KR102221030B1 - Cast iron inserts for cast-bonding process and manufacturing method of ferrous/non-ferrous dissimilar metal members using the same - Google Patents
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Abstract
용융 접합용 주철재 인서트 및 이를 이용한 주철-비철 이종금속 부재의 제조방법이 제공된다.
본 발명은, 비철 금속과 용융접합을 위해 이용되는 주철재 인서트에 있어서, 상기 비철 금속과 용융접합되는 주철재의 표면은 편상흑연 조직이고, 그 표면부의 흑연립은 탈착되어 있으며, 그리고 상기 흑연립이 탈착된 주철재 인서트 표면에 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 비철 금속과 용융접합용 주철재 인서트에 관한 것이다.
A cast iron insert for melt bonding and a method of manufacturing a cast iron-nonferrous dissimilar metal member using the same are provided.
In the present invention, in a cast iron insert used for melt bonding with a non-ferrous metal, the surface of the cast iron material to be melt-bonded with the non-ferrous metal has a flake graphite structure, and the graphite grains in the surface portion are desorbed, and the graphite grains It relates to a cast iron insert for hot-dip bonding with a non-ferrous metal, characterized in that a plated layer of zinc, tin or these alloys is formed on the surface of the detached cast iron insert.
Description
본 발명은 용융 접합용 주철재 인서트 및 이를 이용한 주철-비철 이종금속 부재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 주철재와 비철재의 용융접합 전에 주철재 표면의 흑연립을 탈착하고, 이어 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금을 실시한 후, 용융접합시킴으로써 접합강도를 제공할 수 있는 용융 접합용 주철재 인서트 및 이를 이용한 주철-비철 이종금속 부재의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a cast iron insert for melt bonding and a method for manufacturing a cast iron-nonferrous dissimilar metal member using the same, and more particularly, to desorb graphite grains on the surface of the cast iron material before fusion bonding the cast iron material and the nonferrous material, and then It relates to a cast iron insert for hot-dip bonding capable of providing bonding strength by hot-dip bonding after plating of zinc, tin or these alloys, and a method of manufacturing a cast iron-nonferrous dissimilar metal member using the same.
철계 소재는 우수한 기계적 성질을 지니고 있어 자동차, 중장비 등 수송기기 분야의 부품소재로 가장 광범위하게 사용되고 있는 재료이나, 최근 부품 경량화나 성능 및 신뢰성 향상 등에 대한 니즈를 동시에 만족시키기 위해 단일 부품에 주철 등 철계 소재와 알루미늄, 동합금 등 비철계 소재를 함께 적용하는 철-비철 이종금속 부품의 수요가 급증하고 있다. Iron-based materials have excellent mechanical properties, so they are the most widely used material for parts in the field of transportation equipment such as automobiles and heavy equipment.However, iron-based materials such as cast iron are used in a single part in order to simultaneously satisfy the needs for lightweight parts and improved performance and reliability. The demand for ferrous-nonferrous dissimilar metal parts that apply materials and non-ferrous materials such as aluminum and copper alloys is rapidly increasing.
철-비철 이종금속 부품 제조기술 중 철계 소재를 인서트재로 하여 금형 내부에 거치하고 비철계 용탕을 주입하여 접합과 동시에 부품을 제조하는 용융접합 공정은 강제압입법, 확산접합법, 마찰접합법, 용접 등 다른 이종금속 부품 접합 공정에 비교하여 복잡한 형상의 부품을 최종형상으로 직접 제조할 수 있으며 공정이 비교적 단순하고 제조원가가 저렴하다는 장점이 있다. Among the manufacturing technologies for ferrous-nonferrous dissimilar metal parts, the fusion bonding process of manufacturing parts at the same time by using ferrous materials as inserts and placing them inside the mold and injecting non-ferrous molten metal to manufacture parts at the same time include forced press-fitting, diffusion bonding, friction bonding, welding, etc. Compared to other dissimilar metal component joining processes, it has the advantage of being able to directly manufacture a component of a complex shape into a final shape, and that the process is relatively simple and the manufacturing cost is low.
하지만 용융접합 부품의 철계 코어재료로 이용되는 소재 중 주조재로서 복잡형상 주조 정형부품과의 연계성이 뛰어난 주철재는 대표적인 비철계 소재인 알루미늄 및 동 합금과 난(難)접합 특성을 보이기 때문에 이종금속 부품으로의 활용에 최대 걸림돌로 작용하고 있다. 주철-비철(알루미늄, 동 합금) 난접합 특성의 원인으로는 주철재 표면 흑연립들로 인한 알루미늄 및 동 합금 용탕과의 낮은 젖음성과 접합반응성, 접합부에 생성되는 고취성 반응 생성물과 좁은 접합반응 프로세스 윈도우, 접합계면에 생성되는 결함 등이 있다. However, among the materials used as iron-based core materials for fusion-bonded parts, cast irons with excellent linkage with complex-shaped cast-formed parts as cast materials show poor bonding characteristics with aluminum and copper alloys, which are representative non-ferrous materials. It is acting as the biggest obstacle to its use as a component. The causes of cast iron-nonferrous (aluminum, copper alloy) hard-to-join properties include low wettability and bonding reactivity with molten aluminum and copper alloys due to graphite grains on the surface of cast iron, high brittle reaction products and narrow bonding reaction processes generated in the joints. There are defects generated in windows and junction interfaces.
