KR19990083543A

KR19990083543A - 다결정다이아몬드공구

Info

Publication number: KR19990083543A
Application number: KR1019990015122A
Authority: KR
Inventors: 요시다가쯔히또; 오가따야스노부; 시라이시쥰이찌; 나까이데쯔오
Original assignee: 구라우치 노리타카; 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 1999-11-25
Also published as: ZA992948B; JP4045014B2; JPH11309609A; EP0953652A1; US6302225B1

Abstract

본 발명은, 그 내열성, 강도 및 내용착성이 다이아몬드 소결체의 공극률을 변경시킴으로써 개선되고, 초고압 및 고온 하에서 소결되어 공구 모재에 브레이징된 다이아몬드 소결체를 포함하며, 여기서 절삭 에지 인접부는 서로 결합된 다이아몬드 입자로 이루어진 85 내지 99 체적 퍼센트의 다이아몬드 소결체 재료와 잔부인 기공으로 구성되고 절삭 에지부 이외의 다른 부분은 다이아몬드 입자와 잔부인 브레이징 재료로 구성된, 다결정 다이아몬드 공구에 관한 것이다.

Description

다결정 다이아몬드 공구 {A POLYCRYSTAL DIAMOND TOOL}

본 발명은 내열성, 강도 및 내용착성이 특히 우수한 다결정 다이아몬드 공구에 관한 것으로, 특히 결합 재료를 제거하고 다이아몬드 소결체의 공극률을 변경함으로써 마련된 공구로서 개선된 내열성, 강도 및 내용착성을 갖는 다결정 다이아몬드 공구에 관한 것이다.

다이아몬드는 예를 들어 이의 높은 경도 및 열전도성 등의 우수한 특성 때문에 오래 전부터 절삭 공구, 다이, 비트 등의 여러 공구에 사용되고 있다. 특히, 초고온 및 고압 하에서 다이아몬드 분말을 코발트 등의 철족 금속으로 우세하게 이루어진 결합제로 소결함으로써 얻어진 다이아몬드 소결체는, 틈이 생기는 것에 기인하여 파괴되는 단결정 다이아몬드의 단점을 갖지 않기 때문에 비철 금속, 플라스틱. 세라믹, 드레서, 드릴 비트 및 와이어 인발 다이 등을 절삭하는 데 폭넓게 사용되고 있다.

그러나, 코발트 등의 철족 금속의 결합제를 사용하는 다이아몬드 소결체는 그 내열성이 충분하지 못하다는 단점을 갖고 있다. 즉, 이 소결체가 750 ℃ 이상의 온도로 가열되면, 미세 크랙 및 경도 또는 강도가 떨어지는 현상이 일어나고 900 ℃ 이상의 온도에서는 소결체가 파괴된다.

이 현상은 두 가지 작용, 즉 (1) Co 등의 철족 금속에 의해 다이아몬드의 그래파이트화가 가속되어 입자들 사이의 결합 강도 또는 입자들의 경도를 감소시키고, (2) 고온에서 사용할 때 Co(예를 들어 Co의 선형 열팽창 계수는 18 × 10^-6) 등의 철족 금속과 다이아몬드(열팽창 계수가 4.5 × 10^-6) 사이의 열팽창 계수 차에 기인하여 크랙이 생기는 등의 작용에 의해 야기되며, 이로써 입자들 사이의 결합 강도를 약화시키게 된다.

이러한 문제를 해결하고 내열성을 개선하기 위한 몇 가지 방법이 제안되었다. 예를 들어, 일본 특허 공개 제114589/1978호에는 다이아몬드가 Co 등의 결합제를 사용하여 소결되고, 철족 금속이 제거된 다이아몬드 소결체를 얻기 위해 산으로 처리됨으로써 결합제가 제거되도록 된 다이아몬드 소결체가 개시되어 있다. 그러나, 이 다이아몬드 소결체는 파쇄 강도가 잔류 금속 또는 기공의 양에 따라 현저하게 떨어져서 그 용도가 제한된다는 문제를 갖고 있다.

또한, 일본 특허 공개 제187603/1985호에는 Co 등의 철족 금속으로 이루어진 결합제가 산 처리에 의해 제거되고, 그 다음에 소결체에 잔류하는 기공에 Cu 또는 Ag로 주로 이루어지는 금속 브레이징제가 함침되어 기공이 없는 다이아몬드 소결체를 얻게 되는 다이아몬드 소결체가 개시되어 있다. 이 경우에는, 소결체의 강도 또는 파쇄 강도가 기공을 제거함으로써 개선되지만 작업 중에 공구 에지에 작업편이 용착되는 것에 기인하여 작업 표면의 품질이 불량해서 실제적이지 못하기 때문에 공구에의 적용 범위가 제한되는 것으로 보고되었다.

