KR101533654B1 - 단결정 입방정 질화붕소 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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이경록
박병섭
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일진다이아몬드(주)
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소는, 육방정 질화붕소(HBN: Hexagonal boron nitride)와 금속 원소를 포함하는 촉매와의 합성에 의해 제조되며, 아르곤(Ar)분위기 800℃ 내지 1200℃에서 10분 내지 20분간 가열한 경우 제2 인성치(Second Toughness index)가 아르곤(Ar)분위기 15℃ 내지 25℃에서 10분 내지 20분 간 가열한 경우의 제1 인성치(First Toughness index)를 기준으로 0 내지 13.9% 범위 내에서 감소하는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

단결정 입방정 질화붕소 및 이의 제조 방법{Single crystal Cubic Boron Nitride and manufacturing method thereof}
본 발명은 단결정 입방정 질화붕소 및 이의 제조 방법에 대한 것으로, 더욱 상세하게는, 열적안정성이 향상되어 연마효율을 극대화하도록 하는 단결정 입방정 질화붕소 및 이의 단결정 입방정 질화붕소 제조 방법에 관한 것이다.
입방정 질화붕소(CBN: Cubic Boron Nitride)는 자연계에는 존재하지 않으며, 인공적인 초고온고압의 합성법으로만 생성 가능한 물질로, 다이아몬드에 버금가는 경도를 가져 연삭, 연마, 절삭재용의 지립(砥粒)으로 사용된다.
입방정 질화붕소의 원료는 육방정 질화붕소(HBN: hexagonal boron nitride)이며, 육방정 질화붕소는 다이아몬드의 원료인 흑연과 비교하면 전기전도도를 제외하고 유사한 결정구조를 가지고 있으나, 합성 조건과 촉매의 선택에서 차이를 보인다.
통상, 다이아몬드의 합성조건은 대략 10GPa, 1500~1700°K 정도로 보고되어 있으나 입방정 질화붕소의 합성조건은 대략 13GPa, 2500~4000°K 로 다이아몬드보다 높은 고온고압의 합성조건을 요구한다.
상기와 같은 입방정 질화붕소는 공업용 다이아몬드를 대처하여 사용할 수 있으며, 고강도의 제품을 세밀하기 가공할 수 있다.
예컨대 모터용 자석, 자동차 안전 유리, 후방거울(Rear Mirror), 엔진실린더 및 캠축 동과 같은 자동차 부품 가공용으로 사용되거나, 또는 절삭공구(SKH, SKS, SK), 내마모성공구(SKD, Stellite), 구조부품(S.C.M, SNCM, Scr, SuJ), 내식성금속(SUS), 및 내열성 금속(SUH, Ti) 등과 같은 철계 금속을 가공하는 데 사용할 수 있다.
상기와 같은 분야에서 사용되는 입방정 질화붕소는, 강도가 높은 동시에 가열에 의한 강도 저하가 매우 작아야 하며, 면이 잘 발달하여 날카로운 엣지를 가지도록 하여 고부하 연삭 등의 엄한 연삭 조건하에서 사용될 수 있어야 한다.
그러나, 종래의 입방정 질화붕소는, 엄한 연삭 조건, 즉, 높은 온도 조건에서 열적 안정성이 저하되어 파쇄된다는 문제가 발생되고 있으며, 이로 인해 연마 효율이 저감된다는 문제가 있다.
따라서, 연마 효율을 극대화되도록 하기 위해 열적 안정성이 향상된 입방정 질화붕소에 대한 연구가 시급한 실정이다.
본 발명의 목적은 엄한 연삭 조건, 즉, 높은 온도 조건에서 열적 안정성이 높아 연마 효율이 향상되도록 하는 단결정 입방정 질화붕소 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소는, 육방정 질화붕소(HBN: Hexagonal boron nitride)와 금속 원소를 포함하는 촉매와의 합성에 의해 제조되며, 아르곤(Ar)분위기 800℃ 내지 1200℃에서 10분 내지 20분간 가열한 경우 제2 인성치(Second Toughness index)가 아르곤(Ar)분위기 15℃ 내지 25℃에서 10분 내지 20분 간 가열한 경우의 제1 인성치(First Toughness index)를 기준으로 0 내지 13.9% 범위 내에서 감소하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소의 상기 제2 인성치는, 상기 제1 인성치를 기준으로 0 내지 2.3% 범위 내에서 감소하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소의 상기 제2 인성치는, 상기 제1 인성치를 기준으로 0 내지 1.2% 범위 내에서 감소하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소의 상기 제1 인성치 및 상기 제2 인성치는, 상기 단결정 입방정 질화붕소의 사이즈(size)가 120/140 mesh 경우에 산출되는 인성치인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소의 상기 촉매는, 질화리튬(Li3N)과 질화칼슘(Ca3N2)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소의 상기 질화칼슘(Ca3N2)을 기준으로 한 상기 질화리튬(Li3N)의 중량비는, 7/13 내지 2/3의 범위 내인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소의 아르곤(Ar)분위기 1100℃ 내지 1200℃ 에서 10분 내지 20분간 가열한 경우의 제3 인성치(Third Toughness index)는, 상기 제1 인성치(First Toughness index)를 기준으로 0 내지 17.4% 범위 내에서 감소하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소의 상기 제3 인성치는, 상기 제1 인성치(First Toughness index)를 기준으로 0 내지 5.6% 범위 내에서 감소하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소의 상기 제3 인성치는, 상기 제1 인성치(First Toughness index)를 기준으로 0 내지 4.7% 범위 내에서 감소하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소는, 벽개면을 구비하여 결정방향을 따라 파쇄되는 벽개파괴(cleavage fracture)의 특징을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소의 상기 벽개면 및 상기 벽개면과 이웃하는 벽개면의 끝단 간의 간격은, 60㎚ 내지 4000㎚ 범위 내인 것을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소의 제조 방법은, 육방정 질화붕소(HBN: Hexagonal boron nitride)의 입도를 선별하고, 선별된 육방정 질화붕소의 내부에 잔존하는 산소를 제거하여 환원되도록 상기 선별된 육방정 질화붕소를 질소분위기에서 가열하여 건조시킨 후 금속 원소를 포함하는 촉매와 혼합하여 원료물질을 제조하는 전처리 단계; 상기 원료물질을 성형몰드에 투입하여 가압하는 성형 단계; 상기 성형이 완료된 원료물질을 반응기에 투입하고, 상기 촉매를 용융시켜 상기 원료물질이 입방정 질화붕소(CBN: Cubic boron nitride)로 변화되도록 고압에서 가열하는 합성 단계; 및 상기 합성 단계 완료 후 잔존하는 육방정 질화붕소를 선택적으로 용해시키도록 산으로 세정하는 산처리 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소의 제조 방법의 상기 촉매는, 질화리튬(Li3N)과 질화칼슘(Ca3N2)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소의 제조 방법의 상기 질화칼슘(Ca3N2)을 기준으로 한 상기 질화리튬(Li3N)의 중량비는, 7/13 내지 2/3의 범위 내인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소의 제조 방법의 상기 전처리 단계는, 상기 선별된 육방정 질화붕소를 질소 소결로(Nitrogen sintering furnace)에 투입한 후 50℃ 내지 200℃의 온도 범위에서 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 단결정 입방정 질화붕소 및 이의 제조 방법에 의하면, 연삭, 연마, 절삭재용의 지립(砥粒)으로 사용하는 경우 고온에서의 열적안정성이 극대화되어 육방정 질화붕소로의 역변환을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 육방정 질화붕소로의 역변환이 방지되어 연마 효율을 극대화할 수 있다.
