KR100676054B1 - 다이아몬드 연마 휠 제작 방법 - Google Patents

다이아몬드 연마 휠 제작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다이아몬드 공구인 메탈 본드 휠 제작방법에 있어서, 금속과 다이아몬드를 혼합하는 혼합공정과, 저온분사 시스템 분말송급장치에 주입하는 공정과, 상기 혼합된 금속과 다이아몬드를 저온상태에서 기판에 분사하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
다이아몬드

Description

다이아몬드 연마 휠 제작 방법{Manufacturing method for metal bonded diamond wheel}
도 1은 분말 예열 장치를 포함한 저온 스프레이 시스템 모식도.
도 2는 저온 분사에 의한 메탈 본드 휠 제작 방법을 나타내는 도면.
도 3은 완성된 메탈 본드 휠 형태을 나타내는 도면.
도 4는 구리/다이아몬드 복합재 광학현미경 단면 조직을 나타내는 도면.
도 5는 구리/다이아몬드 복합재 주사전자현미경 단면 조직을 나타내는 도면.
본 발명은 다이아몬드 연마 휠 제작 방법에 관한 것으로서, 특히, 절삭 및 연마에 사용되는 다이아몬드 공구로서 금속과 다이아몬드가 혼합되어 금속이나 유리의 연마에 주로 사용되고, 최근에는 톱날이나 자동차 부품 등 사용추세가 증가되고 있는 다이아몬드 연마 휠 제작 방법에 관한 것이다.
일반적으로 다이아몬드 공구는 공구 분류 중 주로 메탈 본드 휠로 불리우는 데, 다이아몬드 공구중 메탈 본드휠은 금속으로서 브론즈계 (Cu-Sn), 스틸계(Fe), 코발트계 (Co, Co-Fe) 등의 금속에 다이아몬드를 사용처에 따라 5-20 % (부피비)를 혼합하여 사용한다. 브론즈계는 상대적으로 연한기지를 제공하고, 스틸계는 상대적으로 강한기지를 사용한다.
이러한 메탈 본드 휠의 제조방법은
(1) 우선 원하는 혼합비율로 금속분말과 다이아몬드 입자를 혼합하고,
(2) 메탈 본드휠의 부품 형틀에 분말을 주입하고,
(3) 성형기에 삽입하여 원하는 형상으로 성형하고,
(4) 소결기에 삽입하여 적정 온도와 압력에서 소결하고, 이때 금속의 성분에 따라 소결 온도와 압력은 다르게 된다. 브론즈계는 보통 750℃, 코발트계는 보통 850℃를 사용하므로 기판으로 스틸이 주로 사용되고 무게가 가벼운 알루미늄은 사용이 불가능하다.
(4) 또한, 필요에 따라서는 기판과 소결된 성형체를 브레이징이나 접착을 통하여 접합하여 다이아몬드 메탈 본드 휠을 완성한다.
(5) 또한, 초기의 절삭성을 증대시키기 위하여 제품 출시 전에 표면을 연마 (드레싱)하여 다이아몬드가 표면에 돌출되도록 한다.
상기와 같이 여러 단계의 공정을 요구하며, 또한 자동화가 용이하지 않은 단점이 있다.
일본특허 1997-034553 (1997. 02. 19)에서는 사용처에 따라서는 5~50% (부피비) 정도의 기공도를 요구하므로 기공을 가진 메탈 본드 휠 제작 방법에 대하여 명 기하고 있다. 마찬가지로 미국특허 1989-305371 (1989. 02. 01)에서도 10~25%의 부피비 기공을 가지기 위한 제조방법을 명기하고 있다. 한편, 한국특허 2001-0046341 (2001. 07. 31)에서는 휠과 알루미늄과의 접합 방법에 대하여 명기하고 있다. 한편, 미국특허 1981-286409 (1981. 07. 24)에서는 강한 입자로 다이아몬드 외에 큐빅 보론 카바이드 (CBN)를 사용하고, 금속 소재로 Al, Zn, Cu, Sn 등을 사용하는 제조 방법에 대하여 명기하고 있다.
