KR20130014826A - 경도 및 내마모성이 우수한 다이아몬드 공구 및 그 제조 방법 - Google Patents

경도 및 내마모성이 우수한 다이아몬드 공구 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

고가의 합금 대신 비교적 저가인 철(Fe)만을 결합재로 이용함으로써, 저 비용으로 목표로 하는 경도 및 내마모성을 만족하는 다이아몬드 공구 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 다이아몬드 공구 제조 방법은 (a) 구 형상의 Fe 파우더를 볼 밀링하여 납작한 형태의 Fe 파우더를 형성하는 단계; (b) 상기 볼 밀링된 Fe 파우더를 포함하는 결합재와 다이아몬드 입자를 혼합한 후, 소결하여 다이아몬드 소결체를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 다이아몬드 소결체를 샹크의 외주면에 용접으로 결합시켜 절삭 팁을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

경도 및 내마모성이 우수한 다이아몬드 공구 및 그 제조 방법{DIAMOND TOOL WITH EXCELLENT HARDNESS AND DURABILITY OF ABRASION AND METHOF OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 다이아몬드 공구 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 코발트(Co), 니켈(Ni) 등에 비하여 가격이 저렴한 철(Fe)을 다이아몬드 공구의 결합재로 이용함으로써, 저비용으로 목표로 하는 경도 및 내마모성을 만족할 수 있는 다이아몬드 공구 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 다이아몬드 공구는 가공물의 표면을 절삭 또는 연마하는데 사용하는 공구이다. 최근, 다이아몬드 공구는 와이어에 결합한 와이어 쏘우(wire saw)의 형태로도 사용하고 있다.
도 1은 종래에 따른 다이아몬드 공구를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래에 따른 다이아몬드 공구(10)는 몸통을 이루는 샹크(20)와, 상기 샹크(20)에 부착되는 절삭 팁(40)을 포함한다.
절삭 팁 (40)은 다이아몬드 입자(42)와 다이아몬드 입자(44)를 잡아주는 결합재(44, Bond Material)로 이루어진 복합체이다.
이때, 결합재(44)는 다이아몬드 입자(42)를 샹크(20)의 표면에 고착시켜, 절삭 팁(40)이 절삭 기능을 발휘하도록 하는 중요한 역할을 한다. 따라서, 결합재(44)는 다이아몬드 입자(42)와의 접합강도가 높아야 하며, 정상 상태의 절삭이 이루어지도록 내마모성을 갖고 있어야 한다.
또한, 절삭 과정에서 마찰력에 의하여 절삭 팁(40)의 온도가 높아지는 것이 일반적이다. 따라서, 고온에서 결합재(44)와 다이아몬드 입자(42) 간의 결합력 및 고온 강도의 변화가 적은 결합재의 선택이 필요하다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허 제2011-0012033(2011년 2월 9일 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 결합재로 금속분말을 이용하는 다이아몬드 연마공구의 제조 방법이 개시되어 있다.
통상, 종래의 다이아몬드 공구(10)는 결합재(44)로서 코발트(Co)를 사용하고 있다. 이와 같이, 코발트(Co)를 결합재(44)로 이용할 경우, 다이아몬드 입자와의 친화성이 좋아 우수한 기계적 물성을 나타낼 수 있다. 다만, 코발트의 원가가 비싼 관계로 제조 비용이 상승하는 문제가 있다.
이에 대한 대안으로, 결합재로 철(Fe)을 이용하고자 하는 노력이 진행되고 있으나, 이 경우 Fe와 다이아몬드 입자 간의 반응에 의하여 탄화물 생성이 촉진되어 다이아몬드 입자의 강도 저하로 다이아몬드 공구의 성능이 저하되는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 고가의 합금 대신 비교적 저가인 철(Fe)을 결합재로 이용함으로써, 저 비용으로 목표로 하는 경도 및 내마모성을 만족하는 다이아몬드 공구를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조되어, 경도 및 내마모성이 우수한 다이아몬드 공구를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 다이아몬드 공구는 몸체를 이루는 샹크; 및 상기 샹크의 외주면에 결합되며, 다이아몬드 및 결합재를 갖는 절삭 팁;을 포함하며, 상기 결합재는 납작한 형태의 Fe 파우더를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 다이아몬드 공구 제조 방법은 (a) 구 형상의 Fe 파우더를 볼 밀링하여 납작한 형태의 Fe 파우더를 형성하는 단계; (b) 상기 볼 밀링된 Fe 파우더를 포함하는 결합재와 다이아몬드 입자를 혼합한 후, 소결하여 다이아몬드 소결체를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 다이아몬드 소결체를 샹크의 외주면에 용접으로 결합시켜 절삭 팁을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다이아몬드 공구 및 그 제조 방법은 볼 밀링에 의하여 납작한 타원형을 갖는 Fe 파우더를 결합재로 이용하기 때문에 Fe 파우더의 응력 및 표면 에너지의 상승 효과에 기인하여, 다아이몬드 탄화물(Fe3C)의 형성을 억제할 수 있어, 다이아몬드 공구의 성능 저하 문제를 개선할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따라 제조되는 다이아몬드 공구는 코발트(Co), 니켈(Ni), 철(Fe) 등의 합금 대신 비교적 저가인 철(Fe)을 결합재로 이용함으로써, 저비용으로 목표로 하는 경도 및 내마모성을 만족할 수 있다.
