KR102140369B1 - 경질 취성 재료 표면에 미세 딤플을 형성하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 후처리에 의해 세라믹과 같은 경질 취성 재료의 표면에 비교적 간단하게 딤플을 형성하는 방법의 제공에 관한 것이다. 이러한 방법에서는, 파손이나 균열의 발생 없이 소성 변형에 의해 경질 취성 재료의 표면에 딤플을 형성하도록, 경질 취성 재료로 이루어진 물품의 표면 또는 경질 취성 재료의 코팅 층으로 코팅된 표면을 갖는 물품의 표면 상의, 딤플이 형성되는 영역인 딤플 형성 영역에 대해 0.01 MPa 내지 0.7 MPa의 분사 압력으로 압축 가스와 함께 1 ㎛ 내지 20 ㎛의 중간값의 직경(d50)을 갖는 대체로 구형의 분사 입자가 분사된다.

Description

경질 취성 재료 표면에 미세 딤플을 형성하는 방법{METHOD OF FORMING FINE DIMPLES IN A HARD-BRITTLE MATERIAL SURFACE}

본 발명은 세라믹과 같은 경질 취성 재료의 표면에 마이크로 수준의 개구 직경을 갖는 미세 오목부(딤플)를 형성하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 경질 취성 재료의 표면은 경질 취성 재료로 형성되는 일반적인 표면 및 경질 취성 재료로 형성되는 물품의 표면을 포함할 뿐만 아니라, 예를 들어, 세라믹 코팅 표면과 같은 다양한 물질의 물품의 표면 상에 형성되는 경질 취성 재료의 코팅 층을 포함함에 주목하여야 한다.

세라믹은 다양한 물품의 재료, 코팅제 등으로서 채용되는 경질 취성 재료의 일 예이다. 경도가 높고 내열성, 내마모성 등이 우수함으로 인해, 다른 부재와 접촉하는 물품에, 예를 들어, 미끄럼 이동 구성 요소와 금형 표면의 코팅제 및 구성 재료로서 세라믹이 채용된다.

미끄럼 이동 부분의 마찰 저항을 감소시키며 개선된 이형성(demoldability)을 달성하기 위하여, 미세 오목부(딤플)가, 딤플 내에 윤활제, 이형제 등을 유지하기 위하여, 이러한 미끄럼 이동 구성 요소 및 금형 표면 상에 형성된다.

딤플이 형성되는 물품이 금속으로 이루어지는 경우, 이러한 딤플은 물품 표면의 소성 변형을 유발함으로써 형성될 수 있다. 고속 충격(bombardment) 인가 시에 대략 구형의 분사 입자를 분사함으로써 발생되는 함몰부가 윤활제를 유지하기 위한 저장소의 역할을 하는 방법(특허 문헌 1)이 제안되어 있다.

그러나, 미끄럼 이동 구성 요소가 세라믹으로 형성되거나 세라믹 코팅된 경우, 금속에서와 같은 소성 변형에 의해 딤플이 형성될 수 없다. 그 이유는 세라믹이 경도가 높으면서 다른 한편으로는 또한 변형되기 어려워, 강도 한계에 이르는 큰 힘이 부과되면 금속과 같은 소성 변형 없이 갑자기 파손되는 경질 취성 재료이기 때문이다.

따라서, 세라믹에 딤플을 형성하기 위해서는, 소결 이전에 딤플을 형성하는 방식으로, 또는 후처리에 의해 딤플을 형성할 때 취성 균열을 이용하는 것과 같은, 소성 변형 이외의 방법에 의해 딤플이 형성되는 방식으로 세라믹이 준비된다.

예비 소결 준비 방식으로 딤플을 형성하는 방법으로는, 세라믹 원료에 수지, 발포제, 위스커(whisker) 등이 첨가된 혼합물을 성형하여 딤플이 형성된 후, 이 혼합물이 소결 처리되어 이러한 소결 처리 동안 첨가된 수지 또는 발포제를 연소시켜 딤플을 형성하는 방법(특허 문헌 2의 단락 [0030] 참조)이 있다. 또한, 딤플에 대응하는 돌출부가 형성된 금형을 채용하여 소결 이전에 세라믹 원료를 성형한 다음 소결 처리하는 방법(특허 문헌 2의 단락 [0031] 참조)이 있다.

후처리에 의해 소결 처리한 후 세라믹에 딤플을 형성하는 방법으로는, 베어링이나 정속 조인트의 세라믹제 구름 운동 몸체의 표면 상에 피코초(picosecond) 레이저의 펄스 폭보다 짧은 펄스 폭을 갖는 단일 펄스 레이저를 조사하여 미세 딤플을 형성하는 방법(특허 문헌 3)이 제안되고 있다.

