KR20220119364A - 입방정 질화붕소계 복합재 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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KR20220119364A
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루이 샤오
로렌스 듀스
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다이아몬드 이노베이션즈, 인크.
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Abstract

약 30 ~ 65 vol% cBN, 약 15 ~ 45 vol% 티타늄 (Ti)-함유 바인더, 약 2 ~ 20 vol% 이산화지르코늄 (ZrO2), 약 3 ~ 15 vol% 코발트-텅스텐-붕화물 (Co x W y B z ) 및 약 2 ~ 15 vol% 산화알루미늄 (Al2O3) 을 포함하는 입방정 질화 붕소 (cBN) 계 복합재가 제공된다.

Description

입방정 질화붕소계 복합재 및 이의 제조 방법
본 발명은 일반적으로 입방정 질화붕소로 형성된 복합 재료 및 그 제조 및 사용 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 절삭하기 어려운 재료의 기계가공에 유용한 이러한 복합 재료에 관한 것이다.
하기 배경기술의 논의에서, 특정 구조물 및/또는 방법이 참조된다. 하지만, 다음 참조는 이런 구조물들 및/또는 방법들이 선행 기술을 구성하는 것을 인정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 출원인은 이러한 구조물들 및/또는 방법들이 선행 기술로서 적합하지 않다는 것을 입증할 수 있는 권리를 명시적으로 보유한다.
입방정 질화붕소 (cBN) 는 절삭 및/또는 기계가공 적용을 위해 cBN 계 복합재를 형성하는데 종종 사용되는 초경질 재료이다. 알루미나 (Al2O3), 티타늄 질화물 (TiN), 규소 질화물 (Si3N4) 등과 같은 특정 세라믹 재료들이 화학적 마모에 대한 저항을 개선하기 위해 cBN 과 블렌딩될 수 있다. 그러나, 이러한 세라믹 재료는 경질 재료를 기계가공할 때 최적으로 수행하기에 충분한 경도 및/또는 내열성을 갖지 않을 수 있다. 예를 들어, 기존의 cBN 계 복합재는 절삭하기 어려운 재료, 특히 내열성 초합금 (superalloys) 을 절삭 또는 기계가공할 때 여전히 빠른 마모, 파괴 및/또는 파손을 나타낼 수 있다. 따라서, 절삭하기 어려운 재료를 절삭 및 기계가공하기 위한 개선된 특성을 갖는 더 양호한 cBN 계 복합 재료가 요구된다.
약 30 ~ 65 vol% cBN, 약 15 ~ 45 vol% 티타늄 (Ti)-함유 바인더, 약 2 ~ 20 vol% 이산화지르코늄 (ZrO2), 약 3 ~ 15 vol% 코발트-텅스텐-붕화물 (Co x W y B z ) 및 약 2 ~ 15 vol% 산화 알루미늄 (Al2O3) 을 포함하는 입방정 질화붕소 (cBN) 계 복합재가 제공된다.
또한, 예를 들어 Inconel 718, Inconel 625, 합금 188, Haynes 25, Alloy L605, 및/또는 A 286 을 포함하는 초합금을 절삭하는데 사용될 수 있는 절삭 공구 또는 커터가 제공된다. 절삭 공구는 소결된 입방정 질화붕소 (cBN) 계 컴팩트를 포함할 수 있다. cBN 계 복합재는, 약 30 ~ 65 vol% cBN, 약 15 ~ 45 vol% 티타늄 (Ti)-함유 바인더, 약 2 ~ 20 vol% 이산화지르코늄 (ZrO2), 약 3 ~ 15 vol% 코발트-텅스텐-붕화물 (Co x W y B z ) 및 약 2 ~ 15 vol% 산화알루미늄 (Al2O3) 을 포함하거나 이로 구성될 수 있다.
또한, 입방정 질화붕소 (cBN) 계 복합재를 형성하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 cBN 계 복합재를 형성하기 위한 cBN 계 제형의 분말을 혼합하여 제 1 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다. cBN 계 복합재는, 약 30 ~ 65 vol% cBN, 약 15 ~ 45 vol% 티타늄 (Ti)-함유 바인더, 약 2 ~ 20 vol% 이산화지르코늄 (ZrO2), 약 3 ~ 15 vol% 코발트-텅스텐-붕화물 (Co x W y B z ) 및 약 2 ~ 15 vol% 산화 알루미늄 (Al2O3) 을 포함한다. 상기 방법은 제 1 혼합물을 건조하여 제 2 혼합물을 형성하는 단계 및 제 2 혼합물을 하나 이상의 내화성 몰드들내에 로딩하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 제 2 혼합물을 고압 고온 조건에서 소결하는 단계를 포함한다.
