KR20130041169A - 입방정계 질화붕소 콤팩트 - Google Patents

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네드레트 칸
스티히 아케 안데르신
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엘리먼트 씩스 (프로덕션) (피티와이) 리미티드
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Abstract

본 발명은 하나보다 많은 평균 입자 크기(바람직하게는 이중 모드)의 입자로 이루어진 CBN 약 45 내지 약 75부피%; 4, 5 또는 6족 전이금속의 질화물, 탄화질화물 또는 탄화물을 함유하는 화합물, 또는 이들의 혼합물 또는 고용체를 포함하는 제 2 경질 상; 및 결합제 상을 포함하는, CBN 콤팩트(compact)의 제조에 사용하기 위한 조성물에 관한 것이다.
[색인어]
입방정계 질화붕소, 이중 모드 CBN, CBN 콤팩트.

Description

입방정계 질화붕소 콤팩트{CUBIC BORON NITRIDE COMPACT}
본 발명은 입방정계 질화붕소 연삭 콤팩트(abrasive compact)의 제조에 사용하기 위한 조성물, 구체적으로는 향상된 내마모성 및 증가된 내칩핑성(chip resistance)을 갖는 콤팩트에 관한 것이다.
질화붕소는 전형적으로 3개의 결정 형태, 즉 입방정계 질화붕소(CBN), 육방정계 질화붕소(hBN) 및 우르자이트(wurtzitic) 입방정계 질화붕소(wBN)로 존재한다. 입방정계 질화붕소는 다이아몬드와 유사한 구조를 갖는 질화붕소의 경질 섬아연광(zinc blende) 형태이다. CBN 구조에서, 원자 사이에 형성되는 결합, 주로 공유 사면체 결합은 강하다. CBN의 제조 방법은 당해 분야에 널리 공지되어 있다. 이 방법중 하나는 알칼리금속, 알칼리토금속, 납, 주석 및 이들 금속의 질화물을 포함할 수 있는 특수한 촉매성 첨가제 물질의 존재하에서 hBN에 매우 높은 압력 및 고온을 가하는 것이다. 온도 및 압력을 낮추면, CBN을 회수할 수 있다.
CBN은 기계가공 공구 등에 상업적으로 널리 사용된다. 이는 연마용 지석, 절삭 공구 등에서 연삭 입자로서 사용될 수 있거나, 또는 통상적인 전기 도금 기법을 이용하여 공구 본체에 결합되어 공구 삽입체(tool insert)를 형성할 수 있다.
CBN은 또한 CBN 콤팩트로서 결합된 형태로 사용될 수도 있다. CBN 콤팩트는 우수한 연삭 마모능을 갖는 경향이 있으며, 열 안정성이고, 높은 열 전도율, 우수한 내충격성을 가지며, 철 함유 금속과 접촉할 때 낮은 마찰 계수를 갖는다.
다이아몬드는 CBN보다 더욱 경질인 유일한 공지 물질이다. 그러나, 다이아몬드는 철 같은 특정 물질과 반응하는 경향이 있기 때문에, 철 함유 금속과 함께 작업하는 경우에는 이를 사용할 수 없고, 따라서 이러한 경우에는 CBN을 사용하는 것이 바람직하다.
CBN 콤팩트는 CBN 입자의 소결된 덩어리를 포함한다. CBN 함량이 콤팩트의 80부피%를 초과하는 경우에는, 상당량의 CBN-대-CBN 접촉 및 결합이 존재한다. CBN 함량이 예컨대 콤팩트의 40 내지 60부피%로 더 낮은 경우에는, 직접적인 CBN-대-CBN 접촉 및 결합의 정도가 더 적다. CBN 콤팩트는 또한 일반적으로 결합제상, 예컨대 알루미늄, 규소, 코발트, 니켈 및 티탄을 함유할 수 있다.
콤팩트의 CBN 함량이 70부피% 미만인 경우에는, 일반적으로 다른 경질 상, 즉 특성상 세라믹일 수 있는 제 2 상이 존재한다. 적합한 세라믹 경질 상의 예는 4, 5 또는 6족 전이금속(새로운 IUPAC 포맷에 따라)의 탄화물, 질화물, 붕화물 및 탄화질화물, 산화알루미늄, 및 탄화텅스텐 같은 탄화물 및 이들의 혼합물이다. 매트릭스는 CBN을 제외한 조성물의 모든 성분을 구성한다.
CBN 콤팩트는 공구 삽입체 또는 공구의 제조시 공구 본체에 직접 결합될 수 있다. 그러나, 많은 용도에 있어서는, 콤팩트를 기재/지지체 물질에 결합시켜 지지된 콤팩트 구조체를 생성시킨 다음, 지지된 콤팩트 구조체를 공구 본체에 결합시키는 것이 바람직하다. 기재/지지체 물질은 전형적으로 코발트, 니켈, 철 또는 이들의 혼합물 또는 합금 같은 결합제와 함께 결합된 초경(cemented) 금속 탄화물이다. 금속 탄화물 입자는 탄화텅스텐, 탄화티탄 또는 탄화탄탈 입자 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
CBN 콤팩트 및 지지된 콤팩트 구조체를 제조하는 공지 방법은 CBN 입자의 소결되지 않은 덩어리에 고온 및 고압 조건, 즉 CBN이 결정학적으로 안정한 조건을 적합한 시간동안 가함을 포함한다. 결합제 상을 사용하여 입자의 결합을 향상시킬 수 있다. 이용되는 전형적인 고온 및 고압(HTHP) 조건은 1100℃ 이상의 온도 및 2GPa 이상의 압력이다. 이러한 조건을 유지하는 시간은 전형적으로 약 3 내지 120분이다.
