KR20100014777A

KR20100014777A - 다이아몬드 소결체 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20100014777A
Application number: KR20097016834A
Authority: KR
Inventors: 요시히로 구로다; 사토루 구키노; 미노루 요시다; 도모히로 후카야
Original assignee: 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Priority date: 2007-02-02
Filing date: 2007-02-02
Publication date: 2010-02-11
Also published as: CN101600669A; US20100112332A1; EP2107045B1; CN101600669B; EP2107045A4; EP2107045A1; WO2008096401A1

Abstract

종래의 다이아몬드 소결체보다 더 강도가 높고, 내마모성이 우수한 다이아몬드 소결체, 및 그 제조 방법을 제공한다. 다이아몬드 입자, 결합재 및 공공을 포함하는 다이아몬드 소결체로서, 상기 다이아몬드 입자의 함유량은 80 용량% 이상, 98 용량% 미만이고, 상기 결합재는 티탄, 지르코늄, 바나듐, 니오브 및 크롬으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소, 탄소 및 텅스텐을 포함하는 고용체와, 철족 원소를 포함하며, 인접하는 상기 다이아몬드 입자끼리는 서로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체, 및 그 제조 방법을 제공한다.

Description

다이아몬드 소결체 및 그 제조 방법{DIAMOND SINTER AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 높은 강도 및 내마모성을 가지며, 드로잉 다이 공구 등에 적합하게 이용되는 다이아몬드 소결체에 관한 것이다.

다이아몬드 입자를 결합재로 소결한 다이아몬드 소결체는, 우수한 강도와 내마모성을 갖기 때문에, 와이어 드로잉 다이 등에 이용되고 있다. 특히, 미립 다이아몬드 소결체로 이루어지는 다이는, 신선(伸線)에 있어서 양호한 표면을 얻을 수 있고, 천연 다이아몬드제의 다이보다 훨씬 긴 수명을 얻을 수 있다.

다이아몬드 소결체의 결합재로서는, 다이아몬드 입자간을 결합시키는 촉매능을 갖는 코발트 등의 철족 금속이 이용되고, 이들은 다이아몬드 입자간의 공극에 포함되어 있다. 그러나, 이들은 경도가 작으며, 또한 철족 금속은 흑연화를 촉진하는 작용을 하여 변질층을 형성하는 등의 문제를 발생시킨다. 그래서, 다이아몬드 소결체의 형성 후, 산처리에 의해 철족 금속을 제거한 것이 특허문헌 1(일본 특허 공개 소53-114589호 공보) 등에 기재되어 있다.

그런데, 이들 다이아몬드 소결체에서는, 결합재(철족 금속)가 제거되고, 또한 소결체 내에 공공(空孔)이 발생하기 때문에, 강도가 저하된다. 그래서, 철족 금 속의 제거, 공공 발생에 따른 다이 수명의 저하 문제를 해결한 공구(다이)용 다이아몬드 소결체가 여러 가지 제안되고, 예컨대 특허문헌 2(일본 특허 공고 평1-27141호 공보)에는, 결합재에 주기율표의 제4a, 5a, 6a족(현 주기율표의 4, 5, 6족) 금속의 탄화물, 고용체 또는 혼합물 결정을 가한 것을 이용한 소결체가 개시되어 있다(청구항 1). 그리고, 주기율표의 제4a, 5a, 6a족 금속의 탄화물 등으로서는 탄화텅스텐이나 몰리브덴, 텅스텐 및 탄소의 고용체[(Mo, W)C] 등이 개시되어 있다(청구항 2).

또한, 특허문헌 3(일본 특허 공개 평11-245103호 공보)에는, 산처리에 의해 소결체 표면부의 철족 금속을 내부로부터보다 많이 제거하여, 내부 강도의 저하를 억제한 것이 개시되어 있다. 그러나 이 소결체는 그 표면부에 대해서는 강도가 낮다는 문제가 있었다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 소53-114589호 공보

특허문헌 2: 일본 특허 공고 평1-27141호 공보(청구항 1, 2)

특허문헌 3: 일본 특허 공개 평11-245103호 공보

본 발명은, 상기와 같은 종래의 다이아몬드 소결체보다 더 강도가 높고, 내마모성이 우수한 다이아몬드 소결체를 제공하는 것을 과제로 한다.

