KR101766985B1

KR101766985B1 - 입방정 질화붕소 소결체 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101766985B1
Application number: KR1020157011253A
Authority: KR
Inventors: 요시아키 소라이; 가츠미 오카무라; 도모히로 후카야
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2017-08-09
Also published as: US9487449B2; US20150291478A1; JP2014084268A; EP2913317B1; KR20150060970A; EP2913317A4; CN104768898A; EP2913317A1; CN104768898B; WO2014065131A1; JP5988430B2

Abstract

입방정 질화붕소와 결합재와 금속의 촉매 원소를 구비하는 입방정 질화붕소 소결체로서, 입방정 질화붕소의 함유율이 50 체적% 이상 85 체적% 이하이고, 촉매의 함유율이 0.5 질량% 이상 5 질량% 이하이다. 또한, 입방정 질화붕소 소결체의 조직의 8 ㎛×8 ㎛의 영역을 주사형 투과 전자 현미경으로 관찰하여 얻어진 화상을 4행 4열의 부분 영역으로 분할하는 선분 상에서 조성 분석을 행하고, 선분 상의 임의의 측정점에서의 질소의 검출 피크값과 붕소의 검출 피크값의 합계값을 산출하며, 상기 합계값이 합계값의 전체 측정점에서의 최대값의 절반 이하인 측정점을 결합부 측정점이라고 결정하고, 결합부 측정점의 총수에 대한, 결합부 측정점 중 촉매 원소가 검출되지 않은 측정점수의 비율이 30% 이하이다.

Description

입방정 질화붕소 소결체 및 그 제조 방법{CUBIC BORON NITRIDE SINTERED BODY, AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은 입방정 질화붕소 소결체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 결합재 및 촉매를 포함하는 입방정 질화붕소 소결체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

입방정 질화붕소(이하, 「cBN」이라고 지칭함) 소결체는, 다이아몬드에 이은 경도를 가지며, 철계 재료와 반응하지 않는다고 하는 특징이 있기 때문에, 종래부터 철계 재료의 절삭 공구로서 이용되고 있다(예컨대, 일본 특허 공개 제2011-207690호 공보).

cBN 입자(분말)를 단독으로 직접 소결하는 것은 매우 곤란하기 때문에, 일반적으로 절삭 공구로서 이용되고 있는 cBN 소결체는, TiC나 TiN 등의 세라믹스를 바인더로서 이용하여 cBN의 분말을 초고압하에서 소결하여 제조되고 있다.

또한, 종래의 cBN 소결체는, 내결손성의 향상을 목적으로 하여, 코발트(Co), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 및 몰리브덴(Mo)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종이 촉매 원소로서 포함되어 있는 경우가 있다. 이때, 촉매 원소는, cBN 소결체의 인성(靭性)을 향상시켜 내결손성을 향상시킬 목적으로 첨가되는데, 금속 원소이기 때문에, 연성(延性)을 갖고 있다. 그러나, 그 연성에 의해, 촉매 원소를 cBN 분말과 함께 분쇄 혼합하는 것은 곤란하였다.

그래서, 종래의 cBN 소결체는, 탄화물이나 질화물과 같은 화합물 상태의 촉매 원소를 이용함으로써, 분말형의 촉매 원소를 준비하고, 상기 촉매 원소의 분말과 cBN 분말의 혼합물을 소결함으로써 제작되고 있다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2011-207690호 공보

그러나, 종래의 cBN 소결체에 있어서, 전술한 바와 같이 촉매 원소는 분말로서 cBN 분말과 혼합(이하, 「분말 혼합」이라고도 말함)되기 때문에, 얻어진 cBN 소결체에 있어서 촉매 원소가 균일하게 분산되어 있지 않은 경우가 있었다. 또한, 촉매 원소는 cBN과 비교해서 경도가 낮아, 다량으로 이용하면 내마모성을 악화시키는 원인이 되는 것이 알려져 있다. 그 때문에, 내마모성 등의 관점에서, 촉매 원소의 첨가량을 낮게 억제할 필요가 있는 경우에 있어서, 촉매 원소에 의한 cBN 소결체의 내결손성 향상 효과를 충분히 얻을 수 없었다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것이다. 본 발명의 주된 목적은, 촉매 원소의 첨가량을 낮게 억제하면서, 내결손성을 향상시킬 수 있는 입방정 질화붕소 소결체 및 그 제조법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 입방정 질화붕소 소결체는, 입방정 질화붕소와 결합재와 금속의 촉매 원소를 구비하는 입방정 질화붕소 소결체로서, 입방정 질화붕소의 함유율이 50 체적% 이상 85 체적% 이하이고, 촉매 원소의 함유율이 0.5 질량% 이상 5 질량% 이하이다. 또한, 결합재는, 주기율표 제4a족 원소, 제5a족 원소, 제6a족 원소의 질화물, 탄화물, 붕화물, 산화물 및 이들의 고용체로 이루어지는 군 중에서 선택된 적어도 1종과, 알루미늄 화합물을 포함한다.

