KR20090097867A - 피삭성이 향상된 연마 콤팩트 - Google Patents

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Abstract

연마 콤팩트는, 5000 KHN 이상의 누프 경도를 갖는 초 경질의 입자를 구비할 수 있는 초 경질 상, 소결 촉매, 및 초 경질 상의 누프 경도 보다 더 작은 누프 경도를 갖는 촉매-세라믹-화합물을 구비할 수 있는 반응물 상을 포함할 수 있다.
연마 콤팩트, 초 경질 상, 소결 촉매, 반응물 상.

Description

피삭성이 향상된 연마 콤팩트 {ABRASIVE COMPACTS WITH IMPROVED MACHINABILITY}
본 특허 출원은 "피삭성이 향상된 연마 콤팩트" 라는 명칭으로 2006년 12월 13 일에 제출된, 동시 계속 중인 미국 임시 특허 출원 60/869,804 의 우선권 주장을 향유하며, 이 출원의 개시사항은 본 명세서에 전적으로 참조된다.
본 개시는 일반적으로 예를 들어 유용한 형상으로 더 용이하게 형성되는 연마 콤팩트에 관한 것이다.
연마 콤팩트는 드릴링, 보링, 절삭, 밀링, 연삭 및 다른 재료의 제거 작업에서 사용된다. 연마 콤팩트는 소결 또는 결합되거나, 아니면 고형체로 강화된 초 경질 입자로 구성된다. 초 경질 입자는 다이아몬드, 입방정 질화 붕소, 질화 탄소 (CN) 화합물, 붕소-탄소-질소-산소 (BCNO) 화합물 또는 탄화 붕소보다 더 큰 경도를 갖는 임의의 재료일 수 있다. 초 경질 입자는 예를 들어 단결정체 또는 다결정 응집체일 수 있다.
연마 콤팩트는 상업적으로, 다이아몬드계의 경우에는 다이아몬드 또는 다결정 다이아몬드 (PCD) 콤팩트로서, 또는, 입방정 질화 붕소 (cBN) 계의 경우에는 다결정 입방정 질화 붕소 (PCBN) 콤팩트로서 공지되어 있을 수도 있다. 잔여 소 결 촉매가 제거된 연마 콤팩트는 여과되었다거나 열적으로 안정한 콤팩트라고 일컫을 수 있다. 초경 합금 기재와 일체를 이루는 연마 콤팩트는 지지 콤팩트라고 부른다. 지지 연마 콤팩트는, 공학적 구조에 대해 연마 콤팩트를 간단하게 부착할 수 있으며 내충격성, 강도를 향상시킬 수 있는 초경화 기재를 포함한다.
연마 콤팩트는 "블랭크" 또는 "공구 블랭크" 라고 불리는 대형 디스크로 제조되는데, 이로부터는 다수의 다른 방법을 이용하여 각각의 절삭 팁들이 절삭된다.
단일의 초 경질 상, 예를 들어 다이아몬드 또는 입방정 질화 붕소를 필수적으로 기초로 하는 연마 콤팩트는 잘 공지되어 있다. 그러나 이러한 연마 콤팩트는 매우 경질이어서, 연삭하기 어렵고 또는 다른 관점에서는 매끄럽거나 무결함의 표면을 갖고 제어된 치수를 갖는 유용한 부품으로 제작되기 어렵다. 연마 기계가공, 레이져 절삭, 또는 플라즈마 기계 가공에 비용이 굉장히 많이 들어가고 이로써 연마 콤팩트의 상업적인 적용은 제한된다. 하나의 해결방안으로 초 경질의 입자를 가지며 경도가 더 작은 상을 갖는 연마 콤팩트를 생산해오고 있다. 그러나, 이러한 콤팩트들은 상업적으로 더 양호한 특성을 제공하지 않으며, 경도가 더 작은 상의 존재로 인해 소결 촉매의 기능이 방해되기 때문에 일반적으로 결함이 있다.
연마 콤팩트의 결함은 크랙, 칩, 구멍, 내부의 또는 표면의 갈라짐, 스팟, 및 연마 층 또는 전체 공구 블랭크 형상의 다양한 크기와 정도의 왜곡을 말한다. 결함은, 공구의 강도와 사용 수명에 손상을 입히거나 블랭크로부터 유용한 공구를 얻는 것을 방해하기 때문에 바람직하지 않다.