Co 등의 철족 금속이 아닌 결합제를 사용하는 방법으로서는 미국 특허 제4,124,401호에 개시된 것처럼 결합제로서 SiC를 사용하는 것이 제안되었다. 그러나, 이 경우에 다이아몬드 소결체는 고온 프레스 등에 의해 비교적 낮은 압력 및 낮은 온도 조건 하에서 소결되어서 공구로서 사용될 때 다이아몬드 입자들 사이의 낮은 결합 때문에 마모 저항이 나쁘다.

또한, 고온 및 고압에서 액상 Si를 다이아몬드 입자들에 함침되게 함으로써 높은 내열성을 갖는 다이아몬드 소결체를 얻는 것이 일본 특허 공개 제33865/1986호에 제안되어 있다. 그러나, 결합제로서 사용될 SiC를 형성하기 위해 Si와 다이아몬드를 반응시키는 단계를 포함하는 상기 방법은 미반응 Si가 강도 및 마모 저항을 감소시키게 된다는 단점을 갖고 있다.

미반응 및 잔류 Si의 영향을 없애기 위해 소결체의 결합제용 원료로서 Si₃N₄를 사용하는 것이 일본 특허 공개 제260858/1988호에 제안되어 있다. 그러나 상기 방법에 따르면, Si₃N₄및 SiC의 결합이 강하지 않아서 강도 및 마모 저항을 만족시키지 못한다.

근래에는 이러한 공지 기술들을 Co 등의 철족 금속뿐만 아니라 Mg, Ca, Sr, 및 Ba 등의 알칼라인 토류 금속의 카보네이트에서도 Co 등의 철족 금속에서와 마찬가지로 효과적으로 적용할 수 있게 되었고, 결합제로서 이들 재료를 사용하는 소결체가 일본 특허 공개 제74766/1992호, 제9721/1994호 및 9272/1994호에 제안되어 있다. 이들 방법에 의해 얻은 다이아몬드 소결체는 내열성, 강도 및 마모 저항이 우수하지만, 다이아몬드 소결체를 얻기 위해 이들 카보네이트를 사용할 때에는 Co 등의 철족 금속을 사용하는 경우에 비해서 높은 압력 및 온도, 즉 5 GPa 및 1400 ℃에 비해서 7 내지 10 GPa 및 2000 내지 2500 ℃의 압력 및 온도가 필요하며, 이는 비용 면에서 실제로 사용할 수 없게 한다.

상기에 설명한 것처럼, 지금까지 다이아몬드 소결체의 결합제, 특히 기공에 충전되는 결합제 또는 재료를 대체하는 기공의 존재에 대하여 여러 제안이 있었으나, 다이아몬드 소결체를 사용하는 다이아몬드 공구의 적용 범위, 내열성 및 내용착성 등에서 더 우수한 특성을 갖는 다이아몬드 소결체는 개발되지 않았다.

본 발명의 목적은 공구로서의 내열성, 강도 및 내용착성을 개선시키기 위해 다이아몬드 소결체의 결합제의 공극률을 변경시킨 다결정 다이아몬드 공구를 마련하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 일본 특허 공개 제187603/1985호에 개시된 내열성 다이아몬드 소결체의 조성을 변경시킴으로써 공구 특성을 현저하게 개선시키는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 경제적인 방법으로 다결정 다이아몬드 공구를 제조하는 방법을 마련하는 것이다.

이들 목적은, 초고압 및 고온 하에서 소결되어 공구 모재에 브레이징된 다이아몬드 소결체를 포함하며, 여기서 절삭 에지 인접부는 서로 결합된 다이아몬드 입자로 이루어진 85 내지 99 체적 퍼센트의 다이아몬드 소결체 재료와 잔부인 기공으로 구성되고 절삭 에지부 이외의 다른 부분은 다이아몬드 입자와 잔부인 브레이징 재료로 구성된, 다결정 다이아몬드 공구에 의해 얻어진다.

도1은 본 발명에 따른 다이아몬드 소결체와 공구 모재의 결합부 또는 결합 부분을 도시한 단면도.

본 발명의 원리 및 장점에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

상기에 설명한 종래 기술의 문제를 고려하여, 본 발명은 종래 기술의 다이아몬드 공구의 적용 범위뿐만 아니라 이의 내열성 및 내용착성에서의 문제가 만족스럽게 해결되지 않는 상태에서도 우수한 성능 또는 특성을 나타낼 수 있는 새로운 다결정 다이아몬드 소결체 공구를 개발하려고 한다.

먼저, 본 발명은 일본 특허 공개 제187603/1985호에 개시된 소결 다이아몬드 소결체를 사용할 때의 문제를 분석했다. 그 결과, 작업 중에 절삭 에지의 인접부가 작업 열에 의해 고온으로 되고 따라서 소결 다이아몬드 소결체에 함침된 금속 브레이징제가 작업편과 반응하게 된다. 이 반응의 결과, 작업 중에 금속이 공구 연부에 용착하게 되어서 작업편의 작업 표면에 나쁜 영향을 미친다. 따라서, 본 발명에 따르면, 내용착성에 영향을 미치는 인자를 개선하면 상기 목적을 달성할 수 있는 것을 알게 되었다.

