KR930001089B1 - 다결정 다이아몬드 구부 공구 및 그 제조방법 - Google Patents

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스미토모 일렉트릭 인더스트리즈, 엘티디.
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Abstract

내용 없음.

Description

다결정 다이아몬드 구부 공구 및 그 제조방법
제1도는 본 발명에 의한 다결정 다이아몬드 구부(溝付)공구의 하나의 구체예로서 드릴의 투시도이다.
제2도는 본 발명에 의한 다결정 다이아몬드 구부 공구의 다른 하나의 구체예로서 엔드 밀(end mill)의 투시도이다.
제3(a) 및 (b)도는, 각각, 종전 기술에 의한 공구 재료로서 소결 다이아몬드를 사용하는 2개 구부의 직선 엔드 밀의 전면도 및 측면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 공구 모재 금속 2 : 경사면
3 : 다결정다이아몬드필름 4 : 절삭에찌
5 : 플랭크 θ : 나선각도
본 발명은 다결정 다이아몬드 구부 공구 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 다결정 다이아몬드 공구는 종전 기술의 소결 다이아몬드 공구에 의하여는 얻을 수 없는 충분한 성능을 가진 현저히 개선된 회전 공구이다.
다이아몬드가 안정할 수 있는 초고압 및 고온에서 결합재로 다이아몬드 분말을 소결하여 얻어지는 다이아몬드 압축분은, 다이아몬드의 특성을 갖고 있어서 공구 재료중 최고의 경도를 가지며, 단결정 다이아몬드의 경우와 같이 저응력에서 균열(cleavage)에 의하여 돌출되는 경향이 없다. 따라서 이 다이아몬드 압축분은 절삭공구, 신선다이(wire drawing die), 드레서, 바위 분쇄기등에 사용되어 왔다.
한편, 엔드 밀, 드릴 및 리머(reamer)는 공구재료로서 소결 다이를 사용하여 개발되어 왔다. 그러나, 초고압에서 소결에 의하여 구부가 이루어진 재료를 제조한다는 것은 기술적으로 매우어렵고, 작업후에 구부를 이룬다는 것은 비경제적이어서, 현재는 상기 공구는 직선구부 모재 금속 또는 판형 공구 재료로 땜질된, 나선형으로 연마 처리된 공구모재 금속으로 제한된다.
이들 공구는, 절삭 에찌가 단번에 공작물에 충돌하여 절삭 저항이 신속히 변화되고 칫수의 정밀도가 저하한다는 단점이 있다. 또한, 구부가 이루어져있지 않기 때문에 칩이 잘 방출되지 않으며, 공작물의 표면조도가 불량하다는 문제점이 발생한다.
이들 문제점을 해결하기 위하여, 소결 탄화물의 구부 회전 공구가 개발되었는데, 그 절삭부는 증기상 합성법에 의하여 다결정 다이아몬드의 박층으로 피복된다. 그러나, 소결 탄화물 기재와 피복 필름 사이의 접착성이 불충분하여 피복 필름이 사용중 벗겨지는 경향 때문에, 이 공구는 아직까지는 실용되고 있지않다.
본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 다결정 다이아몬드 구부 공구를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 하나의 목적은, 고정밀도 및 긴수명으로 작동할 수 있는, 개선된 다결정 다이아몬드의 회전공구를 제공하는 것이다.
이들 목적은, 구부 공구 모재 금속의 경사면의 최소한 일부가, 절삭 에찌를 형성하기 위하여 증기상 방법에 의하여 합성된 다결정 다이아몬드 필름으로 땜질된 다결정 다이아몬드 구부 공구에 의하여 달성될 수 있다.
첨부된 도면은 본 발명의 원리 및 장점을 좀더 상세히 설명하기 위한 것이다.
