KR101363178B1

KR101363178B1 - 입방정 질화붕소 소결체, 및 입방정 질화붕소 소결체 공구

Info

Publication number: KR101363178B1
Application number: KR1020127014616A
Authority: KR
Inventors: 유스케 마츠다; 가츠미 오카무라; 사토루 구키노
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2014-02-13
Also published as: CA2785696A1; EP2631027A1; EP2631027A4; US20120230786A1; CA2785696C; US9120707B2; KR20120099249A; JPWO2012053507A1; WO2012053507A1; JP5568827B2; CN102712047A; EP2631027B1; CN102712047B

Abstract

본 발명은, 우수한 내결손성과 내마모성을 겸비한, 입방정 질화붕소의 함유율이 높은 입방정 질화붕소 소결체를 얻는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 입방정 질화붕소 소결체는, 입방정 질화붕소 및 결합상을 포함하는 입방정 질화붕소 소결체로서, 입방정 질화붕소의 함유율이 82 체적% 이상 98 체적% 이하의 범위에 있고, 또한 입방정 질화붕소 소결체의 단면에 있어서, 면적이 0.05 ㎛² 이상 0.5 ㎛² 이하의 범위에 있는 고립된 결합상이, 입방정 질화붕소에 대하여 2단 이상의 볼록부를 갖고, 또한 볼록부의 선단으로부터 1단째의 볼록부의, 선단 방향에 수직한 변 길이를 A1, 평행한 변 길이를 B1로 하고, 또한 선단으로부터 2단째의 볼록부의 선단 방향에 수직한 변 길이를 A2, 평행한 변 길이를 B2로 한 경우, A1/B1이 A2/B2의 1배 이상 10배 이하인 볼록부를 갖는 고립된 결합상의 면적 비율이, 면적이 0.05 ㎛² 이상 0.5 ㎛² 이하의 범위에 있는 결합상 전체의 25% 이상인 입방정 질화붕소 소결체이다.

Description

입방정 질화붕소 소결체, 및 입방정 질화붕소 소결체 공구{CUBIC BORON NITRIDE SINTERED BODY AND CUBIC BORON NITRIDE SINTERED BODY TOOL}

본 발명은 입방정 질화붕소(cBN)를 주성분으로 하는 cBN 소결체에 관한 것이다

cBN은 다이아몬드에 이은 고경도 물질로서, cBN 소결체는 각종 절삭 공구, 내마모 부품, 내충격 부품 등에 사용되고 있다. 특히 주철·소결 합금의 절삭에는 cBN의 함유율이 높은 소결체를 이용하는 것이 일반적이고, 가공 조건에 따라서 cBN 입자의 입경, 결합상의 조성을 최적화하여 이용된다. 일반적으로 함유율이 일정한 경우, 소결체에 포함되는 cBN 입자가 조립이 될수록 인성이 향상되는 한편, 결합상이 두꺼워짐으로써 강도는 저하된다. 결합상의 두께와 강도의 관계에 대해서는 특허문헌 1에 표시되어 있다. 또한, cBN 입자 그 자체의 내결손성 및 내마모성을 향상시키기 위해서, 결함 및 미시적 균열을 해소한 예가 특허문헌 2에 표시되어 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2008-208027호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 제2008-094670호 공보

조가공 조건에서는, 공구에 고부하가 계속적으로 가해지기 때문에, 일정 이상의 인성이 필요해지지만, 인성을 향상시키기 위해서 조립의 cBN을 사용하면 내결손성이 저하되어, 단속 절삭 시의 충격에 견딜 수 없다는 문제가 있었다.

본 발명은, 상기한 문제점을 해결하기 위해서 종래와는 발상을 바꿔, 조립의 cBN을 이용한 경우에 있어서도, 인성과 강도를 동시에 높일 수 있어, 우수한 내결손성과 내마모성을 겸비한 입방정 질화붕소의 함유율이 높은 입방정 질화붕소 소결체를 얻는 것을 목적으로 한다. 또한, 주철·소결 합금의 조가공 조건에서의 연속 절삭·단속 절삭에 알맞은 입방정 질화붕소 소결체 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해서, 결합상의 균일성 향상과 소결 조건을 예의 연구한 결과, cBN 입자와 결합상의 계면의 형상을, 탈락의 억제 효과가 높은 쐐기형인 2단 이상의 볼록부로 할 수 있고, 상기 구조로 함으로써 조립의 cBN을 이용하더라도 인성과 강도를 동시에 높일 수 있는 것을 발견하여 본 발명에 이르렀다. 즉, 본 발명은 이하의 구성으로 이루어진다.

