KR19980018521A - 냉간가공된 분말금속에 의한 단조품 형성방법 - Google Patents

Abstract

냉간가공된 분말금속 단조공정에 의한 금속제조방법을 설명한다. 분말금속의 일정량이 측정되어 브리켓 또는 다른 콤팩트내에 밀집된다. 브리켓은 프리폼을 형성하도록 소결된다. 소결 이후에 프리폼은 그것의 강도를 증가시키도록 냉간가공된다. 결과로 개선된 피로수명, 표면다듬질, 야금학적 특성을 갖게 된다.

Description

냉간가공된 분말금속에 의한 단조품 형성방법

본 발명은 분말금속으로부터 부품을 제조하기 위한 개선된 방법에 관한 것이다. 더 특별하게는 본 발명은 냉간가공된 분말금속 단조에 의하여, 강도와 피로수명을 개선한 롤러클러치(roller clutch)용 일방향 클러치 레이스(clutch races)를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

분말금속 단조 정밀구성품들의 형성은 종래 기술에서 잘 알려져 있다. 이러한 형성과정은 분말금속을 브리켓(briquette) 또는 다른 형태로 밀집하여, 분말금속 브리켓을 프리폼(preform) 또는 블랭크(blank)를 형성하도록 소결하며, 블랭크 또는 프리폼을 단조하여 부품을 원하는 모양과 치수로 형성하는 과정을 포함한다. 소결단계 이후, 일반적으로 프리폼은 임의의 중간 냉각없이 소결노로부터 단조프레스로 직접 전달된다. 달리, 프리폼은 냉각되어 단조공정 전에 HF 유도(HF induction)또는 다른 수단에 의하여 재열될 수 있다고 또한 알려져 있다. 프리폼이 형성되도록 직접 소결노로부터 전달되거나 또는 냉각되어 단조 전에 재열되든지 간에, 가열된 프리폼 또는 블랭크는 단조프레스에 배치되거나 그렇지 않으면, 적당한 크기와 모양을 갖는 원하는 부품으로 형성된다.

종래의 분말금속 단조에 의하여 생산된 생단조면은 예를 들어 프리폼의 모양, 다이윤활, 프리폼온도, 공구온도 그리고 단조톤수와 같은 많은 인자에 따라 산화특성과 표면다듬질, 공극율을 갖는다. 보통 이러한 전단계 공정에 의하여 제조된 프리폼의 결과적인 생단조 표면다듬질과 공극율은 이들 공정 특성에 따르는 최적의 제한을 갖는다.

이러한 전단계 공정들에 의하여 형성된 이들 프리폼 또는 블랭크를 위한 한가지 사용은 일방향 롤러클러치의 내부 또는 외부레이스용 캠의 형성이다. 이들 생산품의 표면다듬질, 공극율 그리고 표면산화물은 캠표면을 쪼개거나 다른 파괴를 일으키는 경향에 영향을 미친다. 일단 캠표면이 쪼개지거나 달리 파괴되면, 클러치는 조작블능상태가 되며 교환하여야 한다. 롤러클러치용 일방향 클러치 레이스의 캠들은 고하중에서 쪼개짐에 더 영향받기 쉽기 때문에, 보통 일방향 클러치가 필요한 응용에서는 스프래그 클러치(sprag clutch)를 사용한다. 그러나 스프래그 클러치는 롤러클러치보다 훨씬 고가의 제조비용이 든다.

