KR100657798B1 - 다이아몬드-실리콘 카바이드-실리콘 복합체의 제조 방법및 이 방법에 의해 제조된 복합체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다이아몬드 입자로 부터 다이아몬드-실리콘 카바이드-실리콘 복합제를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 이 방법은 작업시편을 성형하는 단계, 작업시편을 가열하고 가열온도 및 가열시간을 조절함으로써 소정량의 흑연이 다이아몬드 입자의 흑연화에 의해 생성되고 그로인해 중간체 보디를 생성하는 단계 및 실리콘을 중간체 보디에 침윤하는 단계를 포함한다. 본 발명은 또한 이러한 방법에 의해 제조된 다이아몬드-실리콘 카바이드-실리콘 복합체에 관한 것이다.

Description

다이아몬드-실리콘 카바이드-실리콘 복합체의 제조 방법 및 이 방법에 의해 제조된 복합체{METHOD OF MANUFACTURING A DIAMOND-SILICON CARBIDE-SILICON COMPOSITE AND A COMPOSITE PRODUCED BY THIS METHOD}

본 발명은 다이아몬드-실리콘 카바이드-실리콘 복합체 제조 방법 및 그로인해 제조된 다이아몬드-실리콘 카바이드-실리콘 복합체에 관한 것이다.

많은 분야에 적용하기 위해 극히 경질(초경질, >40㎬)인 재료가 일반적으로 필요하다. 이러한 응용물은 절삭, 선회, 밀링, 드릴링, 제재 또는 연삭 작업등에 공구로서 사용될 수 있다. 상기 경질 재료는 또한 베어링, 실, 노즐 또는 유사한 경우에 사용될 때 내마모, 내마찰 및 내침식에 사용될 수 있다. 상기 재료는 주조 철, 강철, 비철금속, 목재, 종이, 중합체, 콘크리트, 돌, 대리석, 토양, 침탄 카바이드 및 산화 알루미늄, 실리콘 카바이드, 다이아몬드 또는 질화붕소 공구등의 연삭휠에 사용하거나 접촉되는 데 사용할 수 있다. 공지된 가장 경질 재료로서, 단결정 또는 다결정 다이아몬드는 상기 목적에 적합하다. 경도를 목적으로 사용된 다른 일반적인 재료는 예를 들어, 질화붕소 공구(CBN), 질화 붕소 및 다른 세라믹이고 침탄 카바이드이지만, 오직 다이아몬드 또는 CBN을 함유하는 재료만이 엔지니어링 재료의 초경질군에 도달할 수 있다.

상기 재료의 존재하에 다이아몬드 입자를 소결함으로써, 금속 및 세라믹 상으로 이루어진 매트릭스에 다이아몬드 입자가 결합되는 다결정 보디는 공지이다. 다이아몬드 불안정성 및 흑연화 경향때문에, 30,000-60,000atm(HP/HT)의 압력을 가진 고압 챔버내에, 1300-1600℃ 에서 열처리 함으로써 다이아몬드 안정성의 조건이 이루어진다.

상기 공정의 결함은 상대적으로 작은 크기의 보디가 제조되는 것이다. 게다가 제조 기술이 오히려 복잡하고 특별한 장치를 필요로 한다.

몇몇 특허는 고압/고온을 사용하지 않고 다이아몬드, 실리콘 카바이드 및 실리콘을 함유하는 재료를 제조하는 기술을 개시하고 있다. 주로 다른 탄소질 재료(이하 카본 블랙, 탄소 섬유, 코우크, 흑연, 열분해 탄소등과 같은 모든 종류의 비-다이아몬드 탄소 재료를 일컫는다)를 사용하는 것과 관련한 다수의 변형된 공정들이 있다. 중요하게는 하기의 단계가 이어진다.

A. 탄소-코팅 다이아몬드 입자 또는 비코팅 다이아몬드 입자 및 탄소질 재료가 전구체 재료로서 사용된다.

통상적으로 탄소 코팅 다이아몬드가 사용된다. 미국 특허 제 4,220,455 호의 예에서는 열분해 반응에 의해 다이아몬드상에 탄소의 박층(500-1000 옹스트롬)을 첨가하는 것으로 시작한다. 열분해는 천연가스 또는 메탄을 1200℃ 에서 다이아몬드 입자와 함께 노(furnace)에 공급함으로써 수분간 진공에서 수행된다. 때때로 미국 특허 제 4,381,271 호, 유럽 특허 제 0 043 541 호, 유럽 특허 제 0 056 596 호 및 일본 특허 제 6-199571 A 호에서와 같이, 열분해 탄소층이 없는 다이아 몬드를 사용한다. 탄소-코팅 및 비-코팅 다이아몬드 모두 미소성 보디가 형성되기 전에, 탄소의 주요원, 예를 들어, 카본 블랙, 단(short) 탄소 섬유 또는 직물 또는 결합제로서 탄소질 재료와 혼합된다.

B. 몰드내에서, 때때로 적당한 압력을 사용하여 다이아몬드 입자/탄소 재료 혼합물의 미소성 보디를 형성한다. 형성된 미소성 보디는 부가적으로 유기 재료의 용매 및 일시적 또는 영구적 결합제를 함유하여 형성이 용이하게 되고 미소성 보디의 강도가 증가한다.

C. 미소성 보디를 가열처리함으로써 작업-시편을 제조한다. 몇몇 결합제를 어떤 잔류물 예를 들어 파라핀도 남기지 않고 증발시킨다. 몇몇 결합제는 작업-시편, 예를 들어 페놀-포름알데히드 및 에폭시 수지와 같은 다른 수지중 탄소질 잔류물이 잔류하여 경화된다.

D. 용해된 실리콘으로써 다공성 작업-시편의 침윤을 수행하여 탄소와 실리콘사이에 반응시 실리콘 카바이드를 형성한다. 제조된 실리콘 카바이드는 특정량의 잔류 실리콘과 함께 공극을 채운다. 다이아몬드의 흑연화를 최소화하기 위해 상기 방법으로 가열 처리를 하며, 이는 해로운 것으로 간주된다. 미국 특허 제 4,220,455 호의 예는 실리콘과 탄소사이에 반응이 완결되는 시간동안, 15 분간 1400-1550℃ 사이의 온도에서 보디가 몰드내에 있을 때 진공중에 실리콘 침윤을 하는 것을 개시한다. 미국 특허 제 4,242,106 호는 실리콘 침윤동안에 0.01-2.0 토르의 진공을 사용한다. 보디의 크기에 크게 좌우되는 필요 시간은 실험적으로 결정되고 1400℃ 초과에서 약 15-20 분 정도이거나 또는 1500℃ 에서 10 분이 소요된 다. 미국 특허 제 4,381,271 호는 모세관 작용에 의해 유동성 실리콘의 침윤을 촉진하는 탄소 섬유를 사용한다. 대부분의 특허에서 몰드내에 침윤을 수행한다. 몇몇 선행 특허들은, 유럽 특허 제 0 043 541 호에서와 같이, 침윤을 몰드 밖에서 수행한다.

탄소-코팅 또는 비코팅 다이아몬드를 탄소질 재료와 혼합하는 방법이 있으며, 단점, 예를 들어 상기 재료의 균일한 혼합물의 제조시 어려움, 즉 매우 작은 공극 크기 및 균일한 혼합물을 제조하기 위한 특별한 장치의 필요성으로 인해 실리콘 침윤의 어려움이 있다.

러시아 특허 제 2064399 호에서 열분해에 의해 탄소를 첨가하는 것은 오직 작업-시편이 형성 및 제조된 후에 수행된다. 예를 들어 실리콘 및 티타늄 카바이드와 같은 충전제로서 다이아몬드 입자 및 카바이드 입도의 혼합물 또는 다이아몬드 입자의 예비형성된 작업-시편을 일시적 결합제로서 물 또는 에틸 알콜과 함께 제조한다. 결합제를 증발시키고 작업시편을 반응기내에 두어, 거기에서 열분해 탄소를 기상, 즉 10 시간 동안 950℃ 에서 메탄으로부터 열분해 반응에 의해 보디의 모든 입도상에 침적시킨다. 이후에 실리콘 침윤을 수행한다.

상기 공정의 결점은 대량의 탄화수소 가스를 사용하는 것이고 진행 시간이 너무 길다는 것이다. 카바이드 입도를 충전제로서 사용한다면, 상기 언급된 것과 같은 균질화 문제가 나타난다.

공기중에 열처리될 때, 약 700℃의 온도에서 다이아몬드가 흑연화 및 산화되기 시작한다. 압력, 온도, 체류 시간, 다이아몬드 입자 타입, 크기 및 품질, 다이 아몬드내 불순물 및 대기는 다이아몬드 공정의 속도를 떨어뜨리는 영향을 미친다. 상기 저하를 방지하기 위해, 진공 또는 불활성 가스에서 가열을 수행한다. 고 진공 및 수소 가스에서 고품질의 다이아몬드는 각각 약 1700℃ 및 2000℃ 에서 장시간동안 안정하다. 상기와 같이 흑연화를 의도적으로 사용한 방법은 기술되지 않았다. 대신에 흑연화는 해롭고 쓸모없는 것으로 간주된다.

러시아 특허 제 2036779 호에서는 물 또는 에틸 알콜과 함께 최종적으로 다이아몬드 분말의 예비성형을 수행한다. 상기 수행물을 노내에 두고 아르곤 또는 진공중에 1420-1700℃ 에서 액체 실리콘으로 침윤시킨다. 상기 공정에서 다이아몬드 입도의 표면은 최소로 흑연화되고, 따라서 다이아몬드의 더 큰 부분은 여전히 변하지 않는다. 상기 소량의 흑연은 실리콘 카바이드의 박표면 층을 생성하는 침윤된 실리콘과 접촉 반응하여 사용된 공정 동안 다이아몬드가 흑연으로 더 이상 생성되지 않게 한다. 상기 공정의 결점은 통제가 어려우므로 복합체내에 남겨진 일정량의 제조된 SiC, 잔류 실리콘 또는 공극을 통제할 방법이 없다.

따라서 이전의 특허에서는 전기공율 및 흑연을 포함하지 않고, 탄소질 재료를 첨가하는 잘 조절된 단계 및 바람직한 양의 다이아몬드, 실리콘 카바이드 및 실리콘을 가진 재료의 제조를 위한 의도적인 흑연화 단계에 대한 교시가 없다.

상기 전술된 기술에 의해 제조된 다이아몬드 복합체 재료를 향상하기 위한 몇몇 방법이 있다. 그중 하나는 재료내에 다이아몬드 입자를 농도 및 크기의 등급이 매겨진 구조에 따라 배열하는 것이다. 일부 특성 및 또한 그로인한 복합체의 응용 분야는 상기 다이아몬드 배열에 의해 영향을 받는다.

- 다이아몬드 크기의 등급이 매겨진 재료를 제조하는 방법이 유럽 특허 제 0 196 777 호에 개시되어 있다. 상기 재료를 고압 및 고온에서 다이아몬드내 안정한 구역을 소결함으로써 제조한다. 입도 크기 및/또는 충전 밀도는 전면과 후면사이에 층간에서 변화하여 상기 부분에서 내마모성을 가지게 된다. 재료의 다른 부분의 경도 또는 내마모성은 다이아몬드의 입자 크기의 변동 또는 다이아몬드 입자에 다른 낮은 경질 재료의 첨가에 의한 변동에 의해 결정된다. 다이아몬드 크기는 전면에서 10㎛ 미만이고 후면에서 75-500㎛의 범위이다.

상기 방법의 결점은 고압-고온을 사용하기 때문에, 재료의 제품이 더 비싸고 특별한 장치를 필요로 하며 크기에 제한이 있다.

- 또한 복합체 보디의 다른 부분에 다른양의 다이아몬드를 사용한 다수의 특허가 있다. 하기 특허, 미국 특허 제 4,242,106 호 ; 제 4,247,304 호 ; 제 4,453,951 호 ; 유럽 특허 제 0 043 541 호 ; 제 0 056 596 호 및 몇몇 다른 특허는 예를 들어 지지 실리콘 카바이드 또는 실리콘 카바이드-실리콘 기질과 접촉된 다이아몬드 복합체층을 가진 복합체의 제조를 개시하고 있다. 미국 특허 제 4,698,070 호는 한 부분을 함유하는 다이아몬드 및 실리콘 카바이드 및 실리콘의 매트릭스에 의해 결합된 중심부를 가진 복합체의 제조를 개시하고 있다. 첫번째 이외에 다른 농도를 가진 부가적인 입자 층을 또한 제공할 수 있다. 상기 층은 최상부상에 예를 들어 모서리, 중심부등에 다른 배열로 놓인다.

일반적으로 다른 다이아몬드 크기 또는 농도를 가진 상기 층을 이룬 재료의 결점은 층을 함유하고 지지하는 다이아몬드내에 물리적/기계적 특성에서 차이가 있 을 수 있다는 것이다. 예를 들어, 열 팽창 계수 및 E-율의 차이는 계면에서 원치않는 응력을 발생시키는 상황이 생겨서 그로인해 응력이 가해지면 복합체가 약화되게 된다. 다이아몬드는 상대적으로 저인장 강도 및 저인성을 가지며, 내부층에 의해 결합된 다른 부분에서 다이아몬드 함량의 뚜렷한 차이는 복합체의 파괴 저항성에 영향을 미친다. 어떤 선행 기술에서도 균일하게 변하는 특성을 가진, 재료 체적의 다른 크기 분포의 다이아몬드 입자를 가진 보디에 대해서는 기술된 방법이 없다.

러시아 특허 제 2036779 호 및 러시아 제 2064399 호 둘다에서, 제조된 재료는 단일 크기의 다이아몬드 입자를 가지고, 이는 그의 마찰 특성을 현저히 감소시킨다.

미국 특허 제 4,220,455 호에 따라 제조된 복합체는 다른 크기의 다이아몬드 입자의 혼합물로 이루어진다. 상기 혼합물은 전체 복합체에 사용되며, 즉 복합체는 층을 이룬 구조를 갖지 않는다. 사용된 특정 크기 또는 크기들은 충전입자 및 목적 보디에 따라 선택된다. 대부분 마모 응용물에 대해 약 60㎛ 이하의 입자가 바람직하다. 바람직하게는 충전입자를 최소화하기 위해 크기의 범위 즉 작고, 중간이고 큰 입자의 범위를 포함하도록 크기를 등급화해야 한다. 바람직하게는 등급화된 입자는 약 1㎛ 내지 약 60㎛ 이다. 또한 다른 크기의 다이아몬드를 혼합하여 충전 밀도를 조절하는, 몇몇 특허 ; 미국 특허 제 4,231,195 호 ; 미국 특허 제 4,353,953 호가 있다.

본 발명의 목적은 우수한 특성을 갖는 다이아몬드-실리콘 카바이드-실리콘 복합체의 제조 방법 및 그에 의해 제조된 초경질 재료이다. 본 방법은 또한 쉽게 수행되고, 빠르고 적절한 비용이 들어야하며 몇몇 특성 및 최종 재료의 비용을 조절할 수 있는 가능성을 제시한다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 작업 시편을 생성하는 단계, 작업 시편을 가열하는 단계 및 가열 온도 및 가열 시간을 조절함으로써 특정 목적량의 흑연이 다이아몬드 입자의 흑연화에 의해 생성되고 그로인해 중간체 보디를 생성하고, 실리콘을 중간체 보디에 침윤시키는 단계를 포함하는, 다이아몬드 입자로부터 다이아몬드-실리콘 카바이드-실리콘 복합체의 제조 방법에 의해 달성된다.

바람직한 구현예에서, 흑연화에 의해 생성된 흑연 양은 1-50중량%, 바람직하게는 6-30중량%의 다이아몬드이고 흑연화동안 가열 온도는 1700℃ 미만이다. 흑연화에 필요한 가열 온도 및 가열 시간은 사용된 가열장치에 대해 실험적으로 결정된다. 작업 시편을 25-60부피%의 기공율로써 생성한다.

변형예에서 특정량의 탄소를 탄화수소 또는 탄화수소들에 대해 분해 온도를 초과하는 온도에서 기상 탄화수소 또는 기상 탄화수소들에 노출시킴으로써 작업시편상에 침적시키고 작업 시편을 탄화수소 또는 탄화수소들에 대해 분해온도를 초과하는 온도에서 기상 탄화수소 또는 기상 탄화수소들에 노출하기전에 다이아몬드 결정의 적어도 일부 흑연화를 수행한다. 중간체 보디를 액체 실리콘의 침윤 단계전에 최종 보디의 목적 형상 및 크기로 가공한다.

다른 변형예에서 중간체 보디를 증기상 실리콘의 존재하에 가열한 다음 액체 실리콘의 침윤 단계전에 최종 보디의 목적 형상 및 크기로 가공한다.

작업 시편을 다양한 크기 및 품질을 가진 다이아몬드 입자의 비균일 분포로써 생성한다. 작업 시편중 다이아몬드 입자를 작업 시편의 표면으로부터 그의 중앙까지 크기를 연속적으로 감소하도록 분포되게 할 수 있다. 작업 시편은 변형예에서 최종적으로 결합체를 첨가하여 다양한 크기의 다이아몬드 결정의 균일한 혼합물으로부터 형성될 수 있다.

다른 변형예에서 두개 이상의 작업 시편을 분리하고 열처리 및 침윤단계전에 수득한다.

