KR20080007231A - 고밀도 카바이드의 초정밀다듬질 - Google Patents

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Abstract

화학적으로 가속된 다듬질을 이용하여 고밀도 카바이드 스틸 부품을 초정밀다듬질하는 방법이 제공된다. 이 고밀도 카바이드 스틸 부품은, 활성 화학물질을 낮은 유동 속도로 가하면서, 다수의 매체를 함유하고 있는 용기 내에서 진동시키게 된다. 또한, 바람직하게는 포스페이트 라디칼을 가진 하나 이상의 변환 코팅제 및 바람직하게는 시트르산을 포함하는 하나 이상의 킬레이트제로 이루어진, 활성 화학물질 조성물이 제공된다.
고밀도, 카바이드, 활성 화학물질, 초정밀다듬질

Description

고밀도 카바이드의 초정밀다듬질{SUPERFINISHING OF HIGH DENSITY CARBIDES}
본 발명은 일반적으로 고밀도 카바이드를 함유하는 합금으로 제조된 부품들의 초정밀다듬질에 관한 것이다.
작동 기계들의 접촉하는 부품들은 스틸 합금으로 만들어지고 하중을 받으면서 작동한다. 이 접촉하는 부품들은 마멸 및/또는 피로를 겪게 되고 결국 장치 파괴에 이르기도 한다. 접촉하는 부품들의 예로는, 기어, 크랭크축, 캠축, 태핏(tappet), 리프터(lifter), 베어링 롤러, 레이스(race) 또는 케이지(cage), 또는 유사한 부품들이 있다. 그러한 부품들의 접촉 표면은, 마멸을 줄이고 장치 수명을 증가시키기 위해, 가능한 한 최고의 경도로 경화되는 것이 종종 요망된다. 접촉 표면 경화 기술의 예로는, 열처리, 이온주입처리, 및 탄소처럼 다이아몬드와 같이 추가적으로 가공된 코팅처리가 있다. 불도저, 덤프 트럭 및 굴착 장치와 같은 고속도로 건설 장치, 예인선 및 페리(ferries)와 같은 선박 시스템, 및 가스 터빈 발전기 및 풍력 터빈 발전기와 같은 발전 시스템을 포함하는 대형 동력 전달 시스템과 같이 매우 큰 부하 하에서 작동하는 장치에 있어서는, 접촉 표면 경화가 특히 요망된다. 대형 동력 전달 시스템 제조업자들은 작동 부품들의 접촉 표면 경도를 증가시기키 위해 다년간 많은 노력을 해왔지만, 상업적 자동차 제조업자와 같은, 소형 동 력 전달 시스템 제조업자들도 더 높은 경도의 접촉 표면 작동 부품들을 만드는데 관심을 가지고 있다.
유사하게, 바이오-의학의 임플란트(implants), 절삭 공구, 펀치, 금형(dies), 압출성형 공구, 신장 공구 등과 같은, 그들 접촉 표면상에 높은 표면 내구성이 필요한 다른 작동 부품들로 사용하기 위하여, 금속 합금의 표면 경도를 증가시키기 위해 다른 산업에서도 다년간 많은 노력이 행해지고 있다.
이 목표를 달성하기 위해 수많은 합금과 열처리 방법이 개발되고 평가되고 선택되고 있다. 예를 들어, U.S. 특허 4,921,025, "탄화된 저 실리콘 스틸 물품 및 공정"에는, 고밀도의 카바이드가 분산된 오스테나이트의 표면 매트릭스(matrix)를 형성하기 위하여 많아야 1.1% 크롬을 함유하는 탄화된 스틸 물품을 형성하는 공정이 개시되어 있다. 담금질 후에, 이 탄화된 스틸 물품은 높은 비율의 카바이드를 가진 외부 표면을 특징으로 하고 내부과립형 산화물이 거의 없다. 그러한 탄화 처리에 의해 만들어진 기어, 축, 베어링 및 커플링과 같은 부품들은 굽힘 피로 강도, 마멸 특성, 및 접촉 피로 강도에 있어서 크게 강화된다. U.S. 특허 5,910,223, "고경도 및 향상된 인성을 가진 스틸 물품 및 그 물품을 형성하는 공정"에는, 대략 20%의 정량가능 면적을 가진 고밀도 카바이드의 표면을 가진 SAE 4122와 같은 합금으로 물품을 제조하는 공정이 개시되어 있다.
고경도 부품들은, 그들의 잠재하는 작동성능을 달성하기 위해 일반적으로 고품질의 접촉 표면 다듬질을 필요로 한다. 대체로, 부품 제조업자는 0.25 미크론보 다 작은 Ra 또는 더 좋은 고품질 접촉 표면 다듬질을 필요로 할 것이고, 이는 초정밀다듬질로 간주된다. 고경도 접촉 표면에 대하여는, 통상적인 연삭, 호닝(honing), 래핑(lapping), 또는 다른 표면 다듬질 기술들이 점점 더 어려워지고 있다. 예를 들어, 부품의 경도가 증가될수록 공구 마멸도 가속된다. 연삭, 호닝, 래핑 등도, "연삭 소손(grind burn)을 방지하기 위해, 경도가 증가할수록 더 주의깊게 행해야 한다. 연삭 소손은 접촉 표면을 연화시켜서 조기 마멸 및 부품 파손을 가져오므로 해롭다. 더욱이, 이러한 부품들의 고경도는, 통상적인 연삭, 호닝, 래핑 등과 관련된 어려움과 결합하여, 부품들의 치수 형상을 유지하기 어렵게 만든다. 따라서, 통상적인 연삭, 호닝, 래핑 등에 의해 다듬질된 고경도 부품들은, 부품 완전성을 보장하기 위해 종종 100% 최종 정밀검사를 거쳐야 한다.
