KR20030096057A

KR20030096057A - 질화규소 소결체, 절삭 팁, 내마모성 부재, 절삭공구 및질화규소 소결체의 제조방법

Info

Publication number: KR20030096057A
Application number: KR10-2003-0037887A
Authority: KR
Inventors: 아부카와고헤이; 아카호리야스시
Original assignee: 니혼도꾸슈도교 가부시키가이샤
Priority date: 2002-06-13
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2003-12-24
Also published as: US20040009866A1; DE60307743T2; DE60307743D1; EP1382589B1; EP1382589A1

Abstract

(과제) 고속가공시에 있어서도 장수명인 질화규소 소결체, 절삭 팁, 내마모성 부재, 절삭공구 및 질화규소 소결체의 제조방법을 제공하는 것.

(해결수단) 질화규소를 실질적으로 주성분으로서 함유하는 질화규소 소결체에 있어서, 주기율표에 있어서의 4족 원소, 희토류 원소 및 Mg에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 질화규소 소결체에 대해서 산화물 환산으로 0.5몰% 이상 또한 2.6몰% 미만의 범위에서 함유하는 것을 특징으로 하는 질화규소 소결체, 절삭 팁, 내마모성 부재, 절삭공구 및 질화규소 소결체의 제조방법.

Description

질화규소 소결체, 절삭 팁, 내마모성 부재, 절삭공구 및 질화규소 소결체의 제조방법{SINTERED SILICON NITRIDE, CUTTING TIP, WEAR-RESISTANT MEMBER, CUTTING TOOL, AND METHOD FOR PRODUCING SINTERED SILICON NITRIDE}

본 발명은 질화규소 소결체, 절삭 팁, 내마모성 부재, 절삭공구 및 질화규소 소결체의 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 고속가공시에 있어서도 장수명인 질화규소 소결체, 고속절삭가공시에 있어서도 장수명인 절삭 팁, 장수명의 내마모성 부재, 고속절삭에 있어서도 장수명인 절삭공구, 상기 질화규소 소결체를 용이하게 제조할 수 있는 질화규소 소결체의 제조방법에 관한 것이다.

종래에는 질화규소 소결체로 형성된 절삭날을 가지는 공구가 보통 주철인 FC재의 거친 가공용 공구로서 사용되어 왔다. 이 공구는 절삭속도가 비교적 저속인 조건 하에서 사용되어 왔다. 그러나, 최근에는 코스트의 삭감이라는 면에서 그 가공속도의 고속화가 요구되고 있으며, 상기 공구를 500m/분 이상의 고속절삭속도 영역에서도 사용할 수 있도록 되어 왔다.

일본국 특개평 2-74564호 공보에는 특정 원소를 함유하는 질화규소 소결체가 개시되어 있다. 또, 「질화규소 소결체는 …… 절삭공구에 사용하는 것이 매우 적합하다」라는 것이 상기 공보에 기재되어 있다.

그러나, 상기 공보에는 절삭시에 있어서의 절삭속도에 대한 기재가 없다. 본 발명자는 상기 공보에 기재되어 있는 질화규소 소결체의 절삭공구를 사용하여 비교적 저속으로 절삭한 바, 절삭날에 크랙이 장시간에 걸쳐서 발생하는 일은 없었으나, 500m/분 이상의 고속으로 절삭한 바, 절삭날에 단기간 내에 크랙이 발생하는 문제가 있는 것이 판명되었다.

최근에는 코스트 저감을 위해서 절삭속도를 고속화하는 것이 요망되고 있다. 이와 같은 고속절삭에서도 결손이 생기지 않는 소재가 요망되고 있다.

또, 일본국 특개평 5-155662호 공보에는 Al₂O₃을 조제성분의 1성분으로서 함유하는 질화규소질 소결체가 개시되어 있다(상기 공보의 특허청구범위 참조).

상기 공보에 있어서의 [0008]란의 기재에 의하면, 「……Al₂O₃을 조제로서 첨가함에 의해서, ……조직이 미세화됨으로써 내마모성을 더욱 향상시키는 효과가 있다」라고 한 반면에, 상기 공보에 있어서의 [0011]란의 기재에 의하면, 「……Al 함유량이 ……1중량%를 넘으면, ……공구로서 사용한 경우, 날끝 온도가 상승함으로써 마모량이 증대된다」라 기재되어 있다. 따라서, 상기 공보에 기재된 발명에서는 내마모성을 향상시키기 위해서 조제로서 첨가되는 Al₂O₃의 함유량을 0.1∼1중량%의 특정 범위로 조정하여야 했다.

본 발명은 내열 충격성이 우수하여 장시간에 걸친 고속절삭가공을 하여도 쉽게 크랙이 발생하지 않는 절삭날 및 절삭공구 등에 형성할 수 있고, 또한 고속으로의 접촉에서도 쉽게 파손되지 않는 내마모성 부재에 형성할 수 있는 질화규소 소결체를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명은 내열 충격성이 우수하여 장시간에 걸친 고속절삭가공을 하여도 쉽게 크랙이 발생하지 않는 절삭 팁을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명은 내열 충격성이 우수하여 장시간에 걸친 고속절삭가공을 하여도 쉽게 크랙이 발생하지 않는 절삭공구를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명은 내열 충격성이 우수하여 고속으로 접촉하여도 장시간에 걸쳐서 쉽게 마모도 결손도 생기는 일이 없는 내마모성 부재를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명은 상기한 바와 같이 우수한 질화규소 소결체를 용이하게 제조할 수 있는 질화규소 소결체의 제조방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

