WO2016089031A1 - 다이아몬드 공구용 분말의 제조 방법, 및 이를 이용한 절삭팁의 제조 방법 - Google Patents

다이아몬드 공구용 분말의 제조 방법, 및 이를 이용한 절삭팁의 제조 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention is a method for producing a powder for diamond tools, and a method for producing a cutting tip using the same, more specifically, a method of mechanically alloying iron powder and metal compound powder, diamond internal performance improved by improving the internal microstructure It relates to a method for producing a powder for diamond tools capable of manufacturing a tool, and a method for producing a cutting tip using the same.
  • cobalt powder is generally used as a raw material for the sintered body (binder) of the cutting tip.
  • Such cobalt powder can be widely applied as a raw material powder for diamond cutting tools regardless of the type of work material such as granite, concrete, asphalt, marble, etc., and regardless of the high horsepower and low horsepower of the cutting machine used.
  • a cutting tip made of cobalt powder as a raw material easily protrudes diamond particles during cutting to improve cutting efficiency. Because of the advantages described above, cobalt powder is called "all-round metal powder" in the field of diamond tools.
  • Korean Patent Registration Publication No. 10-0201349 (Application No. 10-1996-0006855, Applicant Ewha Diamond Industry Co., Ltd.) has a diamond powder coated with a metal bond powder to compress granules in a mold and heat them in a mold.
  • a segment for a diamond tool is disclosed, wherein the grain and the metal bond powder are formed by mixing the grains, but the grains are formed in the same size.
  • Iron powder is inexpensive and relatively low in environmental pollution compared with cobalt powder, and iron powder is being discussed as an alternative to cobalt powder.
  • iron powder exists in a variety of types depending on the manufacturing method, such as water iron iron powder, gas injection iron powder, reduced iron powder, carbonyl iron powder, and also vary in size and composition. Even when the binder is manufactured using carbonyl iron powder having a fine particle size, it is difficult to obtain a dense structure after sintering, and therefore, high temperature sintering of 1000 or more is required to increase the sintering density.
  • the binder material sintered with commercially available iron powder has a lower hardness and lower cutting force than cobalt, poor mechanical support to diamond grains and poor wear, resulting in poor cutting performance.
  • One technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing a highly reliable diamond tool powder, and a method for producing a cutting tip using the same.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing a diamond tool powder with a minimum quality deviation, and a method for producing a cutting tip using the same.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing a diamond tool powder with improved cutting characteristics, and a method for producing a cutting tip using the same.
  • the technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above.
  • the present invention provides a method for producing a powder for diamond tools.
  • the alloy may include a laminated plate-like structure formed of iron included in the iron powder, and the metal compound powder interposed between the plate-like structures and having a crystal defect inside the plate-like structure.
  • the method may further include preparing a low melting point metal powder having a lower melting point than iron, wherein the low melting point metal powder may include mechanical alloying with the iron powder and the metal compound powder. .
  • the mechanical alloying treatment by any one of a vibrating ball mill, streamlined ball mill, cylindrical ball mill, or centrifugal ball mill, may be performed in the air or in an inert gas atmosphere.
  • the present invention provides a method for manufacturing a cutting tip for a diamond tool.
  • a method for manufacturing a diamond tool powder according to the embodiments described above, and mixing and sintering the diamond tool powder and the powder of diamond particles are performed to produce a cutting tip composed of a binder and diamond particles.
  • Including the step, by the metal compound powder may include no pores in the binder inside the cutting tip.
  • a method for manufacturing a diamond tool powder according to the embodiments described above, and mixing and sintering the diamond tool powder and the powder of diamond particles are performed to produce a cutting tip composed of a binder and diamond particles.
  • Including the step, the inside of the cutting tip, the metal compound powder and the portion of the low melting point metal in the portion adjacent to the grain boundary of the binder may include higher than the content of the low melting point metal of the binder base.
  • the diamond tool powder, and the powder of the diamond particles may include sintered at 750 ⁇ 900 °C temperature conditions, air or inert gas atmosphere conditions, or reduced pressure atmosphere.
  • the iron powder and the metal compound powder is mixed, and then mechanically alloyed to produce an alloy powder.
  • the alloy powder includes a laminated plate-like structure formed of iron, and the metal compound powder interposed between the plate-like structures, and has a crystal defect inside the plate-like structure. Accordingly, the sintering temperature of the sintering process using the alloy powder is reduced, the wear characteristics of the sintered body is improved, the quality deviation is minimized, the high reliability diamond tool powder and cutting tips using the same are improved. Can be.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing powder for diamond tool according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic diagram schematically showing a powder for diamond tools according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a cutting tip using a powder for diamond tools according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view illustrating a cutting tip manufactured according to a method for manufacturing a cutting tip according to an embodiment of the present invention bonded to a steel core.
  • FIG. 5 is an enlarged view of A of FIG. 4.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a diamond tool powder according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a schematic diagram showing a diamond tool powder according to an embodiment of the present invention.
  • the iron powder and metal compound powder containing carbon is prepared (S110).
  • a small amount of carbon may be included in the iron powder.
  • 0.02 wt% or less of carbon may be included in the iron powder.
  • the metal compound powder may include at least one of metal oxide, metal nitride, and metal carbonitride.
  • an alloy powder may be prepared (S120).
  • the step of mechanically alloying the iron powder and the metal compound powder may be performed in air or in an inert gas atmosphere by any one of a vibrating ball mill, streamlined ball mill, cylindrical ball mill, or centrifugal ball mill. Can be.
  • the alloy powder manufactured by mechanical alloying treatment may include a laminated plate structure 110 formed of iron included in the iron powder, and the metal compound powder 120 interposed between the plate structures 110. .
  • the apparent density of the alloy powder is about 2.5 ⁇ 3.5g / cm3, the average particle diameter is about 5 ⁇ 30 ⁇ m, the size of the powder of 10 ⁇ m or less may be about 45% by weight or more.
  • the plate-shaped structure 110 may have a thickness of about 0.03 to 0.5 ⁇ m. Inside the plate-shaped structure 110 formed of iron, crystal defects may exist due to the impact energy accumulated during mechanical alloying.
  • the plate structure 110 may include at least one of vacancy, stacking fault, dislocation, or grain boundary.
  • the metal compound powder 120 may be substantially uniformly distributed between the plate-shaped structures 110.
  • the metal compound powder 120 may have a size of about 0.01 to 0.5 ⁇ m, and the content of the metal compound powder 120 may be about 0.5 to 5.0 volume%.
  • the distance between the metal compound powder 120 may be about 0.01 ⁇ 0.5 ⁇ m.
  • a low melting point metal powder may be further prepared.
  • the low melting point metal powder may have a lower melting point than the iron powder.
  • the low melting point metal powder may include at least one of tin (Sn), copper (Cu), or a tin-copper alloy. Can be.
  • the low melting point metal powder, together with the iron powder and the metal compound powder, may be mechanically alloyed.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a cutting tip using a diamond tool powder according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a cutting tip manufactured according to the method for manufacturing a cutting tip according to an embodiment of the present invention It is a figure which shows what was bonded to the board
  • FIG. 5 is the figure which expanded A of FIG.
  • a diamond tool powder including an alloy powder in which the iron powder and the metal compound powder are mechanically alloyed according to the method described with reference to FIGS. 1 and 2 is manufactured (S210).
  • the cutting tip 220 may be manufactured (S220).
  • the cutting tip 220 may be attached to the substrate 210 to provide a diamond cutting tool.
  • the substrate 210 may be formed of an iron plate.
  • the cutting tip 220 may include a binder 222 formed of the diamond tool powder, and diamond particles 224 (abrasive material) distributed in the binder 222.
  • the binder 222 may be combined with the diamond particles 224 to support the diamond particles 224. At least a portion of the diamond particles 224 may protrude out of the binder 222. Accordingly, the workpiece may be easily cut by the cutting tip 220.
  • the binder may have a relative density of 96% or more, a ferrite grain size of about 10 ⁇ m or less, a hardness of HRB 90 or more, and a transverse rupture strength of the binder of 1000 MPa or more.
  • the alloy powder prepared by mechanically alloying the iron powder and the metal compound powder has a plate-like structure 110, a large amount of crystals in the plate-like structure (110) There may be a mechanical defect.
  • Crystallographic defects including stacking faults, dislocations, grain boundaries, vacancy, and the like, can be the paths through which atoms move in the sintering process. Accordingly, the alloy powder and the diamond particles having a plurality of crystallographic defects can be sintered at low temperature.
  • the sintering temperature is 900 ° C. or more, the diamond particles 224 may be transformed into graphite in the sintering process, thereby deteriorating. Accordingly, the cutting characteristics of the cutting tip 220 may be degraded.
  • the alloy powder according to the embodiment of the present invention may have a large amount of crystallographic defects in the plate-like structure 110, and accordingly, the sintering temperature may be reduced to 900 ° C or less. As a result, the diamond particles 224 may be prevented from being transformed into graphite, thereby providing a cutting tip having improved cutting characteristics.
  • the binder 222 can be densified.
  • the nucleation site of the recrystallization increases, producing fine grains, and improving the hardness, anti-rolling force, and mechanical properties of the binder 222. Accordingly, the binder 222 having a dense structure at a low temperature sintering temperature can be produced.
  • the iron powder includes carbon
  • the carbon content may be 0.02% by weight or less.
  • a diffusion reaction may occur between the powder of the diamond particles and the iron powder contained in the alloy powder.
  • the carbon atoms in the diamond are diffused into iron.
  • the solubility limit of the carbon atom of iron becomes the driving force of the diffusion reaction.
  • the iron powder according to an embodiment of the present invention may include carbon of 0.02% by weight or less, which is a solid solution limit of carbon that ferrite may employ.
  • the amount of diffusion of carbon atoms of the diamond into iron may be reduced. Accordingly, carbon having a solubility limit of 0.02% of the carbon which can be dissolved by the ferrite, the room temperature phase of iron, is present as pearlite.
  • the interfacial bonding force between the diamond particles 224 and the binder 222 may be reduced.
  • the bonding material 222 supports and grasps the diamond particles 224, so that the diamond particles 224 may be easily separated from the bonding material 222. For this reason, cutting characteristics and life characteristics of the cutting tip 220 may be reduced.
  • the content of carbon in the iron powder may be 0.02% by weight or less, and thus, the binder 222, the content of the pearlite is minimized, or the pearlite is present. You can't. As a result, a bonding force between the binder 222 and the diamond particles 224 is increased, that is, a diamond retention force is increased by the binder 222 to hold the diamond particles 224. Cutting characteristics and life characteristics of the cutting tip 220 may be improved.
  • the diamond particles 224 can continue to easily cut the workpiece. If the binder 222 is not properly worn, the diamond particles 224 may not be exposed and protruded, and may be covered by the binder 222. In this case, the workpiece is not cut by the diamond particles 224, and this phenomenon is called glazing. In addition, unlike the above, when the wear rate of the binder 222 is excessively fast, the diamond 224 is easily separated from the binder 222, the life of the cutting tip 220 can be reduced have.
  • the binder 222 In the process of cutting the workpiece, the binder 222 is worn, so that a part (small grains, debris, debris) of the binder 222 is peeled off.
  • the wear rate of the binder 222 may be reduced, and thus, the diamond particles 224 may be exposed and protruded relatively slowly, thereby cutting the cutting tip.
  • the lifetime of 220 can be increased.
  • the bonding force of the particles of the bonding material 222 to be peeled off may be adjusted according to the horsepower using the cutting tip 220.
  • the force applied to the cutting tip 220 is large, and accordingly, the wear rate of the binder 222 is fast.
  • a small horsepower machine has a small force applied to the cutting tip 220 does not peel the grains, the clogging phenomenon described above may occur.
  • the cutting tip 220 when used in a relatively large horsepower machine, it is advantageous that the bonding force of the grains peeled off the binder 222 is high, and the cutting tip ( When 220 is used, it is advantageous that the bonding force of the particles peeled off from the binder 222 is low.
  • the metal compound powder may include at least one of oxide, nitride, or carbonitride.
  • the metal compound powder including at least one of the oxide, nitride, and carbonitride is a heterogeneous material different from the iron structure (ferrite), which is a known structure of the binder 222, and has a lot of cracks in the heterogeneous material. It is a brittle substance. As a result, a plurality of origins of cracks may be distributed in the binder 222 matrix, and the size of the grains peeled from the binder 222 may be reduced by the origin of the plurality of cracks.
  • the spacing between the metal compound powder is a brittle material is narrow, that is, the metal compound powder is minutely distributed in the binder 222 finely peeled from the binder 222
  • the size of the pellets can be further reduced.
  • the wear rate of the binder 222 may be reduced, and thus the life of the cutting tip 220 may be improved.
  • the size of the metal compound powder exceeds 0.5 ⁇ m, the strength of the cutting tip 220 is lowered, so that the cutting tip 220 may be broken during the cutting process, and the size of the metal compound powder is 0.01 ⁇ m. If less than, the binder 222 may not serve as a starting point of crack generation to peel the small particles. Accordingly, according to an embodiment of the present invention, the particle size of the metal compound powder may be 0.01 ⁇ 0.5 ⁇ m.
  • the iron powder in the mechanical alloying process is laminated in the form of a thin plate (flake), it may have a multi-layer structure.
  • the metal compound powder may be present at the interface between the plate and the plate.
  • the thickness of the plate may be a gap between the metal compound powders in the binder 222 of the sintered cutting tip 220. Accordingly, when the thickness of the plate is thick, the gap between the metal compound powders in the binder 222 may be increased. On the contrary, when the thickness of the plate becomes thin, the gap between the metal compound powders in the binder 222 may be narrowed.
  • the thickness of the plate of the plate-shaped structure 110 formed of iron may be 0.03 ⁇ 0.5 ⁇ m.
  • the alloy powder in addition to the iron powder and the metal compound powder, further comprises the low melting point metal powder having a lower melting point than iron, the low melting point metal powder is included
  • the cutting tip 220 may be manufactured by mixing and sintering the alloy powder and the powder of the diamond particles.
  • the content of the low melting point metal present in the metal compound powder and the portion adjacent to the grain boundary of the binder 222 may be higher than the content of the low melting point metal present in the matrix of the binder 222.
  • the horsepower of the machine used in the cutting process is relatively small, the force applied to the cutting tip 220 is small, the wear peeling of the bonding material 222 is less, the clogging phenomenon may occur.
  • the binder 222 in order for the binder 222 to wear properly, it is necessary to reduce the binding force of the internal tissue of the binder 222.
  • the low melting point at the interface between the metal compound powder inside the binder 222 and the grain interface inside the binder 222.
  • Metal powder may be present in the form of a film.
  • the strength of a portion of the binder 222 in which the film formed of the low melting point metal powder is present decreases, so that the binder 222 is easily removed. It may wear out. In other words, by the low melting point metal powder, the bonding force of the internal structure of the binder 222 is reduced, so that the binder 222 may be easily worn.
  • the content of the low melting metal powder When the content of the low melting metal powder is changed, the thickness of the film formed of the low melting metal powder present in the binder 222 is changed, and accordingly, the binding force of the internal structure of the binder 222 is changed, The bonding force of the particles peeled off from the binder 222 may be changed.
  • the content of the low melting point metal powder when the content of the low melting point metal powder is excessively low, the effect of improving the wear characteristics of the binder 222 may not appear. Accordingly, the content of the low melting point metal powder may be 0.01 to 10% by volume.
  • the alloy powder was prepared by a mechanical alloying method by varying the volume fraction of the iron oxide powder.
  • the iron powder was added to the volume fraction of the iron oxide powder to be 1%, and then mechanically alloyed to prepare an alloy powder according to Example 1.
  • the iron powder was added to the volume fraction of the iron oxide powder to 4%, and then mechanically alloyed to prepare an alloy powder according to Example 2.
  • the iron powder was added to the volume fraction of the iron oxide powder to 0.3%, and then mechanically alloyed to prepare an alloy powder according to Comparative Example 1.
  • the iron powder was added to the volume fraction of the iron oxide powder to be 8%, and then mechanically alloyed to prepare an alloy powder according to Comparative Example 2.
  • the mechanical alloying process used a vibration ball mill, and the mechanical alloying process was performed by filling 2.5 liters of a steel ball having a diameter of 10 mm in a 5 liter container with about 2.5 kg of a powder mixed with iron powder and iron oxide powder. , An amplitude of 10 mm and a frequency of 1000 rpm were performed for 1 hour.
  • the alloy powders according to the Examples and Comparative Examples were collected by 20g, the apparent density was measured by Hall Flowmeter tester, the average particle diameter by the laser scattering method particle size analyzer, powder fraction below 10 ⁇ m. Was measured by Ro-Tap sieve shaker classification test. Powder characteristics analysis results, as shown in Table 1, despite the difference in the amount of iron oxide added according to the Examples and Comparative Examples, the powder characteristics of the alloy powder all appeared similar without any difference.
  • the cutting tips were made of alloy powders that were mechanically alloyed without adding diamond particles, and the cutting tip dimensions were the same as the actual saw blade cutting tip dimensions.
  • the size of ferrite grains was measured by scanning microscopy, relative density was measured by density meter, hardness by Rockwell hardness tester, and transverse rupture strength was 3 point bending test by Instron tester. As shown in Table 2, when the iron oxide addition amount was 1% and 4% according to Examples 1 and 2, all of hardness, anti-stress force and relative density were satisfactory. On the other hand, when the amount of iron oxide added 0.3% and 8% according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2, it was determined that the hardness, anti-stress force, relative density characteristics are low. On the other hand, micropore was not distributed in the microscopic biopsy results of the binder and the comparative example.
  • the addition amount of the iron oxide is different according to the embodiments and comparative examples, the internal structure and powder properties were measured to be similar in the mechanical alloying alloy powder state, as can be seen in Table 2, A binder prepared using an alloy powder having an iron oxide addition amount of 0.5 to 5.0% by volume according to an embodiment of the present invention, and a binder prepared using an alloy powder having an iron oxide addition amount of less than 0.5% by volume and more than 5.0% by volume. In comparison, it can be confirmed that it has remarkably excellent characteristics. In other words, controlling the addition amount of the metal compound powder to the iron powder to 0.5 to 5.0% by volume, it can be seen that an effective method for producing a binder having improved properties.
  • the iron powder used for the mechanical alloying treatment used water-ferrous iron powder, spongy iron powder, and carbonyl iron powder which were commercially available in different manufacturing methods.
  • Moisture iron powder is ASC300 (powder size: 45 ⁇ m or less) manufactured by Hoganas
  • sponge iron powder is MH300 (powder size: 45 ⁇ m or less) manufactured by Hoganas
  • carbonyl iron powder is CN (powder size: 8 ⁇ m or less) manufactured by BASF Used.
  • the powder according to Comparative Example 3 was prepared by adding a volume fraction of the iron oxide powder to the water-containing iron powder so as to have a volume fraction of 1% and then simply mixing the mixture using a tubular mixer without mechanical alloying treatment. Thereafter, hot press type sintering was performed at a sintering temperature of 825 ° C. for 5 minutes.
  • the powder according to Comparative Example 4 was prepared by adding a volume fraction of iron oxide powder to 1% of the spongy iron powder, and then simply mixing using a tubular mixer without mechanical alloying treatment. Thereafter, hot press type sintering was performed at a sintering temperature of 825 ° C. for 5 minutes.
  • the powder according to Comparative Example 5 was prepared by simply mixing using a tubular mixer without mechanical alloying treatment. Thereafter, hot press type sintering was performed at a sintering temperature of 825 ° C. for 5 minutes.
  • Example 3 the iron powder subjected to the mechanical alloying treatment exhibited excellent relative density, hardness, and drag.
  • Comparative Examples 3 to 5 iron powder without mechanical alloying treatment was measured to have a significantly low mechanical property.
  • Example 3 Water spray powder practice 97.2 97 1403 Comparative Example 3 Water spray powder Not carried 92.7 22 455 Comparative Example 4 Spongy iron powder Not carried 92.9 31 497 Comparative Example 5 Carbonyl powder Not carried 93.4 50 626
  • cutting tips for diamond tools were prepared using alloy powders obtained by adding 1% iron oxide powder to iron powder and mechanically alloying the same. Specifically, after mixing the alloy powder, paraffin wax 2% by weight, the powder of diamond particles, and cold-formed by sintering by hot pressing at 825 °C, a cutting tip was prepared.
  • the prepared cutting tips were laser welded to a substrate (steel core) to fabricate 10 24-inch saw blades.
  • the diamond particles used here were MBS-970K and the diamond grain size was 30/40 mesh with a volume fraction of 6.8%.
  • Cobalt powder (Umicore's product name: Extra fine, Powder size: 1 ⁇ 3 ⁇ m) is the main ingredient, 10% WC powder is added by weight, and then mixed and sintered. Every production.
  • Curing concrete wet cutting test using the saw blades according to the examples and comparative examples prepared by the above-described method is shown in Table 4 below. Cutting test was carried out using TARGET 65HP cutting machine, cutting depth was 70mm, cutting length was 500m. The cutting index and the life index were respectively calculated by measuring the cutting time and the height of the worn cutting tip under the cutting conditions described above.
  • the saw blade according to the embodiment is remarkably superior to both the cutting index and the life index, compared to the blade according to the comparative example.
  • the maximum and minimum values for the cutting index and the life index of the 10 saw blades were excellent quality uniformity at a level similar to the saw blade according to the comparative example.
  • Water-based iron powder (Hoganas product name: ASC300, powder size: 45 ⁇ m or less), iron oxide powder (Fe2O3, Sigma-Aldrich, powder size: 1.5 ⁇ m or less) and metal powder powder, tin powder with low melting point metal powder (Sn, manufactured by Kennametal, product name: M-201, powder size: 12 ⁇ m or less) was prepared.
  • the volume fraction of the iron oxide powder was constant at 1%, and the volume fraction of the tin powder was changed to prepare an alloy powder by a mechanical alloying method.
  • An alloy powder according to Example 4 was prepared by adding the iron powder and the iron oxide powder so that the volume fraction of the tin powder was 0.5%, followed by mechanical alloying treatment.
  • An alloy powder according to Example 4 was prepared by adding the iron powder and the iron oxide powder so that the volume fraction of the tin powder was 2%, followed by mechanical alloying treatment.
  • An alloy powder according to Comparative Example 6 was prepared by mechanically alloying the iron powder and the iron oxide powder so that the volume fraction of the tin powder was 0%, that is, without adding the tin powder.
  • An alloy powder according to Comparative Example 7 was prepared by adding the iron powder and the iron oxide powder so that the volume fraction of the tin powder was 15%, followed by mechanical alloying treatment.
  • the mechanical alloying process used a vibration ball mill, and the mechanical alloying process was performed by filling 2.5 liters of a steel ball having a diameter of 10 mm in a 5 liter container with about 2.5 kg of a powder mixed with iron powder and iron oxide powder. , An amplitude of 10 mm and a frequency of 1000 rpm were performed for 1 hour.
  • the internal microstructure and powder characteristics of the alloy powder were analyzed in the same manner as in Examples 1 to 2, and the analysis results were similar.
  • the internal microstructure and powder characteristics of the alloy powder showed similar results despite the difference in the amount of low melting point metal added.
  • the alloy powders prepared according to Examples 4 and 5 and Comparative Examples 6 and 7, were added at 825 ° C without adding diamond particles. Hot press sintering was performed for 5 minutes.
  • the binder was subjected to a dry sliding wear test by a pin on disk method. Abrasion test conditions were glass bead containing 83% SiO2, load stress of 10 Newton, sliding speed of 0.37m / sec, sliding distance of 600m was tested.
  • Example 4 and Example 5 prepared using an alloy powder having a low melting point tin added amount of 0.01 to 10% by volume according to the present invention, the coefficient of friction ( ⁇ ) is respectively 0.35 and 0.36.
  • the friction coefficients of Comparative Example 6 in which the low melting point metals corresponding to Comparative Examples of the present invention were not added and Comparative Example 7 in which the low melting point metal content was added to 15% were 0.65 and 0.17, respectively.
  • the decrease in the friction coefficient as the amount of low melting point metal is increased is because the bonding force between the abrasive particles of the binder is reduced, so that the concentration of the low melting point metal around the grain boundaries or oxide particles in the binder is increased.
  • the coefficient of friction of the binder prepared by sintering 100% cobalt powder was 0.33, and the frictional properties similar to those of Examples 4 and 5 in which the low-melting metal addition amount belonging to the embodiment of the present invention were in the range of 0.01 to 10% by volume The coefficients are shown.
  • a cutting tip for a diamond tool was manufactured using alloy powder subjected to mechanical alloying by adding iron oxide powder 1% and tin powder 2% in the iron powder. Specifically, after mixing the alloy powder, paraffin wax 2% by weight, the powder of diamond particles, and cold-formed by sintering by hot pressing at 825 °C, a cutting tip was prepared.
  • the prepared cutting tip was laser welded to a substrate (steel core) to prepare 10 sheets of 9-inch saw blades.
  • the diamond particles used here were MBS-970K and the diamond grain size was 30/40 mesh with a volume fraction of 2.8%.
  • Cobalt powder (Umicore Co., Ltd. product name: Extra fine, powder size: 1 to 3 ⁇ m) was added 100% and then mixed with a sintered cutting tip was produced 10 comparative 9 inch saw blades.
  • Dry cutting test of granite using the saw blades according to the examples and comparative examples prepared by the above-described method is shown in Table 6 below.
  • Cutting test was performed using BOSCH 2.7HP cutting machine, the cutting depth was 20mm, the cutting length was cut 200 times each 30cm.
  • the cutting index and the life index were respectively calculated by measuring the cutting time and the height of the worn cutting tip under the cutting conditions described above.
  • the saw blade according to the embodiment can be seen that the cutting index, the life index is superior to the blade according to the comparative example.
  • the maximum and minimum values for the cutting index and the life index of the 10 saw blades in order to find out the deviation of the saw blade according to the embodiment, the maximum and minimum values for the cutting index and the life index of the 10 saw blades.
  • the deviation range between the maximum and minimum values of the saw blade according to the embodiment showed excellent quality uniformity at a level similar to the saw blade according to the comparative example.
  • the method for manufacturing a diamond tool powder according to an embodiment of the present invention, the diamond tool powder according to this, the method for manufacturing a cutting tip using the same, and the cutting tip accordingly, can be applied to various cutting tools for cutting the object.

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Abstract

다이아몬드 공구용 분말의 제조 방법이 제공된다. 상기 방법은, 탄소가 포함된 철 분말과 금속화합물 분말을 준비하는 단계, 및 상기 철 분말 및 상기 금속화합물 분말을 혼합 후 기계적 합금화 처리하여, 합금 분말을 제조하는 단계를 포함하되, 상기 합금 분말은, 상기 철 분말에 포함된 철로 형성된 적층형 판상 구조, 및 상기 판상 구조들 사이에 개재된 상기 금속화합물 분말을 포함하고, 상기 판상 구조 내부에 결정학적 결함(crystal defect)를 갖는 것을 포함한다.

Description

다이아몬드 공구용 분말의 제조 방법, 및 이를 이용한 절삭팁의 제조 방법
본 발명은 다이아몬드 공구용 분말의 제조 방법, 및 이를 이용한 절삭팁의 제조 방법으로, 보다 상세하게는, 철 분말 및 금속화합물 분말을 기계적 합금화하는 방법으로, 내부 미세 조직을 개선하여, 성능이 향상된 다이아몬드 공구를 제조할 수 있는 다이아몬드 공구용 분말의 제조 방법, 및 이를 이용한 절삭팁의 제조 방법에 관련된 것이다.
다이아몬드 절삭공구에서 절삭팁의 소결체(결합재) 원료로 일반적으로 코발트 분말이 이용되고 있다. 이러한 코발트 분말은, 화강암, 콘크리트, 아스팔트, 대리석, 등 피삭재의 종류에 관계없이, 또한 사용되는 절단기계의 고마력, 저마력에 상관없이 다이아몬드 절삭공구의 원료분말로 널리 적용이 가능하다. 또한, 코발트 분말을 원료로 하여 제조한 절삭팁은 절삭 중에 다이아몬드 입자를 용이하게 돌출시켜 절삭 효율을 향상시킨다. 상술된 장점으로 인해, 코발트 분말은, 다이아몬드 공구 분야에서 "만능 금속분말""로 불려지고 있다.
예를 들어, 대한민국 특허 등록 공보 10-0201349(출원번호 10-1996-0006855, 출원인 이화다이아몬드공업주식회사)에는 다이아몬드분말에 메탈본드분말을 코팅하여 크기를 일정화한 알갱이를 금형 내에서 압축 성형하여 열소성시켜서 다이아몬드공구용 세그먼트를 형성토록한 것에 있어서, 상기 알갱이와, 메탈본드분말을 알갱이로 성형하여 혼재하되 상기 알갱이는 서로 같은 크기로 형성된 것을 특징으로 한 다이아몬드 공구용 세그먼트가 개시되어 있다.
하지만, 코발트 분말은 가격이 비싸고 가격 변동이 클 뿐만 아니라, 인체에 유해한 환경적인 문제가 있다. 이로 인해, 코발트 분말을 대체할 수 있는 금속 분말을 개발하기 위한 많은 연구개발이 진행되고 있다.
철 분말은 가격이 저렴하고, 코발트 분말과 비교하여 상대적으로 환경오염이 적어, 코발트 분말의 대체재로, 철 분말이 논의되고 있다.
현재, 시판되는 철 분말은 수분사철분말, 가스분사철분말, 환원철분말, 카보닐철분말 등 제조법에 따라 여러 가지 종류가 존재하며 크기와 성분도 다양하다. 미세한 입도를 갖는 카보닐 철 분말을 사용하여 결합재를 제조하더라도 소결 후에 치밀한 조직을 얻기 어렵고, 따라서 소결 밀도를 높이기 위해서는 1000 이상의 고온 소결이 필요하다.
하지만, 소결 온도가 높아지면, 결합재 내에 혼합되어 있는 다이아몬드 입자가 흑연으로 변태되고 강도가 급격히 저하되어, 다이아몬드의 열화 현상이 가속화된다. 다이아몬드 입자의 열화가 진행되면 절삭팁으로서 절삭성 및 가용기간이 저하되는 문제가 있다. 이에 따라, 900 이하의 온도에서 소결 가능한 공정 개발이 필요한 실정이다.
또한, 시판되는 철 분말로 소결한 결합재는, 코발트에 비해 경도, 항절력이 낮아, 다이아몬드 입자에 대한 기계적인 지지력이 열악하고 마모가 원활하지 않아서, 절단성능이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 고신뢰성의 다이아몬드 공구용 분말의 제조 방법, 및 이를 이용한 절삭팁의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 품질 편차가 최소화된 다이아몬드 공구용 분말의 제조 방법, 및 이를 이용한 절삭팁의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 절삭 특성이 향상된 다이아몬드 공구용 분말의 제조 방법, 및 이를 이용한 절삭팁의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 다이아몬드 공구용 분말의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 탄소가 포함된 철 분말과 금속화합물 분말을 준비하는 단계, 및 상기 철 분말 및 상기 금속화합물 분말을 혼합 후 기계적 합금화 처리하여, 합금 분말을 제조하는 단계를 포함하되, 상기 합금 분말은, 상기 철 분말에 포함된 철로 형성된 적층형 판상 구조, 및 상기 판상 구조들 사이에 개재된 상기 금속화합물 분말을 포함하고, 상기 판상 구조 내부에 결정학적 결함(crystal defect)를 갖는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 철보다 낮은 융점을 갖는 저융점 금속 분말을 준비하는 단계를 더 포함하되, 상기 저융점 금속 분말은, 상기 철 분말 및 상기 금속화합물 분말과 함께 기계적 합금화되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기계적 합금화 처리는, 진동형 볼밀, 유선형 볼밀, 원통형 볼밀, 또는 원심형 볼밀 중에서 어느 하나에 의해, 공기 중 또는 불활성 가스 분위기에서 수행되는 것을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 다이아몬드 공구용 절삭팁의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상술된 실시 예들에 따라 다이아몬드 공구용 분말을 제조하는 단계, 및 상기 다이아몬드 공구용 분말, 및 다이아몬드 입자의 분말을 혼합 후 소결하여, 결합재 및 다이아몬드 입자로 구성된 절삭팁을 제조하는 단계를 포함하되, 상기 금속화합물 분말에 의해 상기 절삭팁 내부에서 상기 결합재에 기공이 존재하지 않는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상술된 실시 예들에 따라 다이아몬드 공구용 분말을 제조하는 단계, 및 상기 다이아몬드 공구용 분말, 및 다이아몬드 입자의 분말을 혼합 후 소결하여, 결합재 및 다이아몬드 입자로 구성된 절삭팁을 제조하는 단계를 포함하되, 상기 절삭팁 내부에서, 상기 금속화합물 분말 및 상기 결합재의 결정립계에 인접한 부분에 상기 저융점 금속의 함량이, 상기 결합재 기지의 상기 저융점 금속의 함량보다 높은 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 다이아몬드 공구용 분말, 및 상기 다이아몬드 입자의 분말은 750~900℃ 온도 조건, 공기 중 또는 불활성 가스 분위기 조건, 또는 감압 분위기에서 소결되는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 철 분말 및 금속화합물 분말이 혼합된 후, 기계적 합금화 처리되어, 합금 분말이 제조된다. 상기 합금 분말은, 철로 형성된 적층형 판상 구조, 및 상기 판상 구조들 사이에 개재된 상기 금속화합물 분말을 포함하고, 상기 판상 구조 내부에 결정학적 결함(crystal defect)을 갖는다. 이에 따라, 상기 합금 분말을 이용한 소결 공정의 소결 온도가 감소되고, 소결체의 마모 특성이 향상되어, 품질편차가 최소화되고, 절삭 특성이 향상된 고신뢰성의 다이아몬드 공구용 분말 및 이를 이용한 절삭팁이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다이아몬드 공구용 분말의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 다이아몬드 공구용 분말을 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다이아몬드 공구용 분말을 이용한 절삭팁의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 절삭팁의 제조 방법에 따라 제조된 절삭팁이 기판(steel core)에 접합된 것을 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 A를 확대한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다이아몬드 공구용 분말의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 다이아몬드 공구용 분말을 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 탄소가 포함된 철 분말 및 금속화합물 분말이 준비된다(S110). 상기 철 분말 내에 탄소가 미량 포함될 수 있다 예를 들어, 상기 철 분말 내에 0.02중량% 이하의 탄소가 포함될 수 있다. 상기 금속화합물 분말은, 금속 산화물, 금속 질화물, 또는 금속 탄질화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다
상기 철 분말 및 상기 금속화합물 분말을 혼합 후, 기계적 합금화 처리하여, 합금 분말이 제조될 수 있다(S120). 일 실시 예에 따르면, 상기 철 분말 및 상기 금속화합물 분말을 기계적 합금화 처리하는 단계는, 진동형 볼밀, 유선형 볼밀, 원통형 볼밀, 또는 원심형 볼밀 중에서 어느 하나에 의해, 공기 중 또는 불활성 가스 분위기에서 수행될 수 있다.
기계적 합금화 처리되어 제조된 상기 합금 분말은, 상기 철 분말에 포함된 철로 형성된 적층형 판상 구조(110), 및 상기 판상 구조(110)들 사이에 개재된 상기 금속화합물 분말(120)을 포함할 수 있다. 상기 합금 분말의 겉보기 밀도는 약 2.5~3.5g/cm3이고, 평균 입경이 약 5~30μm이며, 크기가 10μm이하의 분말의 함량이 약 45중량% 이상일 수 있다.
상기 판상 구조(110)의 두께는 약 0.03~0.5μm일 수 있다. 철로 형성된 상기 판상 구조(110) 내부에, 기계적 합금화 과정에서 축적된 충격 에너지에 의해, 결정학적 결함(crystal defect)가 존재할 수 있다. 예를 들어, 상기 판상 구조(110)는 공공(vacancy), 적층 결함(stacking fault), 전위(dislocation), 또는 결정립계(grain boundary) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속화합물 분말(120)은 상기 판상 구조(110)들 사이에 실질적으로(substantially) 균일하게 분포될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속화합물 분말(120)의 크기는 약 0.01~0.5μm이고, 상기 금속화합물 분말(120)의 함량은 약 0.5~5.0부피%일 수 있다. 상기 금속화합물 분말(120) 사이의 거리는 약 0.01~0.5μm일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 철 분말 및 상기 금속화합물 분말 외에, 저용점 금속 분말이 더 준비될 수 있다. 상기 저융점 금속 분말은, 상기 철 분말보다 낮은 융점을 가질 수 있다 예를 들어, 상기 저융점 금속 분말은, 주석(Sn), 구리(Cu), 또는 주석-구리 합금 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 저융점 금속 분말은, 상기 철 분말 및 상기 금속화합물 분말과 함께, 기계적 합금화 처리될 수 있다.
이하, 상술된 방법에 따라 제조된 다이아몬드 공구용 분말을 이용한 절삭팁의 제조 방법이 계속해서 설명된다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 다이아몬드 공구용 분말을 이용한 절삭팁의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 절삭팁의 제조 방법에 따라 제조된 절삭팁이 기판에 접합된 것을 도시한 도면이고, 도 5는 도 4의 A를 확대한 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 방법에 따라 상기 철 분말 및 상기 금속화합물 분말이 기계적 합금화된 합금 분말을 포함하는 다이아몬드 공구용 분말이 제조된다(S210).
상기 다이아몬드 공구용 분말 및 다이아몬드 입자의 분말을 혼합 후, 소결하여, 절삭팁(220)이 제조될 수 있다(S220). 상기 절삭팁(220)은 기판(210)에 부착되어, 다이아몬드 절삭 공구가 제공될 수 있다. 상기 기판(210)는 철판으로 형성될 수 있다.
상기 절삭팁(220)은, 상기 다이아몬드 공구용 분말로 형성된 결합재(222), 및 상기 결합재(222)에 분포된 다이아몬드 입자(224, 연마재)를 포함할 수 있다. 상기 결합재(222)는 상기 다이아몬드 입자(224)와 결합되어, 상기 다이아몬드 입자(224)를 지지할 수 있다. 상기 다이아몬드 입자(224)의 적어도 일부는 상기 결합재(222)로부터 외부로 돌출(protruding)될 수 있다. 이에 따라, 상기 절삭팁(220)에 의해 피삭재가 용이하게 절단될 수 있다.
상기 결합재의 상대 밀도는 96%이상이고, 페라이트 결정립 크기가 약 10μm이하이고, 경도가 HRB 90 이상이고, 결합재의 항절력(transverse rupture strength)가 1000MPa 이상일 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 철 분말 및 상기 금속화합물 분말을 기계적 합금화 처리하여 제조된 상기 합금 분말은 판상 구조(110)를 갖고, 상기 판상 구조(110) 내에 다량의 결정학적 결함이 존재할 수 있다. 적층결함(stacking fault), 전위(dislocation), 결정립계(grain boundary), 공공(vacancy) 등을 포함하는 결정학적 결함은 소결 공정에서 원자들이 이동하는 통로(circuit path)가 될 수 있다. 이에 따라, 다수의 결정학적 결함을 갖는 상기 합금 분말 및 상기 다이아몬드 입자의 분말은 저온에서 소결될 수 있다.
만약, 소결 온도가 900℃ 이상인 경우, 상기 다이아몬드 입자(224)가 소결 공정에서 흑연으로 변태되어, 열화될 수 있다, 이에 따라, 상기 절삭팁(220)의 절삭 특성이 저하될 수 있다. 하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 합금 분말은 상기 판상 구조(110) 내에 다량의 결정학적 결함을 가질 수 있고, 이에 따라, 소결 온도가 900℃ 이하로 감소될 수 있다. 이로 인해, 다이아몬드 입자(224)가 흑연으로 변태되는 것이 예방되어, 절삭 특성이 향상된 절삭팁이 제공될 수 있다.
또한, 상기 판상 구조(110) 내의 결정학적 결함으로 인해, 소결 공정 중에 철의 재결정(recrystallization)이 원활하게 발생하여, 상기 결합재(222)가 치밀화 될 수 있다. 다시 말하면, 결정학적 결함이 증가될수록, 재결정의 핵생성 사이트가 증가되어, 미세한 결정립(grain)을 생성되고, 상기 결합재(222)의 경도, 항절력, 기계적 성질이 향상될 수 있다. 이에 따라, 저온 소결 온도에서 치밀한 조직을 갖는 결합재(222)가 제조될 수 있다.
또한, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 철 분말은 탄소를 포함하되, 상기 탄소의 함량이 0.02중량% 이하일 수 있다. 소결 과정에서, 상기 다이아몬드 입자의 분말과 상기 합금 분말에 포함된 상기 철 분말 사이에서 확산반응이 발생할 수 있다. 다시 말하면, 상기 다이아몬드 내의 탄소원자가 철로 확산된다. 이때, 철이 갖는 탄소원자의 고용한도가 확산반응의 원동력(Driving force)이 된다. 본 발명의 실시 예에 따른 상기 철 분말은, 페라이트(ferrite)가 고용할 수 있는 탄소의 고용한도인 0.02중량% 이하의 탄소를 포함할 수 있다.
만약, 상기 철 분말이 다량의 탄소를 포함하는 경우, 상기 다이아몬드의 탄소 원자가 철로 확산되는 양이 감소될 수 있다. 이에 따라, 철의 상온 상(phase)인 페라이트가 고용할 수 있는 탄소의 고용한도 0.02%를 초과하는 탄소는 펄라이트로 존재하게 된다. 상기 결합재(222) 내부에 펄라이트(pearlite)의 함량이 증가되는 경우, 상기 다이아몬드 입자(224)와 상기 결합재(222) 사이의 계면 결합력이 감소될 수 있다. 이 경우, 상기 결합재(222)가 상기 다이아몬드 입자(224)를 지지하고, 잡아주는 특성이 저하되어, 상기 다이아몬드 입자(224)가 상기 결합재(222)로부터 쉽게 분리될 수 있다. 이로 인해, 상기 절삭팁(220)의 절삭 특성 및 수명 특성이 저하될 수 있다.
하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 철 분말 내에 탄소의 함량이 0.02중량% 이하일 수 있고, 이에 따라, 상기 결합재(222) 상기 펄라이트의 함량이 최소화, 또는 상기 펄라이트가 존재하지 않을 수 있다. 이로 인해, 상기 결합재(222)와 상기 다이아몬드 입자(224) 사이에 결합력이 증대되어, 다시 말하면, 상기 결합재(222)가 상기 다이아몬드 입자(224)를 잡아주는 힘(Diamond retention force)가 증가되어, 상기 절삭팁(220)의 절삭 특성 및 수명 특성이 향상될 수 있다.
상기 결합재(222)가 적절하게 마모되어, 상기 다이아몬드 입자(224)가 적절하게 노출 및 돌출되는 경우, 상기 다이아몬드 입자(224)가 계속하여 용이하게 피삭재를 절삭할 수 있다. 만약, 상기 결합재(222)가 적절하게 마모되지 않는 경우, 상기 다이아몬드 입자(224)가 노출 및 돌출되지 않고, 상기 결합재(222)에 의해 덮힐 수 있다. 이 경우, 상기 다이아몬드 입자(224)에 의해 피삭재가 절단되지 않으며, 이러한 현상을 눈막힘(glazing)이라고 한다. 또한, 상술된 바와 달리, 상기 결합재(222)의 마모 속도가 과도하게 빠른 경우, 상기 다이아몬드 (224)가 상기 결합재(222)로부터 용이하게 떨어져나가, 상기 절삭팁(220)의 수명이 저하될 수 있다.
피삭재가 절삭되는 과정에서 상기 결합재(222)가 마모되어 상기 결합재(222)의 일부분(작은 알갱이, 파편, debris)이 박리된다. 박리되는 상기 결합재(222)의 알갱이의 크기가 작은 경우, 상기 결합재(222)의 마모 속도가 감소될 수 있고, 이에 따라, 상기 다이아몬드 입자(224)가 상대적으로 천천히 노출 및 돌출되어, 상기 절삭팁(220)의 수명이 증가될 수 있다.
또한, 박리되는 상기 결합재(222)의 알갱이의 결합력은, 상기 절삭팁(220)을 사용하는 마력에 따라 조절될 수 있다. 예를 들어, 큰 마력의 기계에 상기 절삭팁(220)이 사용되는 경우, 상기 절삭팁(220)에 인가되는 힘이 크고, 이에 따라, 상기 결합재(222)의 마모 속도가 빠르다. 반면, 작은 마력의 기계는 상기 절삭팁(220)에 인가되는 힘이 작아 상기 알갱이가 박리되지 못하여, 상술된 눈막힘 현상이 발생될 수 있다. 이에 따라, 상대적으로 큰 마력의 기계에 상기 절삭팁(220)이 사용되는 경우, 상기 결합재(222)에서 박리되는 상기 알갱이들의 결합력이 높은 것이 유리하고, 상대적으로 작은 마력의 기계에 상기 절삭팁(220)이 사용되는 경우, 상기 결합재(222)에서 박리되는 상기 알갱이들의 결합력이 낮은 것이 유리하다.
상술된 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 금속화합물 분말은, 산화물, 질화물, 또는 탄질화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 산화물, 질화물, 및 탄질화물 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 상기 금속화합물 분말은, 상기 결합재(222)의 기지 조직인 철 조직(페라이트)와 다른 이종 물질이고, 이종 물질의 내부에 크랙이 많이 존재하는 취성 물질이다. 이로 인해, 상기 결합재(222) 기지 조직 내에 크랙의 기점이 다수 분포될 수 있고, 다수 분포된 크랙의 기점에 의해 상기 결합재(222)로부터 박리되는 상기 알갱이의 크기가 감소될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 취성 물질인 상기 금속화합물 분말 사이의 간격이 좁아, 다시 말하면, 상기 금속화합물 분말이 상기 결합재(222) 내에 미세하게 무수히 분포되어, 상기 결합재(222)로부터 박리되는 상기 알갱이의 크기가 더욱 감소될 수 있다. 이로 인해, 상기 결합재(222)의 마모 속도가 감소되어, 상기 절삭팁(220)의 수명이 향상될 수 있다.
만약, 상기 금속화합물 분말의 크기가 0.5μm을 초과하면 상기 절삭팁(220)의 강도가 저하하여 절삭과정에서 상기 절삭팁(220)이 부러질 위험이 있고, 상기 금속화합물 분말의 크기가 0.01μm 미만이 되면 상기 결합재(222)를 작은 알갱이로 박리하도록 하는 크랙 발생의 기점 역할을 하지 못할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 금속화합물 분말의 입자의 크기가 0.01~0.5μm일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 기계적 합금화 처리과정에서 상기 철 분말은 얇은 판(flake)형태로 적층되어, 다층 구조를 가질 수 있다. 판과 판 사이의 계면에는 상술된 바와 같이, 상기 금속화합물 분말이 존재할 수 있다. 상기 판의 두께는 소결된 상기 절삭팁(220)의 상기 결합재(222) 내에서 상기 금속화합물 분말들 사이의 간격이 될 수 있다. 이에 따라, 상기 판의 두께가 두꺼우면, 상기 결합재(222) 내에서 상기 금속화합물 분말들 사이의 간격이 증가될 수 있다. 이와는 달리, 상기 판의 두께가 얇아지면, 상기 결합재(222) 내에서 상기 금속화합물 분말들 사이의 간격이 좁아질 수 있다. 이 경우, 상술된 바와 같이, 상기 금속화합물 분말들 사이의 거리가 좁아지면, 상기 결합재(222)로부터 박리되는 알갱이의 크기가 감소되어, 상기 결합재(222)의 마모 성능이 향상될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따르면, 기계적 합금화된 상기 합금 분말에서, 철로 형성된 상기 판상 구조(110)의 상기 판의 두께는 0.03~0.5μm일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상술된 바와 같이, 상기 합금 분말은, 상기 철 분말, 및 상기 금속화합물 분말 외에, 철보다 낮은 융점을 갖는 상기 저융점 금속 분말을 더 포함하고, 상기 저융점 금속 분말이 포함된 상기 합금 분말 및 상기 다이아몬드 입자의 분말을 혼합 후 소결하여 상기 절삭팁(220)이 제조될 수 있다. 상기 금속화합물 분말 및 상기 결합재(222)의 결정립계에 인접한 부분에 존재하는 상기 저융점 금속의 함량이, 상기 결합재(222)의 기지에 존재하는 상기 저융점 금속의 함량보다 높을 수 있다.
상술된 바와 같이, 절삭 과정에서 사용되는 기계의 마력이 상대적으로 작은 경우, 상기 절삭팁(220)에 인가되는 힘이 작아 상기 결합재(222)의 마모 박리가 적어 눈막힘 현상이 발생될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 상대적으로 마력이 작은 기계에서, 상기 결합재(222)가 적절하게 마모되기 위해서, 상기 결합재(222) 내부 조직의 결합력을 감소시킬 필요가 있다. 상술된 바와 같이, 상기 저융점 금속을 이용하여 상기 절삭팁(220)을 제조하는 경우, 상기 결합재(222) 내부의 상기 금속화합물 분말의 계면과 상기 결합재(222) 내부의 결정립 계면에 상기 저융점 금속 분말이 막(film) 형태로 존재할 수 있다. 이 경우, 절삭 과정에서 상기 절삭팁(220)의 온도가 상승하게 되면, 상기 저융점 금속 분말로 형성된 막이 존재하는 상기 결합재(222)의 일부의 강도가 저하되어, 용이하게 상기 결합재(222)가 마모될 수 있다. 다시 말하면, 상기 저융점 금속 분말에 의해, 상기 결합재(222) 내부 조직의 결합력이 감소되어, 상기 결합재(222)가 용이하게 마모될 수 있다.
상기 저융점 금속 분말의 함량이 변화되는 경우, 상기 결합재(222) 내에 존재하는 상기 저융점 금속 분말로 형성된 막의 두께가 변화되고, 이에 따라, 상기 결합재(222) 내부 조직의 결합력이 변화되어, 상기 결합재(222)로부터 박리되는 알갱이의 결합력이 변화될 수 있다. 또한, 상기 저융점 금속 분말의 함량이 과도하게 낮은 경우, 상기 결합재(222)의 마모 특성을 향상시키는 효과가 나타나지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 저융점 금속 분말의 함량은 0.01~10부피%일 수 있다.
이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 다이아몬드 공구용 분말의 제조 방법 및 이를 이용한 절삭팁의 제조 방법이 구체적으로 설명된다.
수분사 철 분말(Hoganas사 제품명 : ASC300, 분말크기 : 45 μm 이하), 및 금속화합물 분말인 산화철 분말(Fe2O3, Sigma-Aldrich사 제품, 분말크기 : 1.5 μm 이하)을 준비하였다. 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따라 산화철 분말의 부피 분율을 다르게 하여, 기계적 합금화 방법으로 합금 분말을 제조하였다.
실시 예 1
철 분말에 산화철 분말의 부피 분율이 1%가 되도록 첨가한 후, 기계적 합금화 처리하여, 실시 예 1에 따른 합금 분말을 제조하였다.
실시 예 2
철 분말에 산화철 분말의 부피 분율이 4%가 되도록 첨가한 후, 기계적 합금화 처리하여, 실시 예 2에 따른 합금 분말을 제조하였다.
비교 예 1
철 분말에 산화철 분말의 부피 분율이 0.3%가 되도록 첨가한 후, 기계적 합금화 처리하여, 비교 예 1에 따른 합금 분말을 제조하였다.
비교 예 2
철 분말에 산화철 분말의 부피 분율이 8%가 되도록 첨가한 후, 기계적 합금화 처리하여, 비교 예 2에 따른 합금 분말을 제조하였다.
기계적 합금화 공정은 진동밀(Vibration ball mill)을 사용하였으며, 기계적 합금화 처리는 내용적 5리터 용기에 지름이 10mm인 스틸볼을 2.5리터 채우고 철 분말과 산화철 분말을 혼합한 분말을 약 2.5kg 채운 후, 진폭 10mm 및 주파수 1000 rpm의 조건으로 1시간 동안 수행하였다.
기계적 합금화 처리 후 합금분말의 내부 미세조직을 관찰하기 위해, 실시 예들 및 비교 예들에 따른 합금 분말을 5g 씩 채취하여 조직검사 시편을 준비하였다. 분말 단면을 Nital 에칭후 주사전자현미경으로 조직검사를 수행 하였다. 분말 단면의 조직검사 결과, 다층판상구조를 갖는 분말로서 판 두께가 0.08∼0.3 μm 로 측정되었으며, 상기 금속화합물 분말의 크기가 약 0.1 μm 로 측정되었다. 산화철 첨가량이 실시 예들 및 비교 예들에 따라 차이가 나는데도 불구하고 합금분말의 단면조직은 모두 유사하게 나타났다.
기계적 합금화 처리 후 합금분말의 분말특성을 알아보기 위해, 실시 예들 및 비교 예들에 따른 합금 분말을 20g 씩 채취하여 겉보기밀도는 Hall Flowmeter 시험기로, 평균입경은 레이저산란법 입도분석기로, 10μm 이하 분말 분율은 Ro-Tap sieve shaker 분급시험기로 측정하였다. 분말특성 분석결과는 <표 1>과 같이, 실시 예들 및 비교 예들에 따라 산화철 첨가량의 차이가 나는데도 불구하고, 합금분말의 분말특성은 차이가 없이 모두 유사하게 나타났다.
구분 첨가된 산화철의 부피 분율 겉보기 밀도(g/cm3) 분말평균 입경(μm) 10μm 이하분말 분율(%)
실시 예 1 1% 3.32 12.4 54
실시 예 2 4% 3.26 14.2 55
비교 예 1 0.3% 3.17 15.6 53
비교 예 2 8% 3.23 13.8 56
기계적합금화 처리한 분말 내부의 결정학적 결함 증가를 알아보기 위해 대한민국 경북 포항시에 있는 방사광 가속기에서 방사광 XRD 시험을 실시하였다. 실시 예들 및 비교 예들 모두 기계적합금화 처리 전후 분말의 (200)peak width를 비교해 보니 약 10배정도 peak broadening을 나타내었다. 이는 기계적합금화처리 분말 내부에 결정학적 결함이 크게 증가한 것을 나타내는 결과이다.
본 발명의 합금분말의 소결체(결합재) 성능을 알아보기 위해, 실시 예들 및 비교 예들에 따라 기계적 합금화된 합금 분말을 825 ℃에서 5분 동안 열간 가압 방식 소결(Hot press sintering)을 수행하였다. 결합재의 기계적 성질을 측정하기 위해 다이아몬드 입자를 첨가하지 않고 기계적 합금화 처리된 합금 분말만으로 절삭팁을 제조하였으며, 절삭팁 치수는 실제 쏘블레이드 절삭팁 치수와 동일하게 하였다. 상대밀도, 경도, 항절력에 영향을 줄 수 있는 산화철 분말(금속화합물 분말)의 분율, 결합재의 마모특성에 영향을 줄 수 있는 크기 2μm이하 미세기공의 기공율, 경도와 항절력에 영향을 줄 수 있는 페라이트 결정립 크기는 주사현미경에서 이미지 분석으로 측정하였으며, 상대밀도는 밀도측정기로, 경도는 로크웰 경도시험기로, 항절력(Transverse rupture strength)는 인스트론 시험기에서 3 point bending 시험하였다. <표 2>의 결과와 같이, 실시 예 1 및 실시 예 2에 따라 산화 철 첨가량이 1% 및 4%인 경우, 경도, 항절력, 상대밀도 모두 만족스러웠다. 반면, 비교 예 1 및 비교 예2에 따라 산화철 첨가량이 0.3% 및 8%인 경우, 경도, 항절력, 상대밀도 특성이 낮은 것으로 측정되었다. 한편, 결합재의 현미경 조직검사 결과 실시 예, 및 비교 예 모두 미세기공은 분포하지 않았다.
구분 첨가된 산화철 분율(부피%) 페라이트 결정립 크기(μm) 2μm이하 기공분율(부피%) 상대밀도(%) 경도(HRB) 항절력(MPa)
실시 예 1 1% 1.95 0 97.2 97 1403
실시 예 2 4% 1.92 0 98.0 101 1477
비교 예 1 0.3% 2.48 0 96.4 83 1011
비교 예 2 8% 1.80 0 95.6 99 935
상술된 바와 같이, 산화 철의 첨가량이 실시 예들 및 비교 예들에 따라 차이가 나더라도, 기계적 합금화 처리된 합금 분말 상태에서는 내부조직 및 분말특성이 유사한 것으로 측정되었으나, <표 2>에서 알 수 있듯이, 산화철 첨가량이 본 발명의 실시 예에 따라 0.5~5.0부피%인 합금 분말을 이용하여 제조된 결합재가, 산화철의 첨가량이 0.5 부피% 미만, 및 5.0부피% 초과인 합금 분말을 이용하여 제조된 결합재와 비교하여, 현저하게 우수한 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, 철 분말에 금속화합물 분말의 첨가량을 0.5~5.0부피%로 제어하는 것이, 향상된 특성을 갖는 결합재를 제조하는 효과적인 방법임을 확인할 수 있다.
기계적 합금화 처리가 소결성에 미치는 효과를 확인하기 위해, 기계적 합금화 처리 실시한 철 분말과 기계적 합금화 처리를 실시하지 않은 철 분말을 소결을 실시한 후 결합재의 기계적 성질을 비교하였다. 기계적 합금화 처리에 사용한 철분말은 제조법을 달리하여 시판되고 있는 수분사철분말, 해면철분말, 카보닐철분말을 사용하였다. 수분사철분말은 Hoganas사 제품인 ASC300 (분말크기 : 45 μm 이하), 해면철분말은 Hoganas사 제품인 MH300 (분말크기 : 45 μm 이하), 카보닐 철분말은 BASF사 제품인 CN(분말크기 : 8μm 이하) 사용하였다.
실시 예 3
수분사 철 분말에 산화철 분말의 부피 분율이 1%가 되도록 첨가한 후, 기계적 합금화 처리하여, 실시 예 3에 따른 합금 분말을 제조하고, 소결 온도 825℃에서 5분간 열간 가압 방식 소결을 수행하였다.
비교 예 3
수분사 철 분말에 산화철 분말의 부피 분율이 1%가 되도록 첨가한 후, 기계적 합금화 처리를 하지 않고 터블러 믹싱기를 사용하여 단순하게 혼합(mixing) 하여 비교 예 3에 따른 분말을 제조하였다. 이후, 소결 온도 825℃에서 5분간 열간 가압 방식 소결을 수행하였다.
비교 예 4
해면 철 분말에 산화철 분말의 부피 분율이 1%가 되도록 첨가한 후, 기계적 합금화 처리를 하지 않고 터블러 믹싱기를 사용하여 단순하게 혼합(mixing) 하여 비교 예 4에 따른 분말을 제조하였다. 이후, 소결 온도 825℃에서 5분간 열간 가압 방식 소결을 수행하였다.
비교 예 5
카보닐 철 분말에 산화철 분말의 부피 분율이 1%가 되도록 첨가한 후, 기계적 합금화 처리를 하지 않고 터블러 믹싱기를 사용하여 단순하게 혼합(mixing) 하여 비교 예 5에 따른 분말을 제조하였다. 이후, 소결 온도 825℃에서 5분간 열간 가압 방식 소결을 수행하였다.
아래 <표 3>과 같이, 실시 예 3에 따라, 기계적 합금화 처리가 수행된 철 분말은 우수한 상대밀도, 경도, 항절력을 나타내었다. 반면, 비교 예 3 내지 비교 예 5에 따라, 기계적 합금화 처리를 수행하지 않은 철 분말은 현저하게 낮은 기계적 성질을 갖는 것으로 측정되었다.
구분 철 분말 종류 기계적 합금화 처리 여부 상대밀도(%) 경도(HRB) 항절력MPa)
실시 예 3 수분사 분말 실시 97.2 97 1403
비교 예 3 수분사 분말 미실시 92.7 22 455
비교 예 4 해면철 분말 미실시 92.9 31 497
비교 예 5 카보닐 분말 미실시 93.4 50 626
실시 예에 따른 다이아몬드 절삭 공구 제조
실시 예 1 및 실시 예 3에 따라, 철 분말 내에 산화철 분말 1%를 첨가하여 기계적 합금화 처리한 합금 분말을 이용하여, 다이아몬드 공구용 절삭팁을 제조하였다. 구체적으로, 상기 합금 분말, 파라핀 왁스 2 중량%, 다이아몬드 입자의 분말을 혼합한 후, 냉간 성형하여 825℃에서 열간 가압 방식으로 소결하여, 절삭팁을 제조하였다.
제조된 절삭팁을 기판(steel core)에 레이저 용접하여 24인치 쏘블레이드를 10매 제작하였다. 여기에 사용한 다이아몬드 입자는 MBS-970K, 다이아몬드 입도는 30/40 mesh를 사용하였으며 부피분율은 6.8%이었다.
비교 예에 따른 다이아몬드 절삭 공구 제조
코발트분말(Umicore사 제품명 : Extra fine, 분말크기 : 1∼3 μm)을 주 성분으로 하고 무게분율로 10%의 WC분말을 첨가한 후 혼합하여 소결한 절삭팁으로 비교용 24인치 쏘블레이드를 10매 제작하였다.
실시 예 및 비교 예에 따른 다이아몬드 절삭 공구의 성능비교
상술된 방법으로 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 쏘블레이드를 사용하여 양생 콘크리트 습식 절단시험을 하여 결과를 아래의 <표 4>에 나타내었다. 절단시험은 TARGET 65HP 절단기계를 사용하였으며, 절입깊이는 70mm, 절단길이는 500m 실시하였다. 절삭지수와 수명지수는 각각 상술된 절단조건에서 소요된 절단시간과 마모된 절삭팁의 높이를 측정하여 계산하였다.
<표 4>에서 알 수 있듯이, 실시 예에 따른 쏘블레이드는 비교 예에 따른 블레이드에 비해, 절삭지수, 수명지수 모두 현저하게 우수한 것을 알 수 있다. 또한, 실시 예에 따른 쏘블레이드 품질편차를 알아보기 위해, 쏘블레이드 10매의 절삭지수와 수명지수에 대하여 최대값과 최소값을 나타내었다. 실시 예에 따른 쏘블레이드의 최대값과 최소값의 편차범위가 비교 예에 따른 쏘블레이드와 비슷한 수준으로 우수한 품질 균일성을 나타내었다.
구분 절삭지수 (m2/min) 수명지수 (m2/mm)
평균 최소/최대 평균 최소/최대
실시 예에 따른 다이아몬드 절삭 공구 0.46 0.43/0.47 9.4 9.1/9.6
비교 예에 따른 다이아몬드 절삭 공구 0.38 0.36/0.40 5.6 5.3/5.8
이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따라, 저융점 금속 분말을 이용한, 다이아몬드 공구용 분말의 제조 방법 및 이를 이용한 절삭팁의 제조 방법이 구체적으로 설명된다.
수분사 철 분말(Hoganas사 제품명 : ASC300, 분말크기 : 45 μm 이하), 및 금속화합물 분말인 산화철 분말(Fe2O3, Sigma-Aldrich사 제품, 분말크기 : 1.5 μm 이하) 및 저융점 금속 분말로 주석분말(Sn, Kennametal사 제품명: M-201, 분말크기: 12 μm 이하)를 준비하였다. 본 발명의 실시 예 및 비교 예에 따라 산화철 분말의 부피 분율을 1%로 일정하게 하고, 주석분말의 부피 분율을 다르게 하여, 기계적 합금화 방법으로 합금 분말을 제조하였다.
실시 예 4
철 분말, 산화철 분말에 주석분말의 부피 분율이 0.5%가 되도록 첨가한 후, 기계적 합금화 처리하여, 실시 예 4에 따른 합금 분말을 제조하였다.
실시 예 5
철 분말, 산화철 분말에 주석분말의 부피 분율이 2%가 되도록 첨가한 후, 기계적 합금화 처리하여, 실시 예 4에 따른 합금 분말을 제조하였다.
