KR100366465B1 - 연마 공구 및 다이아몬드 용침 공구의 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Cr, Mn, Si, 또는 Al, 또는 혼합물, 또는 이들의 합금 중 어느 하나를 함유하는 브레이즈에 의하여 화학적으로 다이아몬드 결합된 다이아몬드공구에 관한 것이다. 다이아몬드공구는 브레이즈를 그릿 형태나 다결정체 형태의 다이아몬드를 함유하는 매트릭스금속 내에 용침시켜 제조된다.

Description

연마 공구 및 다이아몬드 용침 공구의 형성 방법 {ABRASIVE TOOLS AND A METHOD FOR FORMING A DIAMOND IMPREGNATED TOOL}
일반적인 다이아몬드공구에 있어서, 그릿의 대략 1/10 미만이 의도하는 응용, 즉 실제 커팅, 드릴링, 폴리싱, 등을 행하는 도중에 실제적으로 소비되는 것으로 판단되고, 잔여 다이아몬드 그릿은 공구의 내용수명이 만료되었을 때 잔류되어 낭비되거나, 또는 느슨하게 부착되고 지지가 부적절함으로써 사용 중에 빠져나오거나 파손되어 낭비된다. 다이아몬드 입자가 주위의 매트릭스 내에 적절하게 위치되어 견고하게 부착될 수 있는 경우에 이들 대부분의 다이아몬드 낭비는 방지될 수 있다.
또한, 다이아몬드 그릿이 제 위치에 충분하게 유지되도록 기계적인 지지를 확보하기 위하여는 다이아몬드 그릿을 매트릭스 내에 깊이 묻어야 사용 중에 떨어지거나 또는 공구보디로부터 노크되는 것이 방지된다. 그 결과, 공구표면 상측의 다이아몬드 입자 돌출이 불충분하다. 낮게 돌출된 그릿으로 절단될 소재를 파손하는 커팅 높이가 제한된다. 또한, 이들 제한으로 커팅공구의 커팅속도가 제한된다. 다이아몬드 그릿이 매트릭스 내에 보다 견고하게 지지될 수 있는 경우에, 다이아몬드 그릿은 매트릭스로부터 더 높이 돌출될 수 있다. 커팅깊이가 더 깊을수록 커팅속도가 증가되고 제품의 내용수명이 더 길어질 수 있다. 또한, 소재와 공구 매트릭스의 마찰이 적기 때문에, 커팅, 드릴링, 등에 필요한 동력 또한 저감될 수 있다.
다이아몬드 그릿을 매트릭스 내에 견고하게 고정시키기 위하여, 매트릭스가 다이아몬드 표면 둘레에 탄화물을 형성하는 것이 바람직하다. 이렇게 형성된 화학적 결합은 종래의 기계적 부착보다 더 강하다. 탄화물은 다이아몬드와 전이금속(transition metal)과 같은 적당한 탄화물 형성체(former)와의 반응으로 형성될 수 있다. 전이금속을 형성하는 탄화물의 몇 가지 예로는 티탄(titanium:Ti), 바나듐(vanadium: V), 크롬(chromium: Cr), 지르코늄(zirconium: Zr), 몰리브덴(molybdenum: Mo), 및 텅스텐(tungsten: W)이 있다.
탄화물의 형성에는 탄화물 형성체를 다이아몬드 둘레에 증착하고 이들 두 가지를 계속해서 반응시켜 탄화물을 형성하는 것이 필요하다. 또한, 비반응 탄화물도 소결 또는 다른 수단에 의하여 결합되어야 한다. 이들 단계 모두는 고온처리가 필요하지만, 다이아몬드는 1,000℃ 이상의 온도에 노출되면 열화될 수 있다. 이 열화는 매트릭스재와의 반응이나 결정 내부의 금속 함유물(metal inclusion) 둘레에 미세균열(microcrack)의 발생 중 어느 한 가지 때문이다. 이들 함유물은 다이아몬드의 합성에 사용되는 촉매에 고착된다.
대부분의 탄화물 형성체가 내화금속이므로 약 1,200℃ 이하의 온도로는 합성되지 않을 수 있다. 따라서, 내화 탄화물 형성체는 매트릭스 지지재의 주요 성분으로는 적합하지 않다.
그러나, 망간(manganese: Mn), 철(iron: Fe), 규소(silicon: Si), 및 알루미늄(aluminum: Al)과 같이 소결온도가 낮을 수 있는 몇 가지 탄화물 형성체가 있지만, 이들 탄화물 형성체는 매트릭스 지지재의 1차 성분으로서 사용되는 것을 방해하는 다른 바람직하지 않은 성질을 가질 수 있다. 예를 들면, 망간 및 철 양자 모두는 촉매로서 사용되어 다이아몬드를 고압(50kb 이상)으로 합성한다. 따라서, 망간 및 철은 매트릭스 분말이 저압으로 소결되는 동안 다이아몬드에 촉매작용을 하여 흑연으로 역전환시킬 수 있다. 역전환(back conversion)이 고온에서 다이아몬드가 열화되는 주요 원인이다.
한편, 알루미늄은 융점(660℃)이 낮기 때문에 다이아몬드 입자를 고정시키는 작업이 용이하다. 그러나, 알루미늄의 융점은 다이아몬드 그릿이 적극적으로 절단될 때 접근될 수 있다. 따라서, 알루미늄이 너무 유연하게 되어 커팅작업 중에 다이아몬드 그릿을 지지하지 못할 수 있다. 또한, 알루미늄은 다이아몬드와의 계면에 탄화물 Al4C3를 형성하는 경향이 있다. 이 탄화물은 용이하게 가수분해될 수 있어서 냉매에 노출 시 분해될 수 있다. 따라서, 알루미늄은 일반적으로 다이아몬드를 매트릭스 내에 결합시키는 탄화물 형성체로는 적합하지 않다.
고온 소결을 방지하기 위하여, 텅스텐과 같은 탄화물 형성체를, 예를 들어 코발트 또는 청동 중 어느 하나로 주로 제조되는 매트릭스 내에 중요치 않은 성분으로서 희석시키는 경우가 종종 있다. 소결공정 도중에, 만약 있다면 최소량의 액체상이 형성된다. 탄화물 형성체는 고체 매체를 통하여 다이아몬드 쪽으로 매우 느리게 확산된다. 그 결과, 다이아몬드 표면에 탄화물이 형성되는 것은 무시해도 좋다. 따라서, 탄화물 형성체를 중요치 않은 매트릭스 성분으로서 가함으로써, 다이아몬드 부착은 기껏해야 약간 개선된다.
다이어몬드 표면 상에 탄화물을 확실하게 형성하기 위하여, 탄화물 형성체를 매트릭스 분말과 혼합시키기 전에 다이아몬드 상에 코팅할 수 있다. 이와 같이 하여, 탄화물 형성체는 매트릭스 내에는 중요하지 않은 성분일 수 있지만 다이아몬드 둘레에 응집되어 원하는 결합을 형성할 수 있다.
다이아몬드 코팅은 화학적 또는 물리적으로 적용될 수 있다. 화학적인경우, 코팅금속은 일반적으로 비교적 고온에서 화학반응에 의하여 형성된다. 예를 들면, 다이아몬드를 티탄 또는 크롬과 같은 탄화물 형성체와 혼합시키고 이 혼합물을 진공 또는 보호 분위기 하에서 가열함으로써, 얇은 탄화물 형성체 층이 다이아몬드 상에 증착될 수 있다. 온도를 상승시킴으로써 코팅의 두께가 증가될 수 있다. 금속의 반송을 보조하는 적합한 가스(예를 들면, HCl 증기)를 가함으로써 증착율 또한 촉진될 수 있다. 이러한 코팅공정은, 예를 들면 첸(Chen) 및 성(Sung)에 허여된 미합중국특허 제5,024,680호에 개시되어 있다.
대안으로서, 코팅은 용융염(molten salt)에서 실행될 수 있다. 예를 들면, 미합중국특허 제2,746,888호에 용융 탄화물염 내의 다이아몬드에 걸쳐 얇은 티탄 층을 코팅하는 방법이 개시되어 있다.
화학 증착법(chemical vapor deposition: CVD)이 다이아몬드의 코팅에 일반적으로 사용되는 화학 방법이다. 이 경우, 증착금속은 고온에서 가스와의 반응에 의하여 제조된다. 따라서, 미합중국특허 제3,520,667호에 얇은 규소층을 다이아몬드 표면 상에 증착시키는 기술이 설명되어 있다. 이 증착온도는 규소탄화물이 계면에 순간적으로 형성되기에 충분한 고온이다.
고온에 노출로 인하여 다이아몬드가 열화될 가능성을 방지하기 위하여 가능한 가장 낮은 온도로 코팅하지만, 저온으로 증착될 때는 너무 얇게 코팅되는 경우가 종종 있다. 예를 들면, 일반적인 화학 방법에 의하여 형성된 코팅의 두께는 약 1마이크로미터(micrometer)이다. 이러한 얇은 코팅을 포함하는 다이아몬드 그릿이 몇 가지 시판되고 있다. 예를 들면, 제너럴 일렉트릭 컴퍼니(General ElectricCompany)의 티탄 또는 크롬 중 어느 한 가지의 얇은 코팅으로 코팅될 수 있는 소 그릿(saw grit)이 있다.
그러나, 소결공정 중에 부닥칠 수 있는 노출과 같이, 얇은 코팅이 고온에 노출될 때 이 얇은 코팅은 대기 중으로 용이하게 산화되거나, 또는 매트릭스금속 내에 용해될 수 있다. 따라서, 이러한 시판중인 코팅제품이, 예를 들어 공구 수명이 1/3 개선된 중요한 장점이 있는 것으로 주장되지만, 얇은 코팅이 제조공정을 견딜 수 있는 능력에 대하여는 논쟁의 여지가 있다.
얇은 금속 코팅을 보호하기 위하여 코팅층을 복수로 형성할 수 있다. 따라서, 미합중국특허 제5,232,469호 및 제5,250,086호에 니켈 또는 다른 비탄화물 형성체로 제조된 제2 층에 대하여 개시되어 있다. 제2 층은 저온으로 실행되는 무전해공정(electroless process)에 의하여 증착될 수 있다. 보다 많은 층에 대하여는 첸 및 성에게 허여된 미합중국특허 제 5,024,680호 또는 제5,062,865호에 3개의 코팅층을 가진 다이아몬드 그릿이 개시되어 있다. 이 경우, 가장 내측의 층은 크롬으로 제조되고 티탄과 같은 2차 금속층으로 피복된다. 상기 이중층은 텅스텐과 같은 소재의 제3 오버코팅으로 추가로 싸일 수 있다. 그러나, 이렇게 복잡한 코팅시스템은 비용이 너무 많이 들 수 있어서 여러 가지 커팅, 드릴링, 또는 폴리싱 공구를 제조하는데는 경제적인 면에서 적당하지 않다.
