KR20090035722A

KR20090035722A - 연마 콤팩트

Info

Publication number: KR20090035722A
Application number: KR1020097004082A
Authority: KR
Inventors: 지오프리 존 데이비스; 모시마네가페 스테펜 마세테
Original assignee: 엘리먼트 씩스 (프로덕션) (피티와이) 리미티드
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2009-04-10
Also published as: ZA200900665B; US20090307987A1; WO2008012781A2; CN101506397B; US20140123564A1; JP5268908B2; CN101506397A; WO2008012781A3; RU2009106713A; EP2049697A2; RU2453623C2; JP2009544479A; CA2658353A1

Abstract

연마 콤팩트, 특히 초경질 다결정질 연마 콤팩트는 고압/고온 조건 하에 제조되고, 이는 초경질 입자의 보다 미세한 그레인의 분획 전체에 걸쳐 초경질 입자의 보다 굵은 그레인의 분획이, 개별적인 보다 굵은 그레인들이 주로 서로 격리되게 하는 방식으로 비-퍼콜레이티브하게 분포된 것을 특징으로 하며, 이는 보다 미세한 그레인의 초경질 입자 매트릭스로서 여겨질 수 있다. 그러므로, 이는 보다 큰 그레인들이 내부에 분산된 고도의 내마모성을 갖는 보다 미세한 그레인 물질의 매트릭스로서 역할을 하여, 개별적이거나 또는 다르게 조합된 두 성분들의 성질들에 비해 유리한 마모 및 충격 성능을 갖는 구조체를 제공한다.

Description

연마 콤팩트{ABRASIVE COMPACTS}

본 발명은 연마 콤팩트에 관한 것이다.

연마 콤팩트는 절삭, 밀링, 그라인딩, 드릴링 및 기타 연마 작업에서 널리 사용된다. 연마 콤팩트는 응집성의 다결정질 집성체(conglomerate)로 결합되는 초경질 입자, 전형적으로 다이아몬드 또는 입방정 질화 붕소의 매스(mass)로 구성된다. 연마 콤팩트의 연마 입자 함량은 높고, 일반적으로 많은 양의 직접적인 입자-대-입자 결합 또는 접촉이 존재한다. 연마 콤팩트는 일반적으로 상기 연마 입자(다이아몬드 또는 육방정 질화 붕소임)가 결정학적 또는 열역학적으로 안정한 승온 및 승압 조건 하에 소결된다.

일부 연마 콤팩트는 촉매/용매 또는 결합제 물질을 함유하는 제 2 상을 추가로 가질 수 있다. 다결정질 다이아몬드 콤팩트의 경우, 이러한 제 2 상은 전형적으로 금속, 예컨대 코발트, 니켈, 철 또는 하나 이상의 이런 금속을 함유하는 합금이다. PCBN의 경우, 이런 결합제 물질은 전형적으로 다양한 세라믹 화합물들을 포함한다.

연마 콤팩트는 부서지기 쉬운 경향이 있고, 사용 시에 이들은 종종 초경(cemented) 탄화물 기재 또는 지지체와 결함됨에 의해 지지된다. 이런 지지된 연마 콤팩트는 복합 연마 콤팩트로서 당업계에 공지되어 있다. 복합 연마 콤팩트는 연마 장비의 작업 표면에서와 같이 사용될 수 있다. 절삭용 표면 또는 에지는 전형적으로 초경 탄화물 지지체로부터 최대로 멀리 떨어진 초경질 층 표면에 의해 한정된다.

복합 연마 콤팩트의 예는 미국 특허 제3,745,623호, 제3,767,371호 및 제3,743,489호에 기재 내용에서 찾을 수 있다.

복합 연마 콤팩트는, 연마 콤팩트를 초경 탄화물 기재 상에 미립자 형태로 형성하는데 필요한 성분들을 위치시킴에 의해 일반적으로 제조된다. 이들 성분들의 조성은 전형적으로 목적하는 용도의 구조를 성취하기 위해 조정된다. 상기 성분들은, 초경질 입자 외에 용매/촉매 분말, 소결 또는 결합제 보조 물질을 포함할 수 있다. 이런 비결합된 어셈블리를 반응 캡슐에 넣고, 이후 이를 통상적인 고압/고온 장치의 반응 구역에 위치시킨다. 상기 반응 캡슐의 내용물은 이후 적합한 승온 및 승압 조건으로 처리된다.

사용자가 절삭 부재의 마모 없이 보다 많은 양의 작업편(workpiece)을 절삭, 드릴링 또는 기계가공할 수 있도록 초경질 연마 층의 연마 내성을 개선하는 것이 바람직하다. 이는 전형적으로 변수, 예컨대 평균 초경질 입자 그레인 크기, 전체 결합제 함량, 초경질 입자 밀도 등을 조정함에 의해 성취된다.

예컨대, 구성성분 초경질 입자의 전체 그레인 크기를 감소시킴에 의해 초경 질 복합체의 내연마성을 증가시키는 것이 당업계에 공지되어 있다. 그러나, 전형적으로, 이들 물질들이 보다 내마모성으로 제조됨에 따라, 이들은 보다 부서지기 쉽거나 파괴되는 경향이 있다. 그러므로, 마모 성능의 개선을 위해 설계된 연마 콤팩트는 쪼개짐(spalling)에 대해 불량한 충격 강도 또는 감소된 내성을 가지는 경향이 있을 것이다. 이런 충격 내성과 마모 내성 사이의 맞교환(trade-off)은 특히 요구되는 용도에 최적화된 연마 콤팩트 구조를 설계하는 것을 고유하게 자기-제한적으로 만든다.

