KR20150119374A

KR20150119374A - 입방정 질화 붕소 소결체의 제조 방법 및 입방정 질화 붕소 소결체

Info

Publication number: KR20150119374A
Application number: KR1020157025472A
Authority: KR
Inventors: 유스케 마츠다; 가츠미 오카무라; 츠토무 히라노; 도모히로 후카야
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2015-10-23
Also published as: JP2014198637A; MX2015011068A; EP2980046A1; EP2980046A4; US9522850B2; WO2014156625A1; US20160052827A1; EP2980046B1; JP6095162B2; KR101811510B1; CN105189408A

Abstract

우수한 내마모성 및 내결손성을 갖는 입방정 질화 붕소 소결체를 제공한다. 본 발명의 입방정 질화 붕소 소결체의 제조 방법은, 입방정 질화 붕소 입자의 함유율이 80 체적％ 이상 99 체적％ 이하인 입방정 질화 붕소 소결체의 제조 방법으로서, 입방정 질화 붕소 입자를 준비하는 제1 공정과, 피복재로 상기 입방정 질화 붕소 입자를 피복함으로써 피복 입자를 얻는 제2 공정과, 상기 피복 입자와 결합재를 혼합함으로써 혼합물을 얻는 제3 공정과, 상기 혼합물을 소결하는 제4 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

입방정 질화 붕소 소결체의 제조 방법 및 입방정 질화 붕소 소결체{METHOD FOR MANUFACTURING CUBIC BORON NITRIDE SINTERED BODY, AND CUBIC BORON NITRIDE SINTERED BODY}

본 발명은 입방정 질화 붕소(이하, cBN으로도 기재함)를 주체로서 포함하는 소결체에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 특히 cBN의 함유량이 높은, 고cBN 함유율 소결체에 관한 것이다.

cBN은, 다이아몬드 다음으로 높은 경도를 가지며, 열 전도율이 높은 것, 철계 재료와의 친화성이 낮은 것 등의 특징을 갖는 것이 알려져 있고, 그 소결체는 절삭 공구에 이용되고 있다.

절삭 공구에 이용되는 cBN 소결체에는, 대별하면, 고cBN 함유율 소결체와 저 cBN 함유율 소결체의 2종의 조성이 있다. 전자는 cBN 입자의 함유율이 높고, cBN 입자끼리가 직접 결합하며, 잔부가 Co나 Al을 주성분으로 하는 결합재로 결합된 소결체 조직을 갖는 것이다. 이에 대하여, 후자는, cBN 입자의 함유율이 낮고, cBN 입자끼리가 접촉하는 부위가 적기 때문에, TiN이나 TiC와 같은 세라믹스 재료를 통해, 입자가 결합된 소결체 조직을 갖는다.

이와 같은 고cBN 함유율 소결체로서, 예컨대, 특허문헌 1에는, 88 체적％∼97 체적％의 cBN과 결합상 및 불가피 불순물로 이루어지는 cBN 소결체가 개시되어 있다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2004-331456호 공보

고cBN 함유율 소결체는, 전술한 바와 같이 cBN 입자끼리가 직접 결합한 소결체 조직을 갖는다. 이와 같이, 열 전도율이 높은 cBN 입자가 연속하여 결합한 소결체 조직으로 함으로써, 절삭 가공 시에 피삭재와의 마찰에 의해 생기는 열을 방산하기 쉬워진다고 하는 이점을 갖는다. 그 때문에, 고cBN 함유율 소결체는, 열 충격에 의한 손상이 지배적인 주철의 절삭 가공 등에 적합하다. 또한, 높은 경도를 갖는 cBN 입자의 함유율이 높기 때문에, 기계적인 마모가 지배적인 소결 합금의 절삭 가공에도 적합하다.

이러한 고cBN 함유율 소결체는, cBN 입자와 결합재를 혼합하고, cBN이 hBN(육방정 질화 붕소)으로 변환되지 않는 압력 온도 조건에서 혼합물을 소결함으로써 제조되고 있다. 이때, 결합재가 cBN 입자끼리의 결합을 촉진시키는 성분을 포함함으로써, cBN 입자끼리가 직접 결합한 부위[네크 그로스(neck growth)라고도 불림]가 형성되어, 강고한 소결체 조직을 얻을 수 있다고 생각되고 있다.

종래, 결합재로서, 여러 종류의 다양한 원소나 화합물이 검토되어 왔다. 그리고, 여러 종류의 원소 또는 화합물을 혼합하여 결합재를 구성함으로써, 각 성분이 상승적으로 작용하여, cBN 입자끼리의 결합을 촉진시키며, 소결체 조직 전체를 강고하게 결합할 수 있다고 생각되어 왔다. 그 때문에, 소결 전의 혼합물을 얻을 때에, 혼합물 중에 결합재를 보다 균일하게 분산시킴으로써, 소결체 공구의 내마모성이나 내결손성의 개선을 도모할 수 있다고 하는 기술 사상이 정착되어 있고, 이 사상에 기초하여 분산 프로세스의 개량을 축으로 하여, 소결체 공구의 성능 개선이 계속되어 왔다.

