KR102463658B1

KR102463658B1 - 계면 접합 강도가 우수한 다결정 다이아몬드 소결체 공구 및 그 제조 방법

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Publication number: KR102463658B1
Application number: KR1020187015985A
Authority: KR
Inventors: 도시히코 마츠오; 에코 와르도요 아크마디; 미노루 아카이시
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2015-11-19
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2022-11-03
Also published as: BR112018010015A2; EP3378586A4; JPWO2017086485A1; CN108472738A; AU2016356265B2; AU2016356265A1; EP3378586B1; US20180371846A1; CN108472738B; WO2017086485A1; EP3378586A1; KR20180083351A; CA3005720C; BR112018010015B1; CA3005720A1; JP6883276B2; US11193335B2

Abstract

초경합금 기재 (17) 위에 Co 로 이루어지는 금속 촉매를 함유하는 다이아몬드층 (18) 이 형성되어 있는 다결정 다이아몬드 소결체 공구에 있어서, 초경합금 기재 (17) 와 다이아몬드층 (18) 의 계면에 형성되어 있는 Co 리치층 (19) 의 평균 층두께는 30 ㎛ 이하이고, 바람직하게는, 다이아몬드층 (18) 중의 평균 Co 함유량 C_DIA 와 Co 리치층 (19) 에 있어서의 Co 함유량의 피크치 C_MAX 의 비 C_MAX/C_DIA 의 값이 2 이하이고, 더욱 바람직하게는, 상기 초경합금 기재 (17) 와 다이아몬드층 (18) 의 계면으로부터 다이아몬드층 (18) 의 내부로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 WC 입자의 평균 입경 D 는, 초경합금 기재 (17) 의 내부에 있어서의 WC 입자의 평균 입경을 Do 로 했을 때, D/Do ＜ 2 를 만족하는 다결정 다이아몬드 소결체 공구.

Description

계면 접합 강도가 우수한 다결정 다이아몬드 소결체 공구 및 그 제조 방법

본 발명은, 다결정 다이아몬드 소결체 공구에 관한 것으로서, 예를 들어, 비철 금속의 절삭, 혹은, 석유·천연 가스·지열정 굴삭 등에 사용되는 공구로서, 초경합금 기재와 다결정 다이아몬드층의 계면 접합 강도가 우수한 다결정 다이아몬드 소결체 (이하,「PCD」로 나타내는 경우가 있다.) 공구 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본원은 2015년 11월 19일에, 일본에 출원된 일본 특허출원 2015-226537호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

종래부터, 비철 금속의 절삭, 혹은, 석유, 천연 가스, 지열정 굴삭용으로는, 그 가혹한 사용 조건에 견디기 위해서, 경도, 화학 안정성, 내마모성, 내결손성이 우수한 PCD 공구가 사용되고 있다.

그리고, 종래의 PCD 공구에 있어서는, 통상적으로 다이아몬드 소결체 내의 Co 등의 금속 촉매의 함유량을 조정함으로써, 그 우수한 내마모성, 내결손성을 얻고 있었다.

또한, 다이아몬드 소결체 내로의 Co 등의 금속 촉매의 침투는, 다이아몬드 입자 간의 간극과, 소결시의 그 외측의 압력에 차가 있기 때문에, 용해된 Co 등의 금속 촉매가 차압을 구동력으로 하여 다이아몬드 입자의 간극을 매우도록 이동함으로써 발생된다.

종래의 PCD 의 제조 방법으로는, 예를 들어, 특허문헌 1 에서 용침법이 제안되고, 또, 특허문헌 2 에서는 사전 혼합법이 제안되어 있다. 이들 기술에서는, 다이아몬드 소결체 내의 Co 등의 금속 촉매의 함유량을 변화시킴으로써, PCD 의 내마모성과 내결손성을 조정하고 있다.

그러나, PCD 공구의 성능을 좌우하는 것은, PCD 의 내마모성과 내결손성만이 아니라, PCD 와 초경합금 기재의 계면 접합 강도의 양부에도 크게 영향을 받는다.

상기 계면 접합 강도가 낮으면 PCD 공구에 고부하가 작용했을 경우, PCD 와 초경합금 기재의 계면에서의 크랙 발생 등에 의해서, PCD 의 박리, 결손이 발생되게 된다.

그래서, 초경합금 기재와 다이아몬드 소결체의 계면의 강도를 유지하기 위해서, 특허문헌 3 에 나타내는 바와 같이 "non-planar" 의 계면 기술을 이용하는 것이 제안되고, 또, 비특허문헌 1 에 나타내는 바와 같이, 초경합금 기재의 WC 입자가 입성장하지 않도록, W 입자를 계면 근방에 사전 첨가하는 방법이 제안되어 있다.

미국 특허 제3745623호 명세서 미국 특허 제4604106호 명세서 미국 특허 제6042463호 명세서

「Control of exaggerated tungsten carbide grain growth at the diamond-substrate interface of polycrystalline diamond cutters (PDC) 」 Int. Journal of Refractory and Hard Materials, 29 (2011) 361-364

특허문헌 1, 2 에서 제안된 용침법 혹은 사전 혼합법에 의한 PCD 의 제조는, 주로 다이아몬드층 내의 Co 등의 금속 촉매의 함유량과 촉매 분포의 균일성을 조정하기 위해서 행해진다. 그러나, 소결시에, 초경합금 기재로부터 다이아몬드층으로의 Co 등으로 이루어지는 금속 촉매의 이동이 있기 때문에, 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면에는 금속 촉매 리치층이 형성되고, 추가로 금속 촉매의 이동에 수반하여, WC 입자도 일부 이동함과 함께, WC 입자의 이상 성장이 발생된다.

PCD 공구를 절삭 공구 혹은 굴삭 공구로서 사용할 때, 사용 환경에 따라서 높은 내열성이 요구되는 경우가 있지만, 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면에 금속 촉매 리치층이 존재하면, 초경합금 기재와 다이아몬드층 간의 계면 접합 강도는 저하되고, 고부하가 작용했을 때에 계면으로부터의 크랙의 발생, 박리의 발생 등의 문제가 일어난다.

그래서, 본 발명자들은, 상기 종래의 PCD 공구의 문제점을 해결하기 위해서, 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면 접합 강도를 높이는 방책에 대해서 예의 연구하였다. 초경합금이란, 주기율표 Ⅳa, Va, Ⅵa 족 금속의 탄화물을 Fe, Co, Ni 등의 철계 금속으로 소결한 복합 재료를 초경합금 (Hartmetalle, hard metals, Cemented Carbide) 의 총칭이다. 본원에 있어서, 초경합금 기재란 WC 를 주체로 하고 Co 를 함유하는 초경합금 기재로서,「WC 기 초경합금 기재」로 칭해지는 경우도 있다. WC 기 초경합금 기재의 WC 및 Co 의 함유량은, WC 기 초경합금 기재의 전체 중량의 95 중량％ 이상이고, 용도에 따라서 5 중량％ 미만의 Cr 등의 미량 원소를 함유하는 경우도 있다.

그 결과, 초경합금 기재와 다이아몬드층을 적층시킨 상태에서 초고압고온 장치 내에서 소결함에 있어서, 미리 다이아몬드 분말에 혼합되는 Co 로 이루어지는 금속 촉매 분말의 혼합량을 적정화함으로써, 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면에 형성되는 Co 리치층의 두께를 억제함과 함께, 계면에 있어서의 WC 입자의 이상 성장을 억제할 수 있는 것을 알아내었다.

