KR101937061B1

KR101937061B1 - 소결체 및 그것을 포함하는 절삭 공구

Info

Publication number: KR101937061B1
Application number: KR1020177005214A
Authority: KR
Inventors: 아키토 이시이; 다카시 하라다; 가츠미 오카무라; 사토루 구키노
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤; 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2016-04-20
Publication date: 2019-01-09
Also published as: CN116375479A; EP3162780A4; US9988315B2; EP3162780A1; KR20170039225A; CN106687426A; WO2016171155A1; EP3162780B1; JPWO2016171155A1; JP6755239B2; US20170233295A1

Abstract

본 발명의 소결체는, 제1 재료와 입방정 질화붕소를 포함하는 것으로, 상기 제1 재료는, 5~90 체적%의 Al₂O₃가 결정립계 또는 결정립 내에 분산된 부분 안정화 ZrO₂이다.

Description

소결체 및 그것을 포함하는 절삭 공구{SINTERED BODY AND CUTTING TOOL INCLUDING SAME}

본 발명은 소결체 및 그것을 포함하는 절삭 공구에 관한 것이다.

종래부터 입방정 질화붕소(이하 「cBN」라고도 기재한다)와, Al₂O₃ 및 Zr 화합물 등을 포함한 소결체가 절삭 공구 등의 공구에 이용되고 있다(국제공개 제2008/087940호(특허문헌 1), 국제공개 제2012/029440호(특허문헌 2), 일본 특허공개 2013-039668호 공보(특허문헌 3)).

또한, ZrO₂-Al₂O₃계 고용체 세라믹스가 각종 세라믹스 부품에 이용되고 있다(국제공개 제2012/153645호(특허문헌 4), 일본 특허공개 2014-189474호 공보(특허문헌 5)).

특허문헌 1 : 국제공개 제2008/087940호 특허문헌 2 : 국제공개 제2012/029440호 특허문헌 3 : 일본 특허공개 2013-039668호 공보 특허문헌 4 : 국제공개 제2012/153645호 특허문헌 5 : 일본 특허공개 2014-189474호 공보

cBN과, Al₂O₃ 및 Zr 화합물 등을 포함한 소결체는, 그것을 절삭 공구로서 이용한 경우, 원심 주조 주철의 고속 절삭에 있어서 양호한 내마모성을 갖는다는 것이 알려져 있다. 그러나, Al₂O₃는 저인성(低靭性) 재료이기 때문에, 고속의 장거리 절삭에 이용한 경우 결손되는 경우가 있어, 내결손성의 개선이 요구되고 있었다.

본 발명은 이러한 상황에 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 고속 절삭에 있어서의 내결손성이 향상됨과 더불어 양호한 내마모성을 갖는 소결체를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 일 양태에 따른 소결체는, 제1 재료와 입방정 질화붕소를 포함하는 것으로, 상기 제1 재료는, 5~90 체적%의 Al₂O₃가 결정립계 또는 결정립 내에 분산된 부분 안정화 ZrO₂이다.

상기한 바에 따르면, 고속 절삭에 있어서의 내결손성이 향상함과 더불어 양호한 내마모성을 갖는 것으로 된다.

[본 발명의 실시형태의 설명]

처음에 본 발명의 실시양태를 열기하여 설명한다.

[1] 본 발명의 일 양태에 따른 소결체는, 제1 재료와 입방정 질화붕소를 포함하는 것으로, 상기 제1 재료는, 5~90 체적%의 Al₂O₃가 결정립계 또는 결정립 내에 분산된 부분 안정화 ZrO₂이다. 이 소결체는, 고속 절삭에 있어서의 내결손성이 향상됨과 더불어 양호한 내마모성을 갖는 것으로 된다.

[2] 상기 제1 재료는, 5~50 체적%의 Al₂O₃가 결정립계 또는 결정립 내에 분산된 부분 안정화 ZrO₂로 할 수 있다. 이에 따라, 특히 고속 절삭에 있어서의 내결손성이 향상된 것으로 된다.

[3] 상기 제1 재료는, 50 체적% 초과 70 체적% 이하(50 체적%를 넘고 70 체적% 이하)의 Al₂O₃가 결정립계 또는 결정립 내에 분산된 부분 안정화 ZrO₂로 할 수 있다. 이에 따라, 특히 내마모성이 우수한 것으로 된다.

[4] 상기 제1 재료는, 70 체적% 초과 90 체적% 이하(70 체적%를 넘고 90 체적% 이하)의 Al₂O₃가 결정립계 또는 결정립 내에 분산된 부분 안정화 ZrO₂로 할 수 있다. 이에 따라, 특히 내마모성이 우수한 것으로 된다.

[5] 상기 Al₂O₃는, 그 입경이 1 ㎛ 이하의 입자인 것이 바람직하다. 이에 따라, 부분 안정화 ZrO₂의 인성이 향상된다.

[6] 상기 Al₂O₃는, 그 입경이 0.5 ㎛ 이하의 입자인 것이 보다 바람직하다. 이에 따라, 부분 안정화 ZrO₂의 인성이 더욱 향상된다.

[7] 상기 Al₂O₃는, 그 입경이 0.1 ㎛ 이하의 입자인 것이 보다 바람직하다. 이에 따라, 부분 안정화 ZrO₂의 인성이 더더욱 향상된다.

[8] 상기 소결체는, 20~80 체적%의 상기 제1 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 소결체의 내마모성과 내결손성이 더욱 고도로 양립한다.

[9] 상기 소결체는, 추가로 제3 상을 포함하고, 이 제3 상은, 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화세륨, 산화이트륨, 산화하프늄 및 ZrO로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다. 이에 따라, 소결성이 향상되어, 소결체의 강도가 더욱 향상된다.

[10] 상기 소결체는, 추가로 제4 상을 포함하고, 이 제4 상은, 주기표의 4족 원소, 5족 원소, 6족 원소, Al 및 Si로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소와, 탄소, 질소 및 붕소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어지는 적어도 1종의 화합물인 것이 바람직하다. 이에 의해서도 소결성이 향상되어, 소결체의 강도가 더욱 향상된다.

[11] 본 발명의 일 양태는, 상기 어느 한 소결체를 포함하는 절삭 공구에도 관계된다. 이 절삭 공구는, 상기한 소결체를 포함하므로 고속 절삭에 있어서의 내결손성이 향상됨과 더불어 양호한 내마모성을 가진 것으로 된다.

[본 발명의 실시형태의 상세]

이하, 본 발명의 실시형태(이하 「본 실시형태」라고도 기재한다)에 관해서 더욱 상세히 설명한다.

<소결체>

종래, cBN과, Al₂O₃ 및 Zr 화합물 등을 포함한 소결체는, 그것을 절삭 공구로서 이용한 경우, 원심 주조 주철의 고속 절삭에 있어서 양호한 내마모성을 갖는다는 것이 알려져 있었다. 그러나, Al₂O₃는 저인성 재료이기 때문에, 고속의 장거리 절삭에 이용했을 때, 결손되는 경우가 있어 과제로 되어 있었다.

