KR101182566B1

KR101182566B1 - 다이아몬드 소결체 및 절삭공구용 날끝 교환식 팁

Info

Publication number: KR101182566B1
Application number: KR1020077022076A
Authority: KR
Inventors: 요시히로 구로다; 사토루 구키노; 도모히로 후카야
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2012-09-12
Also published as: WO2008096402A1; CN101321714A; EP2108630B1; KR20090122312A; EP2108630A4; US7985470B2; US20090208301A1; EP2108630A1; CN101321714B

Abstract

내결손성이 우수한 미립 다이아몬드 소결체의 특징을 활용이면서, 다이아몬드 소결체의 내마모성과 내결손성을 함께 높이는 것을 과제로 하고 있다.

다이아몬드 입자와 결합재를 초경합금 기재(2) 상에서 소결하여 소결 다이아몬드층(3)을 형성한다. 또한, 그 소결 다이아몬드층(3)은 메인 다이아몬드층(4)과, 이 메인 다이아몬드층(4)과 초경합금 기재(2) 사이에 존재하는 메인 다이아몬드층(4)보다도 Co 함유량이 많은 Co 리치 다이아몬드층(5)을 갖춰 구성되고, 메인 다이아몬드층은 1.5 GPa～3 GPa의 압축 잔류 응력을 갖고 있는 것으로 했다.

내결손성, 다이아몬드 소결체, 내마모성, 초경합금

Description

다이아몬드 소결체 및 절삭공구용 날끝 교환식 팁{DIAMOND SINTERED COMPACT}

본 발명은, 내마모성, 내결손성(chipping resistant)이 우수하고, 선삭 공구, 프라이스 공구, 엔드밀 등으로 대표되는 절삭 공구의 절삭날이나 와이어 드로잉 다이스(wire drawing dies)로 대표되는 내마 공구의 재료, 나아가서는 전극 부품 등의 전자 재료로서 사용하는 데에 적합한 다이아몬드 소결체에 관한 것이다.

다이아몬드는 지구상에 존재하는 물질 중에서 가장 고경도이며, 다이아몬드 입자를 원료로 하여 인공적으로 제조되는 다이아몬드 소결체는 절삭 공구나 내마 공구 등에 사용되고 있다. 예컨대, 하기 특허문헌 1이나 특허문헌 2는 다이아몬드 입자를 코발트 등의 철족 금속을 결합재로 하여 소결한 다이아몬드 소결체를 개시하고 있다. 특허문헌 1, 2가 개시하고 있는 다이아몬드 소결체는 단결정 다이아몬드의 결점인 벽개성(cleavability)에 의한 결손이 생기기 어렵기 때문에, Al-Si 합금 등의 비철금속 재료를 절삭 가공하기 위한 공구의 절삭날의 소재 등으로서 널리 이용되고 있다.

이 다이아몬드 소결체 중에서, 다이아몬드 입자의 평균 입자 지름이 큰 것, 예컨대, 그 평균 입자 지름이 20 μm 이상 100 μm 이하인 것은 다이아몬드의 함유율이 높고 내마모성도 우수하다. 한편, 다이아몬드 입자의 평균 입자 지름이 작은 것, 예컨대 평균 입자 지름이 5 μm 미만인 미립 다이아몬드 입자로 구성되는 다이아몬드 소결체는 내결손성이 우수하다. 그 중에서도, 평균 입자 지름이 1 μm 이하인 초미립 다이아몬드 입자로 구성되는 다이아몬드 소결체는 내결손성이 특히 우수하다.

그런데, 다이아몬드 소결체의 성능 향상을 도모하는 경우에는, 출발 원료의 다이아몬드 입자를 미립화함으로써 내결손성의 향상을 도모하거나, 조립화함으로써 내마모성의 향상을 도모하는 것의 어느 한 쪽에 한정되고 있었다.

그래서, 하기 특허문헌 3이 개시하고 있는 것과 같이, 미립 다이아몬드 입자에 결합재를 피복하는 것을 생각해 내었다. 그 결합재의 피복을 실시함으로써 결합재의 풀(pool)이나 공극(void) 혹은 불순물이 적은 고밀도의 소결을 할 수 있게 되어, 이 수법으로 미립 다이아몬드 소결체의 약점인 내마모성의 향상을 도모한 다이아몬드 소결체가 제품화되어 실용에 제공되고 있다.

그러나, 결합재의 풀이나 공극 혹은 불순물을 저감했다고 해도, 미립 다이아몬드 입자를 내마모성이 우수한 조립(粗粒) 다이아몬드 소결체와 동등한 높은 다이아몬드 함유율로 소결하기 위해서는 입자의 표면적이 증가함에 의한 입자 사이의 마찰력의 증가에 대응하기 위해서, 다이아몬드가 생성될 수 있는 소결 조건 중에서도 보다 높은 압력과 온도가 필요하게 된다. 그 경우, 초미립 다이아몬드 입자는 매우 활성이 풍부하기 때문에, 다이아몬드 입자의 이상한 입자 성장이 일어나기 쉽게 된다. 이상 입자 성장부를 갖는 소결체는 WEDM(와이어 방전 가공기)에 의한 절단이 불가능하게 되어, 다이아몬드의 기계적 강도도 저하된다. 입자 지름이 1 μm 이하인 초미립 다이아몬드 입자와 코발트(Co) 혹은 탄화텅스텐(WC)-Co 등의 철족 금속을 출발 원료로 하여 소결을 하면, 이상한 입자 성장이 불가피하게 되기 때문에, 입자 지름이 1 μm 이하이고 균질한 조직을 갖는 다이아몬드 소결체를 수율 좋게 얻는 것은 곤란하다.

그 때문에, 1 μm 이하의 초미립 다이아몬드 입자를 평균 입자 지름이 20～30 μm인 조립 다이아몬드 입자와 동등한 함유율로 소결하는 것은 사실상 불가능하여, 1 μm 이하의 초미립 다이아몬드 입자로 구성되는 다이아몬드 소결체는 평균 입자 지름이 20～30 μm인 다이아몬드 입자로 구성되는 다이아몬드 소결체와 비교하면 내마모성이 뒤떨어진다.

또한, 하기 특허문헌 4에는 평균 입자 지름이 20～30 μm인 다이아몬드 입자와 평균 입자 지름이 2～4 μm인 다이아몬드 입자를 혼합함으로써 조립 다이아몬드 소결체의 약점인 내결손성을 향상시키는 것이 개시되어 있다. 그러나, 평균 입자 지름이 20～30 μm인 다이아몬드 입자를 포함하기 때문에, 1 μm 이하의 초미립 다이아몬드 입자로 구성되는 다이아몬드 소결체에 비하면 강도가 낮아, 실용상의 신뢰성이 불충분하다.

