KR20240113817A

KR20240113817A - 초경합금제 절단날

Info

Publication number: KR20240113817A
Application number: KR1020247021228A
Authority: KR
Inventors: 아츠시 고바야시
Original assignee: 가부시끼가이샤 아라이도 마테리아루
Priority date: 2022-03-18
Filing date: 2023-03-14
Publication date: 2024-07-23
Also published as: WO2023176819A9; WO2023176819A1; TW202346051A; JPWO2023176819A1

Abstract

초경합금제 절단날은, 베이스부와, 상기 베이스부의 연장선 상에 마련되며, 최선단부인 날끝을 갖는 날부를 구비한다. 날끝을 형성하는 좌우 날면을 구성하는 WC 입자의 왜곡인 KAM값이 0 이상 4.0 이하이다.

Description

초경합금제 절단날

본 개시는 초경합금제 절단날에 관한 것이다. 본 출원은 2022년 3월 18일에 출원한 일본 특허 출원인 특원2022-043430호에 기초한 우선권을 주장한다. 당해 일본 특허 출원에 기재된 모든 기재 내용은, 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.

종래, 초경합금제 절단날은, 예컨대 일본 특허 공개 평성10-217181호 공보(특허문헌 1), 국제 공개 제2014-050884호(특허문헌 2) 및 일본 특허 공개 제2004-17444호 공보(특허문헌 3)에 있어서 개시되어 있다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 평성10-217181호 공보 특허문헌 2: 국제 공개 제2014-050884호 특허문헌 3: 일본 특허 공개 제2004-17444호 공보

초경합금제 절단날은, 베이스부와, 상기 베이스부의 연장선 상에 마련되며, 최선단부인 날끝을 갖는 날부를 구비하고, 날끝을 형성하는 좌우 날면을 구성하는 WC 입자의 왜곡인 KAM값이 0 이상 4.0 이하이다.

도 1은 초경합금제 절단날(1)의 정면도이다.
도 2는 초경합금제 절단날(1)의 사시도이다.
도 3은 2단의 초경합금제 절단날(1)의 사시도이다.
도 4는 절단 방법을 설명하기 위해 나타내는 초경합금제 절단날(1)의 정면도이다.

[본 개시가 해결하고자 하는 과제]

종래의 초경합금제 절단날에 있어서는, 내구성이 낮다고 하는 문제가 있었다.

특허문헌 1(일본 특허 공개 평성10-217181호 공보)은, 세라믹 그린 시트 등의 박판형의 워크를 절단하는 평날형의 절단날로서, 고정밀도의 절단을 가능하게 하는 좁은 날끝각을 확보하면서 좌굴 강도가 높은 평날형의 절단날을 개시하고 있다.

그 해결 수단으로서, 날끝부를 중심선(Y)에 대하여 좌우 대칭의 평면 또는 오목 만곡면으로 형성하고, 날끝부와 베이스부를 1단 또는 복수단의 좌우 대칭의 오목 만곡면의 보강부로 연결함으로써 절단 실행부의 거리를 짧게 하여 고정밀도의 절단 가공을 확보하면서 좌굴 강도를 높이는 것을 제안하고 있다.

특허문헌 2(국제 공개 제2014-050884호)는, 평판 상의 베이스부와, 상기 베이스부의 양면으로부터 서로 근접하도록 경사진 좌우 날면과, 상기 좌우 날면을 연결하도록 형성되고, 볼록 만곡면을 갖는 날끝 선단을 갖고, 판 두께 방향의 단면 형상에 있어서, 상기 좌우 날면을 따른 2개의 직선의 교점과 상기 날끝 선단의 최단 거리가 1 ㎛ 이상, 10 ㎛ 이하이고, 또한, 상기 선단부의 길이가, 상기 베이스부의 중심선에 대하여 좌우가 다르고, 그 차이가 1 ㎛ 이상, 20 ㎛ 이하이고, 또한, 상기 좌우 날면을 따른 2개의 직선의 교차 각도의 내각이, 4도 이상, 60도 이하인 것을 특징으로 하는 평날형 절단날을 제안하고 있다.

