KR20120027125A - 초경질 요소, 초경질 요소를 포함하는 공구 및 초경질 요소 제작 방법 - Google Patents

초경질 요소, 초경질 요소를 포함하는 공구 및 초경질 요소 제작 방법 Download PDF

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세바스티안 랄프 라바트쉐크
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엘리먼트 씩스 게엠베하
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Abstract

본 발명은 금속 바인더에 의해 함께 본딩된 금속 카바이드 그레인을 포함하는 경질 금속체(30)에 대한 계면에서 결합되는 다결정 초경질 구조물(20)을 포함하는 초경질 요소(10)에 관한 것이며, 상기 다결정 초경질 구조물은 초경질 물질을 포함하고, 상기 경질 금속체는 상기 계면에 인접한 표면 영역(32)과 상기 계면으로부터 이격된 코어 영역(36)을 포함하며, 상기 표면 및 코어 영역은 서로 인접하여 위치하고, 상기 코어 영역 내 평균 바인더 분율은 상기 표면 영역 내 평균 바인더 분율보다 작으며, 본 발명은 이러한 초경질 요소를 위한 경질 금속체를 제작하는 방법에 또한 관련된다.

Description

초경질 요소, 초경질 요소를 포함하는 공구 및 초경질 요소 제작 방법 {A SUPERHARD ELEMENT, A TOOL COMPRISING SAME AND METHODS FOR MAKING SUCH SUPERHARD ELEMENT}
본 발명은 초경질 요소, 초경질 요소를 포함하는 공구, 및 초경질 요소 제작 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 시추, 점붕(degrading) 또는 착암(drilling), 포장, 아스팔트, 및 다른 경질 또는 연마성 물질에 사용하기 위한 초경질 요소 및 초경질 요소 포함 공구에 관한 것이다. 더욱이, 본 발명은 특히, 세멘트화된 카바이드 기판에 결합된 다결정 다이아몬드 구조를 포함하는 다결정 다이아몬드 요소, 이를 포함하는 공구, 및 이를 제작하는 방법에 관한 것이다.
여기서 사용되는 바와 같이, 코발트(Co), 니켈(Ni)과 같은 금속 또는 금속 합금을 포함하는 바인더 상 내에 산포된 텅스텐 카바이드(WC) 또는 티타늄 카바이드(TiC)와 같은 금속 카바이드의 그레인을 포함하는 물질이다. 바인더 상은 통상적으로 무시할만한 수준의 다공성을 갖는 소결된 요소로 그레인을 함께 세멘트화한다고 일컬어진다. 가장 공통적인 경질 금속은 함께 세멘트화된 WC다.
다이아몬드와 같은 초경질 물질이 다양한 형태로 사용되어, 경질 또는 연마성 워크피스 물질을 기계가공, 보링, 및 점붕한다. 이러한 물질은 다이아몬드 그레인 사이에서 간극들의 네트워크를 구획할 수 있는, 골격 구조를 형성하는, 직접 소결된 다이아몬드 그레인 덩어리를 포함하는 단결정 또는 다결정 구조로 제공될 수 있다. 이러한 간극들은 충전재 물질(filler material)을 함유할 수 있고, 이는 다이아몬드용 소결 보조제를 포함할 수 있고, 가능하다면 금속간 또는 세라믹 물질과 같은 경질 상을 또한 포함할 수 있다. 충전재 물질은 다이아몬드 구조 물질의 소정의 특성을 변경시키기 위해 완전히 또는 부분적으로 제거될 수 있다.
다결정 다이아몬드(PCD)는 다이아몬드 그레인의 코히어런트 소결 덩어리를 포함하는 초경질 물질이다. 다이아몬드 함량은 일반적으로 적어도 약 80 부피%일 수 있고, 간극들의 네트워크를 형성하는 골격 덩어리를 형성할 수 있다. 이러한 간극들은 코발트를 포함하는 충전재 물질을 함유할 수 있다. 상업적으로 이용되고 있는 많은 PCD 물질은 적어도 약 1 마이크로미터의 평균 다이아몬드 그레인 크기를 갖는다. 약 0.1 마이크로미터 내지 약 1.0 마이크로미터 범위의 평균 크기를 갖는 다이아몬드 그레인을 포함하는 PCD가 또한 알려져 있고, 약 5nm 내지 약 100nm 범위의 평균 크기를 갖는 나노-그레인 크기 다이아몬드 그레인을 포함하는 PCD가 개시되어 있다.
경질 금속체가 다결정 초경질 물질용, 특히, 다결정 다이아몬드 구조용, 기판으로 사용될 수 있다. 포장 작업 또는 포장 점붕, 또는 암반 형성, 또는 시추와 같은 원소 및 오일 및 가스 산업, 채광, 및 터널링에 사용될 수 있는 바와 같이, 경질 금속 기판에 접합된 다결정 초경질 구조를 포함하는 초경질 요소를 이용하여, 채굴, 충격형 드릴 날, 및 회전식 드릴 날과 같은 파괴용 공구 및 커터에 사용될 수 있다. 경질 금속체는 액체 경납땜을 이용하여 공구 캐리어에 결합될 수 있다.
국제특허공보 제02/14568호는 텅스텐 카바이드 및 바인더 합금을 포함하는 절삭 인서트를 개시하며, 기판은 벌크 영역과, 기판의 벌크 영역의 바인더 합금 함량보다 높은 최대 바인더 합금 함량을 갖는 바인더 합금 풍부 표면 구역을 갖는다. 절삭 인서트는 기판 상의 경질 코팅을 포함할 수 있다.
국제특허공보 제02/42515호는 세멘트화된 카바이드 인서트 제작 방법을 개시한다. 인서트는 첫번째로 탈탄 분위기에서 열처리되어 에타-상을 지닌 표면 구역을 형성하고, 이후 중성 가스 분위기 또는 진공에서 열처리되어 표면 구역의 에타-상을 완전히 WC+Co로 재변환시킨다.
미국특허출원공보 제2008/0240879호는 드닐 날용 커터를 위한 블록을 개시하며, 상기 블록은 침윤법에 의해 처리된다.
