KR101353171B1 - 냉각제 채널을 포함하는 복합 물품 및 공구 제작 방법 - Google Patents

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프라캐쉬 케이. 미르찬다니
마이클 이. 웰러
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빌리 디. 스웨렝인
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티디와이 인더스트리스, 엘엘씨
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Abstract

본 발명의 구체예는 적어도 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 복합 물품 및 이러한 물품을 제조하는 방법을 포함한다. 제1 영역은 제1 복합 재료를 포함할 수 있는데, 여기서 제1 영역은 중량으로 5 중량% 미만의 큐빅 카바이드를 포함하고, 제2 영역은 제2 복합 재료를 포함할 수 있는데, 여기서 제2 복합 재료는 적어도 하나의 특징에 있어서 제1 복합 재료와 상이하다. 복합 물품은 적어도 하나의 냉각제 채널을 추가로 포함할 수 있다. 특정 구체예에서, 제1 및 제2 복합 재료가 개별적으로 접합제에 경질 입자를 포함할 수 있고, 여기서 경질 입자는 독립적으로 카바이드, 니트라이드, 보라이드, 실리사이드, 옥사이드, 및 이의 고용체 중 적어도 하나를 포함하고, 접합제는 코발트, 니켈, 철 및 이의 합금에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함한다. 특정 구체예에서, 제1 복합 재료 및 제2 복합 재료는 개별적으로 접합제에 초경합금과 같은 금속 카바이드를 포함할 수 있다.

Description

냉각제 채널을 포함하는 복합 물품 및 공구 제작 방법 {COMPOSITE ARTICLE WITH COOLANT CHANNELS AND TOOL FABRICATION METHOD}
본 발명은 일반적으로, 조성 및/또는 미세구조가 상이한 영역을 포함하는 복합 구조를 가지는 공구 블랭크와 같은 물품을 형성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 추가적으로 복합 구조 및 적어도 하나의 냉각제 채널을 가지는 회전 공구를 위한 공구 블랭크 및 회전 공구에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 회전 공구의 제조에서 일반적인 적용분야를 발견하며, 예를 들어, 드릴링(drilling), 리밍(reaming), 카운터싱킹(countersinking), 카운터보링(counterboring), 및 엔드밀링(end milling)과 같은 재료 제거 작업에서 사용되는 초경합금(cemented carbide) 회전 공구의 제조에서 적용될 수 있다.
초경합금 회전 공구(즉, 회전하도록 구동되는 공구)는 보통, 예를 들어 드릴링, 리밍, 카운터싱킹, 카운터보링, 엔드밀링, 및 태핑(tapping)과 같은 기계가공 작업에서 이용된다. 이러한 공구는 대체로 고체 일체형(monolithic) 구조이다. 이러한 공구 제조 공정은 (미립자 세라믹과 접합제(binder) 금속으로 구성된) 야금 분말(metallurgical powder)을 압밀하여 압분체(compact)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이후 압분체가 소결되어 고체 일체형 구조를 가지는 원통형 공구 블랭크를 형성한다. 본 명세서에서 사용된 일체형 구조는 공구가, 예를 들어, 공구 내의 어떤 작업량에서나 실질적으로 동일한 특징을 가지는 초경합금 재료와 같은 재료로 구성됨을 의미한다. 소결 다음에, 공구 블랭크는 절삭날(cutting edge) 및 회전 공구의 특정 형상의 다른 외형을 형성하도록 적당하게 기계가공된다. 회전 공구에는, 예를 들어, 드릴(drill), 엔드밀(end mill), 리머(reamer), 및 탭(tap)이 포함된다.
초경합금으로 구성된 회전 공구는 금속, 목재, 및 플라스틱과 같은 구조 재료의 절삭(cutting) 및 성형(shaping)을 포함하는 많은 산업 분야에 적합화된다. 초경합금 공구는 이러한 재료의 특징인 인장 강도, 내마모성, 및 인성의 조합으로 인하여 산업적으로 중요하다. 초경합금 재료는 적어도 두 상: 즉 적어도 하나의 경질 세라믹 성분 및 금속 접합제의 연질 매트릭스를 포함한다. 경질 세라믹 성분은, 예를 들어 주기율표의 IVB 족부터 VIB 족 내 원소의 카바이드일 수 있다. 일반적인 예는 텅스텐 카바이드이다. 접합제는 금속 또는 금속 합금, 전형적으로 코발트, 니켈, 철 또는 이러한 금속들의 합금일 수 있다. 접합제는 삼차원으로 상호연결된 매트릭스 내의 세라믹 성분을 "접합시킨다(cement)". 초경합금은 적어도 하나의 분말 세라믹 성분 및 적어도 하나의 분말 접합제의 야금 분말 블렌드를 압밀하여 제작될 수 있다.
초경합금 재료의 물리적, 화학적 특성은 재료를 제조하기 위하여 사용된 야금 분말의 개별적인 성분들에 부분적으로 의존한다. 초경합금 재료의 특성은 예를 들어, 세라믹 성분의 화학적 조성, 세라믹 성분의 입자 크기, 접합제의 화학적 조성, 그리고 접합제 대 세라믹 성분의 비율에 의하여 결정된다. 야금 분말의 구성요소를 변화시켜, 드릴 및 엔드밀과 같은 회전 공구가 특정 적용분야에 부합하는 고유의 특성을 가지도록 제조될 수 있다.
일체형 회전 공구는 오일 또는 물과 같은 냉각제가 회전 공구의 절삭면으로 흐를 수 있도록, 공구의 몸체와 생크(shank)를 통하여 뻗어 있는 냉각제 채널을 추가적으로 포함할 수 있다. 냉각제는 생크 말단부에서 채널에 유입되고 드릴 지점에서 배출될 수 있다. 냉각제는 회전 공구와 가공품을 냉각시키고, 홀(hole)로부터의 칩과 먼지의 배출을 돕는다. 기계가공 작업 동안의 냉각제 사용은 회전 공구의 절삭 속도와 공급 속도를 더 빠르게 할 뿐만 아니라, 공구 수명을 연장시킨다. 냉각제 채널을 포함하는 회전 공구는 경질 재료에 깊은 홀을 드릴링하기에 특히 적당하다.