대안으로서, 화학 코팅은 CVD법에 의하여 비교적 두껍게 증착될 수 있다. 예를 들면, 성 등(Sung, et al.)에 허여된 미합중국특허 제 4,943,488호 또는 제5,116,568호에 다이아몬드를 수십 마이크로미터의 텅스텐으로 코팅할 수 있는 유동층 시스템(fluidized bed system)에 대하여 개시되어 있다. 그러나, 이 코팅 또한 비용이 많이 들어서 그 응용이 널리 사용되지 않고 있다.
화학적 방법에 비하여 물리적 방법은 비용이 많이 들지 않는다. 또한, 매우 낮은 온도에서 두꺼운 금속 코팅을 다이아몬드 상에 증착할 수 있다. 예를 들어, 출원인은 "Metal Coating of Saw Diamond Grit by Fluidized Bed"(1995년 한국 Material Research Society의 S. W. Kim 및 S. J. Park에 의하여 편집된 Fabrication and Characterization of Advanced Materials의 페이지 267-273 참조)를 참조하였다. 코팅시스템은 미합중국특허 제4,770,907호(유사한 개념이 미합중국특허 제5,143,523호 및 유럽특허 제0 533 443 A1호에 개시되어 있음)에 개시된 방법에 따른 것이다. 그러나, 이러한 방법은 수많은 다른 유사한 공정과 같이 두께가 상이하게 코팅되는 경우가 종종 있다. 또한, 아주 미세한(〈5 마이크로미터) 금속분말만이 다이아몬드 표면 상에 효과적으로 코팅될 수 있다. 따라서, 물리적인 방법에서 다이아몬드 그릿의 코팅에 탄화물 형성체를 함유하는 합금을 사용할 수 있지만 그들의 장점은 한정적이다.
상기 예에 개시된 바와 같이, 금속분말을 사용하여 다이아몬드를 기계적으로 코팅할 때, 분말은 유기결합제(organic binder)(예를 들면, PVA 또는 PEG)에 의하여 느슨하게 지지된다. 이러한 코팅은 후속 처리, 예를 들면 혼합 또는 압축 도중에 용이하게 문질러 없어질 수 있다. 열처리는 코팅의 기계적 강도는 증가시킬 수 있지만 코팅을 밀도가 충분하게 결합시키지는 못할 수 있다. 다공성코팅(porous coating)은 커팅작업 중에 반복적으로 충격을 받는 다이아몬드 그릿을 지지하는데필요한 기계적 강도가 부족하다.
또한, 탄화물 형성체는 합금 내에 희석될 수 있다. 합금이 1100℃ 이하에서 용해될 수 있는 경우, 이 합금은 다이아몬드의 성능을 많이 저하시키지 않으면서 다이아몬드의 브레이징에 사용될 수 있다. 당해기술 분야에는 수많은 다이아몬드 브레이즈가 공지되어 있다. 대부분이 한 가지 이상의 탄화물 형성체, 예를 들면 금-탄탈(gold-tantalum: Au-Ta), 또는 은-동-티탄(silver-copper-titanium: Ag-Cu-Ti)을 함유하는 그룹 Ib 용매(동, 은 및 금)계이다. 그러나, 이들 브레이즈는 상용으로는 사용하기에는 일반적으로 너무 고가이다. 또한, 이들은 다이아몬드공구의 매트릭스 지지재용의 성분으로서는 유연하고 적합하지 않다.
다이아몬드의 브레이징에 사용될 수 있는 몇 가지 고온 용입금속(filler metal)이 있다. 이러한 브레이즈는 단단하여 커팅 중에 다이아몬드 그릿을 제 위치에 충분하게 지지할 수 있다. 예를 들면, 미합중국특허 제3,894,673호 및 제4,018,576호에는 니켈-크롬(Ni-Cr)을 주요 성분으로 함유하는 표면경화 합금(hard facing alloy)을 브레이징하여 제조된 다이아몬드공구가 개시되어 있다. 그러나, 이들 브레이즈된 다이아몬드공구는, 비록 유용하지만, 단지 하나의 다이아몬드층을 포함하는 표면 세트공구(surface set tool)로서는 일반적으로 제한적이다. 이러한 공구는 고강도 연마재, 예를 들면 흑연의 절단에 사용하는 경우 오래가지 못할 수 있다. 또한, 다이아몬드를 지지하는 외에, 이들 공구의 브레이즈는 표면경화로서 또한 작용하여야 한다. 이들 이중작용은 공구 표면의 최적의 내구성이 특정 응용을 위하여 조정시킬 필요가 있을 수 있기 때문에 타협이 항상가능하지 않을 수 있다.
대안으로서, 다이아몬드 결합합금(bonding alloy)이 고농축(즉, 40 체적% 이상) 다이아몬드 입자를 용침시키는데 사용될 수 있다. 따라서, 첸 및 성에게 허여된 미합중국특허 제5,030,276호 및 제5,096,465호에 이러한 결합합금 및 이의 제조공정에 대하여 개시되어 있다. 그러나, 고농축 다이아몬드이기 때문에 용침이 매우 곤란하다. 또한, 이러한 제품은 드릴빗(drill bit)와 같은 적용에만 제한된다. 이 결합합금은 톱날 및 연마휠(grinding wheel)과 같은 콘센트레이션이 낮은(즉, 40 체적% 이하) 다이아몬드를 필요로 하는 대부분의 응용에는 적용할 수 없다.
표면경화 합금 또한 매트릭스 지지재로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 미합중국특허 제4,378,975호에는 다이아몬드를 매우 얇은 크롬층으로 코팅한 후 이 코팅된 그릿을 니켈-크롬 합금으로 팰릿타이징(palletizing)하는 방법이 개시되어 있다. 팰릿화된 입자는 합금의 소결에 의하여 결합된다. 그러나, 결합공정은 주로고상(solid phase)으로 실행되기 때문에 매트릭스와 다이아몬드의 결합이 충분하지 않을 수 있다.
소결공정 외에, 용침공정 또한 다이아몬드공구, 특히 드릴빗 및 커다란(즉, U.S. 메시 30/40 이상) 다이아몬드 그릿을 포함하는 특수 다이아몬드공구를 제조하는 일반적인 기술이다. 예를 들면, 미합중국특허 제4,668,522호에는 회전 드릴빗을 구리합금과 함께 850℃(바람직하게는 750℃) 이하의 온도로 용침시키는 공정이 개시되어 있다. 이들 공구용으로 가장 일반적으로 사용되는 용침제는 구리계 합금이다. 이들 용침제는 매트릭스 분말 내의 작은 구멍을 통과해야 한다. 고온에서다이아몬드의 성능저하를 방지하기 위하여, 용침제의 용융점은 낮아야 한다. 따라서, 용침제는 아연(Zn)과 같은 저융점 성분을 종종 함유한다. 용침제의 용융점을 낮추기 위하여, 저융점 성분의 점도를 또한 저감시킴으로써 용침제가 용이하게 흐를 수 있다. 그러나, 대부분의 탄화물 형성체는 용침제의 용융점을 상승시키는 경향이 있기 때문에 대부분의 용침제에서 제외된다. 그 결과, 이들 용침제는 다이아몬드의 결합을 향상시킬 수 없다.`
일부 용침제는 다이아몬드의 결합을 촉진할 수 있는 탄화물 형성체를 함유한다. 미합중국특허 제5,000,273호에는 매트릭스 분말을 주요 성분으로서 동, 망간 및 아연을 함유하는 합금과 함께 용침시켜 제조된 연마공구에 대하여 개시되어 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 아연을 가하면 용침제의 유동성이 증가되어 상이한 환경 하에서 제조되는 특정 제품의 제조용으로는 적합하지 않을 수 있다. 예를 들면, 진공 하에서 용침되는 경우 아연이 증발해 버릴 수 있다. 그 결과 잔여 합금의 점성이 너무 강하게 되어 매트릭스 분말을 완전하게 용침하지 못할 수 있다.
따라서, 매트릭스 분말을 용침시켜 여기에 다이아몬드를 결합시키는 방법을 개선시킬 필요가 있다. 이러한 방법은 충분하게 낮은 온도로 실행될 수 있어야 다이아몬드에 가해질 수 있는 손상이 방지된다. 또한, 이러한 방법은 다이아몬드와 매트릭스 지지재의 결합이 향상되도록 설계되어야 한다.
본 발명은 다이아몬드 입자(diamond particle)가 그 위에/그 내부에 형성되어 있는 공구에 관한 것으로서, 다이아몬드 입자는 다이아몬드를 제 위치에 지지하는데 사용하는 매트릭스 지지재(matrix support material)에 화학적으로 결합된다. 보다 구체적으로, 다이아몬드 그릿(diamond grit)이 다이아몬드를 용착(wet)하게 할 수 있는 브레이즈(braze)에 의하여 매트릭스 분말에 화학적으로 결합된다. 이들 공구는 용융된 브레이즈를 다이아몬드 입자가 포함된 매트릭스 프리폼(preform) 내에 용침(infiltration)시킴으로써 다이아몬드가 화학적 결합에 의하여 제 위치에 고정되어 제조된다.
연마공구는 커팅(cutting), 드릴링(drilling), 소잉(sawing), 그라인딩 (grinding), 래핑(lapping) 및 폴리싱(polishing) 소재를 포함하는 수많은 응용에 오래동안 사용되고 있다. 다이아몬드가 가장 단단한 연마재이기 때문에, 연마재를 사용하여 다른 단단한 소재를 절단, 형성 또는 폴리싱하는 톱, 드릴, 및 다른 장치 상에 초연마재로서 널리 사용된다. 이러한 공구에 소비된 총 비용은 매년 미화 50억불이 넘을 것으로 생각된다. 이들 공구 비용의 절반 이상은 석재, 콘크리트, 아스팔트 등의 절단과 같은 소잉 응용(sawing application)에 소비된다.
다이아몬드로 코팅된 공구는 다른 공구가 경도 및 내구성이 부족한 응용에 실질적인 대용으로 특히 긴요하다. 예를 들어 암석을 절단, 드릴링, 및 톱질하는 석재산업에서는, 다이아몬드공구가 커팅 등을 하기에 충분한 경도 및 내구성을 가진 경제적인 유일한 유형이다. 다이아몬드공구를 사용하지 않는다면 이러한 산업체 여러 곳이 경제적으로 운영이 불가능할 수 있다. 또한, 정밀 연삭산업에서도 다이아몬드공구가 내마모성이 우수하기 때문에 원하는 정밀공차(tight tolerance)를 발생시키는 동시에 내마모성이 충분히 실질적일 수 있는 유일한 것이다.
