KR20230043852A

KR20230043852A - 입방정 질화붕소 소결체 및 그것을 포함하는 절삭 공구

Info

Publication number: KR20230043852A
Application number: KR1020237003034A
Authority: KR
Inventors: 유이치로 와타나베; 가츠미 오카무라; 아키토 이시이; 요시키 아사카와; 아키히코 우에다; 사토루 쿠키노; 히사야 하마
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤; 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2023-03-31
Also published as: JP7112607B2; US11752559B2; EP4190469A4; JPWO2022025292A1; EP4190469A1; WO2022025292A1; CN116056823A; US20230211422A1

Abstract

입방정 질화붕소 소결체는 70 체적% 이상 100 체적% 미만의 입방정 질화붕소입자와 결합재를 구비하는 입방정 질화붕소 소결체이고, 상기 결합재는 알루미늄 화합물을 포함하면서 또한 구성 원소로서 코발트를 포함하고, 상기 입방정 질화붕소 소결체는 인접하는 상기 입방정 질화붕소 입자 사이의 간격이 0.1 nm 이상 10 nm 이하가 되는 제1 영역을 갖고, 상기 제1 영역을 투과형 전자현미경이 딸린 에너지 분산형 X선 분석 장치를 이용하여 분석한 경우, 상기 제1 영역에 있어서의 알루미늄의 원자%는 0.1 이상이다.

Description

입방정 질화붕소 소결체 및 그것을 포함하는 절삭 공구

본 개시는 입방정 질화붕소 소결체 및 그것을 포함하는 절삭 공구에 관한 것이다. 본 출원은 2020년 7월 31일에 출원한 일본 특허 출원인 특원 2020-130672호에 기초한 우선권을 주장한다. 상기 일본 특허 출원에 기재된 모든 기재 내용은 참조에 의해서 본 명세서에 원용된다.

절삭 공구 등에 이용되는 고경도 재료로서 입방정 질화붕소 소결체(이하, 「cBN 소결체」라고도 기재한다)가 있다. cBN 소결체는, 통상 입방정 질화붕소 입자(이하, 「cBN 입자」라고도 기재한다)와 결합재로 이루어지고, cBN 입자의 함유 비율에 따라 그 특성이 다른 경향이 있다.

이 때문에, 절삭 가공 분야에서는 피삭재의 재질, 요구되는 가공 정밀도 등에 따라 절삭 공구에 적용되는 cBN 소결체의 종류가 구별지어져 사용된다. 예컨대 입방정 질화붕소(이하, 「cBN」라고도 기재한다)의 함유 비율이 높은 cBN 소결체(이하, 「High-cBN 소결체」라고도 기재한다)는 소결 합금 등의 절삭에 적합하게 이용할 수 있다.

그러나, High-cBN 소결체는 돌발적인 결손이 발생하기 쉬운 경향이 있다. 이것은 cBN 입자끼리의 결합력이 약해 cBN 입자가 탈락해 버리는 것에 기인한다고 생각된다. 예컨대 국제공개 제2005/066381호(특허문헌 1)는, 결합재의 적절한 선택에 의해, High-cBN 소결체에 있어서 돌발적인 결손이 발생하는 것을 억제하는 기술을 개시하고 있다.

특허문헌 1: 국제공개 제2005/066381호

본 개시의 일 양태에 따른 입방정 질화붕소 소결체는, 70 체적% 이상 100 체적% 미만의 입방정 질화붕소 입자와 결합재를 구비하는 입방정 질화붕소 소결체이며, 상기 결합재는 알루미늄 화합물을 포함하면서 또한 구성 원소로서 코발트를 포함하고, 상기 입방정 질화붕소 소결체는, 인접하는 상기 입방정 질화붕소 입자 사이의 간격이 0.1 nm 이상 10 nm 이하가 되는 제1 영역을 갖고, 상기 제1 영역을 투과형 전자현미경이 딸린 에너지 분산형 X선 분석 장치를 이용하여 분석한 경우, 상기 제1 영역에 있어서의 알루미늄의 원자%는 0.1 이상이다.

본 개시의 일 양태에 따른 절삭 공구는 상기 입방정 질화붕소 소결체를 포함한다.

도 1은 본 실시형태에 따른 cBN 소결체로부터 얻은 제2 화상의 일례이다.
도 2는 원소 라인 분석 결과를 도시하는 그래프의 일례이다.

[본 개시가 해결하고자 하는 과제]

최근, 기계 부품의 급속한 고기능화에 따라, 기계 부품으로 되는 피삭재의 난삭화(難削化)가 가속되고 있다. 이에 따라, 절삭 공구의 단수명화로 인한 비용 증가라는 문제가 현재화되고 있다. 이 때문에 High-cBN 소결체의 한층 더한 개량이 요구된다. 이 점에 감안하여, 본 개시는, 장수명화를 가능하게 하는 입방정 질화붕소 소결체 및 그것을 포함하는 절삭 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

[본 개시의 효과]

본 개시에 의하면, 장수명화를 가능하게 하는 입방정 질화붕소 소결체 및 그것을 포함하는 절삭 공구를 제공할 수 있다.

[본 개시의 실시형태의 설명]

본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해, High-cBN 소결체에 있어서 cBN 입자끼리의 결합력을 높임으로써 장수명화를 실현하는 것에 착상했다. 이어서, High-cBN 소결체에 있어서 cBN 입자끼리의 결합력을 약화시키고 있는 원인을 예의 검토한 결과, cBN 입자의 표면에 존재하는 산소층(산화 피막)이, cBN 입자끼리 및 cBN 입자와 결합재 사이의 소결을 저해하고 있다는 것을 지견했다.

본 발명자들은, 상기 지견에 기초하여 산소보다도 cBN 입자와의 반응성이 높은 Al을 cBN 입자의 주변에 존재시킨 다음에 cBN 입자 및 결합재를 소결함으로써, 인접하는 cBN 입자 사이에 "cBN 입자/Al층(이하, 「밀착층」이라고도 기재한다)/cBN 입자"의 구조를 생성하는 것에 상도했다. 상기 밀착층은, 상기 산화 피막에 덮인 cBN 입자끼리의 결합력보다도 강한 결합력을 갖기 때문에, 상기 구조를 구비함으로써 절삭 시에 cBN 입자의 탈락 등을 억제할 수 있고, 이로써 장수명화를 가능하게 하는 본 개시에 도달했다. 또한, 상기 밀착층은 절삭 시에 발생하는 열에 근거한 열 수축을 완화하는 효과를 가짐으로써 열 균열을 억제하는 것도 알아내어, 본 개시에 있어서 결손에 대한 안정성이 대폭 향상되었다. 이하, 맨 처음 본 개시의 실시양태를 열기하여 설명한다.

[1] 본 개시의 일 양태에 따른 입방정 질화붕소 소결체는, 70 체적% 이상 100 체적% 미만의 입방정 질화붕소 입자와 결합재를 구비하는 입방정 질화붕소 소결체이며, 상기 결합재는 알루미늄 화합물을 포함하면서 또한 구성 원소로서 코발트를 포함하고, 그리고 상기 입방정 질화붕소 소결체는, 인접하는 상기 입방정 질화붕소 입자 사이의 간격이 0.1 nm 이상 10 nm 이하가 되는 제1 영역을 갖고, 상기 제1 영역을 투과형 전자현미경이 딸린 에너지 분산형 X선 분석 장치를 이용하여 분석한 경우, 상기 제1 영역에 있어서의 알루미늄의 원자%는 0.1 이상이다. 이러한 특징을 갖는 입방정 질화붕소 소결체는, 절삭 공구에 적용한 경우에, 그 절삭 공구의 장수명화를 실현할 수 있다.

[2] 상기 제1 영역의 인접하는 상기 입방정 질화붕소 입자 사이의 간격이 0.1 nm 이상 7.0 nm 이하인 경우, 상기 제1 영역에 있어서의 알루미늄의 원자%는 0.5 이상인 것이 바람직하다. 이로써, 상기 절삭 공구의 장수명화를 보다 충분히 실현할 수 있다.

[3] 상기 제1 영역은, 구성 원소로서 크롬, 티탄, 바나듐, 코발트, 지르코늄, 텅스텐, 니오븀, 하프늄, 탄탈, 레늄, 규소 및 몰리브덴으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 제1 원소와 알루미늄을 포함하고, 상기 제1 영역을 상기 투과형 전자현미경이 딸린 에너지 분산형 X선 분석 장치를 이용하여 분석한 경우, 상기 알루미늄의 원자%를 M으로 하고, 상기 제1 원소 중 가장 고농도로 존재하는 원소의 원자%를 M1로 할 때, 비 M1/(M+M1)은 0.50 이하인 것이 바람직하다. 이로써, 상기 절삭 공구의 장수명화를 보다 충분히 실현할 수 있다.

