KR0143744B1 - 할로우형 실린더의 이종금속 접합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 할로우형 실린더의 이종금속 접합방법에 관한 것으로, 할로우형 실린더(1)의 내부에 접합재(2)를 용융시키고 최종 응고점을 보온재 또는 단열재(3)를 이용해 방향성 응고를 이루며 접합하는 할루우형 실린더의 이종금속 접합방법에 있어서, Zn, P성분중 적어도 하나를 포함한 첨가제(4)를 사용하므로써, 동합금 용탕내의 산화물이 탄소 또는 수소와 반응하기 전에 미리 환원시켜 제거하거나 탄소 또는 수소보다 더 강하게 환원 역할을 하게 되어, 조직내의 가스발생을 억제해주므로써 미세기공의 발생을 방지하게 된다.

Description

할로우형 실린더의 이종금속 접합방법

제1도는 본 발명의 이종금속 접합방법을 도시한 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1:모재 2:접합재

3:보온 또는 단열재 4:첨가제

본 발명은 할로우형(中空形) 실린더의 이종금속 접합방법에 관한 것으로, 특히 용융되는 접합재의 최종 응고점을 보온 또는 단열을 이용해 방향성 응고를 이루며 접합하는 방법에 있어서, 접합부에서 미소기공이 발생되는 것을 방지하기 위한 할로우형 실린더의 이종금속 접합방법에 관한 것이다.

일반적으로 할로우형 실린더는 실린더 몸체와 이 몸체에 피스톤로드와 접촉되는 원통형 접합재가 삽입되어 이루어지게 되는 바, 상기 접합재는 피스톤 로드의 왕복운동에 의한 마찰로 인해 마모가 쉽게 일어나지 않도록 몸체와는 다른 경재질로 만들어지게 되는 것으로, 상기 몸체를 이루는 모재와 상기 접합재를 접합하기 위해서는 주조에 의한 접합방식을 주로 사용하게 된다.

이러한 주조에 의한 접합방법에는 원심주조법, 일렉트로슬래그용접법(electro-slag remelting)등과 같은 방법이 있으나, 이들 기존의 주조 접합법은 접합재가 용융된 후 다시 응고될 때 각종 불순물이 첨가되거나 내부에서 발생된 가스로 인한 기공발생 및 불균일한 수축에 따른 결함등이 발생되기 때문에 이를 방지하기 위해 특수한 강제냉각설비가 요구된다.

그래서 본 출원인의 특허출원 제94-13416호에서 제안된 접합법은 접합재가 일정한 방향을 가지고 응고되도록 보온 또는 단열을 하므로써 최종 응고점을 형성시키는 것으로, 원하는 최종 응고부위에 모래, 세라믹 등과 같은 열전도율이 낮은 보온재 또는 단열재를 사용하여 일반분위기로나 저진공로에서 중공형본체 내면에 접합될 금속의 용융점 이상으로 가열하고, 10-20분 유지후 단순히 노냉하므로써 접합이 완료되는 것이다.

이때 접합재의 재질은 중공형 본체의 재질보다 융점이 낮은 것으로 Cu계 합금 등의 비철재료가 주로 사용되고, 중공형 본체는 일반철강재를 사용하게 된다.

그러나 상기한 접합법에서는 단순히 노냉에 의해 냉각시키기 때문에 접합하려는 재질의 응고특성에 따라 접합재의 응고조직으로부터 동합금 용탕내에 존재하는 산화물이 일부 환원되면서 발생되는 가스에 의해 수십내지 수백㎛의 미소기공이 생기게 되고, 이러한 미소기공의 존재로 유압기기와 같이 기밀성이 유지되는 부품의 제조에는 사용될 수 없는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기한 제문제점을 해결하기 위한 것으로, 용융되는 접합재의 최종응고점을 보온 또는 단열을 이용해 방향성 응고를 이루며 접합부에 미소기공이 발생되지 않는 할로우형 실린더의 이종금속 접합방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 할로우형 실린더의 이종금속 접합시 용융되는 접합재의 최종응고점을 보온 또는 단열을 이용해 방향성 응고를 이루며 접합하는 할로우형 실린더의 이종금속 접합방법에 있어서, P, Zn을 포함하는 첨가제를 사용하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 접합방법에 따르는 경우 첨가된 P, Zn성분이 탄소 또는 수소보다 더 강력한 환원작용을 하기 때문에 동합금 용탕내에 존재하는 산화물이 탄소 또는 수소와 반응하기 전에 미리 환원시키므로써 동합금 용탕내의 산화물이 조직내에서 탄소 또는 수소에 의한 탄산가스 및 수증기가 발생하여 미세기공이 발생하는 것을 방지하게 된다.

