KR20110015655A

KR20110015655A - 다결정성 다이아몬드 콤팩트의 제조 방법

Info

Publication number: KR20110015655A
Application number: KR1020107029772A
Authority: KR
Inventors: 험프리 삼켈로 렁지사니 시테베
Original assignee: 엘리먼트 씩스 (프로덕션) (피티와이) 리미티드
Priority date: 2008-06-04
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2011-02-16
Also published as: EP2240265A1; EP2240265B1; RU2010130949A; JP5303029B2; JP2011525143A; CN101909735A; ATE521405T1; US20110072730A1; CA2711429A1; CN101909735B; US8485284B2; GB0810184D0; WO2009147629A1

Abstract

본 발명은 초경질(cemented) 카바이드 기재에 다결정성 다이아몬드(PCD) 콤팩트(compact)가 결합된 복합 다이아몬드 콤팩트의 제조 방법을 제공한다. 상기 방법은 PCD 테이블, 바람직하게는 다이아몬드-대-다이아몬드 결합 및 다공성 미세구조(이때 기공들에는 제 2의 상 물질이 없다)을 제공하는 단계; 결합제의 존재 하에 상기 PCD 테이블 및 초경질 카바이드 기재를 합쳐 비결합된 어셈블리를 형성하는 단계; 상기 비결합된 어셈블리를 4.5 GPa 이상의 압력 및 상기 결합제의 융점보다 낮은 온도에서 150초 이상의 시간 동안 초기 압밀화 처리하는 단계; 및,이어서, 상기 비결합된 어셈블리를, 상기 결합제의 융점보다 높은 온도 및 4.5 GPa 이상의 압력에서, 상기 결합제가 용융되어 상기 PCD 테이블을 상기 기재에 결합시켜 복합 다이아몬드 콤팩트를 형성하기에 충분한 시간동안 처리하는 단계를 포함한다.

Description

다결정성 다이아몬드 콤팩트의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING A PCD COMPACT}

본 발명은 다결정성 다이아몬드(PCD) 물질의 제조 방법에 관한 것이다.

다이아몬드 연마 콤팩트로도 공지된 다결정성 다이아몬드는 다이아몬드-대-다이아몬드 결합을 상당한 양으로 함유하는 다이아몬드 입자들의 덩어리를 포함한다. 다결정성 다이아몬드는 일반적으로 다이아몬드 촉매/용매, 예를 들어 코발트, 니켈, 철 또는 하나 이상의 이러한 금속들을 함유하는 합금을 함유하는 제 2의 상을 포함할 것이다.

다이아몬드 입자가 적합한 금속성 용매/촉매와 조합되는 경우, 상기 용매/촉매는 다이아몬드 입자들 간의 다이아몬드-대-다이아몬드 결합을 촉진하며, 결과적으로 내부성장되거나 소결된 구조를 형성한다. 따라서, 이러한 내부성장된 다이아몬드 구조는 원래의 다이아몬드 입자 뿐만 아니라 이들 입자들을 연결하는 것으로 새롭게 침전되거나 재성장된 다이아몬드 상을 포함한다. 최종 소결된 구조에서, 용매/촉매 물질은 상기 소결된 다이아몬드 입자들 사이에 존재하는 틈새(interstices) 안에 존재한 채로 남아 있다. 이러한 소결된 PCD 구조는, 공격적인 마모, 절삭 및 드릴링 적용례에서 사용하기에 충분한 내마모성 및 경도 특성을 나타낸다.

그러나, 이러한 유형의 PCD 콤팩트가 경험하게 되는 잘 알려진 문제점은, 상기 미세구조 틈새에 존재하는 잔류 용매/촉매 물질의 존재가 고온에서 상기 콤팩트의 성능에 악영향을 준다는 점이다. 열 요구 조건 하에서의 이러한 성능 감소는 상기 금속성 다이아몬드 콤팩트의 두 가지의 상이한 거동으로부터 유발되는 것으로 추정된다.

첫째는 상기 틈새 용매/촉매와 상기 소결된 다이아몬드 망상의 열 팽창 특성들 간의 차이로부터 발생한다. 400℃보다 훨씬 더 높은 온도에서, 상기 금속성 성분은 상기 내부성장된 다이아몬드 망상보다 훨씬 더 팽창하여 상기 다이아몬드 골격에 미세-파쇄를 불러일으킬 수 있다. 이러한 미세-파쇄는 증가된 온도에서 상기 결합된 다이아몬드의 강도를 현저히 감소시킨다.

또한, 고압 고온 소결 조건 하에 다이아몬드-대-다이아몬드 결합을 촉진하는 상기 용매/촉매 금속성 물질은 증가된 온도 및 감압 하에서 분명한 성능 결과와 함께 다이아몬드의 흑연으로의 회귀를 동등하게 촉매작용한다. 이러한 구체적인 영향은 약 700℃를 초과하는 온도에서 대부분 관찰된다.

따라서, 금속성 용매/촉매의 존재 하에 소결된 PCD는, 그의 월등한 연마 및 강도 특성에도 불구하고, 700℃ 미만의 온도로 유지되어야만 한다. 이것은 상기 물질에 대한 잠재적인 산업상의 적용례 및 사용될 수 있는 잠재적인 제조 경로를 상당히 제한한다.

