KR20090010970A - 다층구조의 이중 재질 물품을 제조하는 방법 - Google Patents

다층구조의 이중 재질 물품을 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

다층구조의 이중 재질 물품을 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 비주조 재질로 만들어진 제1층을 제공하는 단계와, 제1층보다 낮은 융점을 갖는 주조 재질로 이루어진 제2층을 제공하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 제1층은 단조합금이고, 제2층은 제1층 위에 주조된다.
다층구조, 이중 재질, 비주조 재질, 단조합금, 주조

Description

다층구조의 이중 재질 물품을 제조하는 방법{METHOD OF MAKING A MULTILAYERED DUPLEX MATERIAL ARTICLE}
본 발명은 일반적으로 물품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 더 자세하게는, 본 발명은 적어도 한 층이 주조물인 다층구조의 이중 재질 물품을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 출원은 2006년 3월 30일 출원된 미국 가특허출원 60/787,419의 우선권을 주장하며, 이 가특허출원은 본 명세서에 참고로 반영된다.
금속, 플라스틱, 세라믹 등으로 만들어진 구성요소들 및/또는 물품들은 다양한 산업상 공정을 이용하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 단조합금 또는 전신합금(wrought alloy)(이하 '단조합금'으로 통일함)으로 만들어진 구성요소들은 열간압연(hot rolling), 냉간압연(cold rolling), 스탬핑(stamping), 스피닝(spinning), 드로잉(drawing), 피어싱(piercing) 등을 이용하여 제조 또는 생산될 수 있다. 이와는 달리, 용융 금속을 캐비티에 주입하면 주조 물품을 제조할 수 있다. 일반적으로, 주조 물품은 단조 물품과 확연히 다른 특성들을 가지며, 원하는 디자인 및/또는 성능 요건에 따라 엔지니어/디자이너는 물품을 만드는 재질 및 물품을 만드는데 사용되는 공정을 선택할 수 있다.
만일 확연히 다른 특성들 또는 특성들의 조합이 물품 안에서 필요 및/또는 유용하다면, 하나의 물품을 제조하기 위하여 하나 이상의 재질을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 비슷하지 않은 재질들로 만들어진 물품의 제조는 복잡하고 고가가 될 수 있다. 예컨대, 단일 물품을 제조하는데 사용된 서로 다른 특성을 갖는 두 개의 재질은 형성, 용접 및/또는 가공 시에 어려움을 초래할 수 있다. 그래서 다층구조의 이중 재질 구성요소를 제조하기 위한 방법이 필요하다.
다층구조의 이중 재질 물품을 제조하는 방법이 개시된다. 본 방법은 비주조 재질로 이루어진 제1층을 제공하는 과정과, 상기 제1층보다 낮은 융점을 갖는 재질을 포함하는 주조 재질로 이루어진 제2층을 제공하는 과정을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 제1층은 단조합금이고 제2층은 제1층 위에 주조된다. 제1층은 스탬핑, 드로잉, 압연, 스핀 포밍(spin forming) 등과 같은 단조합금 형성 공정에 의해 형성될 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 제1층은 강철로 만들어지며, 제2층을 제1층에 결합시키는데 도움이 되는 개구들을 구비할 수 있다. 제2층은 제1층과 다른, 20% 넘게 큰 하나 이상의 물리적, 화학적 및/또는 기계적 특성을 갖는다. 제2층은 스페이서, 소켓 및/또는 다른 기능적 구성요소를 물품에 제공할 수 있다. 또한, 제2층은 제1층에 비해 향상된 표면 마무리를 갖는 표면 및/또는 제3층과 향상된 결합을 제공하는 표면을 제공할 수 있다. 또한, 제2층은 제1층과 비교할 때 향상된 용접 특성 및/또는 가공 특성을 갖는 재료를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서 사용된 제1층 예의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 이용하여 제조된 물품의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 이용하여 제조된 물품의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 이용하여 제조된 물품의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서 사용된 제1층 예의 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 이용하여 제조된 물품의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서 사용된 조립되지 않은 제1층 예의 분리 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서 사용된 조립된 제1층 예의 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 이용하여 제조된 다이 캐스트 몰드에 있어서의 물품의 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 일 실시예를 이용하여 제조된 물품의 사시도이다.
