KR100240851B1

KR100240851B1 - 단편 단일 금속 방사구 및 제작방법

Info

Publication number: KR100240851B1
Application number: KR1019960702385A
Authority: KR
Inventors: 마크 에이. 쇼트; 토마스 에드워드 윌리스
Original assignee: 미리암디메코너헤이; 이.아이,듀우판드네모아앤드캄파니
Priority date: 1993-11-09
Filing date: 1994-11-07
Publication date: 2000-04-01
Also published as: DE69418340D1; JPH09505358A; EP0728231B1; JP3493463B2; US5512113A; KR960705969A; US5512114A; WO1995013410A1; EP0728231A1; DE69418340T2

Abstract

단편 단일 금속 방사 금형은 모세관의 길이가 적어도 모세관 직경의 1.5배이고 모세관 영역 외부의 항복 강도가 350MPa 보다 큰 모세관 영역을 갖는다. 상기 방사 금형을 제작하는 방법은 개시되어 있다.

Description

[발명의 명칭]

단편 단일 금속 방사구 및 제작 방법

[발명의 배경]

[발명의 분야]

내식재로 제작되고 매우 작은 모세관을 갖는 방사구(Spinneret)가 여러 섬유 제품 제조자들에 의해서 추구되어 왔다. 예컨대, [폴리머(p-페닐렌 테레프탈아미드)와 같은] 아라미드(aramid)는 고온 농축 황산 용액으로부터 방사되며 내식재로 된 방사구를 요한다.

[종래 기술에 대한 설명]

미국 특허 제4,054,468호[호나커(Honnaker)등]는 스테인레스 강 또는 탄탈(tantalum)합금으로 된 지지체 및 상기 지지체에 폭발적으로 결합된 순수 탄탈 강으로 된 표면 층으로 구성된 층을 형성하여 기계 가공함으로써 내식성 방사구 및 이러한 방사구를 제작하는 방법을 개시한다. 제작 과정은 방사구 블랭크(blank)의 지지체를 기계 가공하고, 지지체를 관통해서 부분적으로 표면 층까지 카운터보어 (counterbore)를 천공하고, 카운터보어에서 표면 층을 통해서 방사구의 출구면까지 방사구 모세관을 형성하고, 돌기를 제거하기 위해 출구 면을 폴리싱(polishing)하고, 출구 면을 질소 분위기에서 열처리시켜서 경화시키는 과정을 요한다. 이 발명의 방사구는 이층 재료를 필요로 한다.

[발명의 요약]

본 발명은 입구면 및 출구면과 함께 입구면에서 출구면으로 연장된 적어도 하나의 방사관을 갖는 단편의 단일 금속 본체를 포함하는 방사구를 제공하는 것으로서, 방사관은 입구면으로부터 금속 본체로 연장된 유도 구멍 및 유도 구멍과의 연결 지점까지의 모세관 영역을 통해 연장된 모세관을 포함하며, 모세관 영역에서의 금속 본체는 본체 잔여부의 금속보다 연하고 유도 구멍의 단면적은 모세관의 단면적보다 크고 모세관의 길이는 그 직경보다 2배 이상 길다. 모세관의 직경은 일반적으로 0.15mm보다 작다.

본 발명은 입구면 및 출구면을 포함한 단편 단일 금속 본체로부터 방사구를 제작하는 방법을 제공하는 것으로, 제작 단계는 입구면에서 본체까지의 적어도 하나의 유도 구멍을 형성하는 단계와, 출구면에서 본체까지의 적어도 하나의 모세관을 형성하고 유도 구멍과 연결하는 단계와, 모세관 형성 전에 모세관 영역만을 상기 금속의 재결정 온도 이상 용융점 이하의 온도로 가열함으로서 모세관의 길이를 따라 출구면까지 연장되는 본체의 모세관 영역만을 소둔시키는 단계를 포함한다.

[도면의 간단한 설명]

제1도는 컵형으로 된 본 발명의 방사구의 실시예의 수직 단면도이다.

제2도는 단일 방사관을 포함하는 제1도의 방사구 일부의 확대 단면도.

[발명의 상세한 설명]

제1도에서, 단면으로 도시된 방사구(10)는 입구면(14) 및 출구면(16)을 갖는 단일 금속 본체(12)로 구성된다. 단일 금속 본체(12)는 적절한 강도를 갖는 임의의 금속을 사용해서 제작될 수 있다. 본 발명의 방사구를 제작하는 데 사용하기에 적절한 여러 금속들이 상기 급속들의 주성분들과 함께 표 1에 기재되어 있다.

방사구 금속은 보통 조건에 맞는 내식성 및 사용할 때 발생하는 응력을 견디기 위한 충분한 항복 강도를 고려하여 선택된다.

