KR20010006648A - High pressure high temperature apparatus - Google Patents

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KR20010006648A
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마네르펠트클래스
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레나르트 태퀴스트
산드빅 악티에볼라그
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Abstract

PURPOSE: To effectively perform the cooling of an annular die and to improve productivity of artificial diamond or the like in a mold device of a punch and a die by forming, on the annular die for high temperature and high pressure, cooling flow passages or cooling grooves extending from the top surface to the bottom surface thereof. CONSTITUTION: When manufacturing artificial diamond or cubic boron nitride (CBN) by a high temperature and high pressure method using a mold device consisting of a punch A and an annular die B, on the annular die B of cemented carbide, cooling flow passages extending in the axial direction of the die from top surface to the bottom surface thereof are formed. These flow passages are formed in straight lines, or in spirals, or in twists. By causing a coolant of temperature of not less than 10deg.C to flow in the cooling flow passages, the cooling of the annular die B is performed. By this cooling, the temperature of the die is preferably lowered to a prescribed critical point or less to attain the die performance about 10 times extra as compared with the conventional die.

Description

고압 고온 장치{HIGH PRESSURE HIGH TEMPERATURE APPARATUS}HIGH PRESSURE HIGH TEMPERATURE APPARATUS}

본 발명은 기본적으로 환형 다이 및 한 쌍의 테이퍼 형성 펀치(tapered punch)를 포함하는 고압 고온(HPHT) 장치에 관한 것이다. 환형 다이에 냉각 채널을 제공함으로써, 극적이면서도 놀랄만한 성능 증가가 얻어졌다.The present invention basically relates to a high pressure high temperature (HPHT) device comprising an annular die and a pair of tapered punches. By providing a cooling channel in the annular die, a dramatic and surprising increase in performance has been obtained.

펀치 및 다이 장치는 구조 전반에 있어서의 간단성 및 가공 부문에 사용될 수 있는 비교적 큰 크기로 인해 합성 다이아몬드 및 CBN(입방정 질화 붕소)의 산업적인 제조 또는 PCD(다결정 다이아몬드 압분체) 및 PCBN(다결정 입방정 질화 붕소 압분체)을 제조하는 데에서 선호된다. 펀치 및 다이 장치는 환형 다이 및 대향으로 축방향 정렬된 한 쌍의 테이퍼 형성 펀치로 구성된다. 다이의 내경은 대체로 약 5 ㎝이고, 외경은 약 15 ㎝이다. 펀치 및 다이는 대체로 초경합금으로 제조된다. 다이 및 펀치의 조성은 다이의 경도가 1100 HV를 초과하고 펀치의 경도가 1500 HV를 초과하도록 선택된다. 다이 및 펀치는 모두 약 35 ㎝의 외경을 갖는 강철 링 내로 수축 끼워맞춤된다. 이러한 장치는 대체로 다이아몬드 또는 cBN이 안정한 온도 및 압력, 즉 1000℃보다 수백 ℃가 높은 온도 및 60 kbar 정도의 압력에서 작동된다. 이러한 공정은 여기에서 HPHT 공정이라고 불린다. 가열은 초경합금 펀치 및 다이아몬드 또는 cBN 투입물(charge)을 통해 전류를 통과시킴으로써 얻어진다. 다이아몬드 또는 cBN 투입물 내에 발생된 열은 다이로부터 단열 및 절연되어 있지만, 초경합금의 어느 정도의 온도 상승은 불가피하다. 투입물에 근접한 초경합금 부분은 매우 쉽게 약 200 ℃의 온도에 도달된다. 이는 HPHT 공정에 사용된 초경합금 공구, 즉 다이 및 펀치에 영향을 줄 수도 있다. 다이의 온도 제어를 유지하기 위해, 다이에는 단부면 상에서 냉각수에 의한 냉각이 적용된다.Punch and die devices are industrially manufactured of synthetic diamond and cubic boron nitride (CBN) or polycrystalline diamond green compacts (PCDs) and PCBNs (polycrystalline cubic crystals) due to their simplicity in structure and relatively large sizes that can be used in the machining sector. Boron nitride green compact) is preferred. The punch and die apparatus consists of an annular die and a pair of tapered forming punches axially aligned oppositely. The inner diameter of the die is generally about 5 cm and the outer diameter is about 15 cm. Punch and die are usually made of cemented carbide. The composition of the die and punch is selected such that the hardness of the die exceeds 1100 HV and the hardness of the punch exceeds 1500 HV. The die and punch are both shrink fit into a steel ring with an outer diameter of about 35 cm. Such devices generally operate at temperatures and pressures at which diamond or cBN is stable, ie hundreds of degrees Celsius higher than 1000 degrees Celsius, and pressures of about 60 kbar. This process is referred to herein as the HPHT process. Heating is obtained by passing a current through a cemented carbide punch and a diamond or cBN charge. The heat generated in the diamond or cBN inputs is insulated and insulated from the die, but some temperature rise of the cemented carbide is unavoidable. The cemented carbide portion close to the input reaches a temperature of about 200 ° C. very easily. This may affect the cemented carbide tools used in the HPHT process, ie dies and punches. In order to maintain the temperature control of the die, the die is subjected to cooling by cooling water on the end face.

