KR0145345B1

KR0145345B1 - 스프링 부재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR0145345B1
Application number: KR1019940012612A
Authority: KR
Inventors: 다까오 나까가와; 마사하루 다찌바나; 미호꼬 야마시따; 야스오 노자끼; 도시히로 사또
Original assignee: 다까오 나까가와; 가부시끼가이샤 아꾸로스
Priority date: 1994-06-03
Filing date: 1994-06-03
Publication date: 1998-08-01
Also published as: KR960000345A

Abstract

탄소 섬유가 흑연 매트릭스에 분산되는 탄소섬유 / 탄소 복합재료로 만들어진 스프링부재.

상기 스프링 부재를 제조하기 위한 방법은 (a) 예비성형된 원사를 성형하는 단계, (b)예비성형된 원사를 얀부제, 테이퍼 부재 또는 시트부재의 형상으로 성형하는 단계, (c) 상기 성형된 부재를 코일링 스페이서와 함께 중심봉 둘레에 감는 단계, (d) 약 300℃ - 2000℃ 및 소정의 압력하에서 열간압조 하고, 필요하다면 700℃ - 1200℃ 에서 탄화한 후에, 감긴 부재를 1500℃ - 3000℃ 에서 흑연화하여서 감긴부재를 성형하는 단계를 포함한다.

Description

스프링 부재 및 그 제조 방법

제 1 도는 탄소섬유 / 탄소복합재료 (C/C 복합재료) 로 만들어진 본 발명에 따른 헬리컬 스프링의 제 1 실시예의 사시도.

제 2 도는 탄소섬유 / 탄소복합재료 (C/C 복합재료) 로 만들어진 본 발명에 따른 헬리컬 스프링의 제 2 실시예의 사시도.

제 3 도는 탄소섬유 / 탄소복합재료 (C/C 복합재료) 로 만들어진 본 발명에 따른 헬리컬 스프링의 제 3 실시예의 사시도.

제 4 도는 탄소섬유 / 탄소복합재료 (C/C 복합재료) 로 만들어진 본 발명에 따른 헬리컬 스프링의 제 4 실시예의 사시도.

제 5 도는 탄소섬유 / 탄소복합재료 (C/C 복합재료) 로 만들어진 본 발명에 따른 헬리컬 스프링의 제 5 실시예의 사시도.

제 6 도는 탄소섬유 / 탄소복합재료 (C / C 복합재료) 로 만들어진 본 발명에 따른 헬리컬 스프링의 제 6 실시예의 사시도.

제 7 도는 탄소섬유 / 탄소복합재료 (C / C 복합재료) 로 만들어진 본 발명에 따른 헬리컬 스프링부재의 제조방법을 개략적으로 도시한 사시도,

제 8(a), 8(b) 및 8(c) 도는 탄소섬유 / 탄소복합재료 (C/C 복합재료) 로 만들어진 본 발명에 따른 스프링 와셔의 다른 실시예의 설명도.

제 9(a), 및 9(b) 도는 탄소섬유 / 탄소복합재료 (C/C 복합재료) 로 만들어진 본 발명에 따른 플랫와셔의 또 다른 실시예의 설명도.

제 10(a) 및 10(b) 도는 탄소섬유 / 탄소복합재료 (C/C 복합재료) 로 만들어진 본 발명에 따른 적층 스프링의 또 다른 실시예의 설명도.

제 11 도는 탄소섬유 / 탄소복합재료 (C / C 복합재료) 로 만들어진 본 발명에 따른 콘드 (coned) 디스크 스프링의 또 다른 실시예의 설명도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 스프링 2 : 헬리컬 스프링체

3,4: 단부 7 : 와이어 부재

8 중심봉 9 : 스페이서

본 발명은 종래 존재하지 않은 탄소섬유 / 탄소복합재료 (이하 C / C 복합재료라 약칭함) 로 만들어진 스프링 부재 및, 그 제조방법에 관한 것이다.

스파이펄 스프링과 같은 스프링 부재는 기계, 설비, 기구등의 다양한 영역에서 기계 요소로 사용되어 왔다. 따라서, 스프링 부재는 현대의 가정용품, 공업품등의 분야에서 필수 불가결하고 중요한 부품이다.

스프링 부재는 종래 그리고 일반적으로 금속재료로 만들어져 왔다.

또한, 내열성, 내식성 및 내구성을 갖는 세라믹 재료로 만들어진 스프링 부재의 제조에 관하여 최근 연구되어 왔고, 약간의 상기 세라믹 스프링 부재가 사용되기 시작했었다.

그런데, 무엇보다도 연료소비효율을 향상시키기 위해서, 자동차 및 항공기의 무게를 감소시키려는 시도가 있어 왔다. 그의 대응 조치의 하나로서, 스프링 부재의 무게의 감소가 요구되어 왔다. 또한 다양한 공업기계에서, 경량의 스프링 부재가 다양한 목적에서 요구되어 왔다.

그리고, 금속재료로 만들어진 스프링 부재가 저급한 내열성을 갖기 때문에, 고온 사용 조건하에서는 충분한 스프링 성능을 발휘할 수 없다. 따라서, 금속 스프링 부재는 그 자체로는 사용될 수 없고, 또 상기 고온 사용 조건하에서 긴 시간동간 사용될 수 없다. 금속 스프링으로는, 스테인레스강, 저합금강, 공구강 등이 특히 사용된다. 그런데, 내열성 합금이라고 불리는 이들 재료는 400℃ 이상의 온도에서 강도에서 현저한 감소 및 현저한 변형을 일으키기 때문에, 이 재료들은 급속히 영구적으로 고정된다. 따라서, 금속 스프링 부재는 상기한 환경조건에서는 사용할 수 없다. 또한, 인코니(Inconey) 또는 하스탈로이(Hastalloy) 와 같은 초내열성 합금조차도700℃ 이상의 온도에서 강도의 현저한 감소 및 현저한 변형을 일으켜서 그들은 영구적으로 고정된다. 따라서, 이들 초 내열성 재료도 상기 환경조건 하에서는 스프링 부재로 사용될 수 없다.

또한, 금속스프링 부재는 알반적으로 부식되기 쉬우며, 그들의 내마모성은 저급하다. 또한, 자기장이 스프링 부재에 작용하면, 그것은 자화되기 쉽고, 따라서 스프링 부재가 자기장에 의해 영향 받는 환경하에서 스프링 부재의 사용에는 제한이 가해진다.

한편, 실리콘 니트라이드 또는 지프코니아와 같은 세라믹으로 만들어진 스프링 부재가 고온에서 반복적으로 사용되는 경우, 그것들이 파손될 확률이 높다. 따라서, 상기 스프링 부재가 낮은 열충격 저항성을 가지고, 온도가 500 ∼ 1000℃ 범위내의 특정온도를 초과하면, 그들의 강도가 급속히 저하되고, 또한 그들이 변형되거나 파괴된다. 또한, 세라믹은 인성을 갖지 않기 때문에, 세라믹 스프링 부재는 파괴되기 쉽게 되고 따라서 상기 스프링 부재를 다루기가 극히 곤란하거나 어렵게 되는 한편 그것들은 필히 파괴된다.

본 발명의 목적은, 고강도, 고탄성 및 경량의 C/C 복합재료로 만들어진 신규하고 종래 존재하지 않은 스프링 부재로서, 고온에서 우수한 스프링 성능, 고경도, 고내마모성, 고내식성, 고인성, 큰 열충격 저항성 및 고밀도를 갖는 스프링 부재를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 상기 스프링 부재를 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.

