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절연내마모피복층 및 그 형성방법
제1도는 본 발명의 1응용예인 소형모우터의 단면구성도. 제2도는 본 발명의 다른 응용예인 모우터케이스기재의 드러스트 베어링부에 절연내마모피복층을 형성한 단면구성도. 제3도는 본 발명의 1실시예의 제조공정을 표시한 도면. 제4도는 유리속의 1가 알칼리산화물량과 절연내압과의 상관을 표시한 도면. 제5도는 유리의 1가 알칼리산화물량과 절연내마모층의 표면조도(Ra)의 상관을 표시한 도면. 제6도는 본 발명을 슬리이브형레이디얼베어링에 응용한 단면구성도. 제7도는 종래예의 소형모우터의 단면구성도. 제8도는 본 발명의 1응용예인 메카니컬시일의 단면구조도. 제9도는 본 발명의 1응용예인 VTR용 가이드포스트의 단면도. 제10a도는 VTR의 테이프주행계의 상면도, (b)는 그 측면도. 제11a,b도는 본 발명의 다른 1응용예로서의 아이론베이스를 표시한 단면도. * 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 1 : 드러스트베어링 2 : 기능부 3 : 모우터케이스 5 : 축 6 : 성형코일 7 : 정류자 8 : 플라스틱성형제 9 : 레이디얼베어링 11 : 프레임 12 : 마그네트 13 : 요우크 14 : 브러시 15 : 유리세라믹스 피복층 16 : 기판 31 : 시이트링 32 : 회전축 33 : 스터핑박스 34 : 축패킹 35 : 종동링 36 : 스토퍼 37 : 가스킷 38 : 플러싱구멍 39 : 고압쪽유체(밀봉유체) 41 : 가이드 포스트 42 : 원추가이드 43 : 테이프 44 : 실린더 45 : 공급리일 46 : 권취리일
본 발명은 소형모우터, 초소형모우터의 베어링이나, 메카니컬시일의 접동부등의 금속기체의 표면에 유리 세라믹스를 박층형상으로 피복형성하여 절연내마모의 목적을 완수할 수 있는 절연내마모피복층 및 이를 형성하는 방법에 관한 것이다. 본 발명을 소형모우터의 베어링의 접동부에 절연내마모층을 응용한 경우, 본 발명의 효과가 현저하기 때문에, 종래기술의 설명으로서 소형모우터의 베어링을 예로들어서 상세히 설명한다. 근년, 소형모우터는, 경박단소화의 사회수요하에서, 가정용, 산업용에 한하지 않고, 초소형화에도 진행하여, 코어레스모우터의 비율이 높아지고 있다. 제7도는 코어레스직류모우터의 단면구성도이다. 제7도에 있어서, (5)는 선단을 원호형상으로 형성한 축으로 프레임(11)에 착설된 슬리이브 형상의 레이디얼베어링(9)으로 회전자재하게 지지되어 있다. (6)의 성형코일의 복수개를 플라스틱성형재(8)에 의하여 축(5)과 일체적으로 성형한 것에 정류자(7)가 장착되어 회전자를 구성하고 있다. (12)는 성형코일(6)에 대항하여 프레임(11)에 고착된 마그네트, (13)은 요우크, (14)는 정류자(7)에 접동 접촉하는 브러시, (21)은 프레임(11)의 단부개구를 덮는 브래킷으로서, 내저부의 중앙에 축(5)의 선단을 받히는 드러스트베어링(20)이 장비되어 있다. 상기 구성에 있어서, 축(5)은 슬리이브형상레이디얼베어링(9)로 지지되어서 회전할때 드러스트방향의 하중을 드러스트베어링(20)으로 받는 구조로 되어있다. 