KR20080034825A

KR20080034825A - 복합 소결체

Info

Publication number: KR20080034825A
Application number: KR1020077008591A
Authority: KR
Inventors: 가쯔미 오카무라; 사토루 구키노; 도모히로 후카야
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2008-04-22
Also published as: CA2583686A1; EP1905751B1; CA2583686C; CN101218189B; KR101123490B1; JP5032318B2; US20090120011A1; EP1905751A4; WO2007010670A1; EP1905751A1; JPWO2007010670A1; CN101218189A

Abstract

본 발명의 복합 소결체는 적어도 입방정 질화붕소와 결합재를 포함하는 복합 소결체로서, 상기 입방정 질화붕소는 복수의 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합함으로써 연속된 구조를 가지며, 상기 결합재는 상기 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합하는 결합 계면을 제외한 영역에 존재하는 복수의 결합재 입자가 서로 결합함으로써 연속된 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

복합 소결체{COMPOSITE SINTERED COMPACT}

본 발명은, 입방정 질화붕소와 결합재를 포함하는 복합 소결체에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 절삭 공구 등의 용도에 특히 적합하게 사용될 수 있는 복합 소결체에 관한 것이다.

종래부터, 입방정 질화붕소를 주성분으로 하는 고경도 소결체가 절삭 공구 등의 용도에 이용되어 왔다. 상기 고경도 소결체는, 통상 입방정 질화붕소와 이 입방정 질화붕소의 강도 유지 등을 주목적으로 하는 결합재를 포함한 복합 소결체로 되어 있고, 예컨대 이러한 결합재의 연속상(바다) 중에 입방정 질화붕소 입자(섬)를 분산시킨 해도(海島) 구조의 소결체가 개시되어 있다[일본 특허 공개 소53-077811호 공보(특허 문헌 1), 일본 특허 공개 평10-182242호 공보(특허 문헌 2)].

상기 해도 구조는, 입방정 질화붕소 입자끼리 물리적으로 접촉하는 접촉부에서 발생하는 입방정 질화붕소의 미소결 상태를 방지하기 위해, 입방정 질화붕소 입자를 서로 접촉시키지 않고 분리함으로써 입방정 질화붕소 입자의 소결 상태를 촉진시키고, 인성 등의 강도를 향상시키려는 목적으로 채용된 것이다.

그러나, 이와 같이 입방정 질화붕소 입자가 서로 접촉하지 않고 분리된 구조(즉, 입방정 질화붕소 입자가 불연속 형태로 존재하는 구조)를 갖기 때문에 입방 정 질화붕소의 고유 특성인 높은 열전도율이라는 우수한 특성이 충분히 발휘되지 않고, 절삭 공구에 이용되는 경우에는 절삭 가공시에 날끝 온도의 상승을 억제할 수 없을 뿐만 아니라, 소결체 내부에 발생한 미소 균열이 인성이 낮은 결합재에서 진전되기 때문에 떨어져 나가기 쉬워지는 등, 내열성이 불충분하거나 인성이 저하되는 문제를 갖고 있었다. 따라서, 이 소결체는 단속 절삭, 또는 이를테면 중 절삭(heavy cut), 고속 절삭과 같은 고능률 절삭에 사용되는 절삭 공구에 이용되는 경우, 만족할 수 있는 공구 수명을 충분히 제공할 수 없는 경우가 있었다.

한편, 전술한 바와 같은 소결체의 문제점을 해결하기 위해 상기 결합재의 조성을 개량하려는 여러 가지 방법이 제안되어 왔다[일본 특허 공고 소60-014826호 공보(일본 특허 공개 소56-069350호 공보, 특허 문헌 3), 일본 특허 공고 소61-054857호 공보(일본 특허 공개 소61-179847호 공보, 특허 문헌 4), 일본 특허 공고 소61-054858호 공보(일본 특허 공개 소61-179848호 공보, 특허 문헌 5), 일본 특허 공개 평05-287433호 공보(특허 문헌 6)]. 이들 제안은 인성을 향상시킨다는 점에서는 어느 정도의 효과를 나타낼 것으로 생각되지만, 입방정 질화붕소 입자가 분리되어 불연속 구조로 되어 있기 때문에 내열성의 향상을 근본적으로 개선하기는 어려웠다.

이에 비하여, 입방정 질화붕소 입자를 서로 결합시켜 연속된 구조로 한 소결체가 개시되어 있다[미국 특허 제5639285호 명세서(특허 문헌 7)]. 이 소결체에서는, 입방정 질화붕소 입자가 연속된 구조로 되어 있기 때문에 날끝 온도의 상승을 억제하여 내열성의 향상 효과를 어느 정도 기대할 수 있지만, 결합재가 연속된 구 조의 입방정 질화붕소 입자들 주위에 불연속적으로 점재하는 구조로 되어 있기 때문에 내결손성이나 내크레이터 마모성이 떨어지고, 그 결과 인성이 낮아진다.

이는 소결체에 포함되는 입방정 질화붕소와 결합재가 상이한 열팽창 계수를 갖는 것이 그 주된 원인인 것으로 판단된다. 즉, 이 소결체를 이용한 절삭 공구가 절삭 가공시에 고온에 노출되는 경우, 그 온도 변화(승온 뿐만 아니라 그 후의 냉각도 포함함)에 기인하여 체적 변화가 발생하지만, 입방정 질화붕소와 결합재의 체적 변화량이 크게 다르고, 이 때문에 입방정 질화붕소와 결합재 사이에서 결합의 해리가 발생하며, 그 결과로 소결체로부터 결합재 등이 탈락하기 쉬워지는 것이 그 원인으로 추측된다.

이러한 문제는 담금질강과 같은 고경도 재료를 절삭하는 경우에 특히 문제가 된다. 왜냐하면, 절삭 공구의 날끝의 온도가 600℃ 이상의 고온에 노출되는 경우가 늘어나기 때문이다. 또한, 최근에는 절삭 가공 작업에 있어서 생산성의 향상이 요구되고 절삭 속도나 이송량이 증가함에 따라 1000℃ 전후로까지 날끝의 온도가 상승하는 경우도 드물지 않으므로, 전술한 문제의 해결이 요구되고 있다.

또한, 복잡 형상 부품의 절삭 가공에 대한 요구도 높아지고, 형상이 복잡해짐에 따라 단속 절삭과 같은 고능률 절삭에서는 절삭 공구의 날끝과 피삭재 사이에 이탈과 접촉(달라붙음)이 반복되며, 상기 이탈시에 날끝이 급냉되기 때문에 전술한 바와 같이 날끝 부분에 포함되는 상기 소결체는 급격한 온도 변화와 응력 변화에 노출된다. 이 때문에, 특히 최근 요구되고 있는 고경도강의 고능률 가공이나 고속의 단속 절삭에 있어서, 앞서 지적한 문제의 해결이 요구되고 있다.

따라서, 이러한 상황 하에서, 입방정 질화붕소의 소결체에 대하여 내열성의 향상과 인성의 향상을 고도로 양립시키는 것이 요구되고 있다. 그리고, 이러한 요구에 대응하는 수단이 여러 가지로 개발되고 있지만, 이들 개발 과정에서는, 상기 소결체에 포함되는 입방정 질화붕소와 결합재를 서로 강고히 결합시킴으로써 고강도가 구현된다는 것을 전제로 연구가 거듭되어 왔다. 이 때문에, 입방정 질화붕소와 결합재는 그 접촉 면적이 크면 클수록 유리한 결합성을 얻을 수 있다는 것을 전제로 하여, 입방정 질화붕소와 결합재 중 적어도 어느 하나는 연속된 구조가 아니라 불연속적인 구조로 함으로써 접촉 면적을 늘리려고 하였다.

특허 문헌 1: 일본 특허 공개 소53-077811호 공보

특허 문헌 2: 일본 특허 공개 평10-182242호 공보

특허 문헌 3: 일본 특허 공고 소60-014826호 공보(일본 특허 공개 소56-069350호 공보)

특허 문헌 4: 일본 특허 공고 소61-054857호 공보(일본 특허 공개 소61-179847호 공보)

특허 문헌 5: 일본 특허 공고 소61-054858호 공보(일본 특허 공개 소61-179848호 공보)

특허 문헌 6: 일본 특허 공개 평05-287433호 공보

특허 문헌 7: 미국 특허 제5639285호 명세서

본 발명은, 전술한 상황을 감안하여 이루어진 것으로서, 내열성의 향상과 인성의 향상을 고도로 양립시킨 입방정 질화붕소의 소결체를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

본 발명자는, 입방정 질화붕소를 포함하는 복합 소결체에 있어서 입방정 질화붕소와 결합재 중 적어도 어느 하나를 불연속 구조로 해야 한다고 하는 전술한 종래의 전제를 근본적으로 재고한 결과, 이들 양자를 모두 연속된 구조로 함으로써 내열성과 인성을 모두 향상시킬 수 있지 않을까 하는 아이디어를 얻을 수 있었고, 이에 기초하여 연구를 거듭함으로써 드디어 본 발명을 완성하였다.

즉, 본 발명의 복합 소결체는 입방정 질화붕소와 결합재를 포함하는 복합 소결체로서, 입방정 질화붕소는 복수의 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합함으로써 연속된 구조를 가지며, 결합재는 상기 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합하는 결합 계면을 제외한 영역에 존재하는 복수의 결합재 입자가 서로 결합함으로써 연속된 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 결합재는 Ti, Zr, Hf, V 또는 Cr 중 적어도 어느 하나 또는 둘 이상의 원소와, 질소, 탄소, 붕소 또는 산소 중 어느 하나 또는 둘 이상의 원소로 이루어지는 화합물 또는 고용체 중 적어도 하나와, 알루미늄 화합물을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 결합재는, 상기 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합하는 결합 계면에 있어서 60% 이하의 존재 확률로 존재하고, 상기 결합재 입자의 연속된 구조에 연결됨으로써 그 연속된 구조의 일부로서 존재하거나, 또는 상기 결합재 입자의 연속된 구조와는 독립적인 불연속 구조로서 존재할 수 있다.

또한, 상기 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합하는 결합 계면에 있어서, 상기 결합재는 적어도 Ti 또는 Al을 그 조성으로 포함할 수 있다.

