KR20010089786A - 활성 결합제를 갖는 초연마 휠 - Google Patents

활성 결합제를 갖는 초연마 휠 Download PDF

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Abstract

경질이고 강성인 연마 입자, 및 금속 성분과 활성 금속 성분을 포함하는 소결 결합제로 이루어진 곧고 얇은 일체식 연마 휠은 강성이 훨씬 높다. 금속 성분은 많은 소결 금속 조성물로부터 선택될 수 있다. 활성 금속은 소결 조건에서 연마 입자와 반응하여 결합을 형성할 수 있는 금속이며 입자와 소결 결합제를 입자 보강 복합재로 통합시키기 위한 유효량으로 존재한다. 다이아몬드 연마재, 구리/주석/티탄 소결 결합제 연마 휠이 바람직하다. 위의 휠은 예를 들어, 실리콘 웨이퍼 및 알루미나-탄화티탄 퍽(puck)을 절단하는 것과 같은 전자 산업에서의 연마 작업에 유용하다. 신규 연마 휠의 강성은 통상의 곧은 일체식 휠보다 높고 따라서 휠 두께의 증가 및 이에 따른 자국 손실의 증가없이 절단 정밀도가 개선될 수 있고 칩핑(chipping)이 거의 생성되지 않는다.

Description

활성 결합제를 갖는 초연마 휠{Superabrasive wheel with active bond}
본 발명은 전자 산업에 사용되는 바와 같은 높은 경질의 재료를 연마하기 위한 얇은 연마 휠에 관한 것이다.
매우 얇고 고 강성인 연마 휠은 상업적으로 중요하다. 예를 들어, 얇은 연마 휠은 박편으로 절단하는데 사용되고 전자 제품 제조에 있어서 실리콘 웨이퍼 및 소위 알루미나-탄화티탄 복합재의 퍽(puck)의 가공과 같은 또 다른 연마 작업을 수행하는데 사용된다. 실리콘 웨이퍼는 일반적으로 집적 회로에 사용되고 알루미나-탄화티탄 퍽은 정보를 자기적으로 기록하고 자기적으로 저장된 정보를 재생시키기 위한 플라잉(flying) 박막 헤드를 조립하는데 사용된다. 실리콘 웨이퍼 및 알루미나 티탄 탄화물 퍽을 연마하기 위한 얇은 연마 휠의 용도는, 본원에 참조문헌으로서 이의 전반적인 내용이 인용된 미국 특허 제5,313,742호에 잘 설명되어 있다.
미국 특허 제5,313,742호에 기술된 바와 같이, 실리콘 웨이퍼와 알루미나 탄화물 퍽의 조립은 가공품 재료의 폐기 절삭물을 최소로 하면서 치수적으로 정밀한 절단을 요구한다. 이상적으로는 위와 같은 절단을 수행하기 위한 절단 블레이드는 가능한한 강성이 있고 실질적으로 얇아야만 하는데 그 이유는 블레이드가 얇을 수록 생성되는 폐기 절삭물이 적어지고 블레이드가 강성일수록 보다 곧게 절단되기 때문이다. 그러나 이들 특성들은 상반된 것으로서 블레이드가 얇을 수록 강성은약해진다.
산업이 발전하여 통상적으로 아버(arbor)-탑재된 회전축위에 함께 합체된 일체식(monolithic) 연마 휠을 사용하게 되었다. 위의 조립품에 각각의 휠은 비압축성 및 내구성이 있는 스페이서에 의해 서로 축방향으로 분리되어 있다. 통상적으로 각각의 휠은 휠의 아버 공극으로부터 이의 원주까지 균일한 축 길이를 갖는다. 매우 얇다 하더라도 이들 휠의 축 길이는 우수한 정밀도의 절단을 위해 적합한 강성을 제공하기에는 목적하는 것보다 훨씬 크다. 그러나, 허용되는 범위내에서 절삭물이 생성되도록 하기 위해 두께가 감소된다. 이것은 휠의 강성을 목적하는 것 보다 낮게 감소시킨다.
따라서, 통상적인 곧은(straight) 휠은 보다 얇은 휠보다 많은 가공품 폐기 절삭물을 생성시키고 강성 휠보다 보다 많은 조각을 생성하고 정밀하지 않게 절단한다. 미국 특허 제5,313,742호는 아버 공극으로부터 바깥쪽으로 방사형으로 확장하는 내부의 두께를 증가시킴으로써 합체된 곧은 휠의 수행능을 개선시키고자 하였다. 두꺼운 내부를 갖는 일체식 휠은 스페이서를 갖는 곧은 휠보다 강성인 것으로 기술되어 있다. 그러나, 미국 특허 제5,313,742호의 휠은 내부가 절단을 위해 사용되지 못하여 내부의 연마 용적이 쓸모없다는 결점을 갖는다. 특히, 알루미나-탄화티탄을 절단하기 위한 얇은 연마 휠은 다이아몬드와 같은 값비싼 연마재를 사용하고 있기 때문에 미국 특허 제5,313,742호의 휠은 쓸모없는 연마 용적으로 인해 곧은 휠과 비교하여 비용이 고가이다.
통상적인 휠과 비교하여 증가된 강성을 갖는, 곧은 일체식의 얇은 연마 휠을갖는 것이 바람직하다. 휠의 구조와는 별도로, 강성은 휠 자재의 고유 강성에 의해 결정된다. 일체식 휠은 기본적으로 연마 입자 및 목적하는 형태로 연마 입자를 유지시키는 결합제로 구성된다. 지금까지, 금속 결합제는 통상적으로 실리콘 웨이퍼 및 알루미나-탄화티탄 퍽과 같은 경질 재료를 절단하기 위한 얇은 연마 휠에 사용되어왔다. 다이아몬드 입자를 유지시키기 위한 다양한 금속(예: 구리, 아연, 은, 니켈 또는 철 합금) 결합 조성물은 당해 기술 분야에 공지되어 있다. 하나 이상의 활성 금속 성분을 금속 결합 조성물에 첨가함으로써 다이아몬드 입자가 결합 형성동안에 활성 금속 성분과 화학적으로 반응하여 통합된 입자 강화된 복합재를 형성할 수 있다. 따라서, 입자와 금속의 화학 결합과 함께 매우 높은 고유 강성의 입자는 실질적으로 강성이 증가된 연마 구조를 형성한다.
