KR20050086955A

KR20050086955A - 입방정 질화붕소 지립 및 그 제조 방법 및 그것을 이용한지석 및 연마 포지

Info

Publication number: KR20050086955A
Application number: KR1020057012495A
Authority: KR
Inventors: 에이지 이하라; 히로히꼬 오오쯔보; 다쯔야 시미즈
Original assignee: 쇼와 덴코 가부시키가이샤
Priority date: 2003-01-06
Filing date: 2004-01-06
Publication date: 2005-08-30
Also published as: WO2004061040A1; EP1584670A4; EP1584670A1; JPWO2004061040A1; ZA200505431B; CN1748014A

Abstract

실질적으로 단결정이고, 흑색을 나타내는 입방정 질화붕소 지립이다. 이와 같은 지립은 특정한 충전율을 갖는 것이 바람직하다. 이와 같은 지립은 입방정 질화붕소를 합성할 때에 붕소원을 첨가함으로써 얻게 된다. 이와 같은 지립을 이용하면, 양호한 절삭 능력을 유지한 상태에서 피삭재 면조도를 향상시킬 수 있는 지석이나 연마 포지를 형성할 수 있다.

Description

입방정 질화붕소 지립 및 그 제조 방법 및 그것을 이용한 지석 및 연마 포지{CUBIC BORON NITRIDE ABRASIVE GRAINS AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND GRINDSTONE AND POLISHING CLOTH OR PAPER USING THE SAME}

본 발명은 지석 등에 이용되는 입방정 질화붕소 지립 및 그 제조 방법 및 그 입방정 질화붕소 지립을 사용한 지석 및 연마 포지에 관한 것이다.

입방정 질화붕소(cubic boron nitride ; cBN)는 다이아몬드에 버금가는 경도와 그것을 능가하는 화학적 안정성을 갖고, 연삭ㆍ연마ㆍ절삭재용 지립으로서의 수요가 증대되고 있다.

입방정 질화붕소의 제조 방법은 다양하게 제안되어 있지만, 이 중에서 가장 잘 알려지고, 공업적으로도 널리 이용되고 있는 것은 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride ; hBN)를 촉매 물질 등의 존재 하에서 약 4 내지 6 ㎬, 약 1400 내지 1600 ℃ 정도의 입방정 질화붕소의 열역학적 안정 영역 내에 보유 지지하여 육방정 질화붕소를 입방정 질화붕소로 변환하는 방법이다(예를 들어, 특허문헌 1 내지 3 참조).

이들 방법에 의해 얻을 수 있는 입방정 질화붕소 지립은, 전술한 바와 같이 우수한 경도와 화학적 안정성을 보유하고 있고, 전착 지석, 메탈 본드 지석 등에도 사용되고 있다.

전술한 방법에 의해 얻게 된 입방정 질화붕소 지립은 비교적 형상이 구형에 가까운 무딘 지립이고, 절삭 능력이 요구되는 비트리파이드 본드 지석을 이용하는 연삭 용도에는 적합하지 않았다.

이로 인해, 입방정 질화붕소 지립을 이용한 지석의 절삭 능력을 향상시키기 위해, 형상이 샤프하고 또한 육질이 비교적 치밀한 입방정 질화붕소 입자를 이용함으로써, 양호한 절삭 능력을 지속할 수 있는 것이 개시되어 있다(예를 들어, 특허문헌 4 참조).

또한, 비트리파이드 본드 지석과 같은 유기공 지석에 있어서, 기공의 증대가 도모되어 연삭비를 저하시키는 일 없이 더 양호한 절삭 능력을 얻을 수 있는 지립에 대해서도 개시되어 있다(예를 들어, 특허문헌 5 참조).

이들 지립을 이용함으로써 양호한 절삭 능력의 지석을 제작할 수 있게 되었다.

[특허문헌 1] 일본 특허 공개 소58-84106호 공보

[특허문헌 2] 일본 특허 공개 소59-57905호 공보

[특허문헌 3] 일본 특허 공개 소59-73410호 공보

[특허문헌 4] 일본 특허 공개 평9-169971호 공보

[특허문헌 5] 일본 특허 공개 2003-64350호 공보

그러나 한편, 이들 지립을 이용한 지석을 사용한 경우, 종래의 지립을 이용한 지석을 사용한 경우에 비해 연삭 가공 후의 피삭재 면조도가 나쁘다는 문제점을 여전히 안고 있었다. 지립 형상이 샤프, 혹은 충전율이 낮아지는 것에 의해, 트루잉 시, 드레싱 시, 혹은 연삭 가공 시에 지립이 크게 절결됨으로써 연삭 시에 유효한 절삭날 수가 감소되는 것이 원인으로 추정된다.

연삭 가공 분야에 있어서의 부품의 소형화, 고정 밀도화가 진행되는 중에서 양호한 절삭 능력을 유지한 상태에서 피삭재 면조도를 향상시킬 수 있는 지석에 대한 요구가 강해져 오고 있고, 그와 같은 지석을 제작할 수 있는 지립의 개발이 기대되고 있었다.

도1은 입방정 질화붕소의 쌍정 결정을 개략적으로 도시하는 도면으로, 화살표는 우선적으로 성장이 일어나는 방향을 나타낸다.

도2는 입방정 질화붕소의 다중 쌍정 결정을 개략적으로 도시하는 도면으로, 화살표는 우선적으로 성장이 일어나는 방향을 나타낸다.

