KR101832732B1 - Method for manufacturing Fe-Cu bimetal - Google Patents

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KR101832732B1
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신제식
임경묵
김태형
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한국생산기술연구원
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    • C25F3/02Etching

Abstract

A method for producing an Fe-Cu dissimilar metal is provided. The method for producing the Fe-Cu dissimilar metal of the present invention comprises: a step of providing a cast iron steel material as a core material; a step of attaching and detaching graphite attached to the surface of the cast iron steel material using a dry method or a wet method; a step of melting and bonding cast iron steel as a core material and copper alloy as a cast material at a high temperature by injecting molten copper alloy having a temperature range of 1000-1300°C into the mold after disposing the cast iron steel material attached and detached with the graphite; and a step of demolding the melt-bonded product at 700-900°C, followed by quenching in a temperature range of 250-500°C, followed by a certain period of time, followed by cooling.

Description

Fe-Cu 이종 금속의 제조방법{Method for manufacturing Fe-Cu bimetal} METHOD FOR MANUFACTURING Fe-Cu BIMETAL [0002]

본 발명은 Fe-Cu 이종 금속재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주철 주강을 코어재로 이용하고 동합금 용탕을 주입 용융접합함으로써 다양한 제품의 형상에 대한 수요 요구를 충족할 수 있을 뿐만 아니라 유지 보수 등이 용이한 Fe-Cu 이종금속의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a Fe-Cu dissimilar metal material, and more particularly, to a method for manufacturing a Fe-Cu dissimilar metal material by using a cast iron casting core as a core material, The present invention relates to a method of manufacturing an Fe-Cu dissimilar metal which is easy to repair and the like.

이종소재, 특히 이종금속소재 부품은 하나의 부품을 제조하는데 2종 이상의 금속을 사용하는 것을 칭하는 것이다. 이러한 이종소재부품은 부품의 부분별 적합 소재 선택에 의한 부품의 경량화, 성능 향상, 다 특성 구현, 부품 설계 자유도 향상 및 고가 금속소재 사용량 절감 등 코스트 저감에 효과적인 부품의 형태이다. 그러므로 자동차, 중장비 등 수송기기 분야에 다양한 형태로 사용되어 왔는데, 최근에도 그 적용범위를 더욱 넓히기 위한 노력이 전 세계적으로 이루어지고 있다.
Dissimilar materials, especially dissimilar metal parts, refer to the use of two or more metals in the manufacture of one part. These disparate material parts are effective parts for reducing cost by reducing the parts weight, improving the performance, realizing multi-characteristics, improving the degree of freedom of parts design and reducing the use of high-priced metal materials by selecting suitable parts for each part of parts. Therefore, it has been used in various forms in transportation equipment such as automobile, heavy equipment, etc. Recently, efforts to broaden the scope of application have been made all over the world.

기존의 이종소재 부품 제조기술로써 강제압입법 확산접합법 및 마찰접합법 등이 개발되어 오고 있다. 그러나 이러한 방법들은 생산성 저하, 복합 형상 제품의 적용이 어려운 점등으로 인한 문제점들이 발생 되어 왔다. As a conventional manufacturing technology for dissimilar materials, a strong pressure regulating diffusion bonding method and a friction bonding method have been developed. However, these methods have been problematic due to a decrease in productivity and difficulty in application of a composite shape product.

이러한 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 용융접합공법이 개발되어 오고 있다. 상기 용융접합공법은 높은 생산성, 높은 접합속도와 철계 소재의 복잡형상 주조 정형품과도 연계성이 뛰어나다는 장점을 지니고 있다. 그러나 상기 용융접합공정도 현재까지 접합결함 생성, 이종소재 간 젖음성 확보의 어려움 및 그로 인한 결합력의 문제로 인한 낮은 부품수명 및 신뢰성 결여로 인해 아직까지 널리 채택되고 있지 못하는 실정이다. In order to solve the problems of the prior art, a fusion bonding method has been developed. The above fusion bonding method has an advantage of high productivity, high bonding speed and excellent connectivity with complicated shaped casting articles of iron-based materials. However, the melt bonding process has not been widely adopted until now due to the generation of bonding defects, the difficulty in securing the wettability between different materials, and the lack of reliability due to the problem of bonding force.

고생산성의 이종소재 부품을 생산하기 위해서 코어재료로 주철, 주강 등 철계 주조재를 사용하고, 부품의 동작특성을 확보하기 위해 기지는 Al, Cu 등 비철계 합금소재 사용하는 이종소재간 용융접합을 개발하려는 노력이 오래전부터 이루어지고 있다. 그 예로서 자동차용 저널 베어링 및 굴삭기 등 중장비 분야에 있어서의 유압펌프, 유압모터용 실린더 블록, 부싱류 등 내마모 핵심 부품류는 몸체에는 주철소재를 사용하고 윤활용 라이너 부에는 Cu계 합금을 사용하는 철계-Cu계 합금 이종소재가 사용되고 있다. In order to produce high-productivity heterogeneous material parts, iron base casting materials such as cast iron and cast steel are used as core materials. In order to secure the operating characteristics of the parts, the base is made of fusion bonding between different materials using non-ferrous alloys such as Al and Cu The effort to develop has long been done. Examples of the wear resistant core parts such as a hydraulic pump, a cylinder block for a hydraulic motor, and a bushing in a heavy equipment field such as an automotive journal bearing and an excavator are made of a cast iron material for the body and an iron- Cu-based alloys are used.

그러나 주철, 주강 등 철계 주조재를 코어재료로 삽입하고 Cu계 합금 용탕을 주입 용융접합하는 경우 철계 주조재들의 표면과 내부에 존재하는 그라파이트와 탄소가 용융접합 공정 중 이물질로 작용 계면 결합력을 약화시키는 원인으로 작용하는 문제점이 있었다.However, when an iron casting material such as a cast iron or a cast steel is inserted as a core material and a molten Cu-based alloy is injected and fused, the graphite and carbon existing on the surface and inside of the iron-based cast materials act as foreign substances during the fusing process. There is a problem that acts as a cause.

