KR20130040769A

KR20130040769A - 입방정 질화붕소 소결체 공구

Info

Publication number: KR20130040769A
Application number: KR1020127018173A
Authority: KR
Inventors: 가츠미 오카무라; 마코토 세토야마; 사토루 구키노
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2013-04-24
Also published as: KR101867104B1; WO2011111261A1; CA2792533A1; CA2792533C; CN103097058B; JP5610357B2; EP2546010A1; IN2012DN04874A; EP2546010A4; US9346716B2; JPWO2011111261A1; EP2546010B1; WO2011111261A9; CN103097058A; US20130000213A1

Abstract

본 발명은, 절삭 가공 및 소성 가공의 어느 용도에서도, 안정적으로 수명이 긴 입방정 질화붕소 소결체 공구를 제공한다. 본 발명의 입방정 질화붕소 소결체 공구는, 적어도 공구 작용점에 입방정 질화붕소 소결체를 이용한 것으로서, 상기 입방정 질화붕소 소결체 중에 포함되는 입방정 질화붕소의 비율을 X 체적%로 하고, 입방정 질화붕소 소결체의 열전도율을 Y(W/mㆍK)로 하면, 이하의 식(Ⅰ)과, 식(Ⅱ) 또는 식(Ⅲ) 중 어느 하나를 만족하는 것을 특징으로 한다.
20≤X≤98 … (Ⅰ)
Y≤0.6×X+3 (단, 식 중 20≤X<88) … (Ⅱ)
Y≤5.8×X-455 (단, 식 중 88≤X≤98) … (Ⅲ)

Description

입방정 질화붕소 소결체 공구{SINTERED CUBIC BORON NITRIDE TOOL}

본 발명은 입방정 질화붕소 소결체 공구에 관한 것이며, 특히 내마모성 및 내결손성이 우수한 입방정 질화붕소 소결체 공구에 관한 것이다.

재료를 절삭할 때에는 피삭 재료에 적합한 절삭 공구 및 절삭 방법이 선택된다. 절삭 가공에 있어서 수명 장기화를 달성하기 위해서는, 얼마나 절삭시의 날끝 온도를 억제할 수 있는지가 중요하며, 열전도율이 우수한 공구 재료가 중용되고 있다. 일반적으로, 열전도율이 우수한 다이아몬드 소결체나 입방정 질화붕소(「cBN」라고 기재하는 경우도 있음) 소결체 등의 초고압 소결체 공구를 이용한 절삭 가공에서도, 고속 조건이나, 큰 절삭 깊이, 높은 피딩 조건의 고능률 조건에서는, 날끝 온도의 상승에 의해, 피삭재의 확산이나 산화 등의 화학적인 마모가 발달한다. 이러한 마모를 억제하는 방책으로서, 저속 조건으로의 변경, 공구 날끝의 쐐기각의 저감에 의해 절삭 저항을 억제하는 것, 또는 쿨런트의 절삭점으로의 토출에 의해 절삭점을 냉각시키는 것 등이 행해지고 있다.

예를 들어, 난삭재의 절삭 가공에 있어서 한층 더 수명을 장기화하는 방책으로서, 일본 특허 공개 제2009-045715호 공보(특허문헌 1)에서는, 날끝의 적어도 절삭에 관여하는 부분에 열전도율 100 W/mㆍK 이상의 방열성이 높은 초고압 소결체 재료를 적용한 절삭 공구를 이용한다. 그리고, 이러한 절삭 공구의 날끝을 고압 쿨런트로 냉각시키면서 가공을 행함으로써, 절삭열에 의한 날끝의 온도 상승을 억제하는 발명이 개시되어 있다.

한편, 예를 들어 유리나 세라믹스, 초경, 철계 소결 합금 난삭 재료 등의 취성 난삭재의 절삭 가공에서는, 고속 조건으로 절삭을 행하는 것 또는 레이저 어시스트에 의해 피삭재의 절삭점의 온도를 상승시키는 것에 의해, 피삭재를 연화시키거나, 또는 절삭 칩의 생성 메커니즘을 취성 모드로부터 연성 모드로 변화시켜, 양호한 가공면을 달성시키는 것이 제안되어 있다.

그러나, 원리적으로는 공구 날끝이 고온에 노출되고 급랭도 되기 때문에, 절삭 공구가 열화되기 쉽고, 칩핑이나 돌발적인 결손이 생기기 쉬워진다. 또한, 공작 기계에도, 주축 회전수의 제약이나, 고가의 레이저 장치의 설치가 필요하는 등의 문제가 생긴다.

cBN 소결체는, 주로 TiN, TiC, Co 및 Al을 주성분으로 하는 결합상에 의해 cBN 입자를 결합시킨 것이다. cBN 입자는, 다이아몬드에 버금가는 경도 및 열전도율을 가지며, 세라믹스 재료보다 인성이 우수한 재료이다. 이 때문에, cBN 입자를 80 체적% 이상 함유하는 고cBN 함유율의 cBN 소결체는, 내소성 변형성, 내결손성 등의 특성이 우수하다.

이러한 특성을 갖는 cBN 소결체를 이용한 cBN 소결체 공구는, 종래의 초경 공구 등의 공구 재료에 비하여, 화학적인 안정성이 우수한 것, 철과의 친화성이 낮은 것, 수명이 긴 것, 재료적으로 고경도이어서 가공의 능률이 높은 것 등의 점에서 우수하여 높게 평가받고 있다. 이러한 고성능의 cBN 소결체 공구는, Ni기계 및 철계의 고경도 난삭재의 절삭 가공의 용도, 냉간 단조용의 펀칭용 공구의 소성 가공의 용도 등에 있어서 종래부터 이용되어 온 공구를 치환해 왔다.

여기서, 절삭 가공이란, 피삭재를 국부적으로 전단 및 파쇄하고, 절삭 칩을 깎아내면서 원하는 치수 형상의 물품을 기계 가공하는 것을 말한다. 한편, 소성 가공이란, 가공물에 힘을 가하여 변형시키고, 소정의 형상 및 치수의 제품으로 성형 가공하는 것을 말한다. 참고로, 소성 가공은, 절삭 칩이 발생하지 않는다는 점에서 절삭 가공과는 다르다.

cBN 소결체 공구는, 전술한 바와 같이 우수한 특성을 갖기 때문에, 절삭 가공과 소성 가공 중 어느 용도에서도, 돌발적인 결손이 생기기 어렵다고 하는 장점이 있어, 매우 바람직하게 이용된다.

종래의 cBN 소결체 공구로서, 예를 들어 일본 특허 공개 평성07-291732호 공보(특허문헌 2) 및 일본 특허 공개 평성10-158065호 공보(특허문헌 3)에서는, cBN 소결체에 포함되는 Al 등의 금속, 산소 등을 불순물로서 파악하고 있다. 그리고, 상기 불순물의 혼입을 최대한 저감하여 cBN 입자의 혼합 비율을 높임으로써, cBN 소결체의 경도 및 인성을 향상시킨다고 하는 기술이 개시되어 있다.

또한, cBN 소결체 공구는, 고경도, 고인성뿐만 아니라, 고열전도성을 갖는 것이 고성능이라고 고려되어, 통설이 되어 왔다. 이 통설에 따라서, 일본 특허 공개 제2005-187260호 공보(특허문헌 4) 및 국제공개 제2005/066381호 팜플렛(특허문헌 5)에서는, 고순도의 cBN 입자의 열전도율이 높은 것을 이용하여, 고순도의 cBN 입자를 고농도로 포함하는 cBN 소결체를 이용하는 것이 제안되어 있다. 이에 따라 경도 및 인성뿐만 아니라, 열전도성도 향상시킨 cBN 소결체 공구로 할 수 있다. 이러한 cBN 소결체 공구는, 저연성의 재료를 소성 가공하는 경우에도, 특히 철계 소결 합금을 절삭 가공하는 경우에도 결손이 생기기 어렵고, 내마모성도 우수하기 때문에, 바람직하게 사용된다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2009-045715호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 평성07-291732호 공보 특허문헌 3 : 일본 특허 공개 평성10-158065호 공보 특허문헌 4 : 일본 특허 공개 제2005-187260호 공보 특허문헌 5 : 국제공개 제2005/066381호 팜플렛

그러나, 고cBN 함유율의 cBN 소결체 공구를, 최근의 저연성의 특성을 갖는 난삭 재료의 절삭 가공에 적용한 경우, cBN 소결체가 고열전도성을 갖기 때문에, 절삭 가공시에 가공부에서 생기는 마찰열이 cBN 소결체측으로 확산된다. 이 때문에, 고온을 유지한 채로 절삭 가공을 진행시킬 수 없어, 절삭 효율이 현저하게 떨어진다고 하는 문제가 있었다.