도 1은 본 발명의 질화규소 소결체를 제조할 때에 사용되는 세팅재의 일례인 도가니를 나타내는 사시도

도 2는 본 발명의 질화규소 소결체에 의해서 형성된 절삭 팁의 일례를 나타내는 사시도

도 3은 본 발명의 질화규소 소결체에 의해서 형성된 절삭 팁을 홀더에 결합하여 이루어진 절삭공구의 일례를 나타내는 평면도

도 4는 본 발명의 질화규소 소결체를 사용하여 형성된 내마모성 부재의 일례인 볼 베어링을 나타내는 평면도

도 5는 도 2에 나타낸 절삭 팁의 단면을 나타내는 단면도

도 6은 도 5에 나타낸 절삭 팁에 있어서의 모따기부를 나타내는 부분 확대도

* 도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11 - 도가니12 - 덮개

21 - 절삭 팁22 - 절삭날(에지)

23 - 모따기부33 - 베어링 볼

35 - 볼 베어링36 - 외륜

37 - 내륜40 - 절삭공구

41 - 홀더42 - 절삭부

43 - 부착부44 - 쐐기

45 - 카트리지

상기 과제를 해결하기 위한 수단은,

(1) 질화규소를 실질적으로 주성분으로서 함유함과 아울러 Al₂0₃을 실질적으로 함유하지 않는 질화규소 소결체에 있어서,

주기율표에 있어서의 4족 원소, 희토류 원소 및 Mg에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 질화규소 소결체에 대해서 산화물 환산으로 0.5몰% 이상 또한 2.6몰% 미만의 범위에서 함유하는 것을 특징으로 하는 질화규소 소결체이고,

상기 질화규소 소결체의 매우 적합한 형태에 있어서, 주기율표에 있어서의 4족 원소, 희토류 원소 및 Mg에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 질화규소 소결체에 대해서 산화물 환산으로 0.5몰% 이상 또한 2.0몰% 이하의 범위에서 함유하고,

상기 질화규소 소결체의 매우 적합한 형태에 있어서, 상기 주기율표에 있어서의 4족 원소, 희토류 원소 및 Mg에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소가 입계상에 존재하고,

상기 질화규소 소결체의 매우 적합한 형태에 있어서, 상기 입계상의 함유량이 면적%로 5.0% 이상 또한 16.3% 미만이고,

상기 질화규소 소결체의 매우 적합한 형태에 있어서, 상기 입계상의 함유량이 면적%로 5.0% 이상 또한 13.0% 이하이고

상기 질화규소 소결체의 매우 적합한 형태에 있어서, 상기 질화규소 소결체는 실온∼1000℃까지의 그 평균 열팽창계수가 3.25×10^-6/K 이하이고,

상기 질화규소 소결체의 매우 적합한 형태에 있어서, 상기 질화규소 소결체는 이론 밀도비가 98% 이상이고,

(2) 상기 질화규소 소결체를 가지는 것을 특징으로 하는 절삭 팁이고,

(3) 상기 질화규소 소결체를 가지는 것을 특징으로 하는 내마모성 부재이고,

(4) 상기 절삭 팁과 이것을 지지하는 홀더를 가지는 것을 특징으로 하는 절삭공구이고,

(5) 질화규소를 실질적으로 주성분으로서 함유하고 또한 Al₂0₃을 실질적으로 함유하지 않는 질화규소 소결체를 1차 소결 및 HIP소결에 의해서 제조할 때에, 1차 소결을, Mg이 산화물 환산으로 2.0∼18.0몰%, Zr이 산화물 환산으로 3.0∼7.0몰%, 잔부가 Si₃N₄로 이루어지는 조성의 세팅재와 질화규소 성형체를 공존시키고, 낮더라도 5기압의 질소분위기에서 1850∼1950℃로 소결하는 것을 특징으로 하는 질화규소 소결체의 제조방법이다.

《발명의 실시형태》

〈질화규소 소결체〉

본 발명의 질화규소 소결체는 질화규소를 실질적으로 주성분으로서 함유하고 또한 Al₂0₃을 실질적으로 함유하지 않는다.

본 발명에 있어서, 『Al₂0₃을 실직적으로 포함하지 않는다』라는 것은, 본 발명에 관한 질화규소 소결체가 Al₂0₃을 조제(助劑)로서 일절 사용하지 않고서 얻어지는 것을 의미한다. 그렇지만, Al₂0₃을 조제로서 사용하지 않고서도 얻어지는 질화규소 소결체는 제조공정에서 불가피하게 불순물로서 Al₂0₃이 혼입된다(이하에서는 이불가피하게 혼입되는 불순물을 『불가피 불순물』이라 한다). 본 발명에 관한 질화규소 소결체는 조제로서 Al₂0₃을 일절 사용하지 않고서 제조된 물(物)인 것이 중요하고, 불가피 불순물로서의 Al₂0₃이 함유되는 것을 배제하는 것은 아니다.

종래부터 질화규소 소결체에 있어서의 불가피 불순물로서의 Al₂0₃함유량은 0.1중량% 미만이라고 생각된다. 따라서, 본 발명에 있어서, 질화규소 소결체 내의 Al₂0₃함유량이 0.1중량% 미만이라면, 이 질화규소 소결체에 있어서 『Al₂0₃은 실질적으로 함유하지 않는다』라 한다.

