KR102423112B1

KR102423112B1 - 굴착 칩, 굴착 공구, 및 굴착 칩의 제조 방법

Info

Publication number: KR102423112B1
Application number: KR1020187025098A
Authority: KR
Inventors: 에코 와르도요 아크마디; 마사히로 야노; 도시히코 마츠오; 유키 아카호시; 유이치로 다케우치
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2016-04-20
Filing date: 2017-04-19
Publication date: 2022-07-19
Anticipated expiration: 2037-04-19
Also published as: CN108699893B; AU2017254220A1; EP3447233B1; KR20180132046A; US10900293B2; CA3021570C; US20190119988A1; EP3447233A4; JP6853439B2; CN108699893A; CA3021570A1; EP3447233A1; JPWO2017183659A1; WO2017183659A1; AU2017254220B2

Abstract

본 발명의 굴착 칩은, 선단측을 향함에 따라 끝이 가늘어지는 선단부를 구비한 칩 본체를 갖고, 칩 본체의 선단부의 표면에는 경질층이 형성되고, 경질층의 최외층은 70 ∼ 95 vol％ 의 cBN 입자를 갖는 cBN 소결체이며, 최외층의 단면 조직을 관찰했을 때, 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하고, 또한 Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율이 0.1 이하인 결합상이 이웃하는 cBN 입자간에 존재한다.

Description

굴착 칩, 굴착 공구, 및 굴착 칩의 제조 방법

본 발명은 굴착 공구의 선단부에 장착되어 굴착을 실시하는 굴착 칩, 이와 같은 굴착 칩이 선단부에 장착된 굴착 공구, 및 굴착 칩의 제조 방법에 관한 것이다.

본원은 2016년 4월 20일에 일본에 출원된 특허출원 2016-084176호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

이와 같은 굴착 칩으로서, 타격 굴착용 비트의 장기 수명화를 도모하기 위해, 초경합금으로 이루어지는 칩 본체의 기체 선단부에, 이 칩 본체보다 경질인 다결정 다이아몬드의 소결체로 이루어지는 경질층이 피복된 굴착 칩이 알려져 있다. 예를 들어, 특허문헌 1 에는 원주상의 후단부와, 반구상을 이루어 선단측을 향함에 따라 외경이 작아지는 선단부를 갖는 칩 본체의 상기 선단부에, 이와 같은 다결정 다이아몬드 소결체의 경질층을 다층에 피복한 굴착 칩이 제안되어 있다.

또, 굴착 칩으로서, 노천 채굴이나 장벽 (長壁) 식 채굴에 사용되는 드럼식 굴착 장치의 회전 드럼의 외주에 장착되는 피크의 선단에 접합된 굴착 칩이 알려져 있다. 특허문헌 2 에는 칩 본체의 대략 원추상의 선단부를 다이아몬드 및/또는 입방정 질화붕소에 의해 피복한 굴착 칩이 제안되어 있다. 특허문헌 3 에는 칩 본체의 대략 원추상의 선단부를 피복하는 최외층이, 다결정 다이아몬드, 다결정 입방정 질화붕소, 단결정 다이아몬드, 및 입방정 질화붕소 복합재에서 선택되는 것이 제안되어 있다.

입방정 질화붕소 소결체에 대하여, 특허문헌 4 에는 금속 촉매를 사용함으로써 고경도의 입방정 질화붕소 소결체를 제조할 수 있는 것이 기재되어 있다. 또, 특허문헌 5 에는 강도 및 인성을 향상시키기 위해서, Al₂O, AlB₂, AlN, TiB₂, 및 TiN 을 함유하는 결합상을 구비하는 입방정 질화붕소 소결체로 구성한 절삭 공구가 제안되어 있다.

미국 특허 제4694918호 명세서 미국 특허 제6051079호 명세서 유럽 특허출원공개 제2053198호 명세서 일본 특허 제5182582호 일본 공개특허공보 평8-197307호

그러나, 다결정 다이아몬드 소결체는 초경합금에 비해 내마모성은 높기는 하지만, 인성이 낮기 때문에 내결손성이 부족하여, 초경암층의 굴착에 있어서는 돌발적인 경질층의 칩핑이나 결손이 일어나는 경우가 있다. 또, 다이아몬드 소결체는, Fe 계나 Ni 계의 광산에서는 친화성이 높아서 사용할 수 없다. 또한, 내열 온도도 700 ℃ 정도이므로, 이보다 고온에 노출되는 조건에서는 다이아몬드 소결체는 사용할 수 없다. 예를 들어, 드라이 환경에서 실시되는 노천 채굴과 같이 700 ℃ 이상의 고온이 되는 굴착 조건하에서는, 다이아몬드가 흑연화되어 내마모성이 저하되어 버린다.

또, 입방정 질화붕소 소결체는, Fe 계나 Ni 계의 광산에서는 친화성이 낮기는 하지만, 다이아몬드와 비교하여 경도가 열등하다. 특허문헌 4 에 기재된 입방정 질화붕소 소결체에 있어서는, 상기 서술한 바와 같은 700 ℃ 이상의 고온이 되는 굴착 조건하에서는, 금속의 결합상과 입방정 질화붕소 소결체의 열팽창 계수차에 의해 크랙이 발생하기 쉽다. 또한, 특허문헌 5 에 기재된 입방정 질화붕소 소결체는 경도가 비교적 낮고, 내마모성과 내결손성이 불충분하기 때문에, 굴착 공구에 대한 적용은 곤란하였다. 또, 이와 같은 입방정 질화붕소 소결체에 있어서, 경도를 향상시키기 위해서, 소결체에 함유되는 입방정 질화붕소 입자의 양을 증가시켰을 경우, 입방정 질화붕소 입자끼리가 접촉하여, 결합상과 충분히 반응할 수 없는 미소결 부분이 증가한다. 그 때문에, 입방정 질화붕소 입자의 함유량에 따른 경도가 얻어지지 않는다는 문제가 있었다.

본 발명은 이와 같은 배경하에 이루어진 것으로, 다결정 다이아몬드 소결체에 필적하는 경도를 가져, Fe 계나 Ni 계의 광산이나 고온의 굴착 조건하에서도 사용 가능한 굴착 칩을 제공함과 함께, 이와 같은 굴착 칩을 장착한 굴착 공구, 및 굴착 칩의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 과제를 해결하고, 이와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 굴착 칩은, 굴착 공구의 선단부에 장착되어 굴착을 실시하는 굴착 칩으로서, 상기 굴착 공구의 공구 본체에 매설되는 후단부와, 그 굴착 공구의 표면으로부터 돌출되는 선단측을 향함에 따라 끝이 가늘어지는 선단부를 구비한 칩 본체를 갖고, 상기 칩 본체의 선단부의 표면에는 경질층이 형성되고, 상기 경질층은, 최외층과, 상기 최외층과 상기 칩 본체의 사이에 개장 (介裝) 되는 중간층을 구비하고, 상기 최외층은, 70 ∼ 95 vol％ 의 입방정 질화붕소 입자와 결합상을 갖는 입방정 질화붕소 소결체이며, 상기 최외층의 단면 조직을 관찰했을 때, 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이고, Al, B, N 을 함유하고, 또한 Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율 (원자비) 이 0.1 이하인 결합상이 이웃하는 입방정 질화붕소 입자간에 존재하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 굴착 칩에 있어서, 상기 최외층의 비커스 경도가 3700 ∼ 4250 인 것이 바람직하다. 또, 상기 입방정 질화붕소 입자의 평균 입경은 0.5 ∼ 8.0 ㎛ 인 것이 바람직하다.

상기 최외층의 단면 조직을 관찰했을 때, 인접하는 입방정 질화붕소 입자와의 사이에 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이고, Al, B, N 을 함유하는 결합상이 존재하는 입방정 질화붕소 입자의 수의 전체 입방정 질화붕소 입자수에 대한 비율이 0.4 이상이며, 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이고, Al, B, N 을 함유하고, 또한 Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율 (원자비) 이 0.1 이하인 결합상이 인접하는 입방정 질화붕소 입자와의 사이에 존재하는 입방정 질화붕소 입자의 수의, 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이고, Al, B, N 을 함유하는 결합상이 인접하는 입방정 질화붕소 입자와의 사이에 존재하는 입방정 질화붕소 입자의 수에 대한 비율이 0.5 이상인 것이 바람직하다.

상기 중간층이 30 ∼ 70 vol％ 의 입방정 질화붕소 입자 또는 다이아몬드 입자를 함유하는 것이 바람직하다.

또, 본 발명의 굴착 비트는, 상기 서술한 굴착 칩이 공구 본체의 선단부에 장착되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 굴착 칩의 제조 방법은, 굴착 공구의 공구 본체에 매설되는 후단부와, 그 굴착 공구의 표면으로부터 돌출되는 선단측을 향함에 따라 끝이 가늘어지는 선단부를 구비한 칩 본체를 갖고, 상기 칩 본체의 선단부의 표면에는 경질층이 형성되고, 상기 경질층이, 최외층과, 상기 최외층과 상기 칩 본체의 사이에 개장되는 중간층을 구비하고 있는 굴착 칩의 제조 방법으로서, 입방정 질화붕소 입자의 표면에 전처리를 실시하는 공정과, 상기 최외층의 결합상의 원료 분말과 상기 전처리한 입방정 질화붕소 입자를 혼합하여 혼합 분말을 얻는 공정과, 압력 5.0 GPa 이상, 온도 1500 ℃ 이상에서 상기 혼합 분말과 상기 중간층의 원료 분말과 상기 칩 본체를 소결시키는 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 굴착 칩은, 다결정 다이아몬드 소결체에 필적하는 경도를 가져, Fe 계나 Ni 계의 광산이나 고온의 굴착 조건하에서도 사용 가능하다.

