 B의 몰비가 1.15 이상 1.20 이하인 것을 특징으로 하는 상기 (1)～(3) 중 어느 하나에 기재한 cBN 소결체이다.

(5) 상기 내열막이 30 W/m?K 이상 45 W/m?K 이하의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 (1)～(4) 중 어느 하나에 기재한 cBN 소결체이다.

또한 본 발명에 있어서는, 상기한 전용 cBN 소결체에 의한 고열전도 특성에 의한 인선에서의 절삭열의 정체에 의한 고온화의 억제를 촉진하도록, cBN 소결체 주변을 구성하는 초경합금이나 브레이징 재질에 관해서도, 각각 80 W/m?K이상 및 220 W/m?K 이상의 열전도율을 갖는 재료를 배치함으로써, 절삭시의 인선 온도의 저하를 보다 확실하게 달성할 수 있는 이하의 구성이 채용되었다.

(6) 상기 (1)～(5) 중 어느 하나에 기재한 cBN 소결체가 일체 소결 혹은 브레이징 재료를 통해 초경합금, 서멧, 세라믹스 혹은 철계 재료로 이루어지는 지지체에 접합되어 있는 cBN 소결체 절삭 공구로서, cBN 소결체부 및 브레이징재부가 80 W/m?K 이상의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 고품위 표면 성상 가공용 cBN 소결체 절삭 공구이다.

(7) 상기 브레이징재부가, Ti와 Zr에서 선택되는 적어도 1종 이상과, Ag, Cu 중에서 선택되는 1종 이상을 함유하며, 220 W/m?K 이상의 열전도율을 갖는 브레이징 재료로 구성되고, 브레이징재부의 두께가 0.02 ㎜ 이상 0.20 ㎜ 이하이며, 또한 브레이징 재료 내에 0.5 ㎛를 넘는 장축 직경을 갖는 공공(vacancy)을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 상기 (6)에 기재한 cBN 소결체 절삭 공구이다.

(8) 상기 브레이징재부의 내부에, 평균 입자 직경 5 이상 150 ㎛ 이하의 cBN 입자 내지는 다이아몬드 입자를 체적으로 5%～40% 함유하며, 280 W/m?K 이상의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 (6) 또는 (7)에 기재한 cBN 소결체 절삭 공구이다.

(9) 상기 cBN 소결체 절삭 공구의 절삭에 관여하는 부위에 있어서, 노우즈(nose) R, 절삭 깊이 d, 이송량 f, 측면 경사각 αb, 절인 경사각 αs로 했을 때에,

Q={R²?tan^-1[f/sqr(4R²-f²)]+0.25f?sqr(4R²-f²)+f(d-R)}/(cosαs?cosαb)

로 정의되는 절삭 단면적 Q에 대한 10% 이상 80% 이하의 면적을 갖는 영역의 상기 내열막이 제거되어, 절삭시에 피삭재와 cBN 소결체가 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 상기 (6)～(8) 중 어느 하나에 기재한 cBN 소결체 절삭 공구이다.

(10) 상기 cBN 소결체 절삭 공구의 공구 여유면의 절삭에 관여하는 부위에 있어서, 상기 절삭 단면적 Q에 대한 10% 이상 80% 이하의 면적을 갖는 영역의 내열막이 제거되어, 절삭시에 피삭재와 cBN 소결체가 직접 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 상기 (6)～(9) 중 어느 것에 기재한 cBN 소결체 절삭 공구이다.

더욱이, 상기 ⅱ)의 구체적인 방책으로서, 상기한 윤활 작용을 갖는 B₂O₃상의 공급원인 cBN 성분의 함유율을 높이는 것, 및 균질하게 적량의 B₂O₃상을 생성시키도록, 소결체의 내마모성이나 내결손성을 저하시키는 것과 같은 예컨대 cBN 입자보다도 철과의 반응성이 풍부한 TiB₂나, AlB₂ 화합물 등으로서 첨가하는 것이 아니라, cBN 원료 분말의 화학양론(stoichiometry)을 재평가하여, cBN 소결체를 구성하고 있는 cBN 성분 중의 N에 대한 B의 몰비가 1.15 이상 1.20 이하가 되는 조성의 cBN 입자를 본 발명의 cBN 소결체에 적용하는 것이 보다 바람직하다.

cBN 입자의 화학양론을 본 발명의 범위로 변경하는 수법으로서는, 소결 캡슐 안의 cBN 입자와 결합재 분말의 혼합 분말을 Ti 캡슐로 포위하여, 원료 분말 부분을 진공 분위기로 하고, cBN이 안정적인 압력 온도 영역에서, 또한 cBN 입자와 결합재의 사이에 질소가 빠지기 쉽도록 간극을 다 메우지 않는 압력인 3～3.5 ㎬에서, 온도를 1,000～1,200℃로 가열함으로써, cBN 성분 중의 N에 대한 B의 몰비가 1.15 이상 1.20 이하가 되는 조성의 cBN 입자를 얻을 수 있다.

Rz 0.4 ㎛～3.2 ㎛의 요구 정밀도를 필요로 하는 담금질강의 절삭 가공 용도에 있어서는, a) 공구 여유면에 줄무늬형의 마모(striated wear)가 발생함에 의한 가공물 표면에 전사되는 이송 마크의 산과 골의 단차와, b) 공구의 여유면 마모량의 증가에 기인하는 웨이브니스(waveness)의 발달에 의해, 가공면의 표면 거칠기가 악화된다.

a)의 줄무늬형 마모의 발달은, 담금질강과의 인선 여유면의 찰과(擦過) 방향과 일치하고 있어, 찰과시에 고응력이 cBN 입자나 결합재 입자에 부가되어, 이 고응력에 의해 탈락, 파쇄가 생기면서 기계적으로 마모가 발달하기 때문으로 추정되고 있다.

실제로, 종래의 기술에서는, 상기 a)의 이송 마크의 산과 골의 단차 저감을 위해 V=150 m/min 이상의 고속 조건으로 인선에서의 발열량을 증가시켜, 가공물이나 칩을 연화시키면서 가공함으로써, 상기한 표면 거칠기의 악화를 억제하는 것이 종종 이루어지고 있다. 그 때에는, 고속 조건일 때의 발열에 의한 열적인 요인에 기인한 여유면 마모가 발생하기 쉽게 되는 단점을, cBN 함유율을 체적으로 40% 이상 65% 미만으로 하여 cBN보다도 고온 하에서의 철과의 친화성이 낮은 TiN이나 TiC 세라믹스로 이루어지는 결합재의 비율이 많기 때문에 열적인 마모에 대하여 강하고, 열전도율 특성으로서는 고작 50 W/m?K 정도인 cBN 소결체 재료를 적용하여 개선하는 것이 공업상의 상식이었다. 즉, 고속 조건화에 의한 표면 거칠기의 개선 방법에서는, 본 발명의 과제인 공구 인선부에서의 발열의 억제에 의한 인장 응력의 잔류 방지는 원리적으로 곤란했다.

한편, 체적으로 60% 이상의 cBN 성분을 지니고, 결합재 성분으로서, 4a, 5a, 6a족 원소의 질화물, 탄화물, 탄질화물에서 선택되는 적어도 1종과, Al 화합물을 갖고 있는 특허문헌 2에 기재되어 있는 종래의 cBN 소결체는, 65 W/m?K의 열전도율을 갖고 있는 것도 있지만, 이 cBN 성분을 갖는 cBN 소결체를 단지 단순히 초경합금제의 대금에 브레이징한 종래의 cBN 소결체 공구에서는, 절삭 초기에 있어서는, 가공 변질층의 억제에 대해서는 개선되었다고 해도, 절삭을 시작하고 나서 10수분부터 수십분의 단계에서는 여유면 마모의 발달이 100 ㎛ 전후까지 발달하여, 상기 b)의 웨이브니스의 증가는 물론, 내마모성이 부족하게 되어, 담금질강의 다듬질 절삭용의 연속 절삭 용도에서는 실용적인 절삭은 불가능했다. 이 종래의 cBN 소결체에 특허문헌 4에 개시되어 있는 것과 같은 TiAlN막을 피복한 cBN 소결체 공구에서는, 약간의 여유면 마모는 억제되지만, TiAlN막에 의한 단열 작용에 의한 방열성의 악화의 상쇄 작용에 의해, 가공 변질층의 생성량은 개선되지 않고 있었다.

또한, 가공면의 표면 거칠기를 고려하지 않고서, 절삭 온도의 저온화에 의한 가공 변질층의 억제와 압축 응력의 잔류를 겨냥하여, V=70 m/min 미만의 저속 조건을 이용하여 담금질강 절삭을 행한 경우라도, 상기한 종래의, cBN 소결체, 혹은 TiAlN막을 피복한 cBN 소결체 공구에서는, 절삭을 시작하고 나서 수분의 절삭 초기에서, 재료 강도의 부족에 기인한 치핑(chipping)에 의해, 절삭 불가능 상태로 되었다.