또, 본 발명의 질화규소 소결체는 질화규소를 실질적으로 주성분으로서 함유한다. 질화규소 소결체에 있어서, 주기율표에 있어서의 4족 원소, 희토류 원소 및 Mg(마그네슘)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소(이하에서는 『특정 원소』라고도 한다)를, 질화규소 소결체에 대해서 산화물 환산으로 0,5몰% 이상 또한 2.6몰% 미만의 범위에서 함유한다. 또한, 여기서 말하는 『주기율표』는, 「무기화학명명법-IUPAC 1990년 권고-」 G.J.Leich편, 산기일웅(山崎一雄) 역/저, 1993년 3월 26일 발행, 주식회사 동경화학동인 발행의 제43쪽에 기재된 표Ⅰ-3.2의 「주기율표의 족의 지정」에 의한다.

본 발명에 관한 질화규소 소결체는 주성분으로서 질화규소를 함유함과 아울러 실질적으로 알루미나를 함유하지 않으며, 상기 질화규소와 특정 비율로 함유되는 상기 특정 원소와의 조합에 의해서 질화규소 소결체의 내충격성의 향상, 크랙 발생의 방지가 달성된다.

상기 특정 원소의 하나인 주기율표의 4족 원소로서, 예를 들면, 티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf) 등을 매우 적합한 예로서 들 수 있다. 또, 희토류 원소로서는 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 란타노이드 및 악티노이드를 들 수 있다. 상기 란타노이드로서는 세륨족 원소와 이트륨족 원소를 들 수 있고, 상기 세륨 원소로서는 란탄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메튬(Pm) 및 사마륨(Sm)을 들 수 있고, 이트륨 원소로서는 유로퓸(Eu), 가돌리늄(Gd), 테르븀(Tb), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 에르븀(Er), 툴륨(Tm), 이테르븀(Yb) 및 루테튬(Lu)을 들 수 있다. 상기 악티노이드로서는 악티늄(Ac), 토륨(Th) 등을 들 수 있다. 또한, 『산화물 환산』이란, 본 발명에서 사용하는 원소를 산화시키거나 산소와 결합한 산화물로 환산한 것을 말한다.

상기 특정 원소는 그 1종 단독이 질화규소 소결체 내에 함유되어 있어도 되고, 또 상기 특정 원소 중 복수 종류의 원소가 질화규소 소결체 내에 함유되어 있어 된다.

상기 특정 원소 중에서도, 4족 원소로서 지르코늄 및 하프늄이 매우 적합하다. 이들 4족 원소는 질화규소 내에 불가피 불순물로서 함유되어 있는 SiO₂와 함께 입계상(粒界相) 내에 함유되게 되어 질화규소 소결체의 치밀화를 달성하며, 질화규소 소결체의 내충격성의 향상 및 크랙 발생의 방지에 크게 기여한다. 또, 희토류 원소로서 스칸듐, 이트륨, 세륨 및 이테르븀이 매우 적합하다. 이들 희토류 원소는 다른 희토류 원소에 비해 이온 반경이 작아 질화규소 소결체의 치밀화를 달성하며,질화규소 소결체의 내충격성의 향상 및 크랙 발생의 방지에 크게 기여한다.

상기 특정 원소의 질화규소 소결체 내에서의 함유비율은, 산화물 환산으로 0.5몰% 이상 또한 2.6몰% 미만이고, 바람직하게는 0.5몰% 이상 또한 2.0몰% 이하이다. 상기 특정 원소의 함유비율이 0.5몰% 미만이면, 질화규소 소결체를 치밀화할 수 없고, 또 강도 저하를 일으킨다는 결점이 있고, 2.6몰% 이상이면, 열팽창계수가 과대하게 되고, 또 질화규소 소결체의 내열 충격성이 저하된다.

그런데, 일반적으로 소결체에는 입계상이 존재한다. 본 발명에 있어서의 입계상은 질화규소의 결정입자들을 결합하는 경계상(境界相)이다. 본 발명에 관한 질화규소 소결체는 상기 특정 원소가 실질적으로 입계상 내에 함유되어 있는 것이 바람직하다. 또, 입계상은 일반적으로 결정상 및/또는 유리상으로 형성되어 있는데, 본 발명의 질화규소 소결체에 있어서는 상기 특정 원소가 결정상에 함유되어 있어도 되고 유리상에 함유되어 있어도 된다. 또, 결정상과 유리상이 혼재하는 입계상 내에 상기 특정 원소가 함유되어 있어도 된다. 상기 특정 원소가 입계상에 함유되는 것은 TEM부속의 EDS분석장치에 의해서 확인할 수 있다.

입계상 내에 상기 특정 원소가 함유되어 있음으로써, 질화규소 입자들의 결합이 강고하게 되며, 질화규소 소결체의 내충격성의 향상, 크랙 발생의 방지, 열전도율의 향상을 한층 더 달성할 수 있다.

또, 이 질화규소 소결체는 Si를 함유하며, 질화규소 소결체 내에서는 Si가 Mg, Zr 또는 희토류 원소와 유리를 형성하거나 혹은 MgSiO₃, ZrSiO₄, 또는 Yb₂Si₂0₇과 같은 결정상을 형성할 가능성이 있다.