그러나, 회전 공구의 일체형 구조는 본질적으로 공구의 성능과 적용 범위를 제한한다. 예로서, 도 1은 목재, 금속, 및 플라스틱과 같은 건축 재료에 홀을 형성하고 다듬기 위하여 사용되는 일반적인 설계를 가지는 트위스트 드릴(10)의 측면도 및 배면도를 나타낸다. 트위스트 드릴(10)은 가공품을 처음으로 절삭하는 치즐 에지(chisel edge)(11)를 포함한다. 드릴(10)의 절삭 선단(cutting tip)(14)은 치즐 에지(11)에 뒤따르며, 홀이 드릴링됨에 따라 재료의 대부분을 제거한다. 절삭 선단(14)의 외부 둘레(16)는 홀을 마무리한다. 절삭 과정 동안, 절삭 속도는 드릴의 중심으로부터 드릴의 외부 둘레까지 현격하게 변한다. 이 현상이 도 2에 나타나는데, 도 2는 전형적인 트위스트 드릴의 절삭 선단의 내부(D1), 외부(D3), 및 중간(D2) 직경에서의 절삭 속도를 도표로 비교한다. 도 2(b)에서, 외부 직경(D3)은 1.00 인치이고, 직경(D1) 및 직경(D2)는 각각 0.25 및 0.50 인치이다. 도 2(a)는 트위스트 드릴이 분당 200 회전으로 작동할 때 세 가지 상이한 직경에서의 절삭 속도를 나타낸다. 도 2(a) 및 (b)에 도시되는 바와 같이, 회전 공구의 절삭날의 여러 지점에서 측정된 절삭 속도는 공구의 회전축으로부터의 거리에 따라 증가할 것이다.
이러한 절삭 속도 변화로 인하여, 일체형 구조를 가지는 드릴 및 다른 회전 공구는 중심으로부터 공구 절삭면의 외부 변에 걸친 여러 상이한 지점에서 공구의 절삭날이 균일하게 마모(wear) 및/또는 치핑(chipping) 및 균열(cracking)되지 않을 것이다. 또한, 담금질된(casehardened) 재료의 드릴링에서, 치즐 에지가 통상적으로 케이스를 관통하기 위하여 사용되는 한편, 드릴 몸체의 나머지 부분은 담금질된 재료의 부드러운 코어로부터 재료를 제거한다. 따라서, 이러한 적용분야에서 사용되는 일체형 구조의 종래의 드릴의 치즐 에지는 절삭날의 나머지 부분보다 훨씬 더 빠른 속도로 마모될 것이며, 이러한 드릴의 사용 수명이 상대적으로 짧아진다. 양측의 경우에, 종래의 초경합금 드릴의 일체형 구조로 인하여, 절삭날의 빈번한 재연마가 필요하므로, 비트(bit)의 사용 수명에 상당한 제한이 가해진다. 빈번한 재연마 및 공구 교체는 또한 사용되는 기계 장비의 과도한 휴지 시간을 야기한다.
따라서, 본 명세서에 전체가 참조 문헌으로 수록된 미국 특허 제6,511,265호에 기재된 공구와 같이, 복합 회전 공구와 같은 복합 물품이 이용되어 왔다. 적절하게 설계된 경우, 복합 회전 공구는 더욱 일체형인 구조를 가지는 회전 공구에 비해 증가된 공구 사용 수명을 가질 수 있다. 그러나, 공구의 상이한 영역에서 상이한 특징을 가지고 냉각제 채널을 포함하는 드릴 및 다른 회전 공구에 대한 필요성이 존재한다. 예로서, 공구의 회전축에 대한 공구 면의 위치와 관계 없이 실질적으로 균일한 마모가 일어날 것이고, 절삭면을 냉각시킬 초경합금 드릴 및 다른 회전 공구에 대한 요구가 존재한다. 복합 회전 공구가 일체형 회전 공구와 동일한 이점을 가질 수 있도록, 냉각제 채널을 가지는 복합 회전 공구에 대한 요구가 있다. 또한 복합 회전 공구를 제조하는 다양한 방법 및 냉각제 채널을 포함하는 복합 회전 공구에 대한 요구가 있다.
본 발명의 구체예는 적어도 제1 영역 및 제2 영역을 포함하는 복합 물품(composite article)을 포함한다. 제1 영역은 제1 복합 재료를 포함할 수 있고, 여기서 제1 영역은 중량으로 5 중량% 미만의 큐빅 카바이드를 포함하며, 제2 영역은 제2 복합 재료를 포함할 수 있고, 여기서 제2 복합 재료는 적어도 하나의 특징에 있어서 제1 복합 재료와 상이하다. 복합 물품은 적어도 하나의 냉각제 채널을 추가로 포함할 수 있다. 특정 구체예에서, 제1 복합 재료 및 제2 복합 재료는 각각 접합제에 경질 입자를 포함할 수 있고, 여기서 경질 입자는 카바이드, 니트라이드, 보라이드, 실리사이드, 옥사이드, 및 이의 고용체 중 적어도 하나를 독립적으로 포함하고, 접합제는 코발트, 니켈, 철 및 이의 합금에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함한다. 특정 구체예에서, 제1 복합 재료 및 제2 복합 재료가 개별적으로 접합제에 금속 카바이드를 포함할 수 있다.
특징은 탄성계수, 경도, 내마모성, 파괴인성, 인장 강도, 내부식성, 열팽창계수, 및 열전도계수로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 특징일 수 있다. 복합 물품은 예를 들어 회전 공구, 회전 공구 블랭크, 드릴, 엔드밀, 탭, 로드(rod), 및 바(bar) 중 하나일 수 있다. 일부 구체예에서, 복합 물품은 둘 이상의 냉각제 채널을 추가로 포함할 수 있고, 냉각제 채널은 실질적으로 직선형이거나 실질적으로 나선형일 수 있다.
