KR19990036281A

KR19990036281A - Ｃｖｄ 다이아몬드 필름을 수용하기 위한 초경 합금 기판의 처리 방법

Info

Publication number: KR19990036281A
Application number: KR1019980700949A
Authority: KR
Inventors: 슈마커 카알; 디. 록하트 제인; 에이치. 밀러 오스카
Original assignee: 쥴리아 티. 하겐; 크레도 툴 컴파니
Priority date: 1995-08-11
Filing date: 1996-08-08
Publication date: 1999-05-25
Also published as: AU692719B2; MX9801110A; BR9610001A; ZA966752B; NZ315263A; CA2225373A1; DE69602448D1; EP0843747B1; EP0843747A1; JPH11510858A; US5650059A; CN1192789A; DE69602448T2; WO1997007264A1; AU6693096A

Abstract

본 발명의 카바이드 기판은 다이아몬드 코팅한 재료와 같은 절삭 재료를 수용하도록 형성된 결합제를 구비한다. 카바이드 기판은 전해질 용액에 침지되어 양극으로서 작용하므로써 전기 연마된 기판 표면을 제공한다. 전기 연마된 기판 표면은 에칭되어 카바이드 기판의 결합제를 실질적으로 제거하고, 그 에칭의 깊이는 약 15μ 이하이다. 생성된 표면은 다이아몬드 절삭 재료의 코팅을 수용할 수 있다.

Description

ＣＶＤ 다이아몬드 필름을 수용하기 위한 초경 합금 기판의 처리 방법

긴 시간에 걸쳐, 절삭 공구 업계에서는 절삭 공구의 성능 향상을 위해 절삭 공구에 대해 인조 다이아몬드를 내장한 삽입체를 이용하는 방법을 찾기 위해 노력해왔다.

통상, 인조 다이아몬드의 2가지 종류는 다결정질 다이아몬드(PCD)와 화학적 증착(CVD) 다이아몬드 필름이 있다. 공구의 팁을 삽입시키기 위해 고정된 다결정질의 다이아몬드 조각을 구비하는 PCD 절삭 공구는 당업계에 공지되어 있다. 그러나, 이러한 절삭 공구는 제조 비용이 높아서 길어진 공구 수명을 용이하게 인덱싱하지 못한다. 또한, 탭, 드릴 비트, 루터(router) 비트 등의 복잡한 모양을 갖는 PCD 삽입체는 공지된 기술로는 형성될 수가 없다.

따라서, 텅스텐 카바이드(WC)와 같은 카바이드 기판상에 코팅 또는 필름을 증착하는 화학적 증착(CVD) 공정을 이용하여 다이아몬드 코팅된 절삭 공구를 제공하고, 절삭 성능을 개선시킨 절삭 공구를 제공하기 위한 수많은 시도가 행해졌다. CVD 다이아몬드 코팅된 카바이드 기판의 삽입체는 PCD 삽입체보다 제조 비용이 적게 소요되고, PCD 공구 삽입체보다 복잡한 형상에 이용할 수 있기 때문에, CVD 다이아몬드 코팅된 카바이드 기판의 삽입체에 대한 관심이 계속되어 왔다.

코발트(Co) 또는 다른 결합제를 포함하지 않는 텅스텐 초경 합금(WC) 기판이 연구되었지만, 절삭 공구 삽입체로서 이용하기에는 너무 쉽게 부서지는 경향이 있다. 종래 기술의 좋은 예로써, 미국 특허 제5,236,740호는 비연마 초경 합금 기판에 CVD 다이아몬드 필름을 적용시키는 기술을 개시하고 있다. 개시된 바에 따르면, 다이아몬드 코팅 공구 개발자에게 있어서 주목할만한 시도는 마감된(finished) 제품에 충분한 표면 인성(toughness)을 유지하면서 다이아몬드 필름과 기판사이에 입혀지는 접착제를 최적화하는 것이다. 6%와 같거나 작은 농도의 코발트(Co) 결합제를 포함하는 텅스텐 초경 합금 기판(WC/Co)은 필수 인성을 가지므로, 공구 응용에 있어서 대단히 수명이 긴 상업적 보장성을 나타낸다. 6% 이하의 코발트를 가진 텅스텐 초경 합금 기판은 최상의 기계 및 절삭 작업을 위한 적당한 표면 인성을 제공한다. 텅스텐 초경 합금은 다양한 기하학적 형태로 형성될 수 있어서, 절삭 공구 삽입체를 위한 중요한 재료가 된다. 그러나, 지금까지 영구적인 절삭 성능을 가진 영구적이며 신뢰적인 CVD 다이아몬드 코팅 초경 합금 기판은 당업계에 알려진 바가 없다.

그러므로, 본 발명은 기계 또는 절삭 공구의 삽입체로서 사용하기 위해 적당한 접착제를 포함한 CVD 다이아몬드 필름층이 텅스텐 초경 합금 기판에 효과적으로 또, 신뢰적으로 코팅될 수 있는 텅스텐 초경 합금 기판을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나, 초경 합금 기판에 CVD 다이아몬드 필름을 적절히, 견실하게 그리고 신뢰도 좋게 접착시키는 문제에 대한 해답은 당업계에서 오랫동안 발견되지 않고 있다.