또한, 보다 미세한 그레인의 구조체는 전형적으로 보다 많은 용매/촉매 또는 금속 결합제를 함유하게 되기 때문에, 이들은 보다 굵은 그레인의 구조체와 비교 시에 감소된 열 안정성을 보이는 경향이 있다. 보다 미세한 그레인의 구조에 대한 최적 성질에서의 이러한 감소는, 비록 증가된 내마모성이 최적 성능에 필요한 실용적인 적용에 있어서 상당한 문제를 야기할 수 있다.

이런 문제를 해결하는 종래의 방법은, 초경질 연마 층 내에 다양한 방식으로 보다 미세한 및 보다 굵은 초경질 입자 등급 모두의 성질을 조합시킴에 의해 보완하려는 시도를 전형적으로 포함한다.

당업계에 공지된 해결법 중 하나는 상이한 평균 그레인 크기의 개별 영역들을 함유하는 초경질 층 내에서의 거시적 구조, 예컨대 층 또는 고리의 사용을 포함한다.

미국 특허 제4,311,490호는, 결합된 연마 입자들이 탄화물 지지체에 인접한 굵은 층 및 이 위에 위치된 절삭 표면으로서의 미세한 층을 포함하는 연마 콤팩트 를 기재한다.

미국 특허 제4,861,350호는, 연마 콤팩트가 포개지는(interlocking) 통상의 경계에 의해 연결되는 두 개의 구역을 갖는 초경 탄화물 지지체에 결합된 연마 콤팩트를 포함하는 장비 구성품을 기재한다. 상기 구역 중 한 구역은 상기 장비 구성품에 절삭 에지 또는 절삭점을 제공하고, 다른 구역은 초경 탄화물 지지체에 결합된다. 상기 장비 구성품의 하나의 실시양태에서, 절삭 에지 또는 절삭점을 제공하는 구역은 다른 구역의 초경질 연마 입자보다 미세한 초경질 연마 입자를 갖는다.

미국 특허 제5,645,617호는, 복합 구조체 중에 각각 상이한 평균 입자 크기를 갖는 층들의 사용을 또한 교시한다. 이 경우, 상기 구조체는 보다 미세한 그레인의 층들이 탄화물 지지체에 인접하고, 보다 굵은 그레인의 층들은 절삭 표면을 포함하도록 배열된다. 이러한 배열은 개선된 성능을 갖는 콤팩트를 생성하는 우수한 소결 성질을 가능케 하는 것이 개시되어 있다.

미국 특허 제6,187,068호는, 초경질 입자들을, 불연속적 입자 크기 지역의 측방향으로 이격된 영역(층이 아님)으로 분리하는 것을 교시한다. 보다 미세한 크기 입자로 형성된 지역이 보다 높은 내연마성을 제공하여 보다 낮은 마모율을 제공하는 것을 개시한다. 보다 굵은 크기의 입자들의 지역에 대해서는, 유리한 마모 패턴이 개시되어 있다.

미국 특허 제6,193,001호는, 절삭층과 기재층 사이 또는 절삭층과 다양한 중간 전이층 사이의 거시적 비균일 계면의 사용을 교시한다. 이들 층들은 전형적으 로 상이한 물질 유형으로 이루어지거나, 상이한 물리적 성질, 예컨대 그레인 크기로 이루어질 수 있다. 그 층 또는 영역은, 소결 이전에 그린 상태(green state)로 압축되는 다양한 상호연결 시트 또는 영역을 엠보싱(embossing)시킴에 의해 생성된다.

이러한 해결책이 갖는 문제는, 상이한 물질 유형의 지역이 여전히 매우 큰 크기, 즉 개별 그레인의 스케일보다 수배 더 큰 크기로 존재하는 것이다. 그러므로, 각 영역은 포함 물질의 전체 마모 및 충격 내성에 의해 여전히 제한된다. 미세한 및 굵은 그레인의 구조체의 성질들의 최적 블렌드의 성취보다는, 상기 콤팩트는 이들 마모 및 충격 내성 모두의 약화로 인한 약점을 갖는 경향이 있다. 또한, 불연속적 입자 크기 지역의 상이한 성질들은 영역간 경계를 따라 상당한 응력을 생성하고, 이는 이들 자신이 다결정질 물질의 파괴적 파열을 초래할 수 있다.

이런 유형의 해결책의 또 다른 제한점은 전술된 방법에서 전형적인 것보다 더 미세한 스케일 상에 불연속적 물질 영역들을 조합시키는 것을 포함한다. 이는 보통 서로 위빙되고(woven) 패킹되는 상이한 물질 상들의 미시적 구조 단위들을 오더링(ordering)하는 것을 포함한다. 미국 특허 제6,696,137호; 제6,607,835호; 제6,451,442호 및 제6,841,260호는 이런 유형의 실시양태에 대한 몇몇 예비 합성 경로를 기재하고 있다. 전형적으로 이들은 그린 상태로 복합 물질들을 함께 압출 및/또는 위빙한 후, 3차원 구조로 이들을 패킹하는 것을 포함한다. 이들 경로 모두는 매우 기술 집약적이므로, 비용이 매우 비싸다. 또한, 예비 합성 관리 제한 때문에, 이들은 물질 성능에 치명적 영향을 주는 경향이 있는 매우 복잡한 화학 조성 물에 의존한다.

