KR101861890B1 - 취성 재료를 기계 가공하는 연삭 공구 및 연삭 공구 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 취성 재료를 기계 가공하는 연삭 공구(1)에 관한 것이다. 연삭 공구(1)는 코어(2) 및 연마재 림(4)을 갖는다. 연마재 림(4)은 매트릭스(6) 속에 매립된 연마재 입자(5)를 포함한다. 매트릭스(6)는 금속성 결합제 및 가능하게는 중합체성 결합제도 포함한다. 금속성 결합제는 체적으로 금속성 결합제의 0.02% 내지 5.0 %를 이루는 양의 질화 규소를 함유한다. 본 발명은 연삭 공구를 제조하는 방법에 관한 것이기도 하다. 본 방법에서, 연마재 입자는 금속 분말 및 질화 규소와 혼합되고, 혼합물이 소결된다. 소결 전에 중합체성 분말이 첨가될 수도 있을 것이다.

Description

취성 재료를 기계 가공하는 연삭 공구 및 연삭 공구 제조 방법 {A GRINDING TOOL FOR MACHINING BRITTLE MATERIALS AND A METHOD OF MAKING A GRINDING TOOL}

본 발명은 연삭 공구에 관한 것이며, 특히 탄화 텅스텐과 같은 경성 및/또는 취성 재료를 연삭하는 연삭 공구에 관한 것이다. 연삭 공구는 특히 연삭 휠(grinding wheel)일 수 있을 것이다. 본 발명은 그러한 연삭 공구를 제조하는 방법에 관한 것이기도 하다.

연삭 휠과 같은 연삭 공구는 취성 재료를 기계 가공하기 위해 이용된다. 그러한 연삭 공구가 이용되는 한 분야는 경성 금속(탄화 텅스텐)으로 제조되는 공구를 기계 가공하는 것이다. 예를 들어, 연삭 공구는 연삭에 의해 드릴 또는 밀링 공구를 형성하는 기계 가공 작업을 위해 이용될 수 있을 것이다. 형성될 공작물이 탄화 텅스텐과 같은 경성 재료로 제조되면, 연마재 공구는 매우 경성인 재료로 된 연마재 입자를 가져야 한다. 실제로, 이것은 보통 연마재 입자가 다이아몬드 입자 또는 입방정 질화 붕소(cubic boron nitride)의 알갱이인 것을 의미한다. 이 목적을 위한 다이아몬드 또는 입방정 질화 붕소 알갱이는 상업상 구입 가능하고 표준 성분인 것으로 간주될 수 있다. 이 목적을 위한 다이아몬드는 전형적으로 50㎛의 평균 또는 산술 평균 입자 크기(물론, 입자들의 크기가 변화하는)를 가지며, 탄화 텅스텐과 같은 경성 재료를 절단할 수 있는 복수의 날카로운 모서리를 가질 수 있을 것이다.

이 목적을 위한 알려진 유형의 연삭 공구는 연삭 휠이며, 그 코어는, 예를 들어, 강 또는 알루미늄과 같은 금속성 재료로 만들어질 수 있을 것이다. 코어는 중합체성 재료와 같은 비금속성 재료로 만들어질 수도 있을 것이다. 코어는 디스크형 금속 코어의 축의 둘레로의 회전을 위해 공구 스핀들 상에 장착될 수 있는 디스크로서의 형상을 가질 수 있다. 연마재 림은 코어를 둘러싸고 코어에 연결된다. 연마재 림은 하나 이상의 결합제를 갖는 매트릭스 속에 매립된 연마재 입자를 포함할 수 있을 것이다. 연마재 림에서 이용되는 재료는 보통 코어의 재료보다 더 고가이다. 이러한 이유로, 연마재 림은 방사 방향으로 코어보다 더 작은 연장 범위를 갖는다(즉, 연마재 림은, 그것이 더 고가이므로, 보통은 연삭 휠의 상대적으로 소부분이다).

연삭 중에, 연마재 림은 그것이 소진되고 연삭 휠을 더 이상 사용할 수 없을 때까지 서서히 마모된다.

연삭 휠의 연마재 림을 위한 알려진 결합제는, 예를 들어, 베이크라이트(Bakelite)와 같은 중합체성 결합제를 포함한다. 대안적으로, 결합제는 세라믹 결합제일 수 있을 것이다. 금속성 결합제, 특히 소결에 의해 제조된 청동으로 된 결합제를 이용하는 것도 알려져 있다. 그러한 소결 작업에서는, 동 및 주석을 함유하는 금속 분말이 다이아몬드 입자 또는 입방정 질화 붕소의 알갱이로서의 연마재 입자와 함께 소결된다. 때로는, 은이 첨가되어 청동이 동(Cu), 주석(Sn) 및 은(Ag)을 함유하게 할 수 있다. 과거에, 실제적 경험이 Cu/Sn/Ag 합금이 연마재를 위한 결합제로서 잘 기능하고 그러한 결합제가 연삭 중에 잘 기능한다는 것을 보여주었다. 이에 대한 정확한 이유가 완전히 이해되지는 않을지라도, 본 발명자들은 은의 첨가에 의해 유발되는 향상된 열 전도성이 은을 함유하는 합금이 연마재를 위한 결합제로서 잘 기능하는 이유를 설명할 수 있을 것이라도 생각하고 있다. 그러나, 은은 고가이고, 비용을 줄이기 위해 다른 청동 합금이 이용될 수 있을 것이며, 본 발명은 은이 없는 청동 합금에도 적용 가능하다.

이러한 목적을 위한 다른 알려진 청동 조성은 동/주석/코발트(Cu/Sn/Co) 및 동/주석/니켈(Cu/Sn/Ni)을 포함한다. 이러한 목적을 위한 청동 조성이 동/주석/티타늄(Cu/Sn/Ti)을 포함할 수 있을 것임도 제안되었다.

또다른 한 알려진 시스템은 금속성 분말이 중합체성 재료와 함께 소결되는 중합체성 및 금속성 결합제의 하이브리드(hybrid)를 포함하며, 중합체성 결합제 및 금속성 결합제(전형적으로, 위에 기술될 바와 같은 청동 합금)는 현미경적 수준으로 서로 밀접하게 뒤얽혀져 형성된다. 그러한 하이브리드에서는, 금속 결합제 및 중합체성 결합제는 제각기 망을 이루고, 결합제의 제각각의 망들은 서로 뚫고 들어간다. 금속 결합제 및 중합체성 결합제 둘 다를 함유하는 그러한 하이브리드 매트릭스는 예를 들어 미국 특허 6063148호에 개시되어 있다.