즉, cBN 소결체 성분이 80 체적% 이상인 고cBN 함유율 소결체는 내결손성이 우수하지만, 동시에 높은 열전도율을 갖기 때문에, 가공에 의해 생기는 마찰열이 cBN 소결체로부터 빠져나가 버린다. 이 때문에, 가공에서 생기는 열이 피삭재에 충분히 전도되지 않는 것에 의해 피삭재가 연화되지 않게 되고, 공구에 부하가 걸려, 내결손성이 높은 cBN 소결체 공구라 하더라도 결손이 생긴다.

특히, 철계 소결 합금의 절삭에서는, 그 저연성에 의해, 피삭재의 온도가 불충분한 절삭 환경에서는, 전단이 원활하게 진행되지 않고, 가공면이 뜯어져서, 면조도가 악화되는 문제가 있다. 면조도를 향상시키기 위해, 절삭 속도를 빠르게 하면, 즉 피삭재의 온도를 높이면, 마모가 급속하게 진전되어 만족스러운 공구 수명을 얻을 수 없다. 또한, 고온 경도가 우수한 Ni기로 대표되는 초내열 합금을 전단 절삭 가공하는 경우, 또는 피삭재에 상응하는 가공열이 유입된 경우에도, 고온 경도가 우수한 특성에 의해 피삭재가 연화되기 어렵기 때문에, cBN 소결체에 결손이 생기기 쉽다.

이러한 cBN 소결체에 생기는 결손은, cBN 입자 자신의 강도 부족에 의한 파쇄나, cBN 입자간의 결합력 부족에 의한 cBN 입자의 탈락의 집적과 같은 기계적인 손상 메커니즘을 주요 원인으로 하는 것으로 추정된다.

그런데, cBN 소결체 공구는, 소성 가공에서도 한층 더 고성능화가 요구되고 있다. 즉, 소성 가공에서는, 가공물이 고성능화함에 따라, 고경도 및 저연성의 특성을 갖는 난가공 재료를 소성 가공하는 경우에 냉간 단조로 가공하면, 가공물에 균열이나 크랙 등의 불량이 발생하기 쉽다. 이러한 점에서, 온간 단조, 열간 단조 등과 같이 가공물을 400℃ 이상 1000℃ 이하로 가열함으로써, 가공물의 경도를 낮추고 연성을 높인 후에 소성 가공해야 한다. 그러나, 온간 단조, 열간 단조 등으로 소성 가공하는 경우, 가공부에서 생기는 마찰열에 의해 가공부의 온도는 냉간 주조로 가공할 때 이상으로 높아지고, 이 고온에 의한 영향 때문에 공구에 부하가 걸려, 결과적으로 공구의 수명이 매우 짧은 것이 되었다.

또한, 0.5 질량% 이상의 탄소량을 함유하는 강재료의 소성 가공은, cBN 소결체의 열전도율이 높은 것에 의해, 가공열이 cBN 소결체 공구에 급속하게 유출되고, 가공물이 급랭되게 되어, 마르텐사이트 조직이나 잔류 오스테나이트를 갖는 취성층이 생성된다. 이에 따라 가공물의 재료 강도 및 피로 강도가 나빠지기 쉽다고 하는 문제도 있다.

가공물의 급랭을 방지하기 위해 cBN 함유율을 80 체적% 미만으로 하면, 열전도율이 비교적 낮아지게 되어, 가공열이 cBN 소결체 공구로 유출되기 어려워진다. 이 때문에, 가공물의 급랭을 억제할 수 있다. 그러나, cBN 입자보다 강도 및 인성이 떨어지는 결합상이 상대적으로 많아지기 때문에, cBN 소결체 공구가 조기에 결손되는 문제가 있다.

이와 같이 cBN 입자의 함유율을 증감시킨다고 하는 접근법에서는, 공구의 경도를 높이는 것과 공구의 열전도성을 저하시키는 것이 트레이드오프의 관계에 있어, 양자를 만족시키는 것은 어려웠다.

본 발명은, 상기와 같은 현상황을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 입방정 질화붕소 소결체의 열전도성을 낮게 유지하는 것과, 공구의 경도를 향상시키는 것을 양립시키는 것에 의해, 입방정 질화붕소 소결체의 경도를 절삭 가공시의 피삭재의 경도보다 대폭 높게 유지함으로써, 상기 절삭 가공과 소성 가공 중 어느 용도에서도, 안정적으로 긴 수명을 실현할 수 있는 입방정 질화붕소 소결체 공구를 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 전술한 절삭 가공 및 소성 가공의 용도에서의 요구 특성을 해명(解明)한 후에 재료 개발을 진행시켰다. 그 결과, cBN 소결체의 제작시에 20 체적% 이상 98 체적% 이하의 cBN 성분을 포함시키고, 결합상의 성분에 Al, Si, Ti, Zr, Ni, Mo, Cr 등의 초미립의 금속간 화합물 분말을 첨가함으로써, Al, Si, Ti, Zr, Ni, Mo 및 Cr로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소와, N, C, O 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 화합물로서, 그 평균 입경이 100 ㎚ 미만인 것이, 열전도성을 저하시키는 단열상이 되는 것을 발견했다. 또한, 열전도율이 우수한 cBN 입자를, 평균 막두께가 100 ㎚ 미만인 금속 성분으로 이루어진 피복층에 의해 피복한 후에, 결합상 성분과 혼합함으로써, 소결시에 피복층이 N, C, O, 및 B와 금속간 화합물을 형성한다. 이 금속간 화합물이 열전도를 방해하는 역할을 하여, cBN 소결체의 열전도율을 효과적으로 저하시키는 것을 발견했다.

또한, 상기 초미립 화합물의 각 성분은 소결성이 떨어지므로, 초고압 소결시에 cBN 소결체의 일부에 미소결의 영역이 점재(點在)하게 된다. 그 결과, cBN 소결체의 열전도율을 저하시킬 수 있다는 지견을 얻었고, 이 지견에 기초하여 예의 검토를 더욱 거듭하였다.

이에 따라 절삭 성능을 비약적으로 높이는 열전도율과 cBN의 비율의 관계를 발견하여, 결국 본 발명의 cBN 소결체 공구를 완성했다.

즉, 본 발명의 입방정 질화붕소 소결체 공구는, 적어도 공구 작용점에 입방정 질화붕소 소결체를 이용한 것으로, 상기 입방정 질화붕소 소결체 중에 포함되는 입방정 질화붕소의 비율을 X 체적%로 하고, 입방정 질화붕소 소결체의 열전도율을 Y(W/mㆍK)로 한 경우, 이하의 식(Ⅰ)과, 식(Ⅱ) 또는 식(Ⅲ) 중 어느 하나를 만족하는 것을 특징으로 한다.

20≤X≤98 … (Ⅰ)

Y≤0.6×X+3 (단, 식 중 20≤X<88) … (Ⅱ)

Y≤5.8×X-455 (단, 식 중 88≤X≤98) … (Ⅲ)

본 발명의 입방정 질화붕소 소결체 공구는, 적어도 공구 작용점에 입방정 질화붕소 소결체를 이용한 것으로서, 상기 입방정 질화붕소 소결체 중에 포함되는 입방정 질화붕소의 비율을 X 체적%로 하고, 입방정 질화붕소 소결체의 열전도율을 Y(W/mㆍK)로 한 경우, 이하의 식(Ⅱ')를 만족하는 것을 특징으로 한다.

Y≤0.5×X+1 (단, 식 중 60≤X<88) … (Ⅱ')

또한, 입방정 질화붕소 소결체는, 입방정 질화붕소 뿐만 아니라, 단열상과, 결합상을 함유하고, 상기 단열상은, Al, Si, Ti, Zr, Mo, Ni 및 Cr로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소와, N, C, O 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 제1 화합물을 1종 이상 포함하며, 상기 제1 화합물은, 입방정 질화붕소 소결체 중에 1 질량% 이상 20 질량% 이하 포함되고, 100 ㎚ 미만의 평균 입경을 갖는 것이 바람직하다. 상기 제1 화합물은 50 ㎚ 미만의 평균 입경을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 단열상은, 그 일부로서 미소결의 영역을 0.01 체적% 이상 3 체적% 이하 포함하는 것이 바람직하다.

제1 화합물은, Al, Si, Ti, Zr, Mo, Ni 및 Cr로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소의 질화물, 탄화물 및 탄질화물에 대하여, 산소 및 붕소 중 어느 하나 또는 양자 모두가 0.1 질량% 이상 10 질량% 이하 고용(固溶)된 화합물인 것이 보다 바람직하다.

