KR20210035294A - Pcd 인서트를 갖는 커팅 툴, 이를 포함하는 시스템 및 관련된 방법 - Google Patents

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레건 릴랜드 버튼
댄 베글리
켄 젠슨
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유에스 신써틱 코포레이션
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Abstract

다양한 소재를 머시닝하는 데 사용될 수 있는 커팅 툴은 바디 및 그와 연관된 하나 이상의 커팅 요소를 포함할 수 있다. 일 예에서, 커팅 요소(들)는 초경질 테이블, 예컨대 다결정 다이아몬드 테이블을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 다결정 다이아몬드 테이블은 대략 95 vol.% 이상의 다이아몬드 밀도를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 초경질 테이블의 두께는 대략 0.15 in일 수 있다. 일부 실시예에서, 초경질 테이블은 칩 파쇄 구성이나 구조를 포함할 수 있다. 소재를 성형, 마감 또는 달리 머시닝하는 방법이 또한 제공되는데, 이는 티타늄을 포함하는 소재의 머시닝을 포함한다.

Description

PCD 인서트를 갖는 커팅 툴, 이를 포함하는 시스템 및 관련된 방법
본 출원은 PCD 인서트를 갖는 커팅 툴, 이를 포함하는 시스템 및 관련된 방법(CUTTING TOOL WITH PCD INSERTS, SYSTEMS INCORPORATING SAME AND RELATED METHODS)이라는 명칭으로 2018년 8월 2일에 출원된 미국 가출원번호 62/713,862의 이익을 주장하며, 그 개시가 전체로서 참조로 포함된다.
커팅 툴은 종래에 소재를 제거하고 특정한 대상의 원하는 형상과 표면을 형성하기 위해 머시닝 작업에서 사용된다. 예를 들어, 밀링은 흔히 워크피스라고 불리는 특정한 볼륨의 소재로부터 형상이나 표면을 형성하기 위해 "칩"의 형태로 소재가 점진적으로 제거되는 머시닝 공정이다. 이는 흔히 커팅 툴의 회전축에 직각인 방향으로, 회전하는 커팅 툴로 워크피스를 (또는 그 반대로) 이송함으로써 이루어질 수 있다. 다양한 타입의 커터가 밀링 작업에 채용될 수 있으나, 대부분 커팅 툴은 바디와 하나 이상의 톱니(또는 바디에 기계적으로 부착되거나 브레이징될 수 있는 커팅 요소)를 포함하며, 톱니는 회전하는 커터의 톱니가 워크피스에 맞물릴 때 워크피스로부터 소재를 커팅하고 제거한다.
금속, 플라스틱, 합성 및 천연 소재를 포함하여, 거의 모든 고형 소재가 머시닝될 수 있다. 일부 소재는 다른 타입의 소재보다 더 용이하게 머시닝되며, 머시닝되는 소재의 타입은 커팅 툴의 선택을 포함하여, 워크피스를 머시닝하기 위해 착수되는 공정을 상당 부분 좌우할 수 있다. 예를 들어, 티타늄 및 티타늄 합금은 다수의 바람직한 기계적 및 소재적 특성을 보이긴 하지만, 머시닝하기 어렵기로 유명하다.
티타늄 소재를 밀링하기 어려운 여러 이유가 있으며, 이들 중 일부는 완전히 이해되지 않으나, 몇 가지 이유는 고강도, 커터 소재와 화학적 반응성 및 낮은 열전도성을 포함할 수 있다. 이들 특성은 커터의 수명을 줄이는 경향이 있다. 추가적으로, 티타늄 소재의 상대적으로 낮은 영 계수는 커팅 툴에서 "채터(chatter)"를 유발하며, 이는 흔히 머시닝된 워크피스의 불량한 표면 마감을 야기한다. 나아가, 밀링과 같이 머시닝 공정에서 전형적으로 형성되는 "칩"은 전형적으로 작은 파쇄된 칩이 아니라, 기계에서 엉키게 될 수 있는 긴 연속적인 칩으로, 안전 문제를 유발하며, 티타늄 소재의 자동 머시닝을 수행하기 어렵게 만든다.
타티늄과 같이 대개 머시닝하기 어려운 소재를 포함하여, 다양한 소재를 머시닝하기 위해 원하는 특성을 제공하는 커팅 툴을 제공하기 위해 다양한 시도가 있었으나, 다양한 소재의 머시닝 및 다양한 커팅 공정에서 사용을 위하여 개선된 커팅 툴을 제공하기 위해 산업에서 지속적인 요구가 있다.
본 발명의 실시예는 다양한 소재의 머시닝에서 사용될 수 있는 커팅 툴에 관한 것이다.
일 실시예에 따르면, 커팅 툴은 바디 및 바디와 연관된 적어도 하나의 커팅 요소를 포함하되, 적어도 하나의 커팅 요소는 적어도 대략 0.15 in의 두께를 보이는 초경질 테이블을 포함하고, 초경질 테이블은 칩 파쇄 구성을 포함한다.
일 실시예에서, 초경질 테이블은 다결정 다이아몬드를 포함한다.
일 실시예에서, 초경질 테이블은 다결정 다이아몬드의 적어도 95 vol.%의 밀도를 보인다.
일 실시예에 따르면, 초경질 테이블은 다결정 다이아몬드의 적어도 98 vol.%의 밀도를 보인다.
일 실시예에서, 테이블은 기판과 결합되지 않는다.
일 실시예에서, 다결정 다이아몬드는 대략 12 μm 이하의 평균 입자 크기를 보인다. 추가적으로, 금속 용해 촉매제가 대략 7 wt.% 초과의 양으로 다결정 다이아몬드의 적어도 일부 사이 영역에 존재할 수 있다. 일 실시예에서, 금속 용해 촉매제는 코발트를 포함한다.
일 실시예에서, 다결정 다이아몬드는 대략 20 μm 이상의 평균 입자 크기를 보인다. 추가적으로, 금속 용해 촉매제가 대략 7 wt.% 미만의 양으로 다결정 다이아몬드의 적어도 일부 사이 영역에 존재할 수 있다. 일 실시예에서, 금속 용해 촉매제는 코발트를 포함한다.
일 실시예에서, 테이블은 적어도 대략 0.2 in의 두께를 보인다.
일 실시예에서, 테이블은 다결정 다이아몬드 테이블을 포함하되, 다결정 다이아몬드 테이블은 사이에 다이아몬드 대 다이아몬드 결합을 보이며 복수의 사이 영역을 정의하는 복수의 다이아몬드 입자; 복수의 사이 영역의 적어도 일부를 차지하는 금속 용해 촉매제를 갖고, 복수의 다이아몬드 입자와 금속 용해 촉매제는 총괄적으로 약 115 Oe 내지 약 175 Oe의 보자력을 보이며, 복수의 다이아몬드 입자와 금속 용해 촉매제는 총괄적으로 약 10 G·cm3/g 내지 약 15 G·cm3/g의 고유 자기 포화를 보인다.
일 실시예에서, 바디는 알루미늄을 포함한다.
본 개시의 다른 실시예에 따르면, 워크피스로부터 소재를 제거하는 방법이 제공된다. 그 방법은 커팅 툴을 제공하는 단계; 축을 중심으로 커팅 툴을 회전시키는 단계; 회전하는 커팅 툴과 워크피스를 맞물리게 하는 단계를 포함하되, 커팅 툴은 바디 및 바디와 연관된 적어도 하나의 커팅 요소를 포함하고, 적어도 하나의 커팅 요소는 0.07 in 이상의 두께를 갖는 초경질 테이블을 포함한다.
