KR100322779B1 - 순간가열과냉각방식을이용한다이아몬드계절삭공구의제조방법과그에의해제조한다이아몬드계절삭공구 - Google Patents

Abstract

다이아몬드계 절삭공구는 소결다이아몬드(PCD : polycrystalline diamond), 천연다이아몬드, 기상합성다이아몬드(CVD : chemical vapor deposition), 소결입방정질화붕소(PCBN : polycrystalline cubic boran nitride)등을 초경(WC-Co)이나 공구강 생크(shank)에 용접에 의하여 접합한 형태로 사용된다.

이때, 용접부의 산화에 의한 접합강도의 약화, 수작업에 의한 생산성의 저하 등 문제점을 갖고 있다.

본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 순간가열방식을 채택하여 수초에서 수분의 매우 짧은 시간내에 용접온도까지 가열 및 냉각이 가능하고, 생크재의 온도 증가 없이 공구 재와 용접재만을 승온시켜 생크재의 기계적 특성 저하가 없도록 순간가열 분위기조절에 의한 접합방법을 제공하여 수백 개의 인서트(insert) 공구를 1시간이내의 공정으로 한번에 처리할 수 있어 기존의 방법에 비하여 매우 경제적이며 자동화가 가능한 특징이 있다.

Description

순간가열과 냉각방식을 이용한 다이아몬드계 절삭공구의 제조방법과 그에 의해 제조한 다이아몬드계 절삭공구

본 발명은 순간가열과 냉각방식을 이용한 다이아몬드계 절삭공구의 제조방법과 그에 의해 제조한 다이아몬드계 절삭공구에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 천연다이몬드, 소결다이아몬드 (PCD : polycrystalline diamond), 기상증착 후막 및 박막 다이아몬드, 입방정질화붕소(CBN: cubic boron nitride)계 등의 소재를 절삭공구 및 내마모공구로 제작하는데 있어 중요한 공정인 생크(shank)와의 접합공정을 제공하기 위한 순간가열과 냉각방식을 이용한 다이아몬드계 절삭공구의 제조방법과 그에 의해 제조한 다이아몬드계 절삭공구에 관한 것이다.

일반적으로 다이아몬드와 입방정질화붕소는 내마모성 특성과 기계 가공에 최고의 성능을 보이는 최적의 소재로서 절삭공구로 널리 응용되고 있다.

여기에 응용되는 소재의 형태로는 천연 다이아몬드 뿐만아니라 인공적으로 제조되어 금속상과 소결하여 만들어지는 소결다이아몬드(PCD : polycrystal diamond), 최근에 기상증착법으로 제조되는 기상증착(CVP)후막 다이아몬드, 그리고 입방정질화붕소로 만들어지는 소결입방정질화붕소(PCBN: polycrystalline cubic boron nitride)등 다양하다,

그러나 이들 소재들은 판상의 형태로 제작되므로 절삭공구나 드레서(dresser) 등의 공구형태로 제작 사용하기 위해서는 도 1 및 도 2에서 도시하고 있는 바와 같이, 다이아몬드계 또는 소결입방정질화붕소계 또는 기상증착 다이아몬드후막 등등의 용접할 소재인 블랭크(1)를 용접용 금속합금인 용접재(2)를 매개로 하여 일정형태로 잘라 공구의 지지대 역할을 하는 초경(WC-Co)이나 공구강소재로 이루어진 생크(3)와 접합되어야 한다.

이때 생크(3)와 블랭크(1)를 접합하고 있는 접합부 즉, 용접재(2)는 절삭시 피삭재와 공구와의 절삭부하를 생크(3)에 전달하는 역할을 하므로 공구의 사용시절삭부하에 견디도록 충분한 강도를 갖추어야만 한다.

따라서, 이들을 접합시키기 위한 기술은 절삭공구의 제조분야에서 매우 중요한 것으로 알려져 오고 있다.

종래에는 이러한 접합을 위하여 토치나 유도가열방식을 이용한 용접법이 사용되고 있다.