이에 의해, 입방정 질화붕소 소결체에 있어서, 결합재 내에 촉매 원소를 분산시킬 수 있기 때문에, 입방정 질화붕소 소결체의 내결손성을 향상시킬 수 있다.

상기 촉매 원소는, 코발트(Co), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 및 몰리브덴(Mo)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소로 이루어져도 좋다.

본 발명의 상기 입방정 질화붕소 소결체의 조직의 8 ㎛×8 ㎛의 영역을 주사형 투과 전자 현미경으로 관찰하여 얻어진 화상을 4행 4열의 부분 영역으로 분할하는 선분 상에서 조성 분석을 행하고, 선분 상의 임의의 측정점에서의 질소(N)의 검출 피크값과 붕소(B)의 검출 피크값의 합계값을 산출하며, 상기 합계값이, 합계값의 전체 측정점에서의 최대값의 절반 이하인 측정점을 결합부 측정점이라고 결정하고, 결합부 측정점의 총수에 대한, 결합부 측정점 중 촉매 원소가 검출되지 않은 측정점수의 비율을 30% 이하로 할 수 있다.

상기 입방정 질화붕소 소결체의 항절력은, 입방정 질화붕소의 함유율이 70 체적% 이상 80 체적% 이하일 때, 125 kgf/㎟ 초과로 할 수 있다.

본 발명에 따른 입방정 질화붕소 소결체의 제조 방법은, 입방정 질화붕소의 분말을 준비하는 공정과, 분말의 표면에 금속의 촉매 원소를 부착시켜, 촉매가 부착된 분말을 제작하는 공정과, 촉매가 부착된 분말과 결합재를 혼합하는 공정과, 촉매가 부착된 분말과 결합재의 혼합물을 소결하는 공정을 포함한다.

이에 의해, 결합재 내에 촉매 원소가 분산되어, 내결손성이 우수한 입방정 질화붕소 소결체를 제작할 수 있다.

상기 촉매가 부착된 분말을 제작하는 공정은, 분말의 표면을 물리 증착법에 의해 촉매 원소를 포함하는 막으로 피복하는 공정을 포함해도 좋다.

본 발명에 의하면, 촉매 원소의 첨가량을 낮게 억제하면서, 내결손성을 향상시킬 수 있는 입방정 질화붕소 소결체 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 실시형태에 따른 cBN 소결체에 있어서, 결합재 내의 촉매 원소의 분산을 평가하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 실시형태에 따른 cBN 소결체의 제조 방법의 흐름을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서의 실험 1의 시험 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에서의 실시예 시료의 조직 이미지이다.
도 5는 도 4의 선 V 상을 조성 분석했을 때의 특성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에서의 비교예 시료의 조직 이미지이다.
도 7은 도 6의 선 VII 상을 조성 분석했을 때의 특성도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해 설명한다.

본 실시형태에 따른 cBN 소결체는, cBN과, 결합재와, Co 및 Cr로 이루어지는 촉매 원소를 구비한다. cBN 소결체에서의 cBN의 함유율은 80 체적%이다. 또한, 결합재는, 주기율표 제4a족 원소, 제5a족 원소, 제6a족 원소의 질화물, 탄화물, 붕화물, 산화물 및 이들의 고용체로 이루어지는 군 중에서 선택된 적어도 1종과, 알루미늄 화합물을 포함한다. 본 실시형태에 따른 cBN 소결체에 있어서, 결합재는 Ti, N 및 Al로 이루어진다. 본 실시형태에 따른 cBN 소결체에서의 결합재의 함유율은 20 체적%이고, Co 및 Cr로 이루어지는 촉매 원소의 함유율은 합계로 3 질량%이다.

이때, 본 실시형태에 따른 cBN 소결체에 있어서, Co 및 Cr은 결합재 내에서 분산되어 있다. 즉, cBN 결정 입자끼리는 Ti, N 및 Al로 이루어지는 결합재를 통해 결합되어 있고, Co 및 Cr은 상기 결합재 내에 있어서, 국재(局在)하지 않고 분산되어 존재하고 있다.

