KR101254348B1 - 압입접합에 있어서의 열처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 금속제 요소 부품을 구성하는 부재끼리의 압입접합에 관한 것으로, 뛰어난 내식성, 내압성을 발휘하는 요소 부재의 압입접합에 있어서의 열처리방법 및 접합구조를 제공하는 것을 과제로 하고, 제 1 부재의 구멍부 내에 제 2 부재를 소정의 압력으로 누르는 동시에, 이들 양 부재 사이에 통전하여 양자의 접합부에 전기저항열을 발생시키고, 상기 제 2 부재를 상기 구멍부에 압입하여, 상기 제 2 부재와 상기 구멍부의 내벽면부와의 접합면부에 접합계면을 형성시키고, 또한 이 접합을 고상상태의 접합으로 한 압입접합을 실시하고, 상기 압입접합에 의한 접합부를 가열 유지하여 어닐링을 실시하여, 이 열처리에 의해 접합부를 분산·소멸시켜, 상기 압입접합에 의해 접합한 양 부재의 접합부에 있어서의 금속조직을 일체화 또는 균질화시킨 것이다.

압입, 접합, 균일화, 열처리, 어닐링, 접합부

Description

압입접합에 있어서의 열처리방법{HEAT TREATMENT METHOD IN PRESS-FIT CONNECTION}

본 발명은, 금속제 요소 부품을 구성하는 부재끼리의 압입접합에 있어서의 열처리방법 및 그것에 의한 접합구조에 관한 것이다.

종래, 기계 구조물을 구성하는 부재를 소위 용접에 의해 용융 접합할 때, 부재끼리가 접합한 경계를 나타내는 접합선은 용융 응고조직을 형성한다. 일반적으로, 금속재료끼리를 용접에 의해 접합했을 경우 등과 같이, 두 개 부재의 접합선이 용융 접합에 의해서 형성되었을 때, 주로 응고조직으로 형성시키는 이 접합선을 열처리에 의해서 소멸시키는 것은 매우 곤란하다. 또한, 상기 용융 응고조직은, 도 7에 나타내는 확산 어닐링 열처리(약 1150℃)를 실시하지 않는 한, 상기 접합선을 소멸시키는 것은 어렵다. 이 때문에, 통상, 용접에 의한 접합부를 열처리하는 목적은, 잔류 응력의 제거 혹은 기계적 성질의 개선 등이며, 부재끼리의 금속 조직을 균질화, 일체화시킬 때까지를 요구하는 것은 아니다. 특허문헌 1, 2에, 부재끼리의 저항용접, 프로젝션용접에 관한 기재가 있다.

여기서, 본건 출원인은, 먼저 특허문헌 3, 4에 있어서, 압입접합구조를 개시 하였다. 이것은 도 9(a)(b)에 나타내는 바와 같이, 워크로서, 치구를 이용하여 제 1 부재(2)로서의 플레이트{구멍부(3)를 뚫어서 형성}에 제 2 부재(4)로서의 축 몸체{단면이 구멍부(3)와 서로 유사한 형상}를 압입접합하는 것이며, 또 다른 형태로서 제 1 부재로서의 통체에 제 2 부재로서의 통체를 압입접합하는 것 등이 있다. 압입접합에서 이용되는 상기 치구는, 상부에 원기둥형상의 구멍부가 형성된 크롬동 제품의 하형(10)과, 하부에 원기둥형상의 구멍부가 형성된 크롬동 제품의 상형(12)을 갖는다. 이들 하형(10)과 상형(12)은, 각각 전극으로서도 기능을 하여 두 개의 형틀 사이에 통전 가능하며, 상형(12)은 가압 강하한다.

압입의 조건으로서 소정의 압입대{d= 제 2 부재(4)의 바깥지름(D2)-제 1 부재(2)의 구멍부(3)의 안지름(D1)}과 압입깊이{h= 제 2 부재(4)의 압입의 깊이}를 설정한다. 접합시에는, 하형(10)에 상기 제 1 부재(2)를, 상형(12)에 제 2 부재 (4)를 각각 부착하고, 상형(12)을 일정한 가압력을 가하여 누르고, 더불어 제 1 부재(2)와 제 2 부재(4) 사이에 전류를 흐르게 한다. 그렇게 하면, 전기저항열의 발생과 함께 제 2 부재(4)의 압입이 개시되어, 제 2 부재(4)의 접합부가 제 1 부재 (2)의 구멍부(3) 내를 강하 이동한다. 이 경우, 도 9(b)에 나타내는 바와 같이 제 2 부재(4)가 제 1 부재(2)의 구멍부(3)에 압입되며, 이때 양 부재의 접합계면에 아이어닝(ironing)의 작용이 생겨 아이어닝가공에 의한 제조공정에 의해 압입접합을 한다.

이때, 제 1 부재(2)와 제 2 부재(4)의 접합부(6)에는 고상(固相)용접의 접합계면(8)이 형성된다. 도 10(a)은 상기 압입접합한 접합부 근방의 마크로사진이고, 도 10(b)는 접합부의 확대사진이다. 따라서, 도 10(b)에는 상하방향으로, 접합부의 접합계면이 형성되고 있지만, 이 압입접합에서는 양호한 접합이 실시되기 때문에 접합계면(8)은 치밀하다.