(1) 입방정 질화붕소 및 결합상을 포함하는 입방정 질화붕소 소결체로서,

입방정 질화붕소의 함유율이 82 체적% 이상 98 체적% 이하의 범위에 있고,

또한 해당 입방정 질화붕소 소결체의 단면에 있어서, 면적이 0.05 ㎛² 이상0.5 ㎛² 이하의 범위에 있는 고립된 결합상이, 입방정 질화붕소에 대하여 2단 이상의 볼록부를 갖고,

또한 해당 볼록부의 선단으로부터 1단째의 볼록부의, 선단 방향에 수직한 변 길이를 A1, 평행한 변 길이를 B1로 하고, 또한 선단으로부터 2단째의 볼록부의 선단 방향에 수직한 변 길이를 A2, 평행한 변 길이를 B2로 한 경우, A1/B1이 A2/B2의 1배 이상 10배 이하인 볼록부를 갖는 고립된 결합상의 면적 비율이, 면적이 0.05 ㎛² 이상 0.5 ㎛² 이하의 범위에 있는 고립된 결합상 전체의 25% 이상인 것을 특징으로 하는 입방정 질화붕소 소결체.

(2) 상기 결합상이 W와, Co와, Al과, Zr, Ni, Cr, Mo로 이루어지는 군에서 하나 이상 선택되는 원소의 단체, 상호 고용체, 탄화물, 질화물, 탄질화물, 붕화물및 산화물 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 입방정 질화붕소 소결체.

(3) 상기 입방정 질화붕소의 소결 후의 입경이 1.5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 입자가, 입방정 질화붕소 전체의 50 체적% 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 입방정 질화붕소 소결체.

(4) 상기 A1/B1이 A2/B2의 1배 이상 10배 이하인 볼록부를 갖는 고립된 결합상의 면적 비율이, 면적이 0.05 ㎛² 이상 0.5 ㎛² 이하의 범위에 있는 결합상 전체의 40% 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1)∼(3) 중 어느 하나에 기재된 입방정 질화붕소 소결체.

(5) 상기 입방정 질화붕소 소결체의 단면에 있어서, 면적이 0.5 ㎛²를 초과하는 고립된 결합상의 면적 비율이, 결합상 전체의 20% 이하인 것을 특징으로 하는 상기 (1)∼(4) 중 어느 하나에 기재된 입방정 질화붕소 소결체.

(6) 상기 입방정 질화붕소의 함유율이 86 체적% 이상 95 체적% 이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 상기 (1)∼(5) 중 어느 하나에 기재된 입방정 질화붕소 소결체.

(7) 적어도 날끝이 되는 부분에 상기 (1)∼(6) 중 어느 하나에 기재된 입방정 질화붕소 소결체를 갖는 것을 특징으로 하는 입방정 질화붕소 소결체 공구.

본 발명에 의해, 상기한 문제점이 해결되고, 우수한 내결손성과 내마모성을 겸비한 입방정 질화붕소의 함유율이 높은 입방정 질화붕소 소결체를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 입방정 질화붕소 소결체를 이용함으로써, 주철·소결 합금의 조가공 조건에서의 연속 절삭·단속 절삭에 알맞은 입방정 질화붕소 소결체 공구를 제공할 수 있다.

도 1의 도 1(a)는 본 발명에서 착안한, 결합상과 cBN 계면의 형상의 모식도이다. 도 1(b)는 본 발명의 범위에 포함되는 소결체 조직의 예로서, 실시예에 있어서의 시료 1의 주사형 전자 현미경에 의한 관찰 결과를 도시한 도면이다.

