KR102472999B1 - Pcbn 소결 콤팩트 - Google Patents
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Abstract
본 출원은 절삭 공구를 제조하는데 사용될 수 있는 세립 입방정 질화붕소 소결 콤팩트의 새로운 개선이다. 콤팩트는 금속 바인더 시스템과 함께 적어도 80 vol% cBN 을 포함하며 HPHT 조건에서 소결된다. 개선은 금속 바인더 시스템에 알루미늄의 합금을 통합한다. 본 발명은 주철의 가공에 유리한 것으로 입증되었다.
Description
본 발명은 부피 퍼센트로 약 80% 내지 약 95% 의 cBN 및 금속 바인더 시스템으로 구성된 다결정 입방정 질화 붕소 (PcBN) 콤팩트에 관한 것이다. PcBN 콤팩트는 주철 및 이와 유사한 화학적 반응성 부품의 기계가공에 특히 유용하다.
고압/고온 (HP/HT) 공정에 의한 cBN 의 제조는 당업계에 공지되어 있으며 미국 특허 2,947,617 에 설명되어 있다. 촉매의 부재하에 열분해 육방정 질화 붕소 (HBN) 를 사용하는 소결된 다결정 cBN 콤팩트를 제조하는 방법이 미국 특허 4,1888,194 에 설명되어 있다. 이러한 직접 전환 과정에 대한 개선이 미국 특허 4,289,503 에 설명되어 있는데, 여기서는 전환 공정 전에 HBN 분말의 표면으로부터 산화 붕소가 제거된다.
커터 기술에서 사용되는 콤팩트는 결합 매체에 의해 또는 이의 조합에 의해 자체-결합된 관계로 함께 결합된 연마 입자들의 덩어리를 포함한다. 복합 콤팩트는 시멘티드 금속 카바이드와 같은 기재 재료에 결합된 콤팩트이다. 미국 특허 3,918,219 는 복합 cBN 콤팩트를 형성하기 위해 탄화물 덩어리와 접촉하여 육방정 질화 붕소 (HBN) 를 cBN 으로 촉매 전환하는 것을 설명하고 있다. 콤팩트 또는 복합 콤팩트는 절삭 공구, 드릴 비트, 드레싱 공구 및 마모 부품용의 블랭크에 사용될 수 있다.
본 발명은, 80 - 95 부피% cBN; 티타늄 알루미나이드, 니켈 알루미나이드, 알루미늄 중 적어도 하나를 포함하는 알루미늄 소스; 및 하나 이상의 VIII 족 금속 및 하나 이상의 V 족, VI 족 또는 VII 족 금속을 포함하는 다결정 소결체에 관한 것이다.
도 1 은 절삭 장치의 일반적인 개략도이다.
도 2 는 라인 스캔과 대조된 재료 입방정 질화 붕소 (cBN) 및 WC 의 단면 사진의 비교 조합이다.
도 3 은 반응 구역의 미세조직의 이미지이다.
도 4 는 반응 구역의 미세조직의 이미지이다.
도 2 는 라인 스캔과 대조된 재료 입방정 질화 붕소 (cBN) 및 WC 의 단면 사진의 비교 조합이다.
도 3 은 반응 구역의 미세조직의 이미지이다.
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블렌딩된 혼합물을 건조시켜 솔벤트의 인화점 이하의 온도에서 이소프로필 알코올, 아세톤과 같은 솔벤트를 제거한다. 이어서 분말은 추가 처리를 돕기 위해 과립화된다. 블렌딩된 재료의 조성은 성분의 상대적 함량이 원하는 범위에 부합하도록 변경될 수 있다.
분말은 전술한 바와 같이 당업계에 잘 알려진 종래의 HPHT 기술 및 장치를 사용하여 소결될 수 있다. 분말은 Ta 또는 Nb 와 같은 내화성 금속 컵에 적재된다. 컵의 크기는 최종 소결된 콤팩트의 크기를 제한한다. 분말 또는 콤팩트의 핵킹 기재 재료는 본 기술 분야에 알려진 바와 같이 소결된 cBN 콤팩트에 대한 현장 결합을 위해 컵에 적재될 수 있다. 적합한 기재는 예를 들어 초경합금, 예를 들어 코발트 (Co) 또는 기타 VIII 족 바인더와 함께 텅스텐 카바이드 (WC) 를 포함한다. 기재의 가장자리 주변에에서 컵 재료의 크림핑은 컵을 밀봉한다. 본 발명에서는 절삭 공구의 성능을 향상시키기 위해 초경합금 기재의 조성을 선택했다.
