KR20130128256A

KR20130128256A - Ｐｃｂｎ 합성용 써멧 기판 제조 방법

Info

Publication number: KR20130128256A
Application number: KR1020120052167A
Authority: KR
Inventors: 차인선; 차수일; 장동빈; 임정식; 김승법; 이완재
Original assignee: 차인선
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2013-11-26
Also published as: KR101340563B1

Abstract

입방정 질화붕소(Cubic Boron Nitride; CBN) 합성용 써멧 기판 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 CBN 합성용 써멧 기판 제조 방법은 (a) 티타늄화합물 분말과 바인더 분말을 혼합하여 혼합 분말을 형성하는 단계; (b) 상기 혼합 분말을 분쇄하는 단계; (c) 상기 분쇄된 혼합 분말을 성형하여 성형체를 형성하는 단계; 및 (d) 상기 성형체를 소결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＰＣＢＮ 합성용 써멧 기판 제조 방법 {METHOD OF MANUFACTURING TITANIUM COMPOUND BASED SUBSTRATE FOR SYNTHESIZING POLYCRYSTALLINE CUBIC BORON NITRIDE}

본 발명은 기판 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다결정 입방정 질화붕소(Polycrystalline Cubic Boron Nitride; PCBN) 합성용 기판 제조 방법에 관한 것이다.

입방정 질화붕소(Cubic Boron Nitride; CBN) 소결체를 절삭 공구나 내마모 부품 소재 등으로 활용하기 위해, 통상 이의 분말 또는 분립체로부터 소결체를 제조하고 있다. CBN 소결체는 통상 다결정 구조를 가지며, 이에 따라 CBN 소결체를 다결정 입방정 질화붕소(Polycrystalline Cubic Boron Nitride; PCBN)으로 칭하고 있다.

PCBN은 통상, 분말 상태의 CBN 분말과, CBN 분말을 지지할 수 있는 소결 결합제를 혼합하여 기판 위에 고정하여 합성셀을 구성한 후, 고온 고압 하에서 소결함 제조되고 있다.

PCBN을 절삭공구 등으로 사용하게 된 계기는 PCBN이 질화붕소의 동소체 중 고압 하에서도 안정한 결정 형태이며, 이러한 PCBN은 그 물리적 특성에 있어서 다이아몬드 다음으로 높은 경도 및 열전도율을 가지고 있기 때문이다.

일반적으로 CBN은 다이아몬드 합성과 유사한 공정인 고온 고압 하에서 육방정 질화붕소(Hexagonal Boron Nitride; HBN)로부터 합성되는 완전히 인공적인 물질이다. 한편, CBN이 고압안정상이므로, 그 분말 혹은 분립체를 소결함에 있어서도 역시 고압이 필요하다. 또한, CBN은 전형적 공유 결합성 물질로서 다른 공유 결합성 물질과 마찬가지로 난소결성 재료이다.

한편, CBN의 소결에는 고온이 요구되지만 상압(1기압) 및 고온에서 CBN은 불안정하므로, 보다 안정한 결정 형태인 HBN으로 변환되어 버리는 경향이 있다. 따라서, 소결을 통하여 CBN으로부터 PCBN을 제조하기 위해서는 고온과 고압을 동시에 작용시켜야 하며, 또한 소결을 촉진하기 위하여 적절한 소결 결합제를 첨가하여야 한다.

CBN의 소결에는 통상적으로 소결 결합제가 첨가되고 있으며, 소결 결합제의 함량에 따라 PCBN의 기계적 성질이 크게 달라지는 것으로 알려져 있다. 니켈, 코발트, 알루미늄, 티타늄 등의 금속의 단체 혹은 합금, 탄화규소 또는 탄화티타늄 등의 탄화물, 질화티타늄, 질화규소 또는 질화알루미늄 등의 질화물, 알루미나 혹은 이산화티타늄 등의 산화물, 탄질화티타늄, 시알론(sialon)등 다양한 금속 및 금속 화합물이 소결 결합제로 사용되고 있다

소결 결합제는, 우선 소결에 필요한 물질 이동을 가능케 하여야 하고, CBN과의 반응이 심하지 않으면서도 CBN과의 결합력이 강해야 한다. 또한 CBN의 물성을 크게 손상시키지 않을 정도의 강도 및 내열성을 가져야 한다. 질화티타늄을 제외하고는 단일 재료가 소결 결합제로 사용된 경우는 드물며, 두 가지 이상의 재료를 혼합하여 사용하는 경우가 대부분이다.