PDC(다결정 다이아몬드 컴팩트) 또는 TSP(열적으로 안정한 다결정 다이아몬드) 타입의 다이아몬드 테이블은, 침윤법으로 먼저 처리된 블록에 고압-고온 처리에 의해 직접 블록에 적용될 수 있다. 서로 다른 균질 도성 합금(cermet) 지지 블록에 다이아몬드 테이블을 적용하는 것 역시 가능하며, 이어서, 침윤법에 의해 처리된 제 1 블록에 침윤법을 다시 적용한다.
일 실시예에서, PCD 드릴 날, TSP 드릴 날, 시추 날, 채굴 날, 트리콘 날, 용침 공구, 등과 같은 암반 절삭 및/또는 연삭용 드릴 공구용 커터는, 본질적으로 WC-Co 타입인, 선택적으로 다이아몬드를 부가한, 바인더 상으로 산포되는 금속 카바이드에 의해 구성되는 블록을 포함하며, 공구의 기능에 의해 규정되는 형태로 바인더 상의 연속 조성 구배를 포함하여, 높은 경도를 가지면서, 바인더-상이 코어 부근에서 풍부하고 표면에서 부족하게 형성된다.
블록의 일 면 상에서 PCD 또는 TSP 타입의 다이아몬드 테이블이 커터에 의해 받쳐질 수 있다.
국제 특허 제 02/14568 호 국제 특허 제 02/42515 호 미국 특허 제 2008/0240879 호
본 발명의 목적은 파괴에 대한 내성이 개선된 다결정 초경질 요소를 제공하는 것이다.
여기서, "초경질"(superhard)이라는 용어는 적어도 약 25GPa의 비커스 경도(Vickers hardness)를 가짐을 의미한다.
여기서, "금속"이라는 용어는 전기 전도도와 같은 전형적인 금속의 특성을 갖는 원소 형태의 금속, 또는 합금을 의미한다.
여기서, "바인더 분율"(binder fraction)이라는 용어는 단위 부피 당 경질 금속의 평균 중량에 대한 단위 부피 당 바인더의 평균 중량의 비다.
여기서, "실질적으로 결핍된"이라는 용어는, 소정의 재료, 물질, 또는 상의 양이 경질 금속체 내에서 검출가능할 경우, 그 양이 매우 적어서 고온(예를 들어, 섭씨 700도 내지 800도)에서 경질 금속체의 성능에 대해 어떤 재료적 효과를 가지지 않는 경우를 의미한다.
본 발명의 제 1 태양은 금속 카바이드 그레인 및 금속 바인더를 포함하는 경질 금속체에 대한 계면에서 결합되는 다결정 초경질 구조물을 포함하는 초경질 요소를 제공하며, 상기 다결정 초경질 구조물은 초경질 물질을 포함하고, 상기 경질 금속체는 상기 계면에 인접한 표면 영역과, 상기 계면으로부터 이격된 코어 영역을 포함하며, 상기 표면 및 코어 영역이 서로 인접하고, 상기 코어 영역의 평균 바인더 분율이 상기 표면 영역의 평균 바인더 분율보다 작다.
여기서, "~에 기초하여"라는 용어는 "포함한다"는 의미로 사용된다.
여기서, "소결 보조제"라는 용어는 초경질 물질의 그레인의 동반-소결을 촉진시킬 수 있는 물질이다. 다이아몬드용으로 알려진 소결 보조제 재료는 철, 니켈, 코발트, 망간, 및 이들간의 합금을 포함한다. 이러한 소결 보조제 재료는 다이아몬드용 용매/촉매 물질로 불리기도 한다.
일 실시예에서, 금속 바인더는 초경질 물질에 대한 소결 보조제를 포함한다. 일 실시예에서, 금속 바인더는 코발트, 또는 코발트 및 니켈에 기초한다. 일 실시예에서, 금속 카바이드는 텅스텐 카바이드다.
여기서, "다결정 다이아몬드"(PCD)는 실질적으로 사이에서 성장한(inter-grown) 다이아몬드 그레인들의 덩어리를 포함하는 물질로서, 다이아몬드 그레인들 사이 간극을 구획하는 골격 구조를 형성하고, 상기 물질은 적어도 80 부피%의 다이아몬드를 포함한다.
여기서, "다결정 큐빅 보론 나이트라이드"(PCBN)는 기질 내에 산포된 큐빅 보론 나이트라이드(cBN)의 그레인을 포함하는 물질로서, 상기 물질은 적어도 50 부피%의 cBN을 포함한다.
일 실시예에서, 다결정 초경질 구조물은 다결정 다이아몬드(PCD)를 포함하고, 금속 바인더는 다이아몬드용 용매/촉매 물질을 포함한다. 다른 실시예에서, 다결정 초경질 구조물은 다결정 큐빅 보론 나이트라이드(PCBN)을 포함한다.
일 실시예에서, 바인더 내의 평균 탄소 농도는 코어 영역에서보다 표면 영역에서 더 작다.
에타-상 조성은, 일반식 MxM'yCz를 갖는 카바이드 화합물을 의미하며, M은 W, Mo, Ti, Cr, V, Ta, Hf, Zr, 및 Nb로 구성된 군 중에서 선택되는 적어도 하나의 요소이고, M'은 Fe, Co, Ni로 구성되는 군 중에서 선택되는 적어도 하나의 요소이며, C는 탄소다. 가장 전형적인 조합에서와 같이 M이 텅스텐(W), M'이 코발트(Co)일 때, 에타-상은 Co3W3C(에타-1) 또는 Co6W6C(에타-2)와, 이들의 분율적 서브-화학양론적 및 수퍼-화학양론적 변화를 의미하는데 사용된다.
일 실시예에서, 표면 영역 및 코어 영역 모두에는 실질적으로 에타-상이 결핍되어 있다. 일 실시예에서, 경질 금속체에는 에타-상이 실질적으로 결핍되어 있고, 일 실시예에서는 경질 금속체에 에타-상 및 자유 탄소가 실질적으로 결핍되어 있다.
일부 실시예에서, 표면 영역에는 그레인 성장 억제제 또는 그 프리커서가 실질적으로 결핍되어 있다. 일부 실시예에서, 표면 영역에는 크롬 또는 바나듐, 또는 크롬 카바이드 또는 바나듐 카바이드, 또는 이들의 임의의 조합이 실질적으로 결핍되어 있다.
