WO2014104588A1 - 다결정 다이아몬드 소결체 및 그 제조방법 - Google Patents

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WO2014104588A1
WO2014104588A1 PCT/KR2013/010750 KR2013010750W WO2014104588A1 WO 2014104588 A1 WO2014104588 A1 WO 2014104588A1 KR 2013010750 W KR2013010750 W KR 2013010750W WO 2014104588 A1 WO2014104588 A1 WO 2014104588A1
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WO
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polycrystalline diamond
sintered body
layer
diamond sintered
toughness
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PCT/KR2013/010750
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Inventor
최동익
박희섭
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일진다이아몬드(주)
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Publication date
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C26/00—Alloys containing diamond or cubic or wurtzitic boron nitride, fullerenes or carbon nanotubes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • C22C29/08—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds based on tungsten carbide

Definitions

  • the present invention relates to a polycrystalline diamond sintered body, and more particularly, to a structure and a manufacturing method of a polycrystalline diamond sintered body which minimizes cracks generated during cutting operations.
  • a cutting tool 1 As shown in FIG. 1, it is common to use a diamond sintered body 2 so that wear resistance can be sufficiently ensured despite friction with the ground.
  • the general diamond sintered body 2 is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the diamond sintered body is formed on the cemented carbide layer 4 with the polycrystalline diamond layer 3 sintered using diamond powder.
  • the cemented carbide layer 4 functions to support the diamond sintered body 2 to be attached to various tools and the like in the state where the polycrystalline diamond layer 3 is attached.
  • the diamond sintered body may be broken during various cutting processes.
  • Diamond sintered body has more than 10 times higher abrasion resistance than conventional cemented carbide materials, but the impact resistance is relatively low, and breakage frequently occurs when drilling a rock.
  • the diamond sintered body exhibits various breakage states as shown in FIG. 4.
  • the diamond sintered body shown in FIG. 4A is a case where a crack occurs in a part of the polycrystalline diamond layer
  • the diamond sintered body shown in FIGS. 4B and 4C is a case where the crack reaches not only a substantial part of the polycrystalline diamond layer but also the cemented carbide layer.
  • the opposite cutting surface may be used by reattaching the diamond sintered body attached to the tool in a reverse direction.
  • the crack is in progress. It is not possible to reuse it.
  • the present invention provides a polycrystalline diamond sintered body which prevents the transition of cracks generated in the cutting process.
  • the present invention provides various methods for producing a polycrystalline diamond sintered body having such a crack transition prevention structure.
  • Polycrystalline diamond sintered body according to the present invention is a cemented carbide layer; A polycrystalline diamond layer formed on the cemented carbide layer; And a toughness part provided in the polycrystalline diamond layer and having higher toughness than the polycrystalline diamond layer.
  • the toughness may increase the metal binder content as compared to the polycrystalline diamond layer.
  • the metal binder may be cobalt (Co).
  • the cobalt may increase the content of 1 to 20 Vol.% Compared to the polycrystalline diamond layer.
  • the toughness may increase the size of the diamond particles compared to the polycrystalline diamond layer.
  • the toughness portion may increase the size of the diamond particles by 50% to 300% compared to the polycrystalline diamond layer.
  • At least one of tungsten and tungsten carbide may be added to the tough part.
  • the toughened portion may be formed in a composition in which 1 to 50 vol.% Of tungsten and tungsten carbide are added to the polycrystalline diamond layer.
  • the toughness may be formed of a tungsten carbide-cobalt (WC-Co) based alloy material.
  • the toughness may be provided between at least two cutting portions of the polycrystalline diamond layer.
  • the toughness may be formed in a bar shape passing through the center of the polycrystalline diamond layer.
  • the toughness portion may be formed in at least two or more bar shapes overlapping at the central portion of the polycrystalline diamond layer.
  • the toughness part may further include an expansion part in which a volume is expanded in comparison with the other part of the toughness part in the central portion of the polycrystalline diamond layer.
  • the expansion portion may be formed in a disc shape.
  • the method for producing a polycrystalline diamond sintered body having a toughness portion comprises a pre-manufacturing process for producing the toughness portion of the diamond powder and the sintered solid state; And a sintering process of sintering in a state where the tough portion in the solid state in the sintered container is located in the diamond powder to produce a polycrystalline diamond sintered body.
  • the toughened portion in the solid state in the pre-manufacturing process may be manufactured in either a state of complete sintering or pre-sintering.
  • a method for producing a polycrystalline diamond sintered body according to the present invention comprises a powder molding process for producing the toughness portion and the polycrystalline diamond layer by powder molding using an organic binder; A reshaping process of reshaping the powdered toughened portion and the polycrystalline diamond layer; A degreasing heat treatment step of removing the organic binder by degreasing heat treatment; And a sintering step of sintering the toughened portion and the polycrystalline diamond layer to produce a polycrystalline diamond sintered body.
  • the tough portion in the pre-manufacturing process is a tungsten carbide-cobalt (WC-Co) -based alloy material
  • a binder content is increased compared to the diamond powder
  • the particle size is increased compared to the diamond powder
  • the diamond powder Either of tungsten or tungsten carbide in the material may be formed of any one of the added material.
  • the sintered polycrystalline diamond sintered body after the sintering process may further include a polishing process is polished by any one of grinding (grinding) and lapping (lapping).
  • the method of manufacturing a polycrystalline diamond sintered body having a tough portion formed of a tungsten carbide-cobalt (WC-Co) alloy material comprises a cemented carbide layer comprising the tough portion Cemented carbide layer manufacturing process to manufacture integrally; And a sintering step of sintering the polycrystalline diamond powder on the cemented carbide layer in the sintering vessel to produce a polycrystalline diamond sintered body.
  • the polycrystalline diamond sintered body is formed to contain the toughness.
