KR20010056720A - 형상기억합금 재료의 맨드렐과 이를 이용한 고무 호스의제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 형상기억합금 재료의 맨드렐과 이를 이용한 고무 호스의 제조방법에 관한 것으로서, 형상기억합금 재질의 맨드렐을 상변태 온도 이상에서 형상 기억처리하여 원래 기억시킨 모양으로 자동복귀시키고, 또한 형상기억합금 재질의 맨드렐을 상변태 온도 이하에서 형상 처리하여 형태 변형을 자유롭게 하며, 상기 각 수행과정을 이용해 곡형상의 고무호스 성형 및 삽입/인입을 개선하여 고정된 형태의 스테인레스스틸 맨드렐로는 나타낼 수 없는 기능을 부여함으로써, 곡형상의 고무 호스 제조시 형상기억합금 재질의 맨드렐 사용에 따른 우수한 삽입성과 이형성을 통해 작업효율성과 생산성을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
Description
본 발명은 형상기억합금 재료의 맨드렐과 이를 이용한 고무 호스의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 고무호스는 금속이나 기타 플라스틱 재질에 비해 진동흡수성이 뛰어나고 좁은 공간에서도 신축성이 뛰어난 특징으로 인해 체결작업이 용이하며, 목적에 맞는 다양한 종류의 재료를 선택할 수 있어 각종 설비나 부품간 유체를 전달 및 이송하기에 용이하다. 특히, 자동차의 엔진용 냉각 장치나 연료유의 수송, 각종 부품간의 유압장치, 냉매용 파이프라인 등에 있어 필수적으로 사용되어야 하는 부품이다.
또한 고무호스는 엔진-룸 내부의 협소한 공간을 통과하게 되므로 경우에 따라서는 곡-형상으로 설계해야 하는 필요성이 발생하게 되는데, 보통 고무호스는 압출기를 통해 원하는 내/외경을 가지는 미가교 고무압출물을 만든 후 스팀가압 가교관에서 고온 가교하여 제조하며, 곡형상을 가지는 고무호스를 제조하기 위해서는 미가교 호스 압출물 내부에 곡형상을 유지할 수 있는 맨드렐(Mandrel)을 먼저 삽입하여 맨드렐 형태를 유지한 상태로 가교한 후 맨드렐을 다시 제거하면 동일한 형상의 곡호스를 제조할 수 있다.
종래에는 스테인레스스틸 재질의 금속봉을 굽힘 가공하여 맨드렐을 제작함으로써 곡부위의 곡률반경이 지나치게 작거나 3차원으로 복잡한 곡형상을 설계하는경우에는 많은 제약이 뒤따르게 되고, 가교전, 후 맨드렐의 삽입과 이형은 주로 수작업을 통해서 실시하게 되므로 맨드렐 형상이 복잡할수록 작업성이 저하되어 생산성에 영향을 끼치는 단점이 발생하게 된다.
도 1 은 종래의 스테인레스스틸 재질의 맨드렐 구조도로서 곡-형상을 가지는 고무호스를 제조하려면 맨드렐(10)의 형상에 의해 호스의 구조가 결정되는데, 상기 도 1과 같이 스테인레스스틸, 일반스틸, 구리 혹은 기타 금속 재료는 맨드렐 설계시 과다한 굽힘처리를 하게 되면 삽입/이형 작업성의 한계가 드러나는 단점이 발생한다.
