KR20160101996A

KR20160101996A - 클래딩된 부품의 제조 방법

Info

Publication number: KR20160101996A
Application number: KR1020167019512A
Authority: KR
Inventors: 토마스 베르그룬드; 마르틴 외스트룬드; 톰뮈 린드그렌; 프레드릭 요한손
Original assignee: 산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2016-08-26
Also published as: EP3083112A1; WO2015090830A1; JP2017511427A; EP3083112B1; CN105828986A; DK3083112T3; US20170001244A1

Abstract

열간 정수압 소결에 의한 코어 (5) 및 금속 클래딩 (51) 을 갖는 금속 부품 (50) 의 제조 방법으로서, - 캡슐 (10) 이 코어 (5) 를 적어도 부분적으로 둘러싸도록 그리고 상기 코어 (5) 의 적어도 일부와 상기 캡슐 (10) 의 적어도 일부 사이에 공간 (6) 이 형성되도록 상기 캡슐 (10) 및 상기 코어 (5) 를 배치하는 단계를 포함하고, 상기 코어 (5) 에는, 열간 정수압 소결의 단계 이전에, 열간 정수압 소결의 단계에서 획득되는 솔리드 보디 (20) 를 금속 기계가공 장치 (30) 에서 중심맞춤하기 위한 적어도 하나의 중심맞춤 수단 (11, 12) 이 제공되는, 금속 부품의 제조 방법.

Description

클래딩된 부품의 제조 방법{A METHOD FOR MANUFACTURING A CLADDED COMPONENT}

본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 코어 및 클래딩을 갖는 금속 보디의 제조 방법에 관한 것이다.

열간 정수압 소결 (HIP) 은 금속 재료의 부품을 제조하기 위한 통상적인 방법이다. 이 방법은 유사-그물 (near-net) 형상의 복잡한 부품의 제조 및 동일한 제품의 상이한 물질들의 통합을 허용한다. HIP 에서, 부품의 최종 형상을 규정하는 강 (steel) 캡슐은 금속 분말로 충전되고 그 후 고온 및 고압을 거쳐서, 금속 분말의 입자들이 결합되어 솔리드 부품으로 된다.

열간 정수압 소결은 금속 재료의 클래딩을 미리 제조된 코어에 적용하는데 이용될 수도 있다. WO2004/030850A1 에는 연료 밸브 노즐의 제조 방법이 기재되어 있다. 이 방법에 따르면, 금속 튜브 섹션이 미리 단조된 노즐 코어의 주위에 공간을 형성하도록 배치된다. 공간은 금속 분말로 충전되고, 배열체는 캡슐에 에워싸이고 HIP 를 거쳐서, 금속 분말, 코어 및 튜브 섹션이 결합되어 솔리드 부품으로 된다.

밸브 노즐을 제조하기 위한 유사한 방법이 유럽특허출원 EP12173411 에 기재되어 있다. 이 방법은 금속 기계가공 작업에서 솔리드 블랭크를, 코어가 연장되는 저부 벽 및 코어 주위의 공간을 에워싸는 측벽을 포함하는 미리 제조된 보디로 형성하는 단계를 포함한다. 공간은 금속 클래딩 재료로 충전되고, 상부 벽에 의해 폐쇄되고, 후속하여 HIP 를 거친다.

HIP 후에, 솔리드 부품은 코어 상의 클래딩을 노출시키기 위해 전형적으로 기계가공을 거친다. 전형적으로, 기계가공은 선삭 또는 밀링에 의해 행해진다.

그렇지만, 종종 최종 통합된 부품은 HIP 프로세스 중에 변형된다. 정확하게 클램핑하고 부품을 기계가공 공구에 중심맞춤하는 것이 어렵게 되므로, 변형은 부품의 기계가공에서 문제를 야기한다. 그 결과, 클래딩의 치수는 매우 정확하지 않을 수 있다. 종래 기술의 다른 단점은 부품의 기계가공은 힘든 수작업 및 용인되는 부품의 불량한 수율로 인해 시간 소모적이고 비용이 많이 든다는 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 클래딩을 갖는 금속 부품을 HIP 에 의해 제조하는 것 (최종 부품 상의 클래딩이 낮은 두께 변화를 가짐) 을 허용하는 향상된 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 클래딩을 갖는 금속 부품을 제조하기 위한 비용 효과적인 방법을 획득하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 클래딩을 갖는 금속 부품의 제조 방법으로서, 단시간에 적은 노력으로 수행될 수 있는 상기 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 상기한 목적들 중의 적어도 하나가, 코어 (5) 및 금속 클래딩 (60) 을 갖는 금속 부품 (50) 의 제조 방법으로서,

- 캡슐 (10) 이 코어 (5) 를 적어도 부분적으로 둘러싸도록 그리고 상기 코어 (5) 의 적어도 일부와 상기 캡슐 (10) 의 적어도 일부 사이에 공간 (6) 이 형성되도록 상기 캡슐 (10) 및 상기 코어 (5) 를 배치하는 단계;

- 금속 클래딩 재료 (8) 가 상기 코어 (5) 의 적어도 일부를 덮도록 상기 공간 (6) 을 상기 금속 클래딩 재료 (8) 로 충전하는 단계;

- 상기 캡슐 (10) 로부터 공기를 배기하고 상기 캡슐 (10) 을 밀봉하는 단계;