  • the tough portion in the polycrystalline diamond layer it is possible to obtain an effect of preventing the cracks generated in the polycrystalline diamond layer from being transferred to other portions during the cutting operation.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a state of a cutting tool using a polycrystalline diamond sintered body.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a state of a general polycrystalline diamond sintered body.
  • FIG. 3 is a photograph showing a state in which a cutting tool using a polycrystalline diamond sintered body is broken during cutting.
  • FIG. 5 is a cutaway perspective view showing a state of a polycrystalline diamond sintered body according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a plan view showing a state of the polycrystalline diamond sintered body of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a cutaway perspective view showing a state of a polycrystalline diamond sintered body according to another embodiment.
  • FIG. 8 is a plan view showing a state of the polycrystalline diamond sintered body of FIG. 7.
  • FIG. 9 is a cutaway perspective view showing a state of a polycrystalline diamond sintered body according to another embodiment.
  • FIG. 10 is a plan view showing a state of the polycrystalline diamond sintered body of FIG. 9.
  • FIG. 10 is a plan view showing a state of the polycrystalline diamond sintered body of FIG. 9.
  • FIG. 11 is a cutaway perspective view showing a state of a polycrystalline diamond sintered body according to another embodiment.
  • FIG. 12 is a plan view showing a state of the polycrystalline diamond sintered body of FIG. 11.
  • 13 to 15 are cut perspective views each showing a polycrystalline diamond sintered body according to another embodiment.
  • Polycrystalline diamond sintered body according to the present invention is a cemented carbide layer; A polycrystalline diamond layer formed on the cemented carbide layer; And a toughness part provided in the polycrystalline diamond layer and having higher toughness than the polycrystalline diamond layer.
  • FIGS. 5 and 6 are cutaway perspective view illustrating a state of the polycrystalline diamond sintered body according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a plan view illustrating the state of the polycrystalline diamond sintered body of FIG. 5.
  • the polycrystalline diamond sintered body 10 includes a cemented carbide layer 11 at the base.
  • the cemented carbide layer 11 supports the polycrystalline diamond layer 12 and functions as a support layer for being fixed to the cutting tool.
  • the top of the cemented carbide layer 11 is provided with a polycrystalline diamond layer 12.
  • the polycrystalline diamond layer 12 has high abrasion resistance to directly perform the cutting operation by using the edge during the cutting operation.
  • the polycrystalline diamond layer 12 is formed using diamond powder.
  • the polycrystalline diamond layer 12 may be formed on the cemented carbide layer 11 by sintering diamond powder using a metal binder such as cobalt.
  • the toughness 13 is provided inside the polycrystalline diamond layer 12. Toughness 12 is formed to have higher toughness than polycrystalline diamond layer 12.
  • the polycrystalline diamond layer 12 has very high abrasion resistance but is brittle and may cause cracks due to external impact.
  • the toughness 13 prevents cracks generated from a portion of the polycrystalline diamond layer 12 from transferring to the other polycrystalline diamond layer 12 beyond the toughness 13. That is, since the toughness portion 13 having higher toughness than the polycrystalline diamond layer 12 is provided in the polycrystalline diamond layer 12, even in the case of a crack, only the localized region is broken, and the crack is transferred to another portion. Prevent it from becoming As a result, the polycrystalline diamond sintered body can be reinstalled and reused in the cutting tool by turning the other part in the cutting direction even after the occurrence of the crack.
  • the toughness 113 is characterized in terms of toughness, it may be implemented through various materials, components, and physical properties.
  • the toughness can be achieved by increasing the metal binder content compared to the polycrystalline diamond layer. Since metal has higher toughness than diamond, toughness can be formed in the polycrystalline diamond layer by partially increasing the content of cobalt (Co) or the like included as a binder.
  • cobalt is used as the metal binder
  • the toughness portion may be realized by further increasing the content of 1 to 20 vol.% Compared to the cobalt contained in the polycrystalline diamond layer. In this case, when the cobalt content is less than 1 Vol.%, The toughness may not be sufficiently increased as compared with the polycrystalline diamond layer. When the content is more than 20 Vol.%, The excess metal binder is contained. The quality of the product cannot be guaranteed.
  • the tougher portion containing more cobalt has relatively higher toughness than the polycrystalline diamond layer.
  • the second toughness part may be formed using diamond powder having a larger particle size than diamond powder used to form a polycrystalline diamond layer.
  • diamond powder having a larger particle size than diamond powder used to form a polycrystalline diamond layer.
  • the particle size of the sintered body is large, the wear resistance is deteriorated, but the impact resistance is increased.
  • Powders larger than the particle size of the diamond powder used to form the polycrystalline diamond layer may be used to form the toughened portion.
  • the toughness may increase the size of the diamond particles by 50% to 300% compared to the polycrystalline diamond layer.
  • a component that can increase toughness while maintaining physical properties as a cutting tool such as tungsten or tungsten carbide, can be added to the toughness. It is preferable that tungsten or tungsten carbide is added 1 to 50 vol.% Based on the total composition of the polycrystalline diamond layer. When tungsten or tungsten carbide is added at less than 1 Vol.%, The desired toughness is not increased. If it is added at more than 50 Vol.%, The wear resistance desired by using diamond sintered body cannot be sufficiently obtained. As a cutting tool suitable for ground, rock, etc., the use value falls.
  • the toughness portion may be formed of a cemented carbide material such as a cemented carbide layer. That is, the toughness portion may be formed of a tungsten carbide-cobalt (WC-Co) alloy material.
  • WC-Co tungsten carbide-cobalt
  • the toughness 13 may be provided to cross the polycrystalline diamond layer 12 as shown in FIGS. 5 and 6. That is, the toughness 13 may include two or more polycrystalline diamond layers 12. It may be provided to partition into a cutable part. That is, the toughness 13 may be formed in a bar shape to partition the polycrystalline diamond layer 12 into two or more regions. At this time, it is preferable that the toughness portion 13 is formed to pass through the center of the polycrystalline diamond layer 12 so that the polycrystalline diamond layer 12 is divided evenly.
