KR101438852B1 - 열 균열에 대한 개선된 내성을 갖는 제품 - Google Patents

열 균열에 대한 개선된 내성을 갖는 제품 Download PDF

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프라카쉬 케이. 미르찬다니
알프레드 제이. 모스코
에릭 더블유. 올슨
스티븐 지. 커드웰
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티디와이 인더스트리스, 엘엘씨
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Abstract

제품은 초경합금(cemented carbide)을 포함하는 작동부(working portion) 및 작동부와 열 소통하는 방열부(heat sink portion)를 포함한다. 방열부는 초경합금의 열 전도도보다 더 큰 열 전도도를 갖는 열 방출 물질을 포함한다. 또한, 초경합금을 포함하는 작동부 및 작동부와 열 소통하는 방열부를 포함하고 초경합금의 열 전도도보다 더 큰 열 전도도를 갖는 열 방출 물질을 포함하는 제품을 만드는 방법이 공개된다. 방열부는 작동부로부터 열을 전달한다.

Description

열 균열에 대한 개선된 내성을 갖는 제품 {Articles Having Improved Resistance to Thermal Cracking}
본 발명은 절삭 공구, 절삭 삽입체, 밀봉 링, 압연기 롤(rolling mill roll), 굴착용 비트(earth boring bit)를 위한 절삭 요소와 같은 초경합금을 포함하는 제품, 뿐만 아니라 가열 및/또는 열 싸이클링(thermal cycling) 중 적어도 하나를 거치는 또 다른 제품에 대한 개선에 관한 것이다. 또한 본 발명은 이러한 제품들을 제조하는 방법에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 발명의 특정 실시예는 개선된 열균열 내성을 갖는 초경합금 제품에 관한 것이다.
초경합금을 포함하는 제품은 터닝(turning), 밀링(milling) 및 드릴링(drilling)에 사용하기 위한 절삭 공구 또는 절삭 삽입체; 교반기 및 펌프를 위한 밀봉 링; 및 강철을 압연하기 위한 롤;과 같은 높은 응력과 마찰을 필요로 하는 응용에 일반적으로 사용된다. 초경합금을 포함한 제품은 열 균열에 의하여 약해지는 경향이 있다. 제품이 한계값 이상으로 가열되면 이러한 제품에서의 균열이 발생할 수 있고 제품이 열 싸이클링(thermal cycling)을 거치면 균열이 더욱 성장할 것이다.
예를 들면, 굴착용(또는 드릴링) 비트는 일반적으로 석유 및 천연가스 탐사, 채광(mining) 및 발굴(excavation)에 사용된다. 이러한 굴착용 비트는 고정되거나 회전가능한 절삭 요소를 가질 수 있다. 도 1은 회전가능한 절삭 요소(11)를 갖는 대표적인 회전 콘(cone) 굴착용 비트(10)를 도시한다. 초경합금으로 전형적으로 만들어진 절삭 삽입체(12)는 절삭 요소(11)의 외부 표면 위에 조립된 포켓에 배치된다. 수개의 절삭 삽입체(12)들은 절단을 최적화하기 위하여 사전에 결정된 위치에 있는 회전가능한 절삭 요소(11)에 고정될 수 있다.
굴착용 비트의 사용 기간은 전형적으로 초경합금 삽입체의 마모성의 함수이다. 굴착용 비트 사용 기간을 증가시키는 하나의 방법은 강도, 인성 및 마모/침식 내성의 조합을 개선하는 물질로 만들어진 절삭 삽입체를 사용하는 것이다. 상기 기술한 바와 같이, 절삭 삽입체는 일종의 경화된 경질 입자(cemented hard particle)인, 초경합금을 포함한다. 이러한 응용들을 위한 초경합금의 선택은 이들 초경합금 물질들이 강도, 파괴 인성 및 마모 내성(즉, 보링 또는 드릴링 비트의 능률적인 기능화에 매우 중요한 성질들)의 매우 매력적인 조합을 제공한다는 사실에 입각한 것이다. 초경합금은 주기율표의 IVB족, VB족, VIB족에 속하는 하나 이상의 전이 금속(Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, 및 W)의 카바이드의 입자들을 포함하는 분산된 비연속 상 및 상기 카바이드 경질 입자와 함께 경화하는 연속적 결합 상(전형적으로 코발트, 니켈 또는 철을 포함함)을 포함하는 복합물이다. 서로 다른 가능한 경질 입자-결합제 조합들 중에서, 경질 입자로서 텅스텐 카바이드(WC)와 결합 상으로서 코발트에 기초한 초경합금은 가장 일반적으로 사용되는 경화된 경질 입자(cemented hard particle)들이다.
초경합금의 성질은 다른 성질들 중에서 2개의 마이크로구조 매개변수들, 즉, 평균 경질 입자의 입자 크기 및 경질 입자와 결합제 중 적어도 하나의 중량 또는 부피 분율에 따라 달라진다. 일반적으로, 입자 크기가 감소함에 따라 및/또는 결합제 함량이 감소함에 따라 경도와 마모 내성이 증가한다. 반면에, 입자 크기가 증가함에 따라 및/또는 결합제 함량이 증가함에 따라 파괴인성이 증가한다. 따라서, 임의의 응용을 위한 초경합금 등급을 선택할 때 마모 내성 및 파괴인성 사이의 트레이드-오프(trade-off)가 존재한다. 마모 내성이 증가함에 따라 파괴인성은 전형적으로 감소하고, 그 반대의 경우도 가능하다.
도 2A-2E는 회전 콘 굴착용 비트에 전형적으로 사용되는 초경합금 삽입체의 서로 다른 모양들 및 디자인들의 일부를 도시한다. 굴착용 비트를 위한 절삭 삽입체는 가령, 난형(도 2A), 탄도탄형(도 2B), 끌형(도 2C), 다중반구형(도 2D) 및 원뿔형(도 2E)과 같이, 반구형 부분(domed portion)의 모양에 의해 전형적으로 특징지어진다. 사용된 모양과 초경합금 등급의 선택은 드릴되는 암석의 유형에 따라 달라진다. 모양이나 크기에 상관없이, 모든 삽입체는 절삭부 형태의 작동부(working portion) 및 몸체부(body portion)를 갖는다. 예를 들면, 도 2A의 절삭 삽입체(20)는 반구형 절삭부(22) 및 몸체부(24)를 포함한다. 또한, 예를 들면, 도 2B의 절삭 삽입체(30)는 탄도탄형 절삭부(32) 및 몸체부(34)를 포함한다. 절삭 가공(cutting action)은 절삭부에 의해 수행되는 한편, 몸체부는 절삭부에 지지체(support)를 제공한다. 몸체부의 대부분 또는 모두는 비트 몸체(bit body) 또는 절삭 요소(cutting element) 내에 매립되고, 몸체부는 절삭 삽입체를 포켓에 압입으로써 비트 몸체로 전형적으로 삽입된다.
이미 기술한 바와 같이, 절삭 가공은 공구(tool)의 절삭부에 의하여 주로 제공된다. 가장 먼저 마모하기 시작하는 절삭부의 부분은 상단 절반부(top half), 특히 절삭부의 맨 끝부분이다. 굴착용 비트의 경우에는, 절삭부의 최상부가 평평해지기 시작함에 따라, 토양이 마찰 작용(rubbing action)에 의하여 점점 더 제거되고 있기 때문에 절삭 효율은 급격하게 감소하는데, 이는 절삭 가공이 더욱 효율적이게 되는 것과 대조적이다. 마찰 가공이 지속될 때, 암석과 절삭 삽입체 사이에서 마찰이 증가함으로써 상당한 열이 발생될 수 있고, 이로 인해 삽입체 부분의 가열을 일으킨다. 임의의 제품 부분의 온도가 한계값을 넘으면, 균열(crack)이 경질 입자 및 결합제의 계면에서 발생될 것이다. 제품의 열 싸이클링은 균열 성장을 일으킨다.
따라서, 굴착용 비트를 위한 개선된 초경합금 절삭 삽입체가 열 피로(thermal fatigue)와 균열(cracking)에 대한 증가된 내성을 가질 필요가 있다. 더욱 일반적으로, 열 싸이클링에 의하여 발생되는 균열을 거칠 수 있는 초경합금을 포함하는 작동부를 포함하는 제품에 대한 개선이 필요하다.
본 발명은 초경합금을 포함하는 제품에 대한 개선에 관련이 있고, 여기서 초경합금 내의 경질 입자는 티타늄, 크롬, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈룸, 몰리브덴, 니오븀, 및 텅스텐에서 선택된 적어도 하나의 전이 금속의 카바이드를 포함한다. 이러한 제품들은 절삭 공구, 절삭 삽입체, 밀봉 링, 압연기 롤, 굴착용 비트를 위한 절삭 요소 및 가열과 열 싸이클링 중 적어도 하나를 거치는 초경합금을 포함하는 다른 제품들을 포함한다. 또한 본 발명은 이러한 제품을 제조하는 방법에 관련이 있다. 본 발명에 따른 제품의 특정 실시예들은 티타늄, 크롬, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈룸, 몰리브덴, 니오븀, 및 텅스텐에서 선택된 적어도 하나의 전이 금속의 카바이드들 및 결합제를 포함하는 초경합금을 포함하는 부분 및 초경합금의 열 전도도보다 더 큰 열 전도도를 갖는 물질을 포함하는 방열부(heat sink portion)를 포함할 수 있다. 방열부는 예를 들면, 접촉부 또는 절삭부일 수 있는 작동부로부터 열을 흡수할 수 있고, 이로 인해 특정한 열 파손 방식에 대한 개선된 내성을 제공한다.
본 발명의 하나의 양상에 따르면, 제품은 초경합금을 포함하는 작동부 및 작동부와 열 소통하는 방열부를 포함하는 것으로 제공된다. 작동부의 초경합금은 티타늄, 크롬, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈룸, 몰리브덴, 니오븀, 및 텅스텐에서 선택된 적어도 하나의 전이 금속의 카바이드의 경질 입자들 및 결합제를 포함하고 방열부는 초경합금의 열 전도도보다 더 큰 열 전도도를 갖는 열 방출 물질을 포함한다. 특정한 비-제한적 실시예에 따르면, 방열부는 제품의 몸체부와 접촉하며, 여기서 몸체부는 작동부를 지지한다. 또한, 특정한 비-제한적 실시예에 따르면, 작동부는 절삭부와 접촉부 중 적어도 하나이다. 작동부가 접촉부인 특정한 비-제한적 실시예에서, 제품은 압연기 롤과 밀봉 링 중 하나이다. 작동부가 절삭부인 특정한 비-제한적 실시예에서, 제품은 굴착용 비트, 절삭 삽입체, 절삭 공구, 회전 공구(rotary tool), 회전 공구 삽입체, 드릴, 나이프, 및 슬리터(slitter) 중 하나이다.
본 발명의 또 하나의 양상에 따르면, 제품은 초경합금을 포함하는 절삭부, 몸체부 및 몸체부와 접촉한 방열부를 포함하는 것으로 제공된다. 방열부는 초경합금의 열 전도도보다 더 큰 열 전도도를 갖는 물질을 포함하고 방열부는 절삭부와 열 소통한다. 특정한 비-제한적 실시예에서, 제품은 굴착용 비트, 절삭 삽입체, 절삭 공구, 회전 공구, 회전 공구 삽입체, 드릴, 나이프 및 슬리터 중 하나이다.
