KR101270840B1 - 고품위 표면 성상 가공용 ｃＢＮ 소결체 및 ｃＢＮ 소결체절삭 공구와 이것을 이용한 절삭 가공 방법 - Google Patents
고품위 표면 성상 가공용 ｃＢＮ 소결체 및 ｃＢＮ 소결체절삭 공구와 이것을 이용한 절삭 가공 방법 Download PDFInfo
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Abstract
종래의 cBN 소결체 공구와 비교하여, 절삭 대상물의 가공면에 형성되는 가공 변질층의 생성 억제 및 압축 응력의 잔류를 촉진함으로써, 가공 부품의 피로 수명의 향상을 달성하고, 또한 공구 수명도 긴 cBN 함유율이 높은 소결체를 제공한다. 87 체적% 이상 99 체적% 이하의 cBN 성분을 갖고, 또한 열전도율이 100 W/m·K 이상인 cBN 소결체(1)의 최외측 표면이, 4a, 5a, 6a족 원소 및 Al 중에서 선택되는 1종 이상의 원소와, C, N, O 중에서 선택되는 1종 이상 원소의 화합물로 이루어지는 0.5 ㎛∼12 ㎛의 두께를 갖는 내열막(2)으로 피복된 것을 특징으로 하는 고품위 표면 성상 가공용 cBN 소결체이다.
Description
본 발명은, 담금질강이나 FCD 주철 및 ADI 주철 등의 철계 재료의 고경도 난삭재 절삭의 고품위 표면 성상 가공용 cBN 소결체에 관한 것으로, 절삭 중의 인선(刃先 : cutting edge)의 온도열을 억제함으로써, 절삭 공구에 의해 절삭면에 가공 변질층이 생성되는 것을 억제하여, 압축 응력의 잔류가 촉진되고, 이로써 절삭 공구의 피로 수명을 향상시켜, 절삭 공구의 장기 수명화를 달성한다.
예컨대 cBN 소결체 공구는, 종래의 초경 공구 등의 공구 재료와 비교하여, cBN 소결체의 화학적 안정성이나 경도의 높이에 기인하는 고능률로 긴 수명을 달성할 수 있는 재료적인 고성능 특성과, 또한 절삭 공구 등의 소성 가공 공구로서의 연삭 공구를 크게 능가하는 우수한 유연성이나 고환경성이 평가되어, 철계 난가공성 재료의 가공에 있어서 종래 공구를 치환하여 왔다.
cBN 소결체 재료의 종류는 2가지로 분류되며, 하나는 특허문헌 1에 기재되어 있는 것과 같이 cBN 함유율이 높아 cBN끼리 결합하고, 잔부가 Co나 Al을 주성분으로 하는 결합재로 이루어지는 것이나, 특허문헌 2와 같은, 최대한 cBN 이외의 성분 을 함유하지 않는 소결체(이후, 고 cBN 함유율 소결체라 약칭함)이며, 또 하나는, 특허문헌 3에 기재되어 있는 것과 같이 cBN 함유율이 비교적 낮아 cBN끼리의 접촉율이 낮으며, 철과의 친화성이 낮은 Ti의 질화물(TiN)이나 탄화물(TiC)로 이루어지는 세라믹스를 통해 결합되어 있는 것(이후, 저 cBN 함유율 소결체라 약칭함)이다.
전자의 고 cBN 함유율 소결체는, 칩이 분단되고, 칩에서의 전단열 발생이 곤란한 용도에서는, cBN의 우수한 기계 특성(고경도, 고강도, 고인성)과 높은 열전도성에 의해, 뛰어난 안정성과 긴 수명을 달성하며, 경질 입자와의 마찰에 의한 기계적인 마모나 손상이나, 고속 단속 절삭에 의한 열 충격에 기인한 손상이 지배적인, 철계 소결 부품이나 회주철의 절삭 가공에 적합하다.
그러나, 연속적인 칩에 의해 발생하는 다량의 전단열에 의해 인선이 고온에 노출되는 강철이나 담금질강 등의 가공에서는, cBN 성분이 철과의 열적인 마모에 의해, 종래의 초경 공구나 세라믹스 공구보다도 급속하게 마모가 진전하기 때문에 수명이 단축된다.
한편 후자의 저 cBN 함유율 소결체는, cBN보다도 고온 하에서의 철과의 친화성이 낮은 TiN이나 TiC 세라믹스로 이루어지는 결합재의 작용에 의해, 우수한 내마모성을 발휘하고, 특히 종래의 초경 공구나 세라믹스 공구로는 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 고강성화에 의해, 또는 저 cBN 함유율 소결체 재료 종류의 cBN과 Ti계 결합재의 비율을 조정하는 것에 의해, 예컨대 침탄 담금질 등의 소위 담금질 처리에 의해 표면 경도를 Hv 4.5 GPa∼8.0 GPa(HRc 45∼HRc 64)로 높인 강철인 SCM420, SCR420, S50C나 SUJ2로 대표되는 담금질강이나, HB200 이상으로 경도를 높인 FCD600과 같은 FCD(연성) 주철이나 ADI1000과 같은 ADI(오스템퍼링된) 주철 등의 철계 난삭재로 이루어지는 자동차의 트랜스미션이나 엔진 부품의 절삭 가공과 같이, 요구 정밀도가 십점 평균 조도(이후 Rz라 약칭함)로 3.2 ㎛∼6.3 ㎛인 가공 용도에 있어서도 연삭 가공 대신에 cBN 소결체 공구가 적용되고 있다.
더욱이 최근에는, Rz 0.4 ㎛∼3.2 ㎛의 고정밀도의 표면 조도를 필요로 하는 미끄럼 이동면이나 구름면 등에서는, 가공 부위에 충분한 피로 강도를 갖는 고품위 표면이 요구되는 최종 마무리 공정이나, 혹은 그 후의 연삭 가공과 비교하여 가공 여유가 작은 호닝 가공 호닝 등의 5∼10 ㎛ 이하의 극미소 가공 여유에서의 마무리 가공만으로 고품위 표면이 얻어지는 중간 마무리 가공 용도에 있어서도, 가공 능률이나 유연성의 관점에서 제약이 있는 연삭 가공 대신에 저 cBN 함유율 소결체로 이루어지는 절삭 공구의 적용이 검토되기 시작하고 있다.
그러나, 담금질강 또는 FCD나 ADI 등의 고강도 주철 가공에 있어서 공업적으로 cBN 소결체 절삭 공구를 적용할 가치가 있다고 판단되는, 절삭 속도 V=100 m/분, 절삭 깊이 d=0.15 ㎜, 이송량 f=0.08 ㎜/rev.(단위시간당 칩 제거 체적량 W가 1,200 ㎣/분) 이상인 가공 능률로, 담금질강 절삭하면, 1∼20 ㎛의 두께로 이루어지는 가공 변질층이 가공 부품 표면에 형성되는 경우가 있다. 이 가공 변질층의 생성량에 관한 허용 범위는, 가공 부품이 최종 제품으로 되었을 때에 부가될 것으로 예상되는 여러 가지 응력 환경에 따라서 필요로 하는 피로 수명 특성에 따라 규 정되어 있다.
구체적으로는, 롤러나 볼의 구름 궤도면이 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, 끼워 맞추는 면의 마모나 플레이킹(flaking)이나 필링(peeling) 등의 손상을 가속하여, 피로 수명을 저하시키는 것이 우려되기 때문에, 공업적으로는 수십 ㎛의 가공 여유를 별도 공정의 연삭 가공으로 시간을 들여 제거하는 가공 공정이 적용되고 있다.
담금질 후 절삭할 때에 발생하는 가공 변질층은, 고능률 조건으로 가공하면 할수록 생성량이 증가하는 것을 알 수 있지만, 가공 변질층의 생성 조건이나 가공 변질층 자체의 특성은 세부적으로 명확하지 않았다.
그래서, 담금질강 절삭에 있어서, 시판되는 cBN 소결체 공구를 이용하여 여러 가지 절삭 조건을 평가하고, 가공 변질층의 생성 조사와 분석을 행한바, 담금질강 절삭에 있어서의 가공 변질층은, 마르텐사이트를 주성분으로 하고, 잔류 오스테나이트, 베이나이트나 산화철 및 극소량의 질화철 등의 혼상으로 이루어지며, Hv 9 GPa∼10 GPa 정도의 고경도와, 원래 압축 응력이 잔류하고 있었을 담금질강 표면의 잔류 응력과 다른 인장 응력을 갖는 경향이 있고, 가공 변질층이 10 ㎛을 넘으면, 결국은 대부분의 경우 가공면에 인장 응력이 잔류하는 것을 알 수 있었다.
상기 가공 변질층은, 고능률 조건으로 가공한 경우나, 절삭 공구의 여유면 마모량이 증가한 경우에 생성량이 현저하므로, 담금질강 특유의 연속적인 칩의 전단열 및 마찰열과, 가공 부품의 가공면과 공구 여유면과의 마찰열에 의한 절삭시의 발열에 의해, 담금질 처리에 의해 가공 부품 표면에 생성된 마르텐사이트가 오스테나이트로 상 변태하고, 산소, 질소 및 수증기를 포함한 대기 중에서의 절삭 후의 급냉에 의해, 산화물상이나 질화물상 등을 포함한 마르텐사이트를 주체로 하는 혼합상이 형성된다. 따라서, 인선이 가공면을 통과할 때에, 적어도 공석강의 오스테나이트 변태 온도인 727℃ 이상의 고온에 노출되기 때문에, 이 때의 열 응력에 의해 가공물의 최외 표면에서 선택적인 소성 변형이 생기고, 가공 변질상의 생성이 5 ㎛를 넘도록 가공면이 고온에 노출되는 경우에는, 가공면의 압축 잔류 응력을 상쇄하는 메카니즘에 의해, 인장 응력이 가공면에 잔류하며, 이 인장 응력이 가공 부품의 용도에 따라서는 피로 강도를 저하시키는 경우가 있다고 하는 가설을 얻기에 이르렀다.
또한, 문제 해결을 위한 공구 측의 요구 특성을 명확하게 하기 위해, TiC-Al2O3계 세라믹스나 cBN 소결체 공구를 이용하여, 동일한 인선 형상, 동일한 절삭 조건으로, 또한 여유면 마모량이 동일한 시점에서의 가공 변질층의 생성 형태의 차이에 관해서, Hv 7 GPa의 경도로 담금질된 SUJ2제의 시편을 이용하여 절삭 평가를 실시한 바, 여유면 마모량이 동일한 시점임에도 불구하고, cBN 소결체 공구에서는, 세라믹스 공구와 비교하여, 가공 변질층이 생성되기 어렵고, 생성했다고 해도 가공 변질층의 두께가 세라믹스 공구의 2/3 이하인 것이 판명되었는데, cBN 소결체 공구 를 이용하더라도, 가공 변질층이 10 ㎛을 넘으면, 대부분의 경우, 잔류 응력이 압축에서 인장으로 변화하는 것을 알 수 있었다.
상기 잔류 응력 생성의 메카니즘에 관한 가설로부터, cBN 소결체 공구 쪽에서 절삭시 인선 온도가 낮아지는 영향이 나타난다고 추정되었다. 보다 명확하게 하기 위해서, 여유면 마모량에 차이가 없는 절삭 초기의 단계에서, 공구 재료나 공구 표면 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 온도임이 판명되었고, cBN 소결체 공구를 이용한 담금질강 절삭에 있어서 가공 변질층 발생 메카니즘에 관한 상기 가설을 지지하는 결과를 얻을 수 있었다.
상기 조사 결과로부터, 담금질강 절삭에 있어서 가공 부품의 피로 수명을 향상시키기 위해서는, 공구의 인선 온도의 저온화가 필요하며, 가장 간단한 해결 수단은, 가공 능률를 낮춰서 절삭시의 발열량을 억제하는 것이 유효했다. 그러나, 시판되는 담금질강 절삭용의 TiN이나 TiC로 이루어지는 세라믹스 결합재를 이용한 cBN 소결체 공구로, 절삭 조건을 여러 가지 검토한바, 냉각제의 유무에 관계없이, 절삭 속도 V=70 m/분, 절삭 깊이 d=0.15 ㎜, 이송량 f=0.07 ㎜/rev.(단위시간당 칩 제거 체적량 W가 735 ㎣/분)의 가공 능률 이상이면, 일반적으로 담금질강 절삭을 할 때의 치수 정밀도의 관점에서 수명으로 판단되는 여유면 마모량 VB의 값인 VB=0.2 ㎜의 절반인 VB=0.1 ㎜의 시점에서도, 가공 부품과 공구 인선이 찰과할 때의 마찰열에 기인하는 추가적인 온도 상승에 의해, 10 ㎛ 정도 두께의 가공 변질층 이 발생하고, 잔류 응력도 인장 응력으로 되며, cBN 소결체 공구에 의한 담금질강 절삭을 할 때의 큰 장점 중 하나인 고능률 가공이 불가능하게 되어 버린다.
그래서, cBN 소결체 공구를 이용한 담금질강 절삭에 있어서 일반적인 가공 능률인, cBN 소결체 팁 1개의 단위시간당 칩 제거 체적량 W가 1,200 ㎣/분 이상인 가공 능률을 유지하면서, 인장 응력의 잔류를 억제하는 방법을 개발할 필요가 있었다.
