KR940002036B1 - 와이어드로우잉 다이용 소재 및 와이어드로우잉 다이 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

와이어드로우잉 다이용 소재 및 와이어드로우잉 다이

제1도는 와이어드로우잉 다이를 만드는 공정의 개략도.

제2도는 제1도의 각 공정에 있어서의 와이어드로우잉 구멍을 나타내는 단면도.

제3도는 벽개면의 단면도.

제4도는 대표적인 단결정다이아몬드를 나타내는 도면으로써, 제4a도는 팔육면체, 제4b도는 팔면체, 제4c도는 육면체를 나타낸다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

A : 다이아몬드 1 : 벽개면

2 : 절단측면 3, 4 : 개시구멍

5 : 와이어드로우잉 구멍 6 : 스텝

본 발명은 구리와이어, 스틸코오드, 스테인레스스틸와이어, 용접와이어등의 드로우잉과 같이 각종 목적에 사용되는, 합성단결정 다이아몬드제의 와이어드로우잉 다이용 소재 및 이 소재를 사용한 와이어드로우잉 다이에 관한 것이다.

다이아몬드는 현존하는 재료중에서 경도 및 탄성률이 가장 높은 재료이다. 또한, 극히 순수한 다이아몬드는 열전도도 및 적외선 영역내에서 광투과율이 가장 높은 우수한 특성을 지니므로, 다이아몬드는 다른 재료로 대체할 수 없는 귀중한 자원중의 하나이다.

일반적으로 고온 및 고압을 사용하여 다이아몬드를 합성하는 방법에는 2가지 유형이 있으며, 그중 한 방법으로, 탄소재료를 철, 코발트, 또는 니켈과 같은 용해성 금속과 혼합하거나 접촉시킴으로써 다이아몬드를 얻고 있으며, 용해성 금속의 작용하에서 탄소가 다이아몬드로 변할 수 있는 안정한 고압 및 고온을 사용한다. 상기 방법에 의하면, 용해성 금속이 탄소재료로 스며들어감으로써 박막형태의 용해성 금속을 통해 탄소가 확산되어 다이아몬드를 생성하며, 이 방법에 따라, 다이아몬드가 자발적으로 핵을 이루고, 일정 크기에 이르기까지 급속히 성장한다. 일반적으로, 이 방법으로 합성된 미세한 다이아몬드 분말의 상당량은 예를들면 연마제로 사용되나, 상기 언급한 방법에 의해서는 고품질의 대형다이아몬드 결정을 합성할 수는 없다.

반면, 양질의 대형다이아몬드 결정을 합성하는 방법이 미국특허공보 제3,297,407호(1967년 1월 10일 발행 R./H. 벤트로프2세(Wentrof. Jr)가 발명)에 발표되어 있다. 또한 미국특허공보 제4,632,817호(1986년 12월 30일, 발명자 : 야주(Yazu))에, 다수의 종자결정으로부터 동시에 고품질의 대형다이아몬드 결정을 다수 합성할 수 있는 다이아몬드 합성법이 발표되어 있다. 이들 방법을 일반적으로 온도차법이라 한다.

본 발명에서는 온도차법에 의해 합성된 다이아몬드를 사용한다.

대부분의 다이아몬드결정 다이는, 천연다이아몬드의 (110)면 또는 (111)면을 연마한 후 상기면에 수직인 적어도 하나의 수직면을 구멍뚫기를 관찰하면서 연마한다. 즉, 다이아몬드합성후, (110) 또는 (111)면에 수직인 와이어드로우잉 구멍을 레이저비임, 방전 또는 초음파연마에 의해 연마면을 관찰하면서 형성하며, 합성다이아몬드결정을 시장에 내놓고 이것을 와이어드로우잉에 사용하기 위한 각종 노력이 행해졌다.

그러나, 종래 기술을 이용한 공구의 수명은 넓은 범위로 나타나므로 신뢰성이 결여된다. 특히, 천연단결정 다이아몬드로 만든 공구의 수명을 넓게 분포한다.