또한, 상기 결합재는 상기 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합하는 결합 계면에 존재하지 않을 수 있다.

또한, 상기 복합 소결체는 산처리 후의 항절력이 1 gf/mm² 이상 70 kgf/mm² 이하일 수 있다.

또한, 상기 복합 소결체는 산처리 후의 X선 회절 측정에 있어서, 입방정 질화붕소와 Al₂O₃ 이외의 화합물이 실질적으로 검출되지 않는 것이 바람직하다.

또한, 상기 입방정 질화붕소는 상기 복합 소결체 내에 60 체적% 이상 85 체적% 이하로 포함될 수 있고, 상기 입방정 질화붕소 입자의 평균 입자 지름은 2 μm 이상 10 μm 이하로 할 수 있다.

또한, 상기 복합 소결체의 열전도율은 60 W/(m·K) 이상 150 W/(m·K) 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 알루미늄 화합물은 알루미늄, 산소 및 질소로 이루어지는 화합물 및/또는 알루미늄, 산소, 질소 및 붕소로 이루어지는 화합물로 구성되며, 그 평균 입자 지름이 50 nm 이상 1 μm 이하이고, 상기 결합재 중에서 차지하는 비율이 5 체적% 이상 30 체적% 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 복합 소결체의 열전도율은 70 W/(m·K) 이상 150 W/(m·K) 이하가 될 수 있다.

또한, 본 발명의 절삭 공구는, 적어도 일부에 전술한 복합 소결체를 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 복합 소결체는 전술한 구성을 가짐으로써 내열성의 향상과 인성의 향상을 고도로 양립시킨 것이다. 인성의 향상, 특히 내결손성 및 내크레이터 마모성을 향상시킴으로써, 적어도 일부에 본 발명의 복합 소결체를 포함하는 절삭 공구는 고경도강의 고능률 가공이나 고속의 단속 절삭에 적합하게 사용될 수 있다.

도 1은, 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합하는 결합 계면에 있어서 결합재가 결합재 입자의 연속된 구조와는 독립적인 불연속 구조로서 존재하는 형태를 개념적으로 도시한 복합 소결체의 부분 사시도이다.

도 2는, 입방정 질화붕소 입자 사이의 3중점에 있어서, 결합재가 결합재 입자의 연속된 구조와는 독립적인 불연속 구조로서 존재하는 형태를 개념적으로 도시한 복합 소결체의 부분 사시도이다.

도 3은 항절력의 측정 방법을 도시하는 개략도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 입방정 질화붕소 입자

2: 결합재 입자

3: 독립적인 결합재

4: 복합 소결체

10: 피처리체

11: 지주.

이하, 본 발명에 대해 더 상세히 설명한다. 또한, 이하의 실시형태의 설명에서는 도면을 이용하여 설명하고 있지만, 본 명세서의 도면에 있어서 동일한 부분 또는 상응하는 부분은 동일한 참조 부호를 붙여 나타내고 있다.

<복합 소결체>

본 발명의 복합 소결체는 적어도 입방정 질화붕소와 결합재를 포함하는 것이고, 절삭 공구 등의 용도에 적합하게 이용될 수 있는 것이다. 또한, 본 발명의 복합 소결체는 적어도 입방정 질화붕소와 결합재를 포함하는 한, 다른 성분이 포함되어 있어도 지장이 없고, 또한 불가피하게 불순물을 포함하고 있어도 지장이 없다.

<입방정 질화붕소>

본 발명의 복합 소결체에 포함되는 입방정 질화붕소는, 그 우수한 경도와 열전도율 때문에 예로부터 절삭 공구 등의 용도에 이용되어 온 것이다. 본 발명에 있어서, 상기 입방정 질화붕소는 후술하는 바와 같은 연속된 구조를 갖는 것이며, 상기 복합 소결체에서 60 체적% 이상 85 체적% 이하로 포함되는 것이다. 보다 바람직하게는, 그 하한이 65 체적% 이상, 가장 바람직하게는 72 체적% 이상이며, 그 상한이 80 체적% 이하, 가장 바람직하게는 77 체적% 이하이다.

입방정 질화붕소의 비율이 60 체적% 미만이면, 입방정 질화붕소 입자끼리 충분히 접촉할 수 없는 경우가 있고 후술하는 연속된 구조를 충분히 가질 수 없기 때문에, 날끝 온도의 상승을 충분히 억제할 수 없어서 내열성의 향상 효과를 충분하게 얻을 수 없는 경우가 있다. 한편, 입방정 질화붕소의 비율이 85 체적%를 넘으 면, 후술하는 결합재의 존재량이 상대적으로 감소하기 때문에 내마모성이 현저하게 저하되는 경우가 있다.

또한, 이러한 체적%는 복합 소결체의 제조시에 이용되는 입방정 질화붕소 분말의 체적%를 상기 범위(즉, 60 체적% 이상 85 체적% 이하)로 함으로써 달성할 수 있으며, ICP(유도 결합 고주파 플라즈마 분광 분석)에 의한 정량 분석, 또는 SEM(주사 전자 현미경) 혹은 TEM(투과형 전자 현미경) 관찰에 의해 측정될 수 있다.

또한, 상기 입방정 질화붕소 입자의 평균 입자 지름은 2 μm 이상 10 μm 이하인 것이 바람직하다. 평균 입자 지름이 2 μm 미만이면, 입방정 질화붕소 입자의 표면적이 커지기 때문에 입방정 질화붕소 입자끼리의 결합부(넥 그로스라고 불리는 경우가 있음)의 개수가 지나치게 많아지고, 후술하는 결합재가 입방정 질화붕소 입자의 3중점이나 4중점 등의 다중점(입방정 질화붕소 입자끼리의 접촉 계면이 아니라 입방정 질화붕소 입자 사이의 공극을 말함, 이하 단순히 3중점이라고 기재함)에 들어가며, 불연속적으로 고립 상태가 되는 결합재의 존재 확률이 증가하는 동시에 계면이 늘어나기 때문에 열전도율이 저하되는 경우가 있다. 또한, 평균 입자 지름이 1O μm를 넘으면 복합 소결체의 강도가 저하되기 때문에, 절삭 공구에 이용되는 경우 가혹한 절삭 환경에서 날끝에 결손(chipping)이 발생하는 경우가 있다. 보다 바람직한 평균 입자 지름은 그 하한이 2.5 μm 이상, 가장 바람직하게는 2.8 μm 이상이며, 그 상한은 6 μm 이하, 가장 바람직하게는 3.8 μm 이하이다.

<결합재>

본 발명의 결합재는, 주로 상기 입방정 질화붕소를 유지하는 작용을 하는 것이고, 후술하는 바와 같은 연속된 구조를 갖는 한 그 조성은 특별히 한정되지 않는다. 따라서, 이러한 타입의 결합재로서 종래에 공지된 결합재 중 어떠한 조성의 결합재라도 이용될 수 있다.

예컨대, Ti, Zr, Hf, V 또는 Cr 중 적어도 어느 하나 또는 둘 이상의 원소와, 질소, 탄소, 붕소 또는 산소 중 어느 하나 또는 둘 이상의 원소로 이루어지는 화합물 또는 고용체 중 적어도 하나와, 알루미늄 화합물을 포함하는 결합재를 예로 들 수 있다. 상기 화합물 또는 고용체는 상기 입방정 질화붕소와 큰 결합력을 얻을 수 있을 뿐 아니라 화학적으로도 안정적이어서 내마모성이 우수하기 때문에 바람직하다.

상기 화합물 또는 고용체로서는, 보다 구체적으로 Ti, Zr, Hf, V 또는 Cr 중 어느 하나 혹은 둘 이상의 원소의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 붕화물, 산화물 및 이들의 고용체 중 어느 하나 이상의 것 등이 사용될 수 있지만, 보다 바람직하게는 Ti, Zr, Hf, V 또는 Cr 중 어느 하나 혹은 둘 이상의 질화물, 붕화물, 산화물이나 이들의 고용체 중 적어도 하나가 사용될 수 있다. 그 이유는, 이들 화합물 또는 고용체가, 특히 입방정 질화붕소와의 결합력이 크기 때문이다.

또한, 상기 알루미늄 화합물로서는, 예컨대 AlN, AlB₂, Al₂O₃ 등을 들 수 있지만, 특히 바람직하게는 알루미늄, 산소 및 질소로 이루어지는 화합물 및/또는 알루미늄, 산소, 질소 및 붕소로 이루어지는 화합물로 구성되고, 그 평균 입자 지름 이 50 nm 이상 1 μm 이하이며, 결합재 중에서 알루미늄 화합물이 차지하는 비율(전술한 두 가지 알루미늄 화합물이 모두 존재하는 경우에는 각 비율의 합)이 5 체적% 이상 30 체적% 이하인 것이 적합하다.

상기 알루미늄 화합물로서 AlN을 이용하는 경우, 히트 싱크(heat sink)로서도 사용되는 AlN은 열전도율이 우수한 재료이기 때문에 내열성의 향상을 기대할 수 있다. 그러나, AlN은 강도가 낮기 때문에 복합 소결체 중에 다량으로 존재하면 균열의 기점이 되고 인성을 저하시키게 된다. 한편, 상기 알루미늄 화합물로서 Al₂O₃를 이용하는 경우, Al₂O₃은 그 자체가 단독으로 세라믹스 공구로서 사용된다는 사실로부터 알 수 있는 바와 같이 분명히 경도도 높고 고온에서도 안정적이지만, 열전도율 면에서 뒤떨어지기 때문에 다량으로 사용되면 복합 소결체의 열전도율의 저하로 이어져 내열성을 저하시키게 된다.

이에 대하여, 알루미늄, 산소 및 질소로 이루어지는 화합물 및/또는 알루미늄, 산소, 질소 및 붕소로 이루어지는 화합물은 상기 AlN이나 Al₂O₃보다 강도가 우수하며 Al₂O₃보다 열전도율이 우수하기 때문에, 복합 소결체에서 50 nm 이상 1 μm 이하의 평균 입자 지름을 가지면서 결합재 중에서 차지하는 비율이 5 체적% 이상 30 체적% 이하가 되도록 함으로써, 강도와 열전도율 면에서 우수한 결합재를 제공할 수 있고 복합 소결체의 인성과 내열성의 향상에 이바지하게 된다. 따라서, 특히 이들 알루미늄 화합물이 전술한 조건을 만족시키는 경우에는, 후술하는 복합 소결체의 열전도율이 70 W/(m·K) 이상 150 W/(m·K) 이하의 수치를 나타낼 수 있다.