[특허문헌 1] 일본 특허 공고 소52-43486호 공보
[특허문헌 2] 일본 특허 공개 평10-l58065호 공보
[특허문헌 3] 일본 특허 공개 소53-77811호 공보
[특허문헌 4] 일본 특허 공개 평08-119774호 공보
담금질강이나 FCD 주철 및 ADI 주철 등의 철계 재료의 고경도 난삭재 절삭의 고능률 절삭에 있어서, 종래의 cBN 소결체 공구와 비교하여, 절삭 대상물의 가공면에 형성되는 가공 변질층의 생성을 억제하고 압축 응력의 잔류를 촉진함으로써, 가공 부품의 피로 수명을 향상시키고, 또한 공구의 수명도 연장시키는 것을 특징으로 하는 고품위의 가공면 성상을 얻기 위한, 고 cBN 함유율 소결체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
가공 능률을 저하시키지 않으면서, 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.
상기 TiC-Al2O3 세라믹스 공구와, cBN 소결체 공구에 있어서, 절삭 조건이 같더라도, 인선 온도가 다른 것에 주목하여, 여러 가지로 분석한 결과, cBN 소결체 공구에서는, 공구의 열전도율이 향상되고 있는 것과, 절삭시의 고온 하에서 cBN 중의 B 원자가 산소와 반응하여 윤활성이 우수한 B2O3상이 인선 표면부에 형성되어 있는 것이 확인되었고, 칩이나 가공 부품과의 마찰열이 저감되어 공구 인선에서의 발열이 저감되고 있음이 시사되는 결과를 얻었다.
그래서, 우선은 종래의 cBN 소결체 공구보다도, 열전도율 및 윤활성이 우수한 전용 조성으로 이루어지는 cBN 소결체와, 절삭부에서의 발열을 효율적으로 공구(팁) 내부로 방열하는 구조를 갖는 cBN 소결체 공구를 발명했다.
즉, 본 발명은 이하의 구성을 채용한다.
(1) 87 체적% 이상 99 체적% 이하의 cBN 성분을 갖고, 또한 열전도율이 100 W/m·K 이상인 cBN 소결체의 최외측 표면이, 4a, 5a, 6a족 원소 및 Al 중에서 선택되는 1종 이상의 원소와, C, N, O 중에서 선택되는 1종 이상의 원소의 화합물로 이루어지는 0.5 ㎛∼12 ㎛의 두께를 갖는 내열막으로 피복된 것을 특징으로 하는 고품위 표면 성상 가공용 cBN 소결체이다.
(2) 상기 cBN 소결체는, 이 cBN 소결체를 구성하고 있는 cBN 성분 중의 N에 대한 B의 몰비가 1.10 이상 1.17 이하이며, 또한 결합재 성분으로서, Co 화합물, Al 화합물, W 화합물 및 산소 화합물에서 선택되는 적어도 1종 및 탄소를 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재한 고품위 표면 성상 가공용 cBN 소결체이다.
(3) 상기 cBN 소결체는, cBN 소결체를 구성하고 있는 cBN 입자의 평균 입자 지름이 1.0 ㎛ 이상 6.0 ㎛ 이하이며, 이 cBN 성분 중에 Li, Si, Al, Ca, Mg 중에서 선택되는 1종 이상의 원소, 탄소 및 산소가 함유되고, 상기 cBN 성분에 대하여 상기 Li, Si, Al, Ca, Mg 및 탄소의 합이 0.02 중량% 이상 0.20 중량% 이하이며, 이 cBN 성분에 대하여 산소량이 0.17 중량% 이하인 고순도 cBN 성분으로 이루어지고, 130 W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재한 고품위 표면 성상 가공용 cBN 소결체이다.
(4) 상기 내열막이, 30 W/m·K 이상 45 W/m·K 이하의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 (1)∼(3)에 기재한 고품위 표면 성상 가공용 cBN 소결체이다.
(5) 상기 (1)∼(4) 중 어느 하나에 기재한 cBN 소결체가, 직접 또는 cBN 소결체와 일체 소결된 초경합금제 백 메탈을 통해, 초경합금, 서밋(cermet), 세라믹스 혹은 철계 재료로 이루어지는 기재에 브레이징 접합되어 있는 cBN 소결체 절삭 공구이며, 이 백 메탈 및 브레이징 재료부가 80 W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 cBN 소결체 절삭 공구이다.
(6) 상기 브레이징 재료부는, Ti와 Zr에서 선택되는 1종 이상과, Ag, Cu, Au, Ni 중에서 선택되는 1종 이상을 함유하고, 220 W/m·K 이상의 열전도율을 가지며, 상기 브레이징 재료부의 두께가 0.02 ㎜ 이상 0.20 ㎜ 이하이고, 또한 브레이징 재료부 내에 0.5 ㎜를 넘는 긴 직경을 갖는 빈 구멍을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 상기 (5)에 기재한 cBN 소결체 절삭 공구이다.
(7) 상기 브레이징 재료부는, 평균 입자 지름 5∼150 ㎛ 이하의 cBN 입자 내지는 다이아몬드 입자를 5 체적%∼40 체적% 함유하며, 280 W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 (5) 또는 (6)에 기재한 cBN 소결체 절삭 공구이다.
(8) 상기 cBN 소결체 절삭 공구의 절삭에 관여하는 부위에 있어서, 노우즈 R, 절삭 깊이 d, 이송량 f, 측면 경사각 αb, 절인(切刃) 경사각 αs로 했을 때에, 절삭 단면적 Q={R2·tan-1[f/sqr(4R2-f2)]+0.25f·sqr(4R2-f2)+f(d-R)}/(cosαs·cosαb)로 정의되는 절삭 단면적 Q에 대하여 10% 이상 80% 이하의 면적을 갖는 영역의 상기 내열막이 제거되어, 절삭시에 절삭 대상물과 cBN 소결체가 직접 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 상기 (5)∼(7) 중 어느 것에 기재한 cBN 소결체 절삭 공구이다.
(9) 상기 cBN 소결체 절삭 공구의 공구 여유면의 절삭에 관여하는 부위에 있어서, 상기 (8)에서 정의된 절삭 단면적 Q에 대하여 10% 이상 80% 이하의 면적을 갖는 영역이 제거되어, 절삭시에 절삭 대상물과 cBN 소결체가 직접 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 상기 (8)에 기재한 cBN 소결체 절삭 공구이다.
(10) 절삭 속도 V가 40 m/분 이상 70 m/분 이하, 절삭 깊이가 0.05 ㎜ 이상 0.30 ㎜ 이하, 이송량 f가 0.16 ㎜/rev. 이상 0.20 ㎜/rev. 이하이며, 300 cc/분 이상의 수용성 절삭액을 인선에 분사하면서 HRc 45 이상의 담금질강을, 상기 (5)∼(9) 중 어느 하나에 기재한 cBN 소결체 절삭 공구를 사용하여 연속 절삭하는 것을 특징으로 하는 절삭 대상물을 고품위 표면 성상으로 가공하는 절삭 가공 방법이다.
(11) 절삭 속도 V가 40 m/분 이상 70 m/분 이하, 절삭 깊이가 0.05 ㎜ 이상 0.30 ㎜ 이하, 이송량 f가 0.16 ㎜/rev. 이상 0.20 ㎜/rev. 이하이며, 1 cc/시간 이상 300 cc/시간 미만의 오일 미스트(oil mist)를 인선에 분사하면서 HRc 45 이상의 담금질강을, 상기 (5)∼(9) 중 어느 하나에 기재한 cBN 소결체 절삭 공구를 사용하여 연속 절삭하는 것을 특징으로 하는 절삭 대상물을 고품위 표면 성상으로 가공하는 절삭 가공 방법이다.
상기 ⅰ)의 구체적인 방책으로서, 우선은 cBN 소결체 자체의 열전도율을 향상시키기 위해서, 최고 수십 W/m·K 정도의 열전도율을 갖는 TiN, TiC이나 W 화합물, Co 화합물, Al 화합물 등의 결합재보다도, 지구상에서 다이아몬드에 이어 1,000 W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 cBN 분말의 함유율을 높이고, 잔부의 결합재에 대해서도, 결합재의 열 저항을 최대한 감소시키는 본 발명을 cBN 소결체에 적용했다.
또한, 상기 cBN 소결체의 높은 열전도 특성에 의한 인선에서의 절삭열의 정체로 인한 고온화의 억제를 촉진하도록, cBN 소결체 주변을 구성하는 초경합금이나 브레이징 재료부 재질에 대해서도, 각각 80 W/m·K 이상 및 220 W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 재료 등을 배치함으로써, 절삭시의 인선 온도의 저하를 보다 확실하게 달성할 수 있다.
또한, 상기 ⅱ)의 구체적인 방책으로서, 상기 윤활 작용을 갖는 B2O3상의 공급원이 되는 cBN의 함유율을 높이는 것과, 또한 균질하게 적량의 B2O3상을 생성시키도록 소결체의 내마모성이나 내결손성을 저하시키는, 예컨대 철과의 반응성이 풍부한 TiB2나, Co2B, CoWB 화합물 등을 첨가하는 것이 아니라, cBN 원료 분말의 화학양론적 조성을 재평가하여, cBN 소결체를 구성하고 있는 cBN 성분 중에서 N에 대한 B의 몰비가 1.10 이상 1.17 이하가 되는 조성의 cBN 입자를 본 발명의 cBN 소결체에 적용하는 것이 보다 바람직하다.
cBN 입자의 화학양론적 조성을 본 발명의 범위로 변경하는 수법으로서는, 소결 캡슐 안의 cBN 입자와 결합재 분말의 혼합 분말을 Ti 캡슐로 포위하고, 원료 분말부를 진공 분위기로 하며, cBN이 안정적인 압력 온도 영역에서, 또한 cBN 입자와 결합재 사이에서 질소가 빠지기 쉽도록 간극을 다 메우지 않는 압력인 3.5∼4.0 GPa에서, 온도를 1,100∼1,400℃로 가열함으로써, cBN 소결체를 구성하고 있는 cBN 성분 중에서 N에 대한 B의 몰비가 1.10 이상 1.17 이하가 되는 조성의 cBN 입자를 얻을 수 있다.
또한, Rz 0.4 ㎛∼3.2 ㎛의 요구 정밀도를 필요로 하는 담금질강의 절삭 가공 용도에 있어서는, a) 공구 여유면에 발생된 힘줄형의 마모로 인한 가공물 표면에 전사되는 이송 마크의 산과 골의 단차와, b) 공구의 여유면 마모량의 증가에 기인한 파형 성분의 발달에 의해 가공면의 표면 조도가 악화된다.
a)의 힘줄형 마모의 진전은, 담금질강과의 인선 여유면의 찰과 방향과 일치하고 있어, 찰과시에 고응력이 cBN 입자나 결합재 입자에 부가되고, 이 고응력에 의해 탈락, 파쇄가 생기면서 기계적으로 마모가 진전하기 때문으로 추정되고 있다.
실제로, 종래의 기술에서는, 상기 a)의 이송 마크의 산과 골의 단차의 저감을 위해 V=150 m/분 이상의 고속 조건으로, 인선에서의 발열량을 증가시키고, 가공물이나 칩을 연화시키면서 가공함으로써, 상기 면조도의 악화를 억제하는 것이 흔히 행해지고 있다. 이 경우, 고속 조건하에서 발열에 의한 열적인 요인에 기인하는 여유면 마모가 발생하기 쉽게 되는 단점을 해결하기 위해, cBN 함유율을 40 체적%∼60 체적%로 하고, cBN보다도 고온 하에서 철과의 친화성이 낮은 TiN이나 TiC 세라믹스로 이루어지는 결합재의 비율이 많기 때문에 열적인 마모에 대하여 강하며 최고 50 W/m·K 정도의 열전도율 특성을 갖는 cBN 소결체 재료를 적용하는 것이 당업자에게 있어서의 상식이었다. 즉, 고속 조건하에서 면조도의 개선 방법에서는, 본 발명의 과제인 공구 인선부에서의 발열의 억제에 의한 인장 응력의 잔류 방지는 원리적으로 곤란했다.
한편, 65 체적% 이상 99 체적% 이하의 cBN 성분을 갖고, 결합재 성분으로서 Co 화합물, Al 화합물을 갖고 있는 특허문헌 1에 기재되어 있는 종래의 cBN 소결체는, 70∼90 W/m·K의 높은 열전도율을 갖고 있는데, 이 cBN 소결체를 초경합금제의 금속 마운트(metal mount)에 브레이징한 cBN 소결체 공구를 이용하여, V=70 m/분 이하의 저속 조건하에서 담금질강 절삭을 행한 경우라도, 절삭을 시작하고 나서 수분의 절삭 초기에, 결손은 없지만, 수백 ㎛의 여유면 마모가 진전함에 따라 절삭 가공이 불가능하게 되었다. 이 종래의 cBN 소결체에 특허문헌 4에 개시되어 있는 TiAlN막을 피복한 cBN 소결체 공구에서는, 약간의 여유면 마모가 억제되는데, 역으로 TiAlN막에 의한 단열 작용과의 상쇄 작용에 의해 가공 변질층의 생성량은 개선되고 있지 않았다.
본 발명에서는, 종래의 구성에서 인선 온도의 상승에 의해 cBN 소결체의 열적인 마모가 불가피했던, 87 체적% 이상 99 체적% 이하의 cBN 성분을 갖는 cBN 소결체라도, 전술한 바와 같이 높은 열전도율, 높은 윤활성을 갖는 cBN 소결체를 고열전도성 기재로 유지함으로써, 인선의 온도 상승을 저하시킬 수 있다. 또한, 종래의 cBN 소결체 공구에서 양호한 면조도를 얻기가 어려웠던 저속 조건에서도, 고 cBN 함유율에 기인한 고강도 특성을 살려, 단위시간당 칩 제거 체적량 W가 1,200 ㎣/분 이상인 가공 능률에서 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 조건하에 적용한 경우와 동등한 수명을 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 cBN 소결체 절삭 공구의 일례를 도시한 도면으로, 도 1a는 사시도, 도 1b는 cBN 소결체의 부분 확대도이다.
