캡슐화된 마모 입자

캡슐화된 마모 입자 {ENCAPSULATED WEAR PARTICLES}

발명의 분야

본 발명은 표면의 경도를 증가시키고 침식을 제한하기 위해 매립된 마모 입자를 갖는 구성품 마모 표면에 관한 것이다.

발명의 배경

산업적 응용은 종종 공구를 공구의 표면을 제거하는 연마 물질과 주기적으로 접촉하게 한다. 공구의 유효 수명 동안, 연마 물질이 공구를 교체해야 할 때까지 노출된 공구 표면을 마모시키고 침식한다. 공구의 보다 경질 표면은 작업 동안에 마모 속도를 감소시킴으로써 공구의 유효 수명을 연장시킬 수 있다.

마모 공구는 주조, 분말 야금 용침 또는 다른 기술에 의해 제조될 수 있다. 공구 물질의 경도를 개질하는 방법은 합금화, 표면 경화 및 열 처리를 포함한다. 또한, 부품 생성시 내마모성 입자 또는 물질을 공구의 몸체 안에 합체시키는 것은 작업 동안에 침식을 제한하여 증가된 유효 수명을 제공할 수 있다.

주조된 물질에의 경질 마모 입자의 도입 및 우선적 배치를 허용하는 물질 준비 및 제조 공정은 연마 마모에 노출되는 공구 및 다른 부품에 개선된 마모 및 유효 수명을 제공할 수 있다.

발명의 요약

다른 물질과 미끄럼 또는 충돌 접촉하는 마모 공구 및 마모 부재의 표면은 침식을 겪는다. 예로는 토양 및 광석을 관통하여 추가 가공을 위해 물질을 분리하는 추출 채광에 이용되는 지상 맞물림 공구를 포함한다. 지상 맞물림 공구는 매우 높은 마모 속도를 가져서 자주 교체되어야 한다. 또한, 예로는 회전 공구, 예컨대 암석을 파괴함으로써 시추공을 전진하는 하향공 드릴 비트를 포함한다. 비트의 표면을 연마하는 보어(bore)의 물질이 비트의 몸체 둘레로 쏟아 내린다. 다른 예로는 토제 물질이 위로 지나가는 마모 부품, 예컨대 활송장치, 트럭 트레이 등에 부착된 것을 포함한다. 본 발명은 지상과 맞물리는 공구 또는 부품에 아주 적합하지만, 그것은 다른 연마 환경에서 더 큰 수명을 제공하기 위해 이용될 수 있을 것이다.

보다 경질인 물질이 보다 연질인 물질보다 연마 및 침식에 더 내성이 있다. 공구 및 공구 표면을 경화하는 많은 방법이 그것을 더 내침식성이 되게 하는 데 이용된다. 물질 선택, 합금화 및 열 처리가 공구에 가장 넓은 경도 특성을 제공한다. 표면 경화는 추가의 경도를 제공할 수 있다. 또한, 추가로 침식을 제한하기 위해 내마모성 경질 입자를 공구의 표면 내에 또는 공구의 표면 상에 합체시킬 수 있다.

공구 물질 내에 합체되는 경질 입자는 하나 이상의 초연마제, 예컨대 탄화붕소, 탄화바나듐, 질화붕소, 탄화텅스텐, 탄화티타늄 또는 다른 화합물을 포함할 수 있다. 가장 경질인 벌크 물질은 다이아몬드이다. 공기 중에서 700℃ 초과의 온도에서 다이아몬드 구조가 흑연으로 열화될 수 있기 때문에, 산업적 응용에서 다이아몬드의 실제 이용은 제한된다. 또한, 용융된 철에 노출될 때는 다이아몬드 표면이 화학적으로 반응하여 철 안으로 용해될 수 있다. 다이아몬드를 코팅하는 금속 화합물이 다이아몬드 표면과 그의 구조를 열화하는 원소의 접촉을 제한하는 하나 이상의 보호 층을 제공할 수 있다. 코팅이 높은 주조 온도 및 공격적인 화학적 습격으로부터 다이아몬드를 보호할 수 없을 것이기 때문에, 흔한 관행은 다중-코팅된 다이아몬드를 철 주물 내에 매립하는 것에서는 벗어나게 가르쳤다.

미국 특허 5224969는 수지 또는 페놀 포름알데히드를 포함하는 지지 매트릭스 내에 다이아몬드 입자의 보유를 개선하기 위해 다이아몬드 입자를 코팅하는 것을 논의한다. 크로뮴을 다이아몬드 상에 제1 층으로서 증착시켜서 탄화물 층을 형성한 다음 상이한 금속의 제2 층을 증착시키며, 그러면 이것이 질화된다. 매트릭스가 캡슐화된 다이아몬드에 밀착하도록 하기 위해 제3 층을 질화된 층 상에 증착시켜 부착 또는 결합 층을 제공한다.

