KR100231742B1 - 와이어 인발 다이 블랭크 및 이를 구비한 와이어 인발 다이 - Google Patents
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Abstract
와이어 인발 다이는 지지대(12)에 장착되며 다이아몬드 층을 통해 형성된 구멍(20)을 구비한 다결정 CVD 다이아몬드 층(10)을 포함한다.
Description
제1도 및 제2도는 본 발명의 두 실시예의 부분 단면도.
제3도는 본 발명에 따른 와이어 인발 다이용 삽입체 제조에 유용한 제품의 사시도.
제4도는 삽입체를 제조하기에 유용한 다른 제품의 단면도.
제5도는 제4도의 평면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 층 12,24 : 지지대
32,42 : 기판 34 : 리지
44 : 돌출부
본 발명은 적당한 지지대에 장착된 다이아몬드 삽입체와 같은 내마모성 삽입체를 포함하는 형태의 와이어 인발 다이에 관한 것이다.
단결정 다이아몬드 와이어 인발 다이 삽입체는 산업분야에 광범위하게 사용된다. 와이어 인발 다이용 단결정 다이아몬드 삽입체의 결점중 하나는 삽입체가 낮은 내마모성을 갖는 결정학적 방향을 따라서 불균일한 형태로 마모된다는 것이다. 그 결과 인발된 와이어의 단면은 삽입체가 마모됨에 따라 변화할 것이다.
또한, 단결정 다이아몬드는 다량으로 제조하기에는 본래 비싸다.
인공 생산된 단결정 다이아몬드의 다른 문제점은 합성 공정으로 인해 다이아몬드 결정에 존재하는 금속 매개물이나 금속상에 관한 것이다. 이런 금속 성분은 빠른 마모 또는 크래킹(cracking)을 발생시키는 열적 불안정의 원인이 될 수 있다.
또한 현재 산업 분야에 이용되는 와이어 인발 다이 삽입체는 다결정 다이아몬드로 제조된다. 이런 재료는 삽입체의 바람직한 결정학적 마모 패턴을 나타내지 않는다. 그러나, 이런 재료는 재료의 열적 불안정성 요소가 되는 코발트와 같은 매트릭스내에 금속 결합면을 포함한다. 이런 매트릭스의 존재 때문에 마모는 항상 충분히 매끄럽지 못하다.
다결정 다이아몬드(PCD)에서 금속상에 의해 발생한 이들 및 다른 문제점을 피하기 위해, 몇몇 작업자들은 화학적 에칭에 의해 금속상을 침출시켰다. 그러나, 이런 공정은 단점이 많이 나타난다. 첫째, 금속상을 완전하고 충분하게 제거하기 어렵다는 것이다. 둘째, 침출은 금속을 제거하지만 공동을 남겨서 다공성 PCD 재료를 형성하며, 강도는 공동이 증가함에 따라 감소한다. 셋째, 다공성 구조는 조밀한 다결정체보다 매끄러운 표면 마무리로 연마(polishing)하기가 더 어렵다.
다이아몬드가 가스상에서 합성되는 공정은 공지되어 있다. 화학 증착법(CVD)으로 공지된 이런 방법에 의해 제조된 다이아몬드는 CVD 다이아몬드로서 공지되어 있다. 대체로 이런 공정은, 수소 가스와 탄화수소 같은 적당한 탄소 가스 성분의 혼합물을 마련하는 단계와, 수소를 원자 수소로 그리고 가스를 활성탄 이온, 활성탄 원자 또는 활성탄 CH기로 해리하기 위해 가스에 충분한 에너지를 가하는 단계 및 이런 활성핵종(active species)이 다이아몬들르 형성하도록 기판위에 전착시키는 단계를 포함한다. 가스의 해리는 고온 필라멘트, 플라즈마 보조 방법 또는 플라즈마 제트와 같은 다양한 방법에 의해 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 와이어 인발 다이 블랭크는 그 외주연 둘레에서 지지대에 고정된 다결정 CVD 다이아몬드 본체를 포함한다. 와이어 인발 다이는 이런 블랭크로부터 본체를 관통하는 구멍을 형성함으로써 제조된다.
다결정 CVD 다이아몬드 본체는 통상적으로 0.5mm를 초과한 두께를 갖는 층의 형태로 될 것이다. 이런 층 또는 본체는 와이어 인발 다이 기술분야에 공지된 바와 같이 적당한 지지대에 장착될 것이다. CVD 다이아몬드에서 결정 방위가 비교적 무작위적인 분포되면 삽입체를 사용하는 동안 보다 균일한 마모가 되도록 한다. 또한, CVD 다이아몬드는 금속 매개물이 없으며, 따라서 높은 열적 안정성을 갖는다.
