KR20010022077A

KR20010022077A - 입방정 질화 붕소 소결체 절삭 공구

Info

Publication number: KR20010022077A
Application number: KR1020007000646A
Authority: KR
Inventors: 스미야히또시; 우에사까신야
Original assignee: 오카야마 노리오; 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1999-05-20
Publication date: 2001-03-15
Also published as: EP1006091A4; US6737377B1; KR100567279B1; EP1006091A1; WO1999061391A1

Abstract

바인더를 포함하지 않고 1㎛ 이하의 미립인 cBN 소결체로 이루어지는 고경도, 고강도, 내열성이 우수한 절삭용 공구를 제공하는 것을 목적으로 하고, 그 특징으로 하는 바는 평균 입경이 1㎛ 이하의 입방정 질화 붕소로 이루어지는 입방정 질화 붕소 소결체를 날끝으로 한 밀링 커터용 또는 정밀 절삭용 절삭 공구로서, 상기 날끝부의 입방정 질화 붕소 소결체의, 임의의 방향의 X선 회절선의 (220) 회절 강도(I₍₂₂₀₎)와 (111) 회절 강도(I₍₁₁₁₎)의 비(I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎)가 0.05 이상이며, 그 입계에 개재물을 실질적으로 포함하지 않는 절삭 공구에 있다.

Description

입방정 질화 붕소 소결체 절삭 공구{CUBIC SYSTEM BORON NITRIDE SINTERED BODY CUTTING TOOL}

자동차의 엔진이나 구동부 혹은 전기 제품에 사용되는 부품을 제조할 때, 그 부품의 재료인 주철이나 강철을 절삭하기 위한 정면 밀링 커터용 절삭기 또는 엔드 밀에는 종래부터 고속도강(high-speed steel) 공구, 초경 합금 공구, 코팅 공구, 세라믹 공구, 혹은 입방정(立方晶) 질화 붕소 소결체 공구(이하 'cBN 공구'라고 함) 등이 사용되고 있다.

주철을 절삭하기 위한 정면 밀링 커터용 절삭기로서의 초경 합금 공구나 코팅 공구에서의 절삭 속도는 150 내지 250m/min이고, 세라믹 공구에서의 실용적으로 이용되고 있는 절삭 속도는 400m/min 정도이다. 이에 대하여, 일본 특허 공개 평8-141822호 공보에 있어서 제안되어 있는 바와 같이 내마모성이 우수하고, 그로 인해 고속 절삭이 가능한 cBN 공구에서는 건식 상태에서 500 내지 1500m/min의 절삭 속도가 가능하다. 그러나, 건식 절삭시에 발생하는 열에 의해 피절삭물이 변형, 왜곡 등의 영향을 현저히 받는 경우, 또는 열에 의한 약간의 변형도 문제가 되는 부품인 경우는 절삭액을 사용하는 습식 상태에서 열에 의한 변형이 발생하지 않을 정도이면서 또한 cBN 공구의 날끝에 열 균열이 발생하지 않을 정도까지 절삭 속도를 낮게 하여 절삭할 필요가 있었다. 즉, 습식 상태에서는 절삭 속도 500 내지 700m/min가 실용적으로 이용되고 있는 범위이고, 이 이상의 절삭 속도에서는 절삭날에 열 균열이 발생하여 공구 수명이 현저히 저하된다. 이것은 절삭액을 사용하지 않는 건식 상태에 있어서는 열 사이클의 온도차가 작고, cBN 공구의 날끝부가 열 충격에 견딜 수 있는 데 비해, 습식 상태에서 고속 절삭을 행하는 경우, 피절삭물과 접촉시에 상당히 고온이 된 절삭날이 공전시에 급속 냉각되므로, 절삭날에 부여되는 열 사이클에 의해서 열 균열이 발생하는 데 기인하고 있다.

또, 강철을 절삭하기 위한 정면 밀링 커터용 절삭기로서의 초경 합금 공구, 코팅 공구에서의 실용적으로 이용되고 있는 절삭 속도는 50 내지 200m/min 정도이다. 그 이상의 고속에서는 절삭날의 마모의 급격한 진행이나 결손에 의해 공구 수명이 현저히 저하된다. cBN 공구에서는 초경 합금 공구와 동등한 절삭 속도에 있어서의 절삭은 가능하지만, 초경 합금 공구와 동등한 공구 수명이고, 그 이상의 고속 절삭에서는 절삭날 온도의 상승에 수반되는 소결체의 강도 저하에 의한 결손이나, 절삭날에 열 균열이 발생하여 공구 수명이 현저히 저하되므로, 강철을 절삭하는 정면 밀링 커터용 절삭기로서 실용적으로 cBN 공구는 사용되고 있지 않다.

주철을 절삭하기 위한 엔드 밀에 있어서의 초경 합금 공구, 코팅 공구에서는 실용적으로는 30 내지 150m/min 정도의 절삭 속도가 채용되고 있다. 이에 대하여, cBN 공구에서는 건식 상태에서 100 내지 1500m/min의 절삭 속도가 가능하다. 그러나, 습식 상태에서는 절삭 속도 100 내지 300m/min가 실용적으로 이용되는 것으로서, 정면 밀링 커터용 절삭기의 경우와 마찬가지로 이 이상의 절삭 속도에서는 절삭날에 열 균열이 발생하여 공구 수명이 현저히 저하된다.

또, 강철을 절삭하기 위한 엔드 밀에 있어서의 초경 합금 공구, 코팅 공구에서는 실용적으로는 30 내지 100m/min 정도의 절삭 속도가 채용되고 있다. 그리고, 정면 밀링 커터용 절삭기의 경우와 마찬가지로, 비교적 절삭 속도가 낮은 조건에서는 초경 합금 공구와 동등한 공구 수명 밖에 얻지 못하고, 절삭 속도가 고속에서는 절삭날 온도의 상승에 수반되는 소결체의 강도 저하에 의한 결손이나, 절삭날에 열 균열이 발생하여 공구 수명이 현저히 저하되므로, 강철을 절삭하기 위한 엔드 밀로서 실용적으로 cBN 공구는 사용되고 있지 않다.

이상과 같은 조건하에 있어서의 cBN 공구의 수명의 저하는 다음의 이유에 기인한다. 종래의 cBN 소결체는 cBN 분말 입자를 TiN, TiC, Co 등의 바인더를 사용하여 초고압하에서 소결한 것으로, 10 내지 60 체적% 정도의 바인더를 함유하고 있다. 이로 인해, cBN 소결체의 열 전도율이 200W/m·K 미만이고, 또 20℃ 내지 600℃ 범위에 있어서의 열팽창 계수가 4.0×10^-6/K 이상이고, 상기 주철의 습식 상태에 있어서의 절삭 혹은 강철 절삭시의 열 사이클의 온도차에 대해서는 열 전도율이 낮으므로 날끝 근방에 큰 온도 구배가 발생하고, 냉각시에 절삭날에 높은 인장 응력이 발생하는 데 부가하여 열팽창 계수가 높으므로, 큰 팽창, 수축량을 반복하기 때문에 열 균열이 용이하게 발생하는 데 기인한다고 생각되어지고 있다. 게다가, 실온에 있어서의 굽힘 강도인 항절력(抗折力)이 80kgf/㎟ 이상이더라도, 800℃ 이상의 온도에서는 급격하게 그 항절력이 저하하는 데 기인한다고 생각된다.

