KR102586490B1 - 아우터링 및 아우터링을 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 성형물 표면에 오픈(open) 기공을 증가시킨 오일펌프용 아우터링 및 아우터링 제조방법에 관한 것이다.

Description

아우터링 및 아우터링을 제조하는 방법{Outer ring for oil pump and methods for producing the same}
본 발명은 성형물 표면에 오픈(open) 기공을 증가시킨 오일펌프용 아우터링 및 아우터링 제조방법에 관한 것이다.
가변오일펌프의 아우터링은 대부분 소결재를 적용하며 FD0405 또는 FL5305의 재질 등을 사용한다. 비대칭의 복잡한 형상구현은 단조, 주철 대비 소결공법이 유리하며 가공비를 절감할 수 있는 장점이 있다.
가변오일펌프는 다른 오일펌프 타입과 달리 베인과 아우터링 내면이 직접 마찰되기 때문에 아우터링 표면 경화가 잘되어야 한다.
소결재는 기공이 있어 표면에 오일을 트랩할 수 있는데 강재나 주철재 대비 최악 환경조건을 모두 감안한 악의 상황에서 상대적으로 유막형성에 유리하다. 그러나 기존 아우터링은 경도는 높으나 내면 가공 공정 후 표면의 기공들이 상당수 메꾸어지는 현상이 나타난다.
오일펌프 작동중에 베인에 의한 미세마모로 표면의 닫힌 기공 일부가 오픈(open)될 수 있으나 내마모성을 위해서 경도저하 없이 조대기공을 증가시킬 필요가 있다.
한편 아우터링의 재질공법은 FD0405(4Ni-1.5Cu-0.5Mo-0.7C)에 이온질화 사양을 적용한 것이 처음이었고 이후 내구성을 개선시킨 FL5305(3Cr-0.5Mo-0.5C) 재질이 적용되었다. 이 재질은 프리알로이 분말을 사용해서 기공은 미세하고 많은 수를 가지나 가공시 기공이 상당수 메꾸어지는 문제가 있었다. 작동중에 미세마모로 닫힌 기공이 오픈(open)되나 그 수가 적어 가혹한 시험조건에서는 오일유막 형성이 부족해 마모가 발생되었다.
금형에 분말 충진후 압축단계에서 형성되는 철분말과 철분말 사이의 빈 공간을 기공으로 정의하고, 그 외 여러 방안에 의해 기공보다 큰 빈공간을 조대기공으로 구분해 보면 밀도를 낮추어 기공을 많게 하면 기공 크기도 커지는 장점이 있으나 밀도가 낮아지면 탄성계수와 표면 매크로 경도도 낮아진다. 즉, 같은 밀도라면 작고 많은 수의 기공보다는 상대적으로 수가 적고 큰 기공이 내마모성 측면에서 유리할 수 있다. 조대기공은 아우터링의 내경 가공시 닫힐(close) 가능성도 일반 사이즈의 기공 보다 적고, 펌프 작동중의 미세한 마모에 의해서도 오픈(open)될 가능성이 크다.
상기와 같은 이유로 기존의 소재의 밀도를 유지하며, 표면의 조대기공을 최대한 많게 하고 표면 매크로 경도가 저하되지 않는 아우터링 소재 개발이 필요하다.
한국등록특허 제10-1029236호
본 발명에 의하면, 6.80 g/cc 이상의 밀도를 유지하면서 표면의 조대기공이 많으면서 표면 매크로 경도가 높은 아우터링 제조방법을 제공할 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명에 의하면, 예비 합금 분말 및 구리 혼합물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계; 상기 혼합 분말을 성형체로 성형하는 단계; 상기 성형체를 소결하는 단계; 및 상기 소결된 성형체를 경화시키는 단계; 를 포함하고, 상기 예비 합금 분말은 크롬 1.35 내지 1.65wt%, 몰리브덴 0.16 내지 0.24wt%, 망간 0.10 내지 0.25wt% 및 잔부 철을 포함하고, 상기 구리 혼합물은 탄소 15 내지 18wt%, 황화망간 8 내지 9wt%, 구리 55 내지 57wt% 및 윤할제 19 내지 20wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 오일펌프용 아우터링 제조방법을 제공한다.
