KR102619736B1 - 소결체용 분말, 다결정질 다이아몬드 소결체 및 다결정질 다이아몬드 소결체의 제조방법. - Google Patents
소결체용 분말, 다결정질 다이아몬드 소결체 및 다결정질 다이아몬드 소결체의 제조방법. Download PDFInfo
- Publication number
- KR102619736B1 KR102619736B1 KR1020210101008A KR20210101008A KR102619736B1 KR 102619736 B1 KR102619736 B1 KR 102619736B1 KR 1020210101008 A KR1020210101008 A KR 1020210101008A KR 20210101008 A KR20210101008 A KR 20210101008A KR 102619736 B1 KR102619736 B1 KR 102619736B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- powder
- metal
- carbon
- diamond
- sintered body
- Prior art date
Links
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 224
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 214
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims abstract description 206
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 20
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 187
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 150
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 138
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 97
- 150000001721 carbon Chemical group 0.000 claims abstract description 8
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 83
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 62
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 62
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 26
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 26
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 20
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 20
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims description 9
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 7
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 4
- 229910021387 carbon allotrope Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000012255 powdered metal Substances 0.000 claims 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 47
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 39
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 35
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 31
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 31
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 23
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 19
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 17
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 16
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 description 14
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 11
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 11
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 8
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 7
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 6
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 description 4
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 4
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 3
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 3
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002270 dispersing agent Substances 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 239000003966 growth inhibitor Substances 0.000 description 2
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 2
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 description 2
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 2
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 2
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 2
- JVKRKMWZYMKVTQ-UHFFFAOYSA-N 2-[4-[2-(2,3-dihydro-1H-inden-2-ylamino)pyrimidin-5-yl]pyrazol-1-yl]-N-(2-oxo-3H-1,3-benzoxazol-6-yl)acetamide Chemical compound C1C(CC2=CC=CC=C12)NC1=NC=C(C=N1)C=1C=NN(C=1)CC(=O)NC1=CC2=C(NC(O2)=O)C=C1 JVKRKMWZYMKVTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LLYXJBROWQDVMI-UHFFFAOYSA-N 2-chloro-4-nitrotoluene Chemical compound CC1=CC=C([N+]([O-])=O)C=C1Cl LLYXJBROWQDVMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018575 Al—Ti Inorganic materials 0.000 description 1
- CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N Fe2+ Chemical compound [Fe+2] CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000012868 Overgrowth Diseases 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007809 chemical reaction catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000879 optical micrograph Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000000527 sonication Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/52—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23B—TURNING; BORING
- B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
- B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
- B23B27/18—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material with cutting bits or tips or cutting inserts rigidly mounted, e.g. by brazing
- B23B27/20—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material with cutting bits or tips or cutting inserts rigidly mounted, e.g. by brazing with diamond bits or cutting inserts
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
- B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
- B28B17/00—Details of, or accessories for, apparatus for shaping the material; Auxiliary measures taken in connection with such shaping
- B28B17/02—Conditioning the material prior to shaping
- B28B17/026—Conditioning ceramic materials
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
- B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
- B28D1/00—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor
- B28D1/22—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor by cutting, e.g. incising
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/52—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite
- C04B35/522—Graphite
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
- C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
- C04B35/62625—Wet mixtures
- C04B35/62635—Mixing details
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
- C04B35/628—Coating the powders or the macroscopic reinforcing agents
- C04B35/62802—Powder coating materials
- C04B35/62842—Metals
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/64—Burning or sintering processes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23B—TURNING; BORING
- B23B2226/00—Materials of tools or workpieces not comprising a metal
- B23B2226/31—Diamond
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/40—Metallic constituents or additives not added as binding phase
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/42—Non metallic elements added as constituents or additives, e.g. sulfur, phosphor, selenium or tellurium
- C04B2235/422—Carbon
- C04B2235/425—Graphite
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/42—Non metallic elements added as constituents or additives, e.g. sulfur, phosphor, selenium or tellurium
- C04B2235/422—Carbon
- C04B2235/427—Diamond
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
- C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
- C04B2235/6565—Cooling rate
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
본 발명의 일 측면에 따른 소결체용 분말은, 탄소계 분말의 탄소원자층간 공간에 금속이 포함되는 금속도핑된 탄소계 분말; 및 다이아몬드 분말;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명의 일 측면은 소결체용 분말 및 다결정질 다이아몬드 소결체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소계 물질과 금속 촉매가 혼합된 소결체용 분말과 이들 분말들로 소결된 다결정질 다이아몬드 소결체, 그리고 소결체용 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.
통상적으로 인공적으로 합성되는 다결정질 다이아몬드 소결체(PCD)는 코발트(co)와 같은 금속 용매가 첨가된 조건 하에서 고압 및 고온(HP-HT)을 가해 마이크론 사이즈(Micron size)의 다이아몬드 입자를 소결시킴으로써 얻어진다. 이때, 금속 촉매란 금속 용매라는 용어로 지칭되기도 하며, 고압 및 고온 조건에서 다이아몬드 결정구조의 탄소를 그라파이트 구조로 만드는 흑연화반응과 흑연화된 탄소 원자들을 고압 및 고온조건에서 더욱 안정한 다이아몬드 결정 구조로 만드는 반응이 일어날 수 있도록 하는 의미에서 반응을 위한 촉매이자 고상의 다이아몬드 또는 탄소 구조를 화학적으로 용해시킬 수 있는 용매라고 표현한다.
통상적으로 다결정질 다이아몬드 소결체를 제조하기 위하여 제공되는 HP-HT 조건은 약 45 kbar 이거나 그것을 초과하는 압력, 및 약 1400 ℃ 이상의 온도 정도이다. 다이아몬드 입자들로부터의 탄소는 금속 촉매에 의해 용해되고, 다음에 금속 촉매로부터 다이아몬드로서 다시 침전되는 과정을 거치며 다이아몬드 입자들이 서로 소결된 다결정 구조의 소결체가 이루어진다.
다이아몬드 소결체의 제조시 금속 촉매는 입자내 다이아몬드 성장의 형성을 용이하게 하며, 이는 다이아몬드 입자들을 소결된 콤팩트(compact)로서 함께 바인딩시킨다. 그러나, 금속 촉매는 HP-HT 소결과정 이후에 소결체의 내부에 남아 있어 소결체가 절삭 및 가공 단계에서 사용될 때 다결정질 다이아몬드 소결체의 성능을 떨어뜨릴 수 있다.
또한, 금속 촉매 조건하에서 입경이 1 마이크로미터 이하 수준인 초미립자 다이아몬드를 사용하여 다결정질 다이아몬드 소결체를 제조하는 경우, 초미립 다이아몬드 입자의 표면에서 흑연화 반응이 일어나며 원하지 않은 결정립 성장이 일어나 소결체를 이루는 다이아몬드 입자의 입경이 불균일해지거나 소결체의 기계적 강도가 저하되는 문제점이 있어 이를 해결하기 위한 다양한 방법이 연구되고 있다.
본 발명의 목적은, 입경이 작은 미립자 또는 초미립자 다이아몬드 분말을 이용하여 다결정질 다이아몬드 소결체를 제조할 때, 다이아몬드 입자의 결정립 성장이 효과적으로 억제되면서 균일한 입경의 다이아몬드가 소결 과정을 거치면서도 그대로 유지되는 소결체를 제조할 수 있는 소결체용 분말을 제공하는 데에 있다.
또한, 탄소계 물질에 미세한 입경의 금속 원소가 도핑된 분말과 미세한 입경의 다이아몬드 입자와 혼합하는 경우 분산제와 초음파 진동 장치를 통해 분산성을 우수하게 하여 미립 또는 초미립 다이아몬드 입자간 결합이 균일하게 형성된 다결정질 다이아몬드 소결체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면은 탄소계 분말의 탄소원자층간 공간에 금속이 포함되는 금속도핑된 탄소계 분말; 및 다이아몬드 분말;을 포함하는 소결체용 분말이고,
상기 금속도핑된 탄소계 분말은 상기 탄소계 분말의 열처리에 의해 상기 탄소원자층간 공간에 상기 금속 원자가 침투 또는 확산되며, 상기 탄소원자층간 공간의 간격이 3.354 내지 3.360 Å(옹스트롬)인 것이 좋으며,
상기 탄소계 분말은 탄소의 동소체인 흑연, 그래핀 또는 탄소나노튜브를 포함하는 것이 바람직하다.
또, 상기 금속은 Ni, Co, Fe, Mn, Ti, Si 및 W으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 것이 좋고,
상기 금속은 상기 금속도핑된 탄소계 분말 전체에서 0.05 내지 20 vol%로 포함되는 것이 좋으며,
상기 금속도핑된 탄소계 분말이 상기 소결체용 분말 전체에서 0.5 내지 30 wt% 로 포함되는 것이 바람직하고,
상기 탄소계 분말의 입경이 0.05 내지 500 nm 인 것이 좋다.