본 발명의 구체예는 물품, 금속 카바이드를 포함하는 적어도 두 가지의 복합 재료를 공압출하여 압분체(green compact)를 형성하는 방법을 포함하는 물품 형성 방법을 추가로 포함한다. 복합 재료는 상기한 바와 같을 수 있다. 적어도 두 가지의 복합 재료를 공압출하는 것은 다이를 통하여 수행될 수 있고, 특정 구체예에서, 다이는 압분체에 내부 채널을 만들기 위한 수단을 포함할 수 있다. 다이는 압분체 내에 내부 채널을 형성하기 위한 적어도 하나의 와이어를 포함할 수 있으며, 여기서 와이어는 경직성이거나 가요성일 수 있다.
구체예는 또한 복합 구조를 가지는 회전 공구를 제조하는 방법을 포함하고, 상기 방법은 압출된 제1 분말 금속을 몰드(mold)의 공극(void)의 제1 영역에 배치하는 단계, 제2 야금 분말 금속을 공극의 제2 영역에 배치하는 단계, (압출된 제1 분말 금속은 제2 야금 분말과 상이함), 그리고 압출된 제1 분말 금속 및 제2 분말 금속을 압밀하여 압분체를 형성하기 위하여 몰드를 압축하는 단계를 포함한다. 압분체는 소결되어 물품을 형성할 수 있다. 재료는 소결 전 또는 후에 적어도 하나의 절삭날을 제공하기 위하여 압분체로부터 제거된 재료일 수 있다.
독자는 다음의 본 발명의 구체예의 상세한 설명을 고려하여 전술한 본 발명의 세부 및 장점 등을 이해할 것이다. 독자는 또한 본 발명을 이용하여 본 발명의 추가적인 세부 및 장점을 파악할 수 있다.
본 발명의 특징과 장점은 다음 첨부 도면을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다:
도 1(a) 및 1(b)는 각각 냉각제 채널을 포함하는 종래의 트위스트 드릴의 평면도 및 단면도이고;
도 2(a)는 도 2(b)에 나타나는 종래의 트위스트 드릴의 세 가지의 직경 D1, D2, 및 D3에서의 절삭 속도를 나타내는 그래프이고;
도 3(a) 및 (b)는 중심에 있는 카바이드 그레이드 B의 코어 및 초경합금 그레이드 A의 쉘을 포함하는, 본 발명의 방법의 구체예에 의하여 제조된 로드의 횡방향 단면도(도 3(a)) 및 종방향 단면도(도 3(b))를 포함하고;
도 4(a)-(d)는 복합 초경합금의 구체예의 횡단면도를 나타내고;
도 5(a)-(d)는 직선형 단일 냉각제 채널 (도 5(a)); 두 개의 직선형 채널 (도 5(b)); 두 개의 나선형 또는 소용돌이형 채널 (도 5(c)); 그리고 세 개의 나선형 또는 소용돌이형 채널 (도 5(d))과 같은 냉각제 채널의 상이한 형상의 예를 나타내는 블랭크의 구체예이고;
도 6(a)는 나선형 또는 소용돌이형 채널을 포함하는 블랭크를 제조하기 위하여 내부 소용돌이형 세레이션(serration)을 포함하는 다이를 통하여 그레이드 A의 튜브와 그레이드 B의 로드를 공압출하는 데 사용되는 공압출 압축 장치를 나타내고;
도 6(b)는 채널 다이를 나타내고;
도 6(c)는 소용돌이형 세레이션을 포함하는 다이로부터 나가는, 내부 채널을 포함하는 공압출된 복합 초경합금 로드의 사진이고;
도 7은 초경합금 그레이드 B를 초경합금 그레이드 A로 만들어진 내부 채널을 포함하는 압출된 로드로 압밀하는 것을 포함하는 본 발명 방법의 구체예에서 사용되는 드라이 백 등방 압축 장치를 나타내고;
도 8(a)는 본 발명의 내부 냉각제 채널을 포함하는 복합 로드의 종방향 횡단면의 사진이고, 사진의 나일론 와이어는 채널의 위치 및 냉각제 채널의 경로를 더욱 뚜렷하게 나타내기 위하여 채널에 삽입되고;
도 8(b)는 내부 냉각제 채널을 가지는 복합 초경합금으로 만들어진 드릴의 종방향 횡단면도의 사진이다.
본 발명은 복합 구조를 가지는 회전 절삭 공구, 절삭 공구 블랭크, 로드, 및 다른 물품, 그리고 이러한 물품을 제조하는 방법을 제공한다. 물품은 필요한 경우 냉각제 채널과 같은 내부 채널을 추가로 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 회전 공구는 회전하도록 구동되는 적어도 하나의 절삭날을 가지는 공구이다. 본 명세서에서 사용된 "복합" 구조는 화학적 조성 및/또는 미세구조가 상이한 영역을 가지는 물품을 지칭한다. 이러한 차이점은 적어도 하나의 특징에 대하여 상이한 특성을 가지는 영역을 초래한다. 특징은 예를 들어 경도, 인장 강도, 내마모성, 파괴인성, 탄성계수, 내부식성, 열팽창계수, 및 열전도계수 중 적어도 하나일 수 있다. 본 발명에 제공된 바와 같이 구성될 수 있는 복합 회전 공구에는 드릴과 엔드밀 뿐만 아니라, 예를 들어 재료의 드릴링, 리밍, 카운터싱킹, 카운터보링, 엔드밀링, 및 태핑에 사용될 수 있는 다른 공구가 포함된다.
