KR102105458B1 - 베인 펌프용 로터 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 베인 펌프용 로터 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 측면에 의하면, 복수 개의 슬롯이 방사상으로 형성되며, 원판 형태를 갖는 베인 펌프용 로터로서, 중량비로 선철 : 20 ~ 70%, Cu : 0.2 ~ 0.5%, Fe 0.1 ~ 0.4%를 포함하고, 잔부는 스크랩(scrap) 및 폐강(廢鋼)으로 이루어지며, 오스테나이트 기기조직에 구상흑연이 석출된 구상흑연주철로 이루어지는 것을 특징으로 하는 베인 펌프용 로터가 제공된다.
Description
본 발명은 베인 펌프용 로터 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 자동차의 스티어링 펌프로 사용되는 베인 펌프의 로터 및 그 제조 방법에 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.
따라서, 상기 캠링은 높은 내마모성 및 내충격성을 갖고 있어야 한다. 이를 위해서, 종래에는 20CrMo 또는 Cr12MoV 등의 저합금강을 이용하여 침탄담금질 등의 열처리를 통해 제조하여 왔다. 이러한 제조방법은 처리가 복잡할 뿐만 아니라 바 형태의 연속주조물을 절단하여 가공하여야 하므로, 재료 소모량이 많고 가공시간도 길어지는 문제가 있었다.
특히, 침탄담금질처리는 원재료 소모량이 높고 담금질 후 부품의 치수변화가 커서 제조가 어려운 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 내마모성 및 내충격성이 우수하면서도 제조가 용이한 베인 펌프용 로터를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.
본 발명은 또한 상기와 같은 베인 펌프용 로터을 제조하는 방법을 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 삼고 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 복수 개의 슬롯이 방사상으로 형성되며, 원판 형태를 갖는 베인 펌프용 로터로서, 중량비로 선철 : 20 ~ 70%, Cu : 0.2 ~ 0.5%, Fe 0.1 ~ 0.4%를 포함하고, 잔부는 스크랩(scrap) 및 폐강(廢鋼)으로 이루어지며, 오스테나이트 기기조직에 구상흑연이 석출된 구상흑연주철로 이루어지는 것을 특징으로 하는 베인 펌프용 로터가 제공된다.
여기서, 스크랩이란 기계가공의 과정에서 생성되는 부스러기 등을 의미하는 것이며, 폐강이란 사용된 후 용도폐기된 강재 등을 의미한다. 본 발명의 상기 측면에서는 구상흑연주철을 이용하여 베인 펌프용 로터로서 충분한 강도 및 내마모성을 갖도록 하면서도, 재료로서 저렴하고 구하기 쉬운 스크랩 및 폐강을 이용함으로써 제조비용도 절감할 수 있도록 하고 있다.
여기서, 폐강의 중량비가 스크랩의 중량비와 같거나 적을 수 있고, 구체적으로 스크랩과 폐강의 중량비가 1:1 내지 5:1이 되도록 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 중량비로 선철 : 20 ~ 70%, Cu : 0.2 ~ 0.5%, Fe 0.1 ~ 0.4% 및 잔부가 스크랩 및 폐강으로 이루어지도록 원료를 배합하여 제련하는 단계; 저련된 용탕에 구상화제 및 접종제를 투입하는 단계; 용탕을 주형에 주입하는 주조 단계; 냉각된 로터 반제품을 소정 형상이 되도록 기계가공하는 단계; 기계가공된 로터 반제품을 등온담금질하는 단계; 및 담금질이 완료된 로터 반제품을 최종 형상으로 연마하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 베인 펌프용 로터의 제조방법이 제공된다.
여기서, 상기 주조 단계에서 용탕은 1500 ~ 1550℃의 온도에서 꺼내어질 수 있다.
또한, 상기 구상화제로서 희토류 실리콘철마그네슘 합금(FeSiMg6RE1)를 용탕 질량의 1.0 ~ 1.2% 투입할 수 있다.
한편, 상기 열처리 단계는 로터 반제품을 890~950℃까지 가열하고 60~90분간 유지하는 단계; 280 ~ 340℃의 온도를 갖는 액체에 투입하여 1 ~ 3 시간 동안 유지하는 단계; 및 대기 중에서 상온까지 냉각하는 단계;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 액체는 KNO3 및 NaNO3를 질량비로 1:1로 혼합하여 생성되는 질산염 용액을 이용할 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 측면들에 의하면, 구상흑연이 석출된 오스테나이트 조직을 갖는 구상흑연주철을 이용하게 된다. 오스테나이트 조직은 높은 내충격성 및 내마모성을 가지고 있을 뿐더러 가공 경화로 인해서 생산과정에서 표면경도가 더욱 향상되게 된다. 아울러, 구상흑연이 갖는 높은 윤활성능으로 인해서 내마모성을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 희토류나 고가의 재료를 사용하지 않고 스크랩 또는 폐강을 이용하고 있으므로 제조원가를 크게 낮출 수 있다.
