KR930003642B1 - 고경도공구용 소결체 - Google Patents

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KR930003642B1 KR1019860010993A KR860010993A KR930003642B1 KR 930003642 B1 KR930003642 B1 KR 930003642B1 KR 1019860010993 A KR1019860010993 A KR 1019860010993A KR 860010993 A KR860010993 A KR 860010993A KR 930003642 B1 KR930003642 B1 KR 930003642B1
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스미도모덴기고오교오 가부시기가이샤
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Abstract

내용 없음.

Description

고경도공구용 소결체
제 1 도 및 제 2 도는 종래의 DBN소결체칩에 있어서의 마모의 진행상태를 설명하기 위한 각각의 단면도.
제 3 도는 실시예 1에 있어서의 절삭시험결과를 도시한 도면.
제 4 도는 실시예 3에 있어서의 절삭시험결과를 도시한 도면.
제 5 도 및 제 6 도는 실시예 4에 있어서의 절삭시험결과를 도시한 도면.
본 발명은 입방정질화붕소(이하, CBN이라 약칭함)를 사용한 고경도공구용 소결체(高硬度工具用燒結體)에 관한 것이다.
입방정질화붕소는 다이어몬드에 버금가는 고경도물질이며, 그 소결체는 여러가지 절삭공구로 사용되고 있다. 절삭공구에 적절한 이러한 종류의 CBN소결체의 일례는 일본국 특허공개공보(소화 53-77811호)에 기재되어 있다.
즉, 이 선행기술에는 입방정형질화붕소를 체적%로 80~40% 함유하고, 나머지가 주기율표 제 IVa, Va, VIa족 천이금속의 탄화물, 질화물, 붕화물, 규화물 혹은 이들 혼합물 또는 상호고용체(固溶體)화합물을 주체로한 것으로 이루어지고, 이 화합물이 소결체조직중에서 연속한 결합상(結合相)을 이루는 것이 기재되어 있다. 이 고경도공구용소결체에서는, 결합화합물로서 주기율표 제 IVa, Va, VIa족 천이금속의 탄화물, 질화물, 붕화물, 규화물 혹은 이들 상호고용체 화합물이 사용되고 있다. 이들 화합물은 비교적 고경도이며 또한 고융점이다. 따라서 절삭공구로서 일반적으로 높은 성능을 나타내는 것이다.
그런데, 상기 일본국 특허공개공보 소화 53-77811호를 구체화한 시판의 고경도공구용소결체로서는 통상, 3㎛직경의 입방정질화붕소를 50~60체적% 함유하는 소결체가 시판되고 있다.
일본국 특허공개공보 소화 53-77811호에 기재되어 있는 고경도공구용소결체를, 절삭공구에 사용하였을 경우에 일반적으로 높은 성능을 나타내는 것은 상기 시판품에 있어서도 확인되고 있다. 그러나, 절삭공구로서 사용하였을 경우에 그 용도에 따라서는 하기와 같은 문제점이 있었다.
즉, 피절삭물이 경화강이므로, 키이홈을 가진 부재나 구멍을 가진 부재일 경우에, CBN소결체로 이루어진 칼날선단이 키이홈 혹은 구멍에 연속적으로 침입할 경우, CBN소결체가 파손되는 일이 종종 있었다. 이러한 파손은 제 1도 및 제 2 도에 도시한 바와같이 절삭초기에는 칼날선단의 접촉개시점에 응력이 충격적으로 가해져서 파손이 진행하고, 또한 절삭을 계소하였을 경우 레이크(rake) 면에 크레이터(crater)마모가 발생하고, 이 마모가 진행해서 칼날선단이 예리하게 되어 파손되는 것이라고 추측된다.
상기 용도에 있어서, 이와같은 칼날선단의 손상이 생기는 것은, 고경도공구용 소결체자체의 경도가 불충분하고 또한 내(耐)크레이터성이 떨어진다는 것을 의미한다.