본 발명에 관한 질화규소 소결체는 그 입계상의 함유량(이하에서는 "입계상량"이라고도 한다)이 면적%로 5.0% 이상 16.3% 미만인 것이 바람직하고, 특히 5.0% 이상 13.0% 이하인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 "면적%"는, 대상이 되는 질화규소 소결체의 중앙부를 절단하여 얻어지는 단면의 경면 연마면을 SEM(주사형 전자현미경)에 의해서 관찰하여 얻어지는 전자현미경 사진을 2계조화(階調化)하고, 2계조화한 화상을 화상해석 소프트웨어로 처리함으로써 측정할 수 있다. 화상해석 소프트웨어로서는 삼곡상사(三谷商事)주식회사제의 WinROOF를 사용할 수 있다.

입계상의 함유량이 면적%로 5.0% 미만이면, 소결시의 액상량(液相量)이 불충분하여 질화규소 소결체가 치밀화되지 않고, 또 그 강도가 저하되고, 또 내충격성의 저하가 초래되는 경우가 있다. 입계상의 함유량이 면적%로 16.3% 이상이면, 질화규소 소결체의 열팽창계수가 과대하게 되어 열크랙이 발생하며, 그 결과로서 이 질화규소 소결체로 형성된 절삭 팁 또는 절삭공구의 날끝이 결손되는 경우가 있다.

본 발명에 관한 질화규소 소결체는, 그 평균 열팽창계수가 실온∼1000℃의 온도범위에 있어서 크더라도 3.25×10^-6/K인 것이 바람직하다. 또한, K는 절대온도를 나타낸다. 또, 열팽창계수는 TMA(열팽창 측정장치)로 측정하여 결정할 수 있으며, 평균 열팽창계수는 실온에서 1000℃까지 연속적으로 가열하였 때의 팽창 변형량을 K로 나눈 값이다.

본 발명에 관한 질화규소 소결체의 평균 열팽창계수가 상기 범위 내에 있으면, 이 질화규소 소결체를 사용하여 형성된 절삭 팁 또는 이 절삭 팁을 사용한 절삭공구로 500m/분 이상이나 되는 고속절삭가공에서도 열크랙의 발생이 적고, 절삭 팁 또는 절삭공구에 있어서의 날끝 결손이 매우 적어지게 된다.

본 발명에 관한 질화규소 소결체는 그 이론 밀도비가 작더라도 98% 이상, 바람직하게는 99% 이상인 것이 바람직하다. 이론 밀도비가 98% 미만이면, 질화규소 소결체는 치밀성을 상실하여 기계적 강도의 저하, 내충격성의 저하를 일으켜 절삭 팁 등에 매우 적합하게 적용할 수 없게 되는 경우가 있다. 또한, 이론 밀도비는 아르키메데스법에 의해서 얻어진 밀도를 이론 밀도로 나눔으로써 측정하고, 그 값을 구할 수 있다.

〈질화규소 소결체의 제조방법〉

본 발명의 또다른 특징 중의 하나는 질화규소 소결체의 제조방법이다. 이 제조방법에 의하면, 본 발명에 관한 질화규소 소결체를 매우 적합하게 제조할 수 있다.

이 질화규소 소결체의 제조방법은, Mg이 산화물 환산으로 2.0∼18.0몰%, Zr이 산화물 환산으로 3.0∼7.0몰%, 잔부가 Si₃N₄로 이루어지는 조성의 세팅재와 질화규소 성형체를 장전(裝塡)하고, 낮더라도 5기압의 질소분위기에서 1850℃∼1950℃로 상기 질화규소 성형체를 1차 소결하고, 얻어진 1차 소결체를 HIP소결하는 것을 특징으로 한다.

상기 질화규소 소결체는, 질화규소를 실질적으로 주성분으로 하고, 주기율표에 있어서의 4족 원소, 희토류 원소 및 Mg에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소(상기한 바와 같이, 이들 원소를 『특정 원소』라 한다)를, 질화규소 소결체에 대해서 산화물 환산으로 0.5몰% 이상 또한 2.6몰% 미만, 특히 0.5몰% 이상 또한 2.0몰% 이하의 범위에서 함유하여 이루어진다.

상기 질화규소 소결체를 제조할 때에, 질화규소 원료와 상기 특정 원소로 이루어지는 질화규소 분말 내에 상기 특정 원소가 상기 특정 비율로 함유되어 있으면, 질화규소 분말을 성형한 질화규소 성형체를 상기 특정 조성의 세팅재 내에서 1차 소결 및 HIP소결함으로써, 치밀하여 포아(pore)가 없고, 내열성 및 내열 크랙성이 우수한 질화규소 소결체가 얻어진다. 환언하면, 이들 특정 원소의 함유량이 0.5몰% 미만이면, 소결시에 질화규소 분말을 성형하여 이루어지는 질화규소 성형체를 치밀화할 수 없고, 또 2.6몰% 이상이면, 소망하는 내열성 및 내열 크랙성을 가지는 질화규소 소결체를 얻을 수 없다. 본 발명에 관한 제조방법에서 주목하여야 할 것은, 상기 특정 원소의 함유량이 2.6몰% 미만이어도 포아의 발생이 없고, 따라서 치밀하고, 내열성 및 내열 크랙성을 가지는 질화규소 소결체를 얻을 수 있었던 것이다.

또, 이 질화규소 소결체는, Al 등의 질화규소 입자 내에 고용되기 쉬운 원소를 함유하지 않는 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서의 질화규소 소결체는, 조제로서 A1₂0₃을 첨가하지 않는 것이 중요하다. 다만, A1₂0₃을 첨가하지 않더라도 불가피 불순물로서 A1₂0₃이 혼입되는 양에 대해서는 실용상 문제는 없다. 산화알루미늄등의 소결조제는 일반적으로 소결성을 양호하게 하는 것이지만, 본 발명의 제조방법에서는, 얻어지는 소결체의 열전도율을 저하시키고, 게다가 내열성을 저하시키기 때문에 바람직하지 않은 것이다.