본 발명은 용융된 금속, 특히, 철계 기재 합금 내의 봉입 또는 용융된 금속, 특히, 철계 기재 합금에의 노출을 가능하게 하는, 금속 질화물 층으로 또는 금속 탄화물 층 및 금속 질화물 층으로 코팅된 마모 입자라고도 불리는 경질 입자에 관한 것이다. 본 발명은 경질 입자 (예를 들어, 다이아몬드 입자)가 대개는 그의 이용을 막을 지나친 열화 없이 주조되는 부품 또는 용융된 금속을 포함하는 다른 제조 공정에 의해 제조되는 부품 내에 또는 그러한 부품 상에 포함되는 것을 가능하게 한다. 그러한 경질 입자의 이 새로운 용도는 연마 마모에 노출되는 모든 종류의 제품에 더 오랜 유용한 수명을 제공할 수 있다.

본 발명의 한 실시양태에서, 철계 매트릭스 내에 매립될 마모 입자는 금속 탄화물로 코팅된 다이아몬드 입자이다. 금속 탄화물 층을 화학적 열화로부터 보호하기 위해, 금속 질화물 층을 탄화물 층 상에 증착시킨다.

금속 질화물 코팅이 용융된 철계 매트릭스에 관해서 적정한 습윤을 갖지 않는 합금과 관련해서, 질화물 층이 아화학량론적 금속 질화물로서 생성될 수 있거나, 또는 표면에서 아화학량론적 금속 질화물 외측 층으로 전이하는 금속 대 질소 원자의 화학량론적 비의 내측 부분을 갖도록 생성될 수 있다. 아화학량론적 금속 질화물은 용융된 매트릭스와 더 잘 상호작용할 수 있고, 따라서 입자가 고체 매트릭스 내에 더 잘 보유된다.

또 다른 실시양태에서는, 마모 입자가 금속 질화물로 코팅된다. 금속 질화물은 용융된 금속의 원소에 노출에 의한 다이아몬드의 열화를 제한한다. 금속 질화물 코팅이 용융된 철계 매트릭스와 관련해서 적정한 습윤을 갖지 않는 경우, 마모 입자가 아화학량론적 금속 질화물 코팅 또는 그 질화물 코팅 상에 증착된 아화학량론적 금속 질화물 층을 포함할 수 있다.

또 다른 실시양태에서는, 캡슐화된 마모 입자가 용융된 금속을 붓기 전에 전구체 매트릭스 또는 다른 수단과 함께 금형의 주조 표면을 따라서 위치한다. 금형 안에 용융된 금속을 도입할 때, 매트릭스 물질이 소모되고, 캡슐화된 마모 입자가 주조되는 부품의 용융된 물질 내에 분산된다.

또 다른 실시양태에서는, 용접 봉을 이용하여 아크 용접 공정에 의해 금속 기판 상에 내마모성 표면이 증착된다. 용접 봉은 금속 매트릭스, 결합제를 합체시킨 코어 또는 주변부, 플럭스 및/또는 캡슐화된 경질 (예를 들어, 다이아몬드) 입자를 갖는다. 캡슐화된 입자는 가공 동안에 입자의 열화를 제한하기 위해 일차 캡슐화 층 및 이차 캡슐화 층을 포함한다. 용접 동안에 입자가 용접 봉 상의 결합제로부터 용접 풀(pool)로 이동하고, 고화시 표면 내에 또는 표면 상에 합체된다.

또 다른 실시양태에서, 마모 부재의 주조 동안에 다이아몬드를 합체시키는 방법은 다이아몬드의 표면 상에 보호 코팅을 증착시키고, 보호 코팅 상에 코팅을 증착시키는 것을 포함한다.

도 1은 두 층으로 캡슐화된 다이아몬드를 갖는 마모 표면의 단면도이고, 표면 상에 노출된 다이아몬드 및 표면 내에 매립된 다이아몬드를 보여준다.
도 2는 금속을 붓기 전의 이차 캡슐화된 다이아몬드가 함침된 매트릭스를 갖는 금형의 수직 단면도이다.
도 3은 금속을 붓기 전의 내측 금형 표면 상에 캡슐화된 다이아몬드가 함침된 메쉬 층을 갖는 금형의 수직 단면도이다.
도 4는 한 층으로 캡슐화된 다이아몬드를 갖는 마모 표면의 단면도이고, 표면 상에 노출된 다이아몬드 및 표면 내에 매립된 다이아몬드를 보여준다.

발명의 바람직한 실시양태의 설명

많은 산업적 작업은 연마 물질에 접촉하는 공구 및 다른 부품을 포함한다. 예를 들어, 채광 및 드릴링 작업에서 공구는 물질 접촉에 의해 빠르게 마모된다. 산업적 작업 동안에 마모된 공구 및 구성품의 교체를 위한 정지시간은 작업 비용을 상당히 증가시킬 수 있다. 표면 경도를 증가시켜 침식을 제어함으로써 마모 부재의 유효 수명을 증가시키는 것은 정지시간을 제한하고 작업 효율을 증가시킬 수 있다.

어떤 부재의 표면을 형성하는 매트릭스 내에 경질 입자를 합체시키는 것은 내마모성을 상당히 증가시킬 수 있다. 탄소의 극히 경질의 형태인 다이아몬드가 그라인딩 및 절단 작업에서 연마제로서 흔히 이용된다. 다이아몬드 입자 (또는 다른 경질 입자)를 철계 (또는 다른 금속성) 주조되는 마모 부재에 분포시키는 것은 공구 또는 다른 부품에 유리한 마모 특성을 제공할 수 있지만, 과거에는 높은 열 및/또는 화학 반응 하에서의 다이아몬드의 열화 때문에 실현가능하지 않았다. 다이아몬드 입자가 마모 부품의 표면을 따라서 적어도 일부 깊이를 통해 분산될 때, 표면 마모는 추가의 다이아몬드 표면을 노출시켜 공구의 유효 수명을 통해 보호를 제공한다.