그러나, 최근, 피삭재의 경도화, 난삭화(難削化)가 진행되며, 피삭재의 형상도 보다 복잡해지는 등, 소결체 공구의 사용 조건은 가혹하기 그지없다. 특히 복잡 형상의 가공은, 단속 절삭이 되기 쉽고, 기계적인 마모나 날끝의 결손에 의해 공구 수명이 저하하는 경우가 증가하고 있다. 그리고, 전술한 바와 같이 종래 사상에 기초한 소폭의 개량에 의해서는, 사용자의 요구 수준을 따라갈 수 없는 것이 현재 상황이다. 또한, 종래 사상에 기초한 개량 효과는, 거의 포화 상태에 달하고 있고, 더 이상의 대폭적인 성능 개선은 기대할 수 없는 상황에 있다.

본 발명은, 이와 같은 현재 상황을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적으로 하는 바는, 우수한 내마모성 및 내결손성을 갖는 입방정 질화 붕소 소결체를 제공하는 것에 있다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해, 소결체 조직을 구성하는 각 성분의 개별 작용에 대해서 집중적인 연구를 거듭한 바, 결합재를 구성하는 각 성분을 조직 중에 균일하게 분산시키는 것보다, 특정 성분마다 특정 부분에 국한하여 존재하도록 하는 편이 소결체 조직 전체를 결합하는 작용을 발현시키기 쉬운 것을 발견하였다. 그리고, 상기 발견에 기초하여 더욱 검토를 거듭한 바, 특정한 성분이 cBN 입자끼리의 입계에 국한하여 존재하도록 하며, cBN 입자가 존재하지 않는 공극부에는 다른 성분이 국한하여 존재하도록 함으로써, 결합 강도가 비약적으로 향상된 소결체 조직을 구축할 수 있는 것을 발견하여, 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.

즉, 본 발명의 입방정 질화 붕소 소결체의 제조 방법은, 입방정 질화 붕소 입자의 함유율이 80 체적％ 이상 99 체적％ 이하인 입방정 질화 붕소 소결체의 제조 방법으로서, 입방정 질화 붕소 입자를 준비하는 제1 공정과, 피복재로 상기 입방정 질화 붕소 입자를 피복함으로써 피복 입자를 얻는 제2 공정과, 상기 피복 입자와 결합재를 혼합함으로써 혼합물을 얻는 제3 공정과, 상기 혼합물을 소결하는 제4 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 피복 입자는, 상기 피복재로 실질적으로 전체면이 피복된 입자인 것이 바람직하다.

또한, 상기 결합재는, 텅스텐(W), 코발트(Co) 및 알루미늄(Al)으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 결합재는, 탄소(C), 질소(N), 붕소(B) 및 산소(O)로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 원소를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 피복재는, 크롬(Cr), 니켈(Ni) 및 몰리브덴(Mo)으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2 공정은, 물리 증착법에 따라 상기 피복재로 상기 입방정 질화 붕소 입자를 피복하는 공정인 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명의 입방정 질화 붕소 소결체는, 입방정 질화 붕소 입자와 결합재 및 피복재를 포함하고, 상기 입방정 질화 붕소 입자의 함유율이 80 체적％ 이상 99 체적％ 이하이며, 상기 결합재는, 텅스텐, 코발트 및 알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하고, 상기 피복재의 함유율이 0.1 질량％ 이상 1.5 질량％ 이하이며, 상기 입방정 질화 붕소 입자가 상기 피복재에 의해 피복되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 입방정 질화 붕소 소결체는, 상기 피복재에 의해 실질적으로 전체면이 피복되는 상기 입방정 질화 붕소 입자로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 결합재는, 탄소, 질소, 붕소 및 산소로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 원소를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 피복재는, 크롬, 니켈 및 몰리브덴으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 입방정 질화 붕소 입자의 함유율이 85 체적％ 이상 93 체적％ 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 입방정 질화 붕소 소결체는, 우수한 내마모성 및 내결손성을 갖는다.

도 1은 실시형태에 따른 입방정 질화 붕소 소결체의 소결체 조직의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 2는 종래의 입방정 질화 붕소 소결체의 소결체 조직의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 3은 실시형태에 따른 입방정 질화 붕소 소결체의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.

이하, 본 발명에 따른 실시형태에 대해서, 더욱 상세하게 설명한다.

