KR100991557B1 - 이종 소재 용접 방법과 이를 이용한 플런저 제조 방법 및그 플런저 - Google Patents

이종 소재 용접 방법과 이를 이용한 플런저 제조 방법 및그 플런저 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 구리 파우더를 이용하여 구리 겔(Gel)을 제조한 후, 상기 구리 겔을 제1부재의 금속 재질의 접합면에 도포하는 단계; 크롬, 실리콘, 철, 탄소 중의 적어도 하나와 붕소의 혼합물을 이용하여 합금 겔(Gel)을 제조한 후, 상기 합금 겔을 제2부재의 세라믹 재질의 접합면에 도포하는 단계; 및 상기 제1부재의 접합면과 상기 제2부재의 접합면을 서로 부착시킨 후, 구리의 녹는점 이상의 제1설정 온도로 열처리하여, 상기 제1부재와 상기 제2부재를 용접하는 단계를 포함하는 이종 소재 용접 방법과 이를 이용한 플런저 제조 방법 및 플런저를 제공한다.
이러한 본원 발명은, 금속과 세라믹 간의 이종 소재 용접 방식을 플런저 제조에 적용하여 플런저의 반복적인 왕복 운동에도 마모 발생을 억제할 수 있다.

Description

이종 소재 용접 방법과 이를 이용한 플런저 제조 방법 및 그 플런저{Method for welding difference materials and Method for manufacturing plunger using that and plunger thereof}
본 발명은 이종 소재 용접 방법과 이를 이용한 플런저 제조 방법 및 그 플런저에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속과 세라믹 간의 이종 소재 용접 방식을 이용하여 플런저의 제조가 가능한 이종 소재 용접 방법과 이를 이용한 플런저 제조 방법 및 그 플런저에 관한 것이다.
플런저(Plunger)는 피스톤 따위와 같이 유체(流體)를 압축하거나 내보내기 위하여 왕복 운동하는 부분을 말한다. 상기 플런저는 일반적으로 금속(ex, 스틸) 재질로 구성되는데, 종래의 경우 플런저의 반복적인 왕복 운동으로 인해 금속 부분이 마모되어 장기간 사용이 곤란할 수 있고 마모열로 인해 표면의 손상이 더욱 가속화되며 유지보수가 어려워 잦은 교체를 유발하게 되는 단점이 있다.
본원 발명은, 금속과 세라믹 간의 이종 소재 용접 방식을 플런저 제조에 적용하여 플런저의 반복적인 왕복 운동에도 마모 발생을 억제할 수 있는 이종 소재 용접 방법과 이를 이용한 플런저 제조 방법 및 그 플런저를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 구리 파우더를 이용하여 구리 겔(Gel)을 제조한 후, 상기 구리 겔을 제1부재의 금속 재질의 접합면에 도포하는 단계; 크롬, 실리콘, 철, 탄소 중의 적어도 하나와 붕소의 혼합물을 이용하여 합금 겔(Gel)을 제조한 후, 상기 합금 겔을 제2부재의 세라믹 재질의 접합면에 도포하는 단계; 및 상기 제1부재의 접합면과 상기 제2부재의 접합면을 서로 부착시킨 후, 구리의 녹는점 이상의 제1설정 온도로 열처리하여, 상기 제1부재와 상기 제2부재를 용접하는 단계를 포함하는 이종 소재 용접 방법을 제공한다.
또한, 본원 발명은, 구리 파우더를 이용하여 구리 겔(Gel)을 제조한 후, 상기 구리 겔을 플런저의 금속부의 외측면에 도포하는 단계; 총 100%중량에 대하여 9~12%중량의 크롬, 2~2.5%중량의 붕소, 3~4%중량의 실리콘, 3~4%중량의 철, 0.2~0.7%중량의 탄소, 및 그 잔량인 나머지%중량의 니켈의 혼합물을 이용하여 합금 겔(Gel)을 제조한 후, 상기 합금 겔을 상기 금속부의 외측면에 용접될 세라믹부의 내측면에 도포하는 단계; 및 상기 금속부의 외측면과 상기 세라믹부의 내측면을 서 로 부착시킨 후, 구리의 녹는점 내지 1165℃로 열처리하여, 상기 금속부와 상기 세라믹부를 용접하는 단계를 포함하는 플런저 제조 방법을 제공한다.