지금까지 상기의 난접합 특성을 보이는 주철-비철의 이종금속 부품을 주조공정에 의해 생산하기 위해 주로 이용되는 방식은, 주철재 인서트(insert) 표면에 형성된 마크로 스케일의 패턴에 알루미늄 및 동 합금 용탕이 들어가 응고하면서 형성되는 기계적 체결 방식이다. 이를 위해서는 기계가공하여 표면에 그루브를 형성시킨 주철재 인서트나 돌기형 표면을 갖도록 주조하여 제조한 주철재 인서트가 사용되고 있다. 하지만 이러한 종래의 방식으로 제조되는 주철-비철 이종금속 부품은 이종재질간 야금학적 결합(금속결합)이 일어나지 않기 때문에 계면결합력이 낮고 계면 열전달이 감소하여 품질에 문제를 발생시키게 된다. Until now, the method mainly used to produce cast iron-non-ferrous dissimilar metal parts exhibiting the above-described difficult-to-join characteristics by the casting process is to use molten aluminum and copper alloys in the macroscale pattern formed on the surface of the cast iron insert. It is a mechanical fastening method that is formed while solidifying. For this purpose, a cast iron insert in which a groove is formed on the surface by machining or a cast iron insert manufactured by casting to have a protruding surface is used. However, in the cast iron-nonferrous dissimilar metal parts manufactured in such a conventional manner, since metallurgical bonding (metal bonding) between dissimilar materials does not occur, interfacial bonding strength is low and interfacial heat transfer is reduced, resulting in quality problems.
도 1은 이러한 종래기술에서의 주철-비철재를 용융접합 하는 경우, 그 용융접합 전후의 주철-비철재 응고 계면 상태를 보이는 개략도이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 용융접합시 주철-비철재의 응고 계면을 따라 다수의 갭이 형성됨을 알 수 있어 접합반응이 용이하지 않아 소망하는 접합강도를 얻을 수 없음을 알 수 있다. 1 is a schematic diagram showing a state of a cast iron-non-ferrous material solidification interface before and after the melt bonding when the cast iron-non-ferrous material is melt-bonded in the prior art. As shown in FIG. 1, it can be seen that a plurality of gaps are formed along the solidification interface of cast iron-non-ferrous materials during fusion bonding, so that the bonding reaction is not easy, so that the desired bonding strength cannot be obtained.
주철-비철 이종금속 부품의 대표적 일례로서 자동차 엔진 실린더 블록의 경우를 살펴본다. 자동차 엔진 실린더 블록은 연료 혼합가스의 연소 팽창에 따른 고온과 고압에 견딜 수 있도록 보통 주철재질로 생산된다. 최근에는 연비 향상을 위해 실린더 블록 생산에 주철 대신 경량재질인 알루미늄 합금 사용이 증가하고 있다. 알루미늄 실린더 블록은 몸체는 알루미늄 소재를 이용하고 연료 연소 폭발에 노출되면서 피스톤과 접촉하는 실린더 블록 내부면에는 주철재 라이너를 삽입한 제품이 주로 생산되고 있다. 주철 라이너 삽입형 알루미늄 실린더블록은 거친 외주면을 갖는 주철재 주방형 라이너를 금형에 장착 후 고압주조하여 제조하거나 주철재 가공형 라이너를 압입하여 생산한다. 하지만 알루미늄 블록 바디와 주철 라이너 사이에 야금학적결합(금속결합)이 일어나지 않고 기계적 결속만 형성되기 때문에 열전달이 감소하게 되어 냉각성능 저하, 열변형, 내구성 저하 등의 문제점을 야기하고 있다. As a representative example of cast iron-non-ferrous dissimilar metal parts, consider the case of an automobile engine cylinder block. Automobile engine cylinder blocks are usually made of cast iron to withstand high temperatures and high pressures caused by combustion and expansion of fuel mixtures. In recent years, in order to improve fuel economy, the use of lightweight aluminum alloys instead of cast iron is increasing in the production of cylinder blocks. Aluminum cylinder blocks are mainly manufactured using aluminum material for their body and inserting a cast iron liner on the inner surface of the cylinder block in contact with the piston when exposed to fuel combustion explosion. The cast iron liner insert type aluminum cylinder block is manufactured by high-pressure casting after mounting a cast iron kitchen type liner having a rough outer circumference to a mold, or by press-fitting a cast iron processing type liner. However, since the metallurgical bond (metal bond) between the aluminum block body and the cast iron liner does not occur and only mechanical bonds are formed, heat transfer is reduced, causing problems such as a decrease in cooling performance, heat deformation, and durability.
이러한 문제점을 해결하기 위한 종래기술로서 본 발명자의 특허문헌 1에 기재된 발명을 등 들 수 있다. 상기 특허문헌 1에 기재된 발명은, 그 내주 면이 피스톤 링에 접하며 외주 면이 알루미늄 실린더 블록과 용융접합 되어 있는 주철재 라이너를 포함하는 자동차 엔진의 실린더 블록에 있어서, 상기 주철재 라이너는, 상기 피스톤 링에 접하는 내주 면이 구상흑연주철(DCI) 조직을 가지며, 그 내부는 CV주철(콤팩트주철) 또는 DCI주철(구상흑연주철) 조직을, 그리고 상기 알루미늄 실린더 블록과 접하는 외주면은 FC주철(편상흑연주철) 조직을 가지는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진용 주조 실린더 블록에 관한 것이다. 즉, 외주 면을 회주철(GCI) 조직으로 하고 표면부의 흑연립을 탈착함으로써 함으로써 비표면적이 큰 마이크로 스케일의 그루브가 형성되어 알루미늄 용탕과의 계면 젖음성 및 반응성을 향상시킬 수 있으며, 기계적 결속 효과도 극대화할 수 있어 알루미늄 실린더 블록 바디와의 접합강도를 제고할 수 있다. 아울러, 이종재질 계면의 금속결합이 형성되고 또한 상기 FC주철 조직을 접합 계면 조직으로 활용함으로써 계면 열전달 특성을 개선하여 주철재 라이너의 방열특성을 제고할 수 있었다. 또한 피스톤 링과 접하는 주철재 라이너의 내주 면의 주철조직을 DCI주철 조직으로 하고 표면부의 흑연립은 탈착함으로써 높은 엔진 오일의 보유 능력을 가질 뿐만 아니라 우수한 내마모 특성을 가질 수 있는 효과가 있었다. As a conventional technique for solving such a problem, the invention described in Patent Document 1 of the present inventor can be cited. The invention described in Patent Document 1 is a cylinder block of an automobile engine including a cast iron liner whose inner circumferential surface is in contact with the piston ring and the outer circumferential surface is melt-bonded with an aluminum cylinder block, wherein the cast iron liner comprises: the piston The inner circumferential surface in contact with the ring has a ductile graphite cast iron (DCI) structure, the inside of which has a structure of CV cast iron (compact cast iron) or DCI cast iron (nodular graphite cast iron), and the outer circumferential surface in contact with the aluminum cylinder block is FC cast iron (flake graphite). Cast iron) relates to a cast cylinder block for an automobile engine, characterized in that it has a structure. That is, by making the outer circumference of a gray cast iron (GCI) structure and desorption of the graphite grains on the surface, micro-scale grooves with a large specific surface area can be formed to improve the interface wettability and reactivity with the aluminum molten metal, and the mechanical binding effect is also maximized. It can improve the bonding strength with the aluminum cylinder block body. In addition, metal bonds at the interfaces of different materials were formed, and by using the FC cast iron structure as a bonded interface structure, the interfacial heat transfer characteristics were improved, thereby improving the heat dissipation characteristics of the cast iron liner. In addition, the cast iron structure of the inner circumferential surface of the cast iron liner in contact with the piston ring is a DCI cast iron structure and the graphite grains on the surface are desorbed, thereby having a high engine oil retention capacity and excellent wear resistance.
