KR20160128067A - 금속 접합 구조체의 제조방법 및 피스톤 제조 방법 - Google Patents

금속 접합 구조체의 제조방법 및 피스톤 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20160128067A
KR20160128067A KR1020150059818A KR20150059818A KR20160128067A KR 20160128067 A KR20160128067 A KR 20160128067A KR 1020150059818 A KR1020150059818 A KR 1020150059818A KR 20150059818 A KR20150059818 A KR 20150059818A KR 20160128067 A KR20160128067 A KR 20160128067A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
metal
metal member
heating
manufacturing
piston
Prior art date
Application number
KR1020150059818A
Other languages
English (en)
Inventor
양준규
류관호
이정근
선주현
박상빈
지정훈
Original Assignee
동양피스톤 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 동양피스톤 주식회사 filed Critical 동양피스톤 주식회사
Priority to KR1020150059818A priority Critical patent/KR20160128067A/ko
Publication of KR20160128067A publication Critical patent/KR20160128067A/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/002—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating specially adapted for particular articles or work
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/16—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating with interposition of special material to facilitate connection of the parts, e.g. material for absorbing or producing gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/0015—Multi-part pistons
    • F02F3/003—Multi-part pistons the parts being connected by casting, brazing, welding or clamping

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)

Abstract

본 발명은 제 1 금속부재와 제 2 금속부재 사이에 삽입부재를 개재시키는 제 1 단계; 및 상기 제 1 금속부재와 상기 제 2 금속부재를 상대적으로 회전시켜 상기 삽입부재에 마찰열을 인가하여 상기 제 1 금속부재와 상기 제 2 금속부재를 접합함으로써 금속 접합 구조체를 형성하는 제 2 단계;를 포함하는, 금속 접합 방법 및 피스톤 제조 방법을 제공한다.

Description

금속 접합 구조체의 제조방법 및 피스톤 제조 방법{Manufacturing method of metal bonding structure and manufacturing method of piston}
본 발명은 금속 접합 구조체의 제조방법 및 피스톤 제조 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 복수개로 분리된 금속부재 사이에 삽입부재를 배치시키고 복수개로 분리된 금속부재를 서로 상대적으로 회전시켜 분리된 금속부재를 서로 접합시키는 금속 접합 구조체의 제조방법 및 피스톤 제조 방법에 관한 것이다. 이러한 금속 접합 구조체는 대표적으로 자동차 내연기관에 사용되는 피스톤일 수 있다.
