KR20130101230A - Ｈｄｄ 스핀들 모터의 유체동압베어링 소재 및 유체동압베어링의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Fe를 베이스로 하여 9~13 wt% Ni, 18~20 wt% Cr을 포함하는 스테인레스스틸 분말, 또는 상기 스테인레스스틸 분말에 가공성 개선 첨가제 및 다이 윤활제를 혼합한 혼합 분말을 압축 성형한 후, 소결해서 얻어지는 HDD 스핀들 모터의 유체동압 베어링 소재에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 Fe를 베이스로 하여 9~13 wt% Ni, 18~20 wt% Cr을 포함하는 스테인레스스틸 분말과 가공성 개선 첨가제 및 다이 윤활제를 균일하게 혼합하는 단계와, 균일하게 혼합된 분말 혼합체를 가압하여 토로이달 형태로 성형하는 단계와, 분말 혼합체의 융점 이하의 온도에서 소결하는 단계와, 동압홈을 기계적으로 양각하는 정형단계로 이루어지는 HDD 스핀들 모터의 유체동압 베어링의 제조방법에 관한 것이다.
이와 같이, 본 발명에 따라 제조된 HDD 스핀들 모터의 유체동압 베어링은 유체동압베어링의 원통도, 직각도, 진원도 등의 형상 정밀도가 우수하며, 또한 종래의 동철계 재질의 유체동압 베어링에 비해 내마모성 및 스프링 백이 좋은 장점을 가지며, 또한 소결 후에 폐기공율이 높아서 내구성이 우수하며, 동압 손실이 적고 그로인한 플라잉 하이트 특성이 우수한 효과를 가진다.

Description

ＨＤＤ 스핀들 모터의 유체동압베어링 소재 및 유체동압베어링의 제조 방법{Material of Fluid Dynamic Bearing for HDD spindle motor and Process for Manufacturing Fluid Dynamic Bearing}

본 발명은 HDD(Hard Disc Driver) 스핀들 모터의 유체동압베어링 소재 및 유체동압베어링의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 HDD 스핀들 모터에 사용하기 위해 스테인레스스틸 분말(이하, 'STS 분말' 이라 혼용하여 칭함)을 압축성형 한 후, 소결해서 얻는 분말야금 방식으로 가공하여 3차원 형상을 유지하는 유체동압베어링 소재 및 유체동압베어링의 제조 방법에 관한 것이다.

유체동압베어링은 외부로부터 주어지는 전류에 의해 회전되는 회전축을 회전가능하게 지지하는 것으로, 회전축과의 사이에 소정의 유체를 보관하고 있으며, 회전축의 회전을 원활하게 하기 위하여, 회전축 또는 유체동압베어링에 유체의 동압 펌핑 작용을 수행하기 위한 미세한 동압홈이 구비된다.

이러한 HDD 스핀들 모터의 핵심부품에 해당하는 유체동압베어링을 제조함에 있어서 종래에는 가공방식을 이용하여 왔으나, 최근에는 소결(sintering)에 의한 제조 방법으로 전환되어왔다. 즉, 설비투자의 부담 해소 및 저가격화를 달성하기 위해 성형 및 소결 방식으로 제조된 소결 유체동압베어링이 개발되어왔다.

한편, 소결 방식으로 제조되는 유체동압베어링의 재질로는 주로 동철계 재질이 사용되어왔다. 예를 들어, 구리, 또는 구리 및 철 모두를 주성분으로 하는 소결합금이 유체동압베어링의 재질로 사용되어왔다(일본국 특허 공개평11-182551호).

그러나 상기와 같은 구리, 또는 구리 및 철 분말로 소결된 유체동압베어링에서는 축과의 슬라이딩성(적합성)에 관해서는 양호한 결과를 나타내지만, 내마모성에 관해서는 항상 양호하다고는 할 수 없다. 이러한 내마모성의 문제를 보완하는 유체동압베어링의 재질로서, 예를 들어, 구리 분말과 STS 분말을 혼합한 재질이 사용되기도 하였다(대한민국특허청 공개번호 10-2007-0091282호, 대한민국특허청 공개번호 10-2011-0137347호 등).

그러나 위와 같은 종래의 동철계 유체동압베어링의 경우는 기본적으로 내마모성 및 스프링 백(Spring-back)이 좋지않은 단점을 가지고 있으며, 소결 후에 개기공율이 높고 폐기공율이 낮아서 내구성도 나쁘고, 동압 손실이 상대적으로 많은 편이며, 또한 동압 손실에 의한 플라잉 하이트(Flying Height) 특성이 좋지 않은 문제가 있다.

일본특허문헌 1: 공개평11-182551호 한국특허문헌 2: 공개특허공보 특2007-0091282호 한국특허문헌 3: 공개특허공보 특2011-0137347호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서 동압의 손실이 적고 정밀도가 우수한 3차원 형상을 유지하는 유체동압베어링 소재를 제공함을 그 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 유체동압베어링 소재를 이용한 유체동압베어링의 제조방법을 제공함을 그 기술적 과제로 한다.

본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, Fe를 베이스로 하여 9 ~ 13 wt.% Ni 및 18 ~ 20 wt.% Cr을 포함하는 스테인레스스틸 분말을 압축 성형한 후, 소결하여 얻어지는 유체동압베어링 소재를 제공한다. 이러한 본 발명에 따른 유체동압베어링 소재의 경우, 상기와 같은 스테인레스스틸분말에 가공성 개선 첨가제 및 다이 윤활제를 균일하게 혼합한 후, 압축 성형 및 소결하여 얻어질 수 있다.