그러나, 본 발명자의 연구에 따르면, 고인성 재료인 부분 안정화 ZrO₂와 cBN로 이루어지는 소결체에 있어서, 미세한 Al₂O₃를 특정 존재 형태로 포함하는 경우, 놀랍게도 내결손성이 대폭 향상된다고 하는 지견을 얻을 수 있었다. 이것은 아마도 미세 석출 Al₂O₃에 의해 부분 안정화 ZrO₂의 조직이 강인화되어, 이것과 cBN의 본래의 특성이 상승적으로 작용함으로써, 내결손성이 대폭 향상된 것으로 생각된다. 또한, 이러한 소결체는 우수한 내마모성도 구비하고 있다.

이러한 지견에 기초하여 얻어진 본 실시형태의 소결체는, 제1 재료와 입방정 질화붕소를 포함하는 것으로, 상기 제1 재료는, 5~90 체적%(5 체적% 이상 90 체적% 이하, 한편 본원에서 수치 범위를 「~」을 이용하여 나타내는 경우, 그 범위는 상한 및 하한의 수치를 포함하는 것으로 한다)의 Al₂O₃가 결정립계 또는 결정립 내에 분산된 부분 안정화 ZrO₂이다.

이러한 소결체는, 제1 재료와 입방정 질화붕소를 포함하는 한, 다른 임의의 성분을 포함하고 있어도 지장이 없다. 다른 임의의 성분으로서는, 예컨대 후술하는 제3 상, 제4 상 등을 들 수 있지만, 이들에만 한정되는 것은 아니다. 또한, 이러한 소결체는, 원하는 효과를 발휘하는 한, 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 당연히 이러한 소결체는, 제1 재료와 입방정 질화붕소 양자만을 포함하는 것으로 할 수 있다.

이하, 이러한 소결체를 구성하는 각 성분에 관해서 설명한다.

<제1 재료>

제1 재료는, 5~90 체적%의 Al₂O₃가 결정립계 또는 결정립 내에 분산된 부분 안정화 ZrO₂이다. 바꿔 말하면, 제1 재료는, 5~90 체적%의 Al₂O₃가 부분 안정화 ZrO₂의 결정립계 또는 결정립 내에 분산된 복합 산화물이다.

여기서, 부분 안정화 ZrO₂란, 종래 공지된 의미를 갖는 것으로서, 전형적으로는, 지르코니아 이외의 산화물을 고용(固溶)시킴으로써, 구조 중의 산소 공공(空孔)이 감소하여 안정화됨으로써, 입방정 및 정방정이 실온에서도 안정 또는 준안정으로 되는 ZrO₂를 말한다. 상기 산화물로서는, 산화칼슘 및 산화마그네슘을 비롯하여, 산화이트륨 등의 희토류 산화물을 예로 들 수 있다. 이러한 산화물을 1종 또는 2종 이상 포함할 수 있다. 이 때, 지르코니아 이외의 산화물의 고용량은 ZrO₂에 대하여 1~4 mol% 정도이다.

이러한 부분 안정화 ZrO₂는, 제1 재료 전체에 대하여 5~90 체적%의 Al₂O₃를 포함한다. 여기서, 이 Al₂O₃의 함유량에 주목하면, 그 함유량이 제1 재료 전체에 대하여 5~50 체적%인 경우, 강철 난삭재의 고속 절삭이 가능하게 되는, 고경도, 고강도 및 고인성을 얻을 수 있다. 이 경우의 보다 바람직한 함유량은 15~30 체적%이다. 이 때, Al₂O₃의 함유량이 5 체적% 미만인 경우, 상기와 같은 특성을 얻을 수 없게 된다.

한편, Al₂O₃의 함유량이 50 체적%를 넘고 90 체적% 이하가 되는 경우, 상기한 함유량인 경우에 비해서 인성이 대폭 저하하지만, 내마모성은 향상된다. 즉, Al₂O₃의 함유량이 이 범위인 경우, 강철 난삭재의 고속 절삭에 있어서 Al₂O₃ 단일체 이상의 내결손성과, 5~50 체적%의 Al₂O₃를 포함하는 제1 재료를 이용하는 경우 이상의 내마모성을 얻을 수 있다. 그 함유량이 50 체적% 초과 70 체적% 이하의 범위인 쪽이, 70 체적% 초과 90 체적% 이하인 범위보다도 보다 적합하게 내마모성이 향상된다. 이 때, Al₂O₃의 함유량이 90 체적%를 넘는 경우, Al₂O₃ 단일체를 넘는 성능을 얻을 수 없게 된다.

이러한 Al₂O₃는, 부분 안정화 ZrO₂의 결정립계 또는 결정립 내에 분산되어 존재한다. 즉, 「분산되어 존재한다」란, 미립의 Al₂O₃가 결정립계 또는 결정립 내에 존재하는 것을 의미한다. 따라서, Al₂O₃는 1 ㎛ 이하의 입자(결정립)인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5 ㎛ 이하의 입자이며, 더욱 바람직하게는 0.1 ㎛ 이하의 입자이다. 입경이 작아지면 질수록 인성을 향상시키는 경향이 있기 때문에, 입경의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 지나치게 미분으로 되면 물질 그 자체의 인성이 저하한다고 하는 관점에서, 0.005 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 이러한 Al₂O₃의 입경은 소결 조건에 따라 변화된다고 하는 특징을 갖는다. 더구나, 동일한 소결 조건이라도, 제1 재료만을 소결하는 경우와, 제1 재료와 입방정 질화붕소를 혼합하여 소결하는 경우에 있어서는 Al₂O₃의 입경은 변화된다. 즉, 제1 재료만을 소결한 경우의 Al₂O₃의 입경과, 제1 재료와 입방정 질화붕소를 혼합하여 소결한 경우의 Al₂O₃의 입경을 비교하면, 동일한 소결 조건(온도, 압력 등)을 채용하더라도 후자의 입경(즉 입방정 질화붕소를 포함하는 소결체 내의 Al₂O₃의 입경)이 전자의 입경(즉 제1 재료만인 경우의 Al₂O₃의 입경)에 비해서 약 10분의 1 정도의 미세한 입경(결정립경)으로 된다.

따라서, Al₂O₃의 입경(결정립경)이 0.1 ㎛ 이하가 되는 것은, 제1 재료와 입방정 질화붕소를 혼합하여 소결한 경우에 나타나는 특이적인 현상이며, 입방정 질화붕소가 포함되지 않는 경우는 Al₂O₃의 입경이 0.1 ㎛ 이하가 되는 일은 없다(통상 0.2 ㎛를 넘는 입경으로 된다).