상기 접합계면(8)에는 제 1 부재(2)와 제 2 부재(4)의 각 벽면끼리의 사이가 미끄러지는 방향의 이동에 의해 아이어닝되고, 이것에 의해 표면의 불순물질층이 깎여져 표면이 청정화되어, 이 청정한 조직에 고상 용접이 실시된다. 또한, 본 접합에는 아이어닝공정이 부가되기 때문에, 접합부에는 큰 소성변형이 발생하고, 금속 조직도 결정입자도 부수어진 가공 조직이 되지만, 이 접합법에서 부여하는 전기저항열에 의한 온도상승은 금속재료를 용융시킬 정도로 높지 않기 때문에, 이것은 재결정하지 않고 잔존한다. 또한 스폿용접기에 의한 열처리에서는 가열능력 등을 고려하면 이러한 재결정의 효과를 얻는 것은 매우 어렵다.

특허문헌 1 : 일본 특허공개공보 평성 7-1150호

특허문헌 2 : 일본 특허공개공보 평성 8-174234호

특허문헌 3 : 일본 특허공개공보 2001-353628호

특허문헌 4 : 일본 특허공개공보 2004-114146호

또한, 자동차 부품 등에 있어서는, 내마모성·강도의 향상 등의 목적으로 침탄처리를 실시하는 것이 많이 실시되고 있다. 그러나, 부재끼리가 용접된 용접 부품을 침탄하는 경우에는, 이 용접부에 침탄처리가 되지 않도록 방탄제 등을 도포 또는 도금하는 방탄(防炭)처리를 실시하고 나서 침탄처리를 실시하는 것이 일반적이다.

부재끼리의 용접부를 침탄처리하지 않는 것은, 이 용접부에는 블로우홀(blow hole)·갈라짐 등의 용접결함이 생기는 일이 있고, 침탄처리에 의해서 용접부를 딱딱하게 하는 것은, 인성(靭性)저하, 응력집중 등의 강도상의 문제가 생기기 때문이다. 또한 상기 용접부는, 일반적으로는 표면강도를 높일 필요가 없는 부분이기 때문에, 이러한 것을 고려하여 용접부에 침탄처리가 되지 않도록 방탄처리를 실시하고 있다.

그런데, 상기 압입접합법에 있어서, 특히 침탄 처리재끼리의 접합을 실시했을 경우, 이 접합시의 과열과 종료 후의 급냉에 의해서, 침탄부의 접합부는 마르텐사이트 조직이 되어, 매우 취약하게 된다. 이것을 방지하기 위해, 취약한 마르텐사이트 조직으로부터 연성(延性)이 있는 템퍼링 마르텐사이트로 바꾸기 위해, 접합공정 이외에 동일한 용접기로 유지한 채로, 추가처리로서 템퍼링 통전(通電)을 실시한다.

상기 템퍼링은, 다시, 제 1 부재(2)와 제 2 부재(4) 사이에 템퍼링(열처리)통전을 실시하여 재가열하는 것이지만, 이 열처리는 접합조건과 대략 같은 통전조건이기 때문에, 접합선을 소멸시킬 수는 없다. 또한, 상기 접합선이 있고, 불균일한 조직이 존재하는 경우에는, 국부적인 부식 전위차를 발생하여 국부적으로 부식되는 일이 있다. 이러한 경우에는, 고내식성의 용도에 이용할 수 없다. 또한, 이러한 우려가 있는 제품은 고내압성, 고기밀성, 연성, 인성 등의 기능이 필요하게 되는 용도에도 이용할 수 없다. 이와 같이, 접합부가 금속학적으로 일체화되기까지의 품질이 요구되는 요소 부품에 대해서는 필요한 조직이다.

또한, 용접부가 침탄되지 않도록, 상기 방탄처리를 하는 것은, 제품의 기능 및 강도를 유지하기 위해서 필요한 공정이 아니라 오히려 불필요한 공정이다. 게다가, 용접부는 일반적으로는 삼차원 형상을 가지고 있어, 방탄처리의 수고 등을 고려하면 상당한 공정수와 비용을 필요로 한다고 하는 문제가 있다.

본 발명은, 상기 문제점에 감안하여 이루어진 것으로서, 뛰어난 내식성, 내압성, 고기밀성, 연성, 인성 등을 발휘하는 요소 부재의 압입접합에 있어서의 열처리방법 및 접합구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이상의 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 관한 압입접합에 있어서의 열처리방법은, 제 1 부재의 구멍부 내에 제 2 부재를 소정의 압력으로 누르는 동시에, 이들 양 부재 사이에 통전하여 양자의 접합부에 전기저항열을 발생시키고, 상기 제 2 부재를 상기 구멍부에 압입하여, 상기 제 2 부재와 상기 구멍부의 내벽면부와의 접합면부에 접합계면을 형성시키고, 또한 이 접합을 고상상태의 접합으로 한 압입접합을 실시하고, 상기 압입접합에 의한 접합부를 가열 유지하여 어닐링을 실시하여, 이 열처리에 의해 접합부를 분산·소멸시켜, 상기 압입접합에 의해 접합한 양 부재의 접합부에 있어서의 금속조직을 일체화 또는 균질화시키는 것이다.

