KR20210129661A - 입방정 질화붕소 다결정체 및 그 제조 방법 - Google Patents

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스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명은, 입방정 질화붕소를 96 체적％ 이상 포함하는 입방정 질화붕소 다결정체로서, 상기 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 8×1015/㎡보다 크고, 상기 입방정 질화붕소 다결정체는, 복수의 결정립을 포함하고, 상기 복수의 결정립의 원상당 직경의 메디안 직경(d50)이 100 ㎚ 미만인 것인 입방정 질화붕소 다결정체를 제공한다.

Description

입방정 질화붕소 다결정체 및 그 제조 방법
본 개시는 입방정 질화붕소 다결정체 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 출원은 2019년 2월 28일에 출원한 일본 특허 출원인 특허 출원 제2019-036262호에 기초한 우선권 및 2020년 1월 17일에 출원한 국제 출원인 PCT/JP2020/001437에 기초한 우선권을 주장한다. 상기 일본 특허 출원 및 국제 출원에 기재된 모든 기재 내용은, 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.
입방정 질화붕소(이하, 「cBN」이라고도 기재한다)는 다이아몬드에 이은 경도를 가지며, 열적 안정성 및 화학적 안정성도 우수하다. 이 때문에, 입방정 질화붕소 소결체는 공구의 재료로서 이용되어 왔다.
입방정 질화붕소 소결체로서는, 바인더를 10~40 체적％ 정도 포함하는 것이 이용되고 있었다. 그러나, 바인더는 소결체의 강도, 열확산성을 저하시키는 원인으로 되어 있었다.
이 문제를 해결하기 위해, 바인더를 이용하지 않고, 육방정 질화붕소를 초고압 고온 하에서 입방정 질화붕소로 직접 변환시킴과 동시에 소결시킴으로써, 바인더를 포함하지 않는 입방정 질화붕소 소결체를 얻는 방법이 개발되어 있다.
일본 특허 공개 평성11-246271호 공보(특허문헌 1)에는, 저결정성의 육방정 질화붕소를 초고온 고압 하에서 입방정 질화붕소 소결체로 직접 변환시키고, 또한 소결시켜, 입방정 질화붕소 소결체를 얻는 기술이 개시되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 평성11-246271호 공보
본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체는,
입방정 질화붕소를 96 체적％ 이상 포함하는 입방정 질화붕소 다결정체로서,
상기 입방정 질화붕소의 전위(轉位) 밀도가 8×1015/㎡보다 크고,
상기 입방정 질화붕소 다결정체는, 복수의 결정립을 포함하고,
상기 복수의 결정립의 원상당 직경의 메디안 직경(d50)이 100 ㎚ 미만인, 입방정 질화붕소 다결정체이다.
본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법은,
상기에 기재된 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법으로서,
원상당 직경의 입경(d90)이 0.3 ㎛ 이하인 육방정 질화붕소 분말을 준비하는 제1 공정과,
상기 육방정 질화붕소 분말을, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력을 통과하여, 1500℃ 이상 2200℃ 이하의 온도 및 10 ㎬ 이상의 압력까지 가열 가압하여 입방정 질화붕소 다결정체를 얻는 제2 공정을 포함하고,
상기 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역은, 온도를 T ℃, 압력을 P ㎬로 하였을 때에, 하기 식 1 및 하기 식 2를 동시에 만족하는 영역이고,
식 1: P≥-0.0037T+11.301
식 2: P≤-0.085T+117
상기 제2 공정의 가열 가압 경로에 있어서, 상기 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도가 500℃ 이하이고,
상기 제2 공정은, 그 가열 가압 경로에 있어서의 온도 및 압력을, 상기 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력으로 10분 이상 유지하는 공정을 포함하는, 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법이다.
본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법은,
상기에 기재된 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법으로서,
열분해 질화붕소를 준비하는 A 공정과,
상기 열분해 질화붕소를, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력을 통과하여, 최종 소결 영역 내의 온도 및 압력까지 가열 가압하여 입방정 질화붕소 다결정체를 얻는 B 공정을 포함하고,
상기 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역은, 온도를 T ℃, 압력을 P ㎬로 하였을 때에, 하기 식 1 및 하기 식 2를 동시에 만족하는 영역이고,
식 1: P≥-0.0037T+11.301
식 2: P≤-0.085T+117
상기 최종 소결 영역은, 온도를 T ℃, 압력을 P ㎬로 하였을 때에, 하기 식 4, 하기 식 5 및 하기 식 6을 동시에 만족하는 영역이고,
식 4: P≥12
식 5: P≥-0.085T+125.5
식 6: P≤-0.085T+151
상기 B 공정의 가열 가압 경로에 있어서, 상기 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도가 500℃ 이하인, 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법이다.
도 1은 질화붕소의 압력-온도상도이다.
도 2는 본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법의 다른 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법의 다른 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법의 다른 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법의 종래예를 설명하기 위한 도면이다.
[본 개시가 해결하고자 하는 과제]
최근, 특히 금형의 분야에 있어서, 정밀 가공이 증가하고 있다. 입방정 질화붕소 다결정체를 정밀 가공에 이용한 경우, 날끝의 마모가 생겨, 공구 수명이 짧아지는 경향이 있다. 따라서, 정밀 가공에 있어서도, 우수한 공구 수명을 나타낼 수 있는 공구가 요구되고 있다.
그래서, 본 목적은 공구로서 이용한 경우에, 특히 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 가질 수 있는 입방정 질화붕소 다결정체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
[본 개시의 효과]
본 개시에 따르면, 입방정 질화붕소 다결정체는, 공구로서 이용한 경우에, 특히 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
[본 개시의 실시형태의 설명]
가장 먼저 본 개시의 실시양태를 열기하여 설명한다.
(1) 본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소를 96 체적％ 이상 포함하는 입방정 질화붕소 다결정체로서,
상기 입방정 질화붕소의 전위 밀도는 8×1015/㎡보다 크고,
상기 입방정 질화붕소 다결정체는, 복수의 결정립을 포함하고,
상기 복수의 결정립의 원상당 직경의 메디안 직경(d50)은 100 ㎚ 미만이다.
본 개시에 따르면, 입방정 질화붕소 다결정체는, 공구로서 이용한 경우에, 특히 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
(2) 상기 전위 밀도는 9×1015/㎡ 이상인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 공구의 내마모성이 향상한다.
(3) 상기 입방정 질화붕소 다결정체는, 육방정 질화붕소를 0.01 체적％ 이상 포함하는 것이 바람직하다. 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 우수한 공구 수명을 가질 수 있다.
(4) 상기 입방정 질화붕소 다결정체는, 압축형 육방정 질화붕소를 0.01 체적％ 이상 포함하는 것이 바람직하다. 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 우수한 공구 수명을 가질 수 있다.
(5) 상기 입방정 질화붕소 다결정체는, 우르츠광형 질화붕소를 0.1 체적％ 이상 포함하는 것이 바람직하다. 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 우수한 공구 수명을 가질 수 있다.
(6) 상기 입방정 질화붕소 다결정체의 알칼리 금속 원소 및 알칼리 토류 금속 원소의 합계 함유량은, 질량 기준으로 10 ppm 이하인 것이 바람직하다. 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 우수한 공구 수명을 가질 수 있다.
(7) 상기 전위 밀도는, 수정 Williamson-Hall법 및 수정 Warren-Averbach법을 이용하여 산출되는 것이 바람직하다. 상기 전위 밀도는 입방정 질화붕소 다결정체의 성능과의 상관이 양호하다.
(8) 상기 전위 밀도는, 방사광을 X선원으로 하여 측정되는 것이 바람직하다. 상기 전위 밀도는 입방정 질화붕소 다결정체의 성능과의 상관이 양호하다.
(9) 본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법은, 상기 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법으로서,
원상당 직경의 입경(d90)이 0.3 ㎛ 이하인 육방정 질화붕소 분말을 준비하는 제1 공정과,
상기 육방정 질화붕소 분말을, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력을 통과하여, 1500℃ 이상 2200℃ 이하의 온도 및 10 ㎬ 이상의 압력까지 가열 가압하여 입방정 질화붕소 다결정체를 얻는 제2 공정을 포함하고,
상기 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역은, 온도를 T ℃, 압력을 P ㎬로 하였을 때에, 하기 식 1 및 하기 식 2를 동시에 만족하는 영역이고,
식 1: P≥-0.0037T+11.301
식 2: P≤-0.085T+117
상기 제2 공정의 가열 가압 경로에 있어서, 상기 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도는 500℃ 이하이고,
상기 제2 공정은, 그 가열 가압 경로에 있어서의 온도 및 압력을, 상기 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력으로 10분 이상 유지하는 공정을 포함하는, 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법이다.
이 제조 방법으로 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체는, 공구로서 이용한 경우에, 특히 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
(10) 상기 돌입 온도는 300℃ 이하인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구의 수명이 더욱 향상한다.
(11) 상기 제2 공정은, 그 가열 가압 경로에 있어서의 온도 및 압력을, 상기 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력으로 15분 이상 유지하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구의 수명이 더욱 향상한다.
(12) 상기 제2 공정은, 그 가열 가압 경로에 있어서의 온도 및 압력을, 온도를 T ℃, 압력을 P ㎬로 하였을 때에, 하기 식 1, 하기 식 2 및 하기 식 3을 동시에 만족하는 영역 내의 온도 및 압력으로 10분 이상 유지하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다.
식 1: P≥-0.0037T+11.301
식 2: P≤-0.085T+117
식 3: P≤-0.0037T+11.375
이에 따르면, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구의 수명이 더욱 향상한다.
(13) 상기 제2 공정 후에, 상기 제2 공정에 의해 얻어진 상기 입방정 질화붕소 다결정체를, 1500℃ 이상 2200℃ 이하의 온도 및 10 ㎬ 이상의 압력 조건 하에서 10분 이상 30분 이하 유지하는 제3 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구의 수명이 더욱 향상한다.
(14) 본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법은, 상기 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법으로서,
열분해 질화붕소를 준비하는 A 공정과,
상기 열분해 질화붕소를, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력을 통과하여, 최종 소결 영역 내의 온도 및 압력까지 가열 가압하여 입방정 질화붕소 다결정체를 얻는 B 공정을 포함하고,
상기 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역은, 온도를 T ℃, 압력을 P ㎬로 하였을 때에, 하기 식 1 및 하기 식 2를 동시에 만족하는 영역이고,
식 1: P≥-0.0037T+11.301
식 2: P≤-0.085T+117
상기 최종 소결 영역은, 온도를 T ℃, 압력을 P ㎬로 하였을 때에, 하기 식 4, 하기 식 5 및 하기 식 6을 동시에 만족하는 영역이고,
식 4: P≥12
식 5: P≥-0.085T+125.5
식 6: P≤-0.085T+151
상기 B 공정의 가열 가압 경로에 있어서, 상기 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도는 500℃ 이하인, 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법이다.
이 제조 방법으로 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체는, 공구로서 이용한 경우에, 특히 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
(15) 상기 돌입 온도는 300℃ 이하인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구의 수명이 더욱 향상한다.
(16) 상기 B 공정 후에, 상기 B 공정에 의해 얻어진 상기 입방정 질화붕소 다결정체를, 상기 최종 소결 영역 내의 온도 및 압력 조건 하에서 10분 이상 30분 이하 유지하는 C 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구의 수명이 더욱 향상한다.
[본 개시의 실시형태의 상세]
본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체 및 그 제조 방법을, 이하에 도면을 참조하면서 설명한다.
[실시형태 1: 입방정 질화붕소 다결정체]
본 개시의 일 실시형태에 따른 입방정 질화붕소 다결정체에 대해서 설명한다.
<입방정 질화붕소 다결정체>
본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소를 96 체적％ 이상 포함하는 입방정 질화붕소 다결정체로서, 상기 입방정 질화붕소의 전위 밀도는 8×1015/㎡보다 크고, 상기 입방정 질화붕소 다결정체는, 복수의 결정립을 포함하고, 상기 봉수의 결정립의 원상당 직경의 메디안 직경(d50)은 100 ㎚ 미만이다.
본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체는 소결체이지만, 통상 소결체란 바인더를 포함하는 것을 의도하는 경우가 많기 때문에, 본 개시에서는 「다결정체」라고 하는 용어를 이용한다.
본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체는, 공구로서 이용한 경우, 특히 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 가질 수 있다. 이 이유는 분명하지 않지만, 하기의 (i)~(ⅲ)과 같다고 추찰된다.
(i) 본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소를 96 체적％ 이상 포함하고, 바인더, 소결조제, 촉매 등의 함유량이 매우 저감되어 있다. 이 때문에, 입방정 질화붕소끼리가 강고하게 결합하고 있어, 입방정 질화붕소 다결정체의 강도 및 열확산성이 향상한다. 따라서, 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
(ⅱ) 본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체에 있어서, 입방정 질화붕소의 전위 밀도는 8×1015/㎡보다 크다. 상기 입방정 질화붕소 다결정체는, 다결정체 중에 비교적 많은 격자 결함을 가지며, 변형이 크기 때문에, 내마모성이 향상한다. 따라서, 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
(ⅲ) 본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체는, 이에 포함되는 복수의 결정립의 원상당 직경의 메디안 직경(d50)(이하, 「입경」이라고도 기재한다)이 100 ㎚ 미만이다. 입방정 질화붕소 다결정체는, 결정립의 입경이 작을수록 강도가 커진다. 따라서, 상기 입방정 질화붕소 다결정체는 강도가 높고, 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
또한, 상기에서는 본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체는, 정밀 가공에 있어서 긴 공구 수명을 갖는 것을 설명하였지만, 가공 방법은 이에 한정되지 않는다. 가공 방법으로서는, 밀링 가공, 선삭 가공 등을 들 수 있다. 또한, 피삭재로서는, 스테인레스 공구강 등을 들 수 있다.
<조성>
본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소를 96 체적％ 이상 포함한다. 이에 의해, 입방정 질화붕소 다결정체는, 강도 및 열확산성이 향상하고, 우수한 경도를 가지며, 열적 안정성 및 화학적 안정성도 우수하다.
