KR100796150B1 - 고형상비를 가지는 자동차 브레이크용 솔레노이드밸브 시트하우징의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고형상비를 가지는 자동차 브레이크용 솔레노이드밸브 시트 하우징의 제조방법에 관한 것으로 금속분말사출성형공법을 적용하여 자동차 브레이크용 솔레노이드밸브 시트 하우징의 생산성 향상을 도모하기 위해 창출된 것으로,

상기 솔레노이드밸브 시트 하우징은, 평균입자 크기 10㎛ 내외의 저합금강 분말, 적합하게는 크롬-몰리브덴합금(SCM415)분말을 이용하여 열가소성 유기바인더와 혼련하여 사출성형한 후, 탈지공정과 소결공정을 거쳐 상대밀도 95%이상을 갖는 고형상비를 가지는 제품을 제조하는 것으로, 순수한 질소 혹은 수소가스를 최대 40% 함유하는 혼합 가스를 캐리어가스로 사용하여 700℃ 내지 900℃에서 가열 탈지를 행하며 이어지는 소결공정을 1350℃ 이내에서 최대 120분 동안 실시함으로써 치밀화된 최종 저합금강 소결체 제품 제조과정에서 일어나는 탈탄현상을 효과적으로 제어하는 방법을 특징으로 한다.

금속사출성형,탄소함량제어,저합금강,탈지,소결,솔레노이드밸브시트하우징

Description

고형상비를 가지는 자동차 브레이크용 솔레노이드밸브 시트 하우징의 제조방법{Producing method for vehicle in solenoid valve seat housing}

도 1은 본 발명에 적용되는 금속분말의 임계 고상 충진률과 바인더 특성에 따른 토크 측정값의 변화를 나타낸 그래프,

도 2는 본 발명에 적용되는 피드스탁 제조시 혼련 온도에 따른 토크변화를 나타낸 그래프,

도 3은 본 발명에 적용되는 결합제의 열중량 분석과 시차열분석을 측정한 그래프,

도 4는 본 발명에 적용되는 바인더 제거공정의 스케줄을 도시한 그래프,

도 5는 본 발명에 적용되는 소결 공정의 스케줄을 도시한 그래프,

도 6은 본 발명에 적용되는 소결 공정시 온도변화에 따른 완제품의 밀도 변화를 도시한 그래프,

도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 제조한 솔레노이드밸브 시트 하우징 소결체의 광학현미경 미세조직도.

본 발명은 고형상비를 가지는 자동차 브레이크용 솔레노이드밸브 시트 하우징의 제조방법에 관한 것으로, 자동차용 브레이크 시스템에 적용되는 솔레노이드밸브 시트 하우징 제조에 있어서, 상기 솔레노이드밸브 시트 하우징을 기계절삭가공이 아닌 금속분말사출성형을 이용하여 제조할 수 있도록 한 솔레노이드밸브 시트 하우징의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차용 브레이크 시스템에 적용된 솔레노이드밸브 시트 하우징은 솔레노이드밸브의 핵심부품으로 치수의 정확성과 정밀성을 위해 기계절삭가공을 통해 제조된다.

이와 같은 기계절삭가공은 상기한 바와 같이 제품의 정밀도는 높일 수 있으나, 생산성이 저하되어 대량생산이 불가능하며 나아가 절삭가공에서 필연적으로 발생하는 소재 상당부분을 낭비하는 자원 낭비를 초래하는 문제점을 안고 있었다.

이러한 문제점에도 불구 하고 고도의 제품 신뢰도를 요구하는 자동차 브레이크용 솔레노이드밸브 시트 하우징의 요구 특성을 만족하면서 대량생산과 절삭가공을 대체할 생산공법은 아직 제안되지 못하고 있는 실정이다.

상기와 같은 절삭가공을 대체할 정밀주조와 같은 주물을 통해 성형할 경우 치수제어, 정밀성, 표면조도 및 후처리 등 여러 가지 문제점을 초래하였으며, 특히 신뢰할 만한 기밀성 확보가 용이하지 않아 주조기술을 통한 제품성형은 현실성이 결여되는 상황이다.

이에 본 발명에서는 상기한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로 금속분말 사출성형공법을 적용하여 자동차 브레이크용 솔레노이드밸브 시트 하우징의 생산성 향상을 도모하기 위함이다.

본 발명인 고형상비를 가지는 자동차 브레이크용 솔레노이드밸브 시트 하우징의 제조방법은 금속분말을 고분자 바인더(결합제)와 혼합하여 사출성형에 적합한 피드스탁(feed stock)을 제조하고, 상기 피드스탁을 재분쇄한 후, 일정한 유동성을 가지는 상태에서 고압사출성형을 통해 성형하고, 이어 고분자 바인더를 분리하는 탈지 및 제품의 고밀도화를 이루기 위한 소결로 이루어진다.

