KR100261978B1 - 아치형 중간층을 갖는 다결정 다이아몬드(pcd)/다결정 압방정질화붕소(pcbn)로된 다결정 공구와 그 제조방법 - Google Patents
아치형 중간층을 갖는 다결정 다이아몬드(pcd)/다결정 압방정질화붕소(pcbn)로된 다결정 공구와 그 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
새로운 PCD/PCBN 공구와 그 공구를 제조하기 위한 방법은 지지부와 외부 가공층 사이에 다결정 물질의 중간층을 사용과 관계가 있다. 중간층은 고속작업하에서 외부 가공층으로 침투하여 가공층을 악화시킬 수도 있는 코발트 또는 그 밖의 결합재의 량을 조절하고 억제할 수 있도록 형성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 지지부를 주름지게 하거나 돌출부를 라운드 처리하여, 다결정 구조하에서 응력을 감소시키고 코발트의 침투를 감소시키게 된다. 본 발명의 또 다른 실시예에서는 중간층에서의 결합 매개물 및/또는 결합재가 코발트나 그 유사물의 이동성을 감소시킬 수 있도록 선택될 수도 있다.
Description
본 발명은 다결정 다이아몬드(PCD ; polycrystalline diamond) 또는 다결정 입방정 질화 붕소(PCBN ; polycrystalline cubic boron nitride)로 형성된 컷팅, 그라인딩, 드릴링 등의 표면을 갖는 절삭 공구에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 절삭 공구의 실수명을 연장할 수 있도록 지지부(the substrate)와 다결정층 사이에 배치된 중간층을 갖는 공구에 관한 것이다.
컷팅, 텅닝, 드릴링 및 머쉰닝 공구를 이용한 가공에 있어서, 공구의 마모성과 생산성과의 관계는 매우 중요하다. 만일 어떤 공구가 내마모성이 좋으나 생산성이 낮다면, 이러한 공구는 그 실용성이 상당히 제한되는데 이는 대다수 제조업에서 수익성이 가능한 최소의 기계 가공으로 최대한의 수량을 생산할 수 있는지의 여부에 달려 있기 때문이다. 마찬가지로, 생산성이 매우 좋으나 내마모성이 약하다면 높은 생산성에 의해서 절약된 시간이 공구 교체에 따른 공정 중단과 비용으로 상쇄된다.
컷팅, 그라인딩, 머쉰닝, 터닝, 드릴링 공구를 이용하는 제조업에서는, 그 뛰어난 내마모성 때문에 PCD 또는 PCBN 부분을 갖는 공구를 일반적으로 사용하게 되었다. 다이아몬드 또는 CBN은 경도는 적은 마모로써 상당량의 가공을 가능하게 한다.
종래의 다이아몬드 또는 CBN 공구 제조는 다결정 물질층이 텅스텐 탄화물 지지부와 같은 지지 물질에 접착된다. 다이아몬드나 CBN이 매우 단단하고 양호한 열 전도성을 갖는 반면, 텅스텐 탄화물은 충격과 열흡수성이 강하고 또한, 상대적으로 강한 연성체이다. 일반적으로 텅스텐 탄화물은 13%의 코발트를 함유한다.
Wentorf의 미국 특허 제3,745,623호에 개시된 바와 같이 다결정 물질, 코발트와 텅스텐은 고압, 고온의 방법으로 제조된다. 상기 특허에서 Wentorf는 다이아몬드 기계 가공용으로 단단한 텅스텐 탄화물에 일체형으로 결합된 다이아몬드 소결 PCD를 기술하고 있다. 또한 Wentorf의 미국 특허 제3,743,489호에서는 그 유사한 공구로서 CBN 분말을 사용한 PCBN 성형체(a PCBN compact) 제조법을 기술하고 있다.
PCD나 PCBN 공구가 매우 강한 내마모성을 보이는 반면, 작업 처리량이 많은 상황에서는 매우 높은 열이 발생하게 된다. 예를 들면 Industrial diamond review(vol 56, No. 569, page 40) A.M Abrao는 공구의 온도가 절삭 속도에 비례하여 오른다고 기록하고 있다. 열간 가공용 금형강에 작업을 가하는 PCBN 절삭 공구는 (200)m/min에서 800℃를 초과할 수 있다. PCD 역시 같은 양상이다. 커팅, 그라인딩, 드릴링 등을 하게 되는 요소의 생산성이 높아질수록, 절삭 공구의 온도는 더욱 높아지게 된다.
비록 PCD나 PCBN이 매우 내구성 있는 물질이기는 하나 열적 분화(heat degradation)가 일어나게 된다. 높은 열전도를 갖는 다이아몬드나 CBN과는 달리 코발트는 높은 열팽창도를 갖는다. 따라서 열이 상승함에 따라 다이아몬드나 CBN이 작게 팽창하는 반면 코발트는 큰 폭으로 팽창하게 된다. 또한 코발트는 다이아몬드 입자가 흑연으로 변환되는 의사 산화 반응과 같은 반응에 대해서 축매 작용을 한다. 또한 텅스텐 탄화물로 부터 코발트가 과다 이동하는 것은 지지부 상부층의 약화를 초래하고, 지지부와 다이아몬드 입자 사이를 분리시킬 수 있다.
