KR100432164B1 - 세라믹 볼트 너트 초음파 성형 방법 및 가공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹 볼트, 너트 초음파 가공에 관한 것이다.

더욱 상세하게는 세라믹 소재를 선정하여 구비된 세라믹 분말을 물과 혼합하는 공정과;

상기 혼합된 세라믹을 볼트형상의 플레스금형에 넣고 압력1ton/㎠∼2ton/㎠로 성형공정을 거쳐 나사산이 1차형성된 볼트 또는 너트를 성형하는 공정과;

상기 프레스 성형공정 후 소결로에서 온도 1200℃∼2000℃의 온도에서 약6∼16시간 동안 진행되어 소결된 다음 서서히 냉각하는 소결 공정과;

상기 소결되어 1차 성형된 볼트 또는 너트를 초음파 가공하여 완전한 볼트 또는 너트로 성형한 다음 검사하는 공정으로 세라믹볼트 너트 제조공정이 이루어진 것이다.

이와 같이된 본 발명은 세라믹으로 볼트 및 너트를 성형함으로서 청정(Clean room), 내식용, 내열성, 비자성체, 방사선용, 내화학성, 저온, 고온, 전도성, 절연성 등의 특수 환경에서도 사용이 가능하도록 함과 동시에 산, 알카리, 유독가스(Fume), 수증기(steam), 가스에서 화학적으로 변화 없이 사용 가능토록 하여 물성적인 경도를 갖도록 하고 무릎, 발목, 골반등의 인공관절과 두개골에 사용할 수 있도록 한 것이다.

Description

세라믹 볼트 너트 초음파 성형 방법 및 가공방법{a method processing and supersonic method adult form of nut and bolt ceramic}

본 발명은 세라믹 볼트, 너트 초음파 가공에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 세라믹분말을 금형에 넣어 1차 볼트를 성형한 후 초음파로 나사산을 정밀 가공하여 볼트와 너트를 형성함으로 세라믹 인공뼈, 플라스틱인공뼈, 티타늄 인공뼈 등을 하기 위한 인체수술시, 또는 금속볼트 너트를 사용하기 부적합한 반도체 칩 생산 크린실 제약회사 크린실 등의 산업시설물에 사용할 수 있도록 하는 동시에 경량볼트를 제공할 수 있도록 발명된 세라믹 볼트 너트 초음파 성형 방법 및 그 구조에 관한 것이다.

기존의 볼트와 너트는 대부분 금속(스테인레스, 주철 등)으로 이루어져 중량이 무겁고 인체의 뼈(척추, 관절, 두개골, 발목뼈)에 사용시 금속독성이 발생되어 부작용의 확율이 매우 높으며, 플라스틱 볼트너트의 경우 거식 세포가 파괴되는 면역학적 작용이 이루어져 각종 조직용해물질 특히 파골세포를 활성화시키는 물질로 변하여 플라스틱 볼트 너트가 용해되어 유격이 발생되므로 사용시 재수술을 받아야 하는 문제점이 있었다.

즉, 금속 볼트너트는 부식성에 매우 약하므로 인체뿐만 아니라 반도체 칩 생산공장, 제약회사 등의 크린실에 설치되는 설비의 고정볼트로 사용시 금속가루의분진에 의하여 제품의 불량이 발생되는 문제가 있어 금속재의 볼트를 사용하기에는 매우 부적합재질이므로 이를 대체할 수 있는 재질의 볼트 너트가 연구되고 있는 실정이며 산업현장에서는 금속볼트의 대체 소재가 절실한 상황이다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 볼트, 너트의 소재를 세라믹(Seramic)으로 원료처리→성형→소결→초음파가공→완제품→검사→포장의 공정으로 볼트 또는 너트를 성형하여 의료용, 진공용, 청정용(Glean room), 내식용, 내열성, 비자성체, 방사선용, 내화학성, 저온, 고온, 전도성, 전열성 등을 갖도록 한 것으로서, DI-water, 산, 알카리, 유독가스(Fume), 수증기(steam), 가스등에 화학적으로 부식이 이루어지지 않도록 하여 제품의 불량 율을 최대한 줄일 수 있도록 하고 인체에 사용시 부작용이 발생하지 않도록 발명한 것이다.

도1은 본 발명에 따른 세라믹 볼트너트의 제조공정 블럭도.

