KR20120058430A

KR20120058430A - 나노 사이즈의 결정입 성장 억제제를 갖는 초미세 다결정질 다이아몬드의 제조방법

Info

Publication number: KR20120058430A
Application number: KR1020110125815A
Authority: KR
Inventors: 야화 바오; 시안 야오; 스캇 호만
Original assignee: 스미스 인터내셔널 인크.
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2012-06-07
Also published as: IE20110509A1; IE86959B1; GB2485912A; GB201120497D0; US20120131856A1; KR101967470B1; GB2485912B; US9670100B2

Abstract

본 게시는 미세한 다이아몬드 결정입과 나노-사이즈의 결정입 성장 억제제 입자들을 갖는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조에 관한 것이다. 그 일시시예에 있어서, 다결정질 다이아몬드 재료를 제조하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 평균 입자 크기 약 1 미크론 이하의 다이아몬드 입자들의 혼합물을 제공하고, 결정입 성장 억제제로서 작용하는 다수의 나노-사이즈의 티타늄-함유하는 입자들을 상기 다이아몬드 혼합물에 분포시키고, 그리고 소결된 다이아몬드 결정입의 다결정질 조직을 형성하기 위하여 다이아몬드 입자들과 티타늄-함유하는 입자들의 혼합물을 고압 고온에서 소결하는 것을 포함한다. 상기 소결된 다이아몬드 결정입은 약 1 미크론 이하의 평균 크기를 가진다.

Description

나노 사이즈의 결정입 성장 억제제를 갖는 초미세 다결정질 다이아몬드의 제조방법{FABRICATION OF ULTRAFINE POLYCRYSTALLINE DIAMOND WITH NANO-SIZED GRAIN GROWTH INHIBITOR}

본 발명은 아주 미세한 결정입과 나노 사이즈의 결정입 석장 억제제 입자들을 갖는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조에 관한 것이다.

소결된 다결정질 다이아몬드 재료는 그 우수한 내마모성 및 기계적 강도로 알려져 있으며, 흔히 공구강으로 사용되고 있다. 다결정질 다이아몬드(PCD)를 제조하기 위해서는, 다이아몬드 입자들이 고온 고압(HPHT 소결)에서 소결되어 극히 경한 다결정질 구조를 얻게 된다. 코발트나 다른 금속과 같은 촉매 재료는 HPHT 소결동안 다이아몬드 결정들의 형성을 촉진하기 위하여 소결전에 상기 다이아몬드 입자 혼합물에 첨가될 수 있다. 이로부터 얻어지는 PCD 구조는 상호 결합되어 상호 연결된 다이아몬드 결정의 네트워크를 포함하는데, 상기 촉매 재료는 상기 결합된 다이아몬드 결정들 사이에 공간이나 구멍을 차지하고 있다.

약 1미크론 사이즈 이하의 소결된 다이아몬드 결정들을 갖는 PCD와 같은 초미세 PCD는 그 우수한 기계적 특성 및 성능으로 알려져 있다. 그러나 초미세 소결된 PCD는 상기 다이아몬드 입자들의 작은 크기 때문에 생성하기가 어렵다. 아주 작은 다이아몬드 입자들은 큰 표면적 대 부피비를 가지고 있으며, 이러한 보다 높은 표면적비는 소결 동안 상기 다이아몬드 입자들의 비정상적인 결정입 성장을 유발할 수 있다. 상세하게 설명하면, HPHT 소결 동안 아주 미세한 다이아몬드 입자들은 상호 연결되어 아주 큰 다이아몬드 입자로 성장할 수 있으며, 초기 다이아몬드 입자의 크기보다 수배나 큰 크기로 성장한다. 그 결과, 상기 PCD 구조가 큰 결정입 성장의 면적에 의해 방해되기 때문에 상기 소결된 재료는 균일하지 못하다. 이러한 결정입 크기의 불균일 및 균일한 다결정질 조직의 부족은 소결된 PCD 재료의 성능 및 재질 특성을 열화시킨다.

따라서 HPHT 소결 동안 크고 비정상적인 다이아몬드 결정의 성장을 제한하기 위하여 결정입 성장 억제제를 상기 다이아몬드 입자 혼합물에 제공하는 것이 알려져 있다. 상기 결정입 성장 억제제는 상기 다이아몬드 입자 혼합물에 첨가되고, HPHT 소결 동안 상기 결정입 성장 억제제는 다이아몬드 입자들 사이의 입계에 있는 공간을 차지하여 상기 입자들이 보다 큰 입자 크기로 함께 성장하는 것을 억제한다.

그러나 상기 다이아몬드 입자 혼합물내에 결정입 성장 억제제를 균일하게 분산시키는 것은 어렵다. 알려진 방법은 물리적 기체 증착 및 다른 길고도 값비싼 화학적인 처리공정을 포함한다. 상기 결정입 성장 억제제를 물리적으로 상기 다이아몬드 입자들에 혼합시키는 것은 보다 큰 결정입 성장 억제제 입자들에 의해 가능하지만, 보다 작은 입자들에 의해서는 달성되기 어려운데, 이는 입자들이 그들의 큰 표면적 때문에 덩어리지거나 뭉치는 경향이 있기 때문이다. 상기 다이아몬드 혼합물이, 결정입 성장 억제제 입자들, 또는 대략 다이아몬드 그 자체 입자와 같은 크기이거나 보다 큰 크기의 결정입 성장 억제제 입자들의 덩어리를 포함할 때, 이어 후속하는 HPHT 소결 이후 그 결과로 얻어지는 PCD 구조는 다이아몬드 결정들 사이의 큰 면적의 결정입 성장 억제제를 가진다는 것은 관찰되어 오고 있다. 이러한 결정입 성장 억제제의 면적은 소결된 PCD 재료의 강도와 마모 특성을 감소시킨다.