본 발명자는 상기한 문제점을 해결하기 위해 예의 노력 검토한 결과, 지립의 합성 원료 중에 붕소원을 첨가함으로써 지립에 미소 파쇄성을 갖게 하는 것을 가능하게 하였다. 그 결과, 형상이 샤프한 지립, 또는 충전율이 낮은 지립을 이용한 경우라도 트루잉 시, 드레싱 시, 혹은 연삭 가공 시에 있어서의 지립의 대파쇄(큰 절결)를 억제할 수 있게 되어 양호한 절삭 능력을 유지한 상태에서 연삭 가공 시의 피삭재 면조도를 향상시킬 수 있는 지석의 제작을 가능하게 하였다. 즉, 본 발명은,

(1) 실질적으로 단결정이고 흑색을 나타내는 입방정 질화붕소 지립,

(2) 입방정 질화붕소 지립의 부피 밀도를 입방정 질화붕소의 진밀도(3.48 g/㎤)로 나누어 얻게 되는 입방정 질화붕소 지립의 충전율이 JIS B 4130 : 1998에 규정되는 입도 구분으로,

40/50의 지립에서는 0.536 내지 0.282의 범위 내,

50/60의 지립에서는 0.534 내지 0.280의 범위 내,

60/80의 지립에서는 0.532 내지 0.278의 범위 내,

80/100의 지립에서는 0.526 내지 0.274의 범위 내,

100/120의 지립에서는 0.520 내지 0.269의 범위 내,

120/140의 지립에서는 0.511 내지 0.264의 범위 내,

140/170의 지립에서는 0.506 내지 0.259의 범위 내,

170/200의 지립에서는 0.500 내지 0.253의 범위 내,

200/230의 지립에서는 0.497 내지 0.246의 범위 내,

230/270의 지립에서는 0.491 내지 0.240의 범위 내,

270/325의 지립에서는 0.486 내지 0.233의 범위 내,

325/400의 지립에서는 0.480 내지 0.226의 범위 내인 (1)에 기재된 입방정 질화붕소 지립,

(3) 실질적으로 단결정이고 흑색을 나타내는 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법이며, 붕소원과 육방정 질화붕소를 포함하는 원료 혼합물을 입방정 질화붕소의 열역학적으로 안정된 압력 온도 조건 하로 보유 지지하는 단계를 포함하는 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법,

(4) 상기 붕소원이 붕소 또는 탄화 붕소 중 적어도 1종인 상기 (3)에 기재된 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법,

(5) 상기 원료 혼합물 중에 쌍정 결정의 입방정 질화붕소를 종결정으로서 포함하는 상기 (3) 또는 (4)에 기재된 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법,

(6) 상기 원료 혼합물 중에 촉매 물질로서 LiMBN₂(M은 Ca, Ba, Mg를 나타냄)를 포함하는 상기 (3) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법,

(7) 상기 촉매 물질의 LiMBN₂가 LiCaBN₂인 상기 (6)에 기재된 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법,

(8) 상기 원료 혼합물 중에 촉매 물질로서 LiMBN₂(M은 Ca, Ba, Mg를 나타냄)에다가, 또한 알칼리 금속 혹은 알칼리 토류 금속, 또는 그것들의 질화물 혹은 붕질화물로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종류를 포함하는 상기 (3) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법,

(9) 상기 (3) 내지 (8)에 기재된 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법에 의해 얻게 된 입방정 질화붕소 지립을 더 분쇄하는 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법,

(10) 상기 분쇄를 롤 분쇄기를 이용하여 행하는 상기 (9)에 기재된 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법,

(11) 상기 (3) 내지 (10)에 기재된 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법에 의해 얻게 된 입방정 질화붕소 지립으로부터, 또한 3축 직경의 긴 직경을 L(㎛), 두께를 T(㎛)로 한 경우의 L/T가 1.5 이하인 입자를 제거하는 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법,

(12) 상기 (3) 내지 (11) 중 어느 하나에 기재된 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법에 의해 얻게 된 입방정 질화붕소 지립,

(13) 상기 (1) 혹은 (2) 또는 (12) 중 어느 하나에 기재된 입방정 질화붕소 지립을, 결합재를 이용하여 고화한 지석,

(14) 상기 결합재로서 비트리파이드 본드를 이용한 상기 (13)에 기재된 지석,

(15) 상기 비트리파이드 본드의 배합량이 10 내지 50 체적 ％인 (14)에 기재된 지석,

(16) 상기 (1) 혹은 (2) 또는 (12) 중 어느 하나에 기재된 입방정 질화붕소 지립을, 면포 또는 이것에 준하는 포지에 접착제로 고정한 연마 포지를 제공한다.

본 발명의 입방정 질화붕소 지립은 실질적으로 단결정이고 흑색을 나타내는 것을 특징으로 하는 입방정 질화붕소 지립이다.

또한, 본 발명의 입방정 질화붕소 지립은 입방정 질화붕소 지립의 부피 밀도(단위 : g/㎤)를 입방정 질화붕소의 진밀도(3.48 g/㎤)로 나누어 얻게 되는 입방정 질화붕소 지립의 충전율이 JIS B 4130 : 1998「다이아몬드/CBN 공구-다이아몬드 또는 CBN과 (지)입자의 입도」에 규정되는 입도 구분으로,

40/50의 지립에서는 0.536 내지 0.28의 범위 내,

50/60의 지립에서는 0.534 내지 0.280의 범위 내,

60/80의 지립에서는 0.532 내지 0.278의 범위 내,

80/100의 지립에서는 0.526 내지 0.274의 범위 내,

100/120의 지립에서는 0.520 내지 0.269의 범위 내,

120/140의 지립에서는 0.511 내지 0.264의 범위 내,

140/170의 지립에서는 0.506 내지 0.259의 범위 내,

170/200의 지립에서는 0.500 내지 0.253의 범위 내,

200/230의 지립에서는 0.497 내지 0.246의 범위 내,

230/270의 지립에서는 0.491 내지 0.240의 범위 내,

270/325의 지립에서는 0.486 내지 0.233의 범위 내,

325/400의 지립에서는 0.480 내지 0.226의 범위 내이고,

실질적으로 단결정이고 흑색인 입방정 질화붕소 지립이다. 충전율이 상기 범위보다 커지면, 연삭 시의 절삭 능력이 나빠져 연삭 동력치가 상승한다. 또한, 충전율이 상기 범위보다 작아지면, 연삭 시의 지립의 탈락이 많아져 연삭비가 저하된다.

