KR20010094944A

KR20010094944A - 금속다공예비성형체 및 이 성형체를 사용한금속복합부재의 제조방법

Info

Publication number: KR20010094944A
Application number: KR1020010009176A
Authority: KR
Inventors: 오다노부유키
Original assignee: 밀러 제임스 이; 마쯔다 가부시키가이샤
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2001-11-03
Also published as: EP1138418A3; JP2001276961A; US20010030035A1; EP1138418A2

Abstract

본 발명은 주탕(注湯)완료부터 가압함침에 이르기까지의 사이에 타임래그(time lag)가 존재하는 주조 프로세스를 적용한 경우에서도, 충분한 모재와의 밀착성이 얻게되는 Fe계열의 금속다공예비성형체 및 이 예비성형체를 사용한 금속복합부재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한 것이며, 그 해결수단에 있어서, 주형(鑄型)내에 세트된 프리폼에 용탕을 함침시킬 때에, 주탕완료부터 용탕함침까지에 소정의 타임래그가 존재하는 주조법에 적용되는 금속다공프리폼M로서, 철계열 금속을 베이스로하고, 이것에 10∼40중량%의 크롬이 함유되어서 이루어진 것을 특징으로 한 것이다.

Description

금속다공예비성형체 및 이 성형체를 사용한 금속복합부재의 제조방법{METAL POUROUS PRELIMINARY MOLDING FRAME AND METHOD FOR MANUFACTURING METAC COMPOSITE MEMBER USING THE SAME}

본 발명은, 금속제의 다공질예비성형체, 및 이러한 예비성형체를 복합용 재료로서 사용한 금속복합부재의 제조방법에 관한 것이다.

주지한 바와 같이, 예를 들면 알루미늄합금 등의 경합금재료는, 경량이며 열전도성이 양호하기 때문에 자동차용 엔진부품 등에 많이 사용되고 있으나, 주철이나 철강 등의 철계열 재료에 비교해서 내열성이나 내마모성에 뒤떨어진다는 약점이 있다. 그래서, 예를 들면 디젤엔진용 등의 엔진용의 피스톤에서는, 보다 높은 내마모성이 요구되는 톱링홈을 강화하기 위해, 니켈 등의 금속다공체에 의해서 톱링홈의 주위에 복합강화부를 형성하는 수법(일본국 특공평- 2-30790호)등이 개발되어 왔다.

이와 같은 복합강화부분을 형성하는 방법으로서는, 금속다공체로 이루어진 예비성형체의 기공(氣孔)내부에 알루미늄합금용탕을 함침시키기 위하여, 소위 고압주조법을 사용하는 것이, 종래의, 일반적 방법이었다.

이 고압주조법은, 소정의 기공율을 가진 강화재의 예비성형체를 주조형 내부에 세트하고, 알루미늄합금용탕을 주탕한 후에, 가압펀치나 플런저 등의 기계적수단에 의해서, 예를 들면 29.4∼147㎫정도의 고압을 가하고, 응고완료까지 유지하는 것이다.

그러나, 이 고압주조법에서는, 복합화에 고압을 사용하기 때문에, 실시에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있다.

① 고압을 부가하기 위한 가압장치나 강력한 형틀죔장치가 필요하므로, 설비가 대형으로 고가의 것으로 된다.

② 압력에 의해서 코어에 용탕을 질러넣거나, 코어자체에 변형이나 파손이 생기기 쉬우므로, 충분한 코어강도를 확보할 필요가 있으며, 특히, 붕괴성코어(예를 들면 코어소금이나 코어모래)의 사용은 실제적으로 무리이다.

③ 금형자체가 고압에 견딜 필요가 있고, 형구조에도 제약이 많으므로, 제품의 형상자유도가 낮다. 즉, 복잡형상이나 대형제품의 제조에서는 적합하지 않다.

그래서, 본원 출원인은, 통상적인 금형중력주조법에 기체를 매체로한 가압수단을 사용하는, 소위, 기체가압주조법을 베이스로해서, 복합강화부분을 형성할 수있도록 한 경합금복합재료의 제조방법 및 제조장치를 제안하였다(예를 들면, 일본국 특개평 9-122887호 공보참조).

이 기체가압주조법의 경우, 기공을 가진 복합용 재료를 주형내부에 유지해서 이 주형내부에 경합금재료의 용탕을 주입하고, 그후에, 상기 주형의 탕구멍을 폐쇄하고, 그 상태에서 주형내의 용탕을 기체에 의해 가압함으로써, 상기 복합용재료의 기공내부에 용탕을 함침시켜서 충전하고, 상기 경합금재료와 복합용 재료가 복합화된 복합부분을 형성하는 것이기 때문에, 종래의 고압주조에 사용하게 되는, 대형이며 고가의 주조설비는 불필요하게 되고, 상기 ① 내지 ③항과 같은 문제를 해소하는 것이 가능하게 된다.

그런데, 복합강화부분을 형성하기 위하여 사용되는 금속다공질의 예비성형체로서는, 발포수지에 전기도금을 입히고, 그후에 발포수지를 소실시켜서 다공질체를 얻는 방법이 가장 일반적이다. 이러한 제조법에 의한 것은, 전기도금을 이용하는 관계상, 도금이 용이한 니켈(Ni) 또는 그 합금을 베이스로 한것이 주류가 된다.

이 때문에, 강화재로서 주철제의 것에 비교해서 고가이며, 또, 얻게된 복합재의 피삭제성이 나쁘고, 프리폼의 가공공정이 번잡하게되어, 제조코스트를 높이게한다는 난점이 있다.

이러한 프리폼의 재료에 관해서, 상기 Ni계열의 것에 대체해서, 염가이며 피삭제성에도 뛰어난 철(Fe)계열의 것을 다공질체로 이루게해서 사용하는 것을 생각할 수 있다(예를 들면, 일본국 특공평 6-45830호 공보참조).