또한, 본 발명은 유체동압베어링의 원재료가 되는 스테인레스스틸 분말과 가공성 개선 첨가제 및 다이 윤활제를 균일하게 혼합하는 단계와, 균일하게 혼합된 분말 혼합체를 가압하여 토로이달(Toroidal) 형태로 성형하는 단계와, 분말 혼합체의 융점 이하의 온도에서 소결하는 단계와, 동압홈을 기계적으로 양각하는 정형단계로 이루어짐을 특징으로 하는 유체동압베어링의 제조방법을 제공한다.

여기서, 본 발명의 유체동압베어링의 원재료는 스테인레스스틸 분말을 단독으로 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 유체동압베어링 소재 및 유체동압베어링의 제조방법은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 유체동압베어링의 원재료로서 스테인레스스틸 분말을 단독으로 사용하여 분말야금 공정을 통해 유체동압베어링을 최초로 제조하는 데 성공함으로써, 종래의 동철계 원재료를 대체할 수 있는 장점이 있다.

둘째, 종래 동철계 원료분말보다 적은 스프링백을 갖는 새로운 스테인레스스틸계 원료분말의 특성에 의해 종래에 비하여 높은 정도로 금속분말을 성형할 수 있으며, 소결 후 변형이 작고 개기공울이 낮아 높은 내구성 및 적은 동압 손실을 갖는 유체동압베어링을 제공할 수 있다.

셋째, 본 발명의 유체동압베어링은 성형 및 소결 이후 동압홈 가공시에 전해가공(ECM: Electrochemical Machining)에 유리하여 우수한 신뢰성을 얻을 수 있다.

도 1a는 STS430L 및 STS304L 재질의 소결온도 및 시간에 따른 외경수축율을 나타내는 그래프.
도 1b는 STS430L 및 STS304L 재질의 소결온도 및 시간에 따른 내경수축율을 나타내는 그래프.
도 1c는 STS430L 및 STS304L 재질의 소결온도 및 시간에 따른 높이수축율을 나타내는 그래프.
도 2a 및 2b는 STS430L 및 STS304L 재질에 대한 압축강도 시험에 따른 변형량 비교 그래프.
도 3a 및 3b는 STS430L 및 STS304L 재질에 대한 인장강도 비교 그래프.
도 4는 동철계 및 STS304L 재질에 대한 플라잉 하이트(Flying Height) 특성 비교 그래프.

이하에서는, 도면 내지 본 발명에 따른 바람직한 실시예 등에 의거하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 유체동압베어링은 종래의 동철계 재질 대신에 스테인레스스틸계 재질을 단독으로 사용하여 원료분말을 성형 및 소결함으로서 제조될 수 있다. 이때, 통상의 스테인레스스틸계 재질의 경우 가공성이 좋지 않아 정형단계에서 동압홈 등 형상을 구현하는데 다소 어려움이 있다는 단점이 있으나, ECM 가공성이 우수하여 소결 유체동압베어링의 치수 및 형상 정밀도가 구현된다면, ECM 가공을 통한 동압홈의 구현이 가능하다. 또한 스테인레스스틸계 재질의 경우 동철계 재질 대비 표면개구율이 낮아 레이디얼 및 스러스트 면에서의 동압 손실 없이 적용이 가능하며, 본 발명은 최초로 스테인레스스틸계 단독 재질에 대해 분말야금 공정을 적용하여 유체동압베어링의 제조에 성공하였다.

본 발명의 기술적 과제를 해결하기에 적합한 스테인레스스틸계 재질의 원료분말은 Fe를 베이스로 하여 9 ~ 13 wt.% Ni 및 18 ~ 20 wt.% Cr을 포함하며, 보다 바람직하게는 10.5 wt.% Ni 및 19 wt.% Cr을 포함하는 스테인레스스틸계재질(STS304L)의 원료분말이다. 이러한 본 발명의 STS304L 재질을 소결 유체동압베어링에 적용할 경우 가공성이 양호한 편이어서, 스러스트(Thrust) 동압홈의 경우 정형 단계를 통해서 구현이 가능하다. 또한, STS304L 재질의 경우 ECM 가공성이 우수하여 유체동압베어링의 치수 및 형상 정밀도가 구현된다면, ECM 가공을 통한 동압홈의 구현이 가능함에 따라 ECM 기술을 활용하여 래이디얼 동압홈을 구현할 수 있다.