따라서, 본 발명은 약 20 내지 2,500㎛ 범위의 균일한 폭을 갖는 곧은 일체식 입자 보강 연마 디스크를 포함하는 연마 휠을 제공하고, 이것은 필수적으로 2.5 내지 50용적%의 연마 입자와, 금속 성분 및 소결시 연마 입자와 화학 결합을 형성하는 활성 금속을 포함하는 보충량의 결합제로 이루어져 있고 이때 활성 금속은, 조성이 동일하지만 활성 금속을 함유하지 않는 연마 디스크의 탄성 모듈러스 보다 10% 이상 높은 탄성 모듈러스 값을 갖는 입자 보강 연마 디스크를 제조하는데 유효한 양으로 존재한다.
또한 약 20 내지 2,500㎛의 범위에서 균일한 폭을 갖는, 곧은 일체식 입자 보강 연마 디스크를 포함하는 연마 휠(여기서, 연마 휠은 기본적으로 2.5 내지 50용적%의 연마 입자와, 금속 성분, 소결시 연마 입자와, 화학 결합을 형성하는 활성금속을 포함하는 보충량의 결합제로 이루어져 있고 이때 활성 금속은 동일한 조성이지만 활성 금속이 없는 소결된 디스크의 탄성 모듈러스 보다 10% 이상 높은 입자 보강 연마 디스크의 탄성 모듈러스를 갖기 위한 유효량으로 존재한다)을 가공품과 접촉시키는 단계를 포함하는 가공품 절삭 방법을 제공한다.
추가로, 본 발명은,
연마 입자 (1),
주분획이 구리이고 소분획이 주석인 성분들로 필수적으로 이루어진 금속 성분 (2),
소결시 연마 입자와 화학 결합을 형성할 수 있는 활성 금속(3)을 포함하는, 소정 비율의 미립자 성분을 제공하는 단계(a);
단계(a)의 미립자 성분을 혼합하여 균일한 조성물을 형성하는 단계(b);
단계(b)의 균일한 조성물을 소정 형태의 금형에 주입하는 단계(c);
단계(c)의 금형을 유효 기간 동안 약 345 내지 690MPa의 압력 범위로 압착시켜 성형품을 형성하는 단계(d);
단계(d)의 성형품을 유효 기간 동안 약 500 내지 900℃의 온도 범위로 가열하여 금속 성분과 활성 금속을 소결 결합제로 소결시킴으로써 연마 입자와 소결 결합제를 입자 보강 복합재에 통합시키는 단계(e) 및
입자 보강 복합재를 냉각시켜 연마 도구를 형성하는 단계(f)를 포함하는 연마 도구의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 곧은 환형 일체식 연마 휠에 적용될 수 있다. 용어 "곧은"은 휠의 축 두께가 아버 공극의 반경에서 휠의 외곽 반경까지의 모든 반경에서 균일하다는 것을 의미한다. 이들 휠에 의도되는 중요한 응용 분야는 웨이퍼 및 무기 물질의 퍽과 같은 박편을 정밀하면서 자국 손상이 감소되게 절단하는 것이다. 절단 속도, 즉, 가공품과 접촉되는 연마 표면의 속도가 높은 속도에서 휠을 작동시킴으로써 흔히 보다 우수한 결과가 성취된다. 위와 같은 수행 지침 및 작업 조건은 통상적으로 극소의 균일한 두께 및 큰 직경을 갖는 휠을 사용하여 달성된다. 따라서 본 발명의 현저하게 바람직한 휠은 종횡비가 높은 것을 특징으로 한다. 종횡비는 휠의 외곽 직경을 축 횡단 치수, 즉 휠의 두께로 나눈 비로서 정의된다. 종횡비는 약 20 내지 6000 대 1, 바람직하게는 약 100 내지 1200 대 1 및 보다 바람직하게는 약 250 내지 1200 대 1이어야만 한다.
휠 두께의 균일함은 목적하는 절단 수행능을 성취하기 위해 오차 없이 유지된다. 바람직하게, 균일한 두께는 약 20 내지 2,500㎛, 보다 바람직하게는 약 100 내지 500㎛ 및 가장 바람직하게는 약 100 내지 200㎛의 범위이다. 약 5㎛ 미만의 두께에서 다양한 것이 바람직하다. 전형적으로, 아버 공극의 직경은 약 12 내지 90mm이고 휠의 직경은 약 50 내지 120mm이다.
용어 "일체식"은 연마 휠 재료가 아버 공극의 반경으로부터 휠의 반경까지 완전히 균일한 조성임을 의미한다. 즉, 기본적으로 완전한 몸체의 일체식 휠은 소결 결합제에 매립된 연마 입자를 포함하는 연마 디스크이다. 연마 디스크는 연마 부위를 구조적으로 지탱하기 위한 비연마 통합 부위(예를 들어, 분쇄 휠의 연마 부위가 고정되어 있는 금속 코어)를 갖지 않는다.
기본적으로, 본 발명의 연마 디스크는 3개의 성분, 즉 연마 입자, 금속 성분 및 활성 금속 성분을 포함한다, 금속 성분과 활성 금속은 함께 소결 결합을 형성하여 휠의 목적하는 형태로 연마 입자가 유지되도록 한다. 소결 결합은 성분을 적합한 소결 조건으로 처리하여 성취된다. 용어 "활성 금속"은 소결시 연마 입자의 표면과 반응할 수 있는 원소 또는 화합물을 의미한다. 따라서, 활성 금속은 화학적으로 연마 입자와 결합한다. 추가로, 활성 금속은 입자와 소결 결합제를 입자 보강 복합재로 통합시키기 위한 유효량으로 존재한다. 결과적으로, 높은 강성과 경도의 연마 입자를 적합하고 신중하게 선택함으로써 연마 소결된 결합 마트릭스의 전체 강성이 소결동안에 활성 금속 성분이 연마 입자에 화학 결합하여 증진된다.
