KR20170057591A - 저압 소결에 의한 다이아몬드-SiC 복합체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경도와 인성이 우수한, 저압 소결에 의한 다이아몬드-SiC 복합체를 제공한다.
본 발명의 저압 소결에 의한 다이아몬드-SiC 복합체는 다이아몬드 입자를 피복층으로 피복한 경질 입자와 이 경질 입자를 일체화하는 결합상을 갖는다. 이 피복층은 Ti, Zr, Hf의 질화물, 붕화물, 이들의 고용체 중 적어도 1종을 출발 원료로 하고, 평균 0.09 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하의 두께를 갖는다. 결합상의 원료 조성은 Al, 철족 원소 및 이들의 질화물, 붕화물 중 1종 이상을 0.5 중량% 이상 40 중량% 이하로, 이들의 산화물을 5 중량% 미만으로 함유하고, 잔부는 Ti, Zr, Hf, Ta의 질화물, 붕화물 중 1종 이상과 불가피 불순물로 이루어진다. 그리고 소결 전의 원료 전체 중에 차지하는 경질 입자의 비율은 10 중량% 이상 99 중량% 이하이다.

Description

저압 소결에 의한 다이아몬드-SiC 복합체{The diamond-SiC composites by sintering under low pressure}

본 발명은 저압 소결에 의한 다이아몬드-SiC 복합체에 관한 것이다. 특히 내마모성 및 내결손성이 뛰어나 밀링 공구 및 엔드밀 공구로 대표되는 절삭 공구용에 가장 적합한, 저압 소결에 의한 다이아몬드-SiC 복합체에 관한 것이다.

종래, 다이아몬드와 연속된 결합상으로 이루어지는 소결체는 경도가 높고, 철과의 반응성이 낮기 때문에 내마모성이 양호하여 비철금속 등의 절삭에 이용되고 있다. 이러한 소결체의 강도, 인성을 보다 향상시키기 위하여 ① 결합재의 강도를 향상시키고, ② 결합재와 다이아몬드와의 결합 강도를 향상시키는 방법이 제안되어 왔다.

예를 들면 일본 특허 제140223호(일본 특개소 58-60679호 공보)에는 Ti, Hf 및 Si의 1종 또는 2종 이상의 질화물 5 내지 40 중량%, Al, Zr 및 Y의 1종 또는 2종 이상의 산화물 5 내지 35 중량%를 함유하며, 나머지는 다이아몬드와 불가피 불순물로 이루어지는 조성을 가지며, 다이아몬드가 체적 비율로 40 내지 90 %를 차지함과 동시에 상기 질화물이 다이아몬드를 0.1 내지 2 ㎛의 평균 층두께로 포위한 조직을 갖는 질화 붕소 기재 초고압 소결 재료가 개시되어 있다(종래 기술 1).

또한, 일본 특개평 5-186844호 공보에는 다이아몬드로 이루어지는 경질상의 입자 표면이 Ti, Zr, Hf, Mo, Al, Si의 질화물, 붕화물 및 이들의 상호 고용체 중의 적어도 1종의 단층 또는 다층의 피막으로 포위된 복합 경질층을 10 체적% 이상 함유한 소결체가 개시되어 있다. 이 피막의 평균 층두께는 5 내지 900 Å이다(종래 기술 2).

[특허문헌1] 일본 특허 제140223호(일본 특개소 58-60679호 공보) [특허문헌2] 일본 특개평 5-186844호 공보

그러나, 다이아몬드는 고경도인 반면, 특정한 면에서 벽개(劈開)된다는 특징을 가져 어떤 방향에서는 전단 강도와 인성이 모두 낮은 물질이다. 그 때문에 결합재의 강도 또는 결합재와 다이아몬드의 결합 강도를 저하시키지 않고 다이아몬드 입자 자체의 강도 및 인성을 증가시키는 것이 용이하지 않았다.

「종래 기술 1」에 의하면, 다이아몬드 입자 표면에 질화물을 피복하고, 이 입자와 결합상이 잘 밀착되지 않기 때문에 발생하는 보이드를 방지하여, 인성뿐만 아니라, 내마모성이 향상된다고 되어 있다.

그러나, 결합상의 주성분으로서 반응성이 낮은 Al 등의 산화물이 포함되어 있기 때문에 피복된 입자와 결합상의 결합 강도가 약해져 전체적으로 소결체의 인성은 그다지 향상되지 않았다.