본원의 발명자는 예의 검토한 결과, 결합재로서, 철족 원소와 함께, 티탄, 지르코늄, 바나듐, 니오브 및 크롬으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소, 탄소 및 텅스텐을 포함하는 고용체를 함유하는 것을 이용하여, 다이아몬드 입자의 함유량이 소정 범위 내인 경우, 소결체로부터 철족 원소를 산처리 등에 의해 제거하여도, 강도가 높고, 내마모성이 우수한 다이아몬드 소결체를 얻을 수 있는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하였다.

본 발명은,

다이아몬드 입자, 결합재 및 공공을 포함하는 다이아몬드 소결체로서,

상기 다이아몬드 입자의 함유량은 80 용량% 이상, 98 용량% 미만이고,

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

인접하는 상기 다이아몬드 입자끼리는 서로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체를 제공한다.

다이아몬드 입자와 결합재와 공공의 합계 용량에 대한 다이아몬드 입자의 용량은 80 용량% 이상이고 98 용량% 미만이다. 여기서 용량%란, 공공을 포함한 다이아몬드 소결체의 전체 체적에 대한 다이아몬드 입자의 합계 체적의 비율을 말한다(이하에서도, 용량%는 동일한 의미를 나타낸다.). 결합재는, 다이아몬드보다 경도가 작기 때문에, 다이아몬드 입자의 함유율을 80 용량% 이상으로 함으로써, 경도의 저하를 막고, 내충격성 등의 강도나, 내마모성이 우수한 것이 된다. 한편, 다이아몬드 입자의 함유율이 98 용량% 이상인 경우는, 소결시의 철족 원소의 함유량을 작게 해야 하고, 그 촉매능이 충분히 얻어지지 않으며, 목 성장(neck growth)이 진전하지 않으며, 그 결과, 강도가 저하되는 경향이 있다.

본 발명의 다이아몬드 소결체를 구성하는 다이아몬드 입자는, 그 평균 입경이 2 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 평균 입경을 2 ㎛ 이하로 작게 함으로써, 다이아몬드 입자의 벽개 등에 의한 다이아몬드 소결체의 강도 저하를 억제할 수 있다. 상기한 결합재를 이용하고, 결합재가 불연속이 되도록 제어하여 다이아몬드 소결체를 생성함으로써, 상기한 범위의 평균 입경의 다이아몬드 소결체를 얻을 수 있다. 결합재가 불연속이 되도록 제어하는 방법, 조건은 일본 특허 공개 제2005-239472호 공보 등에 개시되어 있다.

본 발명의 다이아몬드 소결체에 포함되는 다이아몬드 입자는, 인접하는 것끼리가 서로 결합되어 있는 것을 특징으로 한다. 인접하는 다이아몬드 입자끼리가 서로 결합되어 있는 결과, 우수한 강도를 얻을 수 있다. 이러한 결합은, 원료의 다이아몬드 분말을 용해 재석출시켜 다이아몬드의 결정을 형성하는 공정(소결체를 형성하는 공정)에 의해, 철족 원소 등의 촉매능을 갖는 결합재에 의해 다이아몬드 입자끼리에 목 성장으로 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 ㎜인 직사각형으로 한 상기 소결체를, 밀폐 용기 안에서, 농도 60% 이상 65% 미만의 질산을 2배 희석한 것 40 ml와, 농도 45% 이상 50% 미만의 불화수소산 10 ml를 혼합한 불산으로, 120℃ 이상 150℃ 미만에서 48시간 처리하여 다이아몬드 이외의 성분을 제거한 소결체의, 스팬(span) 거리 4 ㎜의 조건에서 3점 굽힘 강도 측정에 의한 항절력을 측정하여, 1.3 GPa 이상의 항절력을 갖는 경우, 본 발명에서는 다이아몬드 입자의 인접하는 것끼리가 서로 결합되어 있는 것으로 한다.

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

상기 고용체는, 후술하는 산처리에 의해 용해나 제거가 잘 되지 않고, 또한 철족 원소와 비교하여 경도가 높기 때문에, 상기 고용체를 함유하는 결합재는 경도가 높으며, 더 나아가서는 다이아몬드 소결체의 경도가 향상된다. 또한, 내열성이나 내산화성 등의 내화학반응성이 높아지기 때문에, 내마모성이 높아진다. 또한 고용(固溶) 강화에 의해 강도가 높아지기 때문에, 내결손성(항절력)이나 내충격성이 높아진다. 그 결과, 드로잉 다이 용도에 우수한 성능을 발휘한다.

