KR102573968B1 - 절삭공구용 복합 소결체 및 이를 이용한 절삭공구 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 절삭공구용 복합 소결체 및 이를 이용한 절삭공구에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 경도 및 내충격성이 우수하여 수명이 향상된 절삭공구용 복합 소결체 및 이를 이용한 절삭공구에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 입방정 질화붕소 입자간 직접결합이 없어 입방정 질화붕소의 취성특성을 최소화함으로써 복합 소결체의 경도 및 내충격성이 강화되어 절삭공구의 수명을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 입방정 질화붕소 입자간 직접결합이 없고 이차화합물이 결합제로 이루어져 있어 EDM 방전 가공성을 좋게하여 절삭공정을 용이하게 할 수 있다.

Description

절삭공구용 복합 소결체 및 이를 이용한 절삭공구{Composite sintered body for cutting tools and cutting tools using the same}
본 발명은 절삭공구용 복합 소결체 및 이를 이용한 절삭공구에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 경도 및 내충격성이 우수하여 수명이 향상된 절삭공구용 복합 소결체 및 이를 이용한 절삭공구에 관한 것이다.
산업 발전에 따라 경제적 기계 가공을 가능하게 하는 정밀 절삭공구의 수요가 증대하고 그 공구 가공 기술도 급속히 발전하고 있다. 정밀 절삭 공구중에는 최신의 소재로 수명이 가장 긴 인조 다이아몬드와 CBN(Cubic Boron Nitride, 입방정 질화붕소) 소결체가 있는데, 이것은 Extreme hard material로 가공이 가장 힘든 것이 사실이다.
미국의 GE사가 개발한 초연마재(Super abrasive)인 다이아몬드와 CBN(Cubic Boron Nitride, 입방정 질화붕소)의 사용은 경제발전에 따른 기계가공의 고정밀화 추세와 가공재료의 다양성 증대로 인하여 급속도로 보편화되어지고 있는 추세이다. 특히 연마입자의 경도가 매우 높기 때문에 종래의 Al2O3 및 SiC 연삭입자에 의한 연삭가공을 위시하여 여타의 기계가공으로는 가공의 거의 불가능한 경화열처리강, 초경합금 및 세라믹 등 고경도 재료 정밀가공에 있어서는 독점적인 위치를 차지하고 있다.
초연마재 중 다이아몬드는 철계재료 가공시 흑연화 현상에 따른 입자마모가 심하기 때문에 철계재료의 연삭에는 사용이 제한되고 있으나, CBN(Cubic Boron Nitride, 입방정 질화붕소)의 경우에는 다이아몬드와는 달리 철계 금속과의 낮은 화학반응 친화력을 가지고 있으므로, 철계재료 연삭시 화학적 안정성이 우수하고 열전달률이 높아 연삭열에 의해 쉽게 마모되지 않고, 연삭날이 잘 유지되므로 고경도의 열처리강, 공구강, 주철 등의 철계 금속의 가공에 널리 사용되고 있다.
입방정 질화붕소(Cubic Boron Nitride, CBN)는 자연계에는 존재하지 않으며, 인공적인 초고온고압의 합성법으로만 생성 가능한 물질로, 다이아몬드에 버금가는 경도를 가져 연삭, 연마, 절삭재용의 지립(砥粒)으로 사용된다. 입방정 질화붕소(Cubic Boron Nitride, CBN)의 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.
한편, 다결정 입방정 질화붕소(Polycrystalline Cubic Boron Nitride, PCBN)는 바인더로서 특별한 세라믹재료와 함께 입방정 질화붕소를 혼합하여 소결하여 제조될 수 있다. 최근 다결정 입방정 질화붕소 공구는 고경도 열처리강, 초내열 합금, 소결금속 등의 난삭제 가공제품에도 또한 폭넓게 적용되어가고 있으며, 고경도 소재를 고정밀 가공할 수 있는 다결정 입방정 질화붕소 공구는 일반적인 연삭가공 공정의 대안이 될 수 있다.