매우 단단한 접촉 표면이 연삭, 호닝, 래핑 등에 의해 초정밀다듬질되더라도, 산과 골의 울퉁불퉁함은 표면상에 여전히 남을 수 있고 성능 문제를 일으킨다. 이러한 잔류 울퉁불퉁함은 비가역적 다형성(monotropic)이어서 윤활에 대해 이상적이지 않다. 또한, 고부하 하에서는, 작은 산과 골 조차도 윤활막을 관통하여 금속 대 금속 접촉을 일으키게 된다. 접촉 표면의 한쪽 또는 양쪽이 고경도를 갖고 있는, 접촉하는 부품들 사이에 금속 대 금속 접촉은 더 낮은 경도를 갖고 있는 부품들에 비해 더 손상을 입힌다는 것은 당해 기술분야에서 잘 알려져 있다. 이는, 더 낮은 경도를 가진 부품들에서 산과 골의 울퉁불퉁함이 빨리 마멸되어서 울퉁불퉁함이 고르게 되어 상대적으로 부드러운 접촉 표면을 남기기 때문에, 사실이다. 실제 로, 이 산과 골의 울퉁불퉁함 고르기는 장치를 최대 부하로 돌리기에 앞서 "길들이기(breal-in or run in)" 동안 가벼운 부하 하에서 행해진다. 반대로, 접촉 표면의 한쪽 또는 양쪽이 고밀도 카바이드 소재로 만들어지면, 산과 골의 울퉁불퉁함은 고 부하 하에서 금속 대 금속 접촉이 발생하면서 접촉 표면으로부터 부서질 것이다. 그렇게 되면, 추후 피로 파괴의 개시 부위가 되는, 마멸, 응력 집중부 및 응력을 받은 금속이 발생할 것이다. 더구나, 맞물리는 접촉 표면 중 하나가 고밀도 카바이드 소재로 만들어지면, 더욱 그러할 것이다. 고밀도 카바이드 접촉 표면에서 산과 골의 울퉁불퉁함은 더 연한 맞물리는 접촉표면을 미세하게 절삭하거나 미세하게 긁어낼 것이고, 이에 따라 촉진된 마멸과 접촉 표면 형상의 소실을 가져온다.
금속 파편의 발생은 마멸을 수반한다. 고밀도 카바이드 경화 접촉 표면에서의 금속 파편은 더 연한 접촉 표면에서의 것보다 더 해롭다. 금속 파편은 부품으로부터 그들이 발생될 때 부품을 손상시킬 뿐만 아니라, 윤활제 여과 시스템이 적소에 있을 때조차 베어링과 같은 다른 중요한 부품들도 손상시킨다. 상기한 논의는 미국 특허 6,217,415 B1, "금속 부품들 사이의 마찰을 감소시키는 방법 및 장치"에서 강조되고 있으며, 여기에는 접촉 표면상에 스커핑(scuffing), 마멸 또는 피팅(pitting)이 어떻게 작동 기계 부품의 접촉 표면과 다른 작동 기계 부품의 접촉하는 표면 사이의 마찰의 결과로 되는지에 대하여 설명하고 있다. 발명자는 또한 작동 기계 부품들의 접촉하는 표면들 사이의 마찰을 감소시키기 위해 기계적 폴리싱(polishing)이 이용되어 왔지만, 집약적인 기계적 폴리싱 후에도, 미세한 접촉 표면 불규칙(즉, 울퉁불퉁함)이 작동 기계 부품의 접촉하는 표면상에 여전히 존재 할 것이라고 논의하고 있다. 따라서, 기계적 폴리싱 후에조차, 잔류하는 울퉁불퉁함 때문에 작동 기계 부품들의 접촉하는 표면들 사이에 상당한 양의 마찰이 있게 된다.