기재를 갖거나 갖지 않는 소결된 CBN 콤팩트를 흔히 사용될 특정 절삭 또는 천공 공구의 목적하는 크기 및/또는 형상으로 절단한 다음, 경납땜(brazing) 기법을 이용하여 공구 본체에 장착한다.
CBN 콤팩트는 표면 경화(case hardened) 강, 볼-베어링 강 및 관통(through) 경화 엔지니어링 강 같은 경화 강의 마무리 기계가공용 절삭 공구의 제조에 널리 사용된다. 절삭 속도, 공급(feed) 및 절삭 깊이 같은 사용 조건 이외에, CBN 공구의 성능은 일반적으로 가공되는 제품(workpiece)의 기하학적 구조에 따라, 구체적으로는 공구가 장시간동안 가공되는 제품과 항상 맞물리는지의 여부(당해 분야에서는 "연속적인 절삭"으로 알려져 있음) 또는 공구가 가공되는 제품과 간헐적인 방식으로 맞물리는지의 여부(당해 분야에서는 통상 "단속적인 절삭"으로 알려져 있음)에 따라 달라지는 것으로 알려져 있다.
가공되는 제품의 기하학적 구조에 따라, CBN 공구가 공정 싸이클 내에서 연속적인 절삭 및 단속적인 절삭 둘 다를 거치고, 연속적인 절삭 대 단속적인 절삭의 비가 광범위하게 변하는 것이 당해 분야에서는 통상적이다. 이 분야에서의 광범위한 연구 결과, 이들 상이한 절삭 모드로 인해 공구의 절삭 가장자리를 구성하는 CBN 물질에 대한 요구사항이 매우 상이해짐을 발견하였다. 주요 문제점은 공구가 파쇄 또는 칩핑에 의해 파괴되는 경향이 있고(이는 빨라진 절삭 속도를 통해 생산성을 더 높이려는 시장의 요구가 증가됨에 의해 악화됨), 따라서 공구가 한정된 공구 수명을 갖는다는 것이다.
US 6,316,094 호는 단일 평균 입자 크기의 CBN 입자가 결합 상을 통해 결합된 CBN 소결체를 개시한다. 분말 조성물을 소결시켜 소결체를 생성시킨다. 초음파 혼합 및 마멸 밀링 같은 다양한 혼합 방법을 이용하여 분말 조성물을 제조한다. 마멸 밀링은 가장 불량한 혼합 방법인 것으로 보인다.
US 4,334,928 호에는 CBN 입자 및 다양한 티탄 함유 화합물을 포함하는 질화붕소 소결 콤팩트가 개시되어 있다. 티탄 함유 화합물을 전형적으로 미리 반응시켜 소결된 콤팩트로 제조한 다음 이를 압착시킨다. CBN 콤팩트는 단일 평균 입자 크기를 갖는 CBN을 추가로 함유한다. 소결 공정에 비교적 낮은 온도를 사용하여 CBN 콤팩트를 생성시킨다.
본 발명은 입방정계 질화붕소 연삭 콤팩트(abrasive compact)의 제조에 사용하기 위한 조성물, 구체적으로는 향상된 내마모성 및 증가된 내칩핑성(chip resistance)을 갖는 콤팩트를 제공하고자 한다.
발명의 개요
본 발명의 제 1 양태에 따라, 하나보다 많은 평균 입자 크기의 입자로 이루어진 CBN 약 45 내지 약 75부피%, 전형적으로는 45 내지 70부피%; 4, 5 또는 6족 전이금속의 질화물, 탄화질화물 또는 탄화물을 함유하는 화합물 또는 이들의 고용체 또는 혼합물을 포함하는 제 2 경질 상; 및 결합제 상을 포함하되, 전형적으로 결합제 상이 제 2 경질 상의 약 5 내지 30중량%의 양으로 존재하는, CBN 콤팩트 제조용 조성물이 제공된다.
조성물에 존재하는 CBN의 부피는 바람직하게는 50 내지 65%이다. CBN의 평균 입자 크기는 통상 10㎛ 미만, 바람직하게는 5㎛ 미만이다.
CBN은 바람직하게는 이중 모드이다. 즉 이는 2가지 평균 크기를 갖는 입자로 구성된다. 더 미세한 입자의 평균 입자 크기의 범위는 통상 약 0.1 내지 약 2㎛이고, 보다 거친 입자의 평균 입자 크기의 범위는 통상 약 0.3 내지 약 5㎛이다. 보다 거친 CBN 입자 대 더 미세한 입자의 함량비는 전형적으로 50:50 내지 90:10이다.
본 발명의 조성물은 CBN, 제 2 경질 상 및 결합제 상을 함유하고, 또한 산화물 상을 비롯한 다른 우연한 불순물을 미량으로 함유할 수도 있다. 특히 탄화텅스텐 볼을 사용하여 조성물을 밀링시키는 경우, 입자 성장 억제제로서 작용하는 탄화텅스텐이 존재할 수도 있다. 존재하는 경우 탄화텅스텐은 전형적으로 3부피%를 초과하지 않는다.