열적 팽창과 코발트의 촉매 반응은 만일 다결정 물질과 텅스텐 탄화물 지지부 사이의 계면에만 코발트가 존재한다면 더욱 적었을 것이다. 그러나 코발트는 고온, 고압으로 제조 과정 중에서 텅스텐 탄화물 지지부로 부터 다결정 성형체로 이동하는 경향이 있는 것으로 알려져 있다. 코발트의 이동은 정량적 조절이 불가능하여, 현재 입수 가능한 공구인, General Electric사의 BEN-6000 PCBN 절단기는 코발트가 텅스텐 탄화물 지지부와 PCBN의 사이를 알맞게 결합한다는 것을 제외하고는 PCBN 결합재로서 부적당하다고 알려져 있음에도 불구하고 PCBN 성형체 내에 코발트를 상당향 함유하고 있다. 따라서 다결정 물질을 활용하여 원하는 공구의 성능을 얻는 것은 어렵다. 다결정 물질이 공작물과의 마찰에 의해 온도를 상승시킴에 따라서, 코발트는 다결정 성형체를 팽창시켜 안정성을 떨어뜨리고, 흑연 형성의 촉매로서 작용하게 된다. 이뿐만이 아니라, 차례로, PCD 또는 PCBN의 구조가 파괴되기 쉽게 된다. 이러한 파괴는 PCD 층이 떨어져 나가거나, 미세 구조의 악화 또는 공구의 치핑(Chipping) 등의 결과를 가져올 수도 있다. 어떤 이유에서든 간에 공구는 교체되어야만 하고 이러한 교체 시간에 의해 생산성은 매우 떨어지게 된다.
따라서, 생산 현장에서는 고내마모성의 PCD 또는 PCBN 공구 사용을 위해 생산성을 제한하거나 또는 고생산성을 위해 공구의 가동과 이에 따른 공구의 파손을 감수하여야 하는 모순에 처해 있다. 경제적 비용으로 고생산을 이루어야 하는 것이 중요해짐에 따라, 생산 현장에서는 높은 내마모성과 높은 열적 내구성 2가지를 갖는 공구를 지속적으로 연구하여야만 하였다.
따라서, 고생산 및 고온의 조건하에서는 상당한 내마모성을 갖는 동시에 내구력이 있는 개선된 PCD, PCBN 공구에 대한 필요성이 있었다. 이러한 공구는 제작이 상대적으로 용이하고 제작비가 낮아야만 한다. 이러한 공구는 가격이 저렴하고 사용이 용이하여야만 한다.
도 1a를 참조하면, 전체가 도면 부호(100)으로 지시된 종래의 기술에 따라 제작된 다결정 작업 요소의 사시도가 도시되어 있다. 작업 요소(100)는 일반적으로 코발트가 결합된 텅스텐 탄화물인 공구 지지부(110)와, PCD 또는 PCBN으로 형성된 다결정 외부 가공층(114)을 포함한다. 결합층(118)은 지지부(110)와 다결정 외부 가공층(114)의 사이에 배치된다.
코발트는 대단히 우수한 결합 물질인 반면, 도 1b의 확대 횡단면도에 도시한 바와 같이, 외부 가공층(114)의 다결정 물질로 침투하는 경향이 있다. 텅스텐 탄화물 지지부(110)로 부터 이동된 코발트(118a)는 외부의 가공층(118)의 다결정 물질에 침투하여 외부 가공층의 수명에 나쁜 영향을 미친다. 다결정 물질의 외부 표면(114a)이 커팅, 그라운딩, 드릴링 등의 작업을 받고 있는 가공물에 접촉함에 따라 상당히 열이 발생된다. PCD와 PCBN의 높은 열전도성은 발생된 열을 지지부(110) 쪽으로 빠르게 이동시킨다. 그러나, 외부 가공층(114) 내에 있는 코발트(118a)는 열팽창이 커서, 외부 가공층의 온도가 증가할수록 팽창한다. 상기 열팽창은 외부 가공층(114)내 미세조직 구조의 안정성을 감소시킬 수 있을 만큼 충분히 크다. 또한, 코발트는 다이아몬드가 흑연과 같은 형태로 변환되는 반응에 있어서 촉매 역할을 할 수 있다.
종래 기술에서 존재하는 또 다른 문제점은, 도 1c에서 그래프로 도시한 바와 같이, 다결정 물질과; 다결정 물질과 텅스텐 탄화물 지지부간의 결합부 사이의 미세 구조에 일반적으로 선형적인 응력 영역에 존재한다는 것이다. 선형적인 응력영역은, 특히 높은 온도에서, 비틀림 압축과 인장 영역에 의해 얻어질 수도 있는 것보다 다결정 물질 가공층(114)을 더 불안정하게 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 고온의 조건에서 악화 또는 파괴에 보다 강한 다결정 가공 부분이 갖는 개선된 공구를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다결정 성형체 내에 보다 개선된 미세 조직을 갖는 공구를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 공구가 개선된 응력 안정성을 갖는 공구를 제공하는 것이다.