본 발명에서는, 종래의 구성에서는 인선 온도의 상승에 의해 cBN 소결체의 열적인 마모가 불가피했던 체적으로 60% 이상 95% 이하의 cBN 성분을 갖는 cBN 소결체라도, 상기한 바와 같이 고열전도율, 고윤활성을 갖는 cBN 소결체를, 고열전도성 지지체에 유지함으로써, 인선의 온도 상승을 저하시킬 수 있다. 또한, 종래의 cBN 소결체 공구에서는, 양호한 표면 거칠기를 얻기 어려웠던 저속 조건이라도, 높은 cBN 함유율에 기인한 고강도 특성을 살려, 단위시간당 칩 제거 체적량 W가 1,200 ㎣/min 이상인 가공 능률로 Rz 0.4 ㎛～3.2 ㎛의 요구 정밀도를 필요로 하는, 담금질강의 절삭 가공 용도에 있어서도, 인장 응력의 잔류를 방지하면서 종래의 담금질강 절삭용 cBN 소결체 공구를 고속 조건에 적용한 경우와 동등한 수명을 달성할 수 있다.

본 발명에 따른 cBN 소결체로 이루어지는 공구를 이용하면, Hv 4.5 ㎬ 이상의 경도를 갖는 담금질강 부품의 절삭 용도에 있어서, 절삭 중에 인선의 온도가 제어되기 때문에, 가공 부품의 절삭면에 가공 변질층이 생성되는 것을 억제하고, 압축 응력의 잔류가 촉진되어, 가공 부품의 피로 수명이 향상되고, 또한 절삭 공구의 수명도 대폭 개선된다고 하는 효과를 발휘한다.

도 1은 본 발명에 따른 cBN 소결체 절삭 공구의 일례를 도시한 도면으로, (a)는 사시도, (b)는 cBN 소결체의 부분 확대도이다.

도 2는 본 발명에 따른 cBN 소결체 절삭 공구의 절삭에 관한 부위를 설명하기 위한 도면으로, (a)는 cBN 소결체 절삭 공구를, (b)는 전면 여유각 αof를, (c)는 전면 여유각 αof 및 절인 경사각 αs를, (d) 측면 경사각 αb 및 측면 여유각 αos를, (e)는 이 끝의 확대도를 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : cBN 소결체 2 : 내열막

3 : 지지체 4 : 브레이징재부

10 : cBN 소결체 절삭 공구

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구(10)는, 상기한 고열전도율 cBN 소결체(1)의 최외측 표면에 0.5 ㎛～12 ㎛의 두께를 갖는 TiAlN이나 CrAlN 등으로 대표되는 내열막(2)을 피복함으로써, 저열전도율 재료의 세라믹스의 약점인 인선 온도 상승에 의한 인장 응력의 잔류를 억제하면서, 내마모성, 즉 공구 수명을 대폭 향상시키는 것이 가능하게 된다.

그러나, cBN의 함유율이 체적%으로 95%를 넘는 cBN 소결체는, 반도체인 cBN 입자에 대하여, 전기 전도체인 결합재의 비율이 적기 때문에, 아크 이온 플레이팅 PVD로 성막되는 내열막과의 밀착력이 열처리 후의 절삭에 견딜 수 있을 정도로 충분하지가 않아 적절하지 않다.

본 발명에 따른 내열막(2)은 Al 양을 막 조성의 C, N, O 이외의 성분에 대하여, 0～10 at%로 함으로써 18 W/m?K 이상 열전도율을 얻을 수 있어, 인선 온도가 보다 저온으로 되기 때문에 바람직하다. 더욱이, TiAlVN의 조성으로, Al 양이 막 조성의 C, N, O 이외의 성분에 대하여, 0～10 at%, V량이 0～10 at%인 코팅막은 윤활성이 우수하여 보다 바람직하다.

또한, 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구(10)는, 상기 cBN 소결체(1)가 브레이징재부(4)를 통해 초경합금, 서멧, 세라믹스 혹은 철계 재료로 이루어지는 지지 체(3)에 접합되는 구조를 갖는다.

더욱이, TiAlMN(M=C, O, Si, V 등)의 조성으로, Al 양이 막 조성의 C, N, O 이외의 성분에 대하여, 0～10 at%, M의 함유량이 12～20 at%인 코팅막은, 열전도율이 50 W/m?K 이하가 되어, 절삭열이 과도하게 공구 인선으로 유입되는 것을 억제할 수 있기 때문에 공구의 마모량이 억제되어 가공면의 표면 성상도 향상된다.

보다 바람직한 형태로서는, 도 2에 도시하는 공구의 절삭에 관여하는 부위에 있어서, 노우즈 R, 절삭 깊이 d, 이송량 f[도 2(e) 참조], 측면 경사각 αb[도 2(d) 참조], 절인 경사각 αs[도 2(c) 참조]로 했을 때에,

Q={R²?tan^-1[f/sqr(4R²-f²)]+0.25f?sqr(4R²-f²)+f(d-R)}/(cosαs?cosαb)

로 정의되는 절삭 단면적 Q에 대한 10% 이상 80% 이하의 면적을 갖는 영역의 상기 내열막이 제거되어, 절삭시에 피삭재와 cBN 소결체가 직접 접촉하는 공구는, 인선의 방열성이 우수하고, 또한 내열막에서 공구 마모의 진전도 억제되기 때문에, 특히 우수한 표면 성상을 절삭 초기부터 유지하면서 긴 수명을 달성할 수 있다.

<실시예 1>

TiN에 대하여, 중량%으로 15%의 Al로 이루어지는 결합재 분말과, 시판되는 평균 입자 직경 3 ㎛의 cBN 분말을 준비했다. 이 cBN 분말에 대해서, cBN 이외의 성분에 관한 정량을 고주파 유도 플라즈마 발광 분석법(ICP 분석)에 의해서 실시한 바, Li, Si, Al, Ca, Mg 및 탄소를 합계로 0.35%로, 산소를 0.18%의 중량 비율로 함유하고 있었다. 이 결합재와 cBN 분말을, 초경합금제 포트(pot) 및 볼을 이용하 여 혼합했다. 이 때 준비한 TiN은 Ti와 N의 몰비가 1.6이었다. 이 혼합 분말을 초경합금제 용기에 충전하고, 압력 8.5 ㎬, 온도 2,100℃에서 60분간 소결하여, 표 1의 11～27에 나타내는 각종 소결체를 얻었다. 각종 cBN 소결체의 조성에 대해서는, X선 회절 분석에 의해 생성물을 확인하고, cBN 함유율에 대해서는 ICP 분석으로 정량했다. cBN 소결체의 열전도율은, 크세논 플래시 타입의 열전도율 측정 장치에 의해 측정했다.

또한, 각종 cBN 소결체를 절삭에 관여하는 표면에 갖는, ISO 형번 CNGA120408로 분류되는 팁 형상의 공구를 준비하여, 하기의 조건으로 절삭 평가를 했다.

이 때 어느 팁이든, 초경 백 메탈을 갖지 않는 솔리드 cBN 소결체 소재를 초경합금, 서멧, 세라믹스 및 철계 소결재로 이루어지는 기재에 브레이징 접합한 후, 연삭 가공에 의해 cBN 소결체 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시하고, 그 후 상기한 각종 인선 형상을 가공하였는데, 상기 인선 형상 가공 후의 cBN 소결체의 두께는 어느 팁이나 0.8 ㎜이며, 0.8 R의 노우즈 R을 갖는 팁의 cBN 소결체 소재 저면부의 브레이징 면적은 3.2 ㎟였다. 브레이징은 Ag : 76 wt%, Cu : 21 wt%, Zr : 1 wt%, Ti : 2 wt%의 조성이며, 850℃에서 접합을 했다. 어느 시료나 0.05 ㎜이며, 브레이징 재료 내에 공공(空孔)(브레이징 틈)을 갖는 것은 없었다.

어느 팁이나 cBN 소결체를 상기한 바와 같이 각종 팁 기재에 브레이징 접합한 후, 연삭 가공에 의해, cBN 소결체 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시했는데, 그 후, 더 연삭 가공하여 상기한 팁 모두의 인선 처리를 -25°의 각도로 폭 0.13 ㎜의 챔퍼(champer) 형상으로 하여, 팁을 홀더에 부착했을 때의 절인 경사각, 측면 경사각, 전면 여유각, 측면 여유각, 전절인각, 횡절인각이, 각각 -5°, -5°, 5°, 5°, 5°, -5°가 되도록 했다. 그리고 마지막으로, 상기한 인선 형상의 가공 후, 아크 이온 플레이팅 타입의 PVD에 의해, 각종 내열막을 0.2～15 ㎛의 두께로 피복한 것을 준비했다.

피삭재 : JIS 형번 : SCR415 외주 가공(DIN 형번 : 15Cr3), 연속 가공

피삭재 경도 : HRc60

절삭 속도 : V=100 m/min.

절삭 깊이 : d=0.15 ㎜

이송량 : f=0.08 ㎜/rev.

절삭 시간 : 120 min

냉각재 : 에멀젼(제조원 : 니혼 플루이드 시스템, 상품명 : 시스템 컷트 96) 20배 희석

※ 1

시료 1은 시판되는 담금질강 다듬질 절삭용의 CNGA120408 형상의 Al₂O₃-TiC(흑색 세라믹스) 팁으로, 다른 샘플과 동일하게 인선 처리 된 것을 사용했다.