그리고, 과잉된 층두께의 Co 리치층의 형성을 억제하고, 또, WC 입자의 이상 성장을 억제함으로써, 본 발명의 PCD 공구는, 내열성 향상에 더하여, 계면 접합 강도도 향상되는 점에서, 공구 측면으로부터 충격적 부하에 대한 내충격성이 향상되어, 계면에 있어서의 크랙의 발생, 박리의 발생을 억제할 수 있는 것을 알아낸 것이다.

본 발명은, 상기 지견에 기초하여 이루어진 것으로서,

「(1) WC 를 주체로 하고 Co 를 함유하는 초경합금 기재 상에 Co 로 이루어지는 금속 촉매를 함유하는 다이아몬드층이 형성되어 있는 다결정 다이아몬드 소결체 공구에 있어서,

초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면에 형성되어 있는 Co 리치층의 평균 층두께는 30 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 다결정 다이아몬드 소결체 공구.

(2) 상기 다이아몬드층에 함유되는 Co 의 평균 함유량을 C_DIA 로 하고, 또, 상기 Co 리치층에 있어서의 Co 함유량의 피크치를 C_MAX 로 했을 때, C_MAX/C_DIA 의 값이 2 이하인 것을 특징으로 하는 (1) 에 기재된 다결정 다이아몬드 소결체 공구.

(3) 상기 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면으로부터 다이아몬드층의 내부로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 WC 입자의 평균 입경을 D 로 하고, 초경합금 기재의 내부에 있어서의 WC 입자의 평균 입경을 Do 로 했을 때, D/Do 의 값이 2 미만인 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2) 에 기재된 다결정 다이아몬드 소결체 공구.

(4) 소결 전에 상기 다이아몬드층에 혼합되는 Co 혼합량으로부터 상기 초경합금 기재의 Co 평균 함유량을 뺀 값이 1 질량％ 내지 30 질량％ 인 것을 특징으로 하는 (1) 에 기재된 다결정 다이아몬드 소결체 공구.

(5) 소결 전에 상기 다이아몬드층에 혼합되는 Co 혼합량으로부터 상기 초경합금 기재의 Co 평균 함유량을 뺀 값이 10 질량％ 내지 30 질량％ 인 것을 특징으로 하는 (4) 에 기재된 다결정 다이아몬드 소결체 공구.

(6) 소결 전에 상기 다이아몬드층에 혼합되는 Co 혼합량으로부터 상기 초경합금 기재의 Co 평균 함유량을 뺀 값이 16 질량％ 내지 28 질량％ 인 것을 특징으로 하는 (5) 에 기재된 다결정 다이아몬드 소결체 공구.

(7) 상기 Co 리치층과 상기 초경합금 기재의 계면에 평균 층두께가 5 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 완충층을 구비하는 것을 특징으로 하는 (4) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 다결정 다이아몬드 소결체 공구.

(8) 상기 Co 리치층과 상기 초경합금 기재의 계면에 평균 층두께가 8 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 완충층을 구비하는 것을 특징으로 하는 (4) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 다결정 다이아몬드 소결체 공구.

(9) 상기 Co 리치층의 평균 층두께가 21 ㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 (8) 에 기재된 다결정 다이아몬드 소결체 공구.

(10) 상기 다이아몬드층의 평균 층두께가 0.5 ㎜ 내지 15 ㎜ 이고, 상기 다이아몬드층은 상기 Co 리치층의 바로 위에 형성되고, 상기 Co 리치층은 상기 완충층의 바로 위에 형성되며, 상기 완충층은 상기 초경합금 기재의 바로 위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 (7) 에 기재된 다결정 다이아몬드 소결체 공구.

(11) Co 를 9 ∼ 18 질량％ 함유하고, 평균 입경 0.5 ∼ 4 ㎛ 의 WC 입자를 함유하는 초경합금 기재 상에, 평균 입경 1 ∼ 11 ㎛ 의 다이아몬드 분말 중에 15 ∼ 33 질량％ 의 Co 분말을 혼합한 다이아몬드 원료 분말을 적층하고, 열역학적으로 다이아몬드가 안정되는 영역인 소결 압력 5 ㎬ 이상이며 또한 소결 온도 1400 ℃ 이상의 초고압고온 장치 내에서 소결하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 기재된 다결정 다이아몬드 소결체 공구의 제조 방법.」

을 특징으로 하는 것이다.

이하에, 본 발명에 대해서, 상세하게 설명한다.

도 1 에, 본 발명의 다결정 다이아몬드 소결체 (PCD) 공구를 제조하기 위한 초고압고온 장치의 개략 모식도를 나타낸다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 PCD 공구는, 예를 들어, Ta 캡슐 (9) 의 바닥부로부터 상방으로 차례로, 소정 평균 입경의 다이아몬드 분말 중에 소정량의 Co 분말을 혼합한 다이아몬드 원료 분말 (8), 소정량의 Co 를 함유하고 소정의 평균 입경의 WC 입자를 함유하는 초경합금 기재 (1), Ta 박 (6), 그라파이트 디스크 (2) 를 적층하고, 추가로 그 위에, Ta 박 (6), 초경합금 기재 (1), 다이아몬드 원료 분말 (8) 을 적층하고, Ta 캡슐 내에 이와 같이 소결용 원료를 적층한 상태에서, 열역학적으로 다이아몬드가 안정되는 영역, 즉, 압력 5 ㎬ ∼ 10 ㎬ 이며 또한 소결 온도 1400 ℃ ∼ 2200 ℃ 이상에서 초고압고온 소결함으로써 제조할 수 있다.

상기 초고압고온 장치에 의한 소결에 있어서, 소결 압력이 5 ㎬ 미만에서는, 소정의 소결 온도에 있어서, 다이아몬드의 안정 영역이 아니기 때문에, 다이아몬드가 흑연 (그라파이트) 으로 역변환하여, 고경도의 소결체가 얻어지지 않는 점에서, 소결 압력은 5 ㎬ 이상으로 할 필요가 있지만, 그 효과는 10 ㎬ 이하로 충분하고, 그것을 초과하면 장치 비용이 높아지기 때문에, 가압 압력은 5 ∼ 10 ㎬ 로 하는 것이 바람직하다.

또, 소결 온도가 1400 ℃ 미만에서는, 금속 촉매인 Co 등이 충분히 용해되지 않고, 미소결 또는 소결 반응이 불충분해져, 소결체의 치밀화를 도모할 수 없기 때문에, 소결 온도는 1400 ℃ 이상으로 할 필요가 있고, 한편, 소결 온도가 2200 ℃ 를 초과하면, 소정의 소결 압력에 있어서, 다이아몬드의 안정 영역이 아니기 때문에 과소결 상태가 되어, 다이아몬드 입자가 그라파이트화하는 현상이 발생될 뿐만 아니라, 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면에 있어서의 Co 리치층의 층두께가 지나치게 두꺼워짐과 함께, WC 입자의 이상 성장이 발생되기 때문에, 소결 온도는 1400 ℃ 이상 2200 ℃ 이하, 바람직하게는, 1450 ℃ 이상 2000 ℃ 이하로 한다.

초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면의 Co 리치층 :

도 6 은, 본 발명의 일 실시형태의 PCD 공구의 모식적인 종단면도를 나타낸다. 본 발명에서는, 초경합금 기재 (17) 와 다이아몬드층 (18) 의 계면에 형성되는 Co 리치층 (19) 의 두께를 적정 범위로 억제하고, 또한, 계면에 있어서의 WC 입자의 이상 성장을 억제하기 위해서, 초경합금 기재 중에 함유되는 Co 함유량, 다이아몬드 분말에 사전 혼합하는 Co 함유량, 다이아몬드 분말의 평균 입경 및 초경합금 기재에 있어서의 WC 입자의 평균 입경을 소정의 범위 내로 하는 것이 중요하다.

