KR20070009717A - 절삭 공구 삽입물 - Google Patents

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Abstract

다결정성 다이아몬드 연마 절삭 부재는 일반적으로 초경 합금 기재에 결합된 고급 다결정성 다이아몬드 층으로 이루어진다. 다결정성 다이아몬드 층은 작업면 및 외부 주위면을 갖고, 주위면에 인접한 촉매 물질이 결핍된 환상 영역 또는 그의 일부를 갖는 것을 특징으로 한다. 작업면에 인접한 영역이 또한 촉매 물질이 결핍되어, 사용시 마모 흠집이 전개됨에 따라, 전연 및 그의 후연 모두가 촉매 물질이 결핍된 영역에 위치한다.

Description

절삭 공구 삽입물{CUTTING TOOL INSERT}
본 발명은 공구 삽입물, 더욱 구체적으로 지하 형성시 드릴링하고 구멍을 코어링하는데 사용하기 위한 절삭 공구 삽입물에 관한 것이다.
드릴 비트를 위해 통상적으로 사용되는 절삭 공구 삽입물는 초경 합금 기재에 결합된 다결정성 다이아몬드(PCD)의 층을 포함하는 것이다. PCD의 층은 작업면 및 상기 작업면의 주위 부분 둘레의 절삭날을 갖는다.
다이아몬드 연마 콤팩트로서 공지된 다결정성 다이아몬드는 상당량의 다이아몬드-다이아몬드 직접 결합을 함유하는 많은 다이아몬드 입자를 포함한다. 다결정성 다이아몬드는 일반적으로 코발트, 니켈, 철 또는 이러한 금속 하나 이상을 함유하는 합금과 같은 다이아몬드 촉매/용매를 함유하는 2차 상을 갖는다.
드릴링 작업에서, 이러한 절삭 공구 삽입물는 그의 수명중 다양한 단계에서 무거운 하중 및 고온에 도입된다. 드릴링의 초기 단계에서, 삽입물의 날카로운 절삭 날이 지하 형성부와 접촉할 때, 절삭 공구는 큰 접촉 압력에 도입된다. 결과적으로 피로 균열이 개시되는 등의 수많은 파괴 과정의 가능성을 낳게 된다.
삽입물의 절삭날이 마모됨에 따라, 접촉 압력이 감소하고 일반적으로 너무 낮아져서 높은 에너지 파손을 유발한다. 그러나, 이러한 압력은 여전히 높은 접촉 압력하에 개시된 균열을 전개하고, 종국적으로 스폴링-유형 파손이 초래된다.
드릴링 공업에서, PCD 절삭기 성능은, 증가하는 환경적 요구 속에서 높은 침투율을 달성하면서, 여전히 양호한 상태의 후-드릴링을 보유하는(따라서, 재사용이 가능함) 절삭기의 능력에 의해 결정된다. 임의의 드릴링 용도에서, 절삭기는 연성의 연마 유형 마모 및 스폴링/칩핑 유형 마모의 조합을 통해 마모될 수 있다. 연성의 연마형 마모 모드가 높은 내마모성 PCD 물질로부터의 최대 장점을 전달하기 때문에 바람직한 반면, 스폴링 또는 칩핑 유형의 마모는 바람직하지 않다. 이러한 유형의 파손은 아무리 경미하더라도 절삭 수명과 성능 모두에 치명적인 영향을 줄 수 있다.
스폴링-유형 마모의 경우, 절삭 효능은 형성부로의 드릴 비트의 침투율이 느려짐에 따라 신속하게 감소될 수 있다. 일단 칩핑이 개시되면, 받침에 대한 손상의 정도는, 이제 소정의 절삭 깊이를 달성하기 위해 요구되는 증가된 수직력의 결과로서 계속해서 증가한다. 따라서, 절삭 손상이 발생하고 드릴 비트의 침투율이 감소됨에 따라, 비트상의 증가된 중량에 대한 반응으로 칩핑 절삭 부재가 추가로 열화되고 궁극적으로는 치명적 손상을 신속하게 가져올 수 있다.