또한, 벽개면(cleavage plane)이 잘 발달하여 결정방향을 따라 파쇄되는 벽개파괴(cleavage fracture)의 특징을 가질 수 있으며, 이에 따라 날카로운 엣지를 가지도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소(CBN)의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소(CBN)의 제조 방법 중 전처리 단계를 설명하기 위한 흐름도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소(CBN)의 제조 방법 중 합성 단계 진행 시 사용되는 반응기를 도시한 개략도.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소(CBN)의 제조 방법에 의해 제조된 단결정 입방정 질화붕소(CBN)의 SEM 사진으로, 도 4는 500배의 배율인 SEM 사진이고, 도 5는 2000배의 배율인 SEM 사진.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소(CBN)의 제조 방법에 의해 제조된 단결정 입방정 질화붕소(CBN)의 SEM 사진으로, 도 4는 5000배의 배율인 SEM 사진이고, 도 5는 10000배의 배율인 SEM 사진.
도 8은 비교에 따른 단결정 입방정 질화붕소의 SEM 사진.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소(CBN)의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소(CBN)의 제조 방법 중 전처리 단계를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소(CBN)의 제조 방법은 육방정 질화붕소(HBN: hexagonal boron nitride)를 금속 원소를 포함하는 촉매의 존재하에서 단위면적당 약 5GPa 내지 약 14GPa의 압력 및 약 1500℃ 내지 약 2700℃의 온도 범위에서 육방정 질화붕소를 입방정 질화붕소로 변환하는 방법으로, 일종의 간접합성법일 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 단결정 입방정 질화붕소의 제조 방법은 반응기(210)를 1회의 압력 및 온도 세팅을 통하여 추가적인 압력 및 온도 세팅의 변화없이 금속 원소를 포함하는 촉매의 존재하에서 육방정 질화붕소에서 직접 단결정 입방정 질화붕소를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 단결정 입방정 질화붕소의 제조 방법은 전처리 단계(S100), 성형 단계(S200), 합성 단계(S300) 및 산처리 단계(S400)를 포함할 수 있다.
전처리 단계(S100)는 육방정 질화붕소(HBN: hexagonal boron nitride)를 전처리하여 원료물질로 제조하는 단계일 수 있으며, 성형 단계(S200)는 상기 원료물질을 성형몰드에 투입하여 가압하는 단계일 수 있다.
그리고, 합성 단계(S300)는 상기 원료물질을 반응기(210, 도 3 참조) 내에 투입하여 고압에서 가열하는 단계일 수 있으며, 산처리 단계(S400)는 합성 단계(S300) 완료 후 잔존하는 육방정 질화붕소를 선택적으로 용해시키도록 산으로 세정하는 단계일 수 있다.
이하에서 각 단계에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소의 제조 방법 중 전처리 단계(S100)는 육방정 질화붕소의 입도를 선별하는 입도 선별 단계(S110), 선별된 육방정 질화붕소의 내부에 잔존하는 산소를 제거하여 환원되도록 상기 선별된 육방정 질화붕소를 질소분위기에서 가열하여 건조시키는 가열 단계(S120), 및 가열하여 건조된 육방정 질화붕소를 금속원소를 포함하는 촉매와 함께 혼합하여 원료물질로 제조하는 촉매 혼합 단계(S130)를 포함할 수 있다.
상기 입도 선별 단계(S110)는 육방정 질화붕소의 입도 분석을 통하여 소정의 크기를 갖는 육방정 질화붕소를 선별하는 것으로, 상기 육방정 질화붕소가 파우더 상태인 경우 입도가 30㎛ 내지 80㎛를 갖도록 선별할 수 있다.
여기서, 상기 육방정 질화붕소의 입도 선별은 성형 단계(S200)에서 발생될 수 있는 크랙과 관련된 것으로, 상기 성형 단계(S200)에서는 육방정 질화붕소가 소정의 크기를 갖도록 응집되는데, 이때, 상기 육방정 질화붕소의 입도가 30㎛ 미만인 경우에는 성형하는 과정에서 크랙 등이 발생하는 문제가 있고, 80㎛ 초과인 경우에는 성형 단계(S200) 후 팽창되어 크랙이 발생하는 문제가 있다.
가열 단계(S120)는 입도가 선별된 육방정 질화붕소를 질소 소결로(Nitrogen sintering furnace)에 투입하여 가열하여 건조시키는 단계로, 가열 단계(S120)의 조건은 50℃ 내지 200℃의 온도범위에서 30분 내지 2시간일 수 있으며, 바람직하게는 대략 1시간 30분일 수 있다.
여기서, 상기 가열 시의 온도가 50℃ 미만인 경우 가열 후 질소 소결로에서 육방정 질화붕소를 꺼내는 과정에서 상기 육방정 질화붕소가 산화되는 문제가 있고, 200℃ 초과인 경우에는 가열하는 과정에서 육방정 질화붕소가 서로 응집되는 문제가 있다.
또한, 상기 육방정 질화붕소는 질소 소결로에서 가열되어 건조될 수 있으며, 건조된 육방정 질화붕소의 중량은 가열 전과 비교했을 때 감소될 수 있다.
이는, 육방정 질화붕소 내부에 잔존하던 산소의 열분해반응에 의해 발생되는 것으로, 상기 육방정 질화붕소는 가열 시 내부의 산소가 제거되어 환원될 수 있다.
따라서, 가열 과정을 거친 상기 육방정 질화붕소는 내부에 산소가 존재하는 경우 발생될 수 있는 산화물 형성을 미연에 방지하므로, 단결정 입방정 질화붕소 합성 시의 수율을 향상시킬 수 있다.
다시 말하면, 육방정 질화붕소 내부에 산소가 존재하는 경우 상기 산소는 단결정 입방정 질화붕소 합성 시 수율 저하를 유발하는 B2O3 등의 산화물을 형성하게 되나, 본 발명에서는 가열 과정에 의한 산소 제거에 의해 상기와 같은 문제를 미연에 방지할 수 있는 것이다.
이어서, 가열 건조된 육방정 질화붕소는 금속 원소를 포함하는 촉매와 혼합되는 촉매 혼합 단계(S130)가 진행될 수 있으며, 상기 촉매 혼합 단계(S130)가 진행되면, 원료물질이 제조될 수 있다.
여기서, 상기 가열 건조된 육방정 질화붕소, 즉, 환원처리된 육방정 질화붕소 및 촉매는 삼차원혼합설비(Turbula Mixer)를 이용하여 5분 내지 70분 동안 혼합될 수 있는데, 상기 삼차원혼합설비 내에 상기 육방정 질화붕소 및 촉매와 함께 스틸볼(steel ball)을 투입하여 혼합될 수 있다.
