KR102517753B1

KR102517753B1 - 갱쏘용 절삭공구

Info

Publication number: KR102517753B1
Application number: KR1020200182560A
Authority: KR
Inventors: 박희동; 김남광; 김두회; 이대연
Original assignee: 이화다이아몬드공업 주식회사
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2023-04-06
Also published as: US20240033973A1; EP4269055A4; CN116806180A; TWI803106B; KR20220091698A; WO2022139322A1; TW202228970A; EP4269055A1

Abstract

갱쏘용 절삭공구가 제공된다.
본 발명의 절삭공구는, 피삭재의 폭 방향 또는 길이 방향으로 연장되도록 형성된 블레이드; 상기 블레이드의 하부에 돌출되도록 형성되어, 스윙 운동에 의해 왕복하면서 상기 피삭재를 절삭하는 적어도 하나의 절삭팁; 및 상기 블레이드와 상기 적어도 하나의 절삭팁 사이에 형성되어 이들을 은납 접합하도록 구성된 접합부;를 포함하고, 상기 접합부는, 제1 은납층; 상기 제1 은납층 상에 형성되고 은납 접합공정 온도 보다 높은 융점을 가지는 금속 시트층; 및 상기 금속시트층 상에 형성된 제2 은납층;을 포함하고, 그리고 상기 블레이드가 좌우로 연장되는 방향을 기준으로, 상기 접합부를 이루는 금속시트층의 길이가 상기 접합부에 접하는 절삭팁의 길이보다 같거나, 좌우로 더 길게 형성되어 있다.

Description

갱쏘용 절삭공구{CUTTING TOOL FOR GANG SAW}

본 발명은 석재, 벽돌, 콘크리트, 아스팔트 등과 같은 취성이 있는 피삭재를 절단하는데 사용되는 갱쏘(Gang Saw)에 구비된 절삭공구에 관한 것이다.

통상 건축 내외장재 또는 바닥재 등으로는 대리석, 화강암 등의 석재가 주로 사용되며, 이러한 석재는 채석장 등에서 대략적으로 육면체 형태로 채석된 후, 다수의 판재 형태로 절단되어 사용된다.

석재를 다수의 판재 형태로 절단하기 위해 석재 절단 장치가 사용되며, 상기 석재 절단 장치로는 대표적으로 프레임 갱쏘(Frame Gang Saw)가 사용되고 있다. 프레임 갱쏘는 절삭공구에서 실질적인 절삭을 담당하는 블레이드가 피삭재 내부로 들어갈 수 있기 때문에, 피삭재 두께에 제한이 없어 블록 형태의 대형 석재 절단에 널리 사용되고 있다.

프레임 갱쏘는 프레임부를 포함하며 이러한 프레임부에는 다수의 블레이드가 설치된다. 종래에는 프레임 갱쏘에 알갱이 형태의 스틸 숏(steel shot)과 같은 연마재를 뿌려 주며 피삭재를 절단하는 방법이 주로 사용되었으나, 최근 연마재가 포함된 절삭팁이 블레이드에 고정되어 제공되는 프레임 갱쏘가 개발되었다.

한편 프레임 갱쏘는 절삭공구의 블레이드를 이동시키는 형태에 따라 크게 두 가지 형태로 구분될 수 있다. 하나는 톱질과 같이 왕복운동만 하는 것이며, 나머지 하나는 스윙타입으로 왕복운동하는 것이다. 스윙타입으로 왕복운동하는 프레임 갱쏘는 큰 화강암 블록을 판재로 절단하는데 통상적으로 사용되고 있다.

도 1에는 스윙타입으로 왕복운동하는 프레임 갱쏘가 개략적으로 도시되어 있다. 도 1(a)를 참조하여 설명하면, 프레임 갱쏘는 다수의 블레이드(11)를 포함하며, 상기 다수의 블레이드(11)가 x방향으로 왕복 운동하면서 피삭재(1)를 절단하게 된다. 프레임 갱쏘는 프레임에 탑재된 통상 250개 이하의 평행으로 이격된 철강 블레이드가 장력이 부여된 상태에서 사용된다. 지금까지는 화강암을 절단하기 위해서 철강 블레이드에 연마재, 예를 들면 steel shot과 석회를 함유한 슬러리를 뿌려서 작업하였다. 이 경우 통상적으로 장력은 8ton 정도가 사용되었다. 연마재를 뿌려주는 절단 기술은 절단속도가 매우 느려 하강속도가 수 cm/hr에 불과하여 2m 높이의 화강암 블록 절단에 거의 3일 정도가 걸린다.

한편 도 1(b)는 도 1(a)의 y축 방향에서 바라본 본 발명과 같이 절삭팁이 부착된 스윙타입 프레임 갱쏘의 모습이 도시되어 있다. 프레임은 통상적으로 2개의 피봇(pivot)을 중심으로 왕복하며 고정된 화강암 블록으로 강하한다. 블레이드 (11)의 하측면에는 다수의 절삭팁(12)이 구비되어 있으며, 상기 절삭팁(12)이 블레이드의 스윙운동으로 피삭재(2)와 접촉하면서 절단이 이루어지게 된다.