하지만 상기 특허문헌 1과 같은 방식으로 제조된 주철재 라이너를 즉시 용융접합하지 않고 대기 중에 장시간 유지될 시에는 상기의 흑연립이 탈착되며 형성된 마이크로 스케일의 그루부들은 비표면적이 매우 커서 다량의 흡습 사이트가 되어 산화물 형성의 원인이 되고 또한 주조시 가스 결함을 야기시켜 접합성을 훼손하게 되는 문제점이 있다. However, when the cast iron liner manufactured in the same manner as in Patent Document 1 is not immediately melt-bonded and is kept in the atmosphere for a long time, the graphite grains are desorbed and the formed microscale grooves have a very large specific surface area and a large amount of moisture absorption sites. As a result, there is a problem in that it causes oxide formation and also causes gas defects during casting, thereby deteriorating the bondability.
따라서 본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 접합특성이 우수하며 장시간 보관이 용이한 용융접합 공정용 주철재 인서트 및 이를 이용한 주철-비철 이종금속 부재의 제조방법을 제공함을 목적으로 한다. Therefore, the present invention was conceived to solve the problems of the prior art described above, and provides a cast iron insert for a fusion bonding process that has excellent bonding characteristics and easy storage for a long time, and a method for manufacturing a cast iron-nonferrous dissimilar metal member using the same. The purpose.
또한 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.In addition, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems that are not mentioned are clearly understood by those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs from the following description. It will be possible.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,The present invention for achieving the above object,
비철 금속과 용융접합을 위해 이용되는 주철재 인서트에 있어서, In the cast iron insert used for fusion bonding with non-ferrous metals,
상기 비철 금속과 용융접합되는 주철재의 표면은 편상흑연 조직이고, 그 표면부의 흑연립은 탈착되어 있으며, 그리고 상기 흑연립이 탈착된 주철재 인서트 표면에 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 비철 금속과 용융접합용 주철재 인서트에 관한 것이다. The surface of the cast iron material to be melt-bonded with the non-ferrous metal is a flake graphite structure, the graphite grains on the surface thereof are desorbed, and a plating layer of zinc, tin or these alloys is formed on the surface of the cast iron material insert from which the graphite grains are desorbed. It relates to a non-ferrous metal and a cast iron insert for fusion bonding, characterized in that there is.
또한 본 발명은, In addition, the present invention,
그 표면이 편상흑연 조직을 갖는 주철재 인서트를 마련하는 공정;A step of preparing a cast iron insert whose surface has a flake graphite structure;
상기 주철재 인서트 표면의 흑연립을 탈착하는 공정;Removing the graphite grains on the surface of the cast iron insert;
상기 흑연 립이 탈착된 주철재 인서트 표면에 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금층을 형성하는 공정; 및 Forming a plating layer of zinc, tin, or an alloy thereof on the surface of the cast iron insert from which the graphite grains are desorbed; And
상기 도금층이 형성된 주철재 인서트를 금형에 장입한 후, 비철 금속을 용탕을 주입함으로써 상기 도금층이 형성된 주철재 인서트 표면과 비철금속을 용융접합시키는 공정;을 포함하는 주철-비철 이종금속 부재의 제조방법에 관한 것이다. In the method of manufacturing a cast iron-nonferrous dissimilar metal member comprising a; step of melt-bonding the surface of the cast iron insert on which the plating layer is formed and the nonferrous metal by injecting a molten metal into a mold after loading the cast iron insert with the plating layer formed thereon. About.
상기 상기 비철금속과 용융접합되지 않은 주철재 인서트는 FC주철, DCI주철, CV주철, 또는 이들의 혼합조직을 가질 수 있다. The cast iron insert that is not melt-bonded with the non-ferrous metal may have FC cast iron, DCI cast iron, CV cast iron, or a mixed structure thereof.
본 발명의 주조재 인서트는 그 표면에 마크로 스케일의 그루브나 돌기를 형성되어 있는 것이 바람직하다. It is preferable that the cast material insert of the present invention has macroscale grooves or projections formed on its surface.
상기 흑연립의 평균 탈착 깊이는 5~400 ㎛일 수가 있다. The average desorption depth of the graphite grains may be 5 ~ 400 ㎛.
상기 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금층의 두께는 5~300 ㎛ 범위일 수가 있다. The thickness of the plating layer of zinc, tin, or these alloys may range from 5 to 300 μm.
상기 비철금속은 Al, Cu 또는 이들의 합금인 것이 바람직하다. It is preferable that the non-ferrous metal is Al, Cu, or an alloy thereof.