  • FIG. 7 is a cutaway perspective view illustrating a polycrystalline diamond sintered body according to another embodiment
  • FIG. 8 is a plan view illustrating the polycrystalline diamond sintered body of FIG. 7.
  • the polycrystalline diamond sintered body 10a according to the present embodiment has a difference in the number of polycrystalline diamond layers 12 partitioned by the tough portion 13a as compared to the polycrystalline diamond sintered body 10a of FIG. 5 described above.
  • the tough portion 13a may be formed in at least two or more bar shapes overlapping at the central portion of the polycrystalline diamond layer 12. Accordingly, the polycrystalline diamond layer 12 is divided into four parts in total. In this case, even if a crack occurs in any one of the four parts of the polycrystalline diamond layer 12 partitioned by the toughness part 13a, the crack is not transferred to the other part so that it can be used and reused four times in total. Do.
  • FIG. 9 is a cutaway perspective view illustrating a polycrystalline diamond sintered body according to still another embodiment
  • FIG. 10 is a plan view illustrating the polycrystalline diamond sintered body of FIG. 9.
  • FIG. 11 is a cutaway perspective view illustrating a polycrystalline diamond sintered body according to still another embodiment
  • FIG. 12 is a plan view illustrating the polycrystalline diamond sintered body of FIG. 11.
  • the toughness part 13b according to the present exemplary embodiment has a difference in that the toughness part 13b is divided into two or more parts as compared with the toughness parts according to the above-described embodiments.
  • the toughness portion 13b according to the present embodiment is formed inward from the outer circumferential surface of the polycrystalline diamond layer 12, and a total of three bar-shaped toughness portions 13b are provided.
  • the toughness portion 13b according to the present embodiment divides the circumferential edge of the polycrystalline diamond layer 12 into three parts. In this case, the polycrystalline diamond sintered body 10b can be used and reused three times in total.
  • the toughness 13c provided in the polycrystalline diamond layer 12 may include an extension 131c at the center thereof.
  • the extension portion 131c is formed to have a relatively high toughness as compared with the polycrystalline diamond layer 12, similarly to the toughness portion 13c, thereby preventing the crack from being transferred to another portion. Moreover, by providing the circular expansion part 131c in the center part of the toughness part 13c, it is also possible to absorb a part of external shocks transmitted from the outside. That is, the toughness part 13c having the extension part 131c prevents the generated crack from being transferred to the other part and absorbs the impact itself.
  • FIGS. 13 to 15 are cut perspective views each showing a polycrystalline diamond sintered body according to another embodiment.
  • the toughness parts may be formed in various forms. As shown in FIGS. 13 to 15, the cross-sectional shape may be formed in various shapes such as a trapezoid, a semicircle, and a rectangle. In addition, the toughness parts may be formed to have cross-sections of various shapes, and at least two toughness parts having different cross-sectional shapes may be formed even in one polycrystalline diamond sintered body.
  • the toughness 13f may be formed to be in contact with the cemented carbide layer 11 but not exposed to the outside of the polycrystalline diamond layer 12.
  • it may be provided without being in contact with the cemented carbide layer 11, or may be provided to be exposed to the outside of the upper end of the polycrystalline diamond layer 12.
  • the method for producing a polycrystalline diamond sintered body having toughness parts can be roughly divided into a preliminary manufacturing process, a sintering process, and a polishing process.
  • the toughness of the diamond powder and the sintered solid state is produced. Toughness in the solid state can be produced in either a state of complete sintering or pre-sintering.
  • the toughness part includes a tungsten carbide-cobalt (WC-Co) -based alloy material, a material with increased binder content compared with diamond powder, a material with increased particle size compared with diamond powder, and tungsten or tungsten carbide with diamond powder. Any one may be formed of an added material and the like.
  • WC-Co tungsten carbide-cobalt
  • the toughness in the solid state in the sintering vessel is sintered in the state of being inserted into the diamond powder.
  • the sintered polycrystalline diamond sintered body is ground and / or wrapped to prepare the polycrystalline diamond sintered body of the above-described type.
  • the manufacturing method is different from the manufacturing method described above in that the powder molding process, the remolding process and the heat treatment process are performed before the sintering process.
  • the tough part and the polycrystalline diamond layer are manufactured into a powder compact using an organic binder. Subsequently, in the remolding process, the powder molded tough portion and the polycrystalline diamond layer are integrally reshaped. Subsequently, in the heat treatment step, the organic binder is removed from the reshaped toughened portion and the polycrystalline diamond layer by degreasing heat treatment.
  • the toughness may be formed integrally with the cemented carbide layer from the beginning.
  • the tough part is formed of a cemented carbide material, that is, a tungsten carbide-cobalt (WC-Co) -based alloy material
  • it may be manufactured according to a cemented carbide layer manufacturing process and a sintering process.
  • the cemented carbide layer manufacturing process the cemented carbide layer including the tough portion is integrally manufactured. That is, the cemented carbide layer is formed at the top of the cemented carbide layer in a bent or protruding shape in the form of the toughness portion.
  • the sintering process diamond powder is sintered on the integrated tough part and the cemented carbide layer to produce a polycrystalline diamond sintered body.

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Abstract

본 발명은 다결정 다이아몬드 소결체에 관한 것으로서, 구체적으로 본 발명에 따른 다결정 다이아몬드 소결체는 초경층; 상기 초경층 상에 형성되는 다결정 다이아몬드층; 및 상기 다결정 다이아몬드층 내 구비되고 상기 다결정 다이아몬드층 보다 높은 인성을 갖는 인성부;를 포함한다. 본 발명에 따르면 다결정 다이아몬드층 내에 인성부를 구비함으로써 절삭 작업 중 다결정 다이아몬드층에 발생하는 크랙이 타 부분으로 전이되는 것을 방지하는 효과를 얻을 수 있으며, 이러한 크랙 전이 방지구조를 다양한 제조방법을 통하여 구현할 수 있는 효과가 있다.

