KR101996205B1 - 자동차 생산라인내 차량이송 대차용 탄소섬유 ?을 적용한 친환경 탄소베어링 및 그 제조방법 - Google Patents

자동차 생산라인내 차량이송 대차용 탄소섬유 ?을 적용한 친환경 탄소베어링 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차 생산라인내 차량이송 대차용 탄소섬유 ?을 적용한 친환경 탄소 베어링 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 탄소분말, 탄소섬유 ?, 피치바인더를 혼합하여 원천소재를 형성한 후, 상기 원천소재를 분쇄 및 드라이 아이스를 통해 그레인 또는 그레뉼로 중간소재를 형성한 후, 상기 중간소재를 전처리공정, 진공열처리, 탄소화과정을 거쳐서 최종적으로 탄소베어링을 제조하게 됨으로써, 종래의 환경치화적이지 못한 문제점을 완벽하게 해소할 수 있음과 동시에 기계적 강도 등 종래의 베어링과 동일 또는 유사한 효과가 있으며, 무엇보다, 함침공정을 배제하였고 탄소베어링에 혼합된 피치계 탄소섬유에 의해 마찰계수가 낮아져 내마모성의 향상과 내구성 증대를 가져온 탄소복합재를 이용한 새로운 탄소베어링 제조 기술이다.

Description

자동차 생산라인내 차량이송 대차용 탄소섬유 ?을 적용한 친환경 탄소베어링 및 그 제조방법{Eco-friendly carbon bearing using carbon fiber for vehicle transportation in vehicle production line and its manufacturing method}
본 발명은 자동차 생산라인내 차량이송 대차용 탄소섬유 ?을 적용한 친환경 탄소베어링 및 그 제조방법에 관한 것으로, 탄소분말과 고온 열처리한 피치계 탄소섬유를 잘게 분쇄한 ?(Chop) 및 액상피치(Liquid pitch) 또는 고상피치(Pitch power)를 적절하게 혼합한 원천소재를 금형(Mold)으로 성형이 가능한 그레인(Grain) 또는 그레뉼(Granule)형상의 유동성을 지닌 중간소재를 형성하고, 상기 중간소재를 성형 후, 열처리하여 별도의 함침공정 없이 최종적인 탄소베어링을 제조할 수 있는 기술에 관한 것이다.
통상적으로 차량이송용 대차에 적용되고 있는 탄소성형체(베어링 또는 부싱)은 대차의 축을 지지하는 베어링 역할과 점성의 윤활제를 주입할 수 없는 건식환경에서 도장면의 열처리공정에서 물성 및 기능의 변화 없이 추가적으로 소음을 방지하거나 억제시키는 역할을 수행한다.
한편, 이송 차량의 하중에 견디기 위해 경도, 강도와 같은 기계적 성질을 향상시켜 내마모성을 증대시키기 위한 추가적인 공정으로 세계적으로 중금속을 강제압입(함침)시키는 방법을 적용하고 있는데, 이러한 방법을 상세하게 설명하면, 도 1에 도시된 바와 같이 차량이송 대차용 탄소베어링은 블록(Block) 또는 바(Bar)형태의 탄소재를 수입하여 기계적인 가공을 통하여 원통모양으로 형상제조를 한 후 밀폐용기에 투입한 후 중금속인 안티몬(Antimony) 또는 바비트 혼합물(주성분-납, 경화제-주석)을 용해한 후 밀폐용기 내부에 압력을 가해 탄소베어링 내부의 기공으로 강제압입하는 함침공정을 하거나 이미 중금속이 함침되어 가공이 완료된 소재를 수입한 다음 내륜으로 채택하여 금속성 외륜에 압입한 후 최종 탄소베어링을 완성하게 된다.
현재까지 주로 국내에서 사용되고 있는 탄소재 부품은 탄소 성형체(베어링 또는 부싱) 내 유독성물질인 안티모니(Antimony, Sb)이나 바비트(Babbitt, 주성분 납(Pb))와 같은 중금속을 함침(Impregnate)시킨 블록 혹은 튜브형상의 소재를 수입하여 가공공정을 거친 후 제품으로 사용하고 있다.
