KR20220131542A - 다결정질 입방정 질화붕소 재료 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 질화물 화합물을 함유하는 결합제 매트릭스 재료를 포함하는 다결정질 입방정 질화붕소(PCBN) 재료에 관한 것이다. 상기 질화물 화합물은 HfN, VN 및/또는 NbN으로부터 선택된다.
Description
본 발명은 소결된 다결정질 입방정 질화붕소 재료 및 이러한 재료의 제조 방법의 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 소결된 다결정질 입방정 질화붕소 재료를 사용한 인코넬(Inconel)™ 부류의 초합금의 기계가공에 관한 것이다.
다결정질 다이아몬드(PCD) 및 다결정질 입방정 질화붕소(PCBN)와 같은 다결정질 초경질 재료는 암석, 금속, 세라믹, 복합물 및 목재-함유 재료와 같은 경질 또는 연마 재료를 절단, 기계가공(machining), 드릴링 또는 마멸(degrading)을 위한 매우 다양한 공구에서 사용될 수 있다.
연마 콤팩트는 절단, 선삭(turning), 밀링, 연삭(grinding), 드릴링 또는 기타 연마 작업에 광범위하게 사용된다. 이는 일반적으로 제2 상 매트릭스에 분산된 초경질 연마 입자를 포함한다. 매트릭스는 금속 또는 세라믹 또는 서멧(cermet)일 수 있다. 초경질 연마 입자는 다이아몬드, 입방정 질화붕소(cBN), 탄화규소 또는 질화규소 등일 수 있다. 이들 입자는, 일반적으로 사용되는 고압 및 고온 콤팩트 제조 공정 동안 서로 결합되어 다결정질 매스(mass)를 형성하거나, 제2 상 재료(들)의 매트릭스를 통해 결합되어 소결된 다결정질 바디를 형성할 수 있다. 이러한 바디는 일반적으로 다결정질 다이아몬드 또는 다결정질 입방정 질화붕소로 알려져 있으며, 초경질 연마재로서 다이아몬드 또는 cBN을 각각 포함한다.
미국 특허 제4,334,928호는, 20 내지 80 부피%의 입방정 질화붕소; 및 주기율표의 IVa 또는 Va 전이 금속의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 붕화물 및 실리사이드, 이들의 혼합물 및 이들의 고용체 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 매트릭스 화합물 재료의 매트릭스인 잔부로 본질적으로 이루어진 공구에서 사용하기 위한 소결된 콤팩트를 교시한다. 이 특허에 개요된 방법은 모두 볼 밀링, 모르타르 등과 같은 기계적 밀링/혼합 기술을 사용하여 원하는 재료를 합치는 것을 포함한다.
소결된 다결정질 바디는, 이를 기재(substrate) 상에 형성함으로써 '지지(back)'될 수 있다. 적합한 기재를 형성하는 데 사용될 수 있는 세멘티드(cemented) 탄화 텅스텐은, 예를 들어 탄화 텅스텐 입자/그레인 및 코발트를 함께 혼합한 다음 가열하여 고화시킴으로써 코발트 매트릭스에 분산된 탄화물 입자로부터 형성된다. PCD 또는 PCBN과 같은 초경질 재료 층으로 절단 요소를 형성하기 위해 다이아몬드 입자 또는 그레인 또는 CBN 그레인은 니오븀 인클로저(enclosure)와 같은 내화성(refractory) 금속 인클로저의 세멘티드 탄화 텅스텐 바디에 인접하게 배치되고 고압 및 고온으로 처리되어 다이아몬드 그레인 또는 CBN 그레인 사이의 입자간 결합이 일어나 다결정질 초경질 다이아몬드 또는 다결정질 CBN 층을 형성한다.
일부 경우에서, 기재는 초경질 재료 층에 부착되기 전에 완전히 소결될 수 있는 반면, 다른 경우에, 기재는 그린(green) 상태일 수 있다(완전히 소결되지 않음). 후자의 경우, 기재는 HPHT 소결 과정에서 완전히 소결될 수 있다. 기재는 분말 형태일 수 있으며, 초경질 재료 층을 소결하기 위해 사용되는 소결 공정 동안 고화될 수 있다.
