KR102201357B1 - 카본 소재의 모재에 금속을 용사코팅하는 방법 및 그 방법을 이용하여 제조된 롤러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 카본 소재의 모재에 금속을 용사코팅하는 방법 및 그 방법을 이용하여 제조된 롤러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 카본 소재의 모재를 준비하는 단계와, 상기 준비된 모재의 표면을 연마지로 연마 또는 선반으로 나선형 가공하여 표면 거칠기를 높이는 단계와, 상기 가공된 모재의 표면에 금속을 용사코팅하여 금속 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 카본 소재의 모재와 우수한 결합력을 가지며, 모재의 변형이 없어 금속 코팅층의 깨짐현상이 없고, 경량성이 우수하며, 내구성이 우수하다는 장점이 있다.

Description

카본 소재의 모재에 금속을 용사코팅하는 방법 및 그 방법을 이용하여 제조된 롤러{THERMAL SPRAY METHOD FOR SUBSTRATE CONTAING CARBON AND ROLLER MANUFACTURED BY THE METHOD}

본 발명은 카본 소재의 모재에 금속을 용사코팅하는 방법 및 그 방법을 이용하여 제조된 롤러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 코팅층과의 결합력이 우수하여 박리가 없으며, 경량성 및 내구성이 우수한 카본 소재의 모재에 금속을 용사코팅하는 방법 및 그 방법을 이용하여 제조된 롤러에 관한 것이다.

일반적으로 롤러는 회전하는 원통형의 것으로, 다양한 산업 분야에서 다양한 형상으로 성형될 수 있다. 예를 들어 상기 롤러는 인쇄, 필름, 제지산업에 사용되는 대형롤, 섬유 기계 산업용 고속 회전롤, 프린트용 소형롤 및 기계 설비용 롤 등으로 분류될 수 있으며, 다양한 분야에서 다양한 형태로 사용되고 있다.

한편, 이와 같은 롤러는 통상적으로 금속 소재로 형성되며, 금속 소재의 롤은 강도나 내구성이 우수하지만, 대형화될 경우 제작의 어려움과 조작의 어려움이 발생되고, 대형의 금속 롤러의 구동에는 많은 에너지가 소모된다.

또한, 이와 같은 롤러의 표면에는 내마모성 또는 내부식성의 강화를 위해 다양한 코팅층이 형성될 수 있으며, 근래에 들어서는 용사 코팅을 이용한 코팅층을 형성한 롤러가 사용되고 있다.

더불어, 상기 에너지의 절감 및 조작성 성능을 개선하기 위해 롤러 기재를 합성수지와 같은 경량의 소재로 형성하고, 그 표면에 용사코팅을 이용하여 코팅층을 형성한 롤러가 개발되고 있다.

그리고 이러한 경량의 소재로는 섬유강화플라스틱, 카본섬유 등을 이용하고 있다. 그러나 이러한 소재에 직접 용사 코팅층을 형성할 경우, 코팅층과 모재 사이의 결합력이 부족하여 금속 코팅층이 쉽게 박리되고, 모재의 변형으로 인하여 금속 코팅층이 깨지는 문제점이 발생하였다.

이러한 단점을 해소하기 위하여 대한민국 등록특허 제10-1264188호 등에서 모재의 표면에 폴리우레탄 수지 등을 이용한 베이스층을 추가로 형성하거나, 메탈 베이스층을 추가로 형성한 후, 용사코팅에 의해 금속 코팅층을 형성하는 방법이 제안되었다.

그러나 이러한 방법은 별도의 베이스층으로 인해 제조비용이 증가하는 것은 물론, 기타 물성의 저하가 초래되는 등의 단점이 있었다.

KR 10-1264188 B1 KR 10-0779032 B1

따라서 본 발명의 목적은, 별도의 베이스층을 형성하지 않으면서도, 카본 소재의 모재와 우수한 결합력을 가지며, 금속 코팅층의 깨짐 현상 및 고온으로 인한 열변형이 없는 카본 소재의 모재에 금속을 용사코팅하는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 경량성이 우수하고, 내구성이 우수한 롤러를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 카본 소재의 모재에 금속을 용사코팅하는 방법은, 카본 소재의 모재를 준비하는 단계와, 상기 준비된 모재의 표면을 연마지로 연마 또는 선반으로 나선형 가공하여 표면 거칠기를 높이는 단계와, 상기 가공된 모재의 표면에 금속을 용사코팅하여 금속 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 카본 소재의 모재는, 흑연, 탄소나노튜브, 카본블랙, 그래핀, 탄소섬유 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 카본 소재의 모재는 흑연 80~97중량%, 그래핀 1~5중량%, 탄소섬유 1~5중량% 및 결합제 1~10중량%로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 준비된 모재의 표면을 연마지로 연마 또는 선반으로 나선형 가공하여 표면 거칠기를 높이는 단계는, 상기 모재의 표면 거칠기(Ra)가 1.0~8.0㎛인 것을 특징으로 한다.

