KR20060122894A - 절삭 공구용 다이아몬드부를 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 절삭 공구용 다이아몬드부를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라서, 단조는 금속 파우더로부터 예비서형되고, 높은 온도가 발생하는 부분에 높은 압력을 가하여, 상기 재료의 다공성을 완전히 밀폐시킬 수 있다. 금속은 고온 동력 전달에 의해 조밀화된다. 상기 단조법은 특히 저비용 금속 분말의 혼합물을 이용하는 다이아몬드부의 제조에 적합하다. 단조 작업은 약 400MPA ~ 700MPA 의 기계적 압력의 폐쇄 다이 적용을 포함하며, 적용 시간은 수초이고, 단조 온도는 1000℃ 미만이다.

Description

절삭 공구용 다이아몬드부를 제조하는 방법{METHOD OF PRODUCING DIAMOND SEGMENTS FOR CUTTING TOOLS}
본 발명은 소결에 의해 절삭 공구용 다이아몬드부를 제조하는 방법에 관한 것으로,
- 다이아몬드 입자와 금속 분말을 혼합하는 단계,
- 처리가능한 예비성형체를 얻기 위해 냉간 압축에 의해 혼합물을 예비성형하는 단계, 및
- 소결을 개시하면서, 압밀 잔류물을 제거하고 예비성형체를 탈산하기 위해 예비성형체를 고온 예비소결하는 단계를 연속적으로 실시한다.
절삭 공구의 다이아몬드부를 제조하는 것은 열 및 기계적 효과에 의해 천연 또는 합성 다이아몬드의 입자와 예정된 조성의 금속 파우더를 통합하는 단계로 이루어진 분말 야금법에 기초한다. 이렇게 얻어진 제품은 기본 금속 파우더의 성질 및 소결 조건에 따라 결정되는 특징을 갖는 소결된 금속으로 구성되는 본체를 갖는다.
다음의 다른 기술들은 통상 다이아몬드부를 제조하기 위해 사용된다.
- 자유 소결: 임의의 기계적 에너지를 제공하지 않고, 중성 또는 환원 분위 기 하에 노에서 통합이 실시된다.
- 압력 소결: 압력 (가스 또는 기계적) 에 의해 추가의 에너지를 제공하여, 중성 또는 환원 분위기 하에 노에서 실시된다.
자유 소결 방법은 900℃ ~ 1200℃의 온도와 대기압에서 실시된다. 제조 사이클 시간은 상당히 길며 (수 시간), 소결된 재료의 조밀도는 약 92% ~ 95% 이다. 소결후, 잔류 다공성 부분은 소결된 재료 및 다이아몬드의 기계적 강도에 해를 끼친다. 다이아몬드의 열안정성은 낮은 압력에서 온도가 1000℃를 초과하는 경우 상당히 영향을 받는다.
기계적 압력 소결 방법은 700℃ ~ 1200℃의 온도와 250 ~400 바 (25 ~ 40 MPA) 의 압력에서 실시된다. 사이클 시간은 약 15 분이며, 조밀도는 약 97% ~ 99% 이다. 이 방법은 상당한 노동력을 요구하며, 로딩을 가하기 위한 흑연 피스톤의 사용은 소비재의 비용을 증가시킨다.
가스 압력 소결 방법은 700℃ ~ 1000℃의 온도와 2000 ~ 2500 바 (200 ~ 250 MPA) 의 압력에서 실시된다. 사이클 시간은 수 시간이며, 조밀도는 약 99% ~ 100%가 얻어진다. 또한, 이 방법은 상당한 노동력과 제조 설비를 위한 투자 비용이 요구된다.
어떠한 소결 장치가 사용되든지, 소결에 의한 다이아몬드부의 표준 제조 단계는 다음과 같다.
- 다이아몬드 입자와 금속 분말의 혼합 단계,
- 혼합물의 압밀을 일으키는 냉간 프레싱에 의한 제품의 예비성형 단계,
- 소결 셀의 조립 단계,
- 자유 또는 압력 소결,
- 소결된 제품을 회복하는 단계,
- 소결된 제품을 마무리하는 단계.
