KR100874758B1 - 절삭공구용 절삭팁, 절삭팁의 제조방법 및 절삭공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석재, 벽돌, 콘크리트, 아스팔트와 같은 취성이 있는 피삭재를 절단하거나 천공하는데 사용되는 절삭공구에 관한 것으로서, 건식 저마력 절단작업 뿐만 아니라 습식 고마력 절단작업에서도 우수한 절삭성능 및 긴 절삭수명을 갖는 절삭공구용 절삭팁 및 그 제조방법 및 절삭공구를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 연마재와 결합재를 포함하는 절삭팁에 있어서, 결합재는 철 기지로 이루어지고; 철 기지 내에는 부피분율로 0.5-15%의 제2상이 포함되거나 또는 부피분율로 0.5-15%의 제2상과 5% 이하의 기공(pore)이 포함되고; 상기 제2상은 비금속 개재물 및 세라믹중에서 선택된 1종 또는 2종 이상이고; 상기 제2상 및 기공의 각각의 크기는 3㎛ 이하이고; 상기 제2상 및 기공들 간의 거리는 40㎛ 이하이고; 상기 철 결합재의 경도가 HRB 70 이상이고; 그리고 상기 철 결합재의 항절력이 80kgf/mm² 이상인 절삭팁 및 그 제조방법 및 절삭공구를 그 요지로 한다.

본 발명에 의하면, 우수한 절삭성과 긴 수명을 갖는 절삭팁을 훨씬 저렴하게 제공할 수 있다.

절삭팁, 절삭공구, 연마재, 결합재, 철, 미세조직

Description

절삭공구용 절삭팁, 절삭팁의 제조방법 및 절삭공구{Cutting Tip, Method for Making the Cutting Tip and Cutting Tool}

도 1은 본 발명에 따르는 기계적 합금화에 적용하기 위한 진동 밀의 일례 개략도

도 2는 본 발명에 따르는 기계적 합금화에 적용하기 위한 마찰 밀의 일례 개략도

도 3은 본 발명에 따르는 기계적 합금화에 적용하기 위한 볼 밀의 일례 개략도

도 4는 본 발명에 따르는 기계적 합금화에 적용하기 위한 원심 밀의 일례 개략도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

20 . . 진동 밀 30 . . 마찰 밀 40 . . 볼 밀 50 . . 원심 밀

본 발명은 석재, 벽돌, 콘크리트, 아스팔트와 같은 취성이 있는 피삭재를 절단하거나 천공하는데 사용되는 절삭공구용 절삭팁, 그 제조방법 및 이 절삭팁이 구비된 절삭공구에 관한 것으로, 보다 상세하게는 절삭팁의 결합재의 미세조직을 개선하여 우수한 절삭성능 및 긴 절삭수명을 동시에 갖는 절삭공구용 절삭팁, 그 제조방법 및 이 절삭팁이 구비된 절삭공구에 관한 것이다.

석재, 벽돌, 콘크리트, 아스팔트와 같은 취성이 있는 피삭재를 절단하거나 천공하기 위해서는 피삭재보다 높은 경도를 갖는 연마재가 요구된다.

상기 연마재로는 인조 다이아몬드 입자, 천연 다이아몬드 입자, 붕화질소, 및 초경입자 등이 알려져 있는데, 그 중에서도 인조 다이아몬드 입자가 가장 널리 사용되고 있다.

인조 다이아몬드는 1950년대에 발명된 것으로서, 지구상에 존재하는 물질 중 가장 경도가 높은 물질로 알려져 있으며, 이러한 특성에 의하여 절삭, 연삭 공구 등에 사용하게 되었다.

특히, 상기 다이아몬드는 화강암, 대리석 등의 석재를 절삭, 연삭하는 석재 가공분야 및 콘크리트 구조물을 절삭, 연삭하는 건설업분야에서 널리 이용되게 되었다.

상기 절삭, 연삭 공구등은 피삭재를 절삭하는 연마재(이하, "다이아몬드"라고도 칭함) 입자와 이 다이아몬드 입자를 유지시켜 주는 결합재를 포함하는 절삭팁을 포함한다.

상기 절삭팁의 대부분은 다이아몬드 입자를 결합재 역할을 하는 금속분말과 혼합한 후 성형한 다음, 소결하는 분말 야금법으로 제조되고 있다.

다이아몬드 절삭공구에서 결합재로 오래 전부터 가장 널리 사용되어 온 재료는 코발트 분말이다.

상기 코발트 결합재는 다이아몬드 공구분야에서 "만능 결합재"로 불리고 있다.

왜냐하면, 화강암, 콘크리트, 아스팔트, 대리석 등 피삭재의 종류에 관계없이, 또한 사용되는 절단기계의 고마력, 저마력에 상관없이 절삭팁의 결합재로 적용 가능하기 때문이다.

상기와 같이 코발트 결합재가 만능 결합재로 각광을 받아왔던 가장 큰 이유는 코발트 결합재가 마모가 원활하여 다이아몬드 입자의 돌출이 잘 되기 때문이다.

하지만, 코발트 결합재는 가격이 비싸고 가격 변동이 클 뿐만 아니라, 환경적인 문제로 이를 대체하기 위한 많은 노력이 행해져 왔다.

한편, 철은 가격이 저렴하고 상대적으로 환경문제가 없어서, 일찍부터 코발트의 대체재로 주목을 받아왔다.

하지만 시판되는 철 분말은, 미세한 입도를 갖는 카르보닐 철 분말을 사용해도 소결 후에 치밀한 조직을 얻기 어렵고, 따라서 소결밀도를 높이기 위해서는 1000℃ 이상의 고온이 필요하다.

그러나, 소결온도가 높아지면, 결합재 내에 혼합되어 있는 다이아몬드 입자가 흑연으로 변태되고 강도가 급격히 저하하는 다이아몬드의 열화현상이 가속화되는데, 다이아몬드 입자의 열화가 심하면 우수한 절삭성과 수명을 얻을 수 없게 된 다.

그러므로 다이아몬드 공구업계에서는 소결온도를 가능한 한 900℃ 이하로 낮추려고 노력하고 있다.

또한 철 분말을 소결한 결합재는, 코발트에 비해 경도, 항절력과 같은 물성이 낮아서 다이아몬드에 대한 기계적인 지지력이 열악하고 마모가 원활하지 않아서, 절단성능이 떨어지므로 다이아몬드 공구에의 적용이 제한되어 왔다.

본 발명자들은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 연구와 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것이다.

본 발명의 목적은 절삭팁의 결합재의 미세조직을 개선한 것으로서, 건식 저마력 절단작업 뿐만 아니라 습식 고마력 절단작업에서도 우수한 절삭성능 및 긴 절삭수명을 갖는 절삭공구용 절삭팁을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 건식 저마력 절단작업 뿐만 아니라 습식 고마력 절단작업에서도 우수한 절삭성능 및 긴 절삭수명을 갖는 절삭공구용 절삭팁을, 보다 경제적으로 제조할 수 있는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기한 우수한 절삭성능 및 긴 절삭수명을 갖는 절삭공구용 절삭팁을 구비한 절삭공구를 제공하고자 하는 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 다수 개의 연마재 입자와 분말소결 결합재를 포함하는 절삭공구용 절삭팁에 있어서,

상기 분말소결 결합재는 철 기지로 이루어지는 철 결합재이고;

상기 철 기지 내에는 부피분율로 0.5-15%의 제2상이 포함되거나 또는 부피분율로 0.5-15%의 제2상과 5% 이하의 기공(pore)이 포함되고;

상기 제2상은 비금속 개재물 및 세라믹중에서 선택된 1종 또는 2종 이상이고;

상기 제2상 및 기공의 각각의 크기는 3㎛ 이하이고;

상기 제2상 및 기공들 간의 거리는 40㎛ 이하이고;

상기 철 결합재의 경도가 HRB(B 스케일 로크웰 경도 값) 70 이상이고; 그리고

상기 철 결합재의 항절력이 80kgf/mm² 이상인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 연마재 입자와 결합재를 혼합하고 고온 가압소결하여 절삭 공구용 절삭팁을 제조하는 방법에 있어서,