본 발명에 따른 압입접합에 있어서의 열처리방법은, 상기 제 1 부재와 상기 제 2 부재를 동일재질의 재료로 한 것이다.

본 발명에 따른 압입접합에 있어서의 열처리방법은, 상기 열처리의 온도를 재결정온도 이상으로 한 것이다.

본 발명에 따른 압입접합에 있어서의 열처리방법은, 상기 재료로서 페라이트 조직을 갖는 탄소강, 오스테나이트 조직을 갖는 합금강, 혹은 페라이트 조직을 갖는 합금강을 이용했을 때의 상기 열처리의 온도를 A1 변태점 이상, 또는 재결정온도 이상으로 한 것이다.

본 발명에 따른 압입접합에 있어서의 열처리방법은, 상기 가열 유지하는 시간을 1시간 이상으로 한 것이다. 또한, 본 발명에 따른 압입접합에 있어서의 열처리방법은, 상기 열처리의 온도를 확산 어닐링 온도 이하로 한 것이다.

본 발명에 따른 압입접합에 있어서의 열처리방법은, 제 1 부재의 구멍부 내에 제 2 부재를 소정의 압력으로 누르는 동시에, 이들 양 부재 사이에 통전하여 양자의 접합부에 전기저항열을 발생시키고, 상기 제 2 부재를 상기 구멍부에 압입하여, 상기 제 2 부재와 상기 구멍부의 내벽면부와의 접합면부에 접합계면을 형성시키고, 또한 이 접합을 고상상태의 접합으로 한 압입접합을 실시하고, 상기 압입접합된 제 1 부재 및 제 2 부재를 가열 유지하여 침탄을 실시하여, 이 열처리에 의해 양 부재의 표면층을 담금질 경화시키고, 또한 상기 압입접합에 의해 접합한 두 개 부재의 접합부에 있어서의 금속 조직을 일체화 또는 균질화 시키는 것이다.

본 발명에 따른 압입접합에 있어서의 열처리방법은, 상기 제 1 부재와 제 2 부재와의 접합부에 방탄처리를 실시하는 일 없이, 상기 침탄에 의해 상기 접합부를 포함한 양 부재의 표면층을 담금질 경화시키는 것이다.

본 발명에 따른 압입접합에 있어서의 열처리방법은, 상기 제 1 부재 및 제 2 부재의 재료로서, 일반 가공용 강재, 스테인레스강, 기계구조용 탄소강, 기계구조용 합금강, 또는 티타늄을 이용한 것이다.

본 발명에 따른 압입접합에 있어서의 접합구조는, 상기 어느 하나에 기재된 압입접합에 있어서의 열처리방법에 의해 접합된 상기 제 1 부재 및 제 2 부재로 이루어지는 구성이다.

[발명의 효과]

본 발명에 따른 압입접합에 있어서의 열처리방법에 의하면, 제 1 부재의 구멍부 내에 제 2 부재를 고상상태로 접합한 압입접합을 실시하고, 또한 접합부를 어닐링에 의해 열처리하고, 재결정온도 이상의 온도로 가열 유지하는 것에 의해 접합부를 분산·소멸시키는 것으로 하였기 때문에, 접합부에 있어서의 금속 조직의 일체화 또는 균질화가 꾀해져서 양질인 어닐링을 실시할 수 있고, 또한 1 부재와 제 2 부재 사이에 부식 전위차를 발생시키지 않고 양호한 내식성을 얻을 수 있어, 한층 내압성 등에 있어서 우수한 품질의 접합구조를 얻을 수 있다고 하는 효과가 있다. 또한, 이 어닐링은 일반의 확산 어닐링온도와 비교하여 낮은 온도에서 실시할 수 있기 때문에, 접합부 이외의 모재부의 금속결정의 조대화(粗大化)를 막을 수 있어, 재료강도의 저하, 인성의 저하 등을 방지할 수 있다고 하는 뛰어난 효과를 갖는다. 또한, 접합계면이 청정화되어 접합이 양호하게 실시되어 강도적으로도 뛰어난 효과가 있다.

본 발명에 따른 압입접합에 있어서의 열처리방법에 의하면, 제 1 부재의 구멍부내에 제 2 부재를 고상상태에 접합한 압입접합을 실시하고, 또한 침탄에 의해 양 부재의 표면층을 담금질 경화시켜 접합부에 있어서의 금속조직을 일체화시키는 것으로 했기 때문에, 접합구조 부재의 표면층은 경도가 높고, 또한 전체적으로 인성이 뛰어나 강도가 향상하고, 또한 접합부에 있어서의 금속조직의 일체화 또는 균질화가 꾀해지고, 또한 접합부는 모재에 극히 가까운 성질이기 때문에, 접합부에 대해서도 모재의 부분과 동일한 정도의 균일한 침탄 깊이의 침탄층이 형성되어, 뛰어난 품질의 접합구조 부재를 얻을 수 있다는 효과가 있다. 또한, 제 1 부재와 제 2 부재와의 접합부에 방탄처리를 실시하지 않아도 전체에 양호한 침탄처리를 실시할 수 있기 때문에, 방탄처리공정을 생략할 수 있어 에너지절약화가 꾀해져서 비용저감에 기여한다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 것으로, 제 1 재료를 이용한 압입접합구조를 나타내는 도면이고, (a)는 평면도, (b)는 A-A단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시형태에 관한 것으로, 제 2 재료를 이용한 압입접합구조를 나타내는 도면이고, (a)는 평면도, (b)는 B-B단면도이다.