도 2 에 나타낸 바와 같이, 블레이드(11)의 적어도 일면에는 절삭방향을 따라 일정 간격으로 절삭팁(12)이 은납 접합되어 구비될 수 있다. 그리고 블레이드 (11)의 절삭팁(12)의 측면에는 은납접합 공정에 의한 용접열영향부(13)가 형성되어 있다.

여기에서, 톱질과 같이 왕복운동하는 프레임 갱쏘는 절삭공구의 절삭팁(12) 이 피삭재(2)와 계속 접촉하고 있지만, 스윙타입의 경우 통상적으로 분당 약 150회 정도 피삭재(2)와 부딪치며 피삭재(2)를 절단하게 되며, 이 과정에서 충격에 의한 변형이 발생할 가능성이 증가한다. 이로 인해 블레이드(11)와 절삭팁(12)이 접합된 절삭팁의 단부 또는 이에 근접하는 위치에서 크랙이 발생할 수 있고, 이러한 크랙은 블레이드(11) 내부 방향으로 전파하여 블레이드(11)의 파손을 야기시킬 수 있다.

도 3 에서는 실제 블레이드 (11)와 절삭팁(12)이 접합된 절삭팁(12)의 단부 위치에서 크랙이 발생한 것을 촬영한 사진이다. 도 3을 보면, 크랙이 절삭팁 단부 위치에서 블레이드(11) 내부 방향으로 전파된 모습을 확인할 수 있다.

석재 절단 과정 중 위와 같은 크랙이 발생할 경우, 크랙이 발생한 블레이드 제거에 따른 조업 중단과 수율 하락에 의해 생산성이 크게 악화되기 때문에, 블레이드와 절삭팁의 접합부 부근에서 발생하는 크랙을 방지하는 기술에 대한 요구가 높아지고 있는 실정이다.

한국 특허공개공보 제2014-0144090호

본 발명의 목적은 석재 등의 절단에 사용되는 갱쏘(Gang Saw)에 구비된 절삭공구에 있어서, 블레이드와 절삭팁의 접합부 부근에서 발생하는 크랙을 효과적으로 방지하는 기술을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명 명세서의 전반적인 사항으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일측면은,

피삭재의 폭 방향 또는 길이 방향으로 연장되도록 형성된 블레이드;

상기 블레이드의 하부에 돌출되도록 형성되어, 스윙 운동에 의해 왕복하면서 상기 피삭재를 절삭하는 적어도 하나의 절삭팁; 및

상기 블레이드와 상기 적어도 하나의 절삭팁 사이에 형성되어 이들을 은납 접합하도록 구성된 접합부;를 포함하고,

상기 접합부는, 제1 은납층; 상기 제1 은납층 상에 형성되고 은납 접합공정 온도 보다 높은 융점을 가지는 금속 시트층; 및 상기 금속시트층 상에 형성된 제2 은납층;을 포함하고, 그리고

상기 블레이드가 좌우로 연장되는 방향을 기준으로, 상기 접합부를 이루는 금속시트층의 길이가 상기 접합부에 접합되는 절삭팁의 길이보다 같거나, 좌우로 더 길게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 갱쏘(Gang Saw)용 절삭공구에 관한 것이다.

상기 제1 및 제2 은납층은 Cu-Ag 베이스의 재료로서, 그 조성성분이 동일 할 수 있다.

상기 제1 및 제2 은납층은 Cu-Ag 베이스의 재료로서, 그 조성성분을 상호 달리할 수 있다.

상기 금속시트 층은 Cu, Ni, Co 또는 Fe 중의 어느 하나, 또는 이들의 혼합물 또는 이들의 화합물로 이루어질 수 있다

상기 다층 은납층인 접합부의 총 두께가 200~1200㎛ 범위내일 수 있다.

상기 절삭팁에 인접하는 블레이드 영역에는 용접열영향부(HAZ)가 형성되어 있으며, 상기 접합부는 상기 형성된 용접열영향부 표면 중 적어도 일부를 덮을 수 있는 크기로 형성될 수 있다.

본 발명에 의하면 갱쏘용 절삭공구에서 발생하는 크랙이 효과적으로 억제될 수 있다. 그리고 이를 통해 석재 절단 공정에 있어서 생산성이 크게 향상될 수 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1(a)는 복수의 절삭공구를 구비한 갱쏘를 이용하여 피삭재를 절단하는 모습을 나타내는 개략도이며, 도 1(b)는 갱쏘를 y방향에서 바라본 모습이며, 일부 구성을 생략하여 단순화하여 나타낸 것이다.
도 2는 갱쏘용 절삭공구의 일부분을 개략적으로 도시하여 나타낸 그림이다.
도 3은 종래 갱쏘용 절삭공구에서 블레이드와 절삭팁의 접합부에서 크랙이 발생한 것을 촬영한 사진이다.
도 4(a)는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 접합부를 갖는 갱쏘용 절삭공구를 개략적으로 도시한 그림이며, 도 4(b)는 도 4(a)에 대한 상세도이다.
도 5는 도 4(a)의 A-A' 단면에 대한 전자 현미경 사진이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.