다르게는, 고체 소결된 다결정질 바디는 지지되지 않을 수 있고, 기재 없이 자립형으로 형성될 수 있다.
도 1은, 소결된 PCBN 재료의 예시적 제조 방법을 보여준다. 하기 번호는 도 1의 번호에 해당한다.
S1. 매트릭스 전구체 분말을 예비-혼합한다. 매트릭스 전구체 분말의 예는 티타늄 및 알루미늄의 탄화물 및/또는 질화물을 포함한다. 매트릭스 전구체 분말의 전형적인 평균 그레인 크기는 1 μm 내지 10 μm이다.
S2. 매트릭스 전구체 분말을 1시간 이상 동안 1000℃ 초과에서 열처리하여 매트릭스 전구체 입자들 사이의 예비-반응을 개시하여 "케이크"를 형성한다.
S3. 케이크를 분쇄하고 체질하여 원하는 입자 크기 분율을 수득한다.
S4. 체질된 매트릭스 전구체 분말에 0.5 μm 내지 15 μm의 평균 그레인 크기를 갖는 입방정 질화붕소(cBN) 입자를 첨가한다.
S5. 생성된 혼합 분말을 볼 밀링하여 매트릭스 전구체 분말을 원하는 크기(전형적으로 50 nm 내지 700 nm)로 분해하고, 매트릭스 전구체 분말을 cBN 입자와 친밀하게 혼합한다. 이 공정은 많은 시간이 걸릴 수 있으며 탄화 텅스텐 볼과 같은 밀링 매질의 사용을 포함한다.
S6. 생성된 밀링된 분말을 60℃ 초과에서 진공 또는 저압 하에서 건조시켜 용매를 제거하고, 이어서 시스템에 산소를 천천히 허용하여 알루미늄과 같은 금속 표면을 부동태화함으로써 컨디셔닝한다.
S7. 건조 분말을 체질하고 예비-복합물 어셈블리를 제조한다.
S8. 예비-복합물 어셈블리를 700℃ 초과에서 열처리하여 임의의 흡착된 물 또는 가스를 제거한다.
S9. 가스방출된(outgassed) 예비-복합물 어셈블리를 소결에 적합한 캡슐로 조립한다.
S10. 캡슐을 1250℃ 이상 및 4 GPa 이상의 고압 고온(HPHT) 공정으로 소결하여 소결된 PCBN 재료를 형성한다.
텅스텐(W)과 코발트(Co)는 모두 유럽에서 중요 원료(CRM)로 분류된다. CRM은 유럽 경제에 경제적 및 전략적으로 중요한 것으로 간주되는 원료이다. 원칙적으로, 이들은 공급과 관련하여 높은 위험을 가지고 있고 소비자 전자 제품, 환경 기술, 자동차, 항공 우주, 국방, 건강 및 스틸과 같은 유럽 경제의 핵심 부문에 대해 상당한 중요성을 가지고 있으며, (사용가능한) 대체품이 결여된다. 텅스텐과 코발트는 두 가지 중요한 부류의 경질 재료인 세멘티드 탄화물/WC-Co 및 PCD/다이아몬드-Co에 대한 주 성분이다.
본 발명의 목적은 극한 조건 하에 잘 수행되며 WC-Co 백킹(backing)의 사용이 요구되지 않는 툴링(tooling) 작업을 위한 사용가능한 대체 재료를 개발하는 것이다.