도2a는 본 발명의 1차성형된 세라믹 볼트는 고정되고 초음파 가공장치가 이동 회전하면서 나사산을 가공하는 예시도.

도2b는 도2a의 가공상태의 종단면 구성 예시도.

도3a는 본 발명의 초음파기는 고정된 상태이고 1차 성형된 볼트가 회전 이동하면서 나사산이 초음파 가공되는 실시예.

도3b는 본 발명의 세라믹 너트의 나사산을 초음파 가공하는 상태의 예시도.

도4a는 본 발명의 세라믹 볼트는 서서히 이동되고 너트형태의 초음파기가 나사산을 가공하는 예시도.

도4b는 본 발명의 세라믹 너트는 서서히 이동되고 볼트형태의 초음파기가 나사산을 가공하는 예시도.

도5는 본 발명의 초음파가공에 의하여 완성된 세라믹 볼트 너트 예시도.

도6은 본 발명의 볼트를 성형시 봉형태로 1차 성형한 후 초음파가공하기 전 다른 실시예시도.

<도면중 주요 부분에 대한 부호 설명>

1:세라믹 볼트 1':봉형태 볼트

2:세라믹 너트 3,3',4,4':초음파기

이하 첨부 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

세라믹 소재를 선정하여 구비된 세라믹 분말을 물과 혼합하는 반죽공정과;

상기 물과 혼합된 복합 실리콘나이트라이드 세라믹을 스프레이 방식으로 80℃의 챔버내에 구상화하는 공정과;

상기 혼합 반죽된 세라믹을 볼트 또는 너트형상의 플레스금형에 넣고 압력1ton/㎠∼2ton/㎠로 성형공정을 거쳐 나사산이 1차형성된 볼트 또는 너트를 성형하는 공정과;

상기 프레스 성형공정 후 소결로에서 온도 1200℃∼2000℃의 온도에서 약6∼16시간 동안 소성이루어진 다음 서서히 냉각하는 소결 공정과;

상기 소결되어 1차 성형된 볼트 또는 너트를 초음파 가공하여 완전한 볼트(1) 또는 너트(2)를 성형한 다음 검사하는 공정으로 세라믹볼트 너트 제조 공정이 이루어진다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 세라믹 볼트(1)는 소재에 따라서 성형방법에 차이를 달리 할 수 있는 것으로 그 실시예를 설명하면 다음과 같다.

실시예1 : 복합 실리콘나이트라이드 세라믹

실리콘나이트라이드(Si₃N₄) 90%, 이투륨(Y₂O₃) 5%, 질화티타늄(TiN) 2%, 알루미나(Al₂O₃) 2%, 산화 티탄(TiO₂) 1%의 조성물로 이루어진 복합 실리콘나이트라이드 세라믹분말을 혼합하는 공정과;

상기 혼합된 복합 실리콘나이트라이드 세라믹분말을 1: 물 6을 혼합하는 공정과;

상기 물과 혼합된 복합 실리콘나이트라이드 세라믹을 스프레이 방식으로 80℃의 챔버내에 구상화하는 공정과;

상기 구상화된 복합 실리콘나이트라이드 세라믹 분말을 볼트 또는 너트의 형상으로 프레스 압력1ton/㎠∼2ton/㎠로 1차 성형공정과;

상기 프레스 성형공정 후 소결로에서 온도 1750℃에서 2시간 1950℃에서 4시간 동안 소성한 다음 서서히 냉각하는 소결 공정과;

상기 소결된 볼트 또는 너트를 초음파 가공하여 완전한 볼트(1) 또는 너트(2)를 성형한 다음 검사 및 포장으로 하는 공정으로 이루어진 것이다.

즉, 상기 실시예1은 실리콘나이트라이드(Si₃N₄) 90%, 이투륨(Y₂O₃) 5%, 질화티타늄(TiN) 2%, 알루미나(Al₂O₃) 2%, 산화 티탄(TiO₂) 1%를 볼밀( ball Mill)방법(분말내부에 볼을 넣고 회전시켜 각각의 조성물이 골고루 혼합하게 됨)으로 혼합한 복합 실리콘나이트라이드 세라믹분말 1: 물 6으로 혼합하여 80℃로 스프레이 드라이(Spray Dry)하여 얻어진 구상화된 세라믹분말을 볼트 또는 너트형태의 프레스 금형에 채우고 프레스 압력1ton/㎠∼2ton/㎠로 압축한다.

