KR101910155B1 - Method for manufacturing surface contact bearing with carbon fiber fabric - fluoride resin composite - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일면에 의하면, 탄소섬유와 수지를 복합적으로 사용한 구조의 베어링에 있어서: 평판재(11) 또는 곡판재(12)로 형성되는 기재(10) 상에 불소수지(30)로 함침된 탄소섬유(20)를 복층으로 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 일면에 의하면, 탄소섬유와 수지를 복합적으로 사용한 구조의 베어링을 제조하는 방법에 있어서: (A) 기재(10)의 표면을 전처리하는 단계; (B) 상기 기재(10)의 표면에 탄소섬유(20)와 불소수지(30)로 내층(21)을 형성하는 단계; 및 (C) 상기 내층(21)의 표면에 탄소섬유(20)와 불소수지(30)로 외층(22)을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 각종 기계 장치에서 자기 윤활성을 기반으로 마찰저항을 감소하는 대형의 베어링으로서 평면이나 곡면에 적용하기 위한 유연성과 더불어 고온 및 각종 화학성분이 내재하는 사용환경에서 내구성을 확보하여 적용 분야를 확대하는 효과가 있다.According to one aspect of the present invention, there is provided a bearing using a composite structure of carbon fiber and resin, comprising: a base material (10) formed of a flat plate material (11) or a curved plate material And the fibers 20 are formed in a multi-layered structure.
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a bearing using a composite structure of carbon fiber and resin, comprising the steps of: (A) pre-treating a surface of a base material; (B) forming an inner layer (21) with a carbon fiber (20) and a fluororesin (30) on the surface of the substrate (10); And (C) forming an outer layer 22 of a carbon fiber 20 and a fluororesin 30 on the surface of the inner layer 21.
As a result, it is a large bearing that reduces frictional resistance based on self-lubrication on various mechanical devices. It has flexibility for application to flat or curved surface, and it has expanded durability by ensuring durability under high temperature and various chemical components. .
Description
본 발명은 베어링 제조에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 각종 기계 장치에서 자기 윤활성을 기반으로 마찰저항을 감소하는 탄소섬유직물-불소수지 복합재료 면접촉 베어링 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to bearing manufacturing, and more particularly, to a method for manufacturing a carbon fiber fabric-fluororesin composite material surface contact bearing that reduces frictional resistance based on self-lubricating properties in various mechanical devices.
한국의 베어링 시장규모와 기술력이 꾸준하게 증가되고 있기는 하지만 고온 및 각종 화학성분이 내재하는 사용환경에 적용하기 위한 고정밀, 고성능, 대형 베어링류 등은 독일이나 일본의 수입품에 의존하는 실정이다. 이에 베어링 분야에서 글로벌 기술경쟁력을 제고하기 위한 노력의 일환으로서 복합재 베어링을 비롯한 첨단 베어링에 대한 관심이 높아지고 있다. 카본, 세라믹, 고분자재료 등을 결합한 복합재 베어링은 대형 구조이면서 고온이 작용하거나 무급유가 필요한 환경에 적합하다.Although the size and technology of the bearing market in Korea is steadily increasing, high precision, high performance, and large bearings for use in high temperature and various chemical environments are dependent on imports from Germany and Japan. As part of efforts to enhance global technological competitiveness in the bearing field, interest in advanced bearings including composite bearings is increasing. Composite bearings that combine carbon, ceramics, and polymer materials are suitable for environments that require a large structure, high temperatures or no lubrication.
이와 관련하여 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서 하기의 한국 공개특허공보 제2002-0007248호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제0921408호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.As prior art documents which can be referred to in this connection, there are known the following Korean Patent Publication No. 2002-0007248 (Prior Art 1) and Korean Patent Registration No. 0921408 (Prior Art 2).
선행문헌 1은 PTFE수지 30중량%와, 탄소섬유 20중량%, 실리콘 60중량%, 레진 20중량%의 각 원료들을 골고루 혼합한 다음 혼합된 원료를 약 180℃의 온도로 건조한 뒤 건조된 혼합원료를 다시 사출기에 넣고 사출 금형에서 약 230℃의 온도로 압축성형 제조한다. 이에, 마모나 소음 진동 및 발열 현상이 방지되고 자가 윤활 작용으로 유지관리가 용이한 효과를 기대한다.In the
선행문헌 2는 원통형의 동도금된 강판(동도금강판) 위에 동분말을 소결한 후 테프론 소결이 이루어지도록 하는 동시에, 동분말 소결 및 테프론 소결을 소정의 시간 및 온도를 단계별로 조정하여 소결된 동분말 및 테프론의 두께를 일정하게 형성한다. 이에, 테프론 코팅이 잘 벗겨지지 않고 내마모성 및 자기윤활성이 우수한 효과를 기대한다.In the prior art 2, the copper powder is sintered on a cylindrical copper-plated steel sheet (copper-plated steel sheet), and Teflon sintering is carried out. The sintered copper powder and the Teflon sintering are adjusted in a predetermined time and temperature stepwise, The thickness of Teflon is constant. Thus, it is expected that the Teflon coating will not be peeled off well and excellent abrasion resistance and self-lubricating properties will be obtained.
