KR20130099962A - 자가-소결된 다결정성 입방정 질화붕소(pcbn) 절삭 요소 및 상기 자가-소결된 pcbn 절삭 요소의 형성 방법 - Google Patents

자가-소결된 다결정성 입방정 질화붕소(pcbn) 절삭 요소 및 상기 자가-소결된 pcbn 절삭 요소의 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 높은 cBN 함량을 갖고 방전 기계가공(EDM)에 의해 절삭가능한 입방정 질화붕소(cBN) 절삭 요소에 관한 것이다. 실시양태에 따른 절삭 요소는, 입방정 질화붕소 입자의 제 1 상 및 티탄 화합물을 포함하는 세라믹 결합제 상을 포함하는, 자가-소결된 다결정성 입방정 질화붕소(PCBN) 콤팩트를 포함한다. 제 1 상은 자가-소결된 PCBN 콤팩트의 80체적% 초과를 차지한다. 자가-소결된 PCBN 콤팩트는, 방전 기계가공에 의해 절삭가능하기에 충분한 전기전도성을 갖는다.

Description

자가-소결된 다결정성 입방정 질화붕소(PCBN) 절삭 요소 및 상기 자가-소결된 PCBN 절삭 요소의 형성 방법{A SELF-SINTERED POLYCRYSTALLINE CUBIC BORON NITRIDE (PCBN) CUTTING ELEMENT AND A METHOD OF FORMING THE SELF-SINTERED PCBN CUTTING ELEMENT}
본 발명은, 높은 cBN 함량을 갖고 방전 기계가공(EDM)에 의해 절삭가능한, 입방정 질화붕소(cBN) 절삭 요소에 관한 것이다.
입방정 질화붕소(cBN)로 제조된 소결 콤팩트는 절삭 도구에 사용되고 이들의 우수한 내마모성에 대해 공지되어 있다. 이러한 콤팩트를 형성하기 위해서, cBN 입자들은 고압 고온에서 소결되어(HPHT 소결), 다결정성 입방정 질화붕소(PCBN) 구조물을 형성한다. cBN 입자들은 기판 물질의 존재하에서 HPHT 소결될 수 있고, 이는 기판으로부터 cBN 층으로 침입하여 PCBN의 형성 및 cBN 그레인들 사이의 결정간 결합을 보조하는 금속 촉매를 제공한다.
다르게는, cBN 입자들은 존재하는 기판 없이 HPHT 소결될 수 있고, 이러한 경우, 생성된 PCBN 콤팩트는 "고체" 또는 "자가-소결형" 또는 자가-소결된" 또는 "자유-직립형"으로 기술될 수 있다. 촉매/결합제 물질은, HPHT 소결 동안 PCBN 구조의 형성을 촉진하기 위해서 소결 이전에 cBN 입자들과 혼합될 수 있거나, 촉매/결합제 물질이 cBN 입자들에 인접하게 위치할 수 있다. 기판 부재 소결이 유리할 수 있는데, 그 이유는 기판이 고압 프레스 내의 귀한 작업 공간을 차지하지 않고 상기 공간이 cBN 혼합물에 의해 완전히 차지될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 고압 프레스는 약 50 cm3의 작업 체적을 가질 수 있다. 또한, 촉매/결합제 물질은, 기판으로부터 cBN 층에 침투되기 보다는, cBN 혼합물을 통해 균일하게 혼합될 수 있고, 그 결과, 자가-소결된 PCBN 콤팩트는 보다 균일한 조성 및 물질 특성들을 가질 수 있다.
그러나, 자가-소결형을 위해 사용된 공지된 촉매/결합제 물질은 사실상 세라믹(유전체)이며 도체가 아닌 PCBN 콤팩트를 형성한다. 결과적으로, 자가-소결된 PCBN 콤팩트는 방전 기계가공(EDM)에 의해 절삭될 수 없다. 소결한 후, 구체적인 절삭 도구를 위해 목적하는 형태로 소결된 PCBN 콤팩트를 절단하는 것이 종종 필요하다. EDM에 의한 절삭은, 많은 제품에서 유리한데, 그 이유는 EDM 절삭은 도구 가공 비용을 감소할 수 있고 보다 정확한 구조가 형성되는 것을 가능하게 할 수 있다. 레이저 절삭 공정은, 덜 균일한 표면 마무리 및 미흡한(less) 편평하거나(즉, 평면이거나) 수직인 절삭면을 생성하여, 추가 마무리작업 비용을 발생시킬 수 있다. 레이저 절삭 공정은 또한 열 손상을 유발할 수 있다. 그러나, EDM 절삭은, 절단된 물질이 전도성이거나 반-전도성임을 요구한다.