본 발명의 또 하나의 양상에 따르면, 압연기 롤(rolling mill roll)은 티타늄, 크롬, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈룸, 몰리브덴, 니오븀, 및 텅스텐에서 선택된 적어도 하나의 전이 금속의 카바이드의 경질 입자들 및 결합제를 포함하는 초경합금을 포함하는 접촉부, 몸체부 및 방열부를 포함한다. 접촉부는 제1 단부, 반대의 제2 단부, 및 제1 단부와 제2 단부 사이에 뻗어있고 접촉 표면을 포함하는 환상 외부 벽(annular outer wall)을 포함한다. 몸체부는 접촉부를 지지하고 압연기 롤을 통과하여 세로로 뻗어있는 구멍(bore)을 한정하는 환상 내부 벽을 포함한다. 내부 벽은 벽 안에 리세스(recess)를 포함한다. 방열부는 초경합금의 열 전도도보다 더 큰 열 전도도를 갖는 물질을 포함하고, 접촉부와 열 소통한다. 적어도 일부의 방열부는 리세스 내에 배치되고 몸체부와 접촉한다.
본 발명의 또 하나의 양상에 따르면, 밀봉 링(seal ring)은 티타늄, 크롬, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈룸, 몰리브덴, 니오븀, 및 텅스텐에서 선택된 적어도 하나의 전이 금속의 카바이드의 경질 입자들 및 결합제를 포함하는 초경합금을 포함하는 접촉부, 몸체부 및 방열부를 포함한다. 접촉부는 접촉 표면을 포함하는 제1 면(first face)을 포함한다. 몸체부는 접촉부를 지지하고 몸체부에 있는 리세스를 한정하는 제2 면을 포함한다. 환상 내부 벽은 제1 면과 제2 면 사이에 뻗어있으며, 제1 면과 제2 면 사이에 뻗어있고 제1 면과 제2 면 상에 열려있는 구멍(bore)을 한정한다. 방열부는 초경합금의 열 전도도보다 더 큰 열 전도도를 갖는 물질을 포함하고 접촉부와 열 소통한다. 적어도 일부의 방열부는 리세스 내에 배치되고 몸체부와 접촉한다.
또한 본 발명의 하나의 양상에 따르면, 제품을 만드는 방법은: 티타늄, 크롬, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈룸, 몰리브덴, 니오븀, 및 텅스텐에서 선택된 적어도 하나의 전이 금속의 카바이드의 경질 입자들 및 결합제를 포함하는 초경합금을 포함하는 작동부를 제공하는 단계; 몸체부를 제공하는 단계; 및 몸체부와 접촉하고 초경합금의 열 전도도보다 더 큰 열 전도도를 갖는 열 방출 물질을 포함하는 방열부를 제공하는 단계를 포함한다. 작동부는 방열부와 열 소통한다. 이 방법의 특정한 비-제한적 실시예에 따르면, 방열부는 몸체부와 접촉한다. 또한, 특정 비-제한적 실시예에 따르면, 작동부는 절삭부와 접촉부 중 적어도 하나이다. 작동부가 접촉부인 방법의 특정 비-제한적 실시예에 있어서, 접촉부는 접촉 표면을 포함하고 제품은 압연기 롤과 밀봉 링 중 하나이다. 작동부가 절삭부인 방법의 특정 비-제한적 실시예에 있어서, 절삭부는 절삭 표면을 포함할 수 있고 제품은 굴착용 비트, 절삭 삽입체, 절삭 공구, 회전 공구, 회전 공구 삽입체, 드릴, 나이프 및 슬리터 중 하나이다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 작동부 및 작동부와 열 소통하는 방열부를 포함하는 제품을 만드는 방법은: 티타늄, 크롬, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈룸, 몰리브덴, 니오븀, 및 텅스텐에서 선택된 적어도 하나의 전이 금속의 경질 입자 카바이드 및 분말 결합제를 포함하는 초경합금 분말로 몰드(mold)의 공극(void)을 부분적으로 채우는 단계; 고체 열 방출 물질을 공극에 배치하는 단계; 및 초경합금 분말을 소결하는 단계를 포함한다. 이 방법은 초경합금을 포함하는 작동부 및 작동부와 열 소통하는 고체 방열부를 포함하는 소결된 제품을 제공한다.
본 발명의 또 하나의 양상에 따르면, 작동부, 작동부를 지지하는 몸체부 및 작동부와 열 소통하는 방열부를 포함하는 제품을 만드는 방법이 제공된다. 초경합금을 포함하는 소결체가 제조된다. 열 방출 물질은 소결체에 첨가된다. 열 방출 물질은 초경합금의 열 전도도보다 더 큰 열 전도도를 갖는다. 특정 실시예에서, 작동부는 초경합금을 포함하는 접촉부와 접촉 표면이다. 특정한 다른 실시예에서, 작동부는 초경합금을 포함하는 절삭부이고 절삭 표면을 포함한다. 방열부는 몸체부와 접촉하고 작동부로부터 열을 전달한다.
본 발명의 또 다른 양상은 작동부 및 작동부와 열 소통하는 방열부를 적어도 포함하는 제품을 만드는 방법에 관련이 있다. 이 방법은 제1 초경합금 분말로 몰드의 공극을 부분적으로 채우는 단계 및 제2 초경합금 분말의 소결 온도보다 더 낮은 용융 온도를 갖는 휘산성 물질(fugitive material)을 포함하는 제2 초경합금 분말로 공극의 나머지를 적어도 부분적으로 채우는 단계를 포함한다. 제1 초경합금 분말과 제2 초경합금 분말은 압밀되어서(consolidated) 녹색의 압착물을 형성하고 초기 압밀체는 소결되어 휘산성 물질을 제거하고, 상호 연결된 작은 구멍(porosity)을 포함하는 제2 초경합금의 영역 및 제1 초경합금의 영역을 포함하는 소결된 제품을 형성한다. 열 방출 물질이 제2 초경합금의 상호연결된 작은 구멍으로 침투되는데, 여기서 열 방출 물질은 제1 초경합금보다 더 큰 열 전도도를 갖는다.
독자는 본 발명의 실시예들의 다음의 자세한 설명을 고려할 때, 본 발명의 전술한 세부사항과 이점들 및 기타 다른 것들을 이해할 것이다. 또한 독자는 본 발명의 범위 내에서 실시예들을 실행하고 및/또는 사용할 때 본 발명의 추가적인 세부사항과 이점들을 이해할 수 있다.
다른 언급이 없는 한, 본 명세서와 청구항에서 사용된 성분, 시간, 온도 등등의 양을 나타내는 모든 숫자들은 모든 경우들에서 "약"의 용어에 의하여 변경되는 것으로 이해되는 것이다. 따라서, 반대되는 언급이 없는 한, 다음의 명세서와 청구항들에서 설명된 수치적 매개변수들은 변경할 수 있는 근사값이며, 본 발명에 의해 얻고자 하는 원하는 성질들에 따라 달라진다. 그럼에도 불구하고, 청구항의 보호 범위에 대한 균등이론의 적용을 제한하려는 것은 아니며, 각각의 수치적 매개변수는 기록된 유효 숫자의 수의 관점에서 그리고 통상의 반올림 기법(rounding technique)을 사용함으로써 적어도 해석되어야 한다.
발명의 광범위한 범위를 설명하는 수치적 범위와 매개변수들이 근사값임에도 불구하고, 특정한 예들에서 설명된 수치들은 가능한 한 정확하게 기록된다. 그러나 임의의 수치는 개별적인 시험 측정치들에서 발견된 표준 편차로부터 불가피하게 생기는 특정 오류를 본질적으로 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 초경합금과 열 방출 물질을 포함하는 제품들을 포함한다. 본원에 사용된 "초경합금(cemented carbide)"의 용어는 경질 입자를 포함하는 비연속적 상 및 경질 입자와 함께 경화하는(cementing) 결합제의 연속적 상을 포함하는 복합 물질을 의미한다. 경질 입자는 주기율표의 IVB족, VB족 및 VIB족(티타늄, 크롬, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈룸, 몰리브덴, 니오븀, 및 텅스텐)에서 선택된 적어도 하나의 전이 금속의 카바이드를 포함한다. 경질 입자들이 전이 금속 카바이드로 구성된 초경합금은 본원에서 "전이 금속 초경합금(cemented transition metal carbide)"으로 언급된다. 본 발명에 따른 제품들의 실시예들은 초경합금을 포함하는 작동부와 열 방출 물질을 포함하는 방열부를 포함할 수 있다. 또한, 제품들은 작동부를 지지하는 몸체부를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예들의 예는 제한되지 않지만, 압연기 롤, 밀봉 링, 굴착용 비트, 절삭 삽입체, 절삭 공구, 회전 공구, 회전 공구 삽입체, 드릴, 나이프 및 슬리터를 포함한다.
본원에 사용된 "작동부(working portion)"의 용어는 제품이 의도하는 기능을 수행하는 것에 관련된 제품의 부분을 의미한다. 예를 들면, 굴착용 비트, 절삭 삽입체, 절삭 공구, 회전 공구, 회전 공구 삽입체, 드릴, 나이프 및 슬리터는 표적 물질을 제거하고 및/또는 분리하는 기능을 하고, 이러한 제품들의 작동부는 물질을 제거하고 및/또는 분리하는데 적합한 절삭부이다. 절삭부는 절삭 표면을 포함할 수 있는데, 절삭 표면은 표적 물질을 제거하거나 분리하기 위하여 작동하는 절삭부의 표면이다. 또 다른 예에 따르면, 압연기 롤은 작업편(workpiece)과 접촉하고 이에 의해 기계적 힘을 작업편에 가하고 작업편의 모양을 변경시키는 기능을 한다. 압연기 롤의 작동부는 접촉부이며, 이러한 접촉부는 롤이 의도된 기능을 수행하는 동안 작업편과 접촉하는 롤의 부분이다. 또한, 접촉부는 작업편과 접촉하는 접촉부의 표면인 접촉 표면을 포함할 수 있다. 또 하나의 예에 따르면, 밀봉 링(또한 실링 고리로 알려짐)는 두 개 이상의 부분들 사이의 계면에서 기계적 밀봉(mechanical seal)을 생성하는 기능을 하고, 밀봉 링의 작동부는 또한 하나 이상의 부분들과 접촉하는 접촉 표면을 포함할 수 있는 접촉부이다.
또한, 본원에 사용된 "몸체부(body portion)"은 작동부를 지지하는 제품의 부분을 의미한다. 몸체부와 작동부가 일체형 제품의 영역들일 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 이로써, 본 발명에 따른 제품의 특정 실시예에서, 작동부와 몸체부 사이의 뚜렷한 분할선은 존재하지 않을 수 있음이 이해될 것이다. 그러나, 이러한 실시예들에서, 작동부는 제품의 의도된 기능을 수행하기 위해 적합한데, 몸체부는 작동부를 지지하는데 적합할 것이라는 점에서 해당업계 종사자는 부분들 사이의 차이점을 인정할 것이다. 대안으로, 작동부와 몸체부는 서로 다른 물질로 형성될 수 있고 그렇지 않으면 안전하게 부착되거나 접착되어 그 결과 제품이 사용될 때 몸체부가 작동부에 필요한 지지체를 제공한다.