금속성 및 중합체성 결합제 외에, 그러한 하이브리드는 보통은 하나 또는 수종의 충전재를 포함한다. 그러한 충전재 중 하나는 그 윤활 특성 때문에 이용되는 흑연일 수 있을 것이다.

이용되는 연마재 입자는 상이한 특성을 가질 수 있을 것이다. 예를 들어, 다이아몬드의 취성은 연삭 공구의 이용 목적에 따라 변할 수 있을 것이다. 상이한 다이아몬드들의 특성들이 상이한 결합제(또는 결합제들의 하이브리드)들의 특성들을 충족시키도록 짝지워질 수 있을 것이다.

양호한 연삭 공구에서, 연마재 입자는 연삭 공구가 원하는 대로 기능하게 하는 방식으로 그 매트릭스 내에서 결합되어야 할 것이다. 연삭 공구는 그것이 장기간에 걸쳐 이용될 수 있도록 양호한 내마모성을 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 양호한 내마모성만 원하는 특성인 것은 아니고, 최고의 내마모성을 갖는 연삭 공구가 반드시 최선은 아니다. 다른 바람직한 특성은 낮은 에너지 소모(즉, 연삭 공구를 구동하기 위해 요구되는 동력이 과도하게 크지 않은 것) 및 일정하거나 또는 적어도 예견 가능한 성능 특성을 포함한다. 연마재 림의 연삭 효과가 시간에 따라 너무 많이 변하면, 이것은 문제를 유발한다. 이것은 특히 연삭 공구의 성능이 예견 불가하게 변하면 더 그렇다.

주어진 상황에서의 연삭 공구의 마모의 정도는 연마재 입자가 매립되어 있는 매트릭스의 특성에 매우 고도로 의존한다. 그러므로, 매트릭스의 조성이 중요하다.

공작물을 기계 가공하기 위해 연삭 공구가 이용될 때, 연마재 입자 상의 날카로운 구석 및 모서리가 공작물에 작용한다. 그럼으로써, 매트릭스 속에 매립된 연마재 입자 상에 힘이 가해진다. 연삭 중에, 연마재 입자들은 손상된다. 서서히, 연마재 입자로부터 작은 조각들이 떨어져 나가서, 연마재 입자가 서서히 마모된다. 연마재 림의 한 영역에서의 연마재 입자들이 완전히 마모되면, 공작물은 매트릭스와 직접 마주친다. 그러한 매트릭스는 공작물보다 덜 경성이며, 그것은 신속하게 마모된다. 결과적으로, 연마재 림의 표면으로 나오는 새로운 연마재 입자들이 공작물에 작용하기 시작할 수 있다.

그러나, 연마재 입자들을 잡고 있는 매트릭스가 너무 취약하면, 연마재 입자들은 그것들이 마모되기 전에 매트릭스로부터 뜯겨나갈 수 있을 것이다. 연마재 림의 표면 부분에서 이러한 일이 일어나면, 공작물은 비교적 취성인 매트릭스와 직접 접촉하고 매트릭스를 성급하게 마모시킬 것이다. 이러한 일이 일어나면, 매우 많은 양의 매트릭스가 마모되고 새로운 연마재 입자들이 표면으로 나오기까지 동력 소모는 잠깐 떨어진다. 결과적으로, 연삭 공구의 연마재 림은 그렇지 않은 경우에 비해 더 빨리 마모된다. 연삭 공구의 작업이 미리 프로그램되어 있다면, 그 결과는, 연삭 공구가 지금은 부정확해진 공구 직경의 추정치에 기반하여 작동하게 설정되므로, 연삭 작업이 적절하게 기능하지 못 할 수 있을 것이다. 이 문제는, 연마재 림이 예견하기 곤란한 방식으로 마모되는 경우, 예를 들어 마모가 불규칙한 간격으로 다가오는 급작스러운 계단식으로 일어나는 경우에, 더 심각해진다.

연삭 작업을 위한 요구 동력이 낮게 유지될 수 있어 연삭 중의 에너지 소모가 최소화 될 수 있는 것도 바람직하다.

연삭 공구의 다른 한 바람직한 특성은 높은 G비(G-ratio)이다. G비는 연삭 공구에 의해 공작물로부터 제거되는 재료의 체적과 연삭 공구가 상실하는 체적(공구의 마모) 사이의 비율을 나타낸다. 양호한 연삭 공구는 높은 G비를 갖는다.

그러므로, 본 발명의 목적은 양호한 내마모성을 갖는 연삭 공구를 제공하려는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 규칙적이고 예견 가능한 방식으로 마모되고 낮은 동력 요구 및 높은 G비를 갖는 공구를 제공하려는 것이다. 이러한 목적은 아래에서 설명될 것인 본 발명에 의해 달성된다.

[발명의 개요]

본 발명은 연삭 공구에 관한 것이다. 연삭 공구는 특히 탄화 텅스텐과 같은 경성 및/또는 취성 재료를 기계 가공하는 연삭 공구일 것을 의도하지만, 본 발명의 연삭 공구는 다른 재료를 연삭하기 위해서도 이용될 수 있다. 연삭 공구는 코어 및 연마재 림을 포함한다. 연마재 림은 매트릭스 속에 매립된 연마재를 포함하고, 매트릭스는 소결된 청동 합금인 금속성 결합제를 함유한다. 금속성 결합제는 체적으로 매트릭스의 50 % 내지 100 %를 이룬다. 본 발명에 따르면, 금속성 결합제는 체적으로 금속성 결합제의 0.02 % 내지 5.0 % 또는 임의적으로 체적으로 금속성 결합제의 0.1 % 내지 5.0 %를 이루는 양의 질화 규소를 함유한다.