또한, 본 발명자의 연구에 의하면, 알루미늄, 산소, 질소 및 붕소로 이루어지는 화합물은 입방정 질화붕소 입자 주변에 선택적으로 존재하기 때문에, 이들 화합물을 구성하는 질소나 붕소는 입방정 질화붕소로부터 공급되며 입방정 질화붕소와 결합재의 결합력을 강화하는 기능이 있는 것으로 판단된다. 이 때문에, 복합 소결체의 인성이 크게 향상되는 것에 이바지하는 것으로 예상된다.

상기 평균 입자 지름이 50 nm 미만이면, 계면의 증가에 의해 열전도율 향상의 효과가 작아지는 경우가 있고, 1 μm를 넘으면 강도가 저하되는 경우가 있다. 바람직하게는, 상기 평균 입자 지름은 80 nm 이상 0.7 μm 이하이다. 한편, 상기 비율이 5 체적% 미만인 경우, 전술한 바와 같은 강도와 열전도율의 향상 효과를 얻을 수 없는 동시에 입방정 질화붕소와의 결합력의 향상 효과를 충분히 얻을 수 없는 경우가 있고, 30 체적%를 넘으면 알루미늄 화합물을 제외한 상대적으로 인성이 우수한 결합재 성분의 함유량이 저하되어 복합 소결체의 인성이 저하되는 경우가 있다. 바람직하게는, 상기 비율은 10 체적% 이상 27 체적% 이하이다. 상기 체적%는 ICP(유도 결합 고주파 플라즈마 분광 분석)에 의한 정량 분석이나, SEM(주사 전자 현미경) 또는 TEM(투과형 전자 현미경) 관찰에 의해 측정될 수 있다.

또한, 알루미늄, 산소 및 질소로 이루어지는 상기 화합물은, 바람직하게는 일반식 Al_XO_YN_Z(식 중 X=0.5, Y+Z≤0.5)로 나타내고, 상기 알루미늄, 산소, 질소 및 붕소로 이루어지는 화합물은, 바람직하게는 일반식 Al_SB_TO_UN_V(식중 S+T=0.5, U+V≤0.5)로 나타낸다. 이하, 이들 화합물을 단순히 일반식 Al_XO_YN_Z 및 일반식 Al_SB_TO_UN_V로 나타낸다.

<연속된 구조>

본 발명의 복합 소결체에 있어서, 상기 입방정 질화붕소는 복수의 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합함으로써 연속된 구조를 가지며, 상기 결합재는 상기 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합하는 결합 계면을 제외한 영역에 존재하는 복수의 결합재 입자가 서로 결합함으로써 연속된 구조를 갖는다. 그리고, 이 복합 소결체는 입방정 질화붕소와 결합재를 소결하여 제조되는 것이며, 이들 양자가 전술한 바와 같이 연속된 구조를 갖기 때문에 상기 입방정 질화붕소와 상기 결합재는 강고히 결합된다.

본 발명의 복합 소결체는, 이러한 연속된 구조를 채용함으로써, 가혹한 절삭 조건(예컨대, 전술한 고경도강의 고능률 가공이나 고속의 단속 절삭 등)이 적용되는 절삭 공구에 이용되는 경우에도, 충분한 내열성과 인성을 발휘할 수 있고 우수한 공구 수명을 제공할 수 있다.

즉, 본 발명의 복합 소결체에 있어서는, 우선 단속 절삭과 같이 급격한 온도 변화가 반복되는 조건 하에서도 결합재 등이 복합 소결체로부터 탈락하지 않으므로, 인성을 비약적으로 향상시킬 수 있다. 종래 기술에서 결합재 등이 복합 소결체로부터 탈락하는 것은, 이미 설명한 대로 입방정 질화붕소와 결합재의 상이한 열팽창 계수가 그 주원인으로 판단되며, 온도 변화시에 입방정 질화붕소와 결합재 사이에서 열팽창 계수가 상이함에 따라 미소한 균열이 발생하였다고 하더라도 결합재가 연속된 구조이기 때문에 상기 탈락을 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 입방정 질화붕소와 결합재의 양자가 전술한 바와 같이 연속된 구조를 갖기 때문에 종래와 같이 결합재가 불연속적으로 점재한 구조의 복합 소결체에 비해 입방정 질화붕소와 결합재 사이의 결합력이 보다 강해지도록 할 수 있다. 이것은, 대체로 전술한 연속된 구조에 기인하는 것으로 판단되지만, 종래의 상식, 즉 입방정 질화붕소와 결합재 중 어느 하나를 불연속적으로 점재한 구조로 함으로써 이들 양자 사이의 접촉 면적을 증대시키고, 이에 따라 강고한 결합을 달성하고자 하는 종래의 기술 상식을 근본적으로 뒤엎는 유리한 효과이다.

또한, 입방정 질화붕소가 연속된 구조로 되어 있기 때문에 입방정 질화붕소의 고유 특성인 큰 경도와 높은 열전도율의 우수한 특성을 충분히 구현할 수 있어, 우수한 인성과 내열성을 나타내게 된다. 이것은, 입방정 질화붕소의 연속된 구조가 우수한 방열 효과를 발휘함으로써 온도의 상승이 억제되기 때문에 내열성이 대폭 향상하는 동시에, 복합 소결체 내부에 발생한 미소 균열의 진전이 입방정 질화붕소의 연속된 구조에 의해 저지되기 때문에 인성도 더 향상하는 것이 아닌가 판단된다.

그리고, 이러한 높은 열전도율의 구현이라는 점과 관련하여, 본 발명의 복합 소결체는 보다 구체적으로는 60 W/(m·K) 이상 150 W/(m·K) 이하의 열전도율을 갖게 된다. 이 열전도율이 높으면 높을수록 절삭시 날끝의 온도 상승이 억제되기 때문에 그 값은 높은 것이 바람직하다. 그러나, 열전도율이 150 W/(m·K)를 넘으면 입방정 질화붕소 입자끼리의 결합 부위가 과도하게 증가하여 그 결과로 결합재가 입방정 질화붕소 입자의 3중점에 들어가고, 불연속적으로 고립 상태가 된 결합재의 존재 확률이 증가하는 경우가 있기 때문에 바람직하지 못하다. 또한, 열전도율은 레이저 플래시 또는 크세논 플래시 열확산율 측정 장치에 의해 측정되고, 비열 및 밀도로부터 산출될 수 있다.

여기서, 복수의 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합함으로써 연속된 구조를 갖는다는 것은, 종래와 같이 연속한 결합재 상에 입방정 질화붕소 입자가 분산되는 것과 같은 해도 구조(특허 문헌 1 및 특허문헌 2)와는 전혀 다른 구조를 갖고 있는 것을 의미하고, 입방정 질화붕소 입자끼리 서로 결합함으로써 연속된 구조를 나타내는 것을 의미한다. 그리고, 상기 연속된 구조는 입방정 질화붕소 입자끼리 3차원적으로 결합한 입체 구조를 나타내는 것이다.

또한, 상기 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합하는 결합 계면을 제외한 영역에 존재하는 복수의 결합재 입자가 서로 결합함으로써 연속된 구조를 갖는다는 것은, 종래와 같이 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합된 구조의 주위에 결합재가 불연속적으로 점재하는 구조(특허 문헌 7)와는 전혀 다른 구조를 갖고 있는 것을 의미하고, 결합재 입자끼리 서로 결합함으로써 연속된 구조를 나타내는 것을 의미한다. 그리고, 상기 연속된 구조란 결합재 입자끼리 3차원적으로 결합된 입체 구조를 의미하는 것이다.

여기서, 상기 연속된 구조를 구성하는 결합재 입자의 존재 영역을 전술한 바와 같이 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합하는 결합 계면을 제외한 영역으로 한 것은, 본 발명의 복합 소결체에서는 이하와 같은 각각의 형태의 구조가 포함되는 것을 명확히 하고자 하는 것이다. 즉, 전술한 바와 같이 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합하는 결합 계면에 결합재가 존재하는 경우, 그 형태는, 상기 결합재 입자의 연속된 구조에 연결됨으로써 결합재 입자의 연속된 구조의 일부로서 존재하는 형태와, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 결합재 입자의 연속된 구조와는 독립적인 불연속 구조로서 존재하는 형태 중 어느 하나 또는 양쪽 모두의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 이와 같이 입방정 질화붕소 입자끼리의 결합 계면에 결합재가 존재하지 않는 경우, 본 발명의 복합 소결재에는 전술한 바와 같이 결합재가 존재하지 않는 형태도 포함될 수 있는 것을 명확히 한 것이다.

도 1은, 입방정 질화붕소 입자(1)가 서로 결합하는 결합 계면에 결합재 입자(2)의 연속된 구조와는 독립적인 불연속 구조로서 결합재가 존재하는 형태를 개념적으로 도시한 복합 소결체(4)의 부분 사시도이다. 즉, 중앙의 화살표에 대하여 좌측에 도시되어 있는 복합 소결체(4)로부터 입방정 질화붕소 입자(1)를 개념적으로 제거한 상태의 것이 우측에 도시되어 있고, 우측에는 상기 결합 계면에 대해 결합재가 독립적인 결합재(3)로서 존재하는 것이 도시되어 있다.

