KR20110119834A

KR20110119834A - 금속 부재의 표면 경화 방법

Info

Publication number: KR20110119834A
Application number: KR1020117022421A
Authority: KR
Inventors: 토모야 오기노; 야스히로 카나이; 마사노리 오카
Original assignee: 얀마 가부시키가이샤
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2011-11-02
Also published as: KR20090028529A; CN101484611B; EP2025776A1; EP2025776A4; CN102352505B; CN102352505A; KR101179151B1; JP2007308736A; CN101484611A; US20090255504A1; US8152942B2; WO2007132587A1; JP5101838B2

Abstract

엔진 부품의 표면에 내(耐)마모성이 뛰어난 합금층을 코팅하여 부품 수명을 향상시키는 금속 부재의 표면 경화 방법에 있어서, 주철제 피스톤의 링 홈부에, 합금 분말, 바인더 및 용제를 혼합한 혼합물을 도포하여 균일한 분말 합금층을 형성한 후에 용제를 건조시키고, 상기 분말 합금층 위에 흑연 분말을 용제로 희석한 레이저 흡수제를 레이저 혹은 전자빔의 파장에 따른 두께로 도포하여 피막을 형성한 후 용제를 건조시키고, 이어서, 상기 링 홈부에 레이저 혹은 전자빔을 소정의 출력 및 주사 속도로 조사하여 상기 분말 합금층을 소결 혹은 용융시켜, 상기 링 홈부에 박막의 합금층을 형성하고, 상기 링 홈부의 상하 양 측면에 합금층을 형성할 경우에는, 상기 링 홈부의 분말 합금층 위에 도포한 레이저 흡수제와 동일한 흑연을 도포한 차폐판으로 상기 링 홈부의 모서리부를 마스크한 채로 입사각을 갖게 한 레이저광을 조사하여, 상기 링 홈부의 마모 영역에만 합금층을 형성한다.

Description

금속 부재의 표면 경화 방법{METHOD OF HARDENING SURFACE OF METALLIC PART}

본 발명은, 엔진이나 구동 부품 등의 수송기 분야나 기계 구조 분야 등 내(耐)마모성이 필요한 부품에 사용되는 금속 부재의 표면 경화 방법에 관한 것이다.

최근, 원유의 중질화(重質化), 경질유(輕質油)의 수요 증가, 석유 정제법의 변화 등에 수반하여, 저질유(低質油)의 연료 성상이 악화되고 있으며, 연료 중에 포함되는 경질 입자나 유황성분, 연료 잔류물 등에 의해 내연 기관의 부품이 마모되기 쉬운 환경에 있다.

이와 같은 상기 상황에 대응하기 위하여, 예를 들어 주로 디젤 엔진에 사용되고 있는 일체형 FCD(덕타일 주철(Ductile Cast Iron))제 피스톤의 링 홈부의 내마모성을 향상시키기 위한 기술로서, 링 홈부에 레이저를 이용하여 담금질하는 레이저 담금질 기술(예를 들어, 특허 문헌 1 참조), 고주파 담금질 기술(예를 들어, 특허 문헌 2 참조) 및 크롬 도금 처리 기술 등이 공지되어, 널리 적용되고 있다.

특허 문헌 1: 일본 특허 공개 소61 -149424호 공보

특허 문헌 2: 일본 특허 공개 평7-119831호 공보

그러나, 레이저 담금질 기술이나 고주파 담금질 기술에 의한 담금질 부분의 경도는 600Hv ~ 800Hv 정도 밖에 되지 않는다. 또한, 담금질 부분의 조직은 완전히 균일하지 않고, 마텐자이트(martensite), 베이나이트(bainite), 잔류 오스테나이트(austenite) 등의 조직이 혼재되어 있어 경도의 편차도 크다.

또한, 탑 링 홈은 엔진 연소 온도가 전달되기 쉬우며, 약 150℃ 이상이 되면 담금질 조직이 템퍼링되어 경도가 약 100Hv ~ 200Hv 정도 저하된다.

