KR20100014360A

KR20100014360A - 다이아몬드 소결체

Info

Publication number: KR20100014360A
Application number: KR1020097016075A
Authority: KR
Inventors: 요시히로 구로다; 사토루 구키노; 도모히로 후카야
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2010-02-10
Also published as: EP2113496A4; CN101600670A; EP2113496A1; US20100088969A1; WO2008096400A1

Abstract

본 발명은, 종래의 다이아몬드 소결체보다 경도가 더 높고, 내결손성, 내마모성 등의 강도가 우수한 다이아몬드 소결체를 제공한다. 본 발명은, 다이아몬드 입자와 결합재를 포함하는 다이아몬드 소결체로서, 상기 결합재는, 티탄, 지르코늄, 바나듐, 니오브 및 크롬으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소, 탄소 및 텅스텐을 포함하는 고용체와, 코발트로 대표되는 철족 원소를 포함하며, 인접하는 상기 다이아몬드 입자끼리는 서로 결합하고 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체를 제공한다.

Description

다이아몬드 소결체{DIAMOND SINTER}

본 발명은, 높은 경도, 내결손성 및 내마모성을 가지며, 선삭 공구 및 엔드밀 등으로 대표되는 절삭 공구의 절삭날 등에 적합하게 이용되는 다이아몬드 소결체에 관한 것이다.

다이아몬드 입자를 결합재로 소결한 다이아몬드 소결체는, 높은 경도를 가지며, 단결정 다이아몬드의 결점인 벽개성(劈開性)에 의한 결손이 발생하기 어렵기 때문에, 절삭용 공구 등의 소재로서 널리 이용되고 있다. 이 다이아몬드 소결체의 제조 방법으로서는, 예컨대, 코발트, 철, 니켈 등의 철족 원소로 대표되며 촉매능을 갖는 용매 금속으로 이루어지는 결합재를 이용하여, 다이아몬드 분말을 용해해서 재석출시키고, 다이아몬드 입자 사이에 목 성장(neck growth)이라고 불리는 직접 결합을 형성시키는 방법이 특허 문헌 1(일본 특허 공고 소화 제39-20483호 공보) 등에 개시되어 있다.

그러나, 다이아몬드 소결체 내에 잔류하는 코발트 등의 철족 원소는 경도 등의 강도가 낮고, 특히 사용 시의 고온에 의해 그 강도가 저하되는 것에 더하여, 다이아몬드를 흑연화하는 작용을 갖는 등의 이유에 의해, 절삭날의 성능을 저하시키는 경우가 있다. 따라서, 소결체의 보다 높은 강도를 얻기 위해서, 주기율표 4, 5 또는 6족 원소의 탄화물 등으로 이루어지는 결합재를 통해 다이아몬드 입자끼리를 결합시킨 소결체가, 특허 문헌 2(일본 특허 공고 소화 제58-32224호 공보)나 특허 문헌 3(일본 특허 공개 제2003-95743호 공보) 등에 개시되어 있다.

또한, 특허 문헌 4(일본 특허 공개 제2005-239472호 공보)에는, 주기율표 4, 5 또는 6족 원소 등의 탄화물과 코발트로 이루어지는 결합재를 통해 다이아몬드 입자끼리를 결합시킨 소결체로서, 소결 공정에서의 비정상적인 입자 성장(grain growth)을 억제하고, 다이아몬드 입자끼리의 직접 결합을 보다 강고하게 하여, 내마모성, 내결손성, 내충격성 등이 우수한 다이아몬드 소결체를 얻기 위해서, 다이아몬드 입자의 입자 직경이나 함유율, 결합재 중의 코발트 등의 함유율, 탄화물의 존재 형태 등을 특정한 다이아몬드 소결체가 개시되어 있다.

특허 문헌 1: 일본 특허 공고 소화 제39-20483호 공보

특허 문헌 2: 일본 특허 공고 소화 제58-32224호 공보

특허 문헌 3: 일본 특허 공개 제2003-95743호 공보

특허 문헌 4: 일본 특허 공개 제2005-239472호 공보

본 발명은, 상기와 같은 종래의 다이아몬드 소결체보다 경도가 더 높고, 내결손성, 내마모성 등의 강도가 우수한 다이아몬드 소결체를 제공하는 것을 과제로 한다.