도 1 은 본 발명의 굴착 칩의 일 실시형태를 나타내는 단면도이다.
도 2 는 도 1 에 나타내는 실시형태의 굴착 칩을 선단부에 장착한 굴착 비트를 나타내는 단면도이다.
도 3 은 굴착 칩의 선단부를 피복하는 최외층의 단면에 있어서의 이웃하는 2 개의 입방정 질화붕소 입자의 계면을 나타내는, STEM (주사 투과 전자 현미경) 으로 촬영된 HAADF (고각 산란 환상 암시야) 이미지 (80000 배) 이다.
도 4 는 도 3 의 시야에 있어서의 B 매핑 이미지의 2 치화 이미지이다.
도 5 는 도 3 의 시야에 있어서의 N 매핑 이미지의 2 치화 이미지이다.
도 6 은 도 3 의 시야에 있어서의 Al 매핑 이미지의 2 치화 이미지이다.
도 7 은 도 4 ∼ 6 에 있어서 B 와 N 과 Al 이 겹치는 영역을 나타내는 도면이다.
도 8 은 도 7 의 B 와 N 과 Al 이 겹치는 영역 (섬) 을 화상 처리에 의해 타원 근사시킨 상태를 나타내는 도면이다.
도 9 는 도 8 에 있어서 각 타원의 단축의 중점을 직선으로 이은 다각선으로 이루어지는 계면 개형 (槪形) 선을 묘화한 도면이다.
도 10 은 도 7 의 B 와 N 과 Al 이 겹치는 영역에 계면 개형선을 묘화한 도면, 및 계면 개형선으로부터 얻어진 입방정 질화붕소 입자간의 결합상의 폭을 나타내는 부분 확대도이다.
도 11 은 도 6 에 계면 개형선을 중심으로 한 30 ㎚ 폭의 측정 영역을 묘화한 도면이다.
도 12 는 도 3 의 시야에 있어서의 O 매핑 이미지의 2 치화 이미지에 측정 영역을 묘화한 도면이다.
도 13 은 인접하는 입방정 질화붕소 입자와의 사이에 폭 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하의 결합상이 존재하는 입방정 질화붕소 입자수의 전체 입방정 질화붕소 입자수에 대한 비율의 측정 방법을 나타내는 모식도이다.
도 14 는 입방정 질화붕소 입자의 함유량과 비커스 경도 (Hv) 의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 1 은 본 발명의 굴착 칩의 일 실시형태를 나타내는 단면도이며, 도 2 는 이 실시형태의 굴착 칩을 장착한 본 발명의 굴착 공구의 일 실시형태를 나타내는 단면도이다. 본 실시형태의 굴착 칩은 칩 본체 (1) 를 갖고 있으며, 이 칩 본체 (1) 는 초경합금 등의 경질 재료로 이루어지는 기체 (2) 와, 이 기체 (2) 의 적어도 선단부 (도 1 에 있어서의 상측 부분) 의 표면을 피복하는, 기체 (2) 보다 경도 (비커스 경도) 가 높은 경질층 (3) 을 구비하고 있다.

칩 본체 (1) 는, 그 후단부 (도 1 에 있어서 하측 부분) 가 칩 중심선 (C) 을 중심으로 한 원주상 또는 원판상을 이루고 있음과 함께, 선단부는, 본 실시형태에서는 후단부가 이루는 원주 또는 원판의 반경과 동등한 반경으로 칩 중심선 (C) 상에 중심을 갖는 반구상을 이루고 있어, 선단측을 향함에 따라 칩 중심선 (C) 으로부터의 외경이 점차 작아지는 테이퍼 형상으로 형성되어 있다. 즉, 본 실시형태의 굴착 칩은 버튼 칩이다.

본 실시형태에서는, 도 1 에 나타내는 바와 같이 칩 본체 (1) 의 선단부에만 경질층 (3) 이 피복되어 있고, 이 경질층 (3) 을 포함한 칩 본체 (1) 의 선단부가 상기 서술한 바와 같은 반구상을 이루도록 형성되어 있다. 또, 본 실시형태에서는, 도 1 에 나타내는 바와 같이 경질층 (3) 이, 최외층 (4) 과, 이 최외층 (4) 과 기체 (2) 의 사이에 개장되는 중간층 (5) 을 구비한 2 층 구조로 되어 있다.

이와 같은 굴착 칩이 선단부에 장착되는 굴착 공구의 일 실시형태인 굴착 비트는, 강재 등에 의해 형성되어 도 2 에 나타내는 바와 같이 축선 (O) 을 중심으로 한 개략 바닥이 있는 원통상을 이루는 비트 본체 (11) 를 갖고, 그 유저 (有底) 부가 선단부 (도 2 에 있어서 상측 부분) 로 되고, 이 선단부에 굴착 칩이 장착된다. 또, 원통상의 후단부 (도 2 에 있어서 하측 부분) 의 내주에는 암나사부 (12) 가 형성되고, 굴착 장치에 연결된 굴착 로드 (도시 생략) 가 이 암나사부 (12) 에 비틀어 넣어진다. 굴착 로드로부터 암나사부 (12) 를 개재시켜 축선 (O) 방향 선단측을 향한 타격력과 추력, 및 축선 (O) 둘레의 회전력이 전달됨으로써, 굴착 칩에 의해 암반을 파쇄시켜 굴착구멍을 형성한다.

비트 본체 (11) 의 선단부는 후단부보다 약간 외경이 대경으로 되어 있다. 이 선단부의 외주에는 축선 (O) 에 평행하게 연장되는 배출 홈 (13) 이 둘레 방향으로 간격을 두고 복수 조 (條) 형성되어 있다. 상기 굴착 칩에 의해 암반이 파쇄되어 생성된 파쇄 부스러기가, 이 배출 홈 (13) 을 통해 비트 본체 (11) 의 후단측으로 배출된다. 또, 바닥이 있는 비트 본체 (11) 의 암나사부 (12) 저면으로부터는 축선 (O) 을 따라 블로우구멍 (14) 이 형성되어 있다. 이 블로우구멍 (14) 은 비트 본체 (11) 선단부에 있어서 비스듬하게 분기되어 비트 본체 (11) 의 선단면으로 개구되어 있다. 상기 굴착 로드를 개재시켜 공급되는 압축 공기와 같은 유체를 블로우구멍 (14) 으로부터 분출시킴으로써, 파쇄 부스러기의 배출을 촉진시킨다.

또한, 비트 본체 (11) 의 선단면은, 내주측의 축선 (O) 에 수직인 축선 (O) 을 중심으로 한 원형의 페이스면 (15) 과, 이 페이스면 (15) 의 외주에 위치하여 외주측을 향함에 따라 후단측을 향하는 원추대면상의 게이지면 (16) 을 구비하고 있다. 블로우구멍 (14) 은 페이스면 (15) 으로 개구됨과 함께, 배출 홈 (13) 의 선단은 게이지면 (16) 의 외주측으로 개구되어 있다. 또, 이들 페이스면 (15) 과 게이지면 (16) 에는, 각각 블로우구멍 (14) 과 배출 홈 (13) 의 개구부를 피하도록 하여, 단면 원형의 복수의 장착구멍 (17) 이 페이스면 (15) 과 게이지면 (16) 에 대하여 수직으로 형성되어 있다.

이와 같은 장착구멍 (17) 에, 상기 굴착 칩은, 도 2 에 나타내는 바와 같이 칩 본체 (1) 의 상기 후단부가 매몰된 상태로 압입이나 수축 끼워맞춤 등에 의해 꽉 끼워지거나, 브레이징되거나 함으로써 고정되어, 즉 매설되어 장착된다. 또한, 경질층 (3) 이 형성된 칩 본체 (1) 의 선단부가 페이스면 (15) 및 게이지면 (16) 으로부터 돌출되어, 상기 서술한 타격력, 추력 및 회전력에 의해 암반을 파쇄시킨다.

다음으로, 이 경질층 (3) 의 최외층 (4) 의 구성에 대하여 도 3 ∼ 도 13 을 이용하여 설명한다. 최외층 (4) 은, 주결합상이 세라믹스의 입방정 질화붕소 소결체 (이하, 「cBN 소결체」라고도 한다) 로 이루어진다. 이 cBN 소결체는, cBN 소결체 전체에 대한 함유량이 70 ∼ 95 vol％ 인 입방정 질화붕소 입자 (이하, 「cBN 입자」라고도 한다) 와, 각 cBN 입자를 서로 결합하는 결합상을 구비한다. 또, 최외층 (4) 의 임의의 단면을 관찰했을 때, 이 단면 조직에 있어서, 이웃하는 cBN 입자의 사이에 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하인 결합상이 존재한다. 이 결합상은, 적어도 Al (알루미늄), B (붕소), N (질소) 을 포함하고, 또한 그 결합상 중의 Al 함유량에 대한 O (산소) 함유량의 비율 (O/Al) 이 0.1 이하 (단, 상기 단면 상의 면적비로부터 산출되는 원자비) 로 되어 있다. 또한, Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율의 하한치는 0 이다.