기존의 소결 결합제들은 소결 결합제 자체의 소결성에 대해서는 큰 고려없이 사용되는 것들이었다. 실제 절삭공구로 사용가능한 물성을 갖춘 PCBN을 고압소결 방법으로 제조하는 방법에 있어서, 적정한 소결 결합제의 선택 및 혼합, 혼합분말의 전처리과정, 초고압 소결기술 등이 요구되며, PCBN 합성시 사용되는 기판(substrate)은 종래에는 초경 합금(WC-Co substrate) 소재를 사용하였지만, 아직까지도 절삭공구 소재로써의 PCBN 특성이 열처리강과 같은 몇몇 난삭재의 고온절삭가공에서는 칩이 쉽게 탈락하는 현상 등이 발생하여 공구 재료로서 부족한 낮은 인성 및 고온강도 등의 문제점들이 발생하고 있다.

무엇보다, 종래의 PCBN 합성시 사용되고 있는 초경합금 기판의 주성분인 액상의 코발트(Co) 성분이 기판에서 PCBN층으로 확산 이동되면서 합성 후, PCBN이 박리되거나 크랙이 발생되는 등의 불량이 발생되는 문제점이 있다.

본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2007-0083529 (2007.08.24. 공개)에 개시된 입방정 질화붕소 소결체 및 이를 이용한 절삭 공구가 있다.

본 발명의 목적은 고온 고압 하에서 PCBN 합성시 사용되고 있는 종래의 초경합금 기판을 대신하여, CBN 소결체 합성시 CBN 소결체의 접합과 동시에 소결하는 과정에서 발생하는 기존의 초경 합금의 코발트(Co) 성분 대신에 기판에 존재하는 티타늄 화합물의 바인더 성분이 PCBN에 결합될 수 있어, 보다 치밀하고 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 PCBN 합성용 써멧 기판 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 PCBN 소결체 합성용 써멧 기판 제조 방법은 (a) 티타늄화합물 분말과 바인더 분말을 혼합하여 혼합 분말을 형성하는 단계; (b) 상기 혼합 분말을 분쇄하는 단계; (c) 상기 분쇄된 혼합 분말을 성형하여 성형체를 형성하는 단계; 및 (d) 상기 성형체를 소결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 티타늄화합물 분말은 탄화티타늄(TiC), 질화티타늄(TiN), 탄질화티타늄(Ti(C,N)) 및 붕화티타늄(TiB₂) 중에서 1종 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 바인더 분말은 Ni, NiAl, Ni₃Al, Mo, B₄C Mo₂C, B, Mn 및 AlN 중 2종 이상을 포함할 수 있다 .