본 발명의 다른 측면은,
탄소계 분말에 금속 원소를 침투 또는 확산시켜 금속도핑된 탄소계 분말을 제조하는 단계;
상기 금속도핑된 탄소계 분말에 다이아몬드 분말을 혼합하여 소결체용 분말을 제조하는 단계; 및
상기 소결체용 분말을 소결하는 단계;를 포함하는 다결정질 다이아몬드 소결체의 제조방법으로서,
상기 금속도핑된 탄소계 분말을 제조하는 단계는 상기 탄소계 분말과 상기 금속 원소를 혼합한 후 열처리하는 단계인 것이 좋고,
상기 열처리는 900 내지 1500℃ 의 온도에서 1 내지 10시간 범위로 이루어지는 것이 좋으며,
상기 소결체용 분말을 제조하는 단계는,
상기 금속도핑된 탄소계 분말과 상기 다이아몬드 분말을 혼합한 후, 초음파 진동 및 습식 볼밀 중 어느 하나 이상의 방법을 이용하여 상기 금속도핑된 탄소계 분말과 상기 다이아몬드 분말을 균일하게 분산시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또다른 측면으로는 탄소원자층간 공간에 금속 원자가 포함되는 금속도핑된 탄소계 분말; 및
다이아몬드 분말;을 혼합한 후 소결하여 제조되는 다결정질 다이아몬드 소결체가 있고,
여기에서, 상기 다이아몬드 분말이 서로 직접결합되거나,
상기 금속도핑된 탄소계 분말이 다이아몬드로 합성되며 인접하는 상기 다이아몬드 분말과 연결되어 제조되는 것이 좋다.
본 발명의 또 다른 측면으로는 다결정질 다이아몬드 소결체의 제조방법을 사용하여 제조되는 다결정질 다이아몬드 소결체를 포함하는 절삭용 공구가 개시된다.
본 발명의 일 측면에 따른 소결체용 분말은 탄소 원자가 결정을 이루며 형성하는 탄소 원자층 사이에 금속 원자가 확산 또는 침투되어 이루어진 탄소계 분말과 다이아몬드 분말이 균일하게 분산되어 고온-고압 소결시 탄소계 분말의 탄소가 다이아몬드 결정을 이루어 다이아몬드 분말 사이에 균일한 결합을 형성할 수 있다.
또, 제조된 다결정질 다이아몬드 소결체는 초미립 다이아몬드와 금속 촉매를 혼합하여 고압-고온 조건에서 소결시키는 경우에 초미립 다이아몬드 입자의 과잉성장을 억제할 수 있어 제조된 소결체에서 다이아몬드 입자의 입경이 균일하다.
또한, 금속 원소가 흑연, 그래핀, 탄소나노튜브 등의 탄소계 물질에 도핑되어(doped) 탄소계 물질의 결정 형태 및 물성을 변화시킬 수 있어 다이아몬드 입자간의 결합을 형성시키기에 유리하며, 혼합시 금속 원소의 분산이 잘 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 다결정질 다이아몬드 소결체는 궁극적으로 물리적ㅇ기계적 특성이 우수하여 비철금속 가공용도로 활용 가능한 드릴, 엔드밀 및 밀링커터와 같은 절삭공구 소재 등에 적용시 절삭공구의 수명이 향상되는 장점이 있다.
도 1은 탄소계 물질(흑연)과 금속의 자유에너지를 나타낸 도면이다.
도 2는 흑연의 구조 및 탄소원자로 이루어진 층 사이의 거리를 나타낸 도면이다.
도 3은 열처리 시간에 따른 XRD peak 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 금속원자의 원자반지름과 도핑된 흑연의 층간 거리를 나타낸 그래프이다.
도 5는 금속 도핑된 흑연의 구조를 주사전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 6 내지 도 8은 금속 원소에 따른 다이아몬드 합성 결과를 용매의 조성을 달리하며 촬영한 광학현미경 사진이다.
도 9는 코발트 금속이 도핑된 탄소계 물질을 사용한 경우 용매 조성에 따른 다이아몬드 합성 결과를 촬영한 광학현미경 사진이다.
도 10은 도핑 금속의 원자반지름에 따른 합성된 다이아몬드의 입자 수를 나타낸 그래프이다.
도 11은 코발트 금속이 도핑된 탄소계 물질과 도핑하지 않은 탄소계 물질을 사용하여 합성한 다이아몬드의 결정을 전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 12는 일 실시예에 따른 다이아몬드 소결체의 광학현미경사진으로 1000배 확대된 사진이다.
도 13은 일 실시예에 따른 다이아몬드 소결체의 XRD peak의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14는 다이아몬드 소결체의 기계적 특성을 평가하기 위한 절삭실험을 위한 환경 및 피삭재의 형태를 보여주는 사진이다.
도 15는 절삭공구의 물성 테스트 결과에서 마모량을 구분하여 나타내는 50배 확대된 광학현미경 사진이다.
도 16은 마모량으로 측정된 값을 기준으로 나타낸 비교 그래프이다.
도 17은 일 실시예에 따른 다결정질 다이아몬드 소결체의 미세경도를 측정한 후에 주사전자현미경 사진과 값을 나타낸 것이다.
도 18 및 도 19는 다결정질 다이아몬드 소결체의 미세구조 및 입자 크기를 나타낸 주사전자현미경 사진이다.
도 2는 흑연의 구조 및 탄소원자로 이루어진 층 사이의 거리를 나타낸 도면이다.
도 3은 열처리 시간에 따른 XRD peak 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 금속원자의 원자반지름과 도핑된 흑연의 층간 거리를 나타낸 그래프이다.
도 5는 금속 도핑된 흑연의 구조를 주사전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 6 내지 도 8은 금속 원소에 따른 다이아몬드 합성 결과를 용매의 조성을 달리하며 촬영한 광학현미경 사진이다.
도 9는 코발트 금속이 도핑된 탄소계 물질을 사용한 경우 용매 조성에 따른 다이아몬드 합성 결과를 촬영한 광학현미경 사진이다.
도 10은 도핑 금속의 원자반지름에 따른 합성된 다이아몬드의 입자 수를 나타낸 그래프이다.
도 11은 코발트 금속이 도핑된 탄소계 물질과 도핑하지 않은 탄소계 물질을 사용하여 합성한 다이아몬드의 결정을 전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 12는 일 실시예에 따른 다이아몬드 소결체의 광학현미경사진으로 1000배 확대된 사진이다.
도 13은 일 실시예에 따른 다이아몬드 소결체의 XRD peak의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14는 다이아몬드 소결체의 기계적 특성을 평가하기 위한 절삭실험을 위한 환경 및 피삭재의 형태를 보여주는 사진이다.
도 15는 절삭공구의 물성 테스트 결과에서 마모량을 구분하여 나타내는 50배 확대된 광학현미경 사진이다.
도 16은 마모량으로 측정된 값을 기준으로 나타낸 비교 그래프이다.
도 17은 일 실시예에 따른 다결정질 다이아몬드 소결체의 미세경도를 측정한 후에 주사전자현미경 사진과 값을 나타낸 것이다.
도 18 및 도 19는 다결정질 다이아몬드 소결체의 미세구조 및 입자 크기를 나타낸 주사전자현미경 사진이다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다.
도면들에 있어서, 구성 요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 구성요소가 다른 구성요소 "위에/아래에" 또는 "상에/하에" 있다고 할 때, 이는 다른 구성요소 "바로 위에/바로 아래에" 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 소결체란, 소결체용 분말을 일정 수준 이상의 온도나 압력을 가해 처리하여 제조된 물건으로서, 특히 다결정질 다이아몬드 소결체란 다이아몬드 입자들이 금속 촉매 또는 용매와 혼합되어 소결체용 분말로 제조된 후, 소결되어 각각의 고유한 결정을 가지는 다이아몬드 입자간 결합을 이루며 강하게 결합하고, 다이아몬드 입자의 사이에 일부 금속 촉매 또는 용매와 같은 성분이 선택적으로 포함될 수 있는 물건을 의미한다.
또, 본 명세서에서 '도핑' 또는 '금속도핑'이라는 표현이 사용되는 경우, 금속 원자가 대상 물질의 내부로 원자상으로 침투 또는 확산되는 것을 의미하며, 결정학적 내부 구조상 존재하는 공간이나 틈으로 금속 원자가 침투하거나 대상 물질의 일부 원자가 금속원자로 치환되며 결정구조를 이루게 되는 것을 포함하는 의미를 갖는다.
통상적으로 다결정질 다이아몬드 소결체를 제조하기 위하여 소결체용 분말을 합성하는 용기(cell)에 넣고 일정 수준 이상의 온도나 압력을 가해 처리할 때 용기 내에 합성되는 소결체 물질의 수축이 일어날 수 있는데, 이 경우 원자간 물질이동시 금속원소 도핑에 의해 압력이 감소하는 현상을 억제하는 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 제1측면은 다결정질 다이아몬드 소결체를 제조할 수 있는 소결체용 분말에 관한 것이다.
