KR960000556B1 - 입방정질화붕소기 초고압소결 공구재료 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

입방정질화붕소기 초고압소결 공구재료

제1도는, 본 발명에 의한 공구재료의 소결후의 시료의 X선 회절챠트를 표시하는 도면이다.

본 발명은, 강도가 높고, 예컨대, 고경도강을 고속에서 단속적으로 절삭하거나, 또는, 고속이송에서의 단속적인 절삭등의 가혹한 절삭조건에서도 절삭날이 손상되거나 치핑(chipping)의 발생이 없이, 내마모성이 우수한 입방정질화붕소(이하 c-BN으로 표시함)기 초고압소결 공구재료에 관한 것이다.

종래에는 예컨대, 일본국 특개소 55-62862호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 결합상형성성분으로, Ti의 탄화물, 질화물, 및 탄질화물(이하, 각 TiC, TiN, 및 TiCN으로 표시함)중에서 1종 또는 2종 이상을 10-60% 함유하고, 결합상형성성분으로서의 산화알루미늄(이하 Al₂O₃로 표시함)을 0.1-18% 함유하며, 나머지가 분산상형성성분으로서의 c-BN과 불가피한 불순물로 조성(이상 용량%, 이하 %는 용량 %를 표시함)된 c-BN기 초고압소결재료가 알려져 있다.

그리고, 이 초고압소결재료로 조성된 절삭팁이 예컨대, 롤웰경도(C 스케일)로 55-62의 경도를 나타내는 고경도강의 마무리절삭에 사용되며, 또, 이 절삭팁이 Ni기 혹은 Co기 슈우퍼합금등의 마무리절삭에 사용되고 있는 것은 잘 알려져 있다.

한편, 최근에는 절삭기계가 눈부실만큼 고성능이며, 에너지절약과 함께 절삭속도의 고속화 및 중절삭화하는 경향이다.

그런데, 상기한 종래의 c-BN기 초고압소결재료로 만들어진 절삭팁은 이것을 예컨대, 침탄담금질강이나 고주파담금질강등의 고경도강을 고속에서 단속적으로 절삭하는 경우, 또는, 고속이송에서의 단속절삭등의 가혹한 절삭조건에서, 강도가 떨어지는 문제가 있다. 그리고, 강도의 부족이 원인이 되어서 상기한 절삭팁의 절삭날이 손상되거나 치핑이 발생하기 쉽고, 충분히 만족하는 절삭성능을 표시하지 않는 것이 현실이다.

그래서, 본 발명자등은 상기한 바와 같은 관점에서, 상기한 종래의 c-BN기 초고압소결재료로 만든 절삭팁에 착안하여, 이것의 강도를 향상시킬 수 있도록 연구를 실시한 결과, 아래의 (1)-(3)에 기재된 연구 결과를 얻었다.

(1) 상기한 종래의 c-BN기 초고압소결재료로 만든 절삭팁에 있어서는, c-BN기 초고압소결재료의 결합상을 형성하는 TiC, TiN 및 TiCN 과 Al₂O₃의 결정입자의 최대지름이 모두 3㎛를 초과하여 커진 것이 판명되었다.

이와 같이, 결정입자의 지름이 커지는 이유는, 입자지름이 1㎛ 이하인 미세한 원료분말을 사용하여 절삭팁을 제조하여도, 초고압소결의 단계에서 결정입자가 커지는 것이 원인이며, 이와 같이 최대입자지름이 3㎛를 초과하는 입자의 결합상이 존재하면, 충분한 강도를 얻을 수 없다고 하는 문제가 있다.

(2) 상기한 경우, 초고압소결에 의하면, 결합상의 입자가 커지는 일은 있지만, c-BN의 결정입자지름의 크기에는 거의 영향을 미치지 않는 것이 판명되었다.

따라서, 결정입자지름이 1㎛ 이하인 c-BN 분말을 원료분말로 사용하면, 초고압소결 후에도 c-BN의 결정입자의 지름은 1㎛ 이하를 유지할 수 있다.

(3) 한편, 결합상형성용 원료분말로, 산소를 함유하며, 바람직하게는 8-20중량%의 산소를 함유하는 Ti 과 Al의 복합질화물, 복합탄화물, 및 복합탄질화물(이하, 각각 Ti_2-3AlN, Ti_2-3AlC 및 Ti_2-3AlCN으로 표시한다)중에서 1종 또는 2종 이상을 사용하면, 이들이 초고압소결시에 분해되고, c-BN과 반응한다는 것을 알게 되었다.

