KR20010061817A - 철계합금과 동합금의 접합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철계합금과 동합금의 접합방법에 관한 것으로, 철계합금의 구면부에 동합금 분말을 분성하고, 600 - 900℃의 온도로 1차 소결한 다음 , 다시 3 - 5ton/㎠으로 상온 가압한 후 650 - 950℃의 온도에서 다시 2차소결하므로써, 동합금 분말에 윤활제로 첨가된 Pb용출이 발생하지 않고, 또한 접합계면에서 불순물이 발생하지 않아 목표접합강도를 얻을 수 있게 되는 것이다.

Description

철계합금과 동합금의 접합방법{Junction method between iron alloy and copper alloy}

본 발명은 철계합금과 동합금의 접합방법에 관한 것으로, 특히 축방향 유압기기용 실린더블록의 접합부에 동계 분말을 소결접합하여 신뢰성있는 동계윤활층을형성하는 철계합금과 동합금의 접합방법에 관한 것이다.

일반적으로 유압기기용 실린더블록은 도 1에 도시된 바와같이, 철계합금으로 제작된 몸체(1)의 상부면에 동계 윤활층(2)이 형성되고, 이 몸체(1)의 하부에 소정깊이를 가지는 다수개의 보어부(3)가 형성되는 한편 중앙부에 스플라인(4)이 관통형성된 구조로 되어 있다.

이러한 구조로 된 통상의 실린더블록은 유압장치의 소형화와 함께 고속화, 고압화가 진행되면서, 철계합금의 몸체(1)와 동계 윤활층(2)간의 접합성이 더욱 중요한 요소로 되고 있는 바, 이러한 철계합금과 동합금 접합을 위해, 동합금을 완전히 절삭 가공하여 사용하는 방법과, 동주물을 직접 철계 합금에 주입하여 동 윤활층을 형성하는 방법, 동박판을 열간압연 또는 분말압연으로 제작한 후 철계합금과 접합을 위해서 고온에서 가압하며 접합하여 동 윤활층을 형성하는 방법 및, 동분말을 성형 또는 분성한 후 고온에서 가압하여 확산접합하는 방법등과 같은 여러가지 방법이 종래부터 사용되고 있었다.

그중에서 소결합금방법이 주조방법에 비해 재료설계의 자유도가 높고, 또한 공정자체의 특성상 보유하고 있는 기공에 오일을 함유하고 있어 내마모성, 내윤활성 측면에서 더욱 우수한 공정으로 알려져 있다.

그러나 소결공정으로 제작시에는 분말을 성형화고 이 성형체를 철계합금에 접합을 하는 과정에서 성형체의 파손 및 대용량의 프레스가 요구된다.

그리고 본 출원인이 출원한 특허출원번호 93- 027909호 "철계합금과 동합금 재료와의 확산접합법"에서는, 분말 접합재를 접합할 철계합금의 접합부 사이에 넣고, 균일한 압력으로 가압 유지함과 동시에 가열 접합하여 공정 및 생산비의 경제성과 신뢰성 있는 접합강도를 얻을 수 있는 방법을 제안하였다.

이 방법에 따르면 분말 성형체 없이 분말을 분성하여 접합이 가능하므로 제조공정의 단축을 꾀할 수 있고, 고온에서 가압을 동시에 진행하므로 안정된 접합력의 확보가 가능하다는 장점을 보유하고 있다.

그러나 소결 및 접합을 하기위해서는 동윤활층의 조성중 필수성분이면서 저융점금속인 Pb의 융점 327℃보다 고온인 700℃에서 20kg/㎠이상으로 가압을 하게되면 스폰지에 들어있는 물을 쥐어 짜는 것과 동일한 현상으로 Pb가 용출할 수 밖에 없게 된다.

그러므로 혼합분말에 Pb를 5%이상 첨가하여도 고온 가압의 공정을 거친 후에는 1%이상 잔류가 안되고, 또한 잔류Pb가 계면에 편석됨으로 인한 접합강도 저하등의 문제점이 발생한다.

이러한 문제점을 회피하기 위해서는 고온에서 가압을 하지 않고 단순히 소결만 실시하는 경우에는 철계합금과 동윤활층이 충분한 확산접합하지 않게 되어 원하는 접합강도를 얻을 수 없게 된다.

또한 도 2에 도시된 바와 같이 Pb(5)가 철계합금의 몸체(1)와 동계 윤활층(2)의 계면에 집중적으로 몰려 있게 되어, 접합 후에 실시하는 연질화와 같은 후처리공정에서 접합강도의 저하를 발생시키는 단점을 갖고 있다.