일 실시예에서, 워크피스를 맞물리게 하는 것은 티타늄을 포함하는 워크피스를 맞물리게 하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 초경질 테이블을 포함하는 커팅 요소를 제공하는 것은 사이에 다이아몬드 대 다이아몬드 결합을 보이는 복수의 다이아몬드 입자를 형성하기 위해 고압, 고온(HPHT)으로 다이아몬드 입자의 볼륨을 소결하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 다이아몬드 입자의 볼륨을 소결하는 것은 금속 용해 촉매제를 다이아몬드 입자 사이의 적어도 일부 사이 공간에 침투시키는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 본 방법은 사이 공간으로부터 금속 용해 촉매제의 적어도 일부를 제거함으로써 테이블에 촉매제가 제거된 영역을 형성하는 것을 더 포함한다.
일 실시예에서, 금속 용해 촉매제를 다이아몬드 입자 사이의 적어도 일부 사이 공간에 침투시키는 것은 코발트 소재를 침투시키는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 테이블을 제공하는 것은 대략 12 μm 이하의 평균 입자 크기를 보이는 다결정 다이아몬드의 볼륨을 제공하는 것을 포함하고, 금속 용해 촉매제가 대략 7 wt.% 초과의 양으로 다결정 다이아몬드의 적어도 일부 사이 영역에 존재한다.
일 실시예에서, 테이블을 제공하는 것은 대략 20 μm 이상의 평균 입자 크기를 보이는 다결정 다이아몬드의 볼륨을 제공하는 것을 포함하고, 금속 용해 촉매제가 대략 7 wt.% 미만의 양으로 다결정 다이아몬드의 적어도 일부 사이 영역에 존재한다.
일 실시예에서, 초경질 테이블을 포함하는 커팅 요소를 제공하는 것은 적어도 0.2 in의 두께를 보이는 테이블을 제공하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 초경질 테이블을 포함하는 커팅 요소를 제공하는 것은 대략 95 vol.% 이상 다이아몬드를 보이는 다결정 다이아몬드 테이블을 제공하는 것을 포함한다.
일 실시예에서, 초경질 테이블을 포함하는 커팅 요소를 제공하는 것은 초경질 테이블에 칩 파쇄 구성을 제공하는 것을 포함한다.
또 다른 실시예에 따르면, 커팅 툴은 바디, 바디와 연관된 적어도 하나의 커팅 요소를 포함하되, 적어도 하나의 커팅 요소는 본질적으로 적어도 대략 0.15 in의 두께를 보이는 다결정 다이아몬드 테이블로 구성된다.
일 실시예에서, 적어도 하나의 커팅 요소는 적어도 대략 95 vol.% 다이아몬드를 포함하는 소재로 형성된다.
일 실시예에서, 다이아몬드 테이블은 적어도 대략 98 vol.% 다이아몬드이다.
일 실시예에서 따르면, 다이아몬드 테이블은 적어도 대략 0.2 in의 두께를 보인다.
일 실시예에 따르면, 커팅 요소는 본질적으로 적어도 대략 0.15 in의 두께를 보이는 초경질 테이블로 구성되고, 초경질 테이블은 칩 파쇄 구성을 포함하는 것으로 제공된다.
설명된 일 실시예의 다양한 요소, 구성요소, 구성 또는 동작은 제한 없이 다른 실시예의 요소, 구성요소, 구성 또는 동작과 조합될 수 있다.
도면은 본 발명의 다양한 실시예를 도시하는데, 공통의 도면부호는 도면에 나타난 서로 다른 모습이나 실시예에서 유사한, 단 반드시 동일한 것은 아닌, 요소나 특징을 나타낸다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 밀링 작업을 나타낸 개요도이다.
도 2는 본 개시의 다른 실시예에 따른 밀링 작업을 나타낸 개요도이다.
도 3, 4는 본 개시의 실시예에 따른 커팅 툴의 사시도와 측면도이다.
도 5, 6은 본 개시의 실시예에 따른 커팅 인서트의 평면도와 측면도이다.
도 7은 도 6에 표시된 7-7 선을 따라 자른 단면도이다.
도 8a, 8b는 본 개시의 실시예에 따른 도 7에 나타난 인서트의 일부의 확대도이다.
도 9는 본 개시의 실시예에 따른 커팅 인서트의 측면도이다.
도 10은 도 9에 표시된 10-10 선을 따라 자른 단면도이다.
도 11a-11c는 본 개시의 실시예에 따른 도 10에 나타난 인서트의 일부의 확대도이다.
도 12는 본 개시의 다른 실시예에 따른 것으로, 도 10에 나타난 모습과 유사한 단면도이다.
본 개시의 실시예는 밀링, 드릴링, 터닝 및 그 변경과 조합을 포함하여, 머시닝 공정에 사용될 수 있는 커팅 툴에 관한 것이다. 커팅 툴은 흔히 머시닝하기 어려운 소재를 포함하여, 예컨대 티타늄, 티타늄 합금 및 니켈계 소재를 포함하여, 다양한 소재들을 성형(shaping), 형성(forming) 및 마감(finishing)하는 데 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 수직 밀링 머신(VMM)의 작동의 예가 개략적으로 나타나 있다. VMM(100)은 본 개시의 실시예에 따라 제거 가능하게 결합된 커팅 툴(104)을 갖는 스핀들(102)을 포함한다. VMM(100)은 또한 워크피스(108)가 배치되는 테이블(106)을 포함한다. CNC(Computer Numerically Controlled) 컨트롤러(110)가 스핀들(102)과 통신하며, 스핀들(102)의 동작을 제어할 수 있다. 도 1에 명시적으로 나타나 있지 않으나, 프레임이 복수의 구성요소(예컨대 스핀들(102)과 테이블(106))를 함께 결합할 수 있다. 스핀들(102)은 축(112)에 대해 커팅 툴(104)을 회전시키고, 또한 테이블(105) 및 연관된 워크피스(108)에 대해 X, Y, Z 방향으로 커팅 툴(104)을 움직이도록 구성된다.
앞서 언급한 바와 같이, 컨트롤러(110)는 스핀들(102)과 통신하며, VMM(100)의 다양한 작동을 제어하도록 구성된다. 예를 들어, 컨트롤러(110)는 커팅 툴(104)의 회전 속도를 제어하고, 또한 워크피스(108)에 대해 원하는 "이송 속도"로 X-Y-Z 축을 따라 특정한 방향으로 스핀들(102)을 (그리고 따라서 커팅 툴(104)을) 움직이도록 구성될 수 있다. 따라서, 컨트롤러(110)는 커팅 툴(104)이 워크피스(108)로부터 소재를 제거할 수 있게 하여, 이 기술분야에서 통상의 기술자에 의해 이해될 바와 같이 이를 성형하고 워크피스(108)에 원하는 표면 마감을 제공할 수 있다.
도 2를 참조하면, 수평 밀링 머신(HMM)(120)의 작동의 예가 개략적으로 나타나 있다. HMM(120)은 본 개시의 실시예에 따라 제거 가능하게 결합된 커팅 툴(104)을 갖는 스핀들(122)을 포함한다. HMM(120)은 또한 워크피스(108)가 배치되는 테이블(126)을 포함한다. 테이블(126)은 수직으로 배향될 수 있다. CNC 컨트롤러(110)는 스핀들(102)과 통신하며, 스핀들(122)의 동작을 제어한다. 일 실시예에서, 컨트롤러(110)는 또한 아래 설명될 바와 같이, 각자 원하는 방향으로 하나 또는 둘을 이동시키기 위해 테이블(126) 및/또는 스핀들(122)과 통신할 수 있다. 도 2에 명시적으로 나타나 있지 않으나, 프레임이 복수의 구성요소(예컨대 스핀들(122)과 테이블(126))를 함께 결합할 수 있다. 스핀들(122)은 축(132)에 대해 커팅 툴(104)을 회전시키고, 또한 테이블(126) 및 연관된 워크피스(108)에 대해 X, Y, Z 방향으로 커팅 툴(104)을 움직이도록 구성된다. 추가적으로, 테이블(126)은 회전축(132)에 실질적으로 수직인 B 축(134)에 대해 회전하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 컨트롤러(110)는 커팅 툴(104)의 회전 속도를 제어하고, 워크피스(108)에 대해 원하는 "이송 속도" 및 특정한 방향으로 스핀들(102)을 (그리고 따라서 커팅 툴(104)을) 이동시키며, 테이블(126)을 (그리고 따라서 워크피스(108)를) 회전시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 컨트롤러(110)는 커팅 툴(104)이 워크피스(108)로부터 소재를 제거할 수 있게 하여, 이 기술분야에서 통상의 기술자에 의해 이해될 바와 같이 이를 성형하고 워크피스(108)에 원하는 표면 마감을 제공할 수 있다.
