KR100242964B1 - 습동부품의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 습동부품의 제조방법은, 금속본체에 세라믹, 초경합금 등의 내마모부재를 접합할 때 접합부에 발생되는 잔류응력을 조절하므로써 습동면의 크라운형상의 크기를 제어하게 된 것으로, 특히 접합재의 냉각속도 및 고온에서의 열처리를 이용하여 쉽게 습동면의 크라운형상을 조절할 수 있게 되므로써 습동면을 원하는 크기의 크라운 형상으로 용이하게 제조할 수 있게 되는 것이다.

Description

습동부품의 제조방법(Method of manufacturing sliding parts)

본 발명은 습동부품의 제조방법에 관한 것으로, 특히 세라믹의 우수한 내마모특성을 이용하기 위하여 밸브리프트, 태핏, 캠팔로우어, 로커아암등과 같이 습동면을 가지는 마모부품에 대한 금속본체에 세라믹을 접합시키는 습동부품의 제조방법에 관한 것이다.

종래 내마모성이 요구되는 기계부품 예컨대 엔진의 흡입밸브, 배기밸브의 개폐를 제어하기 위해 설치되는 캠과 태핏은 도 1 에 도시된 바와 같이, 태핏(10)의 하부면(12)이 캠(14)에 접촉되어져 캠축의 회전운동을 상하운동으로 바꾸어 주면서 밸브의 개폐를 제어하게 되는데, 상기 태핏(10)은 상부의 금속재(16)와 하부의 내마모재(18)의 접합체로 이루어져 상기 내마모재의 하부에 형성된 습동면(20)은 상대재인 캠(14)의 편마모를 방지하기 위하여 중앙부가 주변보다 수 내지 수십㎛ 볼록한 소위 (+)크라운형상으로 되어 있다.

이러한 크라운 형상은 종래에 금속재질로만 된 태핏의 경우에는 상기 금속재의 본체를 크라운형상으로 직접 연마가공하여 형성 시켜주어야 하고, 본체를 금속재로 하고 습동부분만을 금속재의 내마모성부재를 접합시킨 태핏의 경우에도 이들을 접합한 후에 크라운형상으로 연마가공하였다.

그리고 최근에 사용되기 시작한 금속재 본체에 내마모특성이 훨씬 우수한 초경합금이나 질화규소, 탄화규소 또는 Sialon 등의 세라믹 내마모성 부재를 접합한 접합체의 경우, 접합후 세라믹을 3차원 구면 연마 가공하는 것은 세라믹재질의 높은 경도와 취성 때문에 가공상의 많은 비용을 초래하는 문제점을 가지고 또한, 세라믹을 가공하기 쉬운 미소결상태에서 미리 크라운형상을 형성시켜 놓고 소결 후 그대로 사용하는 경우에는 소결 후의 치밀화에 따른 수축 현상으로 전체적인 치수정밀도가 떨어지게 되는 문제점을 가지고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 일본국 특허공보 평6-74811(출원 소62-57497)에 게시된 바에 따르면, 금속재 본체보다도 열팽창률이 작은 내마모성부재인 세라믹을 가열 접합시킴과 동시에, 접합부의 냉각에 따른 열팽창계수의 차이를 이용하여 세라믹 접합면의 반대면을 크라운형상으로 만들고 있다.

그러나 상기한 방법에 따르는 경우 금속제 본체와 내마모부재인 세라믹과의 접합면이 넓은 경우, 예를 들면 디스크의 형태로 접합될 때, 특히 열팽창계수가 13 X 10^-6/℃인 강과 열팽창계수가 3.2 X 10^-6/℃인 질화규소(Si₃N₄)의 경우 열팽창계수 차이가 비교적 크기 때문에 크라운 값이 너무 커지는 문제가 발생하게 되고, 크라운 값이 너무커지므로써 접합에 따른 잔류응력이 커져서 접합체의 세라믹원주 부위에 크랙이 생성되기 쉽게 될 뿐아니라 중앙의 볼록부위에 응력이 집중되어 쉽게 파괴되는 문제가 생긴다.

또한 크라운 값이 너무 작으면 평면에 가까워지므로 크라운에 따른 내마모성 증대 효과가 없어지게 되므로 크라운을 적절하게 형성할 수 있도록 크라운형상의 제어방법이 요구되었다.

이에 본 발명은 금속제 본체와 내마모부재를 접합하는 경우 세라믹의 접합면이 넓은 형태로 접합되거나 접합되는 재질끼리 형성되는 잔류응력을 이용하여 크라운값을 적정하게 제어하여 별도의 후가공 없이도 원하는 크라운형상으로 제어할 수 있도록 해주는 습동부품의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 습동부품의 제조방법은, 금속본체에 세라믹 내마모부재를 접합할 때 접합부에 발생되는 잔류응력을 조절하므로써 습동면의 크라운형상의 크기를 제어하게 된 것을 특징으로 한다.

