KR101456913B1 - Pcd 및 pcbn을 포함하는 다층 공구 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로 본 발명에 따른 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구는 PcBN 레이어; 및 상기 PcBN 레이어와의 사이에 계면이 형성되는 PCD 레이어;를 포함하고, 상기 PCD 레이어의 소결온도 및 소결압력을 내리는 확산제가 상기 PCD 레이어 및 상기 PcBN 레이어 사이의 계면으로부터 확산되어 농도 기울기를 형성한다.
본 발명에 따른 다층 공구소재를 이용하게 되면 기판없이도 이종 소재간의 접합이 가능하며, 내마모성 등의 제품 기준을 충족하면서도 기존 두개의 공구로써 절삭하던 방식을 하나의 공구소재로 가능하게 되며 다양한 소재 접합 제품의 가공이 용이하여 가공 시간을 절약할 수 있다.

Description

PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구 및 그 제조방법{Multilayer tools having poly-crystalline diamond/poly-crystalline cubic boron nitride and the manufacturing method thereof}
본 발명은 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공구의 특성과 접합성을 고려한 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구 및 그 제조방법에 관한 것이다.
다결정 다이아몬드 소결체(PCD, Poly-Crystalline Diamond, 이하 'PCD'라 함)는 미세한 다이아몬드 분말을 초경기판과 함께 소결한 형태로서, 가구용 목재, 자동차용 비철금속, 인쇄회로기판 및 기타 산업용 신소재등의 절삭가공에 사용되는 공구의 핵심 소재이다. 다결정 다이아몬드 소결체는 주로 원형 모양으로 생산되나 주문의 형태에 따라 다른 모양으로 재가공된다.
또한 다결정 입방정 질화붕소 화합물(PCBN:Poly-Crystalline Cubic Boron Nitride, 이하 'PCBN'이라 함)은 다이아몬드가 철계 금속과는 산화가 잘되는 특성을 갖기 때문에 다이아몬드로는 가공할 수 없는 철계 금속에 주로 사용되는 것으로서, 주로 자동차, 각종 기계부품 등 주철 및 열처리강의 절삭가공에 사용된다. PCBN은 합성 다이아몬드 가공기법으로 헥사곤 보론 나이트를 주원료로 하여 CBN(Cubic Boron Nitride)을 생성한 후, PCD제조기법을 응용하여 미세한 CBN분말과 특수 화인 세라믹분말을 소결하여 제조한다.
한편, 작업의 효율을 위하여 하나의 공구에 PCD 및 PCBN을 모두 포함하는 다층 공구를 이용할 수 있다. 이미 다층 PCD 및 PCBN을 접합하는 기술이 제안된바 있으나, 기존에는 텅스텐 카바이드(WC) 기판을 이용하여 다층으로 제작하거나 바이트 제작시 양쪽에 다른 제종을 접합하는 방식을 사용한다.
그러나 두꺼운 PCD를 제조하기에는 아직 많은 기술적 제약이 따른다. 또한 초경기판을 이용하지 않고 PCD소재를 제조하는 기술은 아직 알려져 있지 않다.
본 발명은 철족 금속 가공용 PCBN과 세라믹 및 비철계 금속 가공에 사용되는 PCD공구 소재를 초경기판 등을 사용하지 않고 하나로하여 복합소재분야와 세라믹 폴리머 금속의 다양한 제품의 가공시 가속시간을 줄여주며 다양한 분야에 범용으로 사용가능한 다층 PCD PCBN 공구소재를 제공한다.
또한 본 발명은 PCD 및 PCBN의 접합성 뿐 아니라 내마모성 및 내충격성의 구현이 가능한 PCD PCBN 공구소재 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구는 PcBN 레이어; 및 상기 PcBN 레이어와의 사이에 계면이 형성되는 PCD 레이어;를 포함하고, 상기 PCD 레이어의 소결온도 및 소결압력을 내리는 확산제가 상기 PCD 레이어 및 상기 PcBN 레이어 사이의 계면으로부터 확산되어 농도 기울기를 형성한다.
또한 상기 확산제는 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 어느 하나일 수 있다.
또한 상기 PCD 레이어 및 상기 PcBN 레이어는 상기 계면의 타측 단부에서 상기 확산제의 농도 최저점이 형성될 수 있다.
또한 상기 PCD 레이어는 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 어느 하나의 바인더를 포함할 수 있다.