특허문헌 3(일본 특허 공개 제2004-17444호 공보)은, 컵형 지석을 사용하여, 연삭홈을 용이하게 형성할 수 있는 것을 개시하고 있다. 판형의 세라믹체를 그 두께 방향으로 압박력을 작용시켜 절단하는 대략 직사각형 형상의 절단날로서, 장변 방향의 1변을 따라 평면에 의해 형성된 날면을 갖고, 상기 날면에 단변 방향으로 연장되는 연삭홈이 형성되고, 상기 날면은 단변 방향으로 분할된 복수의 단차를 갖는 면에 의해 구성되고, 날끝측의 단차를 갖는 면일수록 큰 각도를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 절단날을 개시하고 있다.

최근, MLCC(Multilayer Ceramic Capacitors)의 고밀도 적층 기술에 의해, 대형 MLCC의 다운사이즈화가 진행되고 있다. 다운사이즈화됨으로써 Ni 전극의 적층수는 증가하고, 또한, 유전체인 티탄산바륨의 입경을 수십 ㎚로 함으로써 두께 방향의 전극 간 거리는 수백 ㎚ 이하로 되어 오고 있다. 그 때문에, 그린 시트의 경도는 높아지는 것에 더하여, 전극 간 거리가 짧아지면 절단면 품위가 악화하는 경향이 있다. 그와 같은 중에, 본 특허는 초경합금제 절단날에 있어서, 날끝을 구성하는 WC 입자의 왜곡(가공 대미지)을 억제하여 내결손성을 높여 깨짐에 의한 절단면 품위, 절단 저항의 악화를 억제하여 장수면의 초경합금제 커터를 제공하는 발명에 관한 것이다.

적층 세라믹스 콘덴서를 제조하기 위해, 두께가 수백 ㎛ 내지 수 ㎜인 적층된 그린 시트의 절단 요구가 있다. 이것을 정밀도 좋게 연속적으로 절단한 후, 하나하나의 피절단물을 소성하여, 양단에 전극을 부착함으로써 콘덴서로 하고 있다. 여기서, 콘덴서는 최근 스마트폰을 대표로 하는 소형기 대응을 위해 소사이즈화의 요구가 증가하고 있고, 그 때문에 고도한 절단 정밀도가 요구된다. 이러한 소사이즈 세라믹 콘덴서를 실현하기 위해서는, 날끝 가공에 있어서 발생하는 WC 입자의 왜곡을 경감하여 커터 사용 시에 발생하는 충격 및 열 변위로부터 진전하는 깨짐을 억제함으로써 그린 시트 절단면에 손상을 부여하지 않는 것이 필요하다.

그린 시트의 절단 방법으로서는, 다이싱법이라고 불리는 회전 둥근 날로 절단하는 방법과, 본 개시와 같은 평날형 절단날을 이용한 작두 방식이 있다. 전자는 절삭 부스러기가 많이 나오기 때문에 재료 수율이 나쁘고, 또한 절단 속도가 뒤떨어진다고 하는 결점 등이 있어, 소사이즈품에는 작두 방식이 유용하다.

도 1은 초경합금제 절단날(1)의 정면도이다. 도 2는 초경합금제 절단날(1)의 사시도이다. 도 3은 2단의 초경합금제 절단날(1)의 사시도이다.

도 1 내지 도 3에서 나타내는 바와 같이, 초경합금제 절단날(1)은, 절단을 실행하는 날끝부(2), 날끝부(2)에 연결되는 연결부(3) 및 연결부(3)에 연결되며 절단날 고정부(5)에 의해 고정되는 베이스부(4)를 갖는다.

피절단물(100)에 날끝부(2)를 압박함으로써, 피절단물(100)을 절단할 수 있다. 평날형 절단날로서의 초경합금제 절단날(1)은, 도 1에 있어서의 y 및 z 방향과 직교하는 x 방향으로 연장되어 있다.

날끝부(2)의 양측에 날면(201, 202)이 마련되어 있다. 도 3에서는 날면(203, 204)이 마련됨으로써, 2단날로 되어 있다. 각 날면(201 내지 204)은 직선 형상이어도 좋고, 곡선 형상이어도 좋다. 날면(201)과 날면(202)이 교차하는 능선이 날끝(210)이다.