또한, 소결된 입방정 질화붕소 (cBN) 계 복합재를 포함하는 절삭 공구를 제조하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 cBN 계 복합재를 형성하기 위한 cBN 계 제형의 분말을 혼합하여 제 1 혼합물을 형성하는 단계를 포함한다. cBN 계 복합재는, 약 30 ~ 65 vol% cBN, 약 15 ~ 45 vol% 티타늄 (Ti)-함유 바인더, 약 2 ~ 20 vol% 이산화지르코늄 (ZrO2), 약 3 ~ 15 vol% 코발트-텅스텐-붕화물 (Co x W y B z ) 및 약 2 ~ 15 vol% 산화알루미늄 (Al2O3) 을 포함한다. 상기 방법은 제 1 혼합물을 건조하여 제 2 혼합물을 형성하는 단계 및 제 2 혼합물을 하나 이상의 내화성 몰드들내에 로딩하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 제 2 혼합물을 고압 고온 조건에서 소결하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 소결된 컴팩트를 절삭 재료에 적합한 형상으로 형성하는 단계를 포함한다. 선택적으로, 상기 방법은 소결된 컴팩트를 공구 본체에 부착하는 단계를 포함한다.
실시형태들의 다음의 상세한 설명 뿐만 아니라 전술한 요약은 첨부된 도면과 함께 정독한다면 보다 양호하게 이해될 것이다. 설명된 실시형태들이 도시된 정확한 배열들 및 수단들에 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
도 1 은 cBN 계 소결된 컴팩트 또는 복합재를 형성하기 위한 예시적인 공정을 도시한다.
도 2 는 예시적인 cBN 계 소결된 컴팩트 또는 복합재에 존재하는 상들을 나타내는 XRD 스펙트럼을 도시한다.
도 3 은 다른 예시적인 cBN 계 소결된 컴팩트 또는 복합재에 존재하는 상들을 나타내는 XRD 스펙트럼을 도시한다.
도 4 는 다른 예시적인 cBN 계 소결된 컴팩트 또는 복합재에 존재하는 상들을 나타내는 XRD 스펙트럼을 도시한다.
본 발명은 입방정 질화붕소 (cBN) 로 형성된 복합재 또는 소결된 컴팩트 및 이의 제조 및 사용 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 절삭하기 어려운 재료, 예를 들어 고온 범위에서 높은 강도를 요구하는 적용을 위한 초합금을 절삭 및 기계가공하는데 유용한 개선된 cBN 계 복합 재료에 관한 것이다. 예를 들어, 본원에 개시된 cBN 계 복합 재료 (예를 들어, 소결된 컴팩트) 는 니켈계 초합금 (예를 들어, Inconel 718, Inconel 625), 코발트계 초합금 (예를 들어, Alloy 188, Haynes 25, Alloy L605), 철계 초합금 (예를 들어, A286), 또는 이들 초합금과 동등하거나, 이보다 열등하거나 또는 우수한 기계적 특성의 임의의 재료를 절삭 및/또는 기계가공하는데 사용될 수 있다.
본원에 개시된 cBN 계 복합 재료는, 다른 개선사항 중에서, 더 큰 내마멸성, 인성, 화학적 저항, 경도 및/또는 고온 경도를 포함할 수 있다. 이러한 개선은, 본원에 개시된 비율로, cBN, Ti 계 질화물, 탄화물, 및/또는 탄질화물과 같은 티타늄 함유 바인더 ("Ti-함유 바인더"), 지르코니아 (ZrO2), 코발트-텅스텐-붕화물 (CoWB, CoW2B2, W3CoB3, 또는 이들의 조합일 수 있는 Co x W y B z ), 알루미나 (Al2O3), 및/또는 이붕화티타늄 (TiB2) 의 조합에 적어도 부분적으로 기여한다. 본 발명은 또한 cBN 계 제형을 소결된 컴팩트로 형성하는 방법을 개시하며, 이는 절삭하기 어려운 재료의 절삭 또는 기계가공에 사용될 수 있다.
상기를 염두에 두고, 표 1 및 표 2 는 cBN 계 복합 재료 (예를 들어, 소결된 컴팩트) 의 예시적인 조성을 열거한다. cBN 계 복합 재료를 형성하기 위한 예시적인 공정이 도 1 의 흐름도에 도시되어 있다. 표 1 및 표 2 에서, 모든 부피 백분율 (vol%) 은 cBN 계 복합 재료의 전체 vol% 에 기초로 한다.