이와 관련하여, 오스테나이트(Austenite) 조직과 페라이트(Ferrite) 조직의 형성은 스테인레스스틸의 주요 원소인 Cr과 Ni의 함량에 따라 결정된다. Cr 및 Cr 계열의 원소들은 페라이트(Ferrite) 조직을 활성화 시키는 원소로서 페라이트 형성인자(Ferrite Former)로 구분되며, Ni 및 Ni 계열의 원소들은 오스테나이트 조직을 활성화 시키는 원소로서 오스테나이트 형성인자(Austenite Former)로 구분된다. 이때, Cr이 18wt.% 미만 포함된(약 13wt.%) 스테인레스스틸(예로서, 마르텐사이트(Martensite))은 녹이 발생할 수 있으며, 열처리에 의하여 경화되는 성질로 인하여 제품에 부정적인 영향을 미친다. 반면에, Cr이 18~20wt.% 포함된 스테인레스스틸(페라이트 조직)은 내식성이 우수하다. 여기에 Ni이 9~13wt.% 포함된 스테인레스스틸(오스테나이트 조직)은 적절한 강도를 가지면서도 연신이 크고, 충격에 강하며 성형성이 좋아 가공하기 쉬워진다. 또한, 본원발명의 스테인레스스틸은 C함량을 0.03이하로 제한한다. 그렇게 함으로써, Cr 탄화물(Cr₂₃C₆)이 석출되기 쉬워 이 부근의 Cr의 농도가 낮아져 스테인레스의 특성을 잃게 되어 입계부식이 나타나는 것을 방지할 수 있다. 결국 이러한 원소의 제어는 조직(상)을 제어하기 위함이다. 따라서, 상기와 같은 본 발명의 STS 분말을 사용할 경우 발명에 유리한 상으로 유도하여 사프트(Shaft)와의 시징(Seizing) 현상을 방지하고, 연신이(가공성) 좋아 분말야금 공정을 적용하기에 적합하다. 또한 소결 시 동철계 대비 변형량(수축율)이 적어 보다 우수한 형상정밀도를 가진 소결 유체동압베어링 제조가 가능해진다.

또한, 이러한 본 발명의 스테인레스스틸 재질 원료분말은 미세성분으로 C: 0.03 wt.%이하, Si: 1.0% wt.% 이하, P: 0.045 wt.%이하, Mo: 0.2 wt.% 이하, N: 0.01 ~ 0.08 wt.% 범위로 포함되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 스테인레스스틸 재질 원료분말의 입자크기는 -145 ~ +200 메쉬(Mesh) 크기의 입자가 15 ~ 35%, -200 ~ +350 메쉬(Mesh) 크기의 입자가 10 ~ 35%, -350 메쉬(Mesh) 크기의 입자가 35 ~ 47% 인 것이 바람직하다. 또한, 상기 스테인레스스틸 원료분말은 겉보기 밀도 A.D.(Apparent Density)가 2.55 ~ 2.65 g/cm³ 이며, 유동도 F.R.(Flow Rate)가 25sec/50g. ~ 35sec/50g. 를 가지는 것이 바람직하다.

이러한 스테인레스스틸 재질 원료분말의 경우, 원료분말을 성형 다이(Die)에 충진한 후, 가압함으로써 형상을 구현하게되는 성형 단계를 거치게 된다. 이때, 성형 단계에서는 Fe를 베이스로 하여 9 ~ 13 wt.% Ni 및 18 ~ 20 wt.% Cr을 포함하는 스테인레스스틸 재질의 원료분말을 단독으로 사용하거나, 또는 상기 스테인레스스틸 분말에 가공성 개선 첨가제 및 다이 윤활제가 각각 1wt.% 이하로 더 포함될 수 있다.

이때, 가공성 개선 첨가제는 상기 스테인레스스틸 분말의 우수한 성형성에 도움이 되는 경우라면 특별한 제한없이 사용될 수 있으나, 특히 바람직하게는 MnS가 사용될 수 있는데, MnS는 소결 오스테나이트 스테인레스 스틸의 가공성을 향상시키기 위해 사용되는 첨가제이다. MnS는 비금속 게재물로 존재하여 결정립 내에 형성되는데 피삭성 및 연신율을 향상시킨다. 이로인해 소성가공시에 가공방향으로 길게 연신된다. 가공작업 중에 유연한 MnS 입자들은 쉽게 변형이 되고 공구표면에 덮혀 공구와 피삭물 간의 마찰을 줄여주는 역할을 하며, 공구의 마모 및 작업 시 온도를 낮춰주는 효과를 낸다. 그러나 MnS의 첨가량이 증가함에 따라 MnS의 비중에 의해 성형밀도가 낮아지기 때문에 최적의 양을 사용해야 한다. 따라서 본 발명에서는 MnS의 첨가량을 1wt.% 이하로 제한한다.

한편, 다이 윤활제는 스테인레스스틸 분말이 성형 금형에서 압축에 의해 성형되는 과정에서 발생할 수 있는 성형 금형과 성형체 사이의 마찰을 감소시킬 수 있다. 일반적으로 성형품 제조시 실제 가한 압력은 분말 입자간 마찰이나 입자와 다이벽 간의 마찰에 의해 감소되므로 유효성형압력은 낮은 것으로 알려져 있다. 다이윤활제를 최적양 첨가하였을 때 유효성형압력은 높아지며 분말의 조대화 또한 증대된다. 하지만 윤활제 양이 최적을 벗어나 많아지면 윤활제가 기공속으로 우선적으로 밀려들어가 분말의 조밀화를 방해하게 된다. 또한 예비소결 과정에서 충분히 제거되지 못하고 제품에 남아 기계적 특성 저하를 일으킬 수 있다는 단점이 있다. 따라서 본 발명에서는 다이윤활제를 케놀루베(Kenolube)로 선정하였으며, 첨가량을 1wt.% 이하로 제한한다.

한편, 본 발명에 따른 HDD 스핀들 모터의 유체동압베어링 소재는 6.0 ~ 6.4 g/cm³의 성형밀도를 가지며, 상기 소재의 형상은 3개 이상의 오일 순환홀을 보유한다. 또한, 상기 유체동압베어링 소재는 10% 이내의 개기공율을 가진다. 이때, 분말야금 공정으로 제조된 제품의 경우 필연적으로 개기공 및 폐기공이 존재하나 유체의 회전에 의한 압력으로 축을 지지하는 유체동압베어링의 경우 일정량 이상의 개기공이 존재할 시 개기공으로 인하여 유압이 손실되고 베어링 내 유막강도의 편차가 생겨난다. 따라서 상기 유체동압베어링 소재는 10% 이내의 개기공율을 가질 것으로 제한한다.

