KR0174545B1 - 코발트 결합 다이아몬드 공구와 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

코발트 결합 다이아몬드 공구(예를 들어, 절삭, 드릴링 연마용) 복합 재료는 1내지 5중량 퍼센트를 가지는 코발트-붕소 합금의 균일 기지내의 다이아몬드 입자를 구비하며 균일하게 안정 및 조정가능한 약200 내지 650HB₃₀의 기지 경도를 갖는다.

Description

코발트 결합 다이아몬드 공구와 그 제조방법

본 발명은 공구로서 형성된 붕소룰 함유하는 코발트 결합 다이아몬드 공구와 그 공구의 제조 방법에 관한 것이다.

코발트 결합 다이아몬드 공구, 예를들면 암석용 틀톱 및 케이블 톱 또는 드릴 비트는 다이아몬드 분말과 코발트 금속 기지(matrix) 분말의 압축 및 소결된 혼합물로 제조된다. 코발트 금속은 경도 및 연성에 있어서 그 특정 용도에 적용되어야 한다.

다이아몬드 절단 공구로 암석이 착암되거나 절단될 때, 발생된 돌가루가 세척되어 냉각액과 함께 쓸려나가도록 침식 작용이 다이아몬드 입자 이면에 형성되어야 한다.

기지 금속이 너무 연하면, 돌가루의 마모 작용으로 인하여 침식이 깊이 발생하며, 다이아몬드는 결합 금속으로부터 조속히 이탈하여 절삭 과정을 더이상 이용할 수 없게 된다. 결합 금속이 너무 단단하면, 침식된 영역이 너무 작게되거나 침식이 발생하지 않는다. 그래서 돌가루는 제거될 수 없으며 절삭 작용이 급격히 감소된다. 양질의 암석톱 및 착암기를 위하여, 다이아몬드가 박혀있는 기지 금속은 정확하게 암석의 경도에 적용되어야 한다. 대리석 채석장의 작업자들은 공구 제작자에게 그 재료를 정확하게 측정하여 제조된 톱 또는 톱의 부품을 제공할 것을 요구한다.

순수 코발트 금속 분말의 소결된 부품에서의 기지 금속은 930℃ 내지 980℃에서 열간 가공한 후 약 200HB₃₀의 브리넬 경도를 갖는다. 이 경도는 분말의 형태 및 불순물로서 제공된 원소의 특성 및 양에 의존한다. 또한 코발트 금속 분말의 산소량은 경도를 설정하는 역활을 한다.

여러가지 도핑제는 주기율표의 4b, 5b 그리고 6b 족의 금속, 규화물 그리고 탄화물인 기지 금속과 같은 코발트를 함유하는 소결체에 대한 경화제로써 공지되었다. 특히 중요한 역활은 다양한 금속, 특히 철족 금속에 대한 경화제 로서의 작용이 공지된 붕소 원소에 의한 작용이다. 소위 바이엘 악티엔게젤샤프트의 Nibodur(상품명) 제법은 특히 중요하다. 그것은 니켈 또는 코발트로 재료를 코팅하기 위해 사용된다. 상기 방법에서, 봉소 함유 금속, 특히 니켈의 비전류(즉, 전해질이 없거나 전기이동이 없는) 화학증착은 독일연방공화국 특허 공개공보 제DE-OS 12 34 493 호에 기술된 바와같이 표면 코팅과 재료 경화를 위해 사용된다.

일본국 제 JP-A 57/38377 호에 따르면, 코발트가 코팅된 다이아몬드 분말이 기계적 저항물질과 같은 탄화물질을 추가로 함유하는 코발트 결합 다이아몬드 공구의 제조를 위하여 다른 물질 사이에서 사용된다.

코발트 또는 니켈로 다이아몬드를 코팅하는 것은 다이아몬드를 기지 금속에 더욱 확고히 결합시키고자 하는 것이다. 기지 금속과 다이아몬드의 표면사이의 결합이 불충분하면, 다이아몬드는 절삭 공정중에 파손되어 그 공정을 망치게될 수 있다. 열간 프레스와 소결 온도가 다이아몬드의 결합 개재물을 향상시키기 위해 증가되면, 표면이 침식되어 다이아몬드가 기지 금속을 갖는 탄화물 영역을 형성하며, 또한 온도 증가는 다이아몬드를 붕괴시킨다. 그러나 다이아몬드 코팅은 기지 금속의 경도에 영향을 미치지 않는다.

상기 방법에 의해 생산된 다이아몬드 공구는 기지 금속의 경질상이 다이아몬드 입자의 표면과 경질 재료의 입자 위치에서만 발생하기 때문에 다수의 불균일성 영역을 갖는다. 마무리 공구에서의 경도값의 계획된 조절은 이 수단에 의해 성취되지 않는다.

