KR20170112716A - 다결정 입방정 질화붕소 - Google Patents

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KR20170112716A
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cubic boron
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신동균
박희섭
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일진다이아몬드(주)
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Abstract

본 발명은 다결정 입방정 질화붕소(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내결손성 및 내마모성이 개선된 다결정 입방정 질화붕소(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 입자사이즈가 서로 상이한 CBN입자를 사용하여 다결정 입방정 질화붕소를 제조 함으로써 제 2군 CBN 입자와 결합제의 열처리를 통한 결합력을 상승시키고, 제 1군 CBN 입자와 제 2군 CBN 입자의 분산성과 바인더와 입방정 질화붕소와의 결합력 향상을 동시에 만족시켜 내마모성 및 내결손성 을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 투입되는 CBN 입자간 체적비를 한정하여 다결정 입방정 질화붕소를 제조함으로써, 내결손성 및 내마모성이 개선되어 우수한 수명을 가진 공구를 제조할 수 있다.

Description

다결정 입방정 질화붕소{Polycrystalline Cubic Boron Nitride}
본 발명은 다결정 입방정 질화붕소(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내결손성 및 내마모성이 개선된 다결정 입방정 질화붕소(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)에 관한 것이다.
산업기술의 고도화에 따라 절삭공구, 금형 또는 정밀 요소기계 부품 등의 정밀도와 성능 및 내구성 향상이 요구되고 있다. 각종 성형 금형이나 미끄럼 이동부품 등 고경도 철계 재료의 고정밀도의 마무리 절삭 가공의 요구가 높아지고 있으며, 이러한 철계 재료의 정밀 가공으로서 단결정 다이아몬드 및 단결정 입방정 질화붕소가 검토되어 왔다. 그러나, 단결정 다이아몬드로 철계 재료를 절삭하는 경우, 절삭열에 의해 다이아몬드와 철의 화학 반응이 일어나 다이아몬드 공구가 급속히 마모되는 문제가 있어 강철 등의 금형의 직접 가공은 불가능하다. 그로 인해, 예를 들어 렌즈 금형의 정밀 가공에 있어서는 무전해 니켈 도금층을 실시하고, 그 도금층을 정밀하게 마무리하는 방법이 채용되고 있지만, 금형의 강도가 불충분하고 공정이 복잡한 등의 문제가 있었다. 또, 특수 분위기에 의한 화학 반응 억제법 등으로 직접 가공의 검토가 행해지고 있으나 실용적이지 못한 문제점이 있다.
일반적으로 질화붕소는 전형적으로 3가지의 결정형태인 입방정계 질화붕소(cubic boron nitride, CBN), 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, hBN) 및 우르차이트계 질화붕소(wurtztic boron nitride, wBN)로서 존재하며, 이 중 입방정계 질화붕소는 다이아몬드와 유사한 구조를 갖는 질화붕소의 단단한 아연 블렌드 형태이다. 입방정계 질화붕소 구조에서 원자 사이에 형성된 결합은 강하며, 주로 정사면체 공유결합이다.
또한, 입방정 질화붕소(cubic boron nitride, CBN)는 다이아몬드 다음으로 경도가 높은 물질로 다이아몬드와는 달리 고온에서 철계 금속과 반응하지 않고 낮은 온도에서 합성이 가능하며, 1300℃ 정도의 고온에서도 산화가 되지 않기 때문에 절삭공구의 표면피복 재료로써도 많은 장점을 가지고 있으므로, 철계재료 연삭시 화학적 안정성이 우수하고 열전달률이 높아 연삭열에 의해 쉽게 마모되지 않고, 연삭날이 잘 유지되므로 고경도의 열처리강, 공구강, 주철 등의 철계 금속의 가공에 널리 사용되고 있다.
입방정 질화붕소는 또한 다결정 입방정 질화붕소(poly-crystalline cubic boron nitride, PCBN)로서 결합된 형태로 사용될 수도 있다. 다결정 입방정 질화붕소는 다이아몬드가 철계 금속과는 산화가 잘되는 특성을 가지고 있기 때문에 다이아몬드로는 가공할 수 없는 철계 금속에 주로 사용되는 것으로서, 대부분 자동차, 각종 기계 부품 등 주철 등의 절삭가공에 사용된다.
