KR200259896Y1 - 슈퍼피니싱용 비트리파이드 다이아몬드 숫돌 - Google Patents

Abstract

본 고안은 다이아몬드 입자와 골재를 비트리파이드 결합제로 결합한 슈퍼피니시용 비트리파이드 다이아몬드 숫돌에 관한 것으로, 종래 숫돌의 절삭시에 발생되는 작용면에서의 눈막힘, 다이아몬드입자의 예리성 유지 곤란, 절삭 성능의 불안정, 낮은 연삭비, 짧은 수명의 문제를 해결함을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 고안은, 다이아몬드입자(1)를 주 입자로 사용하고, TaC 입자(2)를 보조입자로 사용하며, 다이아몬드 입자의 용적율을 24∼26%로 하며, TaC 입자의 용적율은 17∼19%로 하여, 다이아몬드입자와 TaC 입자의 합계 용적율은 42∼44%로 하며, 비트리파이드 결합제(3)의 용적율은 20∼22%로 하고, 기공(4)의 용적율은 35∼37%로 하며, 비트리파이드 결합제의 화학조성(wt%)은 SiO₂44.5∼44.9%, Al₂O₃12.2∼12.6%, B₂O₃11.6∼12.0%, CaO 1.8∼2.0%, MgO 2.8∼3.0%, ZnO 7.4∼7.6%, BaO 1.4∼1.6%, Na₂O 7.4∼7.6%, K₂O 3.4∼3.6%, Li₂O 2.4∼2.6%, Fe₂O₃0.48∼0.50%, TiO₂0.54∼0,56%, MnO₂0.12∼0.14%, P₂O₅2.4∼2.6%, F₂0.12∼0.14%로 구성된다.

본 고안의 숫돌은 슈퍼피니싱 중에 입자의 예리성이 항상 유지되며, 연삭비가 크며, 숫돌의 수명이 길어진다. 이 고안의 슈퍼피니싱 숫돌은 종래에 많이 사용된 보조입자인 알루미나 또는 탄화규소를 사용한 경우에 비하여 1.6배 이상의 연삭비가 얻어진다.

또한, 740℃ 이하의 저온에서 소결이 가능하므로 다이아몬드입자를 산화시키지 않고, 소결시에 환원성 분위기나 불활성 분위기가 불필요하며, 대기 중에서 저렴한 장치 구성으로 작업을 행할 수 있게 되어 에너지 코스트가 절감되며, 소결 작업시간이 단축되고, 낮은 비용으로 제조할 수 있게 되었다.

Description

슈퍼피니싱용 비트리파이드 다이아몬드 숫돌{Vitrified diamond stone for superfinishing}

최근, 슈퍼피니싱 가공을 필요로 하는 볼베어링 레이스면, 원통내면 및 원통외면, 또는 평면 등의 슈퍼피니싱용 숫돌로서 다이아몬드 등의 초경질 입자를 비트리파이드 결합제로 결합한 비트리파이드 슈퍼피니싱 숫돌을 적용하기 위한 개발이 행해지고 있다.

이와 같은 비트리파이드 슈퍼피니싱 숫돌은, 예를 들면 공작물 1개를 슈퍼피니싱 가공하는데, 1㎛/Pc. 이하라는 극히 미량의 숫돌 마멸량과 높은 절삭성이 요구되는 것으로서, 숫돌 작용면의 상태가 절삭성에 크게 영향을 주므로 절삭시에 절삭칩을 효율 좋게 배출하고, 숫돌 작용면을 항상 청정하게 유지할 필요가 있다. 특히, 슈퍼피니싱 가공에서는 절삭칩의 배출이 원활하게 행해지지 않는 경우, 절삭칩은 숫돌 작용면에 용착한다. 이 금속 용착층은 가공면을 강하게 압입시키며, 때로는 이상 마멸의 원인으로 작용한다.

이 때문에 종래의 슈퍼피니싱용 비트리파이드 다이아몬드 숫돌은 숫돌 고유의 기공을 보다 강조한 다공질로 하든지, 또는 적극적으로 기공을 형성시키는 방법을 택하여 절삭칩의 배출이 용이하게 하는 방안을 시도하여 왔다.

또한 다른 해결 방안으로는 알루미나 또는 탄화규소를 보조입자로서 사용하여, 절삭칩의 눈메꿈이나 다이아몬드입자의 용착을 방지하고, 다이아몬드입자의 예리성을 유지하려는 시도도 행해져 왔다.