[4] 상기 비 M1/(M+M1)은 0.010 이상 0.30 이하인 것이 바람직하다. 이로써, 상기 절삭 공구의 장수명화를 더욱 충분히 실현할 수 있다.

[5] 상기 입방정 질화붕소 소결체는, 상기 입방정 질화붕소 입자를 80 체적% 이상 95 체적% 이하 포함하는 것이 바람직하다. 이로써, cBN 입자의 함유량이 매우 많은 입방정 질화붕소 소결체에 있어서, 절삭 공구의 장수명화를 실현할 수 있다.

[6] 본 개시의 일 양태에 따른 절삭 공구는 상기 입방정 질화붕소 소결체를 포함한다. 이러한 특징을 갖는 절삭 공구는 장수명화를 실현할 수 있다.

[본 발명의 실시형태의 상세]

이하, 본 발명의 일 실시형태(이하, 「본 실시형태」라고도 기재한다)에 관해서 설명한다. 단, 본 실시형태는 이들에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에서 「A∼B」라는 형식의 표기는 범위의 상한하한(즉 A 이상 B 이하)을 의미하고, A에서 단위의 기재가 없고 B에서만 단위가 기재되어 있는 경우, A의 단위와 B의 단위는 동일하다. 또한, 본 명세서에서 화합물 등을 화학식으로 나타내는 경우, 원자비를 특별히 한정하지 않을 때는 종래 공지된 모든 원자비를 포함하는 것으로 하며, 반드시 화학량론적 범위의 것에만 한정되어서는 안 된다.

〔입방정 질화붕소 소결체(cBN 소결체)〕

본 실시형태에 따른 입방정 질화붕소 소결체(cBN 소결체)는, 70 체적% 이상 100 체적% 미만의 입방정 질화붕소 입자(cBN 입자)와 결합재를 구비하는 cBN 소결체이다. 상기 결합재는 알루미늄 화합물(Al 화합물)을 포함하면서 또한 구성 원소로서 코발트(Co)를 포함한다. 상기 cBN 소결체는 인접하는 상기 cBN 입자 사이의 간격이 0.1 nm 이상 10 nm 이하가 되는 제1 영역을 갖는다. 상기 제1 영역을 투과형 전자현미경이 딸린 에너지 분산형 X선 분석 장치(이하, 「TEM-EDX」라고도 기재한다)를 이용하여 분석한 경우, 상기 제1 영역에 있어서의 알루미늄(Al)의 원자%는 0.1 이상이다. 이러한 특징을 갖는 cBN 소결체는, 절삭 공구에 적용한 경우에, 그 절삭 공구의 장수명화를 실현할 수 있다.

<입방정 질화붕소 입자(cBN 입자)>

본 실시형태에 따른 cBN 소결체는, 상술한 것과 같이 70 체적% 이상 100 체적% 미만의 cBN 입자를 구비한다. 상기 cBN 소결체는, 상기 cBN 입자를 70 체적% 이상 99 체적% 이하 포함하는 것이 바람직하고, 80 체적% 이상 95 체적% 이하 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 즉, 상기 cBN 소결체는 소위 High-cBN 소결체이다. 상기 cBN 입자는, 경도, 강도, 인성(靭性)이 높아, cBN 소결체 내의 골격으로서의 역할을 한다. cBN 소결체에 있어서의 cBN 입자의 함유량(체적%)은, 후술하는 혼합 분말에 이용되는 cBN 원료 분말(피복 cBN 분말)의 함유량(체적%)과 실질적으로 동일한 양이 된다. 왜냐하면, 혼합 분말을 삽입하는 캡슐 안의 물질이 초고압 소결 시에 용융하는 경우가 있지만, 그 용융물의 양은 미량이기 때문에, cBN 소결체에 있어서의 cBN 입자의 함유량과 혼합 분말에 있어서의 cBN 입자의 함유량은 실질적으로 동일하다고 간주할 수 있기 때문이다. 이와 같이 혼합 분말에 이용되는 cBN 원료 분말의 함유량을 제어함으로써, cBN 소결체 내의 cBN 입자 함유량을 원하는 범위로 조제할 수 있다.

cBN 소결체에 있어서의 cBN 입자의 함유량(체적%)은, cBN 소결체에 대하여, 유도 결합 고주파 플라즈마 분광 분석(ICP)에 의한 정량 분석, 주사형 전자현미경(SEM)이 딸린 에너지 분산형 X선 분석 장치(EDX) 또는 투과형 전자현미경(TEM)이 딸린 EDX를 이용한 조직 관찰, 원소 분석 등을 실행함으로써 확인할 수 있다.

예컨대 SEM을 이용한 경우, 다음과 같이 하여 cBN 입자의 함유량(체적%)을 구할 수 있다. 우선 cBN 소결체의 임의 위치를 절단하여, cBN 소결체의 단면을 포함하는 시료를 제작한다. 상기 단면의 제작에는 집속 이온빔 장치, 크로스 섹션 폴리셔 장치 등을 이용할 수 있다. 이어서, 상기 단면을 SEM으로 2000배로 관찰함으로써 반사 전자상을 얻는다. 상기 반사 전자상에 있어서, cBN 입자가 존재하는 영역은 흑색 영역으로서, 결합재가 존재하는 영역은 회색 영역 또는 백색 영역으로서 각각 나타난다.

이어서, 상기 반사 전자상에 대하여 화상 해석 소프트웨어(예컨대 미타니쇼지가부시키가이샤의 「WinROOF」)를 이용하여 2치화 처리를 행하여, 이 2치화 처리 후의 화상으로부터 각 면적 비율을 산출한다. 이어서, 상기 면적 비율이 상기 단면의 깊이 방향으로도 연속된다고 간주함으로써, 상기 면적 비율을 cBN 소결체 내의 cBN 입자의 함유량(체적%)으로서 구할 수 있다. 또한, 이 측정 방법에 의해서 후술하는 결합재의 함유량(체적%)을 동시에 구할 수 있다.

cBN 입자의 면적 기준의 D₅₀(평균 입경)은 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 0.1∼10 ㎛로 할 수 있다. 통상 D₅₀이 작은 쪽이 cBN 소결체의 경도가 높아지는 경향이 있고, 입경의 변동이 작은 쪽이 cBN 소결체 성질이 균질하게 되는 경향이 있다. cBN 입자의 D₅₀은 0.5∼4 ㎛로 하는 것이 바람직하다.

cBN 입자의 D₅₀은 다음과 같이 하여 구해진다. 우선, 상술한 cBN 입자 함유량 측정 방법에 준하여 cBN 소결체의 단면을 포함하는 시료를 제작함으로써 반사 전자상을 얻는다. 이어서, 상기한 화상 해석 소프트웨어를 이용하여 상기 반사 전자상 중의 각 흑색 영역의 원 상당 직경을 산출한다. 이 경우에 있어서, 5 시야 이상을 관찰함으로써 100개 이상의 cBN 입자의 원 상당 직경을 산출하는 것이 바람직하다.

이어서, 각 원 상당 직경을 최소치에서부터 최대치까지 올림차순으로 늘어 놓아 누적 분포를 구한다. 누적 분포에 있어서 누적 면적 50%가 되는 입경이 D₅₀이 된다. 여기서, 원 상당 직경이란, 계측된 cBN 입자의 면적과 동일한 면적을 갖는 원의 직경을 의미한다.

<결합재: cBN 입자 이외의 조성>

본 실시형태에 따른 cBN 소결체는 상술한 것과 같이 결합재를 구비한다. 또한, cBN 소결체는 사용하는 원재료, 제조 조건 등에 기인하는 불가피 불순물을 포함할 수 있다. 이 경우, cBN 소결체는 cBN 입자와 결합재와 불가피 불순물로 이루어진다. 상기 결합재의 함유량(체적%)으로서는, 0 체적% 초과 30 체적% 이하가 바람직하고, 5∼20 체적%인 것이 보다 바람직하다. 결합재는 난소결성 재료인 cBN 입자를 공업 레벨의 압력 온도에서 소결할 수 있게 하는 역할을 한다.

상기 결합재는 Al 화합물을 포함하면서 또한 구성 원소로서 Co를 포함한다. 상기 결합재가 「구성 원소로서 Co를 포함한다」는 것은, 상기 결합재가, Co의 금속 단일체, Co 합금 또는 Co와, 탄소, 질소 및 산소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종으로 이루어지는 상호 고용체의 어느 하나를 적어도 포함한다는 것을 의미한다. Al 화합물로서는 예컨대 CoAl, Al₂O₃, AlN 및 AlB₂, 그리고 이들의 복합 화합물 등을 들 수 있다. 특히 상기 결합재는, WC(탄화텅스텐), Co의 금속 단일체 및 Co 합금의 양쪽 또는 어느 한쪽, 그리고 Al 화합물을 포함하는 것이 바람직하다. 다음의 이유에서 결합재 중의 이들 성분은 상기 cBN 소결체의 장수명화에 특히 유효하다고 생각된다.