다결정 입방정 질화붕소는 바인더로서 특별한 세라믹재료와 함께 입방정 질화붕소를 혼합하여 소결하여 제조될 수 있다. 최근 다결정 입방정 질화붕소 공구는 고경도 열처리강, 초내열 합금, 소결금속 등의 난삭제 가공제품에도 또한 폭넓게 적용되어가고 있으며, 고경도 소재를 고정밀 가공할 수 있는 다결정 입방정 질화붕소 공구는 일반적인 연삭가공 공정의 대안이 될 수 있다.
하지만, 종래의 다결정 입방정 질화붕소는 절삭 공정시 심한 열사이클의 부하에 의하여 열균열이 발생하기 쉬우며, 고온에서는 강도가 저하하므로 정밀 절삭용 공구에 필요한 예리한 날끝을 얻을 수가 없으며 공구의 수명 또한 우수하지 못하다는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 고온에서도 열균열 발생을 최소화 할 수 있도록 내결손성 및 내마모성이 우수한 절삭공구에 대한 연구가 시급한 실정이다.
본 발명은 입자사이즈가 서로 상이한 CBN 입자를 사용하여 다결정 입방정 질화붕소를 제조함으로써, 사이즈가 다른 CBN 입자간 간극이 감소하여 바인더와 CBN 입자간의 결합력을 증가시킬 수 있는 다결정 입방정 질화붕소를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 투입되는 CBN 입자간 체적비를 한정하여 다결정 입방정 질화붕소를 제조함으로써, 내결손성 및 내마모성이 개선되어 우수한 수명을 가진 공구를 제조할 수 있는 다결정 입방정 질화붕소를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 입자 사이즈가 서로 상이한 제 1군 CBN 입자와 제 2군 CBN 입자 및 결합제를 포함하는 다결정 입방정 질화붕소에서, 상기 제 1군의 CBN 입자 사이즈 평균값이 1~4㎛이고, 상기 제 2군의 CBN 입자 사이즈 평균값이 0.01~1㎛이며, 상기 제 1군 및 제 2군 CBN 입자 함량의 총합이 50~70vol%이고, 상기 제 1군 CBN 입자와 제 2군 CBN 입자의 체적비는 하기 식 1 및 식 2로 이루어지는 다결정 입방정 질화붕소를 제공한다.
식 1 : 1군 ÷ 3 ≥ 2군
식 2 : (1군+2군) ÷ 9 < 2군
(1군 : 1군 CBN 입자 함량, 2군 : 2군 CBN 입자 함량)
또한, 상기 결합제는 4족, 5족의 전이금속과, Al, Co, W 금속으로 구성된 탄질화, 질탄화, 산화, 붕화물을 포함하며, 상기 탄질화, 질탄화, 산화, 붕화물 상에 3종 이상의 복합 고용체가 존재한다.
또한, 상기 제 2군 CBN 입자는 바인더와 혼합 후 열반응시킨 파우더를 상기 제 1군 CBN 입자와 재혼합하여 제조하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1군 및 제 2군의 CBN 입자 및 바인더 물질은 볼밀(Ball mill), 어트리터밀(Attritor mill), 플레너터리밀(Planetary mill)법 중 어느하나의 방법으로 혼합한다.
또한, 상기 다결정 입방정 질화붕소는 1200~1600℃, 3.5~6.5GPa에서 소결한다.
또한, 상기 제 1군 CBN 입자 사이즈 평균값은 1~4 ㎛이고, 상기 제 2군 CBN 입자 사이즈 평균값은 0.01~1 ㎛인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제 1군 CBN 입자 사이즈 평균값은 1.5~3.5 ㎛이고, 상기 제 2군 CBN 입자 사이즈 평균값은 0.3~0.9 ㎛인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 입자사이즈가 서로 상이한 CBN입자를 사용하여 다결정 입방정 질화붕소를 제조함으로써 제 2군 CBN 입자와 결합제의 열처리를 통한 결합력을 상승시키고, 제 1군 CBN 입자와 제 2군 CBN 입자의 분산성과 결합제와 입방정 질화붕소와의 결합력 향상을 동시에 만족시켜 내마모성 및 내결손성 을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 투입되는 CBN 입자간 체적비를 한정하여 다결정 입방정 질화붕소를 제조함으로써, 내마모성 및 내결손성 이 개선되어 우수한 수명을 가진 공구를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 제 1군 CBN 입자 사이에 제 2군 CBN 입자가 분산되어 있는 상태를 나타내는 모식도이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 매체를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
다음은 본 발명의 일 실시예에 관한 다결정 입방정 질화붕소에 관하여 더욱 상세히 설명한다.