「종래 기술 2」에 의하면, 다이아몬드 입자를 덮는 피막의 두께를 특허 제140223호에 개시되어 있는 두께보다도 얇게 하여 피복된 막 내의 결함을 적게 하고 고온 프레스법(HP), 열간 정수압 처리법(HIP)으로 소결함으로써 내마모성, 내결손성, 인성, 내충격성을 높인다고 되어 있다. 그러나, 피복층의 두께가 너무 얇아 다이아몬드 입자의 강도 및 인성 향상 효과는 불충분하였다.

따라서, 본 발명의 주목적은 강도와 인성이 모두 우수한 저압 소결에 의한 다이아몬드-SiC 복합체를 제공하는 것이다.

본 발명자들은 이상의 경위에 입각하여 다이아몬드 입자의 강도 및 인성을 높이고자 연구를 행한 결과, 다이아몬드를 소정의 피복층으로 피복함으로써 다이아몬드 입자에 압축 응력이 가해져 다이아몬드 입자의 강도 및 인성을 향상시킬 수 있다는 것을 발견하였다.

즉, 본 발명의 저압 소결에 의한 다이아몬드-SiC 복합체는 고압형 질화 붕소 입자를 피복층으로 피복한 경질 입자와 이 경질 입자를 일체화하는 결합상을 갖는 고경도 고강도 소결체이다. 이 피복층은 Si를 출발 원료로 하고, 평균 0.09 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하의 두께를 갖는다. 또한, 결합상의 원료 조성은 Si를 0.5 중량% 이상 40 중량% 이하로, 이들의 산화물을 5 중량% 미만으로 함유하며, 잔부가 Ti, Zr, Hf, Ta의 질화물, 붕화물 중 1종 이상과 불가피 불순물로 이루어진다. 그리고, 소결전의 원료 전체 중에 차지하는 경질 입자의 비율은 10 중량% 이상 99 중량% 이하인 것을 특징으로 한다.

여기에서, 다이아몬드에는 cBN 및 wBN이 포함된다. 또한, 다이아몬드의 함유량은 40 체적% 이상 80 체적% 이하가 바람직하다. 상기 피복층의 형성은 화학 기상 합성법(CVD), 물리 기상 합성법(PVD), 무전해 도금 등을 이용할 수가 있다. 그리고, 이 피복된 다이아몬드 입자를 결합상 원료와 종래의 분말 야금법 등에 의해 혼합하여 소결 공정에 플라즈마 소결 장치, 고온 프레스 장치, 초고압 소결 장치 등을 이용함으로써 본 발명의 소결체를 얻을 수가 있다.

본 발명의 소결체는 다이아몬드 입자가 다이아몬드보다도 열팽창 계수가 큰 피복층으로 덮여 있기 때문에, 소결 종료 후 실온까지 감온할 때에 다이아몬드 입자에 압축 응력이 가해져, 이 입자의 강도 및 인성을 높일 수가 있다. 그리고, 최적 조성의 결합상은 피복된 다이아몬드 입자와 결합상의 결합 강도도 높일 수가 있어 전체적으로 우수한 강도 및 인성이 우수한 저압 소결에 의한 다이아몬드-SiC 복합체를 얻을 수가 있다.

본 발명에 따르면, 이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 소결체에 의하면 강도와 인성이 우수한 저압 소결에 의한 다이아몬드-SiC 복합체를 얻을 수가 있어 밀링 공구 및 엔드밀 공구로 대표되는 절삭 공구 분야에서 수명이 긴 공구로서 이용되는 것이 기대된다.

본 발명의 주요 구성에서의 한정 이유를 이하에 기술한다.

다이아몬드는 소결 전에 Si 및 이들의 고용체로 피복된다. 그후 이 피복층은 소결 중에 결합재 또는 다이아몬드와 확산, 반응하기 때문에, 소결 후 다이아몬드는 Si의 탄화물, 이들의 고용체 및 상호 분산 조직의 1종 이상으로 둘러싸여 감온시의 피막에 의한 열응력에 의해 압축 응력이 가해진다. 다이아몬드를 둘러싼 조직의 평균 두께가 0.09 ㎛ 이하이면, 감온시의 피복층이 다이아몬드 입자에 미치는 압축 응력이 작아지기 때문에 다이아몬드 입자의 강도, 인성 향상 효과가 불충분해진다. 반대로 2 ㎛ 이상이면 경질 입자와 결합상의 결합 강도가 저하되기 때문에 소결체 전체적으로 강도가 저하된다.