상기 구리 혼합물은 상기 예비 합금 분말 100중량부를 기준으로 하여 3 내지 5중량부 혼합되는 것일 수 있다.
6.8 g/cc 이상의 밀도로 성형하는 것일 수 있다.
1110 내지 1150 ℃ 에서 15 내지 40분 동안 소결이 진행되는 것일 수 있다.
상기 소결은 질소 및 수소를 포함하는 가스 분위기에서 진행되는 것일 수 있다.
상기 구리의 입자 크기는 300 내지 350Mesh 인 것일 수 있다.
본 발명에 의하면, 상기의 제조방법에 의해 제조되고, 철(Fe), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 망간(Mn), 황(S), 탄소(C) 및 구리(Cu)를 포함하는 것일 수 있다.
상기 아우터링은 크롬 1.30 내지 1.60wt%, 몰리브덴 0.16 내지 0.23wt%, 망간 0.30 내지 0.50wt%, 황 0.10 내지 0.20wt%, 탄소 0.51 내지 0.70wt%, 구리 1.81 내지 2.22wt% 및 잔부 철을 포함하는 것일 수 있다.
상기 아우터링의 표면에는 100㎛ 이상의 기공이 10% 이상인 것일 수 있다.
상기 아우터링의 마이크로 경도는 HV0.3 550 이상이고, HV10 280 이상인 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 6.80 g/cc 이상의 밀도를 유지하면서 표면의 조대기공이 많으면서 표면 매크로 경도가 높은 아우터링 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 실시예1에서 제조된 성형물의 표면 상태를 관찰한 것이다.
도 2는 비교예1에서 제조된 성형물의 표면 상태를 관찰한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.
본 발명은 성형물 표면에 오픈(open) 기공을 증가시킨 오일펌프용 아우터링을 제조하는 방법 및 상기 방법에 의해 제조된 아우터링에 관한 것이다.
아우터링 제조방법
본 발명의 오일펌프용 아우터링 제조방법은 예비 합금 분말 및 구리 혼합물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계, 상기 혼합 분말을 성형체로 성형하는 단계 및 상기 성형체를 소결하는 단계를 포함한다.
혼합 분말 제조 단계
예비 합금 분말 및 구리 혼합물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계이다.
상기 예비 합금 분말은 바람직하게 철(Fe), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 및 망간(Mn)을 포함한다.
상기 예비 합금 분말은 바람직하게 크롬 1.35 내지 1.65wt%, 몰리브덴 0.16 내지 0.24wt%, 망간 0.10 내지 0.25wt% 및 잔부의 철을 포함한다.
상기 구리 혼합물은 바람직하게 상기 예비 합금 분말 100중량부를 기준으로 하여 3 내지 5중량부 혼합된다. 이때 상기 구리 혼합물의 함량이 3중량부 미만이면 제조되는 성형물의 경도가 목적값에 미치지 못할 수 있으며, 조대기공의 크기가 낮아질 수 있고, 5중량부 초과하면 공정의 효율성이 떨어질 수 있다.
상기 구리 혼합물은 바람직하게 탄소(C), 황화망간(MnS), 구리(Cu) 및 윤활제를 포함한다. 여기서 구리 분말의 첨가로 소재의 조직도 강화시킬 수 있고, 조대기공을 얻을 수 있게 된다.
상기 윤활제는 특별히 제한되지 않으나 본 발명에서는 아미드 왁스(amide wax)를 사용하였다.
상기 구리 혼합물은 바람직하게 탄소 15 내지 18wt%, 황화망간 8 내지 9wt%, 구리 55 내지 57wt% 및 윤활제 19 내지 20wt%를 포함한다. 이때 구리의 함량이 55wt% 미만이면 성형물 표면의 경도가 낮아질 수 있고, 57wt% 초과하면 소결 전후의 성형물 치수 변화량이 과도하게 높아질 수 있다.
상기 구리의 입자 크기는 바람직하게 300 내지 350Mesh 이고, 더욱 바람직하게 320 내지 330Mesh 이다. 이때 상기 구리 입자의 크기가 300Mesh 미만이면 소결 전후의 치수 변화량이 커질 수 있다. 350Mesh 초과하면 조대기공의 사이즈가 작아질 위험이 있다.
성형 단계
혼합 분말을 성형체로 성형하는 단계이다.