상기 결합상은 산화물이 적고, 강고하게 cBN 입자를 결합한다. 또, 상기 결합상을 갖는 cBN 소결체는, cBN 입자끼리가 접촉하여 결합상과 충분히 반응할 수 없는 미소결 부분이 적다. 그 때문에, 이와 같은 cBN 소결체는 높은 경도를 갖는다. 이와 같은 cBN 소결체로 상기 최외층 (4) 을 형성함으로써, 굴착 칩에 다결정 다이아몬드 소결체에 필적하는 경도를 부여할 수 있어, 굴착 칩의 내마모성을 확보할 수 있다. 한편, 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하로서 Al, B, N 을 함유하고, 또한 Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율 (원자비) 이 0.1 이하인 결합상이 이웃하는 cBN 입자간에 존재하지 않는 경우, cBN 입자를 충분히 결합할 수 없어, 최외층 (4) 의 경도가 낮아지거나, 결합상 내부를 기점으로 한 파괴가 생기가 쉬워지거나 한다.

또한, cBN 소결체 중에 형성되는 결합상 중, 인접하는 cBN 입자의 사이에 존재하는 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하인 결합상 이외의 결합상의 구성은 주결합상이 세라믹스이면 특별히 한정되지 않지만, Ti 의 질화물, 탄화물, 탄질화물, 붕화물, Al 의 질화물, 붕화물, 산화물 및 이들의 2 종 이상의 고용체 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상과 불가피 불순물로 구성되는 것이 바람직하다.

최외층 (4) 의 비커스 경도는, 3700 ∼ 4250 인 것이 바람직하다. 비커스 경도가 3700 미만인 경우, 최외층 (4) 에 충분한 내마모성을 부여하기가 어렵다. 또, 비커스 경도가 4250 초과인 경우, 최외층 (4) 이 결손되기 쉬워진다.

최외층 (4) 에 있어서의 cBN 입자의 함유량은 70 ∼ 95 vol％ 로 되어 있으므로, 상기 서술한 단면 조직을 형성할 수 있고, 최외층 (4) 의 비커스 경도를 상기 범위로 할 수 있다. cBN 입자의 함유량이 70 vol％ 미만인 경우, cBN 입자의 양이 적기 때문에, 최외층 (4) 의 비커스 경도를 3700 이상으로 할 수 없다. 또, cBN 입자의 사이에 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하인 결합상을 형성하기가 어려워진다. 또한, cBN 입자간에 있어서, 결합상 중의 Al, B, N 을 포함하는 화합물이 그 이외의 결합상 성분 (예를 들어, Ti 나 Ta 의 화합물이나 Al 의 붕화물) 보다 상대적으로 적어진다. 그 때문에, 균일하게 소결시킬 수 없고, 또 상기 효과를 발휘하는 조직을 얻을 수 없다. 즉, Al, B, N 을 포함하는 결합상에 비해, 이 Ti 화합물이나 Al 붕화물은 cBN 입자와의 부착 강도가 낮기 때문에, Ti 화합물이나 Al 붕화물과 cBN 입자의 계면이 크랙의 기점이 되기 쉽다. 그 결과, 내결손성이 저하된다. 한편, cBN 입자의 함유량이 95 vol％ 를 초과하는 경우에는, 소결체 중에 크랙의 기점이 되는 공극이 생성되기 쉬워져, 내결손성이 저하된다. cBN 입자의 함유량은, 바람직하게는 70 ∼ 92 vol％ 이며, 보다 바람직하게는 75 ∼ 90 vol％ 이지만, 이에 한정되지 않는다.

cBN 입자의 평균 입경은 0.5 ∼ 8.0 ㎛ 인 것이 바람직하다. 이와 같은 cBN 입자가 cBN 소결체 내에 분산됨으로써, 최외층 (4) 에 높은 내결손성을 부여할 수 있다. 구체적으로는, 굴착시에 최외층 (4) 표면으로부터 cBN 입자가 탈락함으로써 생기는 요철을 기점으로 한 칩핑의 발생을 억제할 수 있다. 거기에 더하여, 굴착시에 최외층 (4) 에 가해지는 응력에 의해 야기되는 cBN 입자와 결합상의 계면으로부터 진전되는 크랙, 또는 cBN 입자를 관통하여 진전되는 크랙의 전파를, cBN 소결체 중에 분산된 cBN 입자에 의해 억제할 수 있다. cBN 입자의 평균 입경은 0.5 ∼ 3.0 ㎛ 인 것이 보다 바람직하지만, 이에 한정되지 않는다.

한 변이 cBN 입자의 평균 입경의 5 배인 시야를 1 시야로 하여, 최외층 (4) 의 임의의 단면을 5 시야 이상 관찰했을 때, 이웃하는 cBN 입자의 사이에 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하고, 또한 Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율 (O/Al) 이 0.1 이하인 결합상이, 관찰된 전체 시야수의 60 ％ 이상의 시야에서 관찰되는 것이 바람직하다. 이와 같은 결합상이 많은 것은, 이웃하는 cBN 입자가 결합상에 의해 강고하게 결합된 네트워크가 많은 것을 의미한다. 따라서, 이와 같은 결합상이 관찰되는 시야수가 많을수록, 최외층 (4) 의 경도가 우수하다. 이와 같은 결합상이 관찰되는 시야수는 전체 시야수의 80 ％ 이상인 것이 보다 바람직하고, 100 ％ 인 (전체 시야에서 관찰된다) 것이 더욱 바람직하다.

최외층 (4) 의 임의의 단면을 관찰했을 때, 인접하는 cBN 입자와의 사이에 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하는 결합상이 존재하는 cBN 입자의 수 (q) 의 전체 cBN 입자의 수 (Q) 에 대한 비율 (q/Q) 이 0.4 이상인 것이 바람직하다. 거기에 더하여, 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하고, 또한 Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율 (O/Al) 이 0.1 이하로 되어 있는 결합상이 인접하는 cBN 입자와의 사이에 존재하는 cBN 입자의 수 (n) 의, 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하는 결합상이 인접하는 cBN 입자와의 사이에 존재하는 cBN 입자의 수 (N) 에 대한 비율 (n/N) 이 0.5 이상인 것이 바람직하다. 비율 (q/Q) 및 비율 (n/N) 이 많은 것은, cBN 입자가 결합상에 의해 강고하게 결합되어 있는 것을 의미한다. 따라서, 비율 (q/Q) 을 0.4 이상으로 하고, 비율 (n/N) 을 0.5 이상으로 함으로써, 최외층 (4) 의 경도를 향상시킬 수 있다. 또한, 비율 (q/Q) 의 값의 상한치는 바람직하게는 1 이며, q/Q 의 값은 0.6 이상 1 이하인 것이 보다 바람직하다. 또, 비율 (n/N) 의 값은 0.6 이상 1 이하가 바람직하고, 0.8 이상 1 이하가 더욱 바람직하다.

또한, 이웃하는 cBN 입자의 사이에 존재하는 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하는 결합상은, 이웃하는 cBN 입자의 사이에 점재되어 있어도 되고, cBN 입자간에 1 개의 결합상이 연장되어 있어도 된다 (cBN 입자가 상기 서술한 결합상 1 개를 개재시켜 다른 cBN 입자와 인접하고 있어도 된다).

여기서, 본 실시형태의 굴착 칩의 최외층 (4) 에 대하여, 상기 구성을 특정하는 순서에 대하여 이하에 설명한다.

＜cBN 입자의 평균 입경＞

cBN 입자의 평균 입경은, 이하와 같이 구할 수 있다.

우선, cBN 소결체의 단면 조직을 SEM (주사형 전자 현미경) 에 의해 관찰하여, 2 차 전자 이미지를 얻는다. 2 차 전자 이미지의 크기는, 예를 들어 소결 전의 cBN 입자의 평균 입경이 3 ㎛ 인 경우, 15 ㎛ × 15 ㎛ (소결 전의 cBN 입자의 평균 입경의 5 배각) 로 한다.

다음으로, 0 을 흑색, 255 를 흰색으로 하는 256 계조의 모노크롬으로 이 2 차 전자 이미지를 표시한다. cBN 입자 부분의 화소치와 결합상 부분의 화소치의 비가 2 이상이 되는 화소치의 화상을 사용하여, cBN 입자가 흑색이 되도록 2 치화 처리를 실시한다. 이 화상에 있어서, cBN 입자 부분이나 결합상 부분의 화소치은, 0.5 ㎛ × 0.5 ㎛ 정도의 영역 내의 평균치로부터 구해진다. 동일 화상에 있어서 적어도 3 영역의 화소치의 평균치를 구하여, 얻어진 값을 각각의 콘트라스트로 하는 것이 바람직하다. 이로써, cBN 입자와 결합상을 구별한다. 상기와 같은 2 치화 처리 후, cBN 입자끼리가 접촉하고 있다고 생각되는 부분을 분리하는 처리를 실시한다. 예를 들어, 화상 처리 조작의 하나인 watershed (워터쉐드) 를 사용하여, 접촉하고 있다고 생각되는 cBN 입자를 분리한다. 이와 같이, 2 차 전자 이미지를 2 치화 처리한 화상으로부터, cBN 입자에 상당하는 부분을 화상 처리에 의해 발출시킨다.