[종래 기술]

[특허 문헌]

특허 문헌 1: JP H07-188738A

특허 문헌 2: JP H08-128448A

특허 문헌 3: JP 2016-156428A

딤플을 형성하기 위한 전술한 방법들 중, 세라믹 원료에 수지, 발포제, 위스커 등이 첨가된 혼합물을 성형한 다음 소결 처리하여 첨가된 수지, 발포제 등을 연소시킴으로써 딤플이 형성되는 방법에서는, 균일한, 격리 상태의 비연속적인 딤플을 형성하기 위한 공정 제어가 어렵다. 이러한 공정 제어의 결여는 일정한 품질의 물품을 제조하기 어렵게 만든다.

더욱이, 이러한 방법에서는, 제조되는 물품의 재료에 첨가되는 수지, 발포제 등의 종류 및 양을 세라믹의 종류마다 그리고 제조되는 각각의 물품의 종류마다 조절하여야 한다는 점에서 볼 때, 제조 제어가 복잡하다.

이와 반대로, 딤플에 대응하는 돌출부가 형성된 금형을 채용하여 세라믹 원료를 소결 처리에 앞서 성형한 후 소결 처리하는 방법에 의하면, 모든 물품이 동일한 장소에 동일한 형상으로 형성된 딤플을 구비한다는 점에서, 이와 같이 금형을 사용하여 성형된 물품이 물품 간에 품질이 변하는 일 없이 생산될 수 있게 된다.

그러나, 이러한 방법에 의해 딤플을 형성하는 것은 특정 금형으로 성형된 물품에만 적용 가능하다. 그외 다른 물품에 딤플을 형성하기 위해서는, 딤플이 되는 돌출부가 형성된 금형을 준비하여야 하며, 여기서, 돌출부는 제조되는 각각의 물품마다 적절한 배치로 형성되어야 한다. 이에 따라 제조비가 상승한다.

특히, 특허 문헌 2에는, 반구형 딤플 뿐만 아니라 직사각형, 별 형상, 원형 체인 링크 형상 등과 같은 각진 형상을 갖는 딤플을 형성하는 방안이 제안되어 있다. 그러나, 이러한 각진 형상에 있어서는, 미끄럼 이동 동안 각진 부분에 힘이 집중되며, 이에 따라 파손이 발생할 수 있다. 더욱이, 칩핑(chipping) 등이 발생하는 경우, 칩핑으로 인해 생기는 파편이 미끄럼 이동 표면을 긁어 마모시킴에 따라, 연마제성 마모가 야기된다.

더욱이, 전술한 모든 방법은 소결 처리 이전에 딤플을 형성하기 위한 준비 과정을 필요로 하며, 소결 처리 이후에는 세라믹 표면을 후처리하여 딤플을 형성할 수 없다.

더욱이, 전술한 세라믹 물품에 딤플을 형성하는 방법 중 어느 것도 세라믹 코팅에 딤플을 형성할 수는 없다.

이와 반대로, 특허 문헌 3에 기재된, 세라믹으로 이루어진 구름 운동 몸체의 표면 상에 단일 펄스 레이저를 조사하여 미세 딤플을 형성하는 방법은 소결 처리 이후 세라믹 물품에 후처리에 의해 딤플을 형성할 수 있다. 이 방법은 또한, 각각의 구름 운동 몸체에 동일한 크기의 딤플을 동일한 간격으로 형성함으로써 균일한 품질을 갖춘 물품을 제조할 수 있다.

그러나, 이러한 방법을 사용하여 딤플을 형성함으로써 동일한 크기의 딤플을 동일한 간격으로 형성하기 위해서는, 소정의 방향으로 각각의 구름 운동 몸체를 구름 운동시키면서 표면 상에 일정한 간격으로 단일 펄스 레이저를 조사하는 작업이 요구된다. 이에 따라, 이러한 복잡한 작업이 수행될 수 있도록 하기 위해 복잡하면서도 값비싼 처리 장비가 필요하기 때문에 막대한 초기 투자가 요구된다.

더욱이, 각각의 구름 운동 몸체 상에 동일한 크기의 딤플을 동일한 간격으로 형성하는 작업은 수행하는데 시간이 많이 걸린다. 이것은 딤플 형성 비용을 증가시키며, 이러한 방법에 의해 딤플이 형성된 구름 운동 몸체의 가격을 증가시킨다.

또한, 펄스 레이저 조사 방식으로 딤플이 형성되는 경우, 처리 중에 재료 표면으로부터 비산된 물질이 표면에 부착되어 표면을 오염시키는 미세 입자, 즉, 부스러기를 형성한다. 이에 따라, 이러한 부스러기가 마찰 표면 사이에 개재되어 미끄럼 이동 부분의 표면에 스크래치를 야기함으로써 연마제성 마모의 원인이 되기 때문에, 딤플 형성 후 이러한 부스러기를 제거하기 위한 작업이 요구된다.

