KR20230118596A - 구조적 보강을 갖는 계층적 복합 마모 부품 - Google Patents

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KR20230118596A
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스테빤 데질
기 베르똥
마르끄 비비노
자기 아몰딥 싱
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마고또 앵떼르나씨오날 에스.에이.
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Abstract

본 발명은 보강 부품을 포함하는 계층적 복합 마모 컴포넌트에 관한 것으로, 상기 보강 부품은 삼중 주기 최소 표면 세라믹 격자 구조의 보강을 포함하고, 상기 구조는 다수의 셀 유닛들을 포함하고, 상기 셀 유닛들은 공극들 및 미세 기공 세라믹 셀 벽들을 포함하고, 셀 벽들의 미세 기공들은 소결 금속 또는 주조 금속을 포함하며, 세라믹 격자 구조는 주조 금속 매트릭스를 갖는 이중 연속 구조로 내장된다.

Description

구조적 보강을 갖는 계층적 복합 마모 부품
본 발명은 주조 기술에 의해 획득되는 계층적 복합 마모 컴포넌트를 개시하며, 이 마모 컴포넌트는 조합된 마멸 및 충격 응력에 대한 저항성이 개선되고 파손에 대한 우수한 저항성을 갖는다. 마모 컴포넌트는 삼중 주기 최소 표면(TPMS) 격자 구조, 특히 3D 인쇄 디바이스에 의해 적층 제조된 TPMS 기반 격자 구조를 기초로 하는 3차원 보강 네트워크를 포함한다.
본 발명은 시멘트 공장, 채석장 및 광산과 같은 분쇄 및 파쇄 산업에 사용되는 마모 컴포넌트에 관한 것이다. 이러한 컴포넌트는 벌크에서 높은 기계적 응력을 받고 작업면에서 마멸에 의한 고도의 마모에 노출된다. 따라서, 이러한 컴포넌트는 충격과 같은 기계적 응력을 견딜 수 있게 높은 내마모성과 약간의 연성을 나타내는 것이 바람직하다.
이러한 2개의 특성이 동일한 재료 조성으로 일치시키기 어려운 점을 감안하여, 내마모성이 우수한 세라믹 삽입물이 내장된 상대적으로 연성 합금으로 형성된 매트릭스를 갖는 복합 마모 컴포넌트가 과거에 제안되었다.
문헌 미국 특허 8,999,518 B2는 합금철 주조 동안 침윤된 그래인 집성체 형태의 티타늄 탄화물로 보강된 철 합금을 포함하는 계층적 복합 재료를 개시한다. 보강 구조는 마모에 가장 많이 노출된 면에 위치한다.
문헌 WO 2010/031663A1은 충격 분쇄기용 복합 임팩터에 관한 것으로, 상기 임팩터는 마모 부품의 최대 응력면에서 정의된 기하형상에 따라 티타늄 탄화물로 적어도 부분적으로 보강된 합금철을 포함한다.
문헌 WO 2019/211268A1은 지면 또는 암석을 가공하기 위한 복합 톱니에 관한 것이며, 상기 톱니는 삽입물에 의해 적어도 부분적으로 보강된 철 합금을 갖고, 삽입물에 의해 보강된 상기 부품은 제자리 반응 후에 티타늄 탄화물의 마이크로미터 구형 입자가 실질적으로 없는 밀리미터 구역에 의해 분리된 티타늄 탄화물의 마이크로미터 구형 입자의 집중된 밀리미터 구역의 교번하는 조대/미세구조를 획득하는 것을 가능하게 하고, 티타늄 탄화물의 마이크로미터 구형 입자의 상기 집중 구역은 상기 구형 입자 사이의 마이크로미터 간극이 또한 상기 철 합금에 의해 점유되는 미세구조를 형성하며, 이는 삽입물에 의해 생성된 상기 조대/미세구조가 상기 톱니의 말단 표면으로부터 적어도 2 mm, 바람직하게는 적어도 3 mm만큼 이격되는 것을 특징으로 한다.
다양한 실험에서, 보강된 마모 부품에서 세라믹 또는 요소의 조성 또는 위치가 집중해야 할 유일한 중요한 특징이 아니며, 보강 자체의 기하형상 또는 오히려 특정 마모 부품에 맞게 조절된 보강 기하형상의 적절한 선택 또한 매우 중요한 것으로 나타났다.
이와 관련하여, 특정 마모 부품의 철 합금 매트릭스에 내장된 삼중 주기 최소 표면(TPMS)에 기초한 다양한 3차원 보강 격자 구조가 테스트되었다.
Schnering et Nesper[Schnering 1991]에 따르면, 일부 전형적인 삼중 주기 최소 표면 구조(TPMS)의 표면은 단순화된 수학식으로 근사화될 수 있으며, 상기 구조는 다음 목록에 언급되어 있다:
D 표면: cos(X).cos(Y).cos(Z) - sin(X).sin(Y).sin(Z) = C
자이로이드: sin(X).cos(Y) + sin(Y).cos(Z) + cos(X).sin(Z) = C
I-WP: 2.(cos(X).cos(Y)+cos(X).cos(Z)+cos(Y).cos(Z)) - cos(2X) + cos(2Y) + cos(2Z) = C
리디노이드: sin(2X).cos(Y).sin(Z) + sin(2Y).cos(Z).sin(X) + sin(2Z).cos(X).sin(Y) -cos(2X).cos(2Y) - cos(2Y). cos(2Z) - cos(2Z).cos(2X) = C
네오비우스: 3.(cos(X) + cos(Y) + cos(Z)) + 4.cos(X).cos(Y).cos(Z) = C
P 표면: cos(X) + cos(Y) + cos(Z) = C
C는 두께가 없는 표면의 경우에 상수(일반적으로 = 0)이다.
본 발명의 목적을 위해, 문헌에 일반적으로 설명된 TMPS 뿐만 아니라 또한 이들의 선형 조합도 고려한다.
상기 수학식은 두께가 없는 (이소)표면을 나타낸다. 다음 간행물은 삼중 주기 최소 표면(TPMS)을 기초로 골격(벽 두께 포함)을 생성하는 데 사용되는 방법을 나타낸다:
- "Design and Characterization of Sheet-Based Gyroid Porous Structures with Bioinspired Functional Gradients"(Yuan Jin, Haoyu Kong, Xueyong Zhou, Guangyong Li 및 Jianke Du. Materials 2020, 13, 3844에 게재; doi: 10.3390/ma13173844).
- "3D printed compact heat exchangers with mathematically defined core structures"(김지호 및 유동진. Journal of Computational Design and Engineering, 2020, 7(4), 527-550에 게재; doi: 10.1093/jcde/qwaa032).
- "Technical Note: Gyroid structures for 3D-printed heterogeneous Radiotherapy phantoms"(R. Tino, M. Leary, A. Yeo, M. Brandt 및 T. Kron. Physics in Medicine & Biology, 2019, Volume 64, Number 21에 게재; DOI: 10.1088/1361- 6560/ab48ab).
이러한 골격 구조의 특정 예가 도 1에 예시되어 있다.
US2020/171753A1은 적층 제조된 자이로이드 격자 구조를 개시한다. "삼중 주기 최소 표면 구조" 및 특히 자이로이드 구조의 정의를 위해, 문헌 US2020/171753A1이 본 개시에 대한 참조로 포함된다.
CN 109516789는 자이로이드 곡면을 기초로 하는 다공성 Al2O3 구조를 개시하고 있다. 세라믹 및 그 제조 방법은 연속적이고 3차원적으로 연결된 삼중 주기 최소 곡면(TPMS)을 기초로 한다. 제조된 다공성 Al2O3 세라믹 자이로이드 구조는 높은 경도, 고온 저항 및 내식성을 가지고 있다.
본 개시에서 "삼중 주기 최소 표면"이라는 표현은 표면과 엄격하게 관련된 수학적 개념으로 엄격한 의미로 해석되어서는 안되며, 각각의 유닛 셀이 셀 벽 및 공극을 포함하고, 셀 벽은 유닛 셀의 일정 체적을 점유하고, 공극은 체적의 나머지를 점유하는 연결 가능한 유닛 셀의 격자 구조(골격)이며, 격자 구조가 모든 3차원을 따라 주기성을 나타내는 것으로서 해석되어야 한다. 이러한 이유로, 우리는 "삼중 주기 최소 표면(TPMS)의, 또는 그에 기초한, 3차원 격자 구조" 또는 간단히 "TPMS 격자 구조"라는 표현을 사용한다. 셀 벽은 TPMS의 제조 방법과 그 조성에 따라 다양한 미세 기공률을 나타낸다.
TPMS 골격 구조에서, 표면은 유닛 셀 내에서 뿐만 아니라 두 유닛 셀 사이의 접합부에서도 구조의 임의의 지점에서 실질적으로 연속적인 곡률을 갖는다. 도 20은 3개의 P 표면 유닛 셀 조립체의 예를 도시한다. 이 특성은 이 보강 구조의 기계적 저항에 중요하며, 그 이유는 표면 곡률 불연속성이 높은 응력의 위치이며 따라서 약한 구역이기 때문이다.