본 발명의 제1 양태에 따르면,
40 내지 95 부피% 입방정 질화붕소(cBN) 입자; 및
상기 cBN 입자가 분산되어 있는 결합제 매트릭스 재료
를 포함하는 다결정질 입방정 질화붕소(PCBN) 재료가 제공되고, 이때
상기 결합제 매트릭스 재료의 함량은 PCBN 재료의 5 부피% 내지 60 부피%이고,
상기 결합제 매트릭스 재료는 알루미늄 또는 이의 화합물 및/또는 티타늄 또는 이의 화합물을 포함하고,
상기 결합제 매트릭스 재료는, 산화물 화합물, 질화물 화합물 및/또는 산질화물(oxynitride)을 추가로 포함하고,
상기 질화물 화합물은 HfN, VN, 및/또는 NbN 중 어느 하나 이상이다.
임의적으로, 상기 산질화물 화합물이 PCBN 재료의 5 부피% 내지 35 부피%의 양으로 존재한다.
임의적으로, 상기 산질화물 화합물이 PCBN 재료의 10 부피% 내지 25 부피%의 양으로 존재한다.
임의적으로, 상기 산질화물 화합물이 AlON을 포함한다.
임의적으로, 상기 산화물 화합물이 Al2O3를 포함한다. 상기 Al2O3가 PCBN 재료의 10 부피% 또는 25 부피%의 양으로 존재할 수 있다.
임의적으로, 상기 HfN이 PCBN 재료의 10 부피% 또는 25 부피%의 양으로 존재한다. 상기 결합제 매트릭스 재료가 HfB2 및/또는 BN을 추가로 포함할 수 있다.
임의적으로, 상기 VN이 PCBN 재료의 10 부피% 또는 25 부피%의 양으로 존재한다. 상기 결합제 매트릭스 재료가 AlN 및/또는 BN을 추가로 포함할 수 있다.
임의적으로, 상기 NbN이 PCBN 재료의 10 부피% 또는 25 부피%의 양으로 존재한다.
임의적으로, 상기 알루미늄(Al) 또는 이의 화합물이 PCBN 재료의 2 부피% 내지 15 부피%, 바람직하게는 5 부피% 내지 15 부피%, 보다 바람직하게는 5 부피%의 양으로 존재한다.
상기 PCBN 재료가 50 내지 70 부피% 입방정 질화붕소(cBN)를 포함할 수 있다. 임의적으로, 상기 PCBN 재료가 60 부피% 입방정 질화붕소(cBN)를 포함한다.
본 발명의 제2 양태에 따르면,
o 입방정 질화붕소(cBN) 분말,
o 산화물-함유 분말,
o HfN, VN, 및/또는 NbN으로부터 선택되는 질화물-함유 분말, 및
o 알루미늄-함유 분말 및/또는 티타늄-함유 분말
의 전구체 분말들을 함께 밀링(milling)하는 단계;
밀링된 전구체 분말을 압착(compacting)하여 그린 바디(green body)를 형성하는 단계; 및
상기 그린 바디를 4.0 GPa 내지 8.5 GPa의 압력에서 1250℃ 내지 2200℃의 온도에서 소결하여 소결된 본 발명의 제1 양태에 따른 다결정질 입방정 질화붕소(PCBN) 재료를 형성하는 단계
를 포함하는 PCBN 재료의 제조 방법이 제공된다.
임의적으로, 상기 산화물-함유 분말이 Al2O3를 포함한다.
임의적으로, 상기 온도가 1250℃ 내지 1450℃이다.
임의적으로, 상기 온도가 1350℃이다.
임의적으로, 상기 압력이 약 6.5 GPa이다.
임의적으로, 상기 온도가 1800℃ 내지 2100℃이다.
임의적으로, 상기 압력이 약 8 GPa이다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 내열성 초합금을 기계가공하기 위한, 본 발명의 제1 양태에 따른 PCBN 재료의 용도가 제공된다. 이러한 내열성 초합금은 오스테나이트 니켈-크롬 기반 초합금 계열인 인코넬™을 포함할 수 있다.
이제 비제한적인 실시양태가 예로서 첨부 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 소결된 PCBN 재료를 제조하는 공지된 예시적 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 PcBN 재료를 제조하기 위해 이용되는 공정의 실시양태를 보여주는 흐름도이다.