펀치 및 다이에 적용되는 가혹한 조건 때문에, 펀치 및 다이는 교환하기 전에 제한된 주기수만큼 사용될 수 있을 뿐이다. 일반적으로, 교환 이유는 다이의 외부 부분의 균열 또는 파괴(spalling)이다. 펀치는 비교적 싸고 교환하기 용이하다. 그러나, 다이는 크기가 크기 때문에 펀치보다 훨씬 비싸다. 다이는 교환하기도 어렵다.Because of the harsh conditions applied to punches and dies, the punches and dies can only be used for a limited number of cycles before changing. In general, the reason for the exchange is cracking or sparring of the outer portion of the die. Punch is relatively cheap and easy to change. However, dies are much more expensive than punches because of their size. Dies are also difficult to exchange.

따라서, 본 발명의 목적은 성질이 개선된 환형 다이를 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide an annular die with improved properties.

도1은 펀치(A) 및 환형 다이(B)로 구성된 펀치 및 다이 장치를 나타내는 사진.1 is a photograph showing a punch and die device composed of a punch A and an annular die B;

도2는 다이의 축방향을 향한 냉각 채널이 초경합금 다이 내에 놓인 본 발명에 따른 환형 다이를 나타내는 사진.Figure 2 is a photograph showing an annular die according to the present invention with the axially oriented cooling channel of the die placed in a cemented carbide die.

도3은 냉각 채널을 다이의 외부 원통면에 배치한 대안예를 나타내는 사진.Figure 3 is a photograph showing an alternative arrangement of cooling channels on the outer cylindrical surface of the die.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the code | symbol about the principal part of drawing>

A : 펀치A: Punch

B : 환형 다이B: annular die

다이의 상부면으로부터 저부면으로 연장되는 냉각 채널이 다이에 제공되면 뜻밖에 거의 10배의 다이의 성능 증가가 이루어진다는 것을 이제 놀랍게도 알게 되었다. 이러한 냉각 채널은 다이의 강도에 영향을 주지 않는 것처럼 보이지만, 온도를 임계점 아래로 하강시킨다. 냉각 채널은 다이의 중심으로부터 일정한 거리에 위치될 것이다. 냉각 채널은 강도가 영향을 받을 수도 있기 때문에 지나치게 근접하지 않을 것이다.It has now been surprisingly found that when a die is provided with a cooling channel extending from the top to the bottom of the die, an unexpectedly 10 times increase in die performance is achieved. This cooling channel does not appear to affect the strength of the die, but lowers the temperature below the critical point. The cooling channel will be located at a distance from the center of the die. The cooling channel will not be too close because strength may be affected.

본 발명에 따르면, 다이에는 내경(ID):외경(OD)이 1:2인 범위의 직경을 갖는 원 상에 등거리로 위치된 5 내지 25개의 냉각 채널이 제공될 것이다. 다이의 외경 상에 위치된 채널은 물론 외부 원통면 내에 홈으로서 존재한다. 이러한 채널의 치수는 채널이 전형적인 치수를 갖는 다이의 단부면의 2000 ㎟까지의 면적을 점유하도록 될 것이다. 냉각 채널은 직선형일 수 있지만 나선형이나 꼬인형일 수도 있다.According to the present invention, the die will be provided with 5 to 25 cooling channels located equidistantly on a circle having a diameter in the range of ID: OD: OD. Channels located on the outer diameter of the die are of course present as grooves in the outer cylindrical surface. The dimensions of these channels will be such that the channels occupy up to 2000 mm 2 of the end face of the die having typical dimensions. The cooling channel may be straight, but may also be spiral or twisted.