따라서, 이 대책을 위해서는 날끝에 바인더를 함유하지 않고, 높은 열 전도율과 낮은 열팽창 계수를 가지며, 고온하에서도 강도가 저하하지 않는 공구가 필요하다.

한편, 최근 각종 성형 금형이나 미끄럼 이동 부품 등 고경도 철계 재료의 고정밀도의 마무리 절삭 가공의 요구가 높아지고 있다. 이 철계 재료의 정밀 가공으로서 단결정 다이아몬드 및 단결정 입방정 질화 붕소가 검토되어 왔다.

그러나, 단결정 다이아몬드로 철계 재료를 절삭하는 경우, 절삭열에 의해 다이아몬드와 철의 화학 반응이 일어나 다이아몬드 공구가 급속히 마모되는 문제가 있어 강철 등의 금형의 직접 가공은 불가능하다. 그로 인해, 예를 들어 렌즈 금형의 정밀 가공에 있어서는 무전해 니켈 도금층을 실시하고, 그 도금층을 정밀하게 마무리하는 방법이 채용되고 있지만, 금형의 강도가 불충분하고 공정이 복잡한 등의 문제가 있었다. 또, 특수 분위기에 의한 화학 반응 억제법 등으로 직접 가공의 검토가 행해지고 있으나 실용적이지 못하다.

입방정 질화 붕소(cBN)는 다이아몬드에 버금가는 경도를 갖고, 열적 화학적 안정성이 높은 물질이며, 철계 금속과의 반응성이 낮다. 그러나, 현재 절삭 공구로서 사용되고 있는 cBN 소결체는 전술한 바와 같이 cBN의 분말 입자를 TiN, TiC, Co 등의 바인더를 사용하여 초고압하에서 소결한 것으로, 소결체에는 10 내지 60 체적% 정도의 바인더가 함유된다. 이로 인해, 날끝 가공시에 미소한 이빠짐을 발생하기 쉽고, 날끝을 이빠짐없이 예리하게 마무리하기가 일은 상당히 어려워 정밀 절삭 공구로서의 사용은 곤란했다. 이 대책을 위해서는 날끝에 단결정 또는 바인더를 함유하지 않은 공구가 필요하다. cBN의 단결정을 제조하여 강철의 초정밀 가공용 절삭 공구로 하는 시험이 행해졌지만, 불순물이나 결함이 적은 대형 cBN 단결정의 합성이 상당히 곤란하고, 또한 cBN 단결정은 많은 벽개면(cleavage plane)을 지니므로 강도가 낮고, 내마모성이 충분하지 않았다. 이로 인해, cBN 단결정이 정밀 절삭용 공구로 실용화되는 일은 없었다.

이상으로부터, 주철이나 강철을 고속 밀링 커터로 가공하는 절삭 공구와, 철계 재료의 정밀 절삭 가공에 적합한 절삭 공구는 모두 바인더를 함유하지 않는 cBN 소결체 공구에 의해 실현하는 것이 가능하다고 생각된다.

또, 바인더를 함유하지 않은 cBN 소결체로서, 붕질화(boronitride) 마그네슘 등의 촉매를 사용하여 육방정 질화 붕소(이하 hBN)를 원료로 하여 반응 소결시킨 소결체가 있다. 이 소결체는 바인더가 없고 cBN 입자가 강하게 결합되어 있으므로, 열 전도율이 600 내지 700W/m·K로 높아 열싱크재나 TAB 본딩 도구 등에 사용되고 있다. 그러나, 이 소결체 중에는 촉매가 어느 정도 잔류하고 있으므로, 열을 가하면 이 촉매와 cBN의 열팽창 차에 의한 미세 균열이 발생하기 쉽다. 이로 인해, 그 내열 온도는 700℃ 정도로 낮고, 절삭 공구로서는 큰 문제가 된다. 또, 입경(粒徑)이 10㎛ 전후로 커서 열 전도율이 높기는 하지만, 강도가 충분하지 않아 절삭 공구로서는 적용 불가능했다.

한편, cBN은 hBN 등의 상압형(常壓型) BN을 초고압 고온하에서 무촉매로 합성(직접 변환)하는 것이 가능하다. 이 hBN→cBN 직접 변환과 동시에 소결시킴으로써, 바인더를 함유하지 않은 cBN 소결체를 제조할 수 있는 것이 알려져 있다.

예를 들어, 일본 특허 공개 소47-34099호나 특허 공개 평3-159964호 각 공보에 hBN을 초고압 고온하에서 cBN으로 변환시켜서 cBN 소결체를 얻는 방법이 개시되어 있다. 또, 일본 특허 공고 소63-394호 공보나 특허 공개 평8-47801호 공보에는 열분해 질화 붕소(이하 pBN)를 원료로 하여 cBN 소결체를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이들 cBN 소결체는 초고압하에서 압축된 압축 hBN 결정 입자가 cBN 소결체에 잔류하기 쉽고, 배향(이방)성이 강하여 층상 균열이나 박리의 문제가 발생하기 쉬운 등의 문제가 있다.

그 이외에, 직접 변환에 의해 cBN을 얻는 방법으로서, 예를 들어 일본 특허 공고 소49-27518호 공보에 일차 입자의 평균 입경이 3㎛ 이하인 육방정계 질화 붕소를 원료로 하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 육방정 질화 붕소가 미세한 가루이므로, 수 %의 산화 붕소 불순물이나 흡착 가스를 함유하고, 그로 인해 소결이 충분히 진행되지 못하고, 또 산화물을 소결체 내에 다량 함유하므로 고경도, 고강도이며 내열성이 우수한 소결체를 얻지 못하여 절삭 공구로 사용할 수 없다.

바인더를 함유하는 종래의 cBN 소결체는 열 전도율이 낮고 열팽창 계수가 크므로, 심한 열 사이클의 부하에 의해 열 균열이 발생하기 쉽고, 게다가 고온하에서 강도가 저하하므로 주철의 습식 조건에서의 절삭이나 강철의 고속 밀링 커터 절삭을 행하지 못한다. 또, 예리한 날끝을 얻지 못하고, 날끝의 강도나 내마모성이 충분하지 않아 철계 재료의 정밀 절삭 가공도 불가능하다. cBN 단결정은 불순물이나 결함이 적은 대형 cBN 단결정의 합성이 상당히 곤란하고, 또 cBN 단결정은 강도가 낮고 내마모성이 충분하지 않다. cBN은 (110) 면과 (111) 면에 의한 벽개에 의해, 날끝의 결손이나 마이크로칩핑에 의한 마모가 진행된다고 생각된다.