시료 2는 시료 1과 동일한 시판되는 담금질강 다듬질 절삭용의 CNMA120408 형상의 Al₂O₃-TlC(블랙 세라믹스) 팁으로, 다른 cBN 소결체 소재와 동일한 사이즈의 Al₂O₃-TiC(흑색 세라믹스) 솔리드 소재를 와이어 컷트로 잘라내어, 다른 시료와 마찬가지로 초경 기재에 브레이징하고, 인선 처리 및 TiAlN 코팅을 하여, 절삭 평가를 했다.

시료 3～10은, cBN 분말과, TiN과 Al로 이루어지는 결합재 분말을 출발 원료로 하여, 5 ㎬, 온도 1,500℃에서 60분간 소결한, 시판되는 담금질강 다듬질 절삭용의 브레이징 타입의 cBN 소결체 공구이다. 다른 시료와 동일한 인선 처리를 실시하고, 또한 시료 8 이외의 시료에 대해서는 TiAlN 코팅을 실시한 후, 절삭 평가를 했다. cBN층의 두께는 다른 시료와 동일하며, 조직 관찰, XRD 분석 및 ICP 분석에 의해 조사한 cBN 함유율, 입자 직경 및 조성을 표 1에 기재했다. 이 cBN 분말에 대해서, cBN 이외의 성분에 관한 정량을 고주파 유도 플라즈마 발행 분석법(ICP 분석)에 의해서 실시한 바, Li, Si, Al, Ca, Mg 및 탄소를 합계로 0.35%로, 산소를 0.18%의 중량 비율로 함유하고 있었다. 이 결합재와 cBN 분말을, 초경합금제 포트 및 볼을 이용하여 혼합했다. 이 때 준비한 TiN은 Ti와 N의 몰비가 1.7이었다.

※ 2

기재로 사용한 재료를 표기하고 있다. 초경은 WC-8 wt% Co의 조성으로 이루어지는 초경 합금, 서멧은 TiC-5 wt% Ni-8 wt% Co로 이루어지는 서멧, 세라믹스는 Si₃N₄제 세라믹스, P/M은 JIS SMF4045 상당의 철계 소결 부품을 사용했다.

※ 3

내열막으로 사용한 재료의 조성을 표기하고 있다. TiAlN은 Ti에 대한 Al 원자비 Al/Ti가 1인 TiAlN이며, CrAlN은 Al/Cr=0.7의 CrAlN이며, TiCN은 C/N=1의 TiCN이다.

※ 4

절삭 시간 120 min 후의 VB 마모량의 측정치를 표기했다.

※ 5

절삭 시간 120분 후의 가공면의 단면을 랩핑한 후 나이탈(에탄올+5 wt% 질산)로 에칭한 후에, 가공 변질층의 두께를 측정했다.

표 1에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 및 세라믹스의 인선에 내열막을 피복한 시료 번호 1～2는, VB 마모량의 대소에 관계없이, 30 ㎛ 이상의 가공 변질층이 생성되어 있다. 한편 cBN 소결체 및 cBN 소결체 상에 내열막을 피복한 절삭 공구에서는, 생성한 가공 변질층은 모두 22 ㎛ 이하이다.

cBN 소결체 절삭 공구 중에서도, 본 발명의 열전도율이 우수한 시료 11, 13～16, 18～27은 가공 변질층의 생성량이 8 ㎛ 이하이며, 특히 73 W/m?K 이상의 열전도율을 갖는 시료 13～16, 18～27은 고품위의 표면 성상을 갖는 가공면을 달성할 수 있다.

시료 12는 73 W/m?K 이상의 열전도율을 갖지만, 내열막이 0.2 ㎛로 얇기 때문에, cBN 소결체의 내마모성을 향상시키는 효과가 적어, VB=160 ㎛까지 발달한 여유면 마모부와 가공면의 마찰열에 의해, 가공 변질층의 생성량이 11 ㎛로 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구보다도 두껍게 되어 있다.

시료 17은 73 W/m?K 이상의 열전도율을 지니고, 내열막이 15 ㎛로 두껍기 때문에 여유면 마모량이 VB=90 ㎛로 매우 억제되지만, 반대로 가공 변질층은 15 ㎛로 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구보다도 두껍게 되어 있다. 이것은, cBN 소결체와 비교하여, 열전도율이 뒤떨어지는 내열막의 두께가 두껍기 때문에, 공구 여유면과 가공면에서의 마찰열이 cBN 소결체 내부로 방열되기 어렵게 되어, 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구보다도 인선 온도가 상승했기 때문에, 가공 변질층이 생성되기 쉽게 되었기 때문으로 추정된다.

<실시예 2>

TiN에 대하여, 중량으로 20%의 Al로 이루어지는 결합재 분말과, 시판되는 평균 입자 직경 2 ㎛의 cBN 분말을 준비했다. 이 cBN 분말에 대해서, cBN 이외의 성분에 관한 정량을 고주파 유도 플라즈마 발광 분석법(ICP 분석)에 의해서 실시한 바, Li, Si, Al, Ca, Mg 및 탄소를 합계로 0.35%로, 산소를 0.18%의 중량 비율로 함유하고 있었다. 이 결합재와 cBN 분말을 초경합금제 포트 및 볼을 이용하여 혼합했다. 이 때 준비한 TiN은 Ti와 N의 몰비가 1.1이었다.

이 혼합 분말에 멜라민 수지를 2 wt% 첨가하여, 각종의 초경합금제 용기에 충전하고, 압력 4.5 ㎬, 온도 1,900℃에서 60분간 소결하여, 체적 함유율로 70%의 cBN과, 잔부의 결합재가 TiN, TiB₂, AlB₂, AlN, Al₂O₃으로 이루어지며, 72 W/m?K의 열전도율을 갖는 소결체를 얻었다.

각종 소결체의 조성에 대해서는 X선 회절 분석에 의해 생성물을 확인하고, cBN 함유율에 대해서는 ICP 분석으로 정량했다. 초경 백 메탈 및 브레이징 재료의 열전도율에 대해서는, 연삭에 의해 측정 대상의 외주부를 제거하고, 단일체로 하여 크세논 플래시 타입의 열전도율 측정 장치에 의해 측정했다.

상기 cBN 소결체를 절삭에 관여하는 표면에 갖는, ISO 형번 CNGA120408로 분류되는 팁 형상의 공구를 준비하여, 하기의 조건으로 절삭 평가를 했다.

이 때, 어느 팁도, 초경 백 메탈을 갖는 cBN 소결체 소재를 초경합금으로 이루어진 기재에 각종 브레이징 재료를 이용하여 접합한 후, 연삭 가공에 의해 cBN 소결체로 이루어진 공구 인선부의 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시하고, 그 후 상기한 각종 인선 형상을 가공하였는데, 상기 인선 형상 가공 후의 cBN 소결체 및 초경 백 메탈의 두께는 어느 팁이나 0.8 ㎜이며, 0.8 R의 노우즈 R을 갖는 팁의 cBN 소결체 소재 저면부의 브레이징 면적은 3.2 ㎟였다. 브레이징은, 각종 브레이징 재료를 사용하여 진공 분위기 속에서 870℃에서 접합을 했다. 브레이징 재료의 브레이징층의 두께는 어느 시료나 0.05 ㎜이며, 브레이징재부에서 공공(브레이징 틈)을 갖는 것은 없었다.

어느 팁이나 cBN 소결체를 상기한 바와 같이 각종 팁 기재에 브레이징 접합한 후, 연삭 가공에 의해 cBN 소결체 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시했는데, 그 후, 더 연삭 가공하여 상기한 팁 모두 인선 처리를 -25°의 각도로 폭 0.13 ㎜의 챔퍼 형상으로 하여, 팁을 홀더에 부착했을 때의 절인 경사각, 측면 경사각, 전면 여유각, 측면 여유각, 전절인각, 횡절인각이, 각각 -5°, -5°, 5°, 5°, 5°, -5°가 되도록 했다. 그리고 마지막으로, 상기한 인선 형상의 가공 후, 아크 이온 플레이팅 타입의 PVD에 의해, 막 두께 1 ㎛의 Ti에 대한 Al의 원자비 Al/Ti가 1인 TiAlN의 내열막을 피복했다.

피삭재 경도 : HRc58

절삭 속도 : V=100 m/min.

절삭 깊이 : d=0.2 ㎜

이송량 : f=0.08 ㎜/rev.

절삭 시간 : 150 min

냉각재 : 에멀젼(제조원 : 니혼 플루이드 시스템, 상품명: 시스템 컷트 96) 20배 희석

※ 1

절삭 시간 150 min 후의 VB 마모량의 측정치를 표기했다.

※ 2

절삭 시간 150분 후의 가공면의 단면을 랩핑한 후 나이탈(에탄올+5 wt% 질산)로 에칭한 후에, 가공 변질층의 두께를 측정했다.