TPMS 격자 구조는 서로 다른 체적들의 조립체가 아니며, 여기서, 체적 표면들은 접선 방향으로 만나지 않는다. 이러한 스캐폴드 조립체에서 서로 다른 체적의 접합부에서의 곡률은 불연속적이다. 도 21은 구와 수평 실린더의 조립체의 예를 도시한다. 두 체적 사이의 접합부(1)에서 구(2)의 곡률은 실린더(3)의 곡률과 같지 않다.
TPMS 격자 구조는 임의의 크기와 형상을 가진 셀로 형성되고 모든 방향으로 연장되는 발포 구조가 아니다.
문헌 CN108396165A는 구형, 원통형 또는 입방체형 요소의 조립체로 형성된 주기적 구조를 개시한다. 그러나, 이러한 요소는 연속 곡률로 결합되지 않는다. 접합부에서, 두 요소의 곡률은 연속적이지 않다. 따라서, 개시된 주기적 구조는 본 문서에 개시된 바와 같은 TPMS 격자(골격) 구조(도 21 참조)가 아니다.
문헌 CN110615672A는 발포 구조를 갖는 반구 또는 구를 개시한다. 따라서, 이는 본 발명에 개시된 TPMS 격자(골격) 구조와 달리 주기적이지 않다.
문헌 US2018185916A1은 본 발명에 개시된 TPMS 격자(골격) 구조와 달리 주기적이지 않은 개방 셀 발포 구조를 개시한다.
본 발명은 바람직하게는 탄화물, 붕화물 및 질화물, 특히 티타늄 탄화물, 텅스텐 탄화물 및 티타늄 탄질화물로 구성된 그룹으로부터 선택된 세라믹 또는 세라믹-금속 분말의 3D 인쇄에 의해 적층 제조되는 삼중 주기 최소 표면(TPMS) 격자 구조에 기초한 3차원 보강 네트워크를 포함하는, 주조 기술에 의해 획득되는 계층적 복합 마모 컴포넌트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 보강 부품을 포함하는 계층적 복합 마모 컴포넌트를 개시하며, 상기 보강 부품은 삼중 주기 최소 표면 세라믹 격자 구조의 보강을 포함하고, 상기 구조는 다수의 셀 유닛들을 포함하고, 상기 셀 유닛들은 공극들 및 미세 기공 세라믹 셀 벽들을 포함하고, 셀 벽들의 미세 기공들은 소결 금속 또는 주조 금속을 포함하며, 세라믹 격자 구조는 주조 금속 매트릭스를 갖는 이중 연속 구조로 내장된다.
본 발명의 바람직한 실시예는 다음 특징 중 적어도 하나 또는 그 적절한 조합을 개시한다:
- 삼중 주기 최소 표면 격자 구조는 자이로이드, 리디노이드, 네오비우스, P 표면, 다이아몬드(D 표면) 및 I-WP 또는 그 조합 및 유도체로 구성된 그룹에서 선택되고;
- 셀 유닛들의 크기는 10 내지 60 mm, 바람직하게는 15 내지 50 mm로 구성되고, 셀 벽들의 두께는 1 내지 15 mm, 바람직하게는 2 내지 10 mm로 구성되고;
- 보강 부품 내의 세라믹 재료의 농도는 보강 부품의 섹션에 걸친 셀 벽 두께 및/또는 셀 유닛의 크기의 변화에 의해 관리되고;
- 세라믹 재료는 금속 탄화물, 붕화물 및 질화물 또는 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되며;
- 세라믹 재료는 티타늄 탄화물, 티타늄 탄질화물; 티타늄 크롬 탄화물, 티타늄 붕화물 및 텅스텐 탄화물로 구성된 그룹에서 선택되고;
- 주조 금속 매트릭스는 강철 또는 주철을 포함하는 철 합금 매트릭스이고;
- 셀 벽들의 미세 기공들에 존재하는 소결 금속은 티타늄, 텅스텐, 크롬, 강철 및 주철 또는 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되며;
- 격자 구조 내의 세라믹 재료의 농도는 30 내지 90 체적%, 바람직하게는 40 내지 80 체적%의 범위이고;
- 보강 부품에서 세라믹 재료의 농도는 5 내지 50 체적%, 바람직하게는 10 내지 40 체적%의 범위이다.
본 발명은 다음 단계를 포함하는 본 발명의 계층적 복합 마모 컴포넌트의 제조 방법을 추가로 개시한다:
- 세라믹 입자들을 포함하는 분말 혼합물을 통해 삼중 주기 최소 표면 기하형상의 세라믹 격자 구조를 제조하는 단계;
- 세라믹 격자 구조를 적어도 부분적으로 소결하는 단계;
- 몰드에 세라믹 격자 구조를 위치시키는 단계;
- 청구항 1의 보강된 계층적 복합 마모 컴포넌트를 획득하기 위해 합금철을 주조하는 단계.
본 발명의 방법의 바람직한 실시예는 다음 특징 중 적어도 하나 또는 그 적절한 조합을 개시한다:
- 보강 세라믹 격자 구조를 적어도 부분적으로 소결하는 단계는 몰드 내 배치 및 최종 주조 이전에, 티타늄, 텅스텐, 크롬, 강철 및 주철 또는 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속에 의한 상기 구조의 셀 벽들의 미세 기공률의 거의 완전한 함침을 포함하고,
- 적어도 부분적으로 소결하는 단계에는 열간 등압 프레싱 단계 또는 사후 침윤 단계가 이어지고,
- 삼중 주기 최소 표면 기하형상에 기초한 보강 세라믹 격자 구조를 제조하는 단계는 150℃를 초과하는 온도에서 바인더 경화가 뒤따르는 바인더 분사 기술에 의한 적층 제조이고;
- 세라믹 분말의 입자들은 레이저 회절 기술에 의해 측정된 1 내지 150㎛, 바람직하게는 5 내지 100㎛ 인 입자 크기 D50을 갖는다.
본 발명은 충격 분쇄기, 홈 톱니로서의 청구항 1 내지 10에 따른 계층적 복합 마모 컴포넌트의 용도를 추가로 개시한다.
도 1은 CAD 모델링에 의해 획득되는 TPMS 격자 구조 및 가능한 유도체의 예시적이며 제한적이지 않은 선택을 나타낸다.
도 2는 2개의 상보적 체적(1+2)를 연관시키는 복합 구조를 도출하는, 금속 매트릭스(체적(2))에 내장된 자이로이드 기반 세라믹-금속 격자 구조(체적(1))의 자이로이드 유닛 셀의 개념적 표현이다.
도 3은 보강 구조의 겉보기 체적을 4 체적%로부터 40 체적%으로 증가시키는, 시트 두께(셀-벽 두께)를 보여주는 금속 매트릭스에 내장될 자이로이드 기반 세라믹 격자 구조를 갖는 자이로이드 유닛 셀의 개념적 표현이다. 패턴화된 3D 자이로이드 기반 격자 구조와 금속 매트릭스의 상보적 체적의 조합이 전체 입방체와 입방체의 대각선 컷으로 표현된다.
도 4는 본 발명의 마모 부품의 보강을 위한 침윤성 삽입물로서 사용되는 베이스 플레이트를 갖는 다공성 티타늄 탄화물 구조의 다양한 크기의 자이로이드 기반 구조를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 개념에 따라 보강되기에 적절한 마모되지 않은 주조 톱니를 나타낸다.
도 6은 마모된 주조 톱니를 나타낸다.
도 7은 최대 응력 구역에 위치한 종래 기술의 전형적인 침윤성 다공성 세라믹-금속 삽입물을 갖는 보강 톱니의 윤곽을 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 침윤성 자이로이드 기반 세라믹-금속 격자 구조를 갖는 도 7과 동일한 톱니의 윤곽을 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 TPMS 기반 구조적 보강으로 제조된 앤빌에서 테스트가 수행되는 MAG Impact 2700 밀링 기계의 앤빌 링을 나타낸다. 이 기계에서, 출원인은 종래 기술에 따른 통상적인 세라믹 삽입물에 의한 보강된 앤빌에 의해 양쪽이 둘러싸인 본 발명에 따른 TPMS 세라믹-금속 보강을 포함하는 앤빌을 배치하였다.
도 10은 본 발명의 개념에 따라 보강하기에 적절한 마모되지 않은 주조 앤빌을 나타낸다.
도 11은 마모된 주조 앤빌을 나타낸다.
도 12는 마모 컴포넌트의 최대 응력 구역에 위치된 본 발명에 따른 자이로이드 기반 세라믹-금속 삽입물 구조를 갖는 보강 앤빌의 윤곽을 나타낸다.
도 13은 도 12에 도시된 것과 동일한 위치에서 종래 기술의 그래인 집성체 세라믹-금속 삽입물 구조를 갖는 보강 앤빌의 윤곽을 나타낸다.
