KR100366466B1 - 연마공구, 연마공구 보디 형성방법, 다이아몬드 그릿층 형성방법, 촉매층 형성방법 및 다이아몬드 원소재 형성방법 - Google Patents

연마공구, 연마공구 보디 형성방법, 다이아몬드 그릿층 형성방법, 촉매층 형성방법 및 다이아몬드 원소재 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소정의 패턴으로 분산된 연마재 입자를 포함하는 신규의 연마공구에 관한 것이다. 이러한 패턴은 평면 슬라이스를 조립한 다음, 이들을 입체 공구로 조립 및 경화시켜 제조된다. 연마재 입자는 이들 평면 슬라이스를 제조하는 공정 중에 결합하거나, 또는 매트릭스 분말을 함유하는 이들 슬라이스 내에 차후에 이식할 수 있다. 차후에 이식하는 경우, 이식은 특정의 패턴으로 위치된 개구를 가진 템플레이트에 의해 안내될 수 있다.

Description

연마공구, 연마공구 보디 형성방법, 다이아몬드 그릿층 형성방법, 촉매층 형성방법 및 다이아몬드 원소재 형성방법 {ABRASIVE TOOLS, A METHOD FOR FORMING AN ABRASIVE TOOL BODY, A METHOD FOR FORMING A LAYER OF DIAMOND GRIT, A METHOD OF MAKING A LAYER OF CATALYST AND A METHOD OF MAKING A SOURCE MATERIAL FOR DIAMOND}
연마공구는 재료의 커팅(cutting), 드릴링(drilling), 소잉(sawing), 그라인딩(grinding), 래핑(lapping) 및 폴리싱(polishing)을 포함하는 수많은 적용에 오래동안 사용되고 있다. 다이아몬드가 가장 단단한 연마재이고 큐빅 질화붕소(cubic boron nitride)는 두번째로 단단한 연마재이기 때문에, 이들 두 가지 재료가 연마재를 사용하여 다른 단단한 재료를 절단, 형성 또는 폴리싱하는 톱, 드릴, 및 다른 공구 상에 초연마재(superabrasives)로서 광범위하게 사용되고 있다. 현재 전세계적으로 소모되고 있는 초연마재공구의 총 비용은 매년 50억불 이상되는 것으로 추산된다. 초연마재공구의 절반 이상이 암석, 콘크리트, 아스팔트, 등의 커팅과 같은 소잉 및 드릴링 적용에 소모되는 것으로 생각된다.
초연마재공구는 강도 및 내구성이 부족한 다른 공구를 실질적으로 대용하는적용에 특히 필요하다. 예를 들면, 암석을 커팅, 드릴링, 또는 소잉하는 석재산업에서는, 다이아몬드공구가 커팅 등을 행하기에 충분히 단단하고 내구성이 있는 경제적인 유형이다. 초연마재가 사용되지 않는 경우, 수많은 이러한 산업은 경제적으로 어려움을 겪을 수 있다. 또한, 정밀 연삭산업에서는, 초연마재공구가 그들의 뛰어난 내마모성 때문에 원하는 정밀한 공차를 유일하게 발생시킬 수 있는 동시에 실질적으로 마모를 충분히 견딜 수 있다.
공구를 커팅, 드릴링 및 그라인딩하는 다이아몬드 및 큐빅 질화붕소가 놀라울 만큼 향상되었지만, 그들의 비용을 극복 및/또는 저감할 수 있다면 공구의 성능을 크게 개선시킬 수 있는 여러 가지 단점이 아직 있다. 예를 들면, 연마 다이아몬드 또는 큐빅 질화붕소 입자가 그들을 제 위치에 지지하는 매트릭스 내에 균일하게 분산되지 않는다. 그 결과, 연마재 입자가 커팅, 드릴링 등, 및 공구의 제조비용에 최대로 효과적이 되도록 위치되지 않는다. 일부 경우에는 연마재 입자가 서로 지나치게 근접하여 배치되고, 다른 경우에는 연마재 입자가 서로 너무 떨어져서 배치된다.
모든 적용에 있어서, 연마재 입자 사이의 분리가 각각의 입자가 실행하는 작업 부하를 결정한다. 일반적으로 연마재 입자가 부적절하게 이격되면 연마면 또는 구조가 조기에 불량으로 될 수 있다. 따라서, 연마재 입자가 서로 지나치게 근접하는 경우 입자 일부는 중복된다. 이 입자는 존재하지만 커팅, 그라인딩, 등의 적용에는 거의 또는 전혀 도움을 주지 못한다. 다이아몬드 및 질화붕소가 고가이기 때문에 과잉의 입자로 연마재 비용이 추가되는 것은 당연하다. 또한, 이들 비실행입자가 부스러기(debris)의 통로를 차단할 수 있어서 커팅 효율이 감소된다. 따라서, 연마재 입자를 서로 지나치게 근접하여 배치시키면 비용이 추가되는 한편, 공구의 커팅 효율이 감소된다.
한편, 연마재 입자가 너무 멀리 떨어지는 경우, 각각의 입자에 대한 작업 부하(예를 들면, 가공물(work piece)에 의하여 가해진 충격력(impact force))이 과다하게 된다. 무작위로 분산된 입자는 분쇄되거나, 또는 이들 입자가 배치될 매트릭스로부터 제거될 수도 있다. 손상되거나 또는 있어야 할 곳에 없는 연마재 입자는 작업 부하에 충분하게 도움을 줄 수 없다. 따라서, 잔존해 있는 연마재 입자로 작업 부하가 전달된다. 각각의 연마재 입자의 파손으로 연쇄반응이 일어나 곧 공구가 커팅, 드릴링, 그라인딩, 등에 비효율적으로 된다.
다이아몬드 톱날과 같은 일반적인 초연마재공구는 다이아몬드 입자(예를 들면, 40/50 U.S. 메시 톱 그릿(saw grit))을 적합한 매트릭스(결합) 분말(예를 들면, 크기가 1.5 마이크로미터인 코발트 분말)과 혼합하여 제조된다. 다음에, 혼합물을 몰드 내에 압축하여 정확한 형상(예를 들면, 톱 세그멘트(saw segment))을 형성한다. 다음에, "그린(green)" 형태를 700-1200℃ 사이의 온도로 소결함으로써 결합시켜 복수의 연마재 입자가 내부에 배치된 단체(single body)를 형성한다. 끝으로, 결합체를 톱의 둥근 톱날과 같은 공구체에 부착(예를 들면, 브레이징에 의함)하여 최종 제품을 형성한다.
그러나, 상이한 적용에는 다이아몬드(또는 큐빅 질화붕소)와 매트릭스 분말의 상이한 결합을 필요로 한다. 예를 들면, 드릴링 및 소잉 적용을 위하여는 크기가 큰(20 내지 60 U.S. 메시 중 임의의 것) 다이아몬드 그릿을 금속 분말과 혼합시킨다. 금속 분말은 일반적으로 코발트, 니켈, 철, 동, 청동, 이들의 합금, 및/또는 이들의 혼합물로부터 선택된다. 그라인딩 적용을 위하여는 크기가 작은(60 내지 400 U.S. 메시 중 임의의 것) 다이아몬드 그릿(또는 큐빅 질화붕소)을 금속(일반적으로 청동), 세라믹/유리(일반적으로 나트륨, 칼륨, 규소, 및 알루미늄의 산화 혼합물) 또는 수지(일반적으로 페놀) 중 어느 한 가지와 혼합시킨다.
다이아몬드 또는 큐빅 질화붕소는 매트릭스 분말보다 훨씬 크고(톱 세그멘트를 제조하기 위하여는 상기 예의 300배), 매트릭스 분말보다 훨씬 가볍기(톱 세그멘트를 제조하기 위하여는 밀도가 약 1/3) 때문에, 두 가지를 혼합하여 균일성을 얻기가 매우 곤란하다. 또한, 혼합이 완료된 경우에나 또는 혼합물이 진동될 때, 혼합물을 몰드 내에 주입하는 등의 후속 처리 시에 다이아몬드가 금속으로부터 여전히 분리될 수 있다. 이러한 다이아몬드 분산 문제가 금속 매트릭스공구에서 특히 곤란하다. 금속 매트릭스공구가 모든 다이아몬드공구 총 비용의 60% 이상에 달할 수 있다. 금속 매트릭스공구 중에서, 다이아몬드 톱(원형 톱, 직선 톱날, 와이어 톱, 등)이 비용의 약 80%를 포함한다. 따라서, 연마재의 수명 증가 및/또는 필요한 연마재 양의 감소가 달성될 수 있는 방법을 찾는 것이 매우 바람직하다. 이것은 본 명세서에 개시된 본 발명에 의하여 달성된다. 본 발명은 모든 초연마재 공구에 적용가능하며, 모든 다이아몬드공구 중 비용이 가장 큰 카테고리인 다이아몬드 톱에 대하여 특히 효과적이다.
