KR101426184B1 - 다이아몬드 공구의 제조를 위한 구리계 바인더 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분말 야금, 보다 구체적으로 복합 재료 제조 방법에 관한 것으로, 건설업 및 석조 작업에 사용되는 다이아몬드 공구용 구리계 바인더의 제조를 위해 사용될 수 있다. 구리 바인더는 하기 성분(중량%): 구리(30 - 60), 철(20 - 35), 코발트(10 - 15), 주석(0 - 10.5), 탄화텅스텐(0 - 20) 및 합금 첨가물을 포함한다. 제1 변형에 따르면, 합금 첨가물은 6-25 m2/g의 비표면적을 갖는 나노분말이며, 이는 1-15 중량%의 양으로 존재한다. 제2 변형에 따르면, 합금 첨가물은 75-150 m2/g의 비표면적을 갖는 나노분말이며, 이는 0.01-5 중량%의 양으로 존재한다. 상기 바인더는 요구되는 소결 온도의 필수적인 증가 없이 높은 내마모성을 가질 뿐 아니라, 높은 경도, 강도 및 충격 인성을 갖는다.

Description

다이아몬드 공구의 제조를 위한 구리계 바인더{COPPER BASED BINDER FOR THE FABRICATION OF DIAMOND TOOLS}
본 발명은 분말 야금, 보다 구체적으로 복합 재료 제조 방법에 관한 것으로, 상이한 디자인의, 고속도로 및 활주로 보수, 야금 공장 및 원자력 발전소의 정비, 교량 및 기타 구조물의 수선을 위해 사용되는 세그먼트 절단 연마 휠 뿐 아니라 고강도 강화 콘크리트의 절단을 위한 드릴 및 세그먼트 절단 연마 휠을 포함하는, 건설업 및 석조 작업에 사용되는 다이아몬드 공구용 구리계 바인더의 제조를 위해 사용될 수 있다.
바인더는 공구의 디자인에 영향을 준다. 다이아몬드 층을 케이스와 결합하는 방법 및 케이싱 재료의 선택을 결정하는 것은 바인더이다. 바인더의 물리적 및 기계적 특성은 연마용 다이아몬드 공구의 가능한 형상 및 크기를 결정한다.
금속/준금속 화합물, 탄화티타늄 및 원소 주기율표의 철의 그룹에서 선택된 금속을 포함하는 다이아몬드 공구 바인더(RU 2286241 С2, publ. 2006.07.07)가 알려져 있다. 상기 바인더는 바인더 강도 및 다이아몬드 그레인 바인딩을 증가시키기 위해 탄화지르코늄을 더 포함한다.
상기 알려진 바인더의 단점은 비싸고 유해한 코발트의 사용, 고 강화 콘크리트에 대한 절단 속도 감소 및 더 짧은 공구 수명이다.
여기에 기재된 본 발명의 프로토타입은 구리계 및 주석, 니켈, 알루미늄 및 초미세-분쇄된 다이아몬드 첨가물을 포함하는 다이아몬드 공구 바인더(RU 2172238 С2, publ. 2001.08.20, cl. B24D 3/06)이다.
상기 재료의 단점은 불충분한 내마모성, 경도, 강도 및 충격 인성(impact toughness)이다.
본 발명의 목적은 요구되는 소결 온도의 필수적인 증가 없이 더 높은 내마모성을 가질 뿐 아니라, 더 높은 경도, 강도 및 충격 인성을 갖는 다이아몬드 공구 바인더를 제공하는 것이다.
여기에 기재된 본 발명에 따른 몇몇 타입의 다이아몬드 공구 바인더의 예가 아래에 주어지며, 상기 목적은 주 바인더 성분으로서 구리 그룹 금속 및 합금 첨가물을 나노분말의 형태로 첨가하는 것에 의해 달성된다.
구리계 다이아몬드 공구 바인더는 하기 성분을 하기 비율(중량%)로 갖는다:
Cu = 30 - 60
Fe = 20 - 35
Co = 10 - 15
Sn = 0 - 10.5
WC = 0 - 20
합금 첨가물 = 1 - 15.
합금 첨가물은 6-25 m2/g 비표면적 나노분말의 형태로 도입된다.
특정 구현예에서, 합금 첨가물은 탄화텅스텐 또는 텅스텐 또는 몰리브덴 또는 산화알루미늄 또는 이산화지르코늄 또는 탄화니오븀 및/또는 질화규소일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 구리계 다이아몬드 공구 바인더는 하기 성분을 하기 비율(중량%)로 갖는다:
Cu = 30 - 60
Fe = 20 - 35
Co = 10 - 15
Sn = 0 - 10.5
WC = 0 - 20
합금 첨가물 = 0.01 - 5.