도 3은 실시형태에 관한 것으로, 시험(i)에 있어서의 압입접합부의 금속 현미경 사진을 나타낸 것이고, (a)는 저배율(22.5배)로 접합부 전체를 관찰한 것이고, (b)는 고배율(100배)로 접합부의 마이크로 조직을 관찰한 것이다.

도 4는 실시형태에 관한 것으로, 시험(ⅱ)에 있어서의 압입접합부의 금속 현미경 사진을 나타낸 것이고, (a)는 저배율(22.5배)로 접합부 전체를 관찰한 것이고, (b)는 고배율(100배)로 접합부의 마이크로 조직을 관찰한 것이다.

도 5는 실시형태에 관한 것으로, 시험(ⅲ)의 어닐링 열처리를 실시한 후의 압입접합부의 금속 현미경사진을 나타낸 것이고, (a)는 저배율(37.5배)로 접합부 전체를 관찰한 것이고, (b)는 고배율(400배)로 접합부의 마이크로 조직을 관찰한 것이다.

도 6은 실시형태에 관한 것으로, 시험(ⅳ)에 있어서의 압입접합부의 금속현미경 사진을 나타낸 것이고, (a)는 저배율(37.5배)로 접합부 전체를 관찰한 것이고, (b)는 고배율(400배)로, 접합부의 마이크로 조직을 관찰한 것이다.

도 7은 FeC계 상태도에 있어서의 어닐링 온도범위를 나타내는 도면이다{(사)일본철강협회 : 봉강·선재 매뉴얼로부터).

도 8은 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 것으로, 침탄에 의한 열처리를 실시한 후의 압입접합부의 금속현미경 사진(중앙 위 근처가 검은 원형 부분은 버어(burr) 수납용의 홈부)을 나타낸 것이다.

도 9는 종래예에 관한 것으로, (a)는 압입접합법의 설명도, (b)는 압입 후 상태를 나타내는 도면이다.

도 10은 압입접합에 있어서의 접합부의 금속현미경 사진을 나타낸 것이고, (a)는 저배율로 접합부 전체를 관찰한 것(중앙 위 근처가 검은 원형 부분은 버어 수납용의 홈부), (b)는 고배율로 접합부의 마이크로 조직을 관찰한 것이다.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

22, 26 : 제 1 부재

23, 27 : 구멍부

24, 28 : 제 2 부재

이하, 본 발명에 따른 실시형태를 도면에 근거하여 설명한다.

이 실시형태에 관한 압입접합에 있어서, 기본적인 압입접합에 관한 공정 및 작용은 상기 종래기술의 부분에서 설명한 바와 동일하며, 여기서 자세한 설명은 생략한다.

우선, 제 1 실시형태에 관한 압입접합에 있어서의 열처리에 대해 설명한다. 도 1 은, 제 1 재료로서 오스테나이트계 스테인레스강(예를 들면 SUS304)을 이용한 압입접합구조를 나타낸다. 이것은 제 1 부재로서 플레이트(22)인 원형의 구멍부 (23)에, 제 2 부재로서 원기둥형상의 축 몸체(24)를 압입접합한 것이고, 각 부재의 재료는 모두 상기한 SUS304이다. 이 재료는, 일반적으로는 용접이 어렵다. 한편, 스테인레스강을 이용한 것은, 이 재료가 내식성이 요구되는 부품 등에 이용되기 때문에, 내식재료에 대한 검토를 시도하기 위해서이다. 또한, 내식성을 필요로 하는 부재에 있어서는, 조직의 불균일, 접합선의 존재 등은 바람직하지 않다. 이 압입접합에 대해서는, 상기 구멍부(23)의 직경을 9.3mm로 하고, 압입대(d)를 0.5mm, 또한 압입깊이(h)를 4.5mm로 하였다.

상기 부재의 압입접합에서는, 상술한 바와 같이 일정한 가압력, 일정한 강하속도로 압입이 실시되고, 순간에 접합부가 발열되어 단시간에 축 몸체(24)의 앞끝단부는 플레이트(22)의 구멍부(23)에 압입되어 접합을 완료한다. 이때, 축 몸체 (24)와 플레이트(22)의 구멍부(23) 사이에는 고상용접의 접합계면이 형성된다. 고상용접에 대해서는, 그 접합면에 청정한 표면조직이 얻어지고 있는 것이, 접합의 품질을 좌우한다.

