KR20040101476A

KR20040101476A - 입방정 질화붕소기 초고압 소결재료로 만든 절삭 팁

Info

Publication number: KR20040101476A
Application number: KR10-2004-7016416A
Authority: KR
Inventors: 다지마이츠로우; 세키나오카타; 야마모토가즈오
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-12-02
Also published as: EP1498199A1; US7112235B2; KR20090101383A; EP1498199B1; CN1662334A; US20050145066A1; EP1498199A4; WO2003089172A1; CN1662334B; KR101121412B1; DE60333829D1

Abstract

치핑 내성이 우수한 입방정 질화붕소기 초고압 소결재료로 만든 절삭 팁이다. 이 입방정 질화붕소기 초고압 소결재료로 만든 절삭 팁은, 주사형 전자현미경에 의한 조직 관찰에서, 실질적으로 연속 결합상, 경질 분산상 및 상기 연속 결합상과 경질 분산상 사이에 개재하는 중간 밀착상의 3상 조직을 나타내고, 또한 질량% 로 상기 연속 결합상 형성 성분으로서 질화티탄, 탄질화티탄 및 탄화티탄 중 2종 이상, 또는 탄질화티탄 : 15∼56질량%, 상기 중간 밀착상 형성 성분으로서 Ti 와 Al 의 복합 질화물 : 2∼10질량%, 탄화텅스텐 : 2∼10질량%, 상기 경질 분산상 형성 성분으로서 입방정 질화붕소 : 잔부 (단, 35∼65질량% 함유) 로 이루어지는 배합 조성을 갖는 입방정 질화붕소기 초고압 소결재료로 구성된다.

Description

입방정 질화붕소기 초고압 소결재료로 만든 절삭 팁 {CUBIC BORON NITRIDE BASE ULTRA-HIGH PRESSURE SINTERED MATERIAL CUTTING TIP}

종래, 일반적으로 c-BN 기 소결 절삭 팁으로서, 예를 들어 일본 공개특허공보 소53-77811호에 기재된 바와 같이 주사형 전자현미경에 의한 조직관찰에서, 실질적으로 연속 결합상 및 경질 분산상의 2상 조직을 나타내고, 또한 질량% 로,

상기 연속 결합상 형성 성분으로서,

질화티탄 (이하, TiN 으로 나타냄), 탄질화티탄 (이하, TiCN 으로 나타냄) 및 탄화티탄 (이하, TiC 로 나타냄) 중 1종 또는 2종 이상 : 20∼45%,

상기 경질 분산상 형성 성분으로서,

입방정 질화붕소 (이하, c-BN 으로 나타냄) : 잔부,

로 이루어지는 배합 조성을 갖는 프레스 성형체의 소결체인 입방정 질화붕소기 초고압 소결재료 (이하, c-BN 기 재료라 함) 로 구성된 c-BN 기 소결 절삭 팁이 알려져 있으며, 이것이 예를 들어 각종 강이나 주철 등의 표면 마무리 절삭 등에 사용되고 있는 것도 알려져 있다.

한편, 최근의 절삭장치의 고성능화 및 고출력화는 놀랍고 또한 절삭가공의 생력화(省力化) 및 에너지 절약화에 대한 요구도 강하여, 이에 따라 절삭가공은 고속화되는 경향에 있지만, 상기한 종래 c-BN 기 소결 절삭 팁을 비롯하여 그 밖의 c-BN 기 소결 절삭 팁에서는, 예를 들어 고경도 담금질강 등의 난삭재의 마무리 절삭 등을 고속으로 실시하는데 사용하면 연속 결합상을 구성하는 실질적으로 TiCN 상에 대한 경질 분산상인 c-BN 상의 밀착성 부족 때문에 상기 c-BN 상이 박리되기 쉬워지고, 그 결과 칼날에 치핑 (미소 결손) 이 발생하게 되므로, 비교적 단시간에 사용수명에 이르는 것이 현 상황이다.

본 발명은, 예를 들어 고경도 담금질강 등의 난삭재의 마무리 절삭을 고속으로 실시한 경우에도 우수한 치핑 내성을 발휘하는 입방정(立方晶) 질화붕소기 초고압 소결재료로 만든 절삭 팁 (이하, c-BN 기(基) 소결 절삭 팁이라 함) 에 관한 것이다.