이때, 소결체용 분말은, 다이아몬드 분말과 탄소계 분말이 포함된 혼합분말인 것이 바람직하며, 다이아몬드 분말은 소결체용 분말이 다이아몬드 소결체로 소결된 이후 전체 다이아몬드 소결체에서 가장 많은 분율을 차지하며, 소결체의 물리적 특성을 결정하고, 탄소계 분말은 다이아몬드 분말과 함께 혼합되는 것으로서 다이아몬드 결정구조가 아닌 탄소계 물질로 이루어진 분말인 것을 특징으로 하고, 소결체용 분말에는 다이아몬드 분말과 탄소계 분말 이외에 금속 용매를 추가적으로 더 포함하는 것도 가능하다.
여기에서, 탄소계 분말이란 탄소 원자가 평면에 가까운 2차원적 결정구조를 가지며 결합되는 결정성 또는 비결정성 탄소 원자층을 포함하는 탄소계 물질로 이루어진 탄소계 분말이고, 결정성인 흑연 원자층간의 공간에 금속 원자가 확산 또는 침투하여 구비되는 금속 도핑된 탄소계 분말인 것이 바람직하다.
본 명세서에서 탄소계 물질로는, 탄소의 동소체인 결정성인 흑연(grahpite), 그래핀(graphene) 또는 탄소나노튜브(Carbon anotube) 등의 탄소계 물질이 포함될 수 있으나, 다이아몬드는 포함되지 않는다.
도 2에는 결정화된 흑연의 결정구조 및 결정구조에서 관찰되는 흑연면 간의 거리를 도시하였다.
본 발명에서 활용되는 탄소계 분말의 입경은 0.05 내지 500 nm(나노미터), 바람직하게는 0.1 내지 300 nm 인 것이 좋다.
탄소계 분말의 입경이 해당 범위보다 작은 경우, 휘산되어 쉽게 날아갈 수 있으므로 취급시 분진 발생 등의 문제가 있을 수 있고, 해당 범위보다 큰 경우, 소결체 합성 후 분말이 뭉치는 현상과, 다결정질 다이아몬드 소결체의 균일한 입자 배열 형성에 문제가 있을 수 있다.
본 발명에서 사용되는 탄소계분말은 금속이 도핑된 구조를 가지는 것이 바람직하며, 금속이 도핑된 탄소계 분말은 탄소계 분말과 금속 분말을 혼합하여 열처리 하는 단계를 거쳐 얻어질 수 있다.
금속이 도핑된 탄소계 분말을 형성하기 위하여 탄소계 분말과 금속 분말의 혼합시 금속분말은 탄소계 분말과 금속 분말 전체 부피의 0.05 내지 20 vol.% 로 혼합되는 것이 좋고, 바람직하게는 5 내지 20 vol.%m, 더욱 바람직하게는 7 내지 15 vol.% 로 혼합되는 것이 좋다.
금속분말의 배합량이 너무 많으면 분말간의 뭉침 현상이 발생될 수 있을 뿐 만 아니라 최종적으로 제조되는 다결정질 다이아몬드의 강도가 떨어지는 문제가 생길 수 있고, 금속분말의 배합량이 너무 적으면 금속원자의 도핑에 따른 효과가 떨어질 수 있다.
탄소계 분말에 도핑되는 금속은 Ni, Co, Fe, Mn, Ti, Si 및 W으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는 Ni, Co, Ti, W 으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것이 좋다.
한편, 금속도핑된 탄소계 분말과 다이아몬드 분말의 혼합시 혼합비율은 다이아몬드 분말이 전체 소결체용 분말의 70 내지 99.5 wt.% 인 것이 좋고, 바람직하게는 85 내지 95 wt.% 일 수 있다.
다이아몬드 분말과 금속도핑된 탄소계 분말의 혼합비율이 해당 범위를 벗어나는 경우 합성 후 미세조직에서 국부적으로 기공이나 미소결된 부분이 존재하여 기계적 강도를 떨어뜨리는 결과로 나타날 수 있다.
소결체용 분말에 금속 용매 분말이 더 포함되는 경우, 금속 용매 분말은 탄소계 분말에 포함된 금속과 동일한 금속을 포함하는 것도 좋으며, 예를들어 Ni, Co, Fe, Mn, Ti, Si 및 W으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 분말일 수 있다.
금속 용매 분말은 탄소계 분말에 도핑되는 금속의 양 대비 적은 중량 비율로 포함되는 것이 좋으며 금속 용매 분말의 함량은 전체 소결체용 분말에서 1 wt. % 이내인 것이 좋고, 바람직하게는 0.5 wt.% 이내, 더욱 바람직하게는 0.3 wt. % 이내인 것이 좋다. 또한, 탄소계 분말에 도핑된 금속의 양과 금속 용매 분말로 포함되는 금속의 양의 비율은 1:1 내지 10:1 일 수 있고, 1:1 내지 5:1, 1:1 내지 4:1 인 것도 바람직하다.
본 발명의 제2측면은 다결정질 다이아몬드 소결체의 제조방법에 관한 것으로, 다이아몬드 분말과 금속도핑된 탄소계입자를 혼합한 혼합분말인 소결체용 분말을 소결하여 다결정질 다이아몬드 소결체(PCD)를 제조할 수 있는 방법을 제공한다.
본 발명의 다결정질 다이아몬드 소결체 제조방법은 탄소계 물질로 이루어지는 탄소계 분말에 금속원소를 도핑시켜 금속도핑된 탄소계 분말을 제조하는 단계, 금속도핑된 탄소계 분말과 다이아몬드 분말을 혼합하여 소결체용 분말을 제조하는 단계와 소결체용 분말을 소결하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
먼저, 탄소계 분말에 금속 원소를 도핑시켜 금속도핑된 탄소계 물질을 제조하는 단계는 탄소의 동소체인 결정질 흑연(grahpite), 그래핀(graphene) 또는 탄소나노튜브(Carbon anotube) 등의 탄소계 물질로 이루어진 탄소계 분말에 금속촉매 또는 금속용매로 활용될 수 있는 금속 원소를 침입시켜 도핑하는 단계이다.
이때 탄소계 물질은 탄소의 동소체인 물질로서 다이아몬드를 제외한 물질이 사용될 수 있으며, 가격이 저렴한 흑연이 활용되는 것도 좋다.
탄소계 물질은 공통적으로 탄소원자들로 이루어지는 탄소원자층 또는 벽 형태의 구조를 포함하는 물질이 사용될 수 있는데, 이때 탄소원자층의 층간 공간에 금속원자가 침투하거나 확산되며 도핑이 이루어질 수 있다.
탄소계 물질로 사용가능한 탄소나노튜브는 다양한 형태의 탄소나노튜브가 활용될 수 있으며, 예시적으로는 다층 탄소나노튜브(MWCNTs) 또는 흑연이 사용되는 것이 바람직하다. 탄소나노튜브를 사용하는 경우 흑연 대비 탄소원자층 간 공간에 금속 원자가 쉽게 도핑될 수 있어 금속도핑된 탄소계 분말의 형성이 용이하고, 도핑된 금속이 균일하게 침투되어 도핑금속과 탄소원자층 간 접촉면적이 상대적으로 높아 다이아몬드화 반응이 잘 이루어질 수 있는 장점이 있다. 흑연 또한 탄소원자층 간 공간이 상대적으로 넓어 금속원자의 도핑이 쉽고 쉽게 구할 수 있는 장점이 있다.
금속도핑된 탄소계 물질은 다이아몬드 분말들 사이에 다이아몬드 입자간 결합을 형성하면서도 과도한 다이아몬드 입자의 결정성장을 억제하기 위하여 혼합될 수 있으며, 사용되는 탄소계 물질은 내부에 도핑된 금속원소로 인해 다른 물성을 가질 수 있어 다이아몬드 합성에 영향을 미칠 수 있다.
탄소계 물질의 형태는 제한되지 않으나, 분말 형태로 사용되는 것이 바람직하며, 금속 또한 분말 형태로 혼합되는 것이 좋다.
탄소계 분말과 금속 분말의 혼합시 금속분말은 탄소계 분말과 금속 분말 전체 부피의 5 내지 20 vol.% 로 혼합되는 것이 좋고, 바람직하게는 7 내지 15 vol.% 로 혼합되는 것이 좋다.
금속분말의 배합량이 너무 많으면 뭉침 현상이 발생될 수 있을 뿐 만 아니라 다결정질 다이아몬드 강도가 떨어지고, 금속분말이 너무 적으면 도핑에 따른 효과가 떨어질 수 있다.
탄소계 분말에 도핑되는 금속은 Ni, Co, Fe, Mn, Ti, Si 및 W으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상일 수 있고, 바람직하게는 Ni, Co, Ti 및 W 으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것이 좋다.
여기에서 Ni, Co, 등의 금속은 금속 촉매 또는 금속 용매라고도 불리며 다이아몬드의 합성시 흑연화반응의 촉매로 사용될 수 있어 소결체용 분말의 혼합시 금속 용매 분말로 더 포함되는 것도 가능하다.
