KR100450429B1 - 매크로 기공이 형성된 워터씰의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 매크로기공이 형성된 워터씰의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 수도꼭지 내부의 세라믹카트리지에 체결되는 워터씰의 표면에 다수의 매크로기공을 형성하여 접촉면적을 조절함으로써 워터씰의 밀봉성과 내구성을 향상시킴과 동시에 워터씰의 윤활성을 증대시키는 매크로기공이 형성된 워터씰의 제조방법에 관한 것이다.

Description

매크로기공이 형성된 워터씰의 제조방법 {A method for forming macro pore on the water seal}

본 발명은 매크로기공이 형성된 워터씰의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 수도꼭지 내부의 세라믹카트리지에 체결되는 워터씰의 표면에 다수의 매크로기공(macro pore)을 형성하여 워터씰의 상, 하부세라믹디스크간의 접촉면적비를 조절함으로써 워터씰의 밀봉성과 내마모성을 향상시킴과 동시에 워터씰의 윤활성을 증대시키는 매크로기공이 형성된 워터씰의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 워터씰(water seal)은 싱글 레버식 수도꼭지(이하 "수전"이라 함) 내부의 카트리지에 체결되어 온냉수 혼합, 수돗물의 개폐, 누수방지 등의 기능을 하는 씰(seal)의 일종으로, 우수한 내마모도를 필요로 하기 때문에 주로 세라믹디스크 형태로 사용되는데, 그 중에서도 알루미나함량이 96%인 세라믹디스크가 많이 사용되고 있다.

상기 워터씰은 수전 내부의 카트리지에 상부 세라믹디스크(upper ceramic disc)와 하부 세라믹디스크(lower ceramic disc)가 한 세트로서 체결되어 이 두 개의 세라믹디스크가 서로 맞물린 상태에서 전후좌우의 움직임으로 물의 양과 온도를 조절하게 된다.

이러한 수전용 워터씰은 밀봉성(누수방지), 내마모성 외에도 윤활성이 좋아야 하는데, 윤활성이란 수전의 핸들 조작 시 회전마찰력(torque)이 낮아 핸들을 용이하게 조작할 수 있는 정도를 의미하는 것으로, 상기 핸들조작의 용이성을 결정하는 요인 중에서 워터씰과 직접적으로 연관된 것으로는, 워터씰 접동면(Working area)의 접촉면적비(SBA)와, 워터씰 접동면의 평활도(flatness)가 있다.

본 발명은 워터씰 접동면의 접촉면적비에 관련된 것으로서, 여기에서 접촉면적비란 수전 내부의 세라믹카트리지에 체결된 워터씰의 상부 세라믹디스크와 하부 세라믹디스크 상호간의 표면에 접촉할 수 있는 단위면적당 비율로 정의되며, 통상적으로 요구되는 국제품질기준규격은 50~80%이다.

도 1 은 종래의 워터씰(11) 표면구조를 나타낸 것으로서, 워터씰의 표면을 래핑(lapping) 및 폴리싱(polishing)에 의해 연마하는 과정에서 알루미나질로 된 3~20㎛의 결정입자들이 탈락되면서 워터씰 표면에 10~30㎛ 정도의 개방된 마이크로기공(open micro pore)들이 형성된 것이다. 이를 반사현미경으로 관찰하면, 검게 보이는 부위는 마이크로기공(12) 및 스크래치(scratch)이며, 밝게 보이는 부위가 접촉면(13)이다.

이때 워터씰의 양측 세라믹디스크의 접촉면적비를 조정하는 방법으로는, 최종 폴리싱 과정에서 연마재로 사용되는 다이아몬드 파우더(diamond powder)의 입자크기를 조절함으로써 가능하다. 즉, 다이아몬드 파우더 입자가 큰 것을 사용할 경우에는 접촉면적비가 작아지고, 작은 것을 사용할 경우에는 접촉면적비가 커지는 것이다. 이에 대하여 표 1 에 도시하였다.

이와 같이, 종래에는 워터씰의 접촉면적비가 단지 폴리싱과 같은 연마과정을 통해 조절되어 왔으며, 이러한 연마과정에 의해서는 워터씰 표면에 10~30㎛의 미세한 기공을 형성할 수 있을 뿐으로서 이는 워터씰 표면의 미접촉부위인 기공의 수는 제어할 수 있지만, 기공의 크기를 제어할 수 없으므로 단지 접촉면적을 줄여 워터씰의 윤활성을 도모할 수밖에 없었다.