다이아몬드부에서 다이아몬드의 존재는 제조자가 가능한 다이아몬드의 손상을 회피하면서 낮은 온도로 작업해야 하는 것을 의미한다. 더욱이, 알맞은 수명 및 절삭 품질을 갖기 위해, 잔류 다공성은 낮아야하며, 특히 2% 미만이다.
이러한 두 개의 의무는 다음을 필요로 한다.
· 압력이 가해지는 소결 공정의 이용
· 미세 분말은 50 미크론 미만의 입도를 가지며, 소결 조건을 감소시킬 수 있는 비싼 미세 분말의 이용.
이로 인해, 자유 소결과 비교하여 다이아몬드부의 제조 비용이 상당히 추가된다.
야금법에 사용되는 저렴한 금속 분말이 존재하지만, 이들은 거칠고, 특히 50 미크론 이상이다. 이러한 재료는 상기 소결 방법 중 하나에 따라 제조된 다이아몬드 절삭 공구에 사용될 수 없으며, 사용되는 온도 및 압력이 소결된 구조의 다공성을 확실히 감소시키기에 너무 낮다.
본 발명의 제 1 목적은, 소결된 금속 분말을 기초로하여, 낮은 잔류 다공성을 갖는 균질한 구조를 얻을 수 있고, 개선된 기계 특징을 갖는, 절삭 공구용 다이아몬드부를 제조하는 방법을 개발하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이 목적은, 예비소결후, 예비성형체가 400MPA ~ 700MPA 의 기계적 압력의 폐쇄 다이를 적용하여 단조 작업되며, 상기 압력의 적용 시간은 수 초 정도이며, 단조 온도는 1000℃ 미만으로 하여 이루어진다. 단조부의 잔류 다공성은 2% 미만이다.
다이는 200℃ ~ 450℃ 의 온도로 우선적으로 가열되며, 기계 단조의 압력은 프레스 스탬프에 의해 예비성형체에 가해진다. 바람직하게는, 예비소결 전, 예비성형체의 탈왁싱이 420℃ ~ 560℃ 에서 실시되고, 뒤이어 질소 유동 분위기 하에서 냉각이 실시된다.
본 발명의 제 2 목적은 고온 소결에 의한 다이아몬드 제조시 바인더로서 철을 포함하는 저비용 금속 분말의 사용에 관한 것으로, 이에 의해 다공성을 제거하여 구조의 밀도를 증가시키는 것이 가능하다.
바인더는 이를 위해, 40 미크론 이상의 입도를 갖는, Fe, C, Ni 및 Mo 를 포함하는 50wt% ~ 100wt%의 강 분말과, 청동이나 텅스텐 탄화물 또는 바인더의 특성을 변경하기 위해 구성된 임의의 다른 요소 또는 화합물일 수 있는 0 ~ 50wt% 의 요소 A의 혼합물을 포함한다.
강 분말의 조성은
- Fe: 90wt% ~ 97wt%,
- C: 0.01wt% ~ 0.1wt%,
- Ni: 1wt% ~ 3wt%,
- Mo: 0.1wt% ~ 0.8wt% 이며, 크롬, 바나듐 또는 망간과 같은 가능한 다른 요소를 포함한다.
요소 A 가 청동인 경우, 강 분말의 조성은
- Ni: 1.8wt% ~ 2wt%,
- C: 0.06% 미만,
- Mo: 0.5% ~ 0.6%,
- Mn: 0.15% ~ 0.25%,
- 잔부가 Fe 이며, 20% 의 청동을 갖는다. 요소 A 인 청동은 유익하게는, 400 메쉬 미만의 입도를 갖는 불규칙한 90/10 청동일 수 있다.