- 상기 클래딩 재료 (8) 가 상기 코어 (5) 에 결합되어 솔리드 보디 (20) 가 형성되도록, 미리 결정된 온도와 미리 결정된 압력에서 미리 결정된 시간 동안 상기 캡슐 (10) 에 열간 정수압 소결 (HIP) 을 행하는 단계; 및

- 상기 솔리드 보디 (20) 에, 상기 금속 클래딩 재료 (8) 가 금속 기계가공 장치 (30) 에서 미리 결정된 두께의 금속 클래딩 (60) 으로 기계가공되는 금속 기계가공 작업을 행하는 단계를 포함하고,

상기 코어 (5) 에는, 열간 정수압 소결의 단계 이전에, 열간 정수압 소결의 단계에서 획득되는 상기 솔리드 보디 (20) 를 상기 금속 기계가공 장치 (30) 에서 중심맞춤하기 위한 적어도 하나의 중심맞춤 수단 (11, 12) 이 제공되는, 상기 금속 부품의 제조 방법에 의해 달성된다.

열간 정수압 소결의 단계 이전에 코어에 적어도 하나의 중심맞춤 수단을 제공함으로써, 솔리드 보디가 HIP 프로세스로 인해 변형되더라도, 솔리드 보디의 코어의 중심에 대해 기계가공 공구에서 솔리드 보디를 정확하게 중심맞추는 것이 가능하다. 코어의 중심으로부터의 거리로서 결정된 소정의 두께로 금속 클래딩을 후속하여 기계가공함으로써, 코어 상의 클래딩의 두께는 매우 좁은 공차 범위 내로 유지될 수 있다.

도 13 을 참조하여 본 발명의 원리를 더 설명한다. 도 13 은 제 1 표면 (3a), 제 2 표면 (4a) 및 코어부 (5a) 를 구비하는 코어 (5) 를 포함하는 열간 정수압 소결된 (HIPed) 솔리드 부품 (20) 의 길이방향 단면을 개략적으로 보여준다. 코어부 (5a) 는 금속 클래딩 재료 (8) 에 매립되고, 단부 표면들 (3a, 4a) 은 노출되고, 즉 클래딩 재료에 의해 덮이지 않는다. 캡슐 (10) 이 솔리드 보디를 둘러싼다. 돌출하는 절두 원뿔 및 절두 원뿔 리세스 형태의 중심맞춤 수단 (11, 12) 이 제 1 및 제 2 단부 표면 (3a, 4a) 에 제공된다.

도 13 은 HIP 프로세스 중에 솔리드 보디에서 발생한 변형을 개략적으로 보여준다. 이 변형은 어느 정도 종종 이방성 (anisotropic) 이고, 특히 세장형의 실린더형 부품의 경우, 열간 정수압 소결된 보디의 주변은 불균일하게 변형될 수도 있다.

그렇지만, 도 13 이 개략적이라는 것과, 변형의 이방성 특성이 설명적 이유를 위해 매우 과장되어 있다는 것을 이해하여야 한다. 실제로는, 변형이 훨씬 더 복잡하다.

본 발명에 따르면, 중심맞춤 수단 (11, 12) 은 코어 (5) 의 단부 표면 (3a, 4a) 의 중심 (위치 X1) 에 HIP 전에 적용된다. 치밀화 중에, 솔리드 보디 (20) 의 주변은 반경방향에서 이방성으로 변형된다. 그렇지만, 코어의 단부 표면 (3a, 4a) 에서의 중심맞춤 수단 (11, 12) 의 위치는 변형에 의해 영향을 받지 않는다. 솔리드 보디가 후속하여 기계가공 작업, 예컨대 선삭을 거치는 때, 솔리드 보디는 기계가공 공구의 상응하는 센터들에 의해 선 X1 을 따라 중심맞춤될 것이다. 그러면, 솔리드 보디는 코어 (5) 의 진 중심 (true center) 에 대해 중심맞춤될 것이고, 기계가공 작업에 의해, 코어 주위에서 매우 작은 두께 변화를 갖는 클래딩이 획득될 것이다.

클래딩된 (cladded) 부품의 종래 제조 (중심맞춤 수단을 포함하지 않음) 의 경우, 솔리드 보디 (20) 의 단부는 일반적으로 척에 의해 파지되고, 따라서 솔리드 보디는 척의 중심에 대해 중심맞춤될 것이다. 그렇지만, 솔리드 보디의 주변이 이방성으로 변형되므로, 척의 중심은 코어의 중심과 정렬되지 않을 것이다. 대신에, 솔리드 보디는 코어의 중심으로부터 오프셋된 선 X2 를 따라 중심맞춤될 것이다. 솔리드 보디가 기계가공되는 때, 오프셋 중심맞춤은 솔리드 보디를 편심적으로 회전하게 하고 두께를 코어 상에서 변하게 할 것이다.

도 1 내지 도 6 은 본 발명의 방법의 일반적인 단계들을 개략적으로 보여준다.
도 7 내지 도 12 는 본 발명의 방법의 대안예들의 개략적으로 보여준다.
도 13 은 본 발명의 방법에 의해 생산된 솔리드 보디를 개략적으로 보여주고, 본 발명 뒤의 원리를 설명한다.