따라서, 본 발명의 목적은 경도가 높고, 또한 내크레이터성이 뛰어난 고경도 공구용 소결체를 제공하는데 있다.
CBN소결체에 있어서, 상술한 바와같은 용도에 있어서의 내파손성을 높이려면, 결합체의 경도를 CBN함유량을 많게 함으로서 높히는 것과, 내크레이터성이 높은 결합제를 사용하는 것이 고려되고 있다.
그래서, 본 발명자들은, 고경도경화강을 절삭하는데 적당한 고경도의 CBN소결체를 얻기 위하여, 여러가지 검토한 결과, 입자직경이 4~10㎛, 2~4㎛ 및 2㎛ 미만의 CBN입자를 혼합해서 사용하고, 또한 결합제로서 (Ti, M)Cx, (Ti, M)Nx 혹은 (Ti, M)(C, N)x로 표시하였을 때에(M은 주기율표 IVa, Va, VIa족의 천이금속)0.5
Figure kpo00001
x
Figure kpo00002
0.85인 Ti를 함유하는 탄화물, 질화물, 탄질화물의 단체 또는 이들의 고용체와 금속 Al로 환산한 Al 및 WC를 10
Figure kpo00003
Al
Figure kpo00004
50, 5
Figure kpo00005
WC
Figure kpo00006
40결합제중의 중량% 함유하는 것을 사용하면, 내크레이터성이 뛰어난 소망의 고경도 CBN소결체를 얻을 수 있는 것을 발견하였다.
본 발명에서는 입자직경이 다른 CBN입자를 혼합함으로서, CBN소결체의 조직이 균일하고 또한 CBN함유량이 65~75체적%인 고경도소결체를 얻을 수 있었다.
여기에서 CBN함유량을 상술한 바와같이 선택한 것을 이하의 이유에 의한다.
CBN함유량이 65체적% 미만이 되면, 상술한 바와 같이 정도가 불충분해지며, 칼날선단에서 소성유동(塑性流動)이 발생하여 파손에 이른다. 또, 75체적%을 초과하면, 내마모성이 급격히 저하하여 크레이터마모가 증대하고, 칼날선단이 예리하게 되어 파손이 발생한다. 따라서 CBN함유량은 65~75체적%의 범위에 있는 것이 요구된다.
또, 입자직경을 상술한 바와같이 선택한 것은,
(가) 10㎛직경을 초과하는 CBN입자를 사용하였을 경우, CBN입자 자체의 칩핑(chipping)으로 파손이 발생한다.
(나) 상술한 입도의 미립자 및 거칠은 입자가 혼입된 CBN분말을 사용하며, 소망의 65~75체적%의 CBN함유율로 조직이 균일한 소결체를 얻을 수 있다.
(다) 입자직경 4㎛ 이하의 CBN입자를 사용하였을 경우, CBN입자가 65체적% 이상의 소결체를 제조하면 조직이 불균일하게 되어 파손을 발생하기 쉬워진다. 균일한 조직을 얻기 위해서는 CBN입자함유율을 저감하지 않으면 안되고 소망의 경도를 가진 소결체를 얻을 수 없다.
이상의 이유에 의해서 본원 발명자들은 입도를 검토한 결과, 상술한 바와 같은 입도의 CBN입자에 있어서 뛰어난 성능을 나타내는 것을 발견하였다.
또, 본 발명의 고경도공구용 소결체에서는, 결합제로서, Ti를 함유하는 탄화물, 질화물, 탄질화물의 단체(單體) 혹은 고용체(固溶體)가 사용된다. 이들은 Ti를 함유하므로 소결에 있어서 CBN에 반응하여 강도가 뛰어난 계면(界面)을 구성한다.