이와 같이 Al₂O₃는, 제1 재료 중에 미세 분산됨으로써, 인성이 비약적으로 향상된 것으로 되는데, 이것은 Al₂O₃에 의한 조직 강인화에 기인하는 것으로 생각된다. 또한, Al₂O₃는 결정립계 또는 결정립 내 중 어느 한쪽 또는 양쪽에 존재할 수 있다. 즉, 이것은 Al₂O₃의 존재 위치가 부분 안정화 ZrO₂의 특정 부위에 한정되지 않음을 의미하고 있다.

또한, Al₂O₃의 입경, 함유량(체적%) 및 존재 위치는 다음과 같이 확인할 수 있다. 즉, 소결체를 이온빔을 이용하여 CP(Cross Section Polisher) 가공함으로써 평활한 단면을 형성한다. 그리고, 그 단면을 주사형 전자현미경(SEM)으로 관찰함으로써, Al₂O₃의 존재 위치를 특정함과 더불어, 화상 해석 소프트를 이용한 2치화 처리에 의해 Al₂O₃의 원 상당 직경과 면적을 산출하여, 이 원 상당 직경을 입경, 면적을 함유량으로 한다.

본 실시형태의 제1 재료의 원료는, 예컨대 다음과 같은 중화공심법(中和共沈法) 또는 졸-겔법에 의해서 얻을 수 있다.

(중화공침법)

중화공침법이란, 이하의 공정 A 및 공정 B를 포함하는 방법이다. 이러한 방법은, 예컨대 2013년에 발표된 논문(J. Jpn. Soc. Powder Powder Metallurgy, Vol. 60, No. 10, P428-435)에 기재되어 있다.

공정 A: 지르코늄염과 이트륨염과 알루미늄염을 이용하여, 지르코니아(ZrO₂) 및 이트리아(Y₂O₃)로서의 몰 비율이 98.2:1.8~98.8:1.2이고, 또한, 이트리아를 첨가한 지르코니아 및 알루미나(Al₂O₃)로서의 몰 비율이 10:90~95:5가 되도록 혼합하여, 혼합 용액을 조제하는 공정. 여기서, 상기에서 지르코니아(ZrO₂)에 고용되는 산화물로서 이트리아(Y₂O₃)를 예시하고 있지만, 산화물은 이것에만 한정되는 것은 아니다.

공정 B: 상기 공정 A에서 얻어진 혼합 용액에 알칼리를 첨가함으로써 중화하고, 지르코늄과 이트륨과 알루미늄을 공침시켜 침전물을 얻고, 이 침전물을 건조시킨 후, 650~750℃에서 7~12시간 열처리하고, 또한 850~950℃에서 0.5~3시간 하소함으로써 Y₂O₃ 안정화 ZrO₂-Al₂O₃ 고용체 분체를 조제하는 공정.

여기서, 상기 공정 A의 지르코늄염으로서는, 옥시염화지르코늄(ZrOCl₂), 옥시질산지르코늄(ZrO(NO₃)₂) 등을 예로 들 수 있고, 이트륨염으로서는, 염화이트륨(YCl₃), 질산이트륨(Y(NO₃)₃) 등을 예로 들 수 있고, 알루미늄염으로서는, 염화알루미늄(AlCl₃) 등을 예로 들 수 있다. 또한, 혼합 용액으로 하는 용매로서는, 질산, 염산 등을 예로 들 수 있다.

(졸-겔법)

졸-겔법이란, 이하의 공정 X를 포함하는 방법이다. 이러한 방법은, 예컨대 2011년에 발표된 논문(J. Jpn. Soc. Powder Powder Metallurgy, Vol. 58, No. 12, P727-732)에 기재되어 있다.

공정 X: 졸-겔법을 이용하여 ZrO₂에 대하여 0.3~1.7 mol% Y₂O₃를 첨가한 ZrO₂(99.7~98.3 mol% ZrO₂-0.3~1.7 mol% Y₂O₃)-5~90 mol% Al₂O₃의 비정질 고용체 분체를 조제하고, 얻어지는 비정질 고용체 분체를 결정화 온도 이상에서 하소하여 결정질의 ZrO₂ 고용체 분체를 조제하는 공정.

(그 밖의 방법)

본 실시형태의 제1 재료는, 상기한 2 방법 이외의 방법에 의해서도 얻을 수 있다. 즉, 부분 안정화 ZrO₂와 Al₂O₃를 비드밀 또는 볼밀과 같은 분쇄기를 이용하여 에탄올 등의 용매 속에서 혼합하여 슬러리를 얻는다. 이어서, 이 슬러리를 이용하여 조립(造粒)함으로써 제1 재료를 얻을 수 있다. 조립 수단은 특별히 한정되지 않고, 용융 조립, 분무 조립 등을 예로 들 수 있다.

또한, 이와 같이 하여 얻어진 조립물(제1 재료)은 다음과 같은 방법으로 강도를 향상시킬 수 있다.

(1) 열처리로(예컨대 1000℃, 진공 중, 3시간)에서 소결한다.

(2) 조립물의 전구 단계의 상기 슬러리에 바인더(예컨대 일반적 바인더인 PVB(폴리비닐부티랄))를 10 질량% 첨가한다.

이상과 같이, 제1 재료는 각종 방법으로 얻을 수 있으며, 그 제조 방법은 특별히 한정되지 않는다.

이러한 제1 재료는, 소결체 내에 20~80 체적%의 비율로 함유되는 것이 바람직하다. 그 비율이 20 체적% 미만이면, 내마모성 및 내결손성이 저하하는 경우가 있다. 또한 그 비율이 80 체적%를 넘으면, 경도가 저하하여 내마모성이 저하하는 경우가 있다. 제1 재료의 보다 바람직한 비율은 30~60 체적%이다.

또한, 이러한 제1 재료는 0.01~1 ㎛의 평균 입경을 갖는 것이 바람직하다. 0.01 ㎛ 미만의 경우, 다른 분말과 혼합할 때, 응집하기 쉽기 때문에 소결 불량으로 되는 경향이 있고, 1 ㎛를 넘으면, 소결 시 입자 성장에 의해 강도가 저하하는 경향이 있다. 보다 바람직한 평균 입경은 0.1~0.5 ㎛이다.

이러한 제1 재료의 평균 입경은 다음과 같이 구할 수 있다. 즉, 소결체를 이온빔을 이용하여 CP(Cross Section Polisher) 가공함으로써 평활한 단면을 형성하고, 그 단면을 주사형 전자현미경(SEM)으로 관찰하고, 화상 해석 소프트를 이용한 2치화 처리에 의해 제1 재료의 원 상당 직경을 산출하여, 그것을 평균 입경으로 할 수 있다.

또한, 이 제1 재료를 포함하고, 본 실시형태의 소결체를 구성하는 각 성분 조성 및 그 함유 비율은, 주사형 전자현미경(SEM)에 의해 CP 가공면을 측정한 반사 전자상, EDX(에너지 분산형 X선 분석), 혹은 오제 전자 분광법 해석에 의해 확인할 수 있다.