본 발명은, 입방정 질화붕소 및 결합상을 포함하는 입방정 질화붕소 소결체로서, 입방정 질화붕소의 함유율이 82 체적% 이상 98 체적% 이하의 범위에 있고, 또한 해당 입방정 질화붕소 소결체의 단면에 있어서, 면적이 0.05 ㎛² 이상 0.5 ㎛² 이하의 범위에 있는 고립된 결합상이, 입방정 질화붕소에 대하여 2단 이상의 볼록부를 갖고, 또한 해당 볼록부의 선단으로부터 1단째의 볼록부의, 선단 방향에 수직한 변 길이를 A1, 평행한 변 길이를 B1로 하고, 또한 2단째의 볼록부의 선단 방향에 수직한 변 길이를 A2, 평행한 변 길이를 B2로 한 경우, A1/B1이 A2/B2의 1배 이상 10배 이하인 볼록부를 갖는 고립된 결합상의 면적 비율이, 면적이 0.05 ㎛² 이상 0.5 ㎛² 이하의 범위에 있는 고립된 결합상 전체의 25% 이상인 것을 특징으로 하는 입방정 질화붕소 소결체이다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 입방정 질화붕소 소결체는, 입방정 질화붕소의 함유율이 82 체적% 이상 98 체적% 이하인 것을 특징으로 한다. 이것은 cBN 함유율이 높을수록 고립된 결합상의 면적의 평균이 작아지고, 탈락의 기점이 되기 어려운 한편, cBN 함유율이 너무 높아지면, 소결시에 결합상이 달성하는 촉매 작용이 불충분하여, 소결할 수 없는 것에 의한다. 이 때문에, 상기 입방정 질화붕소의 함유율이 86 체적% 이상 95 체적% 이하의 범위에 있으면, 보다 바람직하다.

또한, 도 1(a)에 도시한 바와 같이, 입방정 질화붕소의 단면에 있어서, 면적이 0.05 ㎛² 이상 0.5 ㎛² 이하의 범위에 있는 고립된 결합상이, 입방정 질화붕소에 대하여 2단 이상의 볼록부를 갖는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 입방정 질화붕소와 결합상의 계면의 형상이 쐐기형이 되고, 입방정 질화붕소의 탈락 억제 효과가 발휘된다.

또한, 상기 볼록부의 선단으로부터 1층째의 볼록부의, 선단 방향에 수직한 변 길이를 A1, 평행한 변 길이를 B1로 하고, 또한 2단째의 볼록부의 선단 방향에 수직한 변 길이를 A2, 평행한 변 길이를 B2로 한 경우, A1/B1이 A2/B2의 1배 이상 10배 이하인 볼록부를 갖는 고립된 결합상의 면적 비율이, 면적이 0.05 ㎛² 이상 0.5 ㎛² 이하의 범위에 있는 고립된 결합상 전체의 25% 이상인 것을 특징으로 한다.

이에 따라 결합상의 쐐기에 의한 입방정 질화붕소 입자의 탈락 억제 효과가 더욱 강해진다. 상기 A1/B1이 A2/B2의 1배 이상 10배 이하인 볼록부를 갖는 고립된 결합상의 면적 비율이, 면적이 0.05 ㎛² 이상 0.5 ㎛² 이하의 범위에 있는 고립된 결합상 전체의 40% 이상이면, 보다 바람직하다. 해당 결합상의 영역의 면적 비율이 50% 이상이면 더욱 바람직하다.

cBN의 결정 성장을 보조하는 촉매 작용을 얻기 위해서, 상기 결합상은 W와, Co와, Al과, Zr, Ni, Cr, Mo로 이루어지는 군에서 적어도 하나 선택되는 원소의 단체, 상호 고용체, 탄화물, 질화물, 탄질화물, 붕화물 및 산화물 중 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 입방정 질화붕소의 소결 후의 입경은 1.5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 입자가, 입방정 질화붕소 전체의 50 체적% 이상인 것이 바람직하다. 이것은 조가공 조건의 절삭에 있어서, 높은 인성을 유지하기 위해서이다.