또한, 전술한 바와 같이 결합재가 입방정 질화붕소 입자끼리의 결합 계면에 존재하는 경우, 그 존재 확률은 60% 이하이며, 상기 결합재 입자의 연속된 구조에 연결됨으로써 결합재 입자의 연속된 구조의 일부로서 존재하거나, 또는 상기 결합재 입자의 연속된 구조와는 독립적인 불연속 구조로서 존재하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합하는 결합 계면에 있어서, 그 결합재의 조성은 적어도 Ti 또는 Al을 포함하는 것이 바람직하다. 열전도율의 관점에서는, 그 결합 계면에 결합재를 포함하지 않고 입방정 질화붕소 입자끼리 직접 강고 히 결합할 수 있는 형태가 가장 바람직하지만, 입방정 질화붕소 입자끼리의 결합 계면에서의 결합재의 존재 확률이 60% 이하이면 입방정 질화붕소 입자끼리의 연속성이 확보되어 열전도율의 저하를 최소한으로 억제할 수 있다. 또한, 상기 결합재를 산소와 친화성이 높은 Ti 또는 Al 원소를 포함하는 성분으로 하면, 이들 성분이 소결 과정에서 입방정 질화붕소 입자끼리의 결합 계면에 잔류하는 흡착 산소의 게터로서 작용하기 때문에, 입방정 질화붕소 내부에의 산소의 고용(固溶)에 따른 입방정 질화붕소 입자 자체의 변질, 또는 입방정 질화붕소 입자끼리의 결합 계면에서 산화상이 생성됨에 따른 열저항의 증가를 예방할 수 있다. 또한, 그 존재 확률이 60%를 넘으면 입방정 질화붕소보다 열전도율이 낮은 결합재가 많이 존재하게 되고, 복합 소결체 전체의 열전도율이 저하되기 때문에 바람직하지 않다. 전술한 바와 같이, 입방정 질화붕소 입자끼리의 결합 계면에는 결합재가 존재하지 않는 것이 특히 바람직하다. 여기서, 상기 존재 확률이 60% 이하라는 것은, 입방정 질화붕소 입자끼리의 결합 계면 중 임의의 하나의 결합 계면에 대한 복수의 측정점에 있어서 AES(오제 분광법) 분석 또는 EDS(에너지 분산형 X선 분광법) 분석을 실시한 경우, 전체 측정점 중 60% 이하의 측정점에서 결합재가 검출되는 것을 의미한다.

또한, 이상에서 입방정 질화붕소 입자 또는 결합재 입자가 서로 결합하는 것이란, 각 입자가 갖는 결정의 방위는 서로 달라도 좋지만 그 각 입자 사이의 결합 계면에 있어서 어떠한 화학 결합이나 물리 결합, 또는 제3 화합물의 개재에 의해 이들 양 입자가 서로 강고히 결합되어 있는 것을 의미한다. 또한, 이상에서 입방정 질화붕소와 결합재가 결합하고 있는 것이란, 상기 입자 사이의 결합과 마찬가지로 어떠한 화학 결합이나 물리 결합, 또는 제3 화합물의 개재에 의해 이들 양자가 강고히 결합되어 있는 것을 의미한다.

그리고, 복수의 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합함으로써 연속된 구조를 갖는 것과, 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합하는 결합 계면을 제외한 영역에 존재하는 복수의 결합재 입자가 서로 결합함으로써 연속된 구조를 갖는 것은, 상기 복합 소결체에 대하여 산처리(酸處理)를 실시한 후, 그 피처리체를 XRD(X선 회절 분석기)로 측정하는 동시에, 그 피처리체의 외관을 눈으로 관찰하고, 이에 더하여 항절력을 측정함으로써 확인할 수 있다.

여기서, 우선 상기 산처리란, 2:2:1의 체적비로 농질산(60%), 증류수, 농플루오르화수소산(47%)을 혼합한 혼합산과 소정의 크기(길이 6 mm×폭 3 mm×두께 0.5 mm의 사각형상)로 절단한 상기 복합 소결체를 밀폐 용기에 넣고, 140℃에서 48 시간 압력용해시키는 처리를 말한다.

계속해서, 상기 산처리를 거친 피처리체에 대하여 XRD 측정을 행한다. 이 측정에 의해 결합재 성분이 검출되지 않으면 복합 소결체로부터 결합재가 완전히 제거된 것을 의미하므로, 상기 결합재의 연속된 구조가 확인된다. 왜냐하면, 상기 혼합산은 결합재만을 선택적으로 용해시켜 제거하는 작용을 갖는 것이지만, 결합재가 본 발명의 구성과 같이 연속된 구조가 아니라 불연속 구조로 되어 있는 경우에는, 도 2에 도시된 바와 같이 입방정 질화붕소에 의해 그 주위가 둘러싸인 섬 형상 구조의 독립적인 결합재가 존재하고, 이러한 독립적인 결합재는 상기 산처리에 의해 용해되거나 제거되지 않고 피처리체 내에 잔존하기 때문에, 결과적으로 XRD 측정에 의해 결합재 성분이 검출된다. 다만, 상기 산처리에서는 입방정 질화붕소 이외에 Al₂O₃가 용해되거나 제거되지 않으므로, 결합재가 Al₂O₃를 포함하는 경우에는 Al₂O₃가 미량 검출되는 경우가 있다. 그러나, 이러한 경우라도 결합재가 Al₂O₃만으로 구성되지 않기 때문에 결합재를 구성하는 다른 성분의 검출 유무에 의해 판단할 수 있다. 따라서, 본 발명의 복합 소결체의 경우, 산처리 후의 X선 회절 측정에 있어서 입방정 질화붕소와 Al₂O₃ 이외의 화합물이 실질적으로 검출되지 않는 것이 특히 바람직하다.

도 2는, 결합재가 입방정 질화붕소 입자(1) 사이의 3중점에 결합재 입자(2)의 연속된 구조와는 독립적인 불연속 구조로서 존재하는 형태를 개념적으로 도시한 복합 소결체(4)의 부분 사시도이다. 즉, 중앙의 화살표에 대하여 좌측에 도시되어 있는 복합 소결체(4)로부터 입방정 질화붕소 입자(1)를 개념적으로 제거한 상태의 것이 우측에 도시되어 있고, 그 우측에는 결합재 입자(2)가 독립적인 결합재(3)로서 존재하는 것이 도시되어 있다.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 입방정 질화붕소 입자끼리의 결합 계면에 결합재 입자의 연속된 구조와는 독립적인 불연속 구조로서 결합재가 존재하는 경우에는, 상기 X선 회절 측정에 의해 결합재 성분이 검출되는 경우가 있다. 따라서, 이와 같이 결합재 성분이 검출되는 경우에는, 후술하는 산처리 후의 항절력을 측정함으로써 그 결합재 성분의 유래, 즉 그 결합재가 입방정 질화붕소 입자끼리의 결합 계면에 있어서 불연속 구조로서 존재하는 것(도 1)인지, 입방정 질화붕소 입자 에 의해 그 주위가 둘러싸인 섬 형상 구조의 독립적인 불연속 구조로서 존재하는 것(도 2)인지를 판단할 수 있다. 이에 대해서는 이하에서 상술한다.

계속해서, 피처리체의 외관을 눈으로 관찰한다. 입방정 질화붕소가 전술한 바와 같이 연속된 구조를 갖지 않고 종래와 같은 불연속 구조인 경우, 상기 산처리 후에는 분체상이 되어 무너져 버리고, 처리 전의 복합 소결체와는 전혀 다른 외관 형상이 된다. 이에 대하여, 입방정 질화붕소가 전술한 바와 같은 연속된 구조를 갖는 경우에는, 산처리 전의 원래의 형상을 유지하게 된다. 여기서, 원래의 형상을 유지하는 것이란, 통상의 여과 작업 등에서 1 gf/mm² 미만의 힘을 가하여 취급하는 경우 원래의 형상이 2개 이상의 부분으로 분리되지 않는 것을 말한다. 이와 같이 하여, 산처리 후의 피처리체의 외관을 눈으로 관찰함으로써 입방정 질화붕소의 연속된 구조를 확인할 수 있다.

또한, 입방정 질화붕소가 대체로 연속된 구조를 갖는 경우라도 각 입자끼리 결합되는 것이 아니라 단순히 접촉되어 있는 경우에는, 상기 산처리 후에도 원래의 형상을 어느 정도 유지하지만 각 입자 사이의 결합력이 약하기 때문에 산처리 중에 피처리체의 가장자리 부분이 일부 분리되거나, 1 gf/mm² 미만의 응력 하에서 취급하면 쉽게 붕괴되어 버리기 때문에 본 발명의 연속된 구조와의 차이를 쉽게 구별할 수 있다.

계속해서, 상기 피처리체의 항절력도 측정한다. 항절력의 측정은, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 사각형상(길이 6 mm×폭 3 mm×두께 0.5 mm)의 피처리체(10) 상의 3개의 지점을 3개의 지주(11)(직경 2 mm)로 지지하는 동시에 스팬(L)을 4 mm로 하는 조건을 채용하고, 그 스팬(L)의 중간 부분에 부하(N)를 가함으로써, 피처리체(10)가 파손될 때의 부하(N)를 측정하고, 이를 항절력으로 함으로써 수행할 수 있다. 그리고, 본 발명에서는 이 항절력이 1 gf/mm² 이상 70 kgf/mm² 이하인 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이 입방정 질화붕소가 연속된 구조를 갖기 때문에 이러한 높은 항절력이 나타나는 것이며, 입방정 질화붕소가 불연속 구조인 경우에는 항절력이 1 gf/mm² 미만이 된다. 이 항절력은 크면 클수록 바람직하고, 굳이 그 상한을 규정할 필요는 없지만, 70 kgf/mm²를 넘으면 입방정 질화붕소 입자끼리의 결합 계면의 개수가 너무 많아지고, 결합재가 입방정 질화붕소 입자끼리의 3중점에 불연속적으로 받아들여지는 경우가 많아진다. 즉, 결합재가 전술한 바와 같이 입방정 질화붕소 입자에 의해 그 주위가 둘러싸인 섬 형상 구조의 독립적인 불연속 구조로서 존재하는 경우(도 2)에는 이 항절력이 70 kgf/mm²를 넘는 값을 갖게 된다. 이에 대하여, 산처리 후에 결합재 성분이 검출되는 경우라도 항절력이 70 kgf/mm² 이하의 값을 갖는 경우에는, 그 결합재가 입방정 질화붕소 입자끼리의 결합 계면에 불연속 구조로서 존재하고 있는(도 1) 것을 의미한다.

<복합 소결체의 제조 방법>

본 발명의 복합 소결체는, 우선 원료 분말인 입방정 질화붕소 분말과 결합재 분말을 혼합하고 입방정 질화붕소가 육방정 질화붕소로 변환되지 않는 압력과 온도 조건 하에서 소결하거나, 또는 이 입방정 질화붕소가 육방정 질화붕소로 변환되지 않는 압력과 온도 조건 하에서 소결시키는 중에 결합재 성분을 외부로부터 용침(溶侵)시킴으로써 제조할 수 있다.