그러나, 상기한 선행문헌에 의하면 대형 구조의 베어링으로서 적용 분야를 확대하기 위한 물성을 부여하는 측면에서 개선의 여지를 보이고 있다.However, according to the above-mentioned prior art documents, there is room for improvement in terms of imparting physical properties for expanding the application field as a large-sized bearing.
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 대형 구조의 베어링으로서 각종 기계 장치에서 자기 윤활성을 기반으로 마찰저항을 감소함에 있어 평면이나 곡면에 적용하기 위한 유연성과 더불어 고온 및 각종 화학성분이 내재하는 사용환경에서 내구성을 확보하는 탄소섬유직물-불소수지 복합재료 면접촉 베어링 제조방법을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to overcome the above-mentioned problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a bearing having a large structure, which reduces frictional resistance based on self-lubrication in various mechanical devices, And a method of manufacturing a carbon fiber fabric-fluororesin composite material surface contact bearing that ensures durability in a use environment in which the component is inherent.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일면에 의하면, 탄소섬유와 수지를 복합적으로 사용한 구조의 베어링에 있어서: 평판재 또는 곡판재로 형성되는 기재 상에 불소수지로 함침된 탄소섬유를 복층으로 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, according to one aspect of the present invention, there is provided a bearing comprising a carbon fiber and a resin in combination, the carbon fiber impregnated with a fluorine resin is formed into a multilayer on a substrate formed of a flat plate member or a curved plate member .
본 발명의 변형예로서, 상기 기재는 평판재를 사용하는 경우 곡판재로 성형하기 적합한 요철홈을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.According to a modification of the present invention, the substrate further includes a concavo-convex groove adapted to be formed into a curved plate material when a flat plate material is used.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 탄소섬유는 내층 및 외층에서 물성, 데니어, 위경사조직을 차등적으로 적용한 직물 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.As a detailed configuration of the present invention, the carbon fibers are formed in a fabric structure in which the inner layer and the outer layer are differentially applied with physical properties, denier, and fine-grained synthetic resin.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 불소수지는 PFA 수지 또는 동등 이상의 강도, 윤활성, 내마모성, 내열성을 지닌 소재를 사용하는 것을 특징으로 한다.As a detailed constitution of the present invention, the fluororesin is characterized by using a PFA resin or a material having equivalent strength, lubricity, abrasion resistance, and heat resistance.
본 발명의 다른 일면에 의하면, 탄소섬유와 수지를 복합적으로 사용한 구조의 베어링을 제조하는 방법에 있어서: (A) 기재의 표면을 전처리하는 단계; (B) 상기 기재의 표면에 탄소섬유와 불소수지로 내층을 형성하는 단계; 및 (C) 상기 내층의 표면에 탄소섬유와 불소수지로 외층을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a bearing having a structure using a composite of carbon fiber and resin, comprising the steps of: (A) pretreating a surface of a substrate; (B) forming an inner layer of carbon fiber and fluororesin on the surface of the substrate; And (C) forming an outer layer of carbon fiber and fluororesin on the surface of the inner layer.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 탄소섬유는 카본입자, 금속입자, 다공질체 중의 적어도 하나를 함침 상태로 더 구비하는 것을 특징으로 한다.In a detailed configuration of the present invention, the carbon fiber further includes at least one of carbon particles, metal particles, and a porous body in an impregnated state.
본 발명의 변형예로서, 상기 단계 (C)는 외층의 표면에 요철홈 또는 충진재 중 적어도 하나를 더 부가하는 것을 특징으로 한다.As a modification of the present invention, the step (C) is characterized in that at least one of the uneven groove or the filler is further added to the surface of the outer layer.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 각종 기계 장치에서 자기 윤활성을 기반으로 마찰저항을 감소하는 대형의 베어링으로서 평면이나 곡면에 적용하기 위한 유연성과 더불어 고온 및 각종 화학성분이 내재하는 사용환경에서 내구성을 확보하여 적용 분야를 확대하는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, as a large-sized bearing which reduces frictional resistance based on self-lubricating properties in various mechanical devices, it has flexibility for application to planar or curved surfaces and has durability in a use environment in which high temperature and various chemical components are embedded Thereby expanding the application field.
