KR101444623B1

KR101444623B1 - 다이아몬드 공구

Info

Publication number: KR101444623B1
Application number: KR1020137000007A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 제임스 트위첸; 사라 루이스 거헤건; 닐 퍼킨스; 제프리 앨런 스카스브룩
Original assignee: 엘리멘트 식스 리미티드
Priority date: 2010-06-03
Filing date: 2011-06-01
Publication date: 2014-09-26
Also published as: GB2481283A; GB2481285B; CN103038165A; GB201109204D0; CN103038164A; WO2011151416A3; JP5554449B2; KR20130041884A; GB2481283B; CN102939261A; WO2011151414A3; JP2013534869A; US8884251B2; CN103038165B; JP2015134718A; KR20130031316A; JP2013527042A; EP2576442A2; CN103038164B; EP2576441A2

Abstract

다이아몬드 물질을 선택하고; 다이아몬드 물질을 조사하여 다이아몬드 물질의 인성 및/또는 내마모성을 증가시키고; 다이아몬드 물질을 하나 이상의 다이아몬드 공구 피스(piece)로 가공함을 포함하는 방법으로서, 이 때 상기 다이아몬드 물질이, 1 내지 600ppm의 단리된 질소의 총 당량 농도를 갖는 HPHT 다이아몬드 물질, 0.005 내지 100ppm의 단리된 질소의 총 당량 농도를 갖는 CVD 다이아몬드 물질, 및 1 내지 2000ppm의 총 질소 농도를 갖는 천연 다이아몬드 물질로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 조사가, 다이아몬드 물질에 복수개의 단리된 공격자점(空格子點; vacancy) 점 결함(point defect)을 제공하도록 조사 에너지 및 조사량을 제어함을 포함하고, 상기 단리된 공격자점 점 결함이 1×10¹⁴ 내지 1×10²¹개의 공격자점/cm³의 농도를 갖는, 방법.

Description

다이아몬드 공구{DIAMOND TOOLS}

본 발명은 다이아몬드 공구 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

임의의 용도에서, 사용자는 공구 물질을 선택할 때 다수의 인자를 고려해야 한다. 이러한 인자는 비용; 인성; 마모율/경도; 절단 가장자리 같은 목적하는 작업 표면을 가공하는 능력; 유용한 수명; 및 가공되어야 하는 물질과의 화학적 효과에 대한 비활성을 포함한다.

이상적인 공구 물질은 경질인 동시에 인성이 있는 것이다. 마모 및 인열 용도에 사용되는 물질의 이들 두 특성은 흔히 두 수직 축 상에서 주어진다. 매우 간단하게, 마모는 단위 작동당 제거되는 물질의 양의 척도이다. 인성은 균열 전파에 대한 물질의 저항성의 척도이다.

더욱 경질이고 더욱 인성이 있으며 더욱 강하고 더욱 내마모성인 물질을 제공하고자 하는 열망이 지속되고 있다. 또한, 비용 효율 및 개선된 성능에 덧붙여 더욱 신속하고 더욱 정밀하며 보다 깨끗한 제조 방법을 제공하고자 하는 요구도 지속되고 있다. 본 발명의 특정 실시양태의 목적은 이들 요구중 몇몇을 적어도 부분적으로 해결하는 것이다.

다이아몬드 물질은 다수의 우수한 성능의 절단, 천공, 연마 및 광택 공구에 선택되는 물질이다. 다이아몬드 물질은 다양한 금속, 석재 및 목재 가공 산업을 비롯한 광범위한 산업에 걸쳐 공구에 대한 해결책에 사용된다. 예로는 항공기 및 자동차 제조, 가구 생산, 채석, 건축, 채광 및 터널 건설, 광석 가공, 및 오일 및 가스 산업이 있다.

다이아몬드의 경도 특성은 마모성 면에서 이를 최종적인 물질로 만든다. 그러나, 다이아몬드는 공구의 작업 온도에서 응력하에 가소성으로 변형되는 능력이 제한되어 강 같은 훨씬 더 큰 인성을 갖는 물질에 비해 더욱 빠른 균열 전파를 야기한다.

다이아몬드의 내구성을 개선하고자 하는 기존의 시도는 다이아몬드 물질을 제조하는 방법 또는 다이아몬드 물질을 제조한 후 다이아몬드 물질을 처리하는 방법을 채택함을 포함하였다. 예를 들어, WO 01/79583 호는 다이아몬드-형 공구의 내구성을 개선시켜 충격 강도 및 파쇄 인성을 증가시키는 방법을 교시한다. 이 방법은 다이아몬드-형 공구의 표면에 이온을 주입함을 포함한다. 이온 주입은 물질의 이온을 다른 고체에 주입함으로써 고체의 물리적 특성을 변화시키는 물질 가공 공정이다. 전형적인 상황 하에서는 이온을 10nm 내지 1㎛의 깊이까지 주입한다. WO 01/79583 호는 0.02㎛ 내지 0.2㎛의 깊이까지 다이아몬드 표면을 침투하는 이온 주입을 교시한다. 바람직한 이온은 크롬, 니켈, 루테늄, 탄탈, 티탄 및 이트륨을 포함한다.

US 4184079 호 및 GB 1588445 호는 또한 다이아몬드 표면을 침투하기에 충분한 에너지의 이온으로 다이아몬드에 충격을 가함으로써 다이아몬드를 강인화시키는 방법을 교시한다. 탄소, 질소 및 수소 이온을 비롯한 다양한 이온이 제안된다. 이온이 다이아몬드 결정 격자 내에서 변위 망상조직을 형성함으로써 다이아몬드의 미소 분열을 억제하는 것으로 기재되어 있다. 또한, 다이아몬드 결정의 표면 상에 경질 외피를 형성시키기 위하여 변위가 다이아몬드 결정의 표면 아래 10nm 내지 1㎛의 깊이까지로 제한될 수 있는 것으로 기재되어 있다. 이온 조사량은 1cm²당 10¹⁶ 내지 10¹⁸개의 이온으로 상당히 적어야 하고, 10keV 내지 10MeV, 더욱 바람직하게는 100keV 미만의 에너지를 가져서, 충격에 의해 주입된 이온이 다이아몬드 물질에 유해한 효과를 갖지 않도록 해야 하는 것으로 교시되어 있다. 온도가 결정 구조를 유지하기에 충분히 높게 유지되지 않는 한 다이아몬드의 이온 충격이 표면의 비정질화 및 연화를 야기하기 때문에, 이온 충격 동안 500℃ 이상의 온도를 사용할 것을 교시한다.

GB 1588418 호는 산업용 다이아몬드의 마모 특징을 개선하는 방법을 개시한다. 이 방법은 다이아몬드의 표면 내로 이온을 주입함을 포함한다. 탄소 및 질소 이온이 이 목적으로 제안된다.

US 4012300 호는 입자를 조사함으로써, 연마 입자, 구체적으로는 다이아몬드 및 입방정계 질화붕소 입자의 마손도(friability)를 변화시키는 방법을 개시한다. 양성자, 중성자 및 감마 선이 제안되며, 중성자가 바람직하다.

US 2006065187 호는 1050℃ 내지 1200℃에서 약 4% N₂/CH₄의 질소 대 메테인 비를 갖는 대기 중에서 성장한 후 어닐링된 인성이 있는 CVD 다이아몬드 물질을 개시한다.

US 2009110626 호는 저압, 고온 어닐링 공정에 의해 처리된 질소 함유 단결정 CVD 다이아몬드가 높은 인성을 가짐을 교시한다.

본 발명의 특정 실시양태의 목적은 다이아몬드 공구의 인성 및/또는 내마모성을 개선하는 것이다. 본 발명의 특정 실시양태의 다른 목적은 전술한 방법에 수반되는 문제점중 일부를 피하는 것이다.

