KR101439118B1 - 용침형 연마 세그먼트를 포함하는 연마용품 - Google Patents

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Abstract

연마용품은, 베이스; 및 연마입자, 금속 매트릭스, 및 용침재를 포함하는, 서로 접착된 세 가지 특정 상들이 포함된 연마 부재를 포함한다. 연마용품은 연마 부재와 베이스 사이에 위치되는 지지 영역을 더 포함하며, 이때 지지 영역은 레이저 용접된 본드 조인트를 포함한다.

Description

용침형 연마 세그먼트를 포함하는 연마용품{ABRASIVE ARTICLE INCORPORATING AN INFILTRATED ABRASIVE SEGMENT}
본 발명은 일반적으로 연마공구 및 연마공구의 형성 방법, 특히는 용침형 연마 세그먼트가 베이스(base)에 부착되어 있는 연마공구 및 이러한 공구의 조립 방법에 관한 것이다.
추가 도로 및 빌딩을 건설하는 것과 같은 사회기반시설 개선에 요구되는 장비는 개발 중인 지역의 지속적인 경제 성장에 필수적이다. 또한, 개발된 지역들은 노후화된 사회기반시설을 교체하여 도로와 빌딩을 계속 신설 및 확장할 필요가 있다.
건설업체는 각종 장비를 활용하여 건축자재를 절삭 및 연삭한다. 도로의 오래된 부분들을 제거하거나 재포장(refinish)하는 작업에 절삭 및 연삭 공구들이 필요하다. 또한, 바닥과 건물 외관에 사용되는 석판과 같은 마감용 재료를 채석하고 준비하는 작업에는 드릴링, 절삭 및 광택연마 공구들이 필요하다. 일반적으로, 이들 공구는 플레이트 또는 휠과 같은 베이스부에 접착(본드결합)된 연마 부재를 포함한다. 연마 부재와 베이스부 사이의 접착이 파단되면 연마 부재 및/또는 베이스부를 교체시킬 필요가 생기면서, 작업이 중단되고 생산성을 잃어버릴 수 있게 된다. 게다가, 이러한 파단현상은 작업장에서 연마 부재의 여러 부분이 빠른 속도로 튀어나오는 경우 안전상의 위험을 제기할 수 있다. 따라서, 연마 부재와 베이스부 사이의 접착을 향상시키는 것이 요구된다.
일 양상에 따르면, 연마용품은 베이스; 및 금속 매트릭스(기지재)에 결합된 연마입자를 함유하며, 금속 용침물질-함유 용침재(infiltrant)로 대체로 채워진 상호연결된 기공들의 망상구조를 가진 연마 부재를 포함한다. 연마용품은, 연마 부재와 베이스 사이에 위치하고, 1종 이상의 금속 원소를 함유하는 본드 조성물로 만들어지며, 베이스 및 연마 부재 모두와 구별되는 영역인 지지 영역(backing region)을 더 포함한다. 연마용품은 지지 영역에서 약 600 N/mm2 이상의 평균 파단강도를 가지며, 파단강도의 분산도(variation)는 약 150 이하이다.
다른 양상에서, 연마용품은 베이스; 연마입자, 금속 매트릭스, 및 용침재를 포함하며, 서로 접착된 세 가지 특정 상을 포함하는 연마 부재; 및 연마 부재와 베이스 사이에 위치되는 지지 영역을 포함한다. 지지 영역은 제1 상과 제2 상을 포함하며, 이때 제1 상과 제2 상은 서로의 내부에 대체로 균일하게 분포되며, 제1 상과 제2 상은 개별 영역으로 이루어지며, 상기 개별 영역의 평균 크기는 약 50 마이크론 이하이다.
또 다른 양상에 따르면, 연마용품은 베이스; 및 금속 매트릭스에 접착된 연마입자를 함유하며, 금속 용침물질-함유 용침재로 대체로 채워진 상호연결된 기공들의 망상구조를 더 포함한 연마 부재를 포함한다. 연마용품은, 연마 부재와 베이스 사이에 위치하고, 1종 이상의 금속 원소를 함유하는 본드 조성물로 만들어지며, 베이스 및 연마 부재 모두와 구별되는 영역인 지지 영역을 더 포함한다. 상기 연마용품의 평균 절삭속도는, 두께 4cm와 길이 30cm의 콘크리트 포장 슬래브를 50번 절삭하는 경우, 약 1000 cm2/min 이상이다.
또 다른 양상에서, 연마용품은 베이스; 연마입자, 금속 매트릭스, 및 용침재를 포함하며, 서로 결합된 세 가지 특정 상을 포함하는 연마 부재; 및 연마 부재와 베이스 사이에 위치하고, 레이저 용접된 본드 조인트를 포함하는 지지 영역을 포함한다.
일 양상에 따르면, 연마용품의 형성 방법은 연마 부재를 베이스 위에 배치시키는 단계를 포함하며, 이때 연마 부재는 금속 매트릭스에 결합된 연마입자를 함유하며, 금속 용침물질-함유 용침재로 대체로 채워진 상호연결된 기공들의 망상구조를 더 포함한다. 상기 방법은 연마 부재를 베이스에 용접시키는 단계를 더 포함한다.
또 다른 양상에서, 연마용품은 베이스; 금속 매트릭스에 결합된 연마입자를 함유하며, 금속 용침물질-함유 용침재로 대체로 채워진 상호연결된 기공들의 망상구조를 더 포함하는 연마 부재; 연마 부재와 베이스 사이에 위치하고, 금속 용침물질-함유 용침재로 대체로 채워진 상호연결된 기공들의 망상구조를 포함하는 지지 영역; 및 베이스와 연마 부재를 함께 접착시키는 지지 영역에서의 용접 조인트를 포함한다.
첨부된 도면을 참조함으로써 당업자는 본 발명을 더 잘 이해할 수 있으며, 본 발명의 많은 특징과 장점이 명백해질 것이다.
도 1은 일 구현예에 따른 연마용품의 형성 방법에 대한 흐름도를 포함한다.
도 2는 일 구현예에 따른 연마용품의 예시도를 포함한다.
