KR20160048629A - 천공용 드릴 비트 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
용침 공정이 완료된 이후, 샹크의 몸체부만을 선택적으로 고주파 유도가열 방식으로 급속가열을 실시한 후, 강제 냉각 방식으로 급속 냉각을 실시하여 샹크의 몸체부의 강도를 선택적으로 향상시킬 수 있는 천공용 드릴 비트 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 천공용 드릴 비트 제조 방법은 (a) 샹크와 다이아몬드 팁을 일체로 결합하는 단계; (b) 상기 샹크의 몸체부 표면을 고주파 유도가열로 Ac3점 ~ Ac3점 + 200℃까지 급속 가열한 직후, 상기 다이아몬드 팁의 표면에는 냉각매체를 분사하는 단계; 및 (c) 상기 가열된 샹크의 몸체부 표면을 20℃/sec 이상의 속도로 강제 냉각하여 급냉시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 천공용 드릴 비트 제조 방법은 (a) 샹크와 다이아몬드 팁을 일체로 결합하는 단계; (b) 상기 샹크의 몸체부 표면을 고주파 유도가열로 Ac3점 ~ Ac3점 + 200℃까지 급속 가열한 직후, 상기 다이아몬드 팁의 표면에는 냉각매체를 분사하는 단계; 및 (c) 상기 가열된 샹크의 몸체부 표면을 20℃/sec 이상의 속도로 강제 냉각하여 급냉시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 천공용 드릴 비트 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용침 공정이 완료된 이후, 샹크의 몸체부에 대해서만 선택적으로 고주파 유도가열 방식으로 급속가열을 실시한 후, 강제 냉각 방식으로 급속 냉각을 실시하여 샹크의 몸체부 강도를 선택적으로 향상시킬 수 있는 천공용 드릴 비트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
광물자원의 분포 및 매장량 평가를 위해 직접 암반을 천공, 암반 코어샘플 (암추)을 채취하는 드릴 비트는 천공하려는 암반의 특성에 따라 매트릭스를 적절하게 설계하여 사용하고 있다. 이때, 드릴 비트의 매트릭스는 직접 암반에 접촉하여 천공하는 부분으로 내부에 다이아몬드 연마재가 포함되어 있다.
일반적으로, 드릴 비트의 제조는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co) 등의 금속분말과 다이아몬드를 혼합시킨 성형체에 구리(Cu), 주석(Sn), 니켈(Ni), 망간(Mn) 등의 단일 금속 또는 합금상태의 금속바인더를 융점 이상으로 가열시켜, 모세관력에 의해 금속바인더가 성형체의 내부에 채워지는 일명 '용침 공정'에 의해 매트릭스 부분이 제작된다. 이 매트릭스 부분은 샹크(steel body)를 고정하는 역할을 하는 백킹부에 의해 샹크와 연결되며, 1회의 용침 공정에 의해 일체형으로 제작되어 드릴 비트가 완성된다. 일반적으로, 드릴 비트 제작은 성형 상태의 매트릭스와 백킹부 상단에 샹크가 삽입된 상태에서 금속바인더의 융점인 대략 1,000℃ 이상의 온도로 유지되기 때문에, 코어 비트의 제작을 위해서 샹크는 부득이하게 고온을 경험할 수 밖에 없으며, 이 경우 샹크의 경도가 저하되는 요인으로 작용한다.
이와 같이, 다양한 종류의 암반을 천공하는 용도로 사용되는 드릴 비트에서 매트릭스를 견고하게 지지해야 하는 것이 샹크의 역할이며, 따라서 매트릭스가 완전히 소모될 때까지 샹크는 마모가 되지 말아야 한다. 그러나, 실제 작업현장에서는 샹크가 급격하게 마모되어 다이아몬드 팁을 다 소모하지 못하는 경우도 있고, 심한 경우에는 천공 도중 샹크와 매트릭스가 분리, 탈락되어 천공 홀 속에 남아있는 경우도 있어 드릴링 작업에 막대한 지장을 초래한다.
이러한 샹크의 마모를 억제하기 위해, 샹크 표면에 강도가 높은 입자를 띠 형태로 부착시켜 샹크 마모 정도를 개선할 수 있으나, 그 정도는 크지 않다. 또한, 샹크의 소재로 고강도의 합금강을 사용하여 마모 정도를 완화시킬 수는 있으나, 강종 변경에 의한 강도개선 폭은 한계가 있어 궁극적으로 이러한 문제를 해결하기에는 곤란한 실정이다.