탄소계 분말에 금속원소를 도핑하는 방법으로는 탄소계 분말과 금속 분말을 혼합한 혼합분말을 열처리하는 방법이 활용되는 것이 좋으며, 열처리는 900 내지 1500℃ 의 온도에서 1 내지 10시간 범위에서 이루어질 수 있으며, 탄소계 물질과 금속의 종류에 따라 달라질 수 있다.
또한, 열처리는 진공, 아르곤 조건에서 이루어질 수 있고, 질소, 수소 또는 이들의 혼합가스 조건에서 이루어질 수 있다.
둘째로, 금속 도핑된 탄소계 분말과 다이아몬드 분말을 혼합하여 소결체용 분말을 제조하는 단계는 전술한 단계에서 제조된 금속도핑된 탄소계 분말과 다이아몬드 분말을 혼합하는 단계이다.
이때, 사용되는 다이아몬드 분말은 평균입경이 균일한 것이 바람직하고, 그 평균입경은 2 ㎛ 이내, 바람직하게는 1.5 ㎛ 이내, 더욱 바람직하게는 0.9 ㎛ 이내인 것이 좋다. 평균입경이 해당 범위보다 큰 경우 절삭공구로서 인성과 같은 기계적 특성 저하가 수반되고 피가공물의 표면조도 역시 거칠어지는 성능 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 다이아몬드 평균 입경이 0.9 ㎛ 이내로 적어지면 표면적이 크므로 합성 중에 입경이 성장하는 현상으로 인하여 균일한 입자로 구성하기가 어렵게 되므로, 금속 도핑된 탄소계 물질을 통해 초미립자 다이아몬드 입자들끼리 연결을 억제하는 효과를 기대하고 있다.
다이아몬드 분말과 금속도핑된 탄소계 분말의 혼합시 금속도핑된 탄소계 분말의 배합비율은 다이아몬드 분말이 전체 소결체용 분말의 70 내지 99.5 wt.% 인 것이 좋고, 바람직하게는 85 내지 95 wt.% 일 수 있다.
즉, 금속도핑된 탄소계 분말은 전체 소결체용 분말의 0.5 내지 30 wt% 인 것이 좋고, 바람직하게는 5 내지 15 wt% 일 수 있다.
금속분말의 배합량이 너무 많으면 뭉침 현상이 발생될 수 있을 뿐 만 아니라 다결정질 다이아몬드 강도를 떨어뜨리는 열화되는 현상이 발생되고, 금속분말이 너무 적으면 도핑에 따른 효과가 떨어질 수 있다.
소결체용 분말의 제조 이후에는 소결체용 분말에서 다이아몬드 분말과 금속도핑된 탄소계 분말을 서로 균일하게 분산시키는 과정이 이루어질 수 있다.
다이아몬드 분말 사이에 균일한 입자간 결합을 형성하고, 제조된 소결체의 우수한 기계적 물성을 확보하기 위하여 균일하게 분산된 소결체용 분말이 제조되는 것이 좋다.
이때, 다이아몬드 분말과 탄소계 분말을 분산시키는 과정은 바람직하게는 초음파 진동장치를 이용하여 분말을 분산시키는 과정 또는 습식 볼밀 방법 중 하나 이상이 사용되는 것이 좋고, 보다 구체적으로는 분산제를 사용한 이소프로필 알콜 조건 하에서 초음파진동장치를 이용한 분산 방법, 습식 볼밀 방법 또는 이 들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법이 사용될 수 있다.
셋째로, 소결체용 분말을 소결하는 단계는 소결체용 분말을 미리 조립된 합성 셀에 투입한 후 고압고온(HP-HT)조건으로 소결시키는 단계이다.
소결단계 이전에는 소결체의 형태를 형성하고 압력을 가할 수 있도록 합성 셀을 조립하여 준비하는 단계가 먼저 선행적으로 포함되는 것이 좋다.
소결단계에서는 금속 원소를 용매 또는 반응촉매로 하여 다이아몬드를 치밀화시키는 반응이 이루어질 수 있으며, 첨가된 탄소계물질은 다이아몬드 입자 혼합물에 첨가되고, 합성 중에 다이아몬드 입자들 사이의 입계에서 탄소 결정구조가 변화되어 다이아몬드 입자가 성장하는 것을 억제시키면서 균일한 입자 형태를 유지하도록 합성되는 반응이 이루어질 수 있다.
소결단계에서 일어나는 다이아몬드의 합성에 대하여 예시적으로 흑연을 다이아몬드로 합성하는 과정에 대하여 도면을 활용하여 설명할 수 있다. 도 1에는 다이아몬드 합성이 가능한 온도 및 압력에서의 흑연 및 금속 용매 액상의 정성적인 자유에너지 곡선이다. 탄소계 물질로는 비정질탄소(amorphous carbon)부터 이상적인 흑연(perfect graphite)까지 다양한 상태(Gcam 내지 Gcgr)가 가능하다.
이러한 탄소계 물질은 다이아몬드 합성 영역에서 다이아몬드보다 높은 자유에너지를 가지므로, Gcdia 의 곡선이 Gcgr 의 곡선보다 아래쪽에 있게 된다. 탄소계 물질 및 다이아몬드의 금속 용매의 액상에 대한 용해도는 각각의 자유에너지 곡선 간의 공통 접선이 만나는 점에 의해서 결정된다.
자유에너지 곡선의 상대적인 위치 차이 때문에 금속 용매의 액상에 대한 흑연의 용해도(Xgr)가 다이아몬드의 용해도(Xdia)보다 크게 된다. 따라서, 다이아몬드와 흑연 사이에 있는 금속 용매의 액상 내에는 탄소 원자의 농도 기울기가 생기게 되고, 이로인하여 탄소 원자가 흑연 쪽에서 다이아몬드 쪽으로 물질이동(확산)하게 되어 흑연의 양이 줄고 다이아몬드의 양이 증가하여 다이아몬드 성장이 이루어질 수 있다.
이러한 용매법에 의한 다이아몬드 합성에서 흑연과 다이아몬드의 사이에는 얇은 금속 용매의 액상 막이 존재하고, 이 막을 통한 탄소원자의 확산 결과로 액상 막은 점차 다이아몬드 쪽에서 흑연 쪽으로 이동되고, 이를 막성장법(film growth method)이라고도 한다.
탄소계 물질의 결정 상태에 따라 용해도는 Xam 에서부터 Xgr 까지 달라지므로 원료 탄소의 결정상태가 다이아몬드 합성에 직접 영향을 미치게 되는 것을 알 수 있다.
결정화가 어느정도 이루어진 흑연과 같은 탄소계 물질을 사용하는 경우 탄소계 물질의 물성을 변화시키기 위해 도핑되는 금속으로는 3d 전자궤도가 꽉 차지 않은 전자 배치를 가진 금속원소가 사용될 수 있고, Ⅷ 족 전이금속(transition metals) 또는 Mn 이 사용될 수 있다.
소결단계에서의 온도와 압력은 고온고압(HPHT)조건으로서, 특정 온도나 압력 범위로 한정되는 것은 아니며, 해당 기술분야에서 다이아몬드를 합성하기 위하여 통상적으로 사용될 수 있는 압력 및 온도에서 소결이 이루어질 수 있고, 가능한 온도는 1400 내지 1550℃, 가능한 압력은 4 내지 6.5 GPa 이 좋다.
명확하게 메커니즘이 규명된 것은 아니지만, 금속 촉매를 분말로 혼합하는 종래기술에서는 다이아몬드 입자의 표면에서 금속 촉매가 직접 접촉되어 흑연화반응을 촉매할 수 있으므로 다이아몬드의 결정성장 제어가 어렵고, 다이아몬드 입자간 직접 결합이 불균일하게 형성될 수 있는 문제가 있었으나, 금속원소를 탄소계 물질에 도핑함으로써 다이아몬드와 금속 원소의 직접 결합을 줄이면서도 탄소계 물질의 다이아몬드 합성이 잘 이루어질 수 있어 소결체의 기계적 특성을 향상시킴과 동시에 결정성장을 억제하여 미립 또는 초미립의 다이아몬드 결정립이 얻어질 수 있다.
본 발명의 제3측면은 소결체용 분말을 소결하여 제조되는 다결정질 다이아몬드 소결체이다.
전술한 측면에 따른 소결체용 분말을 사용하여 제조되는 다결정질 다이아몬드 소결체에 대하여는 앞서 다른 측면에서 설명한 내용과 동일한 내용을 생략하였다.
다결정질 다이아몬드 소결체는 다이아몬드 분말이 서로 직접결합되거나 혼합된 금속도핑된 탄소계 분말이 다이아몬드로 결정화되어 인접하는 다이아몬드 분말의 사이에 결합을 형성하여 이루어지는 다이아몬드 결정립을 포함하여 이루어질 수 있다.