이 밀봉된 컵 어셈블리는 압력 전달 및 압력 밀봉 재료로 구성된 고압 셀에 로딩되고나서 10 - 40 분 동안 4.5 - 6.5 GPa 와 같은 고압 및 1200 ℃ 이상의 고온 처리를 받아서 분말 혼합물이 소결하여 기재에 결합한다. 소결된 블랭크는 셀로부터 제거되고 가공되어, 컵 재료가 제거되어 원하는 치수로 된다. 완성된 블랭크는, 예를 들어 방전 가공 (EDM) 또는 레이저에 의해, 분말 금속 철 및 기타 유사한 재료를 가공하는데 사용되는 절삭 공구의 제조에 적합한 모양과 크기로 절단된다. 설명된 소결된 블랭크의 크기와 모양은 구성요소들의 치수를 변경함으로써 변할 수 있으며, 소결 공정을 촉진하는데 사용되는 고압/고온 (HPHT) 장비에 의해 치수가 주로 제한된다.
소결된 cBN 콤팩트 제품은 평균 크기가 5 마이크론 (pm) 미만인 약 80 부피% 내지 95 부피% 의 cBN 입자들을 포함하고 재료의 잔부는 cBN 입자들 사이에 균일하게 분산되는 결합제 상으로 구성된다. HPHT 공정 동안, 밀링 및 블렌딩 단계 동안에 분말에 첨가된 알루미늄-함유 화합물이 입방정 질화 붕소와 반응하기 시작하고 소결을 시작한다. 초경합금 기재로부터의 코발트 및 크롬도 HPHT 동안 액화되고 분말 베드에 침투하여, 임의의 다공성을 제거하고 소결을 더욱 돕는다.
도 1 은 기재 및 PcBN 재료 층을 포함하는 절삭 요소의 일반적인 개략도를 나타낸다. PcBN 재료 층은 제 1 표면에 작업 표면을 포함한다. 반대편의 제 2 표면에서, PcBN 재료 층은 기재에 소결된다. PcBN 재료 층은 cBN; 알루미늄 함유 화합물; VIII 족 바인더 금속 또는 그 합금; 및 V 족, VI 족 또는 VII 족으로부터의 금속을 포함하는 조성을 갖는다. 일 예에서, PcBN 재료 층은 코발트 및 크롬을 포함하는 조성을 갖는다.
절삭 요소 (100) 는 계면 (106) 에서 만나는 기재 (102) 및 PcBN 재료 층 (104) 을 포함한다. 계면 (106) 으로부터 떨어진 초경질 재료 층 (104) 에서의 영역 (110) 은 실질적으로 벌크 초경질 재료인 조성을 갖는다. 계면 (106) 의 부근에는, 확산 구역 (112) 이 있다. 확산 구역은 고온 및 고압 (HPHT) 에서 처리되는 것과 같이 제조 중에 형성된다. 제조 동안, 기재 (102) 내의 VIII 족 바인더 금속은 압력 및 온도 하에서 초경질 재료 층 (104) 으로 침투하여, 기재 (102) 로부터의 VIII 족 바인더 금속이 초경질 재료 층 (104) 으로 이동한다. 이결과로 VIII 족 바인더 금속이 풍부한 확산 구역 (112) 이 된다. VIII 족 바인더 금속의 이동과 함께, 기재에 존재하는 V 족, VI 족 또는 VII 족의 금속도 기재로부터 PcBN 재료 층으로 이동한다. 기재 (102) 및 확산 구역 (112) 에서, V 족, VI 족 또는 VII 족 금속은 VIII 족 금속과의 합금으로서 존재한다. PcBN 재료 (110) 의 벌크에서, V 족, VI 족 또는 VII 족 금속은 알루미늄과의 합금으로서 존재한다.
도 2 는 라인 스캔 (202) 과 대조되는 WC 및 재료 입방정 질화 붕소 (cBN) 의 단면 (201) 사진의 비교 조합 (200) 을 나타낸다. 큐빙 요소의 예시적인 실시형태의 단면의 주사 전자 현미경 또는 SEM 마이크로그래프 (201) 는 기재 (250), 초경질 재료 층 (210), 기재 및 초경질 재료 층의 계면 (230), 반응 구역 (220) 및 고갈 구역을 나타낸다. 반응 구역 (220) 은 기재 (250) 와의 층의 계면 (230) 으로부터 절삭 요소의 작업 표면을 향해 초경질 재료 층 (210) 으로 연장된다.