이에 대해서는, 본 실시형태에 따른 입방정 질화붕소 소결체의 조직을 주사형 투과 전자 현미경으로 관찰하여 얻어진 화상에 있어서 선 분석을 행함으로써 확인할 수 있다. 도 1을 참조하여, 구체적으로는, 입방정 질화붕소 소결체의 8 ㎛×8 ㎛의 영역을 주사형 투과 전자 현미경으로 관찰하여 얻어진 화상을 4행 4열의 부분 영역으로 분할하는(16등분할함) 선분 상에서 EDX 등의 조성 분석을 행한다. 얻어진 스펙트럼에 있어서, 질소(N)의 검출 피크값과 붕소(B)의 검출 피크값의 합계값이, 합계값의 전체 측정점에서의 최대값의 절반 이하인 측정점을 결합부 측정점이라고 결정한다. 즉, N의 검출 피크값과 B의 검출 피크값의 합계값이, 그 전체 측정점 중의 최대값에 대해 절반보다 큰 영역을 cBN이 존재하는 cBN 측정점이라고 결정하고, 그 전체 측정점 중의 최대값에 대해 절반 이하인 영역을 Ti, N 및 Al로 이루어지는 결합재가 배치된 결합부 측정점이라고 결정한다.

이때, 본 실시형태에 따른 입방정 질화붕소 소결체는, 결합부 측정점이라고 결정된 측정점의 총수에 대한, Co 및 Cr 중 어느 것도 검출되지 않은 측정점수의 비율이 30% 이하이다. 후술하는 실시예에 있어서, CoCr을 RF 스퍼터링 PVD법에 의해 피복한 cBN 분말과 결합재 분말(TiN과 Al을 혼합한 분말)을 혼합, 소결하여 얻어진 cBN 함유율 80 체적% 또한 Co와 Cr의 합계 함유율 3 질량%의 cBN 소결체는, 상기 비율이 23.6%였다. 한편, 후술하는 비교예에 있어서, cBN 분말과 결합재 분말과 촉매 원소의 분말을 혼합하고, 소결하여 얻어진 cBN 함유율 80 체적% 또한 Co와 Cr의 합계 함유율 3 질량%의 cBN 소결체는, 상기 비율이 38.4%였다. 이와 같이, 실시예의 cBN 소결체에서의 촉매 원소는 비교예와 비교해서, 결합재 내에 보다 균일하게 분산되어 있다.

즉, 본 실시형태에 따른 cBN 소결체는 촉매 원소인 Co 및 Cr이 결합재 내에 분산되어 있기 때문에, 상기 cBN 소결체 내의 cBN은, Co 및 Cr과 보다 넓은 영역에서 접촉할 수 있다. 한편, 종래의 cBN 소결체는, 분말 혼합에 의해 촉매 원소가 분말로서 cBN에 첨가되어 제작되기 때문에, cBN 소결체의 결합재 내에 있어서 촉매 원소가 편재한다. 그 때문에, 종래의 cBN 소결체에서는, 촉매 원소의 함유율을 증대시키지 않으면, cBN과 촉매 원소를 충분히 접촉시킬 수 없었다.

이와 같이, 본 실시형태에 따른 cBN 소결체는, cBN과 촉매 원소를 넓은 영역에서 균일하게 접촉시킬 수 있기 때문에, 촉매 원소의 첨가량을 5 질량% 이하로 억제하면서, 촉매 원소에 의한 효과로서 내결손성을 향상시킬 수 있다.

본 실시형태에 따른 cBN 소결체는, 전술한 바와 같이, 촉매 원소 Co 및 Cr이 결합재 내에 보다 균일하게 분산되어 있기 때문에, 후술하는 실시예로부터, 촉매 원소의 함유율이 1.5 질량% 및 5 질량%일 때에 항절력이 115 kgf/㎟ 이상인 것을 확인할 수 있었다. 특히, 후술하는 실시예로부터, cBN의 함유율이 70 체적% 이상 80 체적% 이하인 cBN 소결체는, 촉매 원소의 함유율이 0.5 질량% 및 5 질량%일 때에 항절력이 125 kgf/㎟를 넘는 것을 확인할 수 있었다.

본 실시형태에 따른 cBN 소결체는, 상기 항절력에 더하여 인성도 우수하다. 본원 발명자는, 인성의 평가로서 cBN 소결체를 이용한 공구에 의해, JIS G4404에 규정하는 강종(鋼種) SKD11-6V, 경도 HRC64, 직경 100 ㎜×길이 300 ㎜, 표면 상에 있어서 축 방향으로 V홈이 6개 형성된 피삭재를, 절삭 속도 100 m/min, 이송량 0.2 ㎜/rev, 절입 0.15 ㎜라고 하는 조건으로 단속 절삭했을 때에, cBN 소결체가 결손되기까지의 시간을 평가하였다. 후술하는 실시예로부터, 본 실시형태에 따른 cBN 소결체는, 촉매 원소를 같은 정도 함유한 종래의 cBN 소결체와 비교해서, 결손되기까지의 시간이 5% 이상 길다. 즉, 본 실시형태에 따른 cBN 소결체는, 종래의 cBN 소결체와 비교해서, 항절력과 인성이 우수하며, 내결손성이 우수하다.