명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

설명의 편의를 위해 본 명세서에서는 도 1 (a) 에 나타낸 바와 같이 블레이드가 왕복운동하는 방향을 'x방향' 또는 '가로방향', 왕복운동하는 방향에 수직하는 방향을 'y방향' 또는 '세로방향', 그리고 'x 방향' 및 'y 방향'에 모두 수직한 방향을 'z 방향' 또는 '높이방향'으로 정의한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 측면에 따른 갱쏘용 절삭공구에 대하여 자세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

도 4(a)는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 접합부를 갖는 갱쏘용 절삭공구를 개략적으로 도시한 그림이며, 도 4(b)는 도 4(a)에 대한 상세도이다.

먼저 도 4(a)에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 갱쏘용 절삭공구는, 피삭재의 폭 방향 또는 길이 방향으로 연장되도록 형성된 블레이드(110); 상기 블레이드의 하부에 돌출되도록 형성되어, 스윙 운동에 의해 왕복하면서 상기 피삭재를 절삭하는 적어도 하나의 절삭팁(150); 및 상기 블레이드와 상기 적어도 하나의 절삭팁 사이에 형성되어 이들을 은납 접합하도록 구성된 접합부(130);를 포함한다.

그리고 도 4(b)에 나타난 바와 같이, 상기 접합부(130)는, 제1 은납층(131); 상기 제1 은납층(131) 상에 형성되고 은납 접합공정 온도 보다 높은 융점을 가지는 금속 시트층(133); 및 상기 금속시트층(133) 상에 형성된 제2 은납층(135);을 포함하고, 그리고 상기 블레이드(110)가 좌우로 연장되는 방향을 기준으로, 상기 접합부(130)를 이루는 금속시트층(133)의 길이가 상기 접합부에 접합되는 절삭팁(150)의 길이보다 같거나, 좌우로 더 길게 형성되어 있다.

본 발명에서 상기 블레이드(110)는 피삭재의 폭 방향 또는 길이 방향으로 연장되며, 보다 상세하게는 피삭재를 절단할 때 블레이드(110)가 왕복운동하는 방향으로 연장될 수 있다. 예를 들어 도 1 에서 블레이드 (11) 는 x방향으로 왕복운동하며, 이 경우 x방향으로 연장될 수 있다.

상기 블레이드(110)의 재질에 대해서는 특별히 제한하지 않을 수 있으며, 종래 프레임 갱쏘에서 사용되는 블레이드이면 본 발명에 바람직하게 적용될 수 있다. 예를 들어 블레이드(110)는 프레임 갱쏘 내에서 인가되는 장력을 충분히 견딜 수 있는 고장력 강판이 사용될 수 있다. 절삭팁이 부착된 프레임 갱쏘는 연마재 타입 갱쏘에 비하여 더 높은 장력, 예들 들면 12ton~27ton의 장력을 부가하며, 하강속도도 매우 빠른 절삭이 이루어 진다. 블레이드는 높은 장력을 견디기 위하여 고장력강이 필요하며, 각 블레이드는 3m 이상의 길이, 1.5~5mm 두께, 50~250mm 높이로 제공된다.

한편, 본 발명에서는 적어도 하나의 절삭팁(150)이 블레이드(110)의 적어도 일면에 돌출되어 형성될 수 있으며, 바람직하게는 블레이드(110)가 갱쏘에 설치되었을 때 하부쪽 측면에 제공될 수 있다. 절단 시 블레이드(110)가 왕복운동할 때 돌출된 절삭팁(150)이 피삭재와 충돌하면서 실질적인 절삭이 이루어진다.

피삭재를 절삭할 때, 블레이드(110)나 혹은 피삭재가 이동하며, 피삭재 내부에서 블레이드가 스윙하며 왕복 운동하게 된다. 만일 절삭팁(150)에 의해 절삭되는 부분의 폭이 블레이드(110) 두께보다 작다면 블레이드(110)와 피삭재의 접촉이 발생하여 파손 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서 블레이드(110)가 연장되는 방향에 수직한 방향, 즉 블레이드(110)의 y방향을 기준으로, 상기 블레이드(110) 보다 상기 절삭팁(150)이 돌출되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 절삭팁(150)은 블레이드(110)의 하부에 일정 간격을 이루고 2개 이상으로 형성될 수 있다. 이때 절삭팁(150)간 중심간 간격이 50~140mm 인 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 절삭팁(150)은 0.3~2.0cts/cc의 다이아몬드를 포함할 수 있다. 절삭팁(150)이 다이아몬드를 포함함으로써, 연마재가 포함된 슬러리의 공급 없이도 절삭팁(150)에 의한 절삭이 이루어질 수 있다. 사용되는 다이아몬드입자 크기는 #30~#80가 적당하며, 용도에 따라 이 범위를 약간 벗어나는 크기의 다이아몬드도 사용될 수 있다.