Figure pct00001
Figure pct00002
cBN 계 복합 재료 (예를 들어, 소결된 컴팩트) 는 약 30 ~ 65 vol% cBN, 약 40 ~ 60 vol% cBN 또는 약 45 ~ 55 vol% cBN 을 포함할 수 있다. 추가로, cBN 계 복합 재료는 약 15 ~ 45 vol%, 약 20 ~ 40 vol% 또는 약 15 ~ 30 vol% Ti-함유 바인더(들)를 포함할 수 있다. 또한, cBN 계 복합 재료는 약 2 ~ 20 vol% ZrO2, 약 5 ~ 13 vol% ZrO2 또는 약 7 ~ 10 vol% ZrO2 를 포함할 수 있다. 제공된 바와 같이, cBN 계 복합 재료는 약 3 ~ 15 vol% Co x W y B z , 약 4 ~ 13 vol% Co x W y B z , 약 5 ~ 10 vol% Co x W y B z 를 더 포함할 수 있다. cBN 계 복합 재료는 또한 약 2 ~ 15 vol% Al2O3, 약 2 ~ 15 vol% Al2O3, 약 4 ~ 13 vol% Al2O3, 또는 약 5 ~ 10 vol% Al2O3 를 포함할 수 있다. 추가로, cBN 계 복합 재료는 약 10 vol% 이하의 TiB2 (예를 들어, 약 0.01 vol% ~ 약 10 vol% TiB2, 약 0.01 vol% ~ 약 8 vol% TiB2, 약 0.01 vol% ~ 약 5 vol% TiB2 또는 약 2 vol% ~ 약 10 vol% TiB2 또는 약 5 vol% ~ 약 10 vol% TiB2) 를 포함할 수 있다. 본원에 개시된 Ti-함유 바인더(들)는 임의의 적합한 Ti-계 질화물, 산화물 및/또는 탄화물, 예를 들어, 티타늄 질화물 (TiN), 티타늄 탄질화물 (TiCN), 티타늄 탄화물 (TiC), 티타늄 탄산질화물 (TiCON), 티타늄 산질화물 (TiNO), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
도 1 은 cBN 계 복합 재료 (예를 들어, 소결된 컴팩트) 를 형성하는 예시적인 공정 (100) 을 도시한다. 예시적인 공정 (100) 은 cBN 계 제형의 분말을 혼합하여 제 1 혼합물을 형성하는 단계 (단계 102) 를 포함한다. cBN 계 제형은, 예를 들어 cBN 을 포함하거나 이로 이루어진 분말, Ti 및/또는 Ti 계 재료, 예를 들어 Ti-함유 바인더를 포함하거나 이로 이루어진 분말, 지르코늄을 포함하거나 이로 이루어진 분말, 예를 들어 ZrO2 를 포함하거나 이로 이루어진 분말, 알루미늄을 포함하거나 이로 이루어진 분말, W 를 포함하거나 이로 이루어진 분말, Co 를 포함하거나 이로 이루어진 분말, B 를 포함하거나 이로 이루어진 분말, 및 이들의 조합을 포함하는 하나 이상의 분말 제형을 포함하거나 이로 이루어질 수 있다. 단계 102 는 본원에 개시된 cBN 계 복합 재료 (예를 들어, 표 1 및 표 2 에 나타낸 조성) 를 형성하는데 사용될 수 있는 분말을 제공하는 단계를 포함한다. 분말은 나노 및/또는 미크론 크기의 분말일 수 있으며, 예를 들어, cBN 계 제형의 분말의 평균 입자 크기는 나노미터 (nm) 또는 마이크로미터 (㎛) 범위, 즉, 약 100 nm ~ 약 10 ㎛ 일 수 있다. 단계 102 는 분말을 혼합하여 혼합물 또는 슬러리를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 분말은 임의의 적합한 밀링 또는 블렌딩 기술 (예를 들어, 마멸 (attrition) 밀, 볼 밀 등) 을 사용하여 혼합될 수 있다. 분말은 임의의 적합한 용매, 예를 들어 에탄올, 이소프로판올, 아세톤, 메탄올, 헥산, 헵탄 또는 이들의 조합 중에서 밀링되거나 블렌딩되어 제 1 혼합물을 형성할 수 있다. 밀링 조건들 (예를 들어, 시간, 분당 회전, 매질 또는 용매의 유형 등) 은 원하는 혼합 효과 (예를 들어, 분말 분포 및 균일성) 를 달성하기 위해 사용되는 밀의 크기 및/또는 유형에 따라 조절되거나 조정될 수 있다.
공정 (100) 은 제 1 혼합물을 건조하여 제 2 혼합물을 형성하는 단계 (단계 104) 를 포함할 수 있다. 단계 102 에서 형성된 제 1 혼합물 또는 슬러리는, 임의의 적합한 기술, 예를 들어 진공 건조, 공기 건조 등을 사용하여 건조되어, 제 1 혼합물 내의 용매 및/또는 바인더를 실질적으로 제거할 수 있다.
공정 (100) 은 제 2 혼합물을 내화성 몰드(들) 내로 로딩하는 단계 (단계 106) 를 포함할 수 있다. 내화성 몰드(들)는 임의의 적합한 내화성 금속, 예를 들어, 탄탈륨, 니오븀, 몰리브덴 등을 포함하는 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다. 단계 106 은 내화성 몰드 내에 배치된 초경합금 (WC-Co) 기재 상에 제 2 혼합물을 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 단계 106 은 또한 제 2 혼합물을 내화성 몰드 내로 로딩하는 단계 및 몰드의 개구 내에 꼭 맞게 끼워지는 WC-Co 디스크로 캡핑 (capping) 하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 106 은 또한 제 2 혼합물 및/또는 WC-Co 기재/디스크를 함유하는 내화성 몰드(들)를 밀봉하는 단계를 포함할 수 있다.
