KR100399315B1 - 고강도 연마용 휠 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초경세라믹이나 다이아몬드와 같은 경질입자를 함유하는 웨이퍼 다이싱 휠, 웨이퍼 연마휠과 석재용 절단 블레이드 등으로 사용되는 연마용 휠에 관한 것이다. 좀더 구체적으로는 주기율표의 전이금속 중에서 ETM이 원자비로 6 ~ 35%, LTM이 45 ~ 90%, 그리고 석출강화 원소와 석출물 안정화 원소로서 ⅠB, ⅡB, ⅢA와 ⅣA족에 속하는 원소가 단독 또는 복합으로 2 ~ 25%, 그 외에 불가피한 불순물로 이루어진 소결 바인더합금분말과 경질입자를 혼합하여 소결함으로써 내구성과 내마모성이 향상되도록 한 고강도 연마용 휠에 관한 것이다.

Description

고강도 연마용 휠{HIGH STRENGTH ABRASIVE WHEEL}

본 발명은 고강도 연마용 휠에 관한 것으로서, 좀더 구체적으로는 텅스텐탄화물, 티타늄탄화물과 보론질화물 같은 여러 종류의 탄화물, 질화물, 붕화물, 산화물과 다이아몬드와 같은 경질세라믹 입자들을 소결함에 있어 고강도 합금분말을 사용함으로써 내마모성과 내구성이 향상되도록 한 것에 관한 것이다.

본 발명은 종래 코발트, 니켈을 바인더합금으로 하는 초경 연마 휠에서 해결하지 못한 문제점인 강도와 내식성을 모두 향상한 합금을 제공하는데 목적이 있다.

종래에는 경질입자분말과 코발트분말을 함께 혼합하여 액상소결방식으로 소결을 하게 되는데, 이는 분말의 입자 사이즈와 조성에 따라 대략 1400 ~ 1550℃의 고온에서 1 ~ 2시간 동안 가열함으로써 행하여진다. 이는 액상의 바인더금속과 경질입자가 반응하여 기공률을 낮추고 밀도를 향상시키는데 효과적이지만, 고온에서 장시간 가열됨으로 인해 다이아몬드입자가 흑연화하는 문제가 있었다.

코발트는 합금에 따라 250 ~ 700MPa 정도의 인장강도를 얻을 수 있어 다른 금속에 비해 폭넓은 강도를 가지면서 탄화물이나 질화물같은 경질입자와의 젖음성(Wettability)이 우수한 장점 때문에 많이 이용되고 있다. 코발트의 함량은 요구경도와 인성에 따라 바뀌는데 HRA 90 ~ 92의 범위는 6 ~ 12wt% 정도 첨가하여 소결하고 있다. 그러나 이 경우 경도는 높지만 충격에 약한 단점이 있었다. 따라서 고인성을 요구하는 경우는 인성확보를 위해 코발트를 18 ~ 27%까지 첨가한다.

그렇지만 이때는 HRA 84 ~ 87로 경도가 저하하면서 내마모성이 악화되는 문제가 발생하였다. 더욱이 코발트는 내식성이 낮아 연마나 절삭 중에 발생하는 마찰열과 대기 중의 산소 영향으로 쉽게 산화하는 이유로 내구성 문제가 심각하게 대두되었다.

이를 개선하기 위한 방안으로 다른 합금을 이용하여 소결하는 방식으로 미국특허 제6,056,795호는 니켈-주석합금에 몰리브덴, 텅스텐, 레늄 등 강화원소를 첨가하는 기술이 소개되었다. 그러나 이 합금의 경도는 HRC 29 수준에 그쳤다.