다음으로, 본 발명에 따른 HDD 스핀들 모터의 유체동압베어링의 제조방법에 대해 바람직한 실시태양을 토대로 살펴본다.

우선, 본 발명의 스테인레스스틸 분말과 가공성 개선 첨가제 및 다이 윤활제를 균일하게 혼합한다. 이때, 스테인레스스틸 분말은 100 wt.% 이하, 가공성 개선 첨가제 및 다이 윤활제는 각각 1wt.% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다.

이어서, 이렇게 균일하게 혼합된 분말 혼합체를 성형 다이에 충진한 후, 가압하여 토로이달 형태로 성형한다. 이때, 성형 다이와 코어에 의해 체결된 하펀치의 위치로 분말 혼합체의 양을 조절하고 상펀치로 가압하여 원하는 높이를 맞추게 된다. 성형 다이에 상기 분말 혼합체를 충진할 때 자유 낙하에 의해서 충진 할 경우 피더 컵(feeder cup)의 전후 이동에 따라 충진 편차가 발생될 수 있고, 이에 따라 원주방향으로 밀도 밸런스가 틀어짐으로 인하여 길이방향 편차, 내경 원통도의 정밀도 저하, 내경 형상 좌굴 및 치수 편차 등의 문제가 있을 수 있다. 따라서, 치수 및 형상 정밀도의 수준이 높아야 하는 본 발명의 유체동압베어링의 경우, 원료 분말 혼합체를 성형 다이에 충진시 충진 편차를 최소화하여야 한다. 이를 위해, 본 발명의 분말 혼합체를 성형 다이에 충진하는 충진방식으로는 기본적으로 오버 휠(Over fill) 충진 방식을 적용한다. 이러한 오버 휠 충진 방식에 따르면 미리 충진 깊이를 깊게 충진한 후 피더 컵(Feeder Cup)의 후퇴 전까지 소정의 충진 깊이까지 다이와 코어 로드(Core Rod)를 하강시켜 여분의 분말 혼합체를 피더 컵(Feeder Cup)내로 다시 보내는 방식으로 분말 혼합체를 성형 다이에 충진한다. 이처럼, 성형 다이에 분말 혼합체를 충진할 때 오버 휠 충진 방식을 적용하고, 성형 코아를 유동시킴과 동시에 피더 컵의 하부에 투입되는 분말 혼합체를 교반할 수 있는 구조물을 삽입함으로써 분말 혼합체의 균일한 충진을 가능하게 함으로써 성형품의 치수 편차를 최소화하고, 성형품의 형상 정밀도를 개선할 수 있다.

다만, 성형 시 성형 밀도에 따라 밀도 밸런스 및 소결 후 정형에서의 변형량의 변화가 존재하게 되며, 성형 밀도가 낮을수록 성형품의 길이 방향의 밀도 편차가 증가하게 된다. 이와 같은 점을 고려하여, 본 발명의 유체동압베어링 소재는 성형밀도를 6.0 ~ 6.4 g/cm³의 범위로 하였다. 이 범위 내의 성형밀도를 가지는 경우에 원통도, 직각도 및 내경 형상 등의 형상 정밀도가 매우 우수하게 개선된다.

한편, 성형품의 형상 정밀도중 원통도의 경우 성형 다이와 펀치, 펀치와 코아 간의 각각의 간극(Clearance)의 영향을 받으며, 특히 모터 제작시 내경이 직접 샤프트와 맞물리기 때문에 펀치와 코아의 간극에 보다 더 영향을 받는다. 또한, 이러한 것은 성형, 1차 정형, 2차 정형 모두에 있어서 동일하다. 이러한 다이와 펀치, 또는 펀치와 코아간의 간극이 클 경우에는 성형품 (또는 정형품) 의 원통도의 편차에 불리한 영향을 줄 수 있다. 따라서, 다이와 펀치, 및 펀치와 코아는 각각 편측으로 2 ~ 5 ㎛ 의 간극을 가지는 것이 바람직하다.

상기와 같이 분말 혼합체를 성형한 후에, 구현된 형상에 기계적 , 물리적 특성을 부여하기 위하여 분말 혼합체의 융점 이하의 온도에서 바람직하게는 분말 혼합체 융점의 70% 정도의 온도에서 소결을 한다. 이러한 소결은 예열구간에서 초기 혼합된 다이 윤활제를 제거하고 본열구간에서 물리적 특성을 부여하며 냉각구간에서 열충격과 산화가 발생하지 않도록 소결을 마무리 한다.

상기와 같이 소결된 본 발명의 유체동압베어링 소재의 엣지부에 일부 발생할 수 있는 버(burr)를 디버링 설비를 통해 제거한 뒤 그 찌꺼기를 초음파 세척을 통해 세척한 뒤 세척액이 남지 않도록 건조한다.