미끄럼 이동 구성 요소의 미끄럼 이동 표면에 윤활유와 같은 윤활제를 유지하기 위하여 딤플을 형성하는 일 예가 위에 설명되어 있긴 하지만, 미끄럼 이동 부재의 미끄럼 이동 표면으로만 용례가 제한되는 것은 아님에 주목하여야 한다. 경우에 따라서는, 이러한 딤플 형성이 이형성 등을 개선하기 위하여 금형의 표면에 이형제 또는 공기를 유지하기 위한 것일 수도 있다. 이에 따라, 다양한 세라믹 물품의 표면 및 세라믹 코팅에 딤플을 형성할 수 있으면서 간단하면서도 저렴한 비용으로 세라믹 표면에 딤플을 형성할 수 있는 방법이 요구되고 있다.

본 발명은 이러한 요구를 표명한 것으로서, 본 발명의 목적은, 기존의 처리 장치를 채용함으로써 비교적 절제된 가격으로 도입될 수 있으며, 또한 피처리 물품의 형상 또는 품질과 상관없이 세라믹으로 대표되는 경질 취성 재료에서의 후처리에 의해 비교적 간단한 방법을 사용하여 저렴한 비용으로 딤플을 형성할 수 있는 딤플 형성 방법을 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 세라믹 또는 실리콘 재질의 경질 취성 재료의 표면에 미세 딤플을 형성하는 방법은 경질 취성 재료의 항복점을 초과하는 충격력이 분사 입자가 충돌하는 영역에 가해지는 것에 의하여 발생된 소성 변형에 의해 상기 경질 취성 재료의 표면에 개구 직경이 1 ㎛ 내지 20 ㎛이며 깊이가 0.01 ㎛ 내지 1 ㎛인 반구형 딤플을 형성하도록, 피처리 물품의 상기 경질 취성 재료의 표면에 딤플이 형성되는 영역인 딤플 형성 영역에 대해 0.01 MPa 내지 0.7 MPa의 분사 압력으로 압축 가스와 함께 1 ㎛ 내지 20 ㎛의 중간값의 직경(d50)을 갖는 금속계 또는 세라믹계 재질의 구형 또는 각지지 않은 형상의 분사 입자를 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 경질 취성 재료의 표면에 미세 딤플을 형성하는 하는 것을 특징으로 한다.

"중간값의 직경(median diameter)(d50)"은 누적 질량 50 백분위수에서의 직경, 즉, 입자 군을 두 개로 나누기 위한 입자 직경으로서 채용되는 경우, 직경이 더 큰 입자 군에서의 입자의 총 질량이 직경이 더 작은 입자 군에서의 입자의 총 질량과 동일해지는 결과를 초래하는 직경을 지칭한다. 이것은 일본공업규격 (JIS) R 6001(1987)에서의 "누적 50% 지점에서의 입자 직경"과 동일한 정의이다.

삭제

바람직하게는, 상기 딤플은 딤플의 개구의 총 표면적이 상기 딤플 형성 영역의 표면적의 50% 이상이 되도록 형성된다.

바람직하게는, 상기 경질 취성 재료는 유리이다.
바람직하게는,상기 경질 취성 재료는 세라믹이며, 상기 피처리 물품은 미끄럼 이동 구성 요소이며, 상기 딤플은 상기 미끄럼 이동 구성 요소의 미끄럼 이동 표면에 형성될 수도 있다.

전술한 본 발명의 구성에 있어서, 본 발명의 방법에 의해 이하의 상당히 유리한 효과가 달성될 수 있다.

1 ㎛ 내지 20 ㎛의 중간값의 직경(d50)을 갖는 대략 구형의 분사 입자가 0.01 MPa 내지 0.7 MPa의 분사 압력으로 압축 가스와 함께 분사되는 극도로 간단한 방법을 사용하여 세라믹과 같은 경질 취성 재료의 표면에 딤플이 형성될 수 있다.

이와 같이 딤플이 형성되어도 경질 취성 재료에서는 파손이나 균열의 발생이 보이지 않으며, 딤플이 형성될 때 기계 가공 먼지가 발생하지 않는 것으로 나타났다. 또한, 세라믹 물품 표면의 X-선 회절 분석의 결과에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 방법에 의한 처리 이후 세라믹 물품의 표면(예를 들어, 주성분이 WC인 초경합금)에서 크게 증가된 압축 잔류 응력이 얻어졌다(상세히 설명하자면, 압축 잔류 응력이 처리 이전의 1000 MPa에서 처리 이후의 2200 MPa로 변경된다). 따라서, 본 발명의 방법에 의한 딤플 형성은 재료의 취성 균열에 의한 것이 아니라, 경질 취성 재료의 표면을 소성 변형시켜 딤플을 형성함으로써 달성되는 것으로 생각된다.

더욱이, 전술한 방법에 의한 딤플 형성은 비교적 절제된 비용의 공지된 에어 블라스팅(air blasting) 장치를 사용하여 비교적 짧은 시간 동안의 처리에 의해 수행될 수 있다. 이것은 딤플 형성 비용이 저비용으로 억제될 수 있도록 한다.