질화물, 탄화질화물 또는 탄화물의 금속은 4, 5 또는 6족 전이금속, 바람직하게는 티탄이다.
결합제 상은 바람직하게는 알루미늄 및 임의적으로 규소, 철, 니켈, 코발트, 티탄, 텅스텐, 니오브 및 몰리브덴으로부터 선택되는 하나 이상의 다른 원소(이들은 알루미늄과 합금되거나 혼련되거나 또는 고용체를 형성할 수 있음)로 이루어진다. 그러나, 다른 결합제 상을 사용할 수도 있다.
제 2 경질 상은 화학량론적 양보다 적을 수 있다. 이 경우에는, 이를 결합제 상, 예컨대 알루미늄과 미리 반응시킬 수 있다. 이에 의해, 화학량론적 양의 제 2 경질 상과 전이금속 알루미나이드의 반응 생성물 및 임의의 미반응 결합제 상이 생성된다.
상기 기재된 조성물은 마멸 밀링, 특히 2단계 마멸 밀링(제 2 경질 상 입자 및 결합제 상을 파괴시키기 위한 제 1 단계 밀링 및 이어 CBN과 다른 매트릭스 물질을 균질하게 혼합시키기 위한 제 2 단계 마멸 밀링) 같은 최적화된 분말 가공을 포함하는 방법에 의해 바람직하게 제조된다. 그 후, 조성물을 열처리하여 조성물중 오염물질을 최소화시킬 수 있다.
본 발명의 제 2 양태에 따라, CBN 콤팩트를 제조하는 방법은 CBN 콤팩트를 생성시키기에 적합한 승온 및 승압 조건을 상기 조성물에 가함을 포함한다. 이러한 조건은 CBN이 결정학적으로 안정한 조건이며 당해 분야에 공지되어 있다.
승온 및 승압 조건을 가하기 전에 조성물을 기재 표면 상에 위치시킬 수 있다. 기재는 일반적으로 초경 금속 탄화물 기재이다.
본 발명의 다른 양태에 따라, CBN 및 매트릭스 상을 포함하는 CBN 콤팩트가 제공되는데, 이 때 CBN 입자 크기 부피 빈도 분포는 1마이크론 이상의 d90-d10으로 표현되는 분포 폭을 가지며, d90 최대값은 5마이크론 이하, 바람직하게는 3.5마이크론 이하, 더욱 바람직하게는 2.5마이크론 이하이다.
매트릭스 상은 제 2 경질 상, 결합제 상 및 CBN 사이의 임의의 반응 생성물과 함께, 상기 기재된 바와 같이 제 2 경질 상 및 결합제 상을 바람직하게 함유한다.
결합제 상은 전형적으로 매트릭스중 제 2 경질 상의 약 5 내지 30중량%의 양으로 존재한다.
바람직한 구체예의 상세한 설명
본 발명은 CBN 연삭 콤팩트의 제조에 관한 것이다. CBN 콤팩트를 생성시키는데 사용되는 조성물 또는 출발물질은 하나보다 많은 평균 입자 크기의 입자로 이루어진 CBN; 질화물, 탄화질화물 또는 탄화물, 또는 이들의 혼합물 또는 고용체를 비롯한 4, 5 또는 6족 화합물을 포함하는 제 2 경질 상; 및 결합제 상을 포함한다. 제 2 경질 상은 전형적으로 질화물, 탄화질화물 또는 탄화물, 또는 이들의 혼합물 또는 고용체를 비롯한 4, 5 또는 6족 화합물로 구성된다. 조성물은 산화알루미늄 또는 탄화텅스텐 및 다른 우연한 불순물(예컨대, Nb, Ta 또는 Mo) 같은 다른 미량 성분을 함유할 수 있다. 특히 탄화텅스텐 볼을 사용하여 조성물을 밀링하는 경우, 입자 성장 억제제로서 작용하는 탄화텅스텐이 존재할 수 있다. 존재하는 경우 탄화텅스텐은 전형적으로 3부피%를 초과하지 않는다.
CBN은 다중 모드의 입자, 즉 평균 입자 크기가 서로 상이한 둘 이상의 유형의 CBN 입자를 함유한다. "평균 입자 크기"는, 제한된 수의 입자는 명시된 크기와 먼 크기를 갖지만 대다수의 입자가 명시된 크기에 근접한 크기를 가짐을 의미한다. 입자 분포의 피크가 명시된 크기를 갖는다. 그러므로, 예를 들어 평균 입자 크기가 2㎛이면, 정의에 의해, 2㎛보다 큰 입자가 약간 존재하지만, 대다수의 입자는 크기가 약 2㎛이고, 입자 분포의 피크는 2㎛ 부근이다.
다중 모드, 바람직하게는 이중 모드의 CBN을 조성물에 사용하면, 매트릭스가 미세하게 분할되어 예비-소결된 조성물에 존재하는 임계 크기의 결함 가능성을 감소시키는 것을 보증한다. 이는 이 조성물로부터 생성되는 콤팩트의 인성 및 강도 둘 다에 유리하다. 예비-가공 동안 기계적 수단을 통해, 구체적으로는 제 2 경질 상, 알루미늄, 임의의 다른 결합제 금속 및 우연한 불순물의 마멸 밀링에 의해, 작은 입자 크기, 전형적으로는 0.5㎛의 매트릭스 물질을 수득한다.