다이아몬드공구가 널리 사용되고 있음에도 불구하고, 이들 공구는 공구의 내용수명(useful life)을 불필요하게 제한하는 여러 가지 중요한 제한을 받고 있다. 이러한 단점 중 한 가지는 다이아몬드 그릿이 매트릭스 지지재에 충분히 강력하게 부착되지 않아서 커팅, 드릴링, 폴리싱, 등의 보디의 내용수명이 최대로 될 수 없다는 것이다. 실제로, 대부분의 경우 다이아몬드 그릿은 매트릭스 지지재 내에 단지 기계적으로 매입된다. 그 결과, 다이아몬드 그릿이 녹아웃되거나 사용 중에 너무 일찍 빠져 나오는 경우가 종종 있다. 또한, 그릿은 작업상태하에서 느슨하게 결합된 매트릭스로 인하여 기계적으로 적합하지 못한 지지를 받을 수 있다. 따라서, 다이아몬드 입자가 연마재등이 가해질 작업피스에 대한 공구의 충돌에 의하여 잘게 바스러질 수 있다.
도 1a는 입체 초연마재부재를 형성하도록 상호 인접하여 배치된 복수의 선형, 세로방향 층에 의하여 형성된 초연마재 공구 세그멘트의 도면이다.
도 1b는 매트릭스 지지재에 의하여 형성된 층 및 비교적 큰 초연마재제가 보다 작은 그릿을 가지며 연마재의 농도가 높은 두 개의 매트릭스 지지재 층 사이에 끼워져 있는 것을 나타내는, 도 1a의 공구 세그멘트의 한 가지 일반적인 구성의 단면도이다.
도 2a는 입체 초연마재부재를 형성하도록 상호 부착된 아치형, 세로방향 층에 의하여 형성된 초연마재 공구 세그멘트의 도면이다.
도 2b는 도 2a에 나타낸 세그멘트와 사용될 수 있는 복수의 매트릭스 지지재 층의 단면도이다.
도 3은 입체 초연마재부재의 전방, 커팅 단부에 농도가 짙게 연마재가 배치되어 구성된 가로방향 층을 가진 커팅공구 세그멘트의 다른 층을 나타낸 도면이다.
도 4는 입체 초연마재부재가 수평 층을 가진 공구의 상면쪽으로 점차 농도가 짙게 연마재가 분산되어 형성된 세그멘트의 또 다른 층을 나타낸 도면이다.
도 5a ∼ 도 5d는 초연마재부재의 층 내에 분산를 제어하여 층을 형성하는 한 가지 방법을 나타내는 도면이다.
도 6a ∼ 도 6c는 초연마재제의 분산를 제어하여 하나 이상의 층을 형성하는 다른 방법을 나타내는 도면이다.
도 7a는 복수의 슬롯이 매트릭스 지지재 내에 형성되어 있는 본 발명의 일양태에 따라 형성된 매트릭스 지지재의 측면도이다.
도 7b는 복수의 다이아몬드 입자가 슬롯 내에 배치되어 매트릭스 지지재와 브레이징으로 결합되어 매트릭스 지지재 내에 복수의 연마 핀(abrasive fin)이 형성되는 도 7a의 매트릭스 지지재의 측면도이다.
도 8은 도 7a 및 도 7b에 나타낸 매트릭스 지지재와 유사하지만, 복수의 연마 니들구조(abrasive needle structure)를 가진 매트릭스 지지재의 사시도이다.
본 발명의 목적은 다이아몬드 입자가 그 내부/그 위에 배치된 공구를 형성하는 개선된 방법을 제공하는 것이다.이를 위하여 본 발명의 연마 공구는 연마재로 사용될 다이아몬드 입자를 지지하도록 구축된 매트릭스 지지재, 매트릭스 지지재에 소정의 패턴으로 배치된 복수의 다이아몬드 입자, 그리고 매트릭스 지지재 및 상기 다이아몬드 입자 사이에 용침된 합금을 포함한다. 여기서 합금은 다이아몬드 입자 및 매트릭스 지지재에 결합되고, 크롬, 망간, 규소 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 요소를 2 내지 50% 함유하는 금속 합금을 포함하며, 아연은 함유하지 않는다.또한 본 발명의 연마 공구는 연마재로서 사용될 다이아몬드 입자를 지지하도록 구축된 매트릭스 지지재, 다수의 다이아몬드 용침 시트에 의하여 형성된 매트릭스 지지재에 배치된 다수의 다이아몬드 입자, 그리고 매트릭스 지지재 및 다이아몬드 입자 사이에 용침된 합금을 포함한다. 여기서 합금은 다이아몬드 입자 및 매트릭스 지지재에 결합되고, 크롬, 망간, 규소 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 요소를 2 내지 50% 함유하는 금속 합금을 포함한다.전술한 매트릭스 지지재는 코발트, 니켈, 철, 동 및 청동 및 혼합물 및 그 합금으로 이루어진 군에서 선택된 재료를 50 중량% 이상 100 중량% 미만으로 함유하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 목적은 다이아몬드 입자를 매트릭스 지지재 내에 배치한 다음, 매트릭스 지지재에 브레이즈를 용침시켜 다이아몬드 입자를 매트릭스 지지재에 결합시키는 방법을 제공하는 것이다.이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다이아몬드 용침 공구 형성 방법은, 연마재로 사용될 다이아몬드 입자를 지지하도록 구성된 매트릭스 지지재를 형성하는 단계, 다이아몬드 입자를 매트릭스 지지재에 소정의 패턴으로 분산시키는 단계, 그리고 매트릭스 지지재에 필수적으로 크롬, 망간, 규소 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 요소를 2∼50%를 함유하며, 아연을 함유하지 않는 합금을 용침시키는 단계를 포함한다.또한 본 발명의 다이아몬드 용침 공구 형성 방법은, 연마재로 사용될 다이아몬드 입자를 지지하도록 구축된 매트릭스 지지재를 형성하는 단계, 다이아몬드 입자를 복수의 다이아몬드 용침 시트에 의하여 형성된 매트릭스 지지재에 분산시키는 단계, 그리고 매트릭스 지지재에 필수적으로 크롬, 망간, 규소 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 요소를 2∼50%를 함유하며, 아연을 함유하지 않는 합금을 용침시키는 단계를 포함한다.이러한 본 발명의 다이아몬드 용침 공구 형성 방법은 매트릭스 지지재 및 다이아몬드 입자를 용침시키는 도중에 적어도 0 토르보다 크고 10-3토르 이하인 진공을 거치는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 목적은 브레이징을 충분하게 낮은 온도에서 실행하여 다이아몬드 입자가 열에 의하여 손상되는 것을 방지하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 매트릭스 지지재를 브레이징재가 통과할 수 있는 다수개의 구멍을 제공하도록 특히 선택함으로써 다이아몬드와 매트릭스 지지재의 결합을 촉진시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 다이아몬드 입자를 매트릭스 지지재 내에 몇 가지 소정의 패턴으로 배치함으로써 다이아몬드와 매트릭스 지지재가 부착되는 공구의 내용수명을 연장시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적은 브레이즈 다이아몬드공구를 형성하는 신규의 방법, 및 상기 신규의 방법에 의하여 제조된 공구에 대한 특정의 실시예로부터 알 수 있다. 상기 방법은 매트릭스 지지재 시트를 형성한 다음, 이 매트릭스 지지재 내에 복수의 다이아몬드 입자를 배치하는 것을 포함한다. 바람직하게는, 매트릭스 지지재 내에 배치되는 다이아몬드 입자량은 50 체적% 이하가 바람직하고, 40 체적% 이하가 가장 바람직하다. 다음에, 다이아몬드가 용침된 시트에 다이아몬드를 용착 시킬 수 있는 브레이즈를 용침시켜 다이아몬드와의 화학 결합을 형성한다. 또한, 브레이즈가 매트릭스 지지재에도 결합되어 종래기술에 따른 간단한 기계적 부착에만 의존하기보다 다이아몬드와 매트릭스 지지재를 연결하는 화학 결합을 형성한다.이 기술은 톱날을 제조하는데 가장 적합하지만 모든 다이아몬드공구에까지 그 적용을 확대할 수 있다.
본 발명의 일양태에 있어서, 매트릭스 지지재는 일반적인 금속분말로 제조될 수 있다. 이러한 금속분말의 예로는 코발트, 니켈, 철, 청동 또는 이들의 합금이나 혼합물(예를 들면, 텅스텐 또는 그 탄화물)이 있다. 매트릭스 지지재를 형성 후 니크로브라즈(Nicrobraz) L. M.(월 콜모노이 컴파니 제품)과 같은 다이아몬드 브레이즈를 일반적으로 약 10-5토르의 진공, 혹은 불활성 분위기(예를 들면, 아르곤(Ar) 또는 질소(N2)) 또는 환원 분위기(예를 들면, 수소(H2))하에서 용침시킨다. 따라서, 브레이즈가 다이아몬드 입자와 매트릭스 지지재 사이의 결합을 촉진시킨다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, 매트릭스 지지재는 굵은 금속분말(즉, 400 메시 U.S. 또는 34 미크론 이상)에 의하여 형성된다. 종래의 방법은 그린보디(green body)의 밀도가 후속의 소결이 신속하게 진행될 수 있도록 가능한 높은 것을 필요로 하는 반면, 본 발명에 따르면 충전밀도(packing density)가 낮은 전구체(precursor)을 사용하여 다이아몬드 브레이즈가 용이하게 흐를 수 있도록 하는 것이 바람직한 것으로 판명되었다. 어떤 경우에는, 전구체 보디의 다공성을 불균일한 형상의 매트릭스 입자를 사용하여 의도적으로 증가시킬 수 있다. 충전밀도가 증가되도록 입자는 가능한 구형을 필요로 한다는 것이 종래기술에 비하여 또한 유리한 점이다.