이러한 문제점에 대한 가능한 해결책은 당해 분야에 잘 알려져 있다.

하나의 주요 접근법은, PCD 공구의 작업면(상기 작업면은 전형적으로 마찰발생으로 인해 적용시 최고온에 직면한다)에 인접한 부피 중에서 또는 대부분의 PCD 층에서, PCD 물질로부터 촉매/용매 또는 결합상을 제거하는 것이다.

미국특허 제 4,224,380 호 및 제 4,288,248 호는 금속성 촉매/용매의 존재 하에서 초기에 소결된 다결정성 다이아몬드 콤팩트를 개시하고 있으며, 여기서는 상당량의 촉매/용매 상이 상기 다이아몬드 망상으로부터 침출되어 있다. 상기 침출된 생성물은 비침출된 생성물보다 열적으로 더 안정한 것으로 입증되었다.

개선된 열적 안정성을 달성하기 위해 이러한 접근법으로부터 초래되는 몇 가지 문제점이 있다. 첫째, 빈 기공의 연속적인 망상을 갖는 상기 침출된 PCD 단편은 실질적으로 증가된 표면적을 갖는데, 이것은 (특히 더 고온에서) 산화에 대한 취약점을 더욱 가중시킬 수 있다. 그 후 이는, 비록 상이한 기전에 의한 것이기는 하지만, 고온에서 PCD 콤팩트의 강도 감소를 초래할 수 있다. 다공성의 침출된 PCD 콤팩트는 또한, 사용 전 카바이드 기재에 이를 브레이징(brazing)시켜야 한다는 점에서, 기술적인 부착 문제점도 나타낸다. 통상적인 PCD 콤팩트는 전형적으로 카바이드 기재를 부착된 채로 형성한 다음, 소결 단계를 거친다. 이러한 브레이징 단계는 기술적으로 문제가 있어 종종 콤팩트 공구 구조 내에 차후의 약점을 제공한다.

미국특허 제 4,944,772 호는 바람직하게는 열적으로 안정한 상부층을 갖는 2층의 소결된 PCD 콤팩트의 형성을 개시하고 있다. 하나의 바람직한 실시양태에서, 침출된 PCD 콤팩트 및 초경질 카바이드 지지체는 별도로 형성된다. 비소결된 다이아몬드 결정(30 내지 500㎛의 최대 치수를 가짐)의 간층(interlayer)이 카바이드와 열적으로 안정한 PCD(TSPCD) 층 사이에 위치한다. 촉매/소결 보조 물질의 공급원도 개입된 결정들 층과 함께 제공된다. 그다음, 이러한 어셈블리는 HpHT 조건에 적용되어 간층을 소결시키고 그 전체를 2층 지지된 콤팩트에 결합시킨다. 이러한 적용례에서, TSPCD 층의 주목할만한 재침투(re-infiltraion)는 유리한 것으로 보이지 않지만, 일부 소량의 재침투는 우수한 결합을 달성하기 위해서 요구되는 것으로 여겨진다.

미국특허 제 5,127,923 호는 다공성인 열적으로 안정한 다결정성 다이아몬드(TSPCD) 층을 제 2 HpHT 사이클 동안 카바이드 기재에 재부착하되, 기재로부터 제거된 TSPCD 콤팩트의 표면에 인접하게 제 2 "불활성" 침투제 공급원을 제공하는, 상기 접근법에 대한 개선점을 교시하고 있다. 이러한 제 2 침투제에 의한 TSPCD체의 침투는 카바이드 기재의 금속성 결합제에 의한 상당한 재침투를 억제한다. 주의깊게 선택하는 경우, 이전에 침출된 바디의 열 안정성도 손상되지 않는다. 예를 들어 규소와 같은 적합한 침투제는 기재 결합제보다 낮은 융점을 가져야만 한다.

이러한 교시에 따라 제조된 콤팩트는, 침출된/다공성 층과 하부의 소결된 PCD 및 카바이드 기재 간의 상당한 특성차로 인하여, 높은 내부 응력을 겪는 것으로 관찰되었다. 이는, 침출된 콤팩트의 단일 결정 특성에 의해 악화되고 종종 제 2 부착 HpHT 사이클 동안 PCD-기재 계면에서 또는 PCD 층 자체를 관통하여 균열을 야기한다. 추가로, 재부착 공정 자체는, TSPCD 층의 주목할만한 재침투가 제 2 HpHT 사이클 동안 일어나지 않도록 제어하기 어려울 수 있다.