다이아몬드층 (18) 의 바람직한 평균 층두께는 0.5 ㎜ ∼ 15 ㎜ 이다. 다이아몬드층 (18) 의 평균 층두께가 0.5 ㎜ 미만에서는, 다이아몬드층의 두께가 불충분하고, 공구로서 사용했을 경우, 마모가 단기간에 초경합금 기재에 도달하여, 급속히 마모가 진행한다. 그 결과, 공구 수명이 저하된다. 한편, 다이아몬드층 (18) 의 평균 층두께가 15 ㎜ 를 초과하면, 제조 비용에 상응하는 효과의 향상이 없다. 다이아몬드층 (18) 의 보다 바람직한 평균 층두께는 1.0 ㎜ ∼ 10 ㎜ 이고, 보다 더 바람직하게는 2.0 ㎜ ∼ 8.0 ㎜ 이다.

도 7 은, 본 발명의 다른 실시형태인 PCD 공구의 모식적인 종단면도를 나타낸다. 이 경우, Co 리치층 (19) 과 초경합금 기재 (17) 의 계면에 완충층 (20) 이 추가로 형성되어 있다.

도 7 에 나타내는 본 발명의 다른 실시형태인 PCD 공구에서는, 소결 전에 다이아몬드층 (18) 에 혼합되는 Co 혼합량으로부터 초경합금 기재 (17) 의 Co 평균 함유량을 뺀 값이 1 질량％ 내지 30 질량％ 의 범위 내로 설정되어 있다. 이 값이 1 질량％ 미만에서는, 완충층이 형성되지 않고, 30 질량％ 를 초과하면 다이아몬드층 중에 함유되는 Co 의 함유량이 지나치게 많아지기 때문에, 마모 성능이 현저하게 저하되고, 공구로서 사용한 경우에는 성능이 저하된다.

완충층 (20) 의 경계선은, 아래와 같이 정의한다. 상기 서술한 바와 같이 완충층 (20) 은, Co 리치층 (19) 과 초경합금 기재 (17) 의 계면에 형성된다. Co 리치층 (19) 과 완충층 (20) 사이의 경계선은, Co 리치층 (19) 중에서 한번 Cmax 의 값까지 상승한 Co 함유량이 초경합금 기재 (17) 측을 향하여 감소되고, Co 함유량이 1.1 × C_DIA 의 값 미만이 되는 곳에 있다. 완충층 (20) 과 초경합금 기재 (17) 사이의 경계선은, 완충층 (20) 중에서 Co 함유량이 초경합금 기재 (17) 측을 향하여 감소되어, 초경합금 기재 (17) 에 함유되는 Co 의 평균 함유량 Cwc 가 된 곳이다.

완충층 (20) 의 평균 층두께는, 복수의 점에서 상기한 경계선 사이의 거리를, 층두께 방향으로 측정함으로써 얻을 수 있다.

그 때문에, 다이아몬드층 (18) 과 초경합금 기재 (17) 의 계면으로부터 초경합금 기재 (17) 를 향한 Co 함유량의 변화는, 급격하게 감소하지 않고, 완만하게 완충층 (20) 의 두께 방향의 거리에 거의 비례한 형태로 일방향적으로 감소한다. 여기서, 일방향적으로 감소한다는 것은, 완충층의 Co 리치층 (19) 측으로부터 초경합금 기재 (17) 측에 걸쳐서, Co 함유량이 증가하지 않고 계속 감소하는 것을 의미한다 (미시적인 관찰에 의한 국소적인 노이즈로서의 증가는 제외한다).

물리 특성이 상이한 다이아몬드층 (18) 과 WC 초경합금 기재 (17) 사이에 Co 함유량이, 다이아몬드층 (18) 으로부터 WC 초경합금 기재 (17) 를 향하여, 완만하게 감소함으로써, 조직·조성의 차이에서 기인되는 물리 특성의 변화 정도도 완만한 것으로 할 수 있다.

Co 리치층 (19) 과 초경합금 기재 (17) 의 계면에 완충층 (20) 이 추가로 형성되어 있음으로써, 다이아몬드층 (18) 과 WC 초경합금 기재 (17) 의 계면 접합 강도를 더욱 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 순간적인 충격에서 기인한 다이아몬드층 (17) 의 박리의 발생을 억제할 수 있다.

이 순간적인 충격에서 기인한 다이아몬드층 (17) 의 박리의 발생은, 도 8 에 나타낸 시험편을 사용하여, 도 9 및 도 10 에 나타낸 충격 전단 강도 시험에 의해서 평가할 수 있다.

소결 전에 다이아몬드층 (18) 에 혼합되는 Co 혼합량으로부터 초경합금 기재 (17) 의 Co 평균 함유량을 뺀 값의 보다 바람직한 범위는, 10 질량％ 내지 30 질량％ 이다. 보다 더 바람직하게는 16 질량％ 내지 28 질량％ 이다.

소결되면 소결 전의 다이아몬드층 (18) 에 혼합되는 Co 혼합량은 변화한다. 소결 전에 다이아몬드층 (18) 에 혼합되는 Co 혼합량으로부터 초경합금 기재 (17) 의 Co 평균 함유량을 뺀 값이 1 질량％ 내지 30 질량％ 의 범위 내로 설정되어 있고, 예를 들어 상기 소결 조건에서 소결을 행한 경우에는, 소결 후의 다이아몬드층 (18) 의 질량％ 에서의 Co 함유량으로부터 소결 후의 초경합금 기재 (17) 의 질량％ 에서의 Co 함유량을 뺀 값은, －5 질량％ 내지 25 질량％ 가 된다.

완충층 (20) 의 바람직한 평균 층두께는 5 ㎛ 내지 15 ㎛ 이다. 보다 바람직하게는 8 ㎛ ∼ 15 ㎛ 이다. 보다 더 바람직하게는, 8 ㎛ ∼ 10 ㎛ 이다. 완충층 (20) 의 평균 층두께가 5 ㎛ 미만이면, 충격 성능이 저하되어, 완충층이 갖는 내충격성 향상의 효과가 없어진다. 한편, 완충층 (20) 의 평균 층두께가 15 ㎛ 를 초과하면, 소결 전에 다이아몬드층 (18) 에 혼합되는 Co 혼합량으로부터 초경합금 기재 (17) 의 Co 평균 함유량을 뺀 값을 30 질량％ 초과로 할 필요가 발생되고, 다이아몬드층에 함유되는 Co 함유량이 과잉이 되어, 결과적으로 내마모 성능이 저하된다.

완충층 (20) 에 있어서의 Co 함유량의 감소의 기울기는, 1 질량％/㎛ ∼ 10 질량％/㎛ 의 범위 내이다. 보다 바람직하게는 1.5 질량％/㎛ ∼ 7.5 질량％/㎛ 의 범위 내이다. 보다 더 바람직하게는, 2 질량％/㎛ ∼ 5 질량％/㎛ 의 범위 내이다.

초경합금 기재 (17) 와 다이아몬드층 (18) 의 계면에 형성되는 Co 리치층 (19) 의 평균 층두께는, 그 두께가 30 ㎛ 를 초과하면, 계면 강도가 저하되고, 그 결과, 계면에서의 크랙 발생, 박리 발생 등의 문제가 발생되기 때문에, Co 리치층 (19) 의 평균 층두께는 30 ㎛ 이하, 바람직하게는, 20 ㎛ 이하로 한다.