도 1은 본 발명에 따른 베어링에 적용되는 기재를 나타내는 모식도
도 2는 본 발명에 따른 베어링의 주요 단면 구성을 나타내는 모식도
도 3은 본 발명의 변형예에 따른 주요 단면 구성을 나타내는 모식도
도 4는 본 발명에 따른 베어링의 제조방법을 나타내는 공정흐름도1 is a schematic view showing a substrate applied to a bearing according to the present invention;
2 is a schematic view showing a main cross-sectional structure of a bearing according to the present invention;
3 is a schematic view showing a main cross-sectional configuration according to a modification of the present invention
4 is a flowchart showing a method of manufacturing a bearing according to the present invention.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 일면에 의하면, 탄소섬유와 수지를 복합적으로 사용한 구조의 베어링에 관하여 제안한다. 비교적 대형 기계 장치용 베어링을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 화학 플랜트 장비, 제철소 장비 등의 고내열성 및 내화학적인 환경에 대응하여 무급유 구조를 구현하는 탄소섬유와 수지의 복합재로 대형 베어링 또는 부시를 제공한다.According to one aspect of the present invention, a bearing having a structure using a composite of carbon fiber and resin is proposed. But is not necessarily limited to, bearings for relatively large machinery. It provides a large bearing or bush with carbon fiber and resin composite that realizes no lubrication structure in response to high heat resistance and chemical environment such as chemical plant equipment and steel mill equipment.
본 발명에 따르면 평판재(11) 또는 곡판재(12)로 형성되는 기재(10) 상에 불소수지(30)로 함침된 탄소섬유(20)를 복층으로 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 기재(10)는 기계 장치의 하중을 지탱하는 부분으로서 금속재가 적합하지만 이와 동등 이상의 강도와 강성을 지닌 여타 소재도 적용할 수 있다. 도 1(a)는 평판재(11)를 예시하고, 도 1(b)는 곡판재(12)를 예시한다. 탄소섬유(20)는 특정 원료 물질의 종류나 형태에 한정되지 않으나 PAN계나 피치계를 사용하여 직물 형태로 구성하는 것이 선호된다. 탄소섬유(20)에 함침되는 수지는 자기 윤활성이 높으면서 용융성형이 가능한 불소수지(30)를 주성분으로 사용하는 것이 바람직하다. 도 1처럼 탄소섬유(20)와 불소수지(30)의 함침 결합체를 용융 상태에서 기재(10) 상에 내층(21)과 외층(22)으로 부착하여 경화를 유발한다.The present invention is characterized in that a
한편, 탄소섬유(20) 상에 저마찰 중합체인 폴리에스터사와 플루오로카본 중합체 모노필라멘트를 더 부가할 수도 있다.On the other hand, a low friction polymer polyester yarn and a fluorocarbon polymer monofilament may be further added on the
본 발명의 변형예로서, 상기 기재(10)는 평판재(11)를 사용하는 경우 곡판재(12)로 성형하기 적합한 요철홈(15)을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 요철홈(15)은 일방향으로 평행한 직선형으로 형성하지만 양방향으로 교차하는 망형으로 형성할 수도 있다. 어느 경우에나 요철홈(15)에 의하여 평판재(11)에서 곡판재(12)로 벤딩하기 용이할뿐더러 후속 공정에서 탄소섬유(20)-불소수지(30)에 대한 결합력도 증대된다.As a modification of the present invention, the
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 탄소섬유(20)는 내층(21) 및 외층(22)에서 물성, 데니어, 위경사조직을 차등적으로 적용한 직물 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다. 외층(22)은 최외곽의 표면에 노출된 층을 의미하고, 내층(21)은 외층(22)을 제외한 은폐된 층을 의미한다. 물성은 탄소섬유(20)의 종류 외에 여타의 섬유를 환합하여 조절할 수 있다. 도 2에서 탄소섬유(20)가 외층(22)으로 갈수록 데니어가 축소되는 상태를 예시한다. 위경사조직은 평직이 선호되지만 능직, 주자직 등을 배제하는 것은 아니다.The
이때, 내층(21) 및 외층(22)에서 탄소섬유(20)의 물성, 데니어, 위경사조직은 용도에 따라 다르게 설정되지만 외층(22)은 상대적으로 내마모성 및 자기 윤활성이 높게 유지되어야 한다. 만일 평판재(11)를 곡판재(12)로 벤딩하는 경우를 고려한다면 내층(21)과 외층(22)에서 탄성(유연성)이 차등화되는 구조를 택하는 것이 바람직하다.At this time, the physical properties, denier, and diameter of the