이하 사용되는 스프링 부재 는 헬리컬 컴프레션 스프링, 헬리컬 텐션 스프링, 스프링 와셔, 플랫와셔, 라미네이티드 스프링, 토션스프링, 가터(garter) 스프링, 볼류트(volute) 스프링, 토션바 스프링, 스파이럴 스프링, 코니컬 스프링, 콘택티드 타입 스파이럴 스프링, 콘드 디스크 스프링, 링 스프링, 리테이닝 링, 스프링 핀, 스프링 플레이트 너트, 및 시트용 스프링 등을 포함한다.

즉, 본 발명은 상기 스프링 전부에 적용가능하다.

상기 언급된 종래 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명자들은 고강도,고탄성 및 경량을 갖는 C/C 복합재료에 주목하면서 집중적인 연구를 하였으며, 그리하여 C/C 복합재료을 사용함에 의해서 종래 스프링 부재에 의해 획득할 수 없었던 고온에서의 우수한 스프링 성능 뿐만 아니라 고경도, 고내식성, 고내마모성, 고인성, 고열충격 저항성, 및 고밀도도 갖는 스프링 부재가 획득된다는 사실을 발견하였다. 본 발명자들은 이 발견에 기초하여 본 발명을 완성 하였다.

즉, 본 발명에 따른 스프링 부재는, 스프링 부재의 대향단부가 지지 부재에 의해 지지된 상태에서 사용될 수 있고, 탄소섬유 / 탄소복합재료 (C / C 복합재료) 에 의해 만들어지는 것을 특징으로 한다.

이하 사용되는 용어 탄소섬유 / 탄소복합재료 (C/C 복합재료) 는 탄소섬유의 필라멘트가 흑연을 주성분으로 구성된 매트릭스내에 분산된 복합재료를 의미한다. 원사 또는 시트내의 섬유는 얀부재의 경우에 종 방향으로 신장한다. 테이프 부재 및 시트 부재의 경우에, 원사 또는 시트내의 섬유는 하나 이상의 방향으로 신장된다. 본 발명에서 사용되는 C/C 복합재료에서 탄소섬유의 체적비는 바람직하게는 10 ~ 80 % , 더욱 바람직하게는 20 ~ 70 % 이다.

또한, 본 발명에 따라서 탄소섬유 / 탄소복합재료로 만들어진 스프링 부재의 제조방법은,

(a) 예비성형된 원사를 성형하는 단계와,

(b) 얀 부재, 테이프 부재 및 시트 부재로 이루어진 그룹에서 선택된 형상으로 상기 예비성형된 원사를 성형하는 단계와,

(C) 상기 성형된 부재와 코일링 스페이서가 교대로 배치되도록 상기 성형된 부재를 상기 코일링 스페이서와 함께 중심봉 주위에 감는 단계와,

(d) 약 300 ∼ 2000 ℃, 가압조건 하에서 열간압조로 상기 감긴 부재를 성형하는 단계와,

(e) 필요하다면, 열간압조된 얀을 700 - 1200℃ 에서 탄화하는 단계와,

(f) 상기 잠긴 부재를 1500 ∼ 3000℃ 에서 흑연화하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명에 따라서 탄소섬유 / 탄소복합재료 (C / C 복합재료)로 만들어진 스프링 부재를 제조하기 위한 다른 방법은

(a) 예비성형된 원사를 성형하는 단계와,

(b) 시트 부재 형상으로 상기 예비성형된 원사를 성형하는 단계와,

(c) 상기 시트 부재의 인접평면이 상호 접하도록 상기 시트부재를 적층하는 단계와,

(d) 약 300 ~ 2000℃, 가압조건 하에서 열간압조로 나선형으로 감긴 얀을 성형하는 단계와,

(e) 필요하다면, 700 ~ 1200℃ 에서 열간압조된 얀을 탄화하는 단계와,

(f) 상시 획득된 블록형 성형품을 1500 ~ 3000℃ 에서 흑연화함으로서 탄소섬유 / 탄소복합재료 (C/C 복합재료) 로 만들어진 블록을 얻는 단계와,

(g) 상기 획득된 블록을 스프링 부재의 형상으로 가공하고, 따라서 상기 탄소섬유 / 탄소복합재료로 만들어진 상기 스프링 부재를 얻는 단계를 포함한다.

본 발명의 이들 및 다른 특징 및 장점들은 첨부된 도면을 참조한 본 발명의 다음의 설명에서 명백해질 것이며, 아울러 동 발명의 약간의 변형,변경 및 교환이 본 발명이 속한 기술분야에서의 기술자에 의해 용이하게 만들어질 수 있다는 것도 이해될 것이다.

이하, 본 발명에 따라서 탄소섬유 / 탄소복합재료 (C/C 복합재료) 로 만들어진 스프링 부재에 관하여 설명한다.

본 발명에 따른 스프링 부재로서, 여기서 사용되는 용어 스프링 부재는 헬리컬 컴프레션 스프링, 헬리컬 텐션 스프링, 스프링 와셔, 플랫와셔, 라미네이티드 스프링, 토션 스프링, 가터 스프링, 볼류트 스프링, 토션바 스프링, 스파이럴 스프링, 코니컬 스프링, 콘택티드 타입 스파이럴 스프링, 콘드 디스크 스프링, 링 스프링, 리테이팅 싱, 스프링 핀, 스프링 플레이트 너트, 및 시트용 스프링 등을 포함한다.

즉, 본 발명은 상기 스프링 전부에 적용가능하며, 스프링 부재의 와이어 부재는 그의 중심축 둘레에 나선형으로 감긴다. 와이어 부재의 횡단면 형상은 원형, 타원형 또는 직사각형과 같은 임의의 적합한 형상을 가질 수 있다. 와이어 부재의 직경 또는 단면 크기는 사용분야 및 스프링 상수와 같은 요구되는 물리적 특성에 따라서 적당하게 선택될 수 있다. 헬리컬 또는 스파이럴 스프링 부재의 와이어 부재의 감는 피치, 인접한 와이어 부재의 회전 간격 및 헬리컬 또는 스파이럴 스프링 부재의 외경은 소망의 스프링 성능을 만족하도록 적당하게 설정될 수 있다. 나선형으로 감긴 와이어 부재의 피치는 스프링 부재의 축방향에서 축방향으로 변화하거나 일정하게 설정될 수 있다. 헬리컬 스프링 부재의 외형은 적당하게, 예컨데, 원통형, 중앙부 교축의 원통형, 중앙부 팽창의 원통형, 스파이럴 스프링의 외경이 일단에서 타단으로 점차 감소되는 점차 교축된 원통형으로 설계될 수 있다.

본 발명에서 사용되는 C / C 복합재료로서, 예비 성형된 얀 처리에 의해 제조된 C/C 복합재료 또는 CVD 처리 또는 함침 처리와 같은 종래방법에 의해 제조된 C/C 복합재료가 사용될 수 있다. 예비성형된 얀 처리에 의해 제조된 C/C 복합재료가 사용되는 것이 바람직하다.

상기 C / C 조성물은 경량, 고강도, 고탄성 및 큰 열적 쇼크 저항성을 갖고, 또한 반복적인 온도변화에도 불구하고 쉽게 변형되지 않는다. 따라서, 그것들은 고온에서의 발화에 대하여 머플 (muffle), 지그, 박스, 트레이용으로 유효하게 사용된다.

(1)C/C 복합재료의 제조

C/C 복합재료은 다음 공정의 어느 하나에 의해 제조될 수 있다.