이하에서, 도 1 내지 도 6 을 참조하여 본 발명의 방법에 대해 일반적으로 설명한다. 설명 목적으로, 클래딩된 롤과 관련하여 도 1 내지 도 6 에 본 발명이 묘사되어 있다. 그렇지만, 본 발명은 매우 좁은 두께 공차로 클래딩을 갖는 코어를 포함하는 임의의 타입의 부품의 제조에 적용될 수 있다.

제 1 단계에서, 코어 (5) 가 제공된다 (도 1 참조). 코어 (5) 는 솔리드 코어부 (5) 및 제 1 단부 (3) 와 제 2 단부 (4) 를 포함한다. 도 1 에서, 코어는 판금의 열간 압연을 위한 롤과 같은 롤을 제조하기 위한 것이고, 따라서 균일한 원형 단면을 갖는 세장형 (elongated) 실린더이다. 그렇지만, 논의되는 부품에 따라, 코어 (5) 의 디자인은 더 복잡할 수도 있다. 코어는 임의의 형상, 단면 및 치수를 가질 수도 있다. 예컨대, 코어 디자인은 타원형, 삼각형, 직사각형 또는 육각형 단면의 세장형 바아, 버섯 형상과 같은 복잡한 기하학적 형상, 분기형 코어 (branched cores) 등을 포함할 수도 있다.

코어는 예컨대 솔리드 피이스의 재료의 기계가공, 단조 또는 주조에 의해 제조될 수도 있다. 코어의 재료는 논의되는 적용에 의존하고, 적절한 재료의 일례가 AISI H13/SS2242 와 같은 공구 강이고, 다른 예가 SNCrW-강과 같은 합금 오스테나이트계 밸브 강이다. 본 예에서, 코어는 공구 강의 실린더형 바아의 기계가공에 의해 제조된다.

본 발명에 따르면, 열간 정수압 소결의 단계 이전에 코어 (5) 에 적어도 하나의 중심맞춤 수단 (11, 12) 이 제공된다. 본 실시형태에서는, 코어 (5) 에 2 개의 중심맞춤 수단 (11, 12) 이 제공된다. 도 1 은 코어 (5) 에서의 중심맞춤 수단의 위치를 개략적으로 보여준다. 코어 (5) 의 제 1 의 하측 단부 표면 (3a) 에 제 1 중심맞춤 수단 (11) 이 제공되고, 제 2 의 상측 단부 표면 (4a) 에 제 2 중심맞춤 수단 (12) 이 제공된다. 2 개의 중심맞춤 수단의 제공은, 클래딩을 소정의 두께로 기계가공하기 위한 바람직한 공구인, 선반 (lathe) 에서 솔리드 보디를 정확하게 중심맞추는 것을 가능하게 한다.

바람직하게는, 중심맞춤 수단 (11, 12) 은 코어 (5) 의 제 1 및 제 2 단부 표면 (3a, 4a) 의 중심에 서로 반대편에 위치된다. 이로써, 중심맞춤 수단 (11, 12) 은 코어부 (5) 의 중심을 통해 그리고 쌍방의 중심맞춤 수단 (11, 12) 을 통해 길이방향으로 연장되는 직선 (13) 을 따라 정렬된다. 이는 선반에서 매우 정확한 중심맞춤을 가능하게 한다.

코어의 제 1 및 제 2 단부 표면들 쌍방에서의 중심맞춤 수단은 종래의 금속 기계가공 장치에서 상응하는 중심에 의해 결합되도록 설계된다. 본 발명에 따르면, "금속 기계가공 공구" 또는 "기계가공 공구" 로도 알려진 "금속 기계가공 장치" 는 선반 또는 밀링 커터와 같은 금속 절삭기일 수도 있다. 금속 기계가공 장치는 또한 방전 가공 디바이스일 수도 있다.

설명하는 실시형태에서, 금속 기계가공 장치는 선반이다. 아래에서 더 설명하는 바와 같이, 선반의 센터는 원뿔 또는 절두 원뿔 형태의 이른바 "수형 센터" 이다. 대안적으로, 선반의 센터는 "테이퍼드 슬리브" 라고도 또한 알려진 원뿔이나 절두 원뿔 형상의 개구를 갖는 슬리브 형태의 이른바 "암형 센터" 이다. 그러한 센터는 예컨대 Roehm GmbH (ROEHM GmbH, Heinrich-Roehm-Strasse 50, 89567 Sontheim/Brenz, Germany) 사로부터 상업적으로 입수 가능하다.

따라서, 코어의 중심맞춤 수단은 "수형 중심맞춤 수단" 또는 "암형 중심맞춤 수단" 의 형태이다. 수형 중심맞춤 수단은 예컨대 원뿔 또는 절두 원뿔 형태의 돌출 요소이다. 암형 중심맞춤 수단은 리세스, 즉 보어이다. 예컨대, 암형 중심맞춤 수단은 원뿔 또는 절두 원뿔의 형상을 갖는 리세스 또는 보어의 형태이다.

도 1 내지 도 5 에 나타낸 실시형태에서, 절두 원뿔형 리세스 형태의 암형 중심맞춤 수단 (11) 이 제 1 단부 표면 (3a) 에 제공된다. 코어의 하측 단부 표면에 암형 중심맞춤 수단을 제공하는 것이 바람직한데, 그러면 코어가 직립 위치로 견실하게 놓일 수 있기 때문이다. 코어의 제 2 의 상측 단부 표면 (4a) 에, 돌출하는 절두 원뿔 형태의 수형 중심맞춤 수단 (12) 이 제공된다.

