KR20070003832A

KR20070003832A - 연마제 코팅 방법

Info

Publication number: KR20070003832A
Application number: KR1020067014942A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 패트릭 에간; 요하네스 알렉산더 엔젤스; 마이클 레스터 피쉬
Original assignee: 엘리먼트 씩스 리미티드
Priority date: 2004-01-15
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2007-01-05
Also published as: JP2007517956A; CN1934211A; CA2553567C; ATE400625T1; ZA200605819B; RU2378231C2; JP4850074B2; RU2006129351A; EP1709139A1; CA2553567A1; KR101103876B1; WO2005078045A1; DE602005008009D1; EP1709139B1; AU2005213533A1; US20070157525A1; ES2309710T3

Abstract

본 발명은 코팅된 초-경질 연마 물질, 특히 코팅된 다이아몬드 및 CBN 물질을 제조하는 방법에 관한 것이다. 제 1 단계에서, 연마제 물질의 표면에 (단독으로 또는 조합되어) 카바이드, 나이트라이드 또는 보라이드를 형성할 수 있는 원소를 고온 코팅 공정을 이용하여 적용한다. 전이 금속, 카바이드, 나이트라이드, 보라이드, 옥사이드 및 카보나이트라이드 형성 금속, 금속 카바이드, 금속 나이트라이드, 금속 보라이드, 금속 옥사이드 및 금속 카보나이트라이드, 보로나이트라이드 및 보로카보나이트라이드를 포함하는 군에서 선택된 코팅 물질의 하나 이상의 외부 층을 물리적 증착 또는 화학적 증착에 의해 내부 층 상에 적용한다. 전형적으로 주기율표 IVa, Va, VIa, IIIb 및 IVb족에 속하는 내부 층 원소로는 예를 들면 바나듐, 몰리브데늄, 탄탈, 인듐, 지르코늄, 니오븀, 텅스텐, 알루미늄, 붕소 및 규소가 포함된다. 외부 코팅은 바람직하게는 반응성 기체가 스퍼터링 챔버에 도입되는 반응성 스퍼터링에 의해 적용되어 결과적으로 스퍼터링되는 원소와 반응성 기체의 화합물이 증착된다.

Description

연마제 코팅 방법{METHOD OF COATING ABRASIVES}

본 발명은 초-경질 연마 물질, 특히 연마 그릿의 코팅 방법에 관한 것이다.

다이아몬드 및 입방 질화붕소 입자와 같은 연마 그릿은 톱질, 드릴링, 그라인딩, 폴리싱 및 다른 연마 및 컷팅 용도에 널리 사용되고 있다. 이런 용도에서 그릿은 일반적으로 Fe, Co, Ni, Cu 및 이의 합금(금속 결합)과 같은 금속으로 구성된 매트릭스에 의해 둘러싸인다. 다르게는 수지(수지 결합) 또는 유리질(유리질 결합) 매트릭스를 사용할 수 있고, 매트릭스는 연마제가 사용되는 특정 용도의 기능에 따라 선택된다.

연마 도구의 제조에 연마 그릿을 이용하는 것은 문제가 있다. 컷팅 도구를 제조하는 동안, 예를 들면 다이아몬드 입자를 함유하는 톱 부분의 하소동안 산소가 결합 매트릭스를 형성하는 금속 분말중의 용해된 산소나 대기중의 기체 형태의 산소로 존재할 수 있다. 하소 온도에서 이 산소는 다이아몬드 입자의 표면을 공격하기 쉽고, 이러한 공격은 입자를 약화시킨다. 일부 용도에서 결합 매트릭스는 다이아몬드 합성용 용매/촉매로서 전형적으로 사용되는 금속으로 구성될 수 있다. 이 런 금속의 예는 Fe, Co 및 Ni이다. 용융된 상태에서 이들 금속은 다이아몬드를 용해시킬 수 있고, 이는 냉각시 침전되어 흑연을 형성한다. 다이아몬드 표면의 이러한 흑연화 과정은 입자를 약화시킬 뿐 아니라 결합의 입자 보유를 열화시킬 수 있다.

IVa, Va 및 VIa족 전이 금속(Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo 및 W)으로 구성된 금속 또는 이의 합금 및/또는 이들의 개별적인 카바이드를 이용한 다이아몬드의 코팅은 연마 그릿의 성능을 개선시키는 것으로 보인다. 특히, 코팅된 다이아몬드는 톱질, 그라인딩 및 드릴링과 같은 금속 결합 용도에 광범위하게 사용된다.