0.5 ~ 25wt% 의 제2상 성분 및 나머지 금속 또는 금속합금 분말로 이루어지는 기지성분을 포함하는 결합재를 준비하거나 또는 0.5 ~ 25wt% 의 제2상 성분 및 저융점 금속분말로 이루어지는 0.1~10wt%의 제3상 성분 및 나머지 금속 또는 금속합금 분말로 이루어지는 기지성분을 포함하는 결합재를 준비한 다음, 이 결합재를 기계적 합금화 방법에 의해 혼합하여 결합재 혼합물을 제조하는 단계;

상기 결합재 혼합물에, 연마재 입자 및 바인더를 첨가하고 혼합하여 혼합 분말을 제조하는 단계; 및

상기 혼합 분말을 점도가 3.0 cP 이상이고 휘발성인 고점도 용액을 사용하여 과립화하는 단계; 및

상기 과립화된 혼합분말을 절삭팁 형상으로 냉간 성형한 후, 가압 소결하는 단계를 포함하는 절삭 공구용 절삭팁의 제조방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 절삭공구용 절삭팁을 구비하고 있는 절삭공구에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 피삭재를 절삭하는 연마재와 이 연마재를 지지하는 소결된 결합재를 포함하는 절삭공구용 절삭팁에 관한 것으로, 결합재의 미세조직과 기계적 성질을 개선한 것이다.

상기 연마재로는 통상 사용되는 것이라면 어느 것이나 사용가능하며, 그 대표적인 것으로는 인조 다이아몬드 입자, 천연 다이아몬드 입자, 붕화질소, 및 초경입자등이 있으며, 이하에서는 연마재를 단순히 "다이아몬드"라고도 한다.

상기 절삭팁에 있어서 결합재의 역할은 크게 후술하는 2가지이다.

첫째, 결합재는 절삭작업 동안 다이아몬드 입자가 계속 피삭재를 절삭할 수 있도록 다이아몬드 입자를 적절히 노출시키는 역할을 한다.

결합재의 마모가 잘 되지 않으면, 다이아몬드 입자가 결합재 표면으로부터 충분히 돌출하지 못하고 다이아몬드 입자의 칼날이 결합재에 의해 덮이게 된다.

이와 같은 경우 다이아몬드 입자의 칼날은 피삭재를 절삭하지 못하고 절삭불량이 되어, 결국에는 절삭작업을 할 수 없게 된다. 이와 같은 현상을 눈막힘(glazing) 현상이라 칭한다.

반대로, 결합재의 마모 속도가 너무 빠르면, 다이아몬드 입자가 조기 탈락하게 되므로 절삭팁의 수명이 저하하게 된다.

상기와 같이, 결합재의 마모는 절삭팁의 절삭성능과 수명을 좌우하는 중요한 금속학적 성질임을 알 수 있다.

결합재의 마모와 관련하여, 결합재는 작은 힘에 의해서도 박리가 잘 되어 마모가 원활하고, 동시에 작은 알갱이로 박리되어 시간당 마모량이 적절해야 한다.

본 발명은 결합재의 마모에 대한 상기의 요구를 충족시킬 수 있도록, 철 기지로 이루어지는 철 결합재의 미세조직을 변화시킨 것이다.

둘째, 결합재는 절삭작업 동안 다이아몬드 입자가 피삭재를 절삭할 수 있도록 다이아몬드 입자를 잡아주는 역할을 한다.

절삭과정에서 결합재가 다이아몬드 입자를 충분히 잡아주지 못하면 다이아몬드 입자가 결합재로부터 쉽게 빠져 버리게(pop-out)된다.

다이아몬드 입자가 쉽게 빠져 버리면 절삭성이 저하될 뿐만 아니라, 절삭팁의 수명은 급격히 저하하게 된다.

반면에, 결합재가 다이아몬드 입자를 충분히 잡아주면, 다이아몬드 입자의 선단(先端)은 날카로운 칼날(edge)이 되어 피삭재를 절삭하게 된다.

결합재가 다이아몬드 입자를 잡아주는 힘(diamond retention force)이 높으 면, 절삭팁의 절삭성과 수명이 동시에 향상된다.

본 발명은 결합재의 다이아몬드 지지력에 대한 상기의 요구를 충족시킬 수 있도록, 철 기지로 이루어진 철 결합재의 기계적 성질을 변화시킨 것이다.

즉, 본 발명은 결합재의 미세조직 및 기계적 성질을 변화시켜 철을 결합재의 기지 금속으로 사용하는 것을 가능하게 한 것이다.

먼저, 본 발명에 따라 결합재의 마모에 대한 상기의 요구를 충족시킬 수 있도록, 철 기지 결합재의 미세조직을 개선시킨 것에 대하여 설명한다.

본 발명에 부합하는 결합재의 미세조직은, 철 기지 내부에 미세한 제2상 또는 제2상과 기공이 균일하게 분포되어 있는 조직이다.

상기 제2상은 비금속 개재물 및 세라믹 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상이 바람직하다.

상기 비금속 개재물로는 금속산화물, 금속질화물, 금속탄화물, 금속탄질화물 및 금속황화물 중 1종 또는 2종 이상이 바람직하다.

상기 제2상의 부피분율은 0.5∼15 %이고, 제2상의 크기는 3㎛ 이하가 바람직하다.

또한, 상기 기공의 부피분율은 5% 이하이고, 그 크기는 3㎛ 이하가 바람직하다.

상기 제2상 및 기공들 간의 거리는 40㎛ 이하가 바람직하다.

여기서, 제2상 및 기공들간의 거리란 제2상과 제2상 사이의 거리, 제2상과 기공사이의 거리 및 기공과 기공사이의 거리를 의미하는 것이다.

상기 제2상 및 기공은 철 기지와 결합력이 없거나 결합력이 약한 것으로서, 이들을 철 기지 내에 분포시킨 이유는 이들이 균열의 발생기점이 되고, 그리고 이들끼리 균열로 연결되어 결합재가 쉽게 알갱이로 마모되기 때문이다.

상기 제2상의 부피분율이 15%를 초과하면,상기 철 결합재의 소결성이 떨어져서 절삭팁이 외부 충격에 의해 깨어질 우려가 크기 때문이다.

한편, 제2상의 부피분율이 0.5% 미만인 경우에는 제2상 첨가효과가 충분하지 않아 철 결합재가 알갱이로 박리하지 못하고 슬립(sip)변형을 일으켜서 큰 덩어리로 마모될 우려가 크기 때문이다.

상기 기공의 양이 5%를 초과하게 되며, 절삭팁이 외부 충격에 의해 쉽게 깨지게 되므로, 그 양은 5%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 제2상 및 기공의 각각의 크기는 3㎛ 이하로 제한하여야 하는데, 그 이유는 그 크기가 3㎛를 초과하는 경우에는 균열의 크기 및 분포의 불균일이 커져서 상기 철 결합재의 파단강도(rupture strength) 편차가 커지기 때문이다.

상기 제2상 및 기공의 부피분율 및 크기 조건에서 제2상 및 기공들 간의 거리는 40㎛ 이하가 바람직하며, 그 이유는 이를 초과하는 경우에는 제2상의 첨가효과 및 기공의 존재 효과가 충분하지 않아 철 결합재가 알갱이로 박리하지 못하고 슬립(sip)변형을 일으켜서 큰 덩어리로 마모될 우려가 크기 때문이다.

이하, 결합재의 다이아몬드 지지력에 대한 상기의 요구를 충족시킬 수 있도록, 철 결합재의 기계적 성질을 개선시킨 것에 대하여 설명한다.

본 발명에 부합되는 철 결합재의 기계적 성질은 그 경도가 HRB 70 이상이 바 람직하다.

결합재의 경도가 HRB 70 미만인 경우에는 외력에 의해 결합재가 쉽게 소성변형되어 결합재와 다이아몬드 입자 사이에 틈이 발생하므로, 다이아몬드 입자가 조기에 쉽게 탈락하기 때문에, 결합재의 경도는 HRB 70 이상이 바람직하다.

통상의 철 결합재는 HRB 60 미만의 경도를 가지나, 상기 철 결합재는 미세한 제2상 입자의 균일 분포에 의한 분산강화(dispersion hardening)와, 기계적 합금화(mechanical alloying)된 분말이 소결 중에 어닐링(annealing) 되면서 재결정(recrystallization)에 의한 결정립 미세화로 높은 경도를 갖는다.