본 발명의 특징중, (1) 제1 특징으로는, 초고압 및 고온 하에서 소결되어 공구 모재에 브레이징된 다이아몬드 소결체를 포함하며, 여기서 절삭 에지 인접부는 서로 결합된 다이아몬드 입자로 이루어진 85 내지 99 체적 퍼센트의 다이아몬드 소결체 재료와 잔부인 기공으로 구성되고 절삭 에지부 이외의 다른 부분은 다이아몬드 입자와 잔부인 브레이징 재료로 구성된, 다결정 다이아몬드 공구에 있다.

상기 본 발명의 제1 특징의 양호한 실시예들로는 다음과 같은 것이 있다.

(2) 제2 특징으로는, 제1 특징을 갖는 다결정 다이아몬드 공구에서, 다이아몬드 입자가 0.1 내지 50 ㎛, 바람직하게는 0.5 내지 10 ㎛의 입자 크기를 갖는다.

(3) 제3 특징으로는, 제1 또는 제2 특징을 갖는 다결정 다이아몬드 공구에서, 다이아몬드 소결체 재료가 적어도 0.1 mm, 바람직하게는 0.1 내지 1.5 mm의 두께를 갖는다.

(4) 제4 특징으로는, 제1 내지 제3 특징중 하나의 특징을 갖는 다결정 다이아몬드 공구에서, 서로 결합된 다이아몬드 입자 및 잔부 기공으로 이루어진 절삭 에지 인접부가 두께 방향에서 다이아몬드 소결체 재료의 두께의 0.1 내지 99 %, 바람직하게는 50 내지 99 %의 폭을 갖고, 측방향에서 에지의 단부와 브레이징 재료층 사이의 최단 거리의 0.5 내지 100 %, 바람직하게는 50 내지 100 %의 폭을 갖는 구역을 차지하는 것이다.

(5) 제5 특징으로는, 제1 내지 제4 특징중 하나의 특징을 갖는 다결정 다이아몬드 공구에서, 다이아몬드 소결체와 공구 모재를 결합하기 위한 브레이징 재료가 0.5 내지 20 중량 퍼센트, 바람직하게는 0.5 내지 10 중량 퍼센트의 Ti 및 Zr중 적어도 하나와, 잔부로서 Cu 및 Ag중 적어도 하나 및 부득이한 불순물로 이루어 진 것이다.

(6) 제6 특징은, 제1 내지 제4 특징중 하나의 특징을 갖는 다결정 다이아몬드 공구에서, 브레이징 재료는 20 내지 30 중량 퍼센트의 Ti, 20 내지 30 중량 퍼센트의 Zr, 잔부의 Cu 및 부득이한 불순물로 이루어진 것이다.

상기 제5 및 제6 특징에서, 부득이한 불순물은 무시해도 좋은 정도의 매우 적은 양이다.

본 발명을 실시하기 위해, 초고압 및 고온에서 소결된 금속 결합제를 함유하는 다이아몬드 소결체 재료가 사용된다. 본 발명에 따른 다이아몬드 소결체 공구가 그 연부에 금속 결합제가 산 처리에 의해 다이아몬드 소결체로부터 제거된 부분을 갖기 때문에, 특히 에지부가 고온에 있을 때에는 금속 결합제에 기인한 그래파이트화 및 금속 결합제와 작업편 부품과의 반응이 가속되지 않으며, 내열성 및 내용착성은 다이아몬드 입자들이 서로 직접 결합됨으로써 우수한 열 전도성을 갖기 때문에 상용으로 입수할 수 있는 다결정 다이아몬드 소결체 공구에 비해서 매우 큰 범위까지 개선된다. 또한, 지지 모재와의 결합을 위해 사용된 금속 브레이징 재료가 진공에서 가열되어 결합되면, 절삭 에지 인접부 이외의 다른 부분은 금속 브레이징 재료를 함유하게 되어 지지 모재와 소결체 사이의 결합 강도를 증가시키고 절삭 공구로서 사용되었을 때 에지 강도의 안정성을 개선시키게 되며, 내열성 및 내용착성은 금속 결합제가 완전히 제거되어 있는 다이아몬드 소결체 공구 또는 금속 브레이징 재료가 금속 결합제를 완전히 제거한 후에 진공에서 함침되어 있는 다이아몬드 소결체 공구에서 개선된다.

본 발명에 따른 다이아몬드 소결체 재료로서는 85 내지 99 체적 퍼센트인 함량을 갖는 다이아몬드를 사용하는 것이 바람직하다. 85 체적 퍼센트 미만의 함량을 갖는 다이아몬드를 갖는 재료를 사용하면, 금속 결합제를 제거한 후의 소결체의 강도가 충분하지 않고, 절삭 공구로서의 특성이 나빠져서 바람직하지 않다. 또한, 현재로서는 99 체적 퍼센트 이상의 함량을 갖는 다이아몬드를 갖는 재료를 얻기는 기술적으로 어렵다.