단열상은, 제1 화합물에 더하여, W 및/또는 Re와, N, C, O 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 제2 화합물을 1종 이상 포함하고, 상기 제2 화합물은, 입방정 질화붕소 소결체 중에 0.1 질량% 이상 2 질량% 이하 포함되는 것이 바람직하다.

입방정 질화붕소는, 평균 입경이 1 ㎛ 이하인 입방정 질화붕소 입자로 이루어진 것이 바람직하고, 입방정 질화붕소 입자는 그 표면이 피복층으로 덮여 있고, 상기 피복층은 그 평균 층두께가 5 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 입방정 질화붕소 소결체 공구는 상기한 구성을 가짐으로써, 입방정 질화붕소 소결체의 열전도성을 낮게 유지하는 것과, 공구의 경도를 향상시키는 것을 양립시킬 수 있다. 이에 따라 상기 절삭 가공과 소성 가공 중 어느 용도에서도, 안정적으로 수명이 긴 입방정 질화붕소 소결체 공구를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명의 입방정 질화붕소 소결체 공구의 각 구성에 관해 더 설명한다.

<입방정 질화붕소 소결체 공구>

본 발명의 입방정 질화붕소 소결체 공구는, 적어도 공구 작용점에 cBN 소결체를 이용하는 구성을 갖는다. 구체적으로는, 본 발명의 cBN 소결체 공구는, 공구 섕크부에 방진 내열판을 통하여 cBN 소결체가 고정되어 있는 구성을 갖고 있어도 좋고, 초경합금으로 이루어진 기재에 접합층을 통하여 cBN 소결체가 고정되어 있는 구성을 갖고 있어도 좋다. 이러한 구성을 갖는 본 발명의 cBN 소결체 공구는, 철계 소결 합금, 난삭 주철, 소입강 등의 기계 가공에서 특히 유효하게 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 이들 이외의 일반적인 금속의 각종 가공에서도 바람직하게 이용할 수 있다. 여기서, 「공구 작용점」이란, cBN 소결체 공구의 표면 중의 가공물과 접촉하는 부분을 의미한다. 공구 섕크부 및 방진 내열판에 관해서는 후술한다.

본 발명의 cBN 소결체 공구를 절삭 가공의 용도에 이용하는 경우, 예를 들어 드릴, 엔드밀, 프라이즈 가공용 또는 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 팁, 메탈 소우, 기어 절삭 공구, 리머, 탭 또는 크랭크샤프트의 핀밀링 가공용 팁, 유리 기판 절단용 커터, 광섬유 커터 등으로서 매우 유용하게 이용할 수 있다.

한편, 본 발명의 cBN 소결체 공구를 소성 가공의 용도에 이용하는 경우, 예를 들어 펀치프레스 금형, 다이싱용 금형, 마찰 압접, 마찰 교반 접합용 공구 등으로서 매우 유용하게 이용할 수 있다. 그리고, 소성 가공에서는, 예를 들어 엔진 부품, HDD(하드디스크 드라이브), HDD 헤드, 캡스탄, 웨이퍼 척, 반도체 반송용 아암, 자동차 구동계 부품, 카메라용 줌렌즈 시일 링의 성형에 이용된다.

<입방정 질화붕소 소결체>

본 발명의 cBN 소결체는, 입방정 질화붕소에 더하여, 단열상과 결합상을 함유하는 것이 바람직하다. 열전도율이 높은 입방정 질화붕소간에 단열상의 성분을 배치함으로써, cBN 소결체의 열전도성을 저하시킬 수 있어, 이하의 식(Ⅰ)과, 식(Ⅱ) 또는 식(Ⅲ) 중 어느 하나를 만족하도록 할 수 있다.

즉, 입방정 질화붕소 소결체 중에 포함되는 입방정 질화붕소의 비율을 X 체적%로 하고, 입방정 질화붕소 소결체의 열전도율을 Y(W/mㆍK)로 하면,

20≤X≤98 … (Ⅰ)

Y≤0.6×X+3 (단, 식 중 20≤X<88) … (Ⅱ)

Y≤5.8×X-455 (단, 식 중 88≤X≤98) … (Ⅲ)

이러한 cBN 소결체를 이용한 cBN 소결체 공구를 이용하여 절삭 가공 또는 소성 가공하면, 가공시에 생기는 마찰열 및 전단열이 cBN 소결체 공구에 전도되기보다는 가공물에 전도된다. 이에 따라 가공물이 연화되기 쉬워져, cBN 소결체 공구의 날끝에 걸리는 부하를 저감함으로써, cBN 소결체 공구에 마모 및 결손이 발생하기 어렵게 할 수 있다.

cBN 소결체에 포함되는 cBN의 비율(X)을 높이면, cBN 소결체의 열전도율(Y)의 상한치는 상승한다. 그리고, 상기 식(Ⅱ) 및 (Ⅲ) 중의 X의 계수는, 모두 실험적으로 정해진 플러스 수치이고, cBN의 비율을 늘렸을 때의 cBN 소결체의 열전도율의 상한치의 상승률을 나타내고 있다. 즉, cBN 소결체에 포함되는 cBN의 함유량을 높일수록, cBN 소결체의 열전도율이 상승하여, 절삭시에 발생하는 절삭열의 날끝측에 배분되는 비율이 높아진다. 이 때문에, 날끝과 접촉하는 피삭재의 온도의 상승이 억제되어, 피삭재의 경도의 저하가 억제된다고 하는 단점이 있지만, 이와 동시에 cBN 소결체의 경도가 높아진다고 하는 장점이 있다. 이 단점과 장점이 상쇄되는 밸런스에 기초하여, cBN의 비율(X)의 계수가 정해진다.

여기서, cBN 입자의 함유율(X)이 88 체적% 전후에서, X의 계수가 0.6으로부터 5.8로 현격하게 커지지만, 이것은 cBN 입자의 함유율이 88 체적% 이상이 되면, cBN 입자끼리 접촉하기 시작하여 cBN 입자끼리 결합함으로써, cBN 소결체의 강도를 향상시키는 효과가 현저해지는 것에 의한 것이다.

X가 20 체적% 미만이면, cBN 소결체의 열전도율을 낮게 한다고 하는 장점을 누릴 수 있지만, 그보다도 cBN 입자의 함유량이 낮아지는 것에 의한 경도의 저하의 단점이 커진다. 한편, X가 98 체적%를 넘으면, cBN 입자의 함유량을 높인 것에 의한 경도 향상의 장점보다, cBN 소결체의 열전도율이 높아지는 것에 의한 단점이 커, 피삭재에 절삭열이 유입되기 어려워진다.

X가 20 체적% 이상 88 체적% 미만일 때, Y>0.6×X+3이 되는 경우, 또는 X가 88 체적% 이상 98 체적% 이하일 때, Y>5.8×X-455가 되는 경우, cBN 소결체의 열전도율이 향상됨에 따라 가공물의 온도 상승을 억제할 수 있다. 이 때문에, cBN 소결체가 고온이 되었을 때의 경도에 비해, 절삭시의 피삭재의 경도의 저하가 불충분해져, 날끝에 결손이 생기거나, 피삭재의 면조도가 악화되거나 한다.

이와 같이 cBN 소결체의 열전도율과 cBN 입자의 함유율을 상기 범위로 설정함으로써, 절삭 성능이 향상되고 피삭재의 가공면의 면조도를 개선할 수 있다. 이것은, 절삭시의 피삭재의 연화에 의한 경도 저하에 더하여, cBN 소결체를 고온으로 했을 때의 경도가 충분히 높은 것에 의해, 공구 작용점에서의 피삭재의 전단을 원활하게 진행시킴으로써, 가공면이 잘 뜯어지거나 하지 않아, 우수한 가공면을 얻을 수 있는 것에 의한 것으로 추정된다.

또한, 본 발명의 입방정 질화붕소 소결체 공구는, 적어도 공구 작용점에 입방정 질화붕소 소결체를 이용한 것으로서, 상기 입방정 질화붕소 소결체 중에 포함되는 입방정 질화붕소의 비율을 X 체적%로 하고, 입방정 질화붕소 소결체의 열전도율을 Y(W/mㆍK)로 하면, 이하의 식(Ⅱ')를 만족하는 것을 특징으로 한다.