상기 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금층을 형성하기 전에 흑연 립이 탈착된 주철재 인서트 표면을 환원처리함이 바람직하다. It is preferable to reduce the surface of the cast iron insert from which the graphite grains are desorbed before forming the plating layer of zinc, tin or these alloys.
상술한 바와 같은 구성의 본 발명은, 주철재 인서트와 비철(알루미늄 또는 동 합금) 용탕과의 젖음성 및 접합반응성 향상으로 인해 계면 결합력 및 열전달 특성을 제고할 수 있으며, 고취성의 접합반응층의 형성 두께를 적절히 제어하여 계면 결합력을 향상시키는 효과도 있다.The present invention having the configuration as described above can improve the interfacial bonding strength and heat transfer characteristics due to the improvement of wettability and bonding reactivity between the cast iron insert and the non-ferrous (aluminum or copper alloy) molten metal, and the formation thickness of the bonding reaction layer of high brittleness There is also an effect of improving the interfacial bonding strength by appropriately controlling the.
또한 향상된 주철재 인서트의 젖음성 및 접합반응성을 오랫 동안 보존할 수 있도록 하여, 용용접합용 주철재 인서트의 보관/관리/운송을 용이하게 하는 효과가 있으며, 나아가, 용융접합공정에 의한 주철-비철 이종금속 부품 제조로 인한 원가절감 효과도 있다. In addition, it has the effect of facilitating storage/management/transport of cast iron inserts for welding welding by allowing the improved wettability and bonding reactivity of cast iron inserts to be preserved for a long time, and furthermore, cast iron-non-ferrous heterogeneity by melt bonding process. There is also a cost reduction effect due to the manufacture of metal parts.
도 1은 흑연립을 탈착함이 없이 주철재 인서트-비철 금속을 용융접합한 경우, 그 용융접합 전후의 주철재 인서트와 비철 금속간의 응고 계면 상태를 보이는 개략도이다.
도 2는 흑연립이 탈착된 주철재 인서트를 단시간에 비철금속에 용융접합한 경우, 그 용융접합 전후의 주철재 인서트와 비철금속간의 응고 계면 상태를 보이는 개략도이다.
도 3은 흑연립이 탈착된 주철재 인서트를 장시간 유지한 후, 비철금속에 용융접합한 경우, 그 용융접합 전후의 주철재 인서트와 비철금속간의 응고 계면 상태를 보이는 개략도이다.
도 4는 본 발명에서의 흑연립이 탈착된 주철재 인서트 표면에 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금층을 형성한 후, 이에 비철금속을 용융접합한 경우, 그 용융접합 전후의 주철재 인서트와 비철금속간의 응고 계면 상태를 보이는 개략도이다.1 is a schematic diagram showing a state of a solidified interface between a cast iron insert and a non-ferrous metal before and after the melt bonding of the cast iron insert-non-ferrous metal without removing graphite grains.
2 is a schematic diagram showing a state of a solidified interface between the cast iron insert and the nonferrous metal before and after the melt bonding of the cast iron insert from which graphite grains are desorbed to a non-ferrous metal in a short time.
3 is a schematic diagram showing a state of a solidified interface between the cast iron insert and the nonferrous metal before and after the melt bonding of the cast iron insert from which graphite grains have been desorbed for a long time and then melt-bonded to the nonferrous metal.
4 is a case where a plating layer of zinc, tin, or an alloy is formed on the surface of a cast iron insert from which graphite grains are desorbed in the present invention, and then a nonferrous metal is melt-bonded thereto, and solidification between the cast iron insert and the nonferrous metal before and after the melt bonding It is a schematic diagram showing the interface state.
이하, 본 발명을 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described.
본 발명은 접합특성이 우수하며 장시간 보관이 용이한 용융접합용 주철재 인서트에 관한 것이다.The present invention relates to a cast iron insert for fusion bonding excellent in bonding properties and easy storage for a long time.
비철 금속과 용융접합을 위해 이용되는 본 발명은 주철재 인서트는, 상기 비철 금속과 용융접합되는 주철재의 표면은 편상흑연 조직이고, 그 표면부의 흑연립은 탈착되어 있으며, 그리고 상기 흑연립이 탈착된 주철 표면에 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. The present invention used for melt bonding with a non-ferrous metal is a cast iron insert, the surface of the cast iron material to be melt-bonded with the non-ferrous metal has a flake graphite structure, the graphite grains of the surface portion are desorbed, and the graphite grains are desorbed. It is characterized in that zinc, tin, or a plating layer of these alloys is formed on the surface of the cast iron.
본 발명에서 비철금속과 용융접합을 위한 주철 인서트재는, 우선 동작특성과 용융접합공정에 적합하고 부품의 형태에 맞는 주철 주강재인 코어 소재를 포함한다.In the present invention, the cast iron insert material for fusion bonding with a nonferrous metal includes a core material, which is a cast iron cast steel material suitable for operation characteristics and a fusion bonding process and suitable for the shape of a part.
본 발명에서 상기 주철재 인서트는 FC주철, DCI주철(구상흑연주철), CV주철(콤팩트주철), 또는 이들의 혼합조직을 갖는 주철재가 부품의 특성에 따라 다양하게 이용될 수 있다.In the present invention, the cast iron insert may include FC cast iron, DCI cast iron (nodular graphite cast iron), CV cast iron (compact cast iron), or a cast iron material having a mixed structure thereof, depending on the characteristics of the part.
