KR101425330B1 - 접합체 - Google Patents

Abstract

본 발명의 접합체는, 초경합금 소결체를 제1 피접합재(1)로 하고, cBN 소결체를 제2 피접합재(2)로 하는 접합체로서, 제1 피접합재(1) 및 제2 피접합재(2)는, 양자간에 설치된 티탄(Ti)을 함유하는 접합재(3)를 통해 접합되어 있고, 제2 피접합재(2)와 접합재(3)의 계면에, 두께 10∼300 nm의 질화티탄(TiN) 화합물층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

접합체{JOINT}

본 발명은 접합체에 관한 것으로, 특히, 절삭 공구에 적합한 접합체에 관한 것이다.

종래부터, cBN(입방정 질화 붕소) 절삭 공구로 대표되는 바와 같이, 선단(先端)에 고경도 재료를 납땜에 의해 접합한 절삭 공구가 제조되어 있고, 특수 강재 기타 각종의 절삭 가공에 이용되고 있다.

구체적으로는, 예컨대, 초경합금과 cBN을 납땜에 의해 접합한 공구가 제조·판매되고 있다(예컨대, 「스미토모 덴코우 하드메탈 주식회사 발행, 이게탈로이 절삭 공구(' 07-' 08 종합 카타로그), 2006년 10월, p.L4, 코티드 스미보론 시리즈」(비특허문헌 1)). 또는, PCD(소결 다이아몬드) 또는 cBN과, 세라믹스, 서멧 또는 초경합금을 납땜에 의해 접합한 접합체가 제안되어 있다(예컨대, 일본국 특허 공개 제2002-036008호 공보(특허문헌 1), 일본국 특허 제3549424호공보(일본국 특허 공개 평성11-320218호 공보(특허문헌 2))). 또한, 초경합금 또는 서멧과, 고속도강 등을, Cu 납재를 이용한 납땜에 의해 접합한 절삭 공구도 제안되어 있다(예컨대, 일본국 특허 공개 평성11-294058호 공보(특허문헌3)).

그리고, 최근 이들 중에서도, 특히, 초경합금과 cBN이 접합된 절삭 공구가 주목받고 있다.

특허문헌 1 : 일본국 특허 공개 제2002-036008호 공보 특허문헌 2 : 일본국 특허 제3549424호 공보(일본국 특허 공개 평성11-320218호 공보) 특허문헌 3 : 일본국 특허 공개 평성11-294058호 공보

비특허문헌 1 : 스미토모 덴코우 하드메탈 주식회사 발행, 이게탈로이 절삭 공구(' 07-' 08 종합 카타로그), 2006년 10월, p.L4, 코티드 스미보론 시리즈

그러나, 전술한 종래의 방법에 의해 얻어진 접합체에 있어서는, 접합 강도가 아직 충분히 크다고는 할 수 없고, 접합 강도가 보다 큰 접합체, 특히, 초경합금과 cBN이 강고하게 접합된 접합체가 요구되고 있었다.

본 발명자는 상기 과제를 해결하는 데 있어서, 여러 가지의 실험을 하여, 예의 검토한 결과, 일반적으로 초경합금 소결체나 cBN 소결체의 결합상 성분에 이용되는 Ti을 접합재에 함유시킨 경우, 접합시에, Ti이 초경합금 소결체나 cBN 소결체에 원소 확산하여, 양자가 강고하게 접합된, 즉, 큰 접합 강도의 접합체를 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.

그리고, 이 접합에 있어서는, 접합재와 cBN 소결체의 계면에, Ti과 cBN 소결체의 질소 성분과의 반응 생성물인 TiN 화합물층이 형성되어 있고, 그 두께가 접합 강도에 관계하고 있는 것을 알 수 있었다.

구체적으로는, 가열 시간이나 Ti 양의 증가에 의해서 TiN 화합물층이 두꺼워지고, 이에 따라, TiN 화합물층의 cBN 소결체에 대한 우수한 습윤성과도 더불어, 접합 강도가 커진다. 그러나, TiN 화합물층이 일정한 두께를 넘으면, TiN 화합물층의 취약함이 접합 강도에 큰 영향을 주고, 너무나 두껍게 형성된 경우, 구체적으로는, 300 nm(나노미터)를 넘는 두께의 TiN 화합물층이 형성된 경우, 이 형성된 TiN 화합물층이 용이하게 파단되어, 오히려 큰 접합 강도를 얻을 수 없다. 100 nm 이하이라면 큰 접합 강도를 얻기 쉬워 보다 바람직하다. 또한, 상기 TiN 화합물은 입자형 결정, 기둥형 결정, 비정질 등, 어떠한 결정 상태라도 좋다.