요소 A 가 텅스텐 탄화물인 경우, 강 분말의 조성은
- Ni: 1.5wt% ~ 2wt%,
- Cu: 1.35wt% ~ 1.65wt%,
- C: 0.01wt% 미만,
- Mo: 0.45% ~ 0.6% 이며, 10% 의 텅스텐 탄화물을 갖는다. 요소 A 인 텅스텐 탄화물은 35 미크론 미만의 입도를 갖는다.
다른 장점 및 특징이 비한정적인 본 발명의 특별한 실시예 및 첨부된 도면에 기재된 바에 의해 다음 설명으로부터 더 명확해진다.
도 1 은 본 발명에 따른 제조 방법의 단계의 개요도이다.
도 2 는 폐쇄 및 가열된 다이 단조 단계의 개략적인 단면도이다.
본 발명은 금속 분말로 이루어진 예비성형된 부품에 높은 압력을 가하고, 높은 온도로 가열하여, 이러한 재료의 다공성을 완전 폐쇄시킬 수 있는 단조 기술의 이용에 관한 것이다.
금속의 조밀화는 고온의 역동성 에너지 전달에 의해 이루어진다. 이러한 단조 기술은 특히, 종래의 소결된 바인더를 대체하기 위해 저비용 금속 분말의 혼합물을 이용하는 다이아몬드부를 제조하기 위해 적합하다.
본 발명에 따른 방법에 사용된 금속 분말의 2 가지 조성예가 이하 기재된다.
예 1: 강 및 청동기 분말
·Fe : ＞90%
·C : ＜0.06%
·Ni : 1% - 2%
·Mo : 0.5% - 0.6%
·Mn : 0.15% - 0.25%
입도 + 250μ: 0%
150μ-250μ: 18%
45μ-150μ: 잔부
＜45μ: 15 - 30%
를 포함하는 80wt% 의 강 분말, 및 400 메쉬 미만의 불규칙한 20wt% 의 90/10 청동의 혼합물.
이 혼합물은 특히, 경질 콘크리트를 절삭하기 위한 공구를 제조하기 위해 적합하다. 다이아몬드 조성은, 절삭의 종류, 공구의 직경, 및 기계 분말에 따라 가변적이다.
예 2: 강 및 텅스텐 탄화물기 분말
·Fe : ＞90%
·C : ＜0.01%
·Ni : 1.58% - 1.93%
·Cu : 1.35% - 1.65%
·Mo : 0.45% - 0.55%
입도 + 212μ: 0%
180μ-212μ: ＜2%
150μ-180μ: 잔부
150μ-212μ: ＜12%
45μ-150μ: 잔부
＜45μ: 15 - 30%
를 포함하는 90wt% 의 강 분말, 및 35μ 미만의 입도를 갖는 10wt% 의 텅스텐 탄화물의 혼합물.
이 혼합물은 특히, 아스팔트를 절삭하기 위한 공구를 제조기 위해 적합하다. 다이아몬드 조성은 가변적이며, 절삭의 종류, 공구의 직경, 및 기계의 전력에 따라 가변적이다.
흑연, 탄소화 처리되거나 되지 않은 철 합금, 청동, 구리와 같은 다양한 요소의 첨가는 이러한 바인더가 다이아몬드 공구를 이용하는 임의의 절삭에 적합할 수 있도록 하는 특성을 가질 수 있다.
다이아몬드부를 제조하는 방법의 다른 단계는 도 1 에 도시되어 있다.
단계 1: 분말의 조제 및 혼합
두 실시예 (실시예 1 또는 2) 중 하나에 따른 금속 분말은 우선, 소정의 비율로 다이아몬드 입자와 혼합된다.
단계 2: 냉간 압축
혼합물의 냉간 압축에 의한 이 압밀 작업은 처리가능한 예비성형체를 얻기 위해 유압 및 기계 프레스로 적합한 몰드를 갖는 종래의 방식으로 실시된다. 100 ~ 600 MPA 의 통상적인 압력가 혼합물의 금속 분말의 성질에 따라 결정된다.