일반적으로 미분화 및 분산 수단으로서의 밀링은 당해 분야에 널리 공지되어 있다. 세라믹 분말을 연마하는데 통상적으로 사용되는 밀링 기법은 통상적인 볼 밀, 및 텀블링 볼 밀, 유성(planetary) 볼 밀 및 마멸 볼 밀, 및 진탕식 또는 교반식 볼 밀을 포함한다.
통상적인 볼 밀링시에는, 밀링 매체의 크기 및 밀도, 밀링 포트의 직경 및 회전 속도에 의해 에너지 투입량을 결정한다. 이 방법에서는 볼이 굴러다녀야 하기 때문에, 회전 속도, 따라서 에너지가 제한된다. 통상적인 볼 밀링은 입자 강도가 낮거나 중간 정도인 분말의 밀링에 매우 적합하다. 전형적으로는, 분말을 약 1마이크론 이상의 최종 크기로 밀링시켜야 하는 경우에 통상적인 볼 밀링을 이용한다.
유성 볼 밀링에서는, 밀링 포트의 유성 운동으로 인해 중력 가속의 20배까지의 가속이 허용되며, 이는 조밀한 매체가 사용되는 경우 통상적인 볼 밀링에 비해 밀링에 상당히 더 많은 에너지를 허용한다. 이 기법은 적정한 강도의 입자를 약 1마이크론의 최종 입자 크기로 미분화시키는데 매우 적합하다.
마멸 밀은 수직 또는 수평 형태로 고속으로 회전하는 진탕기가 내장된 연마 챔버로 이루어진다. 사용되는 밀링 매체는 전형적으로 크기가 0.2 내지 15mm이고, 미분화가 주목적인 경우에 밀링 매체는 전형적으로 고밀도를 갖는 초경 탄화물이다. 직경이 작은 고밀도 밀링 매체와 함께 진탕기의 높은 회전 속도로 인해, 매우 높은 에너지가 제공된다. 뿐만 아니라, 마멸 밀링의 높은 에너지는 슬러리의 고전단을 야기하여 분말을 매우 성공적으로 동시-분산 또는 블렌딩시킨다. 마멸 밀링은 언급된 다른 방법보다 더욱 미세한 입자 및 더욱 우수한 균질성을 달성한다.
더 미세한 제 2 경질 상 및 결합제 상 입자는 높은 비표면적, 따라서 반응성을 가져서, CBN과 제 2 경질 상 입자 사이의 매우 우수한 소결을 야기한다. 마찬가지로, 제 2 경질 상 입자의 작은 크기로 인해 이들은 높은 비표면적, 따라서 제 2 경질상 입자 사이의 우수한 결합을 또한 나타낸다. 이 높은 비표면적 효과는 필요한 인성(toughness)을 희생시키지 않으면서 최종 구조체에 높은 강도를 부여한다.
전형적인 이중 모드 분포에서 매우 미세한 CBN 입자는 명백히 상기 기재된 바와 같은 승온 및 승압 조건에서의 소결 동안 입자 경계를 제한함으로써 매트릭스 물질의 입자 성장을 억제하는 추가의 이점을 제공한다.
진공로에서의 수시간에 걸친 열처리와 함께, 예비-소결된 조성물에서 필요한 입자 크기를 달성하기 위한 마멸 밀링, 특히 2단계 마멸 밀링을 이용하면, 예비-소결된 콤팩트에서 오염물질을 상당히 감소시키게 된다.
CBN 콤팩트를 생성시키는데 필요한 전형적인 승온 및 승압 조건은 당해 분야에 널리 공지되어 있다. 이들 조건은 약 2 내지 약 6GPa의 압력 및 약 1100 내지 약 2000℃의 온도이다. 본 발명에 바람직한 것으로 밝혀진 조건은 약 4 내지 약 6GPa 및 약 1200 내지 약 1600℃에 속한다.
다중 모드 CBN의 사용은 탁월한 인성 및 높은 강도를 갖는 CBN 콤팩트를 생성시키는 것으로 밝혀졌다. 이 콤팩트는 본 발명의 다른 양태를 구성하고, d90-d10으로서 표현되는 분포 폭이 1마이크론 이상이고, d90 최대값은 5마이크론 이하, 바람직하게는 3.5마이크론 이하, 더욱 바람직하게는 2.5마이크론 이하인 CBN 입자 크기 부피 빈도 분포를 갖는다.
CBN 콤팩트는 또한 4, 5 또는 6족 전이금속의 질화물, 탄화질화물 또는 탄화물을 함유하는 화합물, 또는 이들의 고용체 또는 혼합물(예컨대, 탄화질화티탄)을 포함하는 제 2 경질 상을 함유할 수 있는 매트릭스 상도 갖는다. 매트릭스는 알루미늄 및 임의적으로 규소, 철, 니켈, 코발트, 티탄, 텅스텐, 니오브 및 몰리브덴으로부터 선택되는 하나 이상의 다른 원소(이는 알루미늄과 합금되거나, 혼련되거나 또는 고용체를 구성함)로 구성되는 결합제 상을 추가로 포함할 수 있다. 결합제 상은 전형적으로 매트릭스중 제 2 경질 상의 약 5 내지 30중량%의 양으로 존재한다. 콤팩트의 제조 동안, 다양한 성분, 즉 CBN, 제 2 경질 상 및 결합제 상 사이에서 약간의 반응이 이루어진다. 매트릭스는 또한 이들 반응 생성물도 일부 함유한다.