본원에서는 본 발명을 경질 내마모성 입자인 다이아몬드에 관해서 논의하지만, 이 방법은 침식 환경에서 마모를 제한하는 매트릭스 중의 다른 경질 입자에 응용될 수 있다. 다이아몬드 입자가 고도로 내마모성이기 때문에 철계 기재 합금에 다이아몬드 입자의 이용은 본 발명의 한 바람직한 실시양태이고, 이 합금은 그의 경제성, 강도 및 내구성 때문에 많은 연마 환경에서 이용된다. 그럼에도 불구하고, 본 발명은 주조되거나 또는 제조 공정에서 용융될 때 다이아몬드 또는 다른 경질 입자를 유사하게 열화시키는 비-철계 합금 중의 다이아몬드와 함께 이용하기에 적당하다. 본원에서는 본 발명이 단지 한 예로서, 즉, 예시 목적으로, 지상 맞물림 공구 (예컨대, 굴착 치형부)에 이용되는 캡슐화된 다이아몬드에 관해 서술되고, 제한적으로 간주되어서는 안된다. 또한, 본 발명에서 이용가능한 경질 또는 마모 입자는 예를 들어 세라믹, 세라믹 섬유, 세라믹 소판 또는 금속 화합물, 예컨대 탄화티타늄 또는 입방형 질화붕소를 포함한다.

표면 매트릭스 내에 다이아몬드를 매립하는 것은 공구를 생성하거나 또는 공구를 표면처리할 때 용융된 금속에 다이아몬드 입자를 합체시키는 것을 포함한다. 이것은 다이아몬드를 화학 반응 및/또는 열의 공격적인 조건에 노출시킨다. 주조에 의해 제조되는 부품에서는, 용융된 물질이 금형에서 고화되기 전에 용융된 물질 내에 다이아몬드를 합체시킬 수 있다. 용침되는 부품의 경우에는, 다이아몬드를 금형 안에 가득 채울 수 있고, 용융된 매트릭스 금속이 다이아몬드 및 임의의 다른 경질 입자를 제자리에 결합시킨다. 또한, 다이아몬드는 용접에 의해 표면에 합체될 수 있다.

다이아몬드는 가공 동안에 용융된 금속, 예컨대 철, 구리 및 니켈 뿐만 아니라 다른 원소와의 접촉에 의해 열화될 수 있다. 산소에 노출된 다이아몬드는 700℃ 초과의 가공 온도에서 열화하여 다이아몬드 구조가 보다 연질이고 덜 내마모성인 흑연으로 전환된다. 진공 또는 불활성 환원 환경에서는, 열화가 1500℃ 초과에서 시작할 수 있다. 다이아몬드의 구조적 완전성 및 물질 특성을 유지하기 위해, 각 다이아몬드 입자가 하나 이상의 보호 층을 포함할 수 있다. 다이아몬드 표면 상의 층은 고온에서의 다이아몬드의 열화로부터 및 매트릭스의 구성성분에 의한 화학적 습격으로부터 보호를 제공한다. 또한, 보호 층은 다이아몬드 표면의 습윤성을 제공하여 용융된 물질이 코팅된 다이아몬드 표면에 부착하는 것을 허용하여, 다이아몬드의 일부가 노출되어 충돌 물질과 접촉할 때 매트릭스로부터 코팅된 다이아몬드의 추출을 제한한다. 이것은 부품의 이용 동안에 예컨대 파는 작업에서 마모 입자가 공구 내에 또는 공구 상에 더 잘 보유되는 것을 가능하게 한다.

도 1에 캡슐화된 마모 입자(12)를 매트릭스(14) 내에 갖는 마모 표면(10)을 일반적으로 나타낸다. 마모 입자(16), 이 예에서는 다이아몬드, 상의 층들은 일정 비율로 그린 것이 아니다. 금속 탄화물, 예컨대 SiC 또는 TiC이 용융된 금속에 노출될 때 다이아몬드를 열화로부터 보호하는 일차 층(18)을 다이아몬드 표면 상에 형성할 수 있다. 다이아몬드 표면을 덮는 탄화물 층은 산소 및 다른 원소와 다이아몬드 표면의 상호작용을 제한한다. 그러나, 탄화물 일차 층은 용융된 매트릭스에 의해 열화를 겪을 수 있다. 그래서, 탄화물 층 상의 질화물 이차 층(20)이 탄화물 및 다이아몬드를 용융된 매트릭스 물질, 예컨대 스틸, 다른 철 기재 합금 또는 다른 금속에 의한 화학적 습격으로부터 보호할 수 있다.