본 발명의 또 다른 양태에 있어서, 다이아몬드 입자는 매트릭스 지지재 내에 소정의 패턴으로 위치시킨 다음, 다이아몬드 용침된 매트릭스 지지재에 다이아몬드 브레이즈를 용침시켜 다이아몬드재의 화학 결합을 향상시킨다. 소정의 패턴은 다이아몬드 배치가 템플레이트(template)에 의하여 제어될 수 있는 대체로 평면이거나, 또는 매트릭스 지지재 내에 채널이 형성되어 다이아몬드 입자를 수용한 다음 다이아몬드 브레이즈가 용침되는 대체로 수직형일 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 있어서, 매트릭스 지지재는 특정 성질을 강화시키는 소량의 성분을 함유할 수 있다. 예를 들면, 텅스텐, 탄화텅스텐 및 탄화규소와 같은 경질재료(hard material)를 첨가하여 내구성을 향상시킬 수 있다. 황화몰리브덴, 동, 및 은과 같은 유연한 재료 또한 고체 윤활제로서 첨가될 수 있다.
지지재는 종래의 방법에 의하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 분말은 다이아몬드 그릿과 완전하게 혼합될 수 있다. 유기결합제(예를 들면, PVA 또는 PVB)를 첨가하여 혼합물을 지지할 수 있다. 다음에, 혼합물을 냉각압축하여 원하는 형상(예를 들면, 톱날)을 형성한다. 다음에, 전구체에 적합한 다이아몬드 브레이즈를 용침시킨다.
전술한 바와 같이, 종래의 공구용으로 사용된 미세한 매트릭스 분말은 다이아몬드 브레이즈의 용침을 방해할 수 있다. 또한, 브레이즈와 과다하게 반응하여 브레이즈의 용융온도를 상승시킬 수 있다. 그 결과, 용침이 완료되지 않을 수 있다.
대안으로서, 혼합물은 출원인에 의한 다른 동일출원 USSN 08/832,852(DocketNo. T5100, 1997년 4월 4일 출원)의 지침에 따라 제조될 수 있다. 예를 들면, 지지재의 분말블렌드(powder blend)를 냉간압연시켜 시트를 형성할 수 있다. 다음에, 시트를 원하는 형상(예를 들면, 톱 세그멘트)으로 천공할 수 있다(도 1 참조). 이렇게 천공된 세그멘트 여러 개를 조립하여 용침용 전구체(도 2, 3, 4 참조)을 형성한다. 출원 중인 명세서에 개시된 바와 같이, 대체로 평면 세그멘트를 조립하여 입체 보디를 형성함으로써, 공구 내에 다이아몬드 그릿의 분산가 확실하게 제어될 수 있다. 따라서, 동일 공구의 상이한 부품 내에 다이아몬드의 응축을 조정할 수 있다(도 1a 내지 도 4 참조).
이렇게 다이아몬드 분산를 제어하여 공구의 내구성을 향상시키는 것이 상당히 바람직하다. 예를 들면, 다이아몬드 톱날의 측면이 중앙보다 더 빨리 마모되는 경우가 종종 있어서 다이아몬드 그릿을 측면에 더 많이 가하는 것이 유리하다(도 1b 참조).
현재 적용에서는 매트릭스 지지재가 이중 기능, 즉 기계적 지지를 공구에 제공하며, 다이아몬드 그릿을 매트릭스 내에 지지하는 작용을 하는 것을 필요로 한다. 이들 두 가지 기능은 상반되는 성질을 종종 필요로 한다. 예를 들면, 기계적 지지에 있어서, 매트릭스 지지재는 반드시 강하고 내구성을 가져야 한다(예를 들면, 코발트, 또는 탄화텅스텐과 혼합된 청동). 그러나, 기계적 지지가 양호한 재료는 불활성 다이아몬드를 부착시키는데는 효과가 없는 경우가 종종 있다. 한편, 브레이즈 합금(예를 들면, 은-동-티탄 합금)은 다이아몬드를 견고하게 지지는 하지만 너무 유연하여 공구 보디에 기계적 지지를 제공할 수 없다. 따라서, 복합재료를 사용하여 매트릭스 지지재의 이들 두 가지 기능을 분리하는 것이 바람직하다. 이 경우, 복합재료의 구성은 기계적 지지를 위하여 최적으로 되지만 충전제는 다이아몬드를 지지하도록 설계된다.
복합재료는, 전술한 바와 같이, 코팅된 다이아몬드를 사용하여 제조될 수 있다. 이 경우, 다이아몬드 브레이즈를 사용하여 다이아몬드 그릿을 먼저 코팅한 다음 이 코팅된 그릿을 매트릭스분말 내에 혼합시킬 수 있다. 그러나, 코팅하는데는 추가 비용이 발생한다. 또한, 대부분의 다이아몬드 브레이즈는 분말 형태가 아니다. 다이아몬드 브레이즈가 분말 형태인 경우에도, 이들 브레이즈를 다이아몬드 그릿 상에 균등하게 코팅하는 것은 매우 곤란하다. 그 결과, 오늘날에는 코팅된 다이아몬드 그릿이 다이아몬드공구를 제조하는데 거의 사용되지 않는다.
본 발명은 다이아몬드 그릿을 함유하는 지지재 내에 다이아몬드 브레이즈를 용침시켜 복합 매트릭스 지지재를 제조하는 것이다. 브레이즈는 크롬, 망간, 규소 및 알루미늄과 같은 탄화물 형성체를 포함하는 반면, 아연, 납 및 주석과 같은 휘발성 금속은 회피한다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부도면을 참조하여 개시된 다음의 상세한 설명으로부터 명백하게 알 수 있다.
다음에, 본 발명의 각종 요소에 소정의 참조부호가 부여된 도면을 참조하여 본 발명을 당업자가 제조 및 사용할 수 있도록 설명한다. 다음 개시는 본 발명의 원리를 단지 예시하는 것으로서 청구범위로 한정되는 것으로 간주되어서는 되지 않음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1a는 복수의 층(14, 16, 18)으로 형성된 세그멘트(10)의 사시도이다. 각각의 층(14, 16, 18)은 다이아몬드 입자(20)가 주입된 매트릭스 지지재(24)에 의하여 형성되고, 다이아몬드 입자 및 매트릭스 지지재를 결합시키도록 선택된 브레이즈(28)가 용침된다. 바람직하게는, 다이아몬드 입자(20)는 매트릭스 지지재 - 다이아몬드 혼합물에 대하여 50 체적% 이하로 구성되고, 40 체적% 이하로 구성되는 것이 보다 바람직하다. 다이아몬드 입자량을 최소로 유지하는 것이 비용을 최소화하는데 도움이 되는 한편, 제품의 내용수명을 최적으로 한다.
바람직하게는, 다이아몬드 브레이즈는 크롬, 망간, 규소 및 알루미늄, 및 그 합금 및 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 요소의 적어도 3 중량%를 함유한다. 또한, 다이아몬드 브레이즈는 액상온도(liquidus temperature)가 1,100℃ 이하이어야 브레이징공정 도중에 다이아몬드의 손상이 방지된다.
본 명세서에 결합시켜 설명하는 미합중국특허 제 호(USSN 08/832,852(대리인 참조번호 제 T5100))에 개시된 바와 같이, 복수의 얇은 층에 세그멘트(10)를형성하게 되면 다이아몬드 입자(20) 분산를 제어하는 것이 현저하게 향상된다. 다이아몬드 입자의 각각의 층 내의 분산를 제어한 다음 이 층들을 결합시킴으로써, 다이아몬드 입자가 각각의 크기로 제어되어 분산된 3차원 세그멘트가 형성될 수 있다. 이로써 세그멘트의 가능한 용도, 즉 폴리싱, 커팅, 그라인딩, 등에 특히 적합한 세그멘트를 형성할 수 있다. 초연마재 입자의 세그멘트(10) 내 분산 및 응축을 변경함으로써, 실제 작업조건 하에서 공구의 성능이 보다 정밀하게 제어된다.
또한, 본 발명은 매트릭스 지지재(24)에 다이아몬드 입자 및 매트릭스 지지재를 화학적으로 결합시키도록 선택된 브레이즈(28)를 용침시킴으로써 상기 기술을 개선시킨 것이다. 따라서, 도 1a에 나타낸 다이아몬드 입자의 배치가 종래기술에 비하여 현저하게 개선된 것인 한편, 다이아몬드 입자의 기계적 지지에만 단지 의존하기 보다는 브레이즈를 사용하여 화학 결합을 형성함으로써 세그멘트(10)의 내용수명이 추가로 연장된다.
또한, 상이한 크기의 다이아몬드 입자를 선택적으로 배치하여 세그멘트 측면이 조기에 마모되지 않도록 형성된 커팅 세그멘트를 형성하고, 이로써 커팅 세그멘트의 내용수명이 연장될 수 있다. 도 1b는 도 1a에 나타낸 커팅 세그멘트의 단면도이다. 이 커팅 세그멘트(10)는 종래기술의 세그멘트와는 달리 세 개의 층(14, 16, 18)으로 각각 형성된다. 중간층(16)은 제1 크기(예를 들면, 40/50 메시) 및 제1 응축물인 복수의 초연마재 입자(20a)를 가진다. 이와 반대로, 외층(14, 18)은 제1 크기보다 작은 제2 크기(예를 들면, 50/60 메시) 및 중간층(16)에 존재하는 응축물보다 큰 제2 응축물인 복수의 초연마재 입자(20b)를 가진다. 더 작고, 더 조밀하게 분산된 초연마재 입자(20b)로 외층(14, 18)이 콘크리트, 암석, 아스팔트, 등을 자를 때 외층에 더 큰 내마모성을 제공한다. 외층(14, 18)의 내마모성이 더 크기 때문에, 커팅 세그멘트(10)는 커팅 요소에 종래 발생하였던 볼록한 외면이 형성되지 않는다. 커팅면을 보다 편평하게 유지함으로써, 커팅 세그멘트가 직선의 커팅 통로를 유지할 수 있어서 장기간 보다 효과적으로 절단할 수 있다.
또한, 매트릭스 지지재(24)와 크롬, 망간, 규소, 및/또는 알루미늄, 혹은 그 합금 또는 혼합물로 형성된 브레이즈(28)와 용침시킴으로써 내용수명이 추가로 연장될 수 있다. 이들 재료의 양을 다양하게 하여 사용할 수 있지만, 다이아몬드 브레이즈 내의 크롬, 망간, 규소 또는 알루미늄 혹은 합금 또는 혼합물은 적어도 브레이즈의 3 중량%(보다 바람직하게는 5 중량%)를 포함하는 것이 바람직하다는 것을 알았다. 철, 코발트, 니켈 혹은 그 합금 또는 혼합물을 포함하는 군에서 선택된 일반적으로 분말인 브레이즈(28)로 매트릭스 지지재(24)의 구멍을 채운다.