다음으로, 도 2를 참조하여, 본 실시형태에 따른 cBN 소결체의 제조 방법에 대해 설명한다. 본 실시형태에 따른 cBN 소결체의 제조 방법은, cBN의 분말을 준비하는 공정(S01)과, cBN 분말의 표면에 촉매 원소를 부착시켜, 촉매가 부착된 분말을 제작하는 공정(S02)과, 촉매가 부착된 cBN 분말과 결합재를 혼합하는 공정(S03)과, 촉매가 부착된 cBN 분말과 결합재의 혼합물을 소결하는 공정(S04)을 포함한다.

먼저, 공정(S01)에서는, 평균 입자 직경이 0.5 ㎛ 이상 5.0 ㎛ 이하 정도인 cBN 분말을 준비한다.

다음으로, 공정(S02)에 있어서, 앞선 공정(S01)에서 준비한 cBN 분말의 표면에, 촉매 원소인 Co 및 Cr을 RF 스퍼터링 PVD법에 의해 부착시킨다. 구체적으로는, Co와 Cr이 조성비 1:1로 합금화한 고체 금속 재료(타겟)를 이용하여, CoCr(50:50)로 피복된 cBN 분말을 제작한다. 스퍼터링 PVD에 의한 성막(成膜) 조건은, 스퍼터링 시간과 피복량과의 검량선에 기초하여, 정해진 피복량이 되도록 결정하면 된다. 본 실시형태에서는, cBN 소결체에 있어서 Co 및 Cr의 함유율이 3 질량%가 되는 것과 같은 조건으로, Co 및 Cr은 cBN 분말의 표면에 성막된다.

다음으로, 공정(S03)에서, 앞선 공정(S02)에서 제작한, CoCr(50:50)로 피복된 cBN 분말과 결합재를 혼합한다. 이때, 결합재는, TiN과 Al의 혼합 분말을 진공 중에 있어서 온도 1200℃에서 30분간 열처리함으로써 얻어진 화합물을, 유성(遊星) 볼밀을 이용하여 분쇄, 혼합한 분말로서 준비한다. 촉매가 부착된 cBN 분말과 결합재 분말의 배합율은, 제작하는 cBN 소결체에 있어서 정해진 cBN 함유율이 되도록 결정되는데, 본 실시형태에서는, cBN 함유율이 80 체적%가 되도록 배합한다. 촉매가 부착된 cBN 분말 및 결합재 분말을 배합한 후, 내벽이 테플론(등록 상표)제(製)인 포트와 Si₃N₄제 볼을 이용한 유성 볼밀에 의해, 이들을 균일하게 혼합한다. 또한, 혼합된 촉매가 부착된 cBN 분말 및 결합재 분말은, 진공로(眞空爐)에 있어서, 온도 900℃에서 20분간 유지됨으로써, 탈(脫)가스된다.

다음으로, 공정(S04)에서, 앞선 공정(S03)에서 얻어진 CoCr(50:50)로 피복된 cBN 분말 및 결합재 분말의 혼합 분말을 Mo제 캡슐에 충전 후, 초고압 장치를 이용하여 압력 5.8 ㎬, 온도 1400℃에서 20분간 유지하여, 소결한다. 이에 의해, 본 실시형태에 따른 cBN 소결체를 제작할 수 있다.

이상과 같이, 본 실시형태에 따른 cBN 소결체는, 표면을 촉매 원소로 피복한 cBN 분말과 결합재를 혼합하고, 소결함으로써 제작된다. 이에 의해, cBN 소결체에 있어서, 촉매 원소는 결합재 내에 분산되어 포함될 수 있다. 이 결과, 본 실시형태에 따른 cBN 소결체는, 첨가된 촉매 원소 중 cBN과 접촉하는 촉매 원소의 비율이 높기 때문에, 촉매 원소의 함유율이 5 질량% 이하로 낮음에도 불구하고, 우수한 내결손성을 가질 수 있다.