자가-소결된 PCBN 콤팩트를 형성하기 위해 사용될 수 있는 결합제 물질은 전형적으로 전도성이 아니고, 따라서 생성된 PCBN 콤팩트는 EDM에 의해 절삭될 수 없다. 예를 들어, 자가-소결형 PCBN을 형성하기 위해서 사용되는 하나의 결합제 전구체는 알루미늄이다. HPHT 소결 후, 생성된 자가-소결형 PCBN 콤팩트는 PCBN 그레인들 사이에 알루미늄 세라믹 결합제 상을 갖는다. 이러한 알루미늄 세라믹 결합제 상은 비-전도성이다. 이러한 유형의 결합제 상을 갖는 PCBN 콤팩트는 과거에도 시도된 적이 있지만, 이러한 콤팩트는 전형적으로 낮은 cBN 함량으로 제한되고/제한되거나 EDM-절삭가능하지 않고/않거나 의도된 제품에서 충분한 경도 및 강도 특성을 갖지 않는다.
따라서, 의도된 적용례를 위한 목적하는 물질 특성들을 갖고, EDM-절삭가능한, 전도성 또는 반-전도성 세라믹 결합제 상을 갖는, 고 cBN 함량의 자가-소결형 PCBN 콤팩트가 요구되어 왔다.
본 발명은, 높은 cBN 함량을 갖고, 자가-소결형이고, 방전 기계가공(EDM)에 의해 절삭가능한, 입방정 질화붕소(cBN) 절삭 요소에 관한 것이다. 하나의 실시양태에서, 절삭 요소는, 입방정 질화붕소 입자의 제 1 상 및 티탄 화합물을 포함하는 세라믹 결합제 상을 포함하는 자가-소결된 다결정성 입방정 질화붕소(PCBN) 콤팩트를 포함한다. 제 1 상은 자가-소결된 PCBN 콤팩트의 80체적% 초과를 차지한다. 자가-소결된 PCBN 콤팩트는, 방전 기계가공에 의해 절삭가능하기에 충분한 전기전도성을 갖는다.
실시양태에 따른 절삭 요소는, 티탄 화합물과 함께, 입방정 질화붕소(cBN) 입자의 제 1 상 및 세라믹 결합제 상을 갖는, 자가-소결된 다결정성 입방정 질화붕소(PCBN) 콤팩트를 포함한다. 제 1 상은 자가-소결된 PCBN 콤팩트의 80체적% 초과를 차지한다. 자가-소결된 PCBN 콤팩트는, 방전 기계가공에 의해 절삭가능하기에 충분한 전기전도성을 갖는다.
또다른 실시양태에서, 자가-소결된 다결정성 입방정 질화붕소(PCBN) 절삭 요소의 형성 방법이 제공된다. 상기 방법은, 복수개의 cBN 입자들을, 결합제 전구체와 혼합하여 혼합물을 형성함을 포함한다. 상기 혼합물은 cBN 입자의 80체적% 초과를 포함한다. 상기 방법은 또한, 기판 지지체의 부재하에 상기 혼합물을 HPHT 소결하여, 자가-소결된 PCBN 콤팩트를 형성하는 단계, 및 상기 자가-소결된 PCBN 콤팩트를 방전 기계가공에 의해 절삭하는 단계를 포함한다.
도 1은, 본 개시내용의 실시양태에 따른, HPHT 소결을 위한 cBN 입자 및 결합제 전구체의 혼합물을 나타낸 것이다.
도 2는, 본 개시내용의 실시양태에 따른 소결된 다결정성 구조를 나타낸 것이다.
도 3은, 본 개시내용의 실시양태에 따른 자가-소결된 EDM-절삭가능성 PCBN 콤팩트의 형성 방법의 흐름도이다.
도 4는, 본 개시내용의 실시양태에 따른 콤팩트를 포함하는 몇몇의 PCBN 콤팩트를 위한 테스트 결과를 나타낸 챠트이다.
