KR100853060B1 - 다이아몬드를 포함하는 연마 제품을 생산하는 방법 - Google Patents
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Abstract
연마 제품을 생산하는 방법은 카바이드 입자 덩어리와, 연마 제품의 다이아몬드 함유량이 25 중량% 이하인 양으로 혼합물에 존재하는 다이아몬드 입자 덩어리의 혼합물을 제공하는 단계와, 연마 제품을 생산하기 위해 혼합물을 밀착된 소결 제품으로 결합시킬 수 있는 금속이나 합금이 존재하는 상태에서, 다이아몬드가 결정학적으로 안정하고 실제로 흑연이 형성되지 않는 상승된 온도 및 압력 조건을 혼합물에 인가하는 단계를 포함한다. 결합 금속 또는 합금은 전이 금속 또는 전이 금속 합금과, 상기 결합 금속 또는 합금의 40 체적%까지의 양을 포함하는 제2 금속 또는 제2 금속의 합금으로서, 상기 제2 금속은 전이 금속이나 전이 금속 합금보다 더 강한 카바이드 형성자인, 상기 제2 금속 또는 제2 금속의 합금의 조합이다.
연마 제품, 전이 금속, 카바이드, 다이아몬드, 결합 금속
Description
본 발명은 다이아몬드와 초경합금을 포함하는 연마 제품을 생산하는 방법에 관한 것이다.
초경합금은 연마 재료 및 내마모성 재료와 같은 다양한 이용을 위한 산업에서 광범위하게 사용된다. 초경합금들은 일반적으로 코발트, 철 또는 니켈, 또는 이들의 합금과 같은 결합 금속에 의해 함께 결합되는 텅스텐 카바이드, 탄탈 카바이드 또는 티타늄 카바이드와 같은 적절한 카바이드 입자를 포함한다. 일반적으로, 초경합금의 금속 함유량은 약 3 내지 35 중량%이다. 이들은 1400℃의 온도에서 결합 금속과 카바이드 입자를 소결시켜 생산된다.
다른 태양에 있어서, 초경 연마재 및 내마모성 제품이 발견된다. 다이아몬드 및 입방정 질화 붕소 밀집체(compact)는 다이아몬드 또는 입방정 질화 붕소 입자의 다결정질 덩어리이며, 결합은 초경 성분, 즉 다이아몬드 또는 입방정 질화 붕소가 결정학적으로 안정한 상승된 온도와 압력의 조건 하에서 생성된다. 다결정질 다이아몬드(PCD)와 다결정질 입방정 질화 붕소(PCBN)는 제2 상 또는 결합 매트릭스와 상관없이 생성될 수 있다. 다이아몬드의 경우, 제2 상이 제공되면, 제2 상은 코발트와 같은 촉매/용매일 수 있다거나, 또는 실리콘과 같은 카바이드 형성 요소일 수 있다. 유사하게, 소결 기구는 다양한 카바이드를 갖는 PCBN 조합에 사용되며, 질화물과 붕소는 공통적으로 제2 상이다.
PCD와 PCBN은 초경합금보다 훨씬 높은 내마모성을 가지고 있지만, 약간 취성인 경향이 있다. 취성은 미세한 마무리 작업이 요구되는 경우에 문제를 발생시킬 수 있는 작업면의 모서리 조각을 유발할 수 있다. 또한, PCD 및 PCBN과 같은 초경 제품은 일반적으로 금속성 지지체 상에 직접 납땜되지 않을 수 있다. 따라서, 이들은 종종 초경합금 기판과 함께 소결된다. 이러한 초경 제품의 두 층 특질(bi-layered nature)은 두 재료 사이의 열 기계적 응력에 대한 문제를 일으킬 수 있다. 기판과 초경 제품이 너무 다른 경우, 상이한 열팽창 계수로 인한 가열 및 냉각시의 상이한 팽창 및 축소와 탄성 모듈은 크랙 형성 또는 바람직하지 못한 잔류 응력을 야기할 수도 있다. 이와 같은 두 층 재료의 다른 잠재적 문제점은 언더컷, 즉 덜 내마모성 카바이드 지지체의 우선적인 마모다. 또한, 초경 제품의 기계 가공은 어렵고 고비용이고, 카바이드 제품은 비교적 용이하게 최종 형상으로 연마될 수 있다.