상기 가공된 모재의 표면에 금속을 용사코팅하여 금속 코팅층을 형성하는 단계는, 상기 모재와 용사코팅장치의 금속이 분사되는 노즐 사이의 거리를 260~270mm로 하여 용사코팅하는 것이고, 상기 금속은 구리 또는 구리 합금인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 롤러는 카본 소재 롤러 몸체의 외주면에 금속 코팅층을 형성하되, 상기 금속 코팅층은 상기한 용사코팅 방법에 의해 형성되며, 상기 금속 코팅층은 구리 또는 구리 합금인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 카본 소재의 모재에 금속을 용사코팅하는 방법 및 그 방법을 이용하여 제조된 롤러는, 카본 소재의 모재와 우수한 결합력을 가지며, 모재의 변형이 없어 금속 코팅층의 깨짐 현상이 없고, 경량성이 우수하며, 내구성이 우수하다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 용사코팅 방법의 순서도.
도 2는 본 발명에 의한 롤러의 사시도.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명의 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서 '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명을 첨부된 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 카본 소재의 모재에 금속을 용사코팅하는 방법은, 종래 방법에 비하여 카본 소재의 모재를 사용하더라도 금속 코팅층과의 결합력이 우수하여 금속 코팅층의 박리가 없고, 모재의 변형이 적어 금속 코팅층의 깨짐 현상이 없다는 데 가장 큰 특징이 있다. 또한, 카본 소재의 사용으로 경량성이 우수하며, 비용이 절감된다는 장점이 있다.

이러한 본 발명의 카본 소재의 모재에 금속을 용사코팅하는 방법은, 하기 도 1에서와 같이, 카본 소재의 모재를 준비하는 단계와, 상기 준비된 모재의 표면을 연마지로 연마 또는 선반으로 나선형 가공하여 표면 거칠기를 높이는 단계와, 상기 가공된 모재의 표면에 금속을 용사코팅하여 금속 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이를 도면을 참조하여 단계별로 상세히 설명한다.

카본 소재의 모재를 준비하는 단계

먼저, 카본 소재의 모재를 준비한다.

상기 카본 소재의 모재는, 분말 형태의 카본 소재, 즉 카본 분말에 결합제를 혼합하여 일체로 성형하여 제조되는 것을 의미하는 것으로, 그 종류, 형태를 제한하지 않음은 당연하다. 예시적으로, 상기 카본 소재의 롤러 몸체는 일반적인 산업용 롤러의 몸체일 수 있다.

이때, 상기 카본 소재는 흑연, 탄소나노튜브, 카본블랙, 그래핀, 탄소섬유 중 1종 이상을 포함할 수 있으나, 탄소나노튜브, 그래핀 등은 흑연에 비해 열전도성, 내구성 등의 물성이 우수하지만 고가이므로, 본 발명에서는 흑연을 주로 포함함이 바람직하다.

그리고 상기 결합제는 상기 카본 소재를 결합하기 위한 것으로, 다양한 형태의 것, 예시적으로 페놀수지, 퓨란수지, 에폭시수지, 일원계 피치(unary), 이원계 피치(binary) 및 이들이 하나 이상 포함된 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있으나, 이를 제한하지 않는다.

한편, 본 발명에서 경량성, 내구성, 제조비용, 금속 코팅층과의 결합력, 금속 코팅층의 깨짐 현상 등을 고려할 때, 상기 카본 소재의 모재는 흑연 80~97중량%, 그래핀 1~5중량%, 탄소섬유 1~5중량% 및 결합제 1~10중량%로 구성됨이 가장 바람직하다. 이때, 흑연 및 그래핀의 입자 크기는 제한하지 않는바, 200~300mesh 정도면 족하고, 상기 탄소섬유는 0.1~1.0mm 길이의 단탄소섬유임이 바람직하다. 아울러, 상기 탄소섬유의 종류 역시 제한하지 않는바, 예시적으로 피치계 일 수 있다.

