KR20130137116A - 입방정 질화 붕소 소결체 공구 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 입방정 질화 붕소 소결체 공구(1)는 입방정 질화 붕소 소결체(2)가 접합층(3)을 통해 공구 모재(4)에 접합된 것으로서, 입방정 질화 붕소 소결체(2)는 30 체적% 이상 95 체적% 이하의 입방정 질화 붕소 입자와, 5 체적% 이상 70 체적% 이하의 결합상(6)을 함유하고, 입방정 질화 붕소 소결체(2)와 접합층(3) 사이의 접합 면 중 면적이 최대가 되는 접합면에 수직인 면으로 입방정 질화 붕소 소결체 공구(1)를 절단했을 때의 적어도 하나의 절단면에 있어서, 도면에 도시한 점 A와 점 B를 연결하는 선분의 길이의 4분의 1 길이만큼 떨어진 점을 점 C, 점 D라 하면, 점 C와 점 D를 연결하는 선분과, 제1 입방정 질화 붕소 입자(7)와, 제2 입방정 질화 붕소 입자(8)와, 결합상(6)에 의해서 둘러싸이는 영역의 면적을, 점 A와 점 B를 연결하는 선분의 길이로 나누었을 때의 값이 0.14 ㎛ 이상 0.6 ㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

입방정 질화 붕소 소결체 공구{CUBIC BORON NITRIDE SINTERED BODY TOOL}
본 발명은 입방정 질화 붕소(이하, cBN이라고도 표기함) 입자와 결합상(相)을 함유하는 cBN 소결체가 접합층을 통해 공구 모재 상(上)에 직접 접합된 구성의 cBN 소결체 공구에 관한 것이다.
cBN 소결체는 TiN, TiC, Co, 및 Al을 주성분으로 하는 결합상에 의해 cBN 입자를 결합시킨 것이다. cBN 입자는 다이아몬드에 버금가는 경도 및 열전도율을 가지고, 또한 세라믹스 재료보다도 파괴 강인성이 우수한 재료이다. 이 때문에, cBN 입자의 함유율이 높은 cBN 소결체는 내소성(耐塑性) 변형성, 강인성, 강도, 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 고경도이기 때문에 가공의 능률이 높은 것 등의 점에서 우수하고 높게 평가되고 있다. 이러한 고성능의 cBN 소결체 공구는 Ni계 및 철계의 고경도 난삭재의 절삭 가공 용도, 냉간 단조용의 펀치용 공구의 소성 가공 용도 등에 있어서 종래부터 이용되는 공구를 치환하여 왔다.
여기서, 「절삭 가공」이란, 절삭칩을 배출하면서 원하는 치수 형상의 물품을 기계 가공하는 것을 말하고, 「소성 가공」이란, 가공물에 힘을 가해 변형시켜서, 정해진 형상 및 치수의 제품으로 성형 가공하는 것을 말한다. 소성 가공은 절삭칩이 발생하지 않는다고 하는 점에서 절삭 가공과는 다르다.
cBN 소결체 공구는 전술한 바와 같이 우수한 특성을 갖기 때문에, 절삭 가공 및 소성 가공의 어느 용도에서도 돌발적인 결손이 생기기 어렵다고 하는 메리트가 있어, 매우 적합하게 이용된다.
종래의 cBN 소결체 공구로서, 예를 들면 특허문헌 1 및 특허문헌 2는 cBN 소결체에 포함되는 Al 등의 금속, 산소 등을 불순물로서 파악하여, 이 불순물의 혼입을 극력 저감시킴으로써, 즉 cBN 입자의 혼합 비율을 높임으로써, cBN 소결체의 경도 및 강인성을 향상시킨다고 하는 기술이 개시되어 있다[일본 특허 공개 평07-291732호 공보(특허문헌 1) 및 일본 특허 공개 평10-158065호 공보(특허문헌 2)]
또한, cBN 소결체 공구는 고경도, 고강인성에 더하여, 고열전도성을 갖는 것이 고성능이라고 간주되고, 이것이 통설로 되어 왔다. 이 통설에 따라, 일본 특허 공개 2005-187260호 공보(특허문헌 3) 및 국제 공개 제2005/066381호 팜플렛(특허문헌 4)에서는, 고순도의 cBN 입자의 열전도율이 높은 것을 이용하여, 고순도의 cBN 입자를 고농도로 포함하는 cBN 소결체를 이용함으로써, 경도 및 강인성과 함께, 열전도성도 향상시킨 cBN 소결체 공구가 제안되고 있다. 이러한 cBN 소결체 공구는 저연성(低延性)의 재료를 소성 가공하는 경우에도, 고경도의 재료를 절삭 가공하는 경우에도 결손이 생기기 어렵다고 하는 이점을 갖는다.
상기 특허문헌 1∼4에 개시되어 있는 기술에 따라, cBN 소결체의 경도, 강인성, 열전도율 등의 성능을 향상시킬 수 있고, 또한 cBN 소결체의 내마모성을 향상시키면서, 결손을 생기기 어렵게 하는 경향이 있다.
그런데, cBN 소결체 공구는 가공물을 가공하는 면에 cBN 소결체가 위치하 도록, cBN 소결체가 접합층을 통해 공구 모재에 접합되는 구조가 일반적이다. 전술한 특허문헌 1∼4와 같이 cBN 소결체의 성능이 향상됨에 따라, cBN 소결체의 성능 이외의 면에서 새로운 문제가 부상하고 있다. 그 문제란, cBN 소결체와 공구 모재 사이의 밀착성이 충분하지 않은 것에 기인하여, 가공 시에 cBN 소결체가 공구 모재로부터 탈락해 버려, 공구로서 쓸모없어진다는 점이다.
그래서, 일본 특허 공개 2007-276079호 공보(특허문헌 5) 및 일본 특허 공개 평11-320218호 공보(특허문헌 6)에서는, cBN 소결체와 공구 모재 사이의 밀착성을 향상시키기 위한 시도로서, 접합층의 조성을 재검토하는 것이 고려되고 있다. 구체적으로는, 예를 들면 특허문헌 5에서는, 접합층의 조성으로서, 10 질량% 이상 30 질량% 이하의 Cu와, 2 질량% 이상 10 질량% 이하의 Ti과, 1 질량% 이상 4 질량% 이하의 Ni과, 그 잔부(殘部)로서 Ag과 불가피 불순물을 이용한다. 이러한 재료를 이용함으로써, 접합층의 cBN 소결체에 대한 어드히젼을 높일 수 있고, 또한 cBN 소결체와 접합층 사이의 접합력을 높일 수 있다.
일본 특허 공개 평07-291732호 공보 일본 특허 공개 평10-158065호 공보 일본 특허 공개 2005-187260호 공보 국제 공개 제2005/066381호 팜플렛 일본 특허 공개 2007-276079호 공보 일본 특허 공개 평11-320218호 공보
특허문헌 5 및 6은 모두 접합층의 재료 조성만의 개량이기 때문에, 최근의 시장 요구를 충족시키기 위한 지나치게 가혹한 조건 하에서는, 접합력이 충분하지 않고, 가공중에 cBN 소결체에 가해지는 높은 응력이 접합 계면의 일부에 집중하고, cBN 소결체가 탈락하기 쉽다고 하는 문제는 여전히 해소되지 않았다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 최근의 지나치게 가혹한 조건 하에서도 견딜 수 있는 정도로 강고하고 또한 고강성으로, 입방정 질화 붕소 소결체가 접합층을 통해 공구 모재 상에 접합되어 이루어지는 입방정 질화 붕소 소결체 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은 cBN 소결체를 공구 모재에 강고하고 또한 고강성으로 직접 접합하는 접합 방법을 예의 연구했다. 여러 가지의 접합층을 이용하여 cBN 소결체를 공구 모재에 접합하고, 그 접합 강도를 조사한 바, Ti, Zr, Cu, Ag, Ni 등을 적절한 비율로 함유하는 접합층(땜납 재료)을 이용한 경우에 가장 접합 강도가 우수한 것을 발견했다.