여기서, 상기 혼합 분말을 소결함에 있어서 그 혼합 분말을 소결체 제작을 위한 고융점을 갖는 금속제 캡슐[예컨대 Mo(몰리브덴)제 캡슐 등]에 충전하는 경우, 이 혼합 분말을 Ti와 Al의 합금으로 제작된 금속박 사이에 충전하고 소결하는 것이 바람직하다. 이 금속박은 결합재를 구성하는 것이지만, 소결 온도 이하의 융점을 갖기 때문에 소결시에 액상이 되어 혼합 분말 사이에 침투하므로 입방정 질화붕소 입자와 결합재가 각각 연속된 구조가 되도록 할 수 있다. 또한, 결합재의 모든 성분을 미리 입방정 질화붕소 분말과 혼합해 두는 것이 아니라, 소결 중에 입방정 질화붕소 분말과 (비교적 소량의) 결합재 분말의 혼합 분말에 외부로부터 결합재 성분을 더 용침시킴으로써 입방정 질화붕소 입자끼리의 연속성 및 결합재 입자의 연속성을 더 높인, 본 발명의 복합 소결체를 제조할 수 있다. 특히, 입방정 질화붕소 입자 사이의 미세한 간격으로도 상기 합금이 침투하기 때문에, 입방정 질화붕소 입자의 3중점에 존재하는 결합재끼리 고립되지 않고 결합재의 연속 구조화가 촉진된다.

또한, 상기 소결 과정에 있어서는 입방정 질화붕소가 열역학적으로 안정적인 소정의 압력 및 온도 조건이 되도록 압력 이력 및 온도 이력 등의 여러 가지 조건을 제어하는 것이 바람직하다. 여기서, 본 발명에서의 여러 가지 조건을 구체적으로 설명하기 전에, 우선 일반적인 입방정 질화붕소 소결체의 소결 조건에 대해서 설명한다. 우선, 전술한 바와 같이 입방정 질화붕소와 결합재로 이루어지는 혼합 분말에 대하여 저온으로 압력을 가하고 치밀화를 촉진한 후, 온도를 높여 소결하는 과정이 행해진다. 예컨대, 상온에서 4 내지 6 GPa까지 압력을 높인 후에 1300 내지 1800℃까지 승온하고, 이렇게 승온된 최고 온도를 유지한 채로 소결된다.

그러나, 이러한 종래의 소결 조건에서는, 압력을 가하는 과정에서 경도가 낮은 결합재가 주로 파쇄되고, 그 파쇄된 미립의 결합재가 입방정 질화붕소 입자 사이에 미끄러져 들어가며, 더 나아가서는 결합재와 비교하여 잘 파쇄되지 않는 경도가 높은 입방정 질화붕소 입자가 결합재를 둘러싸도록 배열되고, 이것이 3중점을 형성함으로써 그 미소 영역에서의 치밀화가 그 이상 진행하지 않는 채로 가열에 의해 소결된다. 그리고, 이에 따라 입방정 질화붕소 입자 사이에 결합재가 개입된 영역이나, 입방정 질화붕소 입자에 둘러싸인 불연속 구조의 결합재 영역이 점재한 소결체 조직 구조가 된다.

따라서, 본 발명에서의 소결 방법의 구체적인 조건으로서는, 이하의 여러 가지 조건이 채용된다. 즉, 우선 입방정 질화붕소가 열역학적으로 안정적인 조건이 되는 2 내지 5 GPa의 압력, 1000 내지 1500℃의 온도까지 일단 가압 및 승온하고(가압과 승온을 동시에 실시하고), 이 압력과 온도 조건으로 1 내지 5분간 유지한다. 이에 따라 치밀화의 진행과 동시에 입방정 질화붕소 입자끼리 접촉하고 있는 부분에서 우선 소결이 진행된다. 그리고, 이 경우 결합재는 상기 승온에 따라 연화되는 동시에 소성 변형됨으로써 유동성이 높아지기 때문에, 입방정 질화붕소 입자가 결합재를 둘러싸도록 배열될 때에도 입방정 질화붕소 사이의 간격으로 미끄러져 들어가서(침투하여) 연속된 구조가 유지된다.

그리고, 이와 같이 하여 입방정 질화붕소 및 결합재가 모두 연속된 구조를 갖게 된 후에, 계속해서 입방정 질화붕소가 열역학적으로 안정적인 조건인 5 내지 8 GPa의 압력, 1400 내지 2000℃의 온도까지 재차 가압 및 승온하고(가압과 승온을 동시에 실시하고), 이 압력과 온도 조건으로 1 내지 15분간 유지한다. 이에 따라, 입방정 질화붕소 입자 사이, 결합재 입자 사이 및 입방정 질화붕소 입자와 결합재 입자 사이의 결합력이 더 강화되는 것으로 추측된다.

또한, 입방정 질화붕소 입자 및 결합재 입자에 대하여 표면 개질을 행함으로써, 입방정 질화붕소 입자 사이, 결합재 입자 사이 및 입방정 질화붕소 입자와 결합재 입자 사이의 결합력을 한층 더 강화하는 것이 가능하다. 여기서 표면 개질이란, 소결 전의 각 원료 분말에 대하여, 예컨대 수소 분위기 중에서의 플라즈마 처리나 암모니아 분위기 중에서의 열처리를 행하는 것을 예로 들 수 있다. 또한, 입방정 질화붕소 입자끼리의 직접적인 결합성을 높이기 위해 소결 전의 상기 혼합 분말에 대하여 탄소, 수소 및 질소로 이루어지는 화합물로서 촉매 작용을 갖는 멜라민 등을 첨가하는 것도 효과적이다.

<절삭 공구>

본 발명의 절삭 공구는, 적어도 일부에 상기 복합 소결체를 포함하여 이루어지는 것이다. 예컨대, 절삭 작용의 중심점이 되는 날끝 노우즈부를 상기 복합 소결체로 구성할 수 있다. 또한, 날끝 능선부를 이 복합 소결체로 구성하거나, 날끝 능선부를 포함하는 절삭면 전체를 이 복합 소결체로 구성할 수도 있다. 또한, 절삭 공구 전체를 이 복합 소결체로 구성할 수도 있다.

본 발명의 절삭 공구는 이와 같이, 적어도 일부에 상기 복합 소결체를 포함하고 있는 한, 그 구조가 특별히 한정되지 않는다. 또한, 절삭 공구의 일부를 본 발명의 복합 소결체로 구성하는 경우, 나머지 부분은 이러한 종류의 절삭 공구의 기재로서 이용되는 종래에 공지된 어느 하나의 기재에 의해서도 구성이 가능하다. 이와 같은 기재로서는, 예컨대 초경합금(예컨대 WC기 초경합금, WC 외에 Co를 포함하는 재료, 또는 이 재료에 Ti, Ta, Nb 등의 탄질화물 등을 더 첨가한 것도 포함), 서밋(Cermet)(TiC, TiN, TiCN 등을 주성분으로 함), 고속도강, 세라믹스(탄화티탄, 탄화규소, 질화규소, 질화알루미늄, 산화알루미늄 및 이들의 혼합물 등), 다이아몬드 소결체, 질화규소 소결체 등을 들 수 있다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것이 아니다.

<실시예 1>

우선, Ti_XN_Y(식 중 X=0.5, Y=0.25) 분말과 Al 분말을 80:20의 질량비로 균일하게 혼합한 후, 진공로를 이용하여 이 혼합 분말에 대하여 진공 중에서 1200℃로 30분간의 열처리를 실시하였다. 그 후, 초경합금제 포트와 초경합금제 볼로 이루어지는 볼밀을 이용하여, 전술한 바와 같이 열처리를 실시한 혼합 분말을 분쇄함으로써 결합재용 원료 분말을 얻었다.

계속해서, 상기 볼밀을 이용하여 입방정 질화붕소 분말이 70 체적%가 되는 배합비로 앞서 얻어진 결합재용 원료 분말과 평균 입자 지름 3.8 μm의 입방정 질화붕소 분말을 균일하게 혼합하였다. 그 후, 이 혼합 분말을 진공로 내에서 900℃로 20분간 유지함으로써 탈가스하였다.

계속해서, 전술한 바와 같이 탈가스한 혼합 분말을 TiAl 합금[Ti(50 원자%) Al(50 원자%)]제의 금속박 사이에 채우고 몰리브덴(Mo)제 캡슐에 충전한 후, 초고압 장치를 이용하여 3 GPa의 압력, 1200℃의 온도까지 가압과 동시에 승온하고, 이 압력과 온도 조건 하에서 2분간 유지하였다.

계속해서, 같은 장치를 이용하여, 6.2 GPa의 압력, 1750℃의 압력까지 재차 가압과 동시에 승온하고, 이 압력과 온도 조건 하에서 15분간 유지함으로써 소결을 더 행하여, 적어도 입방정 질화붕소와 결합재를 포함하는 본 발명의 복합 소결체를 제조하였다.

그리고, 이 복합 소결체의 조성을 XRD 측정(편의상, 당초 XRD 측정이라고 기록함)에 의해 특정하는 동시에 열전도율을 측정하였다. 열전도율의 측정은 후술하는 산처리 전에 행하는 것으로서 앞서 얻어진 복합 소결체를 꼭지각 80˚, 밑변 4 mm, 두께 1 mm의 이등변 삼각형 형태로 성형한 후, 레이저 플래시 열확산율 측정 장치를 이용하여 열확산율을 측정하고, 비열 및 밀도로부터 열전도율을 산출하였다. 계속해서, 이 복합 소결체에 대하여 TEM(투과 전자 현미경) 관찰 및 EDS 분석, AES 분석에 의해 입방정 질화붕소 입자끼리의 결합 계면에 대한 원소 분석을 더 실시하고, 이 결합 계면에 존재하는 결합재의 조성(구성 원소의 종류)과 존재 확률을 산출하였다. 이들 결과를 이하의 표 1에 나타낸다. 또한, 표 1에 있어서, 입방정 질화붕소 이외의 TiN(상기 Ti_XN_Y를 단순히 TiN으로 기록함, 이하 동일함), TiB₂, AlN, AlB₂는 결합재를 구성하는 성분이다. 이들 성분은 상기 결합재용 원료 분말의 조성과는 다르지만, 이는 소결시에 입방정 질화붕소와의 화학 반응에 따른 것이라고 판단된다.