본원의 발명자들은, 예의 검토한 결과, 결합재가, 주기율표 4, 5 또는 6족 중의 특정한 원소 및 탄소와 함께, 텅스텐을 더 포함하는 고용체를 함유함으로써, 경도가 높고, 내결손성, 내마모성 등의 강도가 더 우수한 다이아몬드 소결체를 얻을 수 있는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하였다.

본 발명은, 다이아몬드 입자와 결합재를 포함하는 다이아몬드 소결체로서,

상기 결합재는, 티탄, 지르코늄, 바나듐, 니오브 및 크롬으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소, 탄소 및 텅스텐을 포함하는 고용체와, 철족 원소를 포함하고,

인접하는 상기 다이아몬드 입자끼리는 서로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체이다.

다이아몬드 입자와 결합재의 합계 중량에 대한 다이아몬드 입자의 함유량은, 60 중량% 이상이고 98 중량% 미만이 바람직하다. 결합재는 다이아몬드보다 경도가 작기 때문에, 다이아몬드 입자의 함유율을 60 중량% 이상으로 함으로써, 경도의 저하를 방지하여, 내결손성(항절력) 및 내충격성과 같은 강도 등이 보다 우수하게 된다. 한편, 다이아몬드 입자의 함유율을 98 중량% 이상으로 하면, 결합재의 촉매능이 충분히 얻어지지 않고, 목 성장이 진전되지 않으며, 그 결과 내결손성(항절력)이 저하되는 경향이 있다.

본 발명의 다이아몬드 소결체에 포함되는 다이아몬드 입자는, 인접하는 입자끼리가 서로 결합되어 있는 것을 특징으로 한다. 인접하는 다이아몬드 입자끼리가 서로 결합되어 있기 때문에, 우수한 내결손성(항절력)을 얻을 수 있다. 이러한 결합은, 원료인 다이아몬드 분말을 용해 재석출시켜 다이아몬드의 결정을 형성하는 공정(소결체를 형성하는 공정)에서, 철족 원소 등의 촉매능을 갖는 결합재에 의해, 다이아몬드 입자 사이에 목 성장이라고 불리는 직접 결합을 형성시킴으로써 얻어진다.

또한, 본 발명에 있어서, 다이아몬드 소결체에 포함되는 다이아몬드 입자의 인접하는 것끼리가 서로 결합되어 있는지의 여부는, 다이아몬드 이외의 성분을 제거한 후의 항절력으로 판단할 수 있다. 즉, 길이 6 ㎜, 폭 3 ㎜, 두께 0.4 ㎜∼0.45 ㎜의 직사각형으로 한 상기 소결체를, 밀폐 용기 속에서, 농도 60% 이상 65% 미만의 질산을 2배 희석한 것 40 ㎖와, 농도 45% 이상 50% 미만의 불화수소산 10 ㎖를 혼합한 불산으로, 120℃ 이상 150℃ 미만에서 48시간 처리하여 다이아몬드 이외의 성분을 제거한 소결체에 대하여 스팬(span) 거리 4 ㎜의 조건에서 3점 굽힘 강도 측정에 의한 항절력을 측정하여, 1.3 ㎬ 이상의 항절력을 갖는 경우, 본 발명에서는, 다이아몬드 입자의 인접하는 것끼리가 서로 결합되어 있는 것으로 한다.

본 발명의 다이아몬드 소결체 중에서도, 다이아몬드의 평균 입자 직경이 0.8 ㎛ 이하이고, 상기 산처리 후의 항절력이 1.6 ㎬를 초과하는 것이 특히 바람직하다.

본 발명의 다이아몬드 소결체를 구성하는 결합재는, 다이아몬드의 결정을 석출시키고, 다이아몬드 입자 사이의 목 성장을 형성시키는 촉매능을 갖는 철족 원소와, 티탄, 지르코늄, 바나듐, 니오브 및 크롬으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소(이하 원소 Z라고 함), 탄소 및 텅스텐의 고용체를 함유한다.