도 3a 및 도 3b는 일 구현예에 따른 지지 영역의 일부분을 비롯한, 연마용품의 일부분의 횡단면 이미지를 포함한다.
도 4는 숫돌을 나타내는 지지 영역을 가진 종래의 열간 프레스된 연마용품의 횡단면 이미지를 포함한다.
서로 다른 도면들에서 사용된 동일한 참조번호는 유사하거나 동일한 항목을 가리킨다.
일 구현예에 따르면, 본원의 연마용품은 베이스부와 연마 부재를 포함할 수 있다. 연마용품은 건축자재를 절삭하는 절삭 공구, 이를테면 콘크리트 절삭용 톱일 수 있다. 대안으로, 연마용품은 예컨대 콘크리트 또는 소성된 점토를 연삭하거나 아스팔트를 제거하는 연삭공구일 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 연마용품의 형성 방법을 제공하는 흐름도를 포함한다. 도시된 바와 같이, 상기 방법은 연마 부재를 베이스 위에 배치시키는 101 단계에서 시작될 수 있다. 베이스 위에 부착하기 전에 연마 부재를 먼저 형성할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 구체적으로, 연마 부재는 금속 매트릭스에 결합된 연마입자를 함유하며, 상호연결된 기공들의 망상구조를 더 포함하는 용침형 연마 세그먼트일 수 있으며, 상기 기공들의 적어도 일부분은 금속 용침물질로 된 용침재로 채워진다.
베이스부는, 연마용품이 적용되는 분야에 따라, 환, 환 부분, 판, 또는 디스크 형태로 있을 수 있다. 베이스부는 금속 또는 금속합금으로 만들어질 수 있다. 가령, 베이스부는 강철로 만들어질 수 있으며, 구체적으로, 단면이 얇은 베이스부의 경우에는 열처리가능한 강철합금, 이를테면, 25CrMo4, 75Cr1, C60, 또는 이와 유사한 강철합금으로 만들어질 수 있고; 두꺼운 베이스부의 경우에는 단순한 구조의 강철, 이를테면 St 60 또는 이와 유사한 강철로 만들어질 수 있다. 베이스부의 인장강도는 약 600 N/mm2 이상일 수 있다. 베이스부는 당해 기술분야에 공지되어 있는 다양한 야금술을 통해 형성될 수 있다.
특히, 베이스 재료는 저탄소 유형 재료일 수 있으며, 이로써 본원의 구현예들에 따른 용접 공정이 용이해진다. 본 형성 방법을 용이하게 수행하도록, 베이스 재료의 탄소 함량은 약 10% 미만, 이를테면 약 8% 미만, 약 6% 미만, 약 4% 미만, 약 2% 미만, 그리고 심지어는 약 1% 미만일 수 있다.
예시적 구현예에 의하면, 연마 부재는 상호연결된 기공들의 망상구조를 가진 금속 매트릭스에 내재된 연마입자를 포함한다. 연마입자는 Mohs 경도가 약 7 이상인 연마재를 포함할 수 있다. 특정 경우에, 연마입자는 다이아몬드나 입방정 질화붕소와 같은 초연마재를 포함할 수 있다. 연마입자의 입도는 약 400 US 메쉬 이상으로, 이를테면 약 100 US 메쉬 이상, 약 25 내지 80 US 메쉬일 수 있다. 적용분야에 따라, 크기는 약 30 내지 60 US 메쉬일 수 있다.
연마입자는 약 2 vol% 내지 약 50 vol%의 함량으로 존재할 수 있다. 또한, 연마입자의 함량은 적용분야에 따라 좌우될 수 있다. 예를 들어, 연삭 또는 광택연마 공구용 연마 부재는 자신의 전체 체적을 기준으로 약 3.75 vol% 내지 약 50 vol%의 연마입자를 함유할 수 있다. 대안으로, 절단(cut-off) 공구용 연마 부재는 자신의 전체 체적을 기준으로 약 2 vol% 내지 약 6.25 vol%의 연마입자를 함유할 수 있다. 또한, 코어 드릴링용 연마 부재는 자신의 전체 체적을 기준으로 약 6.25 vol% 내지 약 20 vol%의 연마입자를 함유할 수 있다.
금속 매트릭스는 금속 원소, 또는 복수의 금속 원소를 함유하는 금속 합금을 포함할 수 있다. 일부 연마 세그먼트의 경우, 금속 매트릭스는 철, 텅스텐, 코발트, 니켈, 크롬, 티타늄, 은, 및 이들의 조합물과 같은 금속 원소를 포함할 수 있다. 특정 예에서, 금속 매트릭스는 희토류 원소, 이를테면 세륨, 란탄, 네오디뮴, 및 이들의 조합물을 포함할 수 있다.
특정 일예로, 금속 매트릭스는 내마모성 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일 구현예에서, 금속 매트릭스는 텅스텐 탄화물을 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로는 텅스텐 탄화물로 필수적으로 구성될 수 있다.어떤 구상예에 의하면, 금속 매트릭스는 개별 성분들의 입자, 또는 미리 합금처리된(pre-alloyed) 입자를 포함할 수 있다. 이들 입자의 크기는 약 1.0 마이크론 내지 약 250 마이크론일 수 있다.
위에 주목한 바와 같이, 용침재가 연마 부재의 본체 내부의 상호연결된 기공들의 망상 구조 내에 존재하도록 연마 부재를 형성할 수 있다. 용침재는 연마 부재의 체적을 통과해 연장되는 기공들의 체적을 부분적으로, 대체로, 또는 심지어 완전히 채울 수 있다. 특정의 한 구상예에 따르면, 용침재는 금속 또는 금속합금 물질일 수 있다. 가령, 일부 적합한 금속 원소로는 구리, 주석, 아연, 및 이들의 조합물이 있을 수 있다.