다이아몬드 결정립의 평균입경은 포함되는 다이아몬드 분말의 입경, 금속도핑된 탄소계 분말의 입경 등에 따라 달라질 수 있고, 다이아몬드 분말의 결정성장 정도에 따라 달라질 수 있으나, 바람직하게는 결정립의 입경이 0.2 내지 2.0 μm 일 수 있고, 바람직하게는 0.5 내지 0.9 μm 인 것이 좋다.
다이아몬드 결정립의 평균입경이 너무 작으면 표면적비가 크므로 혼합 및 믹싱공정에서 취급이 어려울 뿐만 아니라 다이아몬드 입자들이 성장되는 속도가 빨라져서 이를 억제하기가 어렵고, 너무 크면 절삭공구로서 인성과 같은 기계적 특성 저하가 수반되고 피가공물의 표면조도 역시 거칠어지는 성능 저하되는 문제가 있을 수 있다.
다결정질 다이아몬드 소결체가 초경기판 상에 소결되어 구비되는 경우, 초경기판에 사용된 바인더 성분의 금속 원자가 압력에 의해 다이아몬드 분말의 사이 공간으로 침투되어 구비되는 것도 가능하며, 초경기판에서 사용되는 바인더 성분으로는 Co, Ni, Fe, Mn 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상이 사용될 수 있다.
이때, 바인더 성분은 금속도핑된 탄소계 분말에 포함된 금속과 동일한 원소를 포함하는 것도 가능하다.
제조된 다결정질 다이아몬드 소결체는 미세경도가 5000 HV 이상, 바람직하게는 5100 HV 이상인 것이 좋고, 더욱바람직하게는 5140 이상인 것이 바람직하다. 미세경도가 해당 범위보다 낮은 경우 공구 등의 용도로 활용시 수명이 감소되어 활용도가 낮아지는 문제가 있을 수 있다.
본 발명의 제4측면은 전술한 측면의 제조방법으로 제조된 다결정질 다이아몬드 소결체를 포함하는 절삭공구용 소재이다.
다결정질 다이아몬드 소결체는 열전도율이 텅스텐카바이드(WC) 소재의 약 4배 정도이며, 경도 및 고온경도가 상용화된 절삭재료보다 높으므로 Al-Ti계 합금과 같은 난삭재의 선삭가공이나 고속 밀링 등에 활용이 용이하다.
또한, 미세한 다이아몬드 분말을 초고온고압에서 소결하여 얻어진 소결체는 과도한 결정성장이 이루어지지 않도록 제어할 수 있다면, 소결체를 이루는 다이아몬드의 결정립 입경이 미세하고 균일한 장점으로 인하여, 다이아몬드간 직접결합이 형성되어 우수한 기계적 특성을 가져 절삭공구로 활용시 공구의 수명이 향상되는 장점이 있다.
전술한 다결정질 다이아몬드 소결체를 포함하는 인서트, 드릴 비트 등이 절삭용 공구에 포함될 수 있다. 이때, 다결정질 다이아몬드 소결체는 초경합금 소재로 이루어지는 기재(substrate)상에 구비되어 다이아몬드층을 형성할 수 있다.
기재의 소재는 제한되지 않으나 텅스텐카바이드(WC)와 같은 초경소재 및 이를 결합시키는 바인더(binder)를 포함하는 것이 바람직하며, 해당 기술분야에서 일반적으로 사용되는 소재 및 상법으로 제조되는 기재가 포함될 수 있다.
또한, 바인더는 금속이 사용될 수 있으며, 기재에 포함되는 바인더는 소결체용 분말에 포함되는 금속과 동일한 금속인 것도 가능하다.
소결시 기재 상에 소결체용 분말을 배치한 후 소결을 수행하는 경우에는, 기재에 바인더로 포함된 금속 원소가 모세관력(力)에 의해 다이아몬드 층으로 침투하여 소결된 다결정질 다이아몬드 결정립 사이에 포함될 수도 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하나, 본 발명의 범위는 해당 실시예에 한정되는 것은 아니며, 통상의 기술자가 실시예 및 실험예로부터 유추하거나 이해할 수 있는 범위에까지 미친다.
실시예
실시예 1 내지 4 - 금속원소 도핑된 흑연분말의 제조
결정화된 흑연분말을 원료로 준비하고, 도핑 금속으로 각각 Ni, Co, Fe 및 Mn 을 사용하였으며, 흑연분말과 금속분말을 혼합한 후, 1400℃ 조건에서 1시간 동안 금속원소를 도핑하는 단계를 수행하여 각각 금속원소 Ni, Co, Fe 및 Mn 가 7.5 vol% 로 도핑된 흑연분말을 제조하였다.
실시예 5 내지 16 - 금속원소 도핑된 흑연분말을 사용한 다결정질 다이아몬드 소결체의 제조
입자의 평균 입경이 0.4 내지 35 ㎛ 범위의 다이아몬드 분말을 평균 입경의 크기에 따라 평균입경이 0.5 ~ 0.9 ㎛인 군, 2~4 ㎛인 군, 8~10㎛인 군 및 25~30 ㎛인 군으로 나누어 준비한 후, 다이아몬드 입자 90 vol% 에 Co 금속이 7.5 vol% 로 도핑된 흑연, CNT 또는 그래핀을 10 vol% 로 혼합하여 1420 ℃, 5.0 GPa 조건에서 소결하였으며, 이를 정리하여 표 1에 나타냈다.
| 시료번호 | 합금 조성 | 합성 조건 | |||
| 다이아몬드 분말 평균입경(㎛) | 다이아몬드 분말함량 (vol.%) | 탄소계 물질 - 도핑된 금속/함량(vol.%) | 압력 (Gpa) |
온도 (℃) |
|
| 실시예 5 | 0.5 ~ 0.9 | 90 | 흑연-Co (10) | 5.0 | 1420 |
| 실시예 6 | 90 | CNT-Co (10) | 5.0 | 1420 | |
| 실시예 7 | 90 | 그래핀-Co (10) | 5.0 | 1420 | |
| 실시예 8 | 2~4 | 90 | 흑연-Co (10) | 5.0 | 1420 |
| 실시예 9 | 90 | CNT-Co (10) | 5.0 | 1420 | |
| 실시예10 | 90 | 그래핀-Co (10) | 5.0 | 1420 | |
| 실시예11 | 8~10 | 90 | 흑연-Co (10) | 5.0 | 1420 |
| 실시예12 | 90 | CNT-Co (10) | 5.0 | 1420 | |
| 실시예13 | 90 | 그래핀-Co (10) | 5.0 | 1420 | |
| 실시예14 | 25~30 | 90 | 흑연-Co (10) | 5.0 | 1420 |
| 실시예15 | 90 | CNT-Co (10) | 5.0 | 1420 | |
| 실시예16 | 90 | 그래핀-Co (10) | 5.0 | 1420 | |
실시예 17 내지 28 - 금속 도핑된 흑연의 다이아몬드 합성 실험
실시예 1 내지 4의 금속원소 도핑된 흑연분말과 다이아몬드 분말을 혼합한 뒤, 금속 용매 분말을 더 혼합하였으며, 금속 용매 분말로는 일성분계인 순수 Ni, 2성분계인 20Fe-80Ni 또는 40Fe-60Ni 를 사용하였다. 다이아몬드의 합성은 4.8 GPa 의 압력, 1350℃ 의 고온조건으로 3분의 시간동안 처리하여 수행하였다.
흑연분말 도핑원소와 사용 용매의 금속 용매 분말의 변화에 따른 다이아몬드 합성 결과를 아래 표 2에 정리하였다.
| 시료 No | 금속 용매 | 도핑 원소 | 열처리 조건 | 합성 조건 | 다이아몬드 크기 및 수량(μm, ea) | ||||
| 물질 (vol.%) |
금속원소 (vol.%) |
온도 (℃) |
시간(hr) | 분위기 | 압력 (Gpa) |
온도 (℃) |
시간 (min) |
||
| 실시예 17 | 순수 Ni | Ni (7.5) | 1400 | 1 | 진공 | 4.8 | 1350 | 3 | 미검출 |
| 실시예 20 | Co (7.5) | 1400 | 1 | 진공 | 4.8 | 1350 | 3 | 400, 2~3 | |
| 실시예 23 | Fe (7.5) | 1400 | 1 | 진공 | 4.8 | 1350 | 3 | 300, 40~45 | |
| 실시예 26 | Mn (7.5) | 1400 | 1 | 진공 | 4.8 | 1350 | 3 | 320, 30~35 | |
| 실시예 18 | 20Fe-80Ni | Ni (7.5) | 1400 | 1 | 진공 | 4.8 | 1350 | 3 | 미검출 |
| 실시예 21 | Co (7.5) | 1400 | 1 | 진공 | 4.8 | 1350 | 3 | 200, 35~40 | |
| 실시예 24 | Fe (7.5) | 1400 | 1 | 진공 | 4.8 | 1350 | 3 | 400, 80~90 | |
| 실시예 27 | Mn (7.5) | 1400 | 1 | 진공 | 4.8 | 1350 | 3 | 200, 2~3 | |
| 실시예 19 | 40Fe-60Ni | Ni (7.5) | 1400 | 1 | 진공 | 4.8 | 1350 | 3 | 200, 응집체 |
| 실시예 22 | Co (7.5) | 1400 | 1 | 진공 | 4.8 | 1350 | 3 | 150, 수백개 | |
| 실시예 25 | Fe (7.5) | 1400 | 1 | 진공 | 4.8 | 1350 | 3 | 150, 수백개 | |
| 실시예 28 | Mn (7.5) | 1400 | 1 | 진공 | 4.8 | 1350 | 3 | 150, 수백개 | |
도핑원소와 용매의 조성을 달리하여 다이아몬드를 합성한 결과, 각각의 도핑금속원소가 모든 용매조건에서 일정한 경향성을 가지는 결과가 얻어지지는 않았으며, 다이아몬드 합성 결과는 용매조성 및 도핑원소의 영향 모두에 영향을 받는 것으로 예상된다.