첫째로, Co 및 Al은 촉매 기능을 갖기 때문에, 후술하는 소결 공정에 있어서, cBN 입자끼리의 결합을 촉진할 수 있다. 둘째로, WC는 결합재의 열 팽창 계수를 cBN 입자의 열 팽창 계수에 가깝게 하기 위해서 유효하다고 추찰된다. 여기서, 상기한 촉매 기능이란, cBN 입자를 구성하는 B(붕소) 및 N(질소)가 Co 또는 Al을 통해 확산하거나 석출하거나 하는 것을 촉진하는 기능을 의미한다.

상기 결합재는, WC, Al 화합물 및 구성 원소로서의 Co 외에, 다른 성분을 포함하고 있어도 좋다. 결합재의 다른 성분으로서 크롬(Cr), 티탄(Ti), 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 탄탈(Ta), 레늄(Re), 규소(Si) 및 몰리브덴(Mo)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 Al 화합물 중에 고용시킴으로써, cBN 입자와 강고하게 결합하는 Al층(밀착층)을, 인접하는 cBN 입자 사이에 보다 많이 생성할 수 있다. 결합재 중의 상기 군에서 선택되는 적어도 1종 이상 원소의 함유량은, Al과 cBN의 반응 저해를 막는다는 관점에서, 50 원자% 이하가 바람직하고, 30 원자% 이하가 보다 바람직하다. 또한, 상기 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소는, 본 개시의 바람직한 효과를 얻기 위한 성분이기 때문에, 하한치는 0 원자%라도 좋다. 여기서, 본 명세서에 있어서 「Al층(밀착층)」이란, 상기 cBN 소결체 내의 인접하는 cBN 입자 사이를 차지하는 결합재층 중, 결합재 성분으로서 Al이 포함되는 층(영역)을 의미한다. 또한, 「Al층(밀착층)」은 후술하는 제1 영역을 의미하는 경우가 있다. 또한, 상기 결합재 중의 상기 군에서 선택되는 적어도 1종 이상 원소의 함유량(원자%)은, 하기 XRD 및 ICP 분석으로 측정되는 전체 원소를 100 원자%로 하여 구하는 것으로 한다.

결합재의 조성은 XRD(X선 회절 측정) 및 ICP를 조합함으로써 특정할 수 있다. 구체적으로는 우선 cBN 소결체로부터 두께 0.45∼0.5 mm 정도의 시험편을 잘라내고, 이 시험편에 대하여 XRD 분석을 실행함으로써, X선 회절 피크로부터 결정되는 화합물, 금속 등을 결정한다. 이어서, 상기 시험편을 밀폐 용기 안에서 불질산(농질산(60%):증류수:농불산(47%)=2:2:1의 체적비 혼합의 혼합 산)에 침지함으로써, 결합재가 용해된 산 처리액을 얻는다. 또한, 상기 산 처리액에 대하여 ICP 분석을 실행하여, 각 금속 원소의 정량 분석을 행한다. 마지막으로 XRD의 결과 및 ICP 분석의 결과를 해석함으로써 결합재의 조성을 결정할 수 있다.

본 실시형태에 따른 cBN 소결체에 있어서 포함할 수 있는 불가피 불순물로서는 철, 마그네슘, 칼슘, 나트륨, 리튬 등을 들 수 있다. 상기 불가피 불순물은, cBN 소결체 내에 불순물 단독으로 0.01 질량% 이하 포함되는 경우가 있고, 불순물 전체의 총화로서 0.1 질량% 이하 포함되는 경우가 있다. 본 명세서에 있어서, cBN 소결체에 있어서 포함할 수 있는 「불가피 불순물」에 관해서는, cBN 및 결합재 이외의 제3 성분으로서 취급하는 것으로 한다.

<제1 영역>

본 실시형태에 따른 cBN 소결체는, 인접하는 상기 cBN 입자 사이의 간격이 0.1 nm 이상 10 nm 이하가 되는 제1 영역을 갖는다. 상기 제1 영역을 투과형 전자현미경이 딸린 에너지 분산형 X선 분석 장치(TEM-EDX)를 이용하여 분석한 경우, 상기 제1 영역에 있어서의 Al의 원자%는 0.1 이상이다. 제1 영역은 cBN 소결체 내에서 결합재가 존재하는 영역에 형성되는 영역이다.

(TEM-EDX에 의한 분석)

제1 영역은, 상기 cBN 소결체 내에 있어서 cBN 입자끼리 인접함으로써 "cBN 입자/결합재층/cBN 입자"의 구조(이하, 「제1 구조」라고도 기재한다)가 형성된 영역을 TEM-EDX를 이용하여 분석함으로써 특정할 수 있다. 이하, TEM-EDX에 의한 제1 영역의 특정 방법을 설명한다.

우선, cBN 소결체로부터 샘플을 채취하고, 아르곤 이온 슬라이서를 이용하여, 상기 샘플로부터 30∼100 nm 두께의 박편화한 절편(切片)을 제작한다. 이어서, 상기 절편을 TEM(투과형 전자현미경)에 의해, 1 시야에 cBN 입자가 10개 이상 30개 이하 관찰되는 배율로 촬영하고, 이로써 제1 화상을 얻는다. 또한, 제1 화상에 있어서, cBN 입자끼리 인접함으로써 상기 cBN 입자의 계면 모양 구조가 형성된 영역을 하나 임의로 선택한다. 이때, 상기 cBN 입자의 계면 모양 구조가 관찰 시야에 대하여 깊이 방향으로 기울어 있는 영역에 관해서는, 선택에서 제외하거나 혹은 상기 절편을 미세 조정함으로써, 깊이 방향으로 기울어 있는 상기 cBN 입자의 계면 모양 구조가 관찰 시야에 대하여 수직으로 되게 한다. 상기 cBN 입자의 계면 모양 구조가 관찰 시야에 대하여 깊이 방향으로 기울어진 상태에서는, 후술하는 입자 사이 거리(D)의 측정 및 후술하는 원소 라인 분석을 적절하게 행할 수 없을 우려가 있기 때문이다. 이어서, 선택된 상기한 계면 모양 구조가 형성된 영역이 화상의 중앙 부근을 지나도록 위치 결정을 하고, 관찰 배율을 200만배로 변경하여 관찰함으로써, 100 nm×100 nm 사이즈의 제2 화상을 얻는다. 상기 제2 화상에 있어서, 상기한 계면 모양 구조가 형성된 영역은, 상기 제1 구조가 형성된 영역으로서 화상의 일단으로부터, 화상의 중앙 부근을 지나, 이 일단에 대향하는 다른 일단(타단)으로 뻗어나가는 식으로 존재하게 된다.

이어서, 제2 화상에서 확인된 상기한 계면 모양 구조가 형성된 영역에 대하여 수직으로 교차하는 방향으로 원소 라인 분석을 실행함으로써, HAADF 이미지 강도의 프로파일을 취득한다. 또한, 상기 프로파일에 있어서 백그라운드에서부터 피크치까지의 차를 구하고, 이어서, 이 차의 반의 값이 되는 프로파일 상의 2점을 추출하여, 이 2점 사이의 거리를 입자 사이 거리(D)로 정의한다. 이 입자 사이 거리(D)가 인접하는 cBN 입자 사이의 간격에 상당한다. 즉, 상기 계면 모양 구조가 형성된 영역은, HAADF 이미지 강도로서 cBN 입자가 존재하는 영역의 강도보다도 크게(강하게) 검출되기 때문에, 인접하는 cBN 입자 사이 간격(입자 사이 거리(D))의 정량화에 이용할 수 있다. 상기 입자 사이 거리(D)가 0.1 nm 이상 10 nm 이하가 되는 경우, 그 영역이 제1 영역으로 특정된다.

상술한 제1 영역의 특정 방법에서는, 샘플로 한 cBN 소결체에 대하여 10 시야의 제2 화상을 준비하는 것이 바람직하다. 본 명세서에서는, 상기 10 시야의 제2 화상에 기초하여 상술한 분석을 반복해서 실행하여, 적어도 6 시야 이상의 제2 화상에 있어서 상기 입자 사이 거리(D)가 0.1∼10 nm가 되는 부위가 확인되는 경우(즉, 제1 영역이 관찰되는 경우), 샘플로 한 cBN 소결체는 제1 영역을 갖는 것으로 간주한다.