상기 처리에 의해 발출된 cBN 입자에 상당하는 부분 (흑색의 부분) 을 각각 입자 해석하여, cBN 입자에 상당하는 부분의 최대 길이를 각각 구한다. 구한 최대 길이를 각 cBN 입자의 최대 길이로 하고, 그것을 각 cBN 입자의 직경으로 한다. 각 cBN 입자를 구 (球) 로 간주하고, 얻어진 직경으로부터 각 cBN 입자의 체적을 계산한다. 각 cBN 입자의 체적을 기초로, cBN 입자의 입경의 적산 분포를 구한다. 상세하게는, 각 cBN 입자에 대하여, 그 체적, 및 그 직경 이하의 직경을 갖는 cBN 입자의 체적의 총합을 적산치로서 구한다. 각 cBN 입자에 대하여, 전체 cBN 입자의 체적의 총합에 대한 각 cBN 입자의 상기 적산치와의 비율인 체적 백분율［％］을 세로축으로 하고, 가로축을 각 cBN 입자의 직경［㎛］으로 하여 그래프를 묘화한다. 체적 백분율이 50 ％ 가 되는 직경 (메디안 직경) 을 1 화상에 있어서의 cBN 입자의 평균 입경으로 한다.

적어도 3 개의 2 차 전자 이미지에 대하여 상기 처리를 실시함으로써 구한 평균 입경의 평균치를, 최외층 (4) 에 있어서의 cBN 입자의 평균 입경［㎛］으로 한다. 또한, 이와 같은 입자 해석을 실시할 때에는, 미리 SEM 에 의해 알고 있는 스케일의 값을 사용하여, 1 픽셀당 길이 (㎛) 를 설정해 둔다. 또, 입자 해석시, 노이즈를 제거하기 위해서, 직경 0.02 ㎛ 보다 작은 영역은 입자로서 계산하지 않는다.

＜cBN 입자의 함유량＞

cBN 입자의 함유량은, 최외층 (4) 의 형성시에 cBN 입자 분말과 결합상 형성용 원료 분말의 혼합 비율을 조정함으로써 조정할 수 있다. 또, 이 함유량은, 다음과 같이 확인할 수도 있다. 즉, SEM 을 사용하여 최외층 (4) 의 임의의 단면을 관찰하여, 2 차 전자 이미지를 얻는다. 얻어진 2 차 전자 이미지 내의 cBN 입자에 상당하는 부분을, 상기 서술과 동일한 화상 처리에 의해 발출시킨다. 화상 해석에 의해 cBN 입자가 차지하는 면적을 산출하여, 1 화상 내의 cBN 입자가 차지하는 비율을 구한다. 적어도 3 화상을 처리하여 구한 cBN 입자의 함유량의 평균치를, 최외층 (4) 에서 차지하는 cBN 입자의 함유량으로 한다. 또한, cBN 입자의 평균 입경의 5 배의 길이의 한 변을 갖는 정방형의 영역을 화상 처리에 사용하는 관찰 영역으로 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, cBN 입자의 평균 입경 3 ㎛ 의 경우, 15 ㎛ × 15 ㎛ 정도의 시야 영역이 바람직하다.

＜이웃하는 cBN 입자의 사이에 존재하는 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하는 결합상＞

이웃하는 cBN 입자의 사이에 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하는 결합상이 존재하는지 아닌지는, 다음과 같이 확인된다. 우선, 최외층 (4) 의 임의의 단면을 연마하고, STEM (주사 투과 전자 현미경) 을 사용하여, 도 3 에 나타내는 인접하는 2 개의 cBN 입자의 계면을 관찰한다. 도 3 은, STEM 을 사용하여 cBN 입자와 cBN 입자의 계면을 관찰한 HAADF (고각 산란 환상 암시야) 이미지 (80000 배) 이다. 관찰 시료의 두께는, 3 ㎚ ∼ 70 ㎚ 가 바람직하다. 3 ㎚ 보다 얇은 경우, 원소 매핑시에, 검출되는 특성 X 선의 양이 적어져 측정에 시간이 걸리고, 또 시료가 손상되기 쉽기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 70 ㎚ 보다 두꺼운 경우, 화상의 해석이 곤란해지기 때문에 바람직하지 않다. 관찰 화상의 사이즈를 세로 150 ㎚ × 가로 150 ㎚ 내지 세로 약 500 ㎚ × 가로 약 500 ㎚ 정도로 하고, 해상도를 512 × 512 픽셀 이상으로 한다.

다음으로, 동일한 관찰 영역에 대하여, B, N, Al 및 O 의 원소 매핑 이미지 (도 4 ∼ 6, 12 참조) 를 취득한다. 이들 원소 매핑 이미지은, 백그라운드를 제거하기 위해서, 이들 4 원소의 함유량의 합계에 대한 각 원소의 함유량의 비율 (atm％) 로 환산한 화상이다. 이들 화상을 기초로, 이하의 (a) ∼ (d) 의 순서로, 인접하는 cBN 입자간에 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하는 결합상이 존재하는지 아닌지를 확인하고, 당해 결합상에 있어서의 Al 과 O 가 차지하는 비율을 구한다.

(a) B 와 N 의 매핑 이미지 (도 4, 5 참조) 로부터, 관찰하고 있는 영역이, 2 이상의 cBN 입자가 존재하여, 관찰 대상이 되는 영역인 것을 확인한다.

(b) Al 의 매핑 이미지 (도 6) 와 B 의 매핑 이미지 (도 4) 와 N 의 매핑 이미지 (도 5) 를 중첩하여, 이들 매핑 이미지가 서로 중복되는 영역을, cBN 입자의 사이에 존재시키고, 또한 Al, B, N 을 함유하는 결합상으로서 특정한다 (도 7). 그리고, 다음과 같이 이 결합상의 폭을 결정한다.

(b1) cBN 입자간에 1 개의 결합상이 연장되어 있는 경우, 즉 B 와 N 이 존재 하고 있는 영역과 겹치는 Al 의 섬이 1 개인 경우, 우선 Al 의 매핑 이미지에 있어서, 결합상에 상당하는 Al 의 섬을 타원으로서 근사시켰을 때의 장축을 얻는다. 상세하게는, B 와 N 이 존재하고 있는 영역과 겹치는 Al 의 섬을, 상기 서술한 cBN 입자의 평균 입경의 측정시에 실시한 처리와 동일하게, 화상 처리로 발출시키고, 발출된 섬을 화상 해석에 의해 타원에 근사시켰을 경우의 최대 길이를 장축으로 한다. 이 장축을 cBN 입자간의 계면 개형선으로 한다.

(b2) 또, 결합상이 cBN 입자간에 점재되는 경우, 즉 B 와 N 이 존재하고 있는 영역과 겹치는 Al 의 섬이 2 개 이상으로 나누어져 있는 경우에는, B 와 N 이 존재하는 영역과 겹치는 Al 의 각 섬을, 상기 서술한 cBN 입자의 평균 입경의 측정시에 실시한 처리와 동일하게, 화상 처리에 의해 발출시킨다 (도 7). 이어서, 화상 처리에 의해 발출된 각 섬을 타원 근사시킨다 (도 8). 그리고, 각 타원의 단축을 구한다. 각 단축에 있어서의 중점을 구하여, 이웃하는 각 중점을 직선으로 이은 다각선 (T) 을 그린다. 이 다각선 (T) 을 cBN 입자의 계면 개형선으로 한다 (도 9, 도 10).

(b3) Al 의 매핑 이미지에 있어서, 상기 (b1) 또는 (b2) 에서 얻은 계면 개형선과 겹치는 Al 의 섬의, 계면 개형선에 수직인 방향에 있어서의 폭을 측정한다 (도 10). 적어도 3 개소에 대하여, Al 의 섬의 폭을 측정한다. 상세하게는, Al 의 섬이 3 개 이상 존재하는 경우에는, 적어도 3 개의 Al 의 섬에 대하여 최대 폭을 측정한다. 측정한 폭의 평균치를, 이웃하는 cBN 입자의 사이에 존재하는 결합상의 폭으로 한다. Al 의 섬이 2 개 이하인 경우에는, Al 의 섬의 최대 폭을 측정한다. 그 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하인 경우, cBN 입자의 사이에 존재하는 Al, B, N 을 함유하는 결합상의 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하라고 간주한다.

(c) 다음으로, 그 결합상에 포함되는 Al 의 함유량과 O 의 함유량을 이하와 같이 구한다. 우선, Al 과 O 의 매핑 이미지를 2 치화 처리한 화상 (도 11, 12) 을 사용하여, 상기 (b) 에서 확인한 계면 개형선을 중심으로 한 폭 30 ㎚ 의 측정 영역 (M) 을 결정한다. 이 영역 (M) 은, 계면 개형선과의 거리가 15 ㎚ 이며 계면 개형선에 평행 또한 합동인 2 개의 선과, 그 단부를 연결하는 2 개의 직선에 둘러싸인 영역이다. Al 의 매핑 이미지를 2 치화 처리한 화상으로부터, 이 영역 (M) 에 있어서의 B 와 N 과 Al 이 겹치는 부분의 Al 의 면적을 구한다. O 에 대해서도 동일하게 하여, 상기 영역 (M) 에 있어서의 O 의 면적을 구한다. 이와 같이 구한 영역 (M) 에 있어서의 Al 의 면적에 대한 O 의 면적의 비율 (면적％) 을, 당해 결합상 중의 Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율 (O/Al (원자비)) 로 한다.

