KR20050025326A

KR20050025326A - 플라스틱 재료를 포함하는 공구

Info

Publication number: KR20050025326A
Application number: KR1020057000341A
Authority: KR
Inventors: 메카오우이알라오우이모하메드; 포스베르크위르겐; 호흐발트페터; 바터만빈프리트
Original assignee: 훈츠만 어드밴스트 머티리얼스(스위처랜드) 게엠베하
Priority date: 2002-07-09
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2005-03-14
Also published as: EP1523519B1; US7579399B2; DE50211655D1; AU2002358779A1; JP2005532168A; US20060014881A1; WO2004005385A1; EP1523519A1; KR100872956B1; DE10231001A1

Abstract

본 발명은 적어도 부분적으로 플라스틱 재료를 포함하고 상기 플라스틱 재료 내에 함유된 나노 입자를 포함하는 공구에 관한 것이다. 상기 공구는 높은 압력과 마찰 저항을 나타내고, 특히 예를 들면 차량 본체를 위한 금속 시트의 디프 드로잉을 위한 성형 공구로서 사용된다.

Description

플라스틱 재료를 포함하는 공구 {Tool Consisting of Plastic Material}

본 발명은 적어도 부분적으로 플라스틱 재료를 포함하는 공구에 관한 것이다.

최근, 소위 말하는 나노기술은 다양한 기술 분야에서 중요성이 증대되었다. 나노규모 입자는 1μm보다 상당히 작은 입자 크기를 가지는 나노 기술에 이용된다. 10^-9 내지 10^-6m 사이 범위에 있는 입자 크기로 인하여, 고체계에서 원자 구조의 치수는 알려진 거시적 원리에 따르지 않고 얻어진다. 일반적으로, 이러한 나노 입자의 입자 크기는 단파 가시광선의 파장(약 400nm)보다 작기 때문에, 이 입자는 종래의 현미경으로 관찰할 수 없다. 이러한 나노규모 입자의 마련과 취급은 비교적 막대한 노력을 필요로 한다. 나노규모 무기 고체 입자의 다양한 흥미있는 기술적 응용은, 예를 들어 광학 소자에 대한 코팅에서의 사용(DE 41 33 621 A1호 참조)이 고려된다. 이러한 사용에서, 상기 문헌은 주로 투명한 복합 재료를 마련하는 것을 다룬다.

DE 197 46 885 A1호는 주형 속에 놓여져서 중합되어 경화된 성형 제품을 형성하는 중합 가능한 표면 그룹을 갖는 무기 나노규모 고체 입자를 포함하는 자유 유동 질량으로부터 출발하는 나노 구조 성형 제품 및 층을 마련하는 공정을 개시하고 있다. 상기 문헌에서는 그렇게 제조된 성형 제품에 대해서는 언급하지 않는다. 예를 들어 보통 금속으로 이루어지는 성형 공정을 위한 공구로서 상기 성형 제품을 사용하는 선택은, 상기 문헌에서 고려하지 않았다.

예를 들면, 커핑 공정(cupping) 등과 같은 성형 공정에서 사용되는 공구는 종종 비교적 짧은 내구성을 갖는 단점이 있다. 예를 들어, 플라스틱 재료로 구성되는 스탬프(stamp), 블랭크 홀더(blank holder) 또는 매트릭스가 금속부의 커핑을 위해 사용될 경우, 접촉면에서 상당한 마모가 발생되어, 공구 재료는 압축 강도가 너무 낮아지게 되는 결함을 갖게 된다. 이는 종종 공구의 빠른 파손으로 이어진다.

이와 달리, 본 발명은 더 나은 마모 특성을 나타내고 더 큰 내구성을 갖는 적어도 부분적으로 플라스틱 재료를 포함하는 공구를 제공한다.

이러한 문제점의 해결책은 주요 청구범위의 특성을 가지는 본 발명의 공구를 제공하는 것이다. 본 발명에 따르면, 플라스틱 재료 내로 혼입된 나노규모 입자부를 포함하는 적어도 부분적으로 플라스틱 재료를 포함하는 공구가 고려된다. 따라서, 종래의 플라스틱 재료와 비교하여 더 나은 마찰 특성과 더 향상된 물질의 마모 특성을 통상 갖게 된다. 성형 공정을 위해 상기 발명을 사용함으로써, 공구는 더 나은 내구성을 가지고, 따라서 더 오랜 작업 사이클 동안 사용할 수 있다.

도1은 제1 샘플 P-b1에 따라 본 발명의 공구를 위한 플라스틱 재료를 통한 절결부의 REM 기록을 도시하는 도면.

