KR101996702B1 - 표면 - Google Patents

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저스틴 패트릭 홀랜드
유 헤 시
알렉산더 칼 엥겔
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Abstract

유체 전사 표면을 제조하기 위한 공정은, 티타늄 또는 티타늄 합금 표면을 제공하는 단계; 경화된 표면을 제공하도록 격자간 원소 흡수에 의해 티타늄 또는 티타늄 합금의 표면을 표면 경화 처리하는 단계; 및 필요하면, 원하는 표면 지형학을 제공하도록 상기 경화된 표면을 조각하는 단계를 포함한다.

Description

표면{SURFACE}
본 발명은 유체 전사 표면의 제조에 관한 것이고, 특히 이렇게 제조된 유체 전사 표면, 및 유체 전사 표면의 사용 방법에 관한 것이다.
유체 전사 작업에서, 유체가 적재된 표면(유체 전사 표면)은 2차 표면, 예를 들어 유체가 도포되는 인쇄 플레이트, 블랭킷 실린더(blanket cylinder), 고무 롤러 또는 타겟 기판 표면에 대해 항시 또는 반복 접촉한다. 유체 전사 표면은 통상적으로 그 수명 기간에 걸쳐서 변경되지 않아야만 하는 정밀하게 제작된 지형학(topography)을 가진다. 표면은 유체의 일관적이고 균일한 양을 반복적으로 받고 전사할 수 있어야 하고, 그러므로 경질이고 내마모성이어야 한다. 서비스 또는 부주의한 취급에서의 점진적인 마모에 의해 유발되는 임의의 표면 손상은 의도된 제품 상에서 결함으로 옮겨지기 쉽다.
주목해야할 또 다른 문제는 2차 표면에 도포되는 유체가 고부식성일 수 있다는 것이다. 예를 들어, 철판 인쇄 잉크(flexographic ink)는 전형적으로 알칼리성이며, 이것은 때때로 구리 및 알루미늄과 같은 금속을 공격하게 되는 고함유량의 암모니아를 함유한다. 더욱이, 현대의 인쇄 잉크는 점토 및 탄산칼슘 및 미네랄 안료와 같은 입자 충전재가 적재된 복잡한 제형이며, 이러한 충전재는 인쇄 롤 및/또는 닥터 블레이드 표면과 같은 연성 인쇄 표면의 마모에 기여할 수 있다.
크롬 전기 도금(또는 "경질 크롬")은 표면 위에 크롬 층의 피착에 의한 마모 및 부식에 대해 (롤러)표면을 보호하도록 사용되었다. 그러나, 이러한 것은 그 단점을 가진다. 피착된 크롬 층은 핀포인트 다공성(pinpoint porosity)을 포함하고, 그러므로, 부식성 인쇄 유체에 대한 완전히 효과적인 장벽을 제공하지 못한다. 이러한 것은 크롬 층의 피착 전에 언더코트(undercoat)로서 관련 표면 상에 피착된 니켈과 같은 보다 치밀한 장벽 막의 사용을 필요로 한다. 또한, 크롬 도금은 환경 및 건강 위험을 수반한다. 도금 조는 심각한 유해성을 야기하는 크롬산을 사용한다. 그러나, 더욱 우려되는 것은 도금이 인간 발암물질인 육가 형태의 크롬(Cr6+)의 사용을 수반하는 것이다. 소비된 용액은 또한 그 높은 산 함유 및 중금속의 적재에 대하여 신중하게 처리되어야만 한다.
1970대 이래, 두꺼운 산화크롬 층의 플라즈마 분사는 유체 전사 표면에 내마모 및 내식성을 부여하는 수단으로서 크롬 전기 도금을 다소 대체하였다. 산화크롬은 극히 경질이고(HV ~ 1500), 크롬 도금보다 더 내마모성이다. 플라즈마 분사에 이어서, 산화크롬의 표면은 가공되고, 그런 다음 레이저에 의해 균일한 형태의 셀 또는 그루브가 조각된다.
그러나, 이러한 접근은 그 자체가 문제가 없는 것이 아니다. 산화크롬 분말의 종래의 공기 플라즈마 분사의 피착 효율은 상대적으로 낮고(보다 약 45% 미만), 플라즈마 분사는 많은 전력 요구를 수반하고, 이러한 것 모두는 플라즈마 분사 시스템을 구동하는 비용이 상대적으로 높다는 것을 의미한다. 또한, 구조적 결함은 플라즈마 분사된 코팅에 항상 존재하고, 다공성이 높게 되는 경향이 있다. 예측되는 바와 같이, 코팅에서의 결함은 부식성 유체에 대한 장벽으로서의 그 효과를 감소시킨다. 부식성 유체가 하부 기판과 접촉할 때, 코팅 기판 인터페이스에서의 실패가 통상 발생한다. 또한, 높은 레벨의 다공성은 조각될 수 있는 셀 수를 한정할 수 있으며, 이는 제조될 수 있는 인쇄의 품질을 제한한다.
또한 크롬 기반의 분말의 열분사로부터 Cr6+ 형성의 가능성에 관한 우려가 있었다. 실제로, 2004년에, California Air Resources Board는, 크롬을 함유하는 물질을 사용하는 열 분사 작업이 6가 크롬의 잠재적으로 유해한 공기중 농도를 초래할 수 있고 이러한 위험을 해결하도록 통제 조치를 설정할 수 있는 결의안 04-44을 통과시켰다.
이러한 배경에 대해, 경질이고 내마모성이며 사용 동안 표면과 접촉하게 되는 유체에 의한 부식에 내성이 있는 유체 전사 표면, 예를 들어 인쇄 표면을 제조하기 위한 대안적인 접근법을 제공하는 것이 바람직하게 된다.
따라서, 본 발명은 유체 전사 표면을 제조하기 위한 공정을 제공하며, 이 공정은, 티타늄 또는 티타늄 합금 표면을 제공하는 단계;
경화된 표면을 제공하도록 격자간 원소 흡수(interstitial element absorption)에 의해 상기 티타늄 또는 티타늄 합금의 표면을 표면 경화 처리하는 단계; 및
필요하면, 원하는 표면 지형학을 제공하도록 표면을 조각하는 단계를 포함한다.
표면 조각(surface engraving) 단계와 관련하여, 이러한 것이 요구되면, 이러한 것은 상기 티타늄/티타늄 합금의 표면이 표면 경화 처리되는 단계 전에 및/또는 후에 수행될 수 있다.
티타늄 및 티타늄 합금은 알칼리성 매체를 포함하는 공격적 용액(aggressive solution)에 의한 대기 부식과 공격에 대해 두드러진 내성을 갖는다. 티타늄의 밀도는 4.5 g/㎤이며, 현재 상황에서, 이것은 과도한 중량이 취급을 성가시게 하는 큰 다이 및 프레스 롤에 대하여 이를 매력적인 선택으로 만든다. 그러나, 티타늄 및 티타늄 합금은 빈약한 마찰학적 특성을 가지는 경향이 있어, 유체 전사 표면을 위한 것과 같은 표면들이 서로에 대해 슬라이딩하는 상황에 대해 부적합하게 만든다.
본 발명은 티타늄 및 티타늄 합금의 바람직한 특성을 활용하는 한편 그 빈약한 내마모성의 문제를 해결하는 것을 추구한다. 본 발명에 따라서, 이러한 것은 표면 경화를 실행하도록 티타늄 또는 티타늄 합금을 처리하는 것에 의해 행해진다. 본 발명에 따라서, 이러한 것은 격자간 원소 흡수의 메카니즘에 의해 달성된다.
본 발명은, 본 발명의 방법에 의해 제조된 유체 전사 표면을 또한 제공하며, 유체 전사 공정에서 그러한 표면의 사용에 관한 것이다. 본 발명은 2차 표면 상에 유체를 제공하는 방법을 추가로 제공하며, 이 방법은 전사될 유체를 본 발명에 따른 유체 전사 표면에 제공하는 단계, 유체 전사 표면으로부터 2차 표면에 유체를 전사하도록 유체 전사 표면과 2차 표면을 접촉시키는 단계를 포함한다. 여기에서 용어 "2차 표면"은 유체가 전사되는 표면을 나타내도록 사용된다. 2차 표면은 그 자체가 최종 제품/기판 표면, 예를 들어 인쇄 플레이트, 블랭킷 실린더 또는 롤러로 유체를 전사하도록 사용되는 표면일 수 있다. 롤러는 전형적으로 천연 또는 합성 중합체, 통상 고무, 또는 금속으로 형성된다. 대안적으로, 2차 표면은 유체가 도포되는 최종 제품/기판 자체일 수 있다. 최종 제품/기판의 예는 플라스틱 필름 및 시트(예를 들어, PE, PET, PP, BOPP, 비닐, PVC, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 나일론 및 PTFE) 및 금속화 필름을 포함한다. 필름은 주조되거나 또는 블로잉된 필름 또는 라미네이트일 수 있다. 대안적으로, 최종 제품/기판은 종이 시트 또는 롤, 목재 또는 금속 시트 또는 금속 포일일 수 있다. 본 발명은 인쇄 작업의 맥락에서 유체 전사를 위한 표면의 제조와 관련하여 특정 유용성을 가질 수 있다.