여기서, Co 리치층 (19) 의 평균 층두께란, 소결 후의 다이아몬드층에 함유되는 금속 촉매로서 잔류한 Co 리치층 이외의 영역에 있어서의 평균 Co 함유량을 C_DIA 로 했을 때, 초경합금 기재 (17) 와 다이아몬드층 (18) 의 계면으로부터, 초경합금 기재와 다이아몬드층의 내부 방향을 향하여, 각각 50 ㎛ (다이아몬드층과 초경 기재층을 합하여 100 ㎛) 에 걸쳐서, Co 함유량을 측정하고, 측정된 Co 함유량의 값이 1.1 × C_DIA 이상이 되는 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면의 거리를 측정 위치가 상이한 복수 개 지점에서 측정하고, 이 값들을 평균함으로써 구한 Co 리치층의 층두께로 정의한다.

또, 본 발명에서는, 상기 Co 리치층 (19) 에 있어서의 Co 함유량의 피크치를 C_MAX 로 했을 때, 다이아몬드층 (18) 에 함유되는 Co 의 평균 함유량 C_DIA 와의 비의 값 C_MAX/C_DIA 가 2 이하인 것이 바람직하다. 이것은, Co 리치층 (19) 의 층두께가 얇은 경우 (평균 층두께가 30 ㎛ 이하) 여도, 상기 C_MAX/C_DIA 의 값이 2 를 초과하는 경우에는, 초경합금 기재 (17) 와 다이아몬드층 (18) 의 계면에 있어서의 Co 함유량의 농도 변화율이 급격하게 커지기 때문에, Co 리치층 (19) 을 얇게 한 것에 의한 계면 강도의 향상 효과가 저감하기 때문이다. 따라서, Co 리치층 (19) 에 있어서의 C_MAX/C_DIA 의 값은 2 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 다이아몬드층 (18) 으로부터, 초경합금 기재 (17) 와 다이아몬드층 (18) 의 계면을 향하는 Co 함유량 (즉, C_MAX, C_DIA) 의 측정은, 예를 들어, EPMA (전자선 마이크로 애널라이저) 의 라인 분석에 의해서 행할 수 있다. 예를 들어, 도 3, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 다이아몬드층으로부터 초경 기재를 향하여 약 100 ㎛ (다이아몬드층과 초경 기재층을 각각 약 50 ㎛) 의 거리를 20 ㎛ 빔 직경으로, 0.5 ㎛ 측정 간격으로 주사하고, EPMA 로부터 조사된 가속 전자선에 의해서 발생되는 Co 의 특성 X 선을 검출하여, 각 위치에 있어서의 Co 함유량을 카운트수 (단위 : cps. count per second, 1 초당 X 선의 카운트수) 로서 구함으로써, C_MAX, C_DIA 의 값을 측정할 수 있다.

또한, 다이아몬드층 (18) 에 함유되는 Co 의 평균 함유량 C_DIA 의 값은, Co 리치층 (19) 의 존재에 의해서 Co 함유량이 크게 변화하지 않고, Co 함유량 (카운트수) 이 ±6 ％ 의 범위에서 거의 일정치로서 측정되는 값이다.

이 C_DIA 의 값은, Co 리치층 (19) 을 초과한 곳부터 다이아몬드층 (18) 측을 향하여, 다이아몬드층 (18) 의 층 방향으로 0.5 ㎛ 측정 간격으로, 상이한 적어도 200 점에서 측정한 값의 평균치로서 정의된다.

예를 들어, 도 3 에 나타내는 본 발명 PCD 공구 (H) 의 라인 분석에 있어서는, 다이아몬드층과 초경합금 기재의 계면으로부터 거의 30 ㎛ 이상 떨어진 다이아몬드층에 있어서의 Co 함유량의 카운트수는 5914 ± 6 ％ 로 일정치를 나타내기 때문에, 본 발명 PCD 공구 (H) 에 있어서의 C_DIA 의 값은 5914 가 된다.

한편, 도 4 에 나타내는 비교예 PCD 공구 (G) 의 라인 분석에 있어서는, 다이아몬드층과 초경합금 기재의 계면으로부터 거의 50 ㎛ 이상 떨어진 다이아몬드층에 있어서의 Co 함유량은 3907 ± 6 ％ 카운트로 거의 일정해지기 때문에, 비교예 PCD 공구 (G) 에 있어서의 C_DIA 의 값은 3907 이 된다.

초경합금 기재의 Cwc 의 값은, Co 리치층 (19) 을 넘어, 다시 50 ㎛ 끝에서부터 초경합금 기재 (17) 측을 향하여, 초경합금 기재 (17) 의 층 방향으로 0.5 ㎛ 측정 간격으로, 상이한 적어도 200 점에서 측정한 값의 평균치로서 정의한다.

또한, 초경합금 기재 (17) 에 함유되는 Co 의 평균 함유량 Cwc 의 값은, 완충층 (20) 의 존재에 의해서 Co 함유량이 크게 변화하지 않아, Co 함유량 (카운트수) 이 ±6 ％ 의 범위에서 거의 일정치로서 측정되는 값이다.

초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면의 WC 결정립 :

초경합금 기재 (17) 와 다이아몬드층 (18) 의 계면에 형성되어 있는 상기 Co 리치층 영역에 있어서의 WC 입자의 평균 입경을 D 로 하고, 또, 초경합금 기재 내부에 있어서의 WC 입자의 평균 입경을 Do 로 했을 때, D/Do 의 값이 2 이상이 되면, 계면 근방의 Co 리치층 영역에 있어서의 WC 입자의 이상 성장에 의해서, 초경합금 기재 (17) 와 다이아몬드층 (18) 의 계면 강도가 저하되고, 고부하가 작용했을 경우에 크랙·박리가 발생되기 쉬워지기 때문에, D/Do 의 값은 2 미만으로 한다.

또한, 상기 WC 입자의 입경의 측정은, 500 배 ∼ 3000 배로 관찰한 SEM (주사형 전자 현미경) 사진의 화상 처리 (사용 소프트, 미국 국립 위생 연구 연구소 제작 Image J Ver : 1.49) 에 의해서 행하고, 이들 복수 개 지점에 있어서의 측정치를 평균함으로써 WC 입자의 평균 입경을 구할 수 있다.

Co 리치층 (19) 의 평균 층두께가 30 ㎛ 이하이고, Co 리치층 (19) 에 있어서의 Co 함유량의 피크치 C_MAX 와, 다이아몬드층의 평균 Co 함유량 C_DIA 의 비의 값 C_MAX/C_DIA 가 2 이하이며, Co 리치층에 있어서의 WC 입자의 평균 입경 D 가 D/Do ＜ 2 를 만족하는 본 발명의 PCD 공구는, Co 를 9 ∼ 18 질량％ 함유하고, 평균 입경 0.5 ∼ 4 ㎛ 의 WC 입자를 함유하는 초경합금을 기재로 하고, 평균 입경 1 ∼ 11 ㎛ 의 다이아몬드 분말 중에 금속 촉매로서 15 ∼ 33 질량％ 의 Co 분말을 혼합한 다이아몬드 원료 분말을 적층하고, 초고압고온 장치 내에서 소결함으로써 제조할 수 있다.

초경합금 기재 (17) 에 있어서의 Co 함유량이 9 질량％ 미만에서는, 결합상 성분이 적기 때문에, 초경합금의 소결성이 나빠 초경합금 기재 (17) 자체의 인성이 저하되고, 한편, Co 함유량이 18 질량％ 를 초과하면, 초경합금 기재 (17) 와 다이아몬드층 (18) 의 계면에 형성되는 Co 리치층 (19) 의 층두께가 30 ㎛ 를 초과해 버리기 때문에, 초경합금 기재 (17) 와 다이아몬드층 (18) 사이의 계면 접합 강도는 저하되고, 고부하가 작용했을 경우에 계면으로부터의 크랙의 발생, 박리의 발생 등이 일어난다.

따라서, 초경합금 기재 (17) 에 있어서의 Co 함유량은 9 ∼ 18 질량％ 로 한다.