하기 특허문헌 5에는 주기율표의 4, 5 또는 6족 원소 등의 탄화물과 Co로 이루어지는 결합재를 이용하여 다이아몬드 입자끼리를 결합시킨 소결체로서, 소결 공정에서의 이상한 입자 성장을 억제하고, 다이아몬드 입자끼리의 직접 결합을 보다 강고하게 하여 내마모성, 내결손성, 내충격성 등이 우수한 다이아몬드 소결체를 얻기 위해서, 다이아몬드 입자의 입자 지름이나 함유율, 결합재 중의 Co 등의 함유율, 탄화물의 존재 형태를 특정한 다이아몬드 소결체가 개시되어 있다. 그러나, 다이아몬드 소결체와 초경합금 기재와의 계면에 아무런 고안도 하고 있지 않기 때문에, 초경합금 기재와 다이아몬드 소결체의 접합부에 인장 응력이 작용하여, 다이아몬드 소결체의 강도 저하나 박리가 발생하므로, 안정적인 생산은 불가능했다.

다이아몬드 소결체 내의 잔류 응력에 대해서는, 하기 비특허문헌 1에, 다이아몬드 소결체 내의 잔류 응력과 특정한 치수의 다이아몬드 소결체의 관계가 개시되어 있다. 여기서는, 다이아몬드 소결체의 직경 치수, 초경합금 기재의 두께, 초경합금 기재의 형상에 의한 다이아몬드 소결체 내의 잔류 응력을 측정 및 계산한 결과가 얻어지는데, 얻어진 최대 압축 잔류 응력은 1.5 GPa로 하고 있다. 이것은, 종래의 다이아몬드 입자와 Co 혹은 WC-Co 등의 철족 금속을 출발 원료로 하여 소결을 하는 구성으로, 1.5 GPa 이상의 압축 잔류 응력을 부여한 다이아몬드 소결체를 안정적으로 제조하는 것은 불가능하다는 것을 나타내고 있다. 또한, 만일 제조할 수 있었다고 하여도 높은 압축 잔류 응력을 부여한 다이아몬드층과 초경합금 기재 사이에서 큰 왜곡이 발생하여, 계면에서 박리가 생기기 때문에 안정적인 생산은 불가능하다.

<특허문헌 1>

일본 특허 공고 소39-20483호 공보

<특허문헌 2>

일본 특허 공고 소52-12126호 공보

<특허문헌 3>

일본 특허 제3327080호 공보

<특허문헌 4>

일본 특허 제3391231호 공보

<특허문헌 5>

일본 특허 공개 2005-239472호 공보

<비특허문헌 1>

J. Am. Ceram. Soc. 77[6] 1562-68(1994)

상술한 바와 같이, 종래의 다이아몬드 소결체는, 내결손성과 내마모성이 출발 원료로서 사용하는 다이아몬드 입자의 입자 지름에 의해서 정해지며, 우수한 내결손성과 우수한 내마모성을 양립시킬 수 없었다. 본 발명은, 내결손성이 우수하다고 하는 미립 다이아몬드 소결체의 특징을 살리면서 내마모성을 높이는 것을 과제로 하고 있다.

상기한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 있어서는, 다이아몬드 입자와 결합재를 초경합금 기재 상에서 소결하여 얻어지는, 초경합금 기재와 소결 다이아몬드층을 갖는 다이아몬드 소결체로서, 그 소결 다이아몬드층이, 메인 다이아몬드층과, 이 메인 다이아몬드층과 초경합금 기재 사이에 존재하는, 메인 다이아몬드층보다도 코발트 함유량이 많은 코발트 리치 다이아몬드층을 갖춰 구성되고, 또한, 이 메인 다이아몬드층이 1.5 GPa～3 GPa의 압축 잔류 응력을 갖고 있는 다이아몬드 소결체이다.

본원의 발명자들은 미립 다이아몬드 소결체의 특징인 내결손성을 살리면서 내마모성을 향상시키기 위한 방책을 예의 검토하여 모색한 결과, 특허문헌 3의 0004 단락에 기재되어 있는 것과 같이, 잔류하는 왜곡이 커지기 때문에 다이아몬드 소결체의 강도가 저하되어 실용상의 신뢰성이 불충분하게 된다고 생각되고 있었던 메인 다이아몬드층 중의 압축 잔류 응력을 1.5 GPa～3 GPa로 제어함으로써, 내마모성 나아가서는 내결손성도 비약적으로 향상시키는 것이 가능하다는 것을 발견했다.

본 발명의 다이아몬드 소결체는, 초경합금 기재와 소결 다이아몬드층의 접합부에 큰 왜곡이 발생하는 것을 방지하기 위해서, 초경합금 기재와 소결 다이아몬드층의 메인 다이아몬드층 사이에 메인 다이아몬드층보다도 Co 함유량이 많은 Co 리치 다이아몬드층을 석출시켜, 메인 다이아몬드층과 초경합금 기재의 영률(young's module)의 차를 그 Co 리치 다이아몬드층에서 흡수한다.

본 발명에 있어서의 다이아몬드 소결체의 메인 다이아몬드층은 티탄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 바나듐(V), 니오븀(Nb), 탄탈(Ta), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 중에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 탄소, 질소, 산소 중에서 선택되는 1종 이상의 원소의 화합물을 티탄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 중에서 선택되는 1종 이상의 원소의 함유량이 0.1 중량% 이상, 8 중량% 이하의 양이 되도록 함유하는 것이 바람직하다. 또한, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo 중에서 선택되는 원소가 Ti라면 보다 바람직하다. 상기 화합물은 탄화티탄(TiC)이나 탄질화티탄(TiCN)인 것이 바람직하다. 또한 상기 화합물로서 Co-Ti 합금이나 Co-W-Ti 합금과, 미량의 탄소, 질소, 산소 중에서 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하는 화합물이 다이아몬드 입자끼리의 결합력을 높일 수 있기 때문에 바람직하다.

또한, Co 리치 다이아몬드층의 Co 함유량과, 메인 다이아몬드층의 Co 함유량의 차가 1～30 체적%의 범위인 것, 보다 바람직하게는 10～20 체적% 범위인 것이나, Co 리치 다이아몬드층의 두께를 0.01 mm 이상, 0.07 mm 이하로 한 것, 보다 바람직하게는 0.02 mm 이상, 0.055 mm 이하로 한 것이 좋다.

또한, 메인 다이아몬드층의 다이아몬드 입자의 평균 입자 지름은 10 μm 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 5 μm 이하인 것이 좋다. 1 μm 이하면 더욱 바람직하다.

본 발명의 다이아몬드 소결체에 이용하는 초경합금 기재는, 영률 550～650 GPa, Co 함유량 5.0～15.0 중량%의 기판이나, 탄소, 질소, 산소 중에서 선택되는 1종 이상의 원소와 티탄을 포함하는 화합물을 함유하고, 이 화합물을 0.1 중량% 이상, 8 중량% 이하의 양으로 함유하는 기판이 바람직하다. 티탄의 존재 형태는 TiC, TiCN 등을 생각할 수 있지만, 어느 것이라도 좋으며, 바람직하게는 TiC가 좋다.

한편, 메인 다이아몬드층 중의 1.5 GPa～3 GPa의 잔류 응력은 하기 (1)～(3) 중 어느 방법으로 측정한 것으로 한다.