그러나, Ti, Zr, Cu, Ag, Ni 등을 함유하는 접합층을 이용한 cBN 소결체 공구는 가공하는 소결 합금이나 주철의 경도를 높임에 따라서, cBN 소결체와 공구 모재 사이의 접합 강도가 충분하지 않은 것에 기인하여, cBN 소결체가 공구 모재로부터 탈락하는 케이스가 있었다.
그래서, 본 발명자들은 접합층의 조성을 재검토하고, cBN 소결체의 표면을 처리하여 요철을 형성하는 것을 검토했다. 그 결과, cBN 소결체의 표면에 적절한 오목부를 형성함으로써, 그것과 접합층 사이의 접촉 면적이 증가하고, 앵커 효과를 발현시키며, 그래서 cBN 소결체와 접합층 사이의 접합력이 현저히 높아지는 것을 발견함으로써, 본 발명을 완성했다.
즉, 본 발명의 입방정 질화 붕소 소결체 공구는 입방정 질화 붕소 소결체가 접합층을 통해 공구 모재에 접합된 것으로서, 입방정 질화 붕소 소결체는 30 체적% 이상 95 체적% 이하의 입방정 질화 붕소 입자와, 5 체적% 이상 70 체적% 이하의 결합상을 함유하며, 결합상은 적어도 1종의 제1 화합물 및 적어도 1종의 Al 화합물로 이루어지거나, 또는 적어도 1종의 제2 화합물로 이루어지고, 상기 제1 화합물은 주기율표의 IVa족 원소, Va족 원소, 및 VIa족 원소 중 어느 하나에 속하는 적어도 1종의 원소와, 질소, 탄소, 붕소, 및 산소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물, 또는 이 화합물의 고용체이며, 상기 제2 화합물은 Co 화합물, Al 화합물, 및 W 화합물로 이루어지는 군에서 선택되는 화합물, 또는 이 화합물의 고용체이고, 접합층은 그 전체에 대하여, 5 질량% 이상의 Ti과, 5 질량% 이상의 Zr을 포함하고, Ti 및 Zr의 합계가 90 질량% 이하이며, 그 잔부에 Cu를 포함하거나, 또는 1 질량% 이상의 Ti과, 15 질량% 이상의 Cu와, 그 잔부에 Ag을 포함하고, 입방정 질화 붕소 소결체와 접합층 사이의 접합면 중 면적이 최대인 접합면에 수직인 면으로 입방정 질화 붕소 소결체 공구를 절단했을 때의 적어도 하나의 절단면에 있어서, 입방정 질화 붕소 소결체와 접합층 사이의 접합면을 따라서 인접하는 어느 2개의 입방정 질화 붕소 입자를 제1 입방정 질화 붕소 입자 및 제2 입방정 질화 붕소 입자라 할 경우, 제1 입방정 질화 붕소 입자와, 접합층과, 결합상이 접하는 교점 중 제2 입방정 질화 붕소 입자에 가까운 측의 교점을 점 A라 하고, 제2 입방정 질화 붕소 입자와, 접합층과, 결합상이 접하는 교점 중 점 A에 가까운 측의 교점을 점 B라 하며, 점 A로부터 제1 입방정 질화 붕소 입자와 접합층이 접하는 경계선을 따라서, 점 A와 점 B를 연결하는 선분의 길이의 4분의 1 길이만큼 떨어진 점을 점 C라 하고, 점 B로부터 제2 입방정 질화 붕소 입자와 접합층이 접하는 경계선을 따라서, 점 A와 점 B를 연결하는 선분의 길이의 4분의 1 길이만큼 떨어진 점을 점 D라 하면, 점 C와 점 D를 연결하는 선분과, 제1 입방정 질화 붕소 입자와, 제2 입방정 질화 붕소 입자와, 결합상에 의해서 둘러싸이는 영역의 면적을, 점 A와 점 B를 연결하는 선분의 길이로 나누었을 때의 값이 0.14 ㎛ 이상 0.6 ㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
접합층은 5 질량% 이상의 Ni을 포함하는 것이 바람직하고, 15 질량% 이상의 Ni을 포함하는 것이 보다 바람직하다.
입방정 질화 붕소 소결체는 65 체적% 이상 95 체적% 이하의 입방정 질화 붕소 입자를 포함하는 것이 바람직하다.
결합상은 0.1 질량% 이상 5 질량% 이하의 W, 또는 2 질량% 이하의 Si 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 더 포함하는 것이 바람직하다.
입방정 질화 붕소 입자는 0.03 질량% 이상 1 질량% 이하의 Mg과, 0.05 질량% 이상 0.5 질량% 이하의 Li을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 cBN 소결체 공구는 상기한 구성을 가짐으로써, 최근의 지나치게 가혹한 조건 하에서도 견딜 수 있도록, 강고하고 또한 고강성으로 cBN 소결체가 공구 모재에 접합되어 이루어지는 입방정 질화 붕소 소결체 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1의 (a)는 본 발명의 입방정 질화 붕소 소결체 공구의 모식적인 단면도이며, (b)는 입방정 질화 붕소 소결체와 접합층 사이의 접합면을 확대한 단면도이다.
도 2는 입방정 질화 붕소 소결체와 접합층 사이의 접합면을 확대한 단면도이다.
도 3은 입방정 질화 붕소 소결체와 접합층 사이의 접합면을 확대한 단면도이다.
도 4의 (a)는 cBN 소결체의 접합 강도를 측정할 때에 펀칭 막대를 대는 방법의 개략을 모식적으로 도시한 평면도이며, (b)는 (a)을 측면에서 관찰했을 때의 측면도이다.
이하, 본 발명의 입방정 질화 붕소 소결체 공구의 각 구성에 관해서 더 설명한다.
<입방정 질화 붕소 소결체 공구>
도 1의 (a)는 본 발명의 입방정 질화 붕소 소결체 공구의 모식적인 단면도이다. 본 발명의 입방정 질화 붕소 소결체 공구(1)는 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 입방정 질화 붕소 소결체(2)가 접합층(3)을 통해 공구 모재(4)에 접합된 것으로서, 이 입방정 질화 붕소 소결체(2)는 30 체적% 이상 95 체적% 이하의 입방정 질화 붕소 입자와, 5 체적% 이상 70 체적% 이하의 결합상을 함유하는 것으로서, 이하와 같이 입방정 질화 붕소 소결체의 표면에서의 결합상의 부분이 함몰된 형상인 것을 특징으로 한다.
