다결정 다이아몬드 연마요소 document_id A220623030873

공작기계에서 드릴 비트(drill bits)를 위해 통상적으로 이용되는 절삭공구 삽입물은 초경합금(cemented carbide) 기판에 접합된 다결정 다이아몬드(polycrystalline diamond, PCD)의 일 층을 포함한다. PCD의 층은 작업면과 그 작업면 주위의 일부를 둘러싸는 절단날을 제공한다. 다이아몬드 연마 컴팩트로도 알려져 있는 다결정 다이아몬드는, 상당량의 다이아몬드-대-다이아몬드 결합을 포함하는 다이아몬드 입자들의 덩어리로 구성된다. 다결정 다이아몬드는 일반적으로 코발트, 니켈, 철 또는 이러한 금속들 중 하나 이상을 함유하는 합금과 같은 다이아몬드 촉매/용매를 함유하는 제2상을 가진다. 드릴 작업 중에, 이러한 절삭 공구 삽입물은 그것의 수명의 여러 단계에서 격심한 부하 및 높은 온도에 노출된다. 드릴 작업의 초기 단계에서, 삽입물의 날카로운 절단날이 지하층과 접하였을 때, 절삭 공구는 큰 접촉 압력을 받게 된다. 이것은 피로 균열이 시작됨에 따라 일련의 파손 과정이 일어날 가능성으로 귀결된다. 삽입물의 절단날이 마모됨에 따라, 접촉 압력이 감소하고 이것은 일반적으로 너무 낮아서 고에너지 고장(high energy failure)을 일으키지는 않는다. 그러나, 이런 압력은 여전히 높은 접촉 압력하에 시작되는 균열을 전파시킬 수 있다. 그리고 결과적으로 박리형(spalling-type) 파손을 일으킬 수 있다. 착암기(드릴) 산업분야에서 PCD 커터의 성능은 수요가 증가하는 환경에서 높은 천공률을 얻을 수 있는지와 천공 후에도 여전히 양호한 상태인지(따라서 재사용이 가능한지)에 대한 커터의 능력에 의해 결정된다. 임의의 천공 작업시 커터는 매끈한 연마형의 마모 및 박리/단편형 마모의 혼합을 통해 닳을 수 있다. 매끈한 연마형 마모 상태는 고 내마모성 PCD 물질로부터 최대 이득을 가져오기 때문에 바람직하지만, 박리 또는 단편형 마모는 바람직하지 않다. 이러한 유형의 상당한 최소의 균열 파손조차 절단기 수명 및 성능에 악영향을 가질 수 있다. 박리형 마모에서는, 절단 효율은 드릴 비트가 지층 내로 뚫고 들어가는 속도가 저하됨에 따라 빠르게 감소할 수 있다. 일단 단편화가 시작되면, 다이아몬드 작업대로의 파손의 양은 계속적으로 증가하여, 그 결과로, 주어진 깊이를 파는데 필요한 수직항력(normal force)이 증가한다. 따라서, 커터 손상이 일어나서 드릴 비트의 관통률이 감소함에 따라, 비트에 대한 증가하는 무게에 따른 반응으로 빠르게 추가적인 파손을 일으킬 수 있고, 또한 최종적으로는 단편화된 절단 요소의 파국적인 손상을 일으킬 수 있다. PCD 커터의 성능을 최적화함에 있어, 내마모성을 증가시키는 것(더 나은 커터의 수명을 얻기 위해)은 전형적으로 평균적인 다이아몬드 입자 크기, 총 촉매/용매 함량, 다이아몬드 밀도 등과 같은 변수를 조절함으로 달성된다. 그러나, 전형적으로는 PCD 물질이 더 내마모성으로 만들어짐에 따라, 그것은 더욱 잘 부서지거나 또는 균열되기 쉽다. 향상된 마모 성능을 얻기 위해 설계된 PCD 구성요소는 그래서 열악한 충격강도를 가지거나 또는 박리에 대한 감소된 저항력을 가지는 경향이 있다. 