본 발명의 계속되는 또 다른 목적은 높은 전단 응력 조건하에서 보다 긴 수명을 갖는 공구를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 그리고 그 밖의 목적은 지지부와 PCD 또는 PCBN 층을 포함하는 개선된 PCD/PCBN 공구의 구부피로 예시된 실시예들을 통해 구현된다. 지지부와 다결정 성형체 사이에는 다결정 물질을 포함하는 중간층에 배치된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 중간층의 다결정 물질은 코발트가 외부 가공층의 다결정 성형체로 침투하는 것을 방지할 수 있도록 형성된다. 이때 중간층과 지지부간의 결합력을 확실하게 할 수 있도록, 코발트나 기타 결합 물질이 중간층에 포함될 수도 있다. 하지만 중간층은 코발트가 외부 가공층으로 침투하는 것을 방지할 수 있도록 형성된다. 코발트 이동의 제어는 일반적으로 PCD/PCBN 입자 크기를 조절하고 사용된 결합재 및/또는 결합 매개물의 량을 제어함으로서 이루어진다. 예를 들면, PCD/PCBN 입자 크기는 0.5-20㎛로 제한되어, 다이아몬드 입자속으로 코발트가 유입되는 것이 억제된다. 마찬가지로, 결합 매개물의 량을 많게 하여 동일 효과를 얻을 수 있는데 예를 들면, 30% 중량까지 주기율표의 IVb, Vb, VIb, 또는 알루미늄 질화물 등의 천이금속 질화물, 탄화물, 탄화 질화물은 코발트의 이동 능력을 상당히 감소시킨다. 게다가, 다이아몬드 성형체 내에 있는 소량의 코발트는 다이아몬드의 이동을 또한 제한한다.
약간의 코발트가 다결정 성형체의 외부 가공층과 중간층 사이의 계면에 닿게되면, 코발트는 일반적으로 외부 가공층으로 침투하지 않고 2개의 층사이에서 결합을 형성하게 된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 지지부에 주름진 표면이 형성된다. 중간층은 주름진 지지부에 배치되는데, 주름진 부분이 지지부에 인접하고 거의 편평한 면은 지지부의 반대가 될 수 있도록 된다. 지지부와 중간층 사이의 주름진 계면은 공구의 안정성을 높여준다. 부가적으로 주름진 계면은 지지부와 중간층 사이의 결합재로 사용되는 코발트의 확산 경로를 변경시킨다. 코발트가 계면에 수직 방향으로 텅스텐 탄화물로 부터 이동하는 경향을 가지므로, 코발트는 거의 수직경로로 이동하게 되고 외부 가공층의 다결성 물질에 도달하기 전까지는 보다 먼 거리를 이동해야만 한다.
이 중간층은 다결정 공구에 몇가지 좋은 잇점을 제공한다. 예를 들면 공구의 팽창 특성이 변화된다. 일반적으로 고온에서 다결정 물질은 작게 팽창하는 반면, 텅스텐 탄화물 또는 그 밖의 지지부는 크게 팽창한다. 따라서 다결정 외부가공층과 지지부 사이에 중간층을 배치시켜 보다 완만한 팽창 구배를 얻을 수 있다. 외부 가공층은 매우 적게 팽창하는 반면 중간층의 다결정/코발트 혼합물은 중간 정도 팽창하고 지지부는 상당량 팽창한다. 인접층간의 팽창을 보다 점진적으로 변화시켜 공구에 가해지는 응력은 감소하게 된다. 또한 상술한 바와 같이 주름진 지지부와 주름진 중간층의 사용은 가공 구조의 안정성을 증가시킨다. 선형적인 압축 인장 영역을 갖는 대신 주름진 계면은 교대로 인장 및 압축 영역을 갖는 가공 부재를 갖는다. 이러한 영역은 안정성을 증가시키고 치핑(chipping) 등의 위험 요소를 감소시킨다.
본 발명의 상기 목적, 특징, 잇점은 첨부된 도면에 나타난 하기의 설명으로 부터 더욱 명백해질 것이다.
제1a도는 종래의 기술에 따른 다결정 성형체와 지지부를 갖는 다결정 가공 요소의 사시도를 나타낸다.
제1b도는 다결정 성형체로 코발트가 침투하는 것을 나타내기 위한 1a의 다결정 가공 요소의 횡단면도를 나타낸다.
제1c도는 제1a도와 제1b도의 다결정 가공 요소가 600℃로 가열되었을 때, 다결정 가공 요소의 지지부에 수직인 Y 성분의 응력 그래프를 나타낸다.
제2a도는 본 발명의 원리를 따르는, 다결정 성형체, 지지부 및 중간층을 갖는 다결정 가공 요소의 사시도를 나타낸다.
제2b도는 제2a도의 다결정 가공 요소의 부분 분해도를 나타낸다.
제2c도는 제2a도와 제2b도의 다결정 가공 요소를 횡단면도를 나타낸다.
제2d도는 다결정 가공 요소가 600℃로 가열되었을 때, 다결정 가공 요소의 지지부에 수직인 Y 성분의 응력 그래프를 나타낸다.
제3도는 본 발명의 원리에 따라 형성된 다결정 가공 요소의 횡단면도를 나타낸다.
제4a도 내지 제4d도는 다결정 가공 요소를 갖는 다양한 공구를 나타낸다.
제5a도와 제5b도는 본 발명의 원리에 따라 사용될 수도 있는 지지부의 다른 실시예의 횡단면도를 나타낸다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
130 : 가공요소 134 : 지지부
138 : 다결정 성형체 140 : 외부 가공층
144 : 중간층 144a : 하부면
144b : 상부면 150, 162 : 돌출부
154, 166 : 정상부 158, 16 : 계곡부
본 발명의 기술 분야의 숙련된 기술자들이 본 발명을 제작하고 사용할 수 있도록 도면을 참조하여 본 발명의 여러 요소가 도면 부호로서 지시될 것이고 설명되어질 것이다. 하기 설명은 본 발명의 일 실시예일 뿐이지 첨부된 청구범위를 제한하는 것은 아니다.
도 2a를 살펴보면, 본 발명의 원리에 따라 제작된 다결정 가공 요소의 사시도가 도시되어 있다.