그러나 이러한 방법은 고온에서 공기중의 분위기노출로 용접층의 산화 및 기공의 존재 등으로 인한 물성의 저하와 수작업으로 인한 생산성의 한계가 있고, 특히, 공구의 물성이 작업자에 의존하여 변화하여 재현성 있는 제품의 구현이 어려운 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 진공로를 이용한 용접방식이 채택되기도 한다.

그러나 이러한 경우에는 승온 및 냉각시간이 8∼10시간 이상이 필요할 뿐만 아니라 공정시간이 길고, 또한 생크재 역시 용접온도까지 가열되어 생크재의 기계적 강도의 저하를 유발하는 문제가 있어서 적용할 수 있는 제품의 범위가 극히 한정되는 단점이 있다.

이러한 문제는 결국 공구의 제작단가의 상승을 유발하게 된다.

따라서 이러한 문제를 해결하여 공정단가의 감소 및 일정한 성능의 공구 성능 구현, 그리고 자동화에 의한 대량 용접방식이 가능한 새로운 용접방식의 개발이 매우 필요하다.

본 발명은 생크의 가열없이 가공된 판상의 다이아몬드계 블랭크(blank)와 용접재만을 순간가열할 수 있는 가열방법을 적용하고, 용접분위기의 조절이 가능하도록함으로서 매우 빠른 시간에 많은 수의 공구를 동일한 물성을 가지도록 블랭크를 생크에 접합할 수 있도록 하는 데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 순간가열방식으로 할로겐 램프를 응용한 광가열방식을 선택하였으며, 용접하기 위한 시편이 놓이는 챔버내부는 진공에서 수십 torr까지 압력 및 분위기 조절이 가능하도록 하여 승온 및 냉각 중 다이아몬드계 블랭크, 용접용 금속, 그리고, 생크재의 열화반응이 일어나지 못하도록 분위기조절이 가능하도록 함으로서 가능하였다.

도 1은 다이아몬드계 또는 소결입방정질화붕소계 절삭공구의 용접전의 구성도.

도 2는 도 1의 용접이후의 절삭공구의 단면도.

도 3은 용접장치와 구성요소를 보인 계략도.

도 4는 PCD 다이몬드 소재의 균열현상을 보여주는 현미경 확대 사진.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 블랭크 2 : 용접재

3 : 생크 4 : 열원부

5 : 열원 6: 챔버

7 : 투시창 8 : 진공 분위기 조절기

이하, 본 발명을 첨부한 도면 도 3에 의거하여 구체적으로 살펴 보면 다음과 같다.

도 3은 순간가열과 급냉방식을 이용하여 다이아몬드 용접을 할 수 있는 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.

이러한 본 발명에서의 구성은 열원(5)이 위치하는 열원부(4)와, 접합되어질 공구시편(10)이 놓이는 챔버(6)와, 상기 챔버(6)의 내부를 진공으로 만들기 위해 챔버(6)와 연계하고 있는 진공펌프 등과 같은 진공 분위기 조절기(8)로 구성되어진다.

이때, 상기한 열원부(4)의 내부에 설치되는 열원(5)은 순간가열의 광가열 방식을 채택하며 이로는 할로겐 램프가 적당하다. 순간가열의 광가열 방식은 1분당500-1000℃ (500-1000/min)의 급승온이 가능하다.

또한, 필요에 따라 할로겐 램프의 복사열을 효과적으로 블랭크(1)에 집중시키기 위해 금속코팅을 한다.

그리고 할로겐 램프는 접합하고자 하는 공구시편(10)의 크기와 챔버(6)의 크기에 따라 적절한 크기와 갯수로 설치한다.

이때 상기 열원(5)을 포함하고 있는 열원부(4)와 챔버(6)는 수냉식으로 각각 독립적으로 냉각할 수 있도록 그 구조가 이원화 된 별개의 이중구조를 이루며, 열원(5)과 챔버(6)의 온도 가열을 방지함과 동시에 열원(5)의 전원차단시 열원(5)과 챔버(6)를 분리시켜서 챔버(6)이 냉각속도를 빠르게 할 수 있도록 구성되어 있다. 미설명부호 9는 열원부(4)를 냉각시키기 위한 냉매 공급관이고, 미설명부호 11 및 12 는 챔버(6)를 냉각시키기 위한 냉매 공급관 및 배출관이다.