본 실시형태의 cBN 소결체는 cBN의 함유율이 80 체적%였으나, 이것으로 한정되지 않으며, 50 체적% 이상 85 체적% 이하의 범위에서 임의로 결정할 수 있다. 후술하는 실시예로부터, cBN의 함유율을 60 체적% 이상 90 체적% 이하로 한 cBN 소결체는, 항절력 및 인성 모두 종래의 분말 혼합에 의해 제작된 cBN 소결체보다 우수하였다. 그러나, cBN 함유율이 50 체적% 이상이어도, 동일한 특성을 갖는 cBN 소결체를 얻을 수 있다고 생각된다.

또한, 본 실시형태에 따른 cBN 소결체는, 촉매 원소로서, Co 및 Cr을 포함하고 있으나, 이것으로 한정되지는 않는다. 촉매 원소로서, Co, Cr, Ni, Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소로 이루어져도 좋다. 이렇게 해도, 상기 촉매 원소가 첨가된 cBN 소결체는 우수한 내결손성을 가질 수 있다.

또한, 본 실시형태에 따른 cBN 소결체에 있어서, 촉매 원소는 3 질량% 첨가되어 있으나, 이것으로 한정되지는 않는다. cBN 소결체 내에 포함되는 촉매 원소는, 0.5 질량% 이상 5 질량% 이하이면 임의의 첨가량으로 해도 좋다. 후술하는 실시예로부터, Co 및 Cr이 합계로 1.5 질량% 첨가된 cBN 소결체, 및 5 질량% 첨가된 cBN 소결체는, 인성 및 항절력이 종래의 cBN 소결체보다 우수한 것을 확인할 수 있었다. 촉매 원소의 첨가량이 0.5 질량% 이상 5 질량% 이하이면, 동일한 특성을 갖는 입방정 질화붕소 복합 다결정체를 얻을 수 있다고 생각된다.

또한, 본 실시형태에 따른 cBN 소결체에 있어서, 결합재는 TiN과 Al의 혼합 분말로부터 준비되었으나, 이것으로 한정되지는 않는다. 전술한 바와 같이, 결합재는, 주기율표 제4a족 원소, 제5a족 원소, 제6a족 원소의 질화물, 탄화물, 붕화물, 산화물 및 이들의 고용체로 이루어지는 군 중에서 선택된 적어도 1종과, 알루미늄 화합물을 포함하는 세라믹스계 결합재이면, 임의의 조성으로 할 수 있다. 예컨대, Ti(CN)과 Al의 혼합 분말로부터 준비되어도 좋다.

또한, 본 실시형태에 따른 cBN 소결체의 제조 방법에 있어서, 공정(S02)에서 촉매 원소를 cBN 분말의 표면에 피복하는 방법은, 스퍼터링 PVD법을 이용하였으나, 이것으로 한정되지는 않는다. 예컨대, 도금법 등을 이용해도 좋다. 이렇게 해도, cBN 분말의 표면에 촉매 원소를 피복할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 따른 cBN 소결체의 제조 방법에 있어서, 공정(S04)에서의 초고압 장치를 이용한 소결 조건은, 전술한 조건에 한정되는 것은 아니다. cBN이 소결 가능한 조건이면, 임의의 조건을 선택할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.

실시예 1

본 발명의 실시형태에 따른 cBN 소결체로서, cBN 소결체 내의 cBN 함유율이 60 체적%∼90 체적%이며, 촉매 원소(CrCo)의 함유율이 1.5 질량% 및 5 질량%인 14종의 cBN 소결체를 제작하고, 그 항절력 및 인성을 평가하였다.

(실시예 시료)

먼저, 본 실시형태에 따른 cBN 소결체의 제조 방법에 따라, 공정(S01)에서 평균 입자 직경이 1.2 ㎛ 정도인 cBN 분말을 준비하고, 공정(S02)에서 상기 cBN 분말의 표면을 스퍼터링 PVD법에 의해 CoCr(50:50)로 피복하였다. 이때, cBN 소결체에 있어서 CoCr이 합계로 1.5 질량% 및 5 질량%가 되도록 2가지의 스퍼터링 조건으로 성막을 행하여, 2가지의 촉매가 부착된 cBN 분말을 제작하였다. 공정(S03)에 있어서, 전술한 바와 같이 TiN과 Al의 혼합물을 열처리하여 얻어진 화합물을 분쇄 혼합하여 결합재 분말을 제작하고, 상기 결합재 분말과 2가지의 촉매가 부착된 cBN 분말을 혼합하여, 혼합물을 제작하였다. 이때, cBN 소결체에 있어서 cBN 함유율이 60 체적%, 65 체적%, 70 체적%, 75 체적%, 80 체적%, 85 체적%, 90 체적%가 되도록 배합하였다. 즉, 공정(S03)에서는 14가지의 혼합물을 제작하였다. 상기 14가지의 혼합물을 공정(S04)에 있어서, 압력 5.8 ㎬, 온도 1400℃에서 20분간 유지해서 소결하여, 14가지의 cBN 소결체를 제작하였다.

