KR102541042B1 - 소결재를 사용한 고압 주조방법 및 고압 주조품 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소결재를 사용한 고압 주조방법 및 고압 주조품에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인서트와 주조부의 결합강도를 향상시킨 소결재를 사용한 고압 주조방법 및 고압 주조품에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 소결재를 사용한 고압 주조방법은 철계분말을 성형한 후 소결시켜 표면에 기공이 형성되되, 크기가 100㎛ 이상인 기공이 분포되고, 밀도가 6.4 ~ 6.9 g/㎤인 인서트를 준비하는 인서트 준비단계와; 준비된 인서트를 금형의 내부에 배치하고, 알루미늄 용탕을 금형의 내부에 고압으로 주입하여, 인서트의 표면에 형성된 기공으로 알루미늄 용탕이 용침되도록 하면서 주조하는 고압주조단계를 포함한다.

Description

소결재를 사용한 고압 주조방법 및 고압 주조품{Die casting using sintered material and die casting product manufactured therefrom}
본 발명은 소결재를 사용한 고압 주조방법 및 고압 주조품에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인서트와 주조부의 결합강도를 향상시킨 소결재를 사용한 고압 주조방법 및 고압 주조품에 관한 것이다.
최근에는 차량의 연비를 향상시키기 위하여 차량을 구성하는 부품의 경량화가 진행되고 있다.
예를 들어 주로 주철재로 제작되었던 내연기관의 엔진 부품들을 알루미늄재로 변경하고 있는 추세이다. 하지만, 알루미늄재를 단독으로 사용하는 경우에는 경량화를 달성할 수 있지만, 부품에 요구되는 강성을 만족하지 못하는 단점이 있다.
따라서, 특성 물성이 요구되는 영역을 구성할 수 있도록 주철재로 인서트를 제작한 후 인서트를 금형의 내부에 장착하고, 알루미늄 용탕을 고압으로 금형의 내부에 주입하여 주조품을 생산하고 있다.
예를 들어 내연기관 엔진을 구성하는 베드플레이트의 경우, 주응력부는 주철재 인서트를 사용하면서 베드플레이트 본체는 알루미늄 다이캐스팅으로 제조하고 있다.
하지만, 주철재인 인서트와 알루미늄인 베드플레이트 본체는 서로 다른 종류이 금속으로서 상호간의 결합강도가 낮은 문제가 있다.
따라서, 인서트와 베드플레이트 본체의 접합력을 증대시키기 위하여 인서트의 표면의 표면에 알루미늄 용사처리를 하여 용사코팅층을 형성시키는 공정을 추가하고 있다.
하지만, 이러한 방법은 공정수의 증가로 인해 제조 원가가 높아지는 문제가 있었다.
이에, 본 출원인은 소결제품의 경우 그 표면에 기공이 형성되는데, 이렇게 소결재의 표면에 형성된 기공을 이용하여 다이캐스팅 공정시 인서트와 알루미늄 용탕과의 결합강도를 향상시킬 수 있겠다는 점에 착안하여 본 발명을 완성하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
등록특허공보 제10-1845450호 (2018.03.29)
본 발명은 인서트와 주조부의 결합강도를 향상시킨 소결재를 사용한 고압 주조방법 및 고압 주조품을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 소결재를 사용한 고압 주조방법은 철계분말을 성형한 후 소결시켜 표면에 기공이 형성되되, 크기가 100㎛ 이상인 기공이 분포되고, 밀도가 6.4 ~ 6.9 g/㎤인 인서트를 준비하는 인서트 준비단계와; 준비된 인서트를 금형의 내부에 배치하고, 알루미늄 용탕을 금형의 내부에 고압으로 주입하여, 인서트의 표면에 형성된 기공으로 알루미늄 용탕이 용침되도록 하면서 주조하는 고압주조단계를 포함한다.
상기 고압주조단계 이전에, 상기 인서트 준비단계에서 준비된 인서트를 300 ~ 450℃로 예열하는 인서트 예열단계를 더 포함한다.
상기 고압주조단계 이전에, 상기 알루미늄 용탕을 600 ~ 750℃로 준비하는 알루미늄 용탕 준비단계와; 상기 금형을 200 ~ 250℃로 예열하는 금형 예열단계를 더 포함한다.