본 발명의 실시예에서, 매트릭스는 중합체성 결합제와 금속성 결합제가 연결 망을 형성하도록 금속성 결합제와 함께 소결된 중합체성 결합제를 임의적으로 추가로 함유할 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예에서, 질화 규소는 체적으로 금속성 결합제의 0.3 % 내지 5.0 %를 이룬다. 예를 들어, 체적으로 금속성 결합제의 0.5 % 내지 5.0 %, 체적으로 금속성 결합제의 1.0 % 내지 5.0 % 또는 체적으로 0.5 % 내지 3.0 % 또는 체적으로 0.5 % 내지 2.0 %를 이룰 수 있을 것이다.

질화 규소는 바람직하게는 10 ㎛ 미만이고 또한 바람직하게는 0.1 ㎛를 초과하는 평균 알갱이 크기를 갖는 알갱이의 형상으로 존재할 수 있을 것이다. 그러한 입자는 1250 타일러 메시 입자일 수 있을 것이다. 입자는 그래서 평균 알갱이 크기는 더 작을지라도 10 ㎛까지의 입자를 포함할 수 있을 것이다.

중합체성 결합제가 매트릭스의 부분일 때, 중합체성 결합제는 폴리이미드를 포함하거나 또는 완전히 또는 거의 완전히 폴리이미드로 이루어질 수 있을 것이다.

매트릭스는 흑연과 같은 충전재 재료를 임의적으로 추가로 포함할 수 있을 것이다. 흑연은 연삭 중에 바람직할 수 있을 것인 윤활 특성을 갖는다.

금속성 결합제는 바람직하게는 동, 주석 및 은을 포함하는 청동 합금이다.

연마재 입자는, 예를 들어, 다이아몬드 입자 또는 입방정 질화 붕소 입자일 수 있을 것이다. 다이아몬드 및 입방정 질화 붕소 둘 다를 위해, 연마재 입자는 4 ㎛ 내지 181 ㎛의 범위의 평균 입자 크기를 가질 수 있을 것이다. 많은 현실적인 실시예에서, 연마재 입자는 46 ㎛ 내지 91 ㎛의 범위의 크기를 가질 수 있을 것이다. 본 발명의 실시예에서는, 연마재 입자는 동 또는 니켈의 코팅을 가질 수 있을 것이다.

본 발명은 또한 본 발명의 연삭 공구를 제조하는 방법에 관한 것이기도 하다. 본 방법은 연마재 입자를 금속성 분말과 함께 소결시키는 것을 포함하여 소결이 연마재 입자가 매립된 매트릭스로 귀결되게 한다. 매트릭스는 그럼으로써 금속성 결합제를 포함할 것이다. 금속성 분말은 동 및 주석을 포함하여 금속성 결합제가 소결된 청동 합금이게 할 것이다. 본 발명에 따르면, 분말의 형태의 질화 규소가 소결 전에 질화 규소가 체적으로 금속성 결합제의 0.02 % 내지 5.0 % 및 바람직하게는 체적으로 금속성 결합제의 0.1% 내지 5.0%를 이룰 것인 정도로 금속성 분말에 첨가된다.

본 발명의 방법의 실시예에서, 금속성 분말은 은을 추가적으로 포함할 수 있을 것이다.

금속 결합제에서의 질화 규소의 상대적 비율을 언급할 때, 이것은 제조 공정에서 이용되는 분말의 체적 비율을 지칭함을 알아야 한다. 다시 말해서, 제조 방법은 소결 전에 첨가되는 분말에서, 질화 규소가 체적으로 금속성 결합제의 0.02 % 내지 5.0%(질화 규소는 금속 결합제의 부분으로서 계수됨)를 이루게 하는 것이다. 탄화 규소 입자는 소결 후에도 총 체적의 동일한 상대적 비율을 유지할 것으로 추측된다.

임의적으로, 소결 전에, 바람직하게는 폴리이미드 분말의 형태의 금속성 분말에 중합체가 첨가되어, 매트릭스의 부분인 중합체성 결합제가 형성되게 하기도 한다.

본 방법은 매트릭스의 결합제용 분말 재료가 연마재 입자와 혼합되어 혼합물을 형성하는 방식으로 수행될 수 있을 것이다. 혼합물은 그후 냉간 프레스 속에서 다져진다. 다져진 혼합물은 그 후 380℃ 내지 520℃, 바람직하게는 400℃ 내지 500℃의 범위의 온도의 가마 속에서 120 내지 150 분의 기간 동안 경화된다. 그 후, 다져지고 경화된 혼합물은 프레스 속에 배치되어 147.1 내지 196.1 MPa(1500 내지 2000 ㎏/㎠)의 압력이 가해진다. 압력은 그 후 혼합물이 300℃ 미만의 온도에 도달하기까지 유지된다.

임의적으로, 충전재 재료는 소결 작업 전에 금속성 분말 및 연마재 입자의 혼합물에 첨가된다. 충전재 재료는 흑연을 임의적으로 포함할 수 있을 것이다.

본 발명의 연삭 공구의 매트릭스는 유리하게는, 하이브리드인 매트릭스, 즉 금속 결합제와 중합체성 결합제 둘 다를 갖는 매트릭스일 수 있을 것이며; 하이브리드 결합 솔루션은 금속 결합제의 최선의 특성을 중합체성 결합제의 최선의 특성과 조합할 수 있다. 첨예화 공구(sharpening tool)에 의해 다시 예리해질(re-sharpening) 필요가 있으면, 하이브리드 매트릭스를 갖는 연삭 공구(grinding tool)는 순금속 매트릭스보다 더 쉽게 다시 예리해질 수 있다. 동시에, 하이브리드 매트릭스를 갖는 연삭 공구는 중합체성 결합제만을 이용하는 매트릭스보다 더 양호한 내마모성을 갖는다.

<도 1>
도 1은 연삭 공구의 개요도이다.
<도 2>
도 2는 연삭 공구의 연마재 림 속에 매립된 연마재 입자의 개략적 횡단면도이다.
<도 3>
도 3은 공작물에 작용하는 연삭 공구의 개략적 횡단면도이다.
<도 4>
도 4는 두개의 상이한 연삭 공구를 위한 동력 소모를 나타내는 도면이다.
<도 5>
도 5는 본 발명의 연삭 공구의 제1 실시예의 개략적 횡단면도이다.
<도 6>
도 6은 본 발명의 연삭 공구의 제2 실시예의 개략적 횡단면도이다.
<도 7>
도 7은 질화 규소 함량의 함수로서의 연삭 공구의 마모를 도시하는 도면이다.
<도 8>
도 8은 질화 규소 함량의 함수로서의 연삭 공구의 G비를 도시하는 도면이다.

