KR20130069496A - 외장을 구비한 성형 금속 작업편을 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 외장(armoring)을 구비한 성형 금속 작업편(formed metallic work piece)을 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 외장은 기본 작업편 재료와 다른 특성을 갖고, 상기 방법은, 외장 블랭크(armoring blank)(1)를 제공하는 단계와; 기본 작업편 블랭크(basic piece blank)(2)를 제공하는 단계와; 상기 외장 블랭크를 상기 기본 작업편 블랭크 위에 배열하는 단계와; 상기 기본 작업편(2)의 표면부와 상기 외장 블랭크(1)를 용접하여, 외장 표면부(armored surface section)를 구비한 블랭크(3)를 생성하는 단계와; 생성된 외장 표면부를 구비한 블랭크(3)를 형성하여, 단조(forging), 팽경(upsetting), 압출(extrusion)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 공정에 의해 거의 넷 형상의 작업편 윤곽(near-net shape work piece contour)을 제조하고, 상기 모든 명칭의 공정은 저온(cold) 또는 반고온(half-warm) 또는 고온(warm) 온도 범위에서 수행되어, 거의 넷 형상의 성형 외장 기본 작업편(4)을 제조하는, 단계를 포함한다.

Description

외장을 구비한 성형 금속 작업편을 제조하는 방법{PROCESS FOR MANUFACTURING A FORMED METALLIC WORK PIECE WITH ARMORING}
본 발명은, 용접된 금속 블랭크(welded-together metal blank)로부터 외장(armoring)을 구비한 성형 금속 작업편(formed metallic work piece)을 제조하고, 특히, 가공된 금속 합금으로부터, 기본 작업편 재료와 다른 특성을 갖는 외장을 구비한 성형 금속 작업편을 제조하는 공정에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 외장 피스톤(armored piston)과 같이, 상기 공정을 사용하여 제조된 작업편에 관한 것이다. 이러한 방식으로, 환경 조건에 대해 향상된 내성을 갖는 재료가 보호 코팅 또는 외장으로 기본 재료에, 적어도 부분적으로, 영구 부착될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명은 강철 피스톤에 관한 것이다. 그러나, 본 발명은, 기어 휠(gear wheel), 풀리/디스크(pulley/disc), 임펠러(impeller), 포핏 밸브(poppet valve), 베벨 기어(bevel gear), 크라운 기어(crown gear), 피스톤, 밸브 부분, 펌프 플런저(pump plunger), 및 피스톤 펌프 부분에도 적합하다.
특히 자동차 공학에서, 오랜 수명과 경량 구조를 가져서, 연료 소비가 최소화될 수 있고, 이에 따라 CO2 배출을 점차 엄격한 한계 아래로 감소시키는 부품에 대한 중요성이 커지고 있다. 강철 작업편은 높은 안정성 요건을 만족하지만, 이들 작업편이 항상 스케일 내성(scale-resisting)이 있는 것은 아니다. 경금속, 특히 알루미늄 합금은, 필요한 중량 기준을 높게 충족시킨다. 그러나, 이들 경금속은 약하고 디젤 연료의 구성성분과 비교적 쉽게 반응한다. 다른 용도 분야는, 하중이 주로 (이들의) 주변 영역에서 일어나는 부분을 포함할 수 있다. 전형적인 예는, 롤 축(roll axes)을 갖는 하중을 크게 받는 운송 풀리/디스크, 기어 휠, 밸브 디스크, 임펠러, 크라운 기어, 베벨 기어 등을 포함하고, 상기 예는 이들의 외부 영역에서만 이들의 중심보다 더 큰 하중을 받는데, 이는, 상기 예가 작동하는 수단(medium)(예를 들어, 혼합기 또는 컨베이어 블레이드를 위한) 또는 예를 들어, 스프로킷(sprocket)으로의 기계 하중 때문일 수 있다.
따라서, 본 발명의 문제는, 종래 기술의 단점을 피하고, 금속 합금으로부터 외장 작업편을 제조하는 공정을 개발하여, 우수한 기계적 특성을 보장하면서 이와 동시에 알려진 기술보다 더 에너지 효율적이고 친환경적이며, 이에 따라 비용 효율적인 것을 보장하는 것이다. 본 발명의 다른 문제는, 외장 영역(armored area)에서 극단적인 하중 요건을 만족시키는데 필요한 기계적 특성을 나타내는 작업편을 개발하는 것이다.