상기 육방정 질화붕소와 촉매는 상기 삼차원혼합설비에서 대략 50 rpm/min 내지 100rpm/min으로 대략 10min 내지 180min 동안 혼합할 수 있다. 바람직하기로는, 97rpm/min으로 약 60min 동안 혼합할 수 있다.
여기서, 상기 촉매는 알칼리 금속(Li 등), 이들 수산화물(LiH 등) 및 이들 질화물(Li3N 등)이나 이들 붕질화물(Li3BN2 등), 알칼리 토금속(Ca, Mg, Sr, Ba 등) 및 이들 질화물(Ca3N2, Mg3N2, Mg3B2N4, Sr3B2N4, Ba3B2N4 등), 알칼리 금속과 알칼리 토금속의 복합 붕질화물(LiCaBN2, LiBaBN2 등), NH4F, (NH2)2CO 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 촉매는 질화리튬(Li3N)과 질화칼슘(Ca3N2)을 포함할 수 있으며, 더욱 상세하게는 질화칼슘(Ca3N2)을 기준으로 한 질화리튬(Li3N)의 중량비가 7/13 내지 2/3의 범위 내일 수 있다.
만약, 상기 촉매가 질화리튬(Li3N)과 질화칼슘(Ca3N2)만을 포함한다면, 상기 촉매의 전체 중량을 기준으로 상기 질화리튬(Li3N)의 중량%는 35 내지 40중량%일 수 있으며, 상기 질화칼슘(Ca3N2)의 중량%는 60 내지 65중량%일 수 있다.
성형 단계(S200)는 상기 전처리 단계(S100)에 의해 제조된 원료물질을 성형몰드에 투입하여 가압하는 단계로, 상기 성형몰드는 500ton 유압프레스를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 성형 단계(S200)는 예비성형 단계 및 본성형 단계로 이루어질 수 있는데, 예비성형 단계에서는 상기 원료물질을 대략적으로 가압하여 덩어리의 형태로 만들고, 이어서 본성형 단계에서는 상기 원료물질이 소정의 형태가 되도록 가압할 수 있다. 예컨대, 상기 본성형 단계에서의 최종압력은 40ton 내지 450ton이 수 있다.
상기 압력이 45ton 미만이면 후속하는 합성 단계(S300)에서 반응이 용이하도록 소정의 형상을 갖는 원료물질로 성형하기 어렵고, 상기 압력이 450ton 초과하는 경우에는 성형 후 원료물질이 쉽게 팽창되어 크랙 등이 발생하는 문제가 있다. 성형 후 얻어진 원료물질은 5분 이내에, 바람직하기로는 3분 이내에 진공포장하여 보관될 수 있다. 만약, 상기 원료물질을 상온에서 보관하게 되면, 내부에 산소 등의 공기가 투입되어 육방정 질화붕소가 B2O3로 산화되어 단결정 입방정 질화붕소의 반응을 저해하여 수율이 저하되는 문제가 발생될 수 있다.
합성 단계(S300)는 상기 성형 단계(S200)의 진행에 의해 성형이 완료된 원료물질을 반응기에 투입하고 촉매를 용융시켜 상기 원료물질이 입방정 질화붕소로 변화되도록 고압에서 가열하는 단계일 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소(CBN)의 제조 방법 중 합성 단계 진행 시 사용되는 반응기(210)를 도시한 도 3을 참조하면, 상기 반응기(210)는 벨트장치(belt apparatus)(10) 내에 장착되어 반응물을 수납하는 셀(cell)이고, 상기 벨트장치(10)는 통상적으로 고온 고압 반응에 사용되는 양변형 가압이 가능한 고온 고압 프레스기의 일종일 수 있다. 상기 반응기(10)는 원료물질을 수납하는 절연튜브(220)와, 상기 절연튜브(220)의 외면에 구비되어 상기 원료물질로 열을 전달하는 열원(230a, 230b) 및 상기 열원(230a, 230b)의 주변을 둘러싸는 단열부재인 부싱(bushing)(240)을 포함할 수 있다. 상기 열원(230a, 230b)은 흑연 호일(Graphite foil), 및 흑연 디스크(Graphite Disc) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있는데, 상기 절연튜브(220)의 측면을 둘러싸도록 구비되는 부분의 열원(230a)은 흑연 호일을 이용할 수 있고, 상기 절연튜브(220)의 상부 또는 하부와 같은 부분에서의 열원(230b)는 흑연 디스크를 이용할 수 있다.
상기 열원(230a, 230b)은 전류가 전달되어 열이 발생할 수 있는데, 이때 절연튜브(220)를 사용함으로써 내부로 전류가 유입되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 열원(230a, 230b)의 외부에는 내화물로 이루어지는 단열부재인 부싱(240)이 감싸도록 구비되므로, 상기 열원(230a, 230b)에서 발생하는 열이 외부로 유출되지 않고 원료물질로 효과적으로 전달될 수 있다.
상기 반응기(210)는 산소 및 수분과의 직접 접촉을 피하기 위하여 글러브 박스(glove box)에서 조립된 후 상기 원료물질은 절연튜브(220) 내에 수납될 수 있다.
상기 반응기(210) 내에서 산소 및 수분 등이 차단된 상태이므로, 상기 원료물질이 상기 반응기(210)에 수납된 후의 상기 원료물질은 수분 및 공기 등이 차단된 상태를 유지할 수 있다.
이와 같이 원료물질이 수납된 반응기(210)는 벨트장치(10) 내에 구비되어 소정의 압력이 가해지는 상태에서 상기 열원(230a, 230b)을 통하여 가열될 수 있다. 상기 열원(230a, 230b)은 전류에 의하여 전기저항으로 간접가열하는 방식으로 열을 전달할 수 있다.
성형된 원료물질은 상기 반응기(210) 내에 투입한 후 1500℃ 내지 2700℃ 온도범위에서 단위면적당 5GPa 내지 14GPa의 압력범위로 가압되어 단결정 입방정 질화붕소로 합성될 수 있는데, 이때의 온도범위 및 압력범위는 30분 내지 120분 동안 유지될 수 있다.
산처리 단계(S400)는 전술한 합성 단계(S300) 완료 후 잔존하는 육방정 질화붕소를 선택적으로 용해시키도록 산으로 세정하는 단계일 수 있으며, 합성 단계(S300) 완료 후의 물질을 수산화나트륨과 소량의 물을 가하여 300℃ 정도로 가열하여 잔존하는 육방정 질화붕소를 선택적으로 용해시킬 수 있으며, 이로써 단결정 입방정 질화붕소를 얻을 수 있게 된다.
[실시예]
이하, 본 발명에 대하여 실시예를 들어 구체적으로 설명한다. 다만, 이하에서 설명되는 실시예에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.
1. 전처리 단계(S100)
진공포장된 육방정 질화붕소(이하, HBN) 분말에 대하여 입도 분석을 실시하고, D50 기준으로 입도를 확인하여 표 1과 같이 나타내었다. 표 1에 표시한 바와 같이, HBN-A, B, C, D의 입도(PSD, particle size distribution)는 각각 20.26㎛, 32.52㎛, 78.26㎛, 100.25㎛이고, 각각의 중량을 측정하였다.