도 2는 본 발명에 따른 cBN 소결체 절삭 공구의 절삭에 관한 부위를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 cBN 소결체 절삭 공구로서, 와이퍼 블레이드를 갖는 cBN 소결체의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : cBN 소결체
2 : 내열막
3 : 기재
4 : 브레이징 재료부
10 : cBN 소결체 절삭 공구
12 : 와이퍼 블레이드
13 : 백 메탈
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구(10)는, 상기 고열전도율 cBN 소결체(1)로 이루어지는 공구 최외측 표면에, 0.5 ㎛∼12 ㎛의 두께를 갖고, 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.
또한, 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구(10)는, 상기 cBN 소결체(1)가 직접 브레이징 재료부(4)를 통해, 또는 cBN 소결체(1)와 일체 소결된 초경합금제 백 메탈(13)과 브레이징 재료부(4)를 통해 초경합금, 서밋, 세라믹스 혹은 철계 재료로 이루어지는 기재(3)에 접합되는 구조를 갖는다.
또한, 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구(10)를, V=40 m/분 이상 70 m/분 이하의 절삭 조건으로 적용함으로써, 단위시간당 칩 제거 체적량 W가 1,200 ㎣/분 이상 인 가공 능률에서 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 조건하에서 적용한 경우와 동등한 수명을 달성할 수 있다. V=40 m/분 이상 70 m/분 이하의 절삭 조건에서는, 절삭 온도가 저하하고, 가공 변질층이 생성되기 어렵다고 하는 장점이 있는데, 역으로 절삭시에 가공물의 연화가 불충분하기 때문에 절삭 저항이 높고, 기계적인 마모, 치핑의 발생에 의해, V=100 m/분을 넘는 고속 조건으로 적용한 경우와 달리, 면조도의 악화나 결손에 의한 공구 수명의 단축이 불가피하게 된다. 따라서, TiN이나 TiC로 이루어지는 세라믹스 결합재로 이루어지는 cBN 함유율이 낮은 소결체에 상기 내열막을 피복한 cBN 소결체 절삭 공구로 절삭을 행하더라도, 본 발명의 cBN 소결체보다도 강도나 인성이 낮기 때문에, 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구와 같이 양호한 면조도를 유지하면서, 안정된 긴 수명의 가공은 어렵다.
cBN의 함유율이 높은 cBN 소결체 공구는 전술한 것과 같이, 강도나 인성이 우수하기 때문에, 본 발명의 내열막이 밀착력 좋게 피복 가능하다면, cBN 소결체 중의 cBN 함유율이 높으면 높을수록 고성능화를 기대할 수 있는데, 실제로는 99 체적%를 넘는 cBN 소결체는, 반도체인 cBN 입자에 대하여, 전기 전도체인 결합재의 비율이 적기 때문에, 아크 이온 플레이팅 PVD로 성막되는 내열막과의 밀착력이 담금질 후 절삭에 견딜 수 있을 정도로 충분하지 않아, 적절하지 못하다.
본 발명의 내열막(2)은 Al량을 C, N, O 이외의 막 조성 성분에 대하여 0∼10 at%로 함으로써, 18 W/m·K 이상 열전도율을 얻을 수 있어, 인선 온도가 보다 저온 으로 되기 때문에 바람직하다. 또한, TiAlVN의 조성으로서, Al량이 C, N, O 이외의 막 조성 성분에 대하여 0∼10 at%이고, V량이 0∼10 at%인 코팅막은, 윤활성이 우수하여 보다 바람직하다.
또한, TiAlMN(M=C, O, Si, V 등)의 조성으로, Al량이 C, N, O 이외의 막 조성 성분에 대하여 0∼10 at%이고, M의 함유량이 12∼20 at%인 코팅막은, 열전도율이 50 W/m·K 이하가 되어, 절삭열이 과도하게 공구 인선에 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, 측면 경사각 αb, 절인 경사각 αs로 했을 때에, 절삭 단면적 Q={R2·tan-1[f/sqr(4R2-f2)]+0.25f·sqr(4R2-f2)+f(d-R)}/(cosαs·cosαb)로 정의되는 절삭 단면적 Q에 대하여 10% 이상 80% 이하의 면적을 갖는 영역의 상기 내열막이 제거되어, 절삭시에 절삭 대상물과 cBN 소결체가 직접 접촉하고 있는 공구는, 인선의 방열성이 우수하고, 또한 내열막에서 공구 마모가 진전되는 것도 억제되기 때문에, 특히 우수한 표면 성상을 절삭 초기에서부터 유지한 채로, 긴 수명을 달성할 수 있다.
<실시예 1>
시판되는 평균 입자 지름 2.5 ㎛의 cBN 분말과 결합재 분말을 준비했다. 이 결합재 분말은, 50 중량%의 Co와, 40 중량%의 Al 및 10 중량%의 WC를 섞어 제작한 것으로, Co, Al, WC 모두 평균 입자 지름 1 ㎛인 분말을 이용했다. 이 cBN 분말에 대해서, cBN 이외의 성분에 관한 정량(定量)을 고주파 유도 플라즈마 발광 분석법(ICP 분석)에 의해서 실시한바, Li, Si, Al, Ca, Mg, 탄소를 합계로 0.35 중량%로, 산소를 0.18 중량%로 함유하고 있었다. 이 결합재와 cBN 분말을, 초경합금제 포트 및 볼을 이용하여 혼합했다. 이 혼합 분말을 초경합금제 용기에 충전하고, 압력 7.2 GPa, 온도 2,050℃에서 60분간 소결하여, 표 1의 시료 번호 11∼25에 나타내는 각종 소결체를 얻었다. 각종 cBN 소결체의 조성에 대해서는 X선 회절 분석에 의해 생성물을 확인하고, cBN 함유율에 대해서는 ICP 분석으로 정량했다. cBN 소결체의 열전도율에 대해서는, 크세논 플래시 타입의 열전도율 측정 장치에 의해 측정했다.
또한, 각종 cBN 소결체를 절삭에 관여하는 표면에 갖고 ISO 모델 번호 CNGA120424로 분류되는 팁 형상을 갖는 공구를 준비하여, 하기의 조건으로 절삭 평가를 했다.
이 때 어느 팁이나, 초경 백 메탈을 갖지 않는 솔리드 cBN 소결체 소재를 초경합금, 서밋, 세라믹스 및 철계 소결재로 이루어지는 기재에 브레이징 접합한 후, 연삭 가공에 의해, cBN 소결체 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시하고, 그 후 상기 각종 인선 형상을 가공했는데, 상기 인선 형상 가공 후의 cBN 소결체 및 초경 기재의 두께는, 어느 공구나 0.8 ㎜이며, 2.4 R의 노우즈 R를 갖는 공구의 cBN 소결체 소재 저면부의 브레이징 면적은 9.0 ㎜2였다. 브레이징 재료부는, Ag : 76 중량%, Cu : 21 w%, Zr : 1 중량%, Ti : 2 중량%의 조성이며, 850℃로 접합을 행했 다. 어느 시료나 0.05 ㎜이며, 브레이징 재료부 내에 빈 구멍(브레이징 틈)이 있는 것은 없었다.
어느 팁이나 cBN 소결체를 전술한 바와 같이 각종 팁 기재에 브레이징 접합한 후, 연삭 가공에 의해 cBN 소결체 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시했는데, 그 후, 또한 연삭 가공에 의해, 상기 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, 전면 절인각, 측면 절인각이, 각각 -5°, -5°, 5°, 5°, 5°, -5°가 되도록 했다. 그리고 마지막으로, 상기 인선 형상 가공 후, 아크 이온 플레이팅 타입의 PVD에 의해, 각종 내열막을 0.2∼15 ㎛의 두께로 피복한 것을 준비했다.
절삭 대상물 : JIS 모델 번호 : SUJ2 외주 가공(DIN 모델 번호 : 100Cr6), 연속 가공
절삭 대상물 경도 : HRc60
절삭 속도 : V=40 m/분
절삭 깊이 : d=0.2 ㎜
이송량 : f=0.18 ㎜/rev.
절삭 시간 : 100분
냉각제 : 에멀젼(제조원: 니혼플루드시스템, 상품명 : 시스템 컷트 96) 20배 희석, 300 cc/분
| 시료 번호 ※1 |
cBN 소결체 | 기재 ※2 |
내열막 | VB 마모 ※4 ㎛ |
가공 변질층 ※5 ㎛ |
||||
| cBN 함유율 체적% |
cBN 직경 ㎛ |
결합재 조성 |
열전도율 W/m·K |
조성 ※3 |
막 두께 ㎛ |
||||
| 1 | - | - | Al2O3 | 20 | - | - | - | 250 | 38 |
| 2 | - | - | Al2O3 | 20 | 초경 | TiAlN | 3.0 | 240 | 37 |
| 3 | 60.0 | 2.5 | TiN, TiB2, AlB2, AlN, Al2O3 |
52 | 초경 | TiAlN | 3.0 | 84 | 19 |
| 4 | 60.0 | 2.5 | ↑ | 52 | 초경 | - | - | 200 | 25 |
| 5 | 65.0 | 2.5 | ↑ | 55 | 초경 | TiAlN | 3.0 | 88 | 17 |
| 6 | 85.0 | 2.5 | W2Co21B6, Co3W3C, CoWB, WC |
80 | 초경 | TiAlN | 3.0 | 95 | 11 |
| 7 | 87.0 | 2.5 | ↑ | 80 | 초경 | TiAlN | 3.0 | 350 | 21 |
| 8 | 90.0 | 2.5 | ↑ | 85 | 초경 | TiAlN | 3.0 | 96 | 13 |
| 9 | 90.0 | 2.5 | ↑ | 85 | 초경 | - | - | 350 | 20 |
| 10 | 92.0 | 2.5 | ↑ | 90 | 초경 | TiAlN | 3.0 | 98 | 11 |
| 11 | 87.0 | 2.5 | ↑ | 100 | 초경 | TiAlN | 3.0 | 95 | 5 |
| 12 | 90.0 | 2.5 | ↑ | 120 | 초경 | TiAlN | 0.2 | 210 | 11 |
| 13 | 90.0 | 2.5 | ↑ | 120 | 초경 | TiAlN | 0.5 | 99 | 1.5 |
| 14 | 90.0 | 2.5 | ↑ | 120 | 초경 | TiAlN | 3.0 | 95 | 1.5 |
| 15 | 90.0 | 2.5 | ↑ | 120 | 초경 | TiAlN | 5.0 | 94 | 1.5 |
| 16 | 90.0 | 2.5 | ↑ | 120 | 초경 | TiAlN | 12.0 | 90 | 5 |
| 17 | 90.0 | 2.5 | ↑ | 120 | 초경 | TiAlN | 15.0 | 90 | 18 |
| 18 | 90.0 | 2.5 | ↑ | 120 | 초경 | TiN | 3.0 | 150 | 5 |
| 19 | 90.0 | 2.5 | ↑ | 120 | 초경 | CrAlN | 3.0 | 125 | 4 |
| 20 | 90.0 | 2.5 | ↑ | 120 | 초경 | TiCN | 3.0 | 120 | 5 |
| 21 | 90.0 | 2.5 | ↑ | 120 | 서밋 | TiAlN | 3.0 | 95 | 1.5 |
| 22 | 90.0 | 2.5 | ↑ | 120 | 세라믹스 | TiAlN | 3.0 | 95 | 1.5 |
| 23 | 90.0 | 2.5 | ↑ | 120 | P/M | TiAlN | 3.0 | 95 | 1.5 |
| 24 | 95.2 | 2.5 | ↑ | 150 | 초경 | TiAlN | 3.0 | 99 | 0.8 |
| 25 | 99.0 | 2.5 | ↑ | 500 | 초경 | TiAlN | 3.0 | 115 | 0.2 |
※ 1
시료 1은 시판되는 담금질강 절삭용의 CNGA120416 형상의 TiC-Al2O3(블랙 세라믹스) 팁으로, 다른 샘플과 동일한 인선 처리를 행한 것을 사용했다.
시료 2도 시판되는 담금질강 마무리 절삭용의 CNMA120416 형상의 TiC-Al2O3(블랙 세라믹스) 팁으로, 다른 cBN 소결체 소재와 동일한 사이즈의 TiC-Al2O3(블랙 세라믹스) 솔리드 소재를 잘라내어, 다른 시료와 마찬가지로, 초경 기재에의 브레이징, 인선 처리 및 TiAlN 코팅을 실시하여, 절삭 평가를 했다.
시료 3∼5는 cBN 분말과 TiN과 Al로 이루어지는 결합재 분말의 혼합 분말을 출발 원료로 하여, 5 GPa, 온도 1,500℃에서 60분간 소결한, 시판되는 담금질강 마무리 절삭용의 브레이징 타입의 cBN 소결체 공구이다. 다른 시료와 동일한 인선 처리를 실시하고, 또한 시료 4 이외의 시료에 대해서는 TiAlN 코팅을 실시한 후, 절삭 평가를 했다. cBN 소결체의 두께는 다른 시료와 같으며, 조직 관찰, XRD 분석 및 ICP 분석에 의해 조사한 cBN 함유율, 입자 지름, 조성을 표 1에 기재했다.
시료 6∼10은 cBN 분말과, 평균 입자 지름 1 ㎛인 50 중량%의 Co, 40 중량%의 Al 및 10 중량%의 WC를 섞어 제작한 결합재의 혼합 분말을 출발 원료로 하여 5 GPa, 온도 1,500℃에서 60분간 소결한, 시판되는 주철 절삭용의 브레이징 타입의 cBN 소결체 공구이다. 다른 시료와 동일한 인선 처리를 실시하고, 또한 시료 9 이외의 시료에 대해서는 TiAlN 코팅을 실시한 후, 절삭 평가를 했다. cBN 소결체의 두께는 다른 시료와 같으며, 조직 관찰, XRD 분석 및 ICP 분석에 의해 조사한 cBN 함유율, 입자 지름과, 조성을 표 1에 기재했다.