한편, 가열 시간이 짧거나, 또는 Ti 양이 적고, TiN 화합물층이 지나치게 얇은 경우, 구체적으로는, 10 nm 미만의 TiN 화합물층이 형성되는 것에 머문 경우는, Ti의 피접합재로의 원소 확산이 충분히 행해지지 않는 것이나, TiN 화합물층이 접합면 전면(全面)에 생성되지 않고 TiN 화합물이 생성하는 면적이 작아지기 쉽기 때문에, 큰 접합 강도를 얻을 수 없는 것을 알 수 있었다. 또, 상기 TiN 화합물층에는, Ti, N 이외의 성분이 소량 포함되어 있더라도 좋다. 그와 같은 성분으로서는, cBN이나 초경합금을 구성하는 원소, 접합재를 구성하는 원소를 예로 들 수 있다.

본 발명은, 전술한 지견에 기초하는 발명이며,

초경합금 소결체를 제1 피접합재로 하고, cBN 소결체를 제2 피접합재로 하는 접합체로서, 상기 제1 피접합재 및 상기 제2 피접합재는, 양자간에 설치된 티탄(Ti)을 함유하는 접합재를 통해 접합되어 있고, 상기 제2 피접합재와 이 접합재와의 계면에, 두께 10∼300 nm의 질화티탄(TiN) 화합물층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 접합체이다.

본 발명에 따르면, 전술한 바와 같이, 초경합금 소결체와 cBN 소결체 사이에, 큰 접합 강도를 갖는 접합체를 얻을 수 있기 때문에, 고강도로 접합된 절삭 공구 등을 제공할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 있어서의 질화티탄(TiN) 화합물층에는, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위의 소량의 Ti, N 이외의 원소를 함유하는 화합물도 포함된다.

접합은 가열에 의해 행해지지만, cBN 소결체는 열에 약하고, 고온에서 분해되기 쉽기 때문에, 단시간에 열열화하기 쉽다. 이 때문에, 가열은 단시간에 행해지는 것이 바람직하다.

구체적인 가열 수단으로서는, 통전 시간 1분 이내의 통전 가열이 바람직하고, 30초 이내가 특히 바람직하고, 이때의 제1 피접합재인 초경합금 소결체의 온도로서는, 1000∼1300℃ 정도가 바람직하다.

접합재의 융점이 1000℃ 이하이라면, cBN 소결체의 품질 열화를 막고, 또한 TiN 화합물층 두께를 정해진 범위로 제어하기 쉬워 바람직하다.

접합재의 융점이 1000℃ 이상인 경우, 정해진 TiN 화합물층 두께를 얻기 위해서, 가열 시간을 길게 하거나, 또는 가열 온도를 높게 해야 하지만, 가열 시간을 길게 하면 cBN의 품질 열화가 생기기 쉽고, 가열 온도를 높게 하면 TiN 화합물층이 지나치게 두껍게 되고, 또한 초경합금 소결체가 변형하는 등의 문제가 생길 우려가 있다.

가열시에는, 세로 방향, 가로 방향의 양방향에서 가압하면서 가열하는 것이 바람직하다.

세로 방향, 가로 방향의 양방향에서 가압함으로써, cBN 소결체의 접합 위치를 초경 기재에 대하여 일정하게 하고, 정확하게 위치 결정할 수 있으므로, 한쪽 방향에서 가압하는 경우보다 접합후의 연삭 가공량을 보다 작게 할 수 있는 것 외에, cBN 소결체의 이동량, 연삭량을 필요 최소한의 크기로 설계할 수 있고, cBN 소결체를 보다 작게 할 수 있어, 고가인 cBN 소결체의 사용량을 억제할 수 있다.

또한, 세로 방향과 가로 방향의 가압력을 제어함으로써, 저면(底面) 및 배면의 접합층의 두께를 정해진 두께 비로 제어하기 쉬워 바람직하다. 또한, 습윤성에만 의지하지 않고 피접합재와 접합재와의 접촉 면적을 넓게 할 수 있기 때문에, 단시간으로도 접합 면적을 넓게 할 수 있어, 바람직하다. 가로 방향에서 가압하지 않거나, 또는 가로 방향의 가압력이 적절하지 않은 경우, 주로 배면측에 간극이 생기기 쉽고, 특히 폭 0.5 mm 이상의 간극이 생긴 경우에 접합 강도가 저하하기 쉽다. 또한, 간극이 없는 경우에도, 가압하지 않는 경우에는, 접합층 내의 기포가 잔류하기 쉽고, 가압에 의한 원소 확산의 활성화를 기대할 수 없다. 또한, 단시간에 가열한 경우에는, 습윤성 부족에 의해 피접합재 사이에 접합재가 다 확대되지 않기 때문에, 접합 면적이 작아지기 쉽고, 접합 강도가 저하하기 쉽다.

또한, 통전 가열을 하는 경우, 초경 기재에 대한 가압력이 지나치게 작으면, 초경합금 소결체와 전극 사이의 접촉 저항이 많아져, 전류가 흐르지 않거나, 또는 방전하는 등의 문제가 발생할 우려가 있다. 통전 가열을 하는 경우의 바람직한 압력은, 0.1∼200 MPa 이다.