즉, 열원부(4)는 공구시편(10)이 놓이는 챔버(6)와 독립시킴으로써 전원 차단과 동시에 챔버(6)와 분리가능하여 냉각속도를 극대화할 수 있다.

그리고 챔버(6)와 할로겐 램프인 열원(4) 사이에는 열원(4)인 할로겐 램프의 복사열이 용접하고자 하는 공구시편(10)의 블랭크(1)에 직접 전달되도록 투명한 석영재질의 투시창(7)으로 구성한다.

따라서, 할로겐 램프에 의한 복사열이 접합하고자 하는 공구시편(10)에 그대로 전달될 뿐만아니라 전달된 복사열은 다이아몬드가 가지고 있는 매우 빠른 열전달 능력에 의해 다이아몬드 하부와 생크(3) 사이에 존재하는 용접용 금속인 용접재(2)에 수초내에 동일한 온도의 열을 전달하여 다이아몬드 소재의 블랭크(1)와 생크(3)가 효과적으로 용접된다.

이때 상기 진공 분위기조절기(8), 예컨데 진공펌프 등을 작동시켜 쳄버(6)의 내부를 0.001 torr에서 20torr 까지 내부압력을 조절하고 다이아몬드 소재의 종류별 분위기를 조절가능하게 한다.

따라서 본 발명의 장치는 매우 단순하며 그 조작 역시 매우 간편하다는 특징을 가지고 있음을 알 수 있다.

이러한 본 발명의 장치를 이용하여 다이아몬드 후막의 블랭크를 생크에 접합하는 방법에 대하여 살펴보기로 한다.

기상증착으로 합성된 다이아몬드 후막을 가공된 초경의 모재위에 용접용 금속합금을 얇게 코팅한 부분에 올려 놓고 건조기에서 200℃의 온도에서 10분 건조한다.

이러한 건조과정을 마친 후 챔버(6)내에 공구시편(10)을 올려 놓고 분위기 조절기(8)를 작동시켜 0.001-0.01 torr까지 진공을 뽑는다.

열원(5)의 가동에 의하여 250℃에서 10분간 유지하여 용접재(2)에 존재할 지도 모르는 유기물 등의 불순물을 제거한다.

이후 순간가열방식으로 1분당 500-1000℃ (500-1000/min)의 급승온 속도를 이용하여 800℃까지 1분에 순간 승온하여 800℃에서 3분간 유지하고, 열원(5)인 할로겐 램프의 전원을 차단하여 냉각시켜 약5-10분 후 150℃로 냉각되도록 한다.

예를 들면, 환원 분위기의 유지 및 조절을 위해서는 고순도(99.99%이상)의 수소를 황산에 통과시켜 챔버(6)내에 흐르게 하고, 챔버(6) 내의 압력은 2 torr가되도록 유지한다.

그 다음 800℃까지 1분에 승온시키고, 3분간 유지 후 상기의 방식과 동일하게 할로겐 램프의 전원을 차단하여 급냉시킨다.

이러한 과정을 거침으로서 생크(3)에 블랭크(1)를 접합시키는 접합공정이 완료된다.

이러한 본 발명의 특징은 다이아몬드계 블랭크(1)의 열물성을 최대로 이용한 공정이라는 점이다.

다시말해 다이아몬드는 다른 소재에 비하여 열전도도가 매우 크고, 비열이 작아 가열속도가 매우 빠르고, 다이아몬드 블랭크(1)를 통해 하부에 위치한 용접재(2)로의 빠른 열전달이 가능하고, 블랭크(1)의 크기가 생크(3)에 비해 매우 작아 열용량 역시 매우 작다.

이러한 점이 본 발명의 방법에서 순간 가열방식의 채택을 가능하게 한다.