다음으로, 위와 같이 준비된 토로이달 형태로 소결된 유체동압베어링 소재를 특정 정형유를 고르게 도포하여 프레스에 삽입, 압축하여 내경, 외경 및 높이를 원하는 수준으로 변경하는 동시에 표면의 개기공을 줄이고 밀도를 높이는 정형 단계를 거친다. 이후 동일한 방법의 추가 정형을 통하여 형상을 제어하는 동시에 동압홈(스러스트(Thrust))을 기계적으로 양각하는 단계가 진행된다. 이러한 정형 단계를 2회 이하로 함으로써 유체동압베어링의 직각도가 3 ㎛ 이하, 그리고 원통도가 1.5 ㎛이하의 정밀도를 갖도록 한다. 이때, 원통도의 경우 HDD 모터에 중요한 요소인 RRO(repeatable runout, 반복적 런아웃)와 NRRO(non-repeatable runout, 비반복적 런아웃)에 직접적인 영향을 미친다. 유체동압베어링의 원통도가 1.5 ㎛이하의 정밀도를 가질 때 이러한 모터 특성을 만족한다. 또한 직각도는 HDD 모터의 플라잉 하이트(Flying Height)에 직접적인 영향을 미치는데 유체동압베어링의 직각도가 3 ㎛이하의 정밀도를 가질 때 우수한 모터 특성을 나타낸다. 이때, 1차 정형 단계에서는 유체동압베어링의 내경, 외경, 및 높이에 대해 모두 포지티브(Positive) 정형을 한다. 이어서 2차 정형 단계에서도 유체동압베어링의 내경, 외경, 및 높이에 대해 모두 포지티브 (Positive) 정형을 한다. 이처럼, 포지티브 정형을 할 경우에는 면의 조도 및 기공을 제어하기에 보다 수월하다는 장점이 있다. 또한, 정형 단계에서는 정형시 윤활목적으로 정형유를 사용하게 된다. 이러한 정형유의 경우, 정형 시 정형유의 윤활특성에 따라 가압 및 퇴출 시 걸리는 압력, 스프링 백(spring-back)에 의한 유체동압베어링의 상,하 치수 편차, 그리고 원통도 및 직각도 등의 형상 정밀도 등에 영향을 미친다. 본 발명에 사용되는 바람직한 정형유로는 인발유가 있다.

위와 같은 단계에 따라 제조된 본 발명의 유체동압베어링의 정형체를 초음파 세척 단계를 통하여 정형시 도포되었던 정형유 및 정형 단계에서 발생된 찌꺼기를 제거하고 건조시킨다. 건조된 정형체의 내경에 전극 공구를 삽입하여 음의 전류를 인가하고 전해액을 유동시키는 전해가공 공정을 통해 미세한 동압홈을 식각하고 이때 사용된 전해액을 세척, 건조한다.

한편, 본 발명의 유체동압베어링과 같이 치수 및 형상 정밀도의 수준이 높은 경우, 요구되는 높은 정밀도의 확보를 위해서 금형의 형상 정밀도가 중요한 변수로 작용하게 된다. 이와 관련하여, 본 발명의 모든 공정의 금형은 5 ㎛이내의 직각도, 원통도, 진원도를 갖는다. 또한, 성형 및 정형 금형 중 상 펀치 및 하 펀치의 동축도 역시 성형품 및 정형품의 직각도에 중요한 영향을 미친다. 본 발명의 상 펀치 및 하 펀치는 5 ㎛이내의 동축도를 갖는다. 상하 펀치의 동축이 최대 5 ㎛ 초과씩 10 ㎛초과로 틀어지면 위에서 명시한 편측으로부터의 간극(Clearance) 2~5 ㎛의 최대값을 초과하게 된다. 이는 금형의 조립을 어렵게 만들 뿐만 아니라 조립시 마다 같은 정밀도의 제품을 제작할 수 없어 표준화된 제품을 생산할 수 없게 된다.

이하, 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다. 다만, 이러한 실시예는 본 발명의 바람직한 실시태양을 보다 상세히 비교설명함으로서 본 발명에 대한 이해를 돕고자 하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 실시예만으로 한정되는 것은 아니다.

[실시예1 및 비교예1]

본 발명의 STS 재질에 대한 이해를 보다 용이하게 할 수 있도록 하기 위해, STS430L(비교예 1)과 STS304L(실시예 1) 재질에 대한 검토를 진행하였다.

이하, 하기의 표 1에서 구체적으로STS 430L과 STS304L 재질의 특성을 비교하였다.

[표 1] 스테인레스스틸계 재질별 특성 비교

STS304L 재질의 경우 열팽창계수는 STS430L 재질에 비하여 다소 큰 편이나, Ni 성분을 함유하고 있어 시징(Seizing) 현상 방지에 유리하고, 가공성이 상대적으로 좋아, 분말야금 공정을 적용하여 제조하기에 보다 적합하였다. 또한 소결 수축율이 작아 소결 후 변형에 의한 치수 변화가 적음에 따라 정밀 치수 제어에 유리하였다. 또한, STS430L 및 STS304L 재질의 소결온도 및 시간에 따른 소결 수축율을 측정하였다. 이때, 소결온도는 로에 삽입된 열전대(써머커플, thermocouple)를 이용하여 측정하였으며, 2차적으로 제품과 함께 소결을 하도록 제작 되어진 프로세스 온도 조절 링(process temperature control ring)이라는 토로이달 타입의 세라믹 성형체의 수축량을 계산하여 검증하였다. 이 세라믹 성형체는 일정 온도에서 수축하는 량이 표준화 되어 범용으로 사용되고 있다. 소결 수축율은 일반적으로 토로이달 타입의 경우 성형품(또는 성형금형)의 내경, 외경, 높이를 측정하고 소결품의 내경, 외경, 높이를 측정하여 다음과 같은 수식으로 산출하게 된다.

