KR20040002685A

KR20040002685A - 화학 반응성 재료의 기계 가공에 사용하는 소결 성형체

Info

Publication number: KR20040002685A
Application number: KR1020030041420A
Authority: KR
Inventors: 도울스티븐리; 스컬록로버트딘
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2003-06-25
Publication date: 2004-01-07
Also published as: DE60335160D1; ZA200304483B; EP1378497A1; EP1378497B1; US6814775B2; CN1485299A; US20040002418A1; CN100509700C; JP2004160637A

Abstract

공구에 사용하기 위한 소결 입방정 질화붕소(cBN) 성형체는, 체적 평균 입자 크기가 약 3 내지 6㎛인 약 60 내지 80 체적%의 cBN와, 약 40 내지 20 체적%의 세라믹 바인더 상으로 구성된다. 세라믹 바인더는 약 20 내지 60 체적%의 IVB 또는 VIB족 금속의 탄화물, 질화물 또는 붕화물 중 하나 이상과, 약 40 내지 80 체적%의 탄화알루미늄, 질화알루미늄, 붕화알루미늄 또는 산화알루미늄 중 하나 이상으로 구성된다. 상기 cBN 성형체는 약 3 내지 15 체적%의 텅스텐을 추가 함유한다. 상기 cBN 성형체는 철과 같은 화학 반응성 부재의 기계 가공에 특히 유용하며, 그러한 부재가 분말 금속 부재인 경우에 더욱 그러하다.

Description

화학 반응성 재료의 기계 가공에 사용하는 소결 성형체 {SINTERED COMPACT FOR USE IN MACHINING CHEMICALLY REACTIVE MATERIALS}

본 발명은 절삭 공구, 밀링 공구 및 회전 공구에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 재료 제거 작업을 위한 입방정 질화붕소(cBN) 초연마 공구의 성능 개량에 관한 것이다.

고압/고온(HP/HT) 공정으로 cBN을 제조하는 것은 미국 특허 제2.947,617호에 개시된 바와 같이 공지되어 있다. 미국 특허 제4,188,194호에는, 아무런 촉매 없이 열분해 육방정 질화붕소(PBN)를 사용하는 소결 다결정 cBN 성형체의 제작 공정이 개시되어 있다. 그러한 직접 전환 공정에 대한 한 가지 개선책이 미국 특허 제4,289,503호에 개시되어 있는데, 이 특허에서는 전환 공정에 앞서 HBN 분말의 표면으로부터 붕산을 제거한다.

성형체는, 자체 결합 관계로 서로 결합되거나, 결합 매체에 의해 결합되거나, 이 두 가지 방식의 조합에 의해 결합된 연마 입자의 응집체이다. 복합 성형체는 초경 합금과 같은 기재 재료에 결합된 성형체이다. 미국 특허 제3,918,219호에는, 육방정 질화붕소(HBN)를 탄화물 응집체와 접촉시켜 cBN로 접촉 전환함으로써 복합 cBN 성형체를 형성하는 것에 대해 개시되어 있다. 성형체 또는 복합 성형체는 절삭 공구, 드릴 비트(drill bit), 드레싱(dressing) 공구 및 마모 부재를 위한 블랭크(blank)에 사용될 수 있다.

다결정 cBN 성형체는 경질 철합금 작업편의 기계 가공에 종종 사용된다. 공구의 경도와 기계적 특성은 공구의 반응성에 대해 균형을 이루어야 한다. cBN 함량이 높은 성형체는 경도가 가장 높기는 하지만, 일반적으로 합금강에 대해 반응성이 있다. 이용성을 제공하기 위해서는, cBN를 철합금과의 반응으로부터 보호하기 위해 비반응성 상을 종종 첨가한다.

입방정 질화붕소(cBN)와 전이 금속의 질화물 또는 탄화물로 제작된 고압 및 고온 소결체를 위한 다양한 조성을 교시하고 있는 참고 문헌은 다수 존재한다.

미국 특허 제4,334,928호에는, 20 내지 80 체적%의 cBN와, 주기율표의 IV 및 V족 금속의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 규화물 또는 붕화물로 이루어진 바인더 상을 함유한 소결체가 개시되어 있다. 바인더 상에 알루미늄을 첨가하는 것도 포함된다. 혼합물에 첨가되는 Ti 화합물은 일반식 Ti(X)_z(여기서 "X"는 탄소 또는 질소이거나 이들의 조합임)에 대한 "z" 값이 0.97 미만이 되는 화학량론을 갖는 것이 바람직하다. 미국 특허 제4,343,651호에는 재료가 80 내지 95 체적%의 입방정 질화붕소를 함유하는 소결체가 개시되어 있다.