본 발명에 따른 다이아몬드 소결체 재료에서 다이아몬드 입자는 0.1 내지 50 ㎛의 입자 크기를 갖는 것이 일반적으로 사용된다. 그 이유는, 다이아몬드 입자의 입자 크기가 0.1 ㎛보다 작으면 초고압 및 고온 하에서 소결체를 마련하는 동안에 다이아몬드 입자의 입자 성장이 바람직하지 않게 되고 생산량이 상용 규모로서는 현저하게 낮아지기 때문이다. 따라서, 이 범위는 피해야 한다. 한편, 다이아몬드 입자의 입자 크기가 50 ㎛보다 크면 금속 결합제가 제거된 후에 다이아몬드 소결체의 강도가 낮아져서 절삭 공구로서의 특성이 나빠진다.

다이아몬드 입자 크기가 0.1 내지 10 ㎛ 범위인 다이아몬드 소결체 재료는 금속 결합제가 제거된 후에도 비교적 높은 강도를 유지할 수 있어서 더욱 우수한 성능을 나타내게 되어 바람직하다.

다이아몬드 소결체 재료의 두께는 0.1 mm 이상인 것이 바람직하다. 두께가 0.1 mm 미만이면 다이아몬드 소결체 재료가 모재에의 결합 중에 크랙을 일으킬 가능성을 갖고 있다. 이 범위는 바람직하지 못하다. 따라서, 절삭 공구로서의 일반적인 요건 및 형상 가공비용의 관점에서, 다이아몬드 소결체의 두께는 0.1 내지 1.5 mm 범위가 더 바람직하다. 특히, 절삭 에지부의 인접부에서의 다이아몬드 소결체 재료의 두께는 약 0.1 내지 1500 ㎛으로 되는 것이 바람직하다.

다이아몬드 소결체 재료의 형상은 통상의 일회용 인서트, 비트, 드릴 및 리이머중 임의의 형태로부터 선택할 수 있다.

도면에 개략적으로 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 다결정 다이아몬드 공구는 다이아몬드 소결체 재료의 절삭 에지 인접부에서 서로 결합된 다이아몬드 입자 및 잔부 기공으로 구성된 구역(소위 "구역 L")을 갖는 것을 특징으로 한다. 구역 L은 두께 방향에서 레이크면으로부터 모재와의 결합부 또는 부분까지의 수직 거리의 0.1 내지 99 %와, 공구 레이크면을 따른 방향에서 에지의 단부와 모재와의 결합부 또는 부분 사이의 최단 거리의 0.5 내지 100 %를 차지한다. 구역 L이 두께 방향에서 공구 레이크면으로부터 모재와의 결합부 또는 부분까지의 수직 방향의 0.1 % 미만이거나, 공구 레이크면을 따른 방향에서 에지의 단부와 모재와의 결합부 또는 부분 사이의 최단 거리의 0.5 % 미만이면, 구역 L이외의 다른 부분이 다이아몬드 소결체와 모재를 결합하는 데 사용된 브레이징 재료로 충전되고, 브레이징 재료의 성분이 화학적으로 활성을 갖고 농후해져서 작업편 부품이 공구 표면에 접착되게 하여 공구로서의 특성을 나빠지게 한다. 따라서, 이 구역은 적절하지 못하다. 한편, 본 발명의 다결정 다이아몬드 공구를 마련하기 위한 공정의 관점에서 두께 방향에서 공구 레이크면으로부터 모재와의 결합부 또는 부분까지의 수직 방향의 99 %를 넘는 구역, 또는 공구 레이크면을 따른 방향에서 에지의 단부와 모재와의 결합부 또는 부분 사이의 최단 거리의 100 %인 구역을 마련하는 것은 기술적으로 어렵다.

상기 구성은 진공에서의 브레이징 중에 지지 모재 ＋ 브레이징 재료 ＋ 다이아몬드 소결체 재료를 유지하도록 브레이징 온도 및 압력에서 보유 시간에 의해 제어될 수 있다.

본 발명에 따라 다이아몬드 소결체 재료를 공구 모재에 결합하기 위한 브레이징 재료의 성분은 다이아몬드 소결체 재료를 공구 모재에 직접 결합하고 결합 강도의 신뢰성의 관점에서 특정될 수 있다. 이러한 관점에서, 브레이징 공구의 성분으로서는 Ti 또는 Zr 등의 활성 금속이 부가된 Ag 또는 Cu가 사용되어서 브레이징 재료를 갖는 경질 소결체 재료의 습윤 특성이 개선되고, 다이아몬드 소결체 재료와 공구 모재의 결합 강도를 증가된다.

본 발명의 다결정 다이아몬드 공구는 마모 저항, 파쇄 강도 및 내열성의 관점에서 종래 기술의 다결정 다이아몬드 공구에 비해서 큰 범위로 양호하다. 따라서, 브레이징 재료 자체의 특성은 이러한 특성을 얻는 데 중요하다.