동종 또는 이종 금속 부재를 서로 접합하는 기술은 각종 기계 장치나 부품의 제조에 널리 이용되고 있다. 이러한 금속부재의 접합 방법 중 하나인 마찰접합은 2개의 모재를 서로 접합시킨 후 어느 한쪽 모재의 중심축을 기준으로 회전시키면서 다른 쪽의 모재로 이동시키면서 이때 발생한 마찰열을 이용하여 상기 2개의 모재를 결합시키는 방법이다. 이러한 마찰 접합은 빠른 접합이 가능하며 대기 분위기에서 접합이 가능하다는 장점이 있어 다양한 금속 접합 용도, 예를 들어 자동차 내연기관의 분리형 피스톤 제조 분야에 이용되고 있다. 분리형 피스톤은 냉각 채널의 대략 중간 지점을 기준으로 상부 바디와 하부 바디로 나누어서 각각 제조 한 다음 상부 바디와 하부 바디를 결합하여 제작한 것이며, 이때 상부 바디와 하부 바디를 마찰 접합으로 결합시킬 수 있다. 이러한 마찰 접합은 접합면의 측면에 마찰과정에서 형성된 돌출부인 플래시(flash)가 형성될 수 있으며, 이러한 플래시로 인하여 문제점이 발생될 수 있다. 예를 들어, 내연기관용 피스톤(이하 피스톤이하 함)의 경우에는 상기 플래시가 피스톤 내 냉각 채널을 좁게하여 오일의 흐름을 방해하며 따라서, 상기 플래시에 의한 피스톤의 냉각 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 상부 바디와 하부 바디를 마찰 접합할 경우 상기 바디에 과도한 압력이 가해지며, 회전속도가 빨라 소재의 변형이 일어나거나 소재에 손상이 가기 때문에 마찰 접합 후 가공이 어려운 문제점이 있다. 만약, 미리 가공한 상태에서 마찰접합을 수행할 경우, 마찰열에 의하여 가공된 부위가 변형되어 정상적인 형상을 유지하지 못하게 되므로 재가공이 더욱 어려울 수가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 플래시의 크기를 최소화하며, 접합시 소재의 변형을 억제할 수 있는 금속 접합 구조체의 제조방법 및 피스톤 제조 방법에 대한 것이다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 금속 접합 구조체의 제조방법이 제공된다. 상기 금속 접합 구조체는 제 1 금속부재와 제 2 금속부재 사이에 삽입부재를 개재시키는 제 1 단계; 및 상기 제 1 금속부재와 상기 제 2 금속부재를 상대적으로 회전시켜 상기 삽입부재에 마찰열을 인가하여 상기 제 1 금속부재와 상기 제 2 금속부재를 접합함으로써 금속 접합 구조체를 형성하는 제 2 단계;를 포함할 수 있다.
상기 금속 접합 구조체의 제조방법에서, 상기 제 2 단계 이후에 적어도 상기 제 1 금속부재 및 상기 제 2 금속부재의 경계를 포함하는 영역을 가열하는 제 3 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 금속 접합 구조체의 제조방법에서, 상기 제 3 단계는 가열로(furnace) 내에서의 가열, 고주파를 이용한 유도가열, 가압하면서 전기에너지를 통전시키는 통전가압성형, 적외선 광에너지를 인가하는 적외선 가열, 전자기파 에너지를 인가하는 마이크로웨이브 가열 및 전기적인 저항열을 이용한 가열 방법 중 어느 하나 이상에 의해 수행될 수 있다.
상기 금속 접합 구조체의 제조방법에서, 상기 제 2 단계 또는 제 3 단계는 상기 삽입부재를 상기 제 1 금속부재 및 제 2 금속부재 중 적어도 어느 하나 이상으로 확산시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 금속 접합 구조체의 제조방법에서, 상기 삽입부재는 니켈, 코발트, 구리 및 철 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속 접합 구조체의 제조방법에서, 상기 삽입부재는 탄소 및 불가피 불순물을 포함할 수 있다.
상기 금속 접합 구조체의 제조방법에서, 상기 삽입부재는 탄소를 함유하는 철(Fe-C 합금철) 분말을 포함할 수 있다.
상기 금속 접합 구조체의 제조방법에서, 상기 삽입부재는 철분말과 탄소분말이 혼합된 혼합 분말을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 내연기관용 피스톤 제조 방법이 제공된다. 상기 피스톤 제조 방법은 냉각 채널의 일부분이 형성된 헤드부를 준비하는 단계; 상기 냉각 채널의 타부분이 형성된 스커트부를 준비하는 단계; 상기 헤드부와 상기 스커트부 사이에 삽입부재를 개재시시켜 피스톤 조립체를 형성하는 단계; 및 상기 헤드부와 상기 스커트부를 상대적으로 회전시켜 상기 삽입부재에 마찰열을 인가하여 상기 헤드부와 상기 스커트부를 접합시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 피스톤 제조 방법에 있어서, 상기 접합시키는 단계 이후에 적어도 상기 헤드부 및 상기 스커트부의 경계를 포함하는 영역을 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제조시간이 짧고, 플래시가 최소화되거나 없으면서도, 견고한 접합면을 가지는 금속 접합 방법 및 피스톤 제조 방법을 구현할 수 있다. 특히 피스톤에 적용될 경우에는, 종래 마찰 접합시 발생되는 플래시에 의해 냉각 채널의 유로가 좁아지는 문제점도 같이 해결할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 접합 구조체의 제조방법을 개략적으로 도시한 공정순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 제조 방법에 의해 구현된 피스톤의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실험예로서 삽입부재가 개재된 후 마찰접합에 의해 구현된 샘플의 사진이다.