이는 용융상태로부터 급냉하면 접합부에 취성이 큰 C와 Fe의 준안정계 화합물인 시멘타이트 (cementite)가 정출하거나, 저널 베어링, 유압펌프, 유압모터용 실린더 블록, 부싱류 등 자동차, 중장비 등 수송기기용 내마모 부품의 핵심 비철소재인 Cu계 합금 용탕과의 계면 젖음성 및 반응성을 떨어뜨리는 흑연 (graphite) 입자와 탄소를 다량 포함하고 있기 때문이다.
This means that cementite, which is a metastable compound of C and Fe with high brittleness, can be extracted from quenched or melted state, and can be used as a cementite for joining to a junction box such as journal bearing, hydraulic pump, cylinder block for hydraulic motor, bushing, This is because it contains a large amount of graphite particles and carbon which degrade the interface wettability and reactivity with the core non-ferrous material of the Cu-based alloy.

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 코어재료인 주철, 주강 재료 표면의 그라파이트 및 탄소계 입자를 제거하여 용융접합을 행함으로써 젖음성과 계면결합력을 제고함으로써 최종제품의 기계적 특성을 높일 수 있는 Fe-Cu 이종금속의 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a cast steel, a cast steel, The present invention also provides a method for producing a Fe-Cu dissimilar metal.

또한 본 발명은 Fe-Cu계 이종소재를 용융접합함에 있어서, 주조 및 냉각공정들을 제어하여 고용강화를 극대화하고 상변태에 의해 기지강화함으로써 이종소재의 기계적 성질을 효과적으로 향상시킬 수 있는 Fe-Cu 이종금속의 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.In addition, the present invention provides a Fe-Cu dissimilar metal material capable of effectively improving the mechanical properties of a different material by maximizing solid solution strengthening and strengthening the matrix by phase transformation by controlling the casting and cooling processes in the melt- And a method for producing the same.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, According to an aspect of the present invention,

코어재로서 주철 주강재를 마련하는 공정; Providing a cast iron main steel material as a core material;

상기 주철 주강재의 표면에 부착된 그라파이트를 건식법 또는 습식법을 이용하여 탈착시키는 공정; A step of desorbing the graphite attached to the surface of the cast steel main body using a dry method or a wet method;

상기 그라파이트 탈착된 주철 주강재를 주형 내부에 배치한 후, 그 주형에 1000~1300℃의 온도범위를 갖는 용융 동합금을 주입함으로써 코어재인 주철 주강과 주조재인 동합금을 고온에서 용융접합시키는 공정; Disposing the graphite-detached cast iron main steel material in a mold, and then injecting a molten copper alloy having a temperature range of 1000 to 1300 캜 into the mold, thereby melting the cast iron cast steel and the copper alloy as a core material at a high temperature;

상기 용융접합된 제품을 700~900℃에서 탈형 후, 250~500℃의 온도 범위로 급냉하고, 이어, 일정시간 유지시킨 후 냉각하는 공정;을 포함하는 Fe-Cu 이종금속의 제조방법에 관한 것이다.
And a step of cooling the melt-bonded product at a temperature ranging from 250 to 500 ° C, desorbing the melt-bonded product at 700 to 900 ° C, holding the product for a predetermined time, and cooling the melt-quenched product. .

상기 습식법은 전도성의 염욕중에서, 주철 주강재를 양극으로 하여 전해탈지보다 높은 전류를 걸어줌으로써 주철 주강재 표면에 강한 산화반응을 유발시켜 그 표면에 존재하는 그라파이트를 탈착하여 제거하는 방법인 것이 바람직하다.
The wet method is preferably a method of causing a strong oxidation reaction on the surface of a cast steel main body by applying a current higher than electrolytic degreasing with a cast iron main material as an anode in a conductive salt bath to desorb and remove the graphite present on the surface .

상기 건식법은 질소와 수소의 비가 적절히 혼합된 혼합가스를 만들어 온도가 일정하게 유지되는 수증기 중에 주입하여 포화수증기를 형성한 후, 이를 일정하게 온도가 유지되고 있는 반응로 중에 주입함으로써 수소와 수증기의 혼합가스가 주철 주강재 표면의 그라파이트와 화학반응되어 이산화탄소, 메탄가스 등 일종의 가스형태로 빠져나가게 하는 방법인 것이 바람직하다.
In the dry method, a mixed gas in which a ratio of nitrogen and hydrogen is appropriately mixed is injected into water vapor which is maintained at a constant temperature to form saturated water vapor, and then mixed with hydrogen and water vapor The gas is chemically reacted with the graphite on the surface of the cast steel main body to be discharged into a gas such as carbon dioxide or methane gas.

본 발명에서는 상기 그라파이트 탈착된 코어재를 상기 주형내에 배치 이전에 700~900℃의 온도범위로 예열하는 공정을 추가로 포함함이 바람직하다.
In the present invention, it is preferable to further include a step of preheating the graphite-desorbed core material to a temperature range of 700 to 900 캜 before being placed in the mold.

본 발명에서는 상기 용융 접합된 제품을 700~900℃에서 탈형하는 공정과 250~500℃ 온도범위로 급냉하는 공정 사이에, 추가적으로 700~900℃ 온도범위에서 일정시간 유지하는 공정을 포함함이 바람직하다.
In the present invention, it is preferable to further include a step of maintaining the temperature of the melt-bonded product at 700 to 900 ° C for a predetermined time between demolding the product at 700 to 900 ° C and quenching at 250 to 500 ° C .

본 발명에서는 상기 용융접합하고 저온으로 냉각된 제품을 700~900℃ 온도범위로 승온시켜 고온열처리하고 250~500℃ 온도범위로 급냉하여 저온열처리하는 공정을 추가로 포함함이 바람직하다.
In the present invention, it is preferable to further include a step of raising the temperature of the melt-bonded and low-temperature-cooled product to 700 to 900 ° C, followed by high-temperature heat treatment, quenching to 250 to 500 ° C, and low temperature heat treatment.