관련 선행문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0022287호(2014.02.24. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 코어드릴용 코어비트가 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 용침 공정이 완료된 이후, 샹크의 몸체부에 대해서 선택적으로 고주파 유도가열 방식으로 급속가열을 실시한 후, 강제 냉각 방식으로 급속 냉각을 실시하여 샹크의 몸체부 강도를 선택적으로 향상시킬 수 있는 천공용 드릴 비트 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 천공용 드릴 비트는 샹크 및 상기 샹크의 상단에 결합되는 다이아몬드 팁을 포함하는 천공용 드릴 비트로서, 상기 샹크는 상기 다이아몬드 팁의 하단에 연결되며 제1 두께를 갖는 몸체부와, 상기 몸체부의 하단에 일체로 연결되며 상기 제1 두께보다 얇은 제2 두께를 갖는 나사 결합부를 가지며, 상기 샹크의 몸체부 표면의 경도가 상기 샹크의 나사 결합부 표면의 경도에 비하여 높은 값을 갖되, 상기 샹크의 몸체부는 표면으로부터 2mm까지의 경도가 300Hv 이상을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 천공용 드릴 비트 제조 방법은 (a) 샹크와 다이아몬드 팁을 일체로 결합하는 단계; (b) 상기 샹크의 몸체부 표면을 고주파 유도가열로 Ac3점 ~ Ac3점 + 200℃까지 급속 가열한 직후, 상기 다이아몬드 팁의 표면에는 냉각매체를 분사하는 단계; 및 (c) 상기 가열된 샹크의 몸체부 표면을 20℃/sec 이상의 속도로 강제 냉각하여 급냉시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 천공용 드릴 비트 및 그 제조 방법은 용침 공정 후, 고주파 유도가열 방식을 이용하여 샹크의 몸체부만을 선택적으로 급속 가열 및 냉각함과 동시에 샹크의 몸체부와 연결되는 다이아몬드 팁 부분에는 냉각수를 지속적으로 분사시킴으로써, 샹크의 몸체부의 강도를 향상시키면서도 다이아몬드 팁 부분에 열 영향이 미치는 것을 미연에 방지할 수 있는바, 리밍쉘, 케이싱슈, 케이싱 비트 등의 마이닝용 공구에 적용하기에 적합하다.
따라서, 본 발명에 따른 방법으로 제조되는 천공용 드릴 비트는 샹크의 몸체부가 표면으로부터 2mm까지의 미세조직이 급냉 열처리 조직인 베이나이트 및 마르텐사이트 중 1종 이상을 포함하는 조직을 갖고, 두께 중심의 미세조직이 비열처리 상태의 미세조직인 페라이트 및 펄라이트 중 1종 이상을 포함하는 조직을 가짐으로써, 샹크의 몸체부 표면의 경도가 샹크의 나사 결합부 표면의 경도에 비하여 높은 값을 가질 뿐만 아니라, 샹크의 몸체부가 표면으로부터 2mm까지의 경도가 300Hv 이상을 갖는다. 이 결과, 본 발명에 따른 천공용 드릴 비트는 열악한 환경에서 암반에 대한 드릴링을 실시하는 과정에서 샹크의 몸체부 표면이 마모되더라도 샹크 몸체부의 표면으로부터 2mm까지는 300Hv 이상의 경도를 갖기 때문에 샹크의 마모에 의한 교체 주기를 증가시킬 수 있으므로 수명 증대 효과를 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 천공용 드릴 비트를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 천공용 드릴 비트 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 4는 고주파 유도가열 및 냉각 복합 유닛을 나타낸 사시도이다.
도 5는 비교예 1 ~ 2에 대한 경도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 비교예 1 ~ 2 및 실시예 1에 대한 경도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 1에 대한 표면으로부터의 거리에 따른 경도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1에 따른 드릴 비트의 몸체부의 최종 미세조직을 나타낸 사진이다.
도 9는 비교예 1에 따른 드릴 비트의 몸체부의 최종 미세조직을 나타낸 사진이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 천공용 드릴 비트 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 4는 고주파 유도가열 및 냉각 복합 유닛을 나타낸 사시도이다.
도 5는 비교예 1 ~ 2에 대한 경도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 비교예 1 ~ 2 및 실시예 1에 대한 경도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 1에 대한 표면으로부터의 거리에 따른 경도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1에 따른 드릴 비트의 몸체부의 최종 미세조직을 나타낸 사진이다.
도 9는 비교예 1에 따른 드릴 비트의 몸체부의 최종 미세조직을 나타낸 사진이다.
