KR20100137491A

KR20100137491A - 접합체

Info

Publication number: KR20100137491A
Application number: KR1020107021880A
Authority: KR
Inventors: 기미히로 오자키; 게이조 고바야시; 히데키 모리구치; 도모유키 이시다; 아키히코 이케가야; 노부유키 기타가와
Original assignee: 내셔날 인스티튜트 오브 어드밴스드 인더스트리얼 사이언스 앤드 테크놀로지; 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤; 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2010-12-30
Also published as: JPWO2009123065A1; US20110020082A1; CN101980810B; US8920079B2; KR101550082B1; EP2272609A1; WO2009123065A1; CN101980810A; EP2272609A4; JP5464442B2

Abstract

본 발명은 절삭중에, 납재가 액상을 생성하는 온도를 초과하는 고온이 되어도, 접합층의 접합 강도가 저하되지 않는, 고속 절삭이나 CVD 코팅 처리 등에 적합한 절삭 공구로서 적절한 접합체를 제공하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로는, 초경합금 소결체를 제1 피접합재(1)로 하고, cBN 소결체 또는 다이아몬드 소결체를 제2 피접합재(3)로 하는 접합체이다. 제1 피접합재(1) 및 제2 피접합재(3)는 양자 사이에 설치된 1000℃ 미만에서는 액상을 생성하지 않는 접합재(2)를 통해 접합되어 있고, 상기 접합은 0.1 MPa∼200 MPa의 압력으로 가압하면서 통전 가열하는 것에 의해 행해지고 있는 접합체이다.

Description

접합체{JOINT PRODUCT}

본 발명은 접합체에 관한 것으로, 특히 절삭 공구에 적합한 접합체에 관한 것이다.

종래부터, cBN(입방정 질화붕소) 또는 다이아몬드 절삭 공구로 대표되는 바와 같이, 선단(先端)에 고경도 재료를 납땜에 의해 접합한 절삭 공구가 제조되어 있고, 특수 강재 그 외 각종의 절삭 가공에 이용되고 있다.

구체적으로는, 예컨대 cBN과 초경합금을 납땜에 의해 접합한 공구가 제조·판매되고 있다(예컨대, 비특허문헌 1). 또는 PCD(소결 다이아몬드) 또는 cBN과, 세라믹스 또는 서멧을 납땜에 의해 접합한 접합체가 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 1, 특허문헌 2). 또한 초경합금 또는 서멧과, 고속도강 등을, Cu 납재를 이용한 납땜에 의해 접합한 절삭 공구도 제안되어 있다(예컨대 특허문헌 3).

특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2002-36008호 공보

특허문헌 2: 일본 특허 공개 평11-320218호 공보

특허문헌 3: 일본 특허 공개 평11-294058호 공보

비특허문헌 1: 스미토모전공 하드메탈 주식회사 발행, 이게탈로이(IGETALLOY) 절삭 공구('07-'08 종합 카탈로그), 2006년 10월, p.L4, 코티드 스미 붕소 시리즈

그러나, 납재의 대부분은 700℃∼800℃ 정도에서 액상이 나타난다. 이 때문에 납땜에 의한 접합체를 이용한 절삭 공구는, 절삭 동안에 전술한 온도를 초과할 우려가 있는 고속 절삭 등에는, 사용하는 것이 곤란했다. 또한 납땜시에 생성된 액상이, 새어 나와 피접합재를 오염시켜, 후속 공정인 가공시에 악영향을 부여하는 경우가 있었다.

또한, 접합체의 내마모성을 향상시키기 위해, 코팅 처리가 실시되는 경우가 있지만, 전술한 온도를 초과하는 고온을 필요로 하는 코팅(예컨대, CVD 코팅에서는, 1000℃ 이상을 필요로 함) 처리를 행하는 것도 곤란했다.

본 발명은, 상기한 문제를 감안하여, 절삭 동안에, 납재가 액상을 생성하는 온도를 초과하는 고온이 되어도, 접합층의 접합 강도가 저하되지 않는, 고속 절삭이나 CVD 코팅 처리 등에 적합한 절삭 공구로서 적절한 접합체를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자는, 예의 검토의 결과, 이하에 진술하는 각 청구항의 발명에 의해, 상기 과제를 해결할 수 있는 것을 발견하였다.

이하, 각 청구항의 발명에 대해 설명한다.

청구항 1에 기재된 접합체는,

초경합금 소결체를 제1 피접합재로 하고, cBN 소결체 또는 다이아몬드 소결체를 제2 피접합재로 하는 접합체이다. 제1 피접합재 및 제2 피접합재는, 양자 사이에 설치된 1000℃ 미만에서는 액상을 생성하지 않는 접합재를 통해 접합되어 있다. 접합재에 의한 접합은 0.1 MPa∼200 MPa의 압력으로 가압하면서 통전 가열하는 것에 의해 행해지고 있는 것을 특징으로 한다.