또, 코발트(Co) 등의 메탈 바인더를 포함하는 cBN 소결체나 cBN 함유율이 70%를 넘는 cBN 함유율이 큰 소결체를 피접합재로서 초경합금에 접합한 공구에서는, 1000℃ 이상의 온도로 장시간 가열에 의한 접합을 하면, cBN 소결체에 균열이 생겨서 양호한 접합을 하는 것이 어려운 문제점이 있었다.

이것은 cBN과 메탈 바인더의 열팽창 계수차가 매우 크기 때문에, 1000℃ 이상의 가열로 메탈 바인더의 체적 팽창이 커져서 cBN 소결체에 균열이 생기거나, cBN 함유율이 70%를 넘는 cBN 소결체에서는 기재가 되는 초경합금과의 열팽창 계수차가 크고, 접합후의 냉각 과정에서 cBN 소결체에 균열이 생겨 버리는 것이 원인이라고 생각된다. 또한, 1000℃ 이상의 온도로 cBN 소결체의 메탈 바인더가 액상을 생성하고, cBN 소결체에 균열이 생기는 것이 원인이라고도 생각된다.

이러한 cBN 소결체의 품질 열화의 발생을 막기 위해서는, 통전 가열시, cBN 소결체보다 초경합금 소결체가 우선적으로 발열하도록, cBN 소결체와 접합재의 배치, 통전 방법을 연구하는 것이 바람직하다.

구체적으로는, 예컨대, cBN 소결체에 접하는 전극과 초경합금 소결체에 접하는 전극의 재질을 바꾸는 것을 들 수 있다. 전극의 재질을 바꾸는 것에 의해, 초경합금 소결체와 cBN 소결체의 각각에 흐르는 전류의 양이 다르기 때문에, 각각의 발열을 제어할 수 있다. 또한, cBN 소결체보다 초경합금 소결체를 집중적으로 통전 가열하여, 간접적으로 cBN 소결체를 가열하더라도 좋다.

이와 같이, 통전 경로를 연구함으로써, 초경합금 소결체를 cBN 소결체보다 우선적으로 가열할 수 있어 바람직하다. 이에 따라, cBN 소결체를 필요 이상으로 고온 가열하지 않고, 단시간에 접합재 근방을 고온 가열할 수 있어, 강고한 접합이 가능하게 되며, cBN 소결체의 품질 열화(열적 열화, 분해, 균열 생성 등)를 초래하지 않고, cBN 소결체의 고경도 등의 특징을 충분히 살릴 수 있다.

또한 본 발명은,

상기 접합재가, 지르코늄(Zr), 코발트(Co), 니켈(Ni), 은(Ag), 동(Cu)으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서는, 접합재로서, 전술한 Ti에 더하여, 일반적으로 초경합금 소결체나 cBN 소결체의 결합상 성분으로서 이용되는 Co, Ni, 또는 cBN 소결체로 우수한 습윤성을 나타내는 Ag, Cu, Zr 중 적어도 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어지는 접합재를 이용하면, 접합 강도가 보다 높은 접합체를 얻을 수 있다.

이러한 접합재로서는, 예컨대, Ag-Ti 합금, Cu-Ti 합금, Ni-Ti 합금, Co-Ti 합금, 및 이들 고용체, 예컨대, Cu-Ti-Zr 합금, Ag-Cu-Ti 합금, Cu-Ni-Ti 합금, Cu-Ni-Zr-Ti 합금 등, 또, 이들 금속간 화합물 등을 예로 들 수 있다. 또, 초경합금 기재나 cBN 에 포함되는 다른 성분, 예컨대 W, Cr, Ta, Nb 등이 미량 포함되어 있더라도 좋다. 예컨대, Cu-Cr-Al-Ti 합금 등을 예로 들 수 있다.

금속간 화합물은, 접합재에 처음부터 포함되어 있더라도 좋다. 또한, 금속간 화합물을 구성하는 원소가, 접합재에는 다른 상태로 포함되고 있고, 접합 완료후에 반응 생성되더라도 좋다. 금속간 화합물이 반응 생성되는 경우는, 접합에 반응열을 이용할 수 있기 때문에, 접합에 있어서 보다 유효하다.

또한 본 발명은,

상기 접합재가, 티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 동(Cu), 니켈(Ni)로 구성되어 있고,

Ti, Zr, Cu의 각 함유 비율의 합계를 xvol%,

Ni의 함유 비율을 (100-x) vol%로 했을 때,

Ti의 함유 비율이 (0.1∼0.4) xvol%,

Zr의 함유 비율이 (0.1∼0.4) xvol%,

Cu의 함유 비율이 (0.3∼0.7) xvol%

인 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이, Ni는, 초경합금 소결체나 cBN 소결체의 결합상 성분으로서 이용되고, Cu나 Zr는, cBN 소결체로 우수한 습윤성을 나타내는 재료이기 때문에, 이들 재료를 함유하는 접합재를 이용한 경우, 접합 강도가 보다 높은 접합체를 얻을 수 있다.

