KR101928523B1 - 초경 보링 바의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 사용 후 헐값으로 폐기되는 각종 폐초경합금 스크랩을 재생하여 고가인 초경 보링 바의 제조방법에 관한 것으로서, 수집된 폐초경합금을 10mm이하로 조분쇄하는 단계, 조분쇄한 초경합금 스크랩을 아연 잉곳과 아연욕(Zn bath reaction) 단계, 상기 아연욕으로부터 얻이진 폐초경합금을 볼밀로 미분쇄 및 조립하는 단계, 조립된 폐초경합금 분말을 압축성형 및 소결하는 단계, 상기 소결공정 후 얻어진 소결체를 적절한 사이즈의 봉 형태로 연마하는 단계, 연마한 초경 봉에 보링 바 헤드를 브레이징하여 초경 보링바를 제조하는 단계로 구성된다.

Description

초경 보링 바의 제조방법{Producing method of cemented carbide boring bar}
본 발명은 각종 산업용 초경합금 공구(예; 인써트 팁, 드릴, 엔드밀 등)로 사용된 후 헐값으로 폐기되는 폐초경합금 스크랩을 아연욕(Zn bath) 프로세스를 이용하여 재생한 폐초경합금 분말을 사용하여 보링 바를 제조하는 초경 보링 바의 제조방법에 관한 것이다.
초경 보링 바는 공작물의 내경 절삭용 초경합금 인써트 팁(insert tip)을 나사(screw)로 고정하여 사용하는 홀더의 하나로서, 보통 상용제품의 경우 비교적 저렴한 탄소강으로 제작하여 사용하게 되지만, 절삭가공 중 절삭공구인 팁의 떨림이나 휨 현상이 발생하여 정밀한 가공이 어려운 문제점으로 알려져 있으며, 이와는 달리 초경 보링 바의 경우 그 소재가 초경합금 인써트 팁의 소재와 동일한 초경합금을 사용하여 제작이 이루어지기 때문에 강도가 커서 탄소강으로 제작되는 보링 바에서 나타나는 문제점을 해결할 수 있지만, 가격이 고가이기 때문에 정밀 작업용 보조공구로만 제한적으로 사용되고 있다.
초경합금(cemented carbide)은 원래 자원적으로 매장량이 적은 텅스텐(W)과 코발트(Co)를 주성분으로 하는 고융점, 고강도 합금재료로서, 사용된 폐초경합금 스크랩의 재활용에 대한 중요성은 오래 전부터 인식되어 왔지만, 종래의 물리화학적인 분리회수 및 정련기술 등은 기술적 문제와 고비용이 요구될 뿐만 아니라, 강산(HCl, H2SO4, HNO3 등)에 의한 처리시 폐산처리와 같은 환경문제 등이 문제점으로 지적되어 왔다.
또한, 각종 폐초경합금 스크랩은, 각 제조사별로 합금원소의 화학적 조성이 다를 뿐만 아니라, 각종 공구의 용도 및 목적에 따라 매우 다양한 형태로 제조되고 있으며, 특히, 이러한 초경합금 제품 스크랩은 구성원소의 화학적 조성에 의해 [1] WC-Co 2원계 및 [2] WC(TaC,TiC,NbC,VC,HfC)-Co(Ni,Fe)계의 2가지로 대별되며, 그 밖에 상기 2 종류 초경합금 표면에 TiN, TiC 및 Al2O3 등을 피복한 제품 등이 생산되고 있으며, 이러한 상기 각종 폐초경합금 스크랩은 사용 후 폐기할 때 분류하지 않고 상기 2가지 종류의 폐초경합금 스크랩이 혼재되어 폐기되기 때문에 분리회수도 매우 어려워 각각의 조성물에 따라 폐초경합금 스크랩을 분리한 후 재활용하기가 어렵다.
대한민국 특허 공개 10-2003-0077091호(2003.10.01. 공개) 대한민국 특허 공개 10-2003-0009592호(2003.02.05. 공개) 대한민국 특허 공개 10-2005-0095762호(2005.09.30. 공개) 대한민국 실용신안 등록 20-0335550호(2003.11.29. 등록)
본 발명은 초경 보링 바의 가격이 높고, 폐초경합금의 재활용 과정에서 제조사별로 합금원소의 화학적 조성이 다르게 초경합금이 제작되기 때문에 폐초경합금 스크랩을 분류하여 처리하여야 하나, 현실적으로는 혼재되어 수집되기 때문에 재활용이 쉽지 않으며, 또한, 재활용 과정에서 환경오염이 발생하는 문제를 해결하기 위한 것으로, 폐초경합금 스크랩을 아연욕(Zn bath)프로세스를 이용하여 재생한 폐초경합금 분말을 원료로 사용하되, 상기 폐초경합금 스크랩의 아연욕 단계, 상기 재생된 폐초경합금 분말의 미분쇄 및 조립 단계, 상기 조립된 폐초경합금 분말의 압축성형 및 소결단계, 상기 소결된 소결체의 연마단계, 상기 연마된 소결체에 보링 바 헤드를 브레이징 하는 단계로 이루어지게 된다.