이때 드러스트베어링이 받는 하중은, 예를 들면 회전자의 상하동을 방지하기 위하여 자기력을 사용하여 드러스트 하중을 거는 방식의 것에 있어서는, 300∼600gr가 되며, 직경 1∼2㎜의 축의 경우에는, 선단의 드러스트베어링접촉부에서 직경 0.2㎜정도가 되고, 단위면적당의 하중은, 9.5㎜20㎏f/㎤가 된다. 상기 하중을 받고, 또한 고속회전하는 드러스트베어링(20)은 매우 마모하기 쉽다. 이 대책을 위하여, 내마모성이 뛰어난 부분안 정화지르코니아, 탄화규소나 알루미나등의 세라믹스재료로 베어링을 구성하면, 금속제의 축이 마모하는 불편이 생긴다. 또, 세라믹스 베어링은 소형화가 곤란하며, 얇게 소형화로 하면 충격에 약하고, 내충격성을 개선하면 베어링이 크게되어 초소형모우터의 설계가 곤란하게 된다. 그러나, 시대의 요청으로서, 20∼200㎛의 내충격성, 내마모성, 절연성이 뛰어난 베어링의 개발이 요망되고 있었다. 제1표는 종래기술을 사용한 베어링의 재료와 마모량, 내충격성, 전류변화량을 표시한 것이다. 제1표의 시험조건은, ① 시험온도 : 상온, ② 회전수 : 2200rpm, ③ 정격출력 : 0.1W, ④ 전압 : 4.2V, ⑤ 전류치 : 100㎃로 한다. 제1표에서, ◎표는 내충격성에 뛰어난 것을 표시하고, ×표는 내충격성에 뒤떨어진 것을 표시한다. 제1표의 결과와 같이, 내마모성과 내충격성과 내절연성에 뛰어난 베어링재료가 요망되고 있었다. [제1표] 본 발명은, 예를들면, 소형모우터의 베어링이나 메카니컬시일에 있어서의 내마모성, 절연성이나 내충격성의 개량을 주된 목적으로 한다. 본 발명은, 소형모우터의 베어링이나 메카니컬시일의 접동부동의 금속기체가 기능하는 표면에, 유리세라믹스층을 박층형상으로 피복형성하여, 절연성, 내마모성 및 내충격성등의 여러가지의 기능을 완수할 수 있는 유리세라믹스 피복층을 형성한 것이다. 이에 의하여 베어링등의 경우에는 그 마모량을 경감하고, 소비전력의 삭감, 워우·플러터의 경감 및 진동소음등의 개선을 도모하는 것이다. 상기 수단에 의하여, 축도베어링도 상호 절연을 유지하면서, 마모 함이없이 모우터의 신뢰성의 개선과 장수명화가 도모된다. 또 베어링의 미끄럼성, 치수정밀도가 개선되어 모우터의 성능향상과 또한 초소형의 모우터의 설계가 가능하게 된다. 예를들면, 드러스트베어링으로서 강판의 편면 또는 양면에, 유리 세라믹스를 박층형상으로 피복형성한 것, 및 모우터케이스를 겸한 강판의 편면의 드러스트베어링의 기능부에만 유리세라믹스 피복층을 형성한 것을 사용한다. [실시예 1] 본 발명의 절연내마모유리피복층을 베어링에 응용한 구체적인 실시예를 들어 상세히 설명한다. 본 발명을 보다 효과적으로 실시함에는 여러가지의 필요조건이 있으며, 이하 그것을 구체적으로 기술한다. (1) 금속기재의 조건 본 발명의 유리세라믹스 피복층은, 금속기재를 편면 또는 양면에 실시한다. 그 금속기재는 ⓐ 법랑용저탄소강판, ⓑ 알루미나이즈드강판, ⓒ 스테인레스 강판 기타 유사의 강판을 사용할 수 있다. 그러나, 강판의 열팽창계수는 60∼140×10 -7 /℃의 범위내가 바람직하다. (2) 유리세라믹스의 도포방법 소형모우터, 초소형마이크로모우터 및 메카니컬시이스등의 접동부에 본 발명의 유리세라믹스 피복층을 효과적으로 실시함에는, 유리세라믹스의 유리프릿으로된 슬립을 정확하게 코우팅할 필요가 있다. 