KR102120472B1

KR102120472B1 - 과공정 Al-Si합금과 인서트 주조를 이용한 변속기용 시프트 포크의 제조 방법

Info

Publication number: KR102120472B1
Application number: KR1020200000086A
Authority: KR
Inventors: 이희석
Original assignee: 이희석
Priority date: 2020-01-02
Filing date: 2020-01-02
Publication date: 2020-06-16

Abstract

이 발명은 과공정 Al-Si 합금과 인서트 주조를 이용한 변속기용 시프트 포크의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게 설명하자면, 물리적으로 한 개 이상의 홈을 생성시키고, 겉면을 공정 Al-Si 합금으로 용사 코팅한 인서트를 금형에 삽입하여 다이캐스팅함으로써, 인서트와 시프트 포크 사이의 계면 결합을 더욱 강하게 하고, 금형에 용탕을 주입하는 온도를 상승시켜, 실리콘을 최대 15.5중량%까지 고용함으로써, 기존의 시프트 포크보다 사용 수명이 상승된 시프트 포크의 제조 방법을 제공한다.

Description

과공정 Al-Si합금과 인서트 주조를 이용한 변속기용 시프트 포크의 제조 방법{Manufacturing method of a shift fork for a transmission using an hyper eutectic Al-Si alloy and insert casting}

이 발명은 과공정 Al-Si 합금과 인서트 주조를 이용한 변속기용 시프트 포크의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 클러치와 추진축 사이에는 자동차의 주행상태에 따라 엔진의 구동력을 적절히 변속시키는 변속기와 운전자의 조작에 의해 변속기를 조작할 수 있는 변속 조작장치가 구비 된다. 상기 변속 조작장치는 조작력을 변속기로 전달하는 셀렉트 케이블 및 시프트 케이블, 이들이 연결되는 컨트롤 샤프트 어셈블리와 컨트롤 샤프트 어셈블리의 조작에 따라 동기장치를 작동시켜 변속되는 시프트 포크 어셈블리 등으로 이루어진다.

이들 중 시프트 포크 어셈블리는 변속기 내부의 시프트 레일에 핀으로 고정되어 시프트 레일의 직선 운동에 의해 슬리브를 이동시키는 시프트 포크와 각 컨트롤 핑거에 의해 조작력을 전달받는 시프트 레일, 시프트 러그로 구성된다.

특히 시프트 포크는 차량의 연비 증가를 위한 업계의 흐름에 따라 경량 소재인 알루미늄 합금을 주로 이용하고 있으며, 시프트 포크가 의도치 않게 이동하여 변속기에 충격이 가해지는 일을 방지하기 위해 메인 레일에 생성된 돌기에 시프트 포크의 홈 부위를 통과하도록 설계되었으며, 이 홈 부위는 돌기 부분과의 마찰로 인하여 시프트 포크의 다른 부위보다 마모 및 파손이 쉽게 일어날 수 있으므로, 철강 재료로 생성된 인서트를 미리 시프트 포크 생성을 위한 금형 내에 삽입하여 홈 부위의 강성을 조절하였다. 그러나 이와 같이 다른 소재의 재료를 덧대어 제품을 생성할 경우 재료와 주조품 사이에 생성된 계면이 완벽하게 접착되지 않고 겉돌 수 있으며, 재료와 주조품 사이의 간극으로 인해 시프트포크의 파손이 일어날 수 있으므로 바람직하지 않다는 문제점이 존재한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 인서트 재질의 등급을 상향시키는 등의 방법을 적용하고는 있지만, 인서트에 적합한 재질을 적용하는 것에는 한계가 있으므로 이를 극복할 수 있는 물성 향상책이 필요한 실정이다.

