KR20030033562A - 닥터블레이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제지과정에서 도공액을 균일하게 도포해 주는 닥터블레이드의 코팅층 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강으로된 스트립위에 중간층을 형성하고 그 상층에 세라믹코팅을 한 닥터블레이드에 있어서, 상기 중간층을 준결정재료인 Al-Cu-Fe-Si 또는 Al-Cu-Fe-Si-B 의 합금으로 구성하고 스트립상에서 일정한 두께를 가지고 균일하게 형성시킴으로써 내마모성이 우수하고 내구수명이 긴 닥터블레이드를 공급하는 것이다.

Description

닥터블레이드{Doctor Blade}

본 발명은 코팅층 조성물을 형성한 제지용 닥터블레이드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강으로된 스트립위에 중간층을 형성하고 그 상층에 세라믹코팅을 한 닥터블레이드에 있어서, 상기 중간층을 준결정재료인 Al-Cu-Fe-Si 또는 Al-Cu-Fe-Si-B 의 합금으로 구성하고 스트립상에서 일정한 두께를 가지고 균일하게 형성된 것을 특징으로 하는 닥터블레이드에 관한 것이다.

닥터블레이드는 종이 표면에 도공액(Clay CaCo₃)을 균일하게 도포해 주는 기능을 하는 주요부품으로서 도공액과의 고속마찰로 인하여 급속한 마모가 일어나 그 내구수명이 매우 짧다. 따라서 블레이드를 자주 교체하여야 하고 이로인해 제지공정작업의 중단 및 용지의 파손율 증가 등으로 전체공정에 드는 비용이 증가되는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 종래에는 일반적으로 탄소강판위에 세라믹분말혼합체를 플라즈마 용사한 닥터블레이드를 사용해 왔다.

이경우, 코팅되지 않은 강으로만 된 제품보다 블레이드의 수명이 증가하는 면이 있긴 하지만 블레이드의 가장자리 영역에서 마모 정도가 높기 때문에 블레이드의 대부분이 아직 쓸만하더라도 블레이드를 교체할수 밖에 없고 이로인해 전체공정에 드는 비용이 여전히 높은 문제점을 해결하지 못하였다.

PCT 특허출원 SE 1997/02111(국내공개번호 특2000-0009590)에서는 상기의 블레이드의 국부적인 마모문제를 해결하기 위해 강으로된 스트립위에 중간층을 비스듬히 형성하고 그위에 세라믹퇴적물을 형성하였는데, 그 중간층을 상부의 퇴적물보다 내마모성이 더 강한 금속탄화물,붕화물,질화물 및 그들의 혼합물 중에서 선택된 재료로 구성하는 샌드위치설계 방법에 의하여 상기의 문제점을 해결하려고 하고 있다.

하지만 그 중간층 형성을 일률적인 두께에 의하지 않고 비스듬히 각을 주는 형태로 형성시키며 중간층의 너비도 하부의 강제 스트립의 너비와 다르기 때문에 블레이드의 중간층을 형성하는 것은 기술적으로 구현하기가 사실상 극히 어려울 뿐만아니라 그 비용도 많이 소요되므로 그 기술적 및 경제적 효용성이 크지 않은 문제점을 가지고 있다.

한편, 공개번호 특2000-0062861 에서는 준결정재료인 Al-Cu-Fe 계열의 Al-Cu-Fe-Cr-Ni-Mo-W 에 기타 부수적 불순물로 구성된 합금을 코팅제로 이용하고 있다. 이러한 준결정재료는 분말로 분쇄되고 열적으로 분무되어 코팅제로 유용한 접착제를 형성함으로써 닥터블레이드의 코팅층 형성에 적용될수가 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 닥터블레이드의 중간층 물질을 준결정재료인 Al-Cu-Fe-Si 또는 Al-Cu-Fe-Si-B 의 합금으로 구성하고, 스트립상에서 중간층을 일정한 두께를 가지고 균일하게 형성시킴으로써 내마모성이 우수하고 내구수명이 긴 닥터블레이드를 공급하고자 하는 것이다. 이로인해 블레이드의 제품가격을 인하시키고 전체적인 제조비용을 감소시킬 수 있게 되어 관련 산업의 발전에 이바지 하게 된다.

도1(가)는 종래의 강으로만 된 닥터블레이드의 단면도

도1(나)는 종래의 강 및 세라믹으로 된 닥터블레이드의 단면도

도2는 본 발명에 의한 닥터블레이드의 단면도

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1:강으로 된 스트립

2:세라믹층

3:중간층

본 발명 닥터블레이드는 강(Steel)으로 된 스트립(Strip)위에 중간층을 코팅하고 그 상층에 세라믹코팅을 한 닥터블레이드에 있어서, 상기 중간층이 Al-Cu-Fe-Si 또는 Al-Cu-Fe-Si-B 의 합금으로 구성되고 스트립상에서 일정한 두께를 가지고 균일하게 형성된 것을 특징으로 하는 닥터블레이드에 관한 것이다.