다이아몬드 입자를 보호하기 위한 코팅의 경우, 결합 매트릭스와 입자사이에 차단벽을 형성해야만 한다. 달리 말하자면, 불투과성이고 고밀도이어서 결합 매트릭스의 성분이 이를 통과하여 입자 표면과 접촉할 수 없어야 한다. 성분들이 코팅을 통과할 수 있는 한가지 방법은 코팅을 통한 고체-상태 확산에 의한 것이다. 다르게는, 코팅이 불완전한 경우, 균열되거나 다공성인 성분이 코팅을 통과하여 입자 표면에 도달할 수 있다. 코팅은 초기에는 조밀하고 불투과성이지만, 하소 과정동안, 결합 매트릭스와의 혼합으로 인해 상 변이가 일어날 수 있어, 예를 들면 이로 인해 덜 조밀한 합금이 형성되거나, 아마도 다공성 코팅이 형성되어, 결합 매트릭스 성분이 코팅을 통과하여 입자 표면에 도달할 수 있다.

상기 언급된 실패 모드중 일부는 시간이나 온도에 의존할 수 있다. 짧은 하소 시간의 경우, 문제가 진행되기에 충분한 시간이 없을 수 있지만, 공격적인 하소 조건 하에서는, 예를 들면 긴 하소 시간이나 높은 하소 온도 하에서는, 이들 실패 모드가 명확해질 수 있다.

연마 그릿 상에 금속 층을 증착시키는 방법은 PVD 공정, 예를 들면 문헌["Vacuum Deposition of Thin Films" L. Holland, Chapman and Hall, 1st Edition 1956]에 개시된 방법을 포함한다. 햄프덴-스미스(M.J. Hampden-Smith) 와 코다스(T.T. Kodas)의 문헌["Chemical Vapour Deposition", Vol. 1, 1995]에 개시된 바와 같은 증기상 CVD 공정 또한 사용할 수 있다. 다른 열확산 공정은 츄프리나(V. G. Chuprina)의 문헌[Soviet Power metallurgy and Metal Ceramics 1992, Vol. 31, No. 7, pp578-83 및 Soviet Power metallurgy and Metal Ceramics 1992, Vol. 31, No. 8, pp687-92]에 개시된 바와 같이 연마 그릿을 산화된 금속 분말과 혼합하는 단계 및 불활성 대기(일반적으로 진공) 하에서 가열시키는 단계를 포함한다. 금속 할라이드 기상으로부터의 증착을 수반하는 공정에서, 코팅될 입자는 적절한 기체 환경(예를 들면 불활성 기체, 수소, 탄화수소, 감압중 하나 이상을 함유하는 비-산화성 환경)중에서 코팅될 금속(예를 들면 Ti)을 함유하는 금속-할라이드에 노출된다. 금속 할라이드는 공정의 일부로서 금속으로부터 생성될 수 있다.

혼합물을 열 주기에 가하고, 이동안 금속-할라이드가 Ti를 입자 표면으로 전달하여, 입자 표면에서 금속-할라이드가 방출되어 입자에 화학적으로 결합된다. 예를 들면 오키(Oki) 및 다니가와(Tanikawa)의 문헌[Proceedings of 1st International Conference on Molten Salt Chemistry and Technology, p265, 1983]에 개시된 바와 같은 용융된 알칼리 금속 할라이드의 이용 또한 IVa, Va 및 VIa족 전이 금속으로 다이아몬드를 코팅시킬 수단을 제공한다. 이 후자의 방법은 CVD 공 정과 유사한 화학을 이용한다.

미국 특허 제 5,024,680 호는 도구 매트릭스중의 잔류가 개선된 다중 코팅된 다이아몬드 그릿을 개시하고 있다. 코팅된 그릿은 다이아몬드에 화학적으로 결합된, 강한 카바이드 형성자, 바람직하게는 크롬의 금속 카바이드의 제 1 코팅 층, 및 제 1 금속 층에 화학적으로 결합한, 내산화성 카바이드 형성자, 바람직하게는 텅스텐, 탄탈 또는 몰리브데늄의 제 2 금속 코팅을 포함한다. 니켈과 같은 합금 금속의 제 3 금속 코팅 층을 추가할 수 있다. 금속 증착(이 층의 화학적 증착은 이점을 제공하지 못한다고 알려져 있다)에 의해 제 1 금속 층을 그릿에 적용한 후, 화학적 증착에 의해 제 2 금속 층을 적용함으로써 코팅된 그릿이 생성된다.

Fe, Co 및 Ni와 같은 원소가 다이아몬드를 흑연화할 수 있다는 것은 잘 알려져 있다. 크롬 카바이드가 코팅 물질로서 사용되는 경우, 이런 흑연화 방지에 특히 효과적이지 않고, 예를 들면 철의 경우, 이의 유효성을 제한한다.

제 2 층은 또한 특히 얇은 층이다. 따라서, 제 2 층이 제 1 층에 화학적으로 결합되어야만 하므로, 고온 코팅 공정이나 개별적인 가열 단계중 하나를 이용하여 이런 화학적 결합을 생성할 것을 요구한다.