다음의 이러한 상세한 설명 및 특허청구범위에 걸쳐서, 문맥이 달리 요구하지 않으면, 단어 "포함한다", 및 "포함한다" 및 "포함하는"과 같은 변형은 임의의 다른 정수 또는 정수의 단계 또는 그룹 또는 단계의 배제가 아니라 언급된 정수 또는 정수의 단계 또는 그룹의 포함을 암시하는 것으로 이해될 것이다.
임의의 이전 공개(또는 이로부터 파생되는 정보), 또는 공지된 임의의 자료에 대한 본 명세서의 인용은 그 임의의 이전 공개(또는 이로부터 파생되는 정보) 또는 공지된 자료가 본 명세서가 관련하는 노력의 분야에서 공통의 일반적인 지식의 부분을 형성하는 지식 또는 시인 또는 임의의 형태의 제안이 아니며 지식 또는 시인 또는 임의의 형태의 제안으로서 취해지지 않아야 한다.
본 발명의 실시예는 첨부된 비제한적인 도면을 참조하여 예시된다.
도 1은 예 1에 기술된 바와 같은 본 발명에 따라서 제조된 티타늄 표면의 광학 현미경 이미지이다.
도 2는 예 1에서 기술된 바와 같은 본 발명에 따라서 제조된 티타늄 표면의 에칭된 단면의 주사형 전자 현미경 이미지이다.
도 3은 예 2에서 기술된 바와 같이 본 발명에 따라서 제조된 티타늄 표면의 광학 현미경 이미지;
도 4는 예 3에서 기술된 바와 같은 본 발명에 따라서 제조된 티타늄 표면의 주사형 전자 현미경 이미지이다.
도 5는 예 4에서 기술된 바와 같은 본 발명에 따라서 제조된 티타늄 표면의 광학 현미경 이미지;
도 6은 예 5에서 기술된 바와 같은 본 발명에 따라서 제조된 티타늄 표면의 광학 현미경 이미지;
도 7은 예 6에서 기술된 바와 같은, 인쇄 프레스 시험에서, 잉크 팬, 롤러 및 닥터 블레이드 조립체의 배열을 예시하는 개략도; 및
도 8은 예 7에서 기술된 바와 같은 본 발명에 따라서 제조된 티타늄 표면 상의 손상된 영역의 광학 현미경 이미지이다.
본 발명에 따라서, 티타늄 또는 티타늄 합금 표면의 내마모성 및 표면 경도는, 티타늄과 반응하고 바람직한 표면 특성을 주는 하나 이상의 격자간 원소로 표면(또는 표면의 하나 이상의 영역들)을 농화하는(enriching) 것에 의해 증가된다. 원소는 예를들어 티타늄 합금이 사용될 때 합금 금속과, 특히 알루미늄, 바나듐, 크롬과 같은 합금 원소와 반응하게 되는 것이 또한 가능하다. 전형적으로, 격자간 원소는 질소, 산소, 탄소 및 수소 중 하나 이상으로부터 선택된다. 요구되는 표면 경화는 관련 원소(들)를 포함하는 가스의 존재 시에 표면의 국부적 용융에 의해 달성될 수 있다. 본 발명의 이러한 양태는 또한 용융 경화 단계로서 간주될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 상기 티타늄/티타늄 합금 표면의 국부적 용융없이 원하는 표면 경화를 달성하는 것이 가능할 수 있다. 이 실시예는 고체 상태 경화를 수반하고, 적절한 열원과 관련 격자간 원소(들)를 함유하는 가스에 처리될 표면을 노출시키는 것에 의해 달성될 수 있다. 전형적으로, 본 발명을 이용하여 달성된 표면 경도는 적어도 HK 800(lOg 하중 하에서 누프 경도), 및 바람직하게 적어도 HK 1200이어야 한다. 사용된 가스는 순수 가스 또는 가스 혼합물일 수 있다. 다른 실시예에서, 격자간 원소(들)를 제공하기 위해 사용된 가스는 불활성 가스와의 혼합물로서 제공될 수 있다.
가스로서, 순수 질소(아마 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 가스로 희석된)가 사용될 수 있다. 질소는 가열된 티타늄/티타늄 합금 표면 내로 흡수될 수 있고, 냉각시에 티타늄 질화물 및/또는 금속성 티타늄 격자에 있는 질소의 고용체를 포함하는 마이크로구조를 형성한다. 이러한 공정은 질화로 공지되어 있다.
마찬가지로, 처리 환경에서 산소 또는 탄소를 함유하는 특정 가스는 처리되는 표면에 의해 이러한 원소의 흡수를 허용한다. 예를 들어, 질소 및 산소가 모두 풍부한 공기는 질산화 반응(oxynitriding reaction)을 유발하도록 사용될 수 있다. CO 또는 C02와 같은 탄소질 가스는 침탄을 달성하도록 사용될 수 있다.일반적인 결과는 N, C, O 및/또는 H가/들이 티타늄 격자 및 티타늄 질화물, 탄화물, 산화물, 수소화물 및/또는 혼합상(예를 들어, 질산화물)에서 격자 사이로 용해되는 표면 마이크로구조이다.
본 발명의 실시예에서, 표면 경화는 하나보다 많은 원소의 흡수에 의해 격자간 경화를 달성하도록 스테이지들 사이에서 변화되는 가스 환경과 함께 일련의 스테이지에서 수행될 수 있다.
다른 실시예에서, 사용된 가스는 처리되는 표면의 특정 영역에 의존하여 변화될 수 있다. 이러한 경우에, 조성물, 그러므로 표면 경화 효과는 표면 위에서 변할 수 있다.
추가적으로, 또는 대안적으로, 표면 경화 효과는 표면이 가열되는 강도 및/또는 가열 기간을 변화시키는 것에 의해 처리되는 표면 위에 조작될 수 있다. 이러한 공정 파라미터들은 또한 격자간 원소 흡수뿐만 아니라 사용된 가스 환경에 영향을 미칠 것이다.
사용된 가스, 가열의 강도/형태 및/또는 가열 기간과 같은 다양한 공정 변수는 원할 수 있는 바와 같은 표면 상의 다른 위치에서의 차동 원소 흡수, 그러므로 차동 특성을 달성하도록 또한 적용될 수 있다. 예를 들어, 표면이 유체 전사를 위해 사용될 때 이러한 영역들의 마모 특징에 기초하여 기판의 서로 다른 영역들 위에서 다른 표면 경화 효과를 달성하는 것이 필요할 수 있다. 이러한 경우에, 보다 많이 마모될 표면 영역들은 마모가 감소될 동일 표면 상의 영역들과 비교할 때 증가된 표면 경도를 제공하도록 처리될 수 있다.
표면, 또는 표면의 지역의 표면 경도의 표면 특징은 2차 표면에 대한 유체 전사의 효율성에 또한 영향을 미칠 수 있으며, 본 발명은 기술된 바와 같은 공정 변수를 조작하는 것에 의해 유체 전사 특성의 최적화를 가능하게 할 수 있다.