본 발명자가, 여러 가지의 실험을 한 바, Ti, Zr, Cu의 각 함유 비율의 합계를 xvol%, Ni의 함유 비율을 (100-x) vol%로 하고, 또한, Cu, Zr, Ti의 각 함유 비율이 상기 비율인 경우, 접합재의 융점, 습윤성이 양호해지기 쉽고, 보다 강고한 접합을 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다. 또, 전술한 기재에 있어서, 예컨대 「(0.1∼0.4) xvol%」라는 표기는, 이 함유 비율(vol%)이 0.1x∼0.4x의 범위가 되는 것을 나타내고 있다.

또한 본 발명은,

상기 접합재에 포함되는 니켈(Ni)의 함유 비율이, 70 vol% 이하인 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이, 초경합금 소결체나 cBN 소결체의 결합상 성분으로서 이용되는 Ni을 포함하는 접합재는, 접합 강도가 보다 높은 접합체를 얻을 수 있다. 그러나, Ni의 비율이 70 vol%를 넘으면, 접합재 내에 포함되는 Ti 함유량이 상대적으로 감소하여, 전술한 적절한 두께의 TiN 화합물층을 형성하는 것이 곤란해기 때문에, 바람직하지 않다.

또한 본 발명은,

상기 제2 피접합재의 저면과 배면에서, 상기 제1 피접합재와 상기 제2 피접합재가, 접합되어 있고, 상기 배면의 접합층의 두께가, 상기 저면의 접합층의 두께보다 두꺼운 것이 바람직하다.

절삭시, 특히 단속 절삭에 있어서는, 워크와 접할 때, 칼날에 충격이 걸리기 때문에, 비교적 연질층인 접합재가 충격을 완화시키는 효과가 있다. 그러나, 저면측은 절삭에 의한 부하와 열에 의해 소성 변형이 생기기 쉽고, 이 때문에, 내결손성이나 가공 정밀도가 저하하기 쉬운 문제가 있었다. 본 발명자는, 종횡 가압을 적절히 행하는 것에 의해, 저면 접합층의 두께를 배면 접합층의 두께보다 얇게 함으로써, 가공 정밀도를 유지하면서, 내결손성이 높은 접합체를 얻을 수 있는 것을 발견했다.

제1 피접합재, 즉, 초경합금 소결체는, 일반적으로, 프레스 성형에 의해 형성되기 때문에, 제2 피접합재의 배면과 대향하는 면에는 경사진 릴리스 테이퍼(release taper)가 마련되어 있다.

이 때문에, 제1 피접합재와 제2 피접합재를 맞댄 경우, 배면측에 간극이 생기기 쉽고, 접합재(인서트재)가 저면측에서 돌아서 들어가는 것만으로는, 보이드(간극)를 형성하여, 충분한 접합을 얻을 수 없을 우려가 있다. 이 때문에, 배면과의 접합에도 접합재를 이용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서는, 배면의 접합층의 두께가, 저면의 접합층의 두께보다 두껍게 되어 있고, 보이드(간극)의 형성이 억제되어 있기 때문에, 충분한 접합 강도를 얻을 수 있다.

또한 본 발명은,

상기 배면의 접합층의 두께를 a, 상기 저면의 접합층의 두께를 b로 했을 때, b는 1∼50μm 이며, 또한 1<a/b<20인 것이 바람직하다.

본 발명자는, 상기 접합체 중, 저면의 접합층의 두께를 1∼50μm, 보다 바람직하게는 1∼20μm로, 일반적인 진공 납땜 접합체의 경우보다 얇게 유지함으로써, 소성 변형이 생기기 어렵고, 가공 정밀도를 높게 유지하기 쉬운 것을 발견했다. 또한, 저면의 접합층의 두께 b에 대한 배면의 접합층의 두께 a의 비 a/b를, 정해진 범위로 제어함으로써, 가공 정밀도를 높게 유지하면서, 내결손성이 우수한 접합체를 얻을 수 있는 것을 발견했다.

즉, 저면의 접합층의 두께가 지나치게 두꺼운 경우에는, 절삭 시험중에 저면 접합층이 소성 변형하기 쉬워진다. 또한, 상기 a/b가 지나치게 작은, 즉, 저면의 접합층의 두께에 대하여 배면의 접합층의 두께가 지나치게 얇은 경우에는, 접합층내에서 충격을 완화시킬 수 없고, 내결손성의 향상 효과를 얻기 어렵다. 한편, 지나치게 큰, 즉, 저면의 접합층의 두께에 대하여 배면의 접합층의 두께가 지나치게 두꺼운 경우에는, 외관상 간극이 없는 것 같이 보인 경우라도 접합층의 내부에 공극이 존재할 가능성이 높아지고, 접합 강도가 저하하기 쉬워지는 것을 발견했다. 1<a/b<20 이면 바람직하고, 2<a/b<15 이면 보다 바람직하다. 이 때, 배면의 접합층의 두께가 5∼200μm, 보다 바람직하게는 5∼100μm 이면, 접합층 내부의 공극이 생기기 어렵고, 보다 바람직하다. 본 발명과 같이 배면과 저면의 접합층의 두께를 제어하는 것은 종래의 납땜 법으로는 어려웠다.

