KR20010093145A - 다공성 작업편의 함침 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 다공성 작업편을 액상 함침제로 함침하기 위해, 미리 제조된 작업편은 억지 끼워맞춤식으로 제조된 사출 주형 또는 다이캐스팅 주형 내에 배열되고, 액상 함침제는 시판중인 사출 성형기 또는 다이캐스트기를 사용하여 주형 내로 사출된다.

Description

다공성 작업편의 함침 방법{Method for impregnating porous workpieces}

다공성 작업편의 일반적인 합침 방법은 작업편을 액상 함침제에 담그는 단계로 이루어지고, 상기 함침제는 작업편의 구멍에 채워진다. 함침제가 액상이 아닌 경우에는, 액상의 용액 형태 또는 용융물 형태로 사용된다. 담금 함침(immersion impregnating)의 개선형은 진공 함침(vacuum-pressure impregnating)이다. 여기서, 함침제에 담그기 전의 작업편은 구멍의 공기 공간을 형성하도록 진공에 노출된다. 작업편을 담근 후에, 함침제는 작업편의 구멍으로 가압되도록 압력을 받게 된다. 이러한 일반적인 함침 방법은 하기와 같은 단점을 갖는다:

- 함침조 내에 작업편을 다층으로 배열해야 하는 함침은 상당한 시간을 필요로 하고 통상적으로, 약 2시간 내지 8시간동안 지속된다.

- 진공 및 압력을 이용함에도 불구하고, 작업편의 용적 전체에 걸쳐 균일한 즉, 균질의 완전한 구멍 충전을 얻기가 곤란하다.

- 함침에 이어, 작업편의 표면으로부터 함침제 잔류물을 제거하기 위해 복잡한 후속 세정 작업이 필요하다. 필요한 기계적 및/또는 화학적 세정 단계는 고가이며, 시간 소모적이고, 종종 심각한 환경 오염을 수반하기도 한다.

본 발명은 다공성 작업편의 함침 방법 즉, 적어도 함침중에 작업편의 구멍을 액상인 매체로 채우는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 양호한 적용 분야는 탄소 브러시 또는 콜렉터와 같은 슬라이딩 베어링 또는 전기 슬라이딩 접촉 부재로서 사용되는 세라믹 특히, 흑연과 같은 탄소 재료로 이루어진 소결된 작업편의 함침이다. 작업편은 매우 다양한 다목적 함침제 예를 들어, 슬라이딩 특성을 개선하기 위한 오일 또는 그리스, 기계적 강도를 개선하기 위한 합성 수지, 또는 도전성을 개선하기 위한 금속 또는 금속 합금으로 함침된다.

도 1은 다공성 작업편이 내부에 삽입되어 있는 다이캐스팅 주형의 종방향 단면도.

도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 취해진 단면도.

이러한 문제점을 감안하여, 본 발명은 다공성 작업편의 신규한 개선된 함침 방법을 제공한다. 특히, 비교적 짧은 처리 시간에 매우 균일하고 완전한 구멍 충전이 달성될 수 있고 작업편 표면의 복잡한 후속 처리가 불필요해질 수 있는 방법이 제안된다.

다공성 작업편의 함침에 대해 사출 성형 기술 또는 다이캐스팅 기술이 사용되는 방식을 포함하는 본 발명에 따라 상기한 문제점이 해결된다. 따라서, 상기 문제점은 특허청구범위 제1항에 기재된 방법에 의해 해결된다.

종속청구항은 다공성 작업편의 함침 방법과 그 방법에 따라 함침된 작업편의 유리한 추가의 개선형에 관한 것이다.