미국 특허 제 5,232,469 호는 연마 도구에서 개선된 마멸 성능을 갖는 다층 코팅된 다이아몬드 연마 입자를 개시하고 있다. 코팅은 단일의 균질한 카바이드 형성 금속 제 1 층, 바람직하게는 크롬 층을 포함하고, 이는 다이아몬드 연마 입자의 표면에 화학적으로 결합되어 있다. 제 1 층을 증착시키기에 적합한 공정은 팩킹된 염 시멘트화 공정으로 알려져 있다. 제 1 층을 증착시키는 다른 공정은 화학 적 증착(CVD), 특히 저압 화학적 증착(LPCVD)을 포함한다고 알려져 있다. 하나 이상의 비-카바이드 형성 제 2 층을 무전해 증착에 의해 제 1 층 상에 적용한다. 이는 전형적으로 니켈/인 또는 코발트/인으로 구성된다.

무전해 증착된 외부 층의 사용은 가능한 외부 층을 예를 들면 Ni 및 Co와 같은 비교적 적은 전이 금속으로 제한한다. 이들 금속은 복합 코팅에 일부 바람직한 성질을 부여할 수 있긴 하지만, 하부의 금속 카바이드 층을 투과할 수 있고 후속적인 하소 사이클중에 다이아몬드의 흑연화를 촉매할 수 있다는 단점을 갖는다. 이로 인해 다이아몬드로부터 코팅이 분리된다.

다른 문제점은 이들 금속이 코팅된 다이아몬드 입자를 보유하기위해 사용되는 매트릭스에서 전형적으로 발견되는 금속이라는 점이다. 따라서, 다이아몬드 상의 추가 코팅으로 이들이 존재하더라도 추가의 이점이 별로 없다.

발명의 요약

본 발명에 따르면, 코팅된 초-경질 연마 물질을 제조하는 공정은 고온 코팅 공정을 이용하여 (단독으로 또는 조합하여) 카바이드, 나이트라이드 또는 보라이드를 형성할 수 있는 원소를 연마 물질의 표면에 적용하는 단계, 및 전이 금속, 카바이드, 나이트라이드, 보라이드, 옥사이드 및 카보나이트라이드 형성 금속, 금속 카바이드, 금속 나이트라이드, 금속 보라이드, 금속 옥사이드 및 금속 카보나이트라이드, 보로나이트라이드 및 보로카보나이트라이드를 포함하는 군에서 선택된 코팅 물질의 하나 이상의 외부 층을 물리적 증착 또는 화학적 증착에 의해 적용하는 단 계를 포함한다.

전형적으로 내부 층 원소는 주기율표의 IVa, Va, VIa, IIIb 및 IVb족에 속하고, 예를 들면 바나듐, 몰리브데늄, 탄탈, 인듐, 지르코늄, 니오븀, 텅스텐, 알루미늄, 붕소 및 규소를 포함한다.

내부 층 또는 코팅의 적용은 내부 층의 금속과 기재사이를 화학적으로 결합시키는 금속 할라이드 기상으로부터의 증착, CVD 공정 또는 열확산 공정을 포함하는 임의의 적절한 고온 코팅 공정에 의한 것일 수 있다.

외부 코팅의 적용은 이런 코팅의 종종 서로 상충되는 요구조건들 사이의 균형을 맞출 수 있도록 코팅의 물리적 및 화학적 성질을 가공할 수 있도록 선택된다. 이 이점으로는 다음의 것들이 있다:

- 고온 코팅 기법으로 수득가능한 것보다 더 두꺼운 코팅을 초-경질 연마 물질상에 제공하여, 보다 튼튼하고 더 높은 온도를 견딜 수 있고, 예를 들면 연마 도구 요소의 결합 매트릭스에서 공격적 원소의 통과를 지연시킬 수 있어 기재 또는 이의 일부의 산화나 흑연화 같은 화학적 공격을 방지하는 점;

- 공격적 원소의 통과를 방지하는 조성물을 코팅 층에 제공하여 화학적 공격이나 다른 열화 과정으로부터의 열화에 대해 내부 층과 기재를 보호하는 점;

- 코팅의 주된 역할(기재의 보호 및 보유)중 하나 또는 둘 모두를 손상시키는 하소와 같은 후속적인 가공 단계 동안 산화에 의한 공격에 내성이 있는 조성물이나 매트릭스 원소를 코팅 층에 제공하는 점;

- 코팅 시스템의 매트릭스와의 상용성을 개선시켜 코팅 시스템과 매트릭스 사이의 결합을 개선시키는 점.

외부 코팅은 바람직하게는 물리적 증착, 예를 들면 반응성 기체를 스퍼터링 챔버에 투입하여 스퍼터링되는 원자와 반응성 기체의 화합물이 증착되게 하는 반응성 스퍼터링에 의해 적용된다. 이의 예는 각각 탄화수소 또는 질소를 투입함으로써 형성되는 티탄 카바이드 또는 나이트라이드를 포함한다.