이들 문제의 몇몇을 해결하기 위한 노력들이 있어왔다.
미국 특허 제4,525,178호는 개별적인 다이아몬드 결정과 미리 경화된 카바이드의 혼합물을 포함하는 복합재를 개시한다. 혼합물은 복합재 다결정 다이아몬드 몸체를 생성하기 위해 다이아몬드 안정 구역 내에서 상승된 온도와 압력 조건이 가해진다. 혼합물은 미리 경화된 카바이드를 사용하며 불연속 카바이드 입자는 사용하지 않는다.
삭제
미국 특허 제5,045,092호는 매설된 다이아몬드 입자들로 경화된 텅스텐 카바이드 제품을 형성하는 방법을 개시한다. 이 방법에서, 매설된 다이아몬드와 입자들은 그 자리에서 생산된다.
유럽 특허 제0,256,829호는 입방정 질화 붕소 입자를 중량의 20%까지 함유하도록 변형된 초경합금을 개시한다. 이 초경합금은 양호하게는 입방정 질화 붕소에 대한 손상이 최소화되도록 입방정 질화 붕소 조합 상태 하에서 생산된다.
유럽 특허 제0,583,916호는 다이아몬드 및 불연속 카바이드 입자의 혼합물을 제공하는 단계와, 혼합물을 단단한 덩어리로 혼합물을 결합시킬 수 있는 바인더 금속인 상태로, 다이아몬드가 결정학적으로 안정된 상승된 온도 및 압력 조건을 인가하는 단계를 포함하는 연마 제품을 생산하는 방법을 개시하는데, 다이아몬드 입자는 카바이드 입자보다 작고 혼합물 내에서 50 체적% 이상을 차지한다.
본 발명에 따르면,
(1) 카바이드 입자 덩어리와, 연마 제품의 다이아몬드 함유량이 25 중량% 이하인 양으로 혼합물에 존재하는 다이아몬드 입자 덩어리의 혼합물을 제공하는 단계와,
(2) 연마 제품을 생산하기 위해 혼합물을 밀착된 소결 제품으로 결합시킬 수 있는 결합 금속 또는 합금이 존재하는 상태에서, 다이아몬드가 결정학적으로 안정하고 실제로 흑연이 형성되지 않는 상승된 온도 및 압력 조건을 혼합물에 인가하는 단계를 포함하는 연마 제품 생산 방법이 제공된다.
결합 금속 또는 합금은 양호하게는 전이 금속 또는 전이 금속 합금, 더 상세하게는 코발트, 철 또는 니켈, 또는 이들의 합금이다.
결합 금속 또는 합금은
(a) 전이 금속 또는 전이 금속 합금, 더 상세하게는 코발트, 철 또는 니켈, 또는 이들의 합금과,
(b) 상기 결합 금속 또는 합금의 40 체적%까지의 양을 포함하는 제2 금속 또는 제2 금속의 합금으로서, 상기 제2 금속은 전이 금속이나 전이 금속 합금보다 더 강한 카바이드 형성자인, 상기 제2 금속 또는 제2 금속의 합금
의 조합을 포함한다.
의 조합을 포함한다.
양호하게는, 제2 금속은 실리콘, 티타늄, 지르코늄, 몰리브덴, 니오븀, 텅스텐, 바나듐, 하프늄, 탄탈, 크롬, 망간, 붕소, 베릴륨, 세륨, 토륨 및 루테늄을 포함하는 그룹으로부터 선택된다.