연마 입자를 선별하는데 있어서 주로 고려되어야 할 것은 연마재가 절단될 재료보다 경질이어야만 한다는 것이다. 통상적으로, 얇은 연마 휠의 연마 입자는 이들 휠이 전형적으로 알루미나-탄화티탄과 같은 매우 높은 경질의 재료를 연마하는데 사용되기 때문에 높은 경질의 물질로부터 선택된다. 언급된 바와 같이, 또한 연마재가 결합 구조를 강화시키는데 충분히 높은 강성을 가져야만 한다는 것이 중요하다. 정상적으로 연마재 선택을 위한 이러한 추가의 지침은 연마재의 탄성 모듈러스가 보다 높고 바람직하게는 소결 결합제의 탄성 모듈러스보다 높아야 된다는 것을 확신하는데 달려있다. 본 발명에 사용하기 위해 대표적인 경질의 연마재는 다이아몬드 및 입방체의 질화붕소와 같은 소위 초연마재이고 탄화규소, 융합된 산화알루미늄, 미세결정성 알루미나, 질화규소, 탄화붕소 및 탄화텅스텐과 같은 또 다른 경질의 연마재이다. 2개 이상의 이들 연마재의 복합재가 또한 사용될 수 있다. 다이아몬드가 바람직하다.
연마 입자는 통상적으로 미립자 형태로 사용된다. 약 120mm 직경 이하의 휠에 대한 입자의 입자 크기는 일반적으로 약 0.5 내지 100㎛ 및 바람직하게는 약 10 내지 30㎛ 범위이어야만 한다. 보다 큰 직경의 휠에 대한 입자 크기는 비례적으로 보다 클 수 있다.
본 발명의 금속 성분은 단일 금속 원소 또는 복합 원소의 복합재일 수 있다. 본 발명에 사용하기에 적합한 대표적인 원소는 구리, 주석, 코발토, 철, 니켈, 은, 아연, 안티몬 및 망간을 포함한다. 복합재의 예는 구리-주석, 구리-주석-철-니켈, 구리-아연-은, 구리-니켈-아연, 구리-니켈-안티몬을 포함한다. 코발트-텅스텐 탄화물 및 니켈-구리-안티몬 탄탈 탄화물과 같은 금속 화합물 및 비금속 함유 합금이 또한 사용될 수 있다. 전형적으로 비-금속성 성분은 금속의 경도를 증가시키거나 금속 용융 온도를 저하시키고 이것은 소결 온도의 저하를 도와주어 다이아몬드가 고온에 노출되어 손상되는 것을 방지한다. 당해 비금속 함유 화합물 및 합금의 예는 니켈-구리-망간-규소-철 및 니켈-붕소-규소를 포함한다. 일반적으로 금속 성분은 소형 입자 크기 분말로서 제공된다. 복합 원소 금속 성분의 분말 입자는 별개의 원소이거나 예비 합금 또는 이 둘다의 복합재 중 하나일 수 있다.
활성 금속 성분으로 인해, 소결 결합제는 화학적으로 단순히 이들을 포함한다기 보다는 연마 입자에 부착한다. 따라서, 신규한 활성적으로 결합된 얇은 연마 휠의 입자가 비활성적으로 결합된 휠의 입자 보다 가공품에 크게 노출될 수 있다. 추가로, 보다 연질의 소결된 결합 조성물이 사용될 수 있다. 이들 특징은 휠이 부하가 적은 경향이 있어 감소된 전력 소비에서 작동하여 보다 자유롭게 절단할 수 있다. 구리-주석이 비교적 연질의 결합을 이루는 금속 성분에 대해 바람직한 조성물이다.
구리-주석의 금속 성분에 대해, 일반적으로, 주분획물(즉, 50중량% 초과)은 구리이고 소분획물(즉, 50중량% 미만)은 주석이다. 바람직하게, 구리-주석 조성물은 필수적으로 약 50 내지 90중량%의 구리와 약 10 내지 40중량%의 주석, 보다 바람직하게는 약 70 내지 90중량%의 구리와 약 10 내지 30중량%의 주석 및 가장 바람직하게는 약 70 내지 75중량%의 구리 및 25 내지 30중량%의 주석으로 이루어져 있다. 아래에서 신규한 활성적으로 결합된 주석 연마 휠의 제법을 설명하는 바와 같이 금속 성분은 통상적으로 미립자 형태로 휠 제조 방법에 제공된다.
소결 결합제의 금속 성분 및 연마 입자와 함께 양립할 수 있는 활성 금속 성분이 선택된다. 즉, 소결 조건하에서, 활성 금속은 금속 성분과 압축하여 강한 소결된 결합을 형성해야만 하고 이것은 연마 입자의 표면과 반응하여 이와 함께 화학 결합을 형성해야만 한다. 활성 금속 성분의 선택은 금속 성분의 조성, 연마 입자의 조성 및 소결 조건에 크게 좌우될 수 있다. 활성 금속 성분에 대한 대표적인 물질은 티탄, 지르코늄, 하프늄, 크롬, 탄탈 및 이들 중 2개 이상의 복합재이다. 복합재에서, 활성 성분 금속은 별도의 금속 입자 또는 합금으로서 제공될 수 있다. 특히 구리-주석 금속 성분과 다이아몬드 연마재와 관련하여 티탄이 바람직하다.
활성 성분은 원소 형태 또는 금속과 비활성 성분 원소의 화합물 중 하나로서 첨가될 수 있다. 티탄 원소는 낮은 온도에서 물 및/또는 산소와 반응하여 이산화티탄을 형성함에 따라 소결동안에 연마재와 반응하지 않게된다. 따라서, 물 또는 산소가 존재하는 경우에 티탄 원소를 첨가하는 것은 덜 바람직하다. 티탄이 화합물 형태로 첨가되는 경우, 화합물은 소결 단계 전에 원소 형태로 해리되어 티탄이 연마재와 반응할 수 있도록 해야만 한다. 본 발명에 사용하기 위한 티탄의 바람직한 화합물 형태는 수소화티탄(TiH2)이고 이것은 약 500℃까지 안정하다. 약 500℃를 초과하는 경우 수소화티탄은 티탄과 수소로 해리된다.