미국 특허 제7,070,635호는 보다 굵은 그레인의 다이아몬드의 매트릭스에 분산된 미세한 다이아몬드의 집합체를 포함하는 다결정질 다이아몬드 부재를 개시한다. 이러한 구조는, 보다 큰 쪼개짐(spalling)보다는 보다 작은 치핑(chipping)으로 충격 파괴(impact failure)를 블래싱(blasing)함에 의해 성질을 개선함을 개시한다. 이런 구조에서의 문제점은, 충격 파괴가 우수하게 제어될 수는 있지만 콤팩트의 내마모성은 여전히 보다 굵은 그레인의 매트릭스에 의해 지배되므로, 요구되는 용도에 불충분한 경향이 있다.

보다 굵은 및 보다 미세한 구조 사이의 성질들의 최적 결합을 성취하는 문제를 해결하기 위한 다른 방법은 상이한 크기의 초경질 그레인의 밀접한 분말 혼합물의 사용에 있다. 이들은 전형적으로 최종 콤팩트를 소결하기 이전에 가능한 균질하게 혼합된다. 초경질 입자들의 (2가지의 입자 크기 분획들을 포함하는) 쌍봉형(bimodal) 분포 및 (3가지 이상의 입자 크기 분획들을 포함하는) 다봉형(multimodal) 분포 모두가 당업계에 공지되어 있다.

미국 특허 제4,604,106호는, 내부에 분산된(interpersed) 다이아몬드 결정들의 하나 이상의 층 및 예비-초경 탄화물 단편들을 포함하되, 이들은 함께 초고압 및 초고온에서 소결되는 복합 다결정질 다이아몬드 콤팩트를 기재한다. 하나의 실시양태에서, 입자의 65%가 4 내지 8 ㎛이고, 입자의 35%가 0.5 내지 1 ㎛ 크기인 다이아몬드 입자들의 혼합물이 사용된다. 이 해결책의 구체적인 문제점은 코발트 초경 탄화물이 초경질 층의 코발트 초경 탄화물 부분의 내연마성을 감소시키는 것 이다.

미국 특허 제4,636,253호는 개선된 연마 절삭 부재를 성취하기 위한 쌍봉형 분포의 이용을 교시한다. 굵은 다이아몬드(3 ㎛보다 큰 입자 크기) 및 미세한 다이아몬드(1 ㎛보다 작은 입자 크기)는, 굵은 분획이 상기 초경질 입자 매스의 60 내지 90%를 이루며, 미세한 분획이 잔부를 이루도록 결합된다. 굵은 분획은 삼봉형 분포를 또한 가질 수 있다.

미국 특허 제5,011,514호는 복수의 개별적으로 금속-코팅된 다이아몬드 입자를 포함하는 열적으로 안정된 다이아몬드 콤팩트를 기재하며, 여기서 인접 입자들 사이의 금속 코팅들은 서로 결합되어 초경 매트릭스를 형성한다. 금속 코팅의 예는 예컨대 텅스텐, 탄탈 및 몰리브덴과 같은 탄화물 형성체(former)이다. 개별적으로 금속-코팅된 다이아몬드 입자들은 다이아몬드 합성 온도 및 압력 조건 하에 결합된다. 상기 특허는 코팅된 입자들 사이의 간극에 존재하는 비코팅된 작은 크기의 다이아몬드 입자들과 금속-코팅된 다이아몬드 입자들을 혼합시키는 것을 추가로 개시한다. 상기 보다 작은 입자들은 공극율을 감소시키고, 콤팩트의 다이아몬드 함량을 증가시키는 것으로 개시되어 있다. 쌍봉형 콤팩트(2가지의 상이한 입자 크기) 및 삼봉형 콤팩트(3가지의 상이한 입자 크기)의 예가 기재되어 있다.

미국 특허 제5,468,268호 및 제5,505,748호는 초경질 입자 크기들의 혼합물을 포함하는 매스로부터의 초경질 콤팩트의 제조를 기재한다. 이런 방법의 이용은 입자들의 크기 분포를 폭 넓게하는 효과를 가져 보다 근접된 패킹을 가능케하고, 결합제 풀(pool) 형성을 최소화(결합제가 존재하는 경우) 할 수 있다.

미국 특허 제5,855,996호는 상이한 크기의 다이아몬드를 혼입시킨 다결정질 다이아몬드 콤팩트를 기재한다. 구체적으로, 이는 보다 조밀하게 패킹된 콤팩트를 생성하기 위해 서브-미크론 크기의 다이아몬드 입자들을 보다 큰 크기의 다이아몬드 입자들과 혼합시키는 것을 기재한다.

미국 특허 출원 공보 제2004/0062928호는, 다이아몬드 입자 믹스가 약 15 내지 70 ㎛ 범위의 평균 입자 크기를 갖는 굵은 분획 약 60 내지 90% 및 굵은 분획의 평균 입자 크기의 약 1/2 미만의 평균 입자 크기를 갖는 미세한 분획을 포함하는, 다결정질 다이아몬드 콤팩트의 제조 방법을 또한 기재한다. 이 블렌드가 개선된 물질 성질을 제공함이 개시되어 있다.