미국 특허 제4,911,756호에는, 50 내지 75 체적%의 cBN와 25 내지 50 체적%의 바인더 상을 함유하는 소결 혼합물로 제작되는 소결체가 개시되어 있다. 바인더 상은 20 내지 50 중량%의 Al 또는 Al 화합물, 주기율표의 IV, V 및 VI족 금속(Ti 및 W를 포함함)의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 규화물 또는 붕화물로 이루어지며, 첨가되는 Ti 화합물의 화학량론은 일반식 Ti(X)_z(여기서 "X"는 탄소 또는 질소이거나 이들의 조합임)에 대한 "z" 값이 0.5 내지 0.85의 범위에 있도록 결정되어야 한다. 미국 특허 제5,092,920호에는, 평균 입자 크기가 2 ㎛ 이하인 45 내지 60 체적%의 cBN와, 5 내지 15 중량%의 알루미늄, 2 내지 20 중량%의 텅스텐, 임의의 전술한 Ti 화합물인 잔부로 이루어진 바인더 상을 함유하는 소결체가 개시되어 있는데, Ti 화합물의 화학량론은 일반식 Ti(X)_z(여기서 "X"는 탄소 또는 질소이거나 이들의 조합임)에 대한 "z" 값이 0.45 내지 0.65의 범위에 있도록 정해진다.

미국 특허 제6,316,094호에는, 입자 크기가 2 내지 6 ㎛인 45 내지 70 체적%의 cBN와, IVB, VB 또는 VIB족 전이 금속(Ti 및 W를 포함함)의 탄화물, 질화물, 탄질화물 또는 붕화물과, 질화알루미늄, 붕화알루미늄 또는 산화알루미늄과, 철, 코발트 또는 니켈의 탄화물, 질화물, 탄질화물 또는 붕화물 및 이들의 고용체 중 적어도 하나로 이루어진 2차원적으로 연속된 바인더 상으로 구성된 소결체가 개시되어 있다. 바인더 상은 평균 두께가 1.5 ㎛ 이하이고 표준 편차가 0.9 ㎛ 이하이어야 한다.

비록 전술한 시도에 의해 개선이 이루어지기는 했지만, 기계 가공 대상인 합금 재료의 각 화학 등급에 대해 최적화된 제품이 필요하다. 개발 비용 및 생산 라인 보조 비용의 상승으로, 그러한 cBN 기계 가공용 제품의 비용이 증가한다. 본 출원인은, 기계 가공 성능의 향상을 위해, 텅스텐 화합물과 체적 평균 입자 크기가 2 ㎛을 초과하는 cBN 입자를 포함하는 최적화된 소결 성형체 조성물을 발견하였다.

도 1은 본 발명의 소결 cBN 성형체의 한 가지 실시 형태의 기계 가공 성능을 W 함량의 함수로서 도시한 플롯.

본 발명의 소결 성형체는, cBN 입자의 체적 평균 입자 크기가 약 3 내지 6 ㎛인 약 60 내지 80 체적%의 입방정 질화붕소(cBN)와, 약 20 내지 40 체적%의 세라믹 바인더 상의 혼합물을 고온 고압 조건 하에 소결하여 얻는다. 상기 바인더 상은, 약 20 내지 60 체적%의 주기율표의 IVB 및 VIB족 금속의 탄화물, 질화물 또는 붕화물 중 하나 이상과, 약 40 내지 80 체적%의 탄화알루미늄, 질화알루미늄, 붕화알루미늄 또는 산화알루미늄 중 하나 이상과, 약 3 내지 15 중량%의 텅스텐으로 이루어진다. 그 밖의 철족 금속이 가공에 의해 도입되는 불순물로서 탄화물 또는 붕화물 형태로 존재할 수도 있다.

또한, 본 발명은 cBN 입자의 체적 평균 입자 크기가 약 3 내지 6 ㎛인 약 60 내지 80 체적%의 입방정 질화붕소(cBN)와, 약 20 내지 40 체적%의 세라믹 바인더 상과, 약 3 내지 15 중량%의 텅스텐의 혼합물을 함유한 cBN 성형체를 포함하는 성형 공구에 관한 것이다.

신규한 cBN 성형체는 작업편의 기계 가공에 사용되는 것과 같은 성형 공구에특히 유용하다. 특별히 주목할 만한 것은, 본 발명의 한 가지 실시 형태에 따른 cBN 성형체가 화학 반응성 재료의 기계 가공에 있어서 발휘하는 유용성이다.