코어의 제 1 단부 표면 또는 제 2 단부 표면에 수형 중심맞춤 수단 또는 암형 중심맞춤 수단의 일방이 제공될 수 있다는 것이 분명하다. 예컨대, 코어의 제 1 단부에 수형 중심맞춤 수단이 제공되고 제 2 단부 표면에 암형 중심맞춤 수단이 제공되거나, 또는 그 반대로 될 수도 있다. 또한, 코어의 제 1 및 제 2 단부 쌍방에 수형 중심맞춤 수단을 제공하는 것이 가능하다. 또는, 코어의 제 1 및 제 2 단부 쌍방에 암형 중심맞춤 수단을 제공하는 것이 가능하다.

암형 중심맞춤 수단, 예컨대 리세스 또는 보어는 드릴링 또는 밀링에 의해 획득될 수도 있다. 수형 중심맞춤 수단, 예컨대 원뿔 또는 절두 원뿔은, 강 (steel) 원뿔을 미리 제조하고 후속하여 그 원뿔을 코어의 상부 또는 저부 단부 표면에 부착함으로써 획득될 수도 있다. 원뿔은 실린더형 로드의 선삭에 의해 미리 제조될 수 있다. 미리 제조된 원뿔은 용접에 의해 부착될 수도 있다. 코어 자체를 기계가공함으로써 수형 중심맞춤 수단을 형성하는 것이 또한 가능하다.

본 실시형태에서, 부품은 롤 형태의 실린더형 물체이고, 그러므로 실리더형 코어의 단부 표면에 중심맞춤 수단을 제공하기에 적합하다. 그렇지만, 코어의 형상 및 최종 부품의 타입에 따라, 중심맞춤 수단이 코어의 다른 표면에 제공될 수도 있다는 것이 분명하다.

다음 단계에서, 캡슐 (10) 이 제공된다. 몰드 또는 폼으로도 불리는 캡슐 (10) 은 최종 부품의 적어도 일부의 일반적인 외부 윤곽을 규정하고, 일반적으로 원하는 형상으로 형성되어 함께 용접된 강판으로부터 제조된다. 본 실시형태에서, 캡슐은 실린더형이고, 저부 (10a) 및 주변 측벽 (10b) 을 포함한다. 그렇지만, 캡슐은 논의되는 부품에 적합한 임의의 형태 (예컨대 직사각형) 를 가질 수도 있다. 캡슐 (10) 은 예컨대 SSAB DC04 와 같은 저탄소강으로부터 제조될 수도 있다.

추가의 단계에서, 코어 (5) 및 캡슐 (10) 은 캡슐이 코어의 적어도 일부를 둘러싸도록 그리고 캡슐과 코어 사이에 공간 (6) 이 형성되도록 배치된다 (도 1 참조). 여기서 "배치된다" 는, 캡슐과 코어 사이에 공간 (6) 이 형성되도록 캡슐과 코어의 형상 또는 형태뿐만 아니라 이들의 상대 위치가 채택되는 것을 의미한다. 공간 (6) 의 목적은 캡슐에 후속하여 충전되는 금속 클래딩 재료를 위한 형태를 제공하는 것이다. 그러므로, 공간 (6) 의 물리적 치수, 예컨대 그의 높이, 폭 그리고 연장부가 HIP 후 솔리드 보디에서의 클래딩의 물리적 치수의 한계를 결정한다.

본 실시형태에서, 코어 (5) 는 그의 제 1 단부 표면 (3a) 이 캡슐 (10) 의 저부 (10b) 의 중심에 놓인다. 코어 (5) 및 캡슐 (10) 은 코어와 캡슐이 동축에 있도록 위치된다. 이로써, 코어 (5) 및 캡슐 (10) 은, 캡슐의 벽들과 코어의 표면 (5a), 즉 코어 (5) 의 실린더형 표면 사이에 균일한 반경방향 연장부의 공간 (6) 이 형성되도록 배치된다. 이로써, 실린더형 표면 (5a) 과 캡슐 벽 (10b) 의 내부 표면 사이의 거리가 반경 방향에서 공간 (6) 을 제한한다. 축선 방향에서, 공간 (6) 은 캡슐의 저부 벽 (10a) 에 의해 아래쪽으로 제한되고, 캡슐 벽 (10b) 의 축선방향 연장부, 즉 캡슐의 길이에 의해 위쪽으로 제한된다.

제 2 단계에서, 공간 (6) 은 금속 클래딩 재료 (8) 로 충전되어서, 코어 (5) 는 적어도 부분적으로 금속 클래딩 재료로 덮인다 (도 2 참조). 도 3 에서, 코어 (5) 의 전체 실린더형 표면 (5a) 이 금속 재료에 매립되고, 단부 표면들 (3a, 4a) 이 덮이지 않은 채로 남고, 즉 클래딩 재료가 없다. 금속 재료로 상부 중심맞춤 수단 (12) 을 덮지 않기 위해, 캡슐 (10) 은 단지 제 2 단부 표면 (4a) 까지만 충전된다.

바람직하게는, 금속 클래딩 재료 (8) 는 금속 분말이다. 분말을 사용하는 이점은, 코어가 복잡한 형태를 갖더라도, 공간 (6) 을 용이하게 완전히 충전할 수 있다는 것이다.