상기 단점을 해결하기 위해 본 발명은, 곡형상의 호스 제조 공정에 있어서 임의의 호스형태를 유지시켜 주는 역할을 하는 맨드렐을 니켈/티타늄 등의 형상기억합금으로 대체하여 성형 공정에 활용하고, 맨드렐의 삽입 및 이형 작업성 또한 용이하도록 구성하여 작업효율성을 현저하게 개선시킬 수 있는 맨드렐을 이용한 호스의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 형상기억합금 재질의 맨드렐을 상변태 온도 이상에서 형상 기억처리하여 원래의 기억시킨 모양으로 자동복귀시키는 제 1 단계, 형상기억합금 재질의 맨드렐을 상변태 온도 이하에서 형상 처리하여 형태 변형을 자유롭게 하는 제 2 단계 및 상기 각 단계의 처리과정을 이용해 고정된 형태의 스테인레스스틸 맨드렐(10)로는 나타낼 수 없는 기능을 갖도록 곡형상의 고무호스 성형 및 삽입/인입을 개선하는 제 3 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 형상기억합금 소재의 맨드렐은 손쉽게 호스 압출물에 끼워 넣을 수 있으며, 가교시 자동적으로 기억하고 있는 형태로 복귀되므로 원하는 모양대로 성형이 이루어지며 또한 가교 후 상온 이하로 냉각하면 맨드렐을 손쉽게 직선 형태로도 펼 수 있으므로 이형 작업을 용이하게 할 수 있다.
상기와 같이 본 발명은 종래의 스테인레스스틸 등 일반 금속재질과는 다른 형상기억효과를 가지는 특수금속을 대체 적용하여 손쉽게 구부릴 수 있으면서도 특정 온도 이상으로 가열하면 원래 기억시켜 놓은 형상으로 되돌아가는 현상과, 다시 온도를 저하시키면 용이한 형태로 변형되는 특성을 응용하였다.
상기 형상기억합금이란 지능재료(Intelligent Materials)의 한 종류로 니켈/티타늄, 구리/알미늄/니켈, 니켈/알미늄, 구리/아연/알미늄, 철/니켈/코발트 등 10여종의 합금계를 지칭하는데, 이들 합금들은 특정 온도 이하에서는 변형을 시켜도 형태를 그대로 유지하고 있다가 최초 형상기억온도 이상으로 가열하면 다시 원래의 형태로 되돌아가는 형상기억효과와, 형상기억온도 이상에서 외력을 가하여 크게 구부려도 힘을 제거하면 다시 복귀되는 초탄성 효과의 두가지 특성을 가진다.
이중에서도 상기 니켈/티타늄계의 형상기억합금을 일반적으로 가장 많이 사용하는데, 상기 두 가지 금속의 함량비를 미세하게 조절하고 적절한 열처리를 하면 20℃∼100℃ 온도범위에서 상변태가 일어나도록 형상기억합금을 설계할 수 있다.
이 원리는 형상기억합금의 결정구조가 특정온도가 되면 마르텐사이트-상(Martensitic-Phase)에서 오스테나이트-상(Austenititic Phase)으로 상변환(Phase-transition)될 때 기계적 물성이 급격하게 변하는 원리를 이용한 것으로 상태변점 이하의 온도에서는 마르텐사이트-상으로 쉽게 외력에 의해 구부릴 수가 있지만 다시 열을 가하면 오스테나이트-상으로 변화되어 원래 기억하고 있는 형상으로 되돌아가는 현상이 일어난다.
형상기억합금을 활용할 수 있는 예로는 몇 가지 즉, 치아고정용 스프링, 안경프레임, 신사복 어깨 패드용 와이어, 휴대폰 안테나 도뇨관용 가이드와이어, 브레지어용 와이어 등을 들 수 있다.
또한 형상기억합금은 티타늄, 니켈 성분을 함유하고 있으므로 기본적으로 우수한 내부식성과 내마모성을 가진다.
본 발명은 곡형상의 고무 호스 제조시 기존 스테인레스스틸 재질의 맨드렐 작업성이 떨어지는 단점을 형상기억합금 재질의 맨드렐로 대체함으로써 우수한 삽입성과 이형성을 발휘하게 하여 곡형상 고무호스 제조시 작업효율성과 생산성을 획기적으로 개선할 수 있도록 할 수 있다.
