KR20140021050A - 연마 부품을 캐리어에 결합하기 위해 연속적인 금속 상을 가지는 연마 공구들 - Google Patents

연마 부품을 캐리어에 결합하기 위해 연속적인 금속 상을 가지는 연마 공구들 Download PDF

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Abstract

연마 물품은 캐리어 요소, 연마 부품, 및 연마 부품과 캐리어 요소 사이에 있는 결합 영역을 포함한다. 연마 부품은 금속 매트릭스에 결합되는 연마제 입자들을 포함한다. 연마 부품은 침투재로 대체로 채워지는 망상 조직의 상호 연결된 공극들을 더 포함한다. 침투재는 적어도 하나의 금속 원소를 함유하는 침투재 조성물을 가진다. 결합 영역은 적어도 하나의 금속 원소를 함유하는 결합 금속 조성물을 가지는 결합 금속을 포함한다. 결합 영역은 캐리어 요소와 구별되는 영역이며 캐리어 요소로부터 독립된 별도의 상이다. 원소 중량 퍼센트 차이는 침투재 조성물에 대한 결합 금속 조성물에 함유되는 각각의 원소의 중량 함량의 차이의 절대값이다. 결합 금속 조성물과 침투재 조성물 사이의 원소 중량 퍼센트 차이는 20 중량 퍼센트를 초과하지 않는다.

Description

연마 부품을 캐리어에 결합하기 위해 연속적인 금속 상을 가지는 연마 공구들{ABRASIVE TOOLS HAVING A CONTINUOUS METAL PHASE FOR BONDING AN ABRASIVE COMPONENT TO A CARRIER}
본 발명은 일반적으로 연마 공구들 및 이들을 형성하기 위한 방법들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 연마 부품을 캐리어에 결합하기 위한 연속적인 금속 상을 가지는 공구들에 관한 것이다.
추가적인 도로들 및 건물들의 건설과 같은, 사회 기반 시설의 개선은 개발중인 지역들의 계속적인 경제 성장에 중요한 것이다. 게다가, 개발된 지역들은 노후화된 사회 기반 시설을 새롭고 확장된 도로들 및 건물들로 대체할 지속적인 필요를 가진다. 이와 같이, 건설에 대한 수요가 여전히 높은 수준에 있다.
건설업은 건축 재료들을 절단하거나 그라인딩하기 위해 다양한 공구들을 이용한다. 절단 및 그라인딩 공구들은 도로의 오래된 부분들을 제거하거나 수리하는데 필요하다. 게다가, 마루들이나 건물 외관들에 사용되는 석판들과 같은, 마감 재료들의 채석과 제조는 드릴링, 절단, 및 폴리싱을 위한 공구들을 필요로 한다. 일반적으로, 이런 공구들은 플레이트나 휠과 같은, 캐리어 요소에 결합된 연마 부품들을 포함한다. 연마 부품과 캐리어 요소 사이의 결합의 파손은 연마 부품 및/또는 캐리어 요소를 대체하는 것을 필요로 할 수 있으며, 작업 중단 시간과 생산성 저하를 초래한다. 게다가, 파손은 연마 부품의 부분들이 작업 영역으로부터 고속으로 방출될 때 안전상의 위험을 내포할 수 있다. 이와 같이, 연마 부품과 캐리어 요소 사이의 개선된 결합이 요구된다.
일 실시예에서, 연마 물품은 캐리어 요소, 연마 부품, 및 연마 부품과 캐리어 요소 사이의 결합 영역을 포함할 수 있다. 연마 부품은 금속 매트릭스에 결합되는 연마제 입자들을 포함할 수 있다. 연마 부품은 적어도 하나의 금속 원소를 함유하는 침투재 조성물을 가지는 침투재(infiltrant)로 대체로 채워진 망상 조직의 상호 연결된 공극들을 포함할 수 있다. 결합 영역은 적어도 하나의 금속 원소를 함유하는 결합 금속 조성물을 가지는 결합 금속을 포함할 수 있다. 결합 영역은 캐리어 요소와 구별되는 영역일 수 있으며 캐리어 요소로부터 독립된 별도의 상일 수 있다. 원소의 중량 퍼센트 차이는 침투재 조성물에 대한 결합 금속 조성물에 함유되는 각각의 원소의 중량 함유량의 차이의 절대값일 수 있다. 결합 금속 조성물과 침투재 조성물 사이의 원소 중량 퍼센트 차이는 15 중량 퍼센트를 초과하지 않는 것, 예를 들어, 10 중량 퍼센트를 초과하지 않는 것과 같이, 20 중량 퍼센트를 초과하지 않을 수 있다. 특정한 실시예에서, 결합 금속 조성물과 침투재 조성물 사이의 원소 중량 퍼센트 차이는 2 중량 퍼센트를 초과하지 않는 것과 같이, 5 중량 퍼센트를 초과하지 않을 수 있다. 다른 실시예에서, 결합 금속 조성물과 침투재 조성물 사이의 원소 중량 퍼센트 차이는 약 0 중량 퍼센트이다.
일 실시예에서, 연마 물품은 캐리어 요소, 연마 부품, 및 연마 부품과 캐리어 요소 사이의 결합 영역을 포함할 수 있다. 연마 부품은 금속 매트릭스에 결합되는 연마제 입자들을 포함할 수 있다. 금속 매트릭스는 결합 금속으로 대체로 채워진 망상 조직의 상호 연결된 공극들을 포함할 수 있다. 결합 영역은 캐리어 요소와 구별되는 영역일 수 있으며 캐리어 요소로부터 독립된 별도의 상일 수 있다. 결합 영역은 결합 금속을 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 캐리어 요소는 적어도 약 600 N/mm2의 인장 강도를 가질 수 있다.