결국 본 발명은 광가열 방식을 통해 용접재(2)의 용융점까지 블랭크(1) 및 용접재(2)만 온도가 상승되어 용접이 이루어진 후에도 생크(3)는 블랭크(1) 및 용접재(2)에 비해 상대적으로 큰 열용량으로 인하여 상온을 크게 벗어나지 않게 된다.

따라서, 공구시편(10)은 고온에 의한 변형과 같은 악영향을 받지 않게 되고 공구 제조 공정간을 크게 단축할 수 있게 된다.

이러한 본 발명은 소결다이아몬드(PCD)와 소결입방정질화붕소(PCBN: polycrystalline cubic boron nitride)계의 접합에도 그대로 이용된다.

그러나 이 경우에는 단지 소결다이아몬드(PCD)와 소결입방정질화붕소(PCBN: polycrystalline cubic boron nitride)계의 블랭크 크기와 두께에 따라 승온 온도 및 고온유지시간을 증가 또는 감소시키는 것이 필요할 뿐이고, 상기 다이아몬드 후막 접합방법과 동일한 방식에 의해 효과적인 접합이 가능하다.

또한 본 발명은 천연 및 인조 다이아몬드 소재의 접합에도 상기 다이아몬드 후막 접합방법과 동일한 공정으로 접합이 가능하다.

단지 이 경우에는 냉각과정중 다이아몬드와 용접용 금속(용접재) 간의 열팽창계수 차이에 의한 균열의 발생을 방지하기 위해 1∼2시간의 서냉을 실시하여야 하는 점에서 차이가 있을 뿐이다.

표1의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 용접용 금속의 용융점(녹는점)(760℃) 이하에서는 오랜 시간동안 용접을 실시하여도 용접이 이루어지지 못하는 것을 알 수 있다. 이는 용접용 금속이 액상을 형성해야 용접이 가능하기 때문이다.

한편, 100% 다이아몬드 소재로 이루어진 다이아몬드 후막 소재나 천연 다이아몬드 소재의 용접은 용접용 금속이 액상을 형성하는 온도 이상에서 우수하게 용접이 이루어지는 것을 알 수 있다.

그런데, 용접온도가 상승할 수록 및 용접시간이 길어지는 경우, 용접이 불가능해지는 것을 알 수 있다. 이는 용접용 금속이 액상을 형성하고 온도가 높아지면 용접용 합금이 진공 중에서 증발하기 때문이다. 이런 경향은 진공도가 증가할 수록 더욱 심하게 증발이 발생되며, 예컨데 0.001 torr 이하에서는 용접시 10분 이내에 모든 용접용 금속이 증발하여 용접이 이루어지지 않는다.

이와 대조적으로 용접시 진공도가 증가할 수록 용접용 금속의 산호가 억제되어 좋은 특성을 보이나, 너무 높은 진공도는 상기에서 설명한 바와 같이 증발이 발생하여 용접자체를 불가능하게 한다.

따라서, 용접용 금속의 용융점에 따라 용접온도와 진공도가 함께 고려되어야 한다.

표1에서는 0.01 torr 의 진공도를 가질 때 10분 이상의 용접시간은 좋은 용접결과를 얻을 수 없음을 알 수 있다.

한편, PCD 와 PCBN 소재의 다이아몬드 용접은 800℃ 에서 만이 이루어진다.

800℃ 이상에서 용접을 실시하거나 오랜시간 용접시 다이아몬드 소재 자체의 균열발생으로 다이아몬드 소재의 특성을 발휘하지 못하게 된다. PCD 와 PCBN 소재는 다이아몬드 분말과 금속분말의 혼합에 의해 제조되는 다이아몬드 소재이므로 상기 다이아몬드 후막 소재나 천연 다이아몬드 소재와 달리 100% 다이아몬드로 이루어진 소재가 아니다. 따라서 너무 높은 온도(1000℃) 에서 또는 장시간 용접시 PCD와 PCBN 소재에 첨가되어 있는 금속분말과 다이아몬드의 작용(열팽창계수의 차이로 인한 것으로 추정됨)으로 균열이 발생하게 된다.