도 1, 2에 대해 설명된 밀링 머신(100, 120)은 단지 예이며, 다양한 다른 머시닝 시스템이 다양한 머시닝 작업에서 사용을 위해 아래 더 상세하게 설명될 바와 같이 커팅 툴을 포함하는 것으로 고려된다.
도 3, 4를 참조하면, 커팅 툴(104)은 툴 바디(150) 및 복수의 커팅 요소나 인서트(152)를 갖는 것으로 나타나 있다. 커팅 요소(152)는 바디(156)의 영역이나 종단에 형성된 포켓(154)에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 커팅 요소는 예컨대 파스너(158)에 의해 출 바디(150)와 제거 가능하게 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 커팅 요소(152)는 툴 바디(150)에 대해 인덱싱 가능(indexable)할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 특정한 커팅 요소(152)의 한 면(160A)이나 에지가 마모되거나 손상되기 시작할 때, 커팅 요소(152)는 새로운 면이나 에지(160B)가 소재의 커팅이나 제거를 위해 워크피스에 제공될 수 있도록 툴 바디(150)에 대해 회전할 수 있다. 일부 실시예에서, 커팅 요소(152)는 클램핑 메커니즘을 이용해 바디(150)와 제거 가능하게 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 커팅 요소(152)는 브레이징 또는 그밖에 소재 접합 기술에 의해 바디(150)와 결합될 수 있다.
다양한 금속 및 금속 합금을 포함하여, 다양한 소재가 커팅 툴의 바디(150)를 형성하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 바디(150)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재로 형성될 수 있다. 툴 바디를 형성하는 데 사용될 수 있는 다른 소재는 제한적인 것은 아니나, 스틸 및 스틸 합금(예컨대 스테인리스스틸), 니켈 및 니켈 합금, 티타늄 및 티타늄 합금, 텅스텐 및 텅스텐 합금, 텅스텐 카바이드 및 연관된 합금 및 그밖에 소재를 포함한다.
일부 실시예에서, 커팅 요소(152)는 초경질, 초연삭 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 커팅 요소(152)는 다결정 입방 보론 니트라이드, 다결정 다이아몬드 또는 그밖에 초연삭 소재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 5-7을 참조하면, 커팅 요소(152)는 작업 표면(172)을 정의하는 초경질, 초연삭 테이블(170)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 커팅 요소(152)는 기판(174)이 결합되는 다결정 다이아몬드("PCD") 테이블을 포함하는 다결정 다이아몬드 콤팩트("PDC")를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 테이블(170)과 기판(174) 사이의 경계는 실질적으로 평평하거나 평면일 수 있다. 다른 실시예에서, 경계는 돔형이거나 곡선형일 수 있다. 다른 실시예에서, 테이블(170)과 기판(174) 사이의 경계는 복수의 볼록한 구성 또는 오목한 구성(예컨대 딤플, 그루브, 리지 등)을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 기판(174)은 테이블(170)에 결합된 코발트 시멘티드 텅스텐 카바이드 기판을 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 테이블(170)은 대략 0.04 in 이상인 두께(즉 작업 표면(174)에서부터 테이블(170)과 기판(174) 사이의 경계까지)를 보이는 상대적으로 "두꺼운 다이아몬드" 테이블을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 테이블(170)은 대략 0.04 이상, 대략 0.05 in 이상, 0.07 in 이상, 0.09 in 이상, 0.11 in 이상, 0.12 in 이상, 0.15 in 이상, 0.2 in 이상 또는 0.3 in 이상의 두께를 보인다.
일 실시예에서, 테이블(170)은 대략 0.04 in 내지 대략 0.07 in의 두께를 보인다. 일 실시예에서, 테이블(170)은 대략 0.05 in 내지 0.07 in의 두께를 보인다. 일 실시예에서, 테이블(170)은 대략 0.07 in 내지 0.09 in의 두께를 보인다. 일 실시예에서, 테이블(170)은 대략 0.09 in 내지 대략 0.11 in의 두께를 보인다. 일 실시예에서, 테이블(170)은 대략 0.11 in 내지 대략 0.12 in의 두께를 보인다. 일 실시예에서, 테이블(170)은 대략 0.12 in 내지 대략 0.15 in의 두께를 보인다. 일 실시예에서, 테이블(170)은 대략 0.15 in 내지 대략 0.2 in의 두께를 보인다. 일 실시예에서, 테이블(170)은 대략 0.2 in 내지 대략 0.3 in의 두께를 보인다. 지하 드릴링의 사용에서 그리고 베어링에서 사용을 위한 상대적으로 두꺼운 PDC들을 형성하는 예는 미국 특허번호 9,080,385에서 찾을 수 있는데, 그 개시가 전체로서 참조로 포함된다.
PCD 테이블(170)은 복수의 직접적으로 함께 결합된 다이아몬드 입자를 포함하여 그 사이에 다이아몬드 대 다이아몬드 결합(예컨대 sp3 결합)을 보이는데, 이는 복수의 사이 영역을 정의한다. PCD 테이블의 사이 영역의 일부 또는 실질적으로 전부는 제조 동안 기판(174)으로부터 또는 다른 소스로부터 침투되는, 그 안에 배치된 금속 침투제나 금속 용해 촉매제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속 용해 촉매제나 금속 침투제는 철, 니켈, 코발트 및 그 합금으로부터 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, PCD 테이블(170)은 금속 용해 촉매제나 금속 침투제가 예컨대 산 침출 공정을 통해, PCD 테이블의 선택된 표면이나 볼륨으로부터 부분적으로 또는 실질적으로 완전히 제거되어 있는 (예컨대 도 8a, 8b에 나타난 영역(176)) 열적으로 안정적인 다이아몬드를 더 포함할 수 있다. 열적으로 안정적인 PCD는 하나 이상의 알칼리 금속 촉매제로 소결될 수도 있다. 일부 실시예에서, 촉매제가 제거된 영역(176)은 도 8a, 8b에 나타난 바와 같이, PCD 테이블(170)의 외부 표면과 실질적으로 등각인 깊이를 보일 수 있다. 다른 실시예에서, 촉매제가 제거된 영역(176)은 일반적으로 테이블(170)의 최상단 부분을 통해 (예컨대 작업 표면(172)의 둘레 에지를 통해 및/또는 립(196)의 상부 표면을 통해 - 도 8a 참조) 연장된 평면으로부터 원하는 깊이로 연장된다. 따라서, 촉매제나 침투재의 제거는 구조와 구성(예컨대 아래 설명될 바와 같이 칩 브레이커(190), 개구(180) 등)의 형성 이전에 또는 이후에 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 8b는 촉매제 소재의 제거가 홀(180)로 실질적으로 연장되지 않는 실시예를 나타낸다. 이는 선택적인 촉매제 제거 기술(예컨대 마스킹) 때문일 수 있거나, 홀(180)이 촉매제 제거 이후에 형성되었기 때문일 수 있다.
