KR101219714B1 - 이음매 없는 정착기용 메탈슬리브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화상형성장치의 정착기에 주로 사용되는 메탈슬리브(Metal Sleeve)에 관한 것으로, 메탈슬리브 내면의 경도가 표면보다 월등히 높으며, 나노조직과 주상결정조직이 혼재된 복합결정조직(Composite crystal structure)을 갖게 하여 인성과 탄성이 우수한 물성을 갖는 새로운 메탈슬리브에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 무전해 함인니켈도금에 의해 형성된 함인니켈박막층; 및 전기도금에 의해 상기 함인니켈박막 상에 형성된 금속박막층;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 정착기용 메탈슬리브에 관한 것이다.

Description

이음매 없는 정착기용 메탈슬리브{Seamless metal sleeve for fuser}

본 발명은 화상형성장치의 정착기에 주로 사용되는 메탈슬리브(Metal Sleeve)에 관한 것으로, 메탈슬리브 내면의 경도가 표면보다 월등히 높으며, 나노조직과 주상결정조직이 혼재된 복합결정조직(Composite crystal structure)을 갖게 하여 인성과 탄성이 우수한 물성을 갖는 새로운 메탈슬리브에 관한 것이다.

이음매 없는 극박막의 원통형 메탈슬리브(Seamless Metal Sleeve)는 복사기, 프린터, 팩스, OHP시트, 기타 화상형성장치 등에서 열 압착을 통해 토너 잉크를 기록지에 단단히 고정 시키는 토너 정착기의 부품의 하나이다. 최근들어 출력속도와 사용수명이 시장 지배력을 결정하게 되면서, 화상형성장치의 고속화와 고내구성 요구를 만족시키기 위해 기존의 폴리이미드 필름 소재를 대신해 금속재료를 이용한 슬리브로 빠르게 대체되어 가고 있는 상황이다. 이와 함께 제조사별로 다양한 정착기 내부 구조에 적합한 메탈슬리브를 경제적으로 대량생산할 수 있는 방법이 요구되고 있다.

통상 메탈슬리브 내부에 마찰을 일으키는 구조물이 없을 경우에는 보통 강도(Hv 300~400)와 고인성(연신율 5% 이상) 특성을 갖는 메탈슬리브를 사용해도 되지만, 도 1에 예시한 것과 같이 메탈슬리브 내부에 열원발생장치(세라믹히터 또는 할로겐램프) 및 이를 지지하는 구조물이 있을 경우에는 메탈슬리브 내면과의 접촉이 계속 일어나게 되면서 마찰에 의한 내부 변형이나 패임의 문제가 발생된다. 또한 메탈슬리브를 회전시키기 위한 하부의 탄성 롤러의 압력에 의해 접지면에서는 수없이 많은 굽힘과 펴짐 동작이 반복되어 일어나게 되는데 이런 조건에서도 재료가 파단되지 않기 위해서는 최소한의 인성값이 요구됨과 동시에 높은 탄성값이 필요하다. 따라서 이러한 피로파괴와 마찰응력에 견딜 수 있는 강도(경도값으로 제어), 인성(연신율값으로 제어), 탄성값(결정조직과 탄성계수로 제어) 등의 특성을 적절히 제어함으로써 20만매 이상 사용할 수 있는 고 내구성의 메탈슬리브를 경제적으로 대량 생산 할 수 있는 방법의 개발이 필요하게 되었다.

메탈슬리브는 전주도금(electroforming) 방법 또는 딥드로잉(deep drawing) 공정을 포함한 기계적 가공에 의한 방법(이하, '딥드로잉 방법'이라 칭함)에 의해 제조할 수 있다. 그러나 딥드로잉 방법에 의해서는 니켈 고유의 연질성으로 인하여 정착기에 적합한 특성을 갖는 니켈 메탈슬리브를 제조할 수 없다.

니켈 전주도금(Electroforming)에 의한 중공관형 슬리브의 제작은 이미 오래 전부터 알려져 왔으며, 최근 들어 화상 정착 장치에 적합한 박막형(두께 40마이크로미터 내외) 메탈슬리브의 기술 개발이 집중적으로 이루어지고 있다. 일반적인 전주도금 방식에 의하면 표면 거칠기가 Rz=0.5~1.0 마이크로미터 이하가 되도록 표면을 가공처리한 중공관 형태의 스테인레스 재질의 마스터에 통상 30~40 마이크로미터 두께로 니켈을 전주도금한 후 마스터로부터 전주도금된 층을 분리하여 메탈슬리브를 제조한다. 전주 도금은 통상 60℃ 내외의 작업 온도에서 행해지며, 전주도금액은 시판되고 있거나 여러 문헌에 소개되고 있는 썰퍼민산 니켈 계열이나 황산니켈을 사용한다.