직접 변환에 의해 구성 입자가 미세하고 입자 끼리의 결합이 충분한, 바인더를 포함하지 않은 cBN 단상의 소결체가 얻어지면, 높은 열 전도율과 작은 열팽창 계수를 갖고, 고온하에서도 항절력이 저하하지 않으므로 열 균열에 의한 결손을 억제할 수 있고, 주철의 습식 고속 밀링 커터 절삭이나 강철의 고속 밀링 커터 절삭이 가능해진다고 생각된다. 게다가, cBN의 미립화에 의해서 예리한 날끝 형성이 가능하고, 또한 벽개에 의한 날끝 결손이나 마모를 개선할 수 있어 철계 재료의 정밀 절삭 가공이 가능하다고 생각된다.

그러나, 종래의 바인더를 함유하지 않은 cBN 소결체는 전술한 바와 같이 입경이 수 ㎛로 크고, 게다가 입계에 촉매나 압축 hBN, 산화물 등이 개재되므로 항절력이 낮고, 또한 내열 온도도 낮으므로 공구의 날끝이 고온 상태가 되는 밀링 커터 절삭에 필요한 날끝 강도를 얻지 못하고, 정밀 절삭용 공구에 필요한 예리한 날끝도 얻을 수 없다. 또, 종래의 직접 변환법에서는 원료인 hBN이 배향되기 쉽고, 그 결과 (111) 방향으로 배향된 소결체로 되기 쉽다. 원래 배향성이 높은 pBN을 원료로 사용하면, hBN을 원료로 한 때보다도 한층 더 (111) 방향으로 배향된 cBN 소결체가 된다. 이 배향성으로 인해, 절삭 공구로서 사용한 경우, 층상 균열, 박리 등의 결점이 발생하는 문제가 있었다. 등방적이고 또한 미립이며, 게다가 절삭 용도에 적용할 수 있는 입자간 결합이 강한 cBN 단상의 소결체는 종래에 알려져 있지 않았다.

따라서, 종래의 cBN 공구에 있어서는 주철 절삭을 습식 상태에서 행하는 경우, 건식 상태에서의 절삭과 동일한 정도로 절삭 속도를 빠르게 하는 것은 정면 밀링 커터 및 엔드 밀의 어느 것에 있어서도 공구 수명을 저하시켜, 결과적으로 비용이 상승한다.

또, 강철의 밀링 커터 절삭에 cBN 공구를 사용하여 절삭 속도를 빠르게 하는 것은 공구 수명을 저하시킬 뿐이며, 일반적인 초경 합금 공구의 가공 속도에서도 초경 합금 공구와 같은 수명이므로 가격이 비싼 cBN 공구를 사용하는 것은 절삭 가공시의 비용이 상승하여 바람직하지 않다.

그러나, 최근에 있어서는 고속 회전이 가능한 기계 가공 설비가 잇달아 개발되어 가공 능률을 향상시키고, 비용을 저감시키기 위해서는 고속 절삭은 필요 불가결하고, 이와 같은 기계 가공 설비에 있어서 주철 부품 절삭시의 절삭 온도의 상승에 따른 피절삭물에의 영향을 억제하기 위해 습식 절삭에 대응 가능하고, 또한 강철 절삭의 고속화를 가능하게 하는 절삭날 공구를 제공하는 것이 요망되어 오고 있다.

본 발명자들은 cBN 공구, 특히 정면 밀링 커터 절삭기 또는 엔드 밀과 같은 밀링 커터용 절삭 공구 및 정밀 절삭용 공구에 있어서의 상기와 같은 종래 기술의 각종 문제점을 해소하기 위해 예의 노력한 결과 본 발명에 도달한 것으로, 그 제1 목적은 바인더를 함유하지 않고 1㎛ 이하의 cBN으로 이루어지고, 입계에 개재물을 포함하지 않고 또한 조직이 등방적이므로, 높은 열 전도율과 작은 열팽창 계수를 갖고, 강도, 내마모성이 우수한 밀링 커터용 절삭 공구를 제공하는 데 있고, 습식 상태에서 주철을 절삭하기 위한 정면 밀링 커터로 절삭 속도 800m/min 이상, 바람직하게는 1000m/min 이상의 고속 절삭과, 엔드 밀에 있어서의 습식 상태에서의 절삭 속도 300m/min 이상, 바람직하게는 500m/min 이상의 고속 절삭, 또는 강철을 건식 및 습식 상태에서 절삭하기 위한 정면 밀링 커터로 절삭 속도 200m/min 이상, 마찬가지로 강철을 건식 및 습식 상태에서 절삭하기 위한 엔드 밀로 절삭 속도 150m/min 이상에 있어서, 충분한 공구 수명을 달성하는 것을 가능하게 하는 것이다.

제2 목적은, 바인더를 함유하지 않고 0.5㎛ 이하의 미립인 cBN으로 이루어지고, 입계에 개재물을 함유하지 않고 또한 조직이 등방적이므로 날끝이 극히 예리하고, 속도, 내마모성이 우수한 정밀 절삭 공구를 제공하는 데 있다.

본 발명은 특히 주철이나 강철을 피절삭재로 하는 정면 밀링 커터나 엔드 밀 등의 수명이 길고 고속 절삭에 적합한 밀링 커터용 절삭 공구, 및 철계 재료의 정밀 절삭 가공에 적합한 절삭 공구와 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명은 하기에 요약한 바와 같은 각 발명과 그 구체적 형태에 의해 구성된다.

(1) 평균 입경이 1㎛ 이하, 특히 0.5㎛ 이하의 입방정 질화 붕소로 이루어지는 입방정 질화 붕소 소결체를 날끝으로 한 절삭 공구로서, 상기 날끝부의 입방정 질화 붕소 소결체의 임의의 방향의 X선 회절선인 (220) 회절 강도(I₍₂₂₀₎)와 (111) 회절 강도(I₍₁₁₁₎)의 비(I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎)가 0.05 이상, 특히 0.1 이상이고, 그 입계에 개재물을 실질적으로 함유하지 않는 절삭 공구.

(2) 상기 날끝부의 입방정 질화 붕소 소결체의 열 전도율이 250 내지 1000W/m·K인 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 절삭 공구.

(3) 20℃ 내지 1000℃ 사이의 온도에서 3점 굽힘 측정에 있어서의 상기 입방정 질화 붕소 소결체의 항절력이 80kgf/㎟ 이상인 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 절삭 공구.

(4) 상기 날끝부의 입방정 질화 붕소 소결체의 실온에서의 경도가 4000kgf/㎟ 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 절삭 공구.

(5) 상기 날끝부의 입방정 질화 붕소 소결체의 열 전도율이 300 내지 1000W/mㆍK인 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 밀링 커터용 절삭 공구.

(6) 상기 날끝부의 입방정 질화 붕소 소결체의 20℃ 내지 600℃의 온도 범위에 있어서의 열팽창 계수가 3.0 내지 4.0×10^-6/K의 범위에 있는 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 밀링 커터 절삭용 공구.

(7) 주철 또는 강철의 고속 절삭용 정면 밀링 커터용 절삭기 또는 엔드 밀에 사용되는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 밀링 커터용 절삭 공구.

(8) 상기 날끝부의 입방정 질화 붕소 소결체가 평균 입경 0.5㎛ 이하의 입방정 질화 붕소로 이루어지는 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 정밀 절삭용 공구.