작업 시편의 생성은 몰드내에서 수행되고, 열처리 및 실리콘의 침윤은 작업 시편이 몰드 밖으로 나온 후 수행된다.

본 발명은 또한 다이아몬드 입자가 실리콘 카바이드의 매트릭스에 결합된 보디에 관한 것이고, 상기 보디는 20부피% 이상의 다이아몬드 입자, 5부피% 이상의 실리콘 카바이드, 바람직하게는 15부피% 초과의 실리콘 카바이드, 및 실리콘을 포함하며, 영 율은 450㎬ 초과이다.

한 구현예에서, 상기 보디는 29부피% 이상의 다이아몬드 입자, 14부피% 이상의 실리콘 카바이드, 및 실리콘을 포함하며, 영 율은 540㎬ 초과이다.

바람직한 구현예에서, 상기 보디는 약 30㎛ 이하의 크기를 갖는 46부피% 이상의 다이아몬드 입자를 포함하며, 영 율은 560㎬ 초과이다.

다른 바람직한 구현예에서, 상기 보디는 54부피% 이상의 다이아몬드 입자, 50㎛ 이상의 크기를 갖는 60부피% 이상의 다이아몬드 입자를 포함하며, 영 율은 650㎬ 초과이다.

모든 구현예에서, 보디는 그의 형상을 유지하고 그의 영 율은 적어도 1500℃ 까지이다.

변형예에서, 약 10㎛ 이하의 크기의 다이아몬드 입자가 매트릭스에 사용되고 포함되며, 다이아몬드 입자사이에 구역에서 측정된 매트릭스의 빅커(Vickers) 마이크로경도는 20 N의 하중에 대해 30㎬ 초과이고, 매트릭스의 누프(Knoop) 마이크로경도는 20 N의 하중에 대해 36㎬ 초과이다.

다른 변형예에서, 다이아몬드 입자는 50㎛ 미만의 입자의 크기 분획 및 50㎛ 이하의 크기를 갖는 입자의 크기 분획을 가지고, 0.25 내지 2.5의 범위에서 속하는 질량비 및 평균 입자크기는 10㎛ 초과, 바람직하게는 20㎛ 초과이다.

다른 변형예에서, 다이아몬드는 큰 다이아몬드 입자인 입자의 크기 분획 및 작은 다이아몬드 입자인 크기 분획을 가지고, 0.25 내지 2.5의 범위에서 속하는 질량비 및 평균 입자크기는 10㎛ 초과, 바람직하게는 20㎛ 초과이다.

다른 구현예에서, 다이아몬드 입자는 큰 다이아몬드 입자인 입자의 크기 분획 및 작은 다이아몬드 입자인 크기 분획을 가지고, 마찰속도는 26㎛³/m, 바람직하게는 10㎛³/m 미만이다.

다른 구현예에서, 다이아몬드 입자는 큰 다이아몬드 입자인 입자의 크기 분획 및 작은 다이아몬드 입자인 크기 분획을 가지고, 침식비는 0.34 mg/g, 바람직하게는 0.25 mg/g 미만이다.

다른 구현예에서, 다이아몬드 입자는 20㎛ 미만의 크기를 가자고, 마찰속도는 26㎛³/m, 바람직하게는 10㎛³/m 미만이다.

다른 구현예에서, 다이아몬드 입자는 20㎛ 미만의 크기를 가자고, 침식 속도는 0.34 mg/g, 바람직하게는 0.25 mg/g 미만이다.

구현예의 변형예에서, 보디는 공동이다.

다른 구현예에서, 보디의 표면은 다이아몬드 막으로 코팅된다.

다른 구현예에서, 보디는 20㎛ 초과 크기의 큰 다이아몬드 입자, 20㎛ 미만 크기를 갖는 0-50부피%의 작은 다이아몬드 입자, 20-99부피%의 실리콘 카바이드 및 1-30부피%의 실리콘을 포함하는 매트릭스를 포함하며, 매트릭스 경도는 20-63㎬ 초과이다.

첫번째 변형예에서, 매트릭스 경도는 20-30㎬ 이다.

두번째 변형예에서, 매트릭스 경도는 50-63㎬ 이다.

세번째 변형예에서, 매트릭스 경도는 30-50㎬ 이다.

본 발명은 첨부된 도면에 대해 기술할 것이다.

도 1은 흐름도에서 본 발명에 따른 방법의 바람직한 단계을 나타낸다.

도 2는 특정온도에서 흑연화 시간 대 흑연화 정도를 나타낸다.

도 3a는 최종 보디에서

_Si≥0 조건을 충족하는 다른 초기 기공율 ε₀ 에서 보디에 삽입된 탄소량(α및

) 사이에 관계를 나타낸다.

도 3b.c는 초기 작업 시편 기공율이 각각 ε₀=0.3 및 ε₀=0.5인, 최종 보디 조성물 및 다이아몬드 흑연화 도사이에 관계를 나타낸다.

도 4a-c는 작업 시편, 중간체 보디 및 최종 보디에서 각각의 X-레이 회절 분석 결과를 나타낸다.

도 5는 다른 초기 작업 시편 기공율에서 흑연화하는 동안 작업 시편 기공율의 변화를 나타낸다.

도 6A1, 6A2는 두개의 다른 시료의 마모된 표면의 주사 전자 현미경 사진을 나타낸다.

본 발명의 목적은 빠르고, 효율적 비용이 들고 조절가능한 방식의 복잡하지 않은 방법으로 우수한 특성을 가진 다이아몬드 - 실리콘 카바이드 시릴콘 - 복합체의 제조에 관한 것이다. 본 발명은 몇몇 원리를 포함한다 :

- 상기 공정은 다이아몬드 흑연화를 피하지 않고 의도적으로 사용한다.

- 다른 종류의 구배 또는 매개변수를 사용하여 생성물의 최종 특성 및 제조 비용 모두를 조절한다.

- 복잡한 최종 보디 형상이 가능하고 침윤된 보디의 비싸고 어려운 가공 작업을 피하는 중간체 보디를 강화하는 것과 더불어 거의 순수한 형상 기술을 수해하는 것.

- 큰 보디 및 대량의 제품을 저자로 생산하는 것.

본 발명에 따른 공정에서, 어떤 크기의 다이아몬드도 사용할 수 있다. 서브마이크론 크기의 다이아몬드는 1㎛ 미만의 다이아몬드 입자이고, 작은 다이아몬드 입자는 20㎛ 미만, 더욱 바람직하게는 10㎛ 미만이다. >20㎛인 큰 다이아몬드는 몇몇 응용물에 사용된다. 높은 기계적 강도를 위해, 특히 엔지니어링 성분에서, 사용된 다이아몬드 입자의 크기는 바람직하게는 20㎛ 미만이다. 60㎛ 초과의 매우 큰 다이아몬드는 종종 작은 다이아몬드와 함께 마찰에 사용된다.

열분해 탄소의 사용과 함께 다이아몬드 흑연화에 사용가능한 용도, 방법

본 발명에 따른 재료는 다이아몬드 - 실리콘 카바이드 - 실리콘 복합체의 제조용으로, 가능하게는 탄소를 열분해 침적시켜 다이아몬드를 흑연화하는 데 사용하는 방법에 의해 달성된다. 이것은 본 발명이 계획적이고 조절된 방법으로 다이아몬드 흑연화, 즉 다이아몬드의 일부를 흑연으로 효율적으로 변형시켜 사용하기에 충분하다.

도 1은 흐름도에서 바람직하게는 방법 단계를 기술한다. 본 발명에 따른 방법의 다른 단계는 하기에 기술한다.

미소성 보디의 생성은 소량의 일시적 또는 영구적 결합제(5중량% 이하) 또는 결합제를 사용하지 않고 다양한 크기의 다이아몬드 입자의 혼합물로부터 수행한다. 상기는 예를 들어 슬립 및 슬러리 주조를 이용하여, 프레싱에 의해 확립된 기술을 이용하여 수행한다. 몰드를 생성에 사용할 경우에, 미소성 보디를 몰드로부터 제거한다.

작업 시편의 제조는 미소성 보디중 본 용액 제제 및/또는 결합제를 증발 또는 경화 및 분해시켜 수행한다. 미소성 보디를 결합제없이 제조하면, 작업시편으로 간주된다. 전체 작업 시편 부피 내내 균일하고 조절가능한 흑연화를 제공하기 위해서는, 거기에 존재하는 결합제로부터 불순물을 갖는 것은 바람직하지 않다. 상기는 흑연화 공정을 촉매 작용하거나 억제할 수 있다. 작업 시편중 95중량% 이상의 다이아몬드를 갖기 위한 이유는 존재할 수 있는 탄소량을 정확히 조절할 수 있고 보디내에 충전물 및 다른 첨가재료가 가능하기 때문인 것이 명백하다.

중간체 보디를 수득하기위한 작업 시편의 가열 처리. 총 질량의 95 내지 100중량%의 다이아몬드를 갖는 작업 시편은 열처리되어 다이아몬드의 조절된 흑연화, 또는 다이아몬드의 조절된 흑연화 및 열분해 탄소의 침적의 배합을 사용하여 중간체 보디를 수득하고 이를 열분해탄소라 부른다. 배합될 때, 바람직하게는 열분해탄소 침적에 앞서 흑연화를 사용한다.

중간체 보디를 수득하기위한 흑연화.

흑연화동안 작업 시편(또는 침적된 열분해탄소를 가진 중간체 보디)를 1000-1900℃, 바람직하게는 1200-1700℃ 에서 진공 또는 조절된 대기, 바람직하게는 불활성 기체에서 열처리한다. 흑연화는 1000℃ 미만의 온도에서는 무시된다. 1900℃ 초과의 온도에서 흑연화 속도는 매우 높아서 저품질 다이아몬드를 이용하므로 정확히 조절하기가 어렵다. 진공 압력은 바람직하게는 1㎜Hg 미만이다. 불활성 기체로서 질소, 아르곤, 수소 또는 헬륨을 사용하고, 이는 계에 산소의 부재에 제공된다. 불활성 기체 압력은 중요하지 않고 공정에 적용할 수 있는 정도 예컨대 760㎜Hg로 선택된다.

탄소의 흑연화된 중간체 보디로의 열분해 침적

탄소의 흑연화된 중간체 보디(또는 작업 시편)로의 열분해 침적동안, 보디는 흐름 기체 또는 기체들, 예를 들어 T=750-950℃, 에서 천연 기체, 또는 T=510-1200℃ 에서 아세틸렌, 메탄, 에탄, 프로판, 펜탄, 헥산, 벤젠 및 그의 유도체를 함유하는 기체에 대해 분해 온도를 초과하는 온도에서 탄화수소 또는 탄화수소들의 기체에 노출된다.

중간체 보디의 예비침윤은 열분해탄소 침적에 대안적으로 중간체 보디의 가공을 가능케하고 강도를 증가시키기 위해 수행한다. 부분적인 예비침윤은 메틸클로로실란계와 같은 유기 실란을 사용한 화학 침적법(CVD) 법 또는 증기상 실리콘의 존재하에 중간체 보디를 가열함으로써 달성된다. 상기 보디의 강도는 흑연과 반응한 실리콘 양에의해 조절될 수 있다.

실리콘의 중간체 또는 예비침윤된 보디로의 침윤은 공지된 방법으로 수행된다. 침윤은 바람직하게는 고체 실리콘을 용해시키거나 액체 실리콘을 중간체 또는 예비 침윤된 보디의 외부 표면상에 공급하고, 또는 시차 진공 침윤 기술을 사용하여 중간체 또는 예비침윤된 보디를 액체 실리콘에 침지하여 몰드의 외부에서 수행한다. 또한 예를 들어 졸-겔, 화학 침적등과 유사한 기술을 사용하여 화학적 방법에 의해 또는 다공성 실리콘의 침윤에 의해 부분적으로 또는 충분히 실리콘에 적용한 후 고온 반응을 수행 할 수 있다.

탄소 생성에 대한 특성

보디내 비다이아몬드 탄소는 하기 다른 방식에 의해 달성된다 :

1. 작업 시편내 다이아몬드 입자를 열처리에 의해 흑연화하여 다이아몬드의 표면층을 흑연으로 전환.

2. 가공 목적용 강화 보디가 필요하다면, 열분해 탄소를 보디에 침적하는 것이 유용하다. 필요한 총 탄소의 열분해탄소 부분은 가공 작용에 필요한 강도에 의해 결정된다.

3. 실리콘 침윤을 위한 열처리 동안 추가의 흑연화가 수행된다.

4. 결합제로부터 최종 잔류 열분해탄소.

따라서, 비다이아몬드 탄소의 총량에 부가된 결정은 하기에 의해 수행된다.

a) 열분해탄소에 대한 필요성 확립.

b) 실리콘 침윤에 대한 열처리 동안 흑연화도의 확립.

c) 결합제로부터 정량의 특정 잔류 열분해 탄소를 확립.

d) 초벌 흑연화는 필요한 추가 탄소량을 메꾼다.

열분해탄소가 필요하지 않을 때, 공정 단계 1 및 3을 합친다는 것에 주목해야한다.

본 발명에 따른 하나의 특징은 시간-온도 곡선, 즉 온도, 체류 시간 및 가열속도의 타입, 크기, 타입 및 품질 및 다이아몬드 입자내 불순물, 및 대기 및 압력과 같은 공정 및 재료 매개변수를 동시에 조절함으로써 다이아몬드 흑연화도를 통제하고 변화시키는 능력이다. 조절 조건은 하기를 포함한다.

1. 실리콘 또는 대안적으로 잔류 공극, 실리콘 카바이드 및 최종 보디내 다 이아몬드의 상대 부피는 정확한 조절이 수행되어야 하는 흑연화도에 따라 다르다.

2. 서브마이크론 및 작은 다이아몬드 입자에 대해 흑연화는 입자가 사라질때까지는 진행되지 않는 것이 중요하다. 흑연화는 50중량% 미만 및 바람직하게는 6-30중량% 사이이다.

3. 작은 다이아몬드 입자와 큰 입자를 혼합할 때, 작의 입자의 크기는 매우 주의깊게 선택하여 원하지 않을 경우 작은 입자가 사라지지 않고, 큰 입자가 충분히 흑연화되도록 해야한다. 흑연화는 50중량% 및 6-30중량% 사이에 있어야 한다.

4. 흑연화도를 통제하는 주된 방법은 다이아몬드 입자 크기 및 품질의 함수로서, 진공, 또는 대기압 하 불활성 기체에서 약 1200 내지 약 1700℃ 에서 온도-시간 곡선의 바른 형상을 선택한다.

5. 다른 기술적 응용물을 목적으로 하는 재료에 적합한 다른 바람직한 흑연화도에 대해, 상기 곡선에 대한 다른 형상을 선택해야 한다.

6. 올바른 열처리를 선택함으로써, 기공율이 매우 낮고, 흑연이 없고, 다이아몬드, 실리콘 카바이드 및 실리콘사이에 잘 균형잡힌 조성물을 가진 최종 보디를 수득할 수 있다. 만일 흑연화도가 낮으면 최종 복합체는 대량의 실리콘 또는 기공율을 함유할 것이다. 흑연화도가 높을 수록, 최종 보디내 실리콘 카바이드의 함량도 많아진다.

온도 및 체류 시간이 증가하면 일반적으로 제조된 흑연의 양이 증가한다. 다이아몬드의 표면으로부터 다이아몬드 입자에 흑연화 전방 이동 속도는 결정 배향 및 재료의 불순물 양 및 결점에 의해 결정된다. 다른 모든 조건이 동일할 때, 흑 연화 전방 이동 속도는 크고 작은 다이아몬드 입자에 대해 동일하다. 하지만, 입자 크기에서의 차이는 크고 작은 입자에 대해 다른 상대 흑연화도를 결정짓는다. 상기 흑연화도는 중요하게 작은 입자에 대해 높고 다이아몬드의 표면적에 대해 비례한다. 따라서 제안된 방법에 의해 재료의 생산을 조절하기위해 열처리의 최적 조건을 선택하는 것이 중요하고 이는 작은 다이아몬드 입자를 사용할 때 특히 중요하다.

작은 입자에 대해 흑연화 속도는 온도에 매우 의존하기 때문에, 1200℃ 초과의 온도 면적에서 가열 속도를 가속화하는 것이 중요하다. 그로인해 흑연화가 감소(동일 온도에서 낮게 가열하는 것과 비교하여)하고 흑연화도는 목적 한도(≤50중량%)를 초과하지 않는다. 상기는 중간체 보디의 연속적인 액체 실리콘 침윤을 가능하게 한다. 보디내에서 실리콘 침윤은 보디내에 충분한 크기의 공극이 존재하지 않는한 발생하지 않는다. 흑연화 공정은 조절 및 실체화하기에 민감하다. 사용된 장치 및 재료를 조정해야 한다. 상기 매개변수중 일부는 사용된 장치 및 재료를 실험적으로 관련되게 조화시켜야 한다.

도 2는 특정 온도에서 흑연화도, α 대 흑연화 시간 τ를 나타낸다. 나타난 바와 같이, 흑연화도는 더 큰 입자(28/20 및 63/50)과 비교하여 작은 다이아몬드 입자(5/3, 10/7 및 14/10㎛)에 대해 더욱 빨리 증가한다. 입자가 클수록, 상대 흑연화 속도 증가는 느리다.

