KR100589223B1 - 압축기용 스와시 플레이트의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명 압축기용 스와시 플레이트의 제조방법은 통상의 분말야금에 사용되는 2XXX계열의 알루미늄 분말에 소정양의 세라믹 분말을 혼합하여 혼합분말을 만들고, 그 혼합분말을 스와시 플레이트와 동일형상의 성형금형에 공급한 후 소정압력으로 가압하여 밀도가 2.5g/cm³이상의 스와시 플레이트 성형체를 제작하며, 그 스와시 플레이트 성형체를 환원분위기의 소결노에서 소결하여 밀도가 2.70g/cm³ -2.73g/cm³의 범위를 가지는 스와시 플레이트 소결체를 제작하고, 상기 스와시 플레이트 소결체를 정형금형에 넣고 소정압력으로 가압하여 소결체 내부의 기공을 제거함과 아울러 스와시 플레이트의 최종치수로 맞추는 정형작업을 수행한 후, 그 정형된 스와시 플레이트 정형품을 환원성 분위기의 열처리 노에서 열처리하여 기계적 성질을 향상시키는 열처리작업을 수행하는 순서로 제작하여, 분말야금공법에 의해 치수정밀도와 기계적성질이 우수한 스와시 플레이트를 대량으로 제작할 수 있다.

Description

압축기용 스와시 플레이트의 제조방법{METHOD FOR FABRICATING SWASH PLATE OF COMPRESSOR}

도 1은 종래 압축기의 스와시 플레이트가 설치된 상태를 개략적으로 보인 종단면도.

도 2는 본 발명에 따른 스와시 플레이트 제조를 위한 각 샘플의 원재료 혼합량표.

도 3은 본 발명의 소결공정을 보인 그래프.

도 4는 본 발명의 소결시간에 따른 각 샘플의 밀도변화를 보인 그래프.

도 5는 본 발명의 열처리시간에 따른 각 샘플의 경도변화그래프.

도 6은 본 발명에 의해 제조된 제품의 조직사진.

도 7은 본 발명에 의해 제조된 제품의 기계적 특성 비교표.

도 8은 본 발명에 의해 제조된 제품의 마모특성비교 그래프 및 표.

본 발명은 압축기용 스와시 플레이트의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스와시 플레이트를 분말야금공법으로 제조하여 제조공수의 절감 및 치수정밀도에 의한 제조원가가 절감되어질 수 있도록 한 압축기용 스와시 플레이트의 제조방법을 제공함에 있다.

자동차에 장착되는 에어컨의 압축기에는 피스톤을 동작시키기 위해 스와시 플레이트(swash plate)가 구비되어 있는데, 그 스와시 플레이트가 설치된 부분이 도 1에 개략적으로 도시되어 있는 바, 이를 간단히 설명하면 다음과 같다.

도시된 바와 같이, 압축기의 회전축(1)에 소정각도로 경사지게 형성된 스와시 플레이트(2)가 결합되어 있고, 그 스와시 플레이트(2)의 단부는 피스톤(3)의 일측에 형성된 삽입홈(3a)에 삽입되어 있어서, 회전축(1)의 회전과 동시에 스와시 플레이트(2)가 회전되며 피스톤(3)을 압축공간내에서 왕복운동시키도록 되어 있다.

상기와 같은 종래의 스와시 플레이트(2)는 일정형상의 금형에 알루미늄 용탕을 고압으로 주입하고, 용탕이 냉각되면 금형을 분리하여 소정형태의 제품을 얻은 알루미늄 다이캐스팅(Al die casting) 법에 의해 제작하고, 그 제작된 제품은 2차가공과 내부기포를 플라스틱 수지로 메우는 수지함침 등의 공정을 진행하여 최종적인 제품으로 제작되어 진다.

그러나, 상기와 같이 알루미늄 다이캐스팅 법에 의한 스와시 플레이트(2)를 제작하는 경우에는 고가의 금형이 필요하고, 단위시간당 생산효율이 높지 못하며, 제품이 정밀하지 못하여 선삭 또는 연마 등의 2차 가공이 불가피할 뿐 아니라, 제조시 원재료 손실이 많아서 생산원가를 절감시키는데 한계가 있는 문제점이 있었다.