전주도금에 의해 제조된 메탈슬리브는 고온에 노출되는 경우 취성이 급격히 증가하여 쉽게 부스러지는 문제점을 갖는다. 도 2에서 보듯이 실제로 메탈슬리브는 그 표면에 테프론(흑백용)이나 실리콘고무 코팅(칼라용) 등 이형과 탄성을 목적으로 코팅을 하여 사용하게 되는데 그 과정에서 테프론 코팅의 경우 250~350℃, 실리콘 고무 코팅의 경우 200~250℃ 내외의 열처리 공정을 거치게 된다. 실리콘고무 코팅과 같이 취성에 영향을 적게 미치는 200℃ 전후의 저온 코팅 작업을 하였다 할지라도 실제 프린터나 복사기 사용 중 용지가 걸리거나 기계적 고장으로 인해 정착기의 내부 온도가 통상적인 200℃ 이하의 온도 범위를 벗어나 일시적으로 온도가 300℃까지 순간적으로 올라갈 수 있으므로 상기의 취성의 증가는 불가피하여 신뢰성 있는 부품으로서는 다소 부족한 점이 있다.

전주도금에 의한 메탈슬리브의 취성은 소재에 의도적으로 첨가 되지는 않았으나 도금 액 중 첨가제의 분해 생성물에서 생기는 황 성분과 황함유 니켈 양극(흔히 양극 용해도를 높이기 위해 황이 함유된 S-Round 타입 니켈 양극을 사용)으로부터 니켈과 함께 도금층에 공석되는 황 성분에 기인한다. 황은 통상 나노 크기의 결정 구조를 형성하는데 기여하기 때문에 결정립계에는 도금 시 형성된 많은 황 입자가 존재한다. 230℃ 이상의 온도 조건에 메탈슬리브가 노출되면 나노 크기의 결정립은 마이크로미터 단위로 결정성장이 일어나 결정립들은 100만배 정도로 부피 성장한다. 이는 결정립계의 면적이 그 만큼 줄어들게 되는 것으로, 그 결과 결정립계에 누적된 황의 농도가 단위 면적으로 비교시 수백배 이상 급격히 증가하게 되어 메탈슬리브가 황의 입계편석에 의한 취성을 나타내며 재료가 부스러지는 취약점을 갖게 된다. 이런 문제로 인해 도금층에 형성된 황의 함량을 조절하거나 열충격시 결정의 성장을 억제시키는 결정성장억제제를 첨가하는 등 다방면의 연구가 진행되고 있다.

일본공개특허 2002-148975, 일본등록특허 4444778, 및 일본공개특허 2006-106350는 전주도금 방식에 의한 니켈슬리브 제조 시 특정원소를 일정 범위내로 함유시켜 고용강화 효과에 의한 경도 상승을 얻거나 열처리 과정을 통해 도금 결정조직의 성장을 억제함으로써 재료의 강도를 유지 시키는 방법을 제공하고 있다. 일본등록특허 제4133728호는 전기도금에 의해 메탈슬리브의 외면보다 내면에 인을 많이 함유하도록 한 후 열처리하여 내면경도가 외면경도보다 높아지도록 하였다. 그러나 상기 등록특허에서 메탈슬리브내 인함량의 차이는 단순한 전기화학학 현상에 기인한 것이다. 전기도금의 초기 단계에서는 금속 마스터 표면에 인이 니켈보다 보다 쉽게 전착되며 아주 짧은 시간 이후에는 도금액의 조성에 따라 공석되기 때문에 내면의 극히 일부층이 표면보다 인 함량이 다소 높아지게 되며 이로 인해 열처리후 내면의 경도가 표면보다 약간은 높아지나 그 차이는 미미하다. 즉, 이러한 조건은 기존 전기도금에 의한 현상을 기술한 것일 뿐 의도적 조작에 의한 제안이 아니다.