본 발명은 폐초경합금 스크랩을 재생하여 고가인 초경 보링 바를 제조하기 위한 수단으로서, 폐산(HCl, H2SO4, HNO3)이 발생되지 않아 비교적 친환경적이며 저가인 설비로 가능한 아연욕(Zn bath) 프로세스에 의한 초경합금 원료분말 제조, 즉, 폐초경합금 스크랩과 금속아연을 적당한 비율로 천평하여 알루미나 도가니에 넣은 후 전기로 중에서 700∼1000℃의 불활성분위기에서 1~3 시간정도 가열하여 초경합금의 점결제로 사용되는 Co가 용출하여 탄화물(WC)과 Co-Zn합금 2상으로 분리되면서 부피팽창이 발생하여 붕괴되게 하되 이때, 반응속도는 고상반응보다 액상반응이 일어날 수 있도록 폐초경합금 스크랩과 금속아연의 중량비와 가열온도 등 공정변수를 조절한다.
또한, 본 발명에 의해 재생된 폐초경합금 분말을 이용하여 초경 보링 바를 제조하는 공정은 보통 분말야금법(P/M)과 기계가공을 이용함으로써 폐초경합금을 이용한 보링 바의 제조가 이루어지게 된다.
본 발명은 폐초경합금을 야금학적으로 회수하여 고가인 초경 보링 바를 제조하기 위한 수단으로 아연욕(Zn bath)프로세스를 이용하여 재생된 저가의 폐초경합금 분말을 원료로 사용함으로써, 폐초경합금을 재활용하여 저렴하게 제작한 보링 바를 생산 현장에 공급함으로써, 폐자원의 재활용함과 동시에 탄소강 보링 바의 사용시에 비하여 고정밀 제품 생산에 기여할 수 있을 뿐만 아니라, 생산성 제고 및 경제적으로 매우 유리하다.
도 1은 본 발명의 재활용 제조방법 공정도
도 2는 실제 초경 보링 바 사진
본 발명의 목적은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예 설명에 의하여 쉽게 이해될 수 있으나, 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다.
본 발명의 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하기 위한 것은 아님을 밝힌다.
본 발명은 폐초경합금 스크랩을 아연욕(Zn bath)프로세스를 이용하여 재생한 폐초경합금 분말을 원료로 사용하여 보링 바를 제조하는 것으로, 폐초경합금 스크랩의 아연욕 단계, 상기 아연욕 단계에서 재생된 폐초경합금 분말의 미분쇄 및 조립 단계, 상기 조립된 폐초경합금 분말의 압축성형 및 소결단계, 상기 소결된 소결체의 연마단계, 상기 연마된 소결체에 보링 바 헤드를 브레이징 하는 단계로 이루어진다.
본 발명은 비교적 간편한 아연욕(Zn bath) 프로세스(5)를 이용하여 폐초경합금 스크랩(1)을 분말 형태로 재생하는 단계로서, 수집된 폐초경합금 하드스크랩(1)을 10mm이하로 조분쇄(3)한 폐초경합금 스크랩을 아연 잉곳과 적당한 비율로 천평하여 알루미나 도가니에 넣은 후, 전기로 중에서 700~1100℃정도의 불활성분위기에서 소정시간 가열하면, 초경합금의 탄화텅스텐(WC)를 주성분으로 하는 탄화물질상(WC,TaC,TiC,NbC 등)과 결합하고 있는 코발트(Co) 혹은 니켈(Ni)이 용융 아연(Zn)중에 용출되어 Zn-Co(Ni) 합금 상이 형성되면 재차 1000℃이상으로 승온하여 2.5x10-2torr정도로 진공가열하면 아연(Zn)은 휘발되며 탄화물질상(WC,TaC,TiC,NbC 등)과 결합제인 Co(혹은 Ni)이 잔류함으로써 이루어진다.
이상과 같은 아연욕(Zn bath) 반응은 다음 식과 같다.