나아가 상기 PCD 레이어의 공구 특성은 상기 계면의 타측 단부의 확산제 농도와 상기 바인더의 농도의 합에 의하여 결정될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구 제조방법은 PCD 및 PCBN 분말을 준비하는 제1 단계; 상기 PCD 분말 및 상기 PCBN 분말을 각각 가압하여PCD 레이어 및 PCBN 레이어로 가성형하는 제2 단계; 및 상기 가성형된 PCD 레이어 및 PCBN 레이어의 사이에 확산제 플레이트를 삽입한 상태로 소결하여 상기 확산제 플레이트를 상기 PCD 레이어 및 상기 PCBN 레이어 내로 확산시키는 제3 단계;를 포함한다.
또한 상기 확산 플레이트는 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 어느 하나일 수 있다.
또한 상기 확산제 플레이트는 0.03mm 내지 0.2mm의 두께로 형성될 수 있다.
또한 상기 제3 단계에서는 상기 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 어느 하나의 바인더를 포함하여 소결될 수 있다.
나아가 특정 내마모성 및 내충격성에 해당하는 특질을 구현하기 위한 바인더의 함량은 상기 확산제 플레이트로부터 확산된 확산제의 농도를 고려하여 결정될 수 있다.
본 발명에 따르면 초경기판 등을 이용하지 않고서도 접합함으로써 다층 공구를 제작할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 접합에 이용되는 확산제가 접합면으로부터 확산되도록 함으로써 공구의 절삭면의 내마모성에는 최소한의 영향을 미치도록 할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 다층 공구소재를 이용하게 되면 기판 없이도 이종 소재간의 접합이 가능하며, 내마모성 등의 제품 기준을 충족하면서도 기존 두개의 공구로써 절삭하던 방식을 하나의 공구소재로 가능하게 되며 다양한 소재 접합 제품의 가공이 용이하여 가공 시간을 절약할 수 있다.
도 1은 PCD 및 PCBN의 소결 압력 및 소결 온도를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 공구 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 공구의 소결과정을 나타내는 개략도이다.
도 6은 계면을 중심으로 거리에 따라 형성되는 확산제의 농도 분포를 나타내는 그래프이다.
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. 한편, 도면상에서 표시되는 각 구성은 설명의 편의를 위하여 그 두께나 치수가 과장될 수 있으며, 실제로 해당 치수나 구성간의 비율로 구성되어야 함을 의미하지는 않는다.
도 1을 참조하여 본 발명의 이종 소개간의 접합방법 및 그 기술적 배경에 대하여 설명한다. 도 1은 PCD 및 PCBN의 소결 압력 및 소결 온도를 나타내는 그래프이다.
PCD와 PCBN은 소결 압력과 소결 온도가 다르다. PCD는 일정 온도 조건 하에서는 도 1의 PCD 소결 온도 및 소결 압력 그래프의 상부, 즉 그래프보다 압력이 높은 환경하에서 소결이 가능하다. 마찬가지로 PCBN은 일정 온도 조건 하에서는 도 1의 PCBN 소결 온도 및 소결 압력 그래프의 상부, 즉 그래프보다 압력이 높은 환경하에서 소결이 가능하다. 따라서 PCD와 PCBN이 동시에 소결이 되기 위해서는 동일 온도 하에서 보다 높은 압력 조건을 갖는 PCD의 소결 압력 이상의 환경에서 소결이 이루어져야 한다.
이러한 이유로 이종 재질간의 접합을 하기 위해서 압력을 올리는 방법이 많이 이용된다. 다만, 이러한 높은 압력을 가할 수 있도록 WC(텅스텐카바이드) 재질의 기판이 필요하다.
기판을 이용하지 않기 위해서는 일정 온도 하에서 PCD의 소결 압력을 내리는 방법을 생각해 볼 수 있다. 한편 PCD 분말에 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 들을 바인더로 첨가하는 경우 소결 온도 및 소결 압력을 낮출 수 있다.
구체적으로 본 발명에 따른 소결 공정은 도 1에 도시된 바와 같이 일정 온도 범위(T1, T2), 약 1200~1800? 에서 수행되며, 바람직하게는 약 1350?(T3)에서 수행된다. 이 경우 PCBN 분말은 P2 이상의 압력에서 소결이 가능하며, PCD 분말은 P1 이상의 압력에서 소결이 가능하다. 이 때 본원 발명은 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb)을 첨가하여 소결시킴으로써 PCD 분말이 일정 온도하에서 소결될 수 있는 최소 압력을 떨어뜨리게된다. 본 발명은 이러한 점을 이용하여 초경 재질 등을 이용한 기판없이 이종 재질간의 접합에 의한 다층 공구를 제조하고자 한다.