또한, Ti를 함유하는 탄화물, 질화물, 탄질화물의 고용체를, 상술한 바와같이 표시하였을때에 x의 값을 0.5
Figure kpo00007
x
Figure kpo00008
0.85로 한것은 하가의 이유에 의한다. x가 0.5미만일 경우에는 소결체의 경도가 저하하고, 한편, 0.85를 초과할 경우에는 유리 Ti가 감소하여 CBN과 결합제와의 결합력이 저하하기 때문이다.
또, 결합제중에, 금속 Al로 환산한 Al과 WC를 각각 결합재의 중량%로 10
Figure kpo00009
Al
Figure kpo00010
50.5
Figure kpo00011
WC
Figure kpo00012
40함유하는 이유는, Al는 결합상(相)의(Ti, M)Cx, (Ti, M)(C, N)x 또는 (Ti, M)Nx 및 CBN입자와 반응하여 TiAl9, Al N 또는 Al B2등을 생성하고, 결합상과 CBN입자와의 결합력을 높이기 때문이다. Al이 결합제의 10중량%미만일 경우에는 결합력이 저하하여 CBN입자가 탈락하기 쉽게되어 내크레이터성은 떨어지게 된다. 한편 50중량%를 초과할 경우에는 경도를 저하시켜 버리므로 칼날선단이 파손하기 쉬워진다.
또, WC는 소결체의 내마모성을 향상시키기 위하여 필요하며, WC가 결합제중의 5중량% 미만일 경우에는 그 효과가 불충분하다. 따라서, 내마모성이 저하하고, 나아가서는 크레이터마모가 증대하기 쉽게 되어 내파손상이 떨어지게 된다. 한편, 40중량%를 초과할 경우에는 Al량 및 Ti를 함유하는 탄화물, 질화물, 탄질화물의 단체 혹은 고용체가 결합제중에 적게 함유되게 되어, CBN과 결합상의 결합력이 저하하고, CBN입자가 탈락, 파손하게 된다. 따라서, 본 발명의 소결체는, 입자직경 4~10㎛, 2~4㎛ 및 2㎛미만의 CBN입자를, 각각 25~50, 5~50 및 10~25체적%의 비율로 함유하는 CBN분말과, WC분말과, Al분말과, (Ti, M)Cx, (Ti, M)Nx 또는 Ti, M)(C, N)x라고 표시하여을때에 (M은 주기율표 IVa, Va, VIa족의 천이금속원소) 0.5
Figure kpo00013
x
Figure kpo00014
0.85인 Ti분말을 함유하는 탄화물, 질화물, 탄질화물의 단체 혹은 이들 고용체분말을 혼합하는 과정과, 혼합된 분말을 입방정질화붕소의 안정적인 조건하에서 소결하는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 혼합에 있어서는, 미리 WC와, Ti를 함유하는 상기 분말과, Al을 혼합해높고, CBN분말을 후에 혼합하는 것이 바람직하다. 이것은, Ti를 함유하는 분말, Al 및 WC를 혼합물분말중에서 균일하게 분산시키기 쉽기 때문이다.
보다 바람직하게는 WC분말과, Ti함유분말과 Al를 1000~1500℃의 온도에서 혼합함으로서, 보다 균일하게 각 결합제 구성분말을 분산시킬 수 있다.
이상과 같이 해서 얻은 혼합분말을 통상은, 탈기(脫氣)하여 분말상태 혹은 형압(型押) 성형한 후 초고압 장치를 사용해서 입방정질화붕소의 안정된 고압. 고온화에서 소결시킨다.
이와같이 해서 본 발명의 고경도공구용소결체를 얻을 수 있다.