도 4는 실험예와 비교예의 접합면의 미세조직을 광학 현미경으로 분석한 결과이다.
도 5는 실험예와 비교예의 접합면에서의 미세조직을 주사전자현미경으로 분석한 결과이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 접합 방법을 개략적으로 도시한 공정순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 접합 방법(S100)은 제 1 금속부재와 제 2 금속부재 사이에 삽입부재를 개재시키는 단계(S110) 및 제 1 금속부재와 제 2 금속부재를 상대적으로 회전시켜 삽입부재에 마찰열을 인가하여 제 1 금속부재와 제 2 금속부재를 접합함으로써 금속 접합 구조체를 형성하는 단계(S120)를 포함할 수 있다.
이때 설명의 편의를 위해 상기 제 1 금속부재와 상기 제 2 금속부재 사이에 삽입부재를 개재시키는 (S110) 단계 후 (S120) 단계가 진행되기 전 구조물을 금속 접합 조립체로 지칭할 수 있으며, 이와 구분하여 (S120) 단계가 완료된 후 구조물을 금속 접합 구조체로 지칭할 수 있다.
상기 제 1 금속부재 및 상기 제 2 금속부재는 철(Fe)계 금속모재를 사용할 수 있다. 예를 들어 상기 금속모재는 예를 들면, 몰리브덴(Mo), 바나듐(V) 및 황(S)을 포함하는 강 또는 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo)을 포함하는 강(steel)을 포함할 수 있다. 일예로 상기 제 1 금속부재와 상기 제 2 금속부재는 석출경화형 페라이트 펄라이트 스틸(AFP 스틸)과 같은 단조강 또는 42CrMo4와 같은 열처리강일 수 있다. 여기서, 상기 강 이외에도 구현하고자 하는 금속 접합 구조체의 특성에 따라 다른 강 또는 다른 금속모재를 사용할 수도 있다.
상기(S110) 단계는 제 1 금속부재와 제 2 금속부재가 서로 맞닿는 부분에 상기 삽입부재가 개재됨으로써 상기 삽입부재가 상기 제 1 금속부재와 상기 제 2 금속부재에 맞닿을 수 있다.
상기 삽입부재는 금속으로서, 니켈, 코발트, 구리, 철 혹은 이를 포함하는 합금 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 삽입부재로 상용 니켈(Ni)계 용가재인 BNi-2 필러메탈과 같은 상용제품을 사용함으로써 견고한 금속 접합 구조체를 구현할 수 있다.
다른 예로서 철 및 탄소를 포함하는 것으로 예를 들면, 탄소를 함유하는 철(Fe-C 합금철) 분말 또는 철분말과 탄소분말이 혼합된 혼합 분말을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 삽입부재 내에 포함된 탄소의 함량은 예를 들어, 약 3.0wt% 내지 99.0wt%의 조성범위를 가질 수 있다.
또한, 상기 삽입부재는 탄소 및 불가피 불순물로 이루어진 것으로 예를 들면, 카본시트(carbon sheet) 또는 카본분말(carbon powder)을 포함할 수 있다.