일 실시예에서, 커팅 요소(152)로 사용될 수 있는 PDC들은 HPHT 공정으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 다이아몬드 입자는 기판(174)에 이웃하게 배치되며, PCD 테이블을 형성하기 위해 다이아몬드 입자를 소결하고 기판(122)에 PCD 테이블을 결합하기 위해 HPHT 공정이 이루어져, PDC를 형성할 수 있다. HPHT 공정의 온도는 적어도 약 1000℃(예컨대 약 1200℃ 내지 약 1600℃)일 수 있으며, HPHT 공정의 셀 압력 또는 압력 전달 매체(예컨대 내화 금속 캔, 흑연 구조, 파이로필라이트 등)의 압력은 다이아몬드 입자를 소결하기 충분한 시간 동안 적어도 4.0 GPa(예컨대 약 5.0 GPa 내지 약 11 GPa)일 수 있다.
일부 실시예에서, 다이아몬드 입자는 약 50 μm 이하, 예컨대 약 30 μm 이하, 약 20 μm 이하, 약 10 μm 내지 약 20 μm, 약 10 μm 내지 약 18 μm, 약 12 μm 내지 약 18 μm 또는 약 15 μm 내지 약 18 μm의 평균 입자 크기를 보일 수 있다. 일부 실시예에서, 다이아몬드 입자의 평균 입자 크기는 약 10 μm 이하, 예컨대 약 2 μm 내지 약 5 μm 또는 1 μm 미만일 수 있다. 일부 실시예에서, 다이아몬드 입자는 복수의 크기를 보일 수 있으며, 예컨대 상대적으로 더 큰 크기와 적어도 하나의 상대적으로 더 작은 크기를 포함할 수 있다. 여기서 사용된 "상대적으로 더 큰"과 "상대적으로 더 작은"이라는 표현은 적어도 두 배(예컨대 30 μm와 15 μm)만큼 다른 (적절한 방법에 의한) 입자 크기를 말한다. 다양한 실시예에 따르면, 다이아몬드 입자의 질량은 상대적으로 더 큰 크기(예컨대 30 μm, 20 μm, 15 μm, 12 μm, 10 μm, 8 μm)를 보이는 부분과 적어도 하나의 상대적으로 더 작은 크기(예컨대 6 μm, 5 μm, 4 μm, 3 μm, 2 μm, 1 μm, 0.9 μm, 0.8 μm, 0.7 μm, 0.6 μm, 0.5 μm, 0.5 μm 미만, 0.4 μm, 0.3 μm, 0.2 μm, 0.1 μm, 0.1 μm 미만)를 보이는 다른 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 다이아몬드 입자는 약 10 μm 내지 약 40 μm의 상대적으로 더 큰 크기를 보이는 부분과 약 0.5 μm 내지 약 4 μm의 상대적으로 더 작은 크기를 보이는 다른 부분을 포함할 수 있다. 일부 시시예에서, 다이아몬드 입자는 제한적인 것은 아니나, 셋 이상의 서로 다른 크기(예컨대 하나의 상대적으로 더 큰 크기와 둘 이상의 상대적으로 더 작은 크기)를 포함할 수 있다. 소결 후 이처럼 형성된 PCD 테이블은 전술한 다이아몬드 입자 크기 및 분포와 동일하거나 유사한 평균 다이아몬드 크기를 보일 수 있다. 채용될 수 있는 다이아몬드 입자 크기와 다이아몬드 입자 분포에 대해 더 상세한 내용은 미국 특허번호 9,346,149에 개시되어 있으며, 그 개시가 전체로서 참조로 포함된다.
일부 실시예에서, 결과적인 테이블(170)의 다이아몬드 입자는 대략 12 μm 이하인 평균 입자 크기를 보이며, 약 7 wt.% 초과 코발트의 코발트 함량을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 결과적인 테이블(170)의 다이아몬드 입자는 대략 20 μm 이상인 평균 입자 크기를 보이며, 대략 7 wt.% 미만의 코발트 함량을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 결과적인 테이블의 다이아몬드 입자는 대략 10 μm 내지 대략 20 μm인 평균 입자 크기를 보일 수 있다.
일부 실시예에서, 테이블(170)은 PCD 테이블로 형성될 수 있고, 적어도 약 7.5 GPa의 압력에서 115 Oe 이상의 보자력, 고도의 다이아몬드 대 다이아몬드 결합, 약 15 G·cm3/g 이하의 고유 자기 포화 및 약 7.5 wt.% 이하의 금속 용해 촉매제 함량을 보일 수 있다. PCD는 복수의 사이 영역을 정의하기 위해 다이아몬드 대 다이아몬드 결합을 통해 직접적으로 함께 결합된 복수의 다이아몬드 입자를 포함할 수 있다. 사이 영역의 적어도 일부 또는 일부 실시예에서 사이 영역의 실질적으로 전부는 철, 니켈, 코발트 또는 전술한 금속의 합금과 같이 금속 용해 촉매제에 의해 차지될 수 있다. 예를 들어, 금속 용해 촉매제는 코발트 합금과 같이, 적어도 50 wt.% 코발트를 포함하는 코발트계 소재일 수 있다.
사이 영역을 차지하는 금속 용해 촉매제는 약 7.5 wt.% 이하의 양으로 PCD에 존재할 수 있다. 일부 실시예에서, 금속 용해 촉매제는 약 3 wt.% 내지 약 7.5 wt.%, 예컨대 약 3 wt.% 내지 약 6 wt.%의 양으로 PCD에 존재할 수 있다. 다른 실시예에서, 금속 용해 촉매제 함량은 약 3 wt.% 미만, 예컨대 약 1 wt.% 내지 약 3 wt.%의 양으로 또는 또는 잔류량이 약 1 wt.%로 PCD에 존재할 수 있다. 금속 용해 촉매제 함량을 약 7.5 wt.% 미만으로 유지함으로써, PCD가 원하는 수준의 열적 안정성을 보일 수 있다.
일반적으로, PCD를 형성하기 위해 사용되는 소결 압력이 증가함에 따라, 보자력은 증가할 수 있고, 자기 포화는 감소할 수 있다. 결합된 다이아몬드 입자와 금속 용해 촉매제에 의해 총괄적으로 정의된 PCD는 약 15 G·cm3/g 이하의 고유 자기 포화에 의해 나타난 바와 같이 약 7.5 wt.% 미만의 금속 용해 촉매제 함량 및 약 115 Oe 이상의 보자력을 보일 수 있다. 더 상세한 실시예에서, PCD의 보자력은 약 115 Oe 내지 250 Oe일 수 있고, PCD의 고유 자기 포화는 0 G·cm3/g 초과, 약 15 G·cm3/g 이하일 수 있다. 더욱 상세한 실시예에서, PCD의 보자력은 약 115 Oe 내지 약 175 Oe일 수 있고, PCD의 고유 자기 포화는 약 5 G·cm3/g 내지 약 15 G·cm3/g일 수 있다. 더욱더 상세한 실시예에서, PCD의 보자력은 약 115 Oe 내지 약 175 Oe일 수 있고, PCD의 고유 자기 포화는 약 10 G·cm3/g 내지 약 15 G·cm3/g일 수 있다. PCD의 고유 투자율(즉 보자력에 대한 고유 자기 포화의 비)은 약 0.10 이하, 예컨대 약 0.060 내지 약 0.090일 수 있다. 결합된 다이아몬드 입자의 평균 입자 크기가 30 μm 미만이지만, PCD에서 금속 용해 촉매제 함량은 약 7.5 wt.% 미만으로, 원하는 열적 안정성을 야기할 수 있다.
일 실시예에서, 약 18 μm 내지 약 20 μm의 평균 입자 크기를 갖는 다이아몬드 입자는 코발트 시멘티드 텅스텐 카바이드 기판에 이웃하게 배치되며, 약 1390℃ 내지 약 1430℃의 온도 및 약 7.8 GPa 내지 약 8.5 GPa의 셀 압력에서 HPHT 공정이 이루어진다. 기판에 결합된 PCD 테이블로서 이처럼 형성된 PCD는 약 155 Oe 내지 약 175 Oe의 보자력, 약 10 G·cm3/g 내지 약 15 G·cm3/g의 고유 자기 포화 및 약 5 wt.% 내지 약 7.5 wt.%의 코발트 함량을 보일 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, PCD에서 금속 용해 촉매제에 대한 고유 자기 포화 상수는 약 185 G·cm3/g 내지 약 215 G·cm3/g일 수 있다. 예를 들어, PCD에서 금속 용해 촉매제에 대한 고유 자기 포화 상수는 약 195 G·cm3/g 내지 약 205 G·cm3/g일 수 있다. PCD에서 금속 용해 촉매제에 대한 고유 자기 포화 상수는 성분 의존적일 수 있다.
