KR101356243B1

KR101356243B1 - 브레이크 피스톤의 제조 방법

Info

Publication number: KR101356243B1
Application number: KR1020127009467A
Authority: KR
Inventors: 야스오 오까모또
Original assignee: 쇼와 덴코 가부시키가이샤
Priority date: 2009-10-16
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2014-01-28
Also published as: CN102686763A; JPWO2011046196A1; WO2011046196A1; US20120241055A1; CN102686763B; EP2489755A1; KR20120068910A; EP2489755A4; JP5715062B2

Abstract

본 발명은, 필요한 기계적 강도를 갖는 브레이크 피스톤을 종래보다도 적은 공정으로 제조하는 것이다. Si 농도(C_Si 질량%) 및 Mg 농도(C_Mg 질량%)가 이러한 관계(C_Si, C_Mg)에 있어서 A(0.75, 1.25), B(1.4, 1), C(1.4, 0.6), D(0.75, 0.85)의 4점으로 둘러싸이는 범위 내이며, 또한 Cu 농도가 0.07 내지 0.9 질량%, Mn 농도가 0.1 내지 0.9 질량%, Ti 농도가 0.005 내지 0.15 질량%, Cr 농도가 0.2 질량% 이하, Fe 농도가 0.5 질량% 이하이며, 잔량부가 Al 및 불가피 불순물을 포함하는 알루미늄 합금의 막대 형상 주괴를 주조하고, 상기 막대 형상 주괴를, 균질화 처리를 행하지 않고, 주조 후 3일 이내에 교정하고, 교정한 막대 형상 주괴를 필요한 두께로 절단하여 단조용 소재로 하고, 상기 단조용 소재를, 어닐링하지 않고, 상기 막대 형상 주괴의 주조 후 7일 이내에 가공율 25 내지 90%로 냉간 단조하여 컵 형상으로 성형하고, 용체화 처리하지 않고 시효 경화시키는 것이다.

Description

브레이크 피스톤의 제조 방법{PROCESS FOR PRODUCING BRAKE PISTON}

본 발명은, 냉간 단조에 의한 브레이크 피스톤의 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 4륜차, 이륜차 등의 차량의 디스크 브레이크에 있어서, 고성능화, 혹은 저연비화를 위해서, 알루미늄 합금제의 브레이크 피스톤이 채용되고 있다. 브레이크 피스톤은 미끄럼 이동 부품이며, 우수한 기계적 강도가 요구된다. 도 1에 도시한 컵 형상의 브레이크 피스톤(1)은 그 일례이다(특허문헌 1 참조). 이러한 컵 형상의 브레이크 피스톤의 제조에 있어서는, 종래 빌렛을 압출한 후 다시 인발한 막대 형상 소재를 용체화 처리하고, 다시 시효 처리에 의해, 필요한 기계적 강도를 얻은 후, 기계 가공에 의해 컵 형상으로 성형하였다.

그러나, 상기의 제조 방법으로는 재료 수율이 지극히 나쁘기 때문에, 컵 형상으로의 성형을 단조로 행함으로써 재료 수율을 향상시키고, 또한 열처리에 의해 필요한 기계적 강도를 얻는 방법이 제안되어 있다(특허문헌 2 참조).

특허문헌 2에 기재되어 있는 미끄럼 이동 부품은, Al-Si계 합금제 성형품의 매트릭스 중에 분산하는 공정(共晶) Si 입자의 입경 및 수를 규정하고, 또한 양극 산화 피막의 두께 및 경도를 규정한 것이다. 그 제조 공정은, [0070]에 기재되어 있는 바와 같이, 알루미늄 합금으로 이루어지는 봉재(棒材)를 주조하여 균질화 처리 후, 주조 표면부를 면삭 제거(필링)하고, 소정의 길이로 절단하고, 어닐링 처리하고, 인산염(bonderite) 처리한 후, 컵 형상으로 단조하고, T6 처리(용체화 처리와 그 후의 시효 처리)를 실시한 단조품을, 다시 기계 가공(치수 정밀도의 향상 및 용체화 처리 시에 발생한 왜곡부의 절제) 후에, 양극 산화 처리를 행한다는 것이다. 또한, 단조용 소재로서 봉재를 소정 두께로 절단한 것을 사용하는 경우는, 통상 필링 전에 봉재의 교정을 행하고, 필링 후에 검사가 이루어진다. 도 6은 상기 공정의 흐름도를 나타낸 것이다.

또한, 단조용 소재로서, 빌렛을 주조하고, 빌렛을 균질화 처리한 후에 압출 및 인발에 의해 소정 직경의 봉재를 제작하고, 이 봉재를 소정 두께로 절단한 것을 사용하는 경우도 있다. 단조용 소재는, 주조 봉재를 절단하여 제작한 소재와 마찬가지로 냉간 단조 전에 어닐링된다.

일본 특허 공개 제2002-70902호 공보 일본 특허 공개 제2004-232087호 공보(특허 청구 범위, [0070])

상술한 미끄럼 이동 부품의 제조 공정에서는, 주조 봉재 또는 빌렛의 균질화 처리, 단조용 소재의 어닐링, 단조품의 용체화 처리, 시효 처리라고 하는 복수회의 열처리를 행한다. 이로 인해, 공정수가 많고, 제조 효율이 나쁘다는 문제점이 있다. 또한, 에너지 절약, CO₂ 배출량의 삭감이라고 하는 관점에서도, 열처리 횟수를 저감시키는 것이 요망되고 있다.

본 발명은, 상술한 기술 배경을 감안하여, 필요한 기계적 강도를 갖는 브레이크 피스톤을 종래보다도 적은 공정으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

즉, 본 발명의 브레이크 피스톤의 제조 방법은, 하기 [1] 내지 [4]에 기재된 구성을 갖는다.