CVD 다이아몬드의 입자 크기는 1 미크론(micron) 이하에서 수십 미크론 이상까지 조정될 수 있다. 이런 능력은 여러가지 인발 응용을 위한 다이의 등급을 허용한다.
붕소 원자와 같은 도판트(dopant) 원자는 성장 동안에 CVD 다이아몬드 안으로 도입시킬 수 있다. 따라서, 예컨대 1200ppm을 초과한 붕소 첨가는 CVD 다이아몬드 본체 또는 층의 산화 저항성 및 이에 따르는 수명을 상당한 정도로 증가시킬 것이다.
CVD 다이아몬드의 성장 공정은 양호한 결정학적 방위를 가진 층을 제조하도록 맞춰질 수 있다. 예컨대, 이런 방위는 (111), (110) 또는 (100)으로 될 수 있다. 마모율은 다이아몬드의 방위에 크게 의존한다는 것은 공지되어 있다. 따라서, 양호한 방위는 다이아몬드 본체의 내마모성을 증가시키도록 선택할 수 있다. 예컨대, 다이아몬드층의 방위는 대부분의 결정 입자들의 층 평면에서 (111) 방향의 결정학적 축을 갖도록 될 수 있다.
CVD 다이아몬드 본체에 대한 지지대는 초경합금 또는 금속 지지대로 될 것이다. 통상적으로, 삽입체는 이 둘레에서 납땜(brazing)하거나, 외주연을 지지대에 끼우거나 또는 이들의 조합에 의해 지지대에 고정될 것이다.
CVD 다이아몬드 본체들은 이 분야에 공지된 방법에 의해 제조될 것이다. 예컨대, 자체 지지된 층은 성장후에 화학적으로 에칭된 실리콘 또는 탄화물과 같은 기판위에 CVD 다이아몬드층을 성장시키거나, 다이아몬드층이 고착되지 않는 몰리브덴과 같은 금속 기판상에 CVD 다이아몬드층을 성장시킴으로써 마련될 수 있다. 후자의 경우에, 층은 성장후에 기판으로부터 간단히 제거된다.
CVD 다이아몬드층은 와이어 인발 다이용으로서 일반적으로 그 면적이 필요한 것 보다 크게 제조될 것이다. 예컨대, CVD 다이아몬드층은 측면들이 테이퍼될 수 있는 육각형, 정사각형 또는 원판형과 같은 다양하고 유용한 형태로 레이저 절삭에 의해 절단될 수 있다.
CVD 다이아몬드 층으로부터 각각의 다이 또는 블랭크를 제조하기 위한 레이저 절삭과 다른 방법으로서 사진 석판술 및 플라즈마 에칭 또는 다이아몬드의 활성이온 에칭과 같은 건식 에칭을 사용하는 것이 있다. 한 예로, 산소 에칭이 사용될 때, CVD 다이아몬드 층을 준비하고 기판으로부터 CVD 다이아몬드 층을 제거한 후, 산소 플라즈마 분위기에서 열화(degrade)되지 않을 티판늄, 크롬, 금, 이산화규소 또는 다른 재료로 된 적당한 마스크(mask)재료 층이 진공 증착, 플라즈마에 의한 화학 증착법, 스퍼터링(sputtering)등과 같은 종래 기술에 의해 판의 한쪽, 양호하게는 매끄러운 면에 부착된다. 다음에, 이런 층은 반도체 분야에 공지되어 있는 사진 석판술 및 습식 또는 건조 에칭 기술에 의해 패턴화된다.
원하는 패턴이 마스크층 위에 형성된 후에, 다이아몬드 판은 양호하게는 산소 함유 가스 혼합물에서 양호하게는 플라즈마의 여기(excitation)에 의해 산화 분위기가 발생될 수 있는 작용 챔버안으로 넣어진다. 다이아몬드는 마스크 처리되지 않은 범위 또는 영역에서 제거된다.
산소 대신 반도체 기술에서 공지된 기술을 사용하는 가스 혼합물 안에 유입된 염소 또는 플루오르와 같은 할로겐을 포함한 다른 활성 가스들이 사용될 수 있다.
본 발명의 와이어 인발 다이의 두가지 실시예들은 제1도 및 제2도에 도시되어 있다. 제1도는 지지대(12)에 장착된 다결정 CVD 다이아몬드층(10)을 포함한 와이어 인발 다이를 도시하고 있다. 층(10)은 층의 대향 측면들의 각각에 편평한 주표면(14, 16)을 가지며, 그 사이에 외주연(18)이 잘 끼워지도록 지지대(12)에 장착된다. 구멍(20)은 하나의 주 표면(14)에서 다른 주 표면(16)까지 층(10)을 지나 형성된다. 사용시, 와이어는 구멍을 통해 인발된다.