일반적으로, 소결 압력이 7.5 GPa 위로 증가함에 따라, 이처럼 형성된 PCD의 마모 저항성이 증가한다. 예를 들어, Gratio는 적어도 약 4.0×106, 예컨대 약 5.0×106 내지 약 15.0×106, 보다 구체적으로 약 8.0×106 내지 약 15.0×106일 수 있다. 일부 실시예에서 Gratio는 약 30.0×106일 수 있다. Gratio는 커팅 공정 동안 PCD 마모의 볼륨에 대한 워크피스 커팅의 볼륨(예컨대 약 470 in3의 바레 화강암 내지 약 940 in3의 바레 화강암)의 비이다. 이러한 공정은 이른바 "화강암 로그 테스트"를 수반하는 한편, 이러한 공정은 커터가 암석 커팅 또는 드릴링보다는 금속 커팅 공정에서 사용을 위해 의도될 수 있으나, PCD의 Gratio를 결정하기 위해 여전히 적용 가능하다.
여기서 논의된 소재적 특징 및 이러한 특징을 측정하고 결정하기 위한 공정을 포함하여, 커팅 요소(152)에 제공될 수 있는 다른 특징 및 이러한 커팅 요소를 제작하는 방법은 미국 특허번호 7,866,418, 미국 특허번호 8,297,382 및 미국 특허번호 9,315,881에 설명되어 있는데, 각 개시가 전체로서 참조로 포함된다.
일부 실시예에서, 테이블(170)은 고밀도 다결정 다이아몬드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 테이블(170)은 대략 95 vol.% 이상 다이아몬드를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 테이블(170)은 대략 98 vol.% 이상 다이아몬드를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 테이블(170)은 대략 99 vol.% 이상 다이아몬드를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 테이블은 다결정 다이아몬드 및 상대적으로 낮은 다이아몬드 함량을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 테이블(170)은 95 vol.% 미만 다이아몬드를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 테이블(170)은 앞서 언급된 바와 같이 기판(174)과 일체로 형성될 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 테이블(170)은 제1 HPHT 공정에서 초기에 형성된 후 제2 HPHT 공정에서 기판(174)에 HPHT 결합되어 있는 미리 형성된 테이블일 수 있다. 예를 들어, 테이블(170)은 그 제조에 사용된 금속 용해 촉매제를 실질적으로 완전히 제거하기 위해 침출되어 별도의 공정에서 기판(174)에 실질적으로 HPHT 결합된 또는 브레이징되어 있는 미리 형성된 PCD 테이블일 수 있다.
기판(174)은 다수의 서로 다른 소재로 형성될 수 있으며, 테이블(170)과 일체로 형성되거나, 아니면 그에 결합되거나 연결될 수 있다. 기판(174)에 적합한 소재는 제한적인 것은 아니나, 시멘티드 카바이드, 예컨대 텅스텐 카바이드, 티타늄 카바이드, 크로뮴 카바이드, 니오븀 카바이드, 탄탈륨 카바이드, 바나듐 카바이드 또는 철, 니켈, 코발트 또는 그 합금과의 시멘티드 조합을 포함할 수 있다.
다만, 일부 실시예에서, 기판(174)이 생략될 수 있으며, 커팅 소요(152)가 초경질, 초연삭 소재, 예컨대 금속 용해 촉매제를 제거하기 위해 침출된 또는 침출되지 않은 PCD 바디일 수 있는 다결정 다이아몬드 바디를 포함할 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 일부 실시예에서, 테이블(170)은 테이블(170)을 열적 안정성을 개선하기 위해 그로부터 금속 침투제나 금속 용해 촉매제를 제거하기 위해 침출될 수 있다. 예를 들어, 테이블(170)이 PCD 테이블일 때, 테이블(170)은 작업 영역으로부터 선택된 깊이로, 침출된 열적으로 안정적인 영역(176)을 형성하기 위해 다이아몬드 입자를 초기에 소결하기 위해 사용되었던 금속 용해 촉매제의 적어도 일부를 제거하기 위해 침출될 수 있다. 침출된 열적으로 안정적인 영역은 작업 표면(174)으로부터 선택된 깊이로 안쪽으로 연장될 수 있다. 실시예에서, 열적으로 안정적인 영역의 깊이는 약 50 μm 내지 약 1,500 μm일 수 있다. 보다 구체적으로, 일부 실시예에서, 선택된 깊이는 약 50 μm 내지 약 900 μm, 약 200 μm 내지 약 600 μm, 약 600 μm 내지 약 1200 μm이다. 침출은 적절한 산, 예컨대 왕수, 질산, 불산 또는 그 혼합물에서 수행될 수 있다.
도 3-7에 도시된 바와 같이, 커팅 요소(152)는 위에서 봤을 때 (즉 특히 도 5에 나타난 바와 같이) 실질적으로 사각형 외부 프로필을 보이도록 구성될 수 있다. 이러한 기하는 커팅 요소(152)의 연장된 서비스를 위해 커팅 툴 바디(150)에 대해 인덱싱될 수 있는 복수의 커팅 에지(160A-160D)를 제공한다. 다만, 예컨대 원형, 곡선형, 삼각형, 육각형, 팔각형 및 그밖에 규칙적이거나 불규칙적인 다각형을 포함하여, 다른 형상과 다른 프로필이 고려될 수 있다.
도 5, 6에 나타난 바와 같이, 커팅 요소(152)는 커팅 툴 바디(150)와 커팅 요소(152)의 결합을 위한 파스너를 수용하기 위해 기판(174)과 테이블(170)에 형성된 개구(180)를 포함할 수도 있다. 개구(180)는 커팅 요소(152)가 커팅 툴 바디(150)와 결합될 때 파스너가 테이블(170)의 작업 표면(172)과 나란하게 또는 그 아래에 배치될 수 있게 하기 위해 카운터싱크 영역(180)(또는 사용되는 파스너의 타입에 따라, 카운터보어)을 포함할 수 있다.
예컨대 회전하는 커팅 툴(104)에 의해 맞물릴 때, 워크피스로부터 제거되는 소재의 칩을 파쇄하기 위한 구성을 포함하여, 다른 구성이 커팅 요소(152)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 5, 8에 가장 잘 나타난 바와 같이, 커팅 요소는 칩 브레이커(190)라고 불리는 형태나 구조를 포함할 수 있다. 칩 브레이커(190)는 테이블(170)의 외부 둘레에 이웃한 위치로부터 반경 방향 안쪽으로 연장된 테이블(170) 내에 형성된 감소하는 램프형 표면 부분(192)을 포함할 수 있다. 칩 브레이커(190)는 각형이거나 곡선형인, 리턴 부분(194)이라고 불리는 부분을 더 포함할 수 있는데, 이는 개구(180)에 이웃하게 배치되어 둘러싸는 돌출 립(196)으로 이어진다. 소재가 워크피스로부터 제거될 때, 제거된 소재는 램프형 표면 부분(192)을 따라 이동하며, 리턴 부분(194)을 만났을 때 방향을 급격하게 변경하여, 더 작은 "칩"으로 제거된 소재의 파쇄를 촉진한다. 제거된 소재가 긴 스트립으로 유지되게 허용하는 대신, 워크피스로부터 제거된 소재를 더 작은 별개의 칩으로 파쇄하는 것은 진행 중인 머시닝 공정과 제거된 소재의 잠재적인 간섭을 줄이는 데 도움을 준다.