본 발명은 더욱 구체적으로, 적어도 하나의 절삭날, 적어도 하나의 특징에 있어서 상이한 초경합금 재료의 적어도 두 영역, 그리고 적어도 하나의 냉각제 채널을 가지는 복합 회전 공구를 제공한다. 상이한 특징은 초경합금 재료의 두 영역에서 화학적 조성 및 미세구조 중 적어도 하나의 변화에 의하여 제공될 수 있다. 영역의 화학적 조성은, 예를 들어 영역의 세라믹 성분 및/또는 접합제의 화학적 조성 및 영역의 카바이드-대-접합제 비율의 함수이다. 예를 들면, 회전 공구의 두 초경합금 재료 영역 중 하나는 두 영역 중 다른 하나보다 더 큰 내마모성, 향상된 경도, 및/또는 더 큰 탄성계수를 나타낼 수 있다.
본 발명의 양태는 축을 가로지르는 횡단면도인 도 4(a)에 나타나는 공구 블랭크(400)에 관하여 기술될 수 있다. 공구 블랭크(400)는 일반적으로, 둘의 동축으로 배열된 초경합금 영역(410, 420) 및 냉각제 채널(430)을 가지는 원통형 소결된 압분체이다. 그러나 다음의 본 발명의 논의가 또한 더욱 복합한 형상 및/또는 두 영역 이상을 가지는 공구 블랭크 및 복합 회전 공구의 제작에 맞추어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 다음의 논의는 단지 본 발명의 구체예를 설명하기 위한 것이고, 본 발명을 제한하도록 의도하지 않는다.
도 4(a)의 구체예에서, 원통형 회전 공구 블랭크(400)는 두 가지의 상이한 초경합금 영역, 즉 코어 영역(400) 및 외부 영역(410)으로 구성된다. 코어 영역(420) 및 외부 영역(410)은 모두 접합제의 연속 매트릭스에 세라믹 입자를 포함하는 초경합금 재료로 이루어진다. 바람직하게는, 코어 영역(420)과 외부 영역(410)의 초경합금 재료가 5% 미만의 큐빅 카바이드, 또는 일부 적용분야에서, 3 중량% 미만의 큐빅 카바이드를 포함하는, 주기율표의 IVB 족 내지 VIB 족에 속하는 하나 이상의 원소의 카바이드로 구성된 세라믹 성분을 포함한다. 본 발명의 구체예는 5 중량% 미만의 큐빅 카바이드를 포함할 수 있는데, 이는 큐빅 카바이드가 물품의 횡방향 파단 강도를 감소시킬 수 있고, 제조 비용을 증가시킬 수 있으며, 파괴인성을 감소시킬 수 있기 때문이다. 이는 기계가공이 전단 작용을 야기하고 드릴의 강도가 가장 커야 하는 강성 가공품 기계가공에 사용되는 공구에 특히 중요하다.
세라믹 성분은 바람직하게는 각 영역에서 초경합금 재료의 총 중량의 약 60 내지 약 98 중량 퍼센트를 차지한다. 카바이드 입자는 바람직하게는 각 영역에서 전체 재료의 약 2 내지 약 40 중량 퍼센트를 구성하는 접합제 재료의 매트릭스에 박혀 있다. 접합제는 바람직하게는 Co, Ni, Fe, 및 이 원소들의 합금 중 하나 이상이다. 접합제는 또한, 예를 들어, W, Cr, Ti, Ta, V, Mo, Nb, Zr, Hf, 및 C와 같은 원소를 접합제에서 이러한 원소들의 용해도 한계까지 포함할 수 있다. 추가적으로, 접합제는 최대 5 중량 퍼센트의 Cu, Mn, Ag, Al, 및 Ru와 같은 원소를 포함할 수 있다. 당업자는 초경합금 재료의 임의의 또는 모든 성분이 원소 형태로, 화합물로서, 및/또는 모합금(master alloy)으로서 도입될 수 있음을 이해할 것이다.
공구 블랭크(400)의 코어 영역(420)은 계면(415)에서 외부 영역(410)에 자행적으로 결합한다. 계면(440)은 원통형인 것으로 도 4(a)에 나타나지만, 본 발명의 복합 회전 공구의 초경합금 재료 영역의 계면의 형상이 원통형 외형에 한정되지 않음이 이해될 것이다. 계면(415)의 영역 사이의 자생적 결합(autogenous bond)은, 예를 들어 코어 영역(420)으로부터 외부 영역(410)으로, 또는 그 반대로 삼차원으로 뻗은 접합제의 매트릭스에 의하여 형성될 수 있다. 두 영역에서 접합제 대 세라믹 성분의 비율은 동일하거나 상이할 수 있고, 영역의 상대적인 특징에 영향을 미치도록 영역 간에 변화할 수 있다. 단지 예로서, 복합 공구 블랭크(30)의 인접 영역에서 접합제 대 세라믹 성분의 비율은 1 내지 10 중량 퍼센트 상이할 수 있다. 본 발명의 복합 회전 공구의 상이한 영역에서 초경합금 재료의 특징은 특정 적용분야에 맞추어질 수 있다.
당업자는, 본 발명의 상세한 설명을 고려한 후, 본 발명의 개선된 회전 공구가, 하나 이상의 특징을 상당하게 개선하기 위하여 공구의 중심 영역으로부터 공구의 둘레까지 여러 층의 상이한 초경합금 재료로 구성될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 예를 들어, 트위스트 드릴에 초경합금 재료의 다중의, 동축으로 배열된 영역이 제공될 수 있고, 이러한 각 영역은 더욱 중심으로 배열된 인접 영역보다 연속적으로 더 큰 경도 및/또는 내마모성을 가진다. 냉각제 채널은 임의의 영역에 또는 둘 이상의 영역을 교차하여 제공될 수 있다. 본 발명의 방법은 압출된 물품의 설계에 있어서 큰 설계 유연성을 제공한다. 대안으로, 본 발명의 회전 공구가 다른 복합 외형을 가지도록 제조될 수 있으며, 여기서 공구의 상이한 영역에서 특정한 특징의 차이가 발생한다.
