KR100667356B1 - 다기공 비트리파이드 공구의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다기공 비트리파이드 공구의 제조방법에 관한 것으로 기존 비트리파이드 공구의 눈막힘 현상으로 인한 가공성 저하를 개선시켜 연삭성 및 수명이 향상된 다기공 비트리파이드 공구의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 유리분말의 양 및 소결온도에 따라 비트리파이드 공구의 기공량과 기공크기가 조절되므로, 연삭찌꺼기로 인한 눈막힘 현상이 방지되어 세라믹, 사파이어, 스테인레스, 초정밀 기계부품 및 분말야금 등의 난삭재 가공에 널리 활용될 수 있을 것이다.
다기공 비트리파이드 공구, 유리분말, 소결온도, 기공

Description

다기공 비트리파이드 공구의 제조방법{Method of Manufacturing a Porous Vitrified Tool}
본 발명은 다기공 비트리파이드 공구의 제조방법에 관한 것으로 기존 비트리파이드 공구의 눈막힘 현상으로 인한 가공성 저하를 개선시켜 연삭성 및 수명이 향상된 다기공 비트리파이드 공구의 제조방법에 관한 것이다.
비트리파이드 공구는 기존의 레진본드 다이아몬드 공구 및 메탈본드 다이아몬드 공구에 비해 뛰어난 연삭성과 경제성으로 인해 그 수요가 증가하고 있으며, 세라믹, 사파이어, 스테인레스, 초정밀 기계부품 및 분말야금 등 난삭재 가공에 사용되고 있다.
그러나, 분말야금의 경우 연삭시 연삭찌꺼기가 매우 작고 무겁기 때문에 결합제에 연삭찌꺼기가 박히는 눈막힘 현상이 발생한다. 전기 눈막힘 현상을 방지하기 위하여, 공구 자체에 홈을 파서 연삭찌꺼기를 배출하고 있지만 이러한 방법으로는 한계가 있어 잦은 성형공정(dressing)이 불가피하다. 연삭찌꺼기가 다이아몬드 돌출부를 덮어 연삭이 되지 않고 미끌리는 현상을 비트리파이드 공구에서 자주 볼 수 있는데, 한번의 성형공정으로 보다 빠르고 많은 작업을 하기 위해 상기와 같은 눈막힘 현상은 해결해야 할 중요한 과제로 부각되어 왔다. 초경 100개를 가공하는 한 싸이클 당 다이아몬드 공구의 소모가 2㎛라면 성형공정으로 소모되는 공구의 양은 15 내지 20㎛이므로, 눈막힘 현상으로 인한 손실의 규모를 짐작할 수 있다.
한편, 기계적 연삭 프로세스를 향상시키기 위한 연마재 내의 기공의 중요성이 잘 알려져 왔는데, 기공은 냉각제 및 윤활제와 같은 연삭 유체에 대한 접근을 용이하게 하여, 효과적인 절삭, 야금 손상(예를 들면, 표면 연소)의 최소화 및 공구수명의 최대화를 가능하게 한다. 또한, 기공은 피연삭체로부터 제거된 재료(예를 들면, 칩 또는 연삭찌꺼기)를 배출하는데, 이는 특히 피연삭체가 비교적 연성이거나 또는 표면 마무리 요건이 요구될 때(예를 들면, 웨이퍼의 이면 연삭시) 중요하다.
상기와 같은 기공을 형성하기 위하여, 종래 여러가지 방법이 사용되고 있는데, 예를 들면, 슬러리에 물을 포함시켜 급냉동시키는 방법으로 기공을 형성하거나 목분이나 전분, 동물의 뼈, 머리카락 등의 입자를 일정 비율로 첨가하여 성형한 후, 상기 유기물들을 연소함으로써 기공을 형성하는 방법 등이 사용되고 있다. 또한, 대한민국특허 제 453451호에는 페놀 수지 및 에폭지 수지 등의 용액을 소결 완료된 비트리파이드 숫돌에 넣어서 침투 및 함침시킨 후에 가열에 의해 경화시키는 방법으로 기공을 형성시킨 비트리파이드 다이아몬드 숫돌이 개시되어 있다.
