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KR-20260061189-A - 복수의 미세기계적 잠금 유닛이 제공된 표면을 갖는 물품 및 이러한 물품의 제조 방법

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Abstract

물품(1) 및 이러한 물품을 제조하는 방법으로서, 물품은 표면(3)을 갖는 강철 기판(2)을 포함하고, 표면(3)에는 미세기계적 잠금 유닛이 다른 물품의 표면에 압박될 때 다른 물품과 미세기계적 잠금을 형성하기 위한 복수의 미세기계적 잠금 유닛이 제공되고, 미세기계적 잠금 유닛은 리지(7)에 의해 둘러싸인 딤플(6)을 포함하고, 딤플(6)의 바닥과 리지(7)의 상단 사이의 중간에서 딤플의 표면의 각도는 표면(3)에 대해 30 내지 75°, 바람직하게는 45 내지 75°이다.

Inventors

  • 브링크 라우르센, 매즈

Assignees

  • 마이크로록 에이피에스

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20240809
Priority Date
20230814

Claims (20)

  1. 표면(3)을 갖는 강철 기판(2)을 포함하는 물품(1)으로서, 표면(3)에는 미세기계적 잠금 유닛이 다른 물품의 표면에 압박될 때 다른 물품과 미세기계적 잠금을 형성하기 위한 복수의 미세기계적 잠금 유닛이 제공되고, 미세기계적 잠금 유닛은 리지(7)에 의해 둘러싸인 딤플(6)을 포함하고, 딤플(6)의 바닥과 리지(7)의 상단 사이의 중간에서 딤플의 표면의 각도는 표면(3)에 대해 350 내지 75°, 바람직하게는 4555 내지 75°인, 물품(1).
  2. 제1항에 있어서, 딤플(6)의 중심 사이의 간격은 60 내지 200 μm인, 물품(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 딤플(6)의 바닥으로부터 리지(7)의 상단으로 측정된 딤플(6)의 깊이(d)는 15 내지 100 μm, 바람직하게는 30 내지 100 μm인, 물품(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판의 강철은 420 내지 1630 N/mm², 바람직하게는 600 내지 1200 N/mm²의 인장 강도를 갖는, 물품(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 경질층 또는 코팅(9)이 표면(3)에 제공되고, 경질층은 바람직하게는 실질적으로 균일한 두께(t1)를 갖는, 물품(1).
  6. 제5항에 있어서, 두께(t1)는 3 내지 20 μm, 바람직하게는 5 내지 10 μm인, 물품(1).
  7. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 리지(7)는 실질적으로 원형의 형태로 연장되는, 물품(1).
  8. 제7항에 있어서, 리지(7)는 60 내지 200 μm의 직경을 갖는, 물품(1).
  9. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 물품(1)은 1 mm 이하, 바람직하게는 0.5 mm 이하의 두께(t2)를 갖는 시트를 포함하는, 및/또는 물품(1)은 심(shim)인, 물품(1).
  10. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 미세기계적 잠금 유닛이 제공된 물품(1)의 표면은 리지(7)가 바람직하게는 5 내지 450 MPa의 표면 압력으로 결합 표면에 압박됨으로써 물품(1)의 표면과 다른 물품(10)의 결합 표면 사이에 미세기계적 잠금을 확립하도록 구성되는, 물품(1).
  11. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 미세기계식 잠금 유닛은 직교하는 제2 방향(d2)에 비해 제1 방향(d1)으로 실질적으로 더 높은 정적 마찰 계수를 야기하는 패턴으로 표면에 배열되는, 물품(1).
  12. 제11항에 있어서, 패턴은 제2 방향(d2)과 실질적으로 평행하게 배열된 미세기계적 잠금 유닛(40)의 복수의 직선 어레이(9)를 포함하는, 물품(1).
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 단위 면적당 미세기계적 잠금 유닛의 수는 정적 마찰 계수에 대하여 특정 크기를 얻도록 선택되는, 물품(1).
  14. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 미세기계적 잠금 유닛은 다수의 레이저 펄스를 적용하여 강철 기판(2)의 매끄러운 표면에 형성되는, 물품(1).
  15. 제5항에 종속되는 제14항에 있어서, 경질층 또는 코팅(9)은 바람직하게는 크롬 카바이드 확산 코팅에 의해 강철 기판에 후속적으로 증착되는, 물품(1).
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 리지(7)는 예리한 마루형 리지인, 물품(1).
  17. 제5항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 경질층(9)은 경질 크롬 카바이드층, 바람직하게는 강철 기판(2)에 확산 코팅으로 형성된 경질 크롬 카바이드층인, 물품(1).
  18. 미세기계적 잠금 유닛이 다른 물품의 표면에 압박될 때 다른 물품과 미세기계적 잠금을 형성하기 위한 복수의 미세기계적 잠금 유닛이 제공된 표면(3)을 갖는 강철 기판(2)을 갖는 물품(1)을 제조하는 방법으로서, a) 표면(3)의 동일 위치에 주어진 강도로 여러 번 레이저 펄스를 인가하여 리지(7)에 의해 둘러싸인 딤플(6)을 생성하는 단계, b) 레이저 펄스의 횟수 및/또는 강도를 조정하여 딤플(6)을 얻되 딤플(6)의 바닥과 리지(7)의 상단 사이의 중간에서 딤플(6)의 표면의 각도는 표면(3)에 대해 30 내지 75°, 바람직하게는 45 내지 75°인 단계, c) 표면(3)의 복수의 다른 위치에서 a) 및 b)를 반복하는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서, c)는 표면(3)의 위치별로 수행되어 60 내지 200 μm의 딤플(6)의 중심 사이의 간격을 얻는, 방법.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서, b)에서 레이저 펄스의 횟수 및/또는 강도가 조정되어 15 내지 100 μm, 바람직하게는 3040 내지 100 μm의 딤플(6)의 바닥으로부터 리지(7)의 상단으로 측정된 깊이(d)를 갖는 딤플(6)을 얻는, 방법.

