KR100190237B1

KR100190237B1 - 탄소섬유 보강 복합재 베어링 제조 방법

Info

Publication number: KR100190237B1
Application number: KR1019950054819A
Authority: KR
Inventors: 김광수
Original assignee: 추호석; 대우중공업주식회사
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1995-12-22
Publication date: 1999-06-01
Also published as: KR970045876A

Abstract

본 발명은 탄소섬유 보강 복합재 베어링 제조 방법에 관한 것으로, 탄소섬유 보강재(1)를 함침수지(2)에 함침한 후, 금속제 원통형 모울드상(3)에 후프 와인딩(HOOP-WINDING)(4) 처리를 한 다음, 래터럴 와인딩(LATERAL-WINDING)(5) 처리를 통해 예비성형체(6)를 제작하는 단계와, 상기 예비성형체(6)를 약 100∼200℃ 에서 상압, 진공 또는 가압상태에서 성형을 완료하는 단계와, 무산소 분위기에서 약 600℃ 이상으로 열처리하는 제2단계와, 상기 열처리 단계를 거친 성형체(7)를 수차의 재함침 및 재성형후 탄화공정을 거친다음, 약 2000℃ 이상으로 흑연화 열처리를 수행 하는 제3단계와, 이 후 연삭가공하고 초음파 세척을 통해 세척한 다음 윤활유에 소정시간 담궈둔 후에 원하는 베어링 형상으로 절단하는 제4단계와, 원하는 형상으로 절단된 베어링(8)의 외부표면에 내산화 코팅재(9)를 바르는 제5단계의 공정별로 이루어지도록 하는데 그 특징이 있다.

Description

탄소섬유 보강 복합재 베어링 제조 방법

제1도는 본 발명에 의한 금속제 원통형 모울드에 탄소섬유 보강재를 후프 와인딩(HOOP-WINDING)하는 과정을 설명하기 위한 개략도.

제2도 (a)(b)는 본 발명에 의한 금속제 원통형 모울드에 탄소섬유 보강재를 래터럴 와인딩(LATERAL-WINDING)하는 과정을 설명하기 위한 개략적인 정면도 및 측면도.

제3도 (a)(b)는 각각 본 발명에 의한 상기 후프와인딩과 래터럴 와인딩을 거친 복합재를 금속제 원통형에서 분리한 형상을 설명하기 위한 개략적인 종단면도 및 횡단면도.

제4도는 본 발명에 의한 복합재를 열처리한 상태를 설명하기 위한 개략도.

제5도는 본 발명에 의해 완성된 베어링의 외표면에 내산화 코팅재가 발라진 형상을 설명하기 위한 개략도.

제6도는 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 1a : 탄소섬유 보강재 2 : 함침수지

3 : 금소제 원통형 모울드 3a : 돌기

4 : 후프 와인딩(HOOP-WINDING)

5 : 래터럴 와인딩(LATERAL-WINDING)

6 : 예비성형체 7 : 성형체

8 : 베어링 9 : 내산화 코팅재

10 : 축

본 발명은 베어링 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고속, 고하중 및 고온하에서 작동할 수 있도록 한 베어링으로서, 고온에서도 마찰계수가 매우 낮고, 금속계 축과의 융착 등의 현상이 발생되지 않으며, 마모율을 획기적으로 감소시킬 수 있도록 한 탄소섬유 보강 복합재 베어링 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 회전하고 있는 축을 받쳐서 축에 작용하고 있는 하중을 떠받는 구실을 하는 기계요소를 통칭하여 베어링이라고 한다. 이중 특히, 슬라이딩 베어링은 축과 베어링 사이에서 엷은 유막을 형성시켜 상대 미끄럼운동을 하는 베어링으로써 그 응용범위가 넓으며 원동기 부문에서 없어서는 안돼는 필수적인 기계 요소 이다. 이러한 슬라이딩 베어링 재료의 요구 특성으로는 충분한 경도와 항압력 , 작은 마찰계수와 마모율, 마찰열 발산을 위한 높은 열전도율, 내구성, 상대축과 융착 되지 않을 것, 우수한 기계적 가공성, 유막 형성이 쉬울 것, 그리고 피로 강도가 높아야 하는 것 등이 있다.

