KR100479486B1 - 개선된 이종 금속의 접합 방법 - Google Patents

Abstract

종래의 확산접합법의 단점인 기계가공에 따른 낮은 생산성과 고 비용문제를 해결할 수 있는 이종 금속의 접합 방법을 제공한다. 본 발명의 방법에서는, 구면 형상을 가지는 철합금 모재를 제작하고, 동합금 소재로 환봉을 제작하고 이 환봉을 판재가 되도록 제작하며, 상기 판재를 프레싱하여 구면 형상의 라이닝 소재를 제작하고, 상기 라이닝 소재와 상기 모재 각각의 접합될 부분을 세척하고, 흑연 지그와 상기 모재 사이에 상기 라이닝 소재를 배치시키고, 그리고 상기 흑연 지그, 라이닝 소재 및 모재를 고온의 가열로 내에 유지시키고, 상기 라이닝 소재에 압력을 인가시켜 상기 모재와 라이닝 소재를 접합시킨다. 이에 따라 접합율이 높고 접합강도가 높은 이종 접합 소재가 얻어져, 흑연 지그 블록 혹은 밸브 플레이트 등에 동합금을 신뢰성 높게 라이닝할 수 있었다.

Description

개선된 이종 금속의 접합 방법{IMPROVED BONDING METHOD OF HETEROGENEOUS METALS}

본 발명은 이종 금속(異種 金屬) 간의 접합 방법에 관한 것으로, 특히 구면 형상(球面 形狀)을 지니며 상호 간에 이종 금속으로 이루어진 모재와 라이닝 소재를 확산 접합시키는 방법에 관한 것이다.

유압모터 및 유압펌프에 있어서, 이들의 핵심 부품인 실린더 블록과 대응 부품인 밸브 플레이트는 서로 접촉하며 고속, 고압의 회전운동하여 유압을 형성하여 운동에너지를 얻거나 또는 운동에너지를 유압에너지로 변환시키게 된다. 이러한 고속, 고압의 회전운동을 하는 실린더 블록과 밸브 플레이트 간에는 마찰이 발생한다. 이러한 마찰은 에너지 손실 및 각 구성 부품의 기계적인 마모를 일으키기 때문에, 최소화시키는 것이 중요하다. 이를 위하여 실린더 블록이나 밸브 플레이트에 두께가 0.4∼1.5㎜이고, 윤활성이 있으며, 상기 실린더 블록 또는 밸브 플레이트와는 상이한 재질 특히 동합금 재질인 라이닝 재료를 모재가 되는 상기 실린더 블록 또는 밸브 플레이트의 어느 한쪽에 접합하여 사용하고 있다. 동합금 재질로는 청동, 인청동, 알루미늄 청동, 연(입)청동, 황동, 고력황동 등이 사용되며, 특히 윤활성이 뛰어난 연청동이 일반적으로 사용된다. 실린더 블록과 밸브 플레이트의 소재로는 주로 철합금이 사용되는데, 특히 펌프나 모타의 내압성 확보가 필요한 경우에는 탄소강이나 크롬, 몰리브덴 등이 포함된 저합금강을 사용하지만, 유압력이 그리 높지 않는 경우는 동합금을 사용하기도 한다.

모재가 되는 실린더 블록과 밸브 플레이트에 동합금을 라이닝하는 방법으로는 주조접합법, 소결접합법, 확산접합법 등이 사용되고 있다. 주조접합법은 라이닝 소재가 모재보다 융점이 낮은 것을 이용하여 예열된 모재에 용융된 라이닝 재료를 부어 제작하거나, 라이닝 재료를 미리 가공된 모재에 놓고 가열하여 용융상태로 만들어 제작하는 방법이다.

주조접합법은 공정이 간단하여 제조가 용이하다는 장점이 있으나, 주물 특성상 접합 후의 형상이 도 1a와 같아서, 이를 도 1b에 도시된 바와 같이 최종 용도에 맞게 가공할 때 라이닝 소재의 최종치수(t)가 0.4∼1.5㎜ 두께가 되도록, 가공되어야 하는 라이닝 소재의 양이 많고 따라서 가공 비용이 높다. 금속학적으로 볼 때에도 라이닝 재료 윤활 성분의 융점이 매우 낮아서 냉각과정 중 입계 부근에서 편석이 심하게 발생하여 조직이 불건전할 수 있다. 또한 주조접합에는 많은 장비가 필요하기 때문에 경제적으로도 부담이 크다.