본 발명의 복합 초경합금 회전 공구의 주요 장점은 공구 설계자가 공구의 영역의 특성을 여러 상이한 적용분야에 적합하도록 맞출 수 있는 유연성이다. 예를 들어, 본 발명의 특정 복합 블랭크의 개별적인 초경합금 재료 영역의 크기, 위치, 두께, 형상, 및/또는 물리적 특성이 블랭크로부터 제작된 회전 공구의 특정 적용분야에 적합하도록 선택될 수 있다. 게다가, 냉각제 채널이 원하는 위치에 놓일 수 있고, 나선형, 소용돌이형, 선형, 또는 이러한 형태의 조합일 수 있다. 따라서, 예를 들어, 사용하는 동안 상당히 굽혀지는 회전 공구의 하나 이상의 초경합금 영역의 강성이 향상된 탄성계수를 가지는 초경합금 재료의 강성일 수 있고; 절삭면을 가지고 다른 영역보다 큰 절삭 속도를 경험하는 하나 이상의 초경합금 영역의 경도 및/또는 내마모성이 증가될 수 있으며; 및/또는 사용하는 동안 화학적 접촉을 거치는 초경합금 재료 영역의 내부식성이 향상될 수 있다.
도 4(b) 및 4(c)는 본 발명의 추가적인 구체예를 나타낸다. 이러한 구체예들은 냉각제 채널과 같은 채널을 추가로 포함할 수 있다. 도 4(b)의 구체예는 여러 상이한 초경합금 그레이드의 내부 영역을 가지는 튜브를 포함한다. 이 예에서, 로드(440)는 제1 초경합금의 외부 영역(441), 제2 초경합금의 제1 내부 영역(442), 그리고 동일하거나 상이한 초경합금을 포함할 수 있는 추가적인 내부 영역(443)을 포함한다. 로드(440)는 예를 들어 로드(452 및 453)로 채워진 튜브(451)를 포함하는 세트(450)를 공압출하여 제조될 수 있다. 로드(452)는 예를 들어 로드(453)와 상이한 적어도 하나의 특징을 가지는 초경합금으로부터 형성될 수 있다.
단지 예로서, 본 발명의 회전 공구의 추가적인 구체예가 도 4 및 5에 나타난다. 도 4는 본 발명에 따라 구축된 스텝 드릴(110)을 나타낸다. 드릴(110)은 나선형으로 배향된 여러 개의 절삭날(114)을 포함하는 절삭 부분(112)을 포함한다. 드릴(110)은 또한 드릴을 기계 공구(나타나지 않음)에 장착하기 위한 척(chuck)에 의하여 버텨지는 장착 부분(116)을 포함한다. 드릴(110)은 적어도 하나의 특징에 있어서 서로 상이한 초경합금 재료의 세 영역을 나타내기 위하여 부분적으로 횡단면이 나타난다. 제1 영역(118)은 드릴(110)의 절삭 선단에 배열된다. 초경합금 재료로 구성된 영역(118)은 드릴(110)의 코어를 형성하는 중심 영역(120)에 비하여 향상된 내마모성 및 경도를 나타낸다. 코어 영역은 나머지 두 영역에 비하여 향상된 탄성계수를 나타내는 초경합금 재료로 구성된다. 향상된 탄성계수는 드릴(110)이 가공품과 접촉하도록 강제됨에 따라 구부러지는 경향을 감소시킨다. 드릴은 또한 나선형으로 배향된 여러 개의 절삭날(114)을 규정하는 외부 영역(122)을 포함한다. 외부 영역이 둘러싸고, 코어 영역(120)에 대하여 동축으로 배열된다. 외부 영역(122)은 코어 영역(120) 및 선단 영역(118) 모두에 비하여 향상된 경도 및 내마모성을 나타내는 초경합금 재료로 구성된다. 외부 영역(122)에 의하여 규정되는 절삭면(114)은 드릴의 중심축에 인접한 절삭 영역보다 더 빠른 절삭 속도를 경험한다. 따라서, 외부 영역(122)의 향상된 내마모성 및 경도가 절삭면 마모의 균일성이 달성되도록 선택될 수 있다.
본 발명의 구체예는 또한 복합 초경합금 물품을 제조하는 추가적인 방법을 포함한다. 구체예는 초경합금을 포함하는 적어도 둘의 복합 재료를 공압출하여 압분체를 형성함에 의하여 복합 물품을 형성하는 방법을 포함한다. 공압출은 직접 또는 간접 압출 공정에 의하여 수행될 수 있다. 압출기의 공급 챔버는, 플라스틱 접합제와 혼합된 접합제 분말 및 카바이드 분말의 두 가지 그레이드와 같은, 재료의 두 가지 그레이드로 충전된다. 플라스틱 접합제 재료는 약 33 중량% 내지 67 중량%의 농도로 존재할 수 있고, 분말 금속 혼합물의 점도를 감소시켜 압출을 허용한다.
초경합금의 압출 공정은 종래 기술에서 공지이다. 전형적인 압출 공정에서, 금속 분말이 플라스틱 접합제와 혼합된다. 벤질 알코올, 셀룰로오스, 고분자, 또는 석유 제품에 기초한 플라스틱 접합제와 같은 임의의 전형적인 플라스틱 접합제가 사용될 수 있다. 전형적으로, 하이쉰(high sheen) 혼합 공정이 금속 분말과 플라스틱 접합제 간의 밀접한 접촉을 확실하게 하기 위하여 사용된다.
이후 금속/접합제 혼합기가 압출기를 통하여 압출된 제품을 제조하기 위하여 스크류 공급기에 의하여 펌핑될 수 있다. 본 발명의 방법의 구체예는 적어도 두 가지 초경합금 그레이드의 공압출을 포함한다. 본 명세서에서 사용한 용어 공압출은 두 가지 재료가 혼입된 단일 물품을 형성하기 위하여 두 가지 재료가 동시에 압출되는 것을 의미한다. 임의의 공압출 공정이 펀넬(funnel) 또는 다이의 개별적인 섹션으로 두 가지 그레이드의 초경합금을 펌핑하는 것과 같이, 본 발명의 방법에서 이용될 수 있으며, 여기서 두 가지 그레이드가 서로 밀접하게 접촉하여 다이를 나간다.