도 1의 (b)는 본 발명의 입방정 질화 붕소 소결체 공구를 입방정 질화 붕소 소결체와 접합층 사이의 접합면 중 면적이 최대인 접합면에 수직인 면으로 절단했을 때의 절단면을 확대한 도면이다. 본 발명의 입방정 질화 붕소 소결체 공구는 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 입방정 질화 붕소 소결체 공구의 절단면에 있어서, 입방정 질화 붕소 소결체와 접합층 사이의 접합면을 따라서 인접하는 어느 2개의 입방정 질화 붕소 입자를 제1 입방정 질화 붕소 입자(7) 및 제2 입방정 질화 붕소 입자(8)라 하며, 또한 제1 입방정 질화 붕소 입자(7)와, 접합층(3)과, 결합상(6)이 접하는 교점 중 제2 입방정 질화 붕소 입자에 가까운 측의 교점을 점 A라 하고, 제2 입방정 질화 붕소 입자(8)와, 접합층(3)과, 결합상(6)이 접하는 교점 중 점 A에 가까운 측의 교점을 점 B라 하며, 점 A로부터 제1 입방정 질화 붕소 입자(7)와 접합층(3)이 접하는 경계선을 따라서, 점 A와 점 B를 연결하는 선분의 길이의 4분의 1 길이만큼 떨어진 점을 점 C라 하고, 점 B로부터 제2 입방정 질화 붕소 입자(7)와 접합층(3)이 접하는 경계선을 따라서, 점 A와 점 B를 연결하는 선분의 길이의 4분의 1 길이만큼 떨어진 점을 점 D라 하면, 점 C와 점 D를 연결하는 선분과, 제1 입방정 질화 붕소 입자(7)와, 제2 입방정 질화 붕소 입자(8)와, 결합상(6)에 의해서 둘러싸이는 영역의 면적을, 점 A와 점 B를 연결하는 선분의 길이로 나누었을 때의 값(이하, 「오목부 계수」라고도 표기함)이 0.14 ㎛ 이상 0.6 ㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
상기 오목부 계수는 cBN 소결체의 표면에서의 결합상의 함몰 상태를 나타내는 것이지만, 상기 수치 범위를 충족시키도록 cBN 소결체에 대하여, 오목부를 갖도록 표면 처리를 실시함으로써, cBN 소결체와 접합층(3) 사이의 접촉 면적이 증가하고, 앵커 효과를 발현시킬 수 있으며, 그래서 cBN 소결체와 접합층(3) 사이의 접합 강도를 현저하게 높일 수 있다. 상기 오목부 계수가 0.6 ㎛를 넘으면, 도 2에 도시한 바와 같이 결합상의 함몰부가 지나치게 커서(오목부가 지나치게 깊어서), cBN 입자가 탈락하기 쉬워지고, 응력이 집중될 가능성이 있어, 오목부를 기점으로 한 균열이 생기기 쉬워짐에 따라, 접합력이 저하한다. 한편, 0.14 ㎛ 미만이면, 도 3에 도시한 바와 같이 cBN 소결체의 표면에서의 결합상이 충분히 함몰되지 않고(오목부가 지나치게 얕고), 즉 cBN 소결체의 표면이 비교적 매끄럽기 때문에, 앵커 효과를 얻을 수 없고, 입방정 질화 붕소 소결체와 접합층 사이의 접합 강도를 향상시킬 수 없다.
본 발명에 있어서, 상기 오목부 계수는 상기 절단면을 SEM을 이용하여 20000배로 관찰하여, 인접하는 2개의 cBN 입자를 임의로 30개소 관찰하고, 각각의 오목부 계수를 산출했을 때의 평균값을 채용하는 것으로 한다. 이러한 cBN 소결체의 표면 형상은, cBN 소결체에 차지하는 cBN 입자의 체적비에 따라서, 그 형상이 다르기 때문에, 종래 공지된 표면 거칠기의 파라미터(예를 들면, Ra, Sm 등)에 의해서 접합 강도를 높일 수 있는 표면 형상을 규정할 수 없다. 그래서, 본 발명에서는, 전술한 바와 같이, 점 A∼점 D의 4점을 정하고, 그들 각 점과 입방정 질화 붕소 입자와 결합상이 둘러싸는 영역의 면적에 의해서 cBN 소결체의 표면 형상(오목부의 형상)을 규정함으로써, cBN 소결체에 차지하는 cBN 입자의 체적비의 대소와는 무관하게, cBN 소결체와 접합층 사이의 접합 강도를 높일 수 있는 표면 형상의 조건을 규정할 수 있기 때문에 매우 우수한 산업상의 이용성을 갖는다.
이러한 특성을 갖는 본 발명의 cBN 소결체 공구는, 소결 합금이나 난삭 주철의 기계 가공에 있어서 특히 유효하게 이용할 수 있는 것 외에, 이들 이외의 일반적인 금속의 각종 가공에도 적합하게 이용할 수 있다.
본 발명의 cBN 소결체 공구를 절삭 가공의 용도에 이용하는 경우, 예를 들면 드릴, 엔드밀, 프라이즈 가공용 또는 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 팁, 금속 톱, 기어 절삭기, 리머, 탭, 또는 크랭크샤프트의 핀밀링 가공용 팁 등으로서 매우 유용하게 이용할 수 있다.
한편, 본 발명의 cBN 소결체 공구를 소성 가공 용도로 이용하는 경우, 예를 들면 펀치 프레스 금형, 다이스용 금형, 마찰 압접 등으로서 매우 유용하게 이용할 수 있는 것 외에, 예를 들면 엔진 부품, HDD(하드 디스크 드라이브), HDD 헤드, 캡스턴, 웨이퍼 척, 반도체 반송용 아암, 자동차 구동계 부품, 카메라용 줌 렌즈 시일 링, 마찰 교반 접합용 공구 등을 예시할 수 있다.
또, 도 1에서는, cBN 소결체 공구의 날끝 1개소에만 cBN 소결체를 접합한 것을 나타내고 있지만, 이러한 위치에만 cBN 소결체를 갖추는 형태로만 한정되는 것은 아니고, cBN 소결체 공구의 2이상의 개소에 cBN 소결체를 결합하더라도 되는 것은 물론이다.
<입방정 질화 붕소 소결체>
본 발명의 cBN 소결체 공구(1)에 이용되는 cBN 소결체(2)는 30 체적% 이상 95 체적% 이하의 입방정 질화 붕소 입자와, 5 체적% 이상 70 체적% 이하의 결합상을 함유하는 것을 특징으로 한다.
이러한 cBN 소결체(2)의 최소 두께는 0.7∼1.5 ㎜인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1.0∼1.3 ㎜이다. 여기서, 「cBN 소결체의 최소 두께」란, cBN 소결체의 가장 얇은 부분의 두께를 말한다. cBN 소결체(2)의 최소 두께가 0.7 ㎜ 미만인 경우, 절삭 가공에 이용할 때 마모 폭이 0.7 ㎜를 넘으면 공구 모재(4)로 가공하는 것이 되어 극단적으로 수명이 저하하고, cBN 소결체(2)의 최소 두께가 1.5 ㎜를 넘으면 절삭날의 연마에 드는 노력이 많아진다.
<입방정 질화 붕소 입자>
본 발명에 있어서, 입방정 질화 붕소 입자는 cBN 소결체 내에 30 체적% 이상 95 체적% 이하 포함되는 것을 특징으로 한다. cBN 소결체 내의 cBN 입자가 30 체적% 미만이면 내마모성이 부족하고, 95 체적%를 넘으면 소결성이 악화한다. 내마모성과 소결성의 밸런스를 위해, cBN의 함유율은 65 체적% 이상 95 체적% 이하로 하는 것이 바람직하다.
입방정 질화 붕소 입자는 0.03 질량% 이상 1 질량% 이하의 Mg과, 0.05 질량% 이상 0.5 질량% 이하의 Li을 포함하는 것이 바람직하다. Mg 및 Li은 cBN 입자를 조제할 때의 촉매에 불가피 불순물로서 혼입되는 것이지만, 이러한 불가피 불순물은 접합층에 의해서 cBN 소결체를 접합할 때에 cBN 입자로부터 접합층으로 확산하여, cBN 입자의 표면에 미세한 함몰부를 생기게 하는 것이다. 이에 따라 cBN 소결체와 접합층 사이의 접촉 면적이 커져, 접합 강도를 높일 수 있다.
입방정 질화 붕소 입자에 혼입되는 Mg이 0.03 질량% 미만이면, Mg이 cBN 입자로부터 접합층으로 확산되기 어려워지고, cBN 입자의 표면에 함몰부가 형성되지 않아, cBN 소결체(2)와 접합층(3) 사이의 접합 강도를 높이기 어려운 경향이 있다. 이 경향은 입방정 질화 붕소 입자에 혼입되는 Li이 0.05 질량% 미만인 경우에도 마찬가지이다.
한편, 입방정 질화 붕소 입자에 혼입되는 Mg이 1 질량%를 넘는 경우, 또는 Li이 0.5 질량%를 넘는 경우, cBN 입자에 포함되는 불가피 불순물의 비율이 크기 때문에, cBN 소결체의 경도가 저하하는 경향이 있어, 바람직하지 않다.
<결합상>
본 발명에 있어서, cBN 소결체에 포함되는 결합상은 cBN 입자끼리 결합시키는 작용을 나타내는 것으로, cBN 소결체 내에 5 체적% 이상 70 체적% 이하 포함되는 것을 특징으로 한다. 여기서, cBN 소결체 내의 결합상이 5 체적% 미만인 경우, cBN 입자끼리 결합시키는 성분이 지나치게 적기 때문에, cBN 입자가 탈락하기 쉬워지고, 70 체적%를 넘으면, cBN 입자의 함유량이 충분하지 않기 때문에 내마모성이 부족하다.