본 흑연화 공정의 장점중 하나는 다이아몬드 표면의 향상이다. 일반적으로 다이아몬드 비용은 품질 및 크기와 관련이 있다. 대부분 다이아몬드 입자의 표면 층은 다수의 결함이 있다는 것은 공지이다. 표면상에 결함 및 불순물은 기계적 및 화학적 안정성을 감소시킨다. 표면에 결함 및 불순물이 없고 또한 고가이지 않으면서 고품질의 다이아몬드인 것이 바람직하다. 상기는 다이아몬드의 표면층을 열처리에 의해 의도적으로 흑연으로 전환시킴으로써 달성된다. 흑연화는 표면상에서 출발하여 점진적으로 입자로 더 깊이 전파된다. 또한 다이아몬드 표면은 다이아몬드 흑연화에 의해서뿐 아니라 벌크 특성에 의해서도 향상한다. 확산 공정은 가열될 때 다이아몬드에서 시작한다. 상기 확산 공정에 의해 금속 및 다른 불순물이 다이아몬드의 표면으로 이동하여 실리콘 카바이드 또는 실리콘에 고착화된다. 흑연화가 다이아몬드 표면상에 결함층을 전환시킴에 따라 총 입자 특성이 향상되고 그 결과로서 전체 복합층 재료가 향상된다. 상기 향상을 달성하기위해 다이아몬드 입자로 둘러싸인 흑연층은 50 nm 이상, 바람직하게는 200 nm 초과여야 한다. 흑연화는 1중량% 이상 및 바람직하게는 6중량% 이상이어야 한다.

다른 매우 중요한 다이아몬드 흑연화의 달성은 각각 개별적 다이아몬드 입자를 코팅한 생성된 SiC의 극히 강한 결합이다. 다이아몬드는 매트릭스에 결합되고 요구된 응용물에서도 빠지지 않을 것이다.

흑연이 없는 조밀하거나 거의 조밀한 보디가 되게 하는 총 제조 공정동안에, 특정한 규칙이 준수되어야 한다 :

재료의 기공율은 다른 크기의 공극, 더큰 공극 및 작은 공극으로 구성된다. 예비성형된 작업 시편은 열처리 및 실리콘 침윤전에, 다이아몬드 입자 크기 및 크기 분포에 의해, 존재하거나 또는 첨가된 다른 재료에 의해 결정되고, 미소성 보디 의 최종 압착에의해 특정 공극의 부피 퍼센트 및 특정 공극 크기를 가진다.

다이아몬드 함량은 다이아몬드의 흑연화 동안 생성된 흑연양에 해당하는 만큼 감소한다. 조밀하거나 거의 조밀한 보디를 생성하는 공극을 채우는 기초 실리콘에 대해,(비다이아몬드 탄소 및 실리콘사이에 반응에서 제조된) 최적량의 실리콘 카바이드를 가진 최종 보디를 달성하기위해, 첨가된 열분해탄소 또는 가능한 잔류 결합제를 포함한, 보디내에 비다이아몬드 탄소의 총량은 조절되어야 한다.

본 발명자에의해 최종 보디의 특성에 초기 기공율 및 흑연화도가 미치는 영향이 연구되었다. 60중량% 초과의 작업 시편 기공율에서, 작업 시편의 강도는 공정의 후속 단계를 실체화하기에 불충분하다. 작업 시편의 기공율이 25부피% 미만일 때, 실리콘을 중간체 보디에 침윤하기가 어렵고, 최종 보디는 중요한 잔류 기공율을 가진다. 흑연화도가 50중량% 초과이거나 또는 결합제로부터 침적된 열분해탄소 및 잔류 탄소의 양이 25중량% 초과이면,(탄소층이 너무 두꺼워서) 작은 공극은 충분히 크지 않도록 한정되기 때문에 동일한 문제가 나타난다. 상기 경우에 실리콘 침윤동안, 실리콘 카바이드의 조밀층이 중간체 보디의 표면 지역에 형성되어, 상기 중간체 보디의 내부로 액체 실리콘이 침투하는 것을 막는다.

주어진 작업 시편의 초기 기공율 ε₀ 에 대해, 흑연화에 의해 제조된 탄소, 열분해탄소의 침적 및 결합제로부터 어떤 가능한 잔류 열분해 탄소의 최대량은 도 3a 에 설명되고, 이후 진행 단계는 모든 탄소와 침윤된 실리콘사이에 반응이 일어나게 하여 실리콘 카바이드를 생성한다. 어떤 허용가능한 배합물에대해 흑연(α) 및 열분해탄소 더하기 결합체로부터 잔류 탄소(

)의 상대량은 상기 도로부터 명시되어 있다. 상기 공정은 기공율와 관련된 총 탄소량에 의해 제한된다. 특정 초기 기공율에서, 최종 복합체는 탄소량이 너무 작으면, 대량의 실리콘을 함유한다. 탄소량이 너무 크면, 특정량의 잔류 탄소는 최종 복합체에 남게되며, 이는 탄소가 재료내에서 결함과 같은 작용을 하므로 바람직하지 않다. 또한 두개의 그래프 도 3a 및 도 3b 에서 특정 초기 기공율에 대한 흑연화도와 최종 복합체의 조성물 사이에 관계를 나타낸다. 다이아몬드 성분의 변형물에서 볼 수 있는 것과 같이, 실리콘 카바이드 및 실리콘은 선형이다. 흑연화도가 증가함에 따라, 탄소 함량이 증가하는 반면, 다이아몬드 및 실리콘 함량은 감소한다.

상기 도는 총 보디 체적가 변하지 않고 제조된 보디내에 공극이 없는 조건하에서 하기 수학식을 사용하여 제조되었다 :

최종 재료중 다이아몬드의 부피 함량은

(식중, α는 흑연화도, 즉 흑연의 양이고, ε₀는 작업 시편의 초기 기공율이다) 이다.

최종 재료중 실리콘 카바이드의 부피 함량은 실리콘과 반응하는 탄소량에의해 결정된다 :

(식중, ρ_D 및 ρ_SiC는 다이아몬드 및 실리콘 카바이드의 밀도이고, M_SiC 및 M_C는 실리콘 카바이드 및 탄소의 분자량이다).

최종 보디내 실리콘의 부피 함량은

비다공성 재료를 제조하기위해,

_Si≥0의 조건을 충족시켜야 할 필요가 있다. 상기 조건은 도 3a 에서 나타난 영역에 해당하는 α및

값에 의해 충족된다. 따라서 최종 재료중

_Si≥0의 조건을 충족시키기위해 삽입될 수 있는 열분해탄소 및 결합제 잔류물의 양은 흑연화도에 따라 크게 좌우된다.

=0 에서 수학식 1, 2 및 3의 해법은 도 3b-c 에 따른 작업 시편의 다이아몬드 복합체 조성물과 초기 기공율사이의 상관관계를 제시한다.

상기한 바와같이, 작업시편의 초기 기공율은 25-60부피%이고 다이아몬드 흑연화도는 1-50%, 바람직하게는 6-30%이다. 식 1-3은 본 발명에 따라 제조된 재료의 다이아몬드 함량의 한계를 20-75부피%, 바람직하게는 28-71부피%로 제공한다.
도 4는 상기 공정에 따라 제조된 시료의 X-레이 회절 분석상의 결과를 나타낸다. 다이아몬드 분말의 형성된 초기 작업 시편이 다이아몬드 상(<<D>>로 표시)을 함유하는 것이 도 4a로부터 명백하다. 중간체 보디를 수득하기 위해 작업 시편을 이어서 열처리를 한 결과 도 4b 에 나타난 바와 같이 거기에 흑연상(<<G>>로 표시)이 생성된다. 이어서 중간체 보디를 실리콘 침윤하여, 실리콘이 흑연과 반응하고 실리콘 카바이드를 생성한다. 도 4c는 흑연이 최종 생성물에 없고 다이아몬드, 실리콘 카바이드(<<SiC>>로 표시) 및 실리콘(<<Si>>로 표시)가 존재한다는 것을 나타낸다.

다른 종류의 매개변수 변동의 사용

매개변수 변동을 생성물 및 제조 비용의 최종 특성을 조절하기 위해 다양한 공정 단계동안 재료에 적용할 수 있다. 변동은 매개변수의 연속 변화 즉, 구배일 수 있다. 구배 및/또는 매개변수 변동의 다른 배합은 보디 전체 또는 보디 일부분에 적용할 수 있다.

적용된 매개변수는 :

·다이아몬드 입자 크기

·다이아몬드 품질

·다이아몬드 결합

·기공율 및 공극 크기

·실리콘 카바이드 및 실리콘의 양

상기 몇몇 매개변수는 서로 의존적이다. 구배 및 그의 배합의 용도에 의한 최종 특성을 조절하는 하기 예가 나타난다.

다이아몬드 입자 크기의 변동 :

다른 크기의 다이아몬드의 배합 :

본 발명에 따른 재료는 다이아몬드 입자 크기가 하나 뿐 아니라 여러개인 것 을 포함할 수 있다. 재료중 여러 크기의 다이아몬드를 사용하여 특별한 특징을 부여한다. 큰 다이아몬드 입자는 양호한 마찰 특성(여기서는 마찰, 마모, 절삭 및 다른 기계적 재료 제거 특성을 말한다)을 갖는 재료를 공급한다. 하지만, SiC/Si 매트릭스의 내마모성이 상대적으로 낮을수록 결합력이 약해지고, 특히 염격한 작업 조건하에서 복합체 공구의 수명이 그로 인해 감속되어, 매트릭스로부터 큰 다이아몬드의 손실이 생기게된다. 균일한 혼합물내에 작은 다이아몬드 입자와 함께 큰 다이아몬드 입자를 배합함으로써, 형성된 새로운 매트릭스의 증가된 내마모성으로 인해 공구의 수명이 증가한다. 작은 다이아몬드 입자는 복합체를 강화시킨다. 전체 SiC-Si 매트릭스에 분포될 때, 작은 다이아몬드 입자는 영 율, 열전도성, 경도, 내마모성을 증가시킨다. 예를 들어, 약 10㎛의 크기를 가진 약 40부피%의 다이아몬드가 SiC-Si 매트릭스에 포함될 때, 다이아몬드가 없는 SiC-Si 매트릭스와 비교하여, 영 율은 400 내지 650㎬로 증가하고 열전도성은 80 내지 250 W/mK로 증가한다. 따라서, 큰 다이아몬드 입자와 함께 작은 다이아몬드를 사용함으로써 재료 특성을 향상시킬 뿐 아니라 오직 큰 입자만 사용하는 것보다 훨씬 더 경제적이다.

다이아몬드 크기의 구배

일반적으로(실리콘 침윤전에 같이 압축된) 다른 부분중 다른 다이아몬드 크기 또는 농도를 가진 재료를 생산할 때의 결점은 층내에 물리적/기계적 특성이 다를 수 있다는 것이다. 상기 차이는 계면에서 원치않는 응력을 발생시킬 수 이쓰고 그로인해 복합체를 약화시킬 수 있다.

본 발명의 방법에 의해, 특성을 균일되게 변화시키는 보디 체적에서 크기를 연속적으로 변화시키는 다이아몬드 입자의 앞서 명시된 분포를 가지고, 상기 언급된 결점을 극복하거나 강력히 감소시키는 크기 구배 재료를 생산할 수 있다.

구배 배열을 가진 복합체를 제조하는 실제적인 방식은 예를 들어, 몰드내에 다른 세 부분을 가진 보디를 생성하는 것이다. 첫번째 부분에서 크기 A, B 및 C의 입자의 혼합물을 사용한다. 두번째 부분은 크기 A, C 및 D를 가진 입자로 구성된다. 세번째 부분은 입자 크기 순서대로 차례로 A, D 및 E로 구성된다. 크기 A의 다이아몬드 입자가 가장 작다. 보디 전체가 작은 다이아몬드(크기 A)로 되면 더 큰 다이아몬드 입자 사이에 재료가 있어, 매트릭스의 강도가 증가한다. 몰드내에 둔 후, 각각 개별적인 부분을 진동시키고, 다음에 최종적으로 같이 프레스한다. 다음에 상기 부분들을 실리콘 침윤하는 동안 흑연화, 열분해결합화에 의해 결합한다. 보디 체적를 통해 부분들 사이에 입자 크기에서 부드러운 전이가 일어나서 재료의 크기 구배를 일으키고 크기 A의 작은 다이아몬드가 매트릭스를 강화시킨다.

다이아몬드 품질의 변동

고품질의 다이아몬드는 일반적으로 저품질의 다이아몬드보다 훨씬 고가이다. 품질이라는 용어는 하기 매개변수, 기계적 및 광학적 특성을 가지고 변하는 어떤 것이라고 주지되며, 결정화가 잘되거나 되지 않건간에, 함유물과 같은 결점이 되고, 합성이거나 천연인 경우(대부분 표면에서) 형상이 파손된다.

본 발명에 따른 재료를 복합체의 상기 부분들중 저품질의 저가의 다이아몬드를 사용하여 제조할 수 있으며, 적용시에 성능은 떨어진다. 양호한 품질의 다이아몬드를 사용하여 특성을 향상시키고 임계 영역에서 성능을 향상시킨다. 상기 방법 에 의해 다이아몬드의 총 비용을 낮출 수 있다. 부가적으로 흑연화는 낮은 표면 품질의 다이아몬드 표면을 향상시킨다.

큰 다이아몬드의 결합 변동

본 발명의 공정에 따른 재료를 복합체와 접촉하는 재료가 영향을 받지 않을 때, 분쇄, 선회, 밀링용 공구를 응용물에 적용하는 것과 같이 다양한 분야의 응용에 사용할 수 있다.

본 방법은 가가 분야에 대해 복합체의 성능을 최적화함으로써 다른 응용 분야에 재료를 조정이 가능하게 한다. 그의 우수한 경도로 인해, 다이아몬드는 작업 효과의 주요 부분에 사용되며, 따라서 상기 조정은 다이아몬드 매개변수 ; 즉 타입, 입자 크기 및 농도를 수정함으로써 수행된다.

각각 최상부에 다른 다이아몬드층으로 구성된 타입에 날카로운 절삭 모서리를 가진 잘 결정화된 뭉툭한 단일 결정 타입와 같은, 즉, 양파 타입이고 각층이 절삭모서리르 가진, 다이아몬드 입자의 몇몇 타입이 있다. 후자의 타입은 때로 무르다고 한다. 상기 두개의 타입은 매우 다른 특성을 가지고 이들간에는 다이아몬드 타입의 대부분이 전혀 다르다.

다른 재료에서, 예를 들어, 연마휠에 사용될 때, 선택된 다이아몬드 타입이 연마휠의 특성에 큰 영향을 미친다는 것이 공지이다. 적절한 방식으로 상기 특성을 조정하기위해 다이아몬드의 결합력을 사용된 다이아몬드 타입에 맞출필요가 있다.

공지된 연마휠 재료에서, 최적의 성능에 필요한 결합을 미세하게 조정하기는 어렵다. 주요하게는 연마휠에 사용하기위해 세가지 타입의 결합 ; 즉 수지 결합, 금속 결합 및 유리질 결합이 사용된다.

본 발명에 따른 방법에 의해 큰 다이아몬드(>20㎛)의 결합 조정 및(여기서는 작은 다이아몬드, 실리콘 카바이드 및 실리콘으로 구성된) 결합 매트릭스 특성을 잘 조정할 수 있다. 매트릭스의 적합한 경도는 작은 크기의 다이아몬드 <20㎛, 바람직하게는 10㎛(0-50부피%) ; 실리콘 카바이드(20-99부피%) 및 실리콘(1-30부피%)의 농도, 그로인한 매트릭스의 내마모성 및 더 큰 다이아몬드 입자의 수반되는 결합을 변화시킴으로써 선택할 수 있다.

매트릭스의 조성을 변화시킴으로써 약 20-63㎬의 범위내에 매트릭스 경도를 선택할 수 있으며, 다이아몬드 경도는 약 100㎬이고, 실리콘 카바이드는 약 25㎬ 이고 실리콘은 10㎬ 미만이다. 상기 조정에 의해 본 발명의 향상된 재료의 성능은 다양한 적용물에 대해 최적화한다.

20-30㎬의 매트릭스 경도가 상대적으로 약한 결합이 요구되는 다이아몬드 형에 바람직하고 ; 강한 결합이 요구되는 50-63㎬의 다이아몬드 타입 ; 및 중간적인 결합 강도가 요구되는 다이아몬드 타입 또는 혼합물에 대한 30-50㎬의 경도가 바람직하다.

작업 시편에서 기공율 및 공극 크기의 변동 : 기공율 및 공극 크기

본 발명의 방법에 의해, 보디에 다른량의 기공율 및 다양한 공극 크기를 가진 중간체 보디를 제조할 수 있다. 상기 방법에 의해 25 내지 60% 범위의 총 기공율 및 다이아몬드 입자의 크기를 갖는 공극 크기를 가진 작업 시편을 제조할 수 있다.

공극 구조는 실리콘을 침윤할 수 있는 정도를 결정하므로 중간체 보디내 모든 비다이아몬드 탄소가 실리콘과 반응하게 된다. 전체 보디에서 너무 작은 공극 크기 및 너무 작은 기공율, 부적합한 공극 채널 분포, 부적절한 침윤, 실리콘의 너무 높은 점도등이 침윤을 방해하게 되며, 이는 제조된 실리콘 카바이드가 용융 실리콘이 재료에 더 침투하는 것을 막기 때문이다. 특히 좁은 공극은 위험하며 이는 이들이 쉽게 울퉁불퉁하게 되어, 막히고 추가의 침윤을 방해한다.