금속 클래딩 재료 (8) 는 코어 (5) 와 상이한 화학 조성을 갖는다. 본 실시형태는 강의 냉간 압연을 위한 롤에 관한 것이고, 따라서 최종 롤에 클래딩의 내마모성과 인성의 적절한 조합을 제공하기 위해 클래딩 재료는 분말야금학적 고속도 강이다.

그렇지만, 밸브 스핀들과 같은 다른 부품의 경우, 다른 특성을 요구하는 클래딩 재료가 사용될 수도 있다. 예컨대, 클래딩 재료가 내식성이어야 한다면, 니켈계 합금, 예컨대 NiCr49Nb1 또는 NiCr22Al6 또는 NiCr22MoNbTi 가 사용될 수도 있다. 충전 후, 금속 클래딩 재료 (8) 는 공간 (6) 에서 모든 보이드가 충전되는 것 (도시 안 됨) 을 보장하기 위해 셰이킹에 의해 콤팩트화될 수도 있다.

그 후, 개구 (도시 안 됨) 를 갖는 리드 (10c) 가 캡슐의 상측 단부 위에 용접된다. 충전 후, 캡슐은 클래딩 재료에 트래핑된 공기를 함유할 수도 있다. 제거되지 않는다면, 트래핑된 공기는 열간 정수압 소결된 재료의 기계적 특성 및 결합에 부정적인 영향을 미칠 수도 있다. 공기는 캡슐에 진공을 도입함으로써 캡슐 (10) 로부터 배기된다. 진공은 캡슐 내 공기를 제거하기 위해 리드의 개구를 통해 도입된다. 후속하여, 리드의 개구는 용접되어 차단되어서, 캡슐은 밀봉된다. 도 3 은 충전 및 밀봉된 캡슐을 보여준다.

그 후, 캡슐은 열간 정수압 소결 (HIP) 을 거친다. 이로써, 코어와 클래딩 재료를 갖는 캡슐은 HIP 노 (furnace) 내에 놓이고, 소정의 시간 동안 소정의 온도 및 소정의 압력을 거쳐서, 금속 클래딩 재료 및 코어가 서로 결합하여 조밀한 솔리드 보디로 된다. 도 3 은 HIP 노 내의 충전 및 밀봉된 캡슐 (10) 을 보여준다. 전형적으로, 노 내의 압력은 700 - 1100 bar, 바람직하게는 900 - 1100 bar, 가장 바람직하게는 약 1000 bar 이다. 온도는 최저 융점을 갖는 재료의 융점 미만으로 또는 액체 상이 형성될 수 있는 최저 온도로 선택된다. 온도가 융점에 가까울수록, 취성 스트리크 (brittle streaks) 가 형성될 수도 있는 용해된 상 (melted phases) 이 형성될 위험이 높아진다. 그렇지만, 낮은 온도에서, 확산 프로세스가 느려지고, 열간 정수압 소결된 재료는 잔류 다공성을 함유할 것이고, 재료들 사이의 금속 결합이 약해질 것이다. 따라서, 온도는 900 - 1200℃, 바람직하게는 1100 - 1200℃, 가장 바람직하게는 약 1150℃ 이다. HIP 프로세스의 지속시간은 부품의 크기에 의존하지만, 효율적인 생산성을 위해 짧은 시간이 바람직하다. 그러므로, HIP-단계의 지속시간은, 일단 상기 압력 및 온도에 도달하고 나면, 1 - 4 시간이다. HIP 프로세스가 완료된 후, 상기 솔리드 보디는 바람직하게는 임의의 적절한 열처리, 예컨대 어닐링을 거칠 수도 있다. HIP 후, 캡슐은 예컨대 산세척에 의해 솔리드 보디로부터 제거된다. 또한, 캡슐은 솔리드 보디에 유지되고, 대신에 솔리드 보디의 기계가공 중에 제거될 수도 있다. 도 4 는 HIP 후의 솔리드 보디를 보여준다.

본 발명의 방법의 최종 단계에서, 솔리드 보디는, 재료의 제거에 의해 클래딩 재료 (8) 가 소정 두께의 클래딩으로 기계가공되는 기계가공 작업을 거친다. 본 발명의 본 실시형태에서, 기계가공 작업은 선반에서의 선삭에 의해 수행되지만, 다른 기계가공 작업, 예컨대 밀링 또는 방전 가공도 또한 가능하다. 기계가공 동안에, 캡슐 (10) 은 존재한다면 제거되고, 클래딩은 소정 두께로 기계가공된다.

도 5 는 예컨대 Okuma Space Turn LB3000EX 타입일 수도 있는, 선반 형태의 금속 기계가공 장치 (30) 를 개략적으로 보여준다. 선반은 페이스 드라이버 (32) 가 연결된 주축대 (31) 를 포함한다. 페이스 드라이버 (32) 는 선반의 구동 유닛 (도시 안 됨) 에 의해 회전되고, 밀링 중에 솔리드 보디 (20) 를 회전시키기 위해 솔리드 보디와 맞물린다. 솔리드 보디와 맞물리기 위해, 페이스 드라이버 (32) 에는, 페이스 드라이버의 회전 운동이 솔리드 보디 (20) 에 전달되도록 솔리드 보디 (20) 의 단부 표면 (3a) 을 무는 경화 구동 핀 (33) 이 제공된다. 페이스 드라이버의 중심에는, 절두 원뿔 형태의 수형 센터 (34) 가 위치된다. 선반의 수형 센터 (34) 는 솔리드 보디의 암형 중심맞춤 수단 (11) 과 맞물리도록 되어 있다. 따라서, 금속 기계가공 장치의 중심은 솔리드 보디의 중심맞춤 수단과 맞물리도록 설계되고, 반대도 마찬가지이다.