그래서, 본 발명자들은, 상기 서술한 바와 같은 관점에서 치핑 내성이 우수한 c-BN 기 소결 절삭 팁을 개발하기 위하여 연구한 결과,

c-BN 기 소결 절삭 팁의 제조에 있어서, 원료 분말로 사용되고 있는 c-BN 분말과, TiN 분말, TiCN 분말 및 TiCN 분말에 더하여, 추가로 Ti 와 Al 의 복합 질화물 [이하, (Ti, Al)N 으로 나타냄] 분말과 탄화텅스텐 (이하, WC 로 나타냄) 분말을 원료 분말로 사용하여, 이들을 질량% (이하, % 는 질량% 를 나타냄) 로,

TiN, TiCN 및 TiC 중 2종 이상 또는 TiCN : 15∼56%,

(Ti, Al)N : 2∼10%,

WC : 2∼10%,

c-BN : 잔부 (단, 35∼65% 함유),

로 이루어지는 배합 조성으로 배합하고 혼합하여 형성한 프레스 성형체를 초고압 소결하면, 이들 구성성분 중 (Ti, Al)N 분말과 WC 분말이 소결시에 우선적으로 c-BN 분말의 표면에 응집하고 반응하여 반응생성물을 형성하고, 소결 후의 c-BN 기 재료에 있어서 상기 반응생성물이 실질적으로 TiCN 상으로 이루어지는 연속 결합상과 c-BN 상으로 이루어지는 경질 분산상 사이에 개재(介在)하게 되며, 게다가 이 반응생성물은 연속 결합상을 구성하는 상기 TiCN 상, 또한 경질 분산상을 구성하는 상기 c-BN 상 어디 것과도 매우 강하게 밀착되어 중간 밀착상으로서 작용하는 점에서, 이 c-BN 기 재료로 구성된 c-BN 기 소결 절삭 팁은, 예를 들어 고경도 담금질강 등의 난삭재의 마무리 절삭 등을 고속으로 실시하는데 사용하더라도 칼날에 c-BN 상의 밀착성 부족이 원인인 치핑이 발생하지 않아, 우수한 절삭 성능을 장기간에 걸쳐 발휘한다는 연구결과를 얻은 것이다.

본 발명은 상기 연구결과에 기초하여 이루어진 것으로, 주사형 전자현미경에 의한 조직관찰에서, 실질적으로 연속 결합상, 경질 분산상 및 상기 연속 결합상과 경질 분산상 사이에 개재하는 중간 밀착상의 3상 조직을 나타내고,

상기 연속 결합상 형성 성분으로서,

TiN, TiCN 및 TiC 중 2종 이상 또는 TiCN : 15∼56% (이하, 모두 질량% 로 나타냄),

상기 중간 밀착상 형성 성분으로서,

(Ti, Al)N : 2∼10%,

WC : 2∼10%,

상기 경질 분산상 형성 성분으로서,

c-BN : 잔부 (단, 35∼65% 함유),

로 이루어지는 배합 조성을 갖는 프레스 성형체의 소결체인 c-BN 기 재료로 구성하여 이루어지는, 치핑 내성이 우수한 c-BN 기 소결 절삭 팁에 특징을 갖는 것이다.

다음에, 본 발명의 c-BN 기 소결 절삭 팁에 있어서, 이것을 구성하는 c-BN 기 재료의 배합 조성을 상기와 같이 한정한 이유를 설명한다.

(a) TiN, TiCN 및 TiC

이들 성분에는 소결성을 향상시키는 동시에 실질적으로 TiCN 상으로 이루어지는 연속 결합상을 형성하여 강도를 향상시키는 작용이 있지만, 그 배합비율이 15% 미만이면 원하는 강도를 확보할 수 없고, 한편 그 배합비율이 56% 를 초과하면 내마모성이 급격하게 저하하게 되는 점에서, 그 배합비율을 15∼56% 로 정하였다. 바람직하게는 30∼50% 로 하는 것이 좋다.