이와 같이 젖음성과 소결강도, 내식성, 내열성에 대한 근본적인 해결은 내식성이 우수하고 강도가 높은 조성의 합금을 이용해서 소결해야 하지만 코발트보다 젖음성이 우수하면서 강도가 높은 재료가 드물고 대개는 공정이 까다롭거나 젖음성이 열등한 경우가 대부분이다. 예를 들어 가압소결은 소결과정에서 다이아몬드입자가 변질되지 않고, 구형을 유지하기 위해 공극과 결정입계간 계(System)의 에너지에 영향을 미치는 요소 중 압력을 5기압 정도로 증가하여 다이아몬드의 흑연화를 억제하였다. 그러나 이 기술도 고가의 가압장치나 압력용기를 필요로 하며, 제조공정상 여러 가지 제약이 따라 실제 적용에는 한계가 많다. 그 외에 저온에서 성형소결하고 플라즈마, 레이저, 마이크로파와 같은 고에너지원을 이용하여 소결하는 방법이 있지만, 이중의 가열공정, 고가의 설비비 및 생산비를 요구하게 되어 바람직하지 않았다.

따라서 상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 기존의 설비를 이용하여 1400℃ 이하의 소결온도를 가지는 바인더합금과 경질입자를 혼합하여 소결함으로써 내구성과 내마모성을 아울러 갖춘 고강도 연마용 휠과 그 제조방법을 제공하는데 발명의 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 코발트가 속하는 LTM원소와 그 합금을 매트릭스재질로 하여 젖음성이 우수하고, 고강도이면서 저가인 소결용 바인더 합금분말을 제조할 수 있는데 특징이 있다.

본 발명에서 바인더합금은 주기율표의 전이금속이 원자비로 65 ~ 97% 함유하되, 그 중에서 ETM(Early Transition Metal)이 전체 합금의 6 ~ 35%, LTM(Late Transition Metal)이 45 ~ 90%, 그리고 석출강화 원소와 석출물 안정화 원소로서 ⅠB, ⅡB, ⅢA와 ⅣA족 중에 속하는 원소가 단독 또는 복합으로 2 ~ 25%, 그 외에 불가피한 불순물로 이루어진 합금이다. 바람직 하기로는 적정한 경질석출물 분율을 확보하기 위해 다이아몬드나 경질석출물을 부피비로 약 15 ~ 35% 범위로 첨가한다.

본 발명에서 ETM원소는 장주기표에서 ⅢB, ⅣB, ⅤB 및 ⅥB 족에 속하는 원소 들이다. 특히 ⅥB 족의 크롬은 ⅦB, Ⅷ족이 속하는 LTM원소 중 철, 코발트, 니켈과 같은 철족에 대해 고용도가 크고 가격이 저렴하여 본 발명에서 많이 이용된다. 이 고용체는 보론, 탄소와 함께 미세한 붕화물, 탄화물을 형성하여 가공성과 강도 면에서 유리하다. 크롬을 제외한 ETM원소들은 주로 크롬을 보조하는 용도로 사용한다. 그러나 이들은 크롬과 달리 LTM에 대한 상온에서의 고용도가 적어 대개 원자비로 총 15% 이하만 첨가한다. 이들 중 몰리브덴은 본 발명에서 크롬과 전율고용체를 이루어 매트릭스조직을 강화하고, 붕화물, 탄화물을 안정화하는 특징이 있다. 그 외에 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 니오븀, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 란타니드, 악티니드 등 다른 ETM원소들도 매트릭스를 강화하고 안정한 붕화물, 탄화물을 형성하는 효과가 있어 스폴링(spalling), 피팅(pitting), 치핑(chipping), 열균열(heat checking)과 같은 피로마모에 대한 저항성이 높다. 또 소결과정에서 LTM과 ⅠB, ⅡB, ⅢA와 ⅣA족의 산화를 억제하여 불순물을 감소시키며, 기공율을 낮추도록 기여한다. 그러나 ETM원소의 총합이 원자비로 6% 미만일 경우는 충분한 강도와 인성을 보유하지 못하며, 젖음성이나 저융점의 합금을 얻는데 어려움이 있으므로 제한한다. 또한 35%를 초과할 경우에는 ⅢA와 ⅣA족과 석출물을 과다하게 만들어 휠이 충격에 약하게 되므로 제한한다.

