KR100399292B1 - 이종재질이 압입접합된 복합부싱의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명 이종재질이 압입접합된 복합부싱의 제조방법은 파이프를 일정 길이로 절단하고, 그 절단된 강관(2)의 내측에 별도의 분말야금공정으로 제작된 소결 부싱(1)을 강제압입한 다음, 그 강제압입된 제품을 접합과 경화열처리한 후 진공함침하는 순서로 제조되며, 그와 같이 제조된 복합부싱(B)은 급유시 화재의 위험이 있는 무급유 체인등에 적용시에 스프로켓과 마찰을 하는 부분인 강관(2)은 내충격 및 내하중성을 가짐과 아울러 열처리되므로 내마모성을 갖게 되며, 샤프트에 접촉되는 소결 부싱(1)은 자체윤할이 이루어진다.

Description

이종재질이 압입접합된 복합부싱의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF BI-METAL BUSHING BONDED FOR PRESS-FIT}

본 발명은 회전하는 샤프트의 지지에 이용되는 부싱의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내마모성이 우수한 원통형 강관의 내측에 자체 윤할을 할 수 있는 소결 부싱을 강제압입하여 접합시킨 이종재질이 압입접합된 복합부싱의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 산업설비, 건설장비, 전자장비, 에스컬레이터 등에는 구동용 체인이 사용되며, 그 구동용 체인에는 회전하는 샤프트를 지지하기 위한 부싱이 사용되는데, 부싱은 주료 열처리된 철계부싱, 동계부싱이 사용되고, 경우에 따라서는 PTFE와 같은 윤할특성이 우수한 수지계열의 부싱이 사용되기도 한다.

특히 오일을 첨가할 수 없는 부분이나, 계속적인 급유 또는 급지를 위한 윤할장치로 인하여 화재의 위험성이 있는 곳에 사용되는 무급유 체인에는 오일함유 소결부싱이나 수지계열의 윤할성이 좋은 재질의 부싱이 사용되고 있다.

상기와 같이 이용되는 오일함유 부싱은 자체 내부기공에 오일을 함유할 수 있는 장점이 있으나, 내부 기공에 오일이 함유되기 때문에 낮은 소결밀도로 제작하여야 한다. 그러므로 고하중, 충격하중이 작용할때 소결부싱의 내경 습동부가 소성에 의하여 확공되거나, 충격에 의하여 깨짐이 발생될 수 있는 문제점이 있었다.

또한, 상기와 같은 점을 고려하는 하우징에 압입하는 압입공차를 작게 설계하는 경우에는 하우징에서 부싱이 이탈되는 문제점이 있었다.

그밖에 강관의 내경에 바인더를 이용하여 PTFE를 접착시키거나, 고체 윤할제인 MoS₂등을 강관의 내경에 코팅하여 윤할특성과 내하중성을 향상시키는 방법이 소개되고 있으나, 이와 같은 경우에는 접합강도가 부족하여 반복 고하중, 충격하중, 열충격시 접합부가 박리되거나 코팅층의 마모에 의한 내구성이 저하되는 문제점들이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 샤프트와 접촉하는 내측면에는 자체윤할이 가능하고, 스프로켓과 마찰하는 외측면에는 내마모성과 내하중성 및 내충격성이 우수할뿐만 아니라, 내외측이 강하게 접합되어 장기간 사용시에도 내구성이 저하되지 않는 이종재질이 압입접합된 복합부싱의 제조방법을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명 이종재질이 압입접합된 복합부싱의 제조순서를 보인 순서도.

도 2는 본 발명에 따른 강관의 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 소결 부싱의 단면도.

도 4는 본 발명에 의하여 제조된 이종재질이 압입접합된 복합부싱의 단면도.

도 5는 본 발명에서 소결 부싱과 강관이 접합된 접합부의 단면조직사진.

도 6은 본 발명의 복합부싱이 적용된 무급지 로울러 체인의 조립 단면도.