추가로, 관련된 추가의 인자는 요구되는 침출되거나 다공성인 TSPCD 콤팩트의 제공에 있다. 전형적으로, 현존하는 적용례에 의해 요구되는 것으로 보다 입자가 미세하고(finer grained) 및 두꺼운 PCD 테이블로부터 금속성 결합제를 대부분 효과적으로 제거하는 것은 극히 어렵고 시간-소모적이다. 일반적으로, 현재 분야는 높은 다이아몬드 밀도의 PCD 및 금속 결합제 풀(pool)의 극히 미세한 분포를 갖는 상응하는 PCD를 달성하는데 초점을 맞추고 있다. 이러한 미세한 망상은 침출제에 의한 침투를 방해하여, 잔류하는 촉매/용매는 종종 침출된 콤팩트 내에 여전히 잔류하여, 그의 궁극적인 열 안정성을 손상시킨다. 게다가, 주목할만한 침출 깊이의 달성은 상업적으로 실행불가능할 정도로 일어나거나, 또는 예를 들어 극한적인 산 처리 또는 벌크 PCD로의 침투 채널의 드릴화와 같은 바람직하지 않은 개입 공정을 요구한다.

당해 분야에 개시된 추가의 접근법은, PCD 콤팩트로부터의 금속성 결합제의 부분적 제거에 관한 것이다. 일본특허 제 59119500 호는 작업면의 화학적 처리 이후 PCD 소결된 물질의 성능 개선을 주장한다. 이러한 처리는 작업면에 매우 인접한 영역내 촉매/용매 매트릭스를 용해 및 제거한다. 이 발명은, 소결된 다이아몬드의 강도를 손상시키지 않으면서, 매트릭스가 제거된 대역에서 PCD 물질의 내열성이 증가하였다고 주장하고 있다.

미국특허 제 6,544,308 호 및 미국특허 제 6,562,462 호는 그 중에서도 실질적으로 촉매화 물질이 없는 절삭면에 인접한 대역을 특징으로 하는 PCD 절삭 구성요소를 개시한다. 이러한 커터(cutter)의 성능 개선점은 이러한 영역에서의 PCD의 내마모성 증가에 기인하며, 이때 상기 촉매 물질의 제거는 이러한 적용례에서의 PCD의 감소된 열적 열화를 유발한다.

작업면으로부터 약 200 내지 500㎛ 깊이까지 이러한 대역내 촉매/용매를 실질적으로 제거하는 것은, 구체적인 적용례에서 절삭 구성요소의 성능을 식별가능한 정도로 개선시키지만, 특정한 문제점도 여전히 관찰된다. 이러한 접근법은, 즉, 카바이드 기재가 부착된 완전한 절삭 구성요소에 적용되기 때문에, 상기 금속 제거 또는 침출 단계 동안 취약한 기재 및 PCD-기재 계면이 차폐되거나 보호되어야만 한다. 이러한 차폐 공정은 기술적으로 사소한 것이 아니며, 보호되어야만 하는 커터의 부분에 대한 상당한 손상을 유발하지 않으면서 사용될 수 있는 침출 처리의 범주를 추가로 한정한다.

이러한 접근법에서는 본태적인 추가의 기술적 한계가 있다. PCD 층은 카바이드 기재와 동일 반응계에서 제조되며 이에 부착된 상태로 후속적으로 처리된다. 따라서, 카바이드 기재의 특성 및 유형은, 침투 및 PCD 소결 공정을 지원하는 것으로만 한정된다. 이는, 상기 기재의 기계적 특성의 최적화를 적합한 침투 특성과 결합되는 것으로 제한한다.

본 발명에 따르면, 초경질(cemented) 카바이드 기재에 결합된 다결정성 다이아몬드(PCD) 콤팩트(compact)를 포함하는 복합 다이아몬드 콤팩트의 제조 방법으로서,

PCD 테이블을 제공하는 단계;

결합제의 존재 하에 상기 PCD 테이블 및 초경질 카바이드 기재를 합쳐 비결합된 어셈블리를 형성하는 단계;

상기 비결합된 어셈블리를 4.5 GPa 이상의 압력 및 상기 결합제의 융점보다 낮은 온도에서 150초 이상의 시간 동안 초기 압밀화(compaction) 처리하는 단계; 및, 이어서,

상기 비결합된 어셈블리를, 상기 결합제의 융점보다 높은 온도 및 4.5 GPa 이상의 압력에서, 상기 결합제가 용융되어 상기 PCD 테이블을 상기 기재에 결합시켜 복합 다이아몬드 콤팩트를 형성하기에 충분한 시간동안 처리하는 단계

를 포함하는 방법이 제공된다.

본 발명의 방법은, 상기 결합제의 융점보다 낮은 온도에서의 초기 압밀화 단계를 필수 단계로서 갖는, 초경질 카바이드 기재에 PCD 테이블 또는 바디(body)를 결합 또는 부착시키는 방법을 제공한다. 이 초기 압밀화는 소위 냉간(cold) 또는 열간(hot) 압밀화 방법, 또는 바람직하게는 상기 열간 압밀화 및 냉간 압밀화 방법 둘다의 사용을 포함할 수 있다.

냉간 압밀화가 사용되는 경우는, 아무런 가열 없이, 즉 주위 온도 또는 대략 주위 온도에서, 150초 이상, 더욱 바람직하게는 200초 초과의 시간 동안, 상기 PCD 테이블에 일반적으로 4.5 GPa 내지 5.5 GPa 범위의 압력을 인가한다.

