KR20060022566A - 내마모 기계부품 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내마모 기계부품 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 제조방법은, 초경합금과 금속모재를 접합하여 내마모 기계부품으로 제조하는 방법에 있어서, 탄화물 또는 질화물 또는 붕화물로 된 경질입자 및 니켈과 실리콘과 붕소가 함유된 결합재 분말을 혼합하는 단계와; 혼합된 경질입자와 결합재 분말을 성형하는 단계와; 접촉된 상기 성형체와 금속모재를 대기중에서 1300℃ 온도에서 급속 가열 처리하여 성형체를 소결시킴과 동시에 소결체와 금속모재를 접합하는 단계와; 접합된 소결체와 금속모재를 공기중에서 서냉하는 단계를 구비한다. 이러한 본 발명에 의하면, 경질입자와 결합재와 모재를 대기중에서 1300℃ 온도에서 급속 가열함으로써, 대기중에서도 경질입자와 결합재의 소결을 가능하게 하고, 소결된 소결체를 금속모재에 접합할 수 있게 한다. 특히, 대기중에서도 소결체 형성을 가능하게 하고, 소결체와 금속모재의 접합을 가능하게 함으로써 고가의 진공장비가 필요치 않으며, 따라서 설비 투자 비용이 적게 든다. 또한, 소결 및 접합시간이 대폭적으로 줄어들므로 제작시간을 단축시킬 수 있고, 제작비용을 저감시킬 수 있다. 또한, 컨베이어를 통한 라인화가 가능하므로 내마모 기계부품의 대량 생산을 가능하게 한다.
Description
도 1은 본 발명에 따른 내마모 기계부품 제조방법을 나타내는 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 내마모 기계부품 제조방법의 다른 실시예를 나타내는 블록도이다.
본 발명은 내마모 기계부품 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 모재에 초경합금층을 형성하여 내마모성이 요구되는 마찰 접촉부에 사용하는 내마모 기계부품 제조방법에 관한 것이다.
초경합금은 텅스텐 탄화물, 크롬 탄화물 등의 탄화물, 질화물, 붕화물 등과 같은 경질의 입자와, 금속계 결합재로 구성된 것으로, 내마모성이 우수하여 공구류 및 내마모성이 크게 요구되는 기계부품에 널리 사용되고 있다.
이러한 초경합금을 기계적인 부품(이하, “내마모 기계부품”이라 칭함)으로 이용하기 위해서는, 경질의 입자와 겹합제를 혼합하고, 혼합된 혼합물을 원하는 모양으로 성형하며, 성형된 성형체를 일정한 온도로 가열하여 소결체로 제조한 후, 제조된 소결체를 철계합금 등과 같은 금속모재(이하 “모재”라 약칭함)에 접합한 뒤 사용한다.
여기서, 성형체를 소결체로 제조하는 소결공정과, 제조된 소결체를 금속모재에 접합하는 접합공정은, 진공분위기에서 이루어져야 한다. 왜냐하면, 대기중에서 소결공정과 접합공정을 시행하면, 성형체 내의 텅스텐 산화물이 산화하여 성형체의 소결과 접합이 제대로 이루어지지 않기 때문이다.
또한, 대기중에서는 소결공정과 접합공정을 시행하면, 성형체 내의 경질입자와 결합재의 사이 및, 소결체와 금속모재 사이에 존재하는 기포들이 그대로 존재하여 공정 후, 기공으로 남아 있기 때문이며, 따라서 진공분위기에서 소결공정과 접합공정을 시행함으로써, 경질입자와 결합재의 사이 및 소결체와 금속모재의 사이에 존재하는 기포들이 외부로 빠져나와 제거될 수 있게 하는 것이다.
한편, 이러한 종래의 내마모 기계부품 제조방법은, 성형체를 소결체로 제조하는 소결공정과, 제조된 소결체를 금속모재에 접합하는 접합공정이 진공분위기에서 이루어져야 하는 바, 이같은 공정을 시행하기 위해 고가(高價)의 진공 장비가 필요하다는 단점이 지적되고 있다. 이같은 단점은 고가의 진공 장비를 구비해야 하므로, 많은 설비 비용이 소요되는 문제점이 있다.
