KR20120011282A - 유리가공을 위한 다이아몬드 메탈공구 및 그 제조방법 - Google Patents

유리가공을 위한 다이아몬드 메탈공구 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유리가공을 위한 다이아몬드 메탈공구 및 그 제조방법에 관한 것으로, 샹크(shank), 지석부로 구성된 다이아몬드 메탈공구의 제조방법에 있어서, (a) 금속 결합체 및 다이아몬드 지립을 혼합하는 단계; (b) 상기 혼합된 물질에 탄화성 재질의 분말을 혼합하여 상기 지석부를 형성하는 단계; (c) 상기 지석부를 상기 샹크(shank)에 결합하는 과정으로서, 상기 지석부를 열처리하여 상기 지석부내에 탄화성 기공을 형성하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명을 제공하면, 기공성 효과로 인해 공구의 탄성계수가 증가하여, 글라스의 연마과정 중에 생기는 미세한 진동을 공구 자체에 흡수하는 결과를 가져와 연마 면의 품질을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연마 중 발생하게 되는 열변형을 줄일 수 있으며(금속재의 열변형시 탄성체에 의한 보정), 이로써 연마 면의 품질 및 제품의 편평도를 증가시킬 수 있다.

Description

유리가공을 위한 다이아몬드 메탈공구 및 그 제조방법{metal bond abrasive tool for glass, and thereof method}
본 발명은 절삭성이 증가 및 피삭제의 연마 데미지를 감소시키기 위한 융착식 다이아몬드 메탈공구 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 글라스의 연마과정 중 발생하는 미세크랙과, 치핑의 발생빈도를 줄일 수 있는 메탈공구 및 그 제조방법에 관한 발명이다.
도 1은 일반적인 다이아몬드 공구가 도시된 평면도이다. 일반적으로 다이아몬드 공구(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 가공물의 표면을 절삭 또는 연마 처리하는 데 사용되는 공구로서, 회전 장치 등에 결합하기 위한 샹크(12)와, 상기 샹크에 부착되어 가공물의 내경 또는 내면이나 외륜, 내륜 등을 가공하는 가공부(14)로 이루어진다. 여기서, 상기 샹크(12)는 금속재질로 이루어지고, 상기 가공부(14)는 결합재에 다이아몬드 지립을 분산하여 제작된다.
전술된 다이아몬드 공구는 토목, 건설, 석재, 또는 정밀 가공 등에서 광범위하게 이용되고 있으며, 그 예로는, 쏘(saw), 코어드릴(core drill), 커터(cutter), 프로파일러(profiler), 엔드밀(end mill) 등과 같은 토목/건설/석재용 공구와 스트레이트휠(straight wheel), 아이디휠(ID wheel), 로터리 드레서(rotary dresser), 에지 연마휠(edge grinding wheel) 등이 있으며, 최근에는 화학적/기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing: 'CMP'라 칭함) 공정에 사용되는 연마 패드용 컨디셔너(Pad Conditioner) 등의 정밀가공용 공구로도 사용된다.
통상, 다이아몬드 공구의 제조를 위해서는 소결 등의 열처리 공정이 요구되며, 소결에 사용되는 결합재로는 결합강도가 매우 높은 니켈계 결합재가 주로 사용된다. 이러한 니켈계 결합재의 용융 온도는 900℃~1100℃이며, 이러한 범위의 온도에서는 다이아몬드가 산화 혹은 탄화하는 문제점이 있다.
천연 다이아몬드는 고온에서 산화 및 탄화 현상이 발생되지 않는 매우 안정한 물질이다. 하지만, 다이아몬드 공구의 제작에 주로 사용되는 인조 다이아몬드는 600℃ 이상이 되면 산화 현상이 발생한다. 또한 인조 다이아몬드는 내부에 함유된 니켈 등으로 인하여 온도가 900℃ 이상이 되면 탄화 현상이 발생되어 강도가 크게 저하되고, 따라서 다이아몬드 공구의 가공성 및 수명도 크게 저하된다.
따라서 다이아몬드의 산화 및 탄화를 방지하기 위하여 진공 분위기로 형성된 진공로에서 소결하는 방법과, 환원성 가스인 수소 분위기에서 소결을 행하는 방법이 널리 이용되고 있다. 이외에 질소 가스 분위기 혹은 불활성 가스 분위기 혹은 환원성 가스, 질소 가스, 불활성 가스의 혼합 가스 분위기에서 소결을 행하는 것도 가능하다.