그리고 고온으로 가열하면서 동시에 가압을 실시할 수 있는 특수로가 필요하여 이러한 설비투자에 과도한 부담을 갖게 된다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 사용중 소부, 소착문제와 열처리 및 절삭가공과 같은 후처리공정시 발생하는 철계합금으로 부터 동윤활층의 분리를 해결할 수 있는 철계합금과 동합금의 접합방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 철계합금과 동합금의 접합방법은, 고온소결과 가압을 분리하여 실시하는 것을 특징으로 한다.

즉, 철계소결합금의 모재에 연 청동분말의 소결공정 또는 연 청동 판재의 확산접합공정으로 제작할 때 발생하는 Pb용출 및 후처리공정에서 발생하는 Pb몰림으로 발생하는 접합강도 저하를 방지하기위해서, 먼저 고온에서 단순 소결만 진행한 고, 밀도상승을 위해 상온가압을 순차적으로 진행하게 되는 것이다.

도 1 은 일반적인 축방향 유압기기용 실린더블록을 도시한 단면도,

도 2 는 철계합금과 동윤활층의 접합상태의 조직을 개략적으로 도시한 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 철계합금 몸체 2 : 동계 윤활층

3 : 보어부(bore) 4 : 스플라인부(spline)

5 : 납(Pb)

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 실린더 블록을 연 청동분말의 소결공정 또는 연 청동 판재의 확산접합공정으로 제작할 때 발생하는 Pb용출 및 후처리공정에서 발생하는 Pb몰림으로 발생하는 접합강도 저하를 방지하기위해서, 소결접합과 밀도상승을 한번에 하지않고 가압소결을 나누어 순차적으로 진행한다.

즉, 먼저 고온에서 소결만 진행한 후 상온에서 가압하고, 이후 밀도향상을위하여 재차 2차 소결을 하거나 최종적으로 상온가압을 다시 한번 실시하는 것이다.

이때 동윤활층의 조성은 윤활제 1 - 20중량%, 기지강화제 3-20중량%, 나머지는 Cu로 이루어지는 바, 그 역할과 한정이유는 다음과 같다.

1. 윤활제

융점이 낮은 Pb같은 금속계와 MoS₂와 같은 황화물계 윤활제를 사용할 수 있으며, 유압 펌프 작동중에 상대편 밸브플레이트와 원활한 마찰이 이루어지도록 하며 과도한 압력으로 인하여 오일 윤활막이 깨졌을 때는 이러한 윤활제가 오일의역할을 대신한다.

Pb가 1%이하에서는 윤활성이 부족하여 이러한 윤활제의 역할을 충분히 수행할 수 없어 사용중 밸브플레이트와 소착의 위험성이 있고, 10%이상에서는 기지부의 강도를 약화시켜 사용중에 극심한 마모의 위험성이 있다.

2.기지강화제

Sn은 기지부(matrix)의 융점을 낮추므로써 소결능을 향상시키고 Cu내 고용되어 기지부 강도를 향상시킨다.

통상적으로 Sn이 3%이하에서는 고용강화효과가 없고, 15%초과시에는 기지부 융점저하로 고온에서 내마모성질이 약해져서 사용중 마모로 인한 문제를 야기시킬수 있다.

Ni은 Cu와 전율고용체를 형성하므로써 첨가량이 커질수록 고용강화의 효과는 커질 수 있지만 5%를 초과할 경우 기지부 량 및 윤활제 량이 줄어들어 기지부의 강도를 저하시켜 오히려 내마모성에 나쁜 영향을 끼칠 수 있고, 1%이하 첨가시는 고용강화 효과를 기대할 수 없게 된다.

[비교예]

SM45C소재를 구면부를 가공한 후 Sn :10%, Pb :10% 나머지는 Cu로 구성된 분말 접합재 분말을 넣고, 790 - 860℃의 접합온도와 0 - 25kgf/㎠의 접합온도와 0-25kgf/㎠의 접합압력의 조건으로 60분동안 확산 접합한다.

[실시예1]

SCM440 또는 SM45C소재의 모재에 구면부를 제작한 후 접합표면을 세척하고, Sn :10%, Pb :10%, 나머지는 Cu로 구성된 혼합분말을 구면에 뿌린 후 720℃에서 1차소결하고 3ton/㎠으로 상온 가압하여 밀도를 15%이상 향상시킨다.

그후 2차로 소결하여 충분한 접합강도를 확보한다.