따라서 소망하는 재료특성과 감소된 비정상적인 결정입 성장을 갖는 균일한 PCD 구조를 얻기 위하여 결정입 성장 억제제를 초미세 다이아몬드 입자들과 균일하게 혼합하는 방법에 대한 필요성이 여전히 존재한다.

본 게시는 미세한 다이아몬드 입자와 나노 사이즈의 결정입 성장 억제제 입자들을 갖는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조에 관한 것이다.

그 일 실시예에 있어서, 균일한 소결된 결정입 크기를 갖는 초미세 PCD 재료의 제조방법이 제공된다. 상기 방법은 약 0.5~1미크론 크기의 다이아몬드 입자들의 혼합물과 같은, 초미세 다이아몬드 입자들의 혼합물을 제공한다. 이어 상기 방법은 상기 초미세 다이아몬드 혼합물내에 나노-사이즈의 티타늄 함유하는 결정입 성장 억제제를 균일하게 분산시키는 것을 포함한다. 예를 들면, 상기 결정입 성장 억제제는 TiCN, TiN 및/또는 TiC일 수가 있다. 그리고 상기 방법은 균일한 다이아몬드 결정 결정입 크기를 갖는 소결된 PCD 조직을 제조하기 위해, 상기 혼합물을 HPHT 소결하는 것을 포함한다.

그 일 실시예에 있어서, 다결정질 다이아몬드 재료를 제조하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 평균 입자크기 약 1미크론 이하의 다이아몬드 입자들의 혼합물을 제공하고, 결정입 성장 억제제로 작용하기 위해 복수의 나노 사이즈의 티타늄 함유 입자들을 상기 다이아몬드 혼합물에 분산시키고, 그리고 소결된 다이아몬드 결정입의 다결정질 구조를 생성하기 위해 고압 및 고온에서 다이아몬드 입자와 티타늄-함유하는 입자들의 혼합물을 소결하는 것을 포함한다. 상기 소결된 다이아몬드 결정입은 약 1미크론 이하의 평균 크기를 가진다.

상기 소결된 PCD 재료는 실질적으로 어떠한 비정상적인 결정입 성장을 갖지 않는 균일한 미세조직을 가진다. 이러한 매우 미세한 다이아몬드 결정입을 갖는 PCD 조직은 소망하는 강도 및 마모 특성을 가진다.

도 1은 본 게시의 일실시예에 따라 균일한 소결된 결정입 크기를 갖는 초미세 PCD 재료의 제조방법을 나타내는 플로우 챠트이다.
도 2는 본 게시의 일실시예에 따른 균일한 소결된 결정입 크기를 갖는 초미세 PCD 재료의 제조방법을 나타내는 플로우 챠트이다.
도 3은 텅스텐 함유하는 결정입 성장 억제제로 제조되고 비정상적인 결정입 성장을 보이는 소결된 PCD 재료의 상부 표면을 위에서 본 그림이다.
도 4는 본 게시의 일실시예에 따라 티타늄-함유하는 결정입 성장 억제제로 제조된 소결된 PCD 재료의 상부 표면을 위에서 본 그림이다.
도 5는 도 4의 PCD 재료의 2배 확대한 그림이다.
도 6은 본 게시의 일실시예 따라 균일한 소결된 결정입 크기를 갖는 초미세 PCD 재료를 제조하는 방법을 나타내는 플로우 챠트이다.
도 7은 본 게시의 일실시예에 따라 초미세 PCD 재료로부터 절단된 조각으로 인설트 팁된(insert tipped) 공구강을 나타낸다.

본 게시는 미세한 다이아몬드 입자와 나노-사이즈의 결정입 성장 억제제 입자로 다결정질 다이아몬드 재료의 제조에 관한 것이다. 그 일 실시예에 있어서, 균일한 소결된 결정입 크기로 초미세 PCD 재료를 제조하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 약 0.5~1 미크론 크기의 다이아몬드 입자들의 혼합물과 같은 초미세 다이아몬드 입자들의 혼합물을 제공하는 것을 포함한다. 이어, 상기 방법은 상기 초미세 다이아몬드 혼합물내에 나노-사이즈의 티타늄 함유하는 결정입 성장 억제제를 균일하게 분산하는 것을 포함한다. 예를 들면, 상기 결정입 성장 억제제는 TiCN, TiN 및또는 TiC일 수가 있으며, 상기 결정입 성장 억제제 입자들은 50 나노메터 크기의 수준에 있다. 그리고 상기 방법은 균일한 다이아몬드 결정 결정입 크기를 갖는 소결된 PCD 조직을 얻기 위하여 상기 혼합물을 HPHT 소결하는 것을 포함한다.

본 게시 및 청구항에 걸쳐, TiCN, TiN 및 TiC에 대한 언급은 비화학양론적인 화합물 뿐만 아니라 화학양론적인 화합물을 포함한다. 즉, 이러한 화합물은 다른 비 뿐만 아니라 상기 성분의 1:1 인 화합물을 포함한다. 예를 들면, TiN에 대한 언급은 0∠x≤1인 TiNx를 포함한다. TiC에 대한 언급은 0∠x≤1인 TiCx를 포함한다. TiCN에 대한 언급은 0∠x이고 0∠y≤1인 TiCxNy를 포함한다.