도 14는 150 x 100 x 30 mm 삽입물(A) 및 대각선 컷 표현(B)에서 3 mm 벽 두께를 갖는 11 mm 길이의 자이로이드 유닛 셀을 나타낸다.
도 15는 150 x 100 x 30 mm 삽입물(A) 및 대각선 컷 표현(B)에서 길이 29 mm 및 벽 두께 8 mm의 자이로이드 유닛 셀을 나타낸다.
도 16은 150 x 100 x 30 mm 삽입물(A) 및 대각선 컷 표현(B)에서 30 mm 길이 및 7 mm 벽 두께를 갖는 다이아몬드 유닛 셀을 나타낸다.
도 17은 톱니의 주조를 위해 몰드에 배치될 3D 인쇄된 피라미드형 TPMS 보강의 상세도이다.
도 18a는 3개의 상이한 수직 컷 표현(18b, 18c, 18d)을 갖는 예 5 및 6의 격자 구조의 가변 셀-벽 두께를 갖는 자이로이드 기반 격자 구조를 그 상보적인 체적과 조합하여 나타낸다.
도 19a는 상이한 수직 컷 표현(19b, 19c, 19d)을 갖는 3개를 갖는 예 7 및 8의 격자 구조의 가변 셀-벽 두께를 갖는 자이로이드 기반 격자 구조를 나타낸다.
도 20은 TPMS 격자 구조의 유닛 셀 접합부에서의 연속적인 곡률을 예시한다.
도 21은 TPMS 격자 구조가 아닌 CN108396165A에 개시된 구조를 도시하며, 두 유닛 요소의 접합부에서의 불연속적인 곡률을 보여준다.
공간을 2개의 반대 방향으로 합동인 통로의 미로로 분리하는 삼중 주기 최소 표면 구조(TPMS)는 앞서 설명한 근사 수학 공식에 따라 설명될 수 있다. 주조 계층적 복합 마모 부품의 금속 매트릭스에 내장되면, 세라믹 또는 세라믹-금속 복합체와 주조 금속은 공연속 구조를 형성한다.
TPMS 기반 격자 구조는, 3D 골격 격자 구조로 제조할 경우, 높은 압축 강도와 높은 굴곡 저항성을 나타내며, 이는 본 발명에서 벌크에서 높은 기계적 응력 및 앞서 설명한 작업면에서의 마멸에 의한 높은 마모를 받는 마모 부품을 보강하기 위해 사용된다.
TPMS 기반 구조(자이로이드, 리디노이드 P 표면 등 및 그 조합)의 선택은 예를 들어 제조된 구조가 충격 하중을 수용하는 충격 흡수성 층으로 사용될 때 종래의 허니콤 요소에 비해 이점이 있다는 것을 보여주는 관련 문헌에서의 적층 제조된 폴리머 구조의 기계적 특성에 대한 연구에 따른다.
다음 간행물은 TPMS 유형의 선택을 나타낸다:
- "Investigation of functionally graded TPMS structures fabricated by additive manufacturing''(Shixiang Yu 등, Shenzhen Key Laboratory for Additive Manufacturing of High-Performance Materials, Department of Mechanical and Energy Engineering, Southern University of Science and Technology, Shenzhen published in Materials and Design 182 (2019) 108021);
- "Compression-compression fatigue behaviour of gyroid-type triply periodic minimal surface porous structures fabricated by selective laser melting''(Lei Yang, 모두 Acta Materialia 181 (2019) 49-66에 게재됨).
상기 간행물에서 얻어진 결과를 세라믹-금속 TPMS 격자 구조에 관련하여 주조에 의해 제조된 마모 부품으로 옮기는 것은 어렵지만, 다이아몬드 기반 TPMS 구조는 자이로이드 기반의 격자 구조보다 이론적으로 더 충격에 내성적이어야 하는 것으로 보인다. 따라서, 이 가설을 검증하기 위해 앤빌에서 둘 모두의 구조를 비교했다.
본 발명에서, TPMS 기반 구조는 탄화물, 탄질화물 및 붕화물, 바람직하게는 티타늄 탄화물, 텅스텐 탄화물 또는 티타늄 탄질화물을 포함하는 세라믹 또는 세라믹-금속의 분말을 사용하여 임의의 종류의 3D 인쇄에 의해 적층 제조된다.
적층 제조 단계 및 마모 부품 주조에 대한 설명
본 발명의 TPMS 삽입물을 제조하기 위해서는 디지털 3D 모델 구조를 생성하고 이를 3D 인쇄(적층 제조) 디바이스에서 분말로 이를 축조해야 하며, 본 경우에 사용되는 기술은 바람직하게는 바인더 분사이지만 이에 제한되지 않는다.
3D 인쇄 기술 및 특성화 및 방법과 연관된 다양한 ASTM 표준에 대한 일반적인 개요가 ScienceDirect에 게재되었다: http://www.sciencedirect.com/topics/engineering/binder-ietting .
이 개요는 이 기술에 대한 본 기술 분야의 숙련자의 지식을 대표하는 3D 인쇄 기술과 관련된 10개의 논문 내용을 22페이지로 요약한다. 이를 위해, 이 간행물은 본 출원에 참조로 포함된다.
바인더 분사 기술은 문헌 미국 특허 6,036,777(2000) 및 US2015/0069649 A1에 특히 개시되어 있다.
최근 논문은 세라믹의 바인더 분사 기술의 관련 파라미터에 대한 완전한 개요를 제공한다.
"Binder jetting of ceramics: Powders, binders, printing parameters, equipment, and post-treatment"((2019) Xinyuan Lv, Fang Ye, Laifei Cheng*, Shangwu Fan, Yongsheng Liu, Science and Technology on Thermostructural Composite Materials Laboratory, Northwestern Polytechnical University, Xi'an, 710072, PR China).
이 논문은 바인더 분사 인쇄 세라믹의 단계 및 응용을 연구하고, 분말, 바인더, 인쇄 파라미터, 장비 및 후처리 프로세스와 같은 핵심 인자와 세라믹 분말의 입자 형상 및 크기 분포의 영향에 대해 설명한다. 바인더의 액적 형성 메커니즘 및 액적 침윤 역학과 같은 첨가제의 영향도 설명된다. 더욱이, 이 문헌에서는 층 두께, 포화도, 인쇄 배향, 장비 및 후처리와 같은 인쇄 파라미터에 대해 설명한다. 바인더 분사 기술의 설명을 위해, 이 논문은 참조로서 본 출원에 포함된다.
바인더 분사 기술의 한 가지 중요한 요소는 관련 세라믹 또는 세라믹-금속 분말과의 그 상용성을 고려하여 적절한 유형의 바인더를 선택하는 것이다. 다양한 종래 기술 문헌은 다양한 유형의 바인더 및 세라믹 분말을 연구했다.
WO2020/146452 A1은 특정 아민 함유 접착성 폴리머 및 물체의 바인더 분사 적층 제조 방법을 개시한다. 상기 방법은 상기 물체를 제조하는 분말 및 용매에 용해된 접착성 폴리머를 포함하는 용액을 적층 제조 디바이스에 개별적으로 공급하는 단계- 상기 접착성 폴리머는 적어도 200 g/mole의 분자량을 갖는 아민 함유 폴리머임 -, 및 상기 적층 제조 디바이스의 인쇄 헤드로부터 분말의 베드로 상기 접착성 폴리머의 선택적으로 위치된 액적을 분배하여 입자를 결합하고 제조될 물체의 예비 성형체를 생산하는 단계를 포함한다.
US2019/0111618 A1은 상기 물체를 제조할 분말과 이관능성 경화성 단량체 또는 접착성 폴리머 바인더를 적층 제조 디바이스에 개별적으로 공급하고, 상기 적층 제조 디바이스의 인쇄 헤드로부터 상기 분말의 베드로 상기 이관능성 경화성 단량체 또는 접착성 폴리머 바인더의 선택적으로 위치된 액적을 분배하여 상기 이관능성 경화성 단량체 또는 접착성 폴리머 바인더와 상기 분말의 입자를 결합하여 제조될 물체의 형상을 갖는 경화성 예비 성형체를 생산하고; 이관능성 경화성 단량체의 경우에는, 상기 경화성 예비 성형체를 경화시켜 가교결합된 물체를 형성하는 것에 의한 물체의 간접 적층 제조를 위한 방법을 개시한다. 이 문헌에는 이용 가능한 일련의 경화성 단량체가 그 경화 온도와 함께 나열되어 있다. 이 문헌은 본 출원에 참조로 포함된다.
본 발명의 마모 부품 제조 방법론.
세라믹 또는 세라믹-금속 TPMS 격자 구조라고도 지칭되는 세라믹 또는 세라믹-금속 TPMS 골격 삽입물에 의해 보강된 마모 부품을 제조하는 바람직한 방식은 다수의 유닛 셀의 디지털 3D 모델 구조를 생성하고, 3D 인쇄 디바이스에서 이를 축조하고, 상기 적층 제조된 구조를 부분적으로 또는 완전히 소결하고, 삽입물을 모래 몰드에 배치하고, 공극, 그리고, 존재한다면 삽입물의 미세 기공률을 침윤하고 완전히 조밀한 마모 부품을 얻기 위해 고온 액체 매트릭스 금속(고크롬 주철 또는 강철)을 붓는 것이다.