또한 본 발명에서 상기 절삭팁(150)은 다이아몬드 입자를 지탱해주는 금속 매트릭스와 다이아몬드 입자로 구성되어 있다. 일반적으로 다이아몬드 입자는 갱쏘 절삭팁 구성에서 15vol% 이하이기 때문에 절삭팁의 물성은 금속 매트릭스에 의해 결정된다. 금속매트릭스에 사용되는 금속분말로는 Co, Ni, Fe 등이 주로 사용된다. 일부 다른 원소, 예를 들면 W, bronze, Cu, 등이 사용될 수 있으나 주 금속 분말은 Co, Ni, Fe라고 볼 수 있다. 블레이드는 철강재로 금속 매트릭스와 비슷한 열팽창계수를 보인다(12~14um/(mK)).

한편 상기 금속시트(133)가 포함된 종래의 은납재료는 절삭팁이 Cemented carbide, Diamond 또는 CBN으로 구성되어 블레이드(110)와 절삭팁(150)의 열팽창계수가 클 경우에, 이러한 큰 열팽창계수 차이에 따른 절삭팁의 크랙발생을 방지하기 위하여 상기 절삭팁(150)을 상기 블레이드(110)의 은납 용접에 사용하였다.

이에 대하여, 본 발명에서는, 상기와 같이, 블레이드(110)와 절삭팁(150)의 열팽창계수는 거의 비슷하며, 이에 따라, 블레이드(110) 및 절삭팁(150)의 열팽창계수 차이가 작아 종래기술에서 문제되던 블레이드와 절삭팁의 열팽창에 차이에 의한 크랙 발생은 문제되지 않는다. 다만 본 발명은 후술하는 목적을 위하여, 상기 블레이드(110)와 절삭팁(150)간에 다층 은납 접합층을 형성한다.

즉, 본 발명의 절삭공구는 상기 블레이드(110)와 상기 적어도 하나의 절삭팁(150) 사이에 형성되어 이들을 은납 접합하도록 구성된 접합부(130);를 포함한다. 그리고 본 발명에서 상기 접합부(130)는 제1 은납층(131); 상기 제1 은납층(131) 상에 형성되고 은납 접합공정 온도 보다 높은 융점을 가지는 금속 시트층(133); 및 상기 금속시트층(133) 상에 형성된 제2 은납층(135);을 포함하는 다층 은납접합층으로 이루어져 있다.

이와 같이, 본 발명에서 다층의 은납 접합층을 절삭공구의 블레이드(110)와 절삭팁(150)의 접합을 위한 접합부(130)로 이용하는 구체적인 이유는 다음과 같다.

본 발명의 갱쏘는 블레이드(110), 절삭팁(150) 및 접합부(130)를 포함한다. 절삭팁(150)은 갱쏘의 왕복운동에 의한 충격이 가해진다. 상기 충격은 절삭팁(150)을 거쳐 접합부(130) 및 블레이드(110)에 전달된다. 갱쏘의 왕복운동에 의한 충격은 블레이드(110)에 평행한 방향(x방향), 수직한 방향(y, z 방향) 또는 그들의 조합된 방향(x-y 방향)으로 가해진다. 상기 충격은 압축응력과 인장응력을 일으키고, 왕복운동에 의하여 압축응력과 인장응력이 반복적으로 일어나는 피로(fatigue) 현상을 유발한다. 또한, 대부분의 충격은 스윙운동으로 인해 절삭팁(150)에 대하여 일정한 각도로 가해지므로, 상기 충격은 절삭팁(150)을 회전시키려는 회전 모멘텀을 야기한다. 이러한 압축응력, 인장응력, 피로응력 및 회전 모멘텀을 모두 합하여 외부응력이라고 한다.

실제 현장에 채용되는 절삭팁(150)은 보다 장기간 사용할 수 있도록 높이(H)를 점점 높은 쪽으로 적용하여 때로는 높이(H)가 길이(L)보다 큰 형태가 적용된다. 예를 들면 길이는 길이는 20~25mm인데, 높이는 30mm 이상일 수 있다. 이러한 경향은 갱쏘 수명을 높여 작업의 효율성을 높이고 그에 따른 비용절감을 하기 위한 것으로, 더욱 증가하고 있는 추세이다. 길이(L) 대비 높이(H)가 커질수록 상기 회전 모멘텀이 증가한다. 따라서, 최근에는 회전 모멘텀에 의한 외부응력이 중요해지고 있다. 즉, 이러한 다양한 외부응력에 의한 충격을 완화하여 크랙 발생 및 전파를 억제할 수 있는 방안이 모색되고 있다.