도 5는, 본 개시내용의 실시양태에 따라, PCBN 콤팩트로부터 절삭된 조각들로 팁핑된 절삭 공구 인서트를 나타낸 것이다.
본 발명은, 방전 기계가공(EDM)에 의해 절삭가능하고 높은 cBN 함량을 갖는 자가-소결형 PCBN 콤팩트에 관한 것이다. 하나의 실시양태에서, 자가-소결형 PCBN 콤팩트는 높은 cBN 함량, 및 소결된 PCBN 콤팩트에 우수한 물질 특성을 제공하는 반-전도성 또는 전도성 결합제 상을 포함하고, 또한 콤팩트가 EDM에 의해 절삭될 수 있다. 소결된 PCBN 콤팩트는 충분한 전기전도성을 가져서, EDM에 의해 절삭 인서트 형태로 절삭될 수 있다(예를 들어, EDM에 의해 구체적인 두께 또는 목적하는 표면 구조를 갖는 절삭 인서트로 절삭될 수 있다).
본 개시내용의 실시양태는 도 1 및 2에 도시되어 있다. 도 1은, 목적하는 크기 또는 크기 범위의 cBN 입자로 구성된 cBN 혼합물(12)을 포함하는 분말 혼합물(10)을 도시한다. cBN 혼합물(12)은 또한 cBN 입자와 균일하게 혼합된 결합제 전구체(14)를 포함한다. 결합제 전구체(14)는 HPHT 소결 동안 PCBN 형성을 용이하게 하는 촉매/결합제 물질을 포함한다. 도 1에서 도시한 바와 같이, cBN 및 전구체 혼합물(10)은 고압 프레스에 배치되어 고온고압에서 소결된다. 예를 들어, 하나의 실시양태에서, 분말 혼합물(10)은 1300 내지 1500℃의 범위의 승온된 온도에서 3 내지 6.5 GPa 범위의 압력으로 가압된다.
이러한 HPHT 소결 공정은, 도 2의 예에서 도시된 바와 같이, 결합된 PCBN 그레인들(16) 사이에 공극 또는 간격으로서 잔류하는 결합제 상(18)을 형성하는 전구체 물질과 함께, 상호결정성 결합된 cBN 그레인(16)의 망상을 갖는 다결정성 구조물을 형성한다. HPHT 소결 후, 상기 소결된 PCBN 콤팩트는, 예를 들어 EDM 절삭에 의해 구체적인 절삭 공구를 위한 목적하는 형태로 절삭될 수 있다.
EDM 절삭 공정은 전도성 또는 반-전도성인 PCBN 콤팩트의 일부 부분에 의존한다. EDM은 와이어 EDM, 스파크 기계가공, 스파크 침식 또는 와이어 부식으로 지칭될 수도 있다. EDM 절삭은 방전 또는 스파크에 의해 물질을 제거함으로써 작업한다. 인가된 고압에 의해, 일련의 전류 방전이 전극과 절삭될 물체 사이를 통과하여, 소량의 물질이 제거되도록 한다. 이러한 공정은, 전기전도성이거나 적어도 반-전도성인 물질과 함께 작업한다.
하나의 실시양태에서, 고 cBN 함량 및 전도성 또는 반-전도성인 결합제 상(18)을 갖는 자가-소결형 PCBN 콤팩트가 제공된다. PCBN 콤팩트는 cBN 분말(12) 및 결합제 전구체(14)의 혼합물을 HPHT 소결시킴으로써 형성된다. 분말 혼합물은 고 cBN 함량, 예를 들어 약 80체적% cBN, 80체적% cBN 초과, 약 81체적%, 또는 81체적% 초과, 또는 약 85체적%, 또는 85체적% 초과, 또는 80 내지 95체적%, 또는 85 내지 95체적%를 포함한다. 하나의 실시양태에서 분말 혼합물은 약 85체적% cBN를 포함한다. 하나의 실시양태에서, cBN 입자의 크기는 약 12 내지 22 마이크론의 범위이고, 이는 금속 절삭 중에 고 물질 제거 속도 및 마찰 교반 용접을 위한 블랭크로서 사용하기 위한 PCBN 콤팩트를 형성하는데 유용하다. 또다른 실시양태에서, cBN 입자의 크기는 약 1 내지 2의 마이크론의 범위이고, 이는 미세 표면 마무리작업으로 금속을 기계가공하는데 사용하기 위한 PCBN 콤팩트를 형성하는데 유용하다. 또다른 실시양태에서, cBN 입자들의 크기 범위는 2 내지 4 마이크론이고, 또다른 실시양태에서, 이들은 크기 측면에서 마이크론 미만(즉, 0 내지 1 마이크론)이다. 또다른 실시양태에서, cBN 입자의 크기는 3 내지 6 마이크론의 범위이고, 또다른 실시양태에서는 6 내지 12 마이크론이다. 다른 cBN 입자 크기 및 입자의 범위가, 적용례에 따라 사용될 수 있다. 본원에서 제공된 cBN 입자 크기 범위는 ANSI B74 20 표준에 따른다. 예를 들어, 2 내지 4 마이크론의 단위는, D5(입자들 중 5%)가 2 마이크론의 최소 입자 크기를 갖고 D95(입자들 중 95%)가 4 마이크론의 최대 입자 크기를 가짐을 의미한다. 이와 같이, 5% 미만의 입자들은 크기 측면에서 2 마이크론 미만이고, 5% 미만의 입자들은 크기 측면에서 4 마이크론 초과이다.