(b) (Ti, Al)N 및 WC

상기한 바와 같이 이들 성분은, 소결시에 우선적으로 c-BN 분말의 표면에 응집하고 반응하여 반응생성물을 형성하고, 소결 후의 c-BN 기 재료에서 상기 연속 결합상의 TiCN 상과 상기 경질 분산상의 c-BN 상 사이에 개재하게 된다. 게다가, 이 반응생성물은 상기 연속 결합상의 TiCN 상과 상기 경질 분산상의 c-BN 상 어느 것과도 강하게 밀착 접합하는 성질을 갖는 점에서, 상기 c-BN 상의 연속 결합상인 TiCN 상에 대한 밀착성이 현저하게 향상되어, 그 결과 칼날의 치핑 내성이 향상하게 되지만, 이들 성분 중 어느 한 성분의 배합비율이 상기 범위에서 벗어나도 중간 밀착상으로서 상기 경질 분산상과 연속 결합상 사이에 강고한 밀착성을 확보할 수 없으며, 따라서 (Ti, Al)N 및 WC 의 상기 배합비율은 강고한 밀착성을 확보하기 위해 경험적으로 정한 것이다. 바람직하게는 모두 각각 3∼8% 로 하는 것이 좋다.

(c) c-BN

경질 분산상을 구성하는 c-BN 은 매우 경질이며, 이로 인해 내마모성의 향상이 도모되지만, 그 배합비율이 35% 미만이면 원하는 우수한 내마모성을 확보할 수 없고, 한편 그 배합비율이 65% 를 초과하면 c-BN 기 재료 자체의 소결성이 저하하여, 그 결과 칼날에 치핑이 발생하기 쉬워지는 점에서, 그 비율을 35∼65% 로 정하였다. 바람직하게는 45∼60% 로 하는 것이 좋다.

또, 상기 본 발명의 c-BN 기 소결 절삭 팁에는, 그 표면에 절삭 팁 사용 전후 식별층으로서 황금색의 색조를 갖는 질화티탄 (이하, TiN 으로 나타냄) 층을 증착 형성해도 되고, 이 경우의 증착층두께는 평균층두께가 0.5㎛ 미만이면 식별에 충분한 황금색의 색조를 부여할 수 없으며, 한편 식별은 5㎛ 까지의 평균층두께로 충분하다는 점에서, 0.5∼5㎛ 의 평균층두께로 하면 된다.

또, 본 발명자들은, 치핑 내성이 우수한 c-BN 기 소결 절삭 팁을 개발하기 위해 더욱 연구한 결과,

c-BN 기 소결 절삭 팁의 제조에 있어서, 원료 분말로서 사용되고 있는 c-BN 분말과, TiN 분말 및/또는 TiCN 분말에 더하여, Ti 와 Al 의 금속간 화합물 (이하,Ti-Al 화합물로 나타냄) 분말, Ti 와 Al 의 복합 질화물 [이하, (Ti, Al)N 으로 나타냄) 분말 및 탄화텅스텐 (이하, WC 로 나타냄) 분말을 원료 분말로서 사용하고, 이들을 질량% (이하, % 는 질량% 를 나타냄) 로,

Ti-Al 화합물 : 3∼8%,

(Ti, Al)N : 5∼10%,

WC : 5∼15%,

의 비율로 배합하면, 이들 Ti-Al 화합물 분말, (Ti, Al)N 분말 및 WC 분말은 소결시에 우선적으로 반응하여 Ti 와 Al 과 W 의 복합 탄질화물 [이하, (Ti, Al, W)CN 으로 나타냄] 을 형성하고 c-BN 분말의 표면에 응집하는 점에서, 소결 후의 c-BN 기 재료에서는 상기 (Ti, Al, W)CN 이 TiN 및/또는 TiCN 으로 이루어지는 연속 결합상과 c-BN 으로 이루어지는 경질 분산상 사이에 개재하게 되고, 게다가 이 (Ti, Al, W)CN 은 연속 결합상을 구성하는 상기 TiN 및 TiCN, 또한 경질 분산상을 구성하는 상기 c-BN 어느 것과도 매우 강하게 밀착되어 중간 밀착상으로서 작용하는 점에서, 이 c-BN 기 재료로 구성된 c-BN 기 소결 절삭 팁은, 예를 들어 고경도 담금질강 등의 난삭재의 마무리 절삭을 고속으로 실시하는데 사용하더라도 칼날에 치핑의 발생이 없고 우수한 절삭성능을 장기간에 걸쳐 발휘한다는 연구결과를 얻은 것이다.