본 게시의 일실시예에 따른 균일한 결정입 크기를 갖는 초미세 PCD 재료를 제조하는 방법이 도 1에 나타나 있다. 상기 방법은 평균 입자크기 약 1미크론 이하의 다이아몬드 입자들과 같은 초미세 다이아몬드 입자들(101)의 혼합물을 제공하는 것을 포함한다. 그 일 실시예에 있어서, 상기 혼합물은 약 0.5와 1미크론 크기 사이의 다이아몬드 입자 범위의 것을 포함한다. 그 평균 입자 크기는 약 0.75미크론이다. 다른 실시예에 있어서, 상기 혼합물은 평균 입자 크기 약 0.75미크론을 갖는, 약 0.5와 1 미크론 크기 사이의 다이아몬드 입자들의 범위를 포함하며, 또다른 실시예에 있어서는, 평균 결정입 크기 약 0.35미크론을 갖는 약 0.2와 0.5 미크론 크기 사이의 입자의 범위를 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 상기 혼합물은 약 0.2와 2.0 미크론 크기 사이의 다이아몬드 입자의 범위를 포함하며, 또다른 실시예서는 약 0.3에서부터 0.8 미크론의 범위를 포함한다. 다른 실시예에서는 다른 크기의 범위들이 사용될 수 있다. 여기에서 사용되는 "초미세(ultra -fine)" 다이아몬드 입자 혼합물에 대한 언급은 약 1 미크론 이하의 평균 입자 크기를 갖는 혼합물을 포함한다. 상기 다이아몬드 입자 혼합물은 분말 형태로 제공될 수 있으며, 다양한 다이아몬드 입자들이 함께 혼합되어져 있다.

다시 도 1을 참조하면, 상기 방법은 이어 나노-사이즈의 티타늄 함유하는 결정입 성장 억제제를 상기 다이아몬드 혼합물에 균일하게 분산시키는 것을 포함한다(102). 상기 결정입 성장 억제제는 예를 들면 나노 사이즈의 TiC, TiCN, TiN 또는 이들의 혼합물의 입자들일 수 있다. 상기 결정입 성장 억제제 입자들의 평균 크기는 상기 평균 다이아몬드 입자 크기 보다 더 작다. 일 실시예에 있어서, 실질적으로 모든 결정입 성장 억제제 입자들이 상기 평균 다이아몬드 입자 크기보다 작으며, 다른 예시적인 실시예에 있어서는 실질적으로 모든 다이아몬드 입자들 보다 작다. 일 실시예에 있어서, 상기 결정입 성장 억제제 입자들은 대략 상기 평균 다이아몬드 입자 크기와 같거나, 보다 더 작다. 다른 실시예에 있어서, 상기 결정입 성장 억제제들은 상기 평균 다이아몬드 입자 크기보다 작다[약 크기의 오더(order of magnitude) 보다 작은 과 같은]. 다른 실시예에 있어서, 상기 다이아몬드 입자들은 대략 0.2~1 미크론 크기에 있으며, 상기 결정입 성장 억제제 입자들은 대략 50 나노메터 크기에 있다. 다른 실시예에 있어서 상기 결정입 성장 억제제 입자들은 약 10 ~ 약 200 나노메터의 크기 범위에 있으며, 평균 입자 크기는 약 50 나노메터이다. 여기에서 사용된 용어, 나노 사이즈(nano-sized)는 대략 50 나노메터 크기와 같은 약 20~200 나노메터 사이의 크기를 의미한다.

상술한 바와 같이, 상기 방법은 상기 결정입 성장 억제제를 상기 다이아몬드 혼합물에 균일하게 분산시키는 것을 포함한다. 상기 균일한 분산은 상기 나노 사이즈의 결정입 성장 억제제의 덩어리 및 뭉침 발생을 감소시키기 위해 상기 다이아몬드 입자 혼합물에 걸쳐서 결정입 성장 억제제를 분산시키는 것을 말한다.

다시 도 1을 참조하면, 상기 결정입 성정 억제제가 상기 다이아몬드 입자들에 균일하게 혼합되어진 후, 상기 방법은 그 혼합물을 HPHT 소결하는 것(103)을 포함한다. 일 실시예에 있어서, HPHT 소결은 3 ~6.5 GPa의 압력과 1300~1500℃의 상승된 온도에서 상기 혼합물을 가압하는 것을 포함한다. HPHT 소결 동안 PCD 조직이 형성되며, 상기 결정입 성장 억제제는 크고 비정상적인 결정입의 발생을 감소시키기 위해 작용한다. 그 결과, 상기 소결된 PCD 조직은 약 1 미크론 크기의 초미세 다이아몬드 결정들을 포함한다. 상기 소결된 PCD 조직은 균일하며, 실질적으로 비정상적인 다이아몬드 결정입 성장이 없으며, 그리고 상기 다이아몬드 결정과 같은 크기의 결정입 성정 억제제 입자들에 대한 어떠한 가시적인 뭉침도 일어나지 않는다.