본 발명은 입자 사이즈가 서로 상이한 제 1군 및 제 2군의 CBN 입자 및 결합제로 이루어진 다결정 입방정 질화붕소(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)에 관한 것이다. 상기 제 1군의 CBN 입자 사이즈 평균값은 1~4㎛이며, 상기 제 2군의 CBN 입자 사이즈 평균값은 0.01~1㎛인 것이 바람직하다. 제 1군 CBN 입자 사이즈 평균값이 1㎛ 미만, 제 2군 CBN 입자 사이즈 평균값이 0.01 ㎛ 미만일 경우 CBN 입자의 크기가 지나치게 작아서, 다결정 입방정 질화붕소의 내마모성이 감소하여 바람직하지 않다. 특히, 제 2군 CBN 입자 사이즈가 0.01 ㎛ 미만일 경우 소결시 CBN과 결합제간의 결합력이 급격히 저하 되고, 결합력이 저하되면 소결체의 경도가 낮아져 이것은 내마모성 감소로 이어져 공구수명이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 제 1군 CBN 입자사이즈 평균값이 4㎛ 초과, 제 2군 CBN 입자 사이즈 평균값이 1㎛를 초과할 경우 CBN의 내결손 발생율이 증가하여 피삭재의 조도를 우수하게 유지할 수 없게 되어 바람직하지 않다. 일반적으로 CBN 입자의 크기는 클수록 내마모성이 향상되는 경향이 있으며, CBN 함량이 증가할 때 내마모성이 증가하는 경향이 있다. 하지만, 제 1군 CBN 입자의 크기가 4 ㎛를 초과할 경우에는 CBN 내결손 발생율이 증가하여 피삭재의 조도를 좋게 유지할 수 없는 문제점이 발생한다. 따라서, 제 1군 CBN 입자의 최대 크기는 4 ㎛ 이하일 때 열처리강 가공 시 피삭제의 요구조도인 Ra 5 ㎛ 미만을 유지할 수 있다. 또한, 더욱 바람직하기로는 제 1군 CBN 입자 사이즈는 1.5~3.5 ㎛, 제 2군 CBN 입자 사이즈는 0.3~0.9 ㎛인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에서는 서로 입자 사이즈가 상이한 상기 제 1군 및 제 2군 CBN 입자를 결합제와 함께 소결하면, 상대적으로 입자 사이즈가 작은 제 2군의 CBN 입자가 제 1군의 CBN 입자 사이 간극에 위치하게 되어 결과적으로 CBN 입자간 간극을 감소시키는 효과를 나타낸다. 또한, 상기 제 2군 CBN 입자는 결합제와 혼합한 후에 열반응시킨 파우더를 상기 제 1군 CBN 입자와 재혼합 후 소결하여 제조하는 것을 특징으로 하며, 이를 통하여 제 1군 CBN 입자와 제 2군 CBN 입자간 분산이 강화된 다결정 입방정 질화붕소를 얻을 수 있다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 제 1군 CBN 입자 사이에 제 2군 CBN 입자가 분산되어 있는 상태를 나타내는 모식도이다.
본 발명의 다결정 입방정 질화붕소는 소결 전 상기 제 1군 및 제 2군 CBN 입자의 결합을 강화하기 위하여 결합제를 첨가하여 혼합한다. 상기 CBN 입자와 바인더의 혼합은 볼밀(Ball mill), 어트리터밀(Attritor mill), 플레너터리밀(Planetary mill)법을 이용하여 혼합하는 것이 바람직하나, CBN 입자와 바인더의 혼합방법은 반드시 이에 한정되지 않으며, 통상적으로 당업계에 공지된 방법이라면 선택적으로 이용할 수 있다.
본 발명과 같이 서로 입자 사이즈가 상이한 제 1군 및 제 2군의 CBN 입자를 사용하여 CBN 입자 사이의 간극이 감소하게 되면 소결전 투입되는 결합제의 양 또한 감소하게 되고, 내결손성 및 경도가 우수한 다결정 입방정 질화붕소를 얻을 수 있다. 결합제를 다량 함유한 다결정 입방정 질화붕소는 다결정 입방정 질화붕소 소결체의 경도가 감소하게 되는데, 상기 다결정 입방정 질화붕소 소결체의 경도가 낮을수록 공구의 마모가 빨리 일어나게 되어 결국 공구수명이 감소하는 문제점이 발생하게 된다.