※ 3

절삭 시간 150분 후의 가공면을, 미소부 X선 응력 측정 장치에 의한 sin²Ψ 법(병경법: iso-inclination method)에 의해 잔류 응력을 측정했다. 표 중의 마이너스 표기는 압축 응력이 부가되어 있음을 나타낸다.

표 2 중의 시료 28～32에 나타내는 바와 같이, 동일한 조성의 초경합금제 백 메탈을 갖는 동일한 조성의 cBN 소결체 소재를, 각종 브레이징 재료를 이용하여 제작한 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구 중에서도, 특히 80 W/m?K 이상의 열전도율을 갖는 브레이징 재료를 사용한 공구가 가공 변질층의 생성이 적고, 잔류하는 압축 응력의 값도 높다.

시료 34～36에 나타내는 바와 같이, 다른 조성의 초경합금제 백 메탈을 갖는 cBN 소결체 소재를, 동일한 조성의 브레이징 재료를 이용하여 제작한 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구 중에서도, 특히 80 W/m?K 이상의 열전도율을 갖는 초경합금제 백 메탈을 사용한 공구가 가공 변질층의 생성이 적고, 잔류하는 압축 응력의 값도 높다.

이것은, 절삭시의 발열이, 본 발명의 열전도율이 우수한 cBN 소결체 내부에서, 본 발명의 열전도율이 우수한 초경 백 메탈이나 브레이징 재료로 열전도하기 때문에, 인선 온도의 상승이 억제되어, 절삭시의 발열이 가공면에 유입되는 비율이 적어졌기 때문으로 추정된다.

<실시예 3>

표 3에 기재한 바와 같이, 적어도 TiN, TiC, ZrN 중에서 선택되는 1종 이상에 대하여, 중량으로 3～25%의 Al로 이루어지는 결합재 분말과, 시판되는 평균 입자 직경 4.5 ㎛의 cBN 분말을 준비했다. 이 cBN 분말에 대해서, cBN 이외의 성분에 관한 정량을 고주파 유도 플라즈마 발광 분석법(ICP 분석)에 의해서 실시한 바, Li, Si, Al, Ca, Mg 및 탄소를 합계로 0.35%로, 산소를 0.18%의 중량 비율로 함유하고 있었다. 이 결합재 분말과 cBN 분말을 초경합금제 포트 및 볼을 이용하여 혼합했다.

이 각종 혼합 분말을 초경합금제 용기에 충전하고, 압력 5.5 ㎬, 온도 1,850℃에서 60분간 소결하여, 체적으로 72% 이상 99% 이하의 cBN과, 잔부의 결합재가 TiN, TiB₂, AlB₂, AlN, Al₂O₃으로 이루어지고, 72 W/m?K의 열전도율을 갖는 소결체를 얻었다.

각종 cBN 소결체의 조성에 대해서는 X선 회절 분석에 의해 생성물을 확인하고, cBN 함유율에 대해서는 ICP 분석으로 정량했다.

상기 cBN 소결체의 cBN 성분 이외의 성분에 있어서의, C와 N의 몰수의 합에 대한 4a, 5a, 6a족 원소의 몰수의 합 M의 비 및 Al 화합물의 비율의 정량에 대해서는, 고주파 유도 플라즈마 발광 분석법(ICP 분석)에 의해서 실시하고, 열전도율에 대해서는, 크세논 플래시 타입의 열전도율 측정 장치에 의해 열전도율을 측정했다.

본 cBN 소결체를 절삭에 관여하는 표면에 갖는, ISO 형번 CNGA120408로 분류되는 팁 형상의 공구를 준비하여, 하기의 조건으로 절삭 평가를 했다.

이 때 어느 팁이나, 초경 백 메탈을 갖지 않는 솔리드 cBN 소결체 소재를 초경합금으로 이루어진 기재에 브레이징 접합한 후, 연삭 가공에 의해 cBN 소결체 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시하고, 그 후 상기한 각종 인선 형상을 가공하였는데, 상기 인선 형상 가공 후의 cBN 소결체의 두께는 어느 팁이나 0.8 ㎜이며, 0.8 R의 노우즈 R을 갖는 팁의 cBN 소결체 소재 저면부의 브레이징 면적은 3.2 ㎟였다. 브레이징은 Ag : 76 wt%, Cu : 21 wt%, Zr : 1 wt%, Ti : 2 wt%의 조성이며, 850℃에서 접합을 했다. 브레이징 재료의 브레이징층의 두께는, 어느 시료나 0.05 ㎜이며, 브레이징 재료 내에 공공(브레이징 틈)을 갖는 것은 없었다.

어느 팁이나 cBN 소결체를 상기한 바와 같이 각종 팁 기재에 브레이징 접합한 후, 연삭 가공에 의해, cBN 소결체 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시했는데, 그 후 더 연삭 가공하여 상기한 팁 모두 인선 처리를 -25°의 각도로 폭 0.13 ㎜의 챔퍼 형상으로 하여, 팁을 홀더에 부착했을 때의 절인 경사각, 측면 경사각, 전면 여유각, 측면 여유각, 전절인각, 횡절인각이, 각각 -5°, -5°, 5°, 5°, 5°, -5°가 되도록 했다. 그리고 마지막으로, 상기한 인선 형상의 가공 후, 아크 이온 플레이팅 타입의 PVD에 의해, 막 두께 1 ㎛의 Ti에 대한 Al의 원자비 Al/Ti가 1인 내열막을 피복했다.

피삭재 : JIS 형번 : SUJ2 외주 가공(DIN 형번 : 100Cr6), 연속 가공

피삭재 경도 : HRc62

절삭 속도 : V=120 m/min.

절삭 깊이 : d=0.15 ㎜

이송량 : f=0.08 ㎜/rev.

절삭 시간 : 80 min

※ 1

시료 번호 37는, 실시예 1의 시료 번호 9에 사용한 시판되는 팁이다.

※ 2

절삭 시간 80 min 후의 VB 마모량의 측정치를 표기했다.

※ 3

시료 52만 TiAlN 내열막의 박리에 의해, 절삭 시간 10 min의 시점에서 VB 마모량이 300 ㎛까지 발달했기 때문에, 절삭을 중지하고, 가공 변질층 두께와 잔류 응력을 측정했다.

다른 시료에 대해서는 절삭 시간 80 min의 시점에서의, VB 마모량을 측정하여, 그 때의 가공 변질층 두께 및 잔류 응력을 측정했다.

※ 4

시료 번호 52의 시료를 제외하고, 절삭 시간 80분 후의 가공면의 단면을 랩핑한 후 나이탈(에탄올+5 wt% 질산)로 에칭한 후에, 가공 변질층의 두께를 측정했다.

※ 5

시료 번호 52의 시료를 제외하고, 절삭 시간 80분 후의 가공면을, 미소부 X선 응력 측정 장치에 의한 sin²Ψ법(병경법)에 의해, 잔류 응력을 측정했다. 표 중의 마이너스 표기는 압축 응력이, 플러스 표기는 인장이 부가되어 있음을 나타낸다.

표 3에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구인 시료 번호 38～51의 시료는, 종래의 cBN 소결체에서는 가공 변질층이 15 ㎛인 데 대하여, 모두 9 ㎛ 이하이며, 잔류 응력에 대해서도 높은 압축 응력이 부가되고 있다.

특히, 4a, 5a, 6a족 원소인 질화물, 탄화물, 탄질화물에서 선택되는 적어도 1종과 Al 화합물을 갖는 cBN 소결체 내의 결합재 성분에 있어서, C와 N의 몰수의 합에 대한 4a, 5a, 6a족 원소의 몰수의 합 M의 비인 M/(C+N)이 1.3 이상 1.6 이하이며, Al 화합물의 비율이 20% 이하이고, 80 W/m?K 이상의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 시료 번호 40～43, 47～51의 cBN 소결체 절삭 공구에서는 보다 고품위의 표면 성상을 달성하고 있음을 알 수 있다.

M/(C+N)이, 1.3 미만인 경우에는, cBN 입자 사이 및 결합재 사이의 결합력이 불충분하여, 입계부에 미소 결함이 생기기 쉽고, 그 결함부가 열 장벽이 되어, 열전도율이 저하된다. 또한 1.6을 넘는 경우에도 열전도율이 저하하고 있는데, 이것은 결합재 중에 미세한 석출물이나 고용물(solid solution)의 영향에 의해, 결합재를 구성하고 있는 결정 격자 중의 조화 진동이 무너지기 때문에, 포논(phonon) 전도성이 저하하기 때문으로 추정된다.

시료 번호 52의 샘플은, 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구와 마찬가지로 열전도율이 우수하다. 따라서, 담금질강 절삭을 행할 때에, 높은 cBN 함유율을 특징으로 하는 cBN 소결체 절삭 공구의 약점인 과도한 VB 마모량의 발달을 억제할 수 있으면, 고품위의 표면 성상을 얻을 수 있게 된다. 그러나, cBN의 함유율이 체적으로 95%를 넘는 cBN 소결체는 전기 전도성이 없는 cBN 입자에 대한 전기 전도성을 갖는 결합재의 비율이 적어, 아크 이온 플레이팅 PVD로 성막되는 내열막과의 밀착력이 열처리 후의 절삭에 견딜 수 있을 정도로 충분하지 않기 때문에, 절삭 초기에 내열막이 박리되어 버려, VB량이 커지고 본 발명과 같은 고품위의 표면 성상은 얻지 못하고 있다.