상기 연속 결합상 형성 성분으로서,

TiN 및/또는 TiCN : 20∼37%,

상기 중간 밀착상 형성 성분으로서,

Ti-Al 화합물 : 3∼8%,

(Ti, Al)N : 5∼10%,

WC : 5∼15%,

상기 경질 분산상 형성 성분으로서,

c-BN : 잔부 (단, 35∼55% 함유),

로 이루어지는 배합 조성을 갖는 c-BN 기 재료로 구성하여 이루어지는, 치핑 내성이 우수한 c-BN 기 소결 절삭 팁에 특징을 갖는 것이다.

(d) TiN 및/또는 TiCN

이들 성분에는 소결성을 향상시키는 동시에 연속 결합상을 형성하여 강도를 향상시키는 작용이 있지만, 그 배합비율이 20% 미만이면 원하는 강도를 확보할 수 없고, 한편 그 배합 비율이 37% 를 초과하면 내마모성이 급격히 저하하게 되는 점에서, 그 배합비율을 20∼37% 로 정하였다.

또, 연속 결합상 형성 성분인 TiN 및/또는 TiCN 의 일부 (5∼10질량%) 를 탄화탄탈 (TaC) 또는 탄화니오브 (NbC) 로 치환해도 특별히 폐해는 발생하지 않으며, 이들 성분을 함유하지 않는 경우와 동일한 우수한 치핑 내성이 얻어지는 것도 알았다.

(e) Ti-Al 화합물, (Ti, Al)N 및 WC

상기한 바와 같이, 이들 성분은 소결시에 우선적으로 반응하고 (Ti, Al, W)CN 을 형성하여 경질 분산상인 c-BN 표면에 응집하는 점에서, 소결 후의 c-BN 기 재료에서는 상기 연속 결합상의 TiN 및 TiCN 과 상기 경질 분산상의 c-BN 사이에 개재하게 된다. 게다가 이 (Ti, Al, W)CN 은 TiN, TiCN 및 c-BN 어느 것과도 강하게 밀착 접합하는 성질을 갖는 점에서, 상기 c-BN 의 TiN 및 TiCN 에 대한 밀착성이 현저하게 향상하여 그 결과 칼날의 치핑 내성이 향상하게 되지만, 이들 성분 중 어느 한 성분의 배합비율이 상기 범위에서 벗어나도 중간 밀착상으로서 상기 경질 분산상과 연속 결합상 사이에 강한 밀착성을 확보할 수 없고, 따라서 Ti-Al 화합물, (Ti, Al)N 및 WC 의 상기 배합비율은 강한 밀착성을 확보하기 위해 경험적으로 정한 것이다.

(f) c-BN

경질 분산상을 구성하는 c-BN 은 매우 경질이며, 이로 인해 내마모성의 향상이 도모되지만, 그 배합비율이 35% 미만이면 원하는 우수한 내마모성을 확보할 수 없고, 한편 그 배합비율이 55% 를 초과하면 c-BN 기 재료 자체의 소결성이 저하하여, 그 결과 치핑이 발생하기 쉬워지는 점에서, 그 비율을 35∼55% 로 정하였다.

또, 상기한 본 발명의 c-BN 기 소결 절삭 팁에는, 그 표면에 절삭 팁 사용 전후 식별층으로서 황금색의 색조를 갖는 질화티탄 (이하, TiN 으로 나타냄) 층을 증착 형성해도 되고, 이 경우의 증착층두께는 평균층두께가 0.5㎛ 미만이면 식별에충분한 황금색의 색조를 부여할 수 없으며, 한편 식별은 5㎛ 까지의 평균층두께로 충분한 점에서, 0.5∼5㎛ 의 평균층두께로 하면 된다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

먼저, 본 발명의 c-BN 기 소결 절삭 팁을 제 1 실시예에 의해 구체적으로 설명한다.