사진 (210) 의 좌측으로부터 사진 (250) 의 우측으로 진행하면, 다양한 재료들의 농도가 표시된다. 가장 두드러진 변화는 cBN 층 (210) 과 WC 층 (250) 사이의 계면 (230) 에서 발생한다. 사진 (201) 아래에는 일련의 라인 스캔들 (202) 이 위치하며, 이는 cBN 층 구역, WC 층 구역 및 그 사이의 확산 구역으로도 알려진 계면 영역 내에 포함된 알루미늄 260, 코발트 270, 텅스텐 280 및 크롬 290 의 양의 그래픽 표사를 나타낸다. 초당 카운트로 측정된 라인 스캔들 (202) 의 강도는 표시된 재료, 이 경우 알루미늄 260, 코발트 270, 텅스텐 280 및 크롬 290이 테스트된 재료, 이 경우 cBN 및 WC 층에 얼마나 많이 존재하는지를 측정한 것이다. 라인 스캔들 (202) 은 좌측 (210) 으로부터 우측 (250) 으로 진행하고 사진 (201) 에 직접 대응하여서, 사진의 임의의 주어진 위치에서 사진 (201) 바로 아래에 있는 대응하는 라인 스캔 (202) 이 재료의 조성을 나타낸다.
도 2 는 샘플 재료 내에 포함된 코발트 (Co) 270 을 강조한다. 라인 스캔은 라인 스캔과 샘플의 길이에 걸쳐 강도가 변하며, cBN 과 WC 가 교차 (230) 하는 계면 (275) 에서 또는 그 근처에서 가장 큰 강도와 변동이 있다. 수평 흰색 라인 (240) 은 아래 이미지에 표시된 EDS 라인 스캔을 수집하는데 사용되는 위치를 나타낸다. 작업 표면은 이미지 (210) 의 좌측으로부터 벗어난다. 도 2 는 또한 샘플 재료 내에 포함된 크롬 (Cr) 290 을 강조한다. 라인 스캔은 라인 스캔과 샘플의 길이에 걸쳐 강도가 변하며, 계면 (295) 에서 또는 그 근처에서 가장 큰 강도와 변동이 있다. 코발트 스캔 라인과 크롬 라인 모두는 우측의 WC 기재에서 서로 동기적으로 또는 일제히 변동하고, 이는 코발트와 크롬이 WC 기재에서 함께 합금화되어 있음을 나타낸다. 유사한 합금화가 확산 층의 WC 계면 근처에서도 발생한다.
도 2 는 또한 샘플에 포함된 알루미늄 260 및 크롬 280 을 강조한다. 알루미늄 라인 스캔 (260) 은 cBN 및 WC 계면 (230) 으로부터 가장 먼 샘플의 가장 좌측 부분에 해당하는 라인 스캔 (265) 의 가장 좌측 부분에서 가장 높은 지점에서 피크를 이룬다. 크롬 290 은 또한 cBN 및 WC 계면 (230) 으로부터 가장 먼 샘플의 가장 좌측 부분에 해당하는 라인 스캔 (293) 의 가장 좌측 부분에서 가장 높은 지점에서 피크를 이룬다. 이는 크롬과 알루미늄이 cBN 층 (210) 의 벌크에서 함께 합금화됨을 나타내는 역할을 한다.
알루미늄 레벨은 계면으로부터 가장 먼 cBN 층에 가장 가깝게 피크를 이룬다. 제 1 실시형태, 코발트 및 크롬 침투는 고농도의 cBN 재료에서 수행된다. 이는 기재, 기재에 소결되고 제 1 표면에 작업 표면을 포함하는 cBN 층, 및 기재의 계면으로부터 작업 표면을 향해 cBN 층으로 확장되는 확산 구역으로 구성된 다결정 소결체를 포함한다. 그 안에서 cBN 층은 80 - 95 부피% 의 cBN; 티타늄 알루미나이드, 니켈 알루미나이드 및/또는 알루미늄을 포함하는 알루미늄 소스; 및 기재에서 VIII 족 바인더 금속과 혼합되는 크롬 또는 이의 합금으로 구성되고, 크롬은 확산 층에서 VIII 족 바인더 금속과 합금화되고, 크롬은 계면으로부터 멀리 PcBN 층의 작업 표면에서 알루미늄과 합금화된다. 크롬의 대안예는 다른 V 족, VI 족또는 VII 족 금속이다.