본 발명의 한 양태에 따라, 다이아몬드 물질을 선택하고; 다이아몬드 물질을 조사하여 다이아몬드 물질의 인성 및/또는 내마모성을 증가시키고; 다이아몬드 물질을 하나 이상의 다이아몬드 공구 피스(piece)로 가공함을 포함하는 방법으로서, 이 때 상기 다이아몬드 물질이 1 내지 600ppm의 단리된 질소의 총 당량 농도를 갖는 HPHT 다이아몬드 물질, 0.005 내지 100ppm의 단리된 질소의 총 당량 농도를 갖는 CVD 다이아몬드 물질, 및 1 내지 2000ppm의 총 질소 농도를 갖는 천연 다이아몬드 물질로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 조사가 다이아몬드 물질에 복수개의 단리된 공격자점(空格子點; vacancy) 점 결함(point defect)을 제공하도록 조사 에너지 및 조사량을 제어함을 포함하고, 상기 단리된 공격자점 점 결함이 1×10¹⁴ 내지 1×10²¹개의 공격자점/cm³의 농도를 갖는 방법이 제공된다.

본 발명은 조사가 다이아몬드 물질의 인성 및/또는 내마모성을 증가시키는 메카니즘과 다이아몬드 결정 매트릭스 내의 질소가 인성 및/또는 내마모성을 증가시키는 메카니즘 사이에 상호작용이 있음을 제안한다. 이 메카니즘의 특징이 완전히 밝혀지지는 않았지만, 한 가지 가능성은 조사가 균열 정지점으로서 작용할 수 있는 결정 매트릭스 내의 공격자점 결함의 비교적 균일한 분포를 도입하고/하거나 조사가 균열 전파를 억제하고 인성을 증가시키도록 작용할 수 있는 다이아몬드 결정 매트릭스 내의 응력/변형 영역을 도입하는 것이다. 결정 매트릭스 내의 질소 불순물은 조사에 의해 도입되는 공격자점을 가두어 N-V-N 또는 N-V 중심을 생성시키는 기능을 할 수 있다. 제조 동안 및 사용시, 다이아몬드 공구 피스는 뜨거워진다. 이로써, 조사에 의해 도입되는 공격자점은 결정 매트릭스 내에서 이동성이 될 수 있다. 그러나, 결정 매트릭스 내의 공격자점의 비교적 균일한 분포를 제공하여 균열 정지점으로서 작용시키는 것이 바람직하다. 공격자점이 다이아몬드 결정 구조를 통해 이동하는 것을 방지하기에 적합한 농도의 질소가 결정 매트릭스 내에 존재하도록 보장함으로써, 조사에 의해 도입되는 공격자점의 비교적 고른 분포를 유지할 수 있다. 공격자점 점 결함은 중성(V⁰) 및 음전하 상태(V^-)일 수 있다. 총 공격자점 농도([V_T]=[V⁰]+[V^-])는 1×10¹⁴ 내지 1×10²²개의 공격자점/cm³; 1×10¹⁴ 내지 1×10²¹개의 공격자점/cm³; 1×10¹⁴ 내지 1×10²⁰개의 공격자점/cm³; 1×10¹⁵ 내지 1×10²¹개의 공격자점/cm³; 5×10¹⁵ 내지 1×10²⁰개의 공격자점/cm³; 1×10¹⁵ 내지 1×10¹⁹개의 공격자점/cm³; 1×10¹⁵ 내지 1×10¹⁸개의 공격자점/cm³; 1×10¹⁵ 내지 1×10¹⁷개의 공격자점/cm³; 1×10¹⁶ 내지 5×10¹⁹개의 공격자점/cm³; 또는 5×10¹⁶ 내지 1×10¹⁹개의 공격자점/cm³; 또는 1×10¹⁶ 내지 1×10¹⁷개의 공격자점/cm³일 수 있다.

상기에 덧붙여, CVD, HPHT 및 천연 다이아몬드가 예컨대 상이한 질소 분포를 갖는 구조적으로 상이한 물질임이 확인되었다. 천연 다이아몬드는 예를 들어 응집된 질소 결함을 갖는 경향이 있는 반면(유형 Ia), 합성 CVD 및 HPHT 다이아몬드 물질은 단리된 질소 결함을 갖는 경향이 있다(유형 Ib). 상이한 유형 및 질소 결함 분포를 갖는 물질은 조사된 후 상이한 행태를 나타낸다. 뿐만 아니라, 질소 함량은 CVD 다이아몬드 성장 같은 다른 특징에 영향을 끼칠 수 있다. 이로써, 조사에 의해 도입되는 공격자점 결함과 상호작용하기 위해 다이아몬드 물질에 존재해야 하는 질소의 최적량은 조사되는 다이아몬드 물질의 유형에 따라 달라진다.

상기에 비추어, 또한 본 발명에 따라, 조사된 물질의 경우, HPHT 다이아몬드 물질의 단리된 질소의 최적 농도가 1 내지 600ppm이고, CVD 다이아몬드 물질의 단리된 질소의 최적 농도가 0.005 내지 100ppm이며, 천연 다이아몬드 물질의 단리된 질소의 최적 농도가 1 내지 2000ppm인 것으로 제안된다. 이러한 물질을 이용하면, 조사 및 질소가 양립가능한 방식으로 작용하여 더 큰 인성을 갖고 더욱 내마모성인 물질을 제공한다.

HPHT 다이아몬드 물질은 10 내지 300ppm, 10 내지 200ppm, 50 내지 250ppm, 100 내지 200ppm, 10 내지 100ppm 또는 10 내지 50ppm의 단리된 질소의 총 당량 농도를 가질 수 있다.

CVD 다이아몬드 물질은 0.01 내지 50ppm, 0.05 내지 20ppm, 0.08 내지 5ppm 또는 0.1 내지 2ppm의 단리된 질소의 총 당량 농도를 가질 수 있다.

천연 다이아몬드 물질은 200 내지 2000ppm, 500 내지 1500ppm, 800 내지 1300ppm, 또는 1000 내지 1200ppm의 총 질소 농도를 가질 수 있다.

상기 논의된 질소 농도가 다이아몬드 물질의 대부분의 부피에 걸친 평균 농도로서 측정됨에 주의해야 한다. 대부분의 부피는 다이아몬드 물질의 전체 부피의 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상, 80% 이상 또는 90% 이상일 수 있다. 이는 상이한 다이아몬드 성장 구역이 상이한 질소 흡수 속도를 가져서 농도 변이를 야기한다는 사실을 설명하는 것이다.

당 업자에게 공지되어 있는 기법에 의해 다이아몬드 물질의 단리된 질소의 총 당량 농도를 측정할 수 있다. 예를 들어, FTIR 스펙트럼의 한 포논(phonon) 부위의 흡수 스펙트럼을 전개함으로써 농도를 계산할 수 있다. 2차 이온 질량 분석법(SIMS)을 이용하여, 응집된 질소를 비롯한 질소의 총 농도를 결정할 수 있다.

조사는 전자, 중성자, X-선, 감마 선, 양성자 또는 알파 입자를 포함할 수 있다.

조사는 균열 정지점(crack stop)으로서 작용할 수 있는 다이아몬드 물질의 단리된 공격자점 또는 비교적 작은 클러스터(cluster) 결함을 발생시키기에 충분한 에너지를 가져야 한다. 조사선의 에너지가 비교적 높거나 또는 조사선이 비교적 중질인 입자를 포함하는 경우에는, 격자 부위의 다른 탄소 원자에 충돌하기에 충분한 에너지로 탄소 원자가 그의 격자 부위로부터 떨어져나가 연쇄 손상(cascade damage)으로 공지되어 있는 현상을 야기한다. 이는 균열 전파를 억제하고 인성을 증가시키도록 작용할 수 있는 다이아몬드 결정 매트릭스 내의 결함의 클러스터 또는 응력/변형 영역을 생성시킨다. 작은 클러스터 결함은 허용될 수 있다. 그러나, 조사선의 에너지가 너무 높으면, 연쇄 손상이 너무 광범위해지고, 인성 및/또는 내마모성이 감소된다. 또한, 조사선의 에너지가 너무 낮으면, 조사선이 다이아몬드 물질의 전체(bulk) 처리를 제공하기에 충분히 다이아몬드 물질 내로 침투하지 못한다.

상기에 비추어, 개별적인 클러스터의 크기가 너무 커지지 않으면서 비교적 고르게 이격된 공격자점 또는 작은 클러스터 결함을 다수 생성시키기 위하여 다이아몬드 물질을 조사하는 것이 유리하다. 클러스터 결함이 생성되면, 이들은 바람직하게는 길이 면에서 원자 50개 이하, 20개 이하, 10개 이하 또는 5개 이하의 최대 길이를 가져야 한다. 투과 전자 현미경법(TEM) 또는 양전자 상쇄 기법을 이용하여 클러스터 결함의 크기를 측정할 수 있다.