고경도의 접촉하는 부품들의 접촉 표면 거칠기를 줄여서 통상적인 기계가공과 관련된 문제들을 제거하기 위하여, 화학적으로 가속된 진동 다듬질이 시험되고 평가되었다. 통상적인 기계가공에서 화학적으로 가속된 진동 다듬질의 한 이점은 그것이 산과 골의 울퉁불퉁함을 골라준다는 것이다. 미국 특허 4,491,500, "금속의 정련 방법"과 미국 특허 4,418,333, "조밀한 알루미늄-기저의 매체를 사용하는 금속 표면 정련" 양자는 그 전체가 여기에 참조에 의해 통합되고, 경화된 금속 공작물들을 초정밀다듬질하기 위해 화학적으로 가속된 진동 다듬질의 이용을 개시하고 있다. 그 장치는 다듬질 배럴(barrel), 진동 사발 또는 진동 튜브, 원심 디스크 기계, 드래그(drag) 다듬질 장치,플런지(plunge) 다듬질 장치 또는 스핀들 다듬질 장치 등으로 이루어질 수 있다. 미국 특허 6,656,293 B2, "철 함유 부품들에 대한 표면 처리"에는 화학적으로 가속된 진동 다듬질을 이용하여 0.05㎛보다 작은 Ra의 표면 거칠기로 질화된 또는 질탄화된(nitorcarburized) 금속을 등방성 다듬질하는 이점을 개시하고 있다. 미국 특허 5,503,481, "등방성 다듬질된 베어링 스틸"은 미국 특허 4,491,500과 미국 특허 4,418,333의 내용을 경화된 스틸 베어링을 초정밀다듬질하기 위해 적용한다.
본 발명 이전에, 화학적으로 가속된 진동 다듬질을 이용하여 이러한 단단한 접촉 표면들을 초정밀다듬질하기 위한 시도들이 행해졌었다. 도 1은 고밀도 카바이드(1)를 함유하는 기계가공된 표면층의 개략적인 단면도이고, 고밀도 카바이드(1) 아래에는 기저 금속(4)이 있다. 상기한 바와 같이, 화학적으로 가속된 진동 다듬질은 특히, 기계가공 과정에서 생성된 산(3)과 골(9)의 울퉁불퉁함을 고르게 하여 상대적으로 평평한 표면을 남긴다. 하지만, 화학적으로 가속된 진동 다듬질에서의 종래 시도들은, 도 2에 도시한 바와 같이 바람직하지 않은 접촉 표면(2)을 생성하였다. 도 2는 화학적으로 가속된 진동 다듬질을 고밀도 카바이드를 함유하는 접촉 표면(2)상에 사용하는 경우에 하나의 가능한 결과를 도시하고, 여기에 접촉 표면(2)으로부터 카바이드 입자들(5)이 돌출한다. 이는, 산과 골의 울퉁불퉁함과 유사하게 카바이드 입자들(5)이 윤활 막을 관통할 수 있어서, 조기 마멸을 일으키므로, 매우 바람직하지 않다. 그러한 접촉 표면에서 또다른 심각한 문제는, 카바이드 입자들(5)이 접촉 표면으로부터 쉽게 떨어질 수 있어서 매우 해로운 금속 파편이 생길 수 있다는 것이다. 도 3은 화학적으로 가속된 진동 다듬질을 사용할 때의 또다른 바람직하지 않은 결과를 도시한다. 도 3은 고밀도 카바이드 입자들(6)이 부분적으로 고르게 됨에도 불구하고, 카바이드들을 둘러싸는 금속이 용해되어 버려서 약화된 접촉 표면 구조(7)를 남기게 되며, 이는 고부하 하에서 파손하고 빨리 분해하여 고 마멸 및 금속 파편에 이를 것이다.
마멸을 감소시키고 장치 수명을 증가시키기 위해서는, 가능한 한 고경도로 접촉하는 부품들의 접촉 표면을 경화시키는 것이 바람직하다. 대략 20%의 정량가능한 면적의 고밀도 카바이드의 접촉 표면을 가진, SAE 4122와 같은 합금으로부터 제 조된 부품들은, 이러한 바람직한 고경도 특성을 가지고 있다. 상기한 바와 같이, 통상적인 기계가공은 비실용적이고 여전히 부하 하에서 부정적인 영향을 주는 산과 골의 울퉁불퉁함을 남기게 된다. 종래기술에 기초하여 화학적으로 가속된 진동 다듬질을 사용하는 시도들은 실패하였고, 카바이드 입자들이 접촉 표면으로부터 돌출하거나 카바이드를 지지하는 금속이 용해되어 버려서 약화된 접촉 표면 구조를 남기게 되는 등 매우 바람직하지 않은 특성을 가진 접촉 표면을 생성하였다. 필요한 것은 고밀도 카바이드를 포함하는 접촉 표면층을 가진 부품들을 초정밀다듬질하기 위한 상업적으로 실용적이고 성공적인 방법이다.
화학적으로 가속된 다듬질을 이용하여 고밀도 카바이드 스틸 부품을 초정밀다듬질하는 방법이 제공된다. 이 고밀도 카바이드 스틸 부품은 활성 화학물질이 낮은 유동 속도로 용기에 가해지면서, 다수의 매체를 함유하는 용기 내에서 진동된다.
또한, 포스페이트, 옥살레이트, 설퍼메이트 및 그 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 라디칼을 가지고 있는 하나 이상의 변환 코팅제와, 시트르산 및 그 염, 에틸렌 디아민 테트라아세트산(EDTA) 및 그 염, 니트릴로트리아세트산(NTA) 및 그 염, 글루콘산 및 그 염 그리고 그 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 하나 이상의 킬레이트제로 주로 이루어지는, 활성 화학물질 수용성 조성물이 제공된다. 변환 코팅제에 대한 킬레이트제의 무게비는 약 1:1 내지 약 2:1이고, 바람직하게는 약 1.3:1 내지 약 1.7:1이다. 수용성 조성물의 pH는 약 4.5 내지 약 6.8의 범위 내에 있고, 바람직하게는 약 5.0 내지 5.5 사이이다. 변환 코팅제와 킬레이트제의 혼합 농도는 약 1.5w/w%보다 작고, 바람직하게는 1.25w/w%보다 작다.