초경 합금에 코발트 결합제를 사용함은 기판에 대한 다이아몬드 필름의 접착을 억제한다는 것이 문헌(1989년 5월, Toma 50, Journal De Physique, Colloque C5, supplement no 5, pp.C5 169-156, R. Haubner와 B. Lux의 Influence of the Cobalt Content in Hot-Pressd Cemented Carbides on the Deposition of Low-Pressure Diamond Layers)에 기술되어 있다. 실제로, 미국 특허 제4,990,403호에 개시된 바와 같이 코발트를 함유하지 않은 기판, 또는 미국 특허 제4,731,296호에 개시된 바와 같이 4% 이하의 Co 결합제를 함유한 기판을 이용하거나, 기판 표면에서의 코발트 농도를 점차로 고갈시킴에 의해서만 텅스텐 초경 합금 기판이 양호하게 사용될 수 있음을 종래 기술은 나타내고 있다. 일본 New Diamond Forum 1988, Abst. of 1st Int. Conf. on the New Diamond Sci. & Technol, pp.158-159, M.Yagi의 Cutting Performance of Diamond Deposited Tool for A1 18 mass% Si Alloy에서, 선택적 에칭 또는 다른 방법에 의해 기판 표면에서의 코발트 농도를 고갈시키는 방법이 공지되어 있다. 그러나, 상기 방법은 기판의 표면 인성을 감소시켜 기판 및 도포된 다이아몬드 필름의 치핑(chipping)을 유발할 수 있다. 유럽 특허 공보 제0 384 011호에 개시된 바와 같이, 증착전에 기판을 탈탄화(脫炭化)시킴으로써, 기판에 대한 다이아몬드의 접착성을 증가시킬 수 있지만, 이러한 공정을 이용하면, 기판 인성을 최적화할 수 없어서, 영구성 및 견실성이 중요한 이슈인 제조 환경에는 부적합하다.

종래 기술의 몇가지 특징으로서, 다이아몬드를 증착하기 전에 텅스텐 초경 합금 기판의 표면을 연마 또는 스크래칭하므로써, CVD 다이아몬드 필름의 접착성을 향상시킬 수 있으며, 스크래칭 및 연마에 의해 핵형성 공정이 강화될 수 있음을 주장하고 있다(Haubner와 Lux; Yagi; M.Murakawa et al., Chemical Vapour Deposition of A Diamond Coating Onto A Tungsten carbide Tool Using Ethanol, Surface Coatings Technology, Vol 36.pp.303-310. 1988; Kuo et al. Adhesion and Tribological Properties of Diamond Films on various substrates, J.Mol.Res. Vol.5, No.11, November 1990, pp.2515-2523). 그러나, 이러한 논문들의 검토에 의하면, 연마된 기판을 사용하는 것이, 표면이 연마 또는 스크래칭에 의해 형성되지 않은 기판을 이용하여 얻는 결과보다 낮은 불량률을 산출한다는 것을 확인시켜 주고 있다.

접착 문제에 대한 또다른 해결 방법은 다이아몬드와 WC/Co 기판 사이에 중간층을 사용하는 것이다. 이 방법은 Co를 둘러싸서, 기판이 그 인성을 유지하게 하면서 접착성을 최적화한다. 접착성을 더욱 증가시켜 다이아몬드에 강력하게 접착하는 효율적인 중간층 재료를 선택할 수도 있다. 미국 특허 제4,707,384호는 티타늄 카바이드 중간층을 이용하는 방법을 개시하고 있다. 미국 특허 제4,998,421호 및 제4,992,082호는 평탄화된 접착 재료의 층들간에 간섭된 복수개의 분리된 다이아몬드 또는 다이아몬드성 입자의 층을 이용하는 방법을 개시한다. 그러나, 지금까지 이러한 기술들의 상업적 영구성 또는 생존성이 입증된 바가 없다.