상기 혼합물을 밀도 6.8 g/cc 이상의 밀도로 성형하여 성형물을 얻는 단계이다.
소결 단계
성형체를 소결하는 단계이다. 구체적으로 성형물을 1110 내지 1150 ℃ 에서 15 내지 40분 동안 소결을 진행하게 된다. 상기 소결로 인해 윤활제는 최종적으로 열분해되어 제거 된다.
상기 소결은 질소 및 수소를 포함하는 가스 분위기에서 진행될 수 있으며, 바람직하게 질소 및 수소의 비율은 8:2 내지 9:1 이다.
경화 단계
소결이 진행된 성형체를 냉각시켜 경화를 진행하는 단계이다.
상기 냉각은 팬을 통해 진행될 수 있으며, 이때 냉각 속도는 바람직하게 2 내지 3 ℃/s 이다.
본 발명에서는 냉각 이후, 성형체를 비교적 저온에서 뜨임(Tempering)하는 단계가 더 포함될 수 있으며, 상기 뜨임은 바람직하게 180 내지 220 ℃ 에서 1 내지 2시간 동안 진행될 수 있다.
아우터링
본 발명의 오일펌프용 아우터링 제조방법에 의해 제조된 아우터링은 바람직하게 철(Fe), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 망간(Mn), 황(S), 탄소(C) 및 구리(Cu)를 포함한다.
상기 아우터링은 보다 바람직하게 크롬 1.30 내지 1.60wt%, 몰리브덴 0.16 내지 0.23wt%, 망간 0.30 내지 0.50wt%, 황 0.10 내지 0.20wt%, 탄소 0.51 내지 0.70wt%, 구리 1.81 내지 2.22wt% 및 잔부의 철을 포함한다. 이때 상기 크롬 및 몰리브덴은 기지강화 원소이고, 상기 크롬은 1.30wt% 미만이면 강도가 저하되거나 베이나이트 5% 이상 형성될 수 있고 1.60wt% 초과하면 치수 변화량이 상승할 수 있다. 또한 상기 몰리브덴은 기지강화 원소로, 0.16wt% 미만이면 강도저하 및 마르텐사이트 조직의 안정성이 떨어져 취성이 증가될 수 있고, 0.23wt% 초과하면 강도가 상승되거나 소결 후 치수 변화량이 상승할 수 있다. 또한 상기 망간은 0.30wt% 미만이면 가공성이 저하될 수 있고, 0.50wt% 초과하면 성형압이 증가되고 강도가 저하될 수 있다. 또한 상기 황은 0.10wt% 미만이면 가공성이 저하될 수 있고, 0.20wt% 초과하면 성형압 증가 및 강도 저하가 발생될 수 있다. 또한 상기 탄소는 기지강화 원소로 0.51wt% 미만이면 베이나이트가 5% 이상 형성되어 강도 저하가 발생하고, 0.70wt% 초과하면 잔류 오스테나이트가 형성되어 마이크로 경도가 저하될 수 있다.
상기 구리는 기지강화 역할 외에도 구리 분말이 있던 자리는 소결시 확산에 의해 기공이 형성되며 1.81wt% 미만이면 오픈(open) 기공수가 저하될 수 있으며, 2.22wt% 초과하면 기지가 강화되나 소결 후 치수변화량이 상승할 수 있다.
상기 아우터링의 표면에는 바람직하게 100㎛ 이상의 기공이 10% 이상이고, 상기 성형물의 마이크로 경도는 HV0.3 550 이상이고, HV10 280 이상이다.
이하, 본 발명을 구체적인 실시예를 통해 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예
크롬1.35 내지 1.65wt%, 몰리브덴 0.16 내지 0.24wt%, 및 망간 0.36 내지 0.39wt% 및 잔부의 철을 포함하는 예비 합금 분말과 탄소 15 내지 18wt%, 황화망간 8 내지 9wt%, 구리 55 내지 57wt% 및 윤활제 19 내지 20wt%를 갖는 구리 혼합물을 상기 예비 합금 분말 100중량부를 기준으로 하여 3 내지 5중량부로 혼합한 후, 상기 혼합물을 금형에 충진시키고 펀치 성형을 하여 성형물을 제조하였다. 이후 질소 및 수소를 포함하는 가스 분위기(질소 : 수소 = 6 : 1)에서 상기 성형물을 1120℃에서 20분 동안 소결하고 이를 충분히 팬냉각하여 하기 표 1과 같은 조성을 갖는 성형물을 제조하였다.(단, 잔부의 철(Fe)은 기재하지 않았으며, 원료 혼합 시 투입된 구리 분말의 입자 크기는 표 1에 기재하였다. 또한 성형물은 오일펌프의 일반적인 아우터링 형상대로 성형되었다.)