상기 입방정 질화붕소 소결체의 단면에 있어서, 면적이 0.5 ㎛²를 초과하는 고립된 결합상의 면적 비율이, 결합상 전체의 20% 이하인 것이 바람직하다. 이것은 탈락의 기점이 되는 면적이 큰 결합상을 줄이기 위해서이다.

본 발명에서는, 결합상의 균일성 향상과 소결 조건의 예의 연구에 의해, 결합상과 cBN의 계면에, 쐐기의 역할을 달성하는 2단 이상의 볼록부를 형성하는 것에 성공하였다.

종래의 제법에서는 결합상을 구성하는 원료 분말을 일정한 질량비로 배합한 후, 열처리를 실시하고 나서 초경합금제 포트 및 φ 3.5 ㎜의 초경합금제 볼을 포함하는 볼 밀을 이용하여 혼합하고 있었지만, 본 발명에서는 열처리시의 균일성을 높이기 위해서, 열처리 전에 상기 볼 밀을 이용한 혼합을 행하고, 또한 열처리 후에는 지르코니아제 포트 및 φ 0.3 ㎜의 질화실리콘제 볼을 포함하는 분쇄 능력이 높은 장치를 사용하여 분쇄·혼합을 행하였다.

종래, 소결은 결합상과 cBN을 반응시키기 위해서, cBN이 안정이 되는 압력-온도 영역에서 행해지고 있었다. 또한 cBN 연마입자 자체를 결정 성장시키는 예가 특허문헌 2에서 거론되어 있지만, 본 발명에서 거론하고 있는 「쐐기」의 역할을 달성하는 2단 이상의 볼록부를 생성하도록 cBN 연마입자의 미세한 입자의 결정 성장을 제어하는 것은, 특히 cBN 함유율이 82 체적% 이상의 고함유율 cBN 소결체에서는 어려웠다. 그러나, 본 발명자들의 예의 연구의 결과, hBN이 안정되어 출현하는 압력-온도 영역을 통과시켜, cBN을 결정 성장시킨 후, cBN이 안정이 되는 압력-온도 영역에 한번 끌어올리고, 계속해서 cBN이 저속 성장하는 영역에서 소결함으로써 「쐐기」의 역할을 달성하는 2단 이상의 볼록부를 갖는 cBN 소결체를 얻는 것이 가능해졌다.

이 때 소결 압력 범위는 6.5∼7.5 GPa, 소결시의 최고 온도는 1700∼1900℃로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 cBN 소결체 공구로서는, 초경합금, 서멧 등의 기재의 적어도 날끝이 되는 부분에 본 발명의 cBN 소결체를 갖는 cBN 소결체 공구, 또는 cBN 소결체로만 구성되는 cBN 소결체 공구를 들 수 있다. 이들은 공지의 방법에 따라서 제작할 수 있다. 또한, cBN 소결체 표면에 경질 세라믹스 피복층을 갖고 있어도 상관없다.

cBN 소결체 공구로서는, 구체적으로는 절삭 공구 등을 들 수 있다.

실시예

[실시예 및 비교예]

≪ 소결체의 제작≫

(시료 1∼4)

WC 분말, Co 분말 및 Al 분말과, 표 1에 나타낸 바와 같이 Zr, Ni, Cr, Mo에서 1종류를 선택하고, 60:25:10:5의 질량비로 배합한 후, 초경합금제 포트 및 φ 3.5 ㎜의 볼을 포함하는 볼 밀을 이용하여 혼합한 후, 이 혼합 분말을 진공 중에서 1000℃로 30분간 유지하여 열처리를 실시하였다. 그 후, 지르코니아제 포트 및 φ 0.3 ㎜의 질화실리콘제 볼로 이루어지는 분쇄 능력이 높은 장치로, 상기의 열처리가 완료된 혼합 분말을 분쇄하여 결합재 분말을 얻었다.

다음에 이들 결합재 분말과 입경이 0.5 ㎛ 이상 3.0 ㎛ 이하의 범위에 있는 입방정 질화붕소 분말을 상기한 볼 밀을 이용하여 입방정 질화붕소가 90 체적%가 되는 배합비로 균일하게 혼합하였다. 그 후, 이 혼합 분말을 진공로에서 1000℃로 20분간 유지하여 탈가스하였다.