이런 일반적 방법의 문제점은, 굵은 또는 미세한 그레인의 분획 단독인 경우와 비교 시에 마모 및 충격 내성을 개선할 수는 있지만, 이들 성질들은 여전히 양보되는 경향, 즉 그 블렌드는 보다 미세한 그레인의 물질 단독인 경우와 비교 시에 감소된 내마모성을 갖고, 보다 굵은 그레인의 분획과 비교 시에 감소된 내충격성을 갖는다. 그러므로, 밀접한 입자 크기들의 혼합물의 사용의 결과는 간단하게는 평균 중간 입자 크기 특성을 성취하는 것이다.

그러므로, 보다 미세한 그레인의 물질의 우수한 내마모성을 지속적으로 보유하면서 보다 굵은 그레인의 물질에 일치하는 충격 및 피로 내성의 개선된 성질을 성취할 수 있는 연마 콤팩트의 개발이 매우 요망된다.

발명의 요약

본 발명의 하나의 양태에 따르면, 보다 굵은 평균 입자 그레인 크기를 갖는 초경질 연마 입자로 된 제 1 분획 및 보다 미세한 평균 입자 그레인 크기를 갖는 초경질 연마 입자로 된 제 2 분획을 포함하는 연마 콤팩트가 제공되며, 이때 보다 굵은 평균 입자 그레인 크기를 갖는 초경질 연마 입자로 된 상기 제 1 분획이 보다 미세한 평균 입자 그레인 크기를 갖는 초경질 연마 입자로 된 상기 제 2 분획 전체에 걸쳐 비-퍼콜레이티브(non-percolative)한 방식으로 분포된다.

본 발명은, 연마 콤팩트를 생성하기에 적합한 승온 및 승압 조건으로 초경질 연마 입자의 매스(mass)를 처리하는 단계를 포함하는 연마 콤팩트의 제조 방법을 또한 제공하며, 이때 상기 방법은 보다 굵은 평균 입자 그레인 크기를 갖는 초경질 연마 입자로 된 제 1 분획 및 보다 미세한 평균 입자 그레인 크기를 갖는 초경질 연마 입자로 된 제 2 분획을 갖는 초경질 입자들의 매스를 특징으로 하되, 이때 보다 굵은 평균 입자 그레인 크기를 갖는 초경질 연마 입자로 된 상기 제 1 분획이 보다 미세한 평균 입자 그레인 크기를 갖는 초경질 연마 입자로 된 상기 제 2 분획 전체에 걸쳐 비-퍼콜레이티브한 방식으로 분포된다.

본 발명의 추가의 양태에 따르면, 약 10 미크론 미만의 평균 입자 그레인 크기를 갖는 초경질 연마 입자를 포함하는 연마 콤팩트가 제공되며, 이때 상기 초경질 연마 입자로 된 제 1 분획이 보다 굵은 평균 입자 그레인 크기를 갖고, 상기 초경질 연마 입자로 된 제 2 분획이 보다 미세한 평균 입자 그레인 크기를 가지며, 보다 굵은 평균 입자 그레인 크기를 갖는 초경질 연마 입자로 된 상기 제 1 분획이 보다 미세한 평균 입자 그레인 크기를 갖는 초경질 연마 입자로 된 상기 제 2 분획 전체에 걸쳐 비-퍼콜레이티브한 방식으로 분포된다.

본 발명의 상기 실시양태에서, 보다 굵은 초경질 입자 및 보다 미세한 초경질 입자들은 전형적으로 50/50 혼합물로 제공되며, 보다 굵은 분획의 평균 입자 그레인은 약 8.5 내지 10 ㎛, 바람직하게는 약 9.5 ㎛이고, 보다 미세한 분획의 평균 입자 그레인은 약 1.0 내지 2.5 ㎛, 바람직하게는 약 1.5 ㎛이다.

본 발명은 예컨대 기재의 절삭 또는 연마용의 또는 제품 드릴링에서의 연마 절삭 부재로서의 본 발명의 연마 콤팩트의 용도로 확장된다.

본 발명은 고압/고온 조건 하에 제조된 연마 콤팩트, 특히 초경질 다결정질 연마 콤팩트에 관한 것이다. 상기 연마 콤팩트는, 초경질 입자의 보다 미세한 그레인의 분획 전체에 걸쳐 초경질 입자의 보다 굵은 그레인의 분획이, 개별적인 보다 굵은 입자들이 주로 서로 격리되게 하는 방식으로 비-퍼콜레이티브하게 분포된 것을 특징으로 하며, 이는 보다 미세한 그레인의 초경질 입자 매트릭스로서 여겨질 수 있다.

그러므로, 상기 연마 콤팩트의 복합 물질은 보다 큰 그레인들이 내부에 분산된 고도의 내마모성의 보다 미세한 그레인 물질의 매트릭스로서 역할을 하여, 개별적이거나 또는 다르게 조합된 두 개의 구성성분들의 성질들에 비해 유리한 마모 및 충격 성능을 갖는 구조체를 제공한다.