이상, 본 발명에 있어서는, 고압 안정형의 재료인 cBN 소결체의 품질 열화(열적 열화, 분해, 균열 생성 등)를 초래하는 일없이, 고접합 강도로 cBN 소결체의 고경도 등의 특징을 충분히 살릴 수 있는 공구를 제공할 수 있다. 특히, 내마모 공구, 광산·토목 공구, 절삭 공구 등의 공구로서 적합하게 제공할 수 있어 바람직하다.

본 발명에 따르면, 종래의 방법에 의해 얻어진 접합체에 비교해서, 접합 강도가 보다 큰 접합체를 제공할 수 있고, 고강도로 접합된 절삭 공구 등을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 있어서의 접합체를 모식적으로 도시하는 도면으로서, (a)는 측면도, (b)는 평면도이다.
도 2는 통전 가압 접합에 있어서의 통전의 일 형태를 설명하는 개념도이다.
도 3은 온도 측정을 설명하기 위한 측면도이다.
도 4는 강도 측정을 설명하기 위한 측면도이다.

이하, 본 발명을 실시형태에 기초하여, 도면을 이용하여 설명한다.

1. 접합체의 구성

도 1은, 본 실시형태에 있어서의 접합체를 모식적으로 도시하는 도면으로서, (a)는 측면도, (b)는 평면도이다. 도 1에 있어서, 접합체는, 초경합금 소결체에 의해 형성되는 제1 피접합재(1), cBN 소결체에 의해 형성되는 제2 피접합재(2), 및 제1 피접합재(1)와 제2 피접합재(2) 사이에 개재하는 Ti을 함유하는 접합재(3)를 포함하고, 제2 피접합재(2)와 접합재(3)의 계면에는, 두께 10∼300 nm의 TiN 화합물층(도시 생략)이 형성되어 있다.

(통전 가압 접합법)

다음으로, 통전 가압 접합법에 관해서, 도 2를 이용하여 설명한다. 도 2는, 통전 가압 접합에 있어서의 통전의 일 형태를 설명하는 개념도이다. 도 2는, 전극(34), 분할 전극(35), 및 알루미나 등으로 형성된 수평 방향 가압재(36)를 포함한다.

도 2에 있어서, 분할 전극(35)은 제2 피접합재(2)에 접해 있고, 전극(34)은 제1 피접합재(1)에 접해 있다. 전극(34)과 분할 전극(35)의 재질을 바꿈으로써, 각각의 전기 전도도와 열전도도를 바꿀 수 있고, 제1 피접합재(1)와 제2 피접합재(2)에 각각 다른 전류를 부여하는 것이 가능해져, 각각의 온도를 극단적으로 바꾸는 것이 가능해진다.

이에 따라, 제2 피접합재(2) 보다 제1 피접합재(1)를 우선적으로 발열시키는 것이 가능해지기 때문에, 열에 약하고, 단시간에 열열화하기 쉬운 제2 피접합재(2)(cBN 소결체)의 열열화를 막을 수 있다.

또한, 각각의 전극을 독립적으로 가압함으로써, 제1 피접합재(1)와 제2 피접합재(2)에 부여하는 압력을 고정밀도로 제어할 수 있다. 이 때문에, 제1 피접합재(1)가 최적의 접촉 저항이 되도록, 제2 피접합재(2)의 수평 방향 가압재(36)에 의한 가로 방향 가압력과 최적의 밸런스로 가압하여, 접합재(3)(접합층) 두께를 최적의 두께로 할 수 있다.

(통전 조건)

통전 조건은, 사용되는 피접합재(1, 2) 및 접합재(3)의 재질 등에 의해, 적절하게 결정되지만, 접합재(3) 근방 이외에, 피접합재(1, 2)의 재료의 변형·용융이나, 입자의 조대화를 초래하지 않기 위해서는, 1분 이내, 특히 30초 이내 정도가 바람직하다.

(접합재의 형태)

통전 가압 접합을 하는 접합재(3)의 형태로서는, 제1 피접합재(1)나 제2 피접합재(2)의 표면에 분말, 박(箔), 또는 페이스트형으로 하여 도포하는 방법 외에, 도금 법이나 물리 증착법으로 피복하는 방법을 채용할 수 있다. 도금 법이나 물리 증착법으로 피복하는 방법은, 접합재(3)를 피복한 뒤에 피접합재(1, 2)를 핸드링하기 쉽고, 접합 공정의 자동화에 유리한 것 외에, 피복막 두께의 제어도 행하기 쉽기 때문에, 접합 강도를 안정화시키는 데에 있어서 특히 바람직하다.