본 개시에 따른 초경합금제 절단날(1)은, 베이스부로서의 연결부(3)와, 연결부(3)의 연장선 상에 마련되며, 최선단부인 날끝(210)을 갖는 날부로서의 날끝부(2)를 구비하고, 날끝(210)을 형성하는 좌우의 날면(201, 202)을 구성하는 WC 입자의 왜곡인 KAM값이 0 이상 4.0 이하이다.

이와 같이 구성된, 초경합금제 절단날(1)에 있어서는, 날면(201, 202)을 구성하는 WC 입자의 왜곡인 KAM값이 0 이상 4.0 이하이기 때문에, WC 내부의 균열을 억제할 수 있어, 내결손성을 높일 수 있다.

바람직하게는, 상기 KAM값이 0.3 이상 4.0 이하이다. 보다 바람직하게는, 상기 KAM값이 0.3 이상 2.1 이하이다.

바람직하게는, 초경합금 중의 코발트의 함유율이 3 질량% 이상 25 질량% 이하이다.

바람직하게는, 초경합금의 경도는 비커스 경도(Hv) 1300 이상, 2030 이하이다.

이러한 얇은 날은 예컨대 탄소 공구강, 스테인레스강 외에, 초경합금 등의 경질 재료가 이용되고 있다. 그러나 가공이 용이하지 않으며 그 원인으로서, 특히 재질이 경질 재료인 경우, 강성은 있지만, 난절삭성이며 또한 인성이 낮아 깨지기 쉬운 것이나, 또한, 날 두께가 얇은 경우 경질 재료라도 특히 날끝 선단부에서는 가공 중에 지석의 압박에 의해 날이 빠지려고 하는 것 등을 들 수 있다. 또한, 가공기의 정밀도, 지석의 경시 변화, 진동 등의 외란에 의해 날면을 구성하는 WC의 열화를 들 수 있다.

종래, 전술한 특성을 만족시키기 위해 여러 가지 절단날이 제안되어 있지만, 형상을 복잡화시킨 경우, 더욱 가공이 곤란해지는 것은 피할 수 없어, 안정적인 형상 정밀도와 가공성을 함께 만족시키는 절단날은 얻지 못하고 있다.

효과

깨짐의 발생 개수의 저감과 깨짐의 사이즈를 축소할 수 있다.

WC 입자의 왜곡값을 SEM/EBSD(Electron Back Scatter Diffraction)법을 이용하여 측정 영역 전체의 결정 방위 분포(방위 맵)를 취득하여 결정 방위차 정보로부터, 내부의 잔류 왜곡을 KAM(kernel Average Misorientation)값 맵의 측정으로 수치화하였다. 결과, KAM값을 4.0 이하로 함으로써 WC 내부의 균열을 억제할 수 있어, 내결손성을 높일 수 있는 것이 판명되었다. 본 방법을 사용함으로써 날끝을 둔각으로 하지 않아도, 예각인 날끝 각도(θ)로도 깨짐의 억제를 도모할 수 있어, 절삭성이 장기간 지속되며, 수명이 긴 초경합금제 절단날을 제공할 수 있다.

재질

절단날에 이용하는 재질은 텅스텐 카바이드와 코발트를 주성분으로 한 초경합금으로 합금 중의 텅스텐 카바이드 결정립의 크기는 평균 입경이 0.1 ㎛∼4 ㎛이며 2 ㎛ 이하가 바람직하다. 평균 입경은, SEM 사진에 있어서, 초경합금의 표면을 1만배의 배율로 측정하여, 임의의 100개의 결정을 선택하고, 각각의 결정에 있어서 (장직경+단직경)/2의 계산식에 기초하여 입경을 계산하여, 100개의 입경의 평균값을 구하였다.