그리고, 본원 발명은, 로드에 결합되어, 실린더 내측에서 왕복 운동하는 금속부; 및 상기 금속부재의 외측면에 구리 파우더를 이용한 구리 겔이 도포된 상태에서, 상기 금속부의 외측면이 부착되는 내측면에 크롬, 실리콘, 철, 탄소 중의 적어도 하나와 붕소의 혼합물을 이용한 합금 겔(Gel)이 도포된 후, 구리의 녹는 점 이상의 설정 온도로 가열되어 상기 금속부에 용접되는 세라믹부를 포함하는 플런저를 제공한다.
본원 발명에 따른 이종 소재 용접 방법과 이를 이용한 플런저 제조 방법 및 그 플런저는, 내마모성 및 내열성이 우수한 세라믹부를 금속부의 외측에 결합시킴에 따라, 잦은 왕복 운동에도 플런저의 손상을 줄일 수 있고 교체 기간을 연장시키며 유지보수를 용이하게 하는 이점이 있다.
또한, 상기 플런저의 손상 가능성이 감소되기 때문에, 손상된 플런저에 의한 실린더의 손상 가능성 또한 감소된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플런저의 개략 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 플런저의 분해 단면도이다.
도 1을 참조하면, 플런저(Plunger;100)는, 실린더(10) 내에서 왕복 운동하여 유체의 압축이나 내보냄을 수행하는 부분으로서 보통 금속으로 제조된다. 여기서, 상기 플런저(100)의 잦은 왕복운동은 곧 금속 표면의 마모, 마모열로 인한 손상을 유발하여 플런저(100)의 장기적인 사용이 곤란하게 한다.
본 발명은 이러한 플런저(100)의 금속 표면의 손상을 보완하기 위한 것으로서, 플런저(100)의 금속부(110) 외측에, 내마모성와 내열성이 우수한 별도의 세라믹부(120)가 결합된 구조를 가진다. 물론, 이러한 결합은 후술할 이종 소재 용접 방법을 바탕으로 한 것이다. 즉, 이하에서는 상기 플런저(100)의 제조에 이용되는 이종 소재 용접 방법에 관하여 도 1 내지 도 3을 참조로 하여 설명하기로 한다. 여기서, 상기 이종 소재는 금속 소재와 세라믹 소재를 대상으로 한다.
먼저, 구리 파우더를 이용하여 구리 겔(Gel;130)을 제조한 후, 상기 구리 겔(130)을 제1부재(110)의 금속 재질의 접합면(112)에 도포한다(S110). 상기 구리 겔(130)은, 구리(Copper) 파우더를 에폭시 등의 끈기 있는 용액에 섞어 제조 가능한데, 이외에도 구리 파우더의 겔화를 위한 어떠한 재료가 사용되어도 무관하다.
한편, 상기 제1부재(110)란, 전체가 금속 재질로 이루어진 부재, 또는 상기 접합면(112)만 금속 재질이고 그 이외의 부분은 다른 소재로 이루어진 부재를 포괄할 수 있다. 물론, 본 발명에서 기술하고 있는 상기 제1부재(110)는 플런저(100)의 구성품으로만 한정되는 것은 아니며, 접합면(112)이 금속으로 된 어떠한 구성 장치나 구성 부품도 이에 해당될 수 있음은 자명하다.
다음으로, 크롬(Cr), 실리콘(Si), 철(Fe), 탄소(C) 중의 적어도 하나와 붕소(B)의 혼합물을 이용하여 합금 겔(Gel;140)을 제조한 후, 상기 합금 겔(140)을 제2부재(120)의 세라믹 재질의 접합면(121)에 도포한다(S130). 상기 합금 겔(140) 은, 상기 혼합물(합금) 파우더를 에폭시 등의 끈기 있는 용액에 섞어 제조 가능한데, 제조 방법이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 혼합물 파우더의 겔화를 위한 어떠한 재료가 사용되어도 무관하다.