지난 10년에 걸쳐 다이아몬드 분산 문제를 해소하기 위한 시도를 수없이 하였으나, 유갑스럽게도 시도된 방법 어느 것도 효과적이라고 판명되지 않았고, 현재는 대형 다이아몬드 입자를 손으로 표면에 개별적으로 세트하여 하나의 층을 제공하는 드릴러(driller) 또는 드레서(dresser)와 같은 일부 특수한 경우를 제외하고는 다이아몬드 입자가 다이아몬드공구 내에 여전히 아무렇게나 불규칙하게 분산된다.
다이아몬드를 균일하게 분산하려는 시도에 사용된 한 가지 방법은 다이아몬드 입자를 두꺼운 매트릭스 분말 코팅으로 감싸는 것이다. 특정 적용을 위하여 각각의 다이아몬드공구 내에 다이아몬드 입자가 일치되도록 집중시킨다. 콘센트레이션이 다이아몬드 입자 사이의 평균 간격을 결정한다. 예를 들면, 일반적인 톱 세그멘트의 콘센트레이션은 25(100이 25 체적%를 의미함) 또는 6.25 체적%이다. 이러한 콘센트레이션으로 다이아몬드 대 다이아몬드의 평균 간격이 입자 크기의 약 2.5배로 된다. 따라서, 다이아몬드를 그 직경의 0.75배까지 코팅하여 이 코팅된 입자를 함께 혼합하는 경우, 다이아몬드 분산은 코팅의 두께에 의하여 제어될 수 있고 비교적 균일하게 분산될 수 있다. 금속 분말을 추가로 이들 코팅된 입자 사이에 간극 충전재(interstitial filler)로서 가하여 패킹 효율을 상승시킴으로써 후속 소결에서 매트릭스 분말의 결합이 용이해질 수 있다.
전술한 코팅방법이 어느 정도의 장점을 갖고 있지만, 실제로 코팅의 균일성을 달성하기는 매우 곤란하다. 다이아몬드 그릿 및 이의 집성체(aggregates)(다결정 다이아몬드)를 코팅하는데는 여러 가지 화학적 방법이 있다. 예를 들면, 첸 및 성(Chen and Sung)에 허여된 미합중국특허 제5,024,680호 또는 제5,062,865호에는유동층(fluidized bed)을 사용하여 다이아몬드 그릿을 코팅하는 CVD법이 개시되어 있다. 성 등(Sung et al)에 허여된 미합중국특허 제4,943,488호 또는 제5,116,568호에는 다결정 다이아몬드를 유동층에 의하여 코팅하는 다른 CVD법이 개시되어 있다. 그러나, 대부분의 이들 방법은 다이아몬드 분산에 영향을 주지 못하는 얇은 코팅(예를 들면, 몇 마이크로미터)만 단지 형성할 수 있다. 또한, 화학적 코팅방법은 다이아몬드를 손상시킬 수 있는 고온(예를 들면, 900℃ 이상) 처리를 필요로 한다. 합성 다이아몬드 그릿은 이 온도에서 미세한 균열이 형성되는 경향이 있는 것으로 잘 알려져 있다. 이들 미세한 균열은 고온에서 다이아몬드가 흑연으로 역전환됨으로써 형성된다. 역전환은 합성 중에 다이아몬드가 결합된 금속 함유물의 촉매작용에 의하여 일어난다. CVD처리로는 두꺼운 코팅을 용이하게 형성할 수 없고, 조성된 이들 코팅이 엄청나게 비싼 경우가 종종 있다. 따라서, CVD처리는 다이아몬드를 공구 내에 균일하게 분산시키는 실용적인 방법이 되지 못한다.
그러나, 다이아몬드의 성능저하를 일으키지 않는 일반적으로 저온에서 다이아몬드 그릿 상에 두꺼운 코팅을 형성할 수 있는 비용이 비싸지 않은 기계적 방법(예를 들면, 다이아몬드 입자를 금속 분말과 텀블링(tumbling))이 있다. 그러나, 이러한 방법을 사용하여 두꺼운 코팅의 두께를 균일하게 달성한다는 것은 매우 곤란하다.
예를 들면, 미합중국특허 제4,770,907호에 개시된 발명을 실시하기 위하여 씨.엠. 성(C.M. Sung)은 "유동층에 의한 톱 다이아몬드 그릿의 금속 코팅(Metal Coating of Saw Diamond Grit by Fluidized Bed)"(1995년 S.W. Kim 및 S.J. Parkof The Materials Research Society of Korea에 의하여 집필된 Fabrication and Characterization of Advanced Materials의 페이지 267-273 참조)을 실행하였다. 코팅된 다이아몬드 입자의 두께가 상당히 변하는 것을 알았다. 또한, 극도로 미세한(즉, 5 마이크로미터 이하) 금속 분말만 단지 다이아몬드 상에 효과적으로 코팅될 수 있다. 또한, 이 방법의 재생성이 불충분하다. 따라서, 이러한 코팅이 다이아몬드 입자를 공구에 분산시키는 것은 향상시킬 수 있지만 그 효과는 제한된다.
또한, 기계적 코팅에 있어서, 금속 분말은 유기 결합제(예를 들면, PVA, PEG)에 의하여 느슨하게 지지된다. 코팅이 후속의 혼합공정 중에 용이하게 문질러 없어질 수 있으므로 그 의도하는 장점을 잃을 수 있다. 열처리가 코팅의 기계적 강도는 증가시킬 수 있지만, 추가 단계를 거치게 되어 비용이 든다.
다이아몬드 입자를 코팅하는 현재의 방법과 관련하여 또 다른 제한이 있다. 다이아몬드공구는 상이한 크기의 다이아몬드 그릿 및/또는 상이한 다이아몬드 응축물이 동일한 다이아몬드공구의 상이한 부분에 배치되는 것을 종종 필요로 한다. 예를 들면, 톱 세그멘트는 에지, 또는 중간보다 전방이 보다 빠르게 마모되기 쉽다. 따라서, 높은 콘센트레이션 및 보다 작은 다이아몬드 그릿이 이들 위치에 바람직하여 뷸균일한 마모, 및 톱 세그멘트의 조기 파손이 방지된다. 상이한 콘센트레이션/크기로 결합된 이들 세그멘트("샌드위치" 세그멘트로 알려져 있음)는 연마재 입자를 세그멘트에 제어하여 분산시키기 위하여 코팅된 다이아몬드를 금속 분말과 혼합시켜 조립하는 것이 곤란하다. 따라서, 다이아몬드 그릿의 크기 및 콘센트레이션 레벨이 변경되는 공지된 장점에도 불구하고, 이러한 구성은 실용적인 방법이 부족하기 때문에 거의 사용되지 않는다.
요약하면, 현재의 기술로는 다이아몬드의 공구 내 균일한 분산를 효과적으로 제어할 수 없다. 또한, 현재의 방법은 동일 공구의 상이한 부분 상에 크기 변경 및/또는 콘센트레이션 변경을 효과적으로 제어하는데 부적당하다. 또한, 비교적 균일하게 분산되더라도, 현재의 기술은 특정의 용도로 사용될 때 연마재에 대한 일반적인 마모 패턴을 극복 또는 보상하기 위하여 분산 패턴을 맞출 수 없다. 이들 문제를 해소함으로써, 다이아몬드공구 및 다른 초연마재 공구의 성능이 효과적으로 최적으로 될 수 있다.
작업 시에는 10% 이하의 연마재만 실제로 소모되는 것으로 추산된다. 나머지 연마재 대부분은 이들 공구를 저효율로 사용함으로써 낭비된다. 이러한 저효율의 각종 원인 중에서, 주요한 요인은 원하는 위치에 각각의 연마재를 위치시킬 수 없다는 것이다. 본 발명의 목적은 연마재 입자를 드문드문 분산시키는 것을 배제함으로써 이 결점이 극복되도록 획기적으로 개선시키려는 것이다. 그 결과, 연마 공구에는 각각의 연마재 입자가 원하는 위치에 확실하게 이식되어 실용성이 최대로 달성될 수 있다. 따라서, 연마공구의 성능이 최적으로 될 수 있다.
연마재 입자를 균일하게 분산시키거나 또는 공구를 특정 적용으로 맞춤으로써 작업 부하가 각각의 입자에 균일하게 분산될 수 있다. 그 결과, 연마공구로 더 빨리 절단하고 그 작업수명이 상당기간 연장될 수 있다. 또한, 과다하게 분산시키지 않음으로써 연마재가 덜 필요하여 공구 제조비용이 절감될 수 있다. 또한, 분산이 제어될 수 있는 경우, 다이아몬드 또는 큐빅 질화붕소를 사용하는 연마공구는가능한 가장 효율적인 내구성 형상을 제공하도록 구성될 수 있다.