구체적인 예로, 용침재는 본원의 구현예들에 따른 용접용으로 특히 적합하도록 금속합금, 특히는 구리-주석 금속합금으로 된 브론징 재료일 수 있다. 예를 들어, 브론징 재료는 구리와 주석으로 필수적으로 구성될 수 있다. 어떤 브론징 재료는 조성물 내 물질들의 총량을 기준으로 주석을 특정 함량, 이를테면 약 20% 이하, 약 15% 이하, 약 12% 이하, 또는 심지어 약 10% 이하 포함할 수 있다. 일 구현예에 따르면, 브론징 재료는 주석을 약 5% 내지 약 20% 범위, 이를테면 약 8% 내지 약 15%, 또는 심지어 약 8% 내지 약 12% 범위의 함량으로 포함할 수 있다.
또한, 어떤 브론징 재료들은 용침물질로서 사용될 수 있으며, 조성물 내 물질들의 총량을 기준으로 구리의 함량은 약 80% 이상, 약 85% 이상, 또는 심지어 약 88% 이상일 수 있다. 일부 브론징 재료가 활용할 수 있는 구리의 함량은 약 80% 내지 약 95%, 이를테면 약 85% 내지 약 95%, 또는 심지어 약 88% 내지 약 93%의 범위일 수 있다.
그 외에도, 본원의 구현예들에 의한 형성 방법에 따라 올바른 연마용품의 형성을 용이하게 하기 위해, 브론징 재료는 기타 다른 원소들(예컨대, 아연)을 특별히 낮은 함량으로 포함할 수 있다. 가령, 브론징 재료는 아연을 약 10% 이하로, 이를테면 약 5% 이하, 또는 심지어 약 2% 이하로 활용하기도 한다. 사실, 어떤 브론징 재료는 본질적으로 아연을 함유하지 않기도 한다.
연마입자가 금속 매트릭스와 조합되어 혼합물을 형성할 수 있도록, 연마 부재를 제조할 수 있다. 금속 매트릭스는, 해당 금속 매트릭스 성분들의 입자들로 이루어진 블렌드를 포함하거나, 해당 금속 매트릭스의 미리 합금처리된 입자들일 수 있다. 일 구현예에서, 금속 매트릭스는 화학식 (WC)wWxFeyCrzX(1-w-x-y-z)으로 표시될 수 있으며, 식 중 0≤w≤0.8, 0≤x≤0.7, 0≤y≤0.8, 0≤z≤0.05, w+x+y+z≤1이고, X는 코발트 및 니켈과 같은 다른 금속을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 금속 매트릭스는 화학식 (WC)wWxFeyCrzAgvX(1-v-w-x-y-z)으로 표시될 수 있으며, 식 중 0≤w≤0.5, 0≤x≤0.4, 0≤y≤1.0, 0≤z≤0.05, 0≤v≤0.1, v+w+x+y+z≤1이고, X는 코발트 및 니켈과 같은 다른 금속을 포함할 수 있다.
금속 매트릭스와 연마입자의 혼합물을 프레스 조작, 구체적으로는 냉간 프레스 조작에 의해 연마 예비성형체로 형성함으로써 다공질 연마 부재를 성형할 수 있다. 냉간 프레스 조작은 약 50 kN/cm2(500 MPa) 내지 약 250 kN/cm2(2500 MPa)의 압력에서 수행될 수 있다. 이렇게 생성되는 다공질 연마 부재는 상호연결된 기공들의 망상 조직을 가질 수 있다. 일예로, 다공질 연마 부재의 기공률은 약 25 내지 50 vol%일 수 있다.
상기 생성된 다공질 연마 부재는 이어서 용침 공정을 거치게 되어, 용침물질이 연마 부재의 본체 내부에, 구체적으로는 연마 부재 본체 내 상호연결된 기공들의 망상 구조 내부에 배치된다. 용침재는 냉간 프레스된 연마 부재의 기공 속으로 모세관 작용을 통해 빨려 들어갈 수 있다. 용침 공정을 거친 후의 연마 부재는 조밀도가 약 96% 이상일 정도로 조밀화된 상태일 수 있다. 연마 부재에 용침되는 용침재의 양은 상기 조밀화된 연마 부재를 기준으로 약 20 중량% 내지 45 중량%일 수 있다.
연마 부재는, 연마 부재와 베이스 사이에 위치되어, 연마 부재와 베이스의 접합을 용이하게 하는 지지 영역을 포함할 수 있다. 일 구현예에 따르면, 지지 영역은 베이스 및 연마 부재 모두와 구별되는 특정 영역일 수 있다. 또한, 지지 영역은 초기에 연마 부재의 일부로서 형성될 수 있으며, 구체적으로는 연마 부재와 베이스의 접합을 용이하게 하는 특별한 특성을 지닌, 연마 부재의 특정 영역일 수 있다. 예를 들어, 일 구현예에 따르면, 지지 영역 내 연마입자의 비(vol%)는 연마 부재 내 연마입자의 함량에 비해 더 낮을 수 있다. 사실, 어떤 경우에서는, 지지 영역이 연마입자를 본질적으로 함유하지 않기도 한다. 이는, 연마 부재를 베이스에 용접시키는데 있어서 에너지 빔(예컨대, 레이저)을 활용하는 형성 방법에 특히 적합할 수 있다.
지지 영역의 적어도 일부분에는 본드 조성물이 포함될 수 있다. 본드 조성물은 금속 또는 금속합금을 포함할 수 있다. 일부 적합한 금속 재료는, 예를 들면, 티타늄, 은, 망간, 인, 알루미늄, 마그네슘, 크롬, 철, 납, 구리, 주석, 및 이들의 조합물과 같은 전이금속 원소들을 포함할 수 있다.
구체적인 예에서는, 본드 조성물이 용침재와 유사함에 따라, 본드 조성물과 용침재의 서로 간의 차이는 단 하나 이하의 원소종일 수 있다. 보다 훨씬 구체적인 예에서는, 본드 조성물이 용침재와 동일할 수 있다. 가령, 본드 조성물은 브론징 재료일 수 있으며, 보다 구체적으로는 본원에 기술된 바와 같이 브론징 재료로 필수적으로 구성될 수 있다.