Y≤0.5×X+1 (단, 식 중 60≤X<88) … (Ⅱ')

이러한 식(Ⅱ')를 만족하는 입방정 질화붕소 소결체는, cBN 입자의 함유량과 단열상의 함유량의 밸런스가 매우 양호하며, cBN 소결체의 열전도율이 낮고 고온에서의 경도가 높은 것이다. 이와 같이 cBN 소결체의 열전도율이 낮은 것에 의해 피삭재에 절삭열이 유입되어 피삭재의 경도를 저하시키고, cBN 입자의 함유량이 높은 것에 의해 cBN 소결체의 경도가 높아진다. 이러한 효과가 맞물려 매우 수명이 긴 cBN 소결체 공구를 제작할 수 있다.

여기서, 공구 작용점에서의 cBN 소결체의 최저 두께는, 2 ㎜ 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3 ㎜ 이상이다. 공구 작용점에서의 cBN 소결체의 최저 두께가 2 ㎜ 미만인 경우, 그 마모폭이 2 ㎜를 넘었을 때 공구 섕크부에서 가공하게 되어 극단적으로 수명이 저하된다. 여기서 「최저 두께」란, cBN 소결체의 가장 얇은 부분의 두께를 말한다.

공구 작용점은, 1 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하의 면조도 Rz인 것이 바람직하다. Rz가 1 ㎛ 미만이면, 공구 작용점에서의 마찰열이 발생하기 어려워져, 작용점에서의 피삭재의 온도가 충분히 올라가지 않게 되어, 결손이 발생하기 쉬워지는 경우가 있다. 한편, Rz가 20 ㎛를 넘으면, 가공시에 가공물의 성분이 날끝에 용착되기 쉬워져, 가공물의 면조도가 악화되는 경우가 있다. 공구 수명을 향상시키고, 가공물의 면조도를 양호하게 한다는 관점에서, Rz는 1.5 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는 2 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하이다. 본 발명에서, 면조도 Rz는, JIS B0601로 규정된 10점 평균 조도이며, 표면 조도 측정기[SURFCOM 2800E(가부시키가이샤 도꾜세이미쯔 제조)]를 이용하여 얻어진 측정치를 채택한다.

<입방정 질화붕소 소결체>

본 발명에서, 입방정 질화붕소는 cBN 소결체 중에 20 체적% 이상 98 체적% 이하 포함되는 것을 특징으로 한다. 여기서, cBN 소결체 중의 cBN이 20 체적% 미만인 경우 내마모성이 부족하고, 98 체적%를 넘으면 상대적으로 결합상이 적어져 접합 강도가 저하된다. 내마모성과 접합 강도의 밸런스를 위해, cBN의 함유율은 60 체적% 이상 88 체적% 미만으로 하는 것이 보다 바람직하다.

여기서, cBN 소결체는, cBN 입자와, 단열상을 구성하는 제1 화합물의 원료 분말, 그리고 결합상을 구성하는 원료 분말을 포함하고, 이들 성분을 소결함으로써 제조되는 것이 바람직하다. 재료 강도를 높이고 열전도율을 저하시키는 효과를 강화한다고 하는 관점에서, cBN 입자의 평균 입경은 작은 것이 보다 바람직하고, cBN 입자는, 1 ㎛ 이하의 평균 입경인 것이 바람직하다. 또한, cBN 소결체의 인성을 손상하지 않도록 한다고 하는 관점에서, cBN 입자의 평균 입경은 0.1 ㎛ 이상인 것이 바람직하다. 재료 강도, 열전도율 및 인성의 밸런스의 관점에서는, cBN 입자의 평균 입경이 0.2 ㎛ 이상 0.5 ㎛ 이하인 것이 더욱 바람직하다.

또한, cBN 입자의 표면을 피복층으로 피복한 피복 cBN 입자를 이용하는 것이 바람직하다. 피복 cBN 입자는, 피복층에 의해 열전도율이 높은 cBN 입자끼리 접촉하기 어려워짐으로써, cBN 소결체의 열전도율의 향상이 억제된다.

cBN 입자를 피복하는 피복층은, Al, Si, Ti, Zr, Mo, Ni 및 Cr로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소와, N, C, O 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 제3 화합물을 1종 이상 포함하고, 단열상으로서의 효과를 나타내는 것이다. 여기서, 제3 화합물은, 제1 화합물에서 예시한 조성과 동일한 조성의 것을 이용할 수 있다. 이러한 피복층은, PVD 스퍼터링법에 의해 cBN 입자의 표면 상에 형성되는 것이 바람직하고, 그 평균 층두께는 5 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하인 것이 바람직하다. 피복층의 평균 층두께는, 투과형 전자 현미경(TEM : transmission electron microscope, 이차 전자 현미경, 또는 반사 전자 현미경에 의해 얻어진 화상으로부터 10개소의 피복층의 층두께를 계측하고, 이것에 의해 얻어진 값을 평균한 값을 채택한다.

<결합상>

본 발명에서, cBN 소결체에 포함되는 결합상(결합재라고도 불림)은, cBN 입자끼리 결합하는 작용을 나타내는 것이며, cBN 소결체의 결합상으로서 알려진 종래 공지의 조성의 결합상을 모두 채택할 수 있다. 결합상에 이용되는 조성으로는, Ti, W, Co, Zr 및 Cr로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소와, N, C, O 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소와, Al의 화합물인 것이 바람직하고, Ti, W, Co, Zr 및 Cr로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소의 탄화물, 붕화물, 탄질화물, 산화물 또는 이들의 상호 고용체의 적어도 1종과 Al의 화합물인 것이 보다 바람직하다. 이에 따라 철계 소결 합금 및 주철의 기계 가공에서, 특히 양호한 내마모성을 얻을 수 있다.

<단열상>

본 발명에서, 단열상은 cBN 소결체 중에 점재하는 것에 의해, cBN 소결체의 열전도율을 저하시킴으로써, 가공시에 생기는 열이 cBN 소결체 공구에 전도되기 어렵고 가공물로의 전도가 촉진된다. 이러한 단열상은, 소결성이 떨어지는 재료로 이루어지고, 구체적으로는, Al, Si, Ti, Zr, Mo, Ni 및 Cr로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소와, N, C, O 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 제1 화합물을 1종 이상 포함하며, 상기 제1 화합물은, cBN 소결체 중에 1 질량% 이상 20 질량% 이하 포함되고 100 ㎚ 미만의 평균 입경을 갖는 것이 바람직하다. 제1 화합물이 1 질량% 미만이면, 입방정 질화붕소 소결체의 열전도율을 저하시키는 효과를 충분히 얻을 수 없어, 가공물에 대한 열의 전도가 촉진되지 않는다. 또한, 제1 화합물이 20 질량%를 넘으면, 소결이 불충분해져, 입방정 질화붕소 소결체의 경도가 저하된다고 하는 문제가 있다. 또한, 제1 화합물의 평균 입경이 100 ㎚ 이상이면, 입방정 질화붕소 소결체의 열전도율을 낮추는 효과가 작아, 본 발명의 효과를 얻을 수 없다. 입방정 질화붕소 소결체의 열전도율을 저하시킨다고 하는 관점에서는, 제1 화합물의 평균 입경이 50 ㎚ 미만인 것이 바람직하다.

이러한 단열상은, cBN 소결체 중에 미소결의 영역으로서 제1 화합물을 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명에서의 「미소결의 영역」이란, 단열상과 cBN 입자의 계면에 형성되는 소결에 의해 생기는 입상, 또는 미세한 층상의 반응물이 존재하지 않는 입계ㆍ계면 부근의 영역, 및 상기 영역에 접하는 입자를 포함하는 영역을 말한다. 이러한 미소결의 영역은, cBN 소결체에 대하여 0.01 체적% 이상 3 체적% 이하 포함되는 것이 바람직하다. 미소결의 영역이 0.01 체적% 미만이면, 단열상으로서의 효과를 충분히 얻을 수 없기 때문에 바람직하지 않고, 3 체적%를 넘으면, cBN 소결체의 강도가 저하되기 때문에 바람직하지 않다.

제1 화합물이 미소결의 영역이 되는 상세한 메커니즘은 밝혀져 있지 않지만, 아마도 cBN 입자와, 제1 화합물의 원료 분말과, 결합상을 구성하는 원료 분말을 혼합하여 초고압 소결할 때, 제1 화합물의 원료 분말의 평균 입경이 결합상을 구성하는 원료 분말의 평균 입경보다 작은 것에 의한 것으로 고려된다. 즉, 평균 입경이 작은 제1 화합물의 원료 분말에 대한 압력이 충분히 전달되지 않고, 단열상과 그 주위의 결합상 및 cBN 입자와의 계면에 미세한 층상의 미소결의 영역이 형성되는 것으로 추측된다.