또한, 텅스텐 카바이드의 결정립을 제어하기 위해 결정립 성장 억제를 위한 성분 TaC(탄탈 카바이드)를 0.1∼2 질량% 첨가하는 것도 가능하다. 이 첨가제는 V₈C₇(바나듐 카바이드), Cr₃C₂(크롬 카바이드)로도 치환 및 조합할 수 있다. 그 경우는 각각의 첨가량이 0.1∼2 질량%. 초경합금에 사용되는 코발트는 3∼25 질량%의 범위가 바람직하고, 5∼20 질량%의 범위인 것이 보다 바람직하다. TaC, V₈C₇, Cr₃C₂는, 질산, 불산을 이용하여 이들 성분을 초경합금으로부터 용해한 후, 액체형으로 한 것을 ICP 발광 분광 장치(발광 분광법)로 질량을 측정할 수 있다. Co는, 질산, 불산을 이용하여 초경합금으로부터 용해한 후, 액성을 조정한 용액을 전위차 적정 장치(전위차 적정법)로 질량을 측정할 수 있다.

초경합금의 경도는 비커스 경도(Hv)가, 1300 이상, 2030 이하가 바람직하고, 보다 바람직한 범위는 1850 이상 2150 이하이다.

두께

초경합금제 절단날의 기재 두께(T)는, 0.1 ㎜ 이상∼0.6 ㎜ 이하가 바람직하다. 이 범위로 함으로써, 적층 세라믹 그린 시트의 절단날(절단기에 대응)로서 사용할 수 있다. 두께 0.1 ㎜ 사이즈의 커터는, 세라믹 콘덴서의 중에서도 얇은 칩용으로 날끝 각도 20°등의 예각날을 연삭 가공으로 제작하는 데 있어서 연삭 여유를 작게 할 수 있어, 연삭 저항을 낮출 수 있기 때문에 고정밀도의 날끝을 만들 수 있다. 한편 기재 두께 0.4∼0.6 ㎜의 커터는, 커터 자체의 두께를 크게 함으로써 강성(날끝의 근본의 휘어짐)을 향상시킬 수 있기 때문에 두께 1 ㎜ 이상의 두꺼운 칩의 절단에 적합하다. 또한, 날의 근본의 강성이 높아짐으로써 경사 절단이 발생하기 어려운 것 등의 이점이 있다.

초경합금제 절단날의 두께의 측정 방법은, 마이크로미터, 또는 레이저 측정기가 있다.

초경합금제 절단날의 길이(L)(㎜)와 높이(W)(㎜)(도 2)의 관계는 1≤L/W≤20이 되는 것이 바람직하다.

날끝 각도(θ)는 6°≤θ≤ 30°이하인 것이 바람직하다.

날끝 각도가 작은 쪽이 절단 저항은 작아지고, 경사 절단도 발생하기 어려워진다. 즉, 워크에 침입하는 체적이 작아지기 때문이다. 10°이하에 대해서는 1단날이어도 좋지만, 날면을 형성하는 폭 치수가 커지기 때문에 연삭 저항에 의해 쓰러지기 쉬워 날끝을 고정밀도의 형상으로 가공하기 어려운 것 등의 문제가 있다. 샤프닝 시의 치핑에 대해서는 θ≤20°를 경계로 극단적으로 발생하기 쉬워지는 것을 알았다.

실시예

가부시끼가이샤 아라이도 마테리아루 제조 초경합금 FM10K 소재를 이용하여 선단 날부의 형성 가공을 행하였다. 시험에 이용하는 평날형 절단날은, 날 길이 방향(L): 40 ㎜, 베이스부 두께(T): 0.1 ㎜, 날 높이(W): 25.0 ㎜이다. 절단 실행부로서의 날끝부(2)의 절삭날 각도(θ)를 20°±5'로 하고 제1단째의 날폭을 0.1 ㎜로 하고 2단째의 날 각도(2단째의 날면의 연장면이 교차하여 형성하는 각도)를 4°±10'로 하였다. 날끝 성형 가공에 있어서는 평면 연삭반을 이용하고, 다이아몬드 원통 지석을 사용하여 지석의 측면을 트루잉하고, 각도 조정 가능한 전용의 워크 레스트에 소재를 고정하여 가공을 행하였다. 이에 의해 표 1 내지 표 8에 나타내는 시료번호 1 내지 45, 101 내지 145, 201 내지 245 및 301 내지 345의 초경합금제 절단날(1)을 제작하였다.