본 발명에서 LTM원소는 바인더합금의 매트릭스 역할을 하며, 장주기표에서 ⅦB, Ⅷ족에 속하는 원소들이다. 본 발명에서는 가격이 싸고 풍부한 철을 주로 사용하며, 내식성이나 내열성을 개선하기 위해 일부 니켈, 코발트 등과 같은 다른 LTM원소를 첨가할 수 있다. 니켈은 기존에 바인더로 주로 사용되는 코발트보다 저렴하고 텅스텐과 몰리브덴과 같은 고융점 금속을 활성화시켜 소결을 촉진하는 효과가 있다. 코발트는 강이나 세라믹에 대한 젖음성(Wettability)이 우수하고 내열성 향상효과가 있어 필요시 일부 첨가한다. 그 외의 LTM원소도 매트릭스원소로서 첨가 가능하다. 그러나 이들 원소들은 대부분 고가이거나 크롬의 고용도가 적은 이유로 사용량이 적다. 본 발명에서는 LTM원소들이 원자비로 45% 미만이 되면 연마휠로서 요구되는 인성이하로 저하하므로 제한한다. 또한 90%를 초과하면 매트릭스 강도가 부족하여 내마모성이 저하하므로 제한한다.

본 발명에서 ⅠB, ⅡB족은 바인더합금의 매트릭스를 고용강화하고, ⅢA와 ⅣA족은 경질 석출물을 형성하여 강화시키는 역할을 한다. ⅢA와 ⅣA족에서는 주로 보론과 탄소가 이용되며, 실리콘과 알루미늄은 이들 화합물을 안정화하는 역할을 한다. 이들 원소의 합이 원자비로 2% 미만일 경우는 매트릭스 강화효과가 적고, 25%를 초과할 때는 취성이 증가하는 문제가 있으므로 제한한다.

이상의 바인더합금을 요구하는 경도에 맞추어 혼합비율을 정하는데, 엔진 밸브트레인계에서는 경질층의 내면압성을 향상하기 위해 경질입자를 대략 면적비로 15 ~ 35% 차지하도록 비중을 고려하여 혼합한다.

본 발명의 바인더합금은 표면에너지가 커서 금속이나 세라믹과의 젖음성이 우수하여 경질 세라믹입자의 바인더로 적합하며, 이 성질을 이용하여 종래에 바인더합금으로 폭넓게 쓰이는 코발트를 대체할 수 있다. 따라서 본 발명에서 제시하는 바인더합금을 이용한 소결제품은 내면압성, 내열성과 내식성이 우수하여 엔진용 내마모 부품, 다이 펀치, 인발 다이스, 가이드, 베어링, 가공 공구 및 커터용 소결 바인더재료와 같은 여러 분야에 이용이 가능하다.

이하 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나 하기의 실시예가 본 발명의 범주를 제한하는 것은 아니다.

본 발명의 실시예에서는 바인더합금을 분말형태로 만들어 이용하는데 입도, 입도분포, 형상, 순도 및 표면상태 등이 제품의 품질에 영향을 주기 때문에, 가능한 한 균일한 입도의 미세 입자를 얻기 위해 개스 애토마이제이션 (Gas Atomization) 방법에 의하여 상기의 조성비로 된 바인더합금 분말을 제조한 후, 소결을 위한 분말은 경질입자와의 충진성을 고려하여 45㎛ 이하인 사이즈의 입자를 분급 사용한다. 바인더합금분말의 입도분포가 좁은 것보다는 여러 크기의 입자가 적당히 섞인 다소 넓은 분포의 분말을 사용하는 것이 성형된 제품의 밀도, 강도 및 탄성한계가 증가한다. 하지만 입자의 크기가 지나치게 커지면 소결제품의 밀도가 낮아지는 문제가 있어 최대크기를 45㎛ 이하의 크기를 가지는 미세입자로 제한한다.

한 편, 본 발명의 바인더 합금 분말은 별도로 예비 합금분말들을 만들고 이들을 혼합하거나, 단일 금속 상태의 분말과 이들 예비 합금분말을 조성비대로 혼합하여 최종 조성에서 원하는 합금조성을 얻는 방법도 포함한다.