열간 압밀화가 사용되는 경우는, 상기 PCD 테이블을 주위 온도 초과의 온도, 바람직하게는 900℃ 초과의 온도로 150초 이상의 시간 동안 처리한다.

상기 결합제는 금속일 수 있으며, 코발트, 알루미늄, 은, 구리, 규소 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 상기 결합제의 공급원은 상기 초경질 카바이드 기재이거나, 또는 상기 PCD 테이블과 상기 초경질 카바이드 기재 사이에 제공된 결합제의 삽입물(shim) 또는 층일 수 있다.

상기 PCD 테이블 또는 바디는, 당분야에 공지된 방법에 의해 제조된 소결된 물질일 것이다. 이것은 다이아몬드-대-다이아몬드 결합 및 다공성 미세구조를 함유할 것이다. 상기 다공성 미세구조의 기공(pore)은 용매/촉매와 같은 제 2의 상 물질(phase material)을 함유할 수도 있다.

상기 PCD 테이블 또는 바디의 형태는 임의의 적합한 형태일 수 있으며, 제조할 제품의 특성 및 유형에 의존할 것이다. 상기 형태는 전형적으로 디스크-형태일 것이다.

본 발명은 특히, 상기 다공성 미세구조의 기공이 비어있고 실질적으로 제 2의 상 물질을 함유하지 않는 PCD 테이블에 특정 적용된다. 그러한 PCD 테이블의 경우, 결합 단계 중에 비어있는 기공내로 용융 결합제가 침투될 것이다. 결합제의 침투는 다공성 미세구조의 전체를 통해 또는 다공성 미세구조의 단지 일부, 예컨대 상기 PCD 테이블과 상기 초경질 카바이드 기재 간의 계면에 가까운 영역만을 통해 확대될 수 있다.

상기 다공성 미세구조의 기공이 제 2의 상 물질을 함유하는 PCD 테이블의 경우, 약간의 상기 PCD 미세구조 내로의 용융 결합제의 침투 및 상기 제 2의 상 물질과의 혼합이 일어날 것이다.

상기 PCD 테이블이 HpHT 조건하에서 소결하는 것에 의해 제조되는 경우, 전통적인 금속성 다이아몬드 용매/촉매, 예컨대 코발트, 철, 니켈 또는 이들의 합금이 전형적으로 사용된다. 이 금속 촉매는, 금속 분말을 소결되지 않은 다이아몬드 결정과 혼합하는 것에 의해 도입되거나, 소결 중 인접 카바이드 기재로부터의 침투에 의해 공급되거나, 또는 상기 방법들의 조합에 의해 도입될 수 있다. 그러한 PCD는 오일 및 가스 시추 산업에 사용된다.

상기 PCD 테이블이, 일차적으로 초경질 카바이드 기재에 결합된 PCD 층을 형성하는 것에 의해 제조되는 경우, 형성된 PCD 층은 이어서 당업계에 공지된 기법에 의해 상기 초경질 카바이드 기재로부터 제거된다.

상기 형성된 PCD 테이블은, 용매/촉매 결합제의 모든 양 또는 주요량이 제거되는 침출(leaching) 공정으로 처리된다. 생성된 PCD 침출된 테이블은 다공성 미세구조를 갖는다.

본 발명의 하나의 형태의 실시에서는, 가능한한 완전하게 상기 용매/촉매 결합제 물질을 제거하는 방식으로 PCD 테이블을 침출하는 것이 바람직하다. 그러나, 침출 방법이 상기 물질을 효과적으로 제거할 수 없는 경우, 특정량의 잔류 촉매/용매 물질이 상기 침출된 공극들(voids)내 표면에 부착되어 있거나, 특히 상기 층의 중심 부피의 상기 PCD 구조 내에 결합되어 있을 것이 예상된다.

상기 PCD 테이블은, 상기 PCD 테이블을 초경질 카바이드 기재에 부착시키는 결합 단계에서 변형된 HpHT 처리 하에 있게 된다. PCD의 냉간 압밀 및 열간 압밀의 증가된 시간이 사용되어, 가소적(plastic) 변형 중 입자 재배열 시간이 증가되어 더 높은 다이아몬드 근접성(contiguity) 및 밀도를 가진 제품이 생성될 수 있는 방법으로 수행된다. 따라서, 본 발명의 방법은 상기 변형된 HpHT 공정 후에 상기 PCD 미세구조에 변화를 일으켜 더 우수한 내마모성 및 내열성을 가진 제품을 생성한다. 이는, 상기 PCD 테이블이 제 2의 상 물질을 실질적으로 함유하지 않는 다공성 미세구조를 갖는 경우에 특히 그러하다.

출발 PCD 테이블을 제조하는데 사용되는 비-소결 다이아몬드 입자들은 단봉형, 즉 다이아몬드가 단일 평균 입자 크기를 가지거나, 또는 다봉형, 즉 다이아몬드가 1개보다 많은 평균 입자 크기를 갖는 입자들의 혼합물을 포함하는 것일 수 있다.