상술한 바와 같은 구성의 본 발명은 코어재인 주철 주강재를 이용하여 제품의 다양한 형상변화를 도모할 수 있고, 아울러 동합금 용탕을 주입 용융접합함으로써 구리와 철계 소재의 각각의 특성을 극대화하여 융합함으로써 자동차, 중장비 등 수송기기용 유압부품 및 내마모부품에서 요구하는 복합특성들을 효과적으로 구현할 수 있다.
The present invention having the above-described constitution can maximize the characteristics of the copper and iron-based materials by fusing and melting the copper alloy molten metal by using the cast steel main material, which is a core material, , And the composite characteristics required for hydraulic parts and wear-resistant parts for transportation equipment such as heavy equipment can be effectively implemented.

도 1은 본 발명의 일실시예 따른 Fe-Cu 이종금속 소재의 주조 및 냉각공정을 모식적으로 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예 따른 Fe-Cu 이종금속 소재의 주조 및 냉각공정을 모식적으로 나타낸 그래프로서, Fe계 코어재를 주형 내에 배치 이전에 예열하는 공정을 추가로 포함하는 제조공정을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 Fe-Cu 이종금속 소재의 주조 및 냉각공정을 모식적으로 나타낸 그래프로서, 용융접합된 제품을 탈형한 후 고온에서 일정시간 유지하는 공정을 추가로 포함하는 제조공정을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 Fe-Cu 이종금속 소재의 주조 및 냉각공정을 모식적으로 나타낸 그래프로서, 용융접합하고 저온으로 냉각된 제품을 승온시켜 고온열처리하고 급냉하여 저온열처리하는 공정을 추가로 포함하는 제조공정을 나타낸 그래프이다.
도 5는 주철재 표면에 부착된 그라파이트 탈착 유/무에 따른 동합금 용탕과의 젖음성 변화를 나타낸 사진이다.
도 6은 주철재 표면에 부착된 그라파이트 탈착 유/무에 따른 주철-동합금 용융접합 계면의 변화를 나타낸 미세조직 사진이다.
도 7은 주철재 표면에 부착된 그라파이트 탈착 후 동합금을 용융접합 시 그라파이트가 탈착된 자리에 동합금이 침투 응고된 미세조직을 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 있어서 그라파이트 탈착 유무에 따른 계면 접합강도를 대비하여 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 있어서 주조 및 냉각공정의 변화에 따른 주철재 경도 변화를 대비하여 나타낸 그래프이다.
1 is a graph schematically illustrating a casting and cooling process of a Fe-Cu dissimilar metal material according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph schematically showing a casting and cooling process of an Fe-Cu dissimilar metal material according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a graph showing a manufacturing process that further includes a step of preheating an Fe- Fig.
FIG. 3 is a graph schematically showing a casting and cooling process of a Fe-Cu dissimilar metal material according to an embodiment of the present invention, and further includes a step of demolding a melt-bonded product and then maintaining a high temperature for a certain period of time Fig.
FIG. 4 is a graph schematically showing a casting and cooling process of a Fe-Cu dissimilar metal material according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a graph showing a process of melting and thermally treating a product cooled at a low temperature, And a process for producing the same.
Fig. 5 is a photograph showing the change in wettability with the copper alloy melt according to graphite desorption oil / water deposited on the surface of the main steel material.
Fig. 6 is a microstructure photograph showing the change of the fusion-bonded interface of cast iron-copper alloy with graphite desorption oil / fog attached to the surface of the primary iron.
7 is a photograph showing a microstructure in which a copper alloy is solidified by solidification of graphite in the place where the graphite is desorbed after the graphite adhered to the surface of the primary iron material is melted and bonded.
FIG. 8 is a graph showing the interface bonding strength according to whether graphite is detached or not in contrast with the embodiment of the present invention.
Fig. 9 is a graph showing changes in hardness of cast iron according to changes in casting and cooling processes in the embodiment of the present invention.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 Fe-Cu 이종금속의 제조방법은, 코어재로서 주철 주강재를 마련하는 공정; 상기 주철 주강재의 표면에 부착된 그라파이트를 건식법 또는 습식법을 이용하여 탈착시키는 공정; 상기 그라파이트 탈착된 주철 주강재를 주형 내부에 배치한 후, 그 주형에 1000~1300℃의 온도범위를 갖는 용융 동합금을 주입함으로써 코어재인 주철 주강과 주조재인 동합금을 고온에서 용융접합시키는 공정; 상기 용융접합된 제품을 700~900℃에서 탈형 후, 250~500℃의 온도 범위로 급냉하고, 이어, 일정시간 유지시킨 후 냉각하는 공정;을 포함한다.
The method for producing an Fe-Cu dissimilar metal of the present invention comprises the steps of: providing a cast iron main material as a core material; A step of desorbing the graphite attached to the surface of the cast steel main body using a dry method or a wet method; Disposing the graphite-detached cast iron main steel material in a mold, and then injecting a molten copper alloy having a temperature range of 1000 to 1300 캜 into the mold, thereby melting the cast iron cast steel and the copper alloy as a core material at a high temperature; The step of demolding the melt-bonded product at 700 to 900 ° C, followed by rapid cooling to a temperature range of 250 to 500 ° C, followed by a certain period of time, followed by cooling.

먼저, 본 발명에서는 코어재로서 주철 주강재를 마련한다. 본 발명은 이러한 주철 주강재료의 특정한 조성성분에 제한되지 않으며, 다양한 성분범위의 주철 및 주강재를 이용할 수 있다. 본 발명에서 이러한 주철 및 주강 재료를 이종금속의 코어재료로 이용하는 것은 이러한 주철이 다양한 형상의 제품으로 주조가능한 이점이 있기 때문이다.
First, in the present invention, a cast iron main steel material is provided as a core material. The present invention is not limited to specific compositional components of such a cast iron casting material, but cast iron and cast steels having various composition ranges can be used. In the present invention, such a cast iron and cast steel material is used as a core material of dissimilar metals because the cast iron can be cast into various shapes of products.

다음으로, 본 발명에서는 상기 주철 주강재의 표면에 부착된 그라파이트를 건식법 또는 습식법을 이용하여 탈착한다. Next, in the present invention, the graphite attached to the surface of the cast steel main body is desorbed by a dry method or a wet method.