내마모성을 증가시키기 위한 함침재(Impregnated material)로 사용되는 안티모니와 납은 각각 폐와 장기에 흡수되는 유독성 물질이며 장시간 노출될 경우 중추신경계에 장애를 일으키는 국제적인 규제대상 물질임에도 수입통관 시 단순히 인조 흑연으로 분류되어 유해물질의 포함여부를 확인하지 않고 제재 없이 통관이 이루어지고 있다.
안티모니나 납과 같은 중금속을 함침하는 이유는 흑연성형체가 고온소결(2,200℃ ~ 2,300℃)과정을 거치면 성형체 내부에 존재해 있던 휘발분(결합제, 충진제 등)의 일부 혹은 전부가 제거되는 과정에서 휘발분 만큼의 기공이 발생하며, 이 기공을 비중이 큰 중금속으로 메우는 함침 공정을 거치면 기계적 성질 향상으로 고하중을 견딜 수 있고 내마모성이 증가된 탄소성형체의 제조가 가능하기 때문이다.
이에, 전 세계적으로 기계구조용 탄소재는 우수한 특성 때문에 진공펌프, 베어링, 메카니컬 씰 등의 핵심부품으로 그 사용범위가 넓어지고 있으나 사용조건이 가혹해지면서 수요처에서는 점차 내구성이 뛰어난 부품개발을 요구하고 있다.
특히, 탄소재 부싱은 기존 구름 베어링에 비해 소음, 내화학성, 적용 온도 범위 등에서 탁월한 장점을 가지고 있다.
한국등록특허 10-1616015호 한국공개특허 10-2015-0135330호 한국등록특허 10-1066789호 한국등록특허 10-1620943호
기존에는 대차(Carrier)에 적용되는 탄소성형체(베어링 또는 부싱)는 차종에 따라 1ton~2ton의 차량하중을 견디기 위해 내마모성을 향상시키고 내구성을 증대 시키는 방법으로 열처리공정을 거친 탄소성형체(베어링 또는 부싱) 내부에 안티몬(Antimony) 혹은 바비트(Lead+tin)혼합물과 같은 중금속을 용해한 후 강제압입(함침)하여 기공을 메우거나 최소화하여 기계적 성질을 향상시키는 방법을 적용하고 있고, 현재까지 자기윤활성을 지닌 탄소재 베어링을 대체할 수 있는 대체제가 없는 실정이다.
이에 본 발명은 세계적으로 환경에 대한 인식변화와 기술의 개발로 석면과 같은 기계적 성질의 향상을 위해 사용되고 있는 중금속의 유해성이 밝혀짐에 따라 규제가 강화되고 있어 유해중금속을 배제한 친환경적인 탄소베어링의 개발을 진행하였으며, 탄소재 분말과 고온 열처리한 피치계 탄소섬유(Pitch based carbon fiber)를 잘게 분쇄한 ?(Chop) 및 액상(Liquid pitch) 혹은 고상의 피치(Pitch powder)를 결합제로 적절하게 혼합하여 금형(Mold)으로 성형이 가능한 구형(Grain) 혹은 그레뉼(Granule) 형상의 유동성을 지닌 중간 탄소재 제조공정을 거쳐 냉간성형, 열가압 성형을 한 후 열처리하여 추가적인 함침공정 없이 최종적인 탄소베어링을 대량으로 제조할 수 있는 자동차 생산라인내 차량이송 대차용 탄소섬유 ?을 적용한 친환경 탄소베어링 및 그 제조방법을 제공함에 주안점을 두고 그 기술적 과제로 완성해낸 것이다.