또한, 피스톤의 재질이 부식되기 쉬운 주철인 경우, 연소 가스 중에 포함되는 유황 등에 의해 링 홈부에 부식이 발생한다.

상기 이유로 장시간 사용에 의해 피스톤의 링 홈부가 마모되고, 특히 내연 기관용 피스톤의 링 홈에 있어서, 마모에 의해 그 상하 틈이 커지면, 펌프 작용에 의해 윤활유가 너무 올라와 윤활유 소비량이 많아진다. 따라서, 일정한 마모량에 달하면 피스톤을 교환하지 않으면 안되므로 유지·보수 비용이 발생한다.

또한, 레이저 담금질은 담금질 깊이가 약 300㎛ 이상이 되면 미세 균열이 다수 발생하기 때문에, 너무 깊은 담금질은 할 수 없다. 한편, 고주파 담금질은 담금질 깊이가 약 800㎛ 정도까지 가능하지만, 열처리 왜곡이 커서 연삭 등의 후가공이 필요하다.

또한, 크롬 도금 처리에 있어서의 표면 경화에 있어서는, 도금 부분의 경도는 800Hv ~ 1OOOHv 정도이고 내마모성은 우수하지만 매우 고비용이다. 또한, 도금 처리액에 6가 크롬이 포함되기 때문에, 환경에 미치는 영향을 고려하면 바람직한 것은 아니다.

그래서, 본 발명은 상기 상황에 착안하여 이루어진 것으로, 해결하고자 하는 과제는, 엔진 부품의 표면에 내마모성이 뛰어난 합금층을 코팅하여 부품 수명을 향상시키고 내마모성을 향상시킨 금속 부재의 표면 경화 방법을 제안하는 것이다.

본 발명의 금속 부재의 표면 경화 방법에 있어서, 주철제 피스톤의 링 홈부에, 합금 분말, 바인더 및 용제를 혼합한 혼합물을 도포하여 균일한 분말 합금층을 형성한 후에 용제를 건조시키고, 상기 분말 합금층 위에 흑연 분말을 용제로 희석한 레이저 흡수제를 레이저 혹은 전자빔의 파장에 따른 두께로 도포하여 피막을 형성한 후 용제를 건조시키고, 이어서, 상기 링 홈부에 레이저 혹은 전자빔을 소정의 출력 및 주사 속도로 조사하여 상기 분말 합금층을 소결 혹은 용융시켜, 상기 링 홈부에 박막의 합금층을 형성하고, 상기 링 홈부의 상하 양 측면에 합금층을 형성할 경우에는, 상기 링 홈부의 분말 합금층 위에 도포한 레이저 흡수제와 동일한 흑연을 도포한 차폐판으로 상기 링 홈부의 모서리부를 마스크한 채로 입사각을 갖게 한 레이저광을 조사하여, 상기 링 홈부의 마모 영역에만 합금층을 형성한 것이다.

본 발명의 금속 부재의 표면 경화 방법에 있어서, 제1항에 있어서 상기 금속 분말은 텅스텐을 함유하는 분말인 것이다.

본 발명의 금속 부재의 표면 경화 방법에 있어서, 제1항에 있어서 상기 금속 분말은 크롬을 함유하는 분말인 것이다.

본 발명의 효과로서, 금속 분말, 바인더 및 용제를 포함한 혼합물을 금속 모재 표면에 균일하게 도포하여 도막을 형성하고, 도막을 건조시켜 레이저 혹은 전자빔을 조사하여 소결 및 확산시킴으로써, 상기 금속 모재 표면에 합금층을 생성시킴과 함께, 그 합금층을 금속 모재에 접합시키는 본 발명의 표면 경화 방법을 금속 부재의 제조에 적용함으로써, 예를 들어 내연 기관용 FCD제 피스톤의 링 홈의 표면부에 MoC이나 VC과 같은 MC형 탄화물을 미세하고 균일하게 분산시켜 1000 ~ 3000Hv 정도의 경도를 가지는 고경도의 합금층을 용이하게 형성할 수 있다. 이에 의해 카본 등의 연소 잔류물에 의한 공세적 마모(aggressive abrasion)를 방지하는 것이 가능해진다.