조사선의 에너지는 조사선의 유형 및 조사선과 조사선이 다이아몬드 결정 매트릭스 내에서 충돌하는 탄소 원자 사이의 에너지 전달 메카니즘에 따라 달라진다. 조사선의 조사량은 또한 조사선의 유형 및 조사선의 입자당 생성되는 공격자점의 수에 따라 달라진다.

반복적인 공정을 이용하여 최적 공격자점 결함 수준을 찾을 수 있다. 다이아몬드 물질을 조사하고 시험한 다음 재조사하는 등으로 특정 유형의 공구 피스 및 공구 용도에 있어서 특정 다이아몬드 물질의 최적 결함 수준을 찾아낼 수 있다.

특정 실시양태에 따라, 조사는 바람직하게는 다이아몬드 물질의 색상을 변화시키는 에너지 및 조사량율 이상이다. 또한, 조사를 다이아몬드 물질의 비정질화를 야기하는 에너지 및 조사량율 미만으로 유지하는 것이 유리하다. 비정질화는 다이아몬드 물질의 기계적 특성에 유해한 효과를 갖는다. 일반적으로, 조사가 더 길수록 더 많은 공격자점 결함이 도입된다. 그러나, 공격자점 혼입 비율은 출발 물질의 특성에 따라 달라질 수 있다.

전자의 경우, 조사는 30keV 이상; 0.1MeV 내지 12MeV; 0.5MeV 내지 10MeV; 1MeV 내지 8MeV; 또는 4MeV 내지 6MeV의 에너지를 가질 수 있다. 전자 조사의 조사량은 1×10¹⁵e^-/cm² 이상; 1×10¹⁶e^-/cm² 내지 1×10¹⁹e^-/cm²; 1×10¹⁷e^-/cm² 내지 1×10¹⁹e^-/cm²; 또는 2×10¹⁸e^-/cm² 내지 1×10¹⁹e^-/cm²일 수 있다.

중성자의 경우, 조사는 1.0keV 내지 12MeV; 1.0keV 내지 10MeV; 100keV 내지8MeV; 100keV 내지 6MeV; 또는 500keV 내지 4MeV의 에너지를 가질 수 있다. 중성자는 넓은 에너지 범위에 걸쳐 분포되는 경향이 있다. 따라서, 중성자의 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상 또는 80% 이상이 전술한 범위중 하나에 속한다. 중성자 조사의 조사량은 1×10¹⁴중성자/cm² 이상; 1×10¹⁴중성자/cm² 내지 1×10¹⁸중성자/cm²; 1×10¹⁵중성자/cm² 내지 5×10¹⁷중성자/cm²; 또는 1×10¹⁵중성자/cm² 내지 1×10¹⁷중성자/cm²일 수 있다.

감마 선의 경우, 조사는 0.1 내지 12MeV; 0.2 내지 10MeV; 또는 0.3 내지8MeV의 에너지를 가질 수 있다. 감마 선 조사의 조사량은 5×10¹⁶γ-선/cm² 이상; 1×10¹⁷ 내지 5×10²¹γ-선/cm²; 또는 5×10¹⁷ 내지 1×10²¹γ-선/cm²일 수 있다.

본 발명의 특정 실시양태에 따라 조사하는 동안, 다이아몬드 물질의 온도를 비교적 낮게 유지한다. 예를 들어, 온도는 500℃ 이하; 400℃ 이하; 300℃ 이하; 200℃ 이하; 100℃ 이하; 또는 50℃ 이하일 수 있다. 온도를 낮게 유지하기 위하여, 다이아몬드 물질을 조사 동안 적극적으로 냉각시킬 수 있다. 온도 증가가 공격자점 결함의 수 밀도를 감소시킬 수 있기 때문에 온도를 비교적 낮게 유지하는 것이 유리하다.

방법은 또한 조사에 의한 처리에 덧붙여 다이아몬드 물질을 어닐링하는 임의적인 단계를 포함할 수 있다. 조사 단계 전에, 조사 단계 동안 또는 조사 단계 후에, 또는 이들의 임의의 조합으로 어닐링 단계를 수행할 수 있다. 특정 용도에서는, 조사 후의 어닐링 단계가 공격자점 결함을 감소시킬 수 있기 때문에 조사 전에 어닐링 단계를 수행하는 것이 바람직할 수 있다. 1600℃ 이상, 1800℃ 이상, 2200℃ 이상 또는 2400℃ 이상에서 어닐링을 수행할 수 있다. 본 발명의 실시양태는 조사와 비교적 저온 어닐링의 조합, 또는 조사와 고압 고온 어닐링의 조합을 포함할 수 있다. 실시양태는 또한 조사선의 반복적인 조사 및/또는 반복적인 어닐링의 가능성을 구상한다. 즉, 1회보다 많은 어닐링 및/또는 조사 단계를 수행할 수 있다. 예를 들어, 다이아몬드 물질을 어닐링시킨 다음 조사하고 이어 어닐링시킬 수 있다. 추가적으로 교대하는 조사 및 어닐링 단계도 수행할 수 있다. 다르게는, 다이아몬드 물질을 적어도 조사 후에 임의의 실질적인 어닐링 단계에 노출시키지 않을 수 있다. 실질적인 어닐링 단계란, 물질의 특성을 실질적으로 또한 측정가능하게 변화시키는 어닐링 단계를 의미한다. 1800℃ 미만에서의 어닐링은 불활성 대기 중에서 수행될 수 있는 반면, 1800℃보다 높은 온도에서의 어닐링은 특히 긴 어닐링이 수행되는 경우 안정화 압력을 필요로 할 수 있다. 어닐링은 통상 30초 내지 50시간동안 수행한다. 불활성 대기란, 다이아몬드가 어닐링동안 크게 열화되지 않는 대기를 의미한다. 예로는 아르곤 및 네온이 있다.

특정 용도에서는 비교적 저온 어닐링이 유리할 수 있다. 사용시, 다이아몬드 물질은 뜨거워질 수 있고, 다이아몬드 공구 피스를 장착하는 대부분의 방법은 또한 예컨대 900℃에서의 경랍땜(brazing)을 포함한다. 이로써, 저온 어닐링은 사용시 다이아몬드 공구 피스의 균일한 성능을 보장하는데 유용할 수 있다. 예를 들어, 특정 용도에서는 1500℃ 이하, 1300℃ 이하, 1200℃ 이하, 1100℃ 이하, 또는 약 1000℃에서의 저온 어닐링이 유용할 수 있다.

하나 이상의 공구 피스를 제조하기 위해 가공하기 전에, 가공하는 동안 또는 가공한 후에 조사를 수행할 수 있다. 가공은 다이아몬드 물질을 처리, 연마, 절단 및/또는 성형시켜, 각각 절단 블레이드 같은 작업 표면을 갖는 하나 이상의 다이아몬드 공구 피스를 제조함을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가공은 마모 부품; 드레서(dresser); 와이어 인발 다이; 게이지 스톤(gauge stone) 및 커터중 하나를 제조함을 포함할 수 있다. 예를 들어, 공구 피스는 0.5mm 이상, 1mm 이상, 1.5mm 이상 또는 2mm 이상의 길이를 갖는 절단 가장자리를 포함할 수 있다. 방법은 하나 이상의 다이아몬드 공구 피스를 하나 이상의 공구에 혼입시킴을 추가로 포함할 수 있으며, 이러한 혼입 단계 전에, 혼입 단계 동안 또는 혼입 단계 후에 조사를 수행할 수 있다.

다이아몬드 물질을 공구에 혼입시키기 전에 다이아몬드 물질을 조사하는 것은, 조사의 결과로서의 인성 및/또는 내마모성의 증가가 다이아몬드 물질을 공구에 혼입하는데 관련된 가공 단계 동안 다이아몬드 물질이 손상될 가능성을 감소시킬 수 있다는 점에서 유리하다. 뿐만 아니라, 공구 내의 다른 구성요소가 조사선에 의해 손상될 수 있으며, 다이아몬드 물질을 공구에 혼입하기 전에 다이아몬드 물질을 조사한다면 이를 피하게 된다. 예를 들어, 조사가 강 같은 금속 물질의 인성을 감소시킬 수 있는 것으로 공지되어 있다. 또한, 공구 제조 전에 다이아몬드를 전처리하면, 다이아몬드 물질을 사용하여 공구를 제조하는 기존 제조 방법을 어떠한 방식으로도 변화시킬 필요가 없다.