d10은 측정된 입자의 10%(부피 기준)가 갖는 입자 크기를 나타낸다. 유사하게, d90은 측정된 입자의 90%(부피 기준)가 갖는 입자 크기를 나타낸다. 따라서, 폭은 분석된 입자 크기의 80부피%가 갖는 입자 크기 범위, 즉 d90 값과 d10 값의 차이(즉, d90-d10)로서 정의된다. d10 값보다 더 미세하고 d90 값보다 더 거친 CBN 입자는 분포에서 비전형적일 수 있다(즉, 외부값일 수 있다). 따라서, 분포 폭은 소정 CBN 콤팩트의 d10 값과 d90 값 사이에 속하는 입자 크기 범위로서 선택된다.
d10, d90 및 d90-d10 값을 수득하기 위하여, 와이어 EDM을 사용하여 샘플 조각을 절단해내고 연마한다. 주사 전자 현미경을 사용하여 CBN 콤팩트의 연마된 표면을 분석한다. 평가된 평균 CBN 입자 크기에 따라, 적합한 배율, 즉 3000배, 5000배 및 7000배 배율에서 역-산란(back-scatter) 전자 이미지를 선택한다. 평균 입자 크기가 1마이크론 미만이면, 7000배 배율을 이용하고; 평균 입자 크기가 1마이크론보다 크고 2마이크론 미만이면, 5000배 배율을 이용한다. 평균 입자 크기가 2마이크론보다 크고 3마이크론 미만인 경우에는, 3000배 배율을 이용한다. 통계적으로 샘플을 대표하기 위하여 30개 이상의 이미지를 분석에 사용한다.
수집된 그레이 스케일(grey scale) 이미지를 단계적으로 분석한다. 먼저, 그레이 스케일 이미지를 전자 처리하여 미소구조체중 CBN 입자를 확인한다. 이어, 확인된 CBN 입자를 분리하고, 마지막으로 개별 입자 면적을 측정하고 상응하는 원 직경(ECD)으로 전환시킨다. 전형적으로는, 소정 물질에 대하여 10000회의 CBN 입자 크기 측정을 수행한다.
상응하는 원 직경 측정 데이터를 상응하는 구 부피로 추가로 전환시킨다. 데이터의 통상적인 통계적 처리를 이용하여 % 누적 부피 분포 곡선(0.1마이크론의 크기 증가분)을 수득한다. 누적 부피 분포 곡선의 y-축 상의 10부피% 및 90부피%로부터 직선을 그리고, x-축으로부터 상응하는 입자 크기를 읽음으로써, d10 값 및 d90 값에 상응하는 입자 크기를 수득한다.
본 발명의 조성물로부터 제조되고 상기 기재된 바와 같은 콤팩트는 특히 표면 경화 강 및 볼-베어링 강 같은 경화 강의 연속식 및 가벼운 정도의 단속식, 및 중간 내지 심한 정도의 단속식 기계가공에 사용된다.
본 발명은 입방정계 질화붕소 연삭 콤팩트(abrasive compact)의 제조에 사용하기 위한 조성물, 구체적으로는 향상된 내마모성 및 증가된 내칩핑성(chip resistance)을 갖는 콤팩트를 제공한다.
이제, 하기 비한정적인 실시예를 참조하여 본 발명을 예시하여 기술한다.
실시예 1:
관형 혼합기를 사용하여, 평균 입자 크기 1.4마이크론의 탄화질화티탄 분말(Ti(C0 .3N0 .7)0.8) 화학량론적 양 미만의 양을 평균 입자 크기 5마이크론의 Al 분말과 혼합하였다. Ti(C0 .3N0 .7)0.8과 Al 사이의 질량비는 90:10이었다. 분말 혼합물을 티탄 컵 내로 가압하여 미가공(green) 콤팩트를 생성시키고, 진공하에 30분동안 1025℃로 가열한 다음 압착 및 분말화시켰다. 분말 혼합물을 4시간동안 마멸 밀링시켰다. 평균 입자 크기 0.7마이크론의 CBN 약 30중량% 및 평균 입자 크기 2마이크론의 나머지 CBN을 함유하는 CBN 분말 혼합물을 특정량으로 슬러리에 첨가하여, 총 60부피%의 CBN을 수득하였다. CBN을 함유하는 슬러리를, 마멸 밀링을 이용하여 1시간동안 밀링 및 혼합시켰다. 슬러리를 진공하에 건조시키고 미가공 콤팩트로 제조한 다음, 55kbar(5.5GPa) 및 약 1300℃에서 소결시켜 CBN 콤팩트를 생성시켰다.