본 발명의 실시예들은 작동부와 방열부를 포함하는 제품들을 포함하는데, 여기서 방열부는 작동부와 열 소통한다. 방열부의 열 방출 물질은 작동부의 초경합금보다 더 높은 열 전도도를 갖는다. 본원에 사용된 "열 소통(heat communication)"의 용어는 열이 작동부에서 방열부로 전달될 수 있음을 의미한다. 방열부는 작동부에 접촉할 수 있는데, 여기서 열은 작동부에서 방열부로 직접 전달된다. 대안으로, 방열부는 몸체부와 접촉할 수 있고 작동부와 접촉하지 않는다. 이러한 경우에, 열은 작동부로부터 몸체부를 통과하여 방열부로 전달된다.
본 발명의 실시예들은 작동부와 방열부를 포함하는 제품들을 포함한다. 게다가, 제품들은 몸체부 또는 다른 부분들을 포함할 수 있다. 작동부와의 열 소통에 머무르기 위하여, 방열부는 열이 작동부에서 방열부로 전달될 수 있는 이러한 방법으로 제품, 작동부, 몸체부, 또는 제품의 또 다른 부분 중 하나에 접촉해야만 한다. 열 소통을 달성하기 위하여 방열부는 제품, 작동부, 몸체부 또는 다른 부분의 위에 기계적으로 부착될 수 있다. 본원에 사용된 "기계적으로 부착되는"의 용어는 제한되지 않지만, 접착제의 사용, 패스너(예를 들면, 나사, 볼트, 핀)와 연결, 납땜(soldering), 경납땜(brazing), 클램핑, 압입(press fitting) 및 억지끼워맞춤(shrink fitting)을 포함하는, 방열부를 또 다른 부분에 기계적으로 부착하는 방법을 의미한다. 게다가, 방열부는 방열부의 모두 또는 영역을 제품이나 제품의 부분 내로 물리적으로 한정함으로써 제품이나 제품의 부분에 기계적으로 부착될 수 있다. 방열부를 기계적으로 부착하는 다른 가능한 방법은 예를 들면, 나사(thread), 슬롯(slot) 및 열쇠구멍(keyway)을 사용하는 방법을 포함한다. 방열부를 제품이나 제품의 부분에 기계적으로 부착하는 다른 방법은 본 발명의 설명을 고려할 때 해당업계 종사자에게 쉽게 자명할 것이다. 또한, 부착제, 납땜, 경납땜(brazing) 기타 등등의 사용은 방열부와 작동부 사이의 필요한 열 소통을 가능하게 하는 방법으로 이루어져야 함은 명백할 것이다. 이것은 예를 들면, 적어도 일부의 직접 접촉이 작동부에서 방열부으로의 열 전달을 위한 경로를 제공하기 위한 방식으로 방열부와 제품, 작동부, 몸체부 또는 다른 부분 사이에서 형성됨을 확실하게 함으로써 달성될 수 있다. 또한 특정한 실시예에 따르면, 작동부를 기계적으로 부착하는데 사용된 접착제, 땜납 또는 경납땜(brazing) 물질은 작동부의 물질 또는 작동부의 초경합금의 열 전도도보다 큰 열 전도도를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들은 굴착용 비트, 드릴 비트, 절삭 공구, 절삭 삽입체, 밀봉 링 및 압연기 롤 및 가열과 열 싸이클링 중 적어도 하나를 거치는 다른 제품들을 포함하는, 증가된 열 균열 내성을 갖는 초경합금 경질 입자를 포함하는 제품을 포함한다. 본 발명의 제품들의 특정 실시예들은 절삭부 및 방열부를 포함한다. 절삭부는 초경합금을 포함한다. 방열부는 초경합금의 열 전도도보다 큰 열 전도도를 갖는 물질을 포함한다. 물론, 발명의 실시예들은 다양한 모양 및 크기들의 절삭부와 방열부를 포함하고, 본원에 기재된 실시예들에 의해 제한되지 않는다. 예를 들면, 제품은 상기 언급한 바와 같이, 난형(도 2A), 탄도탄형(도 2B), 끌형(도 2C), 다중반구형(도 2D), 및 원뿔형(도 2E)인 도 2A-2E에 나타낸 모양을 갖는 굴착용 비트를 위한 절삭 삽입체일 수 있다. 방열부는 절삭 삽입체의 몸체부의 중심 영역(core region)일 수 있거나 또는 몸체 영역일 수 있다. 예를 들면, 도 5A를 참조하면, 도 5A는 절삭부(51) 형태의 작동부 및 내에 매립된 방열부(53)을 포함하는 몸체부(52)를 포함하는 본 발명에 따른 굴착용 비트를 위한 절삭 삽입체(50)의 단면도를 도시한다. 방열부(53)는 절삭부(51)과 열 소통하고 절삭부(51)로부터 열을 전달한다. 도 7은 도 5A에 도시된 구조를 갖는 굴착용 절삭 삽입체(60)의 실제 예시 사진이다. 도 7에서, 삽입체(60)는 초경합금 절삭부(61), 절삭부(61)을 지지하는 초경합금 몸체부(62) 및 절삭부(61)과 열 소통하며 몸체부(62)내에 매립된 구리 방열부(63)를 포함한다. 본 발명에 따른 절삭 삽입체 내에 추가 부분들은 중심축 지지 부분, 하단 부분, 전이 부분(transitional portion) 또는 굴착용 드릴 비트를 위한 절삭 삽입체의 열 성질을 강화할 수 있는 다른 부분을 포함할 수 있다.
본 발명의 제품들의 실시예들은 예를 들면, 절삭부 또는 접촉부와 같은 작동부 및 몸체부를 포함하는데, 여기서 작동부는 초경합금을 포함하며, 몸체부는 몸체부와 접촉하는 방열부를 포함한다. 작동부의 초경합금은 경질 입자들 및 결합제를 포함한다. 경질 입자들은 티타늄, 크롬, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈룸, 몰리브덴, 니오븀, 및 텅스텐에서 선택된 적어도 하나의 전이 금속의 카바이드를 포함한다. 초경합금의 결합제는 코발트, 니켈, 철 또는 이들 금속들의 합금 중 적어도 하나를 전형적으로 포함하지만 경질 입자들을 함께 결합시킬 수 있는 금속 또는 합금일 수 있다. 결합제는 텅스텐, 티타늄, 탄탈룸, 니오븀, 크롬, 몰리브덴, 붕소, 탄소, 실리콘, 루테늄, 레늄, 망간, 알루미늄 및 구리로부터 선택된 합금제를 더욱 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 초경합금의 경질 입자는 0.3 내지 10μm의 평균 입자 크기를 갖는 텅스텐 카바이드를 포함하고, 초경합금의 결합제는 코발트를 포함한다. 특정 응용을 위한 원하는 성질을 제공하기 위하여, 초경합금은 2 내지 40중량%의 결합제 및 60 내지 98중량%의 전이 금속 카바이드를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 초경합금은 0.5 내지 10μm의 평균 입자 크기를 갖는 텅스텐 카바이드 입자들을 포함할 수 있다.
방열부는 작동부와 열 소통하며, 작동부 내에 열 축적을 줄이기 위하여 작동부로부터 나온 열을 전달한다. 상기 언급한 바와 같이, 방열부가 작동부와 "열 소통"하는 것은 열이 작동부에서 방열부로 흐를 수 있음을 의미한다. 이로써, 본 발명의 특정한 제품 실시예들에 있어서, 방열부가 작동부에 접촉하지만, 반드시 방열부와 작동부가 접촉하고 있을 필요는 없다. 대신에, 열이 작동부에서 방열부로 흐르기에 적절한 열 전도성 물질이 작동부와 방열부 사이에 개재될 수 있다. 예를 들면, 특정 실시예들에서, 제품의 몸체부의 영역이 작동부와 방열부 사이에 개재될 수 있다. 해당업계 종사자들은 본 발명에 따른 제품에 있어서 작동부와 방열부 사이의 필요한 열 소통을 가능하게 하는 다른 설계들도 쉽게 이해할 것이고, 이러한 모든 실시예들은 본 발명의 범위에 속한다.
방열부는 작동부의 초경합금의 열 전도도보다 더 큰 열 전도도를 갖는 물질일 수 있는 열 방출 물질을 포함한다. 바람직하게는, 열 방출 물질은 작동부의 초경합금의 열 전도도보다 2배 큰 열 전도도를 갖는다. 예를 들면, 열 방출 물질은 150W/mK보다 큰, 또는 250W/mK보다 매우 큰 열 전도도를 가질 수 있다. 높은 마찰의 특정 응용에서, 열 방출 물질은 350W/mK보다 큰 열 전도도를 가질 수 있다. 열 방출 물질의 예들은 제한되지 않지만, 구리, 알루미늄, 은, 금, 실리콘 카바이드, 질화알루미늄, 질화붕소, 알루미늄 실리콘 카바이드, 산화베릴륨, 실리콘-실리콘 카바이드, 구리 텅스텐 합금, 구리 몰리브덴 카바이드, 탄소, 다이아몬드 및 이들의 조합물을 포함한다. 게다가, 열 방출 물질은 흑연 및 탄소의 다른 형태들을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 방열부는 작동부가 균열 시작의 한계 온도에 도달하는 것을 막기에 충분한 속도로 작동부로부터 열을 전달하기에 충분히 넓다.
도 5A-5J는 본 발명의 제품들의 실시예들을 도시한다. 이들 도면들은 본원에 공개된 다양한 개념들을 도시하고자 의도된 제한된 수의 가능한 실시예들만을 필연적으로 도시하는 것으로 이해될 것이다. 상기 논의된 바와 같이, 도 5A는 본 발명의 굴착용 비트(50)를 위한 절삭 삽입체의 실시예의 단면도를 도시한다. 도 5A의 절삭 삽입체(50)의 단면도는 절삭부(51) 및 몸체부(52)를 나타낸다. 절삭 삽입체(50)의 절삭부(51)는 텅스텐 초경합금(cemented tungsten carbide) 물질들을 포함하고 드릴링 작업 동안 암석과 토양을 뚫는데 적합하다. 몸체부(52)는 중심 영역을 형성하는 방열부(53)를 포함한다. 방열부(53)는 절삭부(51)에서의 온도 증가를 감소시키기 위하여 절삭부(51)와 열 소통하며 절삭부(51)로부터 열을 전달하고, 이로써 열 균열의 개시와 성장의 발생을 감소시킨다. 특정 실시예들에서, 방열부는 몸체부 전체를 구성할 수 있다. 다른 실시예들에서, 방열부는 제품의 별도의 부분에 접촉하거나 제품의 별도의 부분을 구성할 수 있다. 예를 들면, 도 5A 및 7에 나타낸 바와 같이, 방열부는 몸체부에 있는 리세스에 배치될 수 있다.
도 5B는 굴착용 비트를 위한 절삭 삽입체(150)의 또 하나의 실시예의 단면도인데, 여기서 방열부는 제품의 몸체부에 있는 리세스에 배치되어 있다. 특히, 절삭 삽입체(150)는 절삭부(151) 형태의 작동부 및 몸체부(152)를 포함한다. 몸체부(152)는 다수의 방열부(153)들이 배치되는 다수의 리세스들을 포함한다. 몸체부의 영역(154)은 방열부(153)의 방열판(heat sink)과 절삭부(151) 중간에 있고 절삭부(151)와 방열부(153)들 사이에 열 소통을 제공한다. 방열부(153)는 제품의 벌크 열 전도도를 증가시킬 수 있는 방법으로 설계될 수 있다.