(9) 붕소와 산소를 함유한 화합물을 탄소와 질소의 존재하에서 환원 질화하고, 저압상 질화 붕소를 합성하여 얻어진 저압상 질화 붕소를 출발 물질로 하여 고온 고압하에서 입방정 질화 붕소로 직접 변환시키는 동시에 소결하는 것을 특징으로 하는 평균 입경이 1㎛ 이하, 특히 0.5㎛ 이하의 입방정 질화 붕소로 이루어지는 절삭 공구용 소결체의 제조 방법.

(10) 직접 변환과 소결을 압력 6GPa 이상, 온도 1550 내지 2100℃에서 행하는 상기 (9)에 기재된 절삭 공구용 소결체의 제조 방법.

상기한 바와 같이, 본 발명의 절삭 공구를 구성하는 cBN 소결체는 바인더를 함유하지 않고 1㎛ 이하의 cBN으로 이루어지고, 입계에 개재물을 함유하지 않고 또한 조직이 등방적이므로, 높은 열 전도율과 낮은 열팽창 계수를 갖고, 강도, 내마모성이 우수한 고속 가공용 밀링 커터용 절삭 공구로서 충분히 사용할 수 있다. 또, cBN을 0.5㎛ 이하의 미립으로 함으로써 날끝이 극이 예리하고, 또한 강도, 내마모성이 우수한 공구를 얻을 수 있으며, 정밀 절삭 가공 용도로 충분히 사용할 수 있다.

본 발명의 절삭 공구인 cBN 소결체는 흡착 가스나 산화 붕소를 함유하지 않은 저결정성 혹은 미립의 상압형 BN을 출발 물질로 하고, 이를 고압 고온하에서 cBN으로 직접 변환 소결함으로써 얻어진다. 여기에서 사용하는 저결정성 혹은 미립의 상압형 BN은 산화 붕소나 붕산을 탄소로 환원하여 질화시켜서 제조된 것일 필요가 있다. 통상, 상압형 BN의 합성 방법으로서, 산화 붕소나 붕산을 암모니아와 반응시키는 방법이 일반적이며 공업적으로 행해지고 있다. 그러나, 이와 같이 하여 얻어진 BN은 고온에서 열처리하면 hBN으로 결정화된다. 이로써, 이 방법에 의해 미세하고 저결정성의 상압형 BN을 합성해도, 불순물인 산화 붕소를 제거하기 위한 고온 정제 처리(질소 가스속 2050℃ 이상, 진공속 1650℃ 이상 등)를 행하면 hBN으로 결정화, 입성장(粒成長)해 버린다. 이에 대하여, 산화 붕소나 붕산을 탄소로 환원 질화시킨 상압형 BN은 고온에서 열처리해도 결정화되지 않는 특성이 있고, 따라서 이 방법으로 미립이고 저결정성의 상압형 BN을 합성하여 질소 가스속 2050℃ 이상 또는 진공속 1650℃ 이상 등의 고순도 정제 처리를 행함으로써, 산화 붕소나 흡착 가스가 없는 직접 변환 소결에 상당히 적합한 상압형 BN을 얻을 수 있다. 상기의 환원 질화는 질소와 가열원으로서 탄소를 사용하여 행할 수 있다.

본 발명에 따르면, 출발 물질은 미립이고 저결정인 상압형 BN이고, 게다가 cBN 변환을 저해하는 산화 붕소를 함유하지 않으므로, 종래의 직접 변환법에서 자주 볼 수 있었던 압축 hBN의 잔류가 없고, 직접 변환후의 cBN이 입성장되거나 일축 배향되는 일이 적다. 그 결과, 미세한 입자로 이루어지는 등방적인 소결체가 된다. 게다가, cBN 입자 끼리의 소결을 저해하는 산화 붕소나 흡착 가스가 없으므로, 입자 사이의 결합 강도가 강한 소결체를 얻을 수 있다.

상기한 직접 변환 소결의 조건은 압력 6GPa 이상, 온도 1550 내지 2100℃가 바람직하다. 특히 소결 온도가 중요하여, 낮으면 cBN으로의 변환이 충분하지 않고, 너무 높으면 cBN의 입성장이 진행되어 cBN 끼리의 결합력이 작아진다. cBN의 입성장이 일어나지 않는 소결 온도는 출발 원료의 결정성, 입경에 의해 변화한다. 상기의 적절한 소결 온도 범위에서 소결된 cBN 소결체는 평균 입경 1.0㎛ 이하, 바람직하게는 0.5㎛ 이하의 cBN으로 이루어진 치밀한 조직을 갖고, 입계에 개재물을 함유하지 않고 또한 조직이 등방적이라는 특징을 갖는다.

여기에서, cBN 입경의 조절은 직접 변환 소결시의 온도로 행한다. 즉, 1.0㎛ 이하의 미립 상태를 조절하기 위해 출발 원료로서 미립이고 저결정성의 상압형 BN을 사용하고, 그리고 저온 영역에서 직접 변환 소결할 필요가 있다. 통상의 hBN이나 pBN에서는 2100℃ 이상으로 하지 않으면 cBN으로 변환되지 않으므로, 1.0㎛ 이하로 조절할 수 없다.

이렇게 하여 얻어진 cBN 소결체를 밀링 커터용 절삭 공구 혹은 정밀 절삭 공구용의 소재로 함으로써 높은 열 전도율과 낮은 열팽창 계수를 갖는 강도가 높은 날끝을 얻을 수 있고, 종래에 곤란했던 고속의 밀링 커터 가공이 가능해지고, 또한 극히 예리하고 강도가 높은 날끝을 얻음으로써 종래 곤란했던 정밀 절삭도 가능해진다.

본 발명의 절삭용 공구는 날끝부가 저압상 질화 붕소를 고압 고온하에서 직접 변환시키는 동시에 소결시켜 얻을 수 있는, 평균 입경이 1.0㎛ 이하인 입방정 질화 붕소(cBN)로 이루어진 소결체이고, 이 cBN 소결체의 임의의 방향의 X선 회절선인 (220) 회절 강도(I₍₂₂₀₎)와 (111) 회절 강도(I₍₁₁₁₎)의 비(I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎)가 0.05 이상, 특히 0.1 이상이고, 그 입계에 개재물을 실질적으로 함유하지 않은 것이다. 여기에서, cBN의 평균 입경이 1㎛를 초과하면 밀링 커터 절삭에 필요한 날끝 강도를 얻을 수 없다. 또, cBN의 평균 입경이 0.5㎛를 초과하면 정밀 절삭 가공에 충분히 예리한 날끝을 얻을 수 없고, 강도도 불충분해진다. 또, X선의 회절 강도비(I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎)가 0.05 미만이면 cBN 소결체는 (111) 방향으로의 배향이 강하고 이방적이므로, 층상 균열이나 박리가 발생하기 쉬워진다.

