Cubic boron nitride (cBN) is the second hardest material following diamond and polycrystalline cBN (PcBN) tools, unlike diamond, are suitable for machining hard ferrous materials such as hardened alloy steel, tool steels, cast irons and nickel/chromium cast iron and titanium alloys. They can also be used to machine very tough materials including Ni based, tungsten carbide and other ceramics. Cubic boron nitride loses its oxidation resistance at $1200\degC$. Compounds of Titanium such as TiN or TiC are often added to improve the thermal stability of cBN cutting tools. On a commercial basis, cBN is mechanically mixed with binders or sintering agents, then sintered at very high pressures and high temperatures. Due to very high melting point of the binders added, sintering proceeds without forming a liquid phase. During the solid state sintering, it is difficult to diffuse the binding material over the entire surface of every cBN particle. This often results in an inhomogeneous microstructure that either has portions lacking binder additives or portions where binding materials are segregated.
In this study, TiN was employed as the binder material. Coating of the binder material on the surface of each cBN particle was explored for the purpose of increasing the microstructural homogeneity and decreasing the cBN-cBN contact in the final sintered compacts. A novel sol-gel process was applied to prepare nanocrystalline TiN coated cBN powders.
High pressure high temperature (HPHT) sintered PcBN compacts prepared from TiN coated cBN powders exhibited better microstructural homogeneity than non-coated PcBN compacts. By using TiN coated cBN powders, TiN phase thickness was reduced and its homogeneity was improved remarkably in. This improved microstructural homogeneity was complimented by the superior mechanical properties such as hardness, TRS, compressive strength and cutting performance of the PcBN compacts with coated cBN. Hence, the developed coating process of cBN powders provides a solution to the contemporary microstructural problems leading to lower mechanical properties and cutting performance faced by conventional processing techniques.
1. 간단하지만 기술적으로 중요한 의미를 갖는 나노 TiN이 코팅된 Cubic boron nitride 입자에 대해 연구하였다. 이 새로운 sol-gel 방법은 pH가 제어된 core graphiting, cationic polyelectrolytes, 또는 계면활성제의 사용을 회피하였다. Titanium 산화물, 이후 질화된 titanium nitride은 alkoxide의 가수분해율 제어를 통해 cBN 표면에 증착되었다.
2. $TiO_x$ 의 코팅된 두께 변화는 단순한 precursor 함량을 조절함에 따라 제어할 수 있었다. 코팅된 TiN 나노 입자들의 평균 크기는 $TiO_x$ 의 코팅층의 두께에 영향을 받기 때문에, 이제 cBN 표면에 코팅된 TiN 나노입자들의 크기 제어가 가능하게 되었다.
3. cBN 입자들은 고온과 spark plasma에 의해 다결정의 소결체로 제작할 수 있었다. Spark plasma sintering(SPS)는 낮은 압력으로 인해 PcBN 소결체를 제조함에 있어 최적의 방법은 아니었다. 또한, SPS 소결 과정 중에 cubic 형태의 boron nitride 상이 hexagonal 형태로 변환되므로, 소결체 제작에 있어 문제점이 발생하였다.
4. HPHT 공정을 이용한 소결체 제작이 있어, cBN 코팅된 입자들을 사용한 경우 코팅되지 않은 입자들에 비해 높은 미세조직 균질도와 cBN 상의 분포도를 보이고 있었다. cBN 코팅된 입자를 사용한 미세조직 특성의 향상 효과는 현재 기계적인 혼합 기술의 한계점을 극복할 수 있는 잠재성을 지니고 있다.
5. cBN이 코팅된 분말을 사용된 PcBN 소결체의 경우 매우 높은 경도와, 압축강도, 항절력을 나타내었다. 이 세가지 특성의 경우 PcBN을 사용한 도구를 만드는데 있어 핵심적인 요소가 될 것이다. 그러므로, cBN입자가 코팅된 PcBN 소결체는 도구의 수명을 늘리는데 큰 도움이 될 것이라 기대한다.