조성 구리 입자 크기
실시예1 1.5Cr-0.2Mo-0.37Mn-0.12S-0.6C-2.0Cu 325Mesh
실시예2 1.5Cr-0.2Mo-0.36Mn-0.11S-0.6C-1.9Cu 325Mesh
실시예3 1.5Cr-0.2Mo-0.39Mn-0.13S-0.6C-2.2Cu 325Mesh
도 1에는 상기 실시예1에서 제조된 성형물의 표면을 관측한 결과가 나타나 있다. 이를 참고하면 100㎛ 이상의 크기를 갖는 기공이 다수 관찰되는 것을 알 수 있다.
비교예
상기 실시예와 동일한 방법으로 하기 표 2와 같은 조성을 성형물을 제조하였다.
조성 구리 입자 크기
비교예1 1.5Cr-0.2Mo-0.38Mn-0.12S-0.6C-2.0Cu 325Mesh
비교예 2 1.5Cr-0.2Mo-0.38Mn-0.13S-0.6C 325Mesh
비교예 3 1.5Cr-0.2Mo-0.37Mn-0.12S-0.6C-3.0Cu 325Mesh
비교예 4 1.5Cr-0.2Mo-0.36Mn-0.13S-0.6C-2.0Cu 200Mesh
비교예 5 1.5Cr-0.2Mo-0.37Mn-0.12S-0.6C-2.0Cu 400Mesh
도 2에는 상기 비교예1에서 제조된 성형물의 표면을 관측한 결과가 나타나 있다. 이를 대부분의 작은 사이즈의 기공이 무수히 관찰되는 것을 알 수 있다.
실험예1
상기 실시예1 내지 실시예3, 비교예1 내지 비교예5의 성형물에 대한 소결밀도, 경도, 항복강도, 인장강도 및 치수변화량을 측정하여 하기 표 3에 기재하였다.
밀도 마이크로
경도(Hv0.3)		 매크로
경도(Hv10)		 항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 내경 치수 변화량(%)
실시예1 6.87 634 335 649 852 1.0002
실시예2 6.87 634 335 649 852 1.0002
실시예3 6.87 634 335 649 852 1.0002
비교예1 6.87 634 335 649 852 1.0002
비교예 2 6.91 529 274 586 792 0.9990
비교예 3 6.93 665 358 689 899 1.0011
비교예 4 6.86 629 321 629 839 1.0005
비교예 5 6.89 658 342 660 861 1.0002

Claims (10)

  1. 예비 합금 분말 및 구리 혼합물을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 혼합물을 성형체로 성형하는 단계;
    상기 성형체를 소결하는 단계; 및
    상기 소결된 성형체를 경화시키는 단계; 를 포함하고,
    상기 예비 합금 분말은 크롬 1.35 내지 1.65wt%, 몰리브덴 0.16 내지 0.24wt%, 망간 0.10 내지 0.25wt% 및 잔부 철을 포함하고,
    상기 구리 혼합물은 탄소 15 내지 18wt%, 황화망간 8 내지 9wt%, 구리 55 내지 57wt% 및 윤할제 19 내지 20wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 오일펌프용 아우터링 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구리 혼합물은 상기 예비 합금 분말 100중량부를 기준으로 하여 3 내지 5중량부 혼합되는 것인 오일펌프용 아우터링 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    6.8 g/cc 이상의 밀도로 성형하는 것인 오일펌프용 아우터링 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    1110 내지 1150 ℃ 에서 15 내지 40분 동안 소결이 진행되는 것인 오일펌프용 아우터링 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 소결은 질소 및 수소를 포함하는 가스 분위기에서 진행되는 것인 오일펌프용 아우터링 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구리의 입자 크기는 300 내지 350Mesh 인 것인 오일펌프용 아우터링 제조방법.
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