금속 성분과 활성 금속 성분 모두는 바람직하게 입자 형태로 결합 조성물로 혼입된다. 입자는 소형 입자 크기를 가져 소결 결합제 전반에 걸쳐 농도가 균일하도록 해야만 하고 소결 동안에 연마 입자와 최적으로 접촉하도록 해야만 하고 입자에 대해 우수한 결합 강도를 갖도록 해야만 한다. 최대 치수가 약 44㎛인 미세 입자가 바람직하다. 금속 분말의 입자 크기는 입자를 특정 크기 포획 체로 여과하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 공칭 44㎛의 최대 입자는 325 미국 표준 포획 체를 통과한다.
바람직한 양태에서, 활성적으로 결합된 얇은 연마 휠은 전체가 100중량%로 첨가되는 약 45 내지 75중량%의 구리, 약 20 내지 35중량%의 주석 및 약 5 내지 20중량%의 활성 금속으로 이루어지는 소결 결합제를 포함한다. 특히 바람직한 양태에서, 활성 금속은 티탄이다. 언급된 바와 같이, 수소화 티탄 형태로 티탄 성분을 혼입시키는 것이 바람직하다. 통상적으로 티탄 원소의 분자량과 수소화티탄의 분자량간의 약간의 차이는 무시될 수 있다. 그러나 명백히 하기 위해 본원에 기술된조성물은 특별히 다른 언급이 없는 경우 티탄이 존재함을 언급한다는 것을 주지해야한다.
신규 연마 휠은 기본적으로 소위 "냉각 프레스" 또는 "고온 프레스" 형의 압축 방법에 의해 생산된다. 때때로 "비압력 소결"로서 언급되는 냉각 프레스 공정에서, 성분들의 블렌드가 목적하는 형태의 금형으로 도입되고 실온에서 높은 압력이 적용되어 조밀하지만 부서지기 쉬운 성형된 제품을 수득하게 된다. 통상적으로 고압은 약 300MPa 이상이다. 이어서, 압력을 해제하고 성형된 제품을 소결 온도까지 가열된 금형으로부터 제거한다. 통상적으로 소결시키기 위한 가열은 성형된 제품을 불활성 가스 대기하에 예비-소결 단계 압력 보다 낮은 압력, 즉 약 100MPa 이하 및 바람직하게는 약 50MPa 이하로 가압한다. 또한 진공하에 소결시킬 수 있다. 이러한 저압력 소결동안에, 얇은 연마 휠에 대한 디스크와 같은 성형된 제품이 유리하게 금형에 위치될 수 있고/있거나 편평한 플레이트 사이에 샌드위치될 수 있다.
고온 프레스 가공에서, 미립자 결합 조성물 성분, 전형적으로 석연의 블렌드가 금형에 첨가되고 냉각 프레스에서와 같이 고압으로 압착된다. 그러나, 비활성 가스가 사용되고 온도가 상승되면서 고압이 유지되어 전구체가 압력하에 있으면서 압축된다.
연마 휠 공정의 최초 단계는 성분을 성형 금형에 팩킹시킴을 포함한다. 성분은 분리된 연마 입자, 금속 성분 입자 및 활성 금속 성분 입자의 균일한 블렌드로서 첨가될 수 있다. 위의 균질의 블렌드는 소정 비율로 입자와 입자의 복합재를블렌딩시키는 당해 분야에 공지된 적합한 기계 블렌딩 장치를 사용함으로써 형성될 수 있다. 혼합 장치의 예는 이중 콘 텀블러, 트윈-쉘 V-형 텀블러, 리본 블렌더, 수평 드럼 텀블러 및 고정 쉘/내부 스크류 믹서를 포함할 수 있다.
구리 및 주석은 미리 합금으로 될 수 있고 구리 합금 입자로서 도입될 수 있다. 또 다른 선택은 균질해질때까지 스톡 구리합금 미립자 조성물, 추가의 구리 및/또는 주석 입자, 활성 금속 입자 및 연마 입자를 배합하고 이어서 블렌딩함을 포함한다.
본 발명의 기본 양태에서, 연마 입자는 결합제를 소결시키기 전에 피복되지 않는다. 즉, 연마 입자는 이의 표면에 금속이 없다. 또 다른 양태는 모든 성분을 기계적으로 블렌딩하기 전에 연마 입자를 활성 금속 성분의 일부 또는 모두를 포함하는 층으로 예비 피복시킴을 요구한다. 이러한 기술은 소결동안에 연마 입자와 활성 금속간의 화학 결합의 형성을 증진시킬 수 있다.
층은 예를 들어, 화학적 증기 침착 또는 물리적 증기 침착에 의해 수득될 수 있는 바와 같은 분자 두께 또는 거대 분자 두께일 수 있다. 분자 두께가 사용되는 경우, 입자와 결합 조성물 성분의 복합재 중에서 추가의 활성 금속으로 예비 피복하는데 있어서 활성 금속의 양을 보충시킬 필요가 있다. 통상적으로, 예비 피막의 분자 두께는 본 발명에 의해 수득될 수 있는 이로운 결과를 달성하기에 충분한 양의 활성 금속을 갖고 있지 않다.
거대 분자 두께 피복은 균일 조성물에 활성 금속 성분의 미세 분말과 점성의 페이스트를 형성하기에 유효한 양의 불안정한 액체 결합제를 혼합하고(A), 연마 입자를 접착 페이스트와 혼합하여 적어도 주요 부분의 입자 표면적을 접착 페이스트로 습윤화하고(B), 액체 결합제를 통상적으로 열로 건조시켜 연마 입자에 기계적으로 부착된 활성 금속 분말 입자의 잔사가 잔류하도록 함(C)으로써 성취될 수 있다. 기계적 부착의 목적은 화학 결합에 의해 영구적으로 부착되는 경우 적어도 소결될때까지 입자에 활성 금속 입자가 근접하게 있도록 유지하는 것이다. 임의의 통상적인 불안정 액체 결합제는 페이스트를 위해 사용될 수 있다. 용어 "불안정"은 액체 결합제가 승온, 바람직하게는 소결 온도 이하에서 소결 과정에 역효과를 미치지 않으면서 결합 조성물을 제거할 수 있는 능력을 갖는다는 것을 의미한다. 결합제는 소결 동안에 결합 기능을 방해하는 잔사가 잔류함이 없이 실질적으로 완전히 증류되고 열분해되기에 충분한 휘발성이어야만 한다. 바람직하게, 결합제는 약 400℃ 이하에서 증발한다. 결합제는 당해 분야에 공지된 많은 방법에 의해 입자와 블렌딩될 수 있다.