입방정 질화붕소 다결정체는, 본 개시의 효과를 나타내는 범위에 있어서, 입방정 질화붕소에 더하여, 육방정 질화붕소, 압축형 육방정 질화붕소 및 우르츠광형 질화붕소 중, 1개, 2개 또는 모두를 포함할 수 있다. 이 경우, 입방정 질화붕소 다결정체에 있어서의, 육방정 질화붕소, 압축형 육방정 질화붕소 및 우르츠광형 질화붕소의 함유량의 합계는 4 체적％ 이하로 할 수 있다. 여기서, 「압축형 육방정 질화붕소」란, 통상의 육방정 질화붕소와 결정 구조가 유사하고, c축 방향의 면 간격이 통상의 육방정 질화붕소의 면 간격(0.333 ㎚)보다 작은 것을 나타낸다.
입방정 질화붕소 다결정체는, 본 개시의 효과를 나타내는 범위에 있어서 불가피 불순물을 포함하고 있어도 상관없다. 불가피 불순물로서는, 예컨대, 수소, 산소, 탄소, 알칼리 금속 원소(본 명세서에 있어서, 알칼리 금속 원소는, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K)을 포함한다) 및 알칼리 토류 금속 원소(본 명세서에 있어서, 알칼리 토류 금속 원소는, 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba)을 포함한다), 규소(Si), 알루미늄(Al) 등을 들 수 있다. 입방정 질화붕소 다결정체가 불가피 불순물을 포함하는 경우는, 불가피 불순물의 함유량은 0.1 질량％ 이하인 것이 바람직하다. 불가피 불순물의 함유량은, 이차 이온 질량 분석(SIMS)에 의해 측정할 수 있다.
입방정 질화붕소 다결정체의 알칼리 금속 원소(리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K)) 및 알칼리 토류 금속 원소(칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba))의 합계 함유량은 10 ppm 이하인 것이 바람직하다. 상기 불가피 불순물 중에서, 알칼리 금속 원소 및 알칼리 토류 금속 원소는, 육방정 질화붕소와 입방정 질화붕소 간의 상변환에 대한 촉매 작용을 갖는다. 입방정 질화붕소 다결정체의 알칼리 금속 원소 및 알칼리 토류 금속 원소의 합계 함유량이 10 ppm 이하이면, 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 절삭 환경 하에서 날끝과 피삭재의 계면이 고온 고압에 노출된 경우라도, 공구를 구성하는 입방정 질화붕소의 일부가 육방정 질화붕소로 변환되는 것에 따른 공구의 손상의 진전을 양호하게 억제할 수 있다. 육방정 질화붕소 다결정체 중의 알칼리 금속 원소 및 알칼리 토류 금속 원소의 합계 함유량의 하한은 0 ppm인 것이 바람직하다. 즉, 육방정 질화붕소 다결정체 중의 알칼리 금속 원소 및 알칼리 토류 금속 원소의 합계 함유량은, 0 ppm 이상 10 ppm 이하가 바람직하다.
종래의 입방정 질화붕소 소결체는, 예컨대, 일본 특허 공개 제2006-201216호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, cBN 지립을 출발 원료로 하여 제작되고 있다. 여기서, 상기 cBN 지립에 잔류하고 있는 촉매 성분(알칼리 금속 원소, 알칼리 토류 금속 원소)의 합계 함유량(cBN 1 몰 중의 촉매 성분의 함유량)은 2.4×10-4~13.5×10-4 몰이다. 따라서, 상기 cBN 지립을 소결하여 얻어진 종래의 입방정 질화붕소 다결정체의 촉매 성분의 합계 함유량은, 0.01 질량％(100 ppm) 이상인 것은 당업자에게 자명하다.
한편, 본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체는, 후술하는 바와 같이, 육방정 질화붕소나 열분해 질화붕소를 출발 원료로 하여, 촉매를 이용하는 일없이, 상기 육방정 질화붕소나 상기 열분해 질화붕소를 가열 가압하여 입방정 질화붕소로 변환시켜 얻어진다. 따라서, 상기 입방정 질화붕소 다결정체의 촉매 성분의 함유량은, 질량 기준으로 10 ppm 이하로 할 수 있다.
입방정 질화붕소 다결정체의 규소(Si) 및 알루미늄(Al)의 합계 함유량은, 질량 기준으로 50 ppm 이하인 것이 바람직하다. 이에 따르면, 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 절삭 환경 하에서 날끝과 피삭재의 계면이 고온 고압에 노출된 경우라도, 공구를 구성하는 입방정 질화붕소의 일부가 Si나 Al과 반응하는 것에 따른 공구의 손상의 진전을 양호하게 억제할 수 있다.
입방정 질화붕소 다결정체는, 실질적으로 바인더, 소결 조제, 촉매 등을 포함하지 않는 것이 바람직하다. 이에 의해, 입방정 질화붕소 다결정체의 강도 및 열확산성이 향상한다.
입방정 질화붕소 다결정체 중의 입방정 질화붕소의 함유율은, 96 체적％ 이상 100 체적％ 이하가 바람직하고, 97 체적％ 이상 100 체적％ 이하가 보다 바람직하고, 98 체적％ 이상 100 체적％ 이하가 더욱 바람직하다. 입방정 질화붕소의 함유율의 상한은, 100 체적％ 이하, 99.99 체적％ 이하, 99.9 체적％ 이하, 99.89 체적％ 이하, 99.88 체적％ 이하로 할 수 있다.
입방정 질화붕소 다결정체 중의 육방정 질화붕소, 압축형 육방정 질화붕소 및 우르츠광형 질화붕소의 함유율의 합계는, 0 체적％ 이상 4 체적％ 이하가 바람직하고, 0 체적％ 이상 3 체적％ 이하가 바람직하고, 0 체적％ 이상 2 체적％ 이하가 바람직하고, 0 체적％가 바람직하다. 즉, 입방정 질화붕소 다결정체에는, 육방정 질화붕소, 압축형 육방정 질화붕소 및 우르츠광형 질화붕소 중 어느 것도 포함되지 않는 것이 바람직하다.
입방정 질화붕소 다결정체 중의 육방정 질화붕소의 함유율은 0 체적％ 이상 4 체적％ 이하가 바람직하고, 0 체적％ 이상 3 체적％ 이하가 바람직하고, 0 체적％ 이상 2 체적％ 이하가 바람직하고, 0 체적％가 바람직하다. 즉, 입방정 질화붕소 다결정체에는, 육방정 질화붕소가 포함되지 않는 것이 바람직하다.
입방정 질화붕소 다결정체 중의 압축형 육방정 질화붕소의 함유율은 0 체적％ 이상 4 체적％ 이하가 바람직하고, 0 체적％ 이상 3 체적％ 이하가 바람직하고, 0 체적％ 이상 2 체적％ 이하가 바람직하고, 0 체적％가 바람직하다. 즉, 입방정 질화붕소 다결정체에는, 압축형 육방정 질화붕소가 포함되지 않는 것이 바람직하다.
입방정 질화붕소 다결정체 중의 우르츠광형 질화붕소의 함유율은 0 체적％ 이상 4 체적％ 이하가 바람직하고, 0 체적％ 이상 3 체적％ 이하가 바람직하고, 0 체적％ 이상 2 체적％ 이하가 바람직하고, 0 체적％가 바람직하다. 즉, 입방정 질화붕소 다결정체에는, 우르츠광형 질화붕소가 포함되지 않는 것이 바람직하다.
육방정 질화붕소, 압축형 육방정 질화붕소 및 우르츠광형 질화붕소는 마찰 저항이 작아, 절삭 가공 시의 피삭재의 응착을 감소시키며, 절삭 저항을 작게 할 수 있다. 또한, 육방정 질화붕소, 압축형 육방정 질화붕소 및 우르츠광형 질화붕소는, 입방정 질화붕소에 비해서 물러, 우수한 내균열 전파성을 갖는다. 이 때문에, 가공의 용도에 따라, 입방정 질화붕소 다결정체는, 육방정 질화붕소, 압축형 육방정 질화붕소 및 우르츠광형 질화붕소를 포함하는 것이 바람직한 경우가 있다.
상기의 경우, 입방정 질화붕소 다결정체는, 육방정 질화붕소를 0.01 체적％ 이상 포함하는 것이 바람직하다. 입방정 질화붕소 다결정체는, 육방정 질화붕소를 0.01 체적％ 이상 4 체적％ 이하 포함하는 것이 바람직하고, 0.01 체적％ 이상 3 체적％ 이하 포함하는 것이 바람직하고, 0.01 체적％ 이상 2 체적％ 이하 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소를 99.99 체적％ 이하 포함하는 것이 바람직하다.
상기의 경우, 입방정 질화붕소 다결정체는, 압축형 육방정 질화붕소를 0.01 체적％ 이상 포함하는 것이 바람직하다. 입방정 질화붕소 다결정체는, 압축형 육방정 질화붕소를 0.01 체적％ 이상 4 체적％ 이하 포함하는 것이 바람직하고, 0.01 체적％ 이상 3 체적％ 이하 포함하는 것이 바람직하고, 0.01 체적％ 이상 2 체적％ 이하 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소를 99.99 체적％ 이하 포함하는 것이 바람직하다.
상기의 경우, 입방정 질화붕소 다결정체는, 우르츠광형 질화붕소를 0.1 체적％ 이상 포함하는 것이 바람직하다. 입방정 질화붕소 다결정체는, 우르츠광형 질화붕소를 0.1 체적％ 이상 4 체적％ 이하 포함하는 것이 바람직하고, 0.1 체적％ 이상 3 체적％ 이하 포함하는 것이 바람직하고, 0.1 체적％ 이상 2 체적％ 이하 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소를 99.9 체적％ 이하 포함하는 것이 바람직하다.
입방정 질화붕소 다결정체 중의 입방정 질화붕소, 육방정 질화붕소, 압축형 육방정 질화붕소 및 우르츠광형 질화붕소의 함유율(체적％)은, X선 회절법에 따라 측정할 수 있다. 구체적인 측정 방법은 하기와 같다.
입방정 질화붕소 다결정체를 다이아몬드 지석 전착 와이어로 절단하고, 절단면을 관찰면으로 한다.
X선 회절 장치(Rigaku사 제조 「MiniFlex600」(상품명))를 이용하여 입방정 질화붕소 다결정체의 절단면의 X선 스펙트럼을 얻는다. 이때의 X선 회절 장치의 조건은, 하기와 같이 한다.
특성 X선: Cu-Kα(파장 1.54 Å)
관 전압: 45 ㎸
관 전류: 40 ㎃
필터: 다층 미러
광학계: 집중법
X선 회절법: θ-2θ법.
얻어진 X선 스펙트럼에 있어서, 하기의 피크 강도 A, 피크 강도 B, 피크 강도 C 및 피크 강도 D를 측정한다.
피크 강도 A: 회절각(2θ)=28.5°부근의 피크 강도로부터, 백그라운드를 제외한 압축형 육방정 질화붕소의 피크 강도.
피크 강도 B: 회절각(2θ)=40.8°부근의 피크 강도로부터, 백그라운드를 제외한 우르츠광형 질화붕소의 피크 강도.
피크 강도 C: 회절각(2θ)=43.5°부근의 피크 강도로부터, 백그라운드를 제외한 입방정 질화붕소의 피크 강도.
피크 강도 D: 회절각(2θ)=26.8°부근의 피크 강도로부터, 백그라운드를 제외한 육방정 질화붕소의 피크 강도.
압축형 육방정 질화붕소의 함유율은, 피크 강도 A/(피크 강도 A+피크 강도 B+피크 강도 C+피크 강도 D)의 값을 산출함으로써 얻어진다. 우르츠광형 질화붕소의 함유율은, 피크 강도 B/(피크 강도 A+피크 강도 B+피크 강도 C+피크 강도 D)의 값을 산출함으로써 얻어진다. 입방정 질화붕소의 함유율은, 피크 강도 C/(피크 강도 A+피크 강도 B+피크 강도 C+피크 강도 D)의 값을 산출함으로써 얻어진다. 육방정 질화붕소의 함유율은, 피크 강도 D/(피크 강도 A+피크 강도 B+피크 강도 C+피크 강도 D)의 값을 산출함으로써 얻어진다.
압축형 육방정 질화붕소, 우르츠광형 질화붕소, 입방정 질화붕소 및 육방정 질화붕소는, 전부 같은 정도의 전자적인 무게를 갖기 때문에, 상기 X선 피크 강도비를 입방정 질화붕소 다결정체 중의 체적비로 볼 수 있다.
<전위 밀도>
본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체에 있어서, 입방정 질화붕소의 전위 밀도는 8×1015/㎡보다 크다. 상기 입방정 질화붕소 다결정체는, 다결정체 중에 비교적 많은 격자 결함을 가지고, 변형이 크기 때문에, 내마모성이 향상한다. 따라서, 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 가질 수 있다. 전위 밀도는, 9×1015/㎡ 이상이 바람직하고, 1.0×1016/㎡ 이상이 더욱 바람직하다. 전위 밀도의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 제조상의 관점에서, 1.4×1016/㎡로 할 수 있다. 즉, 전위 밀도는 8×1015/㎡보다 크며 1.4×1016/㎡ 이하가 바람직하고, 9×1015/㎡ 이상 1.4×1016/㎡ 이하가 보다 바람직하고, 1.0×1016/㎡ 이상 1.4×1016/㎡ 이하가 더욱 바람직하다.
본 명세서에 있어서, 전위 밀도란 하기의 순서에 따라 산출된다.
입방정 질화붕소 다결정체를 포함하는 시험편을 준비한다. 시험편의 크기는, 관찰면이 2.0 ㎜×2.0 ㎜이고, 두께가 1.0 ㎜이다. 시험편의 관찰면을 연마한다.
상기 시험편의 관찰면에 대해서, 하기의 조건에서 X선 회절 측정을 행하여, 입방정 질화붕소의 주요인 방위인 (111), (200), (220), (311), (400), (331)의 각 방위면으로부터의 회절 피크의 라인 프로파일을 얻는다.
(X선 회절 측정 조건)
X선원: 방사광
장치 조건: 검출기 NaI(적절한 ROI에 의해 형광을 컷트한다)
에너지: 18 keV(파장: 0.6888 Å)
분광 결정: Si(111)
입사 슬릿: 폭 5 ㎜×높이 0.5 ㎜
수광 슬릿: 더블 슬릿(폭 3 ㎜×높이 0.5 ㎜)
미러: 백금 코트 거울
입사각: 2.5 mrad
주사 방법: 2θ-θ scan
측정 피크: 입방정 질화붕소의 (111), (200), (220), (311), (400), (331)의 6개. 단, 집합 조직, 배향에 의해 프로파일의 취득이 곤란한 경우는, 그 면 지수의 피크를 제외한다.