특정 실시예들에서, 본 발명에 따라 조립된 굴착용 비트를 위한 절삭 삽입체는 비트 몸체로 뻗은 방열부를 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 5C 및 5D는 굴착용 비트를 위한 절삭 삽입체들의 실시예들의 단면도들을 나타내는데, 여기서 절삭 삽입체들(250, 350)은 절삭부들(251, 351) 형태의 작동부들 및 몸체부들(252, 352)을 포함한다. 각각의 몸체부(252, 352)는 방열부(254, 354)를 수용하기 위하여 몸체부 안에 리세스를 포함한다. 절삭 삽입체(250)의 리세스는 몸체부(252)를 통과하여 작동부(251)로 뻗어있다. 몸체부들(252, 352)은 비트 몸체 또는 롤러 콘(253, 353)에 있는 리세스로 압입(press fit)될 수 있다. 방열부들(254, 354)은 절삭 삽입체들(250, 350)의 몸체부들(252, 253)에 있는 리세스로 그리고 또한 비트 몸체 또는 롤러 콘(253, 353)에 있는 리세스로 압력 끼워맞출 수 있다. 이러한 방법으로, 방열부들(254, 354)은 제품들에서 비트 몸체로 열을 직접 전달한다.
도 5E는 본 발명에 따른 금속 가공을 위한 절삭 삽입체(450)의 실시예이다. 절삭 삽입체(450)는 작업편(work piece)에서 물질을 제거하기 위한 전이 금속 초경합금 절삭부(451) 형태의 작동부 및 절삭부로부터 나온 열을 전달하고 제품의 벌크 열 전도도를 올리기 위한 방열부(452)를 포함한다. 따라서, 삽입체(450)의 방열부(452)는 또한 절삭부(452)를 지지하는 몸체부로서 기능을 하고, 방열부(452)는 절삭부(451)에 직접 접촉한다. 항상 그런 것은 아니지만, 나사를 사용하여 공구 홀더(tool holder)에 부착할 수 있게 하기 위해, 전형적으로 중심 구멍(453)이 절삭 삽입체(450)에 포함된다. 본 발명에서 이익을 얻을 수 있는 삽입체의 특정 실시예는 클램프에 의하여 공구 홀더에 부착될 수 있다. 절삭 삽입체(450)는 밀링, 터닝, 드릴링, 또는 다른 절삭 조작에 적합할 수 있다.
도 5F는 본 발명에 따라 조립된 다이아몬드형 절삭 삽입체(550)의 실시예의 평면도 및 단면도(A-A로 관통함)를 포함한다. 절삭 삽입체(550)는 4개의 절삭 에지들로 표시될 수 있다. 절삭 삽입체(550)는 절삭부(551) 형태의 작동부들 및 열 방출 물질을 포함하는 몸체부(552)를 포함한다. 이로써, 몸체부(552)는 또한 절삭부(551)로부터 열을 전달하는 방열부를 구성한다. 절삭 삽입체(550)의 실시예에서, 절삭부(551)는 전이 금속 초경합금 물질로만 이루어져 있고, 열 방출 물질은 초경합금 물질의 열 전도도보다 큰 열 전도도를 갖는다.
도 5G는 본 발명에 따라 제조된 다이아몬드형 절삭 삽입체(650)의 또 하나의 실시예의 평면도 및 단면도(B-B로 관통함)를 포함한다. 나타낸 절삭 삽입체(650)는 두개의 절삭 삽입체들이 금속 가공을 위한 다이아몬드형 절삭 삽입체로 표시될 수 있다는 점에서 절삭 삽입체(550)와 유사하다. 삽입체(650)는 절삭부(651) 형태의 작동부 및 몸체부(652)를 포함한다. 삽입체들(550 및 650)의 차이점은 도 5F의 단면A-A 및 도 5G의 단면 B-B를 비교하면 알 수 있다. 단면 B-B에서 나타낸 바와 같이, 절삭부(651)는 전이 금속 초경합금의 영역(653)을 포함한다. 열 방출 물질의 영역(654)은 삽입체(650)의 각 단부 상의 초경합금 영역(653)들 아래에 놓인다. 이러한 실시예에 있어서, 영역들(654)은 방열부들로 고려될 수 있거나 대안으로, 영역들(654)은 몸체부(652)의 영역들이 되는 것으로 고려될 수 있다. 어느 경우에나, 열 방출 물질 영역들(654)은 절삭부(653)들로부터 열을 전달한다. 이러한 실시예는 절삭 삽입체에 상당한 양의 열 방출 물질을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 제품들의 실시예들은 절삭 공구(cutting tool)들을 포함한다. 절삭 공구(750)의 실시예를 도 5H에 나타낸다. 절삭 공구는 절삭부(751) 형태의 작동부 및 몸체부(752)를 포함한다. 절삭부(751)는 2개의 전이 금속 초경합금 영역(753)들을 포함한다. 열 방출 물질 영역(754)은 절삭 영역들(753) 사이에 개재되고 절삭 영역들(753)로부터 열을 전달한다. 열 방출 물질은 초경합금의 열 전도도보다 큰 열 전도도를 갖는다. 하나의 실시예에서, 열 방출 영역(754)은 몸체부(752)에 접촉하고, 열 방출 영역은 또한 영역들(753)의 초경합금 물질보다 더 큰 열 전도도를 갖는 열 방출 물질로 형성될 수 있다. 대안으로, 열 방출 영역(754)은 몸체부(752)와 일체화되어 몸체부(752)의 일부를 형성하고, 열 방출 영역은 단일 열 방출 물질로 형성된다.
본 발명에 따라 제조된 제품들의 또 다른 실시예들을 도 5I 및 5J의 단면도들에 나타낸다. 도 5I의 세로 방향의 단면도에 나타낸 실시예는 외부 또는 접촉부(851) 형태의 작동부 및 내부 또는 중심 영역(852)을 포함하는 로드(rod, 850)이다. 이러한 실시예는 회전 공구를 위한 블랭크(blank)들로서, 예를 들면 드릴 비트 및 엔드 밀(end mill)을 위한 블랭크들로서 사용될 수 있다. 내부 또는 중심 영역은 방열부를 포함할 수 있다. 방열부는 중심 영역의 단면(section)만일 수 있거나 전체 중심 영역이 방열부일 수 있다. 접촉부(851)는 초경합금을 포함하고 방열부는 초경합금의 열 전도도보다 큰 열 전도도를 갖는 열 방출 물질을 포함할 수 있다. 절삭 형상(cutting feature)들은 외부 또는 접촉부에서 형성될 수 있다. 게다가, 절삭 형상들은 로드(rod)의 단부에서 형성될 수 있다. 사용할 때, 접촉 영역(851)은 뜨거워지고, 열은 방열부(852)에 의해 접촉 영역(851)으로부터 전달된다.
또한 도 5J는 본 발명에 따라 제조된 로드 실시예를 나타낸다. 도 5J는 로드(950)의 세로축을 통과하여 직각으로 본 단면도이다. 로드(950)는 외부 또는 접촉 영역(951) 형태의 작동부 및 내부 또는 중심 영역(952)을 포함한다. 도 5I의 실시예에서와 같이, 모두 또는 일부의 중심 영역(952)은 열 방출 물질을 포함하는 방열부이다. 그러나, 로드(950)는 또한 세로로 뻗어있는 냉각재 채널(coolant channel, 953)을 포함하는데, 여기서 냉각재는 접촉부(951)와 중심 영역(952)에서 열을 추가로 전달하기 위하여 순환될 수 있다. 이러한 실시예는 드릴 비트, 밀링 비트 또는 다른 회전 공구에 사용될 수 있다. 도 5I 및 5J가 로드를 도시하지만, 반제품과 같이 로드를 사용하여 제조될 수 있는 완제품 공구(finished tool)에도 동일한 제조 원리가 적용될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 본원에 제안된 바와 같이, 이러한 공구들은 예를 들면, 드릴 비트 및 특정한 회전 공구들을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 비트 몸체 또는 롤러 콘, 방열판(heat sink) 및 방열판과 접촉한 절삭 삽입체를 포함하는 굴착용 비트를 포함하는데, 여기서 절삭 삽입체는 비트 몸체 또는 롤러 콘에 고정된다. 또한, 방열판은 비트 몸체와 접촉할 수 있다. 바람직하게는, 방열판은 절삭 삽입체 또는 비트 몸체 또는 롤러 콘 중 적어도 하나에 있는 리세스에 배치되거나, 일체화되거나 또는 매립된다. 게다가, 절삭 삽입체는 경납땜(brazing), 접착 접합, 마찰 끼워맞춤, 또는 다른 기계적 덧붙임 및 다른 방법에 의하여 롤러 또는 비트 몸체의 포켓에 고정될 수 있다.
본 발명에 따른 제품들의 특정한 추가적 실시예들은 투시적으로 도 8A에 그리고 선 B-B를 따라 단면으로 도 8B에 나타낸 밀봉 링(1000)과 같은 밀봉 링들을 포함한다. 밀봉 링은 펌프와 압축기와 같은 기계에서 통상적으로 발견되고 축(shaft) 또는 다른 이동 부분(moving part) 둘레에 기계적 밀봉(mechanical seal)을 제공한다. 밀봉 링(1000)은 환상 접촉부(1010) 형태의 작동부, 방열부(1020), 및 접촉부(1010)와 방열부(1020)에 적어도 부분적으로 개재하는 몸체부(1015)를 포함한다. 접촉부는 초경합금을 포함할 수 있고 기계적 밀봉을 제공하기 위하여 장치의 하나 이상의 부분에 접촉하여 힘을 가하는 접촉 표면(1012)을 포함할 수 있다. 접촉이 접촉 표면(1012)에서 이루어질 때, 마찰은 접촉 표면(1012)에서 열을 발생시킨다. 방열부(1020)는 접촉부(1010)로부터 나온 열을 전달하여 접촉 표면(1012)에서의 열 축적(heat buildup)을 감소시킨다. 방열부(1020)는 접촉부(1010)의 초경합금의 열 전도도보다 큰 열 전도도를 갖는 열 방출 물질을 포함하고 접촉부와 열 소통한다.
본 발명에 따른 제품들의 특정한 다른 실시예들은 도 9A에 투시하여 나타낸 롤(2000)과 같은 압연기 롤을 포함한다. 도 9A는 특정한 내부 형상을 점선으로 나타내는 도식적인 투시도이다. 도 9B는 롤(2000)의 중간 지점을 롤의 세로축에 직각으로 관통하는 단면도이다. 도 9C는 롤(2000)의 세로축을 관통하는 단면도이다. 압연기 롤은 금속과 금속 합금의 작업편들을 가공하는데 보통 사용되고 이러한 작업편들의 두께를 감소시키거나 그렇지 않으면 이러한 작업편들의 모양을 변형시키는데 적절할 수 있다. 롤(2000)은 접촉부(2010), 적어도 하나의 방열부(2020) 및 접촉부(2010)와 방열부(2020)에 개재하는 몸체부를 포함한다. 접촉부(2010) 및 몸체부(2015)는 본원의 다른 부분에서 기재된 바와 같이 초경합금을 포함할 수 있다. 또한 접촉부(2010)는 접촉 표면(2012)을 포함할 수 있다. 압연기 롤(2000)이 회전할 때, 작업편과의 접촉은 접촉 표면(2012)을 가열시키는 마찰을 일으킨다. 게다가, 작업편 자체는 작업편이 롤(2000)에 의하여 가공되기 전에 높은 온도로 가열되었을 수 있다. 방열부(2020)는 열 방출 물질을 포함하는데, 열 방출 물질은 접촉부(2010)의 초경합금의 열 전도도보다 큰 열 전도도를 갖는 적절한 물질 일 수 있다. 방열부(2020)는 접촉부(2010)로부터 열을 전달하여 접촉 표면(2012)에서의 열 축적을 감소시키고 접촉부와 열 소통한다.
