WO2014104590A1 - Pcd 및 pcbn을 포함하는 다층 공구 및 그 제조방법 - Google Patents

Pcd 및 pcbn을 포함하는 다층 공구 및 그 제조방법 Download PDF

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WO2014104590A1
WO2014104590A1 PCT/KR2013/010752 KR2013010752W WO2014104590A1 WO 2014104590 A1 WO2014104590 A1 WO 2014104590A1 KR 2013010752 W KR2013010752 W KR 2013010752W WO 2014104590 A1 WO2014104590 A1 WO 2014104590A1
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WO
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pcd
layer
pcbn
tool
sintering
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PCT/KR2013/010752
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English (en)
French (fr)
Inventor
신동균
박희석
박희섭
Original Assignee
일진다이아몬드(주)
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Publication date
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    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
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    • B23P15/28—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass cutting tools
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22C29/16—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on nitrides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22F2207/00—Aspects of the compositions, gradients
    • B22F2207/01—Composition gradients

Definitions

  • the present invention relates to a multilayer tool including a PCD and a PCBN and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a multilayer tool including a PCD and a PCBN in consideration of the characteristics and bonding properties of the tool and a method for manufacturing the same.
  • Polycrystalline diamond sintered body (PCD, Poly-Crystalline Diamond, hereinafter referred to as 'PCD') is a form of sintering fine diamond powder together with a cemented carbide substrate. It is the core material of the tool used in the. Polycrystalline diamond sinters are mainly produced in circular shapes, but they are reworked into different shapes depending on the shape of the order.
  • PCBN polycrystalline cubic boron nitride compound
  • CBN diamond boron nitrite
  • hexagon boron nitrite as the main raw material
  • the present invention reduces the acceleration time during processing of various products of composite materials and ceramic polymer metals by combining PCBN for iron group metal processing and PCD tool materials used in ceramic and nonferrous metal processing without using cemented carbide. Provides multi-layer PCD PCBN tool material for universal use.
  • the present invention provides a PCD PCBN tool material and a method of manufacturing the same, which can realize the wear resistance and impact resistance as well as the bonding between the PCD and PCBN.
  • Multilayer tools comprising PCD and PCBN according to the present invention comprise a PcBN layer; And a PCD layer in which an interface is formed between the PcBN layer; and a diffusion agent for reducing the sintering temperature and sintering pressure of the PCD layer is diffused from the interface between the PCD layer and the PcBN layer to form a concentration gradient.
  • the diffusion agent may be any one of aluminum (Al), cobalt (Co), titanium (Ti), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), and niobium (Nb).
  • the PCD layer and the PcBN layer may have the lowest concentration concentration of the diffusion agent at the other end of the interface.
  • the PCD layer may include a binder of any one of aluminum (Al), cobalt (Co), titanium (Ti), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), and niobium (Nb).
  • Al aluminum
  • Co cobalt
  • Ti titanium
  • Ta tantalum
  • Mo molybdenum
  • Nb niobium
  • the tool characteristic of the PCD layer may be determined by the sum of the concentration of the diffusion agent and the concentration of the binder at the other end of the interface.
  • the multi-layer tool manufacturing method including the PCD and PCBN comprises the first step of preparing a PCD and PCBN powder; A second step of pressing the PCD powder and the PCBN powder into a PCD layer and a PCBN layer, respectively; And a third step of diffusing the diffuser plate into the PCD layer and the PCBN layer by sintering with a diffuser plate inserted between the provisional PCD layer and the PCBN layer.