따라서 이러한 문제점에 착안하여, 본 발명의 절삭공구는, 상기 블레이드(110)와 상기 적어도 하나의 절삭팁(150) 사이에 형성되어 이들을 은납 접합하도록 구성된 다층 은납접합층으로된 접합부(130);를 포함하는 절삭공구를 제공한다. 구체적으로, 본 발명의 절삭공구는, 제1 은납층(131); 상기 제1 은납층(131) 상에 형성되고 은납 접합공정 온도 보다 높은 융점을 가지는 금속 시트층(133); 및 상기 금속시트층(133) 상에 형성된 제2 은납층(135);을 포함하는 다층 은납접합층으로된 접합부(130)를 제공함을 특징으로 한다.

즉, 상기 다층 은납접합층은 제1 은납층(131), 불용층인 금속시트층(133) 및 제2 은납층(135)이 샌드위치 형태로 적층된 것이다. 이때, 제1 및 제2 은납층(131,135)의 재질 성분은 서로 동일하게 할 수 있으며, 또 다르게는 각각의 절삭팁 및 블레이드와의 접착력을 고려하여 그 성분 일부를 변경할 수도 있다.

본 발명에서 상기 제1 및 제2 은납층(131, 135)의 재질은 Cu-Ag 베이스의 일반적인 은납재료이며, 두께는 은납 후에 각각 50~400㎛이 바람직하다.

상기 불용층인 금속시트층(133)은 은납 공정의 온도에서 녹지 않는 재질, 예컨대 Cu, Ni, Co 또는 Fe 중의 어느 하나 또는 이들의 혼합물 또는 이들의 화합물로 이루어질 수 있다. 이러한 금속 등은 은납공정을 거치더라도 금속재 시트가 용융되지 않아 접합부 내부에서 원래 형태를 유지하면서 개재될 수 있다.

본 발명은 이러한 다층 은납접합층(131) 제조를 위한 은납용접재료의 일예로, 통상의 Umicore사의 Brazetec 4900 대신에, Umicore사의 Brazetec 49/Cu를 사용할 수 있다. 일반적으로, Brazetec 49/Cu는 절삭팁이 초경재료나 PCD일 경우에 사용되나, 절삭팁의 대부분 성분이 Co, Fe, Ni, Cu 등의 성분으로 이루어진 경우에는 통상적으로 사용되지 않는다. 그러나 본 발명에서는 절삭팁의 대부분 성분이 Co, Fe, Ni, Cu 등의 성분으로 이루어져 있음에도 불구하고, Brazetec 49/Cu등과 같은 은납용접재료를 이용할 수 있다.

그리고 상기 다층 은납접합층(130)의 총 두께는 200~1200㎛ 범위로 관리함이 바람직하다.

통상적으로, 다층 은납은 단층의 은납보다 접합강도가 대략 30% 떨어짐이 일반적인 사실이다. 이와 같이 접착력이 떨어짐에도 불구하고, 다층 은납을 사용하는 일반적인 이유는 블레이드와 절삭팁 사이의 열팽창계수 차이가 큰 경우에 열충격에 의한 손상을 낮추기 위함이다. 예컨대, 다층 은납은 열팽창계수 차이가 큰 PCD, CBN 절삭팁 등을 철계 블레이드에 접합하는 데에 사용된다. PCD, CBN 절삭팁 등은 철계 블레이드와 열팽창계수의 차이가 크다. 열팽창계수 차이가 크면, 은납 공정 이후의 냉각하는 과정에서, 열충격에 의해 절삭팁에서 크랙이 발생된다.

최근에는 갱쏘에 의한 절단속도, 부하, 절삭팁의 높이(H) 등이 점점 커지는 추세이므로, 상기 외부응력에 의한 충격은 더욱 심각해지고 있다. 외부응력에 의한 충격이 갱쏘에 가해지면, 블레이드(110)에는 크랙(crack)이 발생할 수 있다. 그리고 절삭팁 주위의 블레이드에는 상술한 은납 용접으로 받은 열에 의해 용접열영향부(HAZ)가 형성되며, 이때, 열이력이 달라서 조직과 물성이 용접열영향부의 위치별로 차이가 있다. 즉, 고장력강에서는 용접열영향부의 특정 위치에서의 경도가 주위보다 낮은 소프트 영역이 형성될 수 있다. 따라서 상기 크랙은 소프트 영역에서 블레이드를 가로지는 방향(y 방향)으로 진행되는 영역에서 발생한다. 소프트 영역에서 발생한 크랙은 블레이드(110)가 계속 인장응력 상태로 인가되어 있기 때문에 블레이드의 수직방향으로 쉽게 전파된다. 상기 크랙이 발생하면, 갱쏘에 의한 절단작업을 중단하고 해당하는 부분을 교체해야 하고, 블레이드(110) 자체를 폐기해야 하므로 경제적인 손실이 크다. 이에 따라, 외부응력에 의한 충격으로 블레이드에 크랙이 발생하지 않도록 최대한으로 억제할 필요가 있다.