본 발명에 있어서, 결합상에 이용되는 조성은 적어도 1종의 제1 화합물 및 적어도 1종의 Al 화합물로 이루어지거나, 또는 적어도 1종의 제2 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 소결 합금이나 주철의 기계 가공으로 특히 양호한 내마모성을 얻을 수 있다.
여기서, 제1 화합물은 주기율표의 IVa족 원소, Va족 원소, 및 VIa족 원소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소와, 질소, 탄소, 붕소, 및 산소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물, 또는 이 화합물의 고용체이다. 한편, 제2 화합물은 Co 화합물, Al 화합물, 및 W 화합물로 이루어지는 군에서 선택되는 화합물, 또는 이 화합물의 고용체이다. 여기서, 「Co 화합물」로서는, 예를 들면 W2Co21B6, Co3W3C, W3CoB3를 들 수 있고, 「Al 화합물」로서는, 예를 들면 Al2O3를 들 수 있다. 또한, W 화합물로서는, WC, W2Co21B6, Co3W3C, W3CoB3를 들 수 있다.
이와 같이 결합상의 조성에 제1 화합물 또는 제2 화합물을 포함시킴으로써, cBN 소결체의 경도를 높일 수 있고, 또한 cBN 소결체 공구의 내마모성을 양호하게 할 수 있다. 특히, 결합상에 이용하는 재료로서 Co 화합물을 주성분으로 함으로써, cBN 소결체의 소결성을 향상시킨다고 하는 효과가 있다.
그리고, 결합상은 상기한 조성에 더하여, 추가로 WC 또는 Si 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 포함하는 것이 바람직하다. WC 및 Si 모두는 후술하는 접합층(3)을 구성하는 재료와 친화성이 좋기 때문에, 접합층(3)을 구성하는 재료가 cBN 소결체(2)에 젖기 쉽게 할 수 있다.
결합상 중의 WC에 포함되는 W는 0.1 질량% 이상 5 질량% 이하 포함되는 것이 바람직하다. 또한, 결합상에 포함되는 Si는 0.01 질량% 이상 1 질량% 이하 함유되는 것이 보다 바람직하다. 결합상에 포함되는 W가 0.1 질량% 미만이면, 접합층(3)을 구성하는 재료의 cBN 소결체(2)에 대한 습윤성이 충분하지 않아, cBN 소결체(2)와 접합층(3) 사이의 접합 강도가 약해지는 경향이 있다. 이 경향은 결합상에 혼입되는 Si가 0.01 질량% 미만인 경우에도 마찬가지이다. 한편, 접합층에 포함되는 W가 5 질량%를 넘는 경우, 또는 Si가 1 질량%를 넘는 경우, cBN 소결체의 내마모성이 저하한다.
<접합층>
본 발명의 접합층(3)은 cBN 소결체와 공구 모재를 접합하기 위한 역할을 하는 것이다. 이러한 접합층(3)은 그 전체에 대하여, 5 질량% 이상의 Ti과, 5 질량% 이상의 Zr을 포함하고, 또한 Ti 및 Zr의 합계가 90 질량% 이하이며, 그 잔부에 Cu를 포함하거나(이하, 「제1 조성」이라고도 표기함), 또는 1 질량% 이상의 Ti과, 15 질량% 이상의 Cu와, 그 잔부에 Ag을 포함하는(이하, 「제2 조성」이라고도 표기함) 것을 특징으로 한다.
이러한 접합층(3)이 제1 조성인 경우, Cu는 Ti 및 Zr을 주성분으로 하는 접합층을 구성하는 재료의 융점을 내리는 효과가 있기 때문에, 저온에서의 접합 가공을 가능하게 한다. 또한, Cu는 높은 탄성율을 갖기 때문에, Cu를 포함함으로써, 가공 시에 발생하는 가공열이 cBN 소결체(2)를 통해서 공구 모재(4)에 유입될 때에, cBN 소결체(2)와 공구 모재(4) 사이의 열팽창차에 의한 왜곡을 흡수하는 효과를 얻을 수 있다. Cu가 10 질량% 미만인 경우는, 이들 효과를 얻을 수 없고, 90 질량%를 넘으면 상대적으로 Ti 및 Zr의 함유량이 저하하고, 접합 강도가 저하한다.
접합층이 제1 조성인 경우, 그 Ti 및 Zr은, Ag이나 Cu에 비하여, 높은 고온 강도를 갖는 것 외에, 접합층을 구성하는 재료의 습윤성이 대폭 향상되고, cBN 소결체(2)와 접합층(3) 사이의 접합 강도를 높이는 효과가 있다. Ti 또는 Zr이 5 질량% 미만인 경우는, 고온에서의 강도나 접합 강도의 향상 효과를 얻을 수 없고, 반대로 Ti과 Zr의 양자 합계가 90 질량%를 넘으면, 융점의 상승을 초래하여, 접합 시의 왜곡이나 균열을 유발하기 때문에 바람직하지 않다. Ti 및 Zr의 함유량의 합계의 적합한 범위는 10 질량% 이상 90 질량% 이하이며, 상기한 Cu의 함유량의 적합 범위와 조합하여 이용함으로써 접합 강도가 최대가 되어 특히 바람직하다.
특히, 접합층(3)에 포함되는 Ti의 함유량이 20 질량% 이상 30 질량% 이하이며, 또한 Zr의 함유량이 20 질량% 이상 30 질량% 이하이면, Ti과 Zr과 Cu의 3원 공정에 의한 융점 강하가 현저히 나타나고, 보다 저융점에서의 접합이 가능해져 바람직하다.
또한, 접합층(3)이 제2 조성인 경우, 그 Ti은 Ag이나 Cu에 비교하여 높은 고온 강도를 갖는 것 외에, 접합층(3)을 구성하는 재료의 습윤성이 대폭 향상되어, 접합 강도를 높이는 효과가 있다. Ti이 1 질량% 미만인 경우는, 고온 강도나 접합 강도의 향상 효과를 얻을 수 없기 때문에 바람직하지 않다. 상기한 15 질량% 이상의 Cu와 조합하여 이용하는 것에 의해 접합 강도가 최대가 되어 특히 바람직하다. 접합층(3)을 이러한 조성으로 함으로써, 800℃ 이상 1000℃ 이하의 비교적 저온으로 접합할 수 있다.
또한, 접합층(3) 중에, 5 질량% 이상의 Ni을 혼입함으로써, cBN 소결체에 대한 습윤성이 좋아진다. 이에 따라, cBN 소결체의 표면의 함몰부(즉, 결합상의 오목부나 cBN 입자 표면의 오목부)에, 접합층(3)을 구성하는 재료가 흘러, 비약적으로 접합 강도를 향상시킬 수 있다.
상기한 접합층(3)의 두께는 특히 한정되는 것은 아니지만, 통상 10 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하이다.
<공구 모재>
본 발명에 있어서, cBN 소결체(2)가 접합되는 공구 모재(4)는 이 종류의 공구 모재(4)로서 알려져 있는 종래 공지된 것이라면 어느 것이라도 채용할 수 있고, 특히 한정되지 않는다. 예를 들면, 초경합금, 강철, 세라믹스 등의 가공 저항에 견딜 수 있는 재료를 공구 모재(4)로서 적합하게 이용할 수 있다. 공구 모재(4)의 재료 강도 등을 고려하면, 초경합금이 보다 적합하게 이용된다.
<cBN 소결체 공구의 제조 방법>
본 발명의 cBN 소결체 공구는, 우선 cBN 입자와 결합상을 구성하는 원료 분말을 소결시킴으로써 cBN 소결체를 제작하고, 이러한 cBN 소결체의 표면에 형성되는 산소를 표면 처리에 의해 제거한 뒤에, 접합층을 통해 공구 모재에 접합함으로써 얻을 수 있다. 이하에서는, 본 발명의 cBN 소결체 공구의 제조 방법을 설명한다.