[1] Si 및 Mg을 함유하고, 또한 Si 농도(C_Si 질량%) 및 Mg 농도(C_Mg 질량%)가 이들의 관계(C_Si, C_Mg)에 있어서 A(0.75, 1.25), B(1.4, 1), C(1.4, 0.6), D(0.75, 0.85)의 4점으로 둘러싸이는 범위 내이며, 또한 Cu 농도가 0.07 내지 0.9 질량%, Mn 농도가 0.1 내지 0.9 질량%, Ti 농도가 0.005 내지 0.15 질량%, Cr 농도가 0.2 질량% 이하, Fe 농도가 0.5 질량% 이하이며, 잔량부가 Al 및 불가피 불순물을 포함하는 알루미늄 합금의 막대 형상 주괴를 주조하고,

상기 막대 형상 주괴를, 균질화 처리를 행하지 않고, 주조 후 3일 이내에 교정하고,

교정한 막대 형상 주괴를 필요한 두께로 절단하여 단조용 소재로 하고,

상기 단조용 소재를, 어닐링하지 않고, 상기 막대 형상 주괴의 주조 후 7일 이내에 가공율 25 내지 90%로 냉간 단조하여 컵 형상 브레이크 피스톤을 성형하고,

성형한 브레이크 피스톤을 용체화 처리하지 않고 시효 경화시키는

것을 특징으로 하는 브레이크 피스톤의 제조 방법.

[2] 상기 막대 형상 주괴를 200m/분 이상의 주조 속도로 연속 주조하는 전항 1에 기재된 브레이크 피스톤의 제조 방법.

[3] 연속 주조한 막대 형상 주괴를 연속 주조 후 30일간 자연 시효시켰을 때의 록웰 경도를 기준 경도로 하여,

상기 막대 형상 주괴의 교정을, 하기 식으로 표시되는 막대 형상 주괴의 상대 경도가 0.9 이하인 기간 내에 행하는 전항 1 또는 2에 기재된 브레이크 피스톤의 제조 방법.

막대 형상 주괴의 상대 경도 = 막대 형상 주괴의 록웰 경도/기준 경도

[4] 연속 주조한 막대 형상 주괴를 연속 주조 후 30일간 자연 시효시켰을 때의 록웰 경도를 기준 경도라 하여,

상기 단조용 소재의 냉간 단조를, 하기 식으로 표시되는 단조용 소재의 상대 경도가 0.95 이하인 기간 내에 행하는 전항 1 내지 3 중 어느 한 항에 기재된 브레이크 피스톤의 제조 방법.

단조용 소재의 상대 경도 = 단조용 소재의 록웰 경도/기준 경도

상기 [1]에 기재된 발명은, 소정 조성의 알루미늄 합금에 의한 브레이크 피스톤의 제조 시에, 막대 형상 주괴의 주조 후의 경과 일수가 적은 동안에 냉간 단조까지의 공정을 행한다. 구체적으로는, 주조 후 3일 이내에 막대 형상 주괴를 교정하고, 7일 이내에 막대 형상 주괴를 절단하여 얻은 단조용 소재로 냉간 단조한다. 이러한 기간은 경도가 낮아 가공성이 양호하기 때문에, 교정 전 및 냉간 단조전에 열처리를 행하지 않아도 양호하게 가공할 수 있다. 또한, 냉간 단조에 의해 성형된 브레이크 피스톤은, 알루미늄 합금에 함유되는 원소에 의한 고용 경화와 정출물 분산에 의해 경도를 높일 수 있고, 또한 냉간 단조를 25 내지 90%의 가공율로 행하는 것에 의한 가공 경화에 의해, 용체화 처리를 행하지 않아도, 시효에 의해 브레이크 피스톤으로서 필요한 경도를 얻을 수 있다. 즉, 교정 전의 균질화 처리, 냉간 단조 전의 어닐링, 냉간 단조 후의 용체화 처리를 행하지 않아도, 필요한 경도를 갖는 브레이크 피스톤을 제조할 수 있다. 이로 인해, 이러한 열처리를 행하는 종래의 제조 방법에 비하여 제조 효율이 좋으며, 또한 에너지 비용을 저감할 수 있다. 또한, 단조 후의 용체화 처리를 행하지 않음으로써 켄칭 왜곡의 발생도 없어서, 왜곡 제거를 위한 기계 가공도 불필요하기 때문에, 재료의 낭비가 감소된다.

상기 [2]에 기재된 발명에 의하면, 주조시에 막대 형상 주괴가 급냉되므로, 시효에 의한 경도 향상 효과가 크다.

상기 [3]에 기재된 발명에 의하면, 연속 주조한 막대 형상 주괴를 연속 주조 후 30일간 자연 시효시켰을 때의 록웰 경도를 기준 경도로 하여, 막대 형상 주괴의 록웰 경도/기준 경도로 표시되는 교정시의 상대 경도가 0.9 이하이고, 경도에 의해서도 교정성이 양호하다는 것이 뒷받침되었다.

상기 [4]에 기재된 발명에 의하면, 연속 주조한 막대 형상 주괴를 연속 주조 후 30일간 자연 시효시켰을 때의 록웰 경도를 기준 경도로 하여, 단조용 소재의 록웰 경도/기준 경도로 표시되는 단조용 소재의 상대 경도가 0.95 이하이고, 경도에 의해 교정성이 양호하다는 것이 뒷받침되었다.

도 1은 브레이크 피스톤의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 브레이크 피스톤의 제조 공정을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 주조재의 경도 추이를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명에 사용하는 알루미늄 합금에 있어서의 Si 농도와 Mg 농도의 관계를 도시하는 도면이다.
도 5는 냉간 단조에서의 소재로부터 단조품으로의 형상 변화를 도시하는 단면도이다.
도 6은 종래의 브레이크 피스톤의 제조 공정을 나타내는 흐름도이다.