상기 고용체는 원소 Z, 텅스텐, 탄소를 포함하며, 원소 Z를 탄화물로서 포함하는 것이 바람직하다. 고용체가 원소 Z의 탄화물을 포함함으로써, 산처리에 의한 용해나 제거가 잘 되지 않게 되고, 다이아몬드 소결체의 강도, 내마모성 등이 향상된다. 주기율표 4, 5 또는 6족의 원소라도 원소 Z 이외의 원소, 예컨대 몰리브덴의 탄화물을 포함하고 있는 경우는, 원소 Z의 탄화물을 포함하고 있는 경우에 비해, 산처리에 의해 용해되기 쉽기 때문에, 강도, 내마모성은 불충분하다.

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

상기 결합재에 포함되는 원소 Z, 텅스텐 및 탄소는 고용체를 형성하고 있는 것을 특징으로 한다. 고용체를 형성함으로써, 종래 기술의 다이아몬드 소결체보다 더 우수한 강도나 내마모성을 얻을 수 있다. 원소 Z의 탄화물과 텅스텐의 탄화물의 분말이 고용체를 형성하지 않고 혼합되어 있는 것만으로는, 우수한 강도는 얻어지지 않는다.

상기의 고용체는 산소, 질소 등을 더 포함할 수 있다. 이들 원소, 특히 질소는 다이아몬드 소결체의 형성 공정에서 결합재 내에 취입되는 경우가 많다.

본 발명의 다이아몬드 소결체는, 다이아몬드 입자와 입자간의 간극에 포함되는 결합재와 함께, 입자간의 간극에 공공을 갖는다. 이 공공은 다이아몬드 입자의 성장이나 입자간의 결합을 위한 촉매로서 첨가되고, 결합재 내에 포함되어 있었던 철족 원소를 소결 후, 산처리 등에 의해 제거할 때에 불가피하게 생기는 것이다.

공공은 다이아몬드 소결체의 강도를 저하시키고, 또한 신선의 수명을 저하시키기 때문에, 그 함유량은 작은 편이 좋으며, 바람직하게는 10 용량% 미만이다. 단, 공공의 함유량을 작게 하기 위해서는, 소결시의 철족 원소 함유량을 작게 해야 하고, 이 경우, 목 성장의 생성이 불충분하게 되어 강도가 저하되는 등의 문제가 발생하기 쉬워지기 때문에, 공공은 적어도 0.1 용량% 이상 포함된다.

본 발명은, 상기한 다이아몬드 소결체의 바람직한 양태로서, 다음에 나타내는 구성을 더 제공한다.

상기한 다이아몬드 소결체로서, 티탄, 지르코늄, 바나듐, 니오브 및 크롬으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소, 탄소 및 텅스텐을 포함하는 고용체의 함유량이 0.1 용량% 이상, 15 용량% 미만이고, 철족 원소의 함유량이 0.1 용량% 이상, 3 용량% 미만인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체이다.

원소 Z, 탄소 및 텅스텐을 포함하는 고용체의 함유량이 O.1 용량% 미만인 경우, 우수한 강도나 내마모성 등이 잘 얻어지지 않게 되고, 다른 한편으로 15 용량% 이상의 함유량인 경우는, 소결시의 철족 원소의 함유량을 작게 해야 하며, 이 경우 목 성장이 잘 진전되지 않게 되고, 강도가 저하되는 경향이 있다.

또한, 철족 원소의 함유량이 3 용량% 이상이면 흑연화의 촉진이나 강도의 저하 등의 문제가 생기기 쉬워진다. 한편, 철족 원소의 함유량을, 0.1 용량% 미만으로 하기 위해서는, 산처리 시간을 장시간으로 하고, 산처리에 강력한 산을 사용하는 등의, 산처리 조건을 강력하게 해야 하고, 이 경우는 고용체도 용해되기 쉽다. 또한 0.1 용량% 정도의 철족 원소가 함유되어도, 우수한 강도나 내마모성을 얻을 수 있기 때문에, 철족 원소의 함유량은 0.1 용량% 이상이 바람직하다.