도 2 는 워터씰의 표면 접촉면적비에 따른 워터씰의 특성을 나타낸 것으로서, (a)는 접촉면적비가 큰 것이고 (b)는 접촉면적비가 작은 것이다.

(a)와 같이 워터씰의 접촉면적비를 크게 할 경우에는 밀봉성 및 내마모성은 향상되지만, 워터씰의 세라믹디스크 간에 상대적으로 접촉면적이 크기 때문에 워터씰의 윤활성이 떨어지게 되어, 이를 사용 시 수전의 조작핸들의 움직임이 무거워진다는 단점이 있다.

반면에, (b)와 같이 워터씰의 접촉면적비를 작게 할 경우에는 워터씰의 세라믹디스크 간에 상대적으로 접촉면적이 작기 때문에 워터씰의 윤활성은 향상되나, 장기간 사용 시에는 접촉면적이 큰 제품에 비해 마찰에 의한 표면마모 현상이 크기 때문에 내마모성이 저하되며, 미세한 기공이 서로 연결되어 누수의 가능성도 있어 밀봉성이 좋지 않다는 단점이 있다.

그러므로 밀봉성과 내마모성 및 윤활성이 모두 양호한 워터씰을 개발해야 할 필요가 있다.

한편, 워터씰의 상, 하부 세라믹디스크는 상호간의 마찰계수가 매우 높기 때문에, 이 마찰을 줄이기 위해서 즉, 워터씰의 윤활성을 좋게 하기 위해 상기 워터씰의 상, 하부 세라믹디스크 사이에 형성된 접동면(슬라이딩면)에 실리콘 그리스와 같은 윤활유를 주입하여 사용하게 되고, 이때 상기 접동면 상에 형성된 미세한 마이크로기공(micro pore)이 유체저장소 역할을 하게 된다.

그러나, 종래의 마이크로기공이 형성된 워터씰 표면구조로는 시간이 경과할수록 물에 의해 윤활유가 모두 흘러내리거나 씻겨 없어지게 되고, 이와 같이 워터씰 표면에 존재하는 윤활유가 감소함에 따라서 접동에 필요한 회전마찰력이 커져 윤활성이 급격히 감소하고, 심지어는 상기 상, 하부 세라믹디스크가 서로 부착하여 움직이지 않게 되는 부착현상(stick)이 발생하는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 수전 내부에 체결되는 워터씰의 밀봉성 및 내마모성이 향상됨과 동시에 윤활성이 증대된 매크로기공이 형성된 워터씰의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

도 1 은 종래의 마이크로기공이 형성된 워터씰의 표면을 나타낸 평면도

도 1a 는 도 1 의 일부 종단면도

도 2 는 워터씰의 표면 접촉면적에 대한 개념을 설명하기 위한 설명도

도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 매크로기공이 형성된 워터씰의 표면을 나타낸 평면도

도 3a 는 도 3 의 일부 종단면도

도 4 는 본 발명에 따른 워터씰의 특성을 나타낸 그래프

＜도면의 주요 부분에 대한 부호설명＞

1,11 : 워터씰 2 : 매크로기공

3,13 : 접촉면 12 : 마이크로기공

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 매크로기공이 형성된 워터씰의 제조방법은, 매크로기공을 형성하기 위한 원료를 습식분쇄하여 분무건조한 후 체분리하여 원료분말을 제조하는 단계; 상기 원료분말을 워터씰의 기재인 알루미나질 분말과 믹서로 혼합하는 단계; 상기 혼합분말을 프레스 가공한 후 소성하여 워터씰을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 워터씰의 표면을 연마하는 단계를 포함하는 것으로, 이는 상기 매크로기공을 형성하기 위해 세라믹재질이나 유기물재질을 습식분쇄한 후 분무건조하여 과립화한 다음, 60~230메쉬로 체분리한 원료분말 0.1~3wt%와, 워터씰 기재인 알루미나질 분말 97~99.9wt%를 혼합한 후 이를 50~300KN의 압력으로 프레스 성형한 것을 온도 1600~1650℃에서 소성한 후 정밀연마 가공하는 것이 특징이다.

또한, 본 발명의 매크로기공을 형성하는 원료는 알루미나질보다 저온에서 용융 확산되거나 소멸되는 세라믹재질이나 유기물재질 중에서 선택되는 것으로서, 상기 세라믹재질은 규산질, 규산알루미늄질, 장석질, 석회질, 마그네시아질, 세리나이트, 벤토나이트 중에서 적어도 1종 이상 선택되며, 상기 유기물재질은 전분, 밀가루 및 커피용 프리마 분말과 같은 유기화합물 중에서 적어도 1종 이상 선택되는 것이 특징이다.