상(phase) 형성에 있어서 본 발명의 PCD 물질은 바람직하게는 초경질 카바이드 기재의 표면에 결합된 PCD 테이블의 형태를 취함으로써 복합체 다이아몬드 콤팩트를 형성한다. 용매/촉매의 공급원은 전형적으로 적어도 부분적으로 상기 카바이드 기재일 것이다. 상기 카바이드는 바람직하게는, 출발 PCD 콤팩트에 대한 용매/촉매의 공급원인 텅스텐 카바이드의 형태이다. 당해 분야에 공지된 바와 같이, 출발 PCD 콤팩트를 제조하는 공정에서의 용매/촉매의 존재는 다이아몬드 입자들 간의 결합 형성에 영향을 주어, 전형적으로 85 내지 95 부피%의 다이아몬드인 치밀한 내부성장된(intergrown) PCD 구조를 생성한다.

PCD 테이블을 기재에 부착 또는 결합시키는 경우, 결합제를 사용하여 PCD 테이블과 초경질 카바이드 기재 간의 결합을 형성하거나 촉진한다. 따라서, 그것이 용매/촉매 금속이어야 할 필요는 없다.

초기 압밀화 단계에서의 냉간 압밀화 동안, PCD는, 온도 증가 없이, 적용된 압력에 의해 탄성적 고결화(elastic consolidation)를 거친다. 상기 결합제 용융 이전의 열간 압밀화 동안에 가소적 변형이 일어난다. 이러한 압밀화 기작은 PCD 구조의 치밀화를 더욱 촉진함으로써 개방 기공들의 부피를 감소시키고, 따라서 후속적으로 공극들에 침투하여 이들을 채우는 재-침투 물질의 부피를 감소시킨다. 따라서, 내마모성 및 내열성의 개선은 개선된 다이아몬드 팩킹(packing) 및 접촉 때문이다. PCD 구조의 치밀화는 특히 PCD 테이블의 다공성 미세구조의 기공들이 결여되어 있는 경우, 즉 실질적으로 제 2의 상 물질이 존재하지 않는 경우에 명백하다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 단지 한 예로서 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시양태의 HpHT 부착 공정에 대한 압력, 온도 사이클 부분을 도시한다.
도 2의 A는 본 발명의 바람직한 실시양태의 HpHT 부착 공정을 거치기 전의 PCD 물질의 저 배율 SEM 사진을 도시한다.
도 2의 B는 본 발명의 바람직한 실시양태의 HpHT 부착 공정을 거친 후의 PCD 물질의 저 배율 SEM 사진을 도시한다.
도 3의 A는 도 2의 A의 PCD 물질의 고 배율 SEM 사진을 도시한다.
도 3의 B는 도 2의 B의 PCD 물질의 고 배율 SEM 사진을 도시한다.
도 4a는 본 발명의 바람직한 실시양태의 HpHT 부착 공정을 거치기 전후의 PCD 테이블의 다이아몬드 근접성을 비교한 그래프를 도시한다.
도 4b는 본 발명의 바람직한 실시양태의 HpHT 부착 공정을 거치기 전후의 PCD 테이블의 다이아몬드 함량을 비교한 그래프를 도시한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시양태의 HpHT 부착 공정을 거치기 전후의 PCD 테이블의 화강암 밀링 결과를 비교한 그래프를 도시한 것으로서, 열 안정성을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시양태의 HpHT 부착 공정을 거치기 전후의 PCD 테이블의 화강암 선삭(turning) 시험 결과를 비교한 그래프를 도시한 것으로서, 내마모성을 나타낸다.

본 발명은 PCD가 개선된 내마모성 및 열 안정성을 가질 수 있는 복합체 PCD 콤팩트의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명의 방법에 따르면, 다이아몬드-대-다이아몬드 결합을 갖고 다공성 미세구조를 갖는 소결된 PCD 테이블이 제공된다. PCD 테이블은 임의의 적절한 방식으로 제공될 수 있지만, 전형적으로 다단계 합성 공정의 제 1 단계에서 제공된다. PCD 테이블은 전형적으로 표준 방법에 따른 통상의 다이아몬드 용매/촉매의 존재 하에서, 즉 소결된 PCD 테이블을 제조하기 위한 HpHT 조건 하에서 형성된다. 이는 전형적으로 지지된 PCD 콤팩트, 즉 초경질 카바이드 기재를 갖는 PCD 테이블이다. 소결된 PCD 테이블이 카바이드 기재에 의해 지지되는 경우, PCD 테이블은 후속적으로 상기 카바이드의 EDM 컷팅(cutting), 랩핑(lapping) 또는 연마(grinding), 또는 당해 분야에 공지되어 있는 임의의 유사한 기법에 의해 상기 카바이드 기재로부터 탈착될 것이다.

표준 PCD 테이블을 제조하는데 사용되는 다이아몬드 용매/촉매는 소결 이전에 비-소결 다이아몬드 분말(즉, 그린(green) 상태 생성물) 내로 도입되고/되거나 소결 동안 상기 카바이드 기재로부터 침투에 의해 도입될 수 있다. 당해 분야에 주지된 용매/촉매의 다양한 도입 방법, 예컨대 볼 밀링(습식 및 건식), 진탕기(shaker) 밀링 및 마쇄기(attritor) 밀링을 비롯한 기계적 혼합 및 밀링 방법이 용매/촉매를 비-소결 다이아몬드 분말 내로 도입시키는 데 적합할 것이다. 분말 형태인 경우, 이와 같은 용매/촉매 물질의 입자 크기는 바람직하게는 비-소결 다이아몬드 그레인의 입자 크기와 유사하다. 상기 촉매가 상기 다이아몬드 그레인보다 크기 면에서 더 미세한 것이 더욱 바람직하다.