실험예
실험예 1 - 열처리 시간에 따른 회절 강도 실험
결정화된 흑연 분말을 원료로 하고 1400℃의 온도 조건에서 테스트 시간을 각각 1시간, 2시간, 10시간으로 변화시키며 흑연면(002)에 회절강도를 측정하고, 반가폭과 강도의 비율(I/b)를 계산하였다.
열처리 후 나타난 원료흑연(002)면의 회절곡선을 도 3에 도시하였으며, 금속원소를 도핑하지 않는 원료흑연에서도 열처리 시간이 길어짐에 따라 회절강도가 증가함을 알 수 있었다. 반가폭과 강도의 비는 0.50, 0.82, 1.44 순으로 증가하는 것이 관찰되었다. 열처리 조건과 관찰 결과를 아래 표 3에 나타내었다.
| 결정화 흑연의 열처리 조건 | 반가폭과 강도의 비(I/b) | ||
| 온도(℃) | 유지 시간(hr) | 분위기 | |
| 1400 | 1 | 진공 | 0.50 |
| 1400 | 2 | 진공 | 0.82 |
| 1400 | 10 | 진공 | 1.44 |
실험예 2 - 금속 원소 도핑에 따른 흑연의 결정면간 거리 변화
원료 흑연분말에 도핑되는 금속으로 Fe, Co, Ni 및 Mn을 각각 5 vol% 로 혼합한 시료에 대하여 아래 표 4와 같은 조건에서 가열 시간 변화에 따른 흑연면(002) 간의 간격을 나타내었다. 동일한 원료 흑연분말에서 도핑되는 금속에 따른 흑연면간거리 변화를 알아보기 위해서 열처리 온도조건은 1400℃ 진공분위기에서 유지시간을 1, 2, 및 10시간으로 변화시킴으로서 흑연면간거리를 측정하여 비교하였다.
이어, 흑연면 간의 간격을 도핑 금소의 원자 직경에 따라 도 4와 같이 도시하였다.
이때, 열처리 조건 등은 다이아몬드 합성이 가능한 온도 및 압력 범위에서 실시하였다.
Co를 도핑 금속 원자로 혼합한 경우에, 1H, 2H, 10H 모두에서 흑연면 간의 간격이 3.354 Å(옹스트롬)을 넘었으며, 1H 열처리한 경우에서는 3.358 Å 을 넘는 것으로 측정되어, 흑연면간 거리는 3.354 내지 3.360 Å 임을 알 수 있다.
도 4는 진공분위기 1400℃에서 1, 2, 10 시간동안 각각 열처리하였을 때 첨가금속의 원자반경의 크기에 따른 흑연결정의 면간거리 변화를 나타낸 것으로, 흑연결정의 (002)면간거리 변화는 첨가원소에 따라 다르게 나타났다. 1400℃에서 열처리 시간이 길어짐에 따라 면간거리가 Ni, Fe, Mn를 첨가한 경우에는 증가하였지만 Co를 첨가한 경우에는 역으로 감소하는 경향을 보였다. 비슷한 전자구조를 갖는 금속원소들을 첨가하였을 때 결정면간거리의 변화는 Co를 중심으로 대칭적인 경향을 보였다.
본 실시예에서 도핑원소가 흑연결정내로 확산해 들어갈 때 면간거리가 큰 (002)면 사이로 도핑금속의 원자가 확산해 들어가고 도핑원소의 원자반경크기에 따라 흑연결정의 면간거리가 일정한 관계를 갖고 변화할 것으로 추측하였으나 원자반경의 크기와 흑연결정면간 거리간에는 일정한 관계가 존재하지 않았다. 이러한 결과는 도핑된 금속원자가 흑연결정의 (002)면간에만 들어가는 것이 아니기 때문에 나타나는 것이거나 원자의 크기보다는 원자의 전자구조가 더 큰 영향을 미치기 때문에 나타나는 결과로 추측되고 있다. 이러한 실시예결과로부터 흑연을 포함한 탄소계 물질과 금속 용매가 혼합된 소결체용 분말과 이들 분말들로 소결된 다결정질 다이아몬드 소결체, 그리고 소결체용 분말을 제조하는 방법에 관한 다양한 실시예들을 실행하였다.
| 조성 | 열처리 조건 | 흑연면간 거리(Å) | |||
| 원료물질 (vol.%) | 도핑금속원소 (vol.%) |
온도(℃) | 유지 시간(hr) | 분위기 | |
| 흑연 (95) | Fe (5) |
1400 | 1 | 진공 | 3.348 |
| 1400 | 2 | 진공 | 3.349 | ||
| 1400 | 10 | 진공 | 3.353 | ||
| 흑연 (95) | Co (5) |
1400 | 1 | 진공 | 3.359 |
| 1400 | 2 | 진공 | 3.357 | ||
| 1400 | 10 | 진공 | 3.356 | ||
| 흑연 (95) | Ni (5) |
1400 | 1 | 진공 | 3.346 |
| 1400 | 2 | 진공 | 3.348 | ||
| 1400 | 10 | 진공 | 3.353 | ||
| 흑연 (95) | Mn (5) |
1400 | 1 | 진공 | 3.352 |
| 1400 | 2 | 진공 | 3.353 | ||
| 1400 | 10 | 진공 | 3.357 | ||
실험예 3 - 금속 도핑된 흑연의 결정 구조 관찰
실시예 1 내지 4에서 금속원소가 도핑된 흑연의 결정을 관찰한 사진을 도 5에 도시하였다. 도 5-a는 도핑 금속원소로 Ni을 7.5 vol%로 첨가한 것, 도 5-b는 금속원소로 Co를 7.5 vol%로 첨가한 것, 도 5-c는 금속원소로 Fe을 7.5 vol%로 첨가한 것, 도 5-d는 금속원소로 Mn을 7.5 vol%로 첨가한 것이다.
도 6은 실시예 1 내지 4의 금속원소 도핑된 흑연분말을 순수 Ni 용매를 사용하여 4.8 GPa, 1350℃ 조건에서 3분간 반응시켜 다이아몬드를 합성한 결과를 촬영한 도면이다.
실시예 1의 Ni 도핑시 용매판 위에 아주 미세한 돌출물이 형성되었으나 다이아몬드 결정이 아니었고, 실시예 2의 Co 도핑시 실시예 1과 유사하였으나 약 200 ㎛ 크기의 다이아몬드 입자들이 2~3개 관찰되었다.
실시예 3의 Fe 도핑시 용매판 위에 수많은 미세 다이아몬드 입자들과, 약 300 ㎛ 크기의 큰 다이아몬드 입자들이 관찰되었고, 실시예 4의 Mn 도핑시 실시예 3보다 다이아몬드 수는 적었지만 큰 입경을 가지는 다이아몬드가 형성되었다.
도 7은 실시예 1 내지 4의 금속원소 도핑된 흑연분말을 20Fe-80Ni 용매를 사용하여 4.8 GPa, 1350℃ 조건에서 3분간 반응시켜 다이아몬드를 합성한 결과를 촬영한 도면이다.
실시예 1의 Ni 도핑시 다이아몬드가 전혀 합성되지 않았고, 실시예 2의 도핑시 국부적으로 다이아몬드 입자들이 잘 발달되었으나 입자의 수는 적었다. 실시예 3의 Fe 도핑시 용매판의 전영역에 걸쳐 다수의 다이아몬드 입자가 관찰되었으며 합성된 다이아몬드 크기는 평균 400 ㎛ 크기로 균일한 분포를 보였다. 실시예 4의 Mn 도핑시 2 개 정도의 다이아몬드가 관찰되었다.
도 8은 실시예 1 내지 4의 금속원소 도핑된 흑연분말을 40Fe-80Ni 용매를 사용하여 4.8 GPa, 1350℃ 조건에서 3분간 반응시켜 다이아몬드를 합성한 결과를 촬영한 도면이다.