상기한 다이아몬드 소결체로서, 상기 고용체 내의 티탄, 지르코늄, 바나듐, 니오브 및 크롬으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소와 텅스텐의 성분 비율이 원자수 비로 0.4 이상, 15.0 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체이다. 이 고용체 내의 원소 Z와 텅스텐의 성분 비율이 원자수 비로 0.4≤원소 Z/텅스텐≤15.0의 범위에서, 보다 우수한 강도, 내마모성을 얻을 수 있고, 그 결과로부터 긴 신선 수명이 달성된다. 이 범위 내에서도, 특히 0.4≤원소 Z/텅스텐≤3.0의 범위가 바람직하며, 더 긴 신선 수명이 달성된다.

상기한 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, 고용체가 산처리에 의해 잘 용해되지 않고, 소결체의 강도, 내마모성이 보다 우수하며, 신선 수명도 커진다.

상기한 다이아몬드 소결체로서, 철족 원소가 코발트인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체이다. 철족 원소로서는 철, 니켈, 코발트를 들 수 있지만, 그중에서도 코발트가 촉매능이 높기 때문에 바람직하다.

본 발명의 다이아몬드 소결체는,

티탄, 지르코늄, 바나듐, 니오브 및 크롬으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소(원소 Z), 탄소 및 텅스텐, 철족 원소와, 다이아몬드 분말을 혼합하는 공정과,

얻어진 혼합물을, 다이아몬드가 열역학적으로 안정적인 고온 및 고압 하에서 소결하고, 상기 원소 Z, 탄소 및 텅스텐의 고용체와 상기 철족 원소를 포함하는 결합재, 그리고 인접하는 입자끼리가 서로 결합되어 있는 다이아몬드 입자를 함유하는 소결체 X를 형성하는 공정과,

소결체 X를 산처리하여 철족 원소를 용출하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법에 의해 제조될 수 있다. 본 발명은, 이러한 제조 방법도 제공한다.

원소 Z, 탄소 및 텅스텐, 철족 원소, 및 다이아몬드 분말을 혼합하는 공정은, 예컨대 원소 Z, 탄소 및 텅스텐의 고용체의 분말과, 철족 원소의 분말, 및 다이아몬드 분말을 건식 혼합함으로써 행할 수 있다. 이와 같이 하여 건식 혼합한 후 소결하면, 소결체 X의 결합재로서, 원소 Z, 탄소 및 텅스텐의 고용체를 포함하는 것을 얻을 수 있다. 철족 원소 및 다이아몬드 분말과 혼합되는 고용체는, 원소 Z의 탄화물의 분말 및 텅스텐의 탄화물의 분말을 다이아몬드 분말과는 별도로 혼합한 후, 이들이 고용(固溶)하는 1300℃, 3 GPa 이상으로 가열, 가압하여 얻을 수 있다. 얻어진 고용체는 볼밀 등을 이용하여 분쇄되어 혼합된다.

고용체의 분말은, 바람직하게는 평균 입경 0.8 ㎛ 이하의 입자로서, 서로 불연속이 되도록 첨가된다. 연속하지 않도록 제어함으로써, 다이아몬드 입자끼리가 목 성장하기 쉬워지고, 강고한 골격이 형성되며, 강도가 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, 및 원소 Z의 탄화물 및 탄화텅스텐의 고용체로부터 선택되는 하나 이상을, 다이아몬드 분말의 표면적의 20%∼80%에 불연속으로 피복하여도 좋다. 원소 Z 또는 원소 Z의 탄화물만을 PVD법에 의해 피복하고, 다른 성분을 분말로 혼합하여도, 소결 공정에서, 원소 Z, 텅스텐 및 탄소의 고용체가 생성되어, 강도나 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 GPa 이상, 8.0 GPa 이하, 온도 1500℃ 이상, 1900℃ 이하에서 10분 정도 유지함으로써 행할 수 있다. 금형의 내구성을 고려하면 8.0 GPa보다 큰 압력은 실용성이 작다. 온도를 1900℃보다 높이면, 다이아몬드-흑연의 평형선을 넘어 흑연의 안정 영역에 들어가기 때문에, 다이아몬드의 흑연화가 발생하기 쉬워진다. 초고압 발생 장치의 금형의 내구성과, 다이아몬드 소결체의 성능을 고려하면, 압력 5.7 GPa 이상, 7.7 GPa 이하, 온도 1500℃ 이상 1900℃ 이하의 조건으로 10분 정도 유지하는 것이 보다 바람직하다.