양호하게는, 결합 금속 또는 합금은 금속(a)을 60 체적% 내지 99.5 체적% 포함하고, 금속(b)을 0.5 체적% 내지 40 체적% 포함한다.
금속(a)은 양호하게는 분말 형태로 제공되지만, 최종적으로 금속을 분산시키도록 연속적으로 열 분해되는 소금 선구체 또는 유기질 선구체의 형태로도 제공될 수 있다.
금속(b)은 양호하게는 분말 형태로 제공되지만, 소금 선구체 또는 유기질 선구체의 형태로도 제공될 수 있다. 또한, 금속(b)은 비화학양론적 카바이드, 질화물 또는 붕화물의 형태나, 또는 금속(b)이 금속(a)을 통해 이동될 수 있도록 금속(a)에 충분히 용해 가능한 화학양론적 카바이드, 질화물 또는 붕화물의 형태로 제공된다.
금속(a) 및 금속(b)은 금속(a)과 금속(b)의 합금 형태로 제공될 수도 있다.
결합 금속 또는 합금, 예를 들어 금속(a)과 금속(b)은 카바이드 입자와 혼합될 수 있고 다이아몬드 입자와 혼합될 수도 있고, 그 후에 혼합물은 이와 같이 소결될 수 있거나, 또는 혼합물은 소결 전에 약하지만 밀착성인 몸체를 생성하도록 우선 냉각 압축될 수 있다.
다르게는, 결합 금속 또는 합금은 고온/고압 처리 단계 중 침투될 수 있으며, 다이아몬드 카바이드 인접한 분리 층의 형태로 공급될 수 있다.
다이아몬드 입자는 양호하게는 연마 제품의 다이아몬드 함유량이 10 중량% 내지 18 중량%의 양으로 혼합물에 존재한다.
다이아몬드 입자는 미세하거나 또는 거칠 수 있다. 다이아몬드 입자는 양호하게는 0.2 ㎛ 내지 70 ㎛ 범위의 입자 크기를 가지며, 양호하게는 20 ㎛, 더 양호하게는 10 ㎛ 미만의 입자 크기를 갖는다.
결합 금속 또는 합금은 양호하게는 연마 제품의 2 중량% 내지 20 중량%의 양으로 사용되고, 더 양호하게는 연마 제품의 5 중량% 내지 20 중량%의 양으로 사용되고, 특히 양호하게는 연마 제품의 15 중량% 미만의 양으로 사용된다.
카바이드 입자들은 종래의 초경합금의 제조시 사용되는 임의의 카바이드 입자들일 수 있다. 적절한 카바이드의 예들은 텅스텐 카바이드, 탄탈 카바이드, 티타늄 카바이드 및 이들 중 두 개 이상의 입자들의 혼합물이다.
카바이드 입자들은 양호하게는 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛ 범위의 입자 크기를 갖는다.
카바이드 및 다이아몬드 입자들과 결합 금속 또는 합금의 혼합물의 소결은 양호하게는 1300℃ 내지 1600℃의 범위의 온도와, 4079 내지 7138 kgf/cm2 (40 내지 70 kbar)의 압력에서 발생한다.
이 단계는 양호하게는 제어된 비산화 조건 하에서 수행된다.
카바이드 및 다이아몬드 입자와 결합 금속 또는 합금의 혼합물의 소결은 종래의 고온/고압 장치에서 수행될 수 있다. 혼합물은 이러한 장치의 반응 캡슐 내로 직접 적재될 수 있다. 다르게는, 혼합물은 카바이드 지지체 내에 형성된 리세스 또는 초경합금 지지체 상에 위치되거나 캡슐 내에 이 형태로 적재될 수 있다.