이렇게 측정한 STS430L 및 STS304L 재질의 소결온도 및 시간에 따른 소결 수축율을 도 1a, 1b, 1c에 나타내었다.

다음으로, 스테인레스스틸계 재질의 가공성을 확인하기 위하여 압축강도 및 인장강도 시험을 실시하였다. 압축강도는 Ø10× 15㎜ 크기의 원주형의 시편을 제작하여 측정하였으며, 인장강도는 인장시험편을 제작하여 측정하였다. 도 2a 및 2b 와 도 3c 및 도 3b에 STS430L 및 STS304L 재질의 압축강도 및 인장강도 시험 결과를 나타내었다.

압축강도 시험 결과 동일한 조건에서 STS430L 대비 STS304L 재질의 변형량이 큼에 따라 동압홈 등 소성변형에 의한 형상구현이 용이하며, 따라서 보다 적은 정형량 및 압축력을 이용하여 형상 구현이 가능하다는 점을 알 수 있다. 또한, 인장강도 시험 결과 STS304L 재질의 인장강도는 387N /㎟, STS430L 재질의 인장강도는 26N/㎟로 STS304L 재질이 인장강도 및 연신율이 상대적으로 우수하여 소결 유체동압베어링의 강성 면에서도 유리한 재질이다.

[실시예 2 및 비교예 2]

본 발명의 STS304L 재질과 동철계 재질의 폐기공율 및 개기공율을 측정하였다.

■ 폐기공율/개기공율 계산법

- 폐기공율

- 개기공율

※ V_이론 = 이론 체적 [㎤]

V_Pycnometer = Pycnometer로 측정한 벌크(bulk) 체적 [㎤]

W_측정 = 중량 [g]

ρ_이론 = 이론 밀도 [g/㎤]

상기와 같은 폐기공율/개기공율 계산법을 이용하여 동철계 및 STS304L 재질의 개기공율 및 폐기공율을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

[표 2] 동철계 및 STS304L 재질의 개기공율 및 폐기공율

도 4를 통해 알 수 있듯이, 이러한 본원발명의STS304L 재질은 동철계 재질에 비해 소결 후 개기공의 형성율이 낮아 기공에 의한 동압 손실에 따른 플라잉 하이트(Flying Height) 특성에 유리하였다.

[실시예 3]

본 발명의 스테인레스스틸 재질인 STS304L 원료분말을 이용하여 HDD 모터용 유체동압베어링을 제조하였다.

성형 단계

STS304L 원료분말100 wt.% 이하, 가공성 개선 첨가제 1 wt.% 이하, 및 다이 윤활제 1 wt.% 이하 를 개량하여 3차원 믹서에서 30분 동안 균일하게 혼합하였다.

상기와 같이 균일하게 혼합된 분말 혼합체를 성형 다이에 오버 휠(Over fill) 충진 방식으로 충진한 후, 상 펀치로 가압하여 토로이달 형태로 성형하였다.

이때 성형 다이와 코아에 의해 체결된 하 펀치의 위치로 분말 혼합체의 양을 조절하고 상펀치로 가압하여 원하는 높이로 맞추었다. 이렇게 해서 얻어진 성형체(성형품)는 성형밀도가 6.4 g/cm³이며, 원통도가 2.00 ㎛이고, 직각도가 2.91 ㎛ 이며, 진원도가 1.02 ㎛ 이었다.

소결 단계

상기 성형 단계에서 구현된 성형체를 상기 분말 혼합체의 융점, 1450 ℃ 의 78% 정도 온도인 1140 ℃에서 1.3 시간 소결을 수행하였다. 치밀도를 높이기 위해 일반적인 소결 온도보다 높은 온도를 선택하였으며, 소결 시간을 길게 함으로써 폐기공으로 유도하였다.

한편, 소결 단계에서의 성형체의 치수, 형상 등의 변형을 최소화하기 위해, 성형체를 트레이(Tray)에 적재하여 연속식 소결로(Mesh Belt Type 연속로)에 장입하였으며, 상기 소결로의 핫 존(Hot Zone)에서의 대류를 통해 상기 성형체를 가열함으로써 소결을 진행하였다. 소결 진행 시 트레이에 적재된 성형품의 양에 따라 소결로의 핫 존에서 성형품이 받는 열량에 차이가 발생하게되어, 트레이 내 적재위치에 따라, 치수, 형상변형 정도 및 물성에 차이가 발생하게 된다. 따라서, 소결 시 균일한 치수의 확보, 형상 변형의 최소화 및 균일한 물성의 확보를 위해 상기 트레이상의 성형품 적재량을 표준화하였다. 이에, 소결 트레이 내의 성형체의 적재량을 약 2000개와 약 1000개 2종류로 구분하여 소결하였다. 이렇게 별도의 적재량으로 소결한 후 하기의 정형 단계까지 진행하여 치수 및 형상 정밀도를 비교하였다. 그 결과, 소결 트레이 적재량이 약2000 개 이상의 경우에는, 유체동압베어링의 높이 편차가 5 ~ 10 ㎛ 이며, 직각도 편차는 2 ~ 8 ㎛ 를 나타내었으며, 소결 트레이 적재량이 약 1000 개 정도의 경우에는 높이 편차가 3 ㎛ 이하이며, 직각도 편차는 2 ~ 3 ㎛ 를 나타내었다.