본원의 구현예들에 따르면, 본드 조성물은 어느 정도 공통되는 원소종들이 있다는 점에서 용침재 조성물과 연관지어질 수 있다. 정량적으로, 본드 조성물과 용침재 조성물 사이의 원소 중량퍼센트 차이는 약 20 중량%를 넘지 않을 수 있다. 원소 중량퍼센트 차이란, 용침재 조성물과 비교하여 본드 조성물에 함유된 각 원소의 무게 함량 차이의 절대값으로 정의된다. 다른 구현예에서 본드 조성물과 용침재 조성물 사이의 조성물 관계는 더 밀접하다. 본드 조성물과 용침재 조성물 사이의 원소 중량퍼센트 차이는, 예를 들어, 15 중량%, 10 중량%, 5 중량%, 또는 2 중량%를 넘지 않을 수 있다. 원소 중량퍼센트 차이가 약 제로(0)란 것은, 지지 영역과 용침재를 이루는 조성물이 동일하다는 것을 나타낸다. 상기 원소 값들은 마이크로프로브 원소 분석을 비롯한 임의의 적합한 분석 수단에 의해 측정될 수 있으며, 용침재가 금속 매트릭스와 접촉되는 영역을 따라 발생될 수 있는 합금현상은 무시한다.
지지 영역은 특정 기공함량을 가질 수 있다. 예를 들어, 지지 영역의 기공률은 연마 부재의 기공률보다 낮을 수 있다. 사실, 지지 영역 내 기공의 양은 연마 부재 내부의 기공의 양과 비교하여 현저하게 더 적을 수 있다. 일부 경우에서, 지지 영역의 기공률은, 두 영역 사이의 체적 퍼센트를 기준으로 비교하였을 때, 2% 이상 낮을 수 있다. 다른 예들에서, 상기 차이는 더 클 수 있으며, 이를테면 연마 부재의 기공률보다 약 4% 이상 낮거나, 약 5% 이상 낮거나, 약 7% 이상 낮거나, 약 10% 이상 낮거나, 심지어는 약 15% 이상 낮을 수 있다. 이러한 기공률 차이 덕분에, 지지 영역과 연마 부재로의 용침조작이 제대로 용이하게 행해질 수 있다.
지지 영역의 기공률은 지지 영역의 전체 체적을 기준으로 약 40 vol% 이하일 수 있다. 다른 예에 의하면, 지지 영역 내부의 기공의 양은 약 38 vol% 이하, 약 34 vol% 이하, 또는 심지어 약 30 vol% 이하일 수 있다. 또한, 지지 영역 내부의 기공의 양은 약 7 vol% 이상, 약 8 vol% 이상, 약 10 vol% 이상, 약 12 vol% 이상, 또는 심지어 약 15 vol% 용침재 이상일 수 있다. 지지 영역의 기공함량은 위에 언급된 최저 퍼센트 내지 최고 퍼센트 범위 내의 임의의 값일 수 있다.
지지 영역 내 전체 기공의 상당 부분이 상호연결된 기공일 수 있다는 것을 또한 이해할 것이다. 다시 말해서, 기공의 적어도 대다수, 또는 심지어 약 75% 이상, 약 80% 이상, 약 90% 이상, 약 95% 이상, 또는 필수적으로는 모든 기공이 상호연결된 기공일 수 있다.
지지 영역은 자신의 전체 체적을 기준으로 용침재를 약 5 vol% 이상 포함할 수 있다. 다른 예에 의하면, 지지 영역은 용침재를 약 7 vol% 이상, 약 8 vol% 이상, 약 10 vol% 이상, 약 12 vol% 이상, 또는 심지어 약 15 vol% 이상 포함할 수 있다. 또한, 용침재의 양을 제한하여, 약 40 vol% 이하, 약 38 vol% 이하, 약 34 vol% 이하, 또는 심지어 약 30 vol% 이하가 되게 할 수 있다. 용침재의 양은 위에 언급된 최저 퍼센트 내지 최고 퍼센트 범위 내의 임의의 값일 수 있다.
따라서, 지지 영역은 금속 매트릭스 내에 형성된 상호연결된 기공들의 망상 구조를 포함할 수 있으며, 이들 상호연결된 기공은 용침물질로 대체로 채워진다. 지지 영역은 금속 매트릭스와 용침재를 비슷한 양으로 함유할 수 있다. 특히, 지지 영역은 본질적으로 연마입자를 함유하지 않기도 한다. 용침재로 대체로 채워진 상호연결된 기공들이 지지 영역에 포함되는 구현예들에서, 용침물질은 베이스와 연마 부재 사이의 조인트(예컨대, 용접된 조인트)를 형성하는 브론징 재료로서 작용할 수 있다.
따라서, 제대로 된 용침조작을 용이하게 행하기 위해 지지 영역의 형성, 특히는 지지 영역 내부의 기공의 성질 및 크기를 조절할 수 있다. 제대로 된 용침조작은, 지지 영역이 적절한 재료 특성을 지니게 되고, 지지 영역과 베이스 사이에 적합한 용접 조인트 영역이 형성되도록 보장한다. 예를 들면, 지지 영역 내부의 기공들의 평균 기공 크기가 연마 부재 내부의 기공들의 평균 기공 크기보다 크지 않도록, 보다 구체적으로는 크기가 더 작도록, 지지 영역을 형성한다. 이러한 차이는, 지지 영역에 완전하면서 제대로 된 용침조작을 용이하게 행할 수 있게 하고, 강한 용접 조인트 영역을 용이하게 형성할 수 있게 한다.
어떤 경우에서는, 지지 영역 내부의 기공들의 평균 기공 크기가 연마 부재 내부의 기공들의 평균 기공 크기보다 약 1% 이상 더 작다. 다른 구현예들에서, 평균 기공 크기의 차이는 더 클 수 있으며, 이를테면, 약 3% 이상 더 작거나, 약 5% 이상 더 작거나, 약 10% 이상 더 작거나, 심지어는 약 20% 이상 더 작을 수 있다. 또한, 상기 차이를 제한하여, 약 80% 이하, 약 70% 이하, 약 50% 이하, 또는 심지어 약 40% 이하가 되게 할 수 있다. 평균 기공 크기의 차이는 상기 최저값 내지 최고값 범위 내에 속하는 임의의 값일 수 있다.