본 발명의 목적 및 장점이, 동일한 구성 요소가 동일한 도면 부호로 지정되어 있는, 첨부 도면과 연계한 바람직한 실시예의 이하의 상세한 설명으로부터 이해될 것이다:
도 1a는 예 1의 금형의 표면 현미경 사진이며, 도 1b는 그 표면 단면 프로파일을 나타내고;
도 2a는 비교예(미처리)의 금형의 표면 현미경 사진이며, 도 2b는 그 표면 단면 프로파일을 나타내고;
도 3은 FEM을 사용한 폰 미제스 응력 분석 이미지(분사 입자의 입경: 10 ㎛)을 나타내며;
도 4는 FEM을 사용한 폰 미제스 응력 분석 이미지(분사 입자의 입경: 50 ㎛)을 나타내며;
도 5는 시험편(소다 유리)의 표면 단면 프로파일을 나타내며; 도 5a는 미처리 시험편의 표면이며, 도 5b는 본 발명의 방법에 의한 처리 이후의 시험편의 표면이다.

첨부 도면을 참조한, 본 발명의 실시예에 관한 설명은 아래와 같다.

(처리 대상)

본 발명의 방법을 사용하여 딤플이 형성되는 물품(피처리 물품)은, 경질 취성 재료로 형성되는 물품, 경질 취성 재료의 코팅 층으로 코팅된 표면을 구비한 물품 등과 같은, 경질 취성 재료로 구성되는 최외측 표면을 구비한 다양한 물품 중 어느 하나일 수도 있다.

경질 취성 재료는 세라믹 뿐만 아니라 단결정 실리콘을 포함한다. 이러한 세라믹에는, 산화물, 탄화물, 질화물, 붕소화물, 규화물, 불화물, 황화물, 탄소 등과 같은, 일반적으로 주로 비금속으로 이루어지는 무기 고체 재료가 포함된다. 본 발명의 세라믹의 예에는, 알루미나(Al₂O₃), 지르코니아(ZrO₂), 이산화규소(SiO₂), 티탄산바륨(BaO₃Ti), 산화이트륨(Y₂O₃), 탄화규소(SiC), 탄화 텅스텐(WC), 탄화티타늄(TiC), 질화규소(Si₃N₄), 질화티타늄(TiN), 질화 티타늄 알루미늄(TiAIN), 붕소화 티타늄(TiB₂), 붕소화 지르코늄(ZrB₂), 규화 몰리브데늄(MoSi₂), 규화 텅스텐(WSi₂), 불화 칼슘(CaF₂), 다이아몬드 유사 탄소(DLC), 그리고 주성분이 위에 열거된 이산화규소(SiO₂)인 유리(소다 유리, 납 유리, 붕규산 유리와 같은)가 포함된다.

더욱이, 본 발명의 방법은, 전술한 바와 같이, 물품이 경질 취성 재료로 형성되거나 경질 취성 재료로 코팅된 물품이라면, 물품이 무엇에 사용되는지와 상관없이 다양한 물품에 적용 가능하다. 더욱이, 딤플이 물품 표면의 일부에 형성될 수 있으며, 베어링, 샤프트, 기어 휠 등과 같이 다른 부재와 접촉하도록 채용되는 미끄럼 이동 부재에 적용되는 경우, 다른 부재에 대해 미끄럼 이동하는 미끄럼 이동 부재의 부위에만 처리가 적용될 수도 있다.

(딤플 형성 방법)

피처리 물품의 표면 상의 딤플이 형성되는 영역인, 딤플 형성 영역이 압축 가스와 함께 대체로 구형의 분사 입자를 분사하여 이 딤플 형성 영역에 충돌시킴으로써 처리된다.

전술한 처리를 수행하는 경우 채용되는 분사 입자, 분사 장치, 그리고 분사 조건의 예는 아래에 주어진 바와 같다.

(1) 분사 입자

본 발명의 표면 처리 방법에 채용되는 대체로 구형의 분사 입자에 대하여, "대체로 구형(substantially spherical)"은 엄격하게 "구형"이어야 하는 것은 아님을 의미하며, 보통의 "샷(shot)"이 채용될 수도 있다. 타원형 및 원통형과 같은 각지지 않은 형상의 입자가 본 발명에 채용되는 "대체로 구형의 분사 입자"에 포함된다.

분사 입자에 채용될 수도 있는 재료에는 금속계 재료 및 세라믹계 재료가 모두 포함된다. 금속계 분사 입자용 재료의 예에는, 강, 고속 공구 강(HSS), 스테인레스 강, 크롬 붕소 강(FeCrB) 등이 포함된다. 세라믹계 분사 입자용 재료의 예에는, 알루미나(Al₂O₃), 지르코니아(ZrO₂), 지르콘(ZrSiO₄), 탄화 규소(SiC), 경질 유리 등이 포함된다.

채용된 분사 입자의 입경과 관련하여, 1 ㎛ 내지 20 ㎛의 범위의 중간값의 직경(d50)을 갖는 입자가 채용될 수도 있다.