다이아몬드 또는 몇 가지 다른 초연마재 입자가 내부에 배치된 복수의 매트릭스층을 사용하는 다른 장점은 세그멘트를 커팅, 드릴링, 그라인딩, 등을 행하는 다른 원하는 형상으로 층이 용이하게 형성된다는 것이다. 예를 들면, 도 2a는 복수의 아치형, 세로방향층에 의하여 형성된 초연마재 공구 세그멘트(30)의 사시도로서, 이 층은 서로 부착되어 브레이즈(28)가 용침된 3차원 초연마재 부재를 형성하여 다이아몬드를 상기 부재 내에 지지한다. 세그멘트(30)는 각각 아치형인 제1, 제2 및 제3의 층(34, 36, 38)으로 형성된다. 상기 세 개의 층을 함께 접합시킬 때 아치형 세그멘트(30)가 형성된다. 물론, 이러한 세그멘트는 비선형, 예를 들면 원형 톱날과 같은 커팅 공구, 및 비선형 초연마재 세그멘트를 필요로 하는 다른 유형의 공구에 사용될 수 있다. 층(34, 36, 38)은 최초에 서로 별개로 형성되기 때문에, 이들을 원하는 형상으로 되게 하는 것이 훨씬 용이하며, 내부에 배치된 브레이즈 다이아몬드 입자(20)가 소정의 위치에 지지되는 동안 이렇게 원하는 형상으로 될 수 있다.
도 2b는 복수의 층(34, 36, 38)으로 형성된 세그멘트(30)의 단면도이다. 물론, 다이아몬드 입자는 도 1a에 나타낸 세그멘트나 도 2a에 나타낸 세그멘트에 사용될 수 있다. 도 1b의 실시예와는 달리, 각각의 층에는 다이아몬드 입자(20)가 동일 크기 및 콘센트레이션으로 제공된다. 그러나, 간격이 대체로 균일하기 때문에, 초연마재 입자 사이의 간격이 부족하거나 초과하지 않고, 세그멘트(30)는 종래기술에서 무질서하게 이격된 입자보다 더 균일하게 마모된다. 보다 균일한 마모로 인하여 세그멘트(30)가 일찍 파손되는 것이 방지되어 공구의 수명이 연장되는 한편, 사용된 초연마재량을 최소로 유지한다. 또한, 다이아몬드 입자에 결합되는 브레이즈(28) 및 매트릭스(24)로 인하여 각각의 층이 더 강화되고 다이아몬드 입자(20)의 낭비가 방지된다.
도 3은 본 발명의 지침에 따라 제조된 세그멘트(50)의 다른 가능한 실시예를 나타낸다. 다이아몬드 세그멘트 내의 층 구조 또한 횡방향 또는 수평방향으로 조립될 수 있고, 브레이즈(28)는 층 마다, 또는 도 3에 나타낸 바와 같이 층을 선택하여 인가할 수 있다. 따라서, 도 3의 세그멘트(50)는 복수의 횡방향층으로 형성된다. 제1의 복수층(즉, 제1의 4개 층)(56)에는 매트릭스 지지재(24)에 결합되도록 브레이즈된 제1의 다이아몬트 입자(20) 응축물이 제공된다. 제2의 복수층(즉, 잔여 9개 층)(58)에는 매트릭스 지지재(24)에 결합되도록 브레이즈되지만 제1의 응축물보다는 적은 제2의 응축물이 제공된다.
많은 커팅공구는 대부분의 커팅을 실행하고, 절단될 표면과 접촉할 때 임팩트힘을 최대로 많이 받는 리드 에지(lead edge)가 커팅 세그멘트(50)에 제공되도록 구성된다. 예를 들면, 원형 톱날은 복수의 톱니 또는 세그멘트를 일반적으로 가지고, 각각의 톱니는 절단력을 지닌 리드 에지를 가진다. 리드 에지가 상당 부분의 커팅을 실행하기 때문에 톱니의 후방부보다 훨씬 더 마모되기 쉽다. 그러나, 종래기술에 따라 형성할 때, 톱니는 연마재가 그 위에 비교적 일정하게 응축되는 경우가 종종 있었다. 시간이 지나면서 리드 에지는 상당히 마모되지만, 다이아몬드 입자로 코팅된 다른 부분은 거의 마모되지 않는다. 결국, 연마재가 리드 에지로부터는 닳아 없어지는 한편, 각 톱니의 다른 부분 상에는 상당량이 잔류한다. 따라서, 톱날이 폐기될 때 상당량의 초연마재가 낭비된다. 도 3의 실시예는 특히 이러한 문제를 극복하도록 구성된다. 층(56, 58)은 후방부보다 리드 에지에 근접하여 보다 많은 분량의 다이아몬드 입자(20)를 배설함으로써 커팅 세그멘트(50)에 걸쳐 대체로 균등하게 마모될 수 있도록 구성된다. 또한, 다이아몬드 입자(20)를 층(56, 58)에 브레이징함으로써 공구 수명이 더 연장된다.
도 4는 입체 초연마재 부재가 수평층을 가진 공구의 상면을 향하여 연마재를 점차적으로 조밀하게 분산시켜 형성된 세그멘트의 또 다른 구성을 나타낸다. 도 3의 실시예에서와 같이, 다이아몬드 입자(20)의 분산를 제어함으로써 개선된 연마세그멘트(70)가 형성되는 동시에, 다이아몬드 입자의 불필요한 소모를 저감시킴으로써 연마 공구의 비용이 감소된다. 또한, 일부 층에는 브레이징을 사용할 수 있는 반면, 다른 층에는 브레이징이 생략됨으로써 연마 세그멘트(70)는 규격화될 수 있다.
일상적인 실험 및 본 발명에 따른 방법의 지침으로 당업자는 커팅, 드릴링, 그라인딩, 폴리싱 및 오랜 동안의 내용수명에 걸쳐 그들의 연마 성능(즉, 커팅, 드릴링, 그라인딩, 등)이 최대화되도록 특히 형성된 다른 유형의 연마 세그멘트를 규격화할 수 있는 한편, 동시에 공구의 형성에 사용된 초연마재 양을 감소시킬 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 원리에 따라 층을 형성하는 한 가지 방법을 나타낸다. 이 방법의 제1 단계는 초연마재 입자(20)에 결합될 매트릭스 지지재(104) 시트(100)를 형성한다. 매트릭스 지지재(104) 시트(100)는 코발트, 니켈, 철, 동 또는 청동과 같은 종래의 분말로 형성될 수 있다. 또한, 상세하게 후술하는 이유 때문에 직경이 34미크론 이상인 굵은 분말을 사용하는 것이 매우 유리하다. 굵은 입자를 사용한다는 것은 미세한 분말 입자를 사용하는 것이 바람직하다는 종래기술 지침에 부합되지 않지만, 굵은 입자와 브레이즈를 결합시켜 다이아몬드 입자를 제 위치에 고정시킴으로써 상당한 장점이 달성될 수 있다.
매트릭스 분말을 시트(100) 내에 형성할 수 있는 방법은 여러 가지가 있다. 예를 들면, 분말을 적합한 결합제(일반적으로 유기물) 및 이 결합제를 용해시킬 수 있는 용매와 먼저 혼합할 수 있다. 다음에, 이 혼합물을 블렌딩하여 적당한 점도를 가진 슬러리를 형성한다. 공정 중에 분말이 괴상화되는 것을 방지하기 위하여, 적합한 습윤제(예를 들면, 멘헤이든유(menhaden oil), 인산염 에스테르(phosphate ester))를 또한 가할 수 있다. 다음에, 슬러리를 플라스틱 테이프 상에 부어서 톱날 또는 균일화장치(leveling device) 하측으로 끌어당길 수 있다. 톱날과 테이프 사이의 간격을 조정함으로써, 슬러리가 정확한 두께로 플레이트 내에 주조될 수 있다. 테이프 주조방법은 분말재료로 얇은 시트를 제조하는 공지된 방법으로서 본 발명의 방법과 잘 조화된다.
대안으로서, 분말을 적합한 결합제 및 그 용매와 혼합시켜 변형가능한 케이크를 형성할 수 있다. 다음에, 케이크는 슬릿개구를 가진 다이를 통하여 압출될 수 있다. 개구의 간격이 압출 플레이트의 두께를 결정한다. 대안으로서, 조정가능한 간격을 가진 두 개의 롤러 사이로 재료를 또한 끌어당겨서 정확한 두께를 가진 강판을 형성할 수 있다.
후속처리(예를 들면, 공구 기판을 접어 구부림)를 위하여 유연한 강판을 제조하는 것이 바람직하다. 따라서, 적합한 유기 가소제(organic plasticizer)를 또한 가하여 원하는 특성을 제공할 수 있다.
분말(금속, 플라스틱, 또는 세라믹)처리를 위하여 유기제를 사용하는 것은 여러 문헌에 기록되어 있고, 당업자에게 잘 알려져 있다. 일반적인 결합제는 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol: PVA), 폴리비닐 부틸알(polyvinyl butyral: PVB), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol: PEG), 파라핀(paraffin), 페놀수지(phenolic resin), 왁스 에멀젼(wax emulsions), 및 아크릴수지(acrylicresins)를 포함한다. 일반적인 결합제 용매는 메탄올, 에탄올, 아세톤, 트리클로로에틸렌, 톨루엔, 등을 포함한다. 일반적인 가소제는 폴리에틸렌 글리콜, 디에틸 수산염, 트리에틸렌 글리콜 디하이드로아비산염, 글리세린, 옥틸 프탈산염을 포함한다. 유기제를 이렇게 주입하여 금속층의 조립을 촉진시키고, 금속 분말이 굳기 전에 유기제는 제거되어야 한다. 결합제 제거공정(예를 들면, 공기 제어되는 노에서의 가열에 의함) 또한 당업자에게는 잘 알려져 있다.
매트릭스 지지재(104) 시트(100)가 형성되면, 템플레이트(110)를 시트 상측에 위치시킨다. 템플레이트(110)는 연마 입자 한 개보다는 크지만 연마 입자 두 개보다는 작은 개구(aperture)(114)를 포함하여 한 개의 연마 입자가 각각의 소정 위치에 배치될 수 있다.
템플레이트의 두께는 연마 입자(20) 평균 높이의 1/3∼2/3 사이가 바람직하다. 그러나, 연마 입자가 원하는 위치에 적절하게 위치된 경우에는 다른 두께가 사용될 수 있다.
템플레이트(110)가 적절하게 위치된 후, 연마 입자(20)층을 템플레이트에 걸쳐 분산시킴으로써 각각의 개구(114)가 연마 입자를 수용한다. 템플레이트(110)의 개구(114) 내로 수용되지 못한 입자들은 템플레이트를 빗자루로 쓸거나, 또는 다른 방법 및 기판을 기울여서 제거한다.