(1) Cu-Kα의 X선을 Ni 필터를 통과하게 하여 사용하는 X선 회절 장치를 이용하여, 40 kV, 45 mA의 여기 조건으로 sin²ψ법(측경법; side inclination method)에 의해 메인 다이아몬드층의 (111) 격자면의 X선 회절선을 측정하고, 영률 1071 GPa, 프와송비 0.20으로서 산출한 압축 잔류 응력.

(2) 상기 (1)과 동일 방법, 동일 조건으로, 메인 다이아몬드층 중의 Co의 (200) 격자면에 있어서의 X선 회절선을 측정하여, 영률 100 GPa, 프와송비 0.30으로서 산출한 압축 잔류 응력.

(3) 상기 (1)과 동일 방법, 동일 조건으로, 메인 다이아몬드층 중의 TiC의 (200) 격자면에 있어서의 X선 회절선을 측정하여, 영률 450 GPa, 프와송비 0.30으로서 산출한 압축 잔류 응력.

본 발명에서는, 이상과 같이 구성한 다이아몬드 소결체로 코너부의 절삭날을 형성한 절삭공구용 날끝 교환식 팁도 아울러 제공한다.

본 발명의 다이아몬드 소결체는 초경합금 기재와 소결 다이아몬드층의 접합부에 있어서의 박리를 억제하면서 높은 압축 응력을 내부에 잔류시켰기 때문에, 내마모성뿐만 아니라 내결손성도 비약적으로 향상시킬 수 있다.

구체적인 이유로서는 다음을 생각할 수 있다. 즉, 높은 압축 응력을 잔류시킴으로써, 다이아몬드 입자 사이의 결합력 및 다이아몬드 입자-결합재 사이의 결합력이 향상되기 때문에 입자의 탈락을 억제할 수 있고, 다이아몬드 입자 자체의 기계적 강도가 높아지기 때문에, 내마모성이 크게 향상된다. 또한, 전술한 기계적 강도의 향상에 더하여, 소결 다이아몬드층에 있어서의 균열의 발생 및 전파를 억제할 수도 있기 때문에, 내결손성도 크게 향상된다.

높은 압축 응력을 잔류시키기 위해서는 기재에 선팽창 계수가 높은 초경합금을 사용하는 것이 유효하다. 소결 다이아몬드층과 동시에 소결하는 초경합금 기재의 선팽창 계수가 높으면, 소결시의 고온에서 상온으로 온도가 내려갈 때에 체적 변화가 커, 보다 많이 축소되기 때문에, 메인 다이아몬드층에 압축 응력이 부여된다. 한편, 영률이 낮은 초경합금 기재를 사용하면, 소결시의 고압 부가 상태에서 제압(除壓)할 때에 체적 변화가 크고, 보다 많이 확대되기 때문에, 메인 다이아몬드층에 인장 응력이 부여된다. 그 때문에, 높은 압축 응력을 잔류시키기 위해서는, 영률이 높은 초경합금 기재를 이용함으로써, 메인 다이아몬드층에 부여되는 인장 응력을 가능한 한 작게 하는 것이 유효하다. 그러나, 선팽창 계수가 높은 초경합금은 영률이 낮기 때문에, 초경합금 기재를 아무런 고안도 하지 않고서 사용하면, 초경합금 기재와 다이아몬드 소결체의 접합부에 인장 응력을 부여하게 작용하여, 소결 다이아몬드층의 강도 저하나 박리가 일어나기 쉽게 된다.

이 문제점을 피하기 위해서, 초경합금 기재와 메인 다이아몬드층 사이에 메인 다이아몬드층보다도 Co 함유량이 많은 Co 리치 다이아몬드층을 석출시켰다. 이 Co 리치 다이아몬드층이 있으면, 메인 다이아몬드층과 초경합금 기재의 영률의 차가 흡수되어, 영률의 변화가 완만하게 되기 때문에, 소결 다이아몬드층과 초경합금 기재 사이에 인장 응력을 발생하게 하지 않고 다이아몬드 소결체에 높은 압축 잔류 응력을 부여하여 내마모성 및 내결손성의 향상 효과를 충분히 발휘시킬 수 있다.

한편, 다이아몬드 소결체 내의 압축 잔류 응력의 크기나 Co 리치 다이아몬드층의 Co 함유량, 두께 등을 한정한 이유는 다음 항에서 설명한다.

본 발명의 다이아몬드 소결체는, 메인 다이아몬드층과 초경합금 기재 사이에 메인 다이아몬드층보다도 코발트 함유량이 많은 코발트 리치 다이아몬드층을 형성하고, 메인 다이아몬드층의 압축 잔류 응력을 1.5 GPa～3 GPa로 함으로써, 초경합금 기재와 소결 다이아몬드층의 접합부에 있어서의 박리를 억제하면서 높은 압축 응력을 내부에 잔류시켰기 때문에, 내마모성뿐만 아니라 내결손성도 비약적으로 향상시킬 수 있다. 따라서, 내결손성이 우수한 미립 다이아몬드 소결체의 특징을 살리면서 내마모성을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 다이아몬드 소결체의 층 구성을 모식적으로 도시하는 단면도이다.

도 2는 본 발명의 다이아몬드 소결체를 절삭날로서 사용한 절삭용 소결체 팁의 일례를 도시하는 사시도이다.

<부호의 설명>

1 : 다이아몬드 소결체 2 : 초경합금 기재

3 : 소결 다이아몬드층 4 : 메인 다이아몬드층

5 : Co 리치 다이아몬드층 6 : 대금

7 : 절삭용 소결체 팁

이하, 본 발명의 다이아몬드 소결체의 실시형태에 관해서 설명한다. 도 1은 다이아몬드 소결체(1)의 층 구성을 모식적으로 나타내고 있다. 도면의 부호 2는 초경합금 기재, 3은 초경합금 기재(2) 상에 형성된 소결 다이아몬드층이다. 소결 다 이아몬드층(3)은 메인 다이아몬드층(4)과, 그 메인 다이아몬드층(4)보다도 Co 함유량이 많은 Co 리치 다이아몬드층(5)으로 구성되어 있다.

메인 다이아몬드층의 잔류 응력은 1.5 GPa～3 GPa의 압축 응력인 것이 바람직하다. 압축 잔류 응력이 1.5 GPa보다도 작으면, 내마모성 및 내결손성은 출발 원료로서 사용하는 다이아몬드 입자의 입자 지름에 의해서 정해져며, 우수한 내마모성과 내결손성을 양립시킬 수 없다. 또한, 압축 잔류 응력이 3 GPa보다도 크면, 결합상 부분에 있어서 자기 파괴가 발생하여, 내부 결함의 요인이 되기 때문에, 다이아몬드 소결체의 강도가 저하되어, 실용상의 신뢰성이 불충분하게 된다.

메인 다이아몬드층은 다이아몬드 입자와 결합재를 함유한다.