또, 초경합금 기재 (17) 에 있어서의 WC 입자의 평균 입경이, 0.5 ㎛ 미만이면, 초경 기재 중의 WC 입자가 입성장하기 쉬워, 파괴 인성치를 비롯한 기계적 특성이 저하되고, PCD 자체가 균열 (크랙) 이 발생되기 쉬워진다.

한편, 평균 입경이 4 ㎛ 를 초과하면, 파괴 인성치를 높일 수 있지만, 경도가 저하되기 때문에, PCD 소결시에 변형 (휨) 이 발생되기 쉬워지는 점에서, 초경합금 기재 (17) 에 있어서의 WC 입자의 평균 입경은 0.5 ∼ 4 ㎛ 로 한다.

다이아몬드층 (18) 형성하는 다이아몬드 분말의 평균 입경이 1 ㎛ 미만이면, 다이아몬드 입자가 이상 입성장하기 쉬워 내마모성이 저하되고, 한편, 평균 입경이 11 ㎛ 를 초과하면, 고부하가 작용했을 때, 다이아몬드 입자의 탈락이 발생되기 쉬워지고, 또, 피삭물의 면 거칠기가 나빠지는 점에서, 다이아몬드 분말의 평균 입경은 1 ∼ 11 ㎛ 로 한다.

또한, 다이아몬드 원료 분말에는 금속 촉매로서의 Co 분말을 혼합하지만, Co 혼합량이 15 질량％ 미만이면, 초고압고온 장치 내에서 소결할 때, 초경합금 기재 (17) 로부터 다이아몬드층 (18) 으로의 Co 의 확산 속도가 빨라지고, 그 결과, WC 초경합금 기재 (17) 와 다이아몬드층 (18) 의 계면에, 과잉 두께의 Co 리치층 (19) 이 형성되어 버려, 계면 특성을 열화시킨다. 한편, Co 혼합량이 33 질량％ 를 초과하면, 다이아몬드층 내에 부분적으로 Co 의 매트릭스가 형성되고, 다이아몬드 분말끼리의 직접 접합이 저해되어, 다이아몬드층의 내마모성, 내결손성이 저하된다.

따라서, 다이아몬드 분말에 사전에 혼합시키는 Co 분말의 혼합량은, 15 ∼ 33 질량％ 로 한다.

상기한 초경합금 기재 (1) 와 다이아몬드 원료 분말 (8) 을 Ta 캡슐 내에 장입·적층하고, 열역학적으로 다이아몬드가 안정되는 영역인 소결 압력 5 ㎬ 이상이며 또한 소결 온도 1400 ∼ 2200 ℃ 이상이라는 조건의 초고압고온 장치 내에서 소결함으로써, 본 발명의 PCD 공구를 제조할 수 있다.

본 발명의 PCD 공구는, 다양한 형상 및 용도의 공구에 적용할 수 있다. 예를 들어, 평면상의 적층체로부터 잘라내어, 공구 기체에 브레이징하여 사용할 수도 있다. 또, 선단부가 반구 형상인 원통 형상의 공구 기체의 선단부에 다이아몬드층을 적층하고 소결하여 제조되는 굴삭 비트 인서트로서도 사용할 수 있다. 나아가, 드릴이나 엔드 밀 등의 복잡한 형상을 한 회전 공구의 날끝 부분에도 사용할 수 있다.

본 발명의 PCD 공구는, 통상적인 PCD 공구가 갖는 우수한 경도, 화학 안정성에 더하여, 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면에 형성되는 Co 리치층의 평균 층두께를 억제하고, 또, Co 리치층에 있어서의 WC 입자의 이상 성장을 억제함으로써, 계면의 접합 강도가 향상된다.

따라서, 본 발명의 PCD 공구를, 비철 금속의 절삭용 공구, 혹은, 석유·천연 가스·지열정 굴삭용 공구 등으로서 사용한 경우, 계면 접합 강도가 향상됨으로써, 공구 측면으로부터의 충격적 부하에 대한 내충격성이 향상됨과 함께, 계면에 있어서의 크랙의 발생, 박리의 발생이 억제되어 공구 수명의 연장이 도모된다.

또, 본 발명에 의하면, 초경합금 기재의 Co 함유량, WC 입자의 평균 입경과 다이아몬드 원료 분말 중에 금속 촉매로서 혼합되는 Co 혼합량, 다이아몬드 분말의 평균 입경을 조정하여, 초고압고온 장치에서 소결을 행한다는 간이한 조작으로, 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면 강도가 향상되어, 내충격성이 향상됨과 함께, 계면에 있어서의 크랙 발생, 박리 발생이 적은 PCD 공구를 제조할 수 있다.

또, 본 발명에 의하면, 소결시에 다이아몬드층과 초경합금 기재 사이에, 물리적으로 중간적인 성질을 갖는 중간층을 적층시키지 않고, 초경합금 기재에 필요해지는 다이아몬드 최외층을 직접 적층하여 소결 공구를 제조해도, 우수한 내마모성, 내결손성 및 초경합금 기재와 다이아몬드층 간의 높은 계면 접합 강도를 구비하는 소결체 공구를 얻을 수 있다.

도 1 은, PCD 공구를 제조하기 위한 초고압고온 장치의 개략 모식도를 나타낸다.
도 2 는, PCD 공구에 있어서의 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면 근방의 SEM 이미지의 일례를 나타내고, (A) ∼ (D) 는 비교예의 PCD 공구, (E), (F) 는 본 발명의 PCD 공구를 나타낸다.
도 3 은, 본 발명 PCD 공구 (H) 에 대해서 실시한 Co 함유량의 라인 분석의 개략 설명도와 분석 결과를 나타낸다.
도 4 는, 비교예 PCD 공구 (G) 에 대해서 실시한 Co 함유량의 라인 분석의 개략 설명도와 분석 결과를 나타낸다.
도 5 는, PCD 공구에 열처리 시험을 실시한 후의 다이아몬드층 (상단) 과 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면 근방 (하단) 의 SEM 이미지를 나타내고, (C), (D) 는 비교예 PCD 공구 (C), 비교예 PCD 공구 (D) 를, 750 ℃ 에서 열처리를 실시한 후의 SEM 이미지, (F) 는 본 발명의 PCD 공구 (F) 를 850 ℃ 에서 열처리를 실시한 후의 SEM 이미지를 나타낸다.
도 6 은, 본 발명의 일 실시형태의 PCD 공구의 모식적인 종단면도를 나타낸다.
도 7 은, 본 발명의 다른 실시형태인 PCD 공구의 모식적인 종단면도를 나타낸다.
도 8 은, 충격 전단 강도의 평가에 사용하는 시험편의 정면도 및 측면도를 나타낸다.
도 9 는, 충격 전단 강도의 평가에 사용하는 측정 장치의 모식적인 단면도를 나타낸다. 추를 낙하시키기 전의 상태를 나타낸다.
도 10 은, 충격 전단 강도의 평가에 사용하는 측정 장치의 모식적인 단면도를 나타낸다. 추를 낙하시킨 후의 상태를 나타낸다.

본 발명에 대해서, 실시예를 이용하여 아래에 상세하게 설명한다.

실시예

표 1 에, 실시예에서 사용한 초경합금과 다이아몬드 원료 분말의 조합을 나타낸다. 본 발명의 대표예로서, 표 1 중의 (E), (F), (H), (I) 및 (J) 에 나타내는 초경합금과 다이아몬드 원료 분말의 조합으로 이루어지는, 본 발명의 PCD 공구 (E), (F), (H), (I) 및 (J) 를 제조하였다.

