KR100568971B1

KR100568971B1 - 고경도 소결체의 제조방법

Info

Publication number: KR100568971B1
Application number: KR1020040002149A
Authority: KR
Inventors: 오장욱; 신택중; 오규환; 김동익
Original assignee: 일진다이아몬드(주)
Priority date: 2004-01-13
Filing date: 2004-01-13
Publication date: 2006-04-07
Also published as: WO2005068114A1; KR20050073989A

Abstract

본 발명은, 초경기판에 다결정다이아몬드(PolyCrystaline Diamond;이하, PCD라 함) 고경도층을 형성시킨 고경도 소결체의 제조방법에 관한 것으로,

다이아몬드분말을 포함하는 소결원료분말을 준비하는 단계;

상기 소결원료분말을 WC/Co계 초경기판상에 위치시키는 단계;

상기 초경기판과 소결원료분말을 기공성압분체 도가니에 장입하고 다이아몬드가 안정한 고온고압하에서 소결하여 상기 초경기판상에 피씨디(PCD;PolyCrystaline Diamond) 고경도층을 형성시키는 단계를 포함하여 구성된다.

본 발명에 의하면, 추가적인 입자성장억제물질이 포함된 결합재분말을 첨가하지 않고도, 고경도 소결체의 PCD층의 비정상적인 다이아몬드 입자성장을 방지할 수 있으므로 피삭성이 우수할 뿐 아니라, 가공성이 우수한 고경도 소결체를 제조할 수 있다.

WC/Co계 초경기판, 소결원료분말, 기공성압분체 도가니, 다결정다이아몬드

Description

고경도 소결체의 제조방법{METHOD OF SINTERING BODY HAVING HIGH HARDNESS}

본 발명은, 초경기판에 다결정다이아몬드(PolyCrystaline Diamond;이하, PCD라 함) 고경도층을 형성시킨 고경도 소결체의 제조방법에 관한 것으로, 특히 소결과정에서의 다이아몬드 입자의 비정상적인 성장을 억제할 수 있는 고경도 소결체의 제조방법에 관한 것이다.

WC/Co계 초경기판에 PCD 고경도층을 형성한 고경도 소결체는 공구재료로서 많이 쓰이고 있다.

종래의 고경도 소결체는 WC/Co계 초경기판 상에 다이아몬드분말과 코발트를 주성분으로 하는 결합재분말을 혼합한 원료분말을 올려놓고, 2000℃ 이상의 고융점재료(예컨대 Ta, Mo, Nb 등)로 이루어진 내화금속도가니에 장입하여 다이아몬드가 안정한 고온고압하에서 소결되어 제조된다.

다결정다이아몬드 소결층의 주된 결합재는 초경기판으로부터 확산되어 들어오거나, 원료분말의 결합재분말에 포함되어 있던 코발트이다. 코발트는 상기 소결온도 및 압력 하에서 용융하여 액상을 이루는데, 이러한 액상 코발트는 PCD 형성 반응의 촉매역할을 하게 된다. 즉, 액상 코발트 내에서 다이아몬드의 활동도는 매우 높아지므로, 상기 액상의 코발트 내로 확산된 다이아몬드입자의 성장 및 결합반응이 활발하게 일어나서 다결정을 이루게 된다.

한편, 상기 도가니는 2000℃ 이상의 고융점재료로 이루어져 있어, PCD 소결과정에서 용융되지 않고 안정하게 유지된다.

그러나, 이러한 종래의 제조방법에 의하면, 소결과정에서 도가니에 인접한 다이아몬드 표면 부근의 입자가 비정상적으로 성장하는 문제점이 있었다.

다이아몬드가 입자성장을 일으키게 되면, 목표한 입도의 미세결정을 가지는 소결체를 제작할 수 없다. 또한, 비정상적인 입자성장이 일어난 소결체로 제작된 공구로 피삭재를 절단하면, 피삭재 절단면의 조도가 나빠지는 문제점이 있다.

특히, 다이아몬드 입자가 100㎛ 이상으로 비정상성장할 경우에는, 소결체를 공구로 제작하기 위한 EDM(Electrical Discharge Machine) 와이어 방전가공이 불가능하게 되는 문제가 있다.