본 발명자들은 다결정 다이아몬드를 사용하여 회전 공구를 개선하기 위하여 다양한 노력을 한결과 본 발명에 도달하게 되었다. 따라서 본 발명은, 구부 공구 모재 금속의 경사면의 최소한 일부가, 절삭 에찌를 형성하기 위하여 증기상 방법에 의하여 합성된 다결정 다이아몬드 필름으로 피복된 다결정 다이아몬드 구부 공구와, 다결정 다이아몬드 구부 공구의 제조방법을 제공하는데, 그 제조 방법은 나선형으로 연마 처리된 기재의 표면상에 증기상 합성 방법으로 다결정 다이아몬드 필름을 형성한 후, 화학 처리하여 기재만을 용해하여 제거하고, 구부가 이루어진 형태로 얻어진 다결정 다이아몬드 필름을, 기재에 대한 방법과 유사한 방법으로 나선형으로 연마 처리된 공구모재 금속의 경사면의 최소한 일부에 띰질한 후, 플랭크(flank face)를 가공 처리하여 절삭 에찌를 형성하는 단계를 포함한다.
제1도는, 본 발명의 다결정 다이아몬드 구부 공구의 하나의 구체예로서 드릴의 투시도인데, 여기서 공구 모재 금속(1)의 경사면(2)의 일부는 증기상으로 합성된 다결정 다이아몬드 필름(3)으로 땜질되며 (4),(5) 및 (θ)는 각각 절삭 에찌, 플랭크 및 나선 각도를 가르킨다.
본 발명에서, 공구의 재료가 되는 구부 형태의 다결정 다이아몬드 필름은, 증기상 합성 방법에 의하여 제조되는 공구 모재 금속과 동일한 구부 형태를 제공하기 위하여 나선형으로 연마처리된 기재의 표면상에 우선 형성된다. 증기상 합성은 공지의 임의의 방법으로 수행될 수 있는데, 특히 원료 가스를 열분해처리하고 열전자 방사 또는 플라스마 방전을 이용하여 들뜨게 하는 것(excitation)을 포함하는 방법 및 연소 불꽃을 사용하여 필름을 형성하는 것을 포함하는 방법이 효과적이다.
필름질 및 필름 두께의 균일성이라는 관점에서, 무엇보다도 열 필라멘트 방법을 사용하는 것이 바람직하다.
원료 가스로서는, 예를 들면, 주성분으로서 수소와 유기 탄소 화합물을 함유하는 혼합 가스가 사용되는데, 유기 탄소 화합물은 일반적으로, 메탄, 에탄, 프로판등과 같은 탄화수소, 메탄올, 에탄올등과 같은 알코올 및 에테르가 있다. 또한, 원료 가스는 합성 반응 및 탄소의 특성이 방해를 받지 않는 범위내에서, 알곤과 같은 불활성 가스, 산소, 일산화 탄소 및 물을 함유할 수 있다.
기재로서는, 각각 열팽창 계수가 다이아몬드와 대차없는, 예를들면, Si, Mo, W등이 바람직하게 사용되어 합성된 필름이 열응력으로 인하여 분리되는 것을 방지한다. 이들 물질을 기재로 사용하면, 필름을 제조한 후, 필름 피복된 기재를 화학처리, 예를 들면 산에 침적하여 기재를 용해 및 제거함으로써 오직 합성된 필름만을 효과적으로 회수하는 것이 가능하다.
이와같은 방법으로 소정의 구부형태의 다결정 다이아몬드 필름이 얻어질 수 있다. 필름 두께는 일반적으로 50-300㎛, 바람직하게는 100-200㎛인데, 이것은 상술한 공구들이 약 50㎛이 남을때까지 통상 사용되며 두께가 300이상인 필름을 제조 및 사용하는 것은 비경제적이기 때문이다. 나선 각도는 일반적으로 5-50°인데, 나선각도가 5°이하이면, 구부 공구로서의 성능이 충번히 나타나지 않으며, 반면에 50°이상이면, 특히 직경이 큰 공구 재료는 길이가 길어져 그 합성 및 땜질이 곤란하여지는 반면에 공구 성능도 좁더 양호하게 되지 않는다.