반면, 다이아몬드 물질을 공구에 혼입한 후에 다이아몬드 물질을 조사하는 것은, 기존 다이아몬드 공구를 처리하여 이들의 인성 및/또는 내마모성을 증가시킬 수 있다는 이점을 갖는다. 또한, 인성 및/또는 내마모성을 증가시킬 필요가 있는 공구 내의 다이아몬드 물질의 특정 부위에 조사를 집중할 수 있다. 이는 사용시 증가된 인성 및/또는 내마모성을 가질 필요가 없을 수 있는 다이아몬드 물질의 다른 부위를 조사할 필요를 없앤다.

공구의 인성 및/또는 내마모성을 개선함에 덧붙여, 다이아몬드의 인성 및/또는 경도 증가는 다이아몬드 물질이 상이한 방식으로 가공될 수 있도록 한다. 예를 들어, 인성 증가는 가공 동안 또는 사용시 가장자리 균열 또는 이 빠짐(chipping) 없이 더욱 정밀하게 절단하기 위하여 다이아몬드 물질을 더 날카로운 가장자리로 가공할 수 있게 한다.

1㎛ 이상, 10㎛ 이상, 100㎛ 이상, 500㎛ 이상 또는 1mm 이상의 깊이까지 다이아몬드 물질을 조사할 수 있다. 다이아몬드 물질을 다이아몬드 물질의 전체 두께에 걸쳐 조사할 수 있다.

또한, 다이아몬드 물질의 하나보다 많은 면 상에서 다이아몬드 물질을 조사선에 노출시킬 수 있다. 예를 들어, 다이아몬드 판을 두 주 표면 모두에서 노출시켜 조사선의 고른 노출을 달성할 수 있다. 유사하게, 입자가 회전하여 이들 입자 표면 상에서 조사선에 적당히 고르게 노출되도록 복수개의 작은 입자를 조사 동안 흔들 수 있다. 조사 동안 샘플의 회전 또는 반복되는 회전 후 조사는 다이아몬드 물질 전체 부피에 걸쳐 조사하는데 도움을 줄 수 있고/있거나 공격자점 결함의 비교적 균일한 분포를 달성하는데 도움을 줄 수 있다.

종래 기술의 이온 주입 방법에 비해 본 발명의 특정 실시양태의 이점은 본 발명의 실시양태가 더욱 비용 효율적일 수 있다는 점이다. 이는 본 특정 실시양태가 단지 표면 처리보다는 다이아몬드 물질의 전체 처리를 제공하기 때문이다. 따라서, 다이아몬드 물질을 공구 피스로 가공하기 전에, 또한 공구 피스를 공구에 혼입하기 전에, 조사를 수행할 수 있다. 뿐만 아니라, 비교적 간단한 취급 조건으로 큰 부피의 물질 피스에 전체 처리를 적용할 수 있다. 예를 들어, 다이아몬드 피스를 다수의 표면 처리에서 요구되는 것처럼 특정 방향으로 조심스럽게 장착할 필요가 없다. 대조적으로, 종래 기술의 이온 주입 방법은 다이아몬드 물질을 가공한 후에 수행되어야 한다. 이는 종래 기술의 이온 주입 방법이 통상 다이아몬드 물질의 표면 근처에서만 인성 증가를 야기하기 때문이다. 예를 들어 다이아몬드 물질을 절단, 성형 및/또는 연마함으로써 다이아몬드 물질을 공구 피스로 가공하면 이러한 물질의 처리된 표면을 제거하게 된다. 본 발명의 특정 실시양태의 다른 이점은 공구 피스를 재처리하지 않고도 공구 피스를 재작업시킬 수 있다는 것이다. 추가적인 이점은 가공하여 공구 피스를 제조하기 전에 조사하면 가공에 의해 획득될 수 있는 작업 표면을 개선할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 가공 동안 절단 가장자리의 이 빠짐 또는 균열 없이 더욱 정밀하게 절단하기 위하여, 증가된 인성을 갖는 조사된 다이아몬드 물질을 더 날카로운 절단 가장자리로 가공할 수 있다.

본 발명의 실시양태에 따른 다이아몬드 물질은 천연 다이아몬드 또는 합성 다이아몬드일 수 있다. 고압 고온(HPHT) 방법에 의해 또는 화학적 증착(CVD) 방법에 의해 합성 다이아몬드를 제조할 수 있다. 다이아몬드 물질은 단결정, 다결정질, 각사암(grit), 다이아몬드-유사 탄소(DLC) 또는 금속 매트릭스(통상 코발트, PCD로 알려져 있음) 또는 무기 매트릭스(예컨대 탄화규소, 골격 접착 다이아몬드 또는 ScD로 공지되어 있음)에 분산된 다이아몬드 입자(grain) 같은 복합 다이아몬드 물질일 수 있다. 다이아몬드 물질은 1nm 이상; 100nm 이상; 500nm 이상; 1㎛ 이상; 5㎛ 이상; 0.5mm 이상; 1mm 이상; 3mm 이상; 또는 10mm 이상의 크기를 갖는 결정을 포함할 수 있다. 다이아몬드 물질은 하나 이상의 결정을 포함할 수 있고, 예컨대 200mm 이상까지의 하나 이상의 치수를 갖는 물체를 형성할 수 있다(예를 들어, 다결정질 다이아몬드 판 또는 돔에서). 본 발명은 HPHT 및 CVD 다이아몬드에 적용하기 특히 적합하다. 그러나, 특정 실시양태를 또한 천연 다이아몬드에 적용할 수도 있다.

본 발명의 특정 실시양태는 하나 이상의 치수가 1mm 이상, 1.5mm 이상 또는 2mm 이상인 다이아몬드 공구 피스의 인성 및/또는 내마모성을 증가시키기 위하여 중성자 조사를 이용할 것을 제안한다. US 4012300은 알갱이(grit)를 특히 중성자로 조사함으로써, 120/140 U.S. 메쉬(약 0.1mm의 최대 입경) 또는 30/40 U.S. 메쉬(약 0.5mm의 최대 입경)의 천연 다이아몬드 알갱이의 마손도를 감소시키는(마손도 지수를 증가시키는) 방법을 기재하고 있다. 주(Zhou) 등[주(Zhou, Y.), 다카하시(Takahashi, T.), 퀘스넬(Quesnel, D. J.), 펑큰부쉬(Funknebusch, P. D.), 'Friability and Crushing Strength of Micrometer-Size Diamond Abrasives Used in Microgrinding of Optical Glass', Metallurgical and Materials Transactions A, 27A (1996), 1047-1053]에 따르면, 마손도는 압축 충격 로딩 조건하에서 미립자 형태의 물질의 붕괴(crushing) 강도의 척도이다. 작은 다이아몬드 입자의 마손도를 감소시키기 위한 중성자 조사의 용도를 교시하는 US 4012300 호와는 대조적으로, 본 발명의 특정 실시양태는 보다 큰 다이아몬드 공구 피스의 인성 및/또는 내마모성을 증가시키기 위하여 조사를 이용할 것을 제안한다. 다이아몬드 공구 피스의 인성 및/또는 내마모성을 증가시키기 위하여, 조사선은 다이아몬드 물질의 비교적 큰 피스 전체에 걸쳐 올바른 크기의 결함의 적합한 분포를 형성할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이는 US 4012300 호에 개시되지도 암시되지도 않았다.

본 발명의 특정 실시양태에 따라, 다이아몬드 물질은 유형 Ia, 유형 Ib 또는 유형 IIa일 수 있다.

바람직하게는, 조사는 다이아몬드 공구 피스의 유용한 수명을 미처리 다이아몬드 공구 피스의 수명의 10% 이상, 바람직하게는 20% 이상, 더욱 바람직하게는 50% 이상까지 증가시킨다.

