KR100362797B1 - 금속피복된연마재를함유하는유리연마도구 - Google Patents

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Abstract

유리 접착시킨 연마 도구는 접착제 12 내지 50%, 금속 피복된 초 연마재 5 내지 50%, 기공 10% 이상 및 고체 윤활제 2 내지 20%를 포함한다. 티탄 또는 니켈 피복된 다이아몬드를 함유하는 연마 도구는 사파이어와 같은 세라믹 재료를 연마하는 데 특히 효과적이다.

Description

금속 피복된 연마재를 함유하는 유리 연마 도구
본 발명은 1996년 4월 10일에 출원된 미국 가특허원 제06/015,112호의 장점을 청구하기 위한 것이다.
발명의 배경
본 발명은 유리질 접착제(vitrified bond)에 금속 피복된 초연마재(superabrasive)를 함유하는 연마 도구에 관한 것이다. 당해 도구는 세라믹의 고성능 연마에 특히 유용하다.
처음 도입시, 니켈 또는 구리와 같은 금속으로 피복된 합성 다이아몬드를 포함하는 합성 다이아몬드가, 다양한 수지 접착된 연마 도구와 금속 접착된 연마 도구에 사용되었다. 이러한 초기 도구는 미국 특허 제3,925,035호와 제3,984,214호에 기술되어 있다. 금속 접착시킨 휠에서, 금속 피복된 다이아몬드는 보다 덜 엄격한 연마 조건을 나타낸다. 다이아몬드 상의 얇은 니켈 또는 구리 피복물은 연마 휠에서 합성 다이아몬드의 접착과 열 이동을 명백히 향상시킨다.
유리질 접착제 매트릭스의 유리에 다이아몬드를 결합시키는 데 있어서의 어려움과 유리 접착시킨 연마 도구를 경화시키는 데 요구되는 고온 연소 사이클로 인하여, 이러한 그레인이 처음 도입되던 때에는 합성 다이아몬드 CBN이 유리질 접착제에 사용되지 않았다. 보다 최근, 예를 들면, 미국 특허 제4,157,897호와 미국 특허 제4,951,427호에 기술된 바와 같이, 금속 피복된 다이아몬드와 입방체성 질화붕소(cubic boron nitride, CBN)를 유리 접착시킨 연마 도구에 사용할 것이 제안되었다.
다른 보호 피복물이 제안되었다. 유리 접착시킨 도구의 연소 동안 CBN이 산화되는 것을 방지하기 위해서 반응성 유리 또는 세라믹의 얇은 내층과, 임의로, 유리재료의 외층으로 이루어진 피복물을 미국 특허 제5,300,129호에 기술된 바와 같이 연마재 그레인에 피복시킬 수 있다. 금속 또는 유리 피복물은 CBN과 접착제 중의 알칼리 금속 산화물이 반응하는 것과 접착재가 연소되는 동안 그레인/접착제 계면에서 기체 부산물이 생성되고 팽윤되는 것을 방지한다. 팽윤에 의해 연마 도구의 형상이 소실될 수 있다.
금속 피복된 초연마재를 도입함으로써 유리 접착시킨 도구의, 강철 및 다른 금속의 연마, 특히 CBN 연마재를 사용하는 금속의 연마가 매우 향상된다. 세라믹 및 다른 비철 재료를 연마하는 데 사용하기 위해 유리 접착시킨 도구에 피복된 다이아몬드를 사용하는 것은 거의 보고되어 있지 않다.
미국 특허 제4,157,897호에, 구리, 은, 니켈, 코발트, 몰리브덴 및 이들의 합금을, 시멘트 접착시킨 카바이드 제품의 건식 연마를 위해서, 접착제 용적을 기준으로 하여, 결정성(플레이크) 흑연을 23 내지 53용적% 함유하는 유리 접착시킨 도구에 사용하기 위한 다이아몬드 피복용으로서 제안하고 있다. 당해 발명의 도구는 총 기공이 10용적% 이하인 연마 휠과 기공이 15용적% 이하인 혼(hone)을 포함한다. 금속 피복재는 연마 도구의 임의 요소이고, 피복되지 않은 다이아몬드에 비하여 시멘트 접착시킨 텅스텐 카바이드에 대한 니켈 피복된 다이아몬드의 연마 성능이 측정가능한 정도로 향상되지는 않는 것으로 보고된 바 있다.