상기 충전율의 범위에 유사한 입방정 질화붕소 지립은 이미 알려져 있지만(예를 들어, 앞의 특허문헌 4 참조), 실질적으로 단결정으로 이루어지는 흑색의 입방정 질화붕소 지립은 알려져 있지 않았다. 본 발명자들은 입방정 질화붕소 지립을 합성하는 데 있어서, 그 합성 원료 중에 붕소원을 첨가함으로써 상기 충전율의 범위를 만족시키는 미소 파쇄성을 가진 실질적으로 단결정으로 이루어지고 흑색인 지립 합성을 가능하게 하였다.

입방정 질화붕소 지립 중에서도 실질적으로 단결정으로 이루어지는 지립이 연삭 지립으로서 적합하다. 입방정 질화붕소 지립에는 단결정 외에, 다결정질 또는 미세 결정질 등의 입방정 질화붕소 지립이 포함되지만, 본 발명에서는 이 중에서 단결정만을 이용한다. 다결정질 또는 미세 결정질의 입방정 질화붕소 지립은 비교적 지립 강도가 높게 절결되기 어렵기 때문에, 지석으로서 사용한 경우에는 지립 선단부의 절삭날이 마멸 마모되기 쉽고, 결과적으로 연삭 동력치가 높아져 버리므로, 본 발명이 원하는 입방정 질화붕소 지립으로는 적합하지 않다. 그로 인해 본 발명에 있어서의 실질적으로 단결정으로 이루어지는 지립의 개념에는 다결정질, 미세 결정질은 포함되지 않는다.

본 발명에 있어서의 "실질적으로 단결정"의 정의는 상기한 단결정 지립이 입방정 질화붕소 지립 중에 90 체적 ％ 이상, 바람직하게는 95 체적 ％ 이상, 보다 바람직하게는 99 체적 ％ 이상의 비율로 존재하는 것을 의미한다. 또한, 이 비율에는 입방정 질화붕소 이외의 불순물은 포함되지 않는다.

입방정 질화붕소 지립을 제조하기 위해서는 일본 특허 공개 소59-199513호 공보에 기재된 바와 같이, 육방정 질화붕소, 촉매 물질 및 Ⅲb족 원소를 조합한 반응계를 사용함으로써, 기계적 강도에 우수한 형상의 악화가 보이지 않는 양질의 입방정 질화붕소 지립을 수율 좋게 얻는 것이 알려져 있다.

본 발명자들의 연구의 결과, 입방정 질화붕소 지립의 경우, 합성 원료 중에 붕소원을 첨가함으로써 합성 원료 중에 붕소를 첨가하지 않는 경우에 비해 지립이 미소 파쇄되는 것이 새롭게 판명되었다. 지립이 미소 파쇄됨으로써 피연삭면의 면조도가 향상되는 효과를 가져온다. 이 효과는 붕소원을 첨가한 경우에만 현저하게 인정되고, 다른 Ⅲb족 원소 및 그 화합물을 첨가한 경우에는, 같은 효과는 인정되지 않았다. 붕소원과 다른 Ⅲb족 원소 및 그 화합물의 경우에 효과가 다른 것이라 추정된다.

파쇄성 향상에 대한 붕소원 첨가의 효과는, 현시점에서는 명백하지 않지만, 붕소원 첨가에 의해 생성되는 입방정 질화붕소 지립의 색조가 흑색이 되므로, 첨가한 붕소원이 지립 내에 취입되어 포유물이 되거나, 혹은 합성 원료 중의 붕소 비율이 높아지므로, 지립의 결정 격자 중에 붕소 과잉, 혹은 질소 부족에 의해 결함이 발생할 가능성이 고려되고, 이와 같은 현상이 임의의 형태로 파쇄성 향상에 영향을 주고 있을 가능성이 있다고 추측된다.

또한, 본 발명의 입방정 질화붕소 지립의 충전율은 입방정 질화붕소의 부피 밀도(단위 : g/㎤)를 입방정 질화붕소의 진밀도(3.48g/㎤)로 나눔으로써 얻게 된다. 부피 밀도의 측정은 JIS R 6126 : 2002「인조 연삭재의 부피 밀도 시험 방법」에 준거한 방법으로 행한다.

이하에 그 측정 방법의 개요를 설명하면, 깔때기의 출구를 스토퍼로 막고, 측정 시료 20.0±0.1 g을 깔때기 내에 넣는다. 용적 8.0±0.1 ㎖의 실린더를 깔때기 출구의 바로 아래에 배치한다(깔때기 출구로부터 실린더 상면까지의 낙하 거리를 95.0±1.0 ㎜로 함). 스토퍼를, 인발 시료의 전량을 실린더 내로 낙하시킨 후, 실린더의 상면으로부터 융기된 시료를, 금속판을 이용하여 퍼내어 제거한다. 다음에 실린더 내에 남은 시료 질량을 측정하여 실린더 용적으로 나누어 부피 밀도를 구한다.

이상의 방법에 의해 부피 밀도를 측정하지만, 정확한 부피 밀도를 측정하기 위해서는 지립 표면의 부착물, 오염 등에 의한 영향을 제거하기 위해, 측정 전에 지립을 희박 염산 또는 왕수에 의해 세정하고, 탈산 및 건조한 후 측정할 필요가 있다.

본 발명의 입방정 질화붕소 지립은 JIS B 4130 : 1998에 규정되는 입도 구분으로, 전술한 범위 내의 충전율을 갖지만, 이 입방정 질화붕소 지립을 복수의 입도 구분으로 블렌드하여 이용해도 좋다.

전술한 범위 내의 충전율을 갖는 지립은 지석의 절삭 능력에 대해 좋은 결과를 초래한다. 충전율이 전술한 범위를 벗어나면, 연삭 시의 절삭 능력이 나빠져 연삭 동력이 상승하거나, 연삭 시의 지립의 탈락이 많아져 연삭비가 저하된다.

본 발명에서 사용되는 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법은 특별히 한정되지 않지만, 생산성을 고려하면 붕소원과 공존시킨 육방정 질화붕소를 촉매 물질의 존재 하에서 입방정 질화붕소의 열역학적 안정 영역 내에 보유 지지하고, 육방정 질화붕소를 입방정 질화붕소로 변환하는 방법이 바람직하다.