티타늄 또는 티타늄 합금 기판 표면은 인쇄 플레이트 또는 실린더와 같은 유체 전사 구성요소 자체일 수 있거나, 또는 티타늄/티타늄 합금은 유체 전사 구성요소를 제공하도록 다른 재료 또는 구성요소 위에 표면 코팅 또는 층 또는 슬리브로서 제공될 수 있다. 어느 경우에도, 구성요소는 종래의 디자인의 것일 수 있으며, 실린더(즉, 롤 또는 롤러일 수 있는), 플레이트 등의 형태를 취할 수 있다. 구성요소는 주조, 압연, 압출, 드릴링 및 용접과 같은 종래의 기술에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 티타늄 또는 티타늄 합금 층 표면은 냉간 분사(또한 냉가스 동적 분사로서 공지됨)에 의해 하부 재료(구성요소)에 (직접)제공된다. 냉간 분사에 의해 형성된 층은 그런 다음 본 발명에 따라 처리될 수 있다. 냉간 분사는 예를 들어 US 5,302,414에 기술된 고체 상태 피착 공정이다. 이 공정에서, 분말 입자는 공작물 표면에 충돌시에 입자가 변형되어 결합되도록 가스의 초음속 스트림 내에서 가속된다. 가속 가스는 전형적으로 질소, 헬륨 또는 공기, 또는 이것들의 둘 이상의 혼합물이다. 입자는 초당 약 300 내지 1200 미터의 속도로 가속된다. 공정은 분사되는 입자의 비상(in-flight) 용융이 발생하지 않도록 비교적 낮은 온도에서 일어난다. 본 발명의 문맥에서, 냉간 분사는 재료(구성요소) 상으로 예를 들어 얇은(전형적으로 3 ㎜ 미만, 예를 들어 0.1 ~ 1.5 ㎜의 범위에서), 그러나 조밀한 층의 티타늄 또는 티타늄 합금을 피착하도록 사용될 수 있다. 티타늄 또는 티타늄 합금의 층은 전형적으로 재료 상에 직접 제공된다. 이러한 방식으로, 티타늄 또는 티타늄 합금은 실린더, 플레이트 또는 다이와 같은 기본 구성요소의 표면 상에 코팅으로서 냉간 분사될 수 있다. 구성요소는 강 및 주철, 알루미늄 합금, 폴리머계 복합재(예를 들어, 고분자 매트릭스 내의 유리 섬유 또는 탄소 섬유), 또는 이것들의 임의의 조합과 같은 비철 합금을 포함하는 임의의 적절한 지지재로 만들어질 수 있다. 충분한 두께의 티타늄/티타늄 합금 층이 피착되면, 기본 구성요소는, 허용 오차 내로 구성요소의 전체적인 치수를 가져오고 분사된 표면으로서 고르지 않은 것을 제거하도록 가공될 수 있다. 평균 조도(Ra)는 이 도면이 또한 조각의 미세함에 의존할지라도 조각에 앞서 0.5 미크론 미만이어야 한다. 그러나, 일부의 경우에, 이러한 추가적인 가공 단계는 필요하지 않을 수 있다. 티타늄/티타늄 합금 코팅은 그런 다음 본 발명의 방법론을 이용하여 표면 경화 및 가능하게 조각이 실시된다. 이러한 접근법과 관련된 비용 이점은 저렴한 구성요소 재료가 사용될 수 있고 사용된 티타늄/티타늄 합금의 양이 최소화될 수 있다는 것이다.
다른 실시예에서, 냉간 분사는 사용을 위해 끼워지는데 너무 마모되거나 또는 손상된 기존의 유체 전사 표면 상에 티타늄 또는 티타늄 합금의 층을 제공하도록 사용될 수 있다. 이 경우에, 냉간 분사는 유체 전사 표면의 마모되거나 또는 손상된 영역(들) 위에 티타늄/티타늄 합금의 새로운 층을 제공하도록 사용될 수 있다. 전형적으로, 마모되거나 또는 손상된 영역은 냉간 분사된 입자가 표면에 부착되는데 적절한 표면을 제공하도록 냉간 분사 전에 다시 가공되게 된다. 티타늄 또는 티타늄 합금이 마모되거나 또는 손상된 영역 위에 요구되는 바와 같이 피착된 후에, 피착된 티타늄 또는 티타늄 합금은 요구되는 바와 같이 다시 가공될 수 있고, 그런 다음 새로 적용된 표면에 본 발명에 따른 공정이 실시된다. 상기 의도는 수리 영역이 본래의 표면과 동일한 표면 특성(표면 경도 및 표면 양각(surface relief)/패터닝의 관점에서)을 가질 것이라는 것이다. 따라서, 본 발명은, 유체 전사 표면을 수리하는 방법을 또한 제공하며, 이 방법은 표면에 티타늄 또는 티타늄 합금 입자를 냉간 분사하는 것에 의해 상기 유체 전사 표면 상에 티타늄 또는 티타늄 합금의 층을 제공하고, 경화된 표면을 제공하도록 격자간 원소 흡수에 의해 티타늄 또는 티타늄 합금의 표면을 경화하는 단계, 및 필요하면, 원하는 표면 지형학을 제공하도록 경화된 표면을 조각하는 단계를 포함한다. 언급한 바와 같이, 냉간 분사 전에 (본래의)유체 전사 표면 및/또는 표면 경화 전에 피착된 티타늄 또는 티타늄 합금 층을 가공하는 것이 필요할 수 있다.
다른 실시예에서, 기존의 유체 전사 표면의 표면 특징부를 변경하는 것이 필요할 수 있으며, 냉간 분사는 티타늄/티타늄 합금의 새로운 층으로 기존의 특징부를 "덮어 쓰도록" 사용될 수 있다. 전형적으로, 본래의 표면의 특징부는 가공에 의해 제거되고, 이어서 냉간 분사에 의해 티타늄 또는 티타늄 합금의 새로운 층을 제공한다. 일부의 경우에, 가공이 냉간 분사에 의해 도포된 층의 접착의 관점에서 향상된 결과를 줄 수 있을지라도 가공이 필수적인 것은 아니다. 새로운(냉간 분사된) 층은 그런 다음 필요에 따라서 다시 가공될 수 있으며, 그런 다음 유체 전사를 위한 새로운 표면 특징부를 갖는 유체 전사 표면을 제공하도록 본 발명에 따라서 처리될 수 있다. 이러한 것의 변형에서, 본래의 유체 전사 표면을 가공하는 대신, 냉간 분사는 유체 전사 특징부를 충전하고 새로운 유체 전사 표면이 본 발명에 따라서 만들어지는 것을 가능하게 하도록 티타늄 또는 티타늄 합금의 적절한 두께의 층을 구축하도록 사용될 수 있다. 냉간 분사에 의한 티타늄 또는 티타늄 합금의 피착 후에, 표면은 통상적으로 본 발명에 따른 경화 및 조각에 앞서 다시 가공된다.
다른 실시예에서, 티타늄/티타늄 합금 구성요소(예를 들어, 실린더, 플레이트 또는 다른 형태)는 냉간 분사에 의해 직접 제조될 수 있다. 냉간 분사에 의한 직접 제작 또는 직접 제조는 입자상 공급원료 물질로만 구성된 고밀도 응집형 자립 성분으로 분말 공급원료를 변환하는 것을 포함한다. 이러한 것은 이후 제거되는, 맨드릴 또는 지지체 상으로 분말을 분사하는 것에 의해 달성될 수 있다. 분사된 성분은 허용 오차 내에서 최종 제품에 요구되는 치수이거나 또는 특정 치수에 도달하기 위하여 단지 최소의 가공을 요구한다(WO 2009/109016, "파이프의 제조" 참조).
추가 실시예에서, 티타늄 또는 티타늄 합금 층은 레이저 피복에 의해 하부 기판 상에 제공될 수 있다. 이러한 기술은 당업자에게 공지되어 있다.
다양한 등급의 티타늄 및 다양한 형태의 티타늄 합금이 본 발명에서 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 티타늄 또는 티타늄 합금은 하나 이상의 기능적으로 효과적인 첨가제를 포함하는 복합 재료일 수 있다. 예를 들어, 티타늄 또는 티타늄 합금은 티타늄 또는 티타늄 합금에 증가된 내마모성을 제공하는, 나노 입자와 같은 입자를 포함할 수 있다. 이러한 입자는 붕화, 탄화 또는 산화 화합물을 포함할 수 있다. 탄화규소의 사용은 예시의 방식에 의해 언급될 수 있다.
기능적으로 효과적인 첨가제는 공지된 수단에 의해 티타늄 또는 티타늄 합금에 혼입될 수 있다. 이에 관하여, 냉간 분사의 사용을 만드는 것은 이러한 첨가제를 포함하는 티타늄/티타늄 합금을 제조하는데 특히 편리한 방법일 수 있다.