상기 고압주조단계는, 주조압력이 600 ~ 1000kg/㎤이고, 게이트(GATE) 속도가 40 ~ 60m/s이며, 충진시간이 0.05 ~ 0.15sec이고, 사출속도를 1구간과 2구간으로 구분하며, 1구간의 사출속도는 0.5 ~ 1.5m/s이고, 2구간의 사출속도는 2 ~ 3m/s인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 고압 주조품은 상기 인서트의 주변으로 알루미늄 용탕이 고압주조되어 성형되는 주조부를 포함하고, 상기 인서트의 표면에는 소정 두께만큼 상기 기공으로 상기 알루미늄 용탕이 용침되어 형성되는 결합부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 인서트 중 상기 결합부를 제외한 영역의 밀도는 6.4 ~ 6.9 g/㎤이고, 상기 인서트 중 상기 결합부의 밀도는 6.7 ~ 7.1 g/㎤이고, 인장강도는 400MPa 이상이며, 경도는 HRB 70 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 인서트와 주조부의 결합강도는 100MPa 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 고압 주조품은 내연기관의 엔진 부품인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 철계분말을 이용한 표면에 기공이 형성된 소결제품으로 마련하고, 이를 다이캐스팅 공정시 인서트로 사용하여 금형으로 주입되는 알루미늄 용탕이 인서트의 표면에 형성된 기공으로 용침되면서 인서트와 주조부 사이에 기계적인 결합구조가 형성됨으로써, 인서트와 주조부의 결합강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 인서트의 표면으로 알루미늄 용탕이 용침되면서 인서트의 밀도가 상승하여 주조품의 전체적인 강도도 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
도 1a와 도 1b는 소결재의 밀도에 따른 알루미늄 용탕이 용침된 결합부를 보여주는 미세조직 사진이고,
도 2는 인서트와 주조부의 접합강도를 측정하는 시험 장면을 보여주는 사진이며,
도 3a 및 도 3b는 인서트와 주조부의 파단면에서 관찰되는 딤플부를 보여주는 미세조직 사진이고,
도 4는 인서트와 주조부의 파단면에서 관찰되는 딤플부의 EDS 확인 결과를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소결재를 사용한 고압 주조방법에 의해 제조되는 고압 주조품은 경량화를 달성하면서, 우수한 강성을 유지해야 하는 내연기관의 엔진 부품에 적용될 수 있다. 예를 들어 내연기관의 엔전을 구성하는 실린더블럭, 피스톤 핀 및 베드플레이트 등이 본 발명에 따른 소결재를 사용한 고압 주조방법에 의해 제조할 수 있다.
이러한 고압 주조품은 철계분말(10a)을 성형한 후 소결시켜 표면에 기공(10b)이 형성된 인서트(10)와; 상기 인서트(10)의 주변으로 알루미늄 용탕이 고압주조되어 성형되는 주조부(20)를 포함한다. 그리고, 인서트(10)의 표면에는 소정 두께만큼 기공(10b)으로 알루미늄 용탕이 용침되어 형성되는 결합부(11)가 형성된다.
따라서 결합부(11)에서 인서트(10)를 형성하는 철계분말(10a)들 사이에 분포된 기공(10b)이 음각의 홀 역할을 하고, 알루미늄 용탕이 기공으로 스며들어서 경화된 용침부(20a)가 양각의 돌기 역할을 하게 되면서 인서트(10)와 주조부(20)가 기계적인 구조로 결합되는 것이다.
따라서, 인서트(10)와 주조부(20)의 결합강도는 100MPa 이상을 유지할 수 있다.
또한, 주조된 주품의 인서트(10) 중 결합부(11)를 제외한 영역의 밀도는 6.4 ~ 6.9 g/㎤이다.
그리고, 인서트(10) 중 결합부(11)의 밀도는 6.7 ~ 7.1 g/㎤이고, 인장강도는 400MPa 이상이며, 경도는 HRB 70 이상이 된다.
상기와 같은 구성을 갖는 고압 주조품의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소결재를 사용한 고압 주조방법은 소결재를 인서트로 사용하면서 고압주조를 통하여 주주품을 제조하는 방법으로서, 철계분말(10a)을 성형한 후 소결시켜 인서트(10)를 준비하는 인서트 준비단계와; 준비된 인서트(10)를 금형의 내부에 배치하고, 알루미늄 용탕을 금형의 내부에 고압으로 주입하여, 인서트(10)의 표면에 형성된 기공(10b)으로 알루미늄 용탕이 용침되도록 하면서 주조하는 고압주조단계를 포함한다.
인서트 준비단계는 표면에 기공(10b)이 형성된 인서트(10)를 준비하는 단계이다.
이를 위하여 철계분말(10a)을 성형하고, 이를 소결시키는 열처리를 실시하여 소결재인 인서트(10)를 준비한다.
이때 인서트(10)의 밀도는 6.4 ~ 6.9 g/㎤인 것이 바람직하다.