초경합금은 강도, 마모 및 침식 내성, 및 파괴 인성의 매우 매력적인 조합들을 제공한다. 그러나, 초경합금은 열 피로 및 충격 내성을 제한했다. 열 피로 및 충격(반복적인 가열 및 담금질에 따른 높은 온도)을 거치게 되는 경우, 초경합금은 흔히 표면 균열을 보인다. 도 3은 열 피로에 의하여 발생하는 표면 균열을 갖는 전형적인 초경합금을 나타낸다. 일단 균열이 초경합금에서 시작되면, 삽입체가 연속적인 열 싸이클링을 거치게 되기 때문에 균열이 계속해서 성장한다. 마침내, 다수의 균열들이 교차할 것이고 초경합금 삽입체의 조각들은 벌크 물질에서 부서져 나갈 수 있다[흔히 스폴링(spalling)으로 언급됨].
예를 들면, 굴착용 비트를 위한 절삭 삽입체는 굴착 조작 동안 절삭되는 암석에 대해 과도한 마찰 작용을 거치게 된다. 마찰 작용에서 생기는 마찰은 삽입체의 절삭 표면의 온도를 상당히 증가시킨다. 게다가, 절삭 삽입체는 또한 굴착 조작 동안 냉각재(머드)에 의한 담금질을 거치게 된다. 따라서, 이러한 삽입체는 지속적인 가열과 냉각에 의하여 격렬한 열 싸이클링을 거치게 된다. 다수의 경우들에 있어서, 열 피로에 의한 조기 열 균열은 굴착용 비트에 사용된 초경합금 삽입체의 수명을 제한하는 주된 요인이다. 열 싸이클링과 열 피로를 거치는 제품들의 다른 예들은 밀링, 드릴링 또는 굴착을 위한 절삭 삽입체들, 밀봉 링들, 및 압연기롤들을 포함한다.
초경합금의 상대적으로 제한적인 열 균열 내성은 이러한 초경합금이 서로 다른 열 팽창 성질들을 갖는 2개의 상들을 포함하는 복합물이라는 사실에 관계가 있다. 도 4는 초경합금의 전형적인 마이크로구조를 도시한다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 마이크로구조는 결합제 상(42)의 연속적 매트릭스 내에 분산된 경질 비연속성 상(41)의 결정들로 이루어져 있다. 경질 비연속성 상(41)의 열 팽창 계수(CTE)는 결합 상(42)의 열 팽창 계수(CTE)와 크게 다르다. 예를 들면, 초경합금을 위한 전형적인 결합제인 코발트의 열 팽창 계수(CTE)는 초경합금에서 전형적인 경질 입자인 텅스텐 카바이드(WC)의 열 팽창 계수(CTE)보다 대략 3배 크다(코발트의 12x10-6cm/cm/℃ 대 WC의 4x10-6cm/cm/℃). 초경합금의 온도가 올라감에 따라, 코발트는 텅스텐 카바이드(WC)보다 훨씬 더 빠른 속도로 팽창한다. 결과적으로, 큰 응력이 두 개의 상들 사이의 계면에서 발생한다. 응력의 크기는 온도 증가의 정도와 직접적으로 관련되어 있다. 게다가, 초경합금이 열 싸이클링(반복적인 가열 및 담금질)을 거치게 될 때, 계면이 충분히 약해져서 균열을 일으키게 한다. 연속적인 열 싸이클링으로 균열은 스폴링이 발생할 때까지 성장할 수 있다.
따라서, 초경합금 및 다른 경화된 경질 입자 물질들의 열 균열 내성을 개선시키면서도, 이러한 물질들의 고유의 강도, 마모, 침식 내성 및 파괴 인성을 손상시키지 않는 접근방법들이 매우 필요하다.
일반적으로, 초경합금의 열 균열 내성은 초경합금의 열 전도도(TC) 및 파괴 인성(Klc)에 정비례하고, 초경합금의 열 팽창 계수(CTE)와 영 계수(Young's modulus, E)에 반비례한다. 따라서, 열 균열 내성은 벌크 열 전도도 및 파괴 인성 중 적어도 하나를 증가시킴으로써 그리고 벌크 열 팽창 및 강성(영 계수) 중 적어도 하나를 감소시킴으로써 개선될 수 있다. 증가된 TC는 국지화된 핫 스팟(hot spot)을 방지하는 동시에, 감소된 열 전도도는 상 계면에서 응력을 감소시킨다. 개선된 열 균열 내성을 갖는 초경합금 물질은 열 균열이 발생하고 성장하기 전에 높은 온도에서 다수의 열 싸이클들 동안 작업할 것으로 예상될 수 있다.
초경합금의 열 전도도, 파괴 인성, 열 팽창 및 영 계수는 화학적 조성과 마이크로구조 중 적어도 하나를 변경시킴으로써 바뀔 수 있다. 예를 들면, 벌크 또는 국소 파괴 인성은 경질 입자의 입자 크기 및 결합제 함량 중 적어도 하나를 변경함으로써 바뀔 수 있다. 유감스럽게도, 경질 입자의 입자 크기 및 결합제 함량 중 적어도 하나는 반드시 마모 내성 및 침식 내성의 감소를 가져오기 때문에(열 균열 내성 관점에서는 바람직함) 파괴인성의 증가는 성능 관점에서는 불리하다.
유사하게, 열 전도도는 초경합금 물질의 경질 입자 함량을 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 그러나, 경질 입자 농도의 증가는 반드시 파괴인성의 감소를 일으킬 것이다. 또한, 열 팽창 계수는 결합제의 조성을 변화시키나 결합제의 함량을 감소시킴으로써 감소될 수 있다. 어느 경우에나, 파괴인성은 감소된다. 결국, 영 계수는 경질 입자 함량을 감소시킴으로써 감소될 수 있다. 그러나, 경질 입자 함량을 감소시키는 것은 마모 및 침식 내성의 감소를 일으킬 것이다. 따라서, 종래의 방법들을 사용하여 열 전도도, 파괴인성, 열 팽창 및 영 계수를 변경함으로써 열 균열 내성을 개선하려는 시도는 파괴인성의 감소 또는 마모 및 침식 내성의 감소를 통하여 성능을 또한 감소시킬 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점은 첨부한 도면을 참조하여 더 잘 이해될 수 있으며, 여기서:
도 1은 비트 몸체, 롤러 콘 및 절삭 삽입체를 포함하는 전형적인 회전 콘 굴착용 드릴 비트를 도시하고;
도 2A-2E는 가령 난형(도 2A), 탄도탄형(도 2B), 끌형(도 2C), 다중반구형(도 2D), 및 원뿔형(도 2E)와 같은 회전 콘 굴착용 비트에서 전형적으로 사용되는 절삭 삽입체의 서로 다른 모양들과 크기들을 도시하고;
도 3은 초경합금 물질에서 열 피로(thermal fatigue)에 의해 발생되는 균열의 현미경 사진이고;
도 4는 연속적 결합 상과 비연속적 경질 입자 상을 갖는 경화된 경질 입자 물질의 전형적인 마이크로구조를 나타내고;
도 5A-5J는 초경합금과 방열판(heat sink)을 포함하는 제품의 도식도이고;
도 6은 전도성 물질과 함께 침투된 초경합금을 포함하는 본 발명의 절삭 삽입체의 도식도이고;
도 7A 및 7B는 초경합금 작동부 내에서 볼 수 있는 열 방출 물질의 플러그(plug)들을 갖는 굴착용 비트를 위한 2개의 초경합금 절삭 삽입체들의 사진들이고;
도 8A 및 8B는 초경합금을 포함하는 작동부 및 작동부와 열 소통하는 방열부를 포함하는 본 발명에 따른 밀봉 링의 실시예의 도식도이고; 및
도 9A-9C는 초경합금을 포함하는 환상 작동부 및 작동부와 열 소통하는 방열부를 포함하는 본 발명에 따른 압연기 롤의 실시예의 도식도이다.
본 발명의 특정한 실시예들은 초경합금 굴착용 삽입체에서 삽입체의 절삭(작동) 부분의 화학적 구조 또는 마이크로구조를 변경하지 않고 효과적인 열 전도도를 개선하는 신규한 방법에 관계된다. 이러한 방법에 있어서, 삽입체의 고유의 파괴인성, 강도 및 마모/침식 내성은 변경되지 않지만, 전반적인 열 전도도(따라서, 열 균열 내성)는 실제적으로 개선된다.
하나의 실시예에서, 절삭 삽입체는 의도된 응용(예를 들면, 절삭되는 암석의 유형, 바람직한 절삭 속도)에 최적화된 전이 금속 초경합금의 화학적 조성(예를 들면, 결합제 및/또는 경질 입자 동일성 및/또는 함량) 및 마이크로구조(예를 들면, 경질 입자의 입자 크기)를 갖는 절삭부 형태의 작동부 및 절삭부와 비교하여 실질적으로 더 높은 열 전도도를 갖는 방열부로 구성된다. 절삭 조작 동안, 방열부는 절삭부의 절삭 표면에서 발생되는 열을 절삭 표면으로부터 떨어뜨려 전달한다. 이러한 방법으로, 절삭부에서의 온도 증가는 전통적으로 설계된 제품에 비해 감소되고 열 균열 발생의 성향(propensity)도 감소된다.
도 5A는 방열판을 포함하는 절삭 삽입체(50)의 하나의 실시예를 도시한다. 삽입체(50)는 절삭 표면(55)을 갖는 반구형(dome-shaped) 절삭부(51) 및 몸체부(52)를 포함한다. 절삭부(51)와 몸체부(52) 모두는 전이 금속 초경합금을 포함한다. 방열부(53)는 몸체 영역(52) 내에 배치되고 열 방출 물질을 포함한다. 가능한 열 방출 물질은 예를 들면 Cu, Al, Ag, 또는 Au와 같은 높은 열 전도성 금속들을 포함한다. 특정한 실시예에서, 초경합금은 90W/mK 내지 105W/mK 범위의 열 전도도(TC)를 갖는 등급일 수 있다. 이러한 실시예에서, 열 방출 물질의 열 전도도(TC)는 더 클 것이다. 예를 들면, Cu는 대략 401W/mK의 TC를 갖고, Al은 대략 373W/mK의 TC를 갖고, Ag는 대략 429W/mK의 TC를 갖고, Au는 대략 317W/mK의 TC를 갖는다. 대안으로, 예를 들면, 방열부는 등급에 따라 450W/mK까지 달라지는 열 전도도를 갖는 흑연(graphite)을 포함할 수 있다. 분명히, 전이 금속 초경합금 삽입체(50)의 벌크 열 전도도는 도 5A에 도시된 바와 같이 고 전도성 중심 영역을 병합함으로써 크게 증가될 수 있다. 전도성 중심 영역[방열부(53)]의 존재는 절삭 표면(55)에서 열을 급속히 전달할 것으로 예상될 수 있으므로, 열의 축적과 열 균열의 발생을 막는다. 절삭부(51)의 파괴인성 또는 마모/침식 내성을 잃지 않고 열 전도도를 개선시킬 수 있다. 본 발명에 따른 제품들의 다른 실시예들, 예를 들면, 다른 절삭 삽입체, 공구, 압연기 롤, 및 밀봉 링은 유사한 방법으로 본원에 기재된 설계 원리에서 이익을 얻을 수 있다.
