KR101701916B1 - 탄화물로 피복된 다이아몬드 입자를 제조하는 방법 및 이에 의하여 제조된 다이아몬드 입자 - Google Patents

탄화물로 피복된 다이아몬드 입자를 제조하는 방법 및 이에 의하여 제조된 다이아몬드 입자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄화물로 피복된 다이아몬드 입자를 제조하는 방법 및 이에 의하여 제조된 다이아몬드 입자에 관한 것이다. 본 발명은 다이아몬드 분말, 코팅원소 및 활성제를 포함하는 분말혼합물을 불활성(또는 환원)분위기에서 500~1,200℃로 가열하여 1~600분 유지하고 냉각하여 탄화물층으로 피복된 다이아몬드 분말 입자를 제조하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 특별한 장치 없이도 간단한 분위기 열처리 방법을 통하여 탄화물 층으로 피복된 다이아몬드 분말을 얻을 수 있다. 또한, 기상-고상 반응에 의하여 다이아몬드 분말 입자 표면에 탄화물 층이 형성되기 때문에 다이아몬드 분말 전체에 걸쳐 균일하게 탄화물 층이 형성될 수 있고 탄화물층과 다이아몬드 계면에 산소가 존재하지 않게 된다. 특히, 다이아몬드 분말 입자의 직경이 수 마이크론 크기 이하로 작아지더라도 다이아몬드 분말 각각의 입자 표면에 탄화물 층의 균일 피복이 가능하여 탄화물 층으로 피복된 마이크론 크기의 다이아몬드 분말을 얻을 수 있다.

Description

탄화물로 피복된 다이아몬드 입자를 제조하는 방법 및 이에 의하여 제조된 다이아몬드 입자{a method for preparing a carbide-coated diamond particle and a diamond prepared thereby}
본 발명은 다이아몬드 분말 입자의 표면에 균일한 탄화물층을 간단한 공정에 의하여 형성하는 방법에 관한 것이다.
금속-다이아몬드 복합체는 다양한 공구에 이용되는데, 다이아몬드는 입자 형태로 금속기지에 혼입된다. 다이아몬드 입자와 금속과의 계면 접착력을 향상시키기 위하여 탄화물로 코팅된 다이아몬드 입자를 사용한다.
다이아몬드 분말 입자에 탄화물을 피복하는 방법은 3가지로 대별할 수 있다.
첫 번째는, 탄화물을 형성할 수 있는 원소(예로는 Ti, Cr 등)를 스퍼터링 한 후 이를 열처리하여 다이아몬드 분말 표면에 탄화물(예로는 Ti 탄화물, Cr 탄화물 등)을 형성하는 방법이다. 이 방법은 개개의 다이아몬드 분말 입자의 표면에 탄화물 형성원소를 균일하게 피복하는 것이 곤란하다(E. Breval, J. Cheng, D.K. Agrawal, J. Am. Ceram. Soc., 83 [8] (2000) 2106-108). 탄화물 형성원소의 피복층 두께가 균일하지 않다 하더라도, 다이아몬드 분말 입자의 직경이 수십 마이크론 정도까지는 탄화물 형성원소를 개개의 다이아몬드 입자 표면에 스퍼터링으로 피복하는 것은 가능하다. 하지만, 다이아몬드 분말 입자의 직경이 수 마이크론까지 작아지면 입자 개개의 표면에 균일한 두께로 탄화물 형성 원소를 스퍼터링하는 것은 더욱 어려워 진다. 심한 경우 개개의 입자 표면 한 부분만 탄화물 형성 원소가 피복되고 다른 부분은 피복되지 않은 현상이 나타나기도 한다. 또한 여러 개의 입자들이 뭉쳐진 표면에만 탄화물 형성 원소가 피복되고, 내부의 다이아몬드 입자 표면에는 탄화물 형성 원소가 피복되지 않은 상태의 다이아몬드 입자 집합체가 형성되기도 한다. 또한 스퍼터링시 진공도가 좋지 않은 경우에는 다이아몬드와 탄화물층 계면에 산소가 높은 농도도 존재하여 성능을 저하시킬 수 있는 문제가 있다.
두 번째는, 탄화물 형성 원소를 함유한 가스를 환원제와 함께 불어 넣어 다이아몬드 분말 입자의 표면에 탄화물 형성 원소를 석출시키는 방법이다. 이 방법은 고온에서 수행되기 때문에 석출된 탄화물 형성 원소는 다이아몬드와 반응하여 탄화물을 형성할 수 있다. 이 방법은 분말 입자 각각에 균일하게 탄화물 형성 원소 함유가스가 공급되어야 한다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위하여 반응가스와 함께 공급되는 불활성 케리어 가스 유량을 증가시켜 분말을 부유시키는 유동층 반응로를 사용할 수도 있다.