도 1 은 종래의 스테인레스스틸 재질의 맨드렐 구조도,
도 2 는 본 발명에 따른 상변태 온도이하에서 자유롭게 펴진 형상기억합금 재질의 맨드렐 구조도,
도 3 은 본 발명에 따른 상변태 온도이상에서 형태 회복된 형상기억합금 재 질의 맨드렐 구조도,
도 4 는 본 발명이 적용되는 형상기억합금 재질 맨드렐을 이용하여 제조한 곡형상 호스의 구조도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 형상기억합금맨드렐(혹은 호스)
110 : 형상기억합금 맨드렐(혹은 호스) 입구쪽
120 : 형상기억합금 맨드렐(혹은 호스) 출구쪽
200 : 곡-형상 호스
210 : 곡형상 호스의 입구쪽
220 : 곡형상 호스의 출구쪽
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2 는 본 발명에 따른 상변태 온도이하에서 자유롭게 펴진 형상기억합금 재질의 맨드렐 구조도로서, 곡호스용 맨드렐(100)의 이형작업은 상변태온도 즉 형상기억온도 이하로 냉각하게 되면 마르텐사이트상으로 결정구조가 다시 복귀되는데 마르텐사이트상은 손쉽게 외력을 가해도 영구변형이 가능하므로 상기 도 2와 같이맨드렐(100)을 직선모양으로 곧게 펴서 이형작업이 용이하도록 한 것이다.
상기 형상기억합금 맨드렐(100)은 최초에 기억하여 둔 메모리 형상을 그대로 기억하고 있으므로 반영구적으로 재사용할 수 있는데, 만일 자동차 모델이 바뀌어 맨드렐 구조가 달라지게 될 경우에는 원래의 직경과 길이가 동일하다면 고온 열처리를 다시 하게 되면 다른 곡 형상의 맨드렐로 전환하여 사용할 수도 있다.
한편 기존의 스테인레스스틸 소재의 맨드렐(10)의 경우 삽입/이형성을 좋게 하기 위해 실리콘유 둥의 이형체를 사용하게 되므로 다시 이형체를 제거해야 하며, 호스 내면층에 이형체가 일부 잔류하여 호스 물성에 영향을 끼칠 수도 있으나, 본 발명에 따른 형상기억합금으로 대체하게 되면 과다한 이형체를 사용하지 않아도 되거나 최소화할 수 있는 효과도 기대할 수 있다.
도 3 은 본 발명에 따른 상변태 온도이상에서 형태 회복된 형상기억합금 재질의 맨드렐 구조도로서, 형상기억 효과를 나타내는 합금을 맨드렐(100)로 활용하는 방법을 제안하였다.
상기 도 3은 니켈/티타늄 및 이보다 저온에서의 회복온도를 가지는 니켈/티타늄/구리, 니켈/티타늄/코발트 등의 합금을 곡-호스 제조용 맨드렐로 사용할 수 있는데 적절한 열처리와 조성비를 통해 니켈/티타늄의 경우 20℃∼100℃의 온도범위, 니켈/티타늄/코발트는 -30℃∼30℃, 니켈/티타늄/구리는 40℃∼70℃ 정도에서 형상회복온도를 임의로 설계할 수가 있다.
상기 호스 제조 공정은 압출 단독 혹은 내층압출, 보강사 처리, 외층압출을 함께 실시한 미가교 고무호스를 적당한 크기로 절단하고, 호스 내경에 알맞은 형상기억합금 소재의 봉형 맨드렐을 끼워 넣은 뒤 가교관이나 전열로 등에 투입하여 형태복귀 성형을 시키는데 온도상승이 너무 급격할 경우에는 미가교 호스의 저항력에 의해 가교진행 중 원하지 않은 고무 형태로 변형 및 불량이 일어날 수가 있으므로 형상기억온도 근처에서 서서히 승온하면서 안정적으로 변형을 유도한 뒤 곡형상 점검용 지그(Jig)로 확인하여 정확한 형태로 성형되었는지를 확인한 다음 가교작업을 진행할 수도 있다.
가교반응은 일반적으로 스팀압력(Steam Pressure)을 가하는 가교관이나 전열로(Heating Oven)에서 진행하는데 일반적으로 100∼160℃ 정도의 온도범위에서 고무 가교속도에 따라 적절한 가교시간으로 실시하게 된다.