나노-사이즈의 결정입 성장 억제제를 상기 다이아몬드 혼합물에 균일하게 분산시키는 예시적인 방법이 이하 기술된다. 본 게시의 다른 실시예에 따른 균일한 소결된 결정입 크기를 갖는 초미세 PCD 재료의 제조방법이 도 2에 나타나 있다. 상기 방법은 상술한 바와 같은 동일한 방법으로 초미세 다이아몬드 입자들의 혼합물을 제공하는 것(201)을 포함한다. 상기 방법은 또한 나노-사이즈의 결정입 성장 억제제를 상기 다이아몬드 분말 혼합물에 혼합하는 것(202)을 포함한다. 그 일 실시예에 있어서, 혼합하는 것은, 티타늄 탄질화물(TiCN), 티타늄 탄화물(TiC), 티타늄 질화물(TiN), 또는 이들 성분의 하나 이상의 혼합물과 같은 티타늄-함유하는 결정입 성장 억제제의 나노-사이즈 분말 혼합물을 제공하는 것(203)을 포함한다. 상기 방법은 상기 나노 사이즈의 분말을 상기 다이아몬드 입자 혼합물에 균일하게 혼합하는 것(204)을 포함한다. 이러한 균일한 혼합은 볼 밀링이나 아트리토 믹싱(attritor mixing)에 의해 달성될 수 있다. TiCN, TiC 및/또는 TiN 입자들이 상기 다이아몬드 혼합물에 혼합을 위하여 분말 형태로 제공되며, 상기 다이아몬드 혼합물도 분말 형태로 또한 제공될 수 있다. 상기 방법은 또한 혼합 이후 상기 혼합물을 건조시키는 것(205)을 포함한다. 상기 Ti-화합물 입자들은 상기 다이아몬드 입자들 중에서 균일하게 분산되어 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 Ti-화합물 입자들은 상기 혼합된 혼합물에 대한 중량%로 약 0.5~10% 범위의 양으로 제공되며, 그 일시예로는 중량%로 약 1.5%이다.

상기 혼합물은 균일한 분산이 확보되었는지를 확인하기 위하여 시각적으로 체크될 수 있다. 예를 들면, 상기 혼합물은 상술한 바와 같이 혼합될 수 있으며, 이어, 어떠한 큰 뭉침이나 덩어리를 확인하기 위하여 주사전자현미경(SEM)하에서 시각적으로 조사될 수 있다. 추가 혼합은 상기 분산이 균일해 질 때까지 수행될 수 있다. 균일한 혼합물은 약 30분 ~ 2시간의 혼합 이후 얻어질 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 결정입 성장 억제제는 TiCN이며, 상기 다이아몬드와 TiCN 혼합물에 대한 중량%로 약 2%~10%의 양으로 제공된다. 결과적으로 얻어지는 혼합물은 나노-사이즈의 TiCN 입자들과 서브 미크론 사이즈의 다이아몬드 입자들이 함께 혼합된 혼합물이다. 촉매 재료가 상기 결정입 성정 억제제의 혼합 전후 상기 혼합물에 첨가될 수 있다. 예를 들면, 상기 다이아몬드 입자들은 상기 결정입 성장 억제제를 혼합하기 전에 습식 방법(wet chemical method)에 의해 (촉매 재료로써) 코발트 입자들에 의해 코팅될 수 있다. 상기 결정입 성장 억제제 재료는 PCD 조직의 형성을 촉진하는 촉매재료와는 같지 않다는 점은 이해되어야 한다.

다시 도 2를 참조하면, 혼합 이후, 상기 방법은 다이아몬드 입자들과 결정입 성장 억제제의 혼합물을 HPHT 소결하는 것(206)을 포함한다. 상기 HPHT 소결은 결합된 다이아몬드 결정으로 된 다결정질 조직을 생성한다. 일 실시예에 있어서, 상기 다이아몬드 입자 혼합물은 텅스텐 카바이드 기판에 근접하여 소결되는 것과 같이 기판의 존재하에 소결된다. 상기 기판으로부터의 재료는 소결 동안 상기 다이아몬드 층으로 스며들어 상기 다이아몬드층을 상기 기판에 결합시킨다.

일 실시예에 있어서, PCD 재료가 도 2의 방법에 따라 제조된다. 초미세 서브 미크론 다이아몬드 입자(약 0.5~1 미크론 범위의)의 혼합물이 습식 방법에 의해 코발트 입자에 의해 예비코팅되었으며, 이어 1.5중량% 나노-사이즈의 TiCN 입자들에 분말 형태로 혼합되었다. 상기 혼합물은 다이아몬드 혼합물내에 TiCN 입자들의 균일한 분산을 확보하기 위하여 어트리토 믹싱에 의해 혼합되었다. 상기 혼합물은 이어 약 1420℃의 온도에서 약 5.2~6.5GPa로 가압함으로써 HPHT 소결처리되었다. 결과적으로 얻어지는 PCD 미세조직이 도 4에 나타나 있으며, 도 4는 소결된 PCD 재료의 상부 블래스티드(blasted) 표면 사진이다.

도 4에 나타난 바와 같이, 상기 PCD은 어떠한 가시적인 비정상적인 결정입 성장이나 뭉침 없는 균일한 미세조직 40을 가진다. 비교를 위하여, 도 3은 결정입 성장 억제제로 작용하는 3중량%의 텅스텐 입자(약 100 나노메터 이하의 입자 크기를 가지는)가 혼합된 초미세 다이아몬드 입자(약 0.75 미크론의 평균 결정입 크기)로부터 형성된 PCD 미세조직을 나타낸다. 도 3에서, 상당한 양의 비정상적인 결정입 성장 30이 관찰된다. 도 3 및 4는 소결된 PCD 재료의 상부 블래스티드 표면을 나타낸다.