이에 본 발명은, 탄소분말, 탄소섬유를 분쇄한 ?(Chop), 피치바인더를 선택적으로 선정 혼합하여 원천소재인 혼합물을 형성하는 원천소재형성단계; 상기 혼합물과 메칠알코올을 혼합기에 넣어 혼합 및 분산시킨 후, 건조기를 통해 메칠알코올을 휘발시킨 다음, 분쇄하며 그 후에 스프레이 드라이를 통해 그레인(Grain) 또는 그레뉼(Granule)형태로 중간소재인 복합탄소재를 형성하는 중간소재형성단계; 상기 복합탄소재를 성형프레스의 금형에 투입하여 성형한 후, 휘발분 제거를 위한 전처리공정을 거쳐 수치안정성을 확보하고, 진공열처리 하여 바인더로 함유된 피치의 탄소화과정을 통해 탄소베어링을 제조하는 탄소베어링제조단계; 로 이루어지는 자동차 생산라인내 차량이송 대차용 탄소섬유 ?을 적용한 친환경 탄소베어링 제조방법에 있어서, 상기 원천소재형성단계는, 상기 탄소분말 100중량%, 3,000°C 이상으로 고온 열처리한 피치계 탄소섬유를 분말화한 ? 15중량%, 점도 200cp~300cp의 피치바인더 30중량%를 각각 첨가하여 혼합하고, 상기 중간소재형성단계는, 상기 혼합물과 메칠알코올이 투입된 혼합기에서 4시간간 혼합하고, 건조기에서 60°C의 온도로 메칠알코올을 휘발시키며, 휘발분이 제거된 혼합물을 60mesh로 재분쇄하여 입자화 시킨 후, 스프레이 드라이를 통해 입자크기 1.5mm의 그레인 또는 그레뉼인 복합탄소재를 형성하며, 상기 탄소베어링제조단계는, 상기 성형프레스의 압력은 0.8ton~1.5ton/㎠에서 냉간성형 또는 열가압성형을 하고, 상기 전처리공정은 600°C에서 8시간간 이루어지며, 상기 진공열처리는 300°C 의 저온열처리 또는 1,100°C의 중온 열처리하는 것을 기술적 특징으로 한다.
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본 발명의 자동차 생산라인내 차량이송 대차용 탄소섬유 ?을 적용한 친환경 탄소베어링 및 그 제조방법에 의하면, 세계최초로 안티몬, 바비트 등과 같은 유해 중금속물질의 강제압입(함침)없이 이와 동일하거나 유사한 기계적 물성을 보유할 수 있는 탄소베어링(100% C)의 제조가 가능하여 환경을 보호함과 동시에 작업자의 안전과 건강에 무해한 환경친화적인 소재 및 공정개발이며, 형상가공에 의한 제조공법을 몰드(Mold)를 통해 규격화, 표준화 제품의 대량생산이 가능하고, 생산공정이 자동화 및 무인화가 가능하여 생산성향상에 의한 60% 전후의 원가절감이 가능하며, 안티몬, 바비트 혼합물은 전 세계적으로 규제 대상이 되고 있어 수출이 불가능하나 유해 중금속이 배제된 환경친화적인 탄소베어링의 개발로 수출이 가능하고, 기계적 성질이 우수하여 자동차, 전자제품 등의 핵심 요소부품으로 파생효과가 탁월하다.