비교예 1:
물질 1A:
관형 혼합기를 사용하여, 평균 입자 크기 1.4마이크론의 탄화질화티탄 분말(Ti(C0 .3N0 .7)0.8) 화학량론적 양 미만의 양을 평균 입자 크기 5마이크론의 Al 분말과 혼합하였다. Ti(C0 .3N0 .7)0.8과 Al 사이의 질량비는 90:10이었다. 분말 혼합물을 티탄 컵 내로 가압하여 미가공 콤팩트를 생성시키고, 진공하에 30분동안 1025℃로 가열한 다음 압착 및 분말화시켰다. 분말 혼합물을 4시간동안 마멸 밀링시키고, 평균 입자 크기 0.7마이크론의 CBN을 첨가한 다음, 헥세인 중에서 1시간동안 마멸 밀링시켰다. 혼합물중 계산된 CBN의 총 부피%가 약 60%가 되도록 하는 양의 CBN을 첨가하였다. 슬러리를 진공하에 건조시키고 미가공 콤팩트로 제조한 다음, 55kbar(5.5GPa) 및 약 1300℃에서 소결시켜 CBN 콤팩트를 생성시켰다.
이 콤팩트 및 실시예 1에서 제조된 콤팩트(이후, 물질 1B라고 함)를 기계가공 시험에서 분석하고 비교하였다.
와이어 EDM을 사용하여 각 물질로부터 샘플 조각을 절단해내고 연마하였다. 주사 전자 현미경을 사용하여 CBN 콤팩트의 연마된 표면을 분석하였다. 각각 물질 1B 및 물질 1A의 5000배 및 7000배 배율에서의 역-산란 전자 이미지를 수득하고, 앞서 기재된 바와 같은 이미지 분석법을 이용하여 30개 이상의 이미지를 분석하였다. 결과는 표 1에 요약되어 있다. 물질 1B는 물질 1A보다 상당히 더 넓은 CBN 입자 크기 범위(1.388마이크론의 분포 폭을 가짐)를 가졌다.
Figure pat00001
와이어 EDM을 사용하여 소결된 콤팩트를 둘 다 절단하고 연마하여 절삭 삽입체를 제조하였다. 150m/분의 절삭 속도, 0.1mm/회전의 피드 속도 및 0.2mm의 절삭 깊이를 이용하여 60HRC의 SAE 8620 표면 경화 강을 연속식으로 기계가공하였다.
절삭 가장자리가 가장자리 파쇄 또는 가장자리 칩핑에 의해 파괴될 때까지 절삭 시험을 계속하고, 절삭 공구 성능의 지표로서 총 절삭 거리를 측정하였다. 시험된 공구중 그 어느 것도 과도한 측부 마모의 결과로서 파괴되지 않았다.
150m/분의 절삭 속도에서 상기 기재된 바와 같은 기계가공 시험을 이용하여, 물질 1A 및 물질 1B 절삭 성능을 평가하였다. 물질 1A의 성능은 절삭 거리로서 평균 4872m인 반면, 물질 1B는 놀랍게도 평균 6615m의 절삭 거리를 가졌다. 물질 1B를 사용하여 달성된 개선율은 물질 1A 대비 약 36%에 상응한다. 따라서, 물질 1B는 절삭 공구의 내칩핑성 또는 내파쇄성을 개선시킴으로써 경화 강의 연속식 절삭에서 공구 수명을 상당히 개선시켰다.
ISO 규격 기하학적 형태인 SNMN090308 S0220에 따라, 물질 1A 및 물질 1B로부터 제조된 절삭 공구 삽입체를 사용하여 제 2 기계가공 시험을 수행하였다. 가공되는 제품은, 외경 40mm 및 내경 18.3mm의 관 형태의 SAE 100Cr6의 볼 베어링 강으로서 선택하였다. 가공되는 제품의 '시험' 구역은 길이가 50mm였다. 관의 한 표면상에서 반경방향 라인(radial line)에 평행하게 2개의 사각형 홈(10mm×15mm 단면)을 연마하였다.
150m/분의 절삭 속도, 0.2mm의 절삭 깊이 및 0.1mm의 공급 속도에서 기계가공 시험을 수행하였다. 관재의 단면을 대향시킴으로써 가공되는 제품의 심각한 단속식 절삭을 수행하였다. "횟수(pass)"는 외경으로부터 내경까지의 관 단면의 기계가공으로서 정의되고, 절삭의 심각한 단속식 특성으로 인한 공구 가장자리가 파쇄되기 전의 횟수를 계수함으로써 공구의 성능을 측정하였다. 공구 가장자리 파괴를 확인하기 위하여 절삭력을 모니터링하였다.
물질 1A의 평균 성능은 76회인데 반해, 물질 1B는 약 25% 더 많은 횟수를 수행하여 평균 공구 수명은 101회였다.
실시예 2:
관형 혼합기를 사용하여, 평균 입자 크기 1.4마이크론의 탄화질화티탄 분말(Ti(C0 .5N0 .5)0.8) 화학량론적 양 미만의 양을 평균 입자 크기 5마이크론의 Al 분말과 혼합하였다. Ti(C0 .5N0 .5)0.8과 Al 사이의 질량비는 90:10이었다. 분말 혼합물을 티탄 컵 내로 가압하여 미가공 콤팩트를 생성시키고, 진공하에 30분동안 1025℃로 가열한 다음 압착 및 분말화시켰다. 분말 혼합물을 4시간동안 마멸 밀링시켰다.