도2는 더 높은 배율로 도1과 동일한 샘플의 REM 기록을 도시하는 도면.

도3은 질소 용액에 침지되어 분해된 본 발명의 플라스틱 재료 샘플의 파단면의 REM 기록을 도시하는 도면.

도4는 플라스틱 재료에서 상이한 크기의 나노규모 입자부를 사용하여 E-모듈과 압축 강도를 도시하는 그래프.

도5는 상이한 충전제를 포함하는 플라스틱 재료 커핑 공구를 사용하여 마찰계수를 도시하는 그래프.

도6은 승강의 수를 증가시키며 커핑에서 상이한 충전제를 갖고 플라스틱 재료 공구의 마모 거동을 설명하는 그래프.

본 발명에 따라 사용된 나노 입자의 입자 크기는 바람직하게는 약 15 내지 250nm의 범위에서 변화한다. 이 나노규모 입자를 사용하여 마련된 플라스틱 재료는 주조 재료 또는 블록 재료로 제공된다. 플라스틱 재료 내의 나노규모 입자부는 넓은 범위에서 변화된다. 특히, 복합 재료의 총 중량에 기초하여, 나노규모 입자의 약 5 내지 60중량% 사이의 비율을 사용하는 것이 바람직하다. 양호하게는, 이 나노규모 입자는 주로 균등 분포 방법으로 플라스틱 재료에 제공된다. 나노규모 입자는 양호한 방법으로 플라스틱 재료에 매립된다. 나노규모 입자의 주로 균일한 분포를 달성하기 위해, 나노규모 입자는 복합 재료의 마련에서 표면 개질제와 함께 제공된다. 유리와 같은 비정질 구조가 플라스틱 재료에 형성되어, 공구 재료로 사용하기 위해 특히 적절한 플라스틱 재료를 만드는 특성을 제공하고, 여기서 유리와 같은 구조적 특성을 갖는 기초 질량에도 불구하고, 상기 재료는 특히 탄성을 유지한다. 기초 질량으로 고려되는 플라스틱 재료로는 비교되는 특성을 가지는 특정한 폴리우레탄, 에폭시 수지 또는 플라스틱 재료가 있다.

주로, 본 발명의 범위에서 고려되는 나노규모 입자는 무기 재료 입자이다. 예를 들면, 금속 산화물을 들 수 있다. 의도된 사용에 따라, 예를 들어 실리콘 산화물, 티타늄 산화물 등과 같이 충분한 경도 및/또는 마찰 견뢰도(rubbing fastness)를 가지는 금속 산화물이 바람직하다.

본 발명의 시험에서, 나노규모 입자를 포함하는 플라스틱 재료의 혼합물은 다른 첨가물을 포함하는 플라스틱 재료와 비교되고, 본 발명에 따른 나노규모 입자에 포함된 플라스틱 재료는 다른 특성들, 특히 마모 특성, 압축 강도 및 마찰 견뢰도에 대해 특히 양호한 것으로 밝혀졌다. 이 시험에서, 플라스틱 재료의 상이한 샘플의 REM 기록은 한편으로는 나노규모 입자의 첨가 하에서, 다른 한편으로는 종래의 충전제의 첨가 하에서 각각 만들어지고, 이 첨가물은 상이한 입자 분포를 갖는 플라스틱 재료 매트릭스 내에 존재하는 것으로 밝혀졌다. 일부 시험에서는, 비균질성과 덩어리화(lumping)가 아직 응고되지 않은 재료의 교반 동안에 이미 발생하는 것으로 나타났다. 샘플을 경화시킬 때, 플라스틱 재료에 많은 공기가 포함되는 것이 발견되었다. 이와 달리, 나노규모 입자가 적당한 표면 개질제를 사용하는 플라스틱 재료 내로 매립될 경우, 플라스틱 재료 매트릭스 내에 나노파인(nanofine) 입자의 더 양호한 분산이 관찰된다. 비정질 고체는 플라스틱 재료 내에 본 발명의 나노규모 입자를 매립하여 만들어진다고 가정하고, 고체 나노 입자의 표면은 플라스틱 재료 매트릭스에 의해 습윤화된다. 두 개의 상 사이에서 견고한 결합이 생성되는 것으로 보인다. 또한, 이 가정은 니트로젠 용액에 침지되어 분해되는 본 발명의 재료 샘플의 REM 기록에 의해 확인된다. 입자 파이크(pike) 없는 평평한 표면이 분쇄된 표면 근처에서 발견된다.