  • the diffusion plate may be any one of aluminum (Al), cobalt (Co), titanium (Ti), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), and niobium (Nb).
  • the diffusion plate may be formed to a thickness of 0.03mm to 0.2mm.
  • the third step may be sintered including any one of the aluminum (Al), cobalt (Co), titanium (Ti), tantalum (Ta), molybdenum (Mo) and niobium (Nb).
  • the content of the binder for implementing the characteristics corresponding to the specific wear resistance and impact resistance may be determined in consideration of the concentration of the diffusion agent diffused from the diffusion plate.
  • the diffusing agent used for joining is diffused from the joining surface, so that the wear resistance of the cutting surface of the tool can be minimized.
  • the multi-layered tool material according to the present invention it is possible to bond different materials without a substrate, and it is possible to use one tool material to cut the existing two tools while satisfying product standards such as wear resistance. It is easy to process the bonded product, which saves the processing time.
  • 1 is a graph showing the sintering pressure and sintering temperature of PCD and PCBN.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a multilayer tool according to an embodiment of the present invention.
  • 3 to 5 are schematic views showing a sintering process of a multi-layer tool according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing a concentration distribution of a diffusing agent formed according to a distance from an interface.
  • Multilayer tools comprising PCD and PCBN according to the present invention comprise a PcBN layer; And a PCD layer in which an interface is formed between the PcBN layer; and a diffusion agent for reducing the sintering temperature and sintering pressure of the PCD layer is diffused from the interface between the PCD layer and the PcBN layer to form a concentration gradient.
  • FIG. 1 is a graph showing the sintering pressure and sintering temperature of PCD and PCBN.
  • PCD and PCBN differ in sintering pressure and sintering temperature.
  • the PCD can be sintered under a certain temperature condition at an upper portion of the PCD sintering temperature and sintering pressure graph of FIG.
  • PCBN can be sintered under a certain temperature condition at the top of the PCBN sintering temperature and sintering pressure graph of FIG. Therefore, in order for the PCD and PCBN to be sintered at the same time, the sintering should be performed in an environment above the sintering pressure of the PCD having a higher pressure condition under the same temperature.
  • a method of increasing the pressure is often used for bonding between different materials.
  • a substrate made of WC (tungsten carbide) material is required.
  • a method of lowering the sintering pressure of the PCD under a certain temperature can be considered. Meanwhile, when aluminum (Al), cobalt (Co), titanium (Ti), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), and niobium (Nb) are added to the PCD powder as the binder, the sintering temperature and the sintering pressure may be lowered.
  • the sintering process according to the present invention is a constant temperature range (T1, T2), as shown in Figure 1, about 1200 ⁇ 1800? It is carried out at, preferably at about 1350? (T3).
  • the PCBN powder can be sintered at a pressure higher than P2, and the PCD powder can be sintered at a pressure higher than P1.
  • the present invention is sintered by the addition of aluminum (Al), cobalt (Co), titanium (Ti), tantalum (Ta), molybdenum (Mo) and niobium (Nb), PCD powder can be sintered under a certain temperature Will drop the minimum pressure.
  • the present invention is to use this point to manufacture a multi-layer tool by bonding between different materials without a substrate using a cemented carbide material.
  • FIGS. 3 to 5 are schematic views illustrating a sintering process of the multilayer tool according to an embodiment of the present invention.
  • 6 is a graph showing the concentration distribution of the diffusing agent formed according to the distance from the interface.
  • the PCD and PCBN powders are prepared (S10).
  • a metal binder may be added to sinter the PCD powder and the PCBN powder.