도 5는 도 4의 소결된 PCD 재료의 확대를 나타낸다. 왼쪽의 이미지는 400 배, 오른쪽은 20,000배이다. 이러한 이미지들은 1.5% TiCN 결정입 성장 억제제를 갖는 초미세 PCD의 균일한 미세조직 40을 나타낸다. 도 5에서 어두운 부분은 소결된 다이아몬드 결정입이며, 그들 사이의 밝은 영역은 상기 촉매와 결정입 성장 억제제이다. 도 5에서 상기 결정입 성장 억제제는 상기 이미지의 밝은 영역내에 있으나, 너무 작아 직접적으로 볼 수가 없다. 일 실시예에 있어서, 상기 결정입 성장 억제제 입자들은 소결 전후 나노-사이즈이다. 상술한 바와 같은 혼합방법은 결정입 성장 억제제 입자들이 서브 미크론 다이아몬드 분말 내에 균일하게 분산시켜, 유효한 결정입 성정 억제를 확보하게 한다. 또한 상기 코발트 코팅은 좋은 소결을 촉진하기 위하여 균일하게 분산된 촉매를 제공한다. 초미세 PCD는 우수한 내마모성과 기계적 강도를 나타내며, 툴링 및 절단 조업에서 그 성능을 잘 나타낸다.

일 실시예에 있어서, 도 2의 방법으로 형성된 소결된 PCD 재료는 균일한 미세조직을 가지는데, 이는 상기 다이아몬드 결정 스캐일에 있는 결정입 성장 억제제의 가시적인 뭉침이 실질적으로 없으며, 비정상적인 결정입 성장이 실질적으로 없음을 의미한다. 상기 소결된 다이아몬드 결정입의 약 95%는 그 크기가 약 1 미크론 또는 그 보다 작다. 가장 큰 소결된 다이아몬드 결정입은 약 5 미크론 또는 그보다 작으며, 또한 일 실시예에서는 약 3 미크론 또는 그 보다 작다.

본 게시의 다른 실시예에 따라 균일한 소결된 결정입 크기를 갖는 초미세 PCD 재료를 제조하는 방법이 도 6에 나타나 있다. 상기 방법은 초미세 다이아몬드 입자들의 혼합물을 제공하는 것(601)을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 상기 혼합물은 평균 결정입 크기가 약 0.75 미크론이고, 약 0.5 와 1 미크론 사이의 크기의 다이아몬드 입자들의 범위를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 상기 혼합물은 평균 결정입 크기가 1 미크론 미만의 입자 크기 범위를 포함한다. 상기 다이아몬드 입자들은 분말 형태로 제공된다.

상기 방법은 또한 나노-사이즈의 티타늄 함유하는 입자들을 상기 다이아몬드 입자들상에 침착(deposit)시키는 것(602)을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 이러한 입자들을 침착시키는 것은 습식 화학적 석출방법(wet chemical precipitation method)으로 수행되며, 이는 본 기술분야에서 졸-겔 방법으로 언급되어 질 수 있다. 일실시예에 있어서, 상기 나노-사이즈의 입자들을 침착하는 것은 먼저 알코올 과 금속 알콕사이드 용액을 제공하는 것(603)을 포함한다. 상기 금속 알콕사이드는 (이하 서술되는) 상기 화학적인 석출방법에 의해 형성될 수 있는 결정입 성장 억제제를 위한 전구체이다. 일실시예에 있어서, 상기 금속은 티타늄이며, 상기 금속 알콕사이드 전구체는 티타늄 n-부톡사이드 Ti[O(CH₂)₃CH₃)]₄와 같은 티타늄 알콕사이드이다. 다른 실시예에 있어서 상기 전구체 금속 알콕사이드는 티타늄 이소프로폭사이드 Ti[OCH(CH₃)₂]₄이다.

상기 금속 알콕사이드는 용액을 형성하기 위해 알코올에 혼합된다. 상기 방법은 이어 균일한 현탁액을 형성하기 위하여 상기 알코올 용액을 상기 다이아몬드 입자 혼합물에 혼합하는 것(604)을 포함한다. 이러한 혼합은 기계적인 교반기에 의해 달성될 수 있다. 그리고 상기 방법은 상기 현탁액으로부터 상기 티타늄-함유하는 입자들을 상기 다이아몬드 입자들 표면상으로 석출시키는 것(605)을 포함한다. 예를 들면, 석출은 상기 현탁액에 물을 첨가함으로써 달성될 수 있다. 물이 상기 현탁액에 첨가될 때, 아래의 화학적인 반응이 일어난다: Ti[O(CH₂)₃CH₃)]₄ + H₂O →TiO₂ + HO(CH₂)₃CH₃. 그 결과, 티타늄 산화물(TiO₂) 입자들은 상기 현탁액으로부터 석출하여 상기 다이아몬드 입자들 표면상으로 침착된다. 상기 방법은 또한 석출후 상기 현탁액을 건조하는 것(606)을 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 전구체는 알코올 용액에 균일하게 용해되며, 상기 다이아몬드 입자들은 알코올과 균일하게 혼합되어 현탁액으로 된다. 그 결과, 이 방법은 상기 티타늄 산화물이 상기 현탁액으로부터 석출할 때, 상기 다이아몬드 입자들 표면에 걸쳐서 티타늄 산화물 입자의 균일한 분산을 형성한다. 상기 티타늄 산화물 입자들은 상기 초미세 다이아몬드 입자들의 표면상에 침착된 나노-사이즈의 입자들이다.