제1 예에 따른 절삭 삽입체는 삽입체의 몸체부에 있는 중앙의 막힌 구멍(central blind hole) 또는 리세스를 갖는 삽입체를 먼저 제작하고 열 전도성 금속 또는 금속 합금 열 방출 물질을 리세스에 배치하여 방열부를 제공함으로써 만들어질 수 있다. 특정한 실시예에서, 열적으로 전도성의 열 방출 물질은 물질을 가열하여 물질을 용용시킨 다음 용융된 물질을 리세스에 붓고 물질을 고체 형태로 냉각하게 함으로써 몸체부에 있는 리세스에 배치될 수 있다. 대안으로, 열 방출 물질은 고체 플러그로 리세스에 배치될 수 있거나 분말로 리세스에 배치될 수 있다. 고체 열 방출 물질은 억지끼워맞춤 및 압입 중 적어도 하나에 의하여 리세스에 고정될 수 있다(즉, 기계적으로 부착됨). 게다가, 분말 형태의 열 전도성 금속 또는 금속 합금을 리세스에 놓은 다음 조밀하게 채우기 위하여 적절히 다지고, 이에 의하여 열 방출 물질을 리세스에 기계적으로 부착한다. 상기 논의된 도 5A는 삽입체의 기저부에 있는 리세스에 용융된 또는 분말의 열 방출 물질을 배치함으로써 만들어질 수 있는 실시예를 도식적으로 설명한다. 또한, 분말 열 방출 물질을 리세스에 첨가한 다음에, 고체 플러그가 압입될 수 있거나 그렇지 않으면 리세스에 기계적으로 부착되어 그 결과 분말 열 방출 물질은 몸체부에 있는 공극 내에 기계적으로 부착될 수 있다. 또한 고체 플러그는 열 방출 물질을 포함하여 고체 플러그 및 고체 플러그에 의하여 몸체부에 있는 공극 내에 고정된 분말이 방열부를 구성할 수 있다. 또한, 고체 플러그를 리세스에 고정시키는 것은 리세스에 분말 열 방출 물질을 더욱 다지거나 채우게 할 수 있는데, 이것은 분말 그리고 더욱 일반적으로는 방열부의 열 전도도를 개선할 수 있다. 도 5B에 나타낸 대안적 설계에 있어서, 본 발명에 따른 절삭 삽입체는 삽입체의 몸체부에 배치된 하나 이상의 방열부를 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 굴착용 비트를 위한 절삭 삽입체의 또 하나의 실시예를 도시한다. 절삭 삽입체(60)는 반구형 절삭부(61) 및 기저부 또는 몸체부(62)를 포함한다. 절삭부(61)가 종래의 완전 조밀한 초경합금 물질로 구성되지만, 기저부(62)는 상호 연결된 작은 구멍을 갖는 초경합금으로 구성된다. 기저 영역에 있는 작은 구멍에 높은 열 전도성 금속 또는 금속 합금일 수 있는 열 방출 물질이 침투된다. 본원에서 논의한 바와 같이, 적절한 열 전도성 금속 또는 금속 합금은 초경합금의 열 전도도보다 큰 열 전도도를 갖는 물질이다. 적절한 열 방출 물질들의 예들은 제한되지 않지만, 구리, 알루미늄, 은, 금, 실리콘 카바이드, 질화알루미늄, 질화붕소, 알루미늄 실리콘 카바이드, 산화베릴륨, 실리콘-실리콘 카바이드, 알루미늄 실리콘 카바이드, 구리 텅스텐 합금, 구리 몰리브덴 카바이드, 탄소, 다이아몬드 및 이들의 조합물을 포함한다. 기저부(62)는 절삭부(61)보다 상당히 높은 열 전도도를 가질 것으로 예상될 수 있으므로, 도 5A에 서술된 실시예의 중앙-배치된 방열부와 유사한 방열판으로서 역할을 할 것이다. 이러한 실시예의 몸체부에서, 초경합금의 경질 입자들은 분산된 제1 상을 형성한다. 초경합금의 결합제는 제1 연속 상을 형성하는데, 여기서 경질 입자는 제1 연속 상 내에서 분산된다. 방열부는 제2 연속 상을 형성한다.
침투된 방열부를 갖는 제품을 만드는 방법들이 본원에 기술된다. 일부의 몰드(mold)는 휘산성 물질을 포함하는 초경합금 분말 블렌드(blend)로 채워질 수 있다. 휘산성 물질은 분말 금속 블렌드에 포함된 상대적으로 낮은 용융 온도의 물질이고 가열에 의하여 분말 압착물로부터 제거되고 이에 의해 상기 분말 압밀체 물질 또는 소결된 물질에 상호 연결된 작은 구멍을 제공한다. 휘산성 물질은 분말 금속 기술분야에 공지되어 있고, 제한되지 않으나 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같은 입자 고분자 및 왁스 입자를 포함한다. 분말 블렌드는 압밀되어 초기 압밀체를 형성할 수 있고, 그 후에 초기 압밀체(green compact)는 소결된다. 소결 공정 동안(또는 소결 전에 일부 다른 가열 공정 동안), 휘산성 물질은 용융, 연소 또는 증발 중 하나에 의하여 제거되고 이에 의해 일련의 상호 연결된 공극들을 제공한다. 상호 연결된 작은 구멍에 당해 분야에 공지된 침투 방법에 의하여 열 방출 물질이 침투된다. 예를 들면, 제품은 열 방출 물질의 용융 베스(molten bath)에 잠길 수 있다. 대안으로, 제품은 열 방출 물질의 덩어리와 접촉되어 열 방출 물질의 용융 온도 이상의 온도로 가열될 수 있다.
상호 연결된 작은 구멍으로 침투되는 열 방출 물질을 포함하는 제품의 대안적인 실시예는 먼저 제1 초경합금 분말로 몰드의 일부를 채움으로써 형성될 수 있다. 공극의 나머지 중 적어도 일부는 휘산성 물질을 포함하는 제2 초경합금 분말로 채워진다. 분말은 몰드에서 압밀되어서 2개의 영역들을 갖는 일체형 초기체(unitary green body)를 형성한다. 초기체는 소결되고 이에 의해 휘산성 물질을 제거하며 실질적으로 완전히 조밀한 초경합금의 제1 영역 및 상호 연결된 작은 구멍을 포함하는 초경합금의 제2 영역을 갖는 초경합금 제품을 생성한다. 제2 영역에 열 방출 물질이 침투된다.
본 발명에 따라 조립된 제품들은 예를 들면, 작동부 및 몸체부 중 적어도 하나에 혼성 초경합금(hybrid cemented carbide)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 절삭 삽입체 및 다른 제품들의 실시예들은 제한되지 않지만 본원에 참조문헌으로써 통합된, 동시-계류중인 미국 특허 출원 제10/735,379호에 기재된 혼성 초경합금과 같은 혼성 초경합금을 포함할 수 있다. 일반적으로, 혼성 초경합금은 제2 초경합금 연속 상 도처에 분산됨으로써 초경합금의 복합물을 형성하는 적어도 하나의 초경합금 등급의 입자들을 포함하는 물질이다. 예를 들면, 미국 특허 출원 제 10/735,379호의 혼성 초경합금은 다른 혼성 초경합금에 비해 낮은 근접 비율(contiguity ratio) 및 개선된 성질들을 갖는다. 바람직하게는, 혼성 초경합금의 분산 상의 근접 비율은 0.48보다 작거나 같을 수 있다. 또한, 본 발명의 혼성 초경합금 복합물은 연속 상의 경도(hardness)보다 큰 경도를 갖는 분산 상을 바람직하게 가질 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 하나 이상의 절삭 삽입체 및 다른 제품들에서 사용되는 혼성 초경합금의 특정 실시예에서, 분산 상의 경도는 바람직하게는 88 HRA이상이고 95 HRA이하이고, 연속 상의 경도는 78 이상이고 91 HRA이하이다.
본 발명에 따른 절삭 삽입체 및 다른 제품들의 추가 실시예들은 제1 초경합금 분산 상 및 제2 초경합금 연속 상을 포함하는 혼성 초경합금 복합물을 포함할 수 있는데, 여기서 제1 초경합금 분산 상의 부피 분율은 50부피%보다 작고 분산 상의 근접 비율은 복합 물질에서 분산 상의 부피 분율의 1.5배보다 작거나 같다.
초경합금의 제품을 위한 제조 공정은 전형적으로 경질 전이 금속 카바이드 입자를 포함하는 분말 금속을 블렌딩하거나 혼합하는 단계를 포함하고 분말 금속은 분말 블렌드를 형성하기 위한 결합제를 포함한다. 분말 블렌드는 압밀되거나 압착되어서 초기 압밀체를 형성할 수 있다. 그 다음에 초기 압밀체는 소결되어 고체 일체식 구조(solid monolithic construction)를 갖는 제품 또는 제품의 일부를 형성한다. 본원에 사용된 바와 같이, 제품 또는 제품의 일부가 예를 들면, 제품 또는 영역 내의 작동 부피에서 실질적으로 동일한 특성을 갖는 초경합금 물질과 같은 물질로 구성되는 경우, 제품 또는 제품의 일부는 일체식 구조를 갖는다. 소결 다음에, 제품은 적당히 가공되어서, 원하는 모양 또는 특정 기하학적 구조의 다른 형태들로 형성할 수 있다. 예를 들면, 분말 블렌드는 기계적으로 또는 등방적으로 분말 블렌드를 압축함으로써 압밀되어서 초기 압밀체를 형성할 수 있다. 그 후 초기 압밀체가 소결되어 압밀체가 더욱 치밀하게 되고 제품의 영역들 또는 부분들 사이의 자기발생적인 결합을 형성한다. 바람직하게, 압착물은 300-2000 psi의 압력에서 그리고 1350-1500℃의 온도에서 과압(over pressure) 소결된다.