측정 조건: 반치폭 중에, 측정점이 9점 이상이 되도록 한다. 피크톱 강도는 2000 counts 이상으로 한다. 피크의 테일도 해석에 사용하기 때문에, 측정 범위는 반치폭의 10배 정도로 한다.
상기 X선 회절 측정에 의해 얻어지는 라인 프로파일은, 시료의 불균일 변형 등의 물리량에 기인하는 참의 확대와, 장치 기인의 확대의 양방을 포함하는 형상이 된다. 불균일 변형이나 결정자 사이즈를 구하기 위해, 측정된 라인 프로파일로부터, 장치 기인의 성분을 제거하여, 참의 라인 프로파일을 얻는다. 참의 라인 프로파일은, 얻어진 라인 프로파일 및 장치 기인의 라인 프로파일을 의사 Voigt 함수에 의해 피팅하고, 장치 기인의 라인 프로파일을 뺌으로써 얻는다. 장치 기인의 회절선 확대를 제거하기 위한 표준 샘플로서는, LaB6을 이용하였다. 또한, 평행도가 높은 방사광을 이용하는 경우는, 장치 기인의 회절선 확대는 0으로 간주할 수 있다.
얻어진 참의 라인 프로파일을 수정 Williamson-Hall법 및 수정 Warren-Averbach법을 이용하여 해석함으로써 전위 밀도를 산출한다. 수정 Williamson-Hall법 및 수정 Warren-Averbach법은, 전위 밀도를 구하기 위해 이용되고 있는 공지의 라인 프로파일 해석법이다.
수정 Williamson-Hall법의 식은, 하기 식 (I)로 나타낸다.
[식 I]
Figure pct00001
(상기 식 (I)에 있어서, ΔK는 라인 프로파일의 반치폭, D는 결정자 사이즈, M은 배치 파라미터, b는 버거스 벡터, ρ는 전위 밀도, K는 산란 벡터, O(K2C)는 K2C의 고차항, C는 콘트라스트 팩터의 평균값을 나타낸다.)
상기 식 (I)에 있어서의 C는, 하기 식 (Ⅱ)로 나타낸다.
C=Ch00[1-q(h2k2+h2l2+k2l2)/(h2+k2+l2)2] (Ⅱ)
상기 식 (Ⅱ)에 있어서, 나선 전위와 에지 전위에 있어서의 각각의 콘트라스트 팩터(Ch00) 및 콘트라스트 팩터에 관한 계수(q)는, 계산 코드 ANIZC를 이용하여, 슬립계가 <110>{111}, 탄성 스티프니스 C11이 8.44 ㎬, C12가 1.9 ㎬, C44가 4.83 ㎬로서 구해진다. 콘트라스트 팩터(Ch00)는, 나선 전위는 0.203이며, 에지 전위는 0.212이다. 콘트라스트 팩터에 관한 계수(q)는, 나선 전위는 1.65이며, 에지 전위는 0.58이다. 또한, 나선 전위 비율은 0.5, 에지 전위 비율은 0.5로 고정한다.
또한, 전위와 불균일 변형 간에는 콘트라스트 팩터(C)를 이용하여 하기 식 (Ⅲ)의 관계가 성립한다.
<ε(L)2>=(ρCb2/4π)ln(Re/L) (Ⅲ)
(상기 식 (Ⅲ)에 있어서, Re는 전위의 유효 반경을 나타낸다.)
상기 식 (Ⅲ)의 관계와, Warren-Averbach의 식으로부터, 하기 식 (Ⅳ)와 같이 나타낼 수 있고, 수정 Warren-Averbach법으로서, 전위 밀도(ρ) 및 결정자 사이즈를 구할 수 있다.
lnA(L)=lnAS(L)-(πL2ρb2/2)ln(Re/L)(K2C)+O(K2C)2 (Ⅳ)
(상기 식 (Ⅳ)에 있어서, A(L)은 푸리에 급수, AS(L)은 결정자 사이즈에 관한 푸리에 급수, L은 푸리에 길이를 나타낸다.)
수정 Williamson-Hall법 및 수정 Warren-Averbach법의 상세는, "T.Ungar and A.Borbely, "The effect of dislocation contrast on x-ray line broadening: A new approach to line profile analysis" Appl.Phys.Lett., vol.69, no.21, p.3173, 1996." 및 "T.Ungar, S.Ott, P.Sanders, A.Borbely, J.Weertman, "Dislocations, grain size and planar faults in nanostructured copper determined by high resolution X-ray diffraction and a new procedure of peak profile analysis" Acta Mater., vol.46, no.10, pp.3693-3699, 1998."에 기재되어 있다.
<결정립>
(메디안 직경(d50))
본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체에 포함되는 복수의 결정립은, 원상당 직경의 메디안 직경(d50)(이하, 「메디안 직경(d50)」이라고도 기재한다)이 100 ㎚ 미만이다. 입방정 질화붕소 다결정체는, 결정립의 입경이 작을수록 강도가 커진다. 따라서, 상기 입방정 질화붕소 다결정체는 강도가 크고, 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
결정립의 메디안 직경(d50)의 하한값은 특별히 한정되지 않지만, 제조상의 관점에서, 예컨대 10 ㎚로 할 수 있다.
(메디안 직경(d50)의 측정 방법)
본 명세서에 있어서, 입방정 질화붕소 다결정체에 포함되는 복수의 결정립의 원상당 직경의 메디안 직경(d50)이란, 임의로 선택된 5개소의 각 측정 개소에 있어서, 복수의 결정립의 메디안 직경(d50)을 각각 측정하고, 이들의 평균값을 산출함으로써 얻어진 값을 의미한다.
또한, 출원인이 측정한 한에서는, 동일한 시료에 있어서 메디안 직경(d50)을 측정하는 한, 입방정 질화붕소 다결정체에 있어서의 측정 시야의 선택 개소를 변경하여 복수회 산출하여도, 측정 결과의 변동은 거의 없고, 임의로 측정 시야를 설정하여도 자의적으로는 되지 않는 것이 확인되었다.
입방정 질화붕소 다결정체가 공구의 일부로서 이용되고 있는 경우는, 입방정 질화붕소 다결정체의 부분을, 다이아몬드 지석 전착 와이어 등으로 절취하고, 절취한 단면을 연마하고, 그 연마면에 있어서 5개소의 측정 개소를 임의로 설정한다.
각 측정 개소에 있어서의 복수의 결정립의 원상당 직경의 메디안 직경(d50)의 측정 방법에 대해서 하기에 구체적으로 설명한다.
측정 개소가 노출되도록 입방정 질화붕소 다결정체를 다이아몬드 지석 전착 와이어 등으로 절단하고, 절단면을 연마한다. 상기 연마면 상의 측정 개소를 SEM(니혼덴시 가부시키가이샤 제조 「JSM-7500F」(상품명))을 이용하여 관찰하여, SEM 화상을 얻는다. 측정 시야의 사이즈는 12 ㎛×15 ㎛로 하고, 관찰 배율은 10000배로 한다.
5개의 SEM 화상의 각각에 대해, 측정 시야 내에 관찰되는 결정립의 입계를 분리한 상태에서, 화상 처리 소프트(Win Roof ver.7.4.5)를 이용하여, 각 결정립의 원상당 직경의 분포를 산출한다.
메디안 직경(d50)은, 측정 시야의 전체를 분모로서 산출한다. 결정립의 원상당 직경의 분포로부터, 메디안 직경(d50)을 산출한다.
<용도>
본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체는, 절삭 공구, 내마 공구, 연삭 공구 등에 이용하는 것이 적합하다.
본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 절삭 공구, 내마 공구 및 연삭 공구는 각각, 그 전체가 입방정 질화붕소 다결정체로 구성되어 있어도 좋고, 그 일부(예컨대 절삭 공구의 경우, 날끝 부분)만이 입방정 질화붕소 다결정체로 구성되어 있어도 좋다. 또한, 각 공구의 표면에 코팅막이 형성되어 있어도 좋다.
절삭 공구로서는, 드릴, 엔드밀, 드릴용 날끝 교환형 절삭 팁, 엔드밀용 날끝 교환형 절삭 팁, 밀링 가공용 날끝 교환형 절삭 팁, 선삭 가공용 날끝 교환형 절삭 팁, 메탈 쏘우, 기어 컷팅 공구, 리머, 탭, 절삭 바이트 등을 들 수 있다.
내마 공구로서는, 다이스, 스크라이버, 스크라이빙 휠, 드레서 등을 들 수 있다. 연삭 공구로서는, 연삭 지석 등을 들 수 있다.
[실시형태 2: 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법]
본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법을, 도 1~도 6을 이용하여 설명한다. 도 1은 질화붕소의 압력-온도상도이다. 도 2~도 5는 본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법의 종래예를 설명하기 위한 도면이다.
본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법의 상세한 설명을 행하기 전에, 그 이해를 돕기 위해, 입방정 질화붕소 다결정체의 압력-온도상도와, 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법의 종래예 및 참고예에 대해서 설명한다.
<압력-온도상도>
도 1에 나타내는 바와 같이, 질화붕소에는, 상온 상압의 안정상인 육방정 질화붕소, 고온 고압의 안정상인 입방정 질화붕소 및 육방정 질화붕소로부터 입방정 질화붕소에의 전위 사이의 준안정상인 우르츠광형 질화붕소의 3개의 상이 존재한다.
각 상의 경계는 일차 함수로 나타낼 수 있다. 본 명세서에 있어서, 각 상의 안정 영역 내의 온도 및 압력은, 일차 함수를 이용하여 나타낼 수 있는 것으로 한다.
본 명세서에 있어서, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력(도 1에 있어서, 「wBN 안정 영역」이라고 기재한다)은, 온도를 T(℃), 압력을 P(㎬)로 하였을 때에, 하기 식 1 및 하기 식 2를 동시에 만족하는 온도 및 압력으로서 정의한다.
식 1: P≥-0.0037T+11.301
식 2: P≤-0.085T+117.
본 명세서에 있어서, 육방정 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력(도 1에 있어서, 「hBN 안정 영역」이라고 기재한다)은, 온도를 T(℃), 압력을 P(㎬)로 하였을 때에, 하기 식 A 및 하기 식 B를 동시에 만족하는 온도 및 압력, 또는 하기 식 C 및 하기 식 D를 동시에 만족하는 온도 및 압력으로서 정의한다.
식 A: P≤-0.0037T+11.301
식 B: P≤-0.085T+117
식 C: P≤0.0027T+0.3333
식 D: P≥-0.085T+117.
본 명세서에 있어서, 입방정 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력(도 1에 있어서, 「cBN 안정 영역」이라고 기재한다)은, 온도를 T(℃), 압력을 P(㎬)로 하였을 때에, 하기 식 D 및 하기 식 E를 동시에 만족하는 온도 및 압력으로서 정의한다.
식 D: P≥-0.085T+117
식 E: P≥0.0027T+0.3333.
<입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법의 종래예>
종래, 육방정 질화붕소를, 입방정 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력까지 도달시키기 위한 가열 가압 경로로서, 도 6에 나타내는 경로(이하, 「도 6의 경로」라고도 기재한다)가 검토되어 있었다.
도 6의 경로에서는, 개시점(S)의 온도 및 압력(상온 상압)으로부터, 입방정 질화붕소의 안정 영역 내의 온도(이하, 「목적 온도」라고도 기재한다) 및 압력(이하, 「목적 압력」이라고도 기재한다)까지 가열 가압할 때에, 먼저, 압력을 목적 압력(도 6에서는 약 10 ㎬)까지 올리고(도 6의 화살표 E1), 그 후에, 온도를 목적 온도(도 6에서는 약 1900℃)까지 올린다(도 6의 화살표 E2). 도 6의 경로는, 가열과 가압이 각각 1회씩 행해지기 때문에, 가열 가압 조작의 제어가 단순하며, 종래 채용되고 있었다.
도 6의 경로에서는, 개시점(S)으로부터 입방정 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력에 도달하는 도중에, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역을 통과한다. 종래는, 제조 공정의 사이클 타임을 짧게 하기 위해, 개시점(S)으로부터 입방정 질화붕소의 안정 영역 내에 도달하기 위한 시간은 짧은 쪽이 좋다고 고려되고 있었다. 또한, 가열 가압 공정에 있어서, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력으로 일정 시간 유지함으로써, 얻어지는 입방정 질화붕소 다결정체의 품질이 향상한다고 하는 지견도 존재하지 않았다. 이 때문에, 가열 가압 조건은, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역을 통과하는 시간이 보다 짧아지도록 설정되어 있었다.
그러나, 도 6의 경로에서 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체에서는, 가공 시에 결손이 생기기 쉬우며, 공구 수명이 짧아지는 경향이 있었다. 본 발명자들은, 그 이유를 구명하기 위해 도 6의 경로에서 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체에 대해서 분석 평가를 행한 바, 입방정 질화붕소 다결정체 중의 입방정 질화붕소의 함유율이 공구 수명에 영향을 부여한다고 추찰되었다. 여기서, 입방정 질화붕소 다결정체 중의 입방정 질화붕소의 함유율이란, 입방정 질화붕소 다결정체가 입방정 질화붕소와 함께, 육방정 질화붕소 및/또는 우르츠광형 질화붕소를 포함하는 경우, 입방정 질화붕소, 육방정 질화붕소 및 우르츠광형 질화붕소의 함유율의 합계를 분모로 한 경우의 입방정 질화붕소의 함유율을 의미한다.
구체적으로는, 도 6의 경로에서는, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내에서의 유지 시간이 짧기 때문에, 육방정 질화붕소로부터 우르츠광형 질화붕소로의 변환율이 저하하고, 결과로서 입방정 질화붕소로의 변환율도 저하하는 경향이 있다고 추찰되었다. 이 때문에, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체에서는, 입방정 질화붕소의 함유율이 저하하여, 가공 시에 결손이 생기기 쉽고, 공구 수명이 짧아지는 경향이 있다고 추찰되었다.
또한 본 발명자들이 검토를 거듭한 결과, 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 공정에 있어서, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도가, 입방정 질화붕소의 전위 밀도와 관계하고, 결과로서, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체의 내마모성에 영향을 부여하는 것이 추찰되었다.
본 발명자들은 상기 상황과, 입방정 질화붕소 다결정체에 포함되는 복수의 결정립의 입경이 인성에 부여하는 영향을 고려하면서, 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 공정에 있어서의 압력 및 온도의 경로를 예의 검토하였다. 이 결과, 본 발명자들은, 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 가질 수 있는 입방정 질화붕소 다결정체를 얻을 수 있는 가열 가압 조건을 발견하였다.