도 7은 본 발명의 제조방법에 의하여 제조되는 복합부싱의 변형예를 보인 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 소결 부싱 2 : 강관

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 원통형 강관의 내측에 소결 부싱을 강제압입하는 단계와, 그 강제압입된 결합품에 열을 가하여 강관과 소결 부싱의 접촉부가 확산에 의한 접합이 이루어지도록 하는 단계와, 그 접합된 접합체를 열처리하는 단계 및 그 열처리된 접합체를 진공함침하여 소결 부싱에 오일을 함침시키는 단계의 순서로 제조되는 부싱의 제조방법에 있어서,상기 강제압입되는 소결 부싱은 밀도가 6.0~7.0 g/cm²이고, 재질의 함량은 동(Cu): 0.55~40 wt%, 흑연(C): 0.4~10.0 wt%, 나머지: 철(Fe)로 이루어지고, 압입공차는 0.1~0.55이며,상기 소결부싱의 접합은 고온부의 온도가 800~1200℃이고, 질소가스와 수소가스가 주입되어 불활성 및 환원성 분위기인 연속노에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 이종재질이 압입접합된 복합부싱의 제조방법이 제공된다.

상기와 같은 방법으로 제조되는 이종재질이 압입접합된 복합부싱은 강관에 소결부싱을 압입하여 접합한 후 경화열처리를 함으로써 스프로켓과 마찰이 일어나는 강관의 내마모성이 향상되고, 소결부싱 또한 경화되어 내마모성이 향상된다.

또한, 소결부싱이 강제압입된 접합체를 진공함침하여 소결부싱의 기공에 오일을 함침시킴으로써, 소결부싱의 내부에서 회전하는 샤프트에 자체 윤할이 이루어지므로 무급유상태에서 윤할특성이 향상된다.

그리고, 본 발명에서는 이종 재질간의 열팽창계수 차이를 보상할 수 있도록 결합되는 부품간에 적정량의 압입공차를 부여한 상태에서 강제압입하고, 고온에서 확산에 의한 접합이 이루어지므로 충분한 확산접합이 이루어지게 되어 냉각시 이종재질의 수축량차이에 의한 부싱의 이탈이 발생되지 않는다.

이하, 상기와 같은 본 발명 이종재질이 압입접합된 복합부싱의 제조방법을 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 이종재질이 압입접합된 복합부싱의 제조순서를 보인 순서도로서, 도시된 바와 같이, 본 발명 이종재질이 압입접합된 복합부싱은 관상의 소재를 적정크기로 절단하여 제작된 원통형 강관(2)을 세척한 다음, 분말야금공법에 의하여 제작된 소결 부싱(1)을 강제압입하고, 그 강제압입된 결합품에 열을 가하여 강관(2)과 소결부싱(1)의 접촉부가 확산에 의한 접합이 이루어지도록 한다.

그런 다음, 그 접합된 부싱의 접합부를 검사하여 접합불량 여부를 확인한 후 열처리하고, 그 열처리된 접합 부싱의 내,외경을 최종크기로 가공한 다음, 진공함침에 의하여 소결 부싱에 오일 함침을 실시하여 급유가 필요없는 복합부싱(B)을 완성한다.

도 2은 상기의 강관(2)을 보인 것으로, 탄소함량이 0.02wt%이고 직경이 50mm이고 외경이 60mm인 소재상태의 파이프를 커터기를 이용하여 70mm 길이로 절단하여 크기가 50mm × 60mm × 70mm(내경×외경×길이)가 되도록 제작된 것이다.

도 3은 상기 소결 부싱(1)을 보인 것으로, 원재료인 철, 동, 카본을 Fe-38Cu-1.8C이 되도록 믹서(MIXER)에서 혼합하고, 그와 같이 혼합된 혼합분말을 성형 프레스(COMPACTING PRESS)에서 금형을 이용하여 밀도 6.7 g/cm², 크기 40mm × 50mm × 70mm(내경×외경×길이)로 성형하여 원통형의 성형품을 제작한 다음, 그 성형품을 소결노(SINTERING FURNACE)에서 소결을 하여 다수개의 기공이 분포되어 있는 소결 부싱(1)을 제작된 것이다.

상기와 같이 제작되는 소결 부싱(1)은 함량, 성형밀도, 소결조건 등에 따라서 강도 및 그에 따른 특성이 달라질 수 있다.

가령, 동(Cu)이 0.55wt% 이하인 경우에는 소결체의 강도는 높으나, 결합되는 샤프트의 얼라인 먼트가 바르지 않거나 충격이 가해졌을때 순응성(COMFORMABILITY)이 떨어진다. 그리고 동이 40wt% 이상인 경우에는 강제압입시 강도부족으로 소결체가 파손될 수 있고, 내하중성이 작아 고하중에서 사용할 수 없다.