놀랍게도, 일반적인 사출 성형기 또는 다이캐스트기가 사출 주형 또는 다이캐스트 주형 내에 배열된 다공성 작업편을 액체 또는 유체 함침제로 함침하는데 사용될 수 있다는 것이 발견되었다. 비교적 짧은 처리 시간 즉, 약 1 분 내지 3 분 정도에, 다공성 작업편의 구멍의 거의 완전한 충전이 달성될 수 있다는 것이 발견되었다. 작업편의 형상에 일치되며 실질적으로 틈새 없이 작업편을 에워싸는 주형 캐비티를 갖는 주형을 사용할 때, 실질적으로 작업편의 표면상에는 함침제가 전혀 남아있지 않게 되어, 후속 세정 공정이 불필요해지거나 실질적으로 보다 단순해진다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 냉간 또는 예열된 작업편은 사출 성형기 또는 다이캐스트기의 분리되어 밀착되게 폐쇄될 수 있는 다이 공구(클램핑 유닛)를 사용하여 작업편에 부합하는 몰드 캐비티 내로 위치된다. 클램핑 또는 클로징 유닛이 폐쇄된 후, 액상 또는 액화 온도로 된 함침제는 상기 기계의 사출 또는 다이캐스팅 유닛에 의해 충분한 압렵하에서 폐쇄된 주형 내로 사출된다. 상기 주형은 작업편의 구멍이 완전하게 채워질 때까지 가압된 액상 함침제에 노출되고, 이와 같이 실시하는데 필요한 주기는 경험에 의해 결정된다. 사용된 함침제의 성질에 따라, 작업편은 예를 들어, 용융된 금속이 응고되거나 수지가 부분적으로 또는 완전히 경화될 때까지 주형 내에 유지된다. 함침 공정의 완료시에, 주형이 개방되고 함침된 작업편이 배출장치에 의해 배출되고, 그후, 새로운 사이클이 개시될 수 있다.

작은 치수 공차로 인한 작업편의 형상에 대응하는 억지 끼워맞춤이 발생되는 캐비티를 형성함으로써, 작업편은 주형 캐비티에 의해 모든 측면에서 실질적으로 공차 없이 에워싸이고, 작업편과 주형 캐비티 사이의 간극은 양호하게는 100 ㎛보다 작고, 보다 양호하게는 작업편의 구멍 크기보다 작다. 따라서, 주형 캐비티 내로 사출된 함침제는 작업편의 구멍 내로만 유동하고 작업편과 주형 캐비티 사이의 간극 내로는 유동하지 않기 때문에, 탕구 지점을 제외한 작업편의 표면은 함침제에의해 오염되지 않을 수 있다. 이는 탕구 돌기를 잘라내어 연삭하는 등의 후속 공정을 최소화한다.

또한, 본 발명에 따른 함침 방법은 스퀴즈 캐스팅용으로 구성된 다이캐스트기를 사용하거나, 압축 성형이나 사출 스탬핑을 수행하기에 적합한 사출 성형기를 사용하여 수행될 수도 있다. 스퀴즈 캐스팅 또는 사출 스탬핑은 캐스팅 또는 사출 작업을 개시할 때 다이캐스팅 주형 또는 사출 주형의 두 절반부가 서로에 대해 충분한 클램핑력으로 가압되지 않는 방법을 의미하는 용어이다. 이러한 상태에서, 주형 캐비티가 이미 밀봉식으로 폐쇄되더라도, 주형 절반부가 서로에 대해 완전하게 가압될 때의 크기에 비해 약간 큰 크기를 가지거나, 또는 주형 절반부는 사출된 용융물의 압력에 의해 약간 분리될 수 있다. 캐스팅 또는 사출 작업의 완료 후에 두 주형 절반부가 완전하게 가압된다. 본 발명에 따른 함침 방법이 상기한 절차로 구성된 다이캐스트기 또는 사출 성형기에서 수행되면, 캐스팅 또는 사출 작업을 개시할 때 주형 캐비티의 벽과 함침하기 위해 삽입된 작업편 사이에 나타나는 작은 간극이 여전히 존재한다는 장점이 달성된다. 이러한 간극에서, 액상인 함침제는 작업편의 표면에 균일하게 분포될 수 있다. 주형 절반부의 최종 클램핑시에 이러한 간극은 사라지고, 액상 함침제는 작업편의 구멍 내로 기계적으로 가압된다.