도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 공구를 그 제조 프로세스와 함께 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 공구 제조방법을 나타내는 순서도이고, 도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 공구의 소결과정을 나타내는 개략도이다. 또한 도 6은 계면을 중심으로 거리에 따라 형성되는 확산제의 농도 분포를 나타내는 그래프이다.
본 발명에 따른 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구를 제조하기 위하여 먼저 PCD 및 PCBN 분말을 준비한다(S10).
이 때 PCD 분말과 PCBN 분말의 소결을 위하여 금속 바인더를 첨가할 수 있다. 특히 본 발명에 따른 PCD 분말을 이용하여 레이어를 형성하기 위하여 PCD 분말이나 PCBN 분말에 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 등의 바인더를 첨가할 수 있다.
바인더 첨가시 PCD 분말 PCBN 분말 각각과 바인더를 혼합해 준다. 혼합방법으로는 건식 또는 습식의 볼밀링(ball mill)방법을 이용할 수 있다.
이어서 PCD 분말 및 PCBN 분말을 소결하기 위하여 형태로 가성형한다(S20). 가성형 단계에서는 PCD 분말 및 PCBN 분말을 일정한 형태로 형성하기 위하여 가압한다. 도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예에서의 PCD 분말 및 PCBN 분말은 각각 디스크 형상으로 가압하여 일정한 형태를 유지하도록 가성형된다.
한편, 가성형된 PCD 레이어(20) 및 PCBN 레이어(30)를 이용하여 소결하기 위한 형태로 조립한다. 이 때 PCD 레이어(20) 및 PCBN 레이어(30) 사이에는 확산제 플레이트(10)가 개재된다.
확산제 플레이트(10)는 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 어느 하나의 성분을 포함한다. 또한 확산제 플레이트(10)는 0.03mm 내지 0.2mm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 확산제 플레이트(10)의 두께가 0.2mm를 초과하는 경우 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 등의 확산제가 PCD나 PCBN 레이어 내로 확산해 나가는데는 문제가 없으나 제품 제조 후 제품의 품질면에서 문제가 발생할 수 있다. 특히 알루미늄 등은 PCD 및 PCBN 레이어와는 열팽창률이 달라서 완제품을 이용하여 고온에서 작업하는 경우 크랙이 발생할 수 있다. 따라서 제품의 작업 조건과 관련하여 적정 온도 범위가 줄어들게 된다. 또한 확산제 풀레이트(10)가 0.03 미만의 두께로 삽입되는 경우 소결 시에 충분한 확산이 이루어지지 않아 소결이 충분히 이루어지지 않는 문제가 발생할 수 있다.
다음으로 PCD 레어어(20), 확산제 플레이트(10) 및 PCBN 레이어(30)가 순차적으로 적층된 상태에서 소결한다(S30). 이 때 소결은 일정 온도 범위, 즉 약 1200~1800? 에서 수행되며, 바람직하게는 약 1350?(T3)에서 수행된다. 또한 해당 온도 조건하에서 4~7GPa의 기압의 가압조건 하에서 소결이 수행된다.
한편, 소결 단계에서 확산제 플레이트(10)의 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 등의 성분은 도 4에 도시된 바와 같이 PCD 레이어(20)와 PCBN 레이어(30) 내로 확산된다. 확산제 플레이트(10)는 고온고압의 조건 하에서 확산이 이루어지며, 확산에 따라 두께가 줄어들게 된다. 최종적으로 확산제 플레이트(10)는 소멸되고, PCD 레이어(20)와 PCBN 레이어(30) 사이에는 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 등의 성분의 농도가 높은 계면(11)으로서 존재하게 된다.
이 때 확산된 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 등 성분은 도 6에 도시된 바와 같이 농도 기울기를 형성한다.
즉, 계면에서 확산제 농도가 가장 높고, 계면에서 멀어질수록 확산제 농도가 점점 줄어들게 된다. PCD 및 PCBN의 양 단면, 즉 계면으로부터 가장 먼 단부측인 절삭면에서는 확산제의 농도가 최저가 된다.