Description

다결정 다이아몬드 소결체 및 그 제조방법
본 발명은 다결정 다이아몬드 소결체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 절삭 작업 중 발생하는 크랙을 최소화하는 다결정 다이아몬드 소결체의 구조 및 제조방법에 관한 것이다.
금속/목공 절삭 가공 등에는 다양한 절삭 공구가 이용된다. 특히 석유, 가스 시추 분야에서는 지반을 절삭 및 굴착하여야 하므로 내마모성이 최대한 보장될 수 있는 시굴, 굴착 장비가 이용된다.
이러한 장비의 말단에는 도 1에 도시된 바와 같은 절삭 공구(1)가 구비된다. 절삭 공구(1)의 단부에는 다이아몬드 소결체(2)를 이용하여 지반과의 마찰에도 불구하고 내마모성이 충분히 보장될 수 있도록 하는 것이 일반적이다.
도 2에 일반적인 다이아몬드 소결체(2)를 모습을 도시하였다. 도 2에 도시된 바와 같이 다이아몬드 소결체는 초경층(4) 상에 다이아몬드 분말을 이용하여 소결된 다결정 다이아몬드층(3)이 형성된다. 초경층(4)은 다결정 다이아몬드층(3)이 부착된 상태에서 다이아몬드 소결체(2)가 다양한 공구 등에 부착가능하도록 지지하는 기능을 한다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이 각종 절삭 과정에서 다이아몬드 소결체가 파손되는 경우가 발생한다. 다이아몬드 소결체는 내마모성은 기존 초경소재보다 10배이상 높지만 내충격성은 상대적으로 적은 특성을 갖고 있어, 강한 암반을 시추하는 경우 파손이 빈번히 발생한다.
이 때 다이아몬드 소결체는 도 4에 도시된 바와 같이 다양한 파손 상태를 나타낸다. 도 4a에 도시된 다이아몬드 소결체는 다결정 다이아몬드층의 일부에 크랙이 발생한 경우이고, 도 4b와 도 4c에 도시된 다이아몬드 소결체는 다결정 다이아몬드층의 상당 부분뿐 아니라 초경층에 이르기까지 크랙이 발생한 경우이다.
도 4a에 도시된 바와 같이 다이아몬드 소결체의 파손이 적은 경우에는 공구에 부착된 다이아몬드 소결체를 방향을 바꾸어 재부착함으로써 반대편 절삭면을 사용할 수 있으나, 도 4b 및 도 4c에 도시된 바와 같이 크랙이 진행된 상태에서는 재사용이 불가능하다.
특히 충격에 약한 다이아몬드 소재의 특성상 강한 암반을 절삭시 파손이 쉽게 발생하며 크랙이 한번 발생한 경우에는 크랙전이가 쉽게되어 전체 다이아몬드층이 파손되는 경우가 많다. 다결정 다이아몬드 소결체(PDC)의 파손이 적을 경우 반대편 절삭면을 사용할 수 있도록 재사용이 가능하므로 크랙의 전이를 방지하는 기술에 대한 필요성이 대두된다.
본 발명은 절삭 과정에서 발생하는 크랙이 전이되는 것을 방지하는 다결정 다이아몬드 소결체를 제공한다.
또한 본 발명은 이러한 크랙 전이 방지 구조를 구비하는 다결정 다이아몬드 소결체의 다양한 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 다결정 다이아몬드 소결체는 초경층; 상기 초경층 상에 형성되는 다결정 다이아몬드층; 및 상기 다결정 다이아몬드층 내 구비되고 상기 다결정 다이아몬드층 보다 높은 인성을 갖는 인성부;를 포함한다.
또한 상기 인성부는 상기 다결정 다이아몬드층에 비하여 금속 바인더 함량을 증가시킬 수 있다.
나아가 상기 금속 바인더는 코발트(Co)일 수 있다.
더 나아가 상기 코발트는 상기 다결정 다이아몬드층에 비하여 1 내지 20 Vol.% 함량을 증가시킬 수 있다.
또한 상기 인성부는 상기 다결정 다이아몬드층에 비하여 다이아몬드 입자의 크기를 증가시킬 수 있다.
나아가 상기 인성부는 상기 다결정 다이아몬드층에 비하여 다이아몬드 입자의 크기를 50% 내지 300% 증가시킬 수 있다.
또한 상기 인성부에는 텅스텐 및 텅스텐 카바이드 중 적어도 어느 하나가 첨가될 수 있다.
나아가 상기 인성부에는 상기 다결정 다이아몬드층의 조성에 상기 텅스텐 및 텅스텐 카바이드가 1 내지 50 Vol.% 첨가되는 조성으로 형성될 수 있다.
또한 상기 인성부는 텅스텐 카바이드-코발트(WC-Co)계 합금 재질로 형성될 수 있다.
또한 상기 인성부는 상기 다결정 다이아몬드층의 적어도 둘 이상의 절삭부 사이에 구비될 수 있다.
또한 상기 인성부는 상기 다결정 다이아몬드층의 중앙을 지나는 바(bar)형상으로 형성될 수 있다.
또한 상기 인성부는 상기 다결정 다이아몬드층의 중앙부에서 중첩되는 적어도 둘 이상의 바(bar)형상으로 형성될 수 있다.
나아가 상기 인성부는 상기 다결정 다이아몬드층의 중앙부에 상기 인성부의 타부분에 비하여 부피가 확장된 확장부를 더 포함할 수 있다.
더 나아가 상기 확장부는 원판형으로 형성될 수 있다.
한편, 인성부를 구비하는 다결정 다이아몬드 소결체를 제조하는 방법으로서, 본 발명에 따른 다결정 다이아몬드 소결체의 제조방법은 다이아몬드 분말과 소결된 고형체 상태의 인성부를 제조하는 사전 제조 공정; 및 소결용기 내에서 상기 고형체 상태의 인성부가 상기 다이아몬드 분말 내에 위치한 상태에서 소결하여 다결정 다이아몬드 소결체를 제조하는 소결 공정;을 포함한다.