또한, 상기 (a) 단계는 상기 티타늄화합물 50~95vol% 및 상기 바인더 분말 5~50vol%를 혼합하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 (b) 단계는 (b1) 밀링 용기에 볼과 습식 밀링 매개체 및 상기 혼합 분말을 투입한 상태에서 볼 밀링으로 상기 혼합 분말을 1차 분쇄하는 습식 분쇄 단계와, (b2) 상기 습식 분쇄된 결과물로부터 습식 밀링 매개체를 건조하는 건조 단계와, (b3) 밀링 용기에 볼과 상기 건조된 1차 분쇄물을 투입한 상태에서 볼 밀링으로 상기 1차 분쇄물을 2차 분쇄하는 건식 분쇄 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 (d) 단계의 소결은 1300∼1500℃에서 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 PCBN 합성용 써멧 기판 제조 방법은 기판의 티타늄화합물과 바인더 성분인 니켈(Ni), 니켈알루미늄(NiAl, Ni₃Al), 몰리브덴(Mo) 또는 탄화몰리브덴(Mo₂C) 및 질화알루미늄(AlN) 등을 선택적으로 사용하여 내마모성을 크게 향상시킬 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 PCBN 합성용 써멧 기판 제조 방법은 PCBN 합성시 사용하는 소결 결합제와 매우 유사한 성질을 갖는 물질을 바인더로 사용함으로써, 기판에 존재하는 티타늄화합물이 PCBN으로 확산되는 것을 억제할 수 있다. 이에 따라 PCBN 합성 후 냉각과정 또는 PCBN 사용 중의 온도 상승시에 PCBN이 약화되는 데 영향을 주는 요소들을 최소화하 수 있으며, 기판과 PCBN 접합부인 경계면의 결합을 더욱 강하게 접합시켜 CBN 소결체 합성시 발생하는 경계면의 박리로 인한 불량률을 저하시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 기판은 PCBN의 접합과 동시에 소결하는 과정에서 바인더로 사용된 물질이 모세관현상을 통하여 기판으로부터 PCBN으로 확산 이동되어 PCBN의 CBN 입자 또는 소결 결합제와 결합 반응하여 보다 치밀한 PCBN을 제조하는데 기여할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 기판을 이용한 PCBN 공구 혹은 소재는 그 물리적 측면에 있어서 탄소인 다이아몬드에 비해 내열성이 강하며, 화학적 측면에 있어서도 다이아몬드와 달리 철족 원소(Fe, Ni, Co)와의 촉매 반응이 없는 특성이 있으므로, 공업적으로는 다이아몬드보다 폭 넓은 응용 범위를 가질 수 있다.

또한, 기판 제조 공정에서 고려되는 경제성 측면에서도 종래 초경합금(비중 약 15 g/mm³) 대비 무게비가 약 1/3 수준이므로 써멧(비중 약 6.5 g/mm³) 기판의 제조 비용이 상대적으로 낮은 장점을 갖고 있다.

도 1은 종래의 PCBN 고온고압 합성용 셀(cell)의 기본 개념도이다.
도 2는 종래의 초경합금(WC-Co) 기판의 미세조직을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 PCBN 합성용 써멧 기판 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 기판을 적용한 PCBN 고온고압 합성용 셀의 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 기판을 적용하여 PCBN을 합성한 후, PCBN층과 기판층으로 이루어진 다결정 가공 요소의 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 다결정 가공 요소의 횡단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 기판을 적용하여 PCBN을 합성한 후, 절단 공정에 의해 제작된 PCBN 팁(tip)을 나타낸 것이다.
도 8은 PCBN 공구 표준 인써트 형상 이미지를 나타낸 것이다.
도 9는 실시예 1에 따라 제조된 써멧 기판의 SEM 사진이다.
도 10은 실시예 2에 따라 제조된 써멧 기판의 X-선 회절 패턴을 나타낸 것이다.
도 11은 실시예 3에 따라 제조된 써멧 기판의 X-선 회절 패턴을 나타낸 것이다.
도 12는 실시예 2에 따라 제조된 써멧 기판의 SEM 사진이다.
도 13은 실시예 4에 따라 제조된 써멧 기판의 SEM 사진이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다결정 입방정 질화붕소(Polycrystalline Cubic Boron Nitride; PCBN) 합성용 써멧 기판 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 PCBN을 제조하기 위한 고압합성용 셀(cell)의 기본 개념도이다.

상기 도 1에서 PCBN 고온고압 합성을 위한 셀은 크게 두 부분으로 나누어지는데, 초경합금 기판 부분(110)과 CBN 소결체 부분(120)이다. 일반적으로 합성은 분말 상태의 CBN, 그리고 이러한 분말 상태의 CBN을 지지할 수 있는 소결 결합제가 혼합된 분말 또는 분립체가 초경합금 기판 위에 고정되도록 합성셀을 구성한 후, 고온고압 부여를 위한 히터(140)와 압력전달매체(150)를 배치하였다.

소결될 시료는 지르코늄(Zr) 혹은 탄탈륨(Ta) 재질의 박(130)을 써서 NaCl 등의 압력전달매체(150)로부터 격리시켰는데, 이는 소결 중 용융된 NaCl 등의 압력전달매체(150)가 소결될 시료 내의 모세관을 따라 침투하는 것을 막기 위함이며, 최종적으로는 완성된 합성셀을 고온고압하 조건에서 소결함으로써, PCBN을 제조하게 된다.