이종금속의 코어재로서 주철 주강재를 이용할 경우, 주철 주강재의 표면에 부착된 그라파이트, 탄소계 물질 등 구리와 젖음성을 떨어뜨리는 이물질의 존재가 문제될 수 있다. 통상 용융접합공정에 있어서 주철 주강재 표면의 그라파이트는 용융접합시 젖음성을 악화시키고, 이에 따라 최종 접합된 제품의 접합강도를 떨어뜨린다.When cast iron main steel is used as the core material of dissimilar metals, there may be a problem of the presence of foreign substances such as graphite or carbon-based material adhered to the surface of the cast iron main steel, which deteriorates the wettability with copper. In general, the graphite on the surface of the cast steel main material in the fusion bonding process deteriorates the wettability in the fusion bonding, thereby lowering the bonding strength of the final bonded product.

따라서 본 발명에서는 이를 고려하여, 상기 코어재인 주철 주강재의 표면에 부착된 그라파이트를 탈착하며, 상기 그라파이트의 탈착방법으로 습식법이나 건식법을 이용할 수 있다. Accordingly, in the present invention, the graphite attached to the surface of the cast steel main body, which is the core material, is desorbed, and the graphite can be desorbed by a wet method or a dry method.

상기 습식법은 전도성의 염욕 중에서, 주철 주강재를 양극으로하여 전해탈지보다 높은 전류를 걸어줌으로써 주철 주강재 표면에 강한 산화반응을 유발시켜 표면에 존재하는 그라파이트를 탈착하여 제거하는 방법인 것이 바람직하다 The wet method is preferably a method of desorbing and removing graphite present on the surface by causing a strong oxidation reaction on the surface of cast iron main steel by applying a current higher than electrolytic degreasing with a cast iron main material as an anode in a conductive salt bath

또한 선택적으로 상기 염욕내에 계면활성제를 첨가할 경우 계면활성제의 친유성과 친수성의 효과로 그라파이트 제거 효과가 증가하게 된다.In addition, when the surfactant is selectively added to the salt bath, the effect of removing the graphite is increased due to the lipophilic property and the hydrophilic property of the surfactant.

또한 전기를 걸어줄 시 전류밀도는 제품 면적당 50A/dm이상으로 기존의 전해탈지 공정보다는 상당히 높게 설정함이 좋다. 50A/dm 보다 작으면 산화반응의 속도가 낮아 그라파이트의 제거가 늦게 일어나며, 50A/dm 보다 크면 그라파이트 탈착반응이 활발하고 표면조도도 증가하여 Fe-Cu 계면 간의 기계적 결합력도 증가시키는 효과가 있기 때문이다. Also, it is better to set the current density to be higher than the existing electrolytic degreasing process by more than 50A / dm per product area. If it is less than 50 A / dm, the rate of oxidation reaction is low and the removal of graphite is delayed. If it is larger than 50 A / dm, the graphite desorption reaction is active and the surface roughness is increased to increase the mechanical bonding force between the Fe- .

상기 건식법은 열처리로에서 수소, 질소, 수증기의 혼합가스비, 반응 온도 및 시간 등을 적절히 조절하여 주철 주강재 표면의 그라파이트를 제거할 수 있는 방법을 들 수 있다. The dry method is a method of removing graphite on the surface of the cast steel main body by appropriately adjusting the mixed gas ratio of hydrogen, nitrogen, and steam in the heat treatment furnace, the reaction temperature, and the time.

상세하게 설명하면, 질소와 수소의 비가 적절히 혼합된 혼합가스를 만들어 온도가 일정하게 유지되는 수증기 중에 주입하여 포화수증기를 형성한 후, 이를 일정하게 온도가 유지되고 있는 반응로 중에 주입함으로써 수소와 수증기의 혼합가스가 주철 주강재 표면의 그라파이트와 화학반응시켜 이산화탄소, 메탄가스 등 일종의 가스형태로 빠져나가게 된다. In detail, a mixed gas in which a ratio of nitrogen and hydrogen is appropriately mixed is injected into water vapor which is maintained at a constant temperature to form saturated water vapor, which is then injected into a reactor maintained at a constant temperature, Is chemically reacted with the graphite on the surface of the cast steel main body to escape into a gas form such as carbon dioxide or methane gas.

본 발명에서는 상기 습식법이나 건식법을 이용하여 그라파이트 제거 표면처리 공정을 진행한 후, 용융접합 주조시 이종소재 간 젖음성을 더욱 향상시키기 위해서 주철 주강 코어재의 표면처리를 추가로 진행할 수도 있다.
In the present invention, after the graphite removal surface treatment step is performed using the wet method or the dry method, the surface treatment of the cast iron core material may be further carried out in order to further improve the wettability between the different materials in the melt bonding casting.

후속하여, 본 발명에서는 상기 그라파이트 탈착된 주철 주강재를 주형 내부에 배치한 후, 그 주형에 용융 동합금을 주입함으로써 코어재인 주철 주강과 기지재인 Cu를 고온에서 용융접합시킨다. 도 1-4는 본 발명의 Fe-Cu 이종금속의 주조 및 냉각공정을 모식적으로 나타낸 그래프이다.Subsequently, in the present invention, the graphite-detached cast iron main steel is placed in a mold, and a molten copper alloy is injected into the casting mold, thereby melting the cast iron cast steel, which is a core material, and Cu, which is a known material, at a high temperature. Figs. 1-4 are graphs schematically showing the steps of casting and cooling a Fe-Cu dissimilar metal of the present invention.

이때 상기 용융 동합금의 주입(도 1,3,4의 A, 도 2의 C)시 주입온도는 1000~1300℃의 범위로 함이 바람직하다. 주입온도가 1000℃ 미만이면 계면접합이 충분히 이루어지기 전에 응고가 종료되어 우수한 계면접합강도를 얻을 수 없으며, 주입온도가 1300℃를 초과하면 용탕 내 가스 용존량이 증가하게 되고, 응고시 가스결함이 다수 발생하게 될 뿐만 아니라 용융접합 후 냉각시 코어재와 주조재의 열팽창/수축으로 인해 발생하는 열응력이 커져 우수한 계면접합강도를 얻을 수 없기 때문이다.
At this time, the injection temperature is preferably in the range of 1000 to 1300 ° C in the injection of the molten copper alloy (FIGS. 1, 3, 4 A, and 2 C). If the injection temperature is less than 1000 ° C, the solidification is terminated and the excellent interface bonding strength can not be obtained before the interfacial bonding is sufficiently performed. If the injection temperature exceeds 1300 ° C, the gas dissolved amount in the molten metal increases, This is because the thermal stress caused by the thermal expansion / contraction of the core material and the casting material becomes large during cooling after the fusion bonding, and the excellent interface bonding strength can not be obtained.