금속 질화물을 용융된 금속으로 적시는 것은 어려울 수 있다. 용융된 금속이 캡슐화된 다이아몬드의 표면을 적시지 못하면, 다이아몬드가 표면에서 분리하는 경향이 있을 수 있거나, 또는 부품의 전체 또는 일부를 통해 분포되는 대신 함께 군집화하는 경향이 있을 수 있다. 게다가, 용융된 매트릭스 내에서 경질 입자의 불충분한 습윤은 용융된 금속의 고화시, 특히 사용 동안에, 경질 입자가 보유되지 않는 결과를 초래할 수 있다. 질화물 층의 조성을 조정하는 것은 표면이 액체와 더 잘 상호작용하는 것을 허용할 수 있다. 가장 안정한 형태로부터 변경된 금속 원자 대 질화물 원자의 비를 갖는 아화학량론적 금속 질화물 조성이 표면 특성을 상당히 개질하여 표면의 우선적 습윤을 제공할 수 있다.

금속 질화물 및/또는 금속 탄화물의 금속 원소는 티타늄, 바나듐, 크로뮴, 규소, 붕소, 텅스텐, 니오븀, 탄탈럼, 지르코늄, 하프늄, 몰리브데넘, 알루미늄 또는 다른 금속 또는 합금 중 어느 것도 될 수 있다. 생성된 금속 화합물은 탄화규소, 질화붕소, 질화티타늄, 탄질화티타늄, 질화바나듐, 탄화크로뮴 및 탄화바나듐을 포함할 수 있다. 또한, 금속 화합물은 더 복잡한 화합물, 예컨대 질화알루미늄티타늄을 포함할 수 있다. 열거한 원소 및 화합물은 예이고, 제한하는 것이라고 여기지 않아야 한다.

다이아몬드 입자의 코팅은 가공 온도에서 화학 반응으로부터 다이아몬드의 열화를 제한하고, 용융된 금속에 의한 캡슐화된 다이아몬드 입자의 표면의 습윤을 개선하여 유체 내에서 캡슐화된 다이아몬드의 이동성을 개선한다. 또한, 다이아몬드 코팅은 작업 동안에 다이아몬드가 매트릭스로부터 쉽게 추출되지 않도록 고화된 금속 내에 다이아몬드의 보유를 개선할 수 있다.

캡슐화된 다이아몬드는 여러 기술에 의해 주물에 합체될 수 있다. 한 실시양태에서는, 캡슐화된 다이아몬드가 주조 공정을 위한 용융물의 원료 금속에 첨가된다. 이 공정에서는 캡슐화된 다이아몬드가 용융 및 주조 공정의 기간 동안 계속 고온에 있고, 더 오랜 기간 동안 여전히 안정해야 하고 열화하지 않아야 한다. 다이아몬드는 가열 사이클, 용융물을 최종 가공으로 옮기는 이송 시간 및 금형에 붓는 내내 계속 고온에 있다. 따라서, 이 공정은 일부 작업에는 적합하지 않을 수 있다. 게다가, 주조하기 전에 용융물에 다이아몬드 입자를 포함시키는 것은 부품 전체에 걸쳐 입자를 분포시키는 결과를 초래할 것이고, 이것은 모든 경우에서 필요하지는 않을 수 있다.

별법으로, 캡슐화된 다이아몬드를 처음 가열 공정 후 및 금형에 붓기 전에 용융물에 첨가할 수 있다. 이 방법은 다이아몬드를 더 짧은 기간 동안 고온에서 유지한다. 다이아몬드가 표면 가까이에 남아있거나 또는 고르지 않게 혼합되어 남아있기보다는 보통은 다이아몬드를 용융물을 통해 고르게 분포시키기 위해 용융물을 교반할 필요가 있을 것이다. 캡슐화된 다이아몬드는 고화시 주조되는 부품 전체를 통해 분포될 것이다.

또 다른 실시양태에서는, 도 2에 나타낸 바와 같이 용융된 금속을 붓기에 앞서 캡슐화된 다이아몬드를 금형의 표면에 보유한다. 이것은 여러 방식으로 달성될 수 있다. 캡슐화된 다이아몬드는 예를 들어 입자를 제자리에 결합시키는 왁스 또는 페인트일 수 있는 전구체 매트릭스 물질 내에 합체될 수 있다. 캡슐화된 다이아몬드(36)가 선택된 표면 상에 보유되도록 금형(32)의 표면 상에 전구체 매트릭스(34)을 페인팅할 수 있다. 용융된 금속을 금형에 부을 때, 전구체 매트릭스가 기화하거나 또는 산화하여 다이아몬드를 방출한다. 다이아몬드가 분산되어 용융된 금속 안으로 이동하여 작동 표면을 형성한다. 이 공정은 다이아몬드를 그것이 가장 필요한 곳, 예컨대 작업부에 보유하는 경향이 있고, 용융된 금속이 냉각시 빠르게 점성이 되어 혼합 및 입자 이동을 제한하기 때문에 다른 영역 (예컨대 장착 단부)으로의 다이아몬드 이동을 제한한다.