<실시예 4>

시판되는 hBN과 멜라민 수지 분말을 출발 원료로 하여, 미량의 Al, Si를 포함하는 LiCaBN, MgBN으로 이루어진 금속 촉매를 이용하여, 표 4에 나타낸 평균 입자 직경이 2～5 ㎛이고, cBN 성분에 대한 Li, Si, Mg, Al, Ca 및 탄소가 중량으로 0.222% 이하인 고순도 cBN 분말을 합성했다.

Li, Ca, Al, Si, Mg의 cBN 성분에의 혼입량의 컨트롤에 대해서는 미량의 Al, Si를 포함하는 LiCaBN, MgBN 금속 촉매량의 첨가량으로, 또한, 탄소의 혼입량에 대해서는 상기 hBN 출발 원료의 고주파로를 이용한 수소 가스 분위기에서의 전처리 온도를 1,100℃～1,500℃로 조정함으로써 실시했다.

이 결합재 분말은, 82 중량%의 TiN와 8 중량%의 Al을 혼합하여 제작했다. 이 고순도 cBN 분말과 결합재를 초경합금제의 포트 및 볼을 이용하여 혼합했다.

이 혼합 분말을 초경합금제 용기에 충전하여, 압력 8.0 ㎬, 온도 1,700℃에서 30분간 소결했다. 이 소결체에 대해서 X선 회절 분석을 한 바, 어느 시료로부터도 cBN 이외에, TiN, TiB₂, AlN, Al₂O₃ 등이 확인되었다. 이 cBN 소결체의 ICP 분석의 결과, 시료 번호 54를 제외한 시료 모두, 체적으로 72%의 cBN의 함유율을 가지며, TiN은, Ti와 N의 몰비가 1.4이었다. cBN 함유율 및 Ti와 N의 몰비에 대해서는, ICP 분석으로 정량하고, cBN 소결체의 열전도율에 대해서는 크세논 플래시 타입의 열전도율 측정 장치에 의해 측정했다.

각종 cBN 소결체를 표 4에 나타낸다. 또한, 이 소결체 내의 cBN 성분에 대한, Li, Ca, Al, Si, Mg, 탄소량, 산소량에 대해서는, 한 변이 3～7 ㎜이고 두께가 0.3～0.5 ㎜인 직사각형으로 한 그 소결체를 밀폐 용기 속에서, 농도가 60% 이상 65% 미만인 질산을 2배 희석한 것 40 ㎖와, 농도가 45% 이상 50% 미만인 불화수소산 10 ㎖을 혼합한 불화질산으로, 120℃ 이상 150℃ 미만에서 48시간 처리를 하여, 잔류 성분에 대해서 상기 ICP법으로 정량했다. 이 잔류 성분에 대해서 X선 회절 분석을 한 바, 어느 시료의 잔류 성분으로부터도 TiN, TiB₂, AlN, Al₂O₃은 확인되지 않았다.

이어서 얻어진 소결체에 대해서, 표 4의 53～67에 나타내는 조성이 다른 cBN 소결체를 절삭에 관여하는 표면에 갖는, ISO 형번 CNGA120412로 분류되는 팁 형상의 공구를 준비하여 하기의 조건으로 절삭 평가를 했다.

이 때 어느 팁이나, 초경 백 메탈을 갖지 않는 솔리드 cBN 소결체 소재를 초경합금으로 이루어지는 기재에 브레이징 접합한 후, 연삭 가공에 의해 cBN 소결체 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시하고, 그 후 상기한 각종 인선 형상을 가공하였는데, 상기 인선 형상 가공 후의 cBN 소결체의 두께는 어느 팁이나 0.8 ㎜이며, 1.2 R의 노우즈 R을 갖는 팁의 cBN 소결체 소재 저면부의 브레이징 면적은 2.9 ㎟였다. 브레이징은 Ag : 76 wt%, Cu : 21 wt%, Zr : 1 wt%, Ti : 2 wt%의 조성이며, 850℃에서 접합을 했다. 브레이징 재료의 브레이징층의 두께는 어느 시료나 0.05 ㎜이며, 브레이징 재료 내에 공공(브레이징 틈)을 갖는 것은 없었다.

어느 팁이나 cBN 소결체를 상기한 바와 같이 각종 팁 기재에 브레이징 접합한 후, 연삭 가공에 의해 cBN 소결체 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시했는데, 그 후, 더 연삭 가공하여, 상기한 팁 모두 인선 처리를 -25°의 각도로 폭 0.13 ㎜의 챔퍼 형상으로 하여, 팁을 홀더에 부착했을 때의 절인 경사각, 측면 경사각, 전면 여유각, 측면 여유각, 전절인각, 횡절인각이, 각각 -5°, -5°, 5°, 5°, 5°, -5°가 되도록 했다. 그리고 마지막으로, 상기한 인선 형상의 가공 후, 아크 이온 플레이팅 타입의 PVD에 의해 막 두께 1 ㎛의 Ti에 대한 Al의 원자비 Al/Ti가 1인 TiAlN의 내열막을 피복했다.

피삭재 경도 : HRc58

절삭 속도 : V=120 m/min.

절삭 깊이 : d=0.15 ㎜

이송량 : f=0.08 ㎜/rev.

절삭 시간 : 60 min

냉각재 : 없음

※ 1

시료 번호 53의 시료는, 시판되는 cBN 분말을 출발 원료로 하는 실시예 1의 시료 번호 9에서 사용한 시판되는 팁이다.

시료 번호 54의 시료는, 시판되는 cBN 분말 원료를 출발 원료로 하는 실시예 1의 시료 번호 24에서 사용한 본 발명의 cBN 소결체이다.

시료 번호 55～67의 시료는, hBN 분말로부터 합성한 cBN 분말을 사용한 본 발명의 cBN 소결체이다.

※ 2

이 소결체 내의 cBN 성분이 내포하는, Li, Ca, Al, Si, Mg, 탄소 등, 산소를 제외한 원소의 총합을 cBN 성분에서 차지하는 비율로서 중량%로 표기했다.

※ 3

절삭 시간 60 min 후의 VB 마모량의 측정치를 표기했다.

※ 4

표면 거칠기 Rz에 대해서는, JIS B0601에 준거한 십점 평균 거칠기로, 컷오프 0.8㎛, 기준 길이 l=4 ㎜의 조건으로 피삭재의 축 방향으로 측정했다.

※ 5

절삭 시간 60 min 후의 가공면의 단면을 랩핑한 후 나이탈(에탄올+5 wt% 질산)로 에칭한 후에, 가공 변질층의 두께를 측정했다.

표 4에 나타내는 바와 같이, 종래의 cBN 소결체에서는 가공 변질층의 생성량이 15 ㎛인데 대하여, 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구인 시료 번호 54～67의 시료는 가공 변질층의 생성량이 8 ㎛ 이하로 억제되고 있다.

본 발명 중에서도, 시료 번호 56～58, 60, 62～64, 66의 시료는 cBN 소결체를 구성하고 있는 cBN 입자의 평균 입자 직경이 2 ㎛ 이상 4 ㎛ 이하이며, cBN 성분 중에 Li, Si, Al, Ca, Mg 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소, 탄소 및 산소가 함유되고, cBN 성분에 대한 상기 Li, Si, Al, Ca, Mg 및 탄소의 합이 중량%로 0.02% 이상 0.2% 이하이며, cBN 성분에 대한 산소량이 중량%로 0.17% 이하인 고순도 cBN 성분으로 이루어져, 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구 중에서도 열전도율이 우수하고 가공 변질층의 생성량이 3.5μ m 이하로 억제되고 있다. 이것은, cBN 결정 격자의 조화 진동을 저해하는, cBN 입자 중의 Li, Si, Al, Ca, Mg 및 탄소 성분이 적어졌기 때문에, 포논 전도성이 향상했기 때문으로 추정된다.

본 발명 중에서도 cBN 입자 중의 Li, Si, Al, Ca, Mg 및 탄소 성분이 0.2%를 넘고 있는 시료 번호 53, 54 및 65에서는, 상기한 조화 진동이 저해되기 때문에 열전도율이 저하하고 있는 것으로 추정된다.

반대로, cBN 입자 중의 Li, Si, Al, Ca, Mg 및 탄소 성분이 중량%로 0.02% 미만인 시료 번호 61의 시료에서는 열전도율이 저하하고 있지만, 이것은, Li, Si, Al, Ca, Mg 및 탄소 성분이 지나치게 적으면, cBN 입자끼리의 결합력을 높이는 효과가 없어지므로, 열 장벽이 되는 결함이 cBN 소결체 내에 형성되기 때문으로 추정된다.

시료 번호 59의 시료도 열전도율이 저하하고 있는데, cBN 입자 직경이 미세하고, 이것도 열 장벽이 되는 cBN 입자의 입계 면적의 증가에 의한 것으로 추정된다.