청구항 1의 접합체에 있어서는, 소결 완료된 초경합금 소결체로 이루어지는 제1 피접합재와 소결 완료된 cBN 소결체 또는 다이아몬드 소결체로 이루어지는 제2 피접합재가, 양자 사이에 설치된 1000℃ 미만에서는 액상을 생성하지 않는 접합재에 의해 접합되어 있다. 이 때문에 이 접합체를 절삭 공구로서 사용하여, 절삭 작업을 행한 경우, 작업 동안에 800℃를 초과하는 고온이 되어도, 접합층이 액상을 생성하지 않고, 접합 강도가 저하되지 않는다. 따라서, 1000℃ 이상이 되는 고속 절삭에 적합한 절삭 공구 등을 제공할 수 있다.

또한, 이 결과 접합체에 1000℃ 정도의 온도로 피복하는 CVD 코팅 등을 실시하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 예컨대 종래 적용이 불가능했던 cBN 공구나 다이아몬드 공구에의 CVD 코팅이 가능해지고, 장수명화나 다품종의 피절삭 재료에 대응하는 것이 더 가능해진다. 또한 이 경우, 접합층은 CVD 코팅의 온도보다 약간 높은 온도에서는 액상을 생성하지 않는 접합층인 것이 바람직하다. 이것은 CVD 코팅시의 급격한 온도 변화 등에 의한 접합층의 변형, 또한 접합 강도의 저하에 대한 영향을 보다 적게 할 수 있기 때문이다.

제2 피접합재인 cBN 소결체나 다이아몬드 소결체는 열에 약하고, 고온에서 분해되기 쉽기 때문에 단시간에 열 열화되기 쉽다. 이 때문에 1000℃ 이상에서 액상을 생성하는 접합재를 이용하여, 납땜 접합에 의해 제1 피접합재와 제2 피접합재의 접합체를 얻는 것은 곤란했다.

그러나 청구항 1의 발명에서, 접합은, 제1 피접합재와 제2 피접합재 사이에 0.1 MPa∼200 MPa의 가압력을 작용시키면서 통전 가열하는 것에 의해 행해지고 있기 때문에, 수초∼수분 이내의 매우 단시간으로, 강고한 접합을 얻을 수 있다. 이 결과, 고압 안정형의 재료인 cBN 소결체나 다이아몬드 소결체의 품질을 열화시키지 않고, 1000℃ 미만에서는 액상을 생성하지 않는 접합재를 이용하여 초경합금과 접합하는 것이 가능해진다.

가압력이 너무 작으면, 피접합재인 cBN 소결체나 다이아몬드 소결체 및 초경합금 소결체와 전극 사이의 접촉 저항이 커져, 전류가 흐르지 않게 하거나 또는 방전하는 등의 문제가 있다. 한편, 가압력이 너무 크면, cBN 소결체나 초경합금 소결체가 변형하는 등의 문제가 있다. 청구항 1의 발명에 있어서는, 바람직한 가압력으로서 0.1 MPa∼200 MPa의 가압력으로 했기 때문에, 이들 문제가 발생하지 않고, 바람직한 접합체를 얻을 수 있다. 1 MPa∼100 MPa이면, 적절한 접촉 저항이 되고, 접합면에서의 발열이 효율적으로 행해지기 때문에 보다 바람직하며, 10 MPa∼70 MPa이면, 접촉 저항이 더 적절해지고, 또한 피접합체가 잘 변형되지 않게 되기 때문에, 더 바람직하다.

청구항 2에 기재된 접합체는,

통전 가열에 의해서, 제1 피접합재가, 제2 피접합재보다 우선적으로 발열하여, 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 접합체이다.

청구항 2의 접합체에 있어서는, 제1 피접합재인 초경합금 소결체는, 제2 피접합재인 cBN 소결체나 다이아몬드 소결체보다 우선적으로 발열하여 접합된다. 일반적으로 cBN 소결체나 다이아몬드 소결체는 초경합금 소결체보다 전기 저항이 높기 때문에, 통전 가열시, 제2 피접합재인 cBN 소결체나 다이아몬드 소결체가 제1 피접합재인 초경합금 소결체보다 우선적으로 발열하고, cBN 소결체나 다이아몬드 소결체의 품질 열화(열적 열화, 분해, 균열 생성 등)를 초래하는 경우가 있다.

이러한 제2 피접합재의 품질 열화의 발생을 막기 위해서는, 통전 가열시, 제2 피접합재보다 제1 피접합재가 우선적으로 발열하도록, 제2 피접합재와 접합재의 배치, 통전 방법을 고안해야 한다. 구체적으로는, 예컨대 제2 피접합재에 접하는 전극과 제1 피접합재에 접하는 전극의 재질을 바꾸는 것을 들 수 있다. 전극의 재질을 바꾸는 것에 의해, 제1 피접합재와 제2 피접합재 각각에 흐르는 전류의 양이 상이하기 때문에, 각각의 발열을 제어할 수 있다. 또한 제2 피접합재보다 제1 피접합재를 집중적으로 통전 가열하여, 간접적으로 제2 피접합재를 가열하여도 좋다.

이와 같이, 통전 경로를 고안하는 것에 의해, 제1 피접합재를 제2 피접합재보다 우선적으로 가열할 수 있다. 이 결과, 제2 피접합재인 cBN 소결체나 다이아몬드 소결체를 필요 이상으로 고온 가열하지 않고, 단시간, 구체적으로는 예컨대 1분 이내, 바람직하게는 30초 이내로 접합재 근방을 고온 가열할 수 있기 때문에, 강고한 접합이 가능해지고, cBN 소결체나 다이아몬드 소결체의 품질 열화(열적 열화, 분해, 균열 생성 등)를 초래하지 않으며, cBN 소결체나 다이아몬드 소결체의 고경도 등의 특징을 충분히 살릴 수 있다.

