KR100428075B1

KR100428075B1 - 부식방지용 베어링 제조 방법

Info

Publication number: KR100428075B1
Application number: KR10-2001-0006198A
Authority: KR
Inventors: 이부락
Original assignee: 이부락
Priority date: 2001-02-08
Filing date: 2001-02-08
Publication date: 2004-04-27
Also published as: KR20020066025A

Abstract

본 발명은 베어링의 내륜과 외륜 및 리테이너, 볼등을 복합 지르코니아 세라믹으로 형성하여 고속용, 진공용, 청정(Clean room), 내식용, 내열성, 비자성체, 방사선용, 내화학성, 저온, 고온, 전도성, 절연성 등의 특수 환경에서도 사용이 가능하도록 된 부식방지용 베어링 제조 방법에 관한 것이다

더욱 상세하게는 지르코니아(ZrO₂) 92.66∼96.4%, 이투륨(Y2O₃) 4.95∼5.35%, 알루미나(Al₂O₃) 0.15∼0.35%, 산화규소(SiO₂) 0.02%, 산화철(Fe₂O₃) 0.01%, 산화나트륨(Na₂O) 0.04%의 조성물로 이루어진 복합 지르코니아 세라믹 분말을 혼합하는 공정과,

상기 복합 지르코니아 세라믹 분말을 볼 형태로 프레스하는 성형공정과,

상기 프레스 성형공정에서 압력1ton/㎠∼2ton/㎠, 소성온도 1200℃∼1400℃에서 소결하는 공정을 거쳐 연마, 세척, 조립하여 베어링을 제조할 수 있도록 된 것이다.

이와 같이 베어링의 회전축이 안정적으로 구륜되도록 하고, DI-water, 산, 알카리, 유독가스(Fume), 수증기(steam), 가스에서 화학적으로 가능토록 하는 동시에 물성적인 경도를 갖도록 하여 많은 마찰에도 쉽게 마모되지 않도록 하고, 산, 알카리, 가스의 접촉을 막기위해 별도의 씰링 장치를 하지 않아도 부식이 생기지 않고 장기간 사용할 수 있도록 한 것이다.

Description

부식방지용 베어링 제조 방법{method manufacture bearing of prevention rust}

본 발명은 베어링에 관한 것으로서, 베어링의 내륜과 외륜 및 리테이너, 볼 등을 세라믹으로 형성하여 고속용, 진공용, 청정(Clean room), 내식용, 내열성, 비자성체, 방사선용, 내화학성, 저온, 고온, 전도성, 절연성 등의 특수 환경에서도사용이 가능하도록 된 부식방지용 베어링 제조 방법에 관한 것이다.

종래에는 스틸 베어링의 소재(STB 2, STS 440C등)를 열처리하여 마르텐사이트(martensite)화 하여 마찰계수와 피로현상을 줄여 사용하여 왔다. 따라서 이러한 금속 베어링은 부식성에 매우 약하므로 부식이 발생되는 원인을 제거하기 위해 스테인레스 스틸(stainless steel)를 열처리하지 않은 Austenite화에서 사용하여 보았지만 DI-water, 산, 알카리, 유독가스(Fume), 수증기(steam), 가스에서 화학적 (chemical)으로는 가능하나 물성(리)적으로는 경도를 갖지 못해 베어링의 내륜, 외륜, 볼간의 많은 마찰 계수를 갖게 되므로 쉽게 마모되고 불규칙한 마모로 인한 원하는 구름운동을 얻을 수가 없다.

즉, 마르텐사이트(martensite)화의 경우에는 martensite DI-water, 산, 알카리, 유독가스(Fume), 수증기(steam), 가스의 접촉을 막고 오일을 보호하기 위해 베어링 하우징의 양쪽에 씰(Seal)을 한겹 또는 두겹으로 씰링 처리하고 있지만 베어링의 설치구성상 많은 어려운 문제점이 있으며, 또한 씰의 내구성 한계로 수명이 매우 짧아 베어링 주변부품을 전부 교체해야 하므로 많은 시간과 비용이 소요되는 단점이 있으며, 파이프 상태의 non-ion성의 플라스틱 및 금속으로 사용되어 왔다. 따라서 이는 선 또는 면 접촉 구동방식이기 때문에 소재 물성상 심한 마찰계수가 생길 수밖에 없으며, 점차적으로 면 접촉되면서 베어링에 받는 하중과 속도에 따라서 많은 마찰계수를 갖게 된다. 또한 여기서 발생하는 많은 분진(particle)들은 LCD, 반도체 칩을 생산하는 정밀제품과 제약회사의 약품제조라인에 유입될 경우 치명적인 불량제품이 발생될 뿐만 아니라 베어링이 회전운동을 하면서 마찰계수의 정도에 따라서 회전축의 흔들림 현상이 발생하여 제품의 불량률이 증가되는 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 베어링의 내륜, 외륜, 리테이너, 볼 등의 소재를 세라믹(Seramics)으로 원료처리→성형→소결→연마, 가공→완제품→세척→조립의 공정으로 베어링을 성형하여 고속용, 진공용, 청정용(Glean room), 내식용, 내열성, 비자성체, 방사선용, 내화학성, 저온, 고온, 전도성, 전열성 등을 갖도록 한 것으로서, DI-water, 산, 알카리, 유독가스(Fume), 수증기(steam), 가스등에 화학적으로 부식이 이루어지지 않도록 하여 제품의 불량 율을 최대한 줄일 수 있도록 한 것이다.