세 번째는, 용융염을 이용하는 방법으로 Ti을 피복할 때 사용하는 방법이 알려져 있고 이를 보다 상세히 설명하면, KCl-NaCl-CaCl2로 구성된 저융점 염욕에 Ti 분말 및 다이아몬드 분말을 넣고 750℃에서 1 시간 유지하여 Ti을 다이아몬드 분말 표면에 피복하는 방법이다(E. Breval, J. Cheng, D.K. Agrawal, J. Am. Ceram. Soc., 83 [8] (2000) 2106-2108). 상기 기재된 염 이외에도 다른 여러 종류의 염을 이용하여 Ti을 피복할 수 있다고 알려져 있다(대한민국공개특허 10-2010-0054511). 이 방법은 다이아몬드 분말에 비해 다량의 염을 사용하여야 하고, 반응이 완료된 후 온도를 낮추면 용융염이 응고하게 되므로 파쇄 후 용융염을 물에 용해하여 염을 제거해야 하는 등 공정이 추가된다는 문제가 있다. 일본공개특허공보 2003-55649에서의 실시예에는 평균 입경이 4㎛인 다이아몬드 분말 50g, 입경이 40㎛ 인 Ti 분말 2g을 용량 500㎖의 스테인레스 용기에 넣고 여기에 몰비로 NaCl:KCl=1:1의 혼합염(공정온도 약 660℃) 약 300g을 추가하고, 이를 800℃에 2시간 반응시키면 다이아몬드 분말은 1.9%정도의 무게증가가 발생한다고 개시하고 있다. 이 경우 혼합염의 양이 다이아몬드 양에 비해 6배 정도 많은 양을 사용하여야 하므로 반응용기의 부피가 커져야 하는 문제가 있고, 또한 반응후에 혼합염을 제거할 때 많은 양의 물을 사용하여야 하므로 혼합염의 사용효율이 낮은 문제가 있다.
스퍼터링 법은 다이아몬드 분말 각각에 균일하게 탄화물 형성 원소를 피복하는 것이 어렵고 특히, 다이아몬드 분말 입자의 크기가 수 마이크론 정도로 작아지면 탄화물 형성 원소를 개개의 입자에 피복하는 것도 곤란해져, 반응 가스나 용융염의 화학반응으로 탄화물 형성 원소를 피복하는 것이 균일 피복 측면에서 보다 유리하나, 반응가스를 이용하는 CVD법은 장치의 구성이 복잡하고, 용융염을 이용하는 방법은 다량의 용융염을 사용하므로 후처리가 복잡하고 염의 사용효율이 높지 않은 문제가 있다.
1.한국공개특허공보 10-2010-0054511 2. 일본공개특허공보2003-55649
1. E. Breval, J. Cheng, D.K. Agrawal, J. Am. Ceram. Soc., 83 [8] (2000) 2106-2108)
본 발명은 간단한 분위기 열처리 방법을 통한 탄화물로 피복된 다이아몬드 분말의 제조 방법을 제공하고자 한다.
또한, 다이아몬드 분말 입자의 직경이 수 마이크론 크기로 작아지더라도 입자 각각의 표면에 탄화물 층이 균일하게 형성되는 다이아몬드 분말의 제조 방법을 제공하고자 한다.
또한, 다이아몬드 분말 전체에 걸쳐 균질하게 탄화물 층이 형성되고, 탄화물 층과 다이아몬드 계면에는 산소가 존재하지 않는 탄화물 층으로 피복된 다이아몬드 분말의 제조 방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 일 측면은, 다이아몬드 분말, 코팅원소 및 활성제를 혼합하여 분말혼합물을 마련하는 단계, 및 분말혼합물을 불활성분위기 또는 환원 분위기에서 가열하여 상기 다이아몬드 분말 입자의 표면에 탄화물 층을 형성하는 단계를 포함하고, 탄화물 층을 형성하는 단계는, 코팅원소와 활성제가 반응하여 생성된 기상의 코팅원소-활성제 화합물이, 다이아몬드 분말 입자의 표면과 반응함으로써 다이아몬드 분말 입자의 표면에 탄화물 층을 형성하는 것을 특징으로 하는, 기상-고상 반응을 통하여 탄화물이 피복된 다이아몬드 입자를 제조하는 방법일 수 있다.