카바이드 표면이 뾰족하거나 날카로운(즉, 절삭) 에지를 제공하도록 정확한 치수로 연삭 및/또는 연마되어야 하기 때문에, 초경 합금 절삭 공구에 있어서 접착 문제가 특별히 중요하고, 상기 공구가 나무, 특히 파티클 보드, 섬유판 등과 같은 인조 나무재 제품을 절단하고자 하는 경우에 더욱 중요하다는 것을 절삭 공구 업계의 숙련자들은 인식할 것이다. 지금까지, 절삭 공구 삽입체에 이용되는 카바이드 기판에 관하여 상업적 영구성을 바탕으로 카바이드 기판의 절삭 에지를 연삭/연마하는 데에 효과적인 또는 지속적인 공정 또는 기술은 밝혀지지 않았다. 연삭/연마 공정은 미확정 형태의 초경 합금 기판의 표면상에 필름 또는 "스킨"을 생성하여, 상기 기판이 종래 기술에서와 같이 산성 에칭된 경우에도 다이아몬드 필름과 같은, 난이하고 불균일한 CVD 필름의 접착제를 만든다는 것이 밝혀졌다. 초경 합금 표면의 산성 에칭은 에천트가 "스킨"을 침투/제거하기에는 너무 강하고, 카바이드 그레인이 CVD 필름 증착을 위한 핵형성 사이트로서 부적당하게 되는 방식으로는 카바이드 그레인을 부식시키는 효과를 갖기 때문에, "스킨"을 갖는 카바이드 기판에는 효과적이지 않다고 여겨지고 있다. 본 발명은 이 숙원적인 문제를 해결하여, 본 발명에 따라 제조된 삽입체의 절삭 성능에 의해 보여지는 바와 같이, CVD 다이아몬드 필름에 대해 수용성이 매우 강한 초경 합금 기판을 제공한다.

본 발명은 절삭 공구에 삽입하여 사용하고, 다이아몬드 코팅이 입혀질 수 잇는 표면을 가지는 다이아몬드 코팅된 초경 합금 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명의 이해를 돕기 위해 하기 도면 중 하나 이상의 도면을 참조한다.

도 1은 본 발명에 따라 제조된 초경 합금 기판의 단면을 2140배로 확대한 현미경 사진.

도 2는 본 발명에 따라 제조된 초경 합금 기판의 단면을 2250배로 확대하여 CVD 다이아몬드가 증착된 필름을 도시하는 현미경 사진.

도 3은 날카로운(즉, 절삭) 에지를 형성하도록 연삭/연마된 초경 합금 기판의 표면 중 일부이고, 연삭/연마 단계로부터 생성되는 "스킨"을 도시하는 현미경 사진(7500배율).

도 4는 15초의 전기 연마 단계 후에 연삭/연마된 초경 합금 기판의 표면을 7500배로 확대한 현미경 사진.

도 5는 30초의 전기 연마 단계 후에 연삭/연마된 초경 합금 기판의 표면을 7500배로 확대한 현미경 사진.

도 6은 1분의 전기 연마 단계 후에 연삭/연마된 초경 합금 기판의 표면을 7500배로 확대한 현미경 사진.

도 7은 1분의 전기 연마 단계와 1분의 산성 에칭 단계 후에 연삭/연마된 초경 합금 기판의 표면을 6000배로 확대한 현미경 사진.

도 8은 전기 연마되지 않고, 에칭되어 부식된 카바이드 그레인이 생성된 연삭/연마된 초경 합금 기판의 표면을 6000배로 확대한 현미경 사진.

도 9는 전기 연마중인 카바이드 기판의 개략 설명도.

도 10은 전기 연마 단계 후에 연삭/연마된 초경 합금 기판의 표면의 X-선 분광기 해석을 도시하는 그래프.

도 11은 본 발명에 따라 제조된 연삭/연마된 초경 합금 기판의 표면의 X-선 분광기 해석을 도시하는 그래프.

도 12는 도 10과 도 11의 비교.

본 발명에 따라서, 기판의 6wt.% 이하의 코발트 또는 니켈계 결합제나, 6wt.% 이하의 코발트계 또는 니켈계 합금의 결합제를 이용한 텅스텐 카바이드와 같은 초경 합금 기판은 기판 표면을 1차로 전기 연마하고, 기판의 기계적 연삭/연마 후에 남게되는 "스킨"을 제거하는 공정을 코팅될 기판 표면이 거치도록 함으로써, CVD 다이아몬드 필름층의 코팅을 수용하도록 제조된다. 상기 기계적 연삭/연마 단계는 기판에 날카로운 절삭 에지를 형성하는 데에 필요하다. 전기 연마된 기판은 초경 합금 표면의 일부로부터 약 15μ, 바람직하게는 약 1-5μ이하의 깊이로 코발트를 제거하는 산성 에천트 공정을 거치게 된다. 텅스텐 초경 합금 기판의 "스킨"제거 및 코발트 제거 표면은 다이아몬드 필름의 접착성 CVD 코팅에 매우 적합하게 된다.

본 발명의 카바이드 바디의 양호 표면은 2단계 공정의 수단으로써 얻을 수 있다. 이 공정의 제1 단계는 전해조에 카바이드 바디(기판)를 침지시키고, 카바이드 바디(기판)가 전원을 통해 음극에 접속된 양극으로서 작용하는 전기 회로에 카바이드 바디(기판)를 접속하고(예컨대, 스테인레스강), 소정 시간동안 선택된 전류 밀도를 상기 기판에 가함으로써 행해지는 전기 연마 단계이다. 본 발명의 제2 단계 공정은 전기 연마된 초경 합금의 표면을 예컨대, 농축 형태 또는 증류수로 희석된 형태의 무기산 또는 무기산의 화합물, 또는 과산화수소(H₂O₂) 등의 산화제와 같은, 선택된 에천트로 소정 시간동안 에칭하는 단계이다. 에칭 용액은 약 1부의 염산(HCl), 증류수내에 3wt.%의 과산화수소를 함유한 약 1부의 용액, 및 2부의 증류수로 이루어진다. 다른 혼합물은 코발트가 카바이드 표면으로부터 리칭될 때의 속도 및 균일성을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 상기 공정의 효과는 상기 두 단계의 전,중,후에 무수 알코올/아세톤 용액으로 세척하는 단계를 하나 이상 게재시킴으로써 향상될 수 있다.