실시예 1의 Ni 도핑시 외형이 잘 발달된 다수의 다이아몬드 입자들이 스켈레탈(skeletal)형태를 이루며 응집되어 응집체를 이루었으며 다른 실시예를 사용한 경우대비 다이아몬드 입자간의 직접결합이 높은 밀도로 형성되었다. 실시예 2의 Co 도핑시 육팔면체(cubo-octahedron)의 외형이 관찰되었으나 입자의 수는 실시예 1 대비 적었다.
실시예 3 및 4의 Fe, Mn 도핑시 다수의 다이아몬드 입자가 관찰되었으며, 20Fe-80Ni 용매 사용시와 유사한 결과를 얻었다.
도 9는 실시예 2의 Co를 도핑한 흑연을 사용한 경우, 용매의 조성에 따른 다이아몬드 합성 결과를 대비한 도면이다. 도 9-a의 순수 Ni용매에서는 약 400 ㎛ 입경의 다이아몬드 입자가 소량, 도 9-b의 20Fe-80Ni 용매에서는 순수 Ni용매에서와 비슷한 입경의 균일한 다이아몬드 입자가 다수, 도 9-c의 40Fe-60Ni 용매에서는 50 내지 150 ㎛의 입경분포를 가지는 다이아몬드 입자가 다수 관찰되었으며, 용매에서 Fe의 양이 많아질수록 다이아몬드의 입경은 대체로 감소하면서 수가 증가하였다.
도 10은 용매의 조성에 따라 흑연에 도핑된 원소의 원자 반지름과 형성된 다이아몬드의 수를 그래프화 한 도면으로서, 금속도핑 원소의 원자 크기에 따라 합성된 다이아몬드의 수가 용매의 조성에 따라 명확한 경향성을 가지지는 않았으나, Fe를 도핑시킨 경우 동일 용매 조성 사용시 상대적으로 합성된 다이아몬드의 수가 많았다.
실험예 3의 결과, 탄소계 물질인 흑연의 도핑 금속으로 Ni첨가시 흑연결정이 잘 발달되었으며, Co는 Ni대비 상대적으로 흑연결정의 발달이 적었고, Fe, Mn을 첨가한 경우는 Ni, Co 대비 결정의 발달정도가 적은 것을 확인할 수 있으며, 도핑원소의 종류에 따라 도핑된 흑연의 물성이 달라짐을 알 수 있다.
실험예 4 - Co 금속이 도핑된 흑연과 일반 흑연 사용시 다이아몬드 합성 결과 비교
금속원소를 도핑시키지 않은 흑연분말과 실시예 2의 Co 금속이 도핑된 흑연분말을 이용하여 다이아몬드를 합성하였다. 다이아몬드의 합성은 4.8 GPa, 1350℃ 조건에서 3분간 진행하였으며, 그 결과를 도 11에 나타내었다.
도핑 없이 합성된 다이아몬드를 도 11-a, Co 도핑 흑연분말을 사용하여 합성된 다이아몬드를 도 11-b에 도시하였으며, 실험결과 Co 금속이 도핑된 흑연분말을 사용하여 다이아몬드 합성시 다이아몬드 결정이 잘 형성되는 것을 관찰할 수 있다.
실험예 5 - 탄소계 분말에 따른 다이아몬드 합성 효과 비교
실시예 5 및 실시예 6의 다결정질 다이아몬드 소결체를 이용하여 PCD공구를 제조하였으며, 하기 표 5와 같은 다결정질 다이아몬드(PCD) 합성 조건으로 1차테스트 샘플과, 1차 테스트 샘플과 동일한 조건으로 제조한 2차테스트 샘플을 제작하여 여러가지 특성 등을 관찰하였다.
여기에서, 실시예 29는 실시예 5의 다이아몬드 소결체를, 실시예 30은 실시예 6의 다이아몬드 소결체를 입자성장 억제제와 함께 혼합한 후 고압고온 조건에서 다결정질 다이아몬드로 합성하였다.
| 시료 | 소결체용 분말의 조성 |
입자성장 억제제 |
다이아몬드 (vol.%) |
다이아몬드입자 사이즈 (μm) |
분말 혼합 방법 | 다이아몬드 합성 조건 |
| 실시예 29 | 실시예 5 | 유 | 90 | 0.5~0.9 | 습식 볼밀 20 분 |
6.0GPa 1450℃ |
| 실시예 30 | 실시예 6 | 유 | 90 | 0.5~0.9 | 습식 볼밀 10분 + 초음파처리 5분 |
6.0GPa 1450℃ |
또한, 실시예 5 내지 실시예 6의 다결정질 다이아몬드 소결체를 가공한 이후, 소결체 표면을 광학현미경을 통하여 x1000 배로 확대관찰하였으며, 그 결과를 도 12에 도시하였다. 1차테스트 샘플(실시예 29)과 2차테스트 샘플(실시예 30)에서 비교적 치밀한 미세조직을 나타내면서, 1차테스트 샘플(실시예 29)에서는 다이아몬드 입자 사이에 금속 바인더로 코발트와 텡스텐 카바이드의 입자들이 분산되어 존재하고, 2차테스트 샘플(실시예 30) 에서는 도핑되어 존재하는 코발트(금속 바인더)의 입자가 분산되어 존재하는 것을 관찰하였다.
다이아몬드 소결체의 XRD peak의 결과를 나타내는 그래프를 도 13에 도시하였다. 도 13에 도시된 다이아몬드 소결체의 XRD peak의 결과에서도 1차테스트 샘플(실시예 29)에서는 주요 peak으로 나타난 상이 WC이고 그 다음이 다이아몬드 그리고 코발트 상 순으로 나타난 반면, 2차테스트 샘플(실시예 30)에서는 주요 peak으로 나타난 상이 다이아몬드이고 그 다음이 WC 그리고 코발트 순으로 관찰되었다.
그 결과로부터 1차테스트 샘플(실시예 29)에서는 미세한 다이아몬드 입자 사이에 텡스텐 카바이드와 코발트 입자들이 나타난 반면, 2차테스트 샘플(실시예 30)에서는 주로 코발트 입자들이 존재하는 것을 XRD peak의 그래프 결과상에서도 확인하였다.
실험예 6 - 합성 다이아몬드 소결체의 절삭공구 성능 테스트
실험예 5와 같이, 실시예 5 내지 실시예 6의 다결정질 다이아몬드 소결체를 이용하여 하기 표 6와 같은 조건으로 PCD공구를 제조하여 절삭가공을 통한 공구 성능 테스트를 진행하였으며, 그 결과를 도 14 내지 도 16에 도시하였다.
| 피삭제 | 가공조건 | Tool Spec | 냉각 | ||||
| 재질 | 가공 | 방법 | RPM(m/min) | D.O.C (mm) | feed (mm) | ||
| WA150G | Φ248×150L | 외경가공 | 250 | 0.1×1회 | 0.098 | Φ1.7×3.2t | 습식 |
도 14는 다이아몬드 소결체의 기계적 특성을 평가하기 위한 절삭실험을 위한 환경 및 피삭재의 형태를 나타낸 도면이다.
표 6 및 도 14에 따른 실험 조건과 장비를 사용하여, 다이아몬드 소결체의 절삭시험을 수행하였으며, 그 결과를 도 15, 도 16에 도시하였다.
동일한 절삭가공 실험조건에서 실시한 1차테스트 샘플(실시예 29)과 2차테스트 샘플(실시예 30)에서, 1차테스트 샘플(실시예 29)의 #1 시료의 마모량 0.438mm, #2 시료의 마모량 0.467mm 으로 초기 마모량이 크게 나타난 반면, 2차테스트 샘플(실시예 30)의 #1 시료의 마모량 0.330mm, #2 시료의 마모량 0.304mm 으로 1차테스트 샘플의 마모량보다 더 우수한 결과를 나타내었다.
위 실험을 통하여, 다결정질 다이아몬드 소결체에 대한 마이크로 미세경도(Hv)를 측정할 수 있었으며, 측정된 경도값을 아래 수식 1에 의한 공식에 의해 대입함으로써 역산할 수 있었다.
(수식 1)
수식 1에서 W는 하중(kg)이고, d는 압입 자국의 대각선 길이(mm)이며, α는 대면각을 의미한다.
수식 1에 의해 얻은 다이아몬드 소결체 시료의 경도값의 결과를 평균과 표준편차(stdv, standard deviation)로 나타내어 도 17에 수치로 표시하였다. 그 결과로서 1차테스트 샘플(실시예 29)의 평균 경도값은 4507.6 이며, 2차테스트 샘플(실시예 30)의 경도값은 5144.4 으로 관찰되었다. 2차테스트 샘플(실시예 30)의 미세경도 평균값 차이가 636.8으로 코발트를 도핑시켜서 소결체용 분말을 다이아몬드 분말과 혼합 믹싱시켜 제조한 소결체의 경도가 높았기 때문에 내마모성이 더 우수하다는 것을 확인 할 수 있었다.