한편, 시료 번호 67의 시료는, cBN 입자 직경이 크기 때문에, 열 장벽이 되는 입계 면적이 감소하여 열전도율이 향상되고, 가공 변질층의 생성량도 작아졌다고 생각되지만, 다른 시료가 Rz 2.4 ㎛ 이하의 양호한 표면 거칠기를 달성하고 있는 데 대하여, Rz 4.0 ㎛로 악화되고 있다. 이것은, 평가가 끝난 팁의 인선을 관찰한 바, 어느 시료에서나 공구의 전절인부에 cBN 입자의 탈락이 관찰되었는데, 이 탈락 입자의 탈락 흔적이, 가공면에 전사되어, 표면 거칠기가 결정되는 것에 의한 것이다.

<실시예 5>

실시예 4의 시료 번호 58에서 사용한 cBN 분말과 결합재 분말의 혼합 분말을, Ti 캡슐로 포위한 상태로 초경합금제 용기에 진공 봉입하여, 3～3.5 ㎬, 온도를 1,000℃～1,200℃에서 탈질화 처리를 행한 후, 압력 7.7 ㎬, 온도 2,000℃에서 60분간 소결하여, 표 5의 68～75에 나타내는 cBN 소결체를 얻었다.

이 소결체에 대해서 X선 회절 분석을 한 바, 어느 시료로부터도 cBN 이외에, TiN, TiB₂, AlN, Al₂O₃ 등이 확인되었다. 이 cBN 소결체의 ICP 분석의 결과, 시료 번호 2를 제외한 시료 모두가 체적으로 72%의 cBN의 함유율을 가지며 TiN은 Ti와 N의 몰비가 1.4였다.

이 소결체 내의 cBN 성분의 N에 대한 B의 몰비에 대해서는 한 변이 3～7 ㎜이고 두께가 0.3～0.5 ㎜인 직사각형으로 한 그 소결체를 밀폐 용기 속에서, 농도가 60% 이상 65% 미만의 질산을 2배 희석한 것 40 ㎖와 농도가 45% 이상 50% 미만의 불화수소산 10 ㎖를 혼합한 불화질산으로, 120℃ 이상 150℃ 미만에서 48시간 처리를 한 잔류 성분에 대해서 상기 ICP법으로 정량했다. 이 잔류 성분에 대해서 X선 회절 분석을 한 바, 어느 시료의 잔류 성분으로부터도 TiN, TiB₂, AlN, Al₂O₃은 확인되지 않았다.

이어서 얻어진 소결체에 대해서, 표 5의 68～75에 나타내는 조성이 다른 cBN 소결체를 절삭에 관여하는, ISO 형번 CNGA120412로 분류되는 팁 형상의 공구를 준비하여, 실시예 4와 동일 조건으로 절삭 평가를 했다.

이 때 어느 팁이나, 초경 백 메탈을 갖지 않는 솔리드 cBN 소결체 소재를 초경합금으로 이루어진 기재에 브레이징 접합한 후, 연삭 가공에 의해 cBN 소결체 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시하고, 그 후 상기한 각종 인선 형상을 가공하였는데, 상기 인선 형상 가공 후의 cBN 소결체의 두께는 어느 팁이나 0.8 ㎜이며, 1.2 R의 노우즈 R을 갖는 팁의 cBN 소결체 소재 저면부의 브레이징 면적은 2.9 ㎟였다. 브레이징은, Ag : 76 wt%, Cu : 21 wt%, Zr : 1 wt%, Ti : 2 wt%의 조성이며, 850℃에서 접합을 했다. 브레이징 재료의 브레이징층의 두께는 어느 시료나 0.05 ㎜이며, 브레이징 재료 내에 공공(브레이징 틈)을 갖는 것은 없었다.

어느 팁이나 cBN 소결체를 상기한 바와 같이 각종 팁 기재에 브레이징 접합한 후, 연삭 가공에 의해 cBN 소결체 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시했는데, 그 후, 더 연삭 가공하여, 상기한 팁 모두 인선 처리를 -25°의 각도로 폭 0.13 ㎜의 챔퍼 형상으로 하여, 팁을 홀더에 부착했을 때의 절인 경사각, 측면 경사각, 전면 여유각, 측면 여유각, 전절인각, 횡절인각이, 각각 -5°, -5°, 5°, 5°, 5°, -5°가 되도록 했다. 그리고 마지막으로, 상기한 인선 형상의 가공 후, 아크 이온 플레이팅 타입의 PVD에 의해, 막 두께 1 ㎛의 Ti에 대한 Al의 원자비 Al/Ti가 1인 TiAlN의 내열막을 피복했다.

※ 1

절삭 시간 60 min 후의 VB 마모량의 측정치를 표기했다.

※ 2

절삭 시간 60 ㎜ 후의 가공면의 단면을 랩핑한 후 나이탈(에탄올+5 wt% 질산)로 에칭한 후에, 가공 변질층의 두께를 측정했다.

※ 3

절삭 5 min후의 가공면을, 미소부 X선 응력 측정 장치에 의한 sin2Ψ법(병경법)에 의해 잔류 응력을 측정했다. 표 중의 마이너스 표기는 압축 응력이 부가되어 있음을 나타낸다.

표 5에 나타내는 바와 같이, 시료 번호 68～75의 시료는 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구이며, 모든 시료에 있어서 가공 변질층의 생성량이 3.5 ㎛ 이하로 억제되고 있지만, cBN 소결체를 구성하고 있는 cBN 성분 중의 N에 대한 B의 몰비가 1.15 이상 1.2 이하인 것을 특징으로 하는 시료 번호 71～74의 시료는 가공 변질층의 생성량이 1.9 ㎛ 이하로 억제되고, 높은 압축 응력이 잔류하고 있다.

시료 번호 68～75의 시료에서는, B/N 비가 증가함에 따라서 열전도율이 약간 저하하고 있음에도 불구하고, 고품위의 표면 성상을 얻고 있는데, 이것은, cBN 성분에 있어서의 B와 N의 화학양론이 B가 과잉인 조성으로 틀어졌기 때문에, 가공물과의 찰과부에서 윤활성이 우수한 B₂O₃이 생성되어 마찰열을 저하시켰기 때문으로 추정하고 있다.

한편, cBN 성분 중의 N에 대한 B의 몰비가 1.25로 1.20을 넘고 있는 시료 번호 75의 시료는, 가공 변질층의 생성량 및 잔류 응력 특성에 대해서도 거꾸로 저하하고 있는데, 이것은 cBN 격자 사이의 원자 결합에 관여하지 않는 필요 이상의 B 성분의 존재에 의해, 내마모성이 저하하고 조화 진동이 흐트러졌기 때문으로 추정된다.

<실시예 6>

실시예 2의 시료 28에서 사용한 초경 백 메탈을 갖는 cBN 소결체 소재를, 3 종류의 브레이징 재료를 사용하여, 700℃～1,000℃에서 진공 분위기 내에서의 초경기재에의 접합을 실시하여, 실시예 2와 동일한 팁 형상, 인선 처리, 내열막을 피복한 각종 cBN 소결체 절삭 공구를 표 6에 나타낸다.

시료 번호 76～93의 시료는, 중량으로 Ag : 76%, Cu : 23%, Ti : 1%의 조성으로 이루어지는 브레이징 재료, 혹은 이 브레이징 재료에 평균 입자 직경이 5～200 ㎛인 cBN, 다이아몬드 내지는 WC, W를 분산시킨 것이다. 시료 번호 94의 시료는, 중량으로 Ag : 70%, Cu : 29%, Ti : 1% 조성의 브레이징 재료를, 시료 번호 95의 시료는 중량으로 Ag : 65%, Cu : 32%, Ti : 2%, Zr : 1% 조성의 브레이징 재료를 사용했다.

브레이징재부의 열전도율에 대해서는, 브레이징재부의 외주를 연삭으로 제거하여, 브레이징재부 단일체로 한 후, 크세논 플래시 타입의 열전도율 측정 장치에 의해 측정했다.

그리고, 실시예 2와 같이, 상기한 공구의 인선 처리의 가공 후, 이온 아크 플레이팅 타입의 PVD에 의해, 막 두께 1 ㎛의 Ti에 대한 Al의 원자비 Al/Ti가 1인 TiAlN의 내열막을 피복하여, 실시예 2와 동일한 절삭 조건에서의 가공 변질층의 생성을 평가하였다.

※ 1

절삭 시간 150 min 후의 VB 마모량의 측정치를 표기했다.

※ 2

※ 3

절삭 시간 150분 후의 가공면을, 미소부 X선 응력 측정 장치에 의한 sin2Ψ법(병경법)에 의해 잔류 응력을 측정했다. 표 중의 마이너스 표기는 압축 응력이 부가되어 있음을 나타낸다.