전기 연마 단계에 사용되는 전해질 용액은 통상, 농도가 약 10%인 과산화나트륨(NaOH)이다. 당업자는 상기한 용액에 한정되지 않고, 다른 전해질 용액이 이용될 수 있음을 인식할 것이다. 무수 알코올/아세톤 전해조를 사용하는 경우, 혼합비는 엄격하지 않으며; 약 50%의 알코올과 약 50%의 아세톤은 만족할 만한 것으로 입증되었다.

본 발명에 따라 제조된 텅스텐 초경 합금 기판은 CVD 다이아몬드 필름으로 양호하고 균일하게 코팅되었고, 이러한 결과는 Rockwell "C"의 만입부 강도 테스트에 대해서는, 본 발명에 따라 생성된 CVD 다이아몬드 코팅 텅스텐 카바이드 삽입체를 수용하는 절삭 공구의 저항치에 의해 측정되었고, 중간 밀도 파티클 보드(MDPB)에 대해서는, 본 발명에 따라 생성된 CVD 다이아몬드 코팅 텅스텐 카바이드 삽입체를 수용하는 절삭 공구의 절삭 성능에 의해 측정되었다.

당업계의 당업자들은 이하의 실시예에서 보이는 바와 같은 본 발명의 하기 설명이 제한이 아닌 예시의 목적임을 인식할 것이다. 당업자는 본 발명의 다른 실시를 용이하게 행할 것이다.

<실시예 1>

도 1을 참조하면, 본 발명의 신규 표면 형성 절차에 이어, 본 발명의 부재의 단면은 카바이드 기판으로서 도시되었다. 이 실시예에서는 연삭된 절삭 에지를 갖는 Vermont American사의 OM3 그레이드 텅스텐 카바이드/코발트(4.5wt.%의 Co) 기판이 사용되었다. 도 3을 참조하면, 기판을 날카롭게 만들거나 매끄럽게 연삭된 표면에 특징적인 일련의 그루브를 형성하는 절삭 에지(또한, 공지된 방법으로 릴리프를 형성하는)를 제공하는 연마 절차를 도시한다. 덧붙여, 연삭 표면은 복잡한 기하학적 형태의 "스킨"을 갖는데, WC 카바이드 그레인은 도 3이 7500배율로 도시되었다고 해도 Co 그레인과 구별할 수는 없다. 이 "스킨"은 통상, 수미크론의 깊이이거나, 연삭 그루브의 깊이와 거의 동등하다. "스킨"은 공지된 에칭 기술로는 제거하기가 상당히 난이한 것으로 밝혀졌다.

도 1은 "스킨"을 제거하고 동시에 다층 구조를 제공하는, 본 명세서에서 제안하는 신규 공정에 따라 제조된 후의 본 발명의 WC/Co 기판의 부재를 도시한다. 당업계의 숙련자들은 기판의 하부 표면(sub-surface)층이 코발트 결합제(14)에 의해 함께 경화된 샤프 에지의 WC 그레인(12)으로 구성된다는 것을 인식할 것이다. 도 1은 기판의 약 10μ의 최상부층이 코발트 결합제(14)를 함유하지 않고, WC 그레인의 앵귤러 에지가 아무런 영향을 받지 않았음을 나타낸다. 이러한 다층 WC/Co 카바이드 기판은 약 15μ 이하, 바람직하게는 약 1-5μ의 실질적으로 코발트를 제거한 상부층을 갖는데, 앵귤러 샤프 그레인 에지 및 제1층에 인접하는 바로 밑의 WC/Co 층을 나타내는 카바이드 그레인(12)은 CVD 다이아몬드 필름과 같은 화학적 증착 코팅을 수용하기에 특별히 적당하다는 것이 밝혀졌다.

본 발명의 WC/Co 기판의 표면은 다음과 같이 제조되었다.

