KR101010583B1 - 이음매 없는 메탈슬리브의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전주도금에 의해 메탈슬리브를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 (A) 전주도금에 의해 마스터 상에 메탈 박막을 도금하는 단계; (B) 상기 메탈 박막이 도금된 마스터를 수소분위기에서 열처리하는 단계; 및 (C) 상기 열처리 후 80~100℃로 냉각하여 메탈 박막을 마스터로부터 분리하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제조방법에 의하면 전주도금에 의해 제조된 메탈슬리브의 결정적 단점인 황에 의한 취성의 단점이 없고, 고인성, 고탄성 값을 갖는 메탈슬리브를 제조할 수 있다. 또한 마스터로부터 도금된 슬리브를 저항없이 쉽게 분리해낼 수 있어 메탈슬리브를 경제적으로 대량생산할 수 있다.

메탈슬리브, 이음매없는, 전주도금, 정착기, 인성, 마스터

Description

이음매 없는 메탈슬리브의 제조 방법{Preparation method for a seamless metal sleeve}

본 발명은 화상 형성 장치의 정착기에 주로 사용되는 메탈슬리브(Metal Sleeve)의 제조방법에 관한 것으로, 전주도금 후 마스터로부터의 분리가 용이하고, 고온에서의 황에 의한 취성 증가가 없으며 인성값이 우수하여 내구성이 크게 증가된 메탈슬리브의 제조방법에 관한 것이다.

이음매 없는 극박막의 원통형 메탈슬리브(Seamless Metal Sleeve)는 복사기, 프린터, 팩스, OHP시트, 기타 화상 형성 장치 등에서 열 압착을 통해 토너 잉크를 기록지에 단단히 고정 시키는 토너 정착기의 부품의 하나이다. 최근 들어 화상 형성 장치의 고속화에 따른 고내구성의 시장 요구에 따라 기존의 폴리이미드 필름 소재를 대체해 나가고 있으며, 전사장치가 필요한 여러 가지 전자제품의 고성능화가 요구되면서 경제적으로 대량생산할 수 있는 방법이 요구되고 있다.

현재까지 알려진 메탈슬리브의 제조 방법은 전주도금(Electroforming) 방법과 딥드로잉(Deep drawing) 공정을 포함한 기계적 가공에 의한 방법(이하 '딥드로잉 방법'이라 칭한다) 두 가지를 들 수 있다.

전주도금에 의한 메탈슬리브의 제작은 이미 수십년 전부터 알려져 왔으며, 표면 거칠기가 Rz=0.5 마이크론 이하가 되도록 표면을 가공처리한 중공관 형태의 스테인레스 재질의 마스터에 통상 30~40 마이크론 두께로 전주도금 후 마스터로부터 전주도금된 층을 분리하는 것에 의해 메탈슬리브를 제조한다. 일반적으로 전주 도금은 60℃ 내외의 작업 온도에서 행해지며, 전주도금액은 시판되고 있거나 여러 문헌에 소개되고 있는 설퍼민산 니켈 계열이나 황산니켈을 사용한다. 도금이 완료된 후 상온(20℃)으로 냉각하면, 마스터인 스테인레스와 니켈 전착물의 수축율 차이에 의해 마스터와 전주도금된 메탈 슬리브 사이에 미세한 틈세가 생긴다. 즉, 스테인레스의 열팽창계수 16×10^-6 m/m·K와 니켈의 열팽창계수 13×10^-6 m/m·K를 고려하면, 결국 (16-13)×10^-6 m/m·K X (333-293)K = 120 μm/m의 수축차이가 일어나므로 전주도금에 의해 생성된 메탈슬리브를 마스터인 금형으로부터 분리할 수 있게 된다. 이때 마스터의 두께는 가능한 두꺼울수록, 전주 도금층의 두께는 가능한 한 얇을수록 분리 갭이 커짐을 알 수 있다.

상기와 같은 전주도금에 의한 메탈슬리브의 제조방법은, 도금 피막과 마스터 사이에 생기는 틈새가 작기 때문에 이형 분리 작업 시 금형 표면에 많은 스크래치나 흠을 유발시켜 마스터를 손상시키게 된다. 손상된 마스터를 사용하게 되면 제 품의 분리도 어려워질 뿐 아니라, 표면 결함이 많은 메탈슬리브가 제조된다. 따라서, 일정 회수를 사용한 마스터는 폐기하거나, 표면을 재가공해서 사용해야만 하므로 메탈슬리브의 생산성을 저하시키고, 제조비용이 상승하게 되어 경쟁력을 잃게 된다.