(2) 분사 장치

압축 가스(공기, 아르곤, 질소 등)와 함께 연마제를 분사하기 위한 공지의 블라스팅 장치가 피처리 물품의 표면에 대해 전술한 분사 입자를 분사하기 위한 분사 장치로서 채용될 수도 있다.

압축 가스를 분사하여 발생되는 부압을 사용하여 연마제를 분사하는 흡입식 블라스팅 장치, 연마제 탱크로부터 낙하하는 연마제가 압축 가스에 의해 운반 및 분사되도록 하는 중력식 블라스팅 장치, 연마제가 충전된 탱크에 압축 가스가 주입되며 연마제 탱크로부터의 연마제 흐름을 별개로 마련된 압축 가스 공급원으로부터의 압축 가스 흐름과 병합하여 연마제가 분사되는 직접 압력식 블라스팅 장치, 그리고 직접 압력식 블라스팅 장치로부터의 압축 가스 흐름을 송풍기 유닛에 의해 발생되는 가스 흐름에 의해 운반 및 분사하는 송풍기식 블라스팅 장치와 같은 블라스팅 장치가 상업적으로 이용 가능하다. 전술한 장치 중 어느 하나가 전술한 바와 같이 분사 입자를 분사하도록 채용될 수도 있다.

(3) 처리 조건

전술한 재료 중 어느 하나 등을 이용하여 1 ㎛ 내지 20 ㎛의 중간값의 직경(d50)으로 형성된 대체로 구형의 분사 입자가 0.01 MPa 내지 0.7 MPa의 분사 압력으로 압축 가스와 함께 전술한 피처리 물품에 대해 분사된다.

이에 따라, 경질 취성 재료의 표면에 각기 개구 직경이 1 ㎛ 내지 20 ㎛이며 깊이가 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛인 딤플이 형성될 수 있다.

분사 입자의 분사는 형성된 딤플의 개구의 총 표면적이 딤플 형성 영역의 표면적의 50% 이상이 되도록 수행된다.

(딤플 형성 시험 1)

(1) 시험 목적

분사 입자의 분사 조건 변경에 따른 경질 취성 재료의 표면 상태 변화를 확인하는 한편, 딤플을 형성하여 얻어지는 미끄럼 이동성 개선을 확인하는 것을 목적으로 한다.

(2) 시험 방법

분사 입자를, 아래의 표 1에 열거된 조건 하에, 피처리 물품에 대해, 이 경우에는 알루미늄 합금을 압출 성형하기 위한 지르코니아(ZrO₂)로 이루어진 금형(산술 평균 거칠기(Ra)가 0.1 ㎛ 이하인 표면을 부여하기 위해 랩 연마(lap polishing) 처리된 금형)에 대해 분사하였다.

분사 입자의 분사 조건

처리 조건	예 1	예 2	예 3
분사 유형/분사 장치의 모델 번호	흡입식/SFK-2(주식회사 후지 매뉴팩처링에 의해 제조)	송풍기식/LDQ-3(주식회사 후지 매뉴팩처링에 의해 제조)	직적 압력식/FDQ-3(주식회사 후지 매뉴팩처링에 의해 제조)
분사 입자	10 ㎛의 입경(d50)을 갖는 알루미나로 이루어진 입자	18 ㎛의 입경(d50)을 갖는 지르코니아로 이루어진 입자	5 ㎛의 입경(d50)을 갖는 합금강으로 이루어진 입자
분사 압력	0.5 MPa	0.05 MPa	0.3 MPa
노즐 직경	Φ7 mm	Φ9 mm	Φ5 mm
분사 시간	60초	120초	60초

미처리 금형의 표면 거칠기 프로파일 및 전술한 조건 하에서의 처리 후의 금형의 표면 거칠기 프로파일을 프로파일 분석 레이저 현미경(주식회사 키엔스(Keyence Corporation)에 의해 제조된 "VK-X250")을 사용하여 관찰하였다.

[0052] 더욱이, 미처리 금형 및 전술한 예 1 내지 예 3의 조건 하에서 처리된 금형을 채용하여 알루미늄 합금을 압출 성형한 다음, 금형 표면에 대한 알루미늄의 접착 상태를 육안으로 관찰하였다.

(3) 측정 결과

도 1은 전술한 예 1의 조건 하에서 딤플을 형성한 후의 금형 표면의 프로파일 분석 레이저 현미경에 의한 관찰 결과를 나타낸다. 도 1a는 금형 표면을 촬영한 현미경 사진이며, 도 1b는 분석 결과로부터 얻어진 딤플 형성 영역의 표면의 단면 프로파일을 나타낸다.

예 2 및 예 3의 조건 하에서 처리된 금형의 표면 프로파일에 대해 대체로 동일한 결과가 나타났기 때문에, 도 1은 전형적인 예로서의 예 1의 조건 하에서 처리된 금형의 표면 프로파일만을 나타낸 것으로, 예 2 및 예 3의 조건 하에서 처리된 금형 표면의 프로파일 분석 레이저 현미경에 의한 관찰 결과는 도시 생략되어 있음에 주목하여야 한다.