또한, 이 탈가스가 완료된 혼합 분말을 Mo제 캡슐에 충전 후, 초고압 장치를 이용하여 7.0 GPa까지 가압한 후, 1300℃까지 승온하여 이 압력 온도 조건에 10분간 유지하였다. 계속해서 동 장치에 의해 압력을 유지한 채로 1800℃까지 승온하고, 약 5분간 유지한 후 1500℃에서 20분간 소결시켜, 입방정 질화붕소와 결합상을 포함하는 입방정 질화붕소 소결체를 제조하였다.

(시료 5∼9)

WC 분말, Co 분말, Al 분말 및 Zr 분말을 60:25:10:5의 질량비로 배합한 후, 시료 1∼4와 동일한 방법으로 결합재 분말을 제작하였다.

다음에 이들 결합재 분말과 입경이 0.5 ㎛ 이상 3.0 ㎛ 이하인 입방정 질화붕소 분말을 상기의 볼 밀을 이용하여 입방정 질화붕소가 표 1에 나타내는 대로 98, 95, 85, 82, 78 체적%가 되는 배합비로 균일하게 혼합하고, 시료 1∼4와 동일한 방법으로 입방정 질화붕소 소결체를 제조하였다.

(시료 10)

WC 분말, Co 분말 및 Al 분말을 60:25:15의 질량비로 배합한 후, 시료 1∼4와 동일한 방법으로 결합재 분말을 제작하였다.

다음에 이들 결합재 분말과 입경이 0.5 ㎛ 이상 3.0 ㎛ 이하인 입방정 질화붕소 분말을 상기한 볼 밀을 이용하여 입방정 질화붕소가 90 체적%가 되는 배합비로 균일하게 혼합하고, 시료 1∼4와 동일한 방법으로 입방정 질화붕소 소결체를 제조하였다.

(시료 11, 12)

표 1에 나타내는 대로 TiN 분말 또는 Al₂B₃ 분말과 입경이 0.5 ㎛ 이상 3.0 ㎛ 이하인 입방정 질화붕소 분말을 상기의 볼 밀을 이용하여 입방정 질화붕소가 90 체적%가 되는 배합비로 균일하게 혼합하고, 시료 1∼4와 동일한 방법으로 입방정 질화붕소 소결체를 제조하였다.

(시료 13)

다음에 이들 결합재 분말과, 표 1에 나타내는 대로 입경이 0.5 ㎛ 이상 3.0 ㎛ 이하인 입방정 질화붕소 분말을 상기의 볼 밀을 이용하여 입방정 질화붕소가 90 체적%가 되는 배합비로 균일하게 혼합하고, 소결 압력, 소결 온도를 표 1에 나타내는 대로 한 것 이외에는 시료 1∼4와 동일한 방법으로 입방정 질화붕소 소결체를 제조하였다.

(시료 14)

다음에 이들 결합재 분말과 입경이 0.1 ㎛ 이상 1.0 ㎛ 이하인 입방정 질화붕소 분말을 상기의 볼 밀을 이용하여 입방정 질화붕소가 90 체적%가 되는 배합비로 균일하게 혼합하였다. 그 후, 이 혼합 분말을 진공로에서 1000℃로 20분간 유지하여 탈가스하였다.

또한, 이 탈가스가 완료된 혼합 분말을 Mo제 캡슐에 충전 후, 초고압 장치를 이용하여 7.0 GPa까지 가압한 후, 1300℃까지 승온하여 이 압력 온도 조건에 10분간 유지하였다. 계속해서 동 장치에 의해 압력을 유지한 채로 1800℃까지 승온하고, 약 30분간 유지하여 소결시켜, 입방정 질화붕소와 결합상을 포함하는 입방정 질화붕소 소결체를 제조하였다.

≪평가 1≫

상기, 제조 방법에 의해 얻어진 14종의 소결체에 대하여, 평면 가공에 의해 평활한 관찰면을 작성하여 입방정 질화붕소의 조직을 주사형 전자현미경(이하 SEM이라고 기재함)에 의해 관찰하였다. SEM에 의한 조직 관찰은 10 ㎚의 입경이 식별 가능한 10000배의 시야로 행하였다. 도 1(b)에 시료 1의 관찰 결과를 도시한다.