(비교예 시료)

먼저, 평균 입자 직경이 1.2 ㎛ 정도인 cBN 분말과, 촉매 원소로서, 평균 입자 직경이 0.5 ㎛인 Co와 Cr의 탄화물 분말을 1:1의 중량비로 준비하였다. 결합재는 TiN과 Al의 혼합물을 열처리하여 얻어진 화합물을 분쇄 혼합하여 얻어진 분말로서 준비하고, cBN 분말과 촉매 원소 분말과 결합재 분말의 혼합물을, 실시예 시료와 동일한 배합율로 14가지 제작하며, 이들을 압력 5.8 ㎬, 온도 1400℃에서 20분간 유지해서 소결하여, 14가지의 cBN 소결체를 제작하였다. 금속 원소는, 연성이나 전성(展性)을 갖기 때문에, 현재의 기술로는 나노 레벨로 분쇄하는 것은 매우 곤란하다. 그 때문에, 탄화물, 질화물, 탄질화물, 산화물 등의 화합물로 함으로써 연성이나 전성을 없애고, 미분쇄함으로써, 결합재 내에 첨가하는 방법이 이용되고 있다. 그러나, 화합물에서는 촉매 기능을 갖지 않는다. 그 때문에, 본 발명은, 전술한 바와 같은 cBN 분말을 금속의 촉매 원소로 피복하는 피복법을 이용하고 있다. 금속 원소를 미분쇄할 수 있으면, 얻어진 미립 금속을 cBN 분말에 첨가하여, 혼합함으로써 본 발명과 동등한 효과를 얻을 수 있다.

한편, 실시예 시료 및 비교예 시료의 cBN 소결체에서의 촉매 원소의 함유율은, ICP법에 의해 측정하였다.

(실험 1)

도 3을 참조하여, 실험 1로서, 실시예 평가 시료와 비교예 평가 시료의 항절력을 평가하였다. 구체적으로는, cBN 소결체를 길이 6 ㎜, 폭 3 ㎜, 두께 0.5 ㎜의 사각 형상의 시험편(10)으로 하고, 상기 시험편(10)을, 간격(L)을 4 ㎜로 하여 배치된 2지주(支柱; 11) 상에 배치하였다. 이 지주(11) 사이의 중앙의 한 점에 부하(N)를 가하여, cBN 소결체의 시험편(10)이 꺾여 파손되었을 때의 부하(N)를 항절력으로서 측정하였다. 한편, 지주(11)는 직경 2 ㎜로 하였다. 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

(실험 1 결과)

표 1을 참조하여, 실시예 시료는, cBN 함유율이 60 체적%∼90 체적%의 범위에 있어서, 항절력이 115 kgf/㎟ 이상이었다. 또한, 실시예 시료는, cBN 함유율이 같은 정도이며, 촉매 원소를 같은 정도 첨가한 비교예 시료와 비교해서, 높은 항절력을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 촉매 원소를 1.5 질량% 첨가한 실시예 시료는, cBN 함유율이 같은 정도이고 촉매 원소를 5 질량% 첨가한 비교예 시료와 비교해도, 항절력이 높았다. 또한, cBN 함유율이 70 체적% 이상 80 체적% 이하이면, 항절력은 125 kgf/㎟를 넘고 있으며, 비교예 시료와 비교해서, 특히 높은 항절력을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

(실험 2)

실험 2로서, 실시예 평가 시료와 비교예 평가 시료의 인성을 평가하였다. 구체적으로는, cBN 소결체를 이용한 공구를 이용하여, 강종 SKD11-6V, 경도 HRC64, 직경 100 ㎜×길이 300 ㎜, 표면 상에 있어서 축 방향으로 V홈이 6개 형성된 피삭재를, 절삭 속도 100 m/min, 이송량 0.2 ㎜/rev, 절입 0.15 ㎜라고 하는 조건으로 단속 절삭하여, cBN 소결체가 결손되기까지의 시간을 평가하였다. 측정 결과를 표 2에 나타낸다.

(실험 2 결과)

표 2를 참조하여, 실시예 시료는, 결손되기까지의 시간이 1.5분 이상이었다. 또한, 실시예 시료는, cBN 함유율이 같은 정도이며, 촉매 원소를 같은 정도 첨가한 비교예 시료와 비교해서, 결손에 이르기까지의 시간이 5% 이상 길어, 인성이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 촉매 원소를 1.5 질량% 첨가한 실시예 시료는, cBN 함유율이 같은 정도이고 촉매 원소를 5 질량% 첨가한 비교예 시료와 비교해도, 결손에 이르기까지의 시간이 길어, 인성이 우수한 것을 확인할 수 있었다.