본 출원은, 2005년 4월 6일에 출원된, 미국 가(假) 특허출원 일련번호 60/668,901에 대한 우선권을 주장한다.
본 발명은 다음의 첨부도면을 참조하여 더욱 상세히 설명됨으로써 더 완전히 이해될 것이다.
도 1은 고밀도 카바이드를 함유하는 기계가공된 표면층의 개략적인 단면도이다.
도 2는 표면으로부터 돌출하는 고밀도 카바이드를 도시한 경화 표면층의 개략적인 단면도이다.
도 3은 고밀도 카바이드를 둘러싸는 에칭 및/또는 용해를 도시한 경화 표면층의 개략적인 단면도이다.
도 4는 고밀도 카바이드를 함유하는 부품의, 본 발명을 사용하여 초정밀다듬질한 후의 개략적인 단면도이다.
도 5는 종래 기술을 사용하여 다듬질된 고밀도 카바이드 스틸 부품(SAE 4122)의 표면 거칠기 분석도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 초정밀다듬질된 고밀도 카바이드 스틸 부품(SAE 4122)의 표면 거칠기 분석도이다.
여기에 개시된 것은, 신규한 활성 화학 조성물을 이용하여 고밀도 스틸 카바이드를 초정밀다듬질하는, 상업적으로 실용적인 방법이다.
다음의 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하고, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이하 설명된 방법들을 실시하는 데 도움을 주기 위하여 사용되는 것이다.
1. 평균 거칠기(Ra): 접촉 표면의 거칠기를 측정하는 가장 일반적으로 사용되는 변수. 이는 평가대상의 거리에 걸쳐 평균선에 대한 표면 윤곽의 평균 편차이다.
2. 초정밀다듬질: 표면의 평균 거칠기 Ra를 0.25미크론 이하로 낮추는 것.
3. 카바이드 입자: 탄소처리된 표면의 경우 분산될 때, 그 경도를 급격히 증가시키는, 탄소 및 다른 원소로 형성되는 매우 단단한 입자.
4. 마멸: 작동시 접촉 표면으로부터의 금속의 소실.
5. 금속 파편: 상기 접촉하는 부품의 접촉 표면으로부터 떨어져 나오는 금속 입자.
6. 에칭된 표면: 표면에 산을 불균일하게 침투시켜 거칠어진 표면이 무딘 외관을 갖도록 한 것.
7. 용해: 카바이드 주위의 금속 표면이 산성 용액에 의해 용해되는 것.
8. 매체: 표면 다듬질되는 부품 표면과 접촉하는, 진동 장치 내에 있는 세라믹, 플라스틱 또는 금속 요소(elements). 활성 화학물질을 사용하여 초정밀다듬질 하는 경우, 매체는 이 활성 화학물질에 의해 형성된 부드러운 변환 코팅을 마멸시킨다.
9. 활성 화학물질: 종래기술에서 사용될 때는, 금속의 표면과 반응하고 가시적이고 안정적이며 부드러운 변환 코팅을 생성하는, 화학적으로 가속된 진동 다듬질에서 사용되는 화학물질. 본 발명에서 사용될 때는, 활성 화학물질이 금속의 표면과 반응하지만, 이 사용되는 화학물질이 변환 코팅을 생성하는지 여부는 알려져 있지 않다.
10. 광택 화학물질: 금속의 접촉 표면과 반응하지 않지만, 금속의 접촉 표면으로부터 변환 코팅을 제거하는 것을 돕는 세척제.
11. 유동-지속 처리: 활성 화학물질은 진동 장치 속으로 계속해서 공급되고 바닥으로 계속해서 배수되어서, 기계에서 범람 없이, 이 처리가 많은 시간 동안 작동될 수 있다.
12. 등방성 초정밀다듬질: 화학적으로 가속된 진동 다듬질에 의해 부여되는, 0.1미크론 이하의 Ra와, 무-방향 표면 조직/패턴을 가진 표면.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 스틸 고밀도 카바이드 부품과 같은 금속 부품을 초정밀다듬질하기 위하여, 화학적으로 가속된 진동 다듬질이 진동 다듬질 사발 또는 튜브 내에서 행해진다. 이 진동 장치 부피의 약 80%는 플라스틱, 세라믹 또는 금속 매체로 채워진다. 이 진동 장치 부피의 약 20% 또는 그 이하는 초정밀다듬질되는 부품들로 채워진다. 초정밀다듬질된 표면을 가지면 이로운 고밀도 카바이드 부품들의 예로는, 기어, 크랭크축, 캠축, 태핏(tappet), 리프터(lifter), 베어링 롤러, 레이스(race) 또는 케이지(cage), 및 바이오-의학의 임플란트(implants), 절삭 공구, 펀치, 금형(dies), 압출성형 공구, 신장 공구 등과 같은, 그들 표면상에 높은 표면 내구성이 필요한 다른 고밀도 부품들을 포함한다.