일반적으로 금속의 경도는 그 결정립 크기에 반비례하여 증가한다.

또한, 상기 철 결합재의 항절력(traverse rupture strength)은 80 ㎏f/㎟ 이상이 바람직하다.

결합재의 항절력이 80 ㎏f/㎟ 미만인 경우에는 절삭팁이 작은 충격에도 쉽게 깨지게 될 수 있다.

상기의 항절력은 상기의 철 결합재가 다이아몬드 입자를 함유하지 않은 상태에서의 값을 나타낸다.

다이아몬드 입자를 함유한 경우에는 함유하지 않은 경우에 비하여 항절력 값이 보통 10-30㎏f/㎟ 정도 감소한다.

통상의 철 결합재는 70 ㎏f/㎟ 미만의 항절력을 나타내나, 본 발명의 철 결합재는 기계적 합금화 공정에 의한 분말 내부의 미세한 균열들로 인해 소결의 구동력(driving force)이 크게 증가하므로, 소결중에 치밀화가 충분히 이루어져서 80 ㎏f/㎟ 이상의 항절력을 나타낸다.

한편, 본 발명의 철 결합재로 제조된 절삭팁은 통상보다 적은 양의 다이아몬드를 함유한다.

이는 상기 철 결합재의 다이아몬드 지지력이 우수하여 다이아몬드 입자가 쉽게 탈락하지 않기 때문이다.

결합재가 다이아몬드 입자를 끝까지 단단하게 고정하므로, 모든 다이아몬드 입자가 제 수명을 다할 수 있다. 따라서 통상보다 적은 다이아몬드 함유량으로도 기존과 유사한 수명성능을 나타낸다.

건식 절단공구용 절삭팁은 통상의 코발트 결합재의 경우 3.5-5 vol.%의 다이아몬드를 함유하지만, 본 발명에 따라 철 결합재로 제조된 절삭팁은 2-4 vol.%의 다이아몬드를 함유시킬 수 있으며, 이렇게 하더라도 기존과 유사한 수명성능을 갖는다.

이와 같이, 다이아몬드 사용량이 적으므로, 상대적으로 저가에 유사한 성능의 절삭팁을 제작하는 것이 가능하다.

한편, 상기 철 결합재로 제조된 절삭팁은, 입도가 크고 인성지수(Toughness Index: TI)가 높은 고급 다이아몬드를 제대로 활용할 수 있다.

인성지수(TI)는 다이아몬드 입자가 반복 충격에 견디는 능력의 지표로서, 인성지수가 높으면 다이아몬드 입자가 가혹한 작업조건에서도 장시간 동안 파괴되지 않고 버틸 수 있다.

따라서 입도가 크고 인성지수가 높은 다이아몬드를 적용하면, 개별 다이아몬 드 입자의 소모에 장시간이 소요되므로 절삭공구의 수명성능이 크게 향상된다.

또한 다이아몬드 입자가 결합재 표면에서 상대적으로 높이 돌출하기 때문에, 절삭공구의 절단성능도 크게 향상된다.

따라서 입도가 크고 인성지수가 높은 다이아몬드의 적용은 절삭공구의 절단성능과 수명을 동시에 증가시키는 효과적인 방법이다.

하지만, 만약 결합재의 다이아몬드 지지력이 열악하다면, 다이아몬드 입자가 조기에 쉽게 탈락하므로, 입도가 크고 인성지수가 높은 고급 다이아몬드를 적용해도, 절단공구의 절삭 성능과 수명이 향상되지 않는다.

따라서, 상기의 철 결합재는 크기가 350㎛ 이상이고 인성지수(TI)가 85 이상인 고급 다이아몬드를 제대로 활용하여, 우수한 절단성능과 수명을 갖는 절삭팁을 제작하는 것이 가능하다.

본 발명은 상기한 절삭팁을 구비한 절삭공구를 제공한다.

대표적인 절삭공구로는 세그먼트 타입, 림(rim) 타입 및 컵(cup) 타입 절삭공구, 와이어 쏘(wire saw) 및 코아 드릴(core drill) 등을 들 수 있다.

이하, 본 발명의 절삭공구용 절삭팁의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따라 절삭팁을 제조하기 위해서는 0.5 ~ 25wt% 의 제2상 성분 및 나머지 금속 또는 금속합금 분말로 이루어지는 기지성분을 포함하는 결합재를 준비하거나 또는 0.5 ~ 25wt% 의 제2상 성분 및 저융점 금속분말로 이루어지는 0.1~10wt%의 제3상 성분 및 나머지 금속 또는 금속합금 분말로 이루어지는 기지성분을 포함하는 결합재를 준비한 다음, 이 결합재를 기계적 합금화 방법에 의해 혼합하여 결합재 혼합물을 제조한다.

상기 기지 성분으로는 Fe, Cu, Ni, Co, Cr, Mn 및 W, 또는 이들의 합금 및 스텐레스 강으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상이 바람직하다.

상기 제2성분은 마모 특성을 향상시키기 위하여 첨가되는 성분으로서 세라믹 분말, 산화금속, 시멘트 및 유리 분말로 이루어지는 비금속 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상이 바람직하다.

상기 제2상 성분의 첨가량은 0.5~25wt%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 제2상 성분의 부피분율이 25%를 초과하면, 상기 결합재의 소결성이 떨어져서 절삭팁이 외부 충격에 의해 깨어질 우려가 크기 때문이다.

한편, 제2상 성분의 부피분율이 0.5% 미만인 경우에는 제2상 성분 첨가효과가 충분하지 않아 결합재가 알갱이로 박리하지 못하고 슬립(sip)변형을 일으켜서 큰 덩어리로 마모될 우려가 크기 때문이다.

상기 제3상 성분도 마모 특성을 향상시키기 위하여 첨가되는 성분으로서 주석(Sn) 및 청동합금(Cu-Sn alloy)중 1종 또는 2종이 바람직하다.

상기 제3상 성분의 첨가량은 0.1~10wt%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 제3상 성분의 첨가량이 0.1wt% 미만인 경우에는 제3상 성분을 첨가함으로써 얻을 수 있는 마모 특성의 개선효과를 충분히 얻을 수 없고, 10wt%를 초과하는 경우에는 소결성을 저하시키고, 결함으로 작용하여 소결체의 파괴가 발생될 우려가 커지게 된다.

본 발명은 다이아몬드 입자와 이 다이아몬드 입자를 고정하는 소결된 결합재 를 포함하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에서는 제2상 성분 및 제3상 성분(제3상 성분이 첨가되는 경우)을 기지 내에 균일하게 분산시키기 위해 기계적 합금화(mechanical alloying) 방법을 적용하고, 또한 입도가 큰 분말을 과립화하기 위해 휘발성 고점도 용액을 적용한 것이다.

상기 절삭팁의 제조방법에 있어서 제2상 성분 및 제3상 성분 분말은 기계적 합금화 방법에 의해 기지 성분 분말과 균일하게 혼합되고, 그리고 제2상 성분, 제3상 성분과 기지 성분의 결합재 혼합물은 바인더 및 다이아몬드 입자와 혼합된다.

제2상 성분 분말 및 제3상 성분 분말은 기지 성분 분말과 비중 및 입도의 차이가 커서 단순 혼합법으로는 기지 성분 분말과 균일하게 혼합되기 어려운데, 이에 따라 소결 후 결합재의 기지 내에 제2상 입자 및 제3상 입자의 편석(segregation)이 발생한다.

결합재 기지내의 제2상 및 제3상은 균열의 발생기점이 되고 이들끼리 균열로 연결되어 결합재가 알갱이로 마모가 되므로, 제2상 및 제3상의 편석이 존재하면 박리하는 알갱이의 크기가 균일하지 못하고, 일부에서는 알갱이로 박리하지 못하고 슬립(slip) 변형을 일으켜 큰 덩어리로 마모된다.

결합재의 마모가 균일하고 원활하지 못하면, 결합재 표면으로부터의 다이아몬드 돌출과 결합재 마모에 따른 다이아몬드 탈락이 불량하여 절삭공구의 성능이 크게 저하된다.