별법으로, 예를 들어, 도 3에 나타낸 바와 같이 캡슐화된 다이아몬드는 금형의 표면을 라이닝(lining)하는 또 다른 희생 매체, 예컨대 메쉬 또는 천, 금속 리본, 금속 발포체 또는 세라믹 발포체 내에 매립될 수 있다. 전구체 매트릭스와 유사한 방식으로, 용융된 금속이 금형 내에 들어갈 때 메쉬 또는 천(38)이 소모되어 다이아몬드(36)가 방출되고 그것이 마모 표면을 통해 분포되도록 용융된 금속과 혼합된다. 마찬가지로, 둘 이상의 메쉬 층(38A) 및 (38B)이 금형을 라이닝하는 다수의 층과 함께 이용될 수 있다. 용융된 금속의 도입시 라이너가 순차적으로 소모되기 때문에 다이아몬드가 점진적으로 방출될 수 있다. 다이아몬드의 순차 방출은 마모 부재의 표면 내에 또는 표면 상에 다이아몬드의 더 좋은 분포를 제공할 수 있다.

다이아몬드를 용융물을 통해서 또는 부품의 특정 부분 내에 우선적으로 분포시키기 위해 다른 배치 방법이 이용될 수 있다. 캡슐화된 다이아몬드를 붓기 직전에 또는 붓기와 동시에 금형 안에 부울 수 있다. 캡슐화된 다이아몬드를 포함시키기 위해 이용되는 방법은 주조되는 부품의 형상 및 크기, 주조 공정 및/또는 다이아몬드 입자 크기에 의해 결정될 수 있다.

작업 동안, 연마 조건에 노출되는 공구 또는 다른 부품의 작동 표면이 계속 마모되어 새로운 표면을 생성한다. 마모 공구의 작동 단부를 통해 분포된 다이아몬드가 공구의 유효 수명 동안에 새로운 다이아몬드 입자를 계속 제공한다. 공구는 보통 장착 단부가 마모 표면이 되기 전에 교체되기 때문에, 일반적으로 공구의 장착 단부 내의 다이아몬드는 공구 유효 수명을 증가시키는 데 효과적이지 않다. 이 종류의 공구의 장착 단부의 다이아몬드는 공구에 불필요한 경비를 추가하는 경향이 있다. 그럼에도 불구하고, 일부 부품이 장착 단부에 및/또는 부품 전체에 다이아몬드 또는 다른 경질 입자를 포함하는 것이 유익할 수 있다.

보호 층에 의한 다이아몬드의 캡슐화는 다이아몬드의 열화를 제한한다. 덮음이 최적이 아닌 경우, 다이아몬드의 비코팅된 부분은 열화할 수 있고, 한편 다이아몬드의 코팅된 부분은 열화하지 않을 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이것은 일부 용도에는 적합할 수 있다. 코팅의 두께, 용융물의 온도, 고온에서의 시간, 및 다른 요인이 열화를 제한하는 데 필요한 코팅에 영향을 미칠 수 있다. 다이아몬드가 설정된 온도에서 상대적으로 느린 속도로 열화하고 다이아몬드가 그 설정된 온도에서 짧은 기간 동안 있는 경우, 다이아몬드의 손상을 제한하고 가공 비용을 최소화하도록 보호 층의 두께를 최적화할 수 있다.

바람직하게는, 각 층은 마모 입자가 의도된 용도에 적합하도록 마모 입자의 열화를 제한하는 데 요구되는 것보다 두껍지 않다. 증착된 층은 임의의 유효 두께를 가질 수 있지만, 바람직하게는 1 내지 30 마이크로미터(㎛)의 범위이다. 캡슐화된 마모 입자는 가공 또는 주위 원소에의 노출의 부산물인 잔류하는 추가 성분의 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가공 단계 사이에 또는 가공 전 또는 후에 노출된 표면 상에 얇은 산화물 층이 발달할 수 있다. 이 층들이 캡슐화된 다이아몬드의 물리적 또는 화학적 특성에 상당한 영향을 미친다고 여기지 않는다.

다이아몬드 상의 층을 구성하는 금속 화합물은 추가의 금속을 소량 합체시킬 수 있다. 예를 들어, 탄화티타늄은 측정할 수 있는 양의 규소를 포함할 수 있다. 일반적으로, 금속 화합물은 5%의 상이한 금속을 합체시킬 수 있고, 그것이 그 화합물의 실질적 부분이라거나 또는 그의 물리적 특성에 영향을 미친다고 여기지 않는다.

층들은 많은 기술 중 어느 것을 이용해서도 다이아몬드 표면 상에 증착될 수 있다. 선택된 방법은 증착되는 물질 및 그것이 증착되는 기판 물질에 의존할 수 있다. 일반적으로, 각 다이아몬드 입자를 가공하고, 전체 표면에 일정한 두께로 보호 코팅을 형성하지만, 두께 및 덮음은 코팅 물질과 다이아몬드 표면의 결정 구조의 반응성에 의존할 수 있다. 다이아몬드 결정립이 코팅 물질의 고른 증착을 허용하는 수성 또는 기체 흐름에 부유되도록 유동상이 자주 이용된다. 코팅은 무전해, 전해, 화학 증착 (CVD), 물리 증착 공정 (PVD), 프리세라믹 중합체(pre-ceramic polymer) 열분해 또는 다른 기술을 이용해서 다이아몬드에 형성될 수 있다.