다음의 예들은 본 발명의 신규한 방법들 및 조성물들을 설명하기 위한 것이다. 이 다음의 예들에 개시된 기술은, 본 발명을 실시함에 있어 잘 기능하도록 이루어진, 본 발명자에 의해 발견된 기술을 나타내는 것임이 이해될 것이다. 하지만, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 범주를 벗어나지 않고, 개시된 구체적인 실시예에 대하여 많은 변화가 이루어질 수 있으며, 여전히 동일하거나 유사한 결과를 얻을 수 있는 것으로 이해해야 한다.
예 1
4개의 SAE 4122 스틸, 고밀도 카바이드 스퍼 기어가 종래 기술의 조성물 및 기술을 사용하여 아래 표에 기술된 바와 같이 다듬질되었다:
Figure 112007077842661-PCT00001
이 예에서, 화학적으로 가속된 진동 다듬질용으로 상업적으로 입수가능한 액체 제품(즉, REM Chemicals, Inc.의 FERROMIL® FML-53)은, 이 출원발명에 대하여 부피당 5 내지 20퍼센트 희석물이 사용될 수 있다고 생각되지만, 유동-지속 처리에서 부피당 10퍼센트로 희석된다. 상기 활성 화학물질은 진동 장치 부피의 세제곱 피트당 시간당 약 0.25리터의 유동 속도로 이 진동 장치로 계속해서 공급되었고, 이는 종래 기술에 의할 때 진동 장치 부피의 세제곱 피트당 시간당 약 0.25리터보다 훨씬 더 느린 것이다.
상기 활성 화학물질은, 진동 사발 속으로 도입될 때, 상기 기어의 표면상에 가시적이고 안정적이며 부드러운 변환 코팅이 생기게 하였다. 이 변환 코팅은 검정색이었고, 매체에 의해 표면으로부터 쉽게 문질러 없어졌다. 상기 변환 코팅의 가시적인 검정색은, 이 변환 코팅이 초정밀다듬질된 표면을 생성하기 위하여 적절한 안정성 및 두께를 가지고 있다는 경험적 증거였다. 하지만, 이 예에서, 상기 활성 화학물질은 기저 금속을 심하게 에칭하거나 용해하였고, 고밀도 카바이드가 노출되고 돌출하게 되었으며, 이는 도 2 및 3에 도시한 바와 같이 불만족스러운 표면이 되는 것이다. 이러한 결과는 활성 화학물질의 10% 희석과 감소된 활성 화학물질 유동 속도에도 불구하고 발생하였다. 도 5는, 예 1에서 기술된 바와 같이 다듬질된 전형적인 표면에 대하여 표면 거칠기 외형분석기(profilometer) 분석(5 미크론 반지름 바늘 사용)을 나타낸다. 이것은 확실히 에칭되고, 에칭에 의해 시작시보다 더 높은 수준으로 증가하는 Ra를 가지게 되는 것이다.
본 발명에 의하면, 기저 금속의 원하지 않는 에칭 및 용해 없이 고밀도 카바이드 부품들을 초정밀다듬질할 수 있도록 하는 신규한 화학물질이 제공된다. 이 신규한 화학물질은 일반적으로, (1) 포스페이트, 옥살레이트, 설퍼메이트 및 그 혼합물을 포함하나 이에 한정되지는 않는 라디칼을 구비한 변환 코팅제; 및 (2) 시트르산 및 그 염, 에틸렌 디아민 테트라아세트산(EDTA) 및 그 염, 니트릴로트리아세트산(NTA) 및 그 염, 글루콘산 및 그 염 그리고 그 혼합물을 포함하나 이에 한정되지는 않는 킬레이트제를 포함하는, 수용성 용액으로 이루어진다. 특히, 시트르산 및 그 염으로 이루어진 킬레이트제와 화합된 포스페이트 라디칼의 변환 코팅제의 혼합물이 바람직하다. 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 여기에 기술된 조성물들에는 다양한 변형이 가해질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 특별히, 과도한 실험 없이 여기에 기술된 작용제들은, 화학적으로 연관되거나 기능적으로 동등한 소정의 작용제로 대체될 수 있고, 이에 의해 같거나 유사한 결과가 달성될 것임이 이해될 것이다. 본 발명의 활성 화학물질의 바람직한 조성은 다음과 같다.
Figure 112007077842661-PCT00002
상기 변환 코팅제에 대한 킬레이트제의 무게비는 약 1:1 내지 약 2:1의 범위 내에 있는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 약 1.3:1 내지 약 1.7:1의 범위 내에 있다. 상기 용액의 작동 pH는 약 4.5 내지 약 6.8의 범위 내에 있는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 약 5.0 내지 약 5.5의 범위 내에 있다. 상기 수용성 용액의 작동 농도는 약 1.5w/w%의 활성 성분(변환 코팅제 및 킬레이트제) 농도보다 낮은 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 약 1.25w/w%의 활성 성분 농도보다 낮고, 가장 바람직하게는 약 1.0w/w% 활성 성분 농도이다. 더욱이, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 표면 습윤제뿐만 아니라, 어떤 경우에는 Chemax MAXHIB PT-10T 등과 같은 부식 방지제를 부가하는 것이 유리할 수 있음이 이해될 것이다.
