KR20030091728A - 증강된 내충격성을 갖는 다결정성 다이아몬드 절삭기 - Google Patents

증강된 내충격성을 갖는 다결정성 다이아몬드 절삭기 Download PDF

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KR20030091728A
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Abstract

본 발명은 거대 단결정 다이아몬드 30체적% 초과를 함유하는 연마재 콤팩트층에 관한 것으로, 상기 다이아몬드 결정이 잘 정의된 입방-팔면체(cubo-octahedral) 다이아몬드 형상(종횡비 0.87 초과)을 갖고 고 인성지수 결정(TI: 50 초과)을 가짐을 특징으로 한다.

Description

증강된 내충격성을 갖는 다결정성 다이아몬드 절삭기{POLYCRYSTALLINE DIAMOND CUTTERS WITH ENHANCED IMPACT RESISTANCE}
본 발명은 기계 내마모성 물질인 초경 절삭요소에 관한 것이다. 특히 본 발명은 암석 천공에 유용한 다결정성 다이아몬드 및 입방정계 질화붕소 절삭요소에 관한 것이다.
연마재 콤팩트는 절삭 밀링, 연삭, 천공 및 기타 연마 조작에서 널리 사용된다. 연마재 콤팩트는 전형적으로는 다결정성 다이아몬드 및/또는 응집성 경질 집괴체로 결합된 입방정계 질화붕소(CBN) 입자로 이루어진다. 연마재 콤팩트는, 연마재 입자가 다이아몬드 또는 입방정계 질화붕소인 경우 상기 연마재 입자가 결정학적으로 안정해지는 고온 및 고압 조건에서 제조된다. 복합 콤팩트는 드릴의 날에서 절삭요소 또는 절삭기로서의 특수한 유용성을 발견하였다.
암석의 천공, 내마모성 물질의 기계가공, 및 높은 내마모성 또는 내마멸성을 요구하는 기타 조작에 사용하기 위한 드릴의 날은 일반적으로 지지제에 고정된 다수의 다결정성 연마재 절삭요소로 이루어진다[참조: 절삭요소의 외면에 다결정성 다이아몬드 콤팩트를 갖는 텅스텐 카바이드 스터드(기재)를 갖는 드릴 날을 기술하고 있는 미국특허 제4,109,737호 및 제5,379,854호]. 그다음, 상기 다수의 절삭요소들은 일반적으로 홈으로의 억지끼워맞춤(interference fit)에 의해 회전식 드릴 날 등의 드릴 날의 크라운에 설치된다.
종래 기술에서 다결정성 다이아몬드 절삭기의 내충격성을 개선시키려는 시도는 여러 가지 방법 중 하나의 방법으로 집중되었다. 유럽특허 제0546725호는 높은 내충격성을 갖는 PCD 절삭공구용으로 PCD 매트릭스에서의 거대 다이아몬드 결정의 사용을 개시하고 있다. 상기 방법은 개성된 내충격성을 갖지만 현저하게 낮은 내마모성을 수반한다.
또다른 접근법은 기재의 기하학적 구조를 개질시킴으로써 다결정성 다이아몬드 절삭기와 이와 결합되는 기재, 전형적으로는 텅스텐 카바이드 사이의 잔류 응력 상태를 최소화시키는 것을 겨냥하고 있다[참조: 미국특허 제5,875,862호, 제5,351,772호, 제6,029,760호 및 제5,829,541호].
또다른 방법에서는 내충격성을 달성하기 위해 소결시키기 전에 다결정성 다이아몬드 분말의 입자크기분포를 개질시킨다[참조: 미국특허 제5,135,061호 및 제5,607,024호]. 그러나, 이러한 방법은 절삭요소의 현저한 내마모성 저하를 수반하게 된다.
본 발명자들은 내마모특성을 유지하면서도 절삭요소의 성능, 특히 내충격성이 개선된 절삭요소를 제공하고자 하였다.
도 1은 다이아몬드 결정이 크게 잘 정의된 입방-팔면체 형상인 본 발명의 한 실시양태를 도시한 SEM 현미경 사진이다.
도 2a는 다이아몬드 결정을 사용하는 본 발명의 한 실시양태의 고도로 치밀한 매트릭스를 도시한 SEM 현미경 사진이다.