또한, 결합제를 다량 함유한 다결정 입방정 질화붕소는 내열성이 불량하기 때문에 고온 하에서 공구의 강도가 저하하므로 공구의 파괴가 발생하기 쉬운 문제점이 있다. 강도 저하에 의한 공구파괴로 인하여 예리한 날끝을 얻지 못하고, 날끝의 강도나 내마모성이 충분하지 않아 절삭용 공구로서의 사용에 문제가 있다.
한편, 상기 제 1군 및 제 2군 CBN 입자의 총함량이 50~70vol%이고, 상기 제 1군 CBN 입자와 제 2군 CBN 입자의 체적비는 하기 식 1 및 식 2로 이루어지는 것이 바람직하다.
식 1 : 1군÷3 ≥ 2군
식 2 : (1군+2군) ÷ 9 < 2군
(1군 : 1군 CBN 입자 함량, 2군 : 2군 CBN 입자 함량)
본 발명과 같이 제 1군 및 제 2군 CBN 입자의 총함량이 50~70vol%일 경우, 상대적으로 큰 입자인 제 1군 CBN 입자와 상대적으로 작은 입자인 제 2군 CBN 입자의 분산성이 향상되며, 소결시 작은 제 2군 CBN 입자의 결합도가 향상되어 내결손성 이 개선되고 이로 인하여 우수한 수명을 가진 공구를 제조할 수 있게 된다. 제 1군 및 제 2군 CBN 입자의 총함량이 50vol% 미만일 경우 다결정 입방정 질화붕소의 경도가 감소하여 공구수명이 단축되는 문제점이 있으며, 제 1군 및 제 2군 CBN 입자의 총함량이 70vol%를 초과할 경우에는 경도가 높아지고 인성이 향상되지만 내열성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 제 1군 CBN 입자와 제 2군 CBN 입자의 체적비는 식 1 및 식 2의 비율 내 체적비인 것이 바람직하며 제 1군 CBN 입자와 제 2군 CBN 입자 체적비가 상기 식 1 및 식 2를 모두 성립했을 때, 제 1군 및 제 2군 CBN 입자와 결합제와의 결합력 및 CBN 입자 각각의 독립성이 높아진다. 상기 제 1군 CBN 입자와 제 2군 CBN 입자의 체적비가 상기 식 1 및 식 2의 범위를 벗어날 경우, 다결정 입방정 질화붕소의 수명이 감소하게 된다.
본 발명에 따른 다결정 입방정 질화붕소는 상기 제 1군 CBN 입자와 제 2군 CBN 입자와 이를 결합하는 결합제를 포함하고, 상기 결합제는 4족, 5족의 전이금속과 Al, W, Co 금속 또는 이의 탄질화, 질탄화, 산화, 붕화물의 3종 이상의 복합 고용체 또는 화합물이 존재하며, 상기 3종 이상의 복합 고용체 또는 화합물은 결합제 전체 질량의 5wt% 이내의 질량인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 다결정 입방정 질화붕소는 1200~1600℃의 온도범위에서 단위면적당 3.5~6.5GPa의 압력에서 가압되어 제조될 수 있다. 상기 온도 및 압력이 1200℃, 3.5GPa 미만일 경우에는 다결정 입방정 질화붕소의 제조시 입방정 질화붕소가 육방정 질화붕소로 상변화가 일어날 수 있어, 바람직하지 않으며, 1600℃, 6.5GPa를 초과할 경우에는 소결시 다결정 입방정 질화붕소의 과반응으로 인한 상변화 및 변질이 일어날 수 있어 바람직하지 않다.
이상 기술한 바와 같이 본 발명에 따른 다결정 입방정 질화붕소는 서로 상이한 제 1군 및 제 2군의 CBN 입자 사이즈를 사용하여 다결정 입방정 질화붕소의 내열성을 개선하고, 또한 제 1군 및 제 2군 CBN 입자의 체적비와 총함량을 한정하여 내마모성과 내열성 및 내충격성이 개선된 다결정 입방정 질화붕소 제조가 가능해지며, 나아가 우수한 수명을 가진 절삭공구를 제조하는 것이 가능해진다.