도 2는 종래의 CBN 소결체의 합성시 사용되고 있는 초경합금 기판의 미세 조직을 나타낸 것이다.

도 2에서 초경합금 기판의 주성분인 경질의 텅스텐카바이드(WC)와 연질의 액상인 코발트(Co) 성분으로 이루어진 재료로서, 일반적으로 내마모성 및 압축강도가 우수하기 때문에 고압성형시 합성 다이 및 엔빌과 같은 금형 소재로 사용되고 있고, 종래의 PCBN 합성용 기판으로도 사용되어 있다.

그러나, 종래의 초경합금 기판은 PCBN 합성시 초경합금 성분 중에서 코발트 성분이 모세관 현상에 의하여 PCBN 층으로 불규칙하게 확산 이동되면서 합성 후, PCBN이 박리되거나 크랙이 발생하거나 또는 치밀한 PCBN 층이 형성되지 못함으로 절삭공구로서 쉽게 칩핑(chipping)이 발생되는 문제점이 있고, 경제성 측면에서 좋지 못하다.

이에 본 발명에서는 많은 연구를 거듭한 결과, 티타늄계화합물 분말과 바인더 분말을 분쇄 혼합한 후 소결하여 기판을 제조하였으며, 그 결과 상기와 같은 종래의 초경합금 기판의 문제점을 해결할 수 있었다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 PCBN 합성용 써멧 기판 제조 방법을 나타낸 순서도이다.

도 3을 참조하면, 도시된 기판 제조 방법은 원료 혼합 단계(S310), 분쇄 단계(S320), 성형 단계(S330) 및 소결 단계(S340)를 포함한다.

원료 혼합 단계(S310)에서는 티타늄화합물 분말과 바인더 분말을 혼합하여 혼합 분말을 형성한다.

티타늄화합물 분말은 탄화티타늄(TiC), 질화티타늄(TiN), 탄질화티타늄(Ti(C,N)), 붕화티타늄(TiB₂) 등의 재질로 될 수 있으며, 이들을 단독으로 혹은 2종 이상 혼용할 수 있다.

또한, 바인더 분말은 Ni, NiAl, Ni₃Al, Mo, B₄C Mo₂C, B, Mn, AlN 등의 재질로 된 것을 2종 이상 이용한다.

이때, 본 단계(S310)에서, 티타늄화합물과 바인더 분말의 혼합량은 특별히 제한되는 것은 아니다. 다만, 기계적 물성 혹은 결합력을 고려할 때, 티타늄화합물 50~95vol% 및 바인더 분말 5~50vol%를 혼합하는 것이 보다 바람직하다. 바인더 분말이 5vol% 미만으로 첨가될 경우, 기판을 이루는 성분들의 결합력 혹은 PCBN 합성시 PCBN층의 박리가 발생할 수 있다. 반대로, 바인더 분말이 50vol%를 초과하여 첨가되는 경우, 기판의 기계적 물성이 저하될 수 있다.

다음으로, 분쇄 단계(S320)에서는 티타늄화합물 분말과 바인더 분말이 혼합된 혼합 분말을 분쇄한다.

혼합 분말의 분쇄는 밀링 용기 내에서 볼을 이용한 볼 밀링(ball milling) 방식으로 수행될 수 있다.

보다 구체적으로, 본 단계는 습식 분쇄 단계, 건조 단계 및 건식 분쇄 단계를 포함할 수 있다. 습식 분쇄 단계에서는 밀링 용기에 볼과 에틸알콜, 아세톤, 헥산 등의 습식 밀링 매개체 및 혼합 분말을 투입한 상태에서 볼 밀링으로 혼합 분말을 1차 분쇄한다. 다음으로, 건조 단계에서는 오븐 등에서 습식 분쇄된 결과물로부터 습식 밀링 매개체를 건조한다. 다음으로, 건식 분쇄 단계에서는 밀링 용기에 볼과 건조된 1차 분쇄물을 투입한 상태에서 볼 밀링으로 1차 분쇄물을 2차 분쇄하여 분말을 보다 미세 균질화한다. 건식 분쇄 이후에는 질소 분위기 또는 진공 분위기에서 탈기하는 과정이 더 포함될 수 있다.