원료 분말로서 모두 0.5∼2㎛ 범위 내의 소정의 평균입경을 갖는 연속 결합상 형성용으로서의 TiN 분말 및 TiCN 분말, 또한 TiC 분말, 중간 밀착상 형성용으로서의 WC 분말, 그리고 (Ti, Al)N 분말인 (Ti_0.65Al_0.35)N 분말, (Ti_0.50Al_0.50)N 분말 및 (Ti_0.35Al_0.65)N 분말 (모두 조성식 내의 숫자는 원자비를 나타냄), 또한 경질 분산상 형성용으로서의 c-BN 분말을 준비하고, 이들 원료 분말을 표 1, 표 2 에 나타내는 배합 조성으로 배합하고 볼 밀로 72시간 습식 혼합하여 건조시킨 후, 100MPa 의 압력으로 직경 : 50㎜ ×두께 : 1.5㎜ 치수의 성형체로 프레스 성형하여, 이 성형체를 압력 : 1Pa 의 진공 분위기 중 900∼1300℃ 범위 내의 소정의 온도로 1시간 유지하는 조건으로 예비소결하고, 이어서 이것을 별도로 준비한 직경 : 50㎜ ×두께 : 2㎜ 치수의 초경합금 팁 (조성 : WC-8% Co) 과 겹친 상태로 초고압 소결장치에 넣어 1200∼1400℃ 범위 내의 소정 온도로 5GPa 의 압력하에서 30분 유지하는 조건으로 소결하고, 소결 후 상하면을 다이아몬드 숫돌을 사용하여 연삭하고 아크 방전에 의한 와이어 커트로 치수 조제함으로써 상기 초경합금으로 뒤를 댄 본 발명c-BN 기 소결 절삭 팁 (이하, 본 발명 절삭 팁이라 함) 1∼12 및 비교 c-BN 기 소결 절삭 팁 (이하, 비교 절삭 팁이라 함) 1∼12 를 각각 제조하였다.

또, 비교 절삭 팁 1∼12 는 모두 중간 밀착상 형성 성분인 (Ti, Al)N 분말 및 WC 분말 중 어느 하나의 배합비율이 본 발명의 범위에서 벗어난 배합 조성을 갖는 것이다.

또한, 본 발명 절삭 팁 11 및 비교 절삭 팁 11 에 대하여, 이것을 아세톤 속에서 초음파 세정하여 건조시킨 상태로 통상의 아크이온 플레이팅 장치 내에 장착하고, 캐소드 전극 (증발원) 으로서 금속 Ti 를 장착하여 먼저 장치 내를 배기하고 0.5Pa 이하의 진공으로 유지하면서 히터로 장치 내를 500℃ 로 가열한 후, 상기 절삭 팁에 -1000V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, 한편 캐소드 전극의 상기 금속 Ti 와 애노드 전극 사이에는 100A 의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시킴으로써 상기 절삭 팁표면을 Ti 봄버트 세정하였다. 이어서 장치 내에 반응가스로서 질소가스를 도입하여 5Pa 의 반응분위기로 하는 동시에 상기 절삭 팁에 -100V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, 한편 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에는 100A 의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시킴으로써 상기 본 발명 절삭 팁 11 및 비교 절삭 팁 11 의 표면에 모두 1.5㎛ 의 평균층두께로 황금색의 색조를 갖는 TiN 층을 증착 형성하였다.

그 결과 얻어진 각종 절삭 팁을 구성하는 각각의 c-BN 기 재료에 대하여 그 조직을 주사형 전자현미경을 사용하여 관찰하였더니, 모든 절삭 팁이 실질적으로 연속 결합상, 경질 분산상 및 상기 연속 결합상과 경질 분산상 사이에 개재하는 중간 밀착상으로 이루어지는 3상 조직을 나타내었다.

또한, 이들 절삭 팁을, 초경합금 본체 (조성 : WC-10% Co) 의 칼날 선단부에 형성한 칼집 숄더부에 납땜함으로써 JISㆍTNMA160408 에 규정하는 형상을 가진 슬로 어웨이형 절삭공구로 하고, 본 발명 절삭 팁 1∼4 및 비교 절삭 팁 1∼4 에 대해서는,