본 발명에서 소결체의 성분은, 입방정질화 붕소 65~75체적%와 결합재로 이루어지고, 상기 결합재는 (Ti, M)Cx, (Ti, M)Nx 또는 (Ti, M)(C, N)x로 표시하였을때에 (M은 주기율표 IVa, Va, VIa족의 천이금속) 0.5
Figure kpo00015
x
Figure kpo00016
0.85인 Ti를 함유하는 탄화물, 질화물, 탄질화물의 단체 혹은 이들의 고용체화, 금속 Al로 환산한 Al 및 WC를 10
Figure kpo00017
Al
Figure kpo00018
50 및 5
Figure kpo00019
WC
Figure kpo00020
40 상기 결합제중의 중량% 함유하는 것이기 때문에, 예를들면 고경도 경화강으로 이루어진 피절삭재로서 키이홈 혹은 구멍등의 평탄하지 않은 부분을 가진 것을 절삭하는데 있어서도, 파손이 발생하기 어려운 고경도의 CBN소결체를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 상술한 바와같은 고경도소결체는 고경도소결체의 피절삭재의 절삭에 적합한 것이기는 하나, 절삭공구이외의 와이어 드로우잉 다이스, 드릴비트(drill bit)의 공구에도 사용할 수 있음을 지적해 둔다. 다음에 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
[실시예 1]
제 1 표에 나타낸 성분조성을 갖도록 고온합성한 고융점화합물분말과, 마찬가지로 알루미늄분말 및 탄화텅크스텐분말과, CBN입도가 4~8㎛(30중량%), 2~4㎛(50중량%) 및 2㎛이하(20중량%)의 CBN분말을 제 1 표에 나타낸 비율로 혼합하였다. 이 혼합분말을 초경합금제 보올밀 (ball mill)속에서 아세톤을 용매로해서 혼합하고 건조시켰다. 다음에, 얻어진 건조분말을 Mo계 용기속에 넣고, 이 용기를 진공로내에서 10-4mmHg의 진공도로 1000℃의 용도에서 20분간 가열해서 탈기하였다. 이것을 압력 55kb, 온도 1400℃의 조건에서 초고압 초고온하에서 소결하여 소결체를 얻었다. 시험제작한 소결체의 조직을 전자현미경을 사용해서 관찰한 바, CBN의 입자직경 8㎛이하의 미립자 및 거칠은 입자가 균일하게 분산되어 있는 것이 확인되었다.
얻어진 소결체를 사용해서 절삭칩을 만들었다. 피절삭재로서 SKD11종의 재질로 이루어진 것을 사용해서, 외주부의 4개소에 폭 10mm의 U자형상의 홈을 형성한 것을 사용하였다. 피절삭재의 경도는 HRC로 59이다. 절사조건은 절삭속도 : 100m/분, 절삭깊이 : 0.2mm, 이송속도 : 0.1mm/회전, 건식으로 하였다.
상기한 조건에서 절삭시험을 행한 결과를 제 3 도에 나타낸다.
칩의 칼날단부가 파손될때까지의 절삭시간을 비교하였을 경우, 소결체속의 CBN함유율에 크게 영향을 받고, 시판의 CBN함유율 60용량% 칩(b)의 절삭시간을 100이라고 하였을때, 본 실시예의 CBN함유를 65~75체적%의 칩은 280~400으로 현저히 장시간의 절삭이 가능한 것을 알수 있다.
[제 1 표]
Figure kpo00021
* : 함유율은 체적%
[실시예 2]
제 2 표-1에 나타낸 입도의 CBN분말과, 고융점화합물분말을 혼합하여, 실시예 1과 마찬가지로 소결체를 얻었다. 다음에 이 소결체로부터 절삭칩은 제작하여 하기의 절삭시험을 행하였다.
피절삭재는 SNCM 9종의 강으로 이루어진 것을 사용하였다. 경도는 HRC로 58이다.
절삭조건은, 절삭속도 : 12mm/분, 절삭깊이 : 0.1mm, 이송속도 : 0.1mm/회전 및 건식으로 하였다.
상기 절삭조건하에서 제 2 표-1의 조성시료를 절삭한 결과를 제 2 표-2에 나타낸다.