제2 실시예가 또한 도 6에 제시되어 있다. 이러한 대체적인 실시예는 단계 603, 604, 및 605에 나타난 화학적인 석출방법을 사용하기 보다는, 나노-사이즈의 티타늄-함유하는 입자들을 상기 다이아몬드 혼합물에 균일하게 혼합하는 것(600)을 포함한다. 예를 들면, 나노-사이즈의 티타늄 산화물(TiO₂) 입자들은 화학적인 석출에 의해 침착되기보다는 직접적으로 다이아몬드 분말에 혼합될 수 있다. 이러한 나노-사이즈의 TiO₂ 입자들은 볼 밀링이나 어트리토 믹싱과 같은 기계적인 혼합에 의해 상기 다이아몬드 입자 혼합물에 균일하게 혼합된다. 상기 혼합물은 균일한 혼합을 확인하기 위하여, 예컨대 SEM 하에서, 시각적으로 조사될 수 있다. 혼합 이후, 상기 혼합물은 선택적으로 건조된다(606).

다시 도 6을 참조하면, 어느 하나의 실시예에 있어서, 상기 방법은 코발트와 같은 촉매 재료를 상기 다이아몬드 분말 및 티타늄 산화물 혼합물에 첨가하는 것(607)을 선택적으로 포함한다. 일 실시예에 있어서, 이는 단순한 석출방법에 의해 달성될 수 있다. 상기 촉매 재료는 상기 티타늄 산화물입자가 침착되기 전 후 상기 다이아몬드 혼합물에 첨가될 수 있다.

다시 도 6을 참조하면, 상기 방법은 이어 상기 다이아몬드 입자들의 표면상에 나노-사이즈의 티타늄 함유하는 결정입 성장 억제제를 형성하는 것(608)을 포함한다. 이 방법은 상기 티타늄 산화물 입자를 티타늄 세라믹(예로서 TiC, TiCN 및 TiN)과 같은 적절한 티타늄계 결정입 성장 억제제로 전환하는 것을 포함한다. 이러한 방법의 세가지 변화가 도 6에 나타나 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 방법은 결정입 성장 억제제로서 TiN을 형성하기 위하여 티타늄 산화물 입자들의 질화(609)를 포함한다. 질화는 상기 다이아몬드와 티타늄 산화물 혼합물(나노-사이즈의 티타늄 산화물 입자의 균일한 침착을 갖는 다이아몬드 입자들)을 암모니아(NH₃) 흐름에 둠으로써 달성된다. 선택적으로 상기 암모니아 처리 동안 상기 혼합물은 약 1,100℃로 가열될 수 있다. 이러한 공정은 상기 티타늄 산화물을 티타늄 질화물(TiN)으로 변환시킨다. 그 결과는 초미세 다이아몬드 분말 혼합물의 표면을 따라 균일하게 분산된 나노-사이즈의 TiN 입자들이다.

다른 실시예에 있어서, 상기 방법은 결정입 성장 억제제로서 티타늄 탄화물(TiC)을 형성하기 위하여 진공처리하는 것(610)을 포함한다. 상기 티타늄 산화물과 다이아몬드 분말 혼합물은 진공에 놓여져 (약 900~1,200℃)로 가열된다. 진공상태에서, 상기 티타늄 산화물은 상기 다이아몬드 입자들내의 탄소와 반응하여, 아래의 반응이 일어난다: TiO₂ + C → TiC + CO. 상기 CO는 가스로써 방출된다. 상기 공정은 티타늄 산화물을 티타늄 탄화물(TiC)로 변환시킨다. 그 결과는 초미세 다이아몬드 분말 혼합물의 표면을 따라 균일하게 분산된 나노-사이즈의 TiC 입자들이다.

다른 실시예에 있어서, 상기 방법은 상기 결정입 성장 억제제로서 티타늄 탄질화물(TiCN)을 형성하기 위해 부분적인 질화 및 진공처리(611)를 포함한다. 상기 티타늄 산화물과 다이아몬드 분말 혼합물은 먼저 암모니아 흐름에 놓여지고 (약 1,000℃로 가열되어) 부분적으로 상기 티타늄 산화물과 반응하여 티타늄 산질화물(TiO_xN_y)을 형성한다. 그러나 완전한 반응 이전에, 상기 혼합물은 이어 진공에 놓여지고(약 900~1,200℃로 가열된다). 아래의 반응이 일어난다: TiO₂ + NH₃ → TiO_xN_y + H₂O(암모니아 흐름), 후속하여 TiO_xN_y + C → TiC_xN_y +CO(진공). 상기 두번째 단계에서 탄소는 상기 다이아몬드 입자들 자체로부터 존재한다. 따라서 상기 티타늄 산화물은 상기 암모늄 흐름 및 다이아몬드로부터의 탄소와 반응함으로써 TiCN을 형성한다. 상기 CO는 가스로써 배출된다. 상기 공정은 상기 티타늄 산화물을 티타늄 탄질화물(TiCN)로 변환시킨다. 그 결과는 초미세 다이아몬드 분말 혼합물의 표면을 따라 균일하게 분산된 나노-사이즈의 TiCN 입자들이다.