그러나, 종래의 다결정 입방정 질화붕소(Polycrystalline Cubic Boron Nitride, PCBN)는 절삭공정 시 공구의 마모 또는 고온에서의 내열성 저하로 인하여 공구의 파괴가 일어난다는 문제가 발생되고 있으며, 이로 인하여 공구의 수명이 단축되는 문제가 있다.
따라서, 다결정 입방정 질화붕소를 포함하는 절삭 공구의 수명을 우수하게 하기 위해 내열성 및 내충격성이 향상된 절삭공구에 대한 연구가 시급한 실정이다.
본 발명은 입방정 질화붕소 입자간 직접결합이 없고 사이 결합제로 이차화합물이 형성되어 있어 내충격 특성이 강화된 절삭공구용 복합 소결체 및 이를 이용한 절삭공구를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 입방정 질화붕소 입자간 직접결합이 없고 전기전도성을 지닌 이차화합물 결정상이 입방정 질화붕소 입자사이에 균일하게 존재하여 소결체의 EDM 방전가공시 CBN의 탈락이 낮고 절단공정을 용이하게 할 수 있는 절삭공구용 복합 소결체 및 이를 이용한 절삭공구를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 입방정 질화붕소와 결합제를 포함하며, 상기 입방정 질화붕소간 직접결합이 없고 소결체가 다른 이종접합층으로 구성되지 않는 단일층으로 이루어지고, X선 회절 패턴 분석시, TiB2의 (101)면 피크(peak)의 반치전폭(Full width at half maximum, FWHM)이 0.2 ~ 0.4도인 절삭공구용 복합 소결체를 제공한다.
또한, 상기 복합 소결체의 비커스 경도는 2900 ~ 3700HV이다.
또한, 상기 입방정 질화붕소 소결체의 체적은 65~85%이다.
또한, 상기 복합 소결체의 입방정 질화붕소 입자 사이즈는 0.1~1.2μm인 절삭공구용 복합 소결체.
또한, 상기 입방정 질화붕소 소결체에서, 각각의 입방정 질화붕소는 Ti, W, Cr, Ni, Nb, Mo, Ta로 구성된 제 1군 결합물과, Al, Co, Mn, Si, Cu로 구성된 제 2군 결합물을 각각 적어도 하나 이상 포함한 탄화, 질화, 탄질화, 붕화물 또는 고용체 형태로 상기 입방정 질화붕소 소결체와 결합되어 있다.
또한, 상기 입방정 질화붕소 소결체는 볼밀(Ball mill), 어트리터밀(Attritor mill), 플레너터리밀(Planetary mill)법 중 어느하나의 방법으로 혼합하여 제조된다.
또한, 상기 결합제는 티타늄 다이보라이드(TiB2)이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 가공을 위한 인선부를 형성하는 복합 소결체를 적어도 일부 포함하고, 상기 복합 소결체는, 입방정 질화붕소와 결합제를 포함하며, 상기 입방정 질화붕소 입자간 이종접합층이 없고 단일층으로 이루어진 복합 소결체로서, X선 회절 패턴 분석시, TiB2 (101)면 피크(peak)의 반치전폭(Full width at half maximum, FWHM)이 0.2 ~ 0.4도인 복합 소결체를 이용한 절삭공구를 제공한다.
또한, 초경기판을 더 포함하고, 상기 복합소결체는 상기 초경기판의 일측에 구비될 수 있다.
또한, 상기 절삭공구는 전체가 소결체로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 복합 소결체의 비커스 경도는 2900 ~ 3700HV이다.