이와 같은 슬라이딩 베어링 재료의 요구 특성을 만족하기 위해서는, 한가지 소재만으로는 상기 모든 특성을 만족시킬 수 없기 때문에 금속으로는 주로 내마모성 합금(anti-friction alloy)이 사용되어 오고 있으며, 또는 분말야금법에 의하여 제조된 베어링 메탈의 분말입자간에 윤활유를 함유시킨 함유 베어링 메탈을 제조하여 급유가 곤란한 곳에 적용하고 있다.

그러나 이러한 금속계 베어링의 경우 고속, 고하중, 또는 주변의 고온 분위기 하에서는 융착이 발생되기 쉬우며, 함유 베어링이라도 윤활유가 일정량 이상 감소되면 장애를 일으키게 되는 문제점이 있다.

반면에 비금속 베어링으로는 유지성분을 포함하고 물에 내구성이 강한 목재 및 이의 대용으로 경질 고무 제품이 물속에 잠기는 수윤활이 요구되는 곳에 금속계 베어링의 대체로 사용되고 있으며, 석탄산계 합성수지를 캔바스에 함침시켜 가열 가압한 재료 또한 금속계 베어링 재료대신 일부 사용되고 있는데, 마찰계수는 대략 0.01 이하, 내열도 약 150℃으로써 제한적으로 사용되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 종래의 금속 및 비금속계 베어링에 비하여 가벼우면서 동시에 고온, 고하중에서 윤활이 불필요하고, 내마모성 향상 및 융착 방지, 우수한 피로 저항성을 갖는 베어링을 제조하는 방법을 제공함으로써 베어링의 수명을 획기적으로 연장시켜, 베어링 파손시 유발될 수 있는 잦은 조업 중단을 미연에 방지할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 베어링 제조방법으로, 탄소섬유 보강재를 함침수지에 함침한 후, 금속제 원통형 모울드상에 후프 와인딩(HOOP-WINDING)처리를 한 다음, 래터럴 와인딩(LATERAL-WINDING)처리를 통해 예비성형체를 제작하는 단계와, 상기 예비성형체를 함침수지의 종류에 따라 약 100∼200℃에서 상압, 진공 또는 가압상태에서 성형을 완료하는 단계와, 상기 성형단계를 거친 후, 무산소 분위기에서 약 600℃이상으로 열처리하는 단계와, 상기 열처리단계의 성형체를 수차의 재함침 및 재성형후 탄화공정을 거친 다음, 약 2000℃이상으로 흑연화 열처리를 수행하는 단계와, 상기 흑연화단계를 거친 후, 연삭 가공하고 초음파 세척을 통해 세척한 다음 윤활유에 소정시간 담가둔 후에 원하는 베어링 형상으로 절단하는 단계 및, 원하는 형상으로 절단된 베어링의 외부표면에 내산화 코팅재를 바르는 단계로 이루어지도록 함으로써 달성된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도 내지 제5도는 본 발명에 의한 탄소섬유 보강 복합재 베어링 제조공정을 단계적으로 설명하기 위한 개략도로서, 본 발명의 제조방법은 탄소섬유 보강재(1)를 함침수지(2)에 함침한 후, 금속제 원통형 모울드상(3)에 일정 기울기로 권회시켜서 부착하는 후프 와인딩(HOOP-WINDING)(4)처리를 한 다음, 역시 탄소섬유 보강재(1)를 함침수지(2)에 함침한 후, 금속계 원통형 모울드의 양측 둘레에 일정간격으로 돌출된 돌기(3a)를 따라 전후 방향으로, 즉 모울드의 축상으로 지그재그로 감아 부착하는 래터럴 와인딩(LATERAL-WINDING)(5)처리를 통해 예비성형체(6)를 제작하는 제1단계와, 상기 예비성형체(6)를 함침수지(2)의 종류에 따라 약 100∼200℃에서 상압, 진공 또는 가압상태에서 성형을 완료하는 성형단계와, 상기 성형단계를 거친 후, 무산소 분위기에서 약 600℃이상으로 열처리하는 제2단계와, 상기 열처리단계를 거친 성형체(7)를 수차의 재함침 및 재성형 후탄화공정을 거친 다음, 약 2000℃이상으로 흑연화 열처리를 수행하는 제3단계와, 상기 흑연화 단계를 거친 후, 연삭 가공하고 초음파 세척을 통해 세척한 다음 윤활유에 소정시간 담가둔 후에 원하는 베어링 형상으로 절단하는 제4단계 및, 원하는 형상으로 절단된 베어링(8)의 외부 표면에 내산화 코팅재(9)를 바르는 제5단계의 공정별로 이루어진다.