위의 발명 조건들은 단지 재료의 강직성만을 나타내는 경도 특성만 강조할 뿐 실제 메탈슬리브 재료에 요구되는 경도와 상호 모순관계에 있는 인성과 탄성값을 함께 제어하기 위한 연구는 미진한 상태이다. 또한 전기도금 작업시 황의 함량을 제어하는 것에 의해 재료의 경도, 인성 및 탄성값을 조절하고자 하는 상기 발명들의 경우, 현실적으로 많은 인자를 제어해야 하는 도금 작업 특성상 균일한 황 함량값을 얻기 어렵고 결정구조의 크기도 제어하기가 쉽지는 않다는 문제가 있다. 결정조직의 구조 또한 결정이 미세할수록 경도는 증가하나 인성값은 저하되는 반비례 관계를 갖고 있기 때문에 이 또한 새로운 결정조직의 구조를 제안할 필요가 있게 되었다.

일본공개특허 2002-148975 일본등록특허 4444778 일본공개특허 2006-106350 일본등록특허 제4133728호

본 발명의 목적은 상기의 문제점을 해결하기 위해 내면은 표면보다 높은 경도값을 갖고, 전체적으로는 높은 인성값과 탄성값을 갖는 정착기 부품으로서 우수한 물성을 갖는 메탈슬리브를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 전주도금에 의한 메탈슬리브의 주요 단점인 황에 의한 취성의 문제점을 해결한 메탈슬리브를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 무전해 함인니켈도금에 의해 형성된 함인니켈박막층; 및 전기도금에 의해 상기 함인니켈박막 상에 형성된 금속박막층;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 정착기용 메탈슬리브에 관한 것이다.

메탈슬리브에서 인은 고용효과에 의해 Ni₃P의 금속간화합물을 생성시키는 것에 의해 결정성장을 억제하여 경도의 상승을 만들어 내게 된다. 본 발명의 메탈슬리브는 내면이 무전해 함인니켈도금에 의해 형성된 함인니켈박막층으로 이루어져 있어 내면경도가 전기도금에 의해 외면에 형성된 금속박막층의 외면경도보다 우수하다. 따라서 전기도금 시 경도를 높이기 위해 흔히 사용되고 있는 결정성장억제 성분인 인, 황, 탄소, 망간 등의 원소를 의도적으로 첨가할 필요가 없으며, 도금 용액의 첨가제 구성 성분으로 존재 하거나 니켈 양극에서 녹아 나와 니켈도금층에 함께 석출되는 황의 농도를 도금용액내에서 인위적으로 조절하려는 시도를 할 필요가 없다

본 발명의 메탈슬리브에서 함인니켈박막층 중 인 함량은 0.5% ~ 2.0%(wt)인 것이 바람직하다. 인 함량이 0.5%보다 적으면 메탈슬리브로서 필요로하는 물성값의 확보가 어려우며, 인 함량이 2%보다 많은 경우에는 마스터로부터 메탈슬리브의 분리가 어려웠다.

마찬가지로 상기 함인니켈박막층의 두께가 너무 얇은 경우에는 메탈슬리브의 경도 상승에 미치는 영향이 미약하고, 도금두께가 너무 두꺼우면 도금에 소요되는 시간이 너무 길어져 제조원가가 급격히 상승하므로 함인니켈박막층의 두께는 1~10㎛인 것이 바람직하고 3~5㎛인 것이 더욱 바람직하다. 더불어, 함인니켈박막층과 금속박막층의 총 두께는 통상적인 업계 표준으로 30~50 ㎛ 정도인 것이 바람직하다. 총 두께가 너무 얇다면 내구성이 약하고, 두께가 너무 두꺼우면 고속화상장치에 적용하는 데 문제가 있다.

전기도금에 의해 형성되는 금속박막층의 금속은 니켈(Ni), 니켈과 철 합금(Ni/Fe), 니켈과 코발트 합금(Ni/Co), 니켈과 망간 합금(Ni/Mn), 니켈과 주석 합금(Ni/Sn), 니켈과 아연 합금(Ni/Zn), 니켈과 구리 합금(Ni/Cu), 니켈과 철과 코발트 합금(Ni/Fe/Co), 니켈과 철과 크롬 합금(Ni/Fe/Cr), 크롬(Cr) 및 구리(Cu)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다. 하기 실시예에서는 니켈 메탈슬리브만을 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것이 아니며 동일한 기술적 사상에 의해 다른 금속 또는 니켈과의 합금에도 적용될 수 있음은 당연하다.

본 발명에 의한 메탈슬리브는 수소분위기에서 열처리하는 것에 의해 더욱 우수한 물리적 특성을 나타낸다. 상기 열처리는 본 발명에 의한 메탈슬리브에 대해 다음과 같은 효과를 나타낸다.