<입방정 질화 붕소 소결체>

본 실시형태의 입방정 질화 붕소 소결체(이하, cBN 소결체로도 기재함)는, 입방정 질화 붕소 입자(이하, cBN 입자로도 기재함)를 80 체적％ 이상이라고 하는 높은 함유율로 포함하고, 잔부로서 결합재, 피복재를 포함하는 것이다. 이러한 cBN 소결체는, 소결 합금이나 주철 등의 절삭 가공에 적합한 절삭 공구를 구성할 수 있다. 본 실시형태의 cBN 소결체는, 전술한 바와 같은 성분을 포함하는 한, 그 외에 임의의 성분을 포함할 수 있고, 예컨대, 불순물 등이 포함되어 있었다고 해도 아무런 지장이 없다.

본 실시형태의 cBN 소결체는, cBN 입자가 특정 원소를 포함하는 피복재에 의해 피복되어 이루어지는 소결체 조직을 갖는다. 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 실시형태의 cBN 소결체를 설명한다.

도 1 및 도 2는, cBN 소결체의 단면을, 예컨대, 주사형 투과 전자 현미경(STEM: Scanning Transmission Electron Microscope) 등으로 관찰하였을 때의 관찰 시야의 일례를 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 1은 본 실시형태에 따른 cBN 소결체를 나타내고, 도 2는 종래의 cBN 소결체를 나타낸다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 cBN 소결체에 있어서는, cBN 입자(1)의 표면이 피복재(2)에 의해 피복되어 있다. 즉, cBN 입자(1)가 피복 입자로 되어 있다. 그 때문에, cBN 입자(1)들이 서로 접촉하여 접합하고 있는 부위(입계)에는, 피복재(2)가 똑같이 분포하고 있다. 도시하지 않는 이 피복 입자들이 서로 접촉하고 있는 부위에는, 입자 사이에 네크 그로스가 형성되고, 이것을 기점으로 하여 입자들이 서로 결합하고 있다. 그리고, cBN 입자가 존재하지 않는 공극부는, 결합재(3)에 의해 채워져 있다. 또한, 소결체 조직 중의 결합재는 결합상이라고 불리는 경우도 있다.

여기서, 본 실시형태의 피복재는, 후술하는 바와 같이, 네크 그로스의 성장을 촉진시키는 작용이 특히 강한 원소로 구성되어 있다. 그 때문에, 본 실시형태의 cBN 소결체에서는, cBN 입자끼리의 결합력이 매우 높다. 이에 의해, 본 실시형태의 cBN 소결체로 이루어지는 절삭 공구는, 우수한 내마모성을 나타내며, 단속 절삭에 있어서의 결손의 발생률을 현저히 줄일 수 있다.

이에 대하여, 도 2에 나타내는 종래의 cBN 소결체에는, cBN 입자들이 서로 접촉하여 접합하고 있는 부위(도 2 중, 점선으로 나타내고 있음)는 존재하지만, 이러한 부위에, 본 실시형태의 피복재와 같은 원소는 거의 분포되어 있지 않다. 이것은, 종래의 cBN 소결체에 있어서, 피복재와 유사한 원소를 포함하고 있었다고 해도, 이들은 결합재와 일체로서 취급되며, 조직 전체에 균일하게 분산되도록 제조되어 있기 때문이다. 이 때문에, 종래의 cBN 소결체에서는, cBN 입자 사이의 결합력이 약하고, 예컨대, 단속 절삭과 같이, 큰 충격이 반복해서 가해지는 조건 하에서는, cBN 입자끼리의 결합이 용이하게 풀려, 그것을 기점으로 하여 균열이 전파됨으로써 결손을 발생시킨다.

소결체 조직에 있어서, 원소의 분포가 전술한 상태인 것은, 예컨대, STEM의 단면 관찰 시야에 있어서, 에너지 분산형 X선 분석(EDS: Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)을 행하고, 원소 맵핑을 행함으로써 확인할 수 있다. 이때, STEM에 의한 관찰은, STEM 고각도 산란 암시야법(HAADF-STEM: High-Angle Annular Dark-field Scanning Transmission Electron Microscopy)을 이용하는 것이 바람직하다.

이하, 본 실시형태의 입방정 질화 붕소 소결체를 구성하는 각 성분에 대해서 설명한다.

<입방정 질화 붕소 입자>

본 실시형태에 있어서, cBN 입자는 80 체적％ 이상 99 체적％ 이하의 함유율로 cBN 소결체에 포함되어 있다. cBN 입자는, 우수한 경도와 열 전도율을 나타내는 재료이며, 함유율이 전술한 범위를 차지함으로써, 단속 절삭과 같이 날끝에 열 충격이 가해지는 조건 하에서도, 충분한 공구 수명을 나타낸다. 여기서, cBN 입자의 함유율이 80 체적％ 미만이면, cBN 입자들이 서로 충분히 접촉할 수 없는 경우가 있어, 열 전도율이 저하하는 경향이 있다. 한편, 99 체적％를 넘으면, 소결체 조직에 있어서, 후술하는 결합재의 존재량이 과도하게 적어지기 때문에, 인성이 저하하는 경향이 있다. 또한, cBN 입자의 함유율은 바람직하게는 85 체적％ 이상 93 체적％ 이하이다.