하지만, 상기와 같은 종래 기술로는 초경합금 등의 연삭에 사용하기에 충분 한 기공량 및 기공크기를 수득할 수 없어, 눈막힘 현상으로 인한 가공성 저하를 개선하기에는 아직 부족한 실정이다.
따라서, 기공량 및 기공크기를 조절하여 눈막힘 현상이 방지되고, 연삭성 및 수명을 향상시킨 다기공 비트리파이드 공구에 대한 개발의 필요성이 끊임없이 대두되었다.
이에, 본 발명자는 기공량 및 기공크기를 조절하여 눈막힘 현상이 방지되고, 연삭성 및 수명을 향상시킨 다기공 비트리파이드 공구를 개발하고자 예의 연구 노력한 결과, 소결온도가 870℃인 유리 분말이 소결시 온도에 따라 자화되면서 끓는 현상이 발생하고, 끓는 정도에 따라 기공의 크기가 조절될 수 있다는 사실을 관찰한 후, 기존의 비트리파이드 공구용 결합제에 유리분말을 첨가하여 기공량을 조절하고, 소결온도로 기공 크기를 조절하면 연삭성 및 수명이 향상된 다기공 비트리파이드 공구가 제조됨을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
결국, 본 발명의 목적은 연삭성 및 수명이 향상된 다기공 비트리파이드 공구의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다기공 비트리파이드 공구의 제조방법은 (i) 비트리파이드 공구용 결합제, 유리분말 및 물을 중량비 4.5∼5.5 : 2.5∼3.5 : 1.5∼2.5로 혼합 및 분쇄하여 슬러리를 형성하는 공정; (ii) 상기 슬러리를 탄성 볼밀기에 옮겨 넣은 후, 슬러리 및 다이아몬드 입자를 중량비 7:3 내지 8:2로 2시간 동안 혼합하는 공정; (iii) 상기 혼합물을 140 내지 160℃에서 7 내지 9시간 건조한 후, 분쇄 기계식 프레스로 성형하는 공정; 및, (iv) 상기 성형품을 전기로에서 870 내지 910℃의 온도로 소결하는 공정을 포함한다.
상기 비트리파이드 공구용 결합제는 규산염 63.5중량%, 알루미나 7.2중량%, 칼륨 9.5중량%, 바륨 5.5중량%, 조장석 2.5중량%, 장석 5중량%, 붕산 2.3중량%, 초석 2중량% 및 기타 산화물 2.5중량%를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 유리분말은 SiO2 47 내지 53중량%, Al2O3 17 내지 30중량%, B2O 15 내지 22중량%, R2O 5 내지 10중량%, MgO 3 내지 5중량%, CaO 1 내지 3중량% 및 ZnO 0.3 내지 1.0중량%를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 비트리파이드 공구용 결합제 내의 기타 산화물은 알칼리금속 산화물 또는 알칼리토류금속 산화물인 것이 바람직하고, 상기 R2O는 Li2O, Na2O 및 K2O로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 산화물인 것이 바람직하다.
본 발명의 비트리파이드 공구는 레진본드 다이아몬드 공구에 비하여, 결합제의 강성 및 입자 결합력이 크기 때문에, 입자간의 지지력이 우수하고, 메탈본드 다이아몬드 공구에 비하여 눈막힘 현상이 발생하기 어려우며, 레진본드와 메탈본드 다이아몬드 공구와는 달리 공구에 적절한 최소한의 기공을 유지하게 하여 연삭칩의 배출이 용이하게 된다. 이러한 비트리파이드 공구는 연삭을 주도하는 지립과 연삭시 칩의 배출과 냉각효과를 가져오는 기공 및 이들의 지립을 결합시키는 결합제가 중요한 역할을 담당하고 있는데, 본 발명자는 비트리파이드 공구의 제조시, 결합제에 첨가되는 유리분말의 양으로 기공량을 조절하고, 소결온도에 따라 기공크기가 조절되게 함으로써, 눈막힘 현상으로 인한 가공성의 저하를 개선시켰다.