(1) 메탈슬리브의 내면을 구성하는 함인니켈박막층에 함유된 인 성분이 열확산에 의해 외부로 일부 이동하게 되면서 함인니켈박막층과 니켈박막층 두층간의 완전 결합을 만들어 낼 뿐 아니라, 인의 고용효과에 의해 Ni₃P의 금속간화합물을 생성시켜 결정성장을 억제하므로써 경도를 상승시킨다. 이때, 인함량이 높은 내면의 경도가 인함량이 낮은 외면보다 경도가 크게 상승하여 본 발명에 의한 메탈슬리브는 내면경도가 외면경도에 비해 20~40% 높은 특성을 갖게 된다. 따라서 마찰응력이 주로 작용되는 내면은 고강도 특성을 유지하면서 표면은 인성값이 높아 메탈슬리브 전체적으로는 인장강도 1,500 ~1,800 MPa, 경도 450~600Hv 및 연신율 2~5%로 고강도, 고인성의 양 특성을 갖게 될 수가 있게 된다.

(2) 수소분위기에서 열처리하는 과정에서 메탈슬리브 내의 황성분이 수소와 하기 반응식에 의해 반응하여 기체상태의 황화수소(H₂S)의 형태로 제거되므로써 황에 의한 취성을 억제할 수 있게 된다.

[반응식]

H₂ + S → H₂S↑

Ni₃S₂ + 2H₂ → 3Ni + 2H₂S↑

상기와 같은 열처리는 금속의 성질을 개량하기 위한 방편의 하나로서 경도값을 높이기 위하여 적용된 종래기술의 단순한 열처리와 그 구체적인 목적, 구성 및 효과가 상이한 것으로 본 발명을 구성하는 고유한 기술적 사상이다.

상기 열처리는 0.001~0.2 Mpa의 수소분위기, 350~400℃에서 이루어진 것이 바람직하다. 사전실험에 의하면, 수소농도가 0.001 MPa보다 낮은 경우에는 탈황 효과를 충분히 얻을 수 없었다. 수소농도가 0.2 MPa보다 높은 경우에는 탈황의 속도가 너무 빨라 완전 탈황에 의해 재료의 경도가 200 Hv이하로 감소하여 메탈슬리브에 요구되는 특성을 충족시키지 못하였다. 또한 높은 수소농도는 생산 비용을 상승시킬 뿐 아니라 열처리로의 폭발 위험이 있어 0.2 Mpa 이하의 수소농도에서 열처리하는 것이 바람직하다.

한편, 350℃보다 낮은 온도에서 열처리된 경우에는 열처리 시간을 증가시켜도 탈황이 효과적으로 이루어지지 않아 메탈슬리브의 취성이 개선되지 않으며, 온도가 300℃보다 높은 경우에는 1분 정도의 아주짧은 시간에도 순간적으로 과어닐링(heavy annealing)되기 때문에 결정조직이 10 ㎛ 이상으로 과성장되어 메탈슬리브의 인장강도와 경도가 급격히 낮아진다.

상기 열처리는 10분 이상으로 작업시간에 상한이 있는 것은 아니나, 통상 3시간 이내의 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다. 열처리 시간이 너무 짧으면 전술한 열처리 효과의 발현이 충분하지 않으며 시간이 길어짐에 따라 경도상승과 탈황 효과는 증가하나 작업 효율이 낮아진다. 보다 구체적인 열처리 시간은 메탈슬리브의 크기, 동시에 처리되는 수량, 장비의 구조, 용량 등 구체적인 조건에 따라 최적 조건으로 조절되어야 함은 당연하다.

상기와 같은 수소농도, 온도 및 시간의 조건에서 열처리하는 것에 메탈슬리브는 나노결정조직(Nano crystal structure)과 주상결정조직(Columnar crystal structure)이 고르게 혼재된 복합결정조직(Composite crystal structure)을 갖게 된다. 이에 반해, 전기도금 방식으로만 제조된 메탈슬리브는 나노결정조직으로만 이루어져 있어 재료강직성은 유지되나 취성은 존재하게 된다. 본 발명에 의한 메탈슬리브는 특히 전위가 존재하지 않으며 상기 복합결정조직 중 0.1~0.5㎛크기의 주상결정립의 분포가 20~40%인 것을 특징으로 한다.

도 3은 본 발명에 의한 메탈슬리브를 제조하기 위하여 전주도금을 실시하는 방법의 일례를 도식화한 것이다. 마스터(1)는 화살표 방향으로 이동되며 무전해 함인니켈도금조(3), 수세조(4), 니켈 양극(2)을 구비한 전기도금조(5), 수세조(6), 건조로(7)를 단계적으로 거쳐 도금이 이루어지게 된다.