다른 실시예에서, 티타늄 또는 티타늄 합금은 표면 경화 동안 적용되는 열에 의해 증발 또는 연소될 희생 성분(sacrificial component)을 포함할 수 있다. 이러한 것은 티타늄/티타늄 합금 기판에 다공성 및 증가된 표면 양각을 생성하게 된다. 이러한 것은 유체 전사 공정에서 유체를 포획하고 보유하는 기판 표면의 능력을 증가시킴으로써 바람직할 수 있다. 예의 방식에 의해, 희생 물질은 중합체(입자로서 사용된)일 수 있다. 냉간 분사는 이러한 희생 성분을 혼입하는 티타늄/티타늄 합금을 생산하도록 편리하게 사용될 수 있다.
이하에서, 달리 언급하지 지시되지 않으면, 티타늄 및 티타늄 합금에 대한 참조는 상기된 다양한 가능성을 포용하도록 의도된다.
표면 경화를 촉진하도록 티타늄/티타늄 합금 표면의 가열은 다양한 방식으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 표면은 적절한 범위로 가열되는 한편 관련 원소(들)를 포함하는 가스에 노출될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 처리될 표면은 불활성 가스와, 관련 원소(들)를 포함하는 가스의 혼합물을 포함하는 플라즈마 제트에 의해 분사될 수 있다. 플라즈마 제트는 전형적으로 플라즈마를 생성하는 전극을 포함하는 토치의 수단에 의해 분사된다. 당업자는 이러한 기술 및 방법이 어떻게 구현되는지 익숙할 것이다.
바람직하게, 표면의 가열은 표면 경화되는 티타늄/티타늄 합금의 영역 및 두께로 제한된다. 실제로, 예를 들어, 티타늄/티타늄 합금이 고분자 복합체와 같은 열 민감성 성분에 제공되면 보다 적은 국부적 가열을 생성하는 것이 바람직하지 않을 수 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 용융 경화는 표면의 용융을 실행하도록 레이저를 사용하여 수행된다. 이 경우에, 레이저는 매우 국부적인 표면 가열을 제공하도록 사용될 수 있다. 레이저 경화가 조각된 표면에 적용될 때, 처리 조건은 조각의 깊이를 초과하지 않도록 용융 깊이를 제한하기 위해 통상적으로 제어된다. 그렇지 않으면, 조각된 구조의 과도한 매끄러움 및 왜곡이 발생할 수 있다. 예를 들어, 인치당 80 라인을 갖는 3중 나선(trihelical) 패턴은 약 50 ㎛의 셀 깊이를 가지며, 그래서 임의의 후속 레이저 경화 단계 동안 표면 용융은 단지 50 ㎛로 최적으로 제한된다. 또한, 격자간 원소 흡수에 의한 레이저 표면의 사용은 한층 유연한 것으로 밝혀졌으며, 광범위한 특성이 제어 가능한 방식으로 티타늄/티타늄 합금의 표면에 생성되는 것을 허용한다. 그러므로, 표면은 특정 전사 적용에 적합하도록 재단될 수 있다. 일반적으로, 예를 들어 C02, Nd:YAG 또는 섬유 레이저와 같은 가스 또는 고체 레이저가 사용될 수 있으며, 당업자는 그 작업에 익숙할 것이다. 다양한 작업 파라미터는 본 발명에 따라서 달성된 표면 경화 효과에 영향을 미칠 수 있고, 각각 및 각각의 조합의 영향은 실험에 의해 분석될 수 있다. 대체로, 작업 파라미터는 레이저, 레이저 및 표면의 상대 움직임, 및 가스 공급의 작업에 관련한다.
사용되는 레이저에 대하여, 관련 작업 파라미터는 사용되는 레이저 소스 및 그 작업 모드에 의존할 것이다. 펄스 모드에서, 관련 작업 파라미터는 레이저 펄스 에너지, 펄스 폭, 반복율 및 빔 연장 망원경식 설정(beam expanding telescope setting)을 포함한다. 연속 모드에서, 예를 들어 Nd:YAG 레이저를 사용하고, 관련 파라미터는 레이저 전력이다. 상이한 형태의 레이저는 작업 모드, 광학 요소 등의 상이한 선택에 의해 동일한 경화 또는 조각 효과를 만들도록 조작될 수 있다.
레이저와 티타늄/티타늄 합금 표면 사이의 상대 운동에 대하여, 관련 파라미터는 트래버스 속도(traversing speed)와 중복 비율을 포함한다. 레이저는 정지될 수 있고, 티타늄/티타늄 합금 표면은 이에 대해 움직이거나, 또는 그 반대일 수 있다.
가스 공급에 대하여, 관련 파라미터는 가스 농도, 가스 유량 및 흐름 방향을 포함한다.
일반적으로, 경화의 깊이는 티타늄/티타늄 합금 표면의 가열 동안 관련 격자간 원소(들)와 반응하는 (표면) 층의 두께에 의존한다. 예를 들어, 낮은 레이저 에너지에서 용융 경화할 때, 용융 깊이는 비교적 얕게 된다. 피크 경도는 표면에서의 경화상(hard phase)(질화물 및 탄화물과 같은)의 농도, 및 그 조성에 관련된다. 표면의 친수성 성질은 처리 가스와 티타늄/티타늄 합금의 반응에 의해 또한 조작될 수 있다.
레이저를 사용할 때, 처리된 표면의 거칠기는, 레이저 전력, 트래버스 속도, 통로들 사이의 공간, 및 처리 분위기의 함수인 것으로 알려졌다. 질소 풍부 분위기에서, 특유의 거칠기, 산호형 표면 형태학이 생성되는 것으로 알려졌다(다음의 도 4 참조). 레이저 전력 결과를 증가시키면 훨씬 매끄럽게 처리된 표면으로의 전이를 유발한다. 가공된 티타늄/티타늄 합금 표면에서, 0.3 ㎛ 미만의 거칠기(Ra) 값은 레이저 처리 후에 용이하게 달성 가능하다.
본 발명의 실시예에 따라서, 조각 단계에 대해 어떠한 필요성없이 유체 전사에 적합한 경화된 표면을 제조하는 것이 가능할 수 있다. 이 경우에, 표면 경화는 조각이 실제로 요구되지 않도록 유체 전사에 즉시 유용한 표면 형태학/양각을 산출할 수 있다. 이러한 것은 레이저 처리가 적절한 정도의 표면 거칠기를 유발하는 경우일 수 있으며, 이러한 것은 위에서 확인된 바와 같은 특정 작업 파라미터를 변화시키는 것에 의해 제어될 수 있다. 특히, 레이저 에너지는 이에 관하여 적절한 것으로 믿어진다. 일반적으로, 유체 전사에 유용하게 되도록, 표면은 수직 스캐닝 인페로미터(vertical scanning inferometer) 또는 스테레오 비디오 분석을 사용하는 것과 같은 종래의 기술에 의해 결정되는 바와 같이, 1-300 cc/㎡, 예를 들어 2-20 cc/㎡와 같은 1-110 cc/㎡의 표면 체적 용량을 가져야 한다. 일반적으로, 평균 조도 깊이(Rz)는 예를 들어 촉침식 박막 두께 측정기(stylus profilometer)를 사용하여 결정된, 200 ㎛ 미만, 예를 들어 5-100 ㎛이어야 한다.
다른 실시예에서, 표면은 의도된 유체 전사 함수에 기초하여 원하는 형태학/표면 양각을 제공하도록 처리(조각)되고, 이러한 것은 종래의 기술을 사용하여 수행될 수 있다. 이러한 것은 엠보싱 또는 널링과 같이 특성에서 기계적일 수 있다. 대안적으로, 조각은 화학적 에칭 또는 레이저 조각을 사용하여 수행될 수 있다. 이러한 기술의 둘 이상의 조합이 또한 이용될 수 있다.
조각은 공정의 표면 경화 양태가 수행되기 전에 및/또는 후에 수행될 수 있다. 경화는 조각 전에 수행될 수 있거나 또는 그 역일 수 있다. 하나 이상의 영역이 조각되고 다른 영역은 조각되지 않는 것이 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 레이저는 유체의 정확한 계량 및 전사에 유용한, 표면 내에 지형학적 특징부를 조각하도록 사용된다. 레이저 표면 조각은 산화크롬 코팅된 아니록스 롤(Anilox roll)과 같은 유체 계량 롤의 제조에서 표준 실시이다. 일반적인 지형학은 표면 위에 벌집 패턴을 형성하는 동일한 육각형 형상의 셀들의 반복 패턴이다(도 1에 도시된 바와 같이). 또 다른 일반적인 지형학은 정사각형 패턴이다. 셀 패턴 형태학은 레이저와 롤의 회전의 결합된 선형 운동으로부터 유발되는 조각 각도에 의존한다. 종종 그라비아 인쇄 롤에서 사용되는 또 다른 지형학은 통상적으로 3중 나선 배열에서 연속 평행 그루브 또는 채널이다.