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 천공용 드릴 비트 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 천공용 드릴 비트를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 천공용 드릴 비트(100)는 샹크(120) 및 샹크(120)의 상단에 결합되는 다이아몬드 팁(140)을 포함한다.
샹크(120)의 재질로는 주로 철강 소재인 강판, 보다 구체적으로는 탄소강, 합금강 등이 사용되며, 강판의 강도는 성분에 따라 영향을 받으나, 대략 0.1 중량% 이상의 탄소 함량을 갖는 강판의 경우 고온에서 유지한 후 상온으로 냉각되는 속도에 의해 강도가 크게 좌우된다.
일 예로, 샹크(120)는 중량%로, C : 0.10 ~ 0.70%, Si : 0.5% 이하, Mn : 0.1 ~ 2.0%, , S : 0.02% 이하, P : 0.03% 이하, Mo : 0.05 ~ 0.50%, Cr : 0.1 ~ 0.5%, B : 0.001 ~ 0.010% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강판이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 다양한 강종이 적용될 수 있다.
통상의 매트릭스와 샹크(120)가 일체형으로 제작되는 천공용 드릴 비트(100)는 고온에서 용침 공정이 진행된 후, 냉각 과정을 거치게 되며, 이때 냉각은 로냉(furnace cooling) 또는 공냉(air cooling)으로 진행된다.
즉, 냉각은 1℃/sec 이하의 속도로 로냉을 실시하거나, 또는 5℃/sec 이하의 속도로 공냉을 실시하게 되는데, 이 경우 용침 공정 후에 강판의 강도를 저하시키게 되며, 이러한 현상은 탄소강이나 합금강 모두에서 공통적으로 일어나는 현상이다.
본 발명에 따른 천공용 드릴 비트(100)는 대략 수 백m 이상을 천공하게 되며, 이렇기 때문에 고마력 설비에 장착되어 사용되기 때문에 샹크(120)의 내마모성 확보는 매우 중요하나, 제품 특성상 일체형으로 제작해야 하며, 이 경우 샹크(120)는 고온을 경험하게 되고 이후 느린 냉각속도에 기인해 경도의 저하를 피할 수 없게 된다.
따라서, 본 발명에서는 용침 공정 후에 샹크(120), 특히 샹크(120)의 몸체부(122)에 대해서만 선택적으로 고주파 열처리한 후, 급속 냉각을 실시하는 것에 의해 샹크(120)의 몸체부(122)의 강도를 선택적으로 향상시키게 된다. 본 발명에서는 고주파 열처리한 후, 급속 냉각을 실시하는 것으로 기재하였으나, 이는 예시적인 것으로 고주파 열처리 대신 레이저 열처리를 적용할 수도 있다. 이때, 레이저 열처리의 경우, YAG 레이저, CO2 레이저 등을 이용하여 샹크(120)를 회전시키면서 국부적으로 열처리를 진행할 수 있다. 다만, 레이저 열처리를 이용할 경우, 샹크(120)의 몸체부(122)의 표면으로부터 대략 1mm 이내에 대해서만 표면경도를 증가시킬 수 밖에 없다는 제약이 있으므로 레이저 열처리보다는 고주파 열처리를 이용하는 것이 보다 바람직하다.
특히, 샹크(120)는 다이아몬드 팁(140)의 하단에 연결되며 제1 두께를 갖는 몸체부(122)와, 몸체부(122)의 하단에 일체로 연결되며 제1 두께보다 얇은 제2 두께를 갖는 나사 결합부(124)를 갖는다.
이때, 본 발명에서는 샹크(120)의 몸체부(122)에 대해서만 선택적으로 고주파 열처리 후 급속 냉각을 실시하는 것에 의해, 샹크(120)의 몸체부(122) 표면의 경도가 샹크(120)의 나사 결합부(124) 표면의 경도에 비하여 높은 값을 갖는다.
특히, 샹크(120)의 몸체부(122)는 표면으로부터 2mm까지의 경도가 300Hv 이상을 갖는다. 보다 바람직하게, 샹크(120)의 몸체부(122)는 표면으로부터 4mm까지의 경도가 300 ~ 700Hv를 갖는다.
또한, 샹크(120)의 몸체부(122)는 표면으로부터 2mm까지의 미세조직이 급냉 열처리 조직을 갖고, 두께 중심의 미세조직이 비열처리 상태의 미세조직인 페라이트 및 펄라이트 중 1종 이상을 포함하는 조직을 갖는다. 보다 구체적으로, 샹크(120)의 몸체부(122)는 표면으로부터 2mm까지의 미세조직이 급냉 열처리 조직인 베이나이트 및 마르텐사이트 중 1종 이상을 포함하는 조직을 갖되, 상기 급냉 열처리 조직이 단면적율로 50% 이상을 갖는다.
그리고, 샹크(120)의 나사 결합부(124)는 표면 및 두께 중심의 미세조직이 비열처리 상태의 미세조직인 페라이트 및 펄라이트 중 1종 이상을 포함하는 조직을 갖는다.
이러한 샹크(120)는 중공형 원통 구조를 가지며, 나사 결합부(124)의 내부에는 나사산(125)이 구비되며, 수 백m 이상을 천공하기 위해 복수의 원통형 파이프(미도시)와 나사 결합 방식으로 결합되어 사용된다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 천공용 드릴 비트는 샹크의 몸체부가 표면으로부터 2mm까지의 미세조직이 급냉 열처리 조직인 베이나이트 및 마르텐사이트 중 1종 이상을 포함하는 조직을 갖고, 두께 중심의 미세조직이 비열처리 조직인 페라이트 및 펄라이트 중 1종 이상을 포함하는 조직을 가짐으로써, 샹크의 몸체부 표면의 경도가 샹크의 나사 결합부 표면의 경도에 비하여 높은 값을 가질 뿐만 아니라, 샹크의 몸체부가 표면으로부터 2mm까지의 경도가 300Hv 이상을 갖는다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 천공용 드릴 비트는 열악한 환경에서 암반에 대한 드릴링을 실시하는 과정에서 샹크의 몸체부 표면이 마모되더라도 샹크 몸체부의 표면으로부터 2mm까지는 300Hv 이상의 경도를 갖기 때문에 샹크의 마모에 의한 교체 주기를 증가시킬 수 있으므로 수명 증대 효과를 도모할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 천공용 드릴 비트 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 천공용 드릴 비트 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 4는 고주파 유도가열 및 냉각 복합 유닛을 나타낸 사시도로, 도 1과 연계하여 설명하도록 한다.
도 1, 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 천공용 드릴 비트 제조 방법은 샹크에 다이아몬드 팁 결합 단계(S110), 샹크 표면 급속 가열 단계(S120) 및 샹크 표면 급냉 단계(S130)를 포함한다.
샹크에 다이아몬드 팁 결합
샹크에 다이아몬드 팁 결합 단계(S110)에서는 샹크(120)와 다이아몬드 팁(140)을 일체로 결합한다.
샹크에 다이아몬드 팁 결합 단계(S110)는 다이아몬드 성형체와, 다이아몬드 성형체에 연결되는 백킹부를 갖는 매트릭스(미도시)에 샹크(120)를 삽입하는 단계와, 다이아몬드 성형체를 850 ~ 1300℃에서 용침시켜 샹크(120)의 상단에 다이아몬드 팁(140)을 결합시키는 단계와, 다이아몬드 팁(140)이 결합된 샹크(120)를 로냉으로 냉각하는 단계와, 냉각된 샹크(120)를 선반가공 처리하는 단계로 세분화될 수 있다.
도면으로 상세히 나타내지는 않았지만, 용침 공정시에는 카본 몰드 내에 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co) 등의 금속분말과 다이아몬드를 혼합시킨 다이아몬드 성형체에 구리(Cu), 주석(Sn), 니켈(Ni), 망간(Mn) 등의 단일 금속 또는 합금상태의 금속바인더를 융점 이상으로 가열시켜, 모세관력에 의해 금속바인더가 다이아몬드 성형체의 내부에 채워지도록 하여 샹크(120)의 상단에 다이아몬드 팁(140)을 결합시키게 된다.
이때, 샹크(120)의 재질로는 주로 철강 소재인 강판, 보다 구체적으로는 탄소강, 합금강 등이 사용되며, 강판의 강도는 성분에 따라 영향을 받으나, 대략 0.1 중량% 이상의 탄소 함량을 갖는 강판의 경우 고온에서 유지한 후 상온으로 냉각되는 속도에 의해 강도가 크게 좌우된다.
일 예로, 샹크(120)는 중량%로, C : 0.10 ~ 0.70%, Si : 0.5% 이하, Mn : 0.1 ~ 2.0%, , S : 0.02% 이하, P : 0.03% 이하, Mo : 0.05 ~ 0.50%, Cr : 0.1 ~ 0.5%, B : 0.001 ~ 0.010% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강판이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 다양한 강 종이 적용될 수 있다.
통상의 매트릭스와 샹크(120)가 일체형으로 제작되는 천공용 드릴 비트(100)는 고온에서 용침 공정이 진행된 후, 냉각 과정을 거치게 되며, 이때 냉각은 로냉(furnace cooling) 또는 공냉(air cooling)으로 진행된다.
즉, 냉각은 1℃/sec 이하의 속도로 로냉을 실시하거나, 또는 5℃/sec 이하의 속도로 공냉을 실시하게 되는데, 이 경우 용침 공정 후에 강판의 강도를 저하시키게 되며, 이러한 현상은 탄소강이나 합금강 모두에서 공통적으로 일어나는 현상이다.
본 발명에 따른 천공용 드릴 비트(100)는 대략 수 백m 이상을 천공하게 되며, 이렇기 때문에 고마력 설비에 장착되어 사용되기 때문에 샹크(120)의 내마모성 확보는 매우 중요하나, 제품 특성상 일체형으로 제작해야 하며, 이 경우 샹크(120)는 고온을 경험하게 되고 이후 느린 냉각속도에 기인해 경도의 저하를 피할 수 없게 된다.
따라서, 본 발명에서는 용침 공정 후에 샹크(120)의 몸체부(122)에 대해서만 선택적으로 고주파 열처리한 후, 급속 냉각을 실시하는 것에 의해 샹크(120)의 몸체부(122)의 강도를 향상시킬 수 있는 방법을 제안하게 되었으며, 이에 대한 구체적인 설명은 후술하도록 한다.
샹크 표면 급속 가열
샹크 표면 급속 가열 단계(S120)에서는 샹크(120) 및 다이아몬드 팁(140)을 회전시키면서, 샹크(120)의 몸체부(122) 표면을 고주파 유도가열로 Ac3점 ~ Ac3점 + 200℃까지 급속 가열한 직후, 다이아몬드 팁(140)의 표면에는 냉각매체를 분사한다. 이때, 냉각매체로는 냉각수, 유체, 액화 기체 등이 이용될 수 있으며, 다이아몬드 팁(140)의 표면에 직접적으로 냉각매체를 분사하거나, 또는 냉각매체 공급 라인(220)을 순환하는 냉각매체에 의해 간접적으로 다이아몬드 팁(140)의 표면을 냉각시킬 수 있다.
특히, 본 발명에서는 샹크(120)의 외주면을 감싸도록 코일링되는 유도 코일(210)과, 유도 코일(210)과 이격된 하측에 장착되며, 샹크(120) 및 다이아몬드 팁(140)을 감싸도록 코일링되어 내부로 냉각매체가 순환하는 냉각매체 공급 라인(220)을 갖는 고주파 유도가열 및 냉각 복합 유닛(200)을 이용하여 고주파 유도가열과 냉각을 동시에 실시하게 된다.
이러한 고주파 유도가열 및 냉각 복합 유닛(200)은 유도 코일(210)로 인가되는 고주파 신호를 제어하는 고주파 제어부(2300)와, 냉각매체 공급 라인(220)으로 유입되는 냉각매체의 공급을 제어하기 위한 냉각매체 공급 제어부(240)를 더 포함할 수 있다.
또한, 도면으로 도시하지는 않았지만, 고주파 유도가열 및 냉각 복합 유닛(200)은 샹크(120) 및 다이아몬드 팁(140)의 하측에 장착되어 샹크(120) 및 다이아몬드 팁(140)의 승강 운동을 제어하기 위한 승강 유닛(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이러한 승강 유닛에 의해, 샹크(120)의 열처리 위치를 선택적으로 제어할 수 있게 된다.
이때, 고주파 유도가열 온도에서 Ac3점은 740 ~ 880℃일 수 있다. 고주파 유도가열 온도가 Ac3점 미만일 경우에는 목표로 하는 강도를 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 고주파 유도가열 온도가 Ac3점 + 200℃를 초과할 경우에는 내부 인성을 저하시키는 요인으로 작용하여 다른 부품과의 결합 후 파손 불량을 야기하는 문제를 야기할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 방법으로 제조되는 천공용 드릴 비트(100)의 경우 다이아몬드 팁(140)의 하단에 연결되어 있는 샹크(120)의 몸체부(122) 부분이 가장 마모가 많이 진행되기 때문에, 이 부분을 적절하게 강화하는 것이 가장 중요하다.
다만, 샹크(120)의 몸체부(122) 부분을 선택적으로 고주파 유도가열을 실시하더라도 다이아몬드 팁(140) 부분에 열이 전도되어 열 영향을 받을 수 있으며, 이는 결국 드릴 비트(100)의 성능을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있는바, 이를 방지하기 위해 다이아몬드 팁(140)의 표면에는 냉각매체를 지속적으로 분사하여 열 영향이 미치지 않도록 하는 것이 적절하다.
이때, 고주파 유도가열은 다이아몬드 팁(140)과 연결되는 샹크(120)의 몸체부(122) 부분만을 선택적으로 실시할 수 있다.
이와 달리, 고주파 유도가열은 샹크(120)의 몸체부(122) 상단 부분부터 샹크(120)의 몸체부(122) 하단 부분까지 실시하여, 샹크(120)의 몸체부(122) 하단에 연결되는 나사 결합부(124)는 열처리가 실시되지 않도록 할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서는 다이아몬드 팁(140)의 직하에서부터 나사 결합부(124) 직전까지 샹크(120)를 강화시킬 수 있는데, 여기서 강화된 샹크(120)는 선반가공 등의 작업이 불가한 상태의 고강도를 나타내기 때문에, 고주파 유도가열을 실시하기 전에 최종 제품의 형상으로 가공 처리를 실시하는 것이 바람직하다.
이때, 나사 결합부(124) 부분까지 고주파 유도가열 열처리가 실시되는 경우, 강도 및 경도는 높지만 충격 인성이 감소하여 파단될 수 있는 가능성이 있는바, 나사 결합부(124) 이전까지로 열처리 영역을 제한하는 것이 바람직하다.
특히, 전체적으로 균일한 강도 강화 특성을 얻기 위해 샹크(120)는 회전시키면서 고주파 유도가열 열처리를 실시하는 것이 바람직하며, 구체적으로 샹크(120) 및 다이아몬드 팁(140)은 10 ~ 200rpm의 속도로 회전시키는 것이 바람직하다.
샹크 표면 급냉
샹크 표면 급냉 단계(S130)에서는 가열된 샹크(120)의 몸체부(122) 표면을 20℃/sec 이상의 속도, 보다 바람직하게는 50 ~ 200℃/sec의 속도로 강제 냉각하여 급냉시킨다. 이때, 급냉은 선택적으로 급속 가열이 실시된 샹크(120)의 몸체부(122) 부분에 대해서만 선택적으로 강제 냉각이 이루어지도록 제어하는 것이 바람직하다.
이러한 강제 냉각은 수냉, 유냉, 가스 냉각 등에서 선택된 어느 하나의 방식이 이용될 수 있으며, 20℃/sec 이상의 냉각 속도를 확보할 수 있는 방식이라면, 이 외의 다른 방식을 적용하는 것도 무방하다.
이때, 냉각 속도가 20℃/sec 미만일 경우에는 강도 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 냉각 속도가 200℃/sec를 초과할 경우에는 강도 및 경도 확보에는 유리하나, 저온 조직의 다량 생성으로 인해 충격인성이 저하되는 문제가 있다.
상기의 과정(S110 ~ S130)으로 제조되는 천공용 드릴 비트는 용침 공정 후, 고주파 유도가열 방식을 이용하여 샹크의 몸체부에 대해서만 선택적으로 급속 가열 및 냉각함과 동시에 샹크와 연결되는 다이아몬드 팁 부분에는 냉각수를 지속적으로 분사시킴으로써, 샹크의 몸체부 부분의 강도를 향상시키면서도 다이아몬드 팁 부분에 열 영향이 미치는 것을 미연에 방지할 수 있는바, 리밍쉘, 케이싱슈, 케이싱 비트 등의 마이닝용 공구에 적용하기에 적합하다.
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. 드릴 비트 제조
실시예 1
다이아몬드 성형체와, 다이아몬드 성형체에 연결되는 백킹부를 갖는 매트릭스에 탄소강 재질의 샹크를 삽입시켜 결합한 후, 다이아몬드 성형체를 1100℃에서 용침시켜 샹크의 상단에 다이아몬드 팁을 결합하였다. 다음으로, 다이아몬드 팁이 결합된 샹크를 0.5℃/sec의 속도로 로냉으로 냉각한 후, 샹크를 선반가공 처리하였다.
다음으로, 샹크 및 다이아몬드 팁을 100rpm의 속도로 회전시키면서, 샹크의 몸체부의 표면만을 고주파 유도가열로 880℃까지 급속 가열하였다. 이때, 다이아몬드 팁의 표면에는 냉각수를 지속적으로 분사하였다. 다음으로, 880℃로 가열된 샹크의 몸체부의 표면을 100℃/sec의 속도로 급냉하여 드릴 비트를 제조하였다.
비교예 1
다이아몬드 성형체와, 다이아몬드 성형체에 연결되는 백킹부를 갖는 매트릭스에 탄소강 재질의 샹크를 삽입시켜 결합한 후, 다이아몬드 성형체를 1100℃에서 용침시켜 샹크의 상단에 다이아몬드 팁을 결합하였다. 다음으로, 다이아몬드 팁이 결합된 샹크를 0.5℃/sec의 속도로 로냉으로 냉각한 후, 샹크를 선반가공 처리하여 드릴 비트를 제조하였다.
비교예 2
샹크의 재질로 합금강을 이용한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방식으로 드릴 비트를 제조하였다.
2. 물성 평가
도 5는 비교예 1 ~ 2에 대한 경도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 비교예 1 ~ 2에 대한 샹크의 강도 변화를 나타내고 있다. 이때, 비교예 1 ~ 2에 대한 샹크의 용침 공정 전과 후의 경도를 각각 나타내고 있다.
소재 상태에서 보이는 강도 대비 용침 공정을 실시한 후의 강도가 감소하는 것을 볼 수 있으며, 즉 비교예 1(탄소강)의 경우 215Hv에서 165Hv로 경도가 감소하였다. 또한, 비교예 2(합금강)의 경우, 소재 상태에서는 345Hv로 높은 경도를 나타내나, 용침 후 222Hv로 경도가 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다.
비교예 1 ~ 2의 경우, 용침 공정 후에 나타나는 경도 범위는 실제 드릴링 과정에서 샹크 마모를 방지할 수 없는 수준으로 다이아몬드 팁은 남아있는데 샹크 마모가 심해 더 이상의 드릴링 작업이 불가하거나, 또는 심하게는 다이아몬드 팁과 샹크가 서로 분리되는 것을 피할 수 없게 된다.
한편, 도 6은 비교예 1 ~ 2 및 실시예 1에 대한 경도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 전술한 바와 같이 비교예 1 ~ 2는 용침 후의 경도가 167Hv 및 200Hv에 불과한 반면, 실시예 1에 따른 시편의 경우에는 샹크 부분만을 선택적으로 고주파 유도가열로 급속 가열한 후, 강제 냉각 방식으로 급냉을 실시하는 것에 의해, 경도가 448Hv로 크게 향상된 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 7은 실시예 1에 대한 표면으로부터의 거리에 따른 경도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따른 시편의 경우, 샹크 몸체부의 표면으로부터 4.0mm까지는 300Hv 이상의 경도를 갖는 것을 알 수 있다.
도 8은 실시예 1에 따른 드릴 비트의 몸체부의 최종 미세조직을 나타낸 사진이고, 도 9는 비교예 1에 따른 드릴 비트의 몸체부의 최종 미세조직을 나타낸 사진이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 실시예 1의 경우 최종 미세조직이 급냉 열처리 조직인 마르텐사이트 조직을 갖는 것을 확인할 수 있다.
반면, 도 9에 도시된 바와 같이, 비교예 1의 경우 최종 미세조직이 비열처리 조직인 펄라이트 조직을 갖는 것을 확인할 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 : 천공용 드릴 비트
120 : 샹크
122 : 샹크의 몸체부 124 : 샹크의 나사 결합부
125 : 나사산 140 : 다이아몬드 팁
200 : 고주파 유도가열 및 냉각 복합 유닛 210 : 유도 코일
220 : 냉각수 공급 라인 230 : 고주파 제어부
240 : 냉각수 공급 제어부
S110 : 샹크에 다이아몬드 팁 결합 단계
S120 : 샹크 표면 급속 가열 단계
S130 : 샹크 표면 급냉 단계
122 : 샹크의 몸체부 124 : 샹크의 나사 결합부
125 : 나사산 140 : 다이아몬드 팁
200 : 고주파 유도가열 및 냉각 복합 유닛 210 : 유도 코일
220 : 냉각수 공급 라인 230 : 고주파 제어부
240 : 냉각수 공급 제어부
S110 : 샹크에 다이아몬드 팁 결합 단계
S120 : 샹크 표면 급속 가열 단계
S130 : 샹크 표면 급냉 단계
Claims (13)
- 샹크 및 상기 샹크의 상단에 결합되는 다이아몬드 팁을 포함하는 천공용 드릴 비트로서,
상기 샹크는
상기 다이아몬드 팁의 하단에 연결되며 제1 두께를 갖는 몸체부와,
상기 몸체부의 하단에 일체로 연결되며 상기 제1 두께보다 얇은 제2 두께를 갖는 나사 결합부를 가지며,
상기 샹크의 몸체부 표면의 경도가 상기 샹크의 나사 결합부 표면의 경도에 비하여 높은 값을 갖되,
상기 샹크의 몸체부는 표면으로부터 2mm까지의 경도가 300Hv 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 천공용 드릴 비트.