마지막으로 도 6을 다시 참조하면, 상기 방법은 상기 다이아몬드와 티타늄-함유하는 결정입 성장 억제제 혼합물을 HPHT 소결하는 것(612)을 포함한다. 상기 다이아몬드 입자 표면을 따라 분산된 나노-사이즈의 TiC, TiN 또는 TiCN 입자들은 상기 다이아몬드 입자들의 비정상적인 결정입 성장을 억제하기 위한 결정입 성장 억제제로서 작용한다. 결과적으로 얻어지는 소결된 PCD 조직은 다이아몬드 결정입 사이에 균일하게 분산된 결정입 성장 억제제 입자들을 갖는 미세한 소결된 다이아몬드 결정입의 균일한 미세조직을 가진다. 상기 소결된 다이아몬드 결정입은 약 1 미크론 또는 그보다 작은 크기에 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 소결된 다이아몬드 결정입의 약 95%는 약 1미크론 또는 그보다 작은 크기에 있다. 가장 큰 소결된 다이아몬드 결정입은 약 5 미크론 또는 그 보다 작다.

본 게시는 균일한 소결된 결정입 크기를 갖는 초미세 PCD 재료를 제조하는 방법을 제공한다. 나노-사이즈의 티타늄-함유하는 결정입 성장 억제제가 약 1 미크론 또는 그 보다 작은 다이아몬드 입자들과 같은 초미세 다이아몬드 입자들의 혼합물에 분산된다. 상기 소결된 PCD 재료는 실질적으로 어떠한 비정상적인 결정입 성장을 갖지 않는 균일한 미세조직을 가진다. 이러한 매우 미세한 다이아몬드 결정입을 갖는 PCD 조직은 소망하는 강도 및 마모 특성을 가진다.

도 7은 본 게시의 일실시예에 따라 초미세 PCD 재료로부터 절단된 조각 110으로 팁프트된 절삭강 인설트(cutting tool insert:120)를 나타낸다. 상기 절삭 인설트 120은 세멘티드 카바이드 인설트 몸체 112를 포함하며, 상기 초미세 소결된 PCD로 부터 절단된 팁 조각들 110은 상기 몸체의 코너에서 상기 몸체 112에 납땜된다. 상기 절삭 인설트 120은 터닝이나 밀링과 같은 절삭 조업에 사용되는 절삭 공구에 붙여질 수 있다. 상기 인설트 120의 PCD 팁 조각들 110은 우수한 절삭 성능을 위한 인성과 마모저항의 조합을 제공한다.

본 발명은 예시적인 실시예에 대하여 기술되고 설명되었지만, 후속하는 청구항에서 청구항 바와 같이 본 발명의 완전하고 의도된 범위에서 변화나 모조가 이루어질 수 있기 때문에, 이에 제한되지 않음은 이해되어야 한다.

