KR20080089036A - 굴착 공구용 소결체 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 굴착 공구용 소결체는, 기둥 형상을 가지는 몸체부와, 그 몸체부로부터 그 몸체부의 길이방향으로 연장되며 그 몸체부의 둘레방향으로 이격되어 배치된 복수의 지지부와, 상기 몸체부와 상기 지지부들에 의해 형성되는 공간인 수용부를 가지며, 텅스텐과 코발트 합금으로 이루어진 기판; 및 상기 수용부에 상기 기판보다 경도가 높은 초경질 재료가 분말형태로 채워진 후 고온 및 고압하에서 소결처리되어 상기 기판과 결합된 초경질층;을 포함하여, 상기 초경질층이 복수의 절삭인선을 가짐으로서 절삭성능이 현저하게 향상된 것을 특징으로 한다.

Description

굴착 공구용 소결체{Sintered body for excavating tool}

도 1은 종래의 굴착 공구용 소결체의 개략적 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 Ⅱ-Ⅱ 선 단면도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 굴착 공구용 소결체의 개략적 사시도이다.

도 4는 도 3에 도시된 굴착 공구용 소결체의 평면도이다.

도 5는 도 3에 도시된 굴착 공구용 소결체의 측면도이다.

도 6은 도 3에 도시된 Ⅵ-Ⅵ 선 단면도이다.

도 7은 도 3에 도시된 굴착 공구용 소결체의 기판만을 추출하여 도시한 도면이다.

도 8은 도 3에 도시된 굴착공구용 소결체의 사용상태를 설명하기 위한 도면이다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 굴착 공구용 소결체의 개략적 사시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10...굴착 공구용 소결체 20...기판

22...몸체부 25...지지부

27...수용부 30...초경질층

35...절삭인선 100...암반

Z...몸체부의 길이방향

본 발명은 굴착 공구용 소결체에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 유정을 굴착시 회전하는 공구 조립체에 결합되어 그 공구 조립체와 일체로 회전하면서 지하의 암반 등을 굴착하는 경우에 굴착성능을 향상시키도록 구조가 개선된 굴착 공구용 소결체에 관한 것이다.

일반적으로 굴착 공구용 소결체는 유정 굴착에 사용되는 공구 조립체에 결합되어 지하에 존재하는 암반 등을 깍아 냄으로써 굴착작업을 행하는 용도로 사용된다. 이러한 국착 공구용 소결체가 채용된 굴착공구에 관한 기술로는 미국공개특허 제2002-0144843, 미국공개특허 제2004-0206552 등이 있다. 이 문헌들에 개시된 굴착 공구는 다이아몬드 소결체를 복수개 채용한 것이다.

한편, 굴착 공구용 소결체에 관한 보다 미시적인 선행기술로는 미국특허 제4604106호, PCT국제공개특허 WO2004/040096 이 있다. 이 문헌들에는 코발트를 결합제로 한 텅스텐 카바이드(WC-Co) 기판 위에 다결정 다이아몬드를 소결에 의해 결합시킨 구조의 굴착 공구용 소결체가 개시되어 있다.

도 1에는 대표적인 종래 기술로서 PCT국제공개특허 WO2004/040096에 개시된 굴착 공구용 소결체가 도시되어 있다. 도 2에는 도 1에 도시된 굴착 공구용 소결체의 단면도가 도시되어 있다. 도 1 및 도2를 참조하면, 종래의 굴착 공구용 소결체(1)는 텅스텐 코발트 합금으로 이루어진 기둥 형상의 기판(2)과, 그 기판(2)의 일단부에 다이아몬드 등의 초경질층(3)을 분말형태로 적층시킨 후 고온 및 고압의 소결로에서 소결처리를 하여 그 기판과 상기 초경질층(3)을 일체로 결합한 구조로 이루어져 있다. 종래의 굴착 공구용 소결체(1)는 상기 기판(2)과 상기 초경질층(3)의 결합력을 증가시키기 위하여 그 기판과 상기 초경질층(3)의 경계면을 거칠게 하여 접촉면적을 증가시켰다. 그 결과 상기 기판(2)과 초경질층(3)의 결합력은 향상되는 효과가 있었다.