소결접합법은 분말 형태의 라이닝 소재를 모재에 뿌리고, 이것을 예비소결 및 냉간압연을 하고, 다시 본 소결과 최종 압연을 하여 라이닝 소재를 접합시키는 방법이다. 소결접합법은 라이닝 재료의 윤활 성분이 주조접합과는 달리 모재 면 상에 균일하게 분포된다는 장점이 있다. 하지만, 이 방법은 2번 소결, 2번 냉간압연 과정을 거침으로써 제조공정이 비교적 길고, 냉간 압연시 충분한 가압을 위하여 1000톤 이상의 프레스 용량이 요구되기 때문에 설비 비용이 높다는 단점이 있다. 또한 동합금 조직에 소결 기공이 잔류함에 따라 열처리 과정에서 기공 내로 이물질이 침투하는 등의 문제가 나타난다.

확산접합법은 모재와 라이닝 소재를 밀착시켜 라이닝 소재의 융점 이하의 조건에서 소성변형이 발생하지 않을 정도로 가압해서 접합면 간에 발생하는 원자의 확산을 이용하여 접합하는 방법이다. 이 방법에 의하면 금속간의 확산을 통해 모재와 라이닝 소재가 접합되기 때문에, 모재와 라이닝 소재 간의 접합 신뢰도가 높아 상대적으로 접합율이 높고, 접합강도가 높다. 이러한 점들로 인하여 윤활성이 우수한 재료를 실린더 블록이나 밸브 플레이트 등에 라이닝하는 방법으로 확산접합법이 적합하다. 하지만 접합하려는 라이닝 소재와 모재의 접합부 형상이 구면(球面) 형상인 경우, 접합 전에 모재와 라이닝 소재 두 부분을 정밀하게 구면 기계 가공하여야 하기 때문에 가공비가 상승하고 생산성이 결여되며, 과다한 라이닝 소재를 사용함으로 인하여 재료비가 상승하고, 접합 후 형상(도 2a)이 도 1a의 주조접합 경우의 접합 후 형상과 유사하여, 이를 도 2b에 도시된 바와 같이 같은 형상이 되도록 가공할 때 라이닝 소재의 최종 두께(t)가 0.4~1.5㎜가 되도록 가공함에 있어서 고가의 후속 가공 비용이 소요된다는 단점이 있다. 또한 금속학적인 측면에서 살펴보면, 접합시 접합온도와 시간에 따라 접합율이 민감하게 변하기 때문에 온도 조건 및 시간 조건 설정이 용이하지 않다는 단점이 있다. 여기서, 접합율은 통상 전체 접합면적에 대한 미접합 부분의 면적을 100분율로 표시하는데, 통상적으로 초음파를 사용하는 비파괴 검사를 이용하여 미접합 부분의 면적을 도출하여 접합율을 산출한다. 즉, 초음파 탐상기에서 확인 가능한 반사파의 레벨(%)을 확인하여 미접합 부분의 면적을 추정하고 추정된 결과를 이용하여 접합율을 산출한다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하여, 제조 비용을 감소시키고, 접합율을 향상시킨 이종 금속의 개선된 접합 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적은 이하의 구성을 특징으로 하는 본 발명의 이종 금속 접합 방법에 의해 이루어진다.

본 발명은 이종 금속의 접합 방법으로서,

구면 형상을 가지는 철합금 모재를 제작하는 단계;

동합금 소재로 환봉을 제작하고, 상기 환봉을 판재가 되도록 제작하는 단계;

상기 판재를 프레싱하여 구면 형상의 라이닝 소재를 제작하는 단계;

상기 라이닝 소재와 상기 모재 각각의 접합될 부분을 세척하는 단계;

지그와 상기 모재 사이에 상기 라이닝 소재를 배치시키는 단계;

상기 지그, 상기 모재 및 라이닝 소재를 고온의 가열로 내에 유지하면서, 상기 라이닝 소재에 압력을 인가시켜 상기 모재와 라이닝 소재를 접합시키는 단계를 포함하는 이종 금속의 접합 방법이다.