이상 실험 1 및 실험 2의 결과로부터, 본 발명에 따른 실시예 시료는, cBN 함유율이 같은 정도인 비교예 시료와 비교해서, 촉매 원소의 함유율이 5 질량% 이하로 낮은 경우라도, 우수한 항절력 및 인성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

실시예 2

주사형 투과 전자 현미경(STEM)을 이용하여, 본 발명의 실시형태에 따른 cBN 소결체에서의 결합재 및 촉매 원소의 변동 정도를 관찰하였다. 또한, cBN 소결체의 8 ㎛×8 ㎛의 영역의 화상을 취득하고, 상기 화상을 4행 4열의 부분 영역으로 분할하는 선분 상에서 조성 분석을 행하여, 결합재 내에서의 촉매 원소의 분산 정도를 평가하였다.

(실시예 시료)

전술한 실시예 1에서의 실시예 시료 중, cBN 함유율 80 체적%, 촉매 원소(Co, Cr) 1.5 질량%의 cBN 소결체를, 실시예 2의 실시예 시료로 하였다.

(비교예 시료)

먼저, 평균 입자 직경이 1.2 ㎛ 정도인 cBN 분말과, 촉매 원소로서, 평균 입자 직경이 0.5 ㎛인 Ni와 Mo의 탄화물 분말을 1:1의 중량비로 준비하였다. 결합재는 TiN과 Al의 혼합물을 열처리하여 얻어진 화합물을 분쇄 혼합하여 얻어진 분말로서 준비하였다. cBN 소결체에서의 cBN 함유율이 80 체적%, Ni 및 Mo의 함유율이 1.5 질량%가 되도록, cBN 분말과 촉매 원소 분말과 결합재 분말의 혼합물을 제작하였다. 상기 혼합물을 압력 5.8 ㎬, 온도 1400℃에서 20분간 유지해서 소결하여, cBN 소결체를 제작하였다.

(실험 3)

먼저, 전술한 바와 같이, STEM에 의해 cBN 소결체 내의 결합재 및 촉매 원소의 변동 정도를 관찰하였다. 또한, STEM에 의해, cBN 소결체의 8 ㎛×8 ㎛의 영역의 화상을 취득하고, 상기 화상을 4행 4열의 부분 영역으로 분할하는 각 선분 상에서 EDX에 의한 조성 분석을 행하여, 결합재 내에서의 촉매 원소의 분산 정도를 평가하였다. 한편, 조성 분석은, 니혼 덴시 제조 JEM-2100F를 이용하고, 빔 스폿 사이즈를 0.4 ㎚로 하여 행하였다. 조성 분석의 결과에 기초한 결합재 내에서의 촉매 원소의 분산 평가는, 이하의 방법으로 행하였다.

먼저, 전체 측정점 중에서의 B의 검출 피크값(피크 강도)과 N의 검출 피크값의 합계값의 최대값을 구하고, B의 검출 피크와 N의 검출 피크의 합계값이 상기 최대값의 절반 이하인 측정점을 결합부 측정점이라고 결정하며, 그 측정점의 총수를 구하였다.

다음으로, 결합부 측정점에 있어서, 촉매 원소의 검출 피크값이 0이고, 촉매 원소가 검출되지 않은 측정점의 총수를 구하여, 결합부 측정점의 총수에 대한 비율을 산출하였다. 즉, 상기 비율이 작을수록, 결합재 내에 촉매 원소가 분산되어 있다. 본 실시예에 있어서, 실시예 시료 및 비교예 시료에는, 촉매 원소로서 Co와 Cr이 각각 2종 첨가되어 있으나, 촉매 원소가 2종 동시에는 검출되지 않은 측정점을, 촉매 원소가 검출되지 않은 측정점으로 하여 그 총수를 구하였다. 이것은, Co와 Cr(또는 Ni와 Mo)은 cBN에 대해 상이한 작용 효과를 나타내기 때문에, Co와 Cr(또는 Ni와 Mo)이 각각 동시에 작용함으로써 우수한 내결손성을 얻을 수 있기 때문이다. 구체적으로는, Co는 cBN에서의 B에 작용하고, Cr은 cBN에서의 N에 작용한다고 생각된다.

한편, STEM 관찰 및 조성 분석은 니혼 덴시 제조 JEM-2100F를 이용하여 행하였다.