냉각 채널은 당업계에 알려진 여러 가지 방법에 의해 얻어질 수 있다. 냉각 채널은 사전 소결된(presintered) 상태에서 드릴 가공되거나 밀링된다. 냉각 채널은 소결 동안에 용융되는 일부 재료 또는 금속을 배치함으로써 제조될 수도 있다. 냉각 채널은 내부가 외부면에서 홈을 갖는 2개의 링으로 된 다이를 제조함으로써 형성될 수도 있다.Cooling channels can be obtained by various methods known in the art. The cooling channel is drilled or milled in a presintered state. The cooling channel may be made by placing some material or metal that melts during sintering. The cooling channel may be formed by making a die of two rings, the inside of which has a groove on the outer surface.

본 발명은 초경합금 환형 다이를 사용하여 고압/고온 조건에서 다이아몬드 또는 cBN을 합성하는 방법에 관한 것이기도 하다. 이러한 방법은 냉각 채널이 제공됨으로써 냉각되는 환형 다이를 사용하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 냉각 매체의 온도가 10℃미만일 것이다.The invention also relates to a method for synthesizing diamond or cBN under high pressure / high temperature conditions using a cemented carbide annular die. This method is characterized by the use of an annular die which is cooled by providing cooling channels. Preferably the temperature of the cooling medium will be less than 10 ° C.

실시예Example

6개의 환형 다이가 시험되었다. 다이는 외경(OD)=127 ㎜, 내경(ID)=40 ㎜인 치수를 갖는 초경합금으로 제조되었다. 초경합금의 조성은 1330 HV의 경도를 갖는 11% Co 및 89% WC였다. 사전 소결된 상태에서, 15개의 φ6 ㎜의 구멍이 직경 105 ㎜를 갖는 원 상에 규칙적으로 분포되도록 드릴 가공되었다.Six annular dies were tested. The die was made of cemented carbide having dimensions outer diameter (OD) = 127 mm and inner diameter (ID) = 40 mm. The composition of the cemented carbide was 11% Co and 89% WC with a hardness of 1330 HV. In the pre-sintered state, 15 holes of 6 mm were drilled so as to be regularly distributed on a circle having a diameter of 105 mm.

다이는 1800톤 다이아몬드 프레스에서 시험되었고, 다이는 평균 22460번의 공정을 진행할 수 있었다. 유사한 종래의 다이, 즉 냉각 채널 없는 다이는 3200번의 공정을 진행할 수 있을 뿐이었다.The die was tested on a 1800 ton diamond press, which averaged 22,460 processes. A similar conventional die, i.e., a die without a cooling channel, could only go through 3200 processes.

본 발명에 따른 다이는 냉각 채널이 제공됨으로써 고압 고온 작동 환경에서 종래의 다이에 비해 그 성능이 현저하게 증가된다.The die according to the present invention is significantly increased in performance compared to conventional die in a high pressure high temperature operating environment by providing a cooling channel.

Claims (6)

상부면으로부터 저부면으로 연장되는 냉각 채널 또는 홈이 제공되는 것을 특징으로 하는 고압 고온 공정용 환형 다이.An annular die for a high pressure, high temperature process, characterized in that a cooling channel or groove is provided extending from the top surface to the bottom surface. 제1항에 있어서, 초경합금으로 제조된 것을 특징으로 하는 고압 고온 공정용 환형 다이.The annular die according to claim 1, which is made of cemented carbide. 제1항 또는 제2항에 있어서, 채널은 직선형인 것을 특징으로 하는 고압 고온 공정용 환형 다이.3. The annular die of claim 1 or 2, wherein the channel is straight. 제1항 또는 제2항에 있어서, 채널은 나선형 또는 꼬인형인 것을 특징으로 하는 고압 고온 공정용 환형 다이.3. The annular die of claim 1, wherein the channel is helical or twisted. 환형 다이 및 2개의 대향한 펀치로 구성된 장치에서 수행되는 고압 고온 공정에 있어서,In a high pressure high temperature process performed in an apparatus consisting of an annular die and two opposing punches, 환형 다이는 냉각 채널이 제공됨으로써 냉각되는 것을 특징으로 하는 고압 고온 공정.The annular die is cooled by providing cooling channels. 제5항에 있어서, 환형 다이는 10℃ 미만의 온도를 갖는 냉각 매체에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 고압 고온 공정.6. The high pressure high temperature process according to claim 5, wherein the annular die is cooled by a cooling medium having a temperature of less than 10 ° C.
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