또한, 종래의 cBN 소결체의 제조 방법에서는, cBN 분말을 출발 원료로 하여, 상기 cBN 분말을 가압한 후에 가열하여 소결을 행한다. 가압에 의해, 고경도의 cBN 분말끼리가 접촉하여, cBN 입자에 전위가 도입되는 것은 유추된다. 그러나, 본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법과 같이, 저경도의 hBN 분말이나 열분해 질화붕소를 출발 원료로 하여, 상기 hBN 분말이나 열분해 질화붕소에 대하여 가열 가압 처리를 행하여 입방정 질화붕소 다결정체로 변환시키는 경우, 상기 입방정 질화붕소 다결정체의 전위 밀도는 예측할 수 없었다. 본 발명자들은 예의 검토의 결과, 가열 가압 조건과, 입방정 질화붕소 다결정체의 전위 밀도 및 공구 성능의 관계를 새롭게 발견하였다.
본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법의 상세에 대해서, 이하에 설명한다.
<입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법 (1)>
본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법 (1)은, 실시형태 1의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법이다. 본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법 (1)은, 원상당 직경의 입경(d90)이 0.3 ㎛ 이하인 육방정 질화붕소 분말을 준비하는 제1 공정(이하, 「제1 공정」이라고도 기재한다)과, 상기 육방정 질화붕소 분말을, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력을 통과하여, 1500℃ 이상 2200℃ 이하의 온도 및 10 ㎬ 이상의 압력까지 가열 가압하여 입방정 질화붕소 다결정체를 얻는 제2 공정(이하, 「제2 공정」이라고도 기재한다)을 포함한다. 여기서, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역은, 온도를 T ℃, 압력을 P ㎬로 하였을 때에, 하기 식 1 및 하기 식 2를 동시에 만족하는 영역이고,
식 1: P≥-0.0037T+11.301
식 2: P≤-0.085T+117
제2 공정의 가열 가압 경로에 있어서, 상기 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도는 500℃ 이하이고, 제2 공정은, 그 가열 가압 경로에 있어서의 온도 및 압력을, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력으로 10분 이상 유지하는 공정을 포함한다.
상기 제조 방법에 따라, 실시형태 1의 입방정 질화붕소 다결정체를 제조할 수 있다. 즉, 이 제조 방법에 따라 얻어지는 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소를 96 체적％ 이상 포함하고, 그것을 구성하는 입방정 질화붕소의 입경이 미세(즉 평균입경이 100 ㎚ 미만)하며, 또한, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 큰(즉 8×1015/㎡를 넘는) 다결정체가 된다.
본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법 (1)은, 제2 공정 후에, 제2 공정에 의해 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체를, 1500℃ 이상 2200℃ 이하의 온도 및 10 ㎬ 이상의 압력 조건 하에서 10분 이상 30분 이하 유지하는 제3 공정(이하, 「제3 공정」이라고도 기재한다)을 포함할 수 있다.
본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법 (1)의 각 공정의 상세에 대해서, 도 2~도 4를 이용하여 하기에 설명한다. 또한, 도 2~도 4에 있어서, 화살표는 가열 가압 경로를 나타낸다. 또한, 화살표의 선단에 동그라미가 기재되어 있는 경우는, 그 온도 및 압력으로 일정 시간 유지되는 것을 나타낸다. 또한, 도 2~도 4에서 나타내는 경로는 일례이며, 이에 한정되는 것이 아니다.
(제1 공정)
입방정 질화붕소 다결정체의 원료로서, 원상당 직경의 입경(d90)(이하, 「입경(d90)」이라고도 기재한다)이 0.3 ㎛ 이하인 육방정 질화붕소 분말을 준비한다.
육방정 질화붕소 분말로서는, 그 입경(d90)(0.3 ㎛ 이하)이, 얻어지는 입방정 질화붕소 다결정체에 포함되는 결정립의 메디안 직경(d50)(100 ㎚ 미만)보다 조금 큰 것을 이용한다. 이것은, 육방정 질화붕소로부터 입방정 질화붕소로 전위할 때에, hBN 간의 결합을 절단하여 원자의 재편성을 거쳐 재결합하기 때문에, 원료의 입경보다 입방정 질화붕소의 입경이 작아지기 때문이다. 원료의 입경이 작을수록, 본래의 hBN 간의 결합이 없는 입계가 많아지기 때문에, 변환 후의 입방정 질화붕소의 입경은 작아진다. 반대로 원료의 입경이 클수록, 변환 후의 입방정 질화붕소의 입경이 커진다.
육방정 질화붕소 분말의 원상당 직경의 입경(d90)은, 0.3 ㎛ 이하이며, 0.2 ㎛ 이하가 바람직하다. 육방정 질화붕소 분말의 원상당 직경의 입경(d90)의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 제조상의 관점에서 0.05 ㎛로 할 수 있다. 육방정 질화붕소 분말의 원상당 직경의 입경(d90)은, 0.05 ㎛ 이상 0.3 ㎛ 이하가 바람직하고, 0.05 ㎛ 이상 0.2 ㎛ 이하가 보다 바람직하다.
상기 육방정 질화붕소 분말은, 종래 공지의 합성법에 따라 제조한 것 및 시판의 육방정 질화붕소 분말 중 어느 것이나 이용할 수 있다.
(제2 공정)
다음에, 육방정 질화붕소 분말을, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력을 통과하여, 1500℃ 이상 2200℃ 이하의 온도(이하, 「도달 온도」라고도 기재한다) 및 10 ㎬ 이상의 압력(이하, 「도달 압력」이라고도 기재한다)까지 가열 가압하여 입방정 질화붕소 다결정체를 얻는다(도 2에서는 화살표 A1, A2 및 A3, 도 3에서는 화살표 B1, B2, B3 및 B4, 도 4에서는 화살표 C1, C2, C3 및 C4). 제2 공정의 가열 가압 경로에 있어서, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도는 500℃ 이하이다. 또한, 제2 공정은, 그 가열 가압 경로에 있어서의 온도 및 압력을, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력으로 10분 이상 유지하는 공정을 포함한다(도 2에서는 a1, 도 3에서는 b1, 도 4에서는 c1 및 c2).
본 명세서 중, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도란, 제2 공정의 가열 가압 경로에 있어서, 처음으로 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내에 도달한 시점에서의 온도를 의미한다. 상기 돌입 온도는, 도 2에서는, 화살표 A2와 P=-0.0037T+11.301의 선의 교점에 있어서의 온도(약 250℃)이고, 도 3에서는, 화살표 B2와 P=-0.0037T+11.301의 선의 교점에 있어서의 온도(약 250℃)이고, 도 4에서는, 화살표 C2와 P=-0.0037T+11.301의 선의 교점에 있어서의 온도(약 250℃)이다.
제2 공정의 가열 가압 경로에 있어서, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도는 500℃ 이하이다. 이에 따르면, 육방정 질화붕소 분말은 원자 확산이 발생하기 어려운 환경에서, 우르츠광형 질화붕소로 변환되고, 그 후, 입방정 질화붕소로 변환된다. 이 때문에, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체는, 다결정체 중에 비교적 많은 격자 결함을 가지며, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 크고, 변형이 크기 때문에, 내마모성이 향상한다. 따라서, 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도는 300℃ 이하가 바람직하고, 100℃ 이하가 더욱 바람직하다. 돌입 온도가 낮을수록 원자 확산이 발생하기 어려우며, 격자 결함이 증가하는 경향이 있다. 돌입 온도의 하한은, 예컨대 10℃로 할 수 있다. 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도는 10℃ 이상 500℃ 이하가 바람직하고, 10℃ 이상 300℃ 이하가 보다 바람직하고, 10℃ 이상 100℃ 이하가 더욱 바람직하다.
제2 공정은, 그 가열 가압 경로에 있어서의 온도 및 압력을, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력으로 10분 이상 유지하는 공정을 포함한다. 이에 따르면, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내에서의 유지 시간이 길기 때문에, 육방정 질화붕소로부터 우르츠광형 질화붕소로의 변환율이 향상하고, 결과로서 입방정 질화붕소로의 변환율도 향상한다. 이 때문에, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소의 함유율이 증가하여, 강도 및 열확산성이 향상한다. 따라서, 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력으로의 유지 시간은, 15분 이상이 바람직하고, 30분 이상이 보다 바람직하다. 유지 시간의 상한은, 제조상의 관점에서, 60분이 바람직하다. 유지 시간은 10분 이상 60분 이하가 바람직하고, 15분 이상 60분 이하가 보다 바람직하고, 30분 이상 60분 이하가 더욱 바람직하다.
제2 공정은, 그 가열 가압 경로에 있어서의 온도 및 압력을, 하기 식 1, 하기 식 2 및 하기 식 3을 동시에 만족하는 영역 내의 온도 및 압력으로 10분 이상 유지하는 공정(이하, 「제2A 공정」이라고도 기재한다)을 포함하는 것이 바람직하다.
식 1: P≥-0.0037T+11.301
식 2: P≤-0.085T+117
식 3: P≤-0.0037T+11.375
상기 식 1, 식 2 및 식 3을 동시에 만족하는 영역이란, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내에서, 육방정 질화붕소의 안정 영역과 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역의 경계 근방의 영역이다. 이 영역에서 10분 이상 유지함으로써, 격자 결함이 더욱 생기기 쉬워진다. 이 때문에, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체는, 다결정체 중에 많은 격자 결함을 가지며, 변형이 크기 때문에, 더욱 내마모성이 향상한다고 고려된다. 따라서, 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 정밀 가공에 있어서도, 더욱 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
상기 식 1, 식 2 및 식 3을 동시에 만족하는 영역 내의 온도 및 압력으로의 유지 시간은, 20분 이상이 보다 바람직하다. 유지 시간의 상한은, 제조상의 관점에서, 60분이 바람직하다. 유지 시간은 10분 이상 60분 이하가 바람직하고, 15분 이상 60분 이하가 보다 바람직하고, 20분 이상 60분 이하가 더욱 바람직하다.
제2 공정이, 그 가열 가압 경로에 있어서의 온도 및 압력을, 상기 식 1, 식 2 및 식 3을 동시에 만족하는 영역 내의 온도 및 압력으로 10분 이상 유지하는 공정을 포함하는 경우, 제2 공정은, 그 후, 더욱 하기 식 2 및 하기 식 4를 만족하는 영역 내의 온도 및 압력으로 1분 이상 유지하는 공정(이하, 「제2B 공정」이라고도 기재한다)을 포함할 수 있다.
식 2: P≤-0.085T+117
식 4: P＞-0.0037T+11.375
이에 따르면, 육방정 질화붕소로부터 우르츠광형 질화붕소로의 변환율이 더욱 향상하고, 결과로서 입방정 질화붕소로의 변환율도 향상한다. 이 때문에, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소의 함유율이 증가하여, 강도및 열확산성이 향상한다. 따라서, 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
상기 식 2 및 식 4를 만족하는 영역 내의 온도 및 압력으로의 유지 시간은, 10분 이상이 보다 바람직하고, 15분 이상이 더욱 바람직하다. 유지 시간의 상한은, 제조상의 관점에서, 60분이 바람직하다. 유지 시간은 1분 이상 60분 이하가 바람직하고, 10분 이상 60분 이하가 보다 바람직하고, 15분 이상 60분 이하가 더욱 바람직하다.
제2 공정에 있어서, 상기 제2A 공정만을 행하여도 좋고, 상기 제2A 공정 후에, 상기 제2B 공정을 행하여도 좋다. 또한, 제2 공정은, 상기 식 2 및 상기 식 4를 만족하는 영역 내에서 10분 이상 유지하는 공정으로 할 수도 있다.
제2 공정에 있어서의 도달 압력은 10 ㎬ 이상이며, 12 ㎬ 이상이 바람직하고, 15 ㎬ 이상이 더욱 바람직하다. 상기 도달 압력의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 예컨대, 20 ㎬로 할 수 있다. 제2 공정에 있어서의 도달 압력은, 10 ㎬ 이상 20 ㎬ 이하가 바람직하고, 12 ㎬ 이상 20 ㎬ 이하가 보다 바람직하고, 15 ㎬ 이상 20 ㎬ 이하가 더욱 바람직하다.
제2 공정에 있어서, 도 2~도 4의 경로에서는, 가열을 행한 후에 가압을 행하고, 더욱 가열을 행하고 있지만, 가열 가압의 경로는 이에 한정되지 않는다. 가열 가압의 경로는, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도를 500℃ 이하로 하며, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력으로 10분 이상 유지할 수 있고, 도달 온도를 1500℃ 이상 2200℃ 이하, 도달 압력을 10 ㎬ 이상으로 할 수 있는 경로이면 좋다. 예컨대, 가열과 가압을 동시에 행하여도 좋다.
상기한 바와 같이, 육방정 질화붕소 분말에 제2 공정을 행함으로써, 입방정 질화붕소 다결정체를 얻을 수 있다.
(제3 공정)
상기 제2 공정 후에, 제2 공정에 의해 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체를, 1500℃ 이상 2200℃ 이하의 온도(이하, 「최종 소결 온도」라고도 기재한다) 및 10 ㎬ 이상의 압력(이하, 「최종 소결 압력」이라고도 기재한다) 조건 하에서 10분 이상 30분 이하 유지하는 제3 공정을 행할 수 있다. 이에 의해, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소의 함유율이 커져, 더욱 긴 공구 수명을 달성할 수 있다.
최종 소결 온도는 1500℃ 이상 2000℃ 이하가 바람직하다. 최종 소결 압력은 10 ㎬ 이상 20 ㎬ 이하가 바람직하고, 12 ㎬ 이상 20 ㎬ 이하가 보다 바람직하다. 제3 공정에 있어서의 소결 시간은 10분 이상 30분 이하가 바람직하고, 10분 이상 20분 이하가 보다 바람직하다.
<도 2~도 4의 경로에 의해 얻어지는 입방정 질화붕소 다결정체의 특성>
[도 2의 경로]
도 2의 경로에서는, 먼저, 개시점(S)으로부터 500℃ 이하의 소정 온도(도 2에서는 약 250℃)까지 승온하고(화살표 A1), 그 후, 온도를 유지한 채로 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 압력(도 2에서는 약 13 ㎬)까지 가압하고(화살표 A2), 상기 온도(약 250℃) 및 상기 압력(약 13 ㎬)에 있어서, 10분 이상 유지한다(도 2의 a1). 그 후, 상기 압력(약 13 ㎬)을 유지한 채로, 온도를 1500℃ 이상 2200℃ 이하(도 2에서는 약 2000℃)로 승온하고(화살표 A3), 상기 온도(약 2000℃) 및 상기 압력(약 13 ㎬)에 있어서, 10분 이상 30분 이하 유지한다(도 2의 a2). 도 2에서는, 제2 공정은, 화살표 A1, A2 및 A3과, a1로 나타내고, 제3 공정은 a2로 나타낸다.