도 3은 6.5GPa에서 소결된 HfN 및 Al2O3를 함유하는 분말 1을 사용하여 생성된 소결된 실시예 1의 X선 분말 회절(XRD) 패턴이다.
도 4는 배율 X2000에서의 실시예 1의 주사 전자 현미경(SEM) 현미경 사진을 나타낸다.
도 5는 실시예 1의 에너지 분산 X선 분광법(EDS) 이미지이다.
도 6은 6.5 GPa 조건에서 소결된, VN 및 Al2O3를 포함하는 분말 2를 사용하여 생성된 소결된 실시예 2의 XRD 패턴이다.
도 7은 X2000 배율에서의 실시예 2의 SEM 현미경 사진이다.
도 8은 실시예 2의 EDS 이미지이다.
도 9는 8.4 GPa 조건에서 VN을 함유하는 분말 2를 사용하여 제조된 소결된 실시예 3의 XRD 패턴이다.
도 10은, 경도를 계산하는데 사용된 측정치를 나타내는 PCBN 재료의 예시적인 만입부의 이미지이다.
도 11은, 상이한 결합제 화학물질을 사용한 HPHT 소결된 샘플의 에이징된 인코넬™ 718(HRC 44-46)의 프로파일 작업의 성능을 보여주는 선 차트이다.
도 12는, VN 및 Al2O3 결합제 화학물질을 사용한 HPHT 및 LPLT 소결된 샘플의 에이징된 인코넬™ 718(HRC 44-46)의 길이 방향(longitudinal) 기계가공의 성능을 보여주는 막대 차트이다.
도 13은, 도 12의 TiC 결합제를 사용한 참조 PCBN 재료의 마모 스카(scar)를 보여주는 광학 이미지이다.
도 14는, 도 12의 HPHT 조건에서 소결된 Al2O3-VN 결합제를 사용한 PCBN 재료의 마모 스카를 보여주는 광학 이미지이다.
도 15는, 도 12의 LPLT 조건에서 소결된 Al2O3-VN 결합제를 사용한 PCBN 재료의 마모 스카를 보여주는 광학 이미지이다.
도 1은 소결된 PCBN 재료를 제조하는 공지된 예시적 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 PcBN 재료를 제조하기 위해 이용되는 공정의 실시양태를 보여주는 흐름도이다.
도 3은 6.5GPa에서 소결된 HfN 및 Al2O3를 함유하는 분말 1을 사용하여 생성된 소결된 실시예 1의 X선 분말 회절(XRD) 패턴이다.
도 4는 배율 X2000에서의 실시예 1의 주사 전자 현미경(SEM) 현미경 사진을 나타낸다.
도 5는 실시예 1의 에너지 분산 X선 분광법(EDS) 이미지이다.
도 6은 6.5 GPa 조건에서 소결된, VN 및 Al2O3를 포함하는 분말 2를 사용하여 생성된 소결된 실시예 2의 XRD 패턴이다.
도 7은 X2000 배율에서의 실시예 2의 SEM 현미경 사진이다.
도 8은 실시예 2의 EDS 이미지이다.
도 9는 8.4 GPa 조건에서 VN을 함유하는 분말 2를 사용하여 제조된 소결된 실시예 3의 XRD 패턴이다.
도 10은, 경도를 계산하는데 사용된 측정치를 나타내는 PCBN 재료의 예시적인 만입부의 이미지이다.
도 11은, 상이한 결합제 화학물질을 사용한 HPHT 소결된 샘플의 에이징된 인코넬™ 718(HRC 44-46)의 프로파일 작업의 성능을 보여주는 선 차트이다.
도 12는, VN 및 Al2O3 결합제 화학물질을 사용한 HPHT 및 LPLT 소결된 샘플의 에이징된 인코넬™ 718(HRC 44-46)의 길이 방향(longitudinal) 기계가공의 성능을 보여주는 막대 차트이다.