청구항 3에 기재된 접합체는,

통전 가열에 의해, 접합재의 성분 중 하나 이상의 원소가, 제1 피접합재 및/또는 제2 피접합재 내에 원소 확산되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 접합체이다.

청구항 3에 있어서는, 접합재의 성분 중 하나 이상의 원소가, 제1 피접합재나 제2 피접합재 내에 원소 확산되어 있기 때문에, 제1 피접합재나 제2 피접합재의 접합이 보다 효율적으로 행해져, 접합 강도의 보다 높은 접합체를 얻을 수 있다.

청구항 4에 기재된 접합체는,

가압되면서 통전 가열에 의해 변형되는 접합재를 이용하여 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 하나에 기재된 접합체이다.

청구항 4의 접합체에 있어서는, 가압되면서 통전 가열하는 것에 의해 변형되는 접합재가 이용되고 있기 때문에, 접합재의 변형에 따르는 물질의 이동이, 피접합재와 접합재의 계면의 결합에 유효하게 작용하여, 접합 강도가 높은 접합체를 얻을 수 있다. 또한 가압되면서 통전 가열되는 것에 의해, 접합재는 피접합재의 형상에 맞춰 변형하도록 되기 때문에, 접착 면적의 증대를 도모할 수 있고, 접합 강도의 향상 효과를 얻을 수 있다.

청구항 5에 기재된 접합체는,

접합재가 티탄(Ti), 코발트(Co), 니켈(Ni) 중 어느 하나, 또는 티탄(Ti), 코발트(Co), 니켈(Ni) 중 하나 이상을 포함하는 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나에 기재된 접합체이다.

청구항 5의 발명에 있어서는, 일반적으로 제1 피접합재인 초경합금 소결체나 제2 피접합재인 cBN 소결체나 다이아몬드 소결체의 결합상 성분으로서 이용된다. 또한 액상을 생성하는 온도가 1400℃ 이상인 Ti, Co, Ni 중 어느 하나 이상을 포함하고 있다. 이 때문에 접합 강도의 보다 높은 접합체를 얻을 수 있다.

청구항 6에 기재된 접합체는,

접합재가, 티탄(Ti)을 포함하는 것을 특징으로 하는 청구항 5에 기재된 접합체이다.

청구항 6의 접합체에 있어서는, 제2 피접합재인 cBN 소결체나 다이아몬드 소결체의 결합상 성분으로서 이용되는 Ti을 포함하는 재료를 접합재로 하고 있기 때문에, 접합재 내의 Ti가 용이하게 제1 피접합재나 제2 피접합재에 원소 확산되어, 강고한 접합을 얻을 수 있다. 또한 Ti과 결합하여 금속간 화합물을 형성하는 재료를 사용하는 것에 의해, 접합재가 액상을 생성하는 온도의 더 나은 상승과, 고강도화가 가능해져 바람직하다.

Ti와 결합하여 금속간 화합물을 형성하는 원소로서는, 예컨대 Si를 들 수 있다. 금속간 화합물은, 접합재에 처음부터 포함되어 있어도 좋다. 또한 금속간 화합물을 구성하는 원소가, 접합재에는 다른 상태로 포함되어 있고, 접합 완료 후에 반응 생성되어도 좋다. 금속간 화합물이 반응 생성되는 경우는, 접합에 반응열을 이용할 수 있기 때문에, 접합에 있어서 보다 유효하다.

청구항 7에 기재된 접합체는,

접합재가, 제1 피접합재보다 저온에서 액상을 생성하는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 하나에 기재된 접합체이다.

청구항 7의 접합체에 있어서는, 접합재가 제1 피접합재보다 저온에서 액상을 생성하는 것에 의해, 가압하면서 통전 가열을 했을 때, 제1 피접합재가 크게 변형하기 전에 접합체가 변형한다. 이 때문에 접합에 의한 제1 피접합재의 형상 변화를 막으면서 접합을 행할 수 있다. 이러한 접합재로서는, 예컨대 Ti-Co 합금, Ti-Ni 합금 등을 들 수 있다.

청구항 8에 기재된 접합체는,

접합재 중 적어도 일부가, 통전 가열시에 액상을 생성하고 있는 것을 특징으로 하는 청구항 7에 기재된 접합체이다.

청구항 8의 접합체에 있어서는, 접합재 중 적어도 일부가, 통전 가열시에 액상을 생성하고 있다. 이 때문에 접합체 성분이 제1 피접합재나 제2 피접합재에 원소 확산되기 쉽고, 제1 피접합재와 제2 피접합재를 강고히 접합할 수 있다.

청구항 9에 기재된 접합체는,

접합재 및/또는 제1 피접합재의 결합상에 포함되는 니켈(Ni)이, 30 vol%(체적 백분율) 이하인 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 하나에 기재된 접합체이다. 또한 여기서 결합상이란, 제1 피접합재 내에 포함되는 합금상이다. 보다 구체적으로는, 제1 피접합재인 초경합금 소결체에 있어서, 경질상인 WC 등을 결합하고 있는 철족 금속으로 이루어지는 상을 말한다.