공정 (100) 은 고압-고온 조건에서 제 2 혼합물을 소결하는 단계 (단계 108) 를 포함할 수 있다. 제 2 혼합물을 함유하는 밀봉된 내화성 몰드(들)는 고압-고온 (HPHT) 셀에 배치될 수 있고, HPHT 소결 조건들은 본원에 개시된 cBN 계 복합 재료 (예를 들어, 소결된 컴팩트) 를 형성하기 위해 적용된다. 단계 108 은 약 5 기가파스칼 (GPa) ~ 8 GPa 의 압력 및 약 1300 ~ 1600℃ 의 온도에서 제 2 혼합물을 소결하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 108 은 적어도 4 GPa 의 압력 및 적어도 1100℃ 의 온도에서 제 2 혼합물을 소결하는 단계를 포함할 수 있다. cBN 계 복합 재료 (예를 들어, 소결된 컴팩트) 는 나노미터 또는 서브미크론 범위의 결정립 크기, 예를 들어 약 0.1 ~ 10 ㎛, 약 0.1 ~ 8 ㎛, 약 0.1 ~ 6 ㎛, 약 0.1 ~ 4 ㎛, 약 0.1 ~ 2 ㎛, 약 2 ~ 4 ㎛, 약 0.5 ~ 1.5 ㎛, 또는 약 0.1 ~ 1 ㎛ 를 가질 수 있다.
공정 (100) 에 따라 형성된 cBN 계 복합 재료 (예를 들어, 소결된 컴팩트) 는 절삭하기 어려운 재료를 기계가공하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 공정 (100) 에 따라서 형성된 cBN 계 복합 재료는 니켈계 초합금 (예를 들어, Inconel 718, Inconel 625), 코발트계 초합금 (예를 들어, Alloy 188, Haynes 25, Alloy L605), 철계 초합금 (예를 들어, A286), 또는 이들 초합금과 동등하거나, 이보다 열등하거나 또는 우수한 기계적 특성의 임의의 재료를 포함하는, 고강도 초합금을 기계가공하기 위한 절삭 공구로 형성될 수 있다.
임의의 특정 이론에 얽매이고자 하는 것은 아니지만, 본원에 개시된 cBN 계 복합 재료 (예를 들어, 소결된 컴팩트) 의 조성 및 상은 내마멸성, 인성, 화학적 저항, 경도, 고온 경도, 또는 이들의 조합을 개선시켜 절삭 및 기계가공 능력을 개선시키는데 기여할 수 있는 것으로 여겨진다. 표 3 은 본원에 개시된 cBN 계 복합 재료 (예를 들어, 소결된 컴팩트) 로 제조된 절삭 공구를 사용하여 예시적인 절삭 성능을 도시한다.
Figure pct00003
도시된 예에서, 샘플 1 ~ 샘플 10 은 표 1 및 표 2 에 도시된 조성 및 도 1 에 기재된 공정 (100) 에 기초하여 형성된 cBN 계 복합 재료 (예를 들어, 소결된 컴팩트) 로 제조된 절삭 공구를 나타낸다. 절삭 시험은 Inconel 718 상에서 분당 350 미터의 속도 (m/min) 및 회전당 0.15 밀리미터의 공급률 (mm/회전) 로 수행되었고, 냉각제는 절삭 계면에 연속적으로 도포된다. 절삭 시험을 샘플 1 ~ 샘플 10 에 대해 0.25 mm 의 미리 결정된 플랭크 마모에 대해 수행하였다. 공구 수명의 종료시 킬로미터 (km) 로 절삭 거리는 표 3 의 최우측 열에 도시된다. 절삭 시험 동안 샘플이 칩핑되면, 미리 결정된 플랭크 마모에 도달하기 전에 시험이 사전-종료되었고, 별표 "*" 는 샘플이 칩핑될 때의 절삭 거리를 나타낸다. 예를 들어, 샘플 5 는 3 개의 절삭 시험들 중 2 개에서 0.1 km 의 절삭 거리에서 칩핑하였고, 샘플 6 은 2 개의 절삭 시험들 중 하나에서 0.8 km 의 절삭 거리에서 칩핑하였다.
샘플 1 및 샘플 2 는 둘 다 약 2 ~ 4 ㎛ 의 cBN 결정립 크기를 가지며, 둘 다 약 65 vol% cBN 을 함유하며, Co x W y B z 또는 ZrO2 를 함유하지 않는다. 샘플 1 과 샘플 2 의 차이는 샘플 1 이 TiCN 바인더를 함유하는 반면, 샘플 2 는 TiN 바인더를 함유한다는 것이다. 절삭 거리는 샘플 1 의 경우에 0.6 km 및 0.6 km 이고, 샘플 2 의 경우에 0.6 km 및 0.7 km 이다. 샘플 1 과 샘플 2 의 절삭 거리 사이에는 큰 차이가 없다.