그러나, 상기의 슈퍼피니싱용 비트리파이드 다이아몬드 숫돌의 절삭성을 높이는 목적으로, 그 기공 용적 및 기공수를 증가시키면, 입자 주변의 공극 및 공간이 증가하는 결과, 입자의 지지 강도가 약해지고, 숫돌의 수명이 짧아지는 문제가 있었다.

이와 같은 문제점에 대처하기 위한 하나의 수단으로서, 기공의 증가와 함께 결합제량을 증가시키고, 입자의 배합비율을 적당히 적게 한다면, 발생하는 절삭칩이 감소된다고 생각된다. 그러나, 이 경우에는 절삭시의 압력하에서 각 입자당에 걸리는 부하가 증가하므로, 결국은 숫돌 마멸량이 증가하여 숫돌 수명은 짧아지고, 또한 입자의 골재적 역활이 불충분하게 되어 제조시의 숫돌 변형량이 커지는 문제가 발생한다.

또한 Al₂O₃, SiC 등의 입자를 보조 입자로 사용하면, 슈퍼피니싱 작업 중에 피삭재와의 마찰에 의해 연삭저항이 증가되기 쉽다. 이와 같은 연삭저항의 증대 때문에 결합제의 파손이 발생하며, 큰 부하에 견딜 수 없게 되어, 입자의 파손 및 탈락이 발생하고, 이것에 의해 다이아몬드입자를 지지하는 주변 조직이 취약화 된다. 따라서 다이아몬드입자의 유지력이 약하게 되고, 탈락이 발생하며, 절삭날 수가 감소된다. 이 결과 다이아몬드 입자 1개 당의 부하가 증대되고, 다이아몬드 입자의 탈락이 빈번히 발생하는 현상이 지속되어 수명이 극히 짧아진다. 또한 알루미나와 비트리파이드 결합제와는 친화성이 좋지 않기 때문에 슈퍼피니싱 중에 알루미나 입자가 탈락되기 쉽다. 따라서 알루미나 입자의 탈락에 의해 결합도가 낮아져서 다이아몬드입자의 유지력이 저하되어 다이아몬드입자의 조기탈락을 일으키는 문제도 발생한다.

이 고안은, 상기의 슈퍼피니싱용 비트리파이드 다이아몬드 숫돌의 절삭시에 그 작용면에 눈막힘이 없고, 다이아몬드입자의 예리성이 장시간 유지되며, 절삭 성능이 장시간 안정하게 유지되도록 함과 동시에, 양호한 연삭비로 긴 수명의 슈퍼피니싱 숫돌이 되도록 하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 고안 슈퍼피니싱 숫돌의 조직을 나타내는 상태도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 다이아몬드 입자 2 : TaC 보조 입자

3 : 비트리파이드 결합제 4 : 기공

도 1은 본 고안의 슈퍼피니싱용 비트리파이드 다이아몬드 숫돌의 조직을 보이는데, 다이아몬드입자에 TaC 입자를 보조입자로 사용하며, 다이아몬드 입자(1)의 용적율을 24∼26%로 하며, TaC 입자(2)의 용적율은 17∼19%로 하여, 다이아몬드입자와 TaC 입자의 합계 용적율은 42∼44%로 하며, 비트리파이드 결합제(3)의 용적율은 20∼22%로 하고, 기공(4)의 용적율은 35∼37%로 한다. 다이아몬드입자와 TaC 입자의 합계 용적율을 46% 보다 크게 한 경우는 기공의 용적율이 작아져서 피삭재에 연삭 버닝이 발생하기 때문에 바람직하지 않다. TaC 입자의 용적율이 소성후의 용적율의 15%보다 낮은 경우는 슈퍼피니싱면 거칠기의 개선 효과가 기대되기 힘들며, TaC 입자의 용적율이 소성후의 용적율의 25% 보다 높은 경우는 숫돌 마멸량을 증가시키고 절삭량도 저하시켜서 다듬질 성능을 악화시키는 문제가 발생한다.

높은 경도는 숫돌입자로서의 필요 조건이지만, 이 점에서 TaC는 알루미나 및 탄화규소질 입자에 비해 낮기 때문에, 숫돌입자로는 아직 실용화는 되지 않았었다. 그러나 TaC는 화학적으로 불활성으로 구성인선이 생성되기 어렵기 때문에 서멧 재종의 절삭공구로서 많이 사용되어 왔다.