본 발명에 따른 방법에 의하면, 사이클 시간은 종래의 함침 방법에 비해 실질적으로 감소된다. 실제 함침 작업과 전처리(주형 캐비티 내로 작업편을 삽입한 후 주형을 폐쇄) 및 후처리(주형을 개방하고, 작업편을 제거하고, 필요에 따라 탕구 돌기를 제거)는 이들 세 단계 각각에 대해 약 1 시간 내지 4 시간이 필요한 종래의 방법에 비해 매우 짧은 시간 예를 들어, 3 분 내에 수행될 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 용이하게 자동화될 수 있다. 작업편의 성질에 따라, 몇개의 주형 캐비티가 있는 다기능 다이가 사용될 수도 있기 때문에 처리 시간은 더욱 단축된다. 기본적으로, 본 발명의 방법은 플라스틱 사출 성형 기술 및 금속 다이캐스팅 기술에서 일반적으로 사용되는 것과 같은 시판중인 사출 성형기 또는 다이캐스트기로 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 다른 장점은 종래의 방법이 단지 용제에서 용액 형태로만 처리될 수 있다는 것에 비해 왁스, 수지 등과 같은 다수의 함침제가 용제 없이 사용될 수 있다는 것이다. 이는 종래의 함침 방법에 비해 보다 환경 친화적으로 본 발명에 따른 방법을 수행할 수 있도록 한다. 본 발명에 따른 방법에 의하면, 작업편은 예를 들어, 2 % 내지 90 %의 매우 다양한 다공률로 함침될 수 있다. 본 발명의 방법은 슬라이딩 베어링 또는, 탄소 브러시 또는 콜렉터 형태의 전기 슬라이딩 접촉 부재로서 사용되는 탄소로 이루어진 작업편에 대해 양호하게 사용된다. 양호하게는, 탄소체는 천연 흑연, 전기 흑연, 열분해 흑연, 탄소 섬유, 코크스 및 카본 블랙과 같은 하나 이상의 성분을 콜타르, 석유타르, 피치 및 수지와 같은 결합제와 혼합하고, 이어서, 가압, 다지기 또는 압출에 의해 형을 만든 후, 일반적으로 소결, 경화, 탄소화 또는 흑연화를 위해 100 ℃ 내지 3200 ℃ 사이에서 다단계 온도처리를 행하여 제조된다. 또한, 작업편은 탄소 섬유 스트랜드, 매트, 직물 또는 편물을 예비성형하고, 치수 안정성에 필요한 콜타르, 석유타르, 피치 및 수지와 같은 결합제를 포함시킨 후, 100 ℃ 내지 3200 ℃ 사이에서 온도처리하여 제조될 수도 있다.

사용될 수 있는 함침제에는 다음과 같은 것이 포함된다.

- 천연 또는 합성 오일, 지방, 그리스 또는 왁스;

- 에스테르화 또는 비누화와 같이 천연 수지를 변형시킴으로써 제조된 합성 섬유를 포함하는 천연 또는 합성 수지;

- 중합, 중첨가 또는 중축합에 의해 제조되며 함침에 필요한 유동가능한 상태로 될 수 있는 플라스틱;

- 모든 금속 또는 금속 합금;

- 전처리 또는 비처리된 피치.

함침제는 하나의 공급 지점 또는 복수의 공급 지점에서 작업편을 내포하는 폐쇄된 주형에 공급될 수 있다. 압축 또는 압출에 이은 소결에 의해 예를 들어, 분말 탄소 재료로부터 제조된 성형품은 양호한 방향의 다공성 구조를 가지고, 상기 양호한 방향은 압축 방향에 수직한 방향 또는 압출 방향에 평행한 방향이다. 상기 작업편에 의하면, 본 발명에 따른 방법은 주형 캐비티 내에서 또는 작업편의 구멍을 통한 함침제의 전파 방향이 상기 양호한 방향에 실질적으로 평행하게 연장되는 방식으로 작업편을 내포하는 주형상에 함침제 공급 지점을 배열할 수 있다. 그러나, 일반적으로 이러한 것은 불필요한 것이며, 제조시에 작업편이 이방성이나 양호한 다공 방향성을 가지더라도, 함침제는 작업편의 임의의 지점에서 공급될 수 있고 작업편 내에서의 함침제는 상기 양호한 방향과는 다른 임의의 방향으로 이동될 수 있으며, 또한 함침은 임의의 양호한 방향을 갖지 않는 평형 압축 성형품만큼 균일및 균질로 된다.

실시예는 첨부도면을 참조로 하기에 상세하게 설명될 것이다.