PCD 절삭기 성능을 최적화할 때, 내마모성의 증가(더 양호한 절삭기 수명을 달성하기 위해)는 일반적으로 평균 다이아몬드 입경, 총 촉매/용매 함량, 다이아몬드 밀도 등과 같은 변수를 조작함으로써 달성된다. 그러나, 일반적으로 PCD 물질 이 더욱 내마모성으로 됨에 따라, 더욱 깨지기 쉽고 파괴되기 쉽다. 따라서 향상된 마모 성능을 위해 고안된 PCD 부재는 열등한 충격 강도 또는 감소된 스폴링에 대한 내성을 갖는 경향이 있다. 내충격성과 내마모성 사이의 이러한 절충은, 특히 큰 노력을 요하는 용도에 있어서, 최적 PCD 구조를 고안하는데 고유적인 자체적 한계를 만들게 한다.
내마모성이 더욱 큰 PCD의 칩핑 거동이 제거되거나 제어되면, 이러한 유형의 PCD 절삭기의 잠재적으로 향상된 성능이 더욱 완전히 실현될 수 있다.
먼저, 절삭날의 기하학적 모양을 경사지게 함으로써 변형시키는 것은 이러한 칩핑 거동을 감소시키는데 대한 전도유망한 접근으로 이해되었다. 문헌(미국 특허 제 5,437,343 호 및 미국 특허 제 5,016,718 호)에는, PCD 받침의 절삭날을 미리 경사지게 하거나 둥글게 하는 것이 다이아몬드 절삭 받침의 스폴링 경향을 상당히 감소시킨다는 것을 나타냈다. 이렇게 둥글게 하면, 접촉면을 증가시킴으로써, 삽입물가 토양 형성부를 접촉할 때 적재중 발생된 초기 높은 응력의 영향이 감소된다. 그러나, 이러한 모서리를 떼낸 날이 PCD 절삭기의 사용중 마모되어 나가고 종국적으로 경사면도 남아있지 않은 시점에 도달한다. 이 시점에서, 절삭날의 스폴링-유형 마모에 대한 내성은 비보호된/비경사진 PCD 물질의 내성으로 감소될 것이다.
미국 특허 제 5,135,061 호는, 스폴링-유형 거동이 또한, 밑에 있는 PCD 물질보다 내마모성이 덜한 PCD 물질 층으로 형성된 절삭면을 갖는 절삭기를 제조하여, 쪼개지는 경향을 감소시킴으로써 제어될 수 있다는 것을 제안한다. 절삭날의 영역에서 내마모성이 덜한 층의 더 큰 마모는 형성부와 맞물리는 절삭 부재에 둥근 날을 제공한다. 이러한 발명에 의해 달성된 절삭날의 둥글리기는 따라서 경사화와 동일한 안티-스폴링 효과를 갖는다. 이러한 접근의 장점은 합성과정중 동일자리에서 만족스럽게 얇고 내마모성이 덜한 층을 달성하는 기술적 어려움 이상으로 중요한 것이다(안티-스폴링 층의 일관되고 제어된 거동은 물론 결과적인 기하학 모양에 상당히 의존적이다). 또한, 이러한 상층의 감소된 내마모성은 절삭기의 총 내마모성과 절충되기 시작해서, 결과적으로 절삭날이 더욱 신속하게 무뎌지고 차선적인 성능을 갖게 된다.
일본 특허 제 JP 59119500 호는 작업면의 화학적 처리 후 PCD 소결된 물질의 성능에서의 향상을 청구하고 있다. 이러한 처리는 작업면과 바로 인접한 영역에서 촉매/용매 매트릭스를 용해하고 제거한다. 이 발명은, 매트릭스가 제거되는 영역에서 PCD 물질의 내열성을, 소결된 다이아몬드의 강도와 타협하지 않으면서 증가시키는 것을 청구하고 있다.