도 1은 본 발명에 의해 제조하는 컵 형상의 브레이크 피스톤(1)의 일 실시 형태이며, 도 2는 본 발명의 제조 공정을 나타내는 흐름도이다. 상기 브레이크 피스톤(1)은, 예를 들어 디스크 브레이크에 있어서 액압 실린더 내에서 진퇴가 자유롭게 끼움 삽입되고, 개구 단부에서 마찰 패드를 브레이크 디스크에 가압하는 것이다.

알루미늄 합금은, 주조 직후는 경도가 낮고, 시간 경과와 함께 자연 시효에 의해 경도가 증가하여, 결국은 일정한 경도가 된다. 도 3은, 알루미늄 합금의 주조재의 경도를 시간 경과와 함께 측정하고, 30일 후의 경도에 대한 상대 경도의 추이를 나타낸 것이다. 본 도면의 작성에 사용한 알루미늄 합금의 화학 조성은, Si:1.06 질량%, Mg:0.86 질량%, Cu:0.4 질량%, Mn:0.49 질량%, Cr:0.14 질량%, Fe:0.25 질량%, Ti:0.015 질량%를 함유하고, 잔량부가 Al 및 불가피 불순물이다. 시험재는, 주조 막대를 주조 직후에 두께 20mm로 절단하고, 단부면을 면삭한 것으로 하고, 면삭된 면을 록웰 경도계로 HRF 경도를 측정하였다. 그리고, 두께 20mm의 시험재를 제작 후 즉시 첫회(0일째)의 측정을 행하고, 그 후는 1일마다 30일째까지 같은 면삭면에서 HRF 경도를 측정하였다. 상대 경도는 30일째의 HRF 경도, 즉 막대 형상 주괴를 연속 주조 후 30일간 자연 시효시켰을 때의 록웰 경도(HRF 경도)를 기준 경도로 하여, 하기 식으로 계산하였다.

상대 경도 = 각 측정일의 록웰 경도/기준 경도

또한, 도 3은 상기 조성의 알루미늄 합금의 실측 데이터에 기초한 경도 추이이지만, 본 발명에서 규정한 화학 조성의 알루미늄 합금은 동일한 패턴으로 경도가 추이한다. 그 이유는 이하와 같다.

도 4는 알루미늄 합금 중의 Si 농도(C_si 질량%)와 Mg 농도(C_Mg 질량%)의 관계를 나타낸 것이며, A(0.75, 1.25), B(1.4, 1), C(1.4, 0.6), D(0.75, 0.85)의 4점으로 둘러싸이는 범위 내가 본 발명에 사용하는 알루미늄 합금 중의 Si 농도 및 Mg 농도를 나타내고 있다. 또한, 직선(F)은, Mg₂Si 정출물을 형성하는 Si 농도(C_si 질량%)와 Mg 농도(C_Mg 질량%)의 관계인 (F)식을 나타내고 있다.

Si 농도(C_si)= {Si 원자량/(Mg 원자량×2)}×Mg 농도(C_Mg)

=0.58×Mg 농도(C_Mg)…(F)

도 4가 나타내는 바와 같이, 본원 발명에 사용하는 알루미늄 합금은 모두 Si 농도가 0.58×Mg 농도를 초과하고, Mg에 대하여 과잉의 Si를 포함하는 Al-Mg-Si 합금이다. 이로 인해, 본 발명에 사용하는 알루미늄 합금은 도 3의 경도 추이를 실측한 알루미늄 합금과 유사한 시효 거동이 되고, 연속 주조 후는 도 3과 동일한 패턴으로 경도 추이한다.

도 3으로부터, 알루미늄 합금은 주조 후의 몇일간은 경도가 낮다는 것을 알 수 있다. 경도는 주조로부터 며칠 후에 상승하는 점에 착안하여, 본 발명에서는, 상기 주조 후의 경과 일수가 적고 경도가 낮아 가공성이 양호한 기간 내에 냉간 단조까지의 공정을 행하고, 종래 실시하였던 가공 전의 열처리를 하지 않는다. 종래의 제조 공정에서는, 교정 전에 균질화 처리를 하고, 냉간 단조 전에 어닐링을 행하였다(도 6 참조). 이와 같이 소성 가공 전에 열처리를 실시하는 것은, 주조로부터 장시간 경과하여 경도가 단단해진 소재를 사용하거나, 경과 시간이 상이한 것에 의해 경도가 다른 소재를 동일 공정에서 가공하는 경우가 있으므로, 소재의 가공성을 균일화하기 위해서이다. 바꾸어 말하면, 종래는 가공을 실시하는 소재의 경도 변화 상태에 주의를 기울이지 않고, 그 대신에 가공 전의 열처리에 의한 균일화를 필수적인 공정으로서 행하였다.

종래의 방법에 있어서, 막대 형상 주괴의 균질화 처리, 단조용 소재의 어닐링, 단조품의 용체화 처리를 필수적인 공정으로 삼았던 것은 이하와 같은 이유에서이다. 단순히 막대 형상 주괴의 균질화 처리를 생략하면, 경도가 단단한 상태이므로 교정 공정이 곤란해졌기 때문이다. 또한, 단순히 단조용 소재의 어닐링 처리를 생략하면, 경도가 단단한 상태이므로 냉간 단조의 성형이 곤란해졌기 때문이다. 또한, 단순히 열처리 공정 간략화를 위해서 단조품의 용체화 처리를 생략하면, 켄칭되지 않으므로 제품의 강도가 저하되어 버리기 때문이다.