본 발명은 제2상 및 제3상 분포에 대한 상기의 요구를 충족시킬 수 있도록, 기지 성분 분말과 제2상 성분분말 및 제3상 성분 분말의 혼합에 기계적 합금화 방 법을 적용한 것이다.

기계적 합금화 공정 중에 기지 성분 분말, 제2상 성분 분말과 제3상 성분 분말의 혼합체는 강구와의 충돌에 의해 냉간 압접(cold welding)과 파단(fracture)을 반복하며, 시간이 지남에 따라 제2상 성분 분말 및 제3상 성분 분말의 분포가 균일해진다.

본 발명에 부합하는 기계적 합금화 공정은 진동 밀(Vibration mill), 마찰 밀(Attrition mill), 볼 밀(Ball mill), 원심 밀(Planetary mill)등의 장치에 의하여 수행될 수 있으며, 이들 장치는 조대 분말의 분쇄 및 다종의 분말의 균일한 혼합을 달성하는데 바람직하다.

다음은 4가지 기계적 합금화 방법에 대한 바람직한 공정조건에 대하여 설명한다.

첫째, 진동 밀을 이용한 기계적 합금화 방법

도 1에 나타난 바와 같이, 진동 밀(20)은 진동축(21)에 의해 용기(22)를 고속으로 진동시켜, 용기(22) 내의 볼(23)과 분말이 진동에 따라 왕복 운동을 하면서 분말들을 혼합 및 분쇄하는 장치이다. 즉, 진동 밀을 사용하여 기지 성분의 크기를 미세화하면서 제2상 성분 분말 및 제3상 성분 분말을 균일하게 혼합할 수 있다.

기지 성분, 제2상 성분과 제3상 성분 분말의 혼합은 지름이 3~12mm인 금속 볼을 사용하고, 진동의 진폭은 0.5∼15㎜, 진동속도(주파수)는 800∼3,000rpm, 진동가속도는 중력가속도의 8∼12배 정도, 용기의 내부는 50∼85％정도까지 분쇄매체로 채우고, 혼합 분말(결합재)을 용기 내의 여유 용적(free space)의 30~70%채운 다음, 1~3시간 동안 실시하는 것이 바람직하다.

둘째, 마찰 밀을 이용한 기계적 합금화 방법

도 2에 나타난 바와 같이, 마찰 밀(30)은 회전하는 여러 개의 팔(311)이 달린 회전축(31)이 용기(32) 내의 분쇄매체(33)를 연속적으로 휘저어, 용기(32) 내의 분쇄매체(33)와 분말에 마찰(attrition) 및 충돌(collision)을 주어서 혼합 및 분쇄를 행하는 장치이다.

즉, 마찰 밀을 사용하여 기지 성분의 크기를 미세화하면서 제2상 성분 및 제3상 성분의 분말을 균일하게 혼합할 수 있다.

기지 성분, 제2상 성분과 제3상 성분 분말의 혼합은 지름이 2~10mm인 금속 볼을 사용하고, 회전축의 RPM은 300~900, 용기 내부는 30∼65％정도까지 분쇄매체로 채우고, 혼합 분말(결합재)를 용기 내의 여유 용적(free space)의 30~70%채운 다음, 1~2시간 실시하는 것이 바람직하다.

또한 작업중 상당한 마찰열이 발생하므로, 냉각수를 용기 외부에 흘려서 온도를 조절해주는 것이 바람직하다.

마찰 밀 은 마찰 밀의 고속 회전을 이용하여 작업 시간을 줄이고, 단위 시간당 분말 혼합 및 분쇄량을 증가시킬 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다.

셋째, 볼 밀을 이용한 기계적 합금화 방법

도 3에 나타난 바와 같이, 볼 밀(40)은 회전하는 용기(42)내의 분쇄매체(43) 및 분말이 중력에 의해서 떨어지면서 생기는 충돌(collision)에 의해서 분말들을 혼합 및 분쇄를 행하는 장치이다.

즉, 볼 밀을 사용하여 기지 성분의 크기를 미세화하면서 제2상 성분 및 제3상 성분의 분말을 균일하게 혼합할 수 있다.

기지 성분, 제2상 성분과 제3상 성분 분말의 혼합은 지름이 7~30mm인 금속 볼을 사용하고, RPM은 30~100, 용기의 내부에 30∼65％정도까지 분쇄매체로 채우고, 혼합 분말(결합재)을 용기 내의 여유 용적(free space)의 30~70%채운 다음, 5~ 10시간 실시하는 것이 바람직하다.

볼 밀은 작업 시간이 오래 걸리는 대신 장비의 가격이 저렴하고, 용기의 크기를 다양하게 제작하여 사용할 수 있다는 이점을 갖고 있다.

넷째, 원심 밀을 이용한 기계적 합금화 방법

원심 밀은 유성밀 (Planetary Mill)이 대표적인 것으로서, 도 5에 나타난 바와 같이 원심 밀(50)은 태양을 도는 지구와 같이 회전판(51)위에서 분쇄매체(53)가 들어 있는 용기(52)를 공전시키면서 용기(52) 자체는 자전됨으로써 분말들을 혼합 및 분쇄를 행하는 장치이다.

볼 밀은 중력에 의한 힘에 의해서 충돌하지만 원심 밀의 경우는 중력가속도를 더 높일 수 있기 때문에 분말의 분쇄 및 혼합의 효과가 크다.

즉, 원심 밀을 사용하여 기지 성분의 크기를 미세화하면서 제2상 성분 및 제3상 성분의 분말을 균일하게 혼합하는 방법이다.

기지 성분, 제2상 성분과 제3상 성분 분말의 혼합은 지름이 9~25mm 금속 볼을 사용하고, 원심가속도는 중력가속도의 8~12배이고, 용기의 내부는 30∼65％정도까지 분쇄매체로 채우고, 혼합 분말(결합재)을 용기 내의 여유 용적(free space)의 30~70%채운 다음, 50-400 RPM으로 1~2시간 실시하는 것이 바람직하다.

원심 밀은 발열이 크기 때문에 연속적으로 작업하지 않고, 15~25분 운행, 5~10분 정지, 회전 방향을 바꿔서 15~25분 운행, 5~10분 정지를 반복적으로 행하는 것이 바람직하다.

원심 밀은 작업중 회전 방향을 바꿔주기 때문에 한 방향으로 작업할 때보다 혼합 및 분쇄 효율이 좋다.

상기의 4가지 방법에 의한 기계적 합금화 공정 중에 분말의 산화가 발생할 수 있다.

혼합분말의 산화를 막기 위해서는, 상기의 공정 중에 장비 내부를 질소 또는 아르곤 가스로 충진시키는 것이 바람직하다.

또한 산화를 막기 위해서 상기의 기계적 합금화 방법중 알코올, 아세톤, 톨루엔 등 유기 용매를 첨가하여 습식으로 작업하는 방법이 있다.

상기에서는 제2상 성분을 첨가하여 결합재의 기지 내에 제2상을 분포시키는 방법에 대해서만 기술하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 기지 성분 분말의 혼합조건을 적절히 제어하여 제2상 성분을 첨가하지 않고 결합재의 기지 내에 제2상을 분포시킬 수도 있다.

예를 들면, 결합재의 기지(철) 내에 제2상으로 산화철(iron oxide) 입자를 분산시키고자 하는 경우에는, 산화철 분말과 기지 성분인 철 분말을 기계적 합금화 방법에 의해 균일하게 혼합하는 방법 이외에, 기계적 합금화 공정 중에 철 분말의 산화에 의해 산화철 입자를 기지 내에 도입시킬 수 있다.

즉, 산소 분위기에서 철 분말을 기계적 합금화 하면 철 분말의 표면이 산화되고, 분말이 냉간 압접과 파괴를 반복하는 중에 산화물도 함께 분쇄되어 철 분말 내부에 분산된다.

다음에, 상기와 같이 기계적 합금화 방법에 의하여 혼합된 혼합물에, 다이아몬드 입자 및 바인더를 첨가하여 혼합하는데, 이 때 혼합방법은 특별히 한정되는 것은 아니며, 터블러 혼합기 등을 사용하여 혼합하는 것이 바람직하다.

