KR19990028197A - 개선된 pcd 성형체 공구와 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

개량된 PCD 공구는 PCD와 결합재를 주성분으로 형성된 가공 요소와 약간의 접합재로 형성된다. 결합재는 다이아몬드와의 화학적인 결합을 위하여 선택되고 접합재는 다이아몬드-다이아몬드 상의 결합을 촉진시키기 위해 선택된다. 본 발명의 PCD의 복합 공구 물질은 효과적인 고온에서의 경도, 화학적 고내마모성, 그리고 어느 정도의 접착성에 의한 충격 강성을 제공하는데 이는 일반적으로 PCD 공구를 만드는데 사용되는 코발트 결합재 대신에 금속 탄화물이나 그와 유사한 재료를 써서 균일한 미세 조작을 갖기 때문이다. 새로운 성형체는 낮은 화학 반응성을 갖는데 이는 낮은 코발트 함유량 때문이고 결합재의 촉매 효과가 금속 탄화물이나 다른 결합재의 존재에 의해 최소화되기 때문이다.

Description

개선된 PCD 성형체 공구와 그 제조 방법

본 발명은 다결정 다이아몬드(PCD ; polycrystalline diamond)로 형성된 컷팅, 그라인딩, 드릴링 등의 표면을 갖는 절삭 공구에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 PCD 성형체가 소결 또는 접합되어 공구의 사용 연한을 늘린 개선된 다결정 요소를 갖는 공구와 이에 대하 제조 공정에 관한 것이다.

컷팅, 터닝, 드릴링 및 머쉰닝 공구를 이용한 가공에 있어서, 공구의 마모성과 생산성과의 관계는 매우 중요하다. 만일 어떤 공구가 내마모성이 좋으나 생산성에서 낮다면, 이러한 공구는 그 실용성이 상당히 제한되는데, 이는 대다수 제조업에서 수익성이 가능한 최소의 기계 가공으로 최대한의 수량을 생산할 수 있는지의 여부에 달려 있기 때문이다. 마찬가지로, 생산성이 매우 좋으나 내마모성이 약하다면 높은 생산성에 의해서 절약된 시간이 공구등 교체에 다른 공정 중단과 비용으로 상쇄된다.

컷팅, 그라인딩, 머쉰닝, 터닝, 드릴링 공구를 이용하는 제조업에서는 그 뛰어난 내마모성 때문에 PCD 또는 PCBN 부분을 갖는 공구를 일반적으로 사용하게 되었다. 다이아몬드 경도는 적은 마모로써 상당량의 가공을 가능하게 한다.

종래의 다이아몬드 또는 CBN 공구 제조는, 다결정 물질층이 텅스텐 탄화물 지지부와 같은 지지 물질에 접착된다. 다이아몬드나 CBN이 매우 단단하고 양호한 열전도성을 갖는 반면, 텅스텐 탄화물은 출격과 열흡수성이 강하고 또한, 상대적으로 강한 연성체이다.

PCD 성형체를 형성하는 방법에는 텅스텐 탄화물 또는 그 밖의 지지부에 부착하거나 지지부 없이 만드는 2가지 방법이 사용된다. 소결 과정에서 다이아몬드 결정에 코발트, 철 또는 니켈등이 첨가된다. 이 금속들은 다이아몬드 결정이 적심성이 있는 상태로되게 되며 이 결정은 다이아몬드-다이아몬드 결합이 가능하도록 한다. 접합시, 티타늄, 티타늄 탄화물 또는 텅스텐 탄화물과 같은 결합재가 첨가된다. 결합재는 다이아몬드 결정을 지지하고 대개는 다이아몬드-다이아몬드 결합을 형성하지 않는다.

PCD나 PCBN 공구가 매우 강한 내마모성을 보이는 반면, 작업 처리량이 많은 상황에서는 매우 높은 열이 발생하게 된다. 예를 들면, Industrial diamond review(vol 56, No. 569, page 40) A.M Abrao는 공구의 온도가 절삭 속도에 비례하여 오른다고 기록하고 있다. 열간 가공용 금형강에 작업을 가하는 PCBN 절삭 공구는 (200)m/min에서 800℃를 초과할 수 있다. PCD 역시 같은 양상이다. 커팅, 그라인딩, 드릴링 등을 하게되는 요소의 생산성이 높아질수록 절삭 공구의 온도는 더욱 높아지게 된다.

불행히도, PCD 성형체를 사용하는 공구는 열적 분화(heat degradation)가 일어나게 된다. 높은 열전도를 갖는 다이아몬드나 CBN과는 달리, 코발트는 높은 열팽창도를 갖는다. 따라서, 열이 상승함에 따라 다이아몬드나 CBN이 작게 팽창하는 반면 코발트는 큰 폭으로 팽창하게 된다. 또한, 코발트는 다이아몬드 입자가 흑연으로 변환되는 반응과 같은 반응에 대해서 촉매 작용을 한다. 따라서 PCD가 고온에 노출되면 박리, 화학적 마모, 또는 PCD 성형체의 미세 구조가 변할 수도 있다.