도면 부호(130)으로 표시된 일반적인 다결정 가공 요소(130)는 일반적인 텅스텐 탄화물이나 이와 유사한 물질로 형성된 지지부(134)를 포함하고 있다. 도 2a에 도시되고 후술되어 있는 바와 같이 지지부(134)는 편평한 상부 표면(다결정 물질이 접착되는 표면)을 갖고 있지 않다. 보다 정확하게는 지지부(134)는 고기를 다지는 기구와 유사하게 복수개의 오목부에 의해 오프셋되는 복수개의 볼록부를 갖는 주름진 표면을 가진다.
또한, 가공부(130)는 외부 가공층(140)을 형성하는 다결정 성형체(138)를 포함한다. 다결정 성형체(138)는 다이아몬드 입자 및/또는 CBN 입자들로 형성될 수 있다. 지지부(134)와는 달리 다결정 성형체(138)는 필요에 따라 다른 형상으로 형성될 수는 있지만 일반적으로는 편평한 표면을 갖게 된다.
지지부(134)와 다결정 성형체(138) 사이에는 중간층(144)이 배치된다. 또한, 중간층은 다결정 물질(PCD 또는 PCBN)로 형성된다. 그러나, 일반적으로 중간층에는 결합재가 첨가될 것이며, 하기에 기술하는 바와 같이 코발트를 또한 포함할 수도 있다. 중간층은 코발트 이동을 막을 수 있도록 정밀하게 형성되어서 외부 가공층(140)에 코발트가 침투되는 것을 방지하게 된다. 코발트 이동의 억제는 중간층 내에 배치된 미세 구조 조정, 결합재 선택, 지지부(134)와 중간층(144) 사이의 계면의 기하학적 형상에 의해 얻을 수 있다.
도 2b는 도 2a의 다결정 가공 요소(130)의 부분 분해도이다. 지지부(134)는 그 위에 배치된 복수개의 돌출부(다수개가 도면 부호 150으로 지시됨)를 갖는다. 돌출부는 볼록한 정상부(154)와 오목한 계곡부(158)를 교대로 갖는 주름진 표면으로 형성되어 있다. 각각의 돌출부는 4면이 라운드 처리된 피라미드와 유사한 아치형 투수판 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 본 기술 분야의 기술자들에게 있어서 원추형 또는 다른 기하학적 형상의 돌출부가 또한 사용되어질 수 있다는 것이 명백하다.
중간층(144)이 형성된 후에 그 하부(지지부 결합)면(144a)은 지지부와 유사한 정상부(166)와 계곡부(168)를 형성하는 복수개의 돌출부(162)를 갖는다. 중간층(144)의 정상부(166)와 계곡부(168)는 지지부(134)의 지지부(154)와 계곡부(158)에 정렬되어, 중간층의 돌출부(162)가 지지부의 돌출부(150)의 사이에 안착된다. 본 특허의 나머지 부분에서 충분히 논의되어질 것이지만 중간층(144)과 지지부(134) 사이의 비평면 계면을 사용하는 이유는 응력 발생을 억제시키고 코발트 이동의 조절을 돕기 때문이다.
하부면(144a)과는 달리, 상부(다결정 성형체 결합체)면(144b)은 거의 평면이다. 중간층(144)과 외부 가공층(140)의 모두는 다결정 물질(PCD 또는 PCBN)을 함유하고 있기 때문에 중간층과 외부 가공층의 결합은 보다 용이하며 열 또는 붕괴에 의한 충격을 완화시킬 수가 있다.
도 2c에는 가공부(130)의 횡단면이 도시되어 있다. 가공부(130)는 텅스텐 탄화물 지지부(134)와 결합된 코발트(170)로 형성되거나 이와 유사한 물질로 이루어진 지지부로 구성된다. 중간층(144)은 결합된 지지부로 부터 이동된 코발트(170)에 의하여 지지부(134)에 결합된다. 외부 가공층(140)은 중간층(144)에 결합된다.
본 특허의 근본적인 목적은 외부 가공층(140)으로 이동 가능하고, 다결정 물질을 불안정하게 하거나 외부 가공층을 조기에 파괴시키는 코발트(170)의 양을 제거하거나 상당히 감소시키는 것이다. 이는 몇가지 방법에 의하여 달성된다. 첫째, 주름진 지지부(134)와 그물형 중간층(144)을 제공하여, 외부 가공층(140)으로 닿으려는 코발트(170)의 이동성을 감소시킨다. PCD와 PCBN 제조에 일반적으로 사용되는 고온 고압하에서, 코발트(170)은 지지부(134)와 다결정 성형체(138) 사이의 계면에 수직 방향으로 이동하려는 경향을 보인다. 종래의 커터에서 이와 같은 이동이 수직인 반면 지지부(134)와 중간층(144) 사이의 주름진 아치형 계면은 화살표(180)에 지시되는 바와 같이 거의 45°에 가까운 유동 패턴을 갖게 한다. 따라서 코발트(170)는 외부 가공층(138)을 형성하는 다결정 성형체(138)에 접촉하기 전에보다 먼거리까지 이동해야만 한다.
지지부(134)와 중간층(144) 사이에 있는 주름진 계면에 부가해서 중간층의 미세 구조에 의해 코발트 이동이 또한 제어될 수 있다. 예를 들어 미세한 다결정 물질(즉, 0.5∼20㎛)을 사용함으로써 코발트의 이동성을 줄일 수 있다.