본 고안에 의한 숫돌의 슈퍼피니싱 성능은 종래의 슈퍼피니싱용 비트리파이드 다이아몬드 숫돌에 비하여 오히려 우수하다. 즉, 전 입자 중에서 절삭에 관여하는 것은 주로 다이아몬드 입자이며, TaC 입자는 다이아몬드 입자의 유지와 보조적인 절삭작용을 행한다. TaC의 경도는 알루미나 입자나 탄화규소 보다 낮지만, 금속이나 연질 세라믹의 경도보다는 상당히 높아서 보조 절삭의 역할은 충분히 행하게 된다.

또한 TaC 입자는 특히 금속에 대하여 화학적으로 불활성이며, 그 우수한 파쇄성과 맞물려서 슈퍼피니싱 숫돌의 작용면으로의 절삭칩의 용착에 의한 눈메움 현상이 없다. 따라서 TaC를 보조 입자로서 사용하는 비트리파이드 다이아몬드 숫돌은입자의 예리성이 양호하고, 긁힘이나 연삭버닝 등의 문제도 현저히 억제된다.

TaC의 입자경은 분산을 좋게 하기 위하여 작을수록 좋고, 다이아몬드 입자와 동등한 크기를 가지는 것이 바람직하다. 다이아몬드 입자에 비해 TaC의 입자가 작은 경우는 충진 밀도가 상승하고, 비트리파이드 슈퍼피니싱 숫돌 고유의 다공질 구조를 저해하는 문제가 발생한다. 또한 TaC의 입자가 큰 경우에는 균일한 숫돌 표면에 의한 마멸억제 효과가 없어지고, 최종 다듬질용 숫돌로서의 다듬질면 거칠기, 다듬질면 상태와 다듬질 성능에 악영향을 미치게 된다. 따라서 혼합되는 입자는 평균 입경 약 3.1㎛로 다이아몬드 입자와 동등 크기로 하는 것이 바람직하다.

또한, 비트리파이드 결합제의 화학조성(wt%)은 SiO₂44.5∼44.9%, Al₂O₃12.2~12.6%, B₂O₃11.6∼12.0%, CaO 1.8∼2.0%, MgO 2.8∼3.0%, ZnO 7.4∼7.6%, BaO 1.4∼1.6%, Na₂O 7.4∼7.6% , K₂O 3.4∼3.6%, Li₂O 2.4∼2.6%, Fe₂O₃0.48∼0.50%, TiO₂0.54∼0.56%, MnO₂0.12∼0.14%, P₂O₅2.4∼2.6%, F₂0.12∼0.14%로 한다.

B₂O₃의 함유량을 11.6∼12.0%로 한 것은, B₂O₃의 함유량이 너무 낮으면 충분한 소결을 위하여 높은 소결온도가 필요하여 본 고안의 목적을 달성하기 어렵기 때문이다. B₂O₃의 함유량이 너무 높으면 용융 점도가 낮아서 유동성이 증대하고, 결합강도가 저하되기 때문이다.

본 고안의 비트리파이드 결합제에서 SiO₂의 함유율이 44.5∼44.9%이다. SiO₂의 함유율이 너무 낮으면 결합강도가 저하되며, SiO₂의 함유율이 너무 높으면 충분한 소결을 위해서는 높은 소결온도가 필요하며, 본 고안의 목적을 달성하기 어렵게 된다.

본 고안에 의한 Al₂O₃의 함유량은 12.2∼12.6%이다. Al₂O₃의 함유율이 너무 낮으면, 소결후의 결합제의 안정성이 저하된다. 또한 Al₂O₃의 함유량이 너무 높으면 용융점도가 높아져서 입자와의 젖음성이 저하된다.

CaO와 MgO의 함유량이 너무 낮으면 충분한 소결을 위해서는 높은 소결온도가 필요하며, CaO와 MgO의 함유량이 너무 높으면 용융 점도가 낮아서 유동성이 증가되고, 입자 유지력이 저하되고, 취성이 커져서 내충격성이 낮아진다. CaO와 MgO는 소결후의 결합제의 안정성의 관점에서 CaO의 함유량은 1.8∼2.0%, MgO의 함유량은 2.8∼3.0%로 하는 것이 바람직하다.