합금 첨가물은 75-150 m2/g 비표면적 나노분말의 형태로 도입된다.
특정 구현예에서, 합금 첨가물은 카본 나노튜브 또는 나노크기로 분쇄된 다이아몬드를 포함한다.
본 발명의 다른 구현예에서, 바인더 중 구리, 철, 코발트 및 강화 나노입자의 존재는 바인더로 하여금 하기 요구조건을 만족하게 한다.
a) 다이아몬드에 대한 우수한 습윤성;
b) 다이아몬드 그레인의 강력한 바인딩;
c) 자가-첨예화(self-sharpening), 즉, 다이아몬드 그레인이 무뎌짐에 따라 바인더가 마모되어 무뎌진 그레인이 깨져서 새로운 그레인의 절단 면을 드러내도록 함;
d) 충분한 열 안정성 및 높은 열 전도성;
e) 처리될 재료에 대한 최소한의 마찰 비율;
f) 다이아몬드의 선팽창계수에 가까운 선팽창계수;
g) 냉각제 및 처리될 재료와의 화학 반응이 없음;
전술한 조성의 합금 첨가물은 바인더의 높은 경도, 고온 강도 및 열 안정성을 제공하며, 이는 절단 속도 및 공구 수명을 증가시킨다.
본 발명의 제1 구현예에 대해서, 여기에서 제공된 범위의 하한(1 중량%) 미만의 양의 합금 첨가물은 바인더의 효율적인 분산 경화에 불충분하고, 결과로 얻어진 재료의 특성 및 구조체에 대한 효과가 거의 없다. 그러나, 합금 첨가물의 양이 여기에서 제공된 범위의 상한(15 중량%)을 넘는 경우, 나노크기 성분의 함량이 너무 높다. 합금 첨가물이 더 다루기 어렵고 단단하고 구리에 비해 더 높은 탄성률을 가짐에 따라, 이들은 내부 응력이 집중되고 그에 따라 재료의 확연한 깨짐 거동을 초래하고, 바인더의 강도 및 내마모성이 감소하고, 요구되는 소결 온도가 증가하고, 압축성이 절충된다. 전술한 합금 첨가물 농도 범위(1 - 15 중량%)는 6-25 m2/g 비표면적 나노크기의 분말에 대해서만 가능한데, 그 이유는 이론적 및 실험적 데이터가, 분산 경화의 효율성이 합금에 있는 나노입자의 함량 뿐 아니라 이후 나노분말의 비표면적으로부터 계산될 수 있는 그들의 평균 크기에도 의존한다는 점을 제시하기 때문이다.
본 발명의 제2 구현예에 대해서, 여기에서 제공된 범위의 하한(0.01 중량%) 미만의 양의 합금 첨가물은 바인더의 효율적인 분산 경화에 불충분하고, 결과로 얻어진 재료의 특성 및 구조체에 대한 효과가 거의 없다. 그러나, 합금 첨가물의 양이 여기에서 제공된 범위의 상한(5 중량%)을 넘는 경우, 나노크기 성분의 함량이 너무 높다. 합금 첨가물이 더 다루기 어렵고 단단하고 구리에 비해 더 높은 탄성률을 가짐에 따라, 이들은 내부 응력이 집중되고 그에 따라 재료의 확연한 깨짐 거동을 초래하고, 바인더의 강도 및 내마모성이 감소하고, 요구되는 소결 온도가 증가하고, 압축성이 절충된다.
전술한 합금 첨가물 농도 범위(0.01 - 5 중량%)는 75-150 m2/g 비표면적 나노크기의 분말에 대해서만 가능한데, 그 이유는 이론적 및 실험적 데이터가, 분산 경화의 효율성이 합금에 있는 나노입자의 함량 뿐 아니라 이후 나노분말의 비표면적으로부터 계산될 수 있는 그들의 평균 크기에도 의존한다는 점을 제시하기 때문이다.
바인더는 분말 야금 방법 : 소결에 이어 소결 온도에서 압축을 사용하여 제조될 수 있다. 소결 온도로 가열, 소결 온도에 노출, 압축 및 실온까지 냉각의 전체 기간이 15분 내이기 때문에 이 방법은 높은 아웃풋을 갖는다. 작업 챔버에서 높은 가열 속도 및 균일한 온도 분포는 다이로도 기능하는 소결 몰드를 통해 흐르는 전류에 의해 제공된다.
소결 온도에 대한 노출에 이어 즉시 압축이 뒤따르며 이는 제품의 요구되는 밀도 및 형상을 생성한다. 다이 디자인은 공구의 품질을 증가시키기 위해 불활성 또는 보호성 분위기에서 상기 방법이 수행되는 것을 가능하게 한다.