그러나 상기 비철 금속 용탕과 접하여 용융접합계면을 형성하게 될 주철재 표면부의 흑연립 조직은 편상흑연인 것이 바람직하다. 편상흑연 주철은 다른 구상흑연주철 등에 비교하여, 후속하여 행해지는 흑연립 탈착이 용이하고, 알루미늄 등과 같은 비철금속 용탕과의 기계적 결속효과가 뛰어나고, 열전달 성능도 우수하기 때문이다. 본 발명에서는 상기 비철금속으로서 Al, Cu 또는 이들의 합금을 이용함이 바람직하다. However, it is preferable that the graphite grain structure of the surface portion of the cast iron material that is in contact with the molten non-ferrous metal to form a fusion interface is flake graphite. Compared to other nodular graphite cast irons, flake graphite cast iron facilitates subsequent desorption of graphite particles, has excellent mechanical binding effects with molten nonferrous metals such as aluminum, and has excellent heat transfer performance. In the present invention, it is preferable to use Al, Cu or an alloy thereof as the nonferrous metal.
한편 DCI주철이나 CV주철의 표면 흑연립 조직을 편상으로 하기 위해서는 구체적인 방법에 제한되는 것은 아니나, 그 일예로 주조시 주형벽면에 구상화처리 저해 원소를 도포하는 방법을 들 수도 있다. On the other hand, in order to flake the surface graphite grain structure of DCI cast iron or CV cast iron, it is not limited to a specific method, but an example thereof may be a method of applying a spheroidization inhibiting element to a mold wall surface during casting.
그리고 상기 용융접합공정으로 비철금속 용탕과의 기계적결속 효과를 극대화하면서 신뢰성을 더욱 제고하기 위하여, 본 발명의 주조재 인서트는 그 표면에 마크로 스케일의 그루브나 돌기를 형성되어 있는 것이 바람직하다. And in order to further enhance reliability while maximizing the effect of mechanical bonding with the molten nonferrous metal through the fusion bonding process, it is preferable that the insert of the cast material of the present invention has macroscale grooves or protrusions formed on its surface.
또한 본 발명의 주철재 인서트의 표면부에는 흑연립이 탈착되어 있다. 즉, 상기와 같이 마련된 주철재 인서트는 용융접합 공정시 비철금속 용탕과의 젖음성 개선 및 그에 따른 접합반응성, 그리고 마이크로 스케일의 표면 거칠기 형성에 의한 기계적 결속 효과를 얻기 위해 비철금속 용탕과 접하는 표면의 흑연립들은 탈착하는 것이 바람직하다. Further, graphite grains are detached from the surface portion of the cast iron insert of the present invention. That is, the cast iron insert prepared as described above improves the wettability with the molten nonferrous metal during the melt bonding process, and thereby improves the bonding reactivity, and the graphite grains on the surface in contact with the molten nonferrous metal in order to obtain a mechanical binding effect by the formation of a microscale surface roughness. It is desirable to detach it.
그리고 이때 표면으로부터 흑연립 평균 탈착 깊이는 5~400㎛인 것이 좋다. 만일 흑연립의 평균 탈착 깊이가 5㎛ 미만이면, 접합계면 전체의 흑연립들을 모두 탈착하는 것을 보증하기 어려울뿐만 아니라 흑연립 탈착 사이트에 의한 기계적 결속효과도 미비하다. 반면 상기 흑연립의 평균 탈착 깊이가 400㎛를 초과하면, 흑연립이 빠져나간 자리에 존재하던 공기가 알루미늄 또는 동 합금 용탕이 주입되면서 열팽창하게 되고 용탕이 응고되면서 미쳐 빠져나가지 못하게 되어 접합 계면에 가스결함 형태로 남게 되어 계면 접합력과 열전달 특성을 떨어뜨리게 될 수 있다. And at this time, it is preferable that the average depth of desorption of graphite grains from the surface is 5 to 400 μm. If the average desorption depth of the graphite grains is less than 5 μm, it is difficult to ensure that all the graphite grains are desorbed from the entire bonding interface, and the mechanical binding effect by the graphite grain desorption site is insufficient. On the other hand, when the average desorption depth of the graphite grains exceeds 400㎛, the air existing at the place where the graphite grains are released is thermally expanded as the molten aluminum or copper alloy is injected, and the molten metal is solidified and cannot escape, resulting in gas at the bonding interface. It may remain in the form of defects, resulting in deterioration of interfacial bonding strength and heat transfer properties.
본 발명에서는 상기 흑연립을 탈착시키는 구체적인 방법에 제한되지 않으며, 다양한 건식법 또는 습식법을 제한없이 이용할 수 있다. In the present invention, it is not limited to a specific method of desorbing the graphite grains, and various dry or wet methods may be used without limitation.
또한 본 발명의 주철재 인서트의 흑연립이 탈착된 표면에는 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금층이 형성되어 있다. Further, a plating layer of zinc, tin, or an alloy thereof is formed on the surface of the cast iron insert of the present invention from which the graphite grains are desorbed.
본 발명에서 상기 주철재 인서트 표면에 존재하는 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금층은 용융접합시 비철금속 용탕으로 고용되며 일정 시간 용탕이 주철재 표면에 직접적으로 접촉하는 것을 방지함으로써 Fe 원자의 고용 및 금속간화합물 생성 반응을 지연시키는 역할을 하게 된다. In the present invention, zinc, tin, or the plating layer of these alloys present on the surface of the cast iron insert is solidified as a molten nonferrous metal during fusion bonding, and the molten metal is prevented from directly contacting the surface of the cast iron for a certain period of time, thereby dissolving Fe atoms and intermetallic. It plays a role in delaying the reaction of compound formation.
또한 주철재 인서트의 우수한 젖음성 및 접합반응성을 오래 보존할 수 있게 해주면서 주철-알루미늄의 접합반응 생성물인 금속간화합물층의 두께를 적절히 해주기 위한 방법으로 주철재 인서트 표면의 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금처리가 효과적이다. In addition, the plating treatment of zinc, tin, or these alloys on the surface of cast iron inserts is a method to appropriately adjust the thickness of the intermetallic compound layer, which is a product of the joint reaction between cast iron and aluminum, while allowing the excellent wettability and bonding reactivity of cast iron inserts to be preserved for a long time. Is effective.