이에 따라, 다결정 입방정 질화붕소 공구를 사용한 티타늄 합금이나 초합금과 같은 난삭재의 가공에 사용한 경우, 종래의 다결정 입방정 질화붕소 공구보다 우수한 수명을 나타낸다.
이하 본 발명에 대하여 실시예를 들어 보다 상세히 설명하기로 한다.
( 실험예 1) 제 1군 및 제 2군 CBN 입자의 총함량 및 체적비에 따른 공구수명 테스트
본 발명의 실험예 1에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 입방정 질화붕소에 대하여 제 1군 및 제 2군 CBN 입자의 총함량 및 체적비에 따른 공구수명을 테스트하였다. 이하 본 발명의 실시예 및 비교예 조건은 다음과 같다.
(실시예 1)
실시예 1은 제 1군 CBN 입자 함량이 54vol%이고, 제 2군 CBN 입자 함량이 10vol%이고, 제 1군 및 제 2군 CBN 입자 함량의 총합이 64vol%인 입방정 질화붕소 입자에 바인더로서, Al 9vol%, TiCN 25vol%, WC 2vol% 를 함께 투입하여 일반적인 볼밀(Ball mill)공정을 이용하여 혼합하였다.
혼합 시 제2군의 CBN과 바인더를 혼합후 650℃이상의 온도에 진공열처리 하여 1차 반응을 시킨후 제1군의 입방정 질화붕소와 함께 볼밀(Ball mill)공정 진행 시 볼(Ball)은 WC 볼(WC ball)을 이용하여 혼합공정을 실시하였다.
상기 혼합공정을 거쳐 혼합이 완료된 분말을 성형한 후, 잔류 왁스(wax)를 제거하기 위하여 500℃에서 왁스 제거(De-waxing)작업을 진행하였다. 이후 열처리가 완료된 성형체를 1400~1500℃에서 5~6GPa의 조건 하에서 소결진행하였다.
(실시예 2)
실시예 2는 제 1군 CBN 입자 함량이 45.00vol%이고, 제 2군 CBN 입자함량이 15.00vol%이고, 제 1군 및 제 2군 CBN 입자 함량의 총합이 60.00vol%인 입방정 질화붕소 입자에 바인더로서, Al 10vol%, TiCN 30vol%를 함께 투입하여 일반적인 볼밀(Ball mill)공정을 이용하여 혼합하였다. 볼밀(Ball mill)공정 진행 시 볼(Ball)은 WC 볼(WC ball)을 이용하여 혼합공정을 실시하였다.
혼합순서는 제2군의 입방정 질화 붕소와 바인더를 혼합후 열처리 공정을 진행하고 이후 제1군의 입방정 질화 붕소와 열처리후 분말을 혼합하여 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하여 소결진행하였다.
(실시예 3)
실시예 3은 제 1군 CBN 입자 함량이 50vol%이고, 제 2군 CBN 입자함량이 16vol%이고, 제 1군 및 제 2군 CBN 입자 함량의 총합이 66vol%인 입방정 질화붕소 입자에 바인더로서, Al 9vol%, TiN 24vol%, W 1vol%를 함께 투입하여 일반적인 볼밀(Ball mill)공정을 이용하여 혼합하였다. 볼밀(Ball mill)공정 진행 시 볼(Ball)은 WC 볼(WC ball)을 이용하여 혼합공정을 실시하였다.
혼합순서는 제2군의 입방정 질화 붕소와 바인더를 혼합후 열처리 공정을 진행하고 이후 제1군의 입방정 질화 붕소와 열처리후 분말을 혼합하여 1450~1550℃ 5.5~6.5GPa에서 소결진행하였다.
(실시예 4)
실시예 4는 제 1군 CBN 입자 함량이 44vol%이고, 제 2군 CBN 입자함량이 8vol%이고, 제 1군 및 제 2군 CBN 입자 함량의 총합이 52vol%인 입방정 질화붕소 입자에 바인더로서, Al 19vol%, TiN 29vol%를 함께 투입하여 일반적인 볼밀(Ball mill)공정을 이용하여 혼합하였다. 볼밀(Ball mill)공정 진행 시 볼(Ball)은 WC 볼(WC ball)을 이용하여 혼합공정을 실시하였다.