계속해서, 앞서 제조된 본 발명의 복합 소결체를 길이 6 mm×폭 3 mm×두께 0.5 mm의 사각형상으로 성형한 후, 산처리[이상에서 설명한 바와 같이, 2:2:1의 체적비로 농질산(60%), 증류수, 농플루오르화수소산(47%)을 혼합한 혼합산을 이용하여 140℃에서 48시간 압력용해시키는 처리]를 실시하였다. 그리고, 이와 같이 산처리를 실시한 피처리체에 대해서 XRD 측정을 행함으로써, 산처리 후의 조성을 특정하는 동시에, 외관 형상을 눈으로 관찰하였다. 그 결과를 이하의 표 1에 나타낸다.

계속해서, 상기 피처리체를 이용하여, 앞서 도 3을 이용하여 설명한 방법에 의해 항절력을 측정하였다. 그 결과를 이하의 표 1에 나타낸다.

한편, 앞서 제조된 (산처리 전의) 복합 소결체를 이용하여 절삭 공구를 제작하였다. 구체적으로는, 앞서 제조된 복합 소결체를 초경합금제의 기재에 납땜하고 소정의 형상(ISO 형식 번호: SNGA120408)으로 성형함으로써 절삭 공구를 제작하였다. 그리고, 이 절삭 공구를 이용하여 하기의 조건 하에서 담금질강을 고속의 단속 절삭하는 절삭 시험을 실시하고, 결손까지의 공구 수명을 조사하였다. 그 결과를 이하의 표 1에 나타낸다.

<절삭 시험의 조건>

피삭재: 침탄 담금질 강 SCM415H, HRC62

(지름 100 mm×길이 300 mm, 피삭재의 축 방향으로 6개의 V홈이 있음)

절삭 속도: V=200 m/min.

이송: f=0.15 mm/rev.

절삭 깊이: d=0.3 mm

습식/건식: 건식

<실시예 2 또는 3>

실시예 1에 있어서, Ti_XN_Y(식 중 X=0.5, Y=0.25) 분말 대신에 Zr_XN_Y(식 중 X=0.5, Y=0.25) 분말(실시예 2), 또는 Ti_XC_YN_Z(식 중 X=0.5, Y=Z=0.125) 분말(실시예 3)을 이용하는 것을 제외하고는 모두 실시예 1과 마찬가지로 하여 본 발명의 복합 소결체를 제조하였다. 이 복합 소결체에 대해서, 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 내지 시험한 각 특성을 이하의 표 1에 나타낸다.

<실시예 4 또는 5>

실시예 1에 있어서, 70 체적%인 입방정 질화붕소 분말의 배합비를 75 체적%(실시예 4), 또는 65 체적%(실시예 5)로 바꾸는 것을 제외하고는 모두 실시예 1과 마찬가지로 하여 본 발명의 복합 소결체를 제조하였다. 이 복합 소결체에 대해서, 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 내지 시험한 각 특성을 이하의 표 1에 나타낸다.

<비교예 1>

실시예 1에 있어서, 혼합 분말을 몰리브덴(Mo)제 캡슐에 충전할 때 TiAl 합금[Ti(50 원자%) Al(50 원자%)]제의 금속박을 이용하지 않은 것과, 소결 조건을 실시예 1의 조건 대신에 종래와 같이 상온에서 압력을 5 GPa까지 높인 후에 온도를 1500℃까지 승온시켜 15분간 소결한다고 하는 조건을 채용하는 것의 2가지를 제외하고는 모두 실시예 1과 마찬가지로 하여 비교예의 복합 소결체를 제조하였다. 이 복합 소결체에 대해서, 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 내지 시험한 각 특성을 이하의 표 1에 나타낸다.

<비교예 2>

비교예 1에 대하여, 70 체적%인 입방정 질화붕소 분말의 배합비를 85 체적%로 바꾸는 것을 제외하고는 모두 비교예 1과 마찬가지로 하여 비교예 2의 복합 소결체를 제조하였다. 이 복합 소결체에 대해서, 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 내지 시험한 각 특성을 이하의 표 1에 나타낸다.

<비교예 3 내지 5>

입방정 질화붕소의 복합 소결체를 초경합금제의 기재에 납땜하여 이루어지는 실시예 1의 절삭 공구와 동일 형상(ISO 형식 번호: SNGA120408)의 시판되는 절삭 공구를 준비하고, 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 내지 시험한 각 특성을 이하의 표 1에 나타낸다. 또한, 복합 소결체 중의 입방정 질화붕소의 체적%는 SEM(주사 전자 현미경)에 의해 측정되었다.

[표 1]

표 1로부터 명백한 바와 같이, 실시예 1 내지 5의 복합 소결체에 있어서는, 산처리 후의 XRD 측정에 의해 입방정 질화붕소만이 검출(단, 일부 Al₂O₃를 포함)되었기 때문에 복수의 결합재 입자가 서로 결합함으로써 결합재가 연속된 구조를 갖고 있는 것을 나타내고 있다. 또한, 동시에 이는 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합하는 결합 계면에 불연속 구조의 결합재가 존재하지 않는다는 것을 동시에 나타내고 있다. 또한, TEM 관찰 및 EDS 분석, 추가적으로 AES 분석에 의해 이 결합 계면에 결합재가 존재하는 것이 확인되었기 때문에, 이 결합 계면에 존재하는 결합재는 결합재 입자의 연속된 구조에 연결됨으로써 그 연속된 구조의 일부로서 존재하고 있는 것을 동시에 나타내고 있다. 또한 이 사실은, 산처리 후의 항절력이 1 gf/mm² 이상 70 kgf/mm² 이하로 되어 있다는 것으로부터 뒷받침되고 있다.

또한, 산처리 후에 피처리체의 외관 형상을 눈으로 관찰한 바, 실시예 1 내 지 5의 복합 소결체는 모두 원래의 형상을 완전히 유지하며, 항절력도 1 gf/mm² 이상 70 kgf/mm² 이하이기 때문에 복수의 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합함으로써 입방정 질화붕소가 연속된 구조를 갖고 있다는 것을 나타내고 있다.

한편, 비교예 1은 산처리 후의 외관 관찰을 통해 형상의 붕괴가 확인되고 있기 때문에, 입방정 질화붕소 입자는 연속된 구조가 아니라 불연속 구조로 되어 있다는 것을 나타내고 있다. 이 때문에, 각 실시예에 비해 열전도율이 낮고, 절삭 시험에 있어서의 공구 수명도 뒤떨어진 것으로 되어 있다. 또한, 이 때문에 입방정 질화붕소 입자끼리의 결합 계면에서의 결합재의 조성과 존재 확률을 측정할 수도 없었다(따라서, 표 1에서는 「-」로 표기하였다).

또한, 비교예 2는 산처리 후의 외관 관찰에서 원래의 형상이 유지되어 있기 때문에, 일단 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합되어 연속된 구조로 되어 있는 것으로 판단된다. 그러나, 산처리 후에 미량의 결합재 성분(TiN, TiB₂, AlN, AlB₂, Al₂O₃)이 XRD 측정에 의해 검출되고, 또한 산처리 후의 항절력이 70 kgf/mm²를 넘기 때문에 결합재가 입방정 질화붕소의 연속된 구조에 둘러싸인 독립적인 불연속 구조로서 존재하고 있는 것을 나타내고 있다. 이 때문에, 절삭 시험에 있어서의 공구 수명이 뒤떨어진 것으로 되어 있다.

또한, 비교예 3 내지 5는, 산처리 후에 피처리체를 눈으로 관찰한 바, 모두 원래의 형상이 유지되어 있지 않은 것(비교예 3은 가장자리 부분이 박리되어 있고, 비교예 4 및 5는 붕괴되어 있는 것)이 확인되었으며, 이는 입방정 질화붕소 입자끼리의 결합이 불충분하고 불연속인 구조인 것을 나타내는 것이다. 또한, 이 때문에 입방정 질화붕소 입자끼리의 결합 계면에서의 결합재의 조성과 존재 확률을 측정할 수는 없었다(따라서, 표 1에서는 「-」로 표기하였다). 또한, 시판품을 이용하고 있기 때문에 이들 비교예에 대해서는 항절력을 측정할 수 없었다.

그리고, 절삭 시험의 결과 실시예 1 내지 5의 절삭 공구는 비교예 1 내지 5의 절삭 공구에 비해 2배 이상의 공구 수명을 갖고 있었다. 이것은, 복수의 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합함으로써 연속된 구조를 갖는 입방정 질화붕소와, 복수의 결합재 입자가 서로 결합함으로써 연속된 구조를 갖는 결합재가 실시예의 각 복합 소결체에 포함됨으로써, 내열성과 인성이 고도로 양립되어 있고 공구 수명이 대폭 연장된 것을 나타내고 있다.

<실시예 6>

실시예 1에서 이용된 입방정 질화붕소 분말에 대하여, 마이크로파 반응 장치를 이용하여 1.333×10⁴ Pa(100 torr)의 감압 수소 기류 중에서 1000℃로 30분간 마이크로파 플라즈마에 의한 수소 플라즈마 처리를 실시하였다. 그 후, 이와 같이 하여 얻어진 분말을 재차 교반한 후, 전술한 바와 동일한 조건에 의한 수소 플라즈마 처리를 5회 반복하여 표면 처리를 실시한 입방정 질화붕소 분말을 얻었다.

그리고, 실시예 1에서 이용된 입방정 질화붕소 분말 대신에 전술한 바와 같이 하여 얻어진 입방정 질화붕소 분말을 사용하는 것을 제외하고는, 다른 것은 모 두 실시예 1과 동일한 제조 조건으로 하여 본 발명의 복합 소결체를 얻었다. 이 복합 소결체에 대해서, 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 내지 시험한 각 특성을 이하의 표 2에 나타낸다.

<실시예 7>

실시예 4에서 이용된 입방정 질화붕소 분말에 대하여, 암모니아 분위기 중에서 1200℃로 30분간 열처리를 실시함으로써 표면 처리를 행한 입방정 질화붕소 분말을 얻었다.