도 2b는 종래 기술의 통상적으로 소결시킨 다이아몬드 결정의 매트릭스를 도시한 SEM 현미경 사진이다.
도 3a는 내충격성 시험을 10회 실시한 후의 종래 기술의 절삭요소를 도시한 것이다.
도 3b는 내충격성 시험을 10회 실시한 후의 본 발명의 절삭요소의 한 실시양태를 도시한 것이다.
본 발명자들은 다이아몬드 결정의 물리적 특성, 특히 입자크기분포, 종횡비 및 결정인성을 조정함으로써 여전히 바람직한 내마모특성을 유지하면서 절삭요소의 성능, 특히 내충격성을 개선시킬 수 있음을 발견하였다.
본 발명은 약 60㎛ 초과의 입자크기분포, 약 0.80 초과의 종횡비 및 약 50 이상의 고 인성지수의 결정를 갖는 거대 단결정의 특성을 갖는 절삭요소에 사용하기 위한 예비소결된 다이아몬드에 관한 것이다.
본 발명은 또한 약 60㎛ 초과의 입자크기분포, 약 0.80 초과의 종횡비 및 약 50 이상의 고 인성지수의 결정를 갖는 다이아몬드 결정을 사용함으로써 절삭요소의 내충격성을 개선시키는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 보조 표면 형성에서 구멍을 뚫거나 구멍을 파내는데 사용하기 위한 회전식 드릴 날을 비롯한 기계 마모 물질을 위한 절삭요소에 관한 것이다. 본 발명은 드래그 날(drag bit), 롤러 원추형 날(roller cone bit) 및 충격 날(percussion bit)을 포함하는 다수의 상이한 유형의 회전식 드릴 날에 적용될 수 있다.
예로써, 본 발명은 일차적으로 흔히 전방 절삭면, 주위 표면, 및 초경물질보다 덜 경질인 물질의 기재에 결합되어 있는 후방면을 갖는 초경 물질의 절삭 테이블을 비롯하여 종종 환형 타이블렛(circular tablet) 형태이며 예비형성 요소를 포함하는 절삭요소에 대해 기술될 것이다.
입방정계 질화 붕소와 같은 다른 초경물질이 구입가능하고 사용될 수 있을 지라도, 절삭 테이블은 통상적으로 다이아몬드 결정을 포함한다. 덜 경질인 물질의 기재는 흔히 초경 텅스텐 카바이드로 형성되며 상기 절삭 테이블 및 기재는 고압 고온 성형 프레스에서 절삭요소의 형성도중 서로 결합된다. 상기 성형공정은 익히 공지되어 있으므로 여기서는 기술하지 않는다. 예비형성 절삭요소는 날 본체에 직접 설치되거나, 예를 들어 초경 텅스텐 카바이드로 이루어진 캐리어 디스크에 결합될 수 있으며, 이때 상기 캐리어는 날 본체의 소켓(socket)내에 번갈아 수용된다. 날 본체는 금속, 통상적으로는 강철로부터 기계가공되거나 분말 야금 공정에 의해 용침된 텅스텐 카바이드 매트릭스로부터 형성될 수 있다.
한 실시양태에 있어서, 기재는 둘 이상의 이종의 카바이드 디스크를 HTHP 소결 공정으로 서로 결합시킴으로써 형성하여 PDC 절삭기를 형성할 수 있다. 카바이드 디스크는 결합제 함량, 카바이드 입자 크기 또는 카바이드 합금 함량에 따라 서로 변할 수 있다. 또다른 실시양태에 있어서, 카바이드 디스크를 선택하여 배열함으로써 기재내의 물질 함량의 구배를 형성할 수 있고, 이로써 절삭 테이블의 특성을 개질하여 제공할 수 있다.