이는 경질입자의 평균 크기가 약 25.0㎛을 초과하는 입자들이 혼재할 경우 밀러지수로 (001)면이 벽개면이 되어 결정면에 평행한 균열들이 발생하기 쉽기 때문이다.

한편, 성형성을 증가시키고 밀도를 높이기 위해 사전에 위의 경질입자와 바인더합금 입자를 15wt% 이하로 혼합하여 성형한 입자를 사용하는 경우가 있는데,이때는 혼합된 입자를 45 ~ 125㎛ 크기로 만들어 사용하기도 한다. 경질입자의 재료로는 다이어몬드입자, 텅스텐탄화물, 티타늄탄화물, 지르코늄탄화물, 탄탈탄화물, 실리콘탄화물, 크롬탄화물, 보론질화물, 지르코늄질화물, 티타늄질화물, 실리콘질화물 및 하프늄붕화물, 티타늄붕화물, 지르코늄붕화물, 크롬붕화물, 알루미늄붕화물, 코발트붕화물, 철붕화물, 알루미늄산화물, 지르코늄산화물 및 이들의 복화합물 또는 다른 경질세라믹이 이용될 수 있다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 하기의 실시예가 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.

실시예 1 ~ 10

바인더합금 분율(나머지 분율은 경질입자) 및 바인더합금의 화학조성비를 표1과 같이 한 후 이를 개스 애토마이제이션 방법으로 바인더합금분말을 제조하여 소결을 위한 분말은 경질입자와의 충진성을 고려하여 45㎛ 이하의 분말을 사용하였으며, 경질입자의 조성 및 평균입도를 표1과 같이 한 후 상기의 재료들과 유기바인더를 혼련기로 균일하게 혼합하였다. 유기바인더로는 파라핀, 폴리에틸렌왁스나 EBS왁스같은 고분자 요소와 스테아린산, 글리콜, 폴리비닐 알콜과 같은 액체 바인더를 제품의 크기와 형상에 따라 섞는데, 본 발명에서는 유기바인더로 파라핀을 0.5wt% 첨가하였다. 경우에 따라 유기바인더 외에 분말의 압축률을 향상시키고 금형과의 마찰을 줄여 입자의 유동을 돕기 위하여 윤활제로 흑연, 수지, 비누 등을 0.1wt% 추가로 첨가하는데 본 발명에서는 첨가하지 않은 상태로 성형하였다.

연마휠은 밀도가 높은 것이 필요한 경우도 있지만 반대로 윤활성과 아울러마모입자 탈락을 돕기 위해서는 기공이 있는 것이 바람직한 경우도 있다. 이 경우는 표1의 실시예 6 ~ 10과 같이 1350℃ 이하의 낮은 온도로 큰 입자만을 이용하여 소결함으로써 일부러 기공을 형성한다. 이 기공에는 냉각제와 윤활제가 스며 들게 된다. 이들은 연마휠의 마찰열로 인해 휠이 절단재료와 소착하는 것을 방지한다. 또한 마찰 중에는 어느 정도 사용된 경질입자가 탈락하면서 새로운 경질입자가 드러나 절삭성을 유지하도록 경질입자가 적당한 시점에서 탈락되어야 한다. 본 발명의 연마휠은 이와 같은 요구를 모두 만족할 수 있다.

이때 합금분말을 애토마이제이션하여 약 15㎛ 이하의 크기로 얻는 것이 어려워 큰 입자만을 사용한 결과 미세편석과 성형성이 저하되었다. 따라서 본 발명에서는 10㎛ 이하의 철분말을 합금분말과 함께 혼합하여 바인더재료 화학조성을 만족하는 방법을 이용하기도 한다.

상기와 같이 실시한 결과 소결온도가 종래에 비해 비교적 낮으면서도 바인더 및 전체의 경도가 향상되었음을 알 수 있었다.