VIII족 금속(코발트, 니켈, 철)과 같은 결합재, IVb, Vb, VIb족 천이금속의 탄화물, 질화물, 탄화 질화물과 같은 결합매개물의 사용은 또한 코발트(170)의 흐름을 억제할 수 있다. 보다 상세하게는, 상대적으로 많은 양의 결합재의 존재, 다시 말해 30중량%까지일 경우 코발트의 일반적인 이동 통로를 막는다는 것이다. 따라서, 침투성이 상당히 줄어들게 된다.
더우기, 중간층(144)에서 소량의 코발트 사용은 적당한 균형을 제공하여, 계면에서 외부 가공층으로의 코발트 이동을 감소시킨다. 따라서, 1∼5중량% 사이인 적당한 양의 코발트 사용은 중간층을 통과하는 많은 양의 코발트에 장애물로 작용한다. 이것은 다이아몬드와 탄화물이 새로운 탄화물을 형성하기 위해 반응하기 때문이다. 코발트가 새로운 탄화물 내의 미세한 구멍으로 흘러들어감에 따라서, 코발트는 다이아몬드/탄화물로 침투하여, 전진하지 않고 오히려 결합재 역할을 한다. 덧붙여 말하면, 약간의 코발트 존재도 침투를 억제하는 경향이 있다.
지지부로 부터 정상적인 PCD층으로의 코발트의 침투는 다음과 같은 현상에 의해 방해된다 - 지지부와 PCD층 사이에 있는, 출발 물질의 역할을 하는, 중간층의 존재에 의해 코발트 결합재가 혼합되어 있거나 있지 않은 보다 미립화된 다이아몬드는 코발트의 이동 통로를 상당히 폐쇄하게 되는 고온 고압(HPHT) 촉매 소결 반응을 통해 다이아몬드 결정이 상호 성장되어 완전한 망상조직/뼈대구조를 이룬다.
코발트 결합재와 혼합된 출발 다이아몬드 결정들로부터 이렇게 새롭게 성장된 다결정 물질의 형성은 완전한 코발트 확산에 앞서 일어나기 때문에, 이동 통로가 막혀 코발트의 침투가 방해된다. 더우기, 고압하에 상당히 조밀화된 미세입자 다이아몬드 분말 덩어리는 자연스럽게 더 작은 이동 통로를 제공할 것이며, 이러한 이동 통로를 통한 코발트의 침투는 더욱 어렵게 될 것이다. 중간층 상부측으로 이동한 코발트는 외부 가공층으로 침투하기 보다는 젖음성으로 인하여(due to the wetting aspect) 중간층과 외부 가공층 사이에 계면에서 결합을 형성한다.
도 2c에서 보여준 가공 요소(130)는 미세 구조에 있어서와 고온 응답성 양쪽에서 상당한 개선을 나타낸다. 가공 요소(130)에 열이 가해졌을 때, 주로 큰 열전달 다결정 물질로 이루어진 외부 가공층에는 작은 팽창이 일어날 것이다. 높은 열 팽창율을 갖고 있는 지지부(134)는 큰 팽창이 일어날 것이다. 중간층에는 중간 정도의 팽창이 일어나서 외부 가공층(138)과 텅스텐 탄화물 지지부(138) 사이에 높은 응력을 방지할 것이다.
부가적으로, 지지부(134)와 중간층(144)이 결합되는 주름진 형태에 의해 가공요소(130)안에 응력이 또한 개선된다. 도 2d에 도시된 바와 같이, 주름진 형태는 인장과 압축 영역(190,194)을 교대로 나타낸다. 이러한 교대 영역(190, 194)은 가공 요소(130)의 안정성을 개선한다.
또한 상기 실시예는 보다 두꺼운 PCD 또는 PCBN층을 사용하여 열소산을 개선 가능하게 한다. 종래의 기술에서는 외부 가공층(140)을 형성하는 PCD 또는 PCBN층은 일반적으로 약 0.5mm였었다. 그러나 정상부(154)와 계곡부(154) 사이에 0.5∼0.6mm 차이를 갖는 주름진 텅스텐 탄화물 지지부(134)를 사용하고 중간층이 정상부(154) 위로 약 0.1mm 정도의 높이를 갖도록 함으로서, 외부 가공층의 상부면(140a)은 주름진 지지부(134)의 최상부(154)로부터 약 0.6mm 떨어지게 배치되고, 주름진 지지부 상부면(134a)의 최하부(158)로부터 약 1.2mm 정도 떨어지게 배치된다.
도 3을 참조하면, 제1실시예에서 설명되어질 본 발명의 원리를 따라 형성된, 도면 부호(200)으로 도시된 일반적인 다결정 가공 요소의 단면이 도시되어 있다.
[실시예 1]
중간층(210) 공급 원료는 평균 입도 3㎛인 다이아몬드 분말과 평균 입도 0.8㎛인 텅시텐 탄화물 분말을 부피비 80 : 20으로 혼합시켜 준비하였다. 분말을 볼밀링한 후 수소가스 분위기에서 900℃ 로 2시간동안 열처리하였었다. 일측면(214a)이 주름진 표면을 갖는 텅스텐 탄화물 디스크(214)를 탄탈컵(218) 안에 들어갈 수 있도록 준비하였다. PCBN 성형체층(222)용 PCBN 공급 원료는 평균 입도 2㎛의 CBN분말과 질화 알루미늄, 니겔, 질화 티타늄 결합재를 부피비 98 : 2로 혼합시켜 준비하였다.