평균 입자 크기 0.7마이크론의 CBN 약 30중량% 및 평균 입자 크기 1.4마이크론의 나머지 CBN을 함유하는 CBN 분말 혼합물을 슬러리에 첨가하여, 총 55부피%의 CBN을 수득하였다. CBN을 함유하는 슬러리를, 마멸 밀링을 이용하여 1시간동안 밀링 및 혼합시켰다. 슬러리를 진공하에 건조시키고 미가공 콤팩트로 제조한 다음, 55kbar(5.5GPa) 및 약 1300℃에서 소결시켜 CBN 콤팩트를 생성시켰다.
비교예 2:
물질 2A:
관형 혼합기를 사용하여, 평균 입자 크기 1.4마이크론의 탄화질화티탄 분말(Ti(C0 .5N0 .5)0.8) 화학량론적 양 미만의 양을 평균 입자 크기 5마이크론의 Al 분말과 혼합하였다. Ti(C0 .5N0 .5)0.8과 Al 사이의 질량비는 90:10이었다. 분말 혼합물을 티탄 컵 내로 가압하여 미가공 콤팩트를 생성시키고, 진공하에 30분동안 1025℃로 가열한 다음 압착 및 분말화시켰다. 분말 혼합물을 4시간동안 마멸 밀링시키고, 평균 입자 크기 0.7마이크론의 CBN을 첨가한 다음, 헥세인 중에서 1시간동안 마멸 밀링시켰다. 혼합물중 CBN의 총 부피%가 약 55%가 되도록 하는 양의 CBN을 첨가하였다. 슬러리를 진공하에 건조시키고 미가공 콤팩트로 제조한 다음, 55kbar(5.5GPa) 및 약 1300℃에서 소결시켜 CBN 콤팩트를 생성시켰다.
이 콤팩트 및 실시예 2에서 제조된 콤팩트(이후, 물질 2B라고 함)를 기계가공 시험에서 분석하고 비교하였다.
비교예 1에 기재된 바와 같은 이미지 분석법을 이용하여, 각 물질로부터의 샘플 조각을 분석하였다. 결과는 표 2에 요약되어 있다. 물질 2B는 물질 2A보다 상당히 더 넓은 CBN 입자 크기 범위(1.254마이크론의 분포 폭을 가짐)를 가졌다.
Figure pat00002
와이어 EDM을 사용하여 소결된 콤팩트를 둘 다 절단하고 연마하여, 200마이크론의 목귀(chamfer) 폭, 20°의 각도 및 15 내지 20마이크론의 헤지(hedge) 연마석을 갖는 SNMN090308로서의 표준 ISO 삽입체 기하학적 구조를 갖는 절삭 삽입체를 제조하였다.
150m/분의 절삭 속도, 0.15mm/회전의 공급 속도 및 0.2mm의 절삭 깊이를 이용하여 52HRC의 SAE 4340 경화 강을 기계가공하였다. 가공되는 물질은 외경 110mm 및 내경 55mm의 원통형이었다. 이는 또한 외경과 내경 사이의 각각의 거리에 직경 10mm의 구멍 6개를 동일한 구멍들간 거리로 함유하였다. 기계가공 작업은 가공되는 제품의 직경을 가로질러 절삭 속도를 일정하게 유지하는 페이싱(facing) 선삭 작업이었다. 기계가공 작업은, 절삭 공구 가장자리가 가공되는 제품의 구멍 및 연속적인 부분을 통과하는, 연속식 절삭과 단속식 절삭이 교대되는 절삭이었다.
절삭 가장자리가 가장자리 파쇄 또는 가장자리 칩핑에 의해 파괴될 때까지 절삭 시험을 계속하고, 절삭 공구 성능의 지표로서 페이싱 절삭 수(페이싱 절삭 1회는 가공되는 제품의 외경으로부터 내경까지의 전체 거리 절삭임)를 계수하였다. 시험된 공구중 그 어느 것도 과도한 측부 마모의 결과로서 파괴되지 않았다.
150m/분의 절삭 속도에서 상기 기재된 바와 같은 기계가공 시험을 이용하여, 물질 2A 및 물질 2B의 절삭 성능을 평가하였다. 물질 2A의 성능은 19회 페이싱 절삭인 반면, 물질 2B는 놀랍게도 평균 28회의 페이싱 절삭동안 지속되었다. 물질 2B를 사용하여 달성된 개선은 물질 2A에 비해 공구 성능 면에서 약 50%의 개선에 상응한다. 이중 모드의 CBN 입자 크기를 갖는 물질 2B는 절삭 공구의 내칩핑성 또는 내파쇄성을 개선시킴으로써 심각한 단속식 절삭 및 연속식 절삭을 포함하는 절삭 작업에서 공구 수명을 상당히 개선시켰다.
실시예 3:
관형 혼합기를 사용하여, 평균 입자 크기 1.4마이크론의 질화티탄(TiN0 .7) 화학량론적 양 미만의 양을 평균 입자 크기 5마이크론의 Al 분말과 혼합하였다. TiN0.7과 Al 사이의 질량비는 90:10이었다. 분말 혼합물을 티탄 컵 내로 가압하여 미가공 콤팩트를 생성시키고, 진공하에 30분동안 1025℃로 가열한 다음 압착 및 분말화시켰다.
분말 혼합물을 4시간동안 마멸 밀링시켰다. 평균 입자 크기 0.7마이크론의 CBN 약 30중량% 및 평균 입자 크기 2마이크론의 나머지 CBN을 함유하는 CBN 분말 혼합물을 특정 양으로 슬러리에 첨가하여, 총 60부피%의 CBN을 수득하였다. CBN이 첨가된 혼합물을 헥세인 중에서 1시간동안 마멸 밀링시켰다. 슬러리를 진공하에 건조시키고 미가공 콤팩트로 제조한 다음, 55kbar(5.5GPa) 및 약 1300℃에서 소결시켜 CBN 콤팩트를 생성시켰다.