일부 강성 또는 인성이 요구되면, 특히 0.5 내지 20 중량 퍼센트의 Ti 및 Zr중 적어도 하나, 잔부의 Cu 및 Ag중 적어도 하나 및 부득이한 불순물을 포함하는 브레이징 재료가 가장 바람직하다. 그러나, Ag가 낮은 탄성을 가져서 크게 변형되기 때문에 강성이 요구되는 경우에는 Ag의 양을 줄이는 것이 바람직하다. Ti 및 Zr 등의 활성 금속중 적어도 하나의 양이 0.5 중량 퍼센트 미만으로 되면 브레이징 재료의 습윤 특성이 충분히 개선될 수 없어서 적절하지 않다. 한편, 20 중량 퍼센트보다 크면 경질 Ti 또는 Zr 합성물이 브레이징 재료의 인성 감소를 촉진시키게 된다. 이는 부적절하다. 특히, 0.5 내지 10 중량 퍼센트의 Ti 또는 Zr이 사용되는 것이 바람직하다.

브레이징 재료에 내열성 및 강성이 요구되면, 특히 상기에 설명한 브레이징 재료에 비해서 강도 및 고온 특성이 우수한 많은 양의 Ti 또는 Zr과 잔부의 Cu 및 부득이한 불순물을 포함하는 브레이징 재료가 바람직하게 사용되며, 브레이징 재료는 20 내지 30 중량 퍼센트의 Ti, 20 내지 30 중량 퍼센트의 Zr 및 잔부의 Cu 및 부득이한 불순물을 포함하는 것이 더 바람직하다. 이 경우에, Ti-Zr-Cu의 3공융 시스템에 기인하여 융점의 강하가 현저하게 일어나고, 이로써 저온에서의 결합이 가능해진다.

공구 모재로서는 5 내지 25 중량 퍼센트의 Co를 함유하고 잔부가 WC를 주성분으로 하는 초경합금, 강, 예를 들어 0.3 내지 0.6 중량 퍼센트의 카본 등에 더하여 Mn, Ni, Cr 및 Mo중 적어도 하나를 포함하는 강을 사용하는 것이 바람직하다.

실시예

다음 실시예는 본 발명을 도시하기 위해 주어진 것이며, 이를 제한하려는 것이 아니다.

실시예 1

0.1 내지 10 ㎛의 입경을 갖는 다이아몬드 입자와 철족 금속 입자(예를 들어 Co, Fe 및 Ni)로 이루어진 소결제가 마련된다. 다이아몬드 입자 및 철족 금속 입자는 혼합 분말을 형성하도록 소정 비율로 볼 가공된다. 이렇게 혼합된 분말은 1시간 동안 800 ℃의 온도에서 진공 상태에서 열처리되어 Ta로 제조된 캡슐에 투입되고, 예를 들어 55 kb의 압력 및 1450 ℃의 온도인 초고압 및 고온 하에서 소결되어 다이아몬드 소결체 재료를 얻게 된다. 이 공정을 사용함에 있어서, 다이아몬드 입자 및 철족 금속 입자의 혼합비를 변경시켜 표 1에 도시된 상이한 다이아몬드 함량을 갖는 소결체 재료를 마련하게 된다.

이렇게 얻어진 다이아몬드 소결체 재료는 방전 가공에 의해 소정 형상으로 절단되고, 30 %의 몰농도를 갖는 질산과 45 %의 몰농도를 갖는 불화 수소산이 4:1의 비율로 혼합된 혼합물을 포함하는 불화-질산 용액으로 채워진 폐쇄 용기에 투입되고, 다이아몬드 소결체에 함유된 다이아몬드와는 다른 성분을 용출시키도록 130 ℃의 온도에서 12시간 동안 유지된다.

이렇게 생성된 다이아몬드 소결체 재료는 850 ℃의 온도에서 10분 동안 진공으로 유지함으로써 70 %의 Ag - 28 %의 Cu - 2 %의 Ti(중량 퍼센트)로 이루어진 브레이징 재료를 사용하는 초경합금의 공구 모재에 브레이징되며, 따라서 소정 형상, 즉 내접원이 9.525 mm인 정삼각형, 틈새각 11 °(전체 외주연) 및 두께 3.18 mm인 소정 형상을 갖는 초경합금의 한 모서리에 브레이징되어 반경이 0.4 mm인 R-형상으로 가공된 에지를 갖는 다이아몬드 소결체를 갖는 절삭 공구를 마련하게 된다. 초경합금으로서는 우세한 성분으로서 WC와 4 내지 6 중량 퍼센트의 Co를 포함하는 것이 사용되었다.

이렇게 형성된 절삭 공구를 다음 조건 하에서 절삭 특성을 평가했다.