도1은 본 발명에 따른 베어링 볼의 제조공정도.

도2는 본 발명에 따른 베어링 볼의 연마장치 구성도.

도3은 본 발명에 따른 베어링 조립 구성도

<도면중 주요 부분에 대한 부호 설명>

1:베어링 2:베어링 볼

3:내륜 4:외륜

5:리테이너 6:가압판

7:투입구 8:회전판

8':요홈

이하 첨부 도면에 의거하여 본 고안을 상세히 설명하면 다음과 같다.지르코니아 세라믹 분말을 이용하여 볼 형태로 성형공정과, 상기 성형된 볼을 소결 공정을 거쳐 연마, 세척, 조립하는 제조단계로 이루어진 부식방지 베어링 제조방법에 있어서,

지르코니아(ZrO₂) 92.66∼96.4%, 이투륨(Y2O₃) 4.95∼5.35%, 알루미나(Al₂O₃) 0.15∼0.35%, 산화규소(SiO₂) 0.02%, 산화철(Fe₂O₃) 0.01%, 산화나트륨(Na₂O) 0.04%의 조성물로 이루어진 복합 지르코니아 세라믹 분말을 혼합하는 공정과,상기 복합 지르코니아 세라믹 분말을 볼 형태로 프레스 성형하고 프레스 압력 1ton/㎠∼2ton/㎠, 소성온도 1200℃∼1400℃에서 소결하는 공정과,상기 소결된 볼(2)은 다이아몬드분말과 혼합되어 연마기의 상부 가압판(6) 일측에 구비된 투입구(7)를 통하여 회전판(8)에 다수 형성된 ∨형의 요홈(8')에 인입되어 가공 연마되는 공정과,상기 연마공정에서 완전한 구형으로 가공연마 된 볼을 세척하는 공정과, 상기 세척된 볼을 내륜(3)과 외륜(4)에 조립하는 공정으로 이루어진 것이다.

이와 같은 제조 공정으로 이루어지는 본 발명은 먼저 베어링(1)의 내륜(3), 외륜(4), 리테이너(5), 볼(2)등의 소재를 세라믹(Seramics)으로 하고 각각의 금형을 설계하여 준비한다. 이때 제품을 양산화 하기 위해 금형이 갖추어야 할 조건은 기본적으로 내구성이 길어야 하고, 금형의 크랙 발생이 없어야 제품의 표면이 매끄럽고 우수한 제품을 생산 할 수 있게 된다.

따라서 본 발명은 원활한 구륜을 위해 가장 중요한 베어링의 볼을 제조하기 위한 것으로 이의 원료를 지르코니아(ZrO₂), 이투륨(Y2O₃), 알루미나(Al₂O₃), 산화규소(SiO₂), 산화철(Fe₂O₃), 산화나트륨(Na₂O)의 조성물로 이루어진 복합 지르코니아 세라믹 분말을 혼합하여 베어링 볼을 성형할 수 있는 원료를 준비한다.

상기와 같이 준비된 조성물을 지르코니아(ZrO₂) 92.66∼96.4%, 이투륨(Y2O₃) 4.95∼5.35%, 알루미나(Al₂O₃) 0.15∼0.35%, 산화규소(SiO₂) 0.02%, 산화철(Fe₂O₃) 0.01%, 산화나트륨(Na₂O) 0.04%을 혼합하여 금형에 넣어 성형한다.

상기 금형은 성형하고자 하는 베어링의 크기에 따라서 여러가지 종류로 설계제작한다. 본 발명에서 추구하는 복합 베어링의 규격은 아래의 표1과 같다.

상기 표1에서와 같이 성형하고자 하는 베어링의 규격에 해당하는 금형을 준비

하여 준비된 복합 지르코지아 세라믹의 원료를 넣고 프레스로 압축 성형한다.