그러나, 이러한 다이아몬드 메탈 공구 중 유리 또는 글라스와 같은 강도가 약한 피삭제를 연마하는 공구에 있어서, 다이아몬드 지립은 절단 및 드릴링, 드레싱, 연마 등의 연마제로서 사용되고 있지만, 상술한 글라스 가공에 있어서 경화된 금속본딩 구조로는 연마면의 매끄러운 표현이 어려운 것이 현 실정이다.
이와 같은 종래의 공구로는 피삭제의 연마 데미지를 줄이기가 힘들고, 글라스 등과 같은 피삭제의 연마 과정 중 발생하는 미세크랙과, 치핑의 발생빈도를 줄일 수 없다는 문제점이 있다.
상술한 문제를 해결하려는 본 발명의 과제는 글라스의 연마과정 중에 생기는 미세한 진동을 공구 자체에 흡수하는 결과를 가져와 연마면 데미지를 줄이고 품질을 증가시키는 제조방법 및 그 메탈공구를 제공하고자 함이다.
또한, 연마 중 발생하게 되는 열변형을 줄일 수 있으며(금속재의 열변형시 탄성체에 의한 보정), 이로써 연마면의 품질 및 제품의 편평도를 증가시키고자 함이다.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명은 유리가공을 위한 다이아몬드 메텔공구의 제조방법으로서, 샹크(shank), 지석부로 구성된 다이아몬드 메탈공구의 제조방법에 있어서, (a) 금속 결합체 및 다이아몬드 지립을 혼합하는 단계; (b) 상기 혼합된 물질에 탄화성 재질의 분말을 혼합하여 상기 지석부를 형성하는 단계; (c) 상기 지석부를 상기 샹크(shank)에 결합하는 과정으로서, 상기 지석부를 열처리하여 상기 지석부내에 탄화성 기공을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (c) 단계는, 소결법, 전착법 및 융착법 중 어느 하나의 방법으로 결합하는 것이 바람직하고, 목분, 무연탄, 코크스 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하며, 상기 (c) 단계는, 불활성 조건, 환원 조건 및 진공 조건에서 이루어지는 것이 바람직하다.
더하여, 상기 (c) 단계는, 상기 지석부를 1000℃ 내지 1300℃ 까지 급격한 온도상승 후, 20 내지 30분간 유지하여 1차 소성하는 단계; 상기 지석부를 750℃ 내지 1000℃까지 상승 후, 1시간 내지 2시간 유지하여 2차 소성하는 단계; 상기 지석부를 1000℃ 내지 1300℃까지 온도상승 후, 1시간 내지 2시간 유지하여 3차 소성하는 단계; 및 상기 지석부를 300℃ 내지 350℃까지 서냉한 후, 3시간 내지 5시간 유지하여 안정화하는 단계를 포함하되, 상기 각 소성단계 사이에 100℃ 내지 200℃까지 50분 내지 80분간 서냉하는 단계를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 금속 결합체는 코발트, 니켈, 은, 티나늄, 동 및 알루미늄이 속하는 군 중 적어도 어느 하나를 재질로 하는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명의 제2 특징은 상술한 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 유리가공을 위한 다이아몬드 메탈공구이다.
이와 같은 본 발명을 제공하면, 기공성 효과로 인해 결과적으로는 공구의 탄성계수가 증가하여, 글라스의 연마과정 중에 생기는 미세한 진동을 공구 자체에 흡수하는 결과를 가져와 연마면 데미지를 줄이고 품질을 증가시킬 수 있다.
또한, 연마 중 발생하게 되는 열변형을 줄일 수 있으며(금속재의 열변형시 탄성체에 의한 보정), 이로써 연마면의 품질 및 제품의 편평도를 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유리가공을 위한 다이아몬드 메탈공구의 제조방법의 흐름도를 예시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 유리 가공을 위한 다이아몬드 메탈공구의 구성을 예시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 또다른 실시예로서, 유리가공을 위한 다이아몬드 메탈공구의 제조방법 중 샹크와 지석부를 결합하는 과정에서 탄화성 기공을 형성하는 단계의 세부 흐름도를 예시한 도면이다.