그리고, HBN-A, B, C, D를 질소 소결로(Nitrogen sintering furnace)에 투입한 후 질소 분위기에서 100℃로 가열하였다. 가열 후 HBN-A, B, C, D의 중량을 측정하였고, 가열 전과 비교하여 HBN-A, B, C, D가 모두 중량을 감소함을 확인하였다.
HBN-A, B, C, D의 가열 전과 가열 후의 중량 손실(loss)량은 [표 1]에 나타내었다. HBN-A, B, C, D은 가열에 의하여 건조됨과 동시에 상기 HBN-A, B, C, D의 내부에 존재하는 산소가 열분해 되어 기인한 것으로 판단된다. 즉, [표 1]에 기재된 중량 손실량은 HBN-A, B, C, D의 진공포장 정도에 따른 수분 및 공기함유량과 내부 존재하는 산소함유량에 기인한 것으로 판단된다.
HBN의 종류 PSD, D(50) 중량 손실량 (wt%)
HBN-A 20.26 0.023%
HBN-B 32.52 0.051%
HBN-C 78.26 0.610%
HBN-D 100.25 1.195%
표 1에 기재된 HBN-A, B, C, D 중 입도가 30㎛ 내지 80㎛의 범위 내에 포함되는 HBN-B, C를 선별하여 이들 250g을 질화리튬(Li3N)과 질화칼슘(Ca3N2)을 포함하는 촉매 3g과 함께 용기(직경 15cm x 높이 20.5cm) 내에 투입한 후, 이어서 상기 용기 내에 스틸볼(직경 0.2cm 내지 0.8cm)를 소량(대략 100g) 투입하였다,
여기서, 상기 촉매의 구성성분의 중량비, 즉, 질화칼슘(Ca3N2)을 기준으로 한 질화리튬(Li3N)의 중량비는 7/13 내지 2/3의 범위 내로 하였으며, 다시 말해서, 상기 촉매의 전체 중량을 기준으로 상기 질화리튬(Li3N)의 중량%는 35 내지 40중량%이고, 상기 질화칼슘(Ca3N2)의 중량%는 60 내지 65중량%로 하였다.
상기 HBN-B, C 및 질화리튬(Li3N)과 질화칼슘(Ca3N2)을 포함하는 촉매는 삼차원혼합설비(Turbula Mixer)를 이용하여 97rpm/min으로 60분 동안 혼합되어 원료물질로 제조되었다.
2. 성형 단계(S200)
전처리 단계(S100)를 통하여 원료물질로 제조된 HBN-B, C, 및 질화리튬(Li3N)과 질화칼슘(Ca3N2)을 포함하는 촉매은 300ton 유압프레스(직경 7cm x 높이 15cm) 내에 200g 장입 후 파우더형태의 원료물질 내부의 기공을 제거하는 성형 단계(S200)를 진행하였다. 상기 성형 단계(S200)은 상기 원료물질을 예비성형 단계 100ton에서 2분 동안 대략적으로 가압하여 덩어리 형태로 만든 후, 이어서 본성형 단계 250ton에서 5분 동안 대략적으로 가압하여 박스형태 또는 원기둥의 형상으로 성형하였다.
이때, 최종 원료물질 내부의 기공을 제거하기 위해 본성형 단계에서의 최종압력이 450ton이 되도록 성형하였으며, 성형 단계가 완료된 원료물질은 바로 진공 포장하여 상기 원료물질을 반응기 내에 투입하기 전까지 수분 및 산소를 차단하도록 보관하였다.
3. 합성 단계(S300)
성형 단계(S200)가 완료된 원료물질을 도 3에 도시된 반응기(210) 내에 투입하고, 상기 반응기(210)를 벨트장치(10)에 넣었다.
상기 반응기(210)로 열을 전달하는 열원(230a, 230b)에 전류를 가하여 반응기(210) 내부의 온도가 대략 1700℃ 온도가 되도록 전기저항을 이용하여 가열하였으며, 압력은 단위면적당 6GPa으로50min 동안 반응을 수행하였다.
4. 산처리 단계(S400)
상기 합성 단계(S300) 완료 후 잔존하는 HBN을 선택적으로 용해시키도록 산으로 세정하였으며, 구체적으로, 수산화나트륨과 소량의 물을 가하여 300℃ 정도로 가열하여 잔존하는 육방정 질화붕소를 선택적으로 용해시켜, 최종적으로 단결정 입방정 질화붕소를 얻을 수 있었다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소(CBN)의 제조 방법에 의해 제조된 단결정 입방정 질화붕소(CBN)의 SEM 사진으로, 도 4는 500배의 배율인 SEM 사진이고, 도 5는 2000배의 배율인 SEM 사진이다.
그리고, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소(CBN)의 제조 방법에 의해 제조된 단결정 입방정 질화붕소(CBN)의 SEM 사진으로, 도 4는 5000배의 배율인 SEM 사진이고, 도 5는 10000배의 배율인 SEM 사진이다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 전처리 단계(S100), 성형 단계(S200), 합성 단계(S300) 및 산처리 단계(S400)를 포함하는 단결정 입방정 질화붕소 제조 방법에 의해 제조된 단결정 입방정 질화붕소는 벽개면(cleavage plane)이 잘 발달하여 결정방향을 따라 파쇄되는 벽개파괴(cleavage fracture)의 특징을 가지며, 이에 따라 공구에 사용되는 경우 연마 효율이 극대화될 수 있다.
다시 말해서, 본 발명에 따른 단결정 입방정 질화붕소는 매크로 프랙쳐 패턴(Macro fracture pattern)을 가지는 종래의 입방정 질화붕소와는 달리 마이크로 프랙쳐 패턴(Micro fracture pattern)을 가지므로, 벽개파괴(cleavage fracture)의 특징을 가지게 되어 절삭성이 향상되는 동시에 강도가 향상되어 공구의 사용 수명을 극대화할 수 있는 것이다.
한편, 본 발명에 따른 단결정 입방정 질화붕소는 임의의 벽개면과 상기 임의의 벽개면의 끝단 간의 간격은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 대략 60㎚ 내지 4000㎚의 범위 내인 것을 포함할 수 있으며, 따라서, 대략 60㎚ 내지 4000㎚의 간격을 가진 조직으로 파쇄될 수 있다.
본 발명에 따른 단결정 입방정 질화붕소는, 앞서 설명한 바와 같이 육방정 질화붕소와 금속 원소를 포함하는 촉매와의 합성에 의해 제조될 수 있으며, 구체적으로, 상기 촉매는 질화리튬(Li3N)과 질화칼슘(Ca3N2)을 포함할 수 있다.