① CVD 공정에 따르면, 탄소섬유는 단순한 형상으로 예비성형되고,노내에 배치되고 고온으로 가열된 후, 탄화수소 가스를 노내에 통과시키고 탄화수소을 분해시킴으로서 탄소섬유의 표면상에 탄소을 침전 및 고화시킴에 의해서 탄소가 상기 성형된 탄소 섬유의 표면상에 침전 및 고화된다.

② 다른 방법으로는, 본 발명에 사용되는 C / C복합재료은 페놀 수지 또는 에폭시수지과 같은 열경화성 수지를 사용함에 의해 주어진 형상에서 탄소섬유의 다발, 우븐 클로스, 또는 언우븐 클로스(unwoven cloth) 를 성형하고, 비활성 가스 분위기에서 수지를 가열하여 탄화함에 의해서 제조될 수 있다.

③ 또한, 본 발명에서 사용되는 C / C복합재료는 발화를 통해서 탄소섬유에 의하여 강화된 수지 성형품을 탄화하고, 수지의 탄화시 도출된 분해된 재료에 의해 성형된 공간 내로 수지를 함침하고, 수지를 탄화하고, 또한 상기 단계를 반복함에 의해 제조될 수 있다.

본 발명에서, 예비성형된 얀 공정에 의해 제조된 C / C 복합재료가 사용되는 것이 특히 바람직하다. 예비성형된 얀은 여기서 그 기술내용이 통합된 U.S.Patent Nos. 4,772,502 및 4,902,453 에 의해 기술된 공정에 의해서 제조될 수 있다. 즉, 예비성형된 얀은 복수의 비유기 강화섬유의 중심부와, 상기 섬유들 사이의 간극에 제공되고 또한 미세하게 분리된 코크 (coke) 및 미세하게 분리된 탄소함유 결합제 피치를 함유한 혼합 파우다와, 열 가소성 수지로 성형되고 상기 중심부를 포위하는 가요성 슬리브(Sleeve) 를 함유한다. C/C 복합재료의 제조용의 예비성형된 얀 처리는 이들 U.S. 특허에 역시 개시된다.

상기 언급한 바와 같이, 예비성형된 얀의 경우에, 열 경화성 수지로 만들어진 가요성 카바링 (즉, 슬리브) 이 탄소섬유의 다발의 외주표면 주위에 설치된다.

(2) C/C 복합재료에 사용되는 탄소섬유

본 발명용의 C/C 복합재료에 사용되는 탄소섬유로서, 피치 - 오리진 탄소섬유 또는 팬 - 오리진(PAN - origin) 섬유가 사용될 수 있다.

피치 - 오리진 탄소섬유는 원료로서 콜 타르 피치 또는 피트렐륨 피치로 부터 스핀닝 피치 (spinning pitch) 를 성형하고, 용융하여 이를 스핀닝하고,생성된 섬유를 비용융성으로 만들고, 또한 그 섬유를 탄화함에 의해서 획득될 수 있다. PAN - 오리진 탄소섬유는 코폴리머 또는 아크릴 니트릴 폴리머의 섬유를 비발화성으로 만들고 또 그 섬유를 탄화함에 의해 획득할 수 있다.

(3) 탄소섬유의 다발

예비성형된 얀에 사용되는 탄소섬유의 다발은 약 0.05 내지 약 600 의 필라멘트 데이어(denier) 및 약 50 내지 약 300,000 필라멘트 수를 갖는 것이 바람직하며, 약 0.25 내지 약 16 의 필라멘트 데니어 및 약 100 내지 약 48,000 의 필라멘트 수를 갖는 것이 더욱 바람직하며, 또한 슬리브의 두께는 예비성형된 얀의 가요성 및 균질의 슬리브의 성형을 위해서 일반적으로 약 5 μm 내지 약 1000 μm 이며, 특히 약 10 μm 내지 약 30 μm 가 더욱 바람직하다.

따라서 매트릭스로 결과적으로 전환된 파우다 피치 및 콜과 같은 파우다를 함유하는 예비성형된 얀의 직경은 바람직하게는 약 0.1 mm 내지 약 10 mm 의 범위이며, 더욱 바람직하게는 약 0.5 mm 내지 약 5 mm 이다. 슬리브가 탄소섬유의 다발의 외주에 설치되면, 예비성형된 얀이 강화 탄소섬유를 함유하는 것은 임의적일 수 있으며 또한 우수하고 균질한 품질을 갖는 성형품과 소망의 강화 효과를 얻기 위해서 약 5 체적 % 내지 약 70 체적 % 의 범위에서 선택되는 것이 바람직하다. 예비성형된 얀의 단면형상은 원형, 타원형, 장방형, 또는 비균일한 형상일 수 있다.

예비성형된 얀의 가요성 슬리브 성형 재료로서 사용되는 열 가소성 수지는 처리후에 성형온도에서 완전히 용융될 수 있는 수지이다. 예컨데, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로피렌, 폴리스티렌, 폴리 플루오라이드 비닐리덴, 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르 케톤, 및 폴리페닐벤 술파이드와 같은 폴리머가 상기 열 가소성 수지로서 열거될 수 있다. 더욱 특별하게는, 폴리 아미드 섬유로서, 나일론 66, 나일론 12및 나일론 6 / 66 / 12 터폴리머와 같은 코폴리머 또는 호모폴리머로 만들어진 섬유가 사용될 수 있다. 폴리에스테르 섬유로서, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트,폴리에틸렌 - 2, 6 - 나프탈레이트, 폴리옥시에티옥시벤조에이트 및 전 방향성 폴리에스테르와 같은 코폴리머 또는 호모폴리머로 만들어진 섬유가 사용될 수 있다.

(4) 예비성형된 시트

상기 획득된 탄소섬유의 다발이, 경사 및 위사로서, 또는 그 반대로, 열가소성수지 및 가는 열가소성수지섬유얀 및 상대적으로 가는 탄소섬유중의 어느 하나로 덮히는 상대적으로 두꺼운 가요성의 예비성형된 얀을 제직함에 의해서 평형 예비성형된 시트가 제조된다.

상기 예비성형된 시트는 출원인이 가부시끼가이샤 아꾸로스등인 일본국 특개평 2 - 80,639에 개시된다. 예비성형된 얀에서, 상대적으로 가는 열가소성수지 섬유얀 또는 상대적으로 가는 탄소섬유의 다발의 직경은 예비성형된 얀의 직경의 1/5 이하이며, 제직은 상대적으로 고장력이 예비성형된 얀에 주어짐에 반하여 상대적으로 낮은 인장력이 상대적으로 가는 열가소성수지 섬유얀 또는 상대적으로 가는 탄소섬유의 다발에 가해지도록 실행된다.

예비성형된 시트에서 경사 또는 위사로 사용되는 열 가소성수지 섬유 얀은 처리후에 성형 온도에서 완전히 용융될 수 있는 수지섬유 얀이다. 예컨데, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌,폴리플루오라이드 비닐리덴, 폴리아미드이미드, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르 케톤, 및 폴리페닐렌 술파이드와 같은 폴리머가 당기 열가소성 수지로서 열거될 수 있다. 더욱 특별히는, 폴리아미드 섬유로서, 나일론 66, 나일론 6, 나일론 12 및 나일론 6 / 66 / 12 - 터폴리머와 같은 코폴리머 또는 호모폴리머로 만들어진 섬유가 사용될 수 있다. 폴리에스페르 섬유로서, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 - 2, 6 - 나프탈레이트, 폴리옥시케티옥시 벤조에이트 및 전 방향성 폴리에스테르와 같은 코폴리머 또는 호모폴리머로 부터 획득된 섬유가 사용될 수 있다. 열 가소성수지 섬유얀으로서, 가능하면 가는 얀이 바람직하다. 예비성형된 얀의 두께보다 1/5 이하의 직경을 갖는 열가소성 수지 섬유가 예비성형된 얀의 직선형을 유지하는 관점에서 사용되는 것이 바람직하며, 또한 처리후에 강도의 감소를 거의 경감시킨다.