도 1은 종래에 따른 다이아몬드 공구를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다이아몬드 공구를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ' 선을 따라 절단하여 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다이아몬드 공구 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 도 4의 볼 밀링 과정을 모식적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 경도 및 내마모성이 우수한 다이아몬드 공구 및 그 제조 방법에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다이아몬드 공구를 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ' 선을 따라 절단하여 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 도시된 다이아몬드 공구(100)는 샹크(120) 및 절삭 팁(140)을 포함한다.
샹크(120)는 연마 장치나 절삭 장치 등에 결합되는 것으로, 스테인리스강 또는 탄소강 재질로 이루어질 수 있다. 이때, 샹크(120)는 휠 또는 판 형태로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양한 형태로 설계 변경될 수 있다.
절삭 팁(140)은 샹크(120)의 외주면에 형성된다. 이러한 절삭 팁(140)은 다이아몬드 입자(142) 및 다이아몬드 입자(142)를 샹크(120)의 표면에 융착시키는 결합재(144)를 구비한다.
다이아몬드 입자(142)는 인조 다이아몬드, 천연 다이아몬드, 입방정 질화붕소, 탄화실리콘 등에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
결합재(144)는 납작한 형태의 Fe 파우더로 이루어지며, 상기 Fe 파우더는 10 ~ 150㎛의 평균 입도를 가질 수 있다. 이때, Fe 파우더는 볼 밀링에 의하여 납작한 타원형을 가질 수 있다. 이러한 Fe 파우더는 납작한 타원형에 제한되는 것은 아니며, 납작한 형태라면 어떠한 형상도 상관 없다.
만일, Fe 파우더의 평균 입도가 10㎛ 미만일 경우에는 볼 밀링 시 볼과의 접촉 면적이 작아 분쇄 효과가 없어 제조 비용만을 상승시키고, 분말 원가가 매우 비싸다는 문제가 있다. 반대로, Fe 파우더의 평균 입도가 150㎛를 초과할 경우에는 치밀한 미세 조직을 확보하는 것이 어려워 결합력이 저하되는 문제를 야기할 수 있다.
한편, 상기 결합재는 볼 밀링된 Fe 파우더에 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 주석(Sn), 텅스텐(W) 및 실리콘(Si) 중 1종 이상이 더 혼합될 수 있다. 이 경우, 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 주석(Sn), 텅스텐(W), 실리콘(Si) 등의 합금 첨가량은 그 합산으로 결합재 전체 중량의 10 중량% 이하인 것이 바람직하다. 구리 등의 첨가량이 결합재 전체 중량의 10 중량%를 초과하는 경우, 소결체의 밀도가 저하되고 경도가 불충분한 문제점이 있다.
종래에는 결합재인 Fe 파우더와 다이아몬드 입자를 절삭 팁으로 성형하여 소결할 경우, Fe 파우더와 다이아몬드 입자 간의 화학적 반응에 의하여 다이아몬드 탄화물(Fe3C)의 생성이 촉진됨에 따라, 다이아몬드 입자의 강도가 저하되는 문제를 야기하므로 인해 다이아몬드 공구의 성능이 저하되는 문제가 있었으나, 본 발명에서는 볼 밀링에 의하여 납작한 형태를 갖는 Fe 파우더를 결합재로 이용하기 때문에 Fe 파우더의 응력 및 표면 에너지의 상승 효과에 기인하여, 다아이몬드 탄화물(Fe3C)의 형성을 억제할 수 있어, 탄화에 의한 다이아몬드 공구의 성능 저하 문제를 개선할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 다이아몬드 공구는 코발트(Co), 니켈(Ni), 철(Fe) 등의 합금 대신 비교적 저가인 철(Fe)을 결합재로 이용함으로써, 제조 비용을 절감하면서도 목표로 하는 경도 및 내마모성을 만족할 수 있다.