본 발명의 실시예들은 드릴링 비트 또는 굴착용 비트를 위한 절삭 삽입체들을 제조하는 방법들을 포함한다. 그러나 이러한 방법들은 또한 예를 들면, 절삭 공구, 회전 공구, 회전 공구 삽입체, 드릴, 나이프, 슬리터, 압연기 롤 및 밀봉 링을 포함하는 본 발명에 따른 제품들을 형성하는데 적합할 수 있다. 하나의 이러한 방법은 몰드의 공극의 제1 영역에 초경합금 분말 블렌드를 넣는 단계를 포함한다. 고체 열 방출 물질, 가령 하나 이상의 고체 조각들의 열 방출 물질은 몰드의 공극의 제2 영역에 넣어질 수 있다. 열 방출 물질과 함께 절삭 삽입체에 포함될 초경합금의 영역들의 수에 따라, 몰드는 추가적인 분말이 배치될 수 있는 추가 영역들로 구분될 수 있다. 예를 들면, 몰드는 여러 개의 영역들을 한정하기 위하여 몰드의 공극에 하나 이상의 물리적 칸막이를 넣음으로써 또는 칸막이를 제공하지 않고 단지 몰드의 부분들을 채움으로써 영역들로 분리될 수 있다. 본원에 기재된 바와 같이, 분말은 해당 절삭 삽입체의 부분들의 원하는 성질을 달성하도록 선택된다. 그 다음 몰드 내에 있는 분말과 고체 열 방출 물질은 동시에 기계적으로 또는 등방적으로 압축되어 분말과 열 방출 물질 고체가 함께 치밀해져서 압밀된 분말과 열 방출 물질의 초기 압밀체를 형성한다. 그 다음 초기 압밀체는 원래 몰드에 첨가된 압밀된 분말의 밀도를 높이기 위하여 소결될 수 있다. 그러나, 초경합금 분말을 소결하기 위하여, 초경합금 분말과 열 방출 물질이 가열되는 동시에 서로 접촉하고 있는 본 발명에 따른 실시예에서, 열 방출 물질은 소결 온도 보다 더 높은 용융 온도를 가져야만 한다. 특히, 전통적인 초경합금 분말 소결 온도보다 더 낮은 용융 온도를 갖는 본원에 기재된 열 방출 물질(예를 들면, 구리, 알루미늄, 은 및 금)에 대하여, 이러한 열 방출 물질들은 젖지 않으며, 분말 열 방출 물질과 접촉하는 초경합금 분말을 공동-소결함으로써 형성되는 초경합금과 금속학적 결합(metallurgical bond)을 형성하지 않을 것이다.
열 방출 물질은 삽입체의 작동부와 접촉하거나 그렇지 않으면 열로 소통하는 방열부를 형성하거나 포함한다. 방열부를 포함하는 소결된 압착물을 제조하는 상술한 방법은 임의의 모양일 수 있고 다른 물리적 기하학적 형태들을 가질 수 있는 절삭 삽입체를 제공한다. 본 발명에 따른 방법들로 형성된 특히 유익한 절삭 삽입체의 모양 및 형태는 절삭 삽입체를 제조하는 해당 분야의 종사자들에게 공지되어 있을 것이다.
본 발명에 따른 특정한 방법들에 있어서, 초경합금 분말은 몰드에서 압밀되어서 초기 압밀체를 형성하고 초기 압밀체는 열 방출 물질이 제품에 첨가되기 전에 소결된다.
다른 실시예들에서, 초경합금 분말은 몰드에 첨가되고 압밀되어서 제1 초기 압밀체를 형성한다. 그 후에 열 방출 물질은 제1 초기 압밀체에 첨가되고 복합 물질(combined material)들은 압밀된다. 그 후 제2 초기 압밀체는 소결되어 제품을 형성한다. 제품은 초경합금 분말을 소결하는 동안 형성된 초경합금을 포함하는 작동부 및 열 방출 물질을 포함하는 방열부를 포함한다. 그러나, 본원의 열 방출 물질의 성질을 고려하면, 금속학적 결합은 가열하는 동안 작동부와 방열부 사이에서 형성되지 않는다.
본 발명의 방법의 또 다른 실시예는 몰드에서 초경합금을 압밀하여 리세스를 포함하는 제1 초기 압밀체를 형성하는 단계를 포함한다. 그 다음 리세스는 열 방출 금속으로 채워질 수 있다. 제1 초기 압밀체는 열 방출 물질을 추가하기 전에 소결될 수 있다. 또한 제1 초기 압밀체는 열 방출 물질이 고체 형태로 첨가되고 소결 온도보다 높은 용융 온도를 갖는 경우 열 방출 물질의 첨가 이후에 소결될 수 있다. 원한다면, 제1 초기 압밀체는 약 1200℃의 온도까지 예비소결되어서 열 방출 물질을 첨가하기에 앞서 초기 압밀체에 강도(strength)를 제공할 수 있다. 열 방출 물질이 고체인 특정 실시예들에서, 고체는 고체를 리세스 상에 수축-끼워맞춤 또는 압력-끼워맞춤으로써 리세스에 고정될 수 있다.
본 발명에 따른 제품을 만드는 방법의 특정한 실시에들에서, 초경합금을 포함하는, 소결체(sintered body)가 제조되고 열 방출 물질은 소결체 내에 배치되고 그리고 소결체에 기계적으로 부착된다. 열 방출 물질은 초경합금의 열 전도도보다 큰 열 전도도를 갖는다. 소결체는 리세스를 포함할 수 있고, 열 방출 물질을 첨가하는 단계는 리세스에 열 방출 물질을 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 열 방출 물질은 고체, 분말, 액체 또는 이들의 조합물들일 수 있다. 고체는 예를 들면, 압입 또는 억지끼워맞춤에 의하여 리세스에 첨가될 수 있고, 이에 의해 고체 열 방출 물질과 리세스 사이의 기계적 결합(mechanical bond)을 형성한다. 다른 실시예들에서, 분말 열 방출 물질은 리세스에 배치된다. 분말은 리세스에서 압축될 수 있다. 또한, 특정 실시예에서, 분말 열 방출 물질을 첨가한 후에 이 분말은 리세스에 고체 플러그를 배치함으로써 리세스 내에서 압축되고 고정되어서, 리세스 내에서 기계적 밀봉을 형성한다.
본 발명의 이러한 방법의 실시예들은 절삭 삽입체 설계자가 특별 응용을 위하여 각각의 부분을 서로 다른 모양으로 설계함에 있어서 증가된 융통성을 제공한다. 초기 압밀체는 원하는 초경합금 물질로부터 원하는 모양으로 설계될 수 있다.
당해 분야의 기술자는 소결(sintering) 및 압밀(consolidation)이 초경합금 절삭 삽입체 및 다른 제품들을 형성하는데 필요한 공정 요소들임을 이해할 것이다. 이러한 요소들은 본 발명의 방법들에 사용될 수 있다. 예들 들면, 본 발명에 따른 절삭 삽입체 및 다른 제품들을 형성하는데 사용되는 초경합금 분말의 소결은 제품의 밀도를 높이는데 적절한 온도에서, 가령 1500℃까지의 온도에서 수행될 수 있다.
본 설명은 발명의 명확한 이해와 관련된 발명의 이러한 양상들을 설명하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 본 설명을 단순화하기 위하여 당해 분야의 당업자들에게 명백해서 발명의 더 나은 이해를 용이하게 하지 않는 발명의 특정 양상들은 나타내지 않았다. 본 발명의 실시예들이 설명되었을지라도 앞서 말한 설명을 고려했을 때, 당해 분야의 당업자는 발명의 수많은 변경과 변형들이 가능함을 인정할 것이다. 발명의 이러한 변동 및 변형 모두는 앞서 말한 설명 및 다음의 청구항에 포함되는 것으로 간주된다.
제품은 초경합금(cemented carbide)을 포함하는 작동부(working portion) 및 작동부와 열 소통하는 방열부(heat sink portion)를 포함한다. 방열부는 초경합금의 열 전도도보다 더 큰 열 전도도를 갖는 열 방출 물질을 포함한다. 또한, 초경합금을 포함하는 작동부 및 작동부와 열 소통하는 방열부를 포함하고 초경합금의 열 전도도보다 더 큰 열 전도도를 갖는 열 방출 물질을 포함하는 제품을 만드는 방법이 공개된다. 방열부는 작동부로부터 열을 전달한다.

Claims (50)

  1. 다음을 포함하는 제품:
    티타늄, 크롬, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈룸, 몰리브덴, 니오븀, 및 텅스텐에서 선택된 적어도 하나의 전이 금속의 경질 카바이드 입자들 및 결합제를 포함하는 초경합금(cemented carbide)을 포함하는 작동부(working portion);
    상기 작동부를 지지하고 리세스(recess)를 포함하는 몸체부(body portion);
    상기 초경합금의 열 전도도보다 큰 열 전도도를 갖는 열 방출 물질을 포함하는 방열부(heat sink portion), 여기서 상기 방열부는 작동부와 열 소통하고 작동부로부터 열을 전달하며; 여기서 상기 방열부의 일부 또는 전부는 상기 리세스 내에 있음.
  2. 제 1항에 있어서, 방열부는 몸체부에 접촉하는 제품.
  3. 제 1항에 있어서, 방열부는 몸체부의 일부 또는 전부를 포함하는 제품.
  4. 제 1항에 있어서, 작동부는 접촉부 및 절삭부(cutting portion) 중 하나인 제품.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서, 작동부는 절삭부이고 제품은 굴착용 비트, 절삭 삽입체, 절삭 공구, 회전 공구, 회전 공구 삽입체, 드릴, 나이프 및 슬리터에서 선택되는 제품.
  7. 제 1항에 있어서, 작동부는 외부 부분이고 방열부는 내부 부분, 중심 부분 및 일부 또는 전부의 몸체부 중 적어도 하나인 제품.
  8. 제 1항에 있어서, 방열부는 압입(press fitting), 억지끼워맞춤(shrink fitting), 패스너(fastener), 납땜(soldering), 경납땜(brazing), 접착제 및 클램핑 중 적어도 하나에 의하여 몸체부에 기계적으로 부착되는 제품.
  9. 제 1항에 있어서, 결합제는 코발트, 니켈 및 철 중 적어도 하나를 포함하는 제품.
  10. 제 1항에 있어서, 초경합금은 텅스텐 카바이드의 경질 입자, 및 코발트를 포함하는 결합제를 포함하는 제품.
  11. 제 1항에 있어서, 초경합금은 2 내지 40중량%의 상기 결합제 및 60 내지 98중량%의 상기 입자들을 포함하는 제품.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 경질 입자들은 0.3 내지 10μm의 평균 입자 크기를 갖는 텅스텐 카바이드 입자들을 포함하는 제품.
  13. 제 1항에 있어서, 열 방출 물질은 150W/mK보다 큰 열 전도도를 가지는 제품.
  14. 제 1항에 있어서, 열 방출 물질은 구리, 알루미늄, 은, 금, 실리콘 카바이드, 질화알루미늄, 질화붕소, 알루미늄 실리콘 카바이드, 산화베릴륨, 실리콘-실리콘 카바이드, 알루미늄 실리콘 카바이드, 구리 텅스텐 합금, 구리 몰리브덴 카바이드, 탄소, 다이아몬드, 흑연(graphite) 및 이들 중 2개 이상의 조합물로부터 선택된 하나 이상의 종류의 물질을 포함하는 제품.
  15. 제 1항에 있어서, 초경합금은 혼성 초경합금을 포함하는 제품.
  16. 제 15항에 있어서, 혼성 초경합금은 다음을 포함하는 제품:
    초경합금 분산 상; 및
    초경합금 연속 상,
    여기서 분산 상의 근접비(contiguity ratio)은 0.48이하임.
  17. 삭제
  18. 제 2항에 있어서, 방열부는 고체 플러그 및 분말 중 적어도 하나를 포함하는 제품.
  19. 제 2항에 있어서, 방열부는 리세스 내에서 기계적 밀봉을 형성하고 몸체부 내에 공극(void)을 한정하는 고체 플러그(solid plug)를 포함하고, 여기서 방열부는 공극 내에 분말을 추가로 포함하는 제품.
  20. 제 1항에 있어서, 방열부는 다음을 포함하는 제품:
    상기 경질 입자들을 포함하는 제1 분산 상;
    상기 결합제를 포함하는 제1 연속 상, 여기서 경질 입자들은 제1 연속 상 내에 분산되고; 및
    상기 열 방출 물질을 포함하는 제2 연속 상.