다른 실시예에서, 연마 물품은 캐리어 요소, 연마 부품, 및 연마 부품과 캐리어 요소 사이에 있는 결합 영역을 포함할 수 있다. 캐리어 요소는 적어도 약 600 N/mm2의 인장 강도를 가질 수 있다. 연마 부품은 연마제 입자들, 금속 매트릭스, 및 침투된 결합 금속을 포함할 수 있다.
특정한 실시예에서, 결합 영역은 적어도 90 wt%의 결합 금속을 포함할 수 있다. 다른 특정한 실시예에서, 결합 영역은 기본적으로 결합 금속으로 이루어질 수 있다.
다른 실시예에서, 연마 물품은 캐리어 요소, 연마 부품, 및 결합 금속을 포함할 수 있다. 캐리어 요소는 처리 온도에서 대체로 조성적으로 안정적일 수 있다. 즉, 캐리어 요소의 조성물은 캐리어 요소가 처리 온도로 가열되는 공정 중에 대체로 변하지 않는다. 연마 부품은 연마제 입자들과 금속 매트릭스를 포함할 수 있다. 연마 부품은 망상 조직의 상호 연결된 공극들을 포함할 수 있으며 금속 매트릭스는 처리 온도에서 대체로 조성적으로 안정적일 수 있다. 결합 금속은 처리 온도에서 용융될 수 있다. 처리 온도에서, 결합 금속은 망상 조직의 상호 연결된 공극들에 침투될 수 있으며 연마 부품을 캐리어 요소에 결합시킬 수 있다. 특정한 실시예에서, 처리 온도는 약 900℃와 약 1200℃ 사이의 범위에 있을 수 있다.
특정한 실시예에서, 연마 물품은, 예를 들어, 적어도 약 700 N/mm2이며, 적어도 약 600 N/mm2와 같이, 적어도 약 500 N/mm2의 파괴 굽힘 강도를 가질 수 있다. 다른 특정한 실시예에서, 연마 물품은, 예를 들어, 적어도 약 700 N/mm2이며, 적어도 약 600 N/mm2와 같이, 적어도 약 500 N/mm2의 파괴 굽힘 강도를 가지는 그라인딩 링 섹션(grinding ring section)일 수 있다. 다른 특정한 실시예에서, 연마 물품은, 예를 들어, 적어도 약 800 N/mm2이며, 적어도 약 775 N/mm2와 같이, 적어도 약 750 N/mm2의 파괴 굽힘 강도를 가지는 코어 비트(core bit)일 수 있다. 또 다른 특정한 실시예에서, 연마 물품은, 예를 들어, 적어도 약 1800 N/mm2이며, 적어도 약 1600 N/mm2와 같이, 적어도 약 1400 N/mm2의 파괴 굽힘 강도를 가지는 절단 블레이드(cutting-off blade)일 수 있다.
다른 특정한 실시예에서, 결합 금속 조성물은 구리, 구리-주석 청동, 구리-주석-아연 합금, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 금속을 포함할 수 있다. 일 예에서, 구리-주석 청동은 약 20% 이하의 주석 함량을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 구리-주석-아연 합금은 약 20% 이하의 주석 함량과 약 10% 이하의 아연 함량을 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 결합 금속 조성물은 티타늄, 은, 망간, 인, 알루미늄, 마그네슘, 또는 이들의 임의의 조합을 더 포함할 수 있다.
다른 특정한 실시예에서, 연마제 입자들은 다이아몬드와 같은, 초연마제 입자들을 포함할 수 있다. 일 예에서, 연마제 입자들은 연마 부품의 약 2.0 vol%와 50 vol% 사이의 양으로 존재할 수 있다.
또 다른 특정한 실시예에서, 금속 매트릭스는 철, 철 합금, 텅스텐, 코발트, 니켈, 크롬, 티타늄, 은, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 금속을 포함할 수 있다. 일 예에서, 금속 매트릭스는 희토류 원소를 더 포함할 수 있다. 희토류 원소는 약 3.0 wt% 이하의 양으로 존재할 수 있다. 다른 예에서, 금속 매트릭스는 텅스텐-카바이드와 같은, 마모 저항 성분을 더 포함할 수 있다.
다른 특정한 실시예에서, 연마 부품은 약 25%와 50% 사이의 공극을 가질 수 있다. 일 예에서, 결합 금속은 적어도 약 96%의 조밀한 밀도를 가지는 조밀화된 연마 부품을 형성하기 위해 망상 조직의 상호 연결된 공간들을 대체로 채울 수 있다. 다른 예에서, 조밀화된 연마 부품의 내에 있는 결합 금속의 양은 조밀화된 연마 부품의 약 20 wt%와 약 45 wt% 사이에 존재할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 연마 물품을 형성하는 방법은 혼합물을 압축함으로써 연마 부품을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 혼합물은 연마제 입자들과 금속 매트릭스를 포함할 수 있으며, 연마 부품은 상호 연결된 망상 조직의 공극들을 가질 수 있다. 이 방법은 연마 부품과 캐리어 요소 사이에 결합 금속을 배치하는 단계 및 결합 금속을 액화시키기 위해 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 방법은 조밀화된 연마 부품을 형성하기 위해 결합 금속의 적어도 일부분을 상호 연결된 망상 조직의 공극들로 유동시키는 단계, 및 냉각시켜서 조밀화된 연마 부품을 캐리어 요소에 결합시키는 단계를 여전히 더 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 형성 단계는 혼합물을 냉온 압축하는 단계를 포함할 수 있다. 일 예에서, 냉온 압축은 약 50 kN/cm2(500 MPa)과 약 250 kN/cm2(2500 MPa) 사이의 압력에서 수행될 수 있다. 다른 특정한 실시예에서, 유동시키는 단계는 모세관 작용에 의해 일어난다.