본 발명에 따르면, 입방정 질화붕소 입자간 직접결합이 없어 입방정 질화붕소의 취성특성을 최소화함으로써 복합 소결체의 경도 및 내충격성이 강화되어 절삭공구의 수명을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 입방정 질화붕소 입자간 직접결합이 없고 전기전도성을 지닌 이차화합물 결정상이 입방정 질화붕소 입자사이에 균일하게 존재하여 소결체의 EDM 방전가공시 CBN의 탈락이 낮고 절단공정을 용이하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 소결체의 X선 회절 패턴을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 복합 소결체의 입방정 질화붕소간 직접결합이 없는 것을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 복합 소결체를 이용한 절삭공구의 공구수명을 측정한 그래프이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 매체를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
다음은 본 발명의 일 실시예에 관한 절삭공구용 복합 소결체 및 이를 이용한 절삭공구에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
1. 절삭공구용 복합 소결체
본 발명은 절삭공구용 복합 소결체 및 이를 이용한 절삭공구에 관한 것으로서, 절삭 공구로서 이용가능한 입방정 질화붕소 소결체를 제공하는 것이다.
본 발명의 복합 소결체는 입방정 질화붕소간 직접결합이 없고 이종접합층이 없는 단일복합체로 이루어지고, 상기 결합제는 연속연결되어 있는 절삭공구용 복합 소결체인 것을 특징으로 한다.
종래의 소결체는 금속판인 WC 기판 위에 PCBN층을 올려 함께 소결하는 것이 특징이나, 종래의 방법으로 제조된 소결체는 WC기판과 PCBN층 사이에 이종접합층이 존재하기 때문에 절삭공정시 이종접합층 분리에 의한 박리현상이 일어날 수 있다. 이러한 이종접합층 분리에 의한 박리현상이 일어나면 공구의 깨짐성이 높아지게 되어 공구의 수명을 단축시킬 수 있는 문제를 일으킬 수 있다. 본 발명에 따른 복합 소결체는 이종접합층이 없는 단일복합체로 이루어져 있어 열적안정성이 높고, 박리현상에 따른 공구의 깨짐성을 최소화하여, 우수한 수명을 나타내는 복합소결체 및 절삭공구를 제공한다.
상기 결합제는 티타늄 다이보라이드(TiB2)를 사용하며, 상기 티타늄 다이보라이드(TiB2)는 티타늄 화합물에서 반응하여 생성된 2차 결합상으로서 입방정 질화붕소와 결합제간의 반응으로 생성된다. 티타늄 다이보라이드(TiB2)는 용융점이 3200℃ 이상이며 경도가 25~35GPa로 매우 높은 결정체이며 뛰어난 물성을 가지고 있다. 또한 열전도도가 60~120W/mK이며, 전기전도도가 ~105S/cm로 공구용 복합 소결체의 소재로서 우수한 특성을 지니고 있는 물질이다. 본 발명에서 사용되는 결합제는 티타늄 다이보라이드(TiB2)를 사용하는 것이 바람직하나, 결합제의 종류는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 통상적으로 당업계에 공지된 방법이라면 선택적으로 이용할 수 있다.
본 발명에서 공구로 사용 가능한 입방정 질화붕소 소결체는 입방정 질화붕소의 체적이 소결체 내에서 65~85vol%이며, 이때 입방정 질화붕소의 평균 입자는 0.1~ 1.2 ㎛인 것이 특징이다. 상기 입방정 질화붕소의 체적이 65vol% 미만일 경우 복합 소결체의 경도가 감소하여 공구 수명이 단축되는 문제점이 있으며, 상기 입방정 질화붕소의 체적이 85vol%를 초과할 경우 입방정 질화붕소 입자간의 직접결합 가능성이 높아진다.
입방정 질화붕소 입자간 직접결합이 상승하면 경도는 높아지지만 공구에 충격을 가했을 때 파손빈도가 높아져 공구수명이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 즉, 입방정 질화붕소 입자간 직접결합이 상승하면 인성을 부여하는 금속 결합제의 함량이 감소하고, 입방정 질화붕소의 입자간격이 좁아져 경도가 증가하는 것이다. 일반적으로 CBN 의 함유량이 높아지면 CBN 입자간의 접촉부분이 많아지나, 상대적으로 내충격성에 취약하고 내열특성이 우수한 세라믹 바인더부분의 두께가 얇아지면서 소결체 전체적으로 경도가 높아지고 인성이 향상되지만 내열특성은 저하된다.
