KR102060468B1 - 베인 펌프 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 베인 펌프에 관한 것으로서, 본 발명의 일측면에 의하면, 외주면에 복수 개의 슬롯이 구비되는 로터; 상기 각각의 슬롯에 슬라이드 가능하게 삽입되는 베인; 및 내부에 상기 로터가 구비되고, 상기 베인의 단부와 접촉하는 내주면을 갖는 캠링;을 포함하는 베인 펌프로서, 상기 로터, 베인 및 캠링이 각각 구상흑연주철, 고속공구강 및 합금주철로 이루어지는 것을 특징으로 하는 베인 펌프가 제공된다.
Description
본 발명은 베인 펌프에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 자동차의 스티어링 펌프로 사용되는 베인 펌프에 관한 것이다.
자동차의 조향장치의 조향력을 배가시키기 위한 다양한 장치들이 활용되고 있는데, 유압식 조향장치의 경우 유압을 공급하기 위한 파워 스티어링 펌프를 사용하게 된다. 이러한 파워 스티어링 펌프로는 다양한 종류의 펌프가 활용될 수 있으나, 일반적으로는 효율이 높고, 부피 및 중량이 작을 뿐만 아니라, 진동이 작은 베인 펌프가 활용되고 있다.
도 1은 이러한 베인 펌프의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도로서, 상기 베인 펌프는 몸체부(1) 및 상기 몸체부(1)에 내장되는 펌프 카트리지(3)를 포함하고 있으며, 상기 펌프 카트리지(3)는 상기 몸체부(1) 내에서 회전가능하게 설치되는 로터(31)와 상기 로터(31)가 내장되는 캠링(30)을 포함한다. 아울러, 상기 로터(31)에는 복수 개의 슬롯이 형성되어 있고, 상기 슬롯의 내부에는 베인(32)이 상기 슬롯의 내부에서 슬라이드 가능하게 장착된다. 여기서, 상기 베인(32)은 도시되지 않은 스프링 등에 의해서 상기 캠링(30)의 내벽을 향하여 가압되면서, 베인(32)의 단부와 캠링(30)의 내벽면 사이에서의 누설을 방지하도록 구성된다.
상기 로터(31)는 엔진의 구동력에 의해 회전되는 회전축(50)에 결합되어 있어, 엔진의 구동과 함께 회전하게 된다. 로터(31)가 회전하면, 상기 베인(32)이 함께 회전하면서 베인과 캠링 그리고 로터의 외면으로 정의되는 공간 내의 유체를 압송시키게 된다.
이러한 구조를 갖는 베인 펌프에서 상기 베인의 단부 및 캠링 사이에서는 지속적으로 마찰이 생기고 그에 따라 베인 또는 캠링이 마모되게 된다. 또한, 상기 로터의 슬롯 내벽면과 상기 베인 사이에서도 동일하게 마모가 생기게 된다. 따라서, 베인 펌프가 장기간 동안 신뢰성있게 동작하도록 하기 위해서는 이러한 마모로 인한 손상을 최소화할 필요가 있다.
종래에는 자동차의 조향장치로 사용되는 베인 펌프는 일반적으로 저합금강을 이용하여 캠링을 제조하였고, 베인은 고합금강을 이용하였다. 또한, 상기 로터의 경우 침탄 담금질 기어강을 이용하였다. 그러나, 상기 캠링 및 로터는 가공성이 낮아 열처리 시간이 오래 걸려 제조원가가 높은 문제가 있을뿐더러, 상기 베인과의 마찰계수가 커서 마모로 인한 손상이 낮은 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 장기간 사용하더라도 마찰로 인한 손상을 최소화할 수 있는 베인 펌프를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 외주면에 복수 개의 슬롯이 구비되는 로터; 상기 각각의 슬롯에 슬라이드 가능하게 삽입되는 베인; 및 내부에 상기 로터가 구비되고, 상기 베인의 단부와 접촉하는 내주면을 갖는 캠링;을 포함하는 베인 펌프로서, 상기 로터, 베인 및 캠링이 각각 구상흑연주철, 고속공구강 및 합금주철로 이루어지는 것을 특징으로 하는 베인 펌프가 제공된다.