성형 금형에 충전된 성분의 복합재는 연마제 산업에서 통상적으로 사용되는 극소량의 임의의 가공 보조제(예: 파라핀 왁스, "아크로왁스(Acrowax)" 및 아연 스테아레이트)를 포함한다.
균일한 블렌드가 제조되는 즉시 적합한 금형에 충전한다. 바람직한 냉각 프레스 소결 과정에서, 금형의 내용물은 실온에서 약 345 내지 690MPa의 기계적 압력이 외부적으로 가해지는 경우 압착될 수 있다. 예를 들어, 평압식 프레스가 당해 작동에 사용될 수 있다. 통상적으로 압착은 압력이 해제된 후에 약 5 내지 15초동안 유지된다. 이어서 금형의 내용물은 소결 온도로 상승되고 이러한 소결 온도는실질적으로 완전히 용융되지 않으면서 결합 조성물이 압축되도록 충분히 높아야만 한다. 소결 온도는 약 500℃ 이상이어야만 한다. 낮은 절대 압력 진공하에 또는 불활성 가스의 블랭킷하에서와 같이 불활성 대기하에서 가열되어야만 한다. 연마 입자가 역으로 영향받을 정도의 높은 온도에서 소결될 필요가 없는 금속 결합 성분 및 활성 금속 성분을 선택하는 것이 중요하다. 예를 들어, 다이아몬드는 약 1100℃ 이상에서 흑연화되기 시작한다. 따라서, 다이아몬드 연마 휠의 소결은 위의 온도 이하, 바람직하게는 약 950℃이하 및 보다 바람직하게는 약 900℃이하에서 안전하게 일어나도록 디자인되어야만 한다. 소결 온도는 결합 성분을 소결시키고 동시에 활성 금속이 연마 입자와 반응하기에 효과적인 시간 동안 유지되어야만 한다. 소결 온도는 전형적으로 약 30 내지 120분 동안 유지된다.
바람직한 고열 프레스 공정에서, 조건은 일반적으로 완전히 소결될때까지 압력이 유지되는 것을 제외하고는 냉각 프레싱과 동일하다. 비압력 소결 또는 고열 프레싱중 하나에서, 소결후 금형은 실온으로 저하되고 소결된 산물이 제거된다. 산물은 목적하는 치수의 허용 오차를 수득하기 위해 랩핑(lapping)과 같은 통상적인 방법에 의해 최종 마무리된다.
따라서, 위에서 언급한 소결 및 결합은 연마 입자를 소결 결합제에 통합시켜 입자 보강 복합재를 형성한다. 입자 보강 복합재의 형성을 촉진시키기는 것 뿐만 아니라 만족할만하게 노출된 연마제를 제공하기 위해 소결된 제품에 약 2.5 내지 50용적%의 연마 입자와 보충량의 소결된 결합물을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 바람직한 연마 도구는 연마 휠이다. 따라서, 전형적인 금형의 형태는 얇은 디스크 형태이다. 고체 디스크 금형이 사용될 수 있는데 이 경우에 소결후에 디스크 중앙부가 제거되어 아버 공극이 형성된다. 또한, 환상의 금형은 원위치에서 아버 공극을 형성시키는데 사용될 수 있다. 후자의 기술은 소결된 디스크의 연마된 중앙부를 제거함으로 인한 폐기 절삭물이 생성되지 않도록 한다.
입자 보강 혼성 구조가 성공적으로 형성되는 경우 연마 입자는 휠의 강성에 기여한다. 따라서, 위에서 언급한 바와 같이, 연마제가 경도, 내충격성 등의 통상적인 특성 뿐만 아니라 탄성 모듈러스에 의해 결정되는 바와 같은 강성을 위해 선택되는 것이 중요하다. 특정 이론에 얽매이지 않고 활성 금속 성분과의 화학 결합에 의한 소결 결합제로 통합되는 고강성의 연마 입자는 복합재의 강성에 크게 기여하는 것으로 사료된다. 이러한 기여는 작업동안에 복합재에 대한 스트레스 하중이 본질적으로 매우 강성인 연마 입자에 전달되어 일어나는 것으로 사료된다. 따라서, 본 발명을 수행함으로써 동일한 두께의 통상적인 휠보다 강성인, 곧은 활성적으로 결합된 얇은 연마 휠을 수득할 수 있다. 신규 휠은 통상적인 곧은 휠과 비교하여 보다 정밀한 절단을 제공하고 어떠한 추가의 절단 자국의 손실없이 절단 조각이 덜 생성되도록 하는데 유용하다.
신규 연마 휠의 강성은 통상적인 휠과 비교하여 상당히 증진되어야만 한다. 바람직한 양태에서, 활성적으로 결합된 연마 휠의 탄성 모듈러스는 단독의 소결된 결합 성분(즉, 연마 입자가 없는 금속 성분 및 활성 금속 성분)의 탄성 모듈러스보다 높고 또한 약 100GPa 이상 및 바람직하게는 약 150GPa 이상이다. 또 다른 바람직한 양태에서, 휠의 탄성 모듈러스는 연마 입자가 없는 소결 결합제의 탄성 모듈러스보다 약 2배 이상이다.
지금부터, 본 발명은 특정 대표적인 양태의 예를 통해 설명되고 이때, 또 다른 언급이 없는 경우, 모든 부, 비율 및 퍼센테이지는 중량을 기준으로 한 것이고 입자 크기는 미국 표준 포획 체 크기 명명법에 의해 기술된다. 애초부터 SI 단위로 수득되지 않은 모든 중량 및 측정 단위는 SI 단위로 환산되었다.