표 6에 나타내는 바와 같이, 시료 번호 76～95에 나타낸 시료는, 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구이지만, 특히, 시료 번호 78～81 및 94에 나타낸 바와 같이, 220 W/m?K 이상의 열전도율을 갖는 브레이징 재료로 구성되어, 브레이징층의 두께가 0.02 ㎜ 이상 0.2 ㎜ 이하이며, 또한 브레이징층 내에 0.5 ㎜을 넘는 장축 직경을 갖는 공공을 포함하지 않는 브레이징 재료를 사용한 공구가, 가공 변질층의 생성이 적고 잔류하는 압축 응력의 값도 높다.

더욱이, 브레이징층의 내부에, 평균 입자 직경 5～150 ㎛ 이하의 cBN 내지는 다이아몬드 입자를 체적으로 5%～40% 함유하고, 280 W/m?K 이상의 열전도율을 갖는 시료 번호 84～87 및 91의 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구는, 가공 변질층의 생성이 적고, 잔류하는 압축 응력의 값도 높다.

시료 번호 76～82는, 브레이징 재료 단일체로서 250 W/m?K의 열전도율을 갖는 브레이징 재료이지만, 브레이징 온도가 저온인 시료 번호 76의 시료는, 브레이징 재료의 용융과, cBN 소결체 소재와 초경 기재간의 습윤성(wetting)이 충분하지가 않아, 브레이징 재료가 스며들지 않은 0.6 ㎜ 이상의 공공이 형성되었기 때문에, 이 공공이 열 장벽으로 되어, 열전도율이 크게 저하되었다고 추정된다.

한편 시료 번호 82의 시료에서는, 브레이징 재료가 충분히 용융했지만, 과도하게 고온인 조건이기 때문에, 용융된 브레이징 재료의 점성이 저하되어, cBN 소결체 소재와 초경 기재 계면으로부터 유출되어 버려, 0.8 ㎜의 큰 공공이 형성되어 버렸다고 추정된다.

시료 번호 83～92의 시료에서는, 브레이징재부에, 열전도율과 영율(Young's modulus)이 우수한 경질 입자를 분산시켜, 절삭시의 cBN 소결체부의 인선 온도를 저하시키는 것을 목적으로 하고 있다. 그러나, 시료 번호 88～90의 시료와 같이, 첨가재의 입자 직경이 지나치게 크거나, 브레이징 재료에의 첨가량이 지나치게 많으면, 브레이징 재료의 스며들기가 불충분하게 되어, 역으로 공공 결함을 일으켜, 가공면의 표면 성상은 개선되지 않는다.

또한, 경질 입자의 종류도, 브레이징 재료와의 습윤성에 영향을 줘, 경질 입자 단일체로서는 다이아몬드 입자보다도 열전도율이 떨어지는 cBN 입자 쪽이, 브레이징 재료와의 습윤성이 우수한 것으로 생각되며, cBN 입자를 브레이징 재료에 분산시킨 시료 번호 91의 시료가 특히 우수하다.

<실시예 7>

실시예 2의 시료 번호 29에서 사용한 본 발명의 cBN 소결체 소재를 절삭에 관여하는 표면에 갖는, ISO 형번 CNGA120408로 분류되는 팁 형상의 공구를 준비하여, 아크 이온 플레이팅 타입의 PVD에 의해, 표 7에 나타낸 막 두께 1 ㎛의 각종 내열막을 피복한 cBN 소결체 절삭 공구를 제작하여, 하기의 조건으로 절삭 평가를 했다.

이 때, 어느 팁이나 실시예 2와 마찬가지로, 초경 백 메탈을 갖는 cBN 소결체 소재를 초경합금으로 이루어지는 기재에 각종 브레이징 재료를 이용하여 접합한 후, 연삭 가공에 의해 cBN 소결체 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시하고, 그 후 상기한 각종 인선 형상을 가공하였는데, 상기 인선 형상 가공 전의 cBN 소결체 및 초경 기재의 두께는 어느 공구나 0.8 ㎜이며, 0.8 R의 노우즈 R을 갖는 공구의 cBN 소결체 소재 저면부의 브레이징 면적은 3.2 ㎟였다. 브레이징은, 중량으로 Ag : 76%, Cu : 23%, Ti : 1%의 조성으로 이루어지는 브레이징 재료를 사용하여, 진공 분위기 속에서 850℃에서 접합을 했다. 브레이징 재료의 브레이징층의 두께는 어느 시료나 0.05 ㎜이며, 브레이징재부에 공공(브레이징 틈)을 갖는 것은 없었다.

어느 팁이나 cBN 소결체를 상기한 바와 같이 각종 팁 기재에 브레이징 접합한 후, 연삭 가공에 의해 cBN 소결체 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시했는데, 그 후, 더 연삭 가공하여, 상기한 팁 모두 인선 처리를 -25°의 각도로 폭 0.13 ㎜의 챔퍼 형상으로 하여, 팁을 홀더에 부착했을 때의 절인 경사각, 측면 경사각, 전면 여유각, 측면 여유각, 전절인각, 횡절인각이, 각각 -5°, -5°, 5°, 5°, 5°, -5°가 되도록 했다.

내열막의 열전도율에 대해서는, SUS304판 상에 두께 15 ㎛의 내열막을 성막하여, 크세논 플래시 타입의 열전도율 측정 장치에 의해 측정했다.

절삭 평가는 하기의 조건으로 행했다.

피삭재 : JIS 형번 : S55C 외주 가공(DIN 형번 : C55), 연속 가공

피삭재 경도 : HRc45

절삭 속도 : V=150 m/min.

절삭 깊이 : d=0.2 ㎜

이송량 : f=0.1 ㎜/rev.

절삭 시간 : 150 min

냉각재 : 없음

※ 1

절삭 시간 100 min 후의 VB 마모량의 측정치를 표기했다.

※ 2

절삭 시간 100 min 후의 KT 마모량의 측정치를 표기했다.

※ 3

표 7에 나타내는 바와 같이, 시료 번호 96～115에 나타낸 시료는, 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구이지만, 특히, 시료 번호 100, 104～110 및 113～115에 나타낸 바와 같이, 30 W/m?K 이상 45 W/m?K 이하의 열전도율을 갖는 내열막을 갖는 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구는, 가공 변질층의 생성이 8 ㎛ 이하로 적고, 또한 긴 수명이었다. 시료 번호 96～99, 101의 시료는 내열막의 열전도율이 29 W/m?K 이하로서, 가공면에서 발생한 절삭열이 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구로 유입되는 것이 방해받기 때문에, 가공 변질층의 생성량이 11 ㎛ 이상으로 되고 있다.

한편, 열전도율이 47 W/m?K 이상인 시료 번호 102, 103, 111, 112에서는, 가공면에서 발생한 절삭열이, 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구 내부로 적극적으로 유입하기 때문에, 크레이터 마모(crater wear)의 발달에 의해 치핑(chipping)이 발생하였다.

<실시예 8>

실시예 7의 시료 번호 109에서 사용한 본 발명의 cBN 소결체 공구를 절삭에 관여하는 표면에 갖는, ISO 형번 CNGA120408로 분류되는 팁 형상의 공구를 준비했다.

이 때 어느 팁이나, 초경 백 메탈을 갖지 않는 솔리드 cBN 소결체 소재를 초경합금으로 이루어지는 기재에 브레이징 접합한 후, 연삭 가공에 의해 cBN 소결체 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시하고, 그 후 상기한 각종 인선 형상을 가공하였는데, 상기 인선 형상 가공 후의 cBN 소결체의 두께는 어느 팁이나 0.8 ㎜이며, 0.8 R의 노우즈 R을 갖는 팁의 cBN 소결체 소재 저면부의 브레이징 면적은 3.2 ㎟였다. 브레이징은 Ag : 76 wt%, Cu : 21 wt%, Zr : 1 wt%, Ti : 2 wt%의 조성이며, 850℃에서 접합을 했다. 브레이징 재료의 브레이징층의 두께는 어느 시료나 0.05 ㎜이며, 브레이징 재료 내에 공공(브레이징 틈)을 갖는 것은 없었다.

어느 팁이나 cBN기 소결체를 상기한 바와 같이 각종 팁 기재에 브레이징 접합한 후, 연삭 가공에 의해 cBN기 소결체 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시했는데, 그 후, 더 연삭 가공하여, 상기한 팁 모두 인선 처리를 -25°의 각도로 폭 0.13 ㎜의 챔퍼 형상으로 하여, 팁을 홀더에 부착했을 때의 절인 경사각, 측면 경사각, 전면 여유각, 측면 여유각, 전절인각, 횡절인각이, 각각 -5°, -5°, 5°, 5°, 5°, -5°가 되도록 했다.

이어서, 상기한 인선 형상의 가공 후, 실시예 7의 시료 번호 109의 본 발명의 cBN 소결체 공구와 마찬가지로, 아크 이온 플레이팅 타입의 PVD에 의해, 막 두께 1 ㎛의 Ti와 Al과 V의 비율이, 각각 85 at%, 10 at%, 5 at%인 TiAlVN의 내열막을 피복했다.