본 발명 시험의 범위 내에서, 한편으로는 본 발명에 따른 나노규모 입자를 가진 플라스틱 재료와 다른 한편으로는 종래의 분말로 된 입자를 가진 플라스틱 재료의 E-모듈과 압박 강도가 시험되고 비교된다. 예를 들어 약 20%의 나노 입자의 첨가는 이미 종래의 충전제만을 포함하는 플라스틱 재료와 비교하여 상당히 높은 압축 강도로 이어진다.

공구는 본 발명의 플라스틱 재료를 사용하여 만들어지고, 커핑 시험은 상기 공구를 가지고 수행된다. 그에 따라, 커핑 공구의 치수 정확성과 공구 수명 모두 상당히 개선된 것이 발견되었다. 일반적으로, 이러한 플라스틱 재료 공구는 비교적 신속하게 마모된다. 복합 재료의 총 중량에 기초하여, 예를 들어 약 20중량% 양의 나노규모 입자를 매립함으로써 더 양호한 마찰 및 마모 조건이 달성될 수 있다. 이를테면, 그래파이트 또는 몰리브덴 황화물과 같이 더욱 미끄러지는 재료를 매립함으로써, 이하의 실시예로부터 볼 수 있는 것과 같이 공구의 마모 및 커핑 거동은 더욱 개선된다.

매립된 나노규모 입자를 가지는 본 발명의 플라스틱 재료 공구는 종래의 강철 공구와 비교하여 재료 비용이 상당히 낮은(예를 들어 70%까지) 장점이 있다. 이 공구는 더 양호하게 가공될 수 있으며, 그에 따라 적은 기계적 노력이 필요하다. 이것은 기계 작업에 있어 에너지와 동력이 덜 필요하게 한다. 본 발명의 플라스틱 재료 공구는 강철 공구보다 더 짧은 작업 조정 주기를 가진다. 이는 상당히 작은 중량을 가진다. 예를 들어, 60%까지의 중량 감소가 달성될 수 있어, 공구의 취급에 있어 이를테면 크레인 장비의 하중이 줄어들 수 있다.

본 발명의 플라스틱 재료 공구와 공구 제조를 위한 플라스틱 재료 삽입물은 각각 용이하게 조절되어 비용, 에너지 및 시간을 또한 절감시킨다. 사용하지 않은 공구는 이를테면 새로운 플라스틱 재료 공구를 위한 충전제로 완전히 재사용될 수 있어, 쓰레기 폐기 비용은 들지 않는다. 플라스틱 재료 공구는 탄성 거동을 나타내므로, 그러한 성형 공구에 의해 성형된 재료의 품질 개선이 달성될 수 있다. 특히, 커핑 공정의 마찰 특성은 활주 특성을 갖는 재료를 더 추가함으로써 개선된다. 따라서, 지금까지 필요했던 액체 윤활유는 생략할 수 있게 되어, 성형 공정은 더욱 친환경적이게 된다.

또한, 본 발명은 작업편, 특히 적어도 부분적으로 플라스틱 재료를 포함하는 성형 공구를 사용하는 금속부를 성형하기 위한 공정에 관한 것이고, 성형 공구는 본 발명에 따른 플라스틱 재료에 매립된 나노규모 입자부를 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 상기 성형 공구는 시트 재료, 특히 자동차의 본체부 또는 본체의 커핑 공정을 위한 커핑 공구로 사용된다.

이어서, 이하의 발명은 첨부 도면을 참조한 실시예에 의해 더 상세히 기술된다.

본 발명의 범위내에서, 플라스틱 재료의 상이한 군들이 실험되었으며, 상이한 결정 입자 크기를 갖는 나노규모 입자가 첨가되었다. 나노규모 입자의 시험된 샘플 P-D4, P-b1, P-b2 및 P-b3의 특성이 아래의 표1에 나타나 있다.

표1

	나노 입자
특성	P-D4	P-b1	P-b2	P-b3
나노 입자의 함유량(%)	99.00	94.80	94.70	96.60
물 용해도(%)	0.150	0.007	0.010	0.007
연소 손실(%)	-	3.3	3.5	3.0
수분 함유량	-	0.38	0.33	0.40
물 속 부유물의 PH값	9	10.8	8.5	5.7
비표면 BET(m²/g)	3	51	50	29
입자 크기(nm)	800	28	28	47
평균 입경	-	3.5	8	0.14
레이저 편광 후(μm)	-	28	28	47
X선 편광에 따라(nm)	-	28	28	47

표에서 볼 수 있는 것과 같이, 샘플 P-D4의 입자 크기는 800nm인 반면, 다른 나노 입자의 크기는 주로 더 작다. 나노규모 입자는 표면 개질제를 구비하고 플라스틱 재료 질량에 첨가된다. 샘플 P-D4에 의한 시험에서는, 교반 동안에 불균일성이 이미 발생하고 덩어리화가 발생된다. 샘플의 경화 동안, 플라스틱 재료 안에 공기가 포함된 것이 발견되었다.