가교관에서 맨드렐(100)은 열탄성 마르텐사이트-오스테나이트 상변태 과정을 겪게 되는데, 이 과정으로 말미암아 고무호스는 최종적으로 도 4와 같은 곡형상을 가지게 된다.
도 4 는 본 발명이 적용되는 형상기억합금 재질 맨드렐을 이용하여 제조한 곡형상 호스의 구조도로서, 곡-호스용 맨드렐(200)로 사용가능한 형상기억합금으로는 마르텐사이트-오스테나이트 상변태가 가능한 니켈/티타늄, 니켈/티타늄/구리, 구리/알미늄/니켈, 구리/아연/알미늄 합금 등을 들 수 있다.
본 발명에서는 여러 가지 금속 재료의 조성비를 달리하여 합금을 제조하고 적절한 열처리 방법을 통해 형상기억합금을 제조하였는데, 니켈/티타늄을 함유하는 형상기억합금의 경우 니켈함량이 미소하게 증가할 때 상변태 온도가 낮아지는 경향이 일어난다.
한편 일반적으로 가교 온도가 120∼150℃라고 생각했을 때 실온보다는 다소 높으면서도 너무 뜨겁지 않고 무리없이 맨드렐 삽입 및 이형 작업을 하고자 한다면 50∼90℃가 적절한 상변태 온도라고 생각할 수 있다.
곡형태를 가지는 형상기억합금 소재 맨드렐(100) 및 이를 응용한 고무호스(200) 제조방법에 관한 예로서 다음 실시예 1 및 실시예 2와 같이 설명할 수 있다.
실시예 1로써 니켈/티타늄계의 형상기억합금을 사용하였는데, 이중에서 특히 니켈 함량이 54∼56％, 티타늄이 46∼44％의 화학조성에서 상변태 온도가 20∼100℃ 범위로 가장 적절하므로 성분 미세 조정 및 특수 열처리를 통해 60∼90℃ 사이에서 상변태가 일어나도록 맨드렐을 제조하였다.
호스 제조는 5∼9㎜ 직경의 내경을 갖고 미가교 호스를 압출 작업 후 맨드렐을 삽입하여 150℃로 가열한 가교관에서 30분간 가교를 시키면 맨드렐의 금속결정구조가 바뀌게 되어 원래 기억하고 있는 대로 형태변형이 일어나 원하는 모양의 곡호스를 얻을 수 있었다.
다음 실시예 2로써 니켈/티타늄/구리의 조성을 각각 47∼50/45/5∼8％의 조성으로 합금을 하게 되면 40∼70℃의 온도 범위를 가지는데 40∼60℃에서 상변태가 일어나도록 하기 위해서 특히 니켈 함량을 47％ 수준대로 낮추고 구리함량을 8％ 수준으로 하면 실제작업에 적합한 조건의 맨드렐을 제조할 수 있었다.
호스 제조는 5∼9㎜ 직경의 내경을 갖고 미가교 호스를 압출 작업 후 맨드렐을 삽입하여 120℃로 가열한 가교관에서 30분간 가교를 시키면 맨드렐의 금속결정구조가 바뀌게 되어 원래 기억하고 있는 대로 형태변형이 일어나 원하는 모양의 곡호스를 얻을 수 있었다.