초경질 연마 입자는 다이아몬드 또는 육방정 질화 붕소일 수 있지만, 바람직하게는 다이아몬드 입자이다.

초경질 연마 입자 매스는 연마 콤팩트를 생성하기에 필요한 공지의 온도 및 압력 조건으로 처리될 것이다. 이들 조건들은 전형적으로 연마 입자 자체를 합성하는데 필요한 것들이다. 일반적으로, 사용되는 압력은 40 내지 70 킬로바의 범위일 것이고, 사용되는 온도는 1300℃ 내지 1600℃의 범위일 것이다.

연마 콤팩트는 일반적으로 및 바람직하게는 존재하는 결합제를 가질 것이다. 상기 결합제는 바람직하게는 사용되는 초경질 연마 입자용 촉매/용매일 것이다. 다이아몬드 및 육방정 질화 붕소용 촉매/용매는 당업계에 공지되어 있다. 다이아몬드의 경우, 결합제는 바람직하게는 코발트, 니켈, 철 또는 이들 금속 중 하나 이상을 함유하는 합금이다.

결합제가 사용되는 경우, 특히 다이아몬드 콤팩트의 경우에서, 콤팩트 제조 동안 연마 입자들의 매스의 침투가 일어날 수 있다. 결합제의 쉼(shim) 또는 층이 이 목적으로 사용될 수 있다. 다르게는, 그리고 바람직하게는, 상기 결합제는 미립자 형태이고, 연마 입자들의 매스와 혼합된다.

연마 콤팩트, 특히 다이아몬드 콤팩트는 일반적으로 초경 탄화물 지지체 또는 기재에 결합되어 복합 연마 콤팩트를 형성할 것이다. 이런 복합 연마 콤팩트를 형성하기 위해, 연마 입자들의 매스는, 콤팩트 제조에 필요한 승온 및 승압 조건으로 처리되기 이전에 초경 탄화물 바디(body)의 표면 상에 위치될 것이다. 초경 탄화물 지지체 또는 기재는 당업계에 공지된 임의의 것, 예컨대 초경 텅스텐 카바이드, 초경 탄탈 카바이드, 초경 티탄 카바이드, 초경 몰리브덴 카바이드 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 이런 탄화물용 결합제 금속은 당업계에 공지된 임의의 것, 예컨대 니켈, 코발트 철 또는 이들 금속들 중 하나 이상을 함유하는 합금일 수 있다. 전형적으로, 이런 결합제는 10 내지 20 질량%의 양으로 존재할 것이지만, 이는 6 질량% 정도로 낮을 수 있다. 일부 결합제 금속은 일반적으로 콤팩트 형성 동안 연마 콤팩트로 침투될 것이다.

본 발명의 콤팩트를 생성하는 방법은 사용되는 연마 입자 혼합물에 의한 특징을 전형적으로 갖는다. 본 공정에서 사용되는 초경질 입자는 천연 또는 합성일 수 있다. 상기 혼합물은 쌍봉형이고, 즉 평균 입자 크기에서 식별가능하게 서로 상이한 보다 굵은 분획 및 보다 미세한 분획의 혼합물을 포함한다. "평균 입자 크기"라는 것은 개별적 입자들이 "평균"을 나타내는 평균 입자 크기를 갖는 크기 범위를 가짐을 의미한다. 그러므로, 비록 한정된 수의 입자들은 명시된 평균 크기를 초과하거나 미만이겠지만, 입자의 다수는 평균 크기에 근접할 것이다. 그러므로, 입자들의 분포에서의 피크는 특정 크기에서 나타날 것이다. 각 초경질 입자 크기 분획에서의 크기 분포는 전형적으로 그 자체로 단봉형(monomodal)이지만, 어떤 경우에는 다봉형일 수 있다. 소결된 콤팩트에서, 용어 "평균 입자 그레인 크기"는 유사한 방식으로 해석되어질 것이다.

초경질 입자의 혼합물은, 보다 굵은 그레인의 입자들이 서로 격리된 최종 콤팩트 구조체를 생성하도록 하는 방식으로 선택된다. 전형적으로 이런 격리는, 보다 굵은 그레인의 배열이 복합 구조체에서 비-퍼콜레이티브한 식으로 되어 있다고 표현될 수 있다. 따라서, 상호연결된 또는 바로 인접된 보다 굵은 그레인들을 통한 상기 복합체의 한 면 또는 표면으로부터 또 하나의 면 또는 표면으로의 연속적인 경로는 없다.

퍼콜레이션(percolation) 이론은 다중상 복합물(즉, 두 개 이상의 불연속적 물질 상을 포함하는 복합물)의 성질을 기재하기 위해 사용된다. 이들 물질들이 에너지 또는 물질 플럭스(matter flux)에 노출 시에 이들의 반응 또는 성질에서 차이를 갖는 경우, 퍼콜레이션 이론은 에너지 또는 물질 플럭스에 노출 시에 완전 다중상 복합물의 전체 성질을 설명하기 위해 사용될 수 있다.