또한, 예열 구간에서 초기 혼합된 다이 윤활제를 제거하고 본열 구간에서 물리적 특성을 부여하며 냉각 구간에서 열충격과 산화가 발생하지 않게 소결을 마무리하였다. 소결된 유체동압베어링 소재의 엣지부에 일부 발생할 수 있는 버(burr)를 디버링 설비를 통해 제거한 뒤 그 찌꺼기를 초음파 세척을 통해 세척하고 세척액이 남지 않도록 건조하였다. 이때 사용한 세척액은 할로겐화 탄화수소계 용제이며 초음파 세척 조건에서 30분간 유지하였다. 건조는 열풍건조기에서 35℃, 40분간 건조하였다.

정형 단계

이렇게 준비된 토로이달 형태의 소결체에 인발유를 고르게 도포하여 금형에 삽입한 후, 600 MPa/cm²의 압력으로 압축하여 1차 정형을 수행하였다. 이러한 1차 정형에서는 포지티브(positive) 정형을 수행하였다.

상기와 같이, 1차 정형 단계를 통해 유체동압베어링 소재의 소결 변형 형상을 교정하여 길이 편차를 최소화 하였다.

다음으로, 상기 1차 정형 단계를 거친 유체동압베어링을 같은 방법의 추가 2차 정형을 통하여 형상을 제어하는 동시에 동압홈을 기계적으로 양각하였다. 즉, 1차 정형 단계를 통해 소결변형이 교정된 샘플을 2차 정형 다이에 삽입한 후 동압홈이 음각된 상펀치와 평면의 하펀치가 상하부를 압박하여 형상 정밀도를 제어하는 동시에 상펀치에 음각된 동압홈을 제품에 1:1로 양각하였다. 이러한 2차 정형에서는 포지티브(Positive) 정형을 수행하였다. 이와 같이 2차 정형을 통해 얻어진 유체동압베어링의 원통도는 1.37 ㎛이고, 직각도는 1.21 ㎛, 진원도는 0.96 ㎛ 이었다.

이렇게 2차 정형 단계를 통해 정형된 본 발명의 유체동압베어링인 정형체를 초음파 세척 단계를 통하여 정형시 도포되었던 인발유 및 정형 단계에서 발생된 찌꺼기를 초음파 세척기를 통해 할로겐화 탄화수소계 용제로 30분간 세척한 후 열풍건조기에서 35℃, 40분간 건조시켰다. 또한, 이처럼 건조된 정형체의 내경에 전극 공구를 삽입하여 음의 전류를 인가하고 전해액을 유동시키는 전해가공 공정을 통해 미세한 동압홈을 식각하고 이때 사용된 전해액을 세척, 건조하였다.

[실시예 4 및 비교예 3]

정형 단계에서 윤활 목적으로 사용하는 정형유에 따른 유체동압베어링의 내경의 상, 하 치수 편차 및 내경 형상의 정밀도의 변화를 확인함으로써 본 발명의 유체동압베어링과 같이 높은 수준의 치수 및 형상 정밀도를 요구하는 정밀 베어링에 적합한 정형유를 선정하고자 하였다.

이를 위해, 실험은 모든 공정을 동일하게 고정하고 정형유만을 각각 방청유, STS 전용 정형유, 및 인발유로 변경하여 유체동압베어링 샘플을 제작하여, 형상 정밀도 등을 비교하였다. 그 결과, 일반적으로 정형 공정에서 사용하는 방청유의 경우 정형 시 윤활성이 떨어짐에 따라 마찰음이 크고, 스크래치도 발생하였다. STS 전용 정형유의 경우 일반적인 방청유에 비하여 원통도 및 직각도의 편차가 적었으나, 유체동압베어링의 내경 형상의 좌굴(挫屈) 이 발생하여, 내경 상, 하 치수 편차에 대한 개선효과가 미흡하였다. 반면에, 인발유의 경우 내경의 좌굴 형상이 개선됨에 따라 내경 상, 하 치수 편차 및 원통도, 직각도 등 형상 정밀도의 개선 효과가 있다. 따라서, 본 발명의 정형 단계에서 사용되는 정형유로서 인발유를 선정하였다.

[표 3] 정형유에 따른 수치 및 형상 정밀도 비교 결과

[실시예 5 및 비교예 4]

본 발명의 성형 및 정형에 적용하고 있는 금형중 다이(Die)와 코아(Core)의 경우 요구되는 형상 정밀도를 구현하는데 있어 펀치에 비하여 상대적으로 설계 변경이 어렵기 때문에 펀치의 설계 변경을 수행하였다. 본 발명에서는 펀치의 길이를 74 mm에서 40 mm로 줄이고, 헤드부의 크기도 Ø42에서 Ø15로 줄였다. 이렇게 개선된 펀치를 제작, 작용한 결과 금형 펀치의 내경 기준 직각도, 원통도 및 진원도가 모두 5 ㎛ 이내로 개선되었다. 기존의 금형 펀치와 본 발명에 따른 금형 펀치의 형상 정밀도의 측정 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

[표 4] 기존 펀치 및 본 발명에 따른 펀치의 형상 정밀도 측정 결과

[실시예 6 및 비교예 5]

성형 금형중 상, 하 펀치의 동축도가 성형품의 직각도에 미치는 영향을 확인하기 위하여 상, 하 펀치의 동축도가 차이가 나는 3 가지 경우를 선별하여 성형 상, 하 펀치의 동축도에 따른 성형품의 직각도를 비교하였다. 그 결과는 하기 표 5에서 알 수 있듯이, 성형 펀치의 동축도가 5 ㎛ 이내일 경우 성형품의 직각도의 정밀도가 향상되었다. 정형 금형의 경우에도 마찬가지로, 정형 펀치의 동축도가 5 ㎛ 이내일 경우 정형품의 직각도의 정밀도가 향상되었다.