이 과정에서 중요한 점은 탈지와 소결과정에서 최종 제품인 시트 하우징 부품으로서 요구되는 기계적인 성질, 용접성, 자기특성과 같은 물성을 충족하도록 탄소함량을 적정수준으로 유지하도록 한다.

본 발명에서는 탈지공정과 소결공정 중에 사용하는 가스 분위기를 특정하게 조절함으로써 소결체 제품내의 탄소함량을 제어하도록 하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부되는 도면과 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명인 고형상비를 가지는 자동차 브레이크용 솔레노이드밸브 시트 하우징의 제조방법은 외견상 통상적인 금속사출성형공정과 크게 상이하지 않으나,

0.2%-0.3% 범위내의 탄소함량을 가지는 저합금강, 크롬-몰리브덴합금강인 SCM415(JIS)등 사출성형에 사용되는 금속분말을 용융상태의 열가소성 유기바인더와 섞어서 과립상의 사출성형용 피드스탁을 제조하는 혼련공정,

상기 혼련공정으로 금속분말과 고분자 바인더로 구성된 피드스탁 입자를 투입하여 사출성형기로써 성형하는 사출성형공정,

상기 사출성형을 통해 성형된 제품에 포함된 고분자 바인더를 제거하기 위한 탈지공정,

탈지공정으로 인해 고분자 바인더를 제거한 제품의 고밀도화를 위한 고온소결공정,

그리고 소결제품의 표면연마 또는 디버링과 같은 후가공으로 이루어진다.

이러한 각 공정에 따른 특징들을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 균질한 피드스탁 제조와 무결점의 제품 성형을 위해 아래와 같은 혼련조건을 요구하며 이를 구체적으로 살펴보면,

0.2%-0.3% 범위내의 탄소함량을 가지는 저합금강, 크롬-몰리브덴합금강인 SCM415(JIS)등 금속분말과 열가소성 고분자 바인더의 혼합과정에서 혼련공정을 통해 생성된 피드스탁이 사출성형공정에 적합한 유동성을 갖는 최적의 고상 충진량을 설정하기 위해, 190℃의 온도에서 분말의 부피 백분율(%)첨가에 따른 혼련 과정에서 토크(torque)변화값의 변화를 조사하였다.(도 1)

토크 값이 급속히 높아지는 임계조건에서는 액상 유기 바인더의 함량이 결핍되기 시작하므로 윤활성이 현저히 저하되어 사출성이 확보되지 못하는데,

본 발명에 적용되는 금속분말의 부피비(%)는 56%-66%로 할 수 있으나, 이상적으로는 부피비 56%-60%가 적합하다 하겠다.

또한 혼련시 온도변화에 따른 토크변화를 조사하여 적정 사출온도를 결정하 는 실험을 실시하였으며, 도 2의 그래프에 이 결과를 도시하고 있는데, 이를 통해 사출에 적합한 온도로서는 가장 낮은 토크값을 나타내는 약 190℃가 가장 적합하다 할 것이다.

상기와 같이 설명된 혼련 조건을 정리하면 표 1에서와 같이 나타난다.

<표 1>

혼련조건

작업변수	혼련속도	혼련온도	혼련시간
조건	50RPM	190℃	1시간 30분

상기 사출성형공정은 혼련공정을 통해 생성된 피드스탁을 과립형태로 사출성형기에 투입하고, 피드스탁에 포함된 고분자 바인더가 유동성을 가지도록 사출성형기의 배럴온도를 상승시킨다.

상기 사출작업에 적합한 배럴의 온도는 약 160℃-200℃범위가 적당하며, 아래 표 2에서와 같이 사출조건을 설정하였다.

<표 2>

적정사출조건

제어변수	사출속도	사출압력	배럴온도	금형온도	사이클시간
입력값	130m/s	1300kgf	190℃	60℃	35sec

이와 같은 사출조건을 통해 사출성형된 제품은 부피비 40%-50%의 고분자 바인더를 제거하기 위해 탈지공정을 수행하며, 이러한 탈지공정은 소결 후 완성품의 품질에 큰 영향을 미치는 요소이다.

도 3에 도시된 그래프는 본 발명에 적용된 바인더의 열중량분석(TGA, Thermal Gravimetric Analysis)과 시차열분석(DTA, Differential Thermal Analysis)을 수행한 결과를 나타내는 것으로, 이를 통해 도 4에서와 같은 바인더 제거 스케줄이 완성된다.

이는 열분해 곡선을 이용하여 바인더의 상변태가 시작되는 온도의 전,후로 탈지시간을 길게 유지시켜 주고 무게변화가 시작되는 온도부터는 승온 속도를 천천히 하여 바인더의 급격한 이탈로 인한 제품의 변형이나 결함발생이 일어나지 않도록 한다.