또한, 철강 재료인 경우에는 150℃ 이상에서 템퍼링에 의한 경도의 저하가 발생하지만, 상기와 같은 특수 탄화물은 고융점이며 고온에서도 응집 조대화(粗大化)되기 어렵다. 따라서, 엔진 운전 시에 있어서의 피스톤의 링 홈부의 온도 상승에 수반되는 링 홈 표면의 경도 저하를 방지한다.

또한, 철강 재료보다 내식성(耐蝕性)이 있는 세라믹계의 합금을 표면에 형성함으로써 유황 등에 의한 부식 방지가 가능해진다.

또한, 종래 공법의 고주파 담금질에서는, 담금질후 템퍼링 및 연삭을 필요로 하지만, 본 발명에서는 링 홈을 절삭 가공한 후 그 표면에 100㎛ ~ 300㎛의 균일한 합금층을 형성시킴으로써, 템퍼링을 생략하고, 후가공을 없애는 것도 가능하기 때문에, 제조 비용을 삭감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 공정을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 마찬가지로 일부 단면의 피스톤에 적용되는 모형도이다.
도 3은 도 2의 주요부 확대 단면도이다.
도 4는 본 발명의 방법으로 제조된 주철제 실린더 헤드의 일 예를 모식적으로 나타내는 주요부 단면도이다.
도 5는 도 4의 Z부 확대도이다.
도 6은 실린더 블록의 라인 표면부를 나타내는 도면이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 공정을 나타내는 흐름도이고, 도 2는 일부 단면의 피스톤에 적용되는 모형도이고, 도 3은 도 2의 주요부 확대 단면도이고, 도 4는 본 발명의 방법으로 제조된 주철제 실린더 헤드의 일 예를 모식적으로 나타내는 주요부 단면도이고, 도 5는 도 4의 Z부 확대도이고, 도 6은 실린더 블록의 라인 표면부를 나타내는 도면이다.

실시예 1

본 발명의 금속 부재의 표면 경화 방법을 내연 기관용 주철제 피스톤의 제조에 적용한 공정을 도 1 내지 도 3을 참조하면서 설명한다.

<주조(鑄造)·기계 가공 공정>

주형(鑄型)에 주철 용탕을 흘려 넣어 FCD(덕타일 주철)제 피스톤(1)을 주조한 후, 피스톤의 링 홈부를 절삭 가공하여 링 홈부(3, 4)를 형성한다.

<배합·도포 공정>

먼저, 여러 종류의 금속 분말에 대하여 소정량을 계량하여 배합한다. 이어서, 볼 밀 등을 이용하여 금속 분말이 균등하게 분산되도록 합금 분말을 혼합한다. 합금 분말에 소정량의 용제를 넣어 더 혼합하여 합금 분말과 용제를 균일하게 분산시킨다. 그리고, 이 안에 바인더를 첨가하여 전체가 균일한 혼합물이 되도록 충분히 교반한다.

이어서, 링 홈부(3, 4)에 상기와 같이 얻어진 합금 분말, 수지 및 용제가 혼합된 혼합물을 분사용 노즐(미도시)을 이용하여 도포한다. 도포할 때에, 피스톤(1)을 일정한 속도로 회전시켜 균일한 분말 합금층(두께: 200 ~ 400㎛)을 형성한다. 분말 합금층을 형성한 후 상온에 방치하여 충분히 용제를 건조시킨다.

상기 금속 분말은, 예를 들어 Cr, V, W, Mo, Ti 등의 매우 딱딱한 탄화물(MC계 탄화물)을 생성하는 금속을 사용하는 것이 바람직하지만, 그 밖의 경합금을 형성하는 금속으로서, 알루미나, TiN, Ti0₂, CrN, 산화 지르코늄, SiC, TiC 등을 이용하여 분말 합금층을 형성해도 된다. 또한 수지는, 상온에서 경화가 가능한 프탈산 수지계, 알키드 수지계를 사용하는 것이 바람직하지만, 특별히 이것들로 한정되는 것은 아니다.