다이아몬드 공구의 인성 및/또는 내마모성을 증가시킴에 덧붙여, 본 발명의 실시양태의 조사 처리는 더욱 바람직한 색상을 갖는 다이아몬드 공구 피스를 생성시키는 보너스 효과를 갖는다. 특정 색상의 공구는 색상도 그의 성능에 관련이 있기 때문에 유용하고, 따라서 본 발명의 공구에 성능 이점에 덧붙여 특이한 색상 인상을 준다. 전통적으로, 합성 다이아몬드 공구 피스는 통상 황색 색상의 다이아몬드 물질을 함유하였다. 황색, 가장 바람직하게는 진한 황색 다이아몬드 물질로부터 출발하여 인성 및/또는 내마모성을 증가시키기 위해 황색 다이아몬드 물질을 조사함으로써 특히 우수한 결과를 수득하였다. 조사는 또한 황색 다이아몬드 물질의 색상도 변화시킬 수 있다. 출발 물질의 정확한 유형, 조사선의 유형 및 조사에 덧붙여 어닐링 단계가 수행되는지의 여부에 따라 광범위한 색상을 획득할 수 있다. 예를 들어, 무색 또는 거의 무색의 CVD 다이아몬드는 본 발명의 실시양태에 따라 조사될 때 청색 또는 황록색으로 변한다. 조사된 다음 약 700℃ 이상까지 가열되는 경우, 원래 무색 또는 거의 무색이었던 CVD 다이아몬드는 조사 및 어닐링 처리에 따라 무색, 오렌지색, 갈색 또는 분홍색으로 변할 수 있다. 대조적으로 황색 HPHT 유형 Ib 다이아몬드는 본 발명의 실시양태에 따라 조사될 때(조사량에 따라) 녹색으로 변할 수 있다. 조사된 다음 약 700℃ 이상까지 가열되는 경우, 황색 HPHT 유형 Ib 다이아몬드는 적색 또는 자색으로 변할 수 있다(조사 및 어닐링에 따라). 특정 절단 용도에서는, HPHT 유형 Ib 다이아몬드를 조사함으로써 수득한 녹색 다이아몬드가 특히 우수한 결과를 나타내는 것으로 밝혀졌다.

또한, 본 발명의 특정 실시양태에 따른 다이아몬드 물질의 색상은 예를 들어 특정 기간동안 특정 온도가 초과될 때 변할 수 있다. 이 색상 변화를 품질 제어 지표로서 및/또는 다이아몬드 공구 피스가 교체되어야 하는지에 대한 지표로서 이용할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 한 실시양태에 따른 녹색 HPHT 유형 Ib 다이아몬드 공구 피스는 고온에서 장시간 사용된 후 적색/자색으로 변할 수 있다. 이는 다이아몬드 공구 피스가 교체되어야 하는지에 대한 지표 및/또는 예를 들어 장착 또는 공구 디자인과 관련한 제조상의 문제 때문에 가열이 과도해져서 과도한 가열이 발생되는지에 대한 지표로서 작용할 수 있다.

본 발명을 더욱 잘 이해하기 위하여, 또한 어떻게 본 발명을 효과적으로 수행할 수 있는지를 보여주기 위하여, 이제 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시양태를 예로서 기재한다.
도 1은 본 발명의 실시양태에 따른 방법을 실행하는데 포함되는 기본 단계를 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시양태에 따른 방법을 실행하는데 포함되는 기본 단계를 도시한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시양태에 따른 방법을 실행하는데 포함되는 기본 단계를 도시한다.

도 1은 본 발명의 실시양태에 따른 방법을 실행하는데 포함되는 기본 단계를 도시한다. 다이아몬드 물질(10)을 조사하여, 인성 및/또는 내마모성이 증가된 다이아몬드 물질(12)을 생성시킨다. 이어, 예컨대 레이저 또는 기계적 커터를 사용하여 다이아몬드 물질(12)을 절단함으로써, 하나 이상의 다이아몬드 공구 피스(14)를 제조한다. 이어, 하나 이상의 다이아몬드 공구 피스(14)를 담체(16)에 경랍땜하여 다이아몬드 공구를 생성시킨다.

도 2는 본 발명의 다른 실시양태에 따른 방법을 실행하는데 포함되는 기본 단계를 도시한다. 예를 들어 레이저 또는 기계적인 커터를 사용하여 다이아몬드 물질(20)을 절단함으로써, 하나 이상의 다이아몬드 공구 피스(22)를 제조한다. 이어, 하나 이상의 다이아몬드 공구 피스(22)를 조사하여 조사된 다이아몬드 공구 피스(24)를 생성시킨다. 하나 이상의 조사된 다이아몬드 공구 피스(24)를 담체(26)에 경랍땜하여 다이아몬드 공구를 생성시킨다.

도 3은 본 발명의 다른 실시양태에 따른 방법을 실행하는데 포함되는 기본 단계를 도시한다. 예를 들어 레이저 또는 기계적인 커터를 사용하여 다이아몬드 물질(30)을 절단함으로써, 하나 이상의 다이아몬드 공구 피스(32)를 제조한다. 이어, 하나 이상의 다이아몬드 공구 피스(32)를 담체(34)에 경랍땜하여 다이아몬드 공구를 생성시킨다. 이어, 하나 이상의 다이아몬드 공구 피스(34)를 조사하여 조사된 다이아몬드 공구 피스(36)를 생성시킨다.

본 발명의 기재된 실시양태는, 다이아몬드 물질을 조사하여 인성 및/또는 내마모성을 증가시킴을 포함하는, 다이아몬드 물질을 포함하는 공구의 인성 및/또는 내마모성을 증가시키는 방법을 제공한다. 조사 처리는 질소에 의해 다이아몬드 매트릭스 내에 가둬질 수 있는 공격자점 결함을 다이아몬드 물질에 형성한다.

본 발명의 실시양태에 사용되는 다이아몬드 물질은 천연 다이아몬드, HPHT 다이아몬드 및 CVD 다이아몬드일 수 있다. 천연 다이아몬드, HPHT 다이아몬드 및 CVD 다이아몬드가 그들 자체의 특이한 구조적 및 기능적 특징을 갖고, 따라서 용어 "천연", "HPHT" 및 "CVD"가 다이아몬드 물질의 생성 방법을 일컬을 뿐만 아니라 이들 물질 자체의 특이적인 구조적 및 기능적 특징을 가리킴을 알게 될 것이다. 예를 들어, 합성 CVD 다이아몬드 물질은 변위 구조에 의해 HPHT 기법을 이용하여 합성된 합성 다이아몬드 물질과 명료하게 구별될 수 있다. 합성 CVD 다이아몬드에서는, 변위가 통상 기질의 최초 성장 표면과 대략 수직인 방향으로 이어진다. 즉, 기질이 (001) 기질인 경우, 변위는 [001] 방향에 대략 평행하게 정렬된다. HPHT 기법을 이용하여 합성된 합성 다이아몬드 물질에서는 그렇지 않다. 그러므로, 두 유형의 물질은 예를 들어 X-선 단층 촬영 사진에서 관찰되는 상이한 변위 구조에 의해 구별될 수 있다.

본 발명의 실시양태에 사용되는 다이아몬드 물질은 유형 Ia, 유형 Ib 또는 유형 IIa일 수 있다. 유형 Ia 및 유형 Ib 다이아몬드는 질소를 함유한다. 유형 IIa 다이아몬드는 통상 질소를 함유하지 않는다고 정의되나, 실제로 이들은 낮은 농도의 질소를 함유할 수 있다. 유형 Ia에서는 질소 원자가 다양한 유형의 응집 결함을 형성하는데 반해, 유형 Ib 다이아몬드에서는 질소 원자가 단일 불순물로서 단리되는 경향이 있다. 유형 Ia 다이아몬드는 무색, 갈색, 분홍색 및 보라색일 수 있다. 천연 유형 Ib 다이아몬드는 진한 황색("샛노랑색"), 오렌지색, 갈색 또는 녹색일 수 있다. 다이아몬드의 색상은 결정 구조 내의 결함의 수, 유형 및 분포에 의해 결정된다. 결정 결함은 변위, 미소균열, 이중 경계, 점 결함 및 낮은 각 경계를 포함한다. 이로써, 예를 들어 다이아몬드의 색상은 질소 같은 불순물의 유형 및 분포뿐만 아니라 변위 같은 다른 결함의 유형 및 분포에 따라 달라진다. 다이아몬드 내에는 다수의 상이한 결함 유형 및 아군이 있다. 예를 들어, 질소 결함에만도 다수의 상이한 유형이 있으며, 이들은 각각 자체의 스펙트럼 특징을 갖는다.