본 발명의 제조방법 중 (i) 공정에 사용되는 유리분말을 구성하는 SiO2의 함유량은 47 내지 53중량%가 바람직한데, SiO2의 함유량이 너무 낮으면 결합강도가 저하되며, 함유율이 너무 높으면 충분한 소결을 위해서 높은 소결온도가 필요하게 된다. 또한, 유리분말을 구성하는 Al2O3의 함유량은 17 내지 30중량%가 바람직한데, Al2O3의 함유량이 너무 낮으면 소결 후의 결합제의 안정성이 저하되며, Al2O3의 함유량이 너무 높으면 용융점도가 높아져서 입자와의 젖음성이 저하된다.
유리분말을 구성하는 B2O의 함유량은 15 내지 22중량%가 바람직한데, B2O의 함유량이 너무 낮으면 충분한 소결을 위하여 높은 소결온도가 필요하며, B2O의 함유량이 너무 높으면 용융점도가 낮아서 유동성이 증대하고, 결합강도가 저하되기 때문이다.
또한, 유리분말을 구성하는 MgO의 함유량은 3 내지 5중량%, CaO의 함유량은 1 내지 3중량%가 바람직한데, MgO 및 CaO의 함유량이 너무 낮으면 충분한 소결을 위해서는 높은 소결온도가 필요하며, MgO 및 CaO의 함유량이 너무 높으면 용융점도가 낮아서 유동성이 증가되고 입자 유지력이 저하되며 취성이 커져서 내충격성이 낮아진다.
유리분말을 구성하는 R2O는 알칼리금속 산화물로서 특별히 이에 제한되지는 않지만, Li2O, Na2O 및 K2O로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 산화물인 것이 바람직하다. R2O의 함유량이 너무 낮으면 충분한 소결을 위해 높은 소결온도가 필요하며, 함유량이 너무 높으면 열팽창계수가 높아져서 입자와의 경계부에서 응력집중이 발생하고, 입자가 탈락되기 쉽게 되며, 더욱이 입자와의 열팽창계수의 차이가 커져서 결합력이 저하된다. 바람직한 R2O의 함유량은 5 내지 10중량%이다.
또한, MgO 및 ZnO 양 성분이 공존할 때, 결합제의 열팽창계수가 작아지고, 소결에 의한 수축은 감소하며, 균일하고 강한 결합구조가 형성되므로 ZnO도 유리분말의 구성요소이어야 한다. 유리분말을 구성하는 ZnO는 0.3 내지 1.0중량%인 것이 바람직하다.
제 (i)공정에서 비트리파이드 공구용 결합제, 유리분말 및 물을 일정한 중량비로 혼합 분쇄하여 슬러리를 수득하는데, 비트리파이드 공구용 결합제, 유리분말 및 물을 4.5∼5.5 : 2.5∼3.5 : 1.5∼2.5의 중량비로 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 조성비 내에서 유리분말의 양이 증가 할수록 최종적으로 제조되는 비트리파이 드 공구의 기공량이 증가한다. 하기 표 1에서 보듯이, 유리분말량에 따라 최종 수득되는 비트리파이드 공구의 기공량이 변화한다.