연삭 WC/Co 기판은 실온에서 수분간, 바람직하게는 약 5분간 알코올과 아세톤의 무수 혼합물로 세척되었다. 이어서, 이 WC/Co 기판은 이하의 절차(이해를 돕기 위해, 전기 연마 공정을 설명하는 도 9를 참조할 수 있음)에 따라 전기 연마되어, WC/Co 기판으로부터 방해되는 금속(예컨대, 연삭 표면의 "스킨")과 하부 표면 재료를 전해질 셀(13)을 이용하여 다음과 같이 제거하는 것으로 밝혀졌다: WC/Co 카바이드 기판(15)은 10%의 과산화나트륨 용액과 같은 적당한 전해액(16)에 전체적으로 또는 부분적으로 침지된다. 카바이드 기판(15)은 예컨대, 상기 셀의 양극으로서 동작하는 가변 DC 전력 공급기의 음의 단자에 전기적으로 접속된다. 전력 공급기의 양의 단자는 전해액(16)과 카바이드 양극(15) 사이에 배치된 양극판(20)에 접속된다. 양극판(20)은 통상, 스테인레스강이다. 전류는 카바이드 기판(15)의 양극 표면에서 화학 반응이 관측될 때까지 셀(13)에 인가된다. 0.1A/㎠ 내지 0.6A/㎠의 전류 밀도가 20V를 초과하지 않는 전위로 양호하게 사용되었다. 활발한 전해 반응은 WC 그레인과 Co 결합제가 연삭되기 전과 구별될 수 있는 양호한 표면을 생성한다.

전기 연마의 임팩트는 도 3, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상당히 급격하다. 도 3은 단 15초의 전기 연마 후의 WC/Co 기판의 표면을 도시한다. WC 그레인 및 Co 결합제가 이제는 구별 가능함을 알 수 있다. 도 4 및 도 5는 각각 30초 후와 60초(1분) 후를 도시하며, WC 그레인과 코발트 결합제는 더 많은 "스킨"이 제거됨에 따라 증가적으로 검출될 수 있다. 양호한 전기 연마 표면은 15초 정도의 단시간에 생성될 수 있으며, 현재에는 실온(약 25℃)에서 약 2분 내지 15분의 전기 연마 시간이 최상의 결과를 제공한다.

카바이드 기판(15)의 연삭 표면을 상기한 바와 같이 전기 연마한 후에, 전기 연마된 기판(15)은 중간의 무수 알코올/아세톤 전해조를 실온에서 수분간, 양호하게는 약 5분간 거치게 된다. 본 실시예의 바람직한 무수 전해조는 약 50-50의 알코올(메탄올 또는 에탄올)과 아세톤의 화합물을 함유한다.

다음에, 카바이드 기판(15)의 연삭 및 전기 연마된 표면은 실온에서 약 30초 내지 4분 동안 산성 에천트를 거치게된다. 이 에칭 단계는 WC 그레인(12)을 부식시키지 않고도 도 1에 도시된 바와 같이, 약 15μ이하의 깊이로(본 발명에서는 약 1 내지 5μ이 바람직함)코발트 결합제(14)를 연삭 및 전기 연마된 표면으로부터 제거한다. 본 발명의 바람직한 에천트는 1부의 염산, 1부의 과산화수소(3% 강도) 및 2부의 증류수이다. 이러한 혼합물은 WC 그레인의 보전성 및 굴곡성을 유지하는 동시에 소망의 깊이로 코발트를 적절히 제거하여, CVD 다이아몬드 필름의 접착성을 증가시키기에 최적의 핵형성 사이트를 제공하는 것으로 입증되었다. Murakami의 시약과 같은 다른 에천트로 양호한 결과물을 생성할 수 있다.

마지막으로, 전기 연마 및 에칭된 카바이드 기판(15)은 실온에서 수분간, 바람직하게는 약 5분간 최종 무수 알코올/아세톤 전해조에 침지된다.

전술한 절차가 전기 연마 전, 전기 연마와 에칭 중, 그리고 에칭 후의 무수 알코올/아세톤 전해조를 이용하여 바람직하게 기술되었지만, 전기 연마 및 에칭 단계를 거친 WC/Co 기판은 CVD 필름과 같은 증착 코팅을 수용할 수 있는 표면을 제공한다는 것을 관측하였다. 또, 상기 전기 연마 단계가 기술된 바와 같이 실온에서 행해졌지만, 연마 속도는 전해 용액(16)의 온도를 상승시킴으로써 빨라질 수 있다. 이러한 경우, 상기 셀(13)이 도 9에 도시된 바와 같은 냉각 수단을 거치게 할 필요가 있다.

상술한 본 발명에 따른 카바이드 기판은 CVD 다이아몬드 필름의 양호한 보전성을 가지는 약 100μ이하의 두께의 CVD 다이아몬드 필름을 수용하기에 적당한 것으로 입증되었다.

<실시예 2>

도 2에 있어서, 전술한 공정에 따라 제조되고 도 2에 도시한 CVD 다이아몬드 필름으로 약 16μ 두께로 코팅된 (날카로운)연삭 에지를 가지는, 이 경우 역시 Vermont American 사의 그레이드 OM3(4.5wt.%의 Co)인 WC/Co 카바이드 기판이 도시되었다. 도 2를 참조하면, 카바이드 기판의 표면은 약 5μ의 깊이로 코발트 결합제를 실질적으로 제거하고 WC 그레인(12)은 그 굴곡성이 유지된다는 것을 보인다.