상기 고용체는, 철족 원소와 비교하여 경도가 높기 때문에, 결합재가 상기 고용체를 함유함으로써, 결합재의 경도, 나아가서는 다이아몬드 소결체의 경도가 향상된다. 또한, 내열성이나 내산화성 등의 내화학반응성이 높아지기 때문에, 내마모성이 높아진다. 또한, 다이아몬드 소결체 공구의 주요 용도인 알루미늄 합금재와의 친화성이 낮아지기 때문에, 내마모성 및 내용착성이 높아진다. 또한 고용(固溶) 강화에 의해 강도가 높아지기 때문에, 내결손성(항절력)이나 내충격성이 높아진다.

상기 고용체는 원소 Z, 텅스텐 및 탄소를 포함하고, 원소 Z를 탄화물로서 포함하는 것이 바람직하다. 고용체가 원소 Z의 탄화물을 포함함으로써, 내결손성, 내마모성 등의 강도가 향상된다. 주기율표 4, 5 또는 6족의 원소일지라도, 원소 Z 이외의 원소, 예컨대 몰리브덴 탄화물을 포함하고 있으면, 우수한 내결손성, 내마모성은 얻어지지 않는다.

상기 고용체는 원소 Z의 탄화물과 함께, 텅스텐을 탄화물로서 포함하는 것이 바람직하다. 원소 Z의 탄화물과 텅스텐의 탄화물을 함께 포함함으로써, 경도, 내결손성 및 내마모성이 더욱 향상되고, 원소 Z의 탄화물과 텅스텐의 탄화물 중 한쪽만을 포함하는 종래 기술의 다이아몬드 소결체보다, 더 우수한 강도를 얻을 수 있다.

상기 결합재에 포함되는 원소 Z, 텅스텐 및 탄소가 고용체를 형성하는 것을 특징으로 한다. 고용체를 형성함으로써, 종래 기술의 다이아몬드 소결체보다, 더 우수한 내결손성, 내마모성을 얻을 수 있다. 원소 Z의 탄화물과 텅스텐의 탄화물의 분말이 고용체를 형성하지 않고서 혼합되어 있기만 한 경우에는, 우수한 강도가 얻어지지 않는다.

결합재 중의 상기 고용체의 함유율로서는, 0.5 중량% 이상 50 중량% 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는, 20 중량% 이상 50 중량% 이하이다. 한편, 결합재 중의 철족 원소의 함유율은, 바람직하게는, 50 중량% 이상 99.5 중량% 이하이고, 보다 바람직하게는 50 중량% 이상 80 중량% 이하이다. 고용체의 함유율이 상기 범위보다 작은 경우에는, 우수한 내결손성, 내마모성 등을 얻기 어렵고, 한편, 고용체의 함유율이 상기 범위보다 큰 경우에는, 다이아몬드 입자의 목 성장을 촉진하는 촉매능을 충분히 얻기 어려우며, 그 결과 내결손성이 저하되는 등의 문제가 발생하기 쉬워진다.

상기 고용체는, 산소, 질소 등을 더 포함할 수 있다. 이들 원소, 특히 질소는, 다이아몬드 소결체의 형성 공정에서 결합재 중에 혼입되는 경우가 많다.

본 발명은, 전술한 다이아몬드 소결체의 바람직한 형태로서, 다음에 나타내는 구성을 더 제공한다.

전술한 다이아몬드 소결체로서, 상기 고용체 중의, 티탄, 지르코늄, 바나듐, 니오브 및 크롬으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소와 텅스텐의 성분 비율이 원자수비로, 0.4 이상, 15.0 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체이다. 상기 고용체 중의, 원소 Z와 텅스텐의 성분 비율이 원자수비로, 0.4≤원소 Z/텅스텐≤15.0의 범위에서, 보다 큰 경도 및 우수한 내마모성을 얻을 수 있다. 이 범위 중에서도, 특히, 0.4≤원소 Z/텅스텐≤3.0의 범위가 바람직하며, 더 큰 경도 및 우수한 내마모성을 얻을 수 있다.