청구항 9의 접합체에 있어서는, 접합재나 제1 피접합재의 결합상에 포함되는 니켈(Ni)을 30 vol% 이하로 하고 있다. 이것은 30 vol%를 초과하면, 접합체에 CVD 코팅을 실시할 때, CVD 코팅 재료로서 이용되는 염소 가스와 접합재나 제1 피접합재가 반응하여 CVD막이 이상 성장할 가능성이 높기 때문이다.

청구항 10에 기재된 접합체는,

접합재가 도금법에 의해 제1 피접합재 및/또는 제2 피접합재의 표면상에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 하나에 기재된 접합체이다.

청구항 10의 접합체에 있어서는, 접합재가, 도금법에 의해 제1 피접합재나 제2 피접합재의 표면상에 설치되어 있다. 이 때문에 접합재를 분말이나 페이스트의 상태로 도포하는 것보다 접합재 두께를 제어하기 쉽고, 품질을 안정화시킬 수 있다. 또한 본 청구항에 따른 발명을 접합체의 양산에서 적용하면, 공정을 자동화하기 쉽고, 비용면, 품질 안정면에서 바람직하다.

청구항 11에 기재된 접합체는,

접합재가 물리 증착법에 의해 제1 피접합재 및/또는 제2 피접합재의 표면상에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 하나에 기재된 접합체이다.

청구항 11의 접합체에 있어서는, 접합재가 물리 증착법에 의해 제1 피접합재나 제2 피접합재의 표면상에 설치되어 있다. 이 때문에 접합재를 분말이나 페이스트 상태로 도포하는 경우보다 접합재 두께를 제어하기 쉽고, 품질을 안정화시킬 수 있다. 또한 본 청구항에 따른 발명을 접합체의 양산에서 적용하면, 기계화, 자동화하기 쉽고, 비용면, 품질 안정면에서 바람직하다. 특히 바람직한 것은 스퍼터법이나 아크 증착법으로 성막하는 경우이다.

청구항 12에 기재된 접합체는,

상기 접합체가, 절삭 공구인 것을 특징으로 하는 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 하나에 기재된 접합체이다.

청구항 12의 발명에 있어서, 접합체는 제1 피접합재로서의 초경합금 소결체 및 제2 피접합재로서의 cBN 소결체나 다이아몬드 소결체를 피접합재로 하고 있기 때문에, 상기 접합재를 통해 접합하는 것에 의해 얻어지는 접합체는, 절삭 공구로서 적합하게 사용할 수 있다. 절삭 공구의 종류로서는 도 1에 도시하는 절삭칩 외, 드릴, 엔드밀, 리머 등의 회전 공구에 적용할 수 있다. 본 발명의 공구는 납재가 액상을 생성하는 온도 이상이 되는 고속 절삭에서도, 접합재의 접합 강도가 저하되지 않는 절삭 공구를 제공할 수 있다.

이상, 본 발명에 있어서는, 고압 안정형 재료인 cBN 소결체나 다이아몬드 소결체의 품질 열화(열적 열화, 분해, 균열 생성 등)를 초래하지 않고, cBN 소결체나 다이아몬드 소결체의 고경도 등의 특징을 충분히 살릴 수 있는 공구를 제공할 수 있다. 특히 내마모 공구, 광산·토목 공구, 절삭 공구 등의 공구로서 적합하게 제공할 수 있어 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서, 제2 피접합재는 백 메탈(절삭면의 반대측에 설치되는 얇은 초경합금층)을 반드시 필요로 하지 않고 제1 피접합재와 접합될 수 있지만, 백 메탈을 갖는 제2 피접합재와 제1 피접합재의 접합체를 본 발명으로부터 배제하는 것이 아니다.

본 발명에 의해, 절삭 동안에 종래와 같이 납재가 액상을 생성하는 온도를 초과하는 고온이 되어도, 접합층의 접합 강도가 저하되지 않는, 고속 절삭이나 CVD 코팅 처리 등에 적합한 절삭 공구로서 적합한 접합체를 제공할 수 있다.

도 1은 통전 가압 접합에서의 통전의 일 형태를 설명하는 개념도이다.
도 2는 통전 가압 접합에서의 통전의 다른 형태를 설명하는 개념도이다.
도 3은 회전 공구의 통전 가압 접합에서의 일 형태를 설명하는 개념도이다.
도 4는 회전 공구의 통전 가압 접합에서의 다른 형태를 설명하는 개념도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 최량의 실시형태에 대해, 이하에 나타내는 실시예에 기초하여 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것이 아니다. 본 발명과 동일 및 균등한 범위 내에서, 이하의 실시형태에 대하여 여러가지의 변경을 가하는 것이 가능하다.

(통전 가압 접합에서의 통전에 대해서)

처음에, 통전 가압 접합에서의 통전 형태에 대해서, 도면을 이용하여 설명한다.

1. 제1 통전 형태

도 1에서, 피접합재(1, 3)는, 각각 제1 피접합재(초경합금 소결체) 및 제2 피접합재(cBN 소결체 또는 다이아몬드 소결체)로서, 사이에 끼워 넣은 접합재(2)를 이용하여 접합된다.