미국 특허 No. 4,016,736 에는 입방정 질화 붕소의 내열성을 활용한 다이아몬드 및 입방정 질화 붕소 콤팩트가 기술되어 있다. 미국 특허 No. 4,797,241 에는 PCD 및 PCBN 각각이 독립적으로 소결된 혼합물을 포함하는 연마 콤팩트가 기술되어 있다. 미국 특허 No. 6,759,128 에는 B-C-N 의 새로운 고상 (solid phase) 의 소결 혼합물이 기술되어 있다. 미국 특허 No. 6,772,849, 4,734,339, 5,755,299 모두에는 드릴 비트를 위한 붕소화물 코팅 PCD 가 기술되어 있다. 미국 특허 No. 5,697,994 에는 내부식성을 향상시키기 위해 다이아몬드 및 입방정 질화 붕소를 포함하는 콤팩트가 기술되어 있다. 그러나, 이러한 인용문헌 중에서 그 어떠한 것도 콤팩트의 경도 제어 또는 향상된 제조에 대해서는 기술하고 있지 않다.
미국 특허 공보 No. 2003/0019106 및 미국 특허 No. 6,596,225 에는 비 반응성 몰드 코팅으로서 육방정 질화 붕소를 사용하는 것이 기술되어 있다. 질화 붕소는 연마 콤팩트의 일부가 아니다.
또한, 액상 촉매, 일반적으로 Fe, Ni, Al, Co, Mn, W, 이들의 합금 또는 혼합물이 용융된 연마 콤팩트를 고압 소결하는 것이 공지되어 있다. 일반적으로, 촉매는 초 경질 입자와 금속 입자를 혼합함으로써 또는 외부 금속 함유원에 접촉시킴으로써 공급될 수 있다. 촉매 금속은 용융되어 조밀한 초 경질의 연마 분말안으로 침투된다. 용융 금속이 초 경질 입자의 접촉 지점에서 등각 접촉함으로써 입자간 결합이 발생한다. 용융 금속이 충분한 지속시간으로 그리고 공간적으로 균일하게 접촉되면, 초 경질의 입자들은, 용해되고, 또한 재석출 또는 재 결 정화되어 초 경질의 입자들 사이에 고품질로 결합된 연속 매트릭트가 제공된다. 콤팩트 소결시, 고품질의 결합이 이루어지면 단결정 초 경질 상의 값에 근접하는 고 경도의 콤팩트가 생산된다. 고 경도를 갖고 미시구조적 결함이 적고 초 경질 입자 사이에서 강한 결합이 이루어지면 콤팩트는 고강도, 고 내연마성, 고 내열성, 및 유용한 파괴 인성을 갖는다. 그러나, 지금까지 전술한 특성들의 조합은, 콤팩트가 매우 어렵게 연삭되며 또는 다른 관점에서는 유용한 형상으로 형성되는 것이 어렵다는 것을 나타내었다. 상업적으로 유용한 공구 블랭크를 생산하기 위해서는, 후속 공정 단계로서, 연마 기계가공, 레이져 절삭, 및 고에너지 플라즈마 기계가공이 필요하였다.
또한, 초 경질의 그릿 (grit) 과 촉매 용융 금속의 불완전 및/또는 불균일한 접촉 또는 불안정한 반응은, 입자간 결합의 질이 낮고 결함이 증가된 콤팩트를 생산한다. 이렇게 결함이 있는 콤팩트는 기계 가공의 어려움은 덜 하지만, 이용에 필요한 연마 성능을 제공하지는 않을 것이다. 이 콤팩트는 사용시 간단하게 쪼개지거나 갈라질 수 있다. 따라서, 부합하는 제어된 경도, 유용한 인성 및 강도를 가지며 제조의 용이성이 향상된 연마 콤팩트는 공지되어 있지 않다.
따라서, 비용 효율적인 공정에 의해 경도, 강도, 및 인성이 높은 수준으로 유지되면서 피삭성이 독립적으로 향상된 콤팩트 또는 생산물이 필요하다.
여기에 포함된 개시 사항은 전술한 하나 이상의 문제점들을 해결하기 위한 시도를 기술하고 있다.
연마 콤팩트가 5000 KHN 이상의 누프 (Knoop) 경도를 갖는 초 경질의 입자를 구비할 수 있는 초 경질 상, 소결 촉매, 및 초 경질 상의 누프 경도보다는 작은 누프 경도를 갖는 촉매 세라믹 화합물을 커버하는 반응물 상을 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 반응물 상은 초 경질 상 입자에 결합된 입자들을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 반응물 상은 3000 KHN 이하의 누프 경도를 가질 수 있다.