선반의 심압대 (35) 는 절두 원뿔 형태의 내부 형상을 갖는 테이퍼드 슬리브 (37) 로 구성된 암형 센터 (36) 를 포함한다. 슬리브 (37) 는 솔리드 보디 (20) 의 상부 벽 (9) 의 수형 중심맞춤 수단 (12) 을 수용하도록 되어 있다. 센터는 샤프트 (도시 안 됨) 를 더 포함하고, 이 샤프트에 의해 선반의 심압대에 부착된다. 이 경우, 센터는 심압대에 회전가능하게 배치된 라이브 센터이다. 그렇지만, 또한 이른바 데드 센터일 수도 있다. 솔리드 보디로부터 금속을 제거하기 위해 금속 절삭 공구 (38), 즉 선반 공구 또는 선반 강이 제공된다.

작동에 있어서, 페이스 드라이브의 수형 센터 (34) 는 솔리드 보디의 제 1 단부 표면 (3a) 에서 암형 중심맞춤 수단 (11) 에 삽입되고, 선반의 심압대의 암형 센터 (37) 는 솔리드 보디 (20) 의 제 2 단부 표면 (4a) 에서 수형 중심맞춤 수단 (12) 을 수용한다. 페이스 드라이버는 선반의 심압대에서 암형 센터를 향해 솔리드 보디를 가압하고, 동시에 구동 핀 (33) 은 솔리드 보디의 단부 표면 (3a) 에 강제로 들어간다. 솔리드 보디는, 선반의 수형 및 암형 센터 쌍방이 솔리드 보디의 수형 및 암형 중심맞춤 수단과 맞물리는 때에 선반에서 중심맞춤된다.

필요하다면, 솔리드 보디 (20) 의 중심맞춤 수단 (11, 12) 은 선반에서의 솔리드 보디의 중심맞춤 전에 노출될 수도 있다. 예컨대, 파지형 공구를 사용한 그라인딩에 의해 캡슐의 일부를 제거함으로써 노출될 수도 있다.

솔리드 보디의 중심맞춤 후에, 원하는 두께의 클래딩이 획득될 때까지 선삭이 행해진다. 이는 선반의 제어 시스템이 솔리드 보디의 센터와 선반 공구 사이의 미리 결정된 거리로 프로그래밍되어서 달성된다. 선삭 중에, 캡슐은 (존재한다면) 선반 절삭 공구 (38) 에 의해 제거되어서, 클래딩 재료가 노출된다. 그리고, 노출된 클래딩 재료의 일부는, 미리 결정된 거리에 도달되고 미리 결정된 두께의 클래딩이 획득될 때까지, 선반 공구에 의해 반경 방향으로 또한 제거된다.

도 6 은 기계가공된 클래딩 (60) 이 적용되어 있는 코어 (5) 를 포함하는 롤 형태의 최종 부품 (50) 을 보여준다.

도 7 내지 도 12 는 본 발명의 몇몇 대안예들을 보여준다.

도 7 은 캡슐이 코어를 부분적으로 둘러싸고 있는 클래딩된 부품의 제조 대안적인 방법을 보여준다. 이 경우, 캡슐 (10) 은, 캡슐 (10) 이 코어의 실린더형 표면 (5a) 및 클래딩 재료 (8) 를 에워싸도록, 코어의 제 1 및 제 2 단부 (3, 4) 에 용접에 의해 부착된다. 미리 제조된 보디의 단부 표면 (3a, 4a) 및 특히 중심맞춤 수단 (11, 12) 은 캡슐에 의해 에워싸이지 않고, 즉 이들은 주위 분위기에 노출된다. 이는 중심맞춤 수단이 암형 중심맞춤 수단인 때에 적합한데, 그 이유는 이들이 기밀 캡슐에 에워싸인다면 HIP 프로세스 중에 변형될 수도 있기 때문이다.

도 8 은, 중심맞춤 수단 (11, 12) 위에 덮개 피이스 (40) 가 적용된 대안예를 보여준다. 덮개 피이스는 제 1 평평한 표면 (40a), 및 돌출부 또는 리세스 (40c) 가 제공된 반대편의 제 2 표면 (40b) 을 갖는다. 덮개 피이스의 돌출부 또는 리세스는 수형 또는 암형 중심맞춤 수단 (11, 12) 에 정합하도록 또는 수용하도록 되어 있다. 이것의 일 이점은, 덮개 피이스가 HIP 프로세스 중에 암형 중심맞춤 수단이 변형되는 것을 방지한다는 것이다. 다른 이점은, 덮개 피이스가 HIP 프로세스 중에 수형 중심맞춤 수단이 캡슐을 천공하는 것을 방지한다는 것이다. 덮개 피이스는 연강으로 제조되는 것이 바람직하고, 덮개 피이스가 HIP 중에 미리 제조된 코어에 결합하는 것을 방지하기 위해, 덮개 피이스와 미리 제조된 보디 사이에 질화붕소 층이 적용될 수도 있다. 또한, 도 8 은 중심맞춤 수단의 대안적인 형태, 즉 원뿔 형상을 보여준다.