도 11은 본 발명에 따른 방법에서 사용된 제1층의 예이다.
도 12는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 이용하여 제조된 물품의 단면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서 사용된 제1층의 예이다.
도 14는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 이용하여 제조된 물품의 사시도이다.
도 15는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 이용하여 제조된 물품의 단면도이다.
본 발명은 다층구조의 이중 재질 물품을 제조하기 위한 방법을 포함한다. 이에 따라, 본 발명은 상이한 재질의 특성 및/또는 특성의 조합을 나타낼 수 있는 물품들을 제조하기 위한 방법으로서 유용성을 갖는다. 본 발명의 방법은 골격층으로 알려진 제1층이 단조합금 또는 소결 세라믹과 같은 비주조 재질로 만들어지는 제조 공정이다. 제1층이 원하는 형태로 형성되면, 제2층은 제1층 위에 및/또는 제1층 전체에 걸쳐 주조된다. 이와 같은 방식으로 비주조층과 제2주조층으로부터 파생된 특성들을 가질 수 있는 단일 물품이 제공된다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 방법에서 사용되는 제1층(100)이 예시되어 있다. 제1층(100)은 제1면(110)과 제2면(120)을 갖는다. 선택적으로, 제1층(100)은 제1면(110)과 제2면(120)에 인접하는 하나 이상의 개구(130)를 갖는다. 일 실시예에서, 제1층(100)은 강철, 스테인레스강, 니켈 베이스 합금, 코발트 베이스 합금 및/또는 다른 금속 재질과 같은 단조 합금으로 만들어진다. 본 발명의 목적을 위해서 '단조합금'은 기계적으로, 열적으로 및/또는 열-기계적으로 처리되어 재질의 재결정화가 이루어지는 합금으로 정의된다. 또는 제1층(100)은 세라믹 및/또는 내화성 재질로 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 이용하여 제조된 제1실시예(10)의 단면을 도 2에 도시한다. 제2층(200)은 개구들(130)을 통하여 적어도 부분적으로 제1층(100) 위로 제공된다. '주조하다', '주조재질', '주조층' 및/또는 '주조'라는 용어는, 재결정화가 발생하는 식으로 처리되지 않고 액체의 응고에 의해 형성된 고체 재질, 층, 물품 등으로 정의된다. 제2층(200)은 제1층(100)의 개구들(130)을 적어도 부분적으로 채우는 영역(210)을 갖는다. 또한, 영역(220)은 제2층(200)이 제1층(100)의 외측면(120) 상으로 연장되는 곳에 마련될 수 있다. 도 3은 제1실시예(10)의 사시도이다. 제2층(200)은 주조층으로 제1층(100)의 융점보다 낮은 융점을 갖는 재질을 포함한다. 본 발명의 목적을 위하여, 융점은 열 특성으로 정의되며 재질의 융점 이하의 온도부터 가열할 때 고체 상태에서 액체 상태로 변형이 시작되는 재질의 온도를 나타낸다.
제1층(100)보다 낮은 융점 온도 이외에, 일 실시예에서, 제2층(200)은 제1층의 동일 특성보다 20% 이상 작거나 큰 하나 이상의 물리적, 화학적 및/또는 기계적 특성을 갖는다. 다른 실시예에서, 제2층은 제1층의 동일 특성보다 40% 이상 작거나 큰 하나 이상의 물리적, 화학적 및/또는 기계적 특성을 갖는다. 또 다른 실시예에서, 제2층은 제1층의 동일 특성보다 50% 이상 작거나 큰 하나 이상의 물리적, 화학 적 및/또는 기계적 특성을 갖는다.
제1층(100)을 단조 재질로 제조할 경우, 제1층(100)은 열간압연, 냉간압연, 스탬핑, 드로잉, 스핀 포밍, 필거링(pilgering), 스웨이징 가공(swaging machining), 전단가공(shearing), 압출(extruding) 및 그 조합을 예시적으로 포함하는 단조합금을 형성하는 당업자에게 공지된 어떤 공정이든지 이용하여 원하는 형상으로 형성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 제1층(100)은 튜브 형태이지만, 이는 본 발명에 따른 방법 실시에는 상관이 없다. 예컨대, 제1층(100)은 플레이트, 시이트(sheet), 로드(rod) 및/또는 와이어 형태이거나, 이들로 이루어진 다른 구성요소 형태일 수 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 제1실시예(10)는 볼 조인트 소켓(A)이 도 2의 점선에 도시된 바와 같은 구성요소에 프레스 끼워맞춤(press fit) 되게 할 수 있다. 제2층(200)은 원하는 물리적, 화학적 및/또는 기계적 특성을 충족시킬 수 있는 재질을 제공한다. 