또한 전주도금에 의해 제조된 메탈슬리브는 고온에 노출되는 경우 취성이 급격히 증가하여 쉽게 부스러지는 문제점을 갖는다. 실제로 메탈슬리브는 그 표면에 테프론(흑백용)이나 PFA 고무 코팅(칼라용) 등 이형과 탄성을 목적으로 코팅을 하여 사용하게 되는데 그 과정에서 테프론 코팅의 경우 250~350℃, PFA 고무 코팅의 경우 200~250℃ 내외의 열처리 공정을 거치게 된다. PFA 고무 코팅과 같이 취성에 영향을 적게 미치는 200℃ 전후의 저온 코팅 작업을 하였다 할지라도 실제 사용 중 프린터나 복사기에 용지가 걸리거나 기계적 고장으로 인해 정착기의 내부 온도가 통상적인 200℃ 이하의 온도 범위를 벗어나 최악의 경우 일시적으로 온도가 300℃까지 순간적으로 올라갈 수 있으므로 상기의 취성의 증가는 불가피하여 신뢰성 있는 부품으로서는 다소 부족한 점이 있다.

전주도금에 의한 메탈슬리브의 취성은 도금시 결정조직내에 흡장된 황(Sulfur)성분에 기인하는 것으로, 황은 통상 나노 크기의 결정 구조를 형성하는데 기여하며 따라서 결정립계에는 도금 시 형성된 많은 황 입자가 존재한다. 230℃ 이상의 온도 조건에 메탈슬리브가 노출되면 나노 크기의 결정립은 마이크론 단위로 결정성장이 일어나 결정립들은 100만배 정도로 부피성장한 결과가 된다. 이는 결정 립계의 면적이 그 만큼 줄어들게 되는 것으로 그 결과, 결정립계에 누적된 황 의 농도가 단위 면적으로 비교시 수백배 이상 급격히 증가하게 되어 메탈슬리브가 황의 입계편석에 의한 취성을 나타내며 재료가 부스러지는 최악의 상황이 발생하는 취약점을 갖게 된다.

이러한 전주도금에 의한 메탈슬리브 제조방법의 문제점으로 인하여 최근에는 딥도로잉에 의해 제조된 부품을 선호하는 추세에 있다. 상기 방법에서는 일차로 딥드로잉에 의해 형상을 만들고, 후속공정으로 스피닝(spining), 아이어닝(ironing) 또는 스웨이징(swaging)과 같은 기계적 가공에 의해 메탈슬리브를 제조한다. 이러한 기계적 가공시 가공경화에 의해 메탈슬리브의 강도 및 경도가 높아지며, 그 과정에서 전위(dislocation) 등의 결함이 재료내부에 축적되어 내부응력을 발생시키고, 이것이 취성의 한 원인으로 작용하나, 이는 황에 의한 취성보다는 그 정도가 매우 약하다.

정착기 부품으로서 메탈슬리브는 고온의 고속 회전체로서 최소 20만매 이상의 내구성을 갖기 위하여 고인성(high toughness)와 고탄성(high stiffness)의 특성을 가져야 한다. 이중 인성값은 내구성에 절대적으로 영향을 미치는 질김도를 결정하는 값으로 인장시험시 파괴가 일어날 때까지 재료가 감수하는 에너지에 해당하므로 인장강도가 높을수록, 연신율이 높을수록 우수한 특성을 나타낸다. 통상적인 전주도금에 의한 메탈슬리브는 인장강도 1500~1650 Mpa, 경도 400~500 Hv, 연신율 5%이하인 것에 반하여 딥드로잉 방식에 의한 메탈슬리브는 인장강도 1500~1700 Mpa, 경도 350~450 Hv, 연신율 2% 이하로 재질은 강하고 단단하지만 낮은 연신율과 그로인한 낮은 인성값으로 인해 보다 쉽게 깨지는 특성이 있다. 그러나, 전주도금에 의한 메탈슬리브의 취약점인 고온에 노출되는 경우 나타나는 급격한 취성의 증가가 전혀 없다는 점이 상대적으로 큰 강점으로 작용하여 고온의 작업 조건에서 절대적으로 유리한 딥드로잉 방식이 선호되고 있다.

한편, 프린터 등의 속도가 더욱 빨라지기 위해서는 열전도율이 높고, 두께가 더욱 얇은 메탈슬리브를 사용하는 것이 유리하다. 딥드로잉에 의한 메탈슬리브는 스테인레스 재질로 한정되는데, 전주도금에 의해 제조되는 니켈 메탈슬리브에 비해 열전도도가 낮으며 제조된 메탈슬리브의 두께가 두꺼우므로 고속 프린터 등의 적용에 제한이 있다. 전주도금의 경우에는 함께 흡장되는 황에 의해 나노 결정 조직을 얻게 되며 이러한 미세 결정에 의해 인장강도와 경도가 높은 제품을 제조할 수 있다. 그러나 딥드로잉 방법으로는 니켈 고유의 연질성으로 인하여 최종 재료로서 원하는 강도나 경도를 얻을 수 없다. 또한 기계적 가공 방식의 특성 상 많은 스크랩을 발생시키므로 원료 자체가 고가인 니켈 재질의 메탈슬리브를 제작하는 방법으로는 적합하지 않다.