도 10, 도 11 및 도 12는 WC/Co 기판의 전기 연마된 표면과 상기한 본 발명에 따라 WC/Co 기판의 전기 연마 및 산성 에칭된 표면과의 차이를 도시하고 있다. 도 10은 전술한 절차의 산성 에칭 단계 전의 WC/Co 카바이드 기판(10)의 전기 연마된 표면의 날카로운 (연삭)표면에 대한 X-선 분광기 해석을 도시하고, 도 11은 전술한 절차의 산성 에칭 단계 후의 동일 표면에 대한 X-선 분광기 해석을 도시한다. 도 12는 산성 에칭 전과 후의 동일 기판의 전기 연마된 표면에 관한 도 10과 도 11과의 비교이다. 전기 연마된 카바이드 기판(점선)은 코발트 K_α피크의 존재를 나타내지만, 전기 연마 및 에칭된 표면(어두운 부분)은 코발트의 존재에 관련한 K_α피크의 활동이 없음을 도시한다. 이와 같이, 산성 에칭 절차 전에 실질적인 양의 코발트가 존재하고, 전기 연마 후에도 코발트의 존재에 관련한 특유의 K_α피크가 나타나는 것을 알 수 있고; 산성 에칭 단계를 거친 후에 전기 연마된 표면에서 코발트의 실질적인 부재는 코발트의 공지된 K_α피크에서의 사실상 분광기 활동이 없음에 의해 표시된다.

도 7은 상기의 전기 연마 및 에칭을 각각 1분씩 거친 본 발명의 WC/Co 기판의 표면을 보인다. 이 표면은 오직 앵귤러 WC 카바이드 그레인(15)과, 남아있는 코발트(14)의 트레이스의 존재에 의해서만 특징지어진다. 이것은 CVD 다이아몬드와 같은 화학적 증착 필름으로 핵형성을 위한 양호한 사이트를 제공할 것이며, 소량의 코발트(14)는 효과적인 증착에 있어서 해롭지 않게 된다. 그렇지만, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 양호한 부재는 전해질 용액(10% NaOH + 증류수)에서 약 10 내지 12분간 전기 연마된 후, 약 1분간 1부의 염산, 1부의 과산화수소 용액(3% 강도) 및 2부의 증류수의 혼합물로, WC/Co 기판이 전기 연마되기 전(~5분), 전기 연마 후(~5분), 에칭 후에(~5분) 무수 알코올/아세톤 전해조에서 에칭된다. 도 1은 약 10μ의 깊이로 사실상 코발트를 실질적으로 제거하여, 상기 표면이 CVD 필름과 같은 화학적 증착 코팅을 수용할 수 있게 만든다. 결합제가 없는 영역은 얇을수록(약 1 내지 5μ) 바람직하지만, 가끔은 두꺼운 영역이 양호한 경우가 있다.

도 2는 공지된 CVD 증착 기술로 약 16μ의 CVD 다이아몬드 필름(22)을 코팅한, 도 1에 도시된 바와 같은 WC 카바이드 기판을 구비한 본 발명의 부재를 도시한다. 다이아몬드 필름(22)과 앵귤러 WC 카바이드 그레인(12) 사이의 공유 영역은 2250배율에서도 양호하고 균일한 접착성을 보임을 알 수 있다. CVD 다이아몬드/WC 카바이드 공유 영역의 효과는 Rockwell "C"의 만입부 강도 테스트에 대한 CVD 다이아몬드 코팅 표면의 저항치에 의해 확증된다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 CVD 다이아몬드 코팅 카바이드 기판은 CVD 다이아몬드 필름의 극소 스폴링(spalling)만으로 Rockwell "C"의 만입부 강도를 이용한 60kg의 만입부 강도 테스트를 견뎌냈다. CVD 다이아몬드 필름과 같은 화학적 증착 코팅을 수용하기 위한 본 발명의 부재의 효율성에 관한 또다른 증거는 CVD 다이아몬드 필름(도 2)으로 코팅된 본 발명의 카바이드 기판(도 1)을 이용한 공구 삽입체 절삭으로써 나타내진다. 기술된 바와 같은 삽입체는 CVD 다이아몬드 코팅과 WC 카바이드 그레인의 공유 영역이 완전하게 보전되고, 절삭 표면에 사실상 아무런 CVD 다이아몬드 코팅을 입히지 않고서도, 10,000 피트 이상의 중간 밀도 입자 보드(MDPB) 절삭을 견뎌냈다.