한편, 상기 제2부재(120)란, 전체가 세라믹 재질로 이루어진 부재, 또는 상기 접합면(121)만 세라믹 재질이고 그 이외의 부분은 다른 소재로 이루어진 부재를 포괄할 수 있다. 물론, 본 발명에서 기술하고 있는 상기 제2부재(120)는 플런저(100)의 구성품으로만 한정되는 것은 아니며, 접합면(121)이 세라믹으로 된 어떠한 구성 장치나 구성 부품도 이에 해당될 수 있음은 자명하다.
한편, 상기 혼합물은, 총 100%중량에 대하여 9~12%중량의 크롬, 2~2.5%중량의 붕소, 3~4%중량의 실리콘, 3~4%중량의 철, 0.2~0.7%중량의 탄소, 및 그 잔량인 나머지%중량의 니켈(Ni)을 포함할 수 있다. 이러한 100%중량의 혼합물은 에폭시 등에 섞여 추후 상기 합금 겔(140)을 형성하게 되는데, 물론 합금 겔(140)의 중량은 상기 100%중량에 에폭시의 중량만큼 더해진 중량이다.
다음으로, 상기 제1부재(110)의 접합면(112)과 상기 제2부재의 접합면(121)을 서로 부착시킨 후, 구리의 녹는점 이상의 제1설정 온도로 열처리하여, 상기 제1부재(110)와 상기 제2부재(120)를 용접한다(S150). 여기서, 구리의 녹는점 이상이란, 구리의 녹는점인 1083℃를 포함하는 그 이상의 온도를 의미한다. 이러한 S150단계에서 진공 열처리 방식이 이용되는 경우, 열처리가 진공에서 진행되므로 금속의 산화를 방지할 수 있다.
이러한 용접 단계(S150)는, 열처리 온도가 구리의 녹는점(1083℃) 또는 그 이상의 제1설정온도로 증가하는 동안, 구리 겔(130) 내의 구리가 녹기 시작하면서, 상기 합금 겔(140)의 알갱이가 상기 녹아진 구리에 섞이는 것에 의해 용접이 수행되게 된다. 상기 합금 겔(140)은, 상기 제1설정온도에 진입하면서 그러한 알갱이의 점성이 높아지고, 이에 따라 상기 알갱이가 상기 녹아진 구리에 더욱 잘 섞일 수 있게 되는 것이다. 물론, 기존에 구리 겔(130)과 합금 겔(140)의 겔화에 이용된 에폭시 물질은, 상기한 높은 열처리 온도에 의해 기화되어 휘발 제거된다.
한편, 상기 제1설정 온도의 상한 온도는, 구리의 녹는점인 1083℃ 이상이되 제1부재(110)가 탄화 혹은 산화되지 않는 온도를 의미한다. 예를 들어, 상기 제1부재(110)는 스틸 재질일 수 있는데, 이때 상기 제1설정온도는 1083℃ 내지 1165℃의 온도 범위일 수 있다. 다시 말해서, 1165℃의 온도는 상기 스틸이 탄화 또는 산화되지 않는 한계 온도를 의미한다.
한편, 상기 S110단계 및 S130단계 이후에는, 각각 부재를 보조적으로 열처리하는 단계를 더 포함한다. 즉, 제1부재(110)의 접합면(112)에 구리 겔(130)을 도포(S110)한 이후에는, 상기 제1부재(110)를 구리의 녹는점 이상의 제2설정온도에서 열처리한다(S120). 이러한 보조적인 열처리는 구리 겔(130)이 금속 재질의 접합면(112)에 도포된 이후 상기 접합면(112)에서 확산이 용이하게 이루어지도록 하기 위함이다. 이러한 제2설정온도는 구리의 녹는점을 포함한 그 이상의 온도일 수 있고, 상기 제1설정온도와 동일할 수 있으며, 예를 들면 용접시 열처리 온도인 1083℃ 내지 1165℃ 온도일 수 있다.