상기 압축되는 원료는 프레스 성형공정에서 압력1ton/㎠∼2ton/㎠, 소성온도 1200℃∼1400℃에서 소결한다. 이때 일축성형시 발생되는 밀도의 불균일성을 개선하고 차후 고품질의 베어링을 성형하기 위한 목적으로 성형방식을 정수압 성형을 동시에 실시하였다. 본 발명에서 사용되는 지르코니아 소결은 대개 1200℃ 이상에서 이루어지므로 소성온도를 1,250℃에서 1,400℃까지 변화시켜 밀도와 수축율 등의 특성변화를 조사하여 최적의 제조공정조건을 도출시키도록 하였다.

또한 베어링의 내경과 외경의 수축율이 크게 다르므로 링 모양의 베어링의 구조에서 오는 밀도의 미세한 차이나 구조물의 역학적 관계로 인하여 수축율 변화가 수반된 것으로 판단되었다. 따라서 이들의 편차를 최종치수에 반영하기 위하여 소성전후의 외경과 내경의 수축율 변화 측정하였다.

아래의 표2는 소성온도와 성형압에 따른 외경 수축율을 측정한 것이며, 표3은 소성온도와 성형압에 따른 내경 수축율이며, 표4는 소성온도와 성형압에 따른 두께 수축율이며, 표5는 소결온도와 일축성형압에 따른 밀도의 특성을 나타낸 것이며, 표6은 소결온도와 정수압(CIP)에 따른 밀도의 특성을 나타낸 것이다.

상기의 표에서 알 수 있듯이 소결 온도가 높을 수록 지르코니아 베어링의 소결 밀도는 증가하였는데 소성온도는 1,250∼1,300℃ 였으며, 일축성형 때의 밀도는 5.92∼6.12g/㎤로 폭넓은 값이 얻어졌다.

상기 성형압은 저온에서 수축율에 영향을 많이 주었으며 1,250℃에서는 소성온도가 중요한 인자로 작용하였다.

상기 표5와 표6에서 살펴보면, 일축성형과 정수압성형간의 차이는 1,250℃의 저온 소결 영역에서만 압력의 영향을 받았다. 이때 정수압성형에서는 밀도가 5.91∼6.07g/㎤의 값으로 일축성형시 보다 변화 폭이 적게 얻어졌다.

상기 성형압력이 증가하면서 베어링의 수축율이 증가하였는데 성형의 영향을 크게 받았고 그 값은 21∼24% 범위에 있어 편차가 컸다. 이때 수축율은 소성온도에 따라서 차이가 발생되는데 소성온도가 높으면 수축율이 증가하다가 1,400℃근방의 고온에 이르면 수축율이 둔화 하였고 성형압이 작은 베어링에서는 오히려 수축율이 감소하는 경향을 보였다.

한편 정수압 성형에 의한 수축율은 일축성형에 의한 것보다 수축율 변화범위가좁아 22∼23.5%의 변화를 나타내었다. 정수압성형으로 제조된 베어링 역시 소성온도가 높을 수록 수축율이 증가하였으나 일축성형보다 큰 폭의 변화는 보이지 않았다.

상기와 같이 성형 및 소결이 끝난 후 베어링 볼(2)은 다이아몬드 분말과 혼합되어 연마기의 상부 가압판(6) 일측에 구비된 투입구(7)를 통하여 인입된 다음 회전판(8)을 회전시키면 외면에 연마제 분말이 도포된 베어링 볼이 회전판에 원형으로 다수 형성된 ∨형의 요홈(8')에 각각 인입되어 가공연마된다. 이때 볼의 연마시 중요한 것은 연마공차를 최대한 0.05mm정도로 적게 하는 것이 연마시간을 단축할 수 있게되는 것이며, 베어링의 구름운동을 원할하게 하기 위해서는 볼의 진구도가 매우 월등해야 하며 볼 성형시 균일한 밀도를 얻어야 한다.

상기 연마기의 회전판 구동은 저부에 설치된 구동모터 또는 제3의 구동력에 의하여 선택적으로 행할 수 있게 된다.

상기 회전판에 원형으로 다수 형성된 ∨형의 요홈(8')에 각각 인입 된 볼은 회전판(8)이 회전함에 따라서 볼(2)이 자체적으로 회전함과 동시에 상부의 가압판(6)에 의하여 공정상태가 이루어지므로 볼은 회전판(8)과 가압판(6)사이에서 자전과 공전을 이루면서 연마되어 진구도가 매우 월등하게 된다.

상기 연마과정을 마친 후에는 세척, 조립과정을 마치면 베어링이 완성된다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 베에링 제조공정을 간단히 요약하여 살펴보면, 소재를 복합 지르코니아 세라믹(Seramics)분말로 원료준비→성형→소결→연마,가공→완제품→세척→조립의 공정으로 베어링을 성형하는 것이다.