※ 2
기재에 사용한 재료를 표기하고 있다. 초경은 WC-8 중량% Co의 조성으로 이루어지는 초경합금, 서밋은 TiC-5 중량% Ni-8 중량% Co로 이루어지는 서밋, 세라믹스는 Si3N4제 세라믹스, P/M은 JISSMF4045 상당의 철계 소결 부품을 사용했다.
※ 3
내열막에 사용한 재료의 조성을 표기하고 있다. TiALN은 Ti에 대한 Al의 원자비 Al/Ti가 1인 TiAlN이며, CrAlN은 Al/Cr=0.7인 CrAlN이며, TiCN은 C/N=1인 TiCN이다.
※ 4
절삭 시간 100분 후의 VB 마모량의 측정치를 표기했다.
※ 5
절삭 시간 100분 후의 가공면의 단면을 랩핑(lapping)한 후, 나이탈(에탄올+5 중량% 질산)로 에칭한 후에, 가공 변질층의 두께를 측정했다.
표 1에 나타내는 바와 같이, 세라믹스 및 세라믹스의 인선에 내열막을 피복한 시료 번호 1 및 2는, VB 마모량의 대소에 관계없이, 37 ㎛ 이상의 가공 변질층이 생성되고 있다. 한편 cBN 소결체 및 cBN 소결체 상에 내열막을 피복한 절삭 공구에서는, 모두 22 ㎛ 이하의 가공 변질층이다.
cBN 소결체 절삭 공구 중에서도, 본 발명의 열전도율이 우수한, 시료 번호 11, 13∼16, 18∼25는 가공 변질층의 생성량이 5 ㎛ 이하이며, 특히 120 W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 시료 번호 13∼16, 18∼25는 고품위의 표면 성상을 갖는 가공면을 달성할 수 있다.
시료 12는 100 W/m·K 이상의 열전도율을 갖는데, 내열막이 0.2 ㎛로 얇기 때문에, cBN 소결체의 내마모성을 향상시키는 효과가 적고, VB=210 ㎛로 진전된 여유면 마모부와 가공면의 마찰열에 의해, 가공 변질층의 생성량이 11 ㎛로 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구보다도 두껍게 되고 있다.
시료 17은 120 W/m·K 이상의 열전도율을 갖고, 내열막이 15 ㎛로 두껍기 때문에 여유면 마모량이 VB=90 ㎛로 매우 억제되는데, 역으로 가공 변질층은 18 ㎛로 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구보다도 두껍게 되고 있다. 이것은, cBN 소결체와 비교하여 열전도율이 뒤떨어지는 내열막의 두께가 두껍기 때문에, 공구 여유면과 가공면에서의 마찰열이 cBN 소결체 내부로 방열되기 어렵게 되고, 또한 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구보다도 인선 온도가 상승했으므로, 가공 변질층이 생성되기 쉽게 된 것에 기인한 것으로 추정된다.
<실시예 2>
시판되는 평균 입자 지름 3.5 ㎛의 cBN 분말과 결합재 분말을 준비했다. 이 결합재 분말은, 50 중량%의 Co와, 40 중량%의 Al 및 10 중량%의 WC를 섞어 제작한 것으로, Co, Al, WC 모두 평균 입자 지름 1 ㎛의 분말을 이용했다. 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, 탄소를 합계로 0.35 중량%, 산소를 0.18 중량% 함유하고 있었다. 이 결합재와 cBN 분말을 초경합금제 포트 및 볼을 이용하여 혼합했다.
이 혼합 분말에 멜라민 수지를 2 중량% 첨가하고, 각종 초경합금제 용기에 충전하며, 압력 7.1 GPa, 온도 2,050℃에서 60분간 소결하여, 90 체적%의 cBN과, 잔부의 결합재가 W2Co21B6, Co3W3C, CoWB, WC로 이루어지고, 125 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, 단독으로 크세논 플래시 타입의 열전도율 측정 장치에 의해 측정했다.
상기 cBN 소결체를 절삭에 관여하는 표면에 갖고, ISO 모델 번호 CNGA120412로 분류되는 팁 형상의 공구를 준비하여, 하기의 조건으로 절삭 평가를 했다.
이 때 어느 팁이나, 초경 백 메탈을 갖는 cBN 소결체 소재를 초경합금으로 이루어지는 기재에 각종 브레이징 재료를 이용하여 붙여 접합한 후, 연삭 가공에 의해, cBN 소결체로 이루어지는 공구 인선부의 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시하고, 그 후 상기 각종 인선 형상을 가공했는데, 상기 인선 형상 가공 후 cBN 소결체 및 초경 백 메탈의 두께는, 어느 팁이나 0.8 ㎜이며, 1.2 R의 노우즈 R을 갖는 팁의 cBN 소결체 소재 저면부의 브레이징 면적은 2.9 ㎜2였다. 브레이징 재료부에 대해서는, 각종 브레이징 재료를 사용하여, 진공 분위기 속에서 870℃로 접합을 했다. 브레이징 재료부의 브레이징층의 두께는, 어느 시료나 0.05 ㎜이며, 브레이징 재료부에 빈 구멍(브레이징 틈)이 있는 것은 없었다.
어느 팁이나 cBN 소결체를 전술한 바와 같이 각종 팁 기재에 브레이징 접합한 후, 연삭 가공에 의해, cBN 소결체 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시했는데, 그 후, 또한 연삭 가공에 의해, 상기 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, 전면 절단 블레이드각, 측면 절단 블레이드각이, 각각 -5°, -5°, 5°, 5°, 5°, -5°가 되도록 했다. 그리고 마지막으로, 상기 인선 형상의 가공 후, 아크 이온 플레이팅 타입의 PVD에 의해, 막 두께 1 ㎛의 Ti에 대한 Al의 원자비 Al/Ti가 1인 TiAlN의 내열막을 피복했다.
절삭 대상물 : JIS 모델 번호 : SUJ2 외주 가공(DIN 모델 번호 : 100Cr6), 연속 가공
절삭 대상물 경도 : HRc62
절삭 속도 : V=90 m/분
절삭 깊이 : d=0.2 ㎜
이송량 : f=0.12 ㎜/rev.
절삭 시간 : 60분
냉각제 : 에멀젼(제조원 : 니혼플루드시스템, 상품명 : 시스템 컷트 96) 20배 희석, 300 cc/분
| 시 료 번 호 |
초경합금제 백 메탈 | 브레이징 재료 | VB 마모 ※1 ㎛ |
가공 변질 층※2 ㎛ |
잔류 응력 ※3 GPa |
||
| 조성 중량% |
열 전도율 W/m·K |
조성 중량% |
열 전도율 W/m·K |
||||
| 26 | WC:95, Co:5 | 100 | Ag:70, Cu:29, Ti:1 | 220 | 90 | 2.5 | -3.7 |
| 27 | WC:95, Co:5 | 100 | Ag:76, Cu:21, Zr:1, Ti:1 | 150 | 92 | 2.5 | -4.5 |
| 28 | WC:95, Co:5 | 100 | Ag:76, Cu:17, Ti:7 | 120 | 94 | 3.5 | -4.0 |
| 29 | WC:95, Co:5 | 100 | Ag:44, Cu:12, Zr:22,Ti:22 | 80 | 96 | 4.5 | -3.3 |
| 30 | WC:95, Co:5 | 100 | Cu:46, Zr:27,Ti:27 | 70 | 100 | 10.0 | -2.3 |
| 31 | WC:93, Co:7 | 80 | Ag:44, Cu:12, Zr:22,Ti:22 | 80 | 99 | 5.0 | -3.5 |
| 32 | WC:93, Co:7 | 80 | Ag:70, Cu:29, Zr:1 | 220 | 104 | 4.0 | -4.0 |
| 33 | WC:80, TiC:10, Co:10 | 70 | ↑ | 220 | 108 | 9.0 | -2.5 |
| 34 | WC:70, TiC:20, Co:10 | 40 | ↑ | 220 | 115 | 10.0 | -2.3 |
※ 1
절삭 시간 60분 후의 VB 마모량의 측정치를 표기했다.
※ 2
절삭 시간 60분 후의 가공면의 단면을 랩핑한 후, 나이탈(에탄올+5 중량% 질산)로 에칭한 후에, 가공 변질층의 두께를 측정했다.
※ 3
절삭 시간 60분 후의 가공면을, 미소부 X선 응력 측정 장치에 의한 sin2Ψ법(병경법)에 의해 잔류 응력을 측정했다. 표 중의 마이너스 표기는 압축 응력이 부가되고 있음을 나타낸다.
표 2 중의 시료 번호 26∼30에 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 번호 32, 33에 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 재료부로 열전달되기 때문에, 절삭시의 발열이 가공면에 유입되는 일이 없어, 인선 온도의 상승이 억제되었기 때문으로 추정된다.
<실시예 3>
시판되는 평균 입자 지름 3 ㎛의 cBN 분말과 결합재 분말을 준비했다. 이 결합재 분말은, 65 중량%의 Co와, 25 중량%의 Al 및 10 중량%의 WC를 섞어 제작한 것으로, Co, Al, WC 모두 평균 입자 지름 1 ㎛의 분말을 이용했다. 이러한 cBN 분말에 대해서, cBN 이외의 성분에 관한 정량을 고주파 유도 플라즈마 발광 분석법(ICP 분석)에 의해서 실시한 바, Li, Si, Al, Ca, Mg, 탄소를 합계로 0.35 중량%, 산소를 0.18 중량% 함유하고 있었다. 이 결합재와 cBN 분말을 초경합금제 포트 및 볼을 이용하여 혼합했다.
이 혼합 분말에 수산화암모늄 분말(NH4OH)을 1 중량% 첨가하고, Ti 캡슐로 포위한 상태에서, 초경합금제 용기에 진공 봉입하며, 3∼3.5 GPa, 온도 1,200℃∼1,600℃에서 탈질화 처리를 한 후, 압력 6.7 GPa, 온도 1,900℃에서 120분간 소결하여, 표 3의 시료 번호 35∼47에 나타내는 cBN 소결체를 얻었다.
이 소결체에 대해서 X선 회절 분석을 한 바, 모든 시료로부터 cBN 이외에 W2Co21B6, Co3W3C, CoWB, WC가 확인되어, 표 3에 나타내는 88∼510 W/m·K의 열전도율을 갖는 소결체를 얻었다.
이 소결체 중의 cBN 성분의 N에 대한 B의 몰비에 대해서는, 한 변이 3∼7 ㎜이고 두께가 0.3∼0.5 ㎜인 직사각형으로 한 소결체를 밀폐 용기 속에 넣어, 농도 60% 이상 65% 미만의 질산을 2배 희석한 것 40 ml과, 농도 45% 이상 50% 미만의 불화수소산 10 ml을 혼합한 불질산으로, 120℃ 이상 150℃ 미만에서 48시간 처리를 했다. 그 결과 얻어진 잔사(殘渣) 성분에 대해서 상기 ICP법으로 정량했다. 이 잔사에 대해서 X선 회절 분석을 한 바, 어느 시료의 잔사로부터도 W2Co21B6, Co3W3C, CoWB, WC는 확인되지 않았다. 또한, cBN 함유율에 대해서는 ICP 분석으로 정량하고, cBN 소결체의 열전도율에 대해서는, 크세논 플래시 타입의 열전도율 측정 장치에 의해 측정했다.
이어서 얻어진 소결체에 대해서, 표 3의 시료 번호 35∼47에 나타내는 조성이 다른 cBN 소결체를 절삭에 관여하는 표면에 갖는, ISO 모델 번호로 CNGA120420으로 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 상기 각종 인선 형상을 가공했는데, 상기 인선 형상 가공 후의 cBN 소결체의 두께는, 어느 팁이나 0.8 ㎜이며, 2.0 R의 노우즈 R를 갖는 팁의 cBN 소결체 소재 저면부의 브레이징 재료부 면적은 9.5 ㎜2였다. 브레이징 재료부는, Ag : 76 중량%, Cu : 21 중량%, Zr : 1 중량%, Ti : 2 중량%의 조성이며, 850℃에서 접합을 했다. 브레이징 재료부의 브레이징층의 두께는 어느 시료나 0.05 ㎜이며, 브레이징 재료부 내에 빈 구멍(브레이징 틈)이 있는 것은 없었다.
어느 팁이나 cBN 소결체를 전술한 바와 같이 각종 팁 기재에 브레이징 접합한 후, 연삭 가공에 의해, cBN 소결체 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시했는데, 그 후, 또한 연삭 가공에 의해, 상기 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, 전면 절인각, 측면 절인각이, 각각 -5°, -5°, 5°, 5°, 5°, -5°가 되도록 했다. 그리고 마지막으로, 상기 인선 형상의 가공 후, 아크 이온 플레이팅 타입의 PVD에 의해, 막 두께 1 ㎛의 Ti에 대한 Al의 원자비 Al/Ti가 1인 TiAlN의 내열막을 피복했다.
절삭 대상물 : JIS 모델 번호 : FCD600(DIN 모델 번호 : GJS-600), 연속 가공
절삭 대상물 경도 : HB200
절삭 속도 : V=100 m/분.
절삭 깊이 : d=0.15 ㎜
이송량 : f=0.16 ㎜/rev.