따라서, 보다 열전도도가 높은 금속 재질로 고인성과 고탄성의 특성을 지니면서도 황에 의한 취성의 문제가 없는 메탈슬리브를 경제적으로 대량 제작할 수 있는 방법의 개발이 요구된다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전주도금 방식에 의해 제조된 메탈슬리브가 갖는 결정적인 단점인 황에 의한 취성의 문제를 해결한 메탈슬리브를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 높은 인성값으로 인하여 내구성이 높은 메탈슬리브를 제조하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 메탈슬리브를 경제적으로 대량생산할 수 있도록 마스터로부터 도금된 슬리브를 용이하게 분리해내는 새로운 방법을 제공하며, 20만매 이상의 고 내구성 수명을 보장하기 위해 금속의 물성을 향상시키기 위한 열처리 조건과 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전주도금에 의한 메탈슬리브의 제조방법은, (A) 전주도금에 의해 마스터 상에 메탈 박막을 도금하는 단계; (B) 상기 메탈 박막이 도금된 마스터를 수소분위기에서 열처리하는 단계; 및 (C) 상기 열처리 후 80~100℃로 냉각하여 메탈 박막을 마스터로부터 분리하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 종래 전주도금에 의한 메탈슬리브의 문제점을 해소할 수 있는 제 조방법에 관한 것으로, (A) 단계의 전주도금에 대한 세부적인 기술 내용은 종래 기술에 의한 어떠한 방법이라도 당업자의 선택에 따라 사용할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 (B) 단계의 열처리 공정은 황에 의한 취성 문제를 해결하기 위한 본 발명의 핵심적인 공정이다. 수소분위기에서 열처리를 하면 하기 반응식에서 보여지는 것과 같이 고체상으로 존재하거나 금속의 착물로 존재하던 황은 수소와 반응하여 기체상태의 이황화수소를 형성하여 기화됨으로써 제거된다. 하기 반응식의 경우에는 니켈만을 예로 들었으나, 다른 금속의 경우에도 유사한 반응에 의해 메탈슬리브 내에 황이 제거되므로 황에 의한 취성 문제를 해소할 수 있다.

<반응식>

H₂ + S → H₂S↑

Ni₃S₂ + 2H₂ → 3Ni + 2H₂S↑

(B) 단계의 열처리에 의해서, 단지 황이 제거될 뿐 아니라 나노 크기의 결정이 1~2 마이크론 크기의 등축정 미세 결정 구조를 갖는 고연신율 재료로 바뀌게 되면서 급격한 연신율의 증가가 나타나고, 아울러 메탈슬리브의 판면에 수직방향으로 {111} 결정 구조를 갖는 고탄성 조직을 함께 만들어 냄으로써 고인성, 고탄성 특성을 갖는 메탈슬리브를 제조 할수 있게 된다.

상기 (B) 단계의 열처리는 350~600℃에서 30분 이상 시행하는 것이 바람직하 며 450~540℃에서 30분 이상 시행하는 것이 보다 바람직하다. 본 발명의 하기 실시예에서는 구체적인 데이터를 제시하지는 않았으나, 열처리 온도가 350℃ 이하인 경우에는 열처리 시간이 길어져도 탈황이 완전히 일어나지 않았다. 열처리 온도가 600℃ 이상에서는 시간을 단축한다고 해도 순간적으로 과 어닐링(Heavy annealing)되기 때문에 결정 조직이 10 마이크론 이상으로 과성장하게 되면서 인장강도와 경도의 급격한 저하가 일어나 제품으로 적합하지 않게 되었다. 열처리 시간은 30분 이상으로 작업 시간에 상한이 있는 것은 아니나, 통상 2~5시간 이내의 범위에서 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 열처리 시간이 온도나 투입재료의 크기, 수량, 장비의 구조 등 구체적인 조건에 따라 최적 조건으로 조절되어야 함은 당연하다.

상기 열처리는 0.001~0.2 MPa 수소분위기에서 이루어지는 것이 바람직하다. 반응식에서도 확인할 수 있듯이, 수소의 양이 너무 적으면 탈황이 충분히 일어나지 않아 황으로 인한 취성이 잔류하게 된다. 반대로 수소 압력이 너무 높으면 생산 비용이 상승할 뿐 아니라 폭발의 위험이 있다.