＜인접하는 cBN 입자와의 사이에 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하는 결합상이 존재하는 cBN 입자의 비율 (q/Q)＞

인접하는 cBN 입자와의 사이에 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하는 결합상이 존재하는 cBN 입자의 수 (q) 의 전체 cBN 입자의 수 (Q) 에 대한 비율 (q/Q) 은, 다음과 같이 측정할 수 있다. 우선, 최외층 (4) 의 임의의 단면에 있어서, 도 13 의 모식도에 나타내는 바와 같이, 한 변의 길이 (L) 가 cBN 입자 (10) 의 평균 입경의 5 배인 정방형 영역을 하나의 측정 시야 범위 (A) 로 정한다. 예를 들어, cBN 입자의 평균 입경이 1 ㎛ 인 경우에는, 5 ㎛ × 5 ㎛ 의 정방형의 영역을 하나의 측정 시야 범위로 한다.

이어서, 정방형을 이루는 측정 시야 범위 (A) 의 정상부로부터 대각선 (D) 을 긋고, 그 대각선 (D) 과 겹치는 cBN 입자 (10) 의 수 (Q₁) 를 카운트한다. 또, 대각선 (D) 상에 존재하는 개개의 cBN 입자 (10) 에 대하여, 인접하는 cBN 입자 (10) 와의 사이에 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하는 결합상 (20) 이 존재하는지 아닌지를, 상기 서술한 방법에 의해 특정한다. 그리고, 인접하는 cBN 입자 (10) 와의 사이에 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하는 결합상 (20) 이 존재한다고 특정된 cBN 입자 (10) 의 수 (q₁) 를 카운트한다. 얻어진 cBN 입자 (10) 의 수 (q₁, Q₁) 로부터 q₁/Q₁ 의 값을 산출한다. 적어도 5 시야에 대하여 q₁/Q₁ 을 산출하여, 이들 평균치를 상기 비율 (q/Q) 로 한다.

＜폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하고, Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율이 0.1 이하인 결합상이 인접하는 cBN 입자와의 사이에 존재하는 cBN 입자의 비율 (n/N)＞

폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하고, Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율 (O/Al) 이 0.1 이하인 결합상이 인접하는 cBN 입자와의 사이에 존재하는 cBN 입자의 수 (n) 의, 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하는 결합상이 인접하는 cBN 입자와의 사이에 존재하는 cBN 입자의 수 (N) 에 대한 비율 (n/N) 은 다음과 같이 측정할 수 있다. 우선, 도 13 의 모식도에 있어서, 상기 서술한 바와 같이, 대각선 (D) 과 겹치는 cBN 입자 (10) 중, 인접하는 cBN 입자 (10) 와의 사이에 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하는 결합상 (20) 이 존재하는 cBN 입자 (10) 를 특정하고, 그 수 (N₁) 를 카운트한다. 이어서, 이들 cBN 입자 (10) 중, 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하는 결합상 (20) 에 있어서의 Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율 (O/Al) 이 0.1 이하로 되어 있는 cBN 입자 (10) 를, 상기 서술한 방법에 의해 특정하고, 그 수 (n₁) 를 카운트한다. 얻어진 cBN 입자 (10) 의 수 (n₁), N₁ 로부터 n₁/N₁ 의 값을 산출한다. 적어도 5 시야에 대하여 n₁/N₁ 을 산출하고, 이들 평균치를 상기 비율 (n/N) 로 한다.

이상과 같은 최외층 (4) 과 기체 (2) 의 사이에는, 적어도 1 층의 중간층 (5) 이 형성되어 있다. 이로써, 최외층 (4) 의 박리를 방지할 수 있다. 즉, 상기 서술한 cBN 소결체로 이루어지는 최외층 (4) 을 기체 (2) 에 직접 형성했을 경우, 초경합금 등의 경질 재료로 이루어지는 기체 (2) 와 최외층 (4) 의 수축률의 차이로 인해, 소결 후에 응력이 잔류하여, 기체 (2) 와 최외층 (4) 의 계면에 크랙이 생긴다. 본 실시형태에서는, 최외층 (4) 과 기체 (2) 의 사이에 중간층 (5) 을 형성하고 있으므로, 중간층 (5) 이 응력 완화층으로서 기능한다. 그 결과, 크랙의 발생을 억제할 수 있어, 최외층 (4) 의 박리를 방지할 수 있다.

중간층 (5) 의 구성은, 그 경도 (비커스 경도) 가 최외층 (4) 보다 작고 기체 (2) 보다 큰 것 이외에는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 중간층 (5) 은 Al 과, Co, Ni, Mn, Fe 중 적어도 1 종을 포함하는 촉매 금속에 의해 소결된 cBN 소결체여도 된다. 또, 상기 금속 촉매에, W, Mo, Cr, V, Zr, Hf 중 적어도 1 종을 포함하는 금속 첨가물이 첨가되어 있어도 된다. 또한, 중간층 (5) 을 다이아몬드, 코발트, 및 탄화텅스텐으로 이루어지는 다결정 다이아몬드 소결체로 구성할 수도 있다.

여기서, 중간층 (5) 은, 30 ∼ 70 vol％ 의 cBN 입자 또는 다이아몬드 입자를 함유하고 있는 것이 바람직하다. 경질 입자인 cBN 입자 또는 다이아몬드 입자의 함유량이 30 vol％ 이하인 경우에는 경도가 기체 (2) 보다 작아진다. 또, 70 vol％ 이상인 경우에는 최외층 (4) 과 동등한 경도가 된다. 그 때문에, 응력 완화층으로서 기능하기 위해서는, 중간층 (5) 에 있어서의 cBN 입자 또는 다이아몬드 입자의 함유량을 30 ∼ 70 vol％ 로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시형태에서는, 중간층 (5) 이 단층 구조로 되어 있지만, 2 층 이상의 다층 구조여도 된다. 단, 중간층 (5) 을 3 층 이상의 다층 구조로 한 경우에는, 최외층 (4) 측으로부터 기체 (2) 측을 향함에 따라 중간층 (5) 의 cBN 입자 또는 다이아몬드 입자의 함유량이 점감되어 비커스 경도가 작아지는 것이 바람직하다.

칩 중심선 (C) 상에 있어서의 최외층 (4) 의 두께는, 0.3 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 최외층 (4) 의 두께가 0.3 ㎜ 이하인 경우, 굴착 칩이 곧바로 마멸되어 단수명이 될 우려가 있다. 한편, 최외층 (4) 의 두께가 1.5 ㎜ 이상인 경우, 소결시의 잔류 응력에 의한 크랙이 발생하기 쉬워져, 굴착시의 돌발 결손을 초래할 우려가 있다. 최외층 (4) 의 두께는 보다 바람직하게는 0.4 ㎜ 이상 1.3 ㎜ 이하이다. 또, 칩 중심선 (C) 상에 있어서의 중간층 (5) 전체의 두께는, 0.2 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 중간층 (5) 의 두께가 0.2 ㎜ 이하인 경우, 균일한 층이 형성되기 어렵고, 소결시의 잔류 응력이 흡수되기 어려워져, 칩의 응력 완화의 역할을 완수할 수 없게 될 우려가 있다. 한편, 중간층 (5) 의 두께가 1.0 ㎜ 이상인 경우, 경질층 (3) (최외층 (4) 및 중간층 (5)) 전체의 두께가 커지고, 소결시의 잔류 응력에 의한 크랙이 발생하기 쉬워져, 굴착시의 돌발 결손을 초래할 우려가 있다. 중간층 (5) 전체의 두께는 보다 바람직하게는 0.3 ㎜ 이상 0.8 ㎜ 이하이다.

다음으로, 상기 서술한 최외층 (4) 및 중간층 (5) 을 구비하는 굴착 칩의 제조 방법을 설명한다.

본 실시형태의 굴착 칩의 제조 방법은, cBN 입자의 표면에 전처리를 실시하는 공정과, 최외층 (4) 의 결합상의 원료 분말과 전처리한 cBN 입자를 혼합한 혼합 분말을 얻는 공정과, 혼합 분말과 중간층 (5) 의 원료 분말과 기체 (2) 를 소결시키는 공정을 구비한다.

cBN 입자 표면의 전처리는, 표면 청정도가 높은 cBN 입자를 얻기 위해서, 다음과 같이 실시한다. 우선, cBN 입자의 표면에, 매우 얇은 막두께의 AlN 막을 성막한다. 성막 방법으로서, 예를 들어 ALD 법 (Atomic Layer Deposition) 을 사용할 수 있다. ALD 법은 CVD 법의 일종으로, 진공 챔버 내의 기재에, 원료 화합물의 분자를 1 층마다 반응시키고, Ar 이나 질소에 의한 퍼지를 반복 실시함으로써 성막하는 방법이다. 구체적으로는, 우선 유동층로 내에 기재가 되는 cBN 입자를 장입하고, 노 내를 350 ℃ 정도로 승온시킨다. 이어서, Ar＋Al(CH₃)₃ 가스 유입 공정, Ar 가스 퍼지 공정, Ar＋NH₃ 가스 유입 공정, 및 Ar 가스 퍼지 공정을 1 사이클로 하여, 이 사이클을 원하는 AlN 막두께가 될 때까지 반복 실시한다. 예를 들어, 30 분에 걸쳐 성막함으로써, 막두께 5 ㎚ 정도의 AlN 막을, cBN 입자 표면에 피복 형성할 수 있다.