도 1을 보면, 연삭 공구(1)가 도시된다. 연삭 공구는 특히 탄화 텅스텐과 같은 경성 및/또는 취성 재료를 기계 가공하려는 연삭 휠일 수 있을 것이다. 그러한 재료는 예를 들어 드릴 또는 밀링 공구와 같은 공구를 위한 공작물 속에 존재할 수 있을 것이며, 본 발명의 연삭 공구(1)는 그러한 공구를 첨예화 하기 위해 이용되는 연삭 휠일 수 있을 것이다. 연삭 공구(1)는 코어(2) 및 연마재 림(4)을 포함한다. 코어(2)는 강 또는 어떤 다른 금속과 같은 덜 고가인 재료로 이루어질 수 있을 것이다. 대안적으로, 코어는, 예를 들어, 중합체성 재료로 이루어질 수 있다. 코어는 또한 하나를 초과하는 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 그것은 강 또는 알루미늄과 같은 금속으로 부분적으로 이루어지고 중합체성 재료일 수 있다. 코어(2)에는 연삭 공구(1)가 회전 운동을 위해 스핀들(도시 안됨) 상에 장착될 수 있도록 관통공 또는 공동(3)이 제공될 수 있을 것이다. 도 2를 보면, 연마재 림(4)은 매트릭스(6) 속에 매립된 연마재 입자(5)를 포함한다. 매트릭스(6)는 그 결과로 소결된 청동 합금인 금속성 결합제를 포함한다. 금속성 결합제는 체적으로 매트릭스(6)의 50 % 내지 100 %를 이루고, 그래서 전체 매트릭스(6)가 금속성 결합제로 이루어지는 실시예를 상정할 수 있다. 그러나, 매트릭스(6)는 보통은 적어도 어떤 다른 성분을 포함한다. 예를 들어, 그것은 윤활 특성을 갖는 흑연과 같은 충전재를 포함할 수 있을 것이다. 대부분의 실시예에서, 매트릭스(6)는 폴리이미드에 의해 형성될 수 있는 중합체성 결합제를 포함하기도 할 것이다.

매트릭스(6)가 연마재 입자(5)를 잘 유지하면, 연마재 입자(5)는 작은 파편들을 방출하고 서서히 마모될 것이다. 결과적으로, 연삭 공구(1)의 직경이 더 긴 기간 동안 사실상 일정하게 유지될 수 있도록 연마재 림(4)의 마모는 비교적 느릴 것이다. 또한, 연마재 림(4)의 마모는 균일한 속도로 유지될 것이고, 작업 중의 동력은 그다지 많이 변하지 않을 것이다.

대신에, 매트릭스(6)가 연마재 입자(5)를 단단히 유지할 수 없으면, 연마재 입자들이 부숴지기 전에 그것들이 쉽게 느슨해질 수 있을 것이다. 결과적으로, 그것들은 자신들의 모든 연마 잠재력이 이용되기 전에 상실될 것이다. 연마재 공구(1)는 더 빨리 마모될 것이고, 연삭 공구(연삭 휠과 같은)의 직경은 더 빨리 감소될 것이다. 연삭 공구(1)의 직경이 작을수록 공작물의 덜 정밀한 기계 가공으로 귀결될 수 있을 것이다.

도 3을 보면, 연삭 공구(1)는 공작물(7)에 작용한다. 공작물(7)은, 예를 들어, 드릴의 형상을 갖는 공작물일 수 있을 것이다. 연삭 공구(1)는 예를 들어 스핀들(도시 안됨)을 통해 작용하는 동력원에 의해 회전된다. 그럼으로써, 연삭 공구의 연마재 림(4)은 공작물 속의 홈을 절삭하도록 공작물(7)에 작용한다. 도 3에서, 공작물은 연삭 공구(1)의 작용에 의해 결정되는 코어 직경 CD을 갖는다. 연삭 공구(1)가 마모되어 그 직경이 감소하면, 마모가 보상되지 않는 한(예를 들어 공작물(7)에 관해 연삭 공구(1)를 재배치함으로써), 코어 직경 CD는 커질 것이다. 그러므로, 마모율이 낮게 유지될 수 있고, 일어날 수 있는 마모가 급격하게 예측 불가하게 뛰어오르지 않는 것이 매우 바람직하다.

연마재 입자(5)가 조각 조각 적절하게 부숴질 때, 이것이 연삭 공구(1)의 자유 절삭 특성(free-cutting properties), 즉 연삭 공구가 스스로 다시 예리해지는 능력을 위해 양호하다는 것이 추가될 수 있다. 연마재 입자(5)가 단계별로 부숴지게 될 때, 매트릭스(6)의 마모는 매끈하게 일어날 수 있고, 연마재 림(4)의 표면은 그다지 쉽사리 엉겨붙게 되지 않는다. 대신에, 연마재 입자들이 적절하게 부숴지기 전에 그것들이 급격히 뜯겨나가면, 이것은 표면의 엉겨붙음을 증가시키는 경향이 있고; 연마재 림(4)의 표면은 공작물(7)로부터의 작은 입자(5)에 의해 더 큰 규모로 엉겨붙게 될 수 있을 것이다. 이것은 연삭 공구(1)가 다시 예리해질 수 있도록 연삭 공구(1)를 작업으로부터 일시적으로 제거할 필요가 있게 할 수 있을 것이다. 연마재 입자(5)가 서서히 부숴지면, 그러한 엉겨붙음의 우려가 더 적다. 연마재 입자가 완전히 마모되었을 때, 새로운 연마재 입자(5)는 더 매끈한 과정으로 표면에 나올 수 있을 것이며, 그것은 스스로 연삭 공구(또는 더 정확히 말하자면, 연삭 공구(1)의 연마재 림(4))를 다시 예리해지게 하는 것에 기여한다.