피삭재 : 침탄 담금질강 (JISㆍSCM415, 경도 : HRC62) 의 둥근 막대

절삭속도 : 350m/min,

칼집 : 0.15㎜,

이송 : 0.1㎜/rev,

절삭시간 : 30분,

의 조건에서 난삭재의 건식 고속 연속 선삭(旋削) 절삭 시험, 또한 본 발명 절삭 팁 5∼8 및 비교 절삭 팁 5∼8 에 대해서는,

피삭재 : 침탄 담금질강 (JISㆍSCM415, 경도 : HRC62) 의 길이방향 등간격으로 4개의 세로홈이 들어간 둥근 막대,

절삭속도 : 300m/min,

칼집 : 0.15㎜,

이송 : 0.2㎜/rev,

절삭시간 : 60분,

의 조건에서 난삭재의 건식 고속 단속 표면 마무리 절삭 시험, 또한 본 발명 절삭 팁 9∼12 및 비교 절삭 팁 9∼12 에 대해서는,

피삭재 : 구형 흑연주철 (JISㆍFCD70),

절삭속도 : 450m/min,

칼집 : 0.15㎜,

이송 : 0.2㎜/rev,

절삭시간 : 30분,

의 조건에서 난삭재의 건식 고속 연속 표면 마무리 절삭 시험을 하여, 모든 절삭 시험에서 칼날의 측면 마모폭을 측정하였다. 이 측정결과를 표 1, 표 2 에 나타내었다.

또, 상기한 절삭 팁 표면에 절삭 팁 사용 전후 식별층으로서 황금색의 색조를 갖는 TiN 층을 증착 형성한 것에 관하여 상기 절삭 시험 후의 표면을 관찰하였더니, 칼날부의 경사면과 측면의 절삭분 맞닿음부 및 경사면과 측면이 교차하는 칼날 능선부에서의 상기 TiN 층이 마멸되고, 상기 TiN 층 마멸 부분에는 절삭 팁 소재가 갖는 회색 색조가 드러나 있어, 이들 상기 TiN 층 마멸 부분 이외 부분의 황금색과 상기 절삭 팁 소재의 회색 콘트라스트로부터 사용 전후의 식별을 용이하게 실시할 수 있었다.

표 1, 표 2 에 나타내는 결과로부터, 본 발명 절삭 팁 1∼12 는 모두 난삭재인 침탄 담금질강의 선삭이나 표면 마무리 절삭을 고속으로 실시해도 칼날에 치핑의 발생이 없고 우수한 내마모성을 나타내며, 우수한 절삭성능을 장기간에 걸쳐 발휘하는 데 반하여, 비교 절삭 팁 1∼12 에서 볼 수 있는 것처럼 중간 밀착상 형성 성분인 Ti-Al 화합물 분말 및 WC 분말 중 어느 한 배합 비율이 이 발명의 범위에서 벗어나도 칼날에 치핑이 발생하고, 이것이 원인이 되어 비교적 단시간에 사용수명에 이르는 것이 분명하다.

상기 서술한 바와 같이, 본 발명의 c-BN 기 소결 절삭 팁은 경질 분산상을 구성하는 c-BN 상이 중간 밀착상의 개재에 의해 실질적으로 연속 결합상을 구성하는 TiCN 상에 매우 강하게 밀착되어, 통상의 조건에서의 절삭가공은 물론, 상기한 바와 같이 고경도 담금질강 등의 난삭재의 고속 절삭이나 고속 표면 마무리 절삭에서도 우수한 치핑 내성을 발휘하는 것이므로, 절삭장치의 고성능화 및 고출력화, 게다가 절삭가공의 생력화 및 에너지 절약화에도 충분히 만족스럽게 대응할 수 있는 것이다.

다음에, 본 발명의 c-BN 기 소결 절삭 팁을 제 2 실시예에 의해 구체적으로 설명한다.

원료 분말로서 모두 0.5∼4㎛ 범위 내의 소정의 평균입경을 갖는 연속 결합상 형성용으로서의 TiN 분말 및 TiCN 분말, 중간 밀착상 형성용으로서의 Ti-Al 화합물 분말, Ti₂AlN 분말 및 WC 분말, 그리고 경질 분산상 형성용으로서의 c-BN 분말을 준비하고, 이들 원료 분말을 표 3 에 나타내는 배합 조성으로 배합하고 볼 밀로 72시간 습식 혼합하여 건조시킨 후, 100MPa 의 압력으로 직경 : 50㎜ ×두께 : 1.5㎜ 치수의 성형체로 프레스 성형하여, 이 성형체를 진공 중 900∼1300℃ 범위 내의 소정의 온도로 1시간 유지하는 조건으로 예비소결하고, 이어서 이것을 별도로 준비한 직경 : 50㎜ ×두께 : 2㎜ 치수의 초경합금 팁 (조성 : WC-8% Co) 과 겹친 상태로 초고압 소결장치에 넣어 1200∼1400℃ 범위 내의 소정 온도로 5GPa 의 압력하에서 30분 유지하는 조건으로 소결하고, 소결 후 상하면을 다이아몬드 숫돌을 사용하여 연삭하고 아크 방전에 의한 와이어 커트를 실시함으로써 상기 초경합금으로 뒤를 댄 본 발명 c-BN 기 소결 절삭 팁 (이하, 본 발명 절삭 팁이라 함) 1∼8 및 비교 c-BN 기 소결 절삭 팁 (이하, 비교 절삭 팁이라 함) 1∼6 을 각각 제조하였다.