단계 3: 예비소결
이 작업은 본질적으로 유기 압밀 잔류물을 제거하고, 일부를 탈산하고, 소결을 시작하기 위해 구성된다.
통상의 탈왁싱은 5 ~ 30 분 동안, 420℃ ~ 560℃ 에서 실시된다.
그 후, 예비소결이 3 ~ 30 분 동안, 820℃ ~ 900℃ 에서 환원 가스 유동 하에 노에서 실시된다. 예비소결은 탈왁싱과 동일한 인클로저 (enclosure) 내에서 이루어질 수 있다.
냉각 후, 예비소결된 부분은 산화 보호층을 수용한다. D17A 유형의 흑연 스프레이가 이를 위해 사용된다. 상기 부분이 냉각되면, 예컨대 870℃ 의 단조 온도에서 중성 또는 환원 가스 하에서 가열이 실시된다.
단계 4: 다공성을 폐쇄하기 위한 단조
단조 작업은 미리 200℃ ~ 450℃에서 가열되고, 윤활된 냉간 다이에서 압력을 가하여 실시된다. 기계 또는 유압 나사 프레스가 프레스로 사용될 수 있다.
기계적 압력은 도 2 에 도시된 바와 같이, 스탬프 (10) 에 의해 예비소결된 부분 (PR) 에 가해진다. 압력은 작업 조건 및 재료에 따라 변한다. 상기 실시예를 위한 값들은 다음과 같다.
- 400 MPA ~ 700 MPA 사이의 단조 압력.
- 다이에서 약 750℃ ~ 850 ℃ 가 입력된 효과적인 단조 온도.
- 5 초 미만의 압력 적용 시간.
단계 5: 후처리
단조된 부분은 샌드블라스트 및 냉각되고, 가능하면 열처리, 및 최종 기계가공된다.
본 발명의 단조 기술의 사용은 종래의 기계 압력 소결보다 비용이 적게 들어, 50 미크론 보다 다소 큰 저렴한 조대 분말을 다이아몬드의 손상 없이 약 750℃ ~ 950℃ 의 비교적 적절한 온도에서 유지하면서 사용될 수 있다. 더욱이, 기계적 특성은 압밀도가 98% 이상으로 얻어진다는 사실 때문에 상당히 개선된다.
7.6 ~ 7.85 의 밀도 증가 (100% 밀도) 는 인장 강도를 40% 증가시키며, 브레이크에서 연신률을 5 배 증가시킨다. 다공성을 감소시켜 탄성을 6 배 증가시키는 반면, 이는 종래 소결에서 얻어진 95% ~ 98%의 압밀도에서는 거의 변하지 않는 다.
따라서, 상기 실시예 1 또는 2 에 따른 분말 혼합물은 쉽게 단조될 수 있고, 절삭 공구를 위한 다이아몬드부를 제조하기 위한 종래의 소결 바인더를 유익하게 대체할 수 있다.

Claims (16)

  1. 소결에 의해 절삭 공구용 다이아몬드부를 제조하는 방법은,
    - 다이아몬드 입자와 금속 분말을 혼합하는 단계,
    - 처리가능한 예비성형체를 얻기 위해 냉간 압축에 의해 혼합물을 예비성형하는 단계, 및
    - 소결을 개시하면서, 압밀 잔류물을 제거하고 예비성형체를 탈산하기 위해 예비성형체를 고온 예비소결하는 단계를 연속적으로 실시하는 것으로 이루어지고,
    예비소결후, 예비성형체는 400MPA ~ 700MPA 의 기계 압력의 폐쇄 다이를 적용하여 단조 작업되며, 상기 압력의 적용 시간은 수 초 정도이며, 단조 온도는 1000℃ 미만인 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 다이아몬드부를 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 다이는 200℃ 내지 450℃ 의 온도로 미리 가열되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 다이아몬드부를 제조하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 기계의 단조 압력은 다이-스탬프 조립체에 의해 예비성형체에 가해지는 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 다이아몬드부를 제조하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 예비소결 전, 예비성형체의 탈왁싱이 420℃ ~ 560℃ 에서 실시되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 다이아몬드부를 제조하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 예비성형체는 냉각후, 산화 방지용 흑연층으로 덮이는 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 다이아몬드부를 제조하는 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 예비성형체는 산화 방지용 가스 유동 하에서 처리되는 것을 특징으로 하는 절삭 공구용 다이아몬드부를 제조하는 방법.