본 발명에 따라, 이러한 문제는 청구항 제 1항에서 인용된 특성을 갖는 공정 또는 상기 공정에 따라 제조된 작업편으로 해결된다. 추가 개발은 첨부된 청구항으로부터 유도될 수 있다.
본 발명에 따라, 기본 작업편 금속부와 다른 특성을 나타내는 용접 및 단조 외장(forged armoring)을 구비한 단조부(forged part)와 같은 성형 금속 작업편을 제조하는 방법은, 외장 블랭크(armoring blank)를 제공하는 단계와, 기본 작업편 블랭크를 제공하는 단계와, 상기 외장 블랭크를 상기 기본 작업편 블랭크 위에 배열하는 단계와, 상기 작업편 블랭크의 표면부와 상기 외장 블랭크를 용접하여, 외장 표면부를 갖는 블랭크를 생성하는 단계와, 생성된 외장 블랭크를 성형하여, 단조(forging), 팽경(upsetting), 압출(extrusion)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 공정에 의해 그 최종 형태의 외부 윤곽을 만드는 단계로서, 상기 모든 공정은 저온(cold) 또는 반고온(half-warm) 또는 고온(warm) 온도 범위에서 수행되어, 거의 넷 형상의 성형 외장 기본 작업편을 제조하는, 단계를 포함한다.
상기 외장은 기본 작업편 블랭크보다 더 큰 기계적 하중을 견딜 수 있는 금속을 포함할 필요가 있다. 이는 특히 밸브, 기어 휠 등과 같이 높은 기계적 하중에 노출된 표면에 적용된다.
그러나, 상기 외장은, 예를 들어, 내연 기관의 피스톤의 내부 라이닝에서, 기본 작업편 블랭크보다 화학적으로 더 내성이 있는 금속을 포함하는 것이 바람직할 수 있고, 연소 동안 생성된 화합물은, 예를 들어, 강철 부식을 일으킬 수 있다.
외장을 부착하기 위한 용접 공정은, 마찰 용접(friction welding), 유도 용접(induction welding), WIG, MAG, 전자빔 또는 레이저 용접 공정을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명의 공정에 따라 제조될 수 있는 전형적인 외장 작업편은, 예를 들어, 기어 휠, 풀리/디스크, 임펠러, 포핏 밸브, 베벨 기어, 크라운 기어, 피스톤, 및 밸브 부분 또는 펌프 플런저를 포함한다. 전형적으로, 외장 기본 작업편은, 재료의 스케일링(scaling)을 방지하기 위해 의도된 내연 기관용 외장 강철 피스톤이다. 이러한 목적을 위해, 외장은, 예를 들어, 스텔라이트, 크게 하중을 받거나(highly loadable) 또는 고 합금강(high alloyed steel)으로부터 선택될 수 있다. 다른 용도는 피스톤 펌프 부분일 것이다.
기본 작업편과 외장의 결합 성형(conjoined forming)은 저온, 반고온 또는 고온 상태에서 단조, 팽경 또는 압출에 의해 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 공정에 의해, 작업편은, 피스톤, 밸브 또는 캠(cam)과 같은 전형적인 단조부의 기계 특성을 가지면서, 다른 재료의 (화학) 표면 특성을 나타내는 합금으로부터 제조될 수 있다. 그래서, 본 발명에 따른 공정은, 실질적으로 기본 금속 합금으로부터, 높은 기계적 특징 값을 가질 뿐만 아니라, 예를 들어, 크게 하중을 받는 최신 피스톤 연소 챔버에서 연료 연소 가스에 대해 필요성 내성을 나타내는 재료를 얻기 위해, 가열 공정을 포함하는 최소한으로 가능한 수의 공정 단계를 포함한다. 이러한 방식으로, 에너지, 공정 및 재료 비용의 상당한 절약뿐만 아니라, 연장된 수명이 얻어질 수 있어서, 비용의 이점을 이룰 뿐만 아니라, 환경 오염을 크게 낮춘다.
일 실시예에 따라, 단조 또는 성형 공정 전에, 작업편은 450 ~ 580℃ 범위의 특정 온도로 가열될 수 있다. 중간 가열은 +/-5℃의 온도 범위 내에 머물 수 있도록 해서, 보다 높은 공정 신뢰성이 보장될 수 있다.