소결 후, 산처리 전의 결합재 내의 상기 고용체의 함유율로서는, 1 중량% 이상, 50 중량 % 미만이 바람직하다. 고용체의 함유율이 상기의 범위보다 작은 경우는, 우수한 강도나 내마모성 등이 잘 얻어지지 않고, 다른 한편으로, 고용체의 함유율이 상기의 범위보다 큰 경우는, 철족 원소의 비율이 작아지기 때문에, 다이아몬드 입자의 목 성장을 촉진한다고 하는 촉매능이 충분히 잘 얻어지기 않게 되며, 그 결과 강도가 저하되는 등의 문제가 발생하기 쉬워진다.

소결 후, 다이아몬드 소결체는 산처리되고, 결합재 내의 철족 원소가 용출된다. 단, 산처리되어도 일부 철족 원소는 결합재 내에 잔존한다. 철족 원소가 결합재 내에서 용출된 결과, 다이아몬드 소결체 내에 공공이 형성된다.

산처리는 철족 원소를 용해하는 산용액에 다이아몬드 소결체를 침지하는 방법에 의해 행할 수 있다. 산용액으로서는 질산 및 염산으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하는 용액이 철족 원소를 충분히 용해하는 한편, 고용체를 용해하는 경우가 적기 때문에, 바람직하게 예시된다.

이상과 같이 하여 얻어진 다이아몬드 소결체는, 종래의 다이아몬드 소결체보다 강도나 내마모성이 더 우수한 것으로, 드로잉 다이 공구 등에 적합하게 이용된다. 드로잉 다이 공구는 이 다이아몬드 소결체에 레이저 등으로 구멍을 형성하고, 그 구멍을 랩핑함으로써 제조할 수 있다.

(발명의 효과)

본 발명의 다이아몬드 소결체는, 소결체 내에 결합재로서 포함되어 있는 철족 원소를 산처리에 의해 제거하여 형성된 공공을 갖는 소결체이지만, 이러한 공공을 갖는 종래의 다이아몬드 소결체보다 강도가 높고, 내마모성이 우수하다. 따라서, 우수한 강도나 내마모성이 요구되는 드로잉 다이 공구 등에 적합하게 이용된다. 이 다이아몬드 소결체를 사용하는 드로잉 다이 공구에 의해 신선(wire drawing)을 행하면, 신선의 양호한 표면 상태나 긴 신선 수명을 얻을 수 있다.

이 다이아몬드 소결체는, 본 발명의 다이아몬드 소결체의 제조 방법에 의해 용이하게 얻을 수 있다.

다음으로 실시예를 참조하여, 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 실시예가 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

실시예 1

표 1에 나타내는 결합재 성분의 다이아몬드 소결체 A∼N을 제조하고, 소우 와이어선(브라스 도금 강선)을 신선(wire drawing)하여, 신선 수명을 측정하였다. 여기서, 신선 수명은, 신선의 형상이 두꺼워져 선 직경이나 진원도가 규격을 벗어나는 것과, 신선의 색조를 육안이나 색차계로 측정했을 때 색조 저하가 보이는 것 중 어느 하나가 생길 때까지 신선된 선의 중량으로 나타낸다. 또한 소결체 C, D 및 F∼L이 본 발명의 예이고, 소결체 A, B, E, M, N은 비교예이다.

(다이아몬드 소결체의 제조)

평균 입경 1 ㎛의 다이아몬드 분말과, 결합재로서 코발트 분말 및 표 1에 나타내는 탄화물(고용체)을 이용하여, 표 1에 나타내는 혼합 비율(다이아몬드, 탄화물, 코발트의 합계 용량에 대한 각 성분의 용량%)로 건식 혼합하였다. 소결체 A, B의 제조에서 이용한 탄화물은 탄화텅스텐이다. 소결체 C∼N의 제조에서 이용한 탄화물은, 표 1에 나타내는 각 원소(티탄, 크롬, 몰리브덴 또는 바나듐)의 탄화물과 탄화텅스텐의 분말을 표 1에 나타낸 원자수 비로 혼합하고, 압력: 5.5 GPa, 온도: 1400℃의 조건으로 5분간 유지하여 생긴 고용체를 분쇄하여 제작한 것이다.