또한, 본 발명의 복합 소결체의 입방정 질화붕소는 입자간 이종 접합층이 없는 단일층으로 이루어져 있으며, 각각의 입방정 질화붕소는 Ti, W, Cr, Ni, Nb, Mo, Ta로 구성된 제 1군 결합물과, Al, Co, Mn, Si, Cu로 구성된 제 2군 결합물을 각각 적어도 하나 이상 포함한 탄화, 질화, 탄질화, 붕화물 또는 고용체 형태로 입방정 질화붕소와 결합되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 제 1군 결합물과 제 2군 결합물이 각각 하나 이상이 포함된 결합제 성분이 복합 소결체 내에서 상호 고용체 및 탄화, 질화, 탄질화, 산화, 붕화물로써 존재하기 때문에 본 발명의 복합 소결체는 적절한 전기전도성을 띌 수 있게 된다. 적절한 전기전도성을 띄는 복합 소결체는 EDM 방전 가공성을 좋게 하여 절삭공정 시 절단을 용이하게 하는 효과가 있다. 도 2는 본 발명에 따른 복합 소결체의 입방정 질화붕소간 직접결합이 없는 것을 나타내는 모식도이다. 도 2와 같이 입방정 질화붕소 입자간의 결합은 없으며, 입방정 질화붕소 입자 사이에 존재하는 결합제는 모두 연결되어 있는 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 복합 소결체의 X선 회절 패턴 분석시 TiB2의 (101)면 피크(peak)의 반치전폭(Full width at half maximum, FWHM)이 0.2~0.4도의 범위이며, 이때 상기 복합 소결체의 비커스 경도는 평균 2900~3700HV(28~37GPa)인 것을 특징으로 한다. 상기 반치전폭(Full width at half maximum, FWHM)이 0.2 미만일 경우 경도는 높아지나 취성이 증가하여 공구로서의 수명이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 상기 반치전폭(Full width at half maximum, FWHM)이 0.4를 초과할 경우 TiB2의 결정화도가 낮아지면서 복합 소결체의 경도가 2900HV 미만으로 떨어져 공구의 마모가 빨라져 공구수명이 단축되는 문제점이 있다. 또한, 상기 복합 소결체의 경도가 2900HV 미만일 경우 공구의 마모가 쉽게 일어나 공구수명이 낮아지는 문제가 있으며 경도가 3700HV를 초과할 경우에는 취성(brittleness)이 증가하여 공구가 쉽게 깨져버리는 문제가 발생할 수 있다.
참고로, 도 1은 본 발명에 따른 복합 소결체의 X선 회절 패턴을 나타낸 도면이다. 본 발명의 입방정 질화붕소 입자와 결합제의 혼합은 볼밀(Ball mill), 어트리터밀(Attritor mill), 플레너터리밀(Planetary mill)법 등 일반적인 분말혼합방법에 의해서 균일한 분말의 혼합을 진행한다. 입방정 질화붕소 입자와 결합제의 혼합은 상기 방법 중 어느 하나의 방법으로 혼합하여 제조하는 것이 바람직하나, 입방정 질화붕소 입자와 결합제의 혼합방법은 반드시 이에 한정되지 않으며, 통상적으로 당업계에 공지된 방법이라면 선택적으로 이용할 수 있다.