이를 위하여 철계분말(10a)은 Fe-Cu-C, Fe-Cu-P-C, Fe-Cu-Mo-C, Fe-Cu-P-C, Fe-Mo-C, Fe-Mn-C, Fe-Cr-C, Fe-P-C 및 Fe-P 등의 조성이 가능하고, 원가 측면에서 Fe-Cu-C 계를 사용하는 것이 바람직하다.
만약, 인서트(10)의 밀도가 제시된 범위보다 낮은 경우에는 인서트(10)의 표면에 기공(10b)이 많이 노출되어 고압주조단계에서 노출된 기공(10b)으로 알루미늄 용탕이 스며드는 현상(이하, '용침'이라 함)이 발생되기는 한다. 하지만, 인서트(10)의 표면에 기공(10b)이 많이 노출된다고 하더라도 인서트(10)의 심부까지 알루미늄 용탕이 용침되지는 않는다. 특히, 표면에 노출된 기공(10b)이 많아지면서 철계분말(10a)과 철계분말(10a) 사이의 결합이 용침되는 알루미늄 용탕에 의해 끊어져서 주조되는 문제가 발생된다.
그리고, 인서트(10)의 밀도가 제시된 범위보다 높은 경우에는 인서트(10)의 표면에 기공(10b)이 원하는 수준으로 형성되지 않아 기공(10b)으로 알루미늄 용탕이 충분히 용침되지 않아 인서트(10)와 주조부(20)의 결합력이 원하는 수준으로 달성되지 않는 단점이 있다.
한편, 인서트 준비단계에서 준비되는 인서트(10)는 표면에 형성된 기공(10b)은 크기가 100㎛ 이상인 기공(10b)을 포함하는 것이 바람직하다.
인서트(10)의 표면에 형성되는 기공(10b)의 크기가 제시된 크기보다 작은 기공(10b)만 존재하는 경우에는 알루미늄 용탕이 기공(10b)으로 용침된다고 하더라도 기공(10b)과의 결합력이 약한 단점이 있다. 따라서 인서트(10) 표면에 형성되는 기공(10b)에는 100㎛ 이상인 크기를 갖는 기공(10b)이 분포되는 것이 바람직하다.
그리고, 고압주조단계 이전에는 준비된 인서트(10)를 300 ~ 450℃로 예열하는 인서트 예열단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
따라서, 고압주조단계에서 알루미늄 용탕이 인서트(10)의 기공(10b)으로 용침될 때 냉각속도를 저하시켜 알루미늄 용탕이 인서트(10)의 기공(10b)으로 충분히 용침될 수 있도록 한다.
이때 인서트(10)의 예열온도가 제시된 범위보다 낮을 경우에는 예열에 의한 효과가 미비하고, 인서트(10)의 예열온도가 제시된 범위보다 높을 경우에는 인서트(10)의 표면과 기공에서 Fe 산화물이 다수 발생하여 오히려 알루미늄 용탕과의 결합력이 약해지는 문제가 발생할 수 있다.
다음으로, 고압주조단계 이전에, 알루미늄 용탕을 600 ~ 750℃로 준비하는 알루미늄 용탕 준비단계와; 금형을 200 ~ 250℃로 예열하는 금형 예열단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
알루미늄 용탕 준비단계에서 알루미늄 용탕은 ADC10 조성을 포함한 알루미늄 합금을 용융시켜 준비한다. 이때 알루미늄 용탕은 600 ~ 750℃를 유지하도록 준비한다.
그리고, 고압주조가 이루어지는 금형을 200 ~ 250℃로 예열한다.
이렇게 알루미늄 용탕과 금형의 온도를 설정된 온도범위로 유지시킴으로써 고압주조단계에서 알루미늄 용탕이 인서트(10)의 표면 기공(10b)으로 충분히 용침되도록 한다.
한편, 고압주조단계는 인서트(10)를 금형의 내부에 배치하고, 알루미늄 용탕을 금형의 내부에 고압으로 주입시켜 주조품을 제작하는 단계로서, 고압주조단계에서 인서트(10)의 표면에 분포된 기공(10b)으로 알루미늄 용탕이 용침되면서 인서트(10)와 주조부(20)의 결합력을 강화시킬 수 있다.
고압부조단계에서는 알루미늄 용탕이 인서트(10)의 표면에 형성된 기공(10b)으로 충분히 용침될 수 있도록 고압주조 조건을 설정한다.
예를 들어, 고압주조시 주조압력은 600 ~ 1000kg/㎤이고, 게이트(GATE) 속도는 40 ~ 60m/s이며, 충진시간은 0.05 ~ 0.15sec이 되도록 한다.