"화학 반응성 재료"라 함은, 예를 들면 고온에서 다이아몬드 공구와 반응하는 철제 작업편과 같은 공구 재료와 화학적으로 반응하는 재료를 의미한다. 더욱 놀라운 것은, 본 발명의 소결 cBN 성형체가 갖는 분말 금속 부재를 기계 가공할 수 있는 능력으로, 그러한 분말 금속 부재로는 압밀 또는 조밀화되어 작업편 또는 부재를 형성하는 분말 금속으로 제작된 부재와, 특히 분말 금속 가공에 의해 철 분말로부터 조밀화되는 부재가 있다.

본 발명의 소결 cBN 성형체는, 예를 들면 분말 금속 철과 같은 화학 반응성 재료의 기계 가공에 뛰어난 성능을 발휘한다. 특히, 본 발명의 cBN 소결 성형체는 현재 자동차 산업에서 널리 사용되는 것(예를 들면 기어, 밸브 시트 등)과 같은 분말 금속 부재(금속 분말의 압밀에 의해 제조되는 부재)를 기계 가공하는 데에 뛰어나다. 본 발명의 cBN 소결 성형체를 비교하는 기준은 공구의 유효 수명으로, 이 유효 수명은 기계 가공된 금속의 표면 마무리가 허용 불가능한 정도로 되기 전에 행할 수 있는 기계 가공의 양으로 결정된다. 본 발명의 한 가지 실시 형태에서 cBN 소결 성형체를 시험한 결과, 시판 중인 성형체보다 2 대 1를 넘는 비율로 우수하다는 것이 발견되었다.

본 발명의 소결 cBN 성형체를 제조함에 있어서, 원료 분말을 원하는 입자 크기로 밀링할 수 있고, 예를 들면 초음파 혼합, 볼 밀 혼합, 애트리션 밀(attrition mill) 혼합 등의 다양한 기법에 의해 혼합할 수 있다. 혼합 기법을 선택함으로써나타나는 영향의 한 가지는 금속 볼로부터 금속이 첨가되는 것이다(예를 들면, W 매체로부터 W가 첨가되는 것). 원하지 않는 금속이나 그 밖의 매체가 혼합물에 첨가될 수도 있는데, 이는 바람직하지 못하다. 대안으로서, 이 기법을 통해 원하는 재료를 원료 혼합물에 도입할 수도 있다. 예를 들면, 최종 원료 혼합물에 W이 필요하다면, W 함량의 적어도 일부를 도입하기 위해 W 매체와 함께 밀링하여 W를 첨가하는 기법을 선택할 수 있다. 밀링은 종종, 예를 들면 알코올, 아세톤 등과 같이 쉽게 제거될 수 있고 밀링 대상 금속 분말의 원하지 않는 산화를 촉진하지 않는 용제의 존재 하에 행하기도 한다. 그러한 밀링으로는 바람직하지 못한 수준까지 분말을 산화시키는 결과가 초래되지 않는 것이 보통이다. 밀링 온도는 주위 온도이고 밀링 시간은 수시간일 수 있다. 볼 밀링 장치의 크기를 적절하게 조정하면, 배합되는 혼합물의 크기를 100g 내지 2kg, 또는 그 이상의 범위가 되도록 할 수 있다.

다음으로, 용제의 발화점보다 낮은 온도에서 배합된 혼합물을 건조하여 용제(예를 들면, 이소프로필 알코올, 아세톤)를 제거한다. 그리고 나서, 건조된 분말의 일정량을 적절한 크기의 용기에 넣고 그 분말과 동일한 중량의 WC 또는 그 밖의 밀링 매체를 용기에 넣은 후, 건조된 분말을 건조 상태에서 가볍게 밀링한 후 병 안에서 흔든다. 이어서, 분말을 체에 쳐서 원하는 크기를 얻는다. 내용물들의 상대 함량이 원하는 범위가 되도록 배합 재료의 조성을 조정할 수 있다.