2. 복합 소결체를 이용한 절삭공구
본 발명의 일 실시예에 관한 복합 소결체를 이용한 절삭공구는 가공을 위한 인선부를 형성하는 복합소결체를 포함하고, 상기 복합 소결체는 입방정 질화붕소와 결합제를 포함하며, 상기 입방정 질화붕소 입자간 직접결합이 없고, 소결체는 이종접합층이 존재하지 않는 단일층으로 이루어진 복합 소결체로서, X선 회절 패턴 분석시, 티타늄 다이보라이드(TiB2) (101)면 피크(peak)의 반치전폭(Full width at half maximum, FWHM)이 0.2 ~ 0.4도인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 관한 복합 소결체를 이용한 절삭공구는 초경기판 및 초경기판의 일측에 구비되는 복합소결체를 이용한 절삭 공구일 수 있고, 전체가 소결체로 이루어진 절삭공구일 수도 있다.
상기 반치전폭(Full width at half maximum, FWHM)이 0.2 미만일 경우 경도는 높아지나 취성이 증가하여 공구로서의 수명이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 상기 반치전폭(Full width at half maximum, FWHM)이 0.4를 초과할 경우 TiB2의 결정화도가 낮아지면서 복합 소결체의 경도가 2900HV 미만으로 떨어져 공구의 마모가 빨라져 공구수명이 단축되는 문제점이 있다.
또한 상기 절삭공구에 포함된 복합 소결체의 비커스 경도는 2900 ~ 3700HV인 것이 바람직하며, 경도가 2900HV 미만일 경우 공구의 마모가 쉽게 일어나 공구수명이 낮아지는 문제가 있으며 경도가 3700HV를 초과할 경우에는 취성(brittleness)이 증가하여 공구가 쉽게 깨져버리는 문제가 발생할 수 있다.
이하 본 발명에 대하여 실시예를 들어 보다 상세히 설명하기로 한다.
[복합 소결체의 XRD 측정]
본 발명의 실시예에서는 Cu Kα선을 이용한 XRD 측정법을 이용하며, 이때 사용하는 제너레이터 세팅은 40kV, 30mA로 측정한다. 또한, 측정은 분당 5도, 스텝은 0.02, 2θ로 측정하며 범위는 30~60 2θ에서 XRD 측정을 실시하였다. 이것은 XRD 관측장비의 분해능에 따라 빠르게 측정 가능하며 최대 분당 10도까지 측정이 가능하다. 또한, 측정 데이터를 변경하지 않고 반치전폭(Full width at half maximum, FWHM)을 측정하고 백그라운드(Backgound)를 제거하여 피크(peak)를 결정한 후 반치전폭(Full width at half maximum, FWHM)을 측정할 수 있다. 본 발명의 XRD 측정에서 측정하는 입방정 질화붕소의 피크(peak)는 (111)면이며, 티타늄 다이보라이드(TiB2)는 (101)면으로 측정하여 결정하였다.
( 실시예 1) 반치전폭에 따른 공구의 경도 및 공구수명 평가실험
본 발명의 실시예에 따른 절삭공구용 복합 소결체 및 이를 이용한 절삭공구의 경도 및 공구수명을 측정하기 위하여 하기와 같이 테스트하였다.
평균 크기가 0.75㎛이고 체적이 70vol%인 입방정 질화붕소 입자를 결합제 30vol%와 함께 일반적인 볼밀(Ball mill)공정을 이용하여 혼합하였다. 결합제의 혼합비율은 결합제 내에서 Ti 화합물, Al 화합물을 8:2 질량비율로 혼합하고 파라핀 왁스를 1wt% 내외로 첨가하여 성형이 가능하도록 하여 혼합하였다. 볼밀(Ball mill)공정 진행 시 볼(Ball)은 WC 볼(WC ball)을 이용하여 추가 혼입되는 비율이 전체의 4wt%를 넘지 않도록 혼합공정을 실시하였다.
상기 혼합공정을 거쳐 혼합이 완료된 분말을 성형한 후, 잔류 왁스(wax)를 제거하기 위하여 500℃ 이상의 온도에서 왁스 제거(De-waxing) 작업을 진행하였다. 이후 열처리가 완료된 성형체를 Ta, Mo, Nb, Zr와 같은 금속 컵에 밀봉하여 HPHT셀로 조립하였다. 소결은 1300~1500℃, 5.5~6.0GPa의 초고온고압 하에서 소결을 진행하였다.