결합제 전구체(14)는, cBN의 양에 따라, 분말 혼합물의 나머지 체적%, 예를 들어 20체적% 미만, 또는 15체적% 미만을 차지한다. 결합제 전구체(14)는, 생성된 결합제 상(18)이 전도성이거나 반-전도성이도록 선택된다. 하나의 실시양태에서, 결합제 전구체는 티탄(Ti)을 포함한다. 특히, 하나의 실시양태에서, 결합제 전구체는 티탄 알루미늄 카바이드(Ti3AlC)를 포함한다. 하나의 실시양태에서, 전구체 화합물은 마이크론 미만의 크기의 분말 입자로 분쇄되고(즉, 상기 입자의 평균 입자 크기가 1 마이크론 미만이다), 그다음 cBN 입자들과 혼합된다. 하나의 실시양태에서, 결합제 전구체의 산소 수준은 낮은 상태, 예를 들어 (결합제 중량의) 5중량% 미만으로 유지한다. 낮은 산소 함량은, HPHT 소결 동안 물질들 간의 우수한 결합을 촉진시킨다.
하나의 실시양태에서, cBN과 결합제 전구체 혼합물은 85체적%의 2 내지 4마이크론의 cBN 입자들 및 15체적%의 서브-마이크론 크기의 Ti3AlC 입자를 포함한다. 결합제 전구체(14)를 위한 또다른 선택사항은 Ti2AlC 및 Ti2-3AlN을 포함한다. 하나의 실시양태에서, 결합제 전구체는 하기 중 하나 이상을 포함한다: Ti3AlC, 또는 Ti3AlN, 또는 Ti2AlC, 또는 TizAlN(여기서, z는 2 또는 3이다). Ti3AlN은, 미량(전형적으로 1체적% 미만)으로 존재하지만, 검출가능하지 않을 수 있다. 결합제 전구체는, Ti, TiC, TiCN 및 TiN과 알루미늄의 반응에 의해 합성될 수 있다. 또다른 실시양태에서, cBN과 결합제 전구체 혼합물은 또한 0 내지 6체적%의 코발트 및/또는 0 내지 2체적%의 WC를 포함할 수 있다. 코발트는, 소결하는 동안의 cBN 입자 재정렬 및 치밀화를 추가로 개선시키고 PCBN 콤팩트의 전도도를 증가시키기 위해, 첨가될 수 있다. 텅스텐 카바이드(WC)는, PCBN 콤팩트의 인성을 증가시키기 위해서 첨가될 수 있다. 그러나, 이러한 물질의 첨가는 선택적이다.
cBN 입자와 결합제 전구체 입자의 혼합물은, 그다음 기판 지지체 없이 HPHT 소결되어, PCBN의 제 1 상 및 PCBN 그레인들 사이의 제 2 결합제 상을 갖는 자가-소결된 PCBN 콤팩트를 형성한다(도 2 참고). 자가-소결된 PCBN 콤팩트는 고 cBN 함량, 예를 들어 80체적% 초과의 cBN, 81체적% 초과, 또는 85체적% 초과, 80 내지 95체적%, 또는 85 내지 95체적%를 포함한다. 하나의 실시양태에서, 자가-소결된 PCBN 콤팩트는 제 1 PCBN 상의 형태로 약 85체적% cBN를 포함한다.