본 발명의 방사구에 양호한 금속은 사용 환경에서 0.025mm/year 또는 이보다 적은 부식율을 갖는다. 섬유 균일성을 보장하기 위해 모세관의 크기와 기계적 공차는 작기 때문에 부식율도 낮아야 한다. 방사구 구조 재료에 필요한 강도 조건은 영구 손상을 방지하기 위해 사용중 방사구에 작용된 응력이 재료의 항복 강도이하로 되어야만 한다는 것이다. 본 발명의 방사구는 평판, 원판, 평판 바닥 또는 곡면이나 비곡면을 갖는 둥금 바닥으로 된 컵형일 수 있다.

금속은 경화될 수 있고, "가공 경화"에 의해서 강화될 수 있다. 가공 경화는 금속을 항복점 이상으로 변형시킴으로써 달성된다. 냉간 압연은 항복 강도 및 경도의 증가를 야기시키는 가공 경화의 일반적 제어법이다. 가공 경화는 금속을 변형시키는 작업에 의해서 달성될 수 있다.

금속은 소정의 성질 변화를 얻기 위해 금속을 금속의 재결정 온도 이상 및 용융점 이하로 적절하게 가열해서 냉각시킴으로써 연화 또는 소둔될 수 있다. 가공 경화에 의해서 경화된 금속은 소둔 열처리를 수행함으로써 연화될 수 있다.

일반적으로 본 발명에 따른 방사구에 사용하기 양호한 금속은, 적절한 내식성과 같은 다른 조건들이 충족된다고 할 때, 약 350MPa보다 큰, 양호하게는 450MPa 이상의 경화된 항복 강도 및 약 HRB(로크웰 경도, "B" 스케일) 85보다 큰, 양호하게는 HRB 90보다 큰 경도를 나타내는 것으로 정해졌다. 연화되거나 소둔된 상태에서, 이들 금속은 약 350MPa보다 작은 양호하게는 250MPa보다 작은 항복 강도와, 약 HRB 85보다 작은 양호하게는 HRB 75보다 작은 경도를 나타낸다.

(농축 황산 도프를 방적하는) 아라미드 섬유 제작에 있어서, 양호한 방사구 금속은 상업상 등급인 "순수" 탄탈 및 2내지 3%의 텅스텐 합금 탄탈이다. 탄탈 금속과, 니오브와 같은 입자 정련제를 함유한 이런 유형의 합금은 적절하지만 기계가공이 더 어렵기 때문에 덜 바람직하다. 15 중량% 이상의 텅스턴을 함유한 탄탈 합금이 사용될 수도 있지만, 이 또한 기계 가공이 어렵고 드릴 가공을 하게 되면 높은 공구 마모를 발생시킨다. 또한 소정의 항복 강도, 연신율 및 내식성을 갖는 스테인레스 강이 사용될 수도 있다. 탄탈 이외의 다른 재료도 그것들이 내식성 및 350MPa보다 작은 소둔 항복 강도를 갖는한 농축 환산 도프에 대해 사용될 수 있다. 이와 같은 여러 재료가 표 1에 기재되어 있다.

대체로 방사구(10)는 많은 방사관을 갖는데, 몇몇 경우에는 수십 내지 수백, 심지어 수천개의 방사관을 갖기도 한다.

제2도는 제1도의 방사구 일부에 대한 확대도로서, 금속 본체(12)를 관통한 방사관(18)을 상세히 도시하고 있다. 방사관(18)은 세 부분으로 구성된다. 유도구멍(22)은 입구면(14)으로부터 본체(12)내로 연장된 방사관(18)에서 비교적 직경이 큰 부분이고, 모세관(26)은 출구면(16)으로부터 본체(12)내로 연장된 방사관(18)에서 비교적 직경이 작은 부분이다. 유도 구멍(22)은 유도 구멍(22)의 내부(27)로부터 모세관(26)의 내단부(28)까지 연장된 테이퍼진 구멍(24)까지 이어진다. 일반적으로 유도 구멍(22)의 직경은 약 0.6mm이고 0.5 내지 7mm의 범위일 수 있다. 모세관(26)은 라운드될 수 있거나 다른 단면을 가질 수 있으며, 일반적으로 약 0.065mm 혹은 0.01 내지 4mm의 범위의 직경 또는 최단 폭치수를 갖는다. 테이퍼진 구멍(24)은 원추형이거나 다른 모양일 수 있고, 대체로 전체 각이 45°이고, 20°내지 120°범위일 수 있다. 상기 유도 구멍의 대경은 적어도 모세관 직경의 2배이고 일반적으로는 모세관 직경의 8배이다.

본 발명의 방사구의 요소에 따라 여기에서 주어진 크기 및 비율은 일반적인 경우, 특히 고농축 황산 용액으로부터 방적하기 위해 사용되는 방사구로 이해되고 있으며, 어떠한 방법으로도 상기 방사구를 제한하지 않는다.