여기서, 이러한 체적％는, cBN 소결체를 제조할 때에 이용하는 cBN 입자로 이루어지는 분말(이하, cBN 분말로도 기재함)의 체적％를 상기 범위(즉, 80 체적％ 이상 99 체적％ 이하)로 하여, 그 외의 원료와 혼합함으로써, 실현시킬 수 있다. 또한, cBN 소결체를 절단하여, 그 단면을 STEM 등으로 관찰함으로써 측정할 수도 있다.

또한, cBN 입자는, 소결체 조직의 강도를 높인다고 하는 관점에서, 그 평균 입경은 작은 것이 바람직하고, 5 ㎛ 이하의 평균 입경인 것이 바람직하다. 또한, 소결체 조직의 인성을 높인다고 하는 관점에서, cBN 입자의 평균 입경은 0.5 ㎛ 이상인 것이 바람직하다.

또한, 소결체 조직의 강도와 인성의 균형의 관점에서, cBN 입자의 평균 입경은 1 ㎛ 이상 3 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다.

<결합재>

본 실시형태의 결합재는, 소결체 조직 중에 있어서, cBN 입자 사이의 공극을 채우기 위해 존재하며, 조직 전체를 유지, 결합하는 작용을 갖는 것이다. 이러한 결합재는, 텅스텐(W), 코발트(Co) 및 알루미늄(Al)으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하는 것이다. 그리고, 결합재는, 탄소(C), 질소(N), 붕소(B) 및 산소(O)로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 원소를 더 포함하는 것이 바람직하다.

즉, 결합재는, W, Co 또는 Al 중 단일체의 원소로 구성되어 있어도 좋고, 이들 2종 이상의 원소의 상호 고용체로 구성되어 있어도 좋다. 또한, W, Co 및 Al에서 선택된 1종 이상의 원소와, C, N, B 및 O에서 선택된 1종 이상의 원소의 화합물로 구성되어 있어도 좋다. 그리고, 이것의 화합물은, 고용체로 되어 있어도 좋다.

W, Co 및 Al에서 선택된 1종 이상의 원소와, C, N, B 및 O에서 선택된 1종 이상의 원소의 화합물 또는 고용체로서는, 예컨대, WC, W₂C, W₃Co₃C, CoWB, CoC, TiAlN, TiAlCrN, TiAlSiN, TiAlSiCrN, AlCrN, AlCrCN, AlCrVN, TiAlBN, TiAlBCN, AlN, AlCN, AlB₂, Al₂O₃ 등을 들 수 있다. 또한, 본 실시형태에 있어서 전술한 바와 같이 화합물을 화학식으로 나타내는 경우, 원자비를 특별히 한정하지 않는 한, 종래 공지의 모든 원자비를 포함하는 것으로 하며, 반드시 화학 양론적 범위의 것에만 한정되는 것이 아니다. 예컨대 단순히 「TiAlN」이라고 기재하는 경우, 「Ti」와 「Al」의 원자비는 1:1인 경우에만 한정되지 않고, 종래 공지의 모든 원자비가 포함되는 것으로 한다.

이러한 결합재는 cBN 입자와의 결합력이 높고, 화학적으로도 안정적이기 때문에, 소결체 공구의 내마모성을 향상시킬 수 있다. 또한, 결합재의 함유율은 2 질량％ 이상 20 질량％ 이하인 것이 바람직하다.

<피복재>

본 실시형태의 피복재는, cBN 입자끼리의 입계에 있어서 네크 그로스의 성장을 촉진시키는 작용이 특히 강한 원소로 구성되는 것이며, 말하자면 결합 촉진재라고 해야 하는 것이다.

이러한 피복재는, 크롬(Cr), 니켈(Ni) 및 몰리브덴(Mo)으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하는 것이 바람직하다. 종래, 이러한 원소군은, 결합재의 일부로서 생각되어 온 것이지만, 본 실시형태는, 이들을 일부러 피복재로서 이용하는 것에 특징이 있다. 피복재는, 전술한 바와 같은 원소를 포함하는 한, 다른 성분을 포함할 수 있다. 즉, 전술한 바와 같은 원소를 포함하는 화합물이나 그 고용체 등이어도 좋다. 그와 같은 화합물로서는, 예컨대, CrCo, Mo₂C, NiC, NiAl, CrAl, CoCrAl 등을 들 수 있다.