상기 메탈슬리브의 재료로서는 니켈(Ni), 니켈과 철 합금(Ni/Fe), 니켈과 코발트(Ni/Co), 니켈과 망간(Ni/Mn), 니켈과 주석(Ni/Sn), 니켈과 아연(Ni/Zn), 니켈과 구리(Ni/Cu), 니켈과 철과 코발트(Ni/Fe/Co), 니켈과 철과 크롬(Ni/Fe/Cr), 크롬(Cr), 구리(Cu)로 이루어진 군으로부터 선택된 재질인 것이 바람직 하다. 하기 실시예에서는 Ni 메탈슬리브만을 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것이 아 님은 당연하다.

(C) 단계는 마스터로부터 메탈 박막을 분리하는 단계로서, 열처리가 완료된 후 80~100℃로 냉각된 상태에서 분리하는 것이 바람직하다. 열처리 및 냉각 과정에서는 마스터와 메탈 박막간의 열팽창율의 차이로 인하여 미세한 갭이 형성되어 있어 상기 갭을 이용하여 메탈슬리브를 분리하는 것이 가능하다. 그러나 100℃ 이상의 온도에서 메탈슬리브가 공기와 접촉하게 되면 표면에 미세한 산화층이 형성되게 되므로 열처리로부터 100℃ 이하의 온도에서 꺼내 분리하는 것이 바람직하다. 또한 온도가 너무 높으면 핸들링 작업에도 어려움이 있다.

본 발명의 메탈슬리브의 제조방법에 사용하는 마스터는 중공관 형태로, 니켈의 전형적인 열팽창값인 13×10^-6 m/m·K 보다 작은 열팽창을 갖는 재질의 파이프 상에 고경도의 도전성 재료가 코팅되어 있는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 마스터 자체의 재질이 13×10^-6 m/m·K 보다 열팽창값이 큰 스테인레스스틸 (16×10^-6 m/m·K)의 경우에는 도금된 메탈 박막에 비해 두께가 훨씬 두꺼운 마스터의 팽창량이 도금층의 팽창량에 비해 매우 크기 때문에 열처리 과정에서 도금층을 늘어나게 만든다. 열처리가 완료되어 냉각되면 늘어난 도금층이 수축하는 과정에서 여러 가지 형태의 주름을 만들어 표면 불량을 형성한다. 이를 해결하기 위해 정해진 열처리 온도, 마스터 두께, 도금층의 두께 등을 고려한 마스터의 공차를 계산하여 사용 할 수도 있다. 그러나, 이 방법 역시 열처리 내부의 온도차, 도금 두께의 차이 등의 문제와 스테인레스 파이프가 고온에서 반복 사용하게 될 경우 표면의 스케일(산화막 층)이 점점 두껍게 형성되어 초기 공차의 범위를 쉽게 초월해 버리게 되므로 열팽창 계수가 0.5×10^-6인 석영이나 1.6×10^-6인 인바와 같은 재질의 마스터를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 마스터의 외경은 제조하려는 메탈슬리브의 두께에 따라 적절한 규격을 사용할 것이나 파이프의 두께(외경과 내경의 차)는 1~10mm인 것이 바람직하며, 특히 1~5mm인 것이 보다 바람직하다.

상기와 같이 열팽창률이 매우 낮은 재료를 마스터로 사용하면, 온도 변화에 따른 마스터의 팽창은 무시할 수 있으며 전주 도금된 메탈슬리브의 열팽창만 일어나게 된다. 석영 마스터를 예로 들어, 전주도금 시의 온도인 60℃에서 가온되어 80℃로 되면, 열팽창계수가 0.5×10^-6m/m·K로 극히 낮은 석영마스터의 팽창은 무시할 수 있는 상태에서 니켈은 13×10^-6m/m·K X (353-333)K = 260 μm/m의 팽창이 일어나 마스터와 도금층 사이에 상대적으로 큰 분리갭이 발생이 되게 된다. 이때 80℃의 온도는 별도의 가온 과정을 거치지 않고 탈황과 풀림을 목적으로 하는 열처리 작업 종료후 상온으로 냉각되는 과정에서 이루어질 수 있기 때문에 작업의 효율성을 도모할 수가 있다. 즉, 제품의 열처리 과정에서 이미 열팽창에 의해 석영마스터와 메탈슬리브 사이에 분리갭이 형성이 되어 있어 자연스럽게 제품을 마스터에서 분리해 낼 수 있게 된다.