일 실시형태에서, 초 경질의 입자는 다이아몬드를 포함하고, 소결 촉매는 Fe, Co, Al, Mn, W 또는 Ni 의 하나 이상을 포함할 수 있으며, 반응물 상은 촉매와 반응물, 즉 육방정 질화 붕소, 그래파이트, 어떠한 금속성 또는 금속간 황화물 또는 인화물의 화합물을 포함한다. 그러나, 다른 실시형태에서는 초 경질 입자가 입방정 질화 붕소를 포함할 수 있으며, 소결 촉매는 Fe, Co, Al, Mn, W 또는 Ni 의 하나 이상을 포함할 수 있으며, 반응물 상은 탄소 또는 붕소 또는 질소를 포함할 수 있다.
일 실시형태가 콤팩트의 약 0.5 중량% ~ 약 20 중량% 를 구성할 수 있는 반응물 상을 포함할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 반응물 상의 평균 입자 크기는 약 0.5 미크론 ~ 약 25 미크론일 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 초 경질 입자의 평균 입자 크기는 약 0.5 미크론 ~ 약 100 미크론일 수 있다. 바람직하게는, 반응물 상의 평균 입자 크기는 초 경질 입자의 평균 입자 크기보다 작다. 반응물 상의 입자 크기는 반응의 내용에 따라 변할 수 있다.
일 실시형태는 연마 콤팩트를 생산하는 방법을 포함할 수 있다. 일 실시형태의 방법은 5000 KHN 이상의 누프 경도를 갖는 초 경질 입자와, 소결 촉매, 및 초 경질 입자의 누프 경도보다 작은 누프 경도를 갖는 반응물 입자를 혼합하여 혼합물을 형성하는 것을 포함한다. 일 실시형태의 방법은 이 혼합물을 소결하여, 반응물 입자와 소결 촉매를 반응시켜, 소결된 콤팩트안에 탄소 함유 화합물 또는 붕소 함유 화합물 (예를 들어, Co6W6B6 또는 W2Co21B6) 의 반응물 상을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시형태의 방법에서, 반응물 입자는 육방정 질화 붕소, 그래파이트, 황화 몰리브덴, 황화 텅스텐, 또는 인화물의 하나 이상을 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 소결 공정은, 혼합물에 약 5 분 ~ 약 300 분의 소결 시간 동안, 약 1000 ℃ ~ 약 2200 ℃ 의 온도 및 약 40 kbar ~ 약 200 kbar 의 압력을 가하는 것을 포함할 수 있다. 또 다른 실시형태의 방법에는 혼합 전에 반응물 입자를 소결 촉매로 예비 코팅하는 것이 더 포함될 수 있다. 다른 실시형태의 방법에는 소결된 콤팩트를 셰이핑 가공 (shaping) 하는 것이 더 포함될 수 있다.
일 실시형태의 연마 콤팩트는, 5000 KHN 이상의 누프 경도를 갖는 초 경질 입자를 구비하는 초 경질 상, 소결 촉매, 및 이 소결 촉매와 육방정 질화 붕소, 그래파이트, 금속성 황화물, 금속간 황화물, 금속성 인화물 또는 금속간 인화물의 하나 이상과의 반응 생성물을 포함할 수 있다. 다른 실시형태는 육방정 질화 붕소, 그래파이트, 금속성 황화물, 금속간 황화물, 금속성 인화물 또는 금속간 인화물의 하나 이상의 비 반응물 상을 더 포함할 수 있다. 일 실시형태의 연마 콤팩트는 3000 KHN 이하의 누프 경도를 갖는 반응 생성물을 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 초 경질의 입자는 다이아몬드 또는 입방정 질화 붕소의 하나 이상을 포함할 수 있으며, 소결 촉매는 Fe, Co, Al, W 및 Ni 의 하나 이상 또는 이러한 원소 중 하나 이상을 구비하는 화합물을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 반응 생성물은 초 경질 상의 누프 경도보다 작은 누프 경도를 가질 수 있다.
본 발명의 특성과 이점에 대하여 더 나은 이해를 위하여, 이하의 설명에는 첨부 도면들이 관련되어 참조된다.
도 1 은 연마 콤팩트를 형성하는 방법의 예시적인 단계들을 도시한 것이다.