본 발명은 이들 문제를 해소하고, 연마재 입자 분산을 제어하여 균일한 그릿 배치를 제공하거나, 또는 공구의 특정 내구성 특징에 맞추어진 그릿 배치를 제공할 수 있는 공구 형성방법을 제공함으로써 상기 개시된 장점을 제공한다. 다이아몬드 입자 분산이 제어되기 때문에, 입자는 표면 일부를 조기에 마모시키기 보다는 연마 표면을 비교적 균일하게 마모시키는 패턴으로 배치될 수 있다. 각각의 입자가 보다 완전하게 사용되기 때문에, 백업용으로 잉여 입자가 필요하지 않다. 따라서, 사용될 초연마재의 총량을 감소시킴으로써 연마공구의 제조비용이 저감될 수 있다. 예를 들면, 초연마재(다이아몬드 또는 큐빅 질화붕소)의 비용이 이렇게 많이 들어서 공구의 총 제조비용의 약 절반이 되는 경우가 종종 있다. 초연마재 공구의 성능을 분산을 제어하여 사용된 실질적으로 낮은 콘센트레이션을 유지함으로써, 고가의 연마재의 사용을 저감시킴으로 인하여 상당한 비용 절감이 실현될 수 있다.
본 발명은 커팅, 그라인딩 등에 사용되는 개선된 연마공구에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 연마재 입자를 매트릭스 분말 내에 소정의 패턴으로 분산시켜 공구 가격의 저감 및/또는 내용수명의 증가를 도모하는 개선된 연마공구에 관한 것이다.
도 1a는 서로 인접하여 배치되어 입체 초연마재 부재를 형성하는 복수의 선형, 종축방향층에 의하여 형성된 초연마재 공구의 세그멘트를 나타내는 도면이다.
도 1b는 매트릭스재 및 비교적 큰 초연마재에 의하여 형성된 층이 그릿이 보다 작고 연마재의 콘센트레이션이 높은 두 개의 매트릭스재층 사이에 끼워져 있는 도 1a에 나타낸 공구 세그멘트의 하나의 유사한 구성의 단면도이다.
도 2a는 서로 부착되어 입체 초연마재 부재를 형성하는 복수의 아치형, 종축방향층에 의하여 형성된 초연마재 공구의 세그멘트를 나타내는 도면이다.
도 2b는 도 2a 에 나타낸 세그멘트로 사용될 수 있는 복수의 매트릭스재층의 단면도이다.
도 3은 예를 들어, 입체 초연마재 부재의 전방, 커팅 단부에 연마재가 조밀하게 배치된 구성의 횡방향층을 가진 커팅공구의 세그멘트의 다른 가능한 설계를 나타낸 도면이다.
도 4는 입체 초연마재 부재가 예를 들어, 수평층을 가진 공구의 상면을 향하여 점진적으로 조밀하게 분산된 연마재로 형성된 세그멘트의 또 다른 설계를 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 초연마재가 층 내에 제어되어 분산된 층을 형성하는 하나의 가능한 방법을 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 초연마재가 제어되어 분산된 하나 이상의 층을 형성하는 다른 방법을 나타내는 도면이다.
본 발명의 목적은 초연마재 공구를 형성하는 방법을 제공하는 것으로서, 상기 방법은 초연마재 그릿의 분산를 제어하여 공구의 형성에 사용되는 초연마재 그릿의 양을 증가시키지 않고 커팅, 그라인딩, 등의 특징을 개선한다.
본 발명의 다른 목적은 초연마재 그릿의 분산를 제어하여 연마면을 보다 균일하게 마모되도록 하여 공구의 내용수명을 연장시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 공구가 작업을 실행하는데 필요한 초연마재의 양을 최소로 가진 공구를 제공함으로써 공구의 제조비용을 저감시키려는 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적은 초연마재면을 형성하는 신규의 방법을 사용함으로써 달성된다. 다이아몬드 또는 큐빅 질화붕소의 분산은 복잡한 입체 문제로 항상 보이지만, 본 발명은 초연마재의 분산이 용이하게 조작 및 제어되고, 정확도가 높게 반복될 수 있는 실질적으로 평면 공정으로 저감시킨다. 보다 구체적으로, 제어된 소정 패턴의 연마재 입자를 포함하는 매트릭스재 층을 조립함으로써 연마재 입자를 매트릭스체에 원하는대로 분산시킬 수 있다. 초연마재 그릿을 결합 매트릭스층 내에 소정의 패턴으로 분산시킴으로써 각각의 층이 형성된다. 초연마재 함침 세그멘트를 형성하도록 조립된 각각의 층은 동일한 분산 패턴 및 콘센트레이션으로 형성되거나, 또는 분산 패턴 및/또는 콘센트레이션이 층에서 층으로 변할 수 있다.
본 발명의 일양태에 있어서, 각각의 층을 매트릭스재 층이 전구체로서 사용될 수 있도록 배치하여 조립한다. 다음에, 초연마재 그릿을 매트릭스재에 원하는 패턴으로 배치한다. 다이아몬드 입자를 소정의 패턴으로 매트릭스재 층 내에 이식시킨 후, 공정을 반복하여 원하는 개수의 층을 형성하였다. 다음에, 이들 층을 조립하여 원하는 입체보디를 형성한 후, 다이아몬드 공구를 결합(예를 들면, 전술한 바와 같이 소결 또는 용침에 의함)하여 최종 제품을 형성한다.
층의 사용을 통하여 입체 문제를 평면 해결로 감소시킴으로써, 본 발명은 공구 내에 원하는 다이아몬드 분산 패턴을 달성할 수 있을 뿐만 아니라 동일 공구보디의 상이한 부분에 다이아몬드 콘센트레이션을 조작할 수 있는 융통성을 또한 제공할 수도 있다. 따라서, 예를 들면, 다이아몬드 입자는 일부 층에서 다른 층보다 더 조밀하게 집중되어 배치될 수 있고, 다이아몬드가 더 크게 집중된 층은 여러 개의 종래 연마공구에 일반적인 불균일한 마모 패턴이 방지되도록 형성된 입체 구조 내에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, 각각의 초연마재층은 얇은 결합 매트릭스층을 먼저 형성함으로써 형성된다. 다음에, 템플레이트를 결합 매트릭스 상에 배치한다. 템플레이트는 특정 크기의 초연마재 그릿을 수용하도록 그 내부에 형성된 복수의 개구를 가지며, 각각의 개구에는 한 개의 입자가 배치된다. 초연마재 그릿이 개구를 채우기 때문에, 이 개구가 압력을 받거나 또는 결합 매트릭스 내로 이동할 수 있다. 템플레이트 때문에 결합 매트릭스로 유입되는 초연마재 그릿이 소정의 패턴으로 배치된다. 복수의 이러한 초연마재층을 함께 결합하고 브레이징 또는 어떤 다른 공정에 의하여 공구에 부착시켜 입체 초연마재 커팅 또는 그라인딩 부재를 공구 상에 제공한다. 이러한 본 발명의 템플레이트는 시브(sieve)로부터 형성할 수도 있다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, 초연마재 그릿이 배치되어 있는 패턴은 균일하거나, 또는 특정의 커팅력을 가진 초연마재 부재를 제공할 수 있다. 예를 들면, 초연마재 입자는 콘센트레이션을 변하게 하여 배치시켜 불균일한 마모 패턴을 보상할 수 있다. 따라서, 톱의 커팅에지에 다이아몬드를 분산시킴으로써, 일반적으로 덜 마모되는 중간부분보다 리드 에지(lead edge) 및 측면 상에 다이아몬드 입자가 더 많이 분산될 수 있다. 또한, 초연마재 입자의 크기는 가공물의 치핑(chipping) 방지와 같은 특정 목적으로 맞추어진 표면에 커팅, 그라인딩, 등을 제공하도록 제어될 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부도면을 참조하여 개시된다음의 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
다음에, 본 발명의 각종 요소에 참조부호가 부여된 도면을 참조하여, 당업자가 본 발명을 제조 및 사용할 수 있도록 본 발명을 설명한다. 다음의 설명은 본 발명의 원리의 단지 예시적인 일실시예로서, 청구범위에 한정되는 것으로 판단하지 않아야 함을 이해할 것이다.