상기 코팅원소로는 Ti, Si, B, Al, Mn, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo 및 W 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있으며, 또한 Si, B, Al, Mn, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo 및 W 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상 및 Ti를 사용할 수 있다.
상기 가열 온도는 500℃ 내지 1200℃일 수 있다.
상기 활성제로는 염화물, 불화물 및 요오드화물로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있고, 여기서 염화물로는 NaCl, KCl, LiCl, CaCl2, BaCl2 및 NH4Cl 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있고, 불화물로는 NaF, KF, LiF, MgF2, CaF2, BaF2, SrF2 및 NH4F 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있고, 요오드화물로는 NaI, KI, LiI, MgI2, CaI2, BaI2 및 NH4I 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 코팅원소의 양은 다이아몬드 분말 100 중량부 대비 0.1 내지 300중량부를 사용할 수 있으며, 상기 활성제의 양은 코팅원소 100 중량부 대비 0.1 내지 20중량부를 사용할 수 있다.
상기 가열 시간은 1 분 내지 600분일 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 상기 방법에 따라 제조된 탄화물이 피복된 다이아몬드 입자일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 다이아몬드 입자를 포함하는 공구일 수 있다.
본 발명에 의하면, 특별한 장치 없이도 간단한 분위기 열처리 방법을 통하여 탄화물층으로 피복된 다이아몬드 분말을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 기상반응에 의하여 다이아몬드 분말 입자 표면에 탄화물층이 형성되기 때문에 다이아몬드 분말 전체에 걸쳐 균일하게 탄화물층이 형성될 수 있고, 탄화물 층과 다이아몬드 계면에는 산소가 존재하지 않는 탄화물 층으로 피복된 다이아몬드 분말을 얻을 수 있다. 특히, 다이아몬드 분말 입자의 직경이 수 마이크론 크기 이하로 작아지더라도 다이아몬드 분말 각각의 입자 표면에 탄화물 층의 균일 피복이 가능하여 탄화물 층으로 피복된 마이크론 크기의 다이아몬드 분말을 얻을 수 있다.
도 1은 실시예 1에 따라 제조된 다이아몬드 분말에 대한 X선 회절패턴이다.
도 2는 실시예 2에 따라 제조된 다이아몬드 분말에 대한 X선 회절패턴이다.
도 3은 실시예 3에 따라 제조된 다이아몬드 분말에 대한 X선 회절패턴이다.
도 4는 실시예 4에 따라 제조된 다이아몬드 분말에 대한 X선 회절패턴이다.
도 5은 실시예 5에 따른 다이아몬드 분말 입자에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 6는 실시예 5에 따른 다이아몬드 분말 입자에 대한 Auger 표면 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 7에 따른 다이아몬드 분말 입자에 대한 주사전자현미경 사진이다.
도 8는 실시예 7에 따른 다이아몬드 분말 입자에 대한 Auger 표면 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
본 발명은 간단한 분위기 열처리를 통하여 다이아몬드 분말 입자가 마이크론 크기로 작아지더라도 다이아몬드 분말 각각의 입자 표면에 탄화물 층의 균일 피복이 가능하여 탄화물 층으로 피복된 마이크론 크기의 다이아몬드 분말의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면은, 다이아몬드 분말, 코팅원소 및 활성제를 혼합하여 분말혼합물을 마련하는 단계, 및 상기 분말혼합물을 불활성분위기 또는 환원 분위기에서 가열하여 다이아몬드 분말 입자의 표면에 탄화물 층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 탄화물 층을 형성하는 단계는, 상기 코팅원소와 활성제가 반응하여 생성된 기상의 코팅원소-활성제 화합물이, 다이아몬드 분말 입자의 표면과 반응함으로써 다이아몬드 분말 입자의 표면에 탄화물 층을 형성하는 것을 특징으로 하는, 기상-고상 반응을 통하여 탄화물이 피복된 다이아몬드 입자를 제조하는 방법일 수 있다.
먼저, 다이아몬드 분말, 코팅원소 및 활성제를 혼합하여 분말혼합물을 마련할 수 있다.