절삭 테이블을 형성하는 다이아몬드 클러스터(cluster)는, 탄소 공급원 및 구성입자들이 결합된 집괴체를 각각 포함하는 다수의 성장중심입자를 제공하고, 상기 탄소 공급원 및 성장중심입자들을 용매/촉매와 접촉시켜 반응물질을 생성하고, 상기 반응 물질을 결정성장에 적합한 승온 및 승압의 조건에 적용시키고, 상기 반응물질로부터 이산된 독립체로서 다수의 다이아몬드 클러스터를 회수하는 방법에 의해 제조된다. 탄소 공급원은 흑연, HPHT(고압 고온) 합성 다이아몬드, 화학증착(CVD) 다이아몬드, 천연 다이아몬드, 이들 둘 이상의 조합물 또는 당해 기술분야에 공지된 기타 탄소 공급원일 수 있다.
다이아몬드 결정은, 예를 들어 제너럴 일렉트릭 캄파니, 드비어스 인더스트리얼 다이아몬드 디바이젼(General Electric Company, DeBeers Industrial Diamond Division) 또는 데니스 툴 캄파니(Dennis Tool Company)를 포함하는 다수의 공급업자로부터 시중에서 구입할 수 있다. PCD 합성에 사용되는 전형적인 다이아몬드는45 미만의 TI, 약 0.7의 종횡비 및 중심군이 대략 30㎛ 주위에 형성된 넓은 PSD를 갖는다.
본 발명자들은 HPHT 공정도중 다이아몬드 결정의 물리적 특성을 선택함으로써 HPHT 콤팩트의 치수, 기계 및 열 특성의 목표치를 달성할 수 있음을 밝혀냈다. 특히 본 발명자들은 다이아몬드의 물리적 특성, 예를 들어 다이아몬드 입자크기분포(PSD), 종횡비 및 결정 인성을 조정하여 고온 고압 소결후 다이아몬드의 충전밀도 및 소결능을 최적화함으로써 절삭공구의 내충격성을 개선시키는 방법을 발견하였다.
본 발명의 한 실시양태에 있어서, 본 발명의 후 소결된 PCD는 무정형 구조의 도 2b에 도시된 통상적으로 소결된 PCD와는 달리, 도 2a에 도시된 바와 같이 고도로 치밀한 매트릭스로 서로 결합된 전체 결정을 함유한다.
입자크기분포('PSD'):다이아몬드 콤팩트의 제조는 여러 가지 방식으로 조절될 수 있는 콤팩트의 다공도에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들어 전구체 미립자 다이아몬드의 입자크기분포(PCD)는 HPHT 공정도중 형성된 콤팩트의 다공도를 조정하여 변화시킬 수 있다. 통상적으로, 매우 좁은 PSD는 최대 충전을 위해 최적화된 넓은 PSD보다 훨씬 더 다공성인 구조를 제공하게 된다(예: 수십 ㎛ 내지 1㎛ 미만의 크기범위의 직경을 갖는 입자).
본 발명의 한 실시양태에 있어서, PCD 인성은 50㎛ 초과의 PSD를 갖는 단결정 다이아몬드를 사용하여 부여된다. 제 2 실시양태에서, 다이아몬드 결정은 약 60 내지 100㎛의 PSD를 갖는다. 제 3 실시양태에서, 다이아몬드 결정은 약 70 내지 90의 PSD를 갖는다. 제 4 실시양태에서, PSD는 75 이상이다. 제 5 실시양태에 있어서, PSD는 95 이하이다.
종횡비:본 발명의 다이아몬드 결정은 비교적 큰 종횡비를 갖는다. 본 발명의 한 실시양태에 있어서, 다이아몬드 결정은 0.80 이상의 평균 종횡비를 갖는다. 제 2 실시양태에 있어서, 종횡비는 0.85 이상이다. 제 3 실시양태에 있어서, 평균 종횡비는 0.87 이상이다.
본 발명의 한 실시양태에 있어서, 다이아몬드 결정은 도 1에 도시된 바와 같은 크게 잘 정의된 입방-팔면체 형상을 갖는다. 제 2 실시양태에 있어서, 결정은 타원형을 포함하는 각종 형상의 큰 종횡비를 갖는다. 제 3 실시양태에 있어서, 결정은 본질적으로 라미나(lamina)형 및/또는 플레이크(flake)형과 같은 2차원 형상이다. 또다른 실시양태에 있어서, 결정은 본질적으로 봉형, 섬유상 및/또는 침상(針狀)과 같은 1차원 형상이다.