공교롭게 코발트 금속 분말의 성분 및 형태에 기인하는 통상의 경도 및 연성을 떠나서, 사용자는 빈번히 공구에 요구되는 특정 목적에 따라 다이아몬드 공구의 특정 경도 조건을 수행 할 수 있는 코발트 금속 분말을 요구하게 된다. 즉, 예정 브리넬 경도는 200 내지 500HB30의 영역에서 조정될 수 있어야 한다.

다른금속, 탄화물, 탄소, 붕화물 또는 규화물의 부가에 의해 코발트를 경화시키는 많은 시도가 있었다. 비록 쉽게 시행 될지라도 기지 금속의 마찰적 특성(tribological properties)에 상당한 영향을 미친다.

예를들어, 부가된 경질 재료의 입자크기에 따라 다이아몬드 이면에 침식된 영역은 불규칙적이 되는 표면 거칠기를 얻는다. 또한, 경질 재료를 가지는 기지 금속의 혼합물은 암석의 특정 형태에 대해 그 혼합물을 최적화하기 위해 실험적으로 결정되어야 한다. 상기 목적에 필요한 실험은 곤란하며 비경제적이다.

고온 프레스전에 코발트 금속 분말에 대한 탄소의 부가는 C＋CoO→Co＋CO 반응이 고온 흑연 서셉터(susceptor) 및 흑연램(ram)에 의해 영향을 미치며 또한 반응에도 관계하기 때문에 불만족스러운 결과를 준다. 이는 기지 금속으로 사용된 코발트의 경도룰 변화시키게 된다.

그러므로 본 발명의 목적은 상술한 단점을 제거한 다이아몬드 공구 재료를 제공하는 것이다. 특히 본 발명은 다이아몬드 공구의 의도된 용도에 적합한 주어진 경도 범위를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 목적은 다이아몬드가 내부에 박힌 기지 금속으로서 붕소 함유 코발트 금속을 포함하는 붕소 함유 코발트 결합 다이아몬드 공구 재료에 의해 수행되며, 상기 기지 금속은 내부에 균일하게 분포된 0.1 내지 5중량% 붕소를 함유한다. 본 발명에 따른 다이아몬드 공구는 붕소 함량에 따라 특정 경도를 가지며 공구가 사용된 후에도 일정하게 유지된다. 본 발명에 따른 기지 금속은 약 200 내지 650HB₃₀의 브리넬 경도를 가진다.

본 발명의 주특징인 코발트 금속 기지 분말의 균일 경화는 기지 금속이 붕소로 예비합금된 코발트 금속 분말이고 다이아몬드 공구의 분말 야금 제조를 위해 도핑 되지 않은(순수)코발트 금속 분말로 혼합되어 사용된다면 기지 금속의 용융점 훨씬 이하의 온도에서 성취될 수 있다.

그러므로, 본 발명은 다이아몬드 공구 제조용 방법에도 관련된다.

본 발명의 한 적합한 실시예에서, 다이아몬드 공구는 기지 금속 분말로서 붕소로 예비합금된 1내지 5중량%의 붕소를 함유하는 코발트 분말을 사용하여 다이아몬드 분말과 기지 금속 분말의 혼합물을 가압 및 소결함으로서 성취된다.

본 발명에 따른 다이아몬드 공구의 제조용 방법의 다른 실시예는 다이아몬드 분말과 기지 금속 분말의 혼합물을 가압 및 소결하는 것을 포함하며, 기지 금속 분말은 예비 합금된 코발트 붕소 분말을 순수 코발트 금속 분말과 혼합 함으로서 1네지 5중량%의 붕소량으로 제조되는 것을 특징으로 한다.

적합하게 예비합금된 코발트 붕소 분말은 예를들어 금속 열역학적으로 제조된 코발트 붕소 합금을 기계적으로 부수는 것에 의해 달성되거나 결정입도 500μm 이하로 분말을 형성하도록 불활성 가스를 붕소 함유 코발트 용강에 주입하고 난후 결정입도의 더 많은 감축을 위해 연마마모에 의해 미세 분쇄시켜 달성될 수 있다.

본 발명의 목적은 순수 무정질 또는 결정상의 붕소를 가지는 순수 코발트 분말의 혼합물로 성취되지 않는다.

본 발명에 따른 방법의 다른 적합한 실시예는 예비 합금된 코발트 붕소 분발의 붕소량이 수소화붕소 화합물, 적합하게는 알칼리 금속 보로네이트(boranates)에 의해 코발트 염용액의 화학적 환원에 의해 코발트 금속 분말안으로 도입되는데 있다. 코발트 금속 분말은 주로 5μm 이하의 평균 입자 크기를 가지는 방법의 실시예에 의해 달성된다.