작업편 : Al - 16 중량 퍼센트 Si 합금의 둥근 봉

작업편 표면의 회전 속도 : 900 m/min

절삭 깊이 : 0.5 mm

이송 속도 : 0.15 mm/rev

절삭 시간 : 5 min

이 방식으로 마련된 다이아몬드 소결체 재료의 조성 및 그 절삭 특성의 평가 결과가 표 1에 도시되어 있다. 표 1의 시료 번호 H는 본 발명의 제품과 비교하기 위한 절삭 공구로서, 얻어진 소결체를 방전 가공에 의해 절삭하고, 주성분으로서 Ag를 함유하는 통상의 은 브레이즈를 사용함으로써 초경합금으로 제조된 공구 모재에 공기 중에서 브레이징하고, 임의의 금속 결합제 성분을 용출시키지 않고 절삭 공구를 얻기 위해 가공된 것이다. 시료 번호 1 내지 3에서, 브레이징 재료 성분은 결합부로부터 50 내지 100 ㎛의 범위로 함유되었다.

시료 번호	철족 금속의 혼합비 (중량 퍼센트)	소결체의 다이아몬드 함량(용적 퍼센트)	측면 마모 폭(㎛)
1	25	82	파괴
2	20	88	70
3	8	94	65
H	20	88	82

표 1로부터, 본 발명의 시료 번호 2 및 3은 종래 기술의 다결정 다이아몬드 소결체보다 더 우수한 마모 저항을 나타낸다. 85 % 미만의 다이아몬드 함량을 갖는 시료 번호 1에서, 금속 결합제 성분의 용출에 기인한 강도의 저하가 일어나서 팁을 파괴시켜 절삭이 불가능하게 한다.

실시예 2

전기 도금 방법으로 설명하게 될 소결제로 코팅된 표 2에 도시된 것과 같은 상이한 입경을 갖는 다이아몬드 입자는 1200 ℃에서 1시간 동안 진공에서 열처리되었다. 이 분말은 초경합금으로 제조된 캡슐에 투입되어 50 kb의 압력 및 1400 ℃의 온도에서 소결되어 다이아몬드 소결체 재료를 얻게 된다.

이렇게 얻어진 다이아몬드 소결체 재료는 방전 가공에 의해 절삭 공구용 재료 형상 또는 강도의 측정을 위한 재료 형상으로 절삭되고, 30 %의 몰농도를 갖는 질산과 45 %의 몰농도를 갖는 불화 수소산 및 증류수가 2 : 0.05 : 1의 비율로 혼합된 혼합물을 포함하는 불화-질산 용액으로 채워진 폐쇄 용기에 투입되어 다이아몬드 소결체 재료 내에 함유된 다이아몬드 이외의 다른 성분을 용출하도록 150 ℃의 농도에서 24시간 동안 유지되어서 절삭 공구용 재료 및 강도 측정용 재료를 얻게 된다.

강도의 측정을 위한 재료는 6 mm의 길이, 3 mm의 폭 및 0.4 mm의 두께를 갖는 시험편으로 가공되어 소결체 재료의 강도를 측정하도록 경간이 4 mm인 상태 하에서 3개 지점에서 절곡 시험되었다 (횡방향 절곡 강도).

절삭 공구용 재료는 92 %의 Cu - 2 %의 Al - 3 %의 Si - 3 %의 Ti로 이루어진 브레이징 재료를 사용하여 1050 ℃의 온도에서 10분 동안 진공에서 유지함으로써 초경합금의 공구 모재에 소정 형상, 즉 직경이 13.2 mm이고 다이아몬드 소결체 부분과 공구 모재의 전체 두께가 3.18 mm인 형상으로 브레이징되어 절삭 공구를 마련하게 된다. 우세한 성분으로서 WC 및 6 내지 9 중량 퍼센트의 Co를 포함하는 초경합금이 사용되었다. 시료 번호 4 내지 7에서, 브레이징 재료 성분은 결합부로부터 50 내지 100 ㎛의 범위로 함유되었다.

표 2에서 시료 번호 H는 실시예 1에 사용된 것과 동일하고, 금속 결합제 성분의 용출 없이 본 발명의 시료 번호 4 내지 7과 비교하여 유사한 평가를 받았다.

이렇게 얻어진 절삭 공구를 다음 조건 하에서 절삭 특성을 평가했다.

작업편 : Al - 16 중량 퍼센트 Si 합금의 둥근 팁

작업편 표면의 회전 속도 : 600 m/min

절삭 깊이 : 3.0 mm

이송 속도 : 0.2 mm/rev

절삭 시간 : 4 min

시료 번호	다이아몬드 입경(㎛)	소결체의 다이아몬드 함량(용적 퍼센트)	측면 마모폭(㎛)	용착 유무	소결체 재료의 강도(kgf/㎟)
H	0.1 ∼ 10	88	110	많음	145
4	0.1 ∼ 4	87	75	적음	135
5	0.1 ∼ 10	91	78	적음	105
6	0.1 ∼ 50	94	74	적음	90
7	0.1 ∼ 70	97	파괴		75

시료 4 내지 7에서, 다이아몬드 분말의 비율은 93 체적 퍼센트이고 소결제의 비율은 7 체적 퍼센트이며, 소결제는 중량 퍼센트로 90.85 %의 Co - 5.0 %의 W - 4.0 %의 Fe - 0.05 %의 Pb - 0.10 %의 Sn의 일정 조성을 갖는다.