<실시예 3>

도 8은 전기 연마를 거친 WC/Co 카바이드 기판, 즉 Vermont America사의 그레이드 OM3(4.5wt.%의 Co)의 표면을 도시한다. 이 카바이드 기판은 종래의 방식으로 "스킨"을 제거하고 또한, 표면으로부터 코발트를 제거하기에 충분한 시간인 5분 동안 왕수(aqua regia)용액으로 산성 에칭되었다. 상기 WC 그레인은 실질적으로 부식된다는 것을 알 수 있다. 상기 표면에서 코발트가 실질적으로 제거되지만, 이런 형태의 카바이드 표면은 양호하고 영구적인 방식으로, CVD 다이아몬드 필름과 같은 화학적 증착 코팅을 수용하지 못한다. 도 8에 도시된 바와 같은 카바이드 표면이 CVD 다이아몬드 필름을 양호하게 수용하지 못하는 이유에 대해서는 완전히 밝혀지지 않았지만, 도 8에 도시된 부식된 또는 "만곡된" WC 그레인이 화학적 증착 필름을 위한 효과적인 핵형성 사이트로서의 역할을 하지 못하기 때문인 것으로 추측되고 있다. 물론, 적당한 초기 핵형성은 카바이드/CVD 다이아몬드 공유 영역의 강도 및 보전성에 있어 중요하다. 도 8에 도시되고 CVD 다이마몬드 필름으로 코팅된 카바이드 기판은 CVD 다이아몬드 코팅의 상당한 균열 및 스폴링과 함께, Rockwell C의 만입부 강도 테스트에 대해 나쁜 저항성을 보였다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같은 카바이드 기판으로 제조된 CVD 다이아몬드 코팅 절삭 삽입체의 절삭 성능은 MDPB에 대한 나쁜, 표이성 절삭 성능을 보였다. CVD 코팅은 절삭 에지에 입혀지지 않는 경우에도, 스폴 오프하는 경향이 있다.

본 발명의 실시예 및 응용예를 도시하고 설명하였지만, 당업계의 기술자들은 언급되지 않은 수많은 변형예를 본 발명의 핵심 사상을 벗어나지 않고 실시할 수 있음을 명확히 인식할 수 있을 것이다. 그러므로, 본 발명은 첨부된 청구범위의 기술 범위에만 한정될 것이다.

Claims

카바이드 상태와 결합제 상태를 가지고 기판상에 적어도 하나의 연삭된 샤프 에지를 구비하는 초경 합금 기판에 있어서, 상기 샤프 에지는

절삭 재료를 수용하기에 알맞은 약 15μ이하의 깊이를 가진 제1층을 포함하고, 상기 제1층은 카바이드 상태와 실질적으로 상기 결합제 부재 상태를 가지고, 상기 제1층의 상기 카바이드 상태는 카바이드 그레인이 샤프 에지를 갖는 것이 특징이며,

카바이드 상태와 결합제 상태를 가진 상기 제1층 바로 밑에 배치되는 제2층을 포함하는 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판.
제1항에 있어서, 상기 제1층은 약 1 내지 5μ의 깊이인 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판.
제2항에 있어서, 상기 결합제 상태는 코발트, 니켈, 또는 코발트 니켈계 합금으로부터 선택되는 결합제를 포함하는 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판.
제3항에 있어서, 상기 결합제 상태는 약 6wt.% 이하인 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판.
제2항에 있어서, 상기 결합제 상태는 코발트계 결합제를 포함하는 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판.
제2항에 있어서, 상기 결합제 상태는 코발트계 합금 결합제를 포함하는 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판.
제5항에 있어서, 상기 코발트계 결합제는 상기 기판의 약 6wt.% 이하인 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판.
제2항에 있어서, 상기 기판은 텅스텐 카바이드 기판인 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판.
제8항에 있어서, 상기 결합제 상태는 코발트, 니켈, 또는 코발트 니켈계 합금으로부터 선택된 결합제 베이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판.
제9항에 있어서, 상기 결합제 상태는 약 6wt.% 이하인 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판.
제7항에 있어서, 상기 결합제 상태는 코발트계 결합제를 포함하는 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판.
제11항에 있어서, 상기 코발트 결합제는 상기 기판의 약 6wt.% 이하인 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판.
기판상에 적어도 하나의 연삭된 샤프 에지를 구비하는 초경 합금 기판에 있어서, 상기 샤프 에지는

절삭 재료의 코팅을 수용하기에 적당하게 마름질된 에지 표면을 포함하고, 상기 표면은 상기 표면에 인접하여 상기 표면 바로 밑에 배치되는 약 15μ이하의 두께의 제1 카바이드 상태층을 갖고, 상기 제1층에 인접하여 상기 제1층 바로 밑에 배치되는 제2층을 갖고, 상기 제2층은 카바이드 상태와 결합제 상태를 가지는 것을 특징으로 하는 초경 합금 결합제.
제13항에 있어서, 상기 제1 카바이드 상태층은 약 1 내지 5μ이하의 깊이인 것을 특징으로 하는 초경 합금 결합제.
제14항에 있어서, 상기 결합제 상태는 코발트계 결합제를 포함하는 것을 특징으로 하는 초경 합금 결합제.
제14항에 있어서, 상기 코발트는 상기 기판의 약 6wt.% 이하인 것을 특징으로 하는 초경 합금 결합제.
제14항에 있어서, 상기 기판은 텅스텐 카바이드 기판인 것을 특징으로 하는 초경 합금 결합제.
제13항에 있어서, 상기 제1 카바이드 상태층은 약 1 내지 5μ의 깊이인 것을 특징으로 하는 초경 합금 결합제.
제13항에 있어서, 상기 제1 카바이드 상태층은 약 3 내지 12μ의 깊이인 것을 특징으로 하는 초경합금 결합제.
카바이드 상태와 결합제 상태를 가지고 기판상에 적어도 하나의 연삭된 샤프 에지와 절삭 재료의 코팅을 수용하기에 적당한 절삭 표면을 구비하는 초경 합금 기판 제조 방법에 있어서,