화학적 환원 또는 금속학적 방법에 의해 준비된 코발트-붕소 합금이 분말이 기지 금속을 소정 붕소량으로 조정하기 위해 순수 코발트 금속 분말과 혼합된다면, 동일 물체가 혼합되지 않고 사용된 원 위치에 합금된 Co-B 분말로서 성취될 수 있다는 것을 알아내었다. 혼합물로서 사용된 순수 코발트 금속 분말은 미세분할된 코발트 산화물은 수소로 환원하는 통상적인 방법에 의해 준비되었다.

또한 본 발명은 본 발명에 따라서 석재, 금속, 유리, 콘크리트, 세라믹 및 다른 광물질을 절삭, 드릴링 및 연마를 위한 다이아몬드 공구 사용방법에도 관련된다.

본 발명은 예증으로서 그러나 제한되지 않은 하기예에 의해 기술된다. 경도 결정용 시편은 다음과 같이 준비되었다.

[예 1]

[코발트 염의 화학적 환원]

교반용기의 70ℓ의 H₂O를 교반하여 14㎏의 CoCl₂6H₂O, 17.5㎏의 K-Na 주석산염 및 8㎏의 NaOH가 용해되며, 그 유지온도는 40℃이다. 총 2.1㎏의 KBH₄는 환원을 위해 수반 용액으로 일부방향으로 천천히 부가되며, 반응 용기내의 온도가 50℃에서 일정하게 유지되며, 2ℓ의 50% 하이드라진(hydrazine) 수산화물 용액이 환원을 완성하기 위해 부가되었다. 얻어진 Co-B 분말은 여과하여 물로 여러번 세척하고, 그리고 감축된 압력으로 40 내지 50℃에서 건조된다. 3.0%의 붕소량을 가지는 3.6㎏의 Co-B 분말이 얻어진다. 고온 가압된 시료는 평균 HB₃₀440의 브리넬 경도를 가지는 것을 알아냈다.

[예 2]

[코발트 염의 화학적 환원]

30㎏의 CoCl₂6H₂O, 37.5㎏의 K-Na 주석산염 및 17.1㎏의 NaOH가 예 1에서와 같이 400ℓ 교반용기에서 250ℓ의 물에 용해되었다. 환원은 먼저 4.5㎏의 KBH₄그후 4.5ℓ의 하이드라진 용액을 부가하여 수행된다. 환원후 혼합물은 80℃에서 가열 및 여과되고 예 1에서와 같이 물로 여러번 세척하고 건조한다.

5.0%의 붕소량을 가지는 7.65㎏의 Co-B 분말이 얻어졌다. 고온 가압시료상에 HB₃₀600의 평균 브리넬 경도가 측정되었다.

코발트 붕소 분말도 순수 코발트 금속 분말과 혼합하여 사용된다.

[예 3]

[코발트 붕소 합금으로 도핑되는 붕소]

15.5중량% 붕소를 함유하는 코발트 붕소 합금이 산화물, 붕소 산화물 및 알루미늄 그릿(grit)의 알루미노 열적 환원에 의해 준비되었으며 그 제품은 3mm 이하의 결정 입도를 가지는 거친 분말로 크기가 감축된다. 이어서 불활성 액체(헥산)를 가지는 마모기(attritor)에서 다른 크기 감축은 20μm 이하의 결정입도와 80중량% 5μm: 95중량%10μm; 5중량%10μm 내지 20μm의 결정입도 분포를 가지는 미세 합금 분말을 생기게 한다.

코발트 붕소 분말은 순수 코발트 금속 분말로 혼합하기 위해 사용된다.

[예 4]

순수 코발트 금속 분말로 예1내지 3의 예에서와 같이 준비된 Co-B 합금분말의 혼합물이 시료용 개시 분말(starting powders)로서 사용되었다. 시료는 960℃ 및 30MPa 에서 5분동안 금속 분말을 고온 가압하는 것에 의해 준비되었다. 브리넬 경도는 소결된 제품상에서 측정된다. 하기표 1은 금속 열역학적으로 발생된 붕소 도핑된 코발트 금속 분말과 순수 코발트 분말의 혼합물로부터 얻어진 소결 제품상에 수행된 경도 측정의 결과를 보여준다. 비교물질(금속 열역학적 환원에 의해 혼합되지 않은 Co-B 합금)과 함께 얻어진 결과는 본 발명의 범위외의 상대적 고붕소량이 사용될 때 효과가 반전되는 것을 가리킨다.

하기 표2는 보로네이트(KBH 환원)로 화학적 환원에 의해 준비된 붕소 도핑된 코발트 금속 분말의 소결된 제품상에서 얻어진 경도 측정치를 보여준다.