또한, 접합된 PCD 성형체는 열의 변화에 민감하다. 종종 결합재로 사용되는 재료는 상대적으로 낮은 용융 온도를 갖는 재료가 사용된다. 만약 온도가 너무 높으면 다이아몬드를 지지하는 결합재 부분이 약해질 수 있다.

PCD 공구들을 제조하기 위해 많은 방법들이 시도되었다. 예를 들면, Bovenkerk 등의 미국특허 제3,136,615호에서는 다이아몬드 분말, CBN 분말 및 붕소 탄화물의 혼합물을 사용하고 고온 고압이 가해지는 접합된 성형체를 제조하는 공정을 교시하고 있다.

Delai의 미국특허 제3,141,746호에서는 철, 코발트, 니켈, 루테늄, 로듐, 티타늄, 오스듐, 이리듐, 백금, 크롬, 망간, 티타늄 탄탈로 이루어진 그룹으로부터 선택된 결합재를 첨가시킨 다이아몬드 성형체에 대한 내용을 포함하고 있다. 미국특허 제3,745,623호에서는 주요 결합재로서 코발트를 포함하는 텅스텐 탄화물 지지부에 결합된 다결정 소결 다이아몬드 성형체를 교시하고 있다.

PCD 분야에서 많은 발명이 상당한 흥미를 일으켰으나, 그것들은 실제 작업시 원하는 성질을 가진 PCD를 제조하는데 실패하였다. 예를 들어, Cho 등의 미국특허 제5,151,107호에서는 텅스텐 탄화물과 실리콘을 기반으로 접합된 다이아몬드 합성공구를 개시하고 있다. 이 PCD는 지지된 PCD에 대해서는 950℃까지 그리고 지지되지 않은 PCD에 대해서는 1200℃까지 열정 안정성이 있다는 것을 청구하고 있다. 그러나, 그 PCD 성형체의 텅스텐 탄화물과 실리콘 결합재는 충분한 내충격이 부족한 것으로 나타났다. 이와는 반대로, 실리콘 결합재로부터 소결된 탄화실리콘은 취성과 같은 결합강도를 가진 것으로 알려졌다.

PCD 공구를 제조하기 위해 고온 고압 공정에 대해 제시된 상당수의 특허가 있지만, 이들 공구들은 계속해서 -작업 처리량이 많을 경우 같은- 고온 조건에서 발생하는 높은 열로 인하여 파손되는 문제에 직면해 있다. 따라서, 생산 현장에서는 고내마모성의 PCD 공구 사용을 위해 생산성을 제한하거나 또는 고생산성을 위해 공구를 가동하고 이에 따른 공구의 파손을 감수해야 하는 모순에 처해 있다. 경제적 비용으로 고생산을 이루어야 하는 것이 중요해짐에 따라, 생산 현장에서는 높은 내마모성과 높은 열적 내구성 2가지를 갖는 공구를 지속적으로 연구하여만 하였다.

따라서, 고생산 및 고온의 조건하에서도 상당한 내마모성을 갖는 동시에 내구력이 있는 개선된 PCD, PCBN 공구에 대한 필요성이 있었다. 이러한 공구는 제작이 상대적으로 용이하고 제작비가 낮아야만 한다. 이러한 공구는 가격이 저렴하고 사용이 용이하여야만 한다.

도 1A 및 도 1B를 참조하면, 전체가 도면부호 (100)으로 지시된 종래의 기술에 따라 제작된 다결정 가공부의 사시도와 횡단면이 도시되어 있다. 가공부(100)는 일반적으로 텅스텐 탄화물의 공구 지지부(110)과 PCD와 PCBN으로 형성된 다결정 외부 가공층(114)을 포함한다. 계면층(118)은 다결정 가공층(114)과 지지부(110) 사이에 배치된다. 특히, 계면층(118)은 다이아몬드와 텅스텐 탄화물과 코발트의 혼합물을 포함한다. 고온 고압의 과정에서의 열과 압력은 3가지의 소재를 서로 섞이게 한다.

코발트는 매우 훌륭한 결합재다. 코발트는 고온 고압의 형성과정 동안 다이아몬드 결정을 녹여 다이아몬드-다이아몬드의 결합을 촉진시킨다. 또한 코발트는 다이아몬드의 결정간에 기계적 결합을 제공한다. 그러나 훌륭한 결합재 역할을 함에도 불구하고 코발트와 다른 일반적인 결합재는 특히 다이아몬드 성형체가 고온에서 사용될 때 결하을 발생시킬 수 있다.

종래의 기술에서 언급한 바와 같이, 고속도의 커팅, 머쉰닝, 그라인딩 및 드릴링 가공할 때 마찰로 인해 공구/칩의 접촉면에서 상당한 양의 열이 발생한다. 따라서 증가된 절삭속도는 공구의 온도를 상승시켜 일반적으로 공구의 수명을 단축시킨다. 공구가 어느정도의 고속도에서 절삭할 때 과도한 열이 발생하여 일반 연삭 마모와 대비되는 흔히 화학적인 마모라고 하는 공구 마모가 발생한다. 화학적인 마모는 다이아몬드 결정과 PCD층의 각각의 다이아몬드 결정 사이에 펴져 있는 코발트간의 화학적 반응과 열에 의한 구조변화에 미세 구조의 퇴화를 의미하는 마모라고 정의할 수 있다. 이런 촉매의 역할을 하는 결합재는 입계로써 또는 고온 고압의 소결 과정동안 소결된 다이아몬드와 다이아몬드 사이에 있는 성정 결정들 안쪽에 있는 트랩된 요소(trapped element)로써 다이아몬드 상에 미세하게 분산되어 있다.