여기서, 상기 로터는 중량비로, C: 3.5~3.9%, Si: 2.2~3.0%, Mn: 0.1~0.5%, S≤0.02%, P≤0.04%, Cu: 0.1~0.5%, Mo: 0.1~0.3%, Mg: 0.02~0.05% 및 Re: 0.01~0.04%를 포함하고 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물인 오스테나이트 구조의 구상흑연주철일 수 있다.
또한, 상기 로터는 평방 밀리미터당 구상흑연의 수가 200개 이상이고, 탄화물이 5% 이하가 되도록 할 수 있다.
아울러, 상기 로터는 등온담금질 처리될 수 있다.
또한, 상기 로터는 등온담금질 처리 전의 인장강도가 1200MPa 이상이고, 등온담금질 처리 후의 HRC 경도가 50 이상이 되도록 할 수 있다.
한편, 상기 등온담금질 처리는 880 ~ 950℃로 가열한 후 30 ~ 90분간 유지하는 단계; 200 ~ 260℃의 담금질 용액 내에서 투입한 후 1 ~ 3 시간 동안 유지하는 단계; 및 대기 중에서 상온까지 냉각하는 단계;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 담금질 용액은 KNO3 및 NaNO3가 질량비로 1:1로 혼합된 질산염 용액을 사용할 수 있다.
한편, 상기 캠링은 중량비로, C: 3.0~3.5%, Si: 2.0~2.5%, Mn: 0.5~1.0%, Cr: 0.05~1.0%, Cu: 0.2~0.5%, P: 0.1~0.3%, B: 0.02~0.06%, S: 0.06~0.1% 및 Ti<0.4%를 포함하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물이도록 할 수 있다.
여기서, 상기 캠링은 등온담금질 처리를 거치며, 합금 탄화물 함량이 4 ~ 10%인 템퍼드 마르텐사이트 조직으로 이루어지도록 할 수 있다.
여기서, 상기 등온담금질 처리는 860 ~ 950℃에서 1 ~ 2 시간 유지하는 단계; 40 ~ 60℃의 온도의 담금질 오일에 투입하는 단계; 및 대기중에서 상온까지 냉각하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 캠링은 등온담금질 처리 전의 인장강도가 300MPa 이상이고, 등온담금질 처리 후의 HRC 경도가 50 이상이 되도록 할 수 있다.
한편, 상기 베인은 중량비로 C: 0.8~0.9%, Si: 0.2~0.45%, Mn: 0.15~0.4%, S≤0.03%, P≤0.03%, Cr: 3.8~4.4%, Mo: 4.5~5.5%, V: 1.75~2.2% 및 W: 5.5~6.75%를 포함하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지도록 할 수 있다.
여기서, 상기 베인은 등온담금질 처리를 거치며, 템퍼드 마르텐사이트 조직으로 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 상기 등온담금질 처리는 1170 ~ 1210℃에서 0.5 ~ 1 시간 유지하는 단계; 액체 질소를 이용하여 냉각하는 단계; 대기중에서 상온까지 냉각하는 단계; 및 550 ~ 570℃ 까지 가열한 후 2 ~ 3시간 유지하는 단계;를 포함하도록 할 수 있다.
여기서, 상기 베인은 등온담금질 처리 후 HRC 경도가 61 이상이 되도록 할 수 있다.
본 발명의 상기와 같은 측면들에 의하면, 캠링 및 로터의 재질을 개선하고, 이들과 각각 접촉하게 되는 베인의 재칠을 최적화함으로써, 베인 펌프의 가동중에 생길 수 있는 마찰로 인한 마모를 최소화할 수 있게 된다.