  7. 고온 소결에 의한 다이아몬드부 제조시 바인더로서 철을 포함하는 예비합금 분말의 이용에 있어서,
    상기 바인더는
    - 300 미크론 미만의 입도의 Fe, C, Ni, 및 Mo 를 포함하는 50 ~ 100wt% 의 강 분말, 및
    - 청동이나 텅스텐 탄화물 또는 금속 다이의 특성을 변경하도록 구성된 임의의 다른 요소일 수 있는 0 ~ 50wt% 의 요소 A 의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 소결에 의한 다이아몬드부 제조시 바인더로서 철을 포함하는 예비합금 분말의 이용.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 강 분말의 조성은
    - Fe: 90wt% ~ 97wt%,
    - C: 0.01wt% ~ 0.1wt%,
    - Ni: 1wt% ~ 3wt%,
    - Mo: 0.1wt% ~ 0.8wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 소결에 의한 다이아몬드부 제조시 바인더로서 철을 포함하는 예비합금 분말의 이용.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 강 분말은 또한 0.1% ~ 0.8% 의 Mn 을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 소결에 의한 다이아몬드부 제조시 바인더로서 철을 포함하는 예비합금 분말의 이용.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 강 분말의 조성은 20% 의 청동을 가지며,
    - Ni: 1.8wt% ~ 2wt%,
    - C: 0.06wt% 미만,
    - Mo: 0.5wt% ~ 0.6wt%,
    - Mn: 0.15wt% ~ 0.25wt%,
    - 잔부가 Fe 인 것을 특징으로 하는 고온 소결에 의한 다이아몬드부 제조시 바인더로서 철을 포함하는 예비합금 분말의 이용.
  11. 제 8 항에 있어서, 강 분말의 조성은 1% ~ 2% 의 Cu 를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 소결에 의한 다이아몬드부 제조시 바인더로서 철을 포함하는 예비합금 분말의 이용.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 강 분말의 조성은 10% 의 텅스텐 탄화물을 가지며,
    - Ni: 1.5wt% ~ 2wt%,
    - Cu: 1.35wt% ~ 1.65wt%,
    - C: 0.01wt% 미만,
    - Mo: 0.45wt% ~ 0.6wt% 인 것을 특징으로 하는 고온 소결에 의한 다이아몬드부 제조시 바인더로서 철을 포함하는 예비합금 분말의 이용.
  13. 제 10 항에 있어서, 요소 A 인 청동은 불규칙한 90/10 청동인 것을 특징으로 하는 고온 소결에 의한 다이아몬드부 제조시 바인더로서 철을 포함하는 예비합금 분말의 이용.
  14. 제 12 항에 있어서, 요소 A 인 텅스텐 탄화물은 35 미크론 미만의 입도를 갖는 것을 특징으로 하는 고온 소결에 의한 다이아몬드부 제조시 바인더로서 철을 포함하는 예비합금 분말의 이용.
  15. 제 7 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 냉간 압축에 의한 혼합물의예비성형이 실시된 후, 400MPA ~ 700MPA의 기계 압력 및 750℃ ~ 900℃의 단조 온도에서 일어나는 예비성형체의 냉간 예비소결이 일어나는 것을 특징으로 하는 고온 소결에 의한 다이아몬드부 제조시 바인더로서 철을 포함하는 예비합금 분말의 이 용.
  16. 제 15 항에 있어서, 단조부의 잔류 다공성은 2% 미만인 것을 특징으로 하는 고온 소결에 의한 다이아몬드부 제조시 바인더로서 철을 포함하는 예비합금 분말의 이용.
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