HPHT 소결 동안, 티탄-알루미늄-카바이드 전구체는, 분말 혼합물 내에서 cBN 및 산소와 반응하여, 결합제 상(18)을 형성하는 다양한 화합물을 형성한다. 하나의 실시양태에서, 전구체의 성분들은 반응하여 티탄 카바이드(TiC), 티탄 카보니트라이드(TiCxNy), 티탄 니트라이드(TiN), 티탄 다이보라이드(TiB2), 알루미늄 니트라이드(AlN), 및/또는 알루미늄 옥사이드(Al203)를 형성한다. 이러한 화합물들은, 결합제 전구체 물질로서 직접 제공되기 보다는 소결동안 형성된다. HPHT 소결 동안 결합제 전구체가 깨지고 cBN 입자들과 반응하여 결합제 상 화합물을 형성하기 때문에, HPHT 소결은 반응 소결로 지칭될 수 있다. 소결된 결합제 상(18)(도 2 참고) 내 이러한 화합물은, 전구체 혼합물로 제공되기 보다는 HPHT 소결 동안 반응으로 형성된다. 반응 소결은, 소결된 물질 내 우수한 경도를 촉진할 수 있다. 예를 들어, TiCN 및 Al의 결합제 전구체로 형성된 소결된 콤팩트의 경도는 약 3,000 kg/mm(85체적% cBN 포함)이다. 본원의 실시양태에 따라, Ti3AlC의 결합제 전구체로 형성된 소결된 콤팩트의 경도는 3,200 kg/mm2(85체적% cBN) 초과이다.
하나의 실시양태에서, 결합제 전구체는, HPHT 소결 동안 cBN과 완전히 반응하여, 결합제 화합물은 HPHT 소결 이후에 더 이상 존재하지 않는다. 전구체 화합물의 성분들은 cBN 입자들과 충분히 반응하여 다른 결합제 상 화합물, 예를 들어 앞서 기술했던 화합물을 형성한다. 소결된 PCBN 콤팩트는 x-선 회절, 스캐닝 전자 현미경(SEM), 또는 존재하는 화합물들을 확인하는 또다른 공지된 방법에 의해 분석될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 소결전 결합제 전구체 화합물(예를 들어, Ti3AlC)은, 더 이상 소결된 PCBN 콤팩트에 존재하지 않거나, 단지 미량(전형적으로 1체적% 미만)으로 존재한다.
생성된 결합제 상(18)은, 반응되고 소결된 화합물의 형태의 티탄(티탄 카바이드, 티탄 카보니트라이드, 티탄 니트라이드, 티탄 다이보라이드)을 포함한다. 알루미늄이 결합제 전구체(예를 들어, Ti3AlC)로 제공되는 경우, 알루미늄은 분말 혼합물 내 산소와 용이하게 반응하여 Al203을 형성하고 이로써 티탄이 cBN 입자와 반응하도록 유발하여 TiN 및 TiB2를 형성하는 것으로 여겨진다. 하나의 실시양태에서, 결합제 상은 주로 티탄 니트라이드 및 티탄 카바이드이다. 티탄 화합물은 반-전도성이고, 따라서 결합제 상은 전기 전도성이다. 결과적으로, 이러한 결합제 상(18)을 포함하는 자가-소결된 PCBN 콤팩트는 EDM-절삭가능성이어서 목적하는 절삭 인서트 형태를 형성한다. PCBN 콤팩트의 전도도는, 그의 전기저항에 의해 측정될 수 있다. 하나의 실시양태에서, cBN 입자를 티탄-알루미늄-카바이드 결합제 전구체와 HPHT 소결한 후 형성된 PCBN 콤팩트의 전기 저항은 약 0.5 x 10-2 ohm-m(Ω-m)이다. 하나의 실시양태에서, 자가-소결된 PCBN 콤팩트의 전기 저항 p는 약 0.5 x 10-2 ohm-m(Ω-m) 미만이다. 하나의 실시양태에서, 자가-소결된 PCBN 콤팩트의 전기 저항은 약 10-2 ohm-m(Ω-m) 미만이다. 이러한 낮은 저항은 PCBN 콤팩트가 EDM에 의해 절삭가능하도록 한다. 전기저항은, 4-포인트 방법을 사용하여 EDM-절삭 바에 의해 측정될 수 있다.