일반적인 고온 고압 합성과정에 따라, 텅스텐 탄화물 디스크(214)를 탄탈컵(218) 안에 위치시킨 후 중간층(210) 공급 원료를 주름진 표면(214a) 위에 놓았다.
이후, 외부 가공층(222) 공급 원료를 중간층(210)의 공급 원료 위로 놓았다. 마지막으로, 여러층의 탄탈 디스크(226)를 외부 가공층(222) 공급 원료 위에 놓았다. 이후, 컵(218) 끝단이 안쪽 소재를 감쌀 수 있도록 구부렸다.
도면 부호(234)로 지시되는 공급 원료를 적재된 컵 어셈블리는 일반적인 고온 고압 반응 용기안에 삽입하고, 이 용기는 유압 프레스를 갖는 종래의 다이(die)/벨트 어셈블리에 위치시켰다. 압력은 약 55kb정도 가압되고 온도는 약 1400℃까지 상승시켰다. 압력과 온도를 약 30분 정도 유지한 후, 온도를 낮추고 압력을 점차적으로 감압하였다. 가공 요소(200)는 직경 35mm이며 두께 4.3mm였다. 소결된 PCBN 성형체는 양측면과 원주면을 그라운eld 및 래핑시켜 마무리였다.
이후 PCD는 광학현미경으로 미세 구조 조사와 EDX 분석을 위해 광택 작업을 했다. 소결된 PCD는 약 0.4∼0.6mm 두께를 갖는 분명한 아치형 중간층(다이아몬드 소결 형태)을 나타내었다. 일반적인 PCBN층은 이러한 소결된 PCD 위에 놓여진다.
PCBN 외부 가공층(222)은 매우 강한 것으로 보여지며 어떠한 결함도 관찰되지 않았다. 중간층을 포함한 전체 다결정 물질 두께는 약 1.0mm이었다. 새로운 다결정 물질층(222, 210)의 코발트 함량은 중간층이 없는 일반적인 텅스텐 탄화물지지부로 지지된 PCBN의 코발트 함량보다 훨씬 작은 값을 나타내었다. 보다 상세하게는, 코발트가 약 1%중량 정도만 발견된 반면, 종래의 PCBN 성형체의 경우 10∼20%중량 정도가 나타난다.
고속도강에 대한 가공 요소(230)의 선삭 시험 성능은 종래의 PCBN 성형체에 대해 약 30% 정도의 개선을 나타내었다.
[실시예 2]
평균 입도 3㎛인 CBN분말, 평균입도 1㎛의 질화 티타늄, 1㎛의 티타늄 탄화물을 부피비 60 : 20 : 20으로 혼합하여 텅스텐 탄화물 밀(the tungsten carbide mill)로 10시간 동안 볼밀링하였다. 이와 같이 밀링된 공급 원료는, 중간층으로 사용되고, 이후 진공로에서 1100℃에서 2시간 동안 열처리하여 불순물을 일소시키고, 이후 상술된 제1실시예와 유사한 벙법으로 새로운 PCD공구를 제조하였다. CBN 중간층을 갖는 소결된 PCD 성형체는 그라인딩과 래칭으로 끝마무리하여 바닥에 0.6mm 두께의 중간층과 상부에 0.5mm 두께의 정상적인 PCD층으로 이루어진 다층의 PCD를 나타낼 수 있도록 하였다.
텅스텐 탄화물/중간층 계면과 중간층/외부 가공층 계면 각각은 강한 결합을 이루고 있는 것으로 나타난다. 이러한 새로운 PCD(외경 34mm × 두께 3.2mm)는 와이어 EDM에 의해 다양한 절편들로 손쉽게 절단하였다. 절단된 절편은 각각 모두 박리나 크랙의 흔적이 없어 만족스러운 결과를 나타낸다. 또한, 상기 절편을 일반적인 PCD 절편과 비교하기 위해 수개의 절편을 700℃, 740℃, 800℃의 로에 넣어 열처리 실험하여 관찰하였다. 일반적인 PCD는 740℃ 또는 그 이상에서 열적 손상을 입었으며, 800℃에서 처리된 CPD층에는 계면 박리가 발생한 반면, 본 발명의 새로운 PCD 절편은 어떠한 크랙이나 박리도 나타내지 않았다. 새로운 PCD층은 보다 높은 열저항 특성에 맞는 미세 구조를 나타내는 조절된 양의 코발트 결합재를 갖는 PCD 공급 원료로 이루어졌다는 점에 주목하여야 한다.