메인 다이아몬드층의 다이아몬드 입자는 입자 지름이 지나치게 큰 것은 바람직하지 못하다. 예컨대 입자 지름이 20 μm를 넘는 다이아몬드 입자는 그 자신의 벽개성에 의한 결손이 발생하기 때문에, 20 μm를 넘는 다이아몬드 입자를 함유하는 메인 다이아몬드층을 갖는 다이아몬드 소결체는 내결손성이 나쁘다. 그 때문에, 메인 다이아몬드층의 다이아몬드 입자는 평균 입자 지름이 10 μm 이하, 바람직하게는 5 μm 이하, 보다 바람직하게는 1 μm 이하가 좋다. 또한, 다이아몬드 입자와 결합재의 비율은 예컨대 다이아몬드 입자 80～99 체적%, 나머지는 결합재이다.

또한, 결합재로서는 Co를 포함하는 용매 금속을 함유하는 것이라면 주지된 것이면 된다. 보다 바람직하게는, Co와 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo 중에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 탄소, 질소, 산소 중에서 선택되는 1종 이상의 원소의 화합물을 포함하는 용매 금속 등이 좋다.

메인 다이아몬드층(4)은 메인 다이아몬드층 중에 높은 압축 잔류 응력을 부여하기 위해서, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소와, 탄소, 질소, 산소 중에서 선택되는 1종 이상의 원소의 화합물을 함유하는 것이 바람직하다.

이들 화합물을 함유하는 결합재를 이용하여, 이들 화합물을 메인 다이아몬드층(4) 속에 함유시킴으로써 높은 압축 잔류 응력을 부여할 수 있다. 그 이유는, 이들 화합물은 Co보다도 영률이 크기 때문에, 이들 화합물을 메인 다이아몬드층에 함유시킴으로써, 메인 다이아몬드층(4)의 영률을 제어할 수 있어, 왜곡을 작게 억제하여 보다 간단하게 높은 압축 잔류 응력을 내재시킬 수 있게 된다.

또한, 소결시의 고온에서 상온으로 온도가 내려갈 때에, 선팽창 계수가 큰 Co는 체적 변화가 커, 필요 이상으로 작아지기 때문에, 얻어지는 소결 다이아몬드층 중의 다이아몬드 입자 사이에 공극이 생긴다. 이에 대하여, 상기한 화합물은 선팽창 계수가 작아, 이것을 Co의 일부와 치환하여 메인 다이아몬드층(4) 속에 함유시킴으로써 체적 변화가 작고, 다이아몬드 입자 사이의 공극이 적은, 고밀도의 소결체로 되기 때문에, 높은 압축 잔류 응력을 내재시킬 수 있다.

상기 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo 중에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소의 함유율은, 메인 다이아몬드층 중 0.1 중량% 이상, 8 중량% 이하가 바람직하다. 0.1 중량% 미만이면 높은 압축 잔류 응력을 내재시키는 데에 충분한 효과를 얻을 수 없다. 또한, 8 중량%를 넘어 첨가한 경우, 결합재의 효과를 충분히 얻을 만큼의 Co를 첨가하면, 다이아몬드의 함유율이 낮아지고, 또 다이아몬드 입자끼리의 결합을 저해하는 효과가 현저하게 되기 때문에, 내마모성 나아가서는 내결손성이 저하된다. 보다 바람직하게는 1 중량% 이상, 7 중량% 이하이다.

Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo 중에서 선택되는 원소는 Ti인 것이 바람직하다. 티탄 화합물은 다이아몬드 입자끼리의 결합을 저해하는 효과가 작고, 내마모성 및 내결손성의 저하 요인이 최저한으로 억제되기 때문이다.

상기 티타늄 화합물은 TiC, TiCN 등을 생각할 수 있는데, 어느 것이라도 좋으며, 바람직하게는 TiC이 좋다. 더욱 바람직하게는 Co-Ti 합금이나 Co-W-Ti 합금과, 미량의 탄소, 질소, 산소 중에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 화합물이 좋다. 그 이유는, 상기 화합물은 다이아몬드 입자끼리의 결합을 저해하는 효과가 작은데다가, 결합재 성분인 Co의 일부를 Co보다도 내열성이 높은 화합물로 치환함으로써, 다이아몬드 소결체로서의 내열성이 높아져, 열에 의한 마모가 억제되기 때문이다. 또한, 다이아몬드와 과도한 반응성을 갖는 순Co와 같은 결합재와는 달리, 상기 화합물은 적절한 반응성을 지녀, 이상한 입자 성장을 억제할 수 있기 때문이다.

메인 다이아몬드층의 두께는 0.1～1.5 mm가 바람직하고, 0.25～0.35 mm가 특히 바람직하다.

초경합금 기재와 메인 다이아몬드층 사이에 Co 리치 다이아몬드층을 석출시키는 방법으로서는, 하기 (ⅰ)～(ⅲ)의 방법 등을 적용할 수 있으며, 어느 방법을 채용하더라도 좋다. (ⅰ) 다이아몬드 분말 중에 Co 분말을 30～60 중량% 혼합하여, 페이스트상으로 한 것을 초경합금 기재에 도포하고, 그 위에 다이아몬드 입자와 결 합재를 혼합한 메인 다이아몬드층의 원료를 접한 상태로 소결하는 방법.

(ⅱ) 초경합금 기재 상에 메인 다이아몬드층의 원료를 접한 상태로, CO 농도가 2～15%인 (CO+CO₂)의 환원 분위기 속에서 열처리(1300℃에서 10분간 정도)함으로써 초경합금 기재와 메인 다이아몬드층 원료와의 계면에 Co를 석출시키는 방법.

(ⅲ) 초경합금 기재로서 Co를 함유하는 초합금 기재를 이용하고, 이 초경합금 기재의 메인 다이아몬드층 원료가 접촉하는 계면에, 높이 1～100 μm, 직경 5～50 μm 정도의 초경합금제의 돌기를, 초경합금 기재의 소결체 원료를 적층하는 면의 면적에 대한 돌기부 단부면의 면적 비율이 50% 이하가 되도록 배치하거나 또는 조형함으로써, 소결시에 다이아몬드 소결체층에 용해되어 버리기 때문에 앵커 효과는 없지만, 고온, 고압 소결 후의 상기 돌기물 주변(초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면)의 Co를 제어할 수 있도록 한 초경합금 기재에 메인 다이아몬드층의 원료 분말을 적층하는 방법.

또한, Co 리치 다이아몬드층(5)은 초경합금 기재(2)와 메인 다이아몬드층(4)의 영률의 차를 흡수하는 효과를 충분히 발휘시키기 위해서, Co를 메인 다이아몬드층(4)의 Co 함유량보다도 1～30 체적%의 범위에서 많게 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 10～20 체적%의 범위에서 많게 하는 것이 좋다. Co 리치 다이아몬드층(5)의 Co 함유량이 메인 다이아몬드층(4)의 Co 함유량보다도 1 체적% 미만의 범위에서 많기만 하면 영률이 거의 변하지 않고, 초경합금 기재(2)와 메인 다이아몬드층(4)의 영률의 차를 흡수할 수 없다. 그 때문에, 잔류하는 왜곡이 커져, 다이아몬드 소결체의 강도가 저하된다. 또한, 그 함유율의 차가 30 체적%를 넘으면, Co 리치 다이아몬드층(5)의 다이아몬드 함유율이 낮아져 이 층의 강도가 약해져, 메인 다이아몬드층(4)이 초경합금 기재(2)로부터 박리되기 쉽게 된다.