그리고, 사출속도를 1구간과 2구간으로 구분하며, 1구간의 사출속도는 0.5 ~ 1.5m/s이고, 2구간의 사출속도는 2 ~ 3m/s으로 유지하는 것이 바람직하다.
한편, 소결재는 예열 및 고압주조시 고온에 노출되면서 인장강도가 10 ~ 20% 정도 저하된다.
그리고, 소결재를 형성하는 철계분말(10a)에 함유된 Cu, C 등의 합금성분이 편석을 발생시키는 문제가 있으나, 인서트(10)의 기공(10b) 내로 알루미늄 용탕이 용침되면서 강도를 향상시킨다.
그래서, 고압부조가 완료된 이후에 알루미늄 용탕이 용침된 소결재의 결합부(10a)는 밀도가 6.7 ~ 7.1 g/㎤이고, 인장강도는 400MPa 이상이며, 경도는 HRB 70 이상이 된다.
다음으로, 비교예와 실시예를 통하여 본 발명을 설명한다.
먼저, 비교예로 밀도가 3.5g/㎤인 소결재와 실시예로 밀도가 6.48g/㎤인 소결재를 인서트로 사용하여 상기의 고속주조단계의 조건에 따라 주조품 샘플을 제작하였고, 각 샘플의 인서트와 주조부가 결합되는 영역의 미세조직을 관찰하여 도 1a 및 도 1b에 나타내었다.
도 1a는 비교예의 미세조직 사진이고, 도 1b는 실시예의 미세조직 사진이다.
도 1a에서 확인할 수 있듯이, 비교예의 경우 소결재의 표면에 형성된 기공으로 알루미늄 용탕이 용침되었지만, 결합부를 구성하는 철계분말간 결합이 끊어지거나 약해진 것을 확인할 수 있었다.
반면에, 도 1b에서 확인할 수 있듯이, 실시예의 경우 소결재의 표면에 형성된 기공으로 알루미늄 용탕이 충분히 용침된 것을 확인할 수 있었고, 결합부를 구성하는 철계분말간 결합도 견고하게 유지되고 있는 것을 확인할 수 있었다.
다음으로, 다양한 조성을 갖는 소결재의 고압주조 전과 후의 밀도 및 인장강도를 비교하였고, 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다. 그리고 고압부조 후의 경도를 측정하여 표 1에 함께 나타내었다.
구분 조성 밀도(g/㎤) 인장강도(MPa) 경도(HRB)
전 후 전 후
비교예 Fe-3Cu-0.7C 6.48 - 460 387 67
실시예1 Fe-3Cu-0.7C 6.48 6.77 460 408 69
실시예2 Fe-3Cu-0.7C 6.58 6.83 479 421 71
실시예3 Fe-3Cu-0.7C 6.69 6.91 497 431 73
실시예4 Fe-3Cu-0.7C 6.91 7.06 532 451 75
실시예5 Fe-0.85Mo-0.7C 6.62 6.89 441 413 70
실시예6 Fe-0.85Mo-0.7C 6.72 6.93 459 426 72
실시예7 Fe-0.85Mo-0.7C 6.87 7.07 495 449 75
실시예8 Fe-2Cu-0.25Mo-0.7C 6.59 6.73 475 425 72
실시예9 Fe-2Cu-0.25Mo-0.7C 6.68 6.89 510 457 76
실시예10 Fe-2Cu-0.25Mo-0.7C 6.89 7.02 579 521 83
표 1에서 비교예는 인서트의 표면에 기공을 형성시키지 않은 것으로, 고압주조 후에 인서트의 표면으로 알루미늄 용탕이 용침되지 않은 비교예이다. 그리고, 실시예들은 모두 인서트이 표면에 기공이 형성된 것으로, 고압주조 후에 인서트의 표면으로 알루미늄 용탕이 용침된 실시예들이다.
표 1에서 확인할 수 있듯이, 실시예들의 경우 고압주조 후에는 밀도가 조금식 높아진 것을 확인할 수 있었다, 또한, 고압주조 후에는 인장강도가 조금씩 낮아진 것을 확인할 수 있었다.
반면에, 비교예의 경우 고압주조 후에는 인장강도가 실시예들에 비하여 상대적으로 더 많이 낮아진 것을 확인할 수 있었다.
이러한 결과는 고압주조시 인서트가 고온에 노출되면서 인장강도가 낮아지지만, 알루미늄 용탕이 인서트의 표면에 형성된 기공으로 용침되면서 낮아진 인서트의 인장강도가 다시 높아진 것으로 유추할 수 있다.