터블러 혼합기를 사용하는 경우 혼합조건은 용기의 50% 이내로 분말들을 장입한 다음, 20-90RPM으로 20-60분간 혼합하는 것이 바람직하다.

다음에, 상기와 같이, 다이아몬드 입자 및 바인더가 혼합된 혼합 분말을 점도가 3.0 cP(centi Poise) 이상이고 휘발성인 고점도 용액을 사용하여 과립화(granulation) 한다.

혼합분말의 과립화는 성형공정의 자동화를 위해 필수적인 공정으로, 과립화에 의해 분말의 유동(flow)이 크게 향상되므로 자동성형 시에 항상 일정한 양의 분말 충진이 가능해진다.

혼합분말에 휘발성 고점도 용액을 첨가하면, 용액의 모세관 힘(capillary force)에 의해 쉽게 알갱이로 뭉쳐진다.

첨가한 용액은 건조과정에서 쉽게 제거되나 혼합된 바인더가 분말들을 서로 결합하므로, 형성된 알갱이가 취급 가능한 강도를 갖게 된다.

본 발명에 부합하는 고점도 용액의 점도는 3 cP 이상이고, 휘발성인 것이 바람직하다.

상기 고점도 용액의 점도가 3 cP 미만이면, 용액의 낮은 점도로 인해 모세관 힘이 작아서 조대한 입자나 형상이 불규칙한 입자의 과립화가 어렵기 때문이다.

그러나, 통상 사용되는 미크론 수준의 분말은 점도가 0.6 cP인 메탄올로도 충분히 과립화가 가능하다.

또한 고점도 용액이 비휘발성이면, 과립의 건조 후에도 잔류하므로, 용액의 점성(viscosity)에 의한 과립의 열악한 유동으로 인해 후공정인 성형 작업이 불가능해진다.

상기 휘발성 고점도 용액으로는 휘발성 실리콘 오일이 바람직하고, 상기 휘발성 고점도 용액이 휘발성 실리콘 오일인 경우, 그 첨가량은 혼합분말 1㎏당 80-130㎖이 바람직하다.

그 첨가량이 80㎖ 미만이면, 오일이 분말 표면을 충분히 적시지 못하므로, 모세관 힘이 발생하지 않아서 과립이 형성되지 않는다.

또한, 첨가량이 130㎖를 초과하면, 오일이 지나치게 많아서 분말이 밀가루 반죽처럼 떡 지게 되므로 과립화가 되지 않는다.

다음에, 상기 과립화된 혼합분말을 절삭팁 형상으로 냉간 성형한 후, 가압 소결하므로써 절삭 공구용 절삭팁이 제조된다.

본 발명에 부합하는 핫프레스 소결온도는 750-980℃가 바람직하다.

통상의 기지 성분 분말은 낮은 온도에서 소결하는 경우에는 치밀한 조직을 얻기 어렵고, 따라서 소결밀도를 높이기 위해서는 고온이 필요하며, 기지 성분이 철인 경우에는 1000℃ 이상의 고온이 필요하다.

750℃의 낮은 소결온도에서도 상기 결합재가 치밀화가 되는 이유는, 기계적 합금화 과정에서 기기 성분 분말 내에 미세한 균열들이 많이 형성되고 입자가 미세화되기 때문이다.

따라서 소결을 위한 구동력(driving force)이 크게 증가하므로, 낮은 온도에서도 소결이 되어 조직이 치밀화된다.

소결온도의 감소는 소결에 사용되는 흑연 몰드의 수명을 증가시켜서, 공구 제작에 사용되는 비용의 절감을 유발한다.

소결온도가 750℃ 미만이면, 소결의 구동력이 부족하여 결합재가 치밀화하지 못하므로 절삭팁의 밀도가 급격히 떨어지고 취약해진다.

소결온도가 980℃를 초과하면, 상기 결합재 내에 혼합되어 있는 다이아몬드 입자가 흑연으로 변태되고 강도가 급격히 저하하는 다이아몬드의 열화현상이 가속화되는데, 다이아몬드 입자의 열화가 심하면 우수한 절삭성과 수명을 얻을 수 없게 된다.

상기와 같이 미세조직과 기계적 성질이 우수한 결합재를 적용하면, 절삭공구의 절단성능과 수명이 동시에 크게 향상되고, 원재료 가격 및 공정 비용의 절감으로 공구의 제조가격이 획기적으로 인하된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예 1)

기지 성분인 철 분말(ASC300, Haganas사, ~45㎛)에 제2상 성분인 산화철 분말(Fe₂O₃, Sigma-Aldrich사, ~1.5㎛)을 부피분율로 0.3, 5, 15, 20%가 되도록 첨가한 후에 기계적 합금화를 실시한 다음, 파라핀 왁스를 2wt.% 넣고, 터뷸러 혼합기로 혼합한 후, 200MPa의 성형압으로 성형 다음, 35MPa, 850℃에서 5분 동안 핫프레스(hot press)로 소결하여 물성 분석을 위한 시편을 제조하였다.

기계적 합금화는 진동 밀(vibration mill)을 사용하여 행하였으며, 이때 기계적 합금화는 5 ℓ크기의 용기에 지름이 10mm인 볼을 2.5ℓ채우고, 혼합분말을 2.5㎏ 채운 후, 진폭 10mm 및 주파수 1000rpm의 조건으로 1시간 동안 행하였다.

상기와 같이 제조된 시편 표면에 대하여 기지 내의 제2상의 분율, 기공 함량, 경도 및 항절력을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

상기 기지 내의 제2상의 분율은 이미지 분석기를 이용하여 측정하였고, 기공 함량은 기공률 측정기(Micrometritics사)를 이용하여 측정하였다.

시편 No.	산화철 첨가량 (vol.%)	물성
		제2상 분률 (vol.%)	기공률 (vol.%)	경도 (HRB)	항절력 (㎏f/㎟)
비교예1	0.3	0.43	0	66	105
발명예1	5	6.85	2.8	79	127
발명예2	15	13.9	4.2	113	88
비교예2	20	20.8	8.6	116	74

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 제2상 성분인 산화철 첨가량과 결합재 기지내의 제2상의 함량은 서로 유사함을 알 수 있으며, 본 발명에 부합되는 제2상 분율 및 기공 함량을 갖는 경우 경도 및 항절력이 우수함을 알 수 있다.

즉, 발명예(1) 및 (2)는 항절력이 80㎏f/㎟ 이상이고 HRB 70 이상의 경도를 나타내었다.

반면에, 비교예(1)은 경도가 HRB 70 미만인데, 이는 제2상의 분률이 작아서 분산강화(dispersion hardening) 효과가 미미하기 때문이다.

또한, 비교예(2)는 80 ㎏f/㎟ 미만의 항절력을 나타내는데, 이는 제2상의 부피분율이 과다하고, 기공률이 높기 때문이다.

(실시예 2)

실시예 1의 발명예 1에 따라 기지 성분인 철 분말(ASC300, Haganas사, ~45㎛)에 제2상 성분인 산화철 분말(Fe₂O₃, Sigma-Aldrich사, ~1.5㎛)을 부피분율로 5%가 되도록 첨가한 후에 기계적 합금화를 실시한 다음, 다이아몬드 공구 절삭팁의 제조방법에 따라, 파라핀 왁스(paraffin wax)와 다이아몬드 입자를 혼합하고 휘발성 실리콘 오일을 혼합분말 1kg당 110㎖ 첨가하여 과립화 한 후에, 냉간 성형하여 850℃에서 핫프레스로 소결하였다.

상기와 같이 제조된 절삭팁을 금속 바디(core)에 레이저 용접하여, 14인치 쏘 블레이드를 제작하였다.[발명 쏘블레이드(1)]

여기서 사용한 다이아몬드 입자는 DI사의 MBS-960KM으로, 입도는 US 30/40mesh를 사용하였고 부피분율은 3.4%이었다.

한편, 코발트 분말(EF, Umicore사)을 주성분으로 하고 무게분율로 10%의 청동(CuSn) 분말을 첨가한 후에 통상적인 터블러 혼합한 다음, 상기 발명 쏘 블레이드(1)와 동일한 조건의 다이아몬드 입자 및 파라핀 왁스(paraffin wax)를 혼합하고 과립화 한 후에, 냉간 성형하고 850℃에서 핫프레스로 소결하여 절삭팁을 제조하였다.[비교 쏘 블레이드(1)]

상기의 방법으로 제조한 쏘 블레이드들에 대해 워시드 콘크리트(washed concrete) 건식 절단시험을 행하고, 그 절단시험 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

상기 절단시험은 STIHL 6.5HP 절단기계를 사용하였으며, 워시드 콘크리트의 두께는 50㎜, 절단길이는 300㎜씩 200회 절단시험 후에 평균값을 나타내었다.

절삭지수와 수명지수는, 상기 절단조건에서 소요된 절단시간과 마모된 절삭팁의 높이를 측정하여 계산하였다.

구분	절삭지수(㎠/min)	수명지수(㎡/㎜)
발명 쏘 블레이드(1)	620	16.1
비교 쏘 블레이드(1)	560	8.5

상기의 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 부합되는 발명 쏘 블레이드(1)는 비교 쏘 블레이드(1)에 비해 절삭성과 수명에 있어서 모두 우수한 것을 알 수 있다.

특히, 발명 쏘 블레이드(1)는 비교 쏘 블레이드(1)에 비해 수명지수가 2배 정도 높게 나타남을 알 수 있다.

한편, 발명 쏘 블레이드(1)의 절삭팁을 연마하여 결합재의 미세조직을 전자현미경(SEM)으로 관찰한 결과, 절삭팁의 결합재에는 크기 1.5㎛ 이하의 산화철 형태의 개재물이 철 기지 내에 균일하게 분포되어 있었다.

그리고 산화철 형태의 개재물 및 기공의 그 부피분율은 각각 6.1% 및 2.3%이었고, 그 간격은 10㎛ 이하임을 확인할 수 있었다.

또한, 발명 쏘 블레이드(1)의 절삭팁에 대해 물성을 측정한 결과, 결합재의 경도는 HRB 76이었고, 다이아몬드를 첨가한 상태에서도 항절력이 106㎏f/㎟임을 확인하였다.

(실시예 3)

기지 성분인 철 분말(ASC300, Hoganas사, ~45㎛)에 제2상 성분인 산화철 분말(Fe₂O₃, Sigma-Aldrich사)을 부피분율로 5%가 되도록 첨가한 후, 기계적 합금한 다음, 파라핀 왁스를 2wt.% 넣고, 터뷸러 혼합기로 혼합한 후, 200MPa의 성형압으로 성형 다음, 35MPa, 850℃에서 5분 동안 핫프레스(hot press)로 소결하여 물성 분석을 위한 시편을 제조하였다.

기계적 합금화는 마찰 밀(attrition mill)을 사용하여 행하였으며, 이때 기계적 합금화는 2ℓ크기의 용기에 지름이 3mm인 볼을 1 ℓ 채우고 혼합분말을 1kg 채운 후, 600rpm의 조건으로 1시간 동안 행하였다.

상기와 같이 제조된 시편 표면에 대하여 기지 내의 제2상 및 기공의 크기 및 간격, 경도 및 항절력을 측정하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

상기 기지 내의 제2상 및 기공의 크기 및 간격은 이미지 분석기를 이용하여 측정하였다.

시편 No.	첨가한 산화철의 크기(㎛)	물성
		제2상의 크기(㎛)	기공의 크기(㎛)	제2상 및 기공의 간격(㎛)	경도 (HRB)	항절력 (Kg/㎟)
발명예 3	0.5	0.5	0.8	2.6	85	131
발명예 4	3	2.8	1.2	12.9	74	103
비교예 3	8	7.1	1.0	28.5	68	74

상기의 결과에서 제2상의 크기가 첨가한 산화철의 크기보다 작아진 경우는, 기계적 합금화 공정 중에 산화철 분말의 일부가 분쇄되기 때문이다.

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 발명예(3) 및 (4)는 경도가 HRB 70 이상이고, 항절력은 80㎏f/㎟ 이상이었다.

반면에, 비교예(3)은 제2상의 간격이 40㎛ 이하이지만, 경도는 HRB 70 미만이고, 항절력은 80㎏f/㎟ 미만이었다.

상기 결과로부터, 제2상의 간격 이외에, 제2상의 크기가 중요한 인자임을 알 수 있다.

상기 표 3에서 알 수 있는 것은 제2상의 크기에 따라 상대적으로 경도보다는 항절력이 크게 변한다. 이는 균열의 크기가 파단강도(rupture strength)에 크게 영향을 미치기 때문이다.

본 발명에 적합한 물성을 얻기 위해서는, 제2상 및 기공의 크기가 3㎛ 이하이어야 한다.

(실시예 4)

실시예 3의 발명예 3에 따라 기지 성분인 철 분말(ASC300, Haganas사, ~45㎛)에 제2상 성분인 산화철 분말(Fe₂O₃, Sigma-Aldrich사, 0.5㎛)을 부피분율로 5%가 되도록 첨가한 후에 마찰 밀을 사용하여 기계적 합금화를 실시한 다음, 다이아몬드 공구 절삭팁의 제조방법에 따라, 파라핀 왁스(paraffin wax)와 다이아몬드 입자를 혼합하고 휘발성 실리콘 오일을 혼합분말 1kg당 110㎖ 첨가하여 과립화 한 후에, 냉간 성형하여 850℃에서 핫프레스로 소결하였다.

상기와 같이 제조된 절삭팁을 금속 바디(core)에 은납 용접하여, 14인치 쏘 블레이드를 제작하였다.[발명 쏘블레이드(2)]

여기서 사용한 다이아몬드 입자는 DI사의 MBS-970K로, 입도는 US 30/40mesh를 사용하였고 부피분율은 6.8%이었다.

한편, 코발트 분말(EF, Umicore사)을 주성분으로 하고 무게분율로 10%의 WC 분말을 첨가한 후에 통상적인 터블러 혼합한 다음, 상기 발명 쏘 블레이드(2)와 동일한 조건의 다이아몬드 입자 및 파라핀 왁스(paraffin wax)를 혼합하고 과립화 한 후에, 냉간 성형하고 850℃에서 핫프레스로 소결한 절삭팁을 제조하였다.[비교 쏘 블레이드(2)]

상기의 방법으로 제조한 쏘 블레이드를 사용하여 양생 콘크리트 습식 절단시험을 행하고, 그 절단시험 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

상기 절단시험은 TARGET 65HP 절단기계를 사용하였으며, 절입깊이는 70mm, 절단길이는 300m씩 3회 절단시험 후에 평균값을 나타내었다.

절삭지수와 수명지수는 각각 상기 절단조건에서 소요된 절단시간과 마모된 절삭팁의 높이를 측정하여 계산하였다.

구분	절삭지수(㎡/min)	수명지수(㎡/㎜)
발명 쏘 블레이드(2)	0.45	9.3
비교 쏘 블레이드(2)	0.37	5.8

상기 표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 부합되는 발명 쏘 블레이드(2)는 비교 블레이드(2)에 비해 절삭성과 수명 모두 우수함을 알 수 있다.

발명 쏘 블레이드(2)의 절삭팁을 연마하여 결합재의 미세조직을 전자현미경(SEM)으로 관찰한 결과, 절삭팁의 결합재에는 크기 1㎛ 이하의 산화철 형태의 개재물 및 기공이 철 기지 내에 균일하게 분포되어 있고, 그 부피분율은 7.5%이고, 입자 간격은 5㎛ 이하임을 확인할 수 있었다.

또한, 발명 쏘 블레이드(2)의 절삭팁에 대해 물성을 측정한 결과, 결합재의 경도는 HRB 80이었고, 다이아몬드를 첨가한 상태에서도 항절력이 104㎏f/㎟임을 확인하였다.

(실시예 5)

철 분말(ASC300, Hoganas사, ~45㎛)에 알루미나 분말(Nabalox, Nabaltec사, ~3㎛)을 부피분율로 5%가 되도록 첨가한 후, 기계적 합금화한 다음, 파라핀 왁스를 2wt.% 넣고, 터블러 혼합기로 혼합한 후, 200MPa의 성형압으로 성형 다음, 35MPa, 850℃에서 5분 동안 핫프레스(hot press)로 소결하여 물성 분석을 위한 시편을 제조하였다.