한편, 본 발명은, 종래의 공정과는 기술 사상을 바꾸어, 용체화 처리 대신에, 연속 주조시의 급냉 효과에 의한 켄칭 경화의 효과를 될 수 있는 한 살려서 바람직한 경도를 갖는 제품을 제조하는 것을 기술 과제로 하였다. 그 때문에, 연속 주조시의 급냉 효과에 의한 켄칭 경화를 감소시키는 열처리 공정(균질화 처리, 어닐링 처리)을 생략하여 강도 향상을 도모함과 함께, 교정 및 냉간 단조의 실시 시기를 주조로부터의 경과 시간에 기초하여 규정하고, 경도가 낮은 시기에 교정 및 냉간 단조의 가공을 함으로써 가공 전의 열처리를 행하지 않고 양호한 가공성을 확보하였다. 또한, 합금 조성을 조정하여 강도 향상을 도모하였다. 또한, 냉간 단조 가공에서의 가공율을 크게 하는 바와 같은 소재 형상 설계를 하여 가공 경화에 의한 강도 향상을 도모하였다. 구체적으로는, 합금 조성을 규정한 후, 주조 후 내지 교정 내지 냉간 단조의 시간 배분을 본 발명과 같이 함으로써, 교정, 냉간 단조 성형에 불편없이, 또한 강도도 충분히 만족할 수 있는 브레이크 피스톤재를 제조할 수 있었다.

본 발명은, 막대 형상 주괴를 교정하는 시기 및 단조용 소재를 냉간 단조 하는 시기를, 연속 주조 후의 경과 시간 또는 가공 시의 재료 경도, 혹은 연속 주조 후의 경과 시간 및 가공 시의 재료 경도의 양쪽에 의해 규정한다.

본 발명은, 예를 들어

막대 형상 주괴를, 주조 공정에 이어서 주조 후 3일 이내에 교정 처리하는 교정 공정을 가지며,

교정한 막대 형상 주괴를 필요한 두께로 절단하여 단조용 소재로 하는 절단 공정을 가지며,

상기 단조용 소재를, 절단 공정에 이어서 상기 막대 형상 주괴의 주조 후 7일 이내에 가공율 25 내지 90%로 냉간 단조에 의해 컵 형상 브레이크 피스톤을 성형하는 단조 공정을 가지며,

단조 공정에 이어서 성형한 브레이크 피스톤을 시효 경화시키는 시효 처리 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 브레이크 피스톤의 제조 방법으로 실현할 수 있다.

이하에 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

[알루미늄 합금의 화학 조성]

본 발명에서 사용하는 알루미늄 합금은, Si, Mg, Cu, Mn, Ti를 함유하고, Cr 및 Fe가 규제되고, 잔량부가 Al 및 불가피 불순물로 이루어진다.

Si 및 Mg은 브레이크 피스톤으로서 필요한 강도를 얻기 위해서 첨가되는 원소이며, 도 4는 Si 농도(C_Si 질량%)와 Mg 농도(C_Mg 질량%)의 관계를 나타내고 있다. Si 농도(C_Si 질량%) 및 Mg 농도(C_Mg 질량%)는, 이들의 농도의 관계(C_Si, C_Mg)에 있어서 A(0.75, 1.25), B(1.4, 1), C(1.4, 0.6), D(0.75, 0.85)의 4점으로 둘러싸이는 범위 내로 규정한다. 상기의 ABCD로부터, Si 농도(C_Si 질량%)의 취할 수 있는 범위는 0.75 내지 1.4 질량%이며, Mg 농도(C_Mg 질량%)의 취할 수 있는 범위는 0.6 내지 1.25 질량%이다. Si 농도가 0.75 질량% 미만, 혹은 Mg 농도가 0.6 질량% 미만이면, 강도 향상 효과가 적어 강도 부족이 된다. 한편, Si 농도가 1.4 질량%를 초과하거나 Mg 농도가 1.25 질량%를 초과하면, 교정시 및 냉간 단조 시의 가공성이 저하되어 가공 불량이 된다. 또한, 강도와 가공성의 양쪽이 양호하기 위해서는, 상기 ABCD의 4점으로 둘러싸인 범위 내인 것이 필요하다.

도 4에 있어서, 2점을 통과하는 직선의 식은 이하와 같이 계산된다.

AB를 통과하는 직선:C_Mg = -0.385×C_Si + 1.538

BC를 통과하는 직선:C_Mg = 1.4

CD를 통과하는 직선:C_Mg = -0.385×C_Si + 1.138

DA를 통과하는 직선:C_Mg = 0.75

따라서, 본 발명에 있어서의 Si 농도(C_Si 질량%) 및 Mg 농도(C_Mg 질량%)은 하기의 4개의 식 (i) (ii) (iii) (iv)를 만족하는 범위가 된다.

(i) C_Mg≤-0.385×C_Si + 1.538

(ii) C_Mg≤1.4

(iii) C_Mg≥-0.385×C_Si + 1.138

(iv) C_Mg≥0.75

또한, 더욱 바람직한 범위로서, A'(0.9, 1.1), B'(1.3, 0.95), C'(1.3, 0.7), D'(0.9, 0.85)로 둘러싸인 범위를 권장할 수 있다(도 4 참조).

Cu 및 Mn도 강도를 얻기 위해서 첨가되는 원소이다. Cu 농도가 0.07 질량% 미만, Mn 농도가 0.1 미만이면 강도 향상 효과가 적어 강도 부족이 된다. 한편, Cu 농도가 0.9 질량%를 초과하고, Mn 농도가 0.9 질량%를 초과하면, 냉간 단조 시의 가공성이 저하되어 가공 불량이 된다. 더욱 바람직한 Cu 농도는 0.2 내지 0.7 질량%이며, 더욱 바람직한 Mn 농도는 0.3 내지 0.8 질량%이다.

Ti는 주조 조직을 미세화하여 냉간 단조에 있어서의 가공성을 양호하게 하기 위해서 첨가되는 원소이다. Ti 농도가 0.005 질량% 미만이면 상기 효과가 적고, 한편 0.15 질량%를 초과하면 조대한 금속간 화합물이 형성되고, 냉간 단조에 있어서의 가공성이 저하된다. 더욱 바람직한 Ti 농도는 0.008 내지 0.1 질량%이다.