<입방정 질화붕소>

본 실시형태의 소결체에 포함되는 입방정 질화붕소는 0.1~5 ㎛의 평균 입경을 갖는 것이 바람직하다. 0.1 ㎛ 미만의 경우, 다른 분말과 혼합할 때, 응집하기 쉽기 때문에 소결 불량으로 되는 경향이 있고, 5 ㎛를 넘으면, 소결 시 입자 성장에 의해 강도가 저하하는 경향이 있다.

이러한 입방정 질화붕소의 입경은, 응력 집중이 없이 고강도가 된다고 하는 관점에서 균일한 것이 바람직하며, 이 때문에 여기서 말하는 평균 입경이란 정규 분포를 보이는 것이 바람직하다. 입경이 큰 입자나 작은 입자가 포함되는 경우, 거기에 응력이 집중해 버려 강도가 낮아지기 때문에, 평균 입경은 정규 분포를 보이고, 균일한 것이 바람직하다.

이러한 입방정 질화붕소는, 소결체 내에 20~80 체적%의 비율로 함유되는 것이 바람직하다. 그 비율이 20 체적% 미만이면, 경도가 저하하여 내마모성이 저하하는 경우가 있다. 또한 그 비율이 80 체적%를 넘으면, 내마모성 및 내결손성이 저하하는 경우가 있다. 입방정 질화붕소의 보다 바람직한 비율은 40~60 체적%이다.

또한, 입방정 질화붕소의 평균 입경은 다음과 같이 구할 수 있다. 즉, 소결체를 이온빔을 이용하여 CP(Cross Section Polisher) 가공함으로써 평활한 단면을 형성하고, 그 단면을 주사형 전자현미경(SEM)으로 관찰하고, 화상 해석 소프트를 이용한 2치화 처리에 의해 입방정 질화붕소의 원 상당 직경을 산출하여, 그것을 평균 입경으로 할 수 있다.

또한, 입방정 질화붕소의 함유 비율은, 주사형 전자현미경(SEM)에 의해 CP 가공면을 측정한 반사 전자상의 화상 해석 소프트를 이용한 2치화 처리에 의해 면적을 측정하여 구할 수 있다.

<제3 상>

본 실시형태의 소결체는, 상기한 제1 재료 및 입방정 질화붕소 이외에, 추가로 제3 상을 포함할 수 있다. 이러한 제3 상은, 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화세륨, 산화이트륨, 산화하프늄 및 ZrO로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종인 것이 바람직하다. 소결체가 이러한 제3 상을 포함함으로써 소결성이 향상되어, 소결체의 강도가 더욱 향상된다.

이러한 제3 상은 0.05~5 ㎛의 평균 입경을 갖는 것이 바람직하다. 0.05 ㎛ 미만인 경우, 다른 분말과 혼합할 때 응집하기 쉽기 때문에 소결 불량이 되는 경향이 있고, 5 ㎛를 넘으면, 소결 시 입자 성장에 의해 강도가 저하하는 경향이 있다.

또한, 이러한 제3 상은, 소결체 내에 5~50 체적%의 비율로 함유되는 것이 바람직하다. 그 비율이 5 체적% 미만이면, 소결체의 강도가 충분히 향상되지 않는 경우가 있다. 또한 그 비율이 50 체적%를 넘으면, 고경도 cBN의 비율이 저하하여, 소결체의 경도가 저하하는 경우가 있다. 제3 상의 보다 바람직한 비율은 10~30 체적%이다.

또, 제3 상의 평균 입경은 다음과 같이 구할 수 있다. 즉, 소결체를 이온빔을 이용하여 CP(Cross Section Polisher) 가공함으로써 평활한 단면을 형성하고, 그 단면을 주사형 전자현미경(SEM)으로 관찰하고, 화상 해석 소프트를 이용한 2치화 처리에 의해 제3 상의 원 상당 직경을 산출하여, 그것을 평균 입경으로 할 수 있다.

또한, 제3 상의 함유 비율은, 주사형 전자현미경(SEM)에 의해 CP 가공면을 측정한 반사 전자상, 혹은 오제 전자 분광법에 의한 원소 분석에 의해 제3 상의 영역을 확인한 뒤에, 화상 해석 소프트를 이용한 2치화 처리에 의해 면적을 측정하여 구할 수 있다.

<제4 상>

본 실시형태의 소결체는, 상기한 제1 재료 및 입방정 질화붕소 이외에, 추가로 제4 상을 포함할 수 있다. 제4 상은 상기한 제3 상과 함께 소결체 내에 포함되어 있어도 좋다.

이러한 제4 상은, 주기표의 4족 원소(Ti, Zr, Hf 등), 5족 원소(V, Nb, Ta 등), 6족 원소(Cr, Mo, W 등), Al 및 Si로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소와, 탄소, 질소 및 붕소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어지는 적어도 1종의 화합물인 것이 바람직하다. 소결체가 이러한 제4 상을 포함함으로써, 소결성이 향상되어, 소결체의 강도가 더욱 향상된다.

상기한 화합물의 구체예를 들면, 예컨대 TiC, TiN, TiB₂, TiCrN, ZrC, ZrN, ZrB₂, AlCrN, AlN, AlB₂, SiC, Si₃N₄, HfC, HfN, VC, VN, NbC, TaC, CrC, CrN, Cr₂N, MoC, WC 등을 들 수 있다. 제4 상은 이들 화합물을 1종 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 구성될 수 있다.

이러한 제4 상은 0.05~5 ㎛의 평균 입경을 갖는 것이 바람직하다. 0.05 ㎛ 미만인 경우, 다른 분말과 혼합할 때 응집하기 쉽기 때문에 소결 불량이 되는 경향이 있고, 5 ㎛를 넘으면, 소결 시 입자 성장에 의해 강도가 저하하는 경향이 있다.

또한, 이러한 제4 상은 소결체 내에 5~50 체적%의 비율로 함유되는 것이 바람직하다. 그 비율이 5 체적% 미만이면, 소결체의 강도가 충분히 향상되지 않는 경우가 있다. 또한 그 비율이 50 체적%를 넘으면, 고경도 cBN의 비율이 저하하여, 소결체의 경도가 저하하는 경우가 있다. 제4 상의 보다 바람직한 비율은 10~30 체적%이다.

또한, 제4 상의 평균 입경은 다음과 같이 구할 수 있다. 즉, 소결체를 이온빔을 이용하여 CP(Cross Section Polisher) 가공함으로써 평활한 단면을 형성하고, 그 단면을 주사형 전자현미경(SEM)으로 관찰하고, 화상 해석 소프트를 이용한 2치화 처리에 의해 제4 상의 원 상당 직경을 산출하여, 그것을 평균 입경으로 할 수 있다.

또한, 제4 상의 함유 비율은, 주사형 전자현미경(SEM)에 의해 CP 가공면을 측정한 반사 전자상, 혹은 오제 전자 분광법에 의한 원소 분석에 의해 제4 상의 영역을 확인한 뒤에, 화상 해석 소프트를 이용한 2치화 처리에 의해 면적을 측정하여 구할 수 있다.