그리고 본 발명에서는 필요에 따라 상기 그라파이트 탈착된 Fe계 코어재를 주형 내에 배치하기 이전에, 도 2에서와 같이 700~900℃의 온도범위로 예열(도 2의 A-B)하는 공정을 추가로 포함할 수도 있다. 본원발명에서 Fe계 코어재를 주형 내에 배치 이전에 예열하는 이유는 첫째, 용융접합 후 냉각시 코어재와 주조재의 열팽창/수축으로 인해 발생하는 열응력으로 계면 탈착 및 계면 접합강도 감소 현상을 방지하는 것이고, 둘째, Fe계 코어재의 기지 불안정화처리(오스테나이트화 처리) 효과를 유발하여 Fe 코어재의 오스테나이트 기지 내 탄소 및 합금원소들의 고용을 극대화하고 오스테나이트를 안정화시켜 후속하는 급속냉각 및 저온열처리시 강도와 같은 기계적 특성을 향상시키기 위함이다. 만일 예열 온도가 700℃ 미만이면 용융접합 후 냉각시 코어재와 주조재의 열응력 발생 방지 효과가 미비하게 되고 Fe계 코어재의 기지 불안정화처리(오스테나이트화 처리) 효과를 얻는데 너무 오랜 시간이 소요되게 되는 문제점이 있다. 만일 예열 온도가 900℃를 초과하면 Fe계 코어재의 표면 산화 경향이 증가되어 계면 접합특성을 떨어뜨리게 된다.
In the present invention, if necessary, the graphite desorbed Fe-based core material may be further preheated (AB in FIG. 2) to a temperature range of 700 to 900 ° C as shown in FIG. 2 before being placed in the mold It is possible. In the present invention, the reason why the Fe-based core material is preheated before being placed in the mold is as follows. First, the thermal stress generated due to the thermal expansion / contraction of the core material and the cast material during cooling after the fusion bonding prevents the interface detachment and the decrease in interfacial bonding strength Second, the base destabilizing treatment (austenitizing treatment) effect of the Fe-based core material is brought about, thereby maximizing the employment of carbon and alloying elements in the austenite base of the Fe core material and stabilizing the austenite, Strength and mechanical properties such as strength. If the preheating temperature is less than 700 ° C, the effect of preventing the generation of thermal stresses of the core material and the cast material during cooling after the fusion bonding becomes insufficient, and it takes a long time to obtain the base destabilizing treatment (austenitizing treatment) There is a problem. If the preheating temperature exceeds 900 ° C, the surface oxidation tendency of the Fe-based core material is increased and the interfacial bonding property is deteriorated.

이어, 본 발명에서는 상기 용융접합된 제품을 700~900℃까지 냉각(도 1,3의 A-B, 도 2의 C-D)하고 탈형 후, 250~500℃ 온도까지 염욕로에서 소입 냉각(도 1의 B-C, 도 2의 D-E, 도 3의 C-D)한다. 이러한 Fe-Cu 용융접합 제품을 소입 냉각하고 염욕로에서 일정시간 유지시킴으로써, 상기 Fe계 코어재인 주철 주강재의 기계적 특성이 최적화될 수 있을 뿐만 아니라 주조재인 동합금의 시효 효과를 얻을 수 있다. Fe 코어재인 주철 주강은 소입 냉각 및 저온열처리로 인해 내부조직이 오스페라이트와 베이나이트의 혼합조직이 되고, 따라서 제조된 최종 코어재의 강도와 인성이 적절히 조화되어 기계적 특성이 우수하게 된다. 또한 Cu 주조재 내부조직은 소입냉각 및 저온열처리로 인해 미세한 석출물이 생성된 미세조직이 되어 우수한 내마모 특성을 얻게 된다. 만일 탈형 온도가 700℃ 미만이면 철계 코어재와 동합금 주조재 내에 조대한 석출물이 생성되기 시작하여 후속하는 소입 냉각 및 저온 열처리시에 소망하는 미세조직과 기계적 특성을 얻을 수 없게 된다. 만일 탈형 온도가 900℃를 초과하면 주조시 필연적으로 발생하는 편석 현상으로 인해 국부적으로 응고가 종료되지 못한 상태로 냉각될 수 있는 위험이 있으며, 또한 소입 냉각 시 열충격으로 인해 계면 파단이 발생할 수도 있다.
Next, in the present invention, the melt-bonded product is cooled to 700 to 900 ° C. (CD in FIGS. 1 and 3, CD in FIG. 2), demolded and cooled to 250 to 500 ° C. in a bath of water , DE in Fig. 2, CD in Fig. 3). By mechanically cooling the Fe-Cu melt-bonded product and keeping it in the bath for a certain period of time, not only the mechanical properties of the cast iron main material as the Fe-based core material can be optimized, but also the aging effect of the copper alloy as the cast material can be obtained. The cast iron cast steel, which is an Fe core material, becomes a mixed structure of osferite and bainite due to the quenching cooling and the low-temperature heat treatment, so that the strength and toughness of the final core material produced are appropriately matched to each other to provide excellent mechanical properties. In addition, the internal structure of the Cu casting material becomes microstructure in which fine precipitates are generated due to quenching cooling and low temperature heat treatment, and excellent wear resistance characteristics are obtained. If the demolding temperature is lower than 700 캜, coarse precipitates start to be generated in the iron-based core material and the copper alloy casting material, and the desired microstructure and mechanical characteristics can not be obtained at the subsequent quenching cooling and low temperature heat treatment. If the deformation temperature exceeds 900 ° C., there is a risk that the solidification may not be terminated due to the segregation phenomenon necessarily occurring at the time of casting, and there is a risk that the interface fracture may occur due to thermal shock during quenching cooling.