구체적으로 말하면, PCD 공구 (E) 는, 평균 입경 9 ㎛ 의 다이아몬드 분말 중에, 17 질량％ 의 Co 분말을 혼합한 다이아몬드 원료 분말과, Co 함유량이 16 질량％ 이며 또한 평균 입경 2.2 ㎛ 의 WC 입자로 이루어지는 초경합금 기재 (표 1 (E) 참조) 를, 도 1 에 나타내는 바와 같이 Ta 캡슐 내에 적층한 상태에서 충전하고, 소결 압력 5.8 ㎬, 소결 온도 1500 ℃ 의 초고압고온 장치 내에서 소결함으로써 제조하였다.

PCD 공구 (F) 는, 평균 입경 9 ㎛ 의 다이아몬드 분말 중에, 31 질량％ 의 Co 분말을 혼합한 다이아몬드 원료 분말과, Co 함유량이 16 질량％ 이며 또한 평균 입경 2.2 ㎛ 의 WC 입자로 이루어지는 초경합금 기재 (표 1 (F) 참조) 를, 동일하게 도 1 에 나타내는 바와 같이 Ta 캡슐 내에 적층한 상태에서 장입하고, 소결 압력 5.8 ㎬, 소결 온도 1500 ℃ 의 초고압고온 장치 내에서 소결함으로써 제조하였다.

또, PCD 공구 (H) 는, 평균 입경 3 ㎛ 의 다이아몬드 분말 중에, 33 질량％ 의 Co 분말을 혼합한 다이아몬드 원료 분말과, Co 함유량이 10 질량％ 이며 또한 평균 입경 2.2 ㎛ 의 WC 입자로 이루어지는 초경합금 기재 (표 1 (H) 참조) 를, 동일하게 도 1 에 나타내는 바와 같이 Ta 캡슐 내에 적층한 상태에서 장입하고, 소결 압력 5.8 ㎬, 소결 온도 1500 ℃ 의 초고압고온 장치 내에서 소결함으로써 제조하였다.

또, PCD 공구 (I) 는, 평균 입경 6 ㎛ 의 다이아몬드 분말 중에, 33 질량％ 의 Co 분말을 혼합한 다이아몬드 원료 분말과, Co 함유량이 10 질량％ 이며 또한 평균 입경 2.2 ㎛ 의 WC 입자로 이루어지는 초경합금 기재 (표 1 의 I 참조) 를, 동일하게 도 1 에 나타내는 바와 같이 Ta 캡슐 내에 적층한 상태에서 장입하고, 소결 압력 5.8 ㎬, 소결 온도 1500 ℃ 의 초고압고온 장치 내에서 소결함으로써 제조하였다.

또, PCD 공구 (J) 는, 평균 입경 9 ㎛ 의 다이아몬드 분말 중에, 33 질량％ 의 Co 분말을 혼합한 다이아몬드 원료 분말과, Co 함유량이 10 질량％ 이며 또한 평균 입경 2.2 ㎛ 의 WC 입자로 이루어지는 초경합금 기재 (표 1 의 J 참조) 를, 동일하게 도 1 에 나타내는 바와 같이 Ta 캡슐 내에 적층한 상태에서 장입하고, 소결 압력 5.8 ㎬, 소결 온도 1500 ℃ 의 초고압고온 장치 내에서 소결함으로써 제조하였다.

상기에서 제조한 본 발명 PCD 공구 (E), (F), (H), (I), (J) 중, PCD 공구 (E), (F) 에 대해서, 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면 근방을, 주사형 전자 현미경 (SEM) 으로 관찰하고, 얻어진 SEM 이미지를 각각 도 2 의 (E), (F) 로서 나타낸다.

도 2(E), (F) 로부터도 분명한 바와 같이, 본 발명의 PCD 공구 (E) 에 있어서는, 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면에 형성되는 Co 리치층의 평균 층두께는 10 ㎛ 이하이고, 또, 본 발명의 PCD 공구 (F) 에 있어서는, 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면에, Co 리치층의 존재는 확인되지 않았다.

표 2 에, 본 발명 PCD 공구 (E), (F), (H), (I), (J) 에 대해서 측정한 Co 리치층의 평균 층두께의 값을 나타낸다.

Co 리치층의 평균 층두께는, 예를 들어, 도 3 (이것은, 본 발명 PCD 공구 (H) 에 관한 것이다) 에 나타내는 바와 같이, 다이아몬드층으로부터 초경 기재를 향하여 약 100 ㎛ (다이아몬드층과 초경 기재층을 각각 약 50 ㎛) 의 거리를 20 ㎛ 빔 직경으로, 0.5 ㎛ 측정 간격으로 EPMA (전자선 마이크로 애널라이저) 의 라인 분석을 행하여 Co 함유량 (C_DIA) 을 측정하고, 측정된 Co 함유량의 값이 1.1 × C_DIA 이상인 영역을 Co 리치층으로 하여, 그 영역의 층두께를 측정하고, 복수 개 지점에서 측정된 Co 리치층의 층두께를 평균함으로써, Co 리치층의 평균 층두께를 구할 수 있다.

또한, C_DIA 는, 소결 후의 다이아몬드층에 있어서의 금속 촉매로서 잔류한 Co 함유량이다. 또, Co 리치층에 있어서의 Co 함유량의 피크치 C_MAX 를 측정하여, 다이아몬드층의 평균 Co 함유량 C_DIA 와의 비의 값 C_MAX/C_DIA 를 산출하였다.

표 2 로부터, 본 발명 PCD 공구 (E), (F), (H) 의 모두에 대해서, Co 리치층의 평균 층두께는 30 ㎛ 이하이고, 또, C_MAX/C_DIA 의 값은 2 이하인 것을 알 수 있으며, 또, 도 3 에 의하면, Co 리치층의 층두께는 약 28 ㎛, C_MAX/C_DIA 의 값은 1.7 인 것을 알 수 있다.

또, 본 발명 PCD 공구 (E), (F), (H), (I), (J) 에 대해서 측정한 다이아몬드층의 평균 층두께의 값을 나타낸다.

다이아몬드층의 평균 층두께는, 다이아몬드층과 Co 리치층의 경계선으로부터 다이아몬드층의 최외면까지의 거리를 층두께 방향으로 복수 점에서 측정하고, 그 측정치들로부터 평균치를 산출함으로써 얻어진다.

본 발명 PCD 공구 (E), (F), (H), (I), (J) 의 다이아몬드층의 평균 층두께는, 5.0 ㎜ ∼ 8.0 ㎜ 의 범위 내였다.

또, 본 발명 PCD 공구 (E), (F), (H), (I), (J) 에 대해서 측정한 완충층의 평균 층두께의 값을 나타낸다.

완충층의 평균 층두께는, 완충층의 경계선 사이의 거리를 층두께 방향에서 복수 점에서 측정하고, 그 측정치들로부터 평균치를 산출함으로써 얻어진다.

본 발명 PCD 공구 (E), (F), (H), (I), (J) 의 완충층의 평균 층두께는, 5 ㎛ ∼ 9 ㎛ 의 범위 내였다.

또, 상기 본 발명 PCD 공구 (E), (F), (H), (I), (J) 에 대해서, 각각의 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면으로부터 다이아몬드층의 내부로 50 ㎛ 까지의 영역을, 배율 500 배 ∼ 3000 배의 SEM (주사형 전자 현미경) 으로 관찰하고, 그 영역에 있어서의 WC 입자의 입경을, 관찰된 SEM 사진의 화상 처리 (사용 소프트, 미국 국립 위생 연구 연구소 제작 ImageJ Ver : 1.49) 에 의해서 측정하고, 이들 복수 개 지점에 있어서의 측정치를 평균함으로써, 상기 계면으로부터 다이아몬드층의 내부로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 WC 입자의 평균 입경 D 를 구하였다.