코우팅의 방법으로서는, ⓐ 전기영동(泳動)법 ⓑ 스크리인인쇄법 ⓒ 스프레이법 등이 있다. (3) 유리세라믹스의 종류 유리세라믹스로서 대표적인 유리 A, 유리 N의 2종을 사용하여 베어링을 조제하였다(유리의 조성은 제3표에 표시한다) 제1도는, 본 발명의 베어링을 설명한 것으로서, 모우터케이스를 겸한 강판(3)의 편면의 드러스트베어링부(1)의 기능부(2)에만 부분적으로 유리세라믹스 피복층을 실시한 것이다. 그런데, 제7도에 표시한 종래예와 공통되는 소자에는 공통의 번호를 붙이고 있다. 금속제모우터케이스(3)의 베어링부(1)의 기능부(2)에는, 제2도에 표시한 바와같이, 국부적으로, 유리세라믹스로된 슬립의 인쇄잉크를 사용하여 기판(16)에 유리세라믹스의 피복층(15)을 형성한다. 제3도에, 전기영동법에 의한 절연내마모층의 형성법을 공정도로 표시하였다. 유리재료는 1250∼1350℃로 먼저용해되고, 로울형상 냉각기로, 유리세라믹스의 파(破) 유리를 얻는다. 이것을 분쇄하여 에틸알코올이나 이소프로필알코올로 슬립을 만든다. 한편, 금속기재는 소정의 형상으로 재단하여, 탈지하고, 국부적으로 부분전석(電析)을 행하기 위하여 마스킹을 실시하여, 전기영동 전해조에 장치하고, 극간거리 2∼3㎝로, 조전압 250∼600V로, 알코올에 분산시킨 유리분말입자를 전기영동전착시켜, 표면건조후에 760∼950℃로 소성하여, 유리세라믹스의 절연내마모피복층을 얻는다. 이 피복층의 접동면에는, 그리이스를 도포하고 있다. 다시 제1도로 되돌아, 번호(5)는 선단을 원호형상으로 형성한 축이며, 프레임(11)에 착설한 슬리이브베어링(9)으로 회전자재하게 지지되어 있다. 성형코일(6)의 복수개를 플라스틱성형재(8)로 축(5)과 일체적으로 성형한 것에 정류자(7)가 부착되어 회전자를 구성하고 있다. (12)는, 성형코일(6)에 대항하여 프레임(11)에 고착된 마그네트, (13)은 요우크, (4)는 정류자(7)에 접동 접촉하는 브러시, (3)은 프레임(11)의 단부개구를 덮는 모우터케이스로서, 내저부의 중앙에는 축(5)의 선단을 받치는 드러스트베어링부(1)의 기능부(2)에 절연 내마모성을 가진 유리세라믹스 피복층(15)이 장비되어 있다. 제2표에, 이들 조건으로 실시한 특성을 표시한다. 제2표중 각종 모우터평가 시험조건(시험온도, 회전수 등…)은 제1표와 동일한 조건으로 실시하였다. [제2표] 제2표의 결과에서, 유리 A를 사용한 베어링 ①∼③에 있어서, 유리세라믹스의 재료가 동일할지라도 절연내마모층의 형성방법에 의하여, 모우터로서의 평가결과가 다르다. 제특성으로 고찰하여, 내마모층의 형성 방법으로서, 전기영동법>스크리인법>스프레이법의 순이되고, 전기영동법으로 유리세라믹스의 내마모층을 형성하는 방법이 가장 치수정밀도가 높으며, 제특성도 뛰어나고 있다는 것이 제2표에서 용이하게 인정된다. 한편, 제2표에서, 유리 N을 사용한 것은, 전기영동법을 사용하여도 막두께의 치수정밀도가 나쁘고, 모우터의 제특성도 그다지 좋지 않은것이 판명되었다. 즉 전기영동법을 사용하여도 유리세라믹스의 유리의 조성에 의해서는 절연내마모성의 특성을 발휘할 수 없다는 것이 판명되었다. 그래서, 다음의 실시예에서, 유리세라믹스의 조성을 여러가지 검토하여, 제특성을 비교검토하였다. [실시예 2] 실시예 1에서, 유리세라믹스의 조성에 의하여, 전기영동법을 사용하여도 절연내마모특성이 다르기 때문에, 제3표에 유리 A∼S까지 19종류의 유리조성을 검토하였다. 