그러나, 이 Fe계열의 다공질체를 사용했을 경우에는, 재료자체가 산화하기 쉬우므로, 상기 기체가압주조법을 적용하는 것이 어렵다고 하는 문제가 생긴다. 즉, 이 기체가압주조법은, 일반적인 금형중력주조법을 베이스로한 복합화프로세스이며, 또, 용탕주입완료후에 탕구멍을 폐쇄하고, 그후에 비교적 저압의 기체의 압력으로 용탕을 가압하므로, 주형내부에의 용탕의 용탕주입완료에서부터 다공체에의 가압함침에 이르기까지에, 부가피적인 타임래그(통상, 5∼10초간 정도)가 존재한다. 이 때문에, 강화재는 가압함침전에, 용탕의 열(알루미늄계열합금의 용탕이라면, 예를 들면 700∼750℃정도)에 의한 고온하에서 일정시간 대기중에 노출되게 된다.

즉, 용탕주입에서부터 가압함침에 이르기까지의 상기 타임래그에 따른 시간, Fe계열의 강화재의 골격표면이 고온으로 대기중에 노출됨에 따라서 산화하고, 용탕(즉, 주조재)과 강화재의 모재(母材)와의 밀착성이 저해된다. 이 때문에, 함침후에 있어서의 강화재의 내마모성이 저하하고, 소정의 내구성이나 강도특성을 얻을 수 없다고 하는, 문제가 발생한다.

또한, 종래의 고압주조법의 경우에는, 용탕주입완료에서부터 용탕의 가압까지가 연속된 스텝으로 행해지고, 또, 가압력도 대단히 높으므로, 상기 기체가압주조법에서 보게되는 타임래그가 발생하는 일은 없다.

본 발명은, 상기 기술적과제에 비추어 이루어진 것으로서, 용탕주입완료에서부터 가압함침에 이르기까지의 사이에서 타임래그가 존재하는 주조프로세스를 적용했을 경우에도, 충분한 모재와의 밀착성이 얻게되는 Fe계열의 금속다공예비성형체및 이러한 예비성형체를 사용한 금속복합부재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은, 본 발명의 실시의 형태에 관한 알루미늄합금제피스톤의 일부를 단면으로해서 표시한 정면도

도 2는, 상기 피스톤을 부분적으로 강화하기 위한 복합용재료링의 사시도

도 3은, 상기 피스톤의 주조에 사용되는 주조장치전체를 개략적으로 표시한 단면의 설명도

도 4는, 상기 주조장치의 주형의 일예를 표시한 단면의 설명도

도 5는, 도 4의 V-V선을 따른 단면의 설명도

도 6은, 상기 피스톤을 주조하는 경우에 사용되는 주형의 다른 예를 표시한 다면의 설명도

도 7은, 상기 주조장치에서 주조된 알루미늄합금주물소재(피스톤)의 요부단면도

도 8은, 가압력에 대한 복합부의 비중의 관계를 표시한 그래프

도 9는, 복합용재료의 체적율과 복합용 재료내에 용탕을 함침시키는데 필요한 가압력과의 관계를 표시한 그래프

도 10은, 본 발명의 실시의 형태에 관한 프리폼의 제조방법을 설명하기 위한 일련의 공정설명도

도 11은, 상기 실시의 형태에 관한 복합부재의 마모시험을 행하는 시험기의 구성을 개략적으로 표시한 설명도

도 12는, 상기 마모시험의 시험결과를 표시한 그래프

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 피스톤(금속복합부재) 6: 링형상복합부분

7: M…복합용 재료링(금속다공예비성형체) 11: 주형

12L, 12R: 외부형 14: 상부형

15: 제품부 캐비티 22: 용탕투입구

이를 위해, 본원의 청구항 1의 발명(이하, 제 1의 발명이라함)에 관한 금속다공예비성형체는, 주형내에 세트된 예비성형체에 용탕을 함침시킬 때에, 용탕주입완료에서부터 용탕함침까지에 소정의 타임래그가 존재하는 주조법에 적용되는 금속다공예비성형체로서, 철 또는 철계열금속을 베이스로하고, 이것에 크롬이 함유되어서 이루어진 것을 특징으로 하는 것이다.

또, 본원의 청구항 2의 발명(이하, 제 2의 발명이라함)에 관한 금속다공예비성형체는, 상기 제 1의 발명에 있어서, 크롬함유량이 10∼40중량%인 것을 특징으로 한 것이다.

여기에 크롬함유량의 하한치를 10중량%로 한 것은, 종래의 니켈(Ni)베이스에서 전기도금에 의한 금속다공예비성형체와 동등 혹은 그 이상의 내마모성을 확보하기 위해서는, 환언하면, 주조시에 있어서 상기 예비성형체에는 약 700℃정도의 내열성(내산화성)이 필요하게 되나, 이를 만족시키기 위해서는, 이 10중량%이상의 크롬을 함유시키는 것이 필요하기 때문이다.

또, 크롬함유량의 상한치를 40중량%로 한것은, 이 값을 초과하면 금속다공예비성형체의 재료조직내에 금속간화합물로서의 δ상이 석출해서 무르게되고, 소요의 내마모성을 확보하는 것이 어렵게되기 때문이다.

또, 본원의 청구항 3의 발명(이하, 제 3의 발명이라함)에 관한 금속복합부재의 제조방법은, 주형내에 세트된 예비성형체에 용탕을 함침시킬 때에, 용탕주입완료에서부터 용탕함침까지에 소정의 타임래그가 존재하는 주조법을 사용하는 금속복합부재의 제조방법으로서, 철 또는 철계열금속을 베이스로하고, 이것에 크롬이 함유되어서 이루어진 것을 특징으로 하는 금속다공예비성형체를 형성하고, 상기 금속다공예비성형체를 주형내의 소정부위에 세트한 후에, 상기 주형내에 용탕을 용탕주입해서 상기 금속다공예비성형체내에 용탕을 가압함침시킴으로써, 주조재료와 상기 에비성형체가 복합화된 복합부를 형성하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본원의 청구항 4의 발명(이하, 제 4의 발명이라함.)에 관한 금속복합부재의 제조방법은, 상기 제 3의 발명에 있어서, 상기 주조법에서는, 용탕주입완료후에 용탕주입구를 폐쇄해서 주형내의 용탕을 기체의 압력에 의해 가압함으로써, 상기 에비성형체의 기공내에 용탕이 함침시켜지는 것을 특징으로 한 것이다.