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 불소수지(30)는 PFA 수지 또는 동등 이상의 강도, 윤활성, 내마모성, 내열성을 지닌 소재를 사용하는 것을 특징으로 한다. 상기한 물성 외에 유동성, 내피로성, 전기절연성 측면에서 적합한 불소수지(30)로 PFA(Perfluoroalkoxy)가 선호되지만 ETFE(Ethylene tetrafluoroethylene), PVDF(Polyvinylidene difluoride), FEP(Fluorinated ethylene propylene) 등을 대체적 또는 혼합적으로 적용할 수 있다. PFA 수지는 설정된 온도에서 설정된 시간 동안 가열하여 분자량 증가와 물성을 발현을 유도한다.As a detailed constitution of the present invention, the
본 발명의 다른 일면에 의하면, 탄소섬유와 수지를 복합적으로 사용한 구조의 베어링을 제조하는 방법에 관하여 제안한다. 도 1 및 도 2를 이용하여 설명한 구조의 베어링을 양산적으로 제조하는 방법으로 구현한다.According to another aspect of the present invention, a method of manufacturing a bearing using a composite structure of carbon fiber and resin is proposed. The bearing of the structure described with reference to Figs. 1 and 2 is implemented by a method of mass-production.
본 발명의 단계 (A)는 기재(10)의 표면을 전처리하는 과정으로 진행된다. 전처리는 기재(10)의 표면에 이물질을 제거하는 블라스팅, 산세 등의 작업 외에 요철홈(15)을 형성하는 작업도 포함한다. 경우에 따라 단계 (A)에서 평판재(11)를 곡판재(12)로 벤딩하는 공정도 진행할 수 있다.Step (A) of the present invention proceeds to a step of pretreating the surface of the
본 발명에 따른 단계 (B)는 상기 기재(10)의 표면에 탄소섬유(20)와 불소수지(30)로 내층(21)을 형성하는 과정을 거친다. 도 4에서 탄소섬유(20)의 적층과 불소수지(30)의 도포를 구분하여 나타내지만 양자를 함침된 상태로 기재(10)에 부착하면서 불소수지(30)를 더 부가하는 방식이 보편적으로 선호된다. 단계 (B)에서 내층(21)은 2층 이상으로 적층된 구조를 구현할 수 있다.The step (B) according to the present invention is performed by forming the
본 발명에 따른 단계 (C)는 상기 내층(21)의 표면에 탄소섬유(20)와 불소수지(30)로 외층(22)을 형성하는 과정으로 진행된다. 단계 (C)도 기본적으로 단계 (B)와 동일한 방식으로 진행하여 외층(22)을 형성한다. 다만 외층(22)의 형성에 있어서 가열에서 냉각으로 온도를 변동함과 더불어 일정한 압력을 부가하는 것이 소정의 물성 발현에 유리하다.The step (C) according to the present invention proceeds to the step of forming the
이때, 도시에는 생략하나 단계 (B)(C)는 개방 가능한 밀폐공간에 설정된 온도, 압력, 진동을 인가하는 성형 금형을 사용하는 것이 바람직하다. 프레스와 금형을 기반으로 기재(10), 탄소섬유(20), 불소수지(30)의 혼합체에 온도와 진동을 부가하고, 탄소섬유(20)와 불소수지(30)의 함침이 충분이 진행된 다음 진동을 멈추고 압력을 인가하면서 실온까지 냉각한다.At this time, it is preferable to use a molding die that applies the temperature, pressure, and vibration set in the openable closed space in steps (B) and (C). Temperature and vibration are added to the mixture of the
한편, 양산에 있어서 금형의 온도를 70℃, 270℃, 360℃로 단계적으로 상승시키고 하강시키며 성형하는 것이 좋다.On the other hand, in mass production, it is preferable to mold the mold by gradually raising and lowering the temperature of the mold to 70 ° C, 270 ° C and 360 ° C.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 탄소섬유(20)는 카본입자, 금속입자, 다공질체 중의 적어도 하나를 함침 상태로 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 카본입자는 내마모성과 내피로성을 향상하고, 금속입자는 베어링 제품의 치수 안정성을 높인다. 다공질체는 세라믹이나 Cu-Sn계 합금을 사용할 수 있고 내마모성과 자기 윤활성을 높인다. 카본입자, 금속입자, 다공질체는 불소수지(30)와 고르게 분산된 상태로 투입한다. 카본입자, 금속입자, 다공질체는 내층(21)과 외층(22)에서 차등적으로 부가될 수 있다.As a detailed construction of the present invention, the