실시예 3

실시예 2에서 마련된 시료 번호 4의 다이아몬드 소결체 재료를 사용함으로써, 다음에 도시된 브레이징 단계가 다른 것을 제외하고는 실시예 2에서와 유사한 방법으로 절삭 공구가 마련된다.

시료 번호 4A : 실시예 2에서와 동일

시료 번호 4Z : 진공에서 브레이징이 수행될 때 브레이징 재료 및 다이아몬드 소결체 재료가 이 순서로 공기 모재 상에 적층되어 브레이징이 수행되는 동안에 압력 하에서 지그에 의해 유지된다.

이렇게 얻어진 절삭 공구에서, 공구 모재와 다이아몬드 소결체 재료의 결합부에서의 원소 분석이 수행되어 브레이징 재료 성분의 함침 상태를 조사했다. 이렇게 마련된 공구의 다이아몬드 소결체 재료의 두께는 1.0 mm이고, 다이아몬드 소결체 공구의 측면부의 원소 분석은 에너지 분산 스펙트럼 분석에 의해 수행되었다.

시료 4A에서, 브레이징 재료의 성분으로서의 Cu의 함침은 결합부로부터 약 50 ㎛의 범위에서 확인되었으며, 시료 번호 4Z에서는 브레이징 재료의 함침이 다이아몬드 소결체의 모든 범위에 걸쳐 확인되었다.

공구 모재로서는 우세한 성분으로서 WC 및 11 내지 13 중량 퍼센트의 Co를 포함하는 초경합금이 사용되었다.

이들 시료를 사용하여 절삭 가공이 다음 조건 하에서 수행되었다.

작업편 : Al 합금 (JIS A6061, T6 처리된 재료)

작업편 표면의 회전 속도 : 200 m/min

절삭 깊이 : 0.5 mm

이송 속도 : 0.2 mm/rev

절삭 시간 : 5 min

이 절삭 가공에 따라 공구 레이크면 또는 측면에서 용착이 일어 났는지의 여부가 조사되었다. 또한, 작업편의 마무리된 표면의 조도도 측정되었다. 그 결과가 표 3에 도시되어 있다.

시료 번호	용착 유무	마무리 표면의 조도 Rz(㎛)
4 A	용착 없음	1.6
4 Z	용착 있음	7.8

서로 결합된 다이아몬드 입자 및 잔부의 기공으로 이루어진 절삭 에지 인접부를 갖는 시료 번호 4A에서, 공구 에지에 접착이 일어나지 않았으며 양호한 표면 마무리 조도가 얻어졌다. 한편, 브레이징 재료가 절상 에지 인접부에서도 함침되게 되는 시료 4Z에서는 에지에의 접착이 활발하고 마무리된 표면 조도의 열화가 현저한 것으로 나타났다.

실시예 4

다이아몬드 소결체 재료의 두께 차에 기인한 영향에 대한 조사가 수행되었다. 시료들은 다음에 도시된 것처럼 실시예 3에서 마련된 시료 4A에 기초하여 다이아몬드 소결체 재료의 두께를 변경시키는 것을 제외하고는 실시예 2에서와 유사한 방법으로 마련되었다.

시료 번호 4B : 재료 두께 0.5 mm

시료 번호 4C : 재료 두께 0.1 mm

시료 번호 4A, 4B 및 4C는 다음 조건 하에서 밀링 가공되었다.

작업편 : 80 mm의 폭과 400 mm의 길이 및 100 mm의 높이를 갖는 알루미늄 합금(JIS ADC 12)의 블록

커터의 회전 속도 : 2000 m/min

절삭 반경 : 100 mm ; 절삭 에지의 수 : 1

절삭 깊이 : 1.5 mm

이송 속도 : 0.2 mm/rev

절삭 시간 : 40 min

시료 번호 4A 및 4B는 실질적으로 동일한 측면 마모 폭으로 적은 용착 및 에지의 파괴를 일으키지 않고 절삭하는 데 사용될 수 있다. 한편, 시료 번호 4C는 가공 중에 다이아몬드 소결체의 파괴를 나타내서 연속 가공이 불가능했다. 즉, 다이아몬드 소결체의 두께가 얇아지면 소결체의 절곡 강도가 낮아져서 실제로 사용하지 못하게 된다.

실시예 5

다이아몬드 소결체 재료와 공구 모재를 결합하는 동안에 사용된 브레이징 재료의 성분 차에 기인한 영향에 대하여 조사가 수행되었다. 시료들은 실시예 2에서 마련된 시료 번호 4의 다이아몬드 소결체 재료를 사용하여 표 4에 도시된 것과 같은 브레이징 단계에 사용된 브레이징 재료를 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 2에서와 유사한 방법으로 마련되었다.