공구에 열이 발생하면 다이아몬드와 다이아몬드 결합재로써 결정 주위에 있는 코발트로 구성하고 있는 공구 팁 영역의 미세 구조는 코발트의 촉매 반응에 의해 퇴화될 것이다. 이러한 반응은 초경 다이아몬드 결정을 훨씬 더 연한 흑연상으로 변태시키려는 경향이 있다. 게다가 코발트가 열팽창이 매우 커서 팽창된 코발트는 매우 낮은 열팽창율을 가진 다이아몬드를 갈라지게 한다. PCD 미세 구조의 크랙과 관련된 열팽창은 다이아몬드가 (다이아몬드보다 더 큰 부피를 가지고 있는)흑연으로 변화할 때와 코발트가 계속해서 팽창될 때 더욱 더 증가하게 된다. 이와 동시에 흑연의 열전도가 다이아몬드보다 훨씬 낮기 때무에 PCD층의 열전달의 효과는 급속히 감소한다. 이런 좋지 않은 운동학상의 반응 모두는 공구의 빠른 마모와 수명을 단축시킨다.

따라서, 모순이 존재하지 않는다. 만약 매우 적은 양의 코발트(또는 다른 접합재)가 사용되면 다이아몬드 결정간의 결합이 상당히 줄어들어 다이아몬드 결정이 빨리 칩이되어 떨어지므로 공구로가 파손된다. 이와는 달리, 너무 많은 코발트는 공구를 고온에서 사용할 수 없게 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 고온의 조건에서 악화 또는 파괴에 보다 강한 다결정 가공 부분의 갖는 개선된 공구를 제공하는데 있다.

본 발명에 또 다른 목적은 다결정 성형체내에 보다 개선된 미세 조직을 갖는 공구를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 보다 소량의 다이아몬드 결정을 사용하면서도 개선된 내마모성을 갖는 공구를 제공하는 것이다.

본 발명의 계속되는 또 다른 목적은 종래의 PCD 성형체보다 보다 빠르고 적은 저렴하게 제작될 수도 있는 PCD 가공요소를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 그리고 그 밖의 목적은 높은 열적 저항성과 보다 높은 화학 내마모성을 갖는 개선된 PCD 공구의 예시된 실시예를 통해서 구현될 수 있을 것이다. PCD 공구는 주로 PCD와 결합재 그리고 적은 양의 접합재로 이루어진 가공 요소로 형성된다. 본 발명의 PCD 복합 공구 물질은 고온경도, 높은 화학적 안정성, 어느 정도의 충격강도 특성을 갖는 공구를 제조하기 위해 일반적으로 사용되는 PCD 공구 물질에 널리 사용되는 결합재로서 코발트 대신에 금속 탄화물을 사용함으로써 균일한 미세 구조를 갖고서 향상된 성능을 발휘하도록 고안한 것이 본 특허의 근복적인 목적이다. 따라서 새로운 성형체가 화학적으로 안정성을 갖게 되는 이유는 적은 양의 코발트 결합재를 사용하는 것과 코발트 결합재의 촉매 효과를 금속 탄화물이나 이와 유사한 화합물이 대신함으로써 코발트의 영향을 최소화했기 때문이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 결합재가 텅스텐 탄화물과 같은 금속 탄화물로부터 선택된다. 금속 탄화물 결합재는 다결정 성형체의 약 10~50% 부피로 존재한다. 다이아몬드 상은 성형체 50~90% 부피로 존재한다. 코발트, 니켈, 철, 구리, 규소, 알루미늄 및 붕소와 같은 결합재들은 0.1~5% 부피로 존재한다. 일반적으로 새로이 제조된 PCD 성형체는 55~65% 중량의 다이아몬드, 30~40% 중량 텅스텐 탄화물, 1~5% 중량 코발트로 이루어진다. 보통 PCD 성형체는 60% 중량 다이아몬드, 35% 중량 텅스텐 탄화물 및 5% 중량 코발트가 들어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 새로운 PCD 성형체는 일반적인 공구작업시에 다이아몬드 상의 흑연화가 발생하지 않기 때문에 높은 열전도를 유지할 수 있다. 이와 같이 PCD 성형체는 종래의 PCD 성형체보다도 계면 박리나 미세 구조의 퇴화현상이 적다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, PCD 성형체의 성분 특성은 종래의 PCD 성형체보다 낮은 온도와 압력 조건하에서 치밀화를 이룬다는 점이다. 이와 같이 본 발명의 성형체는 고온 고압 용기의 수명 연장과 보다 큰 고온 고압이 셀(cell) 부피를 가능하게 한다. 게다가, 본 발명의 PCD 성형체는 짧은 형성 주기를 갖는다. 이 각각의 인자들이 PCD 생산 원가를 감소시키고 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, PCD 성형체는 제조 원가가 감소되는 반면에 내마모성이 크게 향상되었다. 게다가, PCD 성형체에 사용된 PCD의 양을 줄여 비용을 감소시킴에도 불구하고 내마모성이 높은 다이아몬드의 농도를 갖는 종래의 PCD 성형체의 것보다 좋거나 동등하다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, PCD 성형체는 지지부가 없는 장치로 만들어지기도 하고 지지부가 있는 상태로 만들어질 수 있다.