한편, 이러한 굴착 공구용 소결체(1)는 유정을 굴착하는 경우에 상기 초경질층(3)의 외주면이 암반에 회전접촉하면서 그 암반의 일부를 절삭하게 된다. 이러한 경우에 굴착 공구용 소결체(1) 중 상기 암반과 회전접촉되는 부위를 절삭인선(5)이라 한다. 종래의 굴착 공구용 소결체(1)는 상기 초경질층(3)의 외주가 원형으로 이루어져 있다. 따라서, 상기 절삭인선(5)은 하나만 형성되며, 그 절삭인선(5) 부근에서 암반의 절삭작업이 이루어지게 된다. 절삭성능을 향상시키기 위해서 상기 공구 조립체의 회전수를 증가시키는 방법도 있으나, 이러한 경우에는 상기 굴착 공구용 소결체(1)에 무리한 부하기 걸려 그 굴착 공구용 소결체(1)가 손상될 수 있는 문제점이 있다. 따라서, 상기 굴착 공구 조립체(1)의 회전수를 종래처럼 유지하면서도 절삭성능을 향상시킬 필요가 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 유정 굴착 작업시 암반 등과 접하는 절삭인선이 복수개가 되도록 하여 절삭성능을 향상키는 동시에 기판과 초경질층의 결합력도 향상시키도록 구조가 개선된 굴착 공구용 소결체를 제공함에 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 굴착 공구용 소결체는, 기둥 형상을 가지는 몸체부와, 그 몸체부로부터 그 몸체부의 길이방향으로 연장되며 그 몸체부의 둘레방향으로 이격되어 배치된 복수의 지지부와, 상기 몸체부와 상기 지지부들에 의해 형성되는 공간인 수용부를 가지며, 텅스텐과 코발트 합금으로 이루어진 기판; 및

상기 수용부에 상기 기판보다 경도가 높은 초경질 재료가 분말형태로 채워진 후 고온 및 고압하에서 소결처리되어 상기 기판과 결합된 초경질층;을 포함하는 점에 특징이 있다.

또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 굴착 공구용 소결체는, 원기둥 형상을 가지는 몸체부와, 그 몸체부로부터 그 몸체부의 길이방향으로 연장되며 그 몸체부의 둘레방향으로 이격되어 배치된 복수의 지지부와, 상기 몸체부와 상기 지지부들에 의해 형성되는 공간인 수용부를 가지며, 텅스텐과 코발트 합금으로 이루어진 기판; 및

상기 수용부에 상기 기판보다 경도가 높은 초경질 재료가 분말형태로 채워진 후 고온 및 고압하에서 소결처리되어 상기 기판과 결합된 초경질층;을 포함하여,

상기 지지부와 인접하는 상기 초경질층의 모서리들이 복수의 절삭인선을 형성하는 점에 특징이 있다.

상기 초경질층은 다이아몬드, 입방정 질화붕소(cubic boron nitride) 중 적어도 하나 이상의 재료가 포함된 것이 바람직하다.

상기 지지부들은 상기 몸체부의 외주를 따라 배치된 것이 바람직하다.

상기 각 지지부와 상기 초경질층이 인접하는 계면은 상기 몸체부의 길이방향과 교차하는 것이 바람직하다.

상기 각 지지부와 상기 초경질층이 인접하는 계면은 상기 몸체부의 길이방향과 평행할 수도 있다.

상기 지지부들은 일정한 간격으로 이격되어 배치된 것이 바람직하다.

상기 몸체부의 직경이 10mm 미만인 경우에, 상기 지지부의 개수는 2개 내지 10개인 것이 바람직하다.