이하에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 유리가공을 위한 다이아몬드 메탈공구의 제조방법의 흐름도를 예시한 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제조방법은 샹크(shank), 지석부로 구성된 다이아몬드 메탈공구의 제조방법에 있어서, (a) 금속 결합체 및 다이아몬드 지립을 혼합하는 단계(S100); (b) 상기 혼합된 물질에 탄화성 재질의 분말을 혼합하여 상기 지석부를 형성하는 단계(S200); 및 (c) 상기 지석부를 상기 샹크(shank)에 결합하는 과정으로서, 상기 지석부를 열처리하여 상기 지석부내에 탄화성 기공을 형성하는 단계(S300)를 포함한다.
이처럼 본 발명은 다이아몬든 메탈공구의 제조방법에 있어서, 금속 결합체 및 다이아몬드 지립과 함께, 탄화성 재질의 분말을 혼합하여(S100) 샹크(shank)에 결합되는 지석부를 형성하고(S200), 이를 결합하는 과정으로서 단계별 열처리 과정을 통해 탄화성 기공을 형성하는(S300) 것이 특징이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 글라스 연마용 다이아몬드 공구중, 메탈공구 제작과정에 있어서 금속분말 소결체의 합체물 중에 목분, 무연탄, 코크스 등의 분말 등 탄화성 재질의 분말을 일정부분 포함시키는 공정을 추가하는(S200) 구성과, 금속분말 소결체의 합체물과 탄화성 물질을 포함한 다이아몬드 공구를 제조하는 과정 중 고온의 온도에서 열처리를 하는 과정에서, 탄화성 물질이 고온에 의해 탄화되는 과정 중에 발생하는 수축현상으로 인한 탄화기공을 얻을 수 있는 단계의 구성(S300)에 착안하였다.
일반적으로 상술한 메탈공구는 샹크(shank) 상에 부착되어 피삭제(workpiece) 대상을 절상 및 연마하는 지석부와 샹크로 구성된다. 이때 지석부는 복수개의 다이아몬드 지립과 금속 결합재로 이루어진다. 다이아몬드는 인조 및 천연 다이아몬드와 입방정질화붕소(cBN; cubic Boron Nitride)를 일반적으로 지칭하며, 추가적으로 탄화실리콘(silicone carbide) 및 알루미나(alumina) 등의 초연마재, 또는 이들 중 둘 이상의 혼합물을 의미하는 용어인 것을 미리 밝혀둔다.
도 2는 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 유리 가공을 위한 다이아몬드 메탈공구(110)의 구성을 예시한 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 메탈공구(110)는 크게 샹크(shank)(120)와 지석부(130)를 포함하는 구성으로, 지석부(130)에는 금속결합체 및 다이아몬드 지립(135)의 혼합체에 탄환성 재질을 통해 형성된 기공(137)으로 구성된다.
즉, 본 발명에 있어서 특징적 구성은 탄화성 기공(137)이며, 탄화성 재질이 어떻게 기공(137)을 형성하게 하는지에 대한 착안이며, 탄화성 기공(137)은 순수한 탄소 즉, 카본이 아니며 카본으로 변형되는 중간단계 및 완벽한 카본으로 형성되는 과정 중에 발생하는 수축현상으로 인한 기공(137)이다.
이와 같은, 메탈공구(110)에 다이아몬드 지립(135)의 분산과 함께 일정한 탄화성 기공(137)의 형성되기 때문에, 종래의 유리 또는 글라스의 연마과정에서 발생하는 미세크랙과, 치핑의 발생빈도를 줄일 수 있게 된다.
물론, 기존의 메탈공구(110)에서도 고온에서 탄화물이 미세하게 발생할 수 있으나, 그 양이 미미하며, 본딩구조 상에서 차지하는 기공(137)성이 미미하여 의미가 없고, 또한 종래에는 기공(137)성을 산화 알루미늄을 통해서 형성하려고 시도하고 있으나, 형성된는 기공(137)의 수가 극히 미미한 반면, 본 발명에서 제안한 방법으로 탄화성 물질을 포함시켜 열처리하게 되면, 훨씬 많은 수의 탄화성 기공(137)을 형성하게 된다.
여기서, 샹크(shank)(120)에 지석부(130)를 결합하는 방법으로, 소결법, 전착법 및 융착법 중 어느 하나의 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 소결법은 결합재 금속과 지립(135)을 미리 혼합, 프레스성형, 소결하고 난 후 융착 또는 레이저 용접 등을 이용해서 소결팁을 샹크에 접합한다. 전착법은 습식 전기도금에 의해 니켈 등의 결합재를 이용해 지립(135)을 샹크에 부착시키고, 융착법은 결합재 금속과 바인더가 혼합된 액상 페이스트(paste)를 샹크에 도포한 후 지립(135)을 분산시켜 고온에서 샹크와 접합시킨다.