또한, 본원의 청구항 5의 발명(이하, 제 5의 발명이라함.)에 관한 금속복합부재의 제조방법은, 상기 제 3의 발명에 있어서, 상기 금속다공예비성형체는, 소결법에 의해 제조되는 것을 특징으로 한 것이다.

또한, 본원의 청구항 6의 발명(이하, 제 6의 발명이라함)에 관한 금속복합부재의 제조방법은, 상기 제 3의 발명에 있어서, 상기 금속다공예비성형체에의 크롬의 첨가는, 크로마이징처리에 의해 행하여지는 것을 특징으로 한 것이다.

(발명의 실시의 형태)

이하, 본 발명의 실시의 형태를, 예를 들면, 톱링홈의 주위에 복합강화부를 가진 자동차엔진용 피스톤을 주조하는 경우에 대해서, 첨부도면을 참조하면서 설명한다.

먼저, 본 실시의 형태에 관한 금속제로서 소정의 기공율을 가진 다공질의 예비성형체(프리홈)를 복합화용의 부분강화재로서 사용하는 피스톤(복합부재)의 제조방법에 대해서 설명한다.

도 1은, 본 실시의 형태에 관한 제조방법에 의해서 제조된 알루미늄합금제피스톤(1)을 표시하고, 피스톤본체(2)의 바깥둘레부분은, 톱링을 끼워장착하는 톱링홈(3)과, 제 2링을 끼워장착하는 제 2링홈(4)와, 오일링을 끼워장착하는 오일링홈(5)가 각각 형성되어 있다.

피스톤(1)의 톱링홈(3)은, 후술하는 방법에 의해서 형성된 링형상복합부(6)위에 형성되고, 이 복합부(6)이외의 피스톤본체(2)는 알루미늄합금에 의해서 구성되어 있다.

상기 피스톤(1)을 제조하는 데 있어서는, 먼저, 후술하는 재료 및 제조방법에 의해, 도 2에 표시한 바와 같이, 종단면형상이 직4각형형상의 복합용재료링(7)을 성형한다. 이 경우, 톱링홈(3)은, 후가공으로 절삭해서 최종형상으로 마무리하므로, 복합용재료링(7)은 단순한 링형상으로 성형한다. 이 링(7)을 주형내에 있어서 톱링홈(3)에 대응하는 부위에 세트하고 형죔한 다음에, 알루미늄합금의 용탕을 주형내부에 주입해서 주조를 행하고, 그 후에 상기 톱링홈(3)의 절삭가공이 행하여 진다.

도 3은, 예를 들면 디젤엔진용으로된 자동차엔진용 피스톤의 제조에 사용되는 주조장치를 개략적으로 표시한 단면설명도이다.

이 주조장치(10)에서는, 주형(11)이, 좌우로 분할되는 분할형인 외형(12L),(12R)과, 아래쪽에 배치된 중간형(13)과, 용탕가압부분(14a)를 구비해서 위쪽으로 배치된 상부형(14)에 의해 구성되고, 내부에 제품부캐비티(15)가 형성되어 있다. 이 주형(11)내에 복합용 재료링(7)이 유지되고, 또 상부형(14)에 형성된 용탕가압부분(14a)에는, 에어에 의한 가압을 이 용탕가압부분(14a)로부터 행하는 경우의 파이프(16)이 장착되어 있다. (17)은 피스톤삽입구멍을 형성하는 주형빼기핀이다.

또, 외부형(12L),(12R)은 외부형용 실린더(18L),(18R)에 의해서, 주간형(13)은 중간형용 실린더(19)에 의해서, 상부형(14)는 상부형용 실린더(20)에 의해서 각각 구동되도록 되어있다.

도 4는, 에어에 의한 가압을 용탕구멍으로부터 행하는 경우의 주형(11)의 단면설명도, 또, 도 5는 도 4의 V-V선을 따른 단면설명도(일부생략)를 각각 표시하고 있다. 또한, 도 4의 단면은 도 3의 단면에 대해서 직각이다.

본 실시의 형태에서는, 외부형(12L),(12R)의 맞춤면(12a)에, 주형(11)내부의 복합용 재료링(7)이 유지된 부분에 연이어 통하는, 예를 들면, 폭 약 5∼10㎜, 두께 약 0.2㎜의 치수를 가진 에어빼기홈(대기개방)(21)이, 외부형(12L),(12R)의 한쪽, 예를 들면 (12L)에 형성되는 모양으로 형성되어 있다. 그리고, 에어에 의한 가압을 행하기 위한 파이프(16)이, 용탕구멍(22)를 덮는 커버(23)에 장착되어 있다. 이 주형(11)의 경우, 상부형(14)가 상하로 분할되는 분할금형으로 이루어지고, 용탕가압부(14a)까지 용탕을 충전시킬 때의 에어빼기홈(24)(대기개방)가 그 맞춤면에 형성되어 있다. 또한, 부호(25)는 용탕구멍(22)로부터 제품부캐비티(15)에 통하는 용탕통로이며, 또, 부호(26)은 피스통내에 냉각용 오일통로를 형성하기 위하여, 도시생략의 지지수단에 의해 지지되어서 배치된 코어소금이다.

이상의 구성에 있어서, 용탕구멍(22)로부터 알루미늄합금(AC8A)의 용탕을 용탕주입후에, 커버(23)을 내려서 용탕구멍(22)를 밀폐하는 동시에, 커버(23)에 설치된 파이프(16)으로부터, 예를 들면 0.49㎫의 압력을 가진 압축에어를 주입해서 용탕을 약 50초∼1분간 가압한다. 이 에어에 의한 가압시에는, 에어빼기홈(21),(24)내에 용탕의 일부가 질러넣어지고, 홈(21),(24)내에서 냉각응고해서, 홈(21),(24)의 실이 행하여진다. 그리고, 홈(21),(24)내서 응고한 용탕은, 주형(11)의 분할에 수반해서 버어(burr)로서 제거된다. 또한, 상기 에어에 의한 가압은, 용탕주입후 10∼30초이내에 개시할 필요가 있으나, 이 시간범위는, 일반적으로는, 용탕응고전의 유효하게 압력을 걸 수 있는 시간범위에 설정하면 된다.