본 발명에 이르러, 금속 피복된 초연마재가, 기공이 10용적% 이상이고 흑연과 같은 고체 윤활제를 약 2 내지 20용적% 함유하는 유리 접착시킨 연마 도구의 연마 성능을 상당히 향상시킴이 밝혀졌다. 연마 성능 향상은 연마 휠 마모율에 대한 물질 제거율의 비율(G 비율)이 보다 높아지고 제조 공정에 있는 제품의 표면 굴곡이 감소됨을 포함한다. 이러한 향상은 소매점의 스캐닝 장치에 통상적으로 사용되는 사파이어 윈도우의 표면 연마에 특히 유용하다.
발명의 요지
본 발명은 기공이 15용적% 이상이고, 접착제 12 내지 50용적%, 금속 피복된 초연마재 그레인 5 내지 50용적% 및 고체 윤활제 2 내지 20용적%를 포함함(여기서, 각각의 성분의 함량은 모든 성분을 합한 함량이 100용적%가 되도록 선택된다)을 특징으로 하는, 초연마재 그레인과 흑연 또는 기타 윤활제를 포함하는 유리 접착시킨 연마 도구이다. 이러한 연마 도구는 기공이 10용적% 이상이고, 접착제 12 내지 50용적%, 금속 피복된 초연마재 그레인 5 내지 50용적% 및 고체 윤활제 2 내지 20용적%를 포함함(여기서, 각각의 성분의 함량은 모든 성분을 합한 함량이 100용적%가 되도록 선택된다)을 특징으로 하는, 초연마재 그레인과 흑연 또는 기타 윤활제를 포함하는 유리 접착시킨 연마 휠을 포함한다. 바람직하게는, 연마 도구는 티탄, 구리 또는 니켈 피복된 다이아몬드를 함유한다. 피복된 다이아몬드를 함유하는 연마 도구는 피복되지 않은 다이아몬드를 함유하는 동일한 연마 도구보다 파열 모듈러스와 G 비율이 보다 높음을 특징으로 한다. 바람직하게는, 연마 도구는 접착제, 금속피복된 초연마재, 고체 윤활제, 및 임의로 제2 연마재 또는 충전제를 포함하는 혼합물을 최종 휠에 요구되는 크기와 형상을 갖는 금형 속으로 열간 압축시킴으로써 제조되는 휠이다.
바람직한 양태의 기술
본 발명의 연마 도구는, 연소 후의 용적을 기준으로 하여, 기공이 10용적% 이상이고, 접착제 12 내지 50용적%, 금속 피복된 초연마재 5 내지 50용적%, 고체 윤활제 2 내지 20용적% 및, 임의로 충전제, 제2 연마재 및 가공 조제 40용적% 이하를 포함하는(여기서, 각각의 성분의 함량은 모든 성분을 합한 함량이 100%가 되도록 선택된다), 접착시킨 연마 휠, 디스크, 휠 세그멘트, 스톤(stone) 및 혼을 포함한다.
연마 도구에 유용한 초연마재는, 하나 이상의 금속 또는 금속 합금을 0.5 내지 80중량%, 바람직하게는 0.5 내지 35중량%, 가장 바람직하게는 0.5 내지 10중량%로 피복시킨 천연 다이아몬드, 합성 다이아몬드, CBN 및 이들의 배합물을 포함한다. 피복된 다이아몬드에 있어서, 금속 피복물의 양이 0.5 내지 10중량%인 것이 바람직하다. 60%를 초과하는 피복물은 냉간 압축시킨 휠을 팽윤시키는 데 반해, 35%를 초과하는 피복물은 표면 연마 조작에 사용되는 열간 압축시킨 휠의 연마 성능을 불량하게 하는 것 같다.