또한, Co 리치 다이아몬드층(5)의 두께는 0.01 mm 이상, 0.07 mm 이하, 보다 바람직하게는 0.02 mm 이상, 0.055 mm 이하로 하는 것이 좋다. Co 리치 다이아몬드층(5)의 두께가 0.01 mm보다도 얇아지면 Co 리치 다이아몬드층(5)에 의한 영률의 차를 흡수하는 효과가 작아지기 때문에, 다이아몬드 소결체의 강도가 저하된다. 또한, 그 두께가 0.07 mm보다 두꺼우면, 메인 다이아몬드층(4)이 초경합금 기재(2)로부터 박리되기 쉽게 된다. Co 리치 다이아몬드층의 두께는 예컨대 상기 (ⅰ)의 방법에 있어서는 다이아몬드 분말과 Co 분말의 혼합 비율을 바꾸는 등으로 조정할 수 있다.

코발트 리치 다이아몬드층의 두께는 예컨대 EDS 분석 등에 의해 Co 분포를 측정함으로써 구할 수 있다.

초경합금 기재(2)는 WC를 주체로 하는 합금의 기판이며, 영률 550～650 GPa, Co 함유량 5.0～15.0 중량%의 기판이나, 탄소, 질소, 산소 중에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 티탄을 포함하는 화합물을 함유하고, 이 화합물의 함유량이 0.1～8 중량%인 기판이 바람직하다. 또한, 상기 화합물은 TiC인 것이 보다 바람직하다. 이 초경합금 기재(2)의 영률이 550 GPa 미만이면, 다이아몬드 소결체의 영률과의 차가 커져, Co 리치 다이아몬드층을 갖추었다고 해도 그 차를 다 흡수하지 못해, 다이아몬드 소결체에 인장 응력을 부여하는 효과가 커지기 때문에, 메인 다이아몬드층의 박리가 일어나기 쉽게 된다. 또한, 그 영률이 650 GPa를 넘으면, 고압을 가했을 때에 초경합금 기재에 금, 균열이 들어가기 쉬워, 소결체의 균일성이 나빠져 제조의 수율이 낮아진다. 따라서, 초경합금 기재(2)는 영률이 550～650 GPa의 범위에 있는 것이 좋다.

또한, 이 초경합금 기재(2)의 Co 함유량이 5.0 중량%보다도 적으면, 다이아몬드층에의 Co의 용침이 불충분하게 되기 쉽다. 그와 같은 결합재 부족의 상황에서는 다이아몬드 입자끼리의 결합이 충분히 진행되지 않기 때문에, 입자의 탈락이나 균열의 전파가 원인이 되는 내마모성의 악화, 내결손성의 악화가 발생한다. 그 때문에, 초경합금 기재(2)의 Co 함유량은 5.0 중량% 이상으로 하는 것이 좋다. 또한, 그 Co 함유량이 15.0 중량%보다도 많으면, 초경합금 기재(2)의 영률이 낮아져 소결시의 기판의 변형이 커지기 쉽게 된다. 그 변형에 의해서 다이아몬드 소결체의 균일성이 나빠져, 제조의 수율이 낮아질 가능성이 높아지기 때문에, 초경합금 기재(2)의 Co 함유량은 15.0 중량%를 상한으로 하는 것이 좋다.

또한, WC보다도 선팽창 계수가 높은 티탄과, 탄소, 질소, 산소 중에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 화합물을 초경합금 기재에 포함하게 함으로써, 초경합금 기재의 선팽창 계수를 제어할 수 있다. 초경합금 기재 중의 Co 함유량을 많게 함에 의해서도 초경합금 기재의 선팽창 계수를 높일 수 있지만, Co량을 많게 하면 Co 리치 다이아몬드층의 두께나 Co 함유량이 많아져, 절삭 가공시에 다이아몬드 소결체의 박리나 결손이 일어나기 쉽게 된다. 또한, 초경합금 기재의 영률이 낮아져 소결시의 기판의 변형이 커지기 쉽고, 그 변형에 의해서 다이아몬드 소결체의 균일성이 나빠져, 제조 수율이 저하될 가능성이 높아진다. 그 때문에, 티탄과, 탄소, 질소, 산소 중에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 화합물을 초경합금 기재 중에 함유하게 함으로써, 높은 압축 잔류 응력을 수율 좋게 내재시킬 수 있다.

상기 초경합금 기재 중의, 탄소, 질소, 산소 중에서 선택되는 1종 이상의 원소와 티탄을 포함하는 화합물은, 함유량이 0.1～8 중량%가 되도록 함유하는 것이 바람직하다. 상기 화합물의 함유량이 0.1 중량%보다도 적으면, 함유량이 부족하여 선팽창 계수를 높이는 효과가 발휘되지 않는다. 또한, 상기 화합물의 함유량이 8 중량%보다도 많아지면, 영률이 높은 WC의 함유량이 낮아지기 때문에, 영률이 지나치게 낮아져 절삭 가공시에 다이아몬드 소결체의 박리가 일어나기 쉽게 된다. 상기 화합물의 함유량의 보다 바람직한 범위는 1～7 중량%이다.

이 초경합금 기재(2) 상에서 다이아몬드 입자와 결합재를 다이아몬드가 열역학적으로 안정적인 고압과 고온의 조건에서 소결하여 본 발명의 다이아몬드 소결체를 제조한다. 여기서 말하는 열역학적으로 안정적인 고압과 고온의 조건이란, 구체적으로는 압력 5 GPa 이상, 8 GPa 이하, 온도 1200℃ 이상, 1900℃ 이하 정도를 가리킨다.

이하에 본 발명의 실시예를 기재한다.

<실시예 1>

표 1에 나타내는 조성의 초경합금 기재를 이용하여 시료 No. 11～20의 다이아몬드 소결체를 제조하고, 그 메인 다이아몬드층 중의 압축 잔류 응력과, 얻어진 다이아몬드 소결체를 절삭 공구의 절삭날로서 사용했을 때의 칼도구의 릴리프면의 마모량을 측정했다.

다이아몬드 소결체의 제조는, 구체적으로는 다음과 같이 했다. 우선, 평균 입자 지름 5 μm의 다이아몬드 입자(다이아몬드 분말)와 결합재(Co 분말)를 다이아몬드 입자 80 중량%, Co 분말 20 중량%의 혼합 비율로 하여 건식 혼합을 했다. 시료 No. 16의 결합재는 Co 분말 16 중량%, 티탄 분말 4 중량%의 비율로 혼합한 것을, 시료 No. 17의 결합재는 Co 분말 12 중량%, 티탄 분말 8 중량%의 비율로 혼합한 것을 각각 사용했다.