이에 대해서는 본 발명의 실시예에 따른 다이아몬드 공구 제조 방법을 통하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다이아몬드 공구 제조 방법을 나타낸 순서도이고, 도 5는 도 4의 볼 밀링 과정을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 도시된 다이아몬드 공구 제조 방법은 Fe 파우더 볼 밀링 단계(S210), 다이아몬드 소결체 형성 단계(S220) 및 샹크에 다이아몬드 소결체 용접 단계(S230)를 포함한다.
Fe 파우더 볼 밀링
Fe 파우더 볼 밀링 단계(S210)에서는, 도 5에 도시된 바와 같이, 구 형상의 Fe 파우더를 볼 밀링하여 납작한 형태의 Fe 파우더를 형성한다.
이러한 볼 밀링에 의하여, 상기 Fe 파우더는 10 ~ 150㎛의 평균 입도를 가질 수 있다. 이와 같이, 볼 밀링을 실시하여 Fe 파우더를 납작한 타원형으로 형성할 경우, Fe 파우더의 응력 및 표면 에너지의 상승 효과에 기인하여 Fe 파우더와 후술할 다이아몬드 입자 간의 결합력을 감소시킬 수 있게 된다.
만일, Fe 파우더의 평균 입도가 10㎛ 미만일 경우에는 볼 밀링 시 볼과의 접촉 면적이 작아 분쇄 효과가 없어 제조 비용만을 상승시키고, 분말 원가가 매우 비싸다는 문제가 있다. 반대로, Fe 파우더의 평균 입도가 150㎛를 초과할 경우에는 치밀한 미세 조직을 확보하는 것이 어려워 결합력이 저하되는 문제를 야기할 수 있다.
이때, 볼 밀링 시간은 12 ~ 72시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 만일, 볼 밀링 시간이 12 시간 미만으로 실시될 경우에는 납작한 형태의 Fe 파우더를 충분히 확보하기 어렵다. 반대로, 볼 밀링 시간이 72시간을 초과할 경우에는 Fe 파우더가 더이상 납작해지지 않고, 제조 시간 및 비용만을 상승시키는 문제가 있다.
한편, 상기 결합재는 볼 밀링된 Fe 파우더에 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 주석(Sn), 텅스텐(W) 및 실리콘(Si) 중 1종 이상이 더 혼합될 수 있다.
다이아몬드 소결체 형성
다이아몬드 소결체 형성 단계(S220)에서는 볼 밀링된 Fe 파우더를 포함하는 결합재와 다이아몬드 입자를 혼합한 후, 소결하여 다이아몬드 소결체를 형성한다.
이때, 다이아몬드 입자는 인조 다이아몬드, 천연 다이아몬드, 입방정 질화붕소, 탄화실리콘 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다. 여기서, 볼 밀링된 Fe 파우더와 다이아몬드 입자는 사용 목적에 맞게 적절할 혼합비로 혼합될 수 있다.
이때, 소결은 850 ~ 1050℃의 온도에서 60 ~ 180분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 만일, 소결 온도가 850℃ 미만으로 실시되거나, 소결 시간이 60분 미만으로 실시될 경우에는 충분한 소결이 이루어지지 않아 결합력이 저하되는 문제가 있다. 반대로, 소결 온도가 1050℃를 초과하거나, 소결 시간이 180분을 초과하여 실시될 경우에는 다이아몬드 입자가 흑연화되거나, Fe 파우더와의 반응에 의한 탄화물의 형성을 촉진시켜 다이아몬드 공구의 성능이 저하되는 문제가 있다.
도면으로 도시하지는 않았지만, 이러한 다이아몬드 소결체 형성 단계(S220) 이후, 다이아몬드 소결체를 대략 20℃의 상온까지 냉각하는 단계를 더 수행할 수 있다.
샹크에 다이아몬드 소결체 용접
샹크에 다이아몬드 소결체 용접 단계(S230)에서는 다이아몬드 소결체를 샹크의 외주면에 용접으로 결합시켜 절삭 팁을 형성한다.
상기 샹크는 연마 장치나 절삭 장치 등에 결합될 수 있으며, 휠 또는 판 형태로 이루어질 수 있다. 이때, 샹크는 스테인리스강 또는 탄소강 재질이 이용될 수 있다.
상기 용접으로는 레이저 용접이나 브레이징 용접법이 이용될 수 있다. 이때, 레이저 용접은 두 모재를 레이저로 직접 용착시키는 방법이고, 브레이징 용접법은 모재는 상하지 않고 열을 가하여 두 모재를 접합하는 방법이다.