한편, 용제로서는 시너, 톨루엔, 자일렌 또는 메탄올, 에탄올, 프로판올 등의 알코올류를 이용하는 것이 가능하며, 건조 속도나 안전성을 고려하여 적절히 선택하면 된다.

또한, 실시예로서 상기와 같이 금속 분말과 용제의 혼합물에 나중에 바인더를 첨가하는 공정을 일 예로 들었지만, 용제와 바인더의 혼합물 안에 금속 분말을 첨가하여 배합하는 공정으로 해도 된다.

또한, 본 발명의 효과를 얻기 위하여 분말 합금층의 두께로서 200 ~ 400㎛ 정도로 하는 것이 바람직하지만, 특별히 이것으로 한정되는 것은 아니다.

한편, 금속 분말은 복수 종류를 혼합할 뿐만 아니라 단일 금속 분말만 이용해도 된다. 또한, 용제 건조를 촉진시키기 위하여 피도포물을 건조로 등에 넣어 건조 시간을 단축시켜도 된다.

<흡수제 도포 공정>

상기 분말 합금층 위에 레이저 파장에 따라 레이저 흡수제(10)를 5㎛ ~ 15㎛ 정도의 막 두께가 되도록 분사용 노즐을 이용하여 도포한다. 도포할 때에, 피스톤(1)을 일정한 속도로 회전시켜 균일한 피막이 되도록 한다. 피막을 형성한 후 상온에 방치하여 충분히 용제를 건조시킨다.

본 실시예에서는, 레이저 흡수제(10)로서 흑연 분말을 시너 등의 용제로 희석한 것을 이용하여 분말 합금층 위에 흑연 피막을 형성하였지만, 특별히 이것으로 한정되는 것은 아니며 산화 제2철 등을 주성분으로 한 도포제 등을 흡수제로서 도포해도 된다.

또한, 상기 희석 용제는 시너, 톨루엔, 자일렌 또는 메탄올, 에탄올, 프로판올 등의 알코올류를 이용하는 것이 가능하며, 건조 속도와 안전성을 고려하여 적절히 선택하면 된다.

<합금화 공정>

도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 링 홈부(3, 4)에 레이저 혹은 전자빔을 적절한 출력 및 주사 속도로 조사하고, 분말 합금층을 소결 혹은 용융시켜, 링 홈부(3, 4)에 150㎛ ~ 350㎛ 정도의 막 두께의 합금층(20)을 형성한다.

또한, 레이저는, CO₂ 레이저나 YAG 레이저, 반도체 레이저 등을 들 수 있다. 또한, 레이저보다 고에너지인 전자빔 등을 이용하는 것도 가능하다.

이리하여, 이전 공정의 레이저 흡수제(흑연 피막)(10)의 도포에 의해 레이저광(8)이 분말 합금층 위에 효율적으로 흡수됨으로써 분말 합금층이 가열되어, 분말 합금층 내부 및 분말 합금층과 피스톤 등 금속 모재(주철 모재)와의 계면부에서 소결 및 용융, 모재로의 확산이 촉진됨으로써, 금속 모재의 표면에 강고하고 내마모성을 가지는 합금층을 생성시킴과 함께, 그 합금층을 금속 모재(주철 모재)에 접합시킬 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 금속 모재로서 FCD(덕타일 주철)제의 부재를 이용하고 있지만, 특별히 이것으로 한정되는 것은 아니며 알루미늄 합금 등도 가능하다.

<마무리 가공>

이상의 공정에 따라 제조된 피스톤(1)의 링 홈(3, 4)에 있어서, 필요에 따라 합금층(20) 표면의 연삭 가공을 행한다.

이와 같은 공정에 의해, 링 홈부(3, 4)에 합금층을 가지는 피스톤을 제조할수 있다.

이어서, 피스톤(1) 제조의 구체적인 일 예에 대하여 설명한다.

먼저, 용제인 톨루엔 안에 Mo(몰리브덴) 분말을 계량하여 첨가하고, 볼 밀 장치를 이용하여 혼합한다. 계속해서, 프탈산 수지를 소정량 첨가하여 전체가 균일한 혼합물이 되도록 교반한다.