  • a metal binder may be added to sinter the PCD powder and the PCBN powder.
  • Binders, such as) can be added.
  • each PCD powder PCBN powder is mixed with the binder.
  • a mixing method a dry or wet ball milling method can be used.
  • the PCD powder and the PCBN powder are molded in a shape (S20).
  • the PCD powder and the PCBN powder are pressed to form a certain shape.
  • the PCD powder and the PCBN powder in this embodiment are pseudo-molded to maintain a constant shape by pressing into a disk shape, respectively.
  • the diffusion agent plate 10 is interposed between the PCD layer 20 and the PCBN layer 30.
  • the diffusion plate 10 includes a component of any one of aluminum (Al), cobalt (Co), titanium (Ti), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), and niobium (Nb).
  • the diffusion plate 10 is preferably formed to a thickness of 0.03mm to 0.2mm.
  • a diffusion agent such as aluminum (Al), cobalt (Co), titanium (Ti), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), and niobium (Nb) is used as the PCD.
  • a diffusion agent such as aluminum (Al), cobalt (Co), titanium (Ti), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), and niobium (Nb) is used as the PCD.
  • Aluminum in particular, has a different coefficient of thermal expansion than PCD and PCBN layers, so cracks can occur when working at high temperatures with finished products. Therefore, the appropriate temperature range is reduced with respect to the product working conditions.
  • the diffusion agent pull rate 10 is inserted to a thickness of less than 0.03, there may occur a problem that the sintering is not sufficiently made due to insufficient diffusion during sintering.
  • the sintering is performed in a state in which the PCD rare 20, the diffuser plate 10, and the PCBN layer 30 are sequentially stacked (S30).
  • the sintering is in a certain temperature range, that is, about 1200 to 1800? It is carried out at, preferably at about 1350? (T3).
  • the sintering is carried out under pressurized conditions of an air pressure of 4 ⁇ 7GPa under the temperature conditions.
  • components such as aluminum (Al), cobalt (Co), titanium (Ti), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), and niobium (Nb) of the diffusion plate 10 in the sintering step are shown in FIG. 4. As shown, it diffuses into the PCD layer 20 and the PCBN layer 30. The diffuser plate 10 is diffused under the condition of high temperature and high pressure, and the thickness decreases with diffusion. Finally, the diffuser plate 10 is extinguished, and aluminum (Al), cobalt (Co), titanium (Ti), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), and the like are disposed between the PCD layer 20 and the PCBN layer 30. It exists as an interface 11 with high density
  • diffused aluminum (Al), cobalt (Co), titanium (Ti), tantalum (Ta), molybdenum (Mo) and niobium (Nb) and the like components form a concentration gradient as shown in FIG.
  • the concentration of the diffusing agent is highest at the interface, and as the distance from the interface is increased, the concentration of the diffusing agent is gradually reduced.
  • the concentration of the diffusion agent is lowest at both end surfaces of the PCD and the PCBN, that is, the cutting surface that is the end side furthest from the interface.
  • the content of the metal binder determines the properties depending on the use of the product. For example, increasing the content of cobalt (Co) as a binder during PCD sintering increases the toughness of the sintered body and increases its electrical conductivity, while reducing its wear resistance. On the contrary, as PCD sintering decreases the content of cobalt (Co), the sintered body has increased stiffness and abrasion resistance. Therefore, the use of the tool formed of the sintered body may vary depending on the content of the binder.
  • the properties of the sintered body are determined by the sum of the content of the metal binder added to the powder of the PCD and the PCBN and the diffuser component diffused from the diffusing agent. That is, when the use of the tool according to the sintered body is determined, the content of the metal binder may be adjusted in consideration of the concentration of the diffusion agent by the diffusion agent.