초-경질 연마 물질은 전형적으로 다이아몬드나 CBN계이고, 다이아몬드 또는 CBN 그릿, PCD 기재, 열 안정성 PCD(TSPCD) 기재, PCBN 기재, CVD 다이아몬드 필름, 단결정성 다이아몬드 기재를 포함할 수 있다.

본 발명의 공정을 이용하여 임의의 초-경질 연마 물질을 코팅할 수 있지만, 본원에서는 편의상 다이아몬드 그릿의 코팅에 대해 개시할 것이다.

다이아몬드 그릿 입자는 하소된 금속 결합된 도구의 제조에 통상적으로 사용되는 것이다. 이들은 일반적으로 일정한 크기이고, 전형적으로 0.1 마이크론 내지 10밀리미터이다. 이런 다이아몬드 그릿 입자의 예는 0.1 내지 60마이크론의 마이크론 그릿, 40 마이크론 내지 200 마이크론의 휠 그릿, 180 마이크론 내지 2밀리미터의 톱 그릿, 1밀리미터 내지 10밀리미터의 단결정, 몇 제곱 밀리미터의 CVD 인서트(insert) 내지 200밀리미터 직경의 디스크, 몇 제곱미터의 PCD 인서트 내지 104 밀리미터 직경의 디스크, 0.1 내지 60 마이크론의 마이크론 범위의 CBN 그릿, 40 마이크론 내지 200 마이크론 범위의 휠 그릿, 몇 제곱 밀리미터의 PCBN 인서트 내지 104 밀리미터 직경의 디스크를 포함한다.

다이아몬드 입자는 먼저 고온 코팅 공정으로 코팅되어 내부 층을 제공하고, 이는 금속 층 또는 금속 카바이드, 나이트라이드 또는 카보나이트라이드 층일 수 있다. CBN의 경우, 이런 내부 코팅은 전형적으로 금속 나이트라이드, 보라이드 또는 보로나이트라이드 층일 것이다. 이 고온 코팅 공정에서, 금속계 코팅은 이런 결합이 일어나기에 적합한 고온 조건 하에서 다이아몬드 기재에 적용된다. 사용될 수 있는 전형적인 고온 코팅 기법은 예를 들면 금속 할라이드 기상으로부터의 증착, CVD 공정 또는 열확산 공정을 포함한다. 금속 할라이드 기상으로부터의 증착 및 CVD 공정을 포함하는 공정이 바람직하다.

금속 할라이드 기상으로부터의 증착을 수반하는 공정에서, 코팅될 입자는 적절한 기체 환경(예를 들면 불활성 기체, 수소, 탄화수소, 감압중 하나 이상을 함유하는 비-산화 환경) 하에서 코팅될 금속(예를 들면 Ti)을 함유하는 금속-할라이드에 노출된다. 금속 할라이드는 공정의 일부로서 금속으로부터 생성될 수 있다.

혼합물을 열 사이클에 가하고, 이동안 금속-할라이드가 Ti를 입자의 표면으로 이동시켜, 입자 표면에서 방출되고 입자에 화학적으로 결합된다.

외부 층 또는 층들은 PVD와 같은 냉 코팅 기술 또는 CVD와 같은 고온 코팅 기술을 이용하여 증착될 수 있다. PVD가 바람직하다. 저온 공정에서는 다이아몬드 상에 직접 증착되는 경우 유의한 카바이드가 형성되기에는 불충분한 열이 생성된다. 따라서, 단독으로 사용되는 경우, 다이아몬드 입자에 대한 점착력이 열악해진다. 외부 코팅에 적용하기 위한 PVD 공정의 한 예는 반응성 스퍼터링이다. 이 방법에서, Ti와 같은 금속은 C, N 또는 O와 같은 기체를 반응 챔버로 투입함으로써 안정한 티탄 카바이드, 티탄 나이트라이드 또는 티탄 다이옥사이드로서 증착된다. 화합물 사이의 비는 투입되는 기체의 양을 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 따라서, 예를 들면 Ti:C에서의 변이가 수득될 수 있다. 2 이상의 위치에서 동시에 스퍼터링하여 서로 다른 비 또는 조성을 갖는 화합물을 생성하는 것 또한 가능하다. 외부 층 또는 층들은 내부 층에 사용되는 고온 코팅 공정(이는 코팅 그 자체를 통한 탄소의 확산 속도에 의해 제한된다)을 이용한 경우보다 다이아몬드 입자상에 더 두꺼운 코팅을 가능하게 한다. 외부 층은 또한 이의 성질과 행동의 가공을 가능하게 한다.