비교를 위해, 미처리 금형의 표면의 프로파일 분석 레이저 현미경에 의한 관찰 결과가 도 2에 도시되어 있다. 도 2a는 금형 표면을 촬영한 현미경 사진이며, 도 2b는 분석 결과로부터 얻어진 표면의 단면 프로파일을 나타낸다.

압출 성형이 예 1 내지 예 3의 금형 및 미처리 금형(비교예)에 의해 수행된 이후의 금형 표면에 대한 알루미늄의 접착 상태를 관찰할 결과가 표 2에 기재되어 있다.

알루미늄 접착 상태의 관찰 결과

	예 1	예 2	예 3	비교예(미처리)
알루미늄 접착 상태	극히 미미한 접착	미미한 접착	극히 미미한 접착	상당한 접착

도 1과 도 2의 비교를 통해 분명해지는 바와 같이, 비교적 평활한 상태(도 2 참조)의 미처리 금형의 표면의 경우, 예 1의 조건 하에서 처리를 수행한 후 금형 표면에 딤플(반구형 오목부)이 형성된다(도 1 참조).

더욱이, 유사한 프로파일 분석 레이저 현미경으로 수행된 관찰에서는, 예 2 및 예 3의 조건 하에서 처리된 금형에 유사한 딤플이 형성되었음이 확인되었다.

예 1 내지 예 3 중 어느 하나의 조건 하에서의 처리에 의한 처리 이후 금형 표면에서 파손이나 균열이 발생이 나타나지 않았음에 주목하여야 한다. 또한, 처리 동안 어떠한 기계 가공 먼지의 발생도 나타나지 않았으며, 또한, 본 발명의 방법에 의한 처리 이후 표면에서 상당히 증가된 압축 잔류 응력이 나타났다. 따라서, 전술한 바와 같은 딤플의 형성은 취성 균열을 통해서가 아닌 소성 변형을 통해 발생하는 것으로 추측된다.

표 2에 나타내어진 바와 같이, 본 발명의 방법에 의해 딤플이 형성된 금형은 알루미늄 접착에 취약하지 않은 것으로 확인됨에 따라, 본 발명의 방법에 의해 형성된 딤플이 금형 재료 및 금형 표면 사이의 개선된 미끄럼 이동성에 기여한다는 것이 확인되었다.

(4) 해석

본 발명의 방법을 사용하여, 파손 또는 균열의 발생 없이, 경질 취성 재료인 지르코니아에 딤플이 형성될 수 있다. 딤플이 소성 변형으로 인해 형성되는 것으로 생각되지만, 그 기본 이론이 완전히 이해되는 것은 아니다. 이러한 소성 변형에 의한 딤플의 형성은 1 ㎛ 내지 20 ㎛의 중간값의 직경(d50)을 갖는 미세 분사 입자를 사용함으로써 실시될 수 있는 것으로 생각된다.

다시 말해, 세라믹과 같은 경질 취성 재료에 소성 변형을 발생시키기 위하여 힘을 부과하는 경우 단위 체적 당 영구 변형 에너지가 높아야 하는 것으로 생각된다. 본 발명의 경우, 분사 입자가 충돌할 때 극소 영역에 큰 힘(충격력)이 부과되어야 한다.

도 3 및 도 4에는, 강으로 이루어진 두 가지 종류의 분사 입자(밀도 7.85)가 충돌한 시편에 대해, 유한 요소법((FEM)(이하, 간단히 FEM 분석으로 일컬어진다)을 사용하여 폰 미제스(Von Mises) 응력 분석에 의해 수행된 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 10 ㎛의 입경을 갖는 분사 입자를 사용한 시뮬레이션 결과가 도 3에 도시되어 있다. 50 ㎛의 입경을 갖는 분사 입자를 사용한 시뮬레이션 결과가 도 4에 도시되어 있다.

FEM 분석은 복잡한 기하학적 모델과 같은 분석적 방법으로는 해결이 어려운 경우에 사용하기 위한 수치 분석 방법이다. FEM 분석에 있어서, 도메인이 유한 요소로 분할되며, 요소 레벨에 간단한 공식이 설정되고, 근사치를 만들기 위한 요소 사이의 보간 함수를 사용하여 전체 도메인에 대한 해가 얻어진다. 분석 소프트웨어로서, "Femap with NX Nastran"(주식회사 엔에스티(NST Co., Ltd.)에 의해 제조)이 채용되었다.

"폰 미제스 응력(Von Mises stress)"은 전단 변형 에너지 이론에 기초한 등가 응력이다. 폰 미제스 응력은 방향성이 없는 스칼라 값으로 표현되며, 복잡한 하중이 여러 방향으로 작용하는 응력장에서의 단축 인장 또는 압축 응력의 값이다.