이와 같이 침윤을 방해하는 것은 일찌기 엔지니어링 상세기술, 구조적 성분, 베어링등과 같은 하중 이동장치와 같은 목적에 유용한 두껍고 큰 침윤 보디의 제조를 제한하는 것들중의 하나였다.

미소성 보디의 표면에서 중심방향으로 크기가 연속적으로 감소되는 다이아몬드 입자 분포에 의해, 공극 크기 분포를 가진 보디가 제조된다. 보디의 중심에서 표면 방향으로 크기가 증가하는 공극은 표면 구역 근처에 침윤의 방해 위험을 최소화함으로써 보디의 내부로 실리콘의 침투가 용이하게된다. 이러한 기공율이 생성(build-up) 됨으로써 전보다 더큰 보디가 제조될 수 있다. 또한 본 방법에서 조절된 양의 탄소가 다이아몬드 입자에 조밀하게 놓여지고 다이아몬드사이에 있지 않게 되어, 적합한 공극 구조를 생성할때 유리하다.

실제로 공극 크기 구배는 다이아몬드 크기 구배 및 미소성 보디에서 다이아몬드의 충전밀도, 다이아몬드 하중의 변동에 의해 용이하게 달성된다.

실리콘 카바이드 및/또는 실리콘의 양 및 구배 구조의 변동

실리콘 카바이드 및 실리콘 매트릭스가 본 발명에 따른 재료의 우수한 특성을 제공하는 다이아몬드 입자에 조밀하게 결합된다. 또한 실리콘 카바이드 함량은 다이아몬드의 경도 및 결합에 영향을 미치는 재료의 특성에 중요하다. 실리콘의 양은 또한 상기 특성에 영향을 미치는 데, 증가된 실리콘 함량은 경도 및 내마모성을 낮춘다. 조성물에 의해 영향을 받는 다른 특성은 예를 들어 다이아몬드 함량에 따라 증가하는 열전도성, 실리콘 함량등에 따라 증가하는 전기 전도성이다.

따라서, 다이아몬드, 실리콘 카바이드 및 실리콘사이에 잘 균형된 조성물이 바람직하다. 조성물중 이러한 균형은 복합체에 대해 목적하는 특정한 적용에 따라 다르다. 조성물이 달라짐에 따라 특성을 조절할 수 있고 그로인해 특정한 적용에 대해 조성물을 조정할 수 있다. 최종 보디내에서 실리콘 및 실리콘 카바이드의 함량을 변화시키는 방법은 유효한 기공율와 관련하여 비다이아몬드 탄소의 양을 바꾸는 것이다. 이는 형성된 흑연 및 첨가된 열분해탄소가 다른 양으로 제공되는 열처리의 조건, 결합제 잔류물로부터 남겨진 다른양의 비다이아몬드 탄소, 다이아몬드 크기/공극 크기변동등을 수정함으로써 달성된다.

엔지니어링 재료로서 사용할 때 충분한 충전 보디가 바람직하다. 하지만, 연마휠과 같은 특정 응용물에서 다공성 최종 보디가 바람직하다. 가능하다면, 잔류 기공율은 반드시 조절되어야 하고, 이는 액체 실리콘에 의해 중간체 보디를 침유하므로 매우 어렵다. 한 이유는 모든 공정에 필요한 실리콘의 양을 특히 작은 대상물에 정확히 첨가하기란 어렵다. 이는 침윤된 보디의 균일성을 조절하기에 부족하게 된다. 너무 소량의 실리콘은 결과적으로 재료에 과잉의 탄소가 포함되게 된다. 다른 이유는 가능한 과잉 실리콘이 침적될 때 조절이 안되는 것이다.

최종 보디내에 잔류물은 실리콘을 예비 침윤하는 기술, 즉 실리콘 증기에 중간체 보디를 노출시키거나 또는 CVD 기술에 의한 Si-침적에 의해 본 방법에 의해 용이하게 조절된다. 상기 공정에서 중간체 보디에 첨가된 실리콘 양은 공정 시간, 압력 및 온도, 증기화된 실리콘의 양의 배합에 의해 조절될 수 있다.

따라서 증기상 실리콘을 첨가하는 것은 다른 매개변수 변동과는 독립적으로 최종 재료내에 실리콘 카바이드 및 실리콘 함량에 영향을 미치는 다른 방법이다.

중간체 보디를 강화하는 것이 겸비된 예비성형 및 거의 순수 형상 기술

상기 방법에 의해 여러가지 예비결정된 크기 및 형상의 보디를 제조하는 것이 가능하다. 제조된 보디는 크고 복잡한 형상을 가졌으며, 상기 섹션에서 설명된다.

선행 공지 방법을 사용하여, 탄소질 재료와 혼합된 탄소-코팅 또는 비-코팅 다이아몬드의 미소성 보디를 생성하는 것을 임시 몰드 또는 결합체의 증발/분해 및 실리콘 침윤으로서의 몰드에서 수행한다. 상대적으로 대량의 결합제가 상기 생성, 특히 큰 다이아몬드 이자를 사용할 때 필요하다. 생산 효율은 노내에 둘 때 각 미소성 보디용 몰드가 필요하게 되어 감소된다. 몰드의 소비가 높아서, 열처리 공정시 높은 마모로 인해 몰드의 수명이 감소된다. 또한 몰드로부터 복합체의 이탈의 문제가 있다. 흑연 몰드가 통상적으로 사용되고 액체 실리콘 침윤 단계동안 일부 실리콘이 흑연과 반응하여 그로인해 몰드로부터 이탈하는 문제가 야기된다.

일부 공지된 방법으로서 본 방법의 기술을 수행하는 것은 복잡한 형상의 몰 드의 능력 또는 몰드로부터 침윤된 보디가 이탈하거나 떨어져 나가는 능력을 가진 몰드를 제한하지 않는다. 본 발명의 따른 미소성 보디를 생성하는 것은 몰드에서 프레싱, 테이프 및 슬립 주조, 주입 몰딩과 같은 공지된 방법에 의해 제조된다. 하지만 생성 단계, 열처리 단계 또는 침윤 단계 동안 몰드를 사용하는 것이 필수적이지는 않다. 바람직하게는 열처리 및 침윤 단계는 몰드없이 수행한다.

흑연화 동안 다이아몬드는 저밀도의 흑연으로 전환하므로 더큰 부피가 요구된다. 하지만, 본 발명에 따른 공정은 후속 단계를 통해 미소성 보디/작업 시편을 생성하는 것에서부터 최종 보디(중간체 보디의 내부적 가공은 제외) 까지의 모든 공정 단계내내 일정한 형상 및 크기를 유지하는 것이 특징이다. 결론은 다이아몬드 입자의 흑연화는 공극에 영향을 미친다는 것, 즉 기공율이 중간체 보디를 변화시킨다는 것이다. 따라서 상기 방법은 크기 및 형상이 공정내내 일정하게 해준다. 상기 거의 순수한 형상 기술은 폐기물이 없는 생성을 제공하고 예비 결정된 크기 및 형상의 최종 보디를 제조할 수 있게 하고, 따라서 최종 보디는 최종 마감 작업을 제외한 가공이 필요없다.

도 5는 다른 초기 작업 시편 기공율에서 흑연화 대 흑연화도동안 중간체 보디 기공율의 선형 변화를 설명한다.

중간체 보디의 형상을 추가로 가공하거나 수행하는 것이 바람직하지 않다면, 즉, 특별히 요구되는 형상이 필요없다면, 흑연화 공정으로부터 유도된 탄소를 사용하는 것이 바람직하다.

본 방법의 거의 순수한 형상 기술은 대부분 적용가능하다. 하지만, 거의 순 수한 형상 기술에 더하여 바람직한 중간체 보디를 가공하는 것, 예를 들어, 최종 보디가 매우 복잡한 생성이 필요하다면, 열분해탄소 침적 또는 실리콘의 보디상에 예비침윤하는 것이 유리하다. 이러한 침적은 보디에 막이 남고, 어떤 결합제도 사용하지 않고 우수한 강도를 갖는 중간체 보디를 제공하여, 단지 흑연화된 표면을 가진 다이아몬드 입자를 포함하는 중간체 보디인 경우는 아니다.

상기는 중간체 보디를 파손하지 않고 상대적으로 진보된 방법, 예컨대, 밀링, 선회 및 드릴링으로 중간체 보디를 가공할 수 있게 해준다. 이는 미소성 보디/작업 시편을 생성함으로써 수득되는 것과 비교하여 훨씬 복잡한 형상이 되게 한다. 게다가, 상기는 최종 생성물을 가공하는 것은 높은 경도로 인해 훨씬 어려우므로 상당한 비용 절감이 있다.

흑연화 및 열분해탄소로부터 유도된 탄소량사이에 가장 최적의 관계를 선택하기 위해 필요한 추가 가공 및 바람직한 특성의 분석 공정이 행해져야한다. 약 1550℃에서 열분해탄소를 미소성 보디상에 첨적시켜 약 15중량%의 다이아몬드를 흑연으로 전환하는 데 단지 3분만이 필요한 반면, 열분해탄소를 총 질량의 5중량%의 양으로 20/28의 다이아몬드를 갖는 미모성 보디에 침적시키기 위해 약 850℃에서 약 5-6시간동안 열처리를 해야한다. 여전히 열분해탄소를 사용하는 것이 최종 제조된 보디를 가공하는 것보다 훨씬 경제적이며 이것은 상기 가공에 시간이 소요되고 제조된 재료가 매우 높은 경도 및 극도의 내마모성을 가지게 하는 것이 어렵기 때문이다.

다이아몬드 흑연화를 이용하거나 또는 열분해탄소 침적 또는 실리콘의 예비 침윤과 함께 다이아몬드 흑연화를 하는 방법에 의해, 큰 크기 및 매우 복잡한 생성의 보디를 제조할 수 있다. 중공 보디 및 홀 및 공동을 가진 보디를 열처리 및 실리콘 침윤전에 작업 시편 성분을 조합함으로써 제조할 수 있다. 예를 들어, 중공 구는 두개의 중공 반구를 조합하고, 중공 육면체는 여섯개의 면을 조합하여 제조할 수 있다. 상기 기술은 최종 보디에서 고비용의 다이아몬드 재료 및 중량을 절감할 수 있고, 다른 엔지니어링 목적에 적합한 중공 성분을 제조할 수 있고 동시에 최종 재료를 지루하게 가공하고 추가의 비용을 줄일 수 있는 가능성을 부여한다. 또한 비환 단면적의 축의 형상 및 크기를 맞추는 공동을 가진 보디를 제조할 수 있다. 최종적으로 축을 복합체에 접착시키는 것으로써, 상기 축을 최종 복합체 보디에 맞춘다. 두껍고 큰 보디는 또한 상기 기재된 바와 같이, 실리콘의 침윤을 용이하게 하는 공극 크기 구배를 이용하여 제조할 수 있다.

또한 복합체 보디를 제조할 때, 이전에는 허용되거나 할 수 없었던 상기 형상 가공 제조시에 사용하여 몰드를 파손하지 않고 프레싱하는 몰드, 예컨대 분리가능한 몰드를 사용하여 열분해탄소 침적을 사용할 수 있다.

명백하게는 실리콘 층이 끼여있는 중간체 층을 쌓아서 큰 보디를 제조할 수 있다. 상기는 불균일 혼합물, 불균일 침윤, 보디의 수축 및 형상 안정성 문제를 일으킬 수있다. 따라서 본 방법이 바람직하다.

또한 예를 들어, 시작시에 대량의 결합제를 첨가함으로써 시작시 탄소질 재료를 첨가하고 내부 흑연화를 병행할 수 있지만, 본 발명에 따른 방법이 더 바람직하다. 다이아몬드와 함께 카본 블랙 및 탄소섬유와 같은 탄소질 재료 및 파라핀 및 에폭시 수지와 같은 결합제를 혼합하는 시험을 수행하였다. 상기 시험 결과는 작업 시편 및 시료가 침윤후에 균열 및 틈이 생기고 또한 형상의 변화가 나타났다.

본 발명에 따른 재료 및 공정의 장점

본 발명의 큰 장점중 하나는 원하는 강도, 물리적 및 기계적 특성을 가지고 미리결정된 원하는 형상 및 크기의 다결정 보디를 제조하기위한 최적 조건을 제공하기 위해, 공정 변수를 작업 시편에서 원하는 다이아몬드 흑연화를 달성하기위해 변화시킬 수 있다는 것이다. 다이아몬드-실리콘 카바이드-실리콘 복합체의 제조를 위해 탄소-코팅된 또는 비코팅된 다이아몬드를 탄소질 재료와 혼합하는 방법과 비교할 때, 흑연화를 이용한 제안된 방법, 및 필요하다면, 열분해탄소 침적 또는 실리콘의 예비침윤을 이용하는 것이 여러 장점이다.

1) 다이아몬드를 흑연화하는 동안 흑연이 모든 다이아몬드 입자의 표면상에 직접적으로 생성되고 가능한한 흑연화된 다이아몬드상에 열분해탄소가 직접적으로 침적된다. 따라서, 뒤이어 수반되는 최종 보디의 실리콘 침윤시에 입자사이에 매우 작은 공극이 잔류하지 않는다. 탄소질 재료를 다이아몬드 입자와 혼합하는 공지된 기술을 사용할 때, 더 작은 입자의 카본 블랙 또는 탄소 섬유가 다이아몬드사이에 놓여진다. 상기 더 작은 입자는 협소해진 공극에 응집됨으로써, 공극 크기가 심지어 더 작아지고, 이는 실리콘-침윤에 부정적인 영향을 미친다.

2) 최종 재료의 특성으로 탄소의 분포가 중요하다. 탄소층이 다이아몬드가 흑연으로 전환되고 열분해탄소가 보디상에 침적되어 다이아몬드 표면에 조밀하게 접촉한다. 이렇게 조밀하게 접촉함으로써 다이아몬드 입자의 표면상에 직접적으로 실리콘 카바이드가 생성되고 따라서 고 점착의 다이아몬드-매트릭스 계면을 생성하는 것이 보장된다, 즉, 다이아몬드가 실리콘 카바이드-실리콘 매트릭스에 조밀하게 결합한다. 상기 특성은 작고 큰 다이아몬드의 높은 점착성으로 인해 향상된다. 다이아몬드는 다른 응용물에 사용될 때, 매트릭스로부터 쉽게 쪼개지지 않는다. 상기 재료는 내마모성이 극히 뛰어나다. 매우 강한 결합이 요구되는 작업에 사용될 때, 큰 다이아몬드 입자를 공정에 전체적으로 사용하고, 통상의(금속 또는유기 결합을 가진) 마찰 재료에서 다이아몬드는 단지 매트릭스로부터 이탈하기전에 약 50부피% 만 사용된다.

3) 최종 결합제 및 흑연화의 열처리를 실리콘 침윤에 관한한 동일한 장치를 이용하여 달성할 수 있다(열분해탄소 침적을 사용하지 않을 때). 따라서 상기 공정 단계는 동일한 노내에서 한단계씩 구체화하여 그 결과 최종 재료를 제조하기 위한 총괄 시간이 감소된다.

4) 다이아몬드의 흑연화는 다이아몬드 입자의 표면상에, 점진적으로 입자쪽으로 더깊이 전파되면서 시작된다. 흑연화는 다이아몬드 표면상에 결함을 가진 층을 전환시켜, 입자 특성을 향상시키게 되고, 그 결과로서 예를 들어 열 안정성과 관련된 모든 복합체 재료를 향상시킨다. 상기는 상대적으로 저비용의 다이아몬드를 사용하게된다.

5) 본 발명에서, 침적된 열분해탄소와 함께 또는 침적된 열분해탄소없이 다이아몬드의 흑연화는 탄소원으로서 탄소질 재료에 물리적으로 혼합되는 다양한 문제들을 피할 수 있다. 이러한 문제들은 다른 크기, 형상 및 혼합된 재료의 밀도의 차이로 인한 불균일성, 탄소의 불균일 분포, 실리콘과의 불완전한 반응 및 공극의 차단을 포함한다.

6) 상기 흑연화는 다이아몬드의 표면으로부터 시작하고, 선형적으로 연장되는 전체 보디 체적에서 빠르고 적절한 탄소 생성을 제공한다. 단지 상대적으로 소량의 다이아몬드가 전환된다. 따라서, 매우 두껍고 큰 보디를 제조할 때, 이어지는 침윤에 대한 공극이 차단되는 위험없이 보디의 더 깊은 부분으로 탄소가 생성되는 능력때문에 흑연화가 유리하다.

7) 본 방법에서 초기 미소성 보디는 단지 고체 재료, 다이아몬드만을 함유한다. 이것은 슬립 주조 또는 슬러리 주조와 같은 최신 생성 방법을 사용할 때 유리하다. 상기 생성 방법은 복잡한 형상을 가진 성형품의 제조를 제공한다. 입자가 밀도 및 크기에서 커다란 차이가 있는 혼합물을 사용할 때, 섬유를 사용할 때, 이러한 생성 방법은 더욱 복잡해질 수 있다.