얻어진 SEM 화상으로부터, 면적이 0.05 ㎛² 이상 0.5 ㎛² 이하의 범위에 있는 고립된 결합상이, 입방정 질화붕소에 대하여 2단 이상의 볼록부를 갖고, 또한 해당 볼록부의 선단으로부터 1단째의 볼록부의, 선단 방향에 수직한 변 길이를 A1, 평행한 변 길이를 B1로 하고, 또한 2단째의 볼록부의 선단 방향에 수직한 변 길이를 A2, 평행한 변 길이를 B2로 한 경우, A1/B1이 A2/B2의 1배 이상 10배 이하인 볼록부를 갖는 고립된 결합상이, 면적이 0.05 ㎛² 이상 0.5 ㎛² 이하의 범위에 있는 결합상 전체에 차지하는 면적 비율을 화상 처리로 구하여, 표 1에 나타내었다. 또한 소결체 단면에 있어서, 면적이 0.5 ㎛²를 초과하는 고립된 결합상의 결합상 전체에 차지하는 면적의 비율을 구하여, 표 1에 나타내었다. 또한, 입경이 1.5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 cBN 입자의 cBN 전체에 차지하는 면적의 비율을 화상 처리로 구하여, 깊이 방향에도 동일한 비율로 분포하고 있다고 간주하고, 체적%로서 표 1에 나타내었다.

화상 처리에서는 색의 농도에 따른 2값화를 실시했지만, 미리 원소 분석에 의해 흑색이 cBN, 회색이 Al 및 Co의 화합물, 백색이 W의 화합물인 것을 특정하고 있고, 이것에 기초하여 cBN 함유율, 결합상의 영역 및 형상의 판정을 행하였다.

소결체는 조직에 변동을 갖고, 성능은 평균적인 조직의 특징에 의해 좌우되기 때문에, 상기와 같은 화상 처리는 시야수를 늘려, 점근한 값으로 논의해야 할 것이다. 이번은 임의의 세로 9 ㎛ 가로 12 ㎛의 범위를 촬영한 10000배의 SEM 화상 5장을 측정하여, 측정치의 평균을 구하였다.

또한 볼록부가 직사각형의 조합이 아닌 경우, 각각의 2변의 평균값으로부터 산출을 행하였다. 예컨대 선단으로부터 1단째의 볼록부의, 선단 방향에 수직한 변 길이의 한쪽을 A1a, 다른쪽을 A1b로 하여 이들의 평균값 (A1a+A1b)/2를 A1로 하고, 동일하게 선단 방향에 평행한 변 길이의 한쪽을 B1a, 다른쪽을 B1b로 하여 이들의 평균값 (B1a+B1b)/2를 B1로 하였다.

계속해서, 상기 소결체를 이용하여 절삭 공구를 작성하였다. 구체적으로는, 상기의 제법으로 제조된 소결체를 초경합금제의 기재에 납땜하여 소정의 형상(ISO 형 번호: CNGA120408)으로 성형함으로써 절삭 공구를 작성하였다. 이 절삭 공구를 이용하여 하기 조건으로 소결 합금의 연속 절삭으로, 내마모성 평가를 행하였다.

<절삭 시험 조건>

피삭재: 0.8C-2.0Cu-잔여 Fe

(JPMA 기호: SMF4040)

경도 HRB78 φ100 둥근 막대

절삭 조건: 절삭 속도 Vc=200 m/min.,

이송량 f=0.2 ㎜/rev.,

절입량 ap=0.3 ㎜,

습식 절삭

수명 판정: 여유면으로부터의 관찰로 날끝의 능선이, 절삭전의 날끝 능선보다 200 ㎛ 이상 마모된 상태를 수명으로 정하고, 수명에 도달하기까지의 시간을 계측하여, 표 1에 나타내었다.

상기의 면적이 0.05 ㎛² 이상 0.5 ㎛² 이하의 범위에 있고 A1/B1이 A2/B2의 1배 이상 10배 이하인 볼록부를 갖는 고립된 결합상이, 면적이 0.05 ㎛² 이상 0.5 ㎛² 이하의 범위에 있는 결합상 전체에 차지하는 면적 비율이 25% 이상인 시료 1∼8에서는 내마모성이 높고, 긴 수명을 달성하였다.