상기 몸체부의 직경이 10mm 이상 20mm 미만인 경우에, 상기 지지부의 개수는 2개 내지 30개인 것이 바람직하다.

상기 몸체부의 직경이 20mm 이상 100mm 이하인 경우에, 상기 지지부의 개수는 2개 내지 100개인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 굴착 공구용 소결체의 개략적 사시도이다. 도 4는 도 3에 도시된 굴착 공구용 소결체의 평면도이다. 도 5는 도 3 에 도시된 굴착 공구용 소결체의 측면도이다. 도 6은 도 3에 도시된 Ⅵ-Ⅵ 선 단면도이다. 도 7은 도 3에 도시된 굴착 공구용 소결체의 기판만을 추출하여 도시한 도면이다. 도 8은 도 3에 도시된 굴착공구용 소결체의 사용상태를 설명하기 위한 도면이다.

도 3 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 굴착 공구용 소결체(10)는 기판(20)과, 초경질층(30)을 포함하고 있다.

상기 기판(20)은 몸체부(22)와 지지부(25)와, 수용부(27)를 포함하고 있다.

상기 몸체부(22)는 기둥형상으로 이루어져 있다. 본 발명의 실시예에서는 원기둥 형상으로 이루어져 있다. 그러나 상기 몸체부(22)의 형상은 원기둥 형상뿐만 아니라 다각형 형상 예컨대 6각 기둥, 팔각기둥, 10각 기둥 등 다양한 형태의 기둥형상이 가능하다. 상기 몸체부(22)는 그 길이방향(Z)을 가지며, 그 길이방향(Z)의 적어도 일측에는 계면이 형성되어 있다. 상기 계면은 후술하는 초경질층(30)과 인접하는 부분이다. 상기 몸체부(22)는 일반적으로 텅스텐과 코발트의 합금으로 이루어져 있다.

상기 지지부(25)는 상기 몸체부(22)로부터 연장되어 형성되어 있다. 더 구체적으로 상기 지지부(25)는 도 1에 도시된 상기 몸체부(22)의 길이방향(Z)으로 연장되어 있다. 상기 지지부(25)는 복수개가 마련되어 있다. 상기 지지부(25)들은 상기 몸체부(22)의 외주를 따라 배치되어 있다. 상기 지지부(25)들은 상기 몸체부(22)의 둘레방향으로 이격되어 있다. 본 실시예에서 서로 인접하는 상기 지지부(25)들은 상기 몸체부(22)의 둘레방향으로 일정한 간격을 가지도록 배치되어 있다. 본 실시 예에서 상기 지지부(25)는 상기 몸체부(22)로부터 일체로 연장되도록 마련되어 있으므로 그 재질 또한 상기 몸체부(22)와 동일한 재질로 이루어져 있다.

상기 지지부(25)들의 개수는 다음과 같이 마련되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 기판(20)의 몸체부의 직경(d)이 10mm 미만인 경우에, 상기 지지부(25)의 개수는 2개 내지 10개인 것이 바람직하다. 상기 지지부(25)의 개수가 2개 미만인 경우에는 복수의 절삭인선(35)을 형성할 수 없는 문제점이 있다. 상기 지지부(25)의 개수가 10개를 초과하는 경우에는 상기 지지부(25)들 간의 간격이 너무 작아 그 지지부(25)들을 형성 시키기가 물리적으로 어려운 문제점이 있으며, 그 지지부(25)들에 의해 형성되는 복수의 절삭인선(35)를 가지는 초경질층(30)의 강도가 충분하지 않게 되는 문제점이 있다.