다음으로, 비교예 및 실시예에 따른 주조품 샘플의 접합강도를 알아보는 시험을 실시하였다.
이때 비교예는 표면에 알루미늄 용사 코팅층을 형성한 주철재를 인서트로 사용하고, 실시예는 밀도가 6.9g/㎤인 소결재를 인서트로 사용하였다.
그리고, 도 2와 같은 샘플을 접합강도 측정기에 장착하고, 접합강도를 측정하였다.
그 결과, 비교예는 평균 88.3 MPa의 접합강도를 보였고, 실시예는 평균 130.6 MPa의 접합강도를 보였다.
다음으로, 접합강도 측정시 실시예 샘플의 파단면을 관찰하였고, 그 결과를 도 3a 및 도 3b에 나타내었다. 그리고, 도 3a에서 관찰된 딤플부의 성분을 분석하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 2는 인서트와 주조부의 접합강도를 측정하는 시험 장면을 보여주는 사진이며, 도 3a 및 도 3b는 인서트와 주조부의 파단면에서 관찰되는 딤플부를 보여주는 미세조직 사진이고, 도 4는 인서트와 주조부의 파단면에서 관찰되는 딤플부의 EDS 확인 결과를 보여주는 도면이다.
도 3a 및 도 3b에서 확인할 수 있듯이, 인서트와 주조부의 파단면에는 알루미늄 용탕이 용침된 부분이 고르게 분산되어 관찰된 것을 확인할 수 있었다.
또한, 접함강도 시험으로 알루미늄 용탕이 용침된 부분이 파단되면서 딤플부가 형성된 것을 확인할 수 있었고, 딤플부의 성분을 분석한 결과 도 4와 같이 알루미늄성분이 가장 많이 검출된 것을 확인할 수 있었다.
이는 고압주조시 알루미늄 용탕이 인서트의 표면에 형성된 기공으로 용침되었기 때문인 것으로 확인할 수 있었다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
10: 인서트
10a: 철계분말
10b: 기공
11: 결합부
20: 주조부
20a: 용침부

Claims (8)

  1. 철계분말을 성형한 후 소결시켜 표면에 기공이 형성되되, 크기가 100㎛ 이상인 기공이 분포되고, 밀도가 6.4 ~ 6.9 g/㎤인 인서트를 준비하는 인서트 준비단계와;
    준비된 인서트를 금형의 내부에 배치하고, 알루미늄 용탕을 금형의 내부에 고압으로 주입하여, 인서트의 표면에 형성된 기공으로 알루미늄 용탕이 용침되도록 하면서 주조하는 고압주조단계를 포함하고,
    상기 고압주조단계는,
    주조압력이 600 ~ 1000kg/㎤이고,
    게이트(GATE) 속도가 40 ~ 60m/s이며,
    충진시간이 0.05 ~ 0.15sec이고,
    사출속도를 1구간과 2구간으로 구분하며, 1구간의 사출속도는 0.5 ~ 1.5m/s이고, 2구간의 사출속도는 2 ~ 3m/s인 것을 특징으로 하는 소결재를 사용한 고압 주조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고압주조단계 이전에,
    상기 인서트 준비단계에서 준비된 인서트를 300 ~ 450℃로 예열하는 인서트 예열단계를 더 포함하는 소결재를 사용한 고압 주조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고압주조단계 이전에,
    상기 알루미늄 용탕을 600 ~ 750℃로 준비하는 알루미늄 용탕 준비단계와;
    상기 금형을 200 ~ 250℃로 예열하는 금형 예열단계를 더 포함하는 소결재를 사용한 고압 주조방법.
  4. 삭제
  5. 철계분말을 성형한 후 소결시켜 표면에 기공이 형성된 인서트와;
    상기 인서트의 주변으로 알루미늄 용탕이 고압주조되어 성형되는 주조부를 포함하고,
    상기 인서트의 표면에는 소정 두께만큼 상기 기공으로 상기 알루미늄 용탕이 용침되어 형성되는 결합부가 형성되며,
    상기 인서트 중 상기 결합부를 제외한 영역의 밀도는 6.4 ~ 6.9 g/㎤이고,
    상기 인서트 중 상기 결합부의 밀도는 6.7 ~ 7.1 g/㎤이고, 인장강도는 400MPa 이상이며, 경도는 HRB 70 이상인 것을 특징으로 하는 고압 주조품.
  6. 삭제
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 인서트와 주조부의 결합강도는 100MPa 이상인 것을 특징으로 하는 고압 주조품.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 고압 주조품은 내연기관의 엔진 부품인 것을 특징으로 하는 고압 주조품.
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