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Abstract

본 발명은 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로 본 발명에 따른 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구는 PcBN 레이어; 및 상기 PcBN 레이어와의 사이에 계면이 형성되는 PCD 레이어;를 포함하고, 상기 PCD 레이어의 소결온도 및 소결압력을 내리는 확산제가 상기 PCD 레이어 및 상기 PcBN 레이어 사이의 계면으로부터 확산되어 농도 기울기를 형성한다. 본 발명에 따른 다층 공구소재를 이용하게 되면 기판없이도 이종 소재간의 접합이 가능하며, 내마모성 등의 제품 기준을 충족하면서도 기존 두개의 공구로써 절삭하던 방식을 하나의 공구소재로 가능하게 되며 다양한 소재 접합 제품의 가공이 용이하여 가공 시간을 절약할 수 있다.

Description

PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구 및 그 제조방법
본 발명은 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공구의 특성과 접합성을 고려한 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구 및 그 제조방법에 관한 것이다.
다결정 다이아몬드 소결체(PCD, Poly-Crystalline Diamond, 이하 'PCD'라 함)는 미세한 다이아몬드 분말을 초경기판과 함께 소결한 형태로서, 가구용 목재, 자동차용 비철금속, 인쇄회로기판 및 기타 산업용 신소재등의 절삭가공에 사용되는 공구의 핵심 소재이다. 다결정 다이아몬드 소결체는 주로 원형 모양으로 생산되나 주문의 형태에 따라 다른 모양으로 재가공된다.
또한 다결정 입방정 질화붕소 화합물(PCBN:Poly-Crystalline Cubic Boron Nitride, 이하 'PCBN'이라 함)은 다이아몬드가 철계 금속과는 산화가 잘되는 특성을 갖기 때문에 다이아몬드로는 가공할 수 없는 철계 금속에 주로 사용되는 것으로서, 주로 자동차, 각종 기계부품 등 주철 및 열처리강의 절삭가공에 사용된다. PCBN은 합성 다이아몬드 가공기법으로 헥사곤 보론 나이트를 주원료로 하여 CBN(Cubic Boron Nitride)을 생성한 후, PCD제조기법을 응용하여 미세한 CBN분말과 특수 화인 세라믹분말을 소결하여 제조한다.
한편, 작업의 효율을 위하여 하나의 공구에 PCD 및 PCBN을 모두 포함하는 다층 공구를 이용할 수 있다. 이미 다층 PCD 및 PCBN을 접합하는 기술이 제안된바 있으나, 기존에는 텅스텐 카바이드(WC) 기판을 이용하여 다층으로 제작하거나 바이트 제작시 양쪽에 다른 제종을 접합하는 방식을 사용한다.
그러나 두꺼운 PCD를 제조하기에는 아직 많은 기술적 제약이 따른다. 또한 초경기판을 이용하지 않고 PCD소재를 제조하는 기술은 아직 알려져 있지 않다.
본 발명은 철족 금속 가공용 PCBN과 세라믹 및 비철계 금속 가공에 사용되는 PCD공구 소재를 초경기판 등을 사용하지 않고 하나로하여 복합소재분야와 세라믹 폴리머 금속의 다양한 제품의 가공시 가속시간을 줄여주며 다양한 분야에 범용으로 사용가능한 다층 PCD PCBN 공구소재를 제공한다.
또한 본 발명은 PCD 및 PCBN의 접합성 뿐 아니라 내마모성 및 내충격성의 구현이 가능한 PCD PCBN 공구소재 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구는 PcBN 레이어; 및 상기 PcBN 레이어와의 사이에 계면이 형성되는 PCD 레이어;를 포함하고, 상기 PCD 레이어의 소결온도 및 소결압력을 내리는 확산제가 상기 PCD 레이어 및 상기 PcBN 레이어 사이의 계면으로부터 확산되어 농도 기울기를 형성한다.
또한 상기 확산제는 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 어느 하나일 수 있다.
또한 상기 PCD 레이어 및 상기 PcBN 레이어는 상기 계면의 타측 단부에서 상기 확산제의 농도 최저점이 형성될 수 있다.
또한 상기 PCD 레이어는 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 어느 하나의 바인더를 포함할 수 있다.
나아가 상기 PCD 레이어의 공구 특성은 상기 계면의 타측 단부의 확산제 농도와 상기 바인더의 농도의 합에 의하여 결정될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구 제조방법은 PCD 및 PCBN 분말을 준비하는 제1 단계; 상기 PCD 분말 및 상기 PCBN 분말을 각각 가압하여PCD 레이어 및 PCBN 레이어로 가성형하는 제2 단계; 및 상기 가성형된 PCD 레이어 및 PCBN 레이어의 사이에 확산제 플레이트를 삽입한 상태로 소결하여 상기 확산제 플레이트를 상기 PCD 레이어 및 상기 PCBN 레이어 내로 확산시키는 제3 단계;를 포함한다.