상기 (S110) 단계는, 예를 들어, 판상의 삽입부재를 서로 접합될 금속부재의 접합면 상에 배치시키거나 클래딩(cladding)처리하는 단계를 포함할 수 있다. 삽입부재가 카본분말, 주철분말과 같은 분말 형태일 경우에는 상기 분말을 바인더에 혼합하여 상기 접합면에 도포하거나, 스프레이법으로 상기 접합면에 비산시키는 단계를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 도금공정(electroplating)이나 증착공정(vapor deposition)을 이용하여 상기 접합면에 삽입부재를 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 무전해 도금을 이용하여 니켈을 접합면에 도금하거나 스퍼터링법으로 삽입부재인 금속합금을 접합면에 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 삽입부재는 철을 주성분으로 하는 합금을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 철을 주성분으로 하는 합금은 철이 약 50.0wt% 이상의 조성을 함유하는 합금을 의미하며, 상기 합금은 상기 탄소 및 불가피 불순물로 이루어진 삽입부재와 동일한 방법으로 상기 금속부재 사이에 개재될 수 있다.
한편, 상기 (S120) 단계는 상기 삽입부재를 상기 제 1 금속부재 및 제 2 금속부재 중 적어도 어느 하나 이상으로 확산시키는 단계를 포함할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 상기 (S110) 단계 이후에, 제 1 금속부재 및 제 2 금속부재 중 어느 한 쪽은 고정된 지그에 장착하고, 나머지 다른 한 쪽은 회전할 수 있는 지그에 장착한다. 이때, 각각의 지그에 장착되는 부분은 제 1 금속부재와 제 2 금속부재가 삽입부재에 의해 서로 맞닿은 접합면과 반대면으로 이해될 수 있다.
지그에 고정된 금속 접합 조립체에 압력을 가하면서 상기 제 1 금속부재와 상기 제 2 금속부재를 상대적으로 회전시켜 삽입부재에 마찰열을 인가하여 상기 제 1 금속부재와 상기 제 2 금속부재를 접합함으로써 플래시(flash)를 최소화할 수 있으며, 마찰열에 의한 소재의 변형을 억제할 수 있다.
상기 제 1 금속부재와 상기 제 2 금속부재 사이에 삽입부재를 개재한 후 마찰접합을 수행할 때 저융점상의 생성을 가속화하여 빠르게 접합부를 형성하고, 플래시의 생성을 최소화할 수 있다.
한편, 상술한 삽입부재의 종류에 따라 상기 (S120) 단계 이후에 가열수단을 사용함으로써 상기 삽입부재를 가열하여 제 1 금속부재와 제 2 금속부재를 확산접합시키는 공정을 더 수행할 수 있다.
상기 가열수단은 가열로(furnace) 내에서의 가열, 고주파를 이용한 유도가열, 가압하면서 전기에너지를 통전시키는 통전가압성형, 적외선 광에너지를 인가하는 적외선 가열, 전자기파 에너지를 인가하는 마이크로웨이브 가열 및 전기적인 저항열을 이용한 가열 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있다. 여기서, 상기 방법은 제 1 금속부재와 제 2 금속부재 사이에 개재된 삽입부재에 빠른 승온속도로 가열함으로써 삽입부재를 빠르게 용융시켜 상기 제 1 금속부재와 상기 제 2 금속부재를 확산접합할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예를 따르는 금속 접합 구조체로서, 피스톤을 예를 들어 제조 방법에 대해서 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 제조 방법에 의해 구현된 피스톤의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 2의 (a)는 접합 전 피스톤 조립체의 구조이며, 도 2의 (b)는 접합 후 일체화된 피스톤의 구조이다.
예를 들어, 냉각 채널(C)의 일부분이 형성된 헤드부(121)와 냉각 채널(C)의 타부분이 형성된 스커트부(111) 사이에 탄소를 삽입부재(201)로 개재함으로써 피스톤 조립체(1000)를 형성한다. 피스톤 조립체(1000)를 구성하는 헤드부(12) 및 스커트부(111)는 모두 강(steel)으로 이루어진 것 일 수 있다.