본 발명의 실시양태에 의해 제조된 공구를 절단, 연마, 광택, 천공 및/또는 와이어 인발을 비롯한 광범위한 용도에 사용할 수 있다. 현재까지는 절단 용도 및 와이어 인발에서 특히 우수한 결과를 얻어왔다.

공구 내의 다이아몬드 물질은 각각 {110}, {111} 및 {100} 결정 면에 상응하는 2-점, 3-점 및 4-점 결정을 비롯한 다수의 가능한 결정 배향으로 배열될 수 있다. 와이어 인발 공구에서의 3-점 HPHT 유형 Ib 다이아몬드 및 절단 공구에서의 2-점 HPHT 유형 Ib 다이아몬드의 경우 특히 우수한 결과를 얻어왔다. 임의적으로는, 다이아몬드 물질의 단일 구역에 의해 다이아몬드 공구 피스의 작업 표면이 형성된다.

실시예

전자 조사

전자 조사(예를 들어, 12MeV 이하의 에너지를 갖는 전자를 사용함)는 전형적으로 단리된 형태의 공격자점을 도입한다. 이들은 중성(V⁰) 및 음전하 상태(V^-)에 있을 수 있다. 조사 후 총 공격자점 농도([V_T]=[V⁰]+[V^-])는 바람직하게는 1×10¹⁴ 내지 1×10²¹개의 공격자점/cm³; 1×10¹⁵ 내지 1×10²¹개의 공격자점/cm³; 5×10¹⁵ 내지 1×10²⁰개의 공격자점/cm³; 1×10¹⁶ 내지 5×10¹⁹개의 공격자점/cm³; 또는 5×10¹⁶ 내지 1×10¹⁹개의 공격자점/cm³이어야 한다. 예컨대, 1×10¹⁵e^-/cm² 이상; 1×10¹⁶e^-/cm² 내지 1×10¹⁹e^-/cm²; 1×10¹⁷e^-/cm² 내지 1×10¹⁹e^-/cm²; 또는 2×10¹⁷e^-/cm² 내지 1×10¹⁹e^-/cm²의 조사량율을 갖는 전자 조사를 이용하여 이러한 결함 농도를 생성시킬 수 있다.

전자 조사는 30keV 이상; 0.1MeV 내지 12MeV; 0.5MeV 내지 10MeV; 또는 1MeV 내지 8MeV의 에너지를 가질 수 있다. 바람직한 에너지는 연쇄 손상, 예를 들어 공격자점 연쇄의 형성을 최소화하면서 질소 도핑된 다이아몬드에 거의 일정한 농도의 공격자점을 도입하는 것이다. 본원에 보고되는 결과의 경우, 4.5MeV가 이들 두 인자 사이에서 우수한 타협점을 제공하는 것으로 밝혀졌다.

다이아몬드 온도, 빔 에너지, 빔 선속(beam flux) 및 심지어는 출발 다이아몬드의 특성 같은 인자는 고정 실험 조사 셋업(set-up) 및 시간의 경우에 생성되는 [V_T]에 영향을 줄 수 있다. 300K 이하의 주위 조건하에 장착된 샘플에서 조사 동안 최소한의 온도 상승(예컨대 100K 미만)으로 조사를 전형적으로 수행한다. 그러나, 빔 에너지 및 빔 선속 같은 인자가 샘플 가열을 야기할 수 있다. 바람직하게는, 샘플을 가능한 한 저온으로 유지하여(심지어 77K에서의 극저온 냉각이 일부 상황에서는 유리함), 온도 제어를 희생시키지 않으면서 높은 조사량율을 가능케 하고, 따라서 조사 시간을 최소화한다. 이는 상업적인 이유에서 유리하다.

분광분석법에 의해 공격자점 농도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 단리된 공격자점의 농도를 측정하기 위하여, 액체 질소를 사용하여 샘플을 냉각시키면서 77K에서 스펙트럼을 수득하는데, 이 온도에서 각각 중성 및 음으로 하전된 단리된 공격자점에 기인하는 741nm 및 394nm에서의 날카로운 피크가 나타나기 때문이다. 본원에서 단리된 공격자점의 농도를 계산하는데 사용되는 계수는 아래 표 1에 상세하게 기재된 바와 같이 데이비스(G. Davies)의 문헌[Physica B 273-274 (1999) 15-23]에 기재된 것이다. 표 1에서, "A"는 77K에서 측정된, 전이의 제로 포논 선(zero phonon line)에서의 적분된 흡수(meVcm^-1)인데, 흡수 계수의 단위는 cm^-1이고, 광자 에너지의 단위는 meV이다. 농도의 단위는 cm^-3이다.

결함	보정
V^-	A_ND1=(4.8±0.2)×10^-16[V^-]
V⁰	A_GR1=(1.2±0.3)×10^-16[V⁰]

하나의 조합에서는, 황색의 유형 Ib HPHT 합성 다이아몬드를 전자로 조사하였다. 아이소트론 피엘씨(Isotron plc)에서 발견되는 것과 같은 기구를 사용하여 2시간동안 50% 주사 폭에서 4.5MeV, 20mA로 전자 조사를 수행하였다. 샘플에 제공되는 전체 조사량은 1.95×10¹⁸e^-/cm²였다. 다이아몬드 물질의 색상이 녹색으로 변했다. 물질을 담체에 경랍땜하여 공구를 생성시킬 때 물질이 짧은 가열 단계를 거치긴 했지만 실질적인 어닐링 단계는 수행하지 않았다.

조사된 다이아몬드 물질을 절단 용도 및 와이어 인발 용도에서 시험하였다. 절단 시험은 조사된 다이아몬드가 자연석보다 성능이 우수하고 합성 또는 천연 다이아몬드의 임의의 다른 2-점 또는 4-점 광석보다 훨씬 더 우수하였음을 보여주었다. 와이어 인발 시험도 또한 조사된 물질의 경우 개선된 성능을 나타내었다. 조사된 다이아몬드 물질은 사용시 표준 합성 다이아몬드보다 훨씬 더 느리게 열화되었다. 뿐만 아니라, 사용시 합성 또는 천연 다이아몬드 물질에서 때때로 생성되는 선 및 긁힘이 조사된 물질에서는 관찰되지 않았다.

플라이 절단(fly cutting) 용도에서 4개의 조사된 2-점 HPHT 다이아몬드 공구 상에서도 시험을 마쳤다. 아이소트론 피엘씨에서 발견되는 것과 같은 기구를 사용하여 2시간동안 50% 주사 폭에서 4.5MeV, 20mA로 전자 조사를 수행하였고, 샘플에 제공되는 전체 조사량은 1.95×10¹⁸e^-/cm²였다. 표준 경랍땜(900℃에서 2 내지 3분)을 이용하여 표준 탄화텅스텐 손잡이 상에 공구 피스를 장착하였다. 이들을 플라이 절단 용도에 사용하여, CO₂ 레이저 거울 같은 금속 광학 용도를 위해 구리 및 알루미늄을 가공하였다. 이러한 단속적인 절단은 공구 피스 상에 반복적으로 충격을 주기 때문에 특히 우수한 시험이다. 조사된 HPHT 공구 피스는 미처리 HPHT 다이아몬드에 비해 공구 수명이 약 50% 개선되었다.

다른 조합에 따라, 무색 또는 거의 무색의 단결정 CVD 다이아몬드 판을 전자로 조사하여 청색 물질을 생성시켰다. 예컨대 절단 블레이드를 제조하는데 이 물질을 사용할 수 있다. 예컨대 레이저를 사용하여 절단 블레이드를 블랭크 판(blank plate)으로부터 절단해낼 수 있다. 청색 물질을 임의적으로는 약 700℃에서 어닐링시켜 오렌지색/밝은 갈색 물질을 생성시킬 수 있다.

중성자 조사

중성자 조사는 격자 부위의 다른 탄소 원자에 충돌하기에 충분한 에너지로 탄소 원자를 그의 격자 부위로부터 떨어뜨려 연쇄 손상으로 공지되어 있는 현상을 야기하는 경향이 있다. 이는 균열 전파를 억제하고 인성을 증가시킬 수 있는 다이아몬드 결정 매트릭스 내의 결함의 클러스터 또는 응력/변형 영역을 생성시킨다. 그러나, 중성자의 에너지가 너무 높으면, 연쇄 손상이 너무 광범위해지고, 인성 및/또는 내마모성이 감소된다.