이와 동일한 원리로, 상기 제2부재(120)의 접합면(121)에 합금 겔(140)을 도 포(S130)한 이후에는, 제2부재(120)를 구리의 녹는점 이상의 제3설정온도에서 열처리한다(S140). 이러한 보조적인 열처리는 합금 겔(140)이 세라믹 재질의 접합면(121)에 도포된 이후 상기 접합면(121)에서 확산이 용이하게 이루어지도록 하기 위함이다. 이러한 제2설정온도도 또한 구리의 녹는점을 포함한 그 이상의 온도일 수 있고, 상기 제1설정온도와 동일할 수 있으며, 예를 들면 용접시 열처리 온도인 1083℃ 내지 1165℃ 온도일 수 있다. 물론, 상기 S120단계, S140단계의 보조적인 열처리 또한, 금속의 산화 방지를 위해 진공 열처리 방식이 이용될 수 있다.
이하에서는, 이러한 이종 소재 용접 방법을 이용한 플런저 제조 방법을 도 1 내지 도 3을 바탕으로 설명하고자 한다.
먼저, 구리 파우더를 이용하여 구리 겔(130)을 제조한 후, 구리 겔(130)을 플런저(100)의 금속부(110)의 외측면(112)에 도포한다(S110). 물론 여기서, 상기 금속부(110)의 외측면(112)에 도포된 구리 겔(130)의 확산을 위해, 보조적으로 열처리 단계(S120)를 더 수행할 수 있다.
다음으로, 총 100%중량에 대하여 9~12%중량의 크롬, 2~2.5%중량의 붕소, 3~4%중량의 실리콘, 3~4%중량의 철, 0.2~0.7%중량의 탄소, 및 그 잔량인 나머지%중량의 니켈의 혼합물을 이용하여 합금 겔(140)을 제조한 후, 상기 합금 겔(140)을 상기 금속부(110)의 외측면(112)에 용접될 세라믹부(120)의 내측면(121)에 도포한다(S130). 물론 여기서, 상기 도포된 세라믹부(120)의 내측면(121)에 도포된 합금 겔(140)의 확산을 위해, 보조적으로 열처리 단계(S140)를 더 수행할 수 있다.
이후에는, 상기 금속부(110)의 외측면(112)과 상기 세라믹부(120)의 내측 면(121)을 서로 부착시킨 후, 구리의 녹는점(1083℃) 내지 1165℃로 열처리하여, 상기 금속부(110)와 상기 세라믹부(120) 간을 용접한다(S150). 이러한, 금속부(110)의 외측에 결합되는 상기 세라믹부(120)는, 내마모성 및 내열성이 충분히 우수하여 플런저(100)의 잦은 왕복 운동에도 크게 손상되지 않아 플런저(100)의 교체 기간을 단축시키고 유지보수가 용이한 이점이 있다.
한편, 상기 구리 겔(130)의 도포(S110)와 합금 겔(140)의 도포(S130) 이후, 각각의 열처리 단계(S120,S140)를 수행하지 않고, 상기 금속부(110)와 세라믹부(120)를 서로 부착한 후 열처리와 용접을 동시에 수행하여도 된다. 이러한 경우, 온도를 올려서 열처리 하는 절차를 한 단계로 줄일 수 있어 제작시간 및 비용을 절감할 수 있게 된다.
이하에서는, 상기한 플런저 제조 방법에 의해 제조된 플런저(100)의 구성을 도 1 내지 도 2를 참고로 하여 살펴보기로 한다. 상기 플런저(100)는, 상기 금속부(110) 및 세라믹부(120)를 포함한다.
상기 금속부(110)는 로드(150)에 결합되어, 실린더(10) 내측에서 왕복 운동하는 부분으로서, 전체가 내구성이 좋은 스틸 재질로 제조될 수 있다. 상기 로드(150)와 상기 금속부(110) 간의 결합은, 로드(150)의 외주에 형성된 나사산(151)이 금속부(110)의 내측에 형성된 나사홀(111)에 체결되는 것에 의해 가능할 수 있다.
상기 세라믹부(120)는, 금속부(110)의 외측면(112)에 구리 파우더를 이용한 구리 겔(130)이 도포된 상태에서, 금속부(110)의 외측면(112)이 부착되는 내측 면(121)에 상기 합금 겔(140)이 도포된 후, 구리의 녹는 점 이상의 설정 온도(1083℃ 내지 1165℃)로 가열되어, 상기 금속부(110)에 용접되는 부분이다.