연마재 입자들이 완전히 부숴지기 전에 그것들이 연마재 림으로부터 뜯겨져 나갈 때, 이것은 연삭 공구의 동력 소모에서 그 자체를 나타내는 경향이 있고; 동력은 급격히 떨어지고, 그 후에 잠시 후 다시 상승하기 시작한다. 연마재 입자들이 부숴져야 할 때 부숴지게 하도록 매트릭스에 의해 적절하게 유지되면, 이것도 동력 소모에서 알 수 있다. 그러한 경우에는, 동력이 시간에 대해 비교적 일정하게 유지되는 경향이 있다(그러나, 보통은 항상 처음 공작물로부터의 동력 요구의 점진적 증가가 있으므로, 맨 처음 공작물을 위해 더 적은 동력이 요구됨을 알아야 한다).

이. 디. 키지코프(

) 및 피. 캡코(P. Kebko)에 의한 논문(메탈로페데니 아이 테르미케스카야 오브라복타 메탈로프(Metallovedenie I Termicheskaya Obrabotka Metallov), 1호, 50 - 53 페이지, 1987년 1월의 번역으로, "시스템 Cu-Sn-Ti의 합금에 대한 미소첨가제(Microadditions to alloys of the system Cu-Sn-Ti)", 인스티튜트 오브 수퍼하드 머티리얼즈, 아카데미 오브 사이언스 오브 우크라이니언 에스에스알, 카이프(Institute of Superhard Materials, Academy of Science of the Ukrainian SSR, Kiev))에 의해, 다이아몬드-연마재 공구를 위한 바인더로서 이용될 Cu/Sn/Ti 비스(vis)의 합금이 0.01% 질화 규소(Si₃N₄)로 보강되어야 한다는 것이 제안되었다. 그 논문의 저자에 따르면, 이 첨가는 향상된 항복 강도로 귀결되었다.

본 발명의 발명자들은 매트릭스가 연마재 입자를 유지할 능력을 향상시키기 위해 어떤 조치들이 취해질 수 있는지를 고려하였다. 이론에 얽매이려는 의도는 아니지만, 본 발명자들은 금속 결합제가 그 안에 매립된 연마재 입자들을 내놓는 한 가지 이유는 금속 결합제 내부의 변위(dislocation)가 금속성 결합제를 약화시킨 것일 수 있을 것으로 생각한다. 이 이론이 정확한 것으로 가정하고, 본 발명자들은 먼저 금속 결합제 속의 변위를 차단하는 입자들에 의해 매트릭스를 보강함으로써 그것을 개선하는 것이 가능할 것인지를 숙고하였다.

그 결과로, 본 발명자들은 금속 결합제를 소결시키기 위해 이용된 금속 분말에 대해 상이한 첨가제들을 시도하였다. 시도되었던 한 첨가제는 체적으로 금속 결합제의 1.0 %에 대응하는 정도로 첨가되었던 산화 알루미늄이었다. 이것은 확실한 개선으로 귀결되었지만, 개선은 본 발명자들이 원했던 것처럼 좋지 못했다. 본 발명자들은 체적으로 0.01 %의 질화 규소의 첨가를 시도하기도 했다. 그 첨가의 개선은 산화 알루미늄에 의해 달성된 개선보다 훨씬 더 낮았다.

본 발명자들은 그 후 증대된 양의 질화 규소가 더 양호한 결과를 발생시킬 것인지를 조사하였다. 이것은 본 발명자들이 수행한 시험에서 확인되었다. 질화 규소가 체적으로 금속 결합제의 0.01 %보다 훨씬 더 큰 양으로 첨가되었을 때, 매우 큰 개선이 얻어지는 것으로 밝혀졌다.

예를 들어, 본 발명자들은 금속 결합제가 체적으로 1.0 %의 질화 규소(Si₃N₄)를 함유한 조성을 시험하였다. 이 조성을 갖는 연삭 공구는 그 후 질화 규소(Si₃N₄)를 함유하지 않는 하이브리드 매트릭스를 이용하는 표준 연삭 공구와 비교되었다. 연삭 공구는 둘 다 연마재 림(4)이 코어(2)를 둘러싸는 링으로서의 형상을 갖는 연삭 휠이었다. 비교 가능한 조건에서, 표준 공구의 직경은 136㎛만큼 마모되었고, 실험적 조성을 갖는 연삭 공구의 직경은 58㎛만큼만 마모되었다. 1.0 %의 질화 규소를 갖는 공구에서의 G비는 2335이었다. 비교에 의하면, 체적으로 0.01 %의 질화 규소를 이용하는 공구는 94㎛만큼 마모되었고, 체적으로 1.0 %의 산화 알루미늄을 이용하는 공구는 84㎛만큼 마모되었다.

시험은 질화 규소가 체적으로 금속 결합제의 5 %를 이룬 조성에 의해 이루어졌다. 내마모성은 여전히 양호하였지만, 체적으로 1.0%의 질화 규소를 갖는 연삭 공구에서처럼은 양호하지는 않았다. 또한, 5.0%의 질화 규소를 갖는 공구는 더 높은 동력 소모율을 가졌다. G비는 양호하였지만, 체적으로 1.0% 및 0.1 %를 갖는 공구에서처럼 양호하지는 않았다.

본 발명자들은 형상 및 조성이 시험된 다른 공구와 유사하지만, 질화 규소가 체적으로 금속 결합제의 0.1 %를 이루는 연삭 휠을 시험하기도 했다. 시험되었던 다른 공구들과 동일한 시험 조건 하에서, 체적으로 0.1 %의 질화 규소를 갖는 공구의 마모는 62㎛이었고 G비는 2084이었음이 밝혀졌다. 이것은 체적으로 1 %에서 얻어졌던 결과보다 나빴지만, 표준 연삭 공구에 배해서는 여전히 매우 큰 개선이었다.

본 발명자들은 체적으로 금속 결합제의 0.02 %의 질화 규소 함량을 갖지만, 다른 측면에서는 시험된 다른 연삭 휠과 유사한 연삭 휠을 시험하기도 했다. 유사한 시험 조건 하에서, 체적으로 0.02%의 질화 규소를 갖는 연삭 휠은 58㎛의 마모(직경 감소) 및 2283의 G비를 갖는다. 그래서, 결과는 체적으로 0.1%의 비율에서 얻어진 결과보다 약간 더 양호하였다.