최근, 충격 강도의 손실없이 향상된 내마모성을 갖는 것으로 알려진 PCD 절삭 부재가 시장에 도입되었다. 미국 특허 제 6,544,308 호 및 제 6,562,462 호에는 이러한 절삭기의 제작 및 거동이 개시되어 있다. PCD 절삭 부재는 특히 실질적으로 촉매 물질이 없는 절삭면에 인접한 영역을 특징으로 한다. 이러한 절삭기의 성능의 향상은 그 영역에서 PCD의 내마모성의 증가 때문이며, 여기서 촉매 물질의 제거가 응용시 PCD의 열적 열화를 감소시킨다.
이러한 영역에서 촉매/용매를 제거하면 전연상에서의 매우 손상적인 스폴링 손상의 발생이 감소하지만, 후연상의 스폴링-유형 손상(이 영역에서 특징적 라멜라-유형 균열로부터 비롯됨)이 또한 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 비록 후연의 영역에서 응력이 전연에서의 것만큼 높지는 않지만, 이러한 영역에서의 균열은 상당한 물질 손실을 유발할 수 있고 따라서 절삭기의 성능을 열화시킬 수 있다.
발명의 요약
본 발명에 따르면, 기재(특히, 초경 합금 기재)에 계면을 따라 결합되고, 계면과 대향하는 작업면 및 상기 작업면과 계면 사이에 연장되는 외부 주위면을 갖는, 바람직하게는 고급의 다결정성 다이아몬드 층을 포함하되, 상기 작업면으로부터 멀리 연장되는 주위면에 인접한 환상 영역을 갖고, 상기 환상 영역 또는 그의 일부가 촉매 물질이 결핍된 것을 특징으로 하는, 다결정성 다이아몬드 연마 부재, 특히 절삭 부재가 제공된다.
다결정성 다이아몬드 층은 바람직하게는 역시 촉매 물질이 결핍된, 작업면에 인접한 영역, 일반적으로 층을 포함한다.
결과적으로, 바람직한 다결정성 다이아몬드 층은, 촉매 물질이 결핍된, 작업면으로부터 멀리 연장되는 완전한 또는 간헐적인 고리를 한정되는 환상 영역 및 상기 작업면에 인접한 영역을 포함하여, 사용시 마모 흠집이 전개됨에 따라, 전연 및 그의 후연 모두가 촉매 물질이 결핍된 영역 안에 위치되게 된다.
다결정성 다이아몬드 연마 부재는 바람직하게는 국제 특허 공개공보 제 WO 2004/106003 호 및 제 WO 2004/106004 호(모두 본원에서 참조로서 인용함)에 개시 된 바와 같다.
다결정성 다이아몬드 층은 촉매 물질이 결핍된, 주위면에 인접한 영역을 갖는다. 이러한 영역은 주위면으로부터 일반적으로 약 30 내지 약 500㎛의 깊이까지 다결정성 다이아몬드를 향해 측방향으로 연장된다. 이러한 영역은 또한 계면을 향해 작업면의 주위 가장자리로부터 다결정성 다이아몬드 층의 총 두께의 적어도 절반의 깊이까지 연장되지만, 약 500㎛ 이상만큼 계면에 못미쳐서 끝난다.
다결정성 다이아몬드 층은 또한 바람직하게는 촉매 물질이 결핍된, 작업면에 인접한 영역을 갖는다. 일반적으로, 이러한 영역은 실질적으로 촉매 물질을 함유하지 않는다. 이 영역은 작업면으로부터 일반적으로 약 30 내지 약 500㎛만큼 적은 깊이까지 다결정성 다이아몬드를 향해 연장될 것이다.
다결정성 다이아몬드는 또한 촉매 물질이 풍부한 영역을 갖는다. 촉매 물질은 다결정성 다이아몬드 층의 제조시 소결제로서 존재한다. 당해 기술분야에 공지된 임의의 다이아몬드 촉매 물질이 사용될 수 있다. 바람직한 촉매 물질은 코발트 및 니켈과 같은 VIII족 전이 금속이다. 촉매 물질이 풍부한 영역은 일반적으로 촉매 물질이 결핍된 영역과의 계면을 갖고 기재와의 계면까지 연장된다.