본 발명에 따라 금속을 접합하는 방법은 모재 제작 단계, 판재인 라이닝 소재의 제작 단계 그리고 접합부 세척 단계로부터 시작된다. 모재는 구면 형상을 포함하도록 제작되며, 그 재질로는 고압 유체의 강도에 적합한 구상흑연주철, 탄소강, 또는 크롬, 몰리브덴, 망간 중에서 하나 이상이 첨가된 저합금강이나 질화강을 사용한다.

라이닝 소재를 위한 환봉은 요구되는 윤활 특성에 맞는 조성을 갖는 동합금을 사형주조법이나 연속주조법을 사용하여 원하는 외경으로 제작하며, 이렇게 제작된 환봉은 균일한 두께로 고속 절단한다. 환봉을 이루는 동합금으로는 청동, 인청동, 알루미늄 청동, 연(입)청동, 황동 및 고력황동을 사용할 수 있다.

상기 환봉의 절단 두께, 즉 라이닝 소재의 두께는 1.0∼6㎜인 것이 바람직한데, 이는 추후 접합 단계를 종료한 후에 라이닝 소재를 표면 가공하여 절삭되는 부분을 고려한 두께이다. 환봉을 1.0㎜ 이하의 두께로 고속절단할 경우에는 박판이 뒤틀리는 현상이 발생하며, 환봉을 6㎜ 이상의 두께로 가공하는 경우에는 박판의 뒤틀림 현상은 없으나, 소재 낭비가 심하고 후가공량이 증가한다.

라이닝 소재를 일정한 두께로 절단한 후에, 절단된 라이닝 소재에 금형을 이용하여 압력을 가함으로써, 라이닝 소재가 구면 형상을 갖도록 한다. 이때 라이닝 소재에 가해지는 압력은 150㎫ 이하가 바람직하다. 라이닝 소재로 사용되는 청동의 항복강도는 상온에서 150㎫이기 때문에, 라이닝 소재의 프레싱 압력이 150㎫보다 큰 경우에는 라이닝 소재의 두께 감소가 예상되기 때문이다.

이후 라이닝 소재와 모재 각각의 접합될 부위를 세척한다. 이에 따라, 확산접합시 이물질로 인하여 원자 확산이 방해받지 않도록 한다. 세척 시에는 아세톤이나 알코올을 사용하여 유지분을 충분히 제거하는 것이 바람직하다.

다음으로, 모재와 구면 형상의 지그 사이에 라이닝 소재를 배치시킨다. 모재와 라이닝 소재의 접합 과정 중에 지그와 라이닝 소재가 접합되는 것을 방지하기 위하여, 라이닝 소재와 접합되지 않는 소재로 제작된 흑연 지그와 같은 지그를 사용하는 것이 바람직하다. 모재, 흑연 지그 및 모재와 흑연 지그 사이에 배치되는 라이닝 소재를 고온의 가열로 내에 유지시키고, 상기 라이닝 소재에 압력을 인가하는 것이다. 여기서, 라이닝 소재에 인가되는 압력은 모재의 자중에 의한 중력(도 3b 참조)이나 흑연 지그의 자중에 의한 중력(도 3a 참조)에 의하여 유발되는 압력일 수 있다. 또한, 흑연 지그가 라이닝 소재의 상부에 배치되는 경우, 즉 흑연 지그의 자중에 의한 중력에 의한 압력을 이용하는 경우에는 통상적으로 흑연 지그의 자중에 의한 중력 외에 부가적으로 일정한 압력이 가해질 수도 있다(도 3a 참조). 즉, 흑연 지그 상부에서 압력을 흑연 지그에 직접 가하거나 데드 웨이트(dead weight)를 흑연 지그 위에 올려놓을 수도 있다. 라이닝 소재에 인가되는 압력은 1∼1,000㎪이 바람직하다.