상기에 비추어, 개별적인 클러스터의 크기가 너무 커지지 않으면서 다수개의 이격된 및/또는 비교적 작은 클러스터 결함을 생성시키기 위하여 다이아몬드 물질을 조사하는 것이 유리하다. 1.0keV 내지 12MeV; 1.0keV 내지 10MeV; 100keV 내지 8MeV; 100keV 내지 6MeV; 또는 500keV 내지 4MeV의 에너지를 갖는 중성자 선을 이용하여 적합한 크기의 클러스터 결함을 생성시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다. 중성자는 넓은 에너지 범위에 걸쳐 분포되는 경향이 있다. 따라서, 중성자의 50% 이상, 60% 이상, 70% 이상 또는 80% 이상이 전술한 범위중 하나에 속한다.

본 발명에 따른 중성자 조사는 광범위한 연쇄 손상, 예를 들어 긴 공격자점 연쇄를 형성하지 않으면서 단리된 공격자점 및/또는 작은 클러스터 결함의 거의 일정한 농도를 도입할 수 있다. 클러스터 결함의 농도를 측정하기는 어렵다. 그러나, 단리된 결함의 농도는 분광분석법에 의해 용이하게 특징화될 수 있다. 공격자점 점 결함은 중성(V⁰) 및 음전하 상태(V^-)일 수 있다. 단리된 공격자점의 총 농도([V_T]=[V⁰]+[V^-])는 1×10¹⁴ 내지 1×10²⁰개의 공격자점/cm³; 1×10¹⁵ 내지 1×10¹⁹개의 공격자점/cm³; 1×10¹⁵ 내지 1×10¹⁸개의 공격자점/cm³; 1×10¹⁵ 내지 1×10¹⁷개의 공격자점/cm³; 또는 1×10¹⁶ 내지 1×10¹⁷개의 공격자점/cm³일 수 있다. 단리된 공격자점의 흡수 피크를 확장함으로써 클러스터 결함의 존재를 검출할 수 있다. 예를 들어 1×10¹⁴중성자/cm² 이상; 1×10¹⁴중성자/cm² 내지 1×10¹⁸중성자/cm²; 1×10¹⁵중성자/cm² 내지 5×10¹⁷중성자/cm²; 또는 1×10¹⁵중성자/cm² 내지 1×10¹⁷중성자/cm²의 조사량율을 갖는 중성자 조사를 이용하여 이러한 공격자점 결함 농도를 생성시킬 수 있다.

본 발명의 실시양태는 에너지가 너무 높은 중성자의 결과로서 광범위한 연쇄 손상에 의해 형성되는 광범위하고 큰 클러스터 결함을 피하면서, 중성자 조사를 이용하여 다수의 골고루 퍼진 단리된 공격자점 및/또는 비교적 작은 클러스터 결함을 생성시킬 가능성을 구상한다. 이를 위해 적절한 에너지의 중성자 선속을 조심스럽게 선택해야 한다. 개별 클러스터의 최대 크기 제한을 갖는 클러스터 결함을 생성시키는 에너지를 선택하는 것이 유리하다. 이는, 연쇄 손상의 크고 넓게 펴진 영역보다는 비교적 작고 비교적 골고루 퍼진 결함 클러스터를 생성시키는 것이 바람직하다는 지식과 일치된다. 따라서, 복수개의 클러스터 결함 각각이 길이 면에서 원자 50개 이하, 더욱 바람직하게는 원자 20개 이하, 더욱 바람직하게는 원자 10개 이하, 가장 바람직하게는 원자 5개 이하의 최대 크기를 갖는 것이 바람직하다. 투과 전자 현미경법(TEM) 또는 양자 상쇄 기법을 이용하여 클러스터 결함의 크기를 측정할 수 있다.

이미 기재한 바와 같이, 온도 증가가 결함의 수 밀도를 감소시킬 수 있기 때문에 조사 동안 다이아몬드 물질의 온도를 비교적 낮게 유지하는 것이 유리하다. 중성자 조사의 한 가지 이점은 예컨대 전자 조사만큼 많이 다이아몬드 물질의 온도를 높이지 않는 경향이 있다는 것이다. 이로써, 본 발명의 특정 실시양태에 따라 적극적인 냉각이 필요하지 않다.

중성자 조사의 다른 이점은 결함의 비교적 고른 분포를 획득하기 위하여 중성자 조사 동안 다이아몬드 물질을 통상 회전시킬 필요가 없다는 것이다. 사실상, 예컨대 전자 조사에 비해 중성자 조사의 한 가지 이점은 중성자가 전체 샘플을 통해 더욱 용이하게 침투하여 샘플을 회전시키기 않고서도 결함의 비교적 고른 분포를 달성하는 경향이 있다는 것이다. 따라서, 상업적으로 경쟁력 있는 방식으로 다이아몬드 샘플을 통해 높은 선 조사량을 획득하기가 더욱 용이할 수 있다.

샘플이 조사 후 터무니 없이 긴 기간동안 방사성으로 남아있지 않도록 중성자 조사되어야 하는 다이아몬드 물질을 선택할 때 주의를 기울여야 한다. 따라서, 중성자 조사를 위해 선택되는 다이아몬드 물질이 중성자 조사에 노출된 후 터무니 없이 긴 시간동안 방사성으로 남아 있게 되는 금속 또는 다른 함유물을 실질적으로 함유하지 않도록 보장할 필요가 있다. 이와 관련하여, 다이아몬드 물질은 중성자 조사 후 방사능이 4Bq/g 미만일 때에만 방출될 수 있다. 그러므로, 중성자 조사를 위해 선택되는 다이아몬드 물질은 바람직하게는 10㎛ 이하, 5㎛ 이하 또는 1㎛ 이하의 크기를 갖는 금속 함유물을 함유하지 않아야 한다. 금속 함유물은 바람직하게는 다이아몬드의 총 질량의 0.1% 이하, 0.01% 이하, 0.001% 이하 또는 0.0001% 이하여야 한다. 다이아몬드 물질을 또한 바람직하게는 조사 직전에 산 세척하여 표면으로부터 임의의 잠재적 방사성 물질을 제거함으로써, 6개월 이하, 4개월 이하, 2개월 이하, 1개월 이하, 2주 이하 또는 1주 이하동안 "냉각"시킨 후 방사능 수준이 4Bq/g 미만으로 떨어지도록 해야 한다.

몇 가지 CVD 다이아몬드 샘플을 중성자로 조사하였다(전형적으로는 약 0.1 내지 0.5ppm N 함유). 이 처리를 위해 영국 애스콧 실우드 파크에 소재하는 임페리얼 칼리지(Imperial College)의 Ur²³⁵ 콘소트(Consort) 반응기를 이용하였다(이 반응기는 현재 사용 중지되었다-네덜란드의 델프트 유니버시티(Delft University)에서 발견한 것으로 대체할 수 있다). 1MeV에서 피크를 나타내고 중성자의 59%가 0.2 내지 2.2MeV의 에너지 범위에 속하고 중성자의 86%가 0.2 내지 12MeV의 에너지 범위에 속하는 반응기 내에서의 에너지 분포로, 다이아몬드 물질을 전형적으로 14 내지 28시간동안 조사하였다.

따라서, 다이아몬드 샘플은 약 5×10¹⁵ 내지 1×10¹⁶중성자/cm²의 조사량을 받았다. 중성자 조사 결과 무색에서 황록색으로의 색상 변화가 관찰되었다. 저온 UV-가시광 분광분석 측정 방법을 이용하여(상기 기재된 것과 동일한 계산 방법을 이용함), 단리된 중성 공격자점의 농도가 0.2 내지 0.51ppm(2×10¹⁶ 내지 5.1×10¹⁶개의 공격자점/cm³)인 것으로 측정하였다. 상응하는 전자 조사된 샘플에 비해 GR1 피크의 명백한 확장이 있으며, 이는 단리된 공격자점에 덧붙여 공격자점 클러스터의 형성 증거를 보여준다.