연마 부재와 지지 영역 내부의 기공의 성질 및 크기를 조절하는 작업은, 연마 부재와 지지 영역을 포함하는 연마용품을 형성하는 동안에 매우 일정한 압력을 인가하는 것을 포함할 수 있다. 이들 두 부품의 전체 길이와 전체 체적에 걸쳐 일정한 압력이 가해진 덕분에, 본체들의 균일한 압축이 용이해지고, 기공 크기가 대체로 일정해질 수 있다. 연마 부재 및 지지 영역을 형성하는데 사용되는 분말 재료의 분말크기를 특별히 선택함으로써, 기공 크기를 추가로 조절할 수 있다.
일 구현예에서, 지지 영역은 연마 부재와 베이스를 접합시키는 용접 조작을 용이하게 하는 특정의 브론징 재료를 포함할 수 있다. 사실, 어떤 지지 영역은 구리-주석 브론징 재료로 필수적으로 구성될 수 있다. 일부 적합한 브론징 재료는 구리를 약 80% 이상, 이를테면 약 82% 이상, 약 85% 이상, 약 87% 이상, 약 88% 이상, 약 90% 이상, 약 93% 이상, 또는 심지어 약 95% 이상 함유할 수 있다. 따라서, 브론징 재료의 그 나머지 함량으로는 주석이 포함될 수 있으므로, 적합한 브론징 재료에는 주석이 약 20% 이하, 약 18% 이하, 약 15% 이하, 약 13% 이하, 약 12% 이하, 약 10% 이하, 약 8% 이하, 약 5% 이하 함유될 수 있다.
101 단계에서 연마 부재를 베이스 위에 위치시킨 후, 상기 방법은 연마 부재를 베이스에 용접시키는 103 단계로 이어질 수 있다. 특정 예에 의하면, 이러한 용접 공정은 베이스에 에너지 빔을 적용시키는 조작, 보다 구체적으로는, 연마 부재와 베이스 사이의 지지 영역에 에너지 빔을 적용시키는 조작을 포함할 수 있다. 특정 예에 의하면, 레이저를 에너지 빔으로 사용할 수 있으며, 이로써 연마 세그먼트는 레이저 용접된 본드 조인트를 통해 베이스에 부착된다. 상기 레이저는 Dr. Fritsch에서 통상 시판 중인 Roffin 레이저 소스일 수 있다.
도 2는, 조밀화된 연마 부재(202)가 베이스(204)에 접착된 예시적인 연마용품(200)을 도시한다. 조밀화된 연마 부재(202)는 서로 접착된 금속 매트릭스 입자(206)와 연마입자(208); 및 금속 매트릭스 입자(206)들 사이로 연장되며 용침재(210)로 채워진, 서로 연결된 기공들의 망상 구조를 포함한다. 좀더 도시되어 있는 바와 같이, 연마용품은 연마 부재(202)와 베이스(204) 사이에 위치된 지지 영역(212)을 포함할 수 있다. 지지 영역(212)은 상기 조밀화된 연마 부재(202)의 조성물과 연관될 수 있는 본드 조성물을 포함할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 연마용품의 지지 영역(212)은, 서로의 내부에 균일하게 분포되는 제1 상과 제2 상을 포함할 수 있도록 형성된다. 도 3a 및 도 3b는 일 구현예에 따른 지지 영역의 일 부분을 비롯한, 연마용품의 일부분의 횡단면 이미지를 포함한다. 도시된 바와 같이, 도 3a의 이미지에는 베이스(301), 지지 영역(302)의 일 부분, 그리고 연마 세그먼트(303)의 일 부분이 포함되어 있다. 도 3b에 좀더 도시되어 있는 바와 같이, 지지 영역(302)은 개별 상들을 포함할 수 있으며, 특히는 대체로 균일하게 섞여 있는 제1 상(305)과 제2 상(306)을 포함할 수 있다.
또한, 제1 상(305)과 제2 상(306)은 확대 이미지에 도시된 것처럼 개별 영역들을 가질 수 있다. 이들 개별 영역은 다결정성 영역일 수 있으며, 상기 영역의 평균크기는 유사하게 확대된 이미지에서 가장 긴 치수를 따라 측정하였을 때 약 50 마이크론 이하이다. 이는 특정의 평균 분말크기와, 대체로 구형의 형상을 지닌 금속 재료를 사용함으로써 용이해질 수 있다. 어떤 구현예에 의하면, 제1 및 제2 상(305 및 306)의 개별 영역들은 더 작을 수 있으며, 이를테면 대략적으로 약 40 마이크론 이하, 약 30 마이크론 이하, 약 25 마이크론 이하, 또는 심지어 약 20 마이크론 이하일 수 있다. 특정 예에 의하면, 제1 및 제2 상(305 및 306)의 개별 영역들의 평균크기는 약 1 마이크론 내지 약 50 마이크론, 이를테면 약 5 마이크론 내지 약 50 마이크론, 약 10 마이크로 내지 약 40 마이크론, 또는 심지어 약 10 마이크론 내지 약 30 마이크론의 범위일 수 있다.
도시된 바와 같이, 제1 및 제2 상(305 및 306)을 서로 세밀하게 섞은 후 섬세하게 마블처리하였다. 또한, 제1 상(305)으로 식별되는 개별 영역들은 긴, 섬유 및/또는 나뭇가지 모양으로 정의될 수 있으며, 이때 섬유 가닥들은 제2 상(306)을 통과해 연장되어 심지어는 서로 꼬인다.
또한, 지지 영역(302)은 미세한 폐기공들(307)을 포함할 수 있으며, 상기 폐기공들은 지지 영역(302)의 전체 체적에 걸쳐 서로로부터 일정하게 이격되어 있을 수 있다. 구체적인 예로, 폐기공(307)은 특히 둥근 형상을 가질 수 있으며, 보통, 평균 기공 크기는 약 50 마이크론 미만, 이를테면 약 40 마이크론 미만, 약 25 마이크론, 또는 심지어 약 15 마이크론 미만일 수 있다.