바람직하게는, 수형 중심맞춤 수단은 경사각이 최대 60°, 바람직하게는 40 - 60°인 절두 원뿔 형태이다. 암형 중심맞춤 수단은 경사각이 최대 60°, 바람직하게는 40 - 60°인 절두 원뿔 형상을 갖는 리세스, 즉 보어이다.

덮개 피이스가 사용되는 경우, 리세스 또는 돌출부 (40c) 가 또한 경사각이 40 - 60°인 절두 원뿔 형태인 것이 바람직하다. 시험은, 경사각이 40 - 60°인 절두 원뿔 형태의 수형 중심맞춤 수단이 HIP 후에 동일한 형상의 리세스를 갖는 덮개 피이스로부터 용이하게 분리되는 것을 보여주었다. 그 이유는 HIP 중에 리세스에 변형이 거의 일어나지 않았기 때문이라고 생각된다.

도 9 는, 코어 표면 (5a) 및 코어의 상부 단부 (4) 가 금속 클래딩 재료 (8) 로 덮여서 코어의 단 하나의 표면 (3a) 만이 클래딩 재료가 없는 대안예를 보여준다. 이 경우, 충전된 캡슐에 클래딩 재료 위에 상부 벽 (9) 이 배치될 수도 있다. 상부 벽 (9) 은 공구 강으로 제조되고, 캡슐의 상부에서 클래딩 재료를 덮도록 설계된다. 상부 벽 (9) 은 선반의 대응 센터와 맞물리는 중심맞춤 수단 (12) 을 포함한다.

중심맞춤 수단이 클래딩 재료에 의해 덮이지 않는 것이 중요하다. 그러므로, 특히 분말 형태의 금속 클래딩 재료가 사용되는 때, 클래딩 재료가 캡슐과 코어의 중심맞춤 수단 사이에 진입하는 것을 방지하기 위해 캡슐에 밀봉 요소를 배치하는 것이 유리할 수도 있다. 도 10 은, 주변 에지 형태의 밀봉 요소 (14) 가 코어 (5) 의 단부 (3) 주위에 배치되어 있는, 본 발명의 방법의 일 실시형태를 보여준다. 에지 (14) 는 예컨대 캡슐 벽의 플리트 (pleat) 또는 짧은 튜브 섹션일 수도 있다.

도 11 은, 코어 (5) 가 금속 클래딩 재료에 단지 부분적으로만 덮이거나 매립된 대안예를 보여준다. 이 경우, 코어부 (5) 는 패러럴파이프 (parallel-piped) 형상을 갖고, 그의 측면들 중 단 3 개 그리고 그의 상부 표면 (4a) 이 금속 클래딩 재료로 덮이도록 캡슐 내에 놓인다. 그렇지만, 또한 다른 기하학적 형태의 코어가 클래딩 재료에 단지 부분적으로 매립될 수도 있다.

도 12 는 밀링에 의해 도 10 의 셋업으로부터 얻어지는 열간 정수압 소결된 솔리드 보디 (20) 의 기계가공을 보여준다. 그렇지만, 또한 다른 금속 기계가공 장치가 예컨대 방전 가공을 위해 사용될 수도 있다. 솔리드 보디 (20) 는 적어도 하나의 센터 (64) 를 포함하는 작업대 (60) 에 놓인다. 솔리드 보디는 작업대의 센터 (64) 가 솔리드 보디 (20) 의 저부 표면 (3a) 의 중심맞춤 수단 (11) 과 맞물리도록 놓인다. 밀의 제어 유닛은 밀링 공구 (68) 와 작업대의 센터 (64) 사이의 미리 결정된 거리로 프로그래밍된다. 제어 유닛은 밀링 공구와 센터 사이의 미리 결정된 거리에 도달될 때까지 클래딩 재료 (8) 를 향해 그리고 그를 따라 밀링 공구 (68) 를 이동시킨다. 솔리드 보디는 바람직하게는, 솔리드 보디가 밀링 중에 0 의 이동 자유도로 고정 위치에 있는 것을 보장하기 위해, 2 개의 중심맞춤 수단을 포함하여야 한다. 그러므로, 솔리드 보디의 저면에 제 1 중심맞춤 수단에 인접하게 제 2 중심맞춤 수단이 제공될 수도 있다 (도 12 에는 도시 안 됨). 그러면, 작업대는 서로 인접한 2 개의 대응 센터를 포함하여야 한다 (도 12 에는 도시 안 됨).

특정 실시형태들을 상세하게 설명하였지만, 이는 단지 설명 목적으로 행한 것이고 제한적인 것이 아니다. 특히, 첨부된 청구항들의 범위 내에서 다양한 치환, 개조 및 수정이 행해질 수도 있다고 생각된다.