출발 원료인 육방정 질화붕소는 시판의 육방정 질화붕소 분말을 사용할 수 있다. 육방정 질화붕소에 혼입하는 산소 불순물은 육방정 질화붕소로부터 입방정 질화붕소로의 변환을 지연시키는 일이 있으므로, 산소량이 적은 것이 바람직하다.

입도는 특별히 한정되지 않지만, 일반적으로는 JIS R 6001 : 1998에 정해진 입도로 F150 이하가 바람직하다. 입도가 지나치게 크면 촉매 물질과의 반응성이 저하될 가능성이 있기 때문이다.

육방정 질화붕소를 입방정 질화붕소로 변환할 때에 이용하는 촉매는 특별히 한정되지 않고, 이미 알려진 촉매는 모두 사용할 수 있다. 예를 들어, 알칼리 금속(Li 등)과, 이들 질화물(Li₃N 등) 및 붕질화물(Li₃BN₂ 등), 알칼리 토류 금속(Ca, Mg, Sr, Ba 등)과, 이들 질화물(Ca₃N₂, Mg₃N₂, Sr₃N₂, Ba₃N₂등) 및 붕질화물(Ca₃B₂N₄, Mg₃B₂N₄, Sr₃B₂N₄, Ba₃B₂N₄ 등), 알칼리 금속과 알칼리 토류 금속의 복합 붕질화물(LiCaBN₂, LiBaBN₂등)을 이용할 수 있다. 촉매의 입도는 특별히 한정되지 않지만 F150 이하가 바람직하다. 촉매의 입도가 지나치게 크면 육방정 질화붕소와의 반응성이 저하될 가능성이 있기 때문이다. 또한, 촉매 물질의 육방정 질화붕소로의 배합 비율은 육방정 질화붕소 100 질량부에 대해 촉매 물질로서 5 내지 50 질량부의 범위 내에서 혼합하는 것이 바람직하다. 촉매 물질과 육방정 질화붕소를 공존시키는 방법으로서는, 이들 분말을 혼합하는 방법이 있지만, 반응 용기 중에 육방정 질화붕소층과 촉매 물질층을 교대로 적층하도록 배치해도 좋다.

붕소원으로서는 특별히 제한은 없고, 붕소 및 붕소의 화합물을 사용할 수 있다. 붕소원의 입도는 특별히 한정되지 않지만, F150 이하가 바람직하다. 입도가 지나치게 크면, 원료 중에서의 붕소원의 치우침에 의해 생성되는 지립이 불균일한 것으로 되어 버릴 가능성이 있기 때문이다. 또한, 붕소원의 배합 비율은 육방정 질화붕소 100 질량부에 대해 붕소원으로서 O.01 내지 10 질량부의 범위 내에서 혼합하는 것이 바람직하다. 0.01 질량부를 하회하면 첨가 물질의 효과를 충분히 얻을 수 없다. 한편, 10 질량부를 넘으면, 입방정 질화붕소로의 변환 반응을 저해하여 수율이 저하된다.

붕소원과 육방정 질화붕소를 공존시키는 방법으로서는, 이들 분말을 혼합하는 방법이 있다. 또한, 붕소원과 촉매 물질을 공존시키는 방법으로서는, 이들 분말을 혼합하는 방법이 있지만, 미리 촉매 물질과 가열 및 반응시켜도 좋다. 물론 육방정 질화붕소, 촉매 물질, 붕소원의 분말을 혼합하여 이용하는 것도 가능하다.

실제로는 육방정 질화붕소, 촉매 물질 및 붕소원을 혼합한 후, 혹은 육방정 질화붕소, 촉매 물질을 각각 따로따로 1 내지 2톤/㎠ 정도의 압력으로 성형한 후 반응 용기에 충전하는 것이 바람직하다. 육방정 질화붕소와 촉매 물질을 따로따로 성형하는 경우에는, 미리 붕소원은 육방정 질화붕소, 촉매 물질 중 어느 하나와 혼합되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써 원료 분말의 취급성이 향상되는 동시에, 반응 용기 내에서의 수축량이 감소되어 입방정 질화붕소 지립의 생산성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서는 상기한 성형체 또는 적층체에 미리 입방정 질화붕소를 종결정으로서 첨가하고, 이를 핵으로 하여 입방정 질화붕소의 결정 성장을 촉진시키는 방법을 이용해도 좋다. 이 경우, 입방정 질화붕소의 종결정 표면에 상기 촉매 물질을 피복해도 좋다.

상기한 촉매 물질과 육방정 질화붕소 등과의 성형체 등을 반응 용기 중에 충전하고, 주지의 고온 고압 발생 장치에 장전하고, 입방정 질화붕소의 열역학적 안정 영역 내의 온도 압력 조건 하에서 보유 지지한다. 이 열역학적 안정 영역에 대해서는 O.Fukunaga, Diamond Relat.Mater., 9(2000), 7-12에 개시되고 있고, 일반적으로는 약 4 내지 약 6 ㎬, 약 1400 내지 약 1600 ℃의 범위 내이고, 또한 보유 지지 시간은, 일반적으로는 약 1초 내지 약 6시간 정도이다.

상기한 입방정 질화붕소의 열역학적 안정 영역에 보유 지지함으로써, 육방정 질화붕소는 입방정 질화붕소로 변환되고, 일반적으로는 육방정 질화붕소, 입방정 질화붕소, 붕소원 및 촉매 물질로 이루어지는 합성 덩어리를 얻게 된다. 이 합성 덩어리를 해쇄하여 입방정 질화붕소를 단리 정제(單離精製)한다.

단리 정제의 방법에는, 예를 들어 일본 특허 공개 소49-27757호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 합성 덩어리를 5 ㎜ 이하로 해쇄한 후, 수산화 나트륨과 소량의 물을 더하여 300 ℃ 정도로 가열하여 육방정 질화붕소를 선택적으로 용해시킨다. 이를 냉각한 후, 산으로 세정하고, 물로 세정한 후, 여과함으로써 입방정 질화붕소 지립을 회수하는 방법을 이용할 수 있다.