지지 영역의 평균 두께는 약 400 마이크론 이하, 이를테면 대략적으로 약 300 마이크론 이하, 약 200 마이크론 이하일 수 있다. 평균 지지 영역은 도 3a에 도시된 바와 같은 확대 이미지들을 사용하여 지지 영역과 약 1mm 이상인 연마 부재 사이의 계면의 길이를 따라 적어도 약 10개의 다른 측정치들을 취하여 측정할 수 있다. 다른 예에 의하면, 지지 영역(302)은 그 평균 두께가 약 50 마이크론 이상, 이를테면 약 100 마이크론 이상, 약 150 마이크론, 또는 심지어 약 175 마이크론이도록 형성될 수 있다. 또한, 특정 구상예들에서는 평균 두께가 약 50 마이크론 내지 약 400 마이크론의 범위, 이를테면 약 100 마이크론 내지 약 300 마이크론의 범위 내에 속하는 지지 영역이 활용될 수 있다.
또한, 지지 영역(302)에는 본질적으로 숫돌이 함유되어 있지 않은데, 이는 더 많은 종래 연마용품(예컨대, 용접을 통해 베이스에 접착된 열간 프레스 연마 세그먼트)에서는 흔할 수 있다. 일반적으로 숫돌은 주변 영역과 비교하여 비-균질 조성물로 된 영역들로서 식별되며, 상기 영역을 관통하여 파쇄 불량을 유도하기 더 쉬운 영역들을 제공할 수 있다. 도 4는 숫돌들(403)을 나타내는 지지 영역(401)을 가진 종래 연마용품의 횡단면 이미지를 포함하며, 여기서 숫돌들은 하나의 개별적, 제2 상(404)으로 포위된 크고 둥근 입자들로서 존재한다. 또한, 지지 영역(401)은 그 전체 체적을 통해 일정하지 않게 분산되어 있지만, 특정 영역들에, 이를테면 숫돌들(403)에 근접한 영역들, 훨씬 더 구체적으로는, 숫돌들(403)과 상기 숫돌들(403)을 에워싼 개별적 제2 상(404) 사이의 계면들에 집중되어 있는 기공들(405)을 나타낸다.
본원의 구현예들에 따라 형성된 연마용품은 특정한 기계적 특성, 및 지지 영역에서 측정하였을 때 연마 세그먼트와 베이스 사이에 특히 적합하면서 한결같은 본드 강도를 가질 수 있다. 예를 들어, 일 구현예에 따르면, 연마용품의 지지 영역에서의 평균 파단강도는 약 600 N/mm2 이상일 수 있으며, 이는 EN13236에 개략적으로 설명되어 있는 유럽 표준 시험 절차에 따라 측정될 수 있다. 어떤 예들의 경우, 상기 평균 파단강도는 약 600 N/mm2 이상, 이를테면, 약 700 N/mm2 이상, 약 800 N/mm2 이상, 약 925 N/mm2 이상, 약 950 N/mm2 이상, 또는 심지어 약 975 N/mm2 이상일 수 있다. 또한 더 구체적인 구현예들에서, 연마용품의 평균 파단강도는 약 600 N/mm2 내지 약 1400 N/mm2, 약 700 N/mm2 내지 약 1400 N/mm2, 그리고 심지어는 약 800 N/mm2 내지 약 1400 N/mm2의 범위 내에 속할 수 있다. 어떤 구현예들에 의하면, 연마용품의 평균 파단강도는 약 900 N/mm2 내지 약 1400 N/mm2, 이를테면 약 925 N/mm2 내지 약 1350 N/mm2, 약 950 N/mm2 내지 약 1300 N/mm2, 또는 심지어 약 975 N/mm2 내지 약 1250 N/mm2의 범위 내에 속할 수 있다.
또한, 본원의 구현예들에 따른 연마용품은 파단강도 분산도(100개 이상의 측정치에 대한 표준편차로서 계산됨)로 측정하였을 때 한결같은 파단강도를 나타낼 수 있다. 본원의 구현예들에 따른 연마용품의 파단강도 분산도는 약 150 이하, 이를테면 약 125 이하, 약 120 이하, 또는 심지어 약 110 이하일 수 있다. 어떤 예에서는, 상기 파단강도 분산도가 약 25 내지 약 150, 이를테면 약 25 내지 약 125, 또는 심지어 약 25 내지 약 110의 범위 내에 속할 수 있다.
본원의 구현예들에 따른 연마용품은 특정한 성능 특징들을 가지기도 한다. 예를 들어, 연마용품의 평균 절삭속도는, 포장도로에 사용되는 콘크리트 응집체로 만들어진 두께 4cm와 길이 30cm의 콘크리트 포장 슬래브를 50번 절삭하는 경우, 약 1000 cm2/min 이상일 수 있다. 사실, 어떤 연마용품의 평균 절삭속도는 약 1050 cm2/min 이상, 이를테면 약 1100 cm2/min 이상, 또는 심지어 약 1125 cm2/min 이상일 수 있다. 본원의 특정 구현예들은 평균 절삭속도가 약 1000 cm2/min 내지 약 1400 cm2/min, 이를테면 약 1050 cm2/min 내지 약 1400 cm2/min, 또는 심지어 약 1100 cm2/min 내지 약 1300 cm2/min인 연마용품을 활용할 수 있다.
실시예
4개의 시료를 형성하여 시험하였다. 시료 1은, 대략 1000 MPa에서 냉간 프레스를 통해 먼저 형성한 후에 특정 브론즈 재료로 용침시킨, 용침형 부품이다. 연마부재는 텅스텐 탄화물계 금속 매트릭스(코발트 및 니켈로 된 다른 금속들을 포함할 수 있음)를 포함한다. 시료 1의 연마용품은 본질적으로 연마입자가 함유되어 있지 않은 지지 영역을 또한 포함한다. 용침재는, 약 45 마이크론 미만의 평균 입도를 가진 80/20 구리/주석 브론즈 재료이다.