본 방법, 시스템 및 재료를 설명하기 전에, 본 개시는 방법, 시스템 및 재료가 변할 수도 있으므로 설명하는 특정한 방법, 시스템, 및 재료에 제한되지 않는 것으로 이해한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 특정한 변형 또는 실시형태를 설명하기 위한 것일 뿐이지, 그 범위를 제한하기 위한 것은 아니라고 이해한다. 예를 들어, 본 명세서 및 첨부된 청구항에서 사용되는 단수형 "a", "an" 및 "the" 는, 문맥상 명쾌하게 나타나 있지 않으면 복수개 표시하는 것을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 사용하는 "포함하는" 이라는 단어는 "포함하지만 그에 제한되지는 않는" 다는 것을 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어들은, 정의되지 않는 한, 해당 기술분야의 보통의 당업자들이 일반적으로 이해하는 바와 동일한 의미를 내포한다. 본 명세서에서 언급하는 모든 공보는 본 명세서에 전적으로 참조되어 있다. 여기에 있는 어떠한 것도 본 발명이 이전 발명에 의해 개시된 사항보다 늦다는 것을 인정하는 것이 아님을 밝혀두는 바이다.
본 명세서에서 "약" 이라는 용어는 그 단어를 사용한 수치에 10 % 를 가감하는 것을 나타낸다. 그러므로, 약 50 % 는 40 % ~ 60 % 의 범위를 의미한다.
본 명세서에서 제시하는 조성은 "추가 백분율" 의 방법으로 표현되어 있다.
본 개시는 일반적으로 더 용이하게 기계 가공할 수 있는 연마 콤팩트와 이를 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히, 개시되는 연마 콤팩트는 초경질 상 (ultra-hard phase), 소결 촉매 상 (sinter catalyst phase), 및 반응물 상 (reaction phase) 을 포함한다. 여기서 더 설명될 반응물 상은 소결 촉매와 반응물 입자를 반응시킴으로써 형성된다.
본 발명의 발명자들은 소결 촉매를 조작하고, 재료에 존재하는 상의 유형 및 양을 선택함으로써 피삭성이 향상된 콤팩트를 제공할 수 있다는 사실을 발견하였다. 특히, 본 발명자들은 촉매와 반응물 입자 (또는 이하에서 설명하는 성분 "A") 들을 선택하고 소결 공정에서 이들을 초경질 입자에 첨가함으로써 초경질 입자보다 더 작은 경도를 갖는 반응 생성물의 반응물 상을 형성할 수 있음을 발견하였다. 이 재료는 새로운 추가적인 결함을 발생시키지 않으며 기계 가공의 어려움을 감소시키고, 유용한 경도, 인성 및 강도를 갖는 연마 콤팩트를 제공한다.
개시되는 연마 콤팩트는 촉매 상과 추가된 세라믹 또는 다른 반응물 성분 간 에 형성된 반응 생성물을 포함한다. 이 반응 생성물은 새로운 비 초경질의 "반응물 상" (여기서는 성분 "B" 로 표시) 이고, 다시 말해, 형성된 연마 콤팩트의 초경질 입자보다 더 유연하다. 그 반응물 또는 반응물 상이 존재하면 임의 레벨의 전환에서도 초경질 그릿 (grits) 을 소결하는 촉매의 기능에 부정적인 영향이 미치지 않을 것이다. 본 개시의 나머지 부분은 비 반응된 반응물 입자 또는 첨가 성분 "A" 와, 소결 촉매와 반응물의 화합물인 비 초경질 상, 즉 반응물 상, 반응 생성물 또는 "B" 에 관한 것이다.
초경질 입자는 본 기술분야에서 일반적으로 사용하는 것이며 예를 들어 다이아몬드, 입방정 질화 붕소 등을 포함한다. 이러한 입자들의 경도는 일반적으로 5,000 KHN 이상의 누프 경도수이다. 초경질 입자의 크기는 경질이며 실질적으로 무결함 제품을 형성하기 위해 소결될 수 있는 본 기술 분야에서 공지된 어떠한 범위, 예를 들어 0.1 ㎛ ~ 100 ㎛ 또는 최대 약 1000 ㎛ 입자 직경일 수 있다. 일 실시형태에서, 초경질의 입자의 크기는 약 2 ㎛ ~ 약 8 ㎛ 일 수 있다. 다른 실시형태에서, 초경질의 입자의 크기는 약 2 ㎛ ~ 약 4 ㎛ 일 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 초경질의 입자의 크기는 약 5 ㎛ ~ 약 8 ㎛ 일 수 있다.