이렇게 하여 얻게 된 입방정 질화붕소 지립 중에서 본 발명에 적합한 것은 실질적으로 단결정으로 이루어지는 지립이다. 단일 결정 입방정 질화붕소의 판정은, 예를 들어 X선 회절에 의해 행할 수 있다.

상기에 의해 얻게 된 실질적으로 단결정으로 이루어지는 입방정 질화붕소 지립을 JIS B 4130 : 1998에 규정된 입도 구분으로 분급한 후, 입도 구분마다 형상 분리기 등을 이용하여 무딘 지립을 제거함으로써 본 발명의 충전율을 만족시킨 입방정 질화붕소 지립을 얻을 수 있다.

무딘 지립이라 함은, 결정 입자의 형태가 구형에 가까운 형상을 나타내고, 구체적으로는 결정 입자의 3축 직경의 긴 직경을 L(㎛), 두께를 T(㎛)로 한 경우의 L/T의 값이 1에 가까운 지립을 나타낸다. 여기서 말하는 3축 직경이라 함은, 불규칙 형상 입자를 직방체로 환산하여 입자 형상을 정량화하는 방법이고, 분체 공학회편 분체 공학 편람, 1986년 초판 1인쇄 발행의 1페이지에 기재가 있다.

구체적으로는, 임의의 평면 상에 안정적으로 배치한 입자의 평면으로의 투영도형에 대해 양측으로부터 평행선을 접근시키고, 그 투영도형에 접촉하였을 때의 평행선의 간격을 측정한다. 이 간격이 가장 긴 평행선 간격 거리를 입자의 긴 직경 L(㎛)으로 하고, 또한 직각 방향의 투영 도형에 접촉하는 평행선 간격 거리를 입자의 짧은 직경(B)(㎛)으로 한다. 입자가 안정적으로 배치되어 있는 면으로부터 입자 상단부까지를 높이(H)(㎛)로 한다. 본 발명의 3축 직경의 두께(T)(㎛)에 대해서는 입자의 짧은 직경(B)(㎛)과 입자의 높이(H)(㎛) 중, 값이 작은 쪽을 두께(T)(㎛)로 한다.

즉 본 발명에서는 형상 분리기 등을 이용함으로써 L/T가 1.5 이하인 지립의 비율을 감소시킴으로써 본 발명의 충전율을 만족시키는 입방정 질화붕소 지립을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 제조 방법의「L/T가 1.5 이하인 지립을 제거하는」공정이라 함은, 「L/T이 1.5 이하인 지립의 비율을 감소시키는」공정을 말한다.

형상 분리기로서는 상기한 목적을 이루는 것이면 무엇이든 이용할 수 있지만, 예를 들어 진동에 의해 L/T가 낮은 지립을 분리하는 방법을 들 수 있다.

JIS B 4130 : 1998「다이아몬드/CBN 공구-다이아몬드 또는 CBN과 (지)입자의 입도」에 규정되는 입도 구분 중, 본 발명에 관련되는 입도 구분에 대해 표1에 나타낸다. 또한, 표1은 전성체에 의한 입도 분포이다.

입도 구분	1단째의 체	2단째의 체		3단째의 체			4단째의 체
	99.9 ％ 통과해야만 하는 체	일정량 이상이면 멈춰서는 안되는 체와 그 양		일정량 이상이면 멈춰야만 하는 체와 그 양		통과해도 좋은 최대의 양	2 ％ 이상 통과해서는 안되는 체
	㎛	㎛	％	㎛	％	％	㎛
40/50	600	455	8	302	90	8	213
50/60	455	322	8	255	90	8	181
60/80	384	271	8	181	90	8	127
80/100	271	197	10	151	87	10	107
100/120	227	165	10	127	87	10	90
120/140	197	139	10	107	87	10	75
140/170	165	116	11	90	85	11	65
170/200	139	97	11	75	85	11	57
200/230	116	85	11	65	85	11	49
230/270	97	75	11	57	85	11	41
270/325	85	65	15	49	80	15	-
325/400	75	57	15	41	80	15	-

또한, 본 발명의 충전율을 만족시키는 입방정 질화붕소 지립의 수율을 높이기 위해서는 입방정 질화붕소 지립의 제조 공정에 있어서, 입방정 질화붕소 지립을 분쇄하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 구체적인 분쇄 방법으로서는 입방정 질화붕소 지립을 압력 파괴하는 분쇄 방법이 바람직하고, 구체적으로는 롤 분쇄기에 의한 분쇄가 바람직하다.

롤 분쇄기에 의한 분쇄 방법이라 함은, 지립을 2개의 롤 사이에 협지하여 지립을 분쇄하는 방법이다. 이 방법은 지립에 압축 및 전단력을 가하여 분쇄하는 방법으로, 비교적 강한 힘으로 단시간에 분쇄되므로, 필요 이상으로 미세화하는 것이나, 지립의 각이 없어져 무뎌지는 일이 적고, 본 발명의 충전율을 만족시키는 입방정 질화붕소 지립의 수율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 충전율을 만족시키는 입방정 질화붕소 지립을 직접 얻는 방법으로서, 육방정 질화붕소를 촉매 물질의 존재 하, 초고압 고온 조건으로 입방정 질화붕소로 변환하는 방법도 사용할 수 있다(특허문헌 5 참조). 구체적으로는 육방정 질화붕소와 입방정 질화붕소의 종결정을 포함하는 혼합물을 입방정 질화붕소의 열역학적으로 안정된 압력 온도 조건 하로 보유 지지함으로써 입방정 질화붕소 지립을 제조할 때에, 입방정 질화붕소의 종결정으로서 쌍정 결정 또는 다중 쌍정 결정을 이용함으로써 본 발명의 충전율을 만족시키는 입방정 질화붕소 지립을 얻을 수 있다.

쌍정 결정이라 함은, 서로 대칭적 관계를 갖는 2개의 부분을 갖는 결정의 것이다. 쌍정 결정의 구체적인 결정 형태를 도1, 도2에 개략적으로 도시한다.