또한 시프트 포크의 물성 향상을 위해 대표적으로 사용되는 합금원소 중 하나인 실리콘(Si)은 알루미늄 내에 작용되면 주조성을 좋게하고, 강도를 높이는 역할을 가진다. 그러나 알루미늄-실리콘 상태도에 따른 공정점(실리콘 함량 12.6%)이후에는 초정 실리콘의 석출로 인한 강도가 급감으로 합금의 물성이 오히려 저하될 수 있다는 문제점이 존재한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 업계에서는 알루미늄합금 용탕 내에 나트륨(Na), 스트론튬(Sr), 주석(Sn) 등의 원소를 미량 첨가하여 초정 실리콘(Si)을 개량처리하거나, 구리(Cu)-인(P)계 합금, 또는 인(P)을 첨가하여 초정 실리콘을 미세화처리하는 대안을 제시하고 있으나, 이과 같은 경우 처리제의 첨가로 인해 충격인성 및 절삭성이 저하될 수 있어 바람직하지 않다는 문제점이 존재하였다.

대한민국등록특허공보 등록번호 10-1628477

이에 이 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 물리적으로 한 개 이상의 홈을 생성시키고, 겉면을 공정 Al-Si 합금으로 용사 코팅한 인서트를 금형에 삽입하여 다이캐스팅함으로써, 인서트와 시프트 포크 사이의 계면 결합을 더욱 강하게 하고, 금형에 용탕을 주입하는 온도를 상승시켜, 실리콘을 최대 15.5중량%까지 고용함으로써, 기존의 시프트 포크보다 사용 수명이 상승된 시프트 포크의 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 수단으로 이 발명의 방법의 구성은, 인서트가 일체로 결합된 변속기용 시프트 포크에 있어서, 상기 인서트를 하부 금형에 삽입하고, 그 상부에 상부 금형을 설치하는 금형 결합 단계, 상기 결합된 금형에 상기 변속기용 시프트포크를 형성하기 위한 용탕을 주입하는 주조 단계, 상기 주조 단계에 생성된 주조품을 냉각하는 단계, 상기 냉각 단계를 마친 주조품의 표면을 정련하는 단계를 포함하여 이루어지되, 상기 인서트는, 표면 경화를 위하여 침탄 질화처리 되며, 상기 변속기용 시프트 포크에 삽입되는 부분에 계면 접합을 좋게 하기 위해 적어도 하나의 홈을 형성하여 이루어진다.

인서트가 일체 결합 된 변속기용 시프트 포크에 있어서, 상기 시프트 포크는, 상기 인서트를 하부 금형에 삽입하고, 상부 금형을 설치하는 금형 결합 단계, 상기 금형에 용탕을 주입하는 주조 단계, 상기 주조 단계에 생성된 주조품을 냉각하는 단계, 상기 냉각 단계를 마친 주조품의 표면을 정련하는 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 인서트는, 주조 후 침탄 질화처리하는 단계를 포함하고, 주조품과의 계면 접합을 위해 주조되는 부위에 적어도 하나의 홈을 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 인서트는, 주조품과의 계면 접합을 위해 공정 Al-Si 합금으로 부분 코팅되는 단계를 더 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 인서트의 코팅은, Al-Si 합금을 인서트에 용사코팅하는 방법으로 이루어진다.

또한, 상기 인서트의 코팅층은, 300~700㎛의 두께로 이루어진다.

삭제

또한, 상기 주조품과의 계면 접합을 위해 공정 Al-Si 합금으로 부분 코팅되는 단계 이전에, #200~#600의 연마 디스크로 인서트 표면을 연마하는 단계를 더 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 결합된 금형에 상기 변속기용 시프트포크를 형성하기 위한 용탕을 주입하는 주조 단계에서, 금형 주입 온도는 700~720℃로 이루어진다.