본 발명의 실시예는 그레인 성장 억제제가 표면 영역에 존재하지 않는다는 장점을 갖고, 이는 경질 금속체의 경질 금속 물질의 소정 특성(특히, 파괴 인성)에 대한 그레인 성장 억제제의 해로운 효과를 방지할 수 있다.
여기서, 물질의 자기 모멘트 σ는 물질의 킬로그램당 마이크로-테슬라 곱하기 세제곱미터의 단위를 갖는다. 물질의 자기 포화도는 자기 모멘트 곱하기 4π로 나타난다.
일부 실시예에서, 금속 바인더가 코발트 또는 코발트 및 니켈에 기초할 경우, 경질 금속의 평균 자기 모멘트 σ(단위: 킬로그램당 마이크로-테슬라 곱하기 세제곱미터)는 코어 영역 내에서 0.131Y 내지 0.161Y의 범위에 있고, 표면 영역 내에서 0.110X 내지 0.147X의 범위 내에 있으며, X 및Y는 각각 표면 및 코어 영역 내의 코발트 분율(wt%)이다. 일 실시예에서, 코어 영역 내의 평균 자기 모멘트는 적어도 0.140Y이고, 표면 영역 내의 평균 자기 모멘트는 0.140X보다 작다.
일 실시예에서, 표면 영역 내의 경질 금속의 평균 보자력 Hc는 코어 영역 내의 평균 보자력의 5% 내에 있고, 또는, 1.05 내지 1.80의 인자만큼 코어 영역 내의 보자력보다 크다. 일 실시예에서, 표면 영역 내 경질 금속의 평균 보자력 Hc는 코어 영역 내 평균 보자력의 5% 내에 있다.
일부 실시예에서, 코어 영역 내 경질 금속의 평균 경도는 표면 영역 내 경질 금속의 평균 경도보다 적어도 2% 또는 적어도 10% 크다. 일 실시예에서, 코어 영역 내 경질 금속의 평균 경도는 표면 영역 내 경질 금속의 평균 경도보다 최대 50% 크다.
일 실시예에서, 표면 영역은 (인접한) 코어 영역과 일체형으로 형성되는 층 형태를 갖는다. 일부 실시예에서, 표면 영역의 두께는 적어도 약 0.2mm이거나, 적어도 약 0.5 mm이거나, 또는, 심지어 적어도 약 1mm이다. 일부 실시예에서, 표면 영역의 두께는 최대 약 5mm이고, 심지어 최대 약 10mm이다. 일 실시예에서, 표면 영역의 두께는 0.2mm 내지 10mm 범위 내에 있다. 표면 영역의 두께에 종속되는 일부 실시예에서, 코어 영역에서의 표면으로부터의 최대 깊이는 약 0.5mm 내지 약 15mm 범위 내, 또는 약 1mm 내지 약 10mm 범위 내, 또는, 약 2mm 내지 약 5mm 범위 내에 있다.
일 실시예에서, 코어 영역 내 평균 바인더 분율은 약 0.05 내지 약 0.90 범위의 인자만큼 표면 영역 내의 평균 바인더 분율보다 작다.
일 실시예에서, 표면 영역 내의 금속 카바이드 그레인의 평균 그레인 크기는 코어 영역 내 금속 카바이드 그레인의 평균 그레인 크기의 5% 내에 있거나, 1.05 내지 1.50 범위의 인자만큼 코어 영역 내 금속 카바이드 그레인의 평균 그레인 크기보다 크다.
일 실시예에서, 표면 영역 내의 금속 바인더 분율은 표면 영역내 소정 범위의 깊이에 걸쳐 표면으로부터의 깊이에 따라 단조롭게 감소하고, 표면 영역 내의 경도는 표면 영역 내 소정 범위의 깊이에 걸쳐 표면으로부터의 깊이에 따라 단조롭게 증가한다. "단조롭게"(monotonically)라는 용어는 곡선이 매끄럽다는 것을 의미한다.
일 실시예에서, 코어 영역 내 경질 금속의 평균 파괴 인성은 표면 영역 내 경질 금속의 평균 파괴 인성보다 5% 내지 50% 높은 범위에 있다.
일 실시예에서, 경질 금속은 바인더의 용액이나 금속 카바이드의 형태로 Cr, V, Ta, Ti, Nb, Zr, Hf, 또는 Mo의 농도를 포함하며, 일 실시예에서, 그 농도는 2wt% 또는 미만, 0.5wt% 또는 미만, 심지어 0.3wt% 또는 미만이다. 일 실시예에서, 바인더 내의 농도는 표면 및 코어 영역 전체를 통해 실질적으로 균일하게 분포된다.
일 실시예에서, 초경질 요소는 다결정 다이아몬드 컴팩트를 포함한다.
본 발명의 일 태양은 본 발명에 따른 초경질 요소의 일 실시예를 포함하는 공구를 제공한다.
본 발명의 실시예는 경질 금속체가, 비교적 적은 코발트 함량을 갖는 비교적 강성이 큰 코어 영역과, 비교적 많은 코발트 함량을 갖는 비교적 강성이 적은 표면 영역을 포함한다는 장점을 갖는다. 이에 따라, 사용시 초경질 구조물의 파괴에 대한 내성이 개선되며, 따라서, 본 발명에 따른 초경질 요소의 일 실시예를 포함하는 공구의 작동 수명이 연장된다.
본 발명의 실시예들은 드릴 날과 같은 공구 캐리어에 쉽게 납땜될 수 있고, 이는 표면의 과량의 코발트가 소정의 납땜 및 땜납에 의해 금속체의 표면의 습윤을 증진시킬 수 있기 때문이다.
여기서, 탄소 함량은 금속 카바이드 그레인에 포함된 탄소 및 자유 및 반응 탄소를 포함하는, 경질 금속체 내의 (또는 그 일부분의) 단위 부피 당 총 탄소 함량을 의미한다. "고탄소 함량"은 i) 자유 탄소가 실질적으로 형성되지 않을만큼 충분히 낮은 총 탄소 함량과, ii) 경질 금속의 자기 모멘트 σ(μTm3/kg)가 0.131Y 내지0.161Y의 범위 내에 있도록 충분히 높은 총 탄소 함량을 의미하며, Y는 코발트 분율(wt%)이다. 저탄소 함량에 대응하는 탄소 함량의 범위는 경질 금속의 속성 및 조성에 관련된 다양한 인자에 따라 좌우되며, 당 업자에 의해 쉽게 이해될 것이다.