여기서, 도 1은 본 실시형태에 따른 cBN 소결체로부터 얻은 제2 화상의 일례이다. 도 1을 참조하면, 흑색 영역이 B 및 N을 주된 구성 원소로 하는 영역(cBN 입자가 존재하는 영역)에 상당하고, 백색 영역 또는 회색 영역이 B 및 N 이외의 결합재 성분이 존재하는 영역에 상당한다. 또한, 제2 화상 전체가, 제1 화상으로부터 선택되는 「cBN 입자의 계면 모양 구조가 형성된 영역」에 상당한다.

도 2는 원소 라인 분석 결과를 도시하는 그래프의 일례이다. 상기 그래프에서는, 원소 라인 분석을 실행한 거리(nm)를 횡축으로 하고, 원소 라인 분석 결과로부터 산출되는 HAADF 이미지 강도(a.u.)를 종축으로 하여 나타낸다. 도 2 중에 나타내는 「거리(D)」는, 백그라운드에서부터 피크치까지의 차를 구하고, 이어서, 이 차의 반의 값이 되는 프로파일 상의 2점을 추출함으로써 얻어지는 「입자 사이 거리(D)」를 의미한다.

(제1 영역에 있어서의 알루미늄의 원자%)

본 실시형태에 따른 cBN 소결체에 있어서, 상기 제1 영역을 TEM-EDX를 이용하여 분석한 경우, 상기 제1 영역에 있어서의 Al의 원자%는 0.1 이상이다. 상기 Al의 원자% 값은 상술한 제2 화상에 대한 원소 라인 분석 결과로부터 구할 수 있다. 구체적으로 상기 Al의 원자% 값으로서는, 상기 원소 라인 분석 결과로부터 얻어지는 백그라운드의 값을 제외한 Al 피크의 최대치를 채용한다. 그 이유는, 상기 Al의 원자%로서 원소 라인 분석으로부터 얻어지는 Al 피크의 면적을 채용한 경우, 분석오차가 커지기 때문이다. 또한, 상기 제1 영역에 있어서의 Al의 원자%는, 상기 원소 라인 분석에서 측정되는 전체 원소를 100 원자%로 하여 구하는 것으로 한다.

본 명세서에 있어서,「제1 영역에 있어서의 Al의 원자%는 0.1 이상이다」라는 것은, 샘플로 한 cBN 소결체로부터 추출한 10 시야의 제2 화상에 있어서 상기 입자 사이 거리(D)가 0.1 nm 이상 10 nm 이하라고 특정된 6 이상의 제1 영역에 있어서의 Al의 원자%의 평균치가 0.1 이상임을 의미한다. 제1 영역에 있어서의 Al의 원자%의 상한치는 특별히 제한되지 않는다. 측정 가능한 한, 어떠한 상한치나 취할 수 있다. 예컨대 제1 영역에 있어서의 Al의 원자%는, 50 이하라도 좋고, 30 이하라도 좋고, 15 이하라도 좋다.

여기서, 본 실시형태에 따른 cBN 소결체에 있어서, 상기 제1 영역의 인접하는 상기 입방정 질화붕소 입자 사이의 간격이 0.1 nm 이상 7.0 nm 이하인 경우, 상기 Al의 원자%는 0.5 이상인 것이 바람직하다. 상기 제1 영역에 있어서의 Al의 원자%가 0.5 이상인 경우, cBN 입자끼리의 결합력을 더욱 높일 수 있다. 이에 따라, 상기 cBN 소결체를 절삭 공구에 적용한 경우, 그 절삭 공구의 장수명화를 보다 충분히 실현할 수 있다.

(제1 영역에 있어서의 다른 원소)

제1 영역은, 구성 원소로서 크롬(Cr), 티탄(Ti), 바나듐(V), 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 탄탈(Ta), 레늄(Re), 규소(Si) 및 몰리브덴(Mo)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 제1 원소와, Al을 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우에 있어서, 상기 제1 영역을 상기 투과형 전자현미경이 딸린 에너지 분산형 X선 분석 장치(TEM-EDX)를 이용하여 분석한 경우, 상기 Al의 원자%를 M으로 하고, 상기 제1 원소 중 가장 고농도로 존재하는 원소의 원자%를 M1로 할 때, 비 M1/(M+M1)은 0.50 이하인 것이 바람직하다. 상기 비 M1/(M+M1)은 0.010 이상 0.30 이하인 것이 보다 바람직하다. 이러한 특징을 갖는 cBN 소결체를 절삭 공구에 적용한 경우, 그 절삭 공구의 장수명화를 보다 충분히 실현할 수 있다.

여기서, 본 명세서에 있어서 비 M1/(M+M1)의 「M1」은, 상술한 것과 같이 제1 원소 중 제1 영역에 있어서 가장 고농도로 존재하는 원소의 원자% 값을 의미한다. 따라서, 제1 영역에 포함되는 제1 원소는, 이 중 가장 고농도로 존재하는 원소의 원자%가 알루미늄의 원자%와의 사이에서 상기 비 M1/(M+M1)이 0.50 이하인 관계를 만족할 뿐만 아니라, 각각의 제1 원소가 전부 알루미늄의 원자%와의 사이에서 「제1 원소의 원자%/(제1 원소의 원자%+알루미늄의 원자%)가 0.50 이하」인 관계를 만족하게 된다. 또한, 제1 영역에 포함되는 제1 원소는, 이 중 제1 영역에 있어서 가장 고농도로 존재하는 원소의 원자%가 알루미늄의 원자%와의 사이에서 상기 비 M1/(M+M1)이 0.010 이상 0.30 이하인 관계를 만족하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 제1 영역에 포함되는 제1 원소는, 상기한 군에서 선택되는 하나만이라도 좋고, 2 이상이라도 좋다.

상기 제1 영역에 있어서의 비 M1/(M+M1)의 값은, 상기 제1 영역에 있어서의 Al의 원자% 값을 구하는 것과 동일한 요령으로 구할 수 있다. 즉, 상기 원소 라인 분석 결과로부터 얻어지는, 상기 제1 원소 중 제1 영역에 있어서 가장 고농도로 존재하는 원소의 피크의 최대치 및 상기 Al 피크의 최대치에 기초하여, 상기 제1 원소 중 제1 영역에 있어서 가장 고농도로 존재하는 원소의 원자% 값(M1) 및 상기 Al의 원자% 값(M)을 구한다. 이어서, 상기 M1을 상기 M1 및 M의 합(M+M1)으로 제산함으로써 비 M1/(M+M1)을 산출할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 「비 M1/(M+M1)은 0.50 이하(0.010 이상 0.30 이하)이다」라는 것은, 샘플로 한 cBN 소결체로부터 추출한 10 시야의 제2 화상에 있어서 상기 입자 사이 거리(D)가 0.1 nm 이상 10 nm 이하라고 특정된 6 이상의 제1 영역에 있어서의 비 M1/(M+M1)의 각 값의 평균치가 0.50 이하(0.010 이상 0.30 이하)인 것을 의미한다.

<작용>

본 실시형태에 따른 cBN 소결체는, 상술한 것과 같이 상기 제1 영역에 있어서의 Al의 원자%가 0.1 이상이다. 이 경우에 있어서, cBN 소결체는, 상세한 메카니즘은 불분명하지만, 이하의 이유에서 cBN 입자끼리의 결합력이 높아지고, 이로써 장수명화가 가능하게 되는 것으로 추찰된다. 즉, 상기 제1 영역에 있어서의 Al의 원자%가 0.1 이상인 것은, 상기 제1 영역(인접하는 cBN 입자 사이)에 있어서 Al이 많이 포함되어 있다(고농도이다)는 것을 의미한다. 상기 제1 영역에 있어서 Al이 고농도로 존재하는 경우, cBN 입자와의 반응성이 높은 Al이 보다 많이 소결 시에 cBN 입자와 반응할 수 있다. 이에 따라, 인접하는 cBN 입자 사이에 수많은 "cBN 입자/Al층(밀착층)/cBN 입자" 구조를 생성할 수 있고, 이로써 cBN 입자끼리의 결합력을 높일 수 있다고 생각된다.

또한, Cr, Ti, V, Co, Zr, W, Nb, Hf, Ta, Re, Si 및 Mo로 이루어지는 군에 포함되는 각 원소가 상기 제1 영역에 포함됨으로써, 상기 비 M1/(M+M1)이 0.50 이하의 관계를 만족하는 경우, 소결에 의해서 생성되는 상기 밀착층의 경도를 향상시킬 수 있기 때문에 바람직하다. 이 경우, cBN 입자를 접합하는 상기 밀착층의 물성이 향상됨으로써, cBN 입자끼리의 결합력이 보다 충분히 높아져, 절삭 시에 cBN 입자의 탈락 등을 억제함으로써, 장수명화가 가능하게 되는 것으로 추찰된다.