도 1a는 초연마재 공구(나머지는 도시되지 않음) 세그멘트(10)의 사시도이다. 세그멘트(10)는 원(20)으로 나타낸 초연마재 입자가 함침된 복수의 층(14, 16, 18)에 의하여 형성된다. 복수의 층(14, 16, 18)이 서로 인접하여 선형, 종축방향 어레이로 배치되어 입체 초연마재 세그멘트(10)를 형성한다.
상세하게 후술하는 바와 같이, 복수의 얇은 층에 세그멘트(10)를 형성함으로써 초연마재 입자 분산의 제어가 현저하게 향상된다. 초연마재 입자를 각 층 내에 제어하여 분산시킨 다음 이 층들을 결합함으로써, 초연마재 입자가 각각의 크기로 제어되어 분산된 입체 세그멘트가 형성될 수 있다. 또한, 이로써 커팅, 소잉, 그라인딩, 등의 세그멘트용으로 특히 적합한 세그멘트가 형성될 수 있다. 초연마재 입자의 세그멘트(10)내 분산 및 콘센트레이션을 맞춤으로써, 실제 작업조건 하에서 공구의 성능이 더 정밀하게 제어된다.
예를 들면, 다이아몬드 톱날을 사용하여 암석(예를 들면, 흑연)을 절단할 때, 다이아몬드 톱 세그멘트의 두 개의 측면이 중앙보다 더 많은 재료가 절단된다. 불균일한 마모로 인하여, 톱 세그멘트의 단면은 중앙이 양 측면 상측으로 불룩해진볼록한 형상으로 된다. 이러한 구성은 톱날의 커팅속도를 느리게하는 것이 일반적이다. 또한, 돌출된 외형으로 인하여 톱날이 커팅된 슬롯 내에 비스듬하게 편향된다. 커팅 통로를 직선으로 유지하기 위하여, "샌드위치 모양의 다이아몬드 세그멘트"를 제조하여 세그멘트의 양 측면에 초연마재 입자가 더 많이 함침된 층을 구비하여 보강시키는 것이 바람직한 경우가 종종 있다. 이러한 "샌드위치 세그멘트"는 종래의 수단에 의하여 다이아몬드 그릿을 금속 분말과 혼합시켜 제조하는 것이 곤란하지만, 다이아몬드 입자를 층으로 된 금속 매트릭스 내에 원하는 패턴으로 먼저 이식한 다음 이들 층을 함께 조립하여 샌드위치 세그멘트를 형성함으로써 용이하게 실행될 수 있다.
본 발명에 있어서, 커팅 세그멘트를 형성하여 세그멘트 측면의 조기 마모를 방지할 수 있어서 커팅 세그멘트의 내용수명이 연장된다. 도 1b는 도 1a에 나타낸 커팅 세그멘트(10)의 단면도이다. 종래기술의 커팅 세그멘트와 달리, 상기 커팅 세그멘트(10)는 예를 들어, 세 개의 층(14, 16, 18)으로 형성된다. 중간층(16)은 제1의 크기(일반적으로 40/50 U.S. 메시)이며 제1의 콘센트레이션(예를 들면, 20)으로 분산된 복수의 초연마재 입자(20a)를 가진다. 이와 반대로, 외층(14, 18)은 제1의 크기보다 작은 제2의 크기(일반적으로 50/60 메시)이며 중간층(16)의 콘센트레이션보다 더 큰 제2의 콘센트레이션(예를 들면, 23)으로 분산된 복수의 초연마재 입자(20b)를 가진다. 더 작고 더 조밀하게 분산된 초연마재 입자(20b)로 인하여 외층(14, 18)은 콘크리트, 암석, 아스팔트, 등을 절단할 때 내마모성이 더 크다. 외층(14, 18)의 내마모성이 더 크기 때문에, 커팅 세그멘트(10)는 종래의 공구에서일반적으로 발생했었던 볼록한 외면이 형성되지 않는다. 커팅면을 보다 평탄하거나 또는 더욱이 오목한 외형을 유지시킴으로써, 커팅 세그멘트는 내용수명이 보다 길게 직선의 커팅 통로를 유지할 수 있다. 또한, 보다 작은 그릿을 톱의 측면 상에 사용함으로써 커팅된 면의 마무리가 더욱 매끈하다. 또한, 가공물의 치핑이 방지될 수 있다.
다이아몬드 또는 큐빅 질화붕소가 내부에 배치된 복수의 매트릭스층을 사용하는 다른 장점은 층이 커팅, 드릴링, 그라인딩, 등의 용도에 필요한 다른 원하는 형상으로 용이하게 형성된다는 것이다. 예를 들면, 도 2a는 서로 부착된 복수의(예를 들면, 3개) 아치형, 종축방향층에 의하여 형성되어 입체 공구 부재를 형성하는 초연마재 공구의 톱 세그멘트(30)의 사시도이다. 상기 예에서, 세그멘트(30)는 각각 아치형인 제1, 제2 및 제3의 층(34, 36, 38)으로 형성된다. 세 개의 층을 서로 결합시킬 때 아치형의 세그멘트(30)가 형성된다. 물론, 이러한 세그멘트는 비선형(예를 들면, 원형 톱날)인 커팅 공구, 및 비선형 초연마재 세그멘트를 필요로 하는 다른 유형의 공구에 사용될 수 있다. 층(34, 36, 38)은 초기에 서로 독립적으로 형성되기 때문에, 원하는 형상에 일치되는 것이 훨씬 용이하며 내부에 배치된 초연마재 입자(20)가 그들의 소정 위치에 지지되어 있는 동안 일치될 수 있다.
각각의 층에는 복수의 초연마재 입자(20), 일반적으로 다이아몬드 또는 큐빅 질화붕소가 함침된다. 각각의 층은 실질적으로 평면 유닛(즉, 매트릭스는 입자의 직경 두께의 2배 이하가 일반적임)으로 형성되기 때문에, 초연마재 입자의 배치가 우수하게 제어된다. 전술한 바와 같이, 종래기술에서의 무작위 배치(randomplacement)는 초연마재 입자가 비효율적으로 사용되는 경우가 종종 있다. 그러나, 본 발명에서의 제어 분산은 균일하게 분산시켜 간격의 부족 또는 과다를 방지하도록 설계되거나, 또는 분산이 제어되어 세그멘트의 상이한 부분이 종래의 마모 패턴을 방지하는데 적합한 상이한 크기 및 콘센트레이션을 가질 수 있다.
도 2b는 세그멘트(30)의 복수의 층(34, 36, 38)의 단면도이다. 물론, 초연마재 입자는 도 1a에 나타낸 세그멘트 또는 도 2a에 나타낸 세그멘트에 사용될 수 있다. 도 1b의 실시예와는 달리, 층에는 초연마재 입자(20)가 동일한 크기 및 콘센트레이션으로 각각 제공된다. 그러나, 간격이 대체로 균일하기 때문에 초연마재 입자 사이에 간격 부족 또는 간격 과다가 없고, 세그멘트(30)는 입자가 무작위로 이격된 종래기술의 세그멘트보다 더 균일하게 마모된다. 보다 균일한 마모로 세그멘트(30)의 조기 불량이 방지되고, 따라서 초연마재를 최대로 사용하면서 공구의 수명이 연장된다.
도 3은 본 발명의 지침에 따라 제조된 세그멘트(50)의 다른 가능한 실시예를 나타낸다. 다이아몬드 세그멘트 내의 층으로 된 구조 또한 횡방향으로 또는 수평방향으로 조립될 수 있다. 따라서, 도 3의 세그멘트(50)는 복수의 횡방향 층으로 형성된다. 제1의 복수의 층(56)에는 제1의 콘센트레이션으로 분산된 초연마재 입자(20)(오프셋 패턴 내에 분산된 초연마재 입자(20)를 포함하는 4개의 층으로 나타냄)가 제공된다. 제2의 복수의 층(58)에는 제1의 콘센트레이션보다 낮은 제2의 콘센트레이션으로 제공된다(오프셋 패턴의 초연마재 입자(20)를 가진 9개의 층으로 나타냄).
여러 가지 커팅 공구는 커팅을 대부분 수행하고 커팅될 가공물과 접촉할 때 대부분의 충격력을 수용하는 리드 에지(lead edge)가 커팅 세그멘트(50)에 제공되도록 구성된다. 예를 들면, 원형의 톱날은 커팅력을 가하는 리딩 에지를 각각 가진 복수의 톱니(톱 세그멘트)를 일반적으로 가진다. 리딩 에지가 커팅의 상당 부분을 수행하기 때문에, 톱니가 회전하여 지나가는 부분보다 훨씬 마모되기 쉽다. 그러나, 종래기술에 따라 형성될 때 톱니는 연마재 입자가 내부에 동일한 콘센트레이션으로 배치되는 경우가 종종 있다. 시간이 지나면서 리딩 에지는 상당히 마모되지만 트레일 층(trailing layer)(58)의 마모는 최소로 된다. 결국, 리딩 에지에는 톱니의 연마재가 다 닳아버리는 반면, 트레일 단부 상에는 상당량이 잔류한다. 따라서, 톱날이 폐기될 때 상당량의 초연마재가 낭비된다.