이와 같은 절삭 공구의 약 80%이상을 차지하는 소결법에 의해 제조된 절삭 공구는 지립(135)이 다층 불균일로 배열되어 있고 매우 복잡한 샹크에는 대응하지 못하는데 비해, 전착법과 융착법은 단층 불균일 배열 혹은 균일 배열이 가능하며 특히 복잡한 형상의 절삭 공구의 제조에 적합하다. 또한 소결법과 전착법은 다이아몬드 지립(135)과 결합재가 화학반응이 수반되지 않으므로 상대적으로 보지력(retention force)이 약한 기계적 결합인데 비하여, 융착법은 지립(135)과 결합재 계면에 강력한 화학적 결합이 이루어지며 이에 따라 공구 사용중 지립(135)의 탈락이 거의 없으며, 많은 비용과 시간이 소모되는 드레싱 공정이 필요 없고 양방향 절삭 및 연마가 가능 하다는 장점이 있다.
이에 따라 융착법에 의해 제조된 절삭공구 또는 메탈공구(110)는 소결법이나 전착법에 비해 절삭 성능이 매우 우수하고 특히 건식법이나 DIY(do it yourself) 제품으로 가장 적합한 특성을 가진다. 더욱이 융착법은 지립(135) 노출의 최대화 및 정밀한 지립(135) 간의 거리 조절이 가능하고 칩 포켓(chip pocket)의 존재로 슬러리 및 연삭액의 원활한 유동성이 확보된다. 더욱이 Ni-Cr 합금을 사용하는 경우 Cr의 첨가에 따라 우수한 내식성을 가지게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 또다른 실시예로서, 유리가공을 위한 다이아몬드 메탈공구(110)의 제조방법 중 샹크와 지석부(130)를 결합하는 과정에서 탄화성 기공(137)을 형성하는 단계의 세부 흐름도를 예시한 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 또 다른 실시예로 도 1의 (c) 단계는, 상기 지석부(130)를 1000℃ 내지 1300℃ 까지 급격한 온도상승 후, 20 내지 30분간 유지하여 1차 소성하는 단계; 상기 지석부(130)를 750℃ 내지 1000℃까지 상승 후, 1시간 내지 2시간 유지하여 2차 소성하는 단계; 상기 지석부(130)를 1000℃ 내지 1300℃까지 온도상승 후, 1시간 내지 2시간 유지하여 3차 소성하는 단계; 및 상기 지석부(130)를 300℃ 내지 350℃까지 서냉한 후, 3시간 내지 5시간 유지하여 안정화하는 단계를 포함하되, 상기 각 소성단계 사이에 100℃ 내지 200℃까지 50분 내지 80분간 서냉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 실시예는 탄화성 기공(137)을 형성하는 단계로, 단계별 소성과정과, 서냉과정 및 안정화 과정을 포함하는 것을 특징을 한다. 이러한 과정을 통해 지석부(130)에 포함된 탄화성 재질의 분말이 고온에서 탄화되는 과정 중에 발생하는 수축현상으로 인한 탄화성 기공(137)을 형성하도록 유도하게 된다.
보다 구체적으로 살펴보면, 불활성 조건, 환원조건, 진공조건 등 비산화성 조건에서 1,000℃ ~ 1,300℃의 온도에서 30분간 급격한 열처리 하는 과정중, 탄화성 물질의 탄화조건인 온도 및 진공조건에 의해 탄화되는 1차 소성 과정과, 이 조건에서 100℃ ~ 200℃의 온도까지 50 ~ 80 분간의 서냉과정을 통해 탄화물의 수축을 통한 기공(137)발생하는 과정을 거친다.
그리고, 다시 750℃ ~ 1000℃의 온도에서 2시간 정도의 2차소성 과정을 통해 금속분말 소결체와 다이아몬드 지립(135)체의 본결합을 하는 2차 소성 과정과, 이 조건에서 100℃ ~ 200℃의 온도까지 50 ~ 80분간의 서냉과정을 통해 확보된 탄화기공(137)의 칫수를 줄여주는 2차 서냉 과정과, 다시 1200℃ ~ 1300℃의 온도에서 1시간 가량 본소성을 통해 금속분말 소결체와 다이아몬드 지립(135)체의 결합을 더욱 단단히 하는 3차 소성 과정을 거치게 된다.