촉매 물질이 풍부한 영역은 그 자체가 하나 이상의 영역을 포함한다. 이러한 영역은 평균 입경 뿐 아니라 화학적 조성이 상이하다. 이들 영역은 제공되면 일반적으로 다결정성 다이아몬드 층의 작업면과 평행한 평면에 놓여 있을 것이다.
본 발명의 바람직한 구조에서, 촉매 물질이 결핍된 영역은 촉매 물질이 풍부한 영역 또는 그의 일부를 덮고 있는 캡형 구조를 한정한다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 상기 개시된 바와 같은 PCD 연마 부재의 제조방법은, 기재를 제공하고, 많은 다이아몬드 입자를 상기 기재상에 두고(여기서, 상기 다이아몬드 입자의 질량은 고급 다결정성 다이아몬드를 생성할 수 있도록 바람직하게 선택된다), 상기 다이아몬드 입자의 촉매 물질의 공급원을 제공함으로써, 비평면형 계면을 포함할 수 있는 비결합된 어셈블리를 생성하는 단계; 상기 비결합된 어셈블리를 많은 다이아몬드 입자의 다결정성 다이아몬드 층을 생성하기에 적절한 승온 및 압력에 도입하는 단계; 및 노출된 작업면 및 그의 주위면 각각에 인접한 다결정성 다이아몬드 층의 각 영역으로부터 촉매 물질을 제거하는 단계를 포함한다.
촉매 물질은 바람직하게는 다결정성 다이아몬드 층의 총 두께의 적어도 절반의 깊이까지 제거된다.
기재는 일반적으로 초경 합금 기재일 것이다. 촉매 물질의 공급원은 일반적으로 초경 합금 기재일 것이다. 몇가지 추가의 촉매 물질이 다이아몬드 입자와 혼합될 수 있다.
촉매 물질은 다결정성 다이아몬드 층의 노출된 표면에 인접한 상기 층의 영역으로부터 제거된다. 일반적으로, 이들 표면은 기재와 대향하는 다결정성 층의 측상에 있고, 이는 다결정성 다이아몬드 층을 위한 작업면, 및 상기 작업면과 기재 사이에 연장하는 주위면을 제공한다. 촉매 물질의 제거는 전해질 에칭, 산 침출 및 증발 기술과 같은 당해 기술분야에 공지된 방법을 사용하여 수행될 수 있다.
촉매 물질은 일반적으로 산 침출에 의해 제거된다. 소위 촉매 물질이 결핍 된 간헐적 환상을 달성하기 위해, 산 공격에 불투과성인 시약을 사용하여 차폐된 침출을 가능하게 한다.
많은 다이아몬드 입자로부터 다결정성 다이아몬드 층을 제조하기 위해 필요한 승온 및 압력의 조건이 당해 기술분야에 공지되어 있다. 일반적으로, 이들 조건은 4 내지 8 GPa의 압력 및 1300 내지 1700℃의 온도이다.
또한 본 발명에 따르면, 다수의 절삭기 부재를 함유하는 회전 드릴 비트가 제공되고, 실질적으로 이들 모두는 상기 개시한 바와 같이, PCD 연마 부재이다.
본 발명은, 그의 노출된 표면 모두에 인접한 다결정성 다이아몬드 층의 영역으로부터 촉매 물질을 제거하는 단계를 포함하는, 스폴링 및/또는 칩핑 유형 마모에 영향을 받기 쉬운 다결정성 다이아몬드 연마 부재에서 상기 유형의 마모를 감소시키는, 바람직하게는 제거하는 방법으로 연장된다.
본 발명의 PCD 연마 부재는 스폴링 및 칩핑 유형 마모 요소를 제어한 결과로서, 선행 기술의 PCD 연마 부재보다 상당히 향상된 마모 거동을 갖는 것으로 밝혀졌다.
이제 본 발명을 첨부된 도면을 참조로 단지 예시적인 방법으로 더욱 상세히 설명하겠다.
도 1은 본 발명의 다결정성 다이아몬드 연마 부재의 바람직한 실시태양의 투시도이다.
도 2는 도 1의 다결정성 다이아몬드 연마 부재의 선 2-2를 따라 절취한 단면도이다.