구체적으로는 피접합재(1, 3) 및 접합재(2)를, 전극(흑연)(4) 사이에 끼워 넣고, 가압하며, 전극(4)에 전류를 흘린다. 전극(4)이 피접합재(1)와 피접합재(3) 양쪽에 걸쳐 있는 것에 의해, 피접합재 중 어느 하나의 전기 저항이 높아도, 전기 저항이 낮은 쪽의 피접합재를 통해, 접합에 충분한 전류를 흘리는 전기 회로를 형성할 수 있다.

접합재(2)로서는, 청구항 1에 나타낸 통전 가열에 의해서, 1000℃ 미만에서는 액상을 생성하지 않는 재료를 이용한다. 이 때, 청구항 4∼10에 나타낸 특징을 갖는 재료인 것이 바람직하다.

전극(4)에 전류를 흘리는 것에 의해, 피접합재(1, 3)와 함께 접합재(2)가 저항 발열하여, 피접합재(1, 3)가 접합된다. 또한 2개의 전극(4)의 재료는, 도전성을 갖는 것은 물론이지만, 피접합재(1, 3), 더 나아가서는 접합재(2)와 반응하지 않는 것이 바람직하다. 단, 반응하는 것이어도, 피접합재(1, 3) 사이 각각에, 카본 시트를 배치하면, 전극과의 반응을 억제할 수 있다.

2. 제2 통전 형태

도 2에서, 분할 전극(5)은 제2 피접합재(3)에 접해 있고, 전극(4)은 제1 피접합재(1)에 접해 있다. 전극(4)과 분할 전극(5)의 재질을 바꿈으로써, 각각의 전기 전도도와 열전도도를 바꿀 수 있고, 제1 피접합재와 제2 피접합재에 각각 상이한 전류를 부여하는 것이 가능해지며, 각각의 온도를 극단적으로 바꾸는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 열 열화를 일으키기 쉬운 피접합재라도, 열 열화를 일으키지 않고 접합할 수 있다. 또한 전극을 분할하고, 각각의 전극을 독립적으로 가압하는 것에 의해, 제1 피접합재와 제2 피접합재에 부여하는 압력을 고정밀도로 제어할 수 있기 때문에, 접합 강도를 향상시킬 수 있어 바람직하다.

3. 제3 통전 형태

도 3에서, 접합재(2)를 사이에 두고 피접합재(1)와 피접합재(3)가 배치되어 있고, 전극은 각각의 피접합재에 접해 있다. 전극 사이에 전압을 인가하는 것에 의해 피접합재와 접합재에 전류가 흐르고, 가열되는 것에 의해 접합된다. 가열에 충분한 전류를 흘리기 위해서는, 전극과 피접합재는 가능한 한 밀착되어 있는 것이 바람직하다. 피접합재(3)가 전기 저항이 높은 재료인 경우, 미리 피접합재(3) 일부에 전기 저항이 낮은 재료를 가해 두는 것에 의해, 전류 경로를 확보하고, 접합에 충분한 전류를 흘리는 것이 가능해진다. 전극과 피접합재는 밀착되어 있는 것이 바람직하다.

4. 제4 통전 형태

도 4에서, 접합재(2)를 사이에 두고 피접합재(1)와 피접합재(3)가 배치되어 있고, 전극은 각각의 피접합재에 접해 있다. 전극은 통전과 함께 가압을 행하는 전극(6) 및 전극(8)과, 주로 통전을 행하는 전극(4) 및 전극(7)으로 나눠져 있다. 이것에 의해, 전기 저항이 높은 피접합재여도, 피접합재에 전기 저항이 낮은 재료를 더하여 두고, 그 부분에 전극(4) 및 전극(7)으로부터 우선적으로 전류를 흘리는 것이 가능해지며, 가압과 가열을 필요한 부분에만 행하는 것이 가능해진다. 또한 전극(6)과 전극(4), 및 전극(8)과 전극(7)은 접촉되어 있어도 좋다. 또한 전극(6) 및 전극(8)에는 전류를 흘리지 않아도 좋다. 더 나아가서는 전극(4) 및 전극(7)의 위치, 전류량을 각각 독립적으로 조정함으로써, 형상이나 특성의 변화에 대응할 수 있기 때문에 바람직하다. 또한 전극(4, 6, 7, 8)의 재질은 모두 동일하여도, 일부 상이하여도, 모두 상이하여도 좋다. 또는 피접합재와 접촉하는 부분만 재질이 상이하여도 좋다.

(통전 가압 접합에 의한 접합에 대해서)

이어서, 상기 도 1 또는 도 2에 도시된 통전을 이용한 통전 가압 접합에 대해서 설명한다.

통전 조건은, 사용되는 피접합재 및 접합재의 재질 등에 의해, 적절하게 결정되지만, 접합재 근방 이외에서, 피접합재 재료의 변형·용융이나, 입자의 조대화를 초래하지 않기 위해서는 30초 이내 정도가 바람직하다.