결과는, 체적으로 0.02% 내지 5.0%의 범위의 질화 규소(Si₃N₄)에서 훨씬 더 양호한 결과가 얻어진다는 결론에 이른다. 이 범위에서, G비 및 내마모성 모두 0% 또는 0.01%에서보다 훨씬 더 양호해지는 것으로 밝혀졌다.

내마모성의 시험 및 G비의 시험은 체적으로 0 %, 체적으로 0.01 %, 체적으로 0.02 %, 체적으로 1.0 % 및 체적으로 5.0 %의 질화 규소에서 수행되었다.

시험되었던 공구는 사실상 도 5에 도시된 종류의 연삭 휠, 즉 코어(2)를 둘러싸는 연마재 림(4)을 갖는 연삭 공구이었고, 작업 중에 연삭 공구(1)는 축(A)의 둘레로 회전한다. 질화 규소 함량의 함수로서의 내마모성은 도 7에서 알 수 있다. 도 7에서 내마모성은 직경 감소로서 표현되었다. 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 질화 규소의 함량이 0.01 %로부터 0.02 %로 증대되었을 때 내마모성이 훨씬 증대되었다. 질화 규소 함량이 체적으로 금속성 결합제의 5.0 %에 이르기까지 내마모성은 계속 높아졌다. 그러나, 체적으로 5.0 %의 질화 규소에서, 내마모성은 0.02 % 내지 1.0 %의 함량에서 관찰된 내마모성에 비해 다소 더 낮아졌다 본 발명자들은 그러므로 최선의 내마모성은 체적으로 0.02 % 내지 5.0 %의 범위에서 얻어진다고 결론지었다.

질화 규소 함량의 함수로서의 G비는 도 8에서 알 수 있다. 도면에서 알 수 있듯이, 최선의 값은 0.02 % 내지 5.0%의 범위의 질화 규소 함량에서 얻어졌다. 도 8로부터, 체적으로 5.0%에서의 G비가 여전히 양호할지라도 도면의 우측을 향해갈수록 G비가 가라앉는다는 것이 추론될 수도 있다.

그러므로, 본 발명자들은 금속성 결합제는 체적으로 금속성 결합제의 0.02 % 내지 5.0 %를 이루는 양의 질화 규소를 함유할 수 있을 것이라고 결론지었다. 동력 소모가 체적으로 5.0 %에서 더 높으므로, 본 발명자들은, 5.0% 미만의 값이 체적으로 5%의 질화 규소 함량을 갖는 공구에 비해 양호한 내마모성, 그러나 더 낮은 동력 소모를 가질 것이며, 그러므로, 양호한 범위는 금속성 결합제의 체적으로 0.02 % 내지 체적으로 3.0%, 체적으로 0.5 % 내지 3.0 %, 체적으로 0.5 % 내지 2.0 % 또는 체적으로 1.0 % 내지 2.0 %일 수 있을 것이라고 결론지었다.

체적으로 0.1 %에서, 동력 소모는 일반적으로 체적으로 0.02 %에서보다 더 낮았다. 체적으로 5.0 %의 질화 규소에서, 동력 소모는 0.02 %의 함량에서보다 더 높았지만, 체적으로 5.0 %에서의 동력 소모는 한층 더 컸고, 동력 소모는 체적으로 0.02 %에서보다 더 예견 가능했다.

질화 규소 입자는 바람직하게는 10㎛(1250 타일러 메시)까지의 크기를 가져야 한다. 체로 걸러진 입자인 경우, 이것은 보통은 평균 알갱이 크기가 10㎛ 미만인 것을 의미한다. 그러면, 질화 규소 입자의 평균 입자 크기(D50)는 2㎛ 내지 3㎛(평균 입자 크기가 측정되는 방법에 따라)일 수 있을 것이다. 질화 규소 입자들의 비표면적(specific surface area)은 유리하게는 5 ㎡/g - 6 ㎡/g의 범위에 있을 수 있을 것이다. 이용되는 입자가 너무 작으면, 이것은 제조 중의 엉겨붙음 및 곤란으로 귀결될 수 있을 것이다. 또한, 금속 결합제에 최적화 된 강도를 제공하기 위해, 본 발명자들은 바람직하게는 10㎛까지의 입자들이 포함되어야 한다고 생각한다.

보통, 매트릭스(6)는 중합체성 결합제와 금속성 결합제가 연결 망을 형성하도록 금속성 결합제와 함께 소결된 중합체성 결합제를 추가로 포함해야 한다(그러한 중합체성 결합제가 임의적일지라도). 중합체성 결합제의 이용은 매트릭스의 특성의 미세 조정이 가능하게 하고 그것이 상이한 종류의 연마재 입자에 적합하게 한다. 중합체성 결합제는 적합하게는 폴리이미드이거나 또는 폴리이미드를 포함할 수 있을 것이다. 이 이유는, 폴리이미드가 내열성이고 소결 중에 고온을 견딜 수 있기 때문이다. 중합체성 결합제가 이용되면, 중합체성 결합제는 체적으로 매트릭스의 50%까지의 양으로 존재할 수 있을 것이다(즉, 중합체성 결합제의 양은 체적으로 매트릭스의 0% 내지 50%의 범위에 있다). 예를 들어, 중합체성 결합제는 체적으로 매트릭스의 10 % 내지 40 % 또는 10% 내지 30%를 나타낼 수 있을 것이다.

가능하게는, 중합체성 결합제는 어떤 다른 중합체성 재료에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 그것은 고온에 견딜 수도 있는 폴리아미드-이미드에 의해 형성될 수 있다. 그러나, 폴리이미드가 폴리아미드-이미드보다 더 양호한 연삭 특성을 가지므로 폴리이미드가 선호된다.

금속성 결합제는 바람직하게는 동, 주석 및 은을 포함하는 청동 합금이다. 은은 금속 결합제의 바람직한 특성을 개선한다.

연마재 입자(5)는 다이아몬드 입자 또는 입방정 질화 붕소 입자일 수 있을 것이다. 다이아몬드가 더 경성이고 더 양호한 연마재 특성을 갖지만, 입방정 질화 붕소가 더 큰 내온도성을 갖는다. 또한, 다이아몬드는 특정한 재료와 화학적으로 반응할 수 있을 것이다.