〔절삭 공구〕

본 실시형태에 따른 절삭 공구는 상기 cBN 소결체를 포함한다. 구체적으로 상기 절삭 공구는 상기 cBN 소결체를 기재로서 포함하는 것이 바람직하다. 기재가 되는 cBN 소결체의 표면의 일부 또는 전부에 대해서는 피막이 피복되어 있어도 좋다.

본 실시형태에 따른 절삭 공구의 형상 및 용도는 특별히 제한되지 않는다. 예컨대 상기 절삭 공구의 형상 및 용도는, 드릴, 엔드밀, 드릴용 칼날 교환형 절삭 칩, 엔드밀용 칼날 교환형 절삭 칩, 밀링 가공용 칼날 교환형 절삭 칩, 선삭 가공용 칼날 교환형 절삭 칩, 메탈 소우, 기어 컷팅 공구, 리머, 탭, 크랭크샤프트의 핀 밀링 가공용 칩 등을 들 수 있다.

또한, 본 실시형태에 따른 절삭 공구는, 공구 전체가 cBN 소결체로 이루어지는 것에만 한하지 않고, 공구의 일부(특히 칼날 부위(절삭날부) 등)만이 cBN 소결체로 이루어지는 것도 포함한다. 예컨대 초경합금 등으로 이루어지는 기체(지지체)의 칼날 부위만이 cBN 소결체로 구성되는 것도 본 실시형태에 따른 절삭 공구에 포함된다. 이 경우, 문언상 그 칼날 부위를 절삭 공구라고 간주할 수 있다. 바꿔 말하면, cBN 소결체가 절삭 공구의 일부만을 차지하는 경우라도 cBN 소결체를 절삭 공구라고 부르는 것으로 한다.

본 실시형태에 따른 절삭 공구는 상기 칼날 부위를 적어도 덮는 피막을 포함할 수 있다. 이 경우, 종래 공지된 방법에 의해 cBN 소결체에 있어서의 상기 칼날 부위에 피막을 형성할 수 있다. 상기 피막을 형성하는 방법은, 예컨대 이온 플레이팅법, 아크 이온 플레이팅법, 스퍼터법 및 이온 믹싱법 등의 물리 증착법을 들 수 있다. 또한, 화학 증착법에 의해 피막을 형성할 수도 있다. 상기 피막의 조성은 특별히 한정되지는 않으며, 종래 공지된 피막을 임의로 채용할 수 있다. 예컨대 피막 조성으로서는 AlTiSiN, AlCrN, TiZrSiN, CrTaN, HfWSiN, CrAlN, TiN, TiBNO, TiCN, TiCNO, TiB₂, TiAlN, TiAlCN, TiAlON, TiAlONC, Al₂O₃ 등을 예시할 수 있다.

본 실시형태에 따른 절삭 공구는, 상기 cBN 소결체를 포함하므로, 절삭 시에 cBN 입자의 탈락 등을 억제할 수 있고, 이로써 장수명화가 가능하게 된다.

〔입방정 질화붕소 소결체의 제조 방법〕

본 실시형태에 따른 cBN 소결체의 제조 방법에 관해서는, 절삭 공구에 적용한 경우에 장수명화를 가능하게 하는 상술한 것과 같은 cBN 소결체를 얻을 수 있는 한, 특별히 제한되지는 않는다. 그러나, 수율 등의 관점에서, 예컨대 다음 제조 방법에 의해 cBN 소결체를 얻는 것이 바람직하다. 본 발명자들은, cBN 소결체를 제조하는 프로세스에 있어서, 후술하는 것과 같이 Al의 배합량을 높인 결합재의 원료 분말을 준비하는 것, cBN 입자의 원료 분말 표면에 종래와는 다른 피복 기술을 적용하는 것 등에 의해서 장수명화가 가능하게 되는 cBN 소결체를 제조할 수 있다는 것을 지견했다.

구체적으로 본 실시형태에 따른 cBN 소결체의 제조 방법은, Al의 배합량을 높인 결합재 원료 분말을 준비하는 공정(제1 공정)과, cBN 원료 분말의 표면에 금속을 피복함으로써 피복 cBN 분말을 얻는 공정(제2 공정)과, 상기 결합재 원료 분말 및 상기 피복 cBN 분말을 혼합함으로써, 70 체적% 이상 100 체적% 미만의 cBN 분말과 잔부의 결합재 원료 분말로 이루어지는 혼합 분말을 조제하는 공정(제3 공정)과, 상기 혼합 분말을 소결함으로써 cBN 소결체를 얻는 공정(제4 공정)을 포함하는 것이 바람직하다. 이하, 각 공정에 관해서 상세히 설명한다.

<제1 공정>

제1 공정은 Al의 배합량을 높인 결합재 원료 분말을 준비하는 공정이다. 상기 결합재 원료 분말은 다음과 같이 조제함으로써 준비할 수 있다. 우선, 예컨대 WC 분말, Co 분말 및 Al 분말을 종래 공지된 방법으로 제조하거나 또는 시장에서 입수함으로써 준비한다. 또한, 상기 결합재 원료 분말은, WC, Co 및 Al 외에, 다른 원소를 포함하고 있어도 되기 때문에, 다른 원소로서 Cr, Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta, Re, Si 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소가 포함되는 분말도 준비하는 것이 바람직하다. 이어서, 상술한 각 분말을 소정의 비율이 되도록 혼합하고, 이어서 습식 볼밀, 습식 비드밀 등으로 분쇄함으로써 상기 결합재 원료 분말을 조제할 수 있다.

결합재 원료 분말 중의 Al 함유량에 관해서는 20∼40 질량%로 하여, 이런 종류의 결합재로서 종래보다도 Al의 배합량을 높이는 것이 바람직하다. 이에 따라, 후술하는 제2 공정에 있어서 cBN 표면에 피복하는 Al 등의 금속이 소결 중에 결합재 안으로 확산하는 것을 억제할 수 있다. 각 분말의 혼합 방법은 특별히 제한되지 않지만, 효율적으로 균질하게 혼합한다는 관점에서, 볼밀 혼합, 비드밀 혼합, 유성밀 혼합 또는 제트밀 혼합인 것이 바람직하다. 각 혼합 방법은 습식이라도 건식이라도 좋다.

<제2 공정>

제2 공정은 cBN 원료 분말의 표면에 금속을 피복함으로써 피복 cBN 분말을 얻는 공정이다. cBN 원료 분말에는, 시판되는 cBN 입자를 이용할 수 있으며, 혹은 종래 공지된 초고압 합성법에 의해서 B와 N으로부터 얻어지는 cBN의 분말을 이용할 수 있다. 여기서, cBN 원료 분말의 표면을 금속으로 피복하기 전에, 전처리로서 상기 cBN 원료 분말에 대하여 열처리를 행하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 청정화를 목적으로 cBN 원료 분말에 대하여 저산소 분압인 질소 분위기 하에서 가열하여, 환원 처리를 행한다. 이때, 열처리 온도는 900∼1600℃인 것이 바람직하다. 열처리 시간은, cBN 원료 분말의 표면이 충분히 청정화될 때까지 계속하면 특별히 제한은 없으며, 예컨대 1∼20시간으로 하면 된다. 환원 처리 시의 산소 분압은 1×10^-29 atm 이하의 저산소 분압으로 하는 것이 바람직하다. 이러한 저산소 분압 하에서 열처리함으로써, cBN 원료 분말의 청정화를 충분히 또한 효율적으로 진행시킬 수 있다. 이에 따라, 소결을 저해하는 요인이 되는 cBN 표면의 산화를 억제하여 청정한 cBN 입자의 표면을 노출시킬 수 있고, 이로써 cBN 원료 분말의 표면을 피복하는 금속과 cBN 입자의 밀착성을 향상시킬 수 있다.