혼합순서는 제2군의 입방정 질화 붕소와 바인더를 혼합후 열처리 공정을 진행하고 이후 제1군의 입방정 질화 붕소와 열처리후 분말을 혼합하여 1450~1550℃ 5.5~6.5GPa에서 소결진행하였다.
(비교예 1)
비교예 1은 제 1군 CBN 입자 함량이 54vol%이고, 제 2군 CBN 입자함량이 6vol%이고, 제 1군 및 제 2군 CBN 입자 함량의 총합이 60vol%인 입방정 질화붕소 입자에 바인더로서, Al 17vol%, TiCN 23vol%를 함께 투입하여 일반적인 볼밀(Ball mill)공정을 이용하여 혼합하였다. 볼밀(Ball mill)공정 진행 시 볼(Ball)은 WC 볼(WC ball)을 이용하여 혼합공정을 실시하였다. 혼합공정 이후 공정은 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하여 소결진행하였다.
(비교예 2)
비교예 2는 제 1군 CBN 입자 함량이 34vol%이고, 제 2군 CBN 입자함량이 30vol%이고, 제 1군 및 제 2군 CBN 입자 함량의 총합이 64vol%인 입방정 질화붕소 입자에 바인더로서, Al 11vol%, TiN 25vol%를 함께 투입하여 일반적인 볼밀(Ball mill)공정을 이용하여 혼합하였다. 볼밀(Ball mill)공정 진행 시 볼(Ball)은 WC 볼(WC ball)을 이용하여 혼합공정을 실시하였다. 혼합공정 이후 공정은 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하여 소결진행하였다.
(비교예 3)
비교예 3은 제 1군 CBN 입자 함량이 58vol%이고, 제 2군 CBN 입자함량이 6vol%이고, 제 1군 및 제 2군 CBN 입자 함량의 총합이 64vol%인 입방정 질화붕소 입자에 바인더로서, Al 11vol%, TiCN 25vol%를 함께 투입하여 일반적인 볼밀(Ball mill)공정을 이용하여 혼합하였다. 볼밀(Ball mill)공정 진행 시 볼(Ball)은 WC 볼(WC ball)을 이용하여 혼합공정을 실시하였다. 혼합공정 이후 공정은 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하여 소결진행하였다.
(비교예 4)
비교예 4는 제 1군 CBN 입자 함량이 35vol%이고, 제 2군 CBN 입자함량이 7vol%이고, 제 1군 및 제 2군 CBN 입자 함량의 총합이 42vol%인 입방정 질화붕소 입자에 바인더로서, Al 21vol%, TiN 37vol%를 함께 투입하여 일반적인 볼밀(Ball mill)공정을 이용하여 혼합하였다. 볼밀(Ball mill)공정 진행 시 볼(Ball)은 WC 볼(WC ball)을 이용하여 혼합공정을 실시하였다. 혼합공정 이후 공정은 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하여 소결진행하였다.
(비교예 5)
비교예 5는 제 1군 CBN 입자 함량이 60vol%이고, 제 2군 CBN 입자함량이 20vol%이고, 제 1군 및 제 2군 CBN 입자 함량의 총합이 80vol%인 입방정 질화붕소 입자에 바인더로서, Al 8vol%, TiCN 12vol%를 함께 투입하여 일반적인 볼밀(Ball mill)공정을 이용하여 혼합하였다. 볼밀(Ball mill)공정 진행 시 볼(Ball)은 WC 볼(WC ball)을 이용하여 혼합공정을 실시하였다. 혼합공정 이후 공정은 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하여 소결진행하였다.
상기 소결이 완료된 실시예 및 비교예의 다결정 입방정 질화붕소를 공구로 제작한 후, 절삭하여 공구수명평가를 진행하였다. 본 실험예 1에서는 각각의 실시예 및 비교예에 대하여 공구수명평가를 2회 실시하여 공구수명을 평가하였으며, 각각의 공구수명 평가를 위한 절삭시험조건은 다음과 같다.