이하 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

이종금속 접합시 용융되는 접합재의 최종응고점을 보온 또는 단열에 의해 방향성 응고를 이루며 접합하게 되는 경우 접합부에서는 접합과정시 발생되는 가스에 의해 미세기공이 발생될 수 있다.

이러한 접합과정시 가스의 발생은 첫째, 접합과정에서 모재로 사용되는 강재질에 함유된 탄소가 확산되어 용융된 접합재 주로 동합금 용탕의 산화물을 환원시키는 과정에서 발생되는 탄산가스,

C+MO→M+CO↑(여기서 M:금속)

둘째 동합금 용탕에 흡수되어 고용된 수소가 응고과정에서 고용도 차에 의해 방출되는 수소와 동합금용탕의 산화물을 환원시키는 과정에서 발생되는 수증기,

H₂+MO→M+H₂O↑

로서, 이들 가스의 발생을 방지하므로써 미세기공의 생성을 방지할 수 있게 되는 것이다.

본 발명의 미세기공 생성을 방지하기 위한 첨가제는 표1.에 나타낸 것과 같이 환원제 역할을 하는 성분 즉 P, Zn을 함유하는 동시에 접합되는 재질과 상호고용이 가능한 성분을 포함하는 것으로 선정하였다.

물론 표1.은 본 발명의 첨가제 일례를 나타낸 것으로 본 발명의 첨가제 종류 모두를 나타낸 것은 아니며, 첨가제로 분말을 사용한 것은 구하기 용이하기 때문이지 특별한 이유가 있어 한정된 것은 아니다.

본 발명에 따른 첨가제를 이용하여 미소기공 생성을 방지하는 방법은 제1도에 도시한 바와 같이 할로우형 실린더 형상의 모재(1)에 형성된 중공형 내부에 적당량의 첨가제(4)를 넣고, 원통형의 접합재(2)와 모래 또는 세라믹과 같은 열전도율이 낮은 보온 또는 단열재(3)를 끼운후, 일반 분위기로나 저진공로에서 접합재의 용융점 이상으로 가열하여 10-20분 유지후 단순히 노냉하므로써 접합이 완료된다.

이때 상기의 접합과정에서 본 발명의 첨가제(4)는 모재(1)의 중공형 내부의 저면에 충진될 수 있으나, 중공형의 내주면을 따라 분말상으로 고르게 도포하는 것이 바람직하다.

이렇게 포함된 상기 첨가제(4)는 아래와 같은 반응에 의해 모재(1)와 접합재(2)에 포함된 산화물을 미리 환원시키게 되어 상술한 CO 또는 HO가스의 생성을 억제해주게 되어, 미세기공의 발생을 방지하게 된다.

5Cu₂O+2P=10Cu+P₂O₅

5Fe₂O₃+6P=10Fe+3P₂O₅

Cu₂O+ZN=10Cu+ZnO

Fe₂O₃+3Zn=2Fe+3ZnO

상기한 바와 같이 반응하게 되는 것은 표2에 나타낸 산화반응의 표준에너지 변화량(△G°)을 비교하면 Cu나 Fe보다도 P와 Zn의 산화반응의 표준에너지 변화량((△G°)이 더 낮기 때문에 Cu나 Fe 산화물을 환원시키게 되어 미세기공의 원인이 되는 C 또는 H의 환원반응에 의한 가스(CO,H₂O) 발생을 억제하게 되며, H보다도 더 강력한 환원작용을 하게 된다.

그리고 각 첨가제의 적정 첨가량은 실험결과 인동분말의 경우는 용융되는 접합재에 대해 1wt% 이상이면 기공이 발생되지 않고, 2wt%이상 첨가되는 경우 인동분말의 P와 모재의 Fe가 서로 반응하여 접합계면에서 고경도의 인화합물인 FeP, FeP를 생성하게 되므로, 적정 첨가량은 1 내지 2wt%로 하는 것이 바람직하다.