다음으로, AlN 막을 피복한 cBN 입자를, 진공하에서 약 1000 ℃ 에서 가열한다. 이로써, cBN 입자 표면의 산소 등의 불순물 원소를 AlN 막 중에 확산시켜 포착한다. 마지막으로, cBN 입자를 볼 밀 혼합함으로써, 불순물 원소를 포착한 AlN 막을 cBN 입자의 표면으로부터 박리한다.

이와 같은 전처리를 cBN 입자에 실시함으로써, 산소 등의 불순물 성분이 표면으로부터 제거된 표면 청정도가 높은 cBN 입자를 얻는다. 또한, cBN 입자 표면의 전처리는 상기 서술한 처리에 한정되지 않고, cBN 입자 표면의 불순물 성분을 제거할 수 있는 방법이면 된다.

다음으로, 전처리를 실시한 cBN 입자를 최외층 (4) 의 결합상의 원료 분말과 소정의 조성이 되도록 혼합하여, 혼합 분말을 얻는다. 최외층 (4) 의 결합상의 원료 분말로서, TiN 분말, Al 분말, TiAl₃ 분말, 및 Al₂O₃ 분말을 사용할 수 있다.

그 후, 얻어진 혼합 분말과 중간층 (5) 의 원료 분말과 기체 (2) 를, 초고압 고온 소결시킨다. 이와 같이 하여, 최외층 (4), 중간층 (5) 및 기체 (2) 를 일체로 소결시킴으로써, 본 실시형태의 굴착 칩의 칩 본체 (1) 를 제조할 수 있다.

본 실시형태의 제조 방법에 의하면, 최외층 (4) 의 cBN 입자로서 전처리에 의해 표면의 청정도를 높인 cBN 입자를 사용함과 함께, 이것을 초고압 고온 소결시킴으로써, 상기 서술한 구성을 구비하는 최외층 (4) 을 형성할 수 있다. 또, 다이아몬드 및 입방정 질화붕소의 안정 영역인 압력 5.0 GPa 이상, 온도 1500 ℃ 이상에서 소결시키는 것이 바람직하다. 이로써, 최외층 (4) 과 중간층 (5) 을 기체 (2) 상에 동시에 형성할 수 있다. 또한, 소결 압력은 5.5 GPa 이상 8.0 GPa 이하가 보다 바람직하고, 소결 온도는 1600 ℃ 이상 1800 ℃ 이하가 보다 바람직하다. 또한, 상기 공정은 원료 분말의 산화를 방지하도록 실시되는 것이 바람직하고, 구체적으로는 비산화성의 보호 분위기하에서 원료 분말이나 성형체를 취급하는 것이 바람직하다.

이상, 본 발명의 실시형태의 굴착 칩, 굴착 공구 및 굴착 칩의 제조 방법에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 그 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경 가능하다. 본 실시형태에서는, 상기 서술한 바와 같이 칩 본체 (1) 의 선단부가 반구상을 이루는 버튼 타입의 굴착 칩에 본 발명을 적용했을 경우에 대하여 설명했지만, 칩 본체 (1) 의 선단부가 포탄상을 이루는, 이른바 발리스틱 타입의 굴착 칩이나, 선단부의 후단측이 원추면상을 이루어 선단측을 향함에 따라 축경됨과 함께, 그 선단이 칩 본체 (1) 의 원주상의 후단부보다 작은 반경의 구면상을 이루는, 이른바 스파이크 타입의 굴착 칩에 본 발명을 적용할 수도 있다.

또, 본 실시형태에서는 굴착 칩을 굴착 바이트에 적용했을 경우에 대하여 설명했지만, 본 발명의 굴착 칩은, 노천 채굴이나 장벽식 채굴에 사용되는 드럼식 굴착 장치의 회전 드럼의 외주에 장착되는 피크에 적용할 수도 있다.

실시예

다음으로, 본 발명의 굴착 칩 및 굴착 비트의 실시예를 들어, 본 발명의 효과에 대하여 실증한다.

(실시예 1)

우선, 실시예 1 로서, 최외층을 구성하는 cBN 소결체의 실시예를 들어, 본 발명의 효과에 대하여 실증한다.

표 1 에 나타내는 메디안 직경 (D50) 을 갖는 cBN 입자를 기재로 하여, ALD 법에 의해, cBN 입자에 표 1 에 나타내는 평균 막두께의 AlN 막을 피복하였다. 구체적으로는, 우선 cBN 입자를 노 내에 장입하고, 노 내를 350 ℃ 로 승온시켰다. 이어서, 성막용 가스로서, Al 의 선구체인 Al(CH₃)₃ 가스, 및 반응 가스로서 NH₃ 가스를 사용하여, 이하의 (1) ∼ (4) 를 1 사이클로 하여, 이 사이클을 AlN 막이 목표 막두께가 될 때까지 반복하였다.

(1) Ar＋Al(CH₃)₃ 가스 유입 공정

(2) Ar 가스 퍼지 공정

(3) Ar＋NH₃ 가스 유입 공정

(4) Ar 가스 퍼지 공정

cBN 입자를 SEM 으로 관찰함으로써, cBN 입자의 표면에 표 1 에 나타내는 평균 막두께의 AlN 막이 피복되어 있는 것을 확인하였다.

이어서, cBN 입자 표면의 산소 등의 불순물 원소를 AlN 막 중에 확산시키기 위해서, AlN 막으로 피복된 cBN 입자를, 진공하에서 약 1000 ℃, 30 분 가열 처리하였다. 가열 처리된 cBN 입자를 탄화텅스텐제의 용기와 볼을 사용하여 볼 밀 혼합하여, cBN 입자 표면으로부터 AlN 막을 박리하였다.

0.3 ∼ 0.9 ㎛ 의 범위 내의 평균 입경을 갖는 TiN 분말, TiC 분말, Al 분말, TiAl₃ 분말, 및 WC 분말을 결합상의 원료 분말로서 준비하였다. 이들 원료 분말 중에서 선택된 복수의 원료 분말과, 상기 서술한 바와 같이 전처리를 실시한 cBN 입자의 분말을, 이들의 합량을 100 vol％ 로 했을 때의 cBN 입자의 분말의 함유량이 70 ∼ 95 vol％ 가 되도록 배합하고, 습식 혼합하여, 건조시켰다. 그 후, 유압 프레스로 성형압 1 ㎫ 로 직경 : 50 ㎜ × 두께 : 1.5 ㎜ 의 치수로 프레스 성형하여 성형체를 얻었다. 이어서, 이 성형체를, 1 Pa 의 진공 분위기 중, 1000 ∼ 1300 ℃ 의 범위 내의 소정 온도로 30 ∼ 60 분간 유지하여 열처리한 후, 초고압 소결 장치에 장입하여 5.0 GPa, 1600 ℃ 에서 30 분간 초고압 고온 소결시켰다. 이로써, 표 2 에 나타내는 본 발명 cBN 소결체 1 ∼ 17 을 제작하였다.

비교를 위해, 다음과 같이, 비교예 cBN 소결체 1 ∼ 10 을 준비하였다. 우선, 표 4 에 나타내는 메디안 직경 (D50) 을 갖는 cBN 입자 a ∼ i 를 준비하였다. cBN 입자 a, b, e ∼ i 에 대해서는, 본 발명 cBN 소결체 1 ∼ 17 과 동일한 전처리를 실시하지 않았다. cBN 입자 c, d 에 대해서는, 본 발명 cBN 소결체 1 ∼ 17 과 동일하게, cBN 입자 표면에 표 4 에 나타내는 평균 막두께를 갖는 AlN 막을 형성한 후 박리하는 전처리를 실시하였다.

상기 서술한 본 발명 cBN 소결체 1 ∼ 17 과 동일한 결합상의 원료 분말로부터 선택된 복수의 원료 분말과 cBN 입자의 분말을, 그 합량을 100 vol％ 로 했을 때의 cBN 입자의 분말의 함유량이 55 ∼ 98.2 vol％ 가 되도록 배합하였다. 이어서, 상기 본 발명 cBN 소결체 1 ∼ 17 과 동일한 순서로, 표 5 에 나타내는 비교예 cBN 소결체 1 ∼ 10 을 제조하였다.

본 발명 cBN 소결체 1 ∼ 17 및 비교예 cBN 소결체 1 ∼ 10 에 대하여, cBN 이외의 결합상 조직을 XRD (X-ray Diffraction) 에 의해 확인하였다. 또, 본 발명 cBN 소결체 1 ∼ 17 및 비교예 cBN 소결체 1 ∼ 10 에 대하여, cBN 입자의 평균 입경 (㎛), cBN 입자의 함유량 (vol％) 을, 상기 서술한 방법으로 측정하였다. 또한, 화상 처리에 사용한 관찰 영역은, 15 ㎛ × 15 ㎛ 로 하였다. 이들 결과를 표 2, 5 에 나타낸다.