TPMS 격자 제조 단계는 다음과 같다:
디지털 3D 모델 구조
- 세라믹 TPMS 삽입물의 수치 3D 모델은 컴퓨터 지원 설계(CAD) 소프트웨어(예를 들어, nTopology)(https://ntopology.com/generative-design-software/)의 도움으로 생성되고
예를 들어, STL(광조형) 형식과 같이 3D 인쇄 디바이스에서 취급할 수 있는 형식으로 변환된다. 가공 성능 요건(예컨대, 마모 또는 기계적 특성)은 종종 설계의 체적 전반에 걸쳐 달라지며, 격자 두께 또는 크기(셀 벽 두께 또는 셀 크기)와 같은 핵심 파라미터를 가변적으로 제어할 필요가 있다.
nTopology에서, 필드 주도 설계(Field-Driven Design)를 사용하여 예를 들어 벽 두께 또는 셀 크기와 같은 격자 구조의 파라미터를 공간적으로 변경할 수 있다.
- 그 후, 이 파일은 모델을 인쇄할 수 있는 미리 결정된 두께의 2D 층으로 슬라이스하는 슬라이싱 소프트웨어로 처리된다.
적층 제조(AM) 프로세스
- 이 프로세스에서, 세라믹 분말이 호퍼를 통해 공급되어 예를 들어 한번에 약 100㎛ 두께의 하나의 단일 층을 축조한다. 세라믹 분말은 탄화물(예를 들어, TiC), 붕화물 또는 질화물 및 가능한 소정의 다른 금속 원소를 포함한다. 입자 크기(D50)는 일반적으로 1 내지 150㎛, 바람직하게는 2 내지 50㎛, 가장 바람직하게는 4 내지 16㎛에 포함된다. (Mie 이론에 따라 Malvern Mastersizer 2000과 같은 레이저 회절 입자 크기 분석기로 측정됨).
- 분말 입도가 입자 크기 분포 목표(유동성 및 인쇄 해상도에 따라 조절됨)를 충족하지 못하는 경우 체질 단계가 필요할 수 있다.
- 세라믹 분말은 3D 인쇄 디바이스의 호퍼에 도입되어 층별로 삽입물을 축조한다(주로 미세하거나 유동성이 열악한 분말의 경우, 진동 및 재코팅 롤러를 사용하여 층의 팩킹 밀도를 증가시킬 수 있음).
- 적층 제조 기술에 따라, 이동 헤드가 바인더 분사 또는 예를 들어 용융 프로세스(레이저 기술에 의한 융합 베드)로 분말 입자를 응집하여 층의 특정 영역에서 분말 응집을 생성한다. 응집은 현재 층 아래의 이전 층에서도 발생한다. 바인더 분사의 경우 액체 바인더는 이동 헤드에 의해 2D 파일에 따라 층의 특정 영역에 액적으로서 퇴적된다. 중요한 파라미터는 층의 입자 사이, 그리고, 또한 이전 인쇄된 층 사이에 적절한 결합을 획득하기 위해 적절한 포화도 수준을 정의하는 것이다. 바람직한 바인더는 예를 들어 수분산성 글리콜-아크릴계 바인더, 예컨대 테트라에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트; 테트라에틸렌 글리콜 디아크릴레이트; 트리에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트, 디에틸렌 글리콜 2,메톡시 에탄올 또는 바람직하게는 물에 분산될 수 있고 경화될 물질 cm당 약 2시간 동안 200℃에서 경화될 수 있는 상호연결된 분자 네트워크를 형성하기에 적절한 혼합물이다.
- 그 다음, 전체 삽입물이 분말 베드에 축조될 때까지 다음 층이 퇴적되고, 상기 단계가 반복된다.
경화 및 소결
- 가교결합 가능한 단량체 바인더가 선택되는 경우, 이는 경화될 필요가 있다. 완성된 상자는 온도 균일성(예를 들어, 약 2시간/cm)을 보장하기 위해 상자 체적에 따른 시간 기간 동안 경화 오븐에서 약 200℃의 온도로 가열되어 부품에 강도를 부여(중합, 가교, 용매 증발 또는 소정의 다른 메커니즘을 통해)한다.
- 그 다음, 상자가 완전히 냉각되도록 방치되고, 미가공 부품이 파손 위험 없이 안전하게 취급될 수 있다.
- 과잉 분말은 예를 들어 브러싱, 진공 또는 압축 공기 송풍에 의해 상자로부터 제거된다.
- 미가공 TPMS 격자 구조가 그 후 노에 배치되고, 소결 단계를 수행하기 위해 제어된 분위기(일반적으로 아르곤 또는 진공) 하에 고온(일반적으로 1000℃ 이상)으로 가열된다. 소결은 원하는 최종 삽입물 벽 기공률에 따라 전체적이거나 부분적일 수 있다. 부분 소결의 경우, 격자 구조는 또한 동일한 또는 추가 열처리 동안 금속에 의한 모세관 현상에 의해 추가로 침윤될 수 있다.
마모 부품 제조
- 최종 세라믹 또는 세라믹-금속 TPMS 격자 구조는 마모 부품의 내마모성 및 파손 저항을 고려한 위치에서 모래 몰드에 배치된다.
- 액체 금속이 몰드 내에 부어진다. 액체 금속은 TMPS 격자 구조에 침윤되어 세라믹 TPMS 구조가 주조 금속 매트릭스에 내장된 공연속 보강 구조를 생성한다.
- 잔여 미세 기공률을 갖는 부분적으로 소결된 TPMS 삽입물의 경우, 액체 금속이 TPMS 격자 구조의 셀 벽에 침윤되어 매우 친밀한 세라믹/금속 결합을 도출한다.
- 액체 금속은 주조 부품이 완전히 응고될 때까지 냉각되도록 방치된다. 그 후, 모래 몰드를 제거하고, 나머지 모래로부터 최종 부품을 세정하고, 본 기술 분야의 숙련자에게 알려진 정규 마감 주조 프로세스 단계(녹아웃, 쇼트 블라스팅, 분쇄, 추가 열처리(어닐링, 담금질, 템퍼링, …))를 따를 수 있다.
- 최종 치수 목표에 도달하기 위해 마지막 기계가공 단계가 필요할 수 있다.
예 - 앤빌 및 톱니 마모 부품
앤빌
예 1
평균 입자 크기 D50이 11㎛인 티타늄 탄화물 분말 93 중량%의 혼합물을 아르곤으로 불활성화된 혼합기에서, 평균 입자 크기 D50가 40㎛인 티타늄 분말 7 중량%와 15분 동안 혼합하였다.
그 후, 균질 혼합물을 사용하여 약 11 mm의 셀 유닛 크기와 약 3 mm의 셀 벽 두께(도 14에 나타냄)를 갖는 150 x 100 x 30 mm의 자이로이드 격자 구조를 EXone사의 X1 25 Pro 3D 바인더 분사 프린터에서 인쇄하였다. 2-부톡시에탄올 수용액에 분산된 디에틸렌 글리콜 혼합물에 기초한 수성 바인더를 사용하여 부품을 인쇄했다(BA005 EXone).
AM 프로세스의 핵심 파라미터는 다음과 같다:
- 각각의 인쇄된 층은 약 100㎛ 두께이고;
- 인쇄 속도는 층당 90초이고;
- 분말 기공의 바인더 포화도는 90%이고;
- 분말 팩킹 밀도는 약 49%이다.
완료 후, 전체 인쇄 상자를 부품 높이 cm당 2시간 동안 약 200℃의 오븐에서 경화시켰으며, 다수의 품목이 한 번에 제조될 수 있기 때문에, 체류 시간은 격자 구조의 수에 따라 달라진다.
냉각 후 인쇄 상자를 진공으로 분말 제거하고, 브러싱하여 미가공 자이로이드 격자 구조를 얻었다.
획득된 미가공 자이로이드 격자 구조를 노에 배치하고 아르곤 분위기 하에서 약 1150℃로 2시간 동안 가열하였다.
자이로이드 격자 구조는 합금철 침윤에 이용 가능한 총 약 74 체적%의 빈 공간을 포함하고(자이로이드 격자 구조(셀 유닛)의 공극으로 인한 약 47 체적% 및 셀 벽 내부의 추가적인 27 체적% 마이크로미터 기공), 셀 벽의 나머지 26체적%는 티타늄 탄화물 + 금속 티타늄이다.
그 다음, 획득된 자이로이드 격자 구조는 보강될 마모 부품(도 12에 나타난 바와 같은 계층적 마모 부품)의 영역에서 모래 몰드에 위치된다.
그 다음, 약 1640℃의 고온 액체 고크롬 백철을 몰드에 부어 자이로이드 격자 공극의 47 체적%를 채우고, 셀 벽의 입자 사이의 마이크로미터 기공의 27 체적%를 침윤시킨다.