시료 9는, 상기 결합상의 영역이 차지하는 면적 비율은 높지만, cBN 함유율이 낮아, 내마모성이 저하되었기 때문에 짧은 수명이 되었다고 생각된다. 시료 10은 상기 결합상의 영역이 차지하는 면적 비율이 25%보다 작아, 결합상의 탈락 때문에 짧은 수명이 되었다고 생각된다. 시료 11, 12, 13은 상기 결합상의 영역이 존재하지 않아, 특히 짧은 수명이 되었다. 시료 14는 상기 결합상의 영역이 차지하는 면적 비율이 40%로 크지만, cBN이 미립자이기 때문에, 인성이 부족하여 짧은 수명이 되었다고 생각된다.

≪평가 2≫

계속해서, 평가 1과 동일한 절삭 공구를 이용하여 하기 조건으로 소결 합금의 단속 절삭으로, 내결손성 평가를 행하였다.

<절삭 시험 조건>

피삭재: 0.8C-2.0Cu-잔여 Fe

(JPMA 기호: SMF4040)

소입 경도 HRA69 φ100 소입 기어

절삭 조건: 절삭 속도 Vc=120 m/min.,

이송량 f=0.1 ㎜/rev.,

절입량 ap=0.25 ㎜,

건식 절삭

수명 판정: 여유면으로부터의 관찰로 날끝의 능선이, 절삭 전의 날끝 능선보다 200 ㎛ 이상 마모되거나 혹은 날끝의 급격한 결손에 의해 절삭을 계속할 수 없게 된 상태를 수명이라고 정하고, 수명에 도달하기까지의 시간을 계측하여, 표 1에 나타내었다.

단속 절삭에서는 상기 결합상의 영역이 차지하는 비율과 함께, 탈락의 기점이 되는 면적이 큰 결합상이 차지하는 비율이 수명에 영향을 주고 있다고 추정된다.

동일한 cBN 함유율의 시료 1∼4에서 비교한 경우에는, 상기 결합상의 영역이 차지하는 면적 비율이 높은 순서로 긴 수명이 되었다. cBN 함유율이 상이한 시료 1, 5∼9에서 비교한 경우, cBN 함유율이 90 체적% 이상인 시료 1, 5, 6에서는 긴 수명을 달성했지만, 함유율이 85 체적% 이하에서는 결손이 발생하여, 수명이 저하되었다.

시료 10은 cBN 함유율이 90체적%로 높지만, 상기 결합상의 영역이 차지하는 면적 비율이 25%보다 작고, 결합상의 탈락 때문에 짧은 수명이 되었다고 생각된다. 시료 11, 12, 13도 cBN 함유율은 90체적%로 높지만, 상기 결합상의 영역이 존재하지 않고, 특히 짧은 수명이 되었다. 시료 14는 상기 결합상의 영역이 차지하는 면적 비율이 40%로 크고, cBN이 미립자이기 때문에, 강도가 높고, 긴 수명이 되었다고 생각된다.

≪평가 3≫

계속해서, 평가 1, 2와 동일한 절삭 공구를 이용하여 하기 조건에서 주철의 프레이즈 가공으로, 내마모성 평가를 행하였다.

<절삭 시험 조건>

피삭재: FC250

절삭 조건: 절삭 속도 Vc=1700 m/min.,

이송량 f=0.15 ㎜/rev.,

절입량 ap=0.5 ㎜,

건식 절삭

수명 판정: 여유면으로부터의 관찰로 날끝의 능선이, 절삭 전의 날끝 능선보다 200 ㎛ 이상 마모된 상태를 수명이라고 정하고, 수명에 도달하기까지의 시간을 계측하여, 표 1에 나타내었다.

주철의 프레이즈 가공에서는 상기 결합상의 영역이 차지하는 비율과 함께, 열적 마모가 지배적이게 되기 때문에 열전도율이 높은 cBN을 많이 포함하는 시료에서 긴 수명이 되는 경향이 있다.