이러한 다이아몬드의 비정상적인 입자성장을 방지하기 위하여, 다이아몬드 입자의 입계에 위치하여 다이아몬드입자성장을 방해하는 4A~6A족 금속의 탄화물, 질화물, 붕화물이나 이들의 혼합분말을 원료분말에 넣고 소결하는 방법이 제안된바 있다.

그러나, 상기 방법의 경우 추가적인 물질을 첨가해야 하므로 원가가 상승하고 이들을 혼합분쇄하는 추가적인 공정이 필요할 뿐 아니라, 코발트 외의 다른 물질이 다이아몬드 사이를 채우게 되어 소결치밀도가 떨어진다는 문제가 있다. 또한, 상기 탄화물 등은 소결체 내에서 편석을 일으킬 수 있어, 소결체의 기계적특성의 균질도를 떨어뜨리게 되는 부작용도 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 소정 기공율의 기공성 도가니를 사용하여 고경도 소결체를 제조함으로서 입자성장을 억제할 수 있는 고경도 소결체의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고경도 소결체 제조방법은,

상기 초경기판과 소결원료분말을 기공성압분체 도가니에 장입하고 다이아몬드가 안정한 고온고압하에서 소결하여 상기 초경기판상에 피씨디(PCD;PolyCrystaline Diamond) 고경도층을 형성시키는 단계를 포함한다.

상기 기공성압분체 도가니의 기공율은 5~40%인 것이 바람직하다.

또한, 상기 기공성압분체 도가니의 융점은 1700℃ 이상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 도가니는, Al₂O₃, MgO, MgO-SiO₂및 이들의 탄화물, 질화물, 산화물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상으로 이루어진 세라믹압분체인 것이 좋다.

한편, 상기 다이아몬드분말의 평균입도는 3㎛ 이하인 것이 바람직하며, 이 때 상기 기공성압분체 도가니의 평균입도는 다이아몬드분말 평균입도의 1.5배 이하인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 소결원료분말은 3A족~7A, 8족의 4~6주기에 속하는 촉매전이금속 및 이들의 탄화물, 질화물, 붕화물, 탄질화물 및 상기 각각의 상호고용체 화합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상으로 이루어진 결합재분말을 포함하는 것이 바람직하다.

이하에서는, 본 발명에 대하여 자세하게 설명한다.

본 발명자는 예의연구한 결과, 다이아몬드 표면 부근에서 입자성장이 일어나는 것은, 초경기판 또는 결합재로부터 용융되어 나온 코발트의 액상 풀(pool)이 내화금속 도가니의 벽을 따라 형성되기 때문임을 알게 되었다. 즉, 코발트 액상 풀에서의 다이아몬드 입자는 활동도가 매우 커지므로 액상 풀과 인접한 부분의 다이아몬드입자가 비정상적으로 성장하게 되는 것으로 판단되었다.

상기 코발트의 액상 풀은 이른바 스퀴즈아웃(squeeze out) 현상에 의하여 형성되는 것으로 추정된다. 스퀴즈아웃이란, 소결과정이 진행됨에 따라 다이아몬드 입자가 점점 더 접근하면서, 다이아몬드 사이의 코발트성분을 외부로 밀어내는 것을 말하는데, 종래의 도가니는 소결온도에서 안정하고 치밀한 순수금속(Mo, Ta, Nb 등 중의 하나)이나 이들의 합금으로 구성되어 있으므로, 외부로 밀려나온 액상 코발트가 상기 도가니 벽을 따라 액상 풀을 형성하게 되는 것이다.

본 발명자는 상기와 같은 입자성장메카니즘에 착안하여 도가니벽을 따라 코발트의 액상 풀이 형성되지 않게 하거나, 감소시키는 방향에 대하여 연구한 결과, 스퀴즈아웃되어 나온 액상 코발트를 흡수할 수 있도록 소결 도가니를 코발트의 액상 풀을 흡수할 수 있는 기공성압분체 도가니로 구성하면, 입자성장을 막을 수 있다는 것을 발견하였다.