또한, 본 발명에서, 미소결의 영역은, 에너지 분산형 X선 분광 장치(EDX : Energy Dispersive X-ray spectroscopy)가 장착된 TEM, 오제 전자 현미경 또는 이차 전자 현미경을 이용하여, 단열상과 cBN 성분의 두 원소를 동시에 검출하는 영역이 본질적으로 존재하지 않는 입계에 접하는 입자가 점유하는 영역에 의해 확인할 수 있다. 또한, cBN 소결체에서 차지하는 미소결의 영역의 체적%는, cBN 소결체를 하나의 면에서 절단했을 때의 절단면의 면적에 대하여, 미소결의 영역이 차지하는 면적의 비율에 기초하여 산출한다.

상기 제1 화합물은, Al, Si, Ti, Zr, Mo, Ni 및 Cr로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소의 질화물, 탄화물 및 탄질화물에 대하여, 산소 및 붕소 중 어느 하나 또는 양자 모두가 0.1 질량% 이상 10 질량% 이하 고용된 화합물인 것이 바람직하고, 0.2 질량% 이상 7 질량% 이하 고용된 화합물인 것이 보다 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1 질량% 이상 3 질량% 이하 고용된 화합물이다. 이러한 비율로 산소 및 붕소를 포함하는 것에 의해, cBN 소결체 중에 단열상으로서의 효과를 갖는 미소결의 영역이 형성되기 쉬워지기 때문에, 내결손성을 손상하지 않고, cBN 소결체 공구의 단열성을 높일 수 있다. 특히, 제1 화합물에 붕소를 포함하는 경우, 단열상과 cBN 입자의 계면에 형성되는 소결에 의해 생기는 입상, 또는 미세한 층상의 반응물이란, 제1 화합물보다 높은 농도로 붕소가 검출되는 입계ㆍ계면 부근의 영역인 것을 의미한다.

본 발명의 cBN 소결체는, 상기 제1 화합물의 성분에 더하여, W 및/또는 Re와, N, C, O 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 제2 화합물을 1종 이상 포함하고, 제2 화합물은, cBN 소결체 중에 0.1 질량% 이상 2 질량% 이하 포함되는 것이 바람직하다. 여기서, 제2 화합물은, cBN 소결체의 조직 중에 불연속적으로 배치되는 것이다. W를 포함하는 원료로는, 예를 들어 파라텅스텐산암모늄(5(NH₄)₂Oㆍ12WO₃ㆍ5H₂O)을 들 수 있고, Re를 포함하는 재료로는, 과레늄산암모늄(NH₄ReO₄) 등을 들 수 있다.

상기 제1 화합물의 원료 분말에 더하여, 제2 화합물의 원료 분말(즉 예를 들어, 5(NH₄)₂Oㆍ12WO₃ㆍ5H₂O로 이루어진 분말 또는 NH₄ReO₄로 이루어진 분말)과, 결합상을 구성하는 원료 분말과, cBN 입자를 혼합하여 초고압 소결함으로써, 이 초고압 소결하에 제2 화합물의 원료 분말에 포함되는 NH₄ 및/또는 H₂O가 촉매로서 기능한다. 그리고, 이 촉매의 기능에 의해 cBN 입자끼리 직접 결합시킬 수 있음으로써, cBN 소결체의 강도를 높일 수 있다.

또한, 이러한 제2 화합물의 원료 분말과 함께 cBN 입자를 초고압 소결함으로써, cBN 소결체의 조직 중에, 고온 경도 및 인성이 우수한 W, Re, 또는 W와 Re와의 합금, 및 이들의 산화물이 불연속적으로 배치된다. 그 결과, cBN 소결체의 열전도율을 저하시킬 수 있다. 따라서, 이러한 제2 화합물을 cBN 소결체에 포함하는 것에 의해, cBN 소결체 공구의 내마모성 및 내열성을 저하시키지 않고, 내결손성을 향상시킬 수 있다.

<공구 섕크부>

본 발명에서, cBN 소결체가 고정되는 공구 섕크부는, 이 종류의 공구 섕크부로서 알려진 종래 공지된 것이라면 어떠한 것이라도 채택할 수 있고, 특별히 한정되지 않는다. 이러한 공구 섕크부로는, 예를 들어 초경합금제 또는 스테인리스제인 것을 바람직하게 이용할 수 있다.

여기서, 상기 cBN 소결체와 공구 섕크부는, 나사 고정 방식 및/또는 셀프 그립 방식에 의해 고정되는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로 cBN 소결체를 고정함으로써, cBN 소결체 공구가 마모되어 그 기능이 손상된 경우에, 마모된 cBN 소결체만을 교환할 수 있다. 이에 따라 공구 섕크부를 교환하지 않고 반복하여 이용할 수 있다.

<방진 내열판>

본 발명에서, cBN 소결체와 공구 섕크부의 고정 부분에 방진 내열판을 개재시키는 것이 바람직하다. 방진 내열판을 개재시킴으로써, 가공시에 cBN 소결체에 생기는 진동이 공구 섕크부에 전파되는 것을 억제할 수 있다. 즉, 방진 내열판을 설치함으로써, 가공시에 공구 섕크부에 걸리는 진동의 부하를 경감할 수 있다.

방진 내열판은, 40 W/mㆍK 이하의 열전도율인 것이 바람직하다. 방진 내열판이 40 W/mㆍK 이하의 열전도성을 나타내는 것에 의해, 가공시에 생기는 마찰열이 공구 섕크부에 전도되기 어려워지고, 가공물(예를 들어 피삭재를 포함)에 전도될 수 있다. 이에 따라 가공물의 연화를 촉진할 수 있고, 따라서 cBN 소결체 공구의 결손을 발생하기 어렵게 할 수 있다. 이러한 방진 내열판은, 20 W/mㆍK 이하의 열전도율인 것이 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는 5 W/mㆍK 이하의 열전도율이다. 또한, 방진 내열판은, 산화물로 이루어진 것을 이용함으로써, 열전도율을 더욱 저하시킬 수 있다.

본 발명에 이용되는 cBN 소결체는, cBN 입자와 단열상을 구성하는 원료 분말과 결합상을 구성하는 원료 분말을 초고압 장치에 도입한 후에, 이들 분말을 초고압 소결함으로써 얻을 수 있다. 이와 같이 단열상을 구성하는 원료 분말을 포함한 후에 초고압 소결함으로써, cBN 소결체의 열전도율을 저하시킬 수 있다. 여기서, 초고압 소결의 조건으로서, 초고압 소결시의 압력은, 저압력인 것이 바람직하고, 보다 구체적으로는 2 GPa 이상 7 GPa 이하인 것이 바람직하다. 초고압 소결시의 온도는, 1100℃ 이상 1800℃ 이하인 것이 바람직하고, 초고압 소결의 처리에 요하는 시간은 5분 이상 30분 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 초고압 소결 이외의 소결 방법으로서, 저압 소결해도 좋다. 이것에 의해 단열상을 구성하는 원료 분말의 소결이 완전하게 진행되기 어려워지기 때문에, 단열상의 일부로서, 의도적으로 미소결의 영역을 점재시킬 수 있어, 열전도를 방해하는 효과를 얻을 수 있다. 여기서, 저압 소결로서는, 예를 들어 핫프레스법이나 방전 플라즈마 소결법(SPS : Spark Plasma Sintering)을 적용할 수 있다.

(실시예)

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

이하와 같이 하여 cBN 소결체 공구를 제작했다. 우선, 평균 입경 0.8 ㎛의 WC 분말과, 평균 입경 0.9 ㎛의 Co 분말과, 평균 입경 2 ㎛의 Al 분말을, 질량비로 WC : Co : Al=35 : 55 : 10이 되도록 혼합했다. 그리고, 진공중에서 1100℃, 40분간 열처리한 화합물을, φ3 ㎜의 초경합금제 볼을 이용하여 분쇄하여 결합상을 구성하는 원료 분말을 얻었다.

다음으로, 단열상을 형성하는 제1 화합물의 성분으로서, 평균 입경 0.7 ㎛의 Si 분말과 평균 입경 0.6 ㎛의 Zr 분말을 혼합한 것을 질소 분위기 중에서 1000℃, 30분간 열처리함으로써 화합물을 제작했다. 그 후, 그 화합물을 조분쇄한 후에, φ0.5 ㎜의 지르코니아제 미디어를 이용하여, 유속 0.2 L/min의 에탄올의 용매 속에서, 미디어와 화합물을 미분쇄했다. 그리고, 분쇄에 이용한 미디어를 제거함으로써, 단열상을 구성하는 제1 화합물의 원료 분말(평균 입경 35 ㎚)을 준비했다.