한편, 상기 기판(20)의 몸체부의 직경(d)이 10mm 이상 20mm 미만인 경우에, 상기 지지부(25)의 개수는 2개 내지 30개인 것이 바람직하다. 상기 지지부(25)의 개수가 2개 미만인 경우에는 복수의 절삭인선(35)을 형성할 수 없는 문제점이 있다. 상기 지지부(25)의 개수가 30개를 초과하는 경우에는 상기 지지부(25)들 간의 간격이 너무 작아 그 지지부(25)들을 형성 시키기가 물리적으로 어려운 문제점이 있으며, 그 지지부(25)들에 의해 형성되는 복수의 절삭인선(35)를 가지는 초경질층(30)의 강도가 충분하지 않게 되는 문제점이 있다.

한편, 상기 기판(20)의 몸체부의 직경(d)이 20mm 이상 100mm 이하인 경우에, 상기 지지부(25)의 개수는 2개 내지 100개인 것이 바람직하다. 상기 지지부(25)의 개수가 2개 미만인 경우에는 복수의 절삭인선(35)을 형성할 수 없는 문제점이 있 다. 상기 지지부(25)의 개수가 100개를 초과하는 경우에는 상기 지지부(25)들 간의 간격이 너무 작아 그 지지부(25)들을 형성 시키기가 물리적으로 어려운 문제점이 있으며, 그 지지부(25)들에 의해 형성되는 복수의 절삭인선(35)를 가지는 초경질층(30)의 강도가 충분하지 않게 되는 문제점이 있다.

상기 수용부(27)는 상기 몸체부(22)와 상기 지지부(25)에 의해 형성되는 공간이다. 상기 수용부(27)에는 후술하는 초경질층(30)이 충전되는 곳이다.

상기 초경질층(30)은 상기 수용부(27)에 충전되어 형성되어 있다. 상기 초경질층(30)의 재료는 다이아몬드 또는 입방정 질화붕소 중 적어도 하나 이상의 재료를 포함하고 있다. 상기 초경질층(30)은 초경질 재료가 분말형태로 상기 수용부(27)에 충전된 다음에 고온 고압의 소결로에서 소결처리되어 상기 몸체부(22)와 지지부(25)에 결합되어 있다. 상기 초경질층(30)은 상기 기판(20)보다 경도가 높은 재료로 이루어져 있기 때문에 실질적으로 유정 굴착시 굴착기능을 수행하는 부분이다. 상기 초경질층(30)은 상기 지지부(25)들과 인접하는 복수의 계면을 가지게 되며, 그 계면들의 모서리들은 절삭인선(35)들을 형성하게 된다. 상기 절삭인선(35)들은 암반(100) 등과 같은 피굴착재와 직접적으로 접촉하여 그 피굴착재를 깍아내는 부분이다.

상기 각 지지부(25)와 상기 초경질층(30)이 인접하는 계면은 상기 몸체부(22)의 길이방향(Z)과 교차하도록 구성할 수 있다. 한편, 본 발명의 실시예에서 처럼, 상기 각 지지부(25)와 상기 초경질층(30)이 인접하는 계면은 상기 몸체부(22)의 길이방향(Z)과 평행하도록 구성할 수도 있다. 더 구체적으로 상기 지지 부(25)는 본 실시예처럼 상기 몸체부(22)의 일단면으로부터 상기 몸체부(22)의 길이방향(Z)으로 수직하게 연장될 수도 있으며, 상기 지지부(25)는 상기 몸체부(22)의 일단면으로부터 상기 몸체부(22)의 길이방향(Z)으로 경사지게 연장될 수도 있다.

이와 같은 구성요소를 포함하는 굴착 공구용 소결체(10)의 제조방법 및 그 작용을 상세하게 서술한다.

먼저, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 기판(20)을 가공한다. 상기 기판(20)은 원기둥 형상의 몸체부(22)와 그 몸체부(22)로 일체로 연장된 지지부(25)를 가공한다. 상기 몸체부(22)의 지지부(25)의 가공방법은 선반 등을 이용한 기계가공이나, 방전가공 또는 텅스텐-코발트 합금을 분말형태로 틀에 넣어 성형한 후 소결로에서 고온 및 고압으로 소결처리하여 제조할 수 있다.