이어서, 제2 공정에서는, 상기 cBN 원료 분말의 표면에 대하여, 아크 플라즈마 분말법(APD법)을 이용함으로써 Al 등의 금속을 피복한다. 이상에 의해 피복 cBN 분말을 얻을 수 있다. 상기 APD법을 이용함으로써, 일반적으로 알려져 있는 스퍼터법, AIP법, CVD법과 같은 피복 수단과는 달리, 상기 cBN 원료 분말의 표면에 나노 입자를 적층시킬 수 있고, 이로써 표면적이 큰 상태에서 상기 금속을 cBN 원료 분말의 표면에 존재시킬 수 있다. 이러한 피복 cBN 분말에서는, 소결 시에 cBN 입자와 금속의 결합 반응이 촉진되기 쉬우며, 또한 후술하는 제3 공정에 있어서 금속의 피막이 벗겨지기 어렵게 된다. 이 때문에, 인접하는 cBN 입자 사이에 Al 등의 금속을 편재화시킬 수 있어, cBN 입자끼리의 결합력을 높인 cBN 소결체를 제조할 수 있게 된다. cBN 원료 분말의 표면을 피복하는 금속으로서는 Al이 바람직하다. 이에 따라, Al을 선택적으로 cBN 입자 사이에 위치시키기 쉽게 할 수 있다. 또한, 제2 공정에서는, 상기 cBN 원료 분말에 대하여, 동일한 피복 방법을 이용함으로써 Cr, Ti, V, Co, Zr, W, Nb, Hf, Ta, Re, Si 및 Mo로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소(제1 원소)를 피복하는 것도 바람직하다. 즉, 상기한 군에서 선택되는 하나의 제1 원소를 상기 cBN 원료 분말에 피복하여도 바람직하고, 2 이상의 제1 원소를 상기 cBN 원료 분말에 피복하여도 바람직하다. Al 및 제1 원소의 피복량을 조절함으로써 상기 비 M1/(M+M1)의 값을 제어할 수 있다.

<제3 공정>

제3 공정은, 상기 결합재 원료 분말 및 상기 피복 cBN 분말을 혼합함으로써, 70 체적% 이상 100 체적% 미만의 cBN 분말과 잔부의 결합재 원료 분말로 이루어지는 혼합 분말을 조제하는 공정이다. 구체적으로 제3 공정에서는, 결합재 원료 분말 및 피복 cBN 분말에 대하여, 에탄올, 아세톤 등을 용매에 이용한 습식 볼밀 혼합을 실행함으로써 상기한 혼합 분말을 조제하는 것이 바람직하다. 혼합 분말 조제 후에는 자연 건조에 의해서 용매가 제거된다. 또한, 혼합 분말에 대해서는, 열처리(예컨대 진공 하에서 850℃ 이상)를 실행하는 것이, 표면에 흡착된 수분 등의 불순물을 제거할 수 있기 때문에 바람직하다.

<제4 공정>

제4 공정은 상기 혼합 분말을 소결함으로써 cBN 소결체를 얻는 공정이다. 본 공정에서는, 상기 혼합 분말이 고온 고압 조건 하에 노출되어 소결됨으로써 cBN 소결체가 제조된다. 구체적으로 제4 공정에서는, 진공 시일된 상기 혼합 분말을 초고온 고압 장치를 이용함으로써 소결 처리한다. 소결 처리하는 온도 조건은 1500℃ 이상 2000℃ 미만이 바람직하고, 1600∼1900℃가 보다 바람직하다. 유지 시간은 10∼50분으로 하는 것이 바람직하다. 소결 압력 조건은 특별히 제한되지 않지만, 5.5∼8 GPa인 것이 바람직하다. 이상에 의해 cBN 소결체를 제조할 수 있다.

<작용 효과>

본 실시형태에 따른 cBN 소결체의 제조 방법은, 상기한 각 공정을 거침으로써, 장수명화가 가능한 cBN 소결체를 제조할 수 있다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.

〔시료의 제작〕

이하의 수순에 따라서 시료 1∼시료 36의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 1>

(제1 공정)

우선 시판되는 WC 분말, Co 분말 및 Al 분말을 준비했다. 이어서, 상술한 각 분말을 질량 비율로 WC:Co:Al이 32:38:30가 되도록 배합했다. 이때, 각 분말의 평균 입경은 5 ㎛였다. 또한, 상기한 질량 비율로 배합한 분말을 비드밀 혼합으로 분쇄함으로써 결합재 원료 분말을 조제했다.

(제2 공정)

우선 cBN 원료 분말로서 시판되는 cBN 분말(평균 입경 2 ㎛)을 준비했다. 상기 cBN 원료 분말에 대하여 열처리를 행했다. 상기 열처리는, 1×10^-29 atm 이하의 극저산소 조건으로 하고, 1200℃의 열처리 온도 및 10시간의 열처리 시간으로 실행했다.

이어서, 상기한 열처리를 행한 cBN 원료 분말에 대하여, 이하의 피복 조건에 의해 cBN 원료 분말의 표면에 Al을 APD법으로 피복함으로써 피복 cBN 분말을 얻었다.

〈피복 조건〉

피복 장치: 나노 입자 형성 장치(「APD-P」, 아드반스리코가부시키가이샤 제조)

타겟: 순Al(순도 99.999%)를 2본 사용

도입 가스: 10^-4 Pa의 진공 빼기 후, 아르곤 가스를 도입하여 장치 내 압력을 10^-1 Pa로 설정

방전 전압: 150 V

방전 주파수: 5 Hz

콘덴서 용량: 1080 μF

샷수: 10000

처리 분말량: 25 g

분말 용기의 회전수: 50 rpm.

(제3 공정)

상기 피복 cBN 분말과 상기 결합재 원료 분말을, 체적 비율로 피복 cBN 분말:결합재 원료 분말이 60:40이 되도록 배합하고, 에탄올을 이용한 습식 볼밀법에 의해 균일하게 혼합했다. 그 후, 자연 건조에 의해 용매를 제거하면서 또한 상기 혼합 분말에 대하여 900℃의 진공 하에서 열처리했다. 이상에 의해, 혼합 분말을 조제했다.

(제4 공정)

상기 혼합 분말을 소결함으로써 cBN 소결체를 제작했다. 구체적으로는 상기 혼합 분말을 Ta(탄탈)제 용기에 충전하여 진공 시일했다. 이어서, 이것을 벨트형 초고압 고온 발생 장치를 이용하여, 6.5 GPa 및 1700℃의 조건으로 15분간 소결했다. 이상에 의해 시료 1의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 2>

제3 공정에 있어서, 체적 비율로 피복 cBN 분말:결합재 원료 분말이 70:30이 되도록 배합한 것 이외에는, 시료 1과 동일한 요령에 의해서 시료 2의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 3>

제3 공정에 있어서, 체적 비율로 피복 cBN 분말:결합재 원료 분말이 75:25가되도록 배합한 것, 그리고 제2 공정에 있어서 cBN 원료 분말에 대한 상기 열처리 온도를 1000℃로 하고, 열처리 시간을 12시간으로 하며, 또한 상기 피복 조건의 샷수를 5000로 한 것 이외에는, 시료 1과 동일한 요령에 의해서 시료 3의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 4>

제3 공정에 있어서, 체적 비율로 피복 cBN 분말:결합재 원료 분말이 80:20이 되도록 배합한 것 이외에는, 시료 1과 동일한 요령에 의해서 시료 4의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 5>

제3 공정에 있어서, 체적 비율로 피복 cBN 분말:결합재 원료 분말이 89:11이 되도록 배합한 것 이외에는, 시료 1과 동일한 요령에 의해서 시료 5의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 6>

제3 공정에 있어서, 체적 비율로 피복 cBN 분말:결합재 원료 분말이 95:5가 되도록 배합한 것 이외에는, 시료 1과 동일한 요령에 의해서 시료 6의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 7>

제3 공정에 있어서, 체적 비율로 피복 cBN 분말:결합재 원료 분말이 99:1이 되도록 배합한 것 이외에는, 시료 1과 동일한 요령에 의해서 시료 7의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 8>

시료 1에 있어서 cBN 원료 분말로서 준비한 시판되는 상기 cBN 분말에 대하여, 1×10^-29 atm 이하, 1200℃ 및 10시간의 조건으로 열처리를 실행했다. 이 열처리를 행한 cBN 원료 분말을 Ta(탄탈)제 용기에 충전하여 진공 시일하고, 이것을 벨트형 초고압 고온 발생 장치를 이용하여 6.5 GPa 및 1700℃의 조건으로 15분간 소결했다. 이상에 의해 시료 8의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 9>

제2 공정에 있어서, cBN 원료 분말에 대한 열처리 및 Al의 피복을 하지 않은 것 이외에는, 시료 2와 동일한 요령에 의해서 시료 9의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 10>

제2 공정에 있어서, 열처리를 행한 cBN 원료 분말의 표면에 대한 Al의 피복을 하지 않은 것 이외에는, 시료 5와 동일한 요령에 의해서 시료 10의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 11>

제2 공정에 있어서, cBN 원료 분말로서 준비한 시판되는 상기 cBN 분말에 대한 열처리 조건을, 1400℃ 및 20시간으로 하며, 또한 열처리를 행한 cBN 원료 분말의 표면에 대하여, 피복 조건의 샷수를 1000으로 하여 Al을 피복한 것 이외에는, 시료 6과 동일한 요령에 의해서 시료 11의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 12>