예비성형된 얀과 열가소성수지 섬유 사이의 혼합된 제직비에 관하여는,이 혼합된 제직비는 C / C 복합재료의 성형에 사용될 뿐아니라 열가소성 수지와 강화 섬유사이의 함유비에 의해 변화한다. 전체 예비성형된 시트에 대한 강화섬유의 혼합 제직비가 약 3 체적 % 내지 약 70 체적 % 의 범위내인 것이 보통 바람직하다.

본 발명에 따른 C/C 복합 스프링 부재의 제조방법을 설명한다.

(1) 헬리컬 스프링

원료로서 얀형, 테이프형 또는 시트형의 상기 획득된 예비 성형된 원사는 스페이스 - 보유 코일부재 (스페이서) 와 함께 중심봉의 둘레에 나선형으로 감기어서 예비 성형된 얀의 선회부가 스페이스 - 보유 코일 부재 (스페이서)의 선회부와 교대로 배치 되게 된다. 그후, 감긴 예비 성형된 얀은 약 300℃ 내지 2000℃ 및 최고 500 Kg / ㎠ 하에서 열간압조에 의해 성형된다. 그후, 코일부재 (스페이서)가 성형체로 부터 제거된 후에, 성형품은 필요하다면 700℃ 내지 1200℃ 탄화되고, 또한 그다음 1500℃ 내지 3000℃ 에서 흑연화 된다. 따라서, C/C 복합재료로 만들어진 헬리컬 스프링이 얻어진다.

열간압조의 온도가 300℃ 미만이면, C / C 복합재료의 매트릭스는 충분히 탄화될 수 없고, 성형은 소망한 대로 제조될 수 없다.

따라서, 300℃ 미만의 온도는 바람직하지 않다. 500 kg / ㎠ 초과의 열간압조 압력은, 큰 규모의 열간압조 장치를 요하기 때문에 바람직 하지 않다.

성형품이 300℃ 이상의 온도에서, 바람직하게는 500℃ 이상의 온도에서 열간압조 되면, 성형품에는 휘발성 성분이 거의 남지 않는다. 따라서,열간압조된 성형품이 탄화되는 경우에, 가스가 발생하지 않고, 또한 성형품에는 공동이 거의 없고, 또한 충분한 강도를 갖는 C/C 복합 재료가 함침처리, 탄화처리 및 흑연화 처리를 반복함이 없이 획득될 수 있다.

상기 언급된 바와 같이, 열간압조된 성형품은 필요하다면 약 700℃ 내지 약 1200℃ 의 온도에서 탄화되고, 그후 약 l500℃ 내지 약. 3000℃ 의 온도에서 흑연화 되고, 따라서 C/C 복합재료를 얻는다.

다음 C/C 복합재료로 만들어진 나선형으로 감긴 스프링을 제조하기 위한 다른 방법이 설명될 것이다.

예비성형된 원사가 시트형으로 전환된다. 예비성형된 얀의 상기 시트는 상호 적층되며, 300℃ 내지 2000℃ 및 가압하에서 열간압조에 의해 블록형으로 성형된다. 필요하다면 700℃ 내지 1200℃ 에서 탄화된 다음에, 성형품은 1500℃ 내지 3000℃ 에서 흑연화 하여서 C/C 복합재료로 만들어진 블록을 얻게된다. 그 다음에, C/C 복합재료로 만들어진 헬리컬 스프링 코일이 그 블록을 가공함에 의해 얻어진다.

상기 블록으로서, 장방형단면 또는 원통형과 같은 다양한 형상을 가진 것들이 사용될 수 있다. 기계적 연삭 단계로서, 적층 성형품이 선반을 사용하여 가공되어서 소망의 내외 직경을 갖는 원통형으로 가공된 몸체를 얻게 되고, 그후에 헬리컬 스프링 필라멘트는 선반 또는 연삭기를 사용함에 의해서 성형된다.

C/C 복합재료에 관하여 언급하자면, 유사한 스프링 부재는 CVD 또는 함침공정에 의해 만들어진 C/C 복합재료를 사용함에 의해서 제조될 수 있다.

[C/C 복합와셔의 제조]

C/C 복합와셔는 다음과 같이 제조될 수 있다.

(1) 예비성형된 원사가 배열된 얀부재의 형상, 테이퍼형상 또는 시트형상으로 예비성형된 원사를 사용하며, 그 부재는 예비성형된 원사의 선회부와 스페이서의 선회부가 상호 교대로 배치되도록 한번 또는 다수 회전함에 의해서 스페이서 - 보유 코일부재 (스페이서) 와 함께 중심봉 둘레에 감긴다. 감긴부재는 최고 500 Kg / ㎠ 및 약 300 - 2000℃ 에서 열간압조에 의해서 성형된다. 스페이서가 생성된 성형품으로 부터 제거되고, 성형품은 필요하다면 700℃ - 1200℃ 에서 탄화된다. 그다음, 성형품은 1500℃ - 3000℃ 에서 흑연화 된다.

얀이 단지 1 회 감긴경우, 흑연화된 성형품은 그 자체 와셔로서 사용된다. 얀이 복수회 감긴경우, 흑연화된 성형품은 각각 1 회감긴 복수의 C / C 복합와셔로 절단된다.

(2) 예비성형된 원사는 시트형상으로 성형되고, 함께 적층된다. 생성된 적층판은 정상적인 압력인 500 Kg / ㎠ 를 가하면서 약 300℃내지 약 2000℃ 에서 열간압조에 의해 성형되며, 필요하다면 700℃ - 1200℃ 에서 탄화된다. 생성된 성형품은 1500℃ - 3000℃ 에서 흑연화 되고,따라서 C / C 복합재료로 만들어진 블록을 얻게된다. C/C 복합와셔가 상기 얻어진 블록을 가공함에 의해서 획득된다.

(3) C/C 복합와셔는 C/C 복합 스프링의 경우에 예비성형된 얀을 사용하는 공정보다 함침공정 또는 CVD 공정에 의해 획득될 수 있다.

[적층된 판 스프링 및 디시 스프링의 제조]

적층된 판 스프링 및 디시(dish) 스프링은 와셔의 경우와 동일한 방법으로 제조될 수 있다.

C/C 복합재료는 그것 만으로 사용될 수 있고, 또는 그 복합재료는 C/C 복합재료의 표면에 산화및 / 또는 표면경화를 방지하기 위하여 또는 표면을 매끄럽게 하기 위하여 적합한 코팅이 이루어진 상태에서 사용될 수 있다.

코팅으로서, SiC, TiC, ZrC, WC, TiN, ZrN, AIN, BN, Si₃N₄, Al₂O₃, TiO₂, Cr₂O₃, 또는 SiO₂와 같은 세라믹 재료, Cr, Zr, Ti, Si 또는 B 와 같은 금속, 유리, 유리탄소등이 사용될 수 있다.