연마재 그레인을 금속으로 피복함으로써, 연소 동안 접착제의 유리와 그레인의 습윤을 향상시키고, 접착제/그레인 후(post) 크기 및 강도를 향상시키며, 연마 동안 접착제 불량으로 인한 조기 그레인 손실을 감소시킨다. 금속 및/또는 금속 산화물 또는 카바이드가 유리와 연마재 그레인 사이의 접착을 향상시키는 것으로 제안되어 왔다. 금속 이외에 피복물 중에 또는 연소 동안 형성된 카바이드 또는 산화물이 존재함으로써 연마 도구의 성능을 향상시키는 것으로 여겨진다. 이러한 효과는 보다 우수한 물질 제거율/도구 마모율, 보다 큰 휠 강도 및 보다 우수한 제조 공정에 있는 제품 표면 품질을 야기하여 보다 안전하고 보다 경제적인 연마 도구를 제공하게 된다.
유리질 접착제와 혼화가능한 어떠한 금속이라도 사용할 수 있으나, 바람직한 금속은 티탄, 니켈, 구리, 은, 코발트, 몰리브덴, 이들의 배합물 및 이들의 합금이다. 티탄 피복된 다이아몬드는 세라믹 재료, 특히 사파이어를 연마하는 데 바람직하다. 니켈 및 니켈 합금도 바람직하다. 적합한 연마재 그레인으로서는, 예를 들면, 티탄 약 8 내지 10%로 피복된 RVG 다이아몬드(판매원: General Electric)가 있다.
모든 초연마재 그레인 크기를 사용할 수 있다. 세라믹 재료를 연마하는 데 사용되는 다이아몬드용으로는 50/80 내지 325/400, 바람직하게는 80/120 내지 270/325(100 내지 320 grit)의 미국 표준 메쉬(United States Standard Mesh) 그레인 크기를 선택한다. 동일한 그레인 크기가 CBN용으로 바람직하다. 특정 용도에서는, 마이크론 크기 범위(즉, 0.5 내지 500㎛)의 매우 미세한 그레인이 적합하다.
실리카, 산화붕소, 산화나트륨, 산화알루미늄, 알칼리 금속 및 알칼리 토금속을 포함하여 통상적인 접착제를 포함하는 임의의 많은 공지된 유리질 접착제 또는 유리 접착제를 사용할 수 있다. 접착제 물질은 원료 성분의 혼합물의 형태, 목적하는 입자 크기로 파쇄하여 선별한 유리 프릿 형태 또는 이들의 배합물 형태일 수 있다. 본원에서 사용하는 데 적합한 대표적인 접착제는 미국 특허 제5,472,461호 및 미국 특허 제5,203,886호에 기술되어 있다.
연마 도구에서 피복된 다이아몬드의 완전한 잇점을 달성하기 위해서는, 연마 도구의 용적을 기준으로 하여, 기공이 10용적% 이상, 바람직하게는 15용적% 이상, 가장 바람직하게는 20용적% 이상인 다공성 연마 도구를 제공할 필요가 있다. 연마 도구 제조시 열간 압축 공정을 조정함으로써 약 25용적% 이하의 기공을 달성할 수 있다. 또한, 기공은 중공 세라믹 구 및 연소시킨 도구에 버블, 기공 또는 채널을 생성하는 적절한 기하학적 형태를 갖는 기타 내열성 물질을 연마재 그레인과 접착제 성분의 혼합물에 가함으로써 유도할 수 있다. 미국 특허 제5,472,461호에 기술되어 있는 유형의 중공 세라믹 구 및 직경이 보다 작은 유사한 구가 가장 바람직하다. 이러한 충전제를 첨가함으로써 연소시킨 연마 도구의 바람직한 총 기공 10 내지 50용적%를 달성할 수 있다.