하나의 실시양태에서, 소결된 결합제 상(18)은 티탄 원소가 결핍되어 있거나 단지 미량의 티탄 원소를 포함한다. 결합제 전구체로부터의 티탄은 cBN 입자와 완전히 반응하여, 결합제 상에 티탄 보라이드, 티탄 카바이드, 및 티탄 니트라이드를 형성한다. 이러한 티탄 화합물은 안전하고 절삭 공구를 위한 우수한 경도를 갖는다. 추가로, 이들은 반-전도성이다. 이러한 결합제 상은 절삭 공구 적용례를 위한 자가-소결된 PCBN 콤팩트의 우수한 물질 특성을 제공하는 반면, 또한 PCBN 콤팩트가 EDM-절삭가능성이도록 할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 자가-소결된 PCBN 콤팩트의 비커스(Vicker) 경도는 3,200 kg/mm2 초과이다. 하나의 실시양태에서, 자가-소결된 PCBN 콤팩트의 3-포인트 평균 굽힘 강도는 1080 MPa이다(8.3mm의 스팬(span), 1.2mm의 폭, 및 1.0mm의 두께로 테스트함).
하나의 실시양태에서, 결합제 전구체(14)는 cBN과 반응하여, 금속성이기 보다는 실제로 세라믹인 결합제 상(18)을 형성하여, 자가-소결된 PCBN 콤팩트에서의 보다 열적 안정성을 제공하면서 전기전도성도 제공한다. 일부 적용례에서, 금속성 결합제 상은 세라믹 결합제 상에 비해 덜 열적으로 안정하다. 금속성 결합제 상은 고온에서 팽창하여 PCBN 층에 균열을 형성할 수 있다. 금속들은 또한, PCBN 절삭 인서트에 의해 기계가공되는 작업편 물질과 반응하기에 보다 용이하다. 또한, 금속성 결합제 상을 갖는 PCBN 콤팩트는 전형적으로 HPHT 소결 동안 기판에 의존하여 금속 침투부를 제공하고, 따라서 이러한 컴팩트는 자가-소결형이 아니다. 본원의 실시양태의 티탄계 결합제 상(18)은 전도성이지만, 사실상 여전히 세라믹이어서, 화학적 및 열적 안정성을 제공한다.
티탄 구성요소는 또한 전기전도성을 제공하여, 자가-소결된 PCBN 콤팩트의 결합제 상이 EDM 절삭에 의해 요구되는 전도성 범위 이내, 예를 들어 10-2 ohm-m(Ω-m) 미만의 전기 전도성을 갖는 범위이다. 티탄 알루미늄 카바이드 전구체(Tl3AlC)는, 알루미늄에 대한 티탄의 몰비가 3이기 때문에, 우수한 전도성을 제공하는 것으로 여겨진다. 따라서, 방출되는 Al보다는 보다 많은 자유 Ti가 존재하며, 그다음 cBN 분말과 반응하여 TiB2 및 TiN 화합물을 형성할 것이다. Ti 화합물은 반-전도성이면서 Al 화합물은 전도성이 아니다. 따라서, 본원의 실시양태에서, 결합제 상(18)은, 소결된 PCBN이 EDM에 의해 절삭가능하게 되도록 Al 화합물보다는 보다 많은 Ti 화합물을 포함한다. 결합제 상은 주로 티탄 니트라이드 및 티탄 카바이드이고, 이는 PCBN 구조를 통해 전도성 망상을 형성하여, EDM 절삭을 위한 충분한 전기전도성을 갖는 PCBN 콤팩트를 제공한다. 하나의 실시양태에서, 자가-소결된 PCBN 콤팩트내 Al에 대한 Ti의 비는 3이고, 또다른 실시양태에서, 이는 2이다.