또, 비교 절삭 팁 1∼6 은 모두 중간 밀착상 형성 성분인 Ti-Al 화합물 분말, Ti₂AlN 분말 및 WC 분말 중 어느 하나의 배합비율이 본 발명의 범위에서 벗어난 배합 조성을 갖는 것이다.

또한, 본 발명 절삭 팁 8 및 비교 절삭 팁 6 에 대하여, 이것을 아세톤 속에서 초음파 세정하여 건조시킨 상태로 통상의 아크이온 플레이팅 장치 내에 장착하고, 캐소드 전극 (증발원) 으로서 금속 Ti 를 장착하여 먼저 장치 내를 배기하고 0.5Pa 이하의 진공으로 유지하면서 히터로 장치 내를 500℃ 로 가열한 후, 상기 절삭 팁에 -1000V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, 한편 캐소드 전극의 상기 금속 Ti 와 애노드 전극 사이에는 100A 의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시킴으로써 상기 절삭 팁 표면을 Ti 봄버트 세정하였다. 이어서 장치 내에 반응가스로서 질소가스를 도입하여 5Pa 의 반응분위기로 하는 동시에 상기 절삭 팁에 -100V 의 직류 바이어스 전압을 인가하고, 한편 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에는 100A 의 전류를 흘려 아크 방전을 발생시킴으로써 상기 본 발명 절삭 팁 8 및 비교 절삭 팁 6 의 표면에 모두 1.5㎛ 의 평균층두께로 황금색의 색조를 갖는 TiN 층을 증착 형성하였다.

또한, 이들 절삭 팁을, 초경합금 본체 (조성 : WC-10중량% Co) 의 칼날 선단부에 형성한 랜싱 단부에 납땜함으로써 JISㆍTNMA160408 에 규정하는 형상을 가진 슬로 어웨이형 절삭공구로 하고,

절삭속도 : 300m/min,

칼집 : 0.12㎜,

이송 : 0.15㎜/rev,

절삭시간: 45분,

의 조건에서 난삭재의 건식 고속 표면 마무리 절삭 시험을 하여 칼날의 측면 마모폭을 측정하였다. 이 측정 결과를 표 3 에 나타내었다.

표 3 에 나타내는 결과로부터, 본 발명 절삭 팁 1∼8 은 모두 난삭재인 침탄 담금질강의 표면 마무리 절삭을 고속으로 실시해도 칼날에 치핑의 발생이 없고 우수한 내마모성을 나타내며, 우수한 절삭 성능을 장기간에 걸쳐 발휘하는 데 반하여, 비교 절삭 팁 1∼6 에서 볼 수 있는 것처럼 중간 밀착상 형성 성분인 Ti-Al 화합물 분말, Ti₂AlN 분말 및 WC 분말 중 어느 한 배합 비율이 본 발명의 범위에서 벗어나도 칼날에 치핑이 발생하고, 이것이 원인이 되어 비교적 단시간에 사용수명에 이르는 것이 분명하다.

또, 표 3 에는 다른 실시예로서 연속 결합상 형성 성분인 TiN 및 TiCN 의 일부를 TaC (탄화탄탈) 로 치환한 절삭 팁 9, 마찬가지로 TiN 및 TiCN 의 일부를 NbC 로 치환한 절삭 팁 (10) 에 의해 상기와 같이 난삭재의 건식 고속 표면 마무리 절삭시험을 실시한 경우의 칼날의 측면 마모폭도 기재하였다. 이들 절삭 팁 9, 10 도 절삭 팁 1∼8 과 마찬가지로 침탄 담금질강의 표면 마무리 절삭을 고속으로 실시해도 칼날에 치핑의 발생이 없고 우수한 내마모성을 나타내고 있다.