Si 원소, 이들의 탄화물은 경질 입자(상기 피복층을 갖는 다이아몬드 입자)와 결합상의 결합 강도를 높이는 효과가 있는 반면, 다량으로 포함하면 내마모성을 저하시킬 우려가 있다. 0.5 중량% 미만이면 결합 강도를 높이는 효과를 기대할 수 없으며, 40 중량%를 초과하면 내마모성이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.

한편, 원료 중의 또는 제조 중에 생성되는 불순물로서 포함되는 Al, Si, 철족 원소의 산화물은 결합 강도를 높이는 효과가 보다 작기 때문에 5 중량% 미만으로 하였다. 즉, 산화물이 적은 결합상에서 경질 입자와 결합상의 강도를 향상시켜 소결체의 강도 및 인성을 개선한다.

또한, 소결체 중의 고압상형 산화 붕소의 함유율이 40 내지 80 체적%이면 고경도 및 고강도가 되기 때문에 보다 바람직하다. 그리고, 소결전의 원료 전체 중에 차지하는 경질 입자의 비율을 10 중량% 이상 99 중량% 이하로 한 것은, 10 중량% 미만이면 고경도 소결체의 특성이 상실되고, 99 중량%를 초과하면 결합 상의 양이 적어져 결합 강도의 부족으로 성능이 떨어지기 때문이다.

(실시예 1)

공지의 PVD 장치(스퍼터링 장치)를 사용하여 시판되는 다이아몬드의 표면에 표 1 및 2에 나타낸 조성의 피복층을 형성하였다. 이 경질 입자 분말을 X선 회절법, EPMA(Electron Probe Micro analyzer) 등의 물리 분석법, 가스 분석 등의 화학 분석법에 의해 조성을 동정하여 목적 조성이 달성되었음을 확인하였다.

이 경질 입자 분말과 표 1 및 2에 나타낸 결합상 분말을 잘 혼합하여 완분(完粉)을 제조하고, HIP 장치를 사용하여 200MPa, 1300 ℃에서 30분간 소결하였다. 그 후 X선 회절법(XRD)에 의해 소결체 조성을 동정하였다. 그 결과도 표 1 및 2에 나타냈다.

또한, 이 소결체를 사용하여 절삭용 칩(ISO 규격: SNGN120808)을 제작하여 이하의 조건에서 절삭 시험을 행하였다. 그 결과를 표 3에 나타냈다.

피삭재→SCH420의 환봉(ψ100×L 300 ㎜)의 외주에 60도의 V자형 홈을 등간격으로 6개 만든 것, 절삭 조건→절삭 속도: V=120 m/min, 이송: f=0.1 mm/rev, 절단면: d=0.2 ㎜, 건식.

비교예에 비하여 실시예에서는 내마모성을 손상시키지 않아 내결손성이 50 % 이상 향상되었다는 것을 알수 있었다. 즉, 결합상에 Al의 함유량이 적은 No 1, 결합상에 Al의 산화물 함유량이 많은 No.6, 피복층의 두께가 얇은 No.10, 피복층의 두께가 두꺼운 No.12, 완분 중의 경질 입자량이 많은 No.13, 다이아몬드 함유량이 많은 No.16, 다이아몬드 함유량이 적은 No.17은 모두 실시예에 비해 절삭 시험 결과가 불량하였다.

Claims (1)

1. 다이아몬드를 피복층으로 덮은 경질 입자와 이 경질 입자를 일체화하는 결합상을 소결한 고경도 고강도 소결체로서, 상기 피복층은 Si를 출발 원료로 하고, 평균 0.09 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하의 두께를 가지며, 상기 결합상의 원료 조성은 Si의 탄화물 중 1종 이상을 0.5 중량% 이상 40 중량% 이하로, 이들의 산화물을 5 중량% 미만으로 함유하고, 잔부가 Ti, Zr, Hf, Ta의 질화물, 붕화물 중 1종 이상과 불가피 불순물로 이루어지며, 소결 전의 원료 전체 중에 차지하는 경질 입자의 비율이 10 중량% 이상 99 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 저압 소결에 의한 다이아몬드-SiC 복합체.