일반적으로 모세관(26)은 길이가 약0.18mm이고 0.04mm 내지 7mm의 범위일 수 있다. 금속 내에 모세관을 펀칭하는 것은 모세관 직경이 감소함에 따라 점차 어려워지며 펀칭될 상기 모세관의 길이가 모세관 직경의 2배 이상으로 되면 아주 어려워진다. 모세관의 길이 대 직경의 비는 L/D로 정의된다. 본 발명은 단편 금속으로 제작된 임의의 방사구에도 사용할 수 있지만, 모세관 L/D가 1.5보다 클 때 특별한 이점이 있다. 모세관 직경은 곡면 모세관일 경우의 직경이고, 곡면이 아닌 모세관인 경우에는 단면의 최단 폭치수이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 방사구는 비처리된 금속이 너무 경해서 모세관으로 효과적으로 펀칭되거나 천공될 수 없는 단편 금속으로부터 부가적으로 층을 부착함이 없이 제작된다. 두께가 얇은 방사구 본체는 근접 제어하고 국부적으로 연화된 금속이 모세관 펀칭되도록 소둔될 수 있음이 밝혀졌다. 소둔은 이하 모세관 영역으로 명기된 모세관(28)의 출구면으로부터 내단부까지 방사구 본체의 두께내에서 수행된다. 모세관 영역은 제2도에서 Z-Z선으로부터 출구면(16)까지 연장되는 방사구의 체적으로써 도시되며, 모세관의 길이를 넘어서 출구면까지 연장된다.

물론 상기 모세관 영역은 모세관의 전체 길이보다 약간 크거나 작을 수 있지만, 모세관 영역에 대해 염두에 두어야 할 것은 모세관을 형성할 연화 금속 자체를 제공한다는 것이다. 이런 소둔 과정에 의해서, 상기 모세관 영역은 연화될 수 있으면서 성공적이고 신뢰성있는 작업을 한느데 필요한 방사구의 잔여부가 경도 및 강도를 유지하게 하는 것이다.

국부 소둔은 모세관 영역의 온도를 금속의 재결정 온도 이상 용융 온도 이하까지 올리기 위해 농축 에너지 빔(beam)을 방사구의 출구면 상에 가함으로써 달성될 수 있다. 빔의 초점 및 에너지를 조정하여, 소정 깊이로 소둔하는 것이 오직 모세관 영역에만 영향을 주도록 제어될 수 있다. 양호한 방법은 전자 빔을 사용하는 것이고, 레이저 빔 역시 사용될 수 있다. 전자 빔 가열은 금속을 가열하는 수단으로 잘 알려져 있다. 전자 빔 가열에 대한 설명은 미국 금속 학회(1971) 금속 핸드북(Metal Handbook) 8판 6권, "용접 및 납땜" 519-564쪽에서 찾을 수 있다.

본 발명에 따르는 방사구를 만들기 위해서, 적절한 크기의 유도 구멍이 방사구 블랭크의 입구면쪽으로 출구면에서 소정 거리만큼 드릴 가공되어 형성되고 그 후 테이퍼진 구멍이 드릴 가공되거나 형성된다. 선택적 단계로서, 상기 입구면 및 출구면은 이들 구멍을 만든 후 편평도를 위해서 연마될 수 있다.

상기 모세관을 테이퍼진 구멍에서 출구면까지 형성하기 전에, 출구면에 있는 모세관 영역은 농축 고에너지 빔을 사용한 소둔에 의해서 연화되어야 한다. 소둔은 유도 구멍 및 테이퍼진 구멍이 만들어지기 전이나 후에 행해질 수 있다. 구멍 및 모세관 형성 작업을 중단없이 완결시키기 위해서 상기 구멍을 만들기 전에 소둔을 수행하는 것이 편리하다는 것을 알 수 있다. 소둔은 방사구의 출구면 상에, 출구면과 모세관 영역을 통해서, 금속의 재결정 온도 이상이지만 용융점 이하로 블랭크의 온도가 증가하도록 농축 고에너지 빔을 주사하여 수행될 수 있다. 탄탈 및 탄탈 합금에서, 재결정 온도는 약 1200℃이다. 다른 적절한 금속의 재결정 및 용융 온도는 표 1에 표시하였다. 탄탈 및 탄탈 합금 상에 전자 빔 에너지를 사용할 때, 120KW 10mA빔을 1.5mm 직경에 집중하여 상기 방사구를 주사하는 것이 효율적임을 알 수 있었다. 빔 전력, 빔 포커스 및 주사 속도의 이러한 조합은 탄탈 금속으로 된 약 0.75mm 두께의 소둔 모세관 영역을 얻는데 적절하다는 것을 알았다. 빔 에너지 및 주사 속도는 다른 금속과 함께 사용하는데 조정될 수 있다.