이제, 전술한 바와 같이 당업계에 잘 알려져 있는 통상적인 고압 고온 기법 및 장치를 이용하여 분말을 소결할 준비가 되었다. 간략히 설명하면, 분말을 내화금속 컵(예를 들면, Ta 또는 Nb)에 장입한다. 이 컵의 크기는 최종 소결 성형체의 크기를 제한한다. 당업계에 알려져 있는 바와 같이, 원위치에서 소결 cBN 성형체에 결합시키기 위해 보조 재료(분말 또는 성형체)를 컵에 장입할 수 있다. 적절한 기재는, 예를 들면 내화 금속(예를 들면, W) 탄화물을 포함한다. 컵 재료를 기재의 엣지 둘레로 크림핑(crimping)하면 컵이 밀봉된다. 그리고 나서, 이 마무리된 블랭크를 압력 전달 및 압력 밀폐 재료로 이루어진 고압 셀에 장입한 후, 고압(예를 들면, 45 내지 50 kbar) 및 고온(약 1400℃)을 30분 내지 40분간 인가하여 분말 혼합물을 소결해서 기재에 납땜한다. 소결된 블랭크를 셀에서 꺼내 기계 가공하여 컵 재료를 제거하고 원하는 치수로 만든다. 마무리된 블랭크는 충분한 도전성이 있기 때문에, 방전 기계 가공(EDM)에 의해 분말 금속 철 및 기타 유사 재료의 기계 가공에 사용되는 절삭 공구의 제조에 적합한 원하는 형상과 크기로 절단할 수 있다. 전술한 소결 블랭크의 크기 및 형상은 구성 요소의 치수를 변화시킴으로써 변경할 수 있으며, 그 치수는 소결 공정을 촉진하기 위해 사용되는 고압/고온(HP/HT) 설비에 의해 주로 제한된다. 소결된 cBN 성형체 생성물은 평균 크기가 약 3 내지 6 미크론(㎛)인 cBN 입자를 약 60 내지 80 체적% 포함하며, 재료의 잔부는 cBN 입자 사이에 균일하게 분산되어 있고 화학량론적인 탄화물, 질화물 또는 붕화물을 함유하는 바인더 상으로 이루어진다.

본 발명의 한 가지 실시 형태에서, 바인더 상은 X선 산란 기법으로 식별될 수 있는 몇 가지 상을 함유하는데, 그러한 상은, 예를 들면 질화알루미늄, 탄화티타늄, 질화티타늄, 붕화티타늄, 탄화텅스텐, 붕화텅스텐, 그리고 텅스텐, 붕소 및코발트의 화합물을 포함한다. 이들 상은 배합된 분말 성분의 반응에 의해 소결 공정 중에 형성된다.

소결된 cBN 성형체 생성물은 약 3 내지 15 중량%의 텅스텐을 더 포함한다. 텅스텐이 더 높은 수준으로 함유되어도 cBN 성형체의 기계 가공 성능은 여전히 우수하지만, 기계 가공 조작 중에 칩이 발생할 우려가 있다. 이것은 고압/고온 소결 조작 중의 붕화텅스텐(WB) 상의 형성에 기인한다. WB 상이 형성되면 이붕화티타늄(Ti₂B)의 형성이 억제되는데, 이는 최종 생성물의 X선 산란에 의해 관찰될 수 있다.

본 발명의 한 가지 실시 형태에서는 소결 중에 충분한 양의 이붕화티타늄 상이 형성되어 최적의 재료가 제공되는 것으로 생각된다. 따라서, 텅스텐의 함량 수준이 더 높으면, 기계 가공 조작 중에 공구 재료의 칩 발생 가능성이 증가하기 때문에 다소 해롭다. 본 발명의 한 가지 실시 형태에서, W 함량은 약 3 내지 8 중량%이다. 소결된 cBN 성형체 생성물 중의 텅스텐 수준은 X선 산란에 의해 결정될 수 있다. 붕화텅스텐 상의 (110) 결정학적 평면으로부터의 산란 피크의 강도는, 이붕화티타늄 상의 (100) 결정학적 평면으로부터의 산란 피크의 강도와 비교될 수 있다. 이붕화티타늄 피크와 붕화티타늄 피크의 강도비는 2:1 이상이다.

그 후, 소결된 cBN 성형체를, 예를 들면 분말 금속 철과 같은 화학 반응성 재료를 기계 가공하기 위한 공구가 되도록 형성할 수 있다. 그러한 공구의 형성 및 채택되는 기계 가공 조건은 당업계에 잘 알려져 있으며 상업적으로 널리 실시되고 있다.

비록 본 발명을 바람직한 실시 형태를 참조하면서 설명하였지만, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화가 가능하고 요소들을 균등물로 치환할 수 있다는 것을 당업자라면 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 핵심 범위를 벗어나지 않으면서 구체적인 상황이나 재료를 본 발명의 교시 내용에 맞게 하기 위해 여러 가지 수정이 가능하다. 따라서, 본 발명은 본 발명의 최선의 실시 형태로서 개시된 특정 실시 형태에 제한되어서는 안되며, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범위 내에 있는 모든 실시 형태를 포함한다. 본 출원에서, 다른 언급이 없는 한 모든 단위는 미터 시스템이고 모든 양과 백분율은 중량 기준이다. 또한, 본 명세서에 인용된 모든 문헌은 본 명세서에 참고로 포함된다.