상기 기판이 상기 전해 용액의 양극으로서 동작하고 전력 공급기가 상기 전해 용액의 음극으로서 동작하므로써 상기 기판을 전기 연마하여 상기 절삭 에지의 절삭 표면을 제공하도록 전해 용액에 상기 기판을 침지시키는 단계와; 상기 카바이드의 결합제 상태를 실질적으로 제거하도록 상기 기판의 표면 바로 밑에 약 15μ이하의 깊이로 상기 기판의 전기 연마된 상기 표면을 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판 제조 방법.
제20항에 있어서, 상기 전기 연마된 표면의 상기 에칭 단계는 상기 기판의 표면 바로 밑에 1 내지 5μ의 깊이로 상기 카바이드의 결합제 상태를 실질적으로 제거하는 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판 제조 방법.
제21항에 있어서, 상기 전해 용액은 10wt.%의 과산화나트륨인 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판 제조 방법.
제21항에 있어서, 상기 전기 연마 단계는 약 15초 내지 약 15분간 상기 전해 용액에 상기 기판을 침지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판 제조 방법.
제21항에 있어서, 상기 에칭 단계는 질산, 염산, 황산, 과산화수소, 및 그 혼합물을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 에칭 용액에 상기 기판을 침지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판 제조 방법.
제24항에 있어서, 상기 에칭 용액은 염산, 과산화수소 및 물의 혼합물인 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판 제조 방법.
제25항에 있어서, 상기 물은 증류수인 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판 제조 방법.
제21항에 있어서, 무수 알코올이 포함된 용액에 상기 기판을 침지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판 제조 방법.
제21항에 있어서, 무수 알코올과 무수 아세톤의 혼합물이 포함된 용액에 상기 기판을 침지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판 제조 방법.
제27항에 있어서, 무수 알코올과 무수 아세톤의 혼합물이 포함된 용액에 상기 기판을 침지시키는 상기 단계는 상기 전기 연마 단계 전, 상기 전기 연마 단계와 상기 에칭 단계 중, 또는 상기 에칭 단계 후에 행해지는 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판 제조 방법.
제29항에 있어서, 상기 물은 증류수인 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판 제조 방법.
제27항에 있어서, 무수 알코올과 무수 아세톤의 혼합물이 포함된 용액에 상기 기판을 침지시키는 상기 단계는 약 25℃에서 약 5분간 행해지는 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판 제조 방법.
초경 합금 기판의 표면을 형성하는 방법에 있어서,

무수 알코올과 무수 아세톤의 혼합물이 포함된 용액에 실온에서 약 2 내지 5분간 상기 기판을 침지시키는 단계와;

10%의 과산화나트륨과 증류수와의 전해 용액과 스테인레스강의 음극을 포함하는 직류 전해질 셀의 양극으로서 상기 기판을 접속하고,실온에서 약 15초 내지 15분의 시간 동안 상기 기판에 약 20V 이하의 전위에서 약 0.1A/㎠ 내지 0.6A/㎠의 전류 밀도를 흐르게 하므로써, 상기 기판의 표면을 전기 연마하는 단계와;

상기 전기 연마된 기판을 알코올과 아세톤의 혼합물이 포함된 용액에 실온에서 약 2 내지 5분간 침지시키는 단계와;

약 1부의 염산과, 약 1부의 증류수내 과산화수소의 용액과, 2부의 증류수를 포함하는 용액으로 실온에서 30초 내지 5분간 에칭하는 단계와;

알코올과 아세톤의 무수 혼합물이 포함된 용액에 실온에서 약 2 내지 5분간 상기 기판을 침지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판의 표면 형성 방법.
제32항에 있어서, 상기 증류수내 과산화수소의 용액은 약 3wt.%의 과산화수소를 함유하는 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판의 표면 형성 방법.
제32항에 있어서, 알코올과 아세톤의 무수 혼합물이 포함된 용액에 상기 부재를 침지시키는 상기 단계는 각각 약 5분간 행해지는 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판의 표면 형성 방법.
제32항에 있어서, 상기 부재는 상기 10%의 과산화나트륨 전해 용액내의 상기 전해질 셀의 양극으로서 약 2 내지 15분간 전기 연마되는 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판의 표면 형성 방법.
제32항에 있어서, 상기 부재는 약 1분간 에칭되는 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판의 표면 형성 방법.
제32항에 있어서, 상기 전기 연마 단계는 상승된 온도에서 행해지는 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판의 표면 형성 방법.
제29항에 있어서, 상기 전기 연마 단계는 상승된 온도에서 행해지는 것을 특징으로 하는 초경 합금 기판의 표면 형성 방법.