마스터의 제작이나 최적의 도금이 이루어지기 위한 사전 준비단계, 도금 이후 메탈스리브를 마스터에서 분리하는 기술 등은 여러 특허에서 이미 언급이 되어 있고 각 제조사 마다 나름대로 많은 현장 경험에 의해 노하우(Know-how)로 관리되며 작업자 숙련에 의한 방법을 사용하고 있어 본 발명에서는 이에 대한 언급은 생략한다. 무전해 함인니켈도금액이나 전기도금액과 도금 조건에 대해서도 역시 다양한 제품이 오래전부터 판매되고 있고 각 제조사마다 사용자가 원하는 인함량 조절과 도금두께 조절 조건에 대한 명시가 역시 상세히 제공되므로 본 발명의 명세서에서는 별도로 상세히 설명하지 않더라도 당업자라면 원하는 인함량 및 두께 에 맞추어 함인니켈도금층이나 금속도금층을 용이하게 형성할 수 있을 것이다.

이상과 같이 본 발명의 메탈슬리브는 일반적 전주도금에 의해 제조된 메탈슬리브의 결정적 단점인 황에 의한 취성이 없으면서, 내면경도가 높아 열원체를 구성하는 내부 구조물의 회전 운동에 의한 내면의 마찰응력에 대한 내구성이 우수한 동시에, 외면은 인성과 탄성이 우수하여 정착기의 부품으로 보다 효과적으로 이용될 수 있다.

도 1은 메탈스리브의 내부 구조와 실제 프린터시 정착 과정을 도식화한 도면.
도 2는 메탈스리브의 구조를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 전주도금 방법을 보여주는 개념도.
도 4는 딥드로잉 방식으로 제조된 스테인레스스틸 메탈슬리브의 결정구조를 보여주는 사진.
도 5는 일반적인 전기니켈도금 방식에 의해 제조된 메탈슬리브의 결정구조를 보여주는 사진.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 메탈슬리브의 결정구조를 보여주는 사진.
도 7은 고온에서 열처리된 메탈슬리브의 조대 결정구조를 보여주는 사진.
도 8은 본 발명의 일실시예의 의해 제조된 도 6의 메탈슬리브 중 주상결정조직의 결정입자 크기분포를 보여주는 그래프.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 예시적인 목적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

이하 도면과 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 도면과 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.

제조예 : 메탈슬리브의 제조

(A) 무전해 함인 니켈도금

이음매없는 메탈슬리브의 제조를 위한 스테인레스 스틸 재질의 마스터를 하기와 같은 조성을 갖는 무전해 함인 도금액에 침지하고, 온도를 90~100℃ 범위로 조절하여 무전해 니켈 도금을 실시하였다. 도금액 중 치아인산나트륨의 사용량은 표 1에 기재하였다. 도금액의 pH는 4~6이고, 도금속도는 조성액에 따라 차이가 있었으나 대략 15~30㎛/hr이었다. 도금층의 두께는 도금이 완료된 후 마이크로미터를 사용하여 측정하였다.

무전해 함인 도금액 조성

염화니켈 30g/ℓ

치아인산나트륨 10g~25g/ℓ

연산 나트륨 또는 사산나트륨 15g/ℓ

상기와 같은 조건으로 표 1에 기재된 것과 같이 함량 0.5~3%, 두께 1~10㎛로 1차 니켈 도금층을 형성한 후, 마스터를 무전해 도금액으로부터 꺼내 정제수로 수세하였다.

(B) 니켈 전해 전주도금

(A)의 방법에 의해 니켈 도금층이 형성된 마스터를 음극으로, 순도 99.8% 이상의 Ni을 양극으로 사용하여 전기도금을 실시하였다. 전기도금액의 조성은 하기와 같으며, 45~60℃에서 5~8 ASD의 전류밀도로 약 30분간 전기 도금하였다.

전기 도금액 조성

니켈 설페이트 400g/ℓ

붕산 35g/ℓ

염화니켈 5g/ℓ

피트방지제 (ICN-P : 인천화학) 0.1g/ℓ

광택제 (Saccharin) 0.05g/ℓ

전기 도금이 완료되면 정제수를 사용하여 수세한 후, 100~150℃에서 1시간건조하고, 마스터로부터 메탈슬리브를 분리하여 최종 도금두께가 약 40 ㎛인 이음매없는 메탈슬리브를 얻었다. 인 함량이 2.1% 이상인 시료 그룹에서는 마스터에서 메탈스리브 분리가 제대로 이루어지지 않아 강제 절단하여 시료를 채취하였다.