Description

복수의 미세기계적 잠금 유닛이 제공된 표면을 갖는 물품 및 이러한 물품의 제조 방법 본 발명은 복수의 미세기계적 잠금 유닛이 제공된 강철 또는 코팅 강철 표면을 갖는 물품 및 이러한 물품의 제조 및 사용 방법에 관한 것이다. 윤활이 없는 상태(깨끗하고 건조한 상태)에서 매끄러운 표면을 가진 클램핑된 강철 물품 간의 정적 마찰 계수는 0.12 내지 0.25이다. (https://roymech.org/Useful_Tables/Tribology/co_of_frict.html , Roymech.org) 예를 들어 볼트 연결부로 강철 물품을 함께 클램핑하여 구조물을 구성할 때, 전단력, 즉 접촉 표면을 따라 작용하는 힘은 클램핑 힘에 정적 마찰 계수를 곱한 값에서 안전 계수를 뺀 값으로 제한된다. 강철 대 강철 물품의 정적 마찰 계수는 예측 불가능하게 변동하므로, 안전 계수를 뺀 최저값을 사용해야 하며, 이는 엔지니어가 0.15의 유효 정적 마찰 계수(때로는 더 보수적인 0.10 값이 사용됨)로 설계해야 함을 의미한다. 강철 대 강철 정적 마찰을 증가시키는 다양한 방법이 알려져 있다. - WO2010118747에 알려진 표면 거칠기 처리는, 적어도 두 개의 기계 부품의 두 결합 금속 표면 사이에 마찰 부재를 마찰 요소당 적어도 두 개의 클램핑 장치로 압착할 때 전단 운동에 대한 높은 저항을 생성하기 위해 미리 정해진 정확한 두께를 가진 강철 또는 철 마찰 부재를 제공한다. 압착력을 제공하기 위해 마찰 부재는 기계 부품 중 하나의 결합면과 맞물리는 적어도 하나의 마찰면을 갖도록 구성되며, 마찰면을 거칠게 한 후 거칠게 된 마찰면에 비침착 표면 경화 처리를 수행하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다. - "선박 엔진 부품 적용을 위한 정밀하게 정의된 정적 마찰 계수(상대 표준 편차 3.5%)를 갖는 고마찰 링 제조를 위한 신규 공정"(Materials 2022, 15,448)에서 알려진 표면 텍스처링, 코팅 도포, 표면에 경질 입자 도포, ... - EP2773881B1에 공개된 텅스텐 카바이드 코팅 적용 방법은, 다음 작업 단계를 포함하는 브레이크 디스크 제조 방법을 개시한다: a) 회색 주철 또는 강철로 제작되고 두 개의 대향하는 제동 표면(2a, 2b)을 갖는 제동 밴드(2)를 포함하는 디스크 브레이크를 제공하며, 각 제동 표면은 디스크의 두 주요 측 중 적어도 하나를 부분적으로 정의하는 단계; b) HVOF(고속 산소 연료) 기술, HVAF(고속 공기 연료) 기술 또는 KM(동력 금속화) 기술을 사용하여 디스크에 입자 형태의 재료를 증착하여 제동 밴드의 두 제동 표면 중 적어도 하나를 덮는 보호 코팅(3)을 형성하는 단계를 포함한다, 입자 형태의 재료는 중량 기준으로 70 내지 95%의 텅스텐 카바이드, 5 내지 15%의 코발트, 1 내지 10%의 크롬으로 구성된다, - 결합될 작업물의 마찰 증가 연결을 위한 연결 요소를 공개하는 미국 특허 US6347905B1에 알려진 바와 같은, 물품의 결합 표면 사이에 경질 입자를 갖는 디스크를 적용하는 것으로, 이는 표면에 정의된 크기의 입자를 지지하는 얇은 탄성 요소이며, 입자는 결합될 작업물의 압축 강도 및 전단 강도를 초과하는 재질로 제작된다. Materials 2022, 15, 448, 선박 엔진 부품 적용을 위한 정적 마찰 계수(상대 