이후에 헤드부(121)와 스커트부(111)의 중심축을 기준으로 헤드부(121) 또는 스커트부(111)를 어느 한 쪽 방향으로 축회전시켜 마찰열을 인가하여 상기 삽입부재를 확산접합시킴으로써 플래시가 최소화된 피스톤(1100)을 구현할 수 있다. 이때, 상기 축회전시킨 후 가열수단을 사용함으로써 상기 삽입부재의 확산을 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 일예로서, 피스톤 조립체(1000)를 가열로에 장입한 후 약 10-1Torr 이하의 압력 또는 불활성가스 분위기에서 열처리하고, 냉각시에는 진공분위기 또는 노내로 불활성 가스를 불어넣어 상압에서 냉각함으로써 냉각 채널(C)을 구비하는 피스톤(1100)을 구현할 수 있다.
다른 예로서, 피스톤 조립체(1000)를 통전성형가압장치에 장착하여 헤드부(121) 및 스커트부(111) 사이에 전압을 인가하여 전류를 통전시키면서 가압하여 피스톤(1100)을 구현할 수 있다.
또 다른 예로서, 피스톤 조립체(1000)의 접합면 부분에 고주파를 유도하는 코일을 배치시킨 후 접합면 부근만 국부적으로 유도가열함으로써 삽입 부재의 용융 및 확산을 유도할 수 있다.
그러나 피스톤 조립체(1000)에 가열수단을 이용한 방법은 상기에 기술된 공정에 한정된 것이 아닌 빠른 승온속도를 구현할 수 있는 모든 공정을 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 금속 접합 방법의 실험예를 제공한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실험예 1에 의한 샘플로서, 금속 접합 구조체의 부재로 42CrMo4강 2피스(piece)를 준비했다. 상용 니켈(Ni)계 용가재인 BNi-2 필러메탈을 상기 부재의 접합면 양쪽에 각각 메탈라이징(metallizing)한 후 상기 부재 사이에 상기 필러메탈을 개재하였다. 이후에 약 2800rpm의 회전속도로 상기 부재를 상대적으로 회전시키면서 약 0.3㎜/s의 속도로 상기 부재를 약 1㎜ 정도 피딩(feeding)하였다. 회전을 정지시키고, 약 60bar의 압력을 부재에 인가하였다.
또한, 상기 실험예 1에 사용한 것과 동일한 부재 사이에 삽입부재로 탄소가 4.3wt% 함유된 철 분말을 바인더(binder)와 혼합하여 혼합물을 제조하고, 제조된 혼합물을 상기 부재의 접합면 양쪽에 각각 도포하여 금속 접합 조립체 샘플을 제조하였다. 이후에 동일한 방법으로 처리하여 실험예 2의 금속 접합 구조체 샘플을 제조했다.
한편, 이와 비교하기 위해서, 상기 실험예 1에 사용한 것과 동일한 부재 사이에 삽입부재를 개재하지 않고, 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 샘플을 제조하였다.
도 3의 (a)는 본 발명의 비교예로서 삽입부재가 없는 조건에서 1mm/s의 속도로 약 2.5mm 정도 피딩한 후 60 bar의 압력을 인가한 시험편의 샘플사진이다. 한편 삽입부재가 없는 경우, 실시예와 동일조건으로 시험한 시편의 경우 부재가 서로 접합되지 않고 분리됨을 확인하였다. 도 3의 (b) 및 (c)는 실험예로서 삽입부재를 개재시킨 후 약 0.3㎜/s의 속도로 상기 부재를 약 1㎜ 정도 피딩(feeding)하여 마찰접합한 샘플의 사진이다.
도 3을 참조하면, 비교예의 경우에는 실험예 1 및 실험예 2와 동일한 공정 조건에서 부재가 서로 접합 되지 않고 깨져 버렸으며, 이에 비해 실험예 1과 실험예 2의 경우에는 접합면이 매끄럽게 잘 접합되어 있으면서도 접합면의 가장자리에 플래시가 거의 없거나 종래의 마찰접합으로 구현된 피스톤의 플래시와 비교하여 그 크기가 매우 작게 형성함을 알 수 있다. 이는 실험예의 경우 삽입부재에 의해 마찰접합시 저융점상의 생성 가속화를 통한 빠른 접합부의 형성하는 것으로 해석된다.