즉, 흑연과 결합제만을 이용할 경우, 내구성 등이 좋지 못한 것은 물론, 용사코팅시 고온으로 인한 모재의 변형으로 금속 코팅층의 깨짐 현상이 나타날 수 있으나, 그래핀과 탄소섬유를 흑연과 조합할 경우 고온에 강한 그래핀으로 인해 용사코팅시 모재의 변형이 최소화되어 금속 코팅층의 깨짐 현상이 방지되며, 탄소섬유로 인해 내구성 등의 물성이 더욱 개선되는 것이다. 아울러, 그래핀 및 탄소섬유의 배합비를 제한함으로써, 제조단가가 상승하는 것 또한 방지하는 것은 물론, 결합제의 배합비 역시 제한하여 과량의 결합제로 인해 모재가 고온에서 쉽게 변형되는 것을 방지하는 것이다.

상기 카본 소재의 모재를 제조하는 방법을 간단히 설명한다.

먼저, 흑연 80~97중량%, 그래핀 1~5중량%, 탄소섬유 1~5중량% 및 결합제 1~10중량%를 배합하여 혼합한다. 이때 별도로 용매를 사용할 수 있는바, 상기 용매로는 흑연, 그래핀, 탄소섬유 등을 분산시킬 수 있는 물질이면 어느 것이나 사용 가능하다. 보다 상세하게는 NMP(N-methyl-2-pyrrolidone), DMF(dimethylformamide), DMSO(dimethyl sulfoxide), 톨루엔(toluene), 클로로포름(chloroform), 메틸클로라이드(methyl chloride) 중 1종 이상일 수 있다. 그리고 상기 용매는 후공정을 통해 제거되므로 그 사용량을 제한하지 않는다.

다음으로, 상기 혼합물을 금형을 이용하여 성형한다.

그리고 이를 180~220℃에서 열처리하여 용매를 휘발시킴은 물론, 조직을 안정화 및 치밀화시키고, 1500~2000℃에서 2차 열처리하여 경도, 강도 등의 기계적 성질을 향상시키는 것이다.

상기 준비된 모재의 표면을 연마지로 연마 또는 선반으로 나선형 가공하여 표면 거칠기를 높이는 단계.

다음으로, 상기 준비된 모재의 표면을 연마지로 연마하거나 선반을 이용하여 나선형으로 가공하여 표면 거칠기를 높인다.

상기 연마지는 통상 사포를 사용하는 정도면 족한 것으로, 이를 제한하지 않는다. 아울러, 상기 나선형 가공 역시 그 방법을 제한하지 않는 것으로, 표면 거칠기를 높일 수 있다면 그 구체적인 방법은 무관하다.

다만, 본 발명에서는 상기 연마를 통해 표면 거칠기(Ra)를 1~8㎛로 조정함이 바람직하다. 이는 상기 모재의 표면 거칠기가 1㎛ 미만이면 모재와 금속 코팅층과의 결합력이 좋지 못해 금속 코팅층의 박리가 발생하며, 8㎛를 초과할 경우 형성되는 금속 코팅층의 표면이 거칠어져 요구되는 품질의 제품 생산이 어려울 수 있기 때문이다.

상기 가공된 모재의 표면에 금속을 용사코팅하여 금속 코팅층을 형성하는 단계

다음으로, 상기 가공된 모재의 표면에 금속을 용사코팅하여 금속 코팅층을 형성한다. 이때, 상기 용사코팅 방법은 종래 게시된 플라즈마, 화염(flame), 방전(arcing) 중 어떠한 방법이라도 이용할 수 있다. 아울러 용사코팅시 모재의 표면을 일정한 온도로 유지함은 당연하다.

이때, 상기 금속으로는 그 종류를 사용하지 않고 모두 적용 가능하며, 특히 도금 가능한 금속이라면 모두 사용할 수 있다. 가장 바람직하게는 구리 또는 구리 합금을 이용하는 것이다. 이는 구리 또는 구리합금 이용할 경우 경량성을 확보할 수 있는 것은 물론, 전기 전도성 역시 우수하여 후처리로 도금이 요구될 경우, 상기 도금 공정을 용이하게 진행할 수 있기 때문이다.