또한, 상기 용탕은, 알루미늄 잉곳(ingot) 74.2~82.4 중량%을 700~720℃로 용해하고 교반하는 단계, 상기 용해/교반된 알루미늄 용탕의 드로스를 제거하고, 구리(Cu) 4.0~5.0 중량%, 실리콘(Si) 13.5~15.5 중량%, 철(Fe) 0.01~1.3 중량%, 마그네슘(Mg) 0.01~0.5 중량%, 망간(Mn) 0.01~0.5 중량%, 아연(Zn) 0.01~1.0 중량%, 니켈(Ni) 0.01~0.5 중량%, 티타늄(Ti) 0.01~0.3 중량%, 크롬(Cr) 0.01~0.3 중량%, 주석(Sn) 0.01~0.3 중량%, 납(Pb) 0.01~0.3 중량%, 칼슘(Ca) 0.01~0.3 중량%의 합금원소를 장입하는 단계, 상기 합금 원소가 장입된 알루미늄 용탕을 2차 교반하며 용탕의 온도를 760~780℃로 상승시키는 단계, 상기 2차 교반된 알루미늄 용탕에 개질제로서 금속 나트륨(Na)을 0.01~0.02 중량%를 첨가하고 30~50분 교반하는 단계, 상기 개질제가 첨가된 알루미늄 용탕의 온도를 720~730℃로 하락하는 단계를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 시프트 포크의 표면을 정련하는 단계 이후에, 표면 경화를 위하여 Fe를 전기도금하는 단계를 더 포함하여 이루어진다.

인서트에 공정 Al-Si 합금을 용사코팅하여 인서트와 시프트포크 사이의 계면 결합을 더욱 강하게 하고, 실리콘을 최대 15.5중량%까지 고용함으로써, 기존의 시프트 포크보다 사용 수명이 상승된 시프트 포크의 제조 방법을 제공하는 효과가 있다.

도 1은 이 발명 실시예에 따른 시프트 포크의 주조 방법 흐름도이다.
도 2는 이 발명 실시예에 따른 용탕 제조 방법의 흐름도이다.
도 3은 알루미늄(Al)-실리콘(Si)상태도이다.
도 4는 이 발명 실시예에 따른 인서트와 결합된 시프트 포크 전체의 사시도이다.
도 5는 이 발명 실시예에 따른 인서트의 단면도이다.

이하, 이 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용, 효과에 대한 이점이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.

또한, 본원의 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어의 표현은, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위하여 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 정의된 것으로서, 통상적이거나 사전적인 의미로만 한정해서 해석되어서는 아니되며, 이 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1은 이 발명 실시예에 따른 시프트 포크의 주조 방법 흐름도이다.

도 1에 도시된 것과 같이 과공정 Al-Si 합금을 이용한 시프트 포크의 주조 방법은 인서트를 하부 금형에 삽입하고, 상부 금형을 설치하는 금형 결합 단계(S1), 상기 금형에 용탕을 주입하는 주조 단계(S2), 상기 주조 단계에 생성된 주조품을 냉각하는 단계(S3), 상기 냉각 단계를 마친 주조품의 표면을 정련하는 단계(S4)를 포함하여 이루어지며 특히, 인서트의 하부 금형 이전에 인서트는 침탄 질화처리로 표면 경화되는 것(S11)이 바람직하다.

이 때, 인서트 경화층의 깊이는 0.1~0.3㎜가 바람직하며, 상기한 경화층은 침탄 질화처리를 거쳐 생성되는 것이 바람직하다. 특히 경화층의 깊이가 0.1㎜ 미만일 경우에는 표면 경화의 효과가 없어 바람직하지 않으며, 0.3㎜를 초과하여 생성될 경우 비용 및 시간의 소모가 커 경제적으로 바람직하지 않다.

또한, 금형에 용탕을 주입하는 주조 단계(S2)에서는 과공정된 실리콘(Si)을 미세화하기 위하여 주입 온도는 700~720℃인 것이 바람직하다. 용탕 주입온도가 700℃ 미만일 경우, 실리콘이 충분히 미세화되지 않아 주조품의 강도가 하락할 수 있으며, 720℃를 초과할 경우 온도가 너무 높아 기공이 과하게 섞이므로 주조품의 불량률이 상승하여 바람직하지 않다.