이하 본 발명을 도면을 들어 상세히 설명한다.

도1(가)는 종래의 강으로만 된 닥터블레이드의 단면도이고, 도1(나)는 종래의 강 및 세라믹으로 된 닥터블레이드의 단면도이며, 도2는 본 발명에 의한 닥터블레이드의 단면도를 나타낸 것이다.

도2에서 보는 바와같이, 본 발명의 제지용 닥터블레이드는, 강으로 된 스트립(1)위에 중간층(3)과 그 위에 강보다 내마모성이 더 강한 세라믹층(2)을 형성시킨 구성을 하고 있다. 이때 중간층을 형성하는 준결정재료는 열역학적으로 안정한 준결정을 형성시키는 알루미늄을 주성분으로 하는 합금으로 구성한다.

보다 구체적으로 본 발명에서는 상기의 중간층을 높은 경도와 저마찰계수 그리고 내마모 특성이 우수한 Al-Cu-Fe-Si 또는 Al-Cu-Fe-Si-B 의 합금으로 구성하였다.

이러한 준결정합금은 분말상태로 제조하는 것이 바람직하며, 이와같이 분말상태로 된 준결정합금을 블레이드의 중간층으로 코팅하는 방법은 다음과 같다.

먼저 강판으로 이루어진 코팅될 부품을 준비한후, 그 위에 분말로 분쇄된 준결정재료를 플라즈마염으로 용융방사시켜 점착코팅시키는 플라즈마 용사에 의한 방법에 의하거나, 또는 특수설계된 챔버로부터 고압상태로 토출되는 극 초음속의 제트(jet)흐름가열, 가속에너르기를 이용하여 최대의 충돌에너르기에의해 용사재를 연화 및 가속시킴으로써 극히 치밀한 고밀도의 피막을 형성시키는 용사법인 HVOF(초음속용사, High velocity oxy fuel)에 의해 코팅층을 형성하는 방법이 바람직하다.

왜냐하면, 상기 HVOF법으로 제조된 코팅층은 열차폐 재료보다는 내마멸성이 요구되는 닥터 블레이드에 적용하는 것이 보다 유용하며, HVOF법으로 제조한 코팅층이 플라즈마 코팅법에 의해 제조한 코팅층에 비해 현격하게 기공의 분율이 감소하여 코팅층의 조직이 보다 미세하기 때문이다.

상기에서 설명한 중간층의 코팅은 그두께를 30~100㎛ 범위로 하는 것이 바람직하며, 스트립상에서 균일한 두께로 형성시킴으로써 제조공정을 용이하게 한다.

상기의 본 발명 닥터블레이드의 상층에 코팅된 세라믹층은 산화알루미늄을 주성분으로 하고 산화티타늄, 산화지르코늄, 산화크롬등 다른 금속산화물의 혼합물로 구성됨이 바람직하다. 상기 혼합물의 성분비율은 중량기준으로 2~50 중량% 범위에서 변화할수 있으며, 플라즈마용사에 의한 코팅층 형성이 바람직하다.

본 발명에서 중간층으로 알루미늄 합금 준결정소재를 선택한 것은 경도값이 매우 높고 800℃ 정도까지의 고온에서 열적안정성,내마모특성,내산화특성등을 보유하고 있어 트라이볼로지 (Tribology)재료로서 매우 적합한 특성을 갖기 때문이다.

주방상태(주조한 상태) 및 섭씨 750도에서 3시간 동안 열처리된 합금의 미세조직을 광학현미경에서 살펴보면 다음과 같다.

주방상태(주조한 상태)의 Al₅₀Cu₂₀Fe₁₅Si₁₅합금의 조직을 관찰해 보면 초정상 (초정으로 석출되는 상)은 6면체인 β-AlFe(Cu)상이고 기지조직(Matrix)은 20면체 (Icosahedral)준결정상의 유사구조인 1/1 입방정 구조이다.

용사코팅에 의해 형성된 Al₅₀Cu₂₀Fe₁₅Si₁₅합금의 조직 역시 기지조직은 1/1 준결정 유사구조상이고 상대적인 부피분율은 적지만 6면체인 β상을 나타낸다.중력주조된 Al₅₀Cu₂₀Fe₁₅Si₁₅합금을 섭씨 750도에서 3시간 열처리 한 후 X선회절분석기로 분석해보면,많은 피이크가 나타나며 그 피이크들은 모두 1/1 준결정 유사구조에 대응된다. 상기 합금을 멜트스피닝(Melt Spinning)한 후 X선회절분석을 하면, 급냉응고효과에 의한 결정립 미세화 및 준결정상 아주 유사한 1/1유사구조가 함께 존재하여 존재상이 거의 비슷하지만, 피이크의 반가폭이 상당히 증가한다.