상기와 같이 메탈본드 휠 다이아몬드 공구 휠 제작을 위해서는 여러 공정이 요구되며, 또한 자동화가 곤란하여 대부분 수동작업에 의한 생산성 결여를 초래한다. 또한, 소결 온도가 높아서 경량화를 위한 Al 기판 사용이 불가능하다. 또한, 사용처에 따라 기공이 요구되는 경우 특수 공법을 사용해야 하는 등의 문제를 지니게 된다.
본 발명에 의하여 자동화 제작이 용이하고, 제작 공정을 단순화하여 생산성 향상과 제조 원가 절감을 그 목적으로 한다. 또한, 기공 조절이 용이하며, 같은 소재의 경우 금속기지의 경도 및 강도를 증가시키는 것을 목적으로 한다. 한편, 본 발명은 제품 경량화를 위한 "Al" 등의 비철합금 기판사용이 가능하도록 하고, 복잡 형상 메탈 본드 휠도 로봇을 사용하여 용이하게 제작이 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 다이아몬드 공구인 메탈 본드 휠 제작방법에 있어서, 금속과 다이아몬드를 혼합하는 혼합공정과, 저온분사 시스템 분말송급 장치에 주입하는 공정과, 상기 혼합된 금속과 다이아몬드를 저온상태에서 기판에 분사하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 국내 출원 10-2003-0096983에서 명기하는 저온 분사 공법을 이용하여 메탈 본드 휠을 제작하였다. 저온 분사 시스템 모식도는 도 1에서 보이고 있다.
도 2에서 보이는 바와 같이 분말을 미리 원하는 금속과 다이아몬드 분율로 혼합한후 도 1에서 보이는 저온 분사 시스템의 분말 송급 장치에 주입한후 저온 분사를 통하여 스틸이나 알루미늄 등의 기판에 코팅한다. 이때, 도 2에서 보이는 바와 같이 기판을 회전하면 도 3과 같은 메탈 본드 휠이 완성된다. 이와같이 분말 혼합 후 단일 공정에 의하여 메탈 본드 휠이 완성되므로 생산성이 향상되고, 자동화가 용이하다. 또한, 스틸뿐만 아니라 알루미늄 등의 비철금속 등에도 용이하게 코팅이 가능하므로 경량화가 가능하다. 또한, 공정 조건, 즉 코팅량이나 패스 수 조절 등에 의하여 메탈 본드 휠의 두께 조절이 용이하다. 또한, 공정 조건, 즉 사용 가스 압력이나 온도 조절 등으로 메탈 본드 휠의 기공도 조절이 용이하다.
기판 소재를 알루미늄으로 하고 외경 150 mm, 내경 50 mm, 두께 20 mm의 가운데 구멍이 있는 연마 휠을 가공하였다. 구리 분말과 다이아몬드를 부피비로 15%로 혼합하였다. 구리 분말의 크기는 1~50 μm이고, 다이아몬드 입자의 크기는 약 5 μm 정도를 사용하였다. 저온 분사 시스템을 사용하여 외부로부터 폭 7 mm의 코팅을 실시하여 코팅두께는 10 mm를 목표로 하여, 도 3과 같은 메탈 본드 휠 제작을 완성하였다. 이때 원주 형태나 혹은 복잡한 형태의 형상도 얼마든지 로봇이나 회전 지그를 사용하여 제작이 가능하다.
제작시 사용된 실제 저온분사 공정 조건을 표 1에서 보이고 있다. 도 4와 5에서는 각각 단면조직의 광학현미경과 주사전자현미경 조직을 보이고 있다. 도 4에서 기공처럼 보이는 검은 점들은 도 5의 주사전자현미경 검사 결과 거의 대부분 다이아몬드 입자임을 알수 있다. 도 5의 알루미늄과 모재와의 접경에서는 우수한 결합층을 보이므로 추가 접착이나 브레이징 등의 추가 접합공정을 사용하지 않고서도 제품 사용이 가능함을 알수 있다.