이 실시형태에 관한 압입접합에 의하면, 상기 접합계면에는 플레이트와 축 몸체와의 각 벽면끼리의 사이가 미끄러지는 방향의 이동에 의해 아이어닝되어, 이것에 의해 표면의 불순물질층이 깎여져 표면이 청정화되어, 이 청정한 조직에 고상용접을 한다. 그리고, 압입 완료 후, 냉각에 의해 접합부의 모재의 경도가 회복하여 강고하게 접합한다.

도 2는, 제 2 재료로서 크롬 몰리브덴강(예를 들면 SCM415)을 이용한 압입접합구조를 나타낸다. 이것은 제 1 부재로서의 원형의 통체(26) 구멍부(27)에, 제 2 부재로서 원형 속이 꽉 차거나 또는 속이 빈 축 몸체(28)를 압입접합한 것으로, 각 부재의 재료는 모두 상기 SCM415이다. 한편, 크롬 몰리브덴강을 이용한 것은 이 재료가 내압강도가 요구되는 용기, 파이프 등에 이용되기 때문에, 내압 재료에 대한 검토를 시도하기 위해서이다. 이 압입접합에 대해서는, 상기 구멍부(27)의 직경을 12.0mm로 하고, 압입대(d)를 0.2mm, 또한 압입깊이(h)를 2.1mm로 하였다. 이 제 2 재료를 이용한 압입접합도 상기 제 1 재료의 경우와 같이 실시되고, 제 1 부재의 통체(26)와 제 2 부재의 축 몸체(28)의 접합부 사이에는 고상용접의 접합계면이 형성된다.

그런데, 상기 어느 쪽의 재료를 이용한 압입접합에 있어서도, 가압→통전→압입→방냉(급냉)의 과정을 거친다. 이와 같이 압입 후는, 그대로 방냉(放冷)하면 동(銅) 제품의 전극에 의해 급속히 냉각을 한다. 이 때문에, 담금질성이 좋은 재료의 압입접합을 실시했을 경우, 접합부에는 담금질이 가해진 재질이 취약해진다. 이 담금질이 가해지는 이유로서, 상기 압입접합에서는 국부적으로 또한 급격하게 열이 가해지기 때문에, 접합부와 비접합부와의 온도구배는 커지고, 강철의 변태점(A3) 이상으로 가열된 접합부는 가열이 중단됨과 동시에 급냉되어 마르텐사이트 조직으로 변화하기 때문이다. 이 마르텐사이트 조직은, 재료의 탄소 당량의 크기에 비례하여 증가한다.

또한, 상기 압입접합법은, 전기저항가열에 의해 압입부재와 피압입부재를 가열연화시키고, 압입부재를 가압 압입에 의해 접합하는 고상 접합법이다. 이 때문에, 접합계면이 아이어닝가공되어 접합부의 산화피막은 배제되어 산화피막은 존재하지 않는다. 또한, 이 압입접합에서는 아이어닝공정에 의해서, 접합부에는 큰 소성변형이 발생하고, 접합부 근방의 조직도 소성변형한 가공조직이 되지만, 이 실시형태에 관한 접합법에서는 부여하는 전기저항에 의한 온도상승은 재료를 용융시킬 정도로 높지 않기 때문에, 이 조직은 재결정조직으로 회복하지않고 잔존한다.

따라서, 다음 공정으로서 본 실시형태에서는, 상기 압입접합법을 실시한 부재를 꺼내어, 다른 공정에서 접합부에 열처리에 의한 에너지를 가하여, 접합선(접합계면) 부근의 재료의 확산이 어느 정도 실시될 것인지를 시도한다. 이러한 열처리는, 부재끼리를 압입 접합한 후에 통상의 가열로(또는 연속로)에 의한 열처리공정을 추가하여 실시한다.

따라서, 시험 A에 의해 상기 제 1 재료{오스테나이트계 스테인레스강 (SUS304)}을 이용한 압입접합구조체 및 시험 B에 의해 제 2 재료{크롬몰리브덴강 (SCM415)}를 이용한 압입접합구조체에 대해서, 소정의 조건으로 어닐링을 실시한 결과에 대해서 설명한다.

상기 시험 A(SUS304)에서는, 가열로에 있어서, 2종류의 열처리 온도로 나누어 어닐링 열처리를 실시하였다. 이 시험 A 중 하나의 시험(i)에서는 온도 900℃ 하에서 1시간 어닐링 열처리를 실시하고, 다른 시험(ⅱ)에서는 온도 1000℃ 하에서 1시간 어닐링 열처리를 실시하였다. 여기서, 열처리에 의한 가열 후에는, 방냉에 의해 냉각하였다.

도 3(a)(b)은, 시험(i)의 어닐링의 열처리를 실시한 후의 압입접합부(29)의 금속현미경 사진을 나타낸 것이다. 상기 도 3(a)는 저배율, 상기 도 3(b)는 고배율로 조직을 관찰한 것이다. 따라서, 시험(i)에 대해서는, 사진에 나타나는 바와 같이, 중앙의 상하방향으로 접합부의 조직의 흔적이 남아 있다. 도 4(a)(b)는, 시험(ⅱ)의 어닐링의 열처리를 실시한 후의 압입접합부(29)의 금속현미경 사진을 나타낸 것이고, 상기 도 4(a)는 저배율, 상기 도 4(b)는 고배율로 조직을 관찰한 것이다. 이 시험(ⅱ)에 대해서는, 사진에 나타나는 바와 같이 접합부의 조직은 대략 소멸하여, 한결같은 재결정 구조를 형성하고 있다.