표 1: 유리분말량에 따른 비트리파이드 공구의 기공량 변화(비트리파이드 결 합제 5kg 및 물 2kg 사용)
유리분말량(kg) 기공량
3.0 7~8%
3.1 10~15%
3.2 15~20%
기공의 양은 5 내지 30용량%를 유지하는 것이 바람직한데, 기공의 양이 4용량% 이하면 형상변형이 적고 수명은 길어지나 연삭성이 저하되고, 이와 반대로 기공의 양이 31용량% 이상이면 연삭성은 우수하나 형상변형이 심하고 수명이 짧아진다. 상기 조성비로 제조된 비트리파이드 공구의 기공량은 7 내지 20용량%로서 연삭성이 우수하고, 형상변형이 적을 뿐만 아니라 공구의 수명도 길기 때문에 초경합금 등의 연삭에 유리하다.
상기 조성비로 혼합 및 분쇄된 슬러리를 다이아몬드 입자와 중량비 7:2 내지 8:3으로 탄성 볼밀기 내에서 2시간 혼합한다. 이때, 상기 슬러리와 다이아몬드 입자의 중량비는 75:25인 것이 가장 바람직하다. 2시간 혼합한 슬러리 및 다이아몬드 입자를 140 내지 160℃에서 7 내지 9시간 건조한 후에 분쇄 기계식 프레스로 성형하고, 전기로를 이용하여 소결한 후, 소결된 공구를 철생크에 접착하면 본 발명의 다기공 비트리파이드 공구가 완성된다. 이때, 소결은 870 내지 910℃의 온도에 서 1시간 유지하는데, 유리분말이 끓을 때 발생하는 기포가 소결 후 비트리파이드 공구의 기공역할을 하게 되므로, 소결온도에 따라 기공의 크기가 각각 달라진다(참조: 표 2).
표 2: 소결온도에 따른 비트리파이드 공구의 기공크기의 변화
소결온도 기공크기(㎛)
880℃ 50~60
890℃ 100~130
900℃ 130~200
소결의 전과정은 환원분위기가 유지되어야 하고, 소결하는 동안 최대한 온도편차가 나지 않아야 하며, 작업실의 온도를 10 내지 15℃로 일정하게 유지시키는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 구체적인 방법을 실시예를 들어 상세히 설명하고자 하지만, 본 발명의 권리범위는 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1: 다기공 비트리파이드 공구의 제조(기공량 조절)
비트리파이드 공구용 결합제 5kg, 물 2kg 및 유리분말 3kg을 습식 볼밀기에 넣고 168시간 동안 분쇄하여 0.5㎛로 분쇄된 슬러리를 수득하였다. 이때, 사용된 비트리파이드 공구용 결합제 및 유리분말의 조성은 하기와 같다.
비트리파이드 공구용 결합제: 규산염 63.5중량%, 알루미나 7.2중량%, 칼륨 9.5중량%, 바륨 5.5중량%, 조장석 2.5중량%, 장석 5중량%, 붕산 2.3중량%, 초석 2중량% 및 FeO 2.5중량%
유리분말: SiO2 50중량%, Al2O3 21중량%, B2O 17중량%, Na2O 5중량%, MgO 4중량%, CaO 2.5중량% 및 ZnO 0.5중량%
상기 수득된 슬러리를 탄성 볼밀기에 옮겨 넣고, 슬러리와 다이아몬드 입자의 중량비가 75:25가 되도록하여 다이아몬드 입자를 슬러리와 2시간 동안 혼합하였다. 상기 혼합물을 140 내지 160℃에서 7 내지 9시간 건조한 후에 분쇄 기계식 프레스로 성형을 하고, 상기 성형품을 터널식 전기로에서 상온에서 880℃까지 분당 2.3℃씩 상승되도록 통과시간을 조절하고(약 6시간 40분 소요), 880℃에서 1시간 동안 유지하면서 통과시키다가 8시간 동안 서냉으로 통과시키면서 상온에 이르게 하였다. 소결의 전과정은 환원분위기를 유지하도록 하였으며, 작업실의 온도는 13℃로 일정하게 유지시켰다.