상기 기판(20)이 완성되면 상기 기판(20)의 수용부(27)에 다이아몬드 또는 입방정 질화붕소(cubic boron nitride)와 같은 초경질 재료를 충전시킨 후 고온 고압의 소결로에서 소결처리하여 상기 기판(20)과 그 초경질 재료가 결합된 초경질층(30)을 구비하는 유정 굴착용 소결체(10)를 제조하게 된다. 상기 소결로에서의 소결과정은 종래의 유정 굴착용 소결체의 소결과정과 동일하므로 상세한 서술은 생략하기로 한다. 이와 같이 제조된 굴착 공구용 소결체(10)는 상기 지지체와 상기 초경질층(30)의 계면만큼 종래의 굴착 공구용 소결체(1)에 비하여 상기 기판(20)과 상기 초경질층(30) 사이의 결합면적이 증가하게 된다. 따라서, 상기 초경질층(30)이 상기 기판(20)에 더 견고하게 결합되어 있게 된다.

한편, 본 발명에 따른 유정 굴착용 소결체(10)는 도 8에 도시된 바와 같이 회전하면서 지하의 암반(100) 등을 굴착하게 된다. 이와 같은 굴착과정에서 상기 굴착 공구용 소결체(10)는 암반(100) 등과 접촉하는 과정에서 피굴착재와 상기 굴착 공구용 소결체(10)의 경도 차이에 의하여 경도가 낮은 재료가 먼저 마모되게 된다. 즉, 암반(100) 등은 상기 기판(20)의 경도보다 높은 경도를 가지나, 상기 초경질층(30)의 경도보다는 낮은 경도를 가지게 된다. 따라서, 굴착과정에서 상기 지지부(25)는 상기 암반(100) 등에 마찰되면서 마모되게 되며, 상기 지지부(25)가 마모되면 상기 초경질층(30)의 외주는 톱니바퀴 형태로 암반(100) 등에 회전접촉하게 된다. 그 결과 그 암반(100) 보다 경도가 높은 초경질층(30)의 절삭인선(35)이 복수개가 형성되게 된다. 따라서, 암반(100)을 절삭하여 굴착하는 성능이 종래의 굴착 공구용 소결체보다 현저히 향상되는 효과가 있다.

이와 같이 종래의 굴착 공구용 소결체와 같은 회전수를 유지하면서도 암반(100) 등을 굴착하는 성능이 현저하게 증가하는 굴착 공구용 소결체를 제공할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 초경질층은 다이아몬드, 입방정 질화붕소(cubic boron nitride) 중 적어도 하나 이상의 재료가 포함된 것으로 서술하였으나, 상기 초경질층의 재료가 다이아몬드 또는 입방정 질화붕소가 포함되어 있지 않더라도 상기 초경질층이 굴착하고자 하는 암반의 경도보다 높은 재료를 사용하는 경우라면 본원 발명의 목적을 달성할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 지지부들은 상기 몸체부의 외주를 따라 배치된 것으로 서술하였으나, 상기 지지부들이 상기 몸체부의 외주를 따라 배치되지 않더라도 피굴착재에 대한 절삭인선이 복수개가 형성되는 경우라면 본원 발명의 목적을 달성할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 각 지지부와 상기 초경질층이 인접하는 계면은 상기 몸체부의 길이방향과 평행한 것으로 서술하였으나, 상기 각 지지부와 상기 초경질층이 인접하는 계면은 상기 몸체부의 길이방향과 교차하여도 본원 발명의 목적을 달성할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 지지부들은 일정한 간격으로 이격되어 배치된 것으로 서술하였으나, 상기 지지부들은 도 9에 도시된 바와 같이 서로 일정하지 않은 간격으로 이격되어 배치되더라도 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.