  21. 제 3항에 있어서, 제품은 다음을 포함하는 압연기 롤인 제품:
    제1 단부 및 반대편 제2 단부를 포함하는 접촉부, 및 제1 단부와 제2 단부 사이에서 뻗어있고 접촉 표면을 포함하는 환상 외부 벽; 및
    접촉부를 지지하고 압연기 롤을 통과하여 세로로 뻗어있는 구멍(bore)을 한정하는 환상 내부 벽을 포함하는 몸체부, 여기서 내부 벽은 그 안에 리세스를 포함하며;
    여기서 방열부의 일부 또는 전부는 리세스에 배치됨.
  22. 제 3항에 있어서, 제품은 다음을 포함하는 밀봉 링인 제품:
    접촉 표면을 포함하는 제1 면을 포함하는 접촉부; 및
    접촉부를 지지하고, 내부에서 리세스를 한정하는 제2 면을 포함하는 몸체부, 여기서 환상 외부 벽은 제1 면과 제2 면 사이에 뻗어있고, 환상 내부 벽은 제1 면과 제2 면 사이에 뻗어있으며 제1 면과 제2 면 사이에 뻗어 있고 제1 면과 제2 면 상에 열려있는 구멍을 한정하고; 및
    여기서 방열부의 일부 또는 전부는 리세스 내에 배치됨.
  23. 다음을 포함하는, 굴착용 비트, 절삭 삽입체, 절삭 공구, 회전 공구, 회전 공구 삽입체, 드릴, 나이프 및 슬리터에서 선택된 제품:
    티타늄, 크롬, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈룸, 몰리브덴, 니오븀, 및 텅스텐에서 선택된 적어도 하나의 전이 금속의 경질 카바이드 입자들 및 코발트, 니켈 및 철 중 적어도 하나를 포함하는 결합제를 포함하는 초경합금을 포함하고, 절삭 표면을 포함하는 절삭부(cutting portion);
    절삭부를 지지하고 리세스를 포함하는 몸체부; 및
    몸체부에 접촉하고 구리, 알루미늄, 은, 금, 실리콘 카바이드, 질화알루미늄, 질화붕소, 알루미늄 실리콘 카바이드, 산화베릴륨, 실리콘-실리콘 카바이드, 알루미늄 실리콘 카바이드, 구리 텅스텐 합금, 구리 몰리브덴 카바이드, 탄소, 다이아몬드, 및 흑연 중 적어도 하나를 포함하고 초경합금의 열 전도도보다 큰 열 전도도를 갖는 물질을 포함하는 방열부, 여기서 방열부는 작동부와 열 소통하고 작동부로부터 나온 열을 전달하며, 상기 방열부의 일부 또는 전부는 리세스 내에 있음.
  24. 다음을 포함하는 압연기 롤:
    티타늄, 크롬, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈룸, 몰리브덴, 니오븀, 및 텅스텐에서 선택된 적어도 하나의 전이금속의 경질 카바이드 입자들 및 코발트, 니켈, 및 철 중 적어도 하나를 포함하는 결합제를 포함하는 초경합금을 포함하고,
    제1 단부와 반대편 제2 단부 및
    제1 단부와 제2 단부 사이에 뻗어있고 접촉 표면을 포함하는 환상 외부 벽
    을 추가로 포함하는 접촉부;
    접촉부를 지지하고, 압연기 롤을 통과하여 수직적으로 뻗어있는 구멍을 한정하는 환형 내부 벽을 포함하는 몸체부, 여기서 내부 벽은 그 안에 리세스를 포함함; 및
    몸체부와 접촉하고 구리, 알루미늄, 은, 금, 실리콘 카바이드, 질화알루미늄, 질화붕소, 알루미늄 실리콘 카바이드, 산화베릴륨, 실리콘-실리콘 카바이드, 알루미늄 실리콘 카바이드, 구리 텅스텐 합금, 구리 몰리브덴 카바이드, 탄소, 다이아몬드 및 흑연 중 적어도 하나를 포함하고 초경합금의 열 전도도보다 큰 열 전도도를 갖는 물질을 포함하는 방열부, 여기서 방열부의 일부 또는 전부는 리세스 내에 배치되고 방열부는 작동부와 열 소통하고 작동부로부터 나온 열을 전달함.
  25. 다음을 포함하는 밀봉 링(seal ring):
    티타늄, 크롬, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈룸, 몰리브덴, 니오븀, 및 텅스텐에서 선택된 적어도 하나의 전이 금속의 경질 카바이드 입자들 및 코발트, 니켈 및 철 중 적어도 하나를 포함하는 결합제를 포함하는 초경합금을 포함하고, 접촉 표면을 포함하는 제1 면을 추가로 포함하는 접촉부;
    접촉부를 지지하고 접촉부에 리세스를 한정하는 제1 면을 포함하는 몸체부, 여기서 환형 내부 벽은 제1 면과 제2 면 사이에 뻗어있고, 제1 면과 제2 면 사이에 뻗어있고 제1 면과 제2 면 상에 열려있는 구멍을 한정하고; 및
    구리, 알루미늄, 은, 금, 실리콘 카바이드, 질화알루미늄, 질화붕소, 알루미늄 실리콘 카바이드, 산화베릴륨, 실리콘-실리콘 카바이드, 알루미늄 실리콘 카바이드, 구리 텅스텐 합금, 구리 몰리브덴 카바이드, 탄소, 다이아몬드, 및 흑연 중 적어도 하나를 포함하고 초경합금의 열 전도도보다 큰 열 전도도를 갖는 물질을 포함하는 방열부, 여기서 방열부의 일부 또는 전부는 리세스 내에 배치되고 방열부는 작동부와 열 소통하고 작동부로부터 나온 열을 전달함.
  26. 다음을 포함하는, 제 1항 내지 제 4항, 제 6항 내지 제 16항 및 제 18항 내지 제 22항 중 어느 한 항에 따른 제품을 만드는 방법:
    티타늄, 크롬, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈룸, 몰리브덴, 니오븀, 및 텅스텐에서 선택된 적어도 하나의 전이 금속의 경질 카바이드 입자들 및 결합제를 포함하는 초경합금을 포함하는 작동부를 제공하는 단계;
    리세스를 포함하는 몸체부를 제공하는 단계; 및
    작동부와 열 소통하고 초경합금의 열 전도도보다 큰 열 전도도를 갖는 열 방출 물질을 포함하는 방열부를 제공하는 단계;
    여기서 방열부를 제공하는 단계는 상기 리세스 내에 열 방출 물질을 배치함을 포함함.
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 삭제
  30. 삭제
  31. 제 26항에 있어서, 작동부를 제공하는 단계 및 몸체부를 제공하는 단계 중 적어도 하나는 초경합금을 포함하는 소결체(sintered body)를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  32. 삭제
  33. 삭제
  34. 제 26항에 있어서, 열 방출 물질은 고체 플러그, 용융된 물질, 분말, 및 이들의 2개 이상의 조합물에서 선택된 방법.
  35. 제 34항에 있어서,
    열 방출 물질은 고체를 포함하고;
    방열부를 제공하는 단계는 리세스 안으로 고체 플러그를 억지끼워맞춤 및 압입 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  36. 제 35항에 있어서,
    열 방출 물질은 분말 열 방출 물질을 포함하고;
    방열부를 제공하는 단계는 리세스 내에 분말을 배치하는 단계 및 리세스에 분말을 기계적으로 부착하기 위하여 리세스 내에 고체 플러그를 배치하는 단계를 포함하는 방법.
  37. 제 34항에 있어서,
    몸체부를 제공하는 단계는 초경합금 분말로 몰드의 공극을 부분적으로 채우는 단계를 포함하고;
    방열부를 제공하는 단계는 공극에 열 방출 물질을 배치하는 단계를 포함하며, 여기서 열 방출 물질은 고체이고 초경합금 분말의 소결 온도보다 높은 용융점을 갖고,
    여기서 초경합금 분말과 열 방출 물질은 초경합금 분말의 소결 온도에서 가열되고, 소결 온도는 열 방출 물질의 용융 온도보다 낮은 방법.
  38. 제 37항에 있어서, 공극에 열 방출 물질을 배치하기 전에, 공극 내에 있는 초경합금 분말을 압밀하는(consolidating) 단계를 더 포함하는 방법.
  39. 제 37항에 있어서, 공극에 열 방출 물질을 배치한 다음 그리고 초경합금 분말의 소결 온도에서 초경합금 분말과 열 방출 물질을 가열하기 전에, 초경합금 분말과 열 방출 물질을 압밀하는 단계를 더 포함하며, 여기서 소결 온도는 열 방출 물질의 용융 온도보다 낮은 방법.
  40. 제 37항에 있어서,
    공극에 열 방출 물질을 배치하기 전에, 초경합금 분말을 압밀하여 제1 초기 압밀체를 제공하는 단계;
    소결 온도에서 가열하기 전에, 제1 초기 압밀체과 열 방출 물질을 압밀하여 제2 초기 압밀체를 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
  41. 삭제
  42. 삭제
  43. 삭제
  44. 삭제
  45. 삭제
  46. 제 26항에 있어서,
    제1 초경합금 분말로 몰드의 공극을 부분적으로 채우는 단계;
    제2 초경합금 분말의 소결 온도보다 낮은 용융 온도를 갖는 휘산성 물질(fugitive material)을 포함하는 제2 초경합금 분말로 공극의 나머지를 부분적으로 또는 전체적으로 채우는 단계;
    초기 압밀체(green compact)을 형성하기 위하여 제1 초경합금 분말과 제2 초경합금 분말을 압밀하는 단계;
    휘산성 물질을 제거하고 상호 연결된 작은 구멍을 포함하는 제2 초경합금 영역 및 제1 초경합금의 영역을 포함하는 소결된 제품을 형성하기 위하여 초기 압밀체를 소결하는 단계; 및
    제2 초경합금의 상호 연결된 작은 구멍에 있는 열 방출 물질을 처리하는 단계이되, 여기서 열 방출 물질은 제1 초경합금보다 큰 열 전도도를 가지는 단계를 포함하는 방법.
  47. 제 46항에 있어서, 열 방출 물질은 구리, 알루미늄, 은 및 금 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  48. 다음을 포함하는 제품:
    결합제, 및 티타늄, 크롬, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈룸, 몰리브덴, 니오븀, 및 텅스텐에서 선택된 적어도 하나의 전이 금속의 경질 카바이드 입자들을 포함하는 초경합금을 포함하는 절삭부;
    중심축; 및
    중심축에 나란한 방열부, 여기서 방열부는 초경합금의 열 전도도보다 큰 열 전도도를 갖는 열 방출 물질을 포함하고, 여기서 방열부는 작동부와 열 소통하고 작동부로부터 나온 열을 전달함.
  49. 다음을 포함하는 제품:
    코발트, 니켈, 철, 코발트 합금, 니켈 합금, 철 합금, 및 이의 조합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 종류의 결합제, 및 티타늄, 크롬, 바나듐, 지르코늄, 하프늄, 탄탈룸, 몰리브덴, 니오븀, 및 텅스텐에서 선택된 적어도 하나의 전이 금속의 경질 카바이드 입자들을 포함하는 초경합금으로 이루어진 절삭 표면을 포함하는 절삭부; 및
    초경합금의 열 전도도보다 큰 열 전도도를 갖는 열 방출 물질을 포함하는 방열부, 여기서 방열부는 절삭부와 열 소통하고 절삭부로부터 나온 열을 전달하고;
    여기서 방열부는 450 W/mK 이하의 열 전도도를 가짐.
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