도 2의 경로에서는, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도가 500℃ 이하(약 250℃)이다. 이에 따르면, 육방정 질화붕소 분말은 원자 확산이 발생하기 어려운 환경에서, 우르츠광형 질화붕소로 변환되고, 그 후, 입방정 질화붕소로 변환된다. 이 때문에, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체는, 다결정체 중에 비교적 많은 격자 결함을 가지며, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 크고, 변형이 크기 때문에, 내마모성이 향상한다. 따라서, 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
도 2의 경로에서는, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력으로 10분 이상 유지한다. 이에 따르면, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내에서의 유지 시간이 길기 때문에, 육방정 질화붕소로부터 우르츠광형 질화붕소로의 변환율이 향상하고, 결과로서 입방정 질화붕소로의 변환율도 향상한다. 이 때문에, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소의 함유율이 증가하여, 강도및 열확산성이 향상한다. 따라서, 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
도 2의 경로에서는, 제2 공정에 의해 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체를, 1500℃ 이상 2200℃ 이하의 온도 및 10 ㎬ 이상의 압력 조건 하에서 10분 이상 30분 이하 유지한다. 이에 의해, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소의 함유율이 커져, 강도 및 열확산성이 향상하기 때문에, 더욱 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
[도 3의 경로]
도 3의 경로에서는, 먼저, 개시점(S)으로부터 500℃ 이하의 소정 온도(도 3에서는 약 250℃)까지 승온하고(화살표 B1), 그 후, 온도를 유지한 채로, 하기 식 1, 하기 식 2 및 하기 식 3을 동시에 만족하는 영역 내의 압력(도 3에서는 약 10.4 ㎬)까지 승압하고(화살표 B2), 상기 온도(약 250℃) 및 상기 압력(약 10.4 ㎬)에 있어서, 10분 이상 유지한다(도 3의 b1).
식 1: P≥-0.0037T+11.301
식 2: P≤-0.085T+117
식 3: P≤-0.0037T+11.375
다음에, 상기 온도(약 250℃)를 유지한 채로, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내에서 승압한다(도 3에서는 약 13 ㎬)(화살표 B3). 계속해서, 상기 압력(약 13 ㎬)을 유지한 채로, 온도를 1500℃ 이상 2200℃ 이하(도 3에서는 약 2000℃)로 승온하고(화살표 B4), 상기 온도(약 2000℃) 및 상기 압력(약 13 ㎬)에 있어서, 10분 이상 30분 이하 유지한다(도 3의 b2). 도 3에서는, 제2 공정은, 화살표 B1, B2, B3 및 B4와, b1로 나타내고, 제3 공정은 b2로 나타낸다.
도 3의 경로에서는, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도가 500℃ 이하(약 250℃)이다. 이에 따르면, 육방정 질화붕소 분말은 원자 확산이 발생하기 어려운 환경에서, 우르츠광형 질화붕소로 변환되고, 그 후, 입방정 질화붕소로 변환된다. 이 때문에, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체는, 다결정체 중에 비교적 많은 격자 결함을 가지며, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 크고, 변형이 크기 때문에, 내마모성이 향상한다. 따라서, 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
도 3의 경로에서는, 상기 식 1, 상기 식 2 및 상기 식 3을 동시에 만족하는 영역 내의 온도 및 압력으로 10분 이상 유지하는 공정을 포함한다. 즉, 도 3의 경로는, 도 2의 경로에 비해서, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내에서, 보다 육방정 질화붕소의 안정 영역에 가까운 온도 및 압력(즉, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역과 육방정 질화붕소의 안정 영역의 경계 근방의 온도 및 압력)으로 10분 이상 유지하고 있다. 이 때문에, 도 2의 경로보다, 격자 결함이 더욱 생기기 쉽고, 도 3의 경로에서 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체는, 도 2의 경로에서 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체에 비해서, 다결정체 중에 보다 많은 격자 결함을 가지고, 변형이 크기 때문에, 더욱 내마모성이 향상한다고 고려된다. 따라서, 도 3의 경로에서 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 정밀 가공에 있어서도, 더욱 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
도 3의 경로에서는, 제2 공정에 의해 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체를, 1500℃ 이상 2200℃ 이하의 온도 및 10 ㎬ 이상의 압력 조건 하에서 10분 이상 30분 이하 유지한다. 이에 의해, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소의 함유율이 커져, 더욱 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
[도 4의 경로]
도 4의 경로에서는, 먼저, 개시점(S)으로부터 500℃ 이하의 소정 온도(도 4에서는 약 250℃)까지 승온하고(화살표 C1), 그 후, 온도를 유지한 채로, 하기 식 1, 하기 식 2 및 하기 식 3을 동시에 만족하는 영역 내의 압력(도 4에서는 약 10.4 ㎬)까지 승압하고(화살표 C2), 상기 온도(약 250℃) 및 상기 압력(약 10.4 ㎬)에 있어서, 10분 이상 유지한다(도 4의 c1).
식 1: P≥-0.0037T+11.301
식 2: P≤-0.085T+117
식 3: P≤-0.0037T+11.375
다음에, 상기 온도(약 250℃)를 유지한 채로, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내에서 승압하고(도 4에서는 약 13 ㎬)(화살표 C3), 상기 온도(약 250℃) 및 상기 압력(약 13 ㎬)(도 4의 c2로 나타내는 온도 및 압력)에 있어서, 1분 이상 유지한다. 즉, 도 4의 경로에서는, 상기 식 1, 상기 식 2 및 상기 식 3을 동시에 만족하는 온도 및 압력으로 10분 이상 유지하는 공정 후에, 더욱 하기 식 2 및 하기 식 4를 만족하는 영역 내의 온도 및 압력으로 1분 이상 유지하는 공정을 포함한다.
식 2: P≤-0.085T+117
식 4: P＞-0.0037T+11.375
계속해서, 상기 압력(약 13 ㎬)을 유지한 채로, 온도를 1500℃ 이상 2200℃ 이하(도 4에서는 약 2000℃)로 승온하고(화살표 C4), 상기 온도(약 2000℃) 및 상기 압력(약 13 ㎬)에 있어서, 10분 이상 30분 이하 유지한다(도 4의 c3). 도 4에서는, 제2 공정은, 화살표 C1, C2, C3 및 C4와, c1 및 c2로 나타내고, 제3 공정은 c3으로 나타낸다.
도 4의 경로에서는, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도가 500℃ 이하(약 250℃)이다. 이에 따르면, 육방정 질화붕소 분말은 원자 확산이 발생하기 어려운 환경에서, 우르츠광형 질화붕소로 변환되고, 그 후, 입방정 질화붕소로 변환된다. 이 때문에, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체는, 다결정체 중에 비교적 많은 격자 결함을 가지며, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 크고, 변형이 크기 때문에, 내마모성이 향상한다. 따라서, 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
도 4의 경로에서는, 상기 식 1, 상기 식 2 및 상기 식 3을 동시에 만족하는 영역 내의 온도 및 압력으로 10분 이상 유지하는 공정을 포함한다. 즉, 도 4의 경로는, 도 2의 경로에 비해서, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내에서, 보다 육방정 질화붕소의 안정 영역에 가까운 온도 및 압력(즉, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역과 육방정 질화붕소의 안정 영역의 경계 근방의 온도 및 압력)으로 10분 이상 유지하고 있다. 이 때문에, 도 4의 경로에서는, 도 2의 경로보다, 격자 결함이 더욱 생기기 쉽고, 도 4의 경로에서 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체는, 도 2의 경로에서 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체에 비해서, 다결정체 중에 많은 격자 결함을 가지며, 변형이 크기 때문에, 더욱 내마모성이 향상한다고 고려된다. 따라서, 도 4의 경로에서 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 정밀 가공에 있어서도, 더욱 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
도 4의 경로에서는, 상기 식 1, 상기 식 2 및 상기 식 3을 동시에 만족하는 영역 내의 온도 및 압력으로 10분 이상 유지하는 공정 후, 더욱, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내에서 승압하고(도 4에서는 약 13 ㎬)(화살표 C3), 상기 온도(약 250℃) 및 상기 압력(약 13 ㎬)에 있어서, 1분 이상 유지한다(도 4의 c2). 즉, 도 4의 경로에서는, 상기 식 1, 상기 식 2 및 상기 식 3을 동시에 만족하는 온도 및 압력으로 10분 이상 유지하는 공정 후에, 더욱 상기 식 2 및 상기 식 4를 만족하는 영역 내의 온도 및 압력으로 1분 이상 유지하는 공정을 포함한다.
이 때문에, 도 4의 경로에서는, 도 3의 경로보다, 육방정 질화붕소로부터 우르츠광형 질화붕소로의 변환율이 더욱 향상하고, 결과로서 입방정 질화붕소로의 변환율도 더욱 향상한다. 이 때문에, 도 4의 경로에서 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체는, 도 3의 경로에서 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체에 비해서, 입방정 질화붕소의 함유율이 증가하여, 강도 및 열확산성이 향상한다. 따라서, 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 정밀 가공에 있어서도, 더욱 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
도 4의 경로에서는, 제2 공정에 의해 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체를, 1500℃ 이상 2200℃ 이하의 온도 및 10 ㎬ 이상의 압력 조건 하에서 10분 이상 30분 이하 유지한다. 이에 의해, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소의 함유율이 커져, 더욱 긴 공구 수명을 달성할 수 있다.
<입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법 (2)>
본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법 (2)는, 실시형태 1의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법이다. 본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법 (2)는, 열분해 질화붕소를 준비하는 A 공정(이하, 「A 공정」이라고도 기재한다)과, 열분해 질화붕소를, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력을 통과하여, 최종 소결 영역 내의 온도 및 압력까지 가열 가압하여 입방정 질화붕소 다결정체를 얻는 B 공정(이하, 「B 공정」이라고도 기재한다)을 포함한다. 여기서, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역은, 온도를 T(℃), 압력을 P(㎬)로 하였을 때에, 하기 식 1 및 하기 식 2를 동시에 만족하는 영역이고,
식 1: P≥-0.0037T+11.301
식 2: P≤-0.085T+117
최종 소결 영역은, 온도를 T(℃), 압력을 P(㎬)로 하였을 때에, 하기 식 4, 하기 식 5 및 하기 식 6을 동시에 만족하는 영역이고,
식 4: P≥12
식 5: P≥-0.085T+125.5
식 6: P≤-0.085T+151
B 공정의 가열 가압 경로에 있어서, 상기 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도는 500℃ 이하이다.
또한, 상기 식 2, 상기 식 5 및 상기 식 6은, 이하의 관계를 나타내고 있다. 식 2에 있어서, 압력이 P1(㎬)일 때의 온도를 T1(℃)로 한다. 이 경우, 식 5에 있어서, 압력이 P1(㎬)일 때의 온도는, T1+100(℃)이 된다. 또한, 식 6에 있어서, 압력이 P1(㎬)일 때의 온도는, T1+400(℃)이 된다. 즉, 압력을 일정하게 유지한 채로 승온한 경우, 상기 식 5를 만족하는 온도는, 상기 식 2를 만족하는 온도보다 100℃ 높고, 상기 식 6을 만족하는 온도는, 상기 식 2를 만족하는 온도보다 400℃ 높다.
상기 제조 방법에 따라, 실시형태 1의 입방정 질화붕소 다결정체를 제조할 수 있다. 즉, 이 제조 방법에 따라 얻어지는 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소를 96 체적％ 이상 포함하고, 그것을 구성하는 입방정 질화붕소의 입경이 미세(즉 평균입경이 100 ㎚ 미만)하며, 또한, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 큰(즉 8×1015/㎡을 넘는다) 다결정체가 된다.
본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법 (2)는, B 공정 후에, B 공정에 의해 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체를, 최종 소결 영역 내의 온도 및 압력 조건 하에서 10분 이상 30분 이하 유지하는 C 공정(이하, 「C 공정」이라고도 기재한다)을 포함할 수 있다.
본 개시의 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법 (2)의 각 공정의 상세에 대해서, 도 5를 이용하여 하기에 설명한다. 또한, 도 5에 있어서, 화살표는 가열 가압 경로를 나타낸다. 또한, 화살표의 선단에 동그라미가 기재되어 있는 경우는, 그 온도 및 압력으로 일정 시간 유지되는 것을 나타낸다. 또한, 도 5에서 나타내는 가열 가압 경로는 일례이며, 이에 한정되는 것이 아니다.
(A 공정)
입방정 질화붕소 다결정체의 원료로서, 열분해 질화붕소를 준비한다. 열분해 질화붕소는, 그 입경이 열분해에 의해 매우 미세하게 되어 있어, 입성장하기 어렵기 때문에, 전위가 들어가기 쉬우며, 전위 밀도가 커지기 쉽다고 고려된다. 열분해 질화붕소는 종래 공지의 합성법에 따라 제조한 것 및 시판의 열분해 질화붕소 중 어느 것이나 이용할 수 있다.
(B 공정)
다음에, 상기 열분해 질화붕소를, 예컨대, 상온 상압(도 5의 S로 나타내는 온도 및 압력)으로부터 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력을 통과하여, 최종 소결 영역 내의 온도 및 압력까지 가열 가압한다(화살표 D1, D2 및 D3). B 공정의 가열 가압 경로에 있어서, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도는 500℃ 이하이다. 도 5에서는, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도는, 화살표 D2와 P=-0.0037T+11.301의 선의 교점에 있어서의 온도(약 400℃)이다.
B 공정에서의 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도는 500℃ 이하(도 5의 가열 가압 경로에서는 약 200℃)이다. 이에 따르면, 육방정 질화붕소 분말은 원자 확산이 발생하기 어려운 환경에서, 우르츠광형 질화붕소로 변환되고, 그 후, 입방정 질화붕소로 변환된다. 이 때문에, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체는, 다결정체 중에 비교적 많은 격자 결함을 가지며, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 크고, 변형이 크기 때문에, 내마모성이 향상한다. 따라서, 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 가질 수 있다.
우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도는 300℃ 이하가 바람직하고, 100℃ 이하가 더욱 바람직하다. 돌입 온도가 낮을수록 원자 확산이 발생하기 어려우며, 격자 결함이 증가하는 경향이 있다. 돌입 온도의 하한은, 예컨대 10℃로 할 수 있다. 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도는 10℃ 이상 500℃ 이하가 바람직하고, 10℃ 이상 300℃ 이하가 보다 바람직하고, 10℃ 이상 100℃ 이하가 더욱 바람직하다.
B 공정에서 도달하는 온도 및 압력은, 상기 식 4, 상기 식 5 및 상기 식 6을 동시에 만족한다. 열분해 질화붕소를, 상기 식 4, 상기 식 5 및 상기 식 6을 동시에 만족하는 최종 소결 영역의 온도 및 압력까지 가열 가압함으로써, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소의 함유율이 크고, 또한, 결정립의 메디안 직경(d50)이 작아져, 더욱 긴 공구 수명을 달성할 수 있다.
B 공정에서 도달하는 압력은, 상기 식 3(P≥12)으로 나타낸다. 즉, 12 ㎬ 이상이다. 상기 압력의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 예컨대, 20 ㎬로 할 수 있다.
B 공정에 있어서, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력으로의 유지 시간은, 예컨대 5분 이상 60분 이하로 할 수 있다.
B 공정에 있어서, 도 5의 경로에서는, 가열을 행한 후에 가압을 행하고, 더욱 가열을 행하고 있지만, 이에 한정되지 않는다. 가열 가압의 방법은, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도를 500℃ 이하로 할 수 있고, 최종 소결 영역 내의 온도 및 압력까지 승온 승압할 수 있는 경로이면 좋다.
상기한 바와 같이, 육방정 질화붕소 분말에 B 공정을 행함으로써, 입방정 질화붕소 다결정체를 얻을 수 있다.
(C 공정)
상기 B 공정 후에, B 공정에 의해 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체를, 최종 소결 영역 내의 온도 및 압력 조건 하에서 10분 이상 30분 이하 유지하는 C 공정을 포함할 수 있다. 이에 의해, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소의 함유율이 커져, 더욱 긴 공구 수명을 달성할 수 있다.
실시예
본 실시형태를 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명한다. 단, 이들 실시예에 의해 본 실시형태가 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
실시예 1에서는, 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 조건 (1)과, 얻어지는 입방정 질화붕소 다결정체의 구성(조성, 결정립의 메디안 직경, 전위 밀도)과, 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구로 정밀 가공을 행한 경우의 공구 수명의 관계를 조사하였다.
<입방정 질화붕소 다결정체의 제작>
시료 1-1~시료 8의 입방정 질화붕소 다결정체를, 하기의 순서에 따라 제작하였다.
(제1 공정)
육방정 질화붕소 분말(입경(d90): 0.3 ㎛)을 6 g 준비하였다. 상기 육방정 질화붕소 분말을, 몰리브덴제의 캡슐에 넣고, 초고압 고온 발생 장치에 설치하였다.
(제2 공정 및 제3 공정)
[시료 1-1, 시료 1-2, 시료 4-3, 시료 4-4, 시료 7, 시료 8]
상기 육방정 질화붕소 분말을, 초고압 고온 발생 장치를 이용하여, 표 1의 「개시점」의 「온도」 및 「압력」란에 기재되는 온도 및 압력으로부터, 「제1 단계」의 「도달 온도」 및 「도달 압력」란에 기재되는 온도 및 압력까지 승온 및/또는 승압하고, 「유지 시간」의 난에 기재되는 길이로 유지하였다. 또한, 유지 시간란의 기재가 「-」인 경우는, 「제1 단계」의 「도달 온도」 및 「도달 압력」에 있어서 유지하지 않고, 제2 단계로 이행한 것을 나타낸다.
계속해서, 온도를 유지한 채로, 표 1의 「제2 단계」의 「도달 압력」란에 기재되는 압력까지 승압하고, 「유지 시간」의 난에 기재되는 길이로 유지하였다.
계속해서, 압력을 유지한 채로, 표 1의 「제3 단계」의 「도달 온도」란에 기재되는 온도까지 승온하고, 「유지 시간」의 난에 기재되는 길이로 유지하여 입방정 질화붕소 다결정체를 얻었다. 시료 1-1, 시료 1-2, 시료 4-3, 시료 4-4, 시료 7 및 시료 8에서는, 「제3 단계」에 기재되어 있는 「도달 온도」, 「도달 압력」 및 「유지 시간」에서의 고온 고압 처리는 제3 공정에 해당한다.
[시료 1-3, 시료 1-4]
상기 육방정 질화붕소 분말을, 초고압 고온 발생 장치를 이용하여, 표 1의 「개시점」의 「온도」 및 「압력」란에 기재되는 온도 및 압력으로부터, 온도를 유지한 채로, 「제1 단계」의 「도달 압력」란에 기재되는 압력까지 승압하고, 「유지 시간」의 난에 기재되는 길이로 유지하였다.
계속해서, 압력을 유지한 채로, 표 1의 「제2 단계」의 「도달 온도」란에 기재되는 온도까지 승온하고, 「유지 시간」의 난에 기재되는 길이로 유지하여 입방정 질화붕소 다결정체를 얻었다. 시료 1-3 및 시료 1-4에서는, 「제2 단계」에 기재되어 있는 「도달 온도」, 「도달 압력」 및 「유지 시간」에서의 고온 고압 처리는 제3 공정에 해당한다.
[시료 2, 시료 3, 시료 4-1, 시료 4-2, 시료 5, 시료 6]
상기 육방정 질화붕소 분말을, 초고압 고온 발생 장치를 이용하여, 표 1의 「개시점」의 「온도」 및 「압력」란에 기재되는 온도 및 압력으로부터, 압력을 유지한 채로, 「제1 단계」의 「도달 온도」란에 기재되는 온도까지 승온하였다.
계속해서, 온도를 유지한 채로, 표 1의 「제2 단계」의 「도달 압력」란에 기재되는 압력까지 승압하고, 「유지 시간」의 난에 기재되는 길이로 유지하였다.
계속해서, 온도를 유지한 채로, 표 1의 「제3 단계」의 「도달 압력」란에 기재되는 압력까지 승압하고, 「유지 시간」의 난에 기재되는 길이로 유지하였다.
계속해서, 압력을 유지한 채로, 표 1의 「제4 단계」의 「도달 온도」란에 기재되는 온도까지 승온하고, 「유지 시간」의 난에 기재되는 길이로 유지하여 입방정 질화붕소 다결정체를 얻었다. 시료 2, 시료 3, 시료 4-1, 시료 4-2, 시료 5, 시료 6에서는, 「제4 단계」에 기재되어 있는 「도달 온도」, 「도달 압력」 및 「유지 시간」에서의 고온 고압 처리는 제3 공정에 해당한다.
<평가>
(조성의 측정)
상기에서 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체 중의 입방정 질화붕소의 함유율을, X선 회절법에 따라 측정하였다. X선 회절법의 구체적인 방법은, 실시형태 1에 나타내는 바와 같기 때문에, 그 설명은 반복하지 않는다. 결과를 표 1의 「cBN 함유율」란에 나타낸다.
또한, 모든 시료에 있어서, 입방정 질화붕소, 육방정 질화붕소, 압축형 육방정 질화붕소 및 우르츠광형 질화붕소 이외의 성분은 동정되지 않았다.
(전위 밀도의 측정)
상기에서 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체 중의 입방정 질화붕소의 전위 밀도를, X선 회절 측정에 의해 얻어지는 라인 프로파일을 수정 Williamson-Hall법 및 수정 Warren-Averbach법을 이용하여 해석함으로써 산출하였다. 전위 밀도의 구체적인 산출 방법은, 실시형태 1에 나타내는 바와 같기 때문에, 그 설명은 반복하지 않는다. 결과를 표 1의 「전위 밀도」란에 나타낸다.
(결정립의 메디안 직경(d50)의 측정)
상기에서 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체에 포함되는 결정립에 대해서, 원상당 직경의 메디안 직경(d50)을 측정하였다. 구체적인 방법은, 실시형태 1에 나타내는 바와 같기 때문에, 그 설명은 반복하지 않는다. 결과를 표 1의 「메디안 직경(d50)」란에 나타낸다.
(절삭 시험)
상기에서 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체를, 레이저에 의해 절단하고 마무리 가공하여, 볼 엔드밀을 제작하였다. 상기 볼 엔드밀을 이용하여, 이하의 절삭 조건에서 STAVAX ESR(등록 상표)(UDDEHOLM사 제조의 스테인레스 공구강)의 구면 가공을 행하여, 공구 성능을 평가하였다.
(절삭 조건)
피삭재: STAVAX ESR(등록 상표)(UDDEHOLM사 제조의 스테인레스 공구강)
공구 형상: 볼 엔드밀, R0.5 ㎜-1매 날
회전수: 50000 rpm
이송: 1000 ㎜/min
절입 깊이(ap): 0.005 ㎜
절삭 폭(ae): 0.005 ㎜
오일 미스트 있음
φ10 반구 형상으로 가공
또한, 상기 절삭 조건은, 정밀 가공에 해당한다.
(공구 성능 평가)
피삭재를 상기 절삭 조건에서 절삭하고, 피삭재의 가공면의 면 거칠기(Ra)가 0.2 ㎛를 넘기까지의 φ10 반구 형상의 가공 구멍수를 측정하였다. 가공 구멍수가 클수록, 내마모성이 우수하고, 공구 수명이 긴 것을 나타내고 있다. 가공면의 면 거칠기(Ra)의 구체적인 측정 방법은 하기와 같다.
먼저, 가공하여 얻어진 반구 형상을 상면에서 관찰한다. 이때, 반구 형상은 원형으로서 관찰된다. 상기 원형의 중심으로부터, 반경 방향을 따라, 반경의 1/3의 길이 떨어진 위치를 포함하도록, 0.530 ㎜×0.0706 ㎜의 측정 시야를 설정한다.
상기 측정 시야를 주사형 백색 간섭계(Zygo사 제조의 「NewView」(등록 상표))를 이용하여 측정하고, 표면 형상 데이터를 취득하여, 픽 피드 방향으로 0.05 ㎜의 범위에서의 Ra를 계산시켰다.
결과를 표 1의 「가공 구멍수」란에 나타낸다.
Figure pct00002
<고찰>
[시료 1-1~시료 1-3]
시료 1-1~시료 1-3의 제조 방법은, 모두 실시예에 해당한다. 시료 1-1~시료 1-3의 입방정 질화붕소 다결정체는, 모두 입방정 질화붕소를 96 체적％ 이상 포함하며, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 8×1015/㎡보다 크고, 결정립의 메디안 직경(d50)이 100 ㎚ 미만이며, 실시예에 해당한다. 시료 1-1~시료 1-3의 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 갖는 것이 확인되었다.
또한, 시료 1-1~시료 1-3의 가공 구멍수를 비교하면, 시료 1-1 및 시료 1-2는, 시료 1-3보다 많았다. 이것은, 시료 1-1 및 시료 1-2는, 제1 단계에서의 도달 온도 및 도달 압력이, 상기 식 1, 식 2 및 식 3을 동시에 만족하는 온도 및 압력이며, 상기 온도 및 상기 압력으로 10분 이상 유지하는 공정을 포함하기 때문에, 상기 공정을 포함하지 않는 시료 1-3보다 격자 결함이 생기기 쉽고, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 크기 때문에, 내마모성이 향상하기 때문이라고 고려된다.
또한, 시료 1-1 및 시료 1-2의 가공 구멍수를 비교하면, 시료 1-1은, 시료 1-2보다 많았다. 이것은, 시료 1-1은, 시료 1-2에 비해서, 제2 단계에서의 도달 온도 및 도달 압력(즉, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내)에서의 유지 시간이 길기 때문에, 육방정 질화붕소로부터 우르츠광형 질화붕소로의 변환율이 더욱 향상하고, 결과로서 입방정 질화붕소로의 변환율이 시료 1-2보다 높으며, 입방정 질화붕소의 함유율이 크기 때문이라고 고려된다.
[시료 1-4]
시료 1-4의 제조 방법은, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력으로 10분 이상 유지하는 공정을 포함하지 않으며, 비교예에 해당한다. 시료 1-4의 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 7.6×1015/㎡이며, 비교예에 해당한다. 시료 1-4의 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 공구 수명이 짧았다. 이것은, 시료 1-4의 입방정 질화붕소 다결정체에 있어서, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 낮기 때문에, 경도가 내려가고, 내마모성이 저하함으로써, 피삭재의 가공면의 면 거칠기의 악화를 초래하였기 때문이라고 고려된다. 또한, 시료 1-4에 있어서, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 낮은 이유는, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내에서의 유지 시간이 짧기 때문이라고 추찰된다.
[시료 2, 시료 3, 시료 4-1~시료 4-3]
시료 2, 시료 3, 시료 4-1~시료 4-3의 제조 방법은, 모두 실시예에 해당한다. 시료 2, 시료 3, 시료 4-1~시료 4-3의 입방정 질화붕소 다결정체는, 모두 입방정 질화붕소를 96 체적％ 이상 포함하며, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 8×1015/㎡보다 크고, 결정립의 메디안 직경(d50)이 100 ㎚ 미만이며, 실시예에 해당한다. 시료 2, 시료 3, 시료 4-1~시료 4-3의 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 갖는 것이 확인되었다.
또한, 시료 4-1~시료 4-3의 공구 수명을 비교하면, 시료 4-1 및 시료 4-2는, 시료 4-3보다 길었다. 이것은, 시료 4-1 및 시료 4-2는, 제2 단계에서의 도달 온도 및 도달 압력이, 상기 식 1, 식 2 및 식 3을 동시에 만족하는 온도 및 압력이며, 상기 온도 및 상기 압력으로 10분 이상 유지하는 공정을 포함하기 때문에, 상기 공정을 포함하지 않는 시료 4-3보다 격자 결함이 생기기 쉽고, 내마모성이 크기 때문이라고 고려된다.
[시료 4-4]
시료 4-4의 제조 방법은, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력으로 10분 이상 유지하는 공정을 포함하지 않으며, 비교예에 해당한다. 시료 4-4의 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 7.2×1015/㎡이며, 비교예에 해당한다. 시료 4-4의 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 공구 수명이 짧았다. 이것은, 시료 4-4의 입방정 질화붕소 다결정체에 있어서, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 낮기 때문에, 경도가 내려가고, 내마모성이 저하함으로써, 피삭재의 가공면의 면 거칠기의 악화를 초래하였기 때문이라고 고려된다. 또한, 시료 4-4에 있어서, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 낮은 이유는, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내에서의 유지 시간이 짧기 때문이라고 추찰된다.