이 뿐만 아니라, 진공 장비는 진공챔버 내부의 조건, 즉 챔버 내부의 진공도와 챔버 내부의 가열온도를, 성형체를 소결하고, 소결된 소결체를 금속모재에 접합하기에 최적의 진공도와 온도로 만들어 주어야 하기 때문에, 많은 시간과 많은 에 너지가 소요되는 단점도 있다. 이러한 단점은 내마모 기계부품의 제작시간을 지연시키는 원인이 되며, 또한 제작비용을 증가시키는 원인이 된다. 특히, 제작시간을 지연시키고, 제작비용을 증가시키므로 생산성을 저하시킨다.
또한, 진공 장비를 통하여 내마모 기계부품을 제조하는 방법은, 특성상 컨베이어를 통한 라인화가 불가능하기 때문에, 내마모 기계부품을 대량으로 생산하기에 부적합한 단점도 지적되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 대기중에서도 성형체를 소결할 수 있고, 소결된 소결체를 금속모재에 접합할 수 있는 내마모 기계부품 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 대기중에서도 성형체를 소결하고, 소결된 소결체를 금속모재에 접합할 수 있게 함으로써, 고가의 진공장비가 필요치 않는 내마모 기계부품 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 고가의 진공장비가 필요치 않음으로써 설비 투자 비용을 절감시킬 수 있는 내마모 기계부품 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 진공 장비를 최적의 상태로 만들어주기 위한 별도의 시간과 에너지가 소요되지 않으므로, 제작시간을 단축시킬 수 있음은 물론, 제작비용을 저감시킬 수 있는 내마모 기계부품 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 컨베이어를 통한 라인화를 가능하게 함으로써 내마모 기계부품의 대량 생산을 가능하게 하는 내마모 기계부품 제조방법을 제공하는 데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 내마모 기계부품 제조방법은, 초경합금과 금속모재를 접합하여 내마모 기계부품으로 제조하는 방법에 있어서, 탄화물 또는 질화물 또는 붕화물로 된 경질입자 및 니켈과 실리콘과 붕소가 함유된 결합재 분말을 혼합하는 단계와; 혼합된 경질입자와 결합재 분말을 성형하는 단계와; 접촉된 상기 성형체와 금속모재를 대기중에서 1300℃ 온도에서 30초 이상 3분 이내로 급속 가열 처리하여 성형체를 소결시킴과 동시에 소결체와 금속모재를 접합하는 단계와; 접합된 소결체와 금속모재를 공기중에서 서냉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 제조방법은 초경합금과 금속모재를 접합하여 내마모 기계부품으로 제조하는 방법에 있어서, 금속모재 상에 탄화물 또는 질화물 또는 붕화물로 된 경질입자를 소정의 두께로 적층하는 단계와; 상기 경질입자층 위에 니켈과 실리콘과 붕소가 함유된 결합재 분말을 소정의 두께로 적층하는 단계와; 상기 금속모재와 경질입자층과 결합재층을 대기중에서 1300℃ 온도에서 30초 이상 3분 이내로 급속 가열 처리하여, 상기 경질입자와 결합재층을 소결시킴과 동시에 소결체와 금속모재를 접합하는 단계와; 접합된 소결체와 금속모재를 공기중에서 서냉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 내마모 기계부품 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제조방법은, 초경합금의 원료가 되는 경질의 입자 및 결합재인 결합재 분말을 구비하고, 구비된 분말을 혼합 처리한다(S101). 여기서, 경질의 입자는 텅스텐 탄화물, 크롬 탄화물 등의 탄화물, 질화물, 붕화물 등을 포함하며, 결합재 분말은 금속계 분말, 예를 들면 코발트와 니켈(Ni)과 실리콘(Si)과 붕소(B) 및 탄소(C)와 철(Fe) 등을 포함한다.