개별적인 커팅 면(160A-160D)에 이웃하게 형성된 별개의 단속적인 브레이커를 포함하여, 다른 구성의 칩 브레이커가 커팅 요소(152)에 포함될 수 있다. 칩 파쇄를 보조할 수 있는 특징과 구성의 다른 제한적이지 않은 예는 미국 특허번호 9,278,395에 설명된 것들을 포함하는데, 그 개시가 전체로서 참조로 포함된다.
레이저 머시닝 및 레이저 커팅과 같은 공정을 포함하여, 다양한 방법이 개구(180), 카운터싱크 영역(182), 칩 브레이커(190) 또는 다른 기하 구성을 형성하기 위해 채용될 수 있다. 커팅 요소에서 이러한 구성을 형성하는 일부 제한적이지 않은 방법은 미국 특허번호 9,089,900, 미국 특허번호 9,062,505 및 PCT 특허출원번호 PCT/US2018/013069 (ENERGY MACHINED POLYCRSTALLINE DIAMOND COMPACTS AND RELATED METHODS, 2018년 1월 10일 출원, 대리인 관리번호 260249WO01_480566-426)에 설명되어 있는데, 각 개시가 전체로서 참조로 포함된다. 추가적으로, 커팅 요소(152)는 원하는 특징이나 구성을 얻기 위해 다른 공정이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 테이블(170)의 표면의 적어도 일부는 대략 20 μin RMS의 마감으로 연마될 수 있다(예컨대 PCD 표면의 적어도 일부가 연마될 수 있음). 표면 마감 공정 및 다양한 표면 마감을 갖는 테이블의 예는 미국 특허출원번호 15/232,780 (ATTACK INSERTS WITH DIFFERING SURFACE FINISHES, ASSEMBLIES, SYSTEMS INCLUDING SAME, AND RELATED METHODS, 2016년 8월 9일 출원, 대리인 관리번호 4002-0023)에 설명되어 있는데, 그 개시가 전체로서 참조로 포함된다.
커팅 요소(152)와 커팅 툴(104)이 다양한 머시닝 공정에서, 그리고 다양한 소재의 머시닝을 위해 사용될 수 있는 한편, 티타늄으로 형성된 워크피스를 머시닝할 때 알루미늄을 포함하는 소재로 형성된 툴 바디(150)와 조합된 PCD 테이블(170)을 갖는 커팅 요소(152)의 사용이 예기치 않게 다양한 이점을 제공하는 것으로 나타났다. 티타늄의 머시닝의 개선된 성능과 효율에 대해 정확한 메커니즘은 완전히 이해되지 않으나, 알루미늄 툴 바디의 사용은 이러한 구성이 커팅 툴의 개선된 열전도성을 제공할 수 있거나, 두 특징의 일부 조합이 머시닝 공정의 개선된 성능을 야기할 수 있다는 컴플라이언스를 제공할 수 있는 것으로 보인다.
일부 실시예에서, 커팅 요소는 다른 열적 저항성 소재를 머시닝하는 데 유리할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 본 개시의 커팅 요소(152)는 대략 50 W/m·K 미만의 열전도성을 갖는 소재를 머시닝하는 데 장점을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 본 개시의 커팅 요소(152)는 대략 30 W/m·K 미만의 열전도성을 갖는 소재를 머시닝하는 데 유리할 수 있다. 일부 실시예에서, 본 개시의 커팅 요소(152)는 대략 20 W/m·K 미만의 열전도성을 갖는 소재를 머시닝하는 데 유리할 수 있다.
도 9-11을 참조하면, 본 개시의 다른 실시예에 따른 커팅 요소(200)가 제공된다. 커팅 요소(200)는 초경질, 초연삭 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 커팅 요소(200)는 다결정 입방 보론 니트라이드, 다결정 다이아몬드 및/또는 다른 초경질 소재를 포함할 수 있다. 앞서 설명된 실시예와 같이, 커팅 요소(200)는 작업 표면(204)을 정의하는 초경질, 초연삭 테이블(202)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 커팅 요소(200)는 기판 또는 그에 부착된 다른 구조 없이 PCD 테이블(202)을 포함할 수 있다. 다시 말해, 일부 실시예에서, 앞서 언급된 바와 같이, 커팅 요소(200)는 PCD 테이블(202)과 같이 초경질, 초연삭 테이블로 구성될 수 있거나 본질적으로 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 테이블은 (기판이 앞서 설명된 바와 같이 촉매 소재를 제공하며) HPHT 공정 동안 기판과 일체로 형성될 수 있으며, 기판은 HPHT 공정 이후에 제거될 수 있다. 다른 실시예에서, 테이블(202)은 다이아몬드 파우더와 촉매 소재를 혼합하거나, 아니면 HPHT 공정 이전에 촉매 소재를 제공함으로써 형성될 수 있다.
구체적인 예로, 테이블(202)은 대략 0.15 in 이상인 두께(즉 작업 표면(204)에서부터 하부의 마주하는 표면(206)까지)를 보이는 상대적으로 "두꺼운 다이아몬드" 테이블을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 테이블(202)은 대략 0.2 in 이상 또는 0.3 in 이상의 두께를 보인다. 또 다른 실시예에서, 테이블은 더 작은 두께(예컨대 0.1 in, 0.05 in 이하)를 보일 수 있다.
일 실시예에서, 테이블(202)은 대략 0.05 in 내지 대략 0.1 in의 두께를 보인다. 일 실시예에서, 테이블(202)은 대략 0.05 in 내지 대략 0.15 in의 두께를 보인다. 일 실시예에서, 테이블(202)은 대략 0.15 in 내지 대략 0.4 in의 두께를 보인다. 일 실시예에서, 테이블(202)은 대략 0.15 in 내지 대략 0.2 in의 두께를 보인다. 일 실시예에서, 테이블(202)은 대략 0.2 in 내지 대략 0.3 in의 두께를 보인다. 일 실시예에서, 테이블(202)은 대략 0.3 in 내지 대략 0.4 in의 두께를 보인다. 일 실시예에서, 테이블(202)은 대략 0.4 in 내지 대략 0.5 in의 두께를 보인다. 일 실시예에서, 테이블(202)은 대략 0.5in 내지 대략 0.6 in의 두께를 보인다. 일 실시예에서, 테이블(202)은 대략 0.6 in 내지 대략 0.7 in의 두께를 보인다. 일 실시예에서, 테이블(202)은 대략 0.7 in 내지 대략 0.8 in의 두께를 보인다. 일 실시예에서, 테이블(202)은 대략 0.8 in 내지 대략 0.9 in의 두께를 보인다. 일 실시예에서, 테이블(202)은 대략 0.9 in 내지 대략 1 in의 두께를 보인다. 일 실시예에서, 테이블(202)은 대략 0.15 in 내지 대략 0.3 in의 두께를 보인다.
도 9-11에 도시된 바와 같이, 커팅 요소(200)는 위에서 봤을 때 (즉 특히 도 5에 나타난 바와 같이) 실질적으로 사각형 외부 프로필을 보이도록 구성될 수 있다. 이러한 기하는 커팅 요소(200)의 연장된 서비스를 위해 커팅 툴 바디(150)에 대해 인덱싱될 수 있는 복수의 커팅 에지를 제공한다. 일 실시예에서, 커팅 요소(200)는 대략 0.5 in 내지 0.7 in의 폭(W)을 보이는 실질적으로 사각형 프로필을 보이는 면을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 폭(W)은 대략 0.4 in 내지 0.8 in일 수 있다. 다른 실시예에서, 폭(W)은 대략 0.3 in 내지 0.9 in일 수 있다. 다른 실시예에서, 폭(W)은 대략 0.2 in 내지 0.75 in일 수 있다. 다른 실시예에서, 폭(W)은 대략 0.75 in 내지 1 in일 수 있다. 다른 실시예에서, 폭(W)은 대략 0.37 in일 수 있다. 다른 실시예에서, 폭(W)은 대략 0.47 in일 수 있다. 일부 실시예에서, 사각형 프로필은 라운딩되거나 챔퍼링된 코너 또는 변 사이의 트랜지션을 포함할 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 예컨대 원형, 곡선형, 삼각형, 마름모, 육각형, 팔각형 및 그밖에 규칙적이거나 불규칙적인 다각형을 포함하여, 다른 형상과 다른 프로필이 고려될 수 있다.