또한 본 발명에서는 필요에 따라 상기 용융접합된 제품을 700~900℃에서 탈형한 후 250~500℃ 온도범위의 염욕로에 소입 냉각하기 전에, 추가적으로 도 3에서와 같이 700~900℃ 온도범위에서 일정시간 유지하는 공정(도 3의 B-C)을 포함할 수 있다. 상기 700~900℃ 온도범위에서 일정시간 유지시킴으로써 코어재인 주철 주강과 주조재인 동합금 기지 내 합금원소들의 고용을 극대화함으로써 후속하는 소입냉각 및 저온열처리시 우수한 기계적 특성을 얻을 수 있는 미세조직과 시효효과를 얻을 수 있게 된다. 만일 용융접합된 제품의 유지온도가 700℃ 미만이면 철계 코어재와 동합금 주조재 내에 조대한 석출물이 생성되기 시작하여 후속하는 소입 냉각 및 저온 열처리시에 소망하는 미세조직을 얻을 수 없게 된다. 만일 용융 접합된 제품의 유지온도가 900℃를 초과하면 소입 냉각 시 열 충격으로 인해 계면에 미세 균열이 발생하여 계면 접합강도를 떨어뜨릴 수 있다.
In the present invention, if necessary, the melt-bonded product is demolded at 700 to 900 ° C. and then cooled to a predetermined temperature in the range of 700 to 900 ° C., (FIG. 3, step BC). By maintaining the temperature in the range of 700 to 900 ° C. for a certain time, it is possible to maximize the employment of the alloying elements in the copper alloy casting base which is the core material and the casting material, thereby improving the microstructure and the aging effect to obtain excellent mechanical characteristics in the subsequent quenching cooling and low temperature heat treatment. . If the holding temperature of the melt-bonded product is less than 700 캜, coarse precipitates start to be generated in the iron-based core material and the copper alloy casting material, and the desired microstructure can not be obtained at the subsequent quenching cooling and low temperature heat treatment. If the holding temperature of the melt-bonded product exceeds 900 ° C, micro-cracks may occur at the interface due to thermal shock during quenching cooling, which may lower the interface bonding strength.

또한 본 발명에서는 필요에 따라 도 4에서와 같이 상기 용융접합하고 저온으로 냉각(도 4의 A-B)된 제품을 700~900℃ 온도범위로 승온(도 4의 B-C)시켜 고온열처리(도 4의 C-D)하고, 250~500℃ 온도범위의 염욕로에 소입 냉각(도 4의 D-E)하고 일정시간 저온열처리(도 4의 E-F) 하는 일련의 열처리 공정을 추가로 포함할 수 있다.
In the present invention, as shown in FIG. 4, the product which is melt-bonded and cooled to a low temperature (AB in FIG. 4) is heated to a temperature range of 700 to 900 ° C. (BC in FIG. 4) ), And a series of heat treatment processes for performing quenching cooling (DE in FIG. 4) and low temperature heat treatment (EF in FIG. 4) for a certain time in a bath of 250 to 500 ° C temperature range.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.

(실시예 1)(Example 1)

판상형 주철 주강재를 Fe 코어재로 마련하였다. 그리고 상기 코어재들 중 일부는 건식법을 이용하여 그 표면의 그라파이트를 제거하는 탈착공정을 수행하였으며, 일부는 탈착공정을 행하지 아니하였다. 상기 건식법은 질소와 수소의 비가 적절히 혼합된 혼합가스를 만들어 온도가 일정하게 유지되는 수증기 중에 주입하여 포화수증기를 형성한 후, 이를 일정하게 온도가 유지되고 있는 반응로 중에 주입함으로써 수소와 수증기의 혼합가스가 주철 주강재 표면의 그라파이트와 화학반응시켜 이산화탄소, 메탄가스 등 일종의 가스형태로 빠져나가게 되는 방법을 이용하였다.
A plate-like cast iron main steel was provided as an Fe core material. Some of the core materials were subjected to a desorption process for removing graphite on the surface of the core material by a dry method, and some of them were not subjected to a desorption process. In the dry method, a mixed gas in which a ratio of nitrogen and hydrogen is appropriately mixed is injected into water vapor which is maintained at a constant temperature to form saturated water vapor, and then mixed with hydrogen and water vapor Gas is chemically reacted with the graphite on the cast steel main surface to escape into a gas such as carbon dioxide or methane gas.

이와 같이, 그라파이트 탈착된 주철 주강과 그라파이트 탈착되지 않은 주철 주강재 각각을 1000~1300℃범위의 온도로 예열된 분위기 열처리로에 위치시킨 후 주철 주강재 위에 직경 3 mm의 동합금 볼을 위치시키고 장시간 유지하며 동합금의 용융 및 젖음각 변화를 관찰하여 도 5에 나타내었다. 그라파이트 탈착한 주철 주강재 위에 위치한 용융 동합금이 그라파이트 탈착처리하지 않은 경우보다 넓게 퍼져 있는 것을 확인할 수 있는데, 이는 그라파이트 탈착에 의해 젖음성이 향상된 것을 의미한다.
In this manner, the graphite-desorbed cast iron casting and the graphite-free cast iron main steel are placed in a preheated atmosphere heat treatment furnace at a temperature in the range of 1000 to 1300 ° C, and a copper alloy ball having a diameter of 3 mm is placed on the cast steel main steel, And the change in melting and wetting angle of the copper alloy was observed and is shown in Fig. It can be confirmed that the molten copper alloy located on the graphite-removed cast iron main steel is spread more widely than when the graphite desorption treatment is not performed, which means that the wettability is improved by graphite desorption.