<날끝 표면 WC의 잔류 왜곡의 제거>

전해 연마를 이용한 전기 화학적 연마를 행함으로써 초경합금의 날끝 표면을 제거하고, 선단각을 형성하는 날면에 잔류하는 지석에 의한 날끝 형성 시에 잔류하였다고 생각되는 왜곡을 제거하였다. 절단날의 날부를 하방을 향하게 하고, 그 형상을 따르는 형태로 성형한 전극을 하부에 두고, 이들을 100 g/dm³의 NaNO₃을 포함하는 전해액 중에 침지하고, 초경합금제 절단날이 양극이 되도록 전원을 배치하여, 0.1∼1.0 A/㎠ 정도의 전류 밀도가 되도록 전압을 조정하였다.

전해 연마는, 초경합금제 절단날의 표면 상태를 확인하면서 연마 조건, 연마 시간을 조정하였다.

<표면 거칠기의 측정>

날면의 거칠기 측정(Sa)(산술 평균 거칠기)은 Zygo Corporation 제조의 비접촉 삼차원 거칠기 측정 장치(Nexview(등록상표))를 이용하여, 상기 종단면에 있어서의 측정 범위를, 날끝 직하의 X 방향으로 140 ㎛, Z 방향으로 30 ㎛로 하였다. 측정 시야는, 대물 렌즈의 배율을 50배, ZOOM 배율×1배로 하였다.

<날끝 능선폭의 측정>

날끝의 능선폭 측정은 니혼 덴시사 제조의 쇼트키 전계 방출형 주사 전자 현미경 JSM7900F를 이용하여 5,000∼10000배로 날끝 능선에 대하여 직교하는 방향에서 촬상하고, 기계 좌표와 측장 기능를 활용하여 측정하였다. 모든 시료에 있어서, 날끝 능선폭은, 0.5 ㎛ 이하인 것을 확인하고, 이들을 테스트날로 사용하였다.

<WC의 왜곡 측정>

날끝(210)을 구성하는 좌우의 날면(201, 202)에 있어서의 WC 입자의 왜곡 측정은 전술한 전자 현미경에 탑재된 전자 후방 산란 회절 장치 SEM/EBSD(Electron Back Scatter Diffraction)법을 이용하여 형성되는 반사 전자선 회절 패턴(채널링 패턴)을 이용하여, 결정 방위를 측정하는 방법이다. 측정 조건에 대해서는 측정 배율 20000배, 가속 전압 25 KV, 조사 전류 12 nA에서 날끝을 70°경사시켜 전자선을 맞혀 형성되는 반사 전자선 회절 패턴(채널링 패턴)을 이용하여, 날끝 날면의 왜곡을 KAM(kernel Average Misorientation값) 맵의 측정으로 수치화하여 평가를 행하였다.

<깨짐 측정>

절단날의 깨짐에 대해서는, 올림푸스사 제조 공구 측정 현미경 STM-UM 500배에 의해 측정하였다. 모든 시료에 있어서, 깨짐 깊이 1.5 ㎛ 이내이며 깨짐폭 10 ㎛ 이내인 것을 확인하였다.

<절단 테스트>

본원 절단날을 이용하여 그 효과를 확인하기 위해, 염화비닐판의 작두 절단을 행하여 절단 저항, 절단날이 피절단물에 입힌 절단 흠집을 바탕으로 절단면의 평가를 행하였다. 본 개시의 효과를 확인하였다. 도 4에서 나타내는 바와 같이, 초경합금제 절단날(1)에 있어서 피절단물(워크)(100)을 절단한다. 절삭 동력계(103) 상에 아크릴제의 대좌(102)가 배치되어 있다. 대좌와 피절단물(100) 사이에 열 박리 점착 시트(101)가 개재되어 있다. 화살표(111)로 나타내는 방향으로 초경합금제 절단날(1)을 왕복 운동시키면서 화살표(110)로 나타내는 방향으로 피절단물(100)을 이동시킴으로써 피절단물(100)을 절단한다.