유리조성은 1가의 알칼리금속의 산화물(Li 2 O, K 2 O, Na 2 O)이나 2가의 알칼리토류금속의 산화물(BaO, MgO, CaO, ZnO)의 첨가량(wt %)에 의하여, 유리의 제특성 및 전기영동에 의한 전착성(電着性)이 현저하게 다른 것을 제3표에 표시하고 있다. [제3표] 제3표의 제특성과 제4도, 제5도의 결과를 요약하면, (1) 유리의 조성중에서 1가의 알칼리금속의 산화물(Li 2 O, K 2 O, Na 2 O)량은 0.2∼2중량 %의 범위가 바람직하다. 0.2중량 %이하는 불순물혼입의 한계로서, 이 이하의 유리의 합성은 곤란하며, 역으로 2중량 %이상이 되면, 절연내압은 급속히 열화하고, 유리세라믹스의 비커즈경도, 마모량도 상대적으로 열화한다(E, F, G, A, M, N, O, P). (2) 2가 알칼리토류금속의 산화물(BaO, MgO, CaO, ZnO)의 양은, 최저 15중량 %이상이 바람직하며, 특히, 2가 알칼리토류금속의 산화물의 총량은 55중량 %이상이 바람직하다. 이들의 관계는 1가 알칼리금속 산화물량과 2가 알칼리토류금속 산화물량과의 밸런스가 필요하다. (3) 유리세라믹스의 1가 알칼리금속산화물량이 2중량 %이하이면 조(槽)전압은 250∼350V로 전기영동에 의한 전착(電着)도 용이하며, 표면조도(粗度), 비커즈경도, 마모량등의 대부분의 제특성이 우수하다(A, B, J, K, L, Q). (4) 유리세라믹스 량의 1가 알칼리금속산화물량이 증가하면, 전기영동전착시의 조전압이 350∼650V로 고압이 필요하게되며, 그것에 따라서, 절연내압이 0.5㎸이하(G, N, O, M)로 되고, 유리의 표면조도도 제5도와 같이 나쁘게된다. (5) 일반법랑유리(M, N, O)는 상대적으로 1가 알칼리금속산화물량이 많고, 2가 알칼리금속산화물이 존재하지않거나, 또는 그 양이 적으며, 전기영동전착시에, 고압을 요하고, 모우터용 절연내마모피복층으로서는 종래법보다는 개선되어 있으나, 제3표의 다른 유리와 비교하면 제특성은 뒤떨어져 있다. (6) 금속기재의 표면에 형성되는 유리세라믹스의 내마모피복층의 표면조도는 타리서어프표면조도계로 계측하여 조도 Ra는 0.05∼0.5㎛의 범위가 내마모성, 워우플러터의 관점에서 바람직하다. Ra가 0.05이하는 본 발명의 제3도에 표시하는 제조공정만으로는 달성할 수 없고, 새로이 연마공정이 필요하게 됨으로 경제적이 아니다. Ra가 0.5이상은 모우터의 내마모성, 워우플러터, 소음의 관점에서 바람직하지않다. (7) 본 발명의 유리세라믹스 피복층의 두께는 20∼200㎛의 범위가 바람직하다. 20㎛이하도 전해(電解) 시간의 제어로 가능하나, 유리층의 기계적강도, 표면조도나 금속기재와의 밀착성의 관점에서 20㎛이상이 바람직하다. 또, 역으로, 200㎛이상으로 막두께를 두껍게 할 필요는 특별히 없다. 유리세라믹스의 재질이 유리 A와 같은 양질의 유리면, 200㎛의 막두께로 충분히 절연성, 내마모성의 기능을 발휘할 수 있다. (8) 유리세라믹스의 유리의 열팽창계수는, 제3표에서 이해되는 바와같이 60×10 -7 /℃이하는 유리의 합성이 곤란하다. 또, 금속기재의 열팽창계수가 60∼145×10 -7 /℃의 범위의 것이 대부분이다. 