기공은, 도구 조성물의 일부로서 고체 형태로 공급된 윤활제 또는 습식 연마 조작 동안 첨가된 액체 냉각제와 함께, 도구 표면과 제조 공정에 있는 제품으로부터의 연마 찌꺼기의 제거 및 도구와 제조 공정에 있는 제품을 냉각시키고 윤활시키기 위한 연마 표면으로의 윤활제의 공급을 도와 연마 성능을 향상시킨다. 당해 기술분야의 숙련가는 도구 조성물 중의 기공과 고체 윤활제를 균형되게 선택하여 이러한 잇점을 최대화하고 습식 연마 조작 뿐만 아니라 건식 연마 조작도 수행할 수 있을 것이다. 기공과 고체 윤활제의 합은, 연소 후 전체 도구의 용적을 기본으로하여 12 내지 60용적%, 바람직하게는 약 20 내지 40용적%이다.
바람직한 고체 윤활제는 흑연, 특히 미세한 플레이크 흑연이다. 적합한 흑연의 예는 미국 특허 제5,472,461호에 기술되어 있으며, 이는 아스베리 그래파이트 밀즈, 인코포레이티드(Asbury Graphite Mills, Inc.)로부터 구입할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 연마 도구에서 황화몰리브덴, 폴리테트라플루오로에틸렌, 육방형 질화붕소 및 유리 접착시킨 연마 도구에 사용하는 데 적합한 공지된 기타 고체 윤활제가 유용하다.
기타 임의의 연마 도구 성분을 이용할 수 있다. 당해 기술분야의 숙련가는 종종 도구의 전체 비용을 감소시키기 위해서 초연마재를 포함하는 도구 혼합물에 제2 연마재를 가한다. 알루미나 및 융합 알루미나 연마재, 씨딩되거나 씨딩되지 않은 졸-겔상 알파-알루미나 연마재 및 탄화규소 등을 포함하지만 이에 국한되지 않는 제2 연마재를 제1 연마 도구의 약 0.1 내지 40용적%, 바람직하게는 약 1 내지 20용적%의 양으로 사용할 수 있다. 초연마재와 제2 연마재 그레인의 합한 함량은 바람직하게는 연마 도구의 약 40 내지 50용적%이다. 또한, 금속 분말, 중공 세라믹 또는 유리 구, 탄화규소, 알루미나, 고체 뮬라이트, 열분해 실리카 및 이산화티탄을 포함하지만 이에 국한되지 않는 형상과 물리적 형태가 다양한 충전제를 도구 제조 및/또는 연마 성능을 강화시키는 데 효과적인 양, 예를 들면, 연소시킨 연마 도구의 약 0.1 내지 40용적%, 바람직하게는 4 내지 10용적%의 양으로 가할 수 있다. 당해 기술분야에 공지된 바와 같이, 임시 결합제와 같은 가공 조제를 사용할 수도 있다.
이러한 연마 도구 성분을 통상적으로 혼합하고 선별하여 압축 및 연소하는 데 적절한 금형에 넣는다. 압축은 냉간 압축과 열간 압축 및 열간 주조를 포함하여 당해 기술분야에 공지된 모든 수단으로 수행할 수 있다. 바람직한 열간 압축 기술은 본원에 참고로 인용되어 있는 미국 특허 제4,157,897호 및 미국 특허 제5,472,461호에 기술되어 있다. 바람직한 공정에서, 열간 압축은 휠 크기와 기하학적 형태에 따라 1분 내지 4시간 동안 600 내지 900℃에서 실시할 수 있다. 냉각 압축 공정에서는, 미처리 성형시킨 형태의 연마 도구를 전형적인 통상의 연소 주기 및 조건하에 연소시켜 당해 기술분야에 공지된 방법으로 최종 제품을 형성할 수 있다. 연소는 통상적으로 압축 유형과 휠 크기 및 기하학적 형태에 따라 몇 시간 내지 수일에 걸쳐 600 내지 1200℃의 온도에서 실시할 수 있다.
연마 도구는 유리 접착시킨 연마 도구의 제조에 현재 사용되고 공지된 방법에 의해 균형있게 가공할 수 있다. 본 발명의 이러한 연마 도구는 정밀한 연마 조작을 요구하는 다양한 세라믹 제품, 연마재 제품 및 경질 금속 제품의 제조에 유용하다.