또한 상기 사전 제조 공정에서의 상기 고형체 상태의 인성부는 완전 소결 또는 예비 소결(pre-sintering) 중 어느 하나의 상태로 제조될 수 있다.
다른 한편, 인성부를 구비하는 다결정 다이아몬드 소결체를 제조하는 방법으로서, 본 발명에 따른 다결정 다이아몬드 소결체의 제조방법은 유기 바인더를 이용하여 상기 인성부 및 다결정 다이아몬드층을 분말성형체로 제조하는 분말 성형공정; 상기 분말 성형된 상기 인성부 및 상기 다결정 다이아몬드층을 재성형하는 재성형 공정; 탈지 열처리하여 상기 유기 바인더를 제거하는 탈지 열처리 공정; 및 열처리된 상기 인성부 및 상기 다결정 다이아몬드층을 소결하여 다결정 다이아몬드 소결체를 제조하는 소결 공정;을 포함한다.
또한 상기 사전 제조 공정에서의 상기 인성부는 텅스텐 카바이드-코발트(WC-Co)계 합금 재질, 상기 다이아몬드 분말에 비하여 바인더 함량이 증가된 재질, 상기 다이아몬드 분말에 비하여 입자 크기가 증가된 재질 및 상기 다이아몬드 분말에 텅스텐 또는 텅스텐 카바이드 중 어느 하나가 첨가된 재질 중 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다.
또한 상기 소결 공정 이후에 상기 소결된 다결정 다이아몬드 소결체가 그라인딩(grinding) 및 래핑(lapping) 중 어느 하나에 의하여 연마되는 연마 공정을 더 포함할 수 있다.
다른 한편, 텅스텐 카바이드-코발트(WC-Co)계 합금 재질로 형성되는 인성부를 구비하는 다결정 다이아몬드 소결체를 제조하는 방법으로서, 본 발명에 따른 다결정 다이아몬드 소결체의 제조방법은 상기 인성부를 포함하는 초경층을 일체로 제조하는 초경층 제조 공정; 소결용기 내에서 상기 초경층 상에 상기 다결정 다이아몬드 분말을 소결하여 다결정 다이아몬드 소결체를 제조하는 소결하는 소결 공정;를 포함하되, 상기 소결 공정에서 상기 다결정 다이아몬드 소결체는 상기 인성부를 내포하도록 형성된다.
본 발명에 따르면 다결정 다이아몬드층 내에 인성부를 구비함으로써 절삭 작업 중 다결정 다이아몬드층에 발생하는 크랙이 타 부분으로 전이되는 것을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 이러한 크랙 전이 방지구조를 다양한 제조방법을 통하여 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 다결정 다이아몬드 소결체를 이용한 절삭공구의 모습을 나타내는 개략도이다.
도 2는 일반적인 다결정 다이아몬드 소결체의 모습을 나타내는 사시도이다.
도 3은 다결정 다이아몬드 소결체를 이용한 절삭공구가 절삭 중 파손된 모습을 나타내는 사진이다.
도 4는 다결정 다이아몬드 소결체의 파손정도를 나타내는 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 다이아몬드 소결체의 모습을 나타내는 절개 사시도이다.
도 6은 도 5의 다결정 다이아몬드 소결체의 모습을 나타내는 평면도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 다결정 다이아몬드 소결체의 모습을 나타내는 절개 사시도이다.
도 8은 도 7의 다결정 다이아몬드 소결체의 모습을 나타내는 평면도이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 다결정 다이아몬드 소결체의 모습을 나타내는 절개 사시도이다.
도 10은 도 9의 다결정 다이아몬드 소결체의 모습을 나타내는 평면도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 다결정 다이아몬드 소결체의 모습을 나타내는 절개 사시도이다.
도 12는 도 11의 다결정 다이아몬드 소결체의 모습을 나타내는 평면도이다.
도 13 내지 도 15는 각각 다른 실시예에 따른 다결정 다이아몬드 소결체의 모습을 나타내는 절개 사시도이다.
본 발명에 따른 다결정 다이아몬드 소결체는 초경층; 상기 초경층 상에 형성되는 다결정 다이아몬드층; 및 상기 다결정 다이아몬드층 내 구비되고 상기 다결정 다이아몬드층 보다 높은 인성을 갖는 인성부;를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다. 한편, 도면상에서 표시되는 각 구성은 설명의 편의를 위하여 그 두께나 치수가 과장될 수 있으며, 실제로 해당 치수나 구성간의 비율로 구성되어야 함을 의미하지는 않는다.
도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 다이아몬드 소결체를 설명한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다결정 다이아몬드 소결체의 모습을 나타내는 절개 사시도이고, 도 6은 도 5의 다결정 다이아몬드 소결체의 모습을 나타내는 평면도이다.
앞서 설명한 바와 같이 다결정 다이아몬드 소결체(10)는 기저에 초경층(11)을 구비한다. 초경층(11)은 다결정 다이아몬드층(12)을 지지하고 있으며, 절삭 공구에 고정되기 위한 지지층으로서 기능한다.
초경층(11)의 상단에는 다결정 다이아몬드층(12)이 구비된다. 다결정 다이아몬드층(12)은 내마모성이 높아 절삭 작업 중 모서리를 이용하여 절삭 작업을 직접적으로 수행하게 된다. 다결정 다이아몬드층(12)은 다이아몬드 분말을 이용하여 형성된다. 다결정 다이아몬드층(12)은 초경층(11) 상에 코발트와 같은 금속 바인더를 이용하여 다이아몬드 분말을 소결함으로써 형성될 수 있다.