이와 같은 단계별 소성과정을 거친 후, 이 조건에서 300℃ ~ 350℃의 온도까지 서냉하여 300℃ ~ 350℃의 온도를 3 ~ 5시간 유지하는 과정을 통해 금속분말체 및 다이아몬드 지립(135)체와 탄화기공(137)의 사이에 이격이나 크랙 등이 발생하지 않도록 하는 안정화 시간을 가지는 과정을 거치게 되면, 상기 지석부(130)상에 다량의 탄화성 기공(137)이 최종적으로 형성하게 된다. 여기서, 상기 금속 결합체는 코발트, 니켈, 은, 티나늄, 동 및 알루미늄이 속하는 군 중 적어도 어느 하나를 재질로 하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 핵심은 탄화성 재질의 분말을 소결체 혼합과정에서 추가하고, 온도와 시간을 달리하여 불활성 조건, 환원조건, 진공조건에서 3단계 소성과정을 거치고, 상기 소성과정 사이에 일정 시간 동안의 서서히 냉각시키는 서냉 과정을 포함하여, 낮은 온도에서 일정 시간 동안 유지시키는 안정화 단계를 포함시켜, 다량의 탄화성 기공(137)을 형성하는 것이다.
이와 같은 본 발명에 따른 메탈공구(110)의 제조방법과 그 방법을 이용한 메탈공구(110)를 제공하게 되면, 기공성 효과로 인해 결과적으로는 공구의 탄성계수가 증가하여, 글라스의 연마과정 중에 생기는 미세한 진동을 공구 자체에 흡수하는 결과를 가져와 연마 면의 품질을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 연마 중 발생하게 되는 열변형을 줄일 수 있으며(금속재의 열변형시 탄성체에 의한 보정), 이로써 연마 면의 품질 및 제품의 편평도를 증가시킬 수 있다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
110: 메탈공구, 120: 샹크(shank), 130: 지석부, 135: 다이아몬드 지립
137: 탄화성 기공

Claims (7)

  1. 샹크(shank), 지석부로 구성된 다이아몬드 메탈공구의 제조방법에 있어서,
    (a) 금속 결합체 및 다이아몬드 지립을 혼합하는 단계;
    (b) 상기 혼합된 물질에 탄화성 재질의 분말을 혼합하여 상기 지석부를 형성하는 단계;
    (c) 상기 지석부를 상기 샹크(shank)에 결합하는 과정으로서, 상기 지석부를 열처리하여 상기 지석부내에 탄화성 기공을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리가공을 위한 다이아몬드 메탈공구의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    소결법, 전착법 및 융착법 중 어느 하나의 방법으로 결합하는 것을 특징으로 하는 유리가공을 위한 다이아몬드 메탈공구의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄화성 재질은,
    목분, 무연탄, 코크스 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유리가공을 위한 다이아몬든 메탈공구의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    불활성 조건, 환원 조건 및 진공 조건에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 유리가공을 위한 다이아몬드 메탈공구의 제조방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 지석부를 1000℃ 내지 1300℃ 까지 급격한 온도상승 후, 20 내지 30분간 유지하여 1차 소성하는 단계;
    상기 지석부를 750℃ 내지 1000℃까지 상승 후, 1시간 내지 2시간 유지하여 2차 소성하는 단계;
    상기 지석부를 1000℃ 내지 1300℃까지 온도상승 후, 1시간 내지 2시간 유지하여 3차 소성하는 단계; 및
    상기 지석부를 300℃ 내지 350℃까지 서냉한 후, 3시간 내지 5시간 유지하여 안정화하는 단계를 포함하되,
    상기 각 소성단계 사이에 100℃ 내지 200℃까지 50분 내지 80분간 서냉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리가공을 위한 다이아몬든 메탈공구의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 금속 결합체는 코발트, 니켈, 은, 티나늄, 동 및 알루미늄이 속하는 군 중 적어도 어느 하나를 재질로 하는 것을 특징으로 하는 유리가공을 위한 다이아몬드 메탈공구의 제조방법.
  7. 제5항의 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 유리가공을 위한 다이아몬드 메탈공구.


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