구체적으로, P, B, Cr, Cu 원소를 함유한 합금주철 캠링은 집중적으로 벨트형 탄화물입자를 균일하게 분포하여 재료의 접착마손이 커지는 것을 제한하고 미세한 변형을 감소시킨다. 아울러, 편상흑연의 자체적으로도 높은 윤활 특성을 지니고 있을 뿐만 아니라, 편상흑연 조직에 형성되는 미세한 기공들은 윤활유가 저장될 수 있는 공간을 제공하므로 캠링의 내마모성능을 높이게 된다.
또한, 구상흑연주철 재질로 이루어지는 로터는 높은 내마모성과 열안정성을 가지고 있으며, 이러한 특성은 등온담금질을 통해 얻어질 수 있는 오스테나이트 조직과 함께 더욱 배가될 수 있다. 또한, 작동 중에 충격이 가해지는 경우에도 표면에 잔류하는 오스테나이트가 가해진 충격에 의해 가공경화되어 마르텐사이트로 전환하게 되는데, 이로 인해서 표면경도가 더욱 높아지고, 내마모성도 높아지게 된다. 또한, 구상흑연주철이 갖는 자체 윤활특성 및 표면에 형성되는 미세한 기공들도 내마모성능을 높이게 된다.
한편, 캠링과 로터와 각각 접촉하게 되는 베인은 캠링과 로터와의 조직구조 차이가 크고 마찰계수가 작기 때문에 접착 마모손상을 감소하는데 유리하다. 또한, 베인에 균일하게 분포된 탄화물 입자는 재료 조직을 보호하고 베인의 사용수명을 늘여 베인 펌프의 신뢰성을 크게 높일 수 있다.
아울러, 구상흑연주철 및 합금주철은 강철 주조물에 비해서 생산시에 필요한 에너지 소모가 작아 생산원가를 경감하는데에도 유리하다.
도 1은 종래의 일반적인 베인 펌프의 내부 구조를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 베인 펌프의 일 실시예에 구비되는 로터의 조직사진이다.
도 3은 상기 로터의 구상흑연 분포를 나타낸 조직사진이다.
도 4는 상기 실시예에 구비되는 캠링의 합금 탄화물 분포를 나타낸 조직사진이다.
도 5는 상기 실시예에 구비되는 베인의 조직사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 베인 펌프의 일 실시예에 구비되는 로터의 조직사진이다.
도 3은 상기 로터의 구상흑연 분포를 나타낸 조직사진이다.
도 4는 상기 실시예에 구비되는 캠링의 합금 탄화물 분포를 나타낸 조직사진이다.
도 5는 상기 실시예에 구비되는 베인의 조직사진이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 베인 펌프의 실시예에 대해서 상세하게 설명하도록 한다. 여기서, 본 발명은 베인 펌프를 구성하는 구성요소의 형태에 관한 것이 아니라 로터, 베인 및 캠링의 재질과 관련된 것이므로, 로터, 베인 및 캠링을 구비한 임의의 형태의 베인 펌프에 적용될 수 있다. 이하의 설명에서는 상기 도 1에서 설명된 형태의 베인 펌프를 근거로 하여 설명하도록 한다.
우선, 상기 실시예에서의 로터의 제조과정에 대해서 설명한다.
(1) 제련
상기 로터는 중량비로 C: 3.5~3.9%, Si: 2.2~3.0%, Mn: 0.1~0.5%, S≤0.02%, P≤0.04%, Cu: 0.1~0.5%, Mo: 0.1~0.3%, Mg: 0.02~0.05% 및 Re: 0.01~0.04%를 포함하도록 적정 비율로 원소들을 혼합한 후, 이를 전기로 등을 이용하여 가열한 후 제련한다.