도 6은, 피스톤제조용의 주조장치의 다른 예를 표시한 것으로서, 도 3과 마찬가지로, 에어에 의한 가압을 상부형(14)에 형성된 용탕가압부분(14a)로부터 행하는 경우의 주형(11)의 단면설명도이다. 이 경우, 도 4에 표시한 바와 같이 에어빼기홈(24)를 상부형(14)에 형성해도 되나, 도 6의 것으로는, 용탕가압부분(14a)를 가압에어원과 대기로 선택적으로 연이어통하게하는 밸브(27)이 파이프(16)의 도중에 설치되고 있다.

이 경우에는, 용탕가압부(14a)를 밸브(27)을 통해서 대기에 개방한 상태에서, 용탕구멍(22)로부터 알루미늄합금의 용탕을 용탕주입후에, 수냉동괴(水冷銅塊)(28)과 같은 냉각기구를 설치한 커버(23)을 내려서 용탕구멍(22)를 밀폐하는 동시에, 밸브(27)을 조작해서 파이프(16)을 가압에어원에 연이어통하게 하고, 파이프(16)으로부터, 공장에어를 주입해서 용탕을 가압하도록 하면 된다. 이 도 6의 구성의 경우, 피복합부의 근처를 효과적으로 가압하는 것이 가능하다.

이상으로, 도 7에 표시한 바와 같이, 피스톤본체(2)의 일부에 링형상복합부(6)을 주물로 둘러싸인 알루미늄합금주물소재(8)이 형성된다. 상기 링형상복합부(6)은, 뒤에 상세히 설명하는 바와 같이, 금속제의 다공질체로 이루어진 복합용재료링(7)의 기공내에 알루미늄합금이 충전되어서 형성된 것이다.

이와 같이, 용탕주입완료후에 용탕구멍을 폐쇄해서 주형내의 용탕을 기체의 압력으로 가압함으로써, 예비성형체로서의 복합용링(7)의 기공내에 용탕이 함침시켜지는, 소위, 기체가압주조법을 적용한 것에 따라, 종래의 고압주조법에 있어서의 제문제, 즉, ① 고압을 부가하기 위한 가압장치나 강력한 형죔장치가 필요하므로, 설비가 대형화에 의해 고가의 것이되며,

② 압력에 의해서 코어에 용탕이 질러넣어지거나, 코어자체에 변형이나 파손이 발생하기 쉬워지므로, 충분한 코어강도를 확보할 필요가 있으며, 특히, 붕괴성코어(예를 들면 코어소금이나 코어모래)의 사용은, 실제상으로 무리이며,

③ 금형자체가 고압에 견딜필요가 있고, 형구조에도 제약이 많으므로, 제품의 형상자유도 낮고, 즉, 복잡형상이나 대형제품의 제조에는 적합하지 않는다는 제문제를 회피한 위에서, 간단하고 또한 저압에 의해, 확실하게, 예비성형체의 기공내에 용탕을 함침시킬 수 있는 것이다.

다음에, 이 알루미늄합금주물소재(8)을 가열로에 넣어서, 온도 500℃에서 4∼5시간 가열함으로써, 알루미늄합금모재의 용체화처리를 행한 후에, 물담금질을 행하고, 다시 온도 180℃에서 5시간 템퍼링처리를 실시한다.

이와 같은 T6처리가 행하여진 알루미늄합금주물소재(8)에 대해, 기계절삭가공을 행하여, 링형상복합부(6) 및 피스톤본체(2)의 바깥둘레면을 절삭하는 동시에, 도 1에 표시한 바와 같이, 링형상복합강화부(6)에 톱링홈(3)을 형성하고, 또한 제 2링홈(4) 및 오일링홈(5)를 형성한다.

또한, 상기 설명에서 명백한 바와 같이, 피스톤의 제조에 있어서는, 주조후에, 상술한 것같이 링형상복합부(6)의 바깥둘레부분을 상당량 절삭해서 제거하고 있다. 따라서, 이 제거되는 바깥둘레부분에 있어서의 알루미늄합금충전상태가 다소불안정해도 품질에 영향을 주는 염려는 없으므로, 그 만큼, 기체에 의한 가압력을 낮게해도 되는 것으로 된다.

이상의 실시의 형태에서는, 용탕구멍(22)로부터 알루미늄합금의 용탕을 용탕주입후에, 커버(23)을 내려서 용탕구멍(22)를 밀폐하는 동시에, 커버(23) 또는 용탕가압부(14a),(12b)에 설치된 파이프(16)으로부터, 0.49㎫정도의 압력을 가진 공장에어를 주입해서 용탕을 가압하고 있으나, 가압력에 대한 복합부에 비중의 관계를 표시한 도 8에서 명백한 바와 같이, 가압력이 0.098㎫이상은 복합화부의 비중이 일정하고, 즉 복합용재료링(7)의 기공내에 알루미늄합금이 충분히 충전된다.

그리고, 가압력이 0.049㎫미만에서는 건전한 복합화가 곤란하나, 가압력이 0.049㎫이상이면, 건전한 복합화가 달성된다. 그러나, 가압력이 2.94㎫를 초과하면, 분할주형의 맞춤면으로부터의 용탕의 분출을 방지하기 위하여, 큰 형죔력을 필요하게 되어 바람직하지 않기 때문에, 가압력은 2.94㎫이하로 설정하는 것이 좋다. 특히, 0.98㎫이하이면, 상기 형죔력을 그자지 크게하지 않아도, 상기 용탕의 분출을 방지할 수 있기 때문에, 가압력을 0.049∼0.98㎫의 범위내로 설정하는 것이 더욱더 바람직하다.

또, 상기 복합용 재료의 체적율의 바람직한 범위는, 이 복합용 재료의 재질 및 예열온도, 용탕온도 등의 제조건에 따라서 변화하나, 평균해서 5∼20%의 체적율, 즉 80∼95%의 공격율(空隙率 또는 空孔率)을 가지는 것이 적합하다.