표 1-3은 본 발명의 제1 구현예에 따른 바인더의 특성이 바인더 조성 및 합금 첨가물의 함량에 어떻게 의존하는지를 예시하는 실시예를 나타낸다.
Figure 112012079382916-pct00001
Figure 112012079382916-pct00002
Figure 112012079382916-pct00003
표 4-6은 본 발명의 제2 구현예에 따른 바인더의 특성이 바인더 조성 및 합금 첨가물의 함량에 어떻게 의존하는지를 예시하는 실시예를 나타낸다.
Figure 112012079382916-pct00004
Figure 112012079382916-pct00005
Figure 112012079382916-pct00006
바인더 조성과 함께, 분말의 비표면적으로 제시될 수 있는 합금 첨가물의 그레인 크기는 바인더 특성에 강력한 영향을 가진다. 표 7-8은 바인더의 특성이 합금 분말 비표면적에 어떻게 의존하는지를 예시하는 실시예를 나타낸다.
Figure 112012079382916-pct00007
Figure 112012079382916-pct00008
본 발명에 따른 바인더 재료는 가격/수명 및 가격/아웃풋 표준과 관련하여 세계의 선도적인 제조업자로부터 입수가능한 대응물에 비해 더 뛰어난 경제적 결과를 제공할 것이다. 예를 들어, 고 강화 콘크리트의 절단을 위한 다이아몬드 세그먼트는 초경화물(ultrahard) 연마 환경에서 사용된다. 탄화텅스텐에 의해 경화된 종래의 매트릭스는 요구되는 소결 온도의 증가(이는 다이아몬드의 강도를 감소시키고 프로세스 툴링의 추가적인 마모를 초래한다)에 기인한 농도 한계를 갖는다.
바인더 베이스로서 구리를 사용하는 것은 원재료 비용을 감소시키고, 제품을 15-20% 더 싸게 만들게 하면서, WC, W, Mo 및 기타 나노입자를 첨가하는 것에 의해 운용상의 장점(공구 절단 속도 및 수명)도 보유한다.
본 발명의 제1 및 제2 구현예의 재료의 합금은 높은 강도, 열 전도성 및 충격 인성을 제공한다. 제어된 낮은 합금은 유리한 특성, 예를 들어 강도, 경도, 충격 인성, 내마모성 및 절단 영역 마찰 비율의 독특한 조합을 제공하고, 그에 따라 절단 속도를 30-60% 증가시키고, 예를 들어 고 강화 콘크리트의 절단을 위한 혹독한 로딩 조건 하에서, 종래의 재료에 비해 15-50% 더 긴 공구 수명을 갖는다.

Claims (10)

  1. 6-25 m2/g 비표면적 나노분말 합금 첨가물을 포함하는, 다이아몬드 공구의 제조를 위한 구리계 바인더로서, 하기의 중량% 성분 비율:
    Cu = 30 - 60
    Fe = 20 - 35
    Co = 10 - 15
    Sn = 0 - 10.5
    WC = 0 - 20
    합금 첨가물 = 1 - 15
    을 갖는 바인더.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 합금 첨가물은 탄화텅스텐, 또는 탄화텅스텐과 질화규소의 혼합물인 것인, 바인더.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 합금 첨가물은 텅스텐, 또는 텅스텐과 질화규소의 혼합물인 것인, 바인더.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 합금 첨가물은 몰리브덴, 또는 몰리브덴과 질화규소의 혼합물인 것인, 바인더.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 합금 첨가물은 산화알루미늄, 또는 산화알루미늄과 질화규소의 혼합물인 것인, 바인더.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 합금 첨가물은 이산화지르코늄, 또는 이산화지르코늄과 질화규소의 혼합물인 것인, 바인더.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 합금 첨가물은 탄화니오븀, 또는 탄화니오븀과 질화규소의 혼합물인 것인, 바인더.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 합금 첨가물은 질화규소인 것인, 바인더.
  9. 75-150 m2/g 비표면적 나노분말 합금 첨가물을 포함하는, 다이아몬드 공구의 제조를 위한 구리계 바인더로서, 하기의 중량% 성분 비율:
    Cu = 30 - 60
    Fe = 20 - 35
    Co = 10 - 15
    Sn = 0 - 10.5
    WC = 0 - 20
    합금 첨가물 = 0.01 - 5
    을 갖는 바인더.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 합금 첨가물은 나노크기로 분쇄된 다이아몬드의 카본 나노튜브 형태인 것인, 바인더.
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