본 발명에서는 상기 아연도금등을 하는 구체적인 방법에 제한되는 것이 아니며, 용융도금법 또는 전기도금법 등 다양한 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금법을 제한 없이 이용할 수 있다. In the present invention, it is not limited to the specific method of galvanizing, etc., and various zinc, tin, or alloy plating methods such as hot dip plating or electroplating may be used without limitation.
본 발명에서는 상기 주철재 인서트 표면에 형성되는 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금층의 두께를 5~300㎛로 제어함이 바람직하다. 만일 도금층의 두께가 5㎛ 미만이면, 주철재 인서트 표면 전체를 흡습과 산화로부터 보호하는 것을 보증하기 어려울뿐만 아니라, 금속간화합물 생성 속도를 지연하는 효과가 미비하다. 반면 도금층의 두께가 300㎛를 초과하면, 용탕으로의 Fe 원자 고용이 너무 작아 접합계면 전체에 균일한 접합반응층 형성이 어렵게 되거나 또는 심한 경우 계면에 도금층이 그대로 잔존하게 되어 계면 접합력 등 접합특성을 떨어뜨릴 수 있다. In the present invention, it is preferable to control the thickness of the plating layer of zinc, tin or these alloys formed on the surface of the cast iron insert to 5 ~ 300㎛. If the thickness of the plating layer is less than 5 μm, it is difficult to ensure that the entire surface of the cast iron insert is protected from moisture absorption and oxidation, and the effect of delaying the formation rate of intermetallic compounds is insufficient. On the other hand, if the thickness of the plating layer exceeds 300 μm, the solid solution of Fe atoms in the molten metal is too small, making it difficult to form a uniform bonding reaction layer over the entire bonding interface, or in severe cases, the plating layer remains at the interface as it is, resulting in bonding properties such as interfacial bonding strength. You can drop it.
다음으로, 본 발명의 주철-비철 이종금속 부재의 제조방법을 설명한다. 본 발명의 제조방법은, 그 표면이 편상흑연 조직을 갖는 주철재 인서트를 마련하는 공정; 상기 주철재 인서트 표면의 흑연립을 탈착하는 공정; 상기 흑연 립이 탈착된 주철재 인서트 표면에 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금층을 형성하는 공정; 및 상기 도금층이 형성된 주철재 인서트를 금형에 장입한 후, 비철 금속 용탕을 주입함으로써 상기 도금층이 형성된 주철재 인서트 표면과 비철금속을 용융접합시키는 공정;을 포함한다.Next, a method of manufacturing a cast iron-non-ferrous dissimilar metal member of the present invention will be described. The manufacturing method of the present invention comprises a step of preparing a cast iron insert whose surface has a flake graphite structure; Removing the graphite grains on the surface of the cast iron insert; Forming a plating layer of zinc, tin, or an alloy thereof on the surface of the cast iron insert from which the graphite grains are desorbed; And a step of melt-bonding the surface of the cast iron insert on which the plating layer is formed and the non-ferrous metal by injecting a molten non-ferrous metal into a mold after loading the cast iron insert with the plating layer formed thereon.
먼저, 본 발명에서는 그 표면이 편상흑연 조직을 갖는 주철재 인서트를 마련하고, 이어, 주철재 인서트 표면의 흑연립을 탈착시킨다.First, in the present invention, a cast iron insert having a flake graphite structure on its surface is provided, and then, graphite grains on the surface of the cast iron insert are detached.
본 공정에서 상기 주철재 인서트 및 흑연립 탈착공정에 대한 제반 설명은 상술한 바와 같다. In this process, a description of the cast iron insert and the graphite grain desorption process is as described above.
이어, 본 발명에서는 상기와 같이 흑연립 탈착처리한 주철재 인서트를 환원처리를 하는 것이 바람직하다. 환원처리를 거치지 않으면 흑연립 탈착처리 공정 동안 산화된 기지조직의 산화물들이 후속하는 알루미늄 용탕과의 젖음성 및 접합반응성을 훼손할 수 있기 때문이다. Next, in the present invention, it is preferable to perform reduction treatment on the cast iron insert subjected to the graphite grain desorption treatment as described above. This is because if the reduction treatment is not performed, oxides of the matrix structure oxidized during the graphite grain desorption treatment process may impair the wettability and bonding reactivity with the subsequent molten aluminum.
그리고 접합특성 향상을 위해 필요에 따라 주철재 인서트의 표면에 추가적으로 탈지처리, 샌딩처리 등 전처리를 행할 수도 있다.In addition, pretreatment such as degreasing treatment and sanding treatment may be additionally performed on the surface of the cast iron insert in order to improve the bonding characteristics.
이어, 본 발명에서는 상기 상기 흑연 립이 탈착된 주철재 인서트 표면에 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금층을 형성한다. 전술한 바와 같이, 본 발명에서는 상기 아연, 주석 또는 이들 합금을 도금하는 구체적인 방법에 제한되는 것이 아니며, 다양한 용융도금법 또는 전기도금법 등을 제한없이 이용할 수 있다. 또한 상기 주철재 인서트 표면에 형성되는 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금층의 두께를 5~300㎛ 범위로 함이 바람직하다. Subsequently, in the present invention, a plating layer of zinc, tin, or an alloy thereof is formed on the surface of the cast iron insert from which the graphite grains are desorbed. As described above, the present invention is not limited to a specific method of plating the zinc, tin or these alloys, and various hot dip plating methods or electroplating methods may be used without limitation. In addition, it is preferable that the thickness of the plating layer of zinc, tin, or alloys formed on the surface of the cast iron insert is in the range of 5 to 300 μm.
이와 같이, 주철재 인서트 표면을 도금처리 함으로써, 첫째, 향상된 주철재 인서트의 젖음성 및 접합반응성을 오래 보존할 수 있게 해주며, 둘째, 주철-비철금속의 접합반응 생성물인 금속간화합물층의 두께를 적절히 해주는 효과가 있다. In this way, by plating the surface of the cast iron insert, first, the improved wettability and bonding reactivity of the cast iron insert can be preserved for a long time, and second, the thickness of the intermetallic compound layer, which is a product of the bonding reaction between cast iron and non-ferrous metal, is properly adjusted. It works.