Cr 및 Fe는 냉간 단조에 있어서의 가공성을 저하시키는 원소이며, Cr 농도를0.2 질량% 이하, Fe 농도를 0.5 질량% 이하로 규제할 필요가 있다. 더욱 바람직한 Cr 농도는 0.15 질량% 이하이고, 더욱 바람직한 Fe 농도는 0.4 질량% 이하이다.

상기 농도 범위의 원소를 함유하는 알루미늄 합금의 잔량부는 Al 및 불가피 불순물이다.

[제조 공정]

본 발명의 제조 공정을 도시하는 도 2에 있어서, 블록을 실선으로 나타낸 공정은 필수적인 공정이며, 파선으로 나타낸 공정은 임의로 행하는 공정이다. 이하에, 도 2의 흐름도를 참조하면서, 각 공정에 대해서 상세하게 설명한다.

(주조)

상술한 조성의 알루미늄 합금의 막대 형상 주괴를 주조한다. 주조 방법은 한정되지 않지만, 연속 주조가 바람직하다. 연속 주조는 수평형 및 종형 중 어느 것이든 좋지만, 주괴가 급냉되어 켄칭 효과가 크고, 또한 주조 표면이 균일하여 미세한 금속 조직이 얻어지는 점에서 핫 톱 주조를 권장할 수 있다. 또한, 200m/분 이상의 주조 속도로 주조하는 것이 바람직하다. 주조 속도를 빨리함으로써 주괴가 급냉되기 때문에, 시효에 의한 경도 향상 효과가 크기 때문이다. 더욱 바람직한 주조 속도는 250m/분 이상이다.

(교정)

막대 형상 주괴의 구부러짐을 교정하여 진직도(眞直度)를 높인다. 교정 후의 막대 형상 주괴 표면을 제거하는 필링 공정에 있어서, 필링 머신에 막대 형상 주괴를 삽입했을 때, 구부러짐부에서 걸려, 필링 머신 중에서 막대 형상 주괴를 송출할 수 없게 되므로, 필링 전에 교정해 둘 필요가 있다. 교정은, 균질화 처리를 행하지 않고, 주조 후 3일 이내(72시간 이내)에 행한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 주조 후 상온 방치 상태에서 3일째의 경도는, 30일째의 기준 경도에 대한 상대 경도가 0.90 이하이기 때문에, 균질화 처리를 실시하지 않아도 구부러짐을 교정할 수 있다. 주조 후 3일을 초과해서 시효 경화가 진행되면, 균질화 처리를 행하지 않고 구부러짐을 교정하는 것이 곤란해진다. 특히 바람직한 교정의 실시 시기는 주조 후 2일 이내이다.

또한, 균질화 처리를 행하지 않고 원활하게 구부러짐을 교정할 수 있을지 여부는, 교정시의 경도에 영향을 받으므로, 교정의 시기를 막대 형상 주괴의 경도에 의해 규정할 수도 있다. 예를 들어, 교정 전의 록웰 경도가 76.3 미만인 것이 바람직하다. 또한, 예를 들어 연속 주조한 막대 형상 주괴를 연속 주조 후 30일간 자연 시효시켰을 때의 록웰 경도를 기준 경도로 하여, 하기 식으로 표시되는 막대 형상 주괴의 상대 경도가 0.9 이하인 기간 내이면 균질화 처리를 행하지 않고 교정할 수 있다. 특히 상기 상대 경도가 0.889 미만인 기간 내이면 더욱 경도가 낮으므로 교정에 적합하다. 또한, 록웰 경도 조건과 상대 경도 조건의 양쪽을 만족하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 막대 형상 주괴의 교정의 실시 시기는, 주조 후의 경과 일수, 록웰 경도 및/또는 상대 경도 중 어느 쪽에 의해서도 규정할 수 있다. 또한, 주조 후의 경과 일수로 교정 실시 시기를 가설정하여, 록웰 경도 및/또는 상대 경도에 의해 가설정한 실시 시기가 교정에 적합하다는 것을 뒷받침할 수 있다.

교정 방법은 한정되지 않고, 롤러를 사이에 두고 교정하는 등의 주지의 교정 방법에 의해 행한다.

(필링, 검사)

교정한 막대 형상 주괴는 필링하여 표면의 불균질 부분을 제거하고, 그 후의 검사를 행한다. 필링 및 검사는 본 발명의 필수적인 공정은 아니기 때문에, 이들을 행하지 않는 경우도 본 발명에 포함된다.

(절단)

막대 형상 주괴를 필요한 두께로 절단하여, 브레이크 피스톤의 체적에 상당하는 체적의 단조용 소재를 제작한다.

(인산염 처리)

냉간 단조 전처리로서, 단조용 소재에 윤활 처리로서 인산염 처리를 실시하여 표면에 윤활성을 부여한다. 인산염 처리는 본 발명의 필수적인 공정은 아니기 때문에, 인산염 처리를 행하지 않는 경우 혹은 다른 방법으로 윤활성을 부여하는 경우도 본 발명에 포함된다.

(냉간 단조)

도 5에 도시한 바와 같이, 단조용 소재(2)를 냉간 단조하여 컵 형상의 브레이크 피스톤(1)을 성형한다. 냉간 단조는, 단조용 소재(2)에 어닐링을 행하지 않고, 막대 형상 주괴의 주조 후 7일 이내(168시간 이내)에 행한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 주조 후 7일째의 경도는, 30일째의 기준 경도에 대한 상대 경도가 0.95 이하이기 때문에, 어닐링을 실시하지 않아도 치수 정밀도가 높은 브레이크 피스톤(1)을 성형할 수 있다. 주조 후 7일을 초과하여 시효 경화가 진행되면, 치수 정밀도가 높은 브레이크 피스톤을 단조하는 것이 곤란해진다. 특히 바람직한 냉간 단조의 실시 시기는 주조 후 5일 이내이다.

또한, 어닐링을 행하지 않고 원활하게 냉간 단조할 수 있는지 여부는, 냉간 단조 시의 경도에 영향을 받으므로, 냉간 단조의 시기를 단조용 소재의 경도에 의해 규정할 수도 있다. 예를 들어, 단조 전의 록웰 경도가 77.3 미만인 것이 바람직하다. 또한 예를 들어, 연속 주조한 막대 형상 주괴를 연속 주조 후 30일간 자연 시효시켰을 때의 록웰 경도를 기준 경도로 하여, 하기 식으로 표시되는 단조용 소재의 상대 경도가 0.95 이하인 기간 내이면 어닐링을 행하지 않고 냉간 단조할 수 있다. 특히 상기 상대 경도가 0.889 미만인 기간 내이면 더욱 경도가 낮으므로 냉간 단조에 적합하다. 또한, 록웰 경도 조건과 상대 경도 조건의 양쪽을 만족하는 것이 바람직하다.

단조 소재의 상대 경도 = 단조용 소재의 록웰 경도/기준 경도

본 발명에 있어서, 단조용 소재의 냉간 단조의 실시 시기는, 주조 후의 경과 일수, 상대 경도 중 어느 쪽에 의해서도 규정할 수 있다. 또한, 주조 후의 경과 일수로 냉간 단조 실시 시기를 가설정하여, 록웰 경도 및/또는 상대 경도에 의해 가설정한 실시 시기가 냉간 단조에 적합하다는 것을 뒷받침할 수 있다.

또한, 하기 식에 기초하여 계산되는 냉간 단조의 가공율은 25 내지 90%로 하고, 가공 경화에 의해 경도를 높인다. 가공율이 25% 미만이면 가공 경화가 불충분하여 브레이크 피스톤으로서 필요한 경도를 얻기가 곤란하다. 한편, 90%를 초과하면, 단조 깨짐 등의 단조 결함이 발생하기 쉬워진다. 특히 바람직한 가공율은 50 내지 70%이다. 단조는 버어(burr) 발생 단조가 아니고, 밀폐 단조인 것이 바람직하다.

가공율(%) = {(h₀-h₁)/h₀} × 100

h₀: 단조용 소재(2)의 두께

h₁: 단조한 브레이크 피스톤(1)의 저부의 두께

(시효)

냉간 단조한 브레이크 피스톤은, 용체화 처리를 행하지 않고 시효 처리를 실시하여 경도를 높인다. 시효 처리 조건에 제한은 없지만, 바람직한 시효 조건으로서, 165 내지 185℃에서 0.5 내지 3시간의 유지를 권장할 수 있고, 더욱 바람직한 조건으로서 170 내지 180℃에서 1 내지 2.5시간의 유지를 권장할 수 있다.

(기계 가공, 양극 산화 처리)

시효 경화시킨 브레이크 피스톤은, 내경 및 외경의 치수 정밀도 및 표면 거칠기의 향상을 목적으로 하여 기계 가공을 행한다. 또한, 내마모성 향상을 목적으로 하여 양극 산화 처리에 의해 표면에 경질 피막을 형성한다. 기계 가공 및 양극 산화 처리는 본 발명의 필수적인 공정은 아니기 때문에, 이들을 행하지 않는 경우도 본 발명에 포함된다.

본 발명에 의해 제조한 브레이크 피스톤은, 알루미늄 합금에 함유하는 원소에 의한 고용 경화와 정출물 분산에 의해 경도를 높일 수 있고, 또한 소정의 가공율로 냉간 단조를 행함으로써 가공 경화하고, 용체화 처리를 행하지 않아도 시효 후에 필요한 경도를 얻을 수 있다. 통상 브레이크 피스톤으로서 요구되는 경도는 록웰 경도(HRF)가 93 이상이며, 본 발명에 의해 상기 경도가 얻어진다.

본 발명의 방법에 의하면, 종래의 제조 공정에서 실시하였던 교정 전의 균질화 처리, 냉간 단조 전의 어닐링, 냉간 단조 후의 용체화 처리라고 하는 3가지 열처리를 행하지 않고, 필요한 경도의 브레이크 피스톤을 제조할 수 있다. 3가지 열처리를 행하지 않음으로써, 제조 효율이 향상되고, 또한 에너지 비용이 저감된다. 또한, 단조 후의 용체화 처리를 하지 않음으로써 켄칭 왜곡의 발생도 없기 때문에, 왜곡 제거를 위한 기계 가공도 불필요하게 된다. 이로 인해, 냉간 단조 후에 행하는 기계 가공은 치수 정밀도를 향상시키면 충분하므로, 종래보다도 소량의 절삭에 그쳐, 재료의 낭비가 감소된다.

<실시예>

표 1에 나타내는 a 내지 m의 13종류의 알루미늄 합금을 사용하고, 다른 제조 공정으로 컵 형상 브레이크 피스톤을 단조하였다(비교예 1, 3 내지 6, 10, 15를 제외).

각 알루미늄 합금에 있어서의 Si 농도와 Mg 농도의 관계는 도 4에 도시한 바와 같으며, a 내지 g의 알루미늄 합금의 조성은 본 발명의 규정 범위 내이며, h 내지 m의 알루미늄 합금의 조성은 본 발명의 범위를 일탈하고 있다.

[제조 공정]

각 예에 공통되는 공정으로서, 알루미늄 합금을 핫 톱 연속 주조기로, 주조 속도: 250m/분으로 단면 원형의 막대 형상 주괴를 연속 주조하였다. 이들 막대 형상 주괴를 연속 주조 후 30일간 자연 시효시켰을 때의 록웰 경도, 즉 본 발명에 있어서의 기준 경도를 표 1에 나타낸다.