본 발명의 다결정성 다이아몬드 연마 부재는 드릴 비트를 위한 절삭기 부재로서 특별한 용도를 갖는다. 본원에서, 일반적인 마모 흠집의 전연 또는 후연 어디에서도 스폴링 또는 칩핑에 영향을 받지 않으면서 우수한 내마모성 및 충격강도를 갖는다는 것을 발견하였다. 이들 성질로 인해 높은 압축 강도를 갖는 지하 형성의 드릴링 또는 시추시 효과적으로 사용될 수 있다.
첨부된 도면의 도 1 및 도 2에 있어서, 절삭 부재(10)는 기재(14)에 결합된 다결정성 다이아몬드 층(12)을 갖는다. 다결정성 다이아몬드 층은 상부 작업면(16)과 그 둘레에 주위 절삭날(18) 및 주위면(20)을 갖는다.
다결정성 다이아몬드 층(12)은 각각 촉매 물질이 결핍된 영역(22,24) 및 촉매 물질이 풍부한 영역(26)을 갖는다. 촉매 물질이 결핍된 영역(22,24)은 각각 작업면(16) 및 주위면(20)으로부터 다결정성 다이아몬드 층(12)으로 연장된다. 각각의 영역의 깊이는 각각의 표면(16,20)으로부터 측방향으로 연장되어 나감에 따라 일반적으로 500㎛ 이하이고, 바람직하게는 30 내지 400㎛, 가장 바람직하게는 60 내지 350㎛이다. 또한, 영역(24)은 작업면(16)으로부터 기재(14)까지 다결정성 다이아몬드 층(12)의 총 두께의 적어도 절반의 깊이까지 연장하지만, 바람직하게는 계면 영역(28)의 의도하지 않은 침출을 방지하기 위해 적어도 500㎛만큼 계면 영역(28)에 못미쳐 중단된다.
일반적으로, PCD 날이 경사지면, 촉매 물질이 결핍된 영역(22,24)은 일반적으로 이러한 경사 형상을 따르고 경사의 길이를 따라 연장될 것이다. 초경 합금 기재(14)로 연장되는 다결정성 다이아몬드 층(12)의 나머지는 촉매 물질이 풍부한 영역(26)이다. 또한, PCD 부재의 표면(16,20)은 저마찰 표면 또는 피니시를 달성하기 위해 기계적으로 연마될 수 있다.
사용시, PCD 층(12)이 드릴링될 기재를 접촉함에 따라, 전연(32) 및 후연(34)을 갖는 마모 흠집(30)이 전개된다. 촉매 물질이 결핍된 각각의 영역(22,24)을 제공함으로써, 마모 흠집(30)이 전개됨에 따라, 전연(32) 및 후연(34) 모두 촉매 물질이 결핍된 영역에 위치된다. 따라서, PCD 연마 부재의 작업면으로부터 촉매 물질을 제거하는 미리 인지된 장점은 이제 후연(34)까지 연장되고, 사용시 그 성능에 있어서 추가의 향상을 가져온다. 본 발명의 실시태양에서, 영역(24)은 촉매 물질이 결핍된 완전 환상 영역의 형태이다. 실제로, 일반적으로 단지 몇 세그먼트의 다이아몬드 층(12)이 드릴링 작업에 사용된다. 예를 들면, 삽입물는 마모 흠집(30)이 너무 크게 전개될 때 90°회전되어, 새로운 마모 흠집을 형성한다. 이러한 작업을 반복함으로써, 예를 들면 4개의 마모 흠집이 전개될 수 있다. 따라서 각각의 마모 흠집이 형성될 세그먼트에 상응하는 영역(24)의 부분만을 침출하여, 촉매 물질이 결핍된 소위 간헐적 환상 영역을 형성할 수 있다.
일반적으로, 다결정성 다이아몬드(12)의 층이 생성되고 당해 기술분야에 공지된 방법에 의해 초경 합금 기재(14)에 결합될 것이다.