상기 압축된 볼트 또는 너트를 1,750℃에서 2시간 1,950℃에서 4시간 동안 소성한 다음 서서히 냉각하는 소결 공정을 거친다.

상기 프레스에서 압축한 볼트는 강도를 갖기 위해 소결로에서 표1의 그래프 같이 온도 1,750℃에서 2시간 1,950℃에서 4시간 동안 소성한 다음 서서히 냉각하는 소결 공정으로 진행된다.

상기 표1에서도 알 수 있듯이 소결로에서 소결시 세라믹볼트는 처음 4시간 동안은 서서히 온도가 상승하여 1750℃에서 2시간 동안 소강상태를 이루다 다시 2시간 동안 서서히 상승하여 1950℃에서 약4시간 동안 소강상태를 유지하다 서서히 하강하여 냉각시키도록 한다.

이때 볼트 또는 너트는 내측에서 부터 외면까지 일체형으로 이루어져 내면의 강도와 외면의 강도가 균일하다.

이렇게 1차 성형된 세라믹 볼트는 도2a 과 같이 통상의 초음파기로 볼트의 나사산을 정밀가공 한다.

상기 초음파 가공은 초음파기 작동형태에 따라 도2a와 같이 1차 가공된 볼트를 고정하고 초음파기(3)가 서서히 나선형을 따라서 이동하면서 볼트(1)를 가공할수 있으며, 도3과 같이 초음파기는 고정되고 1차 가공된 볼트는 회전하면서 서서히 일측으로 이동함으로서 나사산을 정밀 가공할 수 있게 된다.

본 발명에서 세라믹너트의 나사산 가공시에는 초음파기를 너트의 나사산 가공에 알맞는 탭 또는 디이스 형태로 변형하여 가공하는 것이 바람직하다.

또한 세라믹 볼트(1)와 너트(2)는 통상의 KS규격에 준하여 가공 성형된다.

실시예2 : 복합 지르코니아 세라믹

지르코니아(ZrO₂) 92.66∼96.4%, 이투륨(Y2O₃) 4.95∼5.35%, 알루미나(Al₂O₃) 0.15∼0.35%, 산화규소(SiO₂) 0.02%, 산화철(Fe₂O₃) 0.01%, 산화나트륨(Na₂O) 0.04%의 조성물로 이루어진 복합 지르코니아 세라믹 분말을 혼합하는 공정과,

상기 혼합된 복합 지르코니아 세라믹분말을 1: 물 6을 혼합하는 공정과;

상기 물과 혼합된 복합 지르코니아 세라믹을 스프레이 방식으로 80℃의 챔버내에 구상화하는 공정과;

상기 복합 지르코니아 세라믹 분말을 볼트 형태로 프레스하는 성형공정과,

상기 프레스 성형공정에서 압력1ton/㎠∼2ton/㎠으로 성형하는 공정과;

상기 성형된 볼트를 소결로에서 온도 1200℃∼1400℃에서 소결하는 공정과,

상기 소결되어 나사산이 1차 성형된 세라믹 볼트의 나사산을 초음파로 정밀 가공하여 검사하는 공정으로 이루어진 것이다

상기 공정에 의하여 성형되는 본 발명은 세라믹 볼트를 제조하기 위한 사전 단계로서 원료를 지르코니아(ZrO₂), 이투륨(Y2O₃), 알루미나(Al₂O₃),산화규소(SiO₂), 산화철(Fe₂O₃), 산화나트륨(Na₂O)의 조성물로 이루어진 복합 지르코니아 세라믹 분말을 혼합하여 볼트를 성형할 수 있도록 원료를 준비한다.

상기와 같이 준비된 조성물을 지르코니아(ZrO₂) 92.66∼96.4%, 이투륨(Y2O₃) 4.95∼5.35%, 알루미나(Al₂O₃) 0.15∼0.35%, 산화규소(SiO₂) 0.02%, 산화철(Fe₂O₃) 0.01%, 산화나트륨(Na₂O) 0.04%을 혼합된 복합지르코니아 세라믹 분말 1: 물6을 혼합하여 80℃로 스프레이 드라이(Spray Dry)하여 얻어진 구상화된 세라믹분말을 볼트 형태의 프레스 금형에 채우고 프레스 압력1ton/㎠∼2ton/㎠로 압축한다.