상기 질화규소 소결체 내에 매우 적합하게 함유되는 4족 원소, 희토류 원소에 대해서는 질화규소 소결체에 대해서 설명한 것과 같다.

상기 4족 원소는 그 산화물 또는 소결시에 산화물로 전환 가능한 물질, 예를 들면 탄산염, 할로겐화물 등의 형태로 질화규소 분말에 함유되도록 첨가된다. 특히 바람직한 4족 원소의 형태는 산화지르코늄 및 산화하프늄이다. 이 산화지르코늄 및 산화하프늄은 질화규소 입자의 표면에 존재하는 불가피 불순물과 함께 1차 소결시 및 HIP소결시에 액상을 생성하기 쉽기 때문이다.

상기 희토류 원소도 마찬가지로, 그 산화물 또는 소결시에 산화물로 전환 가능한 물질, 예를 들면 탄산염, 할로겐화물 등의 형태로 질화규소 원료에 첨가된다. 특히 바람직한 희토류 원소의 형태는 산화이트륨, 산화스칸듐, 산화세륨 및 산화이테르븀 등이다. 이러한 희토류 원소의 산화물은 다른 희토류 원소의 산화물에 비해 이온 반경이 작고, 1차 소결시 및 HIP소결시에 생성된 액상의 점성이 낮아 유동성이 풍부하기 때문에 질화규소 소결체를 특히 치밀하게 할 수 있다.

1차 소결에 제공되는 질화규소 성형체는, 질화규소 원료와 상기 특정 원소를 할당하는 소결조제를 혼합하여 조립(造粒)한 후에 얻어지는 질화규소 분말을, 예를 들면 프레스 성형 등의 방법으로 성형함으로써 얻어진다. 상기 특정 원소를 할당하는 소결조제와 질화규소 원료와의 혼합비율은, 본 발명에 관한 질화규소 소결체에있어서의 특정 원소의 함유비율이 되도록 적절하게 결정된다.

상기 혼합은, 질화규소 원료와 본 발명에 있어서의 상기 특정 원소를 할당하는 소결조제가 소정의 함유비율이 되도록 칭량ㆍ채취하고, 분쇄기(mill) 등으로 5∼30시간 습식 혼합하는 것이 바람직하다. 그리고, 얻어진 혼합액에 소망에 따라서 바인드를 첨가하고, 분무 건조기 등의 조립기를 사용하여 조립한다. 조립하여 얻어지는 입상체(粒狀體)의 입경은 50∼100㎛인 것이 바람직하다.

사용하는 바인더로서는 수용성 고분자 물질이 바람직하고, 예를 들면, 폴리비닐알코올, 폴리비닐피롤리돈, 폴리아크릴산, 폴리아크릴아미드, 폴리에틸렌옥시드, 폴리에틸렌이민, 카르복시메틸셀룰로오스 등을 들 수 있다. 이 바인더의 사용량에는 특히 제한은 없으나, 통상은 상기 질화규소 원료 및 상기 소결조제의 합계량 100질량부에 대해서 1∼10질량부, 바람직하게는 3∼7질량부이다.

본 발명에 관한 제조방법에 있어서는, 상기 질화규소 성형체를, Mg이 산화물 환산으로 2.0∼18.0몰%, 바람직하게는 5.0∼15.0몰%, Zr이 산화물 환산으로 3.0∼7.0몰%, 바람직하게는 4.0∼6.0몰%, 잔부가 Si₃N₄인 조성의 세팅재와 공존시킨다.

상기 세팅재는, Mg 함유량이 상기 2.0몰% 미만이면, 1차 소결시에 질화규소 성형체 내의 SiO₂가 휘산(volatilization)되고, 및/또는 질화규소의 분해가 진행되어 본 발명에 관한 질화규소 소결체를 제조할 수 없고, 또 Mg 함유량이 상기 18.0몰%를 넘으면, 세팅재 내의 Mg이 1차 소결시에 질화규소 성형체 내로 이동하여 특정 원소 함유의 본 발명의 질화규소 소결체를 제조할 수 없다.

또, 세팅재는, Zr 함유량이 상기 3.0몰% 미만이면, 1차 소결시에 질화규소 성형체 내의 SiO₂가 휘산되고, 및/또는 질화규소의 분해가 진행되어 본 발명에 관한 질화규소 소결체를 제조할 수 없고, 또 Zr 함유량이 7.0몰%를 넘으면, 치밀한 질화규소 소결체를 얻을 수는 있지만, 세팅재에서 발생하는 Zr이 질화규소 성형체 내로 이동하여 질화규소 소결체 내의 입계상이 증가함으로써, 소망하는 특성을 가진 질화규소 소결체를 얻을 수 없다. 이 Zr이 과잉될 때에는, 질화규소 성형체 내의 SiO₂와 Zr이 반응하여 ZrSi의 산화물 또는 산질화물계의 결정상이 석출되는 것도 있고, 또 질화규소가 분해되어 포아를 발생시킨다는 결점이 발생하는 것도 있다.

상기 특정 원소를 특정 비율로 함유하는 세팅재는 1차 소결시에 여러가지 형태로 사용된다. 세팅재의 사용형태로서는, 1차 소결시에 질화규소 성형체 주위의 분위기가 질화규소 성형체 내의 소결조제 및 SiO₂가 휘산되지 않도록 된 것이라면, 여러가지 형태를 취할 수 있다.