가열로 내에서의 분위기는 비산화성으로 유지시켜야 하는데, 진공 혹은 불활성 가스인 질소 혹은 아르곤을 사용하는 것이 바람직하며, 환원성 가스인 수소를 질소와 일정한 비율로 섞은 혼합 가스분위기를 사용할 수도 있다.

확산접합을 적절하게 하기 위하여 접합온도는 800∼980℃로 유지하고, 접합 시간은 30분 이상은 유지하는 것이 바람직하다. 도 4에 도시된 바와 같이 접합온도가 800℃ 이하인 경우에는, 원자간 확산속도가 늦어서 접합이 제대로 이루어지지 않으며, 온전한 접합부를 형성하기 위해서는 접합시간을 10시간 이상으로 유지시켜야 하기 때문에 경제적으로 문제가 된다. 접합온도가 980℃ 이상인 경우에는 접합 과정 중에 50% 이상의 액상이 발생하기 때문에 주조접합법에서 발생되는 응고 문제가 발생된다. 한편 각각의 접합온도에서 가압력에 의하여 라이닝 소재에 1㎪ 이하의 압력이 인가되는 경우에는 미접합 불량이 발생될 확률이 높고, 라이닝 소재에 1000㎪ 이상의 압력이 인가되는 경우에는 라이닝 소재의 고온 소성역을 넘기 때문에 라이닝 소재의 두께가 얇아지는 현상이 발생하여 접합 후의 표면 가공에 요구되는 두께가 충족되지 못할 수도 있다. 접합온도에 도달한 후에 30분 이상의 확산 시간이 필요하기 때문에, 확산 시간이 30분보다 작은 경우에는 접합불량이 발생한다. 접합이 끝난 후 모재를 냉각시키는 방법은 공냉, 급냉 모두가 가능하며, 모재 온도가 100℃ 이하로 충분히 냉각된 후에 데드 웨이트와 흑연 지그를 제거하면 접합이 완료된다.

이하 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상술한다.

도 3a는 확산접합법을 이용한 본 발명의 접합방법을 설명한 실시예의 개략도로서 본 실시예는 본 발명을 실린더 블록에 적용한 실시예이다. 본 실시예에서는 연속주조법을 사용하여 제조된 외경 120㎜인 연청동 환봉을 두께 2.0㎜가 되도록 고속 선반으로 절단하였고, 절단된 인청동 환봉으로부터 절단된 라이닝 소재를 구면 형상의 성형금형 틀 사이에 올려 놓고, 2㎫로 가압하여 구면 형상의 라이닝 소재(2)를 제작하였다. 크롬몰리브덴강(SCM440)으로, 구면 반경이 약 280㎜이며 아래로 오목한 형상의 상부면을 갖는 모재(1), 즉 실린더 블록을 제작하였다. 각각의 접합소재를 알코올로 충분히 세척한 후에 상기 구면 형상의 라이닝 소재(2)를 모재(1) 위에 올리고, 다시 모재(1)와 동일한 구면 반경을 가지며 아래로 볼록한 형상의 하부면을 지닌 흑연 지그(3)를 라이닝 소재(2) 위에 올렸다. 본 실시예의 경우에는 흑연 지그의 자중에 의한 중력에 의한 압력을 이용할 수 있으나, 도 3a에 도시된 바와 같이 흑연 지그의 자중에 의한 중력 외에 데드 웨이트 등을 이용하여 일정 압력(P)을 부가적으로 인가할 수도 있다. 진공분위기에서 100㎪의 가압력으로 920℃에서 2시간 정도 유지시켜, 모재(1)와 라이닝 소재(2)로 접합시키고 노냉시켰다. 상기 실시예에 의하여 도 5에 도시된 바와 같은 건전한 조직의 유압실린더 블록을 제작할 수 있었다.