여기서, 이하에서 언급되는 "인성치(Toughness index)"라는 용어를 정의하면, 인성치란, Friability Test Unit(FTU)에 의해 측정할 수 있는 수치로, 본 발명에 따라 제조된 단결정 입방정 질화붕소 중 소정 사이즈(예: 120/140 mesh)인 것을 일정량(예: 0.4000cts±0.0003g )을 선별한 후, 선별된 일정량을 소정 온도로 소정 시간 동안 아르곤(Ar) 분위기 조건을 만족하는 노(Furnace)에서 가열하고 가열된 것을 소정 중량(예: 2.040±0.005g)의 스틸볼(steel ball)과 함께 SKD11, 경도는 58~60 HRC인 캡슐에 넣고, 상기 캡슐을 소정 진동수(예: 2400±3 RPM)로 소정 시간(예: 40sec 내지 60sec) 동안 진동시켜 상기 캡슐 내의 상기 선별된 일정량를 상기 스틸볼로 분쇄한 후, 분쇄 분말을 소정 크기의 체망으로 걸러 체망 상에 잔존하는 중량을 상기 선별된 일정량에 대한 백분율로 나타냄으로써 구할 수 있다.
한편, 상기 인성치는 상기 선별된 일정량을 아르곤(Ar) 분위기 조건을 만족하는 노(Furnace)에서 10분 내지 20분 동안 가열되는 온도에 따라 제1 인성치(First Toughness index), 제2 인성치(Second Toughness index) 및 제3 인성치(Third Toughness index)로 구분할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 인성치는 본 발명에 따라 제조된 단결정 입방정 질화붕소 중 사이즈가 120/140 mesh인 0.4000cts±0.0003g을 선별하고, 선별된 것을 아르곤(Ar) 분위기 조건을 만족하는 노(Furnace)에서 대략 20 ℃ 내지 30℃로 대략 10분 내지 20분간 가열한 후, 가열된 것을 2.040±0.005g의 스틸볼(steel ball)과 함께 SKD11, 경도는 58~60 HRC인 캡슐에 넣고, 상기 캡슐을 2400±0.005 RPM으로 대략 40초 내지 60초, 바람직하게는 40±0.1sec 동안 진동시켜 상기 캡슐 내의 상기 선별된 단결정 입방정 질화붕소를 분쇄한 후, 분쇄 분말을 120/140 mesh와 대응되는 표준 망체(Electroformed sieve)를 이용하여 90㎛의 On-size 망체에 걸러지는 분말의 중량을 상기 캡슐에 넣은 상기 분쇄 분말 중량 전체에 대한 백분율로 나타냄으로써 구할 수 있다.
여기서, 상기 표준 망체(Electroformed sieve)는 On-size 망체 및 상기 On-size 망체의 상부에 배치되어 상기 표준 망체를 진동시키는 경우 상기 On-size 망체에 걸러지는 분말의 비산을 방지하도록 하는 107㎛의 Oversize 망체를 포함할 수 있으며, 이는 당업계에서 자명하므로 , 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
그리고, 상기 제2 인성치는 상기 제1 인성치와 비교하여 노(Furnace)에서 가열되는 온도가 대략 800℃ 내지 1200℃라는 점, 상기 제3 인성치는 상기 제1 인성치와 비교하여 노(Furnace)에서 가열되는 온도가 대략 1300℃ 내지 1400℃ 라는 점을 제외하고는 모든 구성이 동일할 때의 인성치이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 입방정 질화붕소(CBN)의 제조 방법에 의해 제조된 단결정 입방정 질화붕소(CBN)는 육방정 질화붕소와 금속 원소를 포함하는 촉매와의 합성에 의해 제조될 수 있으며, 구체적으로, 상기 촉매는 질화리튬(Li3N)과 질화칼슘(Ca3N2)을 포함할 수 있다.
다음의 [표 3] 내지 [표 22]은 본 발명에 따른 단결정 입방정 질화붕소(CBN)를 제조하는 과정에서 촉매인 질화리튬(Li3N)과 질화칼슘(Ca3N2)의 중량%를 달리하면서 단결정 입방정 질화붕소를 제조한 후, 120/140 mesh에 대한 제1 인성치, 제2 인성치, 제3 인성치, 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율 및 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율을 각각 5회 측정한 데이터이다.
그리고, 제1 인성치는 노(Furnace)에서 가열되는 온도 조건이 20±5℃이고, 시간 조건은 15±5분이다.
또한, 제2 인성치는 노(Furnace)에서 가열되는 온도 조건이 첫번째는 850±50℃, 두번째는 1000±50℃, 세번째는 1150±50℃이고, 시간 조건은 모두 15±5분이다.
그리고, 제3 인성치는 노(Furnace)에서 가열되는 온도 조건이 1350±50℃이고, 시간 조건은 15±5분이다.
Li3N의 중량%는 10 내지 35중량%이고, Ca3N2의 중량%는 65 내지 90중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 850±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 59.0 54.7 52.2 7.3 11.5
2 59.2 54.2 52.9 8.4 10.6
3 59.1 55.1 52.9 6.8 10.5
4 60.2 53.9 53.4 10.5 11.3
5 59.7 54.2 52.1 9.2 12.7
Li3N의 중량%는 10 내지 35중량%이고, Ca3N2의 중량%는 65 내지 90중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 1000±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 59.0 53.1 52.2 10.0 11.5
2 59.2 53.0 52.9 10.5 10.6
3 59.1 54.1 52.9 8.5 10.5
4 60.2 53.8 53.4 10.6 11.3
5 59.7 53.2 52.1 10.9 12.7
Li3N의 중량%는 10 내지 35중량%이고, Ca3N2의 중량%는 65 내지 90중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 1150±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 59.0 52.3 52.2 11.4 11.5
2 59.2 53.0 52.9 10.5 10.6
3 59.1 53.1 52.9 10.2 10.5
4 60.2 53.6 53.4 11.0 11.3
5 59.7 52.8 52.1 11.6 12.7
여기서, 상기 데이터는 소수점 두번째 자리에서 반올림한 수치이고, 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 및 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)는 각각 다음의 [식 1] 및 [식 2]를 만족한다.
[식 1]
제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%)=(1 - 제2 인성치(%)/제1 인성치(%))*100
[식 2]
제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)=(1 - 제3 인성치(%)/제1 인성치(%))*100
상기 [표 2] 내지 상기 [표 4]를 참조하면, Li3N의 중량%는 10 내지 35중량%이고, Ca3N2의 중량%는 65 내지 90중량%인 촉매를 이용하여 제조된 단결정 입방정 질화붕소는 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%)이 6.8 내지 11.4%이며, 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)이 10.5 내지 12.7%인 것을 알 수 있다.
그리고, 제2 인성치 및 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%)은 온도 조건에 따라 조금씩 차이가 보이긴 하나 대체적으로 비슷한 것을 알 수 있다.