도 5b에 나타낸 바와 같이, 템플레이트(110)의 개구(114) 내에 위치된 입자(20)에 걸쳐 강판과 같은 일반적으로 평탄한 면(120)을 위치시킨다. 평탄면(120)이 연마 입자(20)를 매트릭스 지지재(104)의 유연한 시트(100) 내로적어도 부분적으로 압착하여 입자를 위치시킨다.
템플레이트(110)를 제거한 후, 평탄면(120)을 사용하여 연마 입자(120)를 도 5c에 나타낸 바와 같이 매트릭스 지지재(104)의 시트(100) 내로 견고하게 다시 압착한다. 평탄면(120)이 바람직하지만, 당업자는 일부 연마 입자(20)를 다른 연마 입자보다 매트릭스 지지재 시트(100)로부터 더 외측으로 연장시키는 것이 바람직한 경우가 있음을 이해할 것이다. 이러한 경우에, 만곡면 또는 다른 형상의 면을 사용하여 일부 연마 입자(20)를 다른 입자보다 매트릭스 지지재(104) 시트(100) 내에 더 깊이 위치시킬 수 있다.
원하는 경우, 도 5a 내지 도 5c에 나타낸 공정을 매트릭스 지지재(104) 시트(100)의 다른쪽(도 5d에 나타낸 바와 같이) 상에 반복하여 다이아몬드 입자가 층전체에 분산된 용침층을 몇 가지 소정의 원하는 패턴으로 형성할 수 있다. 일반적으로 이 공정을 수차례 반복하여 다이아몬드 입자(20)가 용침된 복수의 얇은 층 또는 시트(100)를 얻는다. 물론, 각각의 시트(100)에는 다이아몬드 입자(20)가 동일한 패턴으로 분산될 필요가 없을 뿐만 아니라 각각의 시트에 연마 입자가 동일하게 응축될 필요도 없다.
다음에, 연마재가 용침된 시트(100)에 크롬, 망간, 규소, 알루미늄 또는 합금 혹은 그 혼합물로 형성된 브레이즈를 용침시킨다. 일반적으로 종래기술의 브레이즈는 아연, 납 및 주석과 같은 브레이즈 재료가 용이하게 흐르도록 설계된 금속을 포함하는 반면, 본 발명에서는 이러한 재료가 브레이징공정을 실제로 방해하는 것으로 판명되었다. 일반적으로 이 재료는 더 휘발성이고, 용침에 사용된 진공또는 불활성 대기를 오염시키기 쉽다. 매우 소량의 휘발성 재료는 브레이징을 크게 방해하지 않지만, 그 양이 약 1 또는 2 퍼센트를 넘는 것은 바람직하지 않다. 본 발명에 사용된 바와 같이, 휘발성 금속이 실질적으로 없는, 즉 아연이 실질적으로 없는 금속, 등을 사용하여 휘발성 금속이 진공 용침공정에 어떤 방해도 제공하지 않도록 충분하게 소량으로 존재하는 이러한 상황을 특징지운다.
용침온도를 매트릭스 분말의 융점보다 낮게 유지하여 공구 보디가 다이아몬드 브레이즈가 용침하는 동안 형상을 유지할 수 있도록 하는 것이 중요하다. 또한, 브레이징온도 또한 다이아몬드를 열화시키지 않도록 충분하게 낮아야 한다. 브레이징온도를 제어하는 외에, 브레이즈가 다이아몬드 및 매트릭스분말과 과다하게 반응하지 않도록 브레이징시간을 또한 짧게 유지해야 한다. 전자의 경우 다이아몬드가 성능저하될 수 있고, 후자의 경우 매트릭스 분말과의 합금으로 다이아몬드 브레이즈의 융점이 상승될 수 있다. 그 결과, 다이아몬드 브레이즈가 점차적으로 응고되어 결국 흐름이 중단될 수 있다.
용침 환경 또한 우수한 성능을 제공하기 위하여 제어될 수 있다. 예를 들면, 브레이즈 재료가 티타늄과 같은 강한 산소 또는 질소 게터(getter)를 함유하는 경우, 브레이즈를 용침시키는 동안 진공 정도(예를 들면, 최대 10-6토르)가 높이 유지되어야 한다. 한편, 브레이즈 재료가 크롬 및 망간과 같이 덜 민감한 게터를 함유하는 경우, 진공 정도(예를 들면, 최대 10-5토르)가 낮거나 또는 수소 분위기가 용침에 적당할 수 있다.
용침 후, 제조된 부분(예를 들면, 톱 세그멘트)을 최종 크기로 다듬을 수 있다(예를 들면, 그라인딩에 의함). 다음에, 이것을 공구 보디(예를 들면, 둥근 스틸 블레이드) 상에 장착하여 최종 제품을 제조할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 다이아몬드 브레이즈를 다이아몬드공구의 매트릭스 분말을 관통하는 용침제로서 사용한다. 다이아몬드 브레이즈 대부분은 주성분이 코발트, 니켈, 철, 동 또는 청동인 일반적인 매트릭스 분말을 용이하게 용착시킬 수 있어서 용침이 원활하게 진행될 수 있다.
매트릭스 분말 내의 구멍을 응고로 제거하는 소결공정과는 반대로 다이아몬드 브레이즈를 용침시켜 이들 구멍을 채울 수 있다. 소결은 주로 표면을 따라서 원자를 확산시킴으로써 달성된다. 소결공정을 용이하게 하기 위하여, 매트릭스 분말은 표면적이 반드시 커야 한다. 따라서, 소결 시에는 미세한 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 미세한 분말로 인하여 낮은 온도에서 소결이 진행될 수 있다.
다이아몬드공구(예를 들면, 톱 세그멘트)용으로 가장 널리 사용되는 매트릭스 분말은 코발트 분말이다. 종래의 다이아몬드공구 제조용 코발트 분말의 표준 크기는 2 마이크로미터 이하이다. 지난 10년 동안, 다이아몬드공구 제조업자는 보다 더 미세한 매트릭스 분말을 필요로 하고 있다. 따라서, 일반 공급자(예를 들면, 유로텅스텐 컴퍼니)는 초미립자, 심지어는 초-초미립자(1미크론 이하) 분말을 제조하는 방향으로 가고 있다. 이러한 경향과 함께 소결온도는 계속해서 낮아지고 있다. 낮은 소결온도는 다이아몬드의 성능저하를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 제조비용 또한 절감시킬 수 있다. 예를 들면, 가열을 위한 전기소모가 줄어든다. 또한, 흑연 몰드의 산화 손실이 또한 최소로 된다.
그러나, 본 발명은 다이아몬드 브레이즈를 사용하여 매트릭스 분말의 구멍을 채운다. 따라서, 종래의 소결공정과 반대로, 치수가 큰 분말, 즉 400 U.S. 메시 또는 34 미크론 이상이 바람직하다. 또한, 종래의 방법은 소결이 신속하게 진행될 수 있도록 패킹밀도가 가능한 높은 것을 필요로 하는 반면, 본 발명은 패킹밀도가 낮은 전구체를 사용하여 다이아몬드 브레이즈를 용이하게 흐르게 할 수 있다. 실제로, 전구체 보디의 기공을 뷸균일한 형상의 매트릭스 분말을 사용하여 의도적으로 증가시키는 경우가 가끔 있다. 또한, 이것은 패킹밀도가 증가될 수 있도록 가능한 구형인 입자를 필요로 하는 종래의 기술에 비하여 더 유리한다.
전술한 바와 같이, 종래의 공구용으로 사용된 미세한 매트릭스 분말은 다이아몬드 브레이즈의 용침를 방해할 수 있다. 또한, 이 미세한 분말이 브레이즈와 과다하게 반응하여 브레이즈의 융점을 상승시킬 수 있다. 그 결과, 용침가 완료되지 않을 수 있다.
굵은 매트릭스 분말을 사용하면 다른 장점이 있다. 예를 들면, 굵은 분말은 상이한 조성물과 보다 양호하게 혼합될 수 있다. 따라서, 다이아몬드 그릿이 매트릭스 내에 보다 균일하게 분산될 수 있다. 또한, 굵은 분말은 표면적이 적어서 용침를 위한 마찰력이 낮다. 따라서, 몰드 내에서 용이하게 흐를 수 있다. 물론, 굵은 매트릭스 분말은 가격이 또한 훨씬 싸기 때문에 제조비용이 저감될 수 있다.
본 발명에서는 매트릭스를 다이아몬드 그릿을 제 위치에 지지하는 네트웍으로 단지 사용한다는 것에 유의하는 것이 중요하다. 따라서, 매트릭스는 분말로 제조되어야 할 필요는 없다. 예를 들면, 매트릭스 보디는 도 7a 및 도 7b를 참조하여 후술하는 바와 같이 PCD 보디의 다이아몬드 그릿을 포함하는 개구를 가진 한 조각의 스틸로 제조될 수 있다.
본 발명의 가장 중요한 부분은 다이아몬드 브레이즈가 선택된다는 것이다. 수많은 종류의 다이아몬드 브레이즈가 있지만, 다음 필요조건에 부합하는 브레이즈만 적용가능하다. 첫째로, 브레이즈의 용침온도가 다이아몬드 성능저하를 야기할 정도로 높지 않아야 한다. 이 온도의 한계는 일반적으로 약 1100℃이다. 용침온도는 브레이즈 액상 상측에 50℃일 수 있다. 매트릭스 입자가 굵고 용침 통로가 짧아서 브레이즈의 융점 이상되는 보다 낮은 초과온도(excess temperature)가 필요하다.
다이아몬드 브레이즈는 다이아몬드를 용침시키고 다이아몬드와 화학적으로 결합되어야 한다. 전술한 바와 같이, 적합한 용매 합금 내에 용해된 탄화물 형성체가 이 필요조건에 부합될 수 있다. 그러나, 탄화물 형성체의 반응성은 다이아몬드와 산소 혹은 질소 또는 수소와 같은 다른 기체 사이에 균형을 이루어야 한다. 다이아몬드와 잘 결합되는 티타늄 또는 지르코늄과 같은 강성 탄화물 형성체 또한 기체 제거제(gas scavenger)라는 것이 문제이다. 이들은 다이아몬드와 탄화물을 형성하기 전에 대기 중의 유해가스와 신속하게 반응할 수 있다.