그밖에 단조(forging)에 의해 스와시 플레이트(2)를 제작하기도 하나 이 역 시 제품의 정밀도를 위해 후가공이 반드시 필요할뿐 아니라, 다이캐스팅에 의해 제작된 제품이 가지고 있는 문제점들과 거의 유사한 문제점들을 그대로 가지고 있었다.

또한, 상기와 같이 알루미늄 다이캐스팅 또는 단조에 의해 스와시 플레이트(2)를 제작하는 경우에 통상적으로 내마모성 향상을 위해 표면에 우레탄 코팅처리를 하여야 하므로, 제품의 가격을 상승시키고, 제조과정이 복잡한 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 제조공수가 절감되고, 기계적 특성이 우수하며, 제품정밀도가 우수하여 후가공이 불필요하고, 대량생산이 가능하여 제조원가를 절감할 수 있는 분말야금공법에 의한 압축기용 스와시 플레이트의 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 기존의 알루미늄 다이캐스팅이나, 단조에 의한 제조방법에 국한되지 않고, 분말야금공법을 적용하여 스와시 플레이트를 개발함으로써 기술의 다양성을 제공하려는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

통상의 분말야금에 사용되는 2XXX계열의 알루미늄 분말과 동일한 조성을 갖는 혼합 분말에 소정양의 세라믹 분말을 혼합하는 혼합단계와,

상기 혼합분말을 스와시 플레이트와 동일형상의 성형금형에 공급한 후 소정 압력으로 가압하여 밀도가 2.5g/cm³이상의 스와시 플레이트 성형체를 제작하는 단계와,

상기 스와시 플레이트 성형체를 환원분위기의 소결노에서 소결하여 밀도가 2.70g/cm³ -2.73g/cm³의 범위를 가지는 스와시 플레이트 소결체를 제작하는 단계와.

상기 스와시 플레이트 소결체를 정형금형에 넣고 소정압력으로 가압하여 소결체 내부의 기공을 제거함과 아울러 스와시 플레이트의 최종치수로 맞추는 정형작업을 수행하는 단계와,

상기 정형된 스와시 플레이트 정형품을 환원성 분위기의 열처리 노에서 열처리 하여 기계적 성질을 향상시키는 열처리작업을 수행하는 단계를,

순차적으로 수행하여 제작되는 압축기용 스와시 플레이트의 제조방법이 제공된다.

또한, 상기와 같은 제조방법에 의해 제작된 스와시 플레이트를 제공한다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 압축기용 스와시 플레이트의 제조방법을 아래의 실시예들을 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예

본 발명에 따른 압축기용 스와시 플레이트를 제조하는 순서는 원재료 혼합(powder mixing), 성형(compacting), 소결(sintering), 정형(sizing), 열처리(heat treatment)의 순서로 진행되며 각각의 단계를 차례대로 상세히 설명한다.

a)원재료 혼합(powder mixing) 및 성형(compacting)

원재료의 성형은 통상의 알루미늄 재질의 분말야금공법에서 사용하는 알루미늄 파우더인 Al 2XXX계열의 알루미늄 혼합 분말에 높은 내마모 특성을 가지도록 세라믹계 분말인 Al₂O₃ 분말을 5wt%, 10wt%가 혼합된 각각의 혼합분말을 준비하고, 그 각각의 혼합분말을 성형기에 장착된 스와시 플레이트 성형금형에 공급한 상태에서 성형기로 0.8ton/cm²으로 가압성형하여 밀도 2.5g/cm³의 스와시 플레이트 성형체를 각각 제작한다.

여기서, Al 2XXX계열의 알루미늄 혼합 분말은 도 2의 표에서와 같이, Cu 3.8wt%, Mg 1.0wt%, Si 0.75wt%, 나머지 Al이 혼합되어 있는 통상적인 알루미늄 파우더이고, Al 2XX5 혼합 분말은 Al 2XXX 혼합 분말에 5wt% Al₂O₃ 분말과 윤할제로 Acrawax 1.5wt%를 혼합한 분말이며, Al 2X10 분말은 Al 2XXX 혼합 분말에 10wt% Al₂O₃ 분말과 윤할제로 Acrawax 1.5wt%를 혼합한 분말이다.

b)성형품의 소결(sintering)

상기 성형공정에서 성형된 각각의 스와시 플레이트 성형체를 N₂ 환원분위기의 소결노에서 도 3의 그래프와 같은 조건으로 소결을 한다.