또한 주철재 인서트 표면에 존재하는 아연,주석 또는 이들 합금의 코팅층은 후속하는 용융접합 공정에서, 비철금속(알루미늄 및 동 합금) 용탕으로 고용되며 일정 시간 용탕이 주철재 표면에 직접적으로 접촉하는 것을 방지하여 Fe 원자의 고용 및 금속간화합물 생성 반응을 지연시키는 역할도 할 수 있다. In addition, the coating layer of zinc, tin or these alloys present on the surface of the cast iron insert is employed as a molten metal of non-ferrous metals (aluminum and copper alloys) in the subsequent melt bonding process, and prevents the molten metal from directly contacting the surface of the cast iron material for a certain period of time. It may also play a role of delaying the reaction of solid solution of Fe atoms and formation of intermetallic compounds.
그리고 본 발명에서는 상기 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금층이 형성된 주철재 인서트를 금형에 장입한 후, 비철 금속 용탕을 주입함으로써 상기 도금층이 형성된 주철재 인서트 표면과 비철금속을 용융접합시킨다. In the present invention, the cast iron insert on which the plating layer of zinc, tin, or these alloys is formed is charged into a mold, and then a molten nonferrous metal is injected to melt-bond the surface of the cast iron insert on which the plating layer is formed and the nonferrous metal.
도 2는 흑연립이 탈착된 주철재 인서트를 단시간에 비철금속에 용융접합한 경우, 그 용융접합 전후의 주철재 인서트와 비철금속간의 응고 계면 상태를 보이는 개략도이며, 도 3은 흑연립이 탈착된 주철재 인서트를 장시간 유지한 후, 비철금속에 용융접합한 경우, 그 용융접합 전후의 주철재 인서트와 비철금속간의 응고 계면 상태를 보이는 개략도이다.2 is a schematic diagram showing a solidified interface state between the cast iron insert and the non-ferrous metal before and after the melt bonding when the cast iron insert from which graphite grains are desorbed is melt-bonded to a nonferrous metal in a short time, and Fig. 3 is a cast iron material from which graphite grains are desorbed. When the insert is held for a long time and then melt-bonded to a nonferrous metal, it is a schematic diagram showing the solidified interface state between the cast iron insert and the nonferrous metal before and after the melt-bonding.
도 3에 나타난 바와 같이, 주철재 인서트 표면부의 흑연립들을 탈착한 후, 즉시 용융접합하지 않고 대기 중에 장시간 유지할 경우에는 상기의 흑연립이 탈착되며 형성된 마이크로 스케일의 그루부들은 비표면적이 매우 커서 다량의 흡습 사이트가 되어 산화물 형성의 원인이 되고, 또한 주조시 가스 결함을 야기시켜 접합성을 훼손시킴을 알 수 있다. As shown in Fig. 3, when the graphite particles on the surface of the cast iron insert are detached and then not immediately melt-bonded and kept in the atmosphere for a long time, the graphite particles are detached and the formed microscale grooves have a very large specific surface area. It can be seen that it becomes a moisture absorption site of, and causes oxide formation, and also causes gas defects during casting, thereby impairing the bondability.
또한 도 2에 나타난 바와 같이, 주철재 인서트 표면부의 흑연립들을 탈착한 후, 즉시 용융접합한 경우에도, 주철재 인서트로부터 알루미늄과 같은 비철금속 용탕으로 Fe 원자가 고용되며 취성이 매우 큰 Al-Fe계 금속간화합물이 굉장히 빠른 속도로 형성되어, 용융접합 조건을 정밀하게 제어하지 못하는 경우 고취성의 금속간화합물이 과도하게 형성되어 계면결합력을 떨어뜨리게 되는 문제점이 있다. 따라서 상기 공정을 이용하여 우수한 접합특성을 갖는 주철-비철 이종금속 부재를 제조하기 위해서는, 접합반응을 저해하는 요인들을 제거하면서도 과도한 접합반응이 일어나지 않도록 적절히 제어할 필요성이 있다는 측면에서 이용상 제약이 따랐다. In addition, as shown in FIG. 2, even when the graphite grains on the surface of the cast iron insert are detached and then melt-bonded immediately, Fe atoms are dissolved from the cast iron insert into a molten nonferrous metal such as aluminum, and the Al-Fe-based metal is very brittle. If the intermetallic compound is formed at a very high speed, and the conditions of the fusion bonding cannot be precisely controlled, the intermetallic compound of high brittleness is excessively formed, thereby reducing the interfacial bonding strength. Therefore, in order to manufacture a cast iron-non-ferrous dissimilar metal member having excellent bonding properties by using the above process, there are restrictions in use in terms of the need to properly control so that excessive bonding reactions do not occur while removing factors that hinder the bonding reaction.