본 발명의 양호한 방법에서, 카바이드 입자들, 다이아몬드 입자들 및 결합 금속 또는 합금은 예를 들어 진공에서 가열되어 소결 단계 이전에 제거되는 휘발성 물질을 갖는다. 그 후, 이 성분들은 양호하게는 예를 들어 소결 단계 이전에 전자 비임 용접에 의해 진공 밀봉된다. 진공은 예를 들어 10 kgf/m2 (1 mbar) 또는 그 이하일 수 있으며, 가열은 500℃ 내지 1200℃ 범위의 온도일 수 있다.
본 발명의 방법에 의해 생산된 연마 제품은 연마 재료를 위한 연마 제품 또는 특히 초경합금 지지체에 결합된 연마 접촉부를 구성하는 공구 부품 또는 삽입체 내에서 내마모성 재료로 사용될 수도 있다. 일반적인 적용은 나무 및 건설 재료의 절단과 다양한 비철금속의 작업편의 기계 가공을 포함한다.
본 발명의 요점은 각각의 카바이드 입자의 덩어리와 다이아몬드 입자의 덩어리의 혼합물을 제공하여, 혼합물을 밀착된 소결 제품으로 결합시킬 수 있는 금속이나 합금이 존재하는 상태에서 혼합물을 다이아몬드가 결정학적으로 안정하고 실제로 흑연이 형성되지 않는 상승된 온도 및 압력 조건을 혼합물에 인가하여 연마 제품을 생산하는 방법이다. 다이아몬드 입자는 연마 제품의 다이아몬드 함유량이 25 중량% 이하이고, 바람직하게는 10 중량% 내지 18 중량% 범위의 양으로 혼합물에 존재한다.
실제로, 생산된 연마 제품은 다이아몬드 입자를 추가하여 변형된 초경합금이다. 이러한 입자를 추가하는 것은 초경합금의 연마 특성과 마모 저항 특성을 더욱 우수하게 한다.
생산된 연마 제품은 대체로 흑연이 없어야 한다. 상당한 양의 흑연은 제품의 마모 저항 특성을 감소시킨다. 제품을 생산하는 중에 이를 달성하는 조건을 선택하는 것이 중요하다.
소결 단계는 결합 금속 또는 합금의 존재 하에 수행되며, 상기 결합 금속 또는 합금은 바람직하게는
(a) 전이 금속 또는 전이 금속 합금과,
(b) 상기 결합 금속 또는 합금의 40 체적%까지의 양을 포함하는 제2 금속 또는 제2 금속의 합금으로서, 상기 제2 금속은 전이 금속이나 전이 금속 합금보다 더 강한 카바이드 형성자인, 상기 제2 금속 또는 제2 금속의 합금
의 조합을 포함한다.
(a) 전이 금속 또는 전이 금속 합금과,
(b) 상기 결합 금속 또는 합금의 40 체적%까지의 양을 포함하는 제2 금속 또는 제2 금속의 합금으로서, 상기 제2 금속은 전이 금속이나 전이 금속 합금보다 더 강한 카바이드 형성자인, 상기 제2 금속 또는 제2 금속의 합금
의 조합을 포함한다.
카바이드 형성 금속이 다이아몬드 입자와 반응하는 경향이 있기 때문에, 그러한 금속의 양이 많으면 다이아몬드 상을 과도하게 손실시킬 수 있으며, 바람직하지 않은 깨지기 쉬운 상을 형성하는 비율이 높아진다. 따라서, 금속(b)은 결합 금속 또는 합금, 즉 전체 금속 함유량의 40 체적%까지의 양으로 사용되고 이는 높은 마모 저항 제품을 달성하기에 충분하다는 것이 판명되었다.
금속(b)의 존재는 다이아몬드 입자가 카바이드 매트릭스에 결합하는 것을 개선시켜서 생산된 연마 제품의 특성을 향상시킨다.
본 발명은 이하의 예를 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이다.