도 4는 1000 ℃ 에서 PCD 다이아몬드 소재를 용접하였을 때 PCD 다이아몬드 소재에 발생한 미세조직을 확대한 현미경 확대 사진으로서, PCD 다이아몬드 소재에 균열이 많이 발생하였음을 알 수 있다. 이와 같이 균열이 발생한 소재는 공구로서의 역할을 할 수 없게 된다.

결론적으로, 가능한 낮은 온도에서 짧은 시간 용접하는 것이 다이아몬드 소재의 용접특성에 유리하며, 용접용 금속의 용융점과 진공도에 따라 최적의 용접특성을 나타내는 조건이 다소 변하게 된다.

본 발명의 방법에서 이용한 광가열발식은 일반적으로 시판되는 용접용 금속의 용융점이 700 ℃ 이상 1200 ℃ 미만이므로 이 모든 온도영역에서 용접이 가능하며, 용접용 금속의 증발 억제와 용접용 금속의 산화를 방지할 수 있는 진공도 0.001~ 20 torr 이내의 조건에서 용접이 가능하게 된다.

이상 상기에서 살핀 바와 같이, 본 발명은 종래의 용접법을 대신하여 새로운 가열원을 이용하여 수초 또는 수분 내에 고온으로 순간가열하는 방법을 도입하고 저진공(0.001-20 torr) 분위기 조절이 가능한 장비를 설계하여, 다이아몬드계 및 입방정질화붕소계 소재를 초경 및 비철금속계, 금속계 모재에 다량으로 접합할 수 있다.

다시말해 본 발명에서는 전체 공정시간을 20-60분 이내로 줄일 수 있는 새로운 가열방식을 채택함으로서 공구의 열화방지 및 접합층에서 항상 일정한 접합력을확보할 수 절삭공구를 제공할 수 있는 것임을 알 수 있다.

이상 상기에서 설명한 바와 같이, 현재까지 수작업으로 진행된 종래의 다이아몬드계 및 소결입방정질화붕소(PCBN)계 절삭공구의 접합공정을 완전 자동화할 수 있고, 블랭크와 용접용 금속의 승온 및 냉각시간이 종래의 수시간(약8~10시간)에 비하여 20~60분 이내로 대폭단축시킬 수 있으며, 또한 소절다이아몬드와 초경 생크의 순간가열과 냉각 방식을 이용한 접합방법을 확립함으로서 이를 통하여 다이아몬드계 공구의 생산성 및 성능을 한단계 높일 수 있어 선진국과의 경쟁력을 강화시킬 수 있고 아울러, 다양한 소재에 대한 새로운 접합의 개념으로 폭넓은 응용이 가능한 매우 유용한 발명이다.

Claims (5)

1. 다이아몬드계 절삭공구의 블랭크를 생크에 접합하여 절삭공구를 제조하는 절삭공구의 제조방법에 있어서,

   용접하기 위한 공구시편, 블랭크, 및 용접용 금속(용접재)이 놓이는 챔버 내부의 진공도를 0.001∼20 torr의 저진공 분위기 조절을 하고, 순간가열방식으로 1분당 500-1000℃ (500-1000/min)의 급승온 열원으로 블랭크를 가열하여 700-1200℃의 온도에서 짧은 유지시간으로 블랭크와 용접재를 생크에 접합하는 것을 특징으로 하는 순간가열과 냉각방식을 이용한 다이아몬드계 절삭공구의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 순간가열방식의 열원이 할로겐 램프를 이용한 광가열 방식인 것을 특징으로 하는 순간가열과 냉각방식을 이용한 다이아몬드계 절삭공구의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 순간가열방식의 열원이 투명한 석영재의 투시창을 통하여 접합하고자 하는 공구시편의 블랭크에 복사열을 직접 비치도록 하는 것을 특징으로 하는 순간가열과 냉각방식을 이용한 다이아몬드계 절삭공구의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 다이아몬드계 절삭공구의 블랭크가 소결입방정질화붕소(PCBN)계인 것을 특징으로 하는 순간가열과 냉각방식을 이용한 다이아몬드계 절삭공구의 제조방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 순간가열과 냉각방식을 이용한 다이아몬드계 절삭공구.