코팅하기 위해서, CVD 공정, PVD공정, 이온 도금 공정, 스패팅(spatting) 공정, 화염분사 (flame spraying) 공정, 아쿠어스 글래스 - 코팅 공정, 레이저빔 증기 침전 공정,- 프라즈마 화염분산 공정, 금속 라이닝 공정, 또는 페인팅 공정과 같은 종래의 공정이 사용될 수 있다. 그 코팅은 최종생성물로서 스프링 부재에 직접 도포되거나 또는 C/C 복합재료에 예비적으로 도포될 수 있다.

본 발명에 따른 스프링 부재는 원료에 대한 최대 처리 온도인 3000℃ 주위의 온도에서 사용될 수 있다. 헬리컬 스프링의 물리적 특성은,예컨데 1.5 내지 2.2g/㎤ 의 밀도 및 0.1 내지 10 스프링 상수로 열거된다.

본 발명에 따른 스프링 부재는 극히 높은 내열성을 가지기 때문에, 스프링 부재는 예컨데 자동차용 디스크 브레이크용 스프링과 같은 열적 부하가 크게 걸리는 곳에 사용될 수 있다.

[본 발명의 특정 실시예]

다음, 본 발명은 첨부된 도면에서 나타낸 특정 실시예에 관해서 더 상세히 설명한다.

제 1 내지 6 도는 C/C 복합재료로 만들어진 헬리컬 스프링을 나타낸다. 스프링(1) 의 헬리컬 스프링체(2) 의 양단부 (3 ,4) 는 도시않은 지지부재에 지지되어 있다. 제 1 도의 스프링은 장방형을 갖는 헬리컬 와이어 부재를 가지고, 제 2 도의 스프링의 헬리컬 와이어 부재는 원형단면을 가진다. 제 3도의 나선형으로 감긴 스프링에서, 헬리컬 와이어 부재는 장방형 단면을 가지지만, 와이어 부재의 두께는 양 단부 (3, 4) 근처에의 양단부분(6) 보다 중앙부(5) 에서 더 크게 만들어진다.

와이어 부재의 단면적이 이같이 변하는 경우, 스프링 상수는 압축 행정에 의해 다수 단계로 변화 될 수 있다.

제 4 내지 6 도에서, 스프링의 와이어 부재는 장방형 단면을 갖는다.

제 4 도에는 스프링체(2) 가 그의 중앙부에서 교축된 헬리컬 스프링(1) 이 도시된다. 제 5 도에는 스프링체(2) 의 중앙부에서 팽창된 헬리컬 스프링이 도시된다. 제 6 도에서는 스프링체(2) 의 상하부의 2 군데에서 팽창된 헬리컬 스프링(1) 이 도시된다.

제 7 도는 와이어 부재(7) 를 스페이서(9) 와 함께 중심봉(8) 둘레에 나선형으로 감음에 의해 제 1 도에 나타낸 바와 같이 헬리컬 스프링을 성형하는 공정을 설명하는 도면이다.

제 8 내지 11 도는 본 발명에 따른 다른 스프링 부재를 나타낸다.

제 8(a), 8(b) 및 8(c) 도는 스프링 와셔를 나타낸다. 제 9(a) 및 9(b) 도는 플랫와셔를 나타낸다. 제 10(a) 및 10(b) 도는 적층된 스프링을 나타내고, 제 11 도는 콘드 디스크 스프링을 나타낸다.

[실험예]

다음, 스프링 성능 비교시험의 결과가 본 발명에 따른 C/C 복합재료로 만들어진 특정 스프링 부재와 관련하여 아래에 나타내어진다.

[실험예 1]

PAN - 기저 탄소섬유의 40 체적 % 를 함유한 예비성형된 원사 ( Vf = 40 %) (필라멘트수 = 12,000 각 필라멘트 : 0.6 데니어) 가 나일론의 슬리브(20 μm 두께) 의 얀 부재로 전환되었으며, 이것은 예비성형된 얀부재 및 스페이서가 교대로 배치되도록 중심봉 주위에 스페이스 - 보유 코일 (스페이서) 와 함께 나선형으로 감기었다. 나선형 얀 부재는 약 600℃ 및 100Kg / ㎠ 의 압력에서 열간압조에 의해 성형되었다. 코일(스페이서) 가 성형품에서 제거된 후에, 성형품은 800℃ 에서 표면경화 되었고, 2000℃ 에서 흑연화 되어서 C/C 복합재료로 만들어진 헬리컬 스프링을 얻게 되었다. 헬리컬 스프링의 물리적 특성은 다음의 물리적 특성과 치수를 가졌다.

최종 스프링의 밀도 = 1.6 g /㎤

외경 = 50 mm

내경 = 20 mm

자유상태길이 = 40 mm

최대부하 = 15 kg

최대변위 = 6 mm

스프링 상수 = 2.5

상기에서, 최대부하는 스프링이 압축 스프링인 경우에 헬리컬 스프링이 완전히 압축 될 때의 부하를 의미한다. 또한, 최대 변위는 최대부하하의 스프링 위치와 부하가 없을때의 스프링위치 사이의 축방향 변위를 의미한다.

[실험예 2]

PAN - 기저 탄소섬유에 의해 강화된 나선형으로 감긴 수지성형품 (필라멘트수 : 3000, 각 필라멘트 : 0.6 데니어) 띠 발화에 의해 탄화되었고, 에폭시 수지와의 함침 및 탄화에 반복적으로 제공되었고, 따라서 C/C 복합재료로 만들어진 헬리컬 스프링을 획득하였다. 수지성형품의 탄소섬유의 함유는 40 체적 % 이었다. 스프링은 2000℃ 에서 흑연화되었다.

헬리컬 스프링의 물리적 특성은 다음의 물리적 특성과 치수를 가졌다.

최종 스프링의 밀도 = 1.5 g /㎤

외경 = 20 mm

내경 = 10 mm

자유상태길이 = 20 mm

최대부하 = 2 kg

최대변위 = 8 mm

스프링 상수 = 0.25

[실험예 3]

PAN - 기저 탄소섬유의 30 체적 % 를 함유한 예비성형된 원사 ( Vf = 30 %) (필라멘트수 = 6000, 각 필라멘트 : 0.6 데니어) 가 폴리에틸렌의 슬리브(10 μm 두께) 의 얀 부재로 전환되었으며, 이것은 예비성형된 얀부재 및 스페이서가 교대로 배치되도록 중심봉 주위에 스페이스 - 보유 코일 (스페이서) 와 함께 나선형으로 감기었다. 나선형 얀 부재는 약 600℃ 및 100Kg / ㎠ 의 압력에서 열간압조에 의해 성형되었다. 코일 (스페이서) 가 성형품에서 제거된 후에, 성형품은 800℃ 에서 표면경화 되었고, 2000℃ 에서 흑연화 되어서 C / C 복합재료로 만들어진 헬리컬 스프링을 얻게되었다.

최종 스프링의 밀도 = 1.8 g /㎤

외경 = 15 mm

내경 = 5mm

자유상태길이 = 20 mm

최대부하 = 1 kg

최대변위 = 10 mm

스프링 상수 = 0.1

[실험예 4]

PAN - 기저 탄소섬유의 50 체적 % 를 함유한 예비성형된 원사 ( Vf = 50 %) (필라멘트수 = 12,000 각 필라멘트 : 0.6 데니어) 가 폴리프로필렌의 슬리브(30 μm 두께) 의 얀 부재로 전환되었으며, 이것은 예비성형된 얀부재 및 스페이서가 교대로 배치되도록 중심봉 주위에 스페이스 - 보유 코일 (스페이서)가 성형품에서 제거된 후에, 성형품은 800℃ 에서 표면경화 되었고, 2000。 C 에서 흑연화 되어서 C / C 복합재료로 만들어진 헬리컬 스프링을 얻게되었다.