각 시료번호 별로 10개 씩 총 160개의 시료 SAMPLE을 얻었으며 시료의 끝단에서 분석시료를 취하여 EDS(EDX detector)와 ICP(Optima 200DV)를 사용하여 인(Phosphorus) 함량을 정량 분석하고, 도금 후 마이크로미터에 의해 측정한 도금두께와 함께 그 결과를 표 1에 기재하였다.

(3) 열처리

(2)에서 얻어진 각각의 메탈슬리브를 380℃, 0.1MPa 수소분위기에서 30분간 열처리하였다.

실시예 : 메탈슬리브의 물성 측정

(1) 인함량 및 무전해 도금층의 두께에 따른 메탈슬리브의 측정

상기 제조예에서 제조된 시료에 대해, 각 시료번호 별로 열처리 전후 각 5개씩의 기계적 물성값을 측정하고 그 평균값을 구해 표 2에 기재하였다. 기계적 물성값은 나노인덴터(모델명 MTS Nanoindenter XP)와 인장시험기(모델명 Shimadzu AG-1,100kN)를 사용하여 측정하였으며, 결정구조의 변화를 확인하기 위해 OIM(FESEM S-4300)을 이용하여 미세 조직을 측정 하였다. 측정자간의 오차를 방지하기 위해 동일한 측정자가 연속 측정 하였다.

표 2의 결과에서 알 수 있듯이, 무전해 니켈층의 인 함량이 높을수록, 무전해 도금 두께 층이 두꺼울수록 열처리 전의 내면경도가 컸으며, 열처리에 의해 그 차이가 더욱 증가하였다. 이는 무전해 함인 도금에 의해 내면 도금층에 포함된 인이 열처리에 의해 표면으로 확산되면서 Ni3P 금속간 화합물을 형성하는 것에 의해 경도의 증가를 가져오기 때문에 인 함량과 무전해 도금 두께가 경도에 영향을 미치는 것으로 사료된다. 표 2에서 열처리 전의 외면경도는 인함량이나 무전해 도금층의 두께와 무관하였으며, 열처리에 의해 인이 확산됨에 따라 외면경도가 다소 증가하였으나 내면만큼 크게 증가 하지 않았다. 이는 표면으로 갈수록 인 함량이 감소하기 때문이라고 볼 수 있다. 연신율은 내면경도와 마찬가지로 열처리에 의해 증가하였으며, 인함량이 높을수록, 무전해 도금층이 두꺼울수록 다소 증가하는 경향을 나타내었다.

무전해 함인 니켈층의 인 함량이 0.5% 이상일 때 열처리 이후의 경도값과 연신율 및 탄성계수가 전체적으로 우수한 특성을 보임을 알수가 있었다. 따라서 하기 추가 실험에서는 물성이 우수하고 메탈슬리브의 분리가 용이한 시료번호 #5 ~ #12 시료 중 대표적 물성값을 갖는 #7, #11 조건에서 제작된 시료를 사용하여 각 조건에서의 물성 변화를 추가로 확인하였다.

(2) 열처리 온도에 따른 메탈슬리브의 물성 측정

상기 제조예 (2)의 시료번호 #7과 #11 조건에서 제작된 시료에 대해 표 3에 기재된 바와 같이 0.1MPa 수소분위기에서 300~450℃의 온도 범위에서 30분간 열처리한 후 열처리 온도에 따른 물성과 Bending 특성을 관찰하였다. 열처리 온도의 범위는 수소에 의한 탈황이 일어나지 않는 300℃ 미만의 온도와 훨씬 높은 온도로 인해 결정 성장이 급속히 일어나 인의 고용효과가 없다고 판단되는 450℃ 이상의 온도를 벗어나지 않는 범위에서 50℃ 단위로 구분하였다. Bending 특성은 각 시료별 5개씩의 시편에 대해 시편의 가운데 부분을 기점으로 앞뒤 180˚로 반복적으로 동일한 위치를 접는 작업을 반복하며 180˚ 구부린 후 다시 원상태로 복구하는 과정을 1회 동작으로 하여 절단이 일어날 때까지의 동작수를 측정하고 그 평균값을 구하여 표 3에 기재하였다. 여기서 0.5의 값은 180˚ 접은 상태에서는 파단이 없었으나 원 상태로 펴지는 과정에서 파단이 일어나는 경우이다.