상기 형성된 소결된 PCD 테이블을 제조하는데 사용된 HpHT 조건은 전형적으로 상기 용매/촉매의 특성에 의해 결정될 것이다. 이는 당해 분야 숙련자들에게 주지되어 있다. 상기 용매/촉매가 통상의 전이 금속 원소 또는 합금인 경우, 이러한 조건들은 전형적으로 1300 내지 1550℃ 및 5 내지 6 GPa이다. 다른 공지의 금속계 및 비-금속계 용매/촉매 시스템도 또한 소결된 PCD 테이블을 제조하는데 적합하다. 상기 PCD는 내부성장 특성을 갖는 것이 중요하다.

상기 용매/촉매는 바람직하게는 당해 분야에 공지된 다양한 침출 기법, 예컨대 전해 에칭, 산 침출 및 증발 기법을 사용하여 상기 형성된 PCD 테이블로부터 제거된다. 상기 용매/촉매 물질이 전이 금속 또는 이의 합금인 경우, 이는 전형적으로 산 침출에 의해 제거된다.

상기 용매/촉매 물질이 실질적으로 제거된 바람직하게는 다공성인 PCD 테이블이 제공되는 경우, 첨부된 도 1에 도시된 바와 같이, 이는 본 발명의 HpHT 공정의 바람직한 실시양태에서 바람직하게는 텅스텐 카바이드의 지지 기재에 결합함으로써 부착된다.

성공적인 부착을 달성하는데 있어서 중요한 본 발명의 양태는 상기 부착 방법의 후반부 동안 용융되는 적절한 결합제의 존재이다. 이러한 결합제는 상기 PCD 층이 HpHT 처리 후 상기 초경질 카바이드 기재에 잘 결합되도록 하고, 특히 상기 다공성 미세구조가 제 2의 상 물질을 실질적으로 갖지 않는 경우, 전형적으로 상기 침출된 PCD가 적어도 부분적으로 침투되도록 할 것이다. 의도적으로 도입된 침투제의 부재 하에서는, 상기 카바이드 기재의 초경화(cementing) 금속, 예컨대 코발트가 적합하다. 알루미늄, 은, 구리, 규소 또는 이들의 합금과 같은 다른 금속들도 또한 적합하고 상기 PCD 층-카바이드 계면에서 삽입물 또는 분말 층의 형태로 도입될 수 있다. 결합제는 또한, 상기 다공성 미세구조의 기공들이 제 2의 상 물질을 실질적으로 갖지 않는 경우 PCD 테이블의 상부 표면으로부터 도입될 수 있고, PCD 테이블에 침투하여 상기 기재가 상기 테이블에 결합되도록 할 수 있다.

본 발명의 한 실시양태에서 및 도 1의 압력/온도 사이클을 참조하면, 침출된 PCD 테이블은 먼저 '냉간 압밀화' 단계, 즉 동시 가온 없이 부하(load) 또는 압력을 적용하는 단계에 적용된다(단계 A 참조). 이러한 냉간 압밀화 기간은 PCD 테이블의 저온 탄성적 고결화를 일으켜 PCD의 밀도를 증가시키는 것으로 생각된다. 이러한 냉간 압밀화 단계는 전형적으로, 150초 이상, 더욱 바람직하게는 200초보다 긴 시간 동안 4.5 내지 5.5 GPa의 피크 또는 최대 압력을 달성하는 공정을 포함한다. 따라서, 이러한 압력 사이클에서 상기 단계의 중요한 특징은 최대 또는 피크 압력을 얻는 데 필요한 부하가 전형적으로 가온 이전에 대부분 달성된다는 점이다. 이는 PCD가 최대 냉간 압밀화 정도를 겪게 한다. 열 증폭 효과로 인해 열 적용 후에 추가적인 내부 압력이 발생되지만, 이는 주로 의도적인 외부 부하의 적용보다는 오히려 내부 가열 과정에 의한 것으로 생각된다.

도 1의 온도 궤적을 참조하면, 냉간 압밀화 단계에 이어서, 상기 PCD 테이블은 "열간 압밀화" 단계, 즉, 압력 하에 가온 처리된다(단계 B 참조). 외부의 열 적용으로써, 70 내지 150초, 더욱 바람직하게는 120초의 시간에 걸쳐 900℃ 이상, 더욱 바람직하게는 950℃ 이상, 상기 결합제의 융점 미만까지 온도를 올린다. 이러한 열간 압밀화 단계 동안, 상기 PCD는 가소적으로(plastically) 변형되며, 상기 PCD의 입자간 결합은 용매/촉매 상의 부재 하에서도 추가로 증가되는 것으로 추정된다. 이어서, 용융 결합 상의 부재 하에서 일어나는 이러한 가소적 변형 단계는 전형적으로 약 150 내지 250초, 바람직하게는 180초의 시간 동안 유지된다(단계 C 참조).