여기에서, 연마 콤팩트에 사용되는 소결 촉매는 본 기술분야에서 현재 공지되어 있는 또는 차후에 공지될 소결 촉매를 포함할 수 있으며, 예를 들어, Fe, Ni, Al, W, Mn, 또는 Co 또는 이들의 합금, 화합물 및 조합물을 포함할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 소결 촉매는 코발트, 코발트/텅스텐 합금, 코발트/텅스텐/카본 화합물 및/또는 카본 및 Fe, Ni, Al, W, Mn 또는 Co 의 조합물을 포함할 수 있 다.
실시형태에서, 성분 "A" 또는 반응물 입자는, 제한하는 것은 아니며, 육방정 질화 붕소 (HBN), 그래파이트, 어떠한 금속성 또는 금속간 황화물 또는 인화물 또는 일반적인 고압 고온 (HPHT) 공정 조건에서 소결 촉매와 어느 정도까지 반응하여 반응-촉매 성분을 형성할 수 있는 유사한 상을 포함할 수 있다. 성분 "A" 입자는 소결 촉매와 반응하고/하거나 변환되어 초경질 입자 및/또는 초경질 상보다 더 유연하면서도 초경질 입자를 결합시키는 촉매 기능을 손상시키지 않는 새로운 상 "B" 를 형성할 수 있도록 택일적으로 선택된다. 성분 "A" 입자는 소결 후에 반응물 상이 연마 콤팩트내에 또는 그 전체에 잘 분산되고 분포될 수 있게 하는 어떠한 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 성분 "A" 입자는 약 0.1 ㎛ ~ 약 50 ㎛ 입자 직경을 가질 수 있다. 성분 "A" 입자의 평균 입자 크기는 혼합시 미세한 분포가 증진되도록 초경질 입자의 크기보다 상당히 더 작을 수 있다. 초경질 입자는 예를 들어 0.1 ㎛ ~ 100 ㎛ 의 범위에서 변하는 입자 크기를 가질 수 있다.
성분 "A" 반응물 입자는 콤팩트의 약 0.5 w/w% ~ 약 20 w/w% 의 양으로 소결 촉매와 초경질 입자에 첨가될 수 있다. 소결 촉매는 콤팩트의 약 10 중량% ~ 약 30 중량% 또는 약 15 중량% ~ 약 25 중량%, 또는 약 18 중량% ~ 약 20 중량% 의 양으로 콤팩트내에 존재할 수 있다. 몇몇의 실시형태에서, 반응물 입자는 콤팩트의 약 2 중량% ~ 약 10 중량% 를 구성할 수 있다. 다른 실시형태에서, 반응물 입자는 콤팩트의 약 3 % ~ 약 9 % 를 구성할 수 있다. 콤팩트의 잔여 중량은 초경질 입자를 포함할 수 있다. 성분 "A" 는 소결 촉매와 반응하고/하거나 소결 촉매에서 또는 이 소결 촉매와 접촉하여 변환된다. 반응 또는 변환은 화학적으로 또는 물리적으로 일어날 수 있고 용융과 같은 것을 포함한다. 성분 "A" 입자와 소결 촉매와의 반응 또는 변환시, 새로운 상 "B" 또는 반응물 상 화합물이 형성된다. 이 새로운 상 "B" 는 바람직하게는 초경질 입자에 잘 결합되며, 초경질 상이 아니다. 이 새로운 상 "B" 는 그 자체로 소결을 위한 촉매가 될 수 있거나 될 수 없다. 이 새로운 상 "B" 는 초경질 입자의 경도보다는 작은 경도를 갖는데 예를 들어 3,000 KHN 보다 작은 경도를 가질 수 있다. 반응물 상 "B" 는 소결시 반응에 의해 얻어질 수 있는 입자 크기 및 결정도 (degree of crystallinity) 를 갖는 탄화물, 붕화물 또는 질화물의 화합물일 수 있다. 여러 실시형태에서, 반응물 상 "B" 는, 조밀한 초경질의 입자에 소결 촉매가 침투를 통해 분포되는데에 부정적으로 영향을 주지 않도록, 소결 촉매를 유인하지도 거부하지도 않을 수 있으며 또는 완전히 사용하지도 않을 수도 있다.