비교예 3:
물질 3A:
관형 혼합기를 사용하여, 평균 입자 크기 1.4마이크론의 질화티탄(TiN0 .7) 화학량론적 양 미만의 양을 평균 입자 크기 5마이크론의 Al 분말과 혼합하였다. TiN0.7과 Al 사이의 질량비는 90:10이었다. 분말 혼합물을 티탄 컵 내로 가압하여 미가공 콤팩트를 생성시키고, 진공하에 30분동안 1025℃로 가열한 다음 압착 및 분말화시켰다. 분말 혼합물을 4시간동안 마멸 밀링시키고, 평균 입자 크기 0.7마이크론의 CBN을 첨가한 다음, 헥세인 중에서 1시간동안 마멸 밀링시켰다. 혼합물중 계산된 CBN의 총 부피%가 약 60%가 되도록 하는 양의 CBN을 첨가하였다. 슬러리를 진공하에 건조시키고 미가공 콤팩트로 제조한 다음, 55kbar(5.5GPa) 및 약 1300℃에서 소결시켜 CBN 콤팩트를 생성시켰다.
이 콤팩트 및 실시예 3에서 제조된 콤팩트(이후, 물질 3B라고 함)를 기계가공 시험에서 분석하고 비교하였다.
이전 실시예에 기재된 바와 같은 이미지 분석법을 이용하여, 각 물질로부터의 샘플 조각을 분석하였다. 결과는 표 3에 요약되어 있다. 물질 3B는 물질 3A보다 상당히 더 넓은 CBN 입자 크기 범위(1.444마이크론의 분포 폭을 가짐)를 가졌다.
Figure pat00003
와이어 EDM을 사용하여 소결된 콤팩트를 둘 다 절단하고 연마하여, 200마이크론의 목귀 폭, 20°의 각도 및 15 내지 20마이크론의 헤지 연마석을 갖는 SNMN090308과 같은 표준 ISO 삽입체 기하학적 구조를 갖는 절삭 삽입체를 제조하였다.
고Cr 강 물질의 분말 금속학 합금을 연속식 절삭 실험에 사용하였다. 가공되는 물질(K190)은 연질 페라이트 매트릭스중에 약 30부피%의 연삭 탄화물 상을 함유한다. 따라서, 이 물질은 매우 연삭성이고, 상당량의 측부 마모를 야기한다.
150m/분의 절삭 속도, 0.15mm/회전의 공급 속도 및 0.2mm의 절삭 깊이를 이용하여 시험 바(bar)를 기계가공하였다. 가공되는 물질은 길이 80mm의 둥근 바의 연속식 절삭을 포함하는, 길이 80mm의 둥근 시험 바 기계가공 시험 구획으로 분할된다. 절삭 가장자리가 약 300마이크론의 최대 측부 마모(Vb max)에 도달할 때까지 절삭 시험을 계속하였다. 총 절삭 거리를 측정하고 300마이크론 최대 측부 마모에 상응하도록 정규화시켰다. 과도한 측부 마모에 의해 모든 공구가 파괴되었다.
150m/분의 절삭 속도에서 상기 기재된 바와 같은 기계가공 시험을 이용하여, 물질 3A 및 물질 3B의 절삭 성능을 평가하였다. 물질 3A의 성능은 절삭 거리 992mm인 반면, 물질 3B는 절삭 거리 1473mm를 수행하였다. 물질 3B를 사용하여 달성된 개선은 물질 3A에 비해 공구 성능 면에서 약 48%의 개선에 상응한다. 따라서, 이중 모드의 CBN 입자 크기를 갖는 물질 3B는 물질의 내연삭마모성을 개선시킴으로써, 심각한 연삭 마모를 포함하는 절삭 작업에서 공구 수명을 상당히 개선시켰다.

Claims (6)

  1. 입방정계 질화붕소(CBN) 및 매트릭스 상을 포함하되, CBN 입자 크기 부피 빈도 분포가 1 마이크론 이상의 d90-d10으로서 표현되는 분포 폭을 갖고, d90 최대값이 5 마이크론 이하인 CBN 콤팩트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 d90 최대값이 3.5 마이크론 이하인, CBN 콤팩트.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 d90 최대값이 2.5 마이크론 이하인, CBN 콤팩트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 매트릭스 상이, 4, 5 또는 6족 전이금속의 질화물, 탄화질화물 또는 탄화물을 함유하는 화합물 또는 이들의 혼합물 또는 고용체를 포함하는 제 2 경질 상을 함유하는, CBN 콤팩트.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 4, 5 또는 6족 전이금속이 티탄인, CBN 콤팩트.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 매트릭스 상이, 알루미늄, 및 임의적으로 알루미늄과 합금되거나 혼련되거나 또는 고용체를 형성하는, 규소, 철, 니켈, 코발트, 티탄, 텅스텐, 니오브 및 몰리브덴으로부터 선택되는 하나 이상의 다른 원소로 구성되는 결합제 상을 추가로 포함하는, CBN 콤팩트.
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