또한, 비교예의 경우 상기 공정조건에서 마찰접합이 이루어지지 않았으므로 마찰접합이 이루어질 수 있는 특정 공정조건이 필요하나, 이에 비해 실험예 1 및 실험예 2의 경우 상기 비교예와 동일한 공정조건에서 마찰접합이 용이하게 이루어졌으므로 마찰접합이 가능한 조건의 범위가 더 넓다고 볼 수 있다. 따라서, 제한적인 공정조건에서 진행해야 하는 비교예 보다 더 용이하게 공정조건을 설정할 수 있다.
도 4는 실험예의 접합면의 미세조직을 광학 현미경으로 분석한 결과이다.
도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, 실험예 1 및 실험예 2 모두 접합 계면이 결함이 없는 매우 양호한 상태를 나타냄을 알 수 있다. 실험예 1의 경우 니켈계 필러가 개재되었던 접합면에 잔류하는 니켈계 필러(중앙 흰색 부분) 영역이 매우 균일하며 공공(Void)과 같은 결함이 관찰되지 않았다. 이에 비해 탄소 성분이 함유된 삽입부재를 사용한 실험예 2의 경우에도 역시 공공과 같은 결함은 관찰되지 않았으며, 접합면이 뚜렷하게 관찰되지 않고 거의 모재와 동일한 조직을 가짐을 알 수 있다.
도 5는 실험예의 접합면에서의 미세조직을 주사전자현미경으로 분석한 결과이다.
먼저, 도 5의 (a)는 본 발명의 실험예 1, 도 5의 (b)는 본 발명의 실험예 2에 의한 샘플의 미세조직을 주사전자현미경으로 분석한 사진이고, 하기 표 1은 도 5의 (a) 및 (b)의 ①, ② 영역에서의 EDS 성분 분석 결과로서, ① 영역은 샘플들의 접합면의 중앙부분이고, ② 영역은 샘플들의 접합계면 영역이다.
실험예 영역 철(wt%) 규소(wt% 크롬(wt%) 니켈(wt%) 카본 (wt%)
실험예1 ① 1.56 2.72 3.26 92.47 -
실험예1 ② 100 - - - -
실험예2 ① 98.93 - - - 1.07
실험예2 ② 98.51 - - - 1.49
본 발명의 실험예 1에 의한 샘플의 경우, 삽입부재와 모재간의 경계가 뚜렷하게 보이며, 이로 인해 ① 영역에서는 삽입부재의 주성분인 니켈이 대부분을 차지하고 있음을 알 수 있다. ② 영역에서는 철 성분만 존재하고, 상기 니켈이 거의 확산되지 않았음을 알 수 있다. 또, 실험예 1의 경우 도 3의 (a)와 도 4의 (a)를 참조하여 상술한 바와 같이, 접합면에 잔류하는 필러의 영역이 매우 균일하며, 결함이 관찰되지 않았다.
반면에, 실험예 2에 의한 샘플의 경우, 접합면이 뚜렷하게 보이지 않으며, ① 영역과 ② 영역에서 모두 성분의 함량이 거의 유사함을 알 수 있다. 이는 삽입부재에 함유된 카본이 접합되는 과정 중에 접합면으로부터 바깥쪽으로 확산되어 최초 삽입부재가 배치되었던 접합면에는 탄소가 실질적으로 거의 잔류하지 않기 때문으로 해석된다. 이때 도포된 탄소는 접합과정 중 피스톤 부재와의 상호확산을 통하여 액상의 공정합금을 생성하게 되고, 탄소의 빠른 확산속도로 인하여 단시간에 확산접합부를 형성하는 것으로 해석된다.