도 3의 실시예는 특히 이러한 과제를 극복하도록 구성된 것이다. 층(56, 58)은 초연마재 입자(20)를 회전하는 방향으로 먼쪽 부분보다 리딩 에지에 근접하여 더 많이 배치함으로써 커팅 세그멘트(50)에 걸쳐 균일하게 마모되도록 구성된다. 따라서, 리딩 에지가 자신의 내용수명 종료 시점에 도달할 때, 커팅 세그멘트(50)의 나머지 부분 또한 닳아버린다. 이러한 초연마재 입자(20)의 제어 분산으로 고가의 재료를 덜 사용하게 되고 성능에 지장없이 커팅 세그멘트(50)의 제조비용이 저감된다. 또한, 보다 균일하게 마모되게 함으로써, 커팅 세그멘트(50)는 자신의 커팅속도를 내용수명이 종료되기 직전까지 대부분 유지할 수 있다.
도 4는 연마재가 수평층을 가진 공구의 상면을 향하여 점진적으로 더 조밀하게 분산되어 형성된 입체 초연마재 부재의 세그멘트의 또 다른 설계를 나타낸 도면이다. 커팅속도가 공구의 마모를 감소시키는 경향이 있는 것을 알았다. 따라서, 초연마재 입자의 콘센트레이션을 감소시킴으로써, 공구는 자신의 현재 커팅속도를 일정한 기계힘으로 유지할 수 있다. 따라서, 도 3의 실시예에서와 같이, 초연마재 입자(20)의 분산을 제어함으로써 연마재 세그멘트(70)가 개선되는 동시에, 필요하지 않은 초연마재 입자의 절약으로 연마공구의 비용이 저감된다.
본 발명의 방법의 일상적인 실험 및 지침을 통하여, 당업자는 커팅, 드릴링, 그라인딩, 폴리싱 및 특정하게 형성된 다른 유형의 연마재 세그멘트를 규격화하여 그들의 성능(즉, 커팅, 드릴링, 그라인딩, 등)을 연장된 내용수명에 걸쳐 최대로 하는 동시에 공구의 형성에 사용되는 고가의 초연마재 양을 감소시킬 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 원리에 따라 층을 형성하는 방법을 나타낸다. 상기 방법의 제1 단계에서 초연마재 입자(20)에 결합될 매트릭스재(104) 시트(100)를 형성한다. 매트릭스재(104) 시트(100)는 전술한 바와 같이 종래의 금속 분말, 또는 아직 발견되지 않은 다른 결합제로 형성될 수 있다.
매트릭스 분말로 시트(100)를 형성할 수 있는 방법은 여러 가지가 있다. 예를 들면, 분말을 적합한 결합제(일반적으로 유기체) 및 상기 결합제에 용해될 수 있는 용매와 먼저 혼합시킬 수 있다. 다음에, 이 혼합물을 블렌딩하여 적당한 점도를 가진 슬러리를 형성한다. 처리 도중에 분말이 괴상화되는 것을 방지하기 위하여, 적합한 습윤제(예를 들면, 멘헤이든유, 인산염 에스테르)를 또한 가할 수 있다. 다음에, 슬러리를 플라스틱 테이프 상에 부어 톱날 또는 레벨링장치 하측으로끌어당긴다. 톱날과 테이프 사이의 간극을 조정함으로써, 슬러리가 정확한 두께를 가진 시트로 주조될 수 있다. 테이프 주조법은 분말재로 얇은 시트를 형성하는 잘 알려진 방법으로서 본 발명의 방법에 잘 적용된다.
대안으로서, 분말을 적합한 결합제 및 그 용매와 혼합시켜 변형가능한 케이크를 형성할 수 있다. 다음에, 케이크는 슬릿 개구를 가진 다이를 통하여 압출될 수 있다. 개구의 간극이 압출 플레이트의 두께를 결정한다. 대안으로서, 조정가능한 간극을 가진 두 개의 롤러 사이로 재료를 또한 끌어 당겨서 정확한 두께를 가진 시트를 형성할 수 있다.
후속 처리(예를 들면, 만곡부를 가진 공구 기판을 접어 구부림)를 위하여 시트를 유연하게 제조하는 것이 바람직하다. 따라서, 적합한 유기 가소제를 또한 가하여 원하는 특징을 제공할 수 있다.
분말(금속, 플라스틱, 또는 세라믹)처리를 위하여 유기제를 사용하는 것은 여러 문헌에 소개되어 있으며 당업자에게는 잘 알려진 것이다. 일반적인 결합제로는 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리비닐 부틸(PVB), 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 파라핀, 페놀 수지, 왁스 에멀젼, 및 아크릴 수지가 포함된다. 일반적인 결합제 용매로는 메탄올, 에탄올, 아세톤, 트리클로로에틸렌, 톨루엔, 등이 포함된다. 일반적인 가소제로는 폴리에틸렌 글리콜, 디에틸 옥실레이트, 트리에틸렌 글리콜 디하이드로아비테이트, 글리세린, 옥틸 프탈레이트가 포함된다. 유기제를 주입하여 금속층의 조립을 용이하게 한다. 이들 유기제는 금속 분말이 경화되기 전에 제거되어야 한다. 결합제 제거공정(예를 들면, 대기로 제어되는 노에서의 가열) 또한 당업자에게는 잘 알려져 있다.
매트릭스재(104) 시트(100)가 형성되면, 시트의 상단에 템플레이트(110)를 위치시킨다. 템플레이트(110)는 연마재 입자(20) 한 개보다는 크지만 연마재 입자 두 개보다는 작은 개구(114)를 포함하여 하나의 연마재 입자가 각각의 특정 위치에 배치될 수 있다.
상기 예에서, 템플레이트의 두께는 연마재 입자(20) 평균 두께의 1/3 내지 2/3가 바람직하다. 그러나, 연마재 입자가 원하는 위치에 안착되도록 적절하게 수용되는 경우 다른 두께가 사용될 수 있다.
템플레이트(110)가 적절하게 위치된 후, 상기 템플레이트 상에 연마재 입자(20)층을 펼침으로써 각각의 개구(114)가 연마재 입자를 수용한다. 템플레이트(110)의 개구 내로 낙하하지 않은 입자들은 기판을 기울이거나, 템플레이트를 빗자루로 쓸거나, 또는 다른 유사한 방법에 의하여 제거된다.
도 5b에 나타낸 바와 같이, 템플레이트(110)의 개구(114) 내에 위치된 입자(20)에 걸쳐 강판과 같은 일반적으로 평탄면(120)이 위치된다. 평탄면(120)이 연마재 입자를 매트릭스재(104)의 유연한 시트(100) 내로 적어도 부분적으로 압착하여 입자를 안착시킨다.
템플레이트(110)를 제거한 후, 도 5c에 나타낸 바와 같이, 평탄면(120)을 다시 사용하여 연마재 입자(120)를 매트릭스재(104) 시트(100) 내로 견고하게 압착한다. 평탄면(120)이 바람직하지만, 당업자는 연마재 입자를 금속시트(100) 상측으로 높이가 동일하게 돌출시키는 것이 바람직할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 대안으로서, 연마재 입자(20) 일부는 다른 연마재 입자의 일부보다 매트릭스재 시트(100)로부터 더 외측으로 연장되는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 경우, 만곡되거나 또는 다른 형상으로 된 표면을 사용하여 연마재 입자(20)의 일부를 다른 입자보다 매트릭스재(104) 시트(100) 내로 더 깊이 안착시킬 수 있다.
필요한 경우, 도 5a 내지 도 5c에 나타낸 공정을 매트릭스재(104)(도 5 (D)에 나타낸 바와 같음) 시트(100)의 다른쪽 상에 반복하여 연마재 입자(20)가 몇 가지 소정의 원하는 패턴으로 층에 걸쳐 분산된 힘침층을 형성한다. 일반적으로 공정을 여러 차례 반복하여 연마재 입자(20)가 함침된 복수의 얇은 층 또는 시트(100)를 얻는다. 물론, 각각의 시트(100)에는 연마재 입자(20)를 동일한 패턴으로 분산시키거나 연마재 입자의 콘센트레이션을 동일하게 할 필요는 없다.