피복재의 함유율은 cBN 소결체 전체에 대하여, 0.1 질량％ 이상 1.5 질량％ 이하인 것을 필요로 한다. 피복재의 함유율이 0.1 질량％ 미만이면, 네크 그로스가 충분히 성장하지 않아 결합 강도가 불충분해지는 경우가 있고, 1.5 질량％를 넘으면 피복재 자체의 강도가 낮기 때문에, 도리어 인성이 저하하는 경우가 있다. 또한, 피복재의 함유율은 보다 바람직하게는 0.1 질량％ 이상 1.0 질량％ 이하이다.

또한, 내마모성의 관점에서, 소결체 조직 중에 있어서 피복재는 결합재보다 적은 질량 함유율인 것이 바람직하고, 결합재 전체에 대하여 피복재가 차지하는 비율은 0.1 질량％ 이상 50 질량％ 이하인 것이 바람직하다.

본 실시형태에 있어서, 피복재는 cBN 입자의 표면에 있어서 피복층을 구성하고 있어도 좋다. 이러한 피복층은 단일층이어도 좋고, 복층이어도 좋다. 또한, 피복층은 복수의 원소로 구성되어 있어도 좋다.

본 실시형태에 있어서, cBN 입자는 실질적으로 전체면이 피복재에 의해 피복되어 있는 것이 바람직하다. 여기서, 「실질적으로 전체면이 피복되어 있다」란, 다음과 같이 하여 측정되는 「피복률」이 70％ 이상인 것을 나타내며, 반드시 입자 표면의 전부가 피복되어 있는 것을 나타내는 것이 아니다.

피복률은, 구체적으로는 이하와 같이 하여 산출한다. 우선, cBN 소결체를 절단하고, STEM을 이용하여 그 단면을 1000배∼10000배의 배율로 관찰한다. 관찰 시야 화상에 있어서 cBN 입자에 외접하는 사각형을 그리고, 이 사각형을 적어도 4행 4열의 부분 영역으로 분할한다. 그리고, cBN 입자의 외주부(윤곽선)가 포함되는 부분 영역을 측정점으로 하여 결정한다. 이때, cBN 입자끼리가 접촉하여 접합하고 있는 계면도 윤곽선으로 한다. 또한, 측정점의 총수는 적어도 10점 이상이 되도록, 배율과 시야를 조정하는 것이 바람직하다.

다음에, 동일 시야에 있어서 EDS 분석을 실행하고, 전술한 바와 같이 하여 결정된 측정점 중, 피복재 원소가 0.1 질량％ 이상의 농도로 검출되는 측정점의 개수를 헤아린다. 헤아린 측정점을, 총측정점으로 나눈 값의 백분율을 「피복률」이라고 한다.

그리고, 전술한 바와 같이, 피복률이 70％ 이상인 cBN 입자는 피복재에 의해 실질적으로 전체면이 피복되어 있다고 간주하는 것으로 한다. 그리고, 또한, 소결체에 있어서 임의로 선택된 100개의 cBN 입자가 실질적으로 전체면이 피복되어 있는 것으로 간주될 수 있는 경우, 소결체 조직 전체에 걸쳐, cBN 입자가 실질적으로 전체면이 피복되어 있는 것으로 간주되는 것으로 한다. 또한, 이러한 피복률은 바람직하게는 80％ 이상이며, 보다 바람직하게는 90％ 이상이다.

또한, 상기 측정에 있어서, 단면 관찰용의 샘플은, 예컨대, 집속 이온 빔 장치(FIB: Focused Ion Beam system), 크로스 섹션 폴리셔 장치(CP: Cross section Polisher) 등을 이용하여 제작할 수 있다.

전술한 바와 같이, 실질적으로 전체면이 피복된 피복 입자는, 예컨대, 종래 공지의 물리 증착(PVD) 장치를 이용하여, 입자를 피복함으로써 얻을 수 있다. 물리 증착법은, 얇고 균일한 피복층을 형성한다고 하는 관점에서, 입자를 피복하는 방법으로서 바람직하다.

이상에 설명한 본 실시형태의 입방정 질화 붕소 소결체는, 이하와 같은 제조 방법에 따라 제조된다. 즉, 이하와 같은 제조 방법에 따라 제조된 입방정 질화 붕소 소결체는, 전술한 바와 같은 소결체 조직을 포함하며, 우수한 내마모성 및 내결손성을 나타낸다.

<입방정 질화 붕소 소결체의 제조 방법>

도 3은 본 실시형태의 cBN 소결체의 제조 과정을 나타내는 흐름도이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 제조 방법은, 제1 공정∼제4 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이하, 각 공정에 대해서 설명한다.

<제1 공정>

제1 공정(S101)에서는, cBN 입자를 준비한다. 즉, cBN 분말을 준비한다. cBN 분말의 평균 입경은, 예컨대, 0.5 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하로 할 수 있다. 또한, 적절하게 분급 등을 행함으로써, cBN 분말의 입도 분포를 조정하여도 좋다.