한편, 혼합 처리하는 단계가 완료되면, 혼합된 분말을 성형체로 성형하는 단계(S103)를 포함한다. 성형 단계(S103)는 혼합된 분말을 압축 성형하는 것으로, 접합하고자 하는 모재의 부분에 적합한 형상을 갖도록 성형하는 단계이다.
그리고 성형 단계(S103)가 완료되면, 성형된 성형체와 모재를 서로 접촉시키고, 접촉된 성형체와 모재를 대기중에서 1300℃ 온도에서 급속 가열처리한다(S105). 급속 가열처리 단계(S105)는 서로 접촉된 성형체와 모재를 대기중에서 1300℃ 온도에서 급속 가열함으로써, 성형체를 소결시킴과 동시에 소결된 성형체와 모재를 접합시키는 단계이다.
한편, 급속 가열처리 단계(S105)는 서로 접촉된 성형체와 모재를 대기중에서 1300℃ 온도에서 급속 가열함으로써, 대기중에서 소결공정과 접합공정을 시행하더라도 성형체 내의 텅스텐 산화물이 산화하는 것을 방지하며, 따라서 성형체의 소결이 원활하게 이루어질 수 있게 한다.
즉, 대기중에서 성형체를 가열하면, 성형체 내의 텅스텐 산화물이 산화할 우려가 있으므로, 가능한 한 고온의 온도(1300℃)를 이용하여 상기 성형체를 소결온도까지 가열하되, 짧은 시간(1분 내외)내에 급속 가열함으로써, 성형체 내의 텅스텐 산화물이 산화되는 것을 미연에 방지하면서 소결시키는 것이다.
또한, 급속 가열처리 단계(S105)는 서로 접촉된 성형체와 모재를 대기중에서 1300℃ 온도에서 급속 가열함으로써, 대기중에서 소결공정과 접합공정을 시행하더라도 성형체 내의 경질입자와 결합재의 사이 및, 성형체와 금속모재 사이에 존재하는 기포들이 외부로 빠져나와 제거될 수 있게 하며, 따라서 성형체의 소결 및, 소결체와 모재와의 접합이 원활하게 이루어질 수 있게 한다.
즉, 대기중에서 성형체와 모재를 가열하면, 성형체 내의 경질입자와 결합재의 사이 및, 성형체와 금속모재 사이에 존재하는 기포들이 그대로 남아서 기공으로 존재할 우려가 있으므로, 가능한 한 고온의 온도(1300℃)를 이용하여 상기 성형체를 가열하되, 짧은 시간(1분 내외)내에 급속 가열함으로써, 성형체 내의 결합재가 순식간에 액상 상태에서 유동성을 가지게 하며, 따라서 충분한 유동성을 갖는 결합재로 하여금 성형체 내부 및, 성형체와 금속모재 사이에 존재하는 기포들을 충분히 외부로 배출시킬 수 있게 하는 것이다.
결과적으로, 이러한 급속 가열처리 단계(S105)는, 서로 접촉된 성형체와 모재를 대기중에서 1300℃ 온도에서 급속 가열함으로써, 대기중에서 소결공정과 접합공정을 시행하더라도 성형체의 소결과 성형체와 모재간의 접합이 원활하게 이루어질 수 있게 한다.
한편, 이러한 급속 가열처리 단계(S105)에서 가열시간은 초경합금 소결체의 크기와 형상에 따라 30초 이상 3분이내가 적정하다. 가열시간이 30초 이하일 경우, 충분한 소결이 이루어지지 않으며, 3분 이상일 경우, 결합재 분말과 접합모재가 반응하여 접합모재가 용해될 우려가 있다.
한편, 이러한 급속 가열처리 단계(S105)는, 고주파 유도 가열장치를 통해 시행한다. 고주파 유도 가열장치는 고주파 전류를 이용하여 가열물의 특정부위를 단시간내에 고온으로 가열하는 장치로서, 안전하고 환경공해 없이 급속 가열이 가능하다. 특히, 가열물의 특정부위만 급속히 가열할 수 있으므로 컨베이어를 통한 라인화를 가능하며, 아울러 가격이 저렴하여 시설 설비 투자 비용이 적게 들게 한다.