공기 중에서 소둔을 할 때, 몇몇 금속들은 변색 및 산화를 겪게 된다. 상기 이유 때문에, 양호하면서도 선택적으로는 상기 소둔 과정이 진공 또는 비활성 대기에서 행해져야 한다.

일단 소둔이 완료되고 상기 구멍이 제작되면, 상기 모세관은 방사구를 통해서 테이퍼진 구멍의 베이스로부터 출구면까지 형성된다. 모세관 형성은 텅스텐 탄화물이나 공구강과 같이 강하고 내마모성 있는 것으로부터 제작된 펀칭 공구에 의해 소정 모세관과 같이 동일한 크기 및 형상으로 달성될 수 있다. 몇몇 경우, 또한 모세관들은 드릴 가공될 수 있으며 그 목적은 경한 금속에 아주 작은 구멍을 형성하는 것과 동일하다. 본 발명의 목적상, 모세관을 형성하는 것은 모세관을 드릴 가공하는 것을 포함한다. 모세관 형성 후, 버어(burr) 또는 불규칙부를 제거하기 위해서 때로 방사구의 출구면을 폴리싱하는 것이 바람직한 경우도 있다.

[표 1]

* 기존 데이터로부터 산출하거나 평가된 수

** ASTM E527-83 근거한 통일화 번호 체계(UNS) 재료 표시

Ta = 소둔 온도(재결정 온도)

Tm = 용융 온도

Ha = 소둔 조건에서의 경도

Sa = 경화 조건에서의 경도

Sh = 소둔 조건에서의 항복 강도

HRB = 로크웰 "B" 경도 스케일

주 : 기록된 강도/경도까지 재료를 경화시키는 데 필요한 냉간 가공 퍼센트(소성 변환으로 인한 횡단면 감소)는 Sh 다음에 괄호내에 표기되었다.

Claims

입구면, 출구면 및 상기 입구면으로부터 상기 출구면으로 연장된 적어도 하나의 방사관을 갖는 단편 단일 금속 본체를 포함하는 방사구에 있어서, 상기 방사관은 상기 입구면으로부터 금속 본체 내로 연장된 유도 구멍과, 출구면으로부터 금속 본체 내로 상기 유도 구멍과의 연결 지점까지 모세관 영역을 통해 연장된 모세관을 포함하며, 상기 모세관 영역에서의 금속은 본체 잔여부의 금속보다 연하고 상기 유도 구멍의 단면적은 모세관의 단면적보다 크고 상기 모세관의 길이는 상기 모세관 직경의 1.5배 이상인 것을 특징으로 하는 방사구.
제1항에 있어서, 입구면으로부터 모세관까지 상기 금속의 항복 강도는 350MPa보다 큰 것을 특징으로 하는 방사구.
제1항에 있어서, 본체의 금속은 탄탈을 함유하는 것을 특징으로 하는 방사구.
제2항에 있어서, 모세관 영역에서 상기 금속의 항복 강도가 350MPa 보다 작은 것을 특징으로 하는 방사구.
제4항에 있어서, 모세관 영역의 금속이 HRB 85 보다 작은 경도를 갖고 상기 본체의 잔여부의 금속이 HRB 85 보다 큰 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 방사구.
350MPa 보다 큰 항복 강도를 나타내고 입구면 및 출구면을 갖는 단편 단일 금속 본체로부터 방사구를 제작하는 방법에 있어서, (a) 상기 입구면으로부터 본체로 적어도 하나의 유도 구멍을 드릴 가공하는 단계, (b) 출구면으로부터 본체로 적어도 하나의 모세관을 형성하고 유도 구멍과 연결하는 단계, 및 (c) 모세관 형성 전에, 상기 본체의 모세관 영역만을 금속의 재결정 온도 이상 및 용융점 이하의 온도로 가열하여 모세관의 길이를 따라 출구면까지 연장된 본체의 모세관 영역만을 소둔시킴으로써 상기 모세관 영역의 금속만이 350MPa 보다 작은 항복 강도를 나타내게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사구 제작 방법.
제6항에 있어서, 상기 금속이 탄탈을 포함하고 적어도 1250℃까지 가열되는 것을 특징으로 하는 방사구 제작 방법.
제6항에 있어서, 상기 모세관 영역을 드릴 가공 또는 성형 전에 소둔시키는 것을 특징으로 하는 방사구 제작 방법.
제6항에 있어서, 상기 유도 구멍은 상기 모세관 영역이 소둔되기 전에 드릴 가공되는 것을 특징으로 하는 방사구 제작 방법.
제6항에 있어서, 상기 모세관의 길이가 적어도 모세관 직경의 적어도 1.5배인 것을 특징으로 하는 방사구 제작 방법.