일반적으로, 오스테나이트계 스테인레스강(SUS304)의 경우, 그 외의 합금원소의 함유율에 따라서 다르지만, 일반적으로 Ni량이 8% 이상에서 오스테나이트 단층을 형성하여, 온도에 의해서 변화하지 않는다. 이 때문에, 이 재료는 1100℃ 정도에서 고용체화 처리를 하여 이용하는 경우가 많다. 이 재료에, 소성가공을 가하여 어닐링을 하면, 이들 온도보다 저온에서 재결정을 하게 된다.

이 원리에 근거하여, 이 실시형태에서는, 상기 시험(ⅱ)에서는 재결정온도 근처인 1000℃에서 열처리를 실시하였다. 이 결과, 도 4에 나타내는 바와 같이, 접합선 부근의 재료가 확산되어 금속조직이 금속학적으로 일체화 또는 균질화되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 시험 (i)과 같이, 900℃에서 가열 유지한 경우에는, 금속조직이 일체화하는 것에는 이르지 않았다. 이 때문에, 오스테나이트계 스테인레스강 또는 스테인레스 합금강에 있어서의 압입접합의 조직에 대해서는, 재결정온도 이상의 온도에서 또한 1시간 이상 가열 유지함으로써, 접합부의 금속조직이 일체화 또는 균질화된다고 할 수 있다. 한편, 상기 어느 재료에 대해서도, 열처리의 가열시간은 1시간 이상에서 3시간 이내가 적당하다.

상기 시험 B(SCM 1415)에서는, 가열로에 있어서, 2종류의 열처리 온도로 나누어 어닐링 열처리를 실시하였다. 이 시험 B의 하나의 시험(ⅲ)에서는, 온도 600℃ 하에서 1시간 어닐링 열처리를 실시하고, 다른 시험 (ⅳ)에서는 온도 700℃ 하에서 1시간 어닐링 열처리를 실시하였다. 여기서의 열처리는, 고온의 어닐링이다. 또한, 이 열처리에서는, 가열 후는 노(爐)내의 자연방냉에 의해 냉각하였다.

도 5(a)(b)는, 시험 (ⅲ)의 어닐링 열처리를 실시한 후의 압입접합부(25)의 금속현미경 사진을 나타낸 것이다. 상기 도 5(a)는 저배율로 접합부 전체를 관찰한 것이고, 상기 도 5(b)는 고배율로 접합부의 마이크로 조직을 관찰한 것이다. 따라서, 시험 (ⅲ)에 대해서는, 사진에 나타나는 바와 같이 중앙의 상하 방향으로 접합부의 조직의 흔적이 남아 있다.

도 6(a)(b)은, 시험(ⅳ)의 어닐링 열처리를 실시한 후의 압입접합부(25)의 금속현미경 사진을 나타낸 것이고, 상기 도 6(a)는 저배율, 상기 도 6(b)는 고배율 로 조직을 관찰한 것이다. 이 시험 (ⅱ)에 대해서는, 사진에 나타나는 바와 같이 접합부 조직의 흔적은 대략 소멸하여, 한결같은 재결정 구조를 형성하고 있다.

일반적으로, 강재{크롬몰리브덴 함유강 SCM415)}에서는, 도 7에 나타내는 바와 같이 A1변태점의 온도는 약 700℃ 정도이다. 이 때문에, 상기 시험 (ⅳ)과 같이 A1변태점 근처의 온도인 700℃에서 가열 유지한 경우에는, 접합선 부근의 재료가 확산되어 금속조직이 금속학적으로 일체화 또는 균질화하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 시험 (ⅲ)과 같이, A1변태점보다 100℃ 근처의 낮은 온도(600℃)에서 가열 유지한 경우에는, 금속 조직이 일체화하는 것에는 이르지 않았다.

이 때문에, 크롬몰리브덴강에 있어서의 압입접합의 조직에 대해서는, A1변태점 이상의 온도에서 1시간 이상 가열 유지함으로써, 접합부의 금속조직이 일체화 또는 균질화되는 것이라고 할 수 있다. 또한, 재결정 온도 이상이더라도, 가공 변형이 없는 새로운 결정입자가 생기기 때문에, 상기 열처리는 재결정온도 이상에서 가열 유지함으로써 양호하게 접합부의 금속조직이 일체화되는 것이라고 생각된다. 또한, 다른 금속재료를 상기 압입접합한 것에 대해서도 상기 열처리를 재결정온도 이상에서 실시하는 것에 의해 접합부의 금속 조직의 일체화를 기대할 수 있는 것이라고 생각된다. 한편, 금속 조직의 가공도가 클수록 재결정온도는 낮아진다.