본 발명의 변형예로서, 상기 단계 (C)는 외층(22)의 표면에 요철홈(35) 또는 충진재(40) 중 적어도 하나를 더 부가하는 것을 특징으로 한다. 도 3에서 외층(22)에 기재(10)의 요철홈(15)과 유사한 요철홈(35)을 형성하고 충진재(40)를 부가한 상태를 예시한다. 요철홈(35)은 전체적으로 라운드를 지닌 파형에 근사한 형태가 선호된다. 충진재(40)는 불소수지(30)와 동등하면서 고탄성을 지닌 재료를 사용한다. 충진재(40)에 폴리에테르이미드 수지, 폴리에테르술폰 수지, 폴리아미드 수지 등을 선택적으로 부가한다. 충진재(40)는 요철홈(35)에 한정되어 충진될 수도 있고 전체적으로 도포될 수도 있다. 어느 경우에나 프레스와 금형 상에서 외층(22)의 경화 직전 또는 경화가 완성된 시점에 외력을 인가하면 평판재(11)가 곡판재(12)로 형성되면서 요철홈(35)과 충진재(40)로 인하여 변형이 흡수된다.As a modification of the present invention, the step (C) is characterized in that at least one of the
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. It is therefore intended that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.
10: 기재 11: 평판재
12: 곡판재 15: 요철홈
20: 탄소섬유 21: 내층
22: 외층 30: 불소수지
35: 요철홈 40: 충진재10: substrate 11: flat plate material
12: Curved plate 15: Uneven groove
20: carbon fiber 21: inner layer
22: outer layer 30: fluororesin
35: uneven groove 40: filler
Claims (7)
상기 베어링은, 곡판재(12)로 성형하기 위한 요철홈(15)을 지닌 평판재(11) 또는 곡판재(12)로 형성되는 기재(10) 상에 불소수지(30)로 함침된 탄소섬유(20)를 복층으로 형성하여 이루어지고, 상기 탄소섬유(20)는 내층(21) 및 외층(22)에서 물성, 데니어, 위경사조직을 차등적으로 적용한 직물 구조로 형성되고, 상기 불소수지(30)는 PFA 수지 또는 동등 이상의 강도, 윤활성, 내마모성, 내열성을 지닌 소재를 사용하는 구조로서,
상기 방법은,
(A) 기재(10)의 표면을 전처리하는 단계;
(B) 상기 기재(10)의 표면에 탄소섬유(20)와 불소수지(30)로 내층(21)을 형성하는 단계; 및
(C) 상기 내층(21)의 표면에 탄소섬유(20)와 불소수지(30)로 외층(22)을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지되,
상기 단계 (B)(C)는 밀폐공간에 설정된 온도, 압력, 진동을 인가하고, 금형의 온도를 단계적으로 상승시키고 하강시키며 성형하며,
상기 탄소섬유(20)는 카본입자, 금속입자, 다공질체를 함침 상태로 더 구비하고,
상기 단계 (C)는 외층(22)의 표면에 요철홈(35) 및 충진재(40)를 더 부가하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유직물-불소수지 복합재료 면접촉 베어링의 제조방법.A method of manufacturing a bearing having a structure using a composite of carbon fiber and resin, comprising:
The bearing is made of carbon fiber impregnated with a fluororesin (30) on a base material (10) formed of a flat plate material (11) or a curved plate material (12) Wherein the carbon fibers 20 are formed in a fabric structure in which the inner layer 21 and the outer layer 22 are differentially applied with physical properties, ) Is a structure using a PFA resin or a material having equivalent strength, lubricity, abrasion resistance and heat resistance,
The method comprises:
(A) pretreating the surface of the substrate 10;
(B) forming an inner layer (21) with a carbon fiber (20) and a fluororesin (30) on the surface of the substrate (10); And
(C) forming an outer layer (22) with a carbon fiber (20) and a fluororesin (30) on the surface of the inner layer (21)
In the steps (B) and (C), the temperature, pressure, and vibration set in the closed space are applied, the temperature of the mold is gradually raised and lowered,
The carbon fibers 20 further include carbon particles, metal particles, and porous bodies in an impregnated state,
Wherein the step (C) further comprises adding a recessed groove (35) and a filler (40) to the surface of the outer layer (22).
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