이때, 본 발명에서는 볼 밀링에 의하여 납작한 형태를 갖는 Fe 파우더를 결합재로 이용하기 때문에 Fe 파우더의 응력 및 표면 에너지의 상승 효과에 기인하여, 다아이몬드 탄화물(Fe3C)의 형성을 억제할 수 있다.
상기의 과정(S210 ~ S230)으로 제조되는 다이아몬드 공구는 볼 밀링에 의하여 납작한 타원형을 갖는 Fe 파우더만을 결합재로 이용하기 때문에 Fe 파우더의 응력 및 표면 에너지의 상승 효과에 기인하여, 다아이몬드 탄화물(Fe3C)의 형성을 억제할 수 있어, 다이아몬드 공구의 성능 저하 문제를 개선할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따라 제조되는 다이아몬드 공구는 코발트(Co), 니켈(Ni), 철(Fe) 등의 합금 대신 비교적 저가인 철(Fe)만을 결합재로 이용함으로써, 저비용으로 목표로 하는 경도 및 내마모성을 만족할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 시편 제조
표 1에 기재된 조성 및 표 2에 기재된 공정 조건으로 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 3에 따른 시편을 제조하였다. 이때, 실시예 1 ~ 3에 따라 제조된 시편은 볼 밀링을 수행하여 Fe 파우더를 납작하게 형성하였고, 비교예 1 ~ 3에 따라 제조된 시편은 볼 밀링을 수행하지 않았다.
[표 1] (단위 : 중량%)
Figure pat00001
[표 2]
Figure pat00002

2. 기계적 물성 평가
표 3은 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 3에 따른 시편들에 대한 기계적 물성 평가 결과를 나타낸 것이다.
[표 3]
Figure pat00003
표 1 내지 표 3을 참조하면, 실시예 1 ~ 3에 따라 제조된 시편들의 경우, 밀도 : 7.631 ~ 8.125 g/cm3, 경도 : 179 ~ 187 HV 및 파단 하중 : 897 ~ 947 N/mm2로 목표값을 모두 만족하는 것을 알 수 있다.
반면, 실시예 1에 따라 제조된 시편과 비교하여 철(Fe) 이외의 합금이 더 첨가되며, 볼 밀링을 수행하지 않은 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 시편들의 경우, 파단 하중은 890 ~ 912 N/mm2로 목표값을 만족하였으나, 밀도 및 경도가 7.312 ~ 7.431 g/cm3, 170 ~ 171 HV로 목표값에 미달하는 것을 알 수 있다.
한편, 실시예 1에 따라 제조된 시편과 비교하여 철(Fe) 이외의 합금이 더 첨가되며, 분말 입도 및 소결 시간이 본 발명에서 제시하는 범위를 벗어나고, 볼 밀링이 수행되지 않은 비교예 3에 따라 제조된 시편의 경우, 파단 하중은 목표값을 만족하였으나, 밀도 및 경도가 7.349 g/cm3, 168 HV로 목표값에 미달하는 것을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 다이아몬드 공구 120 : 샹크
140 : 절삭 팁 142 : 다이아몬드 입자
144 : 결합재
S210 : Fe 파우더 볼 밀링 단계
S220 : 다이아몬드 소결체 형성 단계
S230 : 샹크에 다이아몬드 소결체 용접 단계

Claims (7)

  1. 몸체를 이루는 샹크; 및
    상기 샹크의 외주면에 결합되며, 다이아몬드 및 결합재를 갖는 절삭 팁;을 포함하며,
    상기 결합재는 납작한 형태의 Fe 파우더를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Fe 파우더는
    볼 밀링에 의하여 납작한 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 결합재는
    구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 주석(Sn), 텅스텐(W) 및 실리콘(Si) 중 1종 이상의 합산으로 10중량% 이하 및 나머지 상기 볼 밀링된 Fe 파우더를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구.
  4. (a) 구 형상의 Fe 파우더를 볼 밀링하여 납작한 형태의 Fe 파우더를 형성하는 단계;
    (b) 상기 볼 밀링된 Fe 파우더를 포함하는 결합재와 다이아몬드 입자를 혼합한 후, 소결하여 다이아몬드 소결체를 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 다이아몬드 소결체를 샹크의 외주면에 용접으로 결합시켜 절삭 팁을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    볼 밀링은 12 ~ 72시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 소결은
    850 ~ 1050℃의 온도에서 60 ~ 180분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구 제조 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 용접은
    레이저 용접 또는 브레이징 용접법이 이용되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 공구 제조 방법.
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