상기 시험으로부터, 이 실시형태에 따른 어닐랑온도는, 일반적인 확산 어닐링온도(1150℃ 정도 이상)와 비교하여 낮은 온도에서, 충분히 금속조직의 일체화 또는 균질화를 꾀할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같이, 상기 실시형태에 의하면, 낮은 온도의 열처리에 의해 양질인 어닐링을 실시할 수 있기 때문에, 접합 부 이외의 모재부의 금속결정의 조대화를 막을 수 있다. 이 때문에 본 실시형태에 따른 열처리에서는, 금속결정의 조대화에 의한 재료강도의 저하, 인성의 저하 등을 방지할 수 있다고 하는 뛰어난 효과를 갖는다. 상기 열처리의 온도가 확산 어닐링 온도조건의 경우에는, 용접부 이외에도 재결정이 실시되어 결정의 입자지름이 커져 인성이 저하한다.

따라서, 상기 실시형태에 따른 압입접합 및 어닐링에 의한 열처리에 의하면, 접합부에 있어서의 금속조직의 일체화 또는 균질화가 꾀해져서 양질인 어닐링을 실시할 수 있고, 내식성, 내압성 등에 있어서 뛰어난 품질의 접합구조를 얻을 수 있다. 또한, 이 실시형태에서는, 종래의 기술에서는 채용할 수 없었던, 어닐링에 의한 접합부의 금속조직의 일체화가 꾀해지게 되어, 이 실시형태에 관한 열처리기술이 뛰어난 특징이다.

덧붙여, 상기 압입접합에 의해, 신속히 접합을 실시할 수 있고 제조를 용이하게 실시할 수 있어 제조비용이 염가이고 경제성이 뛰어나고, 또한 접합이 양호하게 실시되어 강도적으로도 뛰어나고, 덧붙여 접합을 고상상태의 용접으로 하였기 때문에, 모재에게 주는 열영향 범위가 적기 때문에, 고정밀도의 접합이 확보되어 마무리 정밀도가 좋은 등의 효과가 있다. 또한, 접합부의 인성을 확보할 수 있어 뛰어난 품질의 접합을 실시할 수 있다고 하는 효과가 있다.

한편, 상기 실시형태에서 이용한 상기 제 1 부재 및 제 2 부재의 형상 혹은 재료에 대해서는, 상기 이외의 형상, 재료의 적용이 가능하다. 제 1 부재의 구멍부의 형상에 대해서도, 원형 이외의 형상에 대한 적용이 가능하고, 이 경우 이 구 멍부와 제 2 부재의 외형이 서로 유사한 형상이면 양자 사이에 적절한 압입대가 확보되어, 상기와 같은 압입접합 및 어닐링을 실시할 수 있어 상기와 같은 효과를 기대할 수 있다. 또한, 각 부재의 재료로서 일반가공용 강재, 자동차용 고장력 강재, 그 외의 금속재료, SUS(스테인레스강), SUS와 탄소강을 조합한 것, 기계구조용 탄소강, 기계구조용 합금강, 내열강, 공구강, 용수철강, 주철, 쾌삭강, 구조용 강, 강관, 선재강 등의 철강재료, 축받이강, 일반가공용 강재, 압력용기용 강재, 티타늄, 알루미늄, 마그네슘 등의 경금속, 경금속합금 등이 적용 가능하다.

다음에, 제 2 실시형태에 대해서 설명한다. 본 실시형태에서는, 제 ３ 재료로서 크롬몰리브덴강(SCM1420)을 이용하여 상기와 같은 공정으로 압입접합을 실시하고, 또한 열처리로서 침탄처리를 실시한다. 이 제 ３ 재료를 이용한 압입접합구조는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 제 1 부재로서 원형의 통체의 구멍부에, 제 2 부재로서 원형의 속이 꽉 차거나 또는 속이 빈 축 몸체를 압입접합한 것이다. 한편, 제 ３ 재료로서 SCM420을 이용한 것은, 압입접합 후의 침탄처리에 적합하기 때문이다.

이 압입접합법은, 전기저항가열에 의해 가열연화시킨 압입부재를 가압 압입에 의해 접합하는 고상접합법이기 때문에, 접합계면의 아이어닝에 의해 접합부에는 큰 소성변형이 발생하여, 접합부 근방의 조직도 소성변형한 가공조직이 된다. 이 접합법에서는 전기저항에 의한 온도상승이 작기 때문에, 상기 조직은 재결정조직으로 회복하지 않고 잔존한다.

이와 같이, 상기 압입접합에 의한 공정의 특징으로부터, 접합계면에는 산화 피막 등을 말려들게 하지 않은 것, 또 모재와는 성분·조직이 다른 용접금속을 포함하지 않는 것 등을 고려하면, 상기 접합부는 모재에 극히 가까운 성질이기 때문에 뛰어난 품질을 갖는다. 이 때문에, 침탄처리시에, 상기 압입접합법에 의한 부재끼리의 접합부에 방탄처리를 실시할 필요성은 부족하고, 반대로 방탄처리를 없애면, 제조공정의 간소화를 꾀할 수 있다. 이 때문에 여기서의 열처리에서는, 방탄처리를 하지 않고, 침탄처리를 실시하였다.