따라서 유리의 열팽창계수가 145×10-7/℃∼60×10 -7 /℃의 범위내에서, 전기영동에 의한 전착이 가능하며, 절연성, 내마모성에 뛰어난 유리로서, 유리(A, B, C, D, E, F, H, I, J, K, L, P, Q)가 바람직하며, 금속기재의 선택과 유리를 선택하여 열팽창계수를 정합시켜서 조합을 결정할 수 있다. 이상, 제3표에 표시한 것같이, 유리의 조성에 의해서는 본 발명의 절연내마모피복층은 모우터의 베어링으로서 뛰어난 내마모특성을 표시한다. [실시예 3] 유리는 제3표의 A를 사용하며, 이 유리분말 400g과 이소프로필 알코올 1ℓ를 보올밀에 투입하여, 20시간 밀가공을 하였다. 이때의 현탁액중의 유리분말의 평균입자직경은, 2.0㎛이였다. 이 현탁액을 사용하여 유리분말을 금속기체에 전석하고, 850℃로 소성하여, 제1도의 모우터를 형성하였다. [실시예 4] 실시예 3과 마찬가지의 유리를 사용하여, 동일한 투입량으로 10시간 밀가공을 하였다. 이때의 평균입자직경은 7.0㎛이였다. 이어서 실시예 3과 동일한 방법으로 모우터를 형성하였다. [비교예 1] 실시예 3 및 4와 마찬가지의 재료를 사용하여 동일한 방법으로 밀가공을 30시간 행하여, 평균입자직경이 1.0㎛의 현탁액을 제조하고, 이 현탁액을 사용하여 전기영동에 의한 전착을 실시하였다. 그러나, 금속기체를 현탁액으로부터 끌어올렸던바, 전석층이 급격히 건조해버리고, 표면에 균열이 생겨서, 그후 박리가 생겼으므로 절연피복층을 형성할 수는 없었다. [비교예 2] 실시예 3 및 4와 동일한 방법으로, 밀가공을 8시간 행하고, 평균 입자직경이 8.0㎛의 현탁액을 제조하여, 모우터를 형성하였다. 이상의 예의 4개의 모우터에 대하여, 제4표에 표시한 평가를 실시하였다. 제4표의 각종 모우터의 평가 시험조건(시험온도, 회전수등)은 제1표와 동일한 조건으로 행하였다. [제4표] 제1도의 모우터는 콤팩트디스크등에 사용되는 것으로서, 절연 법랑층이 30㎛이상 마모하면 디스크의 판독에 오차가 생기고, 콤팩트디스크로서로의 기능을 완수하지 못하게 된다. 그러므로 이 모우터는 마모량이 30㎛이상 있는 것은 제품으로서 사용할 수 없고, 비교예 2는 불가하다. 이상과 같이, 절연법랑층의 마모량을 적게하기 위하여는, 표면 평균조도(Ra)를 0.3㎛이하로 할 필요가 있으며, 또한 Ra를 0.3㎛이하로 하기위하여는, 현탁액속의 유리세라믹스의 평균입자 직경을 7.0㎛이하로 할 필요가 있다. 그러나 평균입자직경이 2.0㎛이하가 되면 전석층의 박리가 생기기 쉽게 됨으로, 적절한 입자직경의 범위는 2.0㎛∼7.0㎛인것을 알 수 있다. [실시예 5] 실시예 1, 실시예 2에서는, 본 발명의 절연내마모피복층을 모우터의 드러스트베어링에 응용한 응용예에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 피복층은, 소형모우터의 레이디얼베어링에도 동일하게 응용전개가 가능하다. 제6도는 레이디얼베어링의 단면도이다. 레이디얼베어링의 금속기재(19)의 내표면(17)에 본 발명의 유리세라믹스를 피복한 것으로서, (18)은 유리세라믹스 내마모층의 단면부이다. 이 레이디얼 베어링도 제3도의 제조공정에 의하여 제조하는 것이 가능하다. [실시예 6] 본 발명은 또, 메카니컬시일의 용도에도 적용된다. 