공압출 공정의 구체예가 도 6(a)에 나타난다. 공급 챔버(600)가 제1 그레이드의 초경합금 분말의 로드(610) 및 제2 그레이드의 초경합금 분말 튜브(620)로 충전된다. 로드(610) 및 튜브(620)는 종래 기술에 공지된 바와 같이 개별적인 압출 공정에 의하여 개별적으로 형성되었다. 특정 구체예에서, 튜브(620)가 공급 챔버(600)로 직접 압출될 수 있다. 이후 개별적인 압출 공정에서 형성된 로드(610)가 공급 챔버(600)에서 튜브(620)에 삽입될 수 있다.
이러한 압출 공정의 구체예에서, 플런저(나타나지 않음)가 공급 챔버를 통하여 펀넬(630)로 로드(610) 및 튜브(620)를 밀어낸다. 펀넬(630)은 공급 챔버로부터 다이(640)까지 횡단면적이 감소된다. 펀넬(630)은 초경합금 분말을 압축 및 압밀하여, 로드(610)와 튜브(620) 간의 밀접한 접촉 및 압분체("압출된 재료")의 형성을 야기한다.
특정 구체예에서, 압출 공정은 펀넬(630) 및 다이(640) 사이에 혼입된 채널 다이(650)를 또한 포함할 수 있다. 채널 다이는 두 개의 와이어(660)를 포함하거나, 채널 다이는 압분체에서 내부 채널을 만들기 위한 다른 수단을 포함할 수 있다. 와이어(660)는 와이어(660)를 고정하는 암(670)에 연결되어, 압출된 재료와 접촉할 수 있다. 와이어(660)는 압출된 재료에서 채널을 형성한다. 와이어(660)는 나일론, 고분자 코팅된 금속 와이어, 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리비닐 클로라이드, 폴리프로필렌, 아라미드, 케블라(Kevlar), 폴리에테르에테르케톤, 천연 재료인 면, 대마(hemp), 및 황마(jute)와 같은, 압출된 재료에서 채널을 형성할 수 있는 임의의 재료로 만들어질 수 있지만, 이에 국한되지 않는다. 바람직하게는, 나선형으로 배향된 채널의 형성과 같은 특정 적용분야에서, 와이어는 가요성(flexible) 와이어이다. 그러나, 선형으로 배향된 채널에 대하여, 그리고 일부 나선형 적용에서, 경직성(rigid) 와이어가 사용될 수 있다. 채널은 회전 공구에서 냉각제 채널로서 사용될 수 있다. 와이어(660)는 나선형으로 배향된 채널, 선형으로 배향된 채널, 또는 이의 조합을 형성하도록 사용될 수 있다. 와이어 또는 다른 채널 형성 부품의 횡단면은 원형, 타원형, 삼각형, 사각형 및 육각형과 같은 임의의 형태일 수 있다.
나선형으로 배향된 채널은, 압출된 재료가 채널 다이(650)에 대하여 회전하는 구체예에서, 압출된 재료 내에 형성될 수 있다. 압출된 재료는 다이(640)에서 소용돌이형 세레이션에 넣어져 회전될 수 있다. 도 6(c)에서, 압출된 재료(680)는 다이(645)의 내부 표면에 나선형 세레이션을 포함하는 다이(645)를 나간다. 압출된 재료가 세레이션을 통과함에 따라, 압출된 재료가 채널 다이(나타나지 않음)에 대하여 회전된다. 대안으로, 압출된 재료가 채널 다이에 대하여 회전하도록, 다이가 회전할 수 있다. 다른 채널 다이가 사용될 수 있는데, 이러한 다이는 고정된 나선형 코일을 포함하고, 여기서 압출된 재료는 나선형 코일, 또는 임의의 다른 채널 형성 수단과 동일한 회전으로 채널 다이에 대하여 회전한다.
채널 다이는 개별적인 부품일 수 있거나, 펀넬, 다이, 또는 압출 시스템의 다른 부품에 통합될 수 있다. 채널 다이는 압출된 재료에 적어도 하나의 채널을 만들 수 있다. 채널의 개수와 크기는 압출된 재료의 크기, 채널의 크기, 및 압출된 재료의 최종 용도의 적용에 의하여 제한될 수 있다. 와이어를 포함하는 채널 다이를 포함하는 구체예에서, 와이어의 개수는 압출된 재료에서 형성된 채널의 개수에 상응할 것이다. 회전 공구 적용분야에 있어서, 예를 들어 플루트(flute)가 존재할 것이므로, 동일한 개수의 채널을 가지는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 구체예는 공급 챔버를 적어도 두 가지의 초경합금 그레이드로 채우는 것(loading)을 추가로 포함할 수 있다. 공급 챔버에 채워진 적어도 하나의 초경합금 그레이드는 로드, 튜브, 바, 스트립, 직사각형, 기어 프로파일, 별 형상, 또는 압출 공정에서 형성될 수 있는 임의의 다른 형상 중 어느 것의 압출된 형태일 수 있다. 회전 공구 또는 롤러 적용분야에서, 두 초경합금 그레이드 중 적어도 하나가 로드 형상의 형태이고, 적어도 하나의 초경합금이 튜브의 형상인 것이 바람직할 수 있다. 다른 적용분야에서, 공급 챔버는 상이한 초경합금 그레이드의 다중 튜브 및/또는 다중 로드로 충전될 수 있다. 다중 로드가 사용될 경우, 압출된 재료가 특정 영역에서 특정 그레이드의 초경합금으로서 형성될 수 있거나, 압출된 재료의 횡단면에 걸쳐 무작위로 분포될 수 있다.