붓기 이후, 보강된 체적의 53 체적%는 고농도의 약 49 체적%의 티타늄 탄화물(분말 팩킹 밀도)을 함유한다. 따라서, 마모 부품의 보강 부분에 있는 티타늄 탄화물의 전체 체적 함량은 약 26 체적%이다.
예 2
예 2는 예 1과 동일한 방식으로 수행되지만, 셀 유닛 크기 및 셀 벽 두께가 상이하다.
균질한 분말 혼합물을 사용하여 예 1에 사용된 것과 동일한 장비로 셀 유닛 크기가 약 29 mm이고 셀 벽 두께가 약 8 mm인 150 x 100 x 30 mm의 자이로이드 격자 구조를 인쇄했다(도 15에 나타냄). 2-부톡시에탄올 수용액에 분산된 디에틸렌 글리콜 혼합물에 기초한 수성 바인더를 사용하여 부품을 인쇄했다(BA005 EXone).
AM 프로세스 및 경화의 핵심 파라미터는 예 1과 동일하였다(200℃에서 2시간 동안, 그리고, 그 후, 1150℃로 가열된 노에서 경화됨).
이 자이로이드 격자 구조는 다시 49%의 분말 팩킹 밀도에 의해 획득되었고, 합금철 침윤에 이용 가능한 총 약 74 체적%의 빈 공간을 포함하고(자이로이드 격자 구조(셀 유닛 )의 공극으로 인한 약 46 체적% 및 셀 벽 내부에 추가적인 28 체적% 마이크로미터 기공), 셀 벽의 나머지 26 체적%는 티타늄 탄화물 + 금속 티타늄이다.
그 다음, 획득된 자이로이드 격자 구조가 보강될 마모 부품(도 12에 나타난 바와 같은 계층적 마모 부품)의 영역에서 모래 몰드에 위치된다.
그 다음, 약 1640℃의 고온 액체 고크롬 백철을 몰드에 부어 자이로이드 격자 공극의 46 체적%를 채우고, 셀 벽의 입자 사이의 마이크로미터 기공의 28 체적%를 침윤시킨다.
붓기 이후, 보강된 체적의 54 체적%는 고농도의 약 49 체적%의 티타늄 탄화물(분말 팩킹 밀도)을 함유한다. 따라서, 마모 부품의 보강 부분에 있는 티타늄 탄화물의 전체 체적 함량은 약 26 체적%이다.
예 3
평균 입자 크기 D50이 11㎛인 티타늄 탄화물 분말 93 중량%의 혼합물을 아르곤으로 불활성화된 혼합기에서, 평균 입자 크기 D50가 40㎛인 티타늄 분말 7 중량%와 15분 동안 혼합하였다.
균질 혼합물을 사용하여 예 1에 사용된 것과 동일한 장비로 셀 유닛 크기가 약 30 mm이고 셀 벽 두께가 약 7 mm인 150 x 100 x 30 mm의 다이아몬드 격자 구조를 인쇄했다(도 16에 나타냄). 2-부톡시에탄올 수용액에 분산된 디에틸렌 글리콜 혼합물에 기초한 수성 바인더를 사용하여 부품을 인쇄했다(BA005 EXone).
AM 프로세스의 핵심 파라미터는 이전 예와 동일하였다(200℃에서 2시간 동안, 그리고, 그 다음 1150℃로 가열된 노에서 경화됨).
이 다이아몬드 격자 구조는 49%의 분말 팩킹 밀도에 의해 획득되었고, 합금철 침윤에 이용 가능한 총 약 73 체적%의 빈 공간을 포함하고(다이아몬드 격자 구조(셀 유닛 )의 공극으로 인한 약 45 체적% 및 셀 벽 내부에 추가적인 28 체적% 마이크로미터 기공) 셀 벽의 나머지 27 체적%는 티타늄 탄화물 + 금속 티타늄이다.
그 다음, 획득된 다이아몬드 격자 구조는 보강될 마모 부품(도 13에 나타난 바와 같은 계층적 마모 부품)의 영역에서 모래 몰드에 위치된다.
그 다음, 약 1640℃의 고온 액체 고크롬 백철을 몰드에 부어 다이아몬드 격자 공극의 45 체적%를 채우고, 셀 벽의 입자 사이의 마이크로미터 기공의 28 체적%를 침윤시킨다.
붓기 이후, 보강된 체적의 55 체적%는 고농도의 약 49 체적%의 티타늄 탄화물(분말 팩킹 밀도)을 함유한다. 따라서, 마모 부품의 보강 부분에 있는 티타늄 탄화물의 전체 체적 함량은 약 27 체적%이다.
예 4
평균 입자 크기가 7㎛인 TiC0.5N0.5 분말 90 중량%의 혼합물을 약 15분 동안 평균 입자 크기가 40㎛인 티타늄 분말 10 중량%와 아르곤으로 불활성화된 혼합기에서 혼합했다.
균질 혼합물을 사용하여 예 1에 사용된 것과 동일한 장비로 셀 크기 30 mm 및 두께 7 mm(도 16에 나타냄)을 갖는 150 x 100 x 30 mm의 다이아몬드 격자 구조를 다시 인쇄했다.
인쇄 프로세스의 핵심 파라미터는 다음과 같다:
- 각각의 인쇄된 층은 100㎛ 두께였고;
- 인쇄 속도는 층당 90초이고;
- 바인더 포화도는 100%였고;
- 분말 팩킹 밀도는 약 50%였다.
완료 후, 전체 인쇄 상자를 부품 높이 cm당 2시간 동안 200℃의 오븐에서 경화시켰다. 냉각 후 인쇄 상자를 진공으로 분말 제거하고, 브러싱하여 미가공 다이아몬드 격자 구조를 얻었다.
미가공 다이아몬드 격자 구조를 노에 배치하고 아르곤 분위기 하에서 약 3시간 동안 약 1150℃로 가열하여 대부분의 바인더(99.5%)가 연소되게 하였다.
이 다이아몬드 격자 구조는 50%의 분말 팩킹 밀도에 의해 획득되었고, 합금철 침윤에 이용 가능한 총 약 73 체적%의 빈 공간을 포함하고(다이아몬드 격자 구조(셀 유닛 )의 공극으로 인한 약 45 체적% 및 셀 벽 내부에 추가적인 28 체적% 마이크로미터 기공) 셀 벽의 나머지 27 체적%는 티타늄 탄질화물 + 금속 티타늄이다. 그 후, 고온 액체 고크롬 백철을 몰드에 부었다.
따라서, 고온 액체 고크롬 백철이 다이아몬드 격자 구조의 약 45 체적%를 채우고, 그 다음, 입자 사이의 마이크로미터 기공의 28 체적%를 채운다. 주철의 탄소와 반응하여 잔여 티타늄 입자가 티타늄 탄화물 입자로 변환된다. 붓기 이후, 보강된 체적의 55 체적%는 고농도의 약 50 체적%의 티타늄 탄화물 및 티타늄 탄질화물을 함유한다. 따라서, 마모 부품의 보강 부분에 있는 티타늄 탄질화물 및 티타늄 탄화물 입자의 전체 체적 함량은 약 28 체적%이다.
수직 샤프트 임팩터에 사용되는 앤빌 마모 부품이 본 발명의 예 1, 2, 3 및 4에 따라 획득된 TPMS 보강 격자 구조로 제조되었다.
이들은 보강된 체적에서 약 28 체적%의 티타늄 탄화물 입자의 전체 체적 백분율을 갖는 미국 특허 8,999,518 B2에 따라 과립으로 제조된 마모 부품과 비교되었다.
다음 원료 분말이 사용되었다:
- 티타늄 H.C. STARCK, Amperit 155.066, 200 메시 미만;
- 흑연 탄소 GK Kropfmuhl, UF4, >99.5%, 15㎛ 미만;
- Fe, HSS M2 강철 형태, 25㎛ 미만.
M2 강철 형태의 중량 기준으로 15% 흑연 탄소, 63% 티타늄 및 22% 철의 분말 혼합물을 아르곤 분위기 하에서 Lindor 혼합기에서 15분 동안 혼합한다.
과립화는 Sahut-Conreur 과립기로 수행된다: 롤에서 200MPa의 압력으로 이론 밀도의 75%까지 분말을 압밀하여 스트립을 제조한다. 그 후, 스트립을 과립으로 파쇄한다. 1.4 내지 4 mm 범위의 과립 치수를 획득하기 위해 과립을 체질한다.
미국 특허 8,999,518 B2의 표 5에 따라 반응 후 이 조성 및 특정 상대 밀도 결과는 침윤된 과립에서 약 50 체적%의 티타늄 탄화물 경질 입자의 체적율을 제공한다.
Figure pct00001
과립을 6 중량%의 유기 페놀 접착제와 혼합하고 원하는 형상의 몰드(예를 들어, 실리콘)에 배치한다. 접착제 응고(충분한 시간 동안 100℃에서 얻어짐) 이후, 코어가 경화되고, 탈형될 수 있다.