폰 미제스 응력은 재료가 항복 상태인지 여부를 결정하는 지표로서 참조된다. 이것은 항복 응력과 비교할 때 다른 방향의 응력을 볼 필요가 없음을 의미하며, 항복 상태의 결정은 단일 폰 미제스 응력을 사용하여 이루어진다. 이것은 분사 입자의 충돌로 인해 발생하는 응력을 시뮬레이션하기 위해 사용되었다.

시뮬레이션 결과를 보면 분명히 알 수 있는 바와 같이, 분사 입자의 입경과 입력 응력 깊이의 관계에 있어서, 분사 입자의 입경이 작아질수록 표면에서 극도로 얕은 층에 높은 응력이 입력된다. 응력은 입경이 커질수록 더 깊은 층으로 입력되지만, 이러한 응력은 더 낮아진다.

도 3 및 도 4의 등고선도에서, 초승달 형상을 볼 수 있는 부분의 중심은 가장 강한 응력이 입력된 부분을 나타낸다.

입경이 10 ㎛인 분사 입자가 분사되는 경우 최대 응력은 8.752 kgf/mm²이다. 반면에, 입경이 50 ㎛인 분사 입자가 분사되는 경우 최대 응력은 6.084 kgf/mm²이다. 즉, 입경이 10 ㎛인 분사 입자가 채용되는 경우, 발생된 최대 응력은 입경이 50 ㎛인 분사 입자가 채용되는 경우와 비교하여 1.4배로 더 높다.

더욱이, 입경이 50 ㎛인 분사 입자가 채용되는 경우, 시편의 최상측 표면으로부터 2.33 ㎛의 깊이에서 최대 응력이 발생된다. 반면에, 입경이 10 ㎛인 분사 입자가 채용되는 경우, 시편의 최상측 표면으로부터 0.40 ㎛의 깊이에 최대 응력이 발생된다. 즉, 입경이 10 ㎛인 분사 입자가 채용되는 경우 최대 응력이 발생되는 깊이는 50 ㎛의 입경을 갖는 분사 입자가 채용되는 경우와 비교하여 약 1/6 정도로 더 얕아진다. 따라서, 분사 입자의 입자 직경이 작아질수록 단위 체적 당 충격력이 현저히 증가한다.

이에 따라, 1 ㎛ 내지 20 ㎛ 의 중간값의 직경(d50)을 갖는 미세 입자 직경이 채용되는 본 발명의 방법에서 경질 취성 재료의 표면에 항복점을 초과하는 충격력이 부과될 수 있다. 그 결과, 소성 변형에 의해 딤플이 형성될 수 있는 것으로 생각된다.

(딤플 형성 시험 2)

(1) 시험 목적

전술한 "딤플 형성 시험 1"에서와 같이 처리가 이루어진 지르코니아 이외의 경질 취성 재료에서도 본 발명의 방법에 의해 딤플이 형성될 수 있음을 확인하는 것을 목적으로 한다.

(2) 시험 방법

소다 유리로 제조한 미처리 시험편(길이 10 ㎜ × 폭 10 ㎜ × 두께 2 ㎜) 및 본 발명의 방법을 사용하여 분사 입자를 분사하여 딤플을 형성한 후의 소다 유리 시험편의 개개의 표면 프로파일을 프로파일 분석 레이저 현미경(주식회사 키엔스에 의해 제조된 "VK-X250")을 사용하여 관찰하였다.

이하의 표 3에 기재된 분사 조건 하에서 시험편의 전체 표면에 대하여 분사 입자를 분사하였다

시험편(소다 유리)에 대한 분사 입자의 분사 조건

분사 유형/분사 장치의 모델 번호	흡입형/SFK-2(주식회사 후지 매뉴팩처링에 의해 제조)
분사 입자	1 ㎛(d50)의 입경을 갖는 알루미나로 이루어진 입자
분사 압력	0.7 MPa
노즐 직경	Φ7 mm
분사 시간	3초

(3) 측정 결과

도 5a는 미처리 시험편의 표면 프로파일(단면)을 나타내며, 도 5b는 본 발명의 방법에 의한 처리 이후의 시험편의 표면 프로파일(단면)을 나타낸다.

미처리 시험편(도 5a)의 표면은 명백한 함몰부 또는 돌출부 없이 평평했다. 반면에, 본 발명의 방법(도 5b)에 따른 처리 이후의 상태에서는 시험편의 표면에 딤플이 형성되어있는 것이 확인되었다.

더욱이, 소다 유리에 대한 시험에서는, 처리 이후의 시험편에서 파손이나 균열의 발생이 보이지 않았다. 또한, 분사 입자에 의한 충돌 동안 소다 유리로부터 발생하는 어떠한 기계 가공 먼지도 보이지 않았으며, 압축 잔류 응력이 또한 부과되었다. 이에 따라, 딤플이 소성 변형에 의해 얻어지는 딤플인 것으로 추측된다.

(4) 해석

전술한 결과로부터, 본 발명의 방법이 지르코니아에 한정되지 않았으며, 소다 유리 표면의 소성 변형에 의해 딤플을 형성할 수 있음이 확인되었다.