[실시예 3]
이 실험은 절삭 공구를 가동하는 동안 열과 응력 취급성에 대한 중간층의 효과를 조사한 것이다. 평균 입도 3㎛ 다이아몬드 분말과 평균 입도 0.8㎛의 텅스텐 탄화물 분말을 부피비 70 : 30으로 혼합하여 텅스텐 탄화물 밀로 2시간 동안 볼밀링 하였다. 이와 같이 불밀링된 공급 원료는 슬러리 형태로 만들기 위해 에틸 알콜로 묽게 했다. 이 후 슬러리를 탄탈컵 내에 위치한 코발트가 결합된 텅스텐 탄화물 디스크의 아치형 또는 주름진 면위로 부이 중간층의 공급 원료로 사용되었다. 이후 이러한 컵 어셈블리는 대류식 건조기에서 90℃에서 1시간 동안 건조한 후 진공 분위기에서 1000℃에서 2시간 동안 열처리하였다. 컵 어셈블리를 로에서 꺼낸 후, 일반적인 PCD 성형체 층용의 수소로 열처리된 다이아몬드 공급 원료를, 제1실시예에서 설명한 바와 같이, 중간층 위에 2번째로 놓았다. 이에 따라서, 소결된 PCD 성형체는 텅스텐 탄화물 지지부와 결합된 2개층의 다결정 다이아몬드로 이루어진다. 상부층은 일반적인 소결된 또는 결합된 또는 소결된 및 결합된 PCD인 반면, 하부층은 텅스텐 탄화물 층에 일체로 결합된 소결된 또는 결합된 PCD층이다. 내부 시험용의 마무리 공구를 만들어 6%의 코발트가 결합된 텅스텐 탄화물 롤에 대해 시험을 행하였다. 시험에 대한 변수를 엄정하고 과다한 시험으로 선택했음에도 불구하고 새로운 PCD 공구는 랒 견디는 것으로 나타났고, 이와는 대조적으로 일반적인 PCD 공구는 과열과 더 빠른 마모와 복합 영향을 나타내어 나쁜 결과가 나왔다. 특히 일반적인 절삭 변수보다 고속도 절삭에 대해서, PCD층의 두께가 거의 1.0mm인 새로운 PCD 공구는 보다 나은 열 소산과 보다 작은 열 응력 유도 역할을 하는 개선된 성능을 나타내었다.
도4a 내지 4d를 참조하면, 다결정 가공 공구 절편(240) 사요하여 만든 여러 가지 공구 형태를 보여준다. 각각의 절편은 텅스텐 탄화물과 같은 재질의 지지부(260)와, PCD나 PCBN의 다결정 물질로 형성된 외부 가공부(264)와, 그 사이에 있는 중간부(270)로 구성되어 있다. 외부 가공부(264)는 0.4∼0.6mm 사이의 두께를 갖게 되는 것이 바람직하다. 지지부(260)의 주름진 표면을 형성하는 아치부(274)는 0.4∼0.6mm 사이의 높이인 것이 바람직하다. 아치부(274)와 외부 가공부(264) 사이에 충분한 분리를 유지하기 위해 중간부는 강장 얇은 지점(주름진 표면 정상부)에서 적어도 0.15∼0.2mm이가 되어야 하고, 일반적으로 가장 두꺼운 지점은 0.5∼0.6mm이다.
도 5a를 참조하면, 본 발명에 의해 제조된 도면부호(300)으로 지시되는, 일반적인 지지부가 도시되어 있다. 상기 도시되고 기술된 지지부 각각이 상대적으로 날카로운 정점으로 끝나는데 반해, 도 5a의 지지부(300)는 복수개의 대부피로 모서리를 라운드 처리한 돌출부(304)가 된다. 랑카로운 돌출부를 갖는 한가지 문제점은 돌출부가 PCD 성형체 내에 크랙을 야기시키는 경향이 있다는 것이다. 돌출부의 모서리를 라운드 처리함으로써 크랙은 상당히 감소된다.
도 5a에 도시 된바와 같이, 돌출부는 0.3∼0.4mm 사이의 높이를 갖고 바람직하게는 0.6mm를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 또한 도 5a에 도시한 바와 같이, 인접 정상부간의 거리는 0.9mm이다. 따라서 중간층이 최하지점 위로 0.5mm 연장되면, 정상부가 바람직한 범위 내에 있기 때문에 중간층은 정상부의 윗면보다 약간 위로 연장 가능하다.
도 5b를 참조하면 복수개의 정상부(312)를 갖는 도면 부호(310)으로 전체가 지시된 지지부의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 5a의 실시예 또는 종래의 형상에 기술된 형태와는 달리, 도 5b에 나타낸 정상부(312)는 높이가 다르고 일정하지 않게 이격되며, 지지부의 대부분을 차지하는 "계곡부"가 형성되지 않는다. 도 5b는 본 발명이 올바르게 기능할 수 있도록 중간층이 형성되는 균일한 지지면을 갖을 필요가 없다는 것을 나타낸다. 중간층은 인접한 정상부 사이의 다른 크기를 갖는 공간을 손쉽게 채우며 정상부를 다이아몬드 성형체 공구의 외부 가공층(도시되지 않음)으로부터 분리시키는 층을 제공한다.
본 발명의 몇가지 다른 실시예가 기술되었지만, 이들 실시예 각각은 본 발명의 중요한 잇점을 공유하는 것을 의도로 하고 있다. 첫째, 코발트의 침투를 조절하고 외부 가공층으로 상당한 침투를 방지함으로써, PCD 또는 PCBN 성형체의 내마모 특성을 현저히 향상된다. 부가적으로, 코발트의 이동을 억제시킴으로써 다이아몬드 입자를 갖는 계면에 인접한 텅스텐 탄화물 내의 미세한 구멍 형성이 감소된다. 이는 차례로 다이아몬드 성형체가 지지부로부터 떨어져 나가게 되는 위험을 감소시킨다.
따라서 아치형 중간층 지지부를 갖는 개량된 PCD/PCBN가 개시된다. 본 발명의 기술에 숙련된 사람은 본 발명의 범위와 사상을 벗어나지 않고 수많은 변형예를 제작될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 첨부된 첨구의 범위는 이러한 변형예를 포함할 수 있도록 하였다.