즉, 이 반응에 의해, TiC, TiN 및 TiCN 중에서 1종 또는 2종 이상과, Al₂O₃및 질화알루미늄(이하 AlN으로 표시함)중에서 1종 또는 2종과 붕소화티탄(이하 TiB₂)로 표시함이 형성되게 된다. 그리고 이들의 결합상을 구성하는 TiC, TiN, TiCN, Al₂O₃및 TiB₂는 모두 결정입자의 지름이 1㎛ 이하로 극히 미세하게 된다는 것을 알게 되었다. 그리고, 이것과 동시에, 분산상형성성분으로서의 C-BN의 졀정의 입자지름도 1㎛ 이하로 형성된 C-BN 기초고압소결재료를 얻을 수 있다는 것도 알게 되었다.

이러한 것들을 본원 발명자등은 이미 알고 있던 것이었는데, 일반적으로는 알려져 있지 않다.

그리고, 상기한 재료를 사용하여 절삭팁을 제조하면 이 절삭팁은 강도가 높게 되어, 가혹한 절삭조건에서도 절삭날이 손상되거나 치핑의 발생이 없이 뛰어난 내마모성을 발휘하게 되는 것이 명확하게 되었다.

따라서, 본 발명은 상기한 연구결과에 의거하여 이루어진 것으로, 결합상형성성분으로, 산소를 함유한 Ti₂AlN, Ti₂AlC 및 Ti₂AlCN중에서 1종 또는 2종 이상과, C-BN과의 분해반응상을 20-48%를 함유하고, 나머지가 준산상형성성분으로서의 C-BN과 불가피한 불순물로 조성되며, 또, 상기한 분해반응상이, TiC, TiN 및 TiCN 중에서 1종 또는 2종 이상과, Al₂O₃및 AlN중에서 1종 또는 2종과, TiB₂로 조성되고, 상기한 분해반응상으로 조성된 결합상 및 C-BN으로 조성된 분산상결정의 입자지름이 모두 실질적으로 1㎛ 이하로 된 강도가 높은 C-BN 기초고압소결재료이다.

본 발명의 절삭팁을 구성하는 C-BN 기초고압소결재료의 결합상의 함유량을 20-48%로 한정한 것은, 그 함유량이 20% 미만에서는 실질적으로 C-BN의 함유비율이 80%를 초과하여 많아지면서 인성이 현저하게 저하하기 때문이다.

한편, C-BN 기초고압소결재료의 결합상의 함유량이 48%를 초과하면 C-BN의 함유비율이 실질적으로 52% 미만으로 적어지면서, 필요로 하는 뛰어난 내마모성을 얻을 수 없기 때문이다.

그리고, 본 발명의 절삭팁에 있어서, C-BN 기초고압소결재료를 구성하는 접합상 및 분산상결정의 입자지름을 1㎛ 이하로 한 것은, 상기한 바와 같이, 결합상 및 분산상의 어떤 결정입자에서도 입자지름이 1㎛를 초과하는 큰 입지가 있게 되면, 특히 가혹한 절삭조건에서의 절삭시에, 지름이 큰 입자가 절삭날에서의 손상이나 치핑의 발생원인이 되기 때문이다.

한편, 결합상 형성용 원료분말로서, 산소를 함유하며, 바람직하게는, 5-15중량%의 산소를 함유하는 Ti과 Al의 복합질소물 복합탄화물 및 복합탄질화물(이하, 각각 Ti_2-3AlN, Ti_2-3AlC 및 Ti_2-3AlCN으로 표시함)중에서 1종 또는 2종 이상을 사용하면 이들이 초고압소결시에 분해되고 C-BN과 반응한다.

즉, 이러한 반응에 의해 TiC, TiN및 TiCN 중에서 1종 또는 2종 이상과, Al₂O₃및 질화알루미늄(이하 AlN으로 표시함)중에서 1종 또는 2종과, 붕소화티탄(이하 TiB₂로 표시함)이 형성된다.