상대적으로 작은 초기 경도는 화학적 환원에 의해 얻어진 붕소 도핑된 코발트 금속의 순수의 고정도에 기인한다. 낮은 초기 경도는 Cobalt Monograph, Centre d'Information due Cobalt, Brussels 1960, 페이지 95 에서와 같이 코발트량의 순수의 고정도에 기인한다. 본 발명에 따른 붕소 도핑의 효과는 매우 순수한 코발트로 얻어진다.

향상된 형태 및 향상된 제조 방법으로 제조될 수 있는 다이아몬드 공구 제품은 절삭, 톱질, 드릴링 또는 폴리싱 공구로서 또는 팁, 모서리, 치형 또는 다른 삽입체 또는 그와같은 공구용 페이싱(facing)으로서 형성된 상술한 재료를 포함한다. 공구는 바위 또는 암석, 유리, 금속, 콘크리트, 세라믹 및 다른 광물질을 사용하여 대규모(예를들어 대량채광 또는 터널 장치 또는 산업용 그라인더) 또는 서규모(예를들어 치과용 공구, 반도체 잉곳 또는 웨이퍼 슬라이싱 및 다이싱 커터 또는 마이크로 기계 장치의 다른 형태) 및 중간(예를들어 대리석 톱, 절단휘일, 마모벨트, 디스크 및 패드, 그라인딩 스틱, 오일 드릴링 및 그 삽입체)용으로 종래 기술에 공지된 방법으로 맞추어질 수 있다.

상술한 재료의 경도가 균일하며 안정 및 조종가능하기 때문에 특정한 구체적 범위를 위해 침식을 조절하여 바람직한 수준으로 되고 다이아몬드 입자표면 또는 기지내에서 개재물의 조악한 상의 사용을 피하거나 감축하며. 입자 기지 결합을 조절하도록 다이아몬드 입자 형태에 의존하여 피하거나 감축하며, 그리고 공구 제작의 해로운 압력/온도 계획을 피하는 상술한 장점을 성취할 수 있다. 기지 금속 분말 형태의 임의적인 방해됴 피할 수 있다.

제품 또는 방법의 상술한 개선은 비용의 경제성 및 다이아몬드 공구 제작 단순화의 부가적 장점과 함께 기술적 용도를 성취할 수 있다.

다른 실시예, 개선, 상세 및 사용 방법은 상술한 개시의 정신 및 본원의 범위내에서 일치하여 수행될 수 있으며, 이는 하기의 청구범위에 의해서만 제한된다는 것을 본 분야의 통상의 지식을 가진자는 명확히 이해할 것이다.

Claims (9)

1. 코발트와 이에 합금된 미세 붕소 입자의 균일 분산으로 구성되는 기지내에 다이아몬드의 분산 입자를 포함하는 코발트 결합 다이아몬드 공구에 있어서, 상기 기지의 전체 붕소량이 기지의 0.1내지 5중량%의 범위이며, 붕소 함유 입자가 5μm 이하의 크기이며 200내지 650HB₃₀의 수준에서 조정 및 유지하는데 사용되는 균일 기지 경도를 성취하도록 코발트에 분사노딘 양으로 제공되는 것을 특징으로 하는 코발트 결합 다이아몬드 공구.
2. 다이아몬드 분말 입자를 코발트 함유 입자와 혼합하고, 그 혼합물을 고체 제품 형태로 결합하는 단계를 포함하는 다이아몬드 공구 제조 방법에 있어서, 상기 코발트 함유 입자의 일부분이 붕소를 함유하고, 재료의 선택, 혼합 및 결합이 그 결합된 제품에서 기지내에 균일하게 분산된 기지의 1내지 5중량%의 붕소와 함께 코발트로 구성되는 기지내에 다이아몬드 입자의 균일 분산을 발생하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 기지 금속 분말은 예비 합금된 코발트-붕소 분말을 코발트 금속 분말과 혼합함으로서 1내지 5중량%의 붕소량으로 제조되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구 제조 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 예비합금된 코발트 붕소 분말의 붕소량은 수소화 붕소 화합물에 의해 코발트 염 용액의 화학적 환원으로 코발트 금속 불말안으로 도입되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 수소화 붕소 화합물은 하나 이상의 알칼리 금속 보로네이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구 제조 방법.
6. 제3항에 있어서, 상기 예비합금된 코발트 붕소 분말의 붕소량은 금속 열역학적 환원에 의해 도입되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구 제조 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 기지는 순수 코발트 상으로 균일하게 분산된 붕소-코발트 합금 입자인 것을 특징으로 하는 코발트 결합 다이아몬드 공구.
8. 제7항에 있어서, 상기 합금 입자는 기지내의 본래의 위치에 형성되지 않고 예비 합금된 것을 특징으로 하는 코발트 결합 다이아몬드 공구.
9. 제1항에 있어서, 상기 기지는 예비합금된 붕소-코발트 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 코발트 결합 다이아몬드 공구.