Claims

평균 입자 크기 약 1 미크론 이하를 갖는 다이아몬드 입자들의 혼합물을 제공하고;
결정입 성장 억제제로서 작용하는 다수의 나노-사이즈의 티타늄-함유하는 입자들을 상기 다이아몬드 혼합물에 분산시키고; 그리고
소결된 다이아몬드 결정입의 다결정질 조직을 형성하기 위하여 고압 고온에서 다이아몬드 입자들과 티타늄-함유하는 입자들의 혼합물을 소결하는 것;을 포함하고,
상기 나노-사이즈의 티타늄 함유하는 입자들을 분산시키는 것은, 다이아몬드와 티타늄 산화물 혼합물을 형성하기 위하여 상기 다이아몬드 입자들의 표면상에 다수의 티타늄 산화물 입자들을 침착시키고, 상기 티타늄 산화물 입자들을 티타늄 함유하는 결정입 성장 억제제로 변환시키는 것을 포함하고,
상기 소결된 다이아몬드 결정입은 약 1 미크론 이하의 평균 크기를 가짐을 특징으로 하는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조방법.
평균 입자 크기 약 1 미크론 이하를 갖는 다이아몬드 입자들의 혼합물을 제공하고;
결정입 성장 억제제로서 작용하는 다수의 나노-사이즈의 티타늄-함유하는 입자들을 상기 다이아몬드 혼합물에 분산시키고; 그리고
소결된 다이아몬드 결정입의 다결정질 조직을 형성하기 위하여 고압 고온에서 다이아몬드 입자들과 티타늄-함유하는 입자들의 혼합물을 소결하는 것;을 포함하고,
상기 나노-사이즈의 티타늄 함유하는 입자들을 분산시키는 것은 상기 나노-사이즈의 티타늄 산화물 입자들을 상기 다이아몬드 혼합물에 혼합시키는 것을 포함하고,
상기 소결된 다이아몬드 결정입은 약 1 미크론 이하의 평균 크기를 가짐을 특징으로 하는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조방법.
제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 다이아몬드 입자들의 혼합물은 0.2 ~ 2 미크론 범위의 다이아몬드 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조방법.
제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 다이아몬드 입자들의 혼합물은 0.3 ~ 0.8 미크론 범위의 평균 크기를 갖는 다이아몬드 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조방법.
제 2항에 있어서, 상기 혼합은,
상기 나노-사이즈의 티타늄 함유하는 입자들의 분말 혼합물을 제공하고;
혼합된 혼합물을 제공하기 위하여 상기 분말 혼합물을 상기 다이아몬드 혼합물에 균일하게 혼합하고; 그리고
상기 혼합된 혼합물을 건조하는 것;을 포함하는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조방법.
제 5항에 있어서, 균일하게 혼합하는 것은 볼 밀링이나 아트리토 믹싱을 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조방법.
제 1항 내지 5 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 티타늄-함유하는 입자들은 티타늄 카본 질화물 입자, 티타늄 질화물 입자, 티타늄 탄화물 입자, 및 이들의 혼합 입자들로 이루어진 그룹 중 선택된 것임을 특징으로 하는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조방법.
제 7항에 있어서, 상기 티타늄-함유하는 입자들은 상기 혼합된 혼합물에 대한 중량%로 약 0.5 ~10%의 범위의 양으로 제공되는 것을 특징으로 하는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조방법.
제 5항에 있어서, 상기 혼합된 혼합물은 그 혼합된 혼합물에 대한 중량%로 약 0.5 ~10% 범위의 양으로 나노-사이즈의 티타늄 카본 질화물 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조방법.
제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 다결정질 조직은, 상기 결정입 성장 억제제 가 상기 소결된 다이아몬드 결정입 보다 작은, 상기 소결된 다이아몬드 결정입과 상기 결정입 성장 억제제의 균일한 조직을 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 티타늄 산화물 입자를 침착하는 것은 화학적인 석출에 의한 침적인 것을 특징으로 하는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조방법.
제 11항에 있어서, 화학적인 석출에 의한 침착은 알코올과 티타늄 알콕사이드 용액을 제공하고, 상기 용액과 상기 다이아몬드 입자들의 현탁액을 형성하고, 그리고 상기 현탁액으로부터 상기 티타늄 산화물 입자를 상기 다이아몬드 입자들의 표면상으로 석출시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 티타늄 산화물 입자들을 상기 결정입 성장 억제제로 변환시키는 것은 상기 다이아몬드와 티타늄 산화물 혼합물을 암모니아 흐름하에 두어 상기 티타늄 산화물을 티타늄 질화물로 변환시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 티타늄 산화물 입자를 상기 결정입 성장 억제제로 변환시키는 것은 상기 다이아몬드와 티타늄 산화물 혼합물을 진공상태에 두어 상기 티타늄 산화물을 티타늄 탄화물로 변환시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 티타늄 산화물 입자를 상기 결정입 성장 억제제로 변환시키는 것은 상기 다이아몬드와 티타늄 산화물 혼합물을 암모니아 흐름, 이어 진공상태에 두어 상기 티타늄 산화물을 티타늄 탄질화물로 변환시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조방법.
제 13항, 14항, 또는 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다결정질 조직은, 상기 결정입 성장 억제제가 상기 소결된 다이아몬드 결정입 보다 작은, 상기 소결된 다이아몬드 결정입과 상기 결정입 성장 억제제의 균일한 조직을 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조방법.
약 1 미크론 이하의 평균 입자크기를 갖는 다이아몬드 입자들의 혼합물을 제공하고;
티타늄 함유하는 결정입 성장 억제제를 제공하며;
상기 다이아몬드 입자들의 표면상에, 상기 나노-사이즈의 티타늄 함유하는 결정입 성장 억제제 입자들의 균일하게 분산된 침착을 형성하고; 그리고
평균 결정입 크기 약 1 미크론 이하를 갖는 소결된 다이아몬드 결정입의 균일한 다결정질 조직을 형성하기 위하여, 고온 및 고압에서 상기 다이아몬드 입자들과 상기 결정입 성장 억제제를 소결하는 것;을 포함하고,
상기 티타늄 함유하는 결정입 성장 억제제를 제공하는 것은 나노-사이즈의 티타늄-함유하는 입자들의 분말 혼합물을 제공하는 것을 포함하고,
상기 균일하게 분산된 침착을 형성하는 것은 상기 분말 혼합물을 상기 다이아몬드 혼합물에 균일하게 혼합함을 포함하는 것을 특징으로 하는 초미세 다이아몬드 결정입의 균일한 소결된 조직을 갖는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조방법.
약 1 미크론 이하의 평균 입자크기를 갖는 다이아몬드 입자들의 혼합물을 제공하고;
티타늄 함유하는 결정입 성장 억제제에 전구체를 제공하며;
상기 다이아몬드 입자들의 표면상에, 상기 나노-사이즈의 티타늄 함유하는 결정입 성장 억제제 입자들의 균일하게 분산된 침착을 형성하고; 그리고
평균 결정입 크기 약 1 미크론 이하를 갖는 소결된 다이아몬드 결정입의 균일한 다결정질 조직을 형성하기 위하여, 고온 및 고압에서 상기 다이아몬드 입자들과 상기 결정입 성장 억제제를 소결하는 것;을 포함하고,
상기 전구체를 제공하는 것은 티타늄 알콕사이드 용액을 제공하는 것을 포함하고,
상기 균일하게 분산된 침착을 형성하는 것은, 상기 티타늄 알콕사이드 용액으로부터 티타늄 산화물 입자들을 석출시키고 그리고 상기 티타늄 산화물 입자들을 상기 티타늄 함유하는 결정입 성장 억제제로 변환시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 초미세 다이아몬드 결정입의 균일한 소결된 조직을 갖는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조방법.
제 18항에 있어서, 상기 티타늄 산화물 입자를 변환시키는 것은 상기 티타늄 산화물 입자들을 암모니아 흐름 또는 진공상태에 두어 상기 티타늄 산화물 입자들을 티타늄 질화물, 티타늄 탄화물 또는 티타늄 탄질화물로 변환시키는 것을 포함함을 특징으로 하는 초미세 다이아몬드 결정입의 균일한 소결된 조직을 갖는 다결정질 다이아몬드 재료의 제조방법.