그린체(green body)는 당 분야에 알려진 용어로서, 소결될, 그러나 아직 소결되지 않은, 품목을 의미한다. 일반적으로 자체-지지형이고, 의도된 최종 품목의 일반적 형태를 갖는다.
본 발명의 제 2 태양에 따르면, 본 발명의 제 1 형태에 따른 초경질 요소에 대한 경질 금속체 제작 방법이 제공되며, 상기 방법은, 소결되지 않은 그린체를 제공하는 단계로서, 상기 소결되지 않은 그린체는 금속 바인더 내에 산포된 금속 카바이드의 그레인과, 그린체 내에서 초기 고탄소 함량을 포함하고, 상기 그린체는 표면에 인접한 표면 영역과, 표면으로부터 이격된 코어 영역을 포함하며, 상기 코어 영역은 상기 표면 영역과 인접하여 위치하는, 소결되지 않은 그린체 제공 단계와, 진공 또는 비활성 분위기에서 소정 시간 주기동안 섭씨 1280도 미만의 온도에서 그린체를 열처리하는 단계로서, 온도는 금속 바인더의 실질적인 용융을 방지하도록 충분히 낮고, 온도 및 시간은 그린체의 표면 영역 내 개기공률을 유지하기에 충분한, 그린체 열처리 단계와, 기공 내로 가스성 탈탄제를 유입시켜서 그린체 내에 탈탄 표면 영역을 형성하고 코어 영역의 적어도 일부분 내에 초기 고탄소 함량을 유지시키는, 가스성 탈탄제 유입 단계와, 상기 그린체를 액상 소결하는 단계를 포함한다.
이러한 방법의 일 실시예는
(1) 고탄소 함량을 갖는 금속 바인더 내에 산포된 금속 카바이드의 그레인들을 포함하는, 소결되지 않은 다공질 그린체를 제공하는 단계와,
(2) 진공 또는 보호형(비활성) 분위기에서 섭씨 1280도 미만의 소정 온도로 그린체를 사전-소결하여 표면 영역에서 요망 개기공률 및 코어에서 실질적으로 폐기공율을 획득하는 단계와,
(3) 표면층만을 탈탄화하고 코어 내 고탄소 함량을 실질적으로 유지하기 위한 시간과 섭씨 1280도 미만의 소정 온도로 탈탄 가스 분위기에서 사전-소결된 그린체를 선택적으로 탈탄화하는 단계와,
(4) 진공 또는 보호형 분위기에서 섭씨 1300도 이상의 온도로 사전-소결 및 탈탄화된 그린체를 최종 소결하여 풀-밀도를 획득하는 단계를 포함한다.
이러한 방법의 실시예들은 개기공률 조정으로 인해 조절되는 방식으로 실질적인 깊이로부터 탄소가 경질 금속을 투과할 수 있다는 장점을 가지며, 결과적으로 표면 영역에서 자유 탄소를 방지하고 코어에서 에타-상을 방지하는 장점을 갖는다.
이러한 방법의 실시예들은 표면 및 코어 영역의 WC 평균 그레인 크기를 가공함으로써 그리고 탄소 레벨을 이용하여 표면 및 코어 영역의 코발트 함량이 제어되는 장점을 갖는다. 이는, 기술적으로 어렵고 경질 금속체의 파괴 인성을 감소시키는 경향이 있는 그레인 성장 억제제를 국부적으로 유입시킬 필요성을 제거한다.
본 발명의 제 3 태양은 경질 금속체에 결합된 PCD 구조를 포함하는 본 발명에 따른 다결정 다이아몬드(PCD) 요소를 제작하는 방법을 제공하며, 상기 방법은, 텅스텐 카바이드 그레인과, 코발트, 니켈, 철, 망간, 또는 이들 간의 합금으로부터 선택되는, 다이아몬드용 용매/촉매 물질을 포함하는 바인더 물질을 포함하는 경질 금속체를 제공하는 단계로서, 상기 경질 금속체는 표면에 인접한 표면 영역과 표면으로부터 이격된 코어 영역을 포함하고, 상기 표면 영역 및 코어 영역은 서로 인접하며, 상기 코어 영역 내 금속 바인더의 분율은 상기 표면 영역 내 금속 바인더의 분율보다 작은, 경질 금속체 제공 단계와, 다이아몬드 그레인의 집합적 덩어리를 상기 경질 금속체의 표면과 접촉시켜서 사전-소결 조립체를 형성하는 단계와, 다이아몬드가 열역학적으로 안정된 압력 및 온도에 상기 사전-소결 조립체를 배치하여, 다이아몬드 그레인을 소결하고 상기 경질 금속체에 일체형으로 본딩되는 PCD 구조물을 형성하는 단계를 포함한다.
이러한 방법의 일 실시예는 경질 금속체의 표면 영역의 적어도 일부분을 제거하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 표면 영역이 충분히 제거되어 코어 영역을 노출시킨다.
본 발명의 실시예들은 개선된 강성을 가진 경질 금속체에 결합된, 정상 소결된 초경질 구조물을 제공하는 장점을 갖고, 경질 금속체의 표면의 적어도 일부분은 개선된 내마모성을 갖는 장점을 갖는다.
본 발명의 일부 실시예들은 초경질 구조물의 형성을 촉진하기 위한 소결 보조 물질이, 경질 금속체 전체에서 소결 보조 물질의 함량을 높게 유지할 필요없이, 코어 영역에서보다 소결 보조 물질의 함량이 풍부한 경질 금속체의 표면 영역으로부터 인발될 수 있다는 장점을 갖는다. 이는 초경질 구조물의 실시예의 우수한 소결이 강성 기판체에 일체형으로 형성될 수 있게 한다. 예를 들어, 초경질 물질이 다이아몬드이고 경질 금속체가 코발트-세멘트화 텅스텐 카바이드를 포함할 경우, PCD 구조물은 약 5GPa보다 큰 초고압 및 온도에서 수행되는 소결 단계에서 경질 금속체의 표면에 형성 및 일체형으로 본딩될 수 있고, 다이아몬드용 코발트 소결 보조제는 경질 금속체의 코발트-풍부 표면 영역으로부터 인발된다.