(2) 구상화처리 및 접종
상기 제련 단계에서 제련된 용탕에 흑연의 구상화를 위한 구상화제 및 접종제를 접종한다. 이때, 구상화제로는 흑연의 구상화를 촉진시키는 것으로 알려진 원소인 Mg, Ca 및 희토류(RE)를 포함한 것을 이용할 수 있고, 구체적으로는 희토Si, Fe 및 Mg 합금을 포함하는 FeSiMgRE1을 사용하였고, 그 첨가량은 용탕 대비 중량비로 1.0 ~ 1.2%로 한다.
(3) 주조
접종처리가 완료되는 주형에 상기 용탕을 주입하여 의도한 형태를 갖도록 로터를 제조한다.
(4) 연마
주조가 완료된 반제품 형태의 로터를 연마하여 소정 치수를 갖도록 연마한다.
(5) 열처리
상기 열처리는 소위 등온담금질로 알려진 것으로서, 로터를 880~950℃까지 가열하고 30~90분간 온도를 유지한 후 온도가 200~260℃인 질산염 용액에 투입하여 1 ~ 3시간 유지한다. 이때, 상기 질산염 용액은 KNO3 및 NaNO3 가 중량비로 1:1이 되도록 투입된 것을 이용한다.
그 후, 대기 중에서 상온까지 냉각하여 완성한다.
도 2를 살펴보면, 상기와 같은 과정을 통해서 제조된 베인은 오스테나이트화 한 것을 알 수 있고, 도 3을 참조하면, 구상흑연이 고르게 분포된 것을 알 수 있다. 여기서, 상기 구상흑연의 수는 평방밀리리터 당 200개 이상이며, 탄화물은 5% 이하인 것을 알 수 있다.
상기 베인은 측정결과 인장강도는 1200MPa이상이고, HRC 경도가 50 이상인 것을 확인하였다.
한편, 상기 캠링은 중량비로 C: 3.0~3.5%, Si: 2.0~2.5%, Mn: 0.5~1.0%, Cr: 0.05~1.0%, Cu: 0.2~0.5%, P: 0.1~0.3%, B: 0.02~0.06%, S: 0.06~0.1% 및 Ti<0.4%를 포함한 후 주조법에 의해 제조된다.
또한, 상기 캠링 역시 열처리를 거치게 되는데, 주조 및 연마가 완료된 캠링을 860~950℃까지 가열하고 1~2시간 유지한다, 그 후, 40~60℃ 온도의 담금질오일에 넣어 담금질 한 후 꺼내어 대기 중에서 상온까지 냉각시킨다.
상기 캠링은 주조상태에서의 인장강도는 300MPa이상이고, 열처리 후에는 HRC 경도로 50 이상의 값을 갖고 있음을 알 수 있었다. 아울러, 열처리 이전의 흑연은 편상A형 구조가 75% 이상인 동시에 GB/T7216 표준에 의거한 흑연의 길이가 5-7급의 범위에 포함되는 구조를 갖는다. 아울러, 상기와 같은 열처리 후 재질 조직은 탬퍼드 마르텐사이트를 기저조직으로 하고, 합금 탄화물이 4~10% 정도로 분포되어 있음을 알 수 있다(도 4 참조). 또한, 상기 캠링에는 미량의 오스테나이트 조직이 포함되어 있을 수 있다.
한편, 상기 베인은 중량비로 C: 0.8~0.9%, Si: 0.2~0.45%, Mn: 0.15~0.4%, S≤0.03%, P≤0.03%, Cr: 3.8~4.4%, Mo: 4.5~5.5%, V: 1.75~2.2% 및 W: 5.5~6.75%가 되도록 적정량을 혼합하여 용탕을 제조한 후 주조 및 연마하여 소정의 치수 및 형상을 갖도록 제조한다. 그 후 진공 분위기에서 1170 ~ 1210℃ 까지 가열하여 0.5 ~ 1시간 유지한 후 액체 질소를 사용하여 급냉하여 대기 중에서 상온까지 냉각시킨다.
그 후, 다시 550~570℃까지 가열하여 2~3시간 유지하는 과정을 3차례 반복한다. 이러한, 열처리 후의 경도는 HRC 61 이상이고, 도 5에 도시된 바와 같이 열처리 후 금속 조직은 탬퍼드 마르텐사이트임을 알 수 있다.