연마재 입자(5)는 다이아몬드 입자 또는 입방정 질화 붕소의 입자일 수 있을 것이다. 4㎛ 내지 181㎛의 범위의 입자들은 각각의 특정한 경우에서의 요구에 따라 고려될 수 있을지라도, 입자가 이 범위에 있을 수는 있을 것이다. 많은 현실적인 실시예에서, 연마재 입자(5)는 많은 연삭 작업을 위해 적합한 범위인 46㎛ 내지 91㎛의 범위의 평균 입자 크기를 가질 수 있을 것이다.

연마재 입자(5)는 동 또는 니켈의 코팅을 임의적으로 가질 수 있을 것이다. 동 또는 니켈의 코팅은 연마재 입자(5)와 매트릭스(6) 사이의 결합을 개선할 수 있다.

그러나, 입자가 그러한 코팅을 가지면 입자(5)의 연마재 특성은 다소 저감될 것이다.

매트릭스(6)에서의 결합제 및 충전재에 대한 연마재 입자(5)의 상대적 비율은 각각의 경우에서의 요구에 따라 변할 수 있을 것이다. 많은 현실적인 실시예에서, 연마재 입자의 양은 연마재 림의 총 체적(즉, 연마재 입자와 매트릭스의 총 체적)의 10 % 내지 50%를 나타낼 수 있을 것이다. 연마재 입자의 상대적 비율이 50 %를 초과하면, 매트릭스가 더 이상 연마재 입자를 유지할 수 없을 상당한 위험이 있다. 연마재 입자의 상대적 비율이 10 % 미만이면, 연삭 효과가 너무 작아질 수 있을 것이다. 연마재 입자의 상대적 비율은 바람직하게는 15 % 내지 30 %의 범위에 있을 수 있을 것이며, 적합한 값은 25 %일 수 있을 것이다.

바람직하게는, 질화 규소는 10㎛ 이하이지만 0.1㎛를 초과하는 평균 알갱이 크기를 갖는 알갱이의 형상으로 존재한다. 예를 들어, 그것들은 1㎛ 내지 10㎛ 또는 2㎛ 내지 9㎛의 범위의 평균 크기를 가질 수 있을 것이다. 본 발명자들은 0.1㎛ 미만의 질화 규소 입자는 그들의 보강 효과를 감소시키는 질화 규소 입자들의 엉겨붙음으로 귀결될 수 있을 것이라고 생각한다.

질화 규소 입자는 α상, β상 및 γ상(삼방정계 상, 육방정계 상 및 입방정계 상이라고도 알려진)이라고 명명된 세개의 상이한 결정학적 구조를 가질 수 있을 것이다. α상 및 β상은 가장 보편적이다. γ상은 고압 및 고온 하에서만 합성될 수 있다. 이러한 상들 중 어느 것이든 이용될 수 있다. 바람직하게는, 이용되는 상이 α상이다. 첨가되는 질화 규소 입자는 상이한 상의 입자들의 혼합물일 수도 있을 것이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 연삭 공구가 표준 연삭 공구와 비교된다. 수직축은 동력 소모를 나타내고, 수평축은 제각각의 연삭 공구가 작용했을 공작물의 수를 나타낸다. 도 4에서, B5는 본 발명에 따른 연삭 공구를 나타내고, EZ는 표준 연삭 공구를 나타낸다. 도 4에서 알 수 있듯이, B5라고 나타낸 공구는 먼저 가파르게 상승하고 그 후 사실상 일정하게 유지하는 동력 소모를 갖는다. EZ라고 나타낸 종래의 공구는 가파르게 상승하고 급격히 하락한 후 재상승하는 동력 소모를 갖는다. 이것은 B5 공구의 연마재 입자들이 서서히 부숴지는 것을 나타내는 반면에, EZ는 연마재 입자들이 급격히 뜯겨나가는 연삭 공구를 나타낸다. 그러므로, 공구의 마모가 더 빠를 것이다.

첨가되는 B5가 금속 결합제와 중합체성 결합제 둘 다를 갖는 공구를 나타낸다는 것이 추가될 수 있다. 금속 결합제는 동, 주석 및 은을 갖는 청동이다. 그것은 체적으로 45 %의 구리, 체적으로 45 %의 주석 및 체적으로 10 %의 은을 함유하는 금속 분말을 이용하여 소결되었다. B5에 따른 공구에서, 중합체성 결합제는 체적으로 결합제의 총량의 1.0 %를 이룬다.

도 1의 연삭 공구는 도 5에 도시된 바와 같은 횡단면을 가질 수 있을 것이다. 그러한 실시예에서, 연마재 림(4)은 림(4)이 코어(2)를 완전히 둘러싸도록 코어(2)의 외측에 방사상으로 배치된다. 도 4, 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한 시험은 그러한 연삭 공구에 대해 수행되었다. 그러나, 본 발명은 그러한 실시예에 한정되지 않는다. 도 6을 보면, 코어(2)가 적어도 연마재 림(4) 만큼 많이 방사 방향으로 연장할 수 있을 것임을 알 수 있다. 도 6에서, 연삭 공구는 방사 방향으로 코어(2)를 초과하여 연장하지 않는 연마재 림(4)을 갖는다. 대신에, 연마재 림(4)은 코어(2)의 축방향과 상이한 축 방향(축 방향은 연삭 공구(1)가 스핀들에 의해 구동될 때 그것의 회전 축(A)이며, 도 5 및 도 6을 참조하라)으로 연장한다. 연삭 공구(1)가 반드시 회전하게 설계될 필요는 없음도 알 수 있다. 대신에, 그것은 공작물에 대해 왕복 운동으로 작용할 수 있다. 특허청구범위의 문맥에서, 용어 "코어"는 그래서 연마재 림을 위한 어떤 종류의 캐리어 바디(carrier body)로서든 광범위하게 이해되어야 한다. 마찬가지로, 용어 "림"도 연마재 입자가 공작물에 작용할 수 있도록 코어(2)에 고정된 어떤 종류의 층으로서든 광범위하게 이해되어야 한다.

본 발명은 본 발명의 연삭 공구를 제조하는 방법을 추가로 포함한다. 본 방법은 연마재 입자를 동 및 주석을 포함하는 금속성 분말과 함께 소결시켜 소결이 연마재 입자(5)가 매립된 매트릭스로 귀결되게 하는 단계를 포함한다. 매트릭스는 소결된 청동 합금인 금속성 결합제를 포함한다. 본 발명에 따르면, 질화 규소가 체적으로 금속성 결합제의 0.1% 내지 5.0%를 이룰 것인 정도로, 분말의 형태인 질화 규소가 소결전에 금속성 분말에 첨가된다.