본 발명의 추가적인 구체예는 초경합금 그레이드를 압출하여 압출된 압분체를 형성하고, 제2 초경합금 그레이드와 함께 압출된 압분체를 압축하여 압축된 압분체를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 압출된 압분체는 예를 들어 상기한 바와 같이 형성된 내부 채널을 선택적으로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 복합 회전 공구를 제공하기 위한 상기 방법의 적용분야의 실례가 다음을 따른다.
비록 본 발명을 특정 구체예에 관하여 기술하기는 했지만, 당업자는 앞의 상세한 설명을 고려하여 본 발명의 여러 변경 및 변화가 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명의 이러한 모든 변화 및 변경은 앞의 상세한 설명 및 다음의 청구범위에 의하여 포함되도록 의도된다.

Claims (59)

  1. 다음을 포함하는 복합 물품:
    적어도 하나의 외부 영역 및 동축으로 배열된 코어 영역, 여기서 상기 외부 영역은 제1 복합 재료 및 중량으로 0 중량% 초과 내지 5 중량% 미만의 큐빅 카바이드를 포함하고, 상기 코어 영역은 제2 복합 재료를 포함하며, 여기서 상기 제1 복합 재료는 적어도 하나의 특징에 있어서 상기 제2 복합 재료와 상이함; 및
    복합 물품 내부에 세로로 배열된 적어도 한 개의 냉각제 채널, 여기서 상기 냉각제 채널은 상기 외부 영역과 상기 코어 영역 사이의 계면에 형성되고 상기 외부 영역과 상기 코어 영역의 양 영역에 걸쳐 뻗어 있음.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 복합 재료 및 제2 복합 재료는 개별적으로 접합제에 경질 입자를 포함하고, 상기 경질 입자는 카바이드, 니트라이드, 보라이드, 실리사이드, 옥사이드, 및 이의 고용체 중 적어도 하나를 독립적으로 포함하며, 상기 접합제는 코발트, 니켈, 철 코발트 합금, 니켈 합금, 및 철 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속을 포함하는 복합 물품.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 특징은 탄성계수, 경도, 내마모성, 파괴인성, 인장 강도, 내부식성, 열팽창계수, 및 열전도계수로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 특징인 복합 물품.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 복합 재료 및 제2 복합 재료는 개별적으로 접합제에 금속 카바이드를 포함하는 복합 물품.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 제1 복합 재료의 금속 카바이드의 금속 및 상기 제2 복합 재료의 금속 카바이드의 금속은 IVB 족, VB 족 및 VIB 족 원소로 이루어진 군에서 개별적으로 선택되는 복합 물품.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 외부 영역은 상기 외부 영역으로부터 상기 코어 영역 또는 상기 코어 영역으로부터 상기 외부 영역까지 뻗어 있는 접합제의 매트릭스에 의하여 코어 영역에 결합하는 복합 물품.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 제1 복합 재료의 접합제 및 상기 제2 복합 재료의 접합제는 코발트, 코발트 합금, 니켈, 니켈 합금, 철, 및 철 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 금속을 각각 개별적으로 포함하는 복합 물품.
  8. 청구항 4에 있어서, 상기 제1 복합 재료의 접합제 및 상기 제2 복합 재료의 접합제는 화학적 조성에 있어서 상이한 복합 물품.
  9. 청구항 4에 있어서, 상기 제1 복합 재료의 접합제의 중량 퍼센트는 상기 제2 복합 재료의 접합제의 중량 퍼센트와 상이한 복합 물품.
  10. 청구항 4에 있어서, 상기 제1 복합 재료의 금속 카바이드는 화학적 조성 및 평균 입자 크기 중 적어도 하나에 있어서 상기 제2 복합 재료의 금속 카바이드와 상이한 복합 물품.
  11. 청구항 4에 있어서, 상기 제1 복합 재료 및 상기 제2 복합 재료는 개별적으로 2 내지 40 중량 퍼센트의 접합제 및 60 내지 98 중량 퍼센트의 금속 카바이드를 포함하는 복합 물품.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 제1 복합 재료 및 상기 제2 카바이드 재료 중 하나는 상기 제1 복합 재료 및 상기 제2 복합 재료 중 다른 하나보다 1 내지 10 중량 퍼센트 더 많은 접합제를 포함하는 복합 물품.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 복합 물품은 회전 공구, 회전 공구 블랭크, 드릴, 엔드밀, 탭, 로드, 및 바 중 하나인 복합 물품.
  14. 청구항 3에 있어서, 상기 외부 영역 내의 제1 복합 재료의 탄성계수는 상기 코어 영역 내의 제2 복합 재료의 탄성계수와 상이한 복합 물품.
  15. 청구항 3에 있어서, 상기 외부 영역 내의 제1 복합 재료의 경도 및 내마모성 중 적어도 하나는 상기 코어 영역 내의 제2 복합 재료와 상이한 복합 물품.
  16. 청구항 1에 있어서, 상기 적어도 한 개의 냉각제 채널은 실질적으로 직선형인 복합 물품.
  17. 청구항 1에 있어서, 상기 적어도 한 개의 냉각제 채널은 실질적으로 나선형 형상인 복합 물품.
  18. 청구항 17에 있어서, 두 개의 냉각제 채널을 포함하는 복합 물품.
  19. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 복합 재료 및 상기 제2 복합 재료는 초경합금인 복합 물품.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 초경합금의 각각은 탄성계수를 가지고, 외부 영역 내의 제1 초경합금 재료의 탄성계수는 90×106 내지 95×106 psi이며 코어 영역 내의 제2 초경합금 재료의 탄성계수는 69×106 내지 92×106 psi인 복합 물품.
  21. 다음 단계를 포함하는 제 1항의 복합 물품을 형성하는 방법:
    압분체를 형성하기 위하여 적어도 두 가지의 금속 카바이드를 포함하는 복합 재료를 공압출하는 단계, 여기서 상기 적어도 두 가지의 복합 재료는 상이한 초경합금 그레이드임.