도 1에 따르면, 미리제조된 함침될 작업편(1)은 전기 트랙 차량의 콜렉터상에 장착하기 위한 세장형 슬라이드 접촉 부재 형태를 갖는다. 작업편(1)은 소결된 다공성 탄소 재료르 구성된다. 작업편은 압출 또는 가압 등의 형상화 작업과 후속 열처리(소결)에 의해 매우 정확한 크기로 제조된다. 그후, 작업편(1)은 두개의 주형 절반부(3, 5)로 이루어진 사출 주형 내로 삽입되고, 그 캐비티는 작업편(1)의 크기에 정확하게 대응하도록 제조된다. 다이캐스팅 주형은 그 길이에 걸쳐 분포된 몇개의 지점에 배열된 사출 통로(7)를 구비한다. 이들 사출 통로는 정상적인 다이캐스팅에서와 같이 작업편을 형상화하도록 다이캐스팅 재료를 사출하기 위해 사용되는 것이 아니라, 이미 주형 캐비티 내에 위치된 다공성 작업편(1)의 구멍을 충전하기 위해 액상 함침제를 사출하기 위해 사용된다.

클램핑 유닛과 캐스팅 유닛을 구비하는 다이캐스트기는 본 기술분야에서 숙련된 자에게는 공지되어 있는 것이다. 예를 들어, 뤼거 저술의 "렉시콘 데어 테흐니크(Lexikon der Technik; 기술 용어집)" 제8권, 표제 "다이캐스팅" 및 "다이캐스트기" 참조. 도 1 및 도 2에 도시된 다이캐스팅 주형은 두개의 주형 절반부(3, 5)는 다이캐스트기의 폐쇄 또는 클램핑 유닛의 클램핑 판에 고정되고, 작업편(1)의 삽입 후에 클램핑력(S)을 받아 폐쇄된다. 그후, 다이캐스트기의 캐스팅 유닛에 의해 액상인 예를 들어, 용융된 함침제가 적절한 사출 압력하에서 사출 통로(7)를 통해 주형 내로 화살표(I) 방향으로 가압되므로, 작업편(1)의 구멍을 균일하게 충전시킨다. 작업편(1)은 양호하게는 주형 내로의 삽입 전에 또는 함침제의 사출 전에 적절한 온도로 예열된다.

실시예로서, 탄소 재료의 슬라이드 접촉 부재의 함침(침투)은 하기의 인자와 함께 용융된 알루미늄 실리사이드(AlSil2)로 수행되었다. 다이캐스트기는 250 톤의 클램핑 압력을 갖는 뷜러 컴퍼니(Buehler company)의 표준 다이캐스트기가 사용되었다. 650℃로 2 분동안 예열된 작업편은 250℃로 예열된 다이캐스트 주형 내로 삽입되었고, 상기 다이캐스트 주형은 250 톤의 클램핑 압력을 받았다. 용융된 함침제(AlSil2)는 650℃의 온도를 가지며 사출 통로(7)를 통해 200 bar의 압력하에서 주형 내로 사출되었다. 200 bar의 사출 압력은 전체적으로 3 초동안 유지되었다. 그후, 주형이 개방되고 함침된 작업편(1)이 제거되었다. 구멍이 함침제로 매우 균일하게 충전되고 표면에는 함침제가 남아있지 않았다. 이러한 이유로, 함침된 작업편의 후속 작업은 사출 통로(7) 구역에 잔존하는 탕구 돌기를 떼내거나 갈아내는 것으로 제한될 수 있다. 상기 다이캐스트기는 약 3 분의 사이클 시간으로 작동될 수 있다.

다이캐스트기 대신에, 종래의 사출 성형기가 본 발명에 따른 방법에 사용될수도 있다. 사출 성형기는 기술 서적 예를 들어, 1992년 뮌헨(Munich), 한저 출판사(Hanser-Verlag), 에프. 요한나버(F. Johannaber) 저술의 "쿤스트스토프마쉬넨퓌러(Kunststoffmaschinenfuehrer; 성형 장치 가이드)"에 개시된 바와 같은 임의의 바람직한 형태의 사출 성형기일 수도 있다. 사용된 함침제의 성질에 의하면, 스크루를 포함하는 소성화 사출 유닛이 액상 함침제를 사출하는데 사용될 수도 있다. 한편, 스크루를 포함하는 통상의 소성화 사출 유닛은 액상 함침제를 사출하기 위해 피스톤을 구비한 단순한 사출 유닛으로 대체될 수 있다.