[표 5] 성형 펀치의 동축도에 따른 성형품의 직각도 비교 결과

[실시예 7 및 비교예 6]

성형 금형중 성형 펀치의 내경과 코아 간의 간극(Clearance)이 성형품의 원통도 편차에 어떠한 영향을 주는지 확인하였다. 그 결과 하기 표 6에서 알 수 있듯이, 성형 펀치와 코아 간의 간극에 따라 성형품의 원통도 편차가 존재하였으며, 성형 펀치와 코아 간의 간극이 작을수록 성형품의 원통도 편차가 작아지는 것을 확인할 수 있었다. 이때, 표 6에서의 간극은 펀치와 코아 간의 양측의 간극을 나타내는 것이다.

[표 6] 성형 펀치와 코아 간의 간극에 따른 성형품의 원통도 비교 결과

한편, 상기 살펴본 실시예에 의해 제조된 본 발명의 유체동압 베어링은 본 발명에 따른 스테인레스스틸 재질의 원료분말을 이용한 소결 방식으로 제조된 것으로서, 유체동압베어링의 원통도, 직각도, 진원도 등의 형상 정밀도가 우수할 뿐만 아니라 종래의 동철계 재질의 유체동압 베어링에 비해 내마모성 및 스프링 백(Spring-back)이 좋은 장점을 가지며, 또한 소결 후에 폐기공율이 높아서 내구성이 우수하며, 동압 손실이 적으며, 그로인해 동압 손실에 따른 플라잉 하이트(Flying Height) 특성이 좋다.

Claims (15)

1. Fe를 베이스로 하여 9~13 wt% Ni, 18~20 wt% Cr을 포함하는 스테인레스스틸 분말을 압축 성형한 후, 소결해서 얻어진 것을 특징으로하는 HDD 스핀들 모터의 유체동압 베어링 소재.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스테인레스스틸이 C를 0.03wt.% 이하로 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 HDD 스핀들 모터의 유체동압 베어링 소재.
3. 제1항에 있어서,
   상기 스테인레스스틸 분말에 가공성 개선 첨가제 및 다이 윤활제를 혼합하는 것을 특징으로 하는 HDD 스핀들 모터의 유체동압 베어링 소재.
4. 제3항에 있어서,
   상기 가공성 개선 첨가제가 MnS이고, 다이 윤활제가 케놀루베(Kenolube) 인 것을 특징으로 하는 HDD 스핀들 모터의 유체동압 베어링 소재.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   가공성 개선 첨가제 및 다이 윤활제를 각각1 wt.% 이내로 포함하는 것을 특징으로 하는 HDD 스핀들 모터의 유체동압 베어링 소재.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   소재의 형상은 3개 이상의 오일 순환홀을 보유하는 것을 특징으로 하는 HDD 스핀들 모터의 유체동압 베어링 소재.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   소재는 6.0~6.4g/cm³의 성형 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 HDD 스핀들 모터의 유체동압 베어링 소재.
8. 제 1 항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스테인레스스틸 분말은 A.D.(Apparent Density) 2.55~2.65 g/ cm³를 갖으며, F.R.(Flow Rate) 25sec/50g ~ 35sec/50g 를 갖는 것을 특징으로 하는 HDD 스핀들 모터의 유체동압 베어링 소재.
9. 제1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스테인레스스틸 분말의 입자크기는 -145~+200Mesh 15~35%, -200~+350Mesh 10~35%, -350Mesh 35~47% 인 것을 특징으로 하는 HDD 스핀들 모터의 유체동압 베어링 소재.
10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    10% 이내의 개기공율을 갖는 것을 특징으로 하는 HDD 스핀들 모터의 유체동압 베이링 소재.
11. 스테인레스스틸 분말과 가공성 개선 첨가제 및 다이 윤활제를 균일하게 혼합하는 단계와, 균일하게 혼합된 분말 혼합체를 가압하여 토로이달 형태로 성형하는 성형단계와, 분말 혼합체의 융점 이하의 온도에서 소결하는 단계와, 동압홈을 기계적으로 양각하는 정형단계로 이루어짐을 특징으로 하는 HDD 스핀들 모터의 유체동압 베어링의 제조방법.
12. 제11항에 있어서,
    2회 이하의 정형 공정을 통하여 직각도 3㎛이하, 원통도 1.5 ㎛ 이하, 진원도 1 ㎛ 이하의 정밀도를 내는 것을 특징으로 하는 HDD 스핀들 모터의 유체동압 베어링의 제조방법.
13. 제11항에 있어서,
    상기 성형단계 또는 정형단계에 사용되는 금형은 5㎛ 이내의 직각도, 원통도, 진원도를 갖는 것을 특징으로 하는 HDD 스핀들 모터의 유체동압 베어링의 제조방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 금형중의 펀치는 5㎛ 이내의 동축도를 갖는 것을 특징으로 하는 HDD 스핀들 모터의 유체동압 베어링의 제조 방법.
15. 제14항에 있어서,
    금형 펀치와 코아 간의 간극이 편측으로 2~5㎛ 인 것을 특징으로 하는 HDD 스핀들 모터의 유체동압 베어링의 제조 방법.

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