경도측정은 비커스 경도를 측정하였으며, 하중 5kgf에 유지시간을 5초로 하는 것을 기본으로 하고 측정표면은 폴리싱하여 측정오차를 최소화하는 방법으로 경도를 측정하였다. 또한, 상기 실시예 및 비교예의 복합소결체를 공구로 제작 후 절삭하여 공구수명 평가를 진행하였다. 절삭시험평가를 위한 피삭재는 형태가 원통형으로 길이 100mm, 지름 160mm이며 단속날 부분이 6개가 있고, 각각 60도 간격으로 단속부가 존재하는 형태의 피삭재를 사용하였다. 공구마모를 공구수명 패스(pass)로 한정하고 공구수명은 공구 인선부의 마모를 0.4mm 이상일 경우 중단하여 패스(pass)를 한정하였다. 패스(pass)는 피삭제를 전체 한번 절삭한 다음 공구인선의 마모 측정 후 판단하였다. 공구수명 평가를 위한 절삭시험 조건은 다음과 같다.
<절삭시험조건>
피삭재 : SCM440
공구형태 : CNGA120408
절삭조건 : 절삭속도 600m/min, 이송속도 F0.2mm/rew, 절삭깊이 0.025mm
다음으로 본 발명의 실시예 및 비교예의 실험조건을 설명한다.
실시예 1은 복합 소결체의 엑스선 회절패턴 분석시 TiB2의 (101)면 피크(peak)의 반치전폭(Full width at half maximum, FWHM)이 0.29일 때 공구의 경도 및 공구수명을 측정한 실시예이다.
실시예 2는 복합 소결체의 엑스선 회절패턴 분석시 TiB2의 (101)면 피크(peak)의 반치전폭(Full width at half maximum, FWHM)이 0.35일 때 공구의 경도 및 공구수명을 측정한 실시예이다.
비교예 1은 복합 소결체의 엑스선 회절패턴 분석시 TiB2의 (101)면 피크(peak)의 반치전폭(Full width at half maximum, FWHM)이 0.13일 때 공구의 경도 및 공구수명을 측정한 비교예이다.
비교예 2는 복합 소결체의 엑스선 회절패턴 분석시 TiB2의 (101)면 피크(peak)의 반치전폭(Full width at half maximum, FWHM)이 0.6일 때 공구의 경도 및 공구수명을 측정한 비교예이다.
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2의 소결혼합조성은 모두 동일하게 설정하여 상기 반치전폭이 도출되도록 소결하였으며, 경도 및 공구수명 측정결과를 하기 표 1에 표시하였다.
구분 반치전폭 경도 공구수명 (pass)
비교예 1 0.11 3820Hv (37.46GPa) 2
실시예 1 0.29 3350Hv (32.52GPa) 4
실시예 2 0.35 3600Hv (34.25GPa) 4
비교예 2 0.60 2850Hv (27.95GPa) 1
상기 표 1을 참조하면, 반치전폭이 0.29인 실시예 1의 경우 경도와 공구수명이 각각 3350Hv(32.52GPa), 4pass로 모두 종래기술보다 우수한 경도 및 공구수명을 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 반치전폭이 0.35인 실시예 2도 경도와 공구수명이 각각 3600Hv(34.25GPa), 4pass로 모두 종래기술보다 우수한 경도 및 공구수명을 나타내는 것을 알 수 있다. 실시예 1 및 실시예 2와 같이 반치전폭이 본 발명에서 개시하고 있는 0.2~0.4의 범위일 때 절삭공구로서 우수한 성능을 나타낼 수 있는 경도와 공구수명을 나타낼 수 있으며, 반치전폭이 상기 범위를 벗어날 경우에는 취성증가 및 경도 저하로 인하여 공구수명이 단축될 수 있다. 하기 서술할 비교예 1, 2는 반치전폭이 본 발명에서 개시하고 있는 0.2~0.4의 범위일 때의 경도와 공구수명을 측정한 실험이다.