실시예 1
구리 분말(<400 메쉬), 주석 분말(< 325 메쉬) 및 수소화티탄(<325 메쉬)을 Cu 59.63%, Sn 23.85% 및 TiH216.50%의 비율로 배합한다. 이러한 결합 조성물을 165 메쉬 스테인레스 강 스크린에 통과시켜 응집체를 제거하고 스크린된 복합재를 "터뷸러(Turbula)" 브랜드 믹서(Glen Mills, Inc., Clifton, New Jersey)중에서 30분동안 완전히 블렌딩한다. 제조원[GE Superabrasives, Worthington Ohio]으로부터 구입한 다이아몬드 연마 입자(15 내지 25㎛)을 금속 블렌드에 첨가하여 다이아몬드 18.75 용적%를 함유하는 복합재를 형성한다. 이러한 복합재를 1시간 동안 터뷸러 믹서에서 블렌딩하여 균일한 연마 및 결합 조성물을 수득한다.
연마 및 결합 조성물을 외부 직경 121.67mm, 내부 직경 6.35mm 및 균일한 깊이 0.81mm의 공동을 갖는 강철 금형에 넣는다. "그린(green)"휠을 실온에서 10초동안 414MPa(4.65톤/cm2)하에 금형을 압축시킴으로써 형성한다. 이어서, 그린 휠을 금형으로부터 제거하고 이어서 상부 플레이트가 660g 중량인 수평하고 납작한 플레이트사이에서 2시간동안 진공하에 850℃로 가열시킨다. 고열 소결된 산물을 점진적으로 250℃로 냉각시키고 이어서 실온으로 신속하게 냉각시킨다. 휠을 사전에 선택된 런 아웃으로의 "트룰링" 및 표 1에 나타낸 조건하에 초기 드레싱을 포함하는 통상적인 방법에 의해 최종 크기로 분쇄한다.
마무리된 휠 크기는 외부 직경이 114.3mm이고 내부 직경(아버 공극 직경)이 69.88mm이고 두께가 0.178mm이다.
트룰링 조건 실시예 1 및 2
트룰링된 휠
속도 5593 회전/분
주입 속도 100mm/분
플랜지로부터의 노출 3.68mm
트룰링 휠(모델 번호. 37C220-H9B4)
조성물 탄화규소
직경 112.65mm
속도 3000회전/분
횡단 속도 305mm/분
2.5㎛에서 통과 횟수 40
1.25㎛에서 통과 횟수 40
초기 드레싱
횔 속도 2500 회전/분
드레싱 스틱 타입 37C500-GV
스레싱 스틱 폭 12.7mm
침투 2.54mm
주입 속도 100mm/분
통과 횟수 12.00
실시예 2 및 비교 실시예 1
실시예 1에서 기술된 바와 같이 제조된 신규 휠 및 통상적인 시판되는 동일한 크기의 휠(비교 실시예 1)을 사용하여 흑연 기판에 접착된 길이 150mm x 폭 150mm x 두께 1.98mm의 타입 3M-310[제조원: Minnesota Mining and Manufacturing Co., Minneapolis, Minnesota] 알루미나-탄화티탄 블록을 다수의 박편으로 절단한다. 비교 실시예 1의 휠 조성은 코발트 53.1중량%, 니켈 23.0중량%, 은 12.7중량%, 철 5.4중량%, 구리 3.4중량% 및 아연 2.4중량%의 결합제중에 15/25㎛ 다이아몬드 입자 18.9용적%이다. 각각을 얇게 절단하기 전에 단독의 드레싱 통과 및 폭이 19mm인 드레싱 스틱(비교 실시예 1에 대해 12.7mm)이 사용된다는 것을 제외하고는 표 I에 기술된 바와 같이 드레싱한다. 각각의 시험에서, 연마 휠을 외부 직경이 106.93mm인 2개의 금속 지지 스페이서 사이에 탑재한다. 휠 속도는 7500 회전/분(비교 실시예에 대해 9000 회전/분)이고 주입 속도는 100mm/분이고 절단 깊이 2.34mm이 사용된다. 56.4L/분의 유속으로 절단물을 냉각시킨다. 5% 녹 억제제는 물을 275kPa의 압력에서 1.58mm x 85.7mm 직사각형 노즐을 통해 방출된 탈염된 물을 안정화시킨다.
절단 결과는 표 II에 나타낸다. 신규 휠은 모든 절단 수행능 지침에 대해 우수하게 수행한다. 비교 실시예 1 휠은 20%의 고속 회전 속도에서 작동 시킬 필요가 있고 신규 휠 보다 45% 높은 전력(약 520W 대 369W)을 소모한다.
실시예 3 및 4, 및 비교 실시예 2 내지 8
입자 보강 연마 휠 조성물의 강성을 시험한다. 다이아몬드 존재 및 부재하의 다양한 미세 금속 분말을 표 III에 나타낸 비율로 배합하고 실시예 1에서와 같이 균일한 조성물이 되도록 혼합한다. 인장 시험 표본을 실온에서 약 414 내지 620MPa(30 내지 45톤/in2)의 압력하에 약 5 내지 10초 동안 개뼈 모양의 금형에서 조성물을 압착시킴으로써 제조하고 이어서 실시예 1에 기술된 바와 같이 진공하에 소결시킨다.
시험 표본을 음파 처리하고 인스트론 인장 시험 기계(Instron tensile test machine)로 표준 인장 모듈러스를 측정한다. 결과는 표 III에 나타낸다. 입자 보강 샘플의 탄성 모듈러스(실시예 3 및 4)는 150GPa를 초과한다. 실시예 4에서 증가된 농도의 다이아몬드는 모듈러스를 상당히 상승시키는데 이것은 다이아몬드가 조성물에 통합되었음을 확증하는 것이다. 반대로, 비교 실시예 2는 다이아몬드 부재로 인해 입자 보강이 없는 동일한 결합 조성물의 강성이 급격하게 감소된다는 것을 보여준다. 유사하게, 비교 실시예 3은 활성 성분이 없는 구리 합금 결합 조성물에 매립된 다이아몬드가 비교적 불량한 강성을 제공한다는 것을 입증한다.