<제2 공정>

제2 공정(S102)에서는, 피복재(결합 촉진재)로 cBN 입자를 피복함으로써 피복 입자를 얻는다. 여기서, cBN 입자를 피복하는 방법으로서는, 종래 공지의 방법을 채용할 수 있지만, 물리 증착법을 채용하는 것이 바람직하다. 물리 증착법을 이용함으로써, 입자의 표면을 보다 얇게 또한 균일하게 피복할 수 있다. 여기서, 물리 증착법으로서는, 예컨대, 고주파(RF) 스퍼터링법, 도금법, 빔 증착법 등을 들 수 있다.

입자를 피복하는 방법으로서, RF 스퍼터링법을 채용하는 경우, 예비 실험을 행하여, 스퍼터링 시간과 피복량의 검량선을 작성하고, 그 검량선에 기초하여, 소정의 피복량이 되도록 적절하게 조건을 조정하면 좋다.

<제3 공정>

제3 공정(S103)에서는, 이전의 공정에서 얻어진 피복 입자와 결합재를 혼합하여 혼합물을 얻는다. 여기서, 결합재로서 복수의 금속이나 화합물을 이용하는 경우에는, 예컨대 볼 밀 등을 이용하여, 이들을 미리 분쇄, 혼합해 두는 것이 바람직하다. 피복 입자와 결합재의 배합 비율은, 소결체에 있어서 cBN 입자가 소정의 함유율로 포함되도록 적절하게 조정하면 좋다. 피복 입자와 결합재의 혼합은, 종래 공지의 방법으로 행할 수 있고, 예컨대, 볼 밀 등의 분쇄기, 혼합기에 의해 행할 수 있다.

이와 같이 하여 얻어진 피복 입자와 결합재로 이루어지는 혼합물은, 진공로에서 열 처리함으로써, 탈가스해 두는 것이 바람직하다.

<제4 공정>

제4 공정(S104)에서는, 이전의 공정에서 얻어진 혼합물을 소결하여 소결체를 얻는다. 구체적으로는, 상기 혼합물을 초고압 장치에 도입하여, 소정의 압력, 온도를 소정 시간 유지함으로써 cBN 소결체를 얻을 수 있다.

초고압 소결 시의 압력은, 5.0 ㎬ 이상 10.0 ㎬ 이하인 것이 바람직하다.

또한, 초고압 소결 시의 온도는, 1500℃ 이상 2000℃ 이하인 것이 바람직하고, 초고압 소결의 처리에 필요한 시간은, 5분 이상 30분 이하인 것이 바람직하다.

이상과 같이 하여, 본 실시형태에 따른 cBN 소결체를 얻을 수 있다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니다.

<실시예 1>

이하와 같이 하여, cBN 소결체를 제작하였다. 우선, 평균 입경 1.2 ㎛ 정도의 cBN 분말을 준비하였다(제1 공정). 이어서, RF 스퍼터링 PVD 장치를 이용하여, 피복재인 Cr로 cBN 입자의 표면을 피복함으로써 피복 입자로 이루어지는 분말을 얻었다(제2 공정). 이때, cBN 소결체 전체에 대하여 피복재(Cr)가 차지하는 비율이 0.6 질량％가 되도록 스퍼터링 조건을 조절하였다.

이어서, WC 분말과 Co 분말과 Al 분말을 분쇄 혼합하여 얻은 혼합물을, 진공 중에 있어서 1200℃에서 30분간 열 처리함으로써 화합물을 얻었다. 이 화합물을 유성 볼 밀로 분쇄함으로써, 결합재의 분말을 얻었다.

이어서, cBN 소결체에 있어서 cBN 입자의 함유율이 93 체적％가 되도록, 피복 입자로 이루어지는 분말과 결합재의 분말을 배합하고, 내벽이 테플론(등록 상표)제인 포트와 Si₃N₄제인 볼 매체를 이용하여, 볼 밀 혼합법에 따라 균일하게 혼합함으로써 혼합 분말을 얻었다(제3 공정).

또한, 이 혼합 분말을 진공로에 있어서 900℃에서 20분간 유지함으로써, 탈가스를 행하였다. 탈가스 후의 혼합 분말을 Mo제 캡슐에 충전한 후, 초고압 장치를 이용하여, 압력 6.5 ㎬, 온도 1600℃에서 20분간 유지함으로써, cBN 소결체를 얻었다(제4 공정).

<비교예 1>

전술한 「cBN 소결체의 제조」에 있어서, 제2 공정을 실행하지 않는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여, 비교예 1에 따른 cBN 소결체를 얻었다. 즉, 비교예 1에 따른 cBN 소결체는, 피복재를 함유하고 있지 않다.