결정 인성:다이아몬드 결정 인성은, 인성지수(TI)로 표시된다. TI는 강구(steel ball)를 갖는 캡슐에 2캐럿의 물질을 위치시키고, 이를 일정 시간동안 격렬하게 교반시키고, 특정 크기의 특정 출발 중량에 대해 특정 크기로 생성된 박편의 중량을 측정함으로써, 측정된다. 사용된 강구의 크기 및 교반시간은 다이아몬드 연마재 입자 크기에 따라 변한다. 일례로서, 139㎛-메쉬 스크린을 통과하며 107㎛-메쉬 스크린상에는 남아있고, 크기가 120/140인 특정량의 물질을, 2㎖ 용적의 캡슐에 직경이 7.94mm인 강구와 함께 넣고, 이를 진동 시험기(vibration tester)에 위치시키고, 특정 시간(30.0±0.3초)동안 밀링시킨 다음, 90㎛-메쉬의스크린으로 체질한다. 90㎛-메쉬 스크린 상에 남아있는 결정의 양을, 출발 결정을 기준으로 중량%로 나타낸다.
본 발명의 실시양태에서, 약 50 이상의 TI값의 고 인성지수를 갖는 다이아몬드 결정을 사용함으로써 증강된 내충격성이 부여된다. 제 2 실시양태에서, 다이아몬드 결정은 약 55 이상의 TI를 가짐을 특징으로 한다. 제 3 실시양태에서, 다이아몬드 결정은 약 60 이상의 TI를 가짐을 특징으로 한다.
기타 변수:본 발명의 한 실시양태에서, 내충격성 및 내마모성은 당업계에 공지된 수단에 의해 부가적으로 조절될 수 있으며, 예를 들어 다결정형 다이아몬드 입자에 코발트를 첨가함으로써 조성물의 내충격성을 증가시키는 효과를 나타낼 수 있다.
본 발명의 실시양태에서, 다이아몬드 본체는 절삭요소의 30체적% 초과를 구성하고 결합제-촉매화제는 절삭요소의 70체적% 미만을 구성한다. 본 발명의 다른 실시양태에서, 절삭요소는 30㎛ 초과의 거대 단결정 다이아몬드 50체적% 초과를 포함한다. 다른 실시양태에서, 절삭기 본체중의 다이아몬드의 체적 밀도는 약 70체적% 초과이다. 본 발명의 다른 실시양태에서, 실험 결과는 새로운 예비형성의 절삭기가 종래기술의 절삭기에 비해 내충격성 측면에서 50% 개선되었음을 나타낸다.
본 발명의 PCD 절삭요소는 바위 표면에 구멍을 뚫거나 구멍을 파내는데 사용할 수 있는 드릴 날에 사용될 수 있다. 다른 실시양태에서, 기계가공중에 절삭용 삽입물로서 사용되기 위해서, 삼각형, 사각형 또는 기타 형태일 수 있다. 제 3 실시양태에서, 이는 속이 빈 주형, 마찰 베어링, 조면화 인덴토르(indentor) 등과 같은 기타 용도로서 사용될 수 있다. 우수한 내마모성과 함께 고도의 내충격성이 요구되는 다결정 다이아몬드의 적용으로 본 발명의 다이아몬드 결정을 사용하는 절삭요소는 개선될 것으로 이해된다.
실시예
하기 실시예는 단지 본 발명의 교시를 예시하는 작업예를 나타낸 것으로서, 본 발명은 기술되는 실시예에 의해 제한되지는 않는다.
미국 오하이오주 워딩톤 소재의 제네랄 일렉트릭 캄파니(General Electric Company)에서 시판중인 고등급의 MBG 결정으로서, TI값이 67이고, 종횡비가 약 0.97인 입방-팔면체 형상 다이아몬드를 가지고, 중심군이 80㎛ 주변에 형성된 PSD의 직경을 갖는 결정을 사용하였다. 다이아몬드 결정을 사용하여 14% 코발트 함유 텅스텐 카바이드 기재상의 PCD 절삭기를, 직경이 9 내지 22mm이고 높이가 3 내지 25mm인 크기의 다양한 원통형태로 제작하였다. 입방-팔면체 형상 다이아몬드는 낮은 종횡비를 갖는 다이아몬드 입자에 비해 약 10% 미만의 체적으로 점유하였다. 콤팩트 후, 다이아몬드는 60, 20 및 1㎛에서 피크를 갖는 3정 PSD로 이동하였다.