하나의 실시양태에서, 도 3에서 도시한 바와 같이, 자가-소결형 EDM-절삭가능성 PCBN 콤팩트의 형성 방법이 제공된다. 상기 방법은 cBN 입자들을 결합제 전구체와 혼합하여 균일한 cBN 및 전구체 혼합물(112)을 형성함을 포함한다. 상기 cBN 입자들은, 혼합물의 80체적% 이상, 예를 들어 약 85체적%를 차지한다. cBN 입자들 및 결합제 전구체는 분말 형태로 제공되고, 적절한 혼합 절차(예를 들어, 볼 혼합, 또는 마모분쇄)에 의해 서로 혼합된다. 선택적으로, 상기 방법은 cBN 및 전구체 혼합물을 진공 처리(114)에 적용하는 단계를 포함한다. 하나의 실시양태에서, 이러한 단계는 분말 혼합물을 진공 퍼니스에 놓아, 진공을 적용하고 상기 퍼니스를 가열함을 포함한다. 하나의 실시양태에서, 상기 퍼니스는 약 1시간 동안 약 1,000℃까지 가열된다. 진공은 결합제 전구체와 cBN 입자의 초기 반응을 촉진하여, 상기 분말 혼합물이 작업을 위해 보다 안정적이도록 한다. 상기 결합제 전구체 화합물은 부분적으로 분해되거나 절단될 수 있고, 유리 원자들은 cBN 입자들과 반응할 수 있다. 상기 단계는 예비-소결 반응으로 기술될 수 있다.
상기 혼합물을 진공에 적용한 후, 또는 진공 단계가 배제된 경우, 상기 cBN 및 전구체 입자들을 함께 혼합한 후, 상기 방법은 그다음 기판 없이 자유-직립형 cBN 및 전구체 혼합물을 HPHT 소결하여 자가-소결된 PCBN 콤팩트를 형성하는 단계(116)를 포함한다. HPHT 소결은, 결합제 전구체와 cBN 사이의 반응으로부터 형성된 화합물의 결합제 상을 갖는 PCBN 콤팩트를 형성한다. 상기 방법은, 그다음 EDM 절삭 방법에 의해 PCBN 콤팩트를 적절한 절삭 인서트로 절삭하는 단계(118)를 포함한다.
예를 들어, EDM 절삭 단계는, 자가-소결된 PCBN 콤팩트를, 적용례에 따라 약 4.8mm, 약 3.2 mm, 약 1 mm, 또는 1 mm 내지 50 mm의 범위, 또는 다른 두께를 갖는 하나 이상의 슬라이스로 절삭함을 포함할 수 있다. 이러한 슬라이스화된 웨이퍼는, 그다음 카바이드 몸체에 납땜되어 절삭 인서트를 형성한다. 상기 절삭 인서트는, 높은 내마모성이 바람직한 적용례, 예를 들어 주철(또는 그레이 아이론(or grey iron)) 및 초합금(예를 들어, 니켈계 초합금)의 기계가공에 사용될 수 있다. EDM 절삭은, PCBN 인서트 위에 균일하고 수직형인 주변 절단부를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
도 4는, 본 개시내용의 하나의 실시양태에 따른 테스트 결과의 플롯을 도시한다. 몇몇의 PCBN 절삭 구성요소들은, 이들을 주철 회전 테스트(cast iron turning test)에 적용함으로써 비교하였다. 상기 테스트 기기는 모리 세이키(Mori Seiki) SL-25 CNC 라테이고, 작업편 물질은 클래스 35 회색 주철(200 브리넬 경도(BHN))이다. 회전 속도는 3,500 sfpm(surface feet per minute)이고, 공급 속도는 0.020 인치/회전이다. 절삭 깊이는 0.015인치였다. 작업편 벽 두께는 1.32 인치였다. 테스트는 건조 조건하에서 수행되었다.
테스트에 적용된 PCBN 콤팩트는, 하기 표 1에 요약하였다. 각각의 PCBN 콤팩트의 굽힘 강도도 비교하기 위해 제공한다.
[표 1]
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PCBN 등급 E 인서트는, 85체적%의 2 내지 4 마이크론의 cBN 입자들 및 15체적% Ti3AlC 입자들을 HPHT 소결함으로써 형성된 자가-소결된 PCBN 콤팩트로 납땜하였다. 등급 E는, EDM-절삭가능한 자가-소결된 고 함량의 PCBN 콤팩트이다.
패스 횟수 대 각각의 절삭 요소에서의 마모를 도 4에 플롯하였다. 도 4에서 도시된 바와 같이, 등급 E는, 테스트 내 다른 절삭 요소들을 능가하여, 보다 적게 마모되면서 보다 많은 수의 패스를 보장하였다.