그리고 그라파이트 탈착된 주철 주강과 그라파이트 탈착되지 않은 주철 주강재 각각을 250~500℃범위의 온도로 예열된 주형 내 배치하고, 이후 주형 내로 1000~1300℃ 온도의 용융 동합금을 주입하고 소정시간 유지함으로써 코어재인 주철 주강재와 기지재인 동합금을 용융접합하는 실험을 진행하였다. 본 실험에서 비교예는 그라파이트 탈착처리를 하지 않고 통상의 방식에 따라 동합금 주입 후 상온에 이르도록 탈형하지 않은 상태로 공냉시킨 경우를 나타내며, 발명예는 그라파이트 탈착처리를 행하고 동합금을 용융접합한 제품을 700~900℃까지 1차 냉각하고, 이어 탈형한 후 700~900℃에서 일정 시간 유지하는 고온열처리를 행한 후, 200~250℃온도까지 염욕로에서 2차 소입 냉각하고, 소입냉각한 제품을 200~250℃ 온도범위의 염욕로에서 일정시간 유지하는 저온열처리를 행하고 상온으로 공냉한 경우를 나타낸다.
The graphite-desorbed cast iron and graphite-free cast iron main steels are each placed in a preheated mold at a temperature in the range of 250 to 500 ° C, and then a molten copper alloy at a temperature of 1000 to 1300 ° C is injected into the mold, Experiments were carried out to melt-bond the main alloy of cast iron and the base alloy. In this experiment, the comparative example shows a case where the copper alloy is air-cooled in a state where the copper alloy is not deformed so as to reach room temperature after the copper alloy is injected in a conventional manner without performing the graphite desorption treatment. The product was firstly cooled to 700 to 900 ° C., demolded and then subjected to a high-temperature heat treatment at a temperature of 700 to 900 ° C. for a predetermined time. Thereafter, the product was cooled to 200 to 250 ° C. by a secondary- And then subjected to a low-temperature heat treatment in which the substrate is kept in a salt bath at a temperature of ~ 250 ° C. for a certain period of time and then air-cooled at room temperature.

이와 같이 제조된 Fe-Cu 이종소재의 접합 계면의 미세조직을 관찰하여 도 6-7에 나타내었다. 그라파이트 탈착 처리를 행함이 없이 동합금을 용융접합한 도 6(a)의 비교예의 경우에는 미세조직 사진 상에서 접합 계면에 흑연립들이 관찰되고 뚜렷한 접합계면 라인이 관찰되었으나, 그라파이트를 탈착한 도 6(b)의 발명예의 경우에는 접합 계면에 흑연립이 존재하지 않고 또한 접합 계면 라인이 희미한 것으로 보아 용융접합이 보다 잘 이루어졌음을 짐작할 수 있다.The microstructure of the bonding interface of the thus prepared Fe-Cu heterogeneous material was observed and shown in Fig. 6-7. In the case of the comparative example of Fig. 6 (a) in which the copper alloy was melt-bonded without performing the graphite desorption treatment, black alliances were observed at the bonding interface in the microstructure photograph and a distinct bonding interface line was observed. However, It can be inferred that the fusion bonding is better performed because the black allium is not present at the bonding interface and the bonding interface line is blurred.

또한 도 7에 나타낸 그라파이트 탈착 후 동합금을 용융접합한 도 6의 발명예의 접합 계면의 고배율 미세조직 사진을 보면, 그라파이트가 탈착된 자리에 용융 동합금이 침투하여 응고된 것을 확인할 수 있다. 단면조직에서 플레이크(Flake)로 보이는 편상 흑연립은 3차원적으로는 서로 복잡하게 연결된 네트웍 구조로 이루어졌다는 것을 감안한다면, 그라파이트가 탈착된 빈 공간에 침투 응고한 동합금 역시 3차원 구조의 네트웍 구조를 이루고 있을 것임을 알 수 있다. 따라서 그라파이트 입자들을 탈착하고 용융접합하는 발명예의 경우, 계면 젖음성 향상에 의해 야금학적 결합반응을 촉진시키는 효과에 더불어 기계적 구조의 결속 효과가 더해져 계면 접합강도가 더욱 상승할 수 있음을 추론할 수 있다.
In the high magnification microstructure photograph of the bonded interface of the inventive example of Fig. 6 in which the copper alloy after the graphite desorption shown in Fig. 7 is melt-bonded, it can be confirmed that the molten copper alloy has penetrated into the place where the graphite is desorbed and solidified. Considering that three-dimensionally interconnected three-dimensionally interconnected network structures appear as flakes in the cross-section structure, the copper alloy, which solidifies into the vacant space where the graphite is desorbed, also has a three-dimensional network structure It can be seen that Therefore, it can be deduced that, in the case of the invention example in which the graphite particles are desorbed and melt-bonded, the interface bonding strength can be further increased by the binding effect of the mechanical structure in addition to the effect of promoting the metallurgical bonding reaction by the improvement of the interface wettability.

이와 같이 제조된 Fe-Cu 이종소재간 계면결합력을 정량적으로 측정하기 위하여 접합시험 편을 가공하여 접합강도를 측정하였다. 접합강도시험은 각 조건당 3개를 시험하여 평균값을 얻었으며, 이를 도 8에 나타내었다.
In order to quantitatively measure the interfacial bonding force between the prepared Fe-Cu heterogeneous materials, the bonding strength was measured by processing the bonding test piece. The bonding strength test was carried out with three pieces per each condition, and an average value was obtained, which is shown in FIG.

도 8에 나타난 바와 같이, 코어재인 주철 주강재의 표면에 부착된 그라파이트를 탈착 제거한 발명예의 경우 그라파이트 탈착 처리하지 않은 비교예의 경우에 비하여 계면 접합강도가 우수함을 알 수 있다.
As shown in FIG. 8, it can be seen that the inventive example in which the graphite adhered to the surface of the cast steel main material, which is the core material, is desorbed and removed is superior in the interface bonding strength as compared with the comparative example in which the graphite desorption treatment is not performed.