다결정 CVD 다이아몬드 층(10)에서 다이아몬드의 방위는 대부분의 결정입자들이 평면 즉 층(10)의 표면(14, 16)에 평행한 (111)의 결정학적 축을 갖도록 한다.
제2도는 제2실시예이다. 이 실시예에서, 다결정 CVD 다이아몬드 본체(22)는 외주연(26)을 지지대에 납땜하므로써 지지대(24)에 고정된다. 납땜은 고온 납땜이 양호하다. 구멍(28)은 층(22)을 통해 형성된다. 이런 구멍은 지지대의 전체 평면에 축방향이거나 교차한다.
양호하게, 지지대(12, 24)들은 강과 같은 적절한 금속으로 제조되지만, 또한 초경합금으로 제조될 수도 있다.
제3도는 제1도 및 제2도의 실시예의 CVD 다이아몬드층 제조시 유용한 제품을 도시했다. 다결정 CVD 다이아몬드층(30)은 어떠한 공지된 CVD 다결정 다이아몬드제법을 사용하여 기판(32)위에서 성장된다. 기판(32)은 제조될 CVD 다이아몬드층의 원하는 모양 및 크기를 형성하는 다수의 리지(ridge, 34)들을 갖는다. 만일 리지(34)가 충분한 두께이면, 다이아몬드층이 성장할 때 CVD 다이아몬드층의 파괴가 있을 것이다. 다음에 최종 제품은 레이저 절삭 등과 같은 것을 할 필요없이 정확한 모양 및 크기의 CVD 다이아몬드 층 또는 삽입체가 세트될 것이다. 예컨대, 화학적 에칭에 의해서 기판 및 리지를 제거하는 것은 각각의 층 또는 삽입체들을 분리할 것이다.
제4도 및 제5도는 와이어 인발 다이용 CVD 다이아몬드 삽입체 제조시 유용한 다른 제품을 도시했다. 이들 도면에 따르면, CVD 다결정 다이아몬드층(40)은 기판(42)위에서 성장한다. 기판(42)은 기판의 표면(46)으로부터 연장된 다수의 원통형 돌출부(44)들을 갖는다. 도시한 것과 같이, 다이아몬드(40)는 이런 돌출부들 둘레에서 성장할 것이다.
제4도 및 제5도의 제품은 다수의 정사각형(48)으로 분할될 수 있는데, 그중 하나가 제3도에 도시되어 있다. 각 정사각형(48)은 정사각형의 중앙에 위치한 돌출부(44)를 갖는다. 그후, 기판이 각각의 정사각형에서 제거되어서 본체를 관통한 구멍을 갖는 CVD 다결정 다이아몬드의 정사각형 판을 형성한다. 이런 판은 와이어 인발 다이용 삽입체로서 유용하다.
이 돌출부는 볼라드(bollard)형상과 같은 어떤 적당한 모양으로 될 것이다.
Claims (9)
- 외주연 둘레가 지지대에 고정된 다결정 CVD 다이아몬드 본체를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 인발 디아 블랭크.
- 제1항에 있어서, 상기 CVD 다이아몬드 본체는 층으로 된 형상인 것을 특징으로 하는 와이어 인발 다이 블랭크.
- 제2항에 있어서, 상기 CVD 다이아몬드의 방위는 내부의 결정입자가 상기 층의 평면에서 (111) 방향의 결정학적 축을 갖도록 된 것을 특징으로 하는 와이어 인발 다이 블랭크.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 CVD 다이아몬드가 도판트 원자를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 인발 다이 블랭크.
- 제4항에 있어서, 상기 도판트 원자가 붕소 원자인 것을 특징으로 하는 와이어 인발 다이 블랭크.
- 제5항에 있어서, 상기 도판트 원자의 농도가 1200ppm을 초과하는 것을 특징으로 하는 와이어 인발 다이 블랭크.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 CVD 다이아몬드 본체의 외주연을 납땜하거나 또는 상기 외주연을 지지대로 끼움으로써 그리고 이들의 조합에 의해 지지대에 고정된 것을 특징으로 하는 와이어 인발 다이 블랭크.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 지지대의 재료가 금속 및 초경합금중에서 선택된 것을 특징으로 하는 와이어 인발 다이 블랭크.
- 상기 CVD 다이아몬드 본체에 구멍이 관통 형성된 제1항 또는 제2항에 따른 와이어 인발 다이 블랭크를 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 인발 다이.
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