<cBN 소결체의 제작 공정>
본 발명에 이용되는 cBN 소결체(2)는 다음과 같이 하여 제작된다. 우선, cBN 입자와 결합상을 구성하는 원료 분말을 초고압 장치에 도입한 뒤에, 이들 분말을 초고압 소결함으로써, 벌크 소결체를 제작한다. 여기서, 초고압 소결 시의 압력은 저압력인 것이 바람직하고, 구체적으로는 3 ㎬ 이상 7 ㎬ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 초고온 소결 시의 온도는 1100℃ 이상 1900℃ 이하인 것이 바람직하고, 초고온 소결의 처리 시간은 10분 이상 180분 이하인 것이 바람직하다.
다음에, 상기에서 얻어진 벌크 소결체를 방전 가공기에 세팅한 뒤에, 놋쇠 와이어를 이용하여 원하는 형상으로 컷팅함으로써, cBN 소결체를 얻는다. 놋쇠 와이어를 이용한 컷팅은 생산 효율의 관점에서 수중에서 이루어지는 것이 바람직하다. 오일 속에서 컷팅을 하면 생산 효율이 저하할 가능성이 있다.
벌크 소결체를 컷팅하여 형성되는 cBN 소결체는 공구 모재에 접합시켜 이용할 수 있는 형상이라면, 특히 한정되는 것은 없고, 예를 들면 직방체, 삼각기둥, 삼각뿔, 각기둥, 원기둥형 등의 형상으로 할 수 있다. 그리고, 상기한 놋쇠 와이어로 컷팅한 면의 표면을 연마함으로써, cBN 소결체를 얻을 수 있다.
<표면 처리 공정>
상기한 방법에 의해 제작된 cBN 소결체에 대하여, 표면 처리를 행하지 않고서 접합층을 구성하는 재료를 이용하여 접합 가공을 행하면, 접촉 면적이 작아, 앵커 효과를 얻을 수 없기 때문에, cBN 소결체와 접합층 사이의 접합 강도가 약하게 된다.
즉, 본 발명에서는, 상기한 방법으로 제작된 cBN 소결체에 대하여, 플라즈마처리, 전자빔 처리, 화학 처리, 레이저 처리, 블라스트 처리 등의 방법을 이용하여, cBN 소결체의 표면에서 결합상의 부분만 선택적으로 제거하여, cBN 소결체의 표면에 오목부를 형성한다고 하는 표면 처리를 행한다. 종래는 cBN 소결체의 표면이 매끄럽게 되도록 cBN 소결체의 표면 전체를 처리하였지만, 본 발명은 cBN 소결체의 표면 중에서 cBN 입자의 표면은 연마되지 않고 결합상만 연마되는 것 같은 표면 처리를 실시하는 것을 특징으로 한다. 종래의 다이아몬드 지석을 이용한 연삭 가공과 같이 cBN 입자의 표면도 깎는 강력한 표면 처리에서는, cBN 소결체의 표면에 오목부가 형성되지 않고서 매끄럽게 되어, 앵커 효과를 얻을 수 없고, 접합 강도를 높일 수 없다. 또, 상기에서 예를 든 표면 처리 방법 이외에도, cBN 소결체의 표면에서 결합상만 선택적으로 제거할 수 있는 방법이라면, 어떠한 방법도 이용할 수 있다.
이러한 표면 처리에 의해서, cBN 소결체의 표면에 위치하는 결합상의 일부를 제거하여, 그 표면에 오목부를 형성함으로써, cBN 소결체와 접합층 사이의 접촉 면적이 증가하고, 그 오목부를 기점으로 한 앵커 효과가 생김으로써, cBN 소결체와 접합층 사이의 접합 강도를 높일 수 있다. 상기와 같은 표면 처리 방법 중에서도, 플라즈마 처리, 전자빔 처리, 및 화학 처리는 결합상만을 선택적으로 제거할 수 있는 표면 처리법으로서, 특히 유효하다.
<cBN 소결체의 표면 처리 방법>
본 발명에서는, 이하의 (1)∼(5) 중 어느 하나 이상의 표면 처리 방법을 이용하여 cBN 소결체의 표면 중에서 결합상만을 선택적으로 처리하는 것이 바람직하다.
(1) 초음파 처리
초음파 처리는 cBN 소결체를, 예를 들면 순수한 물 등의 용매에 침지시킨 뒤에, 그 용매와 함께 초음파에 1분 이상 20분 이하 노출시킴으로써, cBN 소결체의 표면에서 결합상의 일부를 제거한다. 초음파 처리에 이용되는 초음파는 50 W 이상 500 W 이하의 출력으로 발생한 것이 바람직하고, 그 주파수는 10 ㎑ 이상 50 ㎑ 이하인 것이 바람직하다.
(2) 플라즈마 처리
플라즈마 처리는, 우선 cBN 소결체를 진공 용기의 전극 상에 설치하여, 진공용기의 압력을 0.1 ㎩ 이하까지 진공화한 뒤에, 진공 용기 내에 Ar 가스를 도입하여, 그 내압을 0.1 ㎩ 이상 10 ㎩ 이하까지 가압하는 것이 바람직하다. 그리고, cBN 소결체에 고주파 전력을 인가하여, 플라즈마를 발생시킴으로써, cBN 소결체의 표면에서 결합상의 일부를 제거한다. 여기서, 고주파 전력의 발진 주파수는 10 ㎒ 이상 20 ㎒ 이하인 것이 바람직하고, 그 출력은 500 W 이상 1500 W 이하인 것이 바람직하다.
(3) 전자빔 처리
전자 빔처리는, 우선 cBN 소결체를 진공 용기 내에 설치한 뒤에, 진공 용기 내의 압력을 0.03 ㎩까지 감압한다. 그리고, 진공 용기 내에 Ar 가스를 도입하고, 그 내압을 0.05 ㎩로 한 뒤에, cBN 소결체의 표면에 대하여, 전자빔을 10000회 정도 조사함으로써, cBN 소결체의 표면에서 결합상의 일부를 제거한다. 여기서, 전자빔의 에너지량은 1 J/㎠ 이상 5 J/㎠ 이하인 것이 바람직하고, 1회당 전자빔의 조사 시간은 1초 이상 100초 이하인 것이 바람직하다.
(4) 화학 처리
화학 처리는, 우선 3 질량%의 과산화수소수와 10 질량%의 수산화나트륨 수용액을 1:0.5∼1:3의 질량비로 하여 혼합액을 배합한다. 그리고, 혼합액 속에 cBN 소결체를 침지함으로써, cBN 소결체의 표면에서 결합상의 일부를 제거한다. cBN 소결체를 혼합액에 침지시키는 시간은 10분 이상 60분 이하인 것이 바람직하다.
(5) 레이저 처리
레이저 처리는, 우선 cBN 소결체의 표면 중에서 접합 가공을 행하는 면을 상면으로 한 뒤에, 레이저 처리 장치에 설치한다. 그리고, 레이저 처리 장치의 출력을 5 W 이상 15 W 이하로 하고, cBN 소결체의 표면의 전체면에 대하여, 스폿 직경이 50 ㎛인 레이저광을 조사함으로써, cBN 소결체의 표면에서 결합상의 일부를 제거한다. 레이저광의 반복 주파수는 20 ㎑ 이상 300 ㎑ 이하인 것이 바람직하다.
<접합 가공 공정>
상기한 어느 하나의 표면 처리 방법에 의해, cBN 소결체의 표면에 위치하는 결합상의 일부를 제거한 뒤에, 그것과 공구 모재 사이에, 접합층을 구성하는 재료를 끼워 넣어, 진공로 내에 설치한다. 그리고, 진공로 내의 압력을 2×10-2 ㎩ 이하로 감압하고, 로 내의 온도를 750℃ 이상으로 함으로써, 접합층을 구성하는 재료를 용해시켜, cBN 소결체와 공구 모재를 접합 가공한다.