Li3N의 중량%는 35 내지 40중량%이고, Ca3N2의 중량%는 60 내지 65중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 850±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 61.8 61.7 58.9 0.2 4.7
2 61.7 61.7 61.7 0.0 0.0
3 62.1 61.9 59.4 0.3 4.3
4 59.9 59.3 59.0 1.0 1.5
5 62.3 62 59.4 0.5 4.7
Li3N의 중량%는 35 내지 40중량%이고, Ca3N2의 중량%는 60 내지 65중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 1000±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 61.8 61.7 58.9 0.2 4.7
2 61.7 61.7 61.7 0.0 0.0
3 62.1 62.0 59.4 0.2 4.3
4 59.9 59.2 59.0 1.2 1.5
5 62.3 62.1 59.4 0.3 4.7
Li3N의 중량%는 35 내지 40중량%이고, Ca3N2의 중량%는 60 내지 65중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 1150±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 61.8 61.6 58.9 0.3 4.7
2 61.7 61.6 61.7 0.2 0.0
3 62.1 61.7 59.4 0.6 4.3
4 59.9 59.2 59.0 1.2 1.5
5 62.3 62.1 59.4 0.3 4.7
상기 [표 5] 내지 상기 [표 7]을 참조하면, Li3N의 중량%는 35 내지 40중량%이고, Ca3N2의 중량%는 60 내지 65중량%인 촉매를 이용하여 제조된 단결정 입방정 질화붕소는 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%)이 0 내지 1.2%이며, 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)이 0 내지 4.7%인 것을 알 수 있다.
그리고, 제2 인성치 및 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%)은 온도 조건에 따라 조금씩 차이가 보이긴 하나 대체적으로 비슷한 것을 알 수 있다.
Li3N의 중량%는 40 내지 45중량%이고, Ca3N2의 중량%는 55 내지 60중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 850±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 60.8 55.1 53.0 9.4 12.8
2 60.2 56.2 52.9 6.6 12.1
3 60.1 54.4 53.0 9.5 11.8
4 60.7 55.4 54.4 8.7 10.4
5 60.4 55.6 55.1 7.9 8.8
Li3N의 중량%는 40 내지 45중량%이고, Ca3N2의 중량%는 55 내지 60중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 1000±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 60.8 55.0 53.0 9.5 12.8
2 60.2 56.1 52.9 6.8 12.1
3 60.1 54.1 53.0 10.0 11.8
4 60.7 56.7 54.4 6.6 10.4
5 60.4 56.3 55.1 6.8 8.8
Li3N의 중량%는 40 내지 45중량%이고, Ca3N2의 중량%는 55 내지 60중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 1150±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 60.8 54.8 53.0 9.9 12.8
2 60.2 55.8 52.9 7.3 12.1
3 60.1 54.0 53.0 10.1 11.8
4 60.7 56.5 54.4 6.9 10.4
5 60.4 56.1 55.1 7.1 8.8
상기 [표 8] 내지 상기 [표 10]을 참조하면, Li3N의 중량%는 40 내지 45중량%이고, Ca3N2의 중량%는 55 내지 60중량%인 촉매를 이용하여 제조된 단결정 입방정 질화붕소는 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%)이 6.6 내지 10.1%이며, 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)이 8.8 내지 12.8%인 것을 알 수 있다.
그리고, 제2 인성치 및 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%)은 온도 조건에 따라 조금씩 차이가 보이긴 하나 대체적으로 비슷한 것을 알 수 있다.
Li3N의 중량%는 45 내지 50중량%이고, Ca3N2의 중량%는 50 내지 55중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 850±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 58.0 52.1 51.0 10.2 12.1
2 57.8 52.3 50.4 9.5 12.8
3 57.2 53.4 51.2 6.6 10.5
4 58.2 52.0 50.0 10.7 14.1
5 58.6 51.9 51.1 11.4 12.8
Li3N의 중량%는 45 내지 50중량%이고, Ca3N2의 중량%는 50 내지 55중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 1000±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 58.0 52.0 51.0 10.3 12.1
2 57.8 52.1 50.4 9.9 12.8
3 57.2 53.1 51.2 7.2 10.5
4 58.2 51.9 50.0 10.8 14.1
5 58.6 51.4 51.1 12.3 12.8
Li3N의 중량%는 45 내지 50중량%이고, Ca3N2의 중량%는 50 내지 55중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 1150±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 58.0 51.9 51.0 10.5 12.1
2 57.8 52.0 50.4 10.0 12.8
3 57.2 52.9 51.2 7.5 10.5
4 58.2 51.7 50.0 11.2 14.1
5 58.6 51.1 51.1 12.8 12.8
상기 [표 11] 내지 상기 [표 13]을 참조하면, Li3N의 중량%는 45 내지 50중량%이고, Ca3N2의 중량%는 50 내지 55중량%인 촉매를 이용하여 제조된 단결정 입방정 질화붕소는 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%)이 6.6 내지 12.8%이며, 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)이 10.5 내지 14.1%인 것을 알 수 있다.
그리고, 제2 인성치 및 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%)은 온도 조건에 따라 조금씩 차이가 보이긴 하나 대체적으로 비슷한 것을 알 수 있다.
Li3N의 중량%는 50 내지 55중량%이고, Ca3N2의 중량%는 45 내지 50중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 850±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 56.0 49.2 48.0 12.1 14.3
2 56.1 48.5 47.1 13.5 16.0
3 55.8 49.0 46.8 12.2 16.1
4 55.9 49.0 46.2 12.3 17.4
5 55.1 49.3 47.3 10.5 14.2
Li3N의 중량%는 50 내지 55중량%이고, Ca3N2의 중량%는 45 내지 50중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 1000±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 56.0 49.0 48.0 12.5 14.3
2 56.1 48.3 47.1 13.9 16.0
3 55.8 48.7 46.8 12.7 16.1
4 55.9 48.9 46.2 12.5 17.4
5 55.1 49.2 47.3 10.7 14.2
Li3N의 중량%는 50 내지 55중량%이고, Ca3N2의 중량%는 45 내지 50중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 1150±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 56.0 48.8 48.0 12.9 14.3
2 56.1 48.3 47.1 13.9 16.0
3 55.8 48.5 46.8 13.1 16.1
4 55.9 48.6 46.2 13.1 17.4
5 55.1 48.4 47.3 12.2 14.2
상기 [표 14] 내지 상기 [표 16]을 참조하면, Li3N의 중량%는 50 내지 55중량%이고, Ca3N2의 중량%는 45 내지 50중량%인 촉매를 이용하여 제조된 단결정 입방정 질화붕소는 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%)이 10.5 내지 13.9%이며, 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)이 14.2 내지 17.4%인 것을 알 수 있다.
그리고, 제2 인성치 및 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%)은 온도 조건에 따라 조금씩 차이가 보이긴 하나 대체적으로 비슷한 것을 알 수 있다.
Li3N의 중량%는 55 내지 70중량%이고, Ca3N2의 중량%는 55 내지 70중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 850±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 55.2 49.2 48.1 10.9 12.9
2 55.1 48.6 48.1 11.8 12.7
3 54.7 48.4 47.5 11.5 13.2
4 54.1 49.6 47.7 8.3 11.8
5 55.0 49.2 47.1 10.5 14.4
Li3N의 중량%는 55 내지 70중량%이고, Ca3N2의 중량%는 55 내지 70중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 1000±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 55.2 49.0 48.1 11.2 12.9
2 55.1 48.4 48.1 12.2 12.7
3 54.7 48.3 47.5 11.7 13.2
4 54.1 49.5 47.7 8.5 11.8
5 55.0 49.2 47.1 10.5 14.4
Li3N의 중량%는 55 내지 70중량%이고, Ca3N2의 중량%는 55 내지 70중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 1150±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 55.2 48.7 48.1 11.8 12.9
2 55.1 48.1 48.1 12.7 12.7
3 54.7 48.0 47.5 12.2 13.2
4 54.1 49.1 47.7 9.2 11.8
5 55.0 49.0 47.1 10.9 14.4
상기 [표 17] 내지 상기 [표 19]를 참조하면, Li3N의 중량%는 55 내지 70중량%이고, Ca3N2의 중량%는 55 내지 70중량%인 촉매를 이용하여 제조된 단결정 입방정 질화붕소는 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%)이 8.3 내지 12.7%이며, 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)이 11.8 내지 14.4%인 것을 알 수 있다.