효울성에 대하여 경화 및 조각 작업을 위하여 동일한 레이저 시스템을 사용하는 것이 유익할 수 있다. 언급한 바와 같이, 경화는 조각 전에 및/또는 조각 후에 수행될 수 있다. 2개 이상의 경화 단계(pass)는 충분한 내마모성을 만들기 위하여 요구될 수 있다. 추가적으로, 레이저는 임의의 경화 또는 조각 단계 전에 표면을 준비하도록 사용될 수 있으며, 이 경우에, 레이저 전력은 일치하여 선택될 것이다. 그러므로, 처리 체제가 예상될 수 있으며, 이에 의해, 미가공 티타늄/티타늄 합금 표면은 유체 전사의 임무에 적합하게 만들도록 일련의 레이저 작업에 의해 완전히 제작된다.
이러한 것은 다음과 같은 레이저 장비의 몇몇 상이한 구성에 의해 달성될 수 있다.
ㆍ 서로 다른 시간에 표면 상에서 상이한 작업을 수행하도록 제어되는 레이저 빔. 이 경우에, 작업 파라미터는 각 개별적인 형태의 작업을 위해 특별히 설정된다.
ㆍ 공작물 표면 상의 상이한 물리적 위치들에서 에너지를 전달하는 각 빔이 다수의 빔으로 분할되는 단일 레이저.
ㆍ 멀티 빔 시스템(단일 렌즈를 통한 대체로 2개 이상의 빔).
ㆍ 멀티 레이저. 하나보다 많은 레이저는, 다양한 표면 작업에 의해 요구되는 레이저 표면 상호 작용의 형태에서 상이한 요건으로 인하여 필요로 할 수 있다. 다른 레이저 소스는 특징 파장으로 방사선을 만든다. 또한, 특정 작업 모드는 Q-스위칭, 모드 잠금 또는 다른 방법에 의해 가능한 극히 짧은 펄스와 같이 유익하게 사용될 수 있다. 이러한 것들은 극히 짧은 시간 간격 내에 많은 양의 에너지가 표면으로 전달되도록 허용한다. 그러나, 이러한 것은 모든 레이저 시스템에서 가능하지 않을 수 있다. 또한, 각 레이저는 공작물 표면으로 하나 이상의 빔을 전달할 수 있다.
상기 레이저 배열 중 어느 하나로, 다음과 같이 하여 공작물 표면의 각 지점 상에서 멀티 작업을 수행하는 것이 가능하다.
ㆍ 시간적으로 분리된 별개의 작업. 예를 들어, 원통형 공작물의 경우에, 레이저 작업은 실린더의 각 회전에 의해 시간적으로 분리될 수 있다. 대안으로, 다음의 착수 전에 전체 표면에 걸쳐서 가공 공정을 완료하는 것이 유익할 수 있다.
ㆍ 서로로부터 물리적으로 오프셋된 멀티 처리 구역. 예를 들어, 경화 작업은 조각 펄스 이전, 동안 또는 후에 분배될 수 있다.
ㆍ 상기의 임의의 조합. 예를 들어, 원통형 공작물의 경우에, 레이저 에너지는 원주 방향으로 및/또는 축방향으로 서로로부터 옵셋된 멀티 지점으로 향하게 되지만, 실린더의 멀티 회전은 이러한 처리 시퀀스의 반복을 야기한다.
ㆍ 합심하여 작업하는, 한 위치로 향해진 멀티 레이저 빔.
본 발명의 한 실시예에서, 티타늄 또는 티타늄 합금 표면은 하나 이상의 조각 단계 및 하나 이상의 경화 단계(임의의 순서로)를 포함하는 처리 사이클을 받는다. 예의 방식에 의해, 이 실시예는 2 내지 10 처리 사이클을 포함할 수 있지만, 10 처리 사이클로 한정되지 않는다.
복수의 처리 작업에 의해 얻어지는 많은 이점이 있다. 예를 들어, 종종 "멀티 타격 조각"으로 공지된 반복된 조각 펄스는, 셀 구조의 크게 개선된 균일성, 일시적 레이저 전력 변화의 평균화, 일시적 레이저 모드 변화의 평균화 및 개선된 조각된 구조를 가능하게 한다. 티타늄 표면 상에서 조각 및 경화 작업을 동시에 수행하는 것은 조각된 구조가 형성되는 동안 셀 벽이 완전히 경화될 수 있다는 장점을 갖는다. 본 발명의 이러한 양태에서, 보다 높은 처리 레벨은 때때로 가능한 한편, 후-조각 처리 단독으로부터 가능하게 되는 것보다 조각된 구조를 유지한다. 개선된 처리 레벨에 부가하여, 일치하는 처리 및 조각의 추가 이점은 완성된 구조에 대한 보다 큰 제어, 조각 파라미터의 선택에 대한 융통성, 감소된 공정 시간, 감소된 폐기물, 처리 전 또는 후에 조각하는 것에 의해 얻어지는 것이 불가능한 복잡한 구조의 단순화된 처리 및 제조를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 공정은 적어도 부분적으로 자동화될 수 있다. 예를 들어, 표면 경화 및 조각은 하나 이상의 적절히 위치된 레이저를 사용하여 순차적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 이러한 것들은 경화 및 조각될 티타늄/티타늄 합금 표면을 갖는 원통형 기판의 주위에서 원주 방향으로 배열될 수 있다. 또한 처리될 수 있는 적절한 티타늄/티타늄 합금 표면을 제공하도록 하나 이상의 레이저의 "상류측"에 있는 냉간 분사 스테이션을 추가하는 것이 가능할 수 있다. 냉간 분사에 의해 생성된 표면은 표면 경화 및 조각에 앞서 가공을 필요로 하지만, 이러한 것은 반드시 제조된 냉간 분사 표면의 평활성에 의존하지 않을 수 있다.
본 발명은 2차 표면 상에 유체를 제공하는 방법을 추가로 제공하며, 이 방법은 본 발명에 따라서 유체 전사 표면에 전사될 유체를 제공하는 단계, 및 유체 전사 표면으로부터 2차 표면에 유체를 전사하도록 2차 표면과 유체 전사 표면을 접촉시키는 단계를 포함한다. 유체 전사가 의도된 바와 같이 유용하고 효과적이도록, 티타늄/티타늄 합금 표면은, 균일한 체적의 유체가 표면 상으로 계량되고 표면/유체가 2차 표면과 접촉할 때 표면으로부터 2차 표면 상에 전사되는 것을 허용하도록 의도된 표면 특징부/양각(캐비티, 함몰부, 채널, 그루브 등)을 포함하게 된다. 유체 전사 표면으로부터 2차 표면으로 유체의 전사를 일으키는 메커니즘은 전형적으로 표면장력과 관련된다.
본 발명에 따라 준비된 표면에 대하여 무수한 실제 적용이 있다. 예측될 수 있는 바와 같이, 본 발명은 종래의 세라믹 코팅, 크롬 도금 또는 금속성 유체 전사 롤러 대신에 사용될 수 있는 티타늄/티타늄 합금 롤러를 제공하도록 사용될 수 있다. 철판 인쇄의 맥락에서, 이 경우에 아니록스 롤로서 공지된 유체 계량기 롤의 기능은 잉크 저장소로부터 인쇄 플레이트로 잉크의 흐름을 제어하는 것이다. 철판 인쇄는 다양한 기판 상에 인쇄하도록 사용되는 인쇄 공정이다. 이러한 것들은 협폭 웹(narrow web) 및 광폭 웹(wide web) 적용으로 분할될 수 있다. 협폭 웹은 태그 및 라벨, 봉투 및 종이 팩을 포함한다. 광폭 웹은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PET 및 셀로판을 포함하는 모든 방식의 가요성 포장에 걸쳐있다. 식품 산업에서 사용되는 랩과 백들은 주요 시장 부문이다. 광폭 웹은 종이 신문을 또한 포함한다.