상기 신규한 방법은 다듬질 배럴(barrel), 진동 사발 또는 진동 튜브, 원심 디스크 기계, 드래그(drag) 다듬질 장치,플런지(plunge) 다듬질 장치 또는 스핀들 다듬질 장치 등을 사용하는 화학적으로 가속된 진동 다듬질로 이루어지고, 위에서 목록에 올려진 신규한 화학물질은 유동-지속 기초 상에서 사용된다. 본 발명은 세제곱 피트의 진동 장치 부피당 시간당 대략 0.25 내지 0.60리터의 유동 속도를 적용하고, 이는 종래 기술에 비해 상당히 감소된 것이다.
이 신규한 화학물질은, 본 발명의 방법에 따라 진동 장치 속으로 도입될 때, 활성 화학물질을 사용하는 종래 기술의 초정밀다듬질 출원들에서 일어나는 바와 같이, 처리되고 있는 고밀도 카바이드 부품들의 표면상에 가시적이고 안정적이며 부드러운 변환 코팅을 생성하지 않는다. 고밀도 카바이드 스틸 부품에 생성되는 변환 코팅은 기껏해야 밝은 회색이거나 약간 얼룩덜룩하거나 흐린 표면으로만 보일 수 있으며, 대체로 그 표면을 하얀 종이 수건으로 문질러야만 인지할 수 있을 정도이 다. 상기 진동 장치 및 매체에 의해 이루어지는 고밀도 카바이드 부품의 문지름 동작은 산과 골의 울퉁불퉁함을 효율적으로 골라준다. 사용되는 매체는 플라스틱, 세라믹 또는 금속과 같은, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려져 있는, 어떠한 연마용 또는 비연마용 매체라도 될 수 있다. 이 처리과정은 산과 골의 울퉁불퉁함이 원하는 수준으로 골라질 때까지 진동 장치 내에서 계속된다. 이 처리과정 동안, 상기 고밀도 카바이드도 산과 골의 울퉁불퉁함과 함께 골라진다. 도 4는 고밀도 카바이드를 함유하는 부품의, 본 발명을 사용하여 초정밀다듬질한 후의 개략적인 단면도이다. 그리고 나서 상기 활성 화학물질은 밝고 반사하는 표면 마무리를 하기 위해 중성 세제를 가지고 상기 장치로부터 세척된다.
예 2
대략 12.25센티미터 × 13센티미터인, 3개의 SAE 4122 스틸, 고밀도 카바이드 스퍼 기어가 아래의 표에 기술된 바와 같이 본 발명에 따라 초정밀다듬질되었다.
Figure 112007077842661-PCT00003
예 2에서 초정밀다듬질된 기어의 가시적인 외향은, 대부분의 기계가공 선들이 제거되어 밝고 반사적이며 부드럽다. 여기에는 10× 확대 하에서 에칭, 용해 또는 카바이드 돌기들의 표시가 하나도 없다. 도 6은 초정밀다듬질 후의 표면 거칠기 외형분석기 분석(5 미크론 반지름 바늘 사용)을 나타내고 이 분석 동안 사용된 변수들이 열거되어 있다. 예 2의 기어의 최종 표면은 0.16 미크론 표면 거칠기(Ra)까지 초정밀다듬질됨에도 불구하고, 다른 시험들은 본 발명에 의하면 등방성의 초정밀다듬질 품질을 달성할 수 있음을 나타내었고, 이는 고밀도 카바이드 스틸에 대하여 0.1 미크론 표면 거칠기(Ra)보다 낮은 것이다.
본 발명 이전에는, 고밀도 카바이드를 함유하는 접촉 표면층을 가진 부품들을 초정밀다듬질하는 시도는 성공하지 못했었다. 따라서, 본 발명의 여러 가지 목적과 이점들은 다음과 같이 실현될 수 있다.
1. 20% 초과의 정량가능한 접촉 표면적에서 고밀도 카바이드를 함유하는, SAE 4122 또는 유사한 합금으로 제조된 부품들이 초정밀다듬질될 수 있다.
2. 종래의 출원들에서 이전에는 불가능했었던, 화학적으로 가속된 진동 다듬질이 적용된다.
3. 접촉 표면은 0.25 미크론 평균 거칠기(Ra)보다 작게 부드러워질 수 있고, 원한다면 0.10 미크론 (Ra)보다 작게 될 수 있다.
4. 기계가공 처리에 의해 생성된 산과 골의 울퉁불퉁함이 고르게 된다.
5. 모든 산과 골의 울퉁불퉁함이 제거될 때까지 접촉 표면을 고름으로써 등방성 초정밀다듬질이 이루어진다.
6. 결과적으로 접촉 표면은 해로운 카바이드 돌기들이 없게 된다.
7. 결과적으로 접촉 표면은 에칭 및/또는 용해가 없게 된다.
8. 결과적으로 접촉 표면은 고밀도 카바이드를 둘러싸는 금속의 에칭 및/또는 용해에 의해 구조적으로 약해지지 않는다.