통전 가압 접합을 행하는 접합재의 형태로서는, 제1 피접합재나 제2 피접합재 표면에 분말 또는 페이스트형으로서 도포하는 방법 이외에, 도금법이나 물리 증착법으로 피복하는 방법을 채용할 수 있다. 도금법이나 물리 증착법으로 피복하는 방법은, 접합재를 피복한 후에 피접합재를 핸들링하기 쉽고, 접합 공정의 자동화에 유리한 것 이외에, 피복막 두께의 제어도 행하기 쉽기 때문에, 접합 강도를 안정화시키는 데에 있어서 특히 바람직하다.

가압되면서 통전 가열됨으로써, 접합재는 변형되기 쉬워지고, 접합재와 피접합재의 밀착성은 높아지며, 원소 확산하기 쉬워진다. 이 결과, 접합 강도를 비약적으로 높일 수 있다. 특히, 본 발명의 접합체를 절삭 공구, 예컨대 절삭칩에 적용하는 경우, 기재(基材)인 제1 피접합재와 제2 피접합재의 접합면은, 도 1의 상하 방향과 수평 방향의 2 방향이 되고, 양방향에서 제1 피접합재와 제2 피접합재가 확실히 접합되어야 한다. 이러한 경우에는 2 방향으로부터의 가압을 행하는 것이 바람직하다.

가압력은 너무 약하면 전극과 피접합재의 접촉 저항이 많아져, 전류를 흘릴 수 없게 되거나, 또는 방전되어 버리는 경우 등이 있어 부적합하다. 또한 너무 크면 초경합금 소결체가 변형되기 때문에 부적합하다. 본 발명에서는 0.1 MPa∼200 MPa가 적당하다.

접합 동안의 분위기는, 피접합재 및 접합재의 양자 모두 금속을 포함하기 때문에, 진공 내에 또는 비활성 가스 내에 또는 환원 분위기 내에서 행하는 것이 바람직하다. 진공도는 특별히 한정되지 않지만, 13.3 Pa(0.1 Torr)보다 고진공인 것이 바람직하다. 비활성 가스로서는 아르곤, 헬륨, 질소, 또는 이들의 혼합 가스를 들 수 있다. 환원 분위기로서는, 상기 비활성 가스에 수소 가스를 약간 비율 혼합한 가스 분위기나, 피접합재 근방에 가열한 흑연을 설치하는 방법을 들 수 있다.

통전하는 전류의 형태는, 피접합재 및 접합재를 적절한 온도로 가열할 수 있기 위한 전류를 흘릴 수 있는 것이면 직류 전류, 교류 전류도 사용할 수 있다. 특히 직류 펄스 전류는 피크 전류값과 펄스의 ON, OFF비를 바꿀 수 있기 때문에, 접합 계면의 순간적인 가열과 피접합체의 전체적인 온도 제어 범위를 넓힐 수 있어, 접합에는 유효하다.

(실시예 1∼6 및 비교예 1, 2)

본 실시예 및 비교예는 접합시의 가압력과 접합 강도와의 관계, 및 피접합재의 변형과의 관계에 관한 것이다.

카운터 보어(counterbore)를 넣은 초경합금제의 베이스(제1 피접합재)에, 두께 10 ㎛의 Ni 도금을 표면에 실시한 삼각형상의 백 메탈이 있는 cBN칩(제2 피접합재)을, 도 1에 도시하는 바와 같이 세팅하고, 상하 방향으로부터, 0.05 MPa(비교예 1), 0.1 MPa(실시예 1), 10 MPa(실시예 2), 30 MPa(실시예 3), 70 MPa(실시예 4), 100 MPa(실시예 5), 200 MPa(실시예 6), 250 MPa(비교예 2)의 각 압력을 가한 상태 하에 진공 내에서 통전 가압 접합을 행하여, 실시예 1∼6 및 비교예 1, 2의 접합체를 얻었다. 또한 전극으로서 흑연을 이용하고, 전극과의 반응을 막기 위해, 흑연 시트를 전극과 피접합재 사이에 삽입하였다. 또한 통전은, 직류 펄스 전류에 의해 행하고, 펄스 전류값 2000A, 펄스 On:Off비 1:1, 펄스폭 10 ㎳, 통전 시간 10초, 하중 0.98 kN의 조건으로 행했다. 또한 초경합금제의 베이스(제1 피접합재)는 WC-5%Co(피접합재 A)와 WC-10%Co(피접합재 B)(모두 wt%: 질량 백분률)의 2종류를 이용하였다.

얻어진 각 접합체의 접합 강도(전단 파괴 강도)를 측정하고, 또한 접합층 근방에서의 각 피접합재의 변형의 유무를 관찰하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

[표 1]

표 1에 나타내는 바와 같이, 0.1 MPa∼100 MPa의 가압력의 경우(실시예 1∼5)에는, 종래의 납땜품과 동등한 강도가 얻어져 있고, 피접합재의 변형이 확인되지 않는다. 또한 100 MPa∼200 MPa의 경우에는, 피접합재의 조성에 의해서는 변형이 확인되지 않는다. 그러나 가압력이 극단적으로 낮은 경우(비교예 1)에는, 접합되지 않고, 200 MPa를 초과하는 가압을 행한 경우(비교예 2)에는, 피접합재의 조성에 의하지 않으며, 접합층 근방의 피접합재에 변형이 발생하고 있다. 이 결과, 본 발명에 있어서, 바람직한 가압력은 0.1 MPa∼200 MPa인 것을 확인할 수 있었다.