샘플 3 및 샘플 4 는 둘 다 약 2 ~ 4 ㎛ 의 cBN 결정립 크기를 가지며, 둘 다 약 50 vol% cBN 을 함유하며, Co x W y B z 또는 ZrO2 를 함유하지 않는다. 샘플 3 과 샘플 4 의 차이는 샘플 4 가 TiCN 바인더를 함유하는 반면, 샘플 3 은 TiN 바인더를 함유한다는 것이다. 절삭 거리는 샘플 3 의 경우에 0.7 km 및 0.8 km 이고, 샘플 4 의 경우에 0.7 km 및 0.7 km 이다. 샘플 3 및 샘플 4 의 절삭 거리 사이에는 큰 차이가 없다.
샘플 5 및 샘플 6 은 둘 다 약 0 ~ 1 ㎛ 의 cBN 결정립 크기를 가지며, 둘 다 ZrO2 (예를 들어, 약 3 ~ 15 vol%) 및 약 50 vol% cBN 을 함유하며, CoxW y B z 를 함유하지 않는다. 샘플 5 과 샘플 6 의 차이는 샘플 5 가 TiCN 바인더를 함유하는 반면, 샘플 6 는 TiN 바인더를 함유한다는 것이다. 절삭 거리는 샘플 5 의 경우에 1.2 km, 0.1 km (칩핑된 샘플) 및 0.1 km (칩핑된 샘플) 이고, 샘플 6 의 경우에 1.1 km 및 0.8 km (칩핑된 샘플) 이다. 샘플 5 및 샘플 6 의 절삭 거리 사이에는 큰 차이가 없다.
임의의 특정 이론에 얽매이고자 하는 것은 아니지만, Ti-함유 바인더 (예를 들어, TiN, TiCN, TiC, TiCON, TiNO) 는 바인더로서 기능할 수 있고 일반적으로 절삭 능력을 개선시키는데 유사한 효과를 가질 수 있는 것으로 여겨진다. 예를 들어, 샘플 1 및 샘플 2, 샘플 3 및 샘플 4, 및 샘플 5 및 샘플 6 의 절삭 거리 사이의 비교에 기초하여, TiCN 및 TiN 은 개선된 절삭 능력에 대한 이들의 기여의 관점에서 상호교환가능한 것으로 보인다.
샘플 6 및 샘플 7 은 둘 다 약 0 ~ 1 ㎛ 의 cBN 결정립 크기를 가지며, 둘 다 50 vol% 의 cBN, TiN 및 ZrO2 를 함유한다. 샘플 6 및 샘플 7 사이의 차이는 샘플 7 이 Co x W y B z 를 함유하고 샘플 6 이 함유하지 않는다는 것이다. 절삭 거리는 샘플 6 의 경우에 1.1 km 및 0.8 km (칩핑된 샘플) 이고, 샘플 7 의 경우에 1.4 km 및 1.4 km 이다. 임의의 특정 이론에 얽매이고자 하는 것은 아니지만, CoxWyBz 의 존재는 개선된 절삭 능력에 기여할 수 있는 것으로 여겨진다.
샘플 7 및 샘플 8 은 둘 다 약 0 ~ 1 ㎛ 의 cBN 결정립 크기를 가지며, 둘 다 50 vol% 의 cBN, TiN 및 Co x W y B z 를 함유한다. 샘플 7 및 샘플 8 사이의 차이는 샘플 7 이 ZrO2 를 함유하고 샘플 8 이 함유하지 않는다는 것이다. 절삭 거리는 샘플 7 의 경우에 1.4 km 및 1.4 km 이고, 샘플 8 의 경우에 1.0 km 이다. 임의의 특정 이론에 얽매이고자 하는 것은 아니지만, ZrO2 의 존재는 개선된 절삭 능력에 기여할 수 있는 것으로 여겨진다.
샘플 9 는 약 0.5 ~ 1.5 ㎛ 의 cBN 결정립 크기를 가지며, 50 vol% 의 cBN, TiN 및 TiCN 을 함유하지만 CoxWyBz 또는 ZrO2 를 함유하지 않는다. 샘플 9 와 샘플 3 및 샘플 4 사이의 차이는 샘플 9 가 약간 더 작은 cBN 결정립 크기를 갖고 TiN 및 TiCN 둘 다를 포함한다는 것이다. 절삭 거리는 샘플 9 의 경우에 0.7 km 및 0.7 km 이고, 이는 샘플 3 및 샘플 4 와 비슷하다. 이러한 비교에 기초하여, 단지 TiN, 단지 TiCN 및 TiN 및 TiCN 둘 다의 존재들은 절삭 능력들에 유사한 기여를 갖는 것으로 보이며, TiN 및 TiCN 은 상호교환가능한 것으로 보인다.
샘플 7 및 샘플 10 은 둘 다 약 0 ~ 1 ㎛ 의 cBN 결정립 크기를 가지며, 둘 다 약 50 vol% cBN, 3 ~ 8 vol% 의 CoxWyBz 및 3 ~ 15 vol% 의 ZrO2 를 함유한다. 샘플 7 과 샘플 10 의 차이는 샘플 7 이 TiN 을 함유하는 반면, 샘플 10 은 TiCN 을 함유한다. 절삭 거리는 샘플 7 의 경우에 1.4 km 및 1.4 km 이고, 샘플 10 의 경우에 1.3 km 및 1.3 km 이다. 샘플 7 및 샘플 10 의 절삭 거리 사이에는 큰 차이가 없다.