전술한 다이아몬드 소결체로서, 상기 철족 원소는 코발트이며, 결합재 중의 코발트 함유율이 50 중량% 이상, 80 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체이다. 철족 원소로서는, 철, 니켈, 코발트를 들 수 있으며, 그 중에서도 코발트가 촉매능이 높기 때문에 바람직하다.

또한, 결합재 중의 코발트의 함유율이 50 중량% 이상인 경우, 다이아몬드 입자의 목 성장을 촉진하는 촉매능이 특히 크며, 그 결과 우수한 내결손성 등을 얻을 수 있다. 또한, 함유율이 80 중량% 이하인 경우에는, 결합재 중의 상기 고용체의 함유율이 높아져, 우수한 내결손성, 내마모성 등을 얻을 수 있다.

전술한 다이아몬드 소결체로서, 상기 다이아몬드 입자의 평균 입자 직경이 2 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체이다. 평균 입자 직경을 2 ㎛ 이하로 작게 함으로써, 다이아몬드 입자의 벽개 등에 의한 다이아몬드 소결체의 강도 저하를 억제할 수 있다. 상기 결합재를 이용하고, 결합재가 불연속이 되도록 제어하여 다이아몬드 소결체를 생성함으로써, 상기한 범위의 평균 입자 직경의 다이아몬드 소결체를 얻을 수 있다. 결합재가 불연속이 되도록 제어하는 방법 및 조건은 특허 문헌 4에 개시되어 있다.

전술한 다이아몬드 소결체로서, 원소 Z, 즉 티탄, 지르코늄, 바나듐, 니오브 및 크롬으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소가 티탄인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체이다. 원소 Z 중에서도 티탄을 이용한 경우에, 소결체의 경도가 특히 높아져, 특히 우수한 내결손성, 내마모성을 얻을 수 있다.

다음으로, 본 발명의 다이아몬드 소결체의 제조 방법에 대해서 서술한다.

상기한 고용체는, 원소 Z의 탄화물의 분말 및 텅스텐의 탄화물의 분말을, 다이아몬드 분말과는 별도로 혼합한 후, 이들이 고용되는 1300℃, 3 ㎬ 이상으로 가열, 가압함으로써 얻을 수 있다. 얻어진 고용체는, 볼밀 등을 이용하여 분쇄된다.

다이아몬드 소결체는, 예컨대, 이와 같이 하여 얻은 고용체의 분말, 철족 원소의 분말, 및 다이아몬드의 분말을 건식 혼합한 후, 초고압 발생 장치의 금형 내에서 가열, 가압하여 소결시킴으로써 얻을 수 있다. 고용체의 분말은, 바람직하게는 평균 입자 직경 0.8 ㎛ 이하의 입자로서, 서로 불연속이 되도록 첨가된다. 불연속이 되도록 제어함으로써, 다이아몬드 입자끼리가 목 성장하기 쉬워지고, 강고한 골격이 형성되어, 내결손성이 향상된다.

상기 철족 원소의 분말은 금속 분말이어도 좋고, 이들 원소의 탄화물 등으로 이루어지는 세라믹스 분말을 이용하여도 좋다. 단, 금속 분말을 이용한 경우가, 한층 더 강고한 다이아몬드 결합이 얻어지는 경우가 많다.

고용체의 분말, 철족 원소의 분말 및 다이아몬드의 분말을 건식 혼합하는 대신에, 다이아몬드 분말의 표면에, PVD(Physical Vapor Deposition)법 등을 이용하여, 원소 Z, 원소 Z의 탄화물, 그리고 원소 Z의 탄화물과 탄화텅스텐의 고용체에서 선택되는 하나 이상을 다이아몬드 분말의 표면적의 20%∼80%에 불연속으로 피복해도 좋다. 원소 Z 또는 원소 Z의 탄화물만을 PVD법에 의해 피복하고, 다른 성분을 분말로 혼합하여도, 소결 공정에서, 원소 Z, 텅스텐 및 탄소의 고용체가 생성되어, 내결손성 및 내마모성 등이 우수한 다이아몬드 소결체를 얻을 수 있다. 단, 탄화텅스텐을 PVD법에 의해 피복하고, 다른 성분을 분말로 혼합한 경우에는, 소결 공정에서, 원소 Z, 텅스텐 및 탄소의 고용체가 생성되지 않는다.