도 1은 종래의 베인 펌프의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 로터의 일 실시예의 내부구조를 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 로터의 일 실시예의 내부구조를 나타낸 사진이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 베인 펌프의 실시예에 대해서 상세하게 설명하도록 한다. 여기서, 본 발명은 베인 펌프에 포함되는 로터의 형태에 관한 것이 아니라 그 재질과 관련된 것이므로 로터에 형태에 의해서는 제한되지 않는다. 이하의 설명에서는 상기 도 1에서 설명된 형태의 베인 펌프를 근거로 하여 설명하도록 한다.
일반적으로 주철은 경도가 높아 내마모성이 우수하고, 절삭성이 양호한 특성을 갖지만, 인장강도가 낮고 취성이 강해서 고압력 분위기에 노출되는 부재로서는 잘 사용되지 않았다. 특히, 상술한 베인 펌프용 로터의 경우 베인의 측면부와 밀착되어 슬라이드 되기 때문에 종래에 비해 보다 높은 내마모성이 요구된다. 본 발명에서는 주철이 갖는 단점을 극복하기 위해서, 구상흑연을 석출시킨 오스테나이트 조직을 갖는 구상흑연주철을 로터의 재질로서 활용하였다.
선철은 철광석으로부터 바로 제조된 철의 일종으로, C 2.2-7% (대개는2.5-4.5%) 이외에 유황(統黃), 인(樓) 등의 불순물도 함유한다. 선철은 깨지기 쉬운 특성을 가지기 때문에 압연이나 단조가 불가능하지만, 녹는 점이 낮아 주물의 원료로서 활용하기에 적합한 특성을 갖는다.
한편, 강재를 기계가공하는 과정에서 생성되는 부스러기 또는 조각을 의미하는 스크랩은 모재가 갖는 특성을 그대로 갖게 된다. 아울러, 건설현장이나 각종 구조물 등으로 활용되어 수명이 다한 폐강도 원래의 강재가 갖는 연성 및 인성을 가지고 있으므로, 주물 공정 중에 선철과 함께 혼합하여 사용하게 되면, 선철의 특성을 개선하는데 활용될 수 있다.
여기서, 구리를 0.2 ~ 0.5% 첨가하게 되는데, 구리는 흑연의 형상을 굵고 짧게 하고, D, E형 과냉 흑연을 감소시키고 A형 편상흑연을 촉진시키는 원소이다. 또한, 구리는 흑연의 형태 개선에 아주 좋은 역할을 하게 되며, 공석전환 과정에서 흑연화를 저해하고 주철의 칠드 경향을 경감한다. 아울러, 탄화물의 분포를 개선하고 퍼얼라이트를 형성하며, 조직을 세분화한다.
아울러, 퍼얼라이트 형성을 촉진하면서 퍼얼라이트 사이의 거리를 작게 하여 퍼얼라이트를 세분화시킨다. 또한, 용탕의 유동성을 높여서 주조성을 높이고 그로 인한 잔류응력을 낮아지게 하는 효과가 있다. 아울러, 구리는 조직을 치밀하게 하고 주철의 인장강도 및 경도 등을 다소 향상시키게 된다. 이를 위해서, 상기와 같은 함량으로 첨가한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 로터를 제조하기 위한 제조공정에 대해서 설명한다.
(1) 제련(smelting)
상술한 선철, 스크랩, 폐강, 구리 및 Fe 들을 적정 비율로 선택하여 원료를 조제하고, 이를 중주파 유도전기로(middle frequency induction furnace)에 넣고 원료가 모두 용해되도록 가열한 후 제련한다. 이때, 로에서 용탕을 꺼내는 온도는 대략 1500 ~ 1550℃이다.
(2) 구상화처리 및 접종(inoculation)
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 Mg：5.5-6.5%, Si：44-48%, Ca：0.5-2.5%, AL<1.5%, RE：0.8-1.5%, MgO<0.7%와 같은 성분을 갖는 것을 사용할 수 있는데, 예를 들어 FeSiMg6RE1을 상기 원액질량의 1.0~1.2%를 첨가한다.
한편, 접종은 흑연핵을 많이 발생시켜 흑연화를 촉진하고, 흑연의 분포를 균일화하여 강도를 증가시키는데 도움을 주며, 접종제로는 바륨실리콘철 합금(FeSi72Ba2)을 사용하고, 그 첨가량은 상기 용탕의 질량의 0.4 ~ 0.8%이다.