표 3의 결과에서 알 수 있듯이 300℃에서 열처리하는 경우에는 열처리 이전에 비해 물성값의 약간 개선되었으나, 그 효과가 크지 않았다. 뿐만 아니라 낮은 열처리 온도로 인해 탈황이 제대로 일어나지 않아 Bending 성이 좋지 않았다. 반면 450℃ 이상에서는 Bending 특성과 연신율이 매우 좋아지나 경도가 급격하게 저하되었는데, 이는 과어닐링으로 인해 결정조직이 조대하게 성장하였기 때문으로 사료된다. 따라서 내면경도 500(Hv) 이상을 유지 하면서 높은 탄성계수와 연신율을 나타내며 Bending 특성이 좋은 350℃~400℃의 온도 영역이 메탈슬리브에 필요로 한 최적의 열처리 조건임을 확인할 수 있었다.

(3) 열처리 시간에 따른 메탈슬리브의 물성 측정

상기 제조예 (2)의 시료번호 #7의 조건에서 제작된 시료에 대해 표 3에 기재된 바와 같이 300℃, 380℃ 또는 450℃, 0.1MPa 수소분위기에서 열처리시간을 바꿔가며 처리한 후, 열처리 시간에 따른 물성과 Bending 특성을 관찰하고 그 결과를 표 4에 기재하였다. 즉, 낮은 온도인 300℃의 열처리 시간을 연장시킨 경우와, 고온인 450℃에서의 단시간 처리한 경우의 물성의 변화를 측정하였다. 또한, 적절한 열처리 시간 범위를 확인하기 위하여 380℃에서의 열처리 시간 경과에 따른 물성의 변화를 함께 측정하였다.

표 4로부터 확인할 수 있듯이 300℃ 이하의 온도에서 열처리 시간을 24시간으로 늘리는 경우에는 내면경도는 다소 증가하여 메탈슬리브에 요구되는 최소한의 경도값인 450Hv에 근접하였으나 Bending 특성은 여전히 1 회에도 미치지 못하였다. 450℃ 영역에서는 단 30초 처리 시에도 Bending 특성이 양호하게 개선되었으나, 경도 역시 급격하게 감소하여 짧은 시간에서도 과어닐링이 일어났음을 알 수가 있었다. 380℃에서 열처리시에는 열처리 시간이 경과함에 따라 점차 경도와 탄성계수가 증가하다 다시 감소하는 경향을 나타내었으나, 10분~3시간 범위 모두 메탈슬리브에 요구되는 조건을 충족하였다. 이때 내면경도값은 외면경도값 보다 약 15~30% 더 증가하였다. Bending 특성은 열처리 시간이 길수록 우수하였다.

(4) 메탈슬리브의 결정구조 비교

여러 가지 방법에 의해 제조된 메탈슬리브의 결정구조를 확인하기 위하여 딥드로잉 방식으로 제작된 스테인레스 메탈슬리브(일본, Endo 社), 제조예의 (B) 조건에서 니켈 전기도금한 메탈슬리브 및 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 메탈슬리브의 결정구조를 OIM(FE-SEM S-4300)을 사용하여 측정하고 그 결과를 도 4~도 8에 도시하였다.

도 4는 딥드로잉 방식으로 제작된 스테인레스 메탈슬리브의 결정구조를 보여주는 사진으로, 20㎛ 이상의 연신 변형된 결정립과 일부 재결정립으로 불균일하게 배열되어 있음을 알 수 있었다. 또한 결정입계에는 석출물이 결정입내에는 고밀도의 전위가 잔류하였다. 표면의 결정 조직은 불규칙한 형태의 {110}<001>//DZ 결정조직들이 전단변형 집합조직을 이루고 있었다.

니켈전기도금 방식에 의해 제조된 메탈슬리브의 결정특성은 도 5에서 알 수 있듯이 완전 나노조직으로 형성되어 있다. 이로 인하여 높은 강도와 경도를 구현 할 수는 있으나 잔류 황의 취성으로 인해 낮은 연신율과 취약한 Bending 특성을 나타낸다.

도 6은 본발명의 일실시예에 의한 시료로 보다 구체적으로는 제조예 2)의 시료번호 #7의 시료를 380℃에서 15분간 열처리한 후의 시료의 SEM 사진이다. 도 6에서 검정색으로 표시되는 부분은 나노사이즈의 입자가 모여있는 나노결정조직을 나타내며, 붉은색으로 표시되는 부분은 주상결정조직을 나타낸다. 본 발명에 의한 메탈슬리브는 나노조직과 주상형조직의 혼합 복합조직으로 이루어져 있으며 주상복합조직이 전체 20~40%를 차지함을 알 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이 주상결정조직은 0.1~0.5 마이크로미터 크기의 직경을 갖는 결정립으로 이루어져 있다. 또한 입내 전위(dislocation) 역시 관측되지 않았다.