Claims

코어 (5) 및 금속 클래딩 (60) 을 갖는 금속 부품 (50) 의 제조 방법으로서,
- 캡슐 (10) 이 코어 (5) 를 적어도 부분적으로 둘러싸도록 그리고 상기 코어 (5) 의 적어도 일부와 상기 캡슐 (10) 의 적어도 일부 사이에 공간 (6) 이 형성되도록 상기 캡슐 (10) 및 상기 코어 (5) 를 배치하는 단계;
- 금속 클래딩 재료 (8) 가 상기 코어 (5) 의 적어도 일부를 덮도록 상기 공간 (6) 을 상기 금속 클래딩 재료 (8) 로 충전하는 단계;
- 상기 캡슐 (10) 로부터 공기를 배기하고 상기 캡슐 (10) 을 밀봉하는 단계;
- 상기 금속 클래딩 재료 (8) 가 상기 코어 (5) 에 결합되어 솔리드 보디 (20) 를 형성하도록, 미리 결정된 온도와 미리 결정된 압력에서 미리 결정된 시간 동안 상기 캡슐 (10) 에 열간 정수압 소결 (HIP) 을 행하는 단계; 및
- 상기 솔리드 보디 (20) 에, 상기 금속 클래딩 재료 (8) 가 금속 기계가공 장치 (30) 에서 미리 결정된 두께의 금속 클래딩 (60) 으로 기계가공되는 금속 기계가공 작업을 행하는 단계
를 포함하고,
상기 코어 (5) 에는, 열간 정수압 소결의 단계 이전에, 열간 정수압 소결의 단계에서 획득되는 상기 솔리드 보디 (20) 를 상기 금속 기계가공 장치 (30) 에서 중심맞춤하기 위한 적어도 하나의 중심맞춤 수단 (11, 12) 이 제공되는, 금속 부품의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 중심맞춤 수단 (11, 12) 은 암형 중심맞춤 수단 (11) 또는 수형 중심맞춤 수단 (12) 인 것을 특징으로 하는, 금속 부품의 제조 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 수형 중심맞춤 수단 (12) 은 절두 원뿔 또는 원뿔인 것을 특징으로 하는, 금속 부품의 제조 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 암형 중심맞춤 수단 (11) 은 절두 원뿔 형상 또는 원뿔 형상을 갖는 리세스인 것을 특징으로 하는, 금속 부품의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 중심맞춤 수단 (11, 12) 은 상기 코어 (5) 의 제 1 표면 (3a) 에 제공되고, 상기 코어 (5) 는 상기 캡슐 (10) 내에서 상기 제 1 표면 (3a) 에서 지지되는 것을 특징으로 하는, 금속 부품의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코어 (5) 는 제 2 중심맞춤 수단 (11, 12) 을 구비하는 제 2 표면 (4a) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속 부품의 제조 방법.
제 6 항에 있어서,
제 1 및 제 2 중심맞춤 수단 (11, 12) 은 상기 코어 (5) 의 대향 표면들 (3a, 4a) 에 제공되고, 상기 코어 (5) 의 중심을 통해 그리고 쌍방의 중심맞춤 수단 (11, 12) 을 통해 연장되는 수직 축선 (13) 을 따라 정렬되는 것을 특징으로 하는, 금속 부품의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 중심맞춤 수단 (11, 12) 은 클래딩 재료 (8) 가 없는 상기 코어 (5) 의 표면 (3a, 4a) 에 배치되는 것을 특징으로 하는, 금속 부품의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
중심맞춤 수단 (11, 12) 이 제공된 상기 코어 (5) 의 표면 (3a, 4a) 과 상기 캡슐 (10) 사이에 클래딩 재료 (8) 가 진입하는 것을 방지하기 위해, 상기 캡슐 (10) 에 밀봉 수단 (14) 이 배치되는 것을 특징으로 하는, 금속 부품의 제조 방법.
제 2 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
열간 정수압 소결의 단계 이전에 상기 적어도 하나의 중심맞춤 수단 (11, 12) 위에 덮개 피이스 (40) 배치하는 단계를 포함하고,
상기 덮개 피이스 (40) 는 암형 중심맞춤 수단 (11) 에 완전히 수용되도록 되어 있는 돌출부 (40c) 를 포함하거나, 또는 상기 덮개 피이스 (40) 는 수형 중심맞춤 수단 (12) 을 완전히 수용하도록 되어 있는 리세스 (40d) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속 부품의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 중심맞춤 수단 (11, 12) 은 상기 코어 (5) 의 제 1 표면 (3a) 에 제공되고,
상기 캡슐 (10) 은 상기 코어 (5) 에 부착되고, 상기 캡슐 (5) 이 상기 캡슐 (10) 의 충전 및 밀봉의 단계 후에 상기 클래딩 재료 (8) 를 에워싸도록 그리고 적어도 제 1 중심맞춤 수단 (11, 12) 이 노출되도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 금속 부품의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 솔리드 보디 (20) 는 상기 솔리드 보디 (20) 의 상기 적어도 하나의 중심맞춤 수단 (11, 12) 과 상기 금속 기계가공 장치 (30, 60) 의 적어도 하나의 대응 센터 (34, 36, 64) 사이에서의 결합에 의해 상기 금속 기계가공 장치 (30) 에서 중심맞춤되는 것을 특징으로 하는, 금속 부품의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
미리 결정된 두께의 금속 클래딩 (60) 으로 상기 코어 (5) 상의 상기 금속 클래딩 재료 (8) 를 기계가공하는 상기 기계가공 작업은 선삭, 밀링 또는 방전 가공 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 금속 부품의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속 기계가공 장치 (30) 는 선반 (lathe), 밀링 커터 또는 방전 가공 장치인 것을 특징으로 하는, 금속 부품의 제조 방법.