세팅재의 사용형태로서, 예를 들면, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 특정 원소를 특정 비율로 함유하는 "도가니" 등과 같은 질화규소 성형체를 수용하는 용기를 들 수 있다. 도 1에 있어서, 11은 도가니 본체이고, 12는 덮개이다. 상기 용기는, 그 용기 전체가 세팅재로 형성되어 있어도 되고, 또 용기의 내측이, 즉 질화규소 성형체가 접하는 면이 상기 세팅재로 라이닝(lining)된 용기이어도 된다. 또한, 세팅재의 사용형태로서, 1차 소결에 사용되는 용기에 수용된 질화규소 성형체 내에함유되는 성분의 과립상물(顆粒狀物), 펠릿, 괴상물(塊狀物), 봉상물 등의 여러가지 형태를 들 수 있다. 또, 세팅재의 다른 사용형태로서, 1차 소결에 사용되는 용기에 수용된 질화규소 성형체 주위에 배치된 벽체이어도 되고, 또 소결하는 소결로에 라이닝되어 있어도 된다.

질화규소 성형체의 1차 소결에 소요되는 시간은 통상 1.0∼4.0시간이다.

본 발명에 관한 제조방법에서는, 질화규소 성형체를 1차 소결하면, 1차 소결체가 얻어지기 때문에, 이 1차 소결체가 HIP소결에 제공된다.

HIP는 Hot Isostatic Pressing의 약자이고, 열간 정수압 소결법을 의미한다(인터프레스판 화학기술 35만어 대사전 참조). 본 발명에 있어서, HIP소결은 상기 1차 소결에 대해서 2차 소결이라고 할 수 있다.

HIP소결의 조건으로서는, 특히 제한은 없는 것이지만, 통상 소결분위기가 질소분위기, 아르곤 등의 불활성 가스분위기이고, 소결온도가 1400∼2000℃, 바람직하게는 1500∼1700℃이고, 소결시간이 0.5∼4.0시간이다.

HIP소결에 있어서는, 소정의 카본형틀 내에 상기 1차 소결체를 충전 내지 장전하고, 상기 HIP소결조건 하에서 소결함으로써, 본 발명에 관한 질화규소 소결체가 얻어진다.

〈절삭 팁〉

본 발명에 관한 질화규소 소결체 및 본 발명의 제조방법에 의해서 얻어진 질화규소 소결체로 절삭 팁을 형성할 수 있다.

본 발명에 관한 절삭 팁은, 플랭크와 경사면에 의해서 형성되는 절삭날을 가지는 것이라면, 그 형상 및 크기에 특히 제한은 없다.

절삭 팁의 일례를 도 2에 나타낸다. 도 2에 나타낸 절삭 팁(21)은 상면 및 하면이 대략 장방형상을 이루고, 상면의 크기가 하면의 크기보다도 크게 형성된 대략 사다리꼴 형상을 이룬다. 도 2에 있어서, 22는 절삭날이 되는 에지이다.

본 발명에 관한 절삭 팁은, 그 형상에 따라서 고속밀링가공, 선삭가공, 펀칭ㆍ리머가공, 브로칭 절삭가공, 기어 절삭ㆍ셰이빙가공 등에 이용된다.

본 발명에 관한 절삭 팁은, 500m/분 이상의 절삭속도로 절삭하는 경우에 장기간에 걸친 절삭수명을 가진다. 이와 같은 장수명을 달성할 수 있는 이유는, 절삭 팁을 형성하는 질화규소 소결체에 특정 원소가 특정 비율로 함유되어 있기 때문에, 질화규소 소결체의 조직이 치밀하게 되어 있고, 질화규소 소결체에 있어서의 입계상량이 적고, 게다가 질화규소 입자와 입계상과의 열팽창계수의 차가 작은 것에 기인하는 것으로 추측된다.

〈절삭공구〉

본 발명에 관한 절삭공구는, 본 발명에 관한 절삭 팁과 이것을 지지하는 홀더를 구비하여 이루어진다.

상기 절삭공구의 일례는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 절삭 팁(21)을 홀더(41)에 부착하여 이루어지는 절삭공구(밀링 커터)(40)이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 절삭공구(40)는 홀더(41)의 선단측(가공면측)의 외측둘레를 따라서 형성된 6개의 오목형상 절삭부(42)에 절삭 팁(21)이 배치되도록 부착함으로써 이루어진다.

즉, 홀더(41)의 선단측의 외측둘레를 따라서 6개의 오목형상 부착부(43)가 형성되고, 이 부착부(43) 내에 상기 절삭 팁(21)을 부착하기 위한 합금강제의 카트리지(45) 및 동일한 합금강제의 쐐기(44) 등의 부재를 배치함으로써 절삭부(42)가 구성된다. 또한, 밀링 커터의 구조를 명료하게 하기 위해서, 6개의 절삭부(42) 중, 2개의 절삭부(42)에는 절삭 팁(21)을 배치하지 않은 상태, 1개의 절삭부(42)에는 절삭 팁(21) 및 쐐기(44)를 배치하지 않은 상태로 나타내고 있다.