비제한적인 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 이제부터 설명할 것이다.
도 1은 PCD 요소의 일 실시예의 개략적 단면도.
도 2는 PCD 요소의 일 실시예의 개략적 단면도.
도 3a는 표면으로부터 깊이의 함수로 구배를 갖는 경질 금속의 일 실시예의 바인더 함량의 개략적 그래프.
도 3b는 표면으로부터 깊이의 함수로 구배를 갖는 경질 금속의 일 실시예의 경도의 개략적 그래프.
도 3c는 표면으로부터 깊이의 함수로 구배를 갖는 경질 금속의 일 실시예의 카바이드 그레인 크기의 개략적 그래프.
도 3d는 표면으로부터 깊이의 함수로 구배를 갖는 경질 금속의 일 실시예의 탄소 함량의 개략적 그래프.
도 4a 및 도 4b는 1000배 배율에서, 세멘트화된 카바이드 물질의 일 실시예의 표면 영역 및 코어 영역의 현미경 사진.
모든 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 특징부를 의미한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 초경질 요소 각각의 실시예(10)는 금속 바인더(도시되지 않음)에 의해 함께 본딩된 금속 카바이드 그레인(도시되지 않음)을 포함하는 경질 금속체(16)에 대한 계면(14)에서 결합되는 다결정 초경질 구조물(12)을 포함한다. 금속 바인더의 내재적 기능은, 비록 그레인들이 함께 직접 본딩되진 않지만, 그레인들을 본딩하는 것이다. 다결정 초경질 구조물(12) 각각은 초경질 물질을 포함한다. 경질 금속체(16) 각각은 계면(14)에 인접한 표면 영역(18)과, 계면(14)에서 이격된 코어 영역(19)을 포함하며, 표면 영역(18)과 계면 영역(19)은 인접하여 위치하고 코어 영역(19)의 평균 바인더 분율은 표면 영역(18)의 평균 바인더 분율보다 작다.
도 3a를 참조하면, 경질 금속체의 일 실시예의 코발트 바인더 분율(120)은 경질 금속체의 표면 축(130)으로부터의 깊이 대 코발트 함량 축(120)의 개략적 그래프로 나타난다. 코발트 바인더 분율(120)은 표면 영역(18) 및 코어 영역(19)을 통한 평균 코발트 바인더 분율(122)을 갖는 경질 금속체의 표면축(130)으로부터 깊이에 따라 단조롭게 감소한다.
도 3b를 참조하면, 경질 금속체의 일 실시예의 경도(14)는 경질 금속체의 표면 축(130)으로부터의 깊이 대 경도 축(140)의 개략적 그래프로 나타난다. 경도(140)는 표면으로부터 깊이 축(130)의 증가와 함께 증가하고, 코어 영역(19)에서보다 표면 영역(18) 내에서 평균 경도가 작다.
도 3c를 참조하면, 경질 금속체의 일 실시예의 평균 텅스텐 카바이드 그레인 크기(150)는 경질 금속체의 표면 축(130)으로부터 깊이 대 탄소 함량 축(150)의 개략적 그래프로 도시된다. 평균 텅스텐 카바이드 그레인 크기(150)는 표면 영역(18)과 코어 영역(19) 사이에서 약 +/-5% 넘게 변하지 않는다.
도 3d를 참조하면, 경질 금속체의 일 실시예의 평균 탄소 함량(160)은 경질 금속체의 표면 축(130)으로부터의 깊이 대 경도 축(160)의 그래프로 나타난다. 평균 탄소 함량(160)은 표면으로부터 표면 영역(18) 및 코어 영역(19)을 통한 깊이 축(130) 증가와 함께 일반적으로 증가하며, 표면 영역(18) 내의 평균 탄소 함량은 코어 영역(19)의 평균 탄소 함량보다 작다. 표면 영역(18) 및 코어 영역(19)은 에타-상 및 자유 탄소가 결핍되어 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 경질 금속체의 일 실시예의 표면 영역 내 WC 그레인의 평균 크기는 코어 영역 내 WC 그레인의 평균 크기와 실질적으로 동일하다. 현미경 사진의 백색 부분은 WC 그레인을 나타내고, 흑색 부분은 코발트 바인더를 나타낸다.
경질 금속의 자기적 특성은 중요한 구조적 및 조성적 특성에 관련될 수 있다. 세멘트화된 카바이드의 탄소 함량을 측정하는 가장 흔한 기술은 간접적인 방식으로서, 간접적으로 비례하는 바인더에 용해된 텅스텐의 농도를 측정함으로써, 바인더에 용해된 탄소의 함량이 높을수록, 바인더에 용해된 텅스텐의 농도가 작다. 바인더 내 텅스텐 함량은 자기 모멘트 σ, 또는 자기 포화도 μ = 4πσ의 측정으로부터 결정될 수 있고, 이 값들은 텅스텐 함량과 역비례하는 관계를 갖는다(Roebuck (1996)의 논문, "Magnetic Moment (saturation) Measurements on Hard-Metals", Int. J. Refractory Met., Vol. 14, pp. 419-424.).
경질 금속 내 바인더 코발트 함량은, 또는 경질 금속의 자기적 특성과 같은 간접적 방법을 포함하여, 또는, EDX를 이용하여 보다 직접적으로, 당 분야에 잘 알려진 다양한 방식으로 측정될 수 있으나, 가장 정확한 방법은 Co의 화학적 여과(chemical leaching)에 기초한다. WC 그레인과 같은 카바이드 그레인의 평균 그레인 크기는 SEM(주사 전자 현미경) 검사에 의해, 또는, 경질 금속체의 야금학적으로 조성된 단면의 광학 현미경 이미지에 의해 결정될 수 있고, 예를 들어, 평균 선형 절편법을 적용할 수 있다. 대안으로서, 그레인 중간의 Co의 평균 자유 경로를 표시하는 경질 금속의 보자력을 측정함으로써 WC 그레인의 평균 크기가 간접적으로 결정될 수 있고, 이로부터 당 분야에 잘 알려진 간단한 공식을 이용하여 WC 그레인 크기를 연산할 수 있다. 이 공식은 Co-세멘트화된 WC 경질 금속의 보자력과 Co 평균 자유 경로 사이의 역비례 관계(따라서, 평균 WC 그레인 크기)를 정량화한다.