한편, 다결정 다이아몬드층(12)의 내측에는 인성부(13)이 구비된다. 인성부(12)은 다결정 다이아몬드층(12)에 비하여 더 높은 인성을 갖도록 형성된다. 다결정 다이아몬드층(12)은 내마모성이 매우 높으나 취성이 있어 외부 충격에 의하여 크랙이 발생할 수 있는 우려가 있다. 인성부(13)는 다결정 다이아몬드층(12)의 일부로부터 발생한 크랙이 인성부(13) 너머의 타 다결정 다이아몬드층(12)으로 전이되는 것을 방지한다. 즉, 다결정 다이아몬드층(12)에 비하여 상대적으로 높은 인성을 갖는 인성부(13)가 다결정 다이아몬드층(12) 내에 구비됨으로써 크랙이 발생한 경우에도 국부적인 영역만 파손되고, 해당 크랙이 타 부분으로 전이되는 것을 막는다. 결과적으로 크랙 발생 후에도 타부분을 절삭 방향으로 돌림으로써 다결정 다이아몬드 소결체를 절삭 공구에 재설치 및 재사용할 수 있다.
인성부(113)는 인성면에서 특징이 있기 때문에 다양한 재질, 성분 및 물성을 통하여 구현할 수 있다.
첫째, 인성부는 다결정 다이아몬드층에 비하여 금속 바인더 함량을 증가시킴으로서 구현할 수 있다. 금속은 다이아몬드에 비하여 인성이 높기 때문에 바인더로서 포함되는 코발트(Co) 등의 함량을 부분적으로 높임으로써 다결정 다이아몬드층 내에 인성부를 형성할 수 있다. 코발트를 금속 바인더로 이용하는 경우 인성부는 다결정 다이아몬드층에 함유되는 코발트에 비하여 1 내지 20 Vol.% 함량을 더 증가시킴으로써 구현할 수 있다. 이 때 1Vol.% 보다 적은 코발트가 더 함유되는 경우에는 인성부가 다결정 다이아몬드층에 비하여 인성이 증가되는 충분한 효과를 얻을 수 없으며, 함량이 20Vol.% 이상 더 함유되는 경우에는 과량의 금속 바인더가 함유됨으로써 제품의 품질을 보장할 수 없게 된다. 결론적으로 코발트가 더 함유된 인성부는 다결정 다이아몬드층에 비하여 상대적으로 높은 인성을 갖게 된다.
둘째 인성부는 다결정 다이아몬드층을 형성하기 위하여 이용되는 다이아몬드 분말에 비하여 입자의 크기가 큰 다이아몬드 분말을 이용하여 형성할 수 있다. 일반적으로 소결체에 있어서 입자의 크기가 크면 내마모성은 떨어지는 대신 내충격성이 증가한다. 인성부를 형성하기 위하여 다결정 다이아몬드층의 형성에 이용되는 다이아몬드 분말의 입자 크기보다 큰 분말을 이용할 수 있다.
예를 들어 상기 인성부는 상기 다결정 다이아몬드층에 비하여 다이아몬드 입자의 크기를 50% 내지 300% 증가시킬 수 있다.
셋째 인성부에 텅스텐나 텅스텐 카바이드와 같이 절삭 공구로서의 물성을 유지하면서도 인성을 높여줄 수 있는 성분을 첨가할 수 있다. 인성부에는 다결정 다이아몬드층의 전체 조성을 기준으로 텅스텐 또는 텅스텐 카바이드가 1 내지 50 Vol.% 첨가되는 것이 바람직하다. 텅스텐 또는 텅스텐 카바이드가 1Vol.% 미만으로 첨가되는 경우 원하는 정도의 인성이 증가되는 효과를 얻을 수 없으며, 50Vol.% 초과하여 첨가되는 경우에는 다이아몬드 소결체를 이용함으로써 얻고자 하는 내마모성을 충분히 얻을 수 없게 됨으로써 지반 및 암반 등에 적합한 절삭 공구로서 이용가치가 떨어지게 된다.
마지막으로 인성부는 초경층과 같은 초경 재질로 형성될 수 있다. 즉, 인성부는 텅스텐 카바이드-코발트(WC-Co)계 합금 재질로 형성될 수 있다.
한편, 인성부(13)은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 다결정 다이아몬드층(12)을 가로지르도록 구비될 수 있다.즉, 인성부(13)는 다결정 다이아몬드층(12)을 둘 이상의 절삭 가능한 부분으로 구획하도록 구비될 수 있다. 즉, 인성부(13)는 바(bar) 형상으로 형성되어 다결정 다이아몬드층(12)을 둘 이상의 영역으로 구획할 수 있다. 이 때 인성부(13)는 다결정 다이아몬드층(12)의 중앙을 지나도록 형성함으로써 다결정 다이아몬드층(12)을 균등하게 나뉘도록 하는 것이 바람직하다.
도 7 및 도 8을 참조하여 다른 실시예에 따른 다결정 다이아몬드 소결체를 설명한다. 도 7은 다른 실시예에 따른 다결정 다이아몬드 소결체의 모습을 나타내는 절개 사시도이고, 도 8은 도 7의 다결정 다이아몬드 소결체의 모습을 나타내는 평면도이다.
본 실시예에 따른 다결정 다이아몬드 소결체(10a)는 앞서 설명한 도 5의 다결정 다이아몬드 소결체(10a)에 비하여 인성부(13a)가 구획하는 다결정 다이아몬드층(12)의 수에서 차이가 있다.
본 실시예에 따른 인성부(13a)는 다결정 다이아몬드층(12)의 중앙부에서 중첩되는 적어도 둘 이상의 바(bar)형상으로 형성될 수 있다. 이에 따라 다결정 다이아몬드층(12)은 총 4부분으로 구획된다. 이 경우 인성부(13a)에 의하여 구획된 4부분의 다결정 다이아몬드층(12) 중 어느 하나의 부분에 크랙이 발생한 경우라도 타 부분에 크랙이 전이되지 않음으로써 총 4회에 걸쳐 사용 및 재사용이 가능하다.