이와 같이 함으로써 절삭공구(밀링 커터)(40)를 형성할 수 있다

이와 같은 절삭공구에 있어서도, 본 발명에 관한 질화규소 소결체인 절삭 팁이 탑재되어 있기 때문에, 고속절삭가공을 하여도 날끝 결손 등을 쉽게 발생시키는 일이 없으며, 장기간에 걸친 절삭가공을 실현할 수 있다.

〈내마모성 부재〉

본 발명에 관한 내마모성 부재는 본 발명에 관한 질화규소 소결체를 가진다. 내마모성 부재로서는 슬라이드 운동, 전동운동 또는 활동(滑動)운동에 의해서 마찰력을 받음에 의한 마모를 방지할 필요가 있는 부재이고, 구체적으로는 볼 베어링, 롤러 베어링, 스러스트 베어링, 피벗 베어링 등의 베어링 부재, 베어링 부재에 회전 가능하게 또는 슬라이드 가능하게 또는 왕복운동 가능하게 지지되어 운동하는 축, 실린더에 장착되어 왕복운동하는 피스톤, 왕복운동하는 피스톤을 내장하는 실린더, 체크밸브 내의 구상(球狀) 밸브 등을 들 수 있다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 내마모성 부재의 일례인 볼 베어링(35)은, 외륜(36) 및 내륜(37)에 베어링 볼(33)을 회전 또는 슬라이드 가능하게 유지하여형성된다. 이와 같은 구성의 볼 베어링은 본 발명의 질화규소 소결체로 형성되는 베어링 볼을 가지기 때문에, 베어링 볼의 고속회전이 장시간에 걸쳐서 계속되는 것과 같은 사용환경에서도, 베어링 볼의 열에 의한 결손 등이 없다. 따라서, 이 볼 베어링은 가혹한 사용환경에서 견딜 수 있기 때문에 장수명이다.

세라믹제 베어링 볼은, 예를 들면, 일본국 특개평 2000-111312호, 특개평 2000-188967호, 특개평 2000-221084호 및 특개평 2001-035549호 공보 등에 기재된 방법에 의해서 용이하게 제조할 수 있다.

《실시예 및 비교예》

평균 입경이 1.0㎛ 이하인 질화규소 원료(정확하게는 α-Si₃N₄) 및 평균 입경이 1.0㎛ 이하인 소결조제(즉, MgO, ZrO₂, HfO₂, CeO₂, Yb₂0₃중 어느 1종 또는 2종 이상)를 표 1에 기재한 배합비율이 되도록 칭량하고, 그리고, 상기 질화규소 원료 및 소결조제를 Si₃N₄로 형성된 내벽을 가지는 포트에 장전하였다. 이 포트 내에 Si₃N₄제의 복수개의 볼 및 에탄올 용매를 장전하고, 24시간 혼합하여 슬러리를 얻었다.

이 슬러리를 325메시의 체로 거르고, 체를 통과한 슬러리에, 에탄올에 용해한 마이크로 왁스계의 유기 바인더를 질화규소 원료 및 소결조제의 합계량에 대해서 5.0중량% 첨가하고, 이 유기 바인더 함유 슬러리를 분무 건조기로 건조함으로써 조립(造粒)분말을 얻었다.

얻어진 조립 분말을 ISO규격의 SNGN120412의 형상으로 프레스 성형하여 질화규소 성형체를 얻었다. 그 후, 가열장치 내에 상기 질화규소 성형체를 수용하고, 1기압의 질소분위기 하에서 600℃로 60분 탈지하였다.

표 1에 기재된 배합비율을 가짐과 아울러 탈지된 질화규소 성형체를, 표 1에 나타낸 조성을 가지는 도가니 내에 세트하고, 가열로 내에서 표 1에 기재된 온도로 승온시키고, 표 1에 기재된 질소압력 하에서 120분간 그 온도로 유지하는 1차 소결을 함으로써, 1차 소결체를 얻었다.

이 1차 소결체를 1000기압의 질소분위기 하에서 1600℃로 120분 가열하는 2차 소결을 함으로써, 질화규소 소결체를 얻었다.

또한, 표 1에 기재된 시료 번호 L∼R은 비교예이고, 시료 번호 A∼K는 실시예이고, 시료 번호 S∼Z는 비교예이다. 또, 비교예는 표 1에 「*」을 붙여서 실시예와 구별하였다.

2차 소결에 의해서 치밀화된 질화규소 소결체에 대해서, 아르키메데스법에 의해서 그 밀도를 측정하고, 이론 밀도로 나누어서 HIP소결후의 이론 밀도비를 산출하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다. 또, 치밀화된 질화규소 소결체에 대해서, 질소분위기 하에서 열팽창계수를 측정하였다. 열팽창계수는 TMA(열팽창 측정장치)에 의해서 측정되었다.

2차 소결에 의해서 치밀화된 질화규소 소결체에 대해서, TEM(투과 전자현미경)부속의 EDS분석장치(에너지분산형 Ⅹ선 분석장치)에 의해서 그 질화규소 입자의 원소분석을 한 결과, Si, 0, N가 검출되었다. 이 결과로부터 4족 원소, 희토류 원소, Mg은 질화규소 입자 내에 고용되어 있지 않고 입계상에 존재하고 있는 것이 확인되었다.

질화규소 소결체에 있어서의 입계상량은, 질화규소 소결체의 중앙부를 절단하여 얻어지는 단면의 경면 연마면을 SEM(주사형 전자현미경)에 의해서 관찰하고, 얻어진 조직사진을 2계조화하고, 그 후 화상해석 소프트웨어로 해석함에 의해서 측정하였다. 화상해석 소프트웨어는 삼곡상사(三谷商事)주식회사제의 WinROOF를 사용하였다.