8) 상기 공정은 거의 순수한 형상 기술 및 진보된 방법으로 중간체 보디를 가공하는 능력으로 인해 다양하고 다른 복잡한 형상을 제공할 수 있다. 열분해탄소 침적 또는 실리콘의 예비 침윤은 복잡한 형상을 가공하는 데 충분한 습태강도를 제공한다. 최종 보디의 형상 및 크기는 몰딩 기술에 제한되지 않는다. 이는 몰드 사용에 의한 생성 기술에 제한되지 않고 열처리 및 실리콘 침윤 단계동안 고비용의 몰드를 사용하는 것을 피할 수 있으므로 비용이 절감된다. 게다가, 몰드로부터 보디를 이탈하는 문제가 없다.

9) 본 발명에 따른 공정은 대다수의 보디가 회분식에서 제조되고 탄소 제조 및 다이아몬드의 흑연화의 주요 방법이 열분해탄소보다 더 빠른 방법이고 기체를 사용하지 않는다. 강력한 중간체 보디의 가공성으로인해, 최종 보디의 지루하고 비싼 가공을 피할 수 있다. 추가의 가공이 필요없다면, 상기 공정은 매우 간단한 "일단계 공정"으로서, 즉 다이아몬드의 흑연화를 실리콘 침윤전에 온도가 상승하는 동안 수행한다. 이는 일부 경우에서 생성을 위한 몰드를 사용할 필요가 없다. 순수한 형상으로 인해, 최종 보디의 드레싱 및 가공이 필요 없거나 거의 필요없으며, 비용도 더 감소된다. 상대적으로 낮은 가격의 다이아몬드를 사용할 수있다.

본 발명에 따른 재료는 몇몇 장점을 보유하고 있다 :

공정의 활용성은 독특하다. 공정 매개변수를 변화시켜 원하는 특성을 가지도록 제조된 재료를 제공할 수 있다. 상기 방법으로서 양호한 내마모성 및 마찰, 연마 및 다른 기계적 제거 작업의 향상된 성능을 가진 재료 뿐 아니라 구조적 및 엔지니어링 목적, 하중 베어링 재료로 제조할 수 있다.

본 발명의 한 특질은 제안된 재료가 다른 우수한 특성을 동시에 배합하는 능력 및 다양한 목적 응용물에 최상에 해당하는 특성을 조화시키는 능력으로 특징지워진다.

1. 저점도를 가진 배합물에서 높은 영 율 및 충분한 강도

2. 다이아몬드의 높은 경도 및 높은 결합 강도가 결과적으로 우수한 내마찰 및 내침식 내마모성을 갖게 된다.

3. 다이아몬드 함량에 따라 다른 높은 열전도성, 낮은 열팽창 계수.

4.1500-1600℃의 온도에 노출후 기계적 특성의 유지.

5. 높은 내열충격을 가진 세라믹 복합체.

6. 전기 전도성.

작은 다이아몬드 입자와 큰 다이아몬드 입자를 함께 혼합할 때, 두가지 요인 ; 즉 다이아몬드 입자 및 매트릭스사이에 높은 접착력 및 거기에 분포된 작은 다이아몬드로 인해 매트릭스의 높은 내마모성이 재료 특성에 영향을 미친다. 매트릭스에서 결합이 불충분하거나 매트릭스가 낮은 내마모성이 낮으면 큰 다이아몬드는 재료로부터 이탈한다. 작은 다이아몬드 입자는 높은 내마모성 및 증가된 강성, 강도 및 열전도성을 부여하는 매트릭스를 강화시킨다. 상기 모든 것이 재료의 마찰 특성(마모, 절삭 및 다른 기계적 재료 제거 특성) : 즉 증가된 열전도성은 다이아몬드 입자의 작업구역내에 온도를 감소시킨다. 최종 보디의 증가된 강성은 매우 정확한 가공에 사용할 때, 공구의 수명을 연장시킨다.

방법 구체화 및 재료 특성의 실시예

하기 다른 다이아몬드 타입을 시료 제조용으로 사용하여 시험하였다 :

ACM 5/3 합성 다이아몬드 입자(크기 3-5㎛), ACM 10/7 합성 다이아몬드 입자(크기 7-10㎛), ACM 14/10 합성 다이아몬드 입자(크기 10-14㎛), ACM 28/20 합성 다이아몬드 입자(크기 20-28㎛), ACM 63/50 합성 다이아몬드 입자(크기 50-63㎛), 및 A-800/630 천연 다이아몬드 입자(크기 630-800㎛), 모두 우크라이나, 키에프, 초경질 재료사에서 시판됨.

실시예 1 : 특성 조절

중요한 다른 특성을 가진 재료를 제조하는 본 발명의 능력을 설명하기위해, 본 발명자는 a) E-율 및 b) 전기 저항성 변동으로부터 선택된다. 본 발명의 방법은 하기 공정 단계를 조절가능하게 선택함으로써 상기 결과를 수득한다 :

1. 다이아몬드 분말 덩어리의 2중량% 건조 수지의 양중, - 페놀 포름알데히드 수지의 25% 알콜 용액 - 결합제 및 ACM 28/20의 다이아몬드 마이크로-분말의 혼합물을 생성한다. 상기 혼합물을 격렬하게 교반하고 200㎛ 크기의 메쉬로서 체를 통해 걸렀다.

2. 직사각형의 단면적이 6×5㎜이고, 길이 50㎜인 바를 실온에서 45 kN의 힘을 가진 금속 몰드를 이용하여 프레스 함으로써 생성한다.

3. 10 시간 동안 공기중에 실온에서 유지하면서, 몰드로부터 미소성 보디를 제거하고, 이어서 1 시간 동안 70℃에서 건조시키고 1 시간 동안 150℃ 에서 경화시킨다. 제조된 작업 시편은 98중량%의 다이아몬드(56부피%)를 함유하고 41부피%의 기공율을 가진다.

4. 상기 시료의 열처리를 1550℃에서 진공(압력 0.1㎜Hg)에서 수행한다. 시료 번호 1을 3분간 가열하고, 시료 번호 2를 10분간 가열하고, 시료 번호 3을 20 분간 가열하고 시료 번호 4를 30분간 가열한다.

5. 1550℃ 에서 중간체 보디의 표면상에 용융된 실리콘을 침윤시킨다.

그 결과 직사각형의 단면적이 6 ×5㎜이고, 길이 50㎜인, 즉 크기 및 외관이 측정 정확도내(±0.001㎜)에서 변하지 않은 다결정 바를 제조한다. 상기 보디는 실리콘 카바이드 및 실리콘의 매트릭스에 의해 결합된 다이아몬드 입자를 함유한 다.

부가적으로 시료 5-7을 일시적 결합제를 이용하여 다이아몬드 분말 (5×6×50)㎜로서 생성한다. 시료 5를 다이아몬드 분말 ACM 10/7로부터 제조하고, 시료 6을 다이아몬드 분말 ACM 63/50 및 ACM 14/10의 혼합물로부터 제조하고 시료 7을 ACM 63/50 및 ACM 10/7의 혼합물로부터 제조한다.

작업 시편을 진공내 1550℃에서 열처리하고 다음에 액체 실리콘으로 침윤한다.

제조된 시료으로서의 특성 표 :

시료				함량 vol%			특성
번호	초기 재료	열처리 [분]	다이아몬드 함량 감소 [wt-%]	D	SiC	Si	E-률 [㎬]	전기저항성 [mOhm·m]	최종기공율 [vol-%]
1	ACM 28/20	3	16	47	32	21	550	0.28 ±0.01	0.06
2	ACM 28/20	10	19	46	39	15	580	1.03 ±0.02	0.09
3	ACM 28/20	20	22.5	43	45	12	580	1.79 ±0.02	0.09
4	ACM 28/20	30	25	41	49	10	580	1.88 ±0.02	0.12
-									밀도 [kg/m3]
5	ACM 10/7	3	23	45	50	5	638	-	3300
6	60 wt% 63/50 40 wt% 14/10	3	8	65	21	14	660	-	3280
7	60 wt% 63/50 40 wt% 10/7	3	12	62	31	7	718	-	3340

상기 실험은 공정 매개변수 및 재료 조성물을 조절함으로써 목적 특성을 가진 재료를 수득할 수 있다는 것을 설명한다.

특히 재료내 실리콘 함량의 감소는 전기 저항성의 증가로 나타난다. 상기 재료의 전기 저항성은 해당 반도체 재료와 동등하다. 상기 재료는 충분한 전기 전도성를 가지며 예를 들어, 재료를 추가적으로 가공하는데 전자-침식 가공을 사용할 수 있다. 전기 저항성은 4개의 탐침(Four-Probe)법에 의해 측정되었다.

나타난 바와 같이 E-율은 광범위하게 변할 수 있다. 시료 6 중 작은 다이아몬드 ACM 10/7 내지 심지어 시료 7 중 더작은 다이아몬드 ACM 10/7를 변화시킴으로써 E-율을 증가시킬 수 있다.

실시예 2 : 용해 실리콘내 침지에 의한 침윤

다이아몬드 분말 ACM 14/10 및 10중량%의 양이 첨가된 에틸 알콜의 혼합물을 생성한다. 상기 혼합물을 격렬하게 교반하고 200㎛ 메쉬 크기의 체를 통과시킨다.

직사각형의 단면적이 6×5㎜이고, 길이 50㎜인 시료를 실온에서 45kN의 힘을 가진 금속 몰드를 이용하여 프레스함으로써 생성한다.

미소성 보디를 몰드에서 제거하고 3시간 동안 실온에서 유지한다. 작업 시편은 100중량%의 다이아몬드를 함유하고 42부피%의 기공율을 가진다.

작업 시편의 열처리를 800㎜Hg의 압력하, 1550℃에서 4분간 아르곤 매질내에서 수행한다. 열처리는 중간체 보디중 다이아몬드 농도를 22중량%까지 감소시킨다. 열처리의 온도 및 시간은 작업 시편의 열처리가 완전히 끝난 후 처음을 제외하고는 실리콘이 완전히 용융되도록 선택된다는 것을 주목해야한다. 중간체 보디의 침윤은 1550℃에서 중간체 보디를 용해 실리콘까지 침지하여 수행한다.

결과 다결정 보디는 직사각형의 단면적이 6×5㎜이고, 길이 50㎜인, 즉 크기 및 외관이 측정 정확도내(±0.001㎜)에서 변하지 않은 실제적으로 비다공성(< 1부 피%)인 다결정 바를 제조한다.

최종 보디는 3.28g/cm³의 밀도를 가진 실리콘 카바이드 및 실리콘(45부피% 다이아몬드, 48부피% SiC, 7부피% Si)의 매트릭스에 의해 결합된 다이아몬드 입자를 함유한다. 3-지점 휨 강도는 400㎫이고 어떤 가공 또는 광택작업 없이 제조된 시료상에 측정하였다.

실시예 3 : 열 안정성, E-율 및 특정 강성의 측정

시료 1은 다이아몬드 분말 ACM 10/7로부터 제조하고, 시료 2는 다이아몬드 분말 ACM 14/10으로부터 제조하고, 시료 3은 다이아몬드 분말 ACM 28/20으로부터 제조하고 시료 4는 ACM 63/50 및 ACM 10/7의 혼합물로부터 제조한다. 일시적 결합제를 이용하여 다이아몬드 분말로부터 5×6×50㎜ 크기의 바를 생성한다. 작업 시편을 진공내 1550℃에서 열처리하고 다음에 액체 실리콘으로 침윤한다.

밀도, 영 율 및 열 안정성을 측정하고 비 : H=E/(ρ*g)(E=영 율, ρ=밀도 및 g=9.8 m/sec², 중력인자(표 참조))를 이용하여 H, 특정 강성을 계산하였다.

열 안정성을 45 분간 1200℃, 1300℃, 1400℃, 1500℃, 1600℃의 온도에서 진공하에 시료를 순차적으로 가열하여 조사하였다. 영 율 및 시료를 형상을 각 열처리한 후 실온에서 시험하였다. 영 율을 유지하기 위한 안정화 온도는 본원에서는 영 율이 열처리후 초기 값으로부터 4 %를 초과하여 변하지 않을 때의 최대 온도로서 정의한다.

제조된 시료의 특성 표
시료		최종함량	특성
번호	초기 다이아몬드 분말	재료 조성 [vol-%]	밀도 [kg/m3]	영 율 [㎬]	특성 강성 H (106m)	열안정성 [℃]
						영 율 유지	형상 유지
1	10/7	다이아몬드 46 SiC 47 Si 7	3290	630	19.1	1500℃	1500℃
2	14/10	다이아몬드 46 SiC 42 Si 12	3250	580	17.8	1500℃	1500℃
3	28/20	다이아몬드 49 SiC 31 Si 20	3180	560	17.6	1500℃	1700℃
4	60 wt% 63/50 40 wt% 10/7	다이아몬드 62 SiC 31 Si 7	3340	718	21.5	1600℃	1600℃
SiC 세라믹에 대한 데이터, 원 1)			3100-3200	400-420	13	-	-

상기 결과는 제조된 재료가 특이한 열적 안정도를 가진다는 것을 보여준다(1500℃까지 그의 특성을 유지하고 있음), 즉 다른 다이아몬드 다결정 재료보다 300-400℃ 높다, 2) 참조. 따라서 제조된 재료를 고온 조건에서 사용할 수 있다. 상기 표는 또한 재료가 공지된 재료의 특성보다 훨씬 더 높은 우수한 강성을 가지고 있다는 것을 보여준다.

1) G.G. Gnesin. "무산소 세라믹 재료", 키에프, 테크놀로지, 1987, p139-142.

2) A.A. Shulzhemko, "다이아몬드 기재 다결정 재료 ", 키에프, 1989.

실시예 4 : 휨 강도의 측정

시료 1은 다이아몬드 분말 ACM 14/10으로부터 제조하고, 시료 2는 ACM 28/20으로부터 제조한다. 시료 3은 다이아몬드 분말 ACM 63/50 및 ACM 10/7의 혼합물로 부터 제조한다. 시료 4는 다이아몬드 분말 ACM 63/50 및 ACM 28/20의 혼합물로부터 제조한다. 시료 5는 ACM 28/20으로부터 제조한다. 시료 1-5는 실시예 3 에 따라 제조하지만, 환 플레이트 : (Ø=20㎜, h=2㎜)로서 시료 1-4 및 시료 5는 3 지점 휨 강도 측정용 바로서 제조되었다.

제조된 시료으로서의 특성 표
시료	초기 다이아몬드 분말	재료 조성 [vol %]	밀도 [kg/m3]	σ이축만곡 [MPa]
1	14/10	다이아몬드 46 SiC 42 Si 12	3250	260
2	28/20	다이아몬드 49 SiC 32 Si 19	3190	115
3	90 wt% 63/50 10 wt% 10/7	다이아몬드 58 SiC 14 Si 28	3140	125
4	80 wt% 63/50 20 wt% 28/20	다이아몬드 57 SiC 14 Si 29	3120	136
-	-	-	-	σ3-p [MPa]
5	28/20	다이아몬드 44 SiC 48 Si 8	3270	310

상기 재료의 제조된 플레이트는 예를 들어 시공 재료로서 응용물에 대해 충분한 휨 강도를 가진다. 휨 강도는 어떤 가공이나 광택없이 제조된 시료상에 측정된다.

실시예 5 : 열전도성의 측정

모든 시료를 실시예 3 에 따라 제조하였다. 시료 1-3은 원통형으로 제조된다(

=15㎜, h=10㎜). 시료 4-8은 원통형으로 제조된다(

=20㎜, h=2㎜). 사용된 다이아몬드에 대해서는 표를 참조한다. 시료의 열전도성을 정체된 열 흐름이 이동 되는 동안 시료상에 온도차를 측정함으로써 결정하였다. 원통 바닥과 평행인, 지름 1㎜ 이고 폭 8㎜인 두개의 방사상 개구를 전자-침식을 이용하여 시료 1-3 에서 제조하였다. 개구사이의 길이는 6㎜ 이다.

시료 9는 다이아몬드 분말 ACM 63/50 및 ACM 14/10의 혼합물로부터 제조한다. 열팽창 계수는 20-100℃의 온도 범위에서 석영 팽창계를 이용하여 측정하였다. 상기 시료의 선형 치수 변화 대 온도의 증가를 측정하였다. 이와 같이 시료 길이에 따라 열팽창 계수를 측정하였다.

특성 표

시료	초기 다이아몬드 분말	조성 [vol %]			열전도성 [W/mK]
		D	SiC	Si
1	5/3	29	70	1	180
2	28/20	49	20	31	200
3	14/10	46	42	12	260
4	60 wt% 63/50 40 wt% 5/3	54	40	6	370
5	10/7	45	48	7	267
6	28/20	47	32	21	259
7	Al	-	-	-	225
8	Cu	-	-	-	400
실리콘 카바이드 세라믹에 대한 데이터, 원 1)		-	-	-	80-85
-	-	-	-	-	열팽창계수 [×106/K]
9	60 wt% 63/50 40 wt% 14/10	65	21	14	2.2

상기 표는 본 발명에 따라 제조된 시료는 실리콘 카바이드 세라믹, 및 알루미늄보다 훨씬 더 우수한 열전도성을 가지고 있다는 것을 보여준다. 다이아몬드보다 더 높은 농도를 갖는 시료 4는 구리보다 열전도성이 더 높다.

다이아몬드 복합체의 열팽창 계수는 매우 낮다.

1) G.G. Gnesin. "무산소 세라믹 재료", 키에프, 테크놀로지, 1987, p139-142.