상기 서술한 바와 같이, 본 발명의 c-BN 기 소결 절삭 팁은 경질 분산상을 구성하는 c-BN 이 중간 밀착상의 개재에 의해 연속 결합상을 구성하는 TiN 및 TiCN 에 매우 강하게 밀착되어, 통상의 조건에서의 표면 마무리 절삭은 물론, 상기한 바와 같이 고경도 담금질강 등의 난삭재의 고속 표면 마무리 절삭에서도 우수한 치핑 내성을 발휘하는 것이므로, 절삭장치의 고성능화 및 고출력화, 게다가 절삭가공의 생력화 및 에너지 절약화에도 충분히 만족스럽게 대응할 수 있는 것이다.

따라서, 본 발명은, 예를 들어 고경도 담금질강 등의 난삭재의 마무리 절삭을 고속으로 실시한 경우에도 우수한 치핑 내성을 발휘하는 입방정 질화붕소기 초고압 소결재료로 만든 절삭 팁을 제공할 수 있다.

Claims

주사형 전자현미경에 의한 조직 관찰에서, 실질적으로 연속 결합상, 경질 분산상 및 상기 연속 결합상과 경질 분산상 사이에 개재하는 중간 밀착상의 3상 조직을 나타내고,

상기 연속 결합상 형성 성분으로서 티탄화합물을 함유하고,

상기 중간 밀착상 형성 성분으로서 적어도 Ti 와 Al 의 복합 질화물과 탄화텅스텐을 함유하고,

상기 경질 분산상 형성 성분으로서 입방정 질화붕소를 함유하는, 입방정 질화붕소기 초고압 소결재료로 구성한 것을 특징으로 하는 절삭 팁.
제 1 항에 있어서,

상기 연속 결합상 형성 성분으로서,

질화티탄, 탄질화티탄 및 탄화티탄 중 2종 이상, 또는 탄질화티탄 : 15∼56질량%,

상기 중간 밀착상 형성 성분으로서,

Ti 와 Al 의 복합 질화물 : 2∼10질량%,

탄화텅스텐 : 2∼10질량%,

상기 경질 분산상 형성 성분으로서,

입방정 질화붕소 : 잔부 (단, 35∼65질량% 함유),

로 이루어지는 배합 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 절삭 팁.
제 1 항에 있어서,

상기 연속 결합상 형성 성분으로서,

질화티탄 및/또는 탄질화티탄 : 20∼37질량%,

상기 중간 밀착상 형성 성분으로서,

Ti 와 Al 의 금속간 화합물 : 3∼8질량%,

Ti와 Al 의 복합 질화물 : 5∼10질량%,

탄화텅스텐 : 5∼15질량%,

상기 경질 분산상 형성 성분으로서,

입방정 질화붕소 : 잔부 (단, 35∼55질량% 함유),

로 이루어지는 배합 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 절삭 팁.
제 1 항에 있어서,

상기 연속 결합상 형성 성분으로서,

질화티탄 및/또는 탄질화티탄 : 10∼32질량%,

탄화탄탈 : 5∼10질량%,

상기 중간 밀착상 형성 성분으로서,

Ti 와 Al 의 금속간 화합물 : 3∼8질량%,

Ti 와 Al 의 복합 질화물 : 5∼10질량%,

탄화텅스텐 : 5∼15질량%,

상기 경질 분산상 형성 성분으로서,

입방정 질화붕소 : 잔부 (단, 35∼55질량% 함유),

로 이루어지는 배합 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 절삭 팁.
제 1 항에 있어서,

상기 연속 결합상 형성 성분으로서,

질화티탄 및/또는 탄질화티탄 : 10∼32질량%,

탄화니오브 : 5∼10질량%,

상기 중간 밀착상 형성 성분으로서,

Ti 와 Al 의 금속간 화합물 : 3∼8질량%,

Ti와 Al 의 복합 질화물 : 5∼10질량%,

탄화텅스텐 : 5∼15질량%,

상기 경질 분산상 형성 성분으로서,

입방정 질화붕소 : 잔부 (단, 35∼55질량% 함유),

로 이루어지는 배합 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 절삭 팁.
제 1 항에 있어서, 절삭 팁 표면에, 팁 사용 전후 식별층으로서 0.5∼5㎛ 의 평균층두께를 갖는 질화티탄층을 증착 형성하여 이루어지는 절삭 팁.