절삭 시간 : 100분
냉각제 : 에멀젼(제조원 : 니혼플루드시스템, 상품명 : 시스템 컷트 96) 20배 희석, 300 cc/분
| 시료 번호 |
탈질화 조건 | cBN 소결체 | VB 마모량 ㎛ ※1 |
가공 변질층 ㎛ ※2 |
잔류 응력 GPa ※4 |
|||
| 압력 GPa |
온도 ℃ |
cBN 성분중 N에 대한 B의 몰비 |
cBN 함유율 체적% |
열전도율 W/m·K |
||||
| 35 | 없음 | 없음 | 1.05 | 82.0 | 88 | 60 | 11.0 | -2.0 |
| 36 | 없음 | 없음 | 1.05 | 90.0 | 125 | 60 | 5.0 | -5.0 |
| 37 | 3.5 | 1,200 | 1.10 | 90.0 | 122 | 62 | 4.5 | -5.2 |
| 38 | 3.5 | 1,300 | 1.12 | 90.0 | 120 | 63 | 4.0 | -5.4 |
| 39 | 3.5 | 1,400 | 1.15 | 90.0 | 118 | 65 | 2.0 | -5.8 |
| 40 | 3.3 | 1,400 | 1.12 | 90.0 | 120 | 62 | 4.0 | -5.4 |
| 41 | 3.4 | 1,400 | 1.13 | 90.0 | 118 | 65 | 2.5 | -5.6 |
| 42 | 4.0 | 1,400 | 1.17 | 90.0 | 110 | 70 | 3.5 | -5.5 |
| 43 | 4.0 | 1,600 | 1.20 | 90.0 | 100 | 75 | 6.0 | -4.8 |
| 44 | 3.5 | 1,400 | 1.15 | 95.2 | 145 | 70 | 1.5 | -6.0 |
| 45 | 3.5 | 1,400 | 1.15 | 97.0 | 200 | 72 | 0.9 | -6.5 |
| 46 | 3.5 | 1,400 | 1.15 | 99.0 | 470 | 75 | 0.5 | -7.0 |
| 47 | 3.5 | 1,400 | 1.15 | 99.5 | 510 | 350※3 | 12.0 | -2.0 |
※ 1
절삭 시간 60분 후의 VB 마모량의 측정치를 표기했다.
※ 2
절삭 시간 60분 후의 가공면의 단면을 랩핑한 후, 나이탈(에탄올+5 중량% 질산)로 에칭한 후에, 가공 변질층의 두께를 측정했다.
※ 3
시료 47에서만 TiAlN 내열막의 박리로 인해, 절삭 시간 10분의 시점에 VB 마모량이 350 ㎛까지 진전됐기 때문에, 절삭을 중지하여, 가공 변질층 두께와 잔류 응력을 측정했다.
다른 시료에 대해서는, 절삭 시간 60분 시점에서의, VB 마모량을 측정하고, 이 때의 가공 변질층 두께 및 잔류 응력을 측정했다.
※ 4
절삭 후의 가공면을, 미소부 X선 응력 측정 장치에 의한 sin2Ψ법(병경법)에 의해 잔류 응력을 측정했다. 표 중의 마이너스 표기는 압축 응력이 부가되고 있음을 나타낸다.
표 3에 나타내는 바와 같이, 시료 번호 36∼42 및 44∼46의 시료는 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구이며, cBN 소결체를 구성하고 있는 cBN 입자의 B/N비가 1.10 이상 1.17 이하로, 모든 시료에 있어서, 가공 변질층의 생성량이 6.0 ㎛ 이하로 억제되고 있다. 또한, cBN 소결체를 구성하고 있는 cBN 입자의 B/N비가 1.13 이상 1.15 이하인 것을 특징으로 하는 시료 번호 39, 41, 44∼46의 시료는, 가공 변질층의 생성량이 2.5 ㎛ 이하로 억제되어, 고압축 응력이 잔류하고 있다.
시료 번호 36∼42의 시료에서는, cBN 성분 중의 N에 대한 B의 몰비가 증가함에 따라서, 열전도율이 약간 저하하고 있음에도 불구하고, 고품위의 표면 성상이 얻어지고 있는데, 이것은 cBN 입자에 있어서의 B와 N의 화학양론적 조성이, B가 과잉인 조성으로 벗어난 것으로 인하여, 윤활성이 우수한 B2O3이 가공물과의 찰과부에 생성되어, 마찰열을 저하시켰기 때문이라고 추정하고 있다.
한편, cBN 성분 중의 N에 대한 B의 몰비가 1.20으로 1.17을 넘고 있는 시료 번호 43의 시료는, 가공 변질층의 생성량 및 잔류 응력 특성도 역으로 저하하고 있는데, 이것은 cBN 격자 사이의 원자 결합에 관여하지 않는 필요 이상의 B 성분의 존재에 의해, 내마모성이 저하되고, 그리고 cBN 성분을 구성하고 있는 cBN 결정 격자의 조화 진동이 흐트러졌기 때문으로 추정된다.
시료 47은 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구와 마찬가지로, 열전도율이 매우 높다. 따라서, 담금질강 절삭을 행하는 경우에 있어서, 고 cBN 함유율을 특징으로 하는 cBN 소결체 절삭 공구의 약점인, 과도한 VB 마모량의 증가를 억제할 수 있으면, 고품위의 표면 성상을 얻을 수 있게 된다. 그러나, cBN의 함유율이 99 체적%를 넘는 cBN 소결체는, 전기 전도성이 없는 cBN 입자에 비하여, 전기 전도성을 갖는 결합재의 비율이 적고, 아크 이온 플레이팅 PVD로 성막되는 내열막과의 밀착력이 담금질 후 절삭에 견딜 수 있을 정도로 충분하지 않으므로, 절삭 초기에 내열막이 박리되어 버리기 때문에, VB량이 커져, 본 발명과 같은 고품위의 표면 성상은 얻지 못하고 있다.
<실시예 4>
시판되는 hBN과 멜라민 수지 분말을 출발 원료로 하고, 미량의 Al, Si를 포함하는 LiCaBN, MgBN으로 이루어지는 금속 촉매를 이용하여 평균 입자 지름 0.7∼7 ㎛이고, cBN 성분에 대하여 Li, Si, Mg, Al, Ca, 탄소가 0.05 중량% 이하인 고순도 cBN 분말을 합성했다.
Li, Ca, Al, Si, Mg의 cBN 성분에의 혼입량 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 70 중량%의 Co, 20 중량%의 Al 및 10 중량%의 WC를 혼합하여 제작했다. 이 고순도 cBN 분말과 결합재를 초경합금제의 포트 및 볼을 이용하여 혼합했다.
이 혼합 분말을 초경합금제 용기에 충전하고, 압력 8.0 GPa, 온도 1,700℃에서 30분간 소결했다. 이 소결체에 대해서 X선 회절 분석을 한바, 모든 시료에서 cBN 이외에, W2Co21B6, Co3W3C, CoWB, WC 등이 확인되었다. 이 cBN 소결체의 ICP 분석 결과, 시료 번호 49를 제외한 모든 시료에서 cBN의 함유율이 90 체적%이었다.
각종 cBN 소결체를 표 4에 나타낸다. 또한, 이 소결체 중의 cBN 성분에 대한 Li, Ca, Al, Si, Mg, 탄소량, 산소량에 대해서는, 한 변이 3∼7 ㎜이고 두께가 0.3∼0.5 ㎜인 직사각형으로 한 소결체를 밀폐 용기 속에 넣어, 농도 60% 이상 65% 미만의 질산을 2배 희석한 것 40 ml과, 농도 45% 이상 50% 미만의 불화수소산 10 ml을 혼합한 불질산으로, 120℃ 이상 150℃ 미만에서 48시간 처리를 했다. 그 결과 얻어진 잔사 성분에 대하여 상기 ICP법으로 정량했다. 이 잔사에 대하여 X선 회절 분석을 한 바 어느 시료에서도 W2Co21B6, Co3W3C, CoWB, WC는 확인되지 않았다.
이어서 얻어진 소결체에 대해서, 표 4의 시료 번호 48∼62에 나타내는 조성이 다른 cBN 소결체를 절삭에 관여하는 표면에 갖는, ISO 모델 번호로 CNGA120416으로 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 상기 각종 인선 형상을 가공했는데, 상기 인선 형상 가공 후의 cBN 소결체의 두께는, 어느 팁이나 0.8 ㎜이며, 1.6 R의 노우즈 R를 갖는 팁의 cBN 소결체 소재 저면부의 브레이징 재료부 면적은 10.0 ㎜2이었다. 브레이징은, Ag : 76 중량%, Cu : 21 중량%, Zr : 1 중량%, Ti : 2 중량%의 조성이며, 850℃에서 접합을 했다. 브레이징 재료부의 브레이징층의 두께는 어느 시료나 0.05 ㎜이며, 브레이징 재료부 내에 빈 구멍(브레이징 틈)이 있는 것은 없었다.
어느 팁이나 cBN 소결체를 전술한 바와 같이 각종 팁 기재에 브레이징 접합한 후, 연삭 가공에 의해, cBN 소결체 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시했는데, 그 후, 또한 연삭 가공에 의해, 상기 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, 전면 절인각, 측면 절인각이, 각각 -5°, -5°, 5°, 5°, 5°, -5°가 되도록 했다. 그리고 마지막으로, 상기 인선 형상의 가공 후, 아크 이온 플레이팅 타입의 PVD에 의해, 막 두께 1 ㎛의 Ti에 대한 Al의 원자비 Al/Ti가 1인 내열막을 피복했다.
절삭 대상물 : JIS 모델 번호 : SUJ2 외주 가공(DIN 모델 번호 : 100Cr6), 연속 가공
절삭 대상물 경도 : HRc63
절삭 속도 : V=60 m/분.
절삭 깊이 : d=0.25 ㎜
이송량 : f=0.12 ㎜/rev.
절삭 시간 : 70분
냉각제 : 에멀젼(제조원 : 니혼플루드시스템, 상품명 : 시스템 컷트 96) 20배 희석, 300 cc/분
| 시료 번호 ※1 |
hBN 전처리 온도 ℃ |
cBN 성분 중에서 각 원소가 차지하는 비율(중량%) |
cBN 소결체 | VB 마모 ※3 ㎛ |
면조도 Rz ※4 ㎛ |
가공 변질층 ※5 ㎛ |
||||
| 산소량 | 탄소 | Li,Mg, Si,Al,Ca 의 합 |
Li,Mg, Si,Al, Ca,탄소 의 합 ※2 |
cBN 직경 ㎛ |
열전도율 W/m·K |
|||||
| 48 | - | 0.20 | 0.130 | 0.220 | 0.350 | 3.0 | 85 | 75 | 3.4 | 11.0 |
| 49 | - | 0.20 | 0.130 | 0.220 | 0.350 | 3.0 | 120 | 75 | 3.2 | 4.0 |
| 50 | 없음 | 0.20 | 0.130 | 0.090 | 0.210 | 3.0 | 125 | 75 | 3.2 | 4.0 |
| 51 | 1,100 | 0.17 | 0.020 | 0.050 | 0.070 | 3.0 | 135 | 75 | 2.8 | 2.5 |
| 52 | 1,250 | 0.15 | 0.050 | 0.050 | 0.100 | 3.0 | 142 | 74 | 2.8 | 2.2 |
| 53 | 1,500 | 0.12 | 0.010 | 0.050 | 0.060 | 3.0 | 150 | 74 | 2.8 | 2.0 |
| 54 | 1,500 | 0.13 | 0.010 | 0.050 | 0.060 | 0.7 | 100 | 76 | 2.0 | 7.0 |
| 55 | 1,500 | 0.14 | 0.007 | 0.050 | 0.057 | 1.0 | 130 | 75 | 2.0 | 3.5 |
| 56 | 1,500 | 0.12 | 0.002 | 0.010 | 0.012 | 3.0 | 105 | 75 | 2.8 | 6.0 |
| 57 | 1,500 | 0.12 | 0.003 | 0.017 | 0.020 | 3.0 | 152 | 73 | 2.8 | 2.0 |
| 58 | 1,500 | 0.12 | 0.002 | 0.100 | 0.102 | 3.0 | 135 | 75 | 2.8 | 2.5 |
| 59 | 1,500 | 0.12 | 0.003 | 0.017 | 0.200 | 3.0 | 133 | 75 | 2.8 | 2.5 |
| 60 | 1,500 | 0.12 | 0.002 | 0.220 | 0.222 | 3.0 | 125 | 75 | 3.2 | 4.0 |
| 61 | 1,500 | 0.12 | 0.001 | 0.050 | 0.051 | 6.0 | 150 | 74 | 3.2 | 2.0 |
| 62 | 1,500 | 0.11 | 0.001 | 0.050 | 0.051 | 7.0 | 160 | 72 | 5.0 | 1.5 |
※ 1
시료 번호 48의 시료는, 시판되는 cBN 분말을 출발 원료로 하는 실시예 1의 시료 번호 8에서 사용한 시판되는 팁이다.
시료 번호 49의 시료는, 시판되는 cBN 분말 원료를 출발 원료로 하는 실시예 1의 시료 번호 14에서 사용한 본 발명의 cBN 소결체이다.
시료 번호 50∼62의 시료는, hBN 분말로부터 합성한 cBN 분말을 사용한 본 발명의 cBN 소결체이다.
※ 2
이 소결체 중 cBN 성분에 포함되는 Li, Ca, Al, Si, Mg 등과 같이, 탄소, 산소를 제외한 원소의 총 중량이 cBN 성분에서 차지하는 비율을 중량%로 표기했다.
※ 3
절삭 시간 70분 후의 VB 마모량의 측정치를 표기했다.
※ 4
면조도 Rz에 대해서는, JISB0601에 준거한 십점 평균 조도로, 그리고 컷오프 0.8 ㎛, 기준 길이 l=4 ㎜의 조건에서 절삭 대상물의 축 방향으로 측정했다.