코어는 접착된 과립의 3D 상호연결된 네트워크에서 45 체적%의 공극(밀리미터 간극)을 포함한다. 미국 특허 8,999,518 B2의 표 6에 따르면, 1.8 g/cm3 정도의 벌크 밀도가 획득된다(과립 사이의 공간의 45% + 과립의 기공의 25%).
Figure pct00002
코어는 보강될 마모 부품(도 13에 나타낸 바와 같은 계층적 마모 부품)의 영역에서 모래 몰드에 위치되며, 따라서 55 체적%의 다공성 과립을 포함한다. 반응 후, 보강 부분에서, 미국 특허 8,999,518 B2의 표 4에 따라 고농도의 약 50%의 구형 티타늄 탄화물을 갖는 55 체적%의 영역, 즉, 마모 부품의 보강된 조대-미세구조에서 전체 티타늄 탄화물의 약 28 체적%가 획득되었다.
Figure pct00003
종래 기술 앤빌과의 성능 비교
이러한 테스트가 수행되는 수직 샤프트 충격 분쇄기의 앤빌 링이 도 9에 예시되어 있다.
이 기계(MAG Impact 2700)에서, 출원인은 동일한 조건 하에서 마모 거동을 평가하기 위해 미국 특허 8,999,518 B2에 따라 제조된 과립을 사용한 최신 기술 보강에 따른 보강된 앤빌에 의해 양쪽이 둘러싸인 본 발명에 따른 보강을 포함하는 앤빌을 배치시켰다. 파쇄될 재료가 앤빌의 작업면에 고속으로 투사된다(마모되지 않은 개별 앤빌은 도 10에 나타나 있음). 파쇄 동안 작업면이 마모된다(마모된 개별 앤빌은 도 11에 나타나 있음).
각각의 앤빌에 대해, 사용 후 중량 손실을 측정한다.
% 중량 손실 = ((최종 중량-초기 중량)/초기 중량) x 100
성능 지수는 아래와 같이 정의되며, 참조 중량 손실은 미국 특허 8,999,518 B2, 테스트 앤빌의 각각의 측면에 있는 앤빌에 따라 제조된 부품의 평균 중량 손실이다.
PI = % 참조 중량 손실/ % 테스트 앤빌 중량 손실
1을 초과한 성능 지수는 테스트 앤빌(본 발명)이 참조보다 덜 마모되었음을 의미하며, 1 미만은 테스트 앤빌이 참조보다 더 많이 마모되었음을 의미한다.
4개의 예의 핵심 파라미터가 표 A에 나타나 있다.
어떠한 이론에도 얽매이지 않고, 다음과 같이 고려된다:
- 예 2의 더 나은 성능은 종래 기술 참조와 비교하여 자이로이드 TPMS 구조의 매우 다른 설계에 의해 설명될 수 있고;
- 예 2에 비교한 예 1의 더 나은 성능은 아마도 더 작은 셀 유닛 및 메시 구성으로 인해 감소된 마모율로 설명될 수 있고;
- 예 2에 비교한 예 3의 더 나은 성능은 TPMS의 차이에 의해서만 설명될 수 있고;
- 예 3에 비교한 예 4의 더 나은 성능은 티타늄 탄화물에 비교하여 티타늄 탄질화물의 더 나은 내마모성에 의해 설명될 수 있다.
Figure pct00004
톱니
로프 셔블과 불도저 버킷에 사용되는 지면 맞물림 톱니가 본 발명에 따른 세라믹 TPMS 격자 구조를 포함하는 보강 부품을 사용하여 모래 몰드에서 주조되었다(도 8). 이들은 WO2019/211268 A1(도 7)에 따라 제조된 중앙 원통형 천공을 갖는 절단된 직사각형 기반 피라미드 형상의 금속 용기에 둘러싸인 과립으로 제조된 보강으로 제조된 마모 부품과 비교되어 보강된 영역에서 약 27 체적%의 티타늄 탄화물의 전체 체적 백분율을 제공한다.
기계적 특성은 지면 맞물림 톱니 응용에서 핵심 파라미터이다. 본 발명의 TPMS 기반 격자 구조는 다음 규칙에 따라 설계되었다:
가변 셀 벽 두께 또는 가변 셀 유닛 크기를 사용하여 톱니의 보강 부품에서 주조 금속 비율에 대한 TPMS 격자 구조의 체적%가 부품 표면을 향해 점진적으로 낮아진다. 보강이 바람직하게는 표면 아래 적어도 2 내지 6 mm에 배치되는 종래 기술 WO2019/211268 A1과 달리, 본 발명은 제어되고 가변적인 보강의 양으로 인해, 임계 응력이나 균열을 생성하지 않고 마모 부품 표면에 직접적으로 보강 코어를 배치할 수 있게 한다. 이러한 가능성은 보강된 체적을 증가시키고, 동일한 양의 재료를 사용함으로써, 보강된 영역에서 경질 입자의 전체 체적율을 감소시키며, 따라서, 보강 재료과 주조 금속 사이의 열 팽창 불일치로 인한 기계적 응력을 추가로 감소시킬 수 있게 한다.
셀 벽 두께는 표면으로부터 멀어져 톱니의 내부 코어까지 점진적으로 증가하는 반면, 셀 유닛들의 크기는 실질적으로 일정하게 유지되거나 단순히 마모 부품의 표면을 향해 증가한다.
외부 표면 아래의 정의된 깊이를 초과하여 톱니의 기계적 특성을 보장하기 위해, 보강 대 금속 비율도 톱니 중앙을 향해 낮아진다.
그 사이에서, 보강 대 금속 비율을 더 높게 유지하여 내마모성을 극대화한다.
이러한 유형의 설계는 적층 제조로 쉽게 생성될 수 있고, 또한 임계 응력을 생성하지 않고 톱니의 초기 표면을 보강할 수 있게 하며, 코어를 높은 기계적 저항으로 유지하면서 벌크 내마모성을 증가시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 세라믹 농도는 가변 셀 유닛 크기 및/또는 가변 셀 벽 두께를 통해 관리될 수 있다.
액체 금속을 부을 때의 난류를 견디는 얇은 셀 벽을 갖는 자이로이드 격자 구조의 경우, 단지 부분적으로 소결된 코어의 것보다 더 높은 강도가 필요할 수 있다. 조밀한 세라믹 TPMS 격자 구조는 소결(추가 열간 등압 프레싱 단계의 도움을 받거나 받지 않음) 또는 사후 침윤 동안 완전한 치밀화를 통해 획득된다.
예 5
88 중량% 텅스텐 탄화물과 12 중량% 코발트의 조성의, 평균 입자 크기 D50이 25㎛인 분무 건조 과립 분말을 사용하여, 상보적 체적을 가진 도 18에 나타낸 바와 같은 자이로이드 격자 구조를 인쇄하였으며, 이 자이로이드 격자 구조는 이전 예에서와 동일한 바인더를 사용하여 EXone의 Innovent 3D 바인더 분사 프린터에서 25 mm의 일정한 유닛 셀 크기(소결 후) 및 2 내지 6 mm 사이의 가변 셀 벽 두께(소결 후)를 갖는다.
인쇄 프로세스의 핵심 파라미터는 다음과 같다:
각각의 인쇄 층의 두께는 100㎛이고;
인쇄 속도는 층당 90초이고;
바인더 포화도는 60%이고;
분말 패킹은 약 45%이다.
완료 후, 전체 인쇄 상자를 200℃의 오븐에서 약 1시간/cm 단위 품목 두께 동안 경화시켰다.
냉각 후 인쇄 상자를 진공으로 분말 제거하고, 브러싱하여 미가공 자이로이드 격자 구조를 얻었다.
미가공 자이로이드 구조를 노에 배치하고 5mbar 아르곤 분위기와 함께 진공 하에서 45분 동안 1485℃로 가열하여 전체 셀 벽 미세 기공률이 폐쇄될 때까지 대부분의 바인더의 연소 및 부분 소결을 허용했다. 그 다음 1.8 MPa 아르곤 압력 하에서 10분 동안 1485℃에서 추가로 등방적으로 핫 프레싱되어 99%의 상대 밀도에 도달했다.
단면으로서 도 18b, 도 18c 및 도 18d에 상보적인 체적으로 나타낸 이 소결 자이로이드 격자 구조는 총 약 74 체적%의 공극을 포함하고 그 재료는 조밀하다(더 이상 셀 벽에 현저한 미세 기공률이 없음). 이는 보강될 마모 부품 부분의 모래 몰드에 위치된다(도 8에 나타냄).
그 후, 고온 액체 탄소강을 1630℃에서 몰드에 붓는다. 따라서, 고온 액체 탄소강이 자이로이드 격자 구조의 74 체적% 공극을 채운다. 붓기 이후, 보강 부분의 약 97%(절단된 피라미드의 100% - 중앙 실린더 구멍의 3%)는 약 26 체적%의 고농도의 약 80 체적%의 텅스텐 탄화물을 함유한다. 따라서, 마모 부품의 보강된 조대-미세구조에서 텅스텐 탄화물의 전체 체적 함량은 약 21 체적%이다.