<제조 방법>

본 실시형태의 소결체는, 종래 공지된 제조 방법에 의해 제조할 수 있으며, 특별히 그 제조 방법이 한정되는 것은 아니다.

예컨대, 원료로서 제1 재료, cBN 및 그 밖의 성분(예컨대 제3 상 입자, 제4 상 입자 등)을, 비드밀, 볼밀 등으로 혼합한다. 이어서, 1300~1700℃의 온도 및 10 MPa~7 GPa의 압력으로 10~60분간 소결함으로써 얻을 수 있으며, 특히 4~7 GPa로 행하는 것이 바람직하다. 소결 방법은 특별히 한정되지 않지만, 방전 플라즈마 소결(SPS), 핫 프레스, 초고압 프레스 등을 이용할 수 있다.

<절삭 공구>

본 실시형태의 소결체는, 상기한 것과 같이 우수한 내결손성, 내마모성 등의 특성을 보이기 때문에 절삭 공구 등에 이용하는 것이 적합하다. 즉, 본 실시형태의 절삭 공구는 상기한 소결체를 포함하는 것이다.

여기서, 상기 절삭 공구로서는, 드릴, 엔드밀, 드릴용 날끝 교환형 절삭 칩, 엔드밀용 날끝 교환형 절삭 칩, 밀링 가공용 날끝 교환형 절삭 칩, 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 칩, 메탈 소오, 기어 컷팅 공구, 리머, 탭, 절삭 바이트 등을 예로 들 수 있다.

또한, 상기한 절삭 공구는, 그 전체가 본 실시형태의 소결체로 구성되어 있어도 좋고, 그 일부(예컨대 날끝 부분)만이 본 실시형태의 소결체로 구성되어 있어도 좋다. 또한, 이러한 절삭 공구는 그 표면에 코팅막이 형성되어 있어도 좋다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

원료로서 60 체적%의 cBN과 40 체적%의 제1 재료를 준비했다. cBN은 평균 입경 2 ㎛이며, 제1 재료는 하기와 같이 중화공침법에 의해 제작된 것으로, 제1 재료 전체에 대하여 30 체적%의 Al₂O₃가 고용된 부분 안정화 ZrO₂이며, 입경은 0.01 ㎛였다.

(제1 재료(전구체)의 제작)

제1 재료는, 상술한 대로, 2013년에 발표된 논문(J. Jpn. Soc. Powder Powder Metallurgy, Vol. 60, No. 10, P428-435)에 기초하여 하기의 방법에 의해 제작할 수 있다.

즉, 우선 옥시염화지르코늄(ZrOCl₂·8H₂O)과 염화알루미늄(AlCl₃)과 염화이트륨(YCl₃)을 물에 가하고, ZrO₂와 Y₂O₃의 몰 비율이 「ZrO₂:Y₂O₃=98.5:1.5」이고, 또한 Y₂O₃를 첨가한 ZrO₂와 Al₂O₃의 몰 비율이 「(Y₂O₃를 첨가한 ZrO₂):Al₂O₃=75:25」이 되도록 혼합 수용액을 조제한다.

이어서, 이 혼합 수용액에 암모니아 수용액을 첨가하여, Zr와 Y와 Al를 동시중화로 공침시키고, 얻어진 침전물을 여과·수세한 후, 건조함으로써, 비정질 수화 지르코니아(75 mol%(98.5 mol% ZrO₂-1.5 mol% Y₂O₃)-25 mol% Al₂O₃) 고용체 분체를 조제한다.

이어서, 상기에서 얻어진 고용체 분체를, 700℃에서 공기 중 9시간의 조건으로 하소하고(열처리하고), 추가로 900℃에서 1시간 하소하여 제1 재료(전구체)인 결정질의 ZrO₂(Al₂O₃, Y₂O₃ 고용) 분체를 얻는다. 이 제1 재료(전구체)는, 제1 재료전체에 대하여 30 체적%의 Al₂O₃가 고용된 부분 안정화 ZrO₂이다.

이어서, 상기에서 준비한 cBN과 제1 재료(전구체)를 볼밀을 이용하여 혼합하여 혼합물을 얻었다.

이어서, 상기한 혼합물을 5등분하여, 압력 7 GPa 또한 소결 온도를 표 1에 기재한 온도로 하여 15분간 유지하고 소결함으로써 소결체 No. 1~소결체 No. 5의 5종의 소결체를 얻었다.

이와 같이 하여 얻어진 소결체 No.1~소결체 No.5에 관해서, 상기한 것과 같이 CP 가공을 실시하고, 그 단면을 SEM으로 10000배 이상 150000배 이하의 배율로 관찰함으로써, 제1 재료 중의 Al₂O₃의 존재 위치를 특정함과 더불어, 화상 해석 소프트(상품명: 「WinROOF ver.6.5.3」, 미타니쇼지가부시키가이샤 제조)를 이용한 2치화 처리에 의해 Al₂O₃의 원 상당 직경(입경)과 함유량을 산출했다. 그 결과, 입경은 이하의 표 1과 같고, 함유량은 원료와 거의 일치하는 것(30 체적%이며 존재 위치는 결정립계 또는 결정립 내)을 확인할 수 있었다. 또한 동시에, cBN의 평균 입경과 제1 재료의 평균 입경을 확인한 바, cBN의 평균 입경은 원재료의 평균 입경과 일치하고 있었지만, 제1 재료 중의 Al₂O₃의 입경은 소결 온도에 의존하여 변화하는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 동일한 소결체 No.1~소결체 No.5에 관해서, CP 가공면을 주사형 전자현미경(SEM)에 의해 측정한 반사 전자상, 혹은 오제 전자 분광법에 의한 원소 분석에 의해 cBN 및 제1 재료의 영역을 확인한 뒤에, 상기한 화상 해석 소프트를 이용한 2치화 처리에 의해 면적을 측정한 바, 각 소결체는 제1 재료와 cBN를 포함하고, 제1 재료와 cBN의 비율이 원료비와 일치하는 것도 확인할 수 있었다. 이 때, 제1 재료는, 상기한 것과 같이, 30 체적%의 Al₂O₃가 결정립계 또는 결정립 내에 분산된 부분 안정화 ZrO₂이다.

이어서, 소결체 No.1~소결체 No.5의 각 소결체를 이용하여, CNMA120408, 네가티브 랜드 각도 15°, 네가티브 랜드 폭 0.12 mm 형상의 절삭 공구를 제작하여, 이하의 절삭 조건으로 고속 절삭의 절삭 시험을 했다.

(절삭 조건)

절삭 속도: 900 m/min

이송: 0.2 mm

절삭 깊이: 0.3 mm

습식/건식: 습식(coolant: 에멀젼)

장치: LB4000(오쿠마사 제조)

피삭재: 원심 주조 주철(치밀 펄라이트, 덴드라이트 조직 등을 갖는 FC250(회주철))

피삭재의 형상: 원통형(외경 φ 95 mm)

(절삭 시험)

10.0 km 절삭 후의 플랭크면 마모량(㎛)을 측정함과 더불어, 12.0 km 절삭 후의 마모 형태 및 결손 상황을 관찰했다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.