이하 첨부된 도면들을 참조로 하여 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다.

우선, 본 발명에 따른 매크로기공이 형성된 워터씰의 제조방법은, 워터씰의 기재(基材)인 알루미나질 소지분말에 기공(pore)을 형성시키는 별도의 분말을 미량 혼합하여 프레스 성형한 후, 이를 고온에서 소성시키는 과정에서 미량 혼합된 매크로기공형성용 분말이 소멸되면서 워터씰 내에 빈자리(pore)가 형성되고, 이어서 소성된 워터씰을 연마 가공함으로써 워터씰 표면에 개방된(open) 매크로기공이 형성되는 것이다.

이하, 본 발명의 매크로기공이 형성된 워터씰의 제조방법을 공정에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

제 1 단계 : 원료분말제조 과정

우선, 워터씰에 매크로기공을 형성시키는 원료분말을 제조한다.

매크로기공(macro pore)을 형성하는데 사용되는 원료로는 산화물계의 세라믹재질 및 유기물재질이 사용되는데, 이는 워터씰의 용도에 따른 적절한 물리적, 화학적 특성을 변화시키지 않는 범위에서 선택되어질 수 있는 것이다.

상기 세라믹재질의 경우에는, 워터씰의 기재인 알루미나질의 소결온도보다 낮은 온도인 1200~1500℃에서 용융이 시작되어 기재인 알루미나 입계(粒界)를 따라 용융이 확산되며, 또한 고온에서 휘발되어 세라믹재질이 존재했던 자리가 소지되어 빈자리가 생기면서 기공(pore)을 형성하는 현상을 이용하는 것이다.

이러한 세라믹재질로는 바람직하게는 규산질, 규산알루미늄질, 장석질, 석회질, 마그네시아질, 세리사이트, 벤토나이트 또는 이들의 혼합물 등이 사용되는데, 이는 당해 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자에게는 저온에서 용융되는 조성을 만드는 것은 적절히 조정할 수 있다.

상기 유기물재질의 경우에는, 워터씰의 기재인 알루미나질과 혼합되어 소결(sintering) 시 온도 200~700℃ 범위에서 유기물재질이 연소(burn-out)되어 소멸되는 현상을 이용하는 것이다.

이러한 유기물재질로는 바람직하게는 전분, 밀가루 및 커피용 프리마 분말과 같은 유기화합물 등을 사용할 수 있다.

상기 원리에 따라, 매크로기공 형성용 세라믹재질 또는 유기물재질을 볼밀(ball mill) 등에 의해 5~20시간동안 습식분쇄한 후, 분무건조기(spray dryer)로 분무건조시켜 구형의 과립을 만들어 분말가압성형이 가능하도록 한다.

이어서, 상기 과립을 60~230메쉬로 체분리함으로써 최종적으로 요구되는 특성에 맞는 크기로 분급한다.

이때, 상기 체분리 과정을 통해 워터씰 표면에 형성되는 매크로기공의 크기및 크기 균일성이 조절되는 것으로, 이는 소비자의 요구, 제품의 특성, 사양에 따라 그 분급을 달리하여 필요한 크기를 부여할 수 있는 것이다.

제 2 단계 : 혼합 과정

다음으로, 상기 제 1 단계에서 얻어진 매크로기공 형성용 원료분말과 워터씰 기재용 알루미나질 분말을 혼합한다.

상기 워터씰 기재로는 주로 알루미나가 사용되며, 1~3㎛의 결정크기를 가지는 알루미나를 5~20시간 습식분쇄한 후 분무건조하여 알루미나질 분말을 제조한다.

상기 알루미나질 분말 97~99.9wt%에, 매크로기공 형성용 원료분말 0.1~3wt%를 투입한 후, 믹서(mixer)로 2~10분 동안 혼합하여 혼합분말을 제조한다.

상기 혼합에 사용되는 믹서는 V형 믹서(V type mixer) 또는 콘형 믹서(cone type mixer)가 바람직하다.

이때, 상기 알루미나질 분말에 대한 매크로기공 형성용 원료분말의 혼합비율은 상기한 것에 한정되지 않으며, 완제품인 워터씰의 표면 매크로기공의 수 및 집중도(단위면적당 매크로기공의 수)와 완제품의 재질특성(비중, 알루미나함량, 경도)과 직접적으로 연관되는 것으로, 이는 완제품인 워터씰의 표면/재질특성의 설계에 따라 그 혼합비율을 달리하여 필요한 특성을 부여할 수 있도록 한다.