상기 마스터 상에는 경도가 Hv 1000 이상인 도전성 재료의 박막층을 형성하여 사용하는 것이 바람직하다. 특히 석영 마스터는 도전성 재료가 코팅되어야 전주도금에 이용할 수 있다. 종래 전주도금에 사용되는 스테인레스 마스터는 코팅없이 사용하였으나 반복적인 제품의 분리 작업에 의해 마스터 표면에 아주 미세한 스크래치 등이 발생하게 되며 이를 재사용하여 전주도금하면 도금 표면에 스크래치 형상이 나타나게 되며 분리 작업도 어려워지게 된다. 따라서 앞서 기술한바 대로 수없이 반복되어 사용되어야 하는 마스터 표면이 스크래치나 흠 등의 표면 손상을 최대한 억제시키는 것이 작업 속도를 높이고 제품 제조 원가를 낮출 수 있기 때문에 제품의 이형을 쉽게 하기 위해서는 표면 경도가 높고 표면 거칠기가 낮아 윤활성이 좋도록 피막경도가 Hv 1500~2000인 CrN 또는 Hv 1500~2500인 TiN 또는 Hv 2700~3000인 TiCN 또는 Hv 2600~3000인 TiAlN의 초경도막을 형성시켜 사용하는 것이 바람직하다. 상기 초경도막의 진공 증착방법은 극히 일반화되어 있어 그 구체적인 방법에 대해서는 별도로 논의하지 않더라도 당업자라면 종래기술로부터 선택하여 사용할 수 있을 것이다. 상기 CrN 또는 TiN 또는 TiAIN 또는 TiCN 박막층은 두께가 0.1~10 마이크론인 것이 바람직하며, 특히 1~3 마이크론의 두께인 것이 보다 바람직하다.

본 발명의 실시예에 의한 니켈 전주도금의 예를 들면, 상기 초경도막은 전주 도금된 Ni층의 Hv 350~550 보다 훨씬 높은 Hv 1500 이상의 피막경도를 갖기 때문에 마스터의 손상이 전혀 없게 되어 깨끗한 내면을 갖는 메탈슬리브 제품을 얻는 것이 가능해진다. 또한 별도로 외부에서의 예기치 못한 큰 충격이나 손상이 없는 한 마 스터의 반영구적 사용이 가능해 져서 원가 절감을 기할수 있다. 또한 상기 코팅재료의 특성인 저마찰계수(0.4이하)로 인해 마스터 표면의 우수한 윤활성의 확보가 가능해져서 이형 작업 시 훨씬 유리해지는 이점을 부수적으로 얻을 수 있다.

본 발명의 전주도금에 의한 메탈슬리브의 제조방법은 그 변형된 예로서, (A) 마스터 상에 전주도금에 의해 메탈 박막을 제조하는 단계; (B) 상기 메탈 박막을 마스터로부터 분리하는 단계; (C) 분리된 메탈 박막을 고정지지대에 끼워 수소분위기에서 열처리하는 단계; 및 (D) 상기 열처리 후 80~100℃로 냉각하여 메탈 박막을 고정지지대로부터 분리하는 단계;를 포함하여 이루어질 수도 있다.

본 변형된 제조방법에서 (A) 및 (B) 단계는 종래의 전주도금에 의해 메탈슬리브를 제조하는 방법을 그대로 적용할 수 있다. 상기 마스터는 열팽창계수에 따른 재질에 한정이 있는 것은 아니나, 전술한 이유로 인해 고경도막이 형성되어 있는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 마스터의 재질에 따라 메탈 박막을 분리하기 용이하도록 전주도금 후 적절한 온도로 냉각 또는 승온하여 분리할 수 있다. 이는 종래 기술에 의한 것으로 자세한 설명은 생략한다.

상기 (C) 단계의 열처리는 메탈 박막을 고정지지대에 끼워 열처리를 하는 이외에는 전술한 메탈슬리브 제조 방법의 조건과 동일한 조건에서 행하여지는 것이 바람직하며, 역시 열처리 조건에 대한 별도의 상세한 설명은 생략한다.

상기 고정지지대는 열처리 시 고온에서 메탈슬리브가 일그러지는 등의 변형이 일어나는 것을 방지하기 위하여 사용하는 것으로 메탈슬리브의 내경보다 0.05~0.5mm 작은 원통형 또는 중공관 형태인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 고정 지지대의 재료로는 고온에 견디는 스테인레스나 기타 금속 재료를 사용할 수 있으나, 전주 도금층보다 열팽창 계수가 작은 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 열팽창 계수가 큰 고정지지대를 사용하거나 고정지지대의 내경이 큰 경우에는 고온의 열처리 작업 시 메탈슬리브에 비해 고정지지대의 팽창이 더 커지게 되어 도금된 메탈슬리브를 늘어나게 함으로써 메탈슬리브의 표면에 주름과 같은 미세한 표면 불량을 만들어 내게 된다.