또, 비교예로서 소결체 No. 6을 제작하여 상기와 같은 절삭 시험을 행했다. 그 결과도 표 1에 나타낸다.

이 때, 소결체 No. 6은 다음과 같이 제작했다. 즉, 60 체적%의 cBN(상기와 동일하다), 34 체적%의 ZrO₂(평균 입경 0.05 ㎛), 6 체적%의 Al₂O₃(평균 입경 2 ㎛)의 각 분말을 준비했다. ZrO₂ 및 Al₂O₃의 각 분말은 제1 재료로 치환되는 것이고, ZrO₂ 분말은 Al₂O₃를 포함하고 있지 않다(표 1에서 Al₂O₃ 분말의 평균 입경은 편의상 제1 재료 중의 평균 입경의 란에 기재했다).

그리고, 이들 각 분말을 상기와 같이 혼합하고, 그 혼합물을 소결 온도를 1400℃ 한가지로 하는 것을 제외하고, 상기와 같이 소결함으로써 소결체 No. 6을 얻었다.

표 1로부터 분명한 것과 같이, 실시예의 소결체 No. 1~No. 5는, 비교예의 소결체 No.6에 비해서, 10.0 km 절삭 후의 플랭크면 마모량이 작고 내마모성이 우수함과 더불어, 12.0 km 절삭 후의 마모 형태도 양호하고, 내결손성이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.

또, 소결체 No. 1~No. 5를 비교하면, 소결 온도가 낮아질수록 Al₂O₃의 평균 입경이 작아지고 있고, 내마모성 및 내결손성 양자 모두 보다 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.

<참고 실험>

상기에서 준비한 제1 재료(전구체)만을 이용하여, 소결 온도를 표 1에 기재한 온도로 하는 것을 제외하고, 다른 것은 전부 상기와 같이 하여 소결체 No. 7~소결체 No. 10의 4종의 소결체를 얻었다. 그리고 상기와 같이 절삭 시험을 행했다.

소결체 No. 7~소결체 No. 10에 관해서, 상기와 같이 하여 Al₂O₃의 입경을 측정한 결과 및 절삭 시험의 결과를 상기한 표 1에 나타낸다.

표 1로부터 분명한 것과 같이, 소결 온도가 낮아짐에 따라서 Al₂O₃의 입경은 작아지는 경향을 보였지만, 모두 소결체 No. 1~소결체 No. 5(즉, 제1 재료와 cBN을 혼합하여 소결한 것)의 Al₂O₃의 입경에 비해서 5~10배 정도 커지고 있었다. 또한, 12.0 km 절삭 후에 있어서 모두 결손을 일으켰다.

이상으로부터, 제1 재료와 cBN를 혼합하여 소결하면, 매우 작은 입경의 Al₂O₃가 생성되어, 인성이 강화되는 것을 추인할 수 있었다.

<실시예 2>

소결체 내의 제1 재료의 함유량을 이하의 표 2와 같이 변경하는 것을 제외하고, 다른 것은 전부 실시예 1의 소결체 No. 3(즉 소결 온도가 1500℃인 것)과 같은 식으로 하여 7 종류의 소결체를 제작했다(소결체 No. 3a, No. 3b, No. 3c, No. 3d, No. 3e, No. 3f, No. 3g).

그리고, 이들 7 종류의 소결체를 이용하여, 실시예 1과 동일한 절삭 시험을 행했다. 그 결과를 이하의 표 2에 나타낸다.

이 때, 이들 7 종류의 소결체에 관해서 실시예 1과 같은 방법에 의해, 제1 재료 중의 Al₂O₃의 존재 위치를 특정함과 더불어, Al₂O₃의 원 상당 직경(입경)과 함유량을 산출한 바, 실시예 1의 소결체 No. 3과 같음을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 1과 같은 방법에 의해, 각 소결체의 조성(제1 재료의 함유량)이 표 2에 기재한 것과 같음을 확인했다.

표 2로부터 분명한 것과 같이, 어느 소결체나 우수한 내마모성과 내결손성을 보였다.

<실시예 3>

제1 재료 중의 Al₂O₃의 함유량을 이하의 표 3과 같이 변경하는 것을 제외하고, 다른 것은 전부 실시예 1의 소결체 No. 3과 같은 식으로 7 종류의 소결체를 제작했다(소결체 No. 3t, No. 3u, No. 3v, No. 3w, No. 3x, No. 3y, No. 3z).

상기 소결체 중, 소결체 No. 3t는, 제1 재료가 Al₂O₃만으로 구성되는 것(즉 Al₂O₃의 함유량이 100 체적%가 되는 Al₂O₃ 단일체로 이루어지는 것)이며, 이러한 Al₂O₃로서 다이메이카가쿠고교 제조 TM-DAR를 이용했다. 또한, 다른 소결체에 포함되는 제1 재료는, 실시예 1과 동일한 지르코늄염과 알루미늄염과 이트륨염을 이용하고, 지르코니아(ZrO₂)와 이트리아(Y₂O₃)의 몰 비율이 「ZrO₂:Y₂O₃=98.2:1.8~98.8:1.2」이고, 또한 이트리아를 첨가한 지르코니아와 알루미나(Al₂O₃)의 몰 비율((Y₂O₃을 첨가한 ZrO₂):Al₂O₃)이, 각각 10:90(No. 3u), 30:70(No. 3v), 50:50(No. 3w), 55:45(No. 3x), 75:25(No. 3), 85:15(No. 3y), 95:5(No. 3z)이 되도록 혼합 수용액을 조제하는 것을 제외하고, 실시예 1의 제1 재료와 같은 식으로 조제했다.

그리고, 이들 7 종류의 소결체를 이용하여, 실시예 1과 동일한 절삭 시험을 행했다. 그 결과를 이하의 표 3에 나타낸다.

이 때, 이들 7 종류의 소결체에 관해서 실시예 1과 같은 방법에 의해, 제1 재료 중의 Al₂O₃의 존재 위치를 특정함과 더불어, Al₂O₃의 원 상당 직경(입경)과 함유량을 산출한 바, Al₂O₃의 함유량을 제외하고 실시예 1의 소결체 No. 3과 같음을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 1과 같은 방법에 의해, 각 소결체의 조성을 확인한 바, Al₂O₃의 함유량을 제외하고 실시예 1의 소결체 No. 3과 같음을 확인할 수 있었다.

또, 제1 재료 중의 Al₂O₃의 함유량은, 상기한 것과 같이 중화공침법에 의한 조제 시에 Al₂O₃의 함유량을 조정한 것이다.