한 양태에서, 외부 코팅 층은 내부 코팅 층과 동일한 조성, 예를 들면 티탄 카바이드를 갖는다. 조성이 동일할 수 있지만, 2개 층을 증착시키기 위해 서로 다른 방법을 사용하면 제 2 층의 미세 구조를 변화시켜 예를 들면 보다 응집성이 강하고 결과적으로 더 투과성이 되게 할 수 있다. 두꺼운 티탄 카바이드 코팅은 보다 튼튼하고 더 높은 온도나 보다 공격적인 환경에서 살아남을 수 있게 한다. 이는 또한 연마 도구를 제조할 때, 매트릭스중의 금속이 예를 들면 코팅을 통해 확산되어 다이아몬드 입자를 공격하지 않게 하면서, 더 긴 반응시간을 가능하게 한다. 결과적으로, 티탄 카바이드 코팅된 다이아몬드 입자가 과거에는 너무 공격적이었던 용도에서 사용될 수 있다.

본 양태에서 외부 층의 PVD 적용은 또한 티탄 카바이드 조성이 서로 다르거나 티탄 카바이드 조성 구배를 갖는 여러 층을 가능하게 한다. 이런 층은 반응성 스퍼터링에 의해서나 티탄 카바이드를 스퍼터링함으로써 적용될 수 있다. 이러는 동안, 티탄 카바이드 외부 층의 성질 및 격자 상수를 티탄 카바이드 내부 층과 일치시킴으로써 외부 층의 금속 결합 매트릭스로의 결합을 개선시키면서 티탄 카바이드 외부 층의 티탄 카바이드 내부 층으로의 결합을 개선시킬 수 있다. 따라서 이는 전통적으로 금속 결합 매트릭스에 잘 결합하지 않았던 용도에 티탄 카바이드 코팅이 사용될 수 있게 한다. 한 예는 텅스텐 카바이드이고, 이는 다이아몬드 표면의 흑연화를 방지하기 위해 사용된다.

추가의 양태에서, 내부 층은 CVD에 의해 적용된 티탄 카바이드 층이고, 외부 층 또는 층 들은 금속 카보나이트라이드, 예를 들면 티탄 카보나이트라이드(이는 공격적 하소 조건에 특히 적합하다)로 형성된다. 이는 Co, Fe 및 Ni의 이의 금속 결합 매트릭스로부터의 확산을 방지하는 차단벽을 형성하는데 적합하여, 이들이 Fe, Co 및 Cu중의 낮은 Cu, 또는 철, 또는 높은 철 고온 프레싱 공정에 사용될 수 있게 한다. Ti:(C,N) 및 C:N 비는 외부 층의 성질을 최적화하기 위해 조작될 수 있다. 또다시, PVD 층중의 티탄 카보나이트라이드의 구배의 배열이나 또는 다층이 가능하다. 이는 또한 티탄 카보나이트라이드 코팅이 전형적으로 금속 결합 매트릭스와 우수한 결합을 형성하지 않았던 용도를 위해서 가공될 수 있게 한다. 이의 화학적 내성 때문에 유용한 유사한 예는 티탄 알루미늄 카보나이트라이드이다. 코팅의 화학적 및/또는 물리적 성질을 가공하기 위해, 금속과 비-금속사이의 비, 금속사이의 비 또는 비-금속 사이의 비는 모두 연속적으로(구배를 생성) 또는 불연속적으로(다층을 생성) 변화될 수 있다.

추가의 양태에서, 외부 층은 금속 코팅으로 형성될 수 있고, 금속 코팅은 텅스텐, 티탄, 크롬, 몰리브데늄 및 지르코늄을 포함하는 IVa, Va, VIa족 전이 금속 및 제 1 열 전이 금속(Ti 내지 Cu)의 금속 및 합금을 포함하는 군에서 선택되고, 특히 마그네트론 스퍼터링에 사용할 수 있는 비 자기성 금속 또는 합금이다. 합금은 백금족 금속 및 Ib족 금속에서 선택된 금속과 상기 언급된 금속과의 합금을 포함할 수 있다. 이의 예는 구리 또는 니켈 티탄 및 니켈 크롬이다. 텅스텐의 경우, 이는 티탄 카바이드 코팅이 매트릭스와 결합하는 것을 방해하는 코팅을 제공한다. 따라서, 이는 청동 결합 및 제1철 금속을 함유하는 결합을 이용하는 공격적인 하소 조건에서 사용될 수 있다. 이는 또한 금속 결합 매트릭스에 더 잘 결합하도록 가공될 수 있다. 금속 조성을 변화시킴으로써 화학적 내성, 확산, 융점 및 내부 코팅의 매트릭스와 혼합되는 경향을 조절하는 것 또한 가능하다.

본 발명은 하기의 비-제한적 실시예를 단지 예로서 이용하여 보다 상세하게 개시될 것이다.