비교예 1 ~ 5

표1에 예시한 비교예 중에서 비교예 1은 도금으로 제조하는 종래의 기술이다. 비교예 2 ~ 5는 종래의 바인더합금 분말을 이용하여 경질입자와 함께 혼합하여 소결하였다. 소결을 위한 바인더합금 분말은 평균 4 ~ 45 ㎛ 크기인 입자를 사용하였으며, 표1의 경질입자들과 파라핀 0.5 wt%를 혼련기로 균일하게 혼합하였다.

그 결과 소결온도가 비교적 높으면서도 바인더 및 전체의 경도가 낮음을 알 수 있었다.

표1

구 분	금속바인더 분율(Vol%)	바인더재료 화학조성(at-%)	경질입자종류 및평균크기(㎛)	소결온도(℃)	경도(HV)
					바인더	전체
실시예1	85	Ni 15, Co 10, Cr 25,Mo 3, W 2, B 10, Fe bal.	다이아몬드,4	1370	703	1280
실시예2	80	Ni 34, Co 10, Cr 18,Mo 5, W 5, B 6, Fe bal.	다이아몬드,2	1370	623	1254
실시예3	70	Ni 40, Co 10, Cr 25,Mo 5, B 10, Fe bal.	다이아몬드,4 CBN,45	1370	644	1153
실시예4	70	Ni 45, Co 20, Mo 12,B 8, Fe bal.	다이아몬드,2	1380	685	1231
실시예5	70	Cr 18, Mo 2, B 9, Si 1, Fe bal.	다이아몬드,4CBN,45	1380	558	1137
실시예6*	70	Ni 15, Co 10, Mo 12,B 6, Fe bal.	다이아몬드,2	1350	529	964
실시예7*	65	Ni 15, Co 10, Cr 25,Mo 3, W 2, B 6, Fe bal.	다이아몬드,4	1350	568	937
실시예8*	70	Ni 0.66, Cr 15.8, Mn 0.4, Mo 1.8, Si 0.39, B 2.0,C 1.3, Fe bal.	다이아몬드,2	1350	376	953
실시예9*	70	Ni 5.7, Cr 21.5, Mn 1.7, Mo 0.5, Si 3.3, B 17.25, Fe bal.	다이아몬드,4	1330	608	975
실시예10*	70	Ni 16.0, Co 7.8, Cr 27.5, Mo 3, W 2, Cu 1.6,Si 2.6, B 17.7,Fe bal.	다이아몬드,2	1330	789	1012
비교예1	65	Ni 도금	다이아몬드,4	-	320	785
비교예2	65	Ni 97.8, Al 2.2	다이아몬드,2	1400	380	864
비교예3	70	Ni 64.9, Co 35.1	다이아몬드,2	1450	260	519
비교예4	70	Ni 80, Co 20	다이아몬드,4	1400	320	906
비교예5	70	Ni 95.1, Co 1.1, Al 1.4, Si 2.4	다이아몬드,4	1380	395	831

(비고. *는 기공율 10 ~ 15% 보유함)

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 바인더재료를 이용한 소결제품은 낮은 용융점을 가져 다이아몬드의 흑연화를 억제할 수 있고, 젖음성이 우수하며 고강도를 나타내므로 종래의 코발트를 대체하여 사용할 수 있다. 또 본 발명의 합금으로 만든 연마휠로 경도가 낮은 리드 프레임 등을 절단하는 경우에는 눈메움 현상이 쉽게 일어나므로 기공을 면적비로 10 ~15% 형성하여 입자탈락을 쉽게 한다.

이같은 결과로 본 발명은 웨이퍼 다이싱 휠, 웨이퍼 연마용 휠과 석재용 절단 블레이드 등 여러 분야에 적용할 수 있다.