그리고, 제2 인성치 및 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%)은 온도 조건에 따라 조금씩 차이가 보이긴 하나 대체적으로 비슷한 것을 알 수 있다.
Li3N의 중량%는 70 내지 90중량%이고, Ca3N2의 중량%는 10 내지 30중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 850±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 54.7 49.0 46.4 10.4 15.2
2 54.5 49.1 47.0 9.9 13.8
3 53.7 49.2 46.8 8.4 12.8
4 53.1 48.9 46.2 7.9 13.0
5 54.6 48.9 47.1 10.4 13.7
Li3N의 중량%는 70 내지 90중량%이고, Ca3N2의 중량%는 10 내지 30중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 1000±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 54.7 48.9 46.4 10.6 15.2
2 54.5 49.0 47.0 10.1 13.8
3 53.7 49.1 46.8 8.6 12.8
4 53.1 48.8 46.2 8.1 13.0
5 54.6 48.2 47.1 11.7 13.7
Li3N의 중량%는 70 내지 90중량%이고, Ca3N2의 중량%는 10 내지 30중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 1150±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 54.7 48.7 46.4 11.0 15.2
2 54.5 48.4 47.0 11.2 13.8
3 53.7 48.1 46.8 10.4 12.8
4 53.1 47.9 46.2 9.8 13.0
5 54.6 47.8 47.1 12.5 13.7
상기 [표 20] 내지 상기 [표 22]를 참조하면, Li3N의 중량%는 70 내지 90중량%이고, Ca3N2의 중량%는 10 내지 30중량%인 촉매를 이용하여 제조된 단결정 입방정 질화붕소는 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%)이 7.9 내지 12.5%이며, 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)이 12.8 내지 15.2%인 것을 알 수 있다.
그리고, 제2 인성치 및 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%)은 온도 조건에 따라 조금씩 차이가 보이긴 하나 대체적으로 비슷한 것을 알 수 있다.
상기 [표 2] 내지 상기 [표 22]를 참조하면, 본 발명에 따른 단결정 입방정 질화붕소(CBN)를 제조하는 과정에서 촉매로 질화리튬(Li3N)과 질화칼슘(Ca3N2)를 포함하는 경우, 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%)은 0 내지 13.9%이며, 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)은 0 내지 17.4%이다.
여기서, 질화리튬(Li3N)의 중량%가 35 내지 40중량%이고, 질화칼슘(Ca3N2)의 중량%가 60 내지 65중량%인 경우(표 2 참조), 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%)은 0 내지 1.2%이며, 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)은 0 내지 4.7%로 가장 작은 비율로 감소하게 된다.
따라서, 질화리튬(Li3N)의 중량%가 35 내지 40중량%이고, 질화칼슘(Ca3N2)의 중량%가 60 내지 65중량%인 경우에 대하여 10회 더 제1 인성치, 제2 인성치, 제3 인성치, 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율 및 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율을 각각 측정하였으며, 그 결과는 다음의 [표 23]과 같다.
Li3N의 중량%는 35 내지 40중량%이고, Ca3N2의 중량%는 60 내지 65중량%인 경우
제2 인성치의 온도조건은 1000±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 61.8 61.6 58.7 0.3 5.0
2 61.9 61.2 59.1 1.1 4.5
3 62.3 60.9 58.8 2.2 5.6
4 62.1 60.7 62.1 2.3 0.0
5 61.4 61.3 61.1 0.2 0.5
6 61.8 61.2 61.0 1.0 1.3
7 62.4 61.3 60.1 1.8 3.7
8 62.8 61.4 60.3 2.2 4.0
9 61.7 61.7 61.7 0.0 0.0
10 61.8 61.7 60.9 0.2 1.5
상기 [표 23]을 참조하면, 본 발명에 따른 단결정 입방정 질화붕소(CBN)를 제조하는 과정에서 촉매로 질화리튬(Li3N)과 질화칼슘(Ca3N2)를 포함하는 경우, 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%)은 0 내지 2.3%이며, 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)은 0 내지 5.6%이다.
다만, 상기 [표 23]의 제2 인성치 및 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%)은 온도조건이 1000±50℃이나, 온도조건이 850±50℃ 또는 온도조건이 1150±50℃인 경우에도 비슷한 양상을 보이게 된다.
여기서, 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 및 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)은 단결정 입방정 질화붕소의 열적안정성을 판단할 수 있는 팩터(factor)로, 감소율이 낮으면 낮을수록 열충격강도가 강하여 열적안정성이 뛰어나다는 것을 의미할 수 있다.
그러므로, 본 발명에 따른 단결정 입방정 질화붕소(CBN)를 제조하는 과정에서 촉매로 질화리튬(Li3N)과 질화칼슘(Ca3N2)를 포함하는 경우, 종래의 입방정 질화붕소보다 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 및 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)이 현저하게 감소하므로, 열적안정성이 뛰어나 연삭, 연마, 절삭재용의 지립(砥粒)으로 사용하는 경우 고온에서의 육방정 질화붕소로의 역변환을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 육방정 질화붕소로의 역변환이 방지되어 연마 효율을 극대화할 수 있다.
종래의 입방정 질화붕소에 대한 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 및 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)에 대해서는 [비교예]에서 설명하기로 한다.
[비교예]
하기의 [표 24]는 앞서 설명한 실시예에서 NH4F와 (NH2)2CO를 포함하는 촉매를 사용하여 단결정 입방정 질화붕소를 제조한 후 120/140 mesh에 대한 제1 인성치, 제2 인성치, 제3 인성치, 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율 및 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율을 각각 5회 측정한 데이터이다.
제2 인성치의 온도조건은 1000±50℃
순번 제1 인성치(%) 제2 인성치(%) 제3 인성치(%) 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%) 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)
1 53.2 41.9 36.4 21.2 31.6
2 53.4 41.0 36.7 23.2 31.3
3 54.0 42.1 37.4 22.0 30.7
4 52.9 40.8 38.1 22.9 28.0
5 52.8 40.1 37.9 24.1 28.2
상기 [표 24]를 참조하면, 본 발명에 따른 단결정 입방정 질화붕소(CBN)를 제조하는 과정에서 촉매로 NH4F와 (NH2)2CO를 포함하는 경우, 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%)은 22 내지 24.1%이며, 제1 인성치 기준 제3 인성치 감소율(%)은 28 내지 31.6%이다.