유체의 정확한 양의 계량(및 전사)을 요구하는 많은 다른 산업적 적용이 있다. 예를 들어, 롤 코팅은 접착 테이프로부터 비닐 랩에 이르기까지, 2차 표면으로 액체의 균일한 박막을 도포하도록 일정 범위의 산업에 걸쳐서 사용된다. 조각된 실린더는 강철 또는 알루미늄 시트의 코일에 페인트 막을 도포하도록 사용된다. 적층 산업에서 그라비아 롤들은 철판 인쇄 아니록스 롤에 동일한 방식으로 작동하고: 이것들은 셀 수, 각 셀의 구성 및 용적 지지 캐비티에 의해 제어되는 일정량의 액체를 계량한다. 이러한 경우에, 용어 그라비어 롤은, 롤이 기판과 접촉할 때 기판 상에서 복제되는 조각된 이미지를 갖는, 윤전(음각) 인쇄에서 사용되는 그라비어 롤과 혼동되지 않아야 한다. 아니록스 롤러는 액정 디스플레이(LCD), 레이저 홀로그램 라벨 및 위조 방지 라벨의 배향막의 제조에 또한 사용된다.
또한, 본 발명의 맥락에서, 용어 "유체"는 액체에 한정되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 사실, 언급된 적용의 일부에서, 잉크 및 페인트는 높은 함유량의 고체를 포함한다. 그러므로, 상기 용어는 슬러리, 및 가능하게 폴리머 분말 및 금속 산화물 분말(예를 들어, TiO2)와 같은 (유동성)분말로 또한 확장할 수 있다. 2차 표면에 도포하는 것이 바람직할 수 있는 유체의 추가의 예는 수지 접착제 및 실란트, 폴리비닐 아세테이트(PVA), 폴리비닐 클로라이드(PVC) 및 우레탄과 같은 접착제, 안료, 전분과 같은 식품 및 식품 성분, 생물학적 시약과 같은 핫멜트 액체를 포함한다.
전사되는 유체는 인쇄된 표면에 기능을 부여하는 입자를 포함할 수 있다.한 예는 은행에서 사용된 수표에 보안 특징부를 제공하도록 강자성 산화물 안료를 채택하는 자기 잉크 문자 인식(MICR)이다. 본 발명의 이용 가능성을 찾을 수 있는 또 다른 영역은 가요성 전자 디바이스의 제조에 있으며, 이에 의해, 적절한 전기 또는 전자기 특성을 갖는 비교적 두꺼운 막은 가요성 2차 표면에 도포된다. 막은 은 또는 은 합금과 같은 전도성 물질의 입자를 포함할 수 있다. 하나의 일반적인 예는 무선 주파수 식별(RFID) 태그이다. 다른 새로운 적용은 플렉시블 디스플레이를 위한 유기 발광 다이오드(OLED) 및 유기 박막 트랜지스터(OTFT)와 같은 대규모의 고해상도 프린팅을 요구할 수 있다. 유기 또는 폴리머 태양 전지의 개발 영역에서, 롤투롤 인쇄 기술의 채택은 실험실 실험으로부터 본격적인 생산으로 확대하는데 중요할 수 있다. 이에 관하여, 유체는 알코올과 같은 적절한 담체에 제공된 TiO2 분말의 슬러리일 수 있다. 2차 표면 상에 슬러리를 전사한 후, 알코올은 TiO2의 피착을 제공하도록 증발될 수 있다.
본 발명의 주요 장점은 다음을 포함한다:
ㆍ 티타늄 및 티타늄 합금의 사용으로 인한 부식 및 다른 화학 공격에 대한 내성.
ㆍ 환경과 인간 건강에 대한 위협을 제기하는 크롬 함유 물질의 회피.
ㆍ 경화 및 조각 공정을 위하여 레이저를 사용하여 제조 공정의 잠재적인 단순화 및 향상된 효율.
ㆍ 잠재적인 공정 제어. 예를 들어, 거칠기, 표면 에너지 및 경도와 같은 표면의 중요한 특성은 레이저 처리 파라미터의 조작에 의해 제어될 수 있다.
ㆍ 처리된 티타늄 표면의 복구성. 마모되거나 또는 손상된 영역은 냉간 분사와 같은 추가의 기술을 사용하여 재구축될 수 있으며, 재구축된 재료는 그런 다음 조각되고 경화된다. 이러한 것은, 예를 들어 전체 코팅된 표면이 다시 롤러베이스에 대해 벗겨져, 코팅이 재도포되는 것을 요구하는 현재의 세라믹 코팅된 롤러와 비교하여 시간 및 노력에서 상당한 절약이다.
본 발명의 실시예는 다음의 비제한적인 예를 참조하여 설명된다.
예 1
다음의 예는 티타늄 표면 상에 조각 및 경화 작업을 수행하는 레이저의 사용을 설명하는 역할을 한다. 이러한 목적을 위하여, 0.4 ㎜ 두께의 2 등급 티타늄 시트가 상용 공급자로부터 획득되었다. 비록 왜 처리 단계의 동일한 순서가 임의의 다른 형상 및 크기의 공작물에 적용될 수 없다는 이유가 아닐지라도, 티타늄의 물리적 형태는 후처리의 분석의 용이성때문에 선택되었다.
시트는 75㎜ 직경의 실린더의 주위에 감싸졌고, 원주 표면 속도가 0.25 m/s이도록 회전되었다. Nd:YAG 레이저는 3개의 별도의 단계로 표면을 조각하고 질화하도록 사용되었다. 조각을 위하여, 레이저는 Q-스위칭된 TEM00 모드로 작동되었다. N2는 조각 동안 작업 영역 내로 레이저 노즐 헤드를 통해 주입되었다. 60°의 스크린 각도는 육각형 셀 패턴을 만들도록 사용되었다. 경화를 위하여, 멀티 모드 TEM11가 사용되었다. 제1 경화 단계에서, N2 가스는 또한 표면을 질화하도록 사용되었다. 이러한 것에 이어서, 표면은 가열된 표면이 대기로 노출되었고, 그 결과 산질화되도록, N2 가스 주입없이 재처리되었다.
최종 산질화 처리 스테이지 후에 표면의 광학 현미경 이미지는 도 1에 제공된다. 셀 측정치는 롤스코프 간섭계(Rollscope Interferometer)를 사용하여 촬영되었다. 측정된 스크린 수는 인치당 142 라인이었다. 평균 셀 깊이는 54.86 ㎛이었다.
시트는 그런 다음 단면처리되었고, 에폭시 수지에 장착되었으며, 표준 금속 표면 확대 기술을 사용하여 폴리싱되었다. 처리된 표면 내의 다양한 위치에서의 마이크로경도는 lOg 하중하에서 누프 압자(Knoop indenter)를 사용하여 측정되었다. 셀 벽의 맨 끝의 마이크로경도는 범위 HK 1800-2100 내의 값에 도달하는 것으로 보였다. 기판의 비영향 영역에서 표면 아래의 매우 깊은(적어도 200 ㎛)곳의 마이크로경도는 HK 176 ± 2이었다.
폴리싱된 단면은 그런 다음 크롤 시약(Kroll's reagent)(물에서의 불산 및 질산 수용액)을 사용하여 에칭되었다. 처리 구역 마이크로구조의 대표적인 주사형 전자 현미경 이미지는 도 2에 도시된다. 질화 티타늄의 입방체 덴드라이트(denrite)는 표면 내에서, 특히 셀 벽 내에서 발견되었다. 덴드라이트는 산소- 풍부 및 질소- 풍부 티타늄 용융물의 응고 동안 산질화물 형성을 나타내었다. 누프 압자에 의해 측정된 대부분의 경화는 마이크로구조의 이러한 부분과 관련되었다. 2-스테이지 경화 처리 후에, 덴드라이트는 특히 밀접하게 이격되는 것이 알려졌고, 이는 획득된 마이크로경도 판독치를 더욱 개선하였다. 표면 내로 깊을수록, 너무 깊어 레이저 가열에 의해 영향을 받지 않는 기판의 부분들에 있는 육각형 티타늄 덴드라이트, 침상 티타늄 마르텐사이트 및 다각형 그레인을 포함하는 다른 마이크로구조의 복잡한 연쇄가 통상적으로 발견되었다.
예 2
다음의 예는 티타늄 상에 다양한 표면 질감의 제조에 대해 본 발명에서 기술된 방법의 적응성을 보여준다.