천연다이아몬드 결정의 와이어드로우잉 다이의 결점은 다음과 같다. 즉, (110)면에 수직인 와이어드로우잉 구멍을 지니는 다이는 일반적으로 높은 내마모성과 장수명을 지니나, (Junkatsu(Lubrication), Vol 112, Noll, 1969), 다이의 공구수명은 다음의 이유에 따라 이런 넓은 범위를 갖는다.

첫째, 천연다이아몬드는 둥근모양이고, 용해도에 따라 각종 형상을 취하므로 (110)면을 정확히 판단하기가 곤란하다. 그 결과 와이어드로우잉 다이로 사용되는 천연다이아몬드의 (110)면을 결정하는데 상당한 기술을 요한다. 따라서 대부분의 와이어드로우잉 구멍방향을 알 수 없으므로 공구의 수명을 단축시킨다.

둘째, 상기 천연다이아몬드에 의하면, 종종 하나의 단결정내에 연질부분과 결정부분을 가지고 있기 때문에, 와이어드로우잉 구멍은 드로우잉시 부분적으로 연마되고, 이런 와이어드로우잉 구멍은 완전한 원모양에서 찌그러진 모양으로 변형된다. 이것 역시 공구의 수명을 단축시키는 원인이다.

근래에, 고품질 합성다이아몬드를 온도차법으로 생산하여 시판중에 있다. 와이어드로우잉 다이를 형성하기 위해 합성 다이아몬드를 이용하는 많은 시도가 있었으나, 고품질 와이어드로우잉 다이는 아직 얻을 수 없었는데 그 이유는 다음과 같다.

첫째, 일반적으로, 와이어드로우잉 다이용으로 합성다이아몬드 또는 약간 연마된 자형의 다이아몬드를 사용하고 있으며, 다이아몬드를 공구고정구에 보유하기 위해서는 육면체다이아몬드가 적합하다. 이것은 주로 (100)면으로 되어 있고, 와이어드로우잉 구멍은 (100)면과 수직이나 이런 방향의 드로우잉 구멍은 내마모성이 열등하여 공구수명이 짧다.

둘째, 몇몇 합성다이아몬드는 균일한 질소농도를 지나지 않는데, 이것은 드로우잉 구멍의 부분마모의 원인이 된다.

세째, 성장된 다이아몬드표면 또는 연마된 표면을 사용하여 공구고정구에 다이아몬드를 보유하는 경우, 다이아몬드표면과 고정구사이의 마찰계수가 상당히 낮기 때문에, 다이아몬드를 제자리에 보유하려면 커다란 응력을 필요로 하므로 드로우잉시 종종 와이어드로우잉 다이에 균열이 생긴다.

따라서, 본 발명의 제1목적은 합성단결정 다이아몬드로 만든 와이어드로우잉 다이용 소재를 제공하는데 있다.

본 발명의 제2목적은, 질소함유량이 20∼400ppm인 합성단결정 Ib형 다이아몬드로, 드로우잉방향과 수직인 2평면중 적어도 1평면이 (111) 벽개면이고, 기준면으로서 상기 벽개면을 사용할때, 와이어드로우잉 구멍의 중심선과 상기 (111)벽개면 사이의 각도가 87∼93°인 고품질 와이어드로우잉 다이를 제공하는데 있다.

본 발명은 질소함유량이 20∼400ppm이고, 온도차법으로 합성된 Ib형의 합성단결정 다이아몬드에 관한 것이다. 일반적으로, Ib형의 합성단결정 다이아몬드내의 질소는 고립분산해 있으며, Ib형의 합성단결정다이아몬드에 있어서는 질소의 농도가 클수록 드로우잉동안 마모가 작아지는 경향이 있다. 그러나, 질소의 농도가 400ppm을 초과하면 마모가 증가하고, 질소의 농도가 20ppm 미만이면 다이아몬드만이 부분적으로 마모된다고 하는 질소농도와 마모사이에 상기 관계가 있음이 발견된바 있다. 본 발명은 질소의 농도가 20 내지 400ppm 사이인 경우 약간의 마모 및 균일한 마모를 나타내는 와이어드로우잉 다이용의 우수한 합성다이아몬드 소재를 제공한다.