실시예 6 : 미소성 보디, 작업 시편 및 중간체 보디의 이축 강도의 측정

흑연화 및 열분해탄소 후, 중간체 보디의 강도는 증가하고, Si-침윤전에 중간체 보디를 가공하게 한다. 상기 시험에서 미소성 보디, 작업 시편 및 중간체 보디의 이축 강도를 측정하였다. 중간체 보디는 침적된 열분해탄소 및 흑연화된 보디로 구성되었다.

미소성 보디를 다이아몬드 분말을 프레스하여 제조하였다. 작업 시편을 20 분간 1000℃ 에서 진공하에 미소성 보디를 가열함으로써 제조하였다. 중간체 보디를 3-30 분간 1550℃ 에서 흑연화하고 850℃ 에서 5중량% 이하로 열분해탄소를 침적하거나 또는 다른 순서로 제조하였다.

시료를 처리에 따라 9 개 군으로 나눌 수 있다. 두개 타입의 시료(다른 다이아몬드 입자 크기)을 각 군에 대해 제조하였다. 각각의 처리 및 입자가조합된 5 개의 시료를 시험하고 그 결과를 평균치로서 나타낸다.

표에서 나타난 바와 같이, 작업 시편의 강도는 초기 미소성 보디보다 훨씬 더 높았다(약 2 배). 열분해탄소의 침적은 시료 강도를 증가하기에 효과적인 방법이며, 흑연화 전후에 사용할 수 있다.

종합적으로, 상기 결과는 Si-침윤전에 가공함으로써, 양호한 기계적 강도의 중간체 보디를 수득한다는 것을 보여준다.

실시예 7 : 열충격 저항성

일차 시험을 열충격 저항성으로 하였다. 시료를 공기중에 1000℃ 까지 가열하고 실온에서(급냉된) 물에 직접 두었다. 시료 형상은 동일하게 남았고 파편은 관찰되지 않았다.

이차의 유사 시험에서 열충격이후의 강도를 측정하였다. 5×6×50㎜인 크기의 시료를 ACM 14/10 다이아몬드 입자로부터 제조하였다. 시료를 500℃ 까지 가열하고 실온에서 물에 두었다. 이어서 광학현미경으로 조사하였지만 표면상에 어떤 균일 또는 결함도 나타나지 않았다. 동일한 절차를 수행하여 800℃ 까지 가열한 후 유사한 결과를 수득하였다. 상기 이후에, 시료를 1100℃ 까지 가열하고 급냉하였다. 이때 광학 현미경에는 시료 표면상에 작은 미세한 균열이 나타났다. 3-지점 굴곡 강도는 약 38 MPa로 측정되었으며, 이는 원래 강도보다 훨씬 낮다.

과학기술적 시험의 실시예

하기 다른 다이아몬드 타입을 시료 제조에 사용하여, 시험하였다 :

EMBS 30/40 메쉬 천연 다이아몬드 입자, SDB 1025 30/40 메쉬, 합성 다이아몬드 결정, SDB 1125 30/40 메쉬 합성 다이아몬드 결정 및 DEBDUST 30/40 메쉬 천 연 다이아몬드(30/40 메쉬 모두 De Beers 사 시판)는 420-600㎛의 크기 범위에서 다이아몬드 입자와 동일하다.

모두 Superhard Materials Institute, Kiev, Ukraine 에서 시판된, 다이아몬드 미소분말 ACM 10/7(크기 범위 7-10㎛), ACM 14/10(크기 범위 10-14㎛), ACM 28/20(크기 범위 20-28㎛), ACM 40(40㎛ 미만의 입자 크기), ACM 63/50(크기 범위 50-63㎛) 및 A-800/630 천연 다이아몬드 입자(크기 범위 630-800㎛).

실시예 8 : 드레싱 공구 시험 ; 내마모성의 비교

상기 실시예와 함께 본 발명자는 다이아몬드 타입, 다이아몬드 품질, 입자 크기 및 입자 크기 분포를 선택함으로써 특성을 조절할 수 있다는 것을 나타낼 것이다.

상기 실시에에서 드레싱 조건은 하기이다 :

V_휠=35 m/초, S_길이방향=0.8 m/분, S_횡방향=0.02㎜/1회전.

시료를 하기 타입의 다른 러시아 마찰휠(직경 600㎜ 이고 폭 63㎜)의 드레싱을 시험하였다 : 600×63×305 14A40II CM1 6K7II(전기코런덤휠, 연함 내지 중간) ; 600×63X305 14A40II CT3 7K5(전기코런덤휠, 중간 내지 단단함) ; 600×63X305 14A25II CM2 6K5(전기코런덤휠, 연함 내지 중간) ; 600×63X305 14A40II CT3 37K5(전기코런덤휠, 중간 내지 단단함) 및 600×63X305 63C40II CM1 6K7(미소성 실리콘 카바이드휠, 연함 내지 중간).

드레싱 공구 시험 1.

시료 1-11을 Superhard Materials Institute, Kiev, Ukraine 에서 시판된,(침탄 카바이드의 매트릭스중 A-800/630 타입의 다이아몬드를 가진) 복합체 재료 <<Slavutich>>인 참고 재료에 대해 시험하였다.

시료 제조

시료의 제조 및 다른 크기사이에 관계에 사용된 다이아몬드 타입을 위해 하기표를 참고한다. 모든 시료를 매우 크고(> 420㎛) 미세한 다이아몬드의 혼합물로부터 제조한다.

결합제((폴리비닐아세테이트) PVAC20 % 물 유화액)을 시료 1-2 에 대한 다이아몬드 혼합물에 첨가한다(건조 PVAC의 질량의 양이 1중량%의 다이아몬드 질량이다). 결합제(페놀 포름알데히드 수지의 25 % 알콜 용액)를 8%의 다이아몬드 질량의 양(즉 건조 수지의 2중량%)으로 시료 3-7, 10 및 11 에 대한 다이아몬드 혼합물에 첨가한다. 에틸 알콜을 10중량%의 양으로 시료 8 및 9 에 대한 다이아몬드 혼합물에 첨가한다.

모든 혼합물을 완전히 교반하고, 시료 1-2의 혼합물을 메쉬 크기 1.5㎜의 체로 거르고, 시료 3-11의 호합물을 메쉬 크기 1㎜의 체로 거른다. 모든 시료의 생성은 실온에서 15 kN의 힘으로 금속 몰드를 이용하여 프레싱에 의해 수행된다. 프레싱된 보디를 몰드로부터 제거한다. 시료는 직경 10㎜ 이고 높이 10㎜ 인 원통형이다. 시료 1-2를 1시간 동안 70℃ 에서 건조시킨다. 표본 3-7, 10 및 11을 10 시간 동안 실온에서 공기중에 방치한 후 1 시간 동안 70℃ 에서 건조시키고 1 시간 동안 150℃ 에서 경화시킨다. 시료 8 및 9는 3 시간 동안 실온에서 공기중에 유지시켜 일시적 결합제, 에틸 알콜을 증발시킨다. 시료 1-2를 진공(0.1㎜ Hg의 압력)하에 1550℃ 에서 4 분간 가열하였다. 열분해탄소를 시료 3-4 에 870℃ 에서 5중량% 까지 첨가하였다. 시료 3-11의 흑연화를 3 분간 1550℃ 에서 진공(0.1㎜Hg의 압력)에서 수행한다. 제조된 중간체 보디중 다이아몬드의 감소는 8-14중량% 이다.

모든 시료를 중간체 보디 표면상에 놓여진 실리콘이 용융하기 시작할 때 액체 실리콘에 의해 1550℃ 에서 침윤되었다.

최종 보디 1-2, 3-7 및 11은 더미세한 다이아몬드 입자, 실리콘 카바이드 및 실리콘에 의해 생성된 매트릭스에 의해 결합된 매우 큰 입자의 천연 다이아몬드를 포함한다. 최종 보디 8-10은 큰 다이아몬드 입자가 합성인 것을 제외하고는 동일하다.

최종 보디 조성물
시료	더큰 다이아몬드 [vol %]	미소 다이아몬드 [vol %]	SiC [vol %]	Si [vol %]	매트릭스의 산출된 경도
번호1	25	34	35	6	57
번호2	25	36.6	30.6	7.8	60
번호3	37.5	30.1	14.1	18.3	57
번호4	37.5	27.8	26.6	8.1	57
번호5	25	33.5	34.7	6.8	57
번호6	37.5	23.9	27.7	10.9	51
번호7	50	16.2	21.0	12.8	45
번호8	37.5	23.9	27.7	10.9	51
번호9	37.5	23.9	27.7	10.9	51
번호10	25	33.5	34.7	6.8	57
번호11	25	32.6	34.2	8.2	57

매트릭스의 이론 경도는 다이아몬드 경도를 100㎬, 실리콘 카바이드 경도를 25㎬ 및 실리콘 경도를 10㎬로 추정하여 수득하였다.

시료 1-4를 600×63×305 14A40II CM1 6K7II 타입의 마찰휠의 드레싱에 대해 시험하였다 :

·큰 다이아몬드 입자의 상대적 소비[mg 큰 입자/kg 마찰휠]

시료	초기 다이아몬드 (+ 열분해탄소 함량)	시험시료의 상대적 매질 소모 [mg/kg]	더큰 다이아몬드의 상대적 매질 소모 [mg/kg]
시료 1	A-800/630 + ACM 10/7	-	0.66
시료 2	A-800/630 + ACM 14/10	-	0.63
시료 3	EMBS 30/40 메쉬 + ACM 14/10(+ 5 % pyC)	1.91	0.78
시료 4	EMBS 30/40 메쉬 + ACM 28/20(+ 5 % pyC)	1.59	0.59
슬라부티치	A-800/630	-	2.16

이에 따라, 주어진 실시예에 의해 제조된 보디의 내마모성은 <<Slavutich>> 재료의 내마모성보다 약 3 배 더 크다.

·시료 5-9를 600×63×305 14A25II CM2 6K5 타입의 마찰휠의 드레싱에 대해 시험하였다 :

·큰 다이아몬드 입자의 상대적 소비[mg 큰 입자/kg 마찰휠]

시료	[mg/ 마찰 kg]
시료 5	0.52
시료 6	0.54
시료 7	0.72
시료 8	0.60
시료 9	0.45
슬라부티치	1.5

시료의 내마모성은 Slavutich 재료의 내마모성보다 약 2-3 배 더 크다.

상기 표로부터 동일한 크기 및 타입의 작은 다이아몬드 및 동일한 크기 및 타입의 작은 다이아몬드를 가진 시료, 즉 동일한 조건을 선택함으로써, 실리콘 함량이 보디의 내마모성에 어떻게 영향을 미치는 가를 알 수 있다.

시료 5, 6 및 7을 비교함으로써, 실리콘 함량 및 이론 경도 사이의 경향을 알 수 있고 매트릭스의 내마모성을 알 수 있다(작은 다이아몬드, 실리콘 카바이드 및 실리콘). 표 참조. 이론 경도값은 측정된 총괄 경도 57-61㎬ 에 해당한다(실시예 12 참조).

시료	더큰 다이아몬드	미소 다이아몬드	매트릭스의 Si 함량 [vol %]	조성물의 Si 함량 [vol %]	매트릭스의 산출된 경도	내마모성
번호5	EMBS 30/40 메쉬	ACM 10/7	9	6.8	57	0.52
번호6	EMBS 30/40 메쉬	ACM 10/7	17	10.9	51	0.54
번호7	EMBS 30/40 메쉬	ACM 10/7	26	12.8	45	0.72

최상의 내마모성을 가진 시료 5는 또한 가장 높은 이론 매트릭스 경도 및 가장 낮은 실리콘 함량을 가진다. 동일한 작은 다이아몬드 타입(ACM 10/7), 동일한 이론 매트릭스 경도(57㎬)를 갖지만, 다른 큰 다이아몬드, SDB 1025 및 SDB 1125를 각각 갖는 시료 8 및 9를 비교함으로써, 시료 9 다이아몬드의 품질이 나을수록 내마모성이 좋아진다는 것을 알 수 있다.

·시료 10-11을 i) 600×63×305 14A40II CT3 37K5 타입 및 ii) 600×63×305 63C40II CM1 6K7 타입의 마찰휠의 드레싱에 대해 시험하였다 :

더 큰 다이아몬드 입자의 상대적 소비 [mg 더 큰 입자/kg 마찰 휠]

	휠 형태 i [mg/마찰 kg]	휠 형태 ii [mg/마찰 kg]
시료 번호 10:	1.57	2.31
시료 번호 11:	1.07	2.16
슬라부티치:	4.13	13.2

보디 10-11의 내마모성은 매질 경도의 휠의 드레싱에서 Slavutich 재료보다 약 2.5-3.5 배 더 크다. 미소성 실리콘 카바이드 휠의 드레싱은 6 배 초과이다.

드레싱 공구 시험 2

시료 1을 EMBS 30/40 메쉬 및 ACM 14/10 타입의 다이아몬드를 이용하여 드레싱 공구 시험 1 에 따라 제조하였다. 참고로서 WINTER 사(Ernst Winter & Sohn Diamantwerkzeuge GmbH & Co., Norderstedt, Germany) 재료 드레싱 공구, 시료 2-3를 시험하였다.

시료 2 - WINTER PRO 88 D601 H770(침탄된 카바이드 매트릭스중 다이아몬드)

시료 3 - WINTER PRO 88 D711 H770(침탄된 카바이드 매트릭스중 다이아몬드)

·시료 1-3을 600×63X305 14A40II CT3 7K5 타입의 마찰휠의 드레싱에 대해 시험하였다. 시험의 기간은 20 분이었다. 3 % Na₂CO₃ 유화액을 냉각액으로 사용하 였다.

시료	큰 다이아몬드의 상대적 소모 [mg 큰 입자/kg 마찰 휠]:
시료 1	0.9
참조 시료 2	6.4 - 6.6
참조 시료 3	4.0 - 12.0

본 발명에 따라 제조된 시료의 내마모성이 참고 재료의 내마모성보다 4-10 배 더 크다.

실시예 9 : 미소구조 분석 :

미소구조 분석에 사용된 드레싱 공구의 명세서 :

시료	함량/명칭	치수(㎜)	매트릭스
1	A-800/630 25 vol% ACM 14/10 75 vol%	φ= 8 h = 7.5	SiC + Si
2	PRO88 D601 H770	φ= 8 h = 7.9	시멘트 WC

두개의 시료의 연마 표면을 JSM-840인 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰하였다. 두 시료 모두 조밀하였고, 400-800㎛ 입자 크기의 큰 다이아몬드를 함유하였다. 시료 2의 표면은 매우 거칠고 몇몇 다이아몬드 입자는 매트릭스로부터 밀려났다. 표면에 일부 긁힘이 있고, 이는 밀려난 다이아몬드로부터 생겨난 것일 수 있다. 시료 1의 표면은 시료 2의 표면보다 더 평평하다. 다이아몬드 입자가 매트릭스로부터 밀려난 것은 없으며, 이는 다이아몬드가 매트릭스에 강력히 결합된 것을 나타낸다.

실시예 10 : 마찰 시험, 침식 시험 및 열강철 미끄럼 시험

하기 시험은 다이아몬드 입자와 매트릭스사이에 강력한 결합을 나타낸다.

두개의 다이아몬드 복합체를 마찰 시험, 침식 시험 및 열강철에 대한 미끄럼 시험에서 평가하였다. 시료 1은 60 %의 다이아몬드 분말 ACM 63/50 및 40 % ACM 10/7로 만들어졌다. 시료 2는 다이아몬드 입자 ACM 14/10으로 만들어졌다.

하기 참고 재료를 사용하였다. 모든 표준 다이아몬드는 시판용이고 상기에 주어진 자료는 Data Sheet information 이다.

참고예 1 : Sandvik Coromant AB 사 시판 알루미나, 등급 AZ96, 2.8중량% 지르콘 함유. 경도 1820 HV 및 파편 거칠기 5.4 MN/m^3/2.

참고예 2 : Goodfellow 사 시판 반응 결합된(Si 침윤된) 실리콘 카바이드, 명칭 SiSiC, 약 10 % 유리 실리콘 함유. 경도 2500-3000 kgf/㎜². 파편 거칠기 없음.

참고예 3 : Matenco AB 사 시판 순수 실리콘 카바이드, 명칭 SiC. 경도 2000 HV 및 파편 거칠기 3.8 MN/m^3/2.

참고예 4 : Sandvik AB으로부터 침탄된 카바이드, 등급 H6M, 6중량%의 코발트중 WC의 1.3㎛ 입자를 가짐. 경도 1720 HV 이고 파편 거칠기 10.1 MN/m^3/2.

참고예 5 : Sandvik Coromant AB 사로부터 T-MAX U의 절삭 편상에 다결정 다이아몬드(PDC).

다이아몬드 슬러리가 있는 마찰

크레이터 연마 기술을 사용하였다. 구형 크레이터는 시료를 회전시키지 않 고 둥근 림을 가진 스테인레스 강철휠을 회전시킴으로써 시료 표면상에 제조한다. 휠 및 시료의 결합 운동은 연마된 구형 크레이터를 시료 표면상으로 이동시킨다.

직경 20㎜이고 하중 20g인 강철휠을 사용하였다. 시판용 표준 액(Kemet 타입 0)과 혼합된 4㎛ 단결정 다이아몬드를 농도 25 g/l으로 마찰시켰다.

크레이터의 부피를 광학 profilometer(윤곽 측정기)로써 측정하고 미끄럼 거리당 제거된 부피를 계산하였다.