몇몇의 실시형태에서, 성분 "A" 입자가 선택적으로 첨가되고 이것이 소결된 연마 콤팩트에서 "B" 상으로 변환되는 것에 의해, 연삭율이 종래의 콤팩트의 연삭율의 최대 150 % 이상으로 향상될 수 있다. 연삭율은 일반적으로 사용되는 피삭성의 측정법이며, 소결된 연마 제품의 제조에 있어서의 재료 제작 중에 연삭 또는 셰이핑 가공시에 관측된다. 연삭율은, 부동의 연삭 조건에서, 제거되는 연삭 휠의 단위 체적당 제거되는 소결된 연마 콤팩트 체적의 비율이다. 형성된 콤팩트의 경도, 인성 및 강도는 콤팩트의 생산 및 적용에 있어서 유용한 범위 내에 유지된다.
도 1 을 참조하면, 초경질 재료 (11), 소결 촉매 (9) 및 성분 "A" (13) 는 볼 밀 또는 다른 적합한 장치에서 혼합되어 미세한 분산물을 형성한다(단계 10). 혼합된 성분들은 건조되고 (단계 12), 내화재의 금속 컵 안으로 적재되는데 (단계 14), 이 컵안에는 텅스텐 탄화물/코발트 (WC/Co) 디스크와 같은 기재가 배치되어 있다 (단계 14). 그리고 나서, 상기 컵은 HPHT 압력셀 안으로 적재될 수 있으며, 약 5 분 ~ 약 300 분 동안 약 40 kbar ~ 약 200 kbar 의 압력에서 압축될 수 있고 약 1000 ℃ ~ 약 2200 ℃ 로 가열될 수 있다 (단계16). 압력 셀은 압력이 해제될 때 냉각되는 것이 바람직하다. 그리고 나서, 소결된 제품, 즉 연마 콤팩트 (20) 가 제거되고 세정되어 초경질의 연마 콤팩트로 된다. 연마 콤팩트는 초경질의 입자 (22) 와 이 입자들 전체에 분산되어 결합된 반응 생성물 (24) 을 포함한다. 모든 소결 촉매가 필수적으로 반응물와 반응하는 것은 아니며, 최종 제품에는 반응하지 않은 어느 정도의 촉매 (26) 가 남아있을 수 있다. 최종 제품은 보링, 절삭, 밀링, 연삭, 또는 연삭, 방전 가공 (EDM), 레이져 절삭 등에 의한 다른 어떠한 재료의 제거 작업시 사용될 수 있다.
전술한 연마 콤팩트를 준비하기 위한 방법은 본 발명의 실시형태에 의해 완수된다. 본 방법은 성분 "A" 입자를 적어도 하나의 소결 촉매로 예비 코팅하는 단계와, 코팅된 성분 "A" 입자를 초 경질 상 입자 및 소결 촉매 입자로 결합시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 그리고 나서 결합 및 코팅된 "A" 입자, 초 경질상 입자 및 소결 촉매는 예를 들어 약 5 분 ~ 약 300 분 동안에, 예컨대 약 40 kbar ~ 약 200 kbar 의 고압에서, 예컨대 약 1000 ℃ ~ 약 2200 ℃ 의 고온에서 가열됨으 로써 소결되어 연마 콤팩트를 형성할 수 있다. 연마 콤팩트는 연삭, 또는 EDM 또는 레이져 또는 본 기술 분야에 공지된 어떠한 방법으로 셰이핑 가공될 수 있다.
본 방법은 또한 소결 촉매의 외부 공급원을 사용하여, 성분 "A" 입자와 초 경질 입자를 볼 밀에서 혼합하여 미세한 분산물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 혼합된 성분들은 건조되며 내화재 금속 컵에 적재되는데 그 컵안으로 WC/Co 디스크가 배치되어 있다. 소결은 예컨대 약 5 분 ~ 약 300 분 동안에, 예컨대 약 40 kbar ~ 약 200 kbar 의 고압에서, 예컨대 약 1000 ℃ ~ 약 2200 ℃ 의 고온에서 이루어진다. WC/Co 디스크로부터의 일부 코발트는 이 디스크로부터 혼합 분말내로 압출되어 소결 촉매로서 작용하며 또한 "A" 입자와 반응하여 연마 콤팩트를 형성한다. 연마 콤팩트는 연삭 또는 EDM 또는 레이져 또는 본 기술분야에서 공지된 어떠한 방법에 의해 셰이핑 가공될 수 있다.