소결은, 초고압 발생 장치의 금형 내에서, 상기한 혼합물을, 바람직하게는, 압력 5.0 ㎬ 이상, 8.0 ㎬ 이하, 온도 1500℃ 이상, 1900℃ 이하에서 10분 정도 유지함으로써 행할 수 있다. 금형의 내구성을 고려하면 8.0 ㎬보다 큰 압력은 실용성이 작다. 온도를 1900℃보다 높게 하면, 다이아몬드-흑연의 평형선을 넘어 흑연의 안정 영역으로 들어가기 때문에, 다이아몬드의 흑연화가 발생하기 쉬워진다. 초고압 발생 장치의 금형의 내구성과 다이아몬드 소결체의 성능을 고려하면, 압력 5.7 ㎬ 이상, 7.7 ㎬ 이하, 온도 1500℃ 이상 1900℃ 이하의 조건으로 10분 정도 유지하는 것이 보다 바람직하다.

이상과 같이 하여 얻어진 다이아몬드 소결체는, 종래의 다이아몬드 소결체보다 내마모성, 내결손성 등의 강도가 더 우수한 것이며, 절삭 공구의 절삭날 등에 적합하게 이용된다.

<발명의 효과>

본 발명의 다이아몬드 소결체는, 종래의 다이아몬드 소결체보다 경도가 더 높은 소결체이며, 높은 항절력과 작은 여유면 마모량을 나타낸다. 높은 항절력은 공구로서의 내결손성이 우수한 것을 나타내고, 작은 여유면 마모량은 내마모성이 우수한 것을 나타내기 때문에, 본 발명의 다이아몬드 소결체는, 내결손성, 내마모성 등의 강도가, 종래의 다이아몬드 소결체보다 더 우수한 소결체이며, 절삭 공구의 절삭날 등에 적합하게 이용된다.

다음으로 실시예를 이용하여, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 실시예가 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

실시예 1

표 1에 나타내는 결합재 성분의 다이아몬드 소결체 A∼L을 제조하고, 이 다이아몬드 소결체의 항절력과, 얻어진 다이아몬드 소결체를 절삭 공구의 절삭날로서 사용했을 때의 커터의 여유면의 마모량을 측정하였다. 또한, 소결체 C∼F 및 소결체 H∼L이 본 발명예이고, 소결체 A, B, G는 비교예이다.

(다이아몬드 소결체의 제조)

평균 입자 직경 1 ㎛의 다이아몬드 분말 85 중량부, 코발트 분말 10 중량부, 및 코발트 이외의 결합재 성분 5 중량부를 건식 혼합하였다.

코발트 이외의 결합재 성분으로서는, 소결체 A의 제조에서는, 탄화텅스텐의 분말을 이용하고 있으며, 소결체 B의 제조에서 이용한 것은, 탄화텅스텐의 분말 및 탄화티탄의 분말의 혼합물이다.

소결체 C∼L의 제조에서는, 표 1의 「결합재 성분」의 난에 나타낸 원소를, 표 1의 「고용체의 원소비」의 난에 나타낸 원자수비로 혼합하고, 압력 5.5 ㎬, 온도 1400℃의 조건으로 5분간 유지하여 생긴 고용체를 분쇄하여 제작한 것을, 코발트 이외의 결합재 성분으로서 이용하였다.

이렇게 해서 다이아몬드 분말과 결합재를 건식 혼합한 원료를, 초경 합금으로 형성된 기재(원반)에 접한 상태로 탄탈제의 용기에 충전하고, 벨트형 초고압 장치를 이용하여, 압력: 5.8 ㎬, 온도: 1500℃의 조건으로 10분간 유지하여 소결을 행하여, 다이아몬드 소결체를 얻었다.

SEM(주사형 전자 현미경) 2차 전자상(電子像)에 의해, 얻어진 다이아몬드 소결체의 다이아몬드 입자의 입자 직경을 확인한 결과, 다이아몬드 입자의 평균 입자 직경이, 소결체 A에서는 5 ㎛, 소결체 B에서는 3 ㎛, 소결체 C∼L에서는 모두 평균 입자 직경 2 ㎛로 입자가 비대해졌다.