동일한 cBN 함유율의 시료 1∼4에서 비교한 경우에는, 상기 결합상의 영역이 차지하는 비율이 높은 순서로 긴 수명이 되었다. cBN 함유율이 상이한 시료 1, 5∼9에서 비교한 경우, 함유율 90 체적% 이상인 시료 1, 5, 6에서는 긴 수명을 달성했지만, 함유율이 85 체적% 이하에서는 열균열을 기점으로 결손이 발생하여, 수명이 저하되었다. 시료 10은 cBN 함유율이 90 체적%로 높기 때문에, 긴 수명을 달성하였다.

시료 11, 12는 cBN 함유율이 90 체적%로 높지만, 결합상에 열전도율이 낮은 세라믹스를 사용하고 있기 때문에, 짧은 수명이 되었다. 시료 13은 cBN 함유율이 90 체적%로 높고, 결합상에 열전도율이 높은 초경합금을 사용하고 있기 때문에, 비교적 긴 수명으로 되어 있다. 시료 14는 cBN이 미립자이기 때문에 인성이 낮고, 열균열이 진전되어, 결손에 의한 짧은 수명이 되었다고 생각된다.

이상과 같이 본 발명의 실시의 형태 및 실시예에 대하여 설명을 행하였지만, 이번 개시된 실시의 형태 및 실시예는 모든 점에서 예시로서, 제한적인 것은 아니라고 생각해야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명뿐만 아니라 특허청구의 범위에 의해서 표시되고, 특허청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

Claims

입방정 질화붕소 및 결합상을 포함하는 입방정 질화붕소 소결체로서,
입방정 질화붕소의 함유율이 82 체적% 이상 98 체적% 이하의 범위에 있고,
또한 해당 입방정 질화붕소 소결체의 단면에 있어서, 면적이 0.05 ㎛² 이상 0.5 ㎛² 이하의 범위에 있는 고립된 결합상이, 입방정 질화붕소에 대하여 2단 이상의 볼록부를 갖고,
또한 해당 볼록부의 선단으로부터 1단째의 볼록부의 선단 방향에 수직한 변 길이를 A1, 평행한 변 길이를 B1로 하고, 또한 선단으로부터 2단째의 볼록부의 선단 방향에 수직한 변 길이를 A2, 평행한 변 길이를 B2로 한 경우, A1/B1이 A2/B2의 1배 이상 10배 이하인 볼록부를 갖는 고립된 결합상의 면적 비율이, 면적이 0.05 ㎛² 이상 0.5 ㎛² 이하의 범위에 있는 고립된 결합상 전체의 25% 이상인 것을 특징으로 하는 입방정 질화붕소 소결체.
제1항에 있어서, 상기 결합상이 W와, Co와, Al과, Zr, Ni, Cr, Mo로 이루어지는 군에서 하나 이상 선택되는 원소의 단체, 상호 고용체, 탄화물, 질화물, 탄질화물, 붕화물 및 산화물 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 입방정 질화붕소 소결체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 입방정 질화붕소의 소결 후의 입경이 1.5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 입자가, 입방정 질화붕소 전체의 50 체적% 이상인 것을 특징으로 하는 입방정 질화붕소 소결체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 A1/B1이 A2/B2의 1배 이상 10배 이하인 볼록부를 갖는 고립된 결합상의 면적 비율이, 면적이 0.05 ㎛² 이상 0.5 ㎛² 이하의 범위에 있는 결합상 전체의 40% 이상인 것을 특징으로 하는 입방정 질화붕소 소결체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 입방정 질화붕소 소결체의 단면에 있어서, 면적이 0.5 ㎛²를 초과하는 고립된 결합상의 면적 비율이, 결합상 전체의 20% 이하인 것을 특징으로 하는 입방정 질화붕소 소결체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 입방정 질화붕소의 함유율이 86 체적% 이상 95 체적% 이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 입방정 질화붕소 소결체.
적어도 날끝이 되는 부분에 제1항 또는 제2항에 기재된 입방정 질화붕소 소결체를 갖는 것을 특징으로 하는 입방정 질화붕소 소결체 공구.