또, 초경합금 기재 내부에 있어서의 WC 입자의 평균 입경 Do 에 대해서도, 동일하게 하여 구하여 D/Do 의 값을 산출하였다.

표 2 에, 본 발명 PCD 공구 (E), (F), (H), (I), (J) 에 대해서 구한, 각각의 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면으로부터 다이아몬드층의 내부로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 WC 입자의 평균 입경 D 의 값, 초경합금 기재 내부에 있어서의 WC 입자의 평균 입경 Do 의 값, D/Do 의 값을 나타낸다.

표 2 로부터, 본 발명 PCD 공구 (E), (F), (H), (I), (J) 의 모두에 대해서, D/Do 의 값은 2 미만인 것을 알 수 있다.

비교를 위해서, 표 1 의 (A) ∼ (D), (G) 로서 나타내는 초경합금과 다이아몬드 원료 분말의 조합에 의해서, 비교예의 PCD 공구 (A) ∼ (D), (G) 를 제조하였다.

또한, 비교예의 PCD 공구 (A) ∼ (D), (G) 를 제조할 때의 초고압고온 장치에 의한 소결 압력은 5.8 ㎬, 소결 온도는 1500 ℃ 로서, 본 발명 PCD 공구 (E), (F), (H) 와 동일한 소결 조건이다.

상기에서 제조한 비교예 PCD 공구 (A) ∼ (D), (G) 중의, PCD 공구 (A) ∼ (D) 에 대해서, 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면 근방을, 주사형 전자 현미경 (SEM) 으로 관찰하고, 얻어진 SEM 이미지를, 각각 도 2(A) ∼ (D) 로서 나타낸다.

도 2(A) ∼ (D) 로부터, 다이아몬드 분말에 Co 분말을 사전 혼합하지 않은 비교예 PCD 공구 (A) ∼ (D) 에 있어서는, 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면에 50 ㎛ 이상의 평균 층두께의 Co 리치층 (도 2(A), (B)) 이, 혹은, 30 ㎛ 를 초과하는 평균 층두께의 Co 리치층 (도 2(C), (D)) 이 형성되어 있는 것을 알 수 있다.

또한, 상기 비교예 PCD 공구 (A) ∼ (D), (G) 의 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면으로부터 다이아몬드층의 내부로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서, 입경이 크게 이상 성장한 WC 입자도 관찰된다.

또한, 도 2(A) ∼ (D) 를 비교했을 경우, 사용된 다이아몬드 분말의 평균 입경이 상대적으로 작은 (3 ㎛) PCD 공구 (A) ∼ (C) 는, 다이아몬드 분말의 평균 입경이 상대적으로 큰 (9 ㎛) PCD 공구 (D) 와 비교하여, Co 리치층의 층두께가 두꺼워지고, WC 입자의 이상 성장이 발생되는 것, 또, 사용된 초경합금 기재 중의 Co 함유량이 상대적으로 적은 (10 질량％) PCD 공구 (A), (B) 는, 초경합금 기재 중의 Co 함유량이 상대적으로 많은 (16 질량％) PCD 공구 (C), (D) 와 비교하여, Co 리치층의 평균 층두께가 두꺼워지는 것을 알 수 있다.

표 2 에는, 본 발명 PCD 공구 (E), (F), (H), (I), (J) 와 동일하게 측정하여 구한, 비교예 PCD 공구 (A) ∼ (D), (G) 의 다이아몬드층의 평균 층두께, Co 리치층의 평균 층두께, 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면으로부터 다이아몬드층의 내부로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 WC 입자의 평균 입경 D 의 값, 초경합금 기재 내부에 있어서의 WC 입자의 평균 입경을 Do 의 값, D/Do 의 값, 완충층의 평균 층두께를 나타낸다.

또한, 표 1 의 시험편 (A) ∼ (D), (G) 에 있어서의 다이아몬드 원료 분말 중의 Co 함유량은 제로이지만, 소결에 의해서, 다이아몬드층 중에 초경합금으로부터 Co 가 용침됨으로써, 표 2 중에 C_DIA 로서 나타내는 양의 Co 가 다이아몬드층 중에 함유되게 된다.

또, 도 4 에는, 비교예 PCD 공구 (G) 에 대해서 실시한 라인 분석의 개략 설명과 분석 결과를 나타내는데, Co 리치층의 층두께는 약 50 ㎛, C_MAX/C_DIA 의 값은 4.3 인 것을 알 수 있다.

표 2 에 의하면, 비교예 PCD 공구 (A) ∼ (D), (G) 에 있어서는, Co 리치층의 평균 층두께는 모두 30 ㎛ 를 초과하는 것이고, 또, 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면으로부터 다이아몬드층의 내부로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 D/Do 는 3 ∼ 12 였다. 또, 비교예 PCD 공구 (A) ∼ (D), (G) 에 있어서는, 다이아몬드층의 평균 층두께는 모두 0.8 ㎜ 이하이고, 또, 완충층은 존재하지 않았다.

이어서, 본 발명 PCD 공구 (E), (F), (H), (I), (J) 와 비교예 PCD 공구 (A) ∼ (D), (G) 에 대해서, 내열 특성 및 내크랙성·내박리성을 조사하기 위해서, 750 ∼ 850 ℃ × 60 분간의 열처리 시험을 행하였다.

비교예 PCD 공구 (A) ∼ (D), (G) 에 대해서는, 750 ℃ × 60 분간의 열처리에 의해서, 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면에 크랙의 발생·박리의 발생이 관찰되었다.

이에 비해서, 본 발명 PCD 공구 (E), (F), (H), (I), (J) 에 있어서는, 750 ℃ × 60 분간의 열처리에서는, 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면에 크랙 발생은 없었다.

본 발명 PCD 공구 (E), (H), (I) 와 (J) 에 있어서는, 800 ℃ × 60 분간의 열처리에 의해서, 비로소 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면에 크랙의 발생이 관찰되었다.

본 발명 PCD 공구 (F) 에 있어서는, 850 ℃ × 60 분간의 열처리에서도 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면에 크랙은 발생되지 않았지만, 다이아몬드층 중에 미세한 크랙의 발생이 관찰되었다.

본 발명 PCD 공구 (F) 에 있어서의 미세한 크랙 발생의 원인은, (A) ∼ (D), (G) 및 (E), (H) ∼ (J) 보다 내열 시험 온도가 높기 때문에, Co 의 열응력이, 다이아몬드 입자 간의 결합력을 웃돌아, 결과적으로 다이아몬드층 자체의 내부에 미세 크랙이 발생된 것으로 추측된다.

나아가, 본 발명 PCD 공구 (E), (F), (H), (I), (J) 와 비교예 PCD 공구 (A) ∼ (D), (G) 에 대해서, 순간적인 충격에서 기인한 다이아몬드층의 박리에 대한 내성을 조사하기 위해서, 충격 전단 강도 시험을 행하였다. 그 결과를 표 2 에 나타낸다.

충격 전단 강도의 평가에는, 본 발명 PCD 공구 (E), (F), (H), (I), (J) 와 비교예 PCD 공구 (A) ∼ (D), (G) 에 대응하는 시험편을 도 8 에 나타내는 치수로 제조하여 사용하였다.

시험편은 도 9 에 나타내는 시험편 고정 지그에, WC-Co 층측에서 클램프 (24) 를 통하여 고정시킨다. 해머 (21) 는, 그 하단이 시험편의 다이아몬드층 (18) 에 맞닿도록 세트된다. 그리고, 해머 (21) 상단에 소정의 질량 (㎏) 의 추 (22) 를 소정의 높이로부터 낙하시킨다. 도 10 은, 추 (22) 의 낙하에 의해서 다이아몬드층 (18) 이 파단된 상태를 나타낸다.