실시예

실시예에서는, 철 분말 부재(미국 펜실베니아주 15857 세인트 매리스에 소재하는 Keystone Power Metal사의 Z82)에 표준화된 기계 가공 시험을 실시하였다. 이 철 분말 금속 부재는 Al, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, Si 및 Ti를 다양한 양으로 함유한다. 이 표준화된 시험 절차는 다음의 조건을 이용하였다.

재료	Z82 P/M 배출물로크웰 B 경도 = 82
작업편 속도	1000 SFM (300 M/분)
공급 속도	0.004 ipr (0.10 mm/회전)
절삭 깊이	0.008" (0.20 mm)
Vb 최대치	0.010" (0.25 mm)
시험 측정(3개 공구의 평균)	기계 가공된 상응 부재의 개수(EPM)

실시예 1 - 비교예

시판 중인 cBN 성형체(미국 오하이오주 워딩턴에 소재하는 GE Superabrasives사에서 제조 BZN 6000으로, 90 체적%의 cBN, 10 체적%의 세라믹 및 금속 상을 함유함)를 사용하여 표준화된 기계 가공 시험을 행하였다. 이 재료를 130 EPM으로 시험하였다. 이 시판 제품의 cBN 함량은 본 발명의 cBN 소결 성형체에 적합한 것으로 결정된 함량을 초과하였다.

실시예 2 - 비교예

시판 중인 cBN 성형체[미국 오하이오주 워딩턴에 소재하는 GE Superabrasives사에서 제조한 BZN 8200으로, 65 체적%의 cBN와, 33 체적%의 화학량론적인 TiN_x(x<0.97)와, 2 체적%의 AIN을 함유함]를 사용하여 표준화된 기계 가공 시험을 행하였다. 이 재료를 120 EPM으로 시험하였다. TiN의 하위 화학량론적(sub-stoichiometric) N 함량이 1 미만임에 주목해야 한다.

실시예 3

평균 입자 크기가 약 2.5 미크론 미만인 알루미늄화티타늄(TiAl₃) 분말과, 평균 입자 크기가 3 미크론 미만인 탄화티타늄(TiC) 분말을, 평균 크기가 약 4 내지 5 미크론인 cBN 분말과 배합하여, 약 77 중량%의 cBN와, 15 중량%의 TiAl₃과, 8 중량%의 TiC의 혼합물을 형성하였다. 이 혼합물을, 통상적인 WC 밀링 매체(직경 0.25)를 사용하고 이소프로판올(IPA)를 밀링 유체로 이용하여 4시간 동안 볼 밀링하였다. 이 밀링 조작으로, 최종 분말 혼합물의 WC 함량이 약 5 중량%로 상승하였다.

알코올의 발화점보다 낮은 온도에서 배합된 혼합물을 건조하여 알코올을 제거하였다. 건조된 분말의 일정량을 적절한 크기의 플라스틱 병에 넣고 그 분말과 동일한 중량의 WC 밀링 매체를 용기에 넣은 후, 건조된 분말을 건조 상태에서 가볍게 밀링하고 병 안에서 30분간 흔들었다. 이어서, 분말을 20 메쉬 스크린으로 체에 쳤다. 가공된 분말 혼합물을 내화 금속 컵에 장입하고 턴화텅스텐 기재로 덮었다. 이 컵 조립체를 압력 전달 및 압력 밀폐 재료로 이루어진 고압 셀에 장입한 후, 고압(예를 들면, 45 내지 50 kbar) 및 고온(약 1400℃)을 30분 내지 40분간 인가하여 분말 혼합물을 소결해서 탄화텅스텐 기재에 납땜하였다.

이 실시예에서, 소결된 분말은 평균 크기가 약 4 내지 5 미크론인 약 75 체적%의 cBN 입자로 이루어지며, 잔부는 cBN 입자 사이에 균일하게 분산된 바인더 상으로 이루어진 재료이다. 바인더 상은 X선 산란 기법으로 식별되는 몇 가지 상을 함유하는데, 그러한 상은 질화알루미늄, 탄화티타늄, 질화티타늄, 붕화티타늄, 탄화텅스텐, 그리고 텅스텐, 붕소 및 코발트의 화합물을 포함한다. 이들 상은 배합된 분말 성분의 반응에 의해 소결 공정 중에 형성된다. XRD에 의해 관찰되는 반응 생성물 및 소결 혼합물에 첨가되는 분말의 중량%에 기초하면, 소결된 성형체의 바인더 상은 약 60 체적%의 알루미늄 화합물(주로 질화물과 붕화물)과, 약 40 체적%의 티타늄 화합물(주로 탄화물과 붕화물)을 함유한다.