따라서 본 발명의 다층 은납접합층(130)은 스윙타입 프레임 갱쏘와 같이 외부응력에 의한 충격이 있는 경우에, 상기 충격을 완화시킬 수 있다. 만일 다층 은납접합층(130)에 의해 외부의 충격이 완화되면, 블레이드(110)에서의 크랙이 발생할 가능성이 떨어진다. 특히, 후술하는 HAZ가 고려된 상기 외부응력의 거동을 분석하여 크랙이 발생하는 임계치를 확인한 다음, 상기 임계치의 편차 이내로 충격을 완화시킬 수 있는 다층 은납접합층의 재질, 두께 등을 조절하면, 상기 크랙의 발생을 충분하게 억제시킬 수 있다.

한편, 은납으로 절삭팁(150)을 블레이드(110)에 접합하는 과정에서, 블레이드(110)에는 용접열영향부(HAZ:170)가 형성한다. 본 발명의 블레이드(110)는 대략 편평한(flat) 표면을 가지므로, 이에 따른 용접열영향부(HAZ) 형태는 도 4(b)와 같은 라운드(round) 형태를 지닐 수 있다. 그러나 일반적으로 상기 HAZ부의 형태는 블레이드의 표면 형상에 따라 달라질 수 있으며, 예컨대, 블레이드의 표면 형상이 곡률을 가지거나, 절삭팁의 외측 아래의 블레이드에 홈이 존재하는 경우의 상기 HAZ의 형태가 달라질 수 있다.

그런데 상기 HAZ부는 은납에 의한 열적 거동에 기인하여 발생하며, 열을 받는 위치에 따라 최고 가열온도가 달라 서로 다른 미세조직, 기계적인 특성을 가진 부분으로 분리된다. 도 4(b)에서는 Z1, Z2 및 Z3 부분의 사례를 표현하였다. 상기 Z1, Z2 및 Z3은 상기 열적 거동에 의해 발생하고, 각각의 Z1, Z2 및 Z3은 미세조직이 서로 다르며, 경도와 같은 기계적인 물성에서 차이가 있다. 상기 HAZ부는 블레이드(110)의 재질, 은납 온도 등에 따라 Z1, Z2 및 Z3의 크기 및 형태 등이 달라질 수 있다.

한편, Z1, Z2 및 Z3 각각은 거의 유사한 기계적인 물성을 갖고 있는데 이들 사이에는 경계(boundaries)로 구분된다. 각각의 용접열향부 영역은 절삭팁(150)을 사이에 두고 절삭팁(150) 하부의 블레이드(110)를 가로질러서 블레이드의 일측 표면으로부터 블레이드의 타측 표면까지 연속된다. 즉, 상기 경계는 블레이드(110) 표면의 일측에서 시작하여 타측에서 종료된다. 상기 경계가 시작하는 부분 및 종료하는 부분에서는 외부에서 가해지는 응력에 취약한 소프트 영역(soft zone)이 Z1에서 Z3의 어느 하나의 영역에서 존재한다. 이에 따라 블레이드 표면에서 시작하는 소프트 영역은 블레이드 표면에서 직각에 가까운 Z방향으로 연결되며, 라운드형태로 절삭팁의 하부를 지나 타측 표면으로 직각에 가깝게 연결되는 구조를 가진다. 즉, 소프트 영역의 형상은 블레이드 표면에서 인장응력에 수직 방향이므로 블레이드가 x 방향으로 외부 인장응력을 받는 조건에서 크랙에 매우 취약한 구조이다. 그러므로 전술한 다층 은납접합층(130)을 적용하더라도 외부응력에 의한 응력집중이 일어나면 크랙이 발생하는 임계치를 쉽게 넘어서므로 크랙이 발생한다.

따라서 이를 해결하기 위하여, 본 발명은, 상기 블레이드(110)가 좌우로 연장되는 방향을 기준으로, 상기 접합부(130)를 이루는 금속시트층(133)의 길이가 상기 접합부(130)에 접합되는 절삭팁(150)의 길이보다 같거나, 좌우로 더 길게 형성함을 특징으로 한다.

즉, 상기 블레이드(110)가 좌우로 연장되는 방향을 기준으로, 상기 접합부(130)를 이루는 금속시트층(133)의 길이가 상기 접합부(130)에 접합되는 절삭팁(150)의 길이보다 같거나, 좌우로 더 길게 형성함으로써 절삭팁(150)과 블레이드(110)가 만나는 지점에 응력의 집중을 억제할 수 있다. 상세하게 설명하면, 만일 상기 다층 은납접합층인 접합부(130)를 이루는 금속시트층(133)의 길이가 상기 접합부(130)에 접합되는 절삭팁(150)의 길이보다 길게 형성할 경우, 상기 접합부(130)의 날개는 절삭팁(150)의 바깥으로 연장되어 있으므로 응력이 집중되는 HAZ부의 소프트 영역을 덮게된다. 이렇게 되면, HAZ부의 소프트 영역에서 크랙이 발생하는 것을 효과적으로 막을 수 있다. 또한 상기 응력은 소프트 영역에 집중되지 않고 접합부(150)의 날개에 응력을 분산시키는 효과가 있으므로, 응력집중이 일어나지 않도록 하며, 응력집중을 와해시키면 상기 크랙의 발생을 충분하게 억제시킬 수 있다. 또한 블레이드(110)와 절삭팁(150)의 단부가 만나는 지점에 cusp이 생겨 응력이 집중하는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 효과도 있다.