본 발명의 또 다른 실시예로서 도 3b에 도시된 밸브 플레이트의 실시예는 다음과 같다. 사형주조법으로 제조된 내경이 80㎜인 연청동 환봉을 두께 3.0㎜가 되도록 절단 기계(cutting machine)로 절단하였다. 이것을 구면 형상의 성형금형 틀 사이에 올려 놓고 1㎫로 가압시켜 구면 형상의 라이닝 소재(2)를 제작하였다. 크롬몰리브덴강(SCM440)으로 구면 반경이 240㎜이며 위로 볼록한 형상의 상부면을 가지도록 제작된 밸브 플레이트 모재(1) 위에 상기 가공된 라이닝 소재를 올리고, 그 위에 상기 모재(1)의 구면 반경과 동일한 구면 반경을 가지며 위로 오목한 형상의 하부면을 지닌 흑연 지그를 올렸다. 흑연 지그(3)의 자중에 의한 중력으로 구면 형상의 라이닝 소재(2)에 인가되는 압력이 상기 라이닝 소재(2)와 모재(1)를 접합시키기에 요구되는 압력에 미치지 못하기 때문에 부가적으로 데드 웨이트 등에 의한 가압력을 흑연 지그에 인가시킬 수 있으나, 본 실시예에서는 모재(1)의 자중에 의한 중력에 의하여 인가되는 압력을 사용하기 위하여 흑연 지그(3)와 모재(1) 및 그 사이에 배치된 라이닝 소재(2)를 뒤집어서 노(盧) 내에 배치하였다. 즉, 도 3b에 도시된 바와 같이 라이닝 소재(2)가 흑연 지그(3)와 모재(1) 사이에 배치되고, 모재(1)가 라이닝 소재(2)의 상부에 배치되는 구조를 취하였다. N₂가스 분위기의 노(爐)에서 모재(1)의 자중에 의한 중력에 의하여 인가되는 70㎪의 가압력으로 870℃의 온도에서 3시간 정도 유지시켜 접합시켰고, 그 후에 급냉시킴으로써 건전한 조직의 밸브 플레이트를 제작할 수도 있었다.

본 발명의 실험에 의하여 실시된 추가적인 실시예는 다음과 같다. 연속주조법을 사용하여 외경이 120㎜인 인청동 환봉을 두께 2.5㎜가 되도록 절단하였다. 상기 인청동 환봉으로부터 절단된 부분을 구면 반경을 지닌 성형금형 틀 사이에 올려 놓고 2㎫로 가압함으로써 구면 형상의 라이닝 소재(2)를 제작하였다. 구상흑연주철(GCD500)을 사용하여 구면 반경이 280㎜인 모재(1)를 제작하였다. 라이닝 소재(2)를 모재(1) 위에 올리고, 상기 라이닝 소재(2) 위에 상기 모재(1)의 구면 반경과 동일한 구면 반경을 지닌 흑연 지그(3)를 올렸다(도 3a 참조, 단 도 3b와 같은 배치도 가능함). 환원성 분위기에서 500㎪의 가압력으로 900℃의 온도로 2시간 정도 유지시켜 접합시키고, 이후 급냉시킴으로써 건전한 조직의 유압 실린더 블록을 제작할 수도 있었다.

상기 실시예들을 통하여, 라이닝 두께를 적절하게 유지시키며 건전한 조직의 밸브 플레이트를 제작할 수 있었다. 그러나 흑연 지그 상에 가해지는 가압력에는 일정한 제한이 따른다. 이는 흑연 지그에 가해지는 가압력에 의하여 라이닝 소재에 1,000㎪ 이상의 압력이 가해지도록 실시된 다음의 실험예에서 살펴볼 수 있었다. 연속주조법을 사용하여 제조된 외경이 120㎜인 연청동 환봉을 두께 2.0㎜가 되도록 절단하였고 이것을 성형금형 틀 사이에 올려 놓고 2㎫로 가압하여 라이닝 소재를 제작하였다. 크롬몰리브덴강 (SCM440)을 사용하여 구면 반경이 280㎜가 되도록 모재를 제작하였다. 라이닝 소재를 모재 위에 올리고, 구반경이 278㎜인 흑연 지그를 올렸다. 진공분위기에서 가압력이 1,200㎪이고 가열 온도가 950℃인 분위기에서 1시간 정도 유지시켜 접합하여 노냉시킴으로써 유압실린더 블록을 제작할 수 있었다. 이 경우 접합조직은 건전하지만, 흑연 지그에 가해진 가압력이 높기 때문에 라이닝의 두께가 1.0㎜로 낮아지고, 바깥방향으로 금속 액상 흐름이 발생하게 되어 불량처리되었다. 따라서, 흑연 지그에 가해지는 가압력은 제한된다는 것을 알 수 있었다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 방법에 의한 이종 금속의 금속학적 접합방법은 접합율이 높고 접합강도가 높아 고압에서 작동하는 유압펌프나 유압모터등에 사용되는 실린더 블록과 밸브 플레이트 사이를 라이닝하기 위한 방법으로 이용될 수 있으며, 그 외 동합금이 이종 접합된 유압기기 들과 이와 유사한 경우에도 사용될 수 있다. 또 라이닝 소재를 얇은 판재 형태로 제작함으로써 경제적으로도 유리한 효과를 얻을 수 있다.