임의의 특정 이론에 얽매이고자 하는 것은 아니지만, 특정 결정질 상의 특정 조합 및/또는 배제는 본원에 개시된 cBN 계 복합 재료 (예를 들어, 소결된 컴팩트) 의 향상된 절삭 능력에 기여할 수 있는 것으로 여겨진다. 예를 들어, CoxWyBz 는 결정질 상, 결정질 CoWB, 결정질 CoW2B2, 및 결정질 W3CoB3 로서 cBN 계 복합 재료 (예를 들어, 소결된 컴팩트) 에 존재하여, 개선된 절삭 능력에 기여한다. 예를 들어, ZrO2 는 입방정 결정질 ZrO2 (c-ZrO2) 및/또는 단사정 결정질 ZrO2 (m-ZrO2) 로서 cBN 계 복합 재료 (예를 들어, 소결된 컴팩트) 내에 존재하여, 향상된 절삭 능력에 기여한다.
일부 실시형태들에서, cBN 계 복합재 (예를 들어, 소결된 컴팩트) 의 W/Co 중량비는 약 3 내지 약 8 일 수 있다. Co x W y B z 는 결정질 CoWB (예를 들어, W/Co = 6.2) 및/또는 결정질 CoW2B2 (예를 들어, W/Co = 3.1) 의 혼합물을 포함할 수 있고, 복합재에서 W/Co 중량비는 약 3 내지 약 8, 또는 대안적으로 약 3 내지 약 7 의 범위일 수 있다. 일부 실시형태들에서, cBN 계 복합 재료 (예를 들어, 소결된 컴팩트) 에 존재하는 CoxWyBz 는 W2Co21B6 를 배제할 수 있다.
일부 실시형태들에서, 본원에 개시된 cBN 계 복합 재료 (예를 들어, 소결된 컴팩트) 는 이붕화알루미늄 (AlB2) 이 실질적으로 없거나 배제될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 본원에 개시된 cBN 계 복합 재료 (예를 들어, 소결된 컴팩트) 는 매우 낮은 함량 또는 무시할 수 있는 양의 TiB2, 예를 들어, 1 vol% 미만의 TiB2 를 포함할 수 있다. 일부 실시형태들에서, cBN 계 복합 재료 (예를 들어, 소결된 컴팩트) 는 TiB2 가 실질적으로 없거나 배제될 수 있다.
X-선 회절 (XRD) 은 존재하는 상들을 확인하기 위해 본원에 개시된 cBN 계 복합 재료 (예를 들어, 소결된 컴팩트) 에 대해 수행될 수 있다. 도 2, 도 3 및 도 4 는 각각 샘플 6, 샘플 7 및 샘플 10 으로부터 XRD 스펙트럼을 나타낸다. 도 2 및 도 3 의 XRD 스펙트럼은 샘플 6 및 샘플 7 둘 다 cBN, TiN, 및 ZrO2 상들을 함유함을 입증한다. ZrO2 상은 c-ZrO2 로서 샘플 6 에 존재하고, c-ZrO2 및 m-ZrO2 로서 샘플 7 에 존재한다. 도 2 및 도 3 의 XRD 스펙트럼은 또한 샘플 7 이 CoxWyBz 를 함유하고 샘플 6 이 함유하지 않음을 입증하고, CoxWyBz 의 존재가 개선된 절삭 능력에 기여하는 것으로 여겨진다. CoxWyBz 는 결정질 CoWB 및 결정질 CoW2B2 로서 샘플 7 에 존재한다. 도 3 및 도 4 의 XRD 스펙트럼은 샘플 7 및 샘플 10 둘 다가 cBN, CoxWyBz, Al2O3, 및 ZrO2 상들을 함유하고, 샘플 7 은 TiN 상을 함유하는 반면, 샘플 10 은 TiCN 상을 함유함을 입증한다.
표 4 는 샘플 6, 샘플 7 및 샘플 10 의 XRD 피크 정보를 나타낸다. 표 4 는 샘플 6, 샘플 7 및 샘플 10 에 존재하는 다양한 상들의 피크 위치 (2-세타 도) 및 공칭 피크 강도를 열거한다. 표 4 는 또한 CoW2B2 와 Ti-함유 바인더 사이의 피크 강도비를 열거한다. 도시된 실시형태에서, 피크 강도비는 CoW2B2 상의 I2 피크 강도 및 TiCN 또는 TiN 상의 It2 피크 강도에 기초하여 결정된다. CoW2B2 대 Ti-함유 바인더 피크비는 샘플 6 에 대해 0% 이고, 샘플 7 에 대해 32.8% (31.37/95.54 = 32.8%) 이고, 샘플 10 에 대해 33.7% (28.3/83.9 = 33.7%) 이다. 일부 실시형태들에서, cBN 계 복합재의 CoW2B2 대 Ti-함유 바인더 피크비는 cBN 계 복합재의 절삭 능력을 향상시키는 것을 돕기 위해 10% 초과, 10% ~ 40%, 20% ~ 40%, 25% ~ 40%, 30% ~ 35%, 31% ~ 34%, 약 33%, 또는 약 32% 일 수 있다.