표 3으로부터 분명한 것과 같이, 소결체 No. 3t를 제외하고 어느 소결체나 우수한 내마모성과 내결손성을 보였다. 특히, 제1 재료 중의 Al₂O₃의 함유량이 5~50 체적%인 소결체 No. 3, No. 3x, No. 3y 및 No. 3z는, 양호한 내결손성을 보이고, 제1 재료 중의 Al₂O₃의 함유량이 50 체적% 초과 90 체적% 이하인 소결체 No. 3u, No. 3v 및 No. 3w는 양호한 내마모성을 보였다.

<실시예 4>

소결체 내의 제1 재료(함유량: 40 체적%)를, 23 체적%의 제1 재료와 17 체적%의 표 4에 기재한 제3 상 및/또는 제4 상으로 치환하는 것을 제외하고, 다른 것은 전부 실시예 1의 소결체 No. 3과 같은 식으로 하여 24 종류의 소결체를 제작했다(소결체 No. 301~No. 324).

그리고, 이들 24 종류의 소결체를 이용하여, 실시예 1과 동일한 절삭 시험을 행했다. 그 결과를 이하의 표 4에 나타낸다.

또, 이들 24 종류의 소결체에 관해서 실시예 1과 같은 방법에 의해, 제1 재료 중의 Al₂O₃의 존재 위치를 특정함과 더불어, Al₂O₃의 원 상당 직경(입경)과 함유량을 산출한 바, 실시예 1의 소결체 No. 3과 같음을 확인할 수 있었다.

또한, 각 소결체의 CP 가공면을 주사형 전자현미경(SEM)에 의해 측정한 반사 전자상, 혹은 오제 전자 분광법에 의한 원소 분석에 의해 cBN, 제1 재료, 제3 상 및 제4 상의 영역을 확인한 뒤에, 상기한 화상 해석 소프트를 이용한 2치화 처리에 의해 면적을 측정하여, cBN, 제1 재료, 제3 상 및 제4 상의 각 조성 및 함유량이 상기 및 표 4에 기재된 것과 같음을 확인할 수 있었다.

표 4로부터 분명한 것과 같이, 어느 소결체나 우수한 내마모성과 내결손성을 보였다.

<실시예 5>

소결체 내의 제1 재료(함유량: 40 체적%)를, 이하의 제1 재료(1)~제1 재료(6)로 각각 치환하는 것을 제외하고, 다른 것은 전부 실시예 1의 소결체 No. 3과 같은 식으로 하여 6 종류의 소결체를 제작했다.

[제1 재료(1)]

부분 안정화 ZrO₂ 분말(상품명: 「TZ-3Y」, 도소 제조, 평균 입경: 45 nm)과 Al₂O₃ 분말(상품명: 「TM-DAR」, 다이메이카가쿠 제조, 평균 입경: 0.1 ㎛)을, 용매(에탄올) 속에서 볼밀을 이용하여 혼합하여, 혼합 슬러리를 얻었다. 이 때, 양 분말의 혼합 비율은, 소결체 내에서의 함유 비율이 ZrO₂가 34 체적%, Al₂O₃가 6 체적%(제1 재료 중에 차지하는 비율: 15 체적%)가 되도록 혼합했다.

이어서, 상기에서 얻어진 혼합 슬러리를 스프레이 드라이어(상품명: 「FR125」, 프리스 제조)에 의해 조립(분무 조립)함으로써 조립 분말을 얻었다.

이어서, 이 조립 분말을 열처리로를 이용하여 「1000℃, 진공 중, 3시간」이라는 조건에 의해 소결함으로써, 강도를 강화한 조립물인 제1 재료(1)를 얻었다.

[제1 재료(2)]

부분 안정화 ZrO₂ 분말과 Al₂O₃ 분말을, 소결체 내에서의 함유 비율이 ZrO₂가 28 체적%, Al₂O₃가 12 체적%(제1 재료 중에 차지하는 비율: 30 체적%)가 되도록 혼합하는 것을 제외하고, 다른 것은 전부 제1 재료(1)와 같은 식으로 하여 제1 재료(2)를 얻었다.

[제1 재료(3)]

부분 안정화 ZrO₂ 분말과 Al₂O₃ 분말을, 소결체 내에서의 함유 비율이 ZrO₂가 20 체적%, Al₂O₃가 20 체적%(제1 재료 중에 차지하는 비율: 50 체적%)가 되도록 혼합하는 것을 제외하고, 다른 것은 전부 제1 재료(1)와 같은 식으로 하여 제1 재료(3)를 얻었다.

[제1 재료(4)]

부분 안정화 ZrO₂ 분말(상품명: 「TZ-3Y」, 도소 제조, 평균 입경: 45 nm)과 Al₂O₃ 분말(상품명: 「TM-DAR」, 다이메이카가쿠 제조, 평균 입경: 0.1 ㎛)을, 바인더로서 폴리비닐부티랄(상품명: 「에스렉 B」, 세키스이카가쿠고교가부시키가이샤 제조)을 10 질량% 첨가한 용매(에탄올) 속에서 볼밀을 이용하여 혼합하여, 혼합 슬러리를 얻었다. 이 때, 양 분말의 혼합 비율은, 소결체 내에서의 함유 비율이 ZrO₂가 34 체적%, Al₂O₃가 6 체적%(제1 재료 중에 차지하는 비율: 15 체적%)가 되도록 혼합했다.

이어서, 상기에서 얻어진 혼합 슬러리를 스프레이 드라이어(상품명: 「FR125」, 프리스 제조)에 의해 조립(분무 조립)함으로써 조립 분말을 얻어, 이것을 제1 재료(4)로 했다.

[제1 재료(5)]

부분 안정화 ZrO₂ 분말과 Al₂O₃ 분말을, 소결체 내에서의 함유 비율이 ZrO₂가 28 체적%, Al₂O₃가 12 체적%(제1 재료 중에 차지하는 비율: 30 체적%)가 되도록 혼합하는 것을 제외하고, 다른 것은 전부 제1 재료(4)와 같은 식으로 하여 제1 재료(5)를 얻었다.

[제1 재료(6)]

부분 안정화 ZrO₂ 분말과 Al₂O₃ 분말을, 소결체 내에서의 함유 비율이 ZrO₂가 20 체적%, Al₂O₃가 20 체적%(제1 재료 중에 차지하는 비율: 50 체적%)가 되도록 혼합하는 것을 제외하고, 다른 것은 전부 제1 재료(4)와 같은 식으로 하여 제1 재료(6)를 얻었다.

그리고, 상기한 것과 같이 하여 얻어진 6 종류의 소결체를 이용하여, 실시예 1과 동일한 절삭 시험을 행했다. 그 결과를 이하의 표 5에 나타낸다.

또, 이들 6 종류의 소결체에 관해서 실시예 1과 같은 방법에 의해, 제1 재료 중의 Al₂O₃의 존재 위치를 특정함과 더불어, Al₂O₃의 원 상당 직경(입경)과 함유량을 산출한 바, 제1 재료의 입경은 거의 0.15 ㎛이고, Al₂O₃의 입경은 0.1 ㎛이고, ZrO₂와 Al₂O₃의 소결체 내에서의 함유 비율이 거의 상기한 것과 같이 되었음을 확인했다.