일반적으로 갱쏘에 구비되는 블레이드(110)에는 절삭 시 항상 높은 장력이 인가된 상태에서 작업한다. 이러한 높은 인장응력과 경도가 낮은 용접열영향부(HAZ)의 형성, 그리고 절삭 시 절삭팁(150)이 받는 충격에 의해 접합부(130) 중 절삭팁(150) 단부 부분에 응력이 집중되어 크랙이 발생하게 된다. 본 발명에서는 이러한 크랙이 발생할 가능성이 높은 절삭팁(150) 단부 부분 및 이에 가까운 위치에 대해 금속시트층(133)을 갖는 접합부(130)를 덮어 보호함으로써 응력 집중에 따른 크랙의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다. 즉, 본 발명에서 상기 금속시트층(133)은 상기 절삭팁(150)에 인접하는 블레이드 영역에 형성된 용접열영향부(HAZ)의 표면 중 적어도 일부를 덮을 수 있는 크기로 형성되어 응력 집중에 따른 크랙의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하여 구체화하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.

(실시예)

갱쏘를 이용한 절단 작업에서 은납재료의 종류에 따라 절단 작업중 블레이드에 발생하는 균열의 양상을 파악하기 위하여 여러 실험을 진행하였다.

구체적으로, 여러 종류의 스윙타입 화강암용 갱쏘에 80개 또는 150개의 블레이드가 세트로 구성하여 절단작업을 수행하였다. 사용한 스윙타입 갱쏘는 Gaspari 사가 제조한 기계이다. 각 블레이드에는 절삭팁 30~40개를 적정 간격으로 은납용접으로 부착하였다. 각각의 절삭팁은 길이 23mm, 폭 5mm, 높이 30mm로 제조하였으며, 절삭팁간 간격은 피삭재의 위치에 따라 마모율이 달라지는 문제를 해결하기 위하여 위치별로 간격을 50mm~130mm로 다르게 하여 부착하였다.

한편 상기 은납용접재료는 시트형태로 2가지를 사용하였는데, 종래재는 하기 표 1과 같이, 가장 일반적으로 사용되는 Umicore사의 Brazetec 4900을, 그리고 발명재는 Umicore사의 Brazetec 49/Cu를 사용하였다. 그리고 시트형태의 은납재료는 길이 약 27mm로 절단하여 각각의 절삭팁과 블레이드와 사이에 끼워 은납 용접하였다. 은납재료의 폭은 2.5mm, 3mm, 3.5mm, 4mm로 하여 블레이드의 두께는 3.5mm에 근접한 폭을 갖도록 하였다.

Brazetec 49/Cu는 금속시트가 중간층에 있는 타입으로 은납 용접재료가 Cu 시트를 양쪽으로 감싼 상태이다. 은납은 고주파가열방식으로 850℃까지 약 3~10초 가열한 후 공냉하였다. 이 경우 Cu 시트는 용융되지 않고 고체 상태를 유지하였다.

화강암은 클래스3에 해당하는 여러 종류를 사용하였으며 평균 높이 1.9m, 2m의 폭을 갖고 있다. 각각의 테스트에서 초기 200m까지 블레이드가 안정적으로 화강암 블록으로 들어갈 때까지 40mm/hr의 하강속도로 천천히 내려가며, 완전히 블레이드가 화강암 블록안으로 들어가면 80~270mm/hr의 하강속도로 작업하였다. 피삭재가 거의 절단되고 50mm 정도만 남은 경우 하강속도를 50mm/hr로 줄여 안정적으로 작업을 마무리 하였다. 하나의 화강암 블록을 절단하는데 12~30h가 소요되었다. 작업 도중 블레이드의 파단이 발생하지 않는 이상, 작업이 완료된 후 각각의 블레이드를 조사하여 균열 발생 여부를 관찰하였다.