이어서, FCD제 피스톤을 원주 방향으로 회전시키면서 링 홈부(3)의 오목부에 상기 혼합물을 분사용 노즐을 이용하여 막 두께가 300㎛ 정도가 되도록 균일하게 도포하여 분말 합금층을 형성한다. 분말 합금층을 형성한 후 상온에 방치하여 충분히 용제를 건조시킨다.

이어서, 상기 분말 합금층 위에 레이저 흡수제(10)(흑연과 시너의 혼합물)를 10㎛ 정도의 막 두께가 되도록 분사용 노즐을 이용하여 도포한다. 도포할 때에, 피스톤을 일정한 속도로 원주 방향으로 회전시켜 균일한 피막이 되도록 한다. 피막을 형성한 후 상온에 방치하여 충분히 용제를 건조시킨다.

그리고, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 링 홈부(3)에 CO₂ 레이저로 레이저광(8)을 조사하고, 예를 들어 링 홈부(3)의 위쪽면에 합금층(20)을 형성할 경우, 레이저광(8)을 집광 렌즈(5)에 의해 집광한 후, 반사경(6)에 의해 형성시킨 입사각 α로 상기 위쪽면에 조사하면서 피스톤(1)을 회전시켜 홈 전체에 걸쳐 골고루 합금층(20)을 형성시킨다. 계속해서, 링 홈부(3)의 아래쪽면에 합금층(20)을 형성할 경우에, 피스톤(1)을 상하 반전시켜 레이저광(8)을 조사해도 되지만, 레이저광(8)의 입사각 α를 변화시켜 조사해도 된다.

여기서, 본 실시예에서는, 특히 링 홈부(3)의 양 측면에 합금층(20)을 형성할 때, 도 2에 나타내는 바와 같이, 레이저광(8)이 입사각 α를 갖게 하고, 또한 이 홈의 분말 합금층 위에 도포한 레이저 흡수제(10)와 동일한 흑연을 도포한 차폐판(9)을 개재해 모서리부(12)를 마스크하여 조사시키므로, 모서리부(12)의 레이저 흡수제(10)를 박리하여 그 두께를 조정할 필요도 없이 마모 영역(11)에만 합금층(20)을 형성시킬 수 있고, 모서리부(12)가 용융되지 않아 용융에 의한 깨짐 등의 결함을 방지할 수 있도록 구성된다.

이와 같이 하여, 링 홈부(3)의 마모 영역(11)에 합금층(20)을 형성시킨 피스톤을 제작하였다.

<내마모성 평가 방법>

상기 공정과 동일한 제작 조건에서 덕타일 주철제 테스트 피스(30×100(㎜)) 위에 합금층(20)을 형성시켜 표면의 경도를 비커스 경도계로 측정하고 내마모성을 평가하였다. 상술한 바와 같이 Mo(몰리브덴)을 이용하여 합금층(20)을 형성시킨 테스트 피스에서는 비커스 경도가 2000Hv 정도였다. 모재인 덕타일 주철(비커스 경도: 300Hv ~ 350Hv)과 비교하여 6배 정도인 고경도의 합금층(20)이 얻어짐을 확인하였다.

<합금층의 분석 방법>

상기 테스트 피스에 대하여, EDX(에너지 분산형 형광 X선 분석 장치)를 이용하여 합금층(20)과 주철 모재인 테스트 피스와의 계면 부분을 분석한 결과로서 Mo(몰리브덴)이 경사져 분포되어 있음을 확인하였다. 즉, 합금층(20)이 주철 모재에 접합되어 있음을 확인하였다. 또한, X선 회절 장치를 이용하여 Mo이 C와 결합하여 고경도이고 고융점인 세라믹 합금의 일 예인 MoC(몰리브덴 탄화물)을 생성하는 것도 확인하였다.