또한, 평균 입경 0.5 ㎛의 cBN 입자에 대하여, PVD 스퍼터링법을 이용하여, Ti를 포함하는 피복층을 평균 층두께 40 ㎚로 피복함으로써, 피복 cBN 입자를 준비했다. 후술하지만, 피복층의 조성은, EDX에 의한 각종 원소의 겹침 상태로부터 화합물을 추정했다.

그리고, 상기에서 얻어진 결합상을 구성하는 원료 분말과, 단열상을 구성하는 제1 화합물의 원료 분말과, 피복 cBN 입자를 소결후의 cBN의 비율이 75 체적%가 되도록 배합하고 혼합하여 건조시켰다. 제1 화합물의 원료 분말은, 결합상을 구성하는 원료 분말의 10 질량%를 배합했다. 또한, 이들 분말을 초경합금제 지지판에 적층하여 Mo제 캡슐에 충전했다. 그리고, 초고압 장치에 의해, 압력 6.5 GPa, 온도 1350℃에서 30분간 소결하여, 이하의 표 1에 기재한 조성 및 열전도율을 갖는 cBN 소결체를 얻었다. 후술하지만, X선 회절에 의해 결합상을 구성하는 화합물의 조성을 확인하여, 표 1의 「결합상」의 란에 나타냈다.

상기에서 얻어진 cBN 소결체를 소정의 형상으로 절단하고, 방진 내열판을 개재하여 공구 섕크부에 고정함으로써, cBN 소결체 공구를 제작했다. 이와 같이 하여 제작된 cBN 소결체 공구에 대하여, 소정의 공구 형상으로 연삭 가공을 했다. 여기서, 공구 섕크부로서는 초강 합금제의 것을 이용하고, 방진 내열판으로서는 Zr의 산화물로 이루어지고, 그 두께가 1 ㎜ 이상이며, 그 열전도율은 3 W/mㆍK인 것을 이용했다.

이와 같이 하여 제작한 cBN 소결체 공구의 공구 작용점의 표면 조도 Rz를 표면 조도 측정기[SURFCOM 2800E(가부시키가이샤 도꾜세이미쯔 제조)]에 의해 측정한 바, cBN 소결체 공구의 공구 작용점의 Rz는 2.5 ㎛였다.

<실시예 2～3>

실시예 1의 cBN 소결체 공구에 대하여, 피복층의 유무 및 조성, 그리고 단열상의 조성이 표 1과 같이 상이한 것 외에는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해 실시예 2～3의 cBN 소결체 공구를 제작했다. 예를 들어, 실시예 2에서는, 단열상을 구성하는 성분으로서, 평균 입경 0.85 ㎛의 Mo 분말과, 평균 입경 0.7 ㎛의 Ni 분말을 제1 화합물의 원료 분말에 이용하고, cBN 입자를 피복하는 피복층의 조성을 TiAl로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 것으로 했다.

또한, 실시예 3에서는, 단열상을 구성하는 성분으로서, 평균 입경 0.75 ㎛의 Mo 분말과, 평균 입경 0.9 ㎛의 Cr 분말을 제1 화합물의 원료 성분에 이용하고, 평균 입경 0.6 ㎛의 파라텅스텐산암모늄(5(NH₄)₂Oㆍ12WO₃ㆍ5H₂O) 분말과, 평균 입경 0.8 ㎛의 과레늄산암모늄(NH₄ReO₄) 분말을 제2 화합물의 원료 분말에 이용했다. 또한, cBN 입자는, 실시예 1과 같이 피복층으로 피복하지 않은 것을 이용했다.

<실시예 4～6>

실시예 1의 cBN 소결체 공구에 대하여, cBN의 비율이 표 1과 같이 상이한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 실시예 4～6의 cBN 소결체 공구를 제작했다.

<실시예 7>

실시예 1의 cBN 소결체 공구에 대하여, 피복층을 갖지 않는 cBN 원료 분말을 이용한 것과, cBN의 비율을 98 체적%로 한 것, 그리고 결합상을 구성하는 분말의 50 질량%의 분말량의 제1 화합물을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 의해, 본 실시예의 cBN 소결체 공구를 제작했다.

<실시예 8>

이하와 같이 하여, cBN 소결체 공구를 제작했다. 실시예 8～13의 cBN 소결체 공구는, cBN 소결체만으로 이루어진 공구이다. 우선, 평균 입경 1.2 ㎛의 TiC 분말과 평균 입경 3 ㎛의 Al 분말을 질량비로, TiC : Al=90 : 10이 되도록 혼합하고, 진공중에서 1200℃, 30분간 열처리한 화합물을, φ3 ㎜의 초경합금제 볼을 이용하여 분쇄하여 결합상을 구성하는 원료 분말을 얻었다.

다음으로, 단열상을 형성하는 제1 화합물의 성분으로서, 평균 입경 0.7 ㎛의 Si 분말과 평균 입경 0.6 ㎛의 Ti 분말을 혼합한 것을 질소 분위기 중에서 1000℃, 30분간 열처리함으로써 화합물을 제작했다. 그 후, 그 화합물을 조분쇄한 후에, φ0.3 ㎜의 질화규소제 미디어를 이용하여, 유속 0.2 L/min의 에탄올의 용매 속에서, 미디어와 화합물을 미분쇄했다. 이 분쇄에 이용한 미디어를 제거함으로써, 단열상을 구성하는 평균 입경 30 ㎚의 제1 화합물의 원료 분말을 준비했다.

또한, 평균 입경 0.3 ㎛의 cBN 입자에 대하여, PVD 스퍼터링법을 이용하여, TiAl을 포함하는 피복층을 평균 층두께 30 ㎚로 피복함으로써, 피복 cBN 입자를 준비했다.

그리고, 상기에서 얻어진 결합상을 구성하는 원료 분말과 단열상을 구성하는 제1 화합물의 원료 분말과 피복 cBN 입자를 소결후의 cBN의 비율이 50 체적%가 되도록 배합하고 혼합하여 건조시켰다. 여기서, 제1 화합물은, 결합상을 구성하는 원료 분말의 7 질량%를 배합했다. 또한, 이들 분말을 초경합금제 지지판에 적층하여 Mo제 캡슐에 충전후, 초고압 장치에 의해, 압력 5.8 GPa, 온도 1250℃에서 30분간 소결하여, 이하의 표 1에 기재한 조성 및 열전도율을 갖는 cBN 소결체를 얻었다.

<실시예 9>

실시예 8의 cBN 소결체 공구에 대하여, cBN의 비율이 표 1과 같이 상이한 것 외에는 실시예 8과 동일한 방법에 의해 본 실시예의 cBN 소결체 공구를 제작했다.

<실시예 10>

실시예 8의 cBN 소결체 공구에 대하여, 피복층을 갖지 않는 cBN 원료 분말을 이용한 것과, cBN의 비율을 75 체적%로 한 것, 그리고 소결시의 온도를 1450℃로 설정한 것이 상이한 것 외에는 실시예 8과 동일한 방법에 의해 본 실시예의 cBN 소결체 공구를 제작했다.

<실시예 11>

실시예 10의 cBN 소결체 공구에 대하여, 소결시의 압력을 2.8 GPa로 설정한 것이 상이한 것 외에는, 실시예 10과 동일한 방법에 의해 본 실시예의 cBN 소결체 공구를 제작했다.

이와 같이 하여 얻어진 cBN 소결체를 하나의 면에서 절단하고, 그 단면에 대하여 TEM을 이용하여 10000배로 관찰 및 분석을 했다. 그 결과, 그 단면의 단면적의 0.4%가 미소결인 것을 확인했다. 이것으로부터, cBN 소결체 중에 0.4 체적%의 미소결의 영역을 포함하는 것이 분명해졌다.

<실시예 12>

실시예 10의 cBN 소결체 공구에 대하여, 초고압 소결 장치를 이용하는 대신, 방전 플라즈마 소결(SPS : Spark Plasma Sintering) 장치를 이용함으로써, cBN 소결체 공구를 제작했다. 구체적으로는, SPS 장치 내의 온도를 1450℃로 하고, 소결시의 압력을 0.06 GPa로 조정한 후에, cBN 분말과 결합상을 구성하는 원료 분말과 단열상을 구성하는 제1 화합물의 원료 분말을 소결함으로써 cBN 소결체를 얻었다. SPS 장치를 이용한 cBN 소결체의 제작방법을 구체적으로 설명하면, cBN 분말과 결합상을 구성하는 원료 분말과 단열상을 구성하는 제1 화합물의 원료 분말을 혼합한 것을 그래파이트제 소결 금형에 충전한 후에, 0.06 GPa로 가압하고, 진공 가열 조건으로 장치 내의 온도를 1450℃로 하며, 30분 이하 동안 방전 플라즈마 소결을 행함으로써 행했다(예를 들어 일본 특허 공개 제2008-121046호 공보의 단락 [0014] 참조).