그리고, 실시예 4에서 이용된 입방정 질화붕소 분말 대신에 전술한 바와 같이 하여 얻어진 입방정 질화붕소 분말을 사용하는 것을 제외하고, 다른 것은 모두 실시예 4와 동일한 제조 조건으로 하여 본 발명의 복합 소결체를 얻었다. 이 복합 소결체에 대해서, 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 내지 시험한 각 특성을 이하의 표 2에 나타낸다.

<실시예 8>

실시예 1에 있어서, 볼밀을 이용하여 입방정 질화붕소 분말의 체적비가 65 체적%가 되는 배합비로 결합재용 원료 분말과 평균 입자 지름 3.8 μm의 입방정 질화붕소 분말을 균일하게 혼합한 후 실시예 1과 같은 조건으로 탈가스하며, 이와 같이 탈가스된 혼합 분말에 대하여, 멜라민 수지 분말(시판품)을 3 질량% 첨가하는 것을 제외하고는 다른 것은 모두 실시예 1과 동일한 제조 조건으로 하여 본 발명의 복합 소결체를 얻었다. 이 복합 소결체에 대해서, 실시예 1과 마찬가지로 하여 측정 내지 시험한 각 특성을 이하의 표 2에 나타낸다.

[표 2]

표 2의 각 결과로부터 명백한 바와 같이 상기 실시예 6 내지 8의 복합 소결체에 있어서, 모든 입방정 질화붕소는 복수의 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합함으로써 연속된 구조를 가지고, 결합재는 복수의 결합재 입자가 서로 결합함으로써 연속된 구조를 갖는 것이었다.

또한, 실시예 6 내지 8의 복합 소결체를 이용한 절삭 공구는 각각 대응하는 입방정 질화붕소 함유율을 갖는 실시예 1, 4, 5의 복합 소결체를 이용한 절삭 공구보다 공구 수명이 더 향상되었다. 또한, 실시예 6 내지 8의 복합 소결체는, 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합되는 결합 계면에서의 결합재의 존재 확률이 실시예 1, 4, 5의 복합 소결체에서의 존재 확률보다 더 낮고, 이 때문에 실시예 6 내지 8의 복합 소결체는 실시예 1, 4, 5의 복합 소결체보다 모두 열전도율이 우수하였다. 이러한 결과는 다음과 같은 이유에 의한 것으로 판단된다.

즉, 실시예 6에서는 수소 플라즈마 처리에 의한 표면 처리를 실시한 입방정 질화붕소 분말의 표면에서 질소가 유효하게 제거되는 동시에, 표면이 수소기로 종단되는 것으로 판단된다. 그리고, 이와 같이 표면에 존재하는 수소기는 고온 고압 하에서 촉매 작용을 나타내어 입방정 질화붕소 입자끼리의 결합력이 더 강화되기 때문에 전술한 바와 같은 결과를 얻을 수 있는 것으로 추측된다.

또한, 실시예 7에서는 암모니아 처리에 의한 표면 처리를 실시한 입방정 질화붕소 분말의 표면에서 산소가 유효하게 제거되는 동시에, 표면이 아미노기로 종단되는 것으로 생각된다. 그리고, 이와 같이 표면에 존재하는 아미노기는 고온 고압 하에서 촉매 작용을 하여, 입방정 질화붕소 입자끼리의 결합력이 더 강화되기 때문에 전술한 바와 같은 결과를 얻을 수 있는 것으로 추측된다.

또한, 실시예 8에서는 멜라민 분말을 3 질량% 첨가함으로써, 입방정 질화붕소 입자 주변에 탄소유리기(예컨대, -CH₃기), 수소유리기(예컨대, -H기) 및 질소유리기(예컨대, -NH₂기)가 존재하는 것으로 생각된다. 그리고, 상기 탄소유리기는 입방정 질화붕소 입자 표면에 존재하는 B₂O₃ 등의 산소 불순물과 반응하여 이를 제거하는 작용을 하며, 수소유리기 및 질소유리기는 입방정 질화붕소의 다결정화를 촉진하는 촉매 작용을 함으로써, 입방정 질화붕소 입자끼리의 결합력이 강화되기 때문에 전술한 바와 같은 결과를 얻을 수 있는 것으로 추측된다.

<실시예 9>

우선, Ti_XN_Y(식 중 X=0.5, Y=0.25) 분말과 Al 분말을 80:20의 질량비로 균일하게 혼합한 후, 진공로를 이용하여 진공 중에서 1200℃로 30분간 이 혼합 분말에 대하여 열처리를 실시하였다. 그 후, 초경합금제 포트와 초경합금제 볼로 이루어지는 볼밀을 이용하여, 전술한 바와 같이 열처리를 실시한 혼합 분말을 분쇄함으로써 결합재용 원료 분말을 얻었다.

계속해서, 상기 볼밀을 이용하여 입방정 질화붕소 분말의 체적비가 80 체적%가 되는 배합비로 앞서 얻어진 결합재용 원료 분말과 평균 입자 지름 2.8 μm의 입방정 질화붕소 분말을 균일하게 혼합하였다. 그 후, 이 혼합 분말을 진공로 내에서 900℃로 20분간 유지함으로써 탈가스하였다.

계속해서, 전술한 바와 같이 탈가스한 혼합 분말을 TiAl 합금[Ti(50 원자%) Al(50 원자%)]제의 금속박 사이에 채워 몰리브덴(Mo)제 캡슐에 충전한 후, 초고압 장치를 이용하여 3.5 GPa의 압력, 1200℃의 온도까지 가압과 동시에 승온하고, 이 압력 및 온도 조건하에서 1.5분간 유지하였다(제1 가압 승온).

계속해서, 같은 장치를 이용하여 6.5 GPa의 압력, 1850℃의 온도까지 재차 가압과 동시에 승온하고(제2 가압 승온), 이 압력 및 온도 조건하에서 15분간 더 유지함으로써 소결을 행하여, 적어도 입방정 질화붕소와 결합재를 포함하는 본 발명의 복합 소결체를 제조하였다. 이 복합 소결체에 대해서, 실시예 1과 마찬가지로 하여 당초 XRD 측정, 열전도율 측정(산처리 전), 산처리 후의 XRD 측정, 산처리 후의 외관 관찰 및 산처리 후의 항절력 측정을 행한 결과를 이하의 표 3에 나타낸다.

<실시예 10>

실시예 9에 있어서, 입방정 질화붕소 분말을 77 체적%가 되는 배합비로 균일하게 혼합하는 것을 제외하고는, 다른 것은 모두 실시예 9와 마찬가지로 하여 본 발명의 복합 소결체를 제조하였다. 이 복합 소결체에 대해서, 실시예 9와 마찬가지로 하여 측정한 각 특성을 이하의 표 3에 나타낸다.

<실시예 11>

실시예 9에 있어서, 입방정 질화붕소 분말을 72 체적%가 되는 배합비로 균일하게 혼합하는 것을 제외하고는, 다른 것은 모두 실시예 9와 마찬가지로 하여 본 발명의 복합 소결체를 제조하였다. 이 복합 소결체에 대해서, 실시예 9와 마찬가지로 하여 측정한 각 특성을 이하의 표 3에 나타낸다.

<실시예 12>

실시예 9에 있어서, 입방정 질화붕소 분말을 65 체적%가 되는 배합비로 균일하게 혼합하는 것을 제외하고는, 다른 것은 모두 실시예 9와 마찬가지로 하여 본 발명의 복합 소결체를 제조하였다. 이 복합 소결체에 대해서, 실시예 9와 마찬가지로 하여 측정한 각 특성을 이하의 표 3에 나타낸다.

<실시예 13>

실시예 9에 있어서, 입방정 질화붕소 분말을 65 체적%가 되는 배합비로 균일하게 혼합하는 것과, 6.5 GPa의 압력, 1850℃의 온도 조건 하에서의 유지 시간을 60분간으로 하는 것을 제외하고는, 다른 것은 모두 실시예 9와 마찬가지로 하여 본 발명의 복합 소결체를 제조하였다. 이 복합 소결체에 대해서 실시예 9와 마찬가지로 하여 측정한 각 특성을 이하의 표 3에 나타낸다.

<실시예 14>

실시예 9에 있어서, 입방정 질화붕소 분말을 65 체적%가 되는 배합비로 균일하게 혼합하는 것과, 6.5 GPa의 압력, 1850℃의 온도 조건 하에서의 유지 시간을 40 분간으로 하는 것을 제외하고는, 다른 것은 모두 실시예 9와 마찬가지로 하여 본 발명의 복합 소결체를 제조하였다. 이 복합 소결체에 대해서, 실시예 9와 마찬 가지로 하여 측정한 각 특성을 이하의 표 3에 나타낸다.

<실시예 15>

실시예 9에 있어서, 입방정 질화붕소 분말을 65 체적%가 되는 배합비로 균일하게 혼합하는 것과, 6.5 GPa의 압력, 1850℃의 온도 조건 하에서의 유지 시간을 20분간으로 하는 것을 제외하고는, 다른 것은 모두 실시예 9와 마찬가지로 하여 본 발명의 복합 소결체를 제조하였다. 이 복합 소결체에 대해서, 실시예 9와 마찬가지로 하여 측정한 각 특성을 이하의 표 3에 나타낸다.

<실시예 16>

실시예 9에 있어서, 입방정 질화붕소 분말을 65 체적%가 되는 배합비로 균일하게 혼합하는 것과, 각각 5.5 GPa, 1850℃의 압력과 온도로 제2 가압 승온을 행하며 유지 시간을 10분간으로 하는 것을 제외하고는, 다른 것은 모두 실시예 9와 마찬가지로 하여 본 발명의 복합 소결체를 제조하였다. 이 복합 소결체에 대해서, 실시예 9와 마찬가지로 하여 측정한 각 특성을 이하의 표 3에 나타낸다.

<실시예 17>

실시예 9에 있어서, 입방정 질화붕소 분말을 65 체적%가 되는 배합비로 균일하게 혼합하는 것과, 각각 5.5 GPa, 1700℃의 압력과 온도로 제2 가압 승온을 행하며 유지 시간을 15분간으로 하는 것을 제외하고는, 다른 것은 모두 실시예 9와 마찬가지로 하여 본 발명의 복합 소결체를 제조하였다. 이 복합 소결체에 대해서, 실시예 9와 마찬가지로 하여 측정한 각 특성을 이하의 표 3에 나타낸다.