가압력 0.049∼2.94㎫의 범위내에서 복합화하는데에 바람직한(썩알맞는)복합용재료의 체적율은, 일반적으로 하기와 같은 범위이다.

복합용재료의 종류 썩알맞는 체적율의 범위

·금속다공체, 금속섬유 : ∼20%

·무기질짧은섬유, 위스커 : ∼10%

·무기질 입자 ∼15%

도 9는, 가압력과 복합용 재료의 체적율과의 관계를 표시한 그래프이며, 예를 들면 체적율이 9%정도의 금속다공체의 경우, 0.0196㎫정도의 가압력으로 복합이 가능하며 0.196㎫정도의 가압력으로 건전한 복합재가 얻어진다.

또한, 상기 도 9의 그래프 및 상술한 도 8의 그래프에서는, 가로축으로 취한가압력이 2개의 단위계열([㎫]와 [㎏/㎠])로 표시되고 있으나, 이들 그래프의 가로축(對數)눈금은, [㎏/㎠])단위에 의거한 것이다.

다음에, 상기 피스톤(복합부재)(1)의 톱링홈(3)을 부분강화하기 위한 복합용 재료링(7)에 대해서 설명한다.

본 실시의 형태에서는, 이 복합용 재료링으로서 금속제이고 소정의 기공율을 가진 다공질의 예비성형체(프리폼)을 사용하고, 그 재질로서는, 철(Fe) 또는 철계열금속을 베이스로 하고, 이것에 크롬(Cr)을 함유시킨 금속재료를 사용하였다.

이와 같이, 복합용 재료링(금속다공예비성형체)의 베이스재료를 철 또는 철계열금속으로 하였으므로 값이 저렴하며, 또, 성형성의 용이화를 도모하면서, 용탕주입완료에서부터 용탕함침까지의 사이의 타임래그에 기인하는 예비성형체의 산화를 크롬의 첨가에 의해서 방지할 수 있다. 즉, 재료코스트의 저감과 성형성의 개선을 달성한 위에서, 복합화부분에 있어서의 주조재료와 예비성형체와의 밀착성을 확보하고, 소요의 내마모성을 얻는 일이 가능해진다.

또, 본 실시의 형태에서는, 크롬함유량을 10∼40중량%로 했다.

여기에, 이 크롬함유량의 상한치를 40중량%로 한 것은, 주지한 바와 같이, Fe-Cr계열금속에 있어서, Cr함유량이 이 값을 초과하면 재료조직내에 금속간 화합물로서의 δ상이 석출해서 무르게 되어, 복합부로서 소요의 내마모성을 확보하는 것이 어렵게 되기 때문이다.

한편, 크롬함유량의 하한치를 10중량%로 한 것은, 후술하는 것같이, 종래의 니켈(Ni)베이스에서 전기도금에 의한 금속다공예비성형체와 동등 혹은 그 이상의내마모성을 확보하기 위해서는, 환언하면, 주조시에 있어서 상기 예비성형체에는 약 700℃정도의 내열성(내산화성)이 필요하게 되나, 이를 만족시키기 위해서는, 그 10중량%이상의 크롬을 함유시키는 것이 필요하기 때문이다.

상기 프리폼을 제조할 때에는, 여러 가지의 방법이 작용가능하나, 본 실시의 형태에서는, 보다 바람직하게는, 분말소결법을 사용하였다. 또, Cr을 첨가하는 방법도 여러가지 생각할 수 있으나, 본 실시의 형태에서는, 바람직하게는, Cr분말을 Fe분말과 혼합해서 혼합분말로서 첨가하는 방법, 혹은, 소위크로마이징처리에 의해서 다공체속에 확산시키는 방법을 사용하였다.

도 10은, 본 실시의 형태에서 사용한 분말소결법의 기본적인 공정의 개략을 표시하고 있다. 이 일련의 공정설명도에 표시되는 바와 같이, 소정두께의 발포우레탄시트 M1에 펀칭가공을 행하여 발포우레탄의 링재 M2를 형성하고, 이것을 금속분말의 슬러리를 저장한 슬러리탱크Bs내에 침지시킨다.

이 슬러리는, 소정의 금속분말과 물과 수용성페놀수지와 분산제(표면활성제)를 혼탁시킨 것에 의해, 발포우레탄의 링재 M2를 슬러리탱크 Bs내에 침지시킴으로써, 우레탄수지의 골격에 금속분말을 도장착상시킬 수 있다.

이 슬러리탱크Bs에서의 금속분말의 도장착상공정을 종료한 후, 소정조건하에서 우레탄수지의 소출(燒出) 및 금속분말의 소결이 행해지고, 금속다공체의 링 M3이 얻게된다. 이 우레탄소출 및 금속분말소결공정은, 비산화분위기속에서, 예를 들면, 가열온도 800℃×유지시간 10분,∼온도 1100℃×유지시간 30분정도의 범위내의 온도조건에서 행하여진다.

이렇게하여 얻게된 링형상의 금속다공체M3에 프레스성형을 실시함으로써, 소정치수의 (즉, 소정체적율의)링형상금속다공예비성형체(프리폼)M이 얻게된다.

이상의 일련의 공정에 있어서, 크롬(Cr)의 첨가는 다음과 같이 해서 행해진다. 즉, Cr분말과 Fe분말을 (또는, 합금의 종류에 따라서는, 이들에 부가해서 다른종류의 금속분말을 함께)혼합시켜서 혼합분말로서 Cr을 첨가하는 경우에는, 도장착상공정(도 10(c)참조)의 슬러리액에 금속의 혼합분말을 혼탁시킬 때에, 소정의 중량비가 되도록 각금속분말의 중량을 조정해서 행하여진다.

한편, Cr을 소위크로마이징처리에 의해서 다공체속에 확산시키는 경우에는, 상기 분말소결법에 의해 링형상프리폼M을 제작한 후에, 크로마이징처리를 행한다. 이 크로마이징처리에 있어서의 확산제 및 처리조건은 다음과 같이 하였다.