XRD 스펙트럼 전체에서 볼 수 있는 바와 같이, CoxWyBz 상은 최고 Ti 계 세라믹의 피크 강도의 적어도 10% 의 강도를 갖는 적어도 하나의 피크를 갖는다.
Figure pct00004
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 현재 개시된 과제가 속하는 기술분야에서 당업자에 의해 공통적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
값의 범위가 제공되는 경우, 예를 들어 농도 범위, 백분율 범위 또는 비 범위가 제공되는 경우, 문맥이 달리 명확하게 나타내지 않는 한, 이 범위의 상한과 하한 사이의, 하한의 단위의 1/10 까지의 각각의 중간 값, 및 언급된 범위에서의 임의의 다른 언급된 또는 중간 값은 개시된 과제에 포함되는 것으로 이해해야 한다. 이러한 더 작은 범위의 상한 및 하한은 독립적으로 더 작은 범위에 포함될 수 있고, 또한 이러한 실시형태들은 또한 언급된 범위 내에서 임의의 구체적으로 배제된 한계에 따라 개시 과제에 포함된다. 언급된 범위가 하나 또는 둘 모두의 한계를 포함하는 경우, 이들 포함된 한계 중 하나 또는 둘 모두를 제외한 범위는 또한 개시된 과제에 포함된다.
상기 및 본원의 다른 곳에서 사용되는 용어 "한 (a)" 및 "하나 (an)" 는 열거된 구성요소들 중 "하나 이상" 을 지칭하는 것으로 이해되어야 한다. 단수의 사용은 특별히 달리 언급되지 않는 한 복수개를 포함하는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 용어 "한 (a)", "하나 (an)" 및 "적어도 하나"는 본 명세서에서 상호교환적으로 사용된다.
다르게 나타내지 않는 한, 명세서 및 청구항들에 사용된 성분들의 양, 크기, 중량 반응 조건과 같은 특성 등을 나타내는 모든 수치는 용어 "약" 에 의해 모든 경우에 변경되는 바와 같이 이해되어야 한다. 본 출원 전체에 걸쳐서, 용어 "약" 은 사용되는 수의 수치의 플러스 또는 마이너스 10% 를 의미할 수 있고; 따라서, 약 50% 는 45% ~ 55% 의 범위를 의미할 수 있다. 따라서, 반대로 나타내지 않는 한, 명세서 및 첨부된 청구항들에 개시된 수치적 파라미터들은 본원에 의해 얻고자 추구하는 원하는 특성들에 따라 변할 수 있는 근사치들이다. 매우 적어도, 그리고 청구항들에 대한 균등론의 적용을 제한하는 시도로서가 아니라, 각각의 수치 파라미터는 적어도 일반적인 반올림 기술들을 적용함으로써 그리고 보고된 유효 자리수들의 수의 관점에서 구성되어야 한다.
본 출원 전반에 걸쳐, 다양한 실시형태들의 설명들은 "포함하는" 언어를 사용하지만, 일부 경우들에서, 실시형태는 대안적으로 "본질적으로 구성되는" 또는 "구성되는" 언어를 사용하여 설명될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
특정 실시형태들에 대하여 참조하였지만, 사상 및 범위를 벗어나지 않고 당업자가 다른 실시형태들 및 변형예들을 고안할 수 있음이 명백하다. 첨부된 청구범위는 이러한 모든 실시형태들 및 상응하는 변형예들을 포함하도록 구성되도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 입방정 질화붕소 (cBN) 계 복합재로서,
    약 30 ~ 65 vol% cBN,
    약 15 ~ 45 vol% 티타늄 (Ti)-함유 바인더,
    약 2 ~ 20 vol% 이산화지르코늄 (ZrO2),
    약 3 ~ 15 vol% 코발트-텅스텐-붕화물 (Co x W y B z ), 및
    약 2 ~ 15 vol% 산화알루미늄 (Al2O3)
    을 포함하는, cBN 계 복합재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    약 10 vol% 이하의 이붕화티타늄 (TiB2) 을 더 포함하는, cBN 계 복합재.
  3. 제 1 항에 있어서,
    약 45 ~ 55 vol% cBN,
    약 15 ~ 30 vol% Ti-함유 바인더,
    약 5 ~ 13 vol% ZrO2,
    약 5 ~ 10 vol% CoxWyBz,
    약 5 ~ 10 vol% Al2O3
    를 포함하는, cBN 계 복합재.