코팅원소란 추후 열처리 과정을 거치면서 다이아몬드 분말 입자의 표면에 탄화물 코팅층을 형성하는 원소를 의미한다. 이러한 코팅원소로는 Si, B, Al, Mn, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo 및 W 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 예를 들어, Cr 또는 Mo 의 분말을 각각 사용하거나 또는 이들을 조합하여 사용할 수도 있으며, Cr 분말만을 사용하는 경우에는 Cr 탄화물 층이 다이아몬드 입자의 표면에 형성되고, Cr 과 Mo 를 조합하여 사용하는 경우에는 Cr 탄화물과 Mo 탄화물이 혼재하는 복합탄화물 층이 형성될 수 있다. 마찬가지로, Ti와 Cr을 함께 사용하는 경우에는 다이아몬드 입자 표면에 Ti 탄화물과 Cr 탄화물이 혼재된 복합탄화물 코팅층이 형성될 수 있다.
코팅원소로는 분말 형태로 한정되는 것은 아니고 조각 등도 사용할 수도 있다. 즉 Cr 또는 Mo 원소 같은 코팅원소의 공급원으로 작용할 수 있는 것이라면 그 형태가 어떠한 것이든 사용할 수 있다.
코팅원소의 양은 형성하고자 하는 탄화물 층의 두께와 다이아몬드의 분말의 입경에 따라 달라질 수 있다. 탄화물 층의 두께와 다이아몬드 분말 입자의 입경이 커질수록 필요한 코팅원소 분말의 양도 증가할 수 있다. 코팅원소의 양은 다이아몬드 분말 100 중량부 대비 0.1 내지 300 중량부를 사용하는 것이 바람직하다. 예로서, TiC 층을 100nm 두께로 형성하고자 할 때 다이아몬드 분말의 입경이 400㎛이면 필요한 Ti의 양은 다이아몬드 무게 대비 0.175%가 필요하다. 다이아몬드 분말의 입경이 각기 40㎛ 및 4㎛이면 필요 Ti의 양은 다이아몬드 무게 대비 각기 1.75% 및 17.5%가 필요하다. 코팅원소 분말은 필요한 양만큼 첨가하여도 되나, 그 보다 많이 첨가하여도 무방하다. 그러나 이때에는 반응 후 잔류하는 코팅원소를 제거하기 위한 후속공정이 필요하다. 코팅원소분말의 입경이 다이아몬드 분말의 입경보다 작거나 큰 경우에는 반응 후에 간단한 체분급만으로도 미반응 코팅원소 분말을 분리할 수 있다. 필요하다면 묽은 황산을 이용하면 코팅원소만을 용해하여 제거할 수도 있다.
활성제로는 염화물, 불화물 및 요오드화물로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있고, 상기 염화물로는 LiCl, NaCl, KCl등의 알칼리금속 염화물, CaCl2, BaCl2등의 알칼리토금속 염화물, NH4Cl 등으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있고, 상기 불화물로는 NaF, KF, LiF 등의 알칼리금속 불화물, MgF2, CaF2, SrF2, BaF2 등의 알칼리토금속 불화물, 및 NH4F 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있고, 요오드화물로는 NaI, KI, LiI 등의 알칼리금속 요오드화물, MgI2, CaI2, BaI2 등의 알칼리토금속 요오드화물, 및 NH4I 등으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 활성제는 수용성이므로 반응 후에는 물에 용해시켜 제거할 수 있다.
활성제의 양은 코팅원소 100 중량부 대비 0.1 내지 20 중량부를 사용하는 것이 바람직하다. 활성제의 양이 0.1 중량부보다 적으면 코팅원소와 반응하여 생성되는 코팅원소-활성제 화합물의 양이 적고, 20 중량부보다 많으면 후처리에 불편을 초래할 수 있다.
다음으로, 분말혼합물을 불활성 분위기 또는 환원 분위기에서 가열하여 다이아몬드 분말 입자의 표면에 탄화물 층을 형성할 수 있다.
불활성 분위기는 아르곤 가스, 질소 가스 등을 사용하여 형성할 수 있으며, 환원 분위기는 수소 가스 등을 사용하여 형성할 수 있다. 불활성 분위기 또는 환원 분위기에서 열처리가 진행되기 때문에 탄화물 층과 다이아몬드 입자의 표면 사이에 산소 또는 산소를 포함하는 화합물이 형성되는 것을 방지할 수 있으며, 이로 인하여 추후 금속기지-다이아몬드 복합재료를 공구에 사용하는 경우 공구의 신뢰성 및 성능을 향상시킬 수 있다.