다음에, 연마재 함침 시트(100)를 원하는 크기 및 형상으로 절단하고, 이들 시트(100)를 조립하여 공구 세그멘트 또는 필요한 경우 공구 보디 전체를 형성한다. 일반적으로, 시트(100)는 프레스로 냉간압축(cold compaction)하는 것과 같은 공지의 방법에 의하여 조립된다. 이렇게 형성된 "그린(green)"보디는 경화되어 다음 예에서 설명하는 바와 같이 종래의 소결 또는 함침 방법에 의하여 최종 공구 제품으로 형성될 수 있다.
도 5a 내지 도 5d에 개시된 방법이 여러 가지 적용에 바람직하지만, 연마재 입자(20)를 매트릭스재 시트(100)로부터 외측으로 연장시키는 것이 바람직한 경우가 있다. 예를 들면, 일부 공구는 단지 하나의 연마재층을 가질 수 있다. 이것은 도 5a 및 도 5b에 나타낸 단계를 실행할 때, 템플레이트가 일단 제거되면 입자(20)를 매트릭스재 내로 더 압착하지 않고, 템플레이트(110)를 제 위치에서 단지 벗어나게 함으로써 실행될 수 있다.
대안으로서, 도 6a 내지 도 6c는 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 설명한 방법의 다른 예의 측면도이다. 도 6a 내지 도 6c에 나타낸 매트릭스재 시트(100)는 초연마재 입자(20)의 높이보다 더 얇다. 따라서, 상기 절차에 있어서, 입자를 시트(130) 내에 압착할 때 입자(20)가 매트릭스재(134) 상측으로 돌출할 수 있다.
본 발명은 입체 연마공구를 제조하려는 것이지만, 본 출원에 포함된 지침은 평면 공구에도 물론 용이하게 적용될 수 있다. 예를 들면, 미합중국특허 제3,894,673호 및 제4,108,576호에는 다이아몬드 입자층 하나를 포함하는 특정의 브레이징된 다이아몬드공구가 개시되어 있다. 이들 입자는 크롬 함유 합금에 의하여 공구 자루(tool shank) 상에 브레이징된다. 이러한 다이아몬드공구는 비철금속(예를 들면, 석재 또는 유리)의 커팅 및 그라인딩용으로 널리 시판되고 있다(예를 들면, 미합중국의 어브레시브즈 테크놀로지(Abrasives Technology)사 제품임).
그러나, 이들 공구 상에는 일반적으로 다이아몬드 입자가 무작위로 불균일하게 분산된다. 도 5a 내지 도 6c에 예시된 방법은 이러한 공구에 용이하게 적용되어 다이아몬드 분산을 개선시킬 수 있다. 이 경우, 상기 방법은 이들 특허에 개시된 종래 기술에 비하여 여러 가지 장점을 제공한다. 예를 들면, 다이아몬드 입자를 원하는 패턴으로 분산시킴으로써, 커팅 부하가 다이아몬드 입자 모두에 균등하게 분산될 수 있다. 그 결과, 공구는 수명은 길어지고 더 빨리 절단할 수 있다.
브레이징층의 두께를 균일하게 함으로써 성능이 더 향상될 수 있다. 이러한 균일성으로 인하여 다이아몬드는 양호하게 지지되며 찌꺼기가 용이하게 제거될 수 있다. 또한, 각각의 다이아몬드 입자를 커팅에 완전하게 사용함으로써 다이아몬드의 콘센트레이션이 감소될 수 있다. 전술한 바와 같이, 다이아몬드 비용이 다이아몬드공구의 총 제조비용 중 약 절반을 차지하는 경우가 종종 있다. 따라서, 본 발명을 실행함으로써 제조비용을 상당히 저감시킬 수 있다.
도 6a 내지 도 6b는 템플레이트(130)의 개구 간격을 균일하게 할 필요가 없다는 원리를 나타낸다. 오히려, 간격을 변경시킴으로써 매트릭스재(134) 시트(130)의 여러 부분 상에 상이한 콘센트레이션을 촉진시킬 수 있다. 또한, 개구(138)의 크기 및 다이아몬드 입자가 개구에 배치되어 있는 순서를 제어함으로써, 하나의 층에 상이한 크기의 입자가 제공될 수 있다.
공구의 성능을 개선시키고 제조비용을 저감할 수 있는 외에, 본 발명은 얇은 톱날을 가진 공구를 용이하게 제조하는 방법을 제공한다. 예를 들면, 전자산업 분야에서는 보다 큰 실리콘 웨이퍼(현재는 직경이 12인치)를 사용하는 것을 필요로 하고 있다. 따라서, 실리콘 결정을 커프 손실(kurf loss)이 낮게 슬라이싱하도록 톱날을 보다 얇게 하고, 실리콘 칩을 보다 조밀하게 구획되게 그루빙하도록 다이싱 휠(dicing wheel)을 보다 얇게하는 것이 필요하다.
본 발명 이전에는 다이아몬드 입자가 균일하게 분산된 매우 얇은 공구를 제조하는 것이 상당히 곤란하였다. 본 발명은 이러한 공구를 제조하는 다른 방법을 제공한다. 예를 들면, 다이아몬드 미세분말, 금속 분말(예를 들면, 청동 및 코발트) 혼합물 및 적합한 결합제를 혼합시킴으로써 상기 재료가 두께가 0.1mm보다 얇게 압연될 수 있다는 것을 알았다. 이 얇은 시트를 구워서 이것을 공구 홀더 상에 장착함으로써 얇은 다이싱 휠이 제조될 수 있다.
상기와 달리, 본 발명에 있어서 분산이 제어되고, 전술한 복수층의 초연마재 구성의 장점 일부는 템플레이트를 사용하지 않고 달성될 수 있다는 것을 알았다. 보다 구체적으로, 연마재 입자는 매트릭스 분말과 또한 혼합되어 층으로 된 시트의 재료로 제조될 수 있다. 이 경우, 연마재 입자는 여전히 약간 무작위로 분산된다. 그렇지만 이들 입자는 종래의 연마재 보디보다 더 균일하게 분산되는 것이 일반적이다. 후반부에 개시된 연마재 입자와 매트릭스 분말의 분리는 입체 보디보다 대체로 평면 시트에서 덜 확대된다. 이것은 특히 변형공정(예를 들면, 압연)으로 제조된 시트에 특히 해당한다. 이 경우, 연마재 입자는 롤러의 전단작용(shearing action)에 의하여 매트릭스 내에 더 확산된다.
본 발명은 연마재 공구의 제조와 관련이 없는 다른 적용에도 또한 적용될 수 있다. 예를 들면, 다이아몬드 입자가 이식된 흑연 또는 금속 시트는 고압 및 고온 하에서 다이아몬드를 성장시키는 시드(seed)로 사용될 수 있다. 산업용 다이아몬드는 흑연 및 금속 촉매(예를 들면, 철, 코발트, 또는 니켈 합금)가 교대로 적층된 층을 고압으로 압축하여 제조하고 촉매의 융점 이상으로 가열되는 것이 일반적이다. 다음에, 다이아몬드는 이들 층의 인터페이스 상에 무작위로 응집된다. 이렇게 형성된 다이아몬드 결정의 품질은 균일하게 분산되지 않은 성장 중인 결정의 충돌에 의하여 열화되는 경우가 가끔 있다. 따라서, 다이아몬드 합성체의 수율 및비용은 핵을 균일하게 분산시킴으로써 실질적으로 개선될 수 있다. 본 발명은 소정의 다이아몬드 시드 패턴을 가진 흑연 또는 금속 촉매 층을 제공할 수 있다. 이들 층을 조립하는 도중에 유기 결합제를 주입하는 경우, 이들 유기 결합제는 프레스 내에 올리기 전에 노 내에서의 가열에 의하여 제거될 수 있다.
예 1
40/50 메시 다이아몬드 그릿(드 비어즈 컴파니사 제품 SDA-85+)을 금속 분말과 혼합시켜 다이아몬드 콘센트레이션이 20(총 체적의 5%)인 혼합물을 형성하였다. 코발트(크기가 약 1.5마이크로미터) 및 청동(크기가 약 20마이크로미터)을 다섯 가지 상이한 비율로 하여 매트릭스 분말용으로 사용하였다. 아크릴 결합제를 혼합물에 가하고(8 중량%) 전하를 혼합시켜 케이크를 형성하였다. 다음에, 케이크를 두 개의 스테인리스강 롤러 사이에서 압연하여 두께가 1mm인 시트를 형성하였다. 이들 시트를 길이 40mm, 폭 15mm인 톱날 세그멘트 형상으로 절단하였다. 이들 각각의 세그멘트 3개를 조립하여 종래의 다이아몬드 톱 세그멘트 제조용의 일반적인 혹연 몰드 내에 위치시켰다. 조립된 세그멘트를 압착하고 흑연 몰드에 전류를 통과시켜 가열하였다. 3분 동안 소결 후, 세그멘트는 다공성이 1% 이하인 높이 9mm로 경화되었다. 각 조성에 대한 24개의 세그멘트를 조립하였다. 이들을 직경 14인치의 원형 톱날 상에 브레이징하였다. 이들 5개의 톱날을 흑연 커팅에 사용하고, 종래 방법에 의하여 제조된 다이아몬드 콘센트레이션이 높은(예를 들면 23) 톱날보다 동등하거나 또는 더 양호하게 실행되는 것으로 판명되었다. 닳은 세그멘트의 현미경 실험에 따르면 다이아몬드 입자가 층으로 된 매트릭스 내에 이식되어 있지는 않지만 이들 입자는 종래 방법에 의하여 제조된 세그멘트보다 더 균일하게 분산되어 있다는 것을 나타낸다. 입자는 종래의 세그멘트의 두꺼운 보디 내에서보다 층으로 된 매트릭스 내에 훨씬 적게 분리되어 있다.