상기의 습식 밀링이나 건식 밀링에서 밀링 용기 및 볼은 공구강, 스테인레스강, 초경합금, 질화규소, 알루미나, 지르코니아 등으로 형성된 것을 이용할 수 있다. 또한, 상기의 습식 밀링이나 건식 밀링은 분쇄 효율을 높이기 위하여 150 rpm 이상의 분당 회전수로 실시되는 고에너지 볼 밀링으로 수행될 수 있다.

다음으로, 성형 단계(S330)에서는 분쇄된 혼합 분말을 성형하여 성형체를 형성한다.

성형은 가압성형 방식 혹은 기타 공지된 다양한 방법으로 수행될 수 있으며, 제조될 기판의 형상에 대응하는 성형체를 형성한다. 예를 들어, 제조될 기판의 형상이 디스크 형태라면, 성형 단계에서 디스크형 성형체를 형성할 수 있다.

다음으로, 소결 단계(S340)에서는 성형체를 소결하여, PCBN 합성용 써멧 기판을 제조한다.

소결은 대략 10^-2 torr 이하의 진공 또는 아르곤 분위기에서 실시될 수 있으며, 1300∼1500℃, 보다 바람직하게는 1380~1450℃에서 대략 1∼4시간 동안 실시되는 것이 바람직하다. 소결 온도가 1300℃ 미만일 경우, 제조되는 기판의 기계적 물성이 충분치 못할 수 있으며, 반대로, 소결 온도가 1500℃를 초과하는 경우, 더 이상의 효과 향상없이 기판 제조 비용만 상승할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 기판을 적용한 PCBN 고온고압 합성용 셀의 개념도이다.

도 4에 도시된 PCBN 고온고압 합성용 셀의 경우, 도 1에 도시된 바와 마찬가지로, CBN층을 지지하는 기판(410), CBN 분말과 소결 결합제가 혼합된 CBN층(420), PCBN 합성시 CBN 분말이 압력전달매체(450)와 직접 닿는 것을 피하기 위하여 기판(410)과 CBN층(420)을 둘러싸는 지르코늄(Zr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 또는 탄탈륨(Ta) 재질의 박(430), 고온고압 부여를 위한 히터(440)와 압력전달매체(450)를 포함한다.

이때, 기판(410)은 티타늄화합물 분말과 니켈, 니켈알루미늄, 몰리브덴 및 질화알루미늄 등의 바인더 분말이 혼합, 분쇄, 성형 및 소결되어 형성된 것이다. 이때, 기판 제조시 바인더로 사용된 성분들이 고온고압 소결에 의한 PCBN 합성시에, 모세관 현상을 통하여 CBN층(420)으로 확산 이동하여 결합될 수 있다. 따라서, 미세조직 측면에서 보다 치밀한 PCBN을 합성할 수 있어, 합성된 PCBN이 기판으로부터 박리되는 것을 억제할 수 있다.

PCBN 합성은 대략 4.0~6.5GPa, 1400~1550℃에서 30분~2시간 동안 유지하여 소결하는 방식으로 수행될 수 있다. 합성된 PCBN은 4000㎏/㎜²의 경도를 가지며, 매우 균일한 미세 조직을 가질 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 기판을 적용하여 PCBN을 합성한 후, PCBN층과 기판층으로 이루어진 다결정 가공 요소의 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시된 다결정 가공 요소의 횡단면도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 써멧 기판(410) 상에 PCBN층(620,630)이 형성되고, 이들 사이에 중간 경계층이 형성되는 것을 볼 수 있다. PCBN층은 CBN 입자들(630)로 이루어지되, 소결 결합제 성분과 기판(410)으로부터 확산 침투한 성분들이 결합된 부분(620)이 중간 중간 형성된다.

도 7은 본 발명에 따른 기판을 적용하여 PCBN을 합성한 후, 절단 공정에 의해 제작된 PCBN 팁(tip)을 나타낸 것이고, 도 8은 PCBN 공구 표준 인써트 형상 이미지를 나타낸 것이다.