하기 실시예에 의한 본 발명의 발명에 의해 이루어진 니켈 메탈슬리브는 종래 전주도금 기술에 의한 메탈슬리브가 나노 결정구조를 갖는 것에 반해 내부응력이 거의 존재하지 않는 메탈슬리브의 판면에 수직한 방향으로 {111} 집합조직을 주로 갖는 등축정 구조의 결정립으로 이루어져 있다. 특히, 딥드로잉 방식에 의해 제조된 메탈슬리브는 결정립 내에 수많은 전위(dislocation)가 존재하는 가공경화된 상태에 있으며 연신 변형된 불규칙한 형상의 {110},{001} 방위의 결정조직들이 불균일하게 배열되어 있으나, 본 발명의 실시예에 의한 메탈슬리브는 전위가 존재하지 않으며 1~10 마이크론 크기의 결정이 균일하게 배열되어 있었다. 메탈슬리브의 재질 및 수소분위기에 따라 열처리 온도나 시간은 적절히 조절될 수 있으나, 결정의 90% 이상이 1~10 마이크론 크기가 되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 메탈슬리브 제조 공정 중 열처리 공정을 거치면 여러 가지 물성값에 큰 변화를 보이게 되는데 그 중 대표적인 물성의 변화는 연신율의 급속한 상승 이다. 이러한 연신율의 상승은 열처리에 따른 인장강도의 저하를 보전하여 인성을 높여 딥드로잉에 의해 제조된 스테인레스 재료보다 월등히 우수한 내구성을 확보할 수 있게 해준다. 본 발명의 메탈슬리브는 인장강도 300~500 MPa, 경도(Hv) 100~300, 연신율 8~25%의 물성을 갖는 것을 특징으로 하며, 보다 바람직하게는 인장강도 350~450, 경도 150~250, 연신율 15~20%의 물성을 갖는다.

이상과 같이 본 발명에 의하면 전주도금에 의해 제조된 메탈슬리브의 결정적 단점인 황에 의한 취성의 단점이 없고, 고인성, 고탄성 값을 갖는 메탈슬리브를 제조할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 마스터로부터 도금된 슬리브를 저항없이 쉽게 분리해낼 수 있어 메탈슬리브를 경제적으로 대량생산할 수 있다.

이하 본 발명에 의한 메탈슬리브의 제조방법을 하기 실시예에서 도면과 사진을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 예시적인 목적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 : 메탈슬리브의 제조

(A) 전주도금

도 1은 본 발명에 의한 제조방법에 따라 메탈슬리브를 제조하기 위하여 전주도금을 실시하는 방법을 도식화한 것이다. 도금조(3) 내에 설파민산 니켈이나 황산니켈을 베이스로 하는 시판 도금액(4)을 각 제조사의 권장 조성에 맞추어 넣고, 순도 99.8% 이상의 Ni을 양극(5)으로, 전주도금을 위한 마스터를 음극(6)으로 사용하여 도금을 실시하였다. 도금은 60℃에서 10 ASD의 전류밀도로 30분 실시하여 마스터 상에 약 35 마이크론 두께로 전주도금된 니켈층(7)을 얻었다.

도 2는 상기 실시예에서 사용한 마스터의 모양과 단면을 도식화하여 나타낸 그림이다. 도 2에서 볼 수 있듯이, 열팽창계수가 0.5×10^-6 m/m·K이고 외경이 30 mm, 두께가 2 mm인 중공관 형태의 석영파이프(1) 위에 피막경도 Hv 1500 이상을 갖는 CrN 또는 TiN을 1~10 마이크론 두께로 진공 증착하여 사용하였다.

(B) 열처리

(A) 단계에 의해 니켈 도금층이 전착된 석영마스터를 특별히 제작된 열처리로에서 열처리하였다. 본 실시예에서 사용된 열처리로는 회전형 분위기로로서 도 3에 그 단면도를 도시하였다. 니켈 전주도금층이 형성된 석영마스터를 회전테이블에 배열하고, 진공펌프를 사용하여 열처리로 내를 진공으로 만들어 산소를 제거한 후 수소가스를 서서히 투입하여(8) 0.003~0.005 MPa 범위의 압력을 유지하도록 하였다. 회전테이블을 40RPM의 속도로 회전시키면서 열처리로의 외벽에 내장된 열선 히터(9)로 분당 10℃의 승온속도로 내부 온도가 490±5℃가 될 때까지 승온한 후 3 시간±10분간 유지하여 열처리하였다.

(C) 메탈슬리브의 분리

(B)에서 열처리가 완료되면 노냉시켜 100~150℃ 온도에서 제품을 열처리로로부터 꺼냈다. 마스터의 온도가 80~100℃가 되었을 때 석영 마스터로부터 메탈슬리브를 분리하였다. 분리해 낸 메탈슬리브의 길이 조정을 위해 양단을 절단하여 마무리하여 완성품으로 만들고 하기 물성 및 결정구조 검사를 실시하였다.