본 발명의 목적은 상대적으로 저렴하게 생산하는, 개선된 피로수명, 표면다듬질, 야금학적 특성을 갖는 단조면을 형성하는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명에 관련된 목적은 캠표면이 부스러지는 경향을 감소시키며 다른 일방향 클러치와 비교하여 저가인, 개선된 강도와 표면다듬질을 갖는 일방향 클러치 레이스용 캠표면을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적에 따라서 프리폼 또는 블랭크로부터 부품을 형성하기 위한 개선된 방법을 밝힌다. 설명된 방법에서, 분말금속의 소정량이 부품제조를 위해 사용된다. 분말금속의 양은 형성될 부품의 크기와 모양에 따라 결정된다. 이러한 분말금속은 브리켓 또는 다른 밀집형태로 밀집된다. 그리고 나서 밀집분말은 증가된 강도와 밀도로서 프리폼 또는 블랭크를 형성하도록 소결된다. 프리폼 또는 블랭크는 소결공정이후에 냉간가공되며, 바람직하게는 롤러 버니싱(roller burnishing) 기술에 의한다. 블랭크가 냉간가공된 후에, 단조다이 또는 단조프레스에서 원하는 모양으로 단조된다. 이러한 소결단조공정은 종래의 정밀단조공정에 대하여, 개선된 연성과 강도, 개선된 강도와 프리폼치수의 정확성과 더 좋은 생단조 표면다듬질, 공극률, 산화깊이, 주파수를 포함하는 중요한 개선점을 제공한다.

본 발명의 부가적인 특징과 이점은 본 발명의 다음과 같은 상세한 설명을 고려하여 일반 기술 중 하나에서 분명하게 될 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예는 첨부도면을 참고하여 설명될 것이다.

바람직한 실시예에 따라서, 원하는 기능을 수행하도록 충분한 강도를 갖는 분말금속으로부터 생산품을 형성하는 방법을 설명한다.

제1단계는 바람직한 원하는 크기와 모양을 갖는 부품을 형성하기 위해 필요한 분말금속 양을 측정하는 것이다. 분말은 브리켓 또는 다른 형태로 밀집된다. 일단 분말금속이 밀집되면 그것은 소결된다. 소결은 그것의 강도를 증가시킬 목적으로 구성물질을 함께 묶어주므로써 주 구성물질의 녹는점 이하의 온도에서 느슨한 분말 또는 콤팩트를 열처리하는 것이다. 소결이 발생하는 조건은 사용된 분말금속의 형태에 따른다. 이들 조건들은 보통의 종래기술에서 잘 알려져 있다. 소결동안, 분말브리켓은 인접한 부품들이 극단의 부품을 더 강하게 만드는 그들의 접착을 증가시키도록 분말의 녹는점 이하까지 가열된다. 소결공정의 결과적인 효과는 금속블랭크 또는 프리폼의 형성이다.

바람직한 실시예에 따라서 밀집분말은 약간의 기공이 있다. 밀집분말의 소결동안, 기공들은 형태면에서 실제로 구형이 되며, 밀집은 그것의 전체강도가 증가함에 따라서 크기에서 감소한다. 제조상의 매개변수로 주어진 축소율을 측정하여 적당한 치수를 갖는 부품들을 형성할 수 있는 방법은 보통의 종래기술중의 하나로써 알려져 있다.

또한 냉간가공은 소성변형금속을 위한 공정으로 잘 알려져 있다. 이것은 일반적으로 상온하에서 수행되며, 부품을 경화시키는 스트레인(strain)을 유발한다. 냉간가공은 보통 열간가공으로 대체되며 단조공정이후에 부품상에 수행된다.

바람직한 실시예로서 밀집이 소결된 이후에, 프리폼은 상온으로 냉각되어 냉간가공된다. 달리 프리폼은 상온 이하에서 냉간 가공될 수도 있다. 냉간가공단계는 바람직하게는 프리폼을 롤러 버니싱(roller burnishing)하므로써 수행된다. 롤러 버니싱은 분말금속을 위한 공정으로서 잘 알려져 있으며 강철 제조업자들에게 잘 알려져 있으나, 그것은 결코 생단조면의 재질조건을 향상시키도록 단조공정 전에 행하여지지는 않는다. 또한 유리와 모래를 포함하여 종래에 알려진 여러 가지 형태의 재료들과 함께 블라스팅(blasting) 처리함으로써 다른 추가적인 처리없이, 프리폼은 단지 냉간가공일 수도 있다. 블라스팅은 롤러 버니싱에 의한 냉간가공으로 생산된 표면과 비교하여서는 거칠지만 단조되어 전혀 냉간가공되지 않은 표면보다는 우수한 표면다듬질을 갖는 표면을 국부적으로 치밀하게 한다.