또 다른 특정한 실시예에서, 가열 단계는 처리 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있으며, 처리 온도는 결합 금속의 녹는점보다 높을 수 있으며, 캐리어 요소의 녹는점보다 낮을 수 있으며, 다공성 연마 부품의 녹는점보다 낮을 수 있다. 일 예에서, 처리 온도는 약 900℃와 약 1200℃ 사이의 범위에 존재할 수 있다. 다른 예에서, 가열 단계는 환원 분위기에서 수행될 수 있다. 또 다른 예에서, 가열 단계는 터널식 노(tunnel furnace) 또는 배치식 노(batch furnace)와 같은, 노에서 수행될 수 있다.
첨부한 도면들을 참조함으로써, 본 발명은 더 잘 이해될 수 있으며, 이의 수많은 특징들과 이점들은 본 기술분야에 숙련된 사람들에게 명백하게 될 것이다.
도1 내지 도3은 예시적인 연마 공구들의 도면들이다.
도4는 공구에 장착하기 위한 연마제 함유 세그먼트의 도면이다.
도5는 결합하기 전의 연마 세그먼트를 도시하는 개략도이다.
도6은 캐리어에 결합된 연마 세그먼트를 도시하는 개략도이다.
도7은 브레이즈 피팅(braze fitting)에 의해 제작된 캐리어 링 섹션의 사진이다.
도8은 침투 결합에 의해 제작된 캐리어 링 섹션의 사진이다.
도9는 침투 결합에 의해 제작된 절단 블레이드의 사진이다.
도10은 브레이즈 피팅에 의해 제작된 코어 비트의 사진이다.
도11은 레이저 용접에 의해 제작된 코어 비트의 사진이다.
도12는 침투 결합에 의해 제작된 코어 비트의 사진이다.
도13 및 도14는 캐리어 링 섹션의 성분 맵핑들이다.
상이한 도면들에서 동일한 참조 부호들의 사용은 유사하거나 동일한 아이템들을 가리킨다.
일 실시예에 따르면, 연마 공구는 캐리어 요소와 연마 부품을 포함한다. 연마 공구는 콘크리트를 절단하기 위한 톱과 같은, 건축 재료들을 절단하기 위한 절단 공구일 수 있다. 또는, 연마 공구는 콘크리트나 소성 점토를 그라인딩하거나 아스팔트를 제거하기 위한 것과 같은, 그라인딩 공구일 수 있다. 캐리어 요소는 솔리드 금속 디스크, 링, 링 섹션, 또는 플레이트일 수 있다. 연마 부품은 금속 매트릭스에 매립된 연마제 입자들을 포함할 수 있다. 금속 매트릭스는 망상 조직의 상호 연결된 공극들 또는 침투재로 부분적으로나 대체로 완전히 채워진 공극들을 가질 수 있다. 결합 영역은 캐리어 요소와 연마 부품 사이에 존재할 수 있으며 결합 금속을 함유할 수 있다. 결합 영역의 결합 금속은 망상 조직의 상호 연결된 공극들을 채우는 침투재와 연속될 수 있다.
예시적인 일 실시예에서, 연마 부품은 망상 조직의 상호 연결된 공극들을 가지는 금속 매트릭스에 매립된 연마제 입자들을 포함한다. 연마제 입자들은 다이아몬드나 입방정 질화붕소와 같은 초연마제일 수 있다. 연마제 입자들은 약 25와 80 US 메시 사이와 같이, 약 100 US 메시 이상과 같으며, 약 400 US 메시 이상의 입자 크기를 가질 수 있다. 적용에 따라, 크기는 약 30과 60 US 메시 사이에 존재할 수 있다. 연마제 입자들은 약 2 vol%와 약 50 vol% 사이의 양으로 존재할 수 있다. 게다가, 연마제 입자들의 양은 적용에 의존할 수 있다. 예를 들어, 그라인딩 또는 폴리싱 공구를 위한 연마 부품은 약 3.75 vol%와 약 50 vol% 사이의 연마제 입자들을 포함할 수 있다. 또는, 절단 공구를 위한 연마 부품은 약 2 vol%와 6.25 vol% 사이의 연마제 입자들을 포함할 수 있다. 게다가, 코어 드릴링을 위한 연마 부품은 약 6.25 vol%와 20 vol% 사이의 연마제 입자들을 포함할 수 있다.
금속 매트릭스는 철, 철 합금, 텅스텐, 코발트, 니켈, 크롬, 티타늄, 은, 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일 예에서, 금속 매트릭스는 세륨, 란탄, 및 네오디뮴과 같은 희토류 원소를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 금속 매트릭스는 텅스텐 카바이드와 같은 마모 저항 성분을 포함할 수 있다. 금속 매트릭스는 개별 성분들의 입자들 또는 미리 합금된 입자들을 포함할 수 있다. 입자들은 약 1.0 미크론과 약 250 미크론 사이에 존재할 수 있다.
예시적인 일 실시예에서, 결합 금속 조성물은 구리, 구리-주석 청동, 구리-주석-아연 합금, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 구리-주석 청동은 약 15 wt% 이하와 같이, 약 20 wt% 이하의 주석 함량을 포함할 수 있다. 유사하게, 구리-주석-아연 합금은 약 15 wt% 이하와 같이, 약 20 wt% 이하의 주석 함량, 및 약 10 wt% 이하의 아연 함량을 포함할 수 있다.
본원의 실시예들에 따르면, 결합 영역은 하부의 캐리어와 연마 부품 양쪽 모두와 다른 구별되는 상을 가지는 식별 가능한 계면 층을 형성할 수 있다. 결합 금속 조성물은 어느 정도의 원소 종의 공통성(commonality)을 가지는 점에서 침투재 조성물과 관련된다. 양적으로, 결합 금속 조성물과 침투재 조성물 사이의 원소 중량 퍼센트 차이는 20 중량 퍼센트를 초과하지 않는다. 원소 중량 퍼센트 차이는 침투재 조성물에 대한 결합 금속 조성물에 함유되는 각각의 원소의 중량 함량의 차이의 절대값으로 정의된다.
단지 예로서, (i) 85 중량 퍼센트 Cu, 10 중량 퍼센트 Sn 및 5 중량 퍼센트 Zn을 함유하는 결합 금속 조성물, 및 (ii) 82 중량 퍼센트 Cu, 17 중량 퍼센트 Sn, 및 1 중량 퍼센트 Zn을 함유하는 침투재 조성물을 가지는 일 실시예에서, 결합 금속 조성물과 침투재 조성물 사이의 원소 중량 퍼센트 차이는 Cu에 대하여 3 중량 퍼센트이며, Sn에 대하여 7 중량 퍼센트이며, Zn에 대하여 4 중량 퍼센트이다. 따라서, 결합 금속 조성물과 침투재 조성물 사이의 최대 원소 중량 퍼센트 차이는 7 중량 퍼센트이다.
다른 실시예들은 결합 금속 조성물과 침투재의 조성물 사이에 더 유사한 조성물적인 관계를 가진다. 결합 금속 조성물과 침투재 조성물 사이의 원소 중량 퍼센트 차이는, 예를 들어, 15 중량 퍼센트, 10 중량 퍼센트, 5 중량 퍼센트를 초과하지 않을 수 있거나, 2 중량 퍼센트를 초과하지 않을 수 있다. 약 0의 원소 중량 퍼센트 차이는 결합 영역과 침투재를 형성하는 조성물이 동일한 것을 나타낸다. 앞의 원소 값들은 마이크로프로브 원소 분석을 포함하는 어떤 적당한 분석 수단에 의해 측정될 수 있으며, 침투재가 금속 매트릭스와 접촉하는 영역을 따라 발생될 수 있는 합금을 무시한다.
연마 부품을 제조할 수 있는 방법의 세부 사항들에 관하여 살펴보면, 연마제 입자들은 금속 매트릭스에 결합하여 혼합물을 형성할 수 있다. 금속 매트릭스는 철, 철 합금, 텅스텐, 코발트, 니켈, 크롬, 티타늄, 은, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 금속 매트릭스는 세륨, 란탄, 및 네오디뮴과 같은, 희토류 원소를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 금속 매트릭스는 텅스텐 카바이드와 같은, 마모 저항 성분을 포함할 수 있다. 금속 매트릭스는 약 1 미크론과 250 미크론 사이의 금속 입자들을 포함할 수 있다. 금속 매트릭스는 이 금속 매트릭스의 성분들의 입자들의 혼합물을 포함할 수 있거나 금속 매트릭스의 미리 합금된 입자들일 수 있다. 적용에 따라, 금속 매트릭스의 조성물은 다를 수 있다.
일 실시예에서, 금속 매트릭스는 식 (WC)wWxFeyCrzX(1-w-x-y-z)에 따를 수 있으며, 여기서 0≤w≤0.8, 0≤x≤0.7, 0≤y≤0.8, 0≤z≤0.05, w+x+y+z≤1이며, X는 코발트 및 니켈과 같은 다른 금속들을 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 금속 매트릭스는 식 (WC)wWxFeyCrzAgvX(1-v-w-x-y-z)에 따를 수 있으며, 여기서 0≤w≤0.5, 0≤x≤0.4, 0≤y≤1.0, 0≤z≤0.05, 0≤v≤0.1, v+w+x+y+z≤1이며, X는 코발트 및 니켈과 같은 다른 금속들을 포함할 수 있다.
연마제 입자들은 다이아몬드, 입방정 질화붕소(CBN), 또는 이들의 임의의 조합과 같은, 초연마제일 수 있다. 연마제 입자들은 약 2 vol% 내지 약 50 vol% 사이의 양으로 존재할 수 있다. 게다가, 연마제 입자들의 양은 적용에 의존할 수 있다. 예를 들어, 그라인딩 또는 폴리싱 공구를 위한 연마 부품은 약 3.75 vol%와 약 50 vol% 사이의 연마제 입자들을 포함할 수 있다. 또는, 절단 공구를 위한 연마 부품은 약 2 vol%와 6.25 vol% 사이의 연마제 입자들을 포함할 수 있다. 더구나, 코어 드릴링을 위한 연마 부품은 약 6.25 vol%와 20 vol% 사이의 연마제 입자들을 포함할 수 있다. 연마제 입자들은 약 25와 80 US 메시 사이와 같이, 약 100 US 메시 이상과 같은, 약 400 US 메시 이상의 입자 크기를 가질 수 있다. 적용에 따라, 크기는 약 30과 60 US 메시 사이에 존재할 수 있다.
금속 매트릭스와 연마제 입자들의 혼합물은 다공성 연마 부품을 형성하기 위해, 냉온 압축 등에 의해서, 압축될 수 있다. 예를 들어, 냉온 압축은 약 50 kN/cm2(500 MPa)와 약 250 kN/cm2(2500 MPa) 사이의 압력에서 수행될 수 있다. 그 결과로 나오는 다공성 연마 부품은 망상 조직의 상호 연결된 공극들을 가질 수 있다. 일 예에서, 다공성 연마 부품은 약 25와 50 vol% 사이의 공극을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 공구 모재(tool preform)는 캐리어 요소, 결합 슬러그, 및 연마 부품을 적층함으로서 조립될 수 있다. 캐리어 요소는 링, 링 섹션, 플레이트, 또는 디스크의 형태일 수 있다. 캐리어 요소는 25CrMo4, 75Cr1, C60와 같은, 열처리 가능한 강철 합금들 또는 얇은 단면들을 가지는 캐리어 요소들을 위한 유사한 강철 합금들 또는 두꺼운 캐리어 요소들을 위한 St 60 등과 같이 단순한 구조의 강철을 포함할 수 있다. 캐리어 요소는 적어도 약 600 N/mm2의 인장 강도를 가질 수 있다. 캐리어 요소는 본 기술분야에서 공지된 다양한 야금 기술들에 의해 형성될 수 있다.
결합 슬러그는 결합 금속 조성물을 가지는 결합 금속을 포함할 수 있다. 결합 금속 조성물은 구리, 구리-주석 청동, 구리-주석-아연 합금, 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 결합 금속 조성물은 티타늄, 은, 망간, 인, 알루미늄, 마그네슘, 또는 이들의 임의의 조합을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 결합 금속은 약 900℃와 약 1200℃ 사이의 녹는점을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 결합 슬러그는 결합 금속의 분말을 냉온 압축함으로써 형성될 수 있다. 분말은 개별 성분들의 입자들 또는 미리 합금된 입자들을 포함할 수 있다. 입자들은 약 100 미크론 이하의 크기를 가질 수 있다. 또는, 결합 슬러그는 본 기술분야에서 공지된 다른 야금 기술들에 의해 형성될 수 있다.
공구 모재는 결합 금속의 녹는점보다 높지만 금속 매트릭스 및 캐리어 요소의 녹는점보다 낮은 온도로 가열될 수 있다. 예를 들어, 온도는 약 900℃와 약 1200℃ 사이에 있을 수 있다. 공구 모재는 환원 분위기에서 가열될 수 있다. 일반적으로, 환원 분위기는 산소와 반응하는 일정한 양의 수소를 함유할 수 있다. 가열은 배치식 노 또는 터널식 노와 같은, 노에서 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 결합 금속이 용융될 때, 액체의 결합 금속이 모세관 작용 등을 통해서, 연마 부품의 망상 조직의 상호 연결된 공극들로 흘러 들어간다. 결합 금속은 망상 조직의 상호 연결된 공극들에 침투할 수 있으며 이들을 대체로 채운다. 그 결과로 나오는 조밀화된 연마 부품은 약 96% 이상으로 조밀할 수 있다. 연마 부품에 침투되는 결합 금속의 양은 조밀화된 연마 부품의 약 20 wt%와 45 wt% 사이에 있을 수 있다. 일부분의 결합 금속은 기본적으로 결합 금속으로 이루어지는 결합 영역이 캐리어 요소와 연마 부품 사이에 형성되도록 연마 부품과 캐리어 요소 사이에 남을 수 있다. 결합 영역은 캐리어 요소 및 연마 부품과 구별되는 식별 가능한 영역일 수 있다. 결합 영역은 적어도 약 98 wt%의 결합 금속과 같으며, 적어도 약 95 wt%의 결합 금속과 같은, 적어도 약 90 wt%의 결합 금속을 포함할 수 있다. 결합 금속은 결합 영역과 조밀화된 연마 부품에 걸쳐 연속될 수 있다.
도1은 절단 디스크(100)를 도시한다. 절단 디스크(100)는 디스크 형상의 캐리어 요소(102) 및 캐리어 요소(102)에 부착되는 복수의 연마 부품들(104)을 포함한다. 결합 영역(106)은 캐리어 요소(102)와 연마 부품들(104) 사이에 존재할 수 있다.
도2는 코어 드릴링 공구(200)를 도시한다. 코어 드릴링 공구는 링 형상의 캐리어 요소(202) 및 캐리어 요소(202)에 부착되는 복수의 연마 부품들(204)을 포함한다. 결합 영역(206)은 캐리어 요소(202)와 연마 부품들(204) 사이에 존재할 수 있다.
도3은 그라인딩 링 섹션(300)을 도시한다. 공구는 서포트 링에 볼트의 사용 등에 의해 부착될 수 있는 링 섹션 형상의 캐리어 요소(302) 및 캐리어 요소(302)에 부착되는 복수의 연마 부품들(304)을 포함한다. 결합 영역(306)은 캐리어 요소(302)와 연마 부품들(304) 사이에 존재할 수 있다.
도4는 연마제 함유 세그먼트(400)을 도시한다. 연마제 함유 세그먼트는 공구에 볼트의 사용 등에 의해 부착될 수 있다. 연마제 함유 세그먼트는 캐리어 요소(402) 및 캐리어 요소(402)에 부착되는 복수의 연마 부품들(404)을 포함한다. 결합 영역(406)은 캐리어 요소(402)와 연마 부품들(404) 사이에 존재할 수 있다.
도5는 예시적인 연마 부품(500)을 도시한다. 연마 부품은 금속 매트릭스 입자들(502)과 연마제 입자들(504)을 포함한다. 금속 매트릭스 입자들(502) 사이에, 연마 부품(500)은 망상 조직의 상호 연결된 공극들(506)을 포함한다.
도6은 예시적인 연마 공구(600)를 도시한다. 연마 공구(600)는 캐리어 요소(604)에 결합된 조밀화된 연마 부품(602)을 포함한다. 조밀화된 연마 부품은 금속 매트릭스 입자들(606)과 연마제 입자들(608)을 포함한다. 조밀화된 연마 부품(602)에서, 결합 금속(610)은 망상 조직의 상호 연결된 공극들에 침투되었으며 금속 매트릭스 입자들(606) 사이의 공간에 채워졌다. 게다가, 공구(600)는 기본적으로 결합 금속(614)으로 이루어지는 결합 영역(612)을 포함한다. 결합 영역(612)의 결합 금속(614)은 조밀화된 연마 부품(602)의 결합 금속(610)과 연속된다.
실시예들
실시예 1
예를 들어, 샘플 1인, 그라인딩 링 섹션이 다음과 같이 제작된다. 표준 연마 부품은 캐리어 링 섹션에 브레이즈 피팅된다. 표준 연마 부품은 2.13 wt%의 다이아몬드 연마제 입자들과 67.3 wt%의 금속 조성물의 혼합물의 냉온 압축에 의해 형성된다. 다이아몬드 연마제 입자들은 30 US 메시와 50 US 메시 사이의 입자 크기를 가지는 ISD 1600이다. 금속 조성물은 40.0 wt%의 텅스텐 카바이드, 59.0 wt%의 텅스텐 금속, 및 1.0 wt%의 크롬을 포함한다. 연마 부품은 구리계 침투재로 침투된다. 그 다음에 완전히 조밀화된 침투 연마 부품은 Degussa 4900 브레이징 합금을 사용하여 캐리어 링 섹션에 브레이즈 피팅된다. 샘플 1은 도7에 도시된다.
샘플 2는 캐리어 링 섹션에 대한 연마 부품의 침투 결합에 의해 제작된다. 연마 부품은 2.13 wt%의 다이아몬드 연마제 입자들과 67.3 wt%의 금속 조성물의 혼합물의 냉온 압축에 의해 형성된다. 다이아몬드 연마제 입자들은 30 US 메시와 50 US 메시 사이의 입자 크기를 가지는 ISD 1600이다. 금속 조성물은 40 wt%의 텅스텐 카바이드, 59 wt%의 텅스텐 금속, 및 1 wt%의 크롬을 포함한다. 연마 부품, 캐리어 링, 및 결합 금속 슬러그는 결합 금속을 용융시키기 위해 노에 배치된다. 구리계 결합 금속은 연마 부품을 침투하며 캐리어 링 섹션에 결합되는 조밀화된 연마 부품을 형성한다. 샘플 2는 도8에 도시된다.
파괴 굽힘 강도는 캐리어 링 섹션으로부터 연마 부품을 제거하기 위해 요구되는 토크를 측정함으로써 샘플 1과 샘플 2에 대하여 측정된다. 파괴 굽힘 테스트는 초연마제들에 대한 안전 요건들인, 유럽 표준 EN 13236:2001의 섹션 6.2.4.2에 정의된 테스트 절차를 사용하여 수행된다. 샘플 1의 파괴 굽힘 강도는 350 N/mm2이다. 샘플 2의 파괴 굽힘 강도는 600 N/mm2보다 크다.
게다가, 성분 맵핑이 샘플 2에 대해 수행된다. 결합 영역과 침투된 연마 부품의 단면들이 폴리싱되며 주사 전자 현미경(SEM)에 의해 성분 맵핑된다. Fe, Cu, 및 W의 양이 각각의 영역에서 맵핑된다. 도13은 결합 영역의 성분 맵핑을 보여준다. 연마 부품(1302)은 Cu 결합 층(1306)에 의해 캐리어(1304)에 결합된다. 도14는 연마 부품의 성분 맵핑을 보여준다. 성분 맵핑은 연마 부품의 내에 있는 침투재의 조성물이 주로 약 2 wt%의 Fe를 가지는 Cu라는 것을 보여준다.
실시예 2
예로서, 샘플 3은 강철 캐리어 요소에 연마 부품을 직접 소결시킴으로써 제작된 절단 블레이드이다. 연마 부품은 1.25 wt%의 다이아몬드 연마제 입자들, 59.3 wt%의 구리, 6.6 wt%의 Sn, 3.6 wt%의 니켈, 및 29.2 wt%의 철을 포함한다. 다이아몬드 연마제 입자들은 40 US 메시와 60 US 메시의 범위에 있는 입자 크기를 가지는 SDB45+이다.
샘플 4는 강철 캐리어 요소에 연마 부품을 레이저 용접함으로써 제작된 절단 블레이드이다. 연마 부품은 1.25 wt%의 다이아몬드 연마제 입자들, 44.0 wt%의 구리, 38.1 wt%의 철, 7.9 wt%의 주석, 6.0 wt%의 황동, 및 2.8 wt%의 다이아몬드가 없는 백킹(diamond free backing)을 포함한다. 다이아몬드 연마제 입자들은 40 US 메시와 60 US 메시의 범위에 있는 입자 크기를 가지는 SDB45+이다. 다이아몬드가 없는 백킹은 47.9 wt%의 청동, 13.0 wt%의 니켈, 및 39.0 wt%의 철을 포함한다.
샘플 5는 강철 캐리어 요소에 연마 부품을 침투 결합시킴으로써 제작된 절단 블레이드이다. 연마 부품은 1.25 wt%의 다이아몬드 연마제 입자들과 74.4 wt%의 금속 조성물의 혼합물을 냉온 압축함으로써 형성된다. 다이아몬드 연마제 입자들은 40 US 메시와 60 US 메시의 범위에 있는 입자 크기를 가지는 SDB45+이다. 금속 조성물은 80.0 wt%의 철, 7.5 wt%의 니켈, 및 12.5 wt%의 청동을 포함한다. 연마 부품, 캐리어 링, 및 결합 금속 슬러그는 결합 금속을 용융시키기 위해 노에 배치된다. 구리계 결합 금속은 연마 부품을 침투하며 캐리어 디스크에 결합된 조밀화된 연마 부품을 형성한다. 샘플 5는 도9에 보여진다.
파괴 굽힘 강도는 강철 캐리어 요소로부터 연마 부품을 제거하기 위해 요구되는 토크를 측정함으로써 측정된다. 테스트는 표 1에 보여지는 바와 같이, 샘플들 3 내지 5 각각에 대하여 몇 번 반복된다. 파괴 굽힘 강도 테스트는 초연마제들에 대한 안전 요건들인, 유럽 표준 EN 13236:2001의 섹션 6.2.4.2에 정의된 테스트 원칙들을 사용하여 수행된다.
Figure pat00001
실시예 3
샘플 6은 캐리어 링에 소결된 연마 부품을 브레이징함으로써 제작된 코어 비트이다. 연마 부품은 2.43 wt%의 다이아몬드 연마제 입자들, 32.7 wt%의 철, 5.4 wt%의 은, 2 wt%의 구리, 57.5 wt%의 코발트, 및 다이아몬드가 없는 철계 백킹(diamond free iron based backing)을 포함한다. 다이아몬드 연마제 입자들은 약 40 US 메시와 50 US 메시 사이의 입자 크기를 가지는 ISD 1700이다. 샘플 6은 도10에 보여진다.
샘플 7은 캐리어 링에 소결된 연마 부품을 레이저 용접함으로써 제작된 코어 비트이다. 연마 부품은 2.43 wt%의 다이아몬드 연마제 입자들, 32.7 wt%의 철, 5.4 wt%의 은, 2 wt%의 구리, 57.5 wt%의 코발트, 및 다이아몬드가 없는 철계 백킹을 포함한다. 다이아몬드 연마제 입자들은 약 40 US 메시와 50 US 메시 사이의 입자 크기를 가지는 ISD 1700이다. 샘플 7은 도11에 보여진다.
샘플 8은 캐리어 링에 연마 부품을 침투 결합시킴으로써 제작된 코어 비트이다. 연마 부품은 2.43 wt%의 다이아몬드 연마제 입자들 및 60.7 wt%의 금속 조성물의 혼합물을 냉온 압축함으로써 형성된다. 금속 조성물은 99.0 wt%의 텅스텐 및 1.0 wt%의 크롬을 포함한다. 연마 부품, 캐리어 링, 및 결합 금속 슬러그는 결합 금속을 용융시키기 위해 노에 배치된다. 결합 금속은 연마 부품에 침투하여 캐리어 링에 결합된 조밀화된 연마 부품을 형성한다. 샘플 8은 도12에 보여진다.
파괴 굽힘 강도가 캐리어 링으로부터 연마 부품을 제거하기 위해 요구되는 토크를 측정함으로써 측정된다. 테스트는 표 2에 보여지는 바와 같이, 샘플들 6 내지 8 각각에 대하여 몇 번 반복된다. 파괴 굽힘 강도 테스트는 초연마제들에 대한 안전 요건들인, 유럽 표준 EN 13236:2001의 섹션 6.2.4.2에 정의된 테스트 원칙들을 사용하여 수행된다.
Figure pat00002
표 3은 부착 폭에 대한 파괴 굽힘 강도의 비교를 보여준다. 부착 폭은 캐리어 요소의 두께이다. 예를 들어, 코어 비트의 부착 폭은 연마 부품이 결합되는 강철 튜브의 폭이다. 침투 결합된 캐리어 요소들은 단지 레이저 용접을 통해 이전에 달성 가능한 파괴 굽힘 강도와 유사하거나 더 큰 파괴 굽힘 강도를 달성한다. 조성물의 폭 표준화 파괴 굽힘 강도는 2 mm의 부착 두께를 가지는 공구를 형성하고 이전에 설명된 바와 같이 파괴 굽힘 강도를 측정함으로써 측정될 수 있다. 침투 결합된 조성물에 대한 폭 표준화 파괴 굽힘 강도는 약 800 N/mm2보다 크다.