예 6
5㎛의 평균 입자 크기를 갖는, 티타늄 탄화물 분말 75 중량%, 철 분말 19.5 중량%, 망간 분말 4 중량%, 니켈 분말 1 중량% 및 몰리브덴 분말 0.5 중량%로 형성된 분말 혼합물을 사용하여 예 5와 유사하게 25 mm의 일정한 셀 크기(소결 후) 및 2 내지 6 mm의 가변 두께(소결 후)를 갖는 자이로이드 격자 구조를 인쇄하였으며, 다음 파라미터를 사용하였다:
인쇄 프로세스의 핵심 파라미터는 다음과 같다:
각각의 인쇄 층의 두께는 50㎛이고;
인쇄 속도는 층당 90초이고;
바인더 포화도는 100%이고;
분말 패킹은 약 45%이다.
완료 후, 전체 인쇄 상자를 부품 높이 cm당 2시간 동안 200℃의 오븐에서 경화시켰다. 냉각 후 인쇄 상자를 진공으로 분말 제거하고, 브러싱하여 미가공 자이로이드 격자 구조를 얻었다.
미가공 자이로이드 구조를 노에 배치하고 4mbar 아르곤 분위기와 함께 진공 하에서 3시간 동안 1430℃로 가열하여 모든 셀 벽 미세 기공률이 폐쇄될 때까지 대부분의 바인더의 연소 및 부분 소결을 허용했다. 그 다음 1.8 MPa 아르곤 압력 하에서 10분 동안 1430℃에서 추가로 등방적으로 핫 프레싱되어 99%의 상대 밀도에 도달했다.
단면으로서 도 18b, 도 18c 및 도 18d에 상보적인 체적으로 나타낸 이 소결 자이로이드 격자 구조는 자이로이드 격자로 인해 총 약 74 체적% 공극을 포함한다. 이는 보강될 마모 부품 영역의 모래 몰드에 위치한다(도 8에 나타냄). 그 후, 고온 액체 탄소강을 몰드에 붓는다.
따라서, 고온 액체 탄소강은 자이로이드 격자 공극의 74 체적%를 채우고 있다. 붓기 이후, 보강 부분의 약 97%(절단된 피라미드의 100% - 중앙 실린더 구멍의 3%)는 약 26 체적%의 고농도의 약 82 체적%의 티타늄 탄화물을 함유한다. 따라서, 마모 부품의 보강 부분에 있는 티타늄 탄화물의 전체 체적 함량은 약 21 체적%이다.
예 7
11㎛의 평균 입자 크기 D50을 갖는 분말 티타늄 탄화물을 사용하여 상보적 체적을 갖는 도 19에 나타낸 바와 같은 20 mm의 일정한 셀 크기와 2 내지 7 mm의 가변 셀 벽 두께를 갖는 자이로이드 격자 구조를 인쇄하였으며, 다음 파라미터를 사용한다.
인쇄 프로세스의 핵심 파라미터는 다음과 같다:
각각의 인쇄 층의 두께는 100㎛이고;
인쇄 속도는 층당 90초이고;
바인더 포화도는 100%이고; 및
분말 패킹은 약 50%이다.
완료 후, 전체 인쇄 상자를 부품 높이 cm당 2시간 동안 200℃의 오븐에서 경화시켰다. 냉각 후 인쇄 상자를 진공으로 분말 제거하고, 브러싱하여 미가공 자이로이드 격자 구조를 얻었다.
미가공 자이로이드 격자 구조는 충분한 4140 강철 분말(조성 Cr: 1.11 중량%, Mn: 1.04 중량%, C: 0.4 중량%, Si: 0.24 중량%, Mo: 0.23 중량%, Fe: 잔량)을 함유하는 도가니에서 노 내에 배치되어 격자 구조의 50 체적% 미세 기공률을 채우고, 그 후, 0.001 mbar 진공 하에서 10분 동안 1450℃로 가열하여 모세관 현상에 의한 다공성 형태의 완전한 침윤이 98%의 상대 밀도에 도달하게 한다.
도 19b, 도 19c 및 도 19d에서 상보적인 체적으로 나타낸 상이한 단면의 이 자이로이드 격자 구조는 자이로이드 격자로 인해 총 약 56 체적%의 공극을 포함한다. 이는 보강될 마모 부품 영역의 모래 몰드에 위치한다(도 8에 나타냄). 그 후, 고온 액체 탄소강을 몰드에 붓는다.
따라서, 고온 액체 탄소강은 자이로이드 격자 공극의 56 체적%를 채운다. 붓기 이후, 보강 부분의 약 97%(절단된 피라미드의 100% - 중앙 실린더 구멍의 3%)는 약 44 체적%의 고농도의 약 50 체적%의 티타늄 탄화물을 함유한다. 따라서, 마모 부품의 보강 부분에 있는 티타늄 탄화물의 전체 체적 함량은 약 21 체적%이다.
예 8
평균 입자 크기 D50이 11㎛인 티타늄 탄화물 분말 86 중량%의 혼합물을 아르곤으로 불활성화된 혼합기에서, 평균 입자 크기가 40㎛인 티타늄 분말 14 중량%와 15분 동안 혼합하였다.
균질 혼합물을 사용하여 EXone사의 X1 25 Pro 3D 바인더 분사 프린터에서 20 mm의 일정한 셀 크기와 2 내지 7 mm의 가변 셀 벽 두께를 갖는 자이로이드 격자 구조를 인쇄했다. 2-부톡시에탄올 수용액에 분산된 디에틸렌 글리콜 혼합물에 기초한 수성 바인더를 사용하여 부품을 인쇄했다. (BA005 EXone).
AM 프로세스의 핵심 파라미터는 다음과 같다:
각각의 인쇄된 층은 약 100㎛ 두께이고;
인쇄 속도는 층당 90초이고;
분말 기공의 바인더 포화도는 90%이고;
분말 팩킹 밀도는 약 49%이다.
완료 후, 전체 인쇄 상자를 부품 높이 cm당 2시간 동안 약 200℃의 오븐에서 경화시켰으며, 다수의 품목이 한 번에 제조될 수 있기 때문에, 체류 시간은 격자 구조의 수에 따라 달라진다. 냉각 후 인쇄 상자를 진공으로 분말 제거하고, 브러싱하여 미가공 자이로이드 격자 구조를 얻었다.
획득된 미가공 자이로이드 기반 격자 구조를 노에 배치하고 아르곤 분위기 하에서 2시간 동안 약 1150℃로 가열하여 대부분의 바인더가 연소되게 하였다.
이 자이로이드 격자 구조는 49%의 분말 팩킹 밀도에 의해 획득되었고, 합금철 침윤에 이용 가능한 총 약 78 체적%의 빈 공간을 포함하고(자이로이드 격자 구조(셀 유닛 )의 공극으로 인한 약 56 체적% 및 셀 벽 내부에 추가적인 22 체적% 마이크로미터 기공), 셀 벽의 나머지 22 체적%는 티타늄 탄화물 + 금속 티타늄이다.
그 다음, 획득된 자이로이드 격자 구조가 보강될 마모 부품의 영역에서 모래 몰드에 위치된다. 그 후, 고온 액체 탄소강을 몰드에 붓는다. 고온, 액체, 탄소강이 자이로이드 격자 공극의 56 체적%를 채우고, 셀 벽의 입자 사이의 마이크로미터 기공의 22 체적%를 침윤시킨다.
자이로이드 격자 구조의 상이한 단면이 도 19b, 도 19c 및 도 19d에서 상보적인 체적으로 표현된다.
붓기 이후, 보강 부분의 약 97%(절단된 피라미드의 100% - 중앙 실린더 구멍의 3%)는 약 44 체적%의 고농도의 약 49 체적%(분말 팩킹 밀도)의 티타늄 탄화물을 함유한다. 따라서, 마모 부품의 보강 영역에 있는 티타늄 탄화물의 전체 체적 함량은 약 21 체적%이다.
톱니 마모 부품은 도 8에 나타낸 바와 같이 본 발명의 예 5, 6, 7 및 8에 따라 제조되었다. 본 발명에 따른 톱니 마모 부품을 WO2019/211268 A1에 따라 획득한 톱니 마모 부품과 비교하였고, 보강된 체적에서 티타늄 탄화물 입자의 전체 체적 백분율은 약 27 체적%이다.
다음 원료 분말이 사용된다:
티타늄 H.C. STARCK, Amperit 155.066, 200 메시 미만;
흑연 탄소 GK Kropfmuhl, UF4, >99.5%, 15㎛ 미만;
Fe, HSS M2 강철 형태, 25㎛ 미만;
M2 강철 형태의 중량 기준으로 15% 흑연 탄소, 63% 티타늄 및 22% 철의 분말 혼합물을 아르곤 분위기 하에서 Lindor 혼합기에서 15분 동안 혼합한다.