*이와 같은 공정에 의해, 즉 금속 분말, 바인더 및 용제를 혼합하고, 그 혼합물을 금속 모재 표면에 균일하게 도포하여 도막(분말 합금층)을 형성하고, 도막을 건조시켜 레이저(8) 혹은 전자빔을 조사하여 소결 및 용융, 확산시킴으로써, 상기 금속 모재 표면에 합금층(20)을 생성시킴과 함께, 그 합금층(20)을 금속 모재에 접합시키는 본 발명의 표면 경화 방법을 금속 부재의 제조에 적용함으로써, 예를 들어 FCD제 피스톤의 링 홈의 표면부에, MoC이나 VC과 같은 MC형 탄화물을 미세하고 균일하게 분산시켜, 1000 ~ 3000Hv 정도의 경도를 가지는 고경도의 합금층을 용이하게 형성시킬 수 있다. 이에 의해 내마모성 또는 내열성이 비약적으로 향상되고 카본 등의 연소 잔류물에 의한 공세적 마모를 방지하는 것이 가능해진다.

또한, 고가의 금속 합금을 이용하는 경우에도, 필요한 곳에만 사용되기 때문에 사용량이 매우 적어 경제적이다.

또한, 철강 재료의 경우에는 150℃ 이상에서 템퍼링에 의한 경도 저하가 일어나지만, 상기 MoC 등과 같은 특수 탄화물은 고융점이고 고온에서도 응집 조대화되기 어렵다. 따라서, 엔진 운전 시의 피스톤 링 홈부(3, 4)의 온도 상승에 수반되는 링 홈 표면의 경도 저하를 방지한다.

또한, 철강 재료보다 내식성이 있는 상기와 같은 세라믹계의 합금을 표면에 형성함으로써 유황 등에 의한 부식 방지가 가능해진다.

또한, 종래 공법의 고주파 담금질에서는, 담금질 후 템퍼링 및 연삭을 필요로 한다. 한편, 본 발명에서는 링 홈부(3)를 절삭 가공한 후 그 표면에 100㎛ ~ 300㎛의 합금층(20)을 균일하게 형성함으로써, 템퍼링을 생략하고, 후가공을 없애는 것도 가능하기 때문에, 제조 비용을 삭감할 수 있다.

실시예 2

이어서, 본 발명의 금속 부재의 표면 경화 방법을 내연 기관용 주철제 실린더 헤드에 적용한 예를 도 4 및 도 5를 참조하면서 설명한다.

금속 분말로서 V(바나듐)과 C의 혼합 분말을 이용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 제작 조건에서 실린더 헤드(15)를 제작하였다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 주철제 실린더 헤드(15)에는 흡기 밸브(16)와 배기 밸브(17)가 밸브 스템(18)을 개재하여 상하 방향으로 슬라이딩가능하게 지지되어 있다. 실린더 헤드(15)의 슬라이딩부가 되는 밸브 시트부(19)에 본 발명의 제조 방법에 근거하여 150㎛ ~ 350㎛ 막 두께의 합금층(21)을 형성하였다. 합금층(21)과 주철 모재인 실린더 헤드(15)와의 계면 부분에서는 V이 경사져서 분포되어 있고, 또한 VC(바나듐 탄화물)이 생성되어 있음을 확인하였다. VC은 실시예 1의 MoC과 마찬가지로 고경도이고 내마모성·내열성을 가지는 세라믹 합금(비커스 경도: 2500 ~ 2800Hv 정도)으로 알려져 있으며, 슬라이딩부의 내마모성 향상에 있어서 매우 효과적이다. 즉, 상기와 같이 금속 분말이 레이저광(8)에 의해 가열 용융 되어 합금층(21) 내부 및 합금층(21)과 모재인 실린더 헤드(15)와의 계면 부분에서 소결 및 확산이 촉진됨으로써, 밸브 시트부(19)의 표면에 내마모성이 있는 합금층(21)을 가지는 밸브 시트 일체형 실린더 헤드(15)를 제조할 수 있다.