(실시예 1 내지 13)

막대 형상 주괴에 대하여, 주조로부터 3일 후(72시간 후)에 균질화 처리하지 않고, 교정용 롤 사이에 두고 막대 형상 주괴의 구부러짐을 교정하였다. 교정한 막대 형상 주괴는 필링을 행하고, 검사필의 막대 형상 주괴는 필요한 두께로 절단하여 짧은 원기둥재로 하여 이것을 단조용 소재(2)로 하였다.

단조용 소재(2)는 인산염 처리를 실시하고, 어닐링을 행하지 않고, 도 5에 도시한 바와 같이, 주조로부터 7일후(168시간 후)에 냉간 단조하여 컵 형상 브레이크 피스톤(1)으로 성형하였다. 냉간 가공에 있어서의 가공율은, 25%, 50%, 71% 중 어느 하나이며, 각 예의 가공율은 표 2에 나타낸 바와 같다.

(실시예 14, 15)

교정, 냉간 단조의 실시 시기를 표 2에 기재한 것과 같이 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 공정으로 컵 형상 브레이크 피스톤(1)을 성형하였다.

성형한 브레이크 피스톤은, 용체화 처리를 행하지 않고, 175℃에서 2시간 유지하여 시효 처리를 행하고, 내경 및 외경의 치수 정밀도를 높이기 위해서 기계 가공을 행하였다.

(비교예 1, 3 내지 6, 10, 15)

막대 형상 주괴에 대하여, 주조로부터 3일 후(72시간 후)에 균질화 처리하지 않고, 교정용 롤 사이에 두고 막대 형상 주괴의 구부러짐을 교정하였다. 교정한 막대 형상 주괴는 필링을 행하고, 검사필의 막대 형상 주괴는 필요한 두께로 절단하여 짧은 원기둥재로 하였다.

이 원기둥재에 대하여, 냉간 단조 및 용체화 처리를 하지 않고, 실시예와 동일한 조건에서 시효 처리를 행하였다. 즉, 이들 비교예는 교정, 필링, 검사, 절단, 시효만을 행한 것이다.

(비교예 2)

교정의 실시 시기를 주조로부터 7일 후(168시간 후)에 행하고, 냉간 단조를 주조로부터 13일 후(312시간 후)에 행한 것을 제외하고, 실시예와 동일한 공정으로 브레이크 피스톤을 제작하였다.

(비교예 11)

주조로부터 3일 후에 행하는 막대 형상 주괴의 교정 전에 560℃×7시간의 균질화 처리를 행하고, 주조용 소재에 인산염 처리를 행하기 전에 380℃×4시간의 어닐링을 행하고, 냉간 단조 후에(용체화 처리 조건) 530℃×2.5시간으로 용체화 처리를 행하고, 워터 켄칭 후 180℃×6시간으로 시효 처리를 행하여, 브레이크 피스톤을 제작하였다. 본 예의 공정은 도 6의 흐름도에 나타낸 종래의 제조 공정이다.

(비교예 7 내지 9, 12 내지 14, 16 내지 19)

실시예와 동일한 공정으로 브레이크 피스톤을 제작하였다. 이들 비교예는, 알루미늄 합금의 조성만이 본 발명으로부터 일탈한다.

(비교예 20, 21)

[경도 및 평가]

주조 후의 막대 형상 주괴, 교정 전의 막대 형상 주괴, 단조 전의 단조용 소재, 단조 후의 브레이크 피스톤 및 시효 후의 브레이크 피스톤에 대해서, 록웰 경도(HRF)를 측정하였다. 또한, 냉간 단조를 행하지 않고 있는 비교예 1, 3 내지 6, 10, 15은, 교정 후에 시효 처리 전에 경도를 측정하고, 이 경도를 표 2의 단조 전의 경도 란에 기재하였다. 또한, 교정 전의 막대 형상 주괴 및 단조 전의 단조용 소재의 상대 경도를, 표 1에 기재한 각 합금의 기준 경도와 하기 식에 의해 계산하여 표 2에 기재하였다.

교정 전의 막대 형상 주괴의 상대 경도 = 막대 형상 주괴의 록웰 경도/기준 경도

단조 전의 단조용 소재의 상대 경도 = 단조용 소재의 록웰 경도/기준 경도

또한, 교정성, 단조성, 에너지 절약성에 대해서 하기의 기준으로 평가하였다.

(교정성)

막대 형상 주조의 구부러짐에 대해서, 길이 1000mm당의 구부러짐량을 2mm 이하로 교정된 것을 교정성 양호(○)라고 평가하고, 교정하여도 2mm를 초과하는 구부러짐이 있는 것을 교정성 불량(×)이라고 평가하였다.

(단조성)

냉간 단조한 브레이크 피스톤에 대해서, 용착 부족(underfill) 및 늘어짐이 없는 것을 단조성 양호(○)라고 평가하고, 용착 부족 또는 늘어짐이 있는 것을 단조성 불량(×)이라고 평가하였다.

(에너지 절약성)

비교예 11은 균질화 처리, 어닐링, 용체화 처리를 행한 것을 에너지 절약성이 나쁘다(×)고 평가하고, 이들의 열처리를 행하지 않은 것을 에너지 절약성이 좋다(○)고 평가하였다.

또한, 시효 후의 기계 가공에 있어서 열 왜곡 부분의 절제의 필요 여부에 대해서 조사하였다.

표 2에, 제조 공정의 개략 및 평가 결과를 나타낸다.

표 2로부터, 실시예 1 내지 15는 모두, 가공 전의 열처리나 단조 후의 용체화 처리를 행하지 않더라도, 록웰 경도(HRF)가 93을 초과하는 경도가 높은 브레이크 피스톤을 제조할 수 있었다.