또, 날끝부의 cBN 소결체의 항절력이 80kgf/㎟ 이상이고, 고온하에서도 강도가 저하하지 않는 것인 것이 바람직하다. 80kgf/㎟ 미만 또는 고온하에서 강도가 저하하는 것이면, 충분한 강도의 날끝을 얻을 수 없어 절삭중에 결손이 발생하기 쉬워진다. 또, 날끝부의 cBN 소결체의 경도가 4000kgf/㎟ 이상인 것이 바람직하다. 4000kgf/㎟ 미만에서는 절삭중의 마모가 커지고, 밀링 커터 가공에 있어서는 수명이 저하하고, 또한 정밀한 절삭 가공이 불가능해진다.

또, 날끝부의 cBN 소결체의 열 전도율이 250W/mㆍK 이상이고, 열팽창 계수가 4.0×10^-6/K 이하인 것이 바람직하다. 250W/m·K보다 낮은 열 전도율에서는 절삭시에 날끝 근방에 큰 온도 구배가 발생하고, 냉각시에 날끝에 높은 인장 응력이 발생하고, 또 4.0×10^-6/K보다 큰 열팽창 계수에서는 절삭중의 열 사이클에 의해 날끝이 팽창 수축을 반복함으로써 날끝에 열 균열이 발생하여 공구 수명을 현저히 저하시킨다.

이상 기술한 바와 같이, 본 발명의 절삭 공구인 cBN 소결체는 바인더를 함유하지 않고, 입계에 개재물을 함유하지 않고 또한 조직이 등방적이므로, 높은 열 전도율, 작은 열팽창 계수를 갖고, 내열 균열 특성이 우수한 고강도의 날끝을 얻을 수 있어 고속 밀링 커터 절삭이 가능해진다. 이에 따라, 주철의 습식 조건과 강철의 고속 밀링 커터 절삭 공구에 사용한 경우, 종래의 공구에서 볼 수 없었던 긴 수명을 나타낸다. 게다가, 미립인 cBN으로 함으로써 정밀 가공이 가능한, 예리한 날끝을 얻을 수 있고, 또한 강도, 내마모성이 우수하다. 이로 인해, 철계 재료의 정밀 가공용 절삭 공구에 사용한 경우, 종래의 소결체에서 볼 수 없던 우수한 성능을 나타낸다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 더 상세하게 설명하는데, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 제조 방법에 기초하여 제조한 밀링 커터용 절삭 공구와 정밀 절삭용 공구의 절삭 시험의 결과에 대하여 설명한다.

<실시예 1>

우선, 날끝을 구성하는 cBN 소결체의 구체적인 제조 방법을 이하에 제시한다.

산화 붕소(B₂O₃)와 멜라민(C₃N₆H₆)을 몰비 3:1로 배합하여 유발로 균일하게 혼합했다. 이것을 관 형상의 노에서 질소 가스 분위기속, 합성 온도 850℃에서 2시간 처리했다. 얻어진 분말을 에탄올로 세정하여 미반응의 B₂O₃를 제거하고, 다시 고주파 노에서 질화 가스속, 2100℃에서 2시간 처리했다. 얻어진 질화 붕소 분말의 산소 함유량을 가스 분석으로 측정하자 0.75 중량%였다. 질소 가스 중, 2100℃의 열처리로 B₂O₃나 흡착 가스는 완전히 제거되어 있으므로, 이 산소는 hBN에 고용된 불순물이라고 생각된다.

이렇게 하여 얻어진 질화 붕소의 X선 회절 도형은 hBN의 (102) 회절선이 없고, hBN의 (002) 회절선이 상당히 넓고, 결정성이 상당히 낮은 것을 나타냈다. hBN (002) 회절선의 절반폭으로부터 결정자 크기(Lc)를 계산하면 8nm였다. 이 저결정성 상압형 BN 분말을 6ton/㎠로 프레스 성형하고, 이 성형체를 다시 고주파 노에서 질소 가스속, 2100℃에서 2시간 처리했다.

합성된 저결정성 상압형 BN 성형체를 Mo 캡슐에 넣고 벨트형 초고압 발생 장치로 6.5GPa, 1800℃에서 15분 처리했다. 얻어진 소결체는 X선 회절의 결과, cBN만으로 이루어짐이 판명되었다. 또, 이 cBN 소결체의 X선 회절에 있어서의 cBN의 (220) 회절 강도의 cBN (111) 회절 강도에 대한 비율은 0.22로, 배향이 적은 등방성의 소결체인 것을 알 수 있었다. 또, 이 cBN 소결체의 미세 구조를 투과 전자 현미경으로 관찰한 결과, cBN 입자의 크기는 0.3㎛ 이하로 미세하고 입자 끼리가 결합된 치밀한 조직인 것을 알 수 있었다. 이 경도를 마이크로누프 압자(microknoop indenter)로 측정한 결과, 5000kgf/㎟로 고경도였다. 또, 이 소결체를 6×3×1㎜의 직육면체로 가공한 후 표면을 경면 연마하고, 스팬 간격 4㎜의 조건으로 항절력을 측정하면 실온에서 110kgf/㎟, 1000℃에서는 120kgf/㎟로 고강도였다. 또, 진공 노를 사용한 진공속에서의 고온 처리후의 경도 변화로 내열성을 평가한 결과, 1300℃까지 안정하고 내열성이 우수한 것을 알 수 있었다. 또, 소결체를 5×4×1㎜의 직육면체로 가공한 후, 정상법을 이용하여 50 내지 60℃에 있어서의 열 전도율을 측정한 결과 290W/m·K이고, 20℃ 내지 600 ℃의 온도 범위에 있어서의 열팽창 계수를 측정한 결과 3.7×10^-6/K였다.

<실시예 2>

실시예 1과 동일한 저결정성 상압형 BN 성형체를 Mo 캡슐에 넣고 벨트형 초고압 발생 장치로 6.5GPa, 1880℃에서 15분 처리했다. 얻어진 cBN 소결체는 X선 회절에 있어서의 cBN의 (220) 회절 강도의 cBN (111) 회절 강도에 대한 비율은 0.12이고, 또 이 cBN 소결체의 미세 구조를 투과 전자 현미경으로 관찰한 결과, cBN 입자의 크기는 0.5㎛ 이하로 미세하고, 입자 끼리가 결합한 치밀한 조직인 것을 알 수 있었다. 이 경도를 마이크로누프 압자에 의해 측정한 바, 5000 kgf/㎟로 고경도였다. 또한, 이 소결체의 항절력은 실온에서 105 kgf/㎟로 고강도였다. 또한, 50 내지 60℃에 있어서의 열전도율은 340W/m·K이고, 20℃ 내지 600℃의 온도 범위에 있어서의 열팽창 계수를 측정한 바, 3.6 × 10^-6/K였다.

<실시예 3>

실시예 1과 같은 저결정성 상압형 BN 성형체를 Mo 캡슐에 넣고, 벨트형 초고압 발생 장치로 6.5GPa, 1950℃ 상태에서 15분 처리했다. 얻어진 cBN 소결체는 X선 회절에 있어서의 cBN의 (220) 회절 강도의 cBN (111) 회절 강도에 대한 비율은 0.08이며, 또한 이 cBN 소결체의 미세 구조를 투과 전자 현미경으로 관찰한 바, cBN 입자의 크기는 0.5 내지 1㎛로, 입자 끼리가 결합한 치밀한 조직인 것을 알 수 있었다. 이 경도를 마이크로누프 압자로 측정한 바, 5050kgf/㎟로 고경도였다. 또한, 이 소결체의 항절력은 실온에서 92kgf/㎟였다. 또한, 50 내지 60℃에 있어서의 열전도율은 380W/m·K이고, 20℃ 내지 600℃의 온도 범위에 있어서의 열팽창 계수를 측정한 바, 3.5 × 10^-6/K였다.