한편 상기 합금에 B가 첨가된 경우에 이러한 반가폭의 증가는 더욱 두드러지며, 이는 코팅층의 다양한 구성상과 함께 미세한 입자 및 내부결함의 존재 등을 의미한다.

본 발명에 의한 닥터 블레이드의 성능을 확인하기 위해, 종래의 것과 비교한 시험 결과치는 다음과 같다.

표1은 닥터블레이드의 코팅재료에 관한 기계적성질을 나타낸 것이고, 표2는닥터블레이드의 사용수명에 대한 것을 나타낸 것이다.

표1의 실험결과치에서 보는 바와같이 본 발명에 의해 준결정재료가 종래 금속재료에 비해 파괴강도와 마이크로경도가 높은 대신, 마찰계수가 낮음으로 내마모성이 우수하다는 것을 알수있다. 또한 상기 특성으로 인해 표2에서 보는 바와같이 본 발명에 의한 블레이드를 사용했을때 블레이드의 수명이 종래의 것에 비해 40% 정도나 증가함을 보여줌으로써 내구수명이 길다는 것을 알수있다.

닥터블레이드 코팅재료의 기계적성질 비교표

	영의 모듈(GPa)	파괴강도(MPa)	마이크로 경도HV100(㎏/㎟)	마찰계수
종래 사용된금속재료	알루미늄 합금	72	325	87	0.37
	저탄소강	205	620	120	0.32
	구리 합금	130	235	48	0.42
본발명에서 사용된준결정재료	Al-Cu-Fe-Si	89	595	670	-
	Al-Cu-Fe-Si-B	105	1060	560	0.17

상기 영의 모듈은 탄성계수를 나타내는데, 탄성계수가 높을수록 외부 충격에 대하여 완충력이 있어 유연하나 정밀도가 떨어질 수 있으므로 적정 수준이 필요하다.

반면, 파괴강도와 마이크로 경도는 닥터 블레이드의 주요 조건인 내마모성과 밀접한 관련이 있는 기계적 성질로서 그 수치가 높은 것이 바람직한데, 본 발명의 경우 종래 금속 재료보다 월등히 높은 수치를 보이고 있다. 마찰계수의 경우는 그수치가 낮을수록 수명이 오래 가는데, 종래 재료보다 2배 이상의 절감폭을 보이고 있다. 이에따라, 높은 파괴강도와 마이크로 경도, 낮은 마찰계수로 인하여 종래의 닥터 블레이드에 비해 표2와 같이 본 발명은 종래보다 40% 이상의 사용시간 증가를 가능하게 한다.

닥터블레이드의 사용수명 비교표

	사용시간(hr)	비고
종래의 블레이드	14~15
본발명에 의한 블레이드	20~25	종래에 비해 40% 수명증가

본 발명은 닥터블레이드의 제조시 그 중간층을 Al-Cu-Fe-Si 또는 Al-Cu-Fe-Si-B 의 합금으로 형성시킴으로써 종래의 닥터블레이드보다 내마모성이 더 우수하고 내구수명이 긴 제품을 생산할수 있게 함으로써, 닥터블레이드의 품질 및 생산성을 향상시킬수 있으며 향후 수입대체와 수출증대의 파급효과가 발생할수 있다.

Claims (6)

1. 강으로 된 스트립위에 중간층을 형성하고 그 상층에 세라믹코팅을 한 닥터블레이드에 있어서, 상기 중간층이 Al-Cu-Fe-Si 또는 Al-Cu-Fe-Si-B 의 합금으로 구성된 것을 특징으로 하는 닥터블레이드.
2. 제 1항에 있어서, 상기 중간층이 50중량%의 Al, 20중량%의 Cu, 15중량%의 Fe, 15중량%의 Si 로 구성된 것을 특징으로 하는 닥터블레이드.
3. 제 1항에 있어서, 상기 중간층이 50중량%의 Al, 20중량%의 Cu, 15중량%의 Fe, 12중량%의 Si, 3중량%의 B 로 구성된 것을 특징으로 하는 닥터블레이드.
4. 제 1항에 있어서, 상기 중간층의 코팅 두께가 30~100㎛ 이고 스트립상에서 균일한 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 닥터블레이드.
5. 제1항에 있어서, 상기 세라믹층이 산화알루미늄을 주성분으로 하고 산화티타늄, 산화지르코늄, 산화크롬 등 다른 금속산화물과의 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 닥터블레이드.
6. 제5항에 있어서, 상기 혼합물의 성분비율이 중량기준 2~50 중량% 내에서 변화할수있도록 된 것을 특징으로 하는 닥터블레이드.