실시예 5 내지 실시예 6의 다결정질 다이아몬드 소결체에 대한 미세조직을 관찰하기 위하여 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 관찰한 결과를 도 18 내지 도 19에 나타내었다. 1차테스트 샘플에서는 W-rich 부분이 많고, W 입자 크기가 0.7μm으로 크기는 적었지만, 판형으로 넓게 분포되어 있는 특징을 가지면서 주 바인더 성분인 코발트 분포는 비교적 균일하게 분포되어 있는 것을 관찰하였다. 2차테스트 샘플에서는 W-rich 부분이 적고, W 입자 크기가 2μm 크기로 전체적인 양은 매우 적게 나타났으며 미세한 bar 형상으로 비교적 균일하게 존재하였고, 탄소계 물질에 도핑시켜 첨가한 코발트 입자의 크기는 매우 적고 균일하게 분포되어있는 것을 관찰하였다.
전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (14)
- 탄소계 분말의 탄소원자층간 공간에 금속이 포함되는 금속도핑된 탄소계 분말; 및 다이아몬드 분말;을 포함하는 소결체용 분말.
- 제1항에 있어서,
상기 금속도핑된 탄소계 분말은,
상기 탄소계 분말의 열처리에 의해 상기 탄소원자층간 공간에 상기 금속이 침투 또는 확산되며, 상기 탄소원자층간 공간의 간격이 3.354 내지 3.360 Å(옹스트롬)인 소결체용 분말.
- 제1항에 있어서,
상기 탄소계 분말은 탄소의 동소체인 흑연, 그래핀 또는 탄소나노튜브를 포함하는 소결체용 분말.
- 제3항에 있어서,
상기 금속은 Ni, Co, Fe, Mn, Ti, Si 및 W으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상인 소결체용 분말.
- 제4항에 있어서,
상기 금속은 상기 금속도핑된 탄소계 분말 전체에서 0.05 내지 20 vol%로 포함되는 소결체용 분말.
- 제5항에 있어서,
상기 금속도핑된 탄소계 분말이 상기 소결체용 분말 전체에서 0.5 내지 30 wt% 로 포함되는 소결체용 분말.
- 제6항에 있어서,
상기 탄소계 분말의 입경이 0.05 내지 500 nm 인 소결체용 분말.
- 탄소계 분말에 금속을 침투 또는 확산시켜 금속도핑된 탄소계 분말을 제조하는 단계;
상기 금속도핑된 탄소계 분말에 다이아몬드 분말을 혼합하여 소결체용 분말을 제조하는 단계; 및
상기 소결체용 분말을 소결하는 단계;를 포함하는 다결정질 다이아몬드 소결체의 제조방법.
- 제8항에 있어서,
상기 금속도핑된 탄소계 분말을 제조하는 단계는 상기 탄소계 분말과 분말화된 상기 금속을 혼합한 후 열처리하는 단계인 다결정질 다이아몬드 소결체의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 열처리는 900 내지 1500℃ 의 온도에서 1 내지 10시간 범위로 이루어지는 다결정질 다이아몬드 소결체의 제조방법.
- 제10항에 있어서,
상기 소결체용 분말을 제조하는 단계는,
상기 금속도핑된 탄소계 분말과 상기 다이아몬드 분말을 혼합한 후, 초음파 진동 및 습식 볼밀 중 어느 하나 이상의 방법을 이용하여 상기 금속도핑된 탄소계 분말과 상기 다이아몬드 분말을 균일하게 분산시키는 단계를 포함하는 다결정질 다이아몬드 소결체의 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210101008A KR102619736B1 (ko) | 2021-07-30 | 2021-07-30 | 소결체용 분말, 다결정질 다이아몬드 소결체 및 다결정질 다이아몬드 소결체의 제조방법. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210101008A KR102619736B1 (ko) | 2021-07-30 | 2021-07-30 | 소결체용 분말, 다결정질 다이아몬드 소결체 및 다결정질 다이아몬드 소결체의 제조방법. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230019364A KR20230019364A (ko) | 2023-02-08 |
| KR102619736B1 true KR102619736B1 (ko) | 2024-01-03 |
Family
ID=85225713
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210101008A KR102619736B1 (ko) | 2021-07-30 | 2021-07-30 | 소결체용 분말, 다결정질 다이아몬드 소결체 및 다결정질 다이아몬드 소결체의 제조방법. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102619736B1 (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010020962A2 (en) | 2008-08-21 | 2010-02-25 | Element Six (Production) (Pty) Ltd | Polycrystalline diamond abrasive compact |
| US20110252713A1 (en) | 2010-04-14 | 2011-10-20 | Soma Chakraborty | Diamond particle mixture |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS648242A (en) * | 1987-07-01 | 1989-01-12 | Tatsuro Kuratomi | Diamond sintered body and its production |
| JPH05221720A (ja) * | 1992-02-17 | 1993-08-31 | Mitsubishi Materials Corp | 靭性のすぐれたダイヤモンド基超高圧高温焼結材料およびその製造方法 |
| CN104136108B (zh) * | 2011-12-05 | 2017-09-26 | 戴蒙得创新股份有限公司 | 使用石墨烯改进pcd的烧结的方法 |
| KR20200057422A (ko) * | 2018-11-16 | 2020-05-26 | 일진다이아몬드(주) | 초미립 다결정 다이아몬드의 비정상 입자성장 제어 방법 |
-
2021
- 2021-07-30 KR KR1020210101008A patent/KR102619736B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010020962A2 (en) | 2008-08-21 | 2010-02-25 | Element Six (Production) (Pty) Ltd | Polycrystalline diamond abrasive compact |
| US20110252713A1 (en) | 2010-04-14 | 2011-10-20 | Soma Chakraborty | Diamond particle mixture |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20230019364A (ko) | 2023-02-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107207363B (zh) | 立方氮化硼多晶材料、切削工具、耐磨工具、研磨工具、和制造立方氮化硼多晶材料的方法 | |
| EP2462083B1 (en) | Tough coated hard particles consolidated in a tough matrix material | |
| EP1831130B1 (en) | Method of making a powder suitable for manufacturing a cubic boron nitride compact | |
| KR101487038B1 (ko) | 입방정계 질화붕소 콤팩트 | |
| US6844282B2 (en) | Silicon nitride based composite sintered product and method for production thereof | |
| EP2752398B1 (en) | Cubic boron nitride complex polycrystalline substance, method for manufacturing same, cutting tool, wire-drawing die, and grinding tool | |
| JP6293669B2 (ja) | 焼結された立方晶窒化ホウ素切削工具 | |
| JP2006299396A (ja) | 固溶体粉末、この固溶体粉末の製造方法、この固溶体粉末を用いるセラミック、このセラミックの製造方法、この固溶体粉末を含むサーメット粉末、このサーメット粉末の製造方法、このサーメット粉末を用いるサーメット、及びこのサーメットの製造方法。 | |
| KR100626224B1 (ko) | 고용체 분말, 그 제조 방법, 상기 고용체 분말을 포함하는서멧트용 분말, 그 제조 방법 및 상기 서멧트용 분말을이용한 서멧트 | |
| US20140178139A1 (en) | Method of manufacturing super hard alloy containing carbon nanotubes, super hard alloy manufactured using same, and cutting tool comprising super hard alloy | |
| KR20200140372A (ko) | 입방정 질화붕소 다결정체 및 그 제조 방법 | |
| US20140199226A1 (en) | MECHANOCHEMICAL SYNTHESIS OF HEXAGONAL OsB2 | |
| CN107200590A (zh) | 切削工具用复合烧结体及利用该复合烧结体的切削工具 | |
| US20070009374A1 (en) | Heat-resistant composite diamond sintered product and method for production thereof | |
| Jialin et al. | High-performance multifunctional (Hf 0.2 Nb 0.2 Ta 0.2 Ti 0.2 Zr 0.2) C high-entropy ceramic reinforced with low-loading 3D hybrid graphene-carbon nanotube. | |
| KR100755882B1 (ko) | 새로운 Ｔｉ계 고용체 절삭 공구 소재 | |
| US9573249B2 (en) | Boron nitride composites | |
| Hirota et al. | Fabrication of carbon nanofiber (CNF)-dispersed Al 2 O 3 composites by pulsed electric-current pressure sintering and their mechanical and electrical properties | |
| US5135892A (en) | Boron suboxide material and method for its preparation | |
| KR20040005011A (ko) | 주철 절삭용 고경도 소결체 및 그 제조방법 | |
| KR102619736B1 (ko) | 소결체용 분말, 다결정질 다이아몬드 소결체 및 다결정질 다이아몬드 소결체의 제조방법. | |
| US5330937A (en) | Boron suboxide material and method for its preparation | |
| Shul’zhenko et al. | New Diamond-Based Superhard Materials. Production and Properties. Review | |
| JP6743666B2 (ja) | 多結晶ダイヤモンドおよびその製造方法、スクライブツール、スクライブホイール、ドレッサー、回転工具、ウォータージェット用オリフィス、伸線ダイス、切削工具、電極ならびに多結晶ダイヤモンドを用いた加工方法 | |
| US20230037181A1 (en) | Polycrystalline cubic boron nitride material |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |