KR101269498B1

KR101269498B1 - 전자 산업용 연마 슬라이싱 공구

Info

Publication number: KR101269498B1
Application number: KR1020117001261A
Authority: KR
Inventors: 페룰 왈리아; 스리니바산 라마나; 리차드 더블유. 홀
Original assignee: 생-고벵 아브라시프; 생-고뱅 어브레이시브즈, 인코포레이티드
Priority date: 2008-07-02
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2013-06-07
Also published as: US8882868B2; US20100000159A1; WO2010002832A2; WO2010002832A3; CN102076462B; CN102076462A; KR20110019435A; US20150052821A1

Abstract

금속 결합 연마 공구들을 위한 결합 매트릭스는 금속 결합 시스템, 공극 및 선택적인 필러를 포함한다. 본 발명의 실시예들에 따른 공구들은 긴 공구 수명을 보이며, 받아들일 수 있는 절삭 품질을 만들어내며 셀프-드레싱 특성을 가질 수 있다. 결합 매트릭스는, 예를 들어, 볼 그리드 어레이들(BGAs)의 슬라이싱 및 다른 이와 같은 슬라이싱 작업들을 위한 1A8 휠들과 같은, 전자 산업을 위해 구성된 연마 공구들에 사용될 수 있다.

Description

전자 산업용 연마 슬라이싱 공구{ABRASIVE SLICING TOOL FOR ELECTRONICS INDUSTRY}

본 출원은 그의 전체가 여기에 참고로 포함된, 2008년 7월 2일 출원된, 미국 가출원 제61/077,604호에 대한 우선권을 청구하고 있다.

본 발명은 연마 기술에 관한 것이며, 더 구체적으로는, 볼 그리드 어레이들(ball grid arrays)을 포함하는 칩 스케일 패키징(chip scale packaging)과 같은, 전자 산업에 사용되는 재료들 및 알루미나, 글라스, 페라이트들, 실리콘, 실리콘 카바이드 및 석영과 같은 경질 세라믹 재료들을 슬라이싱하기 위한 연마 공구들 및 기술들에 관한 것이다.

연마제들을 함유하는 구리-주석계 금속 결합들이 일반적으로 전자 기기들의 슬라이싱 및 다이싱 산업에서 알려져 있다. 추가로 알려진 바와 같이, 더 긴 휠 수명을 위해 이와 같은 구리-주석 시스템들의 내마모성을 개선시키도록, 니켈, 철, 티타늄 및 몰리브덴과 같은 합금 원소들이 결합 혼합물(bond mix)에 첨가될 수 있다. 휠의 수명을 개선하는 것에 추가하여, 이 합금 원소들은 또한 연마 구조물의 경도와 강성을 개선시킬 수 있다.

구리-주석 결합 시스템들에 대한 대안으로, 니켈계 연마 구조물들이 개선된 내구성과 강성을 위해 사용되었다. 예를 들어, 미국 특허 제3,886,925호는 그 내부에 현탁된 미세하게 분리된 연마제를 가지는 니켈 용액으로부터 전기분해에 의해 침착된 고순도의 니켈로 형성된 연마 층을 가지는 절삭 휠을 개시한다.

미국 특허 제6,056,795호와 제6,200,208호에 개시된 연마 휠들에서, 소결된 금속 결합은 몰리브덴, 레늄 및 텅스텐과 같은 금속 성분('795 특허), 또는 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 크롬 및 탄탈과 같은 활성 금속('208 특허)을 포함하며, 이는 연마 휠의 탄성 계수 값을 개선하기 위해 소결 중에 연마제 입자들과 화학 결합을 형성한다. 다이아몬드 보지력(diamond retention)이 활성 금속 합금 때문에 향상되며, 휠 수명의 개선에 이르게 한다.

전자 기기 슬라이싱 산업에 바람직한 다른 특성들은 셀프-드레싱(self-dressing)되며 저전력에서 작동하는 절삭 휠의 능력을 포함한다. 일반적으로, 연마 구조물의 셀프-드레싱 능력은 연마제의 마모율을 결합의 마모율에 맞춤으로써 달성될 수 있다. 이는 때로는 은과 같은 원소들의 첨가를 통해, 또는 흑연 및 육방정 질화붕소와 같은 연질 필러들의 포함에 의해 수행될 수 있다. 다른 기술은 실리콘 카바이드 및 알루미늄 산화물과 같은 필러들을 첨가함으로써, 및/또는 결합에 공극을 도입함으로써 미세 구조를 취화시키는 것이다. 비록 이와 같은 변경들이 휠의 셀프-드레싱 능력을 개선시킬 수 있지만, 휠의 다른 특성들은 악화될 수 있다. 이와 같은 의미에서, 연마 공구들의 설계에서 고려되어야 하는 수많은 중요한 경쟁 요소들이 있다.

그러므로, 이와 같은 요소들에 대처하는 연마 공구들을 위한 금속계 결합 시스템들이 필요하다.

특허문헌

미국 특허 제3,886,925호, 미국 특허 제6,056,795호, 및 미국 특허 제6,200,208호

본 발명은 전반적으로 슬라이싱 휠들과 같은 금속 결합 연마 공구들 및 이들을 제조하기 위한 방법들에 관한 것이다. 본 발명의 양상들은 경질이며, 내구성이 있으며 셀프 드레싱되는 공구들 및 물품들을 초래하는 결합에 관한 것이다.

일 실시예에서, 본 발명은 연마제 입자들 및 금속 결합 조성물을 포함하는 금속 결합 연마 공구를 대상으로 하며, 조성물은 니켈, 주석 및 미리 합금된 청동을 포함하며, 청동은 구조상 본질적으로 연속되는 상으로 존재한다. 공구는 약 20 체적%보다 적은 전체 공극을 가진다. 또는, 공구는 필러를 포함할 수 있다.

다른 실시예에서, 본 발명은 금속 결합 연마 공구를 제조하기 위한 방법을 대상으로 하며, 방법은 연마제 입자들과 니켈, 주석 및 미리 합금된 청동을 포함하는 금속 결합 조성물을 결합시키는 단계, 결합된 연마제 입자들 및 금속 결합 조성물을 형상화된 몸체로 형성하는 단계, 및 금속 결합 연마 공구를 제조하기 위해 형상화된 몸체를 소결시키는 단계를 포함하며, 금속 결합 연마 공구는 약 20%보다 적은 전체 공극을 가진다. 필러는, 예를 들어, 형상화된 몸체를 형성하는 단계의 이전에 선택적으로 첨가될 수 있다.

다른 실시예에서, 본 발명은 금속 결합 연마 물품을 대상으로 하며, 물품은 공구의 전체 체적에 기초한 약 20 체적%보다 적은 공극을 가지는 결합 매트릭스를 포함한다. 결합 매트릭스에 존재하는 금속 결합 시스템 또는 조성물은 세 가지의 성분들을 포함하거나, 필수적으로 이들로 구성되거나 구성된다: (i) 섭씨 약 1100도(℃)에서부터 약 1600 ℃까지의 범위 내에 있는 융점을 가지는 금속 또는 합금; (ii) 약 700 ℃보다 낮은 융점을 가지는 성분으로서, (i)의 금속이나 합금에 완전히 또는 부분적으로 용해 가능한 천이 액체 상을 형성할 수 있는 성분; 및 (iii) 약 800 ℃보다 낮은 융점을 가지며 본질적으로 연속적인 미세 구조를 가지는 상을 형성하는 미리 합금된 성분. 결합 매트릭스는 필러를 더 포함할 수 있다. 바람직한 구현들에서, 결합 매트릭스는 연마 물품에 존재하는 모든 공극을 포함한다.

또 다른 실시예에서, 본 발명은, 예를 들어, 슬라이싱 휠과 같은 연마 물품을 제조하기 위한 방법을 대상으로 한다. 방법은 연마제 입자들과, 위에서 설명된 금속 결합 조성물을 포함하는 형상화된 몸체를 형성하는 단계 및 연마 물품을 제조하기 위해, 예를 들어, 소결을 통해, 형상화된 몸체를 조밀화시키는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 연마 물품은 약 20 체적%보다 적은 공극을 가진다. 몇몇 실시예에서, 연마제 입자들, 금속 결합 조성물이나 결합된 연마제 입자들 및 결합 조성물은 필러와 더 결합된다.

본 발명은 전자 산업에서의 그라인딩 적용들, 특히 볼 그리드 어레이들을 슬라이싱하기에 특히 적합하거나, 예를 들어, 알루미나와 같은, 경질이며 취성의 다른 세라믹들을 가공하는데 특히 적합하며, 많은 이점들을 가진다. 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 공구들은 경질이지만 취성이 있는 결합을 포함하며, 긴 공구 수명과 셀프 드레싱 특성들을 가진다. 공구들은 허용할 수 있는 전력에서 그라인딩을 할 수 있게 하며 상부로부터 하부로의 치핑(chipping) 및 테이퍼에 관해서 허용할 수 있는 절삭 품질을 초래한다. 공구는 널리 이용될 수 있는 재료들과 잘 알려진 기술들을 사용하여, 비용 효율이 높게 제조될 수 있다. 공구는 다양한 품질 수준의 가공 대상물들을 제조하기 위해 여러 가지의 연마제 입자 크기와 타입을 사용할 수 있다. 적어도 일부분의 연마제, 예를 들어, 다이아몬드, 입자들이 금속 코팅을 가지는 공구들은 향상된 그릿(grit) 보지력 및 내구성을 보인다.

여기에서 설명된 특징들 및 이점들은 모두를 포괄하고 있지는 않으며, 특히, 많은 추가적인 특징들 및 이점들이 도면들, 명세서, 및 청구항들에 비추어 보면 본 기술분야에서 통상의 기술을 가진 사람에게 명백하게 될 것이다. 게다가, 명세서에서 사용된 언어는 주로 가독성과 설명을 위해 선택되었으며, 본 발명의 내용의 범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 것에 주목해야 한다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 Ni-Sn-청동 결합 시스템을 보이는 저배율 SEM 이미지를 도시한다.
도2는 도1의 Ni-Sn-청동 결합의 주조 청동 구조를 보이는 SEM 이미지를 도시한다.
도3은 종래의 Ni-Sn-Cu 결합 시스템을 보이는 저배율 SEM 이미지를 도시한다.
도4는 도3의 Ni-Sn-Cu 결합의 불완전하게 소결된 청동 구조를 보이는 SEM 이미지를 도시한다.
도5 및 도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 휠의 SEM 이미지들이다.

금속 결합 연마 물품들은 일반적으로 연마제 입자들 또는 그릿들이 결합 매트릭스에 유지되는 3차원 구조를 특징으로 한다. 이전에 언급된 바와 같이, 연마 공구들의 설계에서 고려되어야 하는 다수의 중요한 경쟁 요소들이 있다. 휠의 수명, 내마모성, 경도, 및 휠의 강성 사이의 관계를 보여주는 일 예의 경우가 개선된 그릿 보지력에 기인하고 활성 금속 합금의 결과(예를 들어, 미국 특허 제6,200,208호에 설명된 것과 같은)로서 향상된 강성 및 연장된 휠 수명을 보여주는 연마 휠의 경우에 발견될 수 있다. 이와 같은 활성 금속의 첨가는 다이아몬드와 결합 사이의 결합 강도를 개선시키며, 그에 의해 이 다이아몬드들이 더 긴 시간 동안 결합 속에 보지되는 것을 허용한다.

이와 같은 늘어난 입자 보지력은 부서지기 쉬운 입자를 사용할 때 이로울 수 있지만, 이는 뭉툭한 입자를 사용할 때 그라인딩 힘의 증가를 초래할 수 있다. 이는 뭉툭한 입자가 그라인딩 중에 미세-파쇄되지 않으며, 그에 의해 가공 대상물에 대한 무딘 입자들의 저항에 의해 야기된 그라인딩 전력의 어쩌면 받아들이기 어려운 증가를 유발하기 때문이다. 그러므로, 경질이지만 취성이 있는 결합이 바람직하며, 이는 내구성이 있으며 더 긴 휠 수명을 가능하게 할 뿐만 아니라, 셀프-드레싱 거동(마모된 입자들을 적시에 방출)도 보여주며 상대적으로 낮거나 그렇지 않으면 받아들일 수 있는 전력으로 그라인딩을 가능하게 한다.

긴 공구 수명과 적당한 정도의 내마모성을 가능하게 하는 연마 공구들을 위한 결합 매트릭스가 여기에 개시된다. 게다가, 결합 매트릭스는 셀프-드레싱 능력을 부여한다. 결합 매트릭스는, 예를 들어, 볼 그리드 어레이들(BGAs)을 슬라이싱하기 위한 1A8 휠들과 같은, 전자 산업을 위해 구성된 연마 공구들에 그리고 연마 휠들, 호닝 공구들(honing tools), 및 다른 금속 결합 연마 물품들과 같은 다른 공구들에 사용될 수 있다.

결합 매트릭스는 또한 "시스템"으로 여기에서 언급된, 금속 결합 조성물, 공극 및, 선택적으로, 필러를 포함한다.

다음의 세 가지의 성분들이 금속 결합 조성물 또는 시스템에 존재한다: (i) 섭씨 약 1100도(℃)에서부터 약 1600 ℃까지의 범위 내에 있는 융점을 가지는 금속 또는 합금; (ii) 약 700 ℃보다 낮은 융점을 가지며, (i)의 금속이나 합금에 완전히 또는 부분적으로 가용성인 천이 액체 상을 형성할 수 있는 성분; 및 (iii) 약 800 ℃보다 낮은 융점을 가지며, 본질적으로 연속적인 미세 구조를 가지는 상을 형성하는 미리 합금된 성분.

제1 성분, 즉, 섭씨 약 1100도(℃)에서부터 약 1600 ℃까지의 범위 내에 있는 융점을 가지는 금속 또는 합금 의 예들은, 니켈, 코발트, 철, 망간, 실리콘, 다른 금속들과 함께 이들을 포함하는 합금들 및 다른 금속들 또는 이들의 합금들을 포함한다. 구체적인 예들에서, 제1 성분은 약 1100 ℃ 에서부터 약 1600 ℃까지의 범위 내에 있으며, 바람직하게는 약 1100 ℃에서부터 약 1480 ℃까지의 범위 내에 있는 융점을 가진다.

제2 성분, 즉, 약 700 ℃보다 낮은 융점을 가지며 제1 성분의 금속이나 합금에 본질적으로 완전히 용해 가능한 천이 액체 상을 형성할 수 있는 성분의 예들은, 예를 들어, 주석, 아연, 알루미늄, 인듐, 비스무트, 안티몬, 이들의 조합들 등과 같은 금속들을 포함한다. 구체적인 예들에서, 제2 성분은 약 700 ℃보다 낮으며, 바람직하게는 약 500 ℃보다 낮은 융점을 가진다.

제3 성분은 미리 합금되며, 약 800 ℃보다 낮은 융점을 가지며 구조상 연속적인 상으로 물품에 존재한다. 적당한 예들은 구리-주석, 구리-아연, 구리-주석-인, 구리-주석-아연 및 다른 조합들을 포함하지만 이들에 한정되지 않는다. 구체적인 예들에서, 제3 성분은 약 800 ℃보다 낮으며, 바람직하게는 약 700 ℃보다 낮은 융점을 가진다.

여기에서 사용되는 바와 같이, "연속적인" 이라는 용어는 3차원 네트워크를 가리킨다. 연속적인 상은 완전히 조밀하거나 그렇지 않을 수 있다. 이는 공극 및/또는 필러를 포함할 수 있다. 위에 설명된 바와 같은 세 가지의 성분 매트릭스에서, 만약, 예를 들어, 선택적인 여과에 의해 제1 및 제2 성분을 제거한 후에, 남겨진 구조 골격이 온전하게 또는 함께 유지된다면, 제3 성분의 상은 연속적이다. 여기에서 설명된 물품에서, 하나 이상의 성분이 본질적으로 연속적인 상으로 존재할 수 있다.

금속 결합 조성물 및 시스템은 성분들(i), (ii) 및 (iii)을 포함할 수 있거나, 필수적으로 이들로 이루어질 수 있거나 이루어질 수 있다.

세 가지 성분들의 전체 중량, 즉, 금속 결합 조성물의 전체 중량에 기초하여, 성분(i)은 약 20으로부터 약 94.9 중량%까지의 범위 내에 있는 양으로 존재할 수 있고; 성분(ii)은 약 5로부터 약 60 중량%까지의 범위 내에 있는 양으로 존재할 수 있으며; 성분(iii)은 약 0.1로부터 약 50 중량%까지의 범위 내에 있는 양으로 존재할 수 있다.

결합 매트릭스는 필러를 더 포함할 수 있다. 일반적으로 필러들은 금속 결합 시스템들에 있는 다른 성분들과 합금이 되지 않으며 그들의 물리적 및 화학적 특성들 또는 상태들은 제조 공정 중에 변하지 않는다. 적당한 필러들의 예들은, 예를 들어, 카바이드들, 산화물들, 황화물들, 질화물들, 붕소화물들, 흑연, 이들의 조합들 등을 포함한다. 많은 경우에, 필러들은 1200 ℃를 초과하여 녹는 화합물들이다.

경질 필러들 뿐만 아니라 연질 필러들도 사용될 수 있다. 예를 들어, 흑연, 육방정 질화붕소 또는 본 기술분야에 알려진 다른 것들과 같은 연질 필러들이, 예를 들어, 셀프 드레싱 특성을 개선시키며 그라인딩 중에 소비되는 전력을 감소시키기 위해 첨가될 수 있다. 예를 들어, 텅스텐 카바이드, 실리콘 카바이드, 알루미늄 등과 같은 경질 필러들이, 예를 들어, 내마모성 및/또는 휠 수명을 개선시키기 위해 첨가될 수 있다.

결합 매트릭스는 연마 공구, 예를 들어, 연마 휠, 예를 들면, 슬라이싱 휠 또는 웨이퍼 씨닝 휠들(wafer thinning wheels), 호닝 스틱들, 원통형 그라인딩 휠들 및 다른 것들과 같은, 다른 공구들을 형성하기 위해, 연마제 입자들, 예를 들어, 천연 또는 합성 다이아몬드, 입방정 질화붕소(CBN) 또는 본 기술분야에서 알려진 다른 연마 재료들, 예를 들어, 알루미나, 실리콘 카바이드, 붕소 카바이드 또는 연마제 입자들의 조합들과 같은 초연마제들과 함께 사용될 수 있다. 일 예에서, 적어도 몇 개의 연마제 입자들은 금속 또는 그의 합금을 포함하는 코팅을 가진다. 연마제 입자들, 예를 들어, 다이아몬드 입자들을, 코팅하기 위해 이용될 수 있는 적당한 재료들은 구리, 니켈, 은, 티타늄, 텅스텐, 크롬, 실리콘, 이들의 조합들, 또는 이들의 합금들을 포함한다. 금속 코팅을 포함하는 입자들은, 예를 들어, Diamond Innovations, Worthington, OH로부터 이용할 수 있는, RJK1Cu, RVG-D 및 MBM-Ti와 같은 명칭들 하에 상업적으로 획득될 수 있다. 다른 타입의 금속-코팅 입자들이 이용될 수 있다. 예를 들어, Bonner 등에게 2007년 10월 2일 허용되고, 그의 교시는 전체가 참고로 여기에 포함되는, 미국 특허 제7,275,980호에 설명된 바와 같은, 집합된 연마제 입자들이 또한 사용될 수 있다. 집합된 입자들은 본질적으로 공극을 가질 수 없거나 공극을 가질 수 있다.

어떤 적당한 연마제 입자의 입도는 적용, 공구 특성들, 제조 공정들 및 다른 고려사항들에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 슬라이싱 휠들을 제조하기 위해 사용되는 연마제 입자들의 입도는 약 2 미크론(μm)으로부터 약 120 μm까지의 범위 내에 있을 수 있다.

구체적인 실시예들에서, 물품, 예를 들어, 공구는, 상대적으로 낮은 공극, 예를 들어, 약 20 체적%이거나 더 적은 전체 공극을 가진다. 본 발명에 따른 금속 결합 연마 물품들은 10 체적%보다 적은 전체 공극, 2 체적%보다 적은 전체 공극을 가질 수 있거나 완전히 또는 본질적으로 완전히 조밀화될 수 있다. 많은 구현들에서, 결합 매트릭스는 연마 물품에 존재하는 모든 공극을 포함한다.

공극은 특정한 입자 및/또는 결합 재료들, 제작, 예를 들어, 프레싱 조건들, 완전한 조밀화보다 더 적게 실행하는 것 등을 선택함으로써; 및/또는 글라스 또는 플라스틱 중공 구체들, 쉘들, 예를 들어, 호두모양 쉘들, 공구를 형성하기 위해 사용되는 가열 단계들 중에 소실되는 유기 화합물들, 여과될 수 있는 분산질 재료들, 및 본 기술분야에 알려진 바와 같은 다른 구멍 유도 물질들과 같은, 구멍-유도 재료들을 사용함으로써, 제조 중에 연마 공구에 부여될 수 있다(고유 공극). 만약 구멍 유도 물질들이 사용되지 않는다면, 공구의 전체 공극과 그의 고유 공극은 동일하다.

본 발명의 몇몇 구현들에서, 공구에 존재하는 고유 공극은 적어도 두 개의 다수의 상들 사이에 불균일하게 분포된다. 여기에서 사용된 바와 같이, "불균일하게 분포된" 이라는 구는 하나 이상의 상들에서 고유 공극의 존재를 가리키며, 적어도 하나의 다른 상은 아주 소량의 고유 공극을 포함하거나 고유 공극을 포함하지 않는다. 본 발명의 실시예들에 따른 공구는 또한 두 개 이상의 상들 중에 균일하거나 본질적으로 균일한 공극의 분포를 가질 수 있다. 구체적인 예들에서, 공극은 미리 합금된 상에는 없거나 본질적으로 없다. 다른 예들에서, 미리 합금된 상은 공극을 포함한다.

본 발명에 따른 물품들은 약 5로부터 약 40 체적%까지의 범위 내에 있으며, 예를 들어, 약 5로부터 약 25 체적%까지의 범위 내에 있는 양의 연마제 입자들; 약 26으로부터 약 95 체적%까지, 예를 들어, 약 50으로부터 약 80 체적%까지의 범위 내에 있는 금속 결합(위에서 설명된 세 가지의 성분들을 포함하는); 약 0으로부터 약 20 체적%까지의 범위 내에 있으며, 예를 들어, 약 0으로부터 약 10 체적%까지의 범위 내에 있는 공극; 및 약 0으로부터 약 15 체적%까지, 예를 들어, 약 0으로부터 약 10 체적%까지의 범위 내에 있는 양의 필러들을 포함할 수 있다.

본 발명의 연마 물품들은 바람직하게는 비커스 경도 약 60 내지 비커스 경도 약 400 kg/mm²의 범위 내에 있는 결합 매트릭스 경도를 가지며, 사용된 하중은 100 그램(g)이다.

본 발명의 일 예는 개선된 휠 수명과 아래에서 더 설명되는 바와 같은 상대적으로 낮은 그라인딩 전력 또는 힘으로 그라인딩하는 능력을 초래하는 내구성, 내마모성, 강성, 최적화된 파괴 인성 및 취성과 같은 특성들을 공구, 예를 들어, 휠에, 부여하는 금속 결합 조성물 또는 시스템을 사용한다.

본 발명의 바람직한 양상들에서, 금속 결합 시스템은 (i) 니켈, (ii) 주석 및 (iii) 청동으로 이루어지거나, 필수적으로 이루어지거나, 이들을 포함한다. "청동"이라는 용어는 일반적으로 주석과 구리의 합금이나 주석과 구리를 포함하는 합금을 가리킨다. 예를 들어, 청동은 주석, 구리 및 인을 포함할 수 있으며, 인은 약 12 중량%보다 적은 양으로 청동에 존재한다. 성분(ii) 주석은 금속성 또는 원소로 이루어진 주석을 가리키며 미리 합금된 청동에 존재하는 주석과 전혀 다르다.

세 가지의 성분들의 일부 또는 모두가 분말 형태로 제공될 수 있다. 일반적인 중간 입도들은, 예를 들어, 니켈에 대하여 약 0.5 μm에서부터 약 50 μm까지, 예를 들어, 약 1 μm에서부터 약 20 μm까지; 주석에 대하여 약 0.5 μm에서부터 약 50 μm까지, 예를 들어, 약 1 μm에서부터 약 20 μm까지; 및 청동에 대하여 약 1 μm에서부터 약 50 μm까지, 예를 들어, 약 10 μm에서부터 약 50 μm까지의 범위 내에 있을 수 있다.

니켈-주석-청동 시스템은, 예를 들어, 다이아몬드 연마제들 또는 다른 연마제나 초연마제 재료들, 위에서 설명된 바와 같은, 코팅된 연마제들 또는 연마제 덩어리들과 함께 사용될 수 있다. 일 예에서, 공구는 약 2 미크론에서부터 약 120 미크론까지의 범위 내에 있는 입도를 가지는 다이아몬드 입자를 사용하여 만들어진다. 예를 들어, 약 2 μm에서부터 약 100 μm까지, 또는 약 20 μm에서부터 약 60 μm까지의 범위 내에 있는, 다른 연마제 입자 크기들이 또한 사용될 수 있다.

하나의 구현에서, 다이아몬드 및 니켈-주석-청동 결합 시스템 공구는 1A8 슬라이싱 휠로 구성된다. 청동은 미리 합금되며 중량퍼센트로 약 75:25에서부터 약 40:60까지의 구리-주석 비율을 가진다.

주사 전자 현미경(SEM), 투과 전자 현미경(TEM), 광학 현미경, 에너지 분산형 분광기(EDS), 또는 본 기술분야에서 알려진, 다른 것들과 같은 기술들로 관찰할 때, 공구는 또한 "다수의 상들"로 여기에서 언급되는, 두 개 이상의 상들을 가진다. 상들은 그들의 미세 구조에 기초하여 서로 구별될 수 있다. 예를 들어, 니켈, 주석 및 청동(미리 합금된 구리 및 주석)을 사용하여 제조된 공구는 일반적으로 전혀 다른 조성물 및/또는 전혀 다른 공극의 상들을 가질 것이다.

니켈-주석-청동 시스템은 약 20에서부터 약 94.9 중량%까지의 니켈, 예를 들어, 약 10에서부터 약 70 중량%까지의 니켈; 약 0.01에서부터 약 60 중량%까지의 주석, 예를 들어, 약 5에서부터 약 40 중량%까지의 주석; 및 약 0.01에서부터 50 중량%까지의 청동, 예를 들어, 약 0.01에서부터 약 40 중량%까지의 청동을 포함할 수 있으며, 청동은 중량%로 약 75:25에서부터 40:60까지의 구리-주석 비율을 가진다. 일 예의 공구는, 예를 들어, 소결시킴으로써, 대체로 조밀화되며 20 체적%보다 적은 전체 고유 공극을 가지도록 구성된다(유도 공극을 가지지 않음). 다른 예의 공구는 약 10보다 더 낮으며, 예를 들어, 약 2 체적%보다 적은 전체 공극을 가진다. 또 다른 경우에, 공구는 완전히 조밀화되며, 본질적으로 공극을 함유하지 않는다.

몇몇의 예들에서, 고유 공극은 완성된 공구의 니켈 및 주석 상들에 한정되며, 반면에 청동 상들은 연속적인 상이며, 최소의 고유 공극을 보이거나 고유 공극을 보이지 않는다. 어떤 특정한 해석에 한정되기를 바라지 않고, 청동은 일반적으로 조밀한 청동 분말을 초래하는 액체 구리 및 주석을 분무함으로써 형성되기 때문에, 공극은 청동 상이나 다른 미리 합금된 성분의 상에서 존재하지 않을 수 있거나 감소된 수준에 있다고 믿어지고 있다. 따라서 세 가지 성분의 금속 결합이, 예를 들어, 고온 프레싱 중에 녹을 때, 청동 상은 주조 구조를 형성하며 공극은 비-청동 영역들, 예를 들어, 니켈 및/또는 주석 영역들에 한정된다(또는 대부분이 한정된다).

다른 예들에서, 미리 합금된 상은 공극, 예를 들어, 고유 공극을 함유한다.

니켈-주석-청동 시스템과, 미리 합금된 주석 및 구리 조합, 즉 청동을 사용하지 않는, 니켈-주석-구리 원소 결합 시스템 사이의 구별은 공구의 미세 구조에 기초하여 행해질 수 있다. 예를 들어, 원소로 제조된 휠은 (i) 용해된 주석을 가지는 니켈 상 및 (ii) 용해된 주석을 가지는 구리 상을 함유할 수 있으며, 공극이 이 상들의 각각에 나타난다. 이와 대조적으로, 고유 공극은 본 발명의 일 실시예에 따라 만들어진 휠의 니켈 및 주석 상들에만 나타나며, 반면에 청동 상은 본질적으로 공극을 보이지 않는다.

예상외로, 본 발명의 실시예들에 따라 만들어진 공구는 미리 합금된 청동을 사용하지 않으며 동일한 성분 퍼센트를 가지는 니켈-주석-구리 결합의 원소 조성물을 가지는 제조된 공구와 다르게 작용한다. 더 상세하게는, 본 발명의 실시예들에 따라 미리 합금된 청동으로 구성된 공구는 필적할만하거나 더 양호한 절삭 속도에서 더 낮은 휠 마모율과 그라인딩 전력을 보이며, 더구나, 필적할만하거나 더 좋은 품질의 부품들을 생산한다.

본 발명의 어떤 특정한 해석에 한정되기를 바라지 않고, 경도와 내구성과 같은 특성들은 결합에 존재하는 금속 상과 관련 있으며 취성과 셀프 드레싱은 금속 상과 함께 용액을 형성하는 천이 액체 상의 존재와 관련이 있다고 믿어지고 있다. 미리 합금된 상은 액체 상 소결을 가능하게 함으로써 공구를 조밀화하는데 도움을 준다. 더구나, 미리 합금된 상은 통상적으로 사실상 취성이 있으며, 그에 의해 공구의 셀프-드레싱 능력을 향상시킨다.

이 니켈-주석-청동 결합 시스템의 내마모성은 텅스텐 카바이드, 실리콘 카바이드, 알루미나 및 다른 경질 필러들과 같은 필러 재료들을 첨가함으로써 휠 수명 및/또는 내마모성을 개선시키기 위해 더 최적화될 수 있다. 필러들은 또한 셀프 드레싱 특성을 개선시키며 그라인딩 중에 소비되는 전력을 감소시키기 위해 첨가될 수 있다. 예들은 흑연, 육방정 질화붕소 또는 다른 연질 필러들을 포함한다.

일 예에서, 결합 시스템은 니켈(예를 들어, 3 내지 5 미크론이거나 이보다 더 작은 입도), 주석(예를 들어, 10 미크론이거나 이보다 더 작은 입도), 청동(예를 들어, 44 미크론이거나 이보다 더 작은 입도), 텅스텐 카바이드(예를 들어, 1 미크론이거나 이보다 더 작은 입도), 및 MBG 620 다이아몬드와 같은 다이아몬드(예를 들어, 325/400 메시, 대략 25 내지 50 미크론의 입도)를 포함한다. 이 결과로 나온 공구는 20 내지 35 kg/mm²의 범위에 있는 록크웰 C 경도, 및 1 내지 10 MPa·m¹ ^/2의 범위에 있는 파괴 인성을 가진다.

본 발명은 또한 두 개 이상의 전혀 다른 상들을 특징으로 하는 공구를 형성하기 위해 다른 미리 합금된 금속 조합들을 사용함으로써 형성된 금속 결합들로 실시될 수 있으며, 이 상들 중의 하나는 구조상 연속적인 미리 합금된 상이다. 여기에서 설명된 바와 같이, 공극은 적어도 두 개의 상들 중에 불균일하게 분포될 수 있으며, 예를 들어, 최소의 공극이 연속적인 미리 합금된 상에 나타나거나 공극이 나타나지 않는다.

여기에서 개시된 물품과 같은 연마 물품을 제조하기 위해, 연마제 입자들은 금속 결합 조성물 및, 선택적으로, 필러들, 구멍 유도 재료들 등과 같은 다른 성분들과 결합될 수 있다. 혼합 또는 블렌딩(blending)은 본 기술분야에서 알려진 기술들 및 설비를 사용하여 실행될 수 있다. 결합된 재료들은, 예를 들어, 적당한 주형을 사용하여 형상화되며, 물품은, 예를 들어, 소결이나 다른 열처리 공정들에 의해 조밀화된다.

연마제 입자들과 함께 금속 결합을 열처리하는 것은, 예를 들어, 연마 물품을 형성하기 위해 혼합물을 소결하거나, 고온-프레싱(hot-pressing)하거나 또는 고온 코이닝(hot coining)하는 것을 포함한다. 다른 적당한 성형 공정들은 본 공개서에 비추어 명백하게 될 것이다(예를 들어, 결합 성분들과 연마제 입자들의 혼합물을 직접 열처리하는 것, 녹색 테이프 연마 물품을 형성하기 위해 테이프-캐스팅하며 그 다음에 녹색 테이프 물품을 소결하는 것, 또는 녹색 물품을 사출 성형하며 그 다음에 녹색 물품을 소결하는 것). 예를 들어, 다이아몬드 입자들 및 니켈, 주석 및 청동 금속 시스템을 포함하는 형상화된 몸체를, 예를 들어, 소결에 의해, 조밀화시키는데 사용될 수 있는 일반적인 온도는 약 400에서부터 약 1100℃까지의 범위 내에 있다. 다이아몬드 연마제 입자들, 니켈-주석-청동 금속 시스템 및 텅스텐 카바이드 필러를 포함하는 형상화된 몸체에 대하여, 소결이 약 400에서부터 약 1200℃까지의 범위 내에 있는 온도에서 실시될 수 있다. 고온 프레싱은 약 6.9 뉴턴/m²또는 파스칼(Pa)(0.5 tsi 또는 1000 파운드/ 평방 인치 또는 psi에 상응하는) 에서부터 약 41.4 Pa(3 tsi; 6000 psi)까지이며, 예를 들어, 약 6.9 Pa(0.5 tsi; 1000 psi)에서부터 34.5 Pa(2.5 tsi; 5000 psi)까지의 범위에 있는 압력에서 실시될 수 있다. 냉온 프레싱은 약 275.7 Pa(20 tsi; 40000 psi)에서부터 약 689.3 Pa(50 tsi; 100000 psi)까지이며, 예를 들어, 약 275.7 Pa(20 tsi; 40000 psi)에서부터 약 482.5 Pa(35 tsi; 70000 psi)까지의 범위에 있는 압력에서 실시될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예들에 따라 구성되는 예시적인 연마 휠들은 이제 설명되는 바와 같은 재료들 및 공정들을 이용하는 타입 1A8 금속 결합 휠들의 형태로 준비되었다. 수많은 다른 실시예들은 본 공개서에 비추어 명백해질 것이며, 본 발명은 어떤 특정한 하나에 한정되는 것을 의도하지 않는다.

실시예 1

니켈, 주석 및 청동으로 이루어지는 분말 금속 합금이 고온-프레스 기술을 통해 제조되었다. 더 상세하게는, 20.32 그램의 니켈 분말(123 니켈로서 AcuPowder International LLC, Union, NJ로부터 획득된)이 Turbula® 혼합기에서 7.11 그램의 주석(또한 115 주석으로서 AcuPowder International LLC, Union, NJ로부터 획득된) 및 72.63 그램의 미리 합금된 청동 분말(CEAC Alloy 822 분말, 60/40 Cu/Sn 중량퍼센트로서 Connecticut Engineering Assoc. Corp., SandyHook,CT로부터 획득된)과 혼합되었다(결과로 나온 니켈, 주석, 및 청동 조성은 20.32/7.11/12.10의 중량퍼센트 비율을 가졌다). 그 다음에, 2.33 그램의 다이아몬드(MBG620325/400메시로서 Diamond Innovations, Worthington, OH로부터 획득된)가 혼합물에 첨가되었으며 균질의 혼합물을 제공하기 위해 다시 Turbula®로 혼합하였다. 이 결과로 나온 혼합물은 그 다음에 35 tsi에서 강철 주형에서 냉온-프레스되었으며, 1.6 tsi(3200 psi)에서 850℃로 20분 동안 흑연 주형에서 고온-프레싱이 되었다. 냉각 중에, 이 결과로 나온 연마 디스크가 58 mm의 외경(OD), 40 mm의 내경(ID), 및 300 μm의 두께의 치수를 가지는 휠로 완성되었다. 이 완성된 연마 휠은 이 후에 실시예 1 휠로서 여기에서 언급된다.

이 실시예 1 휠은 Saint-Gobain Abrasives, Inc.에 의해 제조된 하나(58 mm OD, 40 mm ID, 및 300 μm 두께의 치수를 가지는 규격 MXL 2115)와 Disco Abrasive Systems K.K.에 의해 제조된 다른 하나(56 mm OD, 40 mm ID, 및 350 μm 두께의 치수를 가지는 규격 MBT-483 SD280N50M42)를 포함하는, 두 개의 종래의 구리-주석계 휠들과 비교되었다. 각각의 휠은 동일한 그라인딩 조건들을 사용하여, 동일한 가공 재료로 테스트되었다. 특히, 각각의 휠들은 Pluschip 8.8 x 8.8 100 미세 볼-그리드 어레이(FBGA) 가공 재료에 대한 슬라이싱 능력에 대하여 테스트되었다. 가공 재료는 두 개의 동심원 후프들에 의해 견고히 고정된 블루 테이프(blue tape)에 설치되었다. 그라인딩 머신은 MicroAce Dicing Saw였으며, 테스트 모드는 상승 모드에서의 슬라이싱/다이싱이었다. 실시예 1 휠과 MBT-483 휠에 대한 휠 크기의 근소한 차이는 이 특정한 적용에서 휠 마모와 그라인딩 비율이 휠의 치수와는 무관하다는 점에서 무시할 수 있다.

각각의 휠에 대한 트루잉(truing) 및 드레싱 작동들을 위한 조건들은 표 1에 보여진다. 알려진 바와 같이, 트루잉과 드레싱 작동들은 그의 사용 전의(또는 사용들의 사이에), 및 이 특정한 경우에는, 여기에 상술된 그라인딩 테스트 조건들 하에 그의 사용 전의 휠의 준비를 가리킨다. 트루잉과 드레싱 작동들을 위한 조건들은 패드 타입 및 크기, 스핀들 속도, 절삭 깊이, 절삭 횟수, 및 공급 속도를 포함한다. 트루잉 및 드레싱 패드들은 두 개의 동심원 후프들에 의해 견고히 고정된 블루 테이프에 설치되었다.

냉각제 타입 및 유량, 스핀들 속도, 공급 속도, 가공 재료 크기, 절삭 깊이, 절삭 횟수, 주행 길이를 포함하는, 테스트 그라인딩 공정의 세부 사항은 표 2에 상술된다. 가공 재료가 Pluschip 8.8 x 8.8 100 FBGA였다는 것을 상기하라.

종래의 휠들인 MXL 2115 및 MBT-483과 비교하여 실시예 1 휠에 대한 그라인딩 테스트의 결과들이 표 3에 보여진다.

이로써 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 휠은 약 11% 내지 16%의 전력의 증가를 희생하여 MXL 2115 휠보다 상당히 개선된 휠 마모를 나타낸다. MBT-483 휠에 대하여, 실시예 1 휠은 일반적으로 절삭 길이에 걸쳐 휠 마모에 대한 10% 내지 30%의 개선을 나타내지만, 반면에 전력 소비는 상대적으로 비슷하다. 그라인딩 결과들은 표 4에 평균 휠 마모와 평균 전력으로 요약된다.

이로써 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 휠은 MXL 2115 휠의 휠 마모보다 약 50% 더 낮으며, MBT-483휠의 휠 마모보다 약 20% 더 낮은 평균 휠 마모를 나타낸다. 실시예 1 휠로 그라인딩에 사용되는 평균 전력은 MXL 2115 휠에 대하여 약 15% 더 높으며 MBT-483 휠보다 약간 더 낮거나 그렇지 않으면 필적할만하다.

실시예 2

실시예 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성된 일 예의 슬라이싱 휠을 가리킨다(이 후에 실시예 2 휠로 여기에서 언급된다). 특히, 실시예 2 휠은 56/14/30의 중량 퍼센트 비율의 니켈, 주석, 및 청동을 포함하는 조성물로부터 만들어졌다. 다이아몬드 함유량은 실시예 1 휠과 동일하였다. 일반적으로, 그리고 실시예 1 휠에 비하여, 실시예 2 휠은 더 큰 니켈 함유량을 가지며 더 큰 내마모성을 보여주었다. 더 큰 니켈 함유량 때문에, 휠은 950 ℃에서 처리되었다.

실시예 2 휠은 실시예 1 휠로 실행되었던 것과 유사한 방식으로, 그라인딩 데이터와 비교하기 위해 테스트되었다. 표 5 및 6은 그라인딩 결과들을 상술하고 있다.

표 5에 나타낸 그라인딩 결과들에 의해 알 수 있는 바와 같이, 실시예 2 휠은 약 5% 내지 15%의 전력의 증가를 희생하여 MXL 2115 휠에 비하여 상당히 개선된 (약 3 내지 5배 더 낮은) 휠 마모를 나타낸다. MBT-483 휠에 비하여, 실시예 2 휠은 절삭 길이에 걸쳐 휠 마모에 대한 약 40% 내지 70%의 개선과, 일정하게 낮은 전력 사용을 나타낸다.

실시예 2 휠에 대한 그라인딩 결과들은 표 6에 평균 휠 마모 및 평균 전력으로 요약된다. 이로써 알 수 있는 바와 같이, 실시예 2 휠은 MBT-483의 평균 휠 마모보다 약 50% 더 적은 평균 휠 마모를 가지며, 이는 휠 수명에 대한 약 100%의 개선을 초래한다. 마찬가지로, 실시예 2 휠은 MXL 2115의 평균 휠 마모보다 약 75% 더 적은 평균 휠 마모를 가진다.

실시예 3

실시예 3은 원소 조성물을 포함하는 일 예의 그라인딩 휠을 가리킨다(이 후에 실시예 3 휠로 여기에서 언급된다). 특히, 실시예 3 휠은 49/33/18의 중량 퍼센트 비율의 원소의 니켈, 주석, 및 구리를 포함하는 조성물로부터 (미리 합금된 청동을 사용하지 않고) 만들어졌다. 실시예 1 휠에 사용된 미리 합금된 청동은 구리와 주석의 60/40 중량퍼센트 비율이었으며, 그래서 실시예 1 휠의 조성물과 실시예 3 휠의 조성물은 동일한 수준의 니켈, 주석 및 구리를 가진다는 것을 상기하라. 구체적으로, 실시예 3 휠을 제조하기 위해 사용된 다양한 성분들의 양은 19.66 그램의 니켈, 10.81 그램의 주석, 및 7.22 그램의 구리를 포함하였다. 다이아몬드 함유량과 성형 방법들은 실시예 1 휠과 동일하였다.

실시예 3 휠은 결합 내구성과 휠 수명에 관하여, (이전에 설명된 바와 같은 그라인딩 테스트들을 통해) 실시예 1 휠과 비교되었다. 표 7 및 8은 그라인딩 결과들을 상술하고 있다.

표 7에 나타낸 그라인딩 결과들로 알 수 있는 바와 같이, 미리 합금된 청동의 실시예 1 휠은 약 5% 내지 15%의 전력의 증가를 희생하여, 원소로 만들어진 실시예 3 휠에 비하여 (절삭 길이가 증가함에 따라) 상당히 양호한 휠 마모를 나타낸다.

실시예 3 휠에 대한 그라인딩 결과들은 표 8에 평균 휠 마모와 평균 전력으로 요약된다. 보여지는 바와 같이, 미리 합금된 청동의 실시예 1 휠은 약 10%의 평균 전력의 증가를 희생하여 원소로 만들어진 실시예 3 휠의 평균 휠 마모보다 약 35% 더 적은 평균 휠 마모를 가진다.

실시예 4

실시예 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성된 일 예의 그라인딩 휠을 가리킨다(이 후에 실시예 4 휠로 여기에서 언급된다). 특히, 실시예 4 휠에 대한 결합 재료는 니켈-주석-청동을 포함하며, 추가로 5 체적%의 경질 텅스텐 카바이드 필러(텅스텐 카바이드, WC, 99.5% 순도, < 1 미크론 평균 입도로서 Cerac Specialty Inorganics, Milwaukee, WI로부터 획득되는)를 함유한다. 실시예 4 휠에서 Ni-Sn-청동-WC의 중량퍼센트 비율은 각각, 44.74/19.17/27.39/8.69이다. 다이아몬드 함유량과 성형 방법들은 실시예 1 휠과 동일하였다. 니켈-주석-청동 결합에 대한 텅스텐 카바이드(WC)의 첨가 때문에, 결합의 내마모성과 내구성이 더 개선되며, 그에 의해 휠 수명을 더 증가시킨다. 이 개선은, 텅스텐 카바이드 없이 만들어진 비교할 만한 니켈-주석-청동 휠에 비하여, 그라인딩 전력에 대한 약간의 증가(예를 들어, 10% 또는 그보다 작게)를 나타낸다.

실시예 5

실시예 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성된 일 예의 슬라이싱 휠을 가리킨다(이 후에 실시예 5 휠로 여기에서 언급된다). 특히, 실시예 5 휠은 56/14/30의 중량 퍼센트 비율의 니켈, 주석, 및 청동을 포함하는 조성물로부터 만들어졌다. 다이아몬드 함유량, 타입 및 크기는 실시예 2 휠과 동일하였다. 일반적으로, 그리고 실시예 2 휠에 비하여, 실시예 5 휠은 950℃의 온도에서 그리고 더 긴 시간(40분) 동안 처리되었다. 실시예 5 휠은, 실시예 1 휠로 실행되었던 것과 유사한 방식으로, 그라인딩 데이터와 비교하기 위해 테스트되었다. 표 9 및 10은 그라인딩 결과들을 상술하고 있다.

표 9에 나타낸 그라인딩 결과들에 의해 이로써 알 수 있는 바와 같이, 실시예 5 휠은 약 10% 내지 20%의 전력의 증가를 희생하여 MXL 2115 휠에 비하여 상당히 개선된 (약 3 내지 5배 더 낮은) 휠 마모를 나타낸다. MBT-483 휠에 비하여, 실시예 5 휠은 절삭 길이에 걸쳐 휠 마모에 대한 약 40% 내지 70%의 개선과, 일정하게 낮은 전력 사용을 나타낸다.

실시예 5 휠에 대한 그라인딩 결과들은 표 10에 평균 휠 마모 및 평균 전력으로 요약된다. 이로써 알 수 있는 바와 같이, 실시예 5 휠은 MBT-483의 평균 휠 마모보다 약 60% 더 적은 평균 휠 마모를 가진다. 마찬가지로, 실시예 5 휠은 MXL 2115의 평균 휠 마모보다 약 180% 더 적은 평균 휠 마모를 가진다.

휠 강성

내구성(결합 내마모성)에 추가하여, 높은 휠 강성이 또한, 특히 절삭의 직진성을 위한 슬라이싱 적용들(예를 들어, BGA 슬라이싱)에서 바람직하다. 이론적으로, 니켈계 결합 시스템들은, 니켈 금속이 구리보다 더 강성이 있기 때문에, 종래의 구리계 시스템들보다 더 큰 휠 강성을 가져야 한다. 그러나, 불완전 소결 처리 및 다이아몬드와 결합 사이의 접촉면 슬라이딩 때문에, 강성은 매트릭스에 충분히 전달되지 않는다.

표 11은 주어진 결합 시스템들의 각각에서 음향의 초음파 속도를 측정함으로써 계산된, 휠들의 강성(영 계수)을 상술하고 있다.

이로써 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 휠은 MXL 2115 및 MBT-483 휠들에 비교하여 보다 우수한 휠 강성을 나타낸다. 실시예 2 및 4 휠들의 강성은 실시예 1 휠의 강성에 비해 증가한다. 본 발명의 실시예들은 일반적으로 145 GPa 또는 그보다 더 높거나, 보다 구체적으로는, 155 GPa 또는 그보다 더 높거나, 훨씬 더 구체적으로는, 170 GPa 또는 그보다 더 높은 영 계수를 나타낸다.

결합 미세 구조

연마 휠 결합의 기계적인 특성들은 주로 미세 구조와 그라인딩 작동 중에 그의 거동에 의존한다. 도1 및 2 각각은 본 발명의 실시예에 따른, Ni-Sn-청동(49/21/30) 결합 시스템의 연마된 단면의 SEM 이미지를 보인다. 이로써 알 수 있는 바와 같이, 미세 구조는 두 개의 전혀 다른 금속성 상들을 포함하며, 하나는 용해된 주석을 가지는 니켈 상이며, 다른 하나는 미리 합금된 청동 상(예를 들어, 60:40 중량%의 Cu/Sn 비율)이다. (예를 들어, 약 850 ℃에서) 고온-프레스될 때, 또한 (20 체적%보다 적은) 몇몇 고유 공극이 있다. 게다가, 도2는 덴드라이트들이 미리 합금된 청동 상으로부터 외측으로 성장함에 따라 주석을 증가시키는 조성 구배를 가지는, 코어가 있는 덴드라이트들(cored dendrites)을 포함하는 주조 주석 청동 구조의 존재를 보인다. 응고되는 최종 액체는 냉각 중에 주석으로 농축되며, 알파 및 델타 상들을 형성한다. 미리 합금된 청동 입자들은 조밀한 청동 분말에 이르는 액상 구리 및 주석을 분무함으로써 만들어지기 때문에 어떤 공극도 가지지 않는다. 결합이 고온 프레싱 중에 다시 녹을 때, 공극이 니켈 및 주석 영역들에 한정된다(또는 대부분 한정된다).

다른 한편으로, 도3 및 4는 49/33/18의 중량퍼센트 비율의 원소의 니켈, 주석 및 구리를 포함하는 조성물로부터 만들어진 결합 시스템(도1에 도시된 시스템과 동일한 수준의 니켈, 주석 및 구리를 가지는 동일한 원소 조성을 가지는)의 SEM 이미지를 보인다. 이로써 알 수 있는 바와 같이, 미세 구조는 용해된 주석을 가지는 니켈 상, 및 용해된 주석을 가지는 구리 상을 포함한다. 도1 및 도2에 보여지는 구조와 동일한 온도 및 압력에서 고온-프레스될 때, 유사한 공극 수준이 획득된다. 그러나, 결과는 도4에 보여지는 바와 같은, 고유 공극을 가지는 불완전 소결처리 구리-주석 구조를 가진다. 공극은 구리-주석 구조들을 포함하는, 모든 상들의 미세 구조에 존재한다. 이 모든 상의 고유 공극은 니켈-주석-청동 결합 시스템들을 사용하는 공구들로부터 원소의 니켈-주석-구리 결합 시스템들을 사용하는 공구들을 구별하는데 사용될 수 있는 암시 신호이다. 게다가, 모든 상들 중에 있는 이 균일한 분포의 고유 공극은 또한 슬라이싱 적용들에서 증가된 휠 마모율에 기여할 수 있다(그렇게 하는 것이 바람직하지는 않지만).

도5 및 6은 양쪽 모두의 상들에서 공극을 보이는, 실시예 5 휠의 SEM 이미지이다.

본 발명의 실시예들의 이전의 설명은 도시와 설명의 목적으로 제공되었다. 이는 본 발명을 총망라하거나 개시된 정확한 형태로 한정하기 위한 의도는 아니다. 많은 변경들 및 변형들이 공개서에 비추어 가능하다. 본 발명의 범위가 이 상세한 설명에 의해 한정되는 것이 아니라, 오히려 여기에 첨부된 청구항들에 의해 한정되게 하고자 한다.

Claims

금속 결합 연마 공구로서,
a. 연마제 입자들;
b. 니켈, 주석 및 미리 합금된 청동을 포함하는 금속 결합 조성물로서, 상기 미리 합금된 청동이 상기 금속 결합 조성물 전체에 본질적으로 연속되는 상으로 존재하는, 금속 결합 조성물; 및
c. 20체적% 미만의 전체 공극을 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속 결합 연마 공구.
제1항에 있어서, 상기 공구는 10체적% 미만의 전체 공극을 가지는 것을 특징으로 하는, 금속 결합 연마 공구.
제1항에 있어서, 상기 연마제 입자들의 적어도 일부는 금속 또는 이의 합금을 포함하는 코팅을 가지는 것을 특징으로 하는, 금속 결합 연마 공구.
제1항에 있어서, 상기 금속 결합 연마 공구는 필러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속 결합 연마 공구.
금속 결합 연마 공구를 제조하기 위한 방법으로서, 상기 방법은
a. 연마제 입자들과 니켈, 주석 금속 및 미리 합금된 청동을 포함하는 금속 결합 조성물을 결합시키는 단계;
b. 상기 결합된 연마제 입자들과 금속 결합 조성물을 형상화된 몸체로 형성하는 단계; 및
c. 상기 형상화된 몸체를 조밀화시켜 상기 금속 결합 연마 공구를 제조하는 단계를 포함하고,
상기 단계 a에서 상기 미리 합금된 청동은 상기 금속 결합 조성물 전체에 본질적으로 연속되는 상으로 존재하고, 상기 단계 c에서 금속 결합 연마 공구가 20%미만의 공극을 갖게 되는, 금속 결합 연마 공구를 제조하기 위한 방법.
제5항에 있어서, 상기 조밀화 단계는, 400℃ 내지 1100℃의 범위 내의 온도에서 소결시킴으로써 행해지는 것을 특징으로 하는, 금속 결합 연마 공구를 제조하기 위한 방법.
제5항에 있어서, 상기 연마제 입자들, 상기 금속 결합 조성물 또는 이들 모두가 필러와 추가로 배합되는 것을 특징으로 하는, 금속 결합 연마 공구를 제조하기 위한 방법.
연마제 입자들 및 결합 매트릭스를 포함하는 금속 결합 연마 물품으로서,
상기 결합 매트릭스는
a. 금속 결합 조성물과 b. 20체적% 미만의 공극을 포함하고,
상기 금속 결합 조성물은
(i) 1100℃ 내지 1600℃의 범위 내의 융점을 가지는 금속 또는 금속 합금인 제1 성분;
(ii) 700℃ 보다 낮은 융점을 가지며, 상기 금속 또는 상기 금속 합금에 완전히 또는 부분적으로 용해 가능한 천이 액체 상을 형성할 수 있는 제2 성분; 및
(iii) 미리 합금된 것이고 800℃보다 낮은 융점을 가지며 상기 금속 결합 조성물 전체에 본질적으로 연속되는 상으로 존재하는 제3 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속 결합 연마 물품.
제8항에 있어서, 상기 연마제 입자들의 적어도 일부는 금속 또는 이의 합금을 포함하는 코팅을 가지는 것을 특징으로 하는, 금속 결합 연마 물품.
제8항에 있어서, 필러를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속 결합 연마 물품.
제8항에 있어서,
(i) 상기 금속 또는 금속 합금이 니켈, 코발트 또는 철이거나:
(ii) 상기 제2 성분이 주석, 아연, 알루미늄, 인듐, 비스무트, 안티몬 및 이들의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되거나;
(iii) 상기 제3 성분이 구리-주석, 구리-아연, 구리-주석-인 또는 구리-주석-아연인 것을 특징으로 하는, 금속 결합 연마 물품.
제8항에 있어서, 상기 금속 결합 연마 물품이 10체적% 미만의 공극을 가지는 것을 특징으로 하는, 금속 결합 연마 물품.
금속 결합 연마 물품을 제조하기 위한 방법으로서,
상기 방법은
a. 연마제 입자들과 금속 결합 조성물의 배합물을 포함하는 형상화된 몸체를 형성하는 단계 및
b. 상기 금속 결합 연마 물품을 형성하기 위해 상기 형상화된 물체를 조밀화시키는 단계를 포함하고,
상기 금속 결합 조성물은
(i) 1100℃ 내지 1600℃의 범위 내의 융점을 가지는 금속 또는 금속 합금인 제1 성분;
(ii) 700℃보다 낮은 융점을 가지며, 상기 금속 또는 상기 금속 합금에 완전히 또는 부분적으로 용해 가능한 천이 액체 상을 형성할 수 있는 제2 성분; 및
(iii) 미리 합금된 것이고 800℃보다 낮은 융점을 가지며 상기 금속 결합 조성물 전체에 본질적으로 연속되는 상으로 존재하는 제3 성분을 포함하고,
상기 단계 b에서 상기 금속 결합 연마 물품이 20체적% 미만의 공극을 갖도록 조밀화됨을 특징으로 하는, 금속 결합 연마 물품을 제조하기 위한 방법.
제13항에 있어서, 상기 형성화된 몸체가 필러를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속 결합 연마 물품을 제조하기 위한 방법.
제13항에 있어서,
(i) 상기 금속 또는 금속 합금은 니켈, 코발트 또는 철이거나:
(ii) 상기 제2 성분은 주석, 아연, 알루미늄, 인듐, 비스무트, 안티몬 및 이들의 어떤 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되거나;
(iii) 상기 제3 성분은 구리-주석, 구리-아연, 구리-주석-인 또는 구리-주석-아연인 것을 특징으로 하는, 금속 결합 연마 물품을 제조하기 위한 방법.
제1항에 있어서, 상기 미리 합금된 청동이, 상기 금속 결합 조성물의 전체 중량에 기초하여, 0.1 내지 50중량% 범위내의 양으로 상기 금속 결합 조성물에 존재하는, 금속 결합 연마 공구.
제8항에 있어서, 상기 금속 결합 조성물의 전체 중량에 기초하여, 미리 합금된 청동이 0.1 내지 50중량% 범위내의 양으로 상기 금속 결합 조성물에 존재하는, 금속 결합 연마 물품.
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