·확산제: 크롬+염화암모늄+알루미나

·확산조건: 900℃×4시간(또한, Ni의 경우는 1300℃×4시간)

또한, 부분강화복합재의 내마모성을 향상시키는 데는, 통상, 내마모성이 낮은 모재(본 실시의 형태에서는 알루미늄합금)을 가능한 한 좁은 면적에서 분산하는 것이 요구된다. 면적의 절대치를 감소시키는 데에는, 강화재의 체적율을 높이면 좋으나, 그 경우에는, 용탕의 침투성이 나빠지며 건전한 복합화가 저해되고, 또, 사용하는 강화재의 양이 증가하므로 코스트업으로 되는, 등의 난점이 생긴다. 따라서, 강화재의 체적율의 상승은 가능한 한 회피되는 것이 바람직하다.

이를 위해, 다공체의 눈의 굵기(셀사이즈)를 미세하게해서, 알루미늄모재를 미세하게 분산시키는 것이 생각되고 있다. 이 경우, 도금법에서는, 다공체의 베이스재가 되는 우레탄폼의 셀사이즈를 작게함으로써 대응할 수 있으나, 소결법에서는, 우레탄폼에 금속슬러리를 도장착상시키므로, 우레탄폼의 셀사이즈를 너무 작게하면, 슬러리의 눈막힘이 발생해서 복합성의 악화를 초래한다는 문제가 있었다.

이상과 같은 여러 문제에 비추어서, 본 실시의 형태에서는, 다공체의 셀사이즈 및 체적율에 대해서, 다음과 같은 설정방법을 채용하였다.

먼저, 겨누는 (목표로하는)셀사이즈보다도 눈이 굵은 우레탄폼을 사용하고, 또한, 슬러리의 단위면적당량을 겨눔량보다도 적게 설정하고, 이에 의해, 눈막힘이 없고, 또한, 겨눔량보다도 낮은 체적율의 금속다공체를 제작한다. 그리고, 이 금속다공체에 대해 압축율을 크게 설정해서, 예를 들면 프레스가공에 의해서 사이징을 행하고 최종형상으로 한다. 이에 의해, 겨누는 셀사이즈이며 또한 겨누는 체적율을 가진 금속다공예비성형체(프리폼)을 얻을 수 있었다.

구체적으로는, 셀사이즈가 37∼43[개/인치]의 우레탄폼을 사용하여, 소결후의 체적율이 7%정도가 되도록 슬러리의 단위면적당량을 설정하였다. 그리고, 얻게된 금속다공체에 대해 압축율을 30%로 설정해서 사이징을 행하고 최종형상을 얻는다. 이 결과, 셀사이즈가 53∼60[개/인치]에서 체적율이 약 10%의 프리폼을 얻을 수 있었다.

또한, 프리폼의 재질로서는, 예를 들면, Fe-13Cr, Fe-26Cr, Fe-18Cr-8Ni를 사용하였다.

다음에, 본 실시의 형태에 관한 금속다공프리폼의 내마모성향상의 효과를 확인하기 위하여, 여러 가지의 샘플의 내마모특성을 서로 비교하는 비교시험을 행하였다. 이하, 이 비교시험에 대해서 설명한다. 먼저, 시험샘플로서는 다음과 같은 재료 및 제조법에 의한 것(알루미늄모재, 비교예 2종, 본 발명실시예 4종)을 사용하였다.

① 알루미늄모재(AC8A모재/Hv=145)

:복합강화되지 않는 알루미늄합금 AC8A모재 그대로의 상태의 것으로서, 비커즈경도(Hv)는 145였다.

② 비교예 1(Ni-30Cr합금/도금법/Hv=180)

: 먼저, 전기도금법에 의해 Ni다공체시트를 제작하고, 이것에 크로마이징을 실시해서 Cr을 확산시켜서 Ni-30Cr다공체시트를 제작하였다. 이것을 직4각형상으로 절단하고, 각 직4각형상의 절단편을 환상(環狀)으로 감아서 성형함으로써, 다공체링을 얻었다. 이 Ni-30Cr 다공체링을 주형에 세트하고, 알루미늄합금AC8A의 용탕을 사용하여 상기에 설명한 기체가압주조법에 의해 주조를 행하였다. 이 기체가압주조에 있어서의 용탕온도는 780℃, 가압력은 0.4[㎫]로 했다.

이에 의해, 톱링홈을 Ni-30Cr다공체링으로 부분보강한 피스톤을 제작했다. 또한, 이 경우, 강화재체적율은 약 8%였다. 또, 강화재의 비커즈경도(HV)는 180이었다.

③ 비교예 2 (Fe-C/분말소결법/HV-700)

: Fe-C혼합분말을 사용하여 소결법에 의해, Fe-C다공체(C: 0.8중량%)링을 제작했다. 이 링을 사용하여, 상기 비교에 1의 경우와 마찬가지로해서 주조를 행하고, 부분복합강화부를 가진 피스톤을 얻었다. 또한, 강화재의 비커즈경도(Hv)는700이었다.

④ 본 발명 실시예 1

(Fe-13Cr/분말소결법+크로마이징/Hv=81)

: Fe분말을 사용하여 소결법에 의해 Fe다공체링을 제작했다. 이것에 크로마이징처리를 실시해서 다공체속에 Cr을 확산시킴으로써, Fe-13Cr의 다공체링을 얻었다. 이 링을 사용해서 상기의 설명의 기체가압주조법에 의한 주조를 행하고, 부분복합강화부를 가진 피스톤을 얻었다. 또한, 강화재의 비커즈경도(Hv)는 81이었다.

이와 같이, 금속다공예비성형체(Fe다공체링)를 소결법에 의해 제조함으로써, 종래, 일반적인 전기도금법에 비해서, 단단히 예비성형체의 성형을 행할 수 있다.

⑤ 본 발명 실시예 2

(Fe-26Cr/분말소결법+크로마이징/Hv=185)

: 상기 본 발명 실시예 1과 완전히 마찬가지의 프로세스에서, 크로마이징처리에 있어서의 Cr의 확산량만을 변경하여, Fe-26Cr의 다공체를 얻을 수 있도록 한 것이다. 또한, 강화재의 비커즈경도(Hv)는 185였다.