지지부는 종래의 기술에서처럼 편평한 것을 사용하거나, 공구 절편내에 응력집중을 작게 하기 위해 주름진 표면이 형성될 수도 있다.

도 1A 도는 종래의 기술에 따른 다결정 성형체와 지지부를 갖는 자결정 가공 요소의 사시도를 나타낸다.

도 1B 는 다결정 성형체로 코발트가 침투하는 것을 나타내기 위하나 도 1A의 다결정 가공 요소의 횡단면도를 나타낸다.

도 2 는 본 발명에 따른 PCD 성형체 제조 단계의 흐름도를 나타낸다.

도 3 은 종래 기술에 따라 만들어진 PCD 성형체와 본 발명의 원리에 따라 만든 PCD 성형체를 비교한 도표를 나타낸다.

도 4A 는 여러개의 다결정 성형체와 본 발명한 PCD 성형체를 비교하는 표이다.

도 4B 는 도 4A 에서 언급된 PCD 성형체를 비교하는 그래프를 나타낸다.

도 5A 와 도 5B 는 다량의 다이아몬드, 결합재 및 접합재를 포함하고 있는 샘플 차트를 나타낸다.

도 5C 와 도 5D 는 도 5A 와 도 5B 의 여러가지 샘플의 내마모성과 관련된 그래프를 나타낸다.

도 6 과 도 7 은 본 발명의 원리에 따라 제조한 추가적인 샘플을 보여주고 있다.

도 8 은 종래의 PCD 성형체와 본 발명의 PCD 성형체가 형성되는 고온 고압의 그래프를 나타낸다.

도 9A 는 본 발명의 원리에 의한 일실시예에 따른 다결정 성형체와 지지부를 갖는 다결정 가공 요소에 대한 사시도를 나타낸다.

도 9B 는 주름진 지지부에 결합된 PCD 가공 요소와 PCD 성형체의 사시도를 나타낸다.

도 9C 는 PCD 성형체가 지지되지 않는 PCD 가공 요소의 사시도를 나타낸다.

위에서 설명한 목적, 발명의 형상과 장점은 도면을 첨부하여 하기에 상세히 설명될 것이다.

본 발명의 기술 분야의 숙련된 기술자들이 본 발명을 제작하고 사용할 수 있도록 도면을 참조하여 본 발명의 여러 요소가 도면 부호로서 지시될 것이고 설명되어질 것이다. 하기 설명은 본 발명의 일 실시예일 뿐이지 첨부된 청구범위를 제한하는 것은 아니다.

본 발명의 원리에 따르면, 공구 마모에 대한 저항이라는 면에서 중대한 향상을 이룰 수 있다는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 PCD 성형체는 코발트 농도 감소와 몇가지의 금속성의 탄화물과 다른 소재가 코발트가 반응성을 감소시키는 바람직한 반응에 의해 향상된 미세 구조를 제공함으로서 상기한 악영향을 상당히 방지한다. 하기에 상세히 설명되었지만, 향상된 미세 구조가 종래의 PCD 성형체에 비하여 마모면에서 개선되었음을 알 수 있다. 본 발명에서 발견된 현상은, 특정한 적용에 대해서, 다이아몬드-다이아몬드 결합과 좀더 낮은 압축 강도에서도 실제적으로 절삭 공구를 향상시키는 것으로 나타났다. 이는 상승 온도가 바람직한 연성을 갖고, 개량된 PCD에서 보다 높은 열적 화학적 저항 때문에 가능하다.

예를 들면 80% 부피의 다이아몬드를 갖는 본 발명의 성형체는 현재 사용하는 90~95% 부피의 코발트를 결합재와 다이아몬드보를 갖는 PCD 성형체 보다 마모에 대한 저항력이 훨씬 높게 나타났다. 본 발명의 성형체는 다이아몬드가 70% 부피로 적었을 때 종래의 PCD의 마모 특성과 동일하게 나타났다. 내마모성과 증가와 PCD 성형체를 형성하는데 필요로 하는 다이아몬드 결정의 양의 감소를 감소시킴으로서, 본 발명은 PCD 절삭 공구의 생산성과 경제성을 크게 향상시켰다. 다른 이점은 아래에 논의되어 있다.

도 2 에는 본 발명의 단계를 나타낸 흐름도가 도시되어 있다. 본 발명의 PCD 성형체를 생산하는 방법은 모든면에 있어서 종래의 PCD 성형체를 제조하는 방식과 비슷하다. 그러나 본 발명을 50~90% 부피 다이아몬드와 9.9~50% 부피 결합재는 탄화물, 질화물, 탄화질화물, 붕소화합물 그리고 규소화합물 또 IVb, Vb, Vib 천이금속들 또는 질화알루미늄 결합재와 순수 금속과 티타늄 수소화물 같은 금속 수소화물 또는 구리, 알루미늄과 같은 저온에 용융되는 금속 또는 코발트, 철, 그리고 니켈 같은 일반적인 철계 금속들로부터 선택하였다.