또한, 본 발명 cBN 소결체 1 ∼ 17 및 비교예 cBN 소결체 1 ∼ 10 의 연마면 상의 10 점에 대하여, 하중 5 ㎏ 으로 비커스 경도 (Hv) 를 측정하였다. 이들의 평균을 평균 비커스 경도로 하여 표 2, 5 에 나타낸다. 또한, 각 값에 대하여 첫 자릿수를 사사오입하였다. 또, 표 2, 5 의 cBN 함유량 (C (vol％)) 과 비커스 경도 (H (Hv)) 의 관계를 플롯한 그래프를 도 14 에 나타낸다.

또한, 이웃하는 cBN 입자간에 있어서의 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하인 결합상의 유무, 및 이 결합상에 있어서의 Al, B, N 의 유무를 상기 서술한 방법으로 확인함과 함께, 이 결합상에 있어서의 Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율 (O/Al) 을 상기 서술한 방법으로 산출하였다. 이 비율 (O/Al) 은 5 개소에 대하여 측정하고, 그 평균치를 산출하였다. 이 결과를 표 2, 3, 5, 6 에 나타낸다. 또한, 표 중의 「-」은, 이웃하는 cBN 입자간에 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하인 결합상이 존재했지만, Al, B, N 원소가 겹치는 곳이 없었기 때문에, 계면 개형선을 규정할 수 없어, 비율 (O/Al) 을 산출할 수 없었던 것을 의미한다.

또, 이웃하는 입방정 질화붕소 입자의 사이에 있어서의 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하고, 또한 Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율 (O/Al) 이 0.1 이하인 결합상의 유무를, 10 시야에 있어서 관찰하였다. 이와 같은 결합상을 관찰할 수 있었던 시야의 수를 관찰 시야수로 하여 표 3, 6 에 나타낸다. 또한, 10 시야에 대하여, 상기 서술한 바와 같이, cBN 입자의 수 (Q₁) 와, 인접하는 cBN 입자와의 사이에 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하는 결합상이 존재하는 cBN 입자의 수 (q₁ (N₁)) 와, 이 결합상 중의 Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율 (O/Al) 이 0.1 이하로 되어 있는 cBN 입자의 수 (n₁) 를 구하였다. 각 시야의 q₁/Q₁ 및 n₁/N₁ 의 평균치로부터, 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하는 결합상이 인접하는 cBN 입자와의 사이에 존재하는 cBN 입자의 비율 (q/Q) 과, 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하고, 또한 Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율 (O/Al) 이 0.1 이하인 결합상이 인접하는 cBN 입자와의 사이에 존재하는 cBN 입자의 비율 (n/N) 을 구하였다. 이 결과를 표 3, 6 에 나타낸다.

표 2, 3, 5, 6 에 나타내는 결과로부터, 본 발명 cBN 소결체 1 ∼ 17 은, cBN 입자에 전처리를 실시했으므로, 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하고, Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율 (O/Al) 이 0.1 이하로 산화물이 적은, 강고한 결합상이 cBN 입자간에 형성되어 있는 것이 확인되었다. 또한, 이웃하는 cBN 입자간에 폭 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하고, 또한 Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율 (O/Al) 이 0.1 이하인 결합상이 전체 관찰 시야수의 60 ％ 이상에서 관찰되었으므로, cBN 입자끼리가 접촉하여 결합상과 충분히 반응할 수 없는 미소결 부분이 적은 것이 확인되었다. 또, 본 발명 cBN 소결체 1 ∼ 17 은, 3700 초과의 비커스 경도 (Hv) 를 갖는 것이 확인되었다.

이에 비하여, 비교예 cBN 소결체 3, 4 는, cBN 입자에 전처리가 실시되었으므로, Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율 (O/Al) 은 평균 0.1 이하로 산화물은 적었다. 한편, cBN 함유량은 70 vol％ 미만 또는 95 vol％ 초과였으므로, 비커스 경도 (Hv) 는 낮았다. 또, 비교예 cBN 소결체 6 은, cBN 입자에 전처리를 하지 않았기 때문에, cBN 입자의 함유량이 동일한 본 발명 cBN 소결체 8 보다 비커스 경도 (Hv) 가 낮았다. 그 밖의 비교예 cBN 소결체 1, 2, 5, 7 ∼ 10 은, 모두 Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율 (O/Al) 이 0.1 초과로, 비커스 경도 (Hv) 가 낮았다.

또, 도 14 로부터도 알 수 있는 바와 같이, 본 발명 cBN 소결체 1 ∼ 17 의 비커스 경도는, H=-0.42C²＋81.5C (단, H 는 비커스 경도, C 는 vol％ 에 의한 cBN 함유량을 나타낸다) 로 나타내는 곡선의 상방에 위치하였다. 이에 비하여, 비교예 cBN 소결체 1 ∼ 10 은 모두 상기 곡선의 하방에 위치하였다. 이러한 점으로부터, cBN 입자의 함유량이 동일한 경우에도, 본 발명 cBN 소결체의 비커스 경도가, 비교예 cBN 소결체보다 높은 것이 분명해졌다. 또한, 도 14 중의 곡선은, 경험적으로 얻어진 cBN 소결체의 cBN 입자 함유량과 비커스 경도의 관계를 나타낸다.

(실시예 2)

다음으로, 실시예 2 로서, 상기 서술한 cBN 소결체를 최외층에 적용한 굴착 칩의 실시예를 들어, 본 발명의 효과에 대하여 실증한다.

실시예 1 과 동일한 전처리를 실시한 입경 4.1 ㎛ 의 cBN 입자의 분말과, 결합상의 원료 분말인 입경 0.5 ㎛ 의 TiN 분말과, 입경 0.3 ㎛ 의 Al 분말과, 입경 0.5 ㎛ 의 TiAl₃ 분말과, 입경 0.8 ㎛ 의 WC 분말을, 이들의 합량을 100 vol％ 로 했을 때의 cBN 입자 분말의 함유량이 표 7 의 비율이 되도록 배합하고, 습식 혼합하여, 건조시켰다. 이와 같이 하여 본 발명예 1 ∼ 4 의 최외층의 원료 분말을 얻었다. 입경 9.6 ㎛ 의 전처리하지 않는 cBN 분말과, 입경 4 ㎛ 의 W 분말과, 입경 0.9 ㎛ 의 Al 분말과, 입경 3 ㎛ 의 Co 분말을 표 8 의 비율이 되도록 배합하고, 습식 혼합하여, 건조시켰다. 이로써, 본 발명예 1 ∼ 3 의 중간층의 원료 분말을 얻었다. 또, 입경 8 ㎛ 의 다이아몬드 입자와, 입경 3.7 ㎛ 의 Co 분말과, 입경 2.1 ㎛ 의 WC 분말을 이들의 합량을 100 vol％ 로 했을 때의 다이아몬드 입자의 함유량이 표 8 의 비율이 되도록 배합하고, 습식 혼합하여, 건조시켰다. 이로써, 본 발명예 4 의 중간층의 원료 분말을 얻었다.

본 발명예 1 ∼ 4 의 최외층의 원료 분말과 중간층의 원료 분말을, WC : 94 wt％, Co : 6 wt％ 의 초경합금으로 이루어지는 기체와 함께, 소결 압력 6.0 GPa, 소결 온도 1600 ℃, 소결 시간 20 분의 조건하에서 일체로 소결시켰다. 이로써, 반경 5.5 ㎜, 칩 중심선 방향의 길이 16 ㎜ 의, 본 발명예 1 ∼ 4 에 관련된 버튼 칩 (굴착 칩) 을 제조하였다. 또한, 칩 본체 선단부가 이루는 반구의 반경은 5.75 ㎜ 였다. 또, 칩 중심선 방향에 있어서의 최외층 및 중간층을 표 7, 8 의 층두께로 하였다.

또, 본 발명예 1 ∼ 4 에 대한 비교예로서, 최외층의 경질 입자를 cBN 입자가 아니라 다이아몬드 입자로 한 버튼 칩 (비교예 1), 최외층의 결합상으로서 금속 촉매를 사용한 버튼 칩 (비교예 2), 최외층에 포함되는 cBN 입자의 함유량을 70 vol％ 미만으로 한 버튼 칩 (비교예 3), 중간층을 두지 않는 버튼 칩 (비교예 4), 및 최외층에 포함되는 cBN 입자의 함유량을 95 vol％ 초과로 한 버튼 칩 (비교예 5) 을 제조하였다. 비교예 1 ∼ 5 의 버튼 칩을 모두 본 발명예 1 ∼ 4 와 동일한 치수로 하였다.

여기서, 비교예 1, 2 의 버튼 칩의 최외층에는, 전처리하지 않는 경질 입자 (다이아몬드 입자 또는 cBN 입자) 를 사용하였다. 상세하게는, 비교예 1 의 버튼 칩은, 입경 8 ㎛ 의 다이아몬드 입자와, 입경 3 ㎛ 의 Co 분말과, 입경 2.7 ㎛ 의 WC 분말을 이들의 합량을 100 vol％ 로 했을 때의 다이아몬드 입자의 함유량이 표 7 의 비율이 되도록 배합하고, 습식 혼합하여, 건조시켰다. 이와 같이 하여 최외층의 원료 분말을 얻었다. 그리고, 이 최외층의 원료 분말과 본 발명예 1 ∼ 4 와 동일한 중간층의 원료 분말을, 본 발명예 1 ∼ 4 와 동일한 초경합금으로 이루어지는 기체와 함께, 소결 압력 5.4 GPa, 소결 온도 1450 ℃, 소결 시간 5 분의 조건하에서 일체로 소결시켰다.