(가압)

가압하면서 통전 가열하는 것으로, 접합재(3)는 변형되기 쉬워지고, 접합재(3)와 피접합재(1, 2)의 밀착성은 높아지고, 원소 확산하기 쉬워진다. 그 결과, 접합 강도를 비약적으로 높일 수 있다. 특히, 본 발명의 접합체를 절삭 공구, 예컨대 절삭 칩에 적용하는 경우, 기재인 제1 피접합재(1)와 제2 피접합재(2)의 접합면은, 상하 방향과 수평 방향의 2방향이 되어, 양방향에서 제1 피접합재(1)와 제2 피접합재(2)가 확실하게 접합되는 것이 필요해진다. 이러한 경우에서는, 전술한 바와 같이 2방향에서의 가압을 행하는 것이 바람직하다.

가압력은 지나치게 작으면 전극과 피접합재(1, 2)의 접촉 저항이 많아져, 전류를 흐르게 할 수 없게 되거나, 또는 방전하여 버리는 것 등이 있어, 부적당하다. 또한, 지나치게 크면 초경합금 소결체가 변형되기 때문에, 부적당하다. 본 발명의 경우, 피접합재(1)에서는 0.1 MPa∼200 MPa, 피접합재(2)에서는 0.01∼50 MPa가 적당하다.

(분위기)

접합 중의 분위기는, 피접합재(1, 2) 및 접합재(3) 중 어느 것도 금속을 포함하기 때문에, 진공 중 또는 불활성 가스 중 또는 환원 분위기 내에서 행하는 것이 바람직하다. 진공도는 특히 한정되지 않지만, 13.3 Pa(0.1 Torr)보다 고진공인 것이 바람직하다. 불활성 가스로서는, 아르곤, 헬륨, 질소, 또는 이들 혼합 가스를 예로 들 수 있다. 환원 분위기로서는, 상기 불활성 가스에 수소 가스를 약간의 비율로 혼합한 가스 분위기나, 접합재(3) 근방에 가열한 흑연을 설치하는 방법을 들 수 있다.

(전류의 형태)

통전하는 전류의 형태는, 피접합재(1, 2) 및 접합재(3)를 적절한 온도로 가열할 수 있기 위한 전류를 흐르게 할 수 있는 것이라면 직류 전류, 교류 전류 모두 사용할 수 있다. 특히, 직류 펄스 전류는 피크 전류치와 펄스의 ON, OFF 비를 바꿀 수 있기 때문에, 접합 계면의 순간적인 가열과 피접합재(1, 2)의 전체적인 온도 제어 범위를 넓힐 수 있어, 접합에는 유효하다.

(접합재 두께의 설정)

다음으로, 접합재(3)의 두께에 관해서, 도 1을 이용하여 설명한다. 접합재(3)의 두께는, 저면(2a)측의 두께(b)에 비교해서 배면(2b)측의 두께(a)를 두껍게, 바람직하게는 1<a/b<20 으로 두껍게 설정함으로써, 내결손성이 높고, 또한 고가공 정밀도를 유지할 수 있고, 또한 보이드가 생성되기 쉬운 배면측에 보이드가 생성되는 것이 억제되고, 안정되어 높은 접합 강도를 얻을 수 있다.

실시예

1. 접합체의 제작

표 1에 도시하는 각 접합재(3)를 이용하여, 각 접합 조건에 따라서, 실시예 1∼23 및 비교예 1∼7의 접합체를 제작했다.

(1) TiN 화합물층의 두께

표 1에 의한(「화합물층 두께」의 란(欄) 참조).

(2) 제1 피접합재(1)(실시예 및 비교예에 공통)

재질: 1개소에 스폿 페이싱을 형성한 초경합금 소결체(base metal)

형상: 선단각 90°, 내접원 12.7mm, 두께 4.76mm, R 0.8 mm(JIS:SNGN120408)

(3) 제2 피접합재(2)(실시예 및 비교예에 공통)

재질: cBN(칩)(cBN 함유율 90%)

형상: 2 mm×1 mm, 두께 1.2 mm

(4) 접합재(조성, 상태), 가열법, 접합 조건

표 1과 같다. 표 1의 접합재 조성의 란은, 접합된 상태에서의 접합재(3)의 조성을 나타내고 있고, EPMA 법에 의해 조사한 결과이며, 이 조성은 출발재인 접합재(3)의 조성과 일치해 있었다. 제1 피접합재의 스폿 페이싱에 대하여, 제2 피접합재가 저면 1 mm×1 mm의 범위에서 접촉하고, 또한 배면에서도 접촉하도록 셋트하여 접합한다. 표 1의 접합재 상태의 란은, 접합재의 상태를 나타내고 있고, 「분말」이란 접합재가 분말로 이용되고 있는 것을 나타내고, 「물리 증착」이란 접합재가 피접합재에 물리 증착된 상태로 이용되는 것을 나타내고, 「물리 증착 + 도금」이란 접합재가 제1 또는 제2 피접합재 중 어느 하나에 대하여 물리 증착되고, 다른 한 쪽의 피접합재에 대하여 도금된 상태로 이용되는 것을 나타내고, 「분말+도금」이란 접합재가 피접합재에 도금된 상태로 이용되고 분말의 접합재도 병용되는 상태를 나타낸다.