기지금속인 철(Fe)에 확산되는 흑연(C)은 경화열처리시 기지금속내에 고용된 탄소가 철성분과 함께 카바이드(Fe₃C)를 형성하여 부싱을 경화시킴으로써 내하중성을 향상시킨다. 따라서 흑연성분이 0.4wt% 이하인 경우에는 기지성분인 철성분이 충분히 경화되지 못하여 부싱의 내하중성 및 내마모성을 저하시킨다. 그리고 흑연성분이 5.0wt% 이상인 경우에는 소결체의 소결능이 감소되고, 열처리후 부싱의 취성이 증가하여 내구성을 감소시키게 된다.

그리고, 소결체는 내부기공에 오일을 함유해야 하기 때문에 충분한 기공이 형성되도록 적정 밀도로 제작되어야 하는데, 소결밀도가 5.0g/cm³이하인 경우에는 소결체의 강도가 낮아서 압입공정에서 소결체가 파손될 수 있다.

또한, 소결밀도가 7.0g/cm³이상인 경우에는 강도는 우수하나 기공수가 적어서 함침시 오일을 충분히 함유하지 못한다.

따라서, 소결 부싱(1)이 파손되지 않도록 적정강도를 가짐과 아울러 오일을 함유하기 위한 다수개의 기공을 가지기 위해서는 6.0~7.0 g/cm³의 범위로 밀도범위를 갖는 것이 바람직하다.

상기 강관(2)의 내측에 소결 부싱(1)을 강제압입하는 작업은 프레스를 이용하여 상온에서 이루어지는데, 이때 소결 부싱(1)이 깨지지 않고 용이하게 강관(2)에 압입되도록 하기 위하여 강관(2)의 압입구 내측면에는 테이퍼 가공을 하고, 압입되는 소결 부싱(1)의 외측 단부는 R가공을 하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 강관(2)과 소결 부싱(1)이 결합된 결합품을 접합하기 위한 접합작업은 환원성 가스 및 불활성 가스인 질소가스와 수소가스가 투입되고, 고온부의 온도가 950℃로 유지되는 열처리 로에 결합품을 통과시킴으로써 접합부가 확산에 의하여 접합이 이루어지게 된다.

도 4는 상기와 같이 접합된 강관(2)과 소결 부싱(1)을 보인 것으로, 접합상태의 검사는 비파괴검사인 초음파 검사, X-RAY 검사 및 파괴검사가 가능한데, 본실시예에서는 비파괴검사인 초음파 검사와 파괴검사인 절단검사를 실시하여 접합유무를 판단하였다.

도 5는 본 발명에서 접합공정에 의하여 접합이 이루어진 제품의 단면조직사진으로, 강관(2)에 압입된 소결 부싱(1)의 압입부위에 확산층이 발생되어 있음을 확인할 수 있으며, 이와 같은 확산층에 의하여 접합강도가 발생되는 것이다.

상기와 같이 접합된 결합품을 침탄열처리 하였으며, 이와 같은 침탄열처리에 의하여 강관(2)과 소결 부싱(1)의 표면경화가 이루어진다.본 실시예에서는 침탄열처리를 실시하였으나 강관(2)의 탄소 함량이 0.40wt%이상인 경우에는 일반적인 조질처리를 실시하여 강관과 소결 부싱을 경화시켜도 소정의 표면경화 효과를 얻을 수 있을 것이다.

그리고, 최종적으로 실시하는 진공함침은 진공함침기에서 이루어지며 고점도 오일이 담겨 있는 함침기의 내부에 제품을 넣고, 함침기의 내부를 펌핑하여 진공으로 유지한 상태에서 일정시간 유지하면 소결 부싱(1)의 기공에 오일이 함유된다. 특히 하증이 크고, 오랜 무급지 기간이 요구될때는 함유하는 오일 속에 MoS₂나 WS₂와 같은 고체윤할제를 첨가할 수 있다.

본 발명에 따른 복합 부싱(B)을 제조하는데 있어서 압입공차, 압입부품의 크기, 열팽창계수 등은 부품의 품질을 결정할 수 있는 주요 변수로 작용할 수 있는 사항들이므로 좀더 상세히 설명한다.

먼저, 압입공정에서 가장 중요한 점은 압입공차이며, 따라서 압입공차와 후공정에서의 접합상태의 관계를 실험한 내용을 아래의 표 1을 참고로 설명한다.