즉, 다이아몬드분말 또는 다이아몬드분말과 결합재분말의 혼합분말이 표면에 놓여진 초경기판을 소정 기공율의 기공성 세라믹압분체 도가니에 장입하고 다이아몬드가 안정한 고온고압 하에서 소결하면, 스퀴즈아웃에 의하여 코발트가 거의 100%인 액상물질이 도가니벽을 따라 용출되지만, 상기 액상물질이 압분체 도가니의 기공 사이로 침투(filteration)되어 들어가므로 도가니벽에 비정상적인 입자성장을 일으킬 수 있을 정도의 큰 코발트 액상 풀이 형성되기 매우 어렵게 된다.

상기 도가니는 액상 풀의 형성을 방해하기 위하여 충분한 액상 코발트를 흡수할 수 있을 정도의 충분한 기공이 포함된 구조여야 하며, 고온고압의 소결조건(통상, PCD 소결은 1000~1700℃, 3~10Gpa의 가혹한 조건하에서 이루어짐)하에서도 기공구조 및 형상을 안정적으로 유지할 수 있는 압분체구조이어야 한다.

그런데, 압분체 도가니의 기공율이 5% 미만인 경우에는 액상 풀의 형성을 방해할 수 있을 정도로 충분한 액상 코발트를 흡수하기 힘들고, 40%를 초과하는 경우에는 상기 소결조건하에서 도가니 형태 및 기공구조가 부분적으로 붕괴되어 안정적으로 소결을 진행하기 힘들다.

따라서, 상기 도가니의 기공율은 5~40%인 것이 바람직하다.

또한, 압분체 도가니의 융점이 소결온도보다 낮을 경우에도 기공이 부분용융된 도가니 재료에 의하여 메꿔져, 예상치대로 액상 코발트가 흡수되지 않을 수 있으므로 도가니 재료의 융점도 1700℃ 이상인 것이 바람직하다.

이러한 조건을 만족하는 바람직한 도가니 재료로는, Al₂O₃, MgO, MgO-SiO₂및 이들의 탄화물, 질화물, 산화물이 있다.

한편, 다이아몬드입자의 비정상적인 성장은 다이아몬드분말의 크기가 작을 수록 더욱 크게 일어난다. 왜냐하면, 다이아몬드분말의 크기가 작을 수록 이와 접하는 액상 코발트와의 계면이 커져서 입자성장의 구동력이 되는 계면에너지가 대폭 증가하기 때문이다.

통상, 원료다이아몬드 분말의 평균입도가 3㎛를 넘어서면, 계면에너지가 부족하여 비정상적인 입자성장이 발생빈도가 대폭 줄어든다. 그러므로, 본 발명은 특히 3㎛ 이하의 미세 다이아몬드분말 소결의 경우에 특히 의미가 있다.

또한, 액상 코발트는 이른바 모세관현상에 의하여 도가니의 기공 사이로 빨려 들어가게 된다. 모세관현상의 구동력은 계면에너지이고, 상기 계면에너지는 겨면이 형성하는 곡률반경에 반비례하므로, 조립보다도 미립으로 구성된 압분체에서 모세관현상이 더 활발하게 일어난다.

본 발명자의 연구에 의하면, 모세관현상이 활발하게 일어나서 액상 코발트를 효과적으로 흡수할 수 있는 바람직한 압분체 도가니의 입도는 다이아몬드분말 입자의 1.5배 이하인 것으로 판명되었다.

한편, 이론적으로는 초경기판에서 확산되는 코발트성분만으로도 다이아몬드 분말을 소결할 수 있으므로, 소결원료분말에 별도의 결합재분말을 넣지 않고 원료분말을 순수 다이아몬드분말로 구성할 수 있다.

하지만, 통상은 소결체의 조직균일성을 위하여 다이아몬드분말에 미리 결합재분말을 혼합하는 것이 보통이다.

소결원료분말에 주로 첨가되는 결합재는 Fe, Co, Ni 등의 촉매금속이지만, 다른 특성을 부가하기 위하여 그 밖의 촉매금속을 첨가할 수도 있다. 상기 결합재분말은 3족~10족의 4~6주기에 속하는 촉매전이금속 및 이들의 탄화물, 질화물, 붕화물, 탄질화물 및 상기 각각의 상호고용체 화합물 중 하나 이상을 사용할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.