(코발트 및 탄화물·고용체의 함유량의 측정)

상기에서 얻은 다이아몬드 소결체의 각각에 포함되는 코발트 및 탄화물·고용체를 XRD(X-ray diffraction), TEM(투과형 전자 현미경), AES[오제(Auger) 전자 분광 분석법]에 의해 측정하여 코발트 및 탄화물·고용체를 검출하였다. 각 원소를 고주파 유도 플라즈마 발광 분석법(ICP법)에 의해 정량 측정하여, 각각의 함유량(다이아몬드 입자와 결합재 성분의 합계량에 대한 중량%)을 산출하였다. 산출값을 표 1에 나타낸다.

(소결체 및 결합재의 경도의 측정)

또한, 각각의 소결체에 대해서, 나노인덴터를 이용하여, 시험 하중 10gf에서, 소결체 및 결합재 부분의 마르텐스 경도(ISO14577)를 각각 10회 측정하였다. 그 평균값을 표 1에 나타낸다.

(항절력 및 여유면 마모량의 측정)

각각의 다이아몬드 소결체를 길이 6 ㎜×폭 3 ㎜×두께 0.3 ㎜의 판형 시험편으로 가공하고, 스팬 거리 4 ㎜의 3점 굽힘 시험에 의해, 각각의 시험편의 항절력을 측정하였다. 또한, 주요면의 형상이 정삼각형인 대금(臺金; core)의 코너에 각각의 다이아몬드 소결체를 부착한 절삭용 소결체 칩(날끝 교환식 칩, ISO 규격: TPGN160304)을 제작하여 하기 조건으로 절삭 시험을 행하고, 다이아몬드 소결체의 여유면 마모량을 측정하였다. 이들의 결과를 표 1에 나타낸다.

[절삭 시험의 조건]

피삭재: Si-16 중량% 함유의 Al 합금 환봉(丸棒)

절삭 조건: 외주 선삭, 절삭 속도 800 m/min, 절삭 깊이 0.5 ㎜,

이송 속도 0.12 ㎜/rev, 습식 절삭, 절삭 시간 5분

또한, 길이 6 ㎜, 폭 3 ㎜, 두께 0.4 ㎜∼0.45 ㎜인 직사각형으로 한 상기 소결체를, 밀폐 용기 속에서, 농도 60% 이상 65% 미만의 질산을 2배 희석한 것 40 ㎖와, 농도 45% 이상 50% 미만의 불화수소산 10 ㎖를 혼합한 불산으로, 120℃ 이상 150℃ 미만에서 48시간 처리하여 다이아몬드 이외의 성분을 제거한 소결체에 대하여 스팬 거리 4 ㎜의 조건에서 3점 굽힘 강도 측정에 의한 항절력을 측정한 결과, 소결체 A∼L의 항절력은 소결체 A: 0.5 ㎬, 소결체 B: 0.6 ㎬, 소결체 C: 1.5 ㎬, 소결체 D: 1.4 ㎬, 소결체 E: 1.4 ㎬, 소결체 F: 1.3 ㎬, 소결체 G: 1.3 ㎬, 소결체 H: 1.5 ㎬, 소결체 I: 1.4 ㎬, 소결체 J: 1.3 ㎬, 소결체 K: 1.5 ㎬, 소결체 L: 1.3 ㎬이였다. 따라서, 소결체 C∼L은, 인접하는 다이아몬드 입자끼리가 서로 결합하고 있다고 할 수 있다.

표 1의 결과는, 결합재의 구성 원소에 따라, 다이아몬드 소결체의 항절력과 절삭 공구의 절삭날로서 사용했을 때의 여유면 마모량이 크게 변동하는 것을 나타내고 있다.

표 1의 결과로부터 명백하듯이, 원소 Z, 텅스텐 및 탄소의 고용체를 결합재에 이용하여 제조한 소결체 C∼F, H∼L은, 소결체 A, B보다 경도가 크고, 또한 항절력이 높으며, 여유면 마모량이 작다. 이 고용체를 포함하는 결합재는, 결합재 성분의 경도가 높고, 그 결과 소결체 전체의 경도가 높아져, 내마모성이 향상된 것으로 생각된다. 또한, 이 고용체는 결합재로서의 기능도 갖기 때문에, 결합재로서의 기능이 얻어지지 않는 탄화텅스텐 등을 함유하는 소결체 A, B에 비하여 항절력이 향상된 것으로 생각된다.