예컨대, 높은 전기 전도도의 입자들이 낮은 전기 전도도의 매트릭스 상에 매립되어 있는 시스템에서, 복합물 내에 전도성 성분에 의해 형성된 연속적 경로가 없으면, 비교적 낮은 전체 전도도를 갖는 바디가 예상된다. 그러나, 전도성 입자의 특정 체적 분획을 초과하는 경우, 바디의 길이를 잇는(spanning) 연속적 전도성 경로를 형성할 가능성이 커질 것이다. 이 시점에서, 바디는 높은 전기 전도도를 보이기 시작할 것이다. 이러한 임계 체적 분획(이는 전도성 입자들의 모양 및 분포와 같은 몇몇 인자들에 의존한다)에서, 상기 물질은 전도성 상에 대해 퍼콜레이티브한 성질이라고 언급된다. 이 체적 분획(퍼콜레이션 역치(threshold)로 알려짐) 미만에서, 바디는 비-퍼콜레이티브하다고 말할 수 있다. 그러므로, 임의의 미립자 상에 대해 퍼콜레이티브한 바디는 바디의 길이를 잇는 그 입자 유형의 비-중단된 연결 체인을 용이하게 함유할 것이다. 그러나, 퍼콜레이션 역치 미만에서는, 체적 분획이 충분하게 높지 않기 때문에 연속적인 퍼콜레이티브한 경로의 형성 가능성이 더 낮아지게 될 것이다.

본 발명에서는, 이러한 퍼콜레이티브 역치가 쌍봉형 초경질 복합물의 최적 구조에 대한 제한 인자인 것을 밝혔다. 그러므로, 본 발명의 초경질 복합 구조체는 상기 구조가 보다 굵은 그레인의 초경질 입자 분획에 대해 비-퍼콜레이티브한 것을 특징으로 한다. 이는 도 1에서 추가로 설명되며, 이는 보다 미세한 그레인의 입자(14)의 매트릭스에 분포된 보다 굵은 그레인의 입자(12)를 포함하는 본 발명의 연마 콤팩트의 최적 구조(10)의 개략도이다. (D)는 보다 굵은 그레인 입자(12)의 평균 입자 직경이고, (X)는 보다 굵은 그레인 입자(12) 각각의 중심 사이의 평균 거리이다. 비-퍼콜레이티브한 구조에서, 평균 (X) 값은 평균 (D) 값을 초과할 것이고, 이는 평균적으로 보다 굵은 그레인 입자(12)들 사이에 최소 접촉이 있다는 것을 가리킨다. 자의적 모양의 바디의 길이를 잇는 체인이 존재할 가능성이 0에 근접할지라도, 심지어 보다 굵은 입자의 낮은 분획에서도, 보다 굵은 입자들이 함께 뭉쳐서 몇몇 입자 직경을 잇는 연속적 체인을 형성하는 많은 경우가 있을 수 있다는 것을 주지해야 한다.

주로 보다 미세한 그레인의 매트릭스 복합물에 있는 보다 큰 그레인은 흠(flaw)으로서 작용할 수 있다고 공지되어 있다. 이들은 파괴 초기점으로 작용함에 의해 구조체와 이에 따른 보다 미세한 그레인의 물질의 성질을 손상시키는 경향이 있게 된다. 그러므로, 식별가능하게 미세한 그레인의 매트릭스에 분산된 굵은 그레인을 포함하는 구조체는 보다 미세한 그레인의 물질 단독인 경우에 비해 구조적 장점을 갖지 않을 것이라고 예상된다. 그러나, 충분하게 격리된, 바람직하게는 균질한 또는 잘 분포된 배열로 굵은 입자가 존재하는 경우, 우수한 성질의 물질을 생성할 수 있음이 놀랍게도 밝혀졌다. 지금까지 알려져 있지 않은 이러한 장점들은 최종 구조체에서 굵은 그레인들간의 분리에 기인하고, 이는 상기 물질이 최종 성질을 약화시키는 성분을 갖지 않는 진정 복합 구조체로서 역할을 하는 것을 보증하는 것으로 여겨진다. 또한, 보다 미세한 그레인의 초경질 복합체 부분의 소결 성질에서의 긍정적인 변화는 보다 굵은 그레인의 존재에 의해 생긴 것일 수 있다.

초경질 콤팩트에 대한 퍼콜레이티브 역치는 성분 입자의 특성과 관련된 다양한 인자들, 예컨대 크기 또는 모양을 기준으로 하여 측정될 수 있다. 본 발명의 가장 바람직한 전체 입자 크기는 20 ㎛ 미만이다. 이들 크기에서, 보다 굵은 분획에 대한 퍼콜레이션 역치는 전형적으로 약 60% 미만의 굵은 입자이고, 잔부는 보다 미세한 분획을 포함하는 것이 밝혀졌다. 보다 바람직한 보다 굵은 분획의 체적 분획은 약 55% 미만이고, 가장 바람직하게는 약 50%이다. 보다 굵은 입자의 분획이 너무 작게 되는 경우, 전형적으로 성질 개선이 관찰되지 않는다. 그러므로, 보다 굵은 그레인의 성분은 적어도 약 20%를 초과해야 한다.

보다 굵은 및 보다 미세한 그레인의 입자들의 크기 사이에서 바람직한 비가 존재함이 또한 밝혀졌다. 가장 최적의 배열은 보다 굵은 입자의 크기 대 보다 미세한 입자의 크기의 비가 2:1 내지 10:1, 보다 바람직하게는 3:1 내지 8:1, 및 가장 바람직하게는 5:1 내지 7:1에서 발생하는 것으로 나타난다.