비교예 2 의 버튼 칩은, 입경 4.1 ㎛ 의 전처리하지 않은 cBN 입자 분말과, 입경 1.5 ㎛ 의 W 분말과, 입경 0.3 ㎛ 의 Al 분말과, 입경 3 ㎛ 의 Co 분말을 이들의 합량을 100 vol％ 로 했을 때의 cBN 입자 분말의 함유량이 표 7 의 비율이 되도록 배합하고, 습식 혼합하여, 건조시켰다. 이와 같이 하여 최외층의 원료 분말을 얻었다. 그리고, 이 최외층의 원료 분말과 본 발명예 1 ∼ 4 와 동일한 중간층의 원료 분말을, 본 발명예 1 ∼ 4 와 동일한 초경합금으로 이루어지는 기체와 함께, 소결 압력 5.0 GPa, 소결 온도 1600 ℃, 소결 시간 30 분의 조건하에서 소결시켰다.

비교예 3, 5 의 버튼 칩은, 본 발명예 1 ∼ 4 와 동일하게 제작하였다. 비교예 4 의 버튼 칩은, 중간층을 두지 않는 것을 제외하고, 본 발명예 1 ∼ 4 와 동일하게 제작하였다. 또, 비교예 1 ∼ 5 의 칩 중심선 방향에 있어서의 최외층 및 중간층을 표 7, 8 의 층두께로 하였다.

본 발명예 1 ∼ 4 및 비교예 3 ∼ 5 의 전처리한 cBN 입자를 사용하여 형성한 최외층의 칩 중심선 (C) 을 통과하는 단면에 대하여, 이웃하는 cBN 입자간에 있어서의 폭 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하의 결합상의 유무, 이 결합상에 있어서의 Al, B, N 의 유무를 상기 서술한 방법으로 확인함과 함께, 이 결합상에 있어서의 Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율 (O/Al) 을 상기 서술한 방법으로 산출하였다. 이 결과를, 최외층의 비커스 경도와 함께 표 7 에 나타낸다.

또한, 이들 본 발명예 1 ∼ 4 및 비교예 1 ∼ 5 의 굴착 칩을 각각 1 종씩, 도 2 에 나타낸 바와 같은 비트 직경 45 ㎜ 의 비트 본체에 있어서의 페이스면에 2 개, 게이지면에 5 개의, 합하여 7 개 장착한 7 종의 굴착 비트를 제조하였다. 그리고, 이들 굴착 비트에 의해, 니켈 광석의 광산에 1 개의 굴착 길이가 4 m 인 굴착구멍을 복수 굴착하는 굴착 작업을 실시하여, 굴착 칩이 수명에 이를 때까지의 토탈 굴착 길이 (m) 를 측정함과 함께, 굴착 칩이 수명에 이르렀을 때의 칩 파손 상태를 확인하였다. 또한, 버튼 칩이 칩핑 등의 결손을 일으키지 않고 최외층이 서서히 마모된 경우에는 정상 마모라고 판단하였다. 이들 마모 영역 (마모량) 이 커져, 최종적으로 게이지 직경이 비트 본체의 외경과 동일해졌을 때에 비트가 수명에 이르렀다고 판단하였다. 한편, 칩 본체가 2 개 이상 결손되고, 그 영향으로 굴착 속도가 저하되었을 때도 비트가 수명에 이르렀다고 판단하였다.

또한, 굴착 조건은, 굴착 장치가 TAMROCK 사 제조 형번 H205D, 타격 압력은 160 bar, 피드 (이송) 압력은 80 bar, 회전 압력은 55 bar, 블로우구멍으로부터는 물을 공급하여 그 수압은 18 bar 였다. 이 결과를 표 8 에 나타낸다.

경질층이 다결정 다이아몬드 소결체인 비교예 1 의 굴착 칩을 장착한 굴착 비트에서는, 굴착 길이가 124 m 이고, 결손에 의해 굴착 칩은 수명에 이르렀다. 또, 금속 촉매를 사용하여 최외층의 cBN 소결체를 형성한 비교예 2 의 굴착 칩을 장착한 굴착 비트에서는, 굴착 길이가 100 m 에 이르지 않고, 결손에 의해 굴착 칩은 수명에 이르렀다. 최외층의 cBN 입자의 함유량이 적은 비교예 3 의 굴착 칩을 장착한 굴착 비트에서는, 정상 마모에 의해 굴착 칩이 수명에 이르렀지만, 굴착 길이가 100 m 에 이르지 않았다. 중간층을 두지 않은 비교예 4 에서는 소결시에 크랙이 발생했기 때문에, 비교예 4 의 굴착 칩을 사용하여 굴착을 실시할 수 없었다. 최외층의 cBN 입자의 함유량이 많은 비교예 5 에서는, 최외층 내에 있어서의 소결시의 불균일성을 원인으로 하여 소결시에 크랙이 발생했기 때문에, 비교예 5 의 굴착 칩을 사용하여 굴착을 실시할 수 없었다.

이에 비하여, 본 발명예 1 ∼ 4 의 굴착 칩을 장착한 굴착 비트에서는, 굴착 길이가 가장 짧은 본 발명예 3 에서도 400 m 이상의 굴착이 가능하였다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 굴착 칩은, 다결정 다이아몬드 소결체에 필적하는 경도를 가져 내마모성을 확보하면서, Fe 계나 Ni 계의 광산이나 고온의 굴착 조건하에서도 사용 가능하다. 그 때문에, 광산 굴착용 비트, 건설 굴착용 비트, 석유 및 가스 (O＆G) 굴착용 비트, 및 노천 채굴이나 장벽식 채굴에 사용되는 드럼식 굴착 장치의 피크에 바람직하다.

1 칩 본체
2 기체
3 경질층
4 최외층
5 중간층
10 cBN 입자
11 비트 본체
20 결합상
C 칩 중심선
O 비트 본체 (11) 의 축선

Claims

굴착 공구의 선단부에 장착되어 굴착을 실시하는 굴착 칩으로서,
상기 굴착 공구의 공구 본체에 매설되는 후단부와, 그 굴착 공구의 표면으로부터 돌출되는 선단측을 향함에 따라 끝이 가늘어지는 선단부를 구비한 칩 본체를 갖고,
상기 칩 본체의 선단부의 표면에는 경질층이 형성되고,
상기 경질층은, 최외층과, 상기 최외층과 상기 칩 본체의 사이에 개장되는 중간층을 구비하고,
상기 최외층은, 70 ∼ 95 vol％ 의 입방정 질화붕소 입자와 결합상을 갖는 입방정 질화붕소 소결체이며,
상기 최외층의 단면 조직을 관찰했을 때, 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하고, 또한 Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율 (원자비) 이 0.1 이하인 결합상이 이웃하는 입방정 질화붕소 입자간에 존재하는 것을 특징으로 하는 굴착 칩.
제 1 항에 있어서,
상기 최외층의 비커스 경도가 3700 ∼ 4250 인, 굴착 칩.
제 1 항에 있어서,
상기 입방정 질화붕소 입자의 평균 입경은 0.5 ∼ 8.0 ㎛ 인, 굴착 칩.
제 1 항에 있어서,
상기 최외층의 단면 조직을 관찰했을 때,
인접하는 입방정 질화붕소 입자와의 사이에 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하는 결합상이 존재하는 입방정 질화붕소 입자의 수의 전체 입방정 질화붕소 입자수에 대한 비율이 0.4 이상이며,
폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하고, 또한 Al 함유량에 대한 O 함유량의 비율 (원자비) 이 0.1 이하인 결합상이 인접하는 입방정 질화붕소 입자와의 사이에 존재하는 입방정 질화붕소 입자의 수의, 폭이 1 ㎚ 이상 30 ㎚ 이하이며, Al, B, N 을 함유하는 결합상이 인접하는 입방정 질화붕소 입자와의 사이에 존재하는 입방정 질화붕소 입자의 수에 대한 비율이 0.5 이상인, 굴착 칩.
제 1 항에 있어서,
상기 중간층이 30 ∼ 70 vol％ 의 입방정 질화붕소 입자 또는 다이아몬드 입자를 함유하는 것을 특징으로 하는 굴착 칩.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 굴착 칩이 공구 본체의 선단부에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 굴착 공구.
굴착 공구의 공구 본체에 매설되는 후단부와, 그 굴착 공구의 표면으로부터 돌출되는 선단측을 향함에 따라 끝이 가늘어지는 선단부를 구비한 칩 본체를 갖고,
상기 칩 본체의 선단부의 표면에는 경질층이 형성되고,
상기 경질층이, 최외층과, 상기 최외층과 상기 칩 본체의 사이에 개장되는 중간층을 구비하고 있는 굴착 칩의 제조 방법으로서,
입방정 질화붕소 입자의 표면에 전처리를 실시하여 상기 입방정 질화 붕소 입자의 표면에 AlN 막을 증착하고, 열처리 후, 상기 AlN 막을 박리하는 공정과,
상기 최외층의 결합상의 원료 분말과 전처리 한 상기 입방정 질화붕소 입자를 혼합하여 혼합 분말을 얻는 공정과,
압력 5.0 GPa 이상, 온도 1500 ℃ 이상에서 상기 혼합 분말과 상기 중간층의 원료 분말과 상기 칩 본체를 소결시키는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 굴착 칩의 제조 방법.