본 고안에서는 혼합 입자의 산화를 방지하고, 열팽창계수를 작게하며, 용융상태에서 결합제의 표면 장력을 낮추며, 입자에 대한 젖음성을 증가시켜 강력한 입자 지지력이 얻어지는 산화물로서 MgO 및 ZnO을 적정량 첨가하여야 한다. MgO 및 ZnO는 양 성분이 공존하는 때에 결합제의 열팽창계수를 낮추고, 소결에 의한 수축은 감소하며, 균일하고 강한 결합구조가 형성된다. 따라서 다이아몬드입자에 TaC 입자를 보조입자로 사용하는 경우에, TaC 입자의 지지 강도를 저하시키지 않고 2종류의 혼합 입자에 의해 다듬질 성능과 연삭비가 큰 우수한 숫돌 성능을 구비시킬 수 있다. TaC의 열팽창계수에 비해 다이아몬드의 열팽창계수가 1/2로 작으므로 결합제에 ZnO를 적정량 첨가하여 용융 결합제의 점도를 낮추어 열팽창계수를 저하시키고, 소성후에 냉각이 완료된 때의 입자의 지지력을 높이지만, MgO가 2.5% 미만인 때는 결합제의 융화작용이 현저하지 않고, 4.5%를 넘는 다량에서는 용융시의 비정질 점도가 너무 저하되어 입자 유지력이 약하게 되며, ZnO가 6% 미만의 소량에서는 열팽창계수의 저하에 수반하여 안정되고 치밀한 결합제층을 가진 숫돌 구조로 하는 효과가 적고, 반대로 9%를 넘는 다량에서는 내화성이 현저하게 되어 입자 표면으로의 융착 작용이 방해되어 바람직하지 않다.

또한 K₂O, Na₂O, Li₂O의 함유율이 너무 낮으면 충분한 소결을 위해 높은 소결온도가 필요하며, 함유율이 너무 높으면 열팽창계수가 높아져서 입자와의 경계부에서 응력집중이 발생하고, 입자가 탈락하기 쉽게 되며, 더욱이 입자와의 열팽창계수의 차이가 커져서 결합력이 저하된다. 따라서 K₂O 1.8∼2.0%, Na₂O 7.4∼7.6%, Li₂O 2.4∼2.6%의 함유율로 하는 것이 바람직하다.

또한 B₂O₃, Li₂O, F₂, P₂O₅, Na₂O, K₂O는 결합제 성분 중의 SiO₂의 무정질화가 용이하게 되도록, 740℃의 비교적 저온에서 용융하는 각종 용제로 작용하는데, 미세 입자인 다이아몬드 및 TaC의 산화를 방지하기 위해서는 결합제 중의 강력한 용융제인 B₂O₃, Li₂O, F₂, P₂O₅, Na₂O, K₂O를 본 고안의 함유량 보다 다량 함유시키는 것은 좋지 않다.

〈실시예〉

숫돌의 성형 방법으로는, 표 1에서 보이는 결합제의 조성으로 된 혼합물을 내열 금형 캐비티내에 상기 혼합물을 가압 충진하고, 본 고안의 실시예(1)의 경우는 다이아몬드 및 TaC 입자의 평균 입경을 약 3.1㎛으로 하였으며, 최고온도 740℃에서 소성하였고, 비교예(1)∼비교예(15)의 경우는 결합제의 조성에 따라 적절한 최고온도가 되도록 온도를 변화시켰다. 소성한 숫돌은 금형속의 열간에서 160N/㎠의 면압력으로 가압하고, 냉각후에 취출하여 시험편으로 이용하였다. 표 1의 모든 시험편은 표 3의 실시예(1)과 같이 다이아몬드입자가 25%, TaC 입자가 18%로 입자의 용적율을 동일하게 하였다.

얻어진 시험편에 대하여, 이하에 보이는 조건으로 원통 외면 슈퍼피니싱 시험을 행하고, 절삭량, 숫돌마멸량, 연삭비 및 다듬질 표면거칠기를 측정하고, 이 결과를 표 2 중에 병기하였다.

원통 외면 슈퍼피니싱 시험은 Morel제 CG400형 원통 외면 슈퍼피니싱머신을 사용하여 행하였으며, 공작물은 베어링강 STB2, 경도 HRC 58/62, 직경 30mm, 가공길이 13mm, 전가공의 연삭면 거칠기 1.2㎛Rz 이었으며, 슈퍼피니싱 조건은, 공작물 회전수 408rpm, 숫돌 진폭 2mm, 숫돌 진동수 1400cpm, 숫돌면압력 100N/㎠, 가공시간 1분, 입자의 절삭 방향으로의 최대 경사각 18° 로 하였으며, 숫돌형상은 각형, 숫돌치수는 공작물의 원주 방향의 숫돌폭 3mm, 가공길이에서의 숫돌 치수 11mm, 공작물에 대응한 숫돌 오목R면의 성형은 기계다듬질로 하였다. 또한 슈퍼피니싱머신에 설치한 후는 공작물과 숫돌 사이에 연마포지 120메쉬를 사용하여 드레싱 성형하였다.