뿐만 아니라, 고주파 유도 가열장치는, 가동 및 정지가 순간적으로 가능하며, 따라서 작업시간을 단축시킬 수 있고, 작업시간을 단축시킬 수 있으므로 생산성을 향상시킬 수 있게 한다.
한편, 고주파 유도 가열장치 대신에, 레이저 조사장치를 이용하여 성형체와 모재를 급속 가열하는 하는 것도 가능하다. 레이저 조사장치는, 가열하고자 하는 특정부위에 레이저를 조사하여 가열하는 장치로서, 특정부위를 단시간내에 고온으로 가열할 수 있는 장치이다. 고주파 유도 가열장치와 레이저 조사장치는 이미 공지된 기술이므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
다시, 도 1을 참조하면, 본 발명의 제조방법은 급속 가열처리 단계(S105)후, 접합된 모재와 소결체(이하, “내마모 기계부품”이라 함)를 상온에서 서서히 냉각시키고(S107), 냉각된 내마모 기계부품을 기계 가공 처리한다(S109).
냉각 단계(S107)는, 서로 접합된 모재와 소결체를 공기 중에서 서냉시킨다.
그리고 기계 가공 처리 단계(S109)는 내마모 기계부품의 내?외면을 가공 및 연마 처리함으로써 높은 정밀도로 만들어준다.
이상에서와 같이 여러 단계를 통하여 제조된 내마모 기계부품은, 높은 강도 를 가지면서 접합된다. 또한, 대기중에서 제조되므로 빠른 시간내에 다량으로 제조될 수 있다.
한편, 본 발명자는 본 발명의 제조방법으로 내마모 기계부품을 제조해 보았으며, 제조된 내마모 기계부품의 경도를 시험해 보았다. 이에 따르면,
(실시예 1)
탄소강 재질의 모재에 폭 10mm, 길이 100mm, 깊이 20mm의 홈을 형성하고, 형성된 홈에 경질입자인 텅스텐 탄화물 분말과 결합재인 니켈 합금 분말을 혼합/성형하여 장입하였다. 그리고 경질입자와 결합재가 장입된 모재를 고주파 유도 가열장치를 이용하여 1300℃의 온도로 1분간 가열하였으며, 가열 후, 공기중에서 서냉시켰다.
그 결과, 서냉된 경질입자와 결합재는, 소결되어 초경합금으로 형성되었으며, 형성된 초경합금은 모재와 높은 결합도로 접합되었다. 또한, 형성된 초경합금의 경도는 HRA 84 이상의 값이 측정되었다.
다음으로, 도 2에는 본 발명에 따른 내마모 기계부품 제조방법의 다른 실시예를 나타내는 블록도가 도시되어 있다.
다른 실시예의 제조방법은, 경질입자와 결합재를 혼합하는 상술한 실시예와는 달리, 모재 상에 경질입자를 소정의 두께로 적층(S101)한 다음, 그 위에 결합재 결합재 분말을 소정의 두께로 적층(S103)하도록 구성된다.
그리고 경질입자층과 결합재층의 적층이 완료되면, 모재와, 모재에 적층된 경질입자와 결합재를 대기중에서 1300℃ 온도에서 1분간 급속 가열처리한다(S105). 물론, 급속 가열처리 단계(S105)는 고주파 유도 가열장치 또는 제이저 조사장치를 통해 시행한다.
그리고 급속 가열처리 단계(S105)가 완료되면, 접합된 모재와 소결체(이하, “내마모 기계부품”이라 함)를 상온에서 서서히 냉각시키고(S107), 냉각된 내마모 기계부품을 기계 가공 처리한다(S109).
이러한 단계를 갖는 다른 실시예의 제조방법은. 경질입자와 결합재를 혼합하지 않고 적층하므로 작업시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 경질입자와 결합재를 적층하므로 별도의 성형작업이 필요 없으며, 따라서 작업시간을 단축시킬 수 있다.