상기 표 1을 참조하면, 반치전폭이 0.11인 비교예 1의 경우 경도는 3820Hv(37.46GPa)로 실시예 1, 실시예 2 보다도 더 높은 경도를 나타냈으나, 공구수명은 오히려 감소하는 것으로 나타났다. 이것은, 비교예 1과 같이 반치전폭 값이 0.2 이하로 떨어지면 경도가 증가하지만, 경도가 높아지게 되면 취성(brittleness) 또한 증가하여 공구가 쉽게 깨지므로 상기 비교예 1처럼 공구로서의 수명이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 반치전폭이 0.60인 비교예 2의 경우 경도 및 공구수명이 각각 2900Hv(28.50GPa), 1pass를 나타내어 실시예 1, 2에 비하여 경도와 공구수명 모두 현저히 저하된 것을 알 수 있었다. 이것은 복합소결체의 반치전폭이 0.4를 초과할 경우 티타늄 다이보라이드(TiB2)의 결정화도가 감소하면서 복합 소결체의 경도가 저하되어 공구마모가 빨라지기 때문에 공구수명이 저하되는 것이다.
( 실시예 2) 공구수명 측정 테스트
본 발명의 실시예에 따른 절삭공구용 복합 소결체 및 이를 이용한 절삭공구의 공구수명을 측정하기 위하여 하기와 같이 테스트하였다.
평균 크기가 0.75㎛이고 체적이 70vol%인 입방정 질화붕소 입자를 결합제 30vol%와 함께 일반적인 볼밀(Ball mill)공정을 이용하여 혼합하였다. 결합제의 혼합비율은 결합제 내에서 Ti 화합물, Al 화합물을 8:2 질량비율로 혼합하고 파라핀 왁스를 1wt% 내외로 성형 보조제로 첨가하여 성형이 용이하도록 혼합을 하였다. 혼합공정은 볼밀(Ball mill)법을 사용하여 혼합하였으며, 볼밀(Ball mill)공정 진행 시 볼(Ball)은 WC 볼(WC ball)을 이용하여 추가 혼입되는 비율이 전체의 4wt%를 넘지 않도록 혼합공정을 실시하였다.
상기 혼합공정을 거쳐 혼합이 완료된 분말을 성형한 후, 잔류 왁스(wax)를 제거하기 위하여 500℃에서 왁스 제거(De-waxing) 작업을 진행하였다. 이후 열처리가 완료된 성형체를 Ta, Mo, Nb, Zr와 같은 금속 컵에 밀봉하여 HPHT셀로 조립하였다. 소결은 1400~1550℃에서 5.0~5.5GPa의 초고압/고온 하에서 소결을 진행하였다.
본 실시예의 공구수명 테스트에서는 반치전폭이 각각 0.29, 0.60인 실시예 1 및 비교예 2의 복합소결체를 공구로 제작 후 절삭하여 공구수명 평가를 진행하였다. 도 3은 본 발명에 따른 복합 소결체를 이용한 절삭공구의 공구수명을 측정한 그래프이다.
공구수명 측정을 위한 절삭시험 조건은 다음과 같다.
<절삭시험조건>
피삭재 : SCM440
공구형태 : CNGA120408
절삭조건 : 절삭속도 600m/min, 이송속도 F0.2mm/rew, 절삭깊이 0.025mm
실시예 1 및 비교예 2의 실험조건은 상기 경도 및 공구수명 테스트에서의 실시예 1 및 비교예 2의 실험조건과 동일하므로 서술을 생략한다.