다이아몬드 분율은 약 8%로 측정되었으며, 경도는 약 160 HV로 측정되었다. 저온 분사시는 구리가 심한 소성 변형에 의하여 코팅이 되므로 가공 경화로 인하여 판재 구리보다는 높은 경도로 측정되었다. 참고로 일반 구리의 경도는 약 110 HV 정도이다. 연한 기지 조직은 어니일링 (annealing) 열처리를 통하여 약 50 HV 정도까지 연한 조직을 얻을 수 있으며, 기판과 코팅간의 결합력을 증대시키는 이중의 효과를 주게 된다. 코팅의 기공을 증대시키기 위해서는 메인가스 온도를 저하시키거나, 분말 예열 온도를 저하시키거나, 메인 가스 압력을 저하하는 등의 공정 조건으로 원하는 기공도 조절이 가능하다. 또한, 분말 송급 속도, 저온 상태에서 기판에 분사하는 저온 분사건과 기판과의 거리, 기판 회전 속도 등에 의해서도 약간의 기공도 조절이 가능하다.
본 발명예의 저온분사에 의한 메탈본드휠 제작조건.
공정 조건 비 고
사용 가스 질소 헬륨, 공기, 혹은 혼합가스 가능
메인 가스 온도 500℃ -
분말 예열가스 온도 200℃ -
분말 송급 속도 3 kg/hr -
메인 가스 압력 29 kg/cm2 -
건과 기판과의 거리 20 mm -
기판 회전 속도 20 mm/sec -
한편, 본 발명의 바람직한 공정조건을 정리하면 분말금속의 종류로는 Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Al, Zn의 금속 중 1가지 또는 2가지 이상의 혼합물 또는 합금으로 구성된 금속 분말을 사용하며, 상기 금속 분말의 크기는 1~200 μm 크기를 사용하며, 바람직하게는 상기 금속분말의 크기는 5~50 μm 구형 분말을 사용한다.
한편, 다이아몬드 입자 크기는 0.1 μm ~ 1 mm 의 다이아몬드 입자를 사용하며, 상기 기판은 금속 또는 플라스틱을 사용하며, 상기 저온 분사건과 기판과의 거리는 5~50 mm를 사용하고, 지그나 로봇을 사용하여 항상 거리가 일정하게 유지되도록 하다. 또한, 저온 분사시 메인가스는 질소, 헬륨, 공기, 혼합가스 중 선택된 하나를 사용하며, 상기 저온 분사시 메인 가스온도는 600℃ 이하, 분말 예열 가스 온도는 500℃ 이하를 사용하며, 상기 분말 송급 속도는 1~10kg/hr 을 사용하며, 상기 메인 가스 압력은 10~40 kg/cm2 를 유지한다.
본 발명에 의하여 자동화 제작이 용이하고, 제작 공정을 단순화하여 생산상 향상과 제조 원가 절감을 가진다. 또한, 기공 조절이 용이하며, 같은 소재의 경우 금속 기지의 경도 및 강도가 증가한다. 한편, 본 발명은 제품 경량화를 위한 Al 등의 비철합금 기판 사용이 가능하며, 복잡 형상 메탈 본드 휠도 로봇을 사용하여 용이하게 제작이 가능하다는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 다이아몬드 공구인 메탈 본드 휠 제작방법에 있어서,
    1~200 μm의 금속분말과 0.1 μm ~ 1 mm의 다이아몬드 입자를 혼합하는 혼합공정과,
    저온분사 시스템 분말송급장치에 주입하는 공정과,
    상기 혼합된 금속과 다이아몬드를 저온상태에서 기판에 분사하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다이아몬드 연마 휠 제작 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 금속분말은 Fe, Co, Ni, Cu, Sn, Al, Zn 의 금속 중 1가지 또는 2가지 이상의 혼합물로 구성된 것을 특징으로 하는 다이아몬드 연마 휠 제작 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 금속분말은 5~50 μm의 구형분말을 사용하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 연마휠제작 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 저온상태에서 기판에 분사하는 저온 분사건과 기판과의 거리는 5~50 mm로 하되, 지그나 로봇을 사용하여 항상 거리가 일정하게 유지되도록 하며, 상기 기판은 금속 또는 플라스틱을 사용하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 연마 휠 제작 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    저온 분사시 메인가스는 질소, 헬륨, 공기, 혼합가스 중 선택된 하나를 사용하며, 메인 가스 온도는 600℃ 이하, 분말 예열 가스 온도는 500℃ 이하, 분말 송급 속도는 1~10kg/hr, 메인가스 압력은 10~40 kg/cm2로 하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 연마 휠 제작 방법.
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