또한 황동분말은 접합재에 대해 12wt% 이상이면 기공이 발생되지 않고, 너무 과잉으로 첨가되는 경우는 특별히 모재 또는 접합재와 반응하여 취약한 조직을 만들지는 않지만 너무 과잉으로 첨가되어 의도하는 접합재의 재질성분을 변경하지 않을 정도로 첨가하는 것이 바람직하다.

이와 같이 P, Zn 모두 기공생성 방지에는 효과가 있으나 생산성면에서 P의 경우 첨가량의 적정범위가 너무 한정되어서 작업이 어려우므로 불량발생확률이 높으므로 Zn의 사용이 공업적으로 기대된다.

이하에서 본 발명의 실시예를 설명한다.

[실시예 1]

다음은 본 발명을 적용하여, 할로우 모재를 SCM440으로 하고, 모재의 내주면에 접합될 재질은 LBC3을 사용하여 주조접합한 예이다.

사용된 보온재는 일반 주물작업에서 사용하는 주물사를 성형하여 사용하였으며 첨가제는 인동분말로 접합재에 대해 0.5, 1.5, 2.5wt%를 각각 첨가하고, 접합로는 일반 저진공 분위기로를 사용하였다.

접합온도는 1100℃에서 약 20분간 유지후 노냉하며, 이때 진공도는 저융점 금속인 Pb, Zn의 증기압 온도를 고려하여 N가스로 600Torr정도 유지시켰다.

접합완료후 절단하여 관찰한 결과 0.5wt%를 첨가한 시편에서는 기공이 일부 생성되었으나, 1.5, 2.5wt%를 첨가한 시편에서는 기공 생성이 없는 양호한 접합부를 형성하였다.

그러나 조직관찰용 시편을 만들어 관찰한 결과 2.5wt% 첨가된 시편에서 접합계면에 인화합물이 형성되었다.

따라서 접합재에 대해 인동분말을 1.5wt% 첨가한 시편만이 양호한 접합을 이룬 것을 확인할 수 있었다.

[실시예 2]

실시예 1과 동일한 조건에서 첨가제의 종류를 황동분말로 바꾸어 실험하였다. 황동분말의 첨가량은 각각 5, 10, 20wt%이었다.

실시예 1과 동일하게 접합완료후 절단하여 관찰한 결과 5, 10wt%가 첨가된 시편에서는 기공이 관찰되었으나, 15, 20wt% 첨가된 시편은 기공생성이 관찰되지 않았으며, 조직관찰에서도 이상 화합물 생성이 없는 양호한 접합부를 형성하였다.

[비교예 1]

실시예 1과 동일한 접합방법과 재질을 선택하여 첨가제를 넣지않고 접합하였다.

접합완료후 절단하여 조사한 결과 많은 기공들이 관찰되어 기밀성 있는 접합재를 얻을 수 없었다.

Claims (7)

1. 할로우형 실린더형상의 모재(1)의 중공부에 첨가제(4)를 넣고, 상기 첨가제(4) 위에 원통형 접합재(2)를 밀착삽입하고, 상기 접합재(2)의 중공부에 열전도율이 낮은 보온재 또는 단열재(3)를 삽입하여 용융접합을 한 후 최종응고점까지 방향성 응고를 이루며 접합시키는 할로우형 실린더의 이종금속 접합방법에 있어서, 상기 첨가제(4)가 Zn, P성분중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 할로우형 실린더의 이종금속 접합방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 첨가제(4)를 할로우형 실린더의 내부 벽면에 분말도포하게 된 것을 특징으로 하는 할로우형 실린더의 이종금속 접합방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 첨가제(4)가 할로우형 실린더(1)의 내부 저면에 충진된 것을 특징으로 하는 할로우형 실린더의 이종금속 접합방법.
4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 첨가제(4)가 인동(Cu₃P)인 것을 특징으로 하는 할로우형 실린더의 이종금속 접합방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 첨가제(4)가 접합재(2)에 대해 1 내지 2wt% 첨가되는 것을 특징으로 하는 할로우형 실린더의 이종금속 접합방법.
6. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 첨가제(4)가 Cu:70wt%, Zn:30wt%의 조성을 가지는 황동인 것을 특징으로 하는 할로우형 실린더의 이종금속 접합방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 첨가제(4)가 접합재(2)에 대해 12wt% 첨가되는 것을 특징으로 하는 할로우형 실린더의 이종금속 접합방법.