최종 스프링의 밀도 = 2.2 g /㎤

외경 = 45 mm

내경 = 10 mm

자유상태길이 = 24 mm

최대부하 = 20 kg

최대변위 = 2 mm

스프링 상수 = 10

[실험예 5]

PAN - 기저 탄소섬유의 40 체적 % 를 함유한 예비성형된 원사 ( Vf = 40 %) (필라멘트수 = 12,000 각 필라멘트 : 0.6 데니어) 가 폴리프로필렌의 슬리브 (10 μm 두께) 를 포함하는 0.8 mm 두께와 6 mm 폭의 평평한 테이프로 전환되었으며, 이것은 예비성형된 얀부재 및 스페이서가 교대로 배치되도록 중심봉 주위에 스페이스 - 보유 코일 (스페이서) 와 함께 나선형으로 감기었다. 나선형으로 감긴 테이프는 약 600℃ 및 100kg / ㎠ 의 압력에서 열간압조에 의해 성형되었다. 코일(스페이서) 가 성형품에서 제거된 후에,성형품은 800℃ 에서 표면경화 되었고, 2000℃ 에서 흑연화 되어서 C / C 복합재료로 만들어진 헬리컬 스프링을 얻게되었다. 헬리컬 스프링의 물리적 특성은 다음의 물리적 특성과 치수를 가졌다.

최종 스프링의 밀도 = 1.6 g /㎤

외경 = 37 mm

내경 = 27 mm

자유상태길이 = 60 mm

최대부하 = 14 kg

최대변위 = 7 mm

스프링 상수 = 2

[실험예 6]

PAN - 기저 탄소섬유의 40 체적 % 를 함유한 예비성형된 원사 ( Vf = 40 %) (필라멘트수 = 12,000 각 필라멘트 : 0.6 데니어) 가 나일론 66 의 슬리브(20 μm 두께) 를 포함하는 0.8 mm 두께와 55 mm 폭의 시트로 전환 되었으며, 이것은 예비성형된 얀부재 및 스페이서가 교대로 배치되고 시트의 인접회전의 광폭의 평편한 면이 조일의 회전을 통하여 상호 대향하도록 중심봉 주위에 스페이스 - 보유 코일 (스페이서) 와 함께 나선형으로 감기었다.

나선형 얀 부재는 약 600℃ 및 150kg / ㎠ 의 압력에서 열간압조에 의해 성형되었다. 코일 (스페이서)가 성형품에서 제거된 후에, 성형품은 800℃에서 표면경화 되었고, 2000℃ 에서 흑연화 되어서 C/C 복합재료로 만들어진 헬리컬 스프링을 얻게되었다. 헬리컬 스프링의 물리적 특성은 다음의 물리적 특성과 치수를 가졌다.

최종 스프링의 밀도 = 1.7 g /㎤

외경 = 300 mm

내경 = 200 mm

자유상태길이 = 150 mm

최대부하 = 500 Kg

최대변위 = 50 mm

스프링 상수 = 7

[실험예 7]

PAN - 기저 탄소섬유의 40 체적 % 를 함유한 예비성형된 원사 (필라멘트수 = 12,000 각 필라멘트 : 0.6 데니어) 가 폴리프로필렌 슬리브 (20 μm두께) 를 포함하는 0.8 mm 두께와 100 mm 폭의 시트로 전환되었다. 상기 시트는 상호 적층되었으며, 또한 그 적층판은 약 600℃ 및 100Kg / ㎠ 의 압력에서 열간압조에 의해 블록형상으로 성형되었다. 성형품은 800℃ 에서 탄화 되었고, 2000℃ 에서 흑연화 되어서, C/C 복합재료의 블록을 얻게되었다. 그 블록이 가공되어서 다음의 물리적 특성과 치수를 갖는 헬리컬 스프링을 성형하게 되었다.

최종 스프링의 밀도 = 1.7 g /㎤

외경 = 30 mm

내경 = 15 mm

자유상태길이 = 30 mm

최대부하 = 5 kg

최대변위 = 5 mm

스프링 상수 = 1

[실험예 8]

실험예 1 에서 얻어진 C/C 복합헬리컬 스프링은 스프링에 15 kg 의 부하를 유지하면서 1200℃ 로 가열하는 가열시험에 반복 제공되었다. 그런데, 측정된 물리적 특성과 치수는 다음과 같다.

최종 스프링의 밀도 = 1.6 g /㎤

외경 = 50 mm

내경 = 20 mm

자유상태길이 = 40 mm

최대부하 = 15 kg

최대변위 = 6 mm

스스링 상수 = 2.5

표 1 에서 나타낸 바와 같이, 스프링 상수에는 변화가 없었다.

[비교예 1]

헬리컬 스프링은 인코넬(Inconel) 로 제조되었고, 1200℃ 및 15 kg 부하에서 가열되었다. 스프링 상수는 1200℃ 까지 가열하기전에 1.5 였다.

그러나, 스프링은 1200℃ 까지 가열된 후에 변형되었고, 이것은 스프링으로서 실용적으로 사용될 수 없게 되었다.

[비교예 2]

헬리컬 스프링은 릴리콘 니트라이드로 부터 제조되었고, 1200℃ 및 15 kg 부하에서 반복적으로 가열되었다. 스프링 상수는 1200℃ 까지 가열하기전에 2.0 였다. 그러나, 스프링은 1200℃ 까지 가열된 후에 변형되었다.

[실험예 9(스프링 와셔)]

PAN - 기저 탄소섬유의 40 체적 % 를 함유한 예비성형뢴 원사 ( Vf = 40 %) (필라멘트수 = 12,000, 각 필라멘트 : 0.6 데니어) 가 폴리프로필렌의 슬리브 (20 μm 두께) 의 얀 부재로 전환되었으며, 이것은 중심봉 주위에 스페이스 - 보유 코일 (스페이서) 와 함께 단지 1 회 나선형으로 감기었다.

감긴 얀은 약 600℃ 및 100Kg / ㎠ 의 압력에서 열간압조에 의해 성형되었다. 스페이서가 성형품에서 제거 되고 성형품은 800℃ 에서 탄화 된후에, 2000℃ 에서 흑연화 되어서 C/C 복합스프링 와셔를 얻게되었다. 스프링 와셔의 물리적 특성은 다음과 같다.

밀도 = 1.6 g /㎤

외경 = 18.4 mm

내경 = 10.2 mm

폭 = 3.7 mm

두께 = 2.5 mm

상기 스프링 와셔는 10 mm 의 내경을 가지며 C/C 복합재료로 만들어진 볼트와 너트에 의해 밀착되고, 1200℃로 가열되었다. 그다음에, 볼트와 너트는 스프링 와셔에서 제거되었다. 그결과, 스프링 와셔에는 치수 변화가 없었다.

[비교예 3(스프링 와셔)]

인코넬로 만들어진 스프링 와셔는 10mm의 내경을 가지며 C/C 복합재료로 만들어진 볼트와 너트에 의해 밀착되고, 1200℃ 로 가열되었다.

그다음에, 볼트와 너트는 스프링 와셔에서 제거되었다. 그결과, 인코넬 스프링와셔는 변형되었고, 이것은 유용한 와셔로서 사용할 수 없는 것임이 밝혀졌다.