도 3 은 10 마이크론 스케일 바아 (320) 를 갖는 2000x SEM 크기 (310) 에서 반응 구역의 미세조직의 이미지 (300) 를 제공한다. 이미지는 cBN 농도가 WC/cBN 계면 (350) 에서 훨씬 더 낮다는 것을 입증하는데, 이는 코발트와 크롬은 초경합금 기재로부터 cBN 층으로 침투하고 있음을 나타낸다. 이 SEM 이미지는 상부 (330) 의 pCBN 층 및 하부 (340) 의 WC 기재를 보여준다.
도 4 는 1 마이크론 스케일 바아 (420) 를 갖는 5000x SEM 이미지 (410) 에서 반응 구역의 미세조직 이미지 (400) 를 제공한다. 하부 부분은 시멘티드 WC 기재를 나타내며, 가장 밝은 페이즈 (440) 는 WC 이고 약간 어두운 페이즈 (430) 는 Co 및 크롬이다 (430 의 위치는 도면에서 정확하지 않고 WC 기재와 cBN 층 모두 에서 430 을 포함할 수도 있다). 상부 부분은 다결정 cBN 재료를 보여준다. 가장 어두운 영역은 cBN 입자이다. 더 밝은 회색은 계면 (450) 에서 기재로부터 침투하는 코발트 및 크롬이다.
일 실시형태에서, 다결정 소결체는 80 - 95 부피% cBN; 티타늄 알루미나이드, 니켈 알루미나이드 및/또는 알루미늄을 포함하는 알루미늄 소스; 및 HPHT 동안 액체상으로서 cBN 층에 침투하는 하나 이상의 V, VI 또는 VII 족 금속 및 하나 이상의 VIII 족 금속으로 구성된다. VIII 족 금속은 Fe, Co 또는 Ni 중 하나이고, V 족, VI 족 또는 VII 족 금속이 V, Cr 또는 Mn 중 하나일 수 있다. 금속은 Co, Cr, Mn, Fe, V 및 Ni 로부터의 적어도 2 개의 금속을 포함할 수 있다. 침투 금속들은 초경합금 기재에서 금속 디스크(들)로서 또는 성분(들)로서 또는 둘의 조합으로서 제공될 수 있다.
추가 실시형태에서, 전술한 실시형태들의 원소들을 결합하는 개선예는 80 - 95 부피% cBN; 티타늄 알루미나이드, 니켈 알루미나이드 및/또는 알루미늄을 포함하는 알루미늄 소스로 이루어지는 다결정 소결체를 포함하고, cBN 층은 초경합금 기재에 소결되고 크롬은 크롬과 코발트의 합금으로서 초경합금의 계면 근처에 존재한다. 여기서, 크롬은 크롬과 알루미늄의 합금으로서 작업 표면에 존재한다.
성능 테스트는 본 발명의 실시형태, 가능예 및 새롭고 신규한 이점을 보여준다. 재료들은 다음 조건을 사용하여 주철 밀링에서 평가되었다:
축방향 및 반경방형 레이크 각도 = 5도
리드 각도 = 15도
Vc = 1000 m/min
f = 0.1 mm
Ap = 0.5 mm
Ae = 52.37 mm.
기존 재료 (HPHT 중 코발트만 침투) 는 평균 8회 패스의 치핑으로 인해 실패했다. 예시적인 재료 (기존 재료에 사용된 동일한 분말 조성, 알루미늄 및 크롬이 작업 표면에서 합금화되면서 HPHT 동안 코발트 및 크롬이 침투) 는 평균 10회 패스의 치핑으로 인해 실패했다. 공구 수명의 이러한 증가는 본 발명 재료의 파괴 인성의 증가를 나타낸다. 본 발명이 바람직한 실시형태를 참조하여 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 다양한 변경이 이루어질 수 있고 등가물이 그 요소를 대체할 수 있음을 이해할 것이다. 추가로, 본 발명의 본질적인 범위를 벗어나지 않고서 본 발명의 교시에 특정 상황 또는 재료를 적용하기 위해 많은 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 고려되는 최상의 모드로서 개시된 특정 실시형태에 제한되지 않고, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범위 내에 있는 모든 실시형태를 포함할 것이다. 본 출원에서는 달리 명시되지 않는 한은 모든 단위는 미터법이고 모든 양과 백분율은 중량 기준이다. 또한, 여기에 언급된 모든 인용은 참고로 여기에 명시적으로 포함된다.