소결된 블랭크를 기계 가공하여 컵 재료를 제거하고 원하는 치수(두께 3.2 mm, 직경 59 mm)로 만들었다. 마무리된 블랭크는 충분한 도전성이 있기 때문에, 방전 기계 가공(EDM)에 의해 분말 금속 철 및 기타 유사 재료의 기계 가공에 사용되는 절삭 공구의 제조에 적합한 원하는 형상과 크기로 절단할 수 있다. 표준화된 기계 가공 시험을 이용하여 cBN 소결 성형체의 형태를 시험하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

운전	조성(중량)	밀링	cBN(μ)	EPM(평균)
운전	TiN	TiC	cBN(μ)	EPM(평균)	TiAl₃	WC	형태	용제
6	0	8.16	14.72	1.97	볼	아세톤	4.5	278.7
15	0	8.16	14.72	1.97	볼	IPA	4.5	274.3

이 결과로부터, 본 발명의 소결 cBN 성형체가 발휘하는 뛰어난 성능이 드러나며, 용제의 형태는 소결 cBN 성형체의 기계 가공 성능에 별다는 영향을 미치지 못한다는 것이 판명되었다.

실시예 4

입자 크기가 다른 것을 제외하고, 즉 cBN 입자의 크기가 단지 3.0 μ인 것 외에는 실시예 1에서 설명한 것과 동일한 방식으로 또 다른 cBN 소결 성형체를 제작하여 표준화된 기계 가공 시험을 이용해서 시험하였다. 그 결과는 다음과 같다.

운전	조성(중량)	밀링형태	cBN(μ)	EPM(평균)
운전	TiN	밀링형태	cBN(μ)	EPM(평균)	TiC	TiAl₃	WC
1	0	8.16	14.72	1.97	볼	3.0	248.8

이 결과로부터, 단지 cBN의 입자 크기를 276.5 EPM(실시예 3)로부터 248.8 EPM으로 감소시킴으로써 성능이 저하됨을 알 수 있다.

실시예 5

실시예 1에서 설명한 방식으로 또 다른 cBN 소결 성형체를 제작하여 표준화된 기계 가공 시험을 이용해서 시험하였으며, 조제 시에 TiC 대신 TiN을 사용하였다. 그 결과는 다음과 같다.

운전	조성(중량)	밀링형태	cBN(μ)	EPM(평균)
운전	TiN	밀링형태	cBN(μ)	EPM(평균)	TiC	TiAl₃	WC
17	4	0	19	0	애트리터	4.5	234.9

이 결과로부터, 단지 TiC를 TiN으로 교체함으로써 성능이 저하됨을 알 수 있다.

실시예 6

실시예 1에서 설명한 방식으로 또 다른 cBN 소결 성형체를 제작하여 표준화된 기계 가공 시험을 이용해서 시험하였으며, X선 산란 분석으로 결정되는 바와 같이 소결 공정 중에 TiN이 TiC로 전환되었다. 그 결과는 다음과 같다.

운전	조성(중량)	밀링형태	cBN(μ)	EPM(평균)^*
운전	TiN	밀링형태	cBN(μ)	EPM(평균)^*	TiC	TiAl₃	WC
23	9.43	0	12.65	1.97	애트리터	4.5	269.9

소결된 cBN 성형체 생성물에 TiC를 함유시킴에 따른 성능 향상이 다시 한 번 입증되었다.

실시예 7

실시예 1에서 설명한 방식으로 또 다른 cBN 소결 성형체를 제작하여 표준화된 기계 가공 시험을 이용해서 시험하였으며, 실시예 6과의 차이는 볼 밀 대신 애트리터 밀(attritor mill)을 사용하였다는 점이다. 그 결과는 다음과 같다.

운전	조성(중량)	밀링형태	cBN(μ)	EPM(평균)
운전	TiN	밀링형태	cBN(μ)	EPM(평균)	TiC	TiAl₃	WC
9	0	8.16	14.72	1.97	애트리터	4.5	250.7

실시예 3과 비교할 때의 성능 저하(278.7 EPM 대 250.7 EPM)는, 애트리터 밀의 사용으로 인해서 볼 밀의 경우에 비해 적은 양의 WC가 제제에 첨가된다는 사실에 기인한다고 할 수 있다. 제제 중에 WC가 존재하는 것의 중요성도 입증된다.

실시예 8

TiN, TiC, TiAl₃을 사용하여 전술한 실시예에 제시된 성분으로부터 또 다른 소결 cBN 성형체를 조제하였다. W가 기계 가공 성능에 미치는 영향을 확인하기 위해 W(WC로서 공급됨)의 양을 변화시켰다. 크기가 3 내지 6 ㎛의 범위에 있는 cBN 입자에 대해 다음과 같은 결과를 얻었으며, 그 결과는 도 1에도 도시되어 있다.