도 1a는 주조접합법을 이용한 흑연 지그 블록 접합 개략도이다.

도 1b는 주조접합법을 이용하여 접합된 흑연 지그 블록의 가공 후 개략도이다.

도 2a는 종래의 확산접합법을 이용하여 접합된 흑연 지그 블록 접합 개략도이다.

도 2b는 종래의 확산접합법을 이용하여 접합된 흑연 지그 블록의 가공 후 개략도이다.

도 3a는 본 발명에 따른 확산접합법을 이용하여 접합된 흑연 지그 블록의 개략도이다.

도 3b는 본 발명에 따른 확산접합법을 이용하여 접합된 밸브 플레이트의 개략도이다.

도 4는 접합온도와 시간에 따른 접합율을 비교하는 그래프이다.

도 5는 본 발명의 방법에 의해 접합된 접합 계면의 조직사진이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 모재

2 : 라이닝 소재

3 : 흑연 지그

Claims (9)

1. 삭제
2. 구면 형상을 가지는 철합금 모재를 제작하는 단계;

   동합금 소재로 환봉을 제작하고, 상기 환봉을 판재가 되도록 제작하는 단계;

   상기 판재를 프레싱하여 구면 형상의 라이닝 소재를 제작하는 단계;

   상기 라이닝 소재와 상기 모재 각각의 접합될 부분을 세척하는 단계;

   지그와 상기 모재 사이에 상기 라이닝 소재를 배치시키는 단계;

   상기 지그, 상기 모재 및 라이닝 소재를 고온의 가열로 내에 유지하면서, 상기 라이닝 소재에 압력을 인가시켜 상기 모재와 라이닝 소재를 접합시키는 단계를 포함하는 이종 금속의 접합 방법으로서,

   상기 동합금 환봉이 연속주조법 또는 사형주조법을 사용하여 제조되는 이종 금속의 접합 방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 판재의 두께가 1.0∼6㎜인 이종 금속의 접합 방법.
4. 제 2항에 있어서, 상기 가열로 내의 가열 온도는 800∼980℃이고, 상기 모재, 라이닝 소재 및 지그를 가열로 내에서 유지하는 시간은 30분 이상인 이종 금속의 접합 방법.
5. 제 2항에 있어서, 상기 모재와 라이닝 소재를 접합시키는 단계에서 상기 라이닝 소재에 인가되는 압력이 1∼1,000㎪인 이종 금속의 접합 방법.
6. 제 2항에 있어서, 상기 모재와 상기 라이닝 소재를 접합시키는 단계에서 가열로 내의 분위기를 진공 또는 불활성 가스로 채워진 비산화성 분위기로 유지하는 이종 금속의 접합 방법.
7. 제 2항에 있어서, 상기 모재와 상기 라이닝 소재를 접합시키는 단계에서 가열로 내의 분위기를 환원성 가스와 불활성 가스를 혼합한 가스분위기로 유지하거나 환원성 분위기로 유지하는 이종 금속의 접합 방법.
8. 제 2항에 있어서, 상기 철합금 모재의 재료인 철합금이 구상흑연주철, 탄소강, 크롬몰리 저합금강 및 질화강으로 이루어지는 군에서 선택되는 이종 금속의 접합 방법.
9. 제 2항에 있어서, 상기 동합금 소재가 청동, 인청동, 알루미늄 청동, 연(입)청동, 황동 및 고력황동으로 이루어지는 군에서 선택되는 이종 금속의 접합 방법.