<실시예 4>

실시예 1과 같은 저결정성 상압형 BN 성형체를 Mo 캡슐에 넣고, 벨트형 초고압 발생 장치로 6.5 GPa, 2000℃에서 15분 처리했다. 얻어진 cBN 소결체는 X선 회절에 있어서의 cBN의 (220) 회절 강도의 cBN (111) 회절 강도에 대한 비율은 0.08이며, 또한 이 cBN 소결체의 미세 구조를 투과 전자 현미경으로 관찰한 바, cBN 입자의 크기는 0.5 내지 1㎛로, 입자 끼리가 결합한 치밀한 조직인 것을 알 수 있었다. 이 경도를 마이크로누프 압자로 측정한 바, 4800kgf/㎟로 고경도였다. 또한, 이 소결체의 항절력은 실온에서 88kgf/㎟였다. 또한, 50 내지 60℃에 있어서의 열전도율은 440W/m·K이고, 20℃ 내지 600℃의 온도 범위에 있어서의 열팽창 계수를 측정한 바, 3.5 × 10^-6/K였다.

<실시예 5>

출발 원료인 저결정성 상압형 BN을 합성하는 온도를 800℃로 하여 2시간 처리한 이외는 실시예 1과 마찬가지로 질화 붕소를 합성, 정제했다. 얻어진 상압형 BN 분말의 산소 함유량을 가스 분석에 의해 측정하자 0.8 중량%였다. X선 회절 도형은 hBN의 (102) 회절선이 없으며, hBN의 (002) 회절선이 꽤 넓으며, 미립이고 결정성이 꽤 낮은 것을 나타냈다. hBN (002)의 회절선의 절반폭으로부터 구한 Lc는 약 6㎚였다. 이 저결정성 상압형 BN을 원료로 하여 실시예 1과 마찬가지로 하여 cBN 소결체를 제작했다. 얻어진 cBN 소결체를 주사형 전자 현미경으로 관찰한 결과, 입경은 0.5㎛ 이하로 미세한 것을 알 수 있었다. 또한, X선 회절에 있어서의 cBN의 (220) 회절 강도의 cBN (111) 회절 강도에 대한 비율은 0.26으로 등방성인 것을 나타냈다. 이 cBN 소결체의 입경, 경도, 강도, 내열성은 실시예 1과 같은 값을 나타냈다.

<실시예 6>

저결정성 상압형 BN의 합성 온도를 950℃로 하여 2시간 처리한 이외는 실시예 1과 마찬가지로 질화 붕소를 합성, 정제했다. 얻어진 BN 분말의 산소 함유량을 가스 분석에 의해 측정하자 0.65 중량%였다. X선 회절 도형은 hBN의 (102) 회절선이 없으며, hBN의 (002) 회절선이 폭이 넓고, 결정성이 낮은 것을 나타냈다. hBN (002)의 회절선의 절반폭으로부터 구한 Lc는 약 15㎚이었다. 이 저결정성 상압형 BN을 원료로 하여 실시예 1과 마찬가지로 하여 cBN 소결체를 제작했다. 얻어진 cBN 소결체를 주사형 전자 현미경으로 관찰한 결과, 입경은 0.5㎛ 이하로 미세한 것을 알 수 있었다. 또한, X선 회절에 있어서의 cBN의 (220) 회절 강도의 cBN (111) 회절 강도에 대한 비율은 0.18로 등방성인 것을 나타냈다. 이 cBN 소결체의 입경, 경도, 강도, 내열성은 실시예 1과 같은 값을 나타냈다.

<비교예 1>

실시예 1과 같은 저결정성 상압형 BN 성형체를 Mo 캡슐에 넣고, 벨트형 초고압 발생 장치로 6.5GPa, 2200℃ 상태에서 15분 처리했다. 얻어진 cBN 소결체는 X선 회절에 있어서의 cBN의 (220) 회절 강도의 cBN (111) 회절 강도에 대한 비율은 0.18이며, 또한 이 cBN 소결체의 미세 구조를 투과 전자 현미경으로 관찰한 바, cBN 입자의 크기는 3 내지 5㎛이고, 입자 끼리가 결합한 치밀한 조직이지만, 입자는 결정 성장에 의해 비대화하고 있었다. 이 경도를 마이크로누프 압자에 의해 측정한 바, 5000kgf/㎟로 고경도였다. 또한, 이 소결체의 항절력은 실온에서 70kgf/㎟로 낮은 값이며, 1000℃의 온도 하에서는 40kgf/㎟로 저하했다. 또한, 50 내지 60℃에 있어서의 열전도율은 600W/m·K이고, 20℃ 내지 600℃의 온도 범위에 있어서의 열팽창 계수를 측정한 바, 3.4 × 10^-6/K였다.

<비교예 2>

시판되고 있는 pBN의 성형체를 원료로 하여 이용했다. 이를 고주파 노에서, N₂가스 중, 2100℃로 2시간 처리하여 산소 함유량을 가스 분석에 의해 측정하자 0.02 중량%였다. 이를 벨트형 초고압 발생 장치로 7.5GPa, 2100℃ 상태에서 15분 처리했다. 견고한 소결체를 얻을 수 있었으나, 이 cBN 소결체의 X선 회절에 있어서의 cBN의 (220) 회절선은 거의 확인되지 않으며, 이 cBN (220) 회절 강도/cBN (111) 회절 강도 비의 값은 0.02 이하로, (111)면 방향으로 선택 배향된 매우 이방성이 높은 소결체인 것을 알 수 있었다. 또한, X선 회절에서 면간격 d = 3.1 Å 부근에 압축 hBN이 확인되었다. 또한, 이 cBN 소결체의 미세 구조를 투과 전자 현미경으로 관찰한 바, cBN 입자의 크기는 0.5㎛ 이하로 미세하고, 입자 끼리가 결합한 치밀한 조직인 것을 알 수 있었다. 이 경도를 마이크로누프 압자로 측정한 바, 4800kgf/㎟로 고경도였다. 또한, 이 소결체의 항절력은 실온에서 82kgf/㎟였다. 또한, 50 내지 60℃에 있어서의 열전도율을 측정한 바, 320W/m·K이고, 20℃ 내지 600℃의 온도 범위에 있어서의 열팽창 계수를 측정한 바, 3.6 × 10^-6/K였다.