도 13은, 도 12의 TiC 결합제를 사용한 참조 PCBN 재료의 마모 스카(scar)를 보여주는 광학 이미지이다.
도 14는, 도 12의 HPHT 조건에서 소결된 Al2O3-VN 결합제를 사용한 PCBN 재료의 마모 스카를 보여주는 광학 이미지이다.
도 15는, 도 12의 LPLT 조건에서 소결된 Al2O3-VN 결합제를 사용한 PCBN 재료의 마모 스카를 보여주는 광학 이미지이다.
도 2는 예시적 단계를 나타내는 흐름도이며, 여기서 하기 번호는 도 2의 번호에 해당한다.
S1. 전구체 분말을 함께 밀링하여 친밀한 혼합물을 형성하고 원하는 입자 크기를 수득한다. 전구체 분말은 산화물-함유 분말, 질화물-함유 분말, 알루미늄 분말 및 cBN 분말을 포함한다. 전구체 분말 혼합은 볼-밀링 기술을 사용하고 회전 증발기로 건조를 사용하여 유기 용매에서 수행되었다.
S2. 밀링된 전구체 분말은 함께 건조 압착되어 HPHT 캡슐에 넣기 전에 금속 캡슐화에서 그린 바디를 형성한다. HPHT 소결의 경우, 구체적으로, 건조 후, 분말을 연질 주형에 충전하고, 이어서 냉간 등압 프레스(Cold Isostatic Press)를 사용하여 압축하여 분말을 압축하고, 소결 후 치수 변화게 적게 하기 위해 높은 그린 밀도를 갖는 그린 바디를 형성한다.
이어서, 그린 바디를 상이한 높이로 절단하여 HPHT 캡슐에 피팅한다.
S3. 이어서, 건조 압축된 그린 바디를 고온 진공 열처리하고, 이어서 캡슐에서 소결한다.
이와 같이 제조된 재료는 하기 두가지 조건 하에 소결되었다:
- 약 6.5 GPa의 압력 및 1250℃ 내지 1450℃의 온도, 전형적으로 1350℃; 및
- 약 8 GPa의 압력 및 1800℃ 내지 2100℃의 온도.
소결 온도는 S형 열전대를 사용하여 최대 1800℃까지 보정되었다.
S4. 소결 후, 생성된 소결된 물품을 실온으로 냉각시켰다. 냉각 속도는 제어되지 않는다.
실시예
표 1은, TiC 및 TiCN 참조 샘플과 함께 이 작업에 포함된 모든 PcBN 조성물을 나열한다. 이 섹션에서, LPLT는 저압 저온을 나타내고, HPHT는 고압 고온을 나타낸다.
| 분말 1 Al2O3-HfN 결합제 |
소결 조건 | cBN (부피%) | Al2O3 (부피%) | HfN (부피%) | Al (부피%) |
| LPHT (실시예 1) | 60 | 10 | 25 | 5 | |
| 분말 2 Al2O3-VN 결합제 |
소결 조건 | cBN (부피%) | Al2O3 (부피%) | VN (부피%) | Al (부피%) |
| LPLT (실시예 2) & HPHT (실시예 3) | 60 | 25 | 10 | 5 | |
| 분말 3 Al2O3-NbN 결합제 |
소결 조건 | cBN (부피%) | Al2O3 (부피%) | NbN (부피%) | Al (부피%) |
| HPHT | 60 | 25 | 10 | 5 | |
| 참조 1 TiC 결합제 |
소결 조건 | cBN (부피%) | TiC (부피%) | Al (부피%) | |
| HPHT | 60 | 35 | 5 | ||
| 참조 2 TiCN 결합제 |
소결 조건 | cBN (부피%) | TiCN (부피%) | Al (부피%) | |
| HPHT | 60 | 35 | 5 | ||
실시예 1, 2 및 3은 하기에 더 상세히 기술된다. 표 1에 제공된 다른 샘플(본 발명 및 참조)은 실시예 1, 2 및 3과 유사한 방식으로 제조되고, 특성화되고, 후속적으로 시험되었다.