Claims (18)
- 다결정 다이어몬드(PCD)또는 다결정 입방정 질화붕소(PCBN)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 다결정 물질을 포함하는 다결정 성형체를 구비한 외부 가공층과; 상기 외부 가공층을 지지하도록 선택되고, 제1, 2측면을 갖으며, 상기 제1측면에는 복수개의 돌출부가 형성된 지지부와; 상기 외부 가공층과 상기 지지부 층 사이에 배치되고 상기 지지부의 돌출부를 수용하고 상기 지지부에 결합되도록 형성된 제1측면과, 상기 외부 가공층에 결합되는 제2측면을 갖음과 함께, 100중량%중에서 다결정 다이어몬드(PCD)또는 다결정 입방정 질화붕소(PCBN)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 다결정 물질인 70중량%이상과, 여기에 결합제(VIII족 금속중 적어도 하나) 또는 결합매개물(IVb, Vb, VIb족 천이금속의 탄화물, 질화물, 탄화 질화물중 적어도 하나)중 선택한 1종 이상이 30중량% 이하로 조성된 중간층을 구비한 것을 특징으로 하는 다결정 공구.
- 제1항에 있어서, 상기 지지부가 복수개의 돌출부를 구비한 것을 특징으로 하는 다결정 공구.
- 제2항에 있어서, 상기 돌출부는 넓게 라운드 처리된 것을 특징으로 하는 다결정 공구.
- 제2항에 있어서, 상기 중간층은 상기 돌출부상에 위치하며, 상기 외부 가공층을 상기 돌출부로부터 분리시키는 것을 특징으로 하는 다결정 공구.
- 제1항에 있어서, 상기 중간층은 코발트를 구비하고, 상기 외부 가공층은 코발트 양을 조절하여서 된 것임을 특징으로 하는 다결정 공구.
- 제1항에 있어서, VIII족 금속중 적어도 하나인 결합제가 코발트, 니켈, 철로 이루어진 것으로 부터 선택한 것을 특징으로 하는 다결정 공구.
- 제1항에 있어서, 상기 중간층 중에서 결합제가 1∼10중량%인 것을 특징으로 하는 다결정 공구.
- 다결정 요소를 수용하도록 형성되고, 복수개의 돌출부를 갖는 지지부와; 복수개의 소결된 또는 결합된 초경 결정체와, 다결정 다이아몬드(PCD) 또는 다결정 입방정 질화붕소(PCBN)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 다결정 물질에 결합체(VIII족 금속중 적어도 하나) 또는 결합매개물(IVb, Vb, VIb족 천이금속의 탄화물, 질화물, 탄화 질화물 중 적어도 하나) 중 선택하여 혼합된 물질을 갖고, 최소 50% 부피이며, 상기 돌출부와 상기 지지부에 위치되어 결합될 수 있도록 형성된 중간층과; 상기 중간층에 결합된 외부 가공층을 구비한 것을 특징으로 하는 새로운 지지부를 갖는 다결정 성형체.
- 제8항에 있어서, 상기 결합 물질은 코발트, 니켈, 철로 구성된 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 새로운 지지부를 갖는 다결정 성형체.
- 제8항에 있어서, 상기 중간층은 외부 가공층을 상기 지지부의 돌출부로부터 구분시키는 것을 특징으로 하는 새로운 지지부를 갖는 다결정 성형체.
- 제8항에 있어서, 상기 외부 가공층과 상기 중간층 각각은 복수의 결정체와 상기 결정체들은 서로 결합시키기 위한 결합재를 포함하여 상기 중간층이 외부 가공층 보다 더 높은 결합 매개물 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 새로운 지지부를 갖는 다결정 성형체.
- 제11항에 있어서, 상기 중간층의 결합매개물 함량이 30중량% 이하인 것을 특징으로 하는 새로운 지지부를 갖는 다결정 성형체.
- a) 코발트가 결합된 탄화물 지지부로 이루어진 디스크를 준비하는 단계와; b) 금속제 용기 내에 상기 지지부를 위치시키는 단계와; c) 상기 디스크에 충분한 양의 다결정 물질과 결합매개물 또 는결합재를 덮어 중간층을 형성하는 단계와; d) 중간층에 다결정 물질을 덮어 외부 가공층을 형성하는 단계를 구비한 것을 특징으로 하는 절삭 공구의 중간층에 새로운 지지부를 갖는 성형체를 생산하는 방법.
- 제13항에 있어서, 주름진 표면을 갖는 디스크를 사용하여 주름진 표면위에 중간층을 배치하는 단계를 더 구비한 것을 특징으로 하는 절삭 공구의 중간층에 새로운 지지부를 갖는 성형체를 생산하는 방법.
- 제13항에 있어서, 코발트, 니켈, 철을 구비한 그룹으로부터 선택된 결합재를 사용하지 않고 외부 가공층을 형성하는 방법을 더 구비한 것을 특징으로 하는 절삭 공구의 중간층에 새로운 지지부를 갖는 성형체를 생산하는 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 지지부, 상기 중간층 및 상기 외부 가공층을 최소 1300℃에서 최소 6분동안 열처리 하는 단계를 더 구비한 것을 특징으로 하는 절삭 공구의 중간층에 새로운 지지부를 갖는 성형체를 생산하는 방법.
- 제16항에 있어서, 상기 지지부, 상기 상기 중간층 및 상기 외부 가공층은 45∼60kb 사이로 가압되는 단계를 더 구비한 것을 특징으로 하는 절삭 공구의 중간층에 새로운 지지부를 갖는 성형체를 생산하는 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 중간층이 다결정 입방정 질화붕소(PCBN)으로 형성되어 있는 경우에 상기 외부 가공층은 다결정 다이아몬드(PCD)로 형성되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구의 중간층에 새로운 지지부를 갖는 성형체를 생산하는 방법.
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