이어서, 온도를 추가로 상기 결합제의 융점보다 높이 상승시켜 용융된 결합제를 제공하며, 이 온도는 전형적으로 100 내지 200초, 바람직하게는 120초의 시간에 걸쳐 1350℃ 내지 1500℃의 온도에서 피크를 갖는다(단계 D 참조). 이 온도는, 고온에서 일어날 수 있는 상기 PCD의 특성 악화를 유발하지 않으면서 상기 PCD의 충분한 가소적 변형이 일어나도록 하기 위해 상기 피크 온도까지 단계적으로 증가될 수 있다.

상기 온도가 상기 결합제의 융점에 도달하면, 이어서 상기 결합제는 용융하여, 전형적으로 상기 PCD 테이블 내로 적어도 부분적으로 침투할 것이다. 상기 PCD와 기재 층 사이의 효과적인 결합을 달성하도록, 후속적인 압력 및 온도 조건을 유지한다. 이러한 부착 단계 동안, 공정 압력은 전형적으로, PCD의 표준 소결에 사용되는 압력보다 0.5 GPa 내지 1 GPa 낮을 수 있다(본 발명의 방법의 제 1 단계에서 사용되는 바와 같음). 이는, HpHT 장치의 수명을 개선하는데 있어서 중요할 수 있다. 최적 결합이 달성되면, 사용된 장치 및 조건에 적합하게 및 당업자에게 공지된 바와 같이 압력 및 온도 조건을 주위 조건으로 다시 감소시킨다.

냉간 압밀화로 인한 저온 탄성 고결화(consolidation) 및 열간 압밀화 동안의 가소적 변형은, 표준 PCD 콤팩트의 구조에 비해 상기 부착된 PCD 콤팩트의 개선된 구조를 제공한다. 따라서, 상기 부착된 PCD 콤팩트는 개선된 내마모성 및 열안정성을 가질 것이다.

주사 전자 현미경(SEM)에 포착된 미세구조 이미지는, 초기 형성된 표준 PCD 테이블의 구조를 상기 재부착 공정 후 수득된 PCD 테이블의 구조와 비교하는데 사용된다. 또한, SEM 이미지는, 상기 PCD 미세구조의 정량화된 이미지 분석을 수행하여 총 다이아몬드 밀도 및 다이아몬드 근접성의 척도를 수득하는데 사용된다. 다이아몬드 근접성은, 상기 PCD 미세구조 내의 다이아몬드-대-다이아몬드 입자간 결합의 정도의 척도이며, 통상적인 이미지 분석 알고리즘을 사용하여 수득된다.

본 발명의 재부착된 PCD 콤팩트의 특성 및 기계적 거동 이점, 예컨대 개선된 내마모성 및 개선된 열안정성은, 적용-기반 시험, 예컨대 화강암 선삭 시험(내마모성의 척도로서 사용됨) 및 밀링 시험(열안정성의 지표로서 사용됨)을 사용하여 관찰하였다.

본 발명은 추가로 하기 비제한적인 실시예에 의해 기술된다.

[실시예]

먼저, 당분야에 널리 공지된 방법에 따라 통상적인 HpHT 사이클을 사용하여, 소결된 PCD 테이블을 형성하였다. 초경질 텅스텐 카바이드 기재로 지지된(backed) 다봉 분포 다이아몬드 분말 혼합물을 어셈블링하고, 진공 로에서 처리하여 임의의 불순물을 제거하였다. 이어서, 이 그린(green) 상태의 생성물을 HpHT 소결 조건으로 처리하여, 초경질 카바이드 기재에 결합된 PCD 테이블을 포함하는 표준 콤팩트를 제조하였다. 이러한 방법을 사용하여 생성된 지지된 PCD의 대조군 샘플을 비교 목적으로 따로 두었다. 이러한 비교용 샘플의 미세구조를 SEM을 사용하여 조사하였다.

상기 비교용으로 형성된 PCD의 SEM 분석(도 2의 A 및 도 3의 A)는, 상기 PCD 테이블 내에서 다이아몬드 내부성장의 존재를 분명히 보여준다. 현미경사진에서 어두운 영역은 다이아몬드 상을 나타내고, 회색 영역은 결합제/촉매 코발트를 나타내고, 더 밝은 영역은 텅스텐 카바이드 상을 나타낸다. 상기 회색 및 더 밝은 영역은 제 2의 상을 나타내며, 상기 다이아몬드 상에 내부 배치된다.

이어서, 이러한 표준 방법에 의해 형성된 PCD 테이블을, 소결된 PCD 테이블이 2.0 내지 2.2 mm의 두께가 될 때까지 EDM 연삭을 사용하여 상기 카바이드 기재로부터 제거하였다.

이어서, 상기 PCD 테이블을 HF/HNO₃ 내에서 산처리하여 상기 결합된 다이아몬드 구조의 기공 내의 Co 촉매 및 WC를 제거하고, 상기 기공 내에 남아 있는 임의의 오염물을 완전히 깨끗이 제거하였다.