도 1은 본 발명과 종래기술의 공정비교를 나타내는 도면
도 2는 본 발명의 원천소재형성단계를 나타내는 도면
도 3은 본 발명의 원천소재형성단계에서 제조된 혼합물에 대한 점도측정을 나타내는 도면
도 4는 본 발명의 중간소재형성단계를 나타내는 도면
도 5는 본 발명에 따른 효과를 나타내는 도면
도 6은 본 발명과 종래의 비교를 나타내는 시험성적서
도 7은 본 발명과 종래의 비교를 나타내는 시험성적서
도 8은 본 발명과 종래의 비교를 나타내는 시험성적서
도 9는 본 발명과 종래의 비교를 나타내는 시험성적서
도 10은 본 발명과 종래의 비교를 나타내는 시험성적서
도 11은 본 발명과 종래의 비교를 나타내는 시험성적서
도 12는 본 발명과 종래의 비교를 나타내는 시험성적서
도 13은 본 발명과 종래의 비교를 나타내는 시험성적서
도 14는 본 발명의 탄소베어링의 강도테스트에 대한 시험성적서
도 15는 본 발명의 탄소베어링의 강도테스트에 대한 시험성적서
도 16는 본 발명의 탄소베어링의 결정 및 입도분석에 대한 시험성적서
도 17는 본 발명의 탄소베어링의 결정 및 입도분석 대한 시험성적서
도 18은 본 발명의 탄소베어링의 결정 및 입도분석 대한 시험성적서
통상적으로, 자동차 생산라인내 차량이송용 대차(Carrier)내에 장착되어 가동되고 있는 건식 베어링은 차량표면 도장 후 열처리 온도가 250°C에 달해 일반적임 금속베어링의 사용이 불가하며, 현재 차량이송용 대차에 적용되고 있는 탄소베어링은 이송 차량의 하중을 견디기 위해 경도, 강도와 같은 기계적 성질을 향상시켜 내마모성을 증대시키기 위한 추가적인 공정으로 세계적으로 중금속을 강제압입(함침)시키는 방법을 적용하여 사용하고, 현재까지 자기윤활성을 지닌 탄소베어링을 대체할 수 있는 대체제가 없는 실정이다.
이에 본 발명에서는 탄소분말과 고온 열처리한 피치계 탄소섬유를 잘게 분쇄한 ?(Chop) 및 액상피치(Liquid pitch) 또는 고상피치(Pitch power)를 적절하게 혼합한 원천소재를 금형(Mold)으로 성형이 가능한 그레인(Grain) 또는 그레뉼(Granule)형상의 유동성을 지닌 중간소재를 형성하고, 상기 중간소재를 성형 후, 열처리하여 별도의 함침공정 없이 최종적인 탄소베어링을 제조할 수 있는 자동차 생산라인내 차량이송 대차용 탄소섬유 ?을 적용한 친환경 탄소베어링 및 그 제조방법을 제공한다.
즉, 본 발명은 원천소재 제조 시 피치계 탄소섬유 ?을 혼합하여 기계적 성질을 향상시킨 다음 몰드성형이 가능한 그레인 또는 그레뉼 형상의 중간소재를 형성한 다음 몰드성형을 통해 최종 탄소베어링을 제조하는 기술로써, 탄서섬유 촙은 탄소분말의 결합력을 높이고 탄소베어링내 기공을 최소화하고 섬유의 돌기로 인해 마찰계수가 낮아져 종래 중금속을 강제압입하는 효과와 동일 또는 유사한 기계적성질을 보유하게 되고, 형상가공공정을 없애고 금형을 이용한 규격화, 표준화 제품 생산이 가능하게 되어 생산능률이 향상되어 관리비용을 줄이고 제조원가를 절감하는 이중, 삼중의 효과가 있다.
이하, 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명은 원천소재형성단계, 중간소재형성단계, 탄소베어링제조단계로 이루어져, 유해중금속의 함침을 배제한 친환경 탄소베어링의 생산이 가능한 기술이다.
①원천소재형성단계
상기 원천소재형성단계는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 탄소분말, 탄소섬유를 분쇄한 ?(Chop), 피치바인더를 선택적으로 선정 혼합하여 원천소재인 혼합물을 형성하는 단계로써, 더욱 자세하게는 상기 탄소분말 100중량%에 3,000°C 이상으로 고온 열처리한 피치계 탄소섬유를 분말화한 ? 15중량%와 점도 200cp~300cp의 피치바인더 30중량%를 각각 첨가한 후 혼합하여 최종적으로 원천소재인 혼합물을 형성하게 된다.
이때, 혼합비율로 혼합물을 형성하여야 만이 성형 시 미세크렉 및 성형체(베어링)의 파손을 방지할 수가 있다.
②중간소재형성단계
상기 중간소재형성단계는 도 5에 도시된 바와 같이 상기 혼합물과 메칠알코올을 혼합기에 넣어 혼합 및 분산시킨 후, 건조기를 통해 메칠알코올을 휘발시킨 다음, 분쇄하며 그 후에 스프레이 드라이를 통해 그레인(Grain) 또는 그레뉼(Granule)형태로 중간소재인 복합탄소재를 형성하는 단계이다.