탈지공정에서는 열가소성 유기 바인더의 열분해가 일어나며, 이 과정에서 사출체를 구성하는 저합금강 분말의 탄소함량이 변화할 수 있다. 특히 공기 중에서 탈지시에는 급속한 탈탄과 금속분말의 표면산화가 일어나는데, 이후의 소결공정에서 산화물은 다시 환원이 가능하지만 이미 탈탄으로 인해 결핍된 금속분말 중의 탄소함량은 되돌릴 수 없게 되므로 스테인레스 강 사출체 등에 대해 사용되고 있는 열풍탈지 방법은 적용하기 곤란하다.

또한 탈지공정에서 고분자 바인더의 분해를 촉진함으로써 탈지효율을 높이고 금속분말의 산화를 방지하기 위해 수소가스를 사용하는 경우에는, 특히 탈지공정 중의 고온 영역에서 분위기 수소가스가 저합금강 분말 표면의 탄소와 반응하여 메탄가스를 발생시키는 탈탄 현상이 발생하여 탄소함량의 현저한 저하가 초래된다.

따라서 상기와 같은 탈지공정에서 발생하는 사출체를 구성하는 저합금강 분말 중의 탄소함량 저하 즉, 탈탄 현상을 억제시키기 위해 적합한 분위기 가스의 사용이 필요하게 된다.

원료금속분말과 반응하지 않는 캐리어가스로서는 불활성가스가 유리하지만, 본 발명에 의하면 이 목적으로는 알곤 등 다른 불황성가스에 비하여 질소가스가 매우 적합하다. 필요에 따라 수소가스를 최대 부피비 40%까지 혼합하여 사용하여도 급속한 탈탄현상은 발생하지 않는 것으로 보이나 적합하게는 부피비 15%이내로 조절하는 것이 유리하다.

이러한 탈지공정을 거친 제품에서 더 이상의 탈탄이 일어나지 않도록 하면서 고밀도 소결체를 얻는 소결공정은 도 5에 도시된 바와 같은 가열 스케줄에 따라 실시함으로써 고립 기공의 생성을 줄여 상대밀도 95%이상의 고밀도 사출체 제조가 가능하다.

본 발명에 의해 금속분말 중의 탄소함량을 탈지체의 수준으로 유지시키면서 고밀도 소결체를 얻는 소결공정은 상압 혹은 감압상태의 알곤, 질소 등 불활성 기체를 사용하는 것보다 진공 분위기를 사용하는 것이 적합하다.

상기와 같이 소결 스케줄에 따라 소결공정으로 제조한 제품의 상대 밀도 변화는 도 6에 도시된 그래프와 같이 초기 1325℃ 이상에서 만족할 만한 결과를 보이는 것으로 나타났다.

이보다 낮은 소결온도에서는 금속분말 입자간의 치밀화가 충분히 이루어지지 못하고 내부에 개기공, 고립기공들이 혼재하여 상대밀도가 낮게 나온다.
도 7은 본 발명에 의해 금속사출성형공법으로 제조하여 상대 소결밀도가 96%인 소결체의 내부를 연마하고 2%나이탈용액에 부식시켜 광학현미경으로 관찰한 미세조직으로 많은 양의 초석 페라이트와 일부 퍼얼라이트가 형성되어진 전형적인 저탄소 저합급강의 미세조직을 보여준다.

상기와 같이 전체 공정을 완성하여 제조된 제품은 표면연마나 기타 디버링작업이 요구될 경우 후작업을 통해 완성하며, 완성된 제품은 샘플링 검사를 통해 밀도, 미세조직, 경도, 투자율등의 특성을 검사하여 제조공정을 완료한다.

이상과 같은 본 발명인 고형상비를 가지는 자동차 브레이크용 솔레노이드밸브 시트 하우징의 구체적인 실시 내용은 아래 실시예를 통해 설명한다.

<실시예>

솔레노이드밸브 시트 하우징용 소재로는 0.2%-0.3% 범위내의 탄소함량을 가지는 저합금강, 크롬-몰리브덴합금강인 SCM415(JIS)등이 사용 가능하나, 실시예에서는 SCM415강 금속분말(이하 '금속분말'이라 함.)을 적용하였다.

상기 금속분말은 평균입자 10㎛내외의 구형(球形)을 이루도록 가스분무제조를 통해 형성하고, 이러한 금속분말의 결합제인 바인더는 유기 바인더를 이용하여 혼련공정을 통해 피드스탁을 제조한다.

이때 유기 바인더와 금속 분말간의 혼합비율은 사용하는 유기바인더의 종류와 금속분말의 입도 및 입도분포에 따라 달라질 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 토크리오미터를 이용하여 금속분말이 부피비 56%-60%가 되도록 고상 충진률을 결정하였다.