따라서, 질소의 농도가 상기 범위를 벗어나는 경우, 와이어드로우잉 구멍은 질소농도의 차이때문에 불균일하게 마모되며, 또한 와이어드로우잉 구멍은 와이어드로우잉용으로 사용불가능한 불규칙적인 형상으로 변형되거나, 와이어드로우잉 구멍이 급속히 확대됨으로써 공구수명이 단축된다.

본 발명에서는 상기 ＜111＞방향과의 상위를 최소화하기 위하여 기준면으로서 (111)벽개면을 사용하여, 드로우잉방향이 ＜111＞방향과 평형하고, 드로우잉 구멍이 (111)면과 정확히 수직이 되는 와이어드로우잉 다이를 제공한다. 본 발명자는 합성단결정 다이아몬드의 내마모성이 천연다이아몬드만큼 면지수에 좌우되지 않는다는 것을 발견했다. 합성단결정 다이아몬드에 있어서, ＜100＞방향의 마모는 크지만, ＜111＞방향 및 ＜110＞방향의 마모는 ＜100＞방향보다 적고, 거의 서로 동일하다. 일반적으로, 천연다이아몬드의 내마모성은 결정방향에 크게 좌우되고, ＜111＞방향의 마모는 ＜110＞방향보다 적다.

와이어드로우잉 구멍의 내마모성은 드로우잉 구멍의 중심선과 ＜111＞방향사이의 각도상위에 크게 좌우된다는 것을 발견한바 있고, (111)면은 ＜111＞방향과 수직이므로 이들 상위를 최소화하기 위해서는, (111)면의 벽개면을 기준면으로 해서, 벽개면에 정확히 수직으로 선드로우잉 구멍을 형성하는 것이 극히 유용하다는 것을 발견한바 있다.

온도차법에 의해 합성된 다이아몬드는 대부분 자형(自形)이므로, 평면지수를 정확하고 용이하게 판별할 수 있으며, 또한 자형단결정 다이아몬드의 소정의 크기의 (111)면을 벽개하기가 용이하다. 또한, 합성다이아몬드의 벽개면을 평활하다는 것이 발견되었다. 반면, 천연다이아몬드는 일반적으로 둥근형이고, 용해도에 따라 다양한 형상을 취한다. 그 결과, 와이어드로우잉 다이로서 기능하는 적당한 결정배향을 판단하는데 상당한 기술을 요한다. 많은 경우, 천연다이아몬드의 벽개면에는 벽개밴딩, 많은 커다란 스텝과 나선모양의 스텝을 지니며, 또한 상이한 방향을 가진 다른 (111)면도 나타난다.

와이어드로우잉 구멍을 (111)면에 수직으로 형성하기 위해서는 기준벽개면(111)의 표면조도가 중요한 역할을 하며 100㎛ 이하로 할 필요가 있다. 이 경우, 표면조도는 제3도의 2개의 벽개면(1) 사이의 스텝(6)의 높이와 같다. 제3도에 레이저비임을 사용한 절삭면(2)을 나타내었다. 벽개면을 판정하기 위해서는, 스텝의 수와 높이가 중요한 요인으로, 상기 바람직한 실시예에서는 높이가 30∼100㎛인 스텝이 1㎜ 길이당 3개이내로 존재한다.

스텝수가 1㎜ 길이당 4개 이상일 경우, ＜111＞방향을 정확하게 구획하는 것이 불가능하므로, 드로우잉 구멍을 ＜111＞ 방향내에 정확히 형성하는 것은 곤란해진다.