마지막으로 연삭에 의해, 절삭에 관여하는 부위에 있어서, 노우즈 R, 절삭 깊이 d, 이송량 f, 측면 경사각 αb, 절인 경사각 αs로 했을 때에,

Q={R²?tan^-1[f/sqr(4R²-f²)]+0.25f?sqr(4R²-f²)+f(d-R)}/(cosαs?cosαb)

로 정의되는 절삭 단면적 Q에 대한 0% 이상 80% 이하의 면적을 갖는 영역의 내열막을 제거한, 표 8에 나타내는 18 종류의 시료를 제작했다.

이들 샘플을, 각종 냉각재를 사용하여, 하기의 조건으로 절삭 평가를 했다.

피삭재 : JIS 형번 : SCM420 외주 가공(DIN 형번 : 25 CrMo4), 연속 가공

피삭재 경도 : HRc58

절삭 속도 : V=120 m/min.

절삭 깊이 : d=0.2 ㎜

이송량 : f=0.1 ㎜/rev.

절삭 시간 : 80 min

냉각재 : (1) 에멀젼(제조원 : 니혼 플루이드 시스템, 상품명 : 시스템 컷트 96)

(2) 오일 미스트(oil mist)(제조원 : 후지BC기술연구소, 상품명 : 블루베 LB-1)

※ 1

절삭 시간 60 min 후의 VB 마모량의 측정치를 표기했다.

※ 2

절삭 시간 60 min 후의 KT 마모량의 측정치를 표기했다.

※ 3

절삭 시간 80분 후의 가공면의 단면을 랩핑한 후 나이탈(에탄올+5 wt% 질산)로 에칭한 후에, 가공 변질층의 두께를 측정했다.

※ 4

절삭 시간 80분 후의 가공면을, 미소부 X선 응력 측정 장치에 의한 sin2Ψ법(병경법)에 의해 잔류 응력을 측정했다. 표 중의 마이너스 표기는 압축 응력이 부가되어 있음을 나타낸다.

표 8에 나타내는 바와 같이, 시료 번호 116～134에 나타낸 시료는 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구이지만, 특히, 공구 여유면 혹은 공구 경사면의 내열막의

Q={R²?tan^-1[f/sqr(4R²-f²)]+0.25f?sqr(4R²-f²)+f(d-R)}/(cosαs?cosαb)

로 정의되는 절삭 단면적 Q에 대한 0% 이상 80% 이하의 면적을 제거한, 시료 번호 118～121, 123～126 및 128～134의 시료는 모두 내열막을 제거하지 않는 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구와 비교하여, 가공 변질층의 생성량이 적고, 잔류 응력도 높은 압축 응력이 부가되고 있었다. 이것은, 가공면에서 발생한 절삭열이, 내열막보다도 대폭 열전도율이 우수한 본 발명의 cBN 소결체 소재와 직접 찰과하므로, 절삭열이 효율적으로 방열되었기 때문으로 추정된다.

내열막의 일부를 제거한 상기한 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구 중에서도, 특히 여유면의 내열막의 일부를 제거한 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구는 경사면의 내열막을 제거한 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구와 비교하여 긴 수명이었다.

경사면의 내열막을 제거한 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구는, 여유면의 내열막을 제거한 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구보다도, 치핑까지의 수명이 저하하고 있다. 이것은, 여유면의 VB 마모가 평면적인 마모인 것과 달리, 경사면의 KT 마모는, 크레이터형으로 발달하기 때문에, 이 KT 마모의 발달에 의해 인선부의 웨지각(wedge angle)이 감소하기 때문에 치핑을 야기하기 쉬워, 경사면의 내열막이 제거됨으로써, KT 마모의 발달이 가속되었기 때문으로 추정된다.

오일 미스트의 토출량이 1cc～300cc/시간인 시료 131～133에서는, 냉각재를 사용하지 않는 시료 128과 동일한 VB 마모량임에도 불구하고, 가공 변질층의 생성이 적고, 잔류하는 압축 응력의 값도 높다.

이것은, 오일 미스트를 적량 토출함으로써, 공구와 가공물의 계면에 오일 미스트가 침입하여 마찰을 저감함으로써, 절삭시의 발열이 억제되기 때문으로 추정된다. 한편, 오일 미스트의 토출량이 1 cc/시간 미만인 시료 130이나 300 cc/시간을 넘고 있는 시료 134에서는, 시료 131～133 정도의 표면 성상 개선 효과가 보이고 있지 않는데, 이것은, 토출량이 지나치게 적은 경우에는, 오일 미스트의 윤활 효과가 발휘되지 않고, 지나치게 많은 경우에는, 오일 미스트 입자의 응집에 의해, 공구와 가공물의 계면에의 침입이 어렵게 되기 때문으로 추정된다.

Claims

체적%로 60% 이상 95% 이하의 cBN 성분을 갖는 고품위 표면 성상 가공용 cBN 소결체로서, 열전도율이 70 W/m?K 이상인 cBN 소결체의 최외측 표면이, 4a, 5a, 6a족 원소 및 Al 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소와, C, N, O 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소의 화합물로 이루어지는 0.5 ㎛～12 ㎛의 두께를 갖는 내열막으로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 cBN 소결체.
체적%로 72% 이상 95% 이하의 cBN 성분을 갖는 cBN 소결체로서, 이 cBN 소결체의 열전도율이 80 W/m?K 이상이며, 결합재 성분으로서 4a, 5a, 6a족 원소의 질화물, 탄화물, 탄질화물에서 선택되는 적어도 1종과, 상기 결합재 중의 비율이 중량%로 20% 이하인 Al 화합물을 지니고, 상기 cBN 성분 이외의 성분에 있어서 C와 N의 몰수의 합에 대한 4a, 5a, 6a족 원소의 몰수의 합 M의 비가 1.3 이상 1.6 이하인 cBN 소결체의 최외측 표면이, 4a, 5a, 6a족 원소 및 Al 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소와, C, N, O 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소의 화합물로 이루어지는 0.5 ㎛～12 ㎛의 두께를 갖는 내열막으로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 cBN 소결체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 cBN 소결체를 구성하고 있는 cBN 입자의 평균 입자 직경이 2 ㎛ 이상 4 ㎛ 이하이며, 이 cBN 성분 중에 Li, Si, Al, Ca, Mg 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소, 탄소 및 산소가 함유되고, 상기 cBN 성분에 대해 함유되어 있는 상기 Li, Si, Al, Ca, Mg 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소 및 탄소의 합이 중량%로 0.02% 이상 0.2% 이하이며, 상기 cBN 성분에 대한 산소량이 중량%로 0.17% 이하인 고순도 cBN 성분으로 이루어지고, 85 W/m?K 이상의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 cBN 소결체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 cBN 소결체를 구성하고 있는 cBN 성분 중의 N에 대한 B의 몰비가 1.15 이상 1.20 이하인 것을 특징으로 하는 cBN 소결체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 내열막은 30 W/m?K 이상45 W/m?K 이하의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 cBN 소결체.
제1항 또는 제2항에 기재한 cBN 소결체가 일체 소결되거나, 브레이징 재료를 통해 초경합금, 서멧, 세라믹스 또는 철계 재료로 이루어지는 지지체에 접합되어 있는 고품위 표면 성상 가공용 cBN 소결체 절삭 공구로서, cBN 소결체부 및 브레이징재부가 80 W/m?K 이상의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 cBN 소결체 절삭 공구.
제6항에 있어서, 상기 브레이징재부는 Ti와 Zr에서 선택되는 적어도 1종 이상과, Ag, Cu 중에서 선택되는 1종 이상을 함유하고, 220 W/m?K 이상의 열전도율을 갖는 브레이징 재료로 구성되며, 브레이징재부의 두께가 0.02 ㎜ 이상 0.20 ㎜ 이하이고, 브레이징 재료 내에 0.5 ㎜를 넘는 장축 직경을 갖는 공공(空孔)을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 cBN 소결체 절삭 공구.
제6항에 있어서, 상기 브레이징재부의 내부에, 평균 입자 직경이 5 이상 150 ㎛ 이하인 cBN 입자 또는 다이아몬드 입자를 체적으로 5%～40% 함유하고, 280 W/m?K 이상의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 cBN 소결체 절삭 공구.
제6항에 있어서, 상기 cBN 소결체 절삭 공구의 절삭에 관여하는 부위에 있어서, 노우즈 R, 절삭 깊이 d, 이송량 f, 측면 경사각 αb, 절인 경사각 αs로 했을 때에,

Q={R²?tan^-1[f/sqr(4R²-f²)]+0.25f?sqr(4R²-f²)+f(d-R)}/(cosαs?cosαb)

로 정의되는 절삭 단면적 Q에 대한 10% 이상 80% 이하의 면적을 갖는 영역의 상기 내열막이 제거되어, 절삭시에 피삭재와 cBN 소결체가 직접 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 cBN 소결체 절삭 공구.
제6항에 있어서, 상기 cBN 소결체 절삭 공구의 공구 여유면의 절삭에 관여하는 부위에 있어서, 상기 절삭 단면적 Q에 대한 10% 이상 80% 이하의 면적을 갖는 영역의 내열막이 제거되어, 절삭시에 피삭재와 cBN 소결체가 직접 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 cBN 소결체 절삭 공구.