프리폼은 냉간가공단계에 의하여 경화되는 스트레인을 부여한 후에 단조된다. 프리폼은 재가열되어 단조다이에 놓여 원하는 모양으로 헤머가공된다. 프리폼을 단지 냉간가공하거나 또는 단조만 하는 종래의 공정들과는 달리, 여기서 설명하는 방법은 냉간가공 그리고 단조 전에 발생하는 냉간가공단계와 함께 단조하는 두 가지 방법을 제공한다. 롤러 버니싱의 바람직한 실시예에서, 비원통형이 이롭다는 것은 분명하다. 비원통형 단조면은 둥근연장과 비원통형의 단면과의 접촉 때문에 롤러 버니싱할 수 없다. 추가로, 담금질되고 냉간가공하지 않은 경도를 갖는 단조에서, 냉간가공은 생단조면에 나타난 개선점을 갖는 프리폼에 행하여 질 수 있다. 바람직한 실시예에서 분말 단조와 소결/버니싱된 종래의 구성품을 훨씬 능가하는 강철부품을 생산하기 위하여, 표면다듬질은 낮게, 강도는 높게 그리고 금속성을 개선하므로서 발생하는 것과 같은 롤러 버니싱의 이점은 단조, 즉 고밀도 강철과 다양한 형상의 이점과 결합한다. 소결단계와 단조단계 사이의 프리폼의 냉간가공은, 실제로 이득이 없으며, 여분의 불필요한 단계에 해당하는 비용이 비싸기 때문에 널리 행하여지지는 않는다.

도 1은 롤러클러치의 일방향 클러치 레이스의 캠을 도시한 도면.

도 2는 종래 기술의 단조공정에 의한 부품의 표면을 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 단조된 부품의 표면을 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따라 단조된 부품의 표면을 도시한 도면.

도 5는 종래 기술의 공정에 의하여 단조된 캠표면을 도시한 도면.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 단조된 캠표면을 도시한 도면.

도 7은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따라 단조된 캠표면을 도시한 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 롤러클러치12 : 포켓

13 : 외부레이스15 : 롤러

16 : 후방정지면17 : 내부레이스

32 : 불규칙성

설명한 공정에 대한 바람직한 사용은 일방향 클러치 레이스의 제조에 있다. 도 1은 롤러클러치(10)용 일방향 클러치 레이스를 나타내는 개략적인 도면이다. 도 1에 도시한 바와같이, 설명된 클러치(10)의 외부레이스(13)는 그것의 내표면에 복수의 포켓(12)를 갖는다. 이들 포켓(12)들은 롤러(15)가 탑재하는 캠표면(20)과 롤러(15)에 대향하여 스프링을 유지하는 후방정지면(16)을 포함한다. 반시계방향으로 외부레이스(13)에 힘이 작용할 때, 롤러(15)들은 외부레이스(13)의 캠표면(20)과 내부레이스(17)에 힘을 전달하는 내부레이스(17)의 매끈한 외경사이에서 죄여 움직이지 않게 된다. 이리하여 클러치(10)가 작용하는 동안 매우 큰 하중을 다루게 될 때, 캠표면(20)은 고하중을 견디도록 설계된다. 그 반대로서 시계방향으로 힘이 작용할 때, 롤러(15)는 느슨하게 되어 외부레이스(13)는 회전하거나 자유롭게 움직이게 되며, 그 동안 스프링은 롤러가 빠지는 것을 막는다. 이러한 배치는 보통, 기어 변속을 위한 클러치의 분리이탈을 돕기 위하여 사용된다.

일방향 클러치 레이스들은 보통 일정량의 응력을 견디도록 설계된다. 그들의 크기와 특징 때문에 일방향 클러치의 다른 형태들은 다른 일방향 클러치들보다 더 큰 하중에 저항할 수 있다. 종래 기술에서 이러한 차이는 여러가지 클러치들간의 비용차이에 따른다고 알려져 있다. 이하, 스프래그 클러치(sprag clutch)의 사용을 위한 일방향 클러치 레이스는 도 1에서 도시한 롤러클러치에 사용된 것들보다 더 큰 하중을 견딜 수 있다.