WC-TiC-TaC-NbC-Co(s) + Zn(l) -----→
WC-TiC-TaC-NbC(s) + Co-Zn alloy(l) --------- (1)
상기 아연욕(Zn bath) 반응으로부터 얻어진 반응물은 탄화물질상(WC,TaC,TiC,NbC등)과 결합제인 Co(혹은 Ni)가 혼합체로 손쉽게 1mm이하로 조분쇄(9)가 가능하지만, 10㎛이하로 미분화하기 위해서는 볼밀(ball mill) 혹은 어트리터(attriter) 등에 의한 미분쇄(7)가 필요하다.
이러한 미분쇄(7) 공정단계로부터 얻어진 10㎛이하로 미분화된 폐초경합금 분말을 이용하여 본 발명의 초경 보링 바를 제조하기 위해서는 적절한 합금조성이 필요하므로, 적절한 탄화물(WC,TaC,TiC,NbC 등)과 결합제(Co,Ni)의 종류와 양을 고려하여 첨가 및 혼합하는 조립(9)단계가 필요하다.
조립단계에서 탄화물(WC,TaC,TiC,NbC 등)과 결합제(Co,Ni)를 조립한 폐초경합금 분말은 프레스를 이용하여 10ton/㎠이상의 압력으로 압축 성형(11)한 후 1100℃이상의 환원성 분위기에서 1차 소결(13)하여 특정의 소결체를 제조한다.
본 발명에서는 상기 소결단계에 의해 1차 소결된 폐초경합금 소결체를 절단 및 선삭하여 봉(rod) 형태로 가공한 후 1400℃이상의 고온으로 진공 가열하여 2차 소결을 행하여 봉 형태의 소결체를 얻는다.
2차에 걸쳐 소결된 폐초경합금 봉은 연마(15)하여 작업 현장에서 사용할 수 있는 적절한 사이즈로 연마를 행한다.
연마단계에서 적절한 사이즈로 연마된 폐초경합금 봉에는 초경합금을 이용하여 미리 제작한 초경 보링 바 헤드(19)를 브레이징(17)하여 접착시킴으로써 사용가능한 초경 보링 바(21)를 얻게 되는 것으로, 브레이징(17)을 행할 때 브레이징 소재는 황동을 이용하는 것이 바람직하다.
이 같이 본 발명은 폐초경합금 스크랩을 이용하여 보링 바를 제조하는 것으로, 정밀 가공시 초경팁을 이용한 정밀 가공이 가능하도록 하는 한편, 저렴한 폐초경합금의 사용으로 제조비용을 낮추게 된다.
1 : 폐초경합금 스크랩 5 : 아연욕 반응
7 : 미분쇄 9 : 조립
11 : 압축성형 17 : 브레이징
19 : 보링 바 헤드

Claims (2)

  1. 폐초경합금 스크랩을 수집하여 조분쇄시킨 후 아연욕(Zn bath) 단계를 수행하고, 상기 아연욕(Zn bath) 단계를 거쳐 재생된 폐초경합금 분말을 미분쇄하고 조립하는 단계를 수행하며, 상기 단계에 의해 미분쇄되고 조립된 폐초경합금 분말을 압축성형하고 소결하는 단계를 수행하고, 상기 단계에서 소결된 소결체를 보링 바로 연마하는 단계를 수행하며, 상기 단계에서 보링 바로 연마된 소결체에 보링 바 헤드를 브레이징하여 초경 보링 바를 완성하는 단계를 수행하는 초경 보링 바의 제조방법에 있어서,
    상기 아연욕(Zn bath) 단계는 폐초경합금 스크랩(1)을 10mm이하로 조분쇄하여 아연 잉곳과 함께 알루미나 도가니에 넣은 후, 전기로 중에서 700~1100℃정도의 불활성분위기에서 가열하고, 상기 가열 과정에서 코발트(Co)나 니켈(Ni)이 용융 아연(Zn)중에 용출되어 Zn-Co(Ni) 합금 상이 형성되면 재차 1000℃이상으로 승온한 후 2.5x10-2torr정도로 진공 가열하여 탄화물질상(WC,TaC,TiC,NbC)과 결합제인 Co나 Ni을 잔류시키게 되고,
    상기 아연욕(Zn bath) 단계에서 얻어진 반응물은 1mm이하로 조분쇄하는 한편 10㎛이하로 미분화시킨 후 탄화물(WC,TaC,TiC,NbC)과 결합제(Co,Ni)를 조립하여 10ton/㎠이상의 압력으로 압축하며 1100℃이상의 환원성 분위기에서 1차 소결하여 봉 형태로 가공한 후 1400℃이상의 고온으로 진공 가열하여 2차 소결을 행하는 단계를 수행하고,
    상기 소결단계에서 얻어진 소결체를 연마한 보링 바에는 초경 보링 바 헤드를 황동 소재로 브레이징 고정시키는 단계를 수행하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초경 보링 바의 제조방법.
  2. 삭제
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