이상의 공정으로 제작된 주철제 실린더 헤드(15)에 따르면, 밸브 시트부(19)와 주철 모재(실린더 헤드(15))를 일체형 구조로 하는 것이 가능해지므로, 주철 모재인 실린더 헤드(15)와 합금층(21)과의 경계부의 접합 강도를 향상시킬 수 있다. 즉 종래의 밸브 시트 끼움 방식의 주철 실린더 헤드와 비교하여 접합 강도를 높일 수 있는 것이다.

실시예 3

이어서, 본 발명의 금속 부재의 표면 경화 방법을 내연 기관용 주철제 실린더 블록의 라이너 표면부에 적용한 예를 도 6을 참조하면서 설명한다.

금속 분말로서 W(텅스텐)과 C의 혼합 분말을 이용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 제작 조건에서 실린더 블록(25)을 제작하였다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 주철제 실린더 블록(25)의 슬라이딩부가 되는 라이너 표면부(26)에 본 발명의 제조 방법에 근거하여 150㎛ ~ 350㎛ 막 두께의 합금층(22)을 형성하였다. 합금층(22)과 주철 모재인 실린더 블록(25)의 라인 표면부(26)와의 계면 부분에 W이 경사져서 분포되어 있고, 또한 WC(텅스텐 탄화물)이 생성되어 있음을 확인하였다. WC은 실시예 1의 MoC이나 실시예 2의 VC과 마찬가지로 고경도이고 내마모성·내열성을 가지는 세라믹 합금(비커스 경도: 2600 ~ 2800Hv 정도)으로 알려져 있으며, 내마모성 향상에 있어 매우 효과적이다. 즉 상기와 같이 금속 분말이 레이저광(8)에 의해 가열용융되어 합금층(22) 내부 및 합금층(22)과 모재인 실린더 블록(25)의 라인 표면부(26)와의 계면 부분에서 소결 및 확산이 촉진됨으로써, 라인 표면부(31)에 내마모성이 있는 합금층(22)을 가지는 주철제 실린더 블록(25)을 제조할 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 내연 기관용 금속 부재에 대하여 내마모성 및 내열성을 가지는 합금층을 형성하는 방법에 대하여 설명하였지만, 그 이외의 용도로 내마모성을 필요로 하는 부재의 표면부에 마찬가지로 합금층을 형성하여 내마모성을 향상시키는 것도 가능하다.

본 발명은, 내연 기관용 금속 부재의 용도로 한정되지 않으며, 내마모성을 필요로 하는 부재 표면부에 널리 적용할 수 있다.

1…피스톤
3·4…링 홈부
8…레이저광
10…레이저 흡수제
15…실린더 헤드
19…밸브 시트부
20·21·22…합금층
25…실린더 블록
26…라인 표면부

Claims

주철제 피스톤의 링 홈부에, 합금 분말, 바인더 및 용제를 혼합한 혼합물을 도포하여 균일한 분말 합금층을 형성한 후에 용제를 건조시키고,
상기 분말 합금층 위에 흑연 분말을 용제로 희석한 레이저 흡수제를 레이저 혹은 전자빔의 파장에 따른 두께로 도포하여 피막을 형성한 후 용제를 건조시키고,
이어서, 상기 링 홈부에 레이저 혹은 전자빔을 소정의 출력 및 주사 속도로 조사하여 상기 분말 합금층을 소결 혹은 용융시켜, 상기 링 홈부에 박막의 합금층을 형성하고,
상기 링 홈부의 상하 양 측면에 합금층을 형성할 경우에는, 상기 링 홈부의 분말 합금층 위에 도포한 레이저 흡수제와 동일한 흑연을 도포한 차폐판으로 상기 링 홈부의 모서리부를 마스크한 채로 입사각을 갖게 한 레이저광을 조사하여, 상기 링 홈부의 마모 영역에만 합금층을 형성하는 것을 특징으로 하는 금속 부재의 표면 경화 방법.
제1항에 있어서,
상기 금속 분말은 텅스텐을 함유하는 분말인 것을 특징으로 하는 금속 부재의 표면 경화 방법.
제1항에 있어서,
상기 금속 분말은 크롬을 함유하는 분말인 것을 특징으로 하는 금속 부재의 표면 경화 방법.