<실시예 18>

실시예 9에 있어서, 입방정 질화붕소 분말을 65 체적%가 되는 배합비로 균일하게 혼합하는 것과, 각각 5.5 GPa, 1550℃의 압력과 온도로 제2 가압 승온을 행하며 유지 시간을 15분간으로 하는 것을 제외하고는, 다른 것은 모두 실시예 9와 마찬가지로 하여 본 발명의 복합 소결체를 제조하였다. 이 복합 소결체에 대해서, 실시예 9와 마찬가지로 하여 측정한 각 특성을 이하의 표 3에 나타낸다.

<비교예 6>

실시예 9에 있어서, 입방정 질화붕소 분말을 65 체적%가 되는 배합비로 균일하게 혼합하는 것, 혼합 분말을 몰리브덴(Mo)제 캡슐에 충전할 때 TiAl 합금[Ti(50 원자%) Al(50 원자%)]제의 금속박을 이용하지 않은 것, 그리고 실시예 9의 조건 대신에 상온에서 5.5 GPa까지 압력을 높인 후에 1550℃까지 온도를 승온시키는 소결 조건으로 30분간 소결시키는 종래와 같은 조건을 채용하는 것 등의 3가지를 제외하고는 모두 실시예 9와 마찬가지로 하여 비교예의 복합 소결체를 제조하였다. 이 복합 소결체에 대해서, 실시예 9와 마찬가지로 하여 측정한 각 특성을 이하의 표 3에 나타낸다.

[표 3]

표 3의 각 결과로부터 명백한 바와 같이, 상기 실시예 9 내지 18의 복합 소결체에 있어서, 모든 입방정 질화붕소는 복수의 입방정 질화붕소 입자가 서로 결합함으로써 연속된 구조를 가지며, 결합재는 복수의 결합재 입자가 서로 결합함으로써 연속된 구조를 갖는 것이었다.

이에 대하여, 비교예 6은 산처리 후의 외관 관찰에서 형상의 붕괴가 확인되었기 때문에, 입방정 질화붕소 입자는 연속된 구조가 아니라 불연속 구조로 되어 있는 것을 나타내고 있다. 이 때문에 각 실시예에 비해 열전도율이 낮고, 후술하는 절삭 시험에 있어서의 공구 수명도 뒤떨어진 것으로 되어 있다.

또한, 실시예 9 내지 18 및 비교예 6에서 얻어진 복합 소결체를 TEM(투과 전자 현미경) 관찰함으로써 결합재 입자에 포함되는 알루미늄 화합물의 평균 입자 지름을 측정하는 동시에, EDS 분석 및 AES 분석을 이용하여 그 원소 분석을 실시함으로써 결합재 중에서 차지하는 비율을 측정하였다. 그 결과를 이하의 표 4에 나타낸다.

한편, 실시예 9 내지 18 및 비교예 6에서 얻어진 (산처리 전의) 복합 소결체를 이용하여 절삭 공구를 제작하였다. 구체적으로는, 앞서 제조된 각 복합 소결체를 초경합금제의 기재에 각각 납땜하여 소정의 형상(ISO 형식 번호: SNGA120408)으로 성형함으로써 절삭 공구를 제작하였다. 그리고, 이 절삭 공구를 이용하여 하기의 조건에서 베어링강을 황삭(rough-cut)하는 절삭 시험을 실시하고, 결손까지의 공구 수명을 조사하였다. 그 결과를 이하의 표 4에 나타낸다.

<절삭 시험의 조건>

피삭재: 베어링강 SUJ2, HRC63

(지름 100 mm×길이 300 mm, 둥근 막대)

절삭 속도: V=100 m/min.

이송: f=0.15 mm/rev.

절삭 깊이: d=0.4 mm

습식/건식: 건식

[표 4]

EDS 분석 및 AES 분석에 의해, 입방정 질화붕소와 결합재의 계면에서 Al_XO_YN_Z과 Al_SB_TO_UN_V가 검출될 뿐만 아니라 결합재 입자끼리의 계면에서 Al_XO_YN_Z이 검출되었다. 결합재 성분인 이들 알루미늄 화합물 중 Al_SB_TO_UN_V는 대략 비정질로서 존재하고 있기 때문에 XRD 측정으로는 검출되지 않은 것으로 추정된다.

절삭 시험의 결과, 실시예 9 내지 18은 비교예 6에 비해 공구 수명이 길었다. 그 이유는, 각 실시예의 복합 소결체에서 입방정 질화붕소와 결합재의 양자가 모두 연속된 구조를 갖기 때문이라고 판단된다.

또한, 실시예 13에서는 알루미늄 화합물의 평균 입자 지름이 다른 실시예에 비해 크기 때문에 복합 소결체의 강도가 다른 실시예에 비해 저하된 것으로 생각된다. 또한, 실시예 13은 Al_XO_YN_Z와 Al_SB_TO_UN_V이 결합재에서 차지하는 비율이 30 체적%를 초과하고, 알루미늄 화합물 이외에 상대적으로 인성에 우수한 결합재 성분의 함유량이 저하되어 있는 것으로 판단된다. 이 때문에, 실시예 13은 그 공구 수명이 다른 실시예에 비해 저하된 것으로 추측된다.

또한, 실시예 18에서는 알루미늄 화합물의 평균 입자 지름이 다른 실시예에 비해 작기 때문에 복합 소결체의 열전도율이 다른 실시예에 비해 저하된 것으로 판단된다. 또한, 실시예 18은 Al_XO_YN_Z와 Al_SB_TO_UN_V이 결합재에서 차지하는 비율이 5 체적% 미만이고, 알루미늄 화합물의 대부분이 AlN과 Al₂O₃로서 존재하고 있는 것으로 예상된다. 이 때문에, 실시예 18은 그 공구 수명이 다른 실시예에 비해 저하된 것으로 추측된다.

이상의 결과를 종합하면, 평균 입자 지름이 50 nm 이상 1 μm 이하이면서, 결합재 중에서 차지하는 비율이 5 체적% 이상 30 체적% 이하인 Al_XO_YN_Z와 Al_SB_TO_UN_V 중 적어도 하나를 결합재 중에 알루미늄 화합물로서 포함하는 본 발명의 복합 소결체를 절삭 공구에 이용하면 긴 공구 수명을 얻을 수 있는 것이 이해된다. 이것은 Al_XO_YN_Z와 Al_SB_TO_UN_V가 전술한 바와 같이 복합 소결체의 내열성과 인성을 향상시키고 있기 때문이라고 판단된다.

이상과 같이 본 발명의 실시형태 및 실시예에 대해서 설명했지만, 전술한 각 실시형태 및 실시예의 구성을 적절하게 조합하는 것도 당초부터 예정하고 있다.

본 명세서에 기술된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시이며 비한정적이라는 것은 물론이다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 청구범위에 의해서만 한정되며, 청구 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

Claims

입방정 질화붕소와 결합재를 적어도 포함하는 복합 소결체(4)로서,

상기 입방정 질화붕소는 복수의 입방정 질화붕소 입자(1)가 서로 결합함으로써 연속된 구조를 가지며,

상기 결합재는 상기 입방정 질화붕소 입자(1)가 서로 결합하는 결합 계면을 제외한 영역에 존재하는 복수의 결합재 입자(2)가 서로 결합함으로써 연속된 구조를 갖는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 소결체.
제1항에 있어서, 상기 결합재는 Ti, Zr, Hf, V 또는 Cr 중 어느 하나 또는 둘 이상의 원소와, 질소, 탄소, 붕소 또는 산소 중 어느 하나 또는 둘 이상의 원소로 이루어지는 화합물 또는 고용체 중 적어도 하나와, 알루미늄 화합물을 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 소결체.
제2항에 있어서, 상기 알루미늄 화합물은 알루미늄, 산소 및 질소로 이루어지는 화합물 및/또는 알루미늄, 산소, 질소 및 붕소로 이루어지는 화합물로 구성되고, 그 평균 입자 지름이 50 nm 이상 1 μm 이하이며, 상기 결합재 중에서 차지하는 비율이 5 체적% 이상 30 체적% 이하인 것을 특징으로 하는 복합 소결체.
제3항에 있어서, 열전도율이 70 W/(m·K) 이상 150 W/(m·K) 이하인 것을 특 징으로 하는 복합 소결체.
제1항에 있어서, 상기 결합재는, 상기 입방정 질화붕소 입자(1)가 서로 결합하는 결합 계면에서 60% 이하의 존재 확률로 존재하고, 상기 결합재 입자(2)의 연속된 구조에 연결됨으로써 그 연속된 구조의 일부로서 존재하거나, 또는 상기 결합재 입자(2)의 연속된 구조와는 독립적인 불연속 구조로서 존재하는 것을 특징으로 하는 복합 소결체.
제5항에 있어서, 상기 결합재는, 상기 입방정 질화붕소 입자(1)가 서로 결합하는 결합 계면에서, 적어도 Ti 또는 Al을 그 조성으로 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 소결체.
제1항에 있어서, 상기 결합재는 상기 입방정 질화붕소 입자(1)가 서로 결합하는 결합 계면에 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 복합 소결체.
제1항에 있어서, 산처리 후의 항절력이 1 gf/mm² 이상 70 kgf/mm² 이하인 것을 특징으로 하는 복합 소결체.
제1항에 있어서, 산처리 후의 X선 회절 측정에 있어서, 입방정 질화붕소와 Al₂O₃이외의 화합물이 실질적으로 검출되지 않는 것을 특징으로 하는 복합 소결체.
제1항에 있어서, 상기 입방정 질화붕소는, 상기 복합 소결체(4) 중에 60 체적% 이상 85 체적% 이하로 포함되는 것을 특징으로 하는 복합 소결체.
제1항에 있어서, 상기 입방정 질화붕소 입자(1)는 평균 입자 지름이 2 μm 이상 10 μm 이하인 것을 특징으로 하는 복합 소결체.
제1항에 있어서, 상기 복합 소결체(4)는 열전도율이 60 W/(m·K) 이상 150 W/(m·K) 이하인 것을 특징으로 하는 복합 소결체.
제1항에 기재된 복합 소결체(4)를 적어도 일부에 포함하는 절삭 공구.