이어서, 이렇게 침출되어 형성된 PCD 테이블을 텅스텐 카바이드 기재로 지지시키고, 도 1에 도시된 바와 같은 초기 압력 및 온도를 갖는 HpHT 사이클로 처리하였다. 나머지 압력 및 온도 처리는 전형적으로 통상적인 PCD HpHT 소결 사이클이었다. 용융된 코발트 침투제(초경질 카바이드 기재로부터 공급됨)의 결합 작용을 통해 상기 텅스텐 카바이드 기재에 잘 결합된 PCD 층을 갖는 재부착된 PCD 콤팩트를 수득하였다.

생성된 재-부착된 콤팩트의 SEM 분석(도 2의 B 및 도 3의 B)은, 내부성장 PCD 구조가 유지되었음을 보여준다. 그러나, 재부착된 PCD 미세구조의 금속 결합제 풀은, 초기 형성된 PCD 테이블(도 2의 A 및 도 3의 A)에 비해 미세 다이아몬드 입자의 존재가 감소된 것으로 보임을 알 수 있다. 이는, 상기 제 2 HpHT 사이클 처리의 증가된 냉간 압밀화 및 가소적 변형으로 인한 입자 고결화 및 재배열 때문이다. 정량적 이미지 분석 비교 결과를 도 4에 도시한다.

상기 제 2 HpHT 처리가 상기 PCD의 미세구조에 상당한 영향을 줌은 분명하다. 상기 재부착된 PCD의 총 다이아몬드 함량은, 도 4b에 도시된 바와 같이, 초기 형성된 PCD 콤팩트에 비해 높은 것으로 보인다. 추가적으로, 다이아몬드 그레인들 사이의 접촉 영역 또는 근접성은, 도 4a의 다이아몬드 근접성에 도시된 바와 같이 증가된다. 이러한 구조적 개선은, 저온 탄성 고결화 및 가소적 변형(전술된 바와 같음) 둘 다에 기인한다.

이어서, 상기 PCD 콤팩트들(표준 형성된 콤팩트 및 재부착된 콤팩트)은 둘 다 열안정성의 지표로서의 화강암 밀링 시험으로 처리된다. 이 시험에서, 절삭 길이가 더 길수록 물질이 열적으로 더 안정하거나 우수한 것이다. 이 시험은, 상기 재부착된 PCD 콤팩트의 열안정성의 개선을 분명히 보여준다. 결과를 도 5에 도시한다.

적용-기반 내연마성 시험에서 상기 콤팩트들 간의 비교를 수행하였다. 상기 재부착된 PCD 콤팩트는, 도 6에 도시된 바와 같이, 표준 PCD 콤팩트에 비해 탁월한 내마모성을 나타낸다.

Claims

초경질(cemented) 카바이드 기재에 결합된 다결정성 다이아몬드(PCD) 콤팩트(compact)를 포함하는 복합 다이아몬드 콤팩트의 제조 방법으로서,
PCD 테이블을 제공하는 단계;
결합제의 존재 하에 상기 PCD 테이블 및 초경질 카바이드 기재를 합쳐 비결합된 어셈블리를 형성하는 단계;
상기 비결합된 어셈블리를 4.5 GPa 이상의 압력 및 상기 결합제의 융점보다 낮은 온도에서 150초 이상의 시간 동안 초기 압밀화(compaction) 처리하는 단계; 및, 이어서,
상기 비결합된 어셈블리를, 상기 결합제의 융점보다 높은 온도 및 4.5 GPa 이상의 압력에서, 상기 결합제가 용융되어 상기 PCD 테이블을 상기 기재에 결합시켜 복합 다이아몬드 콤팩트를 형성하기에 충분한 시간동안 처리하는 단계
를 포함하는, 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 PCD 테이블이 다이아몬드-대-다이아몬드 결합 및 다공성 미세구조를 갖고 상기 다공성 미세구조의 기공내에 제 2의 상 물질을 갖는, 제조 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 제 2의 상 물질이 용매/촉매인, 제조 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 다공성 미세구조의 기공이 제 2의 상 물질을 실질적으로 함유하지 않는, 제조 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초기 압밀화의 온도가 주위 온도 또는 대략 주위 온도인, 제조 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초기 압밀화의 온도가 주위 온도보다 높은, 제조 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초기 압밀화의 온도가 압밀화 기간 중 일부 동안에는 주위 온도 또는 대략 주위 온도이고, 상기 기간 중 나머지 동안에는 주위 온도보다 높은, 제조 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초기 압밀화의 온도가 200초 이상의 시간 동안 유지되는, 제조 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 초기 압밀화의 압력이 4.5 GPa 내지 5.5 GPa인, 제조 방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 결합제의 공급원이 상기 초경질 카바이드 기재인, 제조 방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 결합제가 상기 PCD 테이블과 상기 초경질 카바이드 기재 사이의 삽입물(shim) 또는 층으로서 제공되는, 제조 방법.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 결합제가 코발트, 알루미늄, 은, 구리, 규소 및 이들의 합금 중에서 선택되는, 제조 방법.