다이아몬드 분말 입자의 표면에 탄화물 층이 형성되는 원리에 대하여, Cr 분말과 염화물 활성제를 사용한 경우를 예로 들어 설명한다. 분말혼합물을 가열하면, Cr 이 염화물 활성제와 반응하여 Cr-염화물을 함유한 가스상을 형성한다. Cr-염화물을 함유한 가스상은 다이아몬드 입자의 표면과 접촉하여 다이아몬드 입자의 표면에 Cr으로 석출되고, 석출된 Cr은 다이아몬드의 구성성분인 탄소와 반응하여 Cr3C2를 형성한다. 즉 본 발명은 기상의 Cr 염화물과 고상의 다이아몬드 입자가 반응하여 다이아몬드의 표면에 Cr 탄화물(Cr3C2) 층을 형성하는 것을 특징으로 한다. 이러한 기상-고상 반응을 통하여 Cr3C2 층이 형성되기 때문에 다이아몬드 분말 입자의 크기와 무관하게 Cr3C2 층을 균일하게 형성될 수 있다. 또한, 이러한 피복층을 가지는 다이아몬드를 사용하여 공구를 제조하면 공구의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
보다 구체적으로 살펴보면, 알칼리금속 염화물이나 알칼리토금속 염화물을 Cr 분말과 혼합하여 고온 불활성 분위기에 두면, Cr 은 염화물과 반응하여 Cr 을 함유한 염화물, 즉, CrCl2, CrCl3, CrCl4등을 형성할 수 있다. 다이아몬드 분말 표면으로 이동한 CrCl2, CrCl3는 아래와 같은 분해반응을 통해 다이아몬드 분말 표면에 Cr 을 증착시킨다.
2 CrCl2 = Cr(s) + CrCl4--------(1)
3 CrCl3 = Cr(s) + 2CrCl4------(2)
상기 반응 (1), 반응 (2) 를 통하여 Cr 이 다이아몬드 분말 표면에 석출되고, 석출된 Cr 는 다이아몬드와 반응하여 Cr3C2를 형성한다.
다이아몬드 분말 입자의 표면에 탄화물 층이 형성되는 원리에 대하여, Ti 분말과 염화물 활성제를 사용한 경우를 예로 들어 다시 설명한다. 분말혼합물을 불활성 분위기 또는 환원 분위기에서 가열하면 다이아몬드 분말 입자의 표면에 TiC 층이 형성된다. 다이아몬드 분말 입자의 표면에 TiC 층이 형성되는 원리에 대하여 설명한다.
분말혼합물을 가열하면, Ti이 활성제와 반응하여 Ti을 함유한 가스상을 형성한다. 이는 다이아몬드 입자의 표면에서 Ti으로 석출되고, 석출된 Ti은 다이아몬드의 구성 성분인 탄소와 반응하여 TiC 를 형성한다. 즉 본 발명은 기상의 Ti 염화물과 고상의 다이아몬드 입자가 반응하여 다이아몬드의 표면에 TiC 층을 형성하는 것을 특징으로 한다. 이러한 기상-고상 반응을 통하여 TiC 층이 형성되기 때문에, 다이아몬드 분말 입자의 크기와 무관하게 TiC 층이 다이아몬드 분말 입자 전체에 걸쳐 균질하게 형성될 수 있으며, 또한 비활성 분위기 또는 환원 분위기에서 열처리를 수행하기 때문에 TiC 층과 다이아몬드 입자의 계면에 산소가 존재하지 않는다. 이러한 피복층을 가지는 다이아몬드를 사용하여 제조한 공구의 안정성 또는 신뢰성이 향상될 수 있다.
보다 구체적으로 살펴보면, 알칼리금속 염화물이나 알칼리토금속 염화물을 Ti 분말과 혼합하여 고온 불활성 분위기에 두면, Ti은 염화물과 반응하여 Ti을 함유한 염화물, 즉, TiCl2, TiCl3, TiCl4 등을 형성할 수 있다. 다이아몬드 분말 표면으로 이동한 TiCl2, TiCl3는 아래와 같은 분해반응을 통해 다이아몬드 분말 표면에 Ti을 증착시킨다.
2 TiCl2 = Ti(s) + TiCl4 --------(1)
3 TiCl3 = Ti(s) + 2 TiCl4 ------(2)
상기 반응 (1), 반응 (2) 를 통하여 Ti이 다이아몬드 분말 표면에 석출되고, 석출된 Ti는 다이아몬드와 반응하여 TiC 를 형성한다.
본 발명에서는, CVD 방법과는 달리, 외부에서 따로 코팅원소를 함유한 반응 가스를 공급해 줄 필요가 없는 장점이 있다. 또한 활성제의 사용량이 적어 후처리가 간단하다는 장점이 있다.