%W	EPM(평균)
1.31	234.9
3.4	268.9
3.6	250.7
3.76	262.2
5.28	278.7
6.04	274.3
10.4	252.0
11.1	269.9
12.44	246.4
13.56	258.8
16.72	256.2
17.86	247.7

이들 데이터로부터, 기계 가공 성능[분말 금속(PM) 철 부재를 기계 가공함으로써 측정됨]이 약 5 중량%에서 피크를 이루며, 약 3 내지 15 중량%의 W를 함유하는 소결된 cBN 성형체의 경우에 허용 가능한 수준의 기계 가공 성능을 얻는다는 것을 알 수 있다.

실시예 9

실시예 1에서 설명한 것과 동일한 방식으로 WC 수준이 다양한 또 다른 cBN 소결 성형체를 제작하여, 표준화된 기계 가공 시험의 보다 격심한 버전(작업편의 로크웰 B 경도 = 95)을 이용해서 시험하였다. 이들 분말 배합 샘플과 소결 성형체의 W 함량을 ICP(유도 결합 플라즈마) 및 XRD(X선 산란)에 의해 각각 분석하였다. 소결 성형체 중에서의 W의 상대량은 [101] TiB₂피크와 [110] WB 피크 간의 XRD 강도비로서 결정된다. 이들 데이터를 이하의 표 8에 제시한다.

블랭크 ID	[101] TiB₂피크의상대 XRD 강도	[110] WB 피크의상대 XRD 강도	ICP%W	XRD 강도비WB/TiB₂
A	49%	6%	6.5%	0.12
B	46%	10%	6.5%	0.22
C	51%	0%	5.0%	0.00
D	47%	0%	5.0%	0.00
E	48%	0%	5.0%	0.00
F	47%	6%	4.0%	0.12
G	50%	0%	4.0%	0.00
H	50%	4%	4.2%	0.08
I	49%	0%	4.0%	0.00
J	46%	5%	4.4%	0.10
K	39%	32%	10.7%	0.81
L	39%	33%	10.3%	0.85
M	39%	34%	10.5%	0.89
N	50%	30%	10.6%	0.61
O	38%	32%	9.0%	0.85
P	34%	35%	8.8%	1.04
Q	36%	30%	8.7%	0.55

이들 샘플은 두 가지 군으로 분류할 수 있다. 즉, W 함량 < 8 중량%이고 XRD 강도비 WB/TiB₂< 0.4인 군(샘플 A 내지 J)과, W 함량 > 8 중량%이고 XRD 강도비 WB/TiB₂> 0.4인 군(샘플 K 내지 Q)이다. 이들 군에 속하는 샘플로 제작된 공구에 대해 표준 PM 기계 가공 시험의 보다 격심한 버전을 실시했을 때, XRD 강도비 WB/TiB₂> 0.4인 군(샘플 K 내지 Q)으로 제조된 공구는 13회의 시험에 대해 13회 모두 칩이 다량 발생하여 불합격한 반면, XRD 강도비 WB/TiB₂< 0.4인 군으로 제조된 공구는 25회의 시험 중 17회만 불합격하였다.

상기 데이터는, 보다 경질인 작업편을 기계 가공할 때, W 수준이 약 8 중량% 미만이고 XRD 강도비 WB/TiB₂가 0.4 미만이면 칩 발생 가능성이 감소한 성형체가 제조된다는 것을 입증한다.

본 발명에 따르면, 분말 금속 철과 같은 화학 반응성 재료의 기계 가공에 뛰어난 성능을 발휘하는 소결 cBN 성형체를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 cBN 소결 성형체는 현재 자동차 산업에서 널리 사용되는 분말 금속 부재를 기계 가공하는 데에 뛰어나다.

