KR101421651B1 - 내충격성 및 열안정성이 향상된 다결정 다이아몬드 소결체 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내충격성 및 열안정성이 향상된 다결정 다이아몬드 소결체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로 본 발명에 따른 다결정 다이아몬드 소결체 제조방법은 금속 바인더 성분을 포함하는 초경 기판 상에 텅스텐 입자를 분사하여 텅스텐 코팅층을 형성하는 코팅층 형성 단계; 및 상기 텅스텐 코팅층 상에서 다이아몬드 분말을 소결시킴으로써 상기 다이아몬드 분말로부터 용출되는 탄소에 의하여 상기 텅스텐 코팅층이 탄화되고, 상기 탄화된 텅스텐 코팅층은 상기 초경 기판으로부터 상기 다이아몬드 입자층으로 침투하는 상기 금속 바인더 성분을 응집시키는 소결 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면 별도의 중간 기재 없이 다이아몬드 컴팩트의 접합면인 초경디스크 계면에 텅스텐 입자를 고속으로 분사하여 입자를 코팅한 후 소결을 함으로써, 초경디스크로부터 침투하는 코발트 등 금속 바인더의 함량을 제어하고, 계면에서의 다이아몬드와 초경층 간의 접합의 안정성을 부여할 수 있다.
본 발명에 따르면 별도의 중간 기재 없이 다이아몬드 컴팩트의 접합면인 초경디스크 계면에 텅스텐 입자를 고속으로 분사하여 입자를 코팅한 후 소결을 함으로써, 초경디스크로부터 침투하는 코발트 등 금속 바인더의 함량을 제어하고, 계면에서의 다이아몬드와 초경층 간의 접합의 안정성을 부여할 수 있다.
Description
본 발명은 내충격성 및 열안정성이 향상된 다결정 다이아몬드 소결체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초경합금 기판에서 다이아몬드층으로 상승되는 코발트의 함량을 제어함으로써 내충격성 및 열안정성을 향상시키는 다결정 다이아몬드 소결체와 그를 제조하는 방법에 관한 것이다.
다결정 다이아몬드 소결체(polycrystalline diamond, PCD), 특히 다결정 다이아몬드 컴팩트(polycrystalline diamond compact-PDC)는 절삭, 밀링, 연삭, 드릴링등 광범위하게 사용된다. 다결정 다이아몬드 컴팩트는 초경합금 기판 위에서 다이아몬드 입자들이 금속촉매제들에 의해 고온, 고압하에서 제조된다. 하지만 다결정 다이아몬드 컴팩트를 구성하는 다이아몬드 입자와 금속 촉매제 사이의 열팽창 계수 차이에 의해서 고온에서 사용시 크랙 및 파손이 발생한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 초경합금 기판에서 다이아몬드층으로 상승되는 코발트의 함량을 필요에 따라 정확히 제어해야 한다. 이를 위하여 초경합금 기판과 다이아몬드층 사이에 별도의 기재를 삽입하는 등의 방법을 생각해 볼 수 있으나, 다층 구조의 경우 제조비가 상승할 뿐 아니라 다중 접합면에 의하여 최종 제품의 내구성이 감소하는 문제가 발생할 여지가 있다.
본 발명은 다이아몬드 컴팩트와 같은 다이아몬드 소결체의 접합면인 계면에서 별도의 기재의 삽입없이도 초경디스크와 다이아몬드 소결층과의 이종물질간의 접합 안정성을 향상시키는 다이아몬드 소결체 및 그 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 초경디스크로부터 다이아몬드 소결층으로 상승하는 코발트의 함량을 제어할 수 있는 계면을 형성하는 다이아몬드 소결체 및 그 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 계면부의 내충격성을 향상시킴으로써 외부로부터 전달되는 충격을 보다 용이하게 견딜 수 있는 다이아몬드 소결체와 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 다결정 다이아몬드 소결체 제조방법은 금속 바인더 성분을 포함하는 초경 기판 상에 텅스텐 입자를 분사하여 텅스텐 코팅층을 형성하는 코팅층 형성 단계; 및 상기 텅스텐 코팅층 상에서 다이아몬드 분말을 소결시킴으로써 상기 다이아몬드 분말로부터 용출되는 탄소에 의하여 상기 텅스텐 코팅층이 탄화되고, 상기 탄화된 텅스텐 코팅층은 상기 초경 기판으로부터 상기 다이아몬드 입자층으로 침투하는 상기 금속 바인더 성분을 응집시키는 소결 단계;를 포함한다.