9. 산과 골의 울퉁불퉁함이 고르게 되거나 제거되므로, 장치를 작동시키는 동안 손상시키는 금속 파편은 상당히 감소되거나 제거된다.
10. 결과적으로 초정밀다듬질된 접촉 표면은, 스커핑(scuffing), 접촉 피로, 굽힘 피로, 작동 온도, 마멸, 마찰 및 소음/진동에 있어서, 작동 부품들에 성능 이득을 가져온다.
11. 결과적으로 초정밀다듬질된 부품은, 기계가공/연마에 의해 생성된 산과 골의 울퉁불퉁함이 고르게 되거나 제거되었기 때문에, 또다른 초정밀다듬질된 부품과 맞물릴 때에도, 미세-절삭 또는 미세-긁힘(plowing)이 생기지 않는다.
12. 접촉하는 부품들의 접촉 표면이 상기 처리의 최저 달성가능 평균 거칠기(Ra)로 초정밀다듬질되지 않더라도, 산과 골의 울퉁불퉁함이 고르게 되었으므로, 많은 성능 이득이 여전히 실현된다. 이는 몇 가지 이점을 가지고 있다. 첫째, 접촉 표면의 수반 능력에 상당한 증가가 달성된다. 둘째, 부드러워진 접촉 표면이 유체역학적 윤활을 촉진한다. 세째, 마멸의 가능성을 상당히 감소시킨다.
13. 본 발명은 또한 독점적인 합금과 열처리를 가지고, 고밀도 카바이드, 고밀도 질화물 또는 고밀도 질화물 및 카바이드의 혼합물을 함유하는 부품을 초정밀다듬질하는 실용적인 방법을 제공한다.
14. 본 발명은 또한 바이오-의학의 임플란트, 절삭 공구, 펀치, 금형, 압출성형 공구, 신장 공구 등과 같은, 그러나 이에 한정되지는 않는, 합금들을 함유하는 고밀도 카바이드로 제조된 부품들을 초정밀다듬질하는 실용적인 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적 및 이점들도 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서의 기재 내용으로부터 충분히 이해할 수 있을 것이다.
여기에 개시되고 청구된 신규한 조성물 및 방법들은 본 명세서의 견지에서 과도한 실험 없이도 만들어지고 실행될 수 있을 것이다. 이 발명의 조성물 및 방법들이 바람직한 실시예에 관하여 기술되었지만, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 여기에 기술된 조성물 및/또는 방법들과 그 방법들의 단계들 또는 단계들의 순서에 다양한 변화가 가해질 수 있음이 이해될 것이다. 더욱이, 여기에 기술된 작용제들은, 화학적으로 연관되는 소정의 작용제로 대체될 수 있고, 이에 의해 같거나 유사한 결과가 달성될 것임이 이해될 것이다. 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 분명한, 그러한 모든 유사한 대체 및 변경들은 본 발명의 범주 및 사상에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (28)

  1. 화학적으로 가속된 다듬질을 이용하여 고밀도 카바이드 스틸 부품을 다듬질하는 방법으로서,
    복수의 매체가 들어있는 용기 내에 상기 고밀도 카바이드 스틸 부품을 위치시키는 단계;
    세제곱 피트의 용기 부피당 시간당 약 0.25 내지 약 0.6리터의 유동 속도로 상기 용기에 활성 화학물질을 가하는 단계; 및
    상기 고밀도 카바이드 스틸 부품의 표면이, 그 스틸 매트릭스를 에칭함이 없이 또는 상기 스틸 부품의 표면상에 카바이드 돌출부를 남기지 않고, 초정밀다듬질될 때까지 상기 용기를 진동시키는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 다듬질 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 카바이드는 SAE 4122 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 다듬질 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 카바이드는 약 20%의 정량가능한 범위를 초과하여 상기 스틸 부품 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 다듬질 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 부품은 기어, 크랭크축, 태핏(tappet), 리프터(lifter), 베어링 롤러, 레이스(race), 케이지(cage), 또는 작동 중 다른 금속 표면과 접촉되는 유사한 부품인 것을 특징으로 하는 다듬질 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 매체는 플라스틱 매체, 세라믹 매체, 금속 매체 및 그 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 다듬질 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 활성 화학물질의 농화(concentration)가 세제곱 피트의 용기 부피당 시간당 약 0.25 내지 약 0.60리터의 유동 속도로 가해지는 것을 특징으로 하는 다듬질 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고밀도 카바이드 스틸 부품의 표면은 0.25 미크론 평균 거칠기(Ra)보다 작은 것을 특징으로 하는 다듬질 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고밀도 카바이드 스틸 부품의 표면은 0.10 미크론 평균 거칠기(Ra)보다 작은 것을 특징으로 하는 다듬질 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 활성 화학물질은, 하나 이상의 변환 코팅제 및 하나 이상의 킬레이트제를 포함하는 수용액을 포함하여 이루어지고;
    상기 변환 코팅제에 대한 킬레이트제의 무게비는 약 1:1 내지 약 2:1이며;
    상기 수용성 조성물의 pH는 약 4.5 내지 약 6.8의 범위 내에 있으며; 그리고
    상기 변환 코팅제와 킬레이트제의 혼합 농도는 약 1.5w/w%보다 낮은 것을 특징으로 하는 다듬질 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 하나 이상의 변환 코팅제는, 포스페이트, 옥살레이트, 설퍼메이트 및 그 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 라디칼을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 다듬질 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 하나 이상의 킬레이트제는, 시트르산 및 그 염, 에틸렌 디아민 테트라아세트산(EDTA) 및 그 염, 니트릴로트리아세트산(NTA) 및 그 염, 글루콘산 및 그 염 그리고 그 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 다듬질 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 변환 코팅제에 대한 킬레이트제의 무게비는 약 1.3:1 내지 약 1.7:1인 것을 특징으로 하는 다듬질 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 수용성 조성물의 pH는 약 5.0 내지 약 5.5의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 다듬질 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 변환 코팅제와 킬레이트제의 혼합 농도는 약 1.25w/w%보다 낮은 것을 특징으로 하는 다듬질 방법.