구배를 갖는 경질 금속의 바람직하고 신규한 제작 방법은 다음의 단계를 포함한다.
1. 탄소 함량이 최종 생성물의 코어 영역에 대해 요망되는 탄소 함량임을 보장하도록 당 분야에 잘 알려진 적절한 방법에 의해 WC와 Co 분말을 포함하는 그린체(green body)를 제조하는 단계와,
2. 소결되지 않은 경질 금속 그린체를 소정 시간 주기동안 진공 또는 비활성 또는 보호 분위기에서 열처리하는 단계. 코발트 바인더 용융을 일으키지 않도록 온도가 충분히 낮은 것이 중요하다(즉, 온도가 섭씨 약 1280도 미만이어야 한다). 온도 및 시간의 조합은 그린체의 소정의 요망 개기공률을 유지하는 목적으로 선택된다. 개기공률(open porosity)은 1바 내지 2바 범위 내에 있어야 하는 가스 압력과 개기공률의 양 및 구조에 따라 좌우되는 속도로 그린체를 가스가 통과하게 한다. 사전-소결 열처리를 거친 다공질 그린체는 소정의 요망 개기공률을 갖는다. 요구되는 기공률을 도출하는 열처리 온도 대 시간 사이클은 실험적으로, 시행착오 과정을 거쳐 최적으로 결정되며, 이는 코발트 분율 및 요망 가스 투과 깊이, 결과적으로, 표면 영역의 두께와 같은 다양한 인자에 따라 좌우되기 때문이다.
3. 표면 영역 내에서 부분적 탈탄화를 위해, H2 또는 CO2와 같은 탈탄제를 포함하는 분위기에서, 소결되지 않은 다공질 그린체를 소정 시간 주기동안 추가 열처리하는 단계. 가스 압력은 약 1바 내지 2바 범위 내에 있어야 한다. 코발트 바인더 용융을 일으키지 않도록 온도가 충분히 낮은 것이 다시 중요하다(즉, 온도가 섭씨 약 1280도 미만이어야 한다). 가스는 개기공을 통해 그린체를 통과하게 되고, 그 투과 깊이는 상기 시간 주기에 의해 제어된다. 이러한 탈탄 단계 이후, 다공질체의 표면 영역에 탄소가 부분적으로 결핍되게 되고, 탄소 농도가 표면 영역 내에서 낮아서, 그린체 내 깊이와 함께 단순하게 증가한다.
4. 탈탄 단계 이후, 물품은 당 분야에 잘 알려진 바와 같이 섭씨 1320도를 넘는 온도에서 소결된다. 이러한 소결 단계 중, 코발트가 액화되어 기공을 충전하고, 탄소는 탄소 구배로 인해 코어 영역으로부터 표면 영역을 향해 확산된다. 이러한 확산은 "코발트 드리프트"라고 알려진 공지의 현상과 관련되며, 이 경우 코발트는 고탄소 농도 영역으로부터 저탄소 농도 영역으로 탄소 이동 방향으로 이동하는 경향이 있고, 따라서, 코발트 및 탄소가 코어 영역으로부터 표면 영역을 향해 이동한다. 액-상 소결에 사용되는 온도 및 시간 조합은 당 분야에 잘 알려진 바와 같이, 표면 및 코어 영역에서 정밀 WC 그레인의 재석출과 소정의 요망 용해 속도를 달성하도록 선택된다.
다결정 다이아몬드(PCD) 요소의 일 실시예는 본 발명에 따른 코발트-세멘트화 텅스텐 카바이드 경질 금속 기판과 접촉하는 다이아몬드 그레인층을 소결함으로써 형성되어, 경질 금속체에 일체형으로 본딩되는 PCD 요소를 형성한다. 초고압력 및 온도(HpHT)를 이용하여 다이아몬드를 소결하는 당 업자는 당 분야에 잘 알려진 초고압 장치를 이용하여, 이러한 과정이 어떻게 수행되는 지를 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 경질 금속 기판은 표면 영역 및 코어 영역을 포함하고, 상기 표면 영역 내의 코발트 분율은 소결 단계 이전에 코어 영역 내의 코발트 분율보다 크다. 소결 단계 중, 기판 내의 코발트가 용융될 때, 다이아몬드 그레인층에 인접한 표면 영역으로부터 코발트 중 일부가 다이아몬드 그레인층 내로 침투하고 소결 보조제로 기능하여, 다이아몬드 그레인의 상호-성장을 증진시켜서, 기판에 일체형으로 본딩되도록 코히어런트하게 본딩되는 다이아몬드 덩어리를 형성한다.
특정 가설에 구속되는 것을 원하는 것은 아니지만, 이 방법은 "코발트 드리프트"라 불리는 공지의 현상을 이용한다고 판단되며, 이 경우 소결되는 경질 금속 내의 액체 코발트가 탄소 이동과 동일 방향으로 이동하는 경향이 있다. 따라서, 코발트의 움직임은 탄소 구배를 설정함으로써, 그리고, 탄소를 고농도 영역으로부터 저농도 영역으로 확산시킴으로써, 제어될 수 있다. 이러한 코발트의 움직임은, 저탄소 함량이 정밀한 WC 그레인 크기를 도출한다는 점과 관련된 다른 잘 알려진 가능한 메커니즘에 의해 촉진될 수 있고, 이는 저탄소 영역에 높은 모세관 힘을 야기하게 되고, 따라서, 액체 코발트가 상기 영역 내로 이동하게 된다.
예
본 발명의 실시예들은 아래의 예를 참조하여 더욱 상세하게 설명되며, 이는 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다.