가열 온도는 500 내지 1200℃일 수 있다. 온도가 500℃보다 낮으면 탄화물 층 형성속도가 느리고, 1200℃를 초과하면 공업적 측면에서 장치를 구현하는데 어려움이 있다.
탄화물층의 두께는 수㎛ 정도 이하면 되므로(E. Breval, J. Cheng, D.K. Agrawal, J. Am. Ceram.Soc., 83 [8] (2000) 2106-2108), 이 정도의 두께의 탄화물 층을 형성하기 위하여 가열 시간은 1분 내지 600분 정도가 바람직하다. 반응 온도나 또는 반응 시간을 조절하여 탄화물 층의 두께를 증가시키거나 또는 감소시킬 수도 있다.
본 발명의 다른 측면은, 상기 방법에 따라 제조된 탄화물이 피복된 다이아몬드 입자일 수 있다. 구체적으로 탄화물은 Cr3C2, Mo2C, TiC 등을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 다이아몬드 입자는 탄화물 층이 균일하게 형성되고 탄화물 층과 다이아몬드 입자의 계면에 산소가 존재하지 않는다. 또한 탄화물로 피복된 마이크론 크기의 다이아몬드 분말의 제조가 가능하여, 다양한 공구에의 원소재로 활용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은, 상기 탄화물이 피복된 다이아몬드 입자를 포함하는 공구일 수 있다. 구체적으로 탄화물은 Cr3C2, Mo2C, TiC 등을 각각 또는 조합하여 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 공구는 안정성 및 신뢰성이 우수하다. 왜냐하면 공구에 포함된 다이아몬드 입자에 균일한 탄화물 층이 형성되어 있고, 계면에 산소가 존재하지 않기 때문이다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
<실시예1>
평균입도가 3㎛인 다이아몬드 분말 20g, 평균 크기가 3mm이고 순도가 99%인 Cr 조각 10g, 활성제 NaCl 0.3g을 칭량하여 혼합한 혼합물을 알루미나 도가니에 담고, 아르곤 가스 분위기에서 800℃에서 1시간 동안 반응시켰다. 노냉하여 얻어진 반응 혼합물을 체 분급하고 수세 및 건조하여 Cr 탄화물로 피복된 다이아몬드 분말을 얻었다. 도 1에는 X-선회절 패턴을 도시하였으며, Cr3C2 탄화물이 생성되었음을 보여준다. 다이아몬드 분말의 무게 증가가 10.0% 이었다. Cr3C2 탄화물의 밀도가 6.7g/cm3이므로, 계산된 Cr3C2 탄화물 층의 두께는 30nm 이었다.
<실시예2>
평균입도가 3㎛인 다이아몬드 분말 20g, 평균 크기가 3mm이고 순도가 99%인 Mo 조각 20g, 활성제 NH4Cl 0.8g을 칭량하여 혼합한 혼합물을 알루미나 도가니에 담고, 아르곤 가스 분위기에서 900℃에서 4시간 동안 반응시켰다. 노냉하여 얻어진 반응 혼합물을 체분급하고 수세 및 건조하여 Mo 탄화물로 피복된 다이아몬드 분말을 얻었다. 도 2에는 X-선회절 패턴을 도시하였으며, Mo2C 탄화물이 생성되었음을 보여 준다. 다이아몬드 분말의 무게 증가가 5.1% 이었다. Mo2C 탄화물의 밀도가 8.2g/cm3이므로, 계산된 Mo2C 탄화물 층의 두께는 12nm 이었다.
<실시예3>
평균입도가 3㎛인 다이아몬드 분말 16 g, 평균입경이 30㎛ 이고 순도가 99%인 Cr 분말 1.5g, 평균입경이 30 ㎛ 이고 순도가 99%인 Mo 분말 2.5g, 활성제 NH4Cl 0.4g을 칭량하여 혼합한 분말혼합물을 알루미나 도가니에 담고, 아르곤 가스 분위기에서 1,000℃ 에서 4시간 반응시켰다. 노냉하여 얻어진 분말혼합물을 수세하고 건조하였다. 도 3에는 X-선회절 패턴을 도시하였으며, Mo2C 및 Cr3C2 탄화물이 생성되었음을 보여 준다. 특이할 점은 실시예 1 및 2와 달리 분급공정을 거치지 않았음에도 금속 Cr이나 Mo에 해당하는 X-선 회절 피크가 관측되지 않았다. 이는 첨가된 Cr과 Mo가 모두 다이아몬드 분말로 이동하여 다이아몬드 분말의 표면에서 탄화물을 형성하였기 때문이다. 이는 다이아몬드 분말의 무게 증가로부터 유추가 가능하다. 다이아몬드 분말의 무게 증가가 24.5%로 관측되었다. 이는 이론적인 무게증가 25%(=100%×(1.5+2.5)/16)에 비해 98% 수준이었다. 이상으로부터 Cr과 Mo이 다이아몬드 분말 입자의 표면에 동시 증착되어 Mo 탄화물 및 Cr 탄화물이 동시에 형성되었음을 알 수 있다.