<비교예 3>

원료로 시판되고 있는 입경 3 내지 10㎛로 결정성이 좋은 hBN 성형체를 이용했다. 이를 고주파 노에서, N₂가스 중, 2100℃로 2시간 처리하고, 산소 함유량을 가스 분석에 의해 측정하자 0.03 중량%였다. 이를 벨트형 초고압 발생 장치로 7.7GPa, 2200℃ 상태에서 15분 처리했다. 견고한 소결체를 얻을 수 있었으나, 이 소결체를 구성하는 cBN 입자는 3 내지 5㎛ 정도로, 그 X선 회절에 있어서의 cBN (220) 회절 강도/cBN (111) 회절 강도 비의 값은 0.06으로 약간 거친 입자이고 (111)면 방향으로 선택 배향된 이방성이 있는 소결체인 것을 알 수 있었다. 또한, X선 회절에서, 면간격 d = 3.1 Å 부근에 압축 hBN이 미량이나마 확인되었다. 그 실온에서의 항절력은 55kgf/㎟으로 낮은 값을 나타냈다.

<비교예 4>

실시예 1과 마찬가지로 하여 원료인 상압형 BN을 제조하고, 소결 온도를 1700℃로 한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지로 cBN 소결체를 제조했다. 미세하고 등방적인 소결체를 얻을 수 있었으나, 경도가 3800kgf/㎟ 정도로 낮았다.

이상의 시료의 특성치를 표1에 종합하여 나타낸다.

표1에 나타낸 cBN 소결체 중, 실시예 1 내지 4와 비교예 1 내지 2를 소재로 해서, 정면 밀링 커터의 날끝을 제작했다. 초경 합금으로 이루어지는 절삭날 지지대 위에 상기의 cBN 소결체를 납땜한 스로어웨이(throwaway) 칩을 제작하고, 이를 커터 본체에 장착했다. 피절삭재로서, 회주철 FC 250의 150 × 25㎜의 절삭면을 갖는 판재를 준비하고, 습식 상태에서 절삭 속도 1500m/min, 절입량 0.5㎜, 이송량 0.15㎜/날의 절삭 조건으로, 판재의 150㎜ 방향으로의 단위 절삭면을 1패스로 하여 절삭 성능 시험을 실시했다. 그 결과를 표2에 나타낸다. 절삭 가능 패스 횟수는 날끝의 측면(flank) 마모량이 0.2㎜에 도달하거나, 결손에 의해 절삭 불가능해진 시점의 패스 횟수이다.

비교예 1은 cBN으로의 직접 변환과 소결 온도가 높아 cBN 입자가 3㎛ 이상으로 성장하고, cBN 소결체의 결합 강도가 낮아 날끝의 결손에 이른 것이라 판단된다. 비교예 2는 pBN을 출발물로 하고 있으므로 결정 입자의 배향성이 강하여 층상 균열이나 박리를 발생하기 쉬우며, 비교적 초기에 날끝의 결손에 이른 것이라 판단된다.

같은 수단으로 표1의 cBN 소결체 중, 실시예 1 내지 4와 비교예 1 내지 2를 소재로 해서, 정면 밀링 커터의 날끝을 제작하고, 피절삭재로서 강철의 SCM 415(경도 HRC 20)로 150 × 25㎜의 절삭면을 갖는 판재를 준비하고, 건식 상태에서 절삭 속도 500m/min, 절입량 0.4㎜, 이송량 0.15㎜/날의 절삭 조건으로 판재의 150㎜ 방향으로의 단위 절삭면을 1패스로 하여 절삭 성능 시험을 실시했다. 그 결과를 표3에 개시한다. 절삭 가능 패스 횟수는 날끝의 측면 마모량이 0.2㎜에 달하거나, 결손에 의해 절삭 가능해진 시점의 패스 횟수이다.

비교예 1은 cBN으로의 직접 변환과 소결 온도가 높아 cBN 입자가 3㎛ 이상으로 성장하고, cBN 소결체의 결합 강도가 낮아 날끝의 결손에 이른 것이라 판단된다. 비교예 2는 pBN을 출발물로 하고 있으므로 결정 입자의 배향성이 강하여 층상 균열이나 박리를 발생하기 쉬우며, 절삭 개시와 동시에 날끝이 결손했다.

다음에, 표1의 cBN 소결체 중, 실시예 1 내지 4와 비교예 1 내지 2를 소재로 해서, 엔드 밀의 날끝을 제작했다. 초경 합금으로 이루어지는 본체에 상기 소결체를 납땜하여 1개의 엔드 밀을 제작했다. 피절삭재로서 회주철 FC250의 150 × 100㎜의 절삭면을 갖는 블록재를 준비하고, 건식 및 습식 상태에서 절삭 속도 500m/min, 축방향 절입량 3㎜, 반경 방향 절입량 0.1㎜, 이송량 0.05㎜/날의 절삭 조건으로 판재의 150㎜ 방향으로의 절삭을 1패스로 하여 절삭 성능 시험을 실시했다. 그 결과를 표4에 나타낸다. 절삭 가능 패스 횟수는 날끝의 측면 마모량이 0.2㎜에 달하거나, 결손에 의해 절삭 불가능해진 시점의 패스 횟수이다.

비교예 1은 cBN으로의 직접 변환과 소결 온도가 높아 cBN 입자가 3㎛ 이상으로 성장하고, cBN 소결체의 결합 강도가 낮아 날끝의 결손에 이른 것이라 판단된다. 비교예 2는 pBN을 출발물로 하고 있으므로 결정 입자의 배향성이 강하여 층상 균열이나 박리를 발생하기 쉬우며, 건식 및 습식 중 어떠한 상태일지라도 1패스 절삭 중에 날끝이 결손했다.

같은 수단으로 표1의 cBN 소결체 중, 실시예 1 내지 4와 비교예 1 내지 2를 소재로 해서, 엔드 밀의 날끝을 제작하고, 강철의 SCM 415(경도 HRC 20)에서 150 × 100㎜의 절삭면을 갖는 블록재를 준비하고, 건식 상태에서 절삭 속도 500m/min, 축방향 절입량 2.5㎜, 반경 방향 절입량 2.5㎜, 이송량 0.15㎜/날의 절삭 조건으로 판재의 150㎜ 방향으로의 절삭을 1패스로 하여 절삭 성능 시험을 실시했다. 그 결과를 표5에 나타낸다. 절삭 가능 패스 횟수는 날끝의 측면 마모량이 0.1㎜에 달하거나, 결손에 의해 절삭 불가능해진 시점의 패스 횟수이다. 이 시험에서는 마모량의 판정으로서 0.1㎜로 하였으나, 이는 절입량이 크기 때문에, 측면 마모량이 0.1㎜를 초과하면 절삭 저항의 증가에 의해 결손에 이를 가능성이 높기 때문이다.

비교예 1은 cBN으로의 직접 변환과 소결 온도가 높아 cBN 입자가 3㎛ 이상으로 성장하고, cBN 소결체의 결합 강도가 낮아 날끝의 결손에 이른 것이라 판단된다. 비교예 2는 pBN을 출발물로 하고 있으므로, 결정 입자의 배향성이 강하여 층상 균열이나 박리를 발생하기 쉬워, 1패스 절삭 중에 날끝이 결손했다.