또한 상기 코팅층 형성 단계에서 상기 텅스텐 코팅층은 고속 분사에 의하여 형성될 수 있다.
나아가 상기 고속 분사는 적어도 2회 이상의 분사 및 건조 단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 텅스텐 코팅층은 1 내지 100 ㎛의 두께로 형성될 수 있다.
또한 상기 분사되는 텅스텐의 입자크기는 0.5 내지 3 ㎛의 직경을 갖도록 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 다결정 다이아몬드 소결체는 초경 기판; 및 상기 초경 기판과의 사이에 계면을 형성하는 다이아몬드 입자층;을 포함하고, 상기 계면은 탄화텅스텐과, 상기 초경 기판으로부터 상기 다이아몬드 입자층으로 침투되는 금속 바인더 중 상기 탄화텅스텐이 응집시키는 금속 바인더 성분을 포함한다.
본 발명에 따르면 별도의 중간 기재 없이 다이아몬드 컴팩트의 접합면인 초경디스크 계면에 텅스텐 입자를 고속으로 분사하여 입자를 코팅한 후 소결을 함으로써, 초경디스크로부터 침투하는 코발트 등 금속 바인더의 함량을 제어하고, 계면에서의 다이아몬드와 초경층 간의 접합의 안정성을 부여할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 계면에서 탄화된 텅스텐이 다이아몬드층으로 침투되는 금속 바인더를 응집시킴으로써 계면에서의 접합성 및 내충격성을 향상시킨다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 소결체를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 초경 기판 상에 텅스텐을 분사하는 모습을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 초경 기판 상에 텅스텐 코팅층이 형성된 모습을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따라 소결을 위하여 초경기판 상에 다이아몬드 입자층을 조립하는 모습을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는 일 실시예에 따라 소결후의 다결정 다이아몬드 소결체를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 초경 기판 상에 텅스텐을 분사하는 모습을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 초경 기판 상에 텅스텐 코팅층이 형성된 모습을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따라 소결을 위하여 초경기판 상에 다이아몬드 입자층을 조립하는 모습을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는 일 실시예에 따라 소결후의 다결정 다이아몬드 소결체를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다.
도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 다이아몬드 소결체와 그 제조방법을 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 소결체를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이고, 도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 다결정 다이아몬드 소결체를 제조하는 프로세스를 순차적으로 나타내는 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 다이아몬드 소결체 제조방법은 도 1에 도시된 바와 같이 준비 단계(S10), 분사 단계(S20), 건조 단계(S30), 소결 단계(S40) 및 후처리 단계(S50)를 포함한다.
먼저 준비 단계에서는 초경 기판, 다이아몬드 분말과 더불어 초경 기판에 분사하여 코팅층을 형성할 텅스텐 분말을 준비한다. 이 때 다이아몬드 분말과 금속 바인더를 혼합한 다이아몬드 소결체를 제조하는 것도 가능하나, 본 발명의 경우에는 다결정 다이아몬드 컴팩트(Polycrystalline diamond compact) 즉 다이아몬드 분말에 금속 바인더를 별도로 혼합하지 않는 제품의 경우에 특히 의미가 있다.
다결정 다이아몬드 소결체(PCD)의 경우 제품 제조 단계에서 절단을 하여야 하므로 다이아몬드 분말에 금속 바인더를 포함하여 절단이 용이하도록 하여야 하나, 다결정 다이아몬드 컴팩트(PDC)의 경우에는 절단을 할 필요가 없으므로 소결 시에 다이아몬드 입자를 바인딩하기 위한 금속 바인더로서 초경 기판으로부터 침투되는 금속 성분을 이용한다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여 초경 기판으로부터 상승하여 다이아몬드 분말의 소결에 이용되는 금속 바인더로서 코발트(Co)를 일 예로 들어 설명한다. 코발트 이외에도 니켈(Ni)이나 실리콘(Si) 등의 성분이 바인더로서 이용될 수 있다. 소결 시 초경 기판으로부터 다이아몬드층으로 상승되는 코발트는 물리적 제어가 불가능하며 다이아몬드 소결체 조직내에서 코발트의 응집현상을 나타나게 한다. 다이아몬드와 금속류 촉매제인 코발트와의 소결은 열팽창 계수의 차이가 크기 때문에 소결된 PDC 제품의 크랙 및 파손 발생의 주요한 인자가 된다. 이를 최소화하기 위해서는 코발트의 함량을 제어하여 소결 및 제품의 특성 구현에 필요한 양만큼의 함량만 다이아몬드층에 분포할 필요가 있다.