아울러, 본 발명에서는 상기 금속 코팅층의 두께는 제한하지 않으나, 약 200~500㎛일 수 있다.

다만, 용사코팅 과정에서 고온의 용융 금속으로 인해 카본 소재의 모재가 변형되어 금속 코팅층이 깨지는 현상이 발생할 수 있는바, 이를 해소하기 위하여 본 발명은 상기 모재와 용사코팅장치의 용융 금속이 분사되는 노즐 사이의 거리를 260~270mm로 하여 용사코팅 함이 바람직하다. 즉, 상기 용융 금속이 노즐로부터 분사되어 20~30℃의 온도에서 260~270mm를 이동한 후 모재에 접촉됨으로써, 이동을 통해 용융 금속의 온도를 일부 낮춤으로써, 고온으로 인한 모재의 변형을 방지하는 것이다.

한편, 용사코팅 전 상기 모재를 55~60℃ 정도로 예열하고, 용사코팅을 실시할 수 있는바, 예열을 통해 모재와 금속 코팅층 간의 결합력을 더욱 개선하는 것이다.

상기와 같은 카본 소재의 모재에 금속을 용사코팅하는 방법은, 모재와 금속 코팅층간의 접착력이 우수하여 박리가 없으며, 모재의 변형으로 인한 금속 코팅층의 깨짐 현상 역시 없고, 경량성 및 내구성이 우수하다는 장점이 있다. 아울러, 후처리로 도금이 요구될 경우 금속 코팅층이 이미 형성되어 있으므로, 도금 공정을 단순화할 수 있다는 장점도 있다.

이하, 본 발명에 의해 제조되는 롤러에 대해 설명한다.

본 발명에 의한 롤러(100)는, 도 2와 같이, 카본 소재의 롤러 몸체(1) 외주면에 금속 코팅층(2)을 형성하되, 상기 금속 코팅층(2)은 상기한 용사코팅 방법에 의해 형성되며, 상기 금속 코팅층은 구리 또는 구리 합금으로 이루어짐을 특징으로 한다.

도 2에서는 상기 롤러(100)를 샤프트를 제외하고, 몸체(1)와 금속 코팅층(2)만을 포함하도록 도시하였으나, 롤러(100)의 중심축에 샤프트가 결합될 수 있음은 당연하다.

아울러, 상기 카본 소재의 몸체(1)는 앞서 설명된 카본 소재 모재와 동일하게 적용될 수 있는 것으로, 그 형태나 크기에 제한이 없음은 당연하다. 또한, 상기 용사코팅 방법 및 금속 코팅층(2) 역시 앞서 충분히 설명되었으므로, 이에 대한 설명은 생략한다.

즉, 상기한 방법을 통해 롤러를 제조할 경우 롤러의 경량성 및 내구성을 확보할 수 있음은 물론, 후도금 공정이 용이하게 이루어질 수 있어 제조단가 역시 낮출 수 있다는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념 및 이를 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

1: 카본 소재 롤러 몸체 2: 금속 코팅층
100: 롤러

Claims (6)

1. 카본 소재의 모재를 준비하는 단계;
   상기 준비된 모재의 표면을 연마지로 연마 또는 선반으로 나선형 가공하여 표면 거칠기를 높이는 단계;
   상기 가공된 모재의 표면에 금속을 용사코팅하여 금속 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하고,
   상기 가공된 모재의 표면에 금속을 용사코팅하여 금속 코팅층을 형성하는 단계는, 상기 모재와 용사코팅장치의 용융 금속이 분사되는 노즐 사이의 거리를 260~270mm로 하여 20~30℃의 온도에서 용사코팅하는 것이며,
   상기 금속은 구리 또는 구리 합금이고,
   상기 카본 소재의 모재는, 흑연 80~97중량%, 그래핀 1~5중량%, 탄소섬유 1~5중량% 및 결합제 1~10중량%로 구성되며,
   상기 준비된 모재의 표면을 연마지로 연마 또는 선반으로 나선형 가공하여 표면 거칠기를 높이는 단계는, 상기 모재의 표면 거칠기(Ra)가 1.0~8.0㎛이고,
   용사코팅 전 상기 모재를 55~60℃ 정도로 예열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 카본 소재의 모재에 금속을 용사코팅하는 방법.
   
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6. 카본 소재의 롤러 몸체 외주면에 금속 코팅층을 형성하되,
   상기 금속 코팅층은 제1항의 용사코팅 방법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 롤러.

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