동일한 0.4㎜, 2 등급 티타늄 시트 재료는 이전의 예에서와 같이 사용되었다. 이것은 동일한 방식으로 실린더 상에 고정되었으며, 표면 속도가 0.25 ㎝/s이도록 회전되었다. 조각은 Q-스위칭된 TEM00 모드에서 Nd:YAG 레이저를 사용하여 수행되었다. 레이저는 실린더 축에 대해 45°의 각도로 2세트의 직선 그루브로 이루어진 패턴을 조각하도록 프로그램되었다. 한 세트의 그루브는 규칙적으로 170 ㎛ 간격으로 이격된 반면에, 제1 세트에 대해 직각으로 배향된 제2 세트의 그루브는 규칙적으로 350 ㎛ 간격으로 이격되었다. 조합하여, 2세트의 그루브는 도 3에 도시된 바와 같이 170 × 350 ㎛를 한정하였다. 단면 분석은 그루브의 깊이가 ∼30 ㎛이었다는 것으로 보여준다.
조각 후에, 표면은 공작물에 초점이 맞춰진 빔과 함께 멀티 모드 TEM11에서 레이저를 사용하여 질화되었다. 도 3은 상부 좌측에, 조각되고 질화된 영역의 가장자리 및 조각되었지만 질화되지 않은 주변 영역을 보이는 광학 현미경 이미지이다. 일정 범위의 레이저 전력 설정은 레이저 질화를 위하여 시험되었다. 도 3은 대략 52 W 일정 전력량으로 약화된 레이저에 의한 효과를 보인다. 그루브 구조는 질화 후에 명확하게 유지했다. 육안으로, 도 3의 상부 좌측 영역은 광택, 골드 색상으로 되었다. 다른 레이저 질화로 설정으로, 및 특히 처리 영역 내로 다른 가스의 도입으로, 광범위한 상이한 색상 및 반사도가 또한 만들어질 수 있다.
시트는 그런 다음 단면처리되었고, 에폭시 수지에 장착되었으며, 표준 금속 표면 확대 기술을 사용하여 폴리싱되었다. lOg 하중하에서 누프 마이크로경도는 표면에 가장 가까이 범위 HK 1400-1600 내의 값에 도달하도록 보였다.
예 3
이 예는 레이저 처리 조건의 정확한 선택으로, 티타늄 표면이 단일 작업으로 용융될 수 있고, 이것이 표면을 경화하고 ㎛ 스케일 상승된 특징부 및 함몰부를 구비한 위상 기하학(topology)을 만드는 것을 설명한다.
75㎜ 직경 3㎜ 두께의 2등급 티타늄 실린더의 섹션이 실험을 위해 선택되었다. 이것은 멀티 모드 TEM11 하에서 작동되고 대략 33 W 일정 전력량으로 약화되는 Nd:YAG 레이저를 사용하여 처리되었다. 공작물의 스폿 크기를 확장하기 위하여, 레이저는 표면으로부터 1.0㎜±0.1 ㎜만큼 부족초점되었다. 처리 동안, N2 가스는 작업 구역으로 주입되었다. 실린더는 0.25 m/s의 선형 표면 속도를 달성하도록 회전되었으며, 레이저 노즐은 회전당 항시 0.02㎜로 축방향으로 움직였다.
도 4는 산호형 형태학을 표시하는 처리된 표면의 주사형 전자 현미경 이미지를 도시한다. 표면이 비교적 매끄러운 표면보다 많은 유체를 유지하는 것을 가능하게 하는 깊은 함몰부가 존재한다. 촉침식 박막 두께 측정기를 사용하여 측정된 평균 거칠기 깊이(Rz)는 13.9±0.9 ㎛이었다.
샘플은 단면처리되었고, 장착되었으며, 마이크로경도 프로파일링을 위하여 폴리싱되었다. lOg 하중 인가된 하중을 갖는 누프 압자가 사용되었다. 거침(asperities)의 끝에서, 마이크로경도는 범위 HK 1000-1200에 도달하였으며, 이는 레이저 질화에 의한 유효 경화를 나타낸다.
예 4
이 예는 일련의 교번 레이저 조각 및 레이저 경화 단계들이 사용되는 멀티패스 처리를 보여준다.
동일한 0.4㎜의 2 등급 티타늄 시트 재료는 예 1 및 예 2에서와 같이 사용되었다. 이것은 동일한 방시긍로 실린더 상에 고정되었으며, 표면 속도가 0.25 ㎝/s이도록 회전되었다. Nd:YAG 레이저를 사용하여, 다음의 6개 처리 패스가 실행되었다.
패스 1: Q-스위칭된 TEM00 모드에서조각. 초점 -2.0㎜(타겟 표면 위).
패스 2: CW TEM11 모드에서 경화. 초점 +0.5㎜(타켓 표면 아래).
패스 3: Q-스위칭된 TEM00 모드에서 조각. 초점 -2.0㎜(타겟 표면 위).
패스 4: CW TEM11 모드에서 경화. 초점 +0.5㎜(타켓 표면 아래).
패스 5: Q-스위칭된 TEM00 모드에서 조각. 초점 -1.0㎜(타겟 표면 위).
패스 6: CW TEM11 모드에서 경화. 초점 +0.5㎜(타켓 표면 아래).
질소 가스는 조각 및 경화 모두를 위하여 작업 영역의 주위에 주입되었다. 조각된 패턴은 인치당 225 라인의 스크린 수를 가진 60°의 육각형 구조이었다.
도 5는 결과적인 표면을 보여주는 광학 현미경 이미지이다.
예 5
다음의 예에서, 예를 들어 레이저 조각 및 경화는 냉간 분사된 서멧 복합 코팅 상에 수행되었다.
탄화규소(SiC) 분말은 25 wt% SiC + 75 wt% 티타늄 혼합물을 만들도록 티타늄 분말과 혼합되었다. 티타늄 분말 입자는 각이 진 형태학 및 24.9㎛의 평균 입자 크기를 가졌다. SiC 입자 또한 각이 졌으며, SiC 분말은 -25㎛로 채질되었다(sieved). 혼합물은 그런 다음 CGT Kinetiks 4000 시스템을 이용하여 냉간 분사 되었다. 냉간 분사는 노즐로부터 상류측에서 3.5 ㎫ 압력 및 800℃의 가스 조건으로 캐리어 가스로서 질소를 사용하여 수행되었다. 5.6의 팽창비와 129.5㎜의 발산 부분 길이를 갖는 CGT 24TC 노즐이 사용되었다. 코팅은 75㎜ 외경 및 3㎜ 벽 두께를 갖는 연강 원통형 기판 상에 피착되었다. 실린더는 선반 상에서 회전되었다. 냉간 분사 건은 ABB 로봇에 의해 제어되었다. 분사 건은 이것이 상기 길이의 실린더 아래로 움직이고 다시 33회 움직이는 동안 기판으로부터 항시 30㎜ 떨어진 거리에서 노즐의 단부와 함께 기판 표면에 대해 직각으로 유지되었다. 1.2 ㎜ 두께 코팅이 생겼으며, 이는 금속 티타늄 매트릭스에 SiC 입자를 함유하였다.
코팅된 실린더는 77.1㎜의 균일한 직경으로 다시 가공되었다. 레이저 조각 및 경화는 0.25 m/s의 원주 표면 속도로 회전되는 실린더와 함께 Nd:YAG 레이저를 사용하여 수행되었다. 코팅된 표면은 먼저 Q-스위칭된 TEM 00 모드에서 레이저와 함께 작업 영역 내로 주입된 N2 가스에 의해 조각된다. 실린더 축에 대해 45°로 배향된 인치당 80라인의 3중나선 패턴이 제작되었다. 이 표면의 영역은 그런 다음 N2 가스 주입과 함께 연속파(CW)) TEM 11 모드에서 Nd:YAG 레이저를 사용하여 경화되었다. 질소 하의 경화 후에, 표면은 골드 색상으로 되었다.
도 6은 조각된 표면, 및 도 6의 상부 좌측에 있는 경화된 영역의 광학 현미경 이미지를 도시한다. 샘플은 그런 다음 단면처리되었으며, 에폭시 수지에 장착되고 폴리싱되었다. 폴리싱된 단면의 누프 마이크로경도 측정치는 셀 벽에서의 피크 경도가 효과적인 레이저 경화를 나타내는 1600-2000 HK의 범위에 놓이는 것을 보여주었다.
예 6
이 예는 본 발명의 방법론을 이용하여 철판 인쇄 프레스를 위한 아니록스 롤러의 제조를 설명한다.