구부 형태의 다결정 다이아몬드 필름은 다음에 동일한 나선 각도를 갖고 있는 구부 공굽 모재 금속의 경사면에 직접 땜질되는데, 통상의 은 또는 금 땜질 시약 또는 Ti, Ta, Cr, Mn등과 같이 다이아몬드 필름과의 경계면에서 그 탄화물을 형성할 수 있는 금속을 또한 함유하고 있는 땜질 시약을 사용한다. 상기 금속들은 바람직하게는 0.5-10용적%의 비율로 함유되는데, 하한치보다 낮으면 형성된 탄화물이 더욱 감소되어 결합력이 증가하지 않으며 상한치보다 높으면 형성된 탄화물량이 증가하여 땜질층이 부스러지기 쉽게 되며 사용중 에찌부의 온도 상승으로 미반응 금속이 산화되어 산화물을 형성함으로써 결과적으로는 땜질층을 부스러지기 쉽게 한다. 이 땜질은, 비산화성 대기에서 Ti 또는 Ta를 또한 함유하는 통상의 은 또는 금 땜질시약을 사용하는 방법이나, 땜질할 다결정 다이아몬드 필름의 표면을 우선 0.5-5㎛ 두께의 Ti필름으로, 다음에는 두께 1-10㎛의 Ni필름으로 PVD방법에 의하여 미리 피복한후, 이들 피복 필름을 통하여 통상의 은 땜질시약으로 땜질 처리하는 방법에 의하여 바람직하게 수행된다. 후자의 경우에서, 땜질은 대기중에서 수행될 수 있는데 Ni피복이 Ti의 산화 방지제 필름 역활을 하기 때문이다.
이들 땜질 방법에 의하여, 얻어지 공구는 종전 기술의 다이아몬드 피복 공구에서와 같이, 사용중 다결정 다이아몬드 필름이 분리되는 문제는 발생하지 않는다.
공구 모재 금속으로서는, 공구의 강성, 다이아몬드와의 열팽창계수의 차이 및 공구재료와의 땜질 특성을 고려하여 일반적으로 소결 탄화물 합금이 사용된다. 특히, 경도 및 열팽창 계수하는 관점에서 최대 입경이 1㎛인 미세 분말의 탄화 텡스텐 90- 95중량%와, 코발트를 함유하는 소결 탄화물 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 기타 성분은 보통대로 임의로 첨가될 수 있다.
땜질 후, 얻어진 제품은 다이아몬드 지석(diamonf wheel)으로 플랭크를 가공처리하여 절삭 에찌를 형성한다. 이와같이 얻어진 공구는 종래의 소결 다이아몬드의 두께(0.5-1.0mm)보다 작은 다결정 다이아몬드 필름을 갖기 때문에, 그 가공처리가 상대적으로 용이하여 다이아몬드 지석의 소모가 적으며, 따라서 처리비용을 절감할 수 있다. 또한, 본 발명의 공구는 종래 소결 다이아몬드가 함유하고 있는 금속 결합제가 없기 때문에, 우수한 절삭성을 나타낸다.
상술한 방법으로 제조된 본 발명의 구부 공구는 훨씬 개선된 성능을 물론 높은 안정성을 나타내어, 소결 다이아몬드 또는 다이아몬드 피복 공구를 사용하는 종래의 공구와 좋은 대조를 이룬다.
상술한 바와같이, 본 발명의 방법에 따라, 증기상 합성 방법에 의하여 구부형태로 제조된 다결정 다이아몬드 필름을 동일한 구부 형태의 공구 모재 금속에 땜질하면, 구부 절삭에찌가 용이하게 실현되며 다이아몬드 필름에 대한 모재 물질의 접착성이 매우 개선될 수 있다. 따라서, 본 발명의 다결정 다이아몬드 구부 공구는 종래의 소결 다이아몬드 직선 구부 공구에 비하여 높은 정밀도 및 긴 수명으로 효과적으로 작동할 수 있으며, 특히 정밀도가 높아 마무리 작업에 적합하다.
하기 실시예는 본 발명을 제한함이 없이 본 발명을 좀더 상세히 예시하기 위한 것이다.