[비교예 4(스프링 와셔)]

실리콘 니트라이드로 만들어진 스프링 와셔는 10 mm 의 내경을 가지며 C/C 복합재료로 만들어진 볼트와 너트에 의해 밀착되고, 1200℃로 가열되었다. 그 다음에, 볼트와 너트는 스프링 와셔에서 제거되었다. 그결과, 실리콘 니트라이드 스프링 와셔의 높이가 감소됨이 밝혀졌다.

[실험예 10(스프링 와셔)]

PAN - 기저 탄소섬유의 40 체적 % 를 함유한 예비성형된 원사 (Vf = 40%) (필라멘트수 = 12,000, 각 필라멘트 : 0.6 데니어) 가 폴리프로필렌 슬리브(20 μm 두께) 를 포함하는 0.8 mm 두께와 100 mm 폭의 얀부재로 전환 되었다. 이것은 예비성형된 얀부재 및 스페이서가 교대로 배치되고 중심봉 주위에 스페이스 -보유 코일 (스페이서)와 함께 10회 감기었다. 감긴 얀 부재는 약 600℃ 및 100 kg / ㎠ 의 압력에서 열간압조에 의해 성형되었다.

스페이서가 성형품에서 제거된 후에, 성형품은 800℃ 에서 탄화되었고, 2000℃ 에서 흑연화 되었다. 1 회전의 10 개의 C/C 복합 스프링 와셔가 흑연화된 성형품을 절단함으로서 얻어졌다. 스프링 와셔의 물리적 특성은 다음과 같다.

밀도 = 1.6 g /㎤

외경 = 28 mm

내경 = 16.2 mm

폭 = 5.2 mm

두께 = 4mm

상기 스프링 와셔중 하나는 16 mm 의 내경을 가지며 C/C 복합재료로 만들어진 볼트와 너트에 의해 밀착되고, 1200℃로 가열되었다. 그다음에, 볼트와 너트는 스프링 와셔에서 제거되었다.그 결과, 스프링 와셔에는 치수변화가 없음이 밝혀졌다.

[실험예 11(플랫 와셔)]

탄소섬유의 40 체적 % 를 함유한 예비성형된 원사 (Vf = 40 %) 가 시트형으로 전환되었으며, 상기 시트는 함께 적층 되었다. 적층판은 약 600℃ 및 100 Kg / ㎠ 의 압력에서 열간압조에 의해성형되었다. 성형품은 800℃ 에서 탄화되었고, 2000℃ 에서 흑연화 되어서, C/C 복합재료로 만들어진 평면체를 얻게 되었다. C/C 복합 플랫 와셔는 C/C 복합판을 가공함에 의해 획득되었다. 플랫와셔의 물리적 특성은 다음과 같다.

밀도 = 1.6 g /㎤

외경 = 37 mm

내경 = 22 mm

두01 = 3.2 mm

상기 플랫 와셔는 20 mm 의 내경을 가지며 C/C 복합재료로 만들어진 볼트와 너트에 의해 밀착되고, 1200℃ 로 가열되었다. 그 다음에, 볼트와 너트는 스프링 와셔에서 제거되었다. 그 결과, 스프링 와셔에는 치수변화가 없음이 밝혀졌다.

[비교예 5 (플랫 와셔)]

인코넬로 만들어진 플랫와겨는 20 mm 의 내경을 가지며 C/C 복합재료로 만들어진 볼트와 너트에 의해 밀착되고, 1200℃ 로 가열되었다.

그 다음에, 볼트와 너트는 플랫와셔에서 제거되었다. 그 결과, 인코넬 플랫와셔는 볼트와 너트를 따라서 가압되었고, 이는 유용한 와셔로서 사용할 수 없음이 밝혀졌다.

[실험예 12(적층된 스프링)]

PAN - 기저 탄소섬유의 40 체적 % 를 함유한 예비성형된 원사 (Vf = 40%) (필라멘트수 = 12,000, 각 필라멘트 : 0.6 데니어) 가 폴리프로필렌 슬리브 (20 μm 두께) 를 포함하는 0.8 mm 두께와 100 mm 폭의 얀부재로 전환 되었다. 상기 시트는 함께 적층되었으며, 적층판은 약 600℃ 및 100Kg / ㎠ 의 압력에서 열간압조에 의해 성형되었다 성형품은 800℃ 에서 탄화 되었고, 2000℃ 에서 흑연화 되어서, C/C 복합재료로 만들어진 평면체를 얻게되었다. C/C 복합 적층된 스프링은 C/C 복합판을 가공함에 의해 획득되었다. 3 개의 적층된 스프링은 각각 50 mm 의폭, 8 mm 의 두께 및 600 mm 의 전길이를 가졌다. 상기 획득된 적층된 스프링의 스프링 상수는 2.1 kg / mm 였다.

[실험예 13 (콘드 디스크 스프링)]

PAN - 기저 탄소섬유의 40 체적 % 를 함유한 예비성형된 원사 (Vf = 40%) (필라멘트수 = 12,000, 각 필라멘트 : 0.6 데니어) 가 폴리프로필렌 슬리브(20 μm 두께) 를 포함하는 0.8 mm 두께와 150 mm 폭의 시트형으로 전환되었다.상기 시트는 함께 적층되었다. 적층판은 약 600℃ 및 100Kg /㎠ 의 압력에서 열간압조에 의해 성형되었다. 성형품은 800℃ 에서 탄화 되었고, 2000℃ 에서 흑연화 되었다. C/C 복합재료로 만들어진 평면체를 얻게 되었다. C/C 복합 콘드 디스크 스프링은 C/C 복합판을 가공함에 의해서 획득되었다. 100 mm의 외경 D, 50 mm의 내경 d 3 mm 의 두께 및 t 및 1.5 mm 높이 h 를 갖는 콘드디스크 스프링은 C/ C 복합판을 가공함에 의해서 획득되었다.

상기 언급된 바와 같이, 본 발명에 따른 스프링 부재가 C/C 복합재료로 부터 만들어졌기 때문에, 스프링 부재는 금속 스프링 보다 경량이며,높은 내마모성, 내식성, 내화학성 및 인성을 갖는다.

또한 본 발명의 스프링 부재는 세라믹 스프링보다 더 높은 기계적 충격 저항성, 내열성, 및 열충격 저항성을 갖는다.

본 발명에 따르면, 상기 다양한 장점을 갖는 스프링 부재는 비싸지 않은 비용으로 제조될 수 있다.