시료 2는, 브론즈 금속이 약 63 마이크론 미만의 평균 입도를 가진 85/15 구리/주석 브론즈 재료라는 점을 제외하고는, 시료 1의 방법에 따라 형성하였다.
시료 3은, 브론즈 금속이 약 45 마이크론 미만의 평균 입도를 가진 90/10 구리/주석 브론즈 재료라는 점을 제외하고는, 시료 1의 방법에 따라 형성하였다.
시료 4는, 브론즈 금속이 약 74 마이크론 미만의 평균 입도를 가진 95/5 구리/주석 브론즈 재료라는 점을 제외하고는, 시료 1의 방법에 따라 형성하였다.
시료 1 내지 4의 속도 및 수명을 시험하고, 그 결과들을 아래의 표 1에 요약하였다.
시료 1 시료 2 시료 3 시료 4
속도 (㎠/ min ) 960 1029 864 900
수명 (㎡/ mm ) 0.387 0.492 0.527 0.373
위에 주지된 바와 같이, 시료 1 내지 4에 따라 형성된 연마용품들의 절삭속도와 수명은 공업 표준 능력을 나타내었다. 시료 1 내지 4에 대한 속도는 일부 종래 공업 표준 열간 프레스된 공작편들보다 더 높았다. 수명 또한 일부 종래 용품들과 비교하여 향상되었다.
또한, 많은 부품들을 상기 시료들(시료 1 내지 4)에 따라 형성하였다. 사실, 16개의 세그먼트를 각 시료(즉, 시료 1 내지 4)에 대해 형성하고, 저 탄소강에 레이저 용접시켰다. 베이스로부터 해당 세그먼트를 파단시키기 위해 요구되는 것으로 측정된 토크에 근거하여, 각 시료의 용접 강도와, 평균 파단강도 및 표준편차를 아래의 표 2에 제공하였다.
시료 1 시료 2 시료 3 시료 4
평균 (N m) 21.7 20.5 22.9 19.6
표준편차 1.75 1.71 0.83 1.93
상기 알 수 있는 바와 같이, 시료 1 내지 4에 대한 세그먼트들은 공업용도로 적합한 평균 파단강도를 나타냈다. 아마 더 놀라운 것은, 시험된 모든 시료들에 대한 표준편차가, 특히 종래 부품들의 전형적으로 훨씬 높은 표준편차와 비교하여 현저하게 낮다는 점이다.
시료 5와 시료 6을 상기 시료 2의 구현예에 따라 형성하였다. 시료 5와 시료 6 각각은, 저탄소강 베이스에 레이저 용접되는, 냉각 프레스 및 용침된 16개의 독립된 세그먼트들을 포함한다. 시료 5와 시료 6에 대한 16개 세그먼트 각각의 평균 파단강도 및 파단강도 분산도를 측정하였다. 그 결과들을 아래에 요약하였다.
시료 5 시료 6
평균 (N/mm2) 998 1131
파단강도 분산도 75.7 106.5
시료 5와 시료 6에 대해 기록된 상기 평균 파단강도는 공업 표준을 만족시킨다. 보다 구체적으로, 상기 파단강도 분산도는, 시험한 결과 통상 (150이 아니라면) 120이 넘는 값을 가졌던 다른 종래 시료들보다 양호하였다. 명백하게, 레이저 용접 및 용침처리를 거친 연마용품들의 조합은, 베이스에서 보다 일정한 조인트 계면을 가지며 강하게 접착된 용품을 가능하게 함으로써, 베이스에 접착된 연마 세그먼트의 재해적 불량(결손) 및 파단이 줄어든다.
일 구현예에 따르면, 연마공구는 캐리어부 및 연마 부품을 포함한다. 연마공구는 건축자재를 절삭하는 절삭 공구, 이를테면 콘크리트 절삭용 톱일 수 있다. 대안으로, 연마공구는 예컨대 콘크리트 또는 소성된 점토를 연삭하거나 아스팔트를 제거하는 연삭공구일 수 있다. 특히, 하기의 구현예들은 연마용품에 쓰이는 베이스 상에 용침형 연마 세그먼트들을 용접시키는 방법을 체계화하였다. 당해 기술분야의 일부 참조 문헌들은 일반적으로 용접조작을 적합한 접합공정으로서 인지하였다. 심지어 일부 참조 문헌들은 용침형 공작편을 다양한 공정에 의해 베이스에 접합할 수 있다고 장엄하게 진술하고 있으며, 임의로 용접조작을 많은 공정들 중 하나로서 열거하고 있다. 그러나, 이들 참조 문헌들은 용침형 공작편들에 아주 약간이라도 관련된 것이 아니며, 이러한 공정 또는 용품은 상기 참조 문헌들로 가능해지지 않는다. 본 출원의 발명자들은, 당 분야의 전문가들로서, 용침형 용품을 용접시키는 것이 하찮은 방법이 아니라는 점을 주목하였다. 게다가, 본 발명자들이 아는 바로는, 당 산업분야에서의 어떠한 논문도 성공적으로 용접된 용침형 부품들에 기초를 두고 있지 않다. 본 출원인에 의해 증명된 연마용품의 성공으로, 이러한 용품에 대한 산업계의 수요가 증가되었다. 또한, 본원의 구현예들에 따라 상업적으로 성공적인 제품을 형성하기 위해, 일부 문제점들을 확인하고 극복할 필요가 있다. 이러한 성공에 이르는 특징들의 일부 조합으로는, 지지 영역을 형성하기 위해 사용되는 원료의 크기 및 형상, 지지 영역의 조성물, 용접에 사용되는 빔의 종류, 파장 및 세기, 연마 세그먼트 내 연마 지립들의 종류 및 배치가 있다. 더욱이, 본원의 구현예들에 따른 연마 세그먼트는 예상 밖의 기계적 특성 및 성능 특성들을 나타내었다.