본 발명의 실시예와 같이 금속부재의 접합 시 삽입부재를 개재한 후 상기 금속부재의 중심축을 중심으로 금속부재를 상대적으로 회전시켜 삽입부재의 종류에 상관없이 모재수준에 근접하는 매우 견고한 접합부 조직을 가지는 확산접합부를 빠른 시간 내에 형성할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 본 발명의 실시예와 같이 가열수단을 사용함으로써 마찰접합시 발생할 수 있는 플래시의 생성을 최소화할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
110 : 제 1 금속부재
111 : 스커트부
120 : 제 2 금속부재
121 : 헤드부
200, 201 : 삽입부재
1000 : 피스톤 조립체
1000a : 금속 접합 조립체
1100 : 피스톤

Claims (10)

  1. 제 1 금속부재와 제 2 금속부재 사이에 삽입부재를 개재시키는 제 1 단계; 및
    상기 제 1 금속부재와 상기 제 2 금속부재를 상대적으로 회전시켜 상기 삽입부재에 마찰열을 인가하여 상기 제 1 금속부재와 상기 제 2 금속부재를 접합함으로써 금속 접합 구조체를 형성하는 제 2 단계;
    를 포함하는,
    금속 접합 구조체의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 단계 이후에 적어도 상기 제 1 금속부재 및 상기 제 2 금속부재의 경계를 포함하는 영역을 가열하는 제 3 단계를 더 포함하는, 금속 접합 구조체의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 3 단계는 가열로(furnace) 내에서의 가열, 고주파를 이용한 유도가열, 가압하면서 전기에너지를 통전시키는 통전가압성형, 적외선 광에너지를 인가하는 적외선 가열, 전자기파 에너지를 인가하는 마이크로웨이브 가열 및 전기적인 저항열을 이용한 가열 방법 중 어느 하나 이상에 의해 수행되는, 금속 접합 구조체의 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 단계 또는 제 3 단계는 상기 삽입부재를 상기 제 1 금속부재 및 제 2 금속부재 중 적어도 어느 하나 이상으로 확산시키는 단계를 포함하는, 금속 접합 구조체의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 삽입부재는 니켈, 코발트, 구리 및 철 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 금속 접합 구조체의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 삽입부재는 탄소 및 불가피 불순물을 포함하는, 금속 접합 구조체의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 삽입부재는 탄소를 함유하는 철(Fe-C 합금철) 분말을 포함하는, 금속 접합 구조체의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 삽입부재는 철분말과 탄소분말이 혼합된 혼합 분말을 포함하는, 금속 접합 구조체의 제조방법.
  9. 냉각 채널의 일부분이 형성된 헤드부를 준비하는 단계;
    상기 냉각 채널의 타부분이 형성된 스커트부를 준비하는 단계;
    상기 헤드부와 상기 스커트부 사이에 삽입부재를 개재시시켜 피스톤 조립체를 형성하는 단계; 및
    상기 헤드부와 상기 스커트부를 상대적으로 회전시켜 상기 삽입부재에 마찰열을 인가하여 상기 헤드부와 상기 스커트부를 접합시키는 단계;를 포함하는,
    피스톤 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 접합시키는 단계 이후에 적어도 상기 헤드부 및 상기 스커트부의 경계를 포함하는 영역을 가열하는 단계를 더 포함하는, 피스톤 제조 방법.