예 1
텅스텐 카바이드 분말(WC 그레인의 평균 그레인 크기는 약 30 내지 50 마이크로미터, 탄소 함량은 6.13wt%(MAS3000-5000, H.C.Starck))이 120 시간동안 6:1의 볼-분말 비에서 알콜로 볼 밀(ball mill)에서 분쇄되었다. 이어지는 건조 이후, 분쇄된 WC 파우더는 10 wt% 코발트 분말과 관형 건식 믹서에서 혼합되었으며, Co 그레인은 약 1 마이크로미터, 0.1 wt% 탄소 블랙을 갖는다.
혼합물 건조 후, 원통형 그린체는 가압되어 한 시간동안 섭씨 1000도에서 진공에서 열처리되었다.
다공질 그린체는 그후, 표면 영역을 부분적으로 탈탄화시키기 위해, 수소 분위기에서 한 시간동안 섭씨 700도에서 열처리되었다.
탄화 그린체는 그후, 45분 진공 소결 단계와 30분 고등압 소결 단계(50바의 압력에서 아르곤 분위기에서 실행됨)를 포함하는, 75분동안 섭씨 1420도에서 소결되었다.
소결된 경질 금속체의 직경은 26mm, 높이는 30mm였다. EDM에 의해 경질 금속체로부터 4mm의 굵은 디스크를 절단함으로써, 그리고 표준 야금 공정에 따라 단면 표면을 연마함으로써, 반경방향 단면 표면이 제조되었다.
연마된 단면의 마이크로구조는 광학 현미경으로 검사하였다. 디스크에는 관측가능한 자유 탄소나 에타-상이 결핍되었다. 표면 및 코어 영역에서 평균 WC 그레인 크기가 평균 선형 절편법을 이용하여 분석되었다.
표면 및 코어 영역 내 코발트 함량을 측정하기 위해, 3mm 두께를 갖는 2개의 링이 디스크로부터 절단되었다. 외측 링은 표면 영역에 대응하고 내측 링은 코어 영역의 외측부에 대응한다. 14mm 직경을 갖는 나머지 디스크는 코어 영역의 내측 벌크에 대응한다. 이러한 링 및 디스크는 Co의 화학적 여과를 포함한, 다양한 방법에 의해 검사되었다. 자기 포화도 비 SMS의 값(명목상 순수한 Co의 자기 포화도에 비교한 자기 포화도의 백분율)이 또한 연산되었다. 그 결과가 표 1에 제시된다. 표면 및 코어 영역의 마이크로구조가 도 2a 및 2b에 각각 도시된다. 코발트 바인더 내의 탄소의 농도가 당 분야에 잘 알려진 바와 같이, 자기 포화도 비(SMS)에 비례하기 때문에, 자기 포화도 비는 이 영역들 내 바인더의 상대적 탄소 농도의 표시를 제공한다. 이러한 예에서, 탄소 함량은 표면으로부터 거리와 함께 증가하고, 이는 자기 포화도 비가 표면으로부터 깊이와 함께 증가함을 나타낸다. 에타-상이 경질 금속의 어느 부분에서도 검출되지 않았다.
표면 영역 코어 영역의 외측부 코어 영역의 내측부
표면으로부터 깊이, mm
0 - 3
3 - 6
> 6
자기 모멘트, s, μTm3/kg
1.52
1.35
1.33
자기 포화도, 4ps, μTm3/kg
19.1
16.96
16.70
자기포화도 비, SMS, %
80.4
83.9
93.0
코발트 분율
(바인더 분율) wt%
11.8
10.0
8.9
보자력, Hc,
Oe
130
112
106
비커스 경도
HV10
1,220
1,240
1,250
카바이드 그레인의
평균 등적 직경
Dwc, ㎛
2.2
2.5
2.9
예 2
원통형 몸체가 예 1에서와 같이 제조되어, 작동 단부로 불려지는 그 평탄한 단부 중 하나에 일체형으로 본딩되는 PCD층을 소결 및 지지하기 위한 기판으로 사용되었다. 구배를 갖는 기판의 이용과는 달리, 종래에 이용될 수 있었던 다른 형태의 PCD요소 제작이 이용되었다.
PCD 소결 단계 이후, PCD 요소가 분석되었다. PCD층과 기판 간의 본드는 우수했다. 몸체의 표면 영역으로부터 코발트 중 일부가 PCD 층내로 침투하여, 기판과 PCD층 사이의 계면에 인접한 표면 영역의 층 내에 코발트 함량을 약간 감소시켰다. 기판의 코어 내 코발트 함량은 약 8.9wt%로 측정되었으며, 이는 요망되는 바와 같이, 종래의 PCD 기판에 비해 낮은 값이다.

Claims (14)

  1. 금속 카바이드 그레인과 금속 바인더를 포함하는 경질 금속체에 대한 계면에서 결합되는 다결정 초경질 구조물을 포함하는 초경질 요소에 있어서,
    상기 다결정 초경질 구조물은 초경질 물질을 포함하고, 상기 경질 금속체는 상기 계면에 인접한 표면 영역과, 상기 계면으로부터 이격된 코어 영역을 포함하며, 상기 표면 및 코어 영역은 서로 인접하여 위치하고, 상기 코어 영역의 평균 바인더 분율이 상기 표면 영역의 평균 바인더 분율보다 작은
    초경질 요소.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 바인더는 상기 초경질 물질에 대한 소결 보조제를 포함하는
    초경질 요소.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 다결정 초경질 물질은 다결정 다이아몬드이고, 상기 금속 바인더는 다이아몬드용 용매/촉매 물질을 포함하는
    초경질 요소.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면 영역 및 상기 코어 영역에는 에타-상이 실질적으로 결핍된
    초경질 요소.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면 영역에는, 크롬, 바나듐, 또는 크롬 카바이드 또는 바나듐 카바이드, 또는 이들 간의 임의의 조합이 결핍된
    초경질 요소.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 바인더는 코발트 또는 코발트 및 니켈을 기반으로 하고, μTm3/kg 단위의 상기 경질 금속의 평균 자기 모멘트 σ는 상기 코어 영역 내에서 0.131Y 내지 0.161Y 범위 내에 있고, 상기 표면 영역 내에서 0.110X 내지 0.147X의 범위 내에 있으며, X와 Y는 각각 표면 영역 및 코어 영역 내의 코발트 중량 분율(wt%)인
    초경질 요소.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어 영역 내 경질 금속의 평균 경도는 상기 표면 영역 내 경질 금속의 평균 경도보다 적어도 2% 큰
    초경질 요소.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표면 영역의 두께가 적어도 0.2mm인
    초경질 요소.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어 영역 내 평균 금속 바인더 분율이 0.05 내지 0.90 범위에 있는 인자만큼 상기 표면 영역 내 평균 금속 바인더 분율보다 낮은
    초경질 요소.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다결정 다이아몬드 컴팩트를 포함하는
    초경질 요소.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 초경질 요소를 포함하는
    공구.