(3) 주조(casting)
상기 접종 단계에서 접종처리된 용탕을 원하는 형태의 캐비티를 갖도록 사전에 제작한 주형에 상기 용탕을 주입한다. 이때, 이때, 그린샌드주형(green sand mold)을 이용하여 주조를 진행하는데, 주입과정에서의 용탕 온도는 1380 ~ 1420℃로 제어된다. 상기 용탕을 주형에 주입하는 동시에 스트림 주입처리(stream inoculation)를 진행하는데, 주입제는 유황산소 주입제이고 그 첨가랑은 원액 질량의 0.05 ~ 0.2% 이다. 주형에 주입된 원액을 냉각하면 구상흑연과 페라이트 및 퍼얼라이트를 함유한 구상주철 로터를 얻게 된다.
(4) 기계가공(Machining)
상기 주조 단계에서 얻은 로터 반제품을 일차세정한 후, 표면에 부착된 샌드와 산화층을 제거한 후에 기계가공하여 의도한 형태를 갖도록 가공한다.
(5) 등온담금질처리
상기 열처리 과정은 기지조직을 오스테나이트화하기 위한 것으로서, 구체적으로는, 공기 온도를 제어할 수 있는 전기저항로를 이용하여 기계가동된 퍼얼라이트 기지조직을 갖는 로터 반제품을 890~950℃까지 가열한 상태에서 60 ~ 90분간 유지한 다음 신속하게 온도가 280 ~ 340℃인 질산염 용액에 넣어 1 ~ 3시간 유지한 후, 꺼내어 공기 중에서 상온까지 냉각시킨다. 이러한 열처리를 통해서, 오스테나이트 기지조직으로 변태되고 이로 인해 인성과 내충격성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.
여기서, 상기 질산염 용액은 KNO3와 NaNO3를 중량비로 1:1로 혼합한 것을 이용한다. 상기 질산염 용액은 담금질 매질로서 일반적인 담금질 오일과 비교하여 장점을 갖는다. 구체적으로 상기 장점들은 다음과 같다.
- 질산염 용액 담금질 과정 중 증기 막 단계가 없고 고온 구역 냉각 속도가 매우 빨라 두터운 부속품이 양호한 담금질 조직을 가질 수 있다.
- 질산염 용액은 저온구역 등온 시 냉각 속도가 0에 가까워 담금질 변형이 매우 작다.
- 질산염의 냉각 속도는 물 함량의 조절을 통해 조절할 수 있어(뜨거운 오일 냉각 속도와 오일 냉각 속도 4배 사이에 있음) 매우 편리하다.
- 부속품 표면은 응력 압박 상태를 나타내고, 부속품이 갈라지는 것을 감소하는 추세를 나타내며 부속품의 수명을 높인다.
- 담금질 후 부속품의 색깔은 균일한 금속 광택의 옅은 남색이고 세척 후 채널링(channeling) 또는 피닝(peening)할 필요가 없으며 부식 방지 성능이 높다.
(6) 정밀 연마 및 폴리싱(fine grinding and polishing)
상기 열처리하여 얻은 탄화물의 구상흑연주철의 로터가 정밀 연마 및 폴리싱 가공을 통해서 최종 형상 및 요구한 표면 품질을 갖도록 가공한다.
이하에서는, 본 발명의 베인펌프용 로터의 실시예들에 대해 설명한다.
실시예
1
중량비로 선철 40%, 스크랩 30%, 폐강 30%, Cu: 0.4% 및 Fe: 0.25%가 되도록 배합하여 모든 원료를 중주파감응전기화로에 넣어 구상흑연주철 원액으로 제련하며 로에서 꺼내는 온도는 1530℃이다.
제련되어 로에서 나온 구상흑연주철의 원액에 구상화처리와 접종처리를 진행하고, 구상화제로는 희토류 실리콘철마그네슘 합금(FeSiMg6RE1)을 원액질량의 1.0% 만큼 첨가하였고, 접종제는 바륨실리콘철 합금(FeSi72Ba2)을 원액질량의 0.5% 만큼 첨가하였다.
구상화처리 및 접종처리된 원액을 사전에 제작해 놓은 그린샌드주조형에 주입하는데 그 온도는 1390℃로 제어한 후 냉각하여 구상흑연과 페라이트 및 퍼얼라이트를 함유한 구상주철 로터를 얻는다.