드로우잉 다이를 공구고정구에 단단히 유지하기 위해서는, 적어도 한측면을 예를들면, 레이저비임을 사용하여 열적으로 절단하여 거칠게 만들어 마찰계수를 증가시킨다.

성장한 그대로의 합성다이아몬드의 표면은 천연다이아몬드의 표면보다 더 평활하여, 거친표면을 사용하여 와이어드로우잉 다이를 공구고정구에 유지하는데는 더 많은 응력이 필요하다. 또한, 연마된 표면상에 유지시킬 경우, 커다란 응력이 필요하며 그러한 큰 응력은 드로우잉시 상기 다이에 균열을 발생한다.

본 발명은, 적어도 한쪽면이 레이저비임, 이온비임 또는 전자비임과 같은 에너지비임으로 절삭해서 거친 표면이므로 압축응력을 낮추기 위한 해결책을 제공한다. 바람직한 표면조도는 5 내지 100㎛ 사이이다. 표면조도가 5㎛이하인 경우, 다이를 공구고정구에 유지시키기 위해서는 적은 마찰계수때문에 큰 압축응력이 절대필요하다. 반대로, 표면조도가 100㎛ 이상인 경우, 불균일한 표면상에 응력집중이 발생되어, 균열을 일으키기 시작한다.

본 발명은 와이어드로우잉 구멍의 중심선과 다이아몬드의 ＜111＞방향사이의 각도가 3°이내인 와이어드로우잉 다이에 관한 것으로서, ＜111＞방향과 와이어드로우잉 구멍의 중심선 사이의 각도상위는 드로우잉시의 내마모성에 있어 가장 중요한 요인중의 하나이다. 상위가 클수록, 와이어드로우잉 구멍의 내마모성이 작아진다.

본 발명은 또한 (111)면의 벽개면과 와이어드로우잉 구멍의 중심선사이의 각도상위가 89° 내지 91°인 경우 좁은 범위로 긴공구수명을 지닌 향상된 와이어드로우잉 다이를 제공한다. 본 발명에 있어서는 단결정다이아몬드의 벽개가 필요하다.

합성단결정의 거친 다이아몬드의 (111)면은 각도상위를 낮추도록 와이어드로우잉 구멍을 만드는데 기준면으로 사용되나 이 방법은 와이어드로우잉 다이의 형상이 단결정다이아몬드의 형상과 가깝게 되고 그 형상이 쉽게 조절되지 않는 점에 있어서 열등하고, 또한, 커다란 (111)평면영역을 갖는 단결정다이아몬드를 선택해야만 한다.

[실시예 1]

질소를 10∼500ppm 함유하고 크기가 0.4∼0.6캐럿인 5개의 Ib형 단결정다이아몬드를 온도차법 및 각종 용해성금속을 이용하여 1300℃∼1400℃의 온도 및 5.5㎬의 압력하에서 합성했다. 이 합성된 단결정다이아몬드는 (111)벽개면을 지니며 1.5㎜ 두께인 판으로 얻는다. 그후 상기 판을 레이저비임을 사용하여 2㎜×2㎜×1.5㎜의 육면체로 절단한다. 또한 레이저비임을 사용하여 절단면을 연마하여 와이어드로우잉 다이용 다이아몬드를 얻는다. 연마된 면은 (110)면이다. 벽개면상의 스텝높이는 60㎛이며, 레이저비임을 사용하여 절단한 3개측면의 표면조도는 40㎛이다.