상기 성형된 볼트를 소결로에서 온도 1200℃∼1400℃에서 6시간 이상 소결이 진행되므로 내부와 외면의 강도가 동일하도록 한다.

상기 소결되어 나사산이 1차 성형된 세라믹 볼트의 나사산을 초음파로 정밀 가공하여 검사하는 공정으로 이루어진 것이다

상기 금형은 성형하고자 하는 볼트의 크기에 따라서 여러가지 종류로 설계 제작한다.

본 발명에서 사용되는 지르코니아 소결은 대개 1200℃ 이상에서 이루어지므로 소성온도를 1,250℃에서 1,400℃까지 변화시켜 밀도와 수축율 등의 특성변화를 조사하여 최적의 제조공정조건을 도출시키도록 하였다.

또한 아래의 표2는 소성온도와 성형압에 따른 외경 수축율을 측정한 것이며, 표3은 소성온도와 성형압에 따른 내경 수축율이며, 표4는 소성온도와 성형압에 따른 두께 수축율이며, 표5는 소결온도와 일축성형압에 따른 밀도의 특성을 나타낸것이며, 표6은 소결온도와 정수압(CIP)에 따른 밀도의 특성을 나타낸 것이다.

상기의 표에서 알 수 있듯이 소결 온도가 높을 수록 지르코니아 베어링의 소결 밀도는 증가하였는데 소성온도는 1,250∼1,300℃ 였으며, 일축성형 때의 밀도는 5.92∼6.12g/㎤로 폭넓은 값이 얻어졌다.

상기 성형압은 저온에서 수축율에 영향을 많이 주었으며 1,250℃에서는 소성온도가 중요한 인자로 작용하였다.

상기 표5와 표6에서 살펴보면, 일축성형과 정수압성형간의 차이는 1,250℃의 저온 소결 영역에서만 압력의 영향을 받았다. 이때 정수압성형에서는 밀도가 5.91∼6.07g/㎤의 값으로 일축성형시 보다 변화 폭이 적게 얻어졌다.

이렇게 된 본 발명의 실시예1과 실시예2에서 사용하는 세라믹 볼트 재료와 기존의 스텐레스 재료의 물리, 화학적성질을 살펴보면 다음의 표7과 같다.

상기 표7에서와 같이 본 발명의 세라믹볼트는 세라믹의 종류에 따라서 밀도, 경도, 굽힘강도, 영율, 비열, 열팽창율, 열충격성, 열전도율, 안전성, 내식성, 용도 등의 특성이 다소 차이가 있지만 기존의 금속볼트로 사용되는 스텐레스재질에 비하여 모든 분야에서 월등한 효과를 갖는 것을 알수 있습니다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 세라믹 볼트 제조공정을 간단히 요약하여 살펴보면, 선택된 세라믹(Seramics)분말을 원료준비→원료와 물혼합→구상화→프레스로1차 성형→소결→초음파 가공→검사→완제품 포장의 공정으로 세라믹 볼트(1)를 성형하는 것이다.

상기와 같이 실시되는 본 발명의 세라믹 볼트는 도2a 및 도3에 도시된 바와 같이 1차 볼트의 나사산을 형성한 후 초음파로 나사산을 정밀가공할 수도 있지만 도6과 같이 프레스로 성형시 나사산을 전혀 형성하지 않고 볼트 머리부와 원형봉 형태만을 성형한 후 초음파기(3)로 볼트(1)의 나사산을 형성할 수 있다.

또한 본 발명의 세라믹 볼트(1)를 초음파기로 성형시 가공방법에 따라서 도2a 및 도2와 같이 세라믹 볼트(1)를 고정하고 초음파기(3)를 나사산 방향으로 회전시키면서 일측으로 이동시켜 나사산을 형성하는 수직 정암 초음파방법을 이용할 수 있으며, 도3a 및 도3b와 같이 초음파기(3)를 고정하고 1차 반가공된 세라믹 볼트(1)를 회전시키면서 수직 정암 초음파방법으로 나사산을 가공할 수 있다.