본 발명의 핵심은 다이아몬드와 결합재간에 되도록 해로운 촉매 반응의 위험없이 결합재의 적은 양을 가지고 필요한 액체 농도를 촉진하기 위해 적용하는 것이다. 따라서 결합재는 0.1~5% 부피이어야 한다. 이와 같은 양에서 PCD 성형체의 미세 구조는 열화학적, 열 구조적 측면에 위해 최적화된다. 또한, PCD 성형체의 퇴화를 감소시키는 다이아몬드를 흑연화하는 촉매역할을 하는 코발트를 기본적으로 불활성시키는 충분한 양이다.

[제 1 실시예]

평균 입자 크기가 10마이크로 미터인 다이아몬드 분말과 평균 입자 크기가 0.75마이크로 미터인 텅스텐 탄화물 분말을 90:10의 부피비로 하여 볼밀에서 습식으로 충분히 혼합하였다. 이후, 분쇄된 분말을 수소 가스내에서 대기압으로 900℃에서 2시간 동안 열처리하였다. 금속컵에 분말을 넣고 텅스텐 탄화물로 야금된 코발트 디스크를 놓았다. 분말이 담긴 부품을 일반적인 고온 고압(HPHT) 반응 셀에서 조립하여 일반적인 벨트형 유압 프레스에 장입한다. 압력은 약 55kb까지 가압하고 1400℃까지 상승시켰다. 35분을 유지한 후에 온도는 냉각되고 압력은 서서히 감압된다. 소결된 PCD 성형체는 지름이 35mm이고, 두께가 4.2mm였다.

소결된 성형체는 양면과 원주를 연삭하고 래핑하였다. 그 다음 PCD의 조직을 관찰하기 위해 폴리싱을 하여 최적의 현미경과 EDX를 가진 SEM으로 분석하였다. 소결된 PCD는 EDM로 작은 절편으로 커팅하였다. 몇 절편은 코발트가 접합된 텅스텐 탄화물과 황등석에 대한 공구 수명 테스트를 포함하여 다양한 특징을 측정하기 위한 테스트를 하였다. 위에서 언급된 모든 테스트는 PCD 성형체를 지지하는 코발트와 비교하여 진행하였다. 그리고 정리된 테스트 결과는 도 3에 나타나 있다. 종래는 PCD 샘플은 드비어스(DeBeers) 010등급 PCD와 비슷한 상용화된 등급이다. 본 발명에 의해 만들어진 PCD 성형체는 SEM으로 분석하여 EDX 실행하였다. 본 발명의 분석 결과는 10~12% 중량 코발트인 종래의 PCD와 비교하여 4~5% 중량 코발트가 함량되었다. 본 발명의 PCD는 종래의 PCD의 거의 2배 빠른 5mm/min 속도비로 절단되었다. 게다가, 새로운 PCD는 종래의 PCD보다 저단 소음이 적었고 절단 모서리가 훨씬 깨끗하게 보였다.

열안정성을 테스트를 하기 위해서 두가지의 샘플을 대기압하에서 700℃, 740℃, 780℃에서 각각 열처리를 하였다. 그 결과는 종래의 PCD는 700℃보다 높은 온도에서 PCD 표면이 산화로 탈색되고 거칠어졌다. 이와는 대조적으로 본 발명의 PCD은 산화의 명확한 흔적은 볼 수 없었다. 양 샘플의 열역학적 거동을 확인하기 위해 진공로에서 1200℃ 열처리를 하였다. 본 발명에 의해 만들어진 PCD 샘플은 종래의 PCD 샘플보다 덜 휘어지고 폴리싱된 PCD 표면이 덜 퇴화되었다.

이 두가지 테스트에서 새로운 PCD의 공구 성능 테스트는 종래의 PCD 테스트 표본 이상으로 공구 마모 저항성을 높게 하였다.

[제 2 실시예]

평균 입자 크기가 10마이크로 미터인 다이아몬드 분말과 평균 입자 크기가 0.8마이크로 미터인 텅스텐 탄화물 분말을 85:15의 부피비로 혼합하여 제 1 실시예와 동일한 방법으로 본 발명의 PCD 성형체를 야금/소결하였다. 고온 고압에서 소결된 성형체는 연삭과 래핑을 하고 미세 조직을 분석하기 위해 폴리싱을 하였다. 다이아몬드-다이아몬드간의 결합은 종래의 PCD에서 보였던것 보다 훨씬 적었다. 대신에 본 발명의 PCD는 다이아몬드 결정들이 텅스텐 탄화물 주위로 화학적으로 결합되었고 코발트의 농도는 훨씬 적었다. 종래의 PCD는 10~20% 중량 코발트 함량과 비교해 보면 EDX 분석 결과는 1~2% 중량 코발트로 나타났다.