다이아몬드 입자와 결합재를 혼합한 원료를, 표 1의 각종 조성의 초경합금으로 형성되고, 다이아몬드 분말 중에 Co 분말을 50 중량% 혼합하여, 페이스트형으로 한 것을 도포하여, 기재(원반)에 접한 상태에서 탄탈제의 용기에 충전하고, 벨트형 초고압 장치를 이용하여, 압력 : 6.0 GPa, 온도 : 1550℃의 조건으로 10분간 유지하여 다이아몬드의 소결을 행했다. 한편, 이용한 초경합금 기재의 두께는 0.3 mm이며, 얻어진 메인 다이아몬드층과 코발트 리치 다이아몬드층의 두께의 합은 0.4 mm이었다. 또한, SEM(주사형전자현미경) 2차 전자상에 의해, 얻어진 메인 다이아몬드층의 다이아몬드 입자의 입자 지름을 확인한 바, 평균 입자 지름이 8 μm이었다.

그리고, 다이아몬드 소결체의 각각에 대해서 이하의 방법으로 잔류 응력을 측정했다.

- 잔류 응력 측정 방법 -

Cu-Kα의 X선을 Ni 필터에 통과하게 하여 사용하는 X선 회절 장치를 이용하여 40 kV, 45 mA의 여기 조건으로 sin²ψ법(측경법)에 의해 메인 다이아몬드층의 (111) 격자면의 X선 회절선을 측정하고, 영률 1071 GPa, 프와송비 0.20로 하여 압축 잔류 응력을 산출.

또, 각 다이아몬드 소결체를 각각 길이 6 mm×폭 3 mm×두께 0.7 mm의 판형 시편으로 가공하여, 각각의 시편의 항절력(transverse repture strength)을, 스판 거리 4 mm의 3점 굽힘 시험에 의해서 측정했다.

또한, 도 2에 도시하는 형상, 즉, 주요면의 형상이 정삼각형인 대금(6)의 코너에, 각 시료의 다이아몬드 소결체(1)를 부착한 절삭용 소결체 팁(날끝 교환식 팁, ISO 규격 : TPGN160304)(7)을 제작하여 하기의 조건으로 절삭 시험을 하여, 시험 중에 다이아몬드 소결체가 박리된 시료 No. 11, 18을 제외한 각 시료의 릴리프면의 마모량을 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

- 절삭 조건 -

피삭재 : Si 16 중량% 함유의 Al 합금 둥근 막대

절삭 조건 : 외주선삭, 절삭 속도 800 m/min, 절삭 깊이 0.5 mm, 이송 0.12 mm/rev, 습식 절삭, 절삭 시간 5분

	초경합금기재			소결다이아몬드층					비고
시료 No.	조성 (중량%)	영률 (GPa)	선팽창계수	결합재조성 (중량%)	Co 리치 다이아몬드층두께 (mm)	메인 다이아몬드층 압축 잔류 응력 (GPa)	릴리프면 마모량 (㎛)	항절력 (GPa)	비고
11	WC-20％Co	530	6.0	20％Co	0.063	3.043	박리 발생	1.98	비교품
12	WC-15％Co	550	5.5	20％Co	0.059	2.641	34	2.47	발명품
13	WC-10％Co	580	5.1	20％Co	0.055	2.495	35	2.38	발명품
14	WC-5％Co	630	5.0	20％Co	0.049	2.559	34	2.39	발명품
15	WC-3％Co	630	4.5	20％Co	0.032	1.404	59	1.79	비교품
16	WC-3％Co	630	4.5	16％Co-4％Ti	0.047	2.518	32	2.57	발명품
17	WC-3％Co	630	4.5	12％Co-8％Ti	0.038	2.495	34	2.49	발명품
18	WC-10％Co-12％TiC	530	5.9	20％Co	0.054	3.027	박리 발생	1.86	비교품
19	WC-10％Co-8％TiC	550	5.7	20％Co	0.055	2.692	33	2.53	발명품
20	WC-10％Co-4％TiC	575	5.6	20％Co	0.051	2.765	32	2.61	발명품

표 1에 나타내는 바와 같이, 초경합금 기재의 조성을 변화시킴으로써 다이아몬드 소결체 내의 잔류 응력이 크게 변화되고, 또한 절삭 공구의 절삭날로서 사용했을 때의 릴리프면 마모량이나 다이아몬드 소결체의 항절력도 크게 변화되는 것을 알 수 있다. 초경합금 기재의 Co 함유량이 가장 많고, 선팽창 계수도 큰 시료 No. 11은 잔류 응력도 가장 커 3 GPa를 넘고 있는데, 초경합금 기재의 영률이 550 GPa보다도 작기 때문에, Co 리치 다이아몬드층을 갖추고 있지만, 메인 다이아몬드층과 초경합금 기재의 영률의 차를 다 흡수하지 못해, 절삭 시험에 있어서 메인 다이아몬드층의 박리가 발생했다. 또한, 시료 No. 12, 13에 비하면, 항절력도 저하되고 있어, 압축 잔류 응력이 3 GPa를 넘으면, 다이아몬드 소결체의 강도가 저하되는 것을 알 수 있다.

또한, 시료 No. 15는 압축 잔류 응력이 1.5 GPa를 밑돌고 있으며, 그 때문에, 절삭 공구의 절삭날로서 사용했을 때의 릴리프면 마모량이 크고, 항절력도 낮다. 이에 대하여, 압축 잔류 응력이 1.5 GPa 이상인 시료 No. 12～14 및 시료 No. 16, 17, 19, 20(모두 발명품)은 시료 No. 15에 비해서 절삭날로서 사용했을 때의 릴리프면 마모량이 현저히 작고, 또한, 항절력도 현저히 크며, 이 때문에, 압축 잔류 응력을 1.5 GPa 이상 확보하면 내마모성 및 내결손성이 비약적으로 향상되는 것을 알 수 있다.

동일한 초경합금 기재를 사용하더라도, 메인 다이아몬드층의 결합재에 티탄을 함유시킨 시료 No. 16, 17은 압축 잔류 응력이 높고, 내마모성 및 내결손성이 함께 향상했다. 그러나, Ti를 8 중량% 함유한 시료 No. 17은 4 중량% 함유의 No. 16보다 내마모성 및 내결손성이 저하하고 있다. 이 때문에, Ti의 함유량은 8 중량% 이하가 바람직한 것을 알 수 있다.

이 밖에, 초경합금 기재에 TiC를 포함하게 한 것, 즉, TiC을 8 중량% 함유하는 시료 No. 19나, 4 중량% 함유하는 시료 No. 20은 내마모성과 내결손성이 함께 향상되고 있다. 그러나, TiC를 12 중량% 함유하는 시료 No. 18은 영률이 550 CPa를 밑돌고 있어, 절삭 가공시에 다이아몬드 소결체의 박리가 발생했다. 그 때문에, 초경합금 기재 중에 포함되는 TiC의 함유량은 8 중량% 이하가 바람직하다는 것을 알 수 있다.