도 2는 이 발명 실시예에 따른 용탕 제조 방법의 흐름도이다.

도 2에 도시된 것과 같이 과공정 Al-Si 합금의 용탕은, 알루미늄 잉곳(ingot) 74.2~82.4 중량%을 700~720℃로 용해하고 교반하는 단계(S211), 상기 용해/교반된 알루미늄 용탕의 드로스를 제거하고, 합금원소를 장입하는 단계(S212), 상기 합금 원소가 장입된 알루미늄 용탕을 2차 교반하며 용탕의 온도를 760~780℃로 상승시키는 단계(S213), 상기 2차 교반된 알루미늄 용탕에 개질제로서 금속 나트륨(Na)을 0.01~0.02 중량%를 첨가하고 30~50분 교반하는 단계(S214), 상기 개질제가 첨가된 알루미늄 용탕의 온도를 720~730℃로 하락하는 단계(S215)를 포함하여 이루어진다.

이 때, 알루미늄 잉곳이 용해되는 온도는 700~720℃가 바람직하며, 이 온도가 700℃ 미만일 경우 알루미늄이 충분히 용해되지 않을 수 있으며, 720℃를 초과할 경우 이어지는 교반과정에서 수소가 과잉 충진되어 올바른 알루미늄 용탕을 획득할 수 없게 되어 바람직하지 않다.

또한, 이 때 용해/교반된 알루미늄 용탕의 드로스를 제거하고 합금원소를 장입하는 단계(S212)에서 장입되는 합금원소는 구리(Cu) 4.0~5.0 중량%, 실리콘(Si) 13.5~15.5 중량%, 철(Fe) 0.01~1.3 중량%, 마그네슘(Mg) 0.01~0.5 중량%, 망간(Mn) 0.01~0.5 중량%, 아연(Zn) 0.01~1.0 중량%, 니켈(Ni) 0.01~0.5 중량%, 티타늄(Ti) 0.01~0.3 중량%, 크롬(Cr) 0.01~0.3 중량%, 주석(Sn) 0.01~0.3 중량%, 납(Pb) 0.01~0.3 중량%, 칼슘(Ca) 0.01~0.3 중량%인 것이 바람직하다.

특히 실리콘(Si)은 13.5~15.5 중량% 첨가되는 것이 바람직하며, 13.5 중량% 미만으로 함유될 경우 주조물의 강도가 낮아지는 문제가 발생하며, 15.5 중량%를 초과할 경우 초정 Si 석출로 인해 강도가 급격히 떨어질 수 있어 바람직하지 않다.

또한, 공정점을 초과하는 실리콘(Si)의 첨가의 영향으로 인한 초정 실리콘(Si)석출을 조정하기 위한 개질제로서 금속 나트륨(Na)을 0.01~0.02 중량%를 첨가하고 30~50분 교반하는 것(S214)이 바람직하다. 이 때 용탕의 온도는 760~780℃인 것이 바람직하며, 760℃ 미만일 때에는 금속 나트륨이 개질제로서의 영향력을 끼치지 못하며, 780℃를 초과할 경우 교반시 난류 발생으로 인하여 용탕에 악영향을 줄 수 있으므로 바람직하지 않다.

또한, 상기 개질제가 첨가된 알루미늄 용탕의 온도를 720~730℃로 하락하는 단계(S215)는 금형에 주입되는 용탕의 온도를 조절하기 위한 것으로, 720℃ 미만, 또는 730℃를 초과하는 온도로 하락될 경우, 목표하는 온도에서의 용탕 주입이 어렵게 되므로 바람직하지 않다.

도 3은 알루미늄(Al)-실리콘(Si)상태도이다.