절삭유는 저점도광유90%와 유화지방유 10%의 혼합유를 사용하였으며, 측정조건은 시료수를 각 시험편당 15개로 하고, 5개를 숫돌의 초기 적응용으로 사용하였으며, 그 후의 10개의 측정치를 본 시험 결과로 하였다.

결합제의 화학조성을 표 1과 같이 변화시킨 경우에, 표 2의 테스트 결과에서 보이는 바와 같이 본 고안의 결합제로 된 실시예(1)의 연삭비가 가장 높았으며, 다듬질면 거칠기도 가장 좋다. 표 1과 표 2에서 알 수 있는 바와 같이 Fe₂O₃, TiO₂, CaO, MgO, Na₂O, K₂O, Li₂O, B₂O₃, MnO₂, P₂O₅, ZnO, F₂의 첨가가 연삭비의 향상에 상당한 효과가 있다고 판단된다.

표 3은 결합제 조성을 상기 표 1의 본 고안의 실시예(1)과 동일하게 한 경우에, 실험에 사용한 테스트 숫돌의 입자 용적율을 보인다. 모든 테스트숫돌의 제조방법은 표 1의 경우와 동일하게 하였다. 표 3에 기재된 모든 테스트 숫돌의 시험결과를 표 4에 보인다.

표 4에서 알 수 있는바와 같이 사용 입자의 종류 및 용적율을 달리한 실험에서 본 고안의 입자 용적율인 다이아몬드 입자 25%, TaC 입자 18%로 한 경우가 연삭비가 가장 높고, 다듬질면 거칠기도 가장 좋다. TaC 입자를 보조 입자로 사용하더라도 TaC 입자가 이 보다 많거나 적은 경우는 연삭비가 현저히 저하되며, 보조 입자로서 무라이트나 산화크롬을 적정량 배합한 경우 보다 낮은 성능을 보이고 있다. 따라서 TaC를 사용한 경우에 그 용적율이 매우 중요함을 알 수 있다.

한편 종래에 많이 사용되어 왔던 알루미나나 탄화규소 입자는 보조 입자의 용적율이 실시예(1)과 같더라도 매우 낮은 성능을 보이므로, 알루미나나 탄화규소의 보조 입자로서의 사용은 그다지 바람직하지 않다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 고안의 숫돌은 슈퍼피니싱 중에 입자의 예리성이 항상 유지되며, 연삭비가 크며, 숫돌의 수명이 걸어진다. 본 고안의 슈퍼피니싱 숫돌은 종래에 많이 사용되던 보조입자인 알루미나 또는 탄화규소를 사용한 경우에 비하여 1.6배 가까운 연삭비가 얻어진다. 본 고안은, 종래 보조 입자의 사용이 숫돌의 강도 향상에는 도움이 되더라도 슈퍼피니싱시에 입자의 예리성을 저하시킨 문제를 제거하였다.

또한, 다이아몬드와 TaC의 혼합 입자에 대해 본 고안의 결합제를 사용하는 것에 의해, 다이아몬드입자를 산화시키지 않고 소결하는 때에도 환원성 분위기나 불활성 분위기가 불필요하며, 740℃ 이하의 저온, 대기 중에서 저렴한 장치 구성으로 작업을 행할 수 있게 되어 에너지 코스트가 절감되며, 소결작업시간이 단축되고, 낮은 비용의 슈퍼피니싱용 비트리파이드 다이아몬드 숫돌을 제공할 수 있다.

Claims (1)

1. 다이아몬드 입자(1)의 용적율을 24∼26%로 하며, TaC 입자(2)의 용적율은 17∼19%로 하여, 다이아몬드입자와 TaC 입자의 합계 용적율은 42∼44%로 하며, 비트리파이드 결합제(3)의 용적율은 20∼22%로 하고, 기공(4)의 용적율은 35∼37%로 하며, 비트리파이드 결합제의 화학조성(wt%)은 SiO₂44.5∼44.9%, Al₂O₃12.2∼12.6%, B₂O₃11.6∼12.0%, CaO 1.8∼2.0%, MgO 2.8∼3.0%, ZnO 7.4∼7.6%, BaO 1.4∼1.6%, Na₂O 7.4∼7.6% , K₂O 3.4∼3.6%, Li₂O 2.4∼2.6%, Fe₂O₃0.48∼0.50%, TiO₂0.54∼0.56%, MnO₂0.12~0.14%, P₂O₅2.4∼2.6%, F₂0.12∼0.14%로 된 슈퍼피니싱용 비트리파이드 다이아몬드 숫돌