하기 표 1는 상기 절삭팁과 은납용접재료의 종류에 따른 균열발생율을 평가하여 나타낸 것이다. 균열발생율의 평가에 있어서, 각각의 블레이드에서 하나의 절삭팁 위치에서라도 균열이 발생하면 균열이 발생한 블레이드로 간주하였으며, 절삭팁이 완전히 마모될 때까지 사용한 후, 전체 블레이드 대비 균열이 발생이 블레이드의 분율로 나타내었다. 예를 들어, 하기 표 1의 발명재의 경우 총 80개의 블레이드 중 4개의 블레이드에 균열이 발생한 경우 5%의 균열발생율로 나타내었다. 최초 균열발생은 1개의 블레이드라도 균열이 발생하는 시점을 측정하였는데, 종래재의 경우 평균 하나의 화강암 블록을 절단하고 나면 적어도 하나 이상의 블레이드에 균열이 발생하였으나, 본 발명재의 경우 7~8개의 화강암 블록을 절단한 후에 하나 이상의 블레이드에 균열이 발견됨을 알 수 있다. 일반적으로 절삭팁은 화강암 블록 10개 정도를 절단하면 완전히 마모되어, 블레이드에 새로운 절삭팁을 다시 부착한 후 사용한다.

	은납재료	절삭팁 성분 (wt.%)	균열 발생율	최초 균열발생
종래재	Brazetec 4900	100Co40Fe-40Co-10Ni-5Sn-5Cu	50~80% 50~80%	20hr 20hr
발명재1	Brazetec 49/Cu	10040Fe-40Co-10Ni-5Sn-5Cu	3~9% 3~9%	200hr 200hr

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 종래재와 발명재는 각각 100Cowt% 성분을 가진 절삭팁과 40Fe-40Co-10Ni-5Sn-5Cu의 성분을 가진 절삭팁을 사용하였는데, 사용한 절삭팁의 성분에 따른 균열발생정도에 실질적인 차이는 발견되지 않았다. 다만 사용한 은납용접재료의 종류에 따라 균열발생 양상이 크게 달라지는 것을 확인할 수 있다.

한편 하기 표 2는 좀 더 세부적으로 은납용접재료의 폭에 따른 균열발생율 을 측정한 실험 결과이다. 하기 표 2에 나타난 바와 같이, 은납용접재료의 폭에 크게 관계없이 금속시트 형태의 은납용접재료를 사용할 경우 균열발생율이 크게 감소함을 알 수 있다.

	은납재료	은납재료 폭	균열 발생율	최초 균열발생
발명재1	Brazetec 49/Cu	2.5mm	8.9%	140hr
발명재2	Brazetec 49/Cu	3.0mm	5.0%	200hr
발명재3	Brazetec 49/Cu	3.5mm	2.8%	250hr
발명재4	Brazetec 49/Cu	4.0mm	2.8%	250hR

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 통상의기술자는 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

110 블레이드
130 접합부
131 제1 은납층
133 금속시트층
135 제2 은납층
150 절삭팁
170 용접열영향부(HAZ)

Claims

피삭재의 폭 방향 또는 길이 방향으로 연장되도록 형성된 블레이드;
상기 블레이드의 하부에 돌출되도록 형성되어, 스윙 운동에 의해 왕복하면서 상기 피삭재를 절삭하는 적어도 하나의 절삭팁; 및
상기 블레이드와 상기 적어도 하나의 절삭팁 사이에 형성되어 이들을 은납 접합하도록 구성된 접합부;를 포함하고,
상기 절삭팁은 다이아몬드 입자를 15vol.% 이하로 포함하는 금속 매트릭스이며,
상기 접합부는, 제1 은납층; 상기 제1 은납층 상에 형성되고 은납 접합공정 온도 보다 높은 융점을 가지는 금속 시트층; 및 상기 금속시트층 상에 형성된 제2 은납층;을 포함하고, 상기 제1 및 제2 은납층은 Cu-Ag 베이스의 재료이며, 그리고
상기 블레이드가 좌우로 연장되는 방향을 기준으로, 상기 접합부를 이루는 금속시트층의 길이가 상기 접합부에 접합되는 절삭팁의 길이보다 같거나, 좌우로 더 길게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 갱쏘용 절삭공구.
제 1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 은납층은 Cu-Ag 베이스의 재료로서, 그 조성성분이 동일한 것을 특징으로 하는 갱쏘용 절삭공구.
제 1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 은납층은 Cu-Ag 베이스의 재료로서, 그 조성성분을 상호 달리하는 것을 특징으로 하는 갱쏘용 절삭공구.
제 1항에 있어서, 상기 금속시트 층은 Cu, Ni, Co 또는 Fe 중의 어느 하나, 또는 이들의 혼합물 또는 이들의 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 갱쏘용 절삭공구.
제 1항에 있어서, 상기 접합부의 두께가 200~1200㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 갱쏘용 절삭공구.
제 1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 은납층은 각각 50~400㎛ 범위의 두께를 가짐을 특징으로 하는 갱쏘용 절삭공구.
제 1항에 있어서, 상기 절삭팁에 인접하는 블레이드 영역에는 용접열영향부(HAZ)가 형성되어 있으며, 상기 접합부는 상기 형성된 용접열영향부 표면 중 적어도 일부를 덮을 수 있는 크기로 형성된 것을 특징으로 하는 갱쏘용 절삭공구.