이들 공구는 실시예 2에 기재된 것과 유사한 조건 하에서 절삭 가공되었다. 그 결과가 표 4에 도시되어 있다.

시료 번호	브레이징 재료의 조성 (중량 퍼센트)	브레이징 온도 (℃)	측면 마모 폭 (㎛)
4	92% Cu - 2% Al - 3% Si - 3% Ti	1050	75
4D	70% Ag - 28% Cu - 2% Ti	850	82
4E	50% Cu - 25% Ti - 25% Zr	900	84
4Y	72% Ag - 28% Cu	800	브레이징 불능

시료 4Y의 경우에, 공구 모재 및 다이아몬드 소결체 재료는 시료 번호 4, 4D 및 4E에 비해서 브레이징 중에 습윤 특성의 문제 때문에 결합되지 않았다.

실시예 6

실시예 2에 기재된 시료 번호 4 및 H를 사용하여 다음 조건 하에서 절삭 가공을 수행했다.

작업편 : Al - SiC 합금 (외경 120 mm, 내경 90 mm 및 높이 130 mm인 원통형 슬리브를 내경 보링 가공)

공구의 회전 속도 : 500 m/min

절삭 깊이 : 0.1 mm

이송 속도 : 0.3 m/rev

절삭 시간 : 5 min

시료 번호 H의 경우에, 측면 마모 폭은 약 150 ㎛이고, 미세 팁핑이 일어나고 레이크면에 용착은 일어나지 않았다. 한편, 시료 4의 경우에 측면 마모 폭은 약 100 ㎛이고 레이크면에 용착이 매우 조금 발견되었다. 즉, 본 발명의 공구는 마모 저항, 절곡 강도 및 내용착성의 면에서 종래 기술의 다이아몬드 소결체 공구에 비해서 바람직한 것을 알 수 있다.

실시예 7

실시예 6에서와 도일한 시료 번호 4 및 H의 재료를 구조 재료의 기판 가공용 커터에 브레이징하여 시료를 마련하고, 이를 동일한 시간 동안 동일한 조건 하에서 절삭하였다. 시료 번호 H의 경우에, 공구 측면의 마모가 현저하게 진행됨에 따라 절삭 저항이 증가되기 때문에 작업편에 크랙이 발생하였다. 한편, 시료 번호 4의 경우에 공구의 측면 마모 폭은 시료 번호 H의 측면 마모 폭보다 작았으며, 작업편에 크랙이 생기지 않았다.

본 발명에 따른 다결정 다이아몬드 소결체는 종래 기술의 다이아몬드 소결체에 비해 크게 개선되어 우수한 내열성, 내용착성 및 절곡 강도를 갖게 된다. 또한, 다결정 다이아몬드 소결체는 종래 기술의 다이아몬드 소결체와 유사한 비용으로 제조될 수 있기 때문에 산업 발달에 크게 기여할 수 있다.

Claims

초고압 및 고온 하에서 소결되어 공구 모재에 브레이징된 다이아몬드 소결체를 포함하며, 여기서 절삭 에지 인접부는 서로 결합된 다이아몬드 입자로 이루어진 85 내지 99 체적 퍼센트의 다이아몬드 소결체 재료와 잔부인 기공으로 구성되고 절삭 에지부 이외의 다른 부분은 다이아몬드 입자와 잔부인 브레이징 재료로 구성된, 다결정 다이아몬드 공구.
제1항에 있어서, 다이아몬드 입자가 0.1 내지 50 ㎛의 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 다결정 다이아몬드 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 다이아몬드 소결체 재료가 적어도 0.1 mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 다결정 다이아몬드 공구.
제1항 내지 제3항중 한 항에 있어서, 서로 결합된 다이아몬드 입자 및 잔부 기공으로 이루어진 절삭 에지 인접부가 두께 방향에서 다이아몬드 소결체 재료의 두께의 0.1 내지 99 %의 폭을 갖고, 측방향에서 에지의 단부와 브레이징 재료층 사이의 최단 거리의 0.5 내지 100 %의 폭을 갖는 구역을 차지하는 것을 특징으로 하는 다결정 다이아몬드 공구.
제1항 내지 제4항중 한 항에 있어서, 다이아몬드 소결체와 공구 모재를 결합하기 위한 브레이징 재료가 0.5 내지 20 중량 퍼센트의 Ti 및 Zr중 적어도 하나와, 잔부로서 Cu 및 Ag중 적어도 하나 및 부득이한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 다결정 다이아몬드 공구.
제1항 내지 제4항중 한 항에 있어서, 브레이징 재료는 20 내지 30 중량 퍼센트의 Ti, 20 내지 30 중량 퍼센트의 Zr, 잔부의 Cu 및 부득이한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 다결정 다이아몬드 공구.