게다가 사용할 때에, 롤러클러치는 쪼개짐으로 명백한 캠표면(20)의 피로에 의한 동일 하중조건 하에서 스프래그 클러치보다 상당히 작은 싸이클을 지속한다. 그러나 롤러클러치들이 스프래그 클러치보다 제조비용이 더 낮기 때문에, 그들이 더 긴 피로수명을 갖도록 제조된다면 상당한 이득이 될 것이다. 설명한 공정에 있어서, 외부레이스(13) 또는 내부레이스(17)의 캠표면은 쪼개짐으로 명백한 캠의 피로수명을 연장하도록 제조될 수 있으며, 그렇지 않으면 스프래그 클러치가 요구될지도 모르는 롤러클러치를 대체하여 제조될 수도 있다. 설명한 공정에 따라 제조된 일방향 클러치 레이스를 갖는 롤러클러치는 상대적으로 낮은 비용 때문에 사용할 때에 스프래그 클러치들을 대체할 수 있다.

설명한 공정으로 형성된 부품과 종래의 공정으로 형성된 부품의 표면 특성들 사이의 차이를 설명하기 위하여 시험을 실시한다. 표면시험의 기준은 표면다듬질, 공극율(표면에 얼마나 많은 공극을 갖는가?)과 산화물이며, 시험의 결과는 설명한 방법에 의하여 제조된 부품들이 종래의 공정에 의한 것보다 월등한 표면특성을 갖는다는 것이다. 아래 작성한 데이터는 양 공정에 의하여 형성된 부품들 사이의 차이를 설명한다.

a. 종래 공정에 따라 제조된 생단조 캠표면의 표면다듬질은 77 내지 83μin로 측정된다. 본 발명에 따라 제조된 롤러 버니싱된 생단조 캠표면의 표면다듬질은 35 내지 41μin이다.

b. 종래 공정에 따라 제조된 생단조 캠표면의 산화물은 0.006in이며, 매 0.005in 마다 0.007in 깊이로서 발견된다. 본 발명에 따라 제조된 생단조 캠표면상의 산화물은 0.002in이며, 매 0.015in 마다 0.003in 깊이로서 발견된다.

c. 종래 공정에 따라 제조된 생단조 캠표면의 공극율은 0.015in 깊이까지 미소공극율로 측정된다. 본 발명에 따라 제조된 롤러 버니싱된 생단조 캠표면의 공극율은 0.003in 깊이까지 미소공극율로 측정된다.

또한 기존의 발명품의 스트로커 테스트(stroker testing)에 기초한 임시결과는 쪼개짐에 기인한 실패에 대한 싸이클 수가 본 발명에 따라 제조된 부품들보다 약 2배 정도이다는 것을 알려준다.

상술한 바와 같이, 단조공정 전에 수행된 냉간가공은 몇 가지 개선된 특징들, 즉 표면다듬질, 공극율, 산화깊이 그리고 주파수(frequency)를 갖는 캠표면을 제공한다. 도 2, 도 3 및 도 4는 3개의 다른 제조공정에 따라 제조된 부품들의 30배 확대표면의 사진을 보여준다. 이들 도면들은 도 1에 도시한 레이스의 내표면(20)을 나타낸 것이다.