예 1
모든 크기 범위가 1 내지 2 미크론인 다이아몬드 14.9 중량%, 텅스텐 카바이드 75.7 중량%, 코발트 9.4 중량%의 파우더 혼합물을 금속의 균등한 혼합물을 만들기 위해 유성 볼 압연기에서 완전하게 섞는다. 혼합물을 밀착된 팰릿을 형성하도록 단축으로 밀집화한다. 그 후에, 팰릿은 금속 캐니스터 내에 적재되고, 1100℃의 진공 상태 하에서 기체가 배기되어 전자 비임 용접에 의해 밀봉된다. 밀봉된 용기는 표준 고압/고온 장치의 반응 캡슐 내에 적재되고, 적재된 캡슐은 장치의 반응 중심에 위치된다. 캡슐의 내용물은 약 1450℃의 온도와 51 kgf/cm2 (50 kbar)의 압력에 노출된다. 이러한 상태는 10분 동안 유지된다. 양호하게 소결 처리가 완료된 후에, 단단한 마모 저항 재료가 캐니스터로부터 회수된다.
재료의 연마 저항은 에폭시 수지로 충진된 실리카 분말이 이하의 조건으로 가공되는 회전 시험을 사용하여 실험되었다.
샘플 형태: 3.2 mm 두께의 90°사분원
공구 홀더: 중립
레이트각(rate angle): 0°
여유각: 6°
절삭 속도: 10 m/min
절삭 깊이: 1.0 mm
공급 속도: 0.3 mm/rev
시험 지속 시간: 60 s
주어진 조건 하에서 재료는 0.21 mm의 최대 플랭크 마모 폭을 나타냈다.
예 2
이러한 경우에 Cr3C2인 더욱 "활성화된" 카바이드 형성 금속의 유리함을 평가하기 위해, 예 1의 방법을 사용하여 이하의 혼합물이 준비되었다.
다이아몬드 14.9 중량%
텅스텐 카바이드 75.7 중량%
코발트 8.5 중량%
크롬 카바이드(Cr3C2) 0.9 중량%
예 1과 동일한 회전 시험을 사용하여, 재료는 0.11 mm의 최대 플랭크 마모 폭을 나타냈다.
예 3
카바이드 형성 금속으로서의 크롬의 유리함을 평가하기 위해 다른 샘플이 준 비되었다. 이러한 경우에 카바이드가 아니라 금속으로 주입하였다.
다이아몬드 14.9 중량%
텅스텐 카바이드 76.0 중량%
코발트 5.7 중량%
니켈 2.3 중량%
크롬 1.1 중량%
예 1과 동일한 회전 시험을 사용하여, 재료는 0.09 mm의 최대 플랭크 마모 폭을 나타냈다.
Claims (19)
- (1) 각각의 카바이드 입자 덩어리와, 연마 제품의 다이아몬드 함유량이 25 중량% 이하인 양으로 혼합물에 존재하는 다이아몬드 입자 덩어리의 혼합물을 제공하는 단계와,(2) 연마 제품을 생산하기 위해 혼합물을 밀착된 소결 제품으로 결합시킬 수 있는 결합 금속 또는 합금이 존재하는 상태에서, 다이아몬드가 결정학적으로 안정하고 실제로 흑연이 형성되지 않는 상승된 온도 및 압력 조건을 혼합물에 인가하는 단계를 포함하며,상기 결합 금속 또는 합금은(a) 전이 금속 또는 전이 금속 합금과,(b) 상기 결합 금속 또는 합금의 40 체적%까지의 양을 포함하는 제2 금속 또는 제2 금속의 합금으로서, 상기 제2 금속은 전이 금속이나 전이 금속 합금보다 더 강한 카바이드 형성자인, 상기 제2 금속 또는 제2 금속의 합금의 조합을 포함하는 연마 제품 생산 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 전이 금속은 코발트, 철 및 니켈을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 연마 제품 생산 방법.
- 제1항에 있어서, 제2 금속은 실리콘, 티타늄, 지르코늄, 몰리브덴, 니오븀, 텅스텐, 바나듐, 하프늄, 탄탈, 크롬, 망간, 붕소, 베릴륨, 세륨, 토륨 및 루테늄을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 연마 제품 생산 방법.