또, 가열법에 있어서, 「통전」이란 통전 가압 접합법이며, 그 접합 조건에 있어서, 「가열 시간」은, 「전류」란의 직류 펄스 전류를 통전한 시간을 나타내고, 「초경 기재 가압력」이란 제1 피접합재에 가해지는 압력을 나타내고, 「cBN 가압력」이란 제2 피접합재에 가해지는 압력을 나타내고, 「가로 가압력」이란 도 2의 수평 방향 가압재에 의해 가해지는 압력을 나타낸다. 또한, 가열법에 있어서, 「진공로」란, 진공로를 이용한 가열 방법이며, 표 1 기재의 기재 온도로 가열한 것이다. 또한, 가열법에 있어서, 「고주파」란, 고주파 유도 가열 장치에 의해 가열한 것이다.

2. 측정 방법

(1) 접합재의 두께

연마를 행한 후, 현미경 관찰에 의해 저면 접합재 두께[제2 피접합재(2)의 저면측의 접합재(3)(접합층)의 노출면에서의 평균 두께], 배면 접합재 두께[제2 피접합재(2)의 배면측의 접합재(3)(접합층)의 노출면에서의 평균 두께]를 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다. 「바닥/배면 두께 비」란, 저면 접합재 두께에 대한 배면 접합재 두께의 비(배면 접합재 두께/저면 접합재 두께)를 나타낸다.

(2) TiN 화합물층의 두께

접합 계면을 FIB 가공한 후, TEM 에 의한 관찰 및 EDX, EELS에 의한 조성 분석을 행함으로써 TiN 화합물층의 두께를 측정했다. 관찰하는 배율은, TiN 화합물층의 두께에 의해 적절하게 조정하고, 1 시야내에서의 두께의 평균치를 구했다. 결과를 표 1에 나타낸다(「화합물층 두께」의 란 참조).

(3) 기재 온도의 측정

도 3은, 기재 온도의 측정 방법을 설명하는 모식도이다. 도 3에 있어서, 접합체의 제1 피접합재(1)에 조사되는 레이저의 레이저 스폿(44)을 나타낸다.

제1 피접합재(1)(초경합금 소결체)의 스폿 페이싱 부근의 온도를, 방사 온도계를 이용하여 측정했다. 구체적으로는, 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 피접합재(1)(각변 13 mm × 두께 5 mm)의 상면 및 스폿 페이싱의 배면에서 1 mm의 위치에, 레이저 스폿(44)(직경1 mm)의 중심을 위치시켜, 레이저 스폿(44)의 온도를 방사 온도계에 의해 측정했다. 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

(4) 접합 강도의 측정

도 4에 접합 강도의 측정 방법을 도시한다. 접합체를 지면의 상하로부터 가압한 상태로, 지면에 수직인 힘을 제2 피접합재(2)의 제1 피접합재로부터 돌출한 부분에 가함으로써, 접합재(3)에 전단력을 부여하고, 파단시의 강도를 접합 강도로 했다. 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

또, 표 1에 있어서 저면 접합재 두께의 란이나 접합 강도의 란이 공란인 것은, 피접합재가 접합재에 의해 접합되지 않은 것을 나타낸다.

3. 관찰

접합 강도 측정 후의 실시예 및 비교예의 파단면을 SEM·EDX에 의해 관찰했다. 또한, 접합면을 TEM에 의해 관찰했다.

실시예 3의 파단면의 SEM상(像), EDX상 및 접합면의 TEM상 관찰, EELS 분석에 의해, B 리치층, 즉 취약해지는 TiN 화합물층이 아니고, cBN 내에서 파단되어, 큰 접합 강도를 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다. 이에 대하여, 비교예 7은, TiN 화합물층의 두께가 과대해지고, TiN 화합물층에서 파단되어, 큰 접합 강도를 얻을 수 없는 것을 알 수 있었다. 다른 실시예 및 비교예에 관해서도, 마찬가지로 하여 관찰했다.

4. 평가

표 1로부터, TiN 화합물층의 두께에 의해, 접합 강도는 변동하고, 10∼300 nm의 범위내에 있는 경우에는, 높은 접합 강도를 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다. 또, 실시예 6에 대해서는, a/b>20 으로 되어 있기 때문에, 배면에 보이드(간극)가 발생하고 있어, 접합 강도가 저하되어 있다. 또한, 실시예 18∼21은, 접합재가, 티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 동(Cu), 니켈(Ni)로 구성되어 있고, Ti, Zr, Cu의 각 함유비율의 합계를 xvol%, Ni의 함유 비율을 (100-x) vol%로 했을 때, Ti의 함유 비율이 (0.1∼0.4)xvol%, Zr의 함유 비율이 (0.1∼0.4)xvol%, Cu의 함유 비율이 (0.3∼0.7)xvol% 이라는 조건을 만족하는 실시예이다.