예를 들면, 본 발명의 범위를 제한하지 않는 방식으로, 제1층(100)을 원하는 강도를 제공하나 알루미늄, 마그네슘 및/또는 아연 합금과 비교하면 가공하기 어려운 합금강으로 만들 수 있다. 그러나, 알루미늄, 마그네슘 또는 아연 합금은 물품이 볼 조인트 소켓(A) 기능을 하도록 원하는 강도를 갖지 않을 수 있다. 따라서, 강철로 만들어진 제1층(100)을 제공하고, 그 위에 알루미늄, 마그네슘 및/또는 아연 합금으로 만들어진 제2층(200)을 주조함으로써, 강철, 알루미늄, 마그네슘 및/또는 아연 합금으로 이루어진 특성 조합이 가능하다. 이와 같은 방식으로 다층구조의 이중 재질로 만들어진 물품이 향상된 특성을 갖도록 제공된다. 이와 같은 물품은 또한 제조 비용을 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시예를 통해 제조한 물품(20)을 도 4에 도시한다. 이 실시예에서, 제2층(200)은 제1층(100) 위에 주조되지만 외측면(120)을 넘어 연장된 영역(220)은 영역(222)에 의해 대체된다. 영역(220) 및/또는 영역(222)은 구성요소(10) 및/또는 구성요소(20)에 스페이서 기능을 제공할 수 있다. 또한, 제1실시예(10)와 제2실시예(20)는 제1층(100)의 내측면(100) 상에 제2층(200)을 주조하는 것을 나타내지만, 제2층(200)은 외측면(120) 상에, 또는 내측면(110)과 외측면(120) 상에 주조될 수도 있다.
도 5를 참조하면, 다른 형상을 갖는 제1층(100)이 도시되어 있다. 제1층(100)은 개구(130)을 구비하지는 않지만 상술한 하나 또는 그 이상의 단조합금 형성공정을 이용하여 형성될 수 있는 영역(140)을 포함한다. 개구(130)와 같이 영역(140)은 제1층(100)과 제2층(200) 사이의 향상된 결합을 제공할 수 있다.
도 7 내지 도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 방법의 다른 실시예를 이용하여 제조된 물품(40)이 도시되어 있다. 도 7에는 구성요소(152, 154, 156)로 만들어진 조립되지 않은 제1층(150)의 분리도가 도시되어 있다. 그 구성요소들은 도 8의 위치(153)에 도시된 바와 같은 용접 및/또는 접착제 사용, 고정구 등을 예시적으로 포함하는, 당업자에게 공지된 어떤 방법에 의해서든 조립될 수 있다. 이 구성요소(154)는 개구(155)를 포함할 수 있으나, 개구는 없어도 된다.
도 9는 인젝션 캐스팅 다이(A) 안에 위치된 조립된 제1층(150)을 나타낸다. 조립된 제1층(150)이 다이(A) 안에 위치된 후, 제2층은 제1층(150) 상으로 그리고 제1층(150) 전체에 걸쳐서 인젝션 주조될 수 있다. 제2층(230)은 구성요소(156)의 외측면, 그리고 구성요소(152)의 내측면 및 외측면의 적어도 일부를 덮도록 도시되어 있다. 물품(40)의 사시도를 도 10에 도시한다. 개구들(155)은 채워져 있고, 제1층(150)의 외측면은 제2층(230)으로 덮여있다. 선택적으로 플랜지(234, 236)는 제2층(230)의 일부로 형성될 수 있다. 제2층(230)을 갖는 구성요소(152)는 볼 조인트 용 소켓으로 예시적으로 사용될 수 있고, 제2층(230)을 갖는 구성요소(156)는 예컨대 서스펜션 시스템에 장착되도록 사용될 수 있다. 상대적으로 복잡한 형상의 물품을 제조하기 위해 본 실시예는 본 발명의 다양한 방법을 나타낸다.
도 11을 참조하면, 브래킷(162)과 같은 기능적 구성요소를 포함하는 제1층(160)이 도시되어 있다. 본 발명에 따른 방법의 일 실시예는 도 12에 도시된 바와 같은 제1층 위에 제2층(240)을 제공하도록 사용될 수 있다. 제2층(240)은 구성요소(160)의 내측면(164) 및 외측면(166)의 적어도 일부에 제공되어 적어도 부분적으로 개구(168)를 채운다. 제2층(240)으로 개구(168)를 채움에 의해 제1층(100)으로 이루어진 재질과 다른 특성들을 갖는 재질을 개구(168)에 제공할 수 있다. 예컨대, 제2층(240) 재질은 나사의 셀프 태핑(self-tapping)을 가능케 하거나 나사를 저비용으로 제조할 수 있도록 개선된 가공 특성을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예를 이용하여 제조된 물품(60) 예를 도 13 내지 15에 도시한다. 이 실시예에서, 제1층(170)은 그 위에 제2층(250, 252)을 주조하기 위하여 사용된다. 제1층(170)으로 형성된 브래킷과 같은 기능적 구성요소와는 대조적으로 브래킷(252)은 제2층(250)을 이용하여 형성된다.
도면 및 실시예에 도시된 바와 같이, 본 발명은 다양한 다층구조의 이중 재질 물품을 제공 또는 제조하기 위하여 사용될 수 있다. 제2층이 금속 재질일 필요가 없다는 점, 예를 들어 플라스틱 재질일 수 있다는 점에 유의해야 한다.
상술한 도면들 및 설명은 본 발명의 특정 실시예들을 설명하기 위한 것으로, 이는 본 발명의 실시에 있어서 한정을 의미하지 않는다. 당업자에게는 여기서 개시된 내용에 비추어 다양한 변형 및 변경이 자명할 것이다. 본 발명의 범위는 균등물을 포함하는 다음 청구항에 의해 정해진다.