※ 5
절삭 시간 70분 후의 가공면의 단면을 랩핑한 후, 나이탈(에탄올+5 중량% 질산)로 에칭한 후에, 가공 변질층의 두께를 측정했다.
표 4에 나타내는 바와 같이, 종래의 cBN 소결체에서는, 가공 변질층의 생성량이 11.0 ㎛인데 비하여, 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구인 시료 번호 49∼62의 시료는, 가공 변질층의 생성량이 7.0 ㎛ 이하로 억제되고 있다.
본 발명 중에서도, 시료 번호 51∼53, 55, 57∼59, 61의 시료는, cBN 소결체를 구성하고 있는 cBN 입자의 평균 입자 지름이 1.0 ㎛ 이상 6.0 ㎛ 이하이며, cBN 성분 중에 Li, Si, Al, Ca, Mg 중으로부터 선택되는 1종 이상의 원소, 탄소 및 산소가 함유되고, cBN 성분에 대하여 상기 Li, Si, Al, Ca, Mg, 탄소의 합이 0.02 중량% 이상 0.2 중량% 이하이며, cBN 성분에 대하여 산소량이 0.17 중량% 이하인 고순도 cBN 성분으로 이루어져 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구 중에서도, 열전도율이 우수하고, 가공 변질층의 생성량이 3.5 ㎛ 이하로 억제되고 있다. 이것은, cBN 결정 격자의 조화 진동을 저해하는, cBN 입자 중의 Li, Si, Al, Ca, Mg 및 탄소 성분이 적어졌으므로, 포논(phonon) 전도성이 향상되었기 때문으로 추정된다.
본 발명 중에서도 cBN 입자 중의 Li, Si, Al, Ca, Mg 및 탄소 성분의 합이 0.2를 넘고 있는 시료 번호 48∼50 및 60에서는, 상기 조화 진동이 저해되기 때문에 열전도율이 저하하고 있는 것으로 추정된다.
반대로, cBN 입자 중의 Li, Si, Al, Ca, Mg 및 탄소 성분의 합이 0.02 미만인 시료 번호 56의 시료에서는, 열전도율이 저하하고 있는데, 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 54의 시료도 열전도율이 저하하고 있는데, cBN 입자 지름이 미세하며, 이것도 열 장벽이 되는 cBN 입자의 입계 면적의 증가에 의한다고 추정된다.
한편 시료 번호 62의 시료는, cBN 입자 지름이 크기 때문에, 열 장벽이 되는 입계 면적이 감소하여 열전도율이 향상되고, 가공 변질층의 생성량도 작아졌다고 고려되는데, 다른 시료가 Rz 3.2 ㎛ 이하의 양호한 면조도를 달성하고 있는데 비하여 Rz 5.0 ㎛로 악화되고 있다. 이것은, 평가가 끝난 팁의 인선을 관찰한바, 모든 시료에서 공구 전면 절인부에 cBN 입자의 탈락이 관찰되었는데, 이 탈락 입자의 탈락 흔적이 가공면에 전사되어 면조도가 결정된 것에 의한 것이다.
<실시예 5>
실시예 2의 시료 번호 26에서 사용한 초경 백 메탈을 갖는 cBN 소결체 소재를, 3종류의 브레이징 재료를 사용하여, 700℃∼1,000℃에서 진공 분위기 내에서의 초경 기재로의 접합을 실시하고, 실시예 2와 팁 형상, 인선 처리, 내열막 피복이 동일한 각종 cBN 소결체 절삭 공구를 표 5에 나타낸다.
시료 번호 63∼79의 시료는, Ag : 76 중량%, Cu : 23 중량%, Ti : 1 중량%의 조성으로 이루어지는 브레이징 재료부, 혹은 이 브레이징 재료부에 평균 입자 지름으로 5∼200 ㎛의 cBN, 다이아몬드 내지는 WC, W를 분산시킨 브레이징 재료를, 시료 번호 81의 시료는, Ag : 89 중량%, Cu : 10 중량%, Ti : 1 중량% 조성의 브레이징 재료를, 시료 번호 82의 시료는, Ag : 76 중량%, Cu : 21 중량%, Ti : 2 중량%, Zr : 1 중량% 조성의 브레이징 재료를 사용했다.
브레이징 재료부의 열전도율에 대해서는, 브레이징 재료부의 외주를 연삭으로 제거하고, 브레이징 재료부만을 남긴 후, 크세논 플래시 타입의 열전도율 측정 장치에 의해 측정했다.
그리고, 실시예 2와 마찬가지로, 상기 공구의 인선 처리의 가공 후, 아크 이온 플레이팅 타입의 PVD에 의해, 막 두께 1 ㎛의 Ti에 대한 Al의 원자비 Al/Ti가 1인 TiAlN의 내열막을 피복하고, 실시예 2와 동일한 절삭 조건에서의 가공 변질층의 생성 평가를 했다.
| 시 료 번 호 |
첨가재 | 브레이징 재료 | VB 마모 ㎛ |
가공 변질층 ㎛ |
잔류 응력 GPa |
|||||
| 입자의 종류 |
평균 입자 직경 ㎛ |
함유율 체적% |
접합 온도 ℃ |
두께 ㎜ |
빈 구멍의 긴 직경 ㎜ |
열전도율 W/m·K |
||||
| 63 | - | - | - | 700 | 0.30 | 0.6 | 80 | 90 | 2.5 | -3.7 |
| 64 | - | - | - | 750 | 0.20 | 0.5 | 150 | 89 | 2.1 | -3.9 |
| 65 | - | - | - | 800 | 0.10 | 0.3 | 240 | 87 | 1.8 | -4.2 |
| 66 | - | - | - | 850 | 0.05 | 0 | 250 | 87 | 1.5 | -4.3 |
| 67 | - | - | - | 900 | 0.03 | 0.4 | 230 | 87 | 1.8 | -4.2 |
| 68 | - | - | - | 950 | 0.02 | 0.5 | 220 | 87 | 1.9 | -4.1 |
| 69 | - | - | - | 1,000 | 0.02 | 0.8 | 80 | 91 | 2.5 | -3.7 |
| 70 | Dia | 2 | 40 | 850 | 0.04 | 0.4 | 260 | 87 | 1.8 | -4.5 |
| 71 | Dia | 5 | 40 | 850 | 0.06 | 0.3 | 300 | 86 | 1.0 | -5.0 |
| 72 | Dia | 20 | 5 | 850 | 0.10 | 0.3 | 280 | 87 | 1.1 | -4.9 |
| 73 | Dia | 20 | 15 | 850 | 0.10 | 0.3 | 300 | 86 | 1.0 | -5.0 |
| 74 | Dia | 20 | 40 | 850 | 0.10 | 0.3 | 320 | 86 | 0.9 | -5.2 |
| 75 | Dia | 20 | 50 | 850 | 0.40 | 0.7 | 100 | 90 | 2.3 | -3.8 |
| 76 | Dia | 150 | 40 | 850 | 0.20 | 0.7 | 100 | 90 | 2.3 | -3.8 |
| 77 | Dia | 200 | 40 | 850 | 0.25 | 0.6 | 80 | 90 | 2.6 | -3.7 |
| 78 | cBN | 20 | 40 | 850 | 0.10 | 0.1 | 350 | 85 | 0.8 | -6.0 |
| 79 | WC | 20 | 40 | 850 | 0.10 | 0.5 | 260 | 87 | 1.5 | -4.6 |
| 80 | W | 20 | 40 | 850 | 0.10 | 0.5 | 260 | 87 | 1.5 | -4.6 |
| 81 | - | - | - | 850 | 0.05 | 0 | 220 | 87 | 1.8 | -4.2 |
| 82 | - | - | - | 850 | 0.05 | 0 | 150 | 89 | 2.0 | -3.9 |
※ 1
절삭 시간 60분 후의 VB 마모량의 측정치를 표기했다.
※ 2
절삭 시간 60분 후의 가공면의 단면을 랩핑한 후, 나이탈(에탄올+5 중량% 질산)로 에칭한 후에, 가공 변질층의 두께를 측정했다.
※ 3
절삭 시간 60분 후의 가공면을, 미소부 X선 응력 측정 장치에 의한 sin2Ψ 법(병경법)에 의해 잔류 응력을 측정했다. 표 중의 마이너스 표기는 압축 응력이 부가되고 있음을 나타낸다.
시료 번호 63∼82로 나타낸 시료는, 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구인데, 특히 시료 번호 65∼68 및 81에 나타난 바와 같이, 220 W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 브레이징 재료부로 구성되고, 브레이징 재료부의 브레이징층의 두께가 0.02 ㎜ 이상 0.2 ㎜ 이하이며, 또한 브레이징 재료부 내에 0.5 ㎜을 넘는 긴 직경을 갖는 빈 구멍을 포함하지 않는 브레이징 재료부를 사용한 공구가, 가공 변질층의 생성이 적고, 잔류하는 압축 응력의 값도 높다.
또한, 브레이징 재료부의 내부에, 평균 입자 지름 5∼150 ㎛ 이하의 cBN 내지는 다이아몬드 입자를 5 체적%∼40 체적% 함유하고, 280 W/m·K 이상의 열전도율을 갖는, 시료 번호 71∼74 및 78의 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구는, 가공 변질층의 생성이 적고, 잔류하는 압축 응력의 값도 높다.
브레이징 온도가 저온인 시료 번호 63의 시료는, 브레이징 재료의 용융과 cBN 소결체 소재, 초경 기재와의 습윤성이 충분하지 않아, 브레이징 재료가 도달하지 않는 0.6 ㎜ 이상의 빈 구멍이 형성되었기 때문에, 이 빈 구멍이 열 장벽이 되어, 열전도율이 크게 저하되었다고 추정된다.
한편 시료 번호 69의 시료에서는, 브레이징 재료가 충분히 용융되었는데, 과도 하게 고온의 조건이었기 때문에, 용융된 브레이징 재료의 점성이 저하되어, 브레이징 재료가 cBN 소결체 소재와 초경 기재 계면으로부터 유출되어 버려, 0.8 ㎜의 큰 빈 구멍이 형성되어 버렸다고 추정된다.
시료 번호 75∼77, 79 및 80의 시료에서는, 브레이징 재료부에, 열전도율과 영율이 우수한 경질 입자를 분산시키고, 절삭시의 cBN 소결체부의 인선 온도를 저하시키는 것을 목적으로 하고 있었는데, 입자 지름이 지나치게 크거나, 브레이징 재료부에의 첨가량이 지나치게 많으면, 브레이징 재료가 도달하는 것이 불충분하게 되어 역으로 빈 구멍 결함이 발생하고, 가공면의 표면 성상은 개선되지 않는다.
또한, 경질 입자의 종류도, 브레이징 재료부와의 습윤성에 영향을 주어, 경질 입자 단일체로서는 다이아몬드 입자보다도, 열전도율이 뒤떨어지는 cBN 입자 쪽이, 브레이징 재료부와의 습윤성이 우수한 것으로 고려되며, cBN 입자를 브레이징 재료부에 분산시킨 시료 번호 78의 시료가 특히 우수하다.
<실시예 6>
실시예 2의 시료 번호 27에서 사용한 본 발명의 cBN 소결체 소재를 절삭에 관여하는 표면에 갖는, ISO 모델 번호로 CNGA120408로 분류되는 팁 형상의 공구를 준비하고, 마지막으로 아크 이온 플레이팅 타입의 PVD에 의해, 표 6에 나타내는 막 두께 1 ㎛의 각종 내열막을 피복한 cBN 소결체 절삭 공구를 제작하여, 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 상기 각종 인선 형상을 가공했는데, 상기 인선 형상 가공 후의 cBN 소결체의 두께는, 어느 팁이나 0.8 ㎜이며, 0.8 R의 노우즈 R를 갖는 팁의 cBN 소결체 소재 저면부의 브레이징 면적은 3.2 ㎜2였다. 브레이징은, AG : 76 중량%, Cu : 21 중량%, Zr : 1 중량%, Ti : 2 중량%의 조성이며, 850℃에서 접합을 했다. 브레이징 재료부의 브레이징층의 두께는 모든 시료에서 0.05 ㎜이며, 브레이징 재료부 내에 빈 구멍(브레이징 틈)이 있는 것은 없었다.
어느 팁이나 cBN 소결체를 전술한 바와 같이 각종 팁 기재에 브레이징 접합한 후, 연삭 가공에 의해, cBN 소결체 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시했는데, 그 후, 또한 연삭 가공에 의해, 상기 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, 전면 절인각, 측면 절인각이, 각각 -5°, -5°, 5°, 5°, 5°, -5°가 되도록 했다.
내열막의 열전도율에 대해서는, SUS304판 상에, 두께 15 ㎛의 내열막을 성막하고, 크세논 플래시 타입의 열전도율 측정 장치에 의해 측정했다.
절삭 대상물 : JIS 모델 번호 : S55C 외주 가공(DIN 모델 번호 : C55), 연속 가공
절삭 대상물 경도 : HRc45
절삭 속도 : V=120 m/분.
절삭 깊이 : d=0.3 ㎜
이송량 : f=0.12 ㎜/rev.