[실시예]

시편	A	B	C	D
다이아몬드분말 평균입도	2	2	2	4
결합재분말중 Co wt%	5	5	5	5
결합재분말중 WC wt%	0	20	35	0

평균입도 2㎛와 4㎛의 다이아몬드분말에, 표와 같은 조성의 평균입도 1.5㎛의 코발트 분말과 평균입도 0.8㎛의 WC 분말로 이루어진 결합재분말을 혼합하여 소결원료분말로 한 후, WC-8wt% Co의 초경기판상에 올려놓은 다음, 상기 혼합원료분말과 기판을 기공율 35%, 평균입도 3㎛의 MgO 압분체 도가니와 Ta도가니에 각각 장 입하고, 벨트형의 고압장비를 사용하여 1600℃, 6Gpa 하에서 1시간동안 소결하였다.

소결된 소결체를 연마, 폴리싱 가공하고 EDM 와이어방전가공절단하여 절단면을 관찰한 결과, MgO도가니에 장입한 본 발명의 실시예 시편의 경우 결합재의 모든 조성에 있어서 입자성장이 거의 일어나지 않았다.

하지만, Ta도가니에 장입하여 소결한 비교예 시편 A 및 B의 경우는, 거의 100㎛ 이상의 입자성장이 심각하게 발생하였다.

한편, WC을 35wt% 첨가한 비교예 C의 경우 입자성장이 발생하지 않았는데, 이는 WC가 다이아몬드 입자의 결합을 방해하여 입자성장이 발생하지 않은 것으로 파악된다.

또한, 비교예 B는 다이아몬드 입자의 평균입도가 3㎛를 초과하여 입자성장에 필요한 구동력이 부족하여 심각한 입자성장은 거의 일어나지 않은 것으로 파악되었다.

이와 같이, 본 발명의 경우 결합재의 조성에 상관없이, 입자성장이 거의 발생하지 않았지만, 비교예의 경우 WC를 상당한 양 첨가하여야 입자성장을 방지할 수 있었다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 추가적인 입자성장억제물질이 포함된 결합재분말을 첨가하지 않고도, 고경도 소결체의 PCD층의 비정상적인 다 이아몬드 입자성장을 방지할 수 있으므로 피삭성이 우수할 뿐 아니라, 가공성이 우수한 고경도 소결체를 제조할 수 있다.

Claims

다이아몬드분말을 포함하는 소결원료분말을 준비하는 단계;

상기 소결원료분말을 WC/Co계 초경기판상에 위치시키는 단계;

상기 초경기판과 소결원료분말을 기공성압분체 도가니에 장입하고 다이아몬드가 안정한 고온고압하에서 소결하여 상기 초경기판상에 피씨디(PCD;PolyCrystaline Diamond) 고경도층을 형성시키는 단계를 포함하는 고경도 소결체의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 기공성 압분체 도가니의 기공율은 5~40%인 것을 특징으로 하는 고경도 소결체의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 기공성압분체 도가니의 융점은, 1700℃ 이상인 것을 특징으로 하는 고경도 소결체의 제조방법.
제3항에 있어서,

상기 도가니는, Al₂O₃, MgO, MgO-SiO₂및 이들의 탄화물, 질화물, 산화물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상으로 이루어진 세라믹압분체인 것을 특징 으로 하는 고경도 소결체의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 다이아몬드분말의 평균입도는 3㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 고경도 소결체의 제조방법
제1항 또는 제5항에 있어서,

상기 기공성압분체 도가니의 평균입도는 상기 다이아몬드분말 평균입도의 1.5배 이하인 것을 특징으로 하는 고경도 소결체의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 소결원료분말은 3족~10족의 4~6주기에 속하는 촉매전이금속 및 이들의 탄화물, 질화물, 붕화물, 탄질화물 및 상기 각각의 상호고용체 화합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상으로 이루어진 결합재분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 고경도 소결체의 제조방법.