<실시예 2∼5, 비교예 2 및 3>

cBN 소결체 전체에 대하여 피복재(Cr)가 차지하는 비율을, 표 1에 나타내는 수치로 한 것 이외에는, 실시예 1의 「cBN 소결체의 제조」와 동일하게 하여, 실시예 2∼5, 비교예 2 및 3에 따른 cBN 소결체를 얻었다.

<비교예 4>

전술한 「cBN 소결체의 제조」에 있어서, 제2 공정을 실행하지 않고, 제3 공정에 있어서, cBN 입자로 이루어지는 분말과 결합재와 Cr 분말을 혼합함으로써 혼합 분말을 얻는 것 이외에는, 실시예 2와 동일하게 하여, 비교예 4에 따른 cBN 소결체를 얻었다. 즉, 비교예 4에 따른 cBN 소결체는, 피복재가 될 수 있는 원소를 포함하고 있지만, cBN 입자는 상기 원소에 의해 피복되어 있지 않다.

<실시예 6 및 7>

전술한 「cBN 소결체의 제조」에 있어서, 제2 공정에서 Cr 대신에 Ni, Mo를 사용한 것 이외에는, 실시예 2와 동일하게 하여 실시예 6 및 7에 따른 cBN 소결체를 얻었다.

<실시예 8∼10 및 비교예 5∼9>

전술한 「cBN 소결체의 제조」에 있어서, 제3 공정에서 소결체에 있어서의 cBN 입자의 함유율이 표 1에 나타내는 값이 되도록 배합한 것 이외에는, 실시예 1 및 비교예 1과 동일하게 하여, 실시예 8∼10 및 비교예 5∼9에 따른 cBN 소결체를 얻었다.

<소결체 조직의 분석>

전술한 바와 같이 하여 얻어진 피복재를 함유하는 각 cBN 소결체에 대하여, STEM 관찰 및 EDS 분석을 행하고, 피복재 원소로 맵핑을 행하였다. 그 결과, 실시예 1∼10에 따른 cBN 소결체에서는, cBN 입자의 윤곽을 명료하게 확인할 수 있을 정도로 cBN 입자가 피복재에 의해 피복되어 있는 것이 확인되었다. 즉, cBN 입자끼리의 입계에도 피복재가 존재하고 있는 것이 확인되었다. 또한, 전술한 방법에 따라 구한 피복률은, 모두 70％ 이상이었다. 따라서, 이들 소결체에 있어서, cBN 입자는 실질적으로 전체면이 피복재에 의해 피복되어 있었다고 간주할 수 있다.

이에 대하여, 비교예 4의 cBN 소결체에서, cBN 입자끼리의 입계에 있어서의 Cr의 검출량은 근소하며, Cr의 맵핑에 따라서는 cBN 입자의 윤곽은 명료하게 확인할 수 없었다. 또한, 전술한 방법에 따라 구한 피복률도 70％에 미치지 못하는 것이었다.

<절삭 성능의 평가>

다음에, 전술한 바와 같이 하여 얻어진 실시예 및 비교예의 cBN 소결체를 이용하여 절삭 공구를 제작하고, 절삭 성능(내마모성 및 내결손성)을 평가하였다. 구체적으로는, 위에서 제조된 cBN 소결체를 초경 합금제의 기재에 납땜하여, 소정의 형상으로 성형함으로써 절삭 공구를 제작하였다.

그리고, 각 절삭 공구를 이용하여, 소결 부품의 약단속(弱斷續) 절삭을 행함으로써, 절삭 성능을 평가하였다. 즉, 하기의 조건으로 절삭 가공을 행하여, 3 ㎞ 절삭한 시점의 날끝의 탈락량을 비교함으로써, 내마모성 및 내결손성을 평가하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

<절삭 조건>

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

절삭 속도: Vc=200 m/min.

이송량: f=0.1 ㎜/rev.

절입량: ap=0.2 ㎜

습식 절삭(절삭액 있음).

표 1 중, cBN 입자의 함유율(체적％)과 피복재가 차지하는 비율(질량％)은 하기의 방법으로 확인하였다. 우선, cBN 소결체에 대하여, 면 성형 가공에 의해 평활한 관찰면을 작성하여 입방정 질화 붕소의 조직을 주사형 전자 현미경(이하, SEM으로 기재함)에 의해, 10 ㎚의 입경이 식별 가능한 10,000배의 시야에서 관찰하였다. 얻어진 SEM 화상으로부터 cBN 입자가 소결체 전체에 차지하는 비율을 화상 처리로부터 구하였다. 얻어진 면적의 비율을, 깊이 방향으로도 동일한 비율로 분포되어 있다고 간주하여, 체적％로 하여 표 1에 나타내었다. 화상 처리에서는 색의 농도에 따른 2진화를 실시하였지만, 미리 원소 분석에 의해 흑색이 cBN, 회색이 Al 및 Co의 화합물, 백색이 W의 화합물인 것을 특정하고 있으며, 이에 기초하여 cBN 입자의 함유율, 결합재의 영역 및 형상을 판정하였다. 다음에, 상기 평활한 관찰면을 에너지 분산형 X선 분석(EDS)에 의해 원소 분석을 행하고, 피복재의 질량％를 구하여, 표 1에 나타내었다.