실시예 1

40/45 US 메쉬 사이즈인 엘리멘트 식스의 다이아몬드 그릿을 CVD 공정으로 코팅하여 당 분야에 흔히 공지된 일반적인 방법에 따라 TiC 코팅된 다이아몬드를 생성하였다. 그런 다음, CVD TiC 코팅된 다이아몬드를 제 2 코팅 단계용 기재로 이용하였다.

40/45 US 메쉬 크기인 이 TiC 코팅된 다이아몬드 3000 캐럿을 회전 배럴과 대상으로 큰 순수한 티탄 금속 판이 있는 마그네트론 스퍼터 코팅기에 두었다. 코팅 챔버를 비우고, 아르곤을 투입하고, 전원을 켜서 플라스마를 형성하였다. 모든 다이아몬드 입자상에 고르게 코팅되는 것을 보증하기 위해 배럴을 회전시키면서 스퍼터링 파워를 5000W로 증가시켰다. 티탄 금속의 스퍼터링을 160분의 2회 수행동안 계속하고, 분석을 위해서 제 1 수행 후에 계속하기 전에 시료를 취하였다. 코팅된 다이아몬드를 챔버로부터 회수하기 전에 냉각시켰다.

제 2 수행 후에 X-선 회절, X-선 형광, 코팅의 화학적 분석, 광학 및 스캐닝 전자 현미경 이미지 분석 및 입자 파괴후 SEM상의 횡단면 분석으로 구성된 분석을 이 코팅된 다이아몬드에 실시하였다.

시각적으로, 이 코팅은 회색의 금속 색상으로 보였다. 이 색상은 각각의 입자 상에 고르게 분포하고 있는 것으로 보였고, 각각의 입자가 동일해 보였다. 코팅은 균일하게 보였고, 임의의 비코팅된 영역이 없었다. SEM을 관찰하면 또다시 약간 거친 형태를 갖는 응집된 입자의 고른 코팅을 보여주었다. 이 특정한 코팅은 3.4%의 분석치를 생성하였다. 이 배치를 위해 사용된 이 크기의 TiC 코팅은 전형적으로 0.77%의 분석을 갖는다. 따라서, 3.4%의 나머지는 TiC 상부 상의 티탄 층에 기인한다. 입자를 파괴하여 SEM에서 관찰하였고, 2개의 코팅은 단지 미세구조에 의해서만 식별될 수 있었다. PVD 코팅은 CVD TiC 서브 코팅의 상부에서 1마이크론으로 측정되었다. XRD를 이용하여 분석하면, 다이아몬드, TiC 및 Ti 금속이 발견되었다. XRF 분석은 100% Ti를 보여주었다.

실시예 2

CVD TiC 코팅된 다이아몬드를 실시예 1에서와 같이 생성하였다. 그런 다음, 이 TiC 코팅된 다이아몬드를 제 2 코팅 단계를 위한 기재로서 사용하였다. 40/45 US 메쉬 크기인 이 TiC 코팅된 다이아몬드 500캐럿을 회전 배럴과 대상으로서 순수한 티탄 금속 판이 있는 마그네트론 스퍼터 코팅기에 두었다. 코팅 챔버를 비우고, 아르곤을 투입하고, 전원을 켜서 플라스마를 형성하였다. 모든 다이아몬드 입자상에 고르게 코팅되는 것을 보증하기 위해 배럴을 회전시키면서 스퍼터링 파워를 5000W로 증가시켰다. 티탄 금속의 스퍼터링을 120분동안 계속하였다. 코팅된 다이아몬드를 챔버로부터 회수하기 전에 냉각시켰다.

X-선 회절, X-선 형광, 코팅의 화학적 분석, 광학 및 스캐닝 전자 현미경 이미지 분석 및 입자 파괴후 SEM상의 횡단면 분석으로 구성된 분석을 이 코팅된 다이아몬드에 실시하였다.

시각적으로, 이 코팅은 회색의 금속 색상으로 보였다. 이 색상은 각각의 입자 상에 고르게 분포하고 있는 것으로 보였고, 각각의 입자가 동일해 보였다. 코팅은 균일하게 보였고, 임의의 비코팅된 영역이 없었다. SEM을 관찰하면 또다시 약간 거친 형태를 갖는 응집된 입자의 고른 코팅을 보여주었다. 이 특정한 코팅은 3.77%의 분석치를 생성하였다. 이 배치를 위해 사용된 이 크기의 TiC 코팅은 전형적으로 0.77%의 분석을 갖는다. 따라서, 3.77%의 나머지는 TiC 상부 상의 티탄 층에 기인한다. 입자를 파괴하고, SEM에서 관찰하였다. 2개의 코팅은 단지 미세구조에 의해서만 식별될 수 있었다. PVD 코팅은 CVD TiC 서브 코팅의 상부에서 1 내 지 2마이크론으로 측정되었다. XRD를 이용하여 분석하면, 다이아몬드, TiC 및 Ti가 발견되었다. XRF 분석은 100% Ti를 보여주었다.