이와 같이 이루어지는 본 발명의 작용 및 효과를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 탄소 섬유 보강재(1)를 내열에 강한 함침수지(예를 들어 페놀, 피치 등)(2)에 함침한 후, 금속제 원통형 모울드(3)를 사용하여 베어링의 예비 성형체(6)를 제작하는 바, 먼저 금속제 원통형 모울드상(3)에 제1도의 후프 와인딩(HOOP-WINDING)처리(4)를 통해 예비 성형체(6)의 둘레방향으로의 강도증진을 이루게 하여 탄소섬유 보강재(1)를 제5도에 도시된 축(10)과 베어링(8)의 회전마찰 방향과 나란히 놓이게 배열함으로써, 섬유 자체에 의한 마찰 저항을 최소화시킬 수 있다.

또한, 제2도에 도시된 바와 같이 래터럴 와인딩(LATERAL-WINDING)처리(5)를 통해 래터럴(LATERAL) 방향으로, 즉 예비성형체(6)의 축방향으로 강도증진을 이루게 하는 섬유 보강을 이루도록 하여, 강도의 향상은 물론 실 운용시 축방향을 따른 원활한 열전도가 가능하게 된다. 여기서, 탄소섬유 보강제(1)를 래터럴 방향으로 와인딩하기 위해서는 금속제 원통형 모울드(3)의 양단부에 원통방향으로 소정간격으로 다수개의 돌기(3a)가 형성되어 있기 때문에 상기 탄소섬유 보강제(1)가 각 돌기(3a)에 걸리므로서 축방향으로의 와인딩이 이루어진다.

이때 베어링 내외면의 정확한 치수 공차를 맞추기 위하여 제1도와 같이 기계 가공된 금속제 원통형 모울드(3)를 사용함으로써, 베어링의 내측 즉, 실제 구동면은 기계 가공에 의한 절단된 섬유가 노출 되지 않는 매끈한 면을 얻을 수 있고, 외측면만을 기계 가공함으로써 실제 베어링 사용시 직물의 층간 전단 파손을 방지 할 수 있게 된다.

상기 함침수지(2)에는 미리 일정량의 조정제로서 흑연 분말(10% 이내)과 미량의 인산 등을 섞어 놓아, 성형체의 마찰계수를 낮게 조정한다.

제3도의 예비성형체(6)는 함침수지(2)의 종류에 따라 약 100∼200℃에서 상압, 진공(Vacuum) 또는 가압상태에서 성형을 완료한 후 무산소 분위기에서 약 600℃이상으로 열처리를 하게 되는데, 이는 함침수지(2)속의 휘발성분 및 유기물은 모두 제거되도록 하고 탄소 성분만 남게 하기 위한 것이다.

이와 같이 하여 제4도에서와 같이 1차 열처리된 성형체(7)는 탄소섬유가 보강된 탄소기지의 복합재로 변형되는데, 이 상태에서는 상당히 다공질의 형태로 남기 때문에 강도 및 마찰마모 특성이 매우 취약하다.

상기 취약부분을 보완하기 위하여 수차의 재 함침 및 재 성형 후, 탄화 공정을 거치게 되면, 원하는 밀도(강도) 및 기계적 특성을 얻게 된다.

이때 사용하고자 하는 제5도의 베어링(8)의 하중에 따라 이러한 함침 횟수를 조절함으로써, 성형체의 밀도를 증가(기공 감소를 통한 강도 증가)시켜야 하며, 일단, 원하는 밀도에 도달하게 되면 약 2000℃이상으로 흑연화 열처리를 시킴으로서 성형체의 마찰계수 감소 및 열전도도 증가 그리고 내열성을 향상시킬 수 있다.