실시예 2 : 메탈슬리브의 물성 및 결정 구조 검사

(1) 물성 검사

실시예 1에서 제조된 메탈슬리브의 기계적 물성값을 나노인텐터(모델명 MTS NanoIndenter XP, 순천대 보유) 및 인장시험기(모델명 Shimadzu AG-1,100kN, 오사카대 보유)를 사용하여 측정하였다. 본 발명의 특징적인 공정인 열처리에 의한 기계적 물성의 변화를 측정하기 위하여 대조예로 (B)의 열처리 공정을 생략하여 제조한 메탈슬리브의 물성을 함께 측정하여 그 값을 하기 표 1에 나타내었다.

상기 표 1로부터, 열처리에 의해 인장강도는 감소하였으나 연신율이 크게 증가하였으며, 탄성계수도 약 10% 가량 증가하였다.

종래의 딥드로잉 방식의 스테인레스 메탈슬리브와 본발명에 의한 메탈슬리브의 물성을 비교하여 표 2에 기재하였다. 딥드로잉 방식의 스테인레스 메탈슬리브로는 외경 30mm, 두께 40마이크론인 일본 신코사 제품을 사용하였다. 본 발명에 의한 메탈슬리브는 실시예 1의 방법에 의해 열처리 전후의 메탈슬리브를 각 10개씩 제조하여 각 메탈슬리브의 물성을 측정한 평균값을 범위로 나타내었다.

표 2에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 의한 메탈슬리브는 표 1의 결과와 마찬가지로 열처리 전에 비해 인장강도가 낮아졌으나, 연신율의 증가로 인하여 황에 의한 고온 취성의 문제점을 가진 종래기술의 전주도금에 의한 메탈슬리브와 인성값의 차이가 크지 않았다. 반면 딥드로잉 방식에 의한 메탈슬리브에 비해서는 본 발명에 의한 메탈슬리브의 인성값이 상대적으로 크고, 탄성 계수 역시 열처리 전에 비해 다소 증가하여 딥드로잉 방식의 메탈슬리브와 유사하였다.

(2) 표면의 결정구조 검사

열처리에 의한 메탈슬리브의 결정구조의 변화를 확인하기 위하여, SEM(OIM-FESEM, 순천대 보유)을 이용하여 미세조직을 측정하였다. 실시예 1에 의한 전주도금 후 및 열처리 후의 메탈슬리브의 표면 결정조직을 확인하고 도 4 및 도 5에 각각 도시하였다.

도 4에서 볼 수 있듯이 열처리 전 니켈 전주도금층은 나노조직을 갖는 극미세 결정구조를 나타낸다. 열처리가 완료됨에 따라 나노입자 크기의 니켈 전주도금층은 결정이 성장하며, 특히 높은 탄성값을 나타내는 <111>방향의 결정립들이 메탈슬립브의 판면에 수직 방향으로 주방위를 이루는 <111> 집합조직임을 도 5에서 확인할 수 있었다. 또한 입내 전위(dislocation)도 관측되지 않았다. 열처리 후 니켈 전주도금층에는 0.6~1.9 마이크론의 직경을 갖는 결정 입자가 90% 이상을 차지함을 도 6에서 확인할 수 있다.

도 7은 (1)에서 물성을 측정한 딥드로잉 방식으로 제작된 스테인레스 메탈슬리브의 결정구조를 보여주는 사진으로, 20㎛ 이상의 연신 변형된 결정립과 일부 재결정립으로 불균일하게 배열되어 있음을 알 수 있다. 또한 결정 입계에는 석출물이 결정 입내에는 고밀도의 전위가 잔류하였다. 표면의 결정 조직은 불규칙한 형태의 {110}<001>//DZ 결정조직들이 전단변형 집합조직을 이루고 있었다.

(3) 열처리 온도에 따른 표면 결정구조 변화

표면 결정구조에 대한 열처리 온도의 영향을 확인하기 위하여 실시예 1과 열처리 온도를 600±10℃, 1분으로 한 것을 제외하고는 동일한 방법에 의해 메탈슬리브를 제조하여 결정구조를 확인하고 490℃ 열처리한 메탈슬리브와 비교하여 도 8에 도시하였다.

도 8에서 확인할 수 있듯이 열처리 온도가 높아 과어닐링이 되면, 정상 어닐링 시에 비해 결정조직이 과성장하여 조대해짐을 알 수 있다.

(4) 취성 검증

Bending test에 의해 메탈슬리브의 취성을 검증하였다. 실시예 1의 방법에 의해 제조한 열처리 전·후의 메탈 슬리브와 일본 신코사의 딥드로잉 방식의 메탈슬리브를 300℃에서 5분간 열에 노출시킨 후 10×20 mm의 시편으로 잘라내었다. 각 시편의 가운데 부분을 기점으로 앞뒤 180˚로 반복적으로 동일한 위치를 접는 작업을 반복하며 180˚구부림을 1회 동작으로 하여 절단이 일어날 때까지의 동작수를 측정하였다.