이와 달리, 플라스틱 재료 매트릭스에 나노파인 입자의 실질적으로 개선된 분포가 표에 따라 주로 작은 입자 크기를 나타내는 나노규모 입자를 가진 샘플에서 달성됨을 발견할 수 있다. 이는 대응하는 REM 기록에 의해 확인되었다. 도1은 표1의 좌측으로부터 두번째 칼럼에 도시된 샘플 P-b1에 따른 본 발명의 공구를 위한 플라스틱 재료를 통한 절결부의 REM 기록을 도시하고 있다. 도1에서는 플라스틱 재료 안의 나노규모 입자의 고른 분포를 볼 수 있다. 도2는 더 높은 배율 상태로 동일한 샘플의 대응하는 REM 기록을 도시하고 있다.

나노규모 입자를 포함하는 플라스틱 재료의 재료 특성 시험에서, P-b1군의 한 샘플(표1 참조)이 액체 질소 용액에 침지되어 분해되었다. 도3은 이러한 샘플의 파단면의 REM 기록을 도시하고 있다. 두개의 평평한 표면이 파단면에 존재하고 입자 팁(tip)은 관찰되지 않는다. 따라서, 나노규모 분말과 플라스틱 재료 매트릭스 사이에 견고한 결합이 생성되었음을 추정할 수 있다.

공구 재료로서 본 발명의 플라스틱 재료의 적합성을 시험하기 위해, 상이한 재료 특성, 특히 플라스틱 재료의 압력 E모듈(MPa)과 압축 강도(MPa)가 측정되어 도4에 따른 그래프에 나타나 있다. 이에 따르면, 플라스틱 재료 내의 나노규모 입자부는 그래프에서 좌측에서 우측으로 증가한다. 약 20%의 나노규모 입자의 추가에 따라 재료 강도의 상당한 증가가 양 특성에서 나타나는데, 특히 탄성 모듈에서 잘 나타남을 그래프로 알 수 있다. 또한 시험에서 종래의 충전제의 추가적 사용에 의해 E-모듈값의 상당한 증가와 압박 강도의 증가를 달성할 수 있음을 보여준다.

본 발명의 범위 내에서, 마찰 시험은 상이한 시트 금속 재료가 한편으로는 나노규모 입자부를 가지는 본 발명의 플라스틱 재료로, 다른 한편으로는 미끄러지는 특성을 구비한 재료부를 가지는 비교되는 플라스틱 재료로 마련된 공구에 의해 커핑 가공되도록 수행되었다. 결과는 도5에 나타나 있다. 그것에 의해, 두 상이한 시트 금속 물질, 즉 AC120과 알루미늄 마그네슘 합금 AlMg4.5Mn에 대한 커핑 결과가 도시되어 있고, 두 경우에서 네 개의 상이한 플라스틱 재료의 두 경우에 따른 커핑 공구가 시험된다. 두 그래프에서, 좌측 칼럼은 미끄러지는 특성을 가진 재료로서 그래파이트를 포함하는 한 플라스틱 재료의 마찰계수에 대응한다. 좌측에서 우측으로 보면 그 다음은, 미끄러지는 특성을 가진 재료로서 몰리브덴 황화물을 포함하는 플라스틱 재료이고, 그 다음은, PTEE부를 가진 플라스틱 재료이고, 마지막으로 가장 우측 칼럼에는 본 발명의 나노규모 입자부를 가지는 플라스틱 재료가 나타나 있다. 두 경우에서, 도5에 도시된 마찰 결과는, 대략 0.19의 평균 마찰계수를 가지는 본 발명의 플라스틱 재료가 마모에 관하여 가장 좋은 특성을 가짐을 보여준다. 특히, 미끄러지는 특성을 갖는 것으로 알려진 플라스틱 재료에 종래의 첨가물을 추가하는 것보다 나노규모 입자의 추가에 의해 더 좋은 마모 강도를 갖는다는 것은 놀랄만한 것이다.