[실시예2]

SCM440 또는 SM45C소재의 모재에 구면부를 제작한 후 Sn :10%, Pb :10%, 나머지는 Cu로 구성된 혼합분말을 구면에 뿌린 후 800℃에서 1차소결하고 4ton/㎠으로 상온 가압하여 밀도를 15%이상 향상시킨다.

그후 2차소결하여 최종적으로 5ton/㎠으로 상온가압한다.

[실시예3,4,5]

SCM440 또는 SM45C소재의 모재에 구면부를 제작한 후 Sn , Pb , Ni, Cu로 각각의 조성비로 구성된 혼합분말을 구면에 뿌린 후 800℃에서 1차소결하고 4ton/㎠으로 상온 가압하여 밀도를 15%이상 향상시킨다.

그후 2차소결하여 최종적으로 5ton/㎠으로 상온가압한다.

구분	Cu	Sn	Pb	Ni
비교예	bal.	10%	10%	-
실시예3	bal.	3%	10%	0.5%
실시예4	bal.	10%	0.5%	-
실시예5	bal.	10%	10%	15%

상기한 표1은 실시예 3, 4, 5 각각에대한 혼합분말 접합재의 조성을 나타낸 것이다.

상기한 비교예와 각 실시예에 따라 제조된 상태를 시험하기 위해 접합강도는 동윤활층과 철계합금간의 전단강도시험으로 측정하고, 각 시편의 마모시험은 100N의 부하에서 경계윤활조건으로 마모량을 측정하였으며, 내소부성은 상기한 조건으로 제작된 실린더블록을 350bar에서 1,000시간동안 유압펌프 내구성을 시험하였다.

상기한 시험조건에 따른 측정된 결과는 다음 표2에 나타내었다.

구분	접합강도(kg/㎟)	마찰계수	내소부성	내마모성
비교예	10-15	0.30	300시간만에 동윤활층에 소부발생	-
실시예1	20	0.23	1000시간까지 동윤활층에 소부발생안됨	50㎛
실시예2	25	0.20	1000시간까지 동윤활층에 소부발생안됨	30㎛
실시예3	23	0.23	1000시간까지 동윤활층에 소부발생안됨	70㎛
실시예4	23	0.25	300시간만에 소부발생	-
실시예5	25	0.21	1000시간까지 동윤활층에 소부발생안됨	5-10㎛

이와같이 비교예에서는 동합금 분말에 pb을 10중량%씩 첨가해도, 제조공정중 고온에서 가압에 의한 Pb손실이 크고 잔류Pb가 적어 내소부성이 떨어진다.

또한 실시예4에서는 동합금 분말중 Pb가 절대량0.5중량%가 부족하여 소부가 발생하고, 이에 따른 마모도 많이 생겼다.

실시예3에서는 기지강화제인 Sn과 Ni의 첨가량이 부족하여 기지가 약해서 마모가 많이 발생하였다.

이상에서 서술한 바와 같은 본 발명의 제조방법에 따르면, 철계합금과 동합금의 접합재를 제조할 때, 고온에서의 단순 소결을 1차로 실시하고, 2차로 상온가압하거나 고온가압소결을 실시하므로써, 동합금 분말에 윤활제로 첨가된 Pb용출이 발생하지 않고, 또한 접합계면에서 불순물이 발생하지 않아 목표접합강도를 얻을수 있게 되는 것이다.

Claims (6)

1. 철계합금의 소재에 구면부를 형성하고, 이 구면부에 동합금 분말을 분성하고, 600 - 900℃의 온도로 1차 소결한 다음 , 다시 3 - 5ton/㎠으로 상온 가압한 후 650 - 950℃의 온도에서 2차소결하게 된 것을 특징으로 하는 철계합금과 동합금의 접합방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 동합금 분말의 조성이 윤활제가 1-10중량%, 기지 강화제가 3-20중량%, 나머지가 Cu로 이루어진 것을 특징으로 하는 철계합금과 동합금의 접합방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 윤활제가 Pb, MoS₂또는 Graphite중에서 선택된 적어도 하나이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 철계합금과 동합금의 접합방법.
4. 제 2 항에 있어서, Sn이 기지 강화제로 3-15중량% 첨가된 것을 특징으로 하는 철계합금과 동합금의 접합방법.
5. 제 1 항에 있어서, Ni이 기지강화제로 1-15중량% 첨가된 것을 특징으로 하는 철계합금과 동합금의 접합방법.
6. 제 1 항 내지 5 항중 어느 한항에 있어서, 상기 2 차소결후 상온가압을 추가하게 된 것을 특징으로 하는 철계합금과 동합금의 접합방법.