다이아몬드 마모 입자는 고압 고온 합성 기술로부터의 공학적 다이아몬드, 열에 안정한 다결정성 다이아몬드 (TSP), CVD 다이아몬드, 다결정성 다이아몬드 (PCD), 절단기로부터의 재활용된 PCD 테이블, 변형된 다이아몬드, 단결정, 합성 및 천연 다이아몬드를 포함하는 임의의 형태의 다이아몬드일 수 있다. 처음에 다이아몬드를 붕소, 인 또는 다른 원소 같은 원소로 도핑할 수 있다. 도핑은 주입(implantation)에 의해 또는 다이아몬드 제조 동안에 달성될 수 있고, 다이아몬드의 전기 전도도를 변화시킬 수 있다. 도핑 원소는 다이아몬드 상에 캡슐화 층의 보유를 촉진할 수 있다.

한 바람직한 실시양태에서는, 유동상에서 화학 증착을 이용해서 탄화규소(SiC)를 다이아몬드 입자의 표면에 결합시킨다. 규소가 다이아몬드 표면 상에 일차 층으로서 증착되고, 표면 상의 탄소 원자와 결합해서 탄화규소를 생성한다. 다이아몬드의 표면 상의 탄화규소는 불리한 고온 환경에서 다이아몬드의 산화 및 열화를 제한한다. 또한, 유동상에서 화학 증착에 의해 이차 층으로서 질화티타늄(TiN) 층을 탄화규소의 표면 상에 증착시킨다. 질화티타늄 층은 고온 용융된 스틸 작업에서 철 (또는 다른 금속)에 의한 탄화물 층의 열화를 제한한다. 임의로, 용융된 금속에 의한 캡슐화된 다이아몬드의 습윤을 개선하기 위해 질화된 층 상에 삼차 층을 증착시킨다. 삼차 층은 아화학량론적 질화티타늄일 수 있다. 이것은 Ti _{1 - x} N _x (x의 값은 0.1 내지 0.99임), 예를 들어 TiN _{0 . 3} 형태를 취할 수 있다. 이 층은 캡슐화된 다이아몬드가 쉽게 분리되지 않게 액체 환경에 의해 적셔지고 액체 환경에 혼합되는 것을 허용한다.

대안적 실시양태에서는, 내마모성 입자, 예컨대 다이아몬드, 탄화텅스텐, 탄화규소, 탄화티타늄을 경질 입자에 강하게 부착할 수 있는 처음 금속 탄화물 층으로 코팅한다. 이 처음 층은 흑연화 또는 열화를 초래하는 열 및 산화 손상으로부터 입자를 보호할 수 있다. 처음 탄화물 층은 경질 입자를 완전히 덮어서 보호를 제공하는 연속 코팅일 수 있거나, 또는 입자의 표면의 절반 초과를 덮는 부분 코팅일 수 있다. 또, 처음 금속 탄화물 층은 단일 금속의 탄화물 코팅에 비해 파괴 인성을 증진할 수 있는 금속 탄화물의 혼합물일 수 있다.

금속 질화물의 제2 층은 탄화물 층으로 코팅된 경질 입자에 부착하여 탄화물 층으로 코팅된 경질 입자를 산화 및 용융된 금속 매트릭스와의 화학 반응으로부터 보호할 수 있다. 제2 층은 탄질화물, 예컨대 SiCN 및/또는 Ti(CN) 또는 다른 탄질화물일 수 있고, 여기서 이 층은 탄화물 층으로 코팅된 경질 입자에 부착하여 산화 및 화학 반응으로부터의 입자 보호를 제공할 것이다. 탄질화물 층의 탄소 화학은 철계 기재 용융된 금속 매트릭스 내에서의 습윤 및 부착을 제공할 수 있다. 별법으로, 제2 층은 산화 및 화학 반응으로부터의 보호를 제공하는 알루미늄 질화물, 예컨대 TiAlN일 수 있다. 금속 질화물 제2 층은 금속 질화물들, 예컨대 Si3N4와 TiN의 혼합물일 수 있다. 이 Si3N4 - TiN 복합물은 어느 질화물 단독에 비해서도 증진된 파괴 인성을 가질 수 있다. 제2 층 물질은 처음 탄화물 층과의 용해도를 가질 수 있고, 이것은 층들이 서로 부착하는 것을 촉진할 수 있고 더 강한 다중층 코팅을 초래한다.

용융된 금속 매트릭스에 의한 습윤 및 그와의 강한 결합을 촉진하기 위해, 제3 층을 보호 금속 질화물 제2 층에 형성한다. 이 제3 층은 완전한 결정 구조를 구성하는 데 충분한 질소 원자가 없는 아화학량론적 금속 질화물로 이루어진다. 사실상, 금속 질화물의 화학량론이 아화학량론적 결정 구조로 바뀔 수 있다.

금속 탄질화물 또는 금속 알루미늄 질화물 제2 층으로서 이용되는 두 물질 모두가 아화학량론적 화학을 갖는 제3 층으로서 이용되어 용융된 금속 매트릭스와의 화학 반응 및 용해로부터의 보호 또는 산화 보호를 희생하지 않으면서 금속 매트릭스에 의한 양호한 습윤 및 금속 매트릭스와의 양호한 부착을 제공할 수 있다.