다음에, 표1에 나타낸 cBN 소결체 중, 실시예 1, 실시예 5 내지 6과 비교예 1 내지 4를 소재로 해서, 정밀 적삭용 공구의 날끝을 제작했다. 상기 소결체를 초경 합금으로 이루어지는 섕크에 납땜하고, 날끝을 8000번의 다이아몬드 지석으로 연삭하여 날끝 노우즈 반경(R)이 0.1㎜인 절삭 공구를 제작했다. 날끝을 현미경으로 관찰하면, 매우 날카로운 날끝인 것을 확인 할 수 있었다. 전방 측면의 면 거칠기를 측정하자 0.01㎛ 이하였다. 비교를 위해, 시판되고 있는 바인더를 포함하는 cBN 소결체로 같은 날끝 가공을 행하면, 측면 면 거칠기는 0.02 내지 0.03㎛ 정도였다.

이와 같이 하여 얻어진 절삭 공구로 SUS 420 J2(HRC 53)를 절삭 속도 30m/min, 절입량 0.005㎜, 이송량 0.005㎜/rev로 정밀 절삭 가공 시험을 행하였다. 그 결과를 표6에 나타낸다.

실시예 1 및 실시예 5 내지 6에 있어서 절삭면 거칠기 0.1㎛ Rmax를 확보할 수 있는 공구 수명은 절삭 거리로 하여 약 1000m였다. 비교를 위해, cBN 단결정 공구로 같은 절삭 성능을 평가한 바, 상기의 공구 수명은 최장 200m였다. 비교예 1은 cBN 입자가 3㎛ 이상으로 성장하고, cBN 소결체의 결합 강도가 낮아 초기의 단계에서 날끝에 미세한 칩핑(chipping)이 발생하여 고정밀도인 가공이 가능하지 않게 되었다고 판단된다. 비교예 2는 순식간에 날끝이 결손되었다. 날끝의 손상을 보면, 층상으로 박리되어 있는 부분이 눈에 많이 띤다. pBN을 출발물로 하고 있으므로 결정 입자의 배향성이 강하고 층상 균열이나 박리를 발생하기 쉬워 절삭 초기에 결손되었다고 생각된다. 비교예 3은 수분 후, 날끝부가 층상으로 박리되었다고 생각되는 결손이 발생했다. 이것은 원료에 시판되고 있는 입경 3 내지 10㎛로 결정성이 좋은 hBN 성형체를 이용하였으므로, cBN 입자가 3 내지 5㎛로 거친 입자이고, 또한 배향성이 있는 소결체가 형성되었으므로, cBN 소결체의 결합 강도가 낮고, 또한 층상 균열이 발생하기 쉬운 결과이다. 비교예 4는 실시예 1과 같은 원료인 저압상 BN을 이용하여 소결 온도를 1700℃로 한 이외는 실시예 1과 같으며, 미세하고 등방적인 소결체를 얻을 수 있었으나, 경도가 3800㎏/㎟ 정도로 낮아 내마모성이 충분하지 않았다.

표2 내지 표6의 결과를 종합하여 평가하면, 본 발명의 cBN 소결체는 주철이나 강철의 고속 밀링 커터 절삭과 철계 재료의 정밀 절삭의 양자에 적합하고, 밀링 커터용 절삭 공구에서는 본 발명의 제조 방법으로부터 일탈한 cBN 소결체나 종래의 cBN 소결체를 소재로 하는 날끝보다도 습식 조건에 있어서 현격히 우수한 내열강성을 갖고, 절삭액을 이용하지 않는 건식 조건하에서도 유효한 절삭 성능을 유지하여, 다양한 조건 하에서 우수한 성능을 나타내는 동시에, 절삭액에 대한 환경 대책비를 삭감하는 것도 가능하다. 또한, 정밀 절삭용 공구에서는 날끝이 극히 예리하고, 또한 강도, 내마모성이 우수한 공구를 얻을 수 있어 정밀 가공에 사용하는 것이 가능하다.

본 발명에 관한 입방정 질화 붕소 소결체는 바인더를 포함하지 않고 1㎛ 이하의 미립인 cBN으로 이루어지며, 입계에 개재물을 포함하지 않고 또한 조직이 등방적이므로 높은 열전도율과 작은 열팽창 계수를 갖고 강도, 내마모성이 우수하므로 주철이나 강철을 피절삭재로 하는, 정면 밀링 커터나 엔드 밀과 같은 밀링 커터용 절삭 공구에 이용하는 데 적합하고, 고속 절삭으로 절삭날의 결손을 발생하는 일 없이 다수회의 절삭 패스 횟수를 달성할 수 있다. 또한, 특히 cBN의 평균 입경을 0.5㎛ 이하로 하는 경우는 날끝이 극히 예리하면서 또한 강도, 내마모성이 우수한 공구를 얻을 수 있으므로 철계 재료의 정밀 절삭 가공용 공구로서도 유용하다.

Claims

평균 입경이 1㎛ 이하의 입방정 질화 붕소로 이루어지는 입방정 질화 붕소 소결체를 날끝으로 한 절삭 공구로서, 상기 날끝부의 입방정 질화 붕소 소결체의, 임의의 방향의 X선 회절선의 (220) 회절 강도(I₍₂₂₀₎)와 (111) 회절 강도(I₍₁₁₁₎)의 비(I₍₂₂₀₎/I₍₁₁₁₎)가 0.05 이상이며, 그 입계에 개재물을 실질적으로 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제1항에 있어서, 상기 날끝부의 입방정 질화 붕소 소결체의 열전도율이 250 내지 1000W/m·K인 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 20℃ 내지 1000℃ 사이의 온도에서 3점 굽힘 측정에 있어서의 상기 입방정 질화 붕소 소결체의 항절력이 80㎏f/㎟ 이상인 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 날끝부의 입방정 질화 붕소 소결체의 실온에서의 경도가 4000㎏f/㎟ 이상인 것을 특징으로 하는 절삭 공구.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 날끝부의 입방정 질화 붕소 소결체의 열전도율이 300 내지 1000W/m·K인 것을 특징으로 하는 밀링 커터용 절삭 공구.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 날끝부의 입방정 질화 붕소 소결체의 20℃ 내지 600℃의 온도 범위에 있어서의 열팽창 계수가 3.0 내지 4.0 × 10^-6/K의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 밀링 커터 절삭용 공구.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 주철 혹은 강철의 고속 절삭용 정면 밀링 커터용 절삭기 혹은 엔드 밀에 이용되는 것을 특징으로 하는 밀링 커터용 절삭 공구.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 날끝부의 입방정 불화 붕소 소결체가 평균 입경 0.5㎛ 이하의 입방정 질화 붕소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 정밀 절삭용 공구.
붕소와 산소를 포함하는 화합물을 탄소와 질소의 존재 하에서 환원 질화하고 저압상 질화 붕소를 합성하여 얻어진 저압상 질화 붕소를 출발 물질로 해서 고온 고압하에서 입방정 질화 붕소로 직접 변환시키는 동시에 소결하는 것을 특징으로 하는 평균 입경이 1㎛ 이하의 입방정 질화 붕소로 이루어지는 절삭 공구용 소결체의 제조 방법.
제9항에 있어서, 직접 변환과 소결을 압력 6GPa 이상, 온도 1550 내지 2100℃에서 행하는 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 소결체의 제조 방법.