<실시예4>
평균입도가 3㎛인 다이아몬드 분말 20 g, 평균 크기가 3mm이고 순도가 99%인 Cr 조각 10g, 평균 크기가 3mm이고 순도가 99%인 Ti 조각 10g, 활성제 NaCl 0.6g을 칭량하여 혼합한 분말혼합물을 스테인레스 도가니에 담고, 아르곤 가스 분위기에서 800℃ 에서 4시간 반응시켰다. 노냉하여 얻어진 분말혼합물을 체분급하고 수세 및 건조하여 Cr 탄화물 및 Ti 탄화물로 피복된 다이아몬드 분말을 얻었다. 도 4에는 X-선회절 패턴을 도시하였으며, TiC 및 Cr3C2 탄화물이 생성되었음을 보여 준다. 다이아몬드 분말의 무게 증가가 17.3%로 측정되었다.
<실시예 5>
평균입도가 350㎛인 다이아몬드 분말 20g, 직경이 20㎛ 이고 순도가 99%인 Ti 분말 10g, 활성제 NaCl 0.3g을 칭량하여 혼합한 분말혼합물을 스테인레스 도가니에 담고, 아르곤 가스 분위기에서 700?에서 1시간 동안 반응시켰다. 노냉하여 얻어진 분말혼합물를 체 분급하고 수세 및 건조하여 TiC 로 피복된 다이아몬드 분말을 얻었다.
도 5에는 이에 대한 주사전자현미경 사진을 나타내다. 도 6에는 Auger 표면 분석 결과를 나타내었는데, 표면을 스퍼터링 하면서 구성 성분의 변화를 관찰한 것으로 TiC 층이 잘 형성되어 있음을 보여 주고 있다.
다이아몬드 분말의 무게 증가가 0.15% 이었다. 계산에 의하면 TiC 층의 두께는 78nm 이었다.
<실시예 6>
평균입도가 350㎛인 다이아몬드 분말 20g, 직경이 20㎛ 이고 순도가 99%인 Ti 분말 20g, 활성제 NH4Cl 1.0g을 칭량하여 혼합한 분말혼합물을 스테인레스 도가니에 담고, 아르곤 가스 분위기에서 800?에서 1시간 동안 반응시켰다. 노냉하여 얻어진 분말혼합물을 체 분급하고 수세 및 건조하여 TiC 로 피복된 다이아몬드 분말을 얻었다.
다이아몬드 분말의 무게 증가는 0.20 % 이었다. 계산에 의하면 TiC 층의 두께는 104 nm 이다.
<실시예 7>
평균입도가 35 ㎛인 다이아몬드 분말 20 g, 직경이 20 ㎛ 이고 순도가 99%인 Ti 분말 2g, 활성제 NaCl 0.1g을 칭량하여 혼합한 분말혼합물을 스테인레스 도가니에 담고, 아르곤 가스 분위기에서 800? 에서 2시간 반응시켰다. 노냉하여 얻어진 분말혼합물을 체 분급하고 수세 및 건조하였다.
다이아몬드 분말의 무게 증가가 2.7% 이었다. 계산에 의하면 TiC 층의 두께는 140nm 이었다. 도 7에 주사전자현미경 사진을 나타내었고, 도 8에 Auger 표면 분석결과를 나타내는데, TiC 층이 잘 형성되어 있고 TiC 층과 다이아몬드 계면에는 산소가 존재하지 않음을 확인할 수 있다.
상기 결과들로부터 본 발명에 의하면 평균 입경이 3㎛ 정도인 작은 다이아몬드 분말 입자 표면에 각종 원소의 탄화물층과 복합 탄화물층이 형성된다는 점을 확인할 수 있다. 본 발명에 따른 탄화물층이 균일하게 피복된 다이아몬드 분말은 절삭용 및 연마용 공구를 제조하는데 원재료로 사용할 수 있다. 특히, 금속기지-다이아몬드 복합체로 이루어진 공구의 내구성을 증진시키는데 효과적이다.