실시예 1
S1. Al2O3 및 HfN을 포함하는 전구체 분말을 발명의 상세한 설명에 따라 표 1에 제공된 비율로 cBN 분말과 함께 혼합하였다.
S2. 그 후, 전구체 분말을 압착하여 금속 캡슐 내부에 그린 바디를 형성했다.
S3. 그린 바디를 캡슐 내부에 넣은 후 소결하였다.
S4. 소결된 물품인 PCBN 재료는 후속 특성화 및 적용 시험을 위해 실온으로 냉각되었다.
XRD 트레이스가 도 3에 제공되며, 이는 소결된 물품에서의 HfN, HfB2, Al2O3 및 BN의 존재를 나타낸다. 도 4는 생성된 미세 구조를 나타내고, 도 5의 EDS 이미지는 샘플의 선택 영역에서의 미세 구조 조성의 분석을 제공한다.
실시예 2
S1. Al2O3 및 VN을 포함하는 전구체 분말을 발명의 상세한 설명에 따라 표 1에 제공된 비율로 cBN 분말과 함께 혼합하였다.
S2. 그 후, 전구체 분말을 압착하여 금속 캡슐 내부에 그린 바디를 형성했다.
S3. 그린 바디를 캡슐 내부에 넣은 후 LPLT 소결하였다.
S4. 소결된 물품인 PCBN 재료는 후속 특성화 및 적용 시험을 위해 실온으로 냉각되었다.
XRD 트레이스가 도 6에 제공되며, 이는 소결된 물품에서의 VN, AlN, Al2O3 및 BN의 존재를 나타낸다. 도 7은 생성된 미세 구조를 나타내고, 도 8의 EDS 이미지는 샘플의 선택 영역에서의 미세 구조 조성의 분석을 제공한다.
실시예 3
S1. Al2O3 및 VN을 포함하는 전구체 분말을 발명의 상세한 설명에 따라 표 1에 제공된 비율로 cBN 분말과 함께 혼합하였다.
S2. 그 후, 전구체 분말을 압착하여 그린 바디를 형성했다.
S3. 그린 바디를 소정 사이즈로 절단하고, 캡슐 내부에 넣은 후 HPHT 소결하였다.
S4. 소결된 물품인 PCBN 재료는 후속 특성화 및 적용 시험을 위해 실온으로 냉각되었다.
XRD 트레이스가 도 9에 제공되며, 이는 소결된 물품에서의 VN, AlN, Al2O3 및 BN의 존재를 나타낸다. 샘플의 SEM 현미경 사진과 EDS 이미지를 촬영했지만 본원에 포함되지 않았다.
경도
샘플은 Vickers 경도 테스트를 사용하여 추가로 특성화되었다. Vickers 경도(HV)는, 주어진 하중으로 다이아몬드 피라미드 압자(indenter)를 도입하여 남겨진 샘플 재료의 압흔의 대각선 길이(예: 도 10 참조)를 측정하여 계산된다.
표 2는 서로 다른 조건에서 분말 1과 분말 2로부터 소결된 샘플의 경도를 나타낸다.
| HPHT 상태 | LPLT 조건 | |
| 분말 1(Al2O3-HfN 결합제) | n/a | 35.44 GPa |
| 분말 2(Al2O3-VN 결합제) | 34.33 GPa | 32.08 GPa |
결과는, 모든 샘플이 상대적으로 높은 경도를 갖지만, 더 높은 압력과 온도에서 소결하면 경도가 약간만 증가한다는 것을 보여준다.
적용 시험
이어서, 상이한 결합제 화학물질을 사용한 PCBN 변이체를, HRC 44 - 66의 락웰 경도를 갖는 에이징된 인코넬™ 718의 프로파일링으로 시험하였다. 결과는 도 11에 도시된다. 도 11은, 마모 속도(μm/분)와 함께 표면 절단 속도(vc, m/분)를 플롯팅한 그래프이다. 마모 속도는, 대부분의 샘플에 대해 세 가지 다른 표면 절단 속도에서 측정되었다. 이 표면 절단 속도는 280 m/분, 350 m/분 및 420 m/분이었다.