그리고, 상기 압입접합을 실시한 접합구조 부재에 열처리로서 침탄처리를 실시하고, 접합선(접합계면) 부근의 재료의 확산이 어느 정도 실시되는지, 또한 접합부에 있어서의 침탄처리의 효과를 관찰한다. 이 침탄처리 공정에서는, 부재끼리를 압입접합한 후, 접합부의 방탄처리는 실시하지 않고 , 배치형의 침탄로를 이용하여 부탄 변성에 의한 가스침탄을 실시하였다.

이 가스침탄의 처리에서는, 상기 접합구조 부재를 온도 930℃에서 3시간 침탄하고, 그 후 840℃로 온도를 내려 0.5시간 확산처리를 실시하고, 또한 유냉에 의해 150℃로 냉각하였다. 한편, 질화처리의 공정을 더 가하면 접합구조 부재의 내마모성 등의 기계적 성질이 향상되므로 유효하다. 다른 가스 침탄법으로서 피트형 침탄로를 이용하는 방법, 연속식 가스침탄로를 이용하는 방법이 있다. 또한 침탄처리에는, 상기 가스침탄 이외에, 진공침탄 등의 각종의 침탄 방법이 있지만, 어느 쪽의 침탄법을 이용하는 것도 가능하다.

도 8은, 상기 압입접합 및 침탄처리를 실시한 후의 접합구조 부재의 금속현미경 사진을 나타낸 것이다. 이 사진에 나타내는 바와 같이, 접합구조 부재는 표 면층은 침탄에 의해 담금질 경화되고 내부는 유연한 조직인 상태이고, 또한 접합부는 금속조직이 균질화되어 있다. 이 침탄처리에 있어서의 침탄의 깊이는 0.5mm 정도이다.

또한, 상기 접합구조 부재의 표면 전체에 걸쳐서 대략 균일하게 침탄층이 형성되고, 접합부에 대해서도 같은 균일한 침탄층이 형성되고, 모재의 부분과 같은 정도의 침탄 깊이가 얻어지고 있다. 상기 접합구조 부재의 접합부에서는, 침탄처리 가열에 의해서 접합선 부근의 재료가 확산되어 금속조직이 금속학적으로 일체화 또는 균질화되고 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 이 접합구조 부재는, 접합부와 모재의 재질성분이 같기 때문에, 접합부와 이 접합부 이외의 부분의 딱딱함도 변하지 않는다.

이 실시형태에 관한 접합구조 부재의 재료로서는, 가공성이 좋은 저탄소강 또는 저탄소 합금강이 적합하고, 일반가공용 강재, 그 외의 금속재료, SUS(스테인레스강), SUS와 탄소강을 조합한 것, 기계구조용 탄소강(SCM, SCR), 기계구조용 합금강, 구조용 강, 강관, 선재 등의 철강재료, 일반가공용 강재(S15C), 티타늄 등이 적용 가능하다.

따라서 상기 실시형태에 관한 압입접합 및 침탄에 의한 열처리에 의하면, 접합구조 부재의 표면층은 모재와 동등한 침탄층을 얻을 수 있기 때문에, 전체적으로 인성이 뛰어나 강도가 향상하는 동시에, 침탄처리를 실시할 때에 방탄처리를 가할 필요가 없어, 이 때문에 제조공정을 생략할 수 있어 비용저감에도 기여한다.

Claims (11)

1. 구멍부를 가지는 제 1 부재와,

   이 제 1 부재와의 사이에 소정의 압입대를 가지고, 상기 제 1 부재와 동일 재질의 재료로 이루어지는 제 2 부재를 이용하고,

   상기 제 1 부재의 구멍부를 원형으로 형성하는 한편, 상기 제 2 부재를 원형의 축 몸체로 형성하고,

   상기 재료로서 페라이트 조직을 가지는 탄소강, 오스테나이트 조직을 가지는 합금강 혹은 페라이트 조직을 가지는 합금강을 이용하며,

   상기 제 1 부재의 구멍부 내에 상기 제 2 부재를 소정의 압력으로 누르는 동시에, 이들 양 부재 사이에 통전하여 양자의 접합부에 전기저항열을 발생시키고, 상기 제 2 부재를 상기 구멍부에 압입하여, 상기 제 2 부재와 상기 구멍부의 양 벽면 끼리가 미끄러지는 방향의 이동에 의해 아이어닝(ironing)되는 것에 의하여 표면의 층이 깎여져 청정화된 접합계면을 형성시키고, 또한 이 접합을 고상상태의 접합으로 한 압입접합을 실시하고,

   상기 압입접합에 의하여 접합부에 소성변형이 생기고 동시에 담금질이 가해진 접합부재를, 통상의 가열로 또는 연속로에 의하여 A1 변태점 이상 또는 재결정 이상의 온도로, 동시에 확산 어닐링 온도 1150℃보다 낮은 온도로, 1시간 이상 3 시간 이내의 시간으로 가열 유지하여 어닐링을 실시하여, 이 열처리에 의해 접합부를 분산·소멸시켜, 상기 압입접합에 의해 접합한 양 부재의 접합부에 있어서의 금속조직을 일체화 또는 균질화시키는 것을 특징으로 하는 압입접합에 있어서의 열처리방법.
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