딥드로잉 방식의 메탈슬리브는 3~4회만에 절단이 일어나는 반면 본 발명에 의한 메탈슬리브는 5~8회만에 절단이 일어났다. 열처리를 하지 않은 메탈슬리브는 1회도 견디지 못하였으며 만지면 부스러질 정도의 취성을 나타내었다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 전주도금 방법을 도식화한 그림이다.

도 2는 본 발명의 실시예에서 사용된 전주도금을 위한 마스터의 모양과 단면의 모식도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에서 사용된 열처리로의 단면도이다.

도 4는 열처리 전 니켈 전주도금 층의 나노구조를 보여주는 투과전자현미경사진이다.

도 5는 열처리 후 니켈 전주도금 층의 결정구조가 변화하였음을 보여주는 사진이다.

도 6은 열처리 후 니켈 전주도금 층의 결정입자의 크기 분포를 보여주는 그래프이다.

도 7은 딥드로잉 방식으로 제조된 스테인레스 메탈슬리브의 결정구조를 보여주는 사진이다.

도 8은 과어닐링 시의 니켈 전주도금 층의 결정구조를 정상 어닐링 시와 비교하여 보여주는 사진이다.

Claims (15)

1. 전주도금에 의한 메탈슬리브의 제조방법에 있어서,

   (A) 전주도금에 의해 마스터 상에 메탈 박막을 도금하는 단계;

   (B) 상기 메탈 박막이 도금된 마스터를 350℃ 이상 600℃ 미만의 수소분위기에서 처리하여 메탈슬리브 내 황과 수소를 반응시키는 단계;

   (C) 상기 황과 수소의 반응 후 80~100℃로 냉각하여 메탈 박막을 마스터로부터 분리하는 단계;

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정착기용 메탈슬리브의 제조방법.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 (B)단계는 0.001~0.2 Mpa 수소분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 정착기용 메탈슬리브의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 메탈슬리브는 니켈(Ni), 니켈과 철 합금(Ni/Fe), 니켈과 코발트(Ni/Co), 니켈과 망간(Ni/Mn), 니켈과 주석(Ni/Sn), 니켈과 아연(Ni/Zn), 니켈과 구리(Ni/Cu), 니켈과 철과 코발트(Ni/Fe/Co), 니켈과 철과 크롬(Ni/Fe/Cr), 크롬(Cr), 구리(Cu)로 이루어진 군으로부터 선택된 재질인 것을 특징으로 하는 정착기용 메탈슬리브의 제조방법.
5. 제 1 항 또는 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 마스터는 중공관 형태로 열팽창율이 13×10^-6m/m·K 이하인 재질의 파이프 상에 CrN 또는 TiN 또는 TiAIN 또는 TiCN 박막층이 형성되어 있는 마스터인 것을 특징으로 하는 정착기용 메탈슬리브의 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 파이프의 재질은 석영 또는 인바인 것을 특징으로 하는 정착기용 메탈슬리브의 제조방법.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 CrN 또는 TiN 또는 TiAIN 또는 TiCN 박막층은 두께가 0.1 ~ 10 마이크론인 것을 특징으로 하는 정착기용 메탈슬리브의 제조방법.
8. 상기 메탈슬리브를 구성하는 결정립들의 90% 이상이 0.1~10 마이크론 크기의 등축정의 결정구조를 갖는 것을 특징으로 하는 제 1 항 또는 제 3 항 또는 제 4 항의 방법에 의해 제조된 정착기용 메탈슬리브.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 결정구조가 <111> 방향의 결정립들이 메탈슬립브의 판면에 수직 방향으로 주방위를 이루는 <111> 집합조직인 것을 특징으로 하는 정착기용 메탈슬리브.
10. 제 8 항에 있어서,

    인장강도 300~500 MPa, 경도(Hv) 100~300, 연신율 8~25%의 물성을 갖는 것을 특징으로 하는 정착기용 메탈슬리브.
11. 전주도금에 의한 메탈슬리브의 제조방법에 있어서,

    (A) 마스터 상에 전주도금에 의해 메탈 박막을 제조하는 단계;

    (B) 상기 메탈 박막을 마스터로부터 분리하는 단계;

    (C) 분리된 메탈 박막을 고정지지대에 끼워 350℃ 이상 600℃ 미만의 수소분위기에서 처리하여 메탈슬리브 내 황과 수소를 반응시키는 단계;

    (D) 상기 황과 수소의 반응 후 80~100℃로 냉각하여 메탈 박막을 고정지지대로부터 분리하는 단계;

    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정착기용 메탈슬리브의 제조방법.
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제

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