*도 9 및 도 12를 참조하여 또 따른 실시예에 따른 다결정 다이아몬드 소결체를 설명한다. 도 9는 또 다른 실시예에 따른 다결정 다이아몬드 소결체의 모습을 나타내는 절개 사시도이고, 도 10은 도 9의 다결정 다이아몬드 소결체의 모습을 나타내는 평면도이다. 또한 도 11은 또 다른 실시예에 따른 다결정 다이아몬드 소결체의 모습을 나타내는 절개 사시도이고, 도 12는 도 11의 다결정 다이아몬드 소결체의 모습을 나타내는 평면도이다.
본 실시예에 따른 인성부(13b)는 앞서 설명한 실시예에 따른 인성부들에 비하여 둘 이상의 부분으로 나뉘어져 있다는 점에서 차이가 있다. 본 실시예에 따른 인성부(13b)는 다결정 다이아몬드층(12)의 외주면으로부터 내측으로 형성되며, 이러한 바(bar)형상의 인성부(13b)는 총 3개가 구비된다. 본 실시예에 따른 인성부(13b)는 다결정 다이아몬드층(12)의 원주 형상의 모서리를 3부분으로 구획한다. 즉 이 경우에 있어서 다결정 다이아몬드 소결체(10b)는 총 3회에 걸쳐 사용 및 재사용이 가능하다.
한편, 도 11에 도시된 바와 같이 다결정 다이아몬드층(12)에 구비되는 인성부(13c)는 중앙에 확장부(131c)를 구비할 수 있다.
확장부(131c)는 인성부(13c)와 마찬가지로 다결정 다이아몬드층(12)에 비하여 상대적으로 높은 인성을 갖도록 형성됨으로써 크랙이 타 부분으로 전이되는 것을 방지하는 효과가 있다. 또한 인성부(13c)의 중앙부에 원형의 확장부(131c)를 구비함으로써 외측으로부터 전달되는 외부 충격을 일정 부분 흡수하는 것도 가능하다. 즉, 확장부(131c)를 구비한 인성부(13c)는 발생한 크랙이 타 부분으로 전이되는 것을 방지하고 충격 자체도 일정부분 흡수할 수 있다.
도 13 내지 도 15를 참조하여 그 밖의 다결정 다이아몬드 소결체의 다양한 실시예를 설명한다. 도 13 내지 도 15는 각각 다른 실시예에 따른 다결정 다이아몬드 소결체의 모습을 나타내는 절개 사시도이다.
한편, 인성부들은 다양한 형태로 형성될 수 있다. 도 13 내지 도 15에 도시된 바와 같이 단면 형상이 사다리꼴, 반원 형상 및 직사각형 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 이외에도 인성부들은 다양한 형상의 단면을 갖도록 형성될 수 있으며, 하나의 다결정 다이아몬드 소결체 내에서도 각기 다른 단면 형상을 갖는 적어도 둘 이상의 인성부들이 형성되는 것도 가능하다.
한편, 도 13에 도시된 바와 같이 인성부(13f)는 초경층(11)에 접하되 다결정 다이아몬드층(12)의 외측으로는 노출되지 않도록 형성될 수 있다. 반면 도 14에 도시된 바와 같이 초경층(11)에 접하지 않은 상태로 구비되는 것도 가능하고, 다결정 다이아몬드층(12)의 상단 외측으로 노출되도록 구비되는 것도 가능하다.
이하에서는 인성부를 구비하는 다결정 다이아몬드 소결체를 제조하는 방법을 설명한다. 인성부를 구비하는 다결정 다이아몬드 소결체를 제조하는 방법은 크게 사전 제조 공정, 소결 공정 및 연마 공정으로 구분될 수 있다.
사전 제조 공정에서는 다이아몬드 분말과 소결된 고형체 상태의 인성부를 제조한다. 고형체 상태의 인성부는 완전 소결 또는 예비 소결(pre-sintering) 중 어느 하나의 상태로 제조될 수 있다.
이 때 인성부는 앞서 설명한 바와 같이 텅스텐 카바이드-코발트(WC-Co)계 합금 재질, 다이아몬드 분말에 비하여 바인더 함량이 증가된 재질, 다이아몬드 분말에 비하여 입자 크기가 증가된 재질 및 다이아몬드 분말에 텅스텐 또는 텅스텐 카바이드 중 어느 하나가 첨가된 재질 등으로 형성될 수 있다.
소결 공정에서는 소결용기 내에서 고형체 상태의 인성부가 다이아몬드 분말 내에 삽입된 상태에서 소결된다.
이후 연마 단계에서는 소결된 다결정 다이아몬드 소결체를 그라인딩(grinding) 및/또는 래핑(lapping)을 함으로써 앞서 설명한 형태의 다결정 다이아몬드 소결체를 제조한다.
다결정 다이아몬드 소결체를 제조하는 또 다른 제조방법을 설명한다. 본 제조방법은 소결 공정 이전에 분말 성형공정, 재성형 공정 및 열처리 공정을 수행한다는 점에서 앞서 설명한 제조방법과 차이가 있다.
분발 성형공정에서는 유기 바인더를 이용하여 인성부 및 다결정 다이아몬드층을 분말성형체로 제조한다. 이어서, 재성형 공정에서는 분말 성형된 인성부 및 다결정 다이아몬드층을 일체로 재성형한다. 이어서 열처리 공정에서는 탈지 열처리하여 재성형된 인성부 및 다결정 다이아몬드층으로부터 유기 바인더를 제거한다.