과립화는 Sahut-Conreur 과립기로 수행된다: 롤에서 200MPa의 압력으로 이론 밀도의 75%까지 분말을 압밀하여 스트립을 제조한다. 그 후, 스트립을 과립으로 파쇄한다. 1.4 내지 4 mm 범위의 과립 치수를 획득하기 위해 과립을 체질한다.
WO2019/211268 A1의 표 2에 따라 반응 후 이 조성 및 특정 상대 밀도 결과는 침윤된 과립에서 약 50 체적%의 티타늄 탄화물 경질 입자의 체적율을 제공한다.
Figure pct00005
과립을 천공 금속 용기에 배치한다. 그래인이 점유하는 체적은 절단된 직사각형 기반 피라미드 형상이고(실린더의 큰 베이스: 150 x 90 mm, 작은 베이스: 50 x 25 mm, 높이: 190 mm), 직경 15 mm의 중앙 실린더 구멍 천공을 갖는다.
과립 적층은 과립의 3D 상호연결 네트워크에서 45 체적%의 공극(밀리미터 간극)을 포함한다. WO2019/211268 A1의 표 3에 따르면, 1.8 g/cm3 정도의 벌크 밀도가 획득된다(과립 사이의 공간의 45% + 과립의 기공의 25%).
Figure pct00006
55 체적%의 다공성 과립을 함유하는 천공된 금속 용기가 보강될 마모 부품의 영역에서 톱니 부분의 팁의 임의의 표면으로부터 5 mm 떨어져 모래 몰드에 위치된다(도 7에 나타난 바와 같은 계층적 마모 부품). 반응 후, 보강 부분의 97%(100%의 절단된 피라미드의 - 3%의 중앙 실린더 구멍)가 고농도의 약 50%의 구형 티타늄 탄화물을 갖는 55체적%의 영역- 즉, 마모 부품의 보강된 조대-미세구조에서 전체 티타늄 탄화물의 약 27 체적%-을 포함하는 구성이 획득되고, 가 획득된다.
발명자는 로프 셔블의 버킷에서 종래 기술 WO2019/211268 A1(도 7에 나타난 바와 같음)에 따른 여러 톱니 옆에 본 발명에 따른 자이로이드 삽입물(도 8에 나타난 바와 같은)을 포함하는 여러 톱니를 배치하였고, 이 테스트는 정확히 동일한 조건 하에 마모를 평가하기 위해 수행되었다.
버킷의 톱니는 구덩이의 물질을 굴착하고, 따라서 마모를 받게 된다. 새 톱니가 도 5에 나타나 있다. 마모된 톱니가 도 6에 나타나 있다.
각각의 예에 대해, 중량 손실은 사용 전 및 후에 각각의 톱니에 계중함으로써 측정된다.
% 중량 손실 = ((최종 중량-초기 중량)/초기 중량) x 100
성능 지수는 아래와 같이 정의되며, 참조 중량 손실은 미국 특허 8,999,518 B2 톱니의 평균 중량 손실이다.
PI = 참조의 평균 % 중량 손실/테스트 톱니의 평균 % 중량 손실
1을 초과한 성능 지수는 테스트 톱니가 참조 톱니보다 덜 마모되었음을 의미하고, 1 미만은 테스트 톱니가 참조 톱니보다 더 많이 마모되었음을 의미한다.
위에서 언급한 예의 성능 지수가 표 B에 나타나 있다.
이 경우, 가혹한 조건으로 인해, 종래 기술 참조의 부피가 큰 보강 재료는 칩핑에 의해 손상되는 반면 TPMS 설계는 파손 없이 훨씬 더 나은 내마모성을 가능하게 한다.
어떠한 이론에도 얽매이지 않고, 다음과 같이 고려된다:
- 종래 기술에 비교하여 예 8의 더 나은 성능은 자이로이드 TPMS 구조의 매우 다른 설계와 이를 손상시키지 않고 톱니 표면으로부터 시작하는 보강으로 설명될 수 있다.
- 예 8에 비교하여 예 7의 더 나은 성능은 덜 제어된 제자리 침윤된 티타늄 탄화물 다공성 형태와 비교하여 주조 전에 철에 의해 미리 침윤된 티타늄 탄화물의 더 나은 특성에 의해 설명될 수 있다.
- 예 7에 비교하여 예 6의 더 나은 성능은 조밀한 열간 등방 프레싱 단계로 인한 티타늄 탄화물-금속 복합물의 훨씬 더 나은 특성으로 설명될 수 있다.
- 예 6에 비교하여 예 5의 더 나은 성능은 덜 조밀하고 훨씬 저렴한 티타늄 탄화물 기반 복합체에 비해 텅스텐 탄화물-코발트 복합체의 잘 알려진 마모 우수성으로 설명될 수 있다.
Figure pct00007

Claims (16)

  1. 보강 부품을 포함하는 계층적 복합 마모 컴포넌트로서,
    상기 보강 부품은 삼중 주기 최소 표면 세라믹 격자 구조의 보강을 포함하고, 상기 구조는 다수의 셀 유닛들을 포함하고, 상기 셀 유닛들은 공극들 및 미세 기공 세라믹 셀 벽들을 포함하고, 상기 셀 벽들의 미세 기공들은 소결 금속 또는 주조 금속을 포함하며, 상기 세라믹 격자 구조는 주조 금속 매트릭스를 갖는 이중 연속 구조로 내장되는, 계층적 복합 마모 컴포넌트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 삼중 주기 최소 표면 격자 구조는 자이로이드, 리디노이드, 네오비우스, P 표면, 다이아몬드(D 표면) 및 I-WP 또는 그 조합 및 유도체로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 계층적 복합 마모 컴포넌트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 셀 유닛들의 크기는 10 내지 60 mm, 바람직하게는 15 내지 50 mm이고, 상기 셀 벽들의 두께는 1 내지 15 mm, 바람직하게는 2 내지 10 mm 인, 계층적 복합 마모 컴포넌트.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강 부품 내의 세라믹 재료의 농도는 셀 벽 두께의 변화 및/또는 상기 보강 부품의 섹션에 걸친 셀 유닛의 크기에 의해 관리되는, 계층적 복합 마모 컴포넌트.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 재료는 금속 탄화물, 붕화물 및 질화물 또는 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 계층적 복합 마모 컴포넌트.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 재료는 티타늄 탄화물, 티타늄 탄질화물; 티타늄 크롬 탄화물, 티타늄 붕화물 및 텅스텐 탄화물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 계층적 복합 마모 컴포넌트.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주조 금속 매트릭스는 강철 또는 주철을 포함하는 철 합금 매트릭스인, 계층적 복합 마모 컴포넌트.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 셀 벽들의 미세 기공들에 존재하는 소결 금속은 티타늄, 텅스텐, 크롬, 강철 및 주철 또는 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 계층적 복합 마모 컴포넌트.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 격자 구조 내의 상기 세라믹 재료의 농도는 30 내지 90 체적%, 바람직하게는 40 내지 80 체적% 범위인, 계층적 복합 마모 컴포넌트.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보강 부품 내의 상기 세라믹 재료의 농도는 5 내지 50 체적%, 바람직하게는 10 내지 40 체적% 범위인, 계층적 복합 마모 컴포넌트.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 계층적 복합 마모 컴포넌트의 제조 방법으로서,
    - 세라믹 입자들을 포함하는 분말 혼합물을 통해 삼중 주기 최소 표면 기하형상의 세라믹 격자 구조를 적층 제조하는 단계;
    - 상기 세라믹 격자 구조를 적어도 부분적으로 소결하는 단계;
    - 몰드에 상기 세라믹 격자 구조를 위치시키는 단계;
    - 제 1 항의 보강된 계층적 복합 마모 컴포넌트를 획득하기 위해 합금철을 주조하는 단계를 포함하는, 계층적 복합 마모 컴포넌트의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 보강 세라믹 격자 구조를 적어도 부분적으로 소결하는 단계는 몰드 내 배치 및 최종 주조 전에 티타늄, 텅스텐, 크롬, 강철 및 주철 또는 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속에 의한 상기 구조의 셀 벽들의 미세 기공률의 거의 완전한 함침을 포함하는, 계층적 복합 마모 컴포넌트의 제조 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 적어도 부분적으로 소결하는 단계 후에 열간 등압 프레싱 단계 또는 사후 침윤 단계가 이어지는, 계층적 복합 마모 컴포넌트의 제조 방법.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    삼중 주기 최소 표면 기하형상에 기초하여 상기 보강 세라믹 격자 구조를 적층 제조하는 단계는 150℃를 초과한 온도에서의 바인더 경화가 뒤따르는 바인더 분사 기술 또는 융합 베드 레이저 기술에 의한 적층 제조인, 계층적 복합 마모 컴포넌트의 제조 방법.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 분말의 입자들은 레이저 회절 기술에 의해 측정된 입자 크기 D50이 1 내지 150㎛, 바람직하게는 5 내지 100㎛ 인, 계층적 복합 마모 컴포넌트의 제조 방법.
  16. 충격 분쇄기, 홈 톱니로서의 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 계층적 복합 마모 컴포넌트의 용도.
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