알루미늄 부분으로 본 발명을 사용하면, 알루미늄 합금은 가공된 알루미늄 합금, 특히, AlMgSi 또는 AlMgSiCu 합금이다. 본 발명의 공정에 따른 이러한 가공된 합금을 사용하면, 특히 우수한 기계적 특성, 특히 높은 강도와 연신율을 갖는 작업편이 얻어질 수 있다. 또한, 성형 온도(forming temperature)에서 디몰딩 공정(demoulding process)을 수행하는 것이 유리하다. 그래서, 추가 중간 가열은 필요하지 않을 것이다. 그래서, 본 발명에 따른 작업편은 실질적으로 하나의 AlMgSi 또는 AlMgSiCu 합금으로 이루어질 수 있고, 상기 합금은 본 발명에 따라 기술된 공정을 적용하여 외장을 구비한다. 그러나, 가공된 티타늄 합금과 이와 유사한 경금속 합금이 또한 사용되어, 작업편은 크게 하중을 받는 가벼운 구조물과 자동차 구성요소에 특히 매우 적합하고, 종래 단조부에 비해 상당한 비용 및 중량 감소를 허용한다. 마찰 용접에 의해 금속부를 연결하는 공정이 잘 알려져 있다. 특히, 예를 들어, DE 32 05 183 A1으로부터, 마찰 용접에 의해 포핏 밸브의 크게 하중을 받는 밸브 트레이의 전체 표면에 고온 재료를 부착하는 방법이 알려져 있다.
조립 금속부의 품질은 특별한 요건을 만족시키기 위해 향상될 수 있고, 제조된 부품은 또한 재료 비용에 관해서 매우 경제적이다. 본 명세서에서, 기본 작업편과 외장의 재료가 합금에 관해서 서로 다르면, 외장 금속부는 고온 강과 같은 단단한 또는 고강도 합금(고강도 합금의 정의를 위해서는, "Stahlschlussel" 2007, Verlag Stahlschlussel Wegst 2007 참조), 티타늄 합금, 알루미늄 합금, 스테인리스강 합금 또는 이와 다른 금속을 포함할 수 있고, 기본 작업편에 대해서는, 하급/연성/화학적으로 내성이 약한 또는 저렴한 금속이 사용될 수 있으며, 이는, 예를 들어, 자체 윤활 특성을 또한 가질 수 있다. 작업편 합금은 강철 또는 알루미늄 합금을 포함할 뿐만 아니라, 티타늄 또는 마그네슘 합금, 칼슘 합금, 및 이들의 조합을 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 상술된 특징과 이후 설명될 특징은 상술한 조합에서의 용도에 각각 제한되지 않지만, 초기 구성요소의 서로 다른 조합에서도 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명은 외장 내부(armored interior)를 구비한 내연 기관용 피스톤의 예를 사용하고 첨부된 도면을 참조하여 아래에서 보다 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 이러한 예에 제한되지 않는다.
본 발명은, 종래 기술의 단점을 피하고, 금속 합금으로부터 외장 작업편을 제조하는 공정을 개발하여, 우수한 기계적 특성을 보장하면서 이와 동시에 알려진 기술보다 더 에너지 효율적이고 친환경적이며, 이에 따라 비용 효율적인 것을 보장하는 효과를 갖는다.
도 1은, 용접 공정(welding process)의 시작을 나타내는 도면으로서, 연결될 두 개의 초기 구성요소는 연결 공정(connection process) 전에 서로 정렬되어 있고, 외장 표면부를 갖는 용접 블랭크(welded blank)가 이로부터 생성되는, 도면.
도 2는, 한 번의 단조 치기(one forging stroke)로 거의 넷 형상의 피스톤부로 형성된, 거의 넷 형상의 외장 작업편(near-net shape armored work piece)을 나타내는 도면.
도 1과 도 2는 본 발명의 공정에 따른 외장 단조 피스톤부(armored forged piston part)의 제조를 예시한다. 도 1은, 두 개의 초기 부분, 즉, 이 경우 강편(steel billet)인 외장 블랭크(armoring blank)(1)와, 여기에서 기본 작업편 블랭크(basic work piece blank)(2)와 동일한 외부 직경을 갖는 기본 작업편 블랭크(2)를 도시한다. 양 블랭크(1, 2)는, 블랭크의 세로 축이 정렬되면서 이제 서로 배열되고, 용접되어 용접 표면(weld surface)을 형성한다. 이제, 이러한 방식으로 용접된 금속 조립체는, 재료부와 외장을 포함하는 용접된 반완성 제품을 단조하여, 성형 외장 단조부(formed armored forged part)에서 양 블랭크 사이에 최종의, 또한 꼭 맞는 연결(form-fitting connection)을 얻어서 형성된다.