다음에, 접합 가공된 cBN 소결체와 공구 모재를 진공로에서 추출하고, 방냉시킴으로써 용해된 접합층을 구성하는 재료를 고화시킨다. 이 방냉으로 접합층을 구성하는 재료가 고화하여 접합층(3)이 된다. 그리고, cBN 소결체(2)와 공구 모재(4) 사이의 접합면을 연마 처리함으로써, cBN 소결체(2)와 공구 모재(4) 사이의 접합면을 매끄럽게 하여, 본 발명의 cBN 소결체 공구를 얻을 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 입자 직경 20 ㎛의 TiN 분말과 평균 입자 직경 20 ㎛의 Al 분말을 질량비로 TiN:Al=4:1이 되도록 혼합했다. 그리고, 그 혼합물을 진공 속에서 1250℃, 30분간 열처리했다. 열처리하여 얻어진 혼합물을 φ4 ㎜의 초경합금제 볼과, 초경합금제 포트를 이용하여 분쇄함으로써, 결합상을 구성하는 원료 분말을 얻었다.
그리고, 상기에서 얻어진 결합상을 구성하는 원료 분말과 평균 입자 직경 4㎛의 cBN 입자를, cBN 함유율이 72 체적%가 되도록 배합했다. 배합하여 얻어진 것을 진공로에 넣어 950℃로 승온한 뒤에 30분간 유지함으로써, 이들 분말에 탈가스 처리를 행했다.
다음에, 탈가스 처리가 행해진 이들 분말을 초경합금제 지지판에 적층하여 Nb제 캡슐에 넣었다. 그리고, 그 캡슐을 초고압 장치에 설치하여, 초고압 장치 내의 압력을 5 ㎬로 하고, 온도 1300℃에서 20분간 소결했다. 이어서, Mo제 캡슐로부터 소결체를 추출하여, 그 소결체를 연삭하고, 또한 연마를 실시함으로써 형상을 갖추어, 판형의 벌크 소결체를 제작했다. 상기와 같은 방법에 의해, 조성 분석용의 벌크 소결체를 상기와는 별도로 2개 제작했다.
상기에서 얻어진 벌크 소결체 중 하나에 대하여, 놋쇠 와이어를 이용하여 방전 가공기에 의해 절단했다. 이에 따라, 2변이 2 ㎜이며 그 사이의 꼭지각이 80°인 이등변 삼각형이 바닥면이고 그 두께가 1.2 ㎜인 삼각기둥 형상의 cBN 소결체를 얻었다. 얻어진 cBN 소결체에 대하여 화학 처리를 행했다. 화학 처리는, 우선 3 질량%의 과산화수소수와, 10 질량%의 수산화나트륨 수용액을 2:3의 비율로 하여 혼합액을 배합했다. 그리고, 이 혼합액 속에 cBN 소결체를 30분간 침지시킴으로써, cBN 소결체의 표면을 처리했다.
다음에, 초경합금으로 이루어지는 공구 모재를 준비하고, cBN 소결체와 공구 모재 사이의 계면에, 질량비 25 질량%의 Ti과 25 질량%의 Zr과 30 질량%의 Cu와 잔부 20 질량%의 Ni로 이루어지는 접합층을 구성하는 재료를 배치한 뒤에 진공로에 설치했다. 그리고, 진공로 내의 압력을 1×10-2 ㎩로 하고, 그 내부의 온도를 850 ℃까지 승온시켜, 접합층을 구성하는 재료를 용해시킴으로써, cBN 소결체를 공구 모재에 접합했다.
그리고, 공구 모재에 cBN 소결체가 접합된 것을 반응로에서 추출하여 방냉시켰다. 다음에, cBN 소결체와 공구 모재 사이의 접합면을 연마함으로써 마무리 가공을 행했다. 이와 같이 하여 ISO 모델 번호 CNGA120408의 형상으로서, 그 꼭지각 부분에 cBN 소결체를 구비한 cBN 소결체 공구를 제작했다.
<실시예 2∼7, 비교예 1∼6>
실시예 1의 cBN 소결체 공구에 대하여, cBN 소결체를 혼합액에 침지하는 시간을 변경함으로써, cBN 소결체의 표면을, 표 1의 「오목부 계수」란에 나타낸 바와 같이 바꾼 것 외에는, 실시예 1과 같은 방법으로, 실시예 2∼7 및 비교예 1∼6의 cBN 소결체 공구를 제작했다.
Figure pct00001
<실시예 8∼9, 비교예 7>
실시예 3의 cBN 소결체 공구에 대하여, 접합층을 구성하는 재료를 표 1의「접합층을 구성하는 재료」란에 나타낸 바와 같이 바꾼 것 외에는, 실시예 3과 같은 방법으로, 실시예 8∼9 및 비교예 7의 cBN 소결체 공구를 제작했다.
<실시예 10>
실시예 3의 cBN 소결체 공구에 대하여, 표면 처리 방법에 레이저 처리를 이용한 외에는, 실시예 3과 같은 방법으로, 실시예 10의 cBN 소결체 공구를 제작했다. 여기서, 레이저 처리는, 우선 cBN 소결체의 표면 중 접합 가공을 행하는 면을 상면으로 한 뒤에, 레이저 처리 장치의 출력을 10 W로 설정하고, cBN 소결체의 표면에 대하여, 스폿 직경 50 ㎛, 반복 주파수 100 ㎑, 1064 ㎚ 파장의 레이저광을 조사함으로써 행했다.
<실시예 11∼18>
실시예 10의 cBN 소결체 공구에 대하여, 표 2의 「접합층을 구성하는 재료」에 나타낸 바와 같이 접합층을 구성하는 재료를 바꾼 것 외에는, 실시예 10과 같은 방법으로, 실시예 11∼18의 cBN 소결체 공구를 제작했다.
Figure pct00002
<실시예 19>
실시예 3의 cBN 소결체 공구에 대하여, cBN 함유율, 결합상의 조성, 접합층을 구성하는 재료, 및 표면 처리 방법이 표 3과 같이 상이한 것 외에는, 실시예 1과 같은 방법으로, 실시예 19의 cBN 소결체 공구를 제작했다. 즉, 실시예 19에서는, 실시예 1과 같이 화학 처리하는 대신에 플라즈마 처리를 행했다. 플라즈마 처리에 대해서는, 우선 진공로의 전극 상에 cBN 소결체를 세팅하고, 진공로 내의 압력을 0.1 ㎩까지 감압한 뒤에, Ar 가스를 도입하여 그 내압을 5 ㎩로 했다. 그리고, cBN 소결체에 대하여, 13.56 ㎒의 발진 주파수로서, 그 출력이 500 W인 고주파 전력을 인가하여, cBN 소결체의 표면에 플라즈마를 발생시킴으로써, cBN 소결체의 표면을 처리했다.
<실시예 20∼28>
실시예 19의 cBN 소결체 공구에 대하여, 표 3의 「W」 및 「Si」에 나타낸 바와 같이 결합상에 포함되는 W 및 Si의 질량비를 바꾼 것 외에는, 실시예 19와 같은 방법으로, 실시예 20∼28의 cBN 소결체 공구를 제작했다.
<실시예 29>
실시예 3의 cBN 소결체 공구에 대하여, cBN 함유율, 결합상의 조성, 접합층을 구성하는 재료, 및 표면 처리 방법이 표 3에 나타낸 바와 같이 상이한 것 외에는, 실시예 3과 같은 방법으로, 실시예 29의 cBN 소결체 공구를 제작했다. 즉, 실시예 29에서는, 실시예 3과 같이 화학 처리하는 대신에 전자빔 처리를 행했다. 전자빔 처리에 대해서는, 우선 cBN 소결체를 진공 용기 내에 설치한 뒤에, 진공 용기 내의 압력을 0.03 ㎩까지 감압했다. 그리고, 진공 용기 내에 Ar 가스를 도입하고, 그 내압을 0.05 ㎩로 한 뒤에, cBN 소결체의 표면에 대하여, 3 J/㎠ 에너지의 전자빔을 1회당 10초간, 합계 8000회 정도 조사함으로써, cBN 소결체의 표면 처리를 행했다.