제2 공정에 있어서, cBN 원료 분말로서 준비한 시판되는 상기 cBN 분말에 대한 열처리 조건을, 1200℃ 및 10시간으로 하며, 또한 열처리를 행한 cBN 원료 분말의 표면에 대하여, 피복 조건의 샷수를 5000으로 하여 Al을 피복한 것 이외에는, 시료 5와 동일한 요령에 의해서 시료 12의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 13>

제2 공정에 있어서, 열처리를 행한 cBN 원료 분말의 표면에 대하여, 피복 조건의 샷수를 25000으로 하여 Al을 피복한 것 이외에는, 시료 12와 동일한 요령에 의해서 시료 13의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 14>

제2 공정에 있어서, cBN 원료 분말로서 준비한 시판되는 상기 cBN 분말에 대한 열처리 조건을, 1400℃ 및 20시간으로 하며, 또한 열처리를 행한 cBN 원료 분말의 표면에 대하여, 피복 조건의 샷수를 50000으로 하여 Al을 피복한 것 이외에는, 시료 5와 동일한 요령에 의해서 시료 14의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 15>

제2 공정에 있어서, cBN 원료 분말로서 준비한 시판되는 상기 cBN 분말에 대한 열처리 조건을, 1200℃ 및 6시간으로 하며, 또한 열처리를 행한 cBN 원료 분말의 표면에 대하여, 피복 조건의 샷수를 20000으로 하여 Al을 피복한 것 이외에는, 시료 5와 동일한 요령에 의해서 시료 15의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 16>

제2 공정에 있어서, 열처리를 행한 cBN 원료 분말의 표면에 대하여, 피복 조건의 샷수를 35000으로 하여 Al을 피복한 것 이외에는, 시료 15와 동일한 요령에 의해서 시료 16의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 17>

제2 공정에 있어서, 열처리를 행한 cBN 원료 분말의 표면에 대하여, 피복 조건의 샷수를 50000으로 하여 Al을 피복한 것 이외에는, 시료 15와 동일한 요령에 의해서 시료 17의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 18>

제2 공정에 있어서, cBN 원료 분말로서 준비한 시판되는 상기 cBN 분말에 대한 열처리 조건을, 1100℃ 및 9시간으로 하며, 또한 열처리를 행한 cBN 원료 분말의 표면에 대하여, 피복 조건의 샷수를 80000으로 하여 Al을 피복한 것 이외에는, 시료 5와 동일한 요령에 의해서 시료 18의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 19>

제2 공정에 있어서, 열처리를 행한 cBN 원료 분말의 표면에 대하여 금속을 피복하는 피복 조건에 관해서, 2본 타겟의 한쪽을 Cr(순도 99.999%)로 변경하며, 또한 상기 2본 타겟의 샷 비율(Al:Cr)을 499:1(샷수는 5000)로 변경함으로써 cBN 원료 분말의 표면에 금속을 피복한 것 이외에는, 시료 5와 동일한 요령에 의해서 시료 19의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 20>

제2 공정에 있어서, 상기 2본 타겟의 샷 비율(Al:Cr)을 99:1(샷수는 5000)로 변경함으로써 cBN 원료 분말의 표면에 금속을 피복한 것 이외에는, 시료 19와 동일한 요령에 의해서 시료 20의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 21>

제2 공정에 있어서, 상기 2본 타겟의 샷 비율(Al:Cr)을 9:1(샷수는 5000)로 변경함으로써 cBN 원료 분말의 표면에 금속을 피복한 것 이외에는, 시료 19와 동일한 요령에 의해서 시료 21의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 22>

제2 공정에 있어서, 상기 2본 타겟의 샷 비율(Al:Cr)을 7:3(샷수는 5000)로 변경함으로써 cBN 원료 분말의 표면에 금속을 피복한 것 이외에는, 시료 19와 동일한 요령에 의해서 시료 22의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 23>

제2 공정에 있어서, 상기 2본 타겟의 샷 비율(Al:Cr)을 6:4(샷수는 5000)로 변경함으로써 cBN 원료 분말의 표면에 금속을 피복한 것 이외에는, 시료 19와 동일한 요령에 의해서 시료 23의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 24>

제2 공정에 있어서, 상기 2본 타겟의 샷 비율(Al:Cr)을 5:5(샷수는 5000)로 변경함으로써 cBN 원료 분말의 표면에 금속을 피복한 것 이외에는, 시료 19와 동일한 요령에 의해서 시료 24의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 25>

제2 공정에 있어서, 상기 2본 타겟의 샷 비율(Al:Cr)을 4:6(샷수는 5000)으로 변경함으로써 cBN 원료 분말의 표면에 금속을 피복한 것 이외에는, 시료 19와 동일한 요령에 의해서 시료 25의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 26>

제2 공정에 있어서, 열처리를 행한 cBN 원료 분말의 표면에 대하여 금속을 피복하는 피복 조건에 관해서, 2본 타겟의 한쪽을 Cr에서 V(순도 99.999%)로 변경한 것 이외에는, 시료 21과 동일한 요령에 의해서 시료 26의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 27>

제2 공정에 있어서, 열처리를 행한 cBN 원료 분말의 표면에 대하여 금속을 피복하는 피복 조건에 관해서, 2본 타겟의 한쪽을 Cr에서 Co(순도 99.999%)로 변경한 것 이외에는, 시료 21과 동일한 요령에 의해서 시료 27의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 28>

제2 공정에 있어서, 열처리를 행한 cBN 원료 분말의 표면에 대하여 금속을 피복하는 피복 조건에 관해서, 2본 타겟의 한쪽을 Cr에서 Zr(순도 99.999%)로 변경한 것 이외에는, 시료 21과 동일한 요령에 의해서 시료 28의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 29>

제2 공정에 있어서, 열처리를 행한 cBN 원료 분말의 표면에 대하여 금속을 피복하는 피복 조건에 관해서, 2본 타겟의 한쪽을 Cr에서 W(순도 99.999%)로 변경한 것 이외에는, 시료 21과 동일한 요령에 의해서 시료 29의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 30>

제2 공정에 있어서, 열처리를 행한 cBN 원료 분말의 표면에 대하여 금속을 피복하는 피복 조건에 관해서, 2본 타겟의 한쪽을 Cr에서 Nb(순도 99.999%)로 변경한 것 이외에는, 시료 21과 동일한 요령에 의해서 시료 30의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 31>

제2 공정에 있어서, 열처리를 행한 cBN 원료 분말의 표면에 대하여 금속을 피복하는 피복 조건에 관해서, 2본 타겟의 한쪽을 Cr에서 Hf(순도 99.999%)로 변경한 것 이외에는, 시료 21과 동일한 요령에 의해서 시료 31의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 32>

제2 공정에 있어서, 열처리를 행한 cBN 원료 분말의 표면에 대하여 금속을 피복하는 피복 조건에 관해서, 2본 타겟의 한쪽을 Cr에서 Ta(순도 99.999%)로 변경한 것 이외에는, 시료 21과 동일한 요령에 의해서 시료 32의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 33>

제2 공정에 있어서, 열처리를 행한 cBN 원료 분말의 표면에 대하여 금속을 피복하는 피복 조건에 관해서, 2본 타겟의 한쪽을 Cr에서 Re(순도 99.999%)로 변경한 것 이외에는, 시료 21과 동일한 요령에 의해서 시료 33의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 34>

제2 공정에 있어서, 열처리를 행한 cBN 원료 분말의 표면에 대하여 금속을 피복하는 피복 조건에 관해서, 2본 타겟의 한쪽을 Cr에서 Si(순도 99.999%)로 변경한 것 이외에는, 시료 21과 동일한 요령에 의해서 시료 34의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 35>

제2 공정에 있어서, 열처리를 행한 cBN 원료 분말의 표면에 대하여 금속을 피복하는 피복 조건에 관해서, 2본 타겟의 한쪽을 Cr에서 Mo(순도 99.999%)로 변경한 것 이외에는, 시료 21과 동일한 요령에 의해서 시료 35의 cBN 소결체를 제작했다.

<시료 36>

제2 공정에 있어서, 열처리를 행한 cBN 원료 분말의 표면에 대하여 금속을 피복하는 피복 조건에 관해서, 2본 타겟의 한쪽을 Cr에서 Ti(순도 99.999%)로 변경한 것 이외에는, 시료 21과 동일한 요령에 의해서 시료 36의 cBN 소결체를 제작했다.