이상과 같이, 본원 발명은 금속과 세라믹 간의 이종 소재 용접 방식을 플런저(100)의 제조에 적용하여 플런저(100)의 반복적인 왕복 운동에도 마모 발생을 억제할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플런저의 개략 단면도,
도 2는 도 1에 도시된 플런저의 분해 단면도,
도 3은 도 1에 도시된 플런저의 제조 방법에 관한 일 실시예를 나타나는 흐름도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명 >
100: 플런저 110: 금속부
111: 나사홀 112: 접합면
120: 세라믹부 121: 접합면
130: 구리 겔 140: 합금 겔
150: 로드 151: 나사산

Claims (8)

  1. 구리 파우더를 이용하여 구리 겔(Gel)을 제조한 후, 상기 구리 겔을 제1부재의 금속 재질의 접합면에 도포하는 단계;
    크롬, 실리콘, 철, 탄소 중의 적어도 하나와 붕소의 혼합물을 이용하여 합금 겔(Gel)을 제조한 후, 상기 합금 겔을 제2부재의 세라믹 재질의 접합면에 도포하는 단계; 및
    상기 제1부재의 접합면과 상기 제2부재의 접합면을 서로 부착시킨 후, 구리의 녹는점 이상의 제1설정 온도로 열처리하여, 상기 제1부재와 상기 제2부재를 용접하는 단계를 포함하는 이종 소재 용접 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1부재의 접합면에 상기 구리 겔을 도포한 후, 상기 제1부재를 상기 구리의 녹는점 이상의 제2설정온도에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 이종 소재 용접 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2부재의 접합면에 상기 합금 겔을 도포한 후, 상기 제2부재를 상기 구리의 녹는점 이상의 제3설정온도에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 이종 소재 용접 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1부재는 스틸 재질이고,
    상기 제1설정온도는 1083℃ 내지 1165℃인 이종 소재 용접 방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 열처리하는 온도가 상기 구리의 녹는점 또는 녹는점 이상의 상기 제1설정온도로 증가하는 동안, 상기 구리가 녹기 시작하면서 상기 합금 겔의 알갱이가 상기 녹아진 구리에 섞이는 것에 의해 용접이 수행되는 이종 소재 용접 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 혼합물은,
    총 100%중량에 대하여 9~12%중량의 크롬, 2~2.5%중량의 붕소, 3~4%중량의 실리콘, 3~4%중량의 철, 0.2~0.7%중량의 탄소, 및 그 잔량인 나머지%중량의 니켈을 포함하는 이종 소재 용접 방법.
  7. 구리 파우더를 이용하여 구리 겔(Gel)을 제조한 후, 상기 구리 겔을 플런저의 금속부의 외측면에 도포하는 단계;
    총 100%중량에 대하여 9~12%중량의 크롬, 2~2.5%중량의 붕소, 3~4%중량의 실리콘, 3~4%중량의 철, 0.2~0.7%중량의 탄소, 및 그 잔량인 나머지%중량의 니켈의 혼합물을 이용하여 합금 겔(Gel)을 제조한 후, 상기 합금 겔을 상기 금속부의 외측 면에 용접될 세라믹부의 내측면에 도포하는 단계; 및
    상기 금속부의 외측면과 상기 세라믹부의 내측면을 서로 부착시킨 후, 구리의 녹는점 내지 1165℃로 열처리하여, 상기 금속부와 상기 세라믹부를 용접하는 단계를 포함하는 플런저 제조 방법.
  8. 로드에 결합되어, 실린더 내측에서 왕복 운동하는 금속부; 및
    상기 금속부재의 외측면에 구리 파우더를 이용한 구리 겔이 도포된 상태에서, 상기 금속부의 외측면이 부착되는 내측면에 크롬, 실리콘, 철, 탄소 중의 적어도 하나와 붕소의 혼합물을 이용한 합금 겔(Gel)이 도포된 후, 구리의 녹는 점 이상의 설정 온도로 가열되어 상기 금속부에 용접되는 세라믹부를 포함하는 플런저.
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