재료의 내 마모성에서 큰 차이로 인해, 다른 총 미끄럼 거리를 재료로부터 선택하였다. 다이아몬드 복합체, 시료 1-2를 30,000 회전수(미끄럼의 1861 m 에 해당)에 대해 시험하고 ; 다결정 다이아몬드(PDC)를 8,000 회전수(500㎜)에 대해 시험하고 ; 세라믹을 800 회전수(50 m)에 대해 시험하고 침탄된 카바이드를 600 회전수(38 m)에 대해 시험하였다. 총 회전수를 변화시킴으로써, 최종 마모 흔적 직경은 1-2㎜로 유지되었다. 5 개 이상의 크레이터를 각 시료상에 제조하였다.

측정 결과 표
재료	평균 크레이터 직경㎛	회전수	마찰 속도 ㎛3/m
시료 1: ACM 63/50 + ACM 10/7	1.04 ±0.10	30,000	0.85 ±0.14
시료 2: ACM 14/10	1.11 ±0.14	30,000	2.49 ±0.20
PCD	0.48 ±0.02	8000	26.9 ±0.15
SiSiC	1.64 ±0.03	800	274.2 ±12.7
SiC	1.38 ±0.03	800	279.8 ±5.6
AZ96	1.82 ±0.04	800	530.8 ±10.4
H6M	1.80 ±0.02	600	693.9 ±18.7

다이아몬드 복합체 둘 모두 두자리수 이상(약 100 배 이상) 및 심지어 PCD의 10 배의 내마모성을 가지고 대부분의 참고 재료를 초과했다. 다이아몬드 복합체와 비교하여, 단지 하나의 입자 크기 10/14 만을 함유하는 시료는 두개의 입자 크기 50/63-7/10의 시료보다 약 3 배가 더 마모되었다.

시료 1 및 2의 마찰 표면이 나타난 주사 전자 현미경은 대부분의 다이아몬드는 여전히 매트릭스에 유지된다는 것을 나타냈다. 마찰에 의한 흔적은 상기 표면상에 공통적인 특질은 없었다. 매트릭스는 표면으로부터 삐져나오는 다이아몬드를 이탈하는 큰 다이아몬드 주위가 제거되는 것처럼 보였다. 특히 50/63-7/10 재료중 큰 다이아몬드는 평평하고, 광택나는 표면을 나타냈다. 분획이 되거나 밀려나거나 또는 부스러지는 징조없이 다이아몬드 상을 볼 수 있다. 첨부서 참조, 시료 1 에 대한 A) 및 시료 2 에 대한 A2) 용 주사 전자 현미경.

PCD 재료의 마찰된 표면은 예컨대 금속 결합제인 내부과립상이 더 잘 제거되어 다이아몬드 입자가 밀려난 것이 나타나 있다. 다른 모든 참고 재료의 마모 흔적은 다른 타입의 손상과 함께 마찰 홈도 있다. 또한 국소적인 규모의 분획, 예컨대 입도 경계부를 나타냈다.

다이아몬드 복합체의 주요한 마모 기작은 매트릭스로부터 지지체가 사라짐에 따라, 전체 다이아몬드에 의해 매트릭스가 제거된다고 생각되며 ; 큰 다이아몬드상은 작은 다이아몬드상보다 표면으로부터 제거하기가 더욱 어렵다. 이것은 시료 2 에 해당하는 시료 1 이 더 우수한 성능이 있음을 설명하는 것이다.

건조 입자 내침식성

원심분리 장치에서 시험을 수행하였다. 특정량의 침식성의 회분식을 용기에 첨가하고 회전 디스크의 중심으로 연속적인 속도로 공급된다. 침식물은 원심력에 의해 디스크에 채널을 통해 급속히 걸러져서 침식물의 흐름과 관련된 고정된 가도 로 가장 자리에 돌출된 시료를 타격한다.

상기 시험은 경도가 약 2500 HV인 80 메쉬(200㎛)의 실리콘 카바이드 에로던트(erodent)로써 수행하였다. 충격각은 45˚및 90˚이고 침식 입자의 충격 속도는 93 m/s 였다. 시료는 미보호된 8.5 ×8.5㎜의 면적을 이탈한 것으로 마스크되었다.

충격 에로던트의 질량당 각각 시료의 중량 손실을 시험전 및 4 새의 특정 간격으로 노출시켜 침식시킨 후 시료를 중량하여 측정하였다. 1000 g 에 대해 각각 침식 시료의 충전물은 각각 90˚및 45˚의 충격각에 대해 10.8970g 및 7.1265g 으로 타격하였다. 침식 속도를 에로던트의 충격 질량당 시료의 질량 손실을 기술하는 곡선의 기울기로부터 계산하였다.

결과 표
재료	충격 각도	평균 재료 손실 mg	부식 속도 mg/g
시료 1: ACM 50/63 + ACM 10/7	90° 45°	0.9 0.5	0.08 0.07
시료 2: ACM 10/14	90° 45°	2.2 1.2	0.21 0.17
SiSiC	90° 45°	16.3 7.8	1.50 1.10
SiC	90° 45°	6.5 2.2	0.63 0.34
AZ96	90° 45°	14.7 6.3	1.35 0.88
H6M	90° 45°	13.5 6.3	1.24 0.88

다이아몬드 복합체, 시료 1 및 시료 2는 참고 재료보다 더 성능이 좋았다. 대부분 참고 재료에 대해 다이아몬드 복합체는 약 한자리수만큼 크기가 좋았다(약 10 배). 하지만, 시료 2(ACM 14/10)는 최고의 재료(SiC 및 H6M) 보다 단지 몇배( 특히 45°침식에서)가 좋았다.

보통의 충격 침식은 일관되게 45°침식에서보다 마모 속도가 더 빠르고, 이는 무른 재료로부터의 경험과 일치한다, 원 3) 참조. 하지만 두개의 충격 각 사이의 침식 속도의 차이는 상대적으로 다이아몬드 복합체, 특히 시료 1 에 대해 낮다.

3). Jacobson and S. Hogmark, "Tribologi", Karlebo forlag, 1996.

다이아몬드 복합체의 침식된 표면의 주사 전자 현미경은 다이아몬드 및 매트릭스 모두 깨끗하게 보임을 보여준다. 마찰된 면에 비해, 부스러지거나 또는 파편의 표시가 특히 큰 다이아몬드 입자에서 볼 수 있다. 상기 다이아몬드는 매트릭스에 잘 부착되는 것처럼 보인다. 복합체중 전체 다이아몬드가 제거되거나 또는 다이아몬드상이 모두 분쇄된 흔적이 없다. 대신에 입자 및 매트릭스가 같이 연속적으로 마모되는 것이 주요한 마모 메카니즘인 것처럼 보인다.

실리콘 카바이드의 침식된 표면에는 전체 침식된 표면에 걸쳐 다량의 파편이 나타났다. 작은 규모의 파편이 주요한 마모 메카니즘인 것처럼 보인다. 침탄된 카바이드가 표면상에 많은 파편 흔적이 없이 더욱 연성의 메카니즘에 의해 마모된 것 처럼 보이는 반면, 알루미나 AZ96은 파편 및 연성 만입 모두의 흔적을 나타냈다.

열강철에 대해 건조 미끄럼에서 관련 특성 시험

상기 시험에서 단지 다이아몬드 복합체만을 평가하였다. 5㎜ 폭의 복합체 로드를 아세틸렌-산소 화염으로써 600℃ 내지 950℃ 사이에 온도로 가열된 스테인레스 강철을 회전시킨 림(AISI 316)에 대해, 약 50-100 N의 하중으로 손으로 가압 하였다. 강은 직경이 600㎜ 이고 폭이 약 40㎜ 이고 약 10 rpm 에서 회전하였다.

시험전에 휠 림을 스케일링하여 깨끗이 연마하였다. 복합체 로드를 1 분 이하동안 강철 휠을 글로우(glow)한 데 대해 가압가였다. 흠이 보일 정도로 제조하기 위해 수회 반복하였다.

상기 시험은 복합체로부터 재료가 뚜렷하게 제거되었다는 어떤 결과도 없었다. 약 900℃ 근처이상의 온도에서, 강철은 때로 복합체상에 얼룩이 지는 경향이 있다. 상기 온도에서 강철은 또한 절삭 모서리로서 복합체 시편을 이용하여 쉽게 휠로부터 절삭된다. 열 강철 미끄럼 후에 주사 전자 현미경으로는 표면에 어떤 변화도 보이지 않았다.

약 900℃ 까지 가열된 회전 강철 휠에대한 상기 시험에 더하여, 복합체를 대안적으로 약 2-3 분간 프레스한다음 220 메쉬 SiC 마찰지에 대해 연마하였다. 상기 절차를 로드의 다른 위치에서 10 분간 반복하였다. 상기 추가의 시험에 의해 재료가 뚜렷하게 제거될 수 없었다.

실시예 11 : 선회 시험 ; Al-Si 390의 선회

4 개의 다이아몬드-SiC-Si 복합체, 시료 1-4는 작업 재료로서 알루미늄-실리콘 합금으로써 선회 시험을 수행하여, 미윤활 연속 절삭으로 평가하였다. 상기 재료는 특정 선회 시퀀스후 편의 마모 및 주사 전자 현미경 사진으로 특징짓는다.

시료 1은 다이아몬드 입자 ACM 5/3로부터 제조하고, 시료 2는 ACM 10/7, 시료 3은 ACM 40으로부터 제조하고 시료 4는 ACM 63/50으로부터 제조한다. 시험된 시료는 모든 모서리가 직각인 3×12×4㎜ 보디였다. 복합체는 상대적으로 모서리 가 예리하고, 약 0.01 내지 0.1㎜ 사이에서 반경이 변한다.

참고 재료로서 Sandvik Coromant AB 사 시판용인 두개의 시판용 절삭 공구 삽입기를 사용하였다 : 상표명 CCMW 09 T3 04F, CD10 및 T-MAX U 시리즈사 시판 사다결정 다이아몬드(PCD), 및 상표명 CCMW 09 T3 04 침탄 카바이드(CC) 절삭 삽입기. 상기 삽입기는 편각 80°, 클리어런스 각 5 °및 편 반경 0.4 이다.

절삭 시험을 선반에서 수행하였다. 작업 재료로서, 상표명 Al-Si 390의 알루미늄 실리콘 합금의 반경 200㎜을 가진 길이 270㎜ 원통형을 사용하였다. Al-Si 390 작업 시편을 한쪽 끝을 자유롭게 방치한 채로 척(chuck)에 돌출시켰다. 원통형 표면을 그의 직경으로부터㎜의 우력을 제거함으로써 스케일로부터 초기에 깨끗이 하였다. 가공을 회전축 방향으로 삽입기를 공급하여 원통형 끝에서 수행하였다. 약 10 m/s의 최대 미끄럼 속도가 주어질 때, 절삭 깊이는 0.25㎜ 이고, 공급 속도는 회전수당 0.5㎜ 였고 회전 속도는 1000 rpm 이었다. 복합체 보디를 4°의 각으로 기울여 시판용 삽입기의 클리어런스 각을 모사하였다.

10 개를 절삭한 후 편의 제거된 돌출 면적을 편 마모의 값으로서 사용하였다. 편을 주사 전자 현미경(SEM)으로 평가하였다. 각 재료에 대해 하나 또는 두번의 10 개 절삭 시퀀스를 수행하였다. 마모를 면적 측정용 상 분석을 이용한 SEM 현미경으로 측정하였다.

복합체는 PDC 및 CC의 시판용 삽입기보다 훨씬 더 예리한 노우즈(더작은 노우즈 반경)를 가졌기 때문에, 첫번째 10 작업 시퀀스로부터 무딘 노우즈상에 5/3 및 40으로써 추가 시험을 하여 약 0.2㎜의 노우즈 반경을 수득하였다.

결과 :

모든 복합체, 시료 1-4를 Al-Si 390 합금의 선회에 사용할 수 있다. 절삭 편의 파편은 10/7 복합체에 대해 한번 발생하였지만, 전체 시험은 파편없이 상기 보디의 다른 예리한 모서리상에서 수행하였다.

모든 복합체는 통상의 침탄된 카바이드보다 훨씬 성능이 우수했으나(측정된 제거 면적중 약 4 개의 인자), PCD 다이아몬드는 하기표에 나타난 바와 같이, 어떤 복합체보다도 나았다.

선회 시험의 결과
재료	제거 면적 제 1 작업 [㎜2]	제거 면적 제 2 작업 [㎜2]
시료 1 - 5/3	0.05	0.04
시료 2 - 10/7	0.06	-
시료 3 - 40	0.04	0.04
시료 4 - 63/50	0.05	-
CC	0.14	0.17
PCD	0.01	0.008

절삭 후 절삭 편의 주사 전자 현미경은 편의 마모가 연속적인 마모 및 절삭 편의 선회의 결과라는 것을 보여주었다.

건조하고, 선회에 의한 연속적인 절삭은 Al-Si 390 상에 평가된 복합체로서 수행될 수 있다는 것으로 결론지을 수 있다. 복합체는 상기 종류의 응력에 충분히 저항할 수 있을 정도로 거칠고, 복합체의 기하가 작업동안 최적화되지 않았지만, PCD 다이아몬드 절삭 삽입체에 위배되지 않고, 통상의 침탄 카바이드보다 훨씬 더 낫다.

시료 1-4와 재료 삽입체간에 절삭 편의 예리함의 차이가 부적절한 것은 두개의 부당한 것을 비교하게 하기 때문이다. 예측하건대, 최적의 기하(PCD 삽입체에 대해)를 가진 복합체는 훨씬 더 잘 수행한다.

실시예 12 : 경도 측정

빅커 경도 및 누프 경도의 복합체를 측정하였다.

시료를 실시예 3 에 따라 제조하였다. 시료 1은 ACM 5/3 다이아몬드 분말로부터 제조하고 시료 2는 ACM 10/7로부터 제조하였다.

시험전에 12 ×12 ×5㎜의 시료를 경도 측정을 위해 표준 방법에 의해 연마 및 광택 작업을 하였다. 평평한 시료를 수득하였지만 재료가 극히 단단하기 때문에 충분히 광택이 나지 않았다.

선택 구역의 빅커 경도를 마이크로경도 시험기 MXT-α1를 사용하여 측정하였다. 빅커 경도 계산용 표준식 : Hv=0.47P/α²(식 1)(식중, P는 하중이고, α는 비스듬한 만입의 절반의 길이이다.

램덤 구역의 누프 경도를 INSTRON 8561을 사용하여 측정하고 H_k=P/S(식 2)(식중, P는 하중이고 S는 돌출 면적이다)에 의해 직접 측정하였다.

다이아몬드/SiC/Si 절삭공구의 빅커 경도의 표
재료	하중 (N)	2a (㎛)	Hv (㎬)	인덴트 플레이스
시료 1 5/3㎛	5	17	32.5	다이아몬드 입자 사이
	20	30.8	39.6	다이아몬드 입자 사이
	20	32.3	36.0	다이아몬드 입자 사이
	20	29	44.7	다이아몬드 입자 사이
	20	23.9	65.8	다이아몬드 입자
	20	28.3	47.0	다이아몬드 입자
	20	26	55.6	다이아몬드 입자
시료 2 10/7㎛	20	34.5	31.6	다이아몬드 입자 사이
	20	33	34.5	다이아몬드 입자 사이
	20	33.5	33.5	다이아몬드 입자 사이
	20	28.5	46.3	다이아몬드 입자 사이
	20	25.5	57.8	다이아몬드 입자
	20	27	51.6	다이아몬드 입자
	20	25.8	56.5	다이아몬드 입자
	20	27	51.6	다이아몬드 입자

다이아몬드/SiC/Si 절삭공구의 누프 경도의 표
시료	하중(N)	긴 사선(㎛)	짧은 사선(㎛)	Hk(㎬)
시료 1 5/3㎛	20	82.9	8.5	56.8
	20	84.1	8.5	56.0
	30	125	13	36.9
	30	114.9	12.1	43.2
시료 2 10/7㎛	20	84.2	7.9	60.1
	20	86.4	8.1	57.2

누프 만입의 설계에 따라, 긴 사선 대 짧은 사선의 비는 7 : 1 이다. 만입에서 긴 사선 대 짧은 사선의 비는 거의 10 : 1 이고, 이것은 절삭 공구가 높은 탄성율을 가진다는 것을 나타낸다.

상기 표로부터 미소구조의 빅커 경도는 측정 구역에 의존한다는 결론을 지을 수 있다. 다이아몬드사이의 구역에서 빅커 경도는 30-40㎬ 이고 다이아몬드 입자 구역에서 50-60㎬ 즉, 미소-구역은 매우 단단하다.

표에 나타난 바와 같이, 각각 시료 1 및 시료 2, 37-57 및 57-60㎬의 누프 경도 사이에 약간의 차이가 있다. 시료 1 에서 시료 2 보다 훨씬 더 많이 상대적인 다이아몬드 함량이 감소되므로 작은 다이아몬드가 더 빨리 흑연화한다 이것은 다이아몬드의 바른 크기를 선택하는 데 중요하다.

누프 경도 측정이 반영된 총괄 재료 경도는 복합체가 초경질 재료(> 40㎬)의 군에 속한다는 것을 보여준다. 모든 측정은 양호하게 반복되었다.

일부 재료에 대한 누프 경도의 통상적으로 보고된 범위의 표
재료	누프 경도 [㎬]
다이아몬드 입자	80-120
다경질 다이아몬드, PCD	65-80
육방 질화 붕소, CBN	35-45
붕소 카바이드	25-35
알루미늄 옥시드	15-22
실리콘 카바이드	21-30
텅스텐 카바이드	17-22
*) 결정도식 방향에 따라 다르다.