표1

구 분	소결체 외경(mm)	강관의 내경(mm)	압입공차(mm)	접합상태
샘 플 1	50.0~50.05	50.0~50.025	0.025~0.05	일부접합
샘 플 2	50.0~50.05	49.70~49.90	0.10~0.25	접합양호
샘 플 3	50.0~50.05	49.40~49.50	0.50~0.55	접합양호
샘 플 4	50.0~50.05	48.80~48.90	1.1~1.15	접합불량

표 1의 샘플 1과 같이 , 소결 부싱(1)과 강관(2)의 압입공차가 0.05 이하인 경우에는 강관(2)과 소결 부싱(1)이 부분적으로 접합되므로 낮는 접합강도로 인하여 강관(2)에서 소결 부싱(1)이 쉽게 이탈되는 문제점이 있었다. 그러나, 압입공차가 0.1~0.55인 샘플 2와 3에서는 소결 부싱(1)이 파손되지 않은 상태에서 잘 접합되었고, 샘플 4에서와 같이 압입공차가 1.1이상인 경우에는 과도한 압입압력에 의하여 소결 부싱(1)이 부분적으로 파손되는 문제점이 있었다.

그리고, 샘플실험에 의하면 압입공차가 0.1~0.55인 경우에 노의 고온부 온도가 800~1200℃에서는 강관(2)과 소결 부싱(1)이 양호하게 접합된 반면에, 800℃이하이거나 1300℃이상에서는 접합불량이 발생되었다.

그와 같은 점은 접합온도가 800℃ 이하에서는 소결 부싱(1)에서의 액상 출현이 거의 없고, 고체확산이 어려워서 접합이 잘 안되는 반면에, 1300℃이상에서는 액상출현량이 너무 많아서 접합불량이 발생되기 때문이다.

강관(2)에 강제압입되어 접합된 소결 부싱(1)은 외력에 의해서도 이탈되지 않을 정도의 접합강도를 가지는데, 그것은 저밀도인 소결 부싱(1)이 강관(2)에 일정 압입공차를 가지고 강제압입되면서 1차적으로 기계적인 결합이 이루어지고, 그와 같이 기계적인 결합이 이루어진 결합품에 열을 가하여 소결 부싱(1)의 동성분이 강관(2)의 접합부에 확산되며 2차적인 접합이 이루어지기 때문이다.

가령 압입공차를 무시하고 결합된 결합품을 접합할경우에는 강관(2)과 소결 부싱(1)의 열팽창계수의 차이에 의하여 강관(2)에서 소결 부싱(1)이 이탈되는 경우가 발생될 수 있는데, 본 발명의 실시예에서와 같이 적정 압입공차로 강제압입된 경우에는 열팽창계수의 차이에 의한 수축의 발생시 강제압입에 따른 압입계면에 형성된 압축응력(P)에 의하여 열팽창계수의 차이를 보상하게 된다.

즉, 압입된 소결 부싱(1)의 계면에 작용하는 압축응력(P)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

P : 강관과 소결 부싱 사이의 압입계면응력(kg/mm²)

A : 소결 부싱의 내경 반지름(mm)

B : 소결 부싱의 외경 반지름(mm)

C : 강관의 외경 반지름(mm)

I : 강관과 소결 부싱의 압입공차

Eb : 소결 부싱의 탄성계수(10,000~15,000kg/mm²)

νb : 소결 부싱의 포아송비(0.2~0.3)

Eh : 강관의 탄성계수(21,000kg/mm²)

νh : 강관의 포아송비(0.30)

즉, 압축응력(P)은 상기의 수식에서와 같이 압입공차(I)가 증가할 수록 증가한다. 그러나 압축응력이 더욱 클 경우에는 소결체의 파손이 발생될 수 있으며, 압축응력이 너무 작은 경우에는 강관(2)과 소결 부싱(1)의 접합이 안될 수 있다.

따라서, 강관(2)의 내외경 크기와 소결 부싱(1)의 물리적, 기계적 특성에 따라 압입공차를 조정하여 계면에 걸리는 압축응력이 일정하게 작용하도록 해야 한다.

또한, 소결 부싱(1)에 작용하는 계면응력과 소결 부싱(1)의 크기, 소결 부싱(1)의 재료특성에 의하여 강제압입한 소결 부싱(1)에 발생되는 수축은 다음 수식으로 나타낼 수 있다.

여기서,

P : 강관과 소결 부싱 사이의 계면응력(kg/mm²)

D : 소결 부싱의 외경

Eb : 소결 부싱의 탄성계수(10,000~15,000kg/mm²)

Tb : 소결 부싱의 두께

따라서 압입시 압입공차의 일정부분은 이와 같이 소성 또는 탄성변형으로 변형된다.