즉, 400±10℃의 온도에서 30분간 예비소결을 하고, 610℃-620℃의 소결온도에서 30분간 소결을 한 후 냉각하여, 밀도 2.70cm²-2.73cm²로 진밀도의 96%-97% 정도의 제품을 얻는다.

상기와 같이 400±10℃의 온도에서 30분간 예비소결을 하는 이유는 원재료에 포함되어 있는 윤할제가 350℃이상에서 용융되어 기화되기 때문이고, 상기와 같이 진밀도가 높아야 하는 이유는 다이캐스팅 제품과 상응한 기계적 특성을 가지는데 매우 중요하기 때문이다.

또한, 소결시 610℃-620℃의 소결온도에서 30분간 소결하는 것은 60분 이상 소결하는 경우에 밀도의 변화가 거의 일어나지 않았으며, 90분 이상 소결하는 경우에 제품의 외형에 뒤틀림이 발생되기 때문이며, 그 예로 620℃에서의 소결시간에 따른 각 샘플(Al 2XX5, Al 2X10)의 소결밀도의 변화 그래프가 도 4의 a)와 b)에 도시되어 있다.

위에 설명한 소결조건으로 소결된 소결체는 소결공정의 특성상 기공(vacancy)이 남게 되는데, 고강도의 제품을 제조하기 위해서는 남아있는 기공을 최소화해야 하는 과제가 남는다. 이를 해결하는 방법으로 기존 소결공정에 의해 제작된 소결품은 아래의 정형(sizing)작업을 통하여 치수정밀도와 함께 기공을 최소화 시킬 수 있다.

c)소결품의 정형(sizing)

이 공정은 소결체의 특성인 다공질성의 문제점을 보완하고, 최종치수 정밀도에 근접한 제품의 형상을 충족시키는 공정으로 스와시 플레이트 소결체와 동일한 형상의 금형을 프레스에 셋팅하고, 금형에 스와시 플레이트 소결체를 넣은 상태에서 소결체를 가압한다.

d)정형제품의 열처리

상기와 같이 정형공정에 의해 제작된 스와시 플레이트 정형품은 외관형상 및 치수는 최종치수에 맞춰진 상태이지만, 내마모성 및 표면경도 등의 기계적특성은 만족하지 못한 상태이다. 따라서, 인장강도와 경도 및 내마모성 증대를 위하여 열처리를 시행한다.

열처리는 518℃의 전기로에서 30분간 융체화처리(solutionizing)를 실시한 후에 130℃에서 시효경화(aging)처리를 하였다

시효경화처리는 시간에 따라 경도값이 달라지는데, 도 5의 시효경화시간에 따른 각 샘플(Al 2XX5, Al 2X10)의 경도 변화 그래프에 나타난 것과 같이, 융체화처리후 시효경화처리시 최대 경도치는 8-9시간 정도이나, 스와시 플레이트에서 요구되는 HrB 64-80에 상응하는 경도치는 2-3시간 정도이면 충분하다.

또한, 도 6은 열처리후의 Al 2XX5 샘플의 조직을 촬영한 사진으로, 이에 나타난 것과 같이, 알루미늄 기지 조직에 세라믹 입자가 입자형태로 분포하고 있음을 확인할 수 있으며, 이와 같이 분포하는 세라믹 입자들에 의해 내마모성 및 경도 등의 기계적 성질이 증대된다.

도 7은 열처리후 각 샘플(Al 2XX5, Al 2X10)의 기계적 특성 및 경도를 측정하여 종래제품(다이캐스팅 제품)과 비교한 표로서, 이에 나타난 것과 같이, 각 샘플의 압축강도(E), 항복강도(σ_0.2), 최대항복강도(σ_max), 연신율(ε), 경도(Hardness)를 측정한 결과 종래의 다이캐스팅 제품에 상응 또는 그 이상의 우수한 특성을 나타내었다.