Claims (12)

1. 주기율표의 전이금속 중에서 ETM이 원자비로 6 ~ 35%, LTM이 45 ~ 90%, 그리고 석출강화 원소와 석출물 안정화 원소로서 ⅠB, ⅡB, ⅢA와 ⅣA족에 속하는 원소가 단독 또는 복합으로 2 ~ 25%, 그 외에 불가피한 불순물로 이루어진 소결 바인더합금분말과 경질입자를 혼합하여 소결하는 것을 특징으로 하는 고강도 연마용 휠.
2. 제1항에 있어서, 상기 ETM이 크롬, 몰리브덴, 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 니오븀, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 란타니드, 악티니드 중의 하나 또는 둘 이상을 함유하는 소결 바인더합금분말과 경질입자를 혼합하여 소결하는 것을 특징으로 하는 고강도 연마용 휠.
3. 제2항에 있어서, 상기 ETM중 크롬을 제외한 원소들의 합이 원자비로 15% 이하 함유하는 소결 바인더합금분말과 경질입자를 혼합하여 소결하는 것을 특징으로 하는 고강도 연마용 휠.
4. 제1항에 있어서, 상기 LTM이 ⅦB, Ⅷ족에 속하는 원소들로서 망간, 철, 코발트 및 니켈 중의 하나 또는 둘 이상을 함유하는 소결 바인더합금분말과 경질입자를 혼합하여 소결하는 것을 특징으로 하는 고강도 연마용 휠.
5. 제1항에 있어서, 상기 ⅠB, ⅡB족으로 동, 은 중에서 단독 또는 복합 첨가되거나, ⅢA와 ⅣA족으로 보론, 탄소, 실리콘과 알루미늄 중에서 단독 또는 복합 첨가되는 소결 바인더합금분말과 경질입자를 혼합하여 소결하는 것을 특징으로 하는 고강도 연마용 휠.
6. 제5항에 있어서, 상기 ⅢA와 ⅣA족에서 탄소와 보론이 원자비 2 ~ 25% 범위로 단독 또는 복합 첨가되는 소결 바인더합금분말과 경질입자를 혼합하여 소결하는 것을 특징으로 하는 고강도 연마용 휠.
7. 제1항에 있어서, 상기 바인더합금 분말의 입자크기를 45㎛ 이하로 사용하여 경질조직을 형성하는 소결 바인더합금분말과 경질입자를 혼합하여 소결하는 것을 특징으로 하는 고강도 연마용 휠.
8. 제1항에 있어서, 상기 바인더합금 분말과 혼합하는 경질입자의 재료로 텅스텐탄화물, 티타늄탄화물, 지르코늄탄화물, 탄탈탄화물, 실리콘탄화물, 크롬탄화물과 보론질화물, 지르코늄질화물, 티타늄질화물, 실리콘질화물, 하프늄붕화물, 티타늄붕화물, 지르코늄붕화물, 크롬붕화물, 알루미늄붕화물, 코발트붕화물, 철붕화물, 알루미늄산화물, 지르코늄산화물 및 이들의 복화합물 또는 다른 경질세라믹이나 다이아몬드입자 중에서 단독 또는 복합으로 첨가하여 경질조직을 형성하는 소결 바인더합금분말과 경질입자를 혼합하여 소결하는 것을 특징으로 하는 고강도 연마용휠.
9. 제1항에 있어서, 상기 경질입자의 크기를 25㎛ 이하로 사용하여 경질조직의 내피로성을 향상하는 소결 바인더합금분말과 경질입자를 혼합하여 소결하는 것을 특징으로 하는 고강도 연마용 휠.
10. 제9항에 있어서, 상기 경질입자의 크기를 7.5㎛ 이하의 탄화물을 사용하여 경질조직의 내피로성을 향상하는 것을 특징으로 하는 고강도 연마용 휠.
11. 제1항에 있어서, 상기 바인더합금 분말과 혼합하는 경질입자가 면적비로 15 ~ 35%가 되도록 형성하여 경도를 향상하는 것을 특징으로 하는 고강도 연마용 휠.
12. 제1항에 있어서, 상기 소결후 기공이 면적비로 10 ~ 15%되도록 형성하여 입자탈락을 용이하게 하고 윤활성을 향상시킨 것을 특징으로 하는 고강도 연마용 휠.