한편, 교정 및/또는 냉간 단조의 실시 시기가 늦은 비교예 2, 20, 21에서는, 가공성이 나쁘기 때문에 막대 형상 주괴의 구부러짐의 충분한 교정이 이루어지지 않고, 또한 냉간 단조에 있어서의 단조성도 나쁜 것이었다.

또한, 냉간 단조의 가공율을 0%로 한 비교예에서는, 가공 경화가 불충분하여 시효 후도 경도 부족이었다.

또한, 알루미늄 합금 조성, 가공율 중 어느 하나가 본 발명에서 규정한 범위를 일탈하는 비교예는, 경도 부족, 가공 곤란에 의한 교정 불량 또는 단조 불량 중 어느 하나의 결점이 있었다.

또한, 비교예 11은, 실시예에 대하여 3개의 열처리를 추가한 것으로 에너지 비용이 높고, 또한 용체화 처리를 행한 것으로 열 왜곡 부분을 제거해야 했다.

또한, 비교예 16은, 교정 전 및 단조 전의 경도가 실시예 2(비교예 16과 냉간 단조의 가공율이 같음)보다도 낮지만 교정성 및 단조성이 불량하였다. 이것은, 비교예 16의 합금 중의 Si 농도 및 Mg 농도가 높기 때문에 Mg₂Si 정출량이 증가한 것이 원인이라고 생각된다. Mg₂Si 정출물은 알루미늄지의 경도 향상에 기여하지 않지만, 교정성, 단조성을 악화시키기 때문에 이러한 결과가 된 것이다. 비교예 18은 알루미늄 합금의 경도가 높기 때문에 교정성 및 단조성이 나빠진 것이며, 비교예 16보다도 Si 농도가 과잉이 되어 있기 때문에 더욱 경도가 높아져 교정성 및 단조성이 나빠진 것이다. 비교예 19도 알루미늄 합금의 경도가 높기 때문에 교정성 및 단조성이 나빠진 것이며, 도 4의 ABCD에서 나타내는 본 발명의 Mg 농도 및 Si 농도의 범위를 일탈하여, 과잉의 Si를 포함하는 Mg₂Si 정출물량이 증가함으로써 교정성 및 단조성이 나빠진 것이다.

본원은, 2009년 10월 16일에 출원된 일본 특허 출원의 특허 출원 제2009-239295호의 우선권 주장을 수반하는 것이며, 그 개시 내용은 그대로 본원의 일부를 구성하는 것이다.

여기에 사용된 용어 및 표현은, 설명을 위해서 사용된 것이며 한정적으로 해석하기 위해서 사용된 것이 아니고, 여기에 나타내고 또한 설명된 특징 사항이 어떤 균등물도 배제하는 것이 아니고, 본 발명의 청구된 범위 내에 있어서의 각종 변형도 허용하는 것이라고 인식되어야 한다.

본 발명은, 브레이크 피스톤의 제조 시에 에너지 절약화에 공헌할 수 있다.

1… 브레이크 피스톤
2… 단조용 소재

Claims

Si 및 Mg을 함유하고, 또한 Si 농도(C_Si 질량%) 및 Mg 농도(C_Mg 질량%)가 이들 관계(C_Si, C_Mg)에 있어서 A(0.75, 1.25), B(1.4, 1), C(1.4, 0.6), D(0.75, 0.85)의 4점으로 둘러싸이는 범위 내이며, 또한 Cu 농도가 0.07 내지 0.9 질량%, Mn 농도가 0.1 내지 0.9 질량%, Ti 농도가 0.005 내지 0.15 질량%, Cr 농도가 0.2 질량% 이하, Fe 농도가 0.5 질량% 이하이며, 잔량부가 Al 및 불가피 불순물을 포함하는 알루미늄 합금의 막대 형상 주괴를 주조하고,
상기 막대 형상 주괴를, 균질화 처리를 행하지 않고, 주조 후 3일 이내에 교정하고,
교정한 막대 형상 주괴를 필요한 두께로 절단하여 단조용 소재로 하고,
상기 단조용 소재를, 어닐링하지 않고, 상기 막대 형상 주괴의 주조 후 7일 이내에 가공율 25 내지 90%로 냉간 단조하여 컵 형상 브레이크 피스톤을 성형하고,
성형한 브레이크 피스톤을 용체화 처리하지 않고 시효 경화시키는
것을 특징으로 하는 브레이크 피스톤의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 막대 형상 주괴를 200m/분 이상의 주조 속도로 연속 주조하는 브레이크 피스톤의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 연속 주조한 막대 형상 주괴를 연속 주조 후 30일간 자연 시효시켰을 때의 록웰 경도를 기준 경도로 하여,
상기 막대 형상 주괴의 교정을, 하기 식으로 표시되는 막대 형상 주괴의 상대 경도가 0.9 이하인 기간 내에 행하는 브레이크 피스톤의 제조 방법.
막대 형상 주괴의 상대 경도 = 막대 형상 주괴의 록웰 경도/기준 경도
제1항 또는 제2항에 있어서, 연속 주조한 막대 형상 주괴를 연속 주조 후 30일간 자연 시효시켰을 때의 록웰 경도를 기준 경도로 하여,
상기 단조용 소재의 냉간 단조를, 하기 식으로 표시되는 단조용 소재의 상대 경도가 0.95 이하인 기간 내에 행하는 브레이크 피스톤의 제조 방법.
단조용 소재의 상대 경도 = 단조용 소재의 록웰 경도/기준 경도
제3항에 있어서, 연속 주조한 막대 형상 주괴를 연속 주조 후 30일간 자연 시효시켰을 때의 록웰 경도를 기준 경도로 하여,
상기 단조용 소재의 냉간 단조를, 하기 식으로 표시되는 단조용 소재의 상대 경도가 0.95 이하인 기간 내에 행하는 브레이크 피스톤의 제조 방법.
단조용 소재의 상대 경도 = 단조용 소재의 록웰 경도/기준 경도