이에 따라, 외장과 기본 작업편 사이에 안전하고 튼튼한 연결이 생성된다. 피스톤 부를 위한 전형적인 강편은 철 합금으로 이루어진다. 적절한 재료는, 고온 가공 강(hot-working steel)(1.2367, 1.2714, 1.2344)과 같은 단조 도구 강(forging tool steel)일 수 있는 반면, 전형적인 외장 재료는, 니모닉(Nimonic) 또는 X 강(X steel)일 수 있는 다른 스테인리스강뿐만 아니라, 스텔라이트(Stellite) 또는 기본 작업편에 용접될 수 있는 다른 합금과 같은 고 합금 강이고, 또한, 당업자에게 알려진 다른 명확한 재료일 것이다.
본 발명은 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 첨부된 청구항에 한정된 바와 같이, 본 발명을 실행하기 위한 다른 대안 디자인과 실시예는 본 발명이 의도된 기술 분야의 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (10)

  1. 외장(armoring)을 구비한 성형 금속 작업편(formed metallic work piece)을 제조하는 방법으로서,
    상기 외장은 기본 작업편 재료와 다른 특성을 갖는, 상기 방법에 있어서,
    외장 블랭크(armoring blank)(1)를 제공하는 단계와,
    기본 작업편 블랭크(basic piece blank)(2)를 제공하는 단계와,
    상기 외장 블랭크를 상기 기본 작업편 블랭크 위에 배열하는 단계와,
    상기 기본 작업편(2)의 표면부와 상기 외장 블랭크(1)를 용접하여, 외장 표면부(armored surface section)를 구비한 블랭크(3)를 생성하는 단계와,
    생성된 외장 표면부를 구비한 블랭크(3)를 형성하여, 단조(forging), 팽경(upsetting), 압출(extrusion)을 포함하는 그룹으로부터 선택된 공정에 의해 거의 넷 형상의 작업편 윤곽(near-net shape work piece contour)을 제조하고, 상기 모든 명칭의 공정은 저온(cold) 또는 반고온(half-warm) 또는 고온(warm) 온도 범위에서 수행되어, 거의 넷 형상의 성형 외장 기본 작업편(4)을 제조하는, 단계를
    포함하는, 외장을 구비한 성형 금속 작업편을 제조하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 외장은 상기 기본 작업편 블랭크(2)보다 더 높은 기계 하중을 견딜 수 있는 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는, 외장을 구비한 성형 금속 작업편을 제조하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 외장은 상기 기본 작업편 블랭크(2)보다 화학적으로 더 내성이 있는 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는, 외장을 구비한 성형 금속 작업편을 제조하는 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용접 공정은, 마찰 용접(friction welding), 유도 용접(induction welding), WIG, MAG, 전자빔 또는 레이저 용접 공정을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 외장을 구비한 성형 금속 작업편을 제조하는 방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 따라 제조된 외장 금속 작업편에 있어서,
    상기 외장 금속 작업편은, 기어 휠(gear wheel), 캐스터(castor), 임펠러(impeller), 포핏 밸브(poppet valve), 베벨 기어(bevel gear), 크라운 기어(crown gear), 피스톤, 밸브 부분, 펌프 플런저(pump plunger)로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 외장 금속 작업편.
  6. 제 5항에 있어서, 내연 기관용 외장 강철 피스톤(armored steel piston)인 것을 특징으로 하는, 외장 금속 작업편.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 피스톤 펌프(piston pump)용 외장 부분인 것을 특징으로 하는, 외장 금속 작업편.
  8. 제 5항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외장은, 스텔라이트(stellite), 크게 하중을 받거나(highly loadable) 또는 고 합금강(high alloyed steel)으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 외장 금속 작업편.
  9. 제 5항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 단조, 팽경, 압출에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 외장 금속 작업편.
  10. 제 5항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 고온(warm) 또는 반고온(half-warm) 상태에서 형성되는 것을 특징으로 하는, 외장 금속 작업편.
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