제3 물질 층은 이미 논의된 물질들의 혼합물일 수 있다. 이 복합 물질은 어느 물질 단독에 비해서도 증진된 파괴 인성을 가질 수 있다. 일부 마모 응용에서, 매트릭스에 의한 이 외측 코팅 습윤성을 변화시켜서 금속 매트릭스와의 부착을 증가시키거나 또는 감소시킬 수 있다.

증착 공정 동안에 아화학량론적 조성이 쉽게 형성될 수 있다. 예를 들어, 증착된 층의 조성은 화학 증착 동안에 공급되는 원소, 이 경우에는 질소의 분압을 조정함으로써 조절될 수 있다.

또 다른 대안적 실시양태에서는, 마모 부재 내에 다이아몬드를 매립하기 위한 가공 시간이 짧고 그 온도에서 다이아몬드의 증착 속도가 상대적으로 느려서 탄화물 층 및 탄화물 층 상의 질화물 층 둘 모두가 요구되지는 않거나 또는 제한된 두께 또는 덮음을 가질 수 있다. 이 경우에 다이아몬드의 짧은 가공 시간은 용융된 금속에서 흑연화 온도 초과의 온도에 짧은 노출에 상응한다.

도 4에 나타낸 한 실시양태에서, 다이아몬드 캡슐화는 다이아몬드 표면 상에 증착된 아화학량론적 질화물 층(18)을 포함한다. 불활성 환경에서 또는 진공에서는, 온도가 1500℃를 넘을 때까지는 다이아몬드(12)의 흑연화가 시작하지 않을 수 있다. 대표적인 용융된 스틸의 온도는 1400℃ 초과이다. 금형이 불활성 환경이 아닐 때는, 용융된 스틸의 도입시 금형에 산소가 고갈되고, 흑연화 온도가 700℃ 초과로 상승된다. 또한, 다이아몬드 입자를 캡슐화하는 금속 질화물 및/또는 아화학량론적 질화물 코팅은 불활성 환경과 유사하게 산소로부터 다이아몬드 표면을 보호하여 흑연화 온도를 증가시킨다. 이 예의 경우, 흑연화를 위한 임계 온도는 1200℃이다. 질화물 코팅으로만 보호된 다이아몬드가 금형의 내부를 라이닝하고 용융된 스틸 안으로 이동한다. 일단 금형 안에 도입된 용융된 철은 금형 표면에서 가장 빠르게 냉각한다. 다이아몬드의 흑연화 온도 초과에서의 노출 시간이 짧고, 다이아몬드의 흑연으로의 전환 및 화학적 열화가 제한된다. 질화물 코팅은 금속 탄질화물, 예컨대 티타늄 탄질화물 (TiCN)을 포함할 수 있다.

별법으로, 캡슐화는 보호 층이라기보다는 결합 층으로서 역할하여 다이아몬드 및 질화물 층 둘 모두와 결합할 수 있는 탄화물 같은 하나의 일차 층을 포함할 수 있다. 이차 아화학량론적 질화물 층은 표면과 액체의 상호작용을 제공할 수 있다. 다이아몬드 표면 상에 증착된 층은 바람직하게는 예를 들어 1 ㎛ 내지 1 ㎜의 범위이지만, 의도된 목적에 의존해서 더 작을 수 있거나 또는 더 클 수 있다. 다이아몬드 입자는 바람직하게는 나노미터 크기부터 5 ㎜까지의 범위이지만, 다른 크기가 이용될 수 있다.

캡슐화된 다이아몬드는 마모 구성품이 아닌 다른 많은 응용에서 유리할 수 있다. 매립된 캡슐화된 다이아몬드 표면은 총 배럴 라이닝, 방탄판, 절단 공구, 펌프 베인 표면, 베어링 및 생체의학 임플란트를 포함하는 응용에 이용될 수 있다.

또한, 마모 구성품은 분말 야금 용침 기술로 생성해 왔다. 용침은 제한된 용해도를 가져서 일반적으로 합금을 생성하지 않는 대조적인 특성을 갖는 물질들을 조합한다. 보다 연질 물질의 매트릭스 내에 경질 입자를 분포시키는 것은 경질 입자를 제자리에 결합시킨다. 오일 및 가스를 위한 드릴 비트는 대표적으로 탄화텅스텐 입자를 금형 내에 가득 채움으로써 제조된다. 충전된 금형을 소결하여 탄화텅스텐 입자들을 함께 결합시킬 수 있다. 캡슐화된 다이아몬드를 추가의 마모 보호를 위해 탄화텅스텐 입자와 함께 포함시킬 수 있다. 그 다음, 용융된 매트릭스 물질이 소결된 탄화텅스텐 및 다이아몬드 내로 흘러들어가고, 이렇게 함으로써 그것이 경질 입자들 사이의 간극을 채워 결정립들을 함께 결합시킨다.