Claims (20)
- 다결정 소결체 (100) 로서,
80 - 95 부피% cBN;
티타늄 알루미나이드 또는 니켈 알루미나이드 중 적어도 하나를 포함하는 알루미늄 소스; 및
하나 이상의 VIII 족 금속 및 하나 이상의 V 족, VI 족 또는 VII 족 금속
을 포함하고,
VIII 족 금속이 Fe, Co 또는 Ni 중 하나이고, V 족, VI 족 또는 VII 족 금속이 V, Cr 또는 Mn 중 하나이고,
적어도 2 개의 금속이 cBN 층 (210) 에 침투하는 다결정 소결체 (100). - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
VIII 족 금속이 Co 이고, V 족, VI 족 또는 VII 족 금속이 Cr 인 다결정 소결체 (100). - 제 1 항에 있어서,
V 족, VI 족 또는 VII 족 금속이 초경합금 기재에서 VIII 족 금속과의 합금으로서 존재하는 다결정 소결체 (100). - 제 4 항에 있어서,
V 족, VI 족, 또는 VII 족 금속은 초경합금 기재 계면으로부터 cBN 층 (210) 으로 연장되는 확산층 (230) 에서 VIII 족 금속과의 합금으로서 존재하는 다결정 소결체 (100). - 제 5 항에 있어서,
크롬은 크롬과 코발트의 합금으로서 상기 초경합금 기재 계면 (230) 에 존재하는 다결정 소결체 (100). - 제 6 항에 있어서,
V 족, VI 족, 또는 VII 족 금속은 상기 초경합금 기재 계면 (230) 으로부터 떨어진 상기 cBN 층 (210) 에서 상기 알루미늄 소스와의 합금으로서 존재하는 다결정 소결체 (100). - 제 1 항에 있어서,
금속은 Co, Cr, Mn, Fe, V 및 Ni 로부터의 적어도 2 개의 금속을 포함하는 다결정 소결체 (100). - 삭제
- 제 4 항에 있어서,
cBN 층 (210) 침투가 액상에서 발생하는 다결정 소결체 (100). - 제 10 항에 있어서,
액상에서의 cBN 층 침투는 고온 고압에서 발생하는 다결정 소결체 (100). - 제 10 항에 있어서,
침투 금속은 적어도 하나의 금속 디스크로서 제공되는 다결정 소결체 (100). - 제 12 항에 있어서,
침투 금속은 초경합금 기재내의 성분으로서 제공되는 다결정 소결체 (100). - 제 12 항에 있어서,
침투 금속은 금속 디스크로서 그리고 초경합금 기재내의 성분으로서 제공되는 다결정 소결체 (100). - 제 6 항에 있어서,
상기 크롬이 상기 초경합금 기재 계면 근처에 존재하는 다결정 소결체 (100). - 제 4 항에 있어서,
상기 cBN 층 (210) 이 상기 초경합금 기재에 소결되는 다결정 소결체 (100). - 제 6 항에 있어서,
상기 크롬과 상기 알루미늄 소스의 합금을 포함하는 작업 표면에 상기 크롬이 존재하는 다결정 소결체 (100). - 다결정 소결체 (100) 로서,
80 - 95 부피% cBN;
티타늄 알루미나이드 또는 니켈 알루미나이드 중 적어도 하나를 포함하는 알루미늄 소스;
초경합금 기재 계면;
작업 표면; 및
하나 이상의 VIII 족 금속 및 하나 이상의 V 족, VI 족 또는 VII 족 금속
을 포함하고,
VIII 족 금속이 Fe, Co 또는 Ni 중 하나이고, V 족, VI 족 또는 VII 족 금속이 V, Cr 또는 Mn 중 하나이고,
적어도 2 개의 금속이 cBN 층 (210) 에 침투하는 다결정 소결체 (100). - 삭제
- 삭제
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