상기 소결된 공구를 철생크에 접착하여 다기공 비트리파이드 공구를 제조하였으며, 기공을 확인한 결과, 기공량은 7.4용량%였다.
유리분말의 양만을 3.1kg으로 증량시키고, 나머지는 상기 실험조건과 동일하게 실시하여 제조한 다기공 비트리파이드 공구의 기공량은 12.8용량%였으며, 유리분말의 양만을 3.2kg으로 증량시키고, 나머지는 상기 실험조건과 동일하게 실시하여 제조한 다기공 비트리파이드 공구의 기공량은 18.1%였다.
실시예 2: 다기공 비트리파이드 공구의 제조(기공크기 조절)
비트리파이드 공구용 결합제 5kg, 물 2kg 및 유리분말 3kg을 습식 볼밀기에 넣고 168시간 동안 분쇄하여 0.5㎛로 분쇄된 슬러리를 수득하였다. 이때, 사용된 비트리파이드 공구용 결합제 및 유리분말의 조성은 하기와 같다.
비트리파이드 공구용 결합제: 규산염 63.5중량%, 알루미나 7.2중량%, 칼륨 9.5중량%, 바륨 5.5중량%, 조장석 2.5중량%, 장석 5중량%, 붕산 2.3중량%, 초석 2중량% 및 FeO 2.5중량%
유리분말: SiO2 50중량%, Al2O3 21중량%, B2O 17중량%, Na2O 5중량%, MgO 4중량%, CaO 2.5중량% 및 ZnO 0.5중량%
상기 수득된 슬러리를 탄성 볼밀기에 옮겨 넣고, 슬러리와 다이아몬드 입자의 중량비가 75:25가 되도록하여 다이아몬드 입자를 슬러리와 2시간 동안 혼합하였 다. 상기 혼합물을 140 내지 160℃에서 7 내지 9시간 건조한 후에 분쇄 기계식 프레스로 성형을 하고, 상기 성형품을 터널식 전기로에서 상온에서 880℃까지 분당 2.3℃씩 상승되도록 통과시간을 조절하고(약 6시간 40분 소요), 880℃에서 1시간 동안 유지하면서 통과시키다가 8시간 동안 서냉으로 통과시키면서 상온에 이르게 하였다. 소결의 전과정은 환원분위기를 유지하도록 하였으며, 작업실의 온도는 13℃로 일정하게 유지시켰다.
상기 소결된 공구를 철생크에 접착하여 다기공 비트리파이드 공구를 제조하였으며, 기공을 확인한 결과, 기공크기는 54㎛였다.
소결온도만을 890℃로 승온하고, 나머지는 상기 실험조건과 동일하게 실시하여 제조한 다기공 비트리파이드 공구의 기공크기는 117㎛였으며, 소결온도만을 900℃로 승온하고, 나머지는 상기 실험조건과 동일하게 실시하여 제조한 다기공 비트리파이드 공구의 기공크기는 165㎛였다.
이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명은 유리분말의 양 및 소결온도에 따라 비트리파이드 공구의 기공량과 기공크기가 조절되므로, 연삭찌꺼기로 인한 눈막힘 현상이 방지되어 세라믹, 사파이어, 스테인레스, 초정밀 기계부품 및 분말야금 등의 난삭재 가공에 널리 활용될 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. (i) 비트리파이드 공구용 결합제, 유리분말 및 물을 중량비 4.5∼5.5 : 2.5∼3.5 : 1.5∼2.5로 혼합 및 분쇄하여 슬러리를 형성하는 공정;
    (ii) 상기 슬러리를 탄성 볼밀기에 옮겨 넣은 후, 슬러리 및 다이아몬드 입자를 중량비 7:3 내지 8:2로 2시간 동안 혼합하는 공정;
    (iii) 상기 혼합물을 140 내지 160℃에서 7 내지 9시간 건조한 후, 분쇄 기계식 프레스로 성형하는 공정; 및,
    (iv) 상기 성형품을 전기로에서 870 내지 910℃의 온도로 소결하는 공정을 포함하는, 다기공 비트리파이드 공구의 제조방법.