도 9, 10에 나타난 바와 같이, 커팅 요소(200)는 커팅 툴 바디(150)와 커팅 요소(200)의 결합을 위한 클램핑 요소 및/또는 파스너를 수용하기 위해 테이블(202)에 형성된 개구(214)를 포함할 수도 있다. 개구(214)는 커팅 요소(200)가 커팅 툴 바디(150)와 결합될 때 파스너 및/또는 클램핑 요소가 테이블(202)의 작업 표면(204)과 나란하거나 그 아래에 배치되게 할 수 있도록 카운터싱크 영역(216)(또는 사용되는 파스너의 타입에 따라, 카운터보어)을 포함할 수 있다.
예컨대 회전하는 커팅 툴(100)에 의해 맞물릴 때, 워크피스로부터 제거되는 소재의 칩을 파쇄하기 위한 구성을 포함하여, 다른 구성이 커팅 요소(152)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 커팅 요소는 앞서 설명된 바와 같이 칩 브레이커라고 불리는 형태나 구조를 포함할 수 있다.
테이블(202)은 앞서 설명된 기술과 방법에 따라 형성될 수 있으며, 다른 실시예에 대해 설명된 것들과 유사한 특징과 구성을 포함할 수 있다.
예를 들어, PCD 테이블(202)은 복수의 직접적으로 함께 결합된 다이아몬드 입자를 포함하여 그 사이에 다이아몬드 대 다이아몬드 결합(예컨대 sp3 결합)을 보이는데, 이는 복수의 사이 영역을 정의한다. PCD 테이블의 사이 영역의 일부 또는 실질적으로 전부는 제조 동안 기판(174)으로부터 또는 다른 소스로부터 침투되는, 그 안에 배치된 금속 침투제나 금속 용해 촉매제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속 용해 촉매제나 금속 침투제는 철, 니켈, 코발트 및 그 합금으로부터 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, PCD 테이블(202)은 금속 용해 촉매제나 금속 침투제가 예컨대 산 침출 공정을 통해, PCD 테이블의 선택된 표면이나 볼륨으로부터 부분적으로 또는 실질적으로 완전히 제거되어 있는 (예컨대 도 11a-11c에 나타난 영역(208)) 열적으로 안정적인 다이아몬드를 더 포함할 수 있다. 열적으로 안정적인 PCD는 하나 이상의 알칼리 금속 촉매제로 소결될 수도 있다. 일부 실시예에서, 촉매제가 제거된 영역(208)은 도 11a, 11b에 나타난 바와 같이, PCD 테이블(202)의 외부 표면과 실질적으로 등각인 깊이를 보일 수 있다. 다른 실시예에서, 촉매제가 제거된 영역(208)은 일반적으로 테이블(202)의 최상단 부분을 통해 (예컨대 작업 표면(172)의 둘레 에지를 통해 및/또는 립(210)의 상부 표면을 통해) 연장된 평면으로부터 원하는 깊이로 연장된다. 따라서, 촉매제나 침투제의 제거는 구조와 구성(예컨대 칩 브레이커(212), 개구(214) 등)의 형성 이전에 또는 이후에 이루어질 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 일부 실시예에서, 촉매제 소재는 도 11c에 나타난 바와 같이, 실질적으로 전체 PCD 테이블(202)로부터 제거될 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 일부 실시예에서, 테이블(202)은 테이블(170)의 열적 안정성을 개선하기 위해 그로부터 금속 침투제나 금속 용해 촉매제를 제거하기 위해 침출될 수 있다. 예를 들어, 테이블(202)이 PCD 테이블일 때, 테이블(202)은 작업 영역으로부터 선택된 깊이로, 침출된 열적으로 안정적인 영역(176)을 형성하기 위해 다이아몬드 입자를 초기에 소결하기 위해 사용되었던 금속 용해 촉매제의 적어도 일부를 제거하기 위해 침출될 수 있다. 침출된 열적으로 안정적인 영역은 작업 표면(206)으로부터 선택된 깊이로 안쪽으로 연장될 수 있다. 실시예에서, 열적으로 안정적인 영역의 깊이는 약 30 μm 내지 약 1,500 μm일 수 있다. 보다 구체적으로, 일부 실시예에서, 선택된 깊이는 약 50 μm 내지 약 900 μm, 약 200 μm 내지 약 600 μm, 약 600 μm 내지 약 1200 μm이다. 침출은 적절한 산, 예컨대 왕수, 질산, 불산 또는 그 혼합물에서 수행될 수 있다.
도 12를 간략하게 참조하면, 커팅 요소(200)가 다른 단면 프로필로 나타나 있다. 커팅 요소(200)는 다른 실시예에 대해 앞서 설명된 바와 같은 구성과 양상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 커팅 요소(200)는 커팅 툴 바디(150)와 커팅 요소(200)의 결합을 위한 클램핑 요소 및/또는 파스너를 수용하기 위해 테이블(202)에 형성된 개구(214)를 포함할 수 있다. 개구(214)는 커팅 요소(200)가 커팅 툴 바디(150)와 결합될 때 파스너 및/또는 클램핑 요소가 테이블(202)의 작업 표면(204)과 나란하거나 그 아래에 배치되게 할 수 있도록 카운터싱크 영역(216)(또는 사용되는 파스너의 타입에 따라, 카운터보어)을 포함할 수 있다. 도 12에 나타난 실시예에서, 카운터싱크 영역(216)은 나타난 프로필에서, 서로에 대해 실질적으로 직각으로 형성된 바닥(219B)과 벽(219A)을 제공하도록 형성될 수 있는 카운터포어를 포함하며, 파스너(217)의 헤드(221)를 수용하도록 구성된다. 파스너의 헤드(221)를 포함하여, 파스너(217)는 적어도 부분적으로, 카운터보어나 카운터싱크 영역과 크기와 형상이 실질적으로 일치하거나, 등각이거나, 아니면 대응되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 나타난 바와 같이, 파스너(217)의 헤드(221)의 단면 프로필은 카운터보어 영역의 단면 프로필과 연관성이 있거나 일치한다. 다른 실시예에서, 예를 들어 카운터싱크 영역과 파스너의 헤드는 테이퍼지거나, 단차지거나, 대응되는 그리고 적어도 부분적으로 일치하는 방식의 기하 형상이나 구성의 조합일 수 있다.
예컨대 회전하는 커팅 툴(100)에 의해 맞물릴 때 워크피스로부터 제거되는 소재의 칩을 분쇄하기 위한 구성을 포함하여, 다른 구성이 도 12에 나타난 커팅 툴(200)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 커팅 툴(200)은 앞서 언급된 바와 같이 칩 브레이커라고 불리는 형태나 구조를 포함할 수 있다.
테이블(202)은 앞서 설명된 방법과 기술에 따라 형성될 수 있으며, 다른 실시예에 대해 설명된 것들과 유사한 특징과 구성을 포함할 수 있다.