또한 상기 확산 플레이트는 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 어느 하나일 수 있다.
또한 상기 확산제 플레이트는 0.03mm 내지 0.2mm의 두께로 형성될 수 있다.
또한 상기 제3 단계에서는 상기 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 어느 하나의 바인더를 포함하여 소결될 수 있다.
나아가 특정 내마모성 및 내충격성에 해당하는 특질을 구현하기 위한 바인더의 함량은 상기 확산제 플레이트로부터 확산된 확산제의 농도를 고려하여 결정될 수 있다.
본 발명에 따르면 초경기판 등을 이용하지 않고서도 접합함으로써 다층 공구를 제작할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 접합에 이용되는 확산제가 접합면으로부터 확산되도록 함으로써 공구의 절삭면의 내마모성에는 최소한의 영향을 미치도록 할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 다층 공구소재를 이용하게 되면 기판 없이도 이종 소재간의 접합이 가능하며, 내마모성 등의 제품 기준을 충족하면서도 기존 두개의 공구로써 절삭하던 방식을 하나의 공구소재로 가능하게 되며 다양한 소재 접합 제품의 가공이 용이하여 가공 시간을 절약할 수 있다.
도 1은 PCD 및 PCBN의 소결 압력 및 소결 온도를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 공구 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 공구의 소결과정을 나타내는 개략도이다.
도 6은 계면을 중심으로 거리에 따라 형성되는 확산제의 농도 분포를 나타내는 그래프이다.
본 발명에 따른 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구는 PcBN 레이어; 및 상기 PcBN 레이어와의 사이에 계면이 형성되는 PCD 레이어;를 포함하고, 상기 PCD 레이어의 소결온도 및 소결압력을 내리는 확산제가 상기 PCD 레이어 및 상기 PcBN 레이어 사이의 계면으로부터 확산되어 농도 기울기를 형성한다.
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 1을 참조하여 본 발명의 이종 소개간의 접합방법 및 그 기술적 배경에 대하여 설명한다. 도 1은 PCD 및 PCBN의 소결 압력 및 소결 온도를 나타내는 그래프이다.
PCD와 PCBN은 소결 압력과 소결 온도가 다르다. PCD는 일정 온도 조건 하에서는 도 1의 PCD 소결 온도 및 소결 압력 그래프의 상부, 즉 그래프보다 압력이 높은 환경하에서 소결이 가능하다. 마찬가지로 PCBN은 일정 온도 조건 하에서는 도 1의 PCBN 소결 온도 및 소결 압력 그래프의 상부, 즉 그래프보다 압력이 높은 환경하에서 소결이 가능하다. 따라서 PCD와 PCBN이 동시에 소결이 되기 위해서는 동일 온도 하에서 보다 높은 압력 조건을 갖는 PCD의 소결 압력 이상의 환경에서 소결이 이루어져야 한다.
이러한 이유로 이종 재질간의 접합을 하기 위해서 압력을 올리는 방법이 많이 이용된다. 다만, 이러한 높은 압력을 가할 수 있도록 WC(텅스텐카바이드) 재질의 기판이 필요하다.
기판을 이용하지 않기 위해서는 일정 온도 하에서 PCD의 소결 압력을 내리는 방법을 생각해 볼 수 있다. 한편 PCD 분말에 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 들을 바인더로 첨가하는 경우 소결 온도 및 소결 압력을 낮출 수 있다.
구체적으로 본 발명에 따른 소결 공정은 도 1에 도시된 바와 같이 일정 온도 범위(T1, T2), 약 1200~1800? 에서 수행되며, 바람직하게는 약 1350?(T3)에서 수행된다. 이 경우 PCBN 분말은 P2 이상의 압력에서 소결이 가능하며, PCD 분말은 P1 이상의 압력에서 소결이 가능하다. 이 때 본원 발명은 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb)을 첨가하여 소결시킴으로써 PCD 분말이 일정 온도하에서 소결될 수 있는 최소 압력을 떨어뜨리게된다. 본 발명은 이러한 점을 이용하여 초경 재질 등을 이용한 기판없이 이종 재질간의 접합에 의한 다층 공구를 제조하고자 한다.
도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 공구를 그 제조 프로세스와 함께 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 공구 제조방법을 나타내는 순서도이고, 도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 공구의 소결과정을 나타내는 개략도이다. 또한 도 6은 계면을 중심으로 거리에 따라 형성되는 확산제의 농도 분포를 나타내는 그래프이다.