본 발명의 추가의 양태는 전형적으로 10 ㎛ 미만의 전체적으로 보다 미세한 평균 그레인 크기(즉, 미세한 분획 및 굵은 분획 모두의 평균)의 구조 유형의 사용에 있다.

본 발명의 하나의 바람직한 실시양태에서, 약 1 내지 2.5 ㎛, 바람직하게는 약 1.5 ㎛의 평균 입자 크기의 보다 미세한 분획, 및 약 8.5 내지 10 ㎛, 바람직하게는 약 9.5 ㎛의 평균 입자 크기의 보다 굵은 분획을 갖는 다이아몬드 입자들의 50/50 혼합물이 제공된다. 추가 1 질량%의 코발트 촉매/용매 분말이, 이러한 계에서 최적 소결 공정을 성취하는데 도움을 주는 것으로 밝혀졌기 때문에 상기 다이아몬드 분말 혼합물로 첨가된다. 이러한 복합 구조체는 다결정질 다이아몬드 단독의 단일 분획으로 제조된 복합물과 비교 시에 및 동일한 전체 평균 그레인 크기를 갖는 복합물과 비교 시에 우수한 마모 및 충격 내성의 조합을 갖는다.

본 발명의 추가의 바람직한 실시양태에서, 약 0.5 내지 1.0 ㎛, 바람직하게는 약 0.7 ㎛의 평균 입자 크기의 보다 미세한 분획, 및 약 4 내지 6 ㎛, 바람직하게는 약 4.5 ㎛의 평균 입자 크기의 보다 굵은 분획을 갖는 다이아몬드 입자들의 50/50 혼합물이 제공된다. 추가 1 질량%의 코발트 촉매/용매 분말이, 이러한 계에서 최적 소결 공정을 성취하는데 도움을 주는 것으로 밝혀졌기 때문에 상기 다이아몬드 분말 혼합물로 첨가된다. 이러한 복합 구조체는 다결정질 다이아몬드 단독의 단일 분획으로 제조된 복합물과 비교 시에 및 동일한 전체 평균 그레인 크기를 갖는 복합물과 비교 시에 우수한 마모 및 충격 내성의 조합을 갖는다.

이제 본 발명은 하기 비제한적 실시예에 의해 예시된다.

실시예 1

적합한 쌍봉형 다이아몬드 분말 혼합물을 제조했다. 최종 다이아몬드 혼합물 중 1 중량%를 수득하기에 충분한 양의 서브-미크론 코발트 분말을 1시간 동안 WC 밀링 매질을 갖는 볼 밀(ball mill)에서 메탄올 슬러리로 초기에 분쇄(de-agglomerate)시켰다. 이후 1.5 ㎛의 평균 그레인 크기를 갖는 다이아몬드 분말의 미세한 분획을 최종 혼합물 중 49.5 질량%가 수득되는 양으로 상기 슬러리에 첨가하였다. 적합한 슬러리를 수득하기 위해 추가 밀링 매질을 도입하고, 추가 메탄올을 첨가하고, 이를 추가 1시간 동안 밀링하였다. 이후 약 9.5 ㎛의 평균 그레인 크기를 갖는 다이아몬드의 굵은 분획을 최종 혼합물 중 49.5 질량%가 수득되는 양으로 상기 슬러리에 첨가하였다. 상기 슬러리를 다시 추가 메탄올 및 밀링 매질로 보충한 후, 추가 2시간 동안 밀링하였다. 상기 슬러리를 볼 밀로부터 꺼내어, 건조시켜 다이아몬드 분말 혼합물을 수득하였다.

이후 상기 다이아몬드 분말 혼합물을 WC 기재에 인접한 적합한 HpHT 용기에 넣고, 통상의 HpHT 조건 하에 소결하여 최종 연마 콤팩트를 수득하였다.

도 2는 보다 미세한 그레인의 매트릭스 내에서의 굵은 그레인의 퍼콜레이티브한 분포를 보여주는 샘플의 상이한 배율에서의 2개의 주사 전자 현미경 사진을 도시한다. 굵은 입자들을 서로 격리시키는 평균적 효과는, 특히 2500 배의 보다 높은 배율에서 명확하다.

콤팩트를 표준 용도에 기초한 시험으로 시험하였고, 여기서 단봉형 분포를 갖는 유사한 평균 다이아몬드 그레인 크기를 갖는 종래의 콤팩트의 경우에 비해 상당한 성능 개선을 보였다. 도 3은, 시험 중 동일 단계에서 종래의 콤팩트(30)(WC 기재(32); 다결정질 다이아몬드 층(34); 마모 스카(36))에 대한, WC 기재(22), 및 마모 스카(scar)(26)을 갖는 다결정질 다이아몬드 층(24)을 포함하는 본 발명의 콤팩트(20)의 상대적 성능의 이미지를 도시하며, 여기서 종래 기술의 콤팩트(30)의 증가된 마모 속도 및 치핑(chipping)의 증거가 매우 뚜렷하다.