실시예 13 : D-SiC-Si 복합체의 조사 및 금속 납땜 방법

강철 및 침탄된 카바이드의 표면 다이아몬드 복합체를 납땜하는 실험은 납땜으로 금속에 복합체를 연결시킬 가능성을 평가하기 위해 주요 목표로 수행하여 왔다. 납땜은 Cu-Ti 기재 합금을 이용하여 수행한다.

다이아몬드 복합체는 선택된 금속의 합금으로 습윤된다는 것과, 이것이 강철 및 침탄된 카바이드에 납땜된다는 것이 실험을 통해 나타낸다. 다이아몬드 복합체를 강철에 납땜하는 경우 일부 어려움들이 발견된다. 금속에 시료의 접착력은 매 우 높고 발견된 균열은 열팽창 계수에 있어서의 큰 차이로 인해 발생되는 열응력과 관련될 것 같다.

시료	D-SiC	경화 카바이드	강철
열팽창 계수	2	4 - 6	17

실시예 14: 다이아몬드 필름으로 D-SiC-Si 복합체의 코팅

본 발명에 따라 제조된 D/SiC/Si 시료를 성공적으로 다이아몬드 코팅물이 된다.

침적 조건:

표준 고온 필라멘트 CVD 반응기, 탄탈룸 필라멘트, 2300℃, ∼900℃로 유지되는 기판, H2/CH4 비율 1 %, 총 기체 유량 200 sccm, 압력 20 토르(Torr), 전형적으로 결정 크기 1∼2㎛의 다이아몬드 침적 속도 ∼0.5㎛/h 제공.

표면 예비처리: 수동 마찰 1∼3㎛(이것이 상기 대부분의 기판에 대해 불필요하다는 것은 이의 표면이 이미 충분히 거칠기 때문이다).

결과:

현미경 기술로 횡단면에 관한 연구는 탈착 또는 균열을 나타내지 않고 기계적 스크래치(scratch) 시험은 코팅물이 매우 양호하게 접착되었음을 나타낸다.

복합체의 본래 표면은 SiC/Si 매트릭스(기계적 예비처리 때문에 면적이 클수록 매트릭스 약간 위에 있다)에서 큰 다이아몬드 및 작은 다이아몬드의 쌍봉 낟알 크기 분포를 갖는다. 미세 연삭된 다이아몬드 코팅물이 응집되고 정밀한 연속 필름을 형성하는 큰 다이아몬드 사이에서 성장된다는 것을 발견하였다. 그래서, 다 이아몬드 코팅물은 부분적으로 표면을 평탄화시키고, 매트릭스는 완전히 코팅되지만, 상기 큰 입자는 여전히 현재 다이아몬드 코팅된 표면 밖으로 약 5㎛ 높이까지 돌출한다.

본 발명에 따라 제조된 복합체 물질은 상이한 우수 성질의 조합이 필요한 경우에 유리하다.

언급된 특성은, 신속한 열주기, 장비등(분사기, 진흙 펌프용 제품)에 대한 기계적 엔지니어링 크기적합성 지지체용 내마모성 제품을 작동하는 장비를 포함하는, 미세 공구 제조용으로서 상기 응용품에 귀중한 제안 물질을 만들어낸다.

충격을 가하는 작업, 예를 들어 비대칭 사물의 밀링 및 선회, 및 복합체 공구가 진동에 노출되는 작업시 인성에 관한 물질을 배치하는 것이 매우 필요하다. 천공 작업시 물질의 경도 및 내마모성은 중요하다. 고 E 모듈은 크기 정확성이 필요한 응용품에 기계적 안정성을 제공한다.

복합체 공구의 높은 열 전도성은 다수 마찰열을 접촉면에서 발생하는 작업에서 중요하다.

복합체과 접촉되는물질이 변화되지 않는 것을 목표로 하는 작업시, 즉 베어링 또는 유사품으로서 사용되는 경우, 크기 변화 물질이 유용하다. 접촉 구역 근처의 면적은 가능한 최고의 내마모성을 제공하는 다이아몬드 크기를 가져야 하고 복합체의 나머지는 최적의 기계적 성질, 강도 및 인성을 제공해야 한다.

또다른 관심 응용 분야는 고 마찰 성능이 충분한 인성과 조합되는 목재 및 석재 등의 톱질 및 선회이다.

그러나 또다른 응용은 단일 결정 다이아몬드 드레싱 공구, 다이아몬드 침, 및 복합 프로파일(profile)의 연삭 디스크의 모형 드레싱용을 목적으로 하는 공구를 대체하는 드레싱 펜슬(pencil) 및 바이다.

또한 드릴; 콘크리트, 화강암, 대리석의 기계가공용 톱 구성요소; 기타 건축 자재 및 기계가공 공구를 제조하는 것이 가능하다.

본 발명에 따라 제조된 복합체 물질은 또한 다이아몬드 필름 성장용 기판으로서 사용하는데 적합하다(참조 실시예 17). 활성 저압 기체를 이용한 결정성 다이아몬드 코팅물에 대한 기술이 공지되어 있다. 이것은 응용 범위에서 다이아몬드 코팅물을 갖는 성분 표면의 이용에 대한 잠재력을 제공한다. 그러나, 상기 코팅물의 이점을 충분히 이용하기 위해, 균열 또는 흠이 없이, 기판 물질에 양호하게 결합시키고, 바람직하게는 매우 미세 연삭해야 한다. 기판으로서 적합한 대부분의 엔지니어링 물질은 과밀 미세 그레인된 필름에 대한 핵제로서 작용하는 필요 조건을 이행하지 않을 것이고, "열팽창 계수 불일치"는 경계면 또는 다이아몬도 코팅물에서 응력 및 균열을 피할만큼 낮지 않다. 다이아몬드-실리콘 카바이드-실리콘 복합체는 "저 열팽창 계수 불일치"를 갖고 복합체과 다이아몬드 필름간에 극히 양호하게 결합된 다이아몬드 필름 성장에 대한 양호한 핵제로서 작용하는 필요조건을 이행한다. 다수의 마모성 응용 부품에 대한 복합체 물질상에 다이아몬드 필름을 성장시키는 것이 가능하다. 필름 두께는 대부분의 마모성 응용품에서 3㎛ 초과, 바람직하게는 10㎛ 초과이어야 한다. 상기 코팅된 복합체는 연마된 표면을 표준 기술 예컨대 회전 고온 철- 또는 강철휠로 수득될 수 있는 절삭 공구 및 베어링에서 특히 유용할 것이다. 비상하게 양호한 성능은 다이아몬드 코팅물과 강력한 내마모성 복합체의 조합이다. 다이아몬드 코팅물을 통한 부분적 마모 손상은 성분의 양호한 성질의 어떠한 엄청난 변화를 발생하지 않을 것이다.

방법 명세서

청구된 물질의 성질은 하기 방법으로 측정된다.

밀도는 수압 칭량법으로 측정된다. 상기 방법은 대기중 및 수중에서 이의 질량의 측정에 기재한다. 겉보기 밀도(다공성 보디 질량(m₁) 대 이것이 차지하고 있는 공간의 부피(물질내 모든 공극의 부피 포함)의 비율)는 하기 화학식으로 측정된다:

ρ= m₁ ×ρ_H20/(m₂ - m₃)

[상기 식에서,

m₂: 물로 채운 시료의 질량,

m₃: 수중에서 칭량하는 경우 물로 채운 시료를 균형시키는 중량의 질량, g ρ_H20 - 물의 밀도, kg/m³].

열전도성은 열전쌍을 배치하는 상이한 높이에서 방사선 개구를 갖는

= 15㎜ 및 높이 = 10㎜의 시료를 이용하여 열량계로 측정한다. 열전도성은 열전쌍에 대한 열저항의 비율로서 산출한다. 시료 열저항은 시료를 통한 정상 상태의 열흐름에서 시료의 온도 저하를 측정한다. 장비의 대응 상수를 고려하여 산출한다. 공인 측정 오차는 ±10 % 이다.

실온에서 수용 형태(연마없이)로서의 3 점 굴곡.

하중 비율 - 300 N/초.

강도(σ_3p)는 하기 화학식으로 산출한다:

σ= 3Pl/2bh²

[식중,

P - 파괴 하중(N),

l - 지지체간의 길이(40㎜),

b - 시료의 폭(6㎜),

h - 시료의 두께(5㎜)].

쌍충 굴곡 시험은 하중 고정물이 주로 2 개의 동심성 고리로 이루어진 고리 대 고리(ring-on-ring) 시험이다. 상기 시험에서 응력 분야는 방사선에서 중심선 방향 및 접선 방향의 쌍축이다. 4 개의 시료의 쌍축 강도(σ쌍축)를 하기로 산출한다:

σ쌍축 = 3P/4πt²[2(1+υ)ln(r_s/r_l)+(1-υ)(r_s ²-r _l ²)/R₂]

[식중,

P = 파괴 하중(N), t = 시료 두께(㎜)

υ= 포이슨비(Poisson's ratio), r_s = 지지체 고리의 반경(7㎜)

R = 시료의 반경, r_l = 하중 고리의 반경(3.13㎜)].

신장 탄성율(Young's modulus)는 실온에서 시료의 세로 진동의 공명 진동수의 여기 및 기록하여 길이 50㎜ 및 횡단면적 5 ×6㎜의 시료의 축방향으로 평가한다. 신장 탄성율은 하기 화학식으로 산출한다:

E =(ρ/k₄) ×(2l ×f₄/4)²

[식중,

E - 동적 신장 탄성율, Pa, l - 시료의 길이(0.05 m)

k₄ - 보정 인자, 0.98 ρ- 물질의 밀도, kg/m³

f₄ - 공명 진동수, Hz(제 3 차 ober-tone(통상 500 - 600 kHz)에 해당)].

시료의 전기 전도성은 4-탐침 방법에 의해 시료 길이에 따라 크기 5 ×6 ×50㎜의 시료를 이용하여 평가한다. 상기 경우 2 개의 내부 탐침간의 전압 저하는 외부 탐침이 시료를 통해 전류를 전도하는 동안 평가한다.

Claims (33)

1. 다이아몬드 입자로부터 다이아몬드-실리콘카바이드-실리콘 복합체를 제조하는 방법에 있어서,

   25∼60부피%의 기공률을 가진 작업시편을 성형하는 단계;

   다이아몬드 입자의 흑연화에 의해 다이아몬드 양의 1∼50중량%인 흑연이 생성되어 중간체 보디를 생성하도록, 작업시편을 가열하고 가열온도 및 가열시간을 제어하는 단계; 및

   중간체 보디에 실리콘을 침윤시키는 단계;

   를 포함하는 다이아몬드-실리콘카바이드-실리콘 복합체 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 흑연화에 의해 생성된 흑연의 양이 다이아몬드 양의 6∼30중량%인 다이아몬드-실리콘카바이드-실리콘 복합체 제조 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 흑연화 동안 가열온도가 1700℃ 이하인 다이아몬드-실리콘카바이드-실리콘 복합체 제조 방법.
4. 제3항에 있어서, 흑연화에 필요한 가열온도 및 가열시간이 사용된 가열장비에 대해 실험적으로 결정되는 다이아몬드-실리콘카바이드-실리콘 복합체 제조 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 작업시편을 탄화수소 분해온도 이상의 온도에서 기체 탄화수소에 노출함으로써 소정량의 탄소가 작업시편에 침적되는 다이아몬드-실리콘카바이드-실리콘 복합체 제조 방법.
6. 제5항에 있어서, 다이아몬드 결정의 적어도 일부 흑연화가 작업시편을 탄화수소 분해온도 이상의 온도에서 기체 탄화수소에 노출하기 전에 행해지는 다이아몬드-실리콘카바이드-실리콘 복합체 제조 방법.
7. 제5항에 있어서, 액체 실리콘의 침윤 단계 전에, 중간체 보디가 소정 형상 및 크기의 최종 보디로 기계가공되는 다이아몬드-실리콘카바이드-실리콘 복합체 제조 방법.
8. 제1항에 있어서, 액체 실리콘의 침윤 단계 전에, 기상 실리콘 존재 하에 중간체 보디가 가열된 후 소정의 형상 및 크기의 최종 보디로 기계가공되는 다이아몬드-실리콘카바이드-실리콘 복합체 제조 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 작업시편은 다양한 크기 및 품질의 다이아몬드 입자가 불균일하게 분포되어 형성되는 다이아몬드-실리콘카바이드-실리콘 복합체 제조 방법.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 작업시편은 결합제가 첨가된 다양한 크기의 다이아몬드 입자의 균일한 혼합물로부터 형성되는 다이아몬드-실리콘카바이드-실리콘 복합체 제조 방법.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 작업시편에서 다이아몬드 입자가 작업시편의 표면으로부터 중심을 향하여 연속적으로 감소하게 분포되는 다이아몬드-실리콘카바이드-실리콘 복합체 제조 방법.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 2개 이상의 작업시편이 개별적으로 제조된 후 가열 단계 및 침윤 단계 전에 집결되는 다이아몬드-실리콘카바이드-실리콘 복합체 제조 방법.
13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 작업시편의 성형은 몰드에서 수행되며, 열처리와 실리콘의 침윤은 작업시편이 몰드에서 꺼내진 후 수행되는 다이아몬드-실리콘카바이드-실리콘 복합체 제조 방법.
14. 다이아몬드 입자가 실리콘카바이드의 매트릭스에 결합된, 제1항의 방법에 따라 제조된 다이아몬드-실리콘카바이드-실리콘 복합체에 있어서,

    상기 복합체는 20∼75부피%의 다이아몬드 입자, 5부피% 이상의 실리콘카바이드, 및 실리콘을 포함하며, 영률이 450㎬을 초과하는 복합체.
15. 제14항에 있어서, 상기 복합체는 29부피% 이상의 다이아몬드 입자, 14부피% 이상의 실리콘 카바이드, 및 실리콘을 포함하며, 영률이 540㎬을 초과하는 복합체.
16. 제15항에 있어서, 상기 복합체는 30㎛ 이하의 크기를 가진 다이아몬드 입자를 46중량% 이상 포함하며, 영률이 560㎬을 초과하는 복합체.
17. 제14항에 있어서, 상기 복합체는 50㎛ 이상의 크기를 가진 다이아몬드 입자가 60% 이상인, 54부피% 이상의 다이아몬드 입자를 포함하며, 영률이 650㎬을 초과하는 것을 특징으로 하는 복합체.
18. 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복합체는 1500℃ 이상의 온도에 노출 후 그것의 형상과 영률을 유지하는 복합체.
19. 제14항에 있어서, 10㎛ 이하 크기의 다이아몬드 입자가 매트릭스에 혼입되어 포함되며, 다이아몬드 입자 사이의 영역에서 측정된 매트릭스의 비커 마이크로경도가 20N 부하에서 30㎬ 이상인 복합체.
20. 제19항에 있어서, 10㎛ 이하 크기의 다이아몬드 입자가 매트릭스에 혼입되어 포함되며, 매트릭스의 누프 매크로경도가 20N 부하에서 36㎬ 이상인 복합체.
21. 제14항에 있어서, 다이아몬드 입자는 50㎛ 이상인 입자의 크기 분획 및 50㎛ 이하인 입자의 크기 분획을 가지며, 그것의 중량비가 0.25∼2.5이고 평균입자크기가 10㎛ 이상인 복합체.
22. 제14항에 있어서, 다이아몬드 입자는 큰 다이아몬드 입자의 크기 분획 및 작은 다이아몬드 입자의 크기 분획을 가지며, 그것의 중량비가 0.25∼2.5이고 평균입자크기가 10㎛ 이상인 복합체.
23. 제22항에 있어서, 다이아몬드 입자는 큰 다이아몬드 입자의 크기 분획 및 작은 다이아몬드 입자의 크기 분획을 가지며, 마모율이 26㎛³/m 이하인 복합체.
24. 제23항에 있어서, 다이아몬드 입자는 큰 다이아몬드 입자의 크기 분획 및 작은 다이아몬드 입자의 크기 분획을 가지며, 침식률이 0.34㎎/g 이하인 복합체.
25. 제14항에 있어서, 다이아몬드 입자는 20㎛ 이하의 크기를 가지며, 마모율이 26㎛³/m 이하인 복합체.
26. 제15항에 있어서, 다이아몬드 입자는 20㎛ 이하의 크기를 가지며, 침식률이 0.34㎎/g 이하인 복합체.
27. 제14항에 있어서, 상기 복합체는 중공상인 복합체.
28. 제14항에 있어서, 복합체의 표면이 다이아몬드 막으로 피복되는 복합체.
29. 제14항에 있어서, 상기 복합체는 20㎛ 이상 크기의 큰 다이아몬드 입자를 포함하고, 매트릭스는 20㎛ 이하 크기를 가진, 0∼50부피%의 작은 다이아몬드 입자, 20∼99부피%의 실리콘카바이드 및 1∼30부피%의 실리콘을 포함하며, 매트릭스 경도가 20∼63㎬인 복합체.
30. 제29항에 있어서, 매트릭스 경도가 20∼30㎬인 복합체.
31. 제29항에 있어서, 매트릭스 경도가 50∼63㎬인 복합체.
32. 제29항에 있어서, 매트릭스 경도가 30∼50㎬인 복합체.
33. 삭제

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