  2. (i) 비트리파이드 공구용 결합제, 유리분말 및 물을 중량비 4.5∼5.5 : 2.5∼3.5 : 1.5∼2.5로 혼합 및 분쇄하여 슬러리를 형성하는 공정;
    (ii) 상기 슬러리를 탄성 볼밀기에 옮겨 넣은 후, 슬러리 및 다이아몬드 입자를 중량비 7:3 내지 8:2로 2시간 동안 혼합하는 공정;
    (iii) 상기 혼합물을 140 내지 160℃에서 7 내지 9시간 건조한 후, 분쇄 기계식 프레스로 성형하는 공정; 및,
    (iv) 상기 성형품을 전기로에서 880℃의 온도로 소결하는 공정을 포함하는, 50 내지 60㎛의 기공크기를 가지는 다기공 비트리파이드 공구의 제조방법.
  3. (i) 비트리파이드 공구용 결합제, 유리분말 및 물을 중량비 4.5∼5.5 : 2.5∼3.5 : 1.5∼2.5로 혼합 및 분쇄하여 슬러리를 형성하는 공정;
    (ii) 상기 슬러리를 탄성 볼밀기에 옮겨 넣은 후, 슬러리 및 다이아몬드 입자를 중량비 7:3 내지 8:2로 2시간 동안 혼합하는 공정;
    (iii) 상기 혼합물을 140 내지 160℃에서 7 내지 9시간 건조한 후, 분쇄 기계식 프레스로 성형하는 공정; 및,
    (iv) 상기 성형품을 전기로에서 890℃의 온도로 소결하는 공정을 포함하는, 100 내지 130㎛의 기공크기를 가지는 다기공 비트리파이드 공구의 제조방법.
  4. (i) 비트리파이드 공구용 결합제, 유리분말 및 물을 중량비 4.5∼5.5 : 2.5∼3.5 : 1.5∼2.5로 혼합 및 분쇄하여 슬러리를 형성하는 공정;
    (ii) 상기 슬러리를 탄성 볼밀기에 옮겨 넣은 후, 슬러리 및 다이아몬드 입자를 중량비 7:3 내지 8:2로 2시간 동안 혼합하는 공정;
    (iii) 상기 혼합물을 140 내지 160℃에서 7 내지 9시간 건조한 후, 분쇄 기계식 프레스로 성형하는 공정; 및,
    (iv) 상기 성형품을 전기로에서 900℃의 온도로 소결하는 공정을 포함하는, 130 내지 200㎛의 기공크기를 가지는 다기공 비트리파이드 공구의 제조방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비트리파이드 공구용 결합제는 규산염 63.5중량%, 알루미나 7.2중량%, 칼륨 9.5중량%, 바륨 5.5중량%, 조장석 2.5중량%, 장석 5중량%, 붕산 2.3중량%, 초석 2중량% 및 기타 산화물 2.5중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 다기공 비트리파이드 공구의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 기타 산화물은 알칼리금속 산화물 또는 알칼리토류금속 산화물인 것을 특징으로 하는 다기공 비트리파이드 공구의 제조방법.
  7. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유리분말은 SiO2 47 내지 53중량%, Al2O3 17 내지 30중량%, B2O 15 내지 22중량%, R2O 5 내지 10중량%, MgO 3 내지 5중량%, CaO 1 내지 3중량% 및 ZnO 0.3 내지 1.0중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 다기공 비트리파이드 공구의 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 R2O는 Li2O, Na2O 및 K2O로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 산화물인 것을 특징으로 하는 다기공 비트리파이드 공구의 제조방법.
KR1020060000308A 2006-01-02 2006-01-02 다기공 비트리파이드 공구의 제조방법 KR100667356B1 (ko)

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