한편 도 9에는 제조된 Fe-Cu 이종소재의 철계 코어부의 기계적 특성을 평가하기 위해 경도를 측정하여 나타낸 것이다. 도 9에 나타난 바와 같이, 코어재인 주철 주강재의 표면에 부착된 그라파이트를 탈착 제거한 발명예의 경우 그라파이트 탈착 처리하지 않은 비교예의 경우에 비하여 철계 코어부의 경도가 높게 나타나고 있음을 알 수 있다. 발명예의 경우는 용융접합된 제품을 700~900℃에서 탈형하고 700~900℃ 온도범위에서 일정시간 유지하는 고온열처리로 인해 주철 주강 코어재 기지내 합금원소들의 고용을 극대화된 상태에서 소입 냉각되고 250~500℃ 온도범위에서 저온 열처리되는 동안 오스테나이트와 베이나이트의 혼합 미세조직이 얻어진 반면에, 통상의 방식대로 용융접합 후 탈형하지 않고 상온까지 연속적으로 공냉된 비교예의 경우에는 조대한 퍼얼라이트가 생성된 미세조직이 얻어짐에 따라 기계적 특성(경도)에 차이가 발생한 것이다. 더욱이 이종 재질 간 접합 계면이 주조결함 없이 건전한 금속결합이 이루어지는 경우, 계면열전달 특성이 향상되고 그에 따라 소입냉각 특성이 향상되는 등 기계적 특성 향상을 위한 열처리 특성도 개선되는 효과가 있다.
On the other hand, FIG. 9 shows the measured hardness for evaluating the mechanical properties of the iron-based core portion of the produced Fe-Cu heterogeneous material. As shown in FIG. 9, in the inventive example in which the graphite adhered to the surface of the cast iron main steel, which is the core material, was removed and removed, the hardness of the iron-based core portion is higher than that of the comparative example in which the graphite desorption treatment is not performed. In the case of the inventive example, the high-temperature heat treatment in which the melt-bonded product is demolded at 700 to 900 ° C and maintained at a temperature range of 700 to 900 ° C for a predetermined time allows the employment of alloying elements in the cast iron core base matrix to be quenched in a maximized state, A mixed microstructure of austenite and bainite was obtained during the low temperature heat treatment in the temperature range of ~ 500 ° C, whereas in the case of the comparative example in which the continuous microstructure was continuously cooled to room temperature without melting after the fusion bonding in the usual manner, coarse pearlite was produced (Hardness) as the obtained microstructure was obtained. In addition, when the bonded interface between the different materials has a sound metal bond without defects in the casting, the interfacial heat transfer characteristics are improved, and the heat treatment characteristics for improving the mechanical characteristics such as improvement of the quenching cooling property are also improved.

이상과 같이 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명한 실시예 외에도 본 발명의 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 형태로 구체화될 수 있다. 그러므로 본 실시예는 특정형태로 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
As described above, the preferred embodiments of the present invention have been described, and the present invention can be embodied in other forms without departing from the spirit or scope of the present invention. The present embodiments are therefore to be considered in all respects as illustrative and not restrictive, and the invention is not to be limited to the foregoing description, but may be modified within the scope and equivalence of the appended claims.

Claims (6)

코어재로서 주철 주강재를 마련하는 공정;
상기 주철 주강재의 표면에 부착된 그라파이트를 건식법 또는 습식법을 이용하여 탈착시키는 공정;
700~900℃의 온도범위로 예열되고 상기 그라파이트 탈착된 주철 주강재를 주형 내부에 배치한 후, 그 주형에 1000~1300℃의 온도범위를 갖는 용융 동합금을 주입함으로써 코어재인 주철 주강과 주조재인 동합금을 고온에서 용융접합시키는 공정;
상기 용융접합된 제품을 700~900℃에서 탈형하고, 이어, 700~900℃의 온도범위에서 일정시간 유지한 후 250~500℃의 온도 범위로 급냉하고 일정시간 유지시킨 후 냉각하는 공정;을 포함하는 Fe-Cu 이종금속의 제조방법.
Providing a cast iron main steel material as a core material;
A step of desorbing the graphite attached to the surface of the cast steel main body using a dry method or a wet method;
The graphite pre-casted pre-cast steel is pre-heated to a temperature range of 700 to 900 ° C and placed in the mold, and a molten copper alloy having a temperature range of 1000 to 1300 ° C is injected into the cast mold, At a high temperature;
The step of demolding the melt-bonded product at 700 to 900 ° C, followed by maintaining the product at a temperature range of 700 to 900 ° C for a predetermined time, followed by rapid cooling to a temperature range of 250 to 500 ° C, Of Fe-Cu dissimilar metals.
제 1항에 있어서,
상기 습식법은 전도성의 염욕중에서, 주철 주강재를 양극으로하여 전해탈지보다 높은 전류를 걸어줌으로써 주철 주강재 표면에 강한 산화반응을 유발시켜 그 표면에 존재하는 그라파이트를 탈착하여 제거하는 방법인 것을 특징으로 하는 Fe-Cu 이종금속의 제조방법.
The method according to claim 1,
The wet method is a method of causing a strong oxidation reaction on the surface of a cast steel main body by applying a current higher than electrolytic degreasing with a cast iron main material as an anode in a conductive salt bath to desorb and remove graphite present on the surface thereof Of Fe-Cu dissimilar metals.
제 1항에 있어서,
상기 건식법은 질소와 수소의 비가 혼합된 혼합가스를 만들어 온도가 일정하게 유지되는 수증기 중에 주입하여 포화수증기를 형성한 후, 이를 일정하게 온도가 유지되고 있는 반응로 중에 주입함으로써 수소와 수증기의 혼합가스가 주철 주강재 표면의 그라파이트와 화학반응되어 이산화탄소, 메탄가스 등 일종의 가스형태로 빠져나가게 하는 방법인 것을 특징으로 하는 Fe-Cu 이종금속의 제조방법.
The method according to claim 1,
In the dry method, a mixed gas in which the ratio of nitrogen and hydrogen is mixed is injected into water vapor which is maintained at a constant temperature to form saturated water vapor, and then injected into a reaction tube maintained at a constant temperature to produce a mixed gas of hydrogen and water vapor Is chemically reacted with the graphite on the surface of the cast steel main body so as to escape into a gas form such as carbon dioxide, methane gas or the like.
삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 용융접합하고 저온으로 냉각된 제품을 700~900℃ 온도범위로 승온시켜 고온열처리하고, 250~500℃ 온도범위로 급냉하여 저온열처리하는 공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 Fe-Cu 이종금속의 제조방법.
The method according to claim 1, further comprising a step of raising the temperature of the melt-bonded, low-temperature-cooled product to 700 to 900 ° C to perform a high-temperature heat treatment, rapidly cooling the product to a temperature range of 250 to 500 ° C, Of Fe-Cu dissimilar metals.
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