한편, 본 발명자는 다른 실시예의 제조방법으로 내마모 기계부품을 제조해 보았으며, 제조된 내마모 기계부품의 경도를 시험해 보았다. 이에 따르면,
(실시예 2)
탄소강 재질의 모재에 폭 10mm, 길이 100mm, 깊이 20mm의 홈을 형성하고, 형성된 홈에 경질입자인 텅스텐 탄화물 분말을 10mm 적층하며, 그 위에 결합재인 니켈-실리콘-붕소 합금 분말을 10mm 적층하였다. 그리고 경질입자와 결합재가 적층된 모재를 고주파 유도 가열장치를 이용하여 1300℃의 온도로 1분간 가열하였으며, 가열 후, 공기중에서 서냉시켰다.
그 결과, 서냉된 경질입자와 결합재는, 소결되어 초경합금으로 형성되었으며, 형성된 초경합금은 모재와 높은 결합도로 접합되었다. 또한, 형성된 초경합금의 경도는 HRA 84 이상의 값이 측정되었다.
결과적으로, 상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 내마모 기계부품은, 높은 경도와 우수한 내마모 성능 및 우수한 내충격 성능을 갖는 것으로 나타났다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 내마모 기계부품 제조방법은, 경질입자와 결합재와 모재를 대기중에서 1300℃ 온도에서 급속 가열함으로써, 대기중에서도 경질입자와 결합재의 소결을 가능하게 하고, 소결된 소결체를 금속모재에 접합할 수 있게 한다. 특히, 대기중에서도 소결체 형성을 가능하게 하고, 소결체와 금속모재의 접합을 가능하게 함으로써 고가의 진공장비가 필요치 않으며, 따라서 설비 투자 비용이 적게 든다. 또한, 소결 및 접합시간이 대폭적으로 줄어들므로 제작시간을 단축시킬 수 있고, 제작비용을 저감시킬 수 있다. 또한, 컨베이어를 통한 라인화가 가능하므로 내마모 기계부품의 대량 생산을 가능하게 한다.
Claims (4)
- 초경합금과 금속모재를 접합하여 내마모 기계부품으로 제조하는 방법에 있어서,탄화물 또는 질화물 또는 붕화물로 된 경질입자 및 니켈과 실리콘과 붕소가 함유된 결합재 분말을 혼합하는 단계와;혼합된 경질입자와 결합재 분말을 성형하는 단계와;상기 성형체와 금속모재를 대기중에서 1300℃ 온도에서 30초 이상 3분 이내로 급속 가열 처리하여 성형체를 소결시킴과 동시에 소결체와 금속모재를 접합하는 단계와;접합된 소결체와 금속모재를 공기중에서 서냉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단계를 포함하는 내마모 기계부품 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 소결체와 금속모재를 급속 가열 처리하는 단계는, 고주파 유도 가열장치에 의해 급속 가열되는 것을 특징으로 하는 내마모 기계부품 제조방법.
- 제 1항에 있어서,상기 소결체와 금속모재를 급속 가열 처리하는 단계는, 레이저 조사장치에 의해 급속 가열되는 것을 특징으로 하는 내마모 기계부품 제조방법.
- 초경합금과 금속모재를 접합하여 내마모 기계부품으로 제조하는 방법에 있어서,금속모재 상에 탄화물 또는 질화물 또는 붕화물로 된 경질입자를 소정의 두께로 적층하는 단계와;상기 경질입자층 위에 니켈과 실리콘과 붕소가 함유된 결합재 분말을 소정의 두께로 적층하는 단계와;상기 금속모재와 경질입자층과 결합재층을 대기중에서 1300℃ 온도에서 30초 이상 3분 이내로 급속 가열 처리하여, 상기 경질입자와 결합재층을 소결시킴과 동시에 소결체와 금속모재를 접합하는 단계와;접합된 소결체와 금속모재를 공기중에서 서냉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모 기계부품 제조방법.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102485876B1 (ko) * | 2021-09-27 | 2023-01-06 | 홍익대학교 산학협력단 | Vcsel 모듈을 구비하는 급속 소결 장치 |
-
2004
- 2004-09-07 KR KR1020040071427A patent/KR100571542B1/ko active IP Right Grant
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