Claims (19)

  1. 다층구조의 이중 재질 물품을 제조하는 방법에 있어서,
    비주조 재질로 이루어진 제1층을 제공하는 단계; 및
    다층구조의 이중 물품을 제조하기 위하여 상기 제1층보다 낮은 융점 온도를 갖는 재질을 포함하는 제2층을 상기 제1층 위에 주조하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1층은 단조합금인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1층은 강철(steel)로 만들어진 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1층과 상기 제2층 사이의 결합을 향상시키기 위하여 상기 제1층은 개구(aperture)들을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2층이 갖는 하나 이상의 특성은 상기 제1층의 동일한 특성에 비해 20% 이상 작거나 크며, 상기 특성은 물리적 특성들, 화학적 특성들 및 기계적 특성들로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2층이 갖는 하나 이상의 특성은 상기 제1층의 동일한 특성에 비해 40% 이상 작거나 크며, 상기 특성은 물리적 특성들, 화학적 특성들 및 기계적 특성들로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2층이 갖는 하나 이상의 특성은 상기 제1층의 동일한 특성에 비해 50% 이상 작거나 크며, 상기 특성은 물리적 특성들, 화학적 특성들 및 기계적 특성들로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2층은 상기 물품에 스페이서를 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2층은 상기 물품에 소켓을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2층은 상기 물품에 제1층과 다른 표면 형태를 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2층은 제3층과의 결합을 위하여 상기 물품에 표면을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2층은 용접을 위한 재질을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2층은 가공(machining)을 위한 재질을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제2층은 상기 제1층으로부터 연장된 브래킷을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제2층은 샌드 캐스팅(sand casting)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하 는 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제2층은 인젝션 다이 캐스팅(injection die casting)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제2층은 합금(alloy)인 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제2층은 플라스틱(plastic)인 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 다층구조의 이중 재질 물품을 제조하는 방법에 있어서,
    단조합금강으로 이루어진 제1층을 제공하는 단계; 및
    상기 제1층 위에 상기 제1층 보다 낮은 융점 온도를 갖는 재질로 이루어지는 제2 층을 인젝션 다이 캐스팅하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제2 층이 갖는 하나 이상의 특성은 상기 제1층의 동일한 특성에 비해 20% 이상 작거나 크며,
    상기 제2층의 재질은 다층구조의 이중 재질 물품을 제조하기 위하여 합금 및 플라스틱으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020087026502A 2006-03-30 2007-03-30 다층구조의 이중 재질 물품을 제조하는 방법 KR101374657B1 (ko)

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