도 7과 같이 절단된 PCBN 팁은 도 8과 같이, WC-Co와 같은 재질로 형성된 초경합금바디에 마련된 인써트 홈에 삽입된다.

실시예

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

[실시예 1]

순도 99.7%, 평균입경 약 1.8㎛의 탄질화티타늄(TiCN) 분말, 바인더(binder) 성분으로 순도 99.0%, 평균입경 약 40㎛의 니켈알루미늄(Ni₃Al) 분말, 순도 99.8% 이상, 평균입경 약 2㎛의 탄화몰리브덴(Mo₂C) 분말을 사용하여, 최종 조성이 TiCN 60 부피%, Ni₃Al 30 부피%, Mo₂C 10 부피%의 일정한 조성으로 하여 혼합하였다.

이 혼합분말을 밀링용기에 초경 합금제 직경 9.5㎜ 볼과 10:1(볼 : 혼합분말)의 중량비로 합께 투입하고 에틸알콜을 밀링용기에 충진한 후 유성볼밀기로 고에너지 볼밀링을 20시간동안 분쇄 및 혼합을 행하였다. 분쇄가 끝난 분말의 슬러리를 진공 오븐중 40℃에서 건조시킨 후 다시 분쇄(과립화)하였다. 분쇄된 분말은 균일하게 혼합되어 있었으며 미세화되어 있었다.

미세화된 분말을 20 MPa의 압력으로 성형하고, 성형체를 약 10^-5torr의 진공분위기 및 1450℃에서 1시간동안 소결하여 기판을 제조하였다.

도 9는 실시예 1에 따라 제조된 TiCN-Mo₂C-Ni₃Al 기판의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.

도 9의 SEM 사진에서 약간 각진 둥근 회색 입자는 (Ti,Mo)CN 결정립이며 밝은 부분은 Ni₃Al 기지상 조직이다. 본 발명에 따른 CBN 소결체 합성시 사용되는 탄질화티타늄을 주성분으로 하는 기판에서는 탄화물 입자 내부에 코어-림 구조가 나타나지 않았으며, 탄질화물 입자의 크기도 매우 미세하였다.

[실시예 2, 3]

순도 99.7%, 평균입경 약 1.5㎛의 탄화티타늄(TiC) 분말, 바인더 성분인 순도 99.7%, 평균입경 40㎛의 니켈알루미늄(Ni₃Al) 분말을 사용하여, 최종 조성이 TiC 70 부피%, Ni₃Al 30 부피%의 일정한 조성으로 하고, Ni₃Al 100중량부에 대하여 0.3 중량부의 B₄C, TiB₂ 또는 B를 첨가하거나, 7.5 중량부의 Mn을 첨가하여 혼합하였다.

바인더 성분이 상이한 각각의 혼합분말을 분쇄하기 위하여, 각 혼합분말을 밀링용기에 초경 합금제 직경 9.5 ㎜ 볼과 10:1(볼 : 혼합분말)의 중량비로 합께 투입하고 에틸알콜을 밀링용기에 충진한 후 유성볼밀기로 고에너지 볼밀링을 20시간동안 분쇄 및 혼합을 행하였다. 분쇄가 끝난 분말의 슬러리를 진공 오븐중 40℃에서 건조시킨 후 다시 분쇄(과립화)하였다.

각각의 미세화된 분말의 일부를 100 MPa의 압력으로 성형하고, 성형체를 대략 10^-5torr의 진공분위기에서 1380℃에서 1시간동안 소결하였다.(실시예 2)

또한, 각각의 미세화된 분말의 다른 일부를 100 MPa의 압력으로 성형하고, 성형체를 대략 10^-5torr의 진공분위기에서 1400℃에서 1시간동안 소결하였다.(실시예3)

도 10은 실시예 2(소결온도 : 1380℃)에 따라 제조된 TiC-(B₄C, TiB₂, B, Mn 중 하나)-Ni₃Al계 기판의 X-선 회절 패턴을 나타낸 것이다.

도 11은 실시예 3(소결온도 : 1400℃)에 따라 제조된 TiC-(B₄C, TiB₂, B, Mn 중 하나)-Ni₃Al계 기판의 X-선 회절 패턴을 나타낸 것이다.