또한, 실시예 2∼4와 같이 가열 시간이 10∼60초인 경우에는 적절한 두께의 TiN 화합물층이 형성되어, cBN의 열열화가 확인되지 않고, 실시예 3과 같이 가열 시간이 20초인 경우에는 특히 높은 접합 강도를 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다.

또, 표 1에 있어서 접합재 조성 란의 Cu, Zr, Co, Ni에 부기되어 있는 수치는, 각 금속의 vol%를 나타내는 수치이다. 또, Ti에는 숫자가 첨부되어 있지 않지만 잔부가 Ti 인 것을 나타내고 있다.

5. 절삭 시험

다음에, 실시예 6∼12로 얻어진 조건으로 제작한 접합체를 이용하여 절삭 시험을 했다. 절삭 조건은 이하와 같다.

공구 형상: CNGA120408

절삭 속도: 150 m/min

절삭 깊이: 0.1 mm

이송 속도: 0.1 mm/rev

절삭 시간: 60 min

피삭재: 축 방향을 따라서 4개의 홈을 갖는 SCM415(건식)

결과를 표 2에 나타낸다.

표 2로부터, 저면 두께가 1∼50μm이고 또한 바닥 배면 두께 비(배면 두께/저면 두께)가 1을 넘고 20 미만인 실시예 7∼10의 경우, 마모량은 0.28 mm 이하이며, 내마모성이 우수한 것을 알 수 있었다. 이에 대하여, 바닥 배면 두께 비가 20을 초과하는 실시예 6의 경우, 배면 두께가 지나치게 두껍기 때문에, 접합 강도가 부족하게 되어, 접합에서 벗어나는 부분이 생겼다. 그리고, 저면 두께와 비교해서 배면 두께가 지나치게 얇고, 바닥 배면 두께 비가 1을 하회하고 있는 실시예 11의 경우, 절삭 부하에 의해 결손이 생기고 있었다. 또한, 배면 두께와 비교해서 저면 두께가 지나치게 두껍고, 바닥 배면 두께 비가 1을 하회하고 있는 실시예 12의 경우, 절삭 중에 접합층이 연화되어, 결손이 생기고 있었다. 또한, 실시예 10에서는, 큰 결손은 생기고 있지 않지만, 절삭후의 칼날을 상세히 관찰한 바, 실시예 7∼9와 비교하여 미소한 치핑이 많이 보였다.

이상, 본 발명을 실시형태에 기초하여 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태로 한정되지 않는다. 본 발명과 동일 및 균등의 범위 내에서, 상기 실시형태에 대하여 여러 가지의 변경을 가하는 것이 가능하다.

1 : 제1 피접합재 2 : 제2 피접합재
2a : 저면 2b : 배면
3 : 접합재 34 : 전극
35 : 분할 전극 36 : 수평 방향 가압재
44 : 레이저 스폿 a : 배면의 접합층의 두께
b : 저면의 접합층의 두께

Claims (6)

1. 초경합금 소결체를 제1 피접합재(1)로 하고, cBN 소결체를 제2 피접합재(2)로 하는 접합체로서, 상기 제1 피접합재(1) 및 상기 제2 피접합재(2)는, 양자간에 설치된 티탄(Ti)을 함유하는 접합재(3)를 통해 접합되어 있고, 상기 제2 피접합재(2)와 상기 접합재(3)의 계면에, 두께 10∼300 nm의 질화티탄(TiN) 화합물층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 접합체.
2. 제1항에 있어서, 상기 접합재(3)는, 지르코늄(Zr), 코발트(Co), 니켈(Ni), 은(Ag), 동(Cu)으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 접합체.
3. 제2항에 있어서, 상기 접합재(3)는, 티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 동(Cu), 니켈(Ni)로 구성되어 있고,
   Ti, Zr, Cu의 각 함유 비율의 합계를 xvol%,
   Ni의 함유 비율을 (100-x)vol%로 했을 때,
   Ti의 함유 비율이 (0.1∼0.4)xvol%,
   Zr의 함유 비율이 (0.1∼0.4)xvol%,
   Cu의 함유 비율이 (0.3∼0.7)xvol% 인 것을 특징으로 하는 접합체.
4. 제2항에 있어서, 상기 접합재(3)에 포함되는 니켈(Ni)의 함유 비율은, 70 vol% 이하인 것을 특징으로 하는 접합체.
5. 제1항에 있어서, 상기 제2 피접합재(2)의 저면(2a)과 배면(2b)에서, 상기 제1 피접합재(1)와 상기 제2 피접합재(2)가 접합되어 있고, 상기 배면(2b)의 접합층의 두께가, 상기 저면(2a)의 접합층의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 접합체.
6. 제5항에 있어서, 상기 배면(2b)의 접합층의 두께를 a, 상기 저면(2a)의 접합층의 두께를 b로 했을 때, b는 1∼50μm이며, 1<a/b<20 인 것을 특징으로 하는 접합체.

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