(실시예 7)

다음에, 도금 대신에 물리적 증착법인 스퍼터법을 이용하여, 두께 10 ㎛의 Ti-30 wt% Co층(접합재)을 백 메탈이 있는 cBN(제2 피접합재)에 설치하고, 초경합금 베이스(제1 피접합재)와 접합하였다. 이때, 초경합금 베이스(제1 피접합재)로서는, 상기 피접합재 A 및 피접합재 B를 이용하여, 접합 조건은 실시예 3과 동일하게 하였다. 그 결과 cBN과 초경합금은 Ti-Co층을 통해 공극없이 접합되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 접합 동안에 액상을 생성하고 있었기 때문이라고 추측된다. 또한 그 접합 강도는, 피접합재 A에서는 310 MPa, 피접합재 B에서는 325 MPa였다.

다음에, 제1 피접합재로서 A, B를 이용한 실시예 3의 각 접합체 및 실시예 7의 각 접합체 각각에 다이아몬드 지석을 이용하여 연삭 가공을 실시하고, 그 후, 공지의 CVD법에 의해, 1000℃의 코팅 온도로, TiCN과 알루미나를 각 2 ㎛의 두께로 피복하고, CVD막의 성장 상황을 관찰하였다. 그 결과, 접합재가 Ni인 실시예 3의 접합체에서는, 제1 피접합재의 종류에 관계없이, CVD막의 이상 성장이 발견되었다. 한편 접합재가 Ni가 아니고 Ti-Co인 실시예 7의 접합체에서는, 제1 피접합재의 종류에 관계없이, CVD막의 이상 성장은 보이지 않았다.

(실시예 8)

다음에, Ti 분말을 용매로 녹인 재료(접합재)를, 초경합금 베이스(피접합재 A: 제1 피접합재)에 도포하고, 백 메탈이 없는 cBN칩(제2 피접합재)으로 세팅하여, 실시예 3과 동일한 통전 조건으로 통전 가압 접합을 행하였다. 이 접합체의 접합 강도는 250 MPa이고, 종래의 납땜품과 동등한 강도를 갖고 있는 것을 확인하였다. 이 접합 부분에는 치밀한 두께 20 ㎛의 Ti층이 관찰되고, Ti 분말이 용융 또는 소결되어 있는 것을 확인할 수 있었다.

(실시예 9)

다음에, 상기 실시예 8을 기초로, 통전 시간의 단축화를 목적으로서, 실시예 8에 나타낸 조건 중 통전 시간을 변화시켜 접합 조건을 구하였다. 그 결과, 통전 시간을 실시예 8에서의 10초 내지 8초로 한 경우, 펄스 전류값을 실시예 8에 나타낸 전류값(2000 A)보다 200 A 큰 전류에서 양호한 접합이 가능했다. 또한 통전 시간을 6초로 한 경우, 펄스 전류를 200 A 더 크게 하는 것에 의해 양호한 접합이 가능했다.

(실시예 10)

다음에, cBN(제2 피접합재)의 배면도 정밀도 좋게 접합하기 위해, 2방향에서 가압하면서 접합을 행하였다. 지금까지의 예와 같이, 상하의 전극으로 수직 방향의 가압을 행하고, 별도로 옆에서 하중을 부여하여 cBN을 수평 방향으로 가압할 수 있도록 하였다. 또한 제1 피접합재로서는, 피접합재 A를 이용하였다. 실시예 3에 이용한 것과 동일한 Ni 도금을 실시한 cBN을 사용하여, 펄스 전류 3000 A, 펄스 On:Off비 1:4, 통전 시간 10초로서 접합하였다.

그 결과, cBN의 바닥면뿐만 아니라 배면도, Ni층을 통해 초경합금 베이스와 접합되어 있었다. 이 때의 접합 강도는 340 MPa이고, 수직 방향만 가압하는 경우에 비해, 보다 높은 강도가 얻어졌다.

(실시예 11)

다음에, 통전 가압하는 전극 중, 상부 전극을 분할하고, 초경합금 베이스(피접합재 A: 제1 피접합재)를 가압하는 전극과 cBN(제2 피접합재)을 가압하는 전극의 재질을 변경하였다. 이에 의해, 전극에 흐르는 전류가 변화하고, 초경합금 베이스와 cBN에 흐르는 전류값도 변화한다. 그 결과로서, 각각의 온도를 극단적으로 바꿀 수 있어, 고온에서 열화가 염려되는 cBN의 온도를 내릴 수 있다.

초경합금 베이스를 통전 가압하는 전극을 흑연으로 하고, cBN을 통전 가압하는 전극을 hBN으로 하였다. hBN은 전기적으로 절연 재료이고, 전류는 거의 흐르지 않는다. cBN은 도금 완료된 것을 사용하였다. 펄스 전류 2000 A, 펄스 On:Off비 1:1, 펄스폭 10 ㎳, 통전 시간 10초, 하중 0.98 kN로 실험을 행한 바, cBN이 열 열화하지 않고 접합될 수 있었다. 이것은 cBN에 전류가 거의 흐르지 않아, cBN 그 자체는 줄(joule) 발열하지 않고, 초경합금 베이스가 우선적으로 가열하는 것에 의해, cBN의 온도를 올리지 않고 접합시킬 수 있었기 때문으로 추측된다. 또한 접합 강도는 200 MPa이고, 종래의 납땜품과 동등한 강도를 갖고 있었다.