예를 들어 도1과 같은 쌍정 결정에서는 3개의 화살표 방향의 성장이 우선적으로 일어난다. 또한 도2와 같은 쌍정면을 2개 이상 갖는 다중 쌍정 결정을 종결정으로서 이용한 경우에는 오목각을 갖는 면이 증가하고, 도1과 같은 결정을 이용한 경우에 비해 본 발명의 충전율을 만족시키는 입방정 질화붕소 지립이 보다 성장하기 쉬워진다.

종결정으로서 쌍정 결정을 이용함으로써, 본 발명의 충전율을 만족시키는 입방정 질화붕소 지립을 얻을 수 있는 이유는 쌍정이 갖는 오목각에서는 핵 발생이 일차원, 즉 하나의 결정 방위로 진행되므로, 다른 결정 방위로의 결정 성장에 비해 성장 속도에 차가 생기기 쉬워지고, 이방 성장하는 결정 입자가 많아진다. 그 결과, 불규칙한 지립이 성장하기 쉬워져 본 발명의 충전율을 만족시키는 입방정 질화붕소 지립을 얻기 쉬워지는 것이라 생각된다.

본 발명의 입방정 질화붕소 지립을 이용하면, 양호한 절삭 능력을 유지한 상태에서 피삭재 면조도를 향상시킬 수 있는 지석의 제작이 가능하다. 특히 유기공의 비트리파이드 본드 지석의 경우, 이 효과가 현저해진다. 또한, 합성 원료 중으로의 붕소원 첨가에 부수한 효과로서, 본 발명의 입방정 질화붕소 지립과 비트리파이드 본드와의 반응성(누설성)이 개선되어 지립 보유 지지력이 향상되므로, 연삭비도 향상되는 것을 알았다.

비트리파이드 본드 지석의 결합재로서는, 통상 입방정 질화붕소 지립용으로서 사용되고 있는 결합재를 사용 목적에 따라서 이용할 수 있다. 결합재로서는, 예를 들어 SiO₂, Al₂O₃를 베이스로 한 것을 예시할 수 있다. 또한, 지석 중의 결합재의 배합량은 10 내지 50 체적 ％의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 결합재의 배합량이 10 체적 ％를 하회하면, 지립의 보유 지지력이 저하되고, 그 결과 지립의 탈락이 많아져 연삭비가 저하되고 연삭 공구로서는 부적당한 것이 된다. 한쪽 결합재의 배합량이 50 체적 ％를 넘으면, 기공이 감소해 절삭 능력이 저하된 지석이 되는 동시에, 지석 소성 시의 체적 팽창(발포 현상)이 일어나기 쉬워지므로 바람직하지 않다.

그 밖의 골재, 보조 결합재 등, 통상 입방정 질화붕소 지립을 이용한 지석을 제조할 때에 사용되는 첨가제 등을 사용할 수 있다.

본 발명의 입방정 질화붕소 지립은 전술한 비트리파이드 본드 지석 외에도 다른 종류의 본드를 이용한 지석이나, 연마 포지 등에 이용하는 것에도 적합하다. 연마 포지라 함은, 천에 접착제를 이용하여 지립을 고정한 것으로, 구체적으로는 솜 또는 이것에 준하는 천에 아교, 젤라틴, 합성 수지 등을 접착제로서 이용하여 고정함으로써 제조된다.

(실시예)

이하, 실시예에 의해 본 발명을 설명하지만, 본 발명은 본 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(제1 실시예)

hBN[쇼와덴꼬(가부시끼가이샤)제 UHP-1^(TM), 평균 입경 8 내지 10 미크론, 순도 98 ％] 100 질량부에 대해 cBN 합성용 촉매로서 LiCaBN₂를 15 질량부, 붕소원으로서 비정질 붕소를 1.5 질량부 첨가하여 원료 혼합물 시료를 성형하였다. 원료 혼합물 시료의 성형 밀도는 1.92 g/㎤였다. 성형한 원료 혼합물 시료를 반응 용기에 충전하여 고온 고압 발생 장치에 장전하고, 5 ㎬, 1500 ℃에서 15분간 보유 지지하여 합성을 행하였다. 합성 후, 합성 덩어리를 장치로부터 취출하고, 합성 덩어리를 5 ㎜ 이하로 해쇄한 후, 수산화나트륨과 소량의 물을 더하여 300 ℃ 정도로 가열하여 육방정 질화붕소를 선택적으로 용해시켰다. 이를 냉각한 후, 산으로 세정하고, 물로 세정 한 후, 여과함으로써 입방정 질화붕소 지립을 단리 정제하였다.

이렇게 하여 얻게 된 입방정 질화붕소 지립은 흑색이고, 단결정이 99 ％ 이상인 입방정 질화붕소 지립이었다.

(제2 실시예)

제1 실시예에 있어서, 입방정 질화붕소의 종결정으로서 평균 입경 30 미크론으로 도1에 도시한 바와 같은 쌍정 결정을 많이 포함하는 입방정 질화붕소 지립을 0.5 질량부 첨가하여 시료를 제작하고, 다른 조건은 제1 실시예와 마찬가지로 하여 입방정 질화붕소 지립을 합성하여 단리 정제하였다.

또한, 이렇게 하여 얻게 된 입방정 질화붕소 지립은 흑색이고, 단결정이 99 ％ 이상인 입방정 질화붕소 지립이었다.

(제3 실시예)

제1 실시예에서 얻게 된 입방정 질화붕소 지립을 JIS B 4130 : 1998에 규정된 입도 구분으로 분급하여 입도 구분 120/140의 지립에 대해 전술한 형상 분리기를 이용하여 무딘 지립을 제거하였다.

형상 분리기는 1변의 길이가 약 1미터인 정삼각형의 진동판을 이용한 것을 사용하였다. 진동판(각 정상점을 A, B, C로 함)은 변 AC를 축으로 정점 B가 위가 되도록 18°경사지게 하고, 또한 정점 A로부터 정점 C를 향해 부각이 되도록 5°경사지게 하였다.

이 형상 분리기를 이용하여 입방정 질화붕소 지립에 포함되어 행한 L/T가 15 이하인 지립의 비율을 감소시킨 후, 이 입방정 질화붕소 지립을 희박 염산으로 세정하고, 탈산 및 건조한 후, 부피 밀도를 측정하여 충전율을 구하였다.