예 2
예 1에서와 같이 동일 순서를 거쳤으나 각각의 세그맨트에 대하여 8 개의 얇은 층(0.4mm)을 사용하였다. 다이아몬드 콘센트레이션을 15로 감소시키고 입자를 도 5a 내지 도 5d에 나타낸 예시에 따라서 이식하였다. 다이아몬드 분산이 훨씬 개선되었다. 그 결과, 이들 톱날의 성능은 종래 방법에 의하여 제조된 다이아몬드 콘센트레이션이 20인 이들 톱날보다 동일하거나 또는 더 양호하였다.
예 3
약 100 메시의 철분(iron powder)을 월 콜모노이 컴파니(Wall Colmonoy Company)에서 제조된 S-결합제와 혼합시켜 케이크를 형성하였다. 다음에, 케이크를 압연하여 두께 0.4mm의 시트를 형성하였다. 이들 시트 내에 40/50 메시 SDA-100+다이아몬드 그릿을 이식하여 콘센트레이션 15를 얻었다. 이들 다이아몬드를 포함하는 시트를 길이 40mm, 폭 9mm의 톱 세그멘트 형상으로 절단하였다. 이들 세그멘트 8개를 그룹으로 조립하여 흑연 몰드에 위치시켰다. 24개 그룹을 수평으로, 다른 24개 그룹을 수직으로 흑연 몰드에 위치시켰다. 니코브라즈 엘엠 분말(Nicrobraz LM powder)(-140 메시)(Wall Colmonoy Company사 제품)을 이들 세그멘트 상단에 가하였다. 이들 샘플을 진공로(10-5토르)에서 1050℃까지, 수평으로 배치된 세그멘트에 대하여는 20분 동안 수직으로 배치된 세그멘트에 대하여는 30분 동안 가열하였다. 용해된 LM 합금(융점이 1000℃인 Ni-Cr-B-Si)을 이들 세그멘트 내에 함침시켜 다공을 채웠다. 이들 세그멘트 상의 과잉 LM 브레이즈는 전극 방전(EDG)에 의하여 접지되었다. 이렇게 조립된 24개의 세그멘트 각각을 직경 14인치의 원형 톱날 상에 브레이징하였다. 이들 톱날을 흑연을 절단하는데 사용하고, 종래의 톱날에 비하여 현저하게 개선된 것으로 나타났다.
예 4
니코브라즈 엘엠 분말을 아크릴 결합제와 혼합 및 압연하여 약 0.25mm의 층을 형성하였다. 제너럴 일렉트릭 컴파니에서 제조한 40/50 메시 MBS-960 다이아몬드 그릿을 도 5에 예시된 방법에 따라 이들 층 내에 이식하였다. 이들 다이아몬드 이식된 금속층을 적절한 크기로 절단하여 2,000 비드(bead)(펄(pearls)의 와이어 톱 둘레에 감았다. 비드는 3 ∼ 5도 사이의 테이퍼각(taper angle)을 가지는 것이 바람직하다. 이들 비드(직경 10mm X 길이 10mm)를 두 개의 그룹, 즉 비드 당 280개의 결정(약 0.2 캐럿)을 포함하는 그룹 및 400개의 결정(약 0.3 캐럿)을 포함하는 그룹으로 분할시켰다. 이들 비드를 진공로에서 1,000℃까지 8분 동안 가열하였다. 이들 비드를 여러 개의 와이어 톱 상에 장착하여 대리석, 사문석 및 화강암을 절단하는데 사용하였다. 이들 비드의 성능이 종래의 비드에 비하여 우수한 것으로 펀명되었다. 종래의 비드는 고온 프레싱 또는 전기도금 중 어느 한 방법에 의하여제조되는 것이 일반적이다. 이들 종래의 비드는 비드 당 다이아몬드 함유량(1 캐럿까지)이 훨씬 높을 수 있다.
예 5
예 4에 개시된 방법과 동일하지만 다른 제품, 예를 들면 원형 톱, 얇은-벽 코어 비트(thin-wall core bits), 및 커버춰 그라운더(curvature grounder)에 적용하였다. 이들 제품 각각은 초연마재 콘센트레이션이 유사하거나 높은 종래의 전기도금 다이아몬드공구에 비하여 성능이 우수하다.
상기 설명 및 예는 본 발명의 특정 가능한 용도를 단지 예시하려는 것이다. 당업자는 본 발명이 광범위하게 사용 및 적용될 수 있다는 것을 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위를 일탈하지 않고 본 명세서에 개시된 실시예 이외에 여러 가지로 변경, 변형 및 동등 배열을 할 수 있다는 점을 본 발명 및 전술한 설명으로부터 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였지만, 본 개시는 본 발명을 단지 예시하는 것으로서 본 발명을 충분하게 설명하기 위하여 개시하였다. 전술한 설명은 본 발명을 한정하거나 또는 임의의 다른 실시예, 즉 개작, 변경, 변형 및 동등 배열을 배제하려는 것이 아니며 본 발명은 첨부된 청구범위 및 그 동등물에 의해서만 단지 한정된다.

Claims (41)

  1. 주어진 패턴으로 분산된 다수의 다이아몬드 그릿 및
    상기 다이아몬드 그릿을 지지하기 위하여 구축된 금속 매트릭스
    을 포함하는, 연마재가 주입된 세그멘트를 가진 연마공구.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 연마재가 주입된 세그멘트는 다이아몬드 그릿이 주입된 복수의 금속 매트릭스층에 의하여 형성되고, 상기 복수의 금속 매트릭스층이 서로 인접하여 배치된 연마공구.
  4. 제3항에서,
    상기 하나의 금속 매트릭스층의 다이아몬드 그릿이 적어도 다른 하나의 금속 매트릭스층의 다이아몬드 그릿보다 큰 연마공구.
  5. 제4항에서,
    상기 복수의 금속 매트릭스층이 적어도 하나의 외층 및 적어도 하나의 내층을 포함하고, 상기 적어도 하나의 내층의 다이아몬드 그릿이 상기 적어도 하나의 외층의 다이아몬드 그릿보다 큰 연마공구.
  6. 제5항에서,
    상기 연마재가 주입된 세그멘트가 2개의 외층 및 상기 외층 사이에 배치된 적어도 하나의 내층으로 이루어지고, 상기 외층 및 상기 적어도 하나의 내층 각각은 내부에 배치된 다이아몬드 그릿을 가지며, 상기 적어도 하나의 내층에 배치된 다이아몬드 그릿이 상기 외층에 배치된 다이아몬드 그릿보다 큰 연마공구.
  7. 제3항에서,
    상기 적어도 하나의 금속 매트릭스층이 상기 적어도 다른 하나의 금속 매트릭스층보다 다이아몬드 그릿의 콘센트레이션(concentration)이 큰 연마공구.
  8. 제7항에서,
    상기 복수의 금속 매트릭스층이 적어도 하나의 외층 및 적어도 하나의 내층을 포함하고, 상기 적어도 하나의 외층이 상기 적어도 하나의 내층보다 다이아몬드 그릿의 콘센트레이션이 큰 연마공구.
  9. 제8항에서,
    상기 연마재가 주입된 세그멘트가 2개의 외층 및 상기 외층 사이에 배치된 적어도 하나의 내층으로 이루어지고, 상기 외층 및 상기 적어도 하나의 내층 각각은 내부에 배치된 연마재 입자를 가지며, 상기 외층에 배치된 다이아몬드 그릿이 상기 적어도 하나의 내층에 배치된 다이아몬드 그릿보다 콘센트레이션이 크게 배치된 연마공구.