<실시예 30∼38>
실시예 29의 cBN 소결체 공구에 대하여, cBN 입자에 포함되는 Mg 및 Li의 질량비, 및 결합상을 구성하는 재료의 조성을 표 3에 나타낸 바와 같이 바꾼 것 외에는, 실시예 29와 같은 방법으로, 실시예 30∼38의 cBN 소결체 공구를 제작했다.
Figure pct00003
이상과 같이 하여 제작된 실시예 1∼38의 cBN 소결체 공구는 입방정 질화 붕소 소결체가 접합층을 통해 공구 모재에 접합된 것으로서, 입방정 질화 붕소 소결체는 30 체적% 이상 95 체적% 이하의 입방정 질화 붕소 입자와, 5 체적% 이상 70 체적% 이하의 결합상을 함유하며, 결합상은 적어도 1종의 제1 화합물 및 적어도 1종의 Al 화합물로 이루어지거나, 또는 적어도 1종의 제2 화합물로 이루어지고, 상기 제1 화합물은 주기율표의 IVa족 원소, Va족 원소 및 VIa족 원소 중 어느 것에 속하는 적어도 1종의 원소와, 질소, 탄소, 붕소, 및 산소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물, 또는 이 화합물의 고용체이며, 상기 제2 화합물은 Co 화합물, Al 화합물, 및 W 화합물로 이루어지는 군에서 선택되는 화합물, 또는 이 화합물의 고용체이고, 접합층은 그 전체에 대하여, 5 질량% 이상의 Ti과, 5 질량% 이상의 Zr을 포함하고, Ti 및 Zr의 합계가 90 질량% 이하이며, 그 잔부에 Cu를 포함하거나, 또는 1 질량% 이상의 Ti과, 15 질량% 이상의 Cu와, 그 잔부에 Ag을 포함하며, 입방정 질화 붕소 소결체와 접합층 사이의 접합면 중 면적이 최대인 접합면에 수직인 면으로 입방정 질화 붕소 소결체 공구를 절단했을 때의 적어도 하나의 절단면에 있어서, 입방정 질화 붕소 소결체와 접합층 사이의 접합면을 따라서 인접하는 어느 2개의 입방정 질화 붕소 입자를 제1 입방정 질화 붕소 입자 및 제2 입방정 질화 붕소 입자라 할 경우, 제1 입방정 질화 붕소 입자와, 접합층과, 결합상이 접하는 교점 중 제2 입방정 질화 붕소 입자에 가까운 측의 교점을 점 A라 하고, 제2 입방정 질화 붕소 입자와, 접합층과, 결합상이 접하는 교점 중 점 A에 가까운 측의 교점을 점 B라 하며, 점 A로부터 제1 입방정 질화 붕소 입자와 접합층이 접하는 경계선을 따라서, 점 A와 점 B를 연결하는 선분의 길이의 4분의 1 길이만큼 떨어진 점을 점 C라 하고, 점 B로부터 제2 입방정 질화 붕소 입자와 접합층이 접하는 경계선을 따라서, 점 A와 점 B를 연결하는 선분의 길이의 4분의 1 길이만큼 떨어진 점을 점 D라 하면, 점 C와 점 D를 연결하는 선분과, 제1 입방정 질화 붕소 입자와, 제2 입방정 질화 붕소 입자와, 결합상에 의해서 둘러싸이는 영역의 면적을, 점 A와 점 B를 연결하는 선분의 길이로 나누었을 때의 값이 0.14 ㎛ 이상 0.6 ㎛ 이하인 것이다.
(cBN 소결체의 조성 분석)
상기에서 얻어진 실시예 1의 cBN 소결체 중 하나를 이용하고, 그것에 포함되는 cBN 소결체의 조성을 X선 회절(XRD: X-ray diffraction)을 이용하여 조사한 바, cBN, TiB2, TiN, TiAlN, AlN 및 AlB2로 추정되는 제1 화합물의 조성이 검출되었다. 각 실시예 및 각 비교예의 cBN 소결체에 대하여, 상기와 같은 방법으로 검출한 결합상의 조성을 표 1∼표 3의 「결합상의 조성」란에 나타낸다.
또한, 별도의 cBN 소결체 샘플에 대하여, 고주파 유도 플라즈마 발광 분석(ICP: Inductively coupled plasma)법을 이용하여, 그것에 포함되는 Mg, Li, W, 및 Si 원소의 함유량을 정량했다. 구체적으로는, 우선 cBN 소결체 샘플을 알칼리 용액에 융해시켜서 염을 생성하고, 이 염을 산성 용액에 용해시켜 소결체 함유 용액을 얻었다. 이 소결체 함유 용액에 대하여 ICP법을 이용하여, cBN 성분에 포함되는 Mg 및 Li의 함유량과, 결합상 성분으로서 포함되는 W 및 Si의 함유량을 정량했다. 그 결과를, 표 1∼표 3에 있어서 「Mg」,「Li」,「W」, 및 「Si」란에 나타낸다.
여기서, 표 1∼표 3의 「cBN 함유율」은, 이하와 같이 하여 산출했다. 우선, 각 실시예 및 각 비교예에서 제작된 cBN 소결체를 경면 연마하여(단, 연마하는 두께는 50 ㎛ 미만으로 멈추었다), 임의의 영역의 cBN 소결체 조직을 전자 현미경으로 2000배로 사진 촬영한 바, 흑색 영역과 회색 영역과 백색 영역이 관찰되었다. 부속의 에너지 분산형 X선 분광 장치(EDX: Energy Dispersive X-ray spectroscopy)에 의해, 흑색 영역은 cBN 입자, 회색 영역과 백색 영역은 결합상인 것이 확인되었다.
다음에, 상기에서 촬영된 2000배의 사진에 대하여 화상 처리 소프트웨어를 이용하여 2치화 처리를 실시해서, 그 사진에 있어서 cBN 입자가 차지하는 영역(흑색 영역)의 합계 면적을 산출하고, 그 사진에서 cBN 소결체에 차지하는 흑색 영역의 비율의 백분율을 체적%로서 표 1∼표 3의 「cBN 함유율」로 했다.
<오목부 계수의 측정 방법>
상기한 바와 같이 하여 얻어진 각 실시예 및 각 비교예의 cBN 소결체 공구를 연마함으로써, cBN 소결체와 접합층 사이의 접합면 중 면적이 최대인 접합면에 수직인 절단면을 노출시켰다. 그리고, 그 절단면을 Ar 빔을 이용하여 에칭하여 폴리싱을 행함으로써 경면 가공을 행했다. 그리고, 그 가공면 중에서 cBN 소결체와 접합층이 접하는 부분을 20000배 배율의 SEM으로 시야를 이동시키면서 관찰함으로써, 도 1의 (b)와 같은 시야가 되도록, 인접하는 2개의 cBN 입자를 관찰할 수 있는 부분을 특정했다. 그리고, 2개의 cBN 입자 중 한쪽을 제1 cBN 입자(7)라 하고, 다른쪽을 제2 cBN 입자(8)라 정했다.
다음에, 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 제1 cBN 입자(7)와, 접합층(3)과, 결합상(6)이 접하는 교점 중 제2 cBN 입자(8)에 가까운 측의 교점을 점 A라 하고, 제2 cBN 입자(8)와, 접합층(3)과, 결합상(6)이 접하는 교점 중 점 A에 가까운 측의 교점을 점 B라 했다. 또한, 점 A로부터 제1 cBN 입자(7)와 접합층(3)이 접하는 경계선을 따라서, 점 A와 점 B를 연결하는 선분의 길이의 4분의 1 길이만큼 떨어진 점을 점 C라 하고, 점 B로부터 제2 cBN 입자(7)와 접합층(3)이 접하는 경계선을 따라서, 점 A와 점 B를 연결하는 선분의 길이의 4분의 1 길이만큼 떨어진 점을 점 D라 했다. 다음에, 점 C와 점 D를 연결하는 선분과, 제1 cBN 입자(7)와, 제2 cBN 입자(8)와, 결합상(6)에 의해서 둘러싸이는 영역의 면적을, 점 A와 점 B를 연결하는 선분의 길이로 나눔으로써, 오목부 계수를 산출했다.