이와 같이, 금속다공예비성형체에의 Cr의 첨가를 크로마이징처리에 의해 행함으로써, 베이스재료(Fe계금속)속으로의 Cr의 확산을, 간단하고 또한 용이하게 행하게 할 수 있는 것이다.

⑥ 본 발명 실시예 3(Fe-12Cr/분말소결법/Hv=380)

: Fe분말과 Cr분말을 Fe-12Cr의 중량비가 되도록 혼합하고, 이 혼합분말을사용하여 소결법에 의해, Fe-12Cr의 다공체링을 제작하였다. 이 링을 사용해서 상술한 기체가압주조법에 의한 주조를 행하여, 부분복합강화부를 가진 피스톤을 얻었다. 또한, 강화재의 비커즈경도(Hv)는 380이었다.

⑦ 본 발명 실시예 4(Fe-18Cr-8Ni/분말소결법/Hv=266)

: Fe분말과 Cr분말을 Fe-18Cr-8Ni의 중량비가 되도록 혼합하고, 이 혼합분말을 사용하여 소결법에 의해, Fe-18Cr-8Ni의 다공체링을 제작했다. 이 링을 사용해서 상술한 기체가압주조법에 의한 주조를 행하여, 부분복합강화부를 가진 피스톤을 얻었다. 또한, 강화재의 비커즈경도(Hv)는 266이었다.

이상과 같은 각 샘플에 대해서 마모시험을 실시하고, 각각의 내마모성을 평가했다. 도 11은, 본 시험에 사용한 마모시험기의 구조를 개략적으로 표시한 설명도이다.

이 도면에 표시한 바와 같이, 상기 시험기(30)은, 액압실린더(32)와, 이 실린더에 연결된 실린더홀더(34)를 구비하고, 이 실린더홀더(34)내에 종단면형상이 대략 ㄷ자형의 실린더라이너(36)이 설치되어 있다.

이 실린더라이너(36)의 바닥부에 형성된 평탄한 돌기부(38)에, 시험용의 피스톤링(40)이 고정되어 있다. 실린더홀더(34)에는 가열용의 히터(42)가 매설되어 있다.

상기 실린더홀더(34)는, 액압실린더(32)를 구동하므로서, 소정의 사이클에 의해 소정거리만큼 왕복운동된다.

상기 실린더라이너(36)의 오목한 부분내부에는 시험샘플로서의 피스톤(50)이수납된다. 각 피스톤(시험샘플)(50)은, 그 정상부분이 절삭가공에 의해서 제거되고, 상술한 프리폼이 복합화된 복합강화부(50m)가 끝면에 노출하고 있다. 따라서, 이 복합강화부(50m)가 실린더홀더(34)쪽에 고정된 피스톤링(40)에 대향하고 있다. 또한, 상기 피스톤링(40)의 바깥둘레부분의 근처에는, 윤활유를 공급하는 오일공급관(44)의 선단부가 위치하고 있다.

상기 피스톤(50)은, 복합강화부(50m)와 반대쪽의 끝부분이, 모터(도시생략)로 회전구동되는 회전축(48)에 고착되어 있고, 소정의 회전수로 회전구동되도록 되어 있다.

이상의 구성에 있어서, 모터(도시생략)를 구동해서 회전축(48)에 의해 피스톤(50)을 회전구동하는 동시에, 상기 액압실린더(32)를 구동함으로써, 일정한 회전속도에 의해 회전하는 피스톤(50)의 복합강화부(50m)에 대해서, 피스톤링(40)이 소정의 사이클에 의해 압압된다. 즉, 복합강화부(50m)와 피스톤링(40)의 사이에는, 소정의 상대속도(슬라이드속도)하에서, 소정사이클에 의해, 액압실린더(32)의 가압력에 따른 면압력이 작용하게 된다.

본 시험에서는, 히터(42)에 의해 실린더홀더(34)의 온도를 일정하게 유지한 상태에서, 이 시험을 소정시간 행하고, 시험종료후에 복합강화부(50m)의 마모량을 측정하고, 각 프리폼의 내마모성을 평가했다.

본 실시의 형태에서는, 시험조건을 다음과 같이 설정했다.

·슬라이드속도: 0.08[m/s]

·가압빈도: 20[㎐]

·면압력: 6[㎫]

·온도: 250[℃]

·시험시간: 3[시간]

시험결과는 도 12의 그래프에 표시한 바와 같다. 즉, 베이스재료를 단순히 Fe계열(Fe-C)로한 프리폼을 사용한 경우 (비교예 2)에는, 경도는 대단히 높으나 깨지기 쉬우므로, 소위 침식성마모가 격심하고, 마모량이 대단히 많게 되어 있다. 이에 대해서, 베이스재료는 Fe계열인 Cr을 10중량%이상(구체적예로서는 12중량%이상)첨가한 프리폼을 사용한 경우 (본 발명 실시예 1∼4)에는, 모두, 종래의 Ni베이스로 전기도금에 의한 프리폼을 사용한 경우 (비교예 1)와 동등 혹은 그 이상의 내마모성이 얻게되는 것을 알게되었다.

이는, 기체가압주조법에 있어서의 용탕주입완료에서부터 용탕함침까지의 사이의 타임래그에 기인하는 프리폼의 산화가, Cr의 첨가에 의해서 방지되기 때문인 것으로 생각된다.

또한, Cr의 첨가량이 40중량%를 초과하면, 재료조직속에 금속간화합물이 석출하므로, Cr첨가량이 이 값이하로 한정되어야 할 것에 대해서는, 상술한 바와 같다.

이상, 설명한 바와 같이, 본 실시의 형태에 의하면, 프리폼(금속다공예비성형체)의 베이스재료를 Fe계열금속으로 하였으므로 값이 저렴하며, 또, 성형성의 용이화를 도모하면서, 기체가압주조법에 있어서의 용탕주입완료에서부터 용탕함침까지의 사이의 타임래그에 기인하는 프리폼의 산화를 Cr의 첨가에 의해서 방지할 수있다. 즉, 재료코스트의 저감과 성형성의 개선을 달성한 위에서, 복합화부분에 있어서의 주조재료와 예비성형체와의 밀착성을 확보하고, 소요의 내마모성을 얻을 수 있는 것이다. 특히, Cr의 함유량을 10∼40중량%함으로써, 종래, 일반적인 니켈(Ni)베이스에서 전기도금에 의한 프리폼과 동등 혹은 그 이상의 내마모성을 확보할 수 있다.