- 제1항 또는 제5항에 있어서, 결합 금속 또는 합금은 금속(a)을 60 체적% 내지 99.5 체적% 포함하고, 금속(b)을 0.5 체적% 내지 40 체적% 포함하는 연마 제품 생산 방법.
- 제1항 또는 제5항에 있어서, 금속(a)은 분말 형태, 또는 최종적으로 금속을 분산시키도록 연속적으로 열 분해된 소금 선구체 또는 유기질 선구체의 형태 중 하나의 형태로 제공되는 연마 제품 생산 방법.
- 제1항 또는 제5항에 있어서, 금속(b)은 분말 형태, 또는 소금 선구체 또는 유기질 선구체의 형태, 또는 비화학양론적 카바이드, 질화물 또는 붕화물의 형태, 또는 금속(a)에 충분히 용해 가능한 화학양론적 카바이드, 질화물 또는 붕화물의 형태 중 하나의 형태로 제공되는 연마 제품 생산 방법.
- 제1항 또는 제5항에 있어서, 금속(a) 및 금속(b)은 금속(a)과 금속(b)의 합금 형태로 제공되는 연마 제품 생산 방법.
- 제1항 또는 제5항에 있어서, 단계(1)에서 결합 금속 또는 합금은 카바이드 입자와, 그리고 다이아몬드 입자와 혼합되고, 단계(2)에서 상승된 온도 및 압력 조건을 혼합물에 인가하는 연마 제품 생산 방법.
- 제1항 또는 제5항에 있어서, 단계(1)에서 결합 금속 또는 합금은 카바이드 입자와, 그리고 다이아몬드 입자와 혼합되고, 그 후에 혼합물은 밀착성 약한 몸체를 생성하도록 냉각 압축되고, 단계(2)에서 상승된 온도와 압력 조건을 밀착성 약한 몸체에 인가하는 연마 제품 생산 방법.
- 제1항 또는 제5항에 있어서, 단계(1)에서 결합 금속 또는 합금은 카바이드 입자 덩어리와 다이아몬드 입자 덩어리의 혼합물에 인접하여 분리된 층의 형태로 공급되고, 단계(2)에서 결합 금속 또는 합금은 상승된 온도와 압력 조건을 혼합물에 인가할 때 침투되는 연마 제품 생산 방법.
- 제1항 또는 제5항에 있어서, 다이아몬드 입자는 연마 제품의 다이아몬드 함유량이 10 중량% 내지 18 중량%의 양으로 혼합물에 존재하는 연마 제품 생산 방법.
- 제1항 또는 제5항에 있어서, 다이아몬드 입자는 0.2 ㎛ 내지 70 ㎛ 범위의 입자 크기를 갖는 연마 제품 생산 방법.
- 제1항 또는 제5항에 있어서, 결합 금속 또는 합금은 연마 제품의 2 중량% 내지 20 중량%의 양으로 사용되는 연마 제품 생산 방법.
- 제1항 또는 제5항에 있어서, 카바이드 입자는 텅스텐 카바이드 입자, 탄탈 카바이드 입자, 티타늄 카바이드 입자 및 두 개 이상의 입자들의 혼합물로부터 선택되는 연마 제품 생산 방법.
- 제1항 또는 제5항에 있어서, 카바이드 입자는 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛ 범위의 입자 크기를 갖는 연마 제품 생산 방법.
- 제1항 또는 제5항에 있어서, 단계(2)에서, 상승된 온도와 압력 조건은 1300 ℃ 내지 1600 ℃의 범위의 온도와, 4079 내지 7138 kgf/cm2 (40 내지 70 kbar)의 압력인 연마 제품 생산 방법.
- 제1항 또는 제5항에 있어서, 단계(2)는 제어된 비산화 조건 하에서 수행되는 연마 제품 생산 방법.
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