실시예
실시예 1: 비교예
다결정 입방정 질화 붕소 연마 콤팩트는 5 중량% 분말화된 2 ㎛ 알루미늄 분말과 2 ㎛ ~ 4 ㎛ 입자 크기를 갖는 cBN 분말을 유체 볼 밀에서 혼합함으로써 준비되었다. 혼합된 분말은 2 ㎜ 두께로 조밀화된 층을 형성하기 위하여 Ta 금속 컵안으로 배치되고 컵의 일단은 고형의 탄화물 디스크로 밀봉되었다. 이 재료들은 표준 HPHT 압력 셀에서 17 분동안 1450 ℃ 와 55 kbar 에서 소결되었다. CBN 콤팩트는 결함이 없었으며, 이어서 EDM 에 의해 작은 직사각형으로 절단되었다. 다이아몬드 휠 연삭 시험이 기계 가공의 용이성을 평가하기 위해 사용되었 다. 이 다이아몬드 휠은 연삭 휠이 전체 0.02 inch 하방 이송되는 동안 0.31 과 0.38 g 의 콤팩트를 제거하였다.
실시예 2: 본 발명예
PCBN 연마 콤팩트는, 육방정 질화 붕소의 1 중량% 의 첨가 성분이 알루미늄과 입방정 질화 붕소 혼합물에 첨가되었다는 것을 제외하고는, 실시예 1 에서 설명된 바와 같이 준비되었다. 육방정 질화 붕소의 입자 크기는 8 ㎛ ~ 12 ㎛ 이다. 이 분말은 실시예 1 에서와 같이 밀봉되었으며, 실시예 1 과 동일한 조건으로 고압 소결되었다. 이 콤팩트는 놀랍게도 결함이 없었다. 상기 실시예 1 에서와 같이 동일한 연삭 시험은, 연삭 휠이 전체 0.02 inch 하방 이송되는 동안 0.51 과 0.54 g 의 콤팩트가 제거되었음을 보여주었다. 질화 붕소 콤팩트의 연삭율은 이 첨가에 의해 거의 50 % 정도 향상되었다.
실시예 3: 비교예
다이아몬드 연마 콤팩트는 2 ㎛ ~ 3 ㎛ 크기의 다이아몬드 분말과 10 % 1 ㎛ 의 코발트 금속 분말을 유체 볼 밀에서 혼합함으로써 준비되었다. 혼합된 분말은 Ta 금속 컵안에 적재되고 일측이 고형 탄화물 디스크로 밀봉되고 25 분동안 1450 ℃ 에서 55 kbar 에서 HPHT 소결되었다. 소결된 부분은 예컨대 열적 안정성 및 연삭 시험을 위한 현미경 검사를 위해 연삭되고 2 ㎜ × 10 ㎜ 부분으로 절단되었다. 다이아몬드 연마 콤팩트는, 공기 중에서 유도 코일을 2 분동안 850 ℃ 로 하고 이어서 신속하게 냉각시키는 열적 사이클 전과 후 모두에서, 시각적으로 그리고 미시적으로 결함이 없었다. 열적 변형에 의해 발생되는 크랙, 구멍, 또는 갈라짐은 가시적으로 없었다. 열적 사이클 전과 후의 콤팩트는 시각적으로 그리고 미시적으로 결함이 없었다.
실시예 4: 본 발명예
2 개의 콤팩트를 생산할 수 있도록 육방정 질화 붕소 (hBN) 를 1 과 3 중량% 수준으로 첨가하였다는 것을 제외하고는, 콤팩트가 실시예 3 과 같이 준비되었다. 소결, 준비, 및 시험 조건은 실시예 3 과 동일하였다. 1 과 3 중량% 의 hBN이 첨가된 콤팩트는 열적 사이클 전과 후에 있어서 시각적으로 그리고 미시적으로 결함이 없었다. 육방정 질화 붕소가 완전히 반응하여 W2Co21B6, 코발트/붕소/텅스텐 화합물이 형성되었다. 이 양 재료들의 연삭률이 상당히 향상되었다. 또한 3 % hBN 첨가 콤팩트는 콤팩트의 사용에 있어 통상의 경우에서와 같이 WC 기재에 납땜질 되었다.
실시예 5: 본 발명예
다이아몬드 연마 콤팩트가 실시예 4 에서 설명한 바와 같이 준비되었으며, 반응물 입자로서 1 % hBN 이 첨가되었다. 1 % hBN 의 첨가 콤팩트에 대한 연삭률은 실시예 4 의 결과적인 연삭률과 비슷하고, 비교예인 실시예 3 의 결과적인 연삭률을 실질적으로 초과하였다.