또한, 표 1의 절삭 성능의 란에 나타내는 수치는, 비교예 1에 따른 절삭 공구의 탈락량을 기준으로 한 상대 평가값이다. 이 상대 평가값은, 비교예 1에 따른 절삭 공구의 탈락량을, 각각의 절삭 공구의 탈락량으로 나눈 값에 100을 곱하여 산출한 값이다. 즉, 이 수치가 클수록 탈락량이 적어, 내마모성 및 내결손성이 우수한 것을 나타내고 있다.

표 1로부터 분명한 바와 같이, 입방정 질화 붕소 입자와 결합재 및 피복재를 포함하며, 상기 입방정 질화 붕소 입자의 함유율이 80 체적％ 이상 99 체적％ 이하이고, 상기 결합재는, 텅스텐, 코발트 및 알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하며, 상기 피복재의 함유율이 0.1 질량％ 이상 1.5 질량％ 이하이고, 상기 입방정 질화 붕소 입자가 상기 피복재에 의해 피복되어 이루어지는, 실시예에 따른 cBN 소결체를 이용한 절삭 공구는, 이러한 조건을 만족시키지 않는 비교예에 따른 cBN 소결체를 이용한 절삭 공구에 비하여, 우수한 내마모성 및 내결손성을 나타내었다.

이상과 같이 본 발명의 실시형태 및 실시예에 대해서 설명하였지만, 전술한 각 실시형태 및 실시예의 구성을 적절하게 조합하는 것도 당초부터 예정되어 있다.

금번 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시로서, 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 청구의 범위에 의해 나타나며, 청구의 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 포함하는 것이다.

1 cBN 입자, 2 피복재, 3 결합재.

Claims

입방정 질화 붕소 입자의 함유율이 80 체적％ 이상 99 체적％ 이하인 입방정 질화 붕소 소결체의 제조 방법으로서,
입방정 질화 붕소 입자를 준비하는 제1 공정과,
피복재로 상기 입방정 질화 붕소 입자의 표면을 피복함으로써 피복 입자를 얻는 제2 공정과,
상기 피복 입자와 결합재를 혼합함으로써 혼합물을 얻는 제3 공정과,
상기 혼합물을 1500℃ 이상 2000℃ 이하에서 소결하는 제4 공정
을 포함하는 입방정 질화 붕소 소결체의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 피복 입자는, 상기 피복재로 실질적으로 전체면이 피복된 입자인 것인 입방정 질화 붕소 소결체의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 결합재는, 텅스텐, 코발트 및 알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하는 것인 입방정 질화 붕소 소결체의 제조 방법.
제3항에 있어서, 상기 결합재는, 탄소, 질소, 붕소 및 산소로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 원소를 더 포함하는 것인 입방정 질화 붕소 소결체의 제조 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복재는, 크롬, 니켈 및 몰리브덴으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하는 것인 입방정 질화 붕소 소결체의 제조 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 공정은, 물리 증착법에 따라 상기 피복재로 상기 입방정 질화 붕소 입자를 피복하는 공정인 것인 입방정 질화 붕소 소결체의 제조 방법.
입방정 질화 붕소 입자와 결합재 및 피복재를 포함하고,
상기 입방정 질화 붕소 입자의 함유율이 80 체적％ 이상 99 체적％ 이하이며,
상기 결합재는, 텅스텐, 코발트 및 알루미늄으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하고,
상기 피복재의 함유율이 0.1 질량％ 이상 1.5 질량％ 이하이며,
상기 입방정 질화 붕소 입자의 표면이 상기 피복재에 의해 피복되어 있고,
상기 피복된 입방정 질화 붕소 입자들이 서로 접촉하고 있는 부위는 직접 결합되는 것인 입방정 질화 붕소 소결체.
제7항에 있어서, 상기 입방정 질화 붕소 입자의 표면은 상기 피복재에 의해 실질적으로 전체면이 피복되어 이루어지는 것인 입방정 질화 붕소 소결체.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 결합재는, 탄소, 질소, 붕소 및 산소로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 원소를 더 포함하는 것인 입방정 질화 붕소 소결체.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복재는, 크롬, 니켈 및 몰리브덴으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하는 것인 입방정 질화 붕소 소결체.
제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입방정 질화 붕소 입자의 함유율이 85 체적％ 이상 93 체적％ 이하인 것인 입방정 질화 붕소 소결체.
제1항에 있어서, 상기 제2 공정은 열 처리를 포함하는 것인 입방정 질화 붕소 소결체의 제조 방법.