다만, 상기 [표 24]의 제2 인성치 및 제1 인성치 기준 제2 인성치 감소율(%)은 온도조건이 1000±50℃이나, 온도조건이 850±50℃ 또는 온도조건이 1150±50℃인 경우에도 비슷한 양상을 보이게 된다.
따라서, 종래의 단결정 입방정 질화붕소의 경우 열적안정성이 저하되어 연삭, 연마, 절삭재용의 지립(砥粒)으로 사용하는 경우 고온에서의 육방정 질화붕소로의 역변환이 발생될 가능성이 크게 되며, 이로 인해 연마 효율은 저하될 수 밖에 없다.
또한, 비교에에 따른 단결정 입방정 질화붕소(CBN)의 SEM 사진인 도 7을 참조하면, 비교예는 벽개면(cleavage plane)이 존재하지 아니하여 벽개파괴(cleavage fracture)의 특징을 가질 수 없으며, 매크로 프랙쳐 패턴(Macro fracture pattern)을 가지게 되어 절삭성이 저하되는 동시에 공구의 사용 수명도 단축될 수 밖에 없다.
상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.
10: 벨트장치
210: 반응기
220: 절연튜브
240: 부싱

Claims (15)

  1. 육방정 질화붕소(HBN: Hexagonal boron nitride)와 금속 원소를 포함하는 촉매와의 합성에 의해 제조되며, 아르곤(Ar)분위기 800℃ 내지 1200℃에서 10분 내지 20분간 가열한 경우 제2 인성치(Second Toughness index)가 아르곤(Ar)분위기 15℃ 내지 25℃에서 10분 내지 20분 간 가열한 경우의 제1 인성치(First Toughness index)를 기준으로 0 내지 13.9% 범위 내에서 감소하며,
    상기 촉매는 질화리튬(Li3N)과 질화칼슘(Ca3N2)를 포함하고, 상기 질화칼슘(Ca3N2)을 기준으로 한 상기 질화리튬(Li3N)의 중량비는, 7/13 내지 2/3의 범위이고,
    마이크로 프랙쳐 패턴(Micro fracture pattern)으로 형성되는 벽개면을 구비하여 결정방향을 따라 파쇄되는 벽개파괴(Cleavage fracture)의 특징을 가지되,
    상기 벽개면 및 상기 벽개면과 이웃하는 벽개면의 끝단 간의 간격은 60㎚ 내지 4000㎚ 범위 내이고, 파쇄 시 60㎚ 내지 4000㎚의 간격을 가진 조직으로 파쇄되는 것을 특징으로 하는 단결정 입방정 질화붕소.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 인성치는,
    상기 제1 인성치를 기준으로 0 내지 2.3% 범위 내에서 감소하는 것을 특징으로 하는 단결정 입방정 질화붕소
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 인성치는,
    상기 제1 인성치를 기준으로 0 내지 1.2% 범위 내에서 감소하는 것을 특징으로 하는 단결정 입방정 질화붕소
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 인성치 및 상기 제2 인성치는,
    상기 단결정 입방정 질화붕소의 사이즈(size)가 120 또는 140 mesh 경우에 산출되는 인성치인 것을 특징으로 하는 단결정 입방정 질화붕소.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 육방정 질화붕소(HBN: Hexagonal boron nitride)와 금속 원소를 포함하는 촉매와의 합성에 의해 제조되며, 아르곤(Ar)분위기 800℃ 내지 1200℃에서 10분 내지 20분간 가열한 경우 제2 인성치(Second Toughness index)가 아르곤(Ar)분위기 15℃ 내지 25℃에서 10분 내지 20분 간 가열한 경우의 제1 인성치(First Toughness index)를 기준으로 0 내지 13.9% 범위 내에서 감소하며,
    아르곤(Ar)분위기 1100℃ 내지 1200℃ 에서 10분 내지 20분간 가열한 경우의 제3 인성치(Third Toughness index)는, 상기 제1 인성치(First Toughness index)를 기준으로 0 내지 17.4% 범위 내에서 감소하고,
    상기 촉매는 질화리튬(Li3N)과 질화칼슘(Ca3N2)를 포함하고, 상기 질화칼슘(Ca3N2)을 기준으로 한 상기 질화리튬(Li3N)의 중량비는, 7/13 내지 2/3의 범위이고,
    마이크로 프랙쳐 패턴(Micro fracture pattern)으로 형성되는 벽개면을 구비하여 결정방향을 따라 파쇄되는 벽개파괴(Cleavage fracture)의 특징을 가지되,
    상기 벽개면 및 상기 벽개면과 이웃하는 벽개면의 끝단 간의 간격은 60㎚ 내지 4000㎚ 범위 내이고, 파쇄 시 60㎚ 내지 4000㎚의 간격을 가진 조직으로 파쇄되는 것을 특징으로 하는 단결정 입방정 질화붕소.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3 인성치는,
    상기 제1 인성치(First Toughness index)를 기준으로 0 내지 5.6% 범위 내에서 감소하는 것을 특징으로 하는 단결정 입방정 질화붕소.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제3 인성치는,
    상기 제1 인성치(First Toughness index)를 기준으로 0 내지 4.7% 범위 내에서 감소하는 것을 특징으로 하는 단결정 입방정 질화붕소.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 육방정 질화붕소(HBN: Hexagonal boron nitride)의 입도를 선별하고, 선별된 육방정 질화붕소의 내부에 잔존하는 산소를 제거하여 환원되도록 상기 선별된 육방정 질화붕소를 질소분위기에서 가열하여 건조시킨 후 금속 원소를 포함하는 촉매와 혼합하여 원료물질을 제조하는 전처리 단계;
    상기 원료물질을 성형몰드에 투입하여 40ton 내지 450ton의 압력으로 가압하는 성형 단계;
    상기 성형이 완료된 원료물질을 반응기에 투입하고, 상기 촉매를 용융시켜 상기 원료물질이 입방정 질화붕소(CBN: Cubic boron nitride)로 변화되도록 고압에서 가열하는 합성 단계; 및
    상기 합성 단계 완료 후 잔존하는 육방정 질화붕소를 선택적으로 용해시키도록 산으로 세정하는 산처리 단계;를 포함하되,
    상기 전처리 단계는,상기 선별된 육방정 질화붕소를 질소 소결로(Nitrogen sintering furnace)에 투입한 후 50℃ 내지 200℃의 온도 범위에서 가열하는 단계를 포함하고,
    상기 촉매는 질화리튬(Li3N)과 질화칼슘(Ca3N2)를 포함하고, 상기 질화칼슘(Ca3N2)을 기준으로 한 상기 질화리튬(Li3N)의 중량비는, 7/13 내지 2/3의 범위이고,
    마이크로 프랙쳐 패턴(Micro fracture pattern)으로 형성되는 벽개면을 구비하여 결정방향을 따라 파쇄되는 벽개파괴(Cleavage fracture)의 특징을 가지되,
    상기 벽개면 및 상기 벽개면과 이웃하는 벽개면의 끝단 간의 간격은 60㎚ 내지 4000㎚ 범위 내이고, 파쇄 시 60㎚ 내지 4000㎚의 간격을 가진 조직으로 파쇄되는 것을 특징으로 하는 단결정 입방정 질화붕소 제조방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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