본 테스트의 조건

커터 사양: 날끝 각도(θ) 16°∼20°, 2단째의 각도 4°, 두께(T): 0.1 ㎜, 길이(L): 40 ㎜

워크 재질: 염화비닐판 두께 0.5 ㎜, 길이 290 ㎜, 폭 30 ㎜

테스트 장치: 마키노 프라이스 세이사쿠쇼 제조 머시닝 센터 V55(이하 절단기라고 함)에 키슬러 제조의 절삭 동력계(103)를 세트(이하, 절삭 동력계라고 함)하고 워크 세트는 동력계 정반 상면으로부터 두께 10 ㎜의 아크릴판, 두께 1 ㎜의 발포 양면 점착 시트, 두께 0.5 ㎜±0.1 ㎜의 워크(상기 염화비닐판)(이들이 피절단물(100)을 구성함)로 하고, 커터의 부착 정밀도는 길이 방향의 워크와 날각도±0.5°, 워크와 날단면 각도 90°±0.5°로 하였다. 절단 조건은 절단 속도 300 ㎜/s, 절단 간격 12 ㎜, 압입량은 열 박리 시트의 풀층에 0.1 ㎜ 날끝이 절입되는 조건에서 1000회 염화비닐의 절단을 행하여, 절단 저항, 절단면 품위, 1회, 500회, 1000회 커트 시의 10 ㎛ 이상의 깨짐 발생 개수를 평가하였다. 본 결과를 조건마다 반복한 결과를 표 1 내지 8에 기재한다.

표 1 내지 표 8에 있어서, 「절단면」의 란의 평가에 대해서, 1000회째 커트 시의 절단 개소(마지막의 절단 개소)를 마이크로스코프에 있어서 관찰한 결과, 절단 줄무늬가 3개 이하이면 「A」, 4개 이상이면 「B」로 하였다.

왜곡의 지표가 되는 KAM값에 대해서는, 0 이상 4.0 이하에 있어서, 깨짐에 의한 절단 줄무늬가 3개 이내에서 양호한 절단 결과가 얻어졌다. 바람직한 KAM값의 범위는 0.3 이상 4.0 이하이다. 보다 좋은 범위로서는 KAM값의 범위는 0.3 이상 2.1 이하이다. 가장 바람직한 것은 0.3 이하이다. 단, KAM값을 0 이상 0.3 미만의 범위로 하기 위해서는 고비용이기 때문에, 상기 실시예에서는 KAM값을 0.3 이상으로 하고 있다. 즉, 성능만을 보면 KAM값을 0.3 미만으로 하는 것이 바람직하다.

표 1 내지 8의 「깨짐폭」의 란에 있어서, 해당하는 깨짐폭의 깨짐의 수를 나타내고 있다. 「10 ㎛∼」의 란에는 9.5 ㎛를 넘는 폭의 깨짐의 수, 「6 ㎛∼9 ㎛」의 란에는 6.5 ㎛를 넘으며 9.5 ㎛ 이하인 폭의 깨짐의 수, 「3 ㎛∼5 ㎛」의 란에는 2.5 ㎛를 넘으며 5.5 ㎛ 이하인 폭의 깨짐의 수를 나타내고 있다.

KAM값에 대해서는, 0.3 이상 4.0 이하의 범위에 있어서, 깨짐의 수에 관해서 양호한 절단 결과가 얻어졌다. 보다 좋은 범위로서는 KAM값의 범위는 0.3 이상 2.1 이하이다.

이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구범위에 의해 나타나며, 청구범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

1 : 초경합금제 절단날 2 : 날끝부
3 : 연결부 4 : 베이스부
5 : 절단날 고정부 100 : 피절단물
201, 202, 203, 204 : 날면 210 : 날끝

Claims

베이스부와, 상기 베이스부의 연장선 상에 마련되며, 최선단부인 날끝을 갖는 날부를 구비하고, 상기 날끝을 형성하는 좌우 날면을 구성하는 WC 입자의 왜곡인 KAM값이 0 이상 4.0 이하인, 초경합금제 절단날.
제1항에 있어서,
상기 KAM값이 0.3 이상 4.0 이하인, 초경합금제 절단날.
제2항에 있어서,
상기 KAM값이 0.3 이상 2.1 이하인, 초경합금제 절단날.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
초경합금 중의 코발트의 함유율이 3 질량% 이상 25 질량% 이하의 범위인, 초경합금제 절단날.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
초경합금의 경도는 비커스 경도(Hv) 1300 이상, 2030 이하인, 초경합금제 절단날.