본 발명에 따른 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구를 제조하기 위하여 먼저 PCD 및 PCBN 분말을 준비한다(S10).
이 때 PCD 분말과 PCBN 분말의 소결을 위하여 금속 바인더를 첨가할 수 있다. 특히 본 발명에 따른 PCD 분말을 이용하여 레이어를 형성하기 위하여 PCD 분말이나 PCBN 분말에 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 등의 바인더를 첨가할 수 있다.
바인더 첨가시 PCD 분말 PCBN 분말 각각과 바인더를 혼합해 준다. 혼합방법으로는 건식 또는 습식의 볼밀링(ball mill)방법을 이용할 수 있다.
이어서 PCD 분말 및 PCBN 분말을 소결하기 위하여 형태로 가성형한다(S20). 가성형 단계에서는 PCD 분말 및 PCBN 분말을 일정한 형태로 형성하기 위하여 가압한다. 도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예에서의 PCD 분말 및 PCBN 분말은 각각 디스크 형상으로 가압하여 일정한 형태를 유지하도록 가성형된다.
한편, 가성형된 PCD 레이어(20) 및 PCBN 레이어(30)를 이용하여 소결하기 위한 형태로 조립한다. 이 때 PCD 레이어(20) 및 PCBN 레이어(30) 사이에는 확산제 플레이트(10)가 개재된다.
확산제 플레이트(10)는 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 어느 하나의 성분을 포함한다. 또한 확산제 플레이트(10)는 0.03mm 내지 0.2mm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 확산제 플레이트(10)의 두께가 0.2mm를 초과하는 경우 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 등의 확산제가 PCD나 PCBN 레이어 내로 확산해 나가는데는 문제가 없으나 제품 제조 후 제품의 품질면에서 문제가 발생할 수 있다. 특히 알루미늄 등은 PCD 및 PCBN 레이어와는 열팽창률이 달라서 완제품을 이용하여 고온에서 작업하는 경우 크랙이 발생할 수 있다. 따라서 제품의 작업 조건과 관련하여 적정 온도 범위가 줄어들게 된다. 또한 확산제 풀레이트(10)가 0.03 미만의 두께로 삽입되는 경우 소결 시에 충분한 확산이 이루어지지 않아 소결이 충분히 이루어지지 않는 문제가 발생할 수 있다.
다음으로 PCD 레어어(20), 확산제 플레이트(10) 및 PCBN 레이어(30)가 순차적으로 적층된 상태에서 소결한다(S30). 이 때 소결은 일정 온도 범위, 즉 약 1200~1800? 에서 수행되며, 바람직하게는 약 1350?(T3)에서 수행된다. 또한 해당 온도 조건하에서 4~7GPa의 기압의 가압조건 하에서 소결이 수행된다.
한편, 소결 단계에서 확산제 플레이트(10)의 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 등의 성분은 도 4에 도시된 바와 같이 PCD 레이어(20)와 PCBN 레이어(30) 내로 확산된다. 확산제 플레이트(10)는 고온고압의 조건 하에서 확산이 이루어지며, 확산에 따라 두께가 줄어들게 된다. 최종적으로 확산제 플레이트(10)는 소멸되고, PCD 레이어(20)와 PCBN 레이어(30) 사이에는 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 등의 성분의 농도가 높은 계면(11)으로서 존재하게 된다.
이 때 확산된 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 등 성분은 도 6에 도시된 바와 같이 농도 기울기를 형성한다.
즉, 계면에서 확산제 농도가 가장 높고, 계면에서 멀어질수록 확산제 농도가 점점 줄어들게 된다. PCD 및 PCBN의 양 단면, 즉 계면으로부터 가장 먼 단부측인 절삭면에서는 확산제의 농도가 최저가 된다.
일반적으로 금속 바인더의 함량은 제품의 용도에 따른 특성을 결정한다. 예를 들어 PCD 소결시 바인더인 코발트(Co)의 함량을 증가 시킬수록 소결체의 인성이 증가하고 전기전도성이 증가하는 반면, 내마모성은 감소한다. 반대로 PCD 소결시 바인더인 코발트(Co)의 함량을 감소 시킬수록 소결체의 강성이 증가하고 내마모성이 증가하여 절삭성이 좋아지는 반면 내충격성이 떨어져 외부 충격에 약하다는 특징이 있다. 따라서 바인더의 함량에 따라 소결체로 형성된 공구의 용도가 달라질 수 있다.
본 발명의 경우에는 PCD 및 PCBN의 분말에 첨가되는 금속 바인더의 함량과 확산제로부터 확산된 확산제 성분의 합에 의하여 소결체의 특성이 결정된다. 즉, 소결체에 따른 공구의 용도가 결정되면, 확산제에 의한 확산제의 농도를 감안하여 금속 바인더의 함량을 조절할 수 있다.
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 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구 및 그 제조방법으로 구현될 수 있다.