또한, 매크로기공 형성용 원료분말의 혼합비가 클수록 완제품인 워터씰의 표면에 형성되는 매크로기공의 수는 증가하고, 워터씰 내부에 형성되는 기공이 증가하므로 전체적으로 비중이 저하되는데, 상기 매크로기공 형성용 원료분말의 혼합비가 3wt% 이상으로 큰 경우에는 워터씰 표면 및 워터씰 내부에 형성되는 매크로기공의 수가 너무 많아 기공끼리 서로 연결되는 현상이 발생하여 누수의 위험도가 증가될 수도 있다.

반면에, 매크로기공 형성용 원료분말의 혼합비가 0.1wt% 이하로 작을 경우에는 워터씰 표면 및 워터씰 내부에 형성되는 매크로기공의 수가 너무 적기 때문에 워터씰의 윤활성이 떨어지게 된다.

제 3 단계 : 소성가공 과정

상기 제 2 단계에서 얻어진 혼합분말을 워터씰 형상의 금형 내에 넣고 50~300KN의 압력을 가하여 프레스(press) 성형한 후, 온도 1600~1650℃의 고온으로 소성하여 워터씰을 제조한다.

이때 상기 혼합분말에 함유된 매크로기공 형성용 원료분말이 소성하는 과정에서 연소 및 용융 확산되면서 소멸되므로 워터씰 내에 매크로기공 형성용 원료분말이 차지하던 공간만큼 빈자리 즉, 50~150㎛의 매크로기공이 다수 형성된다.

제 4 단계 : 연마가공 과정

상기 제 3 단계에서 얻어진 다수의 매크로기공이 형성된 워터씰을 연마가공하여 밀봉성을 부여한다.

고온에서 소성된 워터씰을 양면 래핑머신(lapping machine)에 의해 탄화규소 또는 다이아몬드로 된 연마재로 1차 연마한 후, 이어서 폴리싱머신(polishing machine)에 의해 1~6㎛의 미세한 다이아몬드 연마재로 초정밀 연마한다.

즉, 워터씰의 표면을 정밀하게 연마 가공함으로써 워터씰의 상, 하부세라믹디스크가 서로 접촉한 면에서 누수가 일어나지 않게 하는 것이다.

이때, 상기 연마가공에 의해 워터씰 상에 존재하는 폐쇄 매크로기공(closed macro pore)이 개방(open)되면서 본 발명에 따른 매크로기공이 형성된 워터씰이 제조되는 것이다.

도 3 은 본 발명에 따른 워터씰(1)의 표면구조를 나타내는 것으로, 크고 검게 보이는 부위는 매크로기공(macro pore)이고 밝게 보이는 부위가 접촉면(3)인데, 상기 매크로기공(2)이 형성된 부분을 제외한 워터씰 표면의 접촉면이 커져 워터씰의 밀봉성 및 내구성이 향상됨과 동시에, 워터씰 표면에 형성된 50~150㎛ 정도의 매크로기공에 의해 워터씰의 전체적인 접촉면이 작아져 윤활성이 향상되는 것이다.

즉, 도 3a 와 같이 본 발명에 따라 워터씰 표면에 형성된 50~150㎛의 매크로기공은 종래 방법에 따라 형성된 10~30㎛의 마이크로기공에 비해 크기 때문에 그리스를 저장할 수 있는 공간이 증대되어 상기 매크로기공에 저장된 그리스가 지속적으로 작용하게 되어 워터씰을 장기간 사용하더라도 그리스에 의한 윤활성을 오래 유지할 수 있으며, 또한 매크로기공에 의해 워터씰의 양측 세라믹디스크 간의 접촉면적이 조절되어 윤활성이 향상되는 것이다.

도 4 의 (a) 및 (b)는 본 발명에 따라 제조된 매크로기공이 형성된 워터씰의 특성을 종래의 방법에 의해 제조된 마이크로기공이 형성된 워터씰의 특성과 비교한 것이다.

이에 따르면, 종래 방법에 의한 워터씰의 경우에는 사용회수가 많아짐에 따라 그리스가 급격히 소멸되어 회전마찰력이 커지고 접촉면적이 커졌으나, 본 발명에 의한 워터씰의 경우에는 사용회수가 많아짐에 따라 그리스가 아주 서서히 소멸되어 회전마찰력 및 접촉면적이 그다지 커지지 않았다.