그 후,구상주철 로터를 가공하여 필요한 로터 형상으로 만들고 연속 가열할 수 있는 로를 이용하여 구상주철 로터를 900℃까지 가열하고 60분간 유지한 후 신속히 온도가 300℃인 질산염 용액에 2시간 동안 투입한다. 그 후 꺼내어 공기 중에서 실온까지 냉각시켜 오스테나이트 구상흑연주철 로터를 얻는다.
마지막으로, 정밀연마와 폴리싱 처리를 진행하여 그 표면이 요구되는 표면조도가 되도록 최종 가공한다.
실시예
2
선철 50%, 스크랩 40%, 폐강 10% Cu: 0.3% 및 Fe: 0.35%가 되도록 배합하여 용융시킨 후, 1540℃에서 인출하고, FeSiMg6RE1를 원액질량의 1.1%, FeSi72Ba2를 원액질량의 0.6% 투입한다. 그 후, 그린샌드주형 1400℃의 온도로 주입한 후 냉각한다. 얻어진 로터 반제품을 기계가공한 후 등온담금질 처리를 수행한다. 이때, 로터 반제품을 920℃까지 가열하고 70분간 유지한 후 290℃의 질산염 용액에 2시간 동안 투입한다. 그 후, 공기중에서 실온까지 냉각킨 후 정밀연마 및 폴리싱 가공을 수행한다.
실시예
3
선철 60%, 스크랩 25%, 폐강 15%, Cu: 0.3% 및 Fe: 0.35%가 되도록 배합하여 용융시킨 후, 1550℃에서 인출하고, FeSiMg6RE1를 원액질량의 1.15%, FeSi72Ba2를 원액질량의 0.6% 투입한다. 그 후, 그린샌드주형 1410℃의 온도로 주입한 후 냉각한다. 얻어진 로터 반제품을 기계가공한 후 등온담금질 처리를 수행한다. 이때, 로터 반제품을 915℃까지 가열하고 70분간 유지한 후 290℃의 질산염 용액 2시간 동안 투입한다. 그 후, 공기중에서 실온까지 냉각킨 후 정밀연마 및 폴리싱 가공을 수행한다.
실시예4
:
선철 30%, 스크랩 30%, 폐강 40%, Cu: 0.2% 및 Fe: 0.15%가 되도록 배합하여 용융시킨 후, 1545℃에서 인출하고, FeSiMg6RE1를 원액질량의 1.2%, FeSi72Ba2를 원액질량의 0.7% 투입한다. 그 후, 그린샌드주형 1410℃의 온도로 주입한 후 냉각한다. 얻어진 로터 반제품을 기계가공한 후 등온담금질 처리를 수행한다. 이때, 로터 반제품을 905℃까지 가열하고 90분간 유지한 후 320℃의 질산염 용액 2시간 동안 투입한다. 그 후, 공기중에서 실온까지 냉각킨 후 정밀연마 및 폴리싱 가공을 수행한다.
도 2는 상기 실시예 1의 내부조직을 촬영한 사진으로서, 도 2를 참조하면 실시예 1이 오스테나이트 및 구상흑연으로 조성되어 있음을 확인할 수 있다.
Claims (8)
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- 중량비로 선철 : 20 ~ 70%, Cu : 0.2 ~ 0.5%, Fe 0.1 ~ 0.4% 및 잔부가 스크랩 및 폐강으로 이루어지도록 원료를 배합하여 제련하는 단계;
제련된 용탕에 구상화제 및 접종제를 투입하는 단계;
용탕을 주형에 주입하는 주조 단계;
냉각된 로터 반제품을 소정 형상이 되도록 기계가공하는 단계;
기계가공된 로터 반제품을 등온담금질하는 단계; 및
담금질이 완료된 로터 반제품을 최종 형상으로 연마하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 베인 펌프용 로터의 제조방법. - 제4항에 있어서,
상기 주조 단계에서 용탕은 1500 ~ 1550℃의 온도에서 꺼내어지는 것을 특징으로 하는 베인 펌프용 로터의 제조방법. - 제4항에 있어서,
상기 구상화제로서 희토류 실리콘철마그네슘 합금(FeSiMg6RE1)을 용탕 질량의 1.0 ~ 1.2% 투입하는 것을 특징으로 하는 베인 펌프용 로터의 제조방법. - 제4항에 있어서,
열처리 단계는
로터 반제품을 890~950℃까지 가열하고 60~90분간 유지하는 단계;
280 ~ 340℃의 온도를 갖는 액체에 투입하여 1 ~ 3 시간 동안 유지하는 단계; 및
대기 중에서 상온까지 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 베인 펌프용 로터의 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 액체는 KNO3 및 NaNO3를 질량비로 1:1로 혼합하여 생성되는 질산염 용액인 것을 특징으로 하는 베인 펌프용 로터의 제조방법.
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