표준 편차 3.5%)가 정밀하게 정의된 고마찰 링 제조를 위한 새로운 공정(Wojciech S. Gora, Jesper V. Carstensen, Krystian L. Wlodarczyk, Mads B. Laursen, Erica B. Hansen 및 Duncan P. Hand)(Materials 2022, 15, 448. https://doi.org/10.3390/ma15020448)은 대형 선박 엔진의 구동축에 적용하기 위해 높은 정적 마찰 계수를 맞춤 제작한 표면을 제조하기 위한 레이저 표면 텍스처링 기술을 공개하며, 마찰 계수는 좁은 범위 내에서 유지되었다. 이는 나노초 펄스 파이버 레이저를 사용하여 표면에 육각형 크레이터 패턴을 생성함으로써 달성되었다. 적절한 마찰 계수를 제공하기 위해, 레이저 가공 후 표면을 크롬 기반 경화 공정으로 경화시켜 엔진 적용 시 수직 항력이 가해질 때 텍스처링된 표면이 상대 표면에 매립되도록 했다. 그러나 결과적으로 생성된 마찰 링은 한 번만 클램핑할 수 있으며, 여러 번 클램핑하면 미리 정해진 마찰 계수를 비교적 빠르게 잃게 된다. WO2010118747A1은 마찰 부재가 적어도 두 개의 기계 부품의 두 개의 결합 금속 표면 사이에 적어도 두 개의 클램핑 장치에 의해 압착될 때 전단 운동에 대한 높은 저항성을 생성하기 위해 적응된 두께를 갖는 강철 또는 철 마찰 부재를 공개한다. 마찰 부재는 마찰 요소에 대해 적어도 하나의 클램핑 장치에 의해 압착력을 제공하기 위해, 기계 부품 중 하나의 결합면과 결합하기 위한 적어도 하나의 마찰면을 갖도록 제공된다. 마찰면은 거칠게 하는 공정 후 거칠게 된 마찰면을 비침적 표면 경화하여 생성되었다. WO2010118747A1은 또한 마찰 부재가 적어도 두 개의 기계 부품의 두 개의 결합 금속 표면 사이에 적어도 두 개의 클램핑 장치에 의해 압착될 때 전단 운동에 대한 높은 저항성을 생성하기 위해 미리 정해진 적응 두께를 갖는 강철 또는 철 마찰 부재를 제공하는 방법을 개시한다. 마찰 부재는 기계 부품 중 하나의 결합면과 결합하기 위한 적어도 하나의 마찰면을 갖도록 제공되며, 이는 마찰면을 거칠게 한 후 거칠게 된 마찰면에 비침착 표면 경화 처리를 포함한다. 따라서 거칠고 단단한 표면이 제공되며, 거친 표면의 돌출부가 결합면을 관통하여 기계적 잠금을 달성할 수 있다. EP3339658A1은 청구항 1의 서두에 따른 복수의 미세기계적 잠금 유닛이 표면에 제공된 물품을 개시한다. EP3339658A1에서 미세기계적 잠금 유닛은 금속 결합층을 통해 금속 기판에 고정된 경질 입자로 형성된다. 그러나 알려진 어떤 조치도 윤활제나 오염 물질의 유무와 무관하게 정밀하게 제어된 정적 마찰 계수를 제공하고 표면을 여러 번 압착한 후에도 실질적으로 일정하게 유지되도록 하지 못한다. 도 1은 시각화를 위해 양측에 에폭시 매립을 갖는 실시예에 따른 물품의 금속 조직 단면 이미지이다. 도 2는 시각화를 위해 에폭시 매립을 갖는 변경에 따른 물품의 상세 단면 이미지이다. 도 3은 실시예에 따른 물품의 표면 평면도이다. 도 4는 두 판형 물품 사이의 볼트 연결부에 클램핑된 얇은 마찰 디스크 형태의 물품의 실시예의 단면도이다. 도 5 및 6은 각각 도 5의 실시예의 얇은 마찰 디스크의 평면도와 입면도이다. 도 7 내지 9는 예시들의 시험 결과를 나타내는 다이어그램이다. 