이후, 촉매 물질을 많은 공지된 방법중 임의의 하나를 사용하여 특정 실시태양의 작업면(16) 및 주위면(20)으로부터 제거한다. 이러한 한가지 방법은 고온 무기산 침출, 예를 들면 고온 염산 침출을 사용하는 것이다. 일반적으로, 산의 온도는 약 110℃이고 침출 시간은 3 내지 60 시간일 것이다. 침출되지 않도록 의도된 다결정성 다이아몬드 층의 영역 및 카바이드 기재는 내산 물질로 적절하게 차폐될 것이다. 또한 간헐 영역(24)이 제공된다.
상기 개시된 다결정성 다이아몬드 연마 부재를 제조할 때, 선택적으로 몇몇 촉매 물질과 혼합된 다이아몬드 입자 층을 초경 합금 기재상에 둔다. 이러한 결합되지 않은 어셈블리를 이어서 승온 및 압력 조건에 도입하여 초경 합금 기재에 결합된 다이아몬드 입자의 다결정성 다이아몬드를 생성한다. 이를 달성하기 위해 요구되는 조건 및 단계가 또한 당해 기술분야에 공지되어 있다.
다이아몬드 입자는 바람직하게는 평균 입경이 상이한 다이아몬드 입자의 혼합물을 포함한다. 한가지 실시태양에서, 이러한 혼합물은 다음과 같은 다섯가지 상이한 평균 입경을 갖는 입자를 포함한다:
Figure 112006085533273-PCT00001
또 다른 실시태양에서, 다결정성 다이아몬드 층은 그 입자 혼합물이 상이한 2개의 층을 포함한다. 작업면에 인접한 제 1 층은 상기 개시된 유형의 입자의 혼합물을 갖는다. 제 1 층과 기재 사이에 위치한 제 2 층은 (i) 대다수의 입자가 10 내지 100㎛의 평균 입경을 갖고, 3가지 이상의 상이한 평균 입경으로 구성되고, (ii) 입자의 4중량% 이상이 10㎛ 미만의 평균 입경을 갖는 것이다. 제 1 층 및 제 2 층을 위한 다이아몬드 혼합물 모두는 또한 혼합된 촉매 물질을 함유할 수 있다.

Claims (10)

  1. 기재에 계면을 따라 결합되고, 계면과 대향하는 작업면 및 작업면과 계면 사이에 연장되는 외부 주위면을 갖는 다결정성 다이아몬드 층을 포함하되, 작업면으로부터 멀리 연장되는 주위면에 인접한 환상 영역을 갖고, 환상 영역 또는 그의 일부가 촉매 물질이 결핍된 것을 특징으로 하는, 다결정성 다이아몬드 연마 부재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    다결정성 다이아몬드 층이 또한 촉매 물질이 결핍된, 작업면에 인접한 영역을 갖는 다결정성 다이아몬드 연마 부재.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    결핍 영역이 주위면 및/또는 작업면으로부터 약 30 내지 약 500㎛의 깊이까지 다결정성 다이아몬드를 향해 연장하는 다결정성 다이아몬드 연마 부재.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    환상 영역이 작업면으로부터 계면을 향해 적어도 다결정성 다이아몬드 층의 총 두께의 절반의 깊이까지 연장하되, 계면의 약 500㎛ 이상에 못미쳐 중단되는 다결정성 다이아몬드 연마 부재.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    다결정성 다이아몬드 층이 또한 촉매 물질이 풍부한 영역을 갖는 다결정성 다이아몬드 연마 부재.
  6. 제 5 항에 있어서,
    촉매 물질이 다결정성 다이아몬드 층의 제조시 소결제로서 존재하는 다결정성 다이아몬드 연마 부재.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    촉매 물질이 풍부한 영역 자체가, 평균 입경 또는 화학적 조성이 상이한 하나 이상의 영역을 포함하는 다결정성 다이아몬드 연마 부재.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,
    절삭 부재인 다결정성 다이아몬드 연마 부재.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,
    다결정성 다이아몬드가 고급인 다결정성 다이아몬드 연마 부재.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,
    기재가 초경 합금 기재인 다결정성 다이아몬드 연마 부재.
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