도 3의 상태도에 따르면, 실리콘(Si)의 첨가량이 12.6%일 때 공점점(a)에 달하며, 이 때의 용융온도는 577℃로 다른 Al-Si 합금보다 낮음을 볼 수 있다. 또한 실리콘(Si)의 첨가량이 13.5~15.5일 때의 합금용융온도는 600~700℃사이인 것을 파악할 수 있으며, 상태도를 기반으로 하여 판단하였을 때, 주조품과 인서트의 결합을 위해 용사코팅되는 금속은 공정Al-Si합금이 바람직할 것으로 판단할 수 있었다.

도 4는 이 발명 실시예에 따른 인서트와 결합된 시프트 포크 전체의 사시도이다.

도 4에 도시된 것과 같이 변속기용 시프트 포크는 순철로 이루어진 인서트 부분(1)과 과공정 Al-Si 합금으로 이루어진 시프트 포크 부분(2)으로 이루어진다.

도 5는 이 발명 실시예에 따른 인서트의 단면도이다.

도 5에 도시된 것과 같이 인서트는 시프트 포크의 홈 영역(11)과 주조 영역(12)으로 나뉘며, 주조 영역(12)은 주조품 사이의 계면 접착을 위해 적어도 하나의 홈(121)과 용사코팅부(122)로 이루어진다.

이 때, 주조영역(12)에 형성된 인서트의 홈(121)은, 적어도 하나 형성되는 것이 바람직하며, 두 개 이상 형성될 경우, 기존에 형성된 홈과 겹치지 않도록 형성되어, 주조영역(12)이 지그재그 형태를 띠는 것이 바람직하나, 홈이 과하게 형성될 경우 홈의 형성으로 인해 인서트의 강도가 하락하여 주조품 내에서 파손을 일으킬 확률이 높아지므로, 3개를 초과하여 형성되는 것은 바람직하지 않다.

또한, 용사코팅부(122)는, 시프트 포크의 홈 영역(11)을 침범하지 않도록 제작되는 것이 바람직하며, 시프트 포크의 홈 영역(11)을 침범하여 제조될 경우 표면 정련 이후, 표면 경화를 위해 시행되는 Fe 전기도금에 영향을 줄 수 있어 바람직하지 않다.

또한, 용사코팅부(122) 코팅 전에, 용사코팅력을 상향시키기 위하여 연마 디스크로 인서트 표면을 연마한 후 시행되는 것이 바람직하며, 주조에 영향을 미치지 않도록 공정 Al-Si 합금으로 코팅되는 것이 바람직하다. 이 때 사용되는 연마디스크는 #200~#600의 크기인 것이 바람직하며, #200보다 작을 경우 연마디스크가 과하게 거칠어, 인서트 형태 자체에 변형을 줄 수 있으므로 바람직하지 않으며, #600보다 클 경우, 연마디스크가 과하게 세밀하여, 인서트 표면에 적절한 스크레치를 주지 못하여 용사코팅의 접착력을 상향시키지 못하므로 바람직하지 않다.

또한, 용사코팅부(122)는, 300~700㎛의 두께로 이루어지며, 두께가 300㎛미만일 경우에는 인서트와 주조품 사이의 접착제 역할을 하기에 부족하며, 700㎛를 초과할 경우에는 인서트의 품질에 영향을 줄 수 있으며, 또한 주조 시 해당 부위가 충분히 녹지 않아 접착성이 떨어질 수 있어 바람직하지 않다.

또한 인서트와 주조품과의 계면 접합을 위해 시프트 포크의 주조영역을 공정 Al-Si합금으로의 부분 코팅하는 단계는, 인서트 경화를 위해 침탄 질화처리하는 단계(S11) 다음에 실행되는 것이 바람직하며, 특히 용사코팅으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또 다른 코팅의 방법으로는 주조된 공정 Al-Si 합금에 침지시키는 방법이 있으나, 이미 침탄 질화처리로 경화층이 형성된 인서트에 상기한 방법으로 코팅층을 형성할 경우, 코팅층의 강도를 보장할 수 없으므로 바람직하지 않다.