〔평가〕

<입자 사이 거리(D), Al의 원자% 및 비 M1/(M+M1)의 측정, 그리고 제1 영역 유무의 판정>

상기 시료 1∼시료 18의 각 cBN 소결체에 관해서, 임의 위치에서 절단한 후, 노출된 면을 연마하여 평활면을 제작했다. 그 후, 아르곤 이온 슬라이서를 이용하여 50 nm 두께로 박편화하여 절편을 제작했다. 이어서, 상술한 방법에 따라서 제2 화상(100 nm×100 nm)에 대하여, TEM-EDX에 의한 원소 라인 분석을 실시했다. TEM-EDX에 있어서의 빔 직경은 0.2 nm로 하고, 스캔 간격은 0.6 nm로 했다. 얻어진 측정치로부터 상술한 방법에 따라 입자 사이 거리(D) 및 Al의 원자%를 구하며 또한 제1 영역의 유무를 판정했다. 구체적으로 제1 영역 유무의 판정은, 상기 시료 1∼시료 18에 있어서 임의의 제2 화상을 10개 관찰하여, 6개 이상의 제1 영역이 관찰된 것은 「제1 영역 있음」으로 하고, 5개 이하인 것은 「제1 영역 없음」으로 했다. 또한, 「제1 영역 있음」인 시료에 있어서, 제1 영역이라고 특정된 상기 6개 이상의 제1 영역을 대상으로 한 원소 라인 분석으로부터 얻어진 입자 사이 거리(D)의 평균치를 구했다. 또한, 상기 원소 라인 분석으로부터 얻어진 Al의 피크의 최대치의 평균치로부터 Al의 원자%를 구했다. 결과를 표 1에 나타낸다. 시료 2∼시료 7 및 시료 11∼시료 18이 실시예이고, 시료 1 및 시료 8∼시료 10이 비교예이다.

또한, 시료 8은 결합재가 존재하지 않으므로 측정 가능한 제1 영역을 검출할 수 없었다. 시료 9는, 임의로 추출한 cBN 입자의 계면 모양 구조가 형성된 영역에 대하여 행한 원소 라인 분석에 있어서, 그 모든 입자 사이 거리(D)가 10 nm를 넘었다.

또한, 시료 19∼시료 36의 각 cBN 소결체에 관해서도, 상기 시료 1∼시료 18의 각 cBN 소결체와 동일한 요령에 의해서 제2 화상(100 nm×100 nm)을 얻고, 이 제2 화상에 대하여 TEM-EDX에 의한 원소 라인 분석을 실시했다. 얻어진 측정치로부터 상술한 방법에 따라서 입자 사이 거리(D), Al의 원자% 및 비 M1/(M+M1)을 구하며, 또한 제1 영역의 유무를 판정했다. 결과를 표 2에 나타낸다. 시료 19∼시료 36은 모두 실시예이다. 또한, 표 2에서는, 후술하는 절삭 시험의 결과를 나타내기 위해서, 시료 5 및 시료 10의 결과에 관해서도 명시하고 있다.

<제1 절삭 시험>

상기 시료 1∼시료 18의 각 cBN 소결체로부터 각 시료의 절삭 공구(기재 형상: SNGN090308, 칼날 처리 T 01225)를 제작했다. 이것을 이용하여, 이하의 절삭 조건 하에서 절삭 시험(제1 절삭 시험)을 실시했다.

〈절삭 조건〉

절삭 속도: 1500 m/min.

이송 속도: 0.2 mm/rev.

절입: 0.8 mm

쿨런트: WET

쿨런트액: 에멀션 96(물로 20배로 희석)

커터: RM3080R(스미토모덴키고교가부시키가이샤 제조)

절삭 방법: 단속 절삭

선반: NEXUS 530-II HS(야마자키마자크가부시키가이샤 제조)

피삭재: FC250.

절삭 거리 0.5 km마다 칼날을 관찰하여, 칼날의 탈락량을 측정했다. 칼날의 탈락량은 절삭 전의 칼날 능선 위치로부터의 마모에 의한 후퇴 폭으로 했다. 결손된 경우는 결손의 크기를 탈락량으로 했다. 칼날 탈락량이 0.1 mm 이상으로 되는 시점의 절삭 거리를 측정했다. 또한, 상기 절삭 거리를 절삭 공구의 수명으로 했다. 결과를 표 1에 나타낸다. 절삭 거리가 길수록 절삭 공구는 장수명화되었다고 평가할 수 있다.

<제2 절삭 시험>

상기 시료 5 및 시료 10, 그리고 시료 19∼시료 36의 각 cBN 소결체로부터 각 시료의 절삭 공구(기재 형상: TNGA160404, 칼날 처리 T01225)를 제작했다. 이것을 이용하여, 이하의 절삭 조건 하에서 절삭 시험(제2 절삭 시험)을 실시했다.

〈절삭 조건〉

절삭 속도: 250 m/min.

이송 속도: 0.15 mm/rev.

절입: 0.1 mm

쿨런트: DRY

절삭 방법: 연속 절삭

선반: LB400(오쿠마가부시키가이샤 제조)

피삭재: 소결 부품(스미토모덴키고교사 제조의 소입 소결 합금 D40, 담금질된 절삭부의 경도: HRB75).

절삭 거리 0.3 km마다 칼날을 관찰하여, 칼날의 마모량을 측정했다. 칼날의 마모량이 100 ㎛ 이상으로 되는 시점의 절삭 거리를 측정했다. 또한, 상기 절삭 거리를 절삭 공구의 수명으로 했다. 결과를 표 2에 나타낸다. 절삭 거리가 길수록 절삭 공구는 장수명화되었다고 평가할 수 있다.

〔고찰〕

표 1에 의하면, 실시예가 되는 시료 2∼시료 7 및 시료 11∼시료 18의 각 cBN 소결체로부터 얻은 절삭 공구는, 비교예가 되는 시료 1 및 시료 8∼시료 10의 cBN 소결체로부터 얻은 절삭 공구와 비교하여, 장수명화되었음을 이해할 수 있다.

표 2에 의하면, 실시예가 되는 시료 5 및 시료 19∼시료 36의 각 cBN 소결체로부터 얻은 절삭 공구는, 비교예가 되는 시료 10의 cBN 소결체로부터 얻은 절삭 공구와 비교하여, 장수명화되었음을 이해할 수 있다.

이상, 본 개시의 실시형태 및 실시예에 관해서 설명했지만, 상술한 각 실시형태 및 실시예의 구성을 적절하게 조합하는 것도 당초부터 예정하고 있다.

이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시이며, 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 실시형태 및 실시예가 아니라 청구범위에 의해서 나타내어지며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

Claims

70 체적% 이상 100 체적% 미만의 입방정 질화붕소 입자와 결합재를 구비하는 입방정 질화붕소 소결체로서,
상기 결합재는 알루미늄 화합물을 포함하면서 또한 구성 원소로서 코발트를 포함하고,
상기 입방정 질화붕소 소결체는, 인접하는 상기 입방정 질화붕소 입자 사이의 간격이 0.1 nm 이상 10 nm 이하가 되는 제1 영역을 갖고,
상기 제1 영역을 투과형 전자현미경이 딸린 에너지 분산형 X선 분석 장치를 이용하여 분석한 경우, 상기 제1 영역에 있어서의 알루미늄의 원자%는 0.1 이상인 것인 입방정 질화붕소 소결체.
제1항에 있어서, 상기 제1 영역의 인접하는 상기 입방정 질화붕소 입자 사이의 간격이 0.1 nm 이상 7.0 nm 이하인 경우, 상기 제1 영역에 있어서의 알루미늄의 원자%는 0.5 이상인 것인 입방정 질화붕소 소결체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 영역은, 구성 원소로서 크롬, 티탄, 바나듐, 코발트, 지르코늄, 텅스텐, 니오븀, 하프늄, 탄탈, 레늄, 규소 및 몰리브덴으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 제1 원소와 알루미늄을 포함하고,
상기 제1 영역을 상기 투과형 전자현미경이 딸린 에너지 분산형 X선 분석 장치를 이용하여 분석한 경우, 상기 알루미늄의 원자%를 M으로 하고, 상기 제1 원소 중 가장 고농도로 존재하는 원소의 원자%를 M1로 할 때, 비 M1/(M+M1)은 0.50 이하인 것인 입방정 질화붕소 소결체.
제3항에 있어서, 상기 비 M1/(M+M1)은 0.010 이상 0.30 이하인 것인 입방정 질화붕소 소결체.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입방정 질화붕소 소결체는, 상기 입방정 질화붕소 입자를 80 체적% 이상 95 체적% 이하 포함하는 것인 입방정 질화붕소 소결체.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재한 입방정 질화붕소 소결체
를 포함하는 절삭 공구.