본 발명의 도4a 및 도4b는 너트형태의 초음파기(4)로 볼트(1)의 나사산을 형성하는 방법과 볼트형태의 초음파기(4')로 너트(2)의 나사산을 가공하는 실시예이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 초음파기로 볼트를 가공시 가공형태가 본 발명의 일부 권리범위가 될 수 있지만 세라믹 소재로된 볼트를 초음파로 가공한 세라믹 볼트가 본 발명의 주 권리범위인 것이다.

상기 본 발명의 볼트 및 너트의 소재로 사용되는 세라믹은 ZrO₂, Al₂O₃,Si₃N₄, SiC 등의 소재를 선택하여 사용할 수 있으며, 볼트의 제조방법은 동일하나 소재에 따라서 혼합비율, 소결온도는 그 특성에 따라서 약간에 차이를 갖게 된다.

이와 같이된 본 발명의 세라믹 볼트는 청정용(Clean room), 내식용, 내열성, 비자성체, 방사선용, 내화학성, 저온, 고온, 전도성, 전열성 등에 잘 견딜 수 있도록 함으로써, 반도체 칩을 생산하기 위한 작업 시설에 사용되는 볼트 및 너트, 반도체 웨이퍼 엣칭시 엣칭액에 의한 볼트 너트의 부식방지, 해변가에 설치되는 기계설비에 사용되는 부식방지용 볼트 너트, 얼음분쇄기 및 인공설에 사용되는 볼트 너트, 냉동에 의한 부식방지, 제약회사 작업현장의 작업설비에 사용되는 볼트 너트, 산, 알카리, 유독가스(Fume), 수증기(steam), 가스등과 접촉되는 현장 설비장치의 볼트 너트 및 인공 뼈에 설치되는 세라믹 볼트너트로 사용할 수 있게 된 것으로 본 발명의 세라믹 볼트 너트는 특수환경분야 및 첨단 기술분야 등 산업전반에 걸쳐 신개념의 설비기술을 지원할 수 있게 된 효과를 갖게 되었다.

Claims (5)

1. 세라믹으로 성형된 볼트 및 너트 제조 방법에 있어서,

   세라믹 소재를 선정하여 구비된 세라믹 분말을 물과 혼합하는 공정과;

   상기 물과 혼합된 세라믹을 스프레이 방식으로 80℃의 챔버내에 구상화하는 공정과;

   상기 구상화된 세라믹을 볼트 너트형상의 플레스금형에 넣고 압력1ton/㎠∼2ton/㎠로 1차 성형공정과;

   상기 프레스 성형공정 후 소결로에서 온도 1200℃∼2000℃의 온도로 6∼16시간 동안 전체적인 소성이 이루어지도록 한 다음 서서히 냉각시켜 수직 정암 초음파 방법으로 소결하는 공정과;

   상기 소결되어 1차 성형된 볼트 또는 너트를 초음파 가공하여 완전한 볼트 너트를 성형한 다음 검사하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 세라믹 볼트 너트 초음파 성형 방법.
2. 제1항에 있어서,

   실리콘나이트라이드(Si₃N₄) 90%, 이투륨(Y₂O₃) 5%, 질화티타늄(TiN) 2%, 알루미나(Al₂O₃) 2%, 산화 티탄(TiO₂) 1%의 조성물로 이루어진 복합 실리콘나이트라이드 세라믹분말을 혼합하는 공정과;

   상기 혼합된 복합 실리콘나이트라이드 세라믹분말을 1: 물 6을 혼합하는 공정과;

   상기 물과 혼합된 복합 실리콘나이트라이드 세라믹을 스프레이 방식으로 80℃의 챔버내에 구상화하는 공정과;

   상기 구상화된 복합 실리콘나이트라이드 세라믹 분말을 볼트 또는 너트의 형상으로 프레스 압력1ton/㎠∼2ton/㎠로 1차 성형공정과;

   상기 프레스 성형공정 후 소결로에서 온도 1750℃에서 2시간 1950℃에서 4시간 동안 소성한 다음 서서히 냉각하는 소결 공정과;

   상기 소결된 볼트를 초음파 정밀 가공하여 완전한 볼트 너트를 성형한 다음 검사 및 포장하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 세라믹 볼트 너트 초음파 성형 방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 세라믹 볼트 너트를 나사선 방향의 정암 초음파 방법으로 나사산을 가공하는 것을 특징으로 하는 세라믹 볼트 너트 초음파 가공방법.