생성되는 물질을 사용하여 예컨대 절단 블레이드를 제조할 수 있다. 예를 들어 레이저를 사용하여 블랭크 판으로부터 절단 블레이드를 절단해낼 수 있다. 조사된 물질을 임의적으로는 약 700℃에서 어닐링시킬 수 있다.

감마 조사

감마 선을 또한 사용하여 다이아몬드 물질 내에 공격자점 결함을 만들 수 있다. 감마 선의 경우, 조사는 0.1 내지 12MeV, 0.2 내지 10MeV, 또는 0.3 내지 8MeV의 에너지를 가질 수 있다. 감마 선 조사의 조사량은 5×10¹⁶ γ-선/cm² 이상, 1×10¹⁷ 내지 5×10²¹ γ-선/cm², 또는 5×10¹⁷ 내지 1×10²¹ γ-선/cm²일 수 있다. 다시, 질소 불순물을 사용하여, 다이아몬드 물질의 인성 및/또는 내마모성에 대한 공격자점 도입의 영향을 최적화할 수 있다.

바람직한 실시양태를 참조하여 본 발명을 구체적으로 도시하고 기재하였으나, 당 업자는 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않으면서 형태 및 세부사항에서 다양한 변화를 이끌어낼 수 있음을 알게 될 것이다.

Claims

다이아몬드 물질을 선택하고;
다이아몬드 물질을 조사(irradiating)하여 다이아몬드 물질의 인성 및/또는 내마모성을 증가시키고;
다이아몬드 물질을 하나 이상의 다이아몬드 공구 피스(piece)로 가공함
을 포함하는 방법으로서, 이 때
상기 다이아몬드 물질이, 1 내지 600ppm의 단리된 질소의 총 당량 농도를 갖는 HPHT 다이아몬드 물질, 0.005 내지 100ppm의 단리된 질소의 총 당량 농도를 갖는 CVD 다이아몬드 물질, 및 1 내지 2000ppm의 총 질소 농도를 갖는 천연 다이아몬드 물질로 이루어진 군으로부터 선택되며,
상기 조사가, 다이아몬드 물질에 복수개의 단리된 공격자점(空格子點; vacancy) 점 결함(point defect)을 제공하도록 조사 에너지 및 조사량을 제어함을 포함하고,
상기 단리된 공격자점 점 결함이 1×10¹⁴ 내지 1×10²¹개의 공격자점/cm³의 농도를 갖는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 HPHT 다이아몬드 물질이 10 내지 300ppm의 단리된 질소의 총 당량 농도를 갖는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 CVD 다이아몬드 물질이 0.01 내지 50ppm의 단리된 질소의 총 당량 농도를 갖는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 천연 다이아몬드 물질이 200 내지 2000ppm의 총 질소 농도를 갖는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 조사가 전자, 중성자, X-선, 감마 선, 양성자 또는 알파 입자로 조사함을 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 조사가, 단리된 공격자점 또는 원자 50개 이하의 최대 길이를 갖는 작은 클러스터 결함을 생성시키기에 충분한 에너지를 갖는 조사선을 포함하는, 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 조사가 다이아몬드 물질에 복수개의 클러스터 결함을 도입하고,
상기 클러스터 결함 각각이 길이 면에서 원자 20개 이하의 최대 길이를 갖는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 조사가, 다이아몬드 물질의 비정질화를 야기하는 에너지 및 조사량율 미만의 조사를 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 조사가, 다이아몬드 물질의 색상 변화를 야기하는 에너지 및 조사량율보다 높게 다이아몬드 물질을 조사함을 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 조사를 가공 전에, 가공 동안 또는 가공 후에 수행하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 선택이 천연 다이아몬드 물질, 합성 다이아몬드 물질, 고압 고온(HPHT) 다이아몬드 물질, 화학적 증착(CVD) 다이아몬드 물질, 단결정질 다이아몬드 물질, 다결정질 다이아몬드 물질, 다이아몬드-유사-탄소 물질, 유형 Ib 다이아몬드 물질 및 복합 다이아몬드 물질중 하나 이상을 선택함을 포함하는, 방법
제 1 항에 있어서,
상기 조사가 다이아몬드 물질의 1㎛ 이상의 깊이까지 다이아몬드 물질을 조사함을 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 조사를 500℃ 이하에서 수행하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 방법이 조사 동안 다이아몬드 물질을 냉각시킴을 추가로 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 방법이 다이아몬드 물질을 어닐링시킴을 추가로 포함하는, 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 어닐링을 조사 전에, 조사 동안 또는 조사 후에 수행하는, 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 어닐링을 1600℃ 이상에서 수행하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 다이아몬드 물질을 어닐링 단계에 노출시키지 않는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 조사가
조사하는 동안 다이아몬드 물질을 회전시키는 것; 또는
다이아몬드 물질을 조사하고, 다이아몬드 물질을 회전시키고, 다이아몬드 물질을 조사하는 것
중 하나를 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 가공이 다이아몬드 물질을 성형시켜 작업 표면을 생성시킴을 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 가공이 마모 부품; 드레서(dresser); 와이어 인발 다이; 게이지 스톤(gauge stone); 및 커터중 하나를 생성시킴을 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 방법이 하나 이상의 다이아몬드 공구 피스(piece)를 하나 이상의 공구에 혼입시킴을 추가로 포함하는, 방법.
제 22 항에 있어서,
상기 조사를 혼입 전에, 혼입 동안 또는 혼입 후에 수행하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 공격자점 점 결함이 1×10¹⁴ 내지 1×10²¹개의 공격자점/cm³의 농도를 갖는, 방법.
다이아몬드 물질의 인성 및/또는 내마모성을 증가시키기 위하여 조사된 다이아몬드 물질을 포함하는 공구 피스로서, 이 때
상기 다이아몬드 물질이, 1 내지 600ppm의 단리된 질소의 총 당량 농도를 갖는 HPHT 다이아몬드 물질, 0.005 내지 100ppm의 단리된 질소의 총 당량 농도를 갖는 CVD 다이아몬드 물질, 및 1 내지 2000ppm의 총 질소 농도를 갖는 천연 다이아몬드 물질로 이루어진 군으로부터 선택되고,
상기 다이아몬드 물질이, 1×10¹⁴ 내지 1×10²¹개의 공격자점/cm³의 농도를 갖는 단리된 공격자점 점 결함을 포함하는, 공구 피스.
제 25 항에 있어서,
상기 HPHT 다이아몬드 물질이 10 내지 300ppm의 단리된 질소의 총 당량 농도를 갖는, 공구 피스.
제 25 항에 있어서,
상기 CVD 다이아몬드 물질이 0.01 내지 50ppm의 단리된 질소의 총 당량 농도를 갖는, 공구 피스.
제 25 항에 있어서,
상기 천연 다이아몬드 물질이 200 내지 2000ppm의 총 질소 농도를 갖는, 공구 피스.
제 25 항에 있어서,
상기 다이아몬드 물질이 복수개의 공격자점 점 결함을 포함하고,
상기 공격자점 점 결함이 1×10¹⁵ 내지 1×10²¹개의 공격자점/cm³의 농도를 갖는, 공구 피스.
제 25 항에 있어서,
상기 다이아몬드 물질이 복수개의 클러스터 결함을 포함하고,
상기 클러스터 결함이 1×10¹⁴ 내지 1×10²¹개의 클러스터/cm³의 농도를 갖는, 공구 피스.
제 25 항에 있어서,
상기 다이아몬드 물질이 복수개의 클러스터 결함을 포함하고,
상기 클러스터 결함 각각이 길이 면에서 원자 50개 이하의 최대 길이를 갖는, 공구 피스.
제 25 항에 있어서,
상기 다이아몬드 물질이 청색, 오렌지색, 갈색, 녹색, 적색, 자색 또는 흑색인, 공구 피스.
제 25 항에 있어서,
상기 다이아몬드 물질이 사용시 색상을 변화시키도록 구성되어 공구 피스가 교체되어야 하고/하거나 과도한 가열이 있음을 나타내는, 공구 피스.
제 25 항에 있어서,
상기 공구 피스가 마모 부품; 드레서; 와이어 인발 다이; 게이지 스톤; 및 커터중 하나인, 공구 피스.
제 1 항 내지 제 24 항중 어느 한 항에 따른 방법을 이용하여 제조되는 공구 피스.
제 25 항 내지 제 34 항중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 공구 피스를 포함하는 공구.
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