절단시의 마모를 확인하기 위해 외경이 90mm이고 내경이 40mm인 6% 중량 코발트가 접합된 텅스텐 탄화물(HRA -92) 준비하였다. 절단 속도가 10~14m/min, 이송 속도 0.2mm/rev, 절삭 깊이 0.2mm인 가공 조건에서 수용성 절삭유를 사용하여 바(the bar)를 걸어 테스트를 하였다. 비교를 위해서 4가지 다른 공구가 도 4A에 정리된 것처럼 드비어스 010등급 샘플 이외의 종류와 함께 테스트를 하였다. 이들 4가지의 공구중에는 30% 중량 텅스텐 탄화물로 제작된 PCBN 성형체가 있다. 공구의 모서리의 치핑은 Type 4인 PCBN 공구 샘플을 제외하고는 발견되지 않았다. 마모에 대한 저항성은 도 4B에 정리되어 있고 3가지의 새로운 PCD는 드비어스 010등급 샘플(Type 5)보다 조금 양호하거나 동일하였다. 도 4B는 테스트에 나타난 것보다 2배 정도로 진행하여 표시한 것이다. 2개의 테스트 데이타는 상당히 일치하는 것으로 보인다. 또한 PCBN 샘플은 그 특징이 초기에 마모되고 및 과열되는 공구 특성을 갖는다.

[제 3 실시예]

평균 입자 크기가 10마이크로 미터인 다이아몬드 분말과 평균 입자 크기 0.80마이크로 미터인 텅스텐 탄화물 분말의 혼합을 도 5A에 정리된 것처럼 다양한 부피비로 변화시켜 준비하였다. 혼합물은 볼밀하였다. 공구 성능을 관찰하기 위해 코발트 분말과 텅스텐 탄화물 분말을 첨가한 몇가지의 시편이 준비되었다. 이들 PCD와 시편 분말을 제 1 실시예와 동일한 방식으로 고온 고압하에서 PCD를 소결하였다. 소결된 PCD들은 미세 조직과 공구 성능 평가와 같은 평가를 위해서 제 1 실시예와 같은 연마 방법으로 폴리싱 된 절편 상태의 최종 형태로 끝마무리를 하였다. 적등석에 대한 절삭성 테스트의 견본은 지름 34mm인 PCD 블랭크를 와이여 EDM으로 절단하여 지름 13mm, 두께가 3.5mm인 시편을 준비하였다. 공작물은 지름이 111.4mm이고 길이는 200mm이다. 표면 이송이 150m/min, 이송 속도 0.246mm/rev, 절삭 깊이 0.5mm인 조건하에 선반에서 연삭하여 성능 테스트를 하였다.

도 5B는 테스트에서 황등석의 지름의 변화와 선반 회전수에 대한 상세한 정보를 정리한 것이다. 공구 팁이 다른 두점에서 두가지 테스트는 각 공구에서 진행하였다. 공구 성능을 평가할 때 공구 마모는 최적의 현미경으로 관찰되었고 성능은 두가지 다른 방법으로 판단되었다. 하나는 일반적인 연삭비이고 또 하나는 공구 블랭크 마모에 의해 생긴 Vb 측정 방식이다. 이 두가지의 결과는 도 5C와 도 5D에 정리하였다. 확실한 것은 코발트의 함량이 많아질수록 다이아몬드-다이아몬드 결합이 증가함에도 불구하고 코발트의 함량이 많은 PCD들이 종래의 PCD (Type 8)과 그리고 본 발명인 새로운 PCD들 보다 열등하다. 테스트한 PCD 성형체중에서 Type1과 Type2의 새로운 PCD가 성능면에서 주목한 만하게 나타났다.

[제 4 실시예]

다이아몬드 혼합 분말은 평균 크기가 10㎛인 다이아몬드와 제 1 실시예와 같은 방법으로 볼밀링하여 준비한 알루미늄, 탄화몰리브덴, 질화티타늄, 탄화탄탈륨, 탄화규소의 부피비가 90:10인 결합재로 되어 있다. 모든 PCD 제조공정은 정상적인 것으로 관찰되었고 성능은 만족할 만하다.

[제 5 실시예]

유틸리티 그레이드 PCD(UPCD)는 아래와 같이 만든다. 다이아몬드 분말의 혼합은 입도가 평균 10㎛인 다이아몬드 분말과 평균 0.8㎛인 텅스텐 탄화물 분말을 도 6과 7에서 보여준 것처럼 여러가지 부피비로 준비를 한다. 첫째 1차 성형체는 2% 중량 장뇌를 첨가한 완료를 볼밀링하여 준비하고 여러가지 디스크 모양으로 성형한다. 예를들면, 1차 성형된 디스크는 최종 공구 두께에 좌우되어 직경 34mm, 두께는 1.5mm~5.0mm로 성형한다. 1차 성형품은 가스를 제거시키고 적당히 결정화시키기 위해서 약 1000℃에서 20분 동안 10-5mmHg인 진공로에서 열처리를 한다. 이 UPCD는 적은 다이아몬드와 많은 양의 결합재로 되어 있는 특성에 의해 소결 조건이 20Kb 정도 낮은 영역에서 소결이 된다. 그렇지만, 본 발명에 따르면 UPCD가 놀랄만하게 좋은 마모저항을 가지고 있는 낮은 온도와 압력에서 유틸리티 그레이드 형성이 가능해지기 때문에 UPCD는 좀더 큰 배치로 만들 수 있고 PCD 합성 용도로 고압공구를 사용하는데에 있어서도 수명을 늘릴 수 있다.