여기서, Ni₃Al 결합상의 격자정수는 Mn 첨가한 경우를 제외하면 일반적으로 소결온도와 타성분 첨가에 의하여 큰 변화 없이 약 3.592Å로 나타났다. 또한 B가 함유된 성분은 Ni₃Al의 격자정수 변화에 크게 기여하지 못하였기 때문에 거의 일정하게 나타났다.

그러나, Mn 첨가의 경우는 소결온도 1380℃에서 약 3.597Å이고, 1400℃에서 약 3.578Å으로 큰 차이를 보이고 있다. Mn이 Ni₃Al 결합상에 치환형으로 고용되므로, L1₂ 결정구조인 Ni₃Al은 면심에 Ni 원자가, 꼭지점에 Al 원자가 위치하고 있어서, Mn 원자가 어떤 원자와의 치환 가능성은 원자 크기와 관계 있을 것이다. 원자 반경은 Mn, Ni, Al이 각각 1.37, 1.25, 1.43Å이므로, Ni₃Al의 격자정수는 Mn이 Ni과 치환되면 증가하고 Al과 치환하면 감소할 것으로 보인다.

따라서 Ni₃Al의 격자정수가 1400℃ 소결에서 감소한 것은 Mn이 Al과 치환하였기 때문이라 볼 수 있다. 또한, Ni₃Al의 격자정수가 1380℃ 소결에서 증가한 것은 명확한 것은 아니나 Mn이 Ni과 치환되었기 때문이라 판단된다.

도 12는 실시예 2 중에서 타성분으로 TiB₂를 첨가하여 제조된 TiC-TiB₂-Ni₃Al계 기판의 SEM 사진이다.

도 12의 SEM 사진에서, TiC 입자는 각형이며, TiC 입자의 평균 크기는 TiB₂ 타성분의 붕화물을 첨가한 경우 1380℃ 소결에서 약 1.85㎛으로, 타성분이 첨가되면 TiC 입자 평균 크기가 증가하지만, TiB₂의 경우는 증가하는 경향이 뚜렷하게 나타나지 않았다.

일반적으로 TiC-Mo₂C-Ni에서의 입자성장은 소결 중에 TiC 입자 주위에 주변조직(surrounding structure)을 형성하면서 일어난다. TiC-Ni₃Al에서도 타성분 첨가에서 주변조직이 관찰되고 있으므로 입자성장기구는 TiC-Mo₂C-Ni의 경우와 동일 할 것으로 사료된다. 즉, 타성분 첨가에 의하여 액상 출현 온도의 변화, 액상과 TiC 입자 계면에서의 석출 기구와 액상에서의 확산 속도 등이 TiC 입자의 용해-석출에 의한 Ostwald 성장에 영향을 미쳤기 때문이라고 추측된다.

붕소가 함유된 B₄C, TiB₂, B가 첨가된 합금의 경우에는 소결시 액상 출현 온도가 낮았기 때문이라고 추측된다. 이는 소결 승온 과정에서 첨가 물질 중에 B 원자가 표면 확산에 의하여 Ni₃Al 입자 표면에서 Ni과 B 원자가 결합되면 Ni-B 상태도에서 알 수 있는 바와 같이 액상이 비교적 낮은 온도에서 생성되면서 Ni₃Al 입자의 용해가 보다 낮은 온도에서 일어났기 때문이라고 생각된다.

또한 Mn 첨가의 경우도 상기와 유사하게 Ni-Mn상태도에서 Ni 중에 Mn이 증가되면 융점이 낮아지므로, Mn도 Ni₃Al의 용해온도를 낮추기 때문이라고 생각된다.

그리고 이들 첨가 성분이 액상 중에 용해되어 있으면 TiC 입자의 Ostwald 성장에 어떤 형태로든 관여했을 것으로 보인다.

1400℃에서 TiB₂와 B 첨가에 의하여 TiC 입자 성장이 1380℃에 비하여 현저하게 증가한 것은 액상과 TiC 입자 계면에서 액상 중에 용해되어 있는 Ti, C, B 원자의 친화력과 액상 중의 확산 속도가 증가했기 때문이라고 보인다.