그리고 열처리시 두 이종재질의 열팽창계수의 차이에 의해서 수축, 팽창량이 달라짐으로 압입접합시 접합이 양호한 접합면을 얻기 위해서는 압입공차의 설정이매우 중요하다.

이러한 이종재질간의 열팽창계수의 차이와 직경변화량의 관계는 다음 수식으로 나타낼 수 있다

여기서,

ΔT : 소결 부싱의 직경변화량 차이(mm)

αA : 강관의 열팽창계수(10^-6/℃)

αB : 소결 부싱의 열팽창계수(10^-6/℃)

D : 소결 부싱의 외경(=강관의 내경)(mm)

ΔT : 온도 편차(℃)

상기 수식에서와 같이 직경의 변화량은 이종재질간의 열팽창계수의 차이만큼 직경 변화량이 발생되고 있음을 알 수 있다.

가령, 직경Φ50인 소결 부싱이 강제압입된 강관을 900℃로 가열한 상태에서 냉각하여 직경변화량을 확인해본 결과 아래의 표 2와 같이 나타났다.

표2

구 분	αA	αB	D	ΔT	ΔD
측정값	11.7	15	50	900	0.01

상기의 표2에 나타난 실험결과와 같이 900℃로 가열한 후 냉각을 하면 0.01mm 팽창-수축하는 것을 확인할 수 있었으며, 이와 같은 경우에는 접합부가 떨어질 가능성이 있다.

따라서, 본 발명에서와 같이 이종재질을 강제압입하여 접합하는 경우에는 소결부싱의 크기, 열팽창계수, 접합 온도, 압입시의 수축량 등을 고려하여 압입공차를 설계하는 것이 매우 중요하다.

도 6은 본 발명의 복합부싱이 설치된 무급지 로울러 체인을 보인 것으로, 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합부싱(B)는 외측 링크 플레이트(4)에 고정된 샤프트(5)에 회전가능하게 삽입되고, 그와 같이 설치된 복합부싱(B)의 양단부에 인접한 내측 링크 플레이트(6)가 고정되도록 연결되어 연속적으로 회전하는 체인에서 무급유 상태로 사용된다.

도 7은 본 발명 이종재질이 압입접합된 복합부싱의 변형예를 보인 것으로, 강관(11)의 내측 양단부에 2개의 소결 부시(12)를 결합한 것으로, 이는 크기가 큰 소결 부시(12)가 제작상의 어려운점을 고려하여 이와 같이 짧게 제작된 2개의 소결 부시(12)를 양측에서 압입→접합→열처리→함침하여 사용될 수 있는데, 이런 형태의 복합부싱(B')은 제작상의 용이성뿐 아니라, 원재료의 절감효과도 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명 이종재질이 압입접합된 복합부싱의 제조방법은 일정 크기로 절단된 강관의 내측에 소결 부싱을 강제압입하고, 그 강제압입된 제품에 열을 하여 확산에 의한 접합을 하며, 그 접합된 제품을 열처리 한 다음, 진공함침을 하여 소결 부싱에 오일을 함침하는 순서로 제작되어, 외측은 내마모성과 고강도 특성을 갖고 내측은 급유가 필요없으므로, 별도의 급유가 곤란한 구동용 체인등에 용이하게 사용될 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 원통형 강관의 내측에 소결 부싱을 강제압입하는 단계와, 그 강제압입된 결합품에 열을 가하여 강관과 소결 부싱의 접촉부가 확산에 의한 접합이 이루어지도록 하는 단계와, 그 접합된 접합체를 열처리하는 단계 및 그 열처리된 접합체를 진공함침하여 소결 부싱에 오일을 함침시키는 단계의 순서로 제조되는 부싱의 제조방법에 있어서,

   상기 강제압입되는 소결 부싱은 밀도가 6.0~7.0 g/cm²이고, 재질의 함량은 동(Cu): 0.55~40 wt%, 흑연(C): 0.4~10.0 wt%, 나머지: 철(Fe)로 이루어지고, 압입공차는 0.1~0.55이며,

   상기 소결부싱의 접합은 고온부의 온도가 800~1200℃이고, 질소가스와 수소가스가 주입되어 불활성 및 환원성 분위기인 연속노에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 이종재질이 압입접합된 복합부싱의 제조방법.
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