  15. 고밀도 카바이드 스틸 부품을 초정밀다듬질하는 수용성 조성물로서,
    상기 수용성 조성물은, 하나 이상의 변환 코팅제 및 하나 이상의 킬레이트제를 포함하는 수용액을 포함하여 이루어지고;
    상기 변환 코팅제에 대한 킬레이트제의 무게비는 약 1:1 내지 약 2:1이며;
    상기 수용성 조성물의 pH는 약 4.5 내지 약 6.8의 범위 내에 있으며; 그리고
    상기 변환 코팅제와 킬레이트제의 혼합 농도는 약 1.5w/w%보다 낮은 것을 특징으로 하는 수용성 조성물.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 하나 이상의 변환 코팅제는 포스페이트, 옥살레이트, 설퍼메이트 및 그 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 라디칼을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 수용성 조성물.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 하나 이상의 킬레이트제는, 시트르산 및 그 염, 에틸렌 디아민 테트라아세트산(EDTA) 및 그 염, 니트릴로트리아세트산(NTA) 및 그 염, 글루콘산 및 그 염 그리고 그 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 수용성 조성물.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 변환 코팅제에 대한 킬레이트제의 무게비는 약 1.3:1 내지 약 1.7:1인 것을 특징으로 하는 수용성 조성물.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 수용성 조성물의 pH는 약 5.0 내지 약 5.5의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 수용성 조성물.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 변환 코팅제와 킬레이트제의 혼합 농도는 약 1.25w/w%보다 낮은 것을 특징으로 하는 수용성 조성물.
  21. 고밀도 카바이드 스틸 부품을 초정밀다듬질하는 수용성 조성물로서,
    포스페이트, 옥살레이트, 설퍼메이트 및 그 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 라디칼을 가지고 있는 하나 이상의 변환 코팅제; 및
    시트르산 및 그 염, 에틸렌 디아민 테트라아세트산(EDTA) 및 그 염, 니트릴로트리아세트산(NTA) 및 그 염, 글루콘산 및 그 염 그리고 그 혼합물로 이루어지는 그룹 중에서 선택되는 하나 이상의 킬레이트제를 포함하여 이루어지고;
    상기 변환 코팅제에 대한 킬레이트제의 무게비는 약 1:1 내지 약 2:1이며;
    상기 수용성 조성물의 pH는 약 4.5 내지 약 6.8의 범위 내에 있으며; 그리고
    상기 변환 코팅제와 킬레이트제의 혼합 농도는 약 1.5w/w%보다 낮은 것을 특징으로 하는 수용성 조성물.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 변환 코팅제에 대한 킬레이트제의 무게비는 약 1.3:1 내지 약 1.7:1인 것을 특징으로 하는 수용성 조성물.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 수용성 조성물의 pH는 약 5.0 내지 약 5.5의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 수용성 조성물.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 변환 코팅제와 킬레이트제의 혼합 농도는 약 1.25w/w%보다 낮은 것을 특징으로 하는 수용성 조성물.
  25. 고밀도 카바이드 스틸 부품을 초정밀다듬질하는 수용성 조성물로서,
    포스페이트 라디칼을 포함하는 하나 이상의 변환 코팅제; 및
    시트르산 및 그 염을 포함하는 하나 이상의 킬레이트제를 포함하여 이루어지고;
    상기 변환 코팅제에 대한 킬레이트제의 무게비는 약 1:1 내지 약 2:1이며;
    상기 수용성 조성물의 pH는 약 4.5 내지 약 6.8의 범위 내에 있으며; 그리고
    상기 변환 코팅제와 킬레이트제의 혼합 농도는 약 1.5w/w%보다 낮은 것을 특징으로 하는 수용성 조성물.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 변환 코팅제에 대한 킬레이트제의 무게비는 약 1.3:1 내지 약 1.7:1인 것을 특징으로 하는 수용성 조성물.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 수용성 조성물의 pH는 약 5.0 내지 약 5.5의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 수용성 조성물.
  28. 제25항에 있어서,
    상기 변환 코팅제와 킬레이트제의 혼합 농도는 약 1.25w/w%보다 낮은 것을 특징으로 하는 수용성 조성물.
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