KR1020150059818A 2015-04-28 2015-04-28 금속 접합 구조체의 제조방법 및 피스톤 제조 방법 KR20160128067A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150059818A KR20160128067A (ko) 2015-04-28 2015-04-28 금속 접합 구조체의 제조방법 및 피스톤 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150059818A KR20160128067A (ko) 2015-04-28 2015-04-28 금속 접합 구조체의 제조방법 및 피스톤 제조 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20160128067A true KR20160128067A (ko) 2016-11-07

Family

ID=57529730

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150059818A KR20160128067A (ko) 2015-04-28 2015-04-28 금속 접합 구조체의 제조방법 및 피스톤 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20160128067A (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180065225A (ko) * 2016-12-07 2018-06-18 동양피스톤 주식회사 차량 엔진용 피스톤 및 차량 엔진용 피스톤의 제조 방법
EP3653863A4 (en) * 2017-07-14 2021-03-24 Nippon Steel Corporation PISTON FOR A COMBUSTION ENGINE AND MANUFACTURING PROCESS FOR IT
KR20230067934A (ko) * 2021-11-10 2023-05-17 공주대학교 산학협력단 계층구조를 이용한 이종금속의 확산접합을 위한 접합재 및 이를 이용한 확산접합 방법

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180065225A (ko) * 2016-12-07 2018-06-18 동양피스톤 주식회사 차량 엔진용 피스톤 및 차량 엔진용 피스톤의 제조 방법
EP3335822A1 (en) * 2016-12-07 2018-06-20 Dong Yang Piston Co., Ltd. Piston for vehicle engine and method for manufacturing the same
US10724466B2 (en) 2016-12-07 2020-07-28 Dong Yang Piston Co., Ltd. Piston for vehicle engine and method for manufacturing the same
EP3653863A4 (en) * 2017-07-14 2021-03-24 Nippon Steel Corporation PISTON FOR A COMBUSTION ENGINE AND MANUFACTURING PROCESS FOR IT
KR20230067934A (ko) * 2021-11-10 2023-05-17 공주대학교 산학협력단 계층구조를 이용한 이종금속의 확산접합을 위한 접합재 및 이를 이용한 확산접합 방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8342386B2 (en) Braze materials and processes therefor
KR20160128067A (ko) 금속 접합 구조체의 제조방법 및 피스톤 제조 방법
US9505084B2 (en) Joining method and joining component
JPH0891951A (ja) アルミニウムと窒化ケイ素の接合体およびその製造方法
US20100181298A1 (en) Induction coil, method and device for the inductive heating of metal components
WO2011075044A1 (en) Composite conductive component and method for making it
CN108188521B (zh) 一种钼铼合金箔材的高频感应加热钎焊方法
EP2182183A1 (de) Beweglicher, heißen Gasen ausgesetzter Verschlusskörper eines Ventiles
EP2025441A1 (de) Verfahren zum Lötverbinden eines ersten Metallteils mit einem zweiten Metallteil und Verwendung einer mechanischen Verbindung; entsprechend hergestelltes gelötetes Metallbauteil
TWI248474B (en) Metal product production method, metal product, metal component connection method, and connection structure
CN110142496A (zh) 一种添加Y形中间层的TiAl/Ti3Al异种材料电子束焊接方法
CN112879436A (zh) 滑动构件以及滑动轴承
JP6006846B1 (ja) 導電部材、ガス絶縁開閉装置用導電部材およびガス絶縁開閉装置用導電部材の製造方法
JP5686582B2 (ja) アクスルケースの製造方法
Do et al. Simultaneous joining and forming of dissimilar steels by electrically assisted pressure joining
CN114367675A (zh) 一种铜铬混合物及其增材制造方法
US11094663B2 (en) Method for transient liquid-phase bonding between metal materials using a magnetic force
KR20170030323A (ko) 차량 엔진용 피스톤 및 그 제조방법
WO2016175447A1 (ko) 금속 접합 방법 및 이를 이용한 금속 접합 구조체
KR20160086465A (ko) 서보모터 마찰용접을 이용한 이종 금속의 접합체 및 이의 접합 방법
US20190093189A1 (en) Steel sheet and method of manufacturing a steel sheet to protect incline of coat layer
EP4261860A1 (en) Lead terminal for electrolytic capacitors and method for producing same
US11267061B2 (en) Method of manufacturing components made of dissimilar metals
CN113388832B (zh) 一种具有高硬导电表面的铜基复合材料及其激光增材制造方法
CN112404728B (zh) 连接件、装置、激光设备及制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal