KR100375649B1

KR100375649B1 - 연마 용구에 사용되는 제거가능한 결합제

Info

Publication number: KR100375649B1
Application number: KR10-1999-7001602A
Authority: KR
Inventors: 슈렌-캐; 애가토마스더블유; 밀러브래들리제이; 블잔세르게이-토미슬라브
Original assignee: 생-고뱅 어브레이시브즈, 인코포레이티드
Priority date: 1996-08-28
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 2003-03-15
Anticipated expiration: 2017-08-27
Also published as: CA2263305A1; BR9714337A; KR20000035891A; EP1029635A3; CN1080621C; CN1326841A; TW394722B; WO1998008654A1; AU4089497A; CA2263305C; CO4870769A1; AU730234B2; EP1029635A2; CN1228727A; CN1166498C; US6245443B1; AR009342A1; EP0921907A1

Abstract

금속 단일층 연마 용구용 결합제는 코어를 재사용하기 위해 회수된 용구의 금속 코어로부터 화학적 및 전기화학적으로 용이하게 박리될 수 있다. 통상적으로 결합된 용구에 비해, 신규 결합제를 박리시키는 속도가 빠르며, 박리된 코어는 매끄럽고 청정한 표면을 지녀 재사용하기 전에 단지 최소의 기계적 손질만 하면 된다. 신규 결합제의 조성물은 필수적으로 구리, 주석 및 티타늄으로 이루어진다. 이는 다이아몬드 흑연화 이하의 온도에서 접합시킬 수 있고 다이아몬드와 화학적으로 혼화가능하다. 따라서, 결합제는 건설 산업에 사용되는 직경이 큰 초강연마재 금속 단일층 연마 휠의 제조에 특히 유용하다. 결합제는 연마 용구의 절단면에 청동 합금, 티타늄 화합물 및 구리 분말의 균일 혼합물로서 적용시킬 수 있다. 분말은 액체 비히클과 혼합될 수 있고 페이스트로서 적용될 수 있다. 결합제를 접합시키는 방법은 결합제 조성물을 약 880℃ 이하의 온도로 가열시켜 청동 합금 및 티타늄 화합물 성분을 용융시키고, 온도를 약 900℃ 이상으로 상승시켜 구리를 용해시킴을 포함한다. 결합제는 코어와 결합제 조성물 사이에 절단면을 피복시키는 약 10 내지 200㎛ 두께의 구리 장벽층을 또한 포함할 수 있다.

Description

연마 용구에 사용되는 제거가능한 결합제 {Removable bond for abrasive tool}

본 발명은 조립자(粗粒子-grit)를 연마 용구의 코어에 부착시키기 위한 결합제에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 용이하게 제거될 수 있어, 연마 용구의 코어를 다시 사용할 수 있도록 하는 결합제에 관한 것이다.

발명의 배경 및 요약

공업적인 연마 용구는 일반적으로 경질 코어에 부착된 경질 물질의 연마분을 포함한다. 코어를 가공물과 이동 접촉시키면서 수동으로 또는 동력으로 작동하여 조정함으로써 가공물을 목적하는 형상으로 분쇄, 절단, 광내기 또는 연마시킬 수 있다. 연마분은 일반적으로 결합제로도 불리는 물질에 의해 코어에 부착된다.

일반적으로 연마 용구는 지속적으로 사용할 경우에 절단 능력이 감소되며, 종국에는, 용구가 완전히 마모되어 추가 사용시 전혀 쓸모가 없어진다. 이때, 마모된 용구를 새 용구로 대체해야 한다. 절단 능력의 감소는 종종 과도한 둔화(dulling) 및 연마 조립자의 손실과 같은 원인 때문이다. 결합제가 가공물과의 접촉을 통해 마모되거나 파쇄될 경우, 조립자가 손실될 수 있다. 많은 경우 연마재와 결합제만이 마모에 의해 손상되고 코어는 거의 손상되지 않은채 남는다.

마모된 연마 용구의 대체 필요성은 건설 재료 연마 및 절단과 같은 특정 적용 분야에서 중요하다. 절단될 재료는 통상 금속, 천연석, 화강암, 콘크리트 및 세라믹 등이다. 이러한 재료는 용구를 상대적으로 빨리 마모시키는 경향이 있으며, 심지어는 다이아몬드 및 입방정 질화붕소("CBN")와 같은 초강연마 조립자를 혼입하여 내구성이 가장 뛰어난 연마 용구 조차도 빨리 마모시키는 경향이 있다. 또한, 건설 재료 연마 용구는 대부분 매우 크다. 아스팔트, 콘크리트 및 기타 도로 재료 절단에 사용되는 직경 수 피트 이하의 연마 휠이 통상적으로 사용된다. 이러한 용구의 대체 비용은 상당히 높을 수 있다.

일반적으로 마모된 용구로부터 회수된 코어를 재생시켜 대체 비용을 감소시킬 수 있다. 이는 일반적으로 코어상의 모든 잔류 결합제 및 조립자를 제거하고, 코어의 약화된 구조적 결함을 수리하고 연마 조립자와 결합제로 이루어진 새로운 절단면을 부착시킴으로써 수행된다. 회수된 연마 용구로부터 결합제와 조립자를 제거하는 것을 때때로 박리라 부른다.

문지르고 가열하는 것과 같은 다양한 기술을 사용하여서도 회수된 코어를 박리시킬 수 있다. 금속 결합제를 사용하는 연마 용구는 일반적으로 화학적 방법과 전기화학적 방법을 함께 사용하여 박리시킨다. 즉, 용구를 결합제의 조성물에 대해 선택적으로 부식성인 약욕(chemical bath)에 침지시킨다. 가역 전기도금에 의해 코어로부터 결합제를 추가로 박리시키는 방식으로 적합한 전압을 인가할 수 있다.

코어를 박리시키는 능력은 다양한 유형의 연마 용구에 있어서 중요하지만, 소위 금속 단일층("SL") 유형의 용구에 사용되는 결합제를 개발하는 데 특히 중요하다. 금속 단일층의 용구는 기본적으로 결합제 접합 페이스트의 얇은 피막을 코어의 절단면에 부착시킴으로써 제조된다. 조립자 입자는 일반적으로 페이스트상에 개별적으로 위치되거나 살포된다. 최종적으로, 페이스트를 열 처리로 접합시켜 금속 합금 결합제를 형성시킨다.

전형적인 전기도금된 용구용 결합제로는 니켈이 사용되고 있으며 이는 코어로부터 쉽게 박리될 수 있다. 그러나, 니켈 도금된 결합제는 일반적으로 도금 욕을 사용하여 코어상에 도금시킬 필요가 있기 때문에 금속 단일층 용구에 그다지 적합하지 않다. 도금 욕은 도금액에 분산되는 연마 조립자를 대량으로 사용한다. 고성능 제품에서는 종종 다이아몬드 또는 CBN이 조립자로 사용되며, 이는 도금 욕 유지에 과다한 비용이 들게 한다. 또한, 니켈계 결합제는 매우 높은 온도, 통상 1000℃ 이상에서만 접합될 수 있다. 이 온도에서는 다이아몬드가 흑연화되고 심지어는 때때로 얇은 단면의 금속 코어가 변형될 수 있다.

티타늄을 포함하는 합금은 금속 단일층 유형의 용구용 결합제 분야에서 애용되어 왔다. 캘리포니아주 벨몬트 소재의 웨스고 인코포레이티드(Wesgo, Inc.)는 티타늄을 4.5중량% 함유하는 구리-은 공융 혼합물계 결합제를 상표명 티쿠실(Ticusil^R)로 시판한다. 이 제품은 용이하게 박리되는 결합제임에도 불구하고, 은을 함유하기 때문에 비교적 고가이고 설비에서 이의 성능은 중간 정도이다. 티타늄 함유 구리 결합제는 문헌[참조: DE-A1-37 19966]에 기재되어 있다.

바람직한 티타늄 함유 SL 결합제 합금은 70 Cu/21 Sn/9 Ti(중량%)의 조성을 갖는다. 불행히도, 이러한 결합제는 화학적 방법과 전기화학적 방법으로는 용이하게 박리되지 않는다. Cu/Sn/Ti 함유 결합제 조성물은 (a) 결합제내의 주석 함유 중간 금속상이 박리 약품에 대해 내부식성이고, (b) Ti/Fe/Cu/Sn 중간 금속상이 형성되므로 결합제를 코어에 강하게 부착시키기 때문에 박리가 잘 되지 않는 것으로 여겨진다. 주석 및 티타늄은 합금의 융점 강하제이고 티타늄은 탄소와 반응하여 용융된 결합제가 접합하는 동안 다이아몬드 조립자를 습윤되도록 하는 잇점을 제공한다. 따라서, 단순히 박리 능력을 개선시키기 위해 조성물내의 주석과 티타늄의 양을 감소시키는 것은 바람직하지 않다.

Cu/Sn/Ti 결합제는 초강연마 조립자를 SL 연마 용구에 접합시키는 데 매우 바람직하다. 따라서, 본 발명은

약 10 내지 30중량%의 주석과 잔여량의 구리를 함유하는 청동 합금(a) 약 62 내지 92중량%;

구리(b) 약 5 내지 25중량% 및

티타늄(c) 약 3 내지 12중량%를 필수 성분으로 하는 결합제 조성물을 포함하고, 공극을 거의 함유하지 않으며 구리를 다량 함유하는 합금상과 구리/주석/티타늄 중간 금속상이 필수적으로 혼합되어 존재하는, 철을 코어의 주성분으로 하는 연마 용구용 제거가능한 결합제를 제공한다.

또한, 본 발명은 약 70 내지 90중량%의 구리(a); 약 15 내지 21중량%의 주석(b) 및 약 3 내지 12중량%의 티타늄(c)으로 필수적으로 이루어진 결합제 조성물을 수득하는 데 효과적인 양으로 약 10 내지 30중량%의 주석과 잔여량의 구리로 필수적으로 이루어진 청동 합금 분말, 수소화티타늄 분말 및 구리 분말을 균일한 분산액으로 혼합하는 단계(1);

결합제 조성물을 약 880℃를 초과하지 않는 청동 용융 온도로 가열하는 단계(2);

청동 합금 및 수소화티타늄을 완전히 액화시키는 데 효과적인 용융 시간 동안 청동 용융 온도에서 결합제 조성물을 유지시키는 단계(3);

온도를 약 900℃ 이상의 구리 용해 온도로 상승시키는 단계(4) 및

구리를 다량 함유하는 합금상내의 구리 분말을 실질적으로 완전히 용해시키는 데 효과적인 용해 시간 동안 구리 용해 온도에서 결합제 조성물을 유지시키는 단계(5)를 포함하는, 철을 코어의 주성분으로 하는 연마 용구용 제거가능한 결합제의 제조방법을 제공한다.

또한, 추가로 본 발명은 신규 결합제를 혼입한 금속 단일층 연마 용구의 제조방법을 제공한다.

또한, 신규 결합제를 혼입한 금속 단일층 연마 용구를 제공한다. 또한, 본 발명에 따라서 구리, 주석 및 티타늄을 함유하는 결합제 조성물과 코어 사이에 약 10 내지 200mm 두께의 구리 장벽층을 갖는 금속 단일층 연마 용구를 제공한다. 부가적으로, 본 발명은

연마 용구의 철을 주성분으로 하는 코어의 절단면을 약 10 내지 200mm 두께의 구리 장벽층으로 피복시키는 단계(1),

(A) 구리, 주석 및 티타늄을 포함하는 결합제 조성물 및

(B) 페이스트를 형성하기에 효과적인 양의 액체 결합제를 균일한 분산액으로 혼합하는 단계(2),

장벽층을 페이스트 층으로 피복시키는 단계(3),

연마분을 실질적인 단일층으로 페이스트상에 침착시키는 단계(4) 및

연마분을 연마 용구에 접합시키기에 효과적인 온도로 결합제 조성물을 가열시키는 단계(5)를 포함하는, 금속 단일층 연마 용구의 제조방법을 제공한다.

도면의 간단한 설명

도 1은 통상적인 70 Cu /21 Sn /9 Ti 결합제와 강철심 사이 계면의 주사 전자 현미경 미소사진이다.

도 2a는 본 발명에 따라 71.4중량%의 청동 분말(77 Cu /23 Sn), 7.2중량%의 TiH₂분말 및 21.4중량%의 구리 분말로 이루어진 결합제의 광학 현미경 미소사진이다.

도 2b는 865℃에서 접합된 71.4중량%의 청동 분말(77 Cu /23 Sn), 7.2중량%의 TiH₂분말 및 21.4중량%의 구리 분말로 이루어진 통상적인 결합제의 광학 현미경 미소사진이다.

도 2c는 880℃에서 접합된 71.4중량%의 청동 분말(77 Cu /23 Sn), 7.2중량%의 TiH₂분말 및 21.4중량%의 구리 분말로 이루어진 통상적인 결합제의 광학 현미경 미소사진이다.

도 2d는 900℃에서 접합된 71.4중량%의 청동 분말(77 Cu /23 Sn), 7.2중량%의 TiH₂분말 및 21.4중량%의 구리 분말로 이루어진 통상적인 결합제의 광학 현미경 미소사진이다.

도 3a는 니켈 장벽층상에 접합된 70 Cu /21 Sn /9 Ti의 결합제 조성물을 통과하는 단면의 확대 사진이다.

도 3b는 본 발명에 따른 구리 장벽층상에 접합된 70 Cu /21 Sn /9 Ti의 결합제 조성물을 통과하는 단면의 확대 사진이다.

도 4는 다수의 연마 휠에 대한 동력 P(W) 대 누적된 절단 용적 V(㎤)의 플롯이다.

도 5는 다수의 연마 휠에 대한 표준 응력 S(N/㎝) 대 누적된 절단 용적 V(㎤)의 플롯이다.

이의 한 가지 형태에서, 본 발명은 구리, 주석 및 티타늄이 대부분인 결합제 조성물을 포함하며, 철을 코어의 주성분으로 하는 연마 용구에 사용되는, 제거가능한 결합제에 관한 것이다. 간혹 본원에서, 용어 "결합제 조성물"은 결합제를 구성하는 성분들의 혼합물 조성물을 지칭하는 데 사용된다. 용어 "결합제"는 연마분을 용구에 고착시키기 위해 결합제 조성물을 열 처리하거나 다른 처리 후의 융합된 결합제를 의미한다. 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "철을 주성분으로 하는 코어"는 철 원소가 주성분인 금속 조성물로 이루어진 코어를 의미한다. 철을 주성분으로 하는 코어는, 예를 들어, 니켈, 크롬, 몰리브덴, 크로뮴, 바나듐, 텅스텐, 규소, 망간 및 이들의 혼합물을 미량이지만 상당 비율로 함유할 수 있는, 탄소 강철 및 스테인레스 강철과 같은 철 원소 및 철 합금으로 이루어진 코어를 포함한다.

결합제 조성물은 바람직하게는 약 74 내지 80중량%의 구리, 약 15 내지 18중량%의 주석 및 약 5 내지 8중량%의 티타늄, 보다 바람직하게는 약 74.6 내지 76.4중량%의 구리, 약 16.4 내지 17.7중량%의 주석 및 약 7.2 내지 7.7중량%의 티타늄이다. 결합제 조성물은 또한 탄소 및 지르코늄 원소와 같은 추가 성분을 소량 포함할 수 있다. 일반적으로, 이러한 추가 성분은 약 5중량% 이하로 존재할 수 있되, 단 탄소원소는 약 0.5중량% 이하로 존재할 수 있다.

바람직하게는, 구리, 주석 및 티타늄을 3가지 성분, 즉 청동 합금, 수소화티타늄 및 구리 원소로서 결합제에 가한다. 청동 합금은 필수적으로 약 10 내지 30중량%의 주석 및 잔여량의 구리로 이루어진다. 바람직하게는, 청동 합금은 주석 함량이 약 23 내지 25중량%이다.

티타늄 성분은 바람직하게는 접합시키는 동안 초강연마재, 특히 다이아몬드와 반응할 수 있는 형태로 티타늄을 함유한다. 이러한 반응성은 연마분 표면을 습윤시킬 수 있는 용융된 접합 조성물의 능력을 향상시킨다. 결합제와 초강연마재 간의 향상된 혼화성은 접착제의 결합 강도를 향상시키는 것으로 여겨진다. 티타늄은 원소 형태 또는 화합물 형태로 혼합물에 가할 수 있다. 티타늄 원소는 저온에서 물과 반응하여 이산화티타늄을 형성하기 때문에 접합시 다이아몬드와 반응할 수 없게 된다. 따라서, 티타늄 원소를 가하는 것은 때때로 접합시키는 동안 액체 결합제의 성분일 수 있는 물이 존재하는 경우에는 덜 바람직하다. 티타늄을 화합물 형태로 가하는 경우, 화합물은 접합 단계동안 해리되어 티타늄이 초강연마재와 반응하게 할 수 있다. 바람직하게는 티타늄을 약 600℃ 이하에서 안정한 수소화티타늄, TiH₂로서 결합제에 가한다. 수소화티타늄은 약 600℃ 이상에서 티타늄과 수소로 해리된다.

결합제의 제3 성분은 구리이다. 하기에 설명되는 바와 같이, 접합시 주로 구리를 다량 함유하는 청동 합금상에 구리를 용해시키도록 한다. 따라서, 구리 성분을 이처럼 신속하게 용해될 수 있는 형태로 가하는 것이 중요하다. 구리 성분을 알루미늄, 납, 니켈 및 은 등과의 구리 합금 형태로 희석제와 함께 가하는 경우, 합금내의 구리는 청동상에 용이하게 재용해될 수 있어야 한다. 바람직하게는, 구리 성분은 구리 원소이다.

일반적으로, 청동 합금, 티타늄 및 구리 성분은 분말 형태로 제공된다. 분말의 입도가 중요한 것은 아니지만, 약 325 U.S. 표준 시브 메쉬(44μm 입도)보다 작은 분말이 바람직하다. 성분들이 균일한 농도로 분산될 때까지 성분들을, 예를 들어, 텀블링 혼합으로 혼합하여 결합제 조성물을 제조한다.

건조 분말 결합제 조성물은 저점도 액체 결합제와 혼합될 수 있다. 결합제를 끈적끈적한 점성의 페이스트를 형성하는 데 효과적인 양으로 분말화된 성분에 가한다. 페이스트 형에서, 결합제 조성물은 정밀하게 분산될 수 있고 코어의 절단면 및 연마분에 접착되어야 한다. 바람직하게는, 결합제 조성물 페이스트는 치약과 같은 밀도를 가져야 한다. 접합하는 동안 결합 작용을 간섭할 수 있는 잔사를 남김없이 실질적으로 완전히 증발 및/또는 열분해시키기 위해 결합제는 충분히 휘발성이어야 한다. 바람직하게는, 결합제는 약 400℃ 미만의 온도에서 증발된다. 그러나, 결합제 조성물과 연마재를 코어에 적용하여 용구를 제조하기 위하여 페이스트가 접합을 위한 상당 시간("건조 시간")동안 실온에서 유체 및 점성으로 존재하도록 결합제의 휘발성은 충분히 낮아야 한다. 건조 시간은 바람직하게는 약 1 내지 2시간이다. 신규 결합제 조성물의 변수를 충족시키는 데 적합한 액체 결합제는 시판 중이다. 본 발명에 사용하기에 적합한 대표적인 페이스트 형성 결합제는 브라즈(Braz^TM) 겔[제조사: 비타 캄파니(Vitta Company)] 및 루카넥스(Lucanex^TM) 결합제[제조사: 루카스 캄파니(Lucas Company)]를 포함한다. 후자는 특허된 조성물이고 판매자에 의해 결합제 조성물 성분과 이미 혼합된 페이스트로서 특별하게 구입할 필요가 있을 수 있다. 결합제는 볼 분쇄와 같이 당해 기술 분야에 널리 공지된 다양한 방법에 의해 분말과 혼합될 수 있다. 분말과 액체 결합제를 혼합하는 순서는 중요하지 않다.

페이스트는 브러슁, 분무, 독터링 또는 용구 표면을 페이스트에 침지시키는 방법 등 당해 기술 분야에 널리 공지된 기술에 의하여 코어에 피복된다. 예를 들어, 페이스트를 회전기를 사용하여 코어에 피복시킬 수 있다. 이어서, 연마분 층을 결합제 조성물의 피막에 침착시킨다. 연마분을 개별적으로 위치시키거나 심지어는 절단면에 분포시키는 방법으로 살포시킬 수 있다. 연마분을 단일층, 즉 실질적으로 하나의 입자 두께로 침착시킨다. 연마분의 입도는 일반적으로 325메쉬 이상, 바람직하게는 약 140메쉬 이상이어야 한다. 건설 산업에 직결되는 재료와 같은 매우 단단한 건축 재료를 절단하기 위한 용구용으로는, 연마분이 바람직하게는 다이아몬드 및 입방정 질화붕소와 같은 초강연마재 물질이어야 한다. 다이아몬드가 바람직하다.

본 발명에 따른 결합제는 바람직하게는 다단계 접합 방법에 의해 제조된다. 접합 방법은 2가지 기본적인 요소를 갖는다. 첫번째, 결합제 조성물을 용융시켜 구리 분말 외의 성분을 액화시키는 것이고, 두번째는 용융된 결합제 조성물을 보다 높은 용해 온도로 가열함으로써 구리가 청동 합금상 내 및 임의로는 그 아래에서 용해될 수 있도록 하여 활성 결합제 성분과 코어 사이에 구리를 다량 함유하는 상을 형성하도록 하는 것이다. 이러한 다단계 접합 방법은 공극이 존재하지 않는 필수적으로 2상 결합제를 제공하는 것으로 관찰된다. 즉, 결합제는 필수적으로 구리를 다량 함유하는 합금상과 구리/주석/티타늄 중간 금속상으로 이루어진 실질적으로 완전한 고형 혼합물로서 존재한다. 이러한 형태는 취성과 강도가 개선된 결합제를 제공할 뿐만 아니라 코어로부터 용이하게 박리될 수 있는 결합제의 능력을 향상시킨다.

접합 페이스트 및 연마분을 코어의 절단면에 적용시킨 후에 결합제 조성물을 청동 용융 온도로 가열한다. 나머지 성분이 완전히 용융될 때까지 분말화된 구리가 액화되지 않도록 청동 용융 온도는 약 880℃를 초과하지 않아야 한다. 청동 용융 온도의 범위는 바람직하게는 850 내지 870℃, 보다 바람직하게는 약 865℃일 수 있다. 청동 용융 온도에서 청동 합금 및 티타늄을 실질적으로 완전히 용융시키고 특히 초강연마재를 사용하는 경우에는 입자의 표면을 광범위하게 습윤시키기에 충분한 시간 동안 접합을 유지하도록 한다. 때때로 청동 용융 온도에서 15분이면 충분하고 30분이 바람직하다.

청동 용융 온도 이상의 용해 온도로 온도를 상승시켜 접합을 지속시킨다. 용해 온도에서, 구리 분말은 청동 합금상에 용해된다. 용해 온도는 약 900℃ 이상이어야 한다. 용해 온도가 약 950℃를 초과하지 않도록 권장하는데, 그 이유는 이러한 고온은 일반적으로 필요하지 않으며, 다이아몬드를 흑연화시킬 위험이 증가하고 코어가 고온에서 변형될 수 있기 때문이다. 결합제는 구리 분말을 효과적으로 완전히 용해시키기에 충분한 시간 동안 용해 온도에서 유지되어야 한다. 접합시 청동 용융 온도에서 용해 온도까지 온도를 신속하게 상승시키는 경우, 용해 시간은 약 15분 이상, 바람직하게는 약 30분 이상이어야 한다. 또한, 결합제 조성물을 용해 온도로 점차적으로 가열하여 만족스러운 결과를 수득한다. 용어 "점차적으로 가열"은 온도가 1분당 약 1℃ 이하로 상승함을 의미한다. 결합제 조성물은 점차적으로 가열될 때에는 중간 온도에서 장시간 열 숙성되기 때문에, 결합제 조성물의 온도가 880℃ 이상인 총 시간은 30분 이상이어야 한다. 따라서, 점차적으로 가열시킴으로써 용해 시간을 효과적으로 단축시킬 수 있다. 즉, 결합제를 865℃(청동 용융 온도)에서 905℃(용해 온도)로 점차적으로 가열하는 경우, 880℃에서 905℃로의 열 숙성은 25분일 수 있으므로 용해 시간을 5분까지 단축시킬 수 있다.

본 발명의 중요한 양태에서, 접합된 Cu/Sn/Ti 함유 결합제와 코어간의 얇은 구리 장벽층은 결합제를 용이하게 박리시키는 능력을 향상시키는 것으로 밝혀졌다. 특정 이론으로 제한하고자 하는 바는 아니나, 결합제내의 구리 및 티타늄과 코어내의 철은 일반적으로 접합하는 동안 코어-결합제 계면에서 중간 금속상을 형성할 수 있는 것으로 여겨진다. 이러한 중간 금속상은 화학적으로 매우 안정하므로, 박리를 곤란하게 한다. 그러나, 본 발명에 따라서 구리 장벽층은 계면인 중간 금속상이 형성되는 것을 방지한다.

장벽층을 갖는 용구는 접합에 앞서서 결합제 조성물 페이스트를 도포하기 전에 구리층을 절단면에 침착시킴으로써 제조될 수 있다. 장벽층은 전기도금과 같이, 철 제품을 구리로 피복하는 통상적인 기술에 의해 도포될 수 있다. 강철을 구리로 피복하는 방법은 문헌[참조: Cotell, et al., ASM Handbook, Vol. 5, Surface Engineering, ASM International, 1994]에 기술되어 있다. 일반적으로, 거의 모든 산화물은 피복 전에 코어와 구리 둘 다로부터 제거되어야 한다. 장벽층의 최소 두께는 계면인 중간 금속상이 형성되는 것을 방지하도록 코어를 결합제로부터 분리시켜야 하는 필요성에 따라 결정될 수 있다. 장벽층의 최대 두께는 중요하지 않으나, 과다하게 두꺼운 장벽층은 구리를 낭비하게 함으로 비경제적이다. 또한, 두꺼운 구리 장벽층은 너무 약해서 강한 재료를 절단하는 경우에 직면하는 삼각한 환경을 견딜 수 없다. 따라서, 장벽층의 두께 범위는 약 10㎛ 내지 200㎛, 바람직하게는 약 10㎛ 내지 50㎛일 수 있다.

구리 장벽층을 배치하여 철을 주성분으로 하는 코어로부터 용이하게 박리가능한 통상적인 Cu/Sn/Ti 함유 결합제를 제조할 수 있다. 즉, 장벽층은 성분이 본 발명에 따르는 분말 형태의 3가지 성분으로서 가해지지 않을 경우에도 작동할 수 있다. 또한, 구리 장벽층 기술은 심지어는, 중간 정도의 청동 용융 온도에서는 유지시키지 않고 직접 접합 온도로 가열하는 방법인 단일 단계 접합 방법에서도 작용할 수 있다. 또한, 장벽층은 신규 결합제 조성물과 함께 그리고 위에서 기재한 다단계 접합 방법과 함께 사용되어 박리 능력을 추가로 향상시킬 수 있다. 그러나, 다단계 접합 방법에서의 점차적인 가열은 구리 장벽층의 구리를 다량 함유하는 청동 합금상으로의 용해를 연장 및 향상시킬 수 있음을 주의한다. 이러한 용해로 인하여 장벽층으로부터 구리가 소모됨으로써 잠재적으로 결합제 조성물이 장벽층을 파괴하고 코어내의 철과 함께 중간 금속상을 형성할 수 있다. 따라서, 점차적으로 가열되는 다단계 접합 방법을 사용할 경우에 최소 장벽층 두께는 약 25㎛가 바람직하다.

본 발명은 이제 이의 특정한 대표적 양태의 실시예로 설명되는데, 모든 부, 양 및 %는 달리 언급이 없는한 중량 기준이다. 원래 SI 단위로 수득되지 않는 모든 중량 및 측정치는 SI 단위로 환산되었다.

비교예 1

70 Cu/21 Sn/9 Ti로 이루어진 결합제 조성물을 단일 접합 단계에서 900℃에서 30분간 접합시켜 금속 단일층 다이아몬드 연마 휠을 제조하였다. 사용 전에, 휠의 한쪽 면의 코어/결합제 계면의 일부를 주사 전자 현미경으로 검사하였다. 미소사진이 도 1에 제시된다. 결합제(B)는 결합제(B) 전체에 걸쳐 고체로 보이는 청동 합금상(A) 중에 중간 금속상(회색 부분)이 산재되어 있는 영역을 나타낸다. 중간 금속상(IP) 영역은 결합제와 코어(C) 간의 계면에서 두드러진다. 일부 중간 금속상 영역을 X-선 회절 분석한 결과 하기 분석치를 나타내었다: IP_a=10 Cu/45 Sn/35 Ti/10 Fe; IP_b=59 Cu/35 Sn/5 Ti/1 Fe; IP_c=10 Cu/2 Sn/29 Ti/59 Fe. 유사하게 분석하여, 청동 합금상의 조성은 85 Cu/15 Sn임을 밝혀냈다.

실시예 1 및 비교예 2 내지 4

비타 브라즈 바인더 겔[Vitta Braz^TMBinder Gel, 제조사: 미국 코넥티컷주 베텔에 소재하는 비타 코포레이션(Vitta Corporation)] 20부와, 325메쉬의 청동 분말(77 Cu/23 Sn)[제조사: 미국 코넥티컷주 뉴타운에 소재하는 코넥티컷 엔지니어링 캄파니(Connecticut Engineering Co.)] 71.4%, 325메쉬의 TiH₂분말 7.2% 및 325메쉬의 구리 분말[제조사: 미국 위스콘신주 밀워키에 소재하는 세락 캄파니(CERAC Co.)] 21.4%를 함유하는 결합제 조성물 80부로 이루어진 페이스트를 균일한 페이스트가 수득될 때까지 성분들을 혼합하여 제조하였다. 페이스트를 강철 기판에 피복시키고 유형 IMG 40/50 다이아몬드 입자[제조사: 토메이 캄파니(Tomei Company)]를 페이스트상에 단일층으로 침착시켰다. 결합제 조성물을 두 단계, 즉 (a) 865℃에서 30분 동안의 진공 접합 단계, 이어서 (b) 900℃에서 30분 동안의 용해 단계로 접합시켰다(실시예 1). 구조물을 절단하여 일부 영역을 노출시킨 다음 광학 현미경을 사용하여 미소사진을 찍었다(도 2a). 실시예 1과 동일한 3가지 결합제 조성물을 유사하게 제조하였다. 결합제는 다음과 같이 단일 온도 접합 방법으로 30분 동안 진공 접합시켰다: 비교예 2, 865℃(도 2b); 비교예 3, 880℃(도 2c); 및 비교예 4, 900℃(도 2d).

도 2b, 도 2c 및 도 2d는 분말화 성분들을 단일 단계로 접합시키면 불균질 결합제가 제조됨을 보여준다. 용해되지 않은 구리 분말의 구형 영역(S) 및 공극은 비교예 각각에서 명확하다. 정밀한 비교 결과, 도 2a는 공극 용적과 용해되지 않은 구리가 극적으로 감소되었으며, 단지 2개의 상, 즉, 어두운 중간 금속상과 다소 밝고 훨씬 더 우세한 청동 합금상이 존재함을 나타낸다.

실시예 2 및 비교예 5

강철 도가니를 200㎛ 두께의 니켈 금속 피복물로 도금시켰다. 70 Cu/21 Sn/9 Ti 80부 및 비타 브라즈 바인더 20부로 이루어진 페이스트 조성물을 도가니에 넣었다. 도가니를 865℃에서 30분 동안 진공로에서 구웠다. 냉각 후에 도가니를 분할하고, 단면을 미세 알루미나 연마재로 문지르고 세척하였다. 단면을 광학 현미경으로 검사하였다. 사진은 분할 영역으로 이루어지고 도 3a에 제시된 바와 같이 사진 확대술에 의해 확대되었다(비교예 5). 상기 방법을 반복하되, 단 도가니를 200㎛ 두께의 구리 피복물로 피복시키고 결합제를 900℃에서 30분 동안 접합시켰다. 구리 피복된 도가니 단면의 확대 사진을 도 3b에 나타낸다(실시예 2).

도 3a는 극적으로 얼룩덜룩하고 접합된 결합제 영역(B)이 니켈 피복층(NI) 위에 위치함을 나타낸다. 명확하게 한정하자면, 약 10 내지 25㎛ 두께의 중간 금속상 밴드(IP)가 결합제와 니켈 층 사이에 형성되어 있다. 중간금속층이 화학적으로 안정하고 회수 코어의 박리를 방해할 수 있으므로, 니켈은 장벽층용으로 선택하기에는 적합하지 않다. 계면은 비교적 취성이기 때문에 연마하는 동안 결합제 강도를 감소시킬 수 있는 것으로 여겨진다. 강철 코어 영역(C), 명확한 계면에 의해 강철 코어 영역과 분리된 구리 장벽층 영역(L), 청동 합금/중간금속 결합제 영역(B) 및 약간의 구리가 용해되어 있고 결합제가 풍부한, 결합제와 장벽층 사이의 약 50㎛ 두께의 영역(D)으로 이루어진 4가지 영역을 도 3b에서 볼 수 있다. 결합제 조성물은 장벽층을 완전히 침투하지 않도록 방지되므로, 철 함유 중간금속층은 결합제와 기판 사이에 생성되지 않는다.

실시예 3 및 4, 및 비교예 6 및 7

4가지 신규 금속 단일층 연마 휠을 시험하여 저탄소 강철 코어로부터 결합제의 박리 용이성을 측정하였다. 시험 휠에 대한 설명 및 박리 시험 결과를 다음 표 Ⅰ에 나타낸다.

	실시예 3	실시예 4	비교예 6	비교예 7
코어 금속	저탄소 강철	저탄소 강철	저탄소 강철	저탄소 강철
코어 직경(㎝)	12.70	12.70	12.70	12.70
코어 두께(㎝)	0.635	0.635	0.635	0.635
연마재 유형	40/50 메쉬IMG합성 다이아몬드	40/50 메쉬IMG합성 다이아몬드	40/50 메쉬IMG합성 다이아몬드	40/50 메쉬IMG합성 다이아몬드
연마재 하중(g/연마 휠)	2.30	2.30	2.30	2.30
결합제 조성	76.9 청동¹7.7 TiH₂15.4 Cu	76.9 청동¹7.7 TiH₂15.4 Cu	70 Cu21 Sn9 Ti	59.1 Cu17.7 Sn9.6 Ti5.8 Zr7.7 TiC0.15 C
장벽층 유형	무	Cu	무	무
장벽층 두께(㎛)	-	50㎛	-	-
접합 조건	865℃에서 30분간 용융; 1℃/분으로 895℃로 가열; 5분간 정치	865℃에서 30분간 용융; 1℃/분으로 895℃로 가열; 5분간 정치	30분간 865℃에서 용융	30분간 920℃에서 용융
박리욕에서의시간(분)	중량 손실율(%)
83.00164.00260.00303.00447.00536.00595.00775.00	0.4730.6010.8310.9850.9971.1131.113-²	0.1270.4300.9741.2781.7331.8221.948-²	0.07680.1150.2180.2940.3710.3970.4220.474	0.05120.0640.1410.1660.2560.2690.3070.346
¹77 Cu/23 Sn²완전한 박리

표Ⅰ의 연마 휠 각각을 25℃에서 박리 용액인 엔스트립(ENSTRIP) 5000[제조사: 미국 코넥티컷주 뉴 하벤에 소재하는 엔톤-오엠아이, 인코포레이티드(Enthone-OMI, Inc.)]에 연속적으로 침지시켰다. 초기 중량의 %로서 중량 손실율을 때때로 측정하여 기록하였다. 실시예 4의 코어를 육안으로 검사해보면 전자의 연마제 표면은 매끄러우며 시험 말기에 연마제 잔사와 결합제는 존재하지 않는 것으로 나타났다. 실시예 3 및 4의 코어는 둘 다 화학적으로 박리한지 10시간 후에 허용가능한 상태로 되므로 부가적인 결합제/연마제를 제거하기 위해 가공할 필요없이 재사용된다. 실시예 3 및 4에서의 중량 손실 속도는 각각의 경우에 비교예의 연마 휠의 경우보다 훨씬 더 빨랐다. 비교예 6 및 7 각각은 박리욕에서 775분 후에 저속으로 지속적으로 중량 손실되었다. 비교예를 육안으로 검사해보면 상당량의 조립자 및 결합제 잔사가 시험 종결시 절단면에 잔류하는 것으로 나타났다.

실시예 3 및 4, 및 비교예 6의 연마 휠을 다음과 같이 연마 시험했다. 연마 휠을 각각 사용하여 23.32㎝×10.16㎝×2.54㎝의 고밀도 99.5% 알루미나 블록[제조사: 미국 콜로라도주 골든에 소재하는 코즈 세라믹스 캄파니(Coors Ceramics Company)]을 연마했다. 휠의 표면 속도는 25.4m/s이고, 종방향 속도는 2.54㎝/s이며, 횡단 이송은 2.54㎜이고, 절단폭은 0.432㎜이었다. 동력 소비량 P(W) 및 절단시 요구되는 표준 응력 S(N/㎝)를 주기적으로 측정하고 각각을 누적된 절단 용적 V(㎤)에 대한 플롯으로 도 4 및 5에 각각 도시한다. 이 플롯은 본 발명에 따라 박리가능한 결합제로 제조된 신규 연마 휠이 박리가능한 결합제가 없는 대조 연마 휠과 유사하게 작동함을 보여준다. 또한 주요 결함 양상은 다이아몬드 입자의 파괴 및 편평화임이 관찰되었다. 다이아몬드의 탈결합은 매우 드물었다. 입체광학 현미경 분석은 표준 응력이 1139N/㎝로 증가하고/거나 연마 휠이 연마를 중지할 경우에 발생하는 것으로 정의되는 결함에서 연마 휠당 5개 미만의 입자가 소실됨을 나타냈다. 이러한 시험으로부터 다이아몬드 입자는 신규 결합제에 의해 잘 결합되고 본 발명에 따라 제조된 휠은 고품질의 내구성 결합제 합금으로 제조된 생산 품질 휠에 비해 양호하게 작동하는 것으로 추정되었다.

Claims

철을 코어의 주성분으로 하는 연마 용구에 사용되는 결합제로서,

10 내지 30중량%의 주석과 잔여량의 구리를 함유하는 청동 합금(a) 63 내지 92중량%,

구리(b) 5 내지 25중량% 및

티타늄(c) 3 내지 12중량%를 필수 성분으로 하는 결합제 조성물을 포함하며, 공극을 함유하지 않고, 구리를 다량 함유하는 청동 합금상과 구리/주석/티타늄 중간 금속상이 필수적으로 혼합되어 존재하는 제거가능한 결합제.
제1항에 있어서, 결합제 조성물이 청동 합금(a) 중의 구리와 구리(b)를 합한 구리 74.6 내지 76.4중량%, 주석 16.4 내지 17.7중량% 및 티타늄 7.2 내지 7.7중량%로 이루어지는 결합제.
제1항에 있어서, 결합제 조성물이 필수적으로 10 내지 30중량%의 주석과 잔여량의 구리로 이루어진 청동 예비합금 분말, 수소화티타늄 분말 및 구리 분말의 혼합물로부터 제조되는 결합제.
67 내지 87중량%의 구리(a), 10 내지 21중량%의 주석(b) 및 3 내지 12중량%의 티타늄(c)으로 필수적으로 이루어진 결합제 조성물을 수득하는 데 효과적인 양으로 10 내지 30중량%의 주석과 잔여량의 구리로 필수적으로 이루어진 청동 합금 분말, 수소화티타늄 분말 및 구리 분말을 균일한 분산액으로 혼합하는 단계(1),

결합제 조성물을 850℃ 내지 880℃의 청동 용융 온도로 가열하는 단계(2),

청동 합금 및 수소화티타늄을 완전히 액화시키는 데 효과적인 용융 시간 동안 청동 용융 온도에서 결합제 조성물을 유지시키는 단계(3),

온도를 900℃ 내지 950℃의 구리 용해 온도로 상승시키는 단계(4) 및

구리를 다량 함유하는 청동 합금상내의 구리 분말을 실질적으로 완전히 용해시키는 데 효과적인 용해 시간 동안 구리 용해 온도에서 결합제 조성물을 유지시키는 단계(5)를 포함하는, 철을 코어의 주성분으로 하는 연마 용구에 사용되는 제거가능한 결합제의 제조방법.
제4항에 있어서, 청동 용융 온도 범위가 850 내지 870℃이고 결합제 조성물이 15분 내지 30분 동안 청동 용융 온도에서 유지되는 방법.
제5항에 있어서, 결합제 조성물이 청동 용융 온도에서 구리 용해 온도로 점차적으로 상승되고 880℃ 내지 950℃의 온도에서 30분 이상 노출되는 방법.
(a) 철을 주성분으로 하는 코어 및

(b) 제1항에 따르는 제거가능한 결합제에 의해 접합된 연마 조립자의 단일층을 포함하는 금속 단일층 연마 용구.
제7항에 있어서, 결합제 조성물이 74.6 내지 76.4중량%의 구리, 16.4 내지 17.7중량%의 주석 및 7.2 내지 7.7중량%의 티타늄으로 이루어지는 금속 단일층 연마 용구.
제7항에 있어서, 연마 조립자가 다이아몬드, 입방정 질화붕소 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 초강연마재인 금속 단일층 연마 용구.
제7항에 있어서, 결합제 조성물이 10 내지 30중량%의 주석과 잔여량의 구리로 필수적으로 이루어진 청동 예비합금 분말, 수소화티타늄 분말 및 구리 분말의 혼합물인 금속 단일층 연마 용구.
(a) 철을 주성분으로 하는 코어,

(b) 연마 용구의 절단면 위의 두께 10 내지 200㎛의 구리 장벽층 및

(c) 구리, 주석 및 티타늄을 포함하는 조성물을 갖는, 구리 장벽층 위의 결합제에 의해 접합된 연마 조립자의 단일층을 포함하는 금속 단일층 연마 용구.
제11항에 있어서, 결합제 조성물이

67 내지 87중량%의 구리(a),

10 내지 21중량%의 주석(b) 및

3 내지 12중량%의 티타늄(c)으로 필수적으로 이루어지며, 공극을 함유하지 않으며 구리를 다량 함유하는 청동 합금상 및 구리/주석/티타늄 중간 금속상이 필수적으로 혼합되어 존재하는, 금속 단일층 연마 용구.
제12항에 있어서, 결합제 조성물이 74.6 내지 76.4중량%의 구리, 16.4 내지 17.7중량%의 주석 및 7.2 내지 7.7중량%의 티타늄으로 이루어지는, 금속 단일층 연마 용구.
제12항에 있어서, 연마 조립자가 다이아몬드, 입방정 질화붕소 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 초강연마재인, 금속 단일층 연마 용구.
제12항에 있어서, 결합제 조성물이 필수적으로 10 내지 30중량%의 주석과 잔여량의 구리로 이루어진 청동 예비합금 분말, 수소화티타늄 분말 및 구리 분말의 혼합물인, 금속 단일층 연마 용구.
제12항에 있어서, 구리 장벽층의 두께가 25㎛ 내지 200㎛인, 금속 단일층 연마 용구.
철을 주성분으로 하는 코어의 절단면을 두께 10 내지 200㎛의 구리 장벽층으로 피복시키는 단계(1),

(A) 구리, 주석 및 티타늄을 포함하는 결합제 조성물 및

(B) 페이스트를 형성하기에 효과적인 양의 액체 결합제를 균일한 분산액으로 혼합하는 단계(2),

장벽층을 페이스트 층으로 피복시키는 단계(3),

연마분의 실질적인 단일층을 페이스트 위에 침착시키는 단계(4) 및

연마분을 연마 용구에 접합시키기에 효과적인 온도로 결합제 조성물을 가열시키는 단계(5)를 포함하는, 철을 코어의 주성분으로 하는 금속 단일층 연마 용구의 제조방법.
제17항에 있어서, 결합제 조성물이 필수적으로

67 내지 87중량%의 구리(a),

10 내지 21중량%의 주석(b) 및

3 내지 12중량%의 티타늄(c)으로 이루어지는 방법.
제18항에 있어서, 결합제 조성물이 74.6 내지 76.4중량%의 구리, 16.4 내지 17.7중량%의 주석 및 7.2 내지 7.7중량%의 티타늄으로 이루어지는 방법.
제18항에 있어서, 결합제 조성물이 10 내지 30중량%의 주석과 잔여량의 구리로 필수적으로 이루어진 청동 예비합금 분말, 수소화티타늄 분말 및 구리 분말로 필수적으로 이루어지는 방법.
제20항에 있어서, 결합제 조성물을 가열하는 단계가

결합제 조성물을 850℃ 내지 880℃의 청동 용융 온도로 가열하는 단계(1),

청동 합금 및 수소화티타늄을 완전히 액화시키는 데 효과적인 용융 시간 동안 청동 용융 온도에서 결합제 조성물을 유지시키는 단계(2),

온도를 900℃ 내지 950℃의 구리 용해 온도로 상승시키는 단계(3) 및

구리를 다량 함유하는 청동 합금상내의 구리 분말을 실질적으로 완전히 용해시키는 데 효과적인 용해 시간 동안 구리 용해 온도에서 결합제 조성물을 유지시키는 단계(4)를 포함하는 방법.
제21항에 있어서, 청동 용융 온도 범위가 850 내지 870℃이고 결합제 조성물이 15분 내지 30분 동안 청동 용융 온도에서 유지되는 방법.
제22항에 있어서, 결합제 조성물이 청동 용융 온도에서 구리 용해 온도로 점차적으로 상승되고 880℃ 내지 950℃의 온도에서 30분 이상 노출되는 방법.
제23항에 있어서, 구리 장벽층의 두께가 25㎛ 내지 200㎛인 방법.