Claims (15)
- 외주면에 복수 개의 슬롯이 구비되는 로터;
상기 각각의 슬롯에 슬라이드 가능하게 삽입되는 베인; 및
내부에 상기 로터가 구비되고, 상기 베인의 단부와 접촉하는 내주면을 갖는 캠링;을 포함하는 베인 펌프로서,
상기 로터는 중량비로, C: 3.5~3.9%, Si: 2.2~3.0%, Mn: 0.1~0.5%, S≤0.02%, P≤0.04%, Cu: 0.1~0.5%, Mo: 0.1~0.3%, Mg: 0.02~0.05% 및 Re: 0.01~0.04%를 포함하고 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물인 오스테나이트 구조의 구상흑연주철이고,
상기 캠링은 중량비로, C: 3.0~3.5%, Si: 2.0~2.5%, Mn: 0.5~1.0%, Cr: 0.05~1.0%, Cu: 0.2~0.5%, P: 0.1~0.3%, B: 0.02~0.06%, S: 0.06~0.1% 및 Ti<0.4%를 포함하고, 그리고
상기 베인은 중량비로 C: 0.8~0.9%, Si: 0.2~0.45%, Mn: 0.15~0.4%, S≤0.03%, P≤0.03%, Cr: 3.8~4.4%, Mo: 4.5~5.5%, V: 1.75~2.2% 및 W: 5.5~6.75%를 포함하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 베인 펌프. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 로터는 평방 밀리미터당 구상흑연의 수가 200개 이상이고, 탄화물이 5% 이하인 것을 특징으로 하는 베인 펌프. - 제1항에 있어서,
상기 로터는 등온담금질 처리되는 것을 특징으로 하는 베인 펌프. - 제4항에 있어서,
상기 로터는 등온담금질 처리 전의 인장강도가 1200MPa 이상이고, 등온담금질 처리 후의 HRC 경도가 50 이상인 것을 특징으로 하는 베인 펌프. - 제5항에 있어서,
상기 등온담금질 처리는
880 ~ 950℃로 가열한 후 30 ~ 90분간 유지하는 단계;
200 ~ 260℃의 담금질 용액 내에서 투입한 후 1 ~ 3 시간 동안 유지하는 단계; 및
대기 중에서 상온까지 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 베인 펌프. - 제6항에 있어서,
상기 담금질 용액은 KNO3 및 NaNO3가 질량비로 1:1로 혼합된 질산염 용액인 것을 특징으로 하는 베인 펌프. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 캠링은 등온담금질 처리를 거치며, 합금 탄화물 함량이 4 ~ 10%인 템퍼드 마르텐사이트 조직으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 베인 펌프. - 제9항에 있어서,
상기 등온담금질 처리는
860 ~ 950℃에서 1 ~ 2 시간 유지하는 단계;
40 ~ 60℃의 온도의 담금질 오일에 투입하는 단계; 및
대기중에서 상온까지 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 베인 펌프. - 제9항에 있어서,
상기 캠링은 등온담금질 처리 전의 인장강도가 300MPa 이상이고, 등온담금질 처리 후의 HRC 경도가 50 이상인 것을 특징으로 하는 베인 펌프. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 베인은 등온담금질 처리를 거치며, 템퍼드 마르텐사이트 조직으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 베인 펌프. - 제13항에 있어서,
상기 등온담금질 처리는
1170 ~ 1210℃에서 0.5 ~ 1 시간 유지하는 단계;
액체 질소를 이용하여 냉각하는 단계;
대기중에서 상온까지 냉각하는 단계; 및
550 ~ 570℃ 까지 가열한 후 2 ~ 3시간 유지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 베인 펌프. - 제13항에 있어서,
상기 베인은 등온담금질 처리 후 HRC 경도가 61 이상인 것을 특징으로 하는 베인 펌프.
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