다음 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것이며 본 발명의 범위를 어떤 식으로든지 제한하지 않는다. 별다른 지시가 없는 한, 모든 조성물은 연마 도구를 연소시킨 후의 용적%를 기준으로 하여 나타낸다.
실시예 1
피복되지 않은 다이아몬드(75μ )(220grit)를 함유하는 대조군과 비교하기 위해서, 제네랄 일렉트릭(General Electric)사로부터 구입한 티탄 피복된 다이아몬드 연마재 그레인[75μ (220grit) RVG 다이아몬드 상의 티탄 8 내지 10%]을 사용하여 다음 성분으로부터 분할된 표면 연마 휠을 제조한다.
연마 휠 조성물
샘플 1은 본 발명을 나타내고, C-1은 피복되지 않은 다이아몬드 대조물이며, 샘플 C-2 및 C-3은, 키트(Keat)의 휠에서 다이아몬드를 티탄이 아닌 니켈로 피복한 것을 제외하고는, 키트의 미국 특허 제4,157,897호의 휠을 나타낸다.
접착제는 페로 코포레이션(Ferro Corporation)으로부터 구입한 유리 프릿 형태의 통상적인 실리카-알루미노보레이트 접착제이다.
제2 연마재인 탄화규소(66μ )(220grit)는 노튼 캄파니(Norton Company)로부터 구입한다. 흑연(4434등급)은 아스베리 그래파이트 밀즈, 인코포레이티드로부터 구입하고, 이의 미세 입자 크기는 약 150 내지 45μ (100 내지 325메쉬)이다. 휠(직경 25.4cm, 두께 3.2cm)(10inch × 1/8inch)은 이러한 조성물로부터 리(Li)의 미국 특허 제5,472,461호의 실시예 1에 기술되어 있는 열간 압축 공정에 의해 제조한다. 휠은 다음 조건하에 습윤 연마 시험을 실시한다:
기계: 블랜챠드 그라인더(Blanchard Grinder)
휠 속도: 1150rpm
테이블 회전: 64rpm
다운피드: 0.010cm(0.004in)
냉각제: 인터서비스 다이나믹스(Interservice Dynamics)(코네티컷주 베텔 소재)로부터 구입한 챌린지(Challenge) 300HT 냉각제. 탈이온수 중의 1% 농도
연마 재료: 사파이어
연마 시험 결과
위에서 기술한 바와 같은 결과는 동일한 수준의 윤활제와 기공에서 피복되지 않은 다이아몬드 샘플에 비하여 본 발명의 티탄 피복된 다이아몬드 샘플에서 G 비율이 상당히 향상됨을 나타낸다(약 9배 향상). 티탄 피복된 다이아몬드 샘플 중에서, 기공이 보다 적은 경우 G 비율과 전력 소비 둘 다에 역효과를 미친다. 키트의 특허에 교시된 바와 같은 피복된 다이아몬드를 사용할 경우 5 내지 10용적%의 다공도에서, G 비율은 본 발명으로 달성된 것의 1/2 미만이고 전력 소비는 2배이다.

Claims (3)

  1. 기공 20용적%, 접착제 27.2용적%, 금속 피복된 초연마재 그레인 37.5용적%, 고체 윤활제 4.8용적%, 및 알루미나 및 융합 알루미나 연마재, 씨딩되거나 씨딩되지 않은 졸-겔상 알파-알루미나 연마재 및 탄화규소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 제2 연마재 10.5용적%를 포함하는 유리 접착시킨 연마 휠.
  2. 제1항에 있어서, 금속 피복된 초연마재가 티탄, 구리, 니켈, 이들의 합금 및 이들의 배합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속으로 피복된 다이아몬드인, 유리 접착시킨 연마 휠.
  3. 제1항에 있어서, 고체 윤활제가 흑연인, 유리 접착시킨 연마 휠.
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