2차 소결에 의해서 치밀화된 질화규소 소결체를 ISO규격의 SPGN120412의 형상으로 연마 가공하여 절삭 팁을 얻었다. 즉, 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 절삭 팁(21)의 모따기부(23)에 있어서의 모따기 폭(A)을 0.1㎜, 모따기 각도(B)를 25도로 하는 모따기 날끝 가공을 하였다. 이와 같은 형상을 이루는 절삭 팁(21)을, 도 3에 나타낸 바와 같이, 홀더(41)에 부착하여 절삭공구(밀링 커터)(40)를 얻었다.

이 절삭공구를 사용하여, 하기에 나타내는 가공조건으로 절삭가공을 하여 공구 날끝이 결손될 때까지의 충격회수를 조사하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.

(가공조건)

피삭재 : JIS FC200(보통 주철)

절삭속도 : 1000m/min

이송속도 : 0.2mm/rev

절삭깊이 : 2.Omm

절삭유 : 수용성 절삭액을 사용 WET가공

사용커터 : ø100, 1개의 날로 가공

표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 A∼K의 절삭 팁을 형성하는 질화규소 소결체는, 소결조제를 적게 하면 질화규소 소결체의 열팽창계수가 작아지게 되어 크랙 발생이 억제되고, 내열 충격성 및 내마모성이 우수하다.

이 질화규소 소결체로 형성된 절삭 팁은, 고속절삭속도로 피절삭물을 연속적 또는 단속적으로 절삭하여도 크랙 발생에 의한 공구 날끝의 결손이 없어 극히 장수명이다.

따라서, 이 절삭 팁을 사용하면, 500m/분 이상이라는 고속가공이 가능하게 되기 때문에, 가공능률의 향상 및 절삭가공의 저 코스트화를 달성할 수 있다.

본 발명에 의하면, 내열 충격성이 우수하여 장시간에 걸친 고속절삭가공을 하여도 쉽게 크랙이 발생하지 않는 절삭날 및 절삭공구 등에 형성할 수 있고, 또한 고속으로의 접촉에서도 쉽게 파손되지 않는 내마모성 부재에 형성할 수 있는 질화규소 소결체를 제공할 수 있다.

본 발명에 의하면, 내열 충격성이 우수하여 장시간에 걸친 고속절삭가공을 하여도 쉽게 크랙이 발생하지 않는 절삭 팁을 제공할 수 있다.

본 발명에 의하면, 내열 충격성이 우수하여 장시간에 걸친 고속절삭가공을 하여도 쉽게 크랙이 발생하지 않는 절삭공구를 제공할 수 있다.

본 발명에 의하면, 내열 충격성이 우수하여 고속으로 접촉하여도 장시간에 걸쳐서 쉽게 마모도 결손도 생기는 일이 없는 내마모성 부재를 제공할 수 있다.

본 발명에 의하면, 상기한 바와 같이 우수한 질화규소 소결체를 용이하게 제조할 수 있는 질화규소 소결체의 제조방법을 제공할 수 있다.

Claims

질화규소를 실질적으로 주성분으로서 함유함과 아울러 Al₂0₃을 실질적으로 함유하지 않는 질화규소 소결체에 있어서,

주기율표에 있어서의 4족 원소, 희토류 원소 및 Mg에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 질화규소 소결체에 대해서 산화물 환산으로 0.5몰% 이상 또한 2.6몰% 미만의 범위에서 함유하는 것을 특징으로 하는 질화규소 소결체.
청구항 1에 있어서,

주기율표에 있어서의 4족 원소, 희토류 원소 및 Mg에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 질화규소 소결체에 대해서 산화물 환산으로 0.5몰% 이상 또한 2.0몰% 이하의 범위에서 함유하는 질화규소 소결체.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 주기율표에 있어서의 4족 원소, 희토류 원소 및 Mg에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소가 입계상에 존재하는 질화규소 소결체.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

상기 입계상의 함유량이 면적%로 5.0% 이상 또한 16.3% 미만인 질화규소 소결체.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,

상기 입계상의 함유량이 면적%로 5.0% 이상 또한 13.0% 이하인 질화규소 소결체.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,

상기 질화규소 소결체는 실온∼1000℃까지의 그 평균 열팽창계수가 3.25×10^-6/K 이하인 질화규소 소결체.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,

상기 질화규소 소결체는 이론 밀도비가 98% 이상인 질화규소 소결체.
상기 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 기재된 질화규소 소결체를 가지는 것을 특징으로 하는 절삭 팁.
상기 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 기재된 질화규소 소결체를 가지는 것을 특징으로 하는 내마모성 부재.
상기 청구항 8에 기재된 절삭 팁과 이것을 지지하는 홀더를 가지는 것을 특징으로 하는 절삭공구.
질화규소를 실질적으로 주성분으로서 함유하고 또한 Al₂0₃을 실질적으로 함유하지 않는 질화규소 소결체를 1차 소결 및 HIP소결에 의해서 제조할 때에, 1차 소결을, Mg이 산화물 환산으로 2.0∼18.0몰%, Zr이 산화물 환산으로 3.0∼7.0몰%, 잔부가 Si₃N₄로 이루어지는 조성의 세팅재와 질화규소 성형체를 공존시키고, 낮더라도 5기압의 질소분위기에서 1850∼1950℃로 소결하는 것을 특징으로 하는 질화규소 소결체의 제조방법.