[실시예 1]
직경 100mm의 Mo환봉을 20°의 나선 각도로 나선형 연마처리하고 20mm의 길이로 절단하였다. 제품을 기재로 사용하여, 하기 조건하에서 마이크로웨이브 플라스마 CVD장치에 의하여 다결정 다이아몬드 구부필름이 합성되었다 :
원료가스(유속) : H2 200ml/분, CH4 10ml/분, Ar 100ml/분.
압력 : 150토르, 마이크로웨이브출력 : 700W, 합성시간 : 8시간.
회수된 샘플은 뜨거운 왕수에 30분간 침적하여 단지 Mo기재만을 용해 및 제거하였을때, 두께 0.1mm와 폭 2mm, 길이 20mm 및 나선각도 20°의 구부가 이루어진 검고 반 투명의 다결정 다이아몬드 필름이 얻어졌다. 얻어진 다결정필름은 측정결과 3.51의 밀도와, 라만(Raman)스텍트럼을 사용하여 확인한 결과 다이아몬드 단상을 나타내었다.
2개의 다결정 다이아몬드 샘플을제조하고 성장 표면을 Ti 및 Ni로 피복처리하여 각각 두께 1㎛ 및 2㎛이 필름이 되게 하였다. 한편, 입경 1㎛인 95중량%의 WC 및 나머지의 Co를 함유하는 소결 탄화물로 제조된 직경 10mm의 환봉을 2°의 나선각도로 나선 연마 처리하여 구부축부를 제조하였다. 상술한 피복된 다결정 다이아몬드 필름을 대기중에서 BAg-4(JIS규격)을 사용하여 축부의 경사면을 따라 은 땜질하였다. 다음에 그 플랭크만을 다이아몬드 지석으로 가공하여 절삭 에찌를 형성하여 제2도에 도시한 바와같은 다결정 다이아몬드 구부 엔드 밀을 얻었는데, 여기서(1)은 공구 모재 금속 및 (3)은 다결정 다이아몬드 필름을 가르킨다.
하기 작업 조건하에서, 200mm평방 ADC 12(상품명, Al-11% Si다이캐스팅)의 VTR샤시 작업을 시킴으로써 상기 얻어진 공구의 성능을 평가하였다.
회전수 : 800rpm, 공급 : 0.05mm/에찌, 절삭깊이 : 0.5mm, 습식법에 의하여, 비교하기 위하여 하기 비교샘플에 대한 평가를 마찬가지로 수행하였다.
[비교 실시예 1]
소결 다이아몬드를 사용하는, 구부가 2개이며 직경이 10mm인, 제3도에 도시한 바와같은 직선 엔드 밀(여기서(1)은 공구 모재 금속을, (3)을 소결 다이아몬드를 가르킨다)
[비교 실시예 2]
실시예 1의 공구 모재 금속에서 사용된 것과 동일한 조성을 갖는, 직경 10mm, 나선각도 30°의, 소결 탄화물의 중실 엔드 밀.
[비교 실시예 3]
표면이 3㎛두께의 다이아몬드 박막으로 피복된, 비교실시예 2의 소결 탄화물의 중실엔드 밀.
가공된 표면 조도 Rmax가 3㎛이상 되었을 때의 공구 수명 평가에 의하여 얻어진 결과가 표 1에 나타난다.이 결과로 부터, 본 발명에 의한 실시예 1의 다결정 다이아몬드 구부 엔드밀이 종래의 소결 다이아몬드 직선 구부 엔드밀 또는 소결 탄화물 엔드밀 보다 마모량이 적으며 칩의 방출이 양호하기 때문에 공구 수명이 더 길고, 종래의 다이아몬드 피복 엔드 밀에서와 같이 다결정 다이아몬드 필름이 분리되는 경우가 없다는 것이 명백하다.
[표 1]
Figure kpo00001
[실시예 2]
직경 6mm의 Si환봉을 표 2에 나타난 나선 각도로 다이아몬드 지석으로 나선 연마 처리한 후, 5mm의 길이로 절단하였다. 이 제품을 기재료 사용하여, 표 2에 나타난 합성 조건하에서 열전자 방사 물질로서 직경 0.5mm, 길이 20mm의텅스텐선을 사용하는 열 필라멘트 방법에 의하여 다결정 다이아몬드 필름을 합성하였다. 이와 같이 합성된 필름을 각각 분석한 결과 비정질 탄소를 함유하고 있지 않으며 다이아몬드 단결정으로 구성되어 있다는 것을 보여 주었다.