<실시예 2>

초경합금 기재에 도포하기 위해서 페이스트형으로 한 다이아몬드 분말과 Co 분말의 혼합량을 표 2에 나타내는 비율로 하여 시료 No. 21～28의 다이아몬드 소결체를 제조했다. 또한, 비교를 위해, 시료 No. 29의 다이아몬드 소결체를 다이아몬드 분말과 Co 분말의 페이스트형 혼합물을 도포하지 않고서 제조했다. 얻어진 다이아몬드 소결체의 압축 잔류 응력, 메인 다이아몬드층과 Co 리치 다이아몬드층의 Co 함유량의 차, Co 리치 다이아몬드층의 두께, 각 다이아몬드 소결체를 절삭 공구의 절삭날로서 사용했을 때의 칼도구의 릴리프면 마모량을 측정했다.

이 실시예에서의 다이아몬드 소결체는, 시료 No. 21～28에 대해서는, 다이아몬드 분말과 Co 분말을 표 2에 나타내는 함유 비율로서 혼합하여, 페이스트형으로 한 것을 도포한 WC-7% Co-0.1% TiC 조성의 기재를 이용하여, 원료로서 사용하는 다이아몬드 입자와 결합재(Co 분말)의 혼합 비율을, 다이아몬드 분말 85 중량%, Co 분말15 중량%로 하고, 제법이나 제조 조건은 실시예 1과 같은 식으로 하여 제조했다. 시료 No. 29에 대해서는, 동일한 원료를 이용하여 초경합금 기재로서 WC-5% Co 조성의 기재에 접한 상태에서 탄탈제의 용기에 충전하고, 제조 조건은 실시예 1과 같은 식으로 하여 제조를 했다. SEM(주사형전자현미경) 2차 전자상에 의해 얻어진 메인 다이아몬드층의 다이아몬드 입자의 입자 지름을 확인한 바, 평균 입자 지름이 8 μm이었다.

얻어진 다이아몬드 소결체의 압축 잔류 응력, Co 리치 다이아몬드층의 두께, 절삭 공구에 채용했을 때의 칼도구의 릴리프면 마모량의 측정도 실시예 1과 같은 측정 방법으로 행했다. 또한, 메인 다이아몬드층과 Co 리치 다이아몬드층의 Co 함유량의 차는 하기의 방법으로 구했다. 결과를 표 2에 병기한다.

- 메인 다이아몬드층과 Co 리치 다이아몬드층의 Co 함유량의 차를 구하는 방법 -

길이 3 mm ×폭 3 mm×두께 0.3 mm 정도의 정방형의 평면 형상의 시편을 잘라낸다. 그 시편은 각 시료에 대해서 메인 다이아몬드층이 최표면으로 되는 것과 Co 리치 다이아몬드층이 최표면이 되는 것의 2종류를 준비하고, 이들 시편을 밀폐 용기 속에서 Co 용해액에 침지하여 Co의 용해 처리를 한다. Co 용해액은 농도 60% 이상, 65% 미만의 질산의 2배 희석액 40 ml과, 농도 45% 이상, 50% 미만의 불화수소산 10 ml을 혼합한 불초산을 사용하여, 120℃ 이상, 150℃ 이하의 온도 하에서 3시간의 용해 처리를 했다. 이 후, 처리한 시편의 메인 다이아몬드층 표면과, Co 리치 다이아몬드층 표면에 있어서의 용해 처리에 의해 공극으로 된 부분의 면적 비율을 각 층의 Co 함유량으로서 산출하여, 각각의 산출치의 차를 구한다.

시료 No.	다이아몬드 입자와 Co 분말의 혼합비율 (중량%)	Co함유량 의 차 (체적%)	Co 리치 다이아몬드층의 두께 (mm)	메인 다이아몬드층의 압축 잔류 응력 (GPa)	릴리프면의 마모량 (㎛)	비고
21	80:20	1.1	0.009	3.208	결손발생	비교품
22	75:25	0.6	0.012	3.007	결손발생	비교품
23	70:30	1.0	0.010	2.885	34	발명품
24	60:40	10.5	0.020	2.738	32	발명품
25	50:50	19.8	0.055	2.497	32	발명품
26	40:60	28.9	0.070	2.159	36	발명품
27	35:65	29.4	0.073	1.442	박리발생	비교품
28	30:70	30.3	0.069	1.494	박리발생	비교품
29	-	-	-	0.826	58	비교품

시료 No. 21은 Co 리치 다이아몬드층 두께가 0.009 mm로 작고, 또한, 시료 No. 22는 메인 다이아몬드층과 Co 리치 다이아몬드층의 Co 함유량의 차가 1 체적% 이하이기 때문에, 다이아몬드 소결체의 압축 잔류 응력이 3 GPa를 넘어, 절삭 공구의 절삭날을 형성하여 실시한 절삭 실험에서는 시료 No. 21, 22 모두 결손이 발생했다. 또한, 시료 No. 23은 Co 리치 다이아몬드층의 두께가 0.010 mm, 메인 다이아몬드층과 Co 리치 다이아몬드층의 Co 함유량의 차가 1.0 체적%이지만, 치핑(chipping)의 발생은 없고, 종래의 다이아몬드 소결체인 시료 No. 29에 비해서 릴리프면 마모량도 작았다. 또한, 시료 No. 24는 메인 다이아몬드층과 Co 리치 다이아몬드층의 Co 함유량의 차는 10.5 체적%이며, Co 리치 다이아몬드층의 두께가 0.020 mm이지만, 릴리프면 마모량은 시료 No. 23보다 더욱 작아, 가장 양호한 내마모성을 보였다.

이 시험 결과로부터, Co 리치 다이아몬드층의 두께가 0.01 mm 미만인 것, 혹은 메인 다이아몬드층과 Co 리치 다이아몬드층의 Co 함유량의 차가 1 체적% 미만인 것은 Co 리치 다이아몬드층에 의한 영률의 차를 흡수하는 효과가 작기 때문에, 다이아몬드 소결체 내에 잔류하는 왜곡이 커, 내결손성이 불충분하게 되는 것을 알 수 있다. 즉, 메인 다이아몬드층과 Co 리치 다이아몬드층의 Co 함유량의 차는 1 체적% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 또한, Co 리치 다이아몬드층의 두께는 0.01 mm 이상인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 메인 다이아몬드층과 Co 리치 다이아몬드층의 Co 함유량의 차는 10 체적% 이상이며, Co 리치 다이아몬드층의 두께는 0.020 mm 이상이다.

시료 No. 27은 Co의 혼합 비율이 높기 때문에 Co 리치 다이아몬드층의 두께가 0.07 mm을 넘고 있으며, 시료 No. 28은 메인 다이아몬드층과 Co 리치 다이아몬드층의 Co 함유량의 차가 30 체적%를 넘고 있었다. 그 때문에, Co 리치 다이아몬드층이 절삭 저항에 견뎌지지 못하고, 메인 다이아몬드층의 박리가 생겼다. 그에 대하여, 시료 No. 26은 Co 리치 다이아몬드층의 두께가 0.070 mm이지만, 다이아몬드 소결체에 높은 압축 잔류 응력을 부여할 수 있어, 시료 No. 29에 비해서 릴리프면 마모량이 작고, 정상적인 가공이 가능했다. 또한, 메인 다이아몬드층과 Co 리치 다이아몬드층의 Co 함유량의 차가 19.8 체적%이고, Co 리치 다이아몬드층의 두께가 0.055 mm인 시료 NO. 25는 시료 NO. 24와 함께 릴리프면 마모량이 가장 작아, 양호한 내마모성을 보였다.