상기 기계적 합금화 방법으로는 진동밀, 마찰밀, 볼밀, 유성밀을 사용하였으며, 각각의 기계적 합금화 조건은 하기 표 5와 같다.

하기 표 5에서, 비교예(4)는 철 분말과 알루미나 분말을 기계적 합금화 대신에 터블러 혼합기로 혼합한 것을 제외하고는 발명예들과 동일한 조건으로 하였다.

상기와 같이 제조된 시편들의 물성을 측정하고, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.

	발명예 5	발명예 6	발명예 7	발명예 8	비교예 4
합금화 방법	진동 밀	마찰 밀	볼 밀	유성 밀	-
분쇄매체	10㎜ 스틸볼	3㎜ 스틸볼	12㎜ 스틸볼	12㎜ 스틸볼	-
용기	5ℓ	2ℓ	5ℓ	1.4ℓ	5ℓ
혼합분말장입량	2.5Kg	1Kg	2.5Kg	700g	10Kg
작업 총 시간	1시간	1시간	5시간	1시간	40분
rpm	1000	600	60	200	40
기타 조건	진폭 10mm	-	-	20분 운행 10분정지 반복 3회	-

시편 No.	제2상분율 (vol%)	기공함량 (vol%)	제2상 및 기공의 크기(㎛)	제2상 및 기공의 간격(㎛)	경도 (HRB)	항절력 (㎏f/㎟)
비교예 4	5.38	8.7	3.0	18.3	59	67
발명예 5	4.85	1.7	2.9	11.1	82	106
발명예 6	4.62	1.5	2.6	12.6	84	105
발명예 7	5.41	2.9	2.9	10.9	82	110
발명예 8	4.89	2.3	3.0	11.5	86	102

상기 표 6에 나타난 바와 같이, 기계적 합금화한 발명예(5)-(8)는 기계적 합금화 방법에 관계없이 모두 HRB 70 이상의 경도와 80㎏f/㎟ 이상의 항절력을 나타내었다.

반면에, 기계적 합금화를 하지 않고 단순 혼합한 비교예(4)는 기공률이 매우 높아서 경도와 항절력이 낮다.

따라서, 본 발명에 적합한 물성을 얻기 위해서는, 철 분말과 제2상 분말의 기계적 합금화가 바람직하다.

(실시예 6)

실시예 5의 발명예 (5) - (8) 및 비교예(4)에 따라 철 분말(ASC300, Hoganas사, ~45㎛)에 알루미나 분말(Nabalox, Nabaltec사, ~3㎛)을 부피분율로 5%가 되도록 첨가한 후, 기계적 합금화한 다음, 다이아몬드 공구 절삭팁의 제조방법에 따라, 파라핀 왁스(paraffin wax)와 다이아몬드 입자를 터블러 혼합기를 사용하여 40분간 혼합하고 휘발분 실리콘 오일을 혼합분말 1kg 당 110㎖ 첨가하여 과립화 한 후에, 냉간 성형하여 800℃에서 핫프레스로 소결하여 절삭팁을 제조하였다.

상기와 같이 제조된 절삭팁을 금속 바디(core)에 레이저 용접하여, 9인치 쏘 블레이드를 제작하였다.[발명 쏘블레이드(3) - (6) 및 비교 쏘 블레이드(3)]

상기 발명 쏘블레이드(3) - (6) 및 비교 쏘 블레이드(3)의 각각은 발명예 (5) - (8) 및 비교예(4)를 사용하여 제조된 것이다.

여기서 사용한 다이아몬드 입자는 DI사의 MBS-970K로, 입도는 US 30/40mesh를 사용하였고 부피분율은 2.8%이었다.

상기와 같은 방법으로 제조한 쏘 블레이드를 사용하여 화강암 및 콘크리트 건식 절단시험을 행하고, 그 절단 성능시험 결과를 하기 표 7 및 표 8에 나타내었다.

하기 표 7에는 화강암 절단시험 결과를, 표 8에는 콘크리트 절단시험 결과를 나타내었다.

상기 절단시험은 BOSCH 2.7HP 절단기계를 사용하였으며, 화강암 절단 시는 20㎜의 절입으로 절단길이는 300㎜씩 200회 절단 후에, 콘크리트 절단 시에는 30㎜의 절입으로 절단길이는 300mm씩 200회 절단 후에 평균값을 나타내었다.

절삭지수와 수명지수는 각각 상기 절단조건에서 소요된 절단시간과 마모된 절삭팁의 높이를 측정하여 계산하였다.

	비교 쏘 블레이드(3)	발명 쏘 블레이드(3)	발명 쏘 블레이드(4)	발명 쏘 블레이드(5)	발명 쏘 블레이드(6)
절삭지수(㎠/min)	320	401	402	410	398
수명지수(㎡/㎜)	1.2	2.5	3.8	4.3	2.6

	비교 쏘 블레이드(3)	발명 쏘 블레이드(3)	발명 쏘 블레이드(4)	발명 쏘 블레이드(5)	발명 쏘 블레이드(6)
절삭지수(㎠/min)	580	750	743	782	775
수명지수(㎡/㎜)	2.9	4.5	6.1	5.6	3.9

상기 표 7 및 8에 나타난 바와 같이, 피삭재를 콘크리트와 화강암으로 시험한 경우 모두 발명 쏘블레이드(3) - (6)가 비교 쏘 블레이드(3)에 비해 절삭성과 수명이 크게 향상되었음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 우수한 절삭성과 긴 수명을 갖는 절삭팁을 훨씬 저렴하게 제공할 수 있다.

Claims (36)

1. 다수 개의 연마재 입자와 분말소결 결합재를 포함하는 절삭공구용 절삭팁에 있어서,

   상기 분말소결 결합재는 철 기지로 이루어지는 철 결합재이고;

   상기 철 기지 내에는 부피분율로 0.5-15%의 제2상이 포함되고;

   상기 제2상은 비금속 개재물 및 세라믹중에서 선택된 1종 또는 2종 이상이고;

   상기 제2상 및 기공의 각각의 크기는 3㎛ 이하이고;

   상기 제2상 및 기공들 간의 거리는 40㎛ 이하이고;

   상기 철 결합재의 경도가 HRB 70 이상이고; 그리고

   연마재가 포함되지 않은 상기 철 결합재의 항절력이 80kgf/mm² 이상인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁
2. 제1항에 있어서, 상기 철 기지 내에 부피분율로 5%이하의 기공(pore)이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비금속 개재물은 금속산화물, 금속질화물, 금속탄화물, 금속탄질화물, 금속황화물 중의 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 절삭팁이 건식 절삭에 이용되고, 그리고 상기 연마재 입자가 다이아몬드 입자이고, 이 다이아몬드 입자의 부피분율이 2∼4%인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁
5. 제3항에 있어서, 상기 절삭팁이 건식 절삭에 이용되고, 그리고 상기 연마재 입자가 다이아몬드 입자이고, 이 다이아몬드 입자의 부피분율이 2∼4%인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연마재 입자가 다이아몬드 입자이고, 이 다이아몬드 입자는 인성지수(TI)가 85 이상이고, 그 크기가 350㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁
7. 제3항에 있어서, 상기 연마재 입자가 다이아몬드 입자이고, 이 다이아몬드 입자는 인성지수(TI)가 85 이상이고, 그 크기가 350㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁
8. 제4항에 있어서, 상기 연마재 입자가 다이아몬드 입자이고, 이 다이아몬드 입자는 인성지수(TI)가 85 이상이고, 그 크기가 350㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁
9. 연마재 입자와 결합재를 혼합하고 고온 가압소결하여 절삭 공구용 절삭팁을 제조하는 방법에 있어서,

   0.5 ~ 25wt% 의 제2상 성분 및 나머지 금속 또는 금속합금 분말로 이루어지는 기지성분을 포함하는 결합재를 준비한 다음, 이 결합재를 기계적 합금화 방법에 의해 혼합하여 결합재 혼합물을 제조하는 단계;