이로 인해, 종래 방법에 의한 워터씰에 비해 본 발명에 의한 워터씰의 윤활성이 향상됨을 알 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명의 제조방법과 작용을 더욱 상세히 설명하겠다. 단, 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시일 뿐, 본 발명을 이로써 한정하는 것은 아니다.

실시예 1

매크로기공 형성용 재질로서 세라믹재질인 장석질(feldspar)을 볼밀(Ball Mill)로 20시간동안 습식분쇄 후에 분무건조기로 분무건조하여 구형의 과립을 제조한 후, 분급기에서 120메쉬의 체(sieve)를 이용하여 체가름하여 통과된 장석질 과립분말 1.2wt%와 알루미나함량이 96%인 알루미나질 과립분말 98.8wt%를 혼합한 후 V형 믹서로 5분간 혼합하고, 워터씰용 금형을 이용하여 프레스에서 150KN으로 가압성형시킨 후 온도 1620℃로 소성하고, 이것을 래핑한 다음 3㎛의 다이아몬드 연마재를 이용하여 최종적으로 폴리싱한다.

반사현미경을 이용하여 상기 폴리싱된 표면에 형성된 기공을 확인하였다.

실시예 2

매크로기공 형성용 재질로서 다른 세라믹재질인 세리사이트(sericite)와 벤토나이트(bentonite)를 중량대비 50:50으로 혼합한 것을 이용하여 상기 실시예 1의 조건과 동일하게 하여 실시하였다.

실시예 3

매크로기공 형성용 재질로서 유기물재질 예컨대, 시중에서 쉽게 구할 수 있는 커피용 프리마 분말을 사용하였다. 상기 프리마 분말을 120메쉬의 체로 체가름하여 걸러진 분말 0.7wt%와 알루미나함량이 96%인 알루미나분말 99.3wt%를 혼합한 후, 상기 실시예 1의 조건과 동일하게 실시하였다.

상기 실시예 1, 2 및 3 에 대한 결과를 보면 모두 거의 유사한 정도의 매크로기공의 분포도 및 크기를 나타낸 것을 확인할 수 있었다. 이에 대하여 표 2 에 나타내었다.

이상과 같이 본 발명에 따른 매크로기공이 형성된 워터씰의 제조방법을 실시예 및 도면을 참조로 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않으며 그 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 매크로기공이 형성된 워터씰의 제조방법에 따르면, 워터씰 기재 분말에 세라믹재질이나 유기물재질의 분말을 혼합한 후 소성 및 연마가공하여 수전용 워터씰의 표면에 50~150㎛의 매크로기공(macro pore)을 형성함으로써, 워터씰의 밀봉성과 내마모성과 함께 윤활성을 향상시켜 본 발명의 워터씰이 체결된 수전을 장시간 반복적으로 사용하여도 누수가 잘 일어나지 않고 쉽게 마모되지 않으며, 매크로기공에 의해 접촉면적비를 조절할 수 있음과 동시에 윤활유를 저장할 수 있는 능력을 증대하여 수도꼭지의 핸들조작을 용이하게 할 수 있으므로 궁극적으로는 수도꼭지의 수명을 최대한 연장할 수 있다.

Claims (5)

1. 세라믹재질이나 유기물재질 중 선택하여 5~20시간동안 습식분쇄한 후 분무건조하여 과립화한 다음, 매크로기공을 형성하기 위하여 60~230메쉬로 체분리하여 원료분말을 제조하는 단계;

   상기 원료분말 0.1~3wt% 및 알루미나질분말 97~99.9wt%를 2~10분동안 혼합하는 단계;

   상기 혼합분말을 50~300KN으로 프레스성형하여 워터씰을 만든 후 상기 워터씰을 온도 1,600~1,650℃로 소성하여 50~150㎛의 매크로기공을 형성하는 단계; 및

   상기 워터씰의 표면을 탄화수소나 다이아몬드로 1차 래핑한 후 1~6㎛의 다이아몬드로 폴리싱하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 매크로기공이 형성된 워터씰의 제조방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 세라믹재질이나 유기물재질은 알루미나질보다 저온에서 용융 확산되거나 소멸되는 것임을 특징으로 하는 매크로기공이 형성된 워터씰의 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 세라믹재질은 규산질, 규산알루미늄질, 장석질, 석회질, 마그네시아질, 세리나이트, 벤토나이트 중에서 적어도 1종 이상 선택되는 것이 특징인 매크로기공이 형성된 워터씰의 제조방법.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 유기물재질은 전분, 밀가루, 커피용 프리마 분말 중에서 적어도 1종 이상 선택되는 것이 특징인 매크로기공이 형성된 워터씰의 제조방법.