1) 공구수명평가 1
<절삭시험조건>
피삭재 : SUJ2 (지름50, 길이150, 원통형)
공구형태 : CNGA120408
절삭조건 : 절삭속도 250m/min, 이송속도 F0.5mm/rev, 절삭깊이 0.05mm 건식 조건하의 연속 가공
2) 공구수명평가 2
<절삭시험조건>
피삭재 : SUJ2 (지름 50mm, 길이 50mm, 원통형에 V홈이 2개가 180도 간격을 두고 존재)
공구형태 : CNGA120408
절삭조건 : 절삭속도 200m/min, 이송속도 F0.5mm/rev, 절삭깊이 0.05mm 건식 조건하의 연속 가공
하기 표 1은 제 1군 및 제 2군 CBN 입자량의 총함량 및 식 1 및 식 2의 충족여부에 따른 다결정 입방정 질화붕소 절삭공구의 수명을 측정한 테이블이다.
구분 1군 CBN
입자함량
( vol% ) 		2군 CBN
입자함량
( vol% ) 		1군,2군
총함량
( vol% ) 		식1
충족
여부 		식2
충족
여부 		공구수명평가1
(절삭거리Km) 		공구수명평가2
(절삭거리Km)
실시예1 54 10 O O O 6.3 4.0
실시예2 45 15 O O O 6.4 4.3
실시예3 50 16 O O O 6.1 4.1
실시예4 44 8 O O O 6.2 4.9
비교예1 54 6 O O X 2.8 1.8
비교예2 34 30 O X O 3.3 2.3
비교예3 58 6 O O X 3.1 1.2
비교예4 35 7 X O O 2.3 1.3
비교예5 60 20 X O O 2.5 1.7
1) 제 1군 및 제 2군 CBN 입자의 총함량에 따른 공구수명 테스트
실시예 1 내지 실시예 4와 비교예 4, 비교예 5는 제 1군 및 제 2군 CBN 입자의 총함량에 따른 공구수명을 측정하기 위하여 제 1군 및 제 2군 CBN 입자 함량의 총함량에 변화를 준 경우의 실시예 및 비교예이다.
상기 표 1을 살펴보면, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 4와 같이 제 1군 및 제 2군 CBN 입자의 총함량이 50~70vol%의 범위내일 때 공구수명평가 1의 공구수명은 모두 6 이상, 공구수명평가 2의 공구수명은 모두 4 이상으로 우수하게 측정되었다. 참고로, 공구수명평가 2의 공구수명이 공구수명평가 1의 공구수명보다 낮게 나오는 이유는 공구수명평가 2에서 사용되는 피삭재는 원통형에 V홈이 존재하여 공구수명평가 1의 피삭재보다 가공이 어려워 상대적으로 공구수명이 낮게 측정되는 것이다.
상기 실시예 1 내지 실시예 4의 경우처럼, 제 1군 및 제 2군 CBN 입자의 총함량이 50~70vol%의 범위일 경우, 상대적으로 큰 입자인 제 1군 CBN 입자와 상대적으로 작은 입자인 제 2군 CBN 입자의 분산성이 향상되며, 작은 제 2군 CBN 입자의 결합도가 향상되어 내마모성, 내결손성 이 개선되므로 공구수명이 우수하게 나타난다.
상기 실시예 1 내지 실시예 4에 대한 비교예로서 제 1군 및 제 2군 CBN 입자의 총함량이 본 발명의 범위를 벗어난 42vol%인 비교예 4의 경우 공구수명평가 1의 공구수명은 2.3, 공구수명평가 2의 공구수명은 1.3으로 측정되어 실시예 1 내지 실시예 4에 비하여 공구수명이 현저히 낮은 것으로 나타났다. 제 1군 및 제 2군 CBN 입자의 총함량이 50 vol% 미만일 경우에는 다결정 입방정 질화붕소의 경도가 감소하여 공구수명이 단축되는데, 상기 비교예 4에서는 제 1군 및 제 2군 CBN 입자 총함량이 42vol%로 본 발명의 총 함량보다 미달되어 공구수명평가 1, 2 모두에서 공구수명이 낮게 나타나는 것이다.
또한, 제 1군 및 제 2군 CBN 입자의 총함량이 본 발명의 범위를 벗어난 80vol%인 비교예 5의 경우 공구수명평가 1의 공구수명은 2.5, 공구수명평가 2의 공구수명은 1.7로 측정되어 실시예 1 내지 실시예 4에 비하여 공구수명이 현저히 낮은 것으로 나타났다. 제 1군 및 제 2군 CBN 입자의 총함량이 70vol%를 초과할 경우에는 경도가 높아지고 인성이 향상되지만, 내결손성 이 저하되어 열에 의한 마모에 취약하여 공구의 파손이 일어나 공구수명이 단축된다. 상기 비교예 5에서는 제 1군 및 제 2군 CBN 입자 총함량이 80vol%로 본 발명의 총 함량을 초과하여 공구수명평가 1, 2 모두에서 공구수명이 낮게 나타나는 것이다.