  4. 제 3 항에 있어서,
    10 vol% 미만의 TiB2 를 더 포함하는, cBN 계 복합재.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 Co x W y B z 는 결정질 CoWB, 결정질 CoW2B2, 결정질 W3CoB3, 또는 이들의 조합을 포함하는, cBN 계 복합재.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 W 및 Co 는 약 3 ~ 약 8 의 W/Co 중량비로 존재하는, cBN 계 복합재.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 Ti-함유 바인더는 티타늄 질화물 (TiN), 티타늄 탄질화물 (TiCN), 티타늄 탄화물 (TiC), 티타늄 탄산질화물 (TiCON), 티타늄 산질화물 (TiNO) 또는 이들의 조합을 포함하는, cBN 계 복합재.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 cBN 은 약 0.1 ~ 4 마이크로미터 (㎛) 의 결정립 크기를 가지는, cBN 계 복합재.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 cBN 은 약 0.1 ~ 2 마이크로미터 (㎛) 의 결정립 크기를 가지는, cBN 계 복합재.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 cBN 은 약 0.1 ~ 1 마이크로미터 (㎛) 의 결정립 크기를 가지는, cBN 계 복합재.
  11. 제 1 항의 cBN 계 복합재를 포함하는, Inconel 718, Inconel 625, 합금 188, Haynes 25, Alloy L605, 및/또는 A 286 을 포함하는, 초합금을 절삭하기 위한 절삭 공구.
  12. 입방정 질화붕소 (cBN) 계 복합재를 형성하는 방법으로서,
    제 1 혼합물을 형성하도록 cBN 계 복합재를 형성하기 위한 cBN 계 제형의 분말을 혼합하는 단계로서, 상기 cBN 계 복합재는,
    약 30 ~ 65 vol% cBN,
    약 15 ~ 45 vol% 티타늄 (Ti)-함유 바인더,
    약 2 ~ 20 vol% 이산화지르코늄 (ZrO2),
    약 3 ~ 15 vol% 코발트-텅스텐-붕화물 (Co x W y B z ),
    약 2 ~ 15 vol% 산화알루미늄 (Al2O3) 을 포함하는, 상기 cBN 계 제형의 분말을 혼합하는 단계,
    제 2 혼합물을 형성하도록 상기 제 1 혼합물을 건조하는 단계,
    상기 제 2 혼합물을 하나 이상의 내화성 몰드들내에 로딩하는 단계, 및
    상기 제 2 혼합물을 고압 고온 조건들에서 소결하는 단계
    를 포함하는, cBN 계 복합재를 형성하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 혼합물을 형성하도록 상기 cBN 계 제형의 분말을 에탄올, 이소프로판올, 아세톤, 메탄올, 헥산, 헵탄, 또는 이들의 조합을 포함하는 하나 이상의 용매와 혼합하는 단계를 더 포함하는, cBN 계 복합재를 형성하는 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 혼합물을 건조하는 단계는 상기 제 1 혼합물을 진공 건조하는 단계를 포함하는, cBN 계 복합재를 형성하는 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 혼합물을 로딩하는 단계는, 상기 제 2 혼합물 및 초경합금 (WC-Co) 기재 또는 디스크를 하나 이상의 내화성 몰드들 내에 배치하는 단계를 포함하는, cBN 계 복합재를 형성하는 방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    적어도 4 GPa 의 압력 및 적어도 1100℃ 의 온도에서 상기 제 2 혼합물을 소결하는 단계를 더 포함하는, cBN 계 복합재를 형성하는 방법.
  17. 절삭 공구로서,
    약 30 ~ 65 vol% cBN,
    약 15 ~ 45 vol% 티타늄 (Ti)-함유 바인더,
    약 2 ~ 20 vol% 이산화지르코늄 (ZrO2),
    약 3 ~ 15 vol% 코발트-텅스텐-붕화물 (Co x W y B z ),
    약 2 ~ 15 vol% 산화알루미늄 (Al2O3)
    을 포함하는 소결된 입방정 질화붕소 (cBN) 계 컴팩트를 포함하는, 절삭 공구.
  18. 제 17 항의 소결된 컴팩트를 형성하는 방법으로서,
    제 1 혼합물을 형성하도록 소결된 cBN 계 컴팩트를 형성하기 위한 cBN 계 제형의 분말을 혼합하는 단계,
    제 2 혼합물을 형성하도록 상기 제 1 혼합물을 건조하는 단계,
    상기 제 2 혼합물을 하나 이상의 내화성 몰드들내에 로딩하는 단계, 및
    소결된 컴팩트를 형성도록 상기 제 2 혼합물을 고압 고온 조건에서 소결하는 단계를 포함하는, 소결된 컴팩트를 형성하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    소결된 cBN 계 컴팩트는,
    약 45 ~ 55 vol% cBN,
    약 15 ~ 30 vol% Ti-함유 바인더,
    약 5 ~ 13 vol% ZrO2,
    약 5 ~ 10 vol% CoxWyBz,
    약 5 ~ 10 vol% Al2O3 및
    10 vol% 미만의 TiB2
    을 포함하는, 절삭 공구.
  20. 제 14 항에 있어서,
    소결된 cBN 계 컴팩트는 결정질 CoWB, 결정질 CoW2B2, 결정질 W3CoB3, 또는 이들의 조합을 포함하고, 약 3 내지 약 8 의 W/Co 중량비를 갖는, 절삭 공구.
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