Claims (10)

  1. PcBN 레이어; 및
    상기 PcBN 레이어와의 사이에 계면이 형성되는 PCD 레이어;를 포함하고,
    상기 PCD 레이어의 소결온도 및 소결압력을 내리는 확산제가 상기 PCD 레이어 및 상기 PcBN 레이어 사이의 계면으로부터 확산되어 농도 기울기를 형성하는 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 확산제는 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 어느 하나인 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 PCD 레이어 및 상기 PcBN 레이어는 상기 계면의 타측 단부에서 상기 확산제의 농도 최저점이 형성되는 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 PCD 레이어는 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 어느 하나의 바인더를 포함하는 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 PCD 레이어의 공구 특성은 상기 계면의 타측 단부의 확산제 농도와 상기 바인더의 농도의 합에 의하여 결정되는 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구.
  6. PCD 및 PCBN 분말을 준비하는 제1 단계;
    상기 PCD 분말 및 상기 PCBN 분말을 각각 가압하여PCD 레이어 및 PCBN 레이어로 가성형하는 제2 단계; 및
    상기 가성형된 PCD 레이어 및 PCBN 레이어의 사이에 확산제 플레이트를 삽입한 상태로 소결하여 상기 확산제 플레이트를 상기 PCD 레이어 및 상기 PCBN 레이어 내로 확산시키는 제3 단계;를 포함하는 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 확산 플레이트는 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 어느 하나인 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 확산제 플레이트는 0.03mm 내지 0.2mm의 두께로 형성되는 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 PCD 레이어는 상기 알루미늄(Al), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb) 중 어느 하나의 바인더를 포함하여 소결되는 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    특정 내마모성 및 내충격성에 해당하는 특질을 구현하기 위한 바인더의 함량은 상기 확산제 플레이트로부터 확산된 확산제의 농도를 고려하여 결정되는 PCD 및 PCBN을 포함하는 다층 공구 제조방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107738077A (zh) * 2017-11-14 2018-02-27 富耐克超硬材料股份有限公司 整体pcbn圆形杆状切削刀具及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08231281A (ja) * 1994-10-13 1996-09-10 General Electric Co <Ge> 立方晶窒化ホウ素中間層を有することによって改善された物理的性質を示す支持された多結晶質ダイヤモンド成形体
US20100089663A1 (en) * 2005-10-18 2010-04-15 Loel Corbett Nondestructive Device and Method for Evaluating Ultra-Hard Polycrystalline Constructions
KR20110041789A (ko) * 2009-10-16 2011-04-22 일진다이아몬드(주) 절삭 공구용 인서트 및 절삭 공구용 소결체
KR20120132496A (ko) * 2010-02-12 2012-12-05 엘리먼트 씩스 리미티드 초경질 공구 팁, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 공구

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08231281A (ja) * 1994-10-13 1996-09-10 General Electric Co <Ge> 立方晶窒化ホウ素中間層を有することによって改善された物理的性質を示す支持された多結晶質ダイヤモンド成形体
US20100089663A1 (en) * 2005-10-18 2010-04-15 Loel Corbett Nondestructive Device and Method for Evaluating Ultra-Hard Polycrystalline Constructions
KR20110041789A (ko) * 2009-10-16 2011-04-22 일진다이아몬드(주) 절삭 공구용 인서트 및 절삭 공구용 소결체
KR20120132496A (ko) * 2010-02-12 2012-12-05 엘리먼트 씩스 리미티드 초경질 공구 팁, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 공구

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107738077A (zh) * 2017-11-14 2018-02-27 富耐克超硬材料股份有限公司 整体pcbn圆形杆状切削刀具及其制备方法

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