도 5는, 본 개시내용의 실시양태에 따라, PCBN 콤팩트로부터 절단된 조작(110)으로 팁핑된 절삭 공구 인서트(120)를 도시한다. 상기 절삭 인서트(120)는 시멘트화된 카바이드 인서트 몸체(112)를 포함하고, PCBN 콤팩트로부터 절단된 상기 PCBN 팁 조각(110)은 상기 몸체의 코너에서 상기 몸체(112)에 납땜된다.
상대적 크기는, 명확성을 위해 도면에서 과장되었고, 필수적으로 척도에 따른 것은 아니다.
본 발명은 예시적인 실시양태에 따라 기술하고 설명하고 있지만, 이후에 청구한 바와 같은 본 발명의 완전히 의도된 범주에 속하는 변화 및 개조가 가능할 수 있기 때문에, 그에 제한되는 것으로 이해되어서는 안된다.

Claims (21)

  1. 입방정 질화붕소(cBN) 입자의 제 1 상 및 티탄 화합물을 포함하는 세라믹 결합제 상을 포함하는 자가-소결된 다결정성 입방정 질화붕소(PCBN) 콤팩트를 포함하되, 이때
    상기 제 1 상이 자가-소결된 PCBN 콤팩트의 80체적% 초과를 차지하고,
    상기 자가-소결된 PCBN 콤팩트가, 방전 기계가공(electrical discharge machining)에 의해 절삭가능하기에 충분한 전기전도성을 갖는,
    절삭 요소.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자가-소결된 PCBN 콤팩트가 3,200 kg/mm2 초과의 비커스 경도를 포함하는, 절삭 요소.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 자가-소결된 PCBN 콤팩트내 알루미늄에 대한 티탄의 비가 약 2 또는 3인, 절삭 요소.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자가-소결된 PCBN 콤팩트의 두께가 약 1 mm 내지 50 mm인, 절삭 요소.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합제 상이 티탄 니트라이드 및 티탄 카바이드를 포함하는, 절삭 요소.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 상이, 자가-소결된 PCBN 콤팩트의 약 85체적% 초과를 차지하는, 절삭 요소.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 상이, 자가-소결된 PCBN 콤팩트의 85체적%를 차지하는, 절삭 요소.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 상이, 자가-소결된 PCBN 콤팩트의 90체적% 초과를 차지하는, 절삭 요소.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 상이, 자가-소결된 PCBN 콤팩트의 약 85% 내지 약 95체적%를 차지하는, 절삭 요소.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 상이, 자가-소결된 PCBN 콤팩트의 81체적% 초과를 차지하는, 절삭 요소.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 자가-소결된 PCBN 콤팩트의 전기저항이 약 10-2 ohm-m 미만인, 절삭 요소.
  12. 복수개의 cBN 입자들을 결합제 전구체와 혼합하여 80체적% 초과의 cBN 입자를 포함하는 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 혼합물을 기판 지지체의 부재 하에서 HPHT 소결하여 자가-소결된 PCBN 콤팩트를 형성하는 단계; 및
    상기 자가-소결된 PCBN 콤팩트를 방전 기계가공에 의해 절삭하는 단계
    를 포함하는, 자가-소결된 다결정성 입방정 질화붕소(PCBN) 절삭 요소의 형성 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 결합제 전구체가 티탄을 포함하는, 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 결합제 전구체가, Ti3AlC, Ti3AlN, Ti2AlC, 및 Ti2AlN 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 혼합물이 85체적% 초과의 cBN 입자를 포함하는, 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 혼합물이 약 85체적%의 cBN 입자를 포함하는, 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    HPHT 소결 전에 진공하에서 상기 혼합물을 가열함을 추가로 포함하는 방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    HPHT 소결 전에 상기 결합제 전구체를 cBN 입자와 부분적으로 반응시킴을 추가로 포함하는 방법.
  19. 제 12 항에 있어서,
    HPHT 소결이, 자가-소결된 PCBN 콤팩트에서 결합제 상을 형성하는 반응 소결을 포함하는, 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 반응 소결이, 상기 결합제 전구체를 cBN 입자와 반응시켜 HPHT 소결 동안 결합제 상을 형성함을 포함하는, 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 결합제 상이, 티탄 카바이드, 티탄 카보니트라이드, 티탄 니트라이드, 티탄 다이보라이드, 알루미늄 니트라이드, 및 알루미늄 옥사이드 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
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