각각의 다이아몬드를 제1도의 공정에 따라, 와이어드로우잉 다이로 가공한다. 제2도는 제1도에 상응하는 와이어드로우잉 구멍의 형상을 나타낸 것이다. 제2a도(1은 벽개면, 2는 레이저에 의해 절삭된 절삭측면)에서, 와이어드로우잉 다이용 다이아몬드(A)를 제2도에 나타난 바와 같이 레이저비임에 의해 개시구멍(3)을 형성한 후, 제2c도에 도시한 바와 같이 개시구멍의 표면을 초음파가공에 의해 평활하게 연마한다. 다이아몬드(A)의 반대측면은, 제2d도에 도시한 바와 같이 레이저비임에 의해 개시구멍(4)을 형성한 후 제2e도에 도시한 바와 같이 개시구멍의 표면을 초음파가공에 의해 평활하게 연마한다. 마지막으로, 제2f도에 도시한 바와 같이, 와이어를 와이어드로우잉 구멍(5)에 통과시켜 마무리하고, 와이어드로우잉 다이를 얻는다. 와이어의 직경을 측정하므로써 얻은 결과 와이어드로우잉 구멍의 직경은, 40㎛이다. 각각의 와이어드로우잉 다이를 고정구내에 고정시키고 구리와이어드로우잉에 이용했다.

그 결과를 표 1에 나타내었다.

[표 1]

(주의) * 부분마모 : 와이어드로우잉 구멍이 부분마모되어 구멍이 찌그러졌다.

** 직경초과 : 와이어드로우잉 구멍이 균일하게 마모되었음을 나타내나 구멍이 확대되었다.

표 1은, 20 내지 400ppm의 질소를 함유한 와이어드로우잉 다이가 우수한 성질을 가지는 것을 나타낸다.

[실시예 2]

크기가 0.3캐럿인 6개의 단결정다이아몬드를 온도차법 및 용해성 금속으로서 Fe-50Ni을 이용하여 1350℃ 및 5.5㎬에서 합성했다. 와이어드로우잉 구멍 직경이 30㎛이고, 크기가 1.4㎜×1.4㎜×1.1㎜인 세개의 와이어드로우잉 다이를 실시예 1과 동일한 공정으로 얻었다. 1.4㎜×1.4㎜의 평면을 벽개면으로 하고, 와이어드로우잉 구멍은 1.1㎜의 두께방향으로 뚫었다.

상기 나머지 3개의 다이아몬드에 대해서는 벽개대신에 연마에 의해 1.1㎜ 두께의 판을 제작한 뒤, 실시예 1과 마찬가지의 공정으로 크기 1.4㎜×1.4㎜×1.1㎜, 직경 30㎛인 와이어드로우잉 구멍을 갖는 와이어드로우잉 다이를 제작하였다. 와이어드로우잉 구멍은 1.4㎜×1.4㎜의 표면과 수직이었다. 상기 다이아몬드내의 질소농도는 80 내지 100ppm이였다. 이 농도는 1130㎝^-1에서의 적외선흡수계수로부터 산정했다. 벽개면상의 스텝의 높이는 50 내지 60㎛ 사이이며, 레이저비임에 의해 절단된 절단측 측면의 표면조도는 25 내지 30㎛이다. 연마된 측면의 표면조도는 0.1㎛이였다. 결정의 방향을 측정하기 위하여 X-레이 장치를 사용하여 와이어드로우잉 구멍의 중심선과 벽개면 또는 연마면 사이의 각을 측정한 후, 와이어드로우잉 다이를 구리선 드로우잉에 사용했다. 표 2는 상기 결과를 나타낸다. 와이어드로우잉 구멍 모두가 확대되어 그들의 공구수명이 단축되어 있다.

[표 2]

표 2는 (111)면으로서 벽개면을 갖는 와이어드로우잉 다이가 연마면을 갖는 와이어드로우잉 다이보다 좋고, 87∼90°의 각을 갖는 와이어드로우잉 다이가 바람직하며, 89∼90°의 각을 갖는 와이어드로우잉 다이는 가장 우수한 실시예를 나타낸다.

[실시예 3]

크기가 0.8캐럿인 단결정다이아몬드를 온도차법 및 용해성 금속으로서 Fe-50Ni를 이용하여 1350℃의 온도 및 5.5㎬의 압력하에서 합성한 후, 단결정다이아몬드를 0.6㎜ 두께인 두개의 판으로 벽개했다. 실시예 1과 동일한 공정으로 각각의 판으로부터 두개의 와이어드로우잉 다이를 만들었고, 이 다이의 크기는 1㎜×1㎜×0.6㎜이였다. 드로우잉와이어의 직경은 30㎛이다.