실시예 2

사용된 다이아몬드 그레인 크기가 각각 미세한 분획에 대해서는 0.7 ㎛ 및 굵은 분획에 대해서는 4.5 ㎛인 것을 제외하고는, 실시예 1의 방법과 유사하게 쌍봉형 다이아몬드 혼합물을 제조하였다. 다이아몬드 콤팩트를 동일한 방식으로 제조하고, 유사한 환경 하에 시험하였다. 이 역시 유사한 그레인 크기를 갖는 종래의 단봉형 콤팩트와 비교 시에 용도에 기초한 성능에서의 상당한 개선을 보였다.

Claims

보다 굵은(coarser) 평균 입자 그레인 크기를 갖는 초경질 연마 입자로 된 제 1 분획 및 보다 미세한(finer) 평균 입자 그레인 크기를 갖는 초경질 연마 입자로 된 제 2 분획을 포함하는 연마 콤팩트(abrasive compact)로서,

보다 굵은 평균 입자 그레인 크기를 갖는 초경질 연마 입자로 된 상기 제 1 분획이 보다 미세한 평균 입자 그레인 크기를 갖는 초경질 연마 입자로 된 상기 제 2 분획 전체에 걸쳐 비-퍼콜레이티브(non-percolative)한 방식으로 분포된 연마 콤팩트.
제 1 항에 있어서,

상기 연마 콤팩트가 20 ㎛ 미만의 전체 평균 입자 그레인 크기를 갖는 연마 콤팩트.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 초경질 연마 입자로 된 제 1 분획이 상기 연마 콤팩트의 약 60% 미만을 구성하는 연마 콤팩트.
제 3 항에 있어서,

상기 초경질 연마 입자로 된 제 1 분획이 상기 콤팩트의 초경질 연마 상의 약 55% 미만을 구성하는 연마 콤팩트.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 초경질 연마 입자로 된 제 1 분획이 상기 콤팩트의 초경질 연마 상의 약 20% 초과를 구성하는 연마 콤팩트.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 초경질 연마 입자로 된 제 1 분획이 상기 콤팩트의 초경질 연마 상의 약 50%를 구성하는 연마 콤팩트.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

제 1 분획의 개별 초경질 연마 입자들의 중심 사이의 평균 거리(X)가 제 1 분획의 개별 초경질 연마 입자의 평균 입자 직경(D)보다 큰 연마 콤팩트.
제 1 항 내지 제 7 항에 있어서,

제 1 분획의 초경질 연마 입자의 평균 크기 대 제 2 분획의 초경질 연마 입자의 평균 크기의 비가 2:1 초과인 연마 콤팩트.
제 8 항에 있어서,

제 1 분획의 초경질 연마 입자의 평균 크기 대 제 2 분획의 초경질 연마 입자의 평균 크기의 비가 3:1 초과인 연마 콤팩트.
제 1 항 내지 제 9 항에 있어서,

제 1 분획의 초경질 연마 입자의 평균 크기 대 제 2 분획의 초경질 연마 입자의 평균 크기의 비가 10:1 미만인 연마 콤팩트.
제 10 항에 있어서,

제 1 분획의 초경질 연마 입자의 평균 크기 대 제 2 분획의 초경질 연마 입자의 평균 크기의 비가 6:1 미만인 연마 콤팩트.
제 11 항에 있어서,

제 1 분획의 초경질 연마 입자의 평균 크기 대 제 2 분획의 초경질 연마 입자의 평균 크기의 비가 5:1 미만인 연마 콤팩트.
약 10 미크론 미만의 평균 입자 그레인 크기를 갖는 초경질 연마 입자를 포함하는 연마 콤팩트로서,

상기 초경질 연마 입자로 된 제 1 분획이 보다 굵은 평균 입자 그레인 크기를 갖고, 상기 초경질 연마 입자로 된 제 2 분획이 보다 미세한 평균 입자 그레인 크기를 갖되,

보다 굵은 평균 입자 그레인 크기를 갖는 초경질 연마 입자로 된 상기 제 1 분획이 보다 미세한 평균 입자 그레인 크기를 갖는 초경질 연마 입자로 된 상기 제 2 분획 전체에 걸쳐 비-퍼콜레이티브한 방식으로 분포된 연마 콤팩트.
제 13 항에 있어서,

보다 굵은 초경질 입자 및 보다 미세한 초경질 입자들이 대략 50/50 혼합물로 제공되고, 보다 굵은 분획의 평균 입자 그레인 크기가 약 8.5 내지 10 ㎛이고, 보다 미세한 분획의 평균 입자 그레인 크기가 약 1.0 내지 2.5 ㎛인 연마 콤팩트.
제 14 항에 있어서,

보다 굵은 분획의 평균 입자 그레인 크기가 약 9.5 ㎛인 연마 콤팩트.
제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,

보다 미세한 분획의 평균 입자 그레인 크기가 약 1.5 ㎛인 연마 콤팩트.
제 13 항에 있어서,

보다 굵은 초경질 입자 및 보다 미세한 초경질 입자들이 대략 50/50 혼합물로 제공되고, 보다 굵은 분획의 평균 입자 그레인 크기가 약 4 내지 6 ㎛이고, 보다 미세한 분획의 평균 입자 그레인 크기가 약 0.5 내지 1 ㎛인 연마 콤팩트.
제 14 항에 있어서,

보다 굵은 분획의 평균 입자 그레인 크기가 약 4.5 ㎛인 연마 콤팩트.
제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,

보다 미세한 분획의 평균 입자 그레인 크기가 약 0.7 ㎛인 연마 콤팩트.