참조 TiC 결합제는 일반적으로 10으로 표시되고, TiCN 결합제는 12로 표시된다. Al2O3-VN(HPHT)은 참조 14로 표시된다. Al2O3-VN(LPLT)은 참조 16으로 표시된다. Al2O3-NbN(HPHT)은 참조 18로 표시된다. Al2O3-HfN(HPHT)은 참조 20으로 표시되며, 단일 데이터 포인트를 포함한다.
도 11에서, 표 1의 모든 샘플이 참조 샘플보다 성능이 더 우수함을 알 수 있다.
또한, 그래프에서 참조 14 및 16(즉, 결합제 화학물질 Al2O3-VN 사용)이 있는 샘플을 참조하면, HPHT 조건에서 소결하는 것과 비교하여 LPLT 조건에서 소결할 때 마모 속도에 약간의 차이(marginal difference)가 있다.
Al2O3-VN(HPHT 또는 LPLT)은 어떤 샘플보다 성능이 좋다. Al2O3-NbN이 두 번째로 우수한 성능을 발휘하고, Al2O3-HfN이 그 뒤를 이었다.
이제 도 12로 돌아가서, 제1 적용과 유사한 제2 적용 시험이 수행되었다. 제2 시험은 HRC 44 - 46의 락웰 경도를 갖는 에이징된 인코넬™ 718의 길이 방향 기계가공에서 Al2O3-VN 결합제 화학물질의 성능에 초점을 맞췄다. LPLT 및 HPHT 변형체가 모두 고려되었다.
도 12는, 마모 속도(μm/분)와 함께 표면 절단 속도 vc(m/분)를 플롯팅한 막대 차트이다. 단일 표면 절단 속도 350 m/분이 사용되었다. 결과는, LPLT 및 HPHT 변형체가 모두 참조 TiC 결합제 화학물질보다 훨씬 더 나은 성능을 보임을 보여주었다. 또한, LPLT와 HPHT 변형체 간에 마모 속도 성능에 최소한의 차이가 있었다.
도 13 내지 15는, 생성된 마모 스카를 나타낸다. LPLT 및 HPHT Al2O3-VN 결합제 화학물질의 마모 스카는 TiC 참조 샘플보다 상당히 작다.
요약하면, 본 발명자들은 극한의 툴링 적용례에서 사용하기에 적합하고 CRM에 대한 사용가능한 대체물인 여러 재료를 성공적으로 식별했다. 특히, PCBN 재료는 인코넬™ 718의 기계가공에 특히 적합하며 세멘티드 탄화물 솔루션에 비해 많은 이점을 제공한다.
정의
본 명세서에 사용된 바와 같이, "PCBN" 재료는, 금속 또는 세라믹을 포함하는 매트릭스 내에 분산된 cBN의 그레인을 포함하는 일종의 초경질 재료를 지칭한다. PCBN은 초경질 재료의 한 예이다.
본 명세서에 사용된 바와 같이, "결합제 매트릭스 재료"는, 다결정질 구조 내의 기공, 간극 또는 간극 영역을 전체적으로 또는 부분적으로 충전하는 매트릭스 재료를 의미하는 것으로 이해된다.
"결합제 매트릭스 전구체 분말"이라는 용어는, HPHT 또는 LPLT 소결 공정을 거칠 때 매트릭스 재료가 되는 분말을 지칭하는 데 사용된다.
본 발명이 실시양태를 참조하여 구체적으로 도시되고 기술되었지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 형태 및 세부사항의 다양한 변경이 이루어질 수 있음이 당업자에 의해 이해될 것이다.