상기와 같이 제조된 피드스탁은 2개의 캐비티를 가지는 사출금형기에 투입되며, 상기 사출금형기는 사출조건으로 배럴온도를 약 190℃로 하고 금형을 60℃로 예열한 상태에서 사출성형을 제조하였다.

상기 제조된 성형품에 대해 유기 바인더를 제거하기 위해 탈지공정을 수행하게 되는데, 본 실시예에서는 금속분말의 탈탄을 방지하며 소기 형상의 제품을 효과적으로 제적하는 방법으로 순수한 질소가스를 캐리어가스로 이용하고 최고 탈지 온도를 900℃로 하는 도 4에 예시된 탈지스케줄을 따라 실시하였다.

물론, 가열탈지공정은 유기 바인더의 성분 그리고 그 비율에 따라 적합한 탈지조건을 설정하여 부풀음, 크랙킹 등의 결함을 억제할 수 있도록 하여야 한다.

그리하여 본 발명의 실시 예에서는 순수한 질소가스를 캐리어가스로 사용하여, 원료금속분말 표면에 존재하는 산화물 피막이 가열시 금속분말 중 탄소와 반응하여 일어나는 탈탄수준으로 탄소함량 변화를 효과적으로 제어할 수 있다.

이러한 본 발명인 고형상비를 가지는 자동차 브레이크용 솔레노이드밸브 시트 하우징의 제조방법인 일련의 과정을 통해 제조된 성형품을 기존 기계절삭제품과 비교하여 살펴보면 표 3에서와 같은 결과를 얻을 수 있다.

<표 3>

절삭가공과 금속분말성형품의 특성

	절삭가공제품	금속분말성형품	기준
인장강도	58	69.1	55
경도	198	225	200-230
밀도	7.6	7.35	7.25이상
용접깊이	0.20-0.21	0.28-0.36	0.12이상
용접폭	0.45-0.46	0.46-0.57	0.30이상
최대투자율	700	835	650

이상에서 나타나듯이 본 발명을 통해 제조된 금속분말성형품의 기계적 특성이 기존 절삭가공제품에 비하여 월등히 우수함을 알 수 있다.

이상과 같은 본 발명인 고형상비를 가지는 자동차 브레이크용 솔레노이드밸브 시트 하우징의 제조방법은 금속분말사출성형을 통해 높은 형상비의 제품 성형이 가능하며, 아울러 탈지공정과 소결공정 중에 사용하는 분위기를 각각 질소 혹은 질소와 수소 혼합가스 그리고 진공으로 설정함으로써, 매 공정 중에 발생하는 탈탄현상을 효과적으로 제어할 수 있으며 이를 통해 생산성 향상은 물론 뛰어난 정밀도와 균질의 물성을 갖춘 제품 생산이 가능하다.

또한 이로 인하여 절삭가공법을 대체하는 파급효과를 유도할 수 있으며, 양산성이 탁월하고 치수제어를 통한 조립성 확보 및 물성제어가 용이하여 자동차 부품 이외에도 다양한 분야의 기계제품에 적용 가능한 범용성을 가져 경제적 이익창출을 극대화할 수 있는 유용한 발명이다.

Claims (4)

1. 평균입자 10㎛내의 크롬-몰리브덴 합금강인 SCM415(JIS)강 금속분말을 용융된 열가소성 고분자 바인더에 첨가하여 과립상의 사출성형용 피드스탁을 제조하는 혼련공정과,

   상기 혼련공정으로 금속분말과 고분자 바인더로 구성된 피드스탁 입자를 사출성형기로써 성형하는 사출성형공정,

   상기 사출성형을 통해 성형된 제품에 포함된 고분자 바인더를 제거하기 위한 탈지공정, 탈지공정으로 인해 고분자 바인더를 제거한 제품의 고밀도화를 위한 고온소결공정으로 제조되는 자동차 브레이크용 솔레노이드밸브 시트 하우징의 제조방법에 있어서;

   상기 피드스탁의 금속분말은 부피비 58%-66% 범위인 것을 특징으로 하는 고형상비를 가지는 자동차 브레이크용 솔레노이드밸브 시트 하우징의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서;

   상기 탈지공정은 최고 온도를 600℃-900℃로 하여 질소 혹은 수소가스중 적어도 하나 이상을 부피비 15% 함유하는 혼합가스를 이용하는 가열탈지공법으로 실시하는 것을 특징으로 하는 고형상비를 가지는 자동차 브레이크용 솔레노이드밸브 시트 하우징의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서;

   상기 탈지공정에 의해 얻어지는 탈지체는 1250℃-1350℃ 범위의 온도와 진공 분위기내에서 120분 이내로 소결하여 상대밀도 95% 이상의 고밀도를 가지도록 한 것을 특징으로 하는 고형상비를 가지는 자동차 브레이크용 솔레노이드밸브 시트 하우징의 제조방법.
4. 삭제

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