도 7은 제조예 2)의 시료번호 #7의 시료를 450℃에서 15분간 열처리한 후의 시료로 과어닐링에 의해 결정조직이 조대하게 성장한 것을 확인할 수 있었다.

하기 표 5는 딥드로잉 방식 및 니켈 전기도금에 의해 제조된 메탈슬리브와 본 발명에 의해 제조된 메탈슬리브의 특성을 비교하여 정리한 것이다.

앞서 설명하였듯이 화상정착기의 메탈슬리브 부품으로 사용되기 위한 Bending 특성을 확보하기 위해서는 적정 연신율을 가지면서 경도와 탄성계수가 높은 재료가 적합하며 특히 마찰응력이 집중되는 메탈슬리브 내면경도가 중요하다. 표 5에서 확인할 수 있듯이, 딥드로잉 방식에 의해 제조된 메탈슬리브는 기계 가공경화에 의해 강도와 경도는 우수하나 냉간가공에 의해 발생된 응력의 잔류로 인해 연신율이 낮고 1회 미만의 Bending 특성을 나타낸다. 또한 재질 역시 스테인레스스틸에 한정된다. 전기도금에 의해서 니켈 또는 함인니켈 메탈슬리브를 제조할 수 있으나 황에 의한 취성으로 특성이 bending 특성이 취약하다. 본 발명의 무전해 함인니켈도금/니켈전기도금에 의해 제조된 메탈슬리브는 가장 중요한 내면의 경도를 낮추지 않으면서도 메탈슬리브 전체의 연신율과 Bending 특성을 유지 시키는 장점을 갖게 되는데 이는 무전해에 의해 도금된 인 성분이 열처리 과정을 통해 Ni₃P의 금속간 화합물을 만들어 냄과 동시에 수소 탈황을 통해 황에 의한 취성을 급격히 감소시켰기 때문이다.

1 : 마스터 2 : 니켈 양극
3 : 무전해 함인니켈도금조 4, 6 : 수세조
5 : 전기도금조 7 : 건조로

Claims (11)

1. 무전해 함인니켈도금에 의해 형성된 함인니켈박막층; 및 전기도금에 의해 상기 함인니켈박막 상에 형성된 금속박막층;을 포함하여 구성되는 정착기용 메탈슬리브로서, 상기 메탈슬리브는 수소분위기에서 열처리되고, 상기 메탈슬리브의 내면경도가 외면경도보다 높은 값을 갖는 것을 특징으로 하는 정착기용 메탈스리브.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   함인니켈박막층 중 인의 함량은 0.5% ~ 2%(w/w)인 것을 특징으로 하는 정착기용 메탈슬리브.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 함인니켈박막층의 두께는 1~10 ㎛인 것을 특징으로 하는 정착기용 메탈슬리브.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속박막층의 금속은 니켈(Ni), 니켈과 철 합금(Ni/Fe), 니켈과 코발트 합금(Ni/Co), 니켈과 망간 합금(Ni/Mn), 니켈과 주석 합금(Ni/Sn), 니켈과 아연 합금(Ni/Zn), 니켈과 구리 합금(Ni/Cu), 니켈과 철과 코발트 합금(Ni/Fe/Co), 니켈과 철과 크롬 합금(Ni/Fe/Cr), 크롬(Cr) 및 구리(Cu)로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 정착기용 메탈슬리브.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 메탈슬리브는 인장강도 1,500 ~1,800 MPa, 경도 450~600Hv 및 연신율 2~5%의 물성을 갖는 것을 특징으로 하는 정착기용 메탈슬리브.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 메탈슬리브는 나노결정조직과 주상결정조직이 혼재된 복합결정조직을 갖는 것을 특징으로 하는 정착기용 메탈슬리브.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 복합결정조직 중 0.1~0.5㎛ 크기의 주상결정립들의 분포가 20~40%인 것을 특징으로 하는 정착기용 메탈슬리브.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리는 0.001~0.2 Mpa의 수소분위기, 350~400℃에서 이루어진 것을 특징으로 하는 정착기용 메탈슬리브.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 열처리는 10분~3시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 정착기용 메탈슬리브.
    
    

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