이 점에서, 메인 다이아몬드층과 Co 리치 다이아몬드층의 Co 함유량의 차가 30 체적%를 넘은 것, 혹은 Co 리치 다이아몬드층의 두께가 0.07 mm를 넘은 것은, 메인 다이아몬드층과 초경합금 기재와의 접합 강도가 저하되는 것을 알 수 있다. 따라서, 메인 다이아몬드층과 Co 리치 다이아몬드층의 Co 함유량의 차는 30 체적% 이하로 하는 것이 바람직하고, Co 리치 다이아몬드층의 두께는 0.07 mm 이하인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, Co 함유량의 차는 20 체적% 이하, Co 리치 다이아몬드층의 두께는 0.055 mm 이하이다.

<실시예 3>

메인 다이아몬드층이 표 3에 나타내는 다이아몬드 입자 지름을 갖는 다이아몬드 입자를 포함하는 시료 No. 31～34의 다이아몬드 소결체를 제조하여, 얻어진 다이아몬드 소결체를 절삭 공구의 절삭날로서 사용했을 때의 칼도구의 릴리프면 마모량을 측정하여, 얻어진 다이아몬드 소결체의 다이아몬드 함유율과 항절력을 측정했다.

다이아몬드 소결체의 제조는, 다이아몬드 입자와 결합재(Co-W-Ti 합금(Co : 80 wt%, W : 5 wt%, Ti : 5 wt%)를 혼합한 원료를, WC-10% Co 조성의 초경합금 기재(원반)에 접한 상태에서 탄탈제의 용기에 충전했다. Co 리치 다이아몬드층을 갖는 다이아몬드 소결체로 하기 위해서, CO 농도 4%의 (CO+CO₂) 환원 분위기 속에서 1300℃에서 10분간의 열처리를 하여 초경합금 기재의 계면에 Co를 석출시켰다. 그 후, 벨트형 초고압 장치를 이용하여, 압력 : 6.0 GPa, 온도 : 1550℃의 조건으로 10분간 유지하여 다이아몬드의 소결을 행했다. 그리고, 원료로서 이용하는 다이아몬드 입자의 입자 지름을 변화시켰다. 얻어진 다이아몬드 소결체의 압축 잔류 응력, Co 리치 다이아몬드층의 두께, 항절력, 절삭 공구에 채용했을 때의 칼도구의 릴리프면 마모량, 항절력의 측정은 실시예 1과 같은 측정 방법으로 행했다. 다이아몬드 함유율은 고주파 유도 플라즈마 발광 분석법(ICP법)에 의해 소결체에 포함되는 각 원소의 정량 분석을 하여 산출했다. 결과를 표 3에 나타낸다.

한편, 표 3에 기재한 다이아몬드 입자의 평균 직경은 SEM(주사형전자현미경) 2차 전자상에 의해 측정한 메인 다이아몬드층의 다이아몬드 입자 지름이다.

시료 No.	다이아몬드 입자의 평균 입자 지름 (㎛)	다이아몬드 함유률 (용량％)	메인다이아몬드층의 압축 잔류 응력 (GPa)	Co 리치 다이아몬드층의 두께 (mm)	항절력 (GPa)	릴리프면 마모량 (㎛)	비고
31	1	88.2	2.32	0.045	2.63	32	발명품
32	5	90.3	2.29	0.054	2.21	31	발명품
33	10	92.1	2.36	0.049	2.01	31	발명품
34	20	93.8	2.35	0.048	1.58	32	발명품

이 시험에서 얻어진 시료 No. 31～34에는 모두 0.05 mm 정도 두께의 Co 리치 다이아몬드층이 존재했다. 또한, 각 시료의 메인 다이아몬드층의 압축 잔류 응력은 2.3 GPa 정도였다.

메인 다이아몬드층이 평균 입자 지름이 10 μm 이하인 다이아몬드 입자를 함유하는 시료 No. 31, 32, 33은 항절력이 2 GPa 이상인 데 대하여, 평균 입자 지름이 큰 다이아몬드 입자를 함유한 시료 No. 34는 항절력이 낮아, 함유되는 다이아몬드 입자의 평균 입자 지름이 커짐 따라서 항절력이 현저히 저하되는 것을 알 수 있다. 또한, 평균 입자 지름에 따라서 다이아몬드의 함유율이 변화되고 있음에도 불구하고, 어느 시료도 내마모성에 거의 차가 없다. 이 시험 결과로부터, 본 발명에 따르면, 메인 다이아몬드층이 평균 입자 지름 10 μm 이하의 다이아몬드 입자를 함유함으로써 양호한 내결손성을 확보하면서, 평균 입자 지름 20～30 μm의 다이아몬드 입자를 함유할 때와 손색이 없는 내마모성을 확보할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 메인 다이아몬드층에 함유되는 다이아몬드 입자는 평균 입자 지름 10 μm 이하의 다이아몬드 입자가 좋다. 다이아몬드 입자의 평균 입자 지름은, 바람직하게는 5 μm 이하, 보다 바람직하게는 1 μm 이하가 좋다.

Claims

다이아몬드 입자와 결합재를 초경합금 기재 상에서 소결하여 얻어지는 초경합금 기재와 소결 다이아몬드층을 갖는 다이아몬드 소결체로서,

그 소결 다이아몬드층이, 메인 다이아몬드층과, 이 메인 다이아몬드층과 초경합금 기재 사이에 존재하는, 메인 다이아몬드층보다도 코발트 함유량이 많은 코발트 리치 다이아몬드층을 갖춰 구성되고, 이 메인 다이아몬드층이 1.5 GPa～3 GPa의 압축 잔류 응력을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체.
제1항에 있어서, 메인 다이아몬드층 중에, 티탄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 중에서 선택되는 1종 이상의 원소와, 탄소, 질소, 산소 중에서 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 화합물을, 티탄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 중에서 선택되는 1종 이상의 원소의 함유량이 0.1 중량% 이상, 8 중량% 이하의 양으로 함유하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체.
제2항에 있어서, 상기 티탄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 중에서 선택되는 원소는 티탄인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 코발트 리치 다이아몬드층의 코발트 함유량(체적%)과, 메인 다이아몬드층의 코발트 함유량(체적%)의 차는 1～30 체적%인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 코발트 리치 다이아몬드층의 두께는 0.01 mm 이상, 0.07 mm 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초경합금 기재는, 영률 550～650 GPa, Co 함유량 5.0～15.0 중량%의 기판인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초경합금 기재는, 탄소, 질소, 산소 중에서 선택되는 1종 이상의 원소와 티탄을 포함하는 화합물을 함유하고, 이 화합물의 함유량은 0.1～8 중량%인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체.
제7항에 있어서, 상기 화합물은 탄화티탄인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 메인 다이아몬드층의 다이아몬드 입자의 평균 입자 지름은 10 μm 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재한 다이아몬드 소결체로 코너부의 절삭날을 형성한 절삭공구용 날끝 교환식 팁.