[시료 5, 시료 6]
시료 5 및 시료 6의 제조 방법은, 모두 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내에의 돌입 온도가 500℃를 넘으며, 비교예에 해당한다. 시료 5 및 시료 6의 입방정 질화붕소 다결정체는, 모두 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 8×1015/㎡ 이하이며, 비교예에 해당한다. 시료 5 및 시료 6의 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 공구 수명이 짧았다. 이것은, 시료 5 및 시료 6의 제조 방법에서는, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내에의 돌입 온도가 500℃를 넘기 때문에, 격자 결함이 생기기 어렵고, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체에 있어서 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 작아져, 내마모성이 저하하였기 때문이라고 고려된다.
[시료 7]
시료 7의 제조 방법은, 실시예에 해당한다. 시료 7의 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소를 96 체적％ 이상 포함하며, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 8×1015/㎡보다 크고, 결정립의 메디안 직경(d50)이 100 ㎚ 미만이며, 실시예에 해당한다. 시료 7의 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 갖는 것이 확인되었다.
[시료 8]
시료 8의 제조 방법은, 제2 공정의 도달 압력(제3 단계의 도달 압력)이 10 ㎬ 미만이며, 비교예에 해당한다. 시료 8의 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소의 함유율이 96 체적％ 미만이며, 비교예에 해당한다. 시료 8의 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 공구 수명이 짧았다. 이것은, 시료 8의 제조 방법은, 제2 공정의 도달 압력(제3 단계의 도달 압력)이 10 ㎬ 미만이며, 최종 소결 압력도 10 ㎬ 미만이고, 입방정 질화붕소로의 변환율이 낮아져, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체의 입방정 질화붕소의 함유율이 작기 때문이라고 고려된다.
[실시예 2]
실시예 2에서는, 상기 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법 (2)의 제조 조건과, 얻어지는 입방정 질화붕소 다결정체의 구성(조성, 결정립의 메디안 직경, 전위 밀도)과, 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구로 정밀 가공을 행한 경우의 공구 수명의 관계를 조사하였다.
<입방정 질화붕소 다결정체의 제작>
시료 9~시료 12의 입방정 질화붕소 다결정체를, 하기의 순서에 따라 제작하였다.
[시료 9~시료 12]
(A 공정)
열분해 질화붕소를 6 g 준비하였다. 열분해 질화붕소를, 몰리브덴제의 캡슐에 넣고, 초고압 고온 발생 장치에 설치하였다.
(B 공정 및 C 공정)
상기 열분해 질화붕소를, 초고압 고온 발생 장치를 이용하여, 표 1의 「개시점」의 「온도」 및 「압력」란에 기재되는 온도 및 압력으로부터, 압력을 유지한 채로, 「제1 단계」의 「도달 온도」란에 기재되는 온도까지 승온하였다.
계속해서, 온도를 유지한 채로, 표 1의 「제2 단계」의 「도달 압력」란에 기재되는 압력까지 승압하였다.
계속해서, 압력을 유지한 채로, 표 1의 「제3 단계」의 「도달 온도」란에 기재되는 온도까지 승온하고, 15분간 유지하여, 입방정 질화붕소 다결정체를 얻었다. 시료 9~시료 12에서는, 「제3 단계」에 기재되어 있는 「도달 온도」 및 「도달 압력」에서의 15분간의 고온 고압 처리는 C 공정에 해당한다.
<평가>
(조성, 전위 밀도 및 결정립의 메디안 직경(d50)의 측정)
얻어진 입방정 질화붕소 다결정체에 대해서, 입방정 질화붕소의 함유율, 입방정 질화붕소의 전위 밀도 및 결정립의 메디안 직경(d50)을 측정하였다. 구체적인 측정 방법은, 실시형태 1에 나타내는 바와 같기 때문에, 그 설명은 반복하지 않는다. 또한, 조성의 측정에 있어서는, 모든 시료에 있어서, 입방정 질화붕소, 육방정 질화붕소, 압축형 육방정 질화붕소 및 우르츠광형 질화붕소 이외의 성분은 동정되지 않았다.
결과를 표 2의 「cBN 함유율」, 「전위 밀도」, 「메디안 직경(d50)」의 난에 나타낸다.
(절삭 시험)
상기에서 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체를, 레이저에 의해 절단하고 마무리 가공하여, 볼 엔드밀을 제작하였다. 상기 볼 엔드밀을 이용하여, 이하의 절삭 조건에서 STAVAX ESR(등록 상표)(스테인레스 공구강)의 구면 가공을 행하여, 공구 성능을 평가하였다.
(절삭 조건)
피삭재: STAVAX ESR(등록 상표)(UDDEHOLM사 제조의 스테인레스 공구강)
공구 형상: 볼 엔드밀, R0.6 ㎜-1매 날
회전수: 53000 rpm
이송: 1000 ㎜/min
절입 깊이(ap): 0.005 ㎜
절삭 폭(ae): 0.005 ㎜
오일 미스트 있음
φ12 반구 형상으로 가공
또한, 상기 절삭 조건은, 정밀 가공에 해당한다.
(공구 성능 평가)
피삭재를 상기 절삭 조건에서 절삭하여, 피삭재의 가공면의 면 거칠기(Ra)가 0.15 ㎛를 넘기까지의 φ12 반구 형상의 가공 구멍수를 측정하였다. 가공 구멍수가 클수록, 내결손성이 우수하고, 공구 수명이 긴 것을 나타내고 있다. 가공면의 면 거칠기(Ra)의 구체적인 측정 방법은 실시예 1에 기재된 방법과 동일하기 때문에, 그 설명은 반복하지 않는다.
결과를 표 2의 「가공 구멍수」란에 나타낸다.
Figure pct00003
<고찰>
[시료 9]
시료 9의 제조 방법은, B 공정의 도달 온도(제3 단계의 도달 온도)가 낮고, 최종 소결 영역 밖이며, 비교예에 해당한다. 시료 9의 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소의 함유율이 96 체적％ 미만이며, 비교예에 해당한다. 시료 9의 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 공구 수명이 짧았다. 이것은, 시료 9의 제조 방법은, B 공정의 도달 온도(제3 단계의 도달 온도)가 낮고, 최종 소결 온도도 낮기 때문에, 입방정 질화붕소로의 변환율이 낮아져, 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체의 입방정 질화붕소의 함유율이 작아, 공구에 결손이 생겼기 때문이라고 고려된다.
[시료 10~시료 12]
시료 10~시료 12의 제조 방법은, 모두 실시예에 해당한다. 시료 10~시료 12의 입방정 질화붕소 다결정체는, 모두 입방정 질화붕소를 96 체적％ 이상 포함하며, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 8×1015/㎡보다 크고, 결정립의 메디안 직경(d50)이 100 ㎚ 미만이며, 실시예에 해당한다. 시료 10~시료 12의 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 정밀 가공에 있어서도, 긴 공구 수명을 갖는 것이 확인되었다.
[실시예 3]
실시예 3에서는, 상기한 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법 (1)의 제조 조건과, 얻어지는 입방정 질화붕소 다결정체의 구성(조성(입방정 질화붕소의 함유율, 육방정 질화붕소의 함유율, 우르츠광형 질화붕소의 함유율), 결정립의 메디안 직경, 전위 밀도)과, 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구로 정밀 가공을 행한 경우의 공구 수명의 관계를 조사하였다.
<입방정 질화붕소 다결정체의 제작>
시료 13~시료 17의 입방정 질화붕소 다결정체를, 하기의 순서에 따라 제작하였다.
(제1 공정)
육방정 질화붕소 분말(입경(d90): 0.3 ㎛)을 6 g 준비하였다. 상기 육방정 질화붕소 분말을, 몰리브덴제의 캡슐에 넣고, 초고압 고온 발생 장치에 설치하였다.
(제2 공정 및 제3 공정)
[시료 13, 시료 16, 시료 17]
상기 육방정 질화붕소 분말을, 초고압 고온 발생 장치를 이용하여, 표 3의 「개시점」의 「온도」 및 「압력」란에 기재되는 온도 및 압력으로부터, 「제1 단계」의 「도달 온도」 및 「도달 압력」란에 기재되는 온도 및 압력까지 승온 또는 승압하고, 「유지 시간」의 난에 기재되는 길이로 유지하였다. 또한, 유지 시간란의 기재가 「-」인 경우는, 「제1 단계」의 「도달 온도」 및 「도달 압력」에 있어서 유지하지 않고, 제2 단계로 이행한 것을 나타낸다.
계속해서, 온도를 유지한 채로, 표 3의 「제2 단계」의 「도달 압력」란에 기재되는 압력까지 승압하고, 「유지 시간」의 난에 기재되는 길이로 유지하였다.
계속해서, 압력을 유지한 채로, 표 3의 「제3 단계」의 「도달 온도」란에 기재되는 온도까지 승온하고, 「유지 시간」의 난에 기재되는 길이로 유지하여 입방정 질화붕소 다결정체를 얻었다. 시료 13, 시료 16, 시료 17에서는, 「제3 단계」에 기재되어 있는 「도달 온도」, 「도달 압력」 및 「유지 시간」에서의 고온 고압 처리는 제3 공정에 해당한다.
[시료 14, 시료 15]
상기 육방정 질화붕소 분말을, 초고압 고온 발생 장치를 이용하여, 표 3의 「개시점」의 「온도」 및 「압력」란에 기재되는 온도 및 압력으로부터, 압력을 유지한 채로, 「제1 단계」의 「도달 온도」란에 기재되는 온도까지 승온하였다.
계속해서, 온도를 유지한 채로, 표 3의 「제2 단계」의 「도달 압력」란에 기재되는 압력까지 승압하고, 「유지 시간」의 난에 기재되는 길이로 유지하였다.
계속해서, 온도를 유지한 채로, 표 3의 「제3 단계」의 「도달 압력」란에 기재되는 압력까지 승압하고, 「유지 시간」의 난에 기재되는 길이로 유지하였다.
계속해서, 압력을 유지한 채로, 표 3의 「제4 단계」의 「도달 온도」란에 기재되는 온도까지 승온하고, 「유지 시간」의 난에 기재되는 길이로 유지하여 입방정 질화붕소 다결정체를 얻었다. 시료 14, 「제4 단계」에 기재되어 있는 「도달 온도」, 「도달 압력」 및 「유지 시간」에서의 고온 고압 처리는 제3 공정에 해당한다.
<평가>
(조성, 전위 밀도 및 결정립의 메디안 직경(d50)의 측정)
얻어진 입방정 질화붕소 다결정체에 대해서, 조성(입방정 질화붕소의 함유율, 육방정 질화붕소의 함유율, 우르츠광형 질화붕소의 함유율), 입방정 질화붕소의 전위 밀도 및 결정립의 메디안 직경(d50)을 측정하였다. 구체적인 측정 방법은, 실시형태 1에 나타내는 바와 같기 때문에, 그 설명은 반복하지 않는다. 결과를 표 3의 「cBN 함유율」, 「hBN 함유율」, 「압축형 hBN 함유율」, 「wBN 함유율」, 「전위 밀도」, 「메디안 직경(d50)」의 난에 나타낸다.
(절삭 시험)
상기에서 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체를, 레이저에 의해 절단하고 마무리 가공하여, 볼 엔드밀을 제작하였다. 상기 볼 엔드밀을 이용하여, 이하의 절삭 조건에서 STAVAX ESR(등록 상표)(UDDEHOLM사 제조의 스테인레스 공구강)의 구면 가공을 행하여, 공구 성능을 평가하였다.
(절삭 조건)
피삭재: STAVAX ESR(등록 상표)(UDDEHOLM사 제조의 스테인레스 공구강)
공구 형상: 볼 엔드밀, R0.5 ㎜-1매 날
회전수: 16000 rpm
이송: 1000 ㎜/min
절입 깊이(ap): 0.005 ㎜
절삭 폭(ae): 0.005 ㎜
오일 미스트 있음
φ8 반구 형상으로 가공
상기 절삭 조건은, 정밀 가공에 해당한다. 또한, 실시예 1 및 실시예 2의 절삭 시험의 절삭 조건보다 회전수가 적고, 절삭 저항이 높은 조건이다.
(공구 성능 평가)
피삭재를 상기 절삭 조건에서 절삭하여, 피삭재의 가공면의 면 거칠기(Ra)가 0.2 ㎛를 넘기까지의 φ8 반구 형상의 가공 구멍수를 측정하였다. 가공 구멍수가 클수록, 내마모성이 우수하고, 공구 수명이 긴 것을 나타내고 있다. 가공면의 면 거칠기(Ra)의 구체적인 측정 방법은 실시예 1에 기재된 방법과 동일하기 때문에, 그 설명은 반복하지 않는다. 결과를 표 3의 「가공 구멍수」란에 나타낸다.
Figure pct00004
<고찰>
[시료 13~15]
시료 13~시료 15의 제조 방법은, 모두 실시예에 해당한다. 시료 13~시료 15의 입방정 질화붕소 다결정체는, 모두 입방정 질화붕소를 96 체적％ 이상 포함하며, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 8×1015/㎡보다 크고, 결정립의 메디안 직경(d50)이 100 ㎚ 미만이며, 실시예에 해당한다. 시료 13~시료 15의 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 가공 구멍수가 많아, 정밀 가공에 있어서도, 공구의 결손이 생기기 어려우며, 긴 공구 수명을 갖는 것이 확인되었다.
[시료 16]
시료 16의 제조 방법은, 제2 공정의 도달 압력(제3 단계의 도달 압력)이 10 ㎬ 미만이며, 비교예에 해당한다. 시료 16의 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소의 함유율이 96 체적％ 미만이며, 비교예에 해당한다. 시료 16의 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 가공 구멍수가 적고, 공구 수명이 짧았다. 이것은, 시료 16의 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소의 함유율이 작아, 강도 및 열확산성이 저하하였기 때문에, 공구의 결손이 생기기 쉽고, 그 결과, 피삭재의 가공면의 면 거칠기가 악화하였기 때문이라고 고려된다. 입방정 질화붕소의 함유율이 작은 이유는, 가열 가압 공정의 도달 압력이 10 ㎬ 미만이기 때문에, 육방정 질화붕소로부터 입방정 질화붕소로의 변환율이 낮아졌기 때문이라고 고려된다.