일반적으로 금속 바인더의 함량은 제품의 용도에 따른 특성을 결정한다. 예를 들어 PCD 소결시 바인더인 코발트(Co)의 함량을 증가 시킬수록 소결체의 인성이 증가하고 전기전도성이 증가하는 반면, 내마모성은 감소한다. 반대로 PCD 소결시 바인더인 코발트(Co)의 함량을 감소 시킬수록 소결체의 강성이 증가하고 내마모성이 증가하여 절삭성이 좋아지는 반면 내충격성이 떨어져 외부 충격에 약하다는 특징이 있다. 따라서 바인더의 함량에 따라 소결체로 형성된 공구의 용도가 달라질 수 있다.
본 발명의 경우에는 PCD 및 PCBN의 분말에 첨가되는 금속 바인더의 함량과 확산제로부터 확산된 확산제 성분의 합에 의하여 소결체의 특성이 결정된다. 즉, 소결체에 따른 공구의 용도가 결정되면, 확산제에 의한 확산제의 농도를 감안하여 금속 바인더의 함량을 조절할 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 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구 및 그 제조방법으로 구현될 수 있다.
10: 확산제 플레이트 11: 계면
20: PCD 30: PCBN

Claims (10)

  1. PCBN 분말과 PCD 분말을 소결하여 형성되는 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구에 있어서,
    상기 PCBN 분말에 상기 소결 온도를 낮추기 위한 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 어느 하나의 바인더를 첨가한 후 가압하여 형성되는 PCBN 레이어; 및
    상기 PCBN 레이어와의 사이에 계면이 형성되며, PCD 분말에 상기 소결 온도를 낮추기 위한 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 어느 하나의 바인더를 첨가한 후 가압하여 형성되는 PCD 레이어;를 포함하고,
    상기 계면은,
    상기 PCBN 레이어 및 상기 PCD 레이어가 상기 소결을 진행하기 이전에 상기 소결의 온도 및 상기 소결의 압력을 낮추기 위해 상기 PCBN 레이어와 상기 PCD 레이어 사이에 배치되는 확산제가 상기 소결 진행 시 상기 PCBN 레이어 및 상기 PCD 레이어로 확산되어 형성되며,
    상기 확산제의 농도는 상기 계면으로부터 상기 PCBN 레이어 및 상기 PCD 레이어의 외부로 노출된 단부를 향하여 비선형적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 확산제는 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 어느 하나인 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 PCD 레이어의 공구 특성은 상기 계면의 타측 단부의 확산제 농도와 상기 바인더의 농도의 합에 의하여 결정되는 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구.
  6. PCD 및 PCBN 분말을 준비하는 제1 단계;
    상기 PCD 분말 및 상기 PCBN 분말을 각각 가압하여 PCD 레이어 및 PCBN 레이어로 가성형하는 제2 단계; 및
    상기 가성형된 PCD 레이어 및 PCBN 레이어의 사이에 확산제 플레이트를 삽입한 상태로 소결하여 상기 확산제 플레이트를 상기 PCD 레이어 및 상기 PCBN 레이어 내로 확산시키는 제3 단계;를 포함하며,
    상기 제1 단계는,
    상기 PCD 분말에 상기 소결 온도를 낮추기 위한 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 어느 하나의 바인더를 첨가하는 제1-1 단계 및
    상기 PCBN 분말에 상기 소결 온도를 낮추기 위한 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 어느 하나의 바인더를 첨가하는 제1-2 단계를 포함하고,
    상기 확산제 플레이트는,
    상기 소결의 온도 및 상기 소결의 압력을 낮추며, 상기 PCD 레이어 및 상기 PCBN 레이어 내로 확산되어 상기 PCD 레이어 및 상기 PCBN 레이어 사이에 계면이 형성되도록 하며,
    상기 PCD 레이어 및 상기 PCBN 레이어 내로 확산된 상기 확산제 플레이트의 농도는 상기 계면으로부터 상기 PCBN 레이어 및 상기 PCD 레이어의 외부로 노출된 단부를 향하여 비선형적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 확산 플레이트는 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 어느 하나인 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 확산제 플레이트는 0.03mm 내지 0.2mm의 두께로 형성되는 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서,
    특정 내마모성 및 내충격성에 해당하는 특질을 구현하기 위한 바인더의 함량은 상기 확산제 플레이트로부터 확산된 확산제의 농도를 고려하여 결정되는 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구 제조방법.

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