(실시예 12)

상부 전극을, 분할되어 있지 않은 전극으로 한 것 이외는, 실시예 11과 마찬가지로 하여, 접합체를 얻었다. 얻어진 접합체의 접합 강도는 350 MPa이고, 종래의 납땜품과 동등한 강도로 실시예 11에서의 접합 강도보다 높았다. 그러나 얻어진 접합체의 cBN에는 일부 균열이 발생하고 있고, 열에 의한 품질 열화가 발견되었다.

실시예 11 및 실시예 12의 결과로부터, cBN(제2 피접합체)에 대한 전력 공급을 제어하여, 초경합금(제1 피접합체)을 우선적으로 가열하는 것에 의해, cBN(제2 피접합체)의 열 열화가 없는, 접합 강도가 높은 접합체를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

(실시예 13)

다음에, 실시예 11에 나타낸 절연성의 hBN 대신에, cBN(제2 피접합재)을 가압하는 전극의 재질을 도전성을 갖는 것으로 하였다. 이 때, 초경합금 베이스(제1 피접합재)를 가압하는 전극의 전기 전도도보다 높은 전기 전도도를 갖는 재료를 사용하였다. 이것에 의해, 초경합금 베이스와 cBN에 흘리는 전류를 바꿀 수 있고, 초경합금 베이스에 흘리는 전류는 cBN 근방의 베이스를 가열하며, cBN에 흘리는 전류는 접합재를 우선적으로 가열할 수 있도록 하였다.

구체적으로는 초경합금 베이스에는 약 2000 A, cBN에는 약 1000 A로 하고(전류는 추정값), 통전 가압 접합을 행하였다. 이 때, 초경합금 베이스의 카운터 보어 깊이와 cBN 높이의 차는 0.1 ㎜이고, 분할 전극으로 함으로써, 갭이 커도 초경합금 베이스와 cBN 양쪽에 가압하는 것이 가능했다. 통전 결과, cBN을 열화시키지 않고, 접합을 강고히 행하는 것이 가능했다.

1: 제1 피접합재 2: 접합재
3: 제2 피접합재 4, 6, 7, 8: 전극
5: 분할 전극.

Claims

초경합금 소결체를 제1 피접합재(1)로 하고, cBN 소결체 또는 다이아몬드 소결체를 제2 피접합재(3)로 하는 접합체로서, 상기 제1 피접합재(1) 및 상기 제2 피접합재(3)는, 양자 사이에 설치된 1000℃ 미만에서는 액상을 생성하지 않는 접합재(2)를 통해 접합되어 있고, 상기 접합재(2)에 의한 접합은 0.1 MPa∼200 MPa의 압력으로 가압하면서 통전 가열하는 것에 의해 행해져 있는 것을 특징으로 하는 접합체.
제1항에 있어서, 상기 통전 가열에 의해, 상기 제1 피접합재(1)는, 상기 제2 피접합재(3)보다 우선적으로 발열하여 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 접합체.
제1항에 있어서, 상기 통전 가열에 의해, 상기 접합재(2)의 성분 중 하나 이상의 원소는, 상기 제1 피접합재(1), 상기 제2 피접합재(3) 또는 이들 양자 내에 원소 확산되어 있는 것을 특징으로 하는 접합체.
제1항에 있어서, 가압되면서 통전 가열에 의해 변형되는 접합재(2)를 이용하여 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 접합체.
제1항에 있어서, 상기 접합재(2)는 티탄(Ti), 코발트(Co), 니켈(Ni) 중 어느 하나, 또는 티탄(Ti), 코발트(Co), 니켈(Ni) 중 하나 이상을 포함하는 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 접합체.
제5항에 있어서, 상기 접합재(2)는 티탄(Ti)을 포함하는 것을 특징으로 하는 접합체.
제1항에 있어서, 상기 접합재(2)는, 상기 제1 피접합재(1)보다 저온에서 액상을 생성하는 것을 특징으로 하는 접합체.
제7항에 있어서, 상기 접합재(2) 중 적어도 일부는, 통전 가열시에 액상을 생성하고 있는 것을 특징으로 하는 접합체.
제1항에 있어서, 상기 접합재(2), 상기 제1 피접합재(1) 또는 이들 양자의 결합상에 포함되는 니켈(Ni)은, 30 vol%(체적 백분율) 이하인 것을 특징으로 하는 접합체.
제1항에 있어서, 상기 접합재(2)는 도금법에 의해 상기 제1 피접합재(1), 상기 제2 피접합재(3) 또는 이들 양자의 표면상에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 접합체.
제1항에 있어서, 상기 접합재(2)는 물리 증착법에 의해 상기 제1 피접합재(1), 상기 제2 피접합재(3) 또는 이들 양자의 표면상에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 접합체.
제1항에 있어서, 상기 접합체는 절삭 공구인 것을 특징으로 하는 접합체.