1 : 인서트
2 : 시프트 포크
11 : 시프트 포크의 홈 영역
12 : 시프트 포크의 주조 영역
121 : 홈
122 : 용사코팅부

Claims

인서트가 일체로 결합된 변속기용 시프트 포크에 있어서,
상기 인서트를 하부 금형에 삽입하고, 그 상부에 상부 금형을 설치하는 금형 결합 단계;
상기 결합된 금형에 상기 변속기용 시프트포크를 형성하기 위한 용탕을 주입하는 주조 단계;
상기 주조 단계에 생성된 주조품을 냉각하는 단계;
상기 냉각 단계를 마친 주조품의 표면을 정련하는 단계;를 포함하여 이루어지되,
상기 인서트는, 표면 경화를 위하여 침탄 질화처리되고, 상기 변속기용 시프트 포크에 삽입되는 부분에 계면 접합을 좋게 하기 위해 적어도 하나의 홈이 형성되며, 주조품과의 계면 접합을 위해 공정 Al-Si 합금으로 부분 코팅하되, 상기 인서트의 코팅층의 두께는 300~700㎛로 이루어지는 과공정 Al-Si 합금과 인서트 주조를 이용한 변속기용 시프트 포크의 제조 방법.
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제 1항에 있어서,
상기 주조품과의 계면 접합을 위해 공정 Al-Si 합금으로 부분 코팅되는 단계 이전에,
#200~#600의 연마 디스크로 인서트 표면을 연마하는 단계;를 더 포함하여 이루어지는 과공정 Al-Si 합금과 인서트 주조를 이용한 변속기용 시프트 포크의 제조 방법.
제 1항에 있어서,
상기 결합된 금형에 상기 변속기용 시프트포크를 형성하기 위한 용탕을 주입하는 주조 단계에서,
금형 주입 온도는 700~720℃로 이루어지는 과공정 Al-Si 합금을 이용한 변속기용 시프트 포크의 제조 방법.
제 1항에 있어서,
상기 용탕은,
알루미늄 잉곳(ingot) 74.2~82.4 중량%을 700~720℃로 용해하고 교반하는 단계;
상기 용해/교반된 알루미늄 용탕의 드로스를 제거하고, 구리(Cu) 4.0~5.0 중량%, 실리콘(Si) 13.5~15.5 중량%, 철(Fe) 0.01~1.3 중량%, 마그네슘(Mg) 0.01~0.5 중량%, 망간(Mn) 0.01~0.5 중량%, 아연(Zn) 0.01~1.0 중량%, 니켈(Ni) 0.01~0.5 중량%, 티타늄(Ti) 0.01~0.3 중량%, 크롬(Cr) 0.01~0.3 중량%, 주석(Sn) 0.01~0.3 중량%, 납(Pb) 0.01~0.3 중량%, 칼슘(Ca) 0.01~0.3 중량%의 합금원소를 장입하는 단계;
상기 합금 원소가 장입된 알루미늄 용탕을 2차 교반하며 용탕의 온도를 760~780℃로 상승시키는 단계;
상기 2차 교반된 알루미늄 용탕에 개질제로서 금속 나트륨(Na)을 0.01~0.02 중량%를 첨가하고 30~50분 교반하는 단계;
상기 개질제가 첨가된 알루미늄 용탕의 온도를 720~730℃로 하락하는 단계;를 포함하여 이루어지는 과공정 Al-Si 합금과 인서트 주조를 이용한 변속기용 시프트 포크의 제조 방법.
제 1항에 있어서,
상기 시프트 포크의 표면을 정련하는 단계 이후에,
표면 경화를 위하여 Fe를 전기도금하는 단계;를 더 포함하여 이루어지는 과공정 Al-Si 합금을 이용한 변속기용 시프트 포크의 제조 방법.