이용되는 금속 분말은 바람직하게는 44㎛ 미만의 입자를 갖는 금속 분말이지만, 그것들은 바람직하게는 질화 규소 입자보다 더 커야 한다. 바람직하게는 그것들은 적어도 두배의 크기이어야 한다. 15㎛ 내지 44㎛의 범위의 평균 크기가 적합할 수 있을 것이다.

금속성 분말은 은을 임의적으로 포함할 수도 있을 것이다.

금속 분말은 예비 합금된 입자(pre-alloyed particles)의 형태로 또는 순동, 순주석, 순은 등의 입자로서 주어질 수 있을 것이다.

중합체는 소결 전에, 바람직하게는 폴리이미드 분말의 형태로 금속성 분말에 첨가되어, 매트릭스(6)의 부분인 중합체성 결합제가 형성될 수도 있을 것이다.

소결 방법은 매트릭스(6)의 결합제용 분말 재료가 연마재 입자(5)와 혼합되게 수행될 수 있을 것이다. 혼합물은 냉간 프레스 속에서 다져진다. 그 후, 다져진 혼합물은 380℃ 내지 520℃, 바람직하게는 400℃ 내지 500℃ 또는 440℃ 내지 460℃의 범위의 온도의 가마 속에서 120 내지 150 분의 기간 동안 경화된다. 요구되는 시간은 크기에 의존한다. 프레스 형태가 클수록, 더 많은 시간이 요구된다. 그 후(바람직하게는, 그 직후) 다져지고 경화된 혼합물은 프레스 속에 배치되고 147.1 내지 196.1 MPa (1500 내지 2000 ㎏/㎠)의 압력이 가해진다. 압력은 그 후 혼합물이 300℃ 미만의 온도에 도달하기까지 유지된다.

예를 들어, 본 발명자들은 가마 속의 온도가 450℃인 공정에서 이 방법에 따라 연삭 공구를 제조하였다.

연마재 림(4)은 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering)(SPS)에 의해 제조될 수도 있을 것이다. 이 기법에 의해, 연마재 림(4)은 매우 신속하게 제조될 수 있을 것이다.

연마재 입자를 함유하는 매트릭스를 갖는 림은 따로 소결된 후, 코어(2) 상에 고정(예를 들어, 아교접합(glued))될 수 있을 것이다. 대안적으로, 연마재 림(4)은 그것이 형성되면서 코어에 결합되도록 코어(2) 상에 직접 소결될 수 있을 것이다. 소결 전에, 코어(2)는 연마재 림(4)과 맞닿을 것인 코어의 적어도 한 표면 상에 전기 분해로 동 도금될 수 있을 것이다. 연마재 림(4)은 그 후 이음매(seam)가 형성되도록 동 도금된 표면 상에 소결될 수 있다.

충전재 재료는 소결 작업 전에 금속성 분말 및 연마재 입자(5)의 혼합물에 임의적으로 첨가될 수 있을 것이다. 앞서 설명한 바와 같이, 충전재 재료는 흑연을 포함할 수 있을 것이다. 다른 가능한 충전재 재료는, 예를 들어, 산화 알루미늄 구(sphere)를 포함할 수 있을 것이다.

바람직하게는, 금속 결합제에서 이용되는 청동은 동 - 주석(Cu/Sn), 동 - 주석 - 코발트(Cu/Sn/Co), 동 - 주석 - 니켈(Cu/Sn/Ni) 또는 동 - 주석 - 은(Cu/Sn/Ag)을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 한층 더 바람직하게는, 청동은 동 - 주석 - 은 청동이다. 다른 청동 합금이 고려될 수도 있다.

본 발명의 연삭 공구는 경성 및/또는 취성 재료를 기계 가공하기 위해 이용될 수 있다. 이것은 연삭 공구가 다른 재료들을 위해서도 이용될 수 있는 가능성을 배제하지 않는다.

본 발명의 실시예에서, 매트릭스(6)는 세라믹 입자의 형상의 적어도 하나의 세라믹 성분을 임의적으로 함유할 수도 있을 것이다. 세라믹 성분은, 예를 들어, 프릿(frit)이고 SiO₂를 함유할 수 있을 것이다. 매트릭스를 위한 세라믹 입자는 연마재 입자의 크기에 따라 50㎛ 내지 500㎛의 입자 크기를 갖는 구형 입자의 형상의 프릿일 수 있을 것이다. 연마재 입자가 클수록, 더 큰 세라믹 입자가 이용될 것이다. 연마재 입자는 세라믹 입자 속에 매립될 수 있을 것인 반면에 세라믹 입자는 금속성 결합제 및 중합체성 결합제와 함께 하이브리드 매트릭스 속에 매립된다. 세라믹 입자는 연마재 입자가 유지될 것인 것보다 더 강하게 매트릭스에 의해 유지될 수 있을 것이다. 그래서 연마재 림의 자유 절삭 특성이 향상된다. 세라믹 성분은 금속성 결합제처럼 그렇게 양호한 내마모성을 갖지 않는다. 세라믹, 금속 및 중합체성 결합제를 조합함으로서, 이러한 결합제들의 최선의 특성을 조합하는 것이 가능하다.

Claims (14)

1. 경성 및/또는 취성 재료를 기계 가공하는 연삭 공구(1) - 연삭 공구(1)는 코어(2) 및 연마재 림(4)을 포함하며, 연마재 림(4)은 매트릭스(6) 속에 매립된 연마재 입자(5)를 포함하고, 매트릭스(6)는 소결된 청동 합금인 금속성 결합제를 함유하며, 금속성 결합제는 체적으로 매트릭스의 50 % 내지 100 %를 이루며, 금속성 결합제는 체적으로 금속성 결합제의 0.02 % 내지 5.0 %를 이루는 양의 질화 규소를 함유함 - 에 있어서, 질화 규소가 10 ㎛ 미만이고 0.1 ㎛를 초과하는 평균 알갱이 크기를 갖는 알갱이의 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는, 연삭 공구.
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