  10. 제7항에서,
    상기 복수의 금속 매트릭스층이 제1의 콘센트레이션의 다이아몬드 그릿을 가진 적어도 하나의 제1층, 상기 제1의 콘센트레이션보다 낮은 제2의 콘센트레이션의 다이아몬드 그릿을 가진 적어도 하나의 제2층, 및 상기 제2의 콘센트레이션보다 낮은 제3의 콘센트레이션의 다이아몬드 그릿을 가진 적어도 하나의 제3층을 포함하는 연마공구.
  11. 제7항에서,
    상기 연마재가 주입된 세그멘트는 절단될 표면에 먼저 충돌하도록 이루어진 리딩 에지(leading edge)를 가지고, 상기 세그멘트는 복수의 층에 의하여 형성되고, 상기 층 중 일부는 상기 리딩 에지에 인접하며 상기 층 중 다른 일부는 상기 리딩 에지로부터 떨어져 있고, 상기 리딩 에지에 인접한 층이 상기 리딩 에지로부터 떨어진 층보다 다이아몬드 그릿의 콘센트레이션이 높은 연마공구.
  12. 제1항에서,
    상기 다이아몬드 그릿이 상기 연마재가 주입된 세그멘트 전체에 걸쳐 균일한 패턴으로 분산되는 연마공구.
  13. 제12항에서,
    상기 다이아몬드 그릿이 상기 공구 전체에 걸쳐 균일하게 분산되는 연마공구.
  14. 제1항에서,
    상기 공구는 전체에 걸쳐 분산된 다이아몬드 그릿을 가지고, 상기 공구는 다이아몬드 그릿의 콘센트레이션이 높게 내부에 배치된 외측부를 가진 연마공구.
  15. 제1항에서,
    상기 세그멘트는 자신의 상측에 형성된 충돌면을 가지며, 상기 다이아몬드 그릿이 상기 충돌면에 인접하여 콘센트레이션이 높게 배치된 연마공구.
  16. 제1항에서,
    상기 세그멘트는 다이아몬드 그릿이 특정 패턴으로 분산된 복수의 금속 매트릭스층에 의하여 형성되고, 상기 복수의 금속 매트릭스층은 함께 조립되어 원하는대로 다이아몬드 그릿이 입체 분산된 세그멘트를 형성하는 연마공구.
  17. 내부에 분산된 복수의 다이아몬드 그릿 및
    상기 다이아몬드 그릿을 지지하도록 금속 매트릭스로 형성된 복수의 층
    을 포함하며, 상기 금속 매트릭스층이 서로 부착되어 입체 공구 연마재 세그멘트를 형성하는 연마공구.
  18. 제17항에서,
    상기 금속 매트릭스층 중 적어도 하나의 층의 두께가 0 밀리미터보다 크고 1 밀리미터 이하인 연마공구.
  19. 제17항에서,
    상기 금속 매트릭스층이 브레이징(brazing), 소결(sintering) 또는 함침 (infiltration)으로 이루어지는 군에서 선택된 방법에 의하여 함께 경화되는 연마공구.
  20. 제17항에서,
    상기 다이아몬드 그릿이 상기 금속 매트릭스층 내에 소정의 패턴으로 분산된 연마공구.
  21. 제20항에서,
    상기 다이아몬드 그릿이 적어도 하나의 금속 매트릭스층에 균일하게 분산된 연마공구.
  22. 내부에 형성된 다이아몬드 그릿을 가진 복수의 금속 매트릭스층을 포함하고, 상기 금속 매트릭스층의 두께를 0 밀리미터보다 크고 1밀리미터 이하가 되도록 상기 금속 매트릭스층 및 상기 다이아몬드 그릿을 롤러 사이에 압연시켜 형성함으로써 다이아몬드 그릿이 균일하게 분산되도록 개선한 연마공구.
  23. (a) 다이아몬드 그릿을 결합하도록 이루어진 금속 매트릭스 시트를 형성하는 단계, 및
    (b) 상기 금속 매트릭스 시트에 복수의 다이아몬드 그릿을 소정의 패턴으로 배치시키는 단계
    를 포함하는 연마공구 보디 형성 방법.
  24. 제23항에서,
    상기 방법이, 상기 복수의 다이아몬드 그릿를 배치하기 전에 내부에 형성된 복수의 개구(aperture)를 가진 템플레이트를 상기 금속 매트릭스 시트 상에 위치시킴으로써 상기 다이아몬드 그릿의 배치가 상기 개구의 위치에 의해 제어되어 상기 매트릭스재 시트 내의 다이아몬드 그릿이 상기 개구의 위치에 배치되는 것이 선택적으로 제한되는 단계를 포함하는 연마공구 보디 형성 방법.
  25. 제24항에서,
    상기 방법이 시브(sieve)로부터 형성된 템플레이트를 사용하는 단계를 포함하는 연마공구 보디 형성방법.
  26. 제24항에서,
    상기 템플레이트가 소정의 패턴으로 구성된 복수의 개구가 내부에 형성된 플레이트에 의해 형성된 연마공구 보디 형성방법.
  27. 제26항에서,
    각각의 개구 직경은 배치될 다이아몬드 그릿의 직경보다 크지만 상기 다이아몬드 그릿 직경의 2배 이하인 연마공구 보디 형성 방법.
  28. 제23항에서,
    상기 방법이 상기 매트릭스재 시트를 테이프 주조에 의해 형성하는 단계를 포함하는 연마공구 보디 형성방법.
  29. 제23항에서,
    상기 방법이 상기 금속 매트릭스 시트를 압연에 의해 형성하는 단계를 포함하는 연마공구 보디 형성 방법.
  30. 제23항에서,
    상기 방법이 상기 금속 매트릭스 시트를 압출에 의해 형성하는 단계를 포함하는 연마공구 보디 형성 방법.
  31. 제23항에서,
    상기 방법이 다이아몬드 그릿이 특정 패턴으로 분산된 복수의 금속 매트릭스층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 복수의 금속 매트릭스층이 함께 조립되어 다이아몬드 그릿이 원하는대로 입체적으로 분산된 세그멘트를 형성하는 연마공구 보디 형성 방법.
  32. 다이아몬드 그릿의 분산이 개선된 다이아몬드 그릿이 주입된 금속 매트릭스층을 형성하는 방법에서,
    (a) 금속 매트릭스층을 형성하는 단계,
    (b) 다이아몬드 그릿을 상기 금속 매트릭스 내에 분산시키는 단계 및
    (c) 상기 금속 매트릭스 및 상기 다이아몬드 그릿을 포함하는 층을 압연하여 두께가 0 밀리미터보다 크고 1밀리미터 이하인 층을 형성하는 단계
    를 포함하는 다이아몬드 그릿이 주입된 금속 매트릭스층 형성 방법.
  33. 다이아몬드 합성용 촉매층을 형성하는 방법에서,
    (a) 금속 및 흑연으로 이루어지는 군에서 선택된 복수의 촉매층을 형성하는 단계 및
    (b) 복수의 다이아몬드 입자를 상기 촉매 내에 소정의 패턴으로 심는 단계
    를 포함하는 촉매층 형성 방법.
  34. 제33항에서,
    상기 방법이 상기 복수의 다이아몬드 입자를 이식하기 전에 유기 결합제를 상기 금속 촉매 내에 배치시키는 단계를 추가로 포함하는 촉매층 형성방법.
  35. 다이아몬드 합성체용 원재료(source material)를 제조하는 방법에서,
    (a) 흑연층을 제공하는 단계 및
    (b) 복수의 다이아몬드 입자를 상기 흑연층에 소정의 패턴으로 이식하는 단계
    를 포함하는 원재료 제조방법.
  36. 제1항에서,
    상기 연마재가 주입된 세그멘트는 복수의 금속 매트릭스층을 포함하는 연마공구.
  37. 제36항에서,
    상기 금속 매트릭스는 복수의 다이아몬드 그릿층을 포함하는 연마공구.
  38. 제37항에서,
    상기 공구가 상기 다이아몬드 그릿을 포함하는 금속 매트릭스에 의하여 적어도 부분적으로 둘러싸인 와이어 톱(wire saw)인 연마공구.
  39. 삭제
  40. 제36항에서,
    상기 금속 매트릭스가 브레이징(brazing), 소결(sintering) 및 함침 (infiltration)으로 이루어진 군에서 선택한 방법에 의하여 경화된 연마공구.
  41. 연마재 입자를 결합하도록 이루어진 금속 매트릭스 및
    상기 금속 매트릭스 내에 소정의 패턴으로 분산된 복수의 연마재 입자
    를 포함하는 연마재가 주입된 세그멘트를 갖는 연마공구.
KR1019997009095A 1997-04-04 1998-03-26 연마공구, 연마공구 보디 형성방법, 다이아몬드 그릿층 형성방법, 촉매층 형성방법 및 다이아몬드 원소재 형성방법 KR100366466B1 (ko)

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