80℃로 가열된 불화 수소산 및 질산 혼합물에 샘플을 1시간 침적하여 Si만을 용해 및 제거함으로써 기재로부터 합성 필름을 분리하였다. 회수된 합성 필름을 알코올로 세척한 후, 진공중에서 AU-Ti땜질시약(Ti5용적%)을 사용하여, 대응하는 나선 각도로 구부가 이루어져 있으며 실시예 1과 동일한 조성을 갖는 소결탄화물 합금의 축부에 땜질하고, 다이아몬드 지석으로 가공 처리하여 한계부 및 단부 절삭 에찌부를 형성하여 드릴을 얻었다.
하기 조건하에서, 각각의 얻어진 드릴로 A390합금(상품명, Al-17% Si합금, T6가열처리 합금)의 구멍을 뚫게 하여 그 성능을 평가하였다 : 회전수 : 500rpm, 공급 : 0.3mm/회전 습식법.
[표 2]
Figure kpo00002
표 3에는, 직경이 6mm인 비교 공구, 즉 공구재료로서 평균 입경이 10㎛인 판상 소결 다이아몬드를 사용하는 소결 다이아몬드 드릴, 실시예 2의 공구 모재 금속과 동일한 조성을 갖는 소결 탄화물 드릴 및 표면이 10두께의 다이아몬드 필름으로 피복된 상기 소결 탄화물 드릴로 구성되어 있는 다이아몬드 피복 드릴에 대한 결과와 함께, 상술한 결과가 나타나 있다.
[표 3]
Figure kpo00003
상기 결과로부터, 나산 각도가 보다 작은 공구 즉, 샘플 A는 충분한 성능을 나타내지 않으나, 샘플 B-D는 소결 탄화물 드릴 보다 최소한도 10배 이상 보다 우수한 성능을 나타내고 있다는 것을 명백히 이해할 것이다.
[실시예 3]
표 4에 표시된 각각의 기재가 200ml/분의 유속으로 흐르고 있는 반응관에, 용적비 1 : 100의 C2H6 및 H2 혼합가스를, 압력을 180토르로 조절하면서 고급하였다.
[표 4]
Figure kpo00004
다음에, 고주파 발진기(13.56MHz)로 부터의 900W의 출력을 동축 케이블을 통하여 고주파 코일에 적용함으로써 플라스마를 형성하기 위하여 반응관내의 가스를 들뜨게 하였다. 상기 조건이 10시간 유지되었을때, 각 기재의 표면상에 0.2mm 두께의 다결정 다이아몬드 필름이 형성되었다. 산 처리에 의하여 기재를 용해 및 제거한 후, 얻어진 다결정 다이아몬드 필름을 공구재료로서 사용하여, 93용적% Au-7용적% Ta의 땜질 시약으로, 입경이 0.5㎛인90중량%의 WC, 5중량%의 Co 및 5중량%의 Ni를 함유하고 있으며, 직경이 10mm인, 소결 탄화물의 공구 모재금속에 땜질하고 대응 나선 각도로 나선 연마 처리하여 리마를 제조하였다.
회전수, 3200rpm 및 공급, 0.2mm/회전의 절삭 조건하에서, 공작물로서 두께가 20mm이며 열쇠 구멍이 달린 직경 9.5mm의 구멍을 갖고 있는 ADC 12합금(상품명)을 사용하여 구멍제조의 마무리 작업을 함으로써, 이들 리마의 성능을 평가하였다.
공구 재료로서 소결 다이아몬드를 사용하는 종래의 직선 구부 리마, 나선 각도가 25°이며 실시예 3의 공구 모재 금속과 동일한 조성을 갖는 소결 탄화물 리마 및 표면이 3㎛두께의 다결정 다이아몬드 필름으로 피복된 상기 소결 탄화물 리마에 대하여 비교 공구로서의 평가를 하였다.