부피 밀도의 측정은 깔때기의 출구를 스토퍼로 막고, 입방정 질화붕소 지립 20.0 g을 깔때기 내에 넣었다. 용적 8.0 ㎖의 실린더를 깔때기 출구의 바로 아래에 배치하고, 깔때기 출구로부터 실린더 상면까지의 낙하 거리를 95.0 ㎜로 하였다. 스토퍼를 인발하여 입방정 질화붕소 지립의 전량을 실린더 내로 낙하시킨 후, 실린더의 상면으로부터 융기된 입방정 질화붕소 지립을, 금속판을 이용하여 퍼내어 제거하였다. 다음에 실린더 내에 남은 입방정 질화붕소 지립의 질량을 측정하여 실린더 용적으로 나누어 부피 밀도를 구하였다.

입도 구분 120/140의 지립의 충전율을 표2에 나타낸다.

	이용한 입방정 질화붕소 지립의 종류	입도 구분 120/140의 지립의 충전율
제3 실시예	제1 실시예	0.503
제4 실시예	제1 실시예	0.497
제5 실시예	제2 실시예	0.500
제3 비교예	제1 비교예	0.498
제4 비교예	제1 비교예	0.501
제5 비교예	제2 비교예	0.502

(제4 실시예)

제1 실시예에서 얻게 된 입방정 질화붕소 지립을 롤 분쇄기로 분쇄하였다.

롤 분쇄기에는 요시다세이사꾸쇼제의 롤 크러셔를 이용하였다. 롤은 직경 140 ㎜, 길이 140 ㎜의 열처리강 롤이고, 롤에는 50 kgf(490 N)의 가중을 가하고, 100 rpm의 회전 속도의 롤에 입방정 질화붕소 지립을 20 g/분으로 공급하여 분쇄를 행하였다.

입방정 질화붕소 지립을 분쇄한 후, JIS B 4130 : 1998에 규정된 입도 구분으로 분급하여 입도 구분 120/140의 지립에 대해 희박 염산으로 세정하고, 탈산 및 건조한 후, 제3 실시예와 같은 방법으로 부피 밀도를 측정하여 충전율을 구하였다.

입도 구분 120/140의 지립의 충전율을 표2에 나타낸다.

(제5 실시예)

제2 실시예에서 얻게 된 입방정 질화붕소 지립을 JIS B 4130 : 1998에 규정된 입도 구분으로 분급하여 입도 구분 120/140의 지립에 대해 희박 염산으로 세정하고, 탈산 및 건조한 후, 제3 실시예와 같은 방법으로 부피 밀도를 측정하여 충전율을 구하였다.

입도 구분 120/140의 지립의 충전율을 표2에 나타낸다.

(제1 비교예)

hBN[쇼와덴꼬(가부시끼가이샤)제 UHp-1^(TM), 평균 입경 8 내지 10 미크론, 순도 98 ％] 100 질량부에 대해 cBN 합성용 촉매로서 LiCaBN₂를 15 질량부 첨가하여 시료를 작성하고, 다른 조건은 제1 실시예와 마찬가지로 하여 입방정 질화붕소 지립을 합성하여 단리 정제하였다.

이렇게 하여 얻게 된 입방정 질화붕소 지립은 황색이고, 단일 결정이 99 ％ 이상인 입방정 질화붕소 지립이었다.

(제2 비교예)

제1 비교예에 있어서, 입방정 질화붕소의 종결정으로서 평균 입경 30 미크론이고, 도1 또는 도2에 도시하는 쌍정 결정을 많이 포함하는 입방정 질화붕소 지립을 0.5 질량부 첨가하여 시료를 제작하고, 다른 조건은 제1 실시예와 마찬가지로 하여 입방정 질화붕소 지립을 합성하여 단리 정제하였다.

또한, 이렇게 하여 얻게 된 입방정 질화붕소 지립은 황색이고, 단일 결정이 99 ％ 이상인 입방정 질화붕소 지립이었다.

(제3 비교예)

제1 비교예에서 얻게 된 입방정 질화붕소 지립을 JIS B 4130 : 1998에 규정된 입도 구분으로 분급하여 입도 구분 120/140의 지립에 대해 제3 실시예와 마찬가지로 하여 형상 분리기를 이용하여 무딘 지립을 제거하였다.

이렇게 하여 얻게 된 입방정 질화붕소 지립을 희박 염산으로 세정하고, 탈산 및 건조한 후, 제3 실시예와 같은 방법으로 부피 밀도를 측정하여 충전율을 구하였다.

입도 구분 120/140의 지립의 충전율을 표2에 나타낸다.

(제4 비교예)

제1 비교예에서 얻게 된 입방정 질화붕소 지립을 제4 실시예와 같은 방법으로 롤 분쇄기에서 분쇄하였다.

입도 구분 120/140의 지립의 충전율을 표2에 나타낸다.

(제5 비교예)

제2 비교예에서 얻게 된 입방정 질화붕소 지립을 JIS B 4130 : 1998에 규정된 입도 구분으로 분급하여 입도 구분 120/140의 지립에 대해 희박 염산으로 세정하고, 탈산 및 건조한 후, 제3 실시예와 같은 방법으로 부피 밀도를 측정하여 충전율을 구하였다.

입도 구분 120/140의 지립의 충전율을 표2에 나타낸다.

(제6 실시예, 제6 비교예)

제5 실시예 및 제5 비교예의 지립을 이용하여 지석 세그멘트를 제작하였다. 지립, 결합제로서의 붕규산계 유리질 결합재, 바인더(페놀계 수지)의 혼합물을 조제하여 150 ℃에서 가압 성형한 후, 1000 ℃(대기 분위기)에서 소성하였다. 사용한 바인더는 지석 소성 시에 연소하여 기공이 되었다. 배합 비율은 지립율 50 체적 ％, 본드율 20 체적 ％, 바인더 10 체적 ％이고, 소성 후의 기공율은 30 체적 ％였다. 이와 같이 하여 얻게 된 지석 세그먼트의 저항력을 표3에 나타낸다.