전술한 결과로부터 논리적으로 추측되는 바와 같이, 본 발명의 방법이 전술한 예에서의 처리 객체, 즉 지르코니아 및 소다 유리에 한정되는 것은 아니며, 다른 경질 취성 재료에서의 딤플 형성에도 적용 가능하다.

전술한 본 발명의 방법은 경질 취성 재료의 표면에 딤플을 형성하여야 하는 용례에 적용 가능하다.

이러한 용례의 예에는, 세라믹 물품 및 세라믹으로 코팅된 입자의 용례, 미끄럼 이동 부재의 미끄럼 이동 표면에 딤플을 형성함으로써 마찰 저항의 감소를 달성하기 위한 용례, 그리고 딤플 내에 액체 또는 고체 윤활제를 유지함으로써 또는 저장소로서의 딤플 내에 공기가 포획되도록 함으로써 접촉 표면적을 감소시키기 위한 용례가 포함된다.

금형 표면에 딤플을 형성함으로써, 딤플 내에 이형제를 유지함으로 인한 또는 저장소로서의 딤플 내에 공기를 포획함으로 인한 접촉 면적 감소를 수반한, 이형성 개선이 달성될 수 있다.

또한, 딤플을 형성하여 각종 액체(약물, 향료, 지방, 오일 등)의 유지 능력이 우수한 세라믹의 표면을 형성할 수 있기 때문에, 본 발명의 방법은 또한, 인쇄 등에 사용되는 세라믹으로 제조된 댐프닝 롤러(dampening roller)에; 코팅액 및 지방에 사용되는 세라믹으로 제조된 롤러의 표면 처리로서; 전술한 바와 같은 미끄럼 이동성 개선을 위한 처리에; 그리고 액체의 보유성을 개선할 필요가 있는 다양한 세라믹 제품에 적용 가능하다.

따라서, 이하의 가장 광범위한 청구 범위는 특정 방식으로 구성된 기계를 대상으로 하는 것은 아니다. 대신, 상기 가장 광범위한 청구 범위는 획기적인 발명의 핵심이나 본질을 보호하기 위한 것이다. 본 발명은 분명히 새롭고 유용하다. 더욱이, 전체적으로 고려해 보면, 종래 기술에 비추어 볼 때, 본 발명이 만들어졌던 시점에서는 본 발명이 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것은 아니었다.

더욱이, 본 발명의 혁명적인 특성을 고려할 때, 본 발명은 분명히 선구적이다. 이와 같이, 이하의 청구 범위는 법의 문제로서 본 발명의 핵심을 보호하도록 매우 광범위하게 해석되어야 할 권리가 있다.

따라서, 전술한 목적 및 전술한 설명으로부터 명백해지는 그외 다른 목적이 효율적으로 달성되며, 또한 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 전술한 구성에 관한 소정의 변경이 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이며, 전술한 설명에 포함되거나 첨부 도면에 도시된 모든 내용은 제한적인 의미가 아니라 예시적인 것으로 해석되어야 한다.

이하의 특허 청구 범위는 본 명세서에 기술된 본 발명의 일반적인 특징 및 특정한 특징 전부를 포함하는 것으로 의도되며, 언어의 문제로서 본 발명의 범주에 속하는 것으로 언급될 수 있는 모든 설명을 포함하는 것으로 이해되어야한다.

본 발명이 이와 같이 기술되었다.

Claims (6)

1. 세라믹 또는 실리콘 재질의 경질 취성 재료의 표면에 미세 딤플을 형성하는 방법으로서,
   경질 취성 재료의 항복점을 초과하는 충격력이 분사 입자가 충돌하는 영역에 가해지는 것에 의하여 발생된 소성 변형에 의해 상기 경질 취성 재료의 표면에 개구 직경이 1 ㎛ 내지 20 ㎛이며 깊이가 0.01 ㎛ 내지 1 ㎛인 반구형 딤플을 형성하도록, 피처리 물품의 상기 경질 취성 재료의 표면에 딤플이 형성되는 영역인 딤플 형성 영역에 대해 0.01 MPa 내지 0.7 MPa의 분사 압력으로 압축 가스와 함께 1 ㎛ 내지 20 ㎛의 중간값의 직경(d50)을 갖는 금속계 또는 세라믹계 재질의 구형 또는 각지지 않은 형상의 분사 입자를 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 경질 취성 재료의 표면에 미세 딤플을 형성하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 딤플은 딤플의 개구의 총 표면적이 상기 딤플 형성 영역의 표면적의 50% 이상이 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 경질 취성 재료의 표면에 미세 딤플을 형성하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 경질 취성 재료는 유리인 것을 특징으로 하는 경질 취성 재료의 표면에 미세 딤플을 형성하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 경질 취성 재료는 세라믹이며, 상기 피처리 물품은 미끄럼 이동 구성 요소이며, 상기 딤플은 상기 미끄럼 이동 구성 요소의 미끄럼 이동 표면에 형성하는 미세 딤플을 형성하는 방법.
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