또한, 이상의 실시의 형태는, 금속다공예비성형체(프리폼)을 사용해서 복합부재(피스톤)를 얻는데 있어서 기체가압주조법을 적용한 것이었으나, 본 발명은, 이러한 주조법에 한정되는 것은 아니며, 용탕주입완료에서부터 용탕함침까지의 사이에 소정의 타임래그가 존재하는 주조법이면, 다른 여하한 주조법으로라도 적용할 수 있는 것이다.

또, 본 발명의 방법에 의해 제조되는 복합부재는, 상술한 바와 같은 자동차용 엔진의 피스톤에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 베어링캡이나 콘로드 등의 다른 엔진부품, 및 또 다른 종류의 부품에도 적용할 수 있는 것을 말할 것도 없다. 또한, 알루미늄합금주물소재이외에, 예를 들면 마그네슘과 같은 다른 경합금주물의 복합부재에 대해서도, 본 발명에 의해 제조하는 것이 가능하다.

본원의 제 1발명에 의하면, 금속다공예비성형체의 베이스재료를 철 또는 철계열금속으로 했으므로, 값이 저렴하며, 또, 성형성의 용이화를 도모하면서, 용탕주입완료에서부터 용탕함침까지의 사이의 타임래그에 기인하는 예비성형체의 산화를 크롬의 첨가에 의해서 방지할 수 있다. 즉, 재료코스트의 적마과 성형성의 개선을 달성한 위에서, 복합화부분에 있어서의 주조재료와 예비성형체와의 밀착성을 확보하고, 소요의 내마모성을 얻는 것이 가능해진다.

또, 본 발명의 제 2의 발명에 의하면, 상기 제 1의 발명과 마찬가지의 효과를 성취할 수 있다. 특히, 크롬의 함유량을 10∼40중량%로 했으므로, 종래, 일반적인 니켈(Ni)베이스에서 전기도금에 의한 금속다공예비성형체와 동등하거나 또는 그 이상의 내마모성을 확보할 수 있다.

또, 본원의 제 3의 발명에 의하면, 복합재료로서의 금속다공예비성형체의 베이스재료를 철 또는 철계열금속으로 했으므로 값이 저렴하며, 또, 성형성의 용이화를 도모하면서, 용탕주입완료에서부터 용탕함침까지의 사이의 타임래그에 기인하는 예비성형체의 산화를 크롬의 첨가에 의해서 방지할 수 있다. 즉, 재료코스트의 저감과 성형성의 개선을 달성한 위에서, 복합화부분에 있어서의 주조재료와 예비성형체와의 밀착성을 확보하고, 소요의 내마모성을 얻는 것이 가능해진다.

또한, 본원의 제 4의 발명에 의하면, 상기 제 3의 발명과 마찬가지의 효과를 성취할 수 있다. 특히, 상기 주조법은, 용탕주입완료후에 용탕구멍을 폐쇄해서 주형내부의 용탕을 기체의 압력으로 가압함으로써, 상기 예비성형체의 기공내부에 용탕이 함침시켜지는, 소위, 기체가압주조법이므로, 종래의 고압주조법에 있어서의 문제점을 회피한 위에서, 간단하고 또한 저압에 의해, 확실하게, 예비성형체의 기공내부에 용탕을 함침시킬 수 있다.

또한, 본원의 제 5의 발명에 의하면, 상기 제 3의 발명과 마찬가지의 효과를 성취할 수 있다. 특히, 상기 금속다공에비성형체는 소결법에 의해 제조되므로,종래, 일반적인 전기도금법에 비해서, 간단하게 에비성형체의 성형을 행하는 것이 가능해진다.

또한, 본원의 제 6의 발명에 의하면, 상기 제 3의 발명과 마찬가지의 효과를 성취할 수 있다. 특히, 상기 금속다공예비성형체에의 크롬의 첨가는 크로마이징처리에 의해 행하여지므로, 베이스재료(철 또는 철계열금속)속으로의 크롬의 확산을, 간단하고 또한 용이하게 행하게 할 수 있다.

Claims

주형내에 세트된 예비성형체에 용탕을 함침시킬 때에, 용탕주입완료에서부터 용탕함침까지에 소정의 타임래그가 존재하는 주조법에 적용되는 금속다공예비성형체로서,

철 또는 철계열금속을 베이스로하고, 이것에 크롬이 함유되어서 이루어진 것을 특징으로 하는 금속다공에비성형체.
제 1항에 있어서, 크롬함유량이 10∼40중량%인 것을 특징으로 하는 금속다공예비성형체.
주형내에 세트된 예비성형체에 용탕을 함침시킬 때에, 용탕주입완료에서부터 용탕함침까지에 소정의 타임래그가 존재하는 주조법을 사용하는 금속복합부재의 제조방법으로서,

철 또는 철계열금속을 베이스로하고, 이것에 크롬이 함유되어서 이루어진 것을 특징으로 하는 금속다공예비성형체를 형성하고,

상기 금속다공예비성형체를 주형내의 소정부위에 세트한 후에,

상기 주형내에 용탕을 용탕주입해서 상기 금속다공예비성형체내에 용탕을 가압함침시킴으로써, 주조재료와 상기 예비성형체가 복합화된 복합부를 형성하는 것을 특징으로 하는 금속복합부재의 제조방법.
제 3항에 있어서, 상기 주조법에서는, 용탕주입완료후에 용탕주입구를 페쇄해서 주형내의 용탕을 기체의 압력에 의해 가압함으로써, 상기 예비성형체의 기공내에 용탕이 함침시켜지는 것을 특징으로 하는 금속복합부재의 제조방법.
제 3항에 있어서, 상기 금속다공에비성형체는, 소결법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 금속복합부재의 제조방법.
제 3항에 있어서, 상기 금속다공예비성형체에의 크롬의 첨가는, 크로마이징처리에 의해 행하여지는 것을 특징으로 하는 금속복합부재의 제조방법.