이와 같이 하여 얻어진 cBN 소결체를 하나의 면에서 절단하고, 그 단면에 대하여 SEM을 이용하여 10000배로 관찰했다. 그 결과, 그 단면의 단면적의 1.3%가 미소결인 것을 확인했다. 이것으로부터, cBN 소결체 중에 1.3 체적%의 미소결의 영역을 포함하는 것이 분명해졌다.

또한, 본 실시예에서 얻어진 cBN 소결체를 X선 회절하면, 일부의 영역에서 육방정이 되어 있는 것이 확인되었다. 이것으로부터, 본 실시예의 입방정 질화붕소 소결체는, 육방정 질화붕소(hBN : Hexagonal Boron Nitride)를 일부 포함하는 것이 분명해졌다. 이와 같이 hBN이 생긴 이유는, 아마 소결시의 소결 압력이 낮은 것에 의해, cBN에서 hBN으로 역변환한 것에 의한 것으로 추정된다.

<실시예 13>

실시예 10의 cBN 소결체 공구에 대하여, 초고압 소결 장치를 이용하는 대신, 핫프레스 장치를 이용함으로써, cBN 소결체 공구를 제작했다. 구체적으로는, 핫프레스 장치 내의 온도를 1450℃로 하고, 소결시의 압력을 0.02 GPa로 조정한 후에, cBN 분말과 결합상을 구성하는 원료 분말과 단열상을 구성하는 제1 화합물의 원료 분말을 소결함으로써 cBN 소결체를 얻었다.

이와 같이 하여 얻어진 cBN 소결체를 하나의 면에서 절단하고, 그 단면에 대하여 TEM을 이용하여 10000배로 관찰 및 분석을 했다. 그 결과, 그 단면의 단면적의 3.5%가 미소결인 것을 확인했다. 이것으로부터, cBN 소결체 중에 3.5 체적%의 미소결의 영역을 포함하는 것이 분명해졌다.

또한, 본 실시예에서 얻어진 cBN 소결체를 X선 회절하면, 실시예 12와 마찬가지로 hBN을 일부 포함하는 것이 확인되었다.

이와 같이 하여 제작된 각 실시예의 cBN 소결체 공구는, 적어도 공구 작용점에 입방정 질화붕소 소결체를 이용한 입방정 질화붕소 소결체 공구로서, 입방정 질화붕소 소결체 중에 포함되는 입방정 질화붕소의 비율을 X 체적%로 하고, 입방정 질화붕소 소결체의 열전도율을 Y(W/mㆍK)로 하면, 이하의 식(Ⅰ)과, 식(Ⅱ) 또는 식(Ⅲ) 중 어느 하나를 만족하는 것이다.

20≤X≤98 … (Ⅰ)

Y≤0.6×X+3 (단, 식 중 20≤X<88) … (Ⅱ)

Y≤5.8×X-455 (단, 식 중 88≤X≤98) … (Ⅲ)

<비교예 1～2>

비교예 1～2의 입방정 질화붕소 소결체 공구는, 실시예 1의 입방정 질화붕소 소결체 공구에 대하여, cBN의 비율 및 결합상의 조성이 표 1과 같이 상이하고, 단열상을 포함하지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 제작했다. 이와 같이 하여 제작된 입방정 질화붕소 소결체에 대하여, 결합상을 구성하는 성분의 평균 입경을 측정한 바, 모두 100 ㎚ 이상이었다.

<비교예 3>

시판되고 있는 cBN 소결체[제품명 : MB8025(미쯔비시마테리알 가부시키가이샤 제조)]를 이용했다.

<비교예 4>

시판되고 있는 cBN 소결체[제품명 : BX480(가부시키가이샤 탄가로이 제조)]를 이용했다.

여기서, 표 1의 「cBN 율」은, cBN 소결체에 포함되는 cBN의 비율(X)을 나타내는 것이지만, 이하와 같이 하여 산출했다. 우선, 각 실시예 및 각 비교예에서 제작된 cBN 소결체를 경면 연마하고(단 연마하는 두께는 50 ㎛ 미만으로 함), 임의의 영역의 cBN 소결체 조직을 전자 현미경으로 10000배로 사진 촬영한 바, 흑색 영역과 회색 영역과 백색 영역이 관찰되었다. 부속 EDX에 의해, 흑색 영역은 cBN 입자, 회색 영역과 백색 영역은 결합상인 것이 확인되었다. 또한, 회색 영역은 Co 화합물, Ti 화합물 및 Al 화합물이며, 백색 영역은 W 화합물인 것도 확인되었다.

다음으로, 상기에서 촬영된 10000배의 사진에 대하여 화상 처리 소프트를 이용하여 2치화 처리를 실시하고, 그 사진에 있어서 cBN 입자가 차지하는 영역(흑색 영역)의 합계 면적을 산출하며, 그 사진 중의 cBN 소결체에서 차지하는 흑색 영역의 비율의 백분율을 체적%로 하여 표 1에 기재했다.

또한, 표 1 중의 「열전도율」은, 레이저플래시법에 의해 측정하여 얻어진 cBN 소결체의 열확산율과, 다른 방법으로 산출된 cBN 소결체의 비열 및 밀도에 기초하여 산출했다.

결합상은, 상기 X선 회절에 의해 화합물을 동정(同定)할 수 있지만, 단열상을 구성하는 제1 화합물, 제2 화합물 및 피복층은 그 함유량이 미량이므로, X선 회절에서는 명료한 강도 피크를 얻을 수 없었다. 이 때문에, cBN 소결체를 경면 연마한 면의 임의의 영역을 전자 현미경으로 50000배로 사진 촬영하고, 부속 EDX에 의해, 각종 원소의 겹침 상태로부터 화합물을 추정했다. 이와 같이 하여 측정한 EDX의 조성 분석의 결과를 표 1의 「단열층」 및 「피복층」의 란에 나타낸다.

이와 같이 하여 얻어진 각 실시예 및 각 비교예의 입방정 질화붕소 소결체를 이용하여, 이하의 공구 형상을 갖는 cBN 소결체 공구를 제작하여, 절삭 시험 1, 2 및 소성 시험 1, 2를 실시했다. 그 결과를 표 2～5에 나타낸다.

<절삭 시험 1>

실시예 1～7 및 비교예 1～4에 관해, 공구형번이 SNMA120430인 cBN 소결체 공구를 제작하여 이하의 조건으로 절삭 시험을 행했다.

피삭재 : Ni기 초내열 합금 인코넬 718의 외경 가공

피삭재 경도 : Hv430

절삭 조건 : 절삭 속도 Vc=150 m/min.

피딩량 f=0.13 ㎜/rev.

절삭 깊이 a_p=0.2 ㎜

쿨런트 에멀젼 20배 희석

표 2의 「공구 수명에 도달하기까지의 절삭 거리」의 란에서, 마모폭이 0.3 ㎜를 넘을 때까지 결손이 생기지 않은 경우에는 cBN 소결체의 마모폭이 0.3 ㎜를 넘은 시점의 절삭 거리(km)를 나타내고, 마모폭이 0.3 ㎜를 넘을 때까지 결손이 생긴 경우에는, 그 시점에서 절삭 시험을 중단하며, 그 시점까지의 절삭 거리(km)를 나타냈다. 절삭 거리의 길이가 긴 것일수록 공구 수명이 긴 것을 나타내고 있다.

또한, 표 2 중의 「손상 형태」에서는, 절삭 시험후의 cBN 소결체의 마모폭이 0.3 ㎜를 넘은 경우에 「정상 마모」로 기재하고, 그 때까지 결손이 생긴 경우에 「경계 결손」으로 기재했다.

표 2에서 분명한 바와 같이, 실시예 1～7의 본 발명에 따른 입방정 질화붕소 소결체 공구는, 비교예 1～4의 입방정 질화붕소 소결체 공구에 비하여, 공구 수명을 길게 한 것이 명확하다.

실시예 1～7의 중에서도 실시예 2의 입방정 질화붕소 소결체 공구는, X가 60 이상 88 미만이고, Y≤0.5×X+1을 만족하기 때문에, 그 입방정 질화붕소 소결체 공구의 수명이 가장 길어졌다고 고려된다.