[시료 17]
시료 17의 제조 방법은, 제2 공정의 도달 온도(제3 단계의 도달 온도)가 2200℃보다 높으며, 비교예에 해당한다. 시료 17의 입방정 질화붕소는, 결정립의 메디안 직경(d50)이 100 ㎚보다 크고, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 8×1015/㎡ 이하이며, 비교예에 해당한다. 시료 17의 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 가공 구멍수가 적고, 공구 수명이 짧았다. 이것은, 시료 17의 입방정 질화붕소 다결정체는, 전위 밀도가 낮고, 내마모성이 저하하며, 또한, 육방정 질화붕소, 압축형 육방정 질화붕소, 우르츠광형 질화붕소를 포함하지 않기 때문에, 절삭 저항이 커져, 공구의 결손이 생기기 쉽고, 그 결과, 피삭재의 가공면의 면 거칠기가 악화하였기 때문이라고 고려된다.
실시예 4에서는, 상기 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법 (1)의 제조 조건과, 얻어지는 입방정 질화붕소 다결정체의 구성(조성, 알칼리 금속 및 알칼리 토류 금속의 합계 함유량, 결정립의 메디안 직경, 전위 밀도)과, 상기 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구로 정밀 가공을 행한 경우의 공구 수명의 관계를 조사하였다.
<입방정 질화붕소 다결정체의 제작>
시료 18~시료 20의 입방정 질화붕소 다결정체를, 하기의 순서에 따라 제작하였다.
(제1 공정)
[시료 18, 시료 19]
육방정 질화붕소 분말(입경(d90): 0.3 ㎛)을 6 g 준비하였다. 상기 육방정 질화붕소 분말을, 몰리브덴제의 캡슐에 넣고, 초고압 고온 발생 장치에 설치하였다.
[시료 20]
알칼리 금속 및 알칼리 토류 금속을 합계로 10 ppm보다 많이 포함하는 입방정 질화붕소 분말(입경(d90): 3 ㎛)을 6 g 준비하였다. 상기 입방정 질화붕소 분말을 아르곤 분위기 하, 1900℃의 온도에서 1시간 유지하여, 입방정 질화붕소를 육방정 질화붕소로 역변환시켜, 육방정 질화붕소 분말을 얻었다. 상기 육방정 질화붕소 분말을, 몰리브덴제의 캡슐에 넣고, 초고압 고온 발생 장치에 설치하였다.
(제2 공정 및 제3 공정)
상기 육방정 질화붕소 분말을, 초고압 고온 발생 장치를 이용하여, 표 4의 「개시점」의 「온도」 및 「압력」란에 기재되는 온도 및 압력으로부터, 온도를 유지한 채로 「제1 단계」의 「도달 압력」란에 기재되는 압력까지 승압하고, 「유지 시간」의 난에 기재되는 길이로 유지하였다.
계속해서, 온도를 유지한 채로, 표 4의 「제2 단계」의 「도달 압력」란에 기재되는 압력까지 승압하고, 「유지 시간」의 난에 기재되는 길이로 유지하였다.
계속해서, 압력을 유지한 채로, 표 4의 「제3 단계」의 「도달 온도」란에 기재되는 온도까지 승온하고, 「유지 시간」의 난에 기재되는 길이로 유지하여 입방정 질화붕소 다결정체를 얻었다. 시료 18 및 시료 19에서는, 「제3 단계」에 기재되어 있는 「도달 온도」, 「도달 압력」 및 「유지 시간」에서의 고온 고압 처리는 제3 공정에 해당한다.
<평가>
(조성, 전위 밀도 및 결정립의 메디안 직경(d50)의 측정)
얻어진 입방정 질화붕소 다결정체에 대해서, 조성(입방정 질화붕소의 함유율, 육방정 질화붕소의 함유율, 우르츠광형 질화붕소의 함유율), 입방정 질화붕소의 전위 밀도 및 결정립의 메디안 직경(d50)을 측정하였다. 구체적인 측정 방법은, 실시형태 1에 나타내는 바와 같기 때문에, 그 설명은 반복하지 않는다. 결과를 표 4의 「cBN 함유율」, 「hBN 함유율」, 「압축형 hBN 함유율」, 「wBN 함유율」, 「전위 밀도」, 「메디안 직경(d50)」의 난에 나타낸다.
(알칼리 금속 원소 및 알칼리 토류 금속 원소의 합계 함유량의 측정)
상기에서 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체 중의 알칼리 금속 원소 및 알칼리 토류 금속 원소의 합계 함유량을, SIMS에 의해 측정하였다. 구체적인 측정 방법은, 실시형태 1에 나타내는 바와 같기 때문에, 그 설명은 반복하지 않는다. 알칼리 금속 원소 및 알칼리 토류 금속 원소의 합계 함유량을 표 4의 「알칼리 금속/알칼리 토류 금속 함유량」란에 나타낸다.
(절삭 시험)
상기에서 얻어진 입방정 질화붕소 다결정체를, 레이저에 의해 절단하고 마무리 가공하여, 볼 엔드밀을 제작하였다. 상기 볼 엔드밀을 이용하여, 이하의 절삭 조건에서 STAVAX ESR(등록 상표)(UDDEHOLM사 제조의 스테인레스 공구강)의 구면 가공을 행하여, 공구 성능을 평가하였다.
(절삭 조건)
피삭재: STAVAX ESR(등록 상표)(UDDEHOLM사 제조의 스테인레스 공구강)
공구 형상: 볼 엔드밀, R0.5 ㎜-1매 날
회전수: 60000 rpm
이송: 1000 ㎜/min
절입 깊이(ap): 0.005 ㎜
절삭 폭(ae): 0.005 ㎜
오일 미스트 있음
φ10 반구 형상으로 가공
상기 절삭 조건은, 정밀 가공에 해당한다. 또한, 실시예 1 및 실시예 2의 절삭 시험의 절삭 조건보다 회전수가 많아, 날끝이 고온이 되기 쉬운 조건이다.
(공구 성능 평가)
피삭재를 상기 절삭 조건에서 절삭하여, 피삭재의 가공면의 면 거칠기(Ra)가 0.2 ㎛를 넘기까지의 φ10 반구 형상의 가공 구멍수를 측정하였다. 가공 구멍수가 클수록, 내마모성이 우수하며, 공구 수명이 긴 것을 나타내고 있다. 가공면의 면 거칠기(Ra)의 구체적인 측정 방법은 실시예 1에 기재된 방법과 동일하기 때문에, 그 설명은 반복하지 않는다. 결과를 표 4의 「가공 구멍수」란에 나타낸다.
Figure pct00005
<고찰>
[시료 18, 시료 19]
시료 18, 시료 19의 제조 방법은, 모두 실시예에 해당한다. 시료 18, 시료 19의 입방정 질화붕소 다결정체는, 모두 입방정 질화붕소를 96 체적％ 이상 포함하며, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 8×1015/㎡보다 크고, 결정립의 메디안 직경(d50)이 100 ㎚ 미만이며, 실시예에 해당한다. 시료 18, 시료 19의 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 가공 구멍수가 많아, 날끝이 고온이 되기 쉬운 조건 하에서의 정밀 가공에 있어서도, 공구의 결손이 생기기 어려우며, 긴 공구 수명을 갖는 것이 확인되었다.
[시료 20]
시료 20의 입방정 질화붕소 다결정체는, 입방정 질화붕소를 96 체적％ 이상 포함하며, 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 8×1015/㎡보다 크고, 결정립의 메디안 직경(d50)이 100 ㎚ 미만이며, 실시예에 해당한다. 시료 20의 입방정 질화붕소 다결정체를 이용한 공구는, 가공 구멍수가 15 이상이며, 날끝이 고온이 되기 쉬운 조건 하에서의 정밀 가공에 있어서도, 양호한 공구 수명을 갖는 것이 확인되었다.
시료 18~시료 20을 비교하면, 시료 18 및 시료 19는, 시료 20보다 공구 수명이 길었다. 이것은, 시료 18 및 시료 19의 입방정 질화붕소 다결정체는, 알칼리 금속 원소 및 알칼리 토류 금속 원소의 합계 함유량이 10 ppm 이하이며, 날끝이 고온이 되기 쉬운 조건 하에서의 정밀 가공에 있어서도, 알칼리 금속 원소 및 알칼리 토류 금속 원소에 의한, 육방정 질화붕소로부터 입방정 질화붕소로 변환이 생기기 어려우며, 공구의 손상의 진전을 양호하게 억제할 수 있기 때문이라고 고려된다.
시료 18 및 시료 19에서는, 조성, 알칼리 금속 원소 및 알칼리 토류 금속 원소의 합계 함유량, 결정립의 메디안 직경(d50), 입방정 질화붕소의 전위 밀도가 달랐다. 이것은 원료의 육방정 질화붕소의 불순물량이나 입경 등의 변동에 기인한다고 고려된다.
이상과 같이 본 개시의 실시형태 및 실시예에 대해서 설명을 행하였는데, 전술한 각 실시형태 및 실시예의 구성을 적절하게 조합하거나, 여러 가지로 변형하는 것도 당초부터 예정하고 있다.
이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시로서, 제한적인 것이 아니라고 고려되어야 한다. 본 개시의 범위는 상기한 실시형태 및 실시예가 아니라 청구범위에 의해 나타나며, 청구범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

Claims (16)

  1. 입방정 질화붕소를 96 체적％ 이상 포함하는 입방정 질화붕소 다결정체로서,
    상기 입방정 질화붕소의 전위(轉位) 밀도가 8×1015/㎡보다 크고,
    상기 입방정 질화붕소 다결정체는, 복수의 결정립을 포함하고,
    상기 복수의 결정립의 원상당 직경의 메디안 직경(d50)이 100 ㎚ 미만인 것인 입방정 질화붕소 다결정체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전위 밀도는 9×1015/㎡ 이상인 것인 입방정 질화붕소 다결정체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 입방정 질화붕소 다결정체는, 육방정 질화붕소를 0.01 체적％ 이상 포함하는 것인 입방정 질화붕소 다결정체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입방정 질화붕소 다결정체는, 압축형 육방정 질화붕소를 0.01 체적％ 이상 포함하는 것인 입방정 질화붕소 다결정체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입방정 질화붕소 다결정체는, 우르츠광형 질화붕소를 0.1 체적％ 이상 포함하는 것인 입방정 질화붕소 다결정체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입방정 질화붕소 다결정체의 알칼리 금속 원소 및 알칼리 토류 금속 원소의 합계 함유량은, 질량 기준으로 10 ppm 이하인 것인 입방정 질화붕소 다결정체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전위 밀도는, 수정 Williamson-Hall법 및 수정 Warren-Averbach법을 이용하여 산출되는 것인 입방정 질화붕소 다결정체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전위 밀도는, 방사광을 X선원으로 하여 측정되는 것인 입방정 질화붕소 다결정체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법으로서,
    원상당 직경의 입경(d90)이 0.3 ㎛ 이하인 육방정 질화붕소 분말을 준비하는 제1 공정과,
    상기 육방정 질화붕소 분말을, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력을 통과하여, 1500℃ 이상 2200℃ 이하의 온도 및 10 ㎬ 이상의 압력까지 가열 가압하여 입방정 질화붕소 다결정체를 얻는 제2 공정을 포함하고,
    상기 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역은, 온도를 T ℃, 압력을 P ㎬로 하였을 때에, 하기 식 1 및 하기 식 2를 동시에 만족하는 영역이고,
    식 1: P≥-0.0037T+11.301
    식 2: P≤-0.085T+117
    상기 제2 공정의 가열 가압 경로에 있어서, 상기 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도가 500℃ 이하이고,
    상기 제2 공정은, 그 가열 가압 경로에 있어서의 온도 및 압력을, 상기 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력으로 10분 이상 유지하는 공정을 포함하는 것인 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 돌입 온도는 300℃ 이하인 것인 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 제2 공정은, 그 가열 가압 경로에 있어서의 온도 및 압력을, 상기 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력으로 15분 이상 유지하는 공정을 포함하는 것인 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 공정은, 그 가열 가압 경로에 있어서의 온도 및 압력을, 온도를 T ℃, 압력을 P ㎬로 하였을 때에, 하기 식 1, 하기 식 2 및 하기 식 3을 동시에 만족하는 영역 내의 온도 및 압력으로 10분 이상 유지하는 공정을 포함하는 것인 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법.
    식 1: P≥-0.0037T+11.301
    식 2: P≤-0.085T+117
    식 3: P≤-0.0037T+11.375
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 공정 후에, 상기 제2 공정에 의해 얻어진 상기 입방정 질화붕소 다결정체를, 1500℃ 이상 2200℃ 이하의 온도 및 10 ㎬ 이상의 압력 조건 하에서 10분 이상 30분 이하 유지하는 제3 공정을 포함하는 것인 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법.
  14. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법으로서,
    열분해 질화붕소를 준비하는 A 공정과,
    상기 열분해 질화붕소를, 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역 내의 온도 및 압력을 통과하여, 최종 소결 영역 내의 온도 및 압력까지 가열 가압하여 입방정 질화붕소 다결정체를 얻는 B 공정을 포함하고,
    상기 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역은, 온도를 T ℃, 압력을 P ㎬로 하였을 때에, 하기 식 1 및 하기 식 2를 동시에 만족하는 영역이고,
    식 1: P≥-0.0037T+11.301
    식 2: P≤-0.085T+117
    상기 최종 소결 영역은, 온도를 T ℃, 압력을 P ㎬로 하였을 때에, 하기 식 4, 하기 식 5 및 하기 식 6을 동시에 만족하는 영역이고,
    식 4: P≥12
    식 5: P≥-0.085T+125.5
    식 6: P≤-0.085T+151
    상기 B 공정의 가열 가압 경로에 있어서, 상기 우르츠광형 질화붕소의 안정 영역에의 돌입 온도가 500℃ 이하인 것인 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 돌입 온도는 300℃ 이하인 것인 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 B 공정 후에, 상기 B 공정에 의해 얻어진 상기 입방정 질화붕소 다결정체를, 상기 최종 소결 영역 내의 온도 및 압력 조건 하에서 10분 이상 30분 이하 유지하는 C 공정을 포함하는 것인 입방정 질화붕소 다결정체의 제조 방법.
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JPH11246271A (ja) 1998-02-28 1999-09-14 Sumitomo Electric Ind Ltd 立方晶窒化ホウ素焼結体およびその製造方法

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