상기 표 1 및 도 3을 참조하면, 반치전폭이 0.29으로 경도 및 공구수명이 우수한 실시예 1의 경우 반치전폭이 0.60인 비교예 2보다 공구성능이 약 4배 우수하게 나타나는 것을 알 수 있다. 상기 표 1을 살펴보면 반치전폭이 0.29인 실시예 1의 경도는 3350Hv(32.52GPa)로 우수한 경도를 나타내지만, 비교예 2는 2850Hv(27.95GPa)로 경도값이 낮게 측정되었다. 복합 소결체의 경도가 저하되면 공구의 마모가 가속화되어 공구수명이 줄어들게 된다. 비교예 2는 반치전폭이 본 발명에서 개시하고 있는 반치전폭 상한 수치범위인 0.4를 초과하여 티타늄 다이보라이드(TiB2)의 결정화도가 낮아지면서 복합 소결체의 경도가 저하되고 이로인해 공구의 마모가 빨라져 공구수명이 불량하게 나타난 것으로 예상된다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (14)

  1. 입방정 질화붕소와 결합제를 포함하는 복합 소결체에 있어서,
    상기 입방정 질화붕소 소결체에서,
    각각의 입방정 질화붕소는 Ti, W, Cr, Ni, Nb, Mo, Ta로 구성된 제 1군 결합물과,
    Al, Co, Mn, Si, Cu로 구성된 제 2군 결합물을 각각 적어도 하나 이상 포함한 탄화, 질화, 탄질화, 붕화물 또는 고용체 형태로 상기 입방정 질화붕소 소결체와 결합되어 있고,
    X선 회절 패턴 분석시, TiB2의 (101)면 피크(peak)의 반치전폭(Full width at half maximum, FWHM)이 0.2 ~ 0.4도이며,
    상기 복합 소결체는 입방정 질화붕소간 직접결합이 없고 이종접합층이 없는 단일복합체로 이루어지고, 상기 결합제는 연속연결되어 있는 절삭공구용 복합 소결체.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복합 소결체는 입방정 질화붕소간 결합으로 이루어진 입자성장이 없는 절삭공구용 복합 소결체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 복합 소결체의 비커스 경도는 2900 ~ 3700HV인 절삭공구용 복합 소결체.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 입방정 질화붕소 소결체의 체적은 65~85%인 절삭공구용 복합 소결체.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 복합 소결체의 입방정 질화붕소 입자 사이즈는 0.1~1.2μm인 절삭공구용 복합 소결체.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 입방정 질화붕소 소결체는 볼밀(Ball mill), 어트리터밀(Attritor mill), 플레너터리밀(Planetary mill)법 중 어느 하나의 방법으로 혼합하여 제조되는 절삭공구용 복합 소결체.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 결합제는 티타늄 다이보라이드(TiB2)인 절삭공구용 복합 소결체.
  10. 가공을 위한 인선부를 형성하고, 상기 제1항, 제3항 내지 제6항, 제8항 및 제9항 중 어느 하나인 복합 소결체;를 적어도 일부 포함하고,
    상기 복합 소결체는 입방정 질화붕소간 직접결합이 없고 이종접합층이 없는 단일복합체로 이루어지고, 상기 결합제는 연속연결되어 있는 복합 소결체를 이용한 절삭공구.
  11. 제 10항에 있어서,
    초경기판;을 더 포함하고,
    상기 복합 소결체는 상기 초경기판의 일측에 구비되는 복합 소결체를 이용한 절삭공구.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 절삭공구는 전체가 소결체로 이루어진 복합 소결체를 이용한 절삭공구.
  13. 제 10항에 있어서,
    X선 회절 패턴 분석시, TiB2 (101)면 피크(peak)의 반치전폭(Full width at half maximum, FWHM)이 0.2 ~ 0.4도인 복합 소결체를 이용한 절삭공구.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 복합 소결체의 비커스 경도는 2900 ~ 3700HV인 복합 소결체를 이용한 절삭공구.
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