실시예 3

CVD TiC 코팅된 다이아몬드를 실시예 1에서와 같이 생성하였다. 그런 다음, 이 TiC 코팅된 다이아몬드를 제 2 코팅 단계를 위한 기재로서 사용하였다. 40/45 US 메쉬 크기인 이 TiC 코팅된 다이아몬드 1,000캐럿을 회전 배럴과 대상으로서 순수한 규소 금속 판이 있는 마그네트론 스퍼터 코팅기에 두었다. 코팅 챔버를 비우고, 아르곤을 투입하고, 전원을 켜서 플라스마를 형성하였다. 20sccm 아르곤 압력에서 모든 다이아몬드 입자상에 고르게 코팅되는 것을 보증하기 위해 배럴을 회전시키면서 스퍼터링 파워를 5A(400V)로 증가시켰다. 부탄 가스를 도입하여 30sccm의 압력을 달성하였다. 탄소와 반응된 규소의 스퍼터링을 5시간동안 계속하였다. 코팅된 다이아몬드를 챔버로부터 회수하기 전에 냉각시켰다.

시각적으로, 이 코팅은 적색, 녹색, 청색 및 금색이 보이는 입자들 사이의 무지개 효과를 갖는 것으로 보였다. 코팅은 균일하게 보였고, 임의의 비코팅된 영역이 없었다. SEM을 관찰하면 매끄러운 형태를 갖는 고른 코팅을 보여주었다. 2층 구조가 명확하였고, SiC 층은 약 0.25마이크론의 두께를 가졌다. 이 특정한 코팅은 0.59%의 분석치를 생성하였다. 이 배치를 위해 사용된 이 크기의 TiC 코팅은 전형적으로 0.45%의 분석을 갖는다. 따라서, 0.59%의 나머지는 TiC 상부 상의 SiC 층에 기인한다. XRD를 이용하여 분석하였을 때, 다이아몬드, TiC 및 SiC로 보이는 것이 발견되었다. XRF 분석은 78% Ti 및 22% Si를 나타내었다.

실시예 4

CVD TiC 코팅된 다이아몬드를 실시예 1에서와 같이 생성하였다. 그런 다음, 이 TiC 코팅된 다이아몬드를 코팅을 위한 기재로서 사용하였다. 40/45 US 메쉬 크기인 이 TiC 코팅된 다이아몬드 1,000캐럿을 회전 배럴과 대상으로서 순수한 알루미늄 금속 판이 있는 마그네트론 스퍼터 코팅기에 두었다. 코팅 챔버를 비우고, 아르곤을 투입하고, 전원을 켜서 플라스마를 형성하였다. 20sccm 아르곤 압력에서 모든 다이아몬드 입자상에 고르게 코팅되는 것을 보증하기 위해 배럴을 회전시키면서 알루미늄 대상 상의 스퍼터링 파워를 8A(290V)로 증가시켰다. 산소 기체를 투입하여 30%의 광학적 방출을 달성하였다. 산소와 반응된 알루미늄의 스퍼터링을 1시간동안 계속하였다. 코팅된 다이아몬드를 챔버로부터 회수하기 전에 냉각시켰다.

시각적으로, 이 코팅은 CVD TiC 코팅과는 매우 다른 것으로 보이지 않았다. 보다 자세히 조사하자, 얇은 우유색 백색 코팅이 입자 상에 보였다. SEM의 관찰은 CVD TiC의 상부에 매우 얇은 매끄러운 코팅을 나타내었다. 2층 구조는 명확하지 않았고, 완전한 층은 약 0.6마이크론의 두께를 가졌다. 이 특별한 코팅은 0.69%의 분석치를 생성하였다. 이 배치를 위해 사용된 이 크기의 TiC 코팅은 전형적으로 0.45%의 분석을 갖는다. 따라서, 0.69%의 나머지는 TiC 상부 상의 Al₂O₃ 층에 기인한다. XRD를 이용하여 분석하였을 때, 다이아몬드 및 TiC가 발견되었다. XRF 분석은 85% Ti 및 15% Al을 나타내었다.

실시예 5

CVD TiC 코팅된 다이아몬드를 실시예 1에서와 같이 생성하였다. 그런 다음, 이 TiC 코팅된 다이아몬드를 코팅을 위한 기재로서 사용하였다. 40/45 US 메쉬 크기인 이 TiC 코팅된 다이아몬드 1,000캐럿을 회전 배럴과 대상으로서 순수한 알루미늄 금속 판이 있는 마그네트론 스퍼터 코팅기에 두었다. 코팅 챔버를 비우고, 아르곤을 투입하고, 전원을 켜서 플라스마를 형성하였다. 20sccm 아르곤 압력에서 모든 다이아몬드 입자 상에 고르게 코팅되는 것을 보증하기 위해 배럴을 회전시키면서 스퍼터링 파워를 6A(290V)으로 증가시켰다. C₄H₁₀ 가스를 도입하여 50%의 광학 방출 측정치를 달성하였다. 탄소와 반응된 알루미늄의 스퍼터링을 1시간동안 계속하였다. 코팅된 다이아몬드를 챔버로부터 회수하기 전에 냉각시켰다.