  22. 청구항 21에 있어서, 상기 적어도 두 가지의 복합 재료를 공압출하는 단계는 다이를 통하여 수행되는 물품 형성 방법.
  23. 청구항 22에 있어서, 상기 다이는 압분체에 내부 채널을 만드는 수단을 포함하는 물품 형성 방법.
  24. 청구항 22에 있어서, 상기 다이는 적어도 한 개의 와이어를 포함하는 물품 형성 방법.
  25. 청구항 24에 있어서, 상기 적어도 한 개의 와이어는 압분체 내에 내부 채널을 형성하는 물품 형성 방법.
  26. 청구항 24에 있어서, 상기 다이는 적어도 두 개의 와이어를 포함하는 물품 형성 방법.
  27. 청구항 26에 있어서, 상기 다이는 세 개의 와이어를 포함하는 물품 형성 방법.
  28. 청구항 24에 있어서, 상기 적어도 하나의 와이어는 가요성(flexible) 와이어인 물품 형성 방법.
  29. 청구항 28에 있어서, 상기 가요성 와이어는 나일론, 고분자 코팅된 금속 와이어, 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리비닐 클로라이드, 폴리프로필렌, 아라미드, 케블라, 폴리에테르에테르케톤, 면, 동물 장, 대마 및 황마 중 적어도 하나를 포함하는 물품 형성 방법.
  30. 청구항 24에 있어서, 상기 와이어는 불요성(inflexible)인 물품 형성 방법.
  31. 청구항 30에 있어서, 상기 와이어는 금속을 포함하는 물품 형성 방법.
  32. 청구항 21에 있어서, 상기 적어도 하나의 초경합금 그레이드는 압출된 형태인 물품 형성 방법.
  33. 청구항 32에 있어서, 상기 압출된 형태는 로드, 바, 및 튜브 중 적어도 하나인 물품 형성 방법.
  34. 청구항 21에 있어서, 적어도 하나의 초경합금은 로드 형상이고 적어도 하나의 초경합금은 튜브 형상인 물품 형성 방법.
  35. 청구항 32에 있어서, 상기 적어도 두 개의 초경합금은 튜브의 형상인 물품 형성 방법.
  36. 청구항 34에 있어서, 상기 로드 형태의 초경합금은 공압출기의 공급 챔버에 직접 압출되는 물품 형성 방법.
  37. 청구항 21에 있어서, 상기 압분체는 두 가지의 초경합금 그레이드를 포함하고, 상기 초경합금 그레이드는 동축으로 배열되는 물품 형성 방법.
  38. 청구항 22에 있어서, 상기 다이는 채널 다이를 포함하는 물품 형성 방법.
  39. 청구항 22에 있어서, 상기 적어도 두 가지의 복합 재료는 적어도 두 가지 유형의 초경합금이고 다이는 내부 소용돌이형 세레이션을 포함하는 물품 형성 방법.
  40. 청구항 22에 있어서, 상기 적어도 두 가지의 복합 재료는 적어도 두 가지의 초경합금이고 다이는 회전하는 다이인 물품 형성 방법.
  41. 청구항 22에 있어서, 상기 압분체는 적어도 한 개의 채널을 포함하는 물품 형성 방법.
  42. 청구항 22에 있어서, 상기 압분체는 두 개의 나선형 채널을 포함하는 물품 형성 방법.
  43. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 복합 재료는 제1 초경합금 재료이고, 상기 제2 복합 재료는 제2 초경합금 재료이며, 상기 제1 초경합금 재료 및 상기 제2 초경합금 재료 중 적어도 하나는 0.3 내지 10 ㎛의 평균 입자 크기를 가지는 텅스텐 카바이드 입자를 포함하는 복합 물품.
  44. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 복합 재료는 제1 초경합금 재료이고, 상기 제2 복합 재료는 제2 초경합금 재료이며, 상기 제1 초경합금 재료 및 상기 제2 초경합금 재료 중 적어도 하나는 0.5 내지 10 ㎛의 평균 입자 크기를 가지는 텅스텐 카바이드 입자를 포함하고, 상기 제1 초경합금 재료 및 상기 제2 초경합금 재료 중 다른 하나는 0.3 내지 1.5 ㎛의 평균 입자 크기를 가지는 텅스텐 카바이드 입자를 포함하는 복합 물품.
  45. 청구항 5에 있어서, 상기 제1 복합 재료는 제1 초경합금 재료이고, 상기 제2 복합 재료는 초경합금이고, 상기 제1 초경합금 재료 및 상기 제2 카바이드 재료 중 하나는 상기 제1 초경합금 재료 및 상기 제2 초경합금 재료 중 다른 하나보다 1 내지 10 중량 퍼센트 더 많은 접합제를 포함하는 복합 물품.
  46. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 복합 재료는 제1 초경합금 재료이고, 상기 제2 복합 재료는 제2 초경합금 재료이며, 외부 영역 내의 제1 초경합금 재료의 탄성계수는 코어 영역 내의 제2 초경합금 재료의 탄성계수와 상이한 복합 물품.
  47. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 복합 재료는 제1 초경합금 재료이고, 상기 제2 복합 재료는 제2 초경합금 재료이며, 상기 각 초경합금 재료는 경도 및 내마모성을 가지며, 외부 영역 내의 제1 초경합금 재료의 경도 및 내마모성 중 적어도 하나는 코어 영역 내의 제2 초경합금 재료와 상이한 복합 물품.
  48. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 복합 재료는 제1 초경합금 재료이고, 상기 제2 복합 재료는 제2 초경합금 재료이며, 상기 제1 초경합금 재료는 6 내지 15 중량 퍼센트 코발트 합금을 포함하고, 상기 제2 초경합금 재료는 10 내지 15 중량 퍼센트 코발트 합금을 포함하는 복합 물품.
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