도 8은 본 발명에 의해 제조된 각 샘플(Al 2XX5, Al 2X10)과 종래제품의 마모특성을 비교한 그래프로서, 시험조건은 직경 2.5mm의 시험편을 만들어서 반대편의 마모재료로 이용된 강(steel)에 40N의 힘으로 누르는 상태에서 시험편을 회전(200m)시켜서 마모량을 측정하였으며, 그 결과 그래프와 표에 나타난 것과 같이 중량감소가 0.0382 수준인 종래제품에 비하여 본 발명의 각 샘플(Al 2XX5, Al 2X10)의 중량감소는 각각 0.0156과 0.0266 수준으로 매우 적은 것으로 나타났으며, 따라서 본 발명에 의해 제조된 각 샘플(Al 2XX5, Al 2X10)이 마모특성이 매우 우수한 것으로 확인 되었다.

이상의 실시예에서는 알루미늄 분말에 Al₂O₃ 분말을 혼합한 것을 예를들어 설명하였으나, 꼭 그에 한정하는 것은 아니고 SIC분말도 Al₂O₃ 분말과 같은 특성을 가지는 것으로 확인되었으며, 그밖의 세라믹계의 여러 분말들도 동일한 특성을 가지는 것으로 확인 되었다.

또한, 상기의 실시예에서는 세라믹 분말이 5wt%와 10wt%가 함유된 샘플을 제작하여 실험하였으나, 꼭 그에 한정하는 것은 아니고, 첨가되는 세라믹 분말은 3wt%-16wt%의 범위내에서 첨가될 수 있는데, 그 이유는 그 첨가량이 3wt% 이하로 미량 첨가될 경우에는 내마모성이 증가가 어렵고, 16wt% 이상이 되면 분말의 혼합시 비중차이로 편석이 많이 발생되기 때문이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 압축기용 스와시 플레이트의 제조방법은 기계적 특성 및 마모특성이 종래의 제품과 유사 또는 그보다 우수한 제품을 대량생산할 수 있는 효과가 있다.

또한, 공정이 단순하고, 소결품의 정형공정을 통하여 최종적인 제품치수로 정밀하게 제작되므로, 별도의 후가공이 불필요하여 제품의 제조원가를 대폭적으로 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 제품의 생산이 다이캐스팅 또는 단조 등의 일부 공법에 국한되지 않고 분말야금공법으로도 생산될 수 있도록 함으로써, 제품생산기술에 있어서의 다양성이 확보되는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 통상의 분말야금에 사용되는 2XXX계열의 알루미늄 혼합 분말에 소정양의 세라믹 분말을 포함하여 혼합하는 혼합단계와;

   상기 혼합분말을 스와시 플레이트와 동일형상의 성형금형에 공급한 후, 상기 혼합 분말을 가압하여 밀도가 2.5g/cm³이상의 스와시 플레이트 성형체를 제작하는 단계와;

   상기 스와시 플레이트 성형체를 환원분위기의 소결노에서 소결하여 밀도가 2.70g/cm³ -2.73g/cm³의 범위를 가지는 스와시 플레이트 소결체를 제작하는 단계와;

   상기 스와시 플레이트 소결체를 정형금형에 넣고 상기 스와시 플레이트 소결체를 가압하여 소결체 내부의 기공을 제거함과 아울러 스와시 플레이트의 최종치수로 맞추는 정형작업을 수행하는 단계와;

   상기 정형된 스와시 플레이트 정형품을 환원성 분위기로 열처리하여 기계적성질을 향상시키는 열처리작업을 수행하는 열처리 단계를;

   순차적으로 수행하여 제작하는 압축기용 스와시 플레이트의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 세라믹 분말은 Al₂O₃ 분말 또는 SIC 분말 중 어느 하나의 분말인 것을 특징으로 하는 압축기용 스와시 플레이트의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 세라믹 분말의 함유량은 전체 혼합분말에 대하여 3wt%-16wt%가 함유되는 것을 특징으로 하는 압축기용 스와시 플레이트의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 스와시 플레이트 성형체의 소결은 610℃-620℃의 전기로에서 30분-60분간 실시하는 것을 특징으로 하는 압축기용 스와시 플레이트의 제조방법.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 소결작업을 하기 전에 400±10℃의 전기로에서 30분간 예비소결하여 성형체에 포함된 윤할제가 제거되도록 하는 것을 특징으로 하는 압축기용 스와시 플레이트의 제조방법.

Images