또한, 각 소결체의 CP 가공면을 주사형 전자현미경(SEM)에 의해 측정한 반사 전자상, 혹은 오제 전자 분광법에 의한 원소 분석에 의해 cBN, ZrO₂ 및 Al₂O₃의 영역을 확인한 뒤에, 상기한 화상 해석 소프트를 이용한 2치화 처리에 의해 면적을 측정한 바, cBN, ZrO₂ 및 Al₂O₃의 각 조성 및 함유량이 원료 배합 시의 것과 거의 같음을 확인할 수 있었다.

표 5로부터 분명한 것과 같이, 어느 소결체나 우수한 내마모성과 내결손성을 보였다.

<실시예 6>

소결체 내의 제1 재료를 다음과 같이 하여 제작한 제1 재료(이 제1 재료를 편의상 「제1 재료 A」라고 한다)로 치환하는 것(즉, 소결체 원료의 제1 재료 전구체를 이하의 「제1 재료 A」로 치환하는 것)을 제외하고, 다른 것은 전부 실시예 1의 소결체 No. 3과 같은 식으로 하여 소결체를 제작했다(이 소결체를 편의상 「소결체 No. 601」이라고한다).

(제1 재료 A의 제작)

제1 재료 A는, 상술한 것과 같이, 2011년에 발표된 논문(J. Jpn. Soc. Powder Powder Metallurgy, Vol. 58, No. 12, P727-732)에 기초하여 하기의 방법(졸-겔법)에 의해 제작할 수 있다.

즉, 우선 Zr-i-(OC₃H₇)₄, Al(OC₃H₇)₃, Y(OC₃H₇)₃을 2-프로판올 속에서 2시간 처리한 후, NH₄OH를 첨가한다. 이어서, 78℃에서 24시간 환류함으로써 가수분해 생성물을 얻는다. 이어서, 이 가수분해 생성물을 원심 분리한 후, 열수로 세정한다.

이어서, 상기에서 세정한 것을 진공 중, 120℃에서 건조함으로써 전구체를 얻는다. 배합비는 ZrO₂에 대하여, 1.5 몰%의 Y₂O₃ 및 25 몰%의 Al₂O₃가 되도록 조합한다. 이와 같이 하여 얻어진 전구체(분체)를 700℃에서 공기 중 9시간의 조건으로 하소하고(열처리하고), 추가로 900℃에서 1시간 하소하여 제1 재료 A인 결정질의 ZrO₂(Al₂O₃, Y₂O₃ 고용) 분체를 얻는다. 이 제1 재료 A는, 제1 재료 전체에 대하여 30 체적%의 Al₂O₃가 고용된 부분 안정화 ZrO₂이다.

한편, 상기한 소결체 No.601 중의 제1 재료 A(함유량: 40 체적%)를, 23 체적%의 제1 재료 A와 17 체적%의 표 6에 기재한 제3 상 및/또는 제4 상으로 치환하는 것을 제외하고, 다른 것은 전부 소결체 No. 601과 같은 식으로 하여 16 종류의 소결체를 제작했다(소결체 No. 602~No. 617).

그리고, 이들 17 종류의 소결체를 이용하여, 실시예 1과 동일한 절삭 시험을 행했다. 그 결과를 이하의 표 6에 나타낸다.

이 때, 이들 17 종류의 소결체에 관해서 실시예 1과 같은 방법에 의해, 제1 재료 중의 Al₂O₃의 존재 위치를 특정함과 더불어, Al₂O₃의 원 상당 직경(입경)과 함유량을 산출한 바, 실시예 1의 소결체 No. 3과 같음을 확인할 수 있었다.

또한, 각 소결체의 CP 가공면을 주사형 전자현미경(SEM)에 의해 측정한 반사 전자상, 혹은 오제 전자 분광법에 의한 원소 분석에 의해 cBN, 제1 재료, 제3 상 및 제4 상의 영역을 확인한 뒤에, 상기한 화상 해석 소프트를 이용한 2치화 처리에 의해 면적을 측정한 바, cBN, 제1 재료, 제3 상 및 제4 상의 각 조성 및 함유량이 상기 및 표 6에 기재한 것과 같음을 확인할 수 있었다.

표 6으로부터 분명한 것과 같이, 어느 소결체나 우수한 내마모성과 내결손성을 보였다.

이상과 같이 본 발명의 실시형태 및 실시예에 관해서 설명했지만, 상술한 각 실시형태 및 실시예의 구성을 적절하게 조합하거나 다양하게 변형하는 것도 당초부터 예정하고 있다.

이번에 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이며, 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 실시형태가 아니라 청구의 범위에 의해서 나타내어지며, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

Claims

제1 재료와 입방정 질화붕소를 포함하는 소결체로서,
상기 제1 재료는, 상기 제1 재료 전체에 대한 5~90 체적%의 Al₂O₃가 결정립계 또는 결정립 내에 분산된 부분 안정화 ZrO₂인 것인 소결체.
제1항에 있어서, 상기 제1 재료는, 상기 제1 재료 전체에 대한 5~50 체적%의 Al₂O₃가 결정립계 또는 결정립 내에 분산된 부분 안정화 ZrO₂인 것인 소결체.
제1항에 있어서, 상기 제1 재료는, 상기 제1 재료 전체에 대한 50 체적% 초과 70 체적% 이하의 Al₂O₃가 결정립계 또는 결정립 내에 분산된 부분 안정화 ZrO₂인 것인 소결체.
제1항에 있어서, 상기 제1 재료는, 상기 제1 재료 전체에 대한 70 체적% 초과 90 체적% 이하의 Al₂O₃가 결정립계 또는 결정립 내에 분산된 부분 안정화 ZrO₂인 것인 소결체.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 Al₂O₃는 그 입경이 1 ㎛ 이하의 입자인 것인 소결체.
제5항에 있어서, 상기 Al₂O₃는 그 입경이 0.5 ㎛ 이하의 입자인 것인 소결체.
제6항에 있어서, 상기 Al₂O₃는 그 입경이 0.1 ㎛ 이하의 입자인 것인 소결체.
제1항에 있어서, 상기 소결체는 상기 소결체 전체에 대한 20~80 체적%의 상기 제1 재료를 포함하는 것인 소결체.
제1항에 있어서, 상기 소결체는 추가로 제3 상을 포함하고,
상기 제3 상은, 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화세륨, 산화이트륨, 산화하프늄 및 ZrO로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종인 것인 소결체.
제1항에 있어서, 상기 소결체는 추가로 제4 상을 포함하고,
상기 제4 상은, 주기표의 4족 원소, 5족 원소, 6족 원소, Al 및 Si로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소와, 탄소, 질소 및 붕소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어지는 적어도 1종의 화합물인 것인 소결체.
제1항에 기재한 소결체를 포함하는 절삭 공구.