예를 들어, PCD 테이블(202)은 복수의 직접적으로 함께 결합된 다이아몬드 입자를 포함하여 그 사이에 다이아몬드 대 다이아몬드 결합(예컨대 sp3 결합)을 보일 수 있는데, 이는 복수의 사이 영역을 정의한다. PCD 테이블의 사이 영역의 일부 또는 실질적으로 전부는 제조 동안 기판(174)으로부터 또는 다른 소스로부터 침투되는, 그 안에 배치된 금속 침투제나 금속 용해 촉매제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속 용해 촉매제나 금속 침투제는 철, 니켈, 코발트 및 그 합금으로부터 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, PCD 테이블(202)은 금속 용해 촉매제나 금속 침투제가 예컨대 산 침출 공정을 통해, PCD 테이블의 선택된 표면이나 볼륨으로부터 부분적으로 또는 실질적으로 완전히 제거되어 있는 열적으로 안정적인 다이아몬드를 더 포함할 수 있다. 촉매제가 제거된 영역의 구성, 위치, 크기 및 깊이는 실질적으로 전체 테이블(202)로부터 촉매제 소재의 제거를 포함하여 다른 실시예에 대해 앞서 설명된 것들과 유사하게 형성될 수 있다.
다양한 양상과 실시예가 개시되었으나, 다른 양상과 실시예도 고려된다. 개시된 다양한 양상과 실시예는 예시의 목적이며, 제한적인 것으로 의도된 것이 아니다. 추가적으로, 청구항을 포함하여 여기서 사용된 "이루어지는", "갖는"이라는 용어 및 그 변형(예컨대 "이루어진다"와 "갖는다")은 "포함하는"이라는 용어 및 그 변형(예컨대 "포함한다")과 동일한 의미를 갖는다.

Claims (30)

  1. 바디;
    바디와 연관된 적어도 하나의 커팅 요소를 포함하되,
    적어도 하나의 커팅 요소는 적어도 대략 0.15 in의 두께를 보이는 초경질 테이블을 포함하고,
    초경질 테이블은 칩 파쇄 구성을 포함하는 커팅 툴.
  2. 제1항에 있어서,
    초경질 테이블은 다결정 다이아몬드를 포함하는 커팅 툴.
  3. 제2항에 있어서,
    초경질 테이블은 다결정 다이아몬드의 적어도 95 vol.%의 밀도를 보이는 커팅 툴.
  4. 제2항에 있어서,
    초경질 테이블은 다결정 다이아몬드의 적어도 98 vol.%의 밀도를 보이는 커팅 툴.
  5. 제2항에 있어서,
    테이블은 기판과 결합되지 않는 커팅 툴.
  6. 제2항에 있어서,
    다결정 다이아몬드는 대략 12 μm 이하의 평균 입자 크기를 보이는 커팅 툴.
  7. 제6항에 있어서,
    금속 용해 촉매제가 대략 7 wt.% 초과의 양으로 다결정 다이아몬드의 적어도 일부 사이 영역에 존재하는 커팅 툴.
  8. 제7항에 있어서,
    금속 용해 촉매제는 코발트를 포함하는 커팅 툴.
  9. 제2항에 있어서,
    다결정 다이아몬드는 대략 20 μm 이상의 평균 입자 크기를 보이는 커팅 툴.
  10. 제9항에 있어서,
    금속 용해 촉매제가 대략 7 wt.% 미만의 양으로 다결정 다이아몬드의 적어도 일부 사이 영역에 존재하는 커팅 툴.
  11. 제10항에 있어서,
    금속 용해 촉매제는 코발트를 포함하는 커팅 툴.
  12. 제1항에 있어서,
    테이블은 적어도 대략 0.2 in의 두께를 보이는 커팅 툴.
  13. 제1항에 있어서,
    바디는 알루미늄을 포함하는 커팅 툴.
  14. 제1항에 있어서,
    테이블은 다결정 다이아몬드 테이블을 포함하되, 다결정 다이아몬드 테이블은
    사이에 다이아몬드 대 다이아몬드 결합을 보이며, 복수의 사이 영역을 정의하는 복수의 다이아몬드 입자;
    복수의 사이 영역의 적어도 일부를 차지하는 금속 용해 촉매제를 갖고,
    복수의 다이아몬드 입자와 금속 용해 촉매제는 총괄적으로 약 115 Oe 내지 약 175 Oe의 보자력을 보이며,
    복수의 다이아몬드 입자와 금속 용해 촉매제는 총괄적으로 약 10 G·cm3/g 내지 약 15 G·cm3/g의 고유 자기 포화를 보이는 커팅 툴.
  15. 커팅 툴을 제공하는 단계;
    축을 중심으로 커팅 툴을 회전시키는 단계;
    회전하는 커팅 툴과 워크피스를 맞물리게 하는 단계를 포함하는 워크피스로부터 소재를 제거하는 방법으로서, 커팅 툴은
    바디;
    바디와 연관된 적어도 하나의 커팅 요소를 포함하되,
    적어도 하나의 커팅 요소는 0.15 in 이상의 두께를 갖는 초경질 테이블을 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    워크피스를 맞물리게 하는 것은 티타늄을 포함하는 워크피스를 맞물리게 하는 것을 포함하는 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    초경질 테이블을 포함하는 커팅 요소를 제공하는 것은 사이에 다이아몬드 대 다이아몬드 결합을 보이는 복수의 다이아몬드 입자를 형성하기 위해 고압, 고온(HPHT)으로 다이아몬드 입자의 볼륨을 소결하는 것을 포함하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    다이아몬드 입자의 볼륨을 소결하는 것은 금속 용해 촉매제를 다이아몬드 입자 사이의 적어도 일부 사이 공간에 침투시키는 것을 포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    사이 공간으로부터 금속 용해 촉매제의 적어도 일부를 제거함으로써 테이블에 촉매제가 제거된 영역을 형성하는 것을 더 포함하는 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    금속 용해 촉매제를 다이아몬드 입자 사이의 적어도 일부 사이 공간에 침투시키는 것은 코발트 소재를 침투시키는 것을 포함하는 방법.
  21. 제15항에 있어서,
    테이블을 제공하는 것은 대략 12 μm 이하의 평균 입자 크기를 보이는 다결정 다이아몬드의 볼륨을 제공하는 것을 포함하고,
    금속 용해 촉매제가 대략 7 wt.% 초과의 양으로 다결정 다이아몬드의 적어도 일부 사이 영역에 존재하는 방법.
  22. 제15항에 있어서,
    테이블을 제공하는 것은 대략 20 μm 이상의 평균 입자 크기를 보이는 다결정 다이아몬드의 볼륨을 제공하는 것을 포함하고,
    금속 용해 촉매제가 대략 7 wt.% 미만의 양으로 다결정 다이아몬드의 적어도 일부 사이 영역에 존재하는 방법.
  23. 제15항에 있어서,
    초경질 테이블을 포함하는 커팅 요소를 제공하는 것은 적어도 0.2 in의 두께를 보이는 테이블을 제공하는 것을 포함하는 방법.
  24. 제15항에 있어서,
    초경질 테이블을 포함하는 커팅 요소를 제공하는 것은 대략 95 vol.% 이상 다이아몬드를 보이는 다결정 다이아몬드 테이블을 제공하는 것을 포함하는 방법.
  25. 제15항에 있어서,
    초경질 테이블을 포함하는 커팅 요소를 제공하는 것은 초경질 테이블에 칩 파쇄 구성을 제공하는 것을 포함하는 방법.
  26. 바디;
    바디와 연관된 적어도 하나의 커팅 요소를 포함하되,
    적어도 하나의 커팅 요소는 본질적으로 적어도 대략 0.15 in의 두께를 보이는 다결정 다이아몬드 테이블로 구성되는 커팅 툴.
  27. 제26항에 있어서,
    적어도 하나의 커팅 요소는 적어도 대략 95 vol.% 다이아몬드를 포함하는 소재로 형성되는 커팅 툴.
  28. 제27항에 있어서,
    다이아몬드 테이블은 적어도 대략 98 vol.% 다이아몬드인 커팅 툴.
  29. 제27항에 있어서,
    다이아몬드 테이블은 적어도 대략 0.2 in의 두께를 보이는 커팅 툴.
  30. 본질적으로 적어도 대략 0.15 in의 두께를 보이는 초경질 테이블로 구성되고,
    초경질 테이블은 칩 파쇄 구성을 포함하는 커팅 요소.
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