즉, 이러한 중간소재형성단계를 더욱 상게하게 설명하면, 상기 혼합물과 메칠알코올이 투입된 혼합기에서 4시간간 혼합하고, 건조기에서 60°C 전후의 온도로 메칠알코올을 휘발시키며, 휘발분이 제거된 혼합물을 60mesh 전후로 재분쇄하여 입자화 시킨 후, 스프레이 드라이를 통해 입자크기 1.5mm 전후의 그레인 또는 그레뉼인 복합탄소재를 형성한다.
삭제

③탄소베어링제조단계
상기 탄소베어링제조단계는 상기 복합탄소재를 성형프레스의 금형에 투입하여 성형한 후, 휘발분 제거를 위한 전처리공정을 거쳐 수치안정성을 확보하고, 진공열처리 하여 바인더로 함유된 피치의 탄소화과정을 통해 탄소베어링을 제조하게 되며, 더욱 구체적으로는, 상기 성형프레스의 압력은 0.8ton~1.5ton/㎠에서 냉간성형 또는 열가압성형을 하고, 상기 전처리공정은 600°C에서 8시간간 이루어지며, 상기 진공열처리는 300°C 의 저온열처리 또는 1,100°C의 중온 열처리하는 하여 최종적으로 도 1에 도시된 바와 같이 최종목표인 탄소베어링을 제조하게 된다.
상기한 바와 같이 원천소재형성단계, 중간소재형성단계, 탄소베어링제조단계를 거친 탄소베어링의 대한 실험결과는 다음과 같다.
가. 탄소복합재(Chop) 혼합비에 따른 물성비교
Figure 112019009827516-pat00001
먼저, 최적의 탄소섬유 촙의 혼합비율로써, 다양한 실험을 통해 최적의 탄소부말과 탄소섬유 촙과의 비율은 혼합 후 시편을 제조하여 몰드에서의 성형이 가능하고 연속작업이 가능한 비율로 15%의 혼합비가 최적의 기계적성질을 얻을 수 있는 분포임을 확인하였다.
Figure 112019009827516-pat00002
나. 기계적물성 비교
두 번째로 기계적물성 비교로, 종래 중금속을 강제압입(함침)한 탄소베어링과 동일하거나 유사한 기계적물성이 생산됨을 확인하였다.
Figure 112019009827516-pat00003
Figure 112019009827516-pat00004
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한편, 도 6 내지 도 18에 도시된 바와 같이 2개 사의 Chop의 혼합률을 분석하여 최적의 기계적성질을 도출, 강도테스트 비교분석, 한국세라믹기술원 시험성적서(2018년 5월5일~18일) 결정 및 입도를 분석한 결과이다.
이러한 본 발명을 통해 실험 결과, 콜타르에서 피치를 추출함에 있어 보편적으로 45%~50%의 수율을 정상적인 공정으로 인정하지만, 본 발명은 유효피치를 회수하여 동일 공정내에서의 수율을 60%~70%까지 증대시킬 수 있어 제조원가가 낮아지고 최종 불용분의 소각공정이 없어 포집하여 재 투입하는 연속공정으로 폐기물의 배출이 없어 피치를 생산하는 공정내에서 환경오염을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
즉, 종래에 자동차 생산라인의 차량이송용 대차에 장착되는 탄소성형체인 탄소베어링의 기계적성질을 향상시켜 내마모성을 증가시키기 위한 방법으로 탄소베어링의내에 유해 중금속인 안티몬(Antimony) 또는 바비트(Lead+tin)혼합물을 강제압입(Impregnated)하여 기계적강도를 향상시켜 내구성을 및 마모성을 증대시키는 방법을 적용하여 탄소베어링은 고온소결 공정을 거치며 성형체(베어링 또는 부싱)내 휘발분, 불순물 및 불용분이 제거되고 동일한 부피의 기공이 발생하고, 이 기공에 유해중금속인 안티몬, 바비트를 용해시켜 강제적으로 압입(함침)하여 기공을 메우는 방법으로 제조된 탄소베어링은 환경친화적이지 못한 문제가 많은 시간이 소요되며, 대량생산이 불가하는 등의 많은 문제점이 노출되었다.