2) 제 1군 및 제 2군 CBN 입자의 체적비에 따른 공구수명 테스트
실시예 1 내지 실시예 4와 비교예 1 내지 비교예 3은 제 1군 및 제 2군 CBN 입자의 체적비에 따른 공구수명을 측정하기 위하여 제 1군 및 제 2군 CBN 입자의 체적비를 충족하는 경우와 충족하지 못한 경우의 실시예 및 비교예이다.
상기 표 1을 살펴보면, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 4와 같이 제 1군 및 제 2군 CBN 입자의 체적비가 식 1 및 식 2를 충족하였을 때 공구수명평가 1의 공구수명은 모두 6 이상, 공구수명평가 2의 공구수명은 모두 4 이상으로 우수하게 측정되었다. 상기 실시예 1 내지 실시예 4처럼, 제 1군 및 제 2군 CBN 입자 체적비가 식 1 및 식 2를 충족했을 때 제 1군 및 제 2군 CBN 입자와 결합제와의 결합력과 CBN 입자 각각의 독립성이 높아져 공구수명이 우수하게 나타나는 것이다.
상기 실시예 1 내지 실시예 4에 대한 비교예로서 제 1군 및 제 2군의 CBN 체적비가 식 1 또는 식 2를 충족시키지 못했을 경우인 비교예 1 내지 3을 살펴보면, 공구수명평가 1의 공구수명은 모두 2~3의 범위, 공구수명평가 2의 공구수명은 모두 1~2의 범위 내인 것으로 측정되어 상기 실시예와 비교했을 때 현저히 낮은 공구수명을 나타냈다. 상기 비교예 1 내지 3는 제 1군 및 제 2군 CBN 체적비가 식 1 또는 식 2를 충족시키지 못해 결합제와 상기 CBN 입자간 결합도가 감소하고, 내충격성이 낮아져 공구의 수명이 저하된 것으로 보인다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (6)

  1. 입자 사이즈가 서로 상이한 제 1군 CBN 입자와 제 2군 CBN 입자 및 결합제를 포함하는 다결정 입방정 질화붕소에서,
    상기 제 1군의 CBN 입자 사이즈 평균값이 1~4㎛이고,
    상기 제 2군의 CBN 입자 사이즈 평균값이 0.01~1㎛이며,
    상기 제 1군 및 제 2군 CBN 입자의 총함량이 50~70vol%이고, 상기 제 1군 CBN 입자와 제 2군 CBN 입자의 체적비는 하기 식 1 및 식 2로 이루어지는 다결정 입방정 질화붕소.
    식 1 : 1군 ÷ 3 ≥ 2군
    식 2 : (1군+2군) ÷ 9 < 2군
    (1군 : 1군 CBN 입자 함량, 2군 : 2군 CBN 입자 함량)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 결합제는 4족, 5족의 전이금속과, Al, Co, W 금속으로 구성된 탄질화, 질탄화, 산화, 붕화물을 포함하며,
    상기 탄질화, 질탄화, 산화, 붕화물 상에 3종 이상의 복합 고용체가 존재하는 다결정 입방정 질화붕소.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2군 CBN 입자는 결합제와 혼합 후 열반응시킨 파우더를 상기 제 1군 CBN 입자와 재혼합하여 제조하는 것을 특징으로 하는 다결정 입방정 질화붕소.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1군 및 제 2군의 CBN 입자 및 결합제는 볼밀(Ball mill), 어트리터밀(Attritor mill), 플레너터리밀(Planetary mill)법 중 어느하나의 방법으로 혼합하는 다결정 입방정 질화붕소.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 다결정 입방정 질화붕소는 1200~1600℃, 3.5~6.5GPa에서 소결하는 다결정 입방정 질화붕소.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1군 CBN 입자 사이즈 평균값은 1.5~3.5 ㎛이고,
    상기 제 2군 CBN 입자 사이즈 평균값은 0.3~0.9㎛인 다결정 입방정 질화붕소.
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