그리고, 이들의 결합상을 구성하는 TiC, TiN, TiCN, Al₂O₃, AlN 및 TiB₂는 모두 결정입자의 지름이 1㎛이하로 극히 미세하게 된다. 그리고, 이것과 동시에 분산상형성 성분으로서의 C-BN 결정입자의 지름도 1㎛이하로 형성된 C-BN기 초고압소결재료를 얻을 수 있다. 그러므로, 상기한 재료로 절삭팁을 형성하면, 이 절삭팁은 강도가 극히 높게 되며, 따라서 가혹한 절삭조건에서도 절삭날이 손상되거나 치핑의 발생이 없이 뛰어난 내마모성을 나타나게 된다.

[실시예]

다음에 본 발명의 절삭팁을 실시예에 의해 구체적으로 설명한다.

먼저, Ti₂AlN 분말, Ti₂AlC 분말, Ti₂AlCN 분말을 각각 볼밀속에서 직경이 0.2-1.5mm인 WC기초경합금제 볼을 사용하여 습식으로 분쇄하여 혼합하였다.

그리고, 이 혼합물에 산소분압을 0.005-1%의 범위로 유지하는 산소를 함유한 알곤가스분위기에서 200-400℃의 소정의 온도에서 1시간 동안 산화처리를 실시하여, 각각 표1에 표시되는 산소함유량의 Ti₂AlN 분말, Ti₂AlC 분말, Ti₂AlCN 분말을 결정상형성형 원료분말용으로 제조하였다.

다음에, 이들 분말과, 분말상형상용 원료분말로 사용하는 C-BN분말을 원심분리기를 사용하여, 입도분포가 모두 1㎛ 미만이 되도록 분류한 상태에서 동일한 조건에서 습식혼합하고, 건조시켰다. 이후에, WC-10중량% Co로 조성되어 있으며, 직경이 10mmø이고 두께가 2mm인 지지팁위에서 2ton/cm²의 압력으로 프레스 성형하여 압분체로 한 후, 이 압분체를 상기한 지지팁과 함께 초고압소결장치에 장입하여 압력이 6.2㎬, 온도가 1500℃인 조건에서 소결하였다.

이것에 의해, 분산상과 결합상의 비율이 실질적으로 배합비율과 동일하고, 각각 표1에 표시되는 두께의 본 발명의 시료인 절삭팁 1-13을 제조하였다.

또, 상기한 각 절삭팁(2), (4)(5)(6)과 동일하게 조성된 소결체를 와이어 방전가공으로 절단한 후, 다이어몬드지석을 사용하여 연마가공1200#의 다이어몬드지석으로 마무리)하여, H×W×L이 1mm×2mm×12mm인 시험편을 만들었다.

이 서험편에 대해서 간격 10mm의 3점 벤딩시험을 실시하여, 벤딩 강도를 구하였으며, 그 결과를 표1에 표시한다.

[표 1]

그리고, 비교할 목적에서, 동일하게 입도분포가 모두 1㎛ 미만이 되도록 입도조정된 TiC 분말, TiN 분말, TiCN 분말, Al₂O₃분말, AlN 분말, TiB₂분말 및 C-BN 분말을 원료분말로 사용하며, 이들 원료분말을 표2에 표시된 조성으로 배합되는 것 이외에는 동일한 조건에서 실질적으로 배합이 동일하게 조성된 표2에 표시된 종래의 절삭팁 1-10을 각각 제조하였다,

또, 종래의 절삭팁(2), (5)과 동일하게 조성된 소결체에 대해서 상기한 것과 동일한 벤딩시험을 실시하여 벤딩강도를 구하였으며, 그 결과를 표2에 표시하였다.

[표 2]

그리고, 이렇게 하여 얻어진 각종 절삭팁에 대해서, 결합상 구성부분을 X선 회절에 의해 측정하며, 이것을 구성하는 C-BN 및 결합상의 최대결정 입자지름을 측정하였다.

그 후, 상기한 각종 절삭팁을 방전가공으로 6등분하여 부채꼴로 하였으며, 이것을 WC기 초경합금제의 대금(代金)에 납땜으로 접착하고, 연삭하여 TPGA322의 형상을 가진 스로어웨이팁(thowaway tip) 으로 하였으며,

피절삭재 : 외주면에서 일정한 간격으로 8개의 홈이 길이방향을 따라 형성된 SCr415(표면경도 : HRC62)의 환봉

절삭속도 : 250m/min

이송율 : 0.1mm/rev

절삭깊이 : 0.1mm

절삭시간 : 10분

의 조건(이하 절삭조건 A라고 한다)에서 침탄소입강을 고석으로 단속적으로 마무리절삭시험을 실시하였다.