상기와 같은 방법에 의해서 30개소의 인접하는 2개의 cBN 입자를 관찰하여, 각각의 오목부 계수를 산출한 평균값을 표 1∼표 3의「오목부 계수」란에 나타냈다.
<접합 강도의 측정 시험>
상기한 바와 같이 하여 얻어진 각 실시예 및 각 비교예의 cBN 소결체 공구에 있어서, 공구 모재에 대한 cBN 소결체의 접합 강도를 산출했다. 도 4의 (a)는 cBN 소결체의 접합 강도를 측정할 때에 펀칭 막대을 대는 방법의 개략을 모식적으로 도시한 평면도이며, 도 4의 (b)는 그것을 측면에서 관찰했을 때의 측면도이다.
각 실시예 및 각 비교예의 cBN 소결체 공구의 공구 모재에 대한 cBN 소결체의 접합 강도는 도 4에 도시되는 방법에 의해 측정했다. 즉, cBN 소결체(2)에만 하중이 걸리고, 공구 모재(4)에는 하중이 걸리지 않도록, 초경합금제의 펀칭 막대(5)를 cBN 소결체(2)의 측면에 면 접촉시켰다. 그리고, 공구 모재(4)가 움직이지 않도록 고정한 뒤에, 펀칭 막대(5)의 하중을 서서히 증가시켜서, cBN 소결체(2)가 공구 모재(4)로부터 파단되었을 때의 하중을 측정했다. 파단되었을 때의 하중을 cBN 소결체(2)와 공구 모재(4) 사이의 접합 면적으로 나누어, 단위 면적(㎟)당 접합 강도(kgf)를 산출했다. 같은 방식의 접합 강도 측정을 20 샘플에 대하여 행하고, 그 평균값을 표 4 및 표 5에 나타냈다.
Figure pct00004
Figure pct00005
표 4 및 표 5로부터, 실시예의 입방정 질화 붕소 소결체 공구는 비교예의 입방정 질화 붕소 소결체 공구와 비교하여, cBN 소결체와 접합층 사이의 접합 강도가 현저히 향상된 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 표면 피복 절삭 공구는, 전술한 바와 같은 오목부 계수를 갖는 것을 주된 특징으로 함으로써, cBN 소결체가 공구 모재로부터 탈락하기 어려운 것이 확인되었다. 이로부터, 본 발명의 cBN 소결체 공구는 cBN 소결체가 공구 모재에 강고하고 또한 고강성으로 접합되어 이루어지는 것으로, 지나치게 가혹한 조건 하에서도 견딜 수 있는 것임이 분명해졌다.
이상과 같이, 본 발명의 실시형태 및 실시예에 관해서 설명하였지만, 전술한 실시형태 및 실시예의 구성을 적절하게 조합하는 것도 당초부터 예정되어 있다.
이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시적이며 제한적인 것은 아니라고 생각해야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 특허청구범위에 의해 정해지며, 특허청구범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1 : 입방정 질화 붕소 소결체 공구 2 : 입방정 질화 붕소 소결체
3 : 접합층 4 : 공구 모재
5 : 펀칭 막대 6 : 결합상
7 : 제1 입방정 질화 붕소 입자 8 : 제2 입방정 질화 붕소 입자

Claims (6)

  1. 입방정 질화 붕소 소결체(2)가 접합층(3)을 통해 공구 모재(4)에 접합된 입방정 질화 붕소 소결체 공구(1)로서,
    상기 입방정 질화 붕소 소결체(2)는 30 체적% 이상 95 체적% 이하의 입방정 질화 붕소 입자와, 5 체적% 이상 70 체적% 이하의 결합상(6)을 함유하며,
    상기 결합상(6)은 적어도 1종의 제1 화합물 및 적어도 1종의 Al 화합물로 이루어지거나, 또는 적어도 1종의 제2 화합물로 이루어지고,
    상기 제1 화합물은 주기율표의 IVa족 원소, Va족 원소 및 VIa족 원소 중 어느 하나에 속하는 적어도 1종의 원소와, 질소, 탄소, 붕소, 및 산소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 원소로 이루어지는 화합물, 또는 이 화합물의 고용체이며,
    상기 제2 화합물은 Co 화합물, Al 화합물, 및 W 화합물로 이루어지는 군에서 선택되는 화합물, 또는 이 화합물의 고용체이고,
    상기 접합층(3)은 그 전체에 대하여, 5 질량% 이상의 Ti과, 5 질량% 이상의 Zr을 포함하고, 상기 Ti 및 상기 Zr의 합계가 90 질량% 이하이며, 그 잔부(殘部)에 Cu를 포함하거나, 또는 1 질량% 이상의 Ti과, 15 질량% 이상의 Cu와, 그 잔부에 Ag을 포함하고,
    상기 입방정 질화 붕소 소결체(2)와 상기 접합층(3) 사이의 접합면 중 면적이 최대인 접합면에 수직인 면으로 상기 입방정 질화 붕소 소결체 공구(1)를 절단했을 때의 적어도 하나의 절단면에 있어서,
    상기 입방정 질화 붕소 소결체(2)와 상기 접합층(3) 사이의 접합면을 따라서 인접하는 어느 2개의 상기 입방정 질화 붕소 입자를 제1 입방정 질화 붕소 입자(7) 및 제2 입방정 질화 붕소 입자(8)라 할 경우,
    상기 제1 입방정 질화 붕소 입자(7)와, 상기 접합층(3)과, 상기 결합상(6)이 접하는 교점 중 상기 제2 입방정 질화 붕소 입자(8)에 가까운 측의 교점을 점 A라 하고, 상기 제2 입방정 질화 붕소 입자(8)와, 상기 접합층(3)과, 상기 결합상(6)이 접하는 교점 중 상기 점 A에 가까운 측의 교점을 점 B라 하며,
    상기 점 A로부터 상기 제1 입방정 질화 붕소 입자(7)와 상기 접합층(3)이 접하는 경계선을 따라서, 상기 점 A와 상기 점 B를 연결하는 선분의 길이의 4분의 1 길이만큼 떨어진 점을 점 C라 하고,
    상기 점 B로부터 상기 제2 입방정 질화 붕소 입자(8)와 상기 접합층(3)이 접하는 경계선을 따라서, 상기 점 A와 상기 점 B를 연결하는 선분의 길이의 4분의 1 길이만큼 떨어진 점을 점 D라 하면,
    상기 점 C와 상기 점 D를 연결하는 선분과, 상기 제1 입방정 질화 붕소 입자(7)와, 상기 제2 입방정 질화 붕소 입자(8)와, 상기 결합상(6)에 의해서 둘러싸이는 영역의 면적을, 상기 점 A와 상기 점 B를 연결하는 선분의 길이로 나누었을 때의 값이 0.14 ㎛ 이상 0.6 ㎛ 이하인 것인 입방정 질화 붕소 소결체 공구(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 접합층(3)은 5 질량% 이상의 Ni을 포함하는 것인 입방정 질화 붕소 소결체 공구(1).
  3. 제1항에 있어서, 상기 접합층(3)은 15 질량% 이상의 Ni을 포함하는 것인 입방정 질화 붕소 소결체 공구(1).
  4. 제1항에 있어서, 상기 입방정 질화 붕소 소결체(2)는 65 체적% 이상 95 체적% 이하의 입방정 질화 붕소 입자를 포함하는 것인 입방정 질화 붕소 소결체 공구(1).
  5. 제1항에 있어서, 상기 결합상(6)은 0.1 질량% 이상 5 질량% 이하의 W, 또는 2 질량% 이하의 Si 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 더 포함하는 것인 입방정 질화 붕소 소결체 공구(1).
  6. 제1항에 있어서, 상기 입방정 질화 붕소 입자는 0.03 질량% 이상 1 질량% 이하의 Mg과, 0.05 질량% 이상 0.5 질량% 이하의 Li을 포함하는 것인 입방정 질화 붕소 소결체 공구(1).
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