하지만, 본 발명은 세계적으로 유해중금속에 대한 규제가 심화되고 있으며 유해중금속에 장시간 노출된 작업자의 직업병 발생을 방지하기 위해 환경유해 중금속 물질을 배제하고 탄소베어링의 제조공법을 새롭게 개발하여 친환경적인 탄소베어링의 제조가 가능한 기술로 기술로, 3000°C이상의 고온 열처리한 피치계 탄소섬유를 분말화 하여 이를 혼합한 원천소재, 그 원천소재를 중간소재로 형성한 후, 금형을 이용해 냉간 또는 열가압성형을 통해 탄소베어링을 제조하여 300°C의 저온열처리 또는 1,100°C의 중온 열처리 공정을 거치게 됨으로써, 상기한 종래의 문제점을 해소하며 동일 또는 유사한 효과가 있으며, 무엇보다, 함침공정을 배제하였고 탄소베어링에 혼합된 피치계 탄소섬유에 의해 마찰계수가 낮아져 내마모성의 향상과 내구성 증대를 가져온 탄소복합재를 이용한 새로운 탄소베어링 제조 기술이다.

Claims (5)

  1. 탄소분말, 탄소섬유를 분쇄한 ?(Chop), 피치바인더를 선택적으로 선정 혼합하여 원천소재인 혼합물을 형성하는 원천소재형성단계; 상기 혼합물과 메칠알코올을 혼합기에 넣어 혼합 및 분산시킨 후, 건조기를 통해 메칠알코올을 휘발시킨 다음, 분쇄하며 그 후에 스프레이 드라이를 통해 그레인(Grain) 또는 그레뉼(Granule)형태로 중간소재인 복합탄소재를 형성하는 중간소재형성단계; 상기 복합탄소재를 성형프레스의 금형에 투입하여 성형한 후, 휘발분 제거를 위한 전처리공정을 거쳐 수치안정성을 확보하고, 진공열처리 하여 바인더로 함유된 피치의 탄소화과정을 통해 탄소베어링을 제조하는 탄소베어링제조단계; 로 이루어지는 자동차 생산라인내 차량이송 대차용 탄소섬유 ?을 적용한 친환경 탄소베어링 제조방법에 있어서,
    상기 원천소재형성단계는,
    상기 탄소분말 100중량부, 3,000°C 이상으로 고온 열처리한 피치계 탄소섬유를 분말화한 ? 15중량부, 점도 200cp~300cp의 피치바인더 30중량부를 각각 첨가하여 혼합하고,
    상기 중간소재형성단계는, 상기 혼합물과 메칠알코올이 투입된 혼합기에서 4시간간 혼합하고, 건조기에서 60°C의 온도로 메칠알코올을 휘발시키며, 휘발분이 제거된 혼합물을 60mesh로 재분쇄하여 입자화 시킨 후, 스프레이 드라이를 통해 입자크기 1.5mm의 그레인 또는 그레뉼인 복합탄소재를 형성하며,
    상기 탄소베어링제조단계는, 상기 성형프레스의 압력은 0.8ton~1.5ton/㎠에서 냉간성형 또는 열가압성형을 하고, 상기 전처리공정은 600°C에서 8시간간 이루어지며, 상기 진공열처리는 300°C 의 저온열처리 또는 1,100°C의 중온 열처리하는 것을 특징으로 하는 자동차 생산라인내 차량이송 대차용 탄소섬유 ?을 적용한 친환경 탄소베어링 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항의 제조방법으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차 생산라인내 차량이송 대차용 탄소섬유 ?을 적용한 친환경 탄소베어링.













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