실시예 6: 본 발명예
다이아몬드 연마 콤팩트가 실시예 4 에서 설명한 바와 같이 준비되었으며, 5 ㎛ ~ 8 ㎛ 및 2 ㎛ ~ 3 ㎛ 의 크기를 갖는 다이아몬드 분말에 반응물 입자로서 시 리즈의 hBN 이 첨가되었다. 5 ㎛ ~ 8 ㎛ 다이아몬드 재료는, 비록 본질적으로 2 ㎛ ~ 3 ㎛ 다이아몬드보다는 더 큰 경도를 갖지만, 결함없이 hBN 에 의해 실질적으로 연화되었다.
실시예 7: 본 발명예
다이아몬드 연마 콤팩트가 실시예 4 에서 설명한 바와 같이 준비되었으며, 입자 크기가 2 ㎛ ~ 4 ㎛ 인 6 중량% 의 hBN 분말이 반응물 입자로서 5 ㎛ ~ 8 ㎛ 의 다이아몬드 분말에 첨가되었으며, hBN 은 비교예인 실시예 6 과 상이한 입자 크기를 가졌으나 동일한 중량% 를 갖는다.
실시예 8: 본 발명예
입자 크기 8 ㎛ ~ 12 ㎛ 를 갖는 3 % w/w hBN 와 입자 크기 2 ㎛ ~ 3 ㎛ 를 갖는 다이아몬드 분말을 포함하는 다이아몬드 연마 콤팩트가 실시예 4 와 같이 준비되었으며 그러나 방법은 hBN 입자들의 분포에 손상을 입힐 수 있게 불안정하여 국부적으로 고함량의 hBN 의 스팟이 생성되었다. 이 PCD 는 상기 스팟이 PCD 재료에 구멍과 크랙을 형성한다는 점에서 결함이 있다. 결함이 있는 PCD 재료의 내연마성은 등가 조성과 입자 크기를 갖는 비 결함성 재료 (hBN 및 다이아몬드) 와 비교되었다. 결함이 있는 PCD 는 양호한 재료보다 상당히 연질이었다. 이는 결함이 PCD 를 연화시킬 수 있다는 것을 확인시킨다.
상기 개시된 다양한 그리고 다른 특징 및 기능들 또는 이들의 대안적인 예들은 수많은 다른 시스템 또는 적용으로 바람직하게 조합될 수 있다고 이해한다. 또한, 본 기술분야의 당업자들에 의해 결과적으로 현재로서는 예측 또는 예상되지 않은 대안예, 개량예, 변형예 또는 개선예가 만들어질 수도 있으며, 이들은 이하의 청구항에 포함되는 것으로 한다.

Claims (9)

  1. 다이아몬드 입자를 갖는 초 경질 상,
    코발트를 갖는 소결 촉매, 및
    상기 소결 촉매와 육방정 질화 붕소를 구비하는 화합물을 갖는 반응물 상을 포함하는 연마 콤팩트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반응물 상은 초 경질 상 입자에 결합되는 입자들을 포함하는 연마 콤팩트.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 화합물이 3000 KHN 이하의 누프 (Knoop) 경도를 갖는 연마 콤팩트.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 반응물 상은 콤팩트의 약 0.5 ~ 20 중량% 를 구성하는 연마 콤팩트.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 다이아몬드 입자는 0.1 ㎛ ~ 100 ㎛ 사이의 평균 입자 크기를 갖고, 상기 반응물 상은 0.1 ㎛ ~ 50 ㎛ 사이의 평균 입자 크기를 갖는 입자를 포함하는 연마 콤팩트.
  6. 다이아몬드 입자, 코발트를 갖는 소결 촉매, 및 육방정 질화 붕소를 갖는 반응물 입자를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계, 및
    상기 혼합물을 소결하여, 상기 반응물 입자를 상기 소결 촉매와 반응시켜 반응물 상을 형성하여, 이로써 소결된 콤팩트를 얻는 단계를 포함하는 연마 콤팩트를 생산하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 소결 단계는, 약 5 분 ~ 약 300 분의 소결 시간 동안, 혼합물에 약 1000 ℃ ~ 약 2200 ℃ 의 온도 및 약 40 kbar ~ 약 200 kbar 의 압력을 가하는 것을 포함하는 연마 콤팩트를 생산하는 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 혼합 단계 전에, 반응물 입자를 소결 촉매로 예비 코팅하는 단계를 더 포함하는 연마 콤팩트를 생산하는 방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 소결된 콤팩트를 셰이핑 가공 (shaping) 하는 단계를 더 포함하는 연마 콤팩트를 생산하는 방법.
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