이와 같이 하여 얻어진 혼합물을, 초경합금으로 형성된 기재(원반)에 접한 상태로 탄탈제의 용기에 충전하고, 벨트형 초고압 장치를 이용하여, 압력: 5.8 GPa, 온도 1500℃의 조건으로 10 분간 유지하여 소결하여, 다이아몬드 소결체를 얻었다. 얻어진 다이아몬드 소결체를, 밀폐 용기 내에서 농도 60% 이상 65% 미만의 질산을 2배 희석한 것으로, 80℃ 이상, 100℃ 미만으로 100시간 침지하여 산처리하였다.

SEM(주사형 전자 현미경) 2차 전자상에 의해, 얻어진 다이아몬드 소결체의 다이아몬드 입자의 입자 직경을 확인한 바, 평균 입경 1.2 ㎛였다.

(코발트 및 탄화물 함유량의 측정)

상기에서 얻어진 다이아몬드 소결체 각각에 포함되는 코발트 및 탄화물을 XRD(X-ray diffraction), TEM(투과형 전자 현미경), AES[오제(Auger) 전자 분광 분석법]에 의해 측정하여 코발트 및 탄화물을 검출하였다. 각 원소를 고주파 유도 플라즈마 발광 분석법(ICP법)에 의해 정량 측정하여, 각각의 함유량(다이아몬드 소결체의 전체 용량에 대한 용량%)을 산출하였다. 또한, 이하에 나타내는 방법에 의해 공공의 용량%를 산출하였다. 이들 산출값을 표 1에 나타낸다.

공공의 용량%의 산출 방법: 산처리 전후의 코발트 및 탄화물의 용량%를 산출하고, 다이아몬드 입자의 용량%는 변화하지 않는 것으로 생각하여, 코발트 및 탄화물의 용량%의 산처리에 의한 감소분을 공공의 용량%로 하였다.

또한, 길이 6 ㎜, 폭 3 ㎜, 두께 0.4 ㎜∼0.45 ㎜인 직사각형으로 한 이 소결체를, 밀폐 용기 내에서, 농도 60% 이상 65% 미만의 질산을 2배 희석한 것 40 ml와, 농도 45% 이상 50% 미만의 불화수소산 10 ml를 혼합한 불산으로, 120℃ 이상 150℃ 미만에서 48시간 처리하여 다이아몬드 이외의 성분을 제거한 소결체의, 스팬 거리 4 ㎜의 조건에서 3점 굽힘 강도 측정에 의한 항절력을 측정한 바, 소결체 A: 1.3 GPa, 소결체 B: 1.4 GPa, 소결체 C: 1.6 GPa, 소결체 D: 1.6 GPa, 소결체 E: 1.6 GPa, 소결체 F: 1.6 GPa, 소결체 G: 1.6 GPa, 소결체 H: 1.6 GPa, 소결체 I: 1.6 GPa, 소결체 J: 1.6 GPa, 소결체 K: 1.3 GPa, 소결체 L: 1.4 GPa, 소결체 M: 0.7 GPa, 소결체 N: 1.3 GPa였다. 따라서, 소결체 A∼L 및 N의 인접하는 다이아몬드 입자끼리가 서로 결합되어 있다고 할 수 있다.

[표 1]

산처리 후, 레이저 가공에 의해 기초 구멍을 형성하고, 랩핑하여 구멍 직경 φ 0.175 ㎜의 다이를 제작하였다. 이 다이를 이용하여 소우 와이어선(브라스 도금 강선)에 대하여 선속 850 m/min, 습식으로 신선(wire drawing)을 행하였다. 결과를 표 2에 나타낸다.

[표 2]

*: 치핑에 의해 선 표면에 흠집이 생겨, 수명이 30 min으로 되었다.

소결체 A, B는, 원료 분말 내의 코발트의 비율이 높고 또한 탄화물로서 탄화텅스텐만을 포함하고, 산처리에 의해 코발트의 대부분이 용해되고 또한 일부 탄화텅스텐도 용해하여 공공 비율이 높아지고 있다. 그 결과, 신선 후의 선의 표면 상태가 좋지 않고 신선 수명도 짧다. 한편, 텅스텐이 원소 Z 및 탄소와 고용체를 형성하고 있는 소결체 C, D 및 F∼I에서는, 산처리에 의해 코발트는 용해되지만, 고용체의 용해는 적기 때문에 공공 비율이 낮다. 그 결과, 신선 후의 선의 표면 상태가 좋고, 신선 수명도 길다.