Claims

공구용 소결 입방정 질화붕소(cBN) 성형체로서,

(a) 체적 평균 입자 크기가 약 3 내지 6 ㎛인 약 60 내지 80 체적%의 cBN와,

(b) 약 40 내지 20 체적%의 세라믹 바인더 상으로서,

(i) 약 20 내지 60 체적%는 IVB 또는 VIB족 금속의 탄화물, 질화물 또는 붕화물 중 하나 이상이고,

(ii) 약 40 내지 80 체적%는 탄화알루미늄, 질화알루미늄, 붕화알루미늄 또는 산화알루미늄 중 하나 이상인 세라믹 바인더 상과,

(c) 약 3 내지 15 중량%의 텅스텐

을 포함하는 것인 공구용 소결 입방정 질화붕소 성형체.
제1항에 있어서, 상기 세라믹 바인더 상(b)(i)은 탄화티타늄이 주성분인 것인 공구용 소결 입방정 질화붕소 성형체.
제1항에 있어서, 상기 텅스텐의 함량이 약 3 내지 8 중량%인 것인 공구용 소결 입방정 질화붕소 성형체.
제1항에 있어서, 상기 세라믹 바인더 상은 XRD에 의해 검출될 수 있는 TiB₂를 포함하는 것인 공구용 소결 입방정 질화붕소 성형체.
제4항에 있어서, WB를 포함하고, [101] TiB₂피크 대 [110] WB 피크의 XRD 강도비가 약 0.4 미만인 것인 공구용 소결 입방정 질화붕소 성형체.
공구용 소결 입방정 질화붕소(cBN) 성형체의 제조 공정으로서,

(a) 체적 평균 입자 크기가 약 3 내지 6 ㎛인 약 60 내지 80 체적%의 cBN와,

(b) 약 40 내지 20 체적%의 세라믹 바인더 상으로서,

(i) 약 20 내지 60 체적%는 IVB 또는 VIB족 금속의 탄화물, 질화물 또는 붕화물 중 하나 이상이고,

(ii) 약 40 내지 80 체적%는 탄화알루미늄, 질화알루미늄, 붕화알루미늄 또는 산화알루미늄 중 하나 이상인 세라믹 바인더 상과,

(c) 약 3 내지 15 중량%의 텅스텐

의 혼합물을 고압 및 고온(HP/HT) 조건에 인가하는 것을 포함하는 공구용 소결 입방정 질화붕소 성형체의 제조 공정.
제6항에 있어서, 상기 고압 및 고온 조건은 약 30분 내지 40분의 시간 동안 압력이 약 45 내지 50 kbar이고 온도가 약 1400℃인 것인 공구용 소결 입방정 질화붕소 성형체의 제조 공정.
제6항에 있어서, 상기 세라믹 바인더 상(b)(i)은 탄화티타늄이 주성분인 것인 공구용 소결 입방정 질화붕소 성형체의 제조 공정.
제6항에 있어서, 상기 텅스텐의 함량이 약 3 내지 8 중량%인 것인 공구용 소결 입방정 질화붕소 성형체의 제조 공정.
제6항에 있어서, 상기 세라믹 바인더 상은 XRD에 의해 검출될 수 있는 TiB₂를 포함하는 것인 공구용 소결 입방정 질화붕소 성형체의 제조 공정.
제10항에 있어서, WB를 포함하고, [101] TiB₂피크 대 [110] WB 피크의 XRD 강도비가 약 0.4 미만인 것인 공구용 소결 입방정 질화붕소 성형체의 제조 공정.
화학 반응성 재료를 기계 가공하는 방법으로서,

상기 화학 반응성 재료의 적어도 일부를 제거하기 위해 상기 화학 반응성 재료를 소결 입방정 질화붕소(cBN) 성형체와 접촉시키는 단계를 포함하며, 상기 cBN 성형체는,

(a) 체적 평균 입자 크기가 약 3 내지 6 ㎛인 약 60 내지 80 체적%의 cBN와,

(b) 약 40 내지 20 체적%의 세라믹 바인더 상으로서,

(i) 약 20 내지 60 체적%는 IVB 또는 VIB족 금속의 탄화물, 질화물 또는 붕화물 중 하나 이상이고,

(ii) 약 40 내지 80 체적%는 탄화알루미늄, 질화알루미늄, 붕화알루미늄 또는 산화알루미늄 중 하나 이상인 세라믹 바인더 상과,

(c) 약 3 내지 15 중량%의 텅스텐

을 포함하는 것인 화학 반응성 재료의 기계 가공 방법.
제12항에 있어서, 상기 화학 반응성 재료는 철 작업편을 포함하는 것인 화학 반응성 재료의 기계 가공 방법.
제12항에 있어서, 상기 세라믹 바인더 상(b)(i)은 탄화티타늄이 주성분인 것인 화학 반응성 재료의 기계 가공 방법.
제12항에 있어서, 상기 텅스텐의 함량이 약 3 내지 8 중량%인 것인 화학 반응성 재료의 기계 가공 방법.
제12항에 있어서, 상기 세라믹 바인더 상은 XRD에 의해 검출될 수 있는 TiB₂를 포함하는 것인 화학 반응성 재료의 기계 가공 방법.
제16항에 있어서, WB를 포함하고, [101] TiB₂피크 대 [110] WB 피크의 XRD 강도비가 약 0.4 미만인 것인 화학 반응성 재료의 기계 가공 방법.
청구항 1의 cBN 성형체를 포함하는 절삭 공구, 드릴 비트 또는 드레싱 공구 형태의 제품.