소결된 탄화텅스텐을 용침시키는 데 이용되는 매트릭스 물질은 구리, 알루미늄, 철 및 니켈 또는 이 물질 및 다른 물질의 합금을 포함한다. 매트릭스 물질이 용융 온도로 가열되어 소결된 탄화텅스텐 내로 흘러들어간다. 입방형 질화붕소, 탄화티타늄 또는 다른 경질 입자를 포함하는, 탄화텅스텐이 아닌 다른 마모 입자가 용침 응용에 이용될 수 있다. 캡슐화된 다이아몬드 마모 입자는 미국 특허 공개 20120258273에 개시된 바와 같이 마모 부재 상에 포인트를 생성하고 복원하는 것 같은 다른 응용에 응용될 수 있고, 이 미국 특허 공개는 그 전문이 본원에 참고로 포함된다.

용침은 보다 연질인 매트릭스 물질에 매립된 내마모성인 매우 경질인 일차 물질을 제공한다. 일차 물질을 제자리에 유지하는 매트릭스 물질이 마모되어 탄화텅스텐 및 다이아몬드 입자를 마모 표면으로서 노출시킨다.

용침 가공 온도는 일반적으로 주조 공정보다 낮지만, 대략 매트릭스 물질의 용융 온도에서 용침 물질과의 화학적 상호작용이 다이아몬드 구조를 열화할 수 있다. 다이아몬드를 코팅하는 것은 화학적 상호작용 및 다이아몬드 열화를 제한한다.

또, 캡슐화된 다이아몬드는 보다 연질인 물체에 하드페이싱(hardfacing) 표면을 형성하는 데 이용되는 아크 용접 공정과 상용성이 있을 수 있다. 용접 봉은 일반적으로 플럭스 및/또는 산소-배제 물질, 예컨대 규산나트륨을 포함할 수 있는 오버레이를 갖는 금속 봉을 포함한다. 이 대안적 실시양태에서는, 용접 봉의 금속 코어 둘레의 오버레이가 캡슐화된 다이아몬드 입자를 포함할 수 있다. 용접 동안에 봉이 소모될 때 다이아몬드가 코어 금속을 갖는 용융된 용접 풀 안으로 통과한다. 풀이 공구의 하드페이싱의 구성품으로서 다이아몬드와 함께 고화한다.

코팅된 다이아몬드 및/또는 다른 경질 입자가 용접 봉으로 이용되는 구리 같은 튜브에 합체될 수 있다. 추가의 플럭스 물질이 경질 입자를 갖는 튜브에 합체될 수 있다. 별법으로, 코팅된 다이아몬드를 트러프(trough)로서 구성된 금형 안에 놓을 수 있고, 결합 물질 및/또는 플럭스를 입자 위에 부어서 그것들을 함께 결합시켜 용접 봉을 형성할 수 있다.

다이아몬드가 고온에서 훨씬 더 짧은 기간 동안 있기 때문에, 용접 공정은 용융된 금속 주조보다 훨씬 덜 어려울 수 있다. 다이아몬드 코팅은 용접 공정 동안에 다이아몬드를 화학적 습격 및 흑연화로부터 보호할 수 있다. 용접 봉은 하드페이싱 및 용접 풀에 합체되는 다이아몬드 대신에 또는 그것에 추가해서 다른 경질 입자를 합체시킬 수 있다.

캡슐화된 다이아몬드는 마찬가지로 플라즈마 이행형 아크 용접 (PTAW), 전기슬래그 표면처리, 플라즈마 분사 또는 다른 표면처리 기술과 함께 이용될 수 있다. 별법으로, 다이아몬드는 용융된 용접 풀 안에 용접봉과 별도로 도입될 수 있다. 예를 들어, 다이아몬드 입자를 용융된 용접 풀 안에 불어 넣을 수 있거나 또는 부울 수 있다.

본원에서는 대표적인 캡슐화된 마모 입자의 선택된 실시양태를 개시하지만, 통상의 기술자가 본 개시물의 범위로부터 벗어나지 않는 이 실시양태의 많은 변화를 구상할 수 있다는 것을 인식해야 한다. 캡슐화된 다이아몬드에 관해 본원에 개시된 방법 및 구성은 많은 유형의 마모 입자의 이용에 적합하고, 결과적으로 얻는 경화된 표면은 마모 부재를 넘어서 다양한 응용에 아주 적합하다.

본원에 제시된 개시물은 독립적인 유용성을 갖는 다수의 뚜렷이 다른 발명들을 포함한다고 믿는다. 이 발명들 각각을 그의 바람직한 형태로 개시하였지만, 많은 변화가 가능하기 때문에, 본원에 개시되고 예시된 그의 특정한 실시양태를 제한하는 의미로 여기지 않아야 한다. 각 예는 앞서 말한 개시물에 개시된 실시양태를 규정하지만, 어떠한 예도 결국에 청구될 수 있는 모든 특징 또는 조합을 반드시 포함하지는 않는다. 설명이 "한" 요소 또는 "제1" 요소 또는 그의 등가물을 나열할 때, 그러한 설명은 하나 이상의 그러한 요소를 포함하고, 둘 이상의 그러한 요소를 요구하지도 않고 배제하지도 않는다. 게다가, 식별된 요소들의 서수 지시어, 예컨대 제1, 제2 또는 제3은 요소들을 구별하기 위해 이용되고, 요구된 또는 제한된 수의 그러한 요소를 지시하지 않고, 구체적으로 다르게 언급되지 않으면, 그러한 요소들의 특정 위치 또는 순서를 지시하지 않는다.