다른 시험에서, 상이한 충전제를 가지는 플라스틱 재료 공구의 마모 거동은 이 플라스틱 재료를 포함하는 공구를 사용하여 다수 연속인 승강을 갖는 커핑 시트 금속에 의해 시험되었다. 그 결과는 도6에 따라 그래프로 나타나 있다. 각 경우에서, 상대적인 마모 강도는 시험 초기의 초기값과 비교한 결과를 보여준다. 시험된 재료의 각각에 대해 다섯 칼럼으로 도시되고, 각각의 칼럼의 좌측은 초기값(비교 스케일 5)이고, 그 다음 5,000회 승강, 10,000회 승강, 15,000회 승강 및 20,000회 승강의 값이 좌측에서 우측으로 뒤따른다. 나노규모 입자 없는 플라스틱 재료를 갖는 공구와 미끄러지는 특성을 갖는 플라스틱 재료가 없는 공구의 마모 강도는 승강의 수가 증가함에 따라 점점 나빠짐이 도6에 따른 실례로부터 보여진다. 두번째 칼럼은 그래파이트가 매립된 플라스틱 재료를 이용한 시험으로부터의 결과이다. 좌측으로부터 세번째 칼럼은 몰리브덴 황화물 첨가물을 가진 플라스틱 재료에 대한 값을 도시한다. 좌측으로부터 네번째 칼럼은 미끄러지는 특성을 가지는 재료로서 매립된 PTEE를 가지는 플라스틱 재료에 대한 값을 도시한다. 마지막으로, 우측에 도시된 다섯번째 칼럼에서는 나노규모 입자를 가진 플라스틱 재료 공구에 대한 값이 도시되어 있다. 미끄러지는 특성을 가진 첨가물을 넣음으로써 마모 강도의 값은 다소 열화될 수 있지만, 이러한 열화는 도면 좌측의 칼럼과 비교하여 알수있는 바와 같이 첨가물을 포함하지 않은 플라스틱 재료보다는 적게 됨을 알 수 있다. 대조적으로, 매립된 나노규모 입자(나노-K)를 가지는 본 발명의 플라스틱 재료 공구의 마모값은 20,000회 공구 승강 뒤에도 일정하다.

본 발명의 범위 내에서 스탬프는 각각 본 발명에 따른 나노규모 입자를 가지는 플라스틱 재료와 종래의 첨가제를 갖는 플라스틱 재료의 상이한 플라스틱 재료로 만들어지고, 공구는 임의의 영역에서 반경을 갖도록 만들어진다. 이를테면, 공구의 테두리 영역은 각각의 경우에서 100 부품의 커핑 후 마모 거동을 위한 임계 영역으로서 측정된다. 본 발명에 따른 나노규모 입자를 포함하는 플라스틱 재료로 만들어진 스탬프는 반경 승강에서 최소의 편차를 보여 우수한 마모 거동을 나타내었다.

Claims

적어도 부분적으로 플라스틱 재료를 포함하는 공구에 있어서,

플라스틱 재료에 매립된 나노규모 입자부를 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
제1항에 있어서, 플라스틱, 블록 재료 또는 주조 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 공구.
제1항 또는 제2항에 있어서, 나노규모 입자의 입자 크기가 약 15nm 내지 250nm 사이의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 공구.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 플라스틱 재료 내의 나노규모 입자부는 복합 재료의 총 중량에 기초하여 약 5 내지 약 60중량% 사이인 것을 특징으로 하는 공구.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 나노규모 입자는 플라스틱 재료 내에 매우 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 공구.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 표면 개질제가 제공된 나노규모 입자로부터 시작하여 마련되는 것을 특징으로 하는 공구.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라스틱 재료는 유리와 같은 비정질 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 공구.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 미끄러지는 특징을 가진 재료 부분은, 복합 재료의 총 중량에 기초하여, 양호하게는 약 10 내지 약 60 중량% 사이, 더 바람직하게는 약 20 내지 약 30 중량% 사이의 부분이 공구의 플라스틱 재료 내로 매립된 것을 특징으로 하는 공구.
제8항에 있어서, 미끄러지는 특성을 가진 재료로서 그래파이트 및/또는 몰리브덴 황화물이 공구의 플라스틱 재료 내로 매립된 것을 특징으로 하는 공구.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 비교되는 특성을 가진 폴리우레탄, 에폭시 수지 또는 플라스틱 재료를 적어도 부분적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 공구.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 성형 공구, 특히 커핑 공구인 것을 특징으로 하는 공구.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구는 금속부의 커핑을 위한 스탬프, 시트 금속 홀더 또는 매트릭스인 것을 특징으로 하는 공구.
적어도 부분적으로 플라스틱 재료를 포함하는 성형 공구를 사용하여 작업편, 특히 금속부를 성형하기 위한 방법에 있어서,

성형 공구는 플라스틱 재료에 매립된 나노규모 입자부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제13항에 있어서, 성형 공구는 시트 금속, 특히 자동차 본체의 커핑 공정에서 커핑 공구로서 기능하는 것을 특징으로 하는 방법.