금속 합금 특히, 알루미늄 또는 마그네슘 합금이 본 발명에 따른 방법에서 함침제로서 사용될 경우에는, 소위 씨엑소몰딩(thixomoulding)에 의한 사출 성형기가 함침에 사용될 수 있다. 이는 이들 금속의 임의의 합금이 고상과 액상 사이의 씨엑소 반응 전이 상(thixotropic transition phase)을 갖는다는 사실을 이용한다. 상기 합금으로부터 성형체를 사출 성형하기 위해, 씨엑소 반응 상태에 대응하는 온도에 사출 성형기의 스크루 유닛 내에서 결정 성장을 제한하는 회전식 스크루의 작용으로 상기 합금을 가열하고, 상기 합금을 이러한 씨엑소 반응 상태로 사출 주형 내로 사출하는 것이 공지되어 있다. 본 발명에 따른 함침 방법은 씨엑소 반응 금속 합금으로 함침될 다공성 작업편이 사출 주형 내에 배열되는 것과 유사한 방식으로 수행될 수 있다.

Claims (12)

1. 적어도 함침 중에는 액상인 함침제로 다공성 작업편의 구멍을 충전하는 함침 방법에 있어서,

   사출 성형 또는 다이캐스팅 방법으로 형성되며 적어도 하나의 주형 캐비티를 갖는 폐쇄 가능한 주형을 제공하는 단계와,

   주형 캐비티 내에 작업편을 배열하고 그 주형을 폐쇄하는 단계와,

   사출 성형기 또는 다이캐스트기에 의해 함침제에 압력을 가해 주형 캐비티 내로 사출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 작업편의 함침 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 주형 캐비티는 작업편이 주형 캐비티의 모든 벽 둘레로 틈새 없이 지지되는 방식으로 작업편의 외형에 맞게 형성되는 것을 특징으로 하는 다공성 작업편의 함침 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 스퀴즈 캐스팅 또는 사출 스탬핑용으로 구성된 다이캐스팅 또는 사출 성형 다이가 사용되고, 상기 다이의 두 주형 절반부는 사출 작업의 개시시에는 서로에 대해 완전하게 가압되지 않아서 상기 주형 캐비티는 내부에 작업편이 배열되어 있는 상태에 비해 크기가 커지고, 사출 작업 중에 또는 후에는 상기 주형 절반부는 함께 완전하게 가압되어, 주형 캐비티와 작업편 사이의 간극에 배치되는 액상 함침제는 작업편의 구멍 내로 기계적으로 가압되는 것을 특징으로 하는 다공성 작업편의 함침 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작업편은 분말 재료로부터 압축 및 소결된 작업편인 것을 특징으로 하는 다공성 작업편의 함침 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 작업편은 탄소 재료로부터 압축 및 소결된 작업편인 것을 특징으로 하는 다공성 작업편의 함침 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 작업편은 슬라이딩 베어링 또는 전기 슬라이딩 접촉 소자 특히, 탄소 브러시 또는 콜렉터인 것을 특징으로 하는 다공성 작업편의 함침 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 함침제는 용융된 상태의 금속 또는 금속 합금인 것을 특징으로 하는 다공성 작업편의 함침 방법.
8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 함침제는 천연 또는 합성 오일, 지방, 그리스, 왁스, 수지 또는 중합, 중첨가 또는 중축합에 의해 제조되는 플라스틱인 것을 특징으로 하는 다공성 작업편의 함침 방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작업편을 주형 내로 또는 주형 내에 도입하기 전에, 상기 작업편은 함침 작업 전에 또는 도중에 가열되는 것을 특징으로 하는 다공성 작업편의 함침 방법.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 함침 방법에 의해 함침된 탄소질 재료로 이루어진 작업편.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 작업편은 콜렉터용 슬라이딩 베어링, 탄소 브러시 또는 슬라이드 접촉 부재인 것을 특징으로 하는 작업편.
12. 적어도 하나의 주형 캐비티를 에워싸는 주형과, 상기 주형을 개방 및 폐쇄하고 폐쇄된 주형을 유지하는 폐쇄 유닛과, 상기 주형 캐비티 내에 배열된 다공성 작업편을 액상 매체를 사용하여 함침하기 위해 액상 매체에 압력을 가하면서 폐쇄된 주형 내로 공급하는 사출 유닛을 구비하는 사출 성형기 또는 다이캐스트기 사용 방법.