   상기 결합재 혼합물에, 연마재 입자 및 바인더를 첨가하고 혼합하여 혼합 분말을 제조하는 단계; 및

   상기 혼합 분말을 점도가 3.0 cP 이상이고 휘발성인 고점도 용액을 사용하여 과립화하는 단계; 및

   상기 과립화된 혼합분말을 절삭팁 형상으로 냉간 성형한 후, 가압 소결하는 단계를 포함하는 절삭 공구용 절삭팁의 제조방법
10. 제9항에 있어서, 상기 기지 성분이 Fe, Cu, Ni, Co, Cr, Mn 및 W 중에서 선택된 1 종 또는 이들의 합금 및 스텐레스 강으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 절삭팁의 제조방법
11. 제10항에 있어서, 저융점 금속분말로 이루어지는 0.1~10wt%의 제3상 성분이 상기 결합재에 추가로 첨가되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 절삭팁의 제조방법
12. 제11항에 있어서, 상기 제3상 성분이 주석(Sn) 및 청동합금(Cu-Sn alloy)중 1종 또는 2종인 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 절삭팁의 제조방법
13. 제10항에 있어서, 상기 가압 소결이 750-980℃의 온도에서 행해지는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
14. 제11항에 있어서, 상기 가압 소결이 750-980℃의 온도에서 행해지는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
15. 제12항에 있어서, 상기 가압 소결이 750-980℃의 온도에서 행해지는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
16. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 고점도 용액은 휘발성 실리콘 오일이고, 그 첨가량은 혼합분말 1㎏당 80-130㎖인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
17. 제11항에 있어서, 상기 고점도 용액은 휘발성 실리콘 오일이고, 그 첨가량은 혼합분말 1㎏당 80-130㎖인 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
18. 제9항 또는 제10항에 있어서, 기계적 합금화 방법이 진동 밀, 마찰 밀, 볼 밀 및 원심 밀로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나의 장치를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
19. 제11항에 있어서, 기계적 합금화 방법이 진동 밀, 마찰 밀, 볼 밀 및 원심 밀로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나의 장치를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
20. 제12항에 있어서, 기계적 합금화 방법이 진동 밀, 마찰 밀, 볼 밀 및 원심 밀로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나의 장치를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
21. 제13항에 있어서, 기계적 합금화 방법이 진동 밀, 마찰 밀, 볼 밀 및 원심 밀로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나의 장치를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
22. 제14항 또는 제15항에 있어서, 기계적 합금화 방법이 진동 밀, 마찰 밀, 볼 밀 및 원심 밀로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나의 장치를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
23. 제18항에 있어서, 기계적 합금화 방법이 진동 밀을 이용하여 수행되고, 그리고 기계적 합금화는 직경이 3~12mm steel ball을 사용하고, 진동의 진폭은 0.5∼15㎜이고, 진동속도(주파수)는 800∼3,000rpm이고, 진동가속도는 중력가속도의 8∼12배이고, 용기의 내부는 50∼85％정도까지 분쇄매체로 채우고, 결합재를 용기 내의 여유 용적의 30~70% 채운 후, 1~3시간 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
24. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 기계적 합금화 방법이 진동 밀을 이용하여 수행되고, 그리고 기계적 합금화는 직경이 3~12mm steel ball을 사용하고, 진동의 진폭은 0.5∼15㎜이고, 진동속도(주파수)는 800∼3,000rpm이고, 진동가속도는 중력가속도의 8∼12배이고, 용기의 내부는 50∼85％정도까지 분쇄매체로 채우고, 결합재를 용기 내의 여유 용적의 30~70% 채운 후, 1~3시간 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
25. 제22항에 있어서, 기계적 합금화 방법이 진동 밀을 이용하여 수행되고, 그리고 기계적 합금화는 직경이 3~12mm steel ball을 사용하고, 진동의 진폭은 0.5∼15㎜이고, 진동속도(주파수)는 800∼3,000rpm이고, 진동가속도는 중력가속도의 8∼12배이고, 용기의 내부는 50∼85％정도까지 분쇄매체로 채우고, 결합재를 용기 내의 여유 용적의 30~70% 채운 후, 1~3시간 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
26. 제18항에 있어서, 기계적 합금화 방법이 마찰 밀을 이용하여 수행되고, 그리고 기계적 합금화는 지름이 3~10mm 스틸 볼(steel Ball)을 사용하고, RPM은 300~900이고, 용기의 내부는 30∼65％정도까지 분쇄매체로 채우고, 결합재를 용기 내의 여유 용적의 30~70% 채운 후 1~2시간 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
27. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 기계적 합금화 방법이 마찰 밀을 이용하여 수행되고, 그리고 기계적 합금화는 직경이 3~10mm 스틸 볼(steel Ball)을 사용하고, RPM은 300~900이고, 용기의 내부는 30∼65％정도까지 분쇄매체로 채우고, 결합재를 용기 내의 여유 용적의 30~70% 채운 후, 1~2시간 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
28. 제22항에 있어서, 기계적 합금화 방법이 마찰 밀을 이용하여 수행되고, 그리고 기계적 합금화는 직경이 3~10mm 스틸 볼(steel Ball)을 사용하고, RPM은 300~900이고, 용기의 내부는 30∼65％정도까지 분쇄매체로 채우고, 결합재를 용기 내의 여유 용적의 30~70% 채운 후, 1~2시간 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
29. 제18항에 있어서, 기계적 합금화 방법이 볼 밀을 이용하여 수행되고, 그리고 기계적 합금화는 직경이 7~30mm 스틸 볼(steel Ball)을 사용하고, RPM은 30~100이고, 용기의 내부는 30∼65％정도까지 분쇄매체로 채우고, 결합재를 용기 내의 여유 용적의 30~70% 채운 후, 5~10시간 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
30. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 기계적 합금화 방법이 볼 밀을 이용하여 수행되고, 그리고 기계적 합금화는 직경이 7~30mm 스틸 볼(steel Ball)을 사용하고, RPM은 30~100이고, 용기의 내부는 30∼65％정도까지 분쇄매체로 채우고, 결합재를 용기 내의 여유 용적의 30~70% 채운 후, 5~10시간 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
31. 제22항에 있어서, 기계적 합금화 방법이 볼 밀을 이용하여 수행되고, 그리고 기계적 합금화는 직경이 7~30mm 스틸 볼(steel Ball)을 사용하고, RPM은 30~100이고, 용기의 내부는 30∼65％정도까지 분쇄매체로 채우고, 결합재를 용기 내의 여유 용적의 30~70% 채운 후, 5~10시간 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
32. 제18항에 있어서, 기계적 합금화 방법이 원심 밀을 이용하여 수행되고, 그리고 기계적 합금화는 직경이 3~10mm 스틸 볼(steel Ball)을 사용하고, 원심가속도는 중력가속도의 8~12배이고, 용기의 내부는 30∼65％정도까지 분쇄매체로 채우고, 결합재를 용기 내의 여유 용적의 30~70% 채운 후, 50-400RPM으로 1~2시간 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
33. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 기계적 합금화 방법이 원심 밀을 이용하여 수행되고, 그리고 기계적 합금화는 직경이 3~10mm 스틸 볼(steel Ball)을 사용하고, 원심가속도는 중력 가속도의 8~12배이고, 용기의 내부는 30∼65％정도까지 분쇄매체로 채우고, 결합재를 용기 내의 여유 용적의 30~70% 채운 후, 50-400RPM으로 1~2시간 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
34. 제22항에 있어서, 기계적 합금화 방법이 원심 밀을 이용하여 수행되고, 그리고 기계적 합금화는 직경이 3~10mm 스틸 볼(steel Ball)을 사용하고, 원심가속도는 중력 가속도의 8~12배이고, 용기의 내부는 30∼65％정도까지 분쇄매체로 채우고, 결합재를 용기 내의 여유 용적의 30~70% 채운 후, 50-400RPM으로 1~2시간 동안 실시되는 것을 특징으로 하는 절삭공구용 절삭팁의 제조방법
35. 제1항 또는 제2항의 절삭공구용 절삭팁을 구비하고 있는 절삭공구
36. 제35항에 있어서, 절삭공구가 세그먼트 타입, 림 타입 및 컵 타입 절삭공구, 와이어 쏘 및 코아 드릴 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 절삭공구

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