즉 각종기계의 회전부에서의 액체 또는 기체의 완전밀봉장치로서 사용되는 것이며, 그 대표적인 구조를 제8도에 표시한다. 시이트링(31)의 내면에, 실시예 3과 동일한 방법으로, 약 100㎛의 유리세라믹스층을 형성하여, 메카니컬시일로하였다. 도면중(32)는 회전축, (33)은 스터핑박스, (34)는 축패킹, (35)는 종동링, (36)은 스톱퍼, (37)은 가스킷, (38)은 플러싱구멍, (39)는 고압쪽유체를 표시한다. 또한, 종래의 시이트링은 스테인레스강 또는 하스테로이등의 내식성금속을 사용하고 있다. 본 발명품과 종래품을 비교하기 위하여, 제8도의 메카니컬시일을 조립하여 유체가 누설하기까지의 시간을 측정하여, 평가를 실시하였다. 또한, 실험에 제공한 유체는 80℃, 5% H 2 SO 4 의 유체를 사용하였다. 또 회전축(32)의 회전스피이드는 200r.pm으로 연속회전을 행한 것이다. 그때의 실험결과를 아래에 표시한다. 즉, 본 발명은, 종래예에 비하여 현저한 효과를 표시하는 것이다. [실시예 7] 실시예 3과 동일한 방법으로, 제9도에 표시하는 스푸울형상의 VTR용 가이드포스트(41)의 외주면에 두께 약 100㎛의 유리세라믹스층을 형성하여, 제10a,b에 표시한 바와같이 VTR에 짜넣고, 테이프 주행시험을 행하여 평가하였다. 또한 도면중(42)는 원추가이드, (43)은 테이프, (44)는 헤드를 갖춘 실린더, (45)는 공급리일, (46)은 권취리일을 표시한다. 또 종래의 스테인레스제 가이드포스트를 비교예로서 실시하였다. 시험방법으로서는, 메탈테이프의 주행시험 1만시간을 행하여, 마모량의 측정을 행한 것이다. 즉, 본 발명은 종래예에 비하여, 현저하게 마모성에 우수하다. [실시예 8] 실시예 3과 동일한 방법으로, 아이론용강판기재(51)에 유리세라믹스 피복층(15)두께 약 100㎛을 형성한 구성(제11a도), 또한 그위에 불소수지피복층(52)을 형성한 구성(제11b도)이 아이론 베이스를 사용하여, 아이론을 시험제작하였다. 본 발명의 유리세라믹스 피복층은, 내마모성에 뛰어난 동시에, 표면조도도 작으므로, 미끄럼성에 뛰어나있으며, 아이론베이스로서의 응용도 가능하다. 더우기 볼소수지피복층을 그위에 형성하면 보다 효과적으로 된다. [실시예 9] 제11a,b도와 동일한 구성으로서, 조리기용호트플레이트에의 응용도 가능하며, 내마모성, 내식성, 비점착성에 뛰어난 조리기용 호트플레이트를 구현화할 수 있다. 이와같이 본 발명의 절연성내마모피복층은, 베어링, 메카니컬시일등의 접동부에효과를 발휘할뿐만 아니라, VRT의 테이프용 각종 포스트로서 응용가능하다. 이상 상세히 설명한 바와같이, 본 발명에 의하면, 1가 알칼리금속의 산화물량의 함유량이 0.2∼2.0중량 %로, 2가 알칼리토류금속의 산화물을 15중량 %이상 함유하는 유리세라믹스를 전기영동전착에 의하여, 금속기판의 표면에 20∼200㎛절연내마모층을 형성시킨 물품은, 이것을 베어링으로서 모우터의 접동부에 사용하면, 내마모성, 워우플러터, 소음성, 전류치등을 현저하게 개선시킬 수 있었다. 또, 모우터나 메카니털시일의 접동부의 기능면에, 박층형상으로, 정확하게, 절연내마모층을 형성하는 일이 가능하게 됨으로, 기기의 소형화, 신뢰성의 개선, 장수명화에도 현저히 공헌할 수 있다. |