또한, 비교예의 입방정 질화붕소 소결체 공구는 모두, 20≤X<88일 때에는 Y>0.6×X+3이거나, 또는 88≤X≤98일 때에는 Y>5.8×X-455이다. 이 때문에, cBN 소결체의 고온 경도 때문에, 피삭재를 충분히 연화할 수 없어, 경계 결손이 조기에 생긴 것으로 추정된다.

<절삭 시험 2>

실시예 8～13, 비교예 1 및 3에서, 공구형번이 CNGA120408인 cBN 소결체 공구를 제작하여, 이하의 조건으로 절삭 시험을 행했다.

피삭재 : 0.8C-2.0Cu-잔부 Fe (JPMA 기호 : SMF4040)

피삭재 경도 : 78HRB

절삭 조건 : 절삭 속도 Vc=100 m/min.

피딩량 f=0.08 ㎜/rev.

절삭 깊이 a_p=0.2 ㎜

절삭액 있음

표 3 중의 「공구 수명에 도달하기까지의 절삭 거리」에는, 피삭재의 면조도 Rz가 3.2 ㎛를 넘은 시점에서의 절삭 거리(km)를 나타냈다. 절삭 거리의 길이가 긴 것일수록 공구 수명이 긴 것을 나타내고 있다. 또한, 표 3 중의 「손상 형태」에서, 절삭 시험후의 cBN 소결체의 표면에 육안으로 확인할 수 있을 정도의 칩핑이 발생하고 있는 경우에 「미소 칩핑」으로 기재했다. 그 밖의 손상 형태는 절삭 시험 1과 동일한 기준으로 판단했다.

표 3에서 분명한 바와 같이, 실시예 8～13의 본 발명에 따른 입방정 질화붕소 소결체 공구는, 비교예 1 및 3의 입방정 질화붕소 소결체 공구에 비하여, 공구 수명을 길게 한 것이 분명하다.

비교예 1 및 3의 입방정 질화붕소 소결체 공구의 공구 수명이 줄어든 이유는 아마도, Y≤0.6×X+3을 만족하지 않기 때문에, 가공열이 공구측으로 상대적으로 많이 유입하게 되어, 그 결과 피삭재의 연화를 충분히 촉진할 수 없는 상태에서, 공구 작용점에서의 피삭재의 전단이 원활하게 진행되지 않게 되어, 가공 초기부터 가공면이 뜯기고, 가공면의 면조도가 악화된 것에 의한 것으로 추찰된다.

<소성 시험 1 : 펀치프레스>

실시예 1～3 및 비교예 1～2에서, 공구형상이 φ10인 원통형상의 cBN 소결체 공구를 제작하여, 이하의 조건으로 소성 시험을 행했다.

가공물 : SUS304

가공물의 경도 : Hv170

가공물의 두께 : 2 ㎜

소성 조건 : 펀칭 하중 2.3 GPa

표 4의 「펀칭 횟수」에는, 펀칭 구멍에 버어가 발생한 시점까지 가공물을 펀칭한 횟수를 나타냈다. 펀칭 횟수가 많을수록, 입방정 질화붕소 소결체 공구의 피삭재에 대한 상대 경도가 향상되고, 공구 수명이 길어진다는 것을 나타내고 있다.

표 4에서 분명한 바와 같이, 실시예 1～3의 본 발명에 따른 입방정 질화붕소 소결체 공구는, 비교예 1～2의 입방정 질화붕소 소결체 공구에 비하여, 공구 수명을 길게 한 것이 분명하다. 이것으로부터, 입방정 질화붕소 소결체 공구의 수명이 향상되었다는 것을 확인했다.

<소성 시험 2 : 마찰 압축 접합>

실시예 1～3 및 비교예 1～2에서, 직경 12.7 ㎜의 원기둥의 중앙부에, 나사 높이가 3 ㎜인 M4의 좌나사 형상의 돌기물을 형성한 cBN 소결체 공구의 바닥면에 대하여, 두께 2 ㎜의 지르코니아제의 방진 내열판을 납땜한 특수 공구를 제작하여, 이하의 조건으로 소성 시험을 행했다.

피접합재 : 고장력강을 2장 겹친 것

피접합재의 인장 강도 : 600 MPa

피접합물의 두께 : 1 ㎜

접합 조건 : 회전수 2800 rpm

가압력 11000 N

표 5의 「접합 횟수」에는, cBN 소결체 공구의 나사부가 결손될 때까지, 피접합재를 접합한 횟수를 나타냈다. 접합 횟수가 많을수록 공구 수명이 긴 것을 나타내고 있다.

표 5에서 분명한 바와 같이, 실시예 1～3의 본 발명에 따른 입방정 질화붕소 소결체 공구는, 비교예 1～2의 입방정 질화붕소 소결체 공구에 비하여, 공구 수명을 길게 한 것이 분명하다.

이상과 같이 본 발명의 실시형태 및 실시예에 관해 설명을 했지만, 전술한 실시형태 및 실시예의 구성을 적절하게 조합하는 것도 당초부터 예정된 것이다.

이번에 개시된 실시형태 및 실시예는, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기 설명이 아니라 청구범위에 의해 나타내어지며, 청구범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것으로 의도되어 있다.

Claims

적어도 공구 작용점에 입방정 질화붕소 소결체를 이용한 입방정 질화붕소 소결체 공구로서,
상기 입방정 질화붕소 소결체 중에 포함되는 입방정 질화붕소의 비율을 X 체적%로 하고, 상기 입방정 질화붕소 소결체의 열전도율을 Y(W/mㆍK)로 하면, 이하의 식(Ⅰ)과, 식(Ⅱ) 또는 식(Ⅲ) 중 어느 하나를 만족하는 것인 입방정 질화붕소 소결체 공구.
20≤X≤98 … (Ⅰ)
Y≤0.6×X+3 (단, 식 중 20≤X<88) … (Ⅱ)
Y≤5.8×X-455 (단, 식 중 88≤X≤98) … (Ⅲ)
적어도 공구 작용점에 입방정 질화붕소 소결체를 이용한 입방정 질화붕소 소결체 공구로서,
상기 입방정 질화붕소 소결체 중에 포함되는 입방정 질화붕소의 비율을 X 체적%로 하고, 상기 입방정 질화붕소 소결체의 열전도율을 Y(W/mㆍK)로 하면, 이하의 식(Ⅱ')를 만족하는 것인 입방정 질화붕소 소결체 공구.
Y≤0.5×X+1 (단, 식 중 60≤X<88) … (Ⅱ')
제1항에 있어서, 상기 입방정 질화붕소 소결체는, 상기 입방정 질화붕소에 더하여, 단열상과, 결합상을 함유하고,
상기 단열상은, Al, Si, Ti, Zr, Mo, Ni 및 Cr로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소와, N, C, O 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 제1 화합물을 1종 이상 포함하며,
상기 제1 화합물은, 상기 입방정 질화붕소 소결체 중에 1 질량% 이상 20 질량% 이하 포함되고 100 ㎚ 미만의 평균 입경을 갖는 것인 입방정 질화붕소 소결체 공구.
제3항에 있어서, 상기 제1 화합물은 50 ㎚ 미만의 평균 입경을 갖는 것인 입방정 질화붕소 소결체 공구.
제3항에 있어서, 상기 단열상은, 그 일부로서 미소결의 영역을 0.01 체적% 이상 3 체적% 이하 포함하는 것인 입방정 질화붕소 소결체 공구.
제3항에 있어서, 상기 제1 화합물은, Al, Si, Ti, Zr, Mo, Ni 및 Cr로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소의 질화물, 탄화물 및 탄질화물에 대하여, 산소 및 붕소 중 어느 하나 또는 양자 모두가 0.1 질량% 이상 10 질량% 이하 고용(固溶)된 화합물인 것인 입방정 질화붕소 소결체 공구.
제3항에 있어서, 상기 단열상은, 상기 제1 화합물에 더하여, W 및 Re 중 어느 하나 또는 양자 모두와, N, C, O 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 제2 화합물을 1종 이상 포함하고,
상기 제2 화합물은, 상기 입방정 질화붕소 소결체 중에 0.1 질량% 이상 2 질량% 이하 포함되는 것인 입방정 질화붕소 소결체 공구.
제1항에 있어서, 상기 입방정 질화붕소는, 평균 입경이 1 ㎛ 이하인 입방정 질화붕소 입자로 이루어지는 것인 입방정 질화붕소 소결체 공구.
제1항에 있어서, 상기 입방정 질화붕소 입자는 그 표면이 피복층으로 덮여 있고,
상기 피복층은 그 평균 층두께가 5 ㎚ 이상 50 ㎚ 이하인 것인 입방정 질화붕소 소결체 공구.