이때 상기 잔류응력은 냉각속도 및 고온에서의 소정시간 동안 유지하게 된 열처리를 이용하여 쉽게 조절할 수 있게 되므로써 습동면을 원하는 크기의 크라운 형상으로 용이하게 제조할 수 있게 되는 것이다.

도 1 은 크라운형상을 가지는 캠과 태핏의 구조도를 도시한 도면,

도 2 는 냉각속도의 차이에 따른 크라운크기의 변화를 나타낸 도면,

도 3 은 각 온도에서의 유지시간에 따른 크라운크기의 변화를 나타낸 도면이다.

도 4 는 초경합금이 내마모부재인 경우 냉각속도의 차이에 따른 크라운크기의 변화를 나타낸 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 태핏 12 : 하부면

14 : 캠 16 : 금속재

18 : 내마모재 20 : 습동면

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 예시도면을 참조하여 자세히 설명한다.

접합온도로부터 상온까지 냉각되어지는 접합체에 있어서, 금속제 본체와 내마모부재인 세라믹 또는 초경의 열팽창계수가 다르기 때문에 접합체에는 고온 접합후 냉각시에 접합부에 잔류응력이 형성되면서, 이 잔류응력에 의해 접합면이 오목 또는 볼록하게 형성되게 된다.

이때 금속의 열팽창계수가 내마모부재의 열팽창계수보다 클 경우에는 냉각되면서 금속이 내마모부재보다 더 많이 수축하기 때문에 내마모부재 접합면의 반대면이 도 1에 도시된 바와 같이 볼록하게 형성되는 즉, (+)크라운 형상으로 이루어지게 된다.

이렇게 형성된 크라운형상은 접합시 금속과 내마모부재의 열팽창계수차이에 따라 형성된 잔류응력의 차이에 따라 변화할 것인 바, 본 발명에서는 내마모부재로서 질화규소와 초경합금중 어느하나를 선택하고, 금속재로서는 강을 선택하여 강의 오스테나이징화 온도로부터 냉각될 때의 내마모부재에 형성된 잔류응력을 조절하므로써 접합체의 질화규소 표면에서의 크라운값을 조절하고자 하였다.

이러한 잔류응력은 온도의 함수로서 비교적 고온에서 유지시간을 조절함으로써 형성되는 잔류응력을 조절할 수 있게 되었다. 이러한 고온에서의 유지시간을 조절해주는 방법으로서 냉각속도를 조절하는 방법과, 이미 형성된 접합체를 어느 적정온도에서 유지시켜 주는 방법에 의해 크라운 형상의 크기를 조절할 수 있게 된다.

[실시예 1]

금속재는 서냉이나 로냉 혹은 아르곤(Ar)과 같은 불활성기체에 의한 가스퀀칭(quenching)정도의 냉각속도에서도 높은 경화능을 나타내는 SNCM630(JIS규격) 소재로서, 그 조성은 중량비로 0.25-0.35%의 C, 0.15 - 0.35%의 Si, 0.35 - 0.60%의 Mn, 2.5-3.5%의 Ni, 2.5 - 3.5%의 Cr, 0.5 - 0.7%의 Mo, 0.03%이하의 S, 0.03%이하의 Cu, 0.03%이하의 P로 이루어지고, 강의 직경은 32mm, 두께는 5mm이었다.

세라믹재은 국내 상용의 질화규소(α=3.2 X 10^-6/℃)를 사용하였고, 그 직경은 32mm, 두께는 1.5mm이었다.

상기한 금속재와 세라믹재의 접합용 브레이징재는 720℃의 액상선과 620℃의 고상선을 가지고, 조성은 중량비로 24%의 Cu, 14%의 In, 2%의 Ti, 잔부는 Ag로 이루어진 Ag-Cu-In-Ti계의 합금을 사용하였다.

이때 접합방법은 각각의 재료를 강, 브레이징재, 질화규소의 순으로 적층한 후, 790℃의 진공분위기에서 소정시간 동안 유지시킨 후 상온까지 냉각속도를 서로 달리하여 접합체를 얻었다.

이렇게 얻은 접합체의 질화규소 표면의 실제 프로파일을 구함으로써 질화규소 표면의 볼록한 정도를 측정하였다.

냉각속도	크라운 값
3℃/min	-3㎛
10℃/min	12㎛
18℃/min	20㎛
100℃/min	40㎛

그 측정결과는 표 1 및 도 2에 나타내고 있는 바, 이 도면에서 냉각속도가 느릴수록 볼록한 정도 즉 (+)크라운 형상의 크기는 감소하는 것을 볼 수 있고, 이러한 냉각속도의 감소는 고온에서의 유지시간을 상대적으로 많게 함으로써 접합부의 잔류응력이 상대적으로 감소함에 따라 크라운크기가 감소된 것이다.