- 제1항에 있어서,
상기 샹크의 몸체부는
표면으로부터 2mm까지의 미세조직이 급냉 열처리 조직을 갖고, 두께 중심의 미세조직이 비열처리 상태의 미세조직인 페라이트 및 펄라이트 중 1종 이상을 포함하는 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 천공용 드릴 비트.
- 제1항에 있어서,
상기 샹크의 몸체부는
상기 표면으로부터 2mm까지의 미세조직이 급냉 열처리된 조직인 베이나이트 및 마르텐사이트 중 1종 이상을 포함하는 조직을 갖되, 상기 급냉 열처리된 조직이 단면적율로 50% 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 천공용 드릴 비트.
- 제1항에 있어서,
상기 샹크의 나사 결합부는
표면 및 두께 중심의 미세조직이 비열처리 상태의 미세조직인 페라이트 및 펄라이트 중 1종 이상을 포함하는 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 천공용 드릴 비트.
- 제1항에 있어서,
상기 샹크의 몸체부는
표면으로부터 4mm까지의 경도가 300 ~ 700Hv를 갖는 것을 특징으로 하는 천공용 드릴 비트.
- (a) 샹크와 다이아몬드 팁을 일체로 결합하는 단계;
(b) 상기 샹크의 몸체부 표면을 고주파 유도가열로 Ac3점 ~ Ac3점 + 200℃까지 급속 가열한 직후, 상기 다이아몬드 팁의 표면에는 냉각매체를 분사하는 단계; 및
(c) 상기 가열된 샹크의 몸체부 표면을 20℃/sec 이상의 속도로 강제 냉각하여 급냉시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 천공용 드릴 비트 제조 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
(a-1) 다이아몬드 성형체와, 상기 다이아몬드 성형체에 연결되는 백킹부를 갖는 매트릭스에 샹크를 삽입하는 단계;
(a-2) 상기 다이아몬드 성형체를 850 ~ 1300℃에서 용침시켜 상기 샹크의 상단에 다이아몬드 팁을 결합시키는 단계; 및
(a-3) 상기 다이아몬드 팁이 결합된 샹크를 로냉으로 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 천공용 드릴 비트 제조 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
(a-4) 상기 냉각된 샹크를 선반가공 처리하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천공용 드릴 비트 제조 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 (a-3) 단계에서,
상기 냉각은
1℃/sec 이하의 속도로 로냉을 실시하거나, 또는 5℃/sec 이하의 속도로 공냉을 실시하는 것을 특징으로 하는 천공용 드릴 비트 제조 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
상기 샹크 및 다이아몬드 팁은
10 ~ 200rpm의 속도로 회전시키는 것을 특징으로 하는 천공용 드릴 비트 제조 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
상기 고주파 유도가열은
상기 샹크의 몸체부의 상단 부분부터 상기 샹크의 몸체부의 하단 부분까지 실시하며, 상기 샹크의 몸체부의 하단에 연결되는 나사 결합부는 실시하지 않는 것을 특징으로 하는 천공용 드릴 비트 제조 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
상기 샹크의 외주면을 감싸도록 코일링되는 유도 코일과, 상기 유도 코일과 이격된 하측에 장착되며, 상기 샹크 및 다이아몬드 팁을 감싸도록 코일링되어 내부로 냉각매체가 순환하는 냉각매체 공급 라인을 갖는 고주파 유도가열 및 냉각 복합 유닛을 이용하여 고주파 유도가열과 냉각을 동시에 실시하는 것을 특징으로 하는 천공용 드릴 비트 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 고주파 유도가열 및 냉각 복합 유닛은
상기 유도 코일로 인가되는 고주파 신호를 제어하는 고주파 제어부와,
상기 냉각매체 공급 라인으로 유입되는 냉각매체의 공급을 제어하기 위한 냉각매체 공급 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 천공용 드릴 비트 제조 방법.
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