비교 실시예 4에서, 제조원[General Electric Co]으로부터 이미 시판되고 있고 제조업자가 약 1 내지 2㎛ 두께의 티탄으로 표면 피복되어 있다고 진술한 다이아몬드 입자를 사용한다. 어떠한 활성 금속이 존재하지 않는 것과 비교하여 강성이 약간 개선되었지만(비교 실시예 3) 효력이 있는 실시예 조성물에는 훨씬 못미친다. 효과가 감소된 미심쩍은 이유는 활성 성분이 너무 소량으로 존재한다는 것과 표면위의 티탄이 소결되기 전에 탄화물 형태로 존재하여 티탄이 또 다른 금속 성분과의 양립성이 떨어지게 된다는 것 및/또는 입자위의 비탄화물 티탄이 산화된다는 것이다.
비교 실시예 5 및 7은 상이한 조성의 구리/주석/니켈/철 결합제를 갖는 통상적인 얇은 다이아몬드 휠이 단지 약 100GPa의 모듈러스를 갖는다는 것을 입증한다. 비교 실시예 6 및 8은 다이아몬드 입자가 없는 비교 실시예 5 및 7의 휠 조성물에 상응한다. 이들 실시예는 다이아몬드가 부재이거나 존재하는 결합 조성물의 강성이 거의 동일하다는 것을 보여준다. 이것은 활성 금속 비함유 결합제가 다이아몬드를 결합내로 통합시키지 않아 구조가 보강되지 않는다는 예상을 확증하는 것이다.
본 발명의 특정 형태가 실시예에서 설명을 위해 선택되었고 본 발명의 이들 형태를 기술할 목적으로 특정 용어로 사전에 기술되었지만, 이러한 기재는 청구범위에서 한정된 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

Claims (36)

  1. 필수적으로 연마 입자 약 2.5 내지 50용적%와 금속 성분 및 소결시 연마 입자와 화학 결합을 형성하는 활성 금속을 포함하는 결합제 보충량(여기서, 활성 금속과 연마 입자는, 탄성 모듈러스 값이 조성은 동일하지만 활성 금속을 함유하지 않는 연마 디스크의 탄성 모듈러스 값보다 10% 이상 큰 입자 보강 연마 디스크를 제조하는 데 유효한 양으로 존재한다)으로 이루어지며, 균일 폭의 범위가 약 20 내지 25,000㎛인 곧은 입자 보강 연마 디스크를 포함하는 연마 휠.
  2. 제1항에 있어서, 연마 입자의 크기가 약 0.5 내지 100㎛이고 입자 보강 연마 디스크의 탄성 모듈러스 값이 약 100GPa 이상인 연마 휠.
  3. 제2항에 있어서, 탄성 모듈러스 값이 연마 입자를 함유하지 않는 동일한 소결 결합 조성물의 탄성 모듈러스 값의 약 2배 이상인 연마 휠.
  4. 제3항에 있어서, 연마 디스크가 필수적으로 연마 입자 약 15 내지 30용적%로 이루어지는 연마 휠.
  5. 제1항에 있어서, 금속 성분이 구리, 주석, 코발트, 철, 니켈, 은, 아연, 안티몬, 망간, 금속 탄화물 및 이들 중 2개 이상의 합금으로 이루어진 그룹으로부터선택되는 연마 휠.
  6. 제1항에 있어서, 금속 성분이 붕소, 규소 및 이들의 화합물과 배합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 함유하는 금속 합금 또는 금속 화합물을 포함하는 연마 휠.
  7. 제4항에 있어서, 활성 금속이 티탄, 지르코늄, 하프늄, 크롬, 탄탈 및 이들 중 2개 이상의 복합재로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 연마 휠.
  8. 제7항에 있어서, 연마 입자가 활성 금속 피막을 함유하지 않는 연마 휠.
  9. 제7항에 있어서, 연마 입자가 거대분자 두께의 금속 층으로 피복되어 있는 연마 휠.
  10. 제1항에 있어서, 일체식(monolithic)인 연마 휠.
  11. 제5항에 있어서,
    소결 결합제가
    구리(a) 약 45 내지 75중량%,
    주석(b) 약 20 내지 35중량% 및
    활성 금속(c) 약 5 내지 20중량%[여기서, (a), (b) 및 (c)의 총량은 100중량%이다]를 포함하는 연마 휠.
  12. 제11항에 있어서, 활성 금속이 티탄, 지르코늄, 하프늄, 크롬, 탄탈 및 이들 중 2개 이상의 복합재로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 연마 휠.
  13. 제12항에 있어서, 활성 금속이 티탄인 연마 휠.
  14. 제1항에 있어서, 연마 입자가 다이아몬드, 질화붕소 입방체, 탄화규소, 융합된 산화알루미늄, 미세결정성 알루미나, 질화규소, 탄화붕소, 탄화텅스텐 및 이들 중 2개 이상의 복합재로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 연마 휠.
  15. 제14항에 있어서, 연마 입자가 다이아몬드인 연마 휠.
  16. 제1항에 있어서, 원주 직경이 약 40 내지 120mm이고 축방향 아버 공극이 12 내지 90mm이며 균일 폭의 범위가 약 100 내지 500㎛이고 필수적으로 다이아몬드 입자와 구리 59.5중량%, 주석 24중량% 및 티탄 16.5중량%를 포함하는 소결 결합제로 이루어진 연마 디스크로 필수적으로 이루어지는 연마 휠.
  17. 제16항에 있어서, 균일 폭의 범위가 약 100 내지 200㎛인 연마 휠.
  18. 필수적으로 연마 입자 약 2.5 내지 50용적%와 금속 성분 및 소결시 연마 입자와 화학 결합을 형성하는 활성 금속을 포함하는 결합제 보충량(여기서, 활성 금속과 연마 입자는, 탄성 모듈러스 값이 조성은 동일하지만 활성 금속을 함유하지 않는 연마 디스크의 탄성 모듈러스 값보다 10% 이상 큰 입자 보강 연마 디스크를 제조하는 데 유효한 양으로 존재한다)으로 이루어지며, 폭이 균일하고 종횡비가 약 20 대 1 내지 6000 대 1인 곧은 입자 보강 연마 디스크를 포함하는 연마 휠.