도 1 내지 3을 참조하면, 강철 기판(2)을 갖는 물품(1)은 표면(3)에 복수의 미세기계적 잠금 유닛이 제공되어, 미세기계적 잠금 유닛이 다른 물품의 표면에 압박될 때 다른 물품과 미세기계적 잠금을 형성하여, 바람직하게는 이를 통해 높은 정적 마찰 계수, 바람직하게는 오염물 또는 윤활제의 존재에 크게 영향을 받는 정밀하게 결정된 높은 마찰 계수를 얻는다. 각 미세기계적 잠금 유닛은 리지(7)로 둘러싸인 딤플(6)을 포함한다. 미세기계적 잠금 유닛은 아래에서 상세히 설명되는 레이저 텍스처링 방법으로 생성된다. 딤플(6)은 표면에 대한 법선에 대해 본질적으로 회전 대칭이다. 딤플(6)의 가장 낮은 지점에서 딤플(7)의 표면은 딤플(6)의 마루 또는 리지(7)까지 연장된다. 딤플(6)의 바닥과 리지(7)의 상단 사이의 중간의 딤플(6)의 표면의 각도는 표면(3)에 대해 30 내지 75°이며, 바람직하게는 45 내지 70°로, 아래에서 설명하는 미세기계적 잠금 유닛이 제공된 표면(3)의 원하는 특성을 얻는다. 딤플(6)의 중심(가장 깊은 지점) 간 간극은 60 내지 200 μm이다. 딤플(6)의 바닥에서 리지/마루(7)의 상단까지 측정된 딤플(6)의 깊이(d)는 15 내지 100 μm, 바람직하게는 30 내지 70 μm이다. 리지(7)는 바람직하게는 예리한 마루를 갖는 리지다. 강철 기판(2)의 인장 강도는 바람직하게는 420 내지 1630 N/mm², 더 바람직하게는 600 내지 1200 N/mm²이다. 선택적으로, 경질층 또는 코팅(9)이 표면(3)에 제공되며, 경질층은 바람직하게는 실질적으로 균일한 두께(t1)를 갖는다. 두께(t1)는 바람직하게는 3 내지 20 μm이며, 더 바람직하게는 5 내지 10 μm이다. 리지 또는 마루(7)는 실질적으로 원형 형태로 연장될 수 있으며, 직경이 60 내지 200 μm일 수 있다. 일 실시예에서, 물품(1)은 두께(t2)가 1 mm 이하, 바람직하게는 0.5 mm 이하인 시트이거나 이를 포함하며, 그리고/또는 물품(1)은 심(shim)이다. 도 5 및 6은 물품(1)이 마찰 디스크인 실시예를 도시한다. 도 4는 이러한 물품(1)/마찰 디스크를 두 판형 물품(10) 사이의 볼트 연결부로 도시하는데, 예를 들어, 이는 볼트 플랜지 연결부에서의 플랜지일 수 있다. (너트(14)와 함께) 볼트(12)는 수직 화살표로 표시된 바와 같이 플레이트(10) 및 마찰 디스크(1)의 표면에 법선 방향으로 힘을 가한다. 수평 화살표로 표시된 전단력이 두 판형 대상(10)에 가해진다. 마찰 디스크가 제공하는 높은 정적 마찰 계수는 아래 예시에서 설명하듯이 볼트 연결부가 상대적으로 높은 전단력을 견딜 수 있게 한다. 물품(1) 사용 중에는 리지(7)가 결합 표면에 압박되며, 바람직하게는 5 내지 450 MPa의 표면 압력으로 이루어진다. 일 실시예(미도시)에서, 미세기계적 잠금 유닛들은 표면에 패턴으로 배열되어, 직교하는 제2 방향에 비해 제1 방향에서 상당히 높은 정적 마찰 계수를 나타낸다. 이 패턴은 제2 방향과 실질적으로 평행하게 배열된 미세기계적 잠금 유닛들의 복수의 직선 어레이를 포함할 수 있다. 단위 표면적당 미세기계적 잠금 유닛의 수는 정적 마찰 계수의 특정 크기를 얻기 위해 선택된다. 미세기계적 잠금 유닛은 다수의 레이저 펄스를 적용하여 강철 기판(2)의 매끄러운 표면에 형성된다. 일 실시예에서, 경질층 또는 코팅(9)은 이후 강철 기판 위에, 바람직하게는 크롬