도 4는 본 발명에서의 흑연립이 탈착된 주철재 인서트 표면에 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금층을 형성한 후, 이에 비철금속을 용융접합한 경우, 그 용융접합 전후의 주철재 인서트와 비철금속간의 응고 계면 상태를 보이는 개략도이다. 도 4에 나타난 바와 같이, 흑연립 탈착 후 아연, 주석 또는 이들 합금을 도금하고, 이후 용융접합하는 본 발명의 공정을 이용할 경우, 전술한 종래기술과는 달리 우수한 접합성을 유지하면서도 취성이 매우 큰 Al-Fe계 금속간화합물의 과도한 형성을 억제하여 계면결합력을 제고할 수 있음을 알 수 있다. 이는 전술한 바와 같이, 주철재 인서트 표면에 존재하는 아연, 주석 또는 이들 합금의 코팅층은 용융접합시 알루미늄 및 동 합금 용탕으로 고용되며 일정 시간 용탕이 주철재 표면에 직접적으로 접촉하는 것을 방지하여 Fe 원자의 고용 및 금속간화합물 생성 반응을 지연시키는 역할을 하기 때문이다. 4 is a case where a plating layer of zinc, tin, or an alloy is formed on the surface of a cast iron insert from which graphite grains are desorbed in the present invention, and then a nonferrous metal is melt-bonded thereto, and solidification between the cast iron insert and the nonferrous metal before and after the melt bonding. It is a schematic diagram showing the interface state. As shown in FIG. 4, when using the process of the present invention, which is plated with zinc, tin or their alloys after desorption of graphite particles, and then melt-bonded, unlike the prior art described above, Al is very brittle while maintaining excellent bonding properties. It can be seen that interfacial bonding strength can be improved by suppressing excessive formation of -Fe-based intermetallic compounds. As described above, the coating layer of zinc, tin or these alloys present on the surface of the cast iron insert is solidified as a molten aluminum and copper alloy during fusion bonding, and Fe atoms are prevented from directly contacting the surface of the cast iron for a certain period of time. This is because it plays a role in delaying the reaction of solid solution and formation of intermetallic compounds.
한편 상기의 같이 제조된 용융접합용 주철재 인서트를 이용하여 주철-비철 이종금속 부재을 제조하는 경우, 접합계면부에 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금층이 잔존하게 되는 경우, 알루미늄, 동 합금 대비 기계적 강도가 낮은 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금층이 계면 접합력을 떨어뜨릴 수 있다. On the other hand, in the case of manufacturing a cast iron-nonferrous dissimilar metal member using the cast iron insert prepared as described above, when a plating layer of zinc, tin or these alloys remains in the bonding interface, mechanical strength compared to aluminum and copper alloys A plating layer of zinc, tin, or these alloys with a low level may lower the interfacial bonding strength.
따라서 본 발명의 주철-비철 이종금속 부재를 이루는 접합계면부에는 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금층이 잔존하지 않고 접합반응층의 평균두께가 5~30㎛ 범위로 유지됨이 바람직하다. 만일 접합반응층의 평균두께가 5㎛ 미만이면, 접합계면 전체에 접합반응층이 형성되는 것을 보증하기 어려우며, 한편 접합반응층의 평균두께가 30 ㎛를 초과하면 취성이 큰 접합반응층 내부에 균열이 발생하기 쉽고, 나아가 접합계면에 인접한 주철재 기지에서는 용탕으로의 Fe 원자 고용이 과도하게 되어 Kirkendall 기공 등이 형성되어 계면결합력을 떨어뜨리게 되기 때문이다. Therefore, it is preferable that the plating layer of zinc, tin, or these alloys does not remain in the bonding interface of the cast iron-nonferrous dissimilar metal member of the present invention, and the average thickness of the bonding reaction layer is maintained in the range of 5 to 30 μm. If the average thickness of the bonding reaction layer is less than 5㎛, it is difficult to ensure that the bonding reaction layer is formed over the entire bonding interface. On the other hand, if the average thickness of the bonding reaction layer exceeds 30 ㎛, cracks in the brittle bonding reaction layer This is because this is easy to occur, and furthermore, in the cast iron base adjacent to the bonding interface, the solid solution of Fe atoms into the molten metal becomes excessive, forming Kirkendall pores, etc., which lowers the interfacial bonding strength.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, in the detailed description of the present invention, preferred embodiments of the present invention have been described, but those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains, various modifications within the limit not departing from the scope of the present invention. Of course this is possible. Therefore, the scope of the present invention is limited to the described embodiments and should not be determined, and should not be determined by the claims to be described later, as well as those equivalent thereto.
Claims (14)
상기 주철재 인서트 표면의 흑연립을 탈착하는 공정;
상기 흑연 립이 탈착된 주철재 인서트 표면에 아연, 주석 또는 이들 합금의도금층을 형성하는 공정; 및
상기 도금층이 형성된 주철재 인서트를 금형에 장입한 후, 비철 금속을 용탕을 주입함으로써 상기 도금층이 형성된 주철재 인서트 표면과 비철금속을 용융접합시키는 공정;을 포함하고,
주철-비철 이종금속 부재를 이루는 접합계면부에는 아연, 주석 또는 이들 합금의 도금층이 잔존하지 않는 것을 특징으로 하는 주철-비철 이종금속 부재의 제조방법.
A step of preparing a cast iron insert whose surface has a flake graphite structure;
Removing the graphite grains on the surface of the cast iron insert;
Forming a plating layer of zinc, tin, or an alloy thereof on the surface of the cast iron insert from which the graphite grains are desorbed; And
Including a step of melt-bonding the surface of the cast iron insert on which the plating layer is formed and the non-ferrous metal by injecting a molten metal into a mold after loading the cast iron insert on which the plating layer is formed into a mold, and
A method for manufacturing a cast iron-non-ferrous dissimilar metal member, characterized in that no zinc, tin, or a plating layer of these alloys remains in the junction interface part of the cast iron-nonferrous dissimilar metal member.
The method of claim 7, wherein the non-ferrous metal and non-melt-bonded cast iron inserts have FC cast iron, DCI cast iron, CV cast iron, or a mixture structure thereof.
The method of claim 7, wherein the cast iron insert has macroscale grooves or protrusions formed on its surface.
The method of claim 7, wherein the graphite grains have an average desorption depth of 5 to 400 μm.
The method of claim 7, wherein the thickness of the plating layer of zinc, tin, or alloys thereof is 5 to 300 μm.
The method of claim 7, wherein the non-ferrous metal is Al, Cu, or an alloy thereof.
[8] The method of claim 7, wherein the surface of the cast iron insert from which the graphite grains are desorbed is subjected to reduction treatment before forming the zinc, tin, or the plating layer of these alloys.
8. The method of claim 7, wherein the bonding reaction layer has an average thickness of 5 to 30 µm.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| G170 | Re-publication after modification of scope of protection [patent] |