Claims (22)
- 40 내지 95 부피% 입방정 질화붕소(cBN) 입자; 및
상기 cBN 입자가 분산되어 있는 결합제 매트릭스 재료
를 포함하는 다결정질 입방정 질화붕소(PCBN) 재료로서,
상기 결합제 매트릭스 재료의 함량은 PCBN 재료의 5 부피% 내지 60 부피%이고,
상기 결합제 매트릭스 재료는 알루미늄 또는 이의 화합물 및/또는 티타늄 또는 이의 화합물을 포함하고,
상기 결합제 매트릭스 재료는, 산화물 화합물, 질화물 화합물 및/또는 산질화물(oxynitride)을 추가로 포함하고,
상기 질화물 화합물은 HfN, VN, 및 NbN으로부터 선택되는, 다결정질 입방정 질화붕소 재료. - 제1항에 있어서,
상기 산질화물 화합물이 PCBN 재료의 5 부피% 내지 35 부피%의 양으로 존재하는, PCBN 재료. - 제2항에 있어서,
상기 산질화물 화합물이 PCBN 재료의 10 부피% 내지 25 부피%의 양으로 존재하는, PCBN 재료. - 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 산질화물 화합물이 AlON을 포함하는, PCBN 재료. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 산화물 화합물이 Al2O3를 포함하는, PCBN 재료. - 제5항에 있어서,
상기 Al2O3가 PCBN 재료의 10 부피% 또는 25 부피%의 양으로 존재하는, PCBN 재료. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 HfN이 PCBN 재료의 10 부피% 또는 25 부피%의 양으로 존재하는, PCBN 재료. - 제7항에 있어서,
상기 결합제 매트릭스 재료가 HfB2 및/또는 BN을 추가로 포함하는, PCBN 재료. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 VN이 PCBN 재료의 10 부피% 또는 25 부피%의 양으로 존재하는, PCBN 재료. - 제9항에 있어서,
상기 결합제 매트릭스 재료가 AlN 및/또는 BN을 추가로 포함하는, PCBN 재료. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 NbN이 PCBN 재료의 10 부피% 또는 25 부피%의 양으로 존재하는, PCBN 재료. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 알루미늄(Al) 또는 이의 화합물이 PCBN 재료의 2 부피% 내지 15 부피%, 바람직하게는 5 부피% 내지 15 부피%, 보다 바람직하게는 5 부피%의 양으로 존재하는, PCBN 재료. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
50 내지 70 부피% 입방정 질화붕소(cBN)를 포함하는 PCBN 재료. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
60 부피% 입방정 질화붕소(cBN)를 포함하는 PCBN 재료. - o 입방정 질화붕소(cBN) 분말,
o 산화물-함유 분말,
o HfN, VN, 및/또는 NbN으로부터 선택되는 질화물-함유 분말, 및
o 알루미늄-함유 분말 및/또는 티타늄-함유 분말
의 전구체 분말들을 함께 밀링(milling)하는 단계;
밀링된 전구체 분말을 압착(compacting)하여 그린 바디(green body)를 형성하는 단계; 및
상기 그린 바디를 4.0 GPa 내지 8.5 GPa의 압력에서 1250℃ 내지 2200℃의 온도에서 소결하여 소결된 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항의 다결정질 입방정 질화붕소(PCBN) 재료를 형성하는 단계
를 포함하는 PCBN 재료의 제조 방법. - 제15항에 있어서,
상기 산화물-함유 분말이 Al2O3를 포함하는, 제조 방법. - 제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 온도가 1250℃ 내지 1450℃인, 제조 방법. - 제17항에 있어서,
상기 온도가 1350℃인, 제조 방법. - 제17항 또는 제18항에 있어서,
상기 압력이 약 6.5 GPa인, 제조 방법. - 제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 온도가 1800℃ 내지 2100℃인, 제조 방법. - 제20항에 있어서,
상기 압력이 약 8 GPa인, 제조 방법. - 내열성 초합금(HRSA)을 기계가공하기 위한, 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 PCBN 재료의 용도.
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