비교 시험을 위해, 상표명 티탄(TATAN)으로 미국 오하이오주 워딩톤 소재의 제네날 일렉트릭 캄파니로부터 시판중인 동일한 크기의 표준 절삭기를 사용하였다.
마모, 충격 및 마크슨 밀(Parkson Mill) 결과치는 본 발명의 소결화 절삭기 및 종래의 표준 절삭기에 대해 평가하였고, 하기에 기술된 바와 같다.
충격 데이타:충격 낙하 시험법은 두께 공급형 및 계면/텅스텐 카바이드 특징부/조성에 대한 절삭기의 인성을 측정하는 것이다. 시험한 모든 부분은 배치판에서 45° 또는 약 0.2mm 초과, 1.0mm 미만의 반경의 카바이드 챔퍼(chamfer)를 보유한다. 이 시험에서, 절삭기(날카로운 모서리)는 20°의 각도로 강철 홀더내에 단단하게 설치된다. 다이아몬드 테이블은 홀더(클래핑 포스(clamping force))의 투명한 부분이다. 강철 스트라이커 판은 다이아몬드 테이블상에 놓는다(판과 다이아몬드의 접촉 지점은 스폰지에 의해 지지됨). 1 in2의 접촉 면적에 35 lb 중량이 판에 자유낙하하면, 충격 에너지가 판을 통해 절삭기 모서리로 이동한다. 우선, 시험은 3.25in의 높이에서 낙하시켰다. 10회의 성공적인 낙하 시험 후에, 추 투하 높이를 6.5인치(26.2줄)까지 늘리고, 이때 각각의 낙하후의 절삭기의 손상에 대해 체크하였다.
본 발명의 절삭기를 사용하여 32회 실험하여, 초기 손상까지의 평균 충격 강도는 279.5줄이고, 표준편차는 97.5줄이었다. 초기 손상 이후의 수행한 다른 세트(총 4회)에서, 최종 손상까지의 평균 충격 강도는 620.8줄이고, 표준 편차는 68.75줄이었다. 본 발명의 절삭기는 종래의 절삭기에 비해 놀랍고 상당히 개선되었음이 증명되었다. 종래의 절삭기를 사용하여 17회 수행한 결과, 종래에는 최종 손상까지의 충격 강도가 155.3줄이고, 표준 편차는 83.60줄이었다.
도 3a 및 도 3b는 종래의 표준 절삭기(도 3a)와 본 실시예의 예비형성 절삭기(도 3b)를 비교한 것이다. 사진에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 예비형성 절삭기에서는 최소 충격 손상이 653줄에서 관찰된 반면(미세 조각화(micro-chippage) 손상 포함), 표준 절삭기는 157줄에서 광범위한 다이아몬드가 쪼개지는 현상이 나타났다.
파크슨 밀 내충격성 시험:본 시험법은 챔퍼 장치내에서의 절삭기의 성능을 평가하는 것으로, 각각의 장치는 배치판에 45° 또는 약 0.2mm 초과 1.0mm 미만의 반경의 카바이드 챔퍼를 갖는다. 다이아몬드 테이블은 0.012인치의 챔퍼를 갖는다. 이러한 시험에서, 절삭기(모서리를 깍아낸 가장자리) 샘플을 강철 홀더에 탑재하고, 이때 작업용 조각까지의 레이크 각(Rake angle)은 반사방향 7°/축방향 12°이었다. 절삭기는, 320rpm의 절삭 속도 및 약 3인치/분(7.62㎝/분)의 공급 속도로 화강암 작업 조각을 0.010인치의 횡방향 거리 및 0.150인치의 깊이로 가로막힌 형태로 회전하여 절삭한다. 다이아몬드 테이블이 손상되면, 시험을 중단하고, 충격부(로그까지 도입된 부분)를 계수하였다.