상기 내용에서, 특정 구현예들 및 특정 구성성분의 연결관계에 대한 언급은 예시적인 것이다. 본원에 논의된 바와 같은 방법들을 수행하기 위해 이해되는 바와 같이 결합 또는 연결되는 부품들에 대한 언급은 상기 부품들 사이의 직접적인 연결 또는 상기 부품들 사이에 개재되는 하나 이상의 부품을 통한 간접적인 연결을 나타내고자 하는 것임을 이해할 것이다. 따라서, 전술된 본 발명의 주제를 제한적인 것으로 간주해서는 안 되며, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 범주 내에 속하는 변형예, 개선사항들 및 기타 다른 구현예들을 모두 포함하는 것으로 의도된다. 그러므로, 본 발명의 범주는, 법에 의해 허용되는 최대 범위까지, 하기 청구범위와 그의 대등물을 가능한 한 가장 폭넓게 해석함으로써 정해질 것이며, 상기 전술된 설명에 의해 제약을 받거나 제한되지 않을 것이다.
본 발명의 요약서는 특허법에 따라 제공되며, 청구항의 범주나 의미를 해석하거나 또는 제한하기 위해 사용되지 않을 것이라는 이해 하에 제출된다. 또한, 상기 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명을 간결하게 하려는 목적상 다양한 특징들을 함께 군으로 묶거나 또는 단일 구현예를 통해 설명할 수 있다. 청구된 구현예들이 각 청구항에 명백하게 인용되는 것보다 많은 특징들을 요구한다는 의도를 나타내는 것으로 본 발명을 해석해서는 안 된다. 오히려, 하기 청구범위가 나타내는 바와 같이, 본 발명의 주제는 설명된 구현예들 중 임의의 것의 모든 특징들보다 적을 것이다. 그러므로, 하기 청구범위는 본 발명의 상세한 설명과 도면에 통합되어 있으며, 각 청구항은 개별적으로 청구된 주제를 한정하는 것으로서 자립성을 띤다.

Claims (108)

  1. 베이스;
    금속 매트릭스에 결합된 연마입자를 함유하며, 금속 용침물질-함유 용침재로 채워진 상호연결된 기공들의 망상구조를 더 포함하는 연마 부재;
    상기 연마 부재와 상기 베이스 사이에 위치하고, 금속 용침물질-함유 용침재로 채워진 상호연결된 기공들의 망상구조를 포함하는 지지 영역; 및
    상기 베이스와 상기 연마 부재를 함께 접착시키는, 상기 지지 영역에서의 용접 조인트를 포함하는 연마용품으로서,
    상기 지지 영역의 상호연결된 기공의 평균 기공 크기가 상기 연마 부재의 상호연결된 기공의 평균 기공 크기 이하인 것인, 연마용품.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 지지 영역의 상호연결된 기공의 평균 기공 크기가 상기 연마 부재의 상호연결된 기공의 평균 기공 크기보다 1% 이상 작은 것인, 연마용품.
  4. 제1항에 있어서, 상기 베이스는 탄소 함량이 20% 미만인 저탄소 재료를 포함하는 것인, 연마용품.
  5. 제1항에 있어서, 상기 연마부재의 금속 용침물질은 상기 지지 영역의 금속 용침물질과 동일한 것인, 연마용품.
  6. 제5항에 있어서, 상기 금속 용침물질은 브론징 재료를 포함하는 것인, 연마용품.
  7. 제6항에 있어서, 상기 브론징 재료는 구리 및 주석을 함유하는 금속 합금을 포함하는 것인, 연마용품.
  8. 제1항에 있어서, 상기 연마 부재는 자신의 전체 체적을 기준으로 25 vol% 내지 50 vol%의 기공률을 가지는 것인, 연마용품.
  9. 제1항에 있어서, 상기 지지 영역의 기공률이 상기 연마 부재의 기공률보다 낮은 것인, 연마용품.
  10. 제1항에 있어서, 상기 용침재는 상기 베이스와 연마부재 사이의 상기 지지 영역에서 상기 용접 조인트를 형성하기 위한 브론징 재료로서 기능하는 것인, 연마용품.
  11. 제1항에 있어서, 상기 연마용품은 상기 지지 영역에서 600 N/mm2 이상의 평균 파단강도를 가지며, 상기 평균 파단강도의 표준편차는 150 이하인 것인, 연마용품.
  12. 베이스;
    금속 매트릭스에 결합된 연마입자를 함유하며, 금속 용침물질-함유 용침재로 채워진 상호연결된 기공들의 망상구조를 더 포함하는 연마 부재; 및
    상기 연마 부재와 상기 베이스 사이에 위치하고, 1종 이상의 금속 원소를 함유하는 본드 조성물과 금속 용침물질-함유 용침재로 채워진 상호연결된 기공들의 망상구조를 포함하며, 상기 베이스 및 연마 부재 모두와 구별되는 영역인 지지 영역을 포함하고,
    상기 지지 영역의 상호연결된 기공의 평균 기공 크기가 상기 연마 부재의 상호연결된 기공의 평균 기공 크기 이하이고,
    상기 지지 영역에서 평균 파단강도가 600 N/mm2 이상이고 상기 평균 파단강도의 표준편차가 150 이하인, 연마용품.
  13. 제12항에 있어서, 상기 평균 파단강도가 600 N/mm2 내지 1400 N/mm2의 범위에 속하는 것인, 연마용품.
  14. 제12항에 있어서, 상기 평균 파단강도의 표준편차가 25 내지 150의 범위에 속하는 것인, 연마용품.
  15. (i) 금속 매트릭스에 결합된 연마입자를 함유하며, 금속 용침물질-함유 용침재로 채워진 상호연결된 기공들의 망상구조를 더 포함하는 연마부재; 및 (ii) 금속 용침물질-함유 용침재로 채워진 상호연결된 기공들의 망상구조를 포함하며, 상기 상호연결된 기공의 평균 기공 크기가 상기 연마 부재의 상호연결된 기공의 평균 기공 크기 이하인 지지 영역을 포함하는 연마 세그먼트를 형성하는 단계;
    상기 연마 세그먼트를 베이스 위에 배치시켜 상기 지지 영역이 상기 연마 부재와 상기 베이스 사이에 위치하도록 하는 단계; 및
    상기 연마부재를 상기 베이스에 용접시키는 단계를 포함하는, 연마용품 형성 방법.
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