이러한 충격강도와 내마모성 특성들 간의 교환 조건은 최적화된 PCD 구조, 특히 요구에 따른 응용분야에 맞는 구조를 설계함에 있어 내재적으로 스스로 제한성을 갖게 한다. 더 내마모성인 PCD의 단편화(chipping) 경향이 제거되거나 제어될 수 있으면, 이러한 유형의 PCD 커터의 잠재적으로 향상된 성능이 더욱 완전하게 실현될 수 있다. 이전에, 사선 형태(bevelling)로 절단날의 기하학적 구조를 변형한 것은 이러한 단편화 경향을 감소시키기 위한 가능성 있는 해결방법으로 인식되었다. PCD 작업대의 절단날을 미리 비스듬하게 하거나(pre-bevelling) 또는 둥글게 형성하는 것(rounding)이 다이아몬드 절단 작업대의 박리(spalling) 경향을 현저하게 감소시키는 것으로 알려졌다(US 5,437,343 및 US 5,016,718 참조). 이러한 둥글림은 접촉면적을 증가시켜서, 삽입물이 지층과 접촉할 때의 부하 중에 생성되는 초기의 높은 압력의 영향을 줄인다. 그러나, 이 모서리를 깎은(chamfered) 날은 PCD 커터를 사용하는 동안 마모되고, 결과적으로 어떤 경사면도 남아있지 않은 지경에 이르게 된다. 이러한 지점에서, 박리형 마모에 대한 절단날의 저항력은 보호처리되지 않은/비스듬하게 형성되지 않은 PCD 물질의 정도까지 저하될 것이다. US 5,135,061은 커터의 절단면을 그 기초를 이루는 PCD 물질(들)보다 덜 내마모성인 PCD 물질의 층으로 형성하여 커터를 제조함으로써 박리 경향이 조절될 수 있고, 따라서 그것의 박리 경향을 감소시킴을 제안한다. 절단날의 영역에서의 덜 내마모성인 층의 더 큰 마모는 절단 요소가 지층에 맞닿는 부분에 둥글려진 모서리를 제공한다. 이러한 발명에 의해 달성되는 절단날의 둥글림(rounding)은 비스듬한 형상(bevelling)과 유사한 항-박리효과를 제공한다. 이러한 접근방법의 장점은 만족할 만큼 얇고, 덜 내마모성인 층을 합성공정 동안에 현장에서 마련함에 따른 기술적인 어려움보다 현저히 무시될 수 있다(이러한 항-박리층의 일관되고 조절된 경향은 결과적인 기하학적 구조에 명백히 높게 의존한다). 게다가, 이러한 상부층의 내마모성 감소는 커터의 전체적인 내마모성을 손상시키기 시작할 수가 있고, 결과적으로는 절단날의 더욱 빠른 무뎌짐과 차선의 성능으로 귀착된다. JP 59119500은 작업면의 화학적 처리 후에 PCD 소결물의 성능이 향상됨을 주장하고 있다. 이러한 처리는 작업면과 바로 인접하는 부분에서 촉매/용매 매트릭스를 녹이고 제거한다. 상기 발명은 매트릭스가 제거된 영역에서 소결 다이아몬드의 강도를 상쇄시킴이 없이 PCD 물질의 내열성을 증가시키는 것을 주장한다. 최근 충격강도의 손실 없이 향상된 내마모성을 갖는다고 알려진 PCD 절단 요소가 시장에 소개되었다. 미국특허 US 6,544,308 및 6,562,462는 이러한 커터의 제조 및 작동상태에 관하여 기술한다. 상기 PCD 절단 요소는 특히 절단면에 인접한 촉매물질이 거의 없는 영역을 가짐을 특징으로 한다. 이러한 커터의 성능의 향상은 그 영역에서의 PCD의 내마모성의 증가에 기인하는데, 여기서 촉매 물질의 제거는 사용시에 PCD의 열변성을 감소시키는 결과를 낳는다.