본 실시예에서의 텅스텐 분말은 초경 기판으로부터 상승하는 코발트의 양을 제어하기 위하여 이용된다. 이하 구체적인 다이아몬드 소결체, 특히 다결정 다이아몬드 컴팩트의 제조방법과 함께 이에 대하여 구체적으로 설명한다.
또한 텅스텐의 입자크기는 0.5 내지 3 ㎛의 직경을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 준비된 텅스텐 입자들은 이후의 단계에서 고속으로 분사된다. 이 때 분말의 입도크기가 0.5㎛이하가 되게 되면 비산 등의 이유로 고속분사 코팅이 어려우며 공정의 비용 또한 급격히 상승한다. 반대로 텅스텐 분말의 입도크기가 3㎛이상이 되면 텅스텐 분말의 각 입자 사이의 공극이 커지게 됨으로써 코팅된 분말의 밀도가 낮아지게 됨으로써 다이아몬드층과 초경층이 분리되는 현상이 발생한다.
도 2 및 도 3을 참조하여 분사 및 건조 단계를 설명한다. 도 2는 일 실시예에 따른 초경 기판 상에 텅스텐을 분사하는 모습을 나타내는 개략적인 단면도이고, 도 3은 일 실시예에 따른 초경 기판 상에 텅스텐 코팅층이 형성된 모습을 나타내는 개략적인 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 텅스텐 분말(Sw)을 초경 기판(10) 상에 분사한다. 초경 기판(10)은 텅스텐 코팅층을 형성할 표면이 일정한 굴곡면이 형성될 수도 있고, 평면으로 형성될 수도 있다. 즉, 초경 기판(10) 중 텅스텐 분말(Sw)을 분사할 면의 형상에는 제한이 없다.
텅스텐 분말(Sw)은 분사 후 형성될 코팅층의 밀도를 높게 형성하기 위하여 고속으로 분사하는 것이 바람직하다. 앞서 설명한 바와 같이 코팅층의 밀도가 낮아지게 되면 소결 후의 다이아몬드 소결체의 접합면에서 문제가 발생할 수 있다. 따라서 텅스텐 분말을 고속으로 분사함으로써 형성되는 코팅층의 밀도를 향상시키는 것이 바람직하다. 같은 이유로 텅스텐 분말의 입도 크기는 3 ㎛ 이하로 형성되는 것이 바람직하다.
텅스텐 분말(Sw)이 분사되면 도 3에 도시된 바와 같이 초경 기판(10) 상에 텅스텐 코팅층(20)이 형성된다. 이러한 텅스텐 코팅층(20)은 1㎛ 내지 100㎛ 범위의 두께를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다. 텅스텐 코팅층의 두께가 1㎛이하가 되면 코발트 제어량이 극히 적어지게 되므로 효율성이 없으며, 100㎛이상의 두께로 코팅하게 되면 시간과 비용이 많이 들뿐더러 소결 시 코발트의 다이아몬드 분말로의 침투(Infiltration)량이 크게 줄어들면서 다이아몬드층을 바인딩할 금속 바인더의 함량이 줄어드는 결과가 되어 소결불량(다이아몬드층 크랙 및 파손)이 발생한다.
한편, 텅스텐 코팅층(20)은 고속 분사를 2회 이상의 분사 및 건조 단계를 반복함으로써 상술한 두께를 갖도록 형성할 수 있다.
한편, 첨부된 도면 상에 도시된 텅스텐 코팅층, 즉 소결 이후의 계면(20)은 일정한 두께를 갖는 기재처럼 도시되어 있으나 이는 설명의 편의를 위하여 과장하여 도시한 것이며, 소결체를 형성한 후에는 다이아몬드층과 초경 기판 사이의 계면이 된다.
도 4 및 도 5를 참조하여 소결 단계를 설명한다. 도 4는 일 실시예에 따라 소결을 위하여 초경기판 상에 다이아몬드 입자층을 조립하는 모습을 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 5는 일 실시예에 따라 소결후의 다결정 다이아몬드 소결체를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
먼저 도 4에 도시된 바와 같이 일정한 소결 용기 등의 내에서 다이아몬드 분말(30)을 초경 기판(10) 의 텅스텐 코팅층(20) 상에 위치하도록 조립한다. 이어서 고온고압 조건에서 소결을 실시한다. 본 실시예에서는 약 6GPa의 압력 및 1500?의 온도 조건에서 소결된다.