높은 항절력은 공구로서의 내결손성이 우수한 것을 나타내고, 작은 여유면 마모량은 내마모성이 우수한 것을 나타내기 때문에, 본 발명예인 소결체 C∼F, H∼L은, 절삭 공구용 재질로서 적합한 것이 분명해졌다.

또한, 고용체를 결합재에 이용하여 제조한 소결체 G는, 텅스텐이 고용되어 있음에도 불구하고, 경도, 항절력, 내마모성 모두 소결체 B와 거의 동등하였다. 즉, 주기율표 4, 5, 6족의 원소라도 몰리브덴의 경우에는, 본 발명의 우수한 효과를 얻을 수 없는 것으로 되어 있다. 이것은, 몰리브덴과 텅스텐의 원자량이 비슷하여, 탄화몰리브덴에 텅스텐이 고용되어도 큰 경도 향상에 이르지 않기 때문이라고 생각된다.

소결체 C∼F는, 고용체 중의 원소 Z:텅스텐:탄소의 비는 동일하며, 원소 Z의 종류만이 다르다. 표 1의 결과에 나타나는 바와 같이, 원소 Z로서 티탄을 이용한 소결체 C가, 이들 중에서 특히 경도가 크고, 또한 항절력이 높으며, 여유면 마모량이 작아, 절삭 공구 등의 재질로서 특히 우수하다. 이것은, 티탄이 다른 원소에 비해서 다이아몬드 입자끼리의 결합을 촉진하는 기능이 크기 때문이라고 생각되며, 특히 다이아몬드 입자끼리의 결합력의 영향이 큰 항절력에 있어서, 소결체 C가 우수하다.

소결체 C, H∼L은, 모두 결합재에 티탄, 텅스텐 및 탄소의 고용체를 함유하는 것이지만, 티탄과 텅스텐의 원소비가 다르다. 또한, 탄소의 원소수는, 모두 티탄과 텅스텐의 합계의 원소수이다.

소결체 C, H∼L 중에서는, 티탄과 텅스텐이 1:1의 비율로 고용되어 있는 소결체 C가 가장 양호한 성능을 나타내며, 경도가 크고, 항절력이 높으며, 여유면 마모량이 작다. 한편, 티탄/텅스텐이 0.4 미만인 소결체 L이나 티탄/텅스텐이 15를 초과하는 소결체 J에서는, 경도, 내결손성, 내마모성이 저하되는 경향이 보인다.

실시예 2

표 2에 나타내는 결합재 성분의 다이아몬드 소결체 M∼R을, 각 원소의 첨가 방법을 변화시켜 제조하고, 그 다이아몬드 소결체의 항절력과, 얻어진 다이아몬드 소결체를 절삭 공구의 절삭날로서 사용했을 때의 커터의 여유면의 마모량을 측정하였다. 또한, 소결체 O, P, Q 및 R이 본 발명예이고, 소결체 M, N은 비교예이다.

(다이아몬드 소결체의 제조)

다이아몬드 소결체의 제조는, 구체적으로는 이하와 같이 행하였다. 평균 입자 직경 1 ㎛의 다이아몬드 분말과, 결합재로서 코발트 분말과, 표 2에 나타내는 조성의 화합물을, 다이아몬드 분말 85 중량%, 코발트 분말 10 중량%, 첨가물 5 중량%의 혼합 비율로 하여, 표 2에 나타내는 첨가 방법으로 첨가하였다. PVD 피복에 대해서는, RF(Radio Frequency) 스퍼터링 PVD 장치를 이용하여, 다이아몬드 분말의 표면적의 50%를 불연속이 되도록 제어하여 피복하였다. 이렇게 해서 얻어진 원료를, 초경 합금으로 형성된 기재(원반)에 접한 상태로 탄탈제의 용기에 충전하고, 벨트형 초고압 장치를 이용하여, 압력: 5.8 ㎬, 온도: 1500℃의 조건으로 10분간 유지하여 소결을 행하여, 다이아몬드 소결체를 얻었다.