한편, 인성부는 처음부터 초경층과 일체로 형성되는 것도 가능하다. 인성부가 초경 재질, 즉 텅스텐 카바이드-코발트(WC-Co)계 합금 재질로 형성되는 경우에는 초경층 제조 공정과 소결 공정을 따라 제조될 수 있다. 초경층 제조 공정에서는 인성부를 포함하는 초경층을 일체로 제조한다. 즉, 초경층 상단에 이미 인성부의 형태대로 굴곡 또는 돌출된 형상으로 초경층을 형성한다. 이외에도 제조된 인성부를 초경층에 브레이징 등으로 일체화 시키는 것도 가능하다. 소결 공정에서는 일체화된 인성부와 초경층 상에 다이아몬드 분말을 소결시켜 다결정 다이아몬드 소결체를 제조한다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 인성부를 구비하는 다결정 다이아몬드 소결체 및 그 제조방법으로 구현될 수 있다.

Claims (20)

  1. 초경층;
    상기 초경층 상에 형성되는 다결정 다이아몬드층; 및
    상기 다결정 다이아몬드층 내에 적어도 하나 이상 구비되고 상기 다결정 다이아몬드층 보다 높은 인성을 갖는 인성부;를 포함하는 다결정 다이아몬드 소결체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인성부는 상기 다결정 다이아몬드층에 비하여 금속 바인더 함량을 증가시키는 다결정 다이아몬드 소결체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속 바인더는 코발트(Co)인 다결정 다이아몬드 소결체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 코발트는 상기 다결정 다이아몬드층에 비하여 1 내지 20 Vol.% 함량을 증가시키는 다결정 다이아몬드 소결체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 인성부는 상기 다결정 다이아몬드층에 비하여 다이아몬드 입자의 크기를 증가시키는 다결정 다이아몬드 소결체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상기 인성부는 상기 다결정 다이아몬드층에 비하여 다이아몬드 입자의 크기를 50% 내지 300% 증가시키는 다결정 다이아몬드 소결체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인성부에는 텅스텐 및 텅스텐 카바이드 중 적어도 어느 하나가 첨가되는 다결정 다이아몬드 소결체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인성부에는 상기 다결정 다이아몬드층의 조성에 상기 텅스텐 및 텅스텐 카바이드가 1 내지 50 Vol.% 첨가되는 조성으로 형성되는 다결정 다이아몬드 소결체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 인성부는 텅스텐 카바이드-코발트(WC-Co)계 합금 재질로 형성되는 다결정 다이아몬드 소결체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 인성부는 상기 다결정 다이아몬드층의 적어도 둘 이상의 절삭부 사이에 구비되는 다결정 다이아몬드 소결체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 인성부는 상기 다결정 다이아몬드층의 중앙을 지나는 바(bar)형상으로 형성되는 다결정 다이아몬드 소결체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 인성부는 상기 다결정 다이아몬드층의 중앙부에서 중첩되는 적어도 둘 이상의 바(bar)형상으로 형성되는 다결정 다이아몬드 소결체.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 인성부는 상기 다결정 다이아몬드층의 중앙부에 상기 인성부의 타부분에 비하여 부피가 확장된 확장부를 더 포함하는 다결정 다이아몬드 소결체.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 확장부는 원판형으로 형성되는 다결정 다이아몬드 소결체.
  15. 인성부를 구비하는 다결정 다이아몬드 소결체를 제조하는 방법으로서,
    다이아몬드 분말과 소결된 고형체 상태의 인성부를 제조하는 사전 제조 공정; 및
    소결용기 내에서 상기 고형체 상태의 인성부가 상기 다이아몬드 분말 내에 위치한 상태에서 소결하여 다결정 다이아몬드 소결체를 제조하는 소결 공정;을 포함하는 다결정 다이아몬드 소결체의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 사전 제조 공정에서의 상기 고형체 상태의 인성부는 완전 소결 또는 예비 소결(pre-sintering) 중 어느 하나의 상태로 제조되는 다결정 다이아몬드 소결체의 제조방법.
  17. 인성부를 구비하는 다결정 다이아몬드 소결체를 제조하는 방법으로서,
    유기 바인더를 이용하여 상기 인성부 및 다결정 다이아몬드층을 분말성형체로 제조하는 분말 성형공정;
    상기 분말 성형된 상기 인성부 및 상기 다결정 다이아몬드층을 재성형하는 재성형 공정;
    탈지 열처리하여 상기 유기 바인더를 제거하는 탈지 열처리 공정; 및
    열처리된 상기 인성부 및 상기 다결정 다이아몬드층을 소결하여 다결정 다이아몬드 소결체를 제조하는 소결 공정;을 포함하는 다결정 다이아몬드 소결체의 제조방법.
  18. 제15항 또는 제17항에 있어서,
    상기 사전 제조 공정에서의 상기 인성부는 텅스텐 카바이드-코발트(WC-Co)계 합금 재질, 상기 다이아몬드 분말에 비하여 바인더 함량이 증가된 재질, 상기 다이아몬드 분말에 비하여 입자 크기가 증가된 재질 및 상기 다이아몬드 분말에 텅스텐 또는 텅스텐 카바이드 중 어느 하나가 첨가된 재질 중 어느 하나의 재질로 형성되는 다결정 다이아몬드 소결체의 제조방법.
  19. 제15항 또는 제17항에 있어서,
    상기 소결 공정 이후에 상기 소결된 다결정 다이아몬드 소결체가 그라인딩(grinding) 및 래핑(lapping) 중 어느 하나에 의하여 연마되는 연마 공정을 더 포함하는 다결정 다이아몬드 소결체의 제조방법.
  20. 텅스텐 카바이드-코발트(WC-Co)계 합금 재질로 형성되는 인성부를 구비하는 다결정 다이아몬드 소결체를 제조하는 방법으로서,
    상기 인성부를 포함하는 초경층을 일체로 제조하는 초경층 제조 공정;
    소결용기 내에서 상기 초경층 상에 상기 다결정 다이아몬드 분말을 소결하여 다결정 다이아몬드 소결체를 제조하는 소결하는 소결 공정;를 포함하되,
    상기 소결 공정에서 상기 다결정 다이아몬드 소결체는 상기 인성부를 내포하도록 형성되는 다결정 다이아몬드 소결체의 제조방법.
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