도 8을 보면 본 발명의 이론에 의거한 압력과 온도의 그래프를 나타낸다. 선을 따라서 다이아몬드와 그라파이트가 안정한 구역으로 나뉘어는데 2개의 빗금친 부위(200, 210)가 표시되어 있다. 영역(200)은 35Kb와 1250℃ 근처에서부터 위쪽으로 늘어난다. 이것은 고온 고압하에서 제조되는 PCD 성형체의 전형적인 영역이다. 이 온도와 압력 범위가 PCD 성형체 합성에 대당되는 영역이나 본 발명에 의하면 상당량의 텅스텐 탄화물이나 기타 탄화물, 질화물, 탄화질화물을 사용하는 경우 합성 압력과 온도를 낮출 수 있다. 예로 본 발명에 의하면 영역(210)에서 보는대로 PCD 합성조건은 20Kb의 압력, 온도는 1000℃ 정도로 할 수 있다. 낮은 온도와 압력을 사용하면 많은 장점을 얻을 수 있다. 첫째로 가온가압과 감온감압에 필요한 합성시간을 감소시킨다. 두번째는 낮은 압력과 온도는 PCD 성형시 고압공구의 마모와 파손을 감소시켜 수명을 증가시킨다. 세번째는 저온저압은 큰 용적의 사용을 쉽게 하기 때문에 PCD 성형에서도 큰 배치로를 만들 수 있게 한다. 본 발명의 이점들은 PCD 성형체 제조 원가를 낮추며 마모저항을 증가시켜 기존 PCD에 비해 큰 이점이 있다.

도 9A 및 도 9B를 보면 본 발명은 윈리에 따른 PCD 성형체의 3가지 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 9A는 (220)으로 표현되는 PCD 성형체의 사시도를 나타낸다. 절삭 요소(도 8에 도시됨)는 통상 텅스텐 탄화물 재질로 만들어지는 바닥 지지부를 포함하고 PCD 성형체(228)는 본 발명의 원리에 의거 제작되었다. 통상의 PCD가 10~20% 부피의 코발트를 포함하여 사용되는 반면 본 발명에서는 접합재는 9.9~50% 부피가 사용되고 코발트와 같은 접합재는 0.1~5%가 사용된다.

지지부와 다이아몬드 성형체의 접합면은 통상 코발트와 텅스텐 탄화물과 다이아몬드로 형성된다. 비록 지지부(224)와 PCD 성형체(228) 사이의 접합은 계면(232)에 코발트가 존재하나 이것은 필요한 것은 아니다. 왜냐하면 많은 량의 텅스텐 탄화물이 존재하면 코발트나 기타 접합 재료가 접합층에 있을 필요가 없기 때문이다.

도 9B에는 본 발명이 또 다른 실시예가 도시되어 있다. PCD 성형체에 접합하기 위한 일반적인 편평한 결합면을 갖는 (지지부(224)와 같은) 지지를 이용하는 대신, 도 9B에 도시된 절삭 요소(233)는 지지부(230)의 표면이 주름진 것과 같은 복수개의 돌출부(234)를 이용하고 있다.

PCD 성형체(238)는 돌출부(234) 형태위에 형성된 PCD 성형체의 바닥에 주름부를 제공할 수 있도록 한다. 도 9B의 이러한 비평면적 구조는 PCD 성형체(238)의 응력을 감소시키고 따라서 가공부위(233)의 수명이 오래 유지될 수 있게 한다.

돌출부가 있는 디자인은 PCD 안으로 코발트가 유입되는 것을 억제하고 또한 전단응력을 감소시킨다.

도 9C를 참고하면, 본 발명에 따른 제작된 또 다른 가공 요소(240)를 나타낸다. PCD 성형체(244)는 지지부를 필요로 하지 않는다. 다시말해, PCD 성형체(244)는 도 9A나 9B에서 보는 것과 다르게 바닥지지부가 붙어 있지 않다. 이 PCD 성형체는 별도의 독립적인 제품으로 별도의 방법에 의해 사용되어진다.

따라서, 본 발명의 PCD 복합 공구가 개시된다. 본 발명의 기술에 숙련된 사람은 본 발명의 범위와 사상을 벗어나지 않고 수많은 변형예를 제작될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 첨부된 청구의 범위는 이러한 변형예를 포함할 수 있도록 하였다.

Claims (20)

1. 성형체의 50~90% 부피를 갖는 PCD와;

   탄화물, 질화물, 탄화질화물, 붕소화합물, 주기율표 IVb, Vb, 또는 VI 족에 속하는 천이금속의 실리콘 화합물, 질화알루미늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택되고, 성형체의 9.9~50% 부피를 갖는 결합재와;

   코발트, 실리콘, 알루미늄, 구리, 은, 주석으로 이루어진 그룹에서 최소 1개의 금속으로 이루어진 금속으로부터 선택되고, 성형체의 0.1~5% 부피를 갖는 접합재를 구비한 것을 특징으로 하는 PCD 성형체.
2. 제 1 항에 있어서,