다음에,

피절삭재 : 외주면에서 일정한 간격으로 8개의 홈이 길이방향을 따라 형성된 SCM418(표면경도 : HRC55)의 환봉

절삭속도 : 150m/min

이송율 : 0.4mm/rev

절삭깊이 : 0.1mm

절삭시간 : 10분

의 조건(이하 절삭조건 B라고 한다)에서 침탄소입강을 고속으로 단속적으로 마무리절삭시험을 실시하였다.

상기한 각 시험에서, 각각 절삭날의 여유면의 마모폭을 측정하였으며, 이들의 측정결과를 표3과 표4에 표시하였다.

[표 3]

[표 4]

표 1-4에 표시된 바와 같이, 본 발명의 절삭팁 1-13은 어느정도 C-BN및 결합상에 결정입자지름이 1㎛보다 큰 경정입자는 없으며, 이것에 의해 강도가 높게 되므로, 고경도강을 고속에서 단속적으로 절삭하거나 또는 마무리절삭하는 가혹한 조건에서도 절삭날이 손상되거나 치핑의 발생이 없이, 뛰어난 내마모성을 나타내었다.

이것에 대해서, 표2및 표4에 표시된 바와 같이, 비교절삭팁 1-10은 어느것도 입도분포가 1㎛ 미만인 분말이 존재하지 않는 원료분말을 사용하였음에도 불구하고, 초고압소결시에 입자가 커져서 결정입자지름이 3㎛ 이상인 결정입자가 존재하게 되었다.

이 결과, 비교절삭팁 1-10은 강도가 떨어지게 되었으며, 상기한 가혹한 조건에서의 절삭에서 치핑이 발생하였으며, 단시간에 내용수명(耐用壽命)에 도달하는 것이 판명되었다.

상기한 바와 같이, 본발명의 절삭팁은 고강도의 C-BN기 초고압소결재료로 구성되므로, 고속 및 중절삭(重切削)의 절삭조건에도 충분히 대응할 수 있으며, 손상에 대한 내구성과 내마모성을 장시간 동안 발휘하는 등의 공업적으로 유용한 특성을 갖게 된다.

다음에, 표1에 표시된 본 발명의 실시예에 의한 시료에 대한 소결후의 X선 회절시험의 결과를 제1도에 표시하였다,

제1도는, 소결후의 X선 회절챠트를 표시하는 것으로, Ti₂AlC의 피크가 소멸되고 있다.

따라서, AlN의 피크와 TiB₂의 피크가 나타나며, 특히, TiC의 피크가 강하게 나타나고 있다.

이상의 결과로부터, 고온고압의 소결조건에 의해 Ti과 Al의 복합탄화물의 Ti₂AlC가 , Ti의 탄화물의 TiC에 분해되며, 이때, C-BN의 존재에 의해 TiB₂와 AlN이 생성된 것이 명확하다.

Claims (3)

1. 결합상형성성분, 분산상형성성분 및 불가피한 불순물로 조성되어 있으며, 상기한 결합상형성성분이, 산소함유의 Ti과 Al의 복합탄화물, 복합질화물 및 복합탄질화물중에서 1종 또는 2종 이상과, 입방정질화물소와의 분해반응상을 20-48용량% 함유하고, 상기한 분산상형성성분이, 입방정질화붕소로 구성되며, 상기한 분해반응상이, Ti의 탄화물, 질화물, 및 탄질화물중에서 1종 또는 2종 이상과, 산화알루미늄 및 질화알루미늄중에서 1종 또는 2종과, 붕화티탄으로 구성되고, 상기한 분해반응상으로 구성된 결합상 및 입방정질화붕소로 구성된 분산상결정의 입자지름이 모두 실제로 1㎛이하이며, 강도가 높은 것을 특징으로 하는, 입방정질화붕소기 초고압소결 공구재료.
2. 제1항에 있어서, 상기한 Ti과 Al의 복합탄화물Ti_2-3AlN이며, Ti과 Al의 복합질화물이 Ti_2-3AlC이고, Ti과 Al의 복합탄질화물이 Ti_2-3AlCN인 것을 특징으로 하는, 입장정질화붕소기 초고압소결 공구재료.
3. 제1항에 있어서, 분해반응상이, TiC, TiN, TiCN, Al₂O₃, AlN및 TiB₂중에서 1종 또는 2종 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 입방정질화붕소기 초고압소결 공구재료.