그 중에서도, 원소 Z로서 티탄을 이용한 소결체 C, F∼I, J, K 및 L의 경우 에는, 고용체의 용해가 특히 적고, 또한 이 고용체의 결합재로서의 작용도 하여, 가장 긴 신선 수명을 얻을 수 있었다. 그러나, 원소 Z인 티탄이나 크롬 대신에 몰리브덴을 이용한 소결체 E에서는, 소결체 C, D 및 F∼I의 경우에 비해 고용체의 용해가 많고, 그 결과 신선 수명도 소결체 C, D 및 F∼I의 경우에 비해 짧다. 또한 원소 Z로서 티탄을 이용한 소결체 C 및 F∼I 중에서는, 소결체 C, F, G의 신선 수명이 길고, 티탄/텅스텐이 0.4 미만인 소결체 I나 티탄/텅스텐이 15를 초과하는 소결체 H에서는, 신선 수명이 짧아지는 경향이 보인다.

소결체 M은, 다이아몬드에 대한 결합재의 양이 불충분하여, 결합재의 촉매 작용에 의해 다이아몬드 입자간에 충분한 목 성장을 생성시킬 수 없기 때문에, 신선 수명이 짧다. 소결체 N은, 다이아몬드보다 결합재의 비율이 너무 많기 때문에, 산처리 후의 공공의 비율이 커지고, 본 발명의 소결체와 비교하여 신선 수명이 짧다.

실시예 2

실시예 1과 마찬가지로 하여 소결을 행하고, 얻어진 A∼I의 소결체를 실시예 1과 마찬가지로 희질산으로 산처리한 후, 레이저 가공에 의해 기초 구멍을 형성하고, 랩핑하여 구멍 직경 φ 0.4 ㎜의 다이를 제작하였다. 이 다이를 이용하여 스테인리스강선(SUS304)에 대해 선속 400 m/min, 습식으로 신선을 행하고, 신선 수명을 측정하였다. 결과를 표 3에 나타내다.

[표 3]

표 3이 나타내는 바와 같이, 소우 와이어선 대신에 스테인리스 강선을 이용한 경우도, 실시예 1과 유사한 결과가 얻어지고 있다. 즉, 텅스텐이 원소 Z 및 탄소와 고용체를 형성하고 있는 소결체 C, D 및 F∼I에서는, 신선 수명이 길지만, 텅스텐이 고용체를 형성하지 않는 소결체 A 및 B나, 몰리브덴을 포함하는 고용체를 이용하는 소결체 E의 경우에는, 신선 수명이 소결체 C, D 및 F∼I의 경우보다 짧다.

Claims

다이아몬드 입자, 결합재 및 공공(空孔)을 포함하는 다이아몬드 소결체로서,

상기 다이아몬드 입자의 함유량은 80 용량% 이상, 98 용량% 미만이고,

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

인접하는 상기 다이아몬드 입자끼리는 상호 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체.
제1항에 있어서, 공공의 함유량이 0.1 용량% 이상, 10 용량% 미만인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체.
제1항 또는 제2항에 있어서, 티탄, 지르코늄, 바나듐, 니오브 및 크롬으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소, 탄소 및 텅스텐을 포함하는 고용체의 함유량이 0.1 용량% 이상, 15 용량% 미만이고, 철족 원소의 함유량이 0.1 용량% 이상, 3 용량% 미만인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고용체 내의 티탄, 지르코늄, 바나듐, 니오브 및 크롬으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소와 텅스텐의 성분 비율이 원자수 비로 0.4 이상, 15.0 이하의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 티탄, 지르코늄, 바나듐, 니오브 및 크롬으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소가 티탄인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 철족 원소가 코발트인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체.
티탄, 지르코늄, 바나듐, 니오브 및 크롬으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소, 탄소 및 텅스텐과, 철족 원소와, 다이아몬드 분말을 혼합하는 공정과,

얻어진 혼합물을, 다이아몬드가 열역학적으로 안정적인 고온, 고압 하에서 소결하여, 상기 원소, 탄소 및 텅스텐의 고용체와 상기 철족 원소를 포함하는 결합재와, 인접하는 입자끼리가 상호 결합되어 있는 다이아몬드 입자를 함유하는 소결체 X를 형성하는 공정과,

소결체 X를 산처리하여 철족 원소를 용출하는 공정

을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체의 제조 방법.
제7항에 있어서, 상기 산처리가 질산 및 염산으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하는 산용액에, 소결체 X를 침지함으로써 행해지는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 소결체의 제조 방법.