  19. 필수적으로 연마 입자 약 2.5 내지 50용적%와 금속 성분 및 소결시 연마 입자와 화학 결합을 형성하는 활성 금속을 포함하는 결합제 보충량(여기서, 활성 금속과 연마 입자는, 탄성 모듈러스 값이 조성은 동일하지만 활성 금속을 함유하지 않는 연마 디스크의 탄성 모듈러스 값보다 10% 이상 큰 입자 보강 연마 디스크를 제조하는 데 유효한 양으로 존재한다)으로 이루어지며, 균일 폭의 범위가 약 20 내지 2,500㎛인 곧은 입자 보강 연마 디스크를 포함하는 연마 휠과 가공품을 접촉시키는 단계를 포함하는, 가공품의 절삭방법.
  20. 제19항에 있어서, 연마 디스크가, 원주 직경이 약 40 내지 120mm이고 축방향 아버 공극이 약 12 내지 90mm이며, 금속 성분이 구리, 주석, 코발트, 철, 니켈, 은, 아연, 안티몬, 망간, 금속 탄화물 및 이들 중 2개 이상의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되고, 활성 금속이 티탄, 지르코늄, 하프늄, 크롬, 탄탈 및 이들중 2개 이상의 복합재로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, 연마 입자의 크기가 약 0.5 내지 100㎛이고, 입자 보강 연마 디스크의 탄성 모듈러스가 약 100GPa 이상이며, 모듈러스가 연마 입자를 함유하지 않는 소결 결합제의 탄성 모듈러스보다 약 2배 이상 큰 방법.
  21. 제20항에 있어서, 금속 성분이 붕소, 규소 및 이의 화합물과 배합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 함유하는 금속 합금 또는 금속 화합물을 포함하는 방법.
  22. 제20항에 있어서, 원주 직경이 약 50 내지 120mm이고 균일 폭의 범위가 약 100 내지 500㎛이고 연마 디스크가 다이아몬드 입자와 구리(a) 약 45 내지 75중량%, 주석(b) 약 20 내지 35중량% 및 활성 금속(c) 약 5 내지 20중량%[여기서, (a), (b) 및 (c)의 총량은 100중량%이다]로 필수적으로 이루어진 소결 결합제로 필수적으로 이루어지는 방법.
  23. 제19항에 있어서, 가공품이 알루미나 탄화티탄인 방법.
  24. 연마 입자(1),
    주분획이 구리이고 소분획이 주석인 성분들로 필수적으로 이루어진 금속 성분(2) 및
    소결 조건하에 연마 입자와 화학 반응하는 활성 금속(3)을 포함하는 소정 비율의 미립자 성분을 제공하는 단계(a),
    단계(a)의 미립자 성분을 혼합하여 균일한 조성물을 형성하는 단계(b),
    단계(b)의 균일한 조성물을 소정 형태의 금형에 주입하는 단계(c),
    단계(c)의 금형을 유효 기간 동안 약 345 내지 690MPa의 압력 범위로 압착시켜 성형품을 형성하는 단계(d),
    단계(d)의 성형품을 유효 기간 동안 약 500 내지 900℃의 온도 범위로 가열하여 금속 성분과 활성 금속을 소결 결합제로 소결시킴으로써 연마 입자와 소결 결합제를 입자 보강 복합재로 통합시키는 단계(e) 및
    입자 보강 복합재를 냉각시켜 연마 도구를 형성하는 단계(f)를 포함하는, 연마 도구의 제조방법.
  25. 제24항에 있어서, 압착단계 후에 성형품에 대한 압력을 약 100MPa 미만의 압력으로 강하시키고 가열단계 동안에 압력을 약 100MPa 미만으로 유지시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 성형품에 대한 압력이 가열단계 동안에 약 10 내지 40MPa의 압력으로 강하되어 유지되는 방법.
  27. 제25항에 있어서, 연마 도구가, 균일 폭의 범위가 약 100 내지 500㎛이고 원주 직경이 약 50 내지 120mm이고 축방향 아버 공극이 약 12 내지 90mm인 디스크인 방법.
  28. 제27항에 있어서, 압착단계 후에 디스크를 금형으로부터 제거하고 가열단계 동안에 디스크에 대해 바이어스된 편평한 플레이트 사이에 디스크를 샌드위치시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  29. 제27항에 있어서, 디스크의 균일 폭의 범위가 약 100 내지 200㎛인 방법.
  30. 제20항에 있어서, 성형품을 압착단계의 압력에서 유지시키면서 가열단계를 수행하는 방법.
  31. 제24항에 있어서, 연마 입자가 활성 금속 피막의 부재하에 제공되는 방법.
  32. 제24항에 있어서, 연마 입자가 혼합단계 전에 거대 분자 두께의 금속층으로 피복되는 방법.
  33. 제24항에 있어서,
    미립자 성분이
    구리(a) 약 45 내지 75중량%
    주석(b) 약 20 내지 35중량% 및
    티탄, 지르코늄, 하프늄, 크롬, 탄탈 및 이들 중 2개 이상의 복합재로 이루어진 그룹으로부터 선택된 활성 금속(c) 약 5 내지 20중량%[여기서, (a), (b) 및 (c)의 총량은 100중량%이다]를 포함하는 방법.
  34. 제33항에 있어서,
    활성 금속 성분의 미세 분말과 유효량의 액체 결합제를 균일 조성물로 혼합하여 점성 페이스트를 형성하는 단계(i),
    연마 입자를 접착 페이스트와 혼합하여 적어도 주요 부분의 입자 표면적을 접착 페이스트로 습윤화시키는 단계(ii) 및
    액체 결합제를 효과적으로 건조시켜 연마 입자에 기계적으로 부착된 활성 금속 분말 입자를 잔류시키는 단계(iii)를 추가로 포함하는 방법.
  35. 제24항에 있어서, 연마 입자가 미립자 성분의 연마 입자 약 20 내지 50용적%를 포함하고 다이아몬드, 질화붕소 입방체, 탄화규소, 융합된 산화알루미늄, 미세결정성 알루미나, 질화규소, 탄화붕소, 탄화텅스텐 및 이들 중 2개 이상의 복합재로 이루어진 그룹으로부터 선택된 연마재로 필수적으로 이루어지는 방법.
  36. 제35항에 있어서, 연마 입자가 다이아몬드인 방법.
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