SEM 2차 전자상에 의해, 얻어진 다이아몬드 소결체의 다이아몬드 입자의 입자 직경을 확인한 결과, 평균 입자 직경이 0.8 ㎛이였다.

(코발트 및 탄화물·고용체의 함유량의 측정)

각각의 다이아몬드 소결체에 포함되는 코발트 및 탄화물·고용체의 함유량을, 실시예 1과 동일한 방법으로 조사하고, 각각의 중량%를 산출하여 표 2에 나타내었다.

(항절력 및 여유면 마모량의 측정)

또한, 항절력 및 공구의 절삭날로서 사용했을 때의 커터의 여유면의 마모량을 실시예 1과 동일한 방법으로 측정한 결과를 표 2에 나타낸다.

또한, 길이 6 ㎜, 폭 3 ㎜, 두께 0.4 ㎜∼0.45 ㎜인 직사각형으로 한 상기 소결체를, 밀폐 용기 속에서, 농도 60% 이상 65% 미만의 질산을 2배 희석한 것 40 ㎖와, 농도 45% 이상 50% 미만의 불화수소산 10 ㎖를 혼합한 불산으로, 120℃ 이상 150℃ 미만에서 48시간 처리하여 다이아몬드 이외의 성분을 제거한 소결체에 대하여 스팬 거리 4 ㎜의 조건에서 3점 굽힘 강도 측정에 의한 항절력을 측정한 결과, 소결체 M에서는, 항절력이 0.7 ㎬, N에서는 0.9 ㎬이였으나, O, P, Q, R에서는, 항절력이 각각 1.7 ㎬, 1.6 ㎬, 1.7 ㎬, 1.9 ㎬이였다. 따라서, 소결체 O∼R은, 인접하는 다이아몬드 입자끼리가 서로 결합되어 있다고 할 수 있다.

소결체 N, O, P 및 Q는 티탄 및 텅스텐을 첨가한 것이지만, 첨가 방법의 차이에 의해 결합재 및 다이아몬드 소결체의 항절력, 내마모성에 차이가 보였다.

소결체 M과 N을 비교하면, 탄화텅스텐을 PVD 피복한 경우, Ti 분말을 혼합하여 소결해도 (Ti, W)C의 고용체는 생기지 않고, 탄화티탄 및 탄화텅스텐으로서 존재하기 때문에, 성능에 거의 차이가 보이지 않았다.

그러나, 티탄, 탄화티탄, (Ti, W)C의 고용체를 PVD 피복한 소결체 O∼Q에서는, 다이아몬드 소결체 내에 (Ti, W)C의 고용체가 존재하여, 내결손성 및 내마모성의 대폭적인 향상이 보였다. 티탄을 포함하는 화합물을 PVD 피복함으로써 (Ti, W)C의 고용체가 생성되기 때문에, 피복 전의 티탄의 존재 형태는 어떠한 것이어도 좋다는 것이 이 결과로부터 명백하다.

또한, 소결체 O에서의 티탄을 지르코늄으로 바꾼 소결체 R도, (Zr, W)C의 고용체가 생성되어, 내결손성 및 내마모성의 대폭적인 향상이 보였다.

Claims

다이아몬드 입자와 결합재를 포함하는 다이아몬드 소결체로서,

상기 결합재는, 티탄, 지르코늄, 바나듐, 니오브 및 크롬으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소, 탄소 및 텅스텐을 포함하는 고용체와, 철족 원소를 포함하고,

인접하는 상기 다이아몬드 입자끼리는 서로 결합하고 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체.
제1항에 있어서, 상기 고용체 중의, 티탄, 지르코늄, 바나듐, 니오브 및 크롬으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소와 텅스텐의 성분 비율이, 원자수비로 0.4 이상, 15.0 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 철족 원소는 코발트이며, 결합재 중의 코발트의 함유율이 50 중량% 이상, 80 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 입자의 평균 입자 직경이 2 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 티탄, 지르코늄, 바나듐, 니오브 및 크롬으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소가, 티탄인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체.