   PCD 성형체는 탄화물 지지부에 부착된 것을 특징으로 하는 PCD 성형체.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 다이아몬드가 60~80% 부피를 갖는 것을 특징으로 하는 PCD 성형체.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 다이아몬드 결정이 입도가 30 메쉬 또는 그보다 작은 것을 특징으로 하는 PCD 성형체.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 PCD 성형체의 두께가 0.3~1.2mm인 것을 특징으로 하는 PCD 성형체.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 결합재가 텅스텐, 탄화물, 탄탈탄화물, 몰리브덴탄화물, 그리고 티타늄탄화물로부터 선택된 것을 특징으로 하는 PCD 성형체.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 결합재가 질화알미늄, 질화티타늄, 질화붕소로 이루어진 그룹중에서 선정된 것을 특징으로 하는 PCD 성형체.
8. 제 1 항에 있어서,

   결합재가 접합재 충분한 농도로 존재하여 접합재에 의한 역촉매 반응을 방지하는 것을 특징으로 하는 PCD 성형체.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 결합재가 적어도 상기 PCD 성형체 30% 부피를 갖는 것을 특징으로 하는 PCD 성형체.
10. a) 다이아몬드 결정과; 탄화물, 질화물, 탄화질화물, 붕소화합물, IVb, Vb, VIb의 규소화합물, 질화알루미늄으로 이루어진 그룹으로 부터 선택된 천이금속을 구비하는 결합재와; 코발트, 실리콘, 알루미늄, 구리, 은, 주석으로 이루어진 그룹으로 선택된 접합재를 선택하는 단계와;

    b) 상기 다이아몬드 결정, 상기 결합재 및 상기 접합재가 혼합하여 상기 다이아몬드 50~90% 부피를 갖고, 상기 결합재의 9.9~50% 부피를 갖고, 상기 접합재의 0.1~5% 부피를 갖고 혼합물을 형성하는 단계와;

    c) 소결된 또는 접합된 PCD 성형체를 형성하기 위한 충분한 시간동안 압력과 온도를 상기 혼합물에 가하는 단계를 구비한 것을 특징으로 하는 개선된 PCD 성형체를 성형하는 방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    좀더 자세하게는, 상기 혼합물에 최소 6분간 20~60Kb 사이의 압력과 1300~1600℃ 사이의 온도를 가하는 것을 특징으로 하는 개선된 PCD 성형체를 성형하는 방법.
12. 제 1 항에 있어서,

    상기 다이아몬드 결정에 접합재의 역촉매 반응을 최소화할 수 있도록 접합재에 대한 결합재의 상기 다이아몬드 결정의 비를 선택하는 단계를 구비한 것을 특징으로 하는 개선된 PCD 성형체를 성형하는 방법.
13. 제 10 항에 있어서,

    상기 다이아몬드 분말이 60~80% 부피이고, 상기 결합재가 부피로 15~40% 부피이고, 접합재가 0.1~5% 부피의 혼합물을 형성하는 단계를 구비한 것을 특징으로 하는 개선된 PCD 성형체를 성형하는 방법.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 결합재가 적어도 30% 부피를 갖는 혼합물을 형성하는 단계를 구비한 것을 특징으로 하는 개선된 PCD 성형체를 성형하는 방법.
15. a) 상기 PCD 성형체를 형성하도록 형성된 보호용 금속 용기의 선택하는 단계와;

    b) 상기 보호용 금속 용기내에 탄화물 접합 디스크를 배치하는 단계와;

    c) 상기 탄화물 접합 디스크에 50~90% 부피의 다이아몬드 결정과 9.9~50% 부피의 결합재와 0.1~5%의 부피의 접합재를 덮는 단계와;

    d) 상기 혼합물과 상기 탄화물 디스크를 적어도 20Kb의 압력하에 적어도 1000℃로 가열하여 PCD 성형체를 형성하는 단계를 구비한 것을 특징으로 하는 개선된 PCD 공구의 제조 방법.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 a) 단계는 다이아몬드 결정과, 탄화물, 질화물, 탄화질화물, 붕소화합물, IVb, Vb, VI 금속의 규소화합물, 질화알미늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 천이금속 화합물을 구비한 결합재와; 코발트, 실리콘, 알루미늄, 구리, 은, 주석으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 접합재를 선택하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 개선된 PCD 공구의 제조 방법.
17. 제 15 항에 있어서,

    상기 c) 단계는 코발트, 실리콘, 알루미늄, 구리, 은, 주석중 적어도 한가지 금속으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 접합재를 갖는 혼합물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 PCD 공구의 제조 방법.
18. 성형체의 20~50% 부피를 갖는 PCD와;

    화학적으로 다이아몬드와 결합할 수 있도록 선택되고, 성형체의 9.9~50% 부피를 갖는 결합재와;

    고온 고압하에서 다이아몬드-다이아몬드의 결합을 촉진할 수 있도록 선택되고, 성형체의 0.1~5% 부피를 갖는 접합재를 구비한 것을 특징으로 하는 PCD 성형체.
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 PCD는 상기 성형체의 60~80% 부피이고, 상기 결합재는 상기 성형체의 15~45% 부피인 것을 특징으로 하는 PCD 성형체.
20. 제 18 항에 있어서,

    상기 결합재는 텅스텐 탄화물을 구비하고 상기 접합재에 코발트를 구비한 것을 특징으로 하는 PCD 성형체.