절삭 시간 : 100분
냉각제 : 없음
| 시료 번호 |
내열막 | VB 마모 ※1 ㎛ |
KT 마모 ※2 ㎛ |
가공 변질층 ㎛ ※3 |
|||
| 조성 | Ti,Cr,Zr,V, Al의 원자비 at% |
C,N,O의 원자비 at% |
열전도율 W/m·K |
||||
| 83 | 없음 | - | - | - | 190 | 70 | 65분에 결손 |
| 84 | Al2O3 | - | - | 20 | 70 | 14 | 20.0 |
| 85 | TiCN | Ti:100 | C:N=50:50 | 25 | 70 | 16 | 10.0 |
| 86 | TiN | Ti:100 | - | 29 | 100 | 20 | 11.0 |
| 87 | TiZrN | Ti:Zr=90:10 | - | 30 | 95 | 20 | 8.0 |
| 88 | TiAlCN | Ti:Al=50:50 | C:N=50:50 | 25 | 70 | 20 | 12.0 |
| 89 | TiAlN | Ti:Al=30:70 | - | 50 | 65 | 62 | 75분에 결손 |
| 90 | TiAlN | Ti:Al=50:50 | - | 47 | 62 | 55 | 85분에 결손 |
| 91 | TiAlN | Ti:Al=85:15 | - | 42 | 70 | 47 | 4.0 |
| 92 | TiAlN | Ti:Al=90:10 | - | 40 | 77 | 38 | 4.0 |
| 93 | TiAlN | Ti:Al=95:5 | - | 35 | 85 | 25 | 3.5 |
| 94 | TiAlVN | Ti:Al:V=91:5:4 | - | 35 | 85 | 17 | 3.0 |
| 95 | TiAlVCNO | Ti:Al:V=91:5:4 | C:N=48:48:4 | 30 | 84 | 16 | 3.0 |
| 96 | TiAlVN | Ti:Al:V=85:10:5 | - | 33 | 78 | 15 | 3.0 |
| 97 | TiAlVZrSiN | Ti:Al:V:Zr: =88:5:2:4:1 |
- | 32 | 84 | 13 | 2.5 |
| 98 | CrAlN | Cr:Al=30:70 | - | 50 | 67 | 65 | 74분에 결손 |
| 99 | CrAlN | Cr:Al=50:50 | - | 47 | 77 | 60 | 70분에 결손 |
| 100 | CrAlN | Cr:Al=85:15 | - | 45 | 92 | 49 | 9.0 |
| 101 | CrAlN | Cr:Al=95:5 | - | 40 | 100 | 45 | 8.0 |
| 102 | ZrAlN | Zr:Al=95:5 | - | 35 | 85 | 32 | 4.0 |
※ 1
절삭 시간 60분 후의 VB 마모량의 측정치를 표기했다.
※ 2
절삭 시간 60분 후의 KT 마모량의 측정치를 표기했다.
※ 3
절삭 시간 100분 후의 가공면의 단면을 랩핑한 후, 나이탈(에탄올+5 중량% 질산)로 에칭한 후에, 가공 변질층의 두께를 측정했다.
시료 번호 83∼102로 나타낸 시료는 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구인데, 특히 시료 번호 87, 91∼97 및 100∼102에 나타난 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 9.0 ㎛ 이하로 적고, 또한 수명이 길었다.
시료 번호 83∼86, 88의 시료는 내열막의 열전도율이 29 W/m·K 이하이며, 가공면에서 발생한 절삭열이 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구로 유입되는 것을 방해하기 때문에, 가공 변질층의 생성량이 10.0 ㎛ 이상으로 되고 있다.
한편, 열전도율이 47 W/m·K 이상인 시료 번호 89, 90, 98 및 99에서는, 가공면에서 발생한 절삭열이 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구 내부로 적극적으로 유입되기 때문에, 크레이터 마모의 진전에 의해 결손에 이르고 있다.
<실시예 7>
실시예 6의 시료 번호 96에서 사용한 본 발명의 cBN 소결체 공구를 절삭에 관여하는 표면에 갖는, ISO 모델 번호로 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 상기 각종 인선 형상을 가공했는데, 상기 인선 형상 가공 후의 cBN 소결체의 두께는, 어느 팁이나 0.8 ㎜이며, 0.8 R의 노우즈 R를 갖는 팁의 cBN 소결체 소재 저면부의 브레이징 재료부 면적은 3.2 ㎜2였다. 브레이징 재료부는, Ag : 76 중량%, Cu : 21 중량%, Zr : 1 중량%, Ti : 2 중량%의 조성이며, 850℃에서 접합을 했다. 브레이징 재료부의 브레이징층의 두께는 모든 시료에서 0.05 ㎜이며, 브레이징 재료부 내에 빈 구멍(브레이징 틈)이 있는 것은 없었다.
어느 팁이나 cBN 소결체를 전술한 바와 같이 각종 팁 기재에 브레이징 접합한 후, 연삭 가공에 의해, cBN 소결체 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시했는데, 그 후, 추가 연삭 가공에 의해, 상기 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, 전면 절인각, 측면 절인각이, 각각 -5°, -5°, 5°, 5°, 5°, -5°가 되도록 했다.
이어서, 상기 인선 형상의 가공 후, 실시예 6의 시료 번호 96의 본 발명의 cBN 소결체 공구와 마찬가지로, 아크 이온 플레이팅 타입의 PVD에 의해, Ti와 Al과 V의 비율이 각각 85 at%, 10 at%, 5 at%인 막 두께 1 ㎛의 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 10% 이상 80% 이하의 면적을 갖는 영역의 내열막을 제거하여, 표 7에 나타내는 18 종류의 시료를 제작했다.
이들 샘플을 각종 냉각제를 사용하여, 하기의 조건으로 절삭 평가를 했다.
절삭 대상물 : JIS 모델 번호 : SCM420 외주 가공(DIN 모델 번호 : 25CrMo4), 연속 가공
절삭 대상물 경도 : HRc58
절삭 속도 : V=120 m/분.
절삭 깊이 : d=0.2 ㎜
이송량: f= 0.1 ㎜/rev.
절삭 시간 : 80분
냉각제 : (1) 에멀젼(제조원 : 니혼플루드시스템, 상품명 : 시스템 컷트 96) 20배 희석, 500 cc/분 (2) 오일 미스트(제조원 : 후지BC기술연구소, 상품명 : 블루베 LB-1)
| 시료 번호 |
절삭단면적 Q에 대한 내역막의 제거면적 비율 |
냉각제 | VB ㎛ |
KT ㎛ |
가공 변질층 ㎛ |
잔류 응력 GPa |
|
| 여유면 | 경사면 | ||||||
| 103 | 내열막의 피복없음 |
내열막의 피복없음 |
없음 | 220 | 75 | 67분에 결손 | 67분에 결손 |
| 104 | 0 | 0 | 없음 | 85 | 18 | 6.0 | -5.2 |
| 105 | 10 | 0 | 없음 | 87 | 18 | 4.0 | -5.7 |
| 106 | 20 | 0 | 없음 | 90 | 18 | 3.0 | -6.2 |
| 107 | 40 | 0 | 없음 | 100 | 18 | 2.5 | -6.4 |
| 108 | 80 | 0 | 없음 | 115 | 18 | 1.5 | -6.7 |
| 109 | 100 | 0 | 없음 | 125 | 18 | 6.0 | -5.2 |
| 110 | 0 | 10 | 없음 | 85 | 22 | 4.0 | -5.7 |
| 111 | 0 | 20 | 없음 | 84 | 33 | 3.0 | -6.2 |
| 112 | 0 | 40 | 없음 | 84 | 40 | 3.0 | -6.2 |
| 113 | 0 | 80 | 없음 | 84 | 42 | 3.0 | -6.2 |
| 114 | 0 | 100 | 없음 | 84 | 75 | 72분에 결손 | 72분에 결손 |
| 115 | 40 | 40 | 없음 | 100 | 40 | 2.5 | -6.7 |
| 116 | 40 | 40 | 에멀젼 20배 희석 | 100 | 37 | 3.0 | -6.2 |
| 117 | 40 | 40 | 미스트 0.5cc/시간 | 100 | 40 | 2.0 | -6.7 |
| 118 | 40 | 40 | 미스트 1cc/시간 | 100 | 39 | 1.4 | -6.8 |
| 119 | 40 | 40 | 미스트 10cc/시간 | 98 | 38 | 1.1 | -6.9 |
| 120 | 40 | 40 | 미스트 300cc/시간 | 97 | 38 | 0.6 | -7.2 |
| 121 | 40 | 40 | 미스트 350cc/시간 | 97 | 38 | 2.5 | -6.6 |
※ 1
절삭 시간 60분 후의 VB 마모량의 측정치를 표기했다.
※ 2
절삭 시간 60분 후의 KT 마모량의 측정치를 표기했다.
※ 3
절삭 시간 80분 후의 가공면의 단면을 랩핑한 후, 나이탈(에탄올+5 중량% 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 부가되고 있음을 나타낸다.
시료 번호 103∼121에 나타낸 시료는 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구인데, 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 10% 이상 80% 이하의 면적을 제거한, 시료 번호 105∼107, 110∼113 및 115∼121의 시료는, 모두 내열막을 제거하지 않은 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구와 비교하여, 가공 변질층의 생성량이 적고, 잔류 응력도 고압축 응력이 부가되고 있었다. 이것은, 내열막보다도 대폭 열전도율이 우수한 본 발명의 cBN 소결체 소재와 가공면이 직접 찰과하므로, 가공면에서 발생한 절삭열이 효율적으로 방열되었기 때문으로 추정된다.
내열막의 일부를 제거한 상기 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 수명이 길었다.
경사면의 내열막을 제거한 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구는, 여유면의 내열막을 제거한 본 발명의 cBN 소결체 절삭 공구보다도, 결손까지의 수명이 저하되고 있다. 이것은, 여유면의 VB 마모가 평면적인 마모인 것과는 달리, 경사면의 KT 마모는 크레이터형으로 진전하기 때문에, 이 KT 마모의 진전에 의해 인선부의 웨지각이 감소하므로 결손을 야기하기 쉽고, 경사면의 내열막이 제거됨에 의해, KT 마모의 진전이 가속되었기 때문으로 추정된다.
<실시예 8>
실시예 6의 시료 번호 96에서 사용한 본 발명의 cBN 소결체 공구를 절삭에 관여하는 표면에 갖고, ISO 모델 번호 CNGA120408로 분류되며, 도 3에 도시한 바와 같이 cBN 소결체(1)의 전면 절인부에 0.5 ㎜의 와이퍼 블레이드(12)를 갖는 팁 형상의 공구를 준비했다.
이 때 어느 팁이나, 초경 백 메탈을 갖는 cBN 소결체 소재를 초경합금으로 이루어지는 기재에 각종 브레이징 재료를 이용하여 브레이징 접합한 후, 연삭 가공에 의해, cBN 소결체로 이루어지는 공구 인선부의 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시하고, 그 후 상기 각종 인선 형상을 가공했는데, 상기 인선 형상 가공 후의 cBN 소결체 및 초경 백 메탈의 두께는, 어느 팁이나 0.8 ㎜이며, 상기 인선 형상 가공 후의 cBN 소결체의 0.8 R의 노우즈 R를 갖는 팁의 cBN 소결체 소재 저면부의 브레이징 면적은 3.15 ㎜2였다. 브레이징 재료부는, Ag : 76 중량%, Cu : 21 중량%, Zr : 1 중량%, Ti : 2 중량%의 조성이며, 850℃에서 접합을 했다. 브레이징 재료부의 브레이징층의 두께는 모든 시료에서 0.05 ㎜이며, 브레이징 재료부 내에 빈 구멍(브레이징 틈)이 있는 것은 없었다.
어느 팁이나 cBN 소결체를 전술한 바와 같이 각종 팁 기재에 브레이징 접합한 후, 연삭 가공에 의해, cBN 소결체 경사면과 노우즈 R부의 가공을 실시했는데, 그 후, 추가 연삭 가공에 의해, 상기 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, 전면 절인각, 측면 절인각이, 각각 -5°, -5°, 5°, 5°, 5°, -5 가 되도록 했다.
마지막으로, 상기 인선 형상의 가공 후, 실시예 6의 시료 번호 96의 본 발명의 cBN 소결체 공구와 마찬가지로, 아크 이온 플레이팅 타입의 PVD에 의해, Ti와 Al와 V의 비율이 각각 85 at%, 10 at%, 5 at%인 막 두께 1 ㎛의 TiAlVN의 내열막을 피복하며, 표 8에 나타내는 각종 절삭 속도, 이송량, 절삭 깊이 조건 및 냉각제 토출 조건으로 절삭 평가를 했다.
이 때 모든 절삭 조건이 동일한 가공 능률을 갖도록 절삭 속도, 이송량, 절삭 깊이를 설정했다.
또한 비교를 위해, TiN에 대하여 15 중량%의 Al로 이루어지는 결합재 분말과, 시판되는 평균 입자 지름 3.5 ㎛의 cBN 분말을 준비했다. 이 혼합 분말을 초경합금제 용기에 충전하고, 압력 8.5 GPa, 온도 2,100℃에서 60분간 소결하여 얻어진, cBN의 함유율이 72 체적%이고, TiN은 Ti와 N의 몰비가 1.4이며, cBN 성분 중에서 Li, Si, Al, Ca, Mg, 탄소를 합계로 0.35 중량%, 산소를 0.18 중량% 함유하고 있고, 72 W/m·K의 열전도율을 갖는 cBN 소결체로 시료 번호 122∼138과 형상, 내열막 피복이 동일한 시료 번호 139∼142의 팁을 준비했다. 이 시료 번호 139∼142의 cBN 소결체에 대해서 X선 회절 분석을 한바, 모든 시료에서 cBN 이외에 TiN, TiB2, AlN, Al2O3 등이 확인되었다. cBN 함유율에 대해서는 ICP 분석으로 정량하고, cBN 소결체의 열전도율에 대해서는 크세논 플래시 타입의 열전도율 측정 장치에 의해 측정했다. 이 cBN 소결체 중의 cBN 성분에 대한 Li, Ca, Al, Si, Mg, 탄소량, 산소량에 대해서는, 한 변이 3∼7 ㎜이고 두께가 0.3∼0.5 ㎜인 직사각형으로 한 소결체를, 밀폐 용기 중에 넣어, 농도 60% 이상 65% 미만의 질산을 2배 희석한 것 40 ml과, 농도 45% 이상 50% 미만의 불화수소산 10 ml을 혼합한 불질산으로, 120℃ 이상 150℃ 미만에서 48시간 처리를 했다. 그 결과 얻어진 잔사 성분에 대해서 상기 ICP법으로 정량했다. 이 잔사에 대해서 X선 회절 분석을 한 바, 어느 시료의 잔사로부터도 TiN, TiB2, AlN, Al2O3은 확인되지 않았다.