소결 시에는 초경 기판(10)으로부터 용융되어 상승하는 코발트(30)의 영향으로 다이아몬드 표면으로부터 용출된 탄소가 계면(20a) 상의 텅스텐과 반응하게 되고, 텅스텐은 탄화가 된다. 탄화된 텅스텐은 초경 기판(10)으로부터 다이아몬드층으로 상승되는 코발트와 반응하면서 코발트를 계면부에 응집시킨다. 이와 같이 계면(20a)에 포함된 텅스텐이 탄화된 후 초경 기판(10)으로부터 다이아몬드층(30)으로 상승하는 코발트의 양을 제어하게 됨으로써 필요한 코발트의 양을 초과하는 코발트가 다이아몬드층(30)으로 상승하는 것을 방지할 수 있다.
즉, 소결 후에는 초경 기판(10)과, 초경 기판과의 사이에 계면을 형성하는 다이아몬드 입자층(30)을 포함한다. 이 때 계면(20a)은 탄화텅스텐과, 초경 기판(10)으로부터 다이아몬드 입자층(30)으로 침투되는 금속 바인더 중 상기 탄화텅스텐이 응집시키는 금속 바인더 성분을 포함하게 된다.
앞서 설명한 바와 같이 초경합금 기판으로부터 다이아몬드층으로 상승되는 코발트는 물리적인 방법으로는 제어가 불가능하다. 본 발명에 따른 다이아몬드 소결체 제조방법은 다이아몬드층과 초경기판 사이에 별도의 기재를 구비하지 않고서도 초경 기판으로부터 다이아몬드층으로 상승하는 코발트 즉, 금속 바인더의 양을 제어할 수 있다. 이로 인하여 다이아몬드층에 침투되는 금속 바인더 양의 균형을 유지함으로써, 다이아몬드층으로 상승된 코발트 함량의 부족으로 다이아몬드층과 초경합금층의 분리되는 파괴가 일어나거나 고온 조건에서 사용 시 다이아몬드와 금속 바인더의 열팽창율 차이로 인한 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한 다이아몬드층과 초경 기판 사이의 계면에 금속 성분을 응집시킴으로써 계면부의 내충격성을 향상시켜 이러한 다이아몬드 소결체를 이용한 공구의 수명을 증가시킬 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 내충격성 및 열안정성이 향상된 다결정 다이아몬드 소결체 및 그 제조방법으로 구현될 수 있다.
10: 초경 기판 20: 계면
30: 다이아몬드층(다이아몬드 입자층)
30: 다이아몬드층(다이아몬드 입자층)
Claims (6)
- 금속 바인더 성분을 포함하는 초경 기판 상에 텅스텐 입자를 분사하여 텅스텐 코팅층을 형성하는 코팅층 형성 단계; 및
상기 텅스텐 코팅층 상에서 다이아몬드 분말을 소결시킴으로써 상기 다이아몬드 분말로부터 용출되는 탄소에 의하여 상기 텅스텐 코팅층이 탄화되고, 상기 탄화된 텅스텐 코팅층은 상기 초경 기판으로부터 상기 다이아몬드 입자층으로 침투하는 상기 금속 바인더 성분을 응집시키는 소결 단계;를 포함하는 다결정 다이아몬드 소결체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 코팅층 형성 단계에서 상기 텅스텐 코팅층은 고속 분사에 의하여 형성되는 다결정 다이아몬드 소결체 제조방법. - 제2항에 있어서,
상기 고속 분사는 적어도 2회 이상의 분사 및 건조 단계를 포함하는 다결정 다이아몬드 소결체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 텅스텐 코팅층은 1 내지 100 ㎛의 두께로 형성되는 다결정 다이아몬드 소결체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 분사되는 텅스텐의 입자크기는 0.5 내지 3 ㎛의 직경을 갖는 다결정 다이아몬드 소결체 제조방법. - 초경 기판; 및
상기 초경 기판과의 사이에 계면을 형성하는 다이아몬드 입자층;을 포함하고,
상기 계면은 탄화텅스텐과, 상기 초경 기판으로부터 상기 다이아몬드 입자층으로 침투되는 금속 바인더 중 상기 탄화텅스텐이 응집시키는 금속 바인더 성분을 포함하는 다결정 다이아몬드 소결체.
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