[제 2 표-1]
Figure kpo00022
[제 2 표-2]
Figure kpo00023
[실시예 3]
실시예 1에서 얻은 소결체 및 제 3 표에 나타낸 샘플 n, o에 대하여, 내마모성을 조사하기 위하여, SKD11종강의 연속절삭시험을 행하였다.
피절삭재의 경도는 HRC로 60이다.
절삭조건은 절삭속도 : 10m/분, 절삭깊이 : 0.2mm, 이송속도 : 0.1mm/회전 및 건식, 절삭시간 10분으로 하였다.
레이크면의 크레이터 깊이를 측정한 결과를 제 4 도에 나타낸다. CBN함유율이 65용량%미만의 것 및 80용량%를 초과하는 것은 현저히 마모량이 많고, CBN함유율 65~75용량%의 경우의 칼날선단면 깊이의 2배이상인 것을 알수 있다.
[제 3 표]
Figure kpo00024
[실시예 4]
평균입도 1㎛의 (Ti, Ta, Mo, W)(C0.5N0.5)0.75의 분말과, 알루미늄분말 및 산화팅크스텐분말을 제 4 표에 나타낸 비율로 혼합하고, 이 분말을 미리 1200℃의 고온에서 열처리하여, 이것을 초경합금제 보올밀로 예비분쇄함으로서, 결합제분말 n~x를 얻었다. 얻은 결합제분말에, 입도 4~10㎛, 2~4㎛ 및 2㎛미만의 CBN입자가 5 : 4 : 1로 혼합된 CBN분말을 체적으로 65용량%, 결합제를 35용량%의 비율로 혼합하여 실시예 1과 마찬가지로해서 Mo제 용기에 넣고, 압력 40kb, 온도 1200℃의 조건에서 소결을 행하였다. 얻은 소결치로부터 절삭칩을 제작하고, 피절삭재로서 SUJ 2종(HRC=60)의 강을 사용해서 절삭시험을 행하였다. 이 피절삭재는, 내경 25mm, 외경 35mm의 원통형상의 것이며, 20개소에 직경 5mm의 관통구멍이 형성되어 있는 것이다. 절삭조건은 절삭속도 : 120m/분, 절삭깊이 : 0.15mm 및 이송속도 : 0.1mm/회전이다. 절삭시험결과를 제 5 도 및 제 6 도에 도시한다. 또한 제 5 도는 횡축에 결합제속의 알루미늄분말의 양을, 제 6 도는 횡축에 결합제속의 탄화텅크스텐분말의 양을 표시하고 있는 것으로서, 다같이 종축에는 여유면마모폭으로서 0.2mm이상이 될때까지의 피적삭재의 가공수(加工數)를 표시하고 있다.
[제 4 표]
결합제중의 Al, WC의 양
Figure kpo00025
주 : 결합제 : (TiW)(C0.43N0.57)0.8+Al+WC
CBN함유율 : 모두 7C용량%

Claims (1)

  1. 입방정질화붕소의 입도을 체적%로 4~8㎛의 것을 25~70%, 2~4㎛의 것을 5~50%, 2㎛의 것을 10~25%로 하고, 이 함유물을 65~75체적%로 하여 나머지는 결합재로 이루어지는 소결체에 있어서, 상기 결합제는 (Ti, M)Cx, (Ti, M)Nx 혹은 (Ti, M)(C, N)x라고 하였을때 (M은 주기율표 IVa, Va, VIa족의 천이금속) 0.5
    Figure kpo00026
    x
    Figure kpo00027
    0.85인 Ti를 함유하는 탄화물, 질화물, 탄질화물의 단체 혹은 이들의 고용체와 금속 Al로 환산한 Al 및 WC를 10
    Figure kpo00028
    Al
    Figure kpo00029
    50 및 5
    Figure kpo00030
    WC
    Figure kpo00031
    40로하여 함유하는 것을 특징으로 하는 고경도 공구용 소결체.
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