다이아몬드층 (18) 이 파단 (초경합금 기재 (17) 로부터 박리) 되지 않은 경우, 추 (22) 의 낙하 높이를 높여 재시험한다. 파단되었을 경우, 그 때의 추의 낙하 에너지 (J) 를 충격 전단 강도로 한다.

추의 낙하 에너지는, 추의 낙하 에너지 (J) ＝ 추의 질량 (㎏) × 중력 정수 (定數) (㎳^-2) × 높이 (m) 의 식으로부터 얻어진다.

전단 강도 (J/㎠) 는, 전단 강도 (J/㎠) ＝ 파단되었을 때의 추의 낙하 에너지 (J) /시험편 단면적 (㎠) 의 식으로부터 얻어진다.

표 2 로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명 PCD 공구 (E), (F), (H), (I), (J) 의 충격 전단 강도는 7.3 J/㎠ ∼ 12.1 J/㎠ 였다. 평균 층두께가 5 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 완충층을 구비하는 PCD 공구 (H), (I) 및 (J) 에서는, 충격 전단 강도가 약 10 J/㎠ 이상의 값을 나타내고, 특히 (I), (J) 가 충격 전단 강도가 높은 것을 알 수 있다.

한편, 비교예 PCD 공구 (A) ∼ (D), (G) 에서는, 순간적인 충격에서 기인한 다이아몬드층 (17) 의 박리에 대한 충격 전단 강도 (J/㎠) 는 2.9 J/㎠ ∼ 5.1 J/㎠ 이고, 본 발명 PCD 공구 (E), (F), (H), (I), (J) 보다, 충격 전단 강도는 현저하게 낮은 것을 알 수 있다.

도 3 에, 상기 열처리 시험을 행한 후의 비교예 PCD 공구 (C), (D) 및 본 발명 PCD 공구 (F) 에 대해서 구한 SEM 이미지를 나타낸다.

도 3 에 나타내는 결과로부터도 분명한 바와 같이, 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면에 형성되는 Co 리치층의 평균 층두께를 30 ㎛ 이하로 억제하고, 또, 초경합금 기재와 다이아몬드층의 계면으로부터 다이아몬드층의 내부로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 WC 입자의 평균 입경 D 가, 초경합금 기재의 내부에 있어서의 WC 입자의 평균 입경 Do 에 대해서, D/Do ＜ 2 를 만족하는 본 발명 PCD 공구 (E), (F), (H) 는, 내열성·내충격성이 우수함과 함께, 내크랙성·내박리성이 우수한 것을 알 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 PCD 공구는, 통상적인 PCD 공구가 갖는 우수한 경도, 열전도성, 화학 안정성에 더하여, 우수한 계면 접합 강도와 우수한 내열성·내충격성을 갖기 때문에, 비철 금속, 초경합금, 세라믹스 등의 절삭, 혹은, 석유·천연 가스·지열정 등의 굴삭 등에 있어서, 장수명의 PCD 공구로서 이용된다.

1 : WC-Co 기재 (초경합금 기재)
2 : 그라파이트 디스크
3 : 그라파이트
4 : 히터
5 : 스틸 링
6 : Ta 박
7 : NaCl-10 wt％ ZrO₂
8 : 다이아몬드 분말 또는 (다이아몬드 ＋ Co) 혼합 분말
9 : Ta 캡슐
10 : Co 리치층
11 : WC 입자 (백색)
12 : Co (회색)
13 : 다이아몬드 입자 (흑색)
14 : 분석 방향
15 : 계면 크랙
16 : 다이아몬드층 내 크랙
17 : 초경합금 기재
18 : 다이아몬드층
19 : Co 리치층
20 : 완충층 (버퍼층)
21 : 해머
22 : 추
23 : 낙하
24 : 클램프

Claims

WC 및 Co 의 함유량은 전체 중량의 95 ~ 100 중량% 이고, Co 의 함유량은 9 ~ 18 질량% 인 초경합금 기재 상에 Co 로 이루어지는 금속 촉매를 함유하는 다이아몬드층이 형성된 다결정 다이아몬드 소결체 공구에 있어서,
상기 초경합금 기재와 상기 다이아몬드층의 계면에 형성되어 있는 Co 리치층의 평균 층두께는 30 ㎛ 이하이고,
상기 다이아몬드층에 함유되는 Co 의 평균 함유량을 C_DIA 로 하고, 또, 상기 Co 리치층에 있어서의 Co 함유량의 피크치를 C_MAX 로 했을 때, C_MAX/C_DIA 의 값이 2 이하이고,
상기 초경합금 기재와 상기 다이아몬드층의 계면으로부터 다이아몬드층의 내부로 50 ㎛ 까지의 영역에 있어서의 WC 입자의 평균 입경 D 는, 초경합금 기재의 내부에 있어서의 WC 입자의 평균 입경을 Do 로 했을 때, D/Do 의 값이 2 미만인 것을 특징으로 하는 다결정 다이아몬드 소결체 공구.
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제 1 항에 있어서,
소결 전에 상기 다이아몬드층에 혼합되는 Co 혼합량으로부터 상기 초경합금 기재의 Co 평균 함유량을 뺀 값이 1 질량％ 내지 30 질량％ 인 것을 특징으로 하는 다결정 다이아몬드 소결체 공구.
제 4 항에 있어서,
소결 전에 상기 다이아몬드층에 혼합되는 Co 혼합량으로부터 상기 초경합금 기재의 Co 평균 함유량을 뺀 값이 10 질량％ 내지 30 질량％ 인 것을 특징으로 하는 다결정 다이아몬드 소결체 공구.
제 5 항에 있어서,
소결 전에 상기 다이아몬드층에 혼합되는 Co 혼합량으로부터 상기 초경합금 기재의 Co 평균 함유량을 뺀 값이 16 질량％ 내지 28 질량％ 인 것을 특징으로 하는 다결정 다이아몬드 소결체 공구.
제 4 항에 있어서,
상기 Co 리치층과 상기 초경합금 기재의 계면에 평균 층두께가 5 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 완충층을 구비하는 것을 특징으로 하는 다결정 다이아몬드 소결체 공구.
제 4 항에 있어서,
상기 Co 리치층과 상기 초경합금 기재의 계면에 평균 층두께가 8 ㎛ 이상 15 ㎛ 이하인 완충층을 구비하는 것을 특징으로 하는 다결정 다이아몬드 소결체 공구.
제 8 항에 있어서,
상기 Co 리치층의 평균 층두께가 21 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 다결정 다이아몬드 소결체 공구.
제 7 항에 있어서,
상기 다이아몬드층의 평균 층두께가 0.5 ㎜ 내지 15 ㎜ 이고,
상기 다이아몬드층은 상기 Co 리치층의 바로 위에 형성되고,
상기 Co 리치층은 상기 완충층의 바로 위에 형성되고,
상기 완충층은 상기 초경합금 기재의 바로 위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다결정 다이아몬드 소결체 공구.
Co 를 9 ∼ 18 질량％ 함유하고, 평균 입경 0.5 ∼ 4 ㎛ 의 WC 입자를 함유하는 초경합금 기재 상에, 평균 입경 1 ∼ 11 ㎛ 의 다이아몬드 분말 중에 15 ∼ 33 질량％ 의 Co 분말을 혼합한 다이아몬드 원료 분말을 적층하고, 열역학적으로 다이아몬드가 안정되는 영역인 소결 압력 5 ㎬ 이상이며 또한 소결 온도 1400 ℃ 이상의 조건의 초고압고온 장치 내에서 소결하는 것을 특징으로 하는 제 1 항 및 제 4 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 다결정 다이아몬드 소결체 공구의 제조 방법.