  12. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 초경질 요소를 위한 경질 금속체를 제작하는 방법에 있어서,
    소결되지 않은 그린체를 제공하는 단계로서, 상기 소결되지 않은 그린체는 금속 바인더 내에 산포된 금속 카바이드의 그레인과, 그린체 내에서 초기 고탄소 함량을 포함하고, 상기 그린체는 표면에 인접한 표면 영역과, 표면으로부터 이격된 코어 영역을 포함하는, 소결되지 않은 그린체 제공 단계와,
    진공 또는 비활성 분위기에서 소정 시간 주기동안 섭씨 1280도 미만의 온도에서 그린체를 열처리하는 단계로서, 온도는 금속 바인더의 실질적인 용융을 방지하도록 충분히 낮고, 온도 및 시간은 그린체의 표면 영역 내 개기공률을 유지하기에 충분한, 그린체 열처리 단계와,
    기공 내로 가스성 탈탄제를 유입시켜서 그린체 내에 탈탄 표면 영역을 형성하고 코어 영역의 적어도 일부분 내에 초기 고탄소 함량을 유지시키는 단계와,
    상기 그린체를 액상 소결하는 단계를 포함하는
    경질 금속체 제작 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 10 항에 따른 다결정 다이아몬드(PCD) 요소를 제작하는 방법에 있어서,
    텅스텐 카바이드 그레인과, 코발트, 니켈, 철, 망간, 또는 이들 간의 소정의 합금과 같은 다이아몬드용 용매/촉매 물질을 포함하는 바인더 물질을 포함하는 경질 금속체를 제공하는 단계로서, 상기 경질 금속체는 표면에 인접한 표면 영역과 표면으로부터 이격된 코어 영역을 포함하고, 상기 표면 영역 및 코어 영역은 서로 인접하며, 상기 코어 영역 내 금속 바인더의 평균 분율은 상기 표면 영역 내 금속 바인더의 평균 중량 분율보다 작은, 경질 금속체 제공 단계와,
    다이아몬드 그레인의 집합적 덩어리를 상기 경질 금속체의 표면과 접촉시켜서 사전-소결 조립체를 형성하는 단계와,
    다이아몬드가 열역학적으로 안정된 압력 및 온도에 상기 사전-소결 조립체를 배치하여, 다이아몬드 그레인을 소결하고 상기 경질 금속체에 일체형으로 본딩되는 PCD 구조물을 형성하는 단계를 포함하는
    다결정 다이아몬드 요소 제작 방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    경질 금속체의 표면 영역의 적어도 일부분을 제거하는 단계를 더 포함하는
    다결정 다이아몬드 제작 요소 방법.

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150063457A (ko) * 2012-09-27 2015-06-09 알로메트 코포레이션 경사 기능 재료로 이루어진 신규한 조성물을 갖는 금속 또는 세라믹 물품의 성형방법과 그 성형방법을 포함하는 물품

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2507566A (en) * 2012-11-05 2014-05-07 Element Six Abrasives Sa Tool with a PCD body
US10920303B2 (en) * 2015-05-28 2021-02-16 Halliburton Energy Services, Inc. Induced material segregation methods of manufacturing a polycrystalline diamond tool
SG11201809957WA (en) 2016-05-11 2018-12-28 Hitachi Metals Ltd Composite material manufacturing method and composite material.
EP4257311A3 (en) 2017-11-27 2023-12-27 Dynatech Systems, Inc. Milling-drumless system for material removal and method of fabricating a milling-drumless system for material removal
USD940767S1 (en) 2020-01-24 2022-01-11 Dynatech Systems, Inc. Cutter head for grinding machines and the like

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0975820B1 (en) * 1997-02-05 2004-04-28 CemeCon AG Hard material coating of a cemented carbide or carbide containing cermet substrate
US6554548B1 (en) 2000-08-11 2003-04-29 Kennametal Inc. Chromium-containing cemented carbide body having a surface zone of binder enrichment
SE522730C2 (sv) 2000-11-23 2004-03-02 Sandvik Ab Metod för tillverkning av en belagd hårdmetallkropp avsedd för skärande bearbetning
AU2003250024A1 (en) * 2002-07-10 2004-02-02 Boart Longyear Gmbh And Co. Kg Hartmetallwerkzeug Fabrik Hard metal in particular for cutting stone, concrete and asphalt
US20060107602A1 (en) * 2002-10-29 2006-05-25 Iakovos Sigalas Composite material
US7699904B2 (en) * 2004-06-14 2010-04-20 University Of Utah Research Foundation Functionally graded cemented tungsten carbide
US7776256B2 (en) * 2005-11-10 2010-08-17 Baker Huges Incorporated Earth-boring rotary drill bits and methods of manufacturing earth-boring rotary drill bits having particle-matrix composite bit bodies
CA2674999A1 (en) * 2007-02-05 2008-08-14 Element Six (Production) (Pty) Ltd Polycrystalline diamond (pcd) materials
US8002859B2 (en) * 2007-02-06 2011-08-23 Smith International, Inc. Manufacture of thermally stable cutting elements
FR2914206B1 (fr) 2007-03-27 2009-09-04 Sas Varel Europ Soc Par Action Procede pour fabriquer une piece comprenant au moins un bloc en materiau dense constitue de particules dures dispersees dans une phase liante : application a des outils de coupe ou de forage.
US8858871B2 (en) * 2007-03-27 2014-10-14 Varel International Ind., L.P. Process for the production of a thermally stable polycrystalline diamond compact

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150063457A (ko) * 2012-09-27 2015-06-09 알로메트 코포레이션 경사 기능 재료로 이루어진 신규한 조성물을 갖는 금속 또는 세라믹 물품의 성형방법과 그 성형방법을 포함하는 물품

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