	세그멘트 저항력 ㎪
제6 실시예	438
제7 실시예	398

(제7 실시예, 제7 비교예)

상기 제6 실시예 및 제6 비교예에서 제작한 지석 세그먼트를 알루미늄 합금에 접착하여 지석화한 후에 이하의 연삭 조건으로 연삭 시험을 행하였다.

a. 지석 ; 1Al형, 150D × 10U × 3X × 76.2H

b. 연삭반 ; 횡축 평면 연삭반(지석축 모터 3.7 ㎾)

c. 피삭재 ; 고속도 공구강 JIS SKH-51

(HRc ＝ 62 내지 64)

피삭재면 200 ㎜ 길이 × 100 ㎜ 폭

d. 연삭 방식 ; 습식 평면 트래버스 연삭 방식

e. 연삭 조건 ; 지석 주속도 1800 m/분

테이블 속도 15 m/분

크로스 이송 5 ㎜/패스

절입 25 ㎛

f. 연삭액 ; cBN 전용액(수용성, 50배 희석)

또한, 지석 형상의 기호는 JIS B 4131 : 1998「다이아몬드/CBN 공구-다이아몬드 또는 CBN 휠」, 피삭재의 기호는 JIS G 4403「고속도 공구강 강재」를 기초로 하여 표기한 것이다.

연삭 결과를 표4에 나타낸다.

	연삭비	연삭 동력치(W)	면조도(㎛) 연삭 방향에 대해
	연삭비	연삭 동력치(W)	평행 방향	수직 방향
제7 실시예	1277	730	0.21	0.94
제7 비교예	1013	740	0.27	1.33

본 발명의 입방정 질화붕소 지립을 이용한 지석은 종래 절삭 능력의 향상을 구하여 개발된 지립을 이용한 지석과 동등한 절삭 능력을 갖고, 연삭 가공 시의 피삭재 면조도가 그것들보다 향상되는 특성을 갖는다. 그로 인해 본 발명의 입방정 질화붕소 지립을 이용함으로써, 연삭 가공 시에 양호한 절삭 능력을 유지한 상태에서 피삭재 면조도가 향상되는 지석이 제작 가능하다.

특히 본 발명의 입방정 질화붕소 지립은 비트리파이드 본드 지석에 적합하고, 본 발명의 입방정 질화붕소 지립을 이용한 비트리파이드 본드 지석은 유기공 지석으로서 우수한 연삭 특성을 갖는다. 또한, 연마 포지로서도 이용할 수 있다.

Claims

실질적으로 단결정이고 흑색을 나타내는 입방정 질화붕소 지립.
제1항에 있어서, 입방정 질화붕소 지립의 부피 밀도를 입방정 질화붕소의 진밀도(3.48 g/㎤)로 나누어 얻게 되는 입방정 질화붕소 지립의 충전율이 JIS B 4130 : 1998에 규정되는 입도 구분으로,

40/50의 지립에서는 0.536 내지 0.282의 범위 내,

50/60의 지립에서는 0.534 내지 0.280의 범위 내,

60/80의 지립에서는 0.532 내지 0.278의 범위 내,

80/100의 지립에서는 0.526 내지 0.274의 범위 내,

100/120의 지립에서는 0.520 내지 0.269의 범위 내,

120/140의 지립에서는 0.511 내지 0.264의 범위 내,

140/170의 지립에서는 0.506 내지 0.259의 범위 내,

170/200의 지립에서는 0.500 내지 0.253의 범위 내,

200/230의 지립에서는 0.497 내지 0.246의 범위 내,

230/270의 지립에서는 0.491 내지 0.240의 범위 내,

270/325의 지립에서는 0.486 내지 0.233의 범위 내,

325/400의 지립에서는 0.480 내지 0.226의 범위 내인 입방정 질화붕소 지립.
실질적으로 단결정이고 흑색을 나타내는 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법이며,

붕소원과 육방정 질화붕소를 포함하는 원료 혼합물을 입방정 질화붕소의 열역학적으로 안정된 압력 온도 조건 하로 보유 지지하는 단계를 포함하는 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법.
제3항에 있어서, 상기 붕소원이 붕소 또는 탄화 붕소 중 적어도 하나의 종류인 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 원료 혼합물 중에 쌍정 결정의 입방정 질화붕소를 종결정으로서 포함하는 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원료 혼합물 중에 촉매 물질로서 LiMBN₂(M은 Ca, Ba, Mg를 나타냄)를 포함하는 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 촉매 물질의 LiMBN₂가 LiCaBN₂인 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법.
제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원료 혼합물 중에 촉매 물질로서 LiMBN₂(M은 Ca, Ba, Mg를 나타냄)에다가, 또한 알칼리 금속 혹은 알칼리 토류 금속, 또는 이들 질화물 혹은 붕질화물로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 종류를 포함하는 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법.
제3항 내지 제8항에 기재된 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법에 의해 얻게 된 입방정 질화붕소 지립을 더 분쇄하는 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법.
제9항에 있어서, 상기 분쇄를 롤 분쇄기를 이용하여 행하는 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법.
제3항 내지 제10항에 기재된 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법에 의해 얻게 된 입방정 질화붕소 지립으로부터, 또한 3축 직경의 긴 직경을 L(㎛), 두께를 T(㎛)로 한 경우의 L/T가 1.5 이하인 입자를 제거하는 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법.
제3항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 입방정 질화붕소 지립의 제조 방법에 의해 얻게 된 입방정 질화붕소 지립.
제1항 또는 제2항 또는 제12항 중 어느 한 항에 기재된 입방정 질화붕소 지립을, 결합재를 이용하여 고화한 지석.
제13항에 있어서, 상기 결합재로서 비트리파이드 본드를 이용한 지석.
제14항에 있어서, 상기 비트리파이드 본드의 배합량이 10 내지 50 체적 ％인 지석.
제1항 또는 제2항 또는 제12항 중 어느 한 항에 기재된 입방정 질화붕소 지립을 면포 또는 이것에 준하는 포지에 접착제로 고정한 연마 포지.