본 발명에 있어서 베어링의 사용용도에 따라서 내륜과 볼, 리테이너를 복합 지르코지아 세라믹로 성형하고 외륜은 금속 또는 플라스틱으로 할 수 있으며, 외륜과 볼, 리테이너를 복합 지르코지아 세라믹로 성형하고 내륜을 금속 또는 플라스틱으로 할 수 있으며, 외륜, 내륜, 볼, 리테이너를 모두 복합 지르코지아 세라믹으로 성형하여 베어링을 성형할 수 있게 된다.

이렇게된 본 발명은 고속용, 진공용, 청정용(Clean room), 내식용, 내열성, 비자성체, 방사선용, 내화학성, 저온, 고온, 전도성, 전열성 등에 잘 견딜 수 있도록 함으로써, 반도체 칩을 생산하기 위한 작업공정으로 웨이퍼 엣칭시 엣칭액에 의한 베어링의 부식방지, 해변가에 설치되는 기계설비의 회전축에 사용되는 베어링의 염에 의한 부식방지, 얼음분쇄기 및 인공설에 사용되는 회전축 베어링의 습기, 냉동에 의한 부식방지, 제약회사 작업현장의 작업설비에 사용되는 축 베어링 등 DI-water, 산, 알카리, 유독가스(Fume), 수증기(steam), 가스등과 접촉되는 현장의 설비장치의 베어링이 화학적으로 부식되는 것을 방지할 수 있게 된다.

이와 같이 이루어진 본 발명은 부식을 막기위하여 외륜, 내륜, 볼, 리테이너를 복합 지르코지아 세라믹으로 성형하여 베어링의 회전축이 안정적으로 구륜되도록하고, DI-water, 산, 알카리, 유독가스(Fume), 수증기(steam), 가스에서 화학적으로 가능토록 하는 동시에 물성적인 경도를 갖도록 하여 많은 마찰에도 쉽게 마모되지 않도록 하고, 산, 알카리, 가스의 접촉을 막기 위해 별도의 씰링 장치를 하지 않아도 부식이 생기지 않고 장기간 사용할 수 있도록 한 것이다.

또한 본 발명은 최근 신기술의 진보와 더불어 반도체 장치, LCD ＆ 브라운관, 모니터 제조설비, 항공/우주, 해양설비, 공작기계, 제강설비, 진공/고온/초저온설비, 생명공학/이화학 기기, 화학제조장치, 식품/섬유제조설비, 절연성 설비, 비자성용도, 각종 실험용기기 등에 적합한 복합 볼베어링과 볼 그리고, 특수부품 등을 적용하여 특수환경분야 및 첨단 기술분야 등 산업전반에 걸쳐 신개념의 설비기술을 지원할 수 있게 된 효과를 갖게 되었다.

Claims

지르코니아 세라믹 분말을 혼합하여 볼 형태로 성형공정과, 상기 성형된 볼을 소결공정을 거쳐 연마, 세척, 조립하는 제조단계로 이루어진 부식방지 베어링 제조방법에 있어서,

지르코니아(ZrO₂) 92.66∼96.4%, 이투륨(Y2O₃) 4.95∼5.35%, 알루미나(Al₂O₃) 0.15∼0.35%, 산화규소(SiO₂) 0.02%, 산화철(Fe₂O₃) 0.01%, 산화나트륨(Na₂O) 0.04%의 조성물로 이루어진 복합 지르코니아 세라믹 분말을 혼합하는 공정과,

상기 복합 지르코니아 세라믹 분말을 볼 형태로 프레스 성형하고 프레스 압력1ton/㎠∼2ton/㎠, 소성온도 1200℃∼1400℃에서 소결하는 공정과,

상기 소결된 볼(2)은 다이아몬드분말과 혼합되어 연마기의 상부 가압판(6) 일측에 구비된 투입구(7)를 통하여 회전판(8)에 다수 형성된 ∨형의 요홈(8')에 인입되어 가공 연마되는 공정과,

상기 연마공정에서 완전한 구형으로 가공연마 된 볼을 세척 후 내륜(3)과 외륜(4)에 조립하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 부식방지 베어링 제조방법.
제1항에 있어서, 베어링의 외륜, 내륜, 볼, 리테이너가 지르코니아(ZrO₂) 92.66∼96.4%, 이투륨(Y2O₃) 4.95∼5.35%, 알루미나(Al₂O₃) 0.15∼0.35%,산화규소(SiO₂) 0.02%, 산화철(Fe₂O₃) 0.01%, 산화나트륨(Na₂O) 0.04%의 조성물로 베어링이 제조되도록 된 것을 특징으로 하는 부식방지 베어링 제조 방법.
삭제