(실험 3 결과)

도 4와 도 6에, 각각 실시예 시료와 비교예 시료의 8 ㎛×8 ㎛의 영역을 STEM 고각도 산란 암시야(HAADF)법으로 관찰했을 때의 이미지를 나타낸다. 또한, 도 4와 도 6 중에 나타내는 하나의 선분 상에서 조성 분석하여 얻어진 스펙트럼을, 각각 도 5와 도 7에 나타낸다. 도 4 및 도 6은 HAADF 이미지이기 때문에, cBN을 구성하는 B나 C는 어둡고, 촉매 원소나 결합재를 구성하는 Co, Cr, Ti 등은 밝게 관찰되고 있다. 이것은 도 5와 도 7에 나타내는 스펙트럼과도 일치하고 있었다. 이에 의해, 실시예 시료는, 비교예 시료와 비교해서 결합재 및 촉매 원소가 cBN의 주위에 보다 균일하게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 도 4와 도 6에 나타내는 이미지를 4행 4열의 부분 영역으로 분할하는 각 선분 상에서 EDX에 의한 조성 분석을 행하여 산출한 상기 비율은, 실시예 시료가 23.6%였던 데 비해, 비교예 시료는 38.4%였다.

이상 실험 3의 결과로부터, 본 발명에 따른 실시예 시료는, 촉매 원소가 같은 정도 첨가된 비교예 시료와 비교해서, 촉매 원소가 결합재 내에 분산되어 있는 것을 확인할 수 있었다.

이상과 같이 본 발명의 실시형태 및 실시예에 대해 설명을 행하였으나, 이번에 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이며, 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 청구의 범위에 의해 나타나며, 청구의 범위와 균등의 의미 및 범위의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

10: 시험편 11: 지주

Claims

입방정 질화붕소와 결합재와 코발트(Co) 및 크롬(Cr) 합금의 촉매 원소를 구비하는 입방정 질화붕소 소결체로서,
상기 입방정 질화붕소의 함유율이 50 체적% 이상 85 체적% 이하이고,
상기 촉매 원소의 함유율이 0.5 질량% 이상 5 질량% 이하이며,
상기 결합재는, 주기율표 제4a족 원소, 제5a족 원소, 제6a족 원소의 질화물, 탄화물, 붕화물, 산화물 및 이들의 고용체로 이루어지는 군 중에서 선택된 적어도 1종과, 알루미늄을 포함하고,
상기 입방정 질화붕소의 표면은 상기 촉매 원소로 피복되는 것인 입방정 질화붕소 소결체.
삭제
제1항에 있어서, 상기 입방정 질화붕소의 소결체의 조직의 8 ㎛×8 ㎛의 영역을 주사형 투과 전자 현미경으로 관찰하여 얻어진 화상을 4행 4열의 부분 영역으로 분할하는 선분 상에서 조성 분석을 행하고, 상기 선분 상의 임의의 측정점에서의 질소의 검출 피크값과 붕소의 검출 피크값의 합계값을 산출하며,
상기 합계값이, 상기 합계값의 전체 측정점에서의 최대값의 절반 이하인 측정점을 결합부 측정점이라고 결정하고,
상기 결합부 측정점의 총수에 대한, 상기 결합부 측정점 중 상기 촉매 원소가 검출되지 않은 측정점수의 비율이 30% 이하인 것인 입방정 질화붕소 소결체.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 입방정 질화붕소의 함유율이 70 체적% 이상 80 체적% 이하이고, 항절력이 125 kgf/㎟ 초과인 것인 입방정 질화붕소 소결체.
입방정 질화붕소의 분말을 준비하는 공정과,
상기 분말의 표면에 코발트(Co) 및 크롬(Cr) 합금의 촉매 원소를 부착시켜, 촉매가 부착된 분말을 제작하는 공정과,
상기 촉매가 부착된 분말과 결합재를 혼합하는 공정과,
상기 촉매가 부착된 분말과 상기 결합재의 혼합물을 소결하는 공정을 포함하고,
상기 촉매 원소의 함유율이 0.5 질량% 이상 5 질량% 이하이며,
상기 결합재는, 주기율표 제4a족 원소, 제5a족 원소, 제6a족 원소의 질화물, 탄화물, 붕화물, 산화물 및 이들의 고용체로 이루어지는 군 중에서 선택된 적어도 1종과, 알루미늄을 포함하는 입방정 질화붕소 소결체의 제조 방법.
제5항에 있어서, 상기 촉매가 부착된 분말을 제작하는 공정은, 상기 분말의 표면을 물리 증착법에 의해 상기 촉매 원소를 포함하는 막으로 피복하는 공정을 포함하는 것인 입방정 질화붕소 소결체의 제조 방법.