시각적으로, 이 코팅은 반사된 무지개 효과가 있는 회색-갈색을 갖는 것으로 보였다. 코팅은 균일하게 보였고, 매끄러웠고, 임의의 비코팅된 영역이 없었다. SEM을 관찰하면 비교적 매끄러운 형태를 갖는 매우 얇은 고른 코팅을 보여주었다. 2층 구조가 명확하지 않았고, 완전한 층은 약 0.25마이크론의 두께를 가졌다. 이 특정한 코팅은 0.71%의 분석치를 생성하였다. 이 배치를 위해 사용된 이 크기의 TiC 코팅은 전형적으로 0.45%의 분석을 갖는다. 따라서, 0.71%의 나머지는 TiC 상부 상의 AlC 층에 기인한다. XRD를 이용하여 분석하였을 때, 다이아몬드와 TiC만이 발견되었다. XRF 분석은 77% Ti 및 23% Al을 나타내었다.

Claims

고온 코팅 공정을 이용하여 (단독으로 또는 조합하여) 카바이드, 나이트라이드 또는 보라이드를 형성할 수 있는 원소를 내부 층으로서 연마재의 표면에 적용하는 단계; 및

전이 금속, 카바이드, 나이트라이드, 보라이드, 옥사이드 및 카보나이트라이드 형성 금속, 금속 카바이드, 금속 나이트라이드, 금속 보라이드, 금속 옥사이드, 금속 카보나이트라이드, 금속 보로나이트라이드 및 금속 보로카보나이트라이드를 포함하는 군에서 선택된 코팅 물질의 하나 이상의 외부 층을 물리적 증착 또는 화학적 증착에 의해 적용하는 단계를 포함하는, 코팅된 초-경질 연마 물질의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

내부 층의 도포 또는 코팅을 금속 할라이드 기상으로부터의 증착을 수반하는 공정, CVD 공정 및 열확산 공정을 포함하는 군에서 선택된 고온 코팅 공정에 의해 적용하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

내부 층이 주기율표의 IVa, Va, VIa, IIIb 및 IVb족을 포함하는 군에서 선택되는 원소로 형성되는 방법.
제 3 항에 있어서,

내부 층이 바나듐, 몰리브데늄, 탄탈륨, 인듐, 지르코늄, 니오븀, 텅스텐, 알루미늄, 붕소 및 규소를 포함하는 군에서 선택되는 원소로부터 형성되는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

외부 코팅이 물리적 증착에 의해 적용되는 방법.
제 5 항에 있어서,

외부 코팅 층이 반응성 기체를 이용한 반응성 스퍼터링에 의해 스퍼터링된 원소와 반응성 기체 화합물과 증착되는 방법.
제 6 항에 있어서,

외부 코팅이 탄화수소 또는 질소를 각각 투입함으로써 형성된 티탄, 규소 또는 알루미늄 카바이드 또는 나이트라이드인 방법.
제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,

초-경질 연마 물질이 다이아몬드 또는 CBN계인 방법.
제 8 항에 있어서,

초-경질 물질이 다이아몬드 또는 CBN 그릿, PCD 기재, 열 안정성 PCD(TSPCD) 기재, PCBN 기재, CVD 다이아몬드 필름 또는 단결정 다이아몬드 기재인 방법.
제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,

내부 층 및 내부 코팅이 동일한 조성을 갖지만, 미세구조가 서로 다른 방법.
제 10 항에 있어서,

내부 층과 외부 코팅이 둘 모두 티탄 카바이드인 방법.
제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,

내부 층이 티탄 카바이드이고, 외부 코팅이 티탄 카보나이트라이드 또는 티탄 알루미늄 카보나이트라이드인 방법.
제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,

외부 코팅이 금속 코팅으로서 형성되고, 금속 코팅이 IVa족, Va족, VIa족 전이 금속의 금속 및 합금, 카바이드, 나이트라이드, 보라이드, 옥사이드 및 카보나이트라이드 형성 금속, 금속 카바이드, 금속 나이트라이드, 금속 보라이드, 금속 옥사이드, 금속 카보나이트라이드, 금속 보로나이트라이드 및 금속 보로카보나이트라이드를 포함하는 군에서 선택되는 방법.
제 13 항에 있어서,

합금이 하나 이상의 백금족 금속 또는 주기율표 Ib족의 금속을 포함하는 방법.
제 13 항에 있어서,

금속이 티탄 금속인 방법.