상기 각 실시예에서 맨드렐의 형상 변화시 급격한 온도변화에 따라 미가교 고무가 미처 가교되기 전에 국부적으로 치수변형이 생길 수 있으므로 맨드렐 삽입 후 가교관에 넣기 전에 70∼100℃ 정도로 예열한 전열 가열로에 10∼30분 정도 방치하면서 서서히 마르텐사이트-오스테나이트 상변태가 일어나므로 미가교된 호스압출물의 급격한 치수변형을 방지할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 이형작업은 실온으로 냉각하게 되면 맨드렐의 탄성이 갑자기 사라지게 되어 손쉽게 직선형태로 맨드렐을 빼낼 수 있게 되므로 무리하지 않고 작업이 가능하여 적은 인원으로 생산성을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
Claims (8)
- 곡형상의 호스제조 방법에 있어서,형상기억합금 재질의 맨드렐을 상변태 온도 이상에서 형상 기억처리하여 원래의 기억시킨 모양으로 자동복귀시키는 제 1 단계와;형상기억합금 재질의 맨드렐을 상변태 온도 이하에서 형상 처리하여 형태 변형을 자유롭게 하는 제 2 단계와;제 1 및 제 2 단계를 이용해 고정된 형태의 스테인레스스틸 맨드렐로는 나타낼 수 없는 기능을 갖도록 곡형상의 고무호스 성형 및 삽입/인입을 개선하는 제 3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 재료의 맨드렐과 이를 이용한 고무 호스의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 단계는니켈/티타늄 및 니켈/티타늄 보다 저온에서의 회복온도를 가지는 니켈/티타늄/구리, 니켈/티타늄/코발트와 같은 합금을 적절한 열처리와 조성비를 통해 일정 온도범위로 형상회복온도를 설계하여 곡-호스 제조용 맨드렐로 사용하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 재료의 맨드렐과 이를 이용한 고무 호스의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 곡-호스 제조는압출 단독이나 내층압출, 보강사 처리, 외층압출을 함께 실시한 미가교 고무호스를 일정 크기로 절단하고, 호스 내경에 맞는 형상기억합금 소재의 봉형 맨드렐을 끼워 넣은 후 가교관이나 전열로 등에 투입하여 형태복귀 성형을 수행하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 재료의 맨드렐과 이를 이용한 고무 호스의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서,형상기억온도 근처에서 서서히 승온하면서 안정적으로 변형을 유도한 후 곡형상 점검용 지그로 확인하여 정확한 형태로 성형되었는지 확인하여 가교작업을 진행하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 재료의 맨드렐과 이를 이용한 고무 호스의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 단계는맨드렐을 직선 모양으로 곧게 펴서 이형작업이 용이하도록 하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 재료의 맨드렐과 이를 이용한 고무 호스의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서,맨드렐 구조가 달라지는 경우 원래의 직경과 길이가 동일하면 고온 열처리를 다시 수행하여 다른 곡 형상의 맨드렐로 전환하여 사용하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 재료의 맨드렐과 이를 이용한 고무 호스의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 단계는맨드렐 삽입 후 가교관에 넣기 전 일정 온도로 예열한 전열 가열로에 소정시간 방치하여 미가교된 호스압출물의 급격한 치수변형을 방지함으로써 마르텐사이트-오스테나이트 상변태를 방지하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 재료의 맨드렐과 이를 이용한 고무 호스의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 형상기억합금은특정온도 이하에서는 변형을 시켜도 형태를 그대로 유지하고 있으면서 최초 형상기억온도 이상으로 가열하면 다시 원래의 형태로 되돌아가는 형상기억효과와,상기 형상기억온도 이상에서 외력을 가하여 크게 구부려도 힘을 제거하면 다시 복귀되는 초탄성효과의 특성을 가지는 지능재료인 것을 특징으로 하는 형상기억합금 재료의 맨드렐과 이를 이용한 고무 호스의 제조방법.
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Applications Claiming Priority (1)
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| KR1019990058307A KR20010056720A (ko) | 1999-12-16 | 1999-12-16 | 형상기억합금 재료의 맨드렐과 이를 이용한 고무 호스의제조방법 |
Publications (1)
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| KR (1) | KR20010056720A (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20110016475A (ko) * | 2008-06-12 | 2011-02-17 | 듀르 시스템스 게엠베하 | 끝단 돌출 심에 실링 콤파운드를 도포하기 위한 도포장치 및 이의 작동 방법 |
| CN114339521A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-12 | 杭州声联智能科技有限公司 | 连接件、弯臂及骨传导耳机 |
-
1999
- 1999-12-16 KR KR1019990058307A patent/KR20010056720A/ko not_active Application Discontinuation
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