이상, 바람직한 실시 예들을 들어 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 발명이 그러한 예들에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 실시 예가 구체화될 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 굴착 공구용 소결체는 상기 지지체와 상기 초경질층의 계면만큼 종래의 굴착 공구용 소결체에 비하여 상기 기판과 상기 초경질층 사이의 결합면적이 증가하게 되므로, 상기 초경질층이 상기 기판에 더 견고하게 결합되는 효과가 있다. 또한, 상기 지지부가 마모되면 상기 초경질층의 외주는 톱니바퀴 형태로 암반에 회전접촉하게 되는데, 그 암반보다 경도가 높은 초경질층의 절삭인선이 복수개가 형성되게 되므로, 암반을 절삭하여 굴착하는 성능 이 종래의 굴착 공구용 소결체보다 현저히 향상되는 효과가 있다.

이와 같이 종래의 굴착 공구용 소결체와 같은 회전수를 유지하면서도 암반을 굴착하는 성능이 현저하게 증가하는 굴착 공구용 소결체를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

1. 기둥 형상을 가지는 몸체부와, 그 몸체부로부터 그 몸체부의 길이방향으로 연장되며 그 몸체부의 둘레방향으로 이격되어 배치된 복수의 지지부와, 상기 몸체부와 상기 지지부들에 의해 형성되는 공간인 수용부를 가지며, 텅스텐과 코발트 합금으로 이루어진 기판; 및

   상기 수용부에 상기 기판보다 경도가 높은 초경질 재료가 분말형태로 채워진 후 고온 및 고압하에서 소결처리되어 상기 기판과 결합된 초경질층;을 포함하는 굴착 공구용 소결체.
2. 제1항에 있어서,

   상기 초경질층는 다이아몬드, 입방정 질화붕소(cubic boron nitride) 중 적어도 하나 이상의 재료가 포함된 것을 특징으로 하는 굴착 공구용 소결체.
3. 제1항에 있어서,

   상기 지지부들은 상기 몸체부의 외주를 따라 배치된 것을 특징으로 하는 굴착 공구용 소결체.
4. 제1항에 있어서

   상기 각 지지부와 상기 초경질층이 인접하는 계면은 상기 몸체부의 길이방향 과 교차하는 것을 특징으로 하는 굴착 공구용 소결체.
5. 제1항에 있어서,

   상기 각 지지부와 상기 초경질층이 인접하는 계면은 상기 몸체부의 길이방향과 평행한 것을 특징으로 하는 굴착 공구용 소결체.
6. 제1항에 있어서,

   상기 지지부들은 일정한 간격으로 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 굴착 공구용 소결체.
7. 원기둥 형상을 가지는 몸체부와, 그 몸체부로부터 그 몸체부의 길이방향으로 연장되며 그 몸체부의 둘레방향으로 이격되어 배치된 복수의 지지부와, 상기 몸체부와 상기 지지부들에 의해 형성되는 공간인 수용부를 가지며, 텅스텐과 코발트 합금으로 이루어진 기판; 및

   상기 수용부에 상기 기판보다 경도가 높은 초경질 재료가 분말형태로 채워진 후 고온 및 고압하에서 소결처리되어 상기 기판과 결합된 초경질층;을 포함하여,

   상기 지지부와 인접하는 상기 초경질층의 모서리들이 복수의 절삭인선을 형성하는 것을 특징으로 하는 굴착 공구용 소결체.
8. 제7항에 있어서,

   상기 몸체부의 직경이 10mm 미만인 경우에, 상기 지지부의 개수는 2개 내지 10개인 것을 특징으로 하는 굴착 공구용 소결체.
9. 제7항에 있어서,

   상기 몸체부의 직경이 10mm 이상 20mm 미만인 경우에, 상기 지지부의 개수는 2개 내지 30개인 것을 특징으로 하는 굴착 공구용 소결체.
10. 제7항에 있어서,

    상기 몸체부의 직경이 20mm 이상 100mm 이하인 경우에, 상기 지지부의 개수는 2개 내지 100개인 것을 특징으로 하는 굴착 공구용 소결체.

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