대부분의 다이아몬드공구는 종종 공기 또는 불활성 가스 분위기의 흑연 몰드 내에서 제조된다. 대기 중의 미량의 산소 또는 습기가 탄화물 형성체를 산화시켜서 이 탄화물 형성체가 다이아몬드에 결합되지 않을 수 있다. 이것은 진공이 10-6토르보다 낮게 유지되거나, 또는 기체의 이슬점이 -60℃ 이하로 유지되지 않는다면 브레이징이 진공 또는 수소 분위기에서 실행되는 경우에도 사실이다. 진공 또는 이슬점에 대한 이러한 엄격한 필요조건으로 종종 제조비용이 불필요하게 증가된다.
한편, 반응성이 코발트 또는 니켈의 반응성과 같이 낮은 경우, 금속은 흑연 몰드 내에서 산화되지 않고 처리될 수 있다. 그러나, 이것을 다이아몬드에 결합시킬 수 없다. 따라서, 탄화물 형성체에 대하여 다이아몬드와의 결합성과 산화 경향 사이가 절충되어 처리된다.
본 발명에 있어서, 다이아몬드 브레이즈용의 바람직한 탄화물 형성체는 크롬, 망간, 규소, 알루미늄 또는 그들의 합금 중 어느 하나인 것으로 판명되었다. 이러한 탄화물 형성체의 바람직한 총 함유량은 적어도 3 중량%, 보다 바람직하게는 적어도 5 중량%이다. 이들 브레이즈의 예로는 미합중국 월 콜모노이 컴파니(Wall Colmonoy Company)에서 제조한 융점 범위가 970-1000℃인 NICROBRAZ LM (Ni-CR-B-Si-Fe), 및 독일 데구사(Degussa)에서 제조한 융점 범위가 970-990℃인 21/80 (Cu-Mn-Ni)이 있다. 다른 가능한 브레이즈는 융점이 약 880℃인 공정 조성물(eutectic composition)(약 25 중량%의 Mn)에 가까운 Cu-Mn 합금; 융점이 약 970℃인 공정 조성물(약 50 중량%의 Si)에 가까운 Ni-Si 합금; 융점이 약 810℃인 공정 조성물(약 30 중량%의 Si)에 가까운 Cu-Si 합금; 융점이 약 600℃인 공정 조성물(약 15 중량%의 Si)에 가까운 Al-Si 합금을 포함한다.
상기 용침가능 다이아몬드 브레이즈의 예는 기계적 성질 및 용침온도(예를 들면 액상 위 약 50℃)가 광범위하다. 이들의 합금 또한 용침온도 및 기계적 성질을 추가로 조정하는데 사용될 수 있다. 다이아몬드 브레이즈의 선택은 원하는 적용에 따라 다르다. 일반적으로, 흑연, 콘크리트, 또는 아스팔트를 톱질하는 보다 격한 적용에는 브레이징의 높은 온도를 견딜 수 있는 다이아몬드 그릿이 필요할 수 있다. 고온에서 용해되는 브레이즈가 일반적으로 내구성이 더 강하다. 한편, 석회암 또는 대리석을 톱질하는 덜 격한 적용에는 강도가 낮은 다이아몬드 그릿이 필요하다. 이러한 다이아몬드는 고온에서 용이하게 성능이 저하되기 때문에 반드시 저온으로 브레이징해야 한다. 이러한 유형의 브레이즈는 일반적으로 내구성이 약하다.
시트(100)를 먼저 조립하여 공구 세그멘트의 전구체를 형성한 다음 다이아몬드 브레이즈를 용침시키거나, 또는 시트와 전구체에 브레이즈를 용침시킨 다음 조립하여 공구 세그멘트 또는 필요한 경우 전체 공구 보디를 형성할 수 있다. 도 5a 내지 도 5d에 개시된 방법이 여러 가지 적용에 바람직하지만, 연마 입자(20)를 매트릭스 지지재 시트(100)로부터 외측으로 연장되게 하는 것이 바람직한 경우도 있다. 예를 들면, 일부 공구는 단지 한 개의 연마층을 가질 수 있다. 이것은 템플레이트가 제거된 후 입자(20)를 매트릭스 지지재 내로 더 압착하지 않고, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 단계를 실행할 때 템플레이트(11)를 제 위치에 남겨둠으로써 실행될 수 있다.
대안으로서, 도 6a 내지 도 6c는 도 5a 내지 도 5d에 나타낸 방법의 다른 예의 측면도이다. 도 6a 내지 도 6c에서의 매트릭스 지지재 시트(130)는 단면 두께가 얇거나 또는 직경이 짧은 초연마 입자(20)로 형성된다. 입자를 시트(130) 내로 압착할 때, 시트의 두께가 입자(20)를 압착하여 매트릭스 지지재(134)로부터 돌출한다. 다음에, 전술한 방식으로 시트(130)에 다이아몬드 브레이즈를 용침시킨다.
다이아몬드 브레이즈(28)를 사용하여 다이아몬드 입자를 패턴에 따라 분산시키는데 대하여 개시하였지만, 다이아몬드 입자를 매트릭스 지지재 내에 임의로 분산시키는데도 동일하게 적용가능하다. 다이아몬드가 매트릭스 지지재 내에 위치되고 나면, 크롬, 망간, 알루미늄 또는 규소를 포함하며 실질적으로 휘발성 금속이 아닌 다이아몬드 브레이즈를 용해시켜 매트릭스 지지재 상에 붓는다. 액상 브레이즈를 매트릭스 지지재에 용침시켜 다이아몬드 입자를 매트릭스 지지재에 결합시킨다.
금속 분말과 같은 종래의 매트릭스 지지재와 사용하는 외에, 다이아몬드 브레이즈는 도 7a 및 도 7b에 나타낸 바와 같은 신규의 지지재 사용을 또한 용이하게 한다. 특히 도 7a는 톱 세그멘트(210)의 매트릭스 지지재(200)를 나타낸다. 매트릭스 지지내(200)는 소정의 간격으로 절단된 복수의 슬롯(214)을 포함한다.
최종의 커팅 세그멘트를 형성하기 위하여, 매트릭스 지지재(200)를 내화재(예를 들면, 흑연)로 제조된 몰드(예를 들면, 흑연 또는 금속)에 위치시킨다. 다이아몬드 입자(20)(도 7b 참조)를 슬롯(214) 내에 부어 개방된 슬롯을 채운다. 다이아몬드 입자를 이들 슬롯 상측에 가한다. 브레이즈가 용침되고 난 후, 이들 슬롯을 채워서 다이아몬드 입자(20), 및 매트릭스 지지재(200)와 결합되어 완성된 톱세그맨트(210)를 형성한다. 이 구조에 있어서, 다이아몬드 입자는 종래의 공구 경우에서와 같이 매트릭스 보디에 걸쳐 분산되는 대신에 톱 세그멘트의 톱날을 형성한다(도 7b 참조). 매트릭스 지지재(200)가 다이아몬드 입자를 제 위치에 기계적으로 지지하는 것이 필요하기 때문에, 당업자는 이러한 구성이 종래의 지침에 따라서는 거의 불가능하다는 것을 알 수 있을 것이다. 이와 반대로, 브레이즈가 다이아몬드 및 지지재에 결합되고, 다이아몬드가 제 위치에 고정되기 때문에 다이아몬드 브레이즈의 사용으로 다이아몬드 입자의 기둥(column)을 슬롯, 홀, 등에 위치설정하는 것이 가능하다. 도 7a 및 도 7b에 나타낸 실시예가 다이아몬드 "핀(fin)"을 형성하지만, 다이아몬드 기둥과 같은 니들 또한 형성될 수 있다(도 8 참조). 또한, 슬롯, 홀, 등이 형성되어 선형이거나, 또는 임의의 원하는 방향으로 만곡된 이러한 기둥을 제공할 수 있다. 따라서, 일련의 실험으로, 당업자는 특정 용도로 규격화된 세그멘트로 커팅, 드릴링, 폴리싱, 등을 규격화할 수 있다. 사용된 다이아몬드 입자는 다이아몬드 그릿 또는 열적으로 안정적인 다결정 다이아몬드(polycrystalline diamond: PCD) 중 어느 하나일 수 있다. 용침은 매트릭스 분말을 응고시킬 뿐만 아니라 다이아몬드를 견고하게 결합시킴으로써 일체로 된 다이아몬드공구가 형성된다.
예 1
40/50 메시 다이아몬드 그릿(드 비어즈 컴파니 제품 SDA-85+)을 200 U.S. 메시보다 더 굵은 분말 철, 및 유기 결합제와 혼합시켜 다이아몬드 농도 20%(총 체적의 5%)인 혼합물을 형성하였다. 혼합물을 스틸 몰드에서 냉간압착하여 톱 세그멘트 형상을 형성하였다. 흑연 몰드에 전구체를 위치시키고 Nicrobraz LM 분말로 덮었다. 몰드를 진공상태 하에서 약 1,050℃로 20분간 가열하였다. 용침된 브레이즈가 다이아몬드 및 매트릭스 분말과 함께 결합되어 세그멘트를 형성하였다. 이러한 세그멘트 24개를 제조하여 원하는 공차로 깎아 다듬었다. 이들 세그멘트를 14인치 환강(丸鋼)(round steel)의 원형 톱날 상에 브레이징하였다. 이 톱날을 사용하여 종래의 다이아몬드 톱날에서 가능하였던 커팅속도보다 더 빠르게 흑연을 절단하였다. 또한, 브레이징된 톱날은 종래의 다이아몬드 톱날보다 내용수명이 더 길다.
본 발명의 커팅공구가 종래의 커팅공구와 비교하여 뚜렷이 구별되는 장점은 공구가 사용될 수 있는 방식에 있다. 일반적으로 다이아몬드 톱은 가공물을 각각의 회전과 동일 방향으로 회전시켜 절단하는 원형 톱날 형태로 제조된다. 이러한 한쪽 방향 이동으로 인하여 "테일(tail)"이 형성되고, 다이아몬드 입자 회전 전방의 매트릭스재는 닳아버리지만 다이아몬드 입자 후방의 매트릭스재는 다이아몬드 입자에 의하여 보호된다. 따라서, 다이아몬드 후방의 매트릭스재가 다이아몬드 입자를 제 위치에 계속해서 지지한다. 톱을 역회전시키는 경우, 다이아몬드 입자는 매트릭스로부터 용이하게 떨어질 수 있다.
그러나, 둥근 톱은 가공물을 톱 직경 절반 이하의 깊이까지만 절단할 수 있다. 보다 두꺼운 가공물을 절단하기 위하여, 프레임(frame) 또는 갱 톱(gang saw)이 일반적으로 사용된다. 이들 톱은 왕복으로 이동하기 때문에, 다이아몬드 입자는 각 측면 상에 견고하게 지지되어야 한다. 그 결과, 다이아몬드 매트릭스 테일이 다이아몬드 입자를 제 위치에 지지하도록 유지될 수 없다. 이러한 이유로 왕복이동하는 다이아몬드 톱이 흑연과 같은 단단한 암석을 톱질하는데 사용할 수 없었다. 대신에, 이 다이아몬드 톱은 대리석과 같은 유연한 재료만 절단하는데 사용된다.