수행 번호 평균 공구 효율 총 공구 효율 샘플 유형
1 7942.9 8896.3 종래기술
2 3292.3 2556.3 종래기술
3 7158.6 6394.4 종래기술
4 3683.3 3191.4 종래기술
5 8519.6 5590.2 종래기술
6 5455.2 7082.5 종래기술
7 4225 4050.6 높은 충격
8 8519.5 5590.2 높은 충격
9 3378.8 2753.3 높은 충격
10 4475.7 3105.5 높은 충격
11 4169.1 3336 높은 충격
12 3038.8 2596.7 높은 충격
내마모성 시험:내마모성을 측정하는 시험법에서, 각각의 시험편은 배치판상에 45° 또는 0.2mm 초과 1.0mm 미만의 반경의 카바이드 챔퍼를 갖는다. 우선, 화강암 로그를 선반에 고정한다. 절삭기(날카로운 모서리)를 강철 지지체에 탑재한다. 절삭기(레이크 각: 10도)는 회전하는 로그를 0.010인치의 절삭 깊이 및 300sfpm(surface feet per minute)의 속도로 지나가게 한다. 절삭기상의 마모 면적의 크기를, 각각의 로그를 통과시킨 후 측정하였다. 로그로부터 제거된 물질의 체적을 측정하였다. 절삭기의 내마모성을 제공하는 기타 수치에 대해 상기 수치를 플랏하였다.
절삭기의 내마모성을 계산하고, 통계학적인 분석을 수행하여 하기에 제시하였다. 예비형성 절삭기와 표준 절삭기 사이의 p값은, 다소 적은 경우 마모성 측면에서의 차이가 상당하지 않음을 나타낸다. 본 발명의 절삭기를 시험하는데 있어서, 전체 결정중 일부 물질이 달아나버린 로그에서 줄무늬 또는 홈의 존재를 주목하는 것이 중요한다. 이러한 특징부는, 제거된 물질의 체적이 전형적인 2차원 측정을 사용하여 계산된 것에 비해 크다는 것을 나타낸다.
일부 바람직한 실시양태는 설명하기 위해 본 명세서에 설명되었다. 그러나, 전술한 설명은 본 발명의 범주를 한정하고자 하는 것이 아니다. 따라서, 당분야의숙련자라면 청구된 본 발명 개념의 진의 및 범위를 벗어나지 않고도 다양한 개질, 개조 및 대안을 수행할 수 있다. 전술한 모든 특허, 특허출원, 제품 및 설명은 본원에서 모두 참고로 인용된다.
본 발명에 따라 절삭기의 다이아몬드의 입자크기분포, 인성지수 및 종횡비 등의 물리적 특성을 조정함으로써, 내마모성의 감소를 수반하지 않으면서도 내충격성이 개선된 절삭요소를 수득하였다.

Claims (8)

  1. 다수의 다이아몬드 결정을 포함하는 초경 다결정형 물질의 본체를 포함하는 예비형성 절삭요소로서,
    상기 다이아몬드 결정이 약 60 내지 100㎛의 입자크기분포를 갖고,
    약 50 이상의 인성지수를 갖고,
    0.80 이상의 평균 종횡비를 갖는 예비형성 절삭요소(preform cutting element).
  2. 제 1 항에 있어서,
    다결정형 본체가 약 70 내지 90㎛의 입자크기분포를 갖는 다수의 다이아몬드 결정을 포함하는 예비형성 절삭요소.
  3. 제 2 항에 있어서,
    다결정형 본체가 0.85 이상의 평균 종횡비를 갖는 다수의 다이아몬드 결정을 포함하는 예비형성 절삭요소.
  4. 제 2 항에 있어서,
    다결정형 본체가 약 60 이상의 인성지수를 갖는 다수의 다이아몬드 결정을 포함하는 예비형성 절삭요소.
  5. 제 1 항에 따른 예비형성 절삭요소를 포함하는 공구.
  6. 제 1 항에 있어서,
    드릴 날의 절삭면에 설치되는 예비형성 절삭요소.
  7. 제 1 항에 있어서,
    기계가공중에 절삭용 삽입물로서 사용하도록 개조된 절삭면을 추가로 포함하는 예비형성 절삭요소.
  8. 제 1 항에 있어서,
    고압 고온 공정에서 절삭요소를 형성하기 전에 첨가제 물질을 추가로 포함하는 예비형성 절삭요소.
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