[실시예 2]

실시예 1 과 동일한 방법으로 접합체를 형성한 뒤 이를 200℃, 300℃, 400℃에서 각기 0, 30, 60분을 유지하고, 접합체의 크라운 크기를 측정하였으며, 그 결과를 표 2 및 도 3에 도시하였다.

유지시간유지온도	0 min	30min	60min
200℃	0	-1	-1
300℃	-30	-45	-65
400℃	-40	-55	-85

도 3에 도시된 바와 같이 200℃에서는 크라운크기의 변화는 거의 없었으나, 온도가 높을수록, 유지시간이 길어질수록 크라운의 크기는 감소하였다.

즉, 높은 온도에서 유지시간을 길게 할수록 접합부의 잔류응력이 상대적으로 감소하여 크라운의 크기가 감소함을 알 수 있다.

[실시예 3]

금속재는 실시예 1과 동일한 조성과 크기를 가지는 SNCM630 강(JIS규격)을 사용하였으며, 내마모부재로서 초경합금(α=5.1 X 10^-6/℃)를 사용하였고, 그 직경은 32mm, 두께는 1.5mm이었다.

상기한 금속재와 내마모부재의 접합용 브레이징재는 실시예 1과 동일한 720℃의 액상선과 620℃의 고상선을 가지는 Ag-Cu-In-Ti계의 합금을 사용하였다.

이때 접합방법은 각각의 재료를 강, 브레이징재, 초경합금의 순으로 적층한 후, 790℃의 진공분위기에서 소정시간 동안 유지시킨 후 상온까지 냉각속도를 서로 달리하여 접합체를 얻었다.

이렇게 얻은 접합체의 초경합금 표면의 실제 프로파일을 구함으로써 초경합금 표면의 볼록한 정도를 측정하였다.

냉각속도	크라운 값
3℃/min	-23㎛
10℃/min	-10㎛
18℃/min	-4㎛
100℃/min	15㎛

그 측정결과는 도 4 및 표3에 도시되고 있는 바, 이 도면에서 냉각속도가 느릴수록 볼록한 정도 즉 크라운 형상의 크기는 감소하는 것을 볼 수 있고, 이러한 냉각속도의 감소는 고온에서의 유지시간을 상대적으로 많게 함으로써 접합부의 잔류응력이 상대적으로 감소함에 따라 크라운크기가 감소된 것이다.

디젤엔진의 밸브 리프터, 태핏, 캠팔로우어, 로커아암 등과 같이 습동면을 갖는 마모부품을 내마모성을 향상시키는 세라믹/금속 접합체를 형성하는 방법으로 제조하는 것이 많이 제안되어 왔지만, 난가공성인 세라믹을 연마가공에 의하여 크라운을 형성시켜야 함으로써, 많은 비용이 요구되어져 그 사용이 제한되었었다.

그러나 본 발명에 따르면 접합이 형성되는 잔류응력을 간단한 공정변수인 냉각속도와 적정온도에서의 열처리를 이용하여 조절함으로써 크라운의 크기를 조절하여 그 산업적인 이용을 가능하게 하였다.

Claims (7)

1. 금속본체에 내마모부재를 접합하여 크라운 형상의 습동면을 갖는 습동부품의 제조방법에 있어서,

   상기 금속본체와 내마모부재 사이에 접합재를 위치시켜 소정의 온도에서 접합한 뒤 냉각시키는 동안 접합면에 형성되는 잔류응력을 제어하여 습동면의 크라운형상을 제어하게 된 것을 특징으로 하는 습동부품의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 금속본체가 중량비로 0.25-0.35%의 C, 0.15 - 0.35%의 Si, 0.35 - 0.60%의 Mn, 2.5-3.5%의 Ni, 2.5 - 3.5%의 Cr, 0.5 - 0.7%의 Mo, 0.03%이하의 S, 0.03%이하의 Cu, 0.03%이하의 P로 이루어진 강인 것을 특징으로 하는 습동부품의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 내마모부재가 질화규소인 것을 특징으로 하는 습동부품의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 내마모부재가 초경합금인 것을 특징으로 하는 습동부품의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 접합재가 중량비로 24%의 Cu, 14%의 In, 2%의 Ti, 잔부는 Ag로 이루어진 것을 특징으로 하는 습동부품의 제조방법.
6. 제 1 항 또는 제 5 항중 어느 한항에 있어서, 상기 접합체를 750 내지 850℃에서 유지시킨 후 3 - 100℃/min 범위의 냉각속도로 상온까지 냉각시켜 접합면의 잔류응력을 발생시키므로써 크라운의 형상을 제어하게 된 것을 특징으로 하는 습동부품의 제조방법.
7. 제 1 항 또는 제 5 항중 어느 한항에 있어서, 상기 접합체를 접합한 후 200℃이상 400℃이하의 온도범위에서 유지시간을 조절하여 크라운의 형상을 제어하게 된 것을 특징으로 하는 습동부품의 제조방법.

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