비교 예 6
철 분말, 산화철 분말에 주석분말의 부피 분율이 0%가 되도록, 다시 말하면, 주석분말을 첨가하지 않고, 기계적 합금화 처리하여, 비교 예 6에 따른 합금 분말을 제조하였다.
비교 예 7
철 분말, 산화철 분말에 주석분말의 부피 분율이 15%가 되도록 첨가한 후, 기계적 합금화 처리하여, 비교 예 7에 따른 합금 분말을 제조하였다.
기계적 합금화 공정은 진동밀(Vibration ball mill)을 사용하였으며, 기계적 합금화 처리는 내용적 5리터 용기에 지름이 10mm인 스틸볼을 2.5리터 채우고 철 분말과 산화철 분말을 혼합한 분말을 약 2.5kg 채운 후, 진폭 10mm 및 주파수 1000 rpm의 조건으로 1시간 동안 수행하였다.
기계적 합금화 처리 후 합금분말의 내부 미세조직, 분말특성을 상술한 실시 예1 내지 실시 예 2와 같은 방법으로 분석하였으며, 분석결과도 유사하게 나타났다. 합금분말의 내부 미세조직과 분말특성은 저융점금속 첨가량의 차이가 있는데도 불구하고 유사한 결과를 나타내었다.
본 발명의 저융점금속 첨가 합금분말의 소결체(결합재)의 성능을 알아보기 위해, 실시 예 4, 5, 및 비교 예 6, 7에 따라 제조한 합금분말에 다이아몬드 입자를 첨가하지 않고, 825 ℃에서 5분 동안 열간 가압 방식 소결(Hot press sintering)을 수행하였다. 저융점 금속 분말의 첨가량에 따라 가장 크게 나타나는 마모 성질 변화를 측정하기 위해, 결합재에 대하여 pin on disk방식에 의한 dry sliding wear test를 실시하였다. 마모시험 조건은 SiO2가 83% 함유된 glass bead를 사용하였으며, 부하응력은 10 Newton, 미끄럼 속도는 0.37m/sec, 미끄럼 거리는 600m 를 시험하였다.
<표 5>에서 알 수 있듯이, 저융점 금속인 주석 첨가량이 본 발명 실시 예에 따라 0.01∼10 부피%인 합금분말을 이용하여 제조된 실시 예 4 및 실시 예 5는 마찰계수( μ )가 각각 0.35, 0.36이었다. 반면에 본 발명의 비교 예들에 해당되는 저융점 금속이 첨가되지 않은 비교 예 6, 저융점 금속 함량이 15% 첨가된 비교 예7의 마찰계수는 각각 0.65, 0.17을 나타내었다. 이와 같이, 저융점 금속 첨가량이 증가함에 따라 마찰계수가 저하하는 것은 결합재의 마모박리 되는 알갱이들 사이의 결합력이 낮아졌기 때문으로, 결합재 내의 결정립계 또는 산화물입자들 주위에 저융점 금속의 농도가 결합재 기지보다 높게 형성되었다고 판단할 수 있다. 참고로 100% 코발트 분말을 소결하여 제조한 결합재의 마찰계수는 0.33으로, 본 발명의 실시 예에 속하는 저융점 금속 첨가량이 0.01∼10 부피% 범위에 포함되는 실시 예4 및 실시 예5 와 유사한 마찰계수를 나타내었다.
구분 첨가된 산화철 분율(부피%) 첨가된 주석(Sn) 금속(부피 %) 결합재의마찰 계수(μ)
실시 예 4 1% 0.5 0.35
실시 예 5 1% 2 0.36
비교 예 6 1% 0 0.65
비교 예 7 1% 15 0.17
실시 예에 따른 다이아몬드 절삭 공구 제조
실시 예 5에 따라, 철 분말 내에 산화철 분말 1% 및 주석분말 2%를 첨가하여 기계적 합금화 처리한 합금 분말을 이용하여, 다이아몬드 공구용 절삭팁을 제조하였다. 구체적으로, 상기 합금 분말, 파라핀 왁스 2 중량%, 다이아몬드 입자의 분말을 혼합한 후, 냉간 성형하여 825℃에서 열간 가압 방식으로 소결하여, 절삭팁을 제조하였다.
제조된 절삭팁을 기판(steel core)에 레이저 용접하여 9인치 쏘블레이드를 10매 제작하였다. 여기에 사용한 다이아몬드 입자는 MBS-970K, 다이아몬드 입도는 30/40 mesh를 사용하였으며 부피분율은 2.8%이었다.
비교 예에 따른 다이아몬드 절삭 공구 제조
코발트분말(Umicore사 제품명 : Extra fine, 분말크기 : 1∼3 μm)을 100% 첨가한 후 혼합하여 소결한 절삭팁으로 비교용 9인치 쏘블레이드를 10매 제작하였다.
실시 예 및 비교 예에 따른 다이아몬드 절삭 공구의 성능비교
상술된 방법으로 제조한 실시 예 및 비교 예에 따른 쏘블레이드를 사용하여 화강암을 건식 절단시험을 하여 결과를 아래의 <표 6>에 나타내었다. 절단시험은 BOSCH 2.7HP 절단기계를 사용하였으며, 절입깊이는 20mm, 절단길이는 30cm 씩 200회 절단하였다. 절삭지수와 수명지수는 각각 상술된 절단조건에서 소요된 절단시간과 마모된 절삭팁의 높이를 측정하여 계산하였다.
<표 6>에서 알 수 있듯이, 실시 예에 따른 쏘블레이드는 비교 예에 따른 블레이드에 비해, 절삭지수, 수명지수 모두 우수한 것을 알 수 있다. 또한, 실시 예에 따른 쏘블레이드 품질편차를 알아보기 위해, 쏘블레이드 10매의 절삭지수와 수명지수에 대하여 최대값과 최소값을 나타내었다. 실시 예에 따른 쏘블레이드의 최대값과 최소값의 편차범위가 비교 예에 따른 쏘블레이드와 비슷한 수준으로 우수한 품질 균일성을 나타내었다.
구분 절삭지수 (cm2/min) 수명지수 (m2/mm)
평균 최소/최대 평균 최소/최대
실시 예에 따른 다이아몬드 절삭 공구 405 396/413 3.9 3.7/4.0
비교 예에 따른 다이아몬드 절삭 공구 341 330/355 1.3 1.2/1.4
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 다이아몬드 공구용 분말의 제조 방법, 이에 따른 다이아몬드 공구용 분말, 이를 이용한 절삭팁의 제조 방법, 및 이에 따른 절삭팁은, 대상물을 절삭하기 위한 다양한 절삭 공구에 적용될 수 있다.

Claims (6)

  1. 탄소가 포함된 철 분말과 금속화합물 분말을 준비하는 단계; 및
    상기 철 분말 및 상기 금속화합물 분말을 혼합 후 기계적 합금화 처리하여, 합금 분말을 제조하는 단계를 포함하되,
    상기 합금 분말은, 상기 철 분말에 포함된 철로 형성된 적층형 판상 구조, 및 상기 판상 구조들 사이에 개재된 상기 금속화합물 분말을 포함하고, 상기 판상 구조 내부에 결정학적 결함(crystal defect)을 갖는 것을 포함하는 다이아몬드 공구용 분말의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    철보다 낮은 융점을 갖는 저융점 금속 분말을 준비하는 단계를 더 포함하되,
    상기 저융점 금속 분말은, 상기 철 분말 및 상기 금속화합물 분말과 함께 기계적 합금화되는 것을 포함하는 다이아몬드 공구용 분말의 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 기계적 합금화 처리는, 진동형 볼밀, 유선형 볼밀, 원통형 볼밀, 또는 원심형 볼밀 중에서 어느 하나에 의해, 공기 중 또는 불활성 가스 분위기에서 수행되는 것을 포함하는 다이아몬드 공구용 분말의 제조 방법.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 따라 다이아몬드 공구용 분말을 제조하는 단계; 및
    상기 다이아몬드 공구용 분말, 및 다이아몬드 입자의 분말을 혼합 후 소결하여, 결합재 및 다이아몬드 입자로 구성된 절삭팁을 제조하는 단계를 포함하되,
    상기 금속화합물 분말에 의해 상기 절삭팁 내부에서 상기 결합재에 기공이 존재하지 않는 것을 포함하는 절삭팁의 제조 방법.
  5. 제2 항에 따라 다이아몬드 공구용 분말을 제조하는 단계; 및
    상기 다이아몬드 공구용 분말, 및 다이아몬드 입자의 분말을 혼합 후 소결하여, 결합재 및 다이아몬드 입자로 구성된 절삭팁을 제조하는 단계를 포함하되,
    상기 절삭팁 내부에서, 상기 금속화합물 분말 및 상기 결합재의 결정립계에 인접한 부분에 상기 저융점 금속의 함량이, 상기 결합재 기지의 상기 저융점 금속의 함량보다 높은 것을 포함하는 절삭팁의 제조 방법.
  6. 제4 항 또는 제5 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 공구용 분말, 및 상기 다이아몬드 입자의 분말은 750~900℃ 온도 조건, 공기 중 또는 불활성 가스 분위기 조건, 또는 감압 분위기에서 소결되는 것을 포함하는 절삭팁의 제조 방법.
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