연강 롤러베이스는 어느 한쪽 단부에 있는 저널을 포함하는 579㎜의 전체 길이를 가졌었다. 원통형 작업 표면(롤러 면)은 69.0 ㎜ 직경 및 350㎜ 길이였었다. 티타늄의 코팅은 CGT Kinetiks 4000 냉간 분사 시스템을 이용하여 롤러 면에 피착되었다. 공급 원료 물질은 실시예 5에서 사용된 24.9 ㎛의 평균 입자 크기를 갖는 동일한 각이진 티타늄 분말이었다. 냉간 분사 시스템은 3.5 ㎫의 질소 가스로 구동되고 CGT 24TC 수렴-발산 노즐의 진입 지점에서 800℃로 가열되었다. 분사된 코팅 두께는 0.9㎜이었다. 코팅은 전체 롤러 직경을 다시 70.7㎜로 가져오도록 가공되었다.
가공된 코팅 표면은 롤러 축에 대하여 45°로 정렬된 그루브로 이루어진 3중나선 패턴을 만들도록 Nd:YAG 레이저 및 인치당 150 라인의 스크린 수로 조각되었다. 조각을 위하여, 레이저는 작업 영역으로 레이저 헤드 노즐을 통해 분사된 N2 가스와 함께, Q-스위칭된 TEM00 모드로 작동되었다. 조각된 표면은 그런 다음 N 가스 주입과 함께 연속파(CW) TEM11 모드에서 레이저로 표면을 재용융하는 것에 의해 경화되었다. 마지막으로, 조각된 경화 표면은, 다이아몬드 함침 막을 사용하여 래핑되었다. 이러한 래핑 작업은 가장 높은 피크를 다시 폴리싱하도록 아니록스 롤러에서 사용되는 일반적인 기술이며, 그래서 정상적인 프레스 서비스 동안 롤러와 접촉하는 다른 표면의 마모를 감소시킨다.
롤러의 마모 시험은 Y320-5B 철판 인쇄 프레스(중국, Hexiang로부터 구입)에서 수행되었다. 실험적 셋업의 측면도는 도 7에 도시되어 있다. 롤러(1)는 분당 60m의 인쇄 속도로 프레스에서 구동되었다. 350 ㎜ 길이의 화이트 탄소강 닥터 블레이드(0.2 ㎜의 박판)(2)은 가역적인 각도 구성으로 아니록스 롤러에 대해 지속적으로 접촉하였다. 블레이드 홀더의 선회축(4)으로부터 60 ㎜에서 봉에 부착된 2개의 259g의 웨이트(3)는 아니록스 롤러(1) 표면에 대하여 일정한 힘 하에서 닥터 블레이드 엣지를 유지하도록 사용되었다. 마모된 블레이드로부터, 블레이드 접촉각도는 30°로 측정되었다. 시험의 목적은 인쇄하는 것이 아니고 롤러(1)의 내마모성을 평가하는 것임에 따라서, 플레이트 실린더, 압통 또는 용지 공급이 사용되지 않았다. 철판 인쇄 잉크가 증발하는 경향이 있음에 따라서, 그 테스트 기간 동안 일정 상태를 제공할 필요로 인하여, 잉크 트레이(5)는 잉크 대신에 1부의 철판 세정제 및 10부의 수돗물의 혼합물(6)이 충전되었다. 세제 용액(6)은 70.5 ㎜ 직경의 고무 파운틴 롤러(7)에 의해 잉크 트레이(5)로부터 픽업되어 티타늄 코팅된 아니록스(1)로 보내진다. 고무 롤러(7)와 아니록스(1) 표면은 접촉하지 않았지만, 아니록스 롤러(1)를 적시도록 세제 용액(6)에 충분히 근접한다. 잉여 용액은 닥터 블레이드(2)에 의해 티타늄 코팅된 아니록스(1)로부터 닦여졌다. 티타늄 코팅된 롤러(1)는 총 224시간 동안 이러한 방식으로 구동되었으며, 이는 807.84 ㎞의 주행에 해당하였다. 테스트 후의 표면 위상 기하학의 간섭계 분석은 3중나선 치수에 변화가 없음을 보였다.
비교에 의해, 동일한 조건 하에서 비경화된 냉간 분사 롤러는 표면의 영역위에서 셀의 완전한 사라짐과 함께 40.00 ㎞(11.1 시간) 후에 상당히 마모되었다.
예 7
다음의 간단한 절차는 롤러의 복구성을 설명한다. 도 8의 광학 현미경은 무거운 강철 물체에 의한 충격에 의해 파여진 표면의 영역을 도시한다. 3중나선 패턴은 눈에 띄게 손상되었다. 손상된 영역 주위의 롤러 표면의 30㎜ 밴드는 다시 가공되었으며, 동일한 24TC 노즐 , 및 3.0 ㎫에서 800℃로 예열된 N2 가스와 함께 CGT Kinetiks 시스템을 사용하여 동일한 티타늄 분말이 재분사되었다. 다시 냉간 분사된 영역은 본래의 처리에 대해 동일한 절차를 사용허여 가공되고 레이저 처리되었다. 롤러는 0.25 m/s의 원주 표면 속도를 만들도록 회전되었다. 롤러 축에 대해 45°로 3중나선 패턴의 조각은 작업 영역으로 주입된 N2 가스와 함께 Q-스위칭된 TEM00 모드로 Nd:YAG 레이저로 수행되었다. 질화를 위하여, N2 가스 주입과 함께, CW TEM11 모드가 사용되었다. 재분사된 코팅은 레이저 처리동안 박리의 어떠한 징후도 보이지 않았다. 수리된 표면의 셀 측정은 롤스코프 간섭계를 사용하여 취해졌다. 측정된 스크린 수는 인치당 150 라인이었다.

Claims (20)

  1. 동작 시에, 유체가 로딩되며 2차 표면과 일정하거나 반복적으로 접촉하여 2차 표면 상에 유체를 일정하게, 또는 반복적으로, 또는 일정하고 반복적으로 전사하는 유체 전사 표면의 제조 공정으로서,
    상기 유체 전사 표면은 일정하고 균일한 양의 유체를 수용하고 전사할 수 있는 가공된 지형학을 가지며,
    상기 공정은:
    티타늄 또는 티타늄 합금 표면을 제공하는 단계; 및
    경화된 표면을 제공하도록 질소, 산소, 탄소 및 수소 중 하나 이상의 격자간 원소 흡수에 의해 상기 티타늄 또는 티타늄 합금의 표면을 표면 경화 처리함으로써 그리고 소정의 표면 지형학을 제공하도록 상기 경화된 표면을 조각함으로써 유체 전사 표면을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 표면 경화는 질소, 산소, 탄소 및 수소 중 하나 이상의 가스의 존재 하에 레이저로의 표면의 국부적 용융에 의한 상기 유체 전사 표면의 가열을 포함하며,
    상기 표면 경화는 표면 경화될 티타늄 또는 티타늄 합금의 영역 및 두께에 대한 상기 유체 전사 표면의 가열을 포함하는,
    유체 전사 표면 제조 공정.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 상기 격자간 원소를 포함하는 가스는 불활성 가스와의 혼합물로서 사용되는,
    유체 전사 표면 제조 공정.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스는 질소, 이산화탄소 및 공기 중 하나인,
    유체 전사 표면 제조 공정.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 경화된 표면은 레이저를 사용하여 조각되는,
    유체 전사 표면 제조 공정.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 경화된 표면은 엠보싱 또는 널링에 의해 조각되는,
    유체 전사 표면 제조 공정.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 경화된 표면은 화학 에칭에 의해 조각되는,
    유체 전사 표면 제조 공정.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 티타늄 또는 티타늄 합금 표면은 실린더의 외부면인,
    유체 전사 표면 제조 공정.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 티타늄 또는 티타늄 합금 표면은 냉간 분사 티타늄 또는 티타늄 합금 분말에 의해 제조된,
    유체 전사 표면 제조 공정.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 티타늄 또는 티타늄 합금 표면은 베이스 구성요소의 표면 상에 티타늄 또는 티타늄 합금 입자의 냉간 분사에 의해 제조된,
    유체 전사 표면 제조 공정.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 베이스 구성요소는 실린더, 플레이트 또는 다이인,
    유체 전사 표면 제조 공정.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 티타늄 또는 티타늄 합금 표면은 하나 이상의 기능적으로 효과적인 첨가제를 포함하는 복합 재료인,
    유체 전사 표면 제조 공정.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 티타늄 또는 티타늄 합금 표면은 하나 이상의 조각 단계 및 하나 이상의 경화 단계를 포함하는 처리 사이클을 받는,
    유체 전사 표면 제조 공정.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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