본 발명에서 사용한 용어는 특정한 실시예를 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하지 않는 한, 복수의 의미를 포함한다고 보아야 할 것이다. “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재한다는 것을 의미하는 것이지, 이를 배제하기 위한 것이 아니다. 본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (18)

  1. 다이아몬드 분말, 코팅원소 및 활성제를 혼합하여 분말혼합물을 마련하는 단계; 및
    상기 분말혼합물을 불활성분위기 또는 환원 분위기에서 가열하여 상기 다이아몬드 분말 입자의 표면에 탄화물 층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 활성제로는 염화물, 불화물 및 요오드화물로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용하고,
    상기 염화물로는 NaCl, KCl, LiCl, CaCl2 및 BaCl2로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용하고,
    상기 불화물로는 NaF, KF, LiF, MgF2, CaF2, BaF2, SrF2 및 NH4F 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용하고,
    상기 요오드화물로는 NaI, KI, LiI, MgI2, CaI2, BaI2 및 NH4I 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용하고,
    상기 활성제의 양은, 상기 코팅원소분말 100 중량부 대비 0.1 내지 20 중량부를 사용하는 것을 특징으로 하는 탄화물이 피복된 다이아몬드 입자를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄화물 층을 형성하는 단계는, 상기 코팅원소와 상기 활성제가 반응하여 생성된 기상의 코팅원소-활성제 화합물이, 상기 다이아몬드 분말 입자의 표면과 반응함으로써 상기 다이아몬드 분말 입자의 표면에 탄화물 층이 형성되는 것을 특징으로 하는, 기상-고상 반응을 통하여 탄화물이 피복된 다이아몬드 입자를 제조하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코팅원소로는 Ti, Si, B, Al, Mn, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo 및 W 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종을 사용하는 것을 특징으로 하는 탄화물이 피복된 다이아몬드 입자를 제조하는 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가열 온도가 500℃ 내지 1200℃인 것을 특징으로 하는 탄화물이 피복된 다이아몬드 입자를 제조하는 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 코팅원소의 양은, 상기 다이아몬드 분말 100 중량부대비 0.1 내지 300 중량부를 사용하는 것을 특징으로 하는 탄화물이 피복된 다이아몬드 입자를 제조하는 방법.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 가열 시간은 1분 내지 600분인 것을 특징으로 하는 탄화물이 피복된 다이아몬드 입자를 제조하는 방법.
  13. 제1항, 제2항, 제3항, 제5항, 제10항 또는 제12항 중 어느 한 항에 따라 제조된, 탄화물이 피복된 다이아몬드 입자.
  14. 제13항의 탄화물이 피복된 다이아몬드 입자를 포함하는 공구.
  15. 다이아몬드 분말, 코팅원소 및 활성제를 혼합하여 분말혼합물을 마련하는 단
    계; 및
    상기 분말혼합물을 불활성분위기 또는 환원 분위기에서 가열하여 상기 다이아몬드 분말 입자의 표면에 탄화물 층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 활성제는 NaCl, NH4F 및 NaF로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 사용하고,
    상기 활성제의 양은, 상기 코팅원소분말 100 중량부 대비 0.1 내지 20 중량부를 사용하는 것을 특징으로 하는 탄화물이 피복된 다이아몬드 입자를 제조하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 코팅원소로는 Ti, Si, B, Al, Mn, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo 및 W 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종을 사용하는 것을 특징으로 하는 탄화물이 피복된 다이아몬드 입자를 제조하는 방법.
  17. 다이아몬드 분말, 코팅원소 및 활성제를 혼합하여 분말혼합물을 마련하는 단
    계; 및
    상기 분말혼합물을 불활성분위기 또는 환원 분위기에서 가열하여 상기 다이아몬드 분말 입자의 표면에 탄화물 층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 활성제는 NH4Cl이고.
    상기 활성제의 양은, 상기 코팅원소분말 100 중량부 대비 2 내지 20 중량부를 사용하는 것을 특징으로 하는 탄화물이 피복된 다이아몬드 입자를 제조하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 코팅원소로는 Ti, Si, B, Al, Mn, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo 및 W 로 이루어진 그룹에서 선택된 1종을 사용하는 것을 특징으로 하는 탄화물이 피복된 다이아몬드 입자를 제조하는 방법.


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