Figure pat00003

Claims (13)

  1. 캐리어 요소;
    금속 매트릭스에 결합되는 연마제 입자들을 포함하는 연마 부품(abrasive component)으로서, 적어도 하나의 금속 원소를 함유하는 침투재 조성물(infiltrant composition)을 가지는 침투재로 실질적으로 채워진 망상 조직(network)의 상호 연결된 공극들(interconnected pores)을 포함하는 상기 연마 부품; 및
    상기 연마 부품과 상기 캐리어 요소 사이에 있는 결합 영역(bonding region)으로서, 상기 결합 영역은 구리, 구리-주석 브론즈(bronze), 구리-주석-아연 합금, 및 이들의 임의의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하는 결합 금속 조성물을 가지는 결합 금속을 포함하며, 상기 결합 영역은 상기 캐리어 요소와 구별되는 영역이며 상기 캐리어 요소로부터 독립된 별도의 상인, 상기 결합 영역;을 포함하며,
    상기 결합 금속 조성물과 상기 침투재 조성물 사이의 원소 중량 퍼센트 차이는 20 중량 퍼센트를 초과하지 않으며,
    상기 원소 중량 퍼센트 차이는 상기 침투재 조성물에 대한 상기 결합 금속 조성물에 함유된 각각의 원소의 중량 함량의 차이의 절대값인 연마 물품.
  2. 적어도 600 N/mm2의 인장 강도를 가지는 캐리어 요소;
    연마제 입자들, 금속 매트릭스, 및 침투재 조성물을 가지는 침투재를 포함하는 연마 부품; 및
    상기 연마 부품과 상기 캐리어 요소 사이의 결합 영역으로서, 구리, 구리-주석 브론즈(bronze), 구리-주석-아연 합금, 및 이들의 임의의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하는 결합 금속 조성물을 가지는 결합 금속을 포함하는, 상기 결합영역;을 포함하는 연마 물품으로서,
    상기 결합 금속 조성물과 상기 침투재 조성물 사이의 원소 중량 퍼센트 차이는 20 중량 퍼센트를 초과하지 않으며,
    상기 원소 중량 퍼센트 차이는 상기 침투재 조성물에 대한 상기 결합 금속 조성물에 함유된 각각의 원소의 중량 함량의 차이의 절대값인 연마 물품.
  3. 연마 물품 형성 방법으로서,
    혼합물을 압축함으로써 연마 부품을 형성하는 단계로서, 상기 혼합물은 연마제 입자들과 금속 매트릭스를 포함하며, 상기 연마 부품은 상호 연결된 망상 조직의 공극들을 가지는 상기 단계;
    상기 연마 부품과 캐리어 요소 사이에 구리, 구리-주석 브론즈(bronze), 구리-주석-아연 합금, 및 이들의 임의의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하는 결합 금속 조성물을 가지는 결합 금속을 배치하는 단계;
    상기 결합 금속을 액화시키기 위해 가열하는 단계;
    조밀화된(densified) 연마 부품을 형성하기 위해 상기 결합 금속의 적어도 일 부분을 침투재 조성물을 갖는 침투재로서 상기 상호 연결된 망상 조직의 공극들로 유동시키는 단계; 및
    냉각시켜서 상기 조밀화된 연마 부품을 상기 캐리어 요소에 결합시키는 단계를 포함하는 연마 물품을 형성하는 방법으로서,
    상기 결합 금속 조성물과 상기 침투재 조성물 사이의 원소 중량 퍼센트 차이는 20 중량 퍼센트를 초과하지 않으며,
    상기 원소 중량 퍼센트 차이는 상기 침투재 조성물에 대한 상기 결합 금속 조성물에 함유된 각각의 원소의 중량 함량의 차이의 절대값인, 연마 물품 형성 방법.
  4. 제1항, 제2항 및 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 결합 금속 조성물과 상기 침투재 조성물 사이의 상기 원소 중량 퍼센트 차이는 15 중량 퍼센트를 초과하지 않는 연마 물품.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 결합 영역은 적어도 90 wt%의 결합 금속을 포함하는 연마 물품.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연마 물품은 적어도 500 N/mm2의 파괴 굽힘 강도 (destructive bend strength)를 갖는 연마 물품.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 결합 금속 조성물은 85 중량 퍼센트의 구리(copper), 10 중량 퍼센트의 주석(tin) 및 5 중량 퍼센트의 아연(zinc)을 포함하며,
    상기 침투재 조성물은 82 중량 퍼센트의 구리, 17 중량 퍼센트의 주석 및 1 중량 퍼센트의 아연을 포함하는, 연마 물품.
  8. 제1항, 제2항 및 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 연마제 입자들은 초연마제 입자들을 포함하는 연마 물품.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 매트릭스는 철, 철 합금, 텅스텐, 코발트, 니켈, 크롬(chromium), 티타늄, 은, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 금속을 포함하는 연마 물품.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 금속 매트릭스는 희토류 원소(rare earth element)를 더 포함하는 연마 물품.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 형성 단계는 상기 혼합물을 냉온 압축(cold pressing)하는 단계를 포함하는 연마 물품을 형성하는 방법.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 유동시키는 단계는 모세관 작용에 의해 일어나는 연마 물품을 형성하는 방법.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 가열 단계는 처리 온도로 가열하는 단계를 포함하며, 상기 처리 온도는 상기 결합 금속의 녹는점보다 높으며, 상기 캐리어 요소의 녹는점보다 낮으며, 상기 공극들을 갖는(porous) 연마 부품의 녹는점보다 낮은, 연마 물품을 형성하는 방법.
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