본 발명에 따르면 다이아몬드는 브레이징에 의하여 화학적으로 지지될 수 있다. 따라서, 매트릭스 테일이 다이아몬드를 지지할 필요가 없다. 그 결과, 본 발명에 따라 제조된 공구는 단단한 재료를 절단하는 왕복운동 톱에 사용될 수 있다. 이러한 획기적인 진전으로 종래기술의 한계 때문에 수요가 없었던 다이아몬드 적용이 확대될 수 있다.
따라서, 다이아몬드 톱날을 제조하는 개선된 방법을 개시하는 것이다. 상기 설명 및 예는 본 발명의 가능한 특정 용도를 단지 예시하는 것이다. 본 발명의 광범위한 용도 및 적용성을 당업자는 쉽게 이해할 것이다. 본 명세서 개시 내용 외의 본 발명의 여러 가지 실시예 및 개작(adaptation), 및 여러 가지 변경, 변형 및 동등 배열이 가능함은 본 발명의 범위를 일탈하지 않고 본 발명 및 전술한 설명으로부터 명백해지거나 또는 본 발명에 의하여 합리적으로 제안된다. 따라서, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였지만, 이 개시는 단지 본 발명을 예시적으로 예를 들어 본 발명을 충분하게 개시하려는 것이다. 전술한 설명은 본 발명을 한정하거나 임의의 다른 실시예, 개작, 변경, 변형 및 동등 배열을 배제하는 것이 아니며, 본 발명은 본 명세서에 첨부된 청구범위 및 그 동등물에만 한정되는 것이다.

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  36. 소정의 패턴으로 배치되며 연마재로 사용되는 복수의 다이아몬드 입자
    상기 다이아몬드 입자를 지지하도록 구축된 매트릭스 지지재 및
    상기 매트릭스 지지재 및 상기 다이아몬드 입자 사이에 용침된 합금
    을 포함하며,
    상기 합금은 상기 다이아몬드 입자 및 상기 매트릭스 지지재에 결합되고, 크롬, 망간, 규소 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 요소를 2 내지 50% 함유하는 금속 합금을 포함하며, 아연은 함유하지 않는 연마공구.
  37. 연마재로 사용되는 다수의 다이아몬드 입자,
    다수의 다이아몬드 용침 시트에 의하여 형성되며 내부에 상기 다이아몬드 입자를 지지하도록 구축된 매트릭스 지지재 및
    상기 매트릭스 지지재 및 상기 다이아몬드 입자 사이에 용침된 합금
    을 포함하며,
    상기 합금은 상기 다이아몬드 입자 및 상기 매트릭스 지지재에 결합되고, 크롬, 망간, 규소 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 요소를 2 내지 50% 함유하는 금속 합금을 포함하는
    연마공구.
  38. 제36항 또는 제37항에서,
    상기 매트릭스 지지재가 코발트, 니켈, 철, 동 및 청동 및 혼합물 및 그 합금으로 이루어진 군에서 선택된 재료를 50 중량% 이상 100 중량% 미만 함유하는 연마공구.
  39. 제36항 또는 제37항에서,
    상기 매트릭스 지지재가 상기 다이아몬드 입자보다 더 많은 체적을 점유하는 연마공구.
  40. 제36항 또는 제37항에서,
    상기 다이아몬드 입자가, 결합된 상기 매트릭스 지지재와 다이아몬드 입자 체적의 0% 보다 크고 40% 이하인 연마공구.
  41. 제36항 또는 제37항에서,
    상기 매트릭스 지지재가 20 U.S. 메시 이상이고 400 U.S. 메시 이하인 굵은 크기의 분말로 형성되는 연마공구.
  42. 제37항에서,
    상기 다이아몬드 용침 시트가 금속 분말과 다이아몬드 그릿의 혼합물을 압연, 압출, 또는 테이프 주조하여 제조되는 연마공구.
  43. 제37항에서,
    상기 다이아몬드 용침 시트가 다이아몬드 그릿을 상기 금속시트로 기계적으로 평삭가공(planing)하여 제조되는 연마공구.
  44. 제43항에서,
    상기 금속시트가 압연으로 이루어진 군에 의하여 주괴로부터 형성되며, 금속 분말로부터 제조되는 연마공구.
  45. 제37항에서,
    상기 다이아몬드 용침 시트 중 적어도 하나에 상기 합금이 용침된 연마공구.
  46. 제36항 또는 제37항에서,
    상기 합금이 아연, 납 및 주석으로 이루어진 군에서 선택된 간섭 금속 (interfering metal)이 없는 연마공구.
  47. 제36항 또는 제37항에서,
    상기 합금이 필수적으로 크롬, 망간, 규소, 및 알루미늄 및 혼합물 및 그 합금으로 이루어진 군에서 선택된 재료를 3 중량% 이상 100% 미만 함유하는 연마공구.
  48. 제36항 또는 제37항에서,
    상기 합금이 필수적으로 NICROBRAZ LM, 동-망간 합금, 동-규소 합금, 및 알루미늄-규소 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 연마공구.
  49. 제36항 또는 제37항에서,
    상기 합금이 600℃ 이상 1,100℃ 이하의 액상온도(liquidus temperature)를 가지는 연마공구.
  50. 제36항 또는 제37항에서,
    상기 매트릭스 지지재가 내부에 형성된 복수의 슬롯을 가지고, 상기 다이아몬드 입자가 상기 슬롯 내에 배치되는 연마공구.
  51. 제50항에서,
    상기 슬롯에 합금을 충전시켜 상기 슬롯 내에 배치된 상기 다이아몬드를 상기 슬롯을 형성하는 상기 매트릭스 지지재에 결합시키는 연마공구.
  52. 제36항 또는 제37항에서,
    상기 다이아몬드 입자가 상기 매트릭스 지지재 내로 연장되는 기둥에 배치되고, 상기 다이아몬드가 상기 합금에 의하여 제 위치에 지지되는 연마공구.
  53. 제52항에서,
    상기 기둥이 선형인 연마공구.
  54. 제52항에서,
    상기 기둥이 만곡된 연마공구.
  55. 제36항 또는 제37항에서,
    상기 공구가 원형 톱날인 연마공구.
  56. 제36항 또는 제37항에서,
    상기 공구가 선형 톱날인 연마공구.
  57. (a) 매트릭스 지지재를 형성하는 단계,
    (b) 상기 매트릭스 지지재에 연마재로 사용될 다이아몬드 입자를 지지시키고 소정의 패턴으로 분산시키는 단계 및
    (c) 상기 매트릭스 지지재에 필수적으로 크롬, 망간, 규소 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 요소를 2∼50% 함유하며, 아연을 함유하지 않는 합금을 용침시키는 단계
    를 포함하는 다이아몬드 용침 공구의 형성 방법.
  58. (a) 복수의 다이아몬드 용침 시트에 의하여 이루어지는 매트릭스 지지재를 형성하는 단계,
    (b) 상기 매트릭스 지지재에 연마재로 사용될 다이아몬드 입자를 지지시키고 분산시키는 단계 및
    (c) 상기 매트릭스 지지재에 필수적으로 크롬, 망간, 규소 및 알루미늄으로 이루어진 군에서 선택된 요소를 2∼50% 함유하며, 아연을 함유하지 않는 합금을 용침시키는 단계
    를 포함하는 다이아몬드 용침 공구의 형성 방법.
  59. 제57항 또는 제58항에서,
    단계 (a)는 상기 매트릭스 지지재를 20 메시 이상 400 메시 이하 크기의 분말로 형성하는 단계를 포함하는 다이아몬드 용침 공구의 형성 방법.
  60. 제57항 또는 제58항에서,
    단계 (b)는 상기 매트릭스 지지재를 불균일한 형상의 입자로 형성하는 단계를 포함하는 다이아몬드 용침 공구의 형성 방법.
  61. 제57항 또는 제58항에서,
    상기 방법은 상기 매트릭스 지지재에 아연, 납 및 주석으로 이루어진 군에서 선택된 간섭 금속을 함유하지 않는 합금을 용침시키는 단계를 포함하는 다이아몬드 용침 공구의 형성 방법.
  62. 제57항 또는 제58항에서,
    상기 방법은 상기 매트릭스 지지재 내에 복수의 슬롯을 형성하고, 다이아몬드 입자를 상기 슬롯 내에 분산시키는 단계를 포함하는 다이아몬드 용침 공구의 형성 방법.
  63. 제57항 또는 제58항에서,
    상기 방법은 상기 슬롯에 합금 브레이즈를 용침시켜 상기 다이아몬드를 상기 매트릭스 지지재에 결합시키는 단계를 추가로 포함하는 다이아몬드 용침 공구의 형성 방법.
  64. 제57항 또는 제58항에서,
    상기 방법은 상기 매트릭스 지지재 및 다이아몬드 입자를 용침시키는 도중에 10-6토르 이상 10-3토르 이하인 진공을 거치는 단계를 추가로 포함하는 다이아몬드 용침 공구의 형성 방법.
  65. 제57항 또는 제58항에서,
    상기 방법은 상기 매트릭스 지지재 및 다이아몬드 입자에 필수적으로 크롬, 망간, 알루미늄 및 규소 및 혼합물 및 그 합금으로 이루어진 군에서 선택된 탄화물 형성체(carbide former)를 5 중량% 이상 100 중량% 미만 함유하는 합금을 용침시키는 단계를 포함하는 다이아몬드 용침 공구의 형성 방법.
  66. 제57항 또는 제58항에서,
    상기 합금이 NICROBRAZ LM, 동 및 망간을 포함하는 합금, 동 및 규소를 포함하는 합금, 알루미늄 및 규소를 포함하는 합금, 및 니켈 및 규소를 포함하는 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 다이아몬드 용침 공구의 형성 방법.
  67. 제57항 또는 제58항에서,
    상기 공구가 와이어 톱(wire saw)인 다이아몬드 용침 공구의 형성 방법.
  68. 제67항에서,
    상기 공구가 다이아몬드 와이어 톱인 다이아몬드 용침 공구의 형성 방법.
  69. 제68항에서,
    상기 공구가 스틸 케이블에 걸쳐 끼워진 비드(bead)를 포함하는 다이아몬드 와이어 톱인 다이아몬드 용침 공구의 형성 방법.
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