그 평가 결과가 표 5에 나타난다. 이들 시험 결과로부터, 본 발명의 리마는 모두 구부 형태 때문에, 높은 내마모성을 가지며 보다 높은 정밀도로 작동할 수 있는 것이 명백하다.
[표 5]
Figure kpo00005

Claims (18)

  1. 구부 공구 모재 금속의 경사면의 최소한 일부가, 절삭 에찌를 형성하기 위하여 증기상 방법으로 합성된 다결정 다이아몬드 필름으로 땜질된 다결정 다이아몬드 구부 공구.
  2. 제1항에 있어서, 땜질이 직접 또는 Ti층 및 Ni층을 통하여 수행되는 다결정 다이아몬드 구부 공구.
  3. 제1항에 있어서, 다결정 다이아몬드 필름의 두께가 50-300㎛인 다결정 다이아몬드 구부 공구.
  4. 제1항에 있어서, 구부 공구모재 금속의 나선 각도가 5°-500°인 다결정 다이아몬드 구부 공구.
  5. 제1항에 있어서, 공구 모재 금속이 소결 탄화물 합금으로 되어 있는 다결정 다이아몬드 구부 공구.
  6. 제1항에 있어서, 땜질이 Ti 또는 Ta를 함유하는 은 땜질 시약을 사용하여 수행하는 다결정 다이아몬드 구부 공구.
  7. 제5항에 있어서, 소결 탄화물 합금이, 입경이 최대 1㎛인, 90-95중량%의 탄화 텅스텐 미세 분말을 함유하는 다결정 다이아몬드 구부 공구.
  8. 나선형 연마 처리된 기재의 표면상에 증기상 합성 방법에 의하여, 다결정 다이아몬드 필름을 형성한후, 제품을 화학 처리ㅎ여 기재만을 용해 및 제거하고, 구부가 이루어진 형태로 얻어진 다결정 다이아몬드 필름을 기재에 대한 방법과 유사한 방법으로 나선형 연마 처리된 공구 모재 금속의 경사면의 최소한 일부에 땜질한 후, 땜질된 공구 모재 금속을 플랭크로 가공 처리하여 절삭 에찌를 형성하는 단계를 포함하는, 다결정 다이아몬드 구부 공구의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 땜질이 직접 또는 Ti층 및 Ni층을 통하여 수행되는 다결정 다이아몬드 구부 공구의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서, 다결정 다이아몬드 필름의 두께가 50-300㎛인 다결정 다이아몬드 구부 공구의 제조방법.
  11. 제8항에 있어서, 구부 공구 모재 금속의 나선 각도가 5°-50°인 다결정 다이아몬드 구부 공구의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서, 공구 모재 금속이 소결 탄화물 합금으로 되어 있는 다결정 다이아몬드 구부 공구의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 소결 탄화물 합금이 일정이 최대 1㎛인, 90-95중량%의 탄화 텅스텐 미세 분말을 함유하는 다결정 다이아몬드 구부 공구의 제조방법.
  14. 제8항에 있어서, 땜질이 Ti 또는 Ta를 함유하는 은 땜질 시약을 사용하여 수행하는 다결정 다이아몬드 구부 공구의 제조방법.
  15. 제8항에 있어서, 증기상 합성 방법이 열전자방사, 플라스마 방전 또는 연소 불꽃을 사용하여 수행되는 다결정 다이아몬드 구부 공구의 제조방법.
  16. 제8항에 있어서, 증기상 합성 방법이 주성분으로서 수소 및 유기 탄소 화합물을 함유하는 혼합 가스로부터 선택된 원료 가스를 사용하여 수행되는 다결정 다이아몬드 구부 공구의 제조방법.
  17. 제8항에 있어서, 기재가 Si Mo 및 W로 구성되어 있는 근으로부터 선택된 최소한 하나의 성분으로 구성되어 있는 다결정 다이아몬드 구부 공구의 제조방법.
  18. 제8항에 있어서, 화학처리가 강산으로 수행되는 다결정 다이아몬드 구부 공구의 제조방법.
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