절삭 대상물 : JIS 모델 번호 : SUJ2 외주 가공(DIN 모델 번호 : 100Cr6), 연속 가공
절삭 대상물 경도 : HRc60
절삭 시간 : 60분
칩 제거 체적 : 134,400 ㎣(가공 능률 2,240 ㎣/분)
냉각제 : (1)에멀젼(제조원 : 니혼플루드시스템, 상품명 : 시스템 컷트 96) 20배 희석, 500 cc/분 (2) 오일 미스트(제조원 : 후지BC기술연구소, 상품명 : 블루베 LB-1)
| 시료 번호 |
절삭 조건 | VB 마모 ※1 |
가공 변질층 ※2 ㎛ |
잔류 응력 ※3 GPa |
|||
| 절삭속도 V m/분 |
이송량 F mm/rev. |
절삭깊이 d mm |
냉각제 | ||||
| 122 | 140 | 0.080 | 0.2 | 미스트:30 cc/시간 | 120 | 5.0 | -5.0 |
| 123 | 112 | 0.160 | 0.1 | 미스트:30 cc/시간 | 88 | 1.8 | -6.5 |
| 124 | 112 | 0.160 | 0.05 | 미스트:30 cc/시간 | 99 | 2.0 | -6.3 |
| 125 | 112 | 0.100 | 0.02 | 미스트:30 cc/시간 | 150 | 6.0 | -4.5 |
| 126 | 112 | 0.100 | 0.2 | 없음 | 95 | 3.0 | -5.8 |
| 127 | 112 | 0.100 | 0.2 | 에멀전:20배 희석 | 70 | 2.2 | -6.0 |
| 128 | 112 | 0.100 | 0.2 | 미스트:0.5 cc/시간 | 140 | 3.0 | -5.8 |
| 129 | 112 | 0.100 | 0.2 | 미스트:1 cc/시간 | 95 | 1.9 | -6.4 |
| 130 | 112 | 0.100 | 0.2 | 미스트:30 cc/시간 | 90 | 1.7 | -6.5 |
| 131 | 112 | 0.100 | 0.2 | 미스트:300 cc/시간 | 77 | 1.6 | -6.6 |
| 132 | 112 | 0.100 | 0.2 | 미스트:500 cc/시간 | 75 | 2.2 | -6.0 |
| 133 | 100 | 0.112 | 0.2 | 미스트:30 cc/시간 | 70 | 1.2 | -6.8 |
| 134 | 70 | 0.160 | 0.2 | 미스트:30 cc/시간 | 48 | 0.8 | -7.0 |
| 135 | 70 | 0.160 | 0.2 | 없음 | 55 | 2.0 | -6.2 |
| 136 | 50 | 0.224 | 0.2 | 미스트:30 cc/시간 | 40 | 0.7 | -7.2 |
| 137 | 40 | 0.280 | 0.2 | 미스트:30 cc/시간 | 38 | 0.5 | -7.5 |
| 138 | 20 | 0.280 | 0.4 | 미스트:30 cc/시간 | 150 | 5.0 | -4.5 |
| 139 | 112 | 0.100 | 0.2 | 없음 | 85 | 5.0 | -4.5 |
| 140 | 70 | 0.160 | 0.2 | 없음 | 50분에 결손 | ||
| 141 | 70 | 0.160 | 0.2 | 미스트:30 cc/시간 | 55분에 결손 | ||
| 142 | 40 | 0.280 | 0.2 | 미스트:30 cc/시간 | 12분에 결손 | ||
※ 1
절삭 시간 60분 후의 VB 마모량의 측정치를 표기했다.
※ 2
절삭 시간 60분 후의 가공면의 단면을 랩핑한 후, 나이탈(에탄올+5 중량% 질산)로 에칭한 후에, 가공 변질층의 두께를 측정했다.
※ 3
절삭 시간 60분 후의 가공면을, 미소부 X선 응력 측정 장치에 의한 sin2Ψ법(병경법)에 의해 잔류 응력을 측정했다. 표 중의 마이너스 표기는 압축 응력이 부가되고 있음을 나타낸다.
시료 번호 122∼138의 시료는 모두 본 발명의 CBN 소결체 절삭 공구인데, 냉각제를 사용하지 않는 건식 절삭이 아니라, 수용성 냉각제나 오일 미스트로 변경하고, 절삭 속도 V가 40 m/분 이상 70 m/분 이하, 절삭 깊이가 0.05 ㎜ 이상 0.3 ㎜ 이하, 이송량 f가 0.16 ㎜/rev. 이상 0.2 ㎜/rev. 이하의 조건에서 사용함으로써, 담금질강 절삭에 있어서 보다 우수한 표면 성상을 달성할 수 있다.
시료 번호 126∼132는, 어느 것이나 냉각제의 공급 방법을 제외하고, 전부 동일한 절삭 조건인데, 냉각제가 없는 시료 126보다도, 수용성의 냉각제를 사용하고 있는 시료 127이, 가공 변질층의 생성량이 적고, 잔류 응력도 고압축 응력이 부가되고 있다. 오일 미스트의 토출량이 1 cc∼300 cc/시간인 시료 129∼131에서는, 냉각제를 사용하지 않는 시료 126과 VB 마모량이 거의 동일함에도 불구하고, 가공 변질층의 추가 생성이 적고, 잔류하는 압축 응력의 값도 높아 바람직하다.
이것은, 오일 미스트를 적정량 토출함으로써, 공구와 가공물의 계면에 오일 미스트가 침입하고, 마찰을 저감함으로써, 절삭시의 발열이 억제되기 때문으로 추정된다.
한편, 오일 미스트의 토출량이 1 cc/시간 미만인 시료 128이나 300 cc/시간을 넘고 있는 시료 132에서는, 시료 129∼131 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 계면으로의 침입이 어렵게 되기 때문으로 추정된다.
시료 번호 122∼125, 130, 133, 134, 136∼138에 나타난 바와 같이 동일한 오일 미스트 토출량이라도, 가공 변질층의 생성량이나 잔류 응력의 값이 다른데, 절삭 속도 V가 40 m/분 이상 70 m/분 이하, 절삭 깊이가 0.05 ㎜ 이상 0.3 ㎜ 이하, 이송량 f가 0.16 ㎜/rev. 이상 0.2 ㎜/rev. 이하의 저속, 작은 절삭 깊이, 높은 이송 조건으로 가공함으로써, 절삭시의 인선 온도를 억제하면서, 공구와 절삭 대상물과의 찰과 거리를 줄인 것으로 인해 마모량이 억제되었기 때문으로 추정된다.
한편, 절삭 속도가 V=40 m/분 미만인 시료 번호 138의 본 발명의 CBN 소결체에서는, 역으로 마모가 진전하고 있는데, 이것은 절삭 온도가 지나치게 감소했기 때문에 절삭열에 의한 가공물의 연화가 불충분하게 되어, 절삭 저항이 높음에 의한 것으로 추정된다.
또한, 절삭 깊이가 0.05 ㎜ 미만인 시료 번호 125의 본 발명의 CBN 소결체라도, 찰과 거리의 증가에 의해 마모량이 증가함으로써, 공구와 가공물 사이에서의 마찰열의 증가에 의해, 각각 시료 번호 137, 124 정도의 고품위의 표면 성상을 얻지 못한 것으로 추정된다.
시료 번호 139∼142의 cBN 소결체는, 본 발명의 cBN 소결체와는 다른 TiN을 결합재의 주성분으로 하는 고열전도율 소결체인데, 내마모성은 우수하지만, 저속 영역에서의 내결손성이 부족하고, 본 발명의 cBN 소결체와 비교하여 수명이 짧다.
본 발명의 cBN 소결체로 이루어지는 절삭 공구를 이용하여 Hv 4.5 GPa 이상의 경도를 갖는 담금질강 부품을 절삭하는 용도에 있어서, 절삭 중에 인선 온도열이 억제되므로, 가공 부품의 절삭면에의 가공 변질층의 생성 억제 및 압축 응력의 잔류가 촉진되기 때문에, 가공 부품의 피로 수명이 향상되고, 또한 절삭 공구의 수명도 대폭 개선된다.
Claims (11)
- 87 체적% 이상 99 체적% 이하의 cBN 성분을 갖고, 열전도율이 100 W/m·K 이상인 cBN 소결체이며, 이 cBN 소결체를 구성하고 있는 cBN 성분 중의 N에 대한 B의 몰비가 1.10 이상 1.17 이하이고, 결합재 성분으로서 Co 화합물, Al 화합물, W 화합물 및 산소 화합물에서 선택되는 1종 이상 및 탄소를 함유하는 cBN소결체의 최외측 표면이, 4a, 5a, 6a족 원소 및 Al 중에서 선택되는 1종 이상의 원소와, C, N, O 중에서 선택되는 1종 이상의 원소의 화합물로 이루어지는 0.5 ㎛∼12 ㎛의 두께를 갖는 내열막으로 피복된 것을 특징으로 하는 고품위 표면 성상 가공용 cBN 소결체.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 cBN 소결체는, cBN 소결체를 구성하고 있는 cBN 입자의 평균 입자 지름이 1.0 ㎛ 이상 6.0 ㎛ 이하이며, 이 cBN 성분 중에 Li, Si, Al, Ca, Mg 중에서 선택되는 1종 이상의 원소, 탄소 및 산소가 함유되고, 이 cBN 성분에 대하여 상기 Li, Si, Al, Ca, Mg 및 탄소의 합이 0.02 중량% 이상 0.20 중량% 이하이며, 이 cBN 성분에 대하여 산소량이 0.17 중량% 이하인 고순도 cBN 성분으로 이루어지고, 130 W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 고품위 표면 성상 가공용 cBN 소결체.
- 제1항에 있어서, 상기 내열막은, 30 W/m·K 이상 45 W/m·K 이하의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 고품위 표면 성상 가공용 cBN 소결체.
- 제1항에 기재한 cBN 소결체가, 직접 브레이징 재료부를 통해, 또는 cBN 소결체와 일체 소결된 초경합금제 백 메탈과 브레이징 재료부를 통해, 초경합금, 서밋, 세라믹스 혹은 철계 재료로 이루어지는 기재에 접합되어 있는 cBN 소결체 절삭 공구로서, 상기 백 메탈 및 브레이징 재료부는 80 W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 cBN 소결체 절삭 공구.
- 제5항에 있어서, 상기 브레이징 재료부는, Ti와 Zr에서 선택되는 1종 이상과, Ag, Cu, Au, Ni 중에서 선택되는 1종 이상을 함유하고, 220 W/m·K 이상의 열전도율을 가지며, 이 브레이징 재료부의 두께가 0.02 ㎜ 이상 0.20 ㎜ 이하이고, 브레이징 재료부 내에 0.5 ㎜를 넘는 긴 직경을 갖는 빈 구멍이 포함되지 않는 것을 특징으로 하는 cBN 소결체 절삭 공구.
- 제5항에 있어서, 상기 브레이징 재료부는, 평균 입자 지름 5∼150 ㎛ 이하의 cBN 입자 또는 다이아몬드 입자를 5 체적%∼40 체적% 함유하고, 280 W/m·K 이상의 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 cBN 소결체 절삭 공구.
- 제5항에 있어서, 상기 cBN 소결체 절삭 공구의 절삭에 관여하는 부위에 있어서, 노우즈 R, 절삭 깊이 d, 이송량 f, 측면 경사각 αb, 절인(切刃) 경사각 αs로 했을 때에, 절삭 단면적 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 제거되고, 절삭시에 절삭 대상물과 cBN 소결체가 직접 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 cBN 소결체 절삭 공구.
- 제8항에 있어서, 상기 cBN 소결체 절삭 공구의 공구 여유면의 절삭에 관여하는 부위에 있어서, 제8항에서 정의된 절삭 단면적 Q에 대한 10% 이상 80% 이하의 면적을 갖는 영역이 제거되고, 절삭시에 절삭 대상물과 cBN 소결체가 직접 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 cBN 소결체 절삭 공구.
- 절삭 속도 V가 40 m/분 이상 70 m/분 이하, 절삭 깊이가 0.05 ㎜ 이상 0.30 ㎜ 이하, 이송량 f가 0.16 ㎜/rev. 이상 0.20 ㎜/rev. 이하이고, 300 cc/분 이상의 수용성 절삭액을 인선(刃先)에 분사하면서 HRc 45 이상의 담금질강을, 제5항에 기재한 cBN 소결체 절삭 공구를 사용하여 연속 절삭하는 것을 특징으로 하는 절삭 대상물을 고품위 표면 성상으로 가공하는 절삭 가공 방법.
- 절삭 속도 V가 40 m/분 이상 70 m/분 이하, 절삭 깊이가 0.05 ㎜ 이상 0.30 ㎜ 이하, 이송량 f가 0.16 ㎜/rev. 이상 0.20 ㎜/rev. 이하이며, 1 cc/시간 이상 300 cc/시간 미만의 오일 미스트(oil mist)를 인선에 분사하면서 HRc 45 이상의 담금질강을, 제5항에 기재한 cBN 소결체 절삭 공구를 사용하여 연속 절삭하는 것을 특징으로 하는 절삭 대상물을 고품위 표면 성상으로 가공하는 절삭 가공 방법.
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