Claims

탄소섬유가 흑연을 주성분으로 하여 구성된 매트릭스 내에 종방향으로 또는 제 1 과 제 2 의 방향으로 분산되고 신장되는 탄소섬유/ 탄소복합재료로 만들어진 스프링 부재.
제 1 항에 있어서, 상기 복합재료내의 탄소섬유의 체적비가 10 - 80 % 인 스프링 부재.
제 2 항에 있어서, 상기 복합재료내의 탄소섬유의 체적비가 20 - 70 % 인 스프링 부재.
제 1 항 내지 제 3 항중의 어느 한 항에 있어서, 헬리컬 컴프레션 스프링, 헬리컬 텐션 스프링, 스프링 와셔, 플랫 와셔, 라미네이티드 스프링, 토션 스프링, 가터 스프링, 볼류트 스프링, 토션 바 스프링,스파이럴 스프링, 코니컬 스프링, 콘택티드 타입 스파이럴 스프링, 콘드 디스크 스프링, 링 스프링, 리테이닝 링, 스프링 핀, 스프링 플레이트 너트,및 시트용 스프링으로 구성되는 그룹에서 선택된 스프링 부재.
탄소섬유 / 탄소복합재료로 만들어지는 스프링 부재를 제조하는 방법에 있어서, 예비성형된 원사를 성형하는 단계와, 얀 부재, 테이프 부재 및 시트부재로 이루어진 그룹에서 선택된 형상으로 상기 예비성형된 원사를 성형하는 단계와, 상기 성형된 부재와 상기 코일링 스페이서가 교대로 배치되도록 상기 성형된 부재를 상기 코일링 스페이서와 함께 중심봉 주위에 감는 단계와, 가압조건 하의 약 300 ∼ 2000℃에서, 열간압조로 상기 감긴 부재를 성형 하는 단계와, 필요하다면, 상기 열간 압조된 원사를 700 - 1200℃ 에서 탄화하는 단계와, 상기 감긴 부재를 1500 - 3000℃ 에서 흑연화하는 단계를 포함하는, 탄소섬유 / 탄소복합재뵤로 만들어진 스프링 부재의 제조방법.
제 5 항에 있어서, 상기 열간압조 단계 이후 그러나 상기 흑연화 단계 이전에, 상기 고온 압조된 얀으로 부터 상기 코일링 스페이서를 제거하는 단계를 또한 포함하는 제조방법.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 스프링 부재는 헬리컬 컴프레션 스프링, 헬리컬 텐션 스프링, 스크링 와셔, 플랫 와셔, 라미네이티드 스프링, _토션 스프링, 가터 스프링, 볼류트 스프링, 토션 바 스프링, 스파이럴 스프링, 코니컬 스프링, 콘택티드 타입 스파이럴 스프링,콘드 디스크 스프링, 링 스프링, 리테이닝 링, 스프링 핀, 스프링 플레이트 너트, 및 시트용 스프링으로 구성된 그룹에서 선택되는 스프링 부재의 제조방법.
탄소섬유/탄소복합재료로 만들어진 스프링 부재의 제조방법 에 있어서, 예비성형된 원사를 성형하는 단계와, 시트 부재 형상으로 상기 예비성형된 원사를 성형하는 단계와, 상기 시트 부재의 인접 평면이 상호 접하도록 상기 시트부재를 적층하는 단계와, 가압조건 하의, 약 300 ∼ 2000℃ 에서 열간압조로 적층된 얀을 성형하고, 이에 의해 블록체를 형성하는 단계와, 필요하다면, 상기 열간압조된 얀을 700 - 1200℃ 에서 탄화하는 단계와, 상기 얻어진 블록체를 1500 ∼ 3000℃에서 흑연화함에 의하여 탄소섬유 / 탄소복합재료로 만들어진 블록을 얻는 단계와, 상기 얻어진 블록을 스프링 부재의 형상으로 가공하고, 이에 의하여 상기 탄소섬유 / 탄소복합재료로 만들어진 상기 스프링 부재를 얻는 단계를 포함하는, 탄소섬유 / 탄소복합재료로 만들어진 스프링 부재의 제조방법.
제 1항 내지 제 3항중의 어느 한 항에 있어서, 0.1 - 10 kg/mm 의 스프링 상수와 1.5 - 2.2 g/ ㎤ 의 밀도를 갖는 스프링 부재.
제 8항에 있어서, 상기 스프링 부재는 헬리컬 컴프레션 스프링, 헬리컬 텐션 스프링, 스프링 와셔, 플랫 와셔, 라미네이티드 스프링, 토션 스프링, 가터 스프링, 볼류트 스프링, 토션 바 스프링, 스파이럴 스프링, 코니컬 스프링, 콘택티드 타입 스파이럴 스프링, 콘드 디스크 스프링, 링 스프링, 리테이닝 링, 스프링 핀, 스프링 플레이트 너트, 및 시트용 스프링으로 구성된 그룹에서 선택된 스프링 부재의 제조방법.
제 4항에 있어서, 0.1 - 10Kg / mm의 스프링 상수와 1.5 ∼ 2.2 g/ ㎤ 의 밀도를 갖는 스프링 부재.
제 1항에 있어서, 상기 예비 성형된 원사는 그 배열되는 형상인 얀부재 형상, 테이퍼 형상 또는 시트 형상으로 사용하며, 상기 부재는 예비성형된 원사의 선회부와 스페이서의 선회부가 교대로 배열되도록 일 선회 또는 복수의 선회에 의해서 스페이서 - 보유 코일부재 (스페이서) 와 함께 중심봉 둘레에 감기며, 상기 감긴부재는 최고 500 kg / ㎠ 및 약 300 - 2000℃ 에서 열간압조에 의해서 성형되며, 상기 스페이서는 생성된 성형품으로 부터 제거되고, 상기 성형품은 필요하다면 700℃ - 1200℃ 에서 탄화되며, 그후, 성형품은 1500℃ - 3000℃ 에서 흑연화되고, 얀이 단지 1회 감긴 경우에는, 흑연화된 성형품은 그 자체가 와셔로서 사용되고, 얀이 복수회 감긴 경우에는, 흑연화된 성형품은 각각 1 회감긴 복수의 C/C 복합와셔로 절단되고, 상기 예비성형된 원사는 시트형상으로 성형되며 함께 적층되는 스프링 부재.
제 5항에 있어서, 상기 예비성형된 원사는 그 배열되는 형상인 얀부재 형상, 테이퍼 형상 또는 시트 형상으로 사용하며, 상기 부재는 예비성형된 원사의 선회부와 스페이서의 선회부가 교대로 배열되도록 일 선회 또는 복수의 선회에 의해서 스페이서 - 보유 코일부재 (스페이서) 와 함께 중심봉 둘레에 감기는 단계, 상기 감긴부재는 최고 500 kg / ㎠ 및 약 300 - 2000℃ 에서 열간압조에 의해서 성형되며, 상기 스페이서는 생성된 성형품으로 부터 제거되고, 상기 성형품은 필요하다면 700℃ - 1200℃ 에서 탄화되는 단계, 그후, 성형품은 1500℃ - 3000℃ 에서 흑연화되는 단계, 얀이 단지 1회 감긴 경우에는, 흑연화된 성형품은 그 자체가 와셔로서 사용되는 단계, 얀이 복수회 감긴 경우에는, 흑연화된 성형품은 각각 1 회감긴 복수의 C/C 복합와셔로 절단되는 단계, 상기 예비성형된 원사는 시트형상으로 성형되며 함께 적층되는 단계로 이루어지는 제조방법.
제 8항에 있어서, 상기 예비성형된 원사는 그 배열되는 형상인 얀부재 형상, 테이퍼 형상 또는 시트 형상으로 사용하며, 상기 부재는 예비성형된 원사의 선회부와 스페이서의 선회부가 교대로 배열되도록 일 선회 또는 복수의 선회에 의해서 스페이서 - 보유 코일부재 (스페이서) 와 함께 중심봉 둘레에 감기는 단계, 상기 감긴부재는 최고 500 Kg / ㎠ 및 약 300 - 2000℃ 에서 열간압조에 의해서 성형되며, 상기 스페이서는 생성된 성형품으로 부터 제거되고, 상기 성형품은 필요하다면 700℃ - 1200℃ 에서 탄화되는 단계, 그후, 성형품은 1500℃ - 3000℃ 에서 흑연화되는 단계, 얀이 단지 1회 감긴 경우에는, 흑연화된 성형품은 그 자체가 와셔로서 사용되는 단계, 얀이 복수회 감긴 경우에는, 흑연화된 성형품은 각각 1 회감긴 복수의 C/C 복합와셔로 절단되는 단계, 상기 예비성형된 원사는 시트형상으로 성형되며 함께 적층되는 단계로 이루어지는 제조방법.