또한, 2개의 천연다이아몬드를 구입하여, (111)면으로 생각 다이아몬드면을 사용하여 벽개하여 두께가 0.6㎜인 2개의 판을 얻은 후, 실시예 1과 동일한 공정으로 2개의 와이어드로우잉 다이를 만들었다. 다이의 크기는 1㎜×1㎜×0.6㎜이였다. 상기 합성다이아몬드내의 질소의 농도는 90ppm이고, 상기 천연다이아몬드내의 질소의 농도는 1250ppm 및 2000ppm이였다.

표 3은 상기 결과를 나타낸다.

[표 3]

스텝높이가 100㎛ 이하인 와이어드로우잉 다이가 다른 다이보다 우수했다.

[실시예 4]

크기가 0.5∼0.6캐럿인 5개의 단결정다이아몬드를 용해성 금속으로서 Fe-30Ni를 이용하여 1300℃ 및 5.3㎬하에서 합성했다. 질소의 농도는 40∼500ppm이였다. 실시예 1과 동일한 공정으로 2㎜×2㎜×1.5㎜인 5개의 드로우잉 다이를 만들었다. 그들중의 하나에, 레이저에 의해 절단된 모든 절단측면을 연마했다. 그외 4개의 측면은 다양한 표면조도를 형성하기 위해 다양한 레이저비임 조건을 사용하여 절단한 후, 레이저비임에 의해 절단된 각 드로우잉 다이의 한 측면을 연마했다. 연마된 표면은 (110)면 및 (112)면이었다. 이들 와이이드로우잉 다이를 고정구에 고정시키고, 와이어드로우잉 테스트를 수행했다. 표 4는 상기 결과를 나타낸다.

[표 4]

표 4는 표면조도가 5 내지 100㎛인 다이아몬드가 보다 우수한 결과를 제공한다는 것을 나타낸다.

Claims (9)

1. 질소함유량이 20∼400ppm인 합성단결정다이아몬드로 이루어지고, 상기 다이아몬드의 적어도 한 평면이 (111)벽개면인 것을 특징으로 하는 와이어드로우잉 다이용 소재.
2. 제1항에 있어서, 벽개면의 표면조도가 100㎛이하인 (111)면인 것을 특징으로 하는 와이어드로우잉 다이용 소재.
3. 제1항에 있어서, 다이아몬드의 적어도 한측면의 표면조도가 5∼100㎛인 것을 특징으로 하는 와이어드로우잉 다이용 소재.
4. 제1항에 있어서, 벽개면이 드로우잉방향과 수직인 것을 특징으로 하는 와이어드로우잉 다이용 소재.
5. 질소함유량이 20∼400ppm인 합성단결정다이아몬드로 이루어지고, 두평면중 적어도 한 평면이 와이어드로우잉 구멍의 중심선과 수직인 (111)벽개면을 지니며, 와이어드로우잉 구멍의 중심선과 (111)벽개면 사이의 각이 87°∼93°인 것을 특징으로 하는 와이어드로우잉 다이.
6. 제5항에 있어서, 와이어드로우잉 구멍의 중심선과 (111)벽개면 사이의 각이 89°∼91°인 것을 특징으로 하는 와이어드로우잉 다이.
7. 제5항에 있어서, 드로우잉 다이가 육면체인 것을 특징으로 하는 와이어드로우잉 다이.
8. 제5항에 있어서, (111) 벽개면의 표면조도가 100㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 와이어드로우잉 다이.
9. 제5항에 있어서, 드로우잉 다이의 적어도 한 측면의 표면조도가 5∼100㎛인 것을 특징으로 하는 와이어드로우잉 다이.

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