도 2의 부품은 종래의 단조공정에 의하여 제조된 것이며, 도 3의 부품은 냉간가공 블라스팅 후 단조에 의하여 제조된 것이며, 도 4의 부품은 냉간가공 롤러 버니싱 후 단조에 의하여 제조된 것이다. 도 2와 도 3에 도시한 바와 같이, 블라스팅에 의하여 냉간가공된 후 단조된 표면(20)의 표면다듬질은 전혀 냉간가공하지 않은 생단조 프리폼의 표면(20)의 다듬질과 비교하여 개선된다. 도 4는 롤러 버니싱 후 단조하는 냉간가공된 프리폼의 표면(20)을 설명한다. 도 4의 프리폼의 표면(20)은 도 2와 도 3에 설명한 표면(20)상에 표면다듬질을 행한 것이다. 개선은 표면결함 및 (기포나 산화물로써 표시한) 불규칙성(32)의 결여와 도 4에서 공극율의 결여로서 측정될 수 있다. 도 2와 도 3은 더 많은 기포와 산화물 그리고 증가된 공극율 깊이와 주파수를 설명한다.

도 5 내지 도 7은 종래 공정에 따라 제조된 것과는 다른 공정에 의하여 제조된 캠표면(20)의 보통 크기의 사진을 도시한다. 도 5는 냉간가공이 이루어지지 않는 생단조 캠표면(20)을 도시하며, 도 6은 블라스팅에 의하여 냉간가공되어 단조된 생단조 캠표면(20)을 도시한다. 도 7은 롤러 버니싱에 의하여 냉간가공되어 단조된 캠표면을 도시한다. 시험결과는, 도 6에 도시한 단조 전에 블라스팅함으로써 형성된 캠표면(20)은 도 5에 도시한 임의의 냉간가공없이 형성된 캠표면(20)보다 더 우수한 특성을 갖는다는 것을 설명한다. 또한 시험결과는, 도 7에 도시한 단조전에 롤러 버니싱하므로써 형성된 캠표면(20)은 도 5와 도 6에 설명한 공정에 의하여 형성된 캠표면(20)보다 상당히 더 우수한 특성을 갖는다는 것을 설명한다.

이상에서 본 발명의 단지 하나의 바람직한 실시예를 설명하는 동안, 보통의 종래기술에 의한 실시예들은 본 발명의 중심적인 생각과 범주를 벗어남이 없이 이 실시예가 수정될 수도 변경될 수도 있다는 것을 나타낼 것이다. 그리하여 이상에서 설명한 실시예는 모든면에서 설명되며 제한받지 않는 것처럼 고려되며, 앞서 설명한 것 보다는 첨부된 청구항에 의하여 지적된 본 발명의 청구항의 동등성의 범주와 의미내에 들어있는 모든 변화를 여기서 포함할 수 있다.

내용 없음

Claims (8)

1. 여러 적용분야에 사용하기 위한 단조품 형성방법에 있어서,

   분말금속을 제공하는 단계와,

   상기 분말금속을 밀집하는 단계와,

   프리폼을 형성하도록 상기 밀집된 분말금속을 소결하는 단계와,

   상기 프리폼의 강도를 개선하도록 상기 프리폼을 냉간가공하는 단계와,

   상기 프리폼을 원하는 사양을 갖는 원하는 모양으로 단조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단조품 형성방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 냉간가공단계는 상기 프리폼을 롤러 버니싱하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단조품 형성방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 냉간가공단계는 상기 블랭크를 블라스팅처리하는 단게를 포함하는 것을 특징으로 하는 단조품 형성방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 일방향 클러치 레이스(13, 17)에 캠표면(20)을 형성하기 위하여 사용하는 것을 특징으로 하는 단조품 형성방법.
5. 일방향 클러치 레이스(13, 17)에서 캠표면(20) 형성방법에 있어서,

   분말금속 콤팩트를 제공하는 단계와,

   프리폼을 형성하도록 상기 분말금속 콤팩트를 소결하는 단계와,

   롤러 버니싱에 의하여 상기 프리폼을 냉간가공하는 단계와,

   상기 프리폼을 개선된 강도와 표면다듬질을 갖는 상기 클러치 레이스로 단조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 캠표면 형성방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 클러치 레이스(13, 17)는 롤러클러치(20)에 사용되는 것을 특징으로 하는 캠표면 형성방법.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 표면다듬질은 50μin보다 작은 것을 특징으로 하는 캠표면 형성방법.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 클러치 레이스의 표면은 0.3in보다 작은 미소공극율 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 캠표면 형성방법.