[실시예 4]

순도 99.7%, 평균입경 약 2.0㎛의 탄화티타늄(TiC) 분말, 바인더 성분으로 순도 99.8%, 평균 입경 약 1.7㎛의 니켈(Ni) 분말, 순도 99.8%, 평균입경 약 2㎛의 탄화몰리브덴(Mo₂C) 분말을 사용하여, 최종 조성이 TiC 80 부피%, Ni 10 부피%, Mo₂C 10 부피%의 일정한 조성으로 하여 혼합하였다.

이 혼합분말을 밀링용기에 초경 합금제 직경 9.5 ㎜ 볼과 10:1(볼:혼합분말)의 중량비로 합께 투입하고 에틸알콜을 밀링용기에 충진한 후 유성볼밀기로 고에너지 볼밀링을 20시간동안 분쇄 및 혼합을 행하였다. 분쇄가 끝난 분말의 슬러리를 진공 오븐중 40℃에서 건조시킨 후 다시 분쇄하였다.

미세화된 분말을 100 MPa의 압력으로 성형하고, 성형체를 대략 10^-5torr의 진공분위기, 1450℃에서 1시간동안 소결하였다.

도 13은 실시예 4에 따라 제조된 TiC-Mo₂C-Ni계 기판 소재의 SEM 사진이다.

도 13에서, 약간 각진 둥근 회색 입자는 (Ti,Mo)C 결정립이며, 밝은 부분은 Ni 바인더의 기지상 조직이다.

한편, 도 13을 참조하면, 탄화티타늄을 주성분으로 하는 기판에서는 탄화물 입자 내부에 코어-림 구조가 나타났다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

Claims

(a) 티타늄화합물 분말과 바인더 분말을 혼합하여 혼합 분말을 형성하는 단계;
(b) 상기 혼합 분말을 분쇄하는 단계;
(c) 상기 분쇄된 혼합 분말을 성형하여 성형체를 형성하는 단계; 및
(d) 상기 성형체를 소결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 PCBN 소결체 합성용 써멧 기판 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 티타늄화합물 분말은
탄화티타늄(TiC), 질화티타늄(TiN), 탄질화티타늄(Ti(C,N)) 및 붕화티타늄(TiB₂) 중에서 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 PCBN 소결체 합성용 써멧기판 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 바인더 분말은
Ni, NiAl, Ni₃Al, Mo, B₄C Mo₂C, B, Mn 및 AlN 중 2종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 PCBN 소결체 합성용 써멧 기판 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계는
티타늄화합물 50~95vol% 및 바인더 분말 5~50vol%를 혼합하는 것을 특징으로 하는 PCBN 소결체 합성용 써멧 기판 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계는
(b1) 밀링 용기에 볼과 습식 밀링 매개체 및 상기 혼합 분말을 투입한 상태에서 볼 밀링으로 상기 혼합 분말을 1차 분쇄하는 습식 분쇄 단계와,
(b2) 상기 습식 분쇄된 결과물로부터 습식 밀링 매개체를 건조하는 건조 단계와,
(b3) 밀링 용기에 볼과 상기 건조된 1차 분쇄물을 투입한 상태에서 볼 밀링으로 상기 1차 분쇄물을 2차 분쇄하는 건식 분쇄 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 PCBN 소결체 합성용 써멧 기판 제조 방법.
제5항에 있어서,
상기 (b1) 단계 및 (b3) 단계 중 하나 이상의 단계는,
공구강, 스테인레스강, 초경합금, 질화규소, 알루미나 및 지르코니아 중 선택된 어느 하나의 재질로 형성된 밀링 용기 및 볼을 이용하는 것을 특징으로 하는 PCBN 소결체 합성용 써멧 기판 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계는
디스크형 성형체를 형성하는 것을 특징으로 하는 PCBN 소결체 합성용 써멧 기판 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 (d) 단계의 소결은
1300∼1500℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 PCBN 소결체 합성용 써멧 기판 제조 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항으로부터 제조된 것을 특징으로 하는 PCBN 소결체 합성용 써멧 기판.