상기 흑연화 처리 후에는 내외면을 연삭 가공하여 베어링(8)의 최종 치수 및 조도를 얻게되고, 이후 초음파 처리(클리닝 처리)등에 의한 청소 후, 윤활유에 일정시간 담가두면, 여전히 존재하는 다량의 가공은 윤활유의 합침 통로구실을 하게 되어, 윤활유 함유 베어링으로도 활용 가능하며, 고온으로 올라가 윤활유가 소진될 경우에도, 복합재의 흑연기지 조직의 자체 윤활 특성으로 인해 윤활문제를 일으킬 소지를 미연에 차단한다.

특히, 400∼500℃ 이상으로 베어링(8) 외부 표면의 온도가 올라갈 경우를 대비하여서 외부 공기와 직접 접촉하는 면에 내산화 코팅재를 발라주므로서 베어링의 산화를 방지한다.

제6도는 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 개략도로서, 직물로 미리 짜놓은 탄소섬유 보강재(1a)를 함침수지 탱크내에 있는 함침수지(2)에 함침한 후, 금속제 원통형 모울드(3)에 와인딩 처리한 다음, 상기 모울드(3)에 감겨진 직물형태의 탄소섬유 보강재(13)에 반경방향으로 함침 탄소섬유로 바느질하는 스티칭(STITCHING)을 통한 탄소섬유(1b)를 보강하여 예비성형체(6)를 제작하고, 이 후의 공정은 전술한 바와 동일하게 이루어진다.

상술한 바와 같이 본 발명은 종래의 금속 및 비금속계 베어링에 비하여 가벼 우면서 동시에 고온, 고하중에서 윤활 불필요하고, 내마모성 향상 및 융착 방지, 우수한 피로 저항성을 갖는 베어링을 제조하는 방법을 제공함으로써, 베어링의 수명을 획기적으로 연장시켜 베어링 파손시 유발될 수 있는 잦은 조업 중단을 미연에 방지할 수 있는 특출난 효과가 있다.

Claims

베어링 제조방법에 있어서, 탄소섬유 보강재(1)를 함침수지(2)에 함침한 후, 금속제 원통형 모울드상(3)에 후프 와인딩(HOOP-WINDING)처리(4)를 한 다음, 래터럴 와인딩(LATERAL-WINDING)처리(5)를 통해 예비성형체(6)를 제작하는 제1단계와, 상기 예비성형체(6)를 함침수지(2)의 종류에 따라 약 100∼200℃에서 상압, 진공 또는 가압상태에서 성형을 완료하는 성형단계와, 상기 성형단계를 거친 후, 무산소 분위기에서 약 600℃이상으로 열처리하는 제2단계와, 상기 열처리단계를 거친 성형체(7)를 수차의 재함침 및 재성형후 탄화공정을 거친 다음, 약 2000℃이상으로 흑연화 열처리를 수행하는 제3단계와, 상기 흑연화 단계를 거친 후, 연삭 가공하고 초음파 세척을 통해 세척한 다음 윤활유에 소정시간 담가둔 후에 원하는 베어링 형상으로 절단하는 제4단계 및, 원하는 형상으로 절단된 베어링(8)의 외부표면에 내산화 코팅재(9)를 바르는 제5단계의 공정별로 이루어짐을 특징으로 하는 탄소섬유 보강 복합재 베어링 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1단계는 직물로 미리 짜놓은 탄소섬유 보강재 (1a)를 함침수지 탱크에 있는 함침수지(2)에 함침한 후, 금속제 원통형 모울드(3)에 와인딩 처리한 다음, 상기 모울드(3)에 감겨진 직물형태의 탄소섬유 보강재(1a)에 반경방향으로의 둘레로 바느질을 하는 스티칭을 통한 탄소섬유 보강을 하여 예비성형체(6)를 제작함을 특징으로 하는 탄소섬유 보강 복합재 베어링 제조 방법.