KR20190063773A - 이종재질의 접합 성형방법 및 이종재질 접합 제품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주조 또는 단조로 제조된 모재 상에 AM(3-D printing) 공정에 의해 분말을 적층시키는 것을 특징으로 하는 이종재질의 접합 성형방법으로서, 본 발명에 의하면, 원가를 줄일 수 있고, 공정성 및 품질 안정성을 제고할 수 있다.

Description

이종재질의 접합 성형방법 및 이종재질 접합 제품{BINDING AND FORMING DIFFERENT MATERIALS AND PRODUCT BINDED DIFFERENT MATERIALS}

본 발명은 모재에 이종재질을 접합하여 성형하는 방법 및 이종재질 접합 제품에 관한 것이다.

캠샤프트(camshaft)는 밸브를 여닫는 각 실린더의 캠을 하나로 모은 샤프트(축)로서, 흡배기 밸브와 같은 수의 캠이 각각의 개폐시기가 알맞은 각도로 축 상에 배열되어 있다.

이러한 캠샤프트는 도 1과 같이, 봉재를 주단조 및 가공에 의해 제조되는 샤프트(1)와 성형, 소결, 가공 과정에 의해 제조되는 캠(2)을 조립하여 최종 가공에 의해 제조된다.

샤프트(1)와 캠(2)의 조립은 소결캠의 경우는 조립 후 고온소결하는 확산접합에 의하고, 단조캠의 경우는 샤프트 및 캠을 프리 히팅하여 접합시키는 열간압입에 의해 조립된다.

도 2는 확산접합 및 열간압입에 의한 샤프트와 캠의 계면을 보여주는데, 계면 간의 분할선이 선명하게 나타남을 볼 수 있다.

그리고, 기존의 캠은 면압에 상관없이 고가의 동일한 재질을 적용하여 접합하기 때문에 엔진 설계시 자유도가 감소되는 한계가 있다.

또한, 특정한 위치(연료펌프)의 면압이 과도할 경우, 접합 문제로 인해 다른 캠 또한 고가의 합금 재질로 변경하여 원가 상승의 문제도 발생한다.

그러므로, 공정이 복잡하고, 품질 안정성이 떨어지며, 원가가 상승하는 것이다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

한국등록특허공보 제10-1723218호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 원가를 줄일 수 있고, 공정성 및 품질 안정성을 제고할 수 있는 이종재질의 접합 성형방법과 그에 의해 제조되는 이종재질 접합 제품을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 이종재질의 접합 성형방법은, 주조 또는 단조로 제조된 모재 상에 AM(3-D printing) 공정에 의해 분말을 적층시키는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 모재는 상기 분말을 적층시킬 구간에 요철 형상을 부가하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분말의 적층 후 200℃~250℃에서 템퍼링(tempering) 처리하는 것을 특징으로 한다.

그 결과, 용융 접합된 상기 모재와 상기 분말 간의 계면에는 상기 분말이 상기 모재에 고용된 형태로 존재하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 분말은 Stellite 21 재질인 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 모재는 봉재로 제조되는 샤프트(shaft)이며, 상기 샤프트 상에 상기 분말을 캠 형상으로 적층시키는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 분말을 분사하는 분사 노즐은 상기 샤프트의 길이 방향을 따라 이동하고, 상기 샤프트가 회전함으로써 상기 분말을 상기 캠 형상으로 적층시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분사 노즐은 상기 캠이 위치될 구간의 일 단에서 타 단까지 이동하여 1개 층을 적층시킨 후, 다시 일 단으로 이동하여 타 단까지 반복 이동함으로써 복수의 층을 적층시키는 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 분말의 적층 후 200℃~250℃에서 템퍼링(tempering) 처리하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 분말은 Stellite 21 재질인 것을 특징으로 한다.

다음으로, 본 발명의 일 관점에 의한 이종재질 접합 제품은, 주조 또는 단조로 제조된 모재 상에 AM(3-D printing) 공정에 의해 분말이 적층되어, 용융 접합된 상기 모재와 상기 분말 간의 계면에 상기 분말이 상기 모재에 고용된 형태로 존재하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 모재는 봉재로 제조되는 샤프트(shaft)이며, 상기 샤프트 상에 상기 분말이 캠 형상으로 적층되어 접합되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 분말은 Stellite 21 재질인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 이종재질의 접합 성형방법에 의하면, AM 공법 적용에 의해 위치별로 적층 재질을 변경하여 적용 가능하여, 고가 재질을 최소화함으로써 원가를 줄일 수가 있고, 각 캠에 걸리는 면압에 따라서 최적화 설계가 가능하게 한다.

또한, 기존에는 조립 시 불량이 발생하면 제품 전체를 폐기하여야 했지만, AM을 적용할 경우 적층시 불량이 확인되면 면 가공을 통해 재사용이 가능하다.

그러므로, 공정 조건 및 공정 수가 비교적 간단해지며, 품질 안정성을 제고시킬 수가 있다.

도 1은 일반적인 캠샤프트 제조과정을 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 의한 캠과 샤프트의 계면을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 캠샤프트 제조방식을 도시한 것이다.
도 4는 도 3에 의한 캠과 샤프트의 계면을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 의한 캠샤프트 제조방법을 도시한 것이다.
도 6 내지 도 8은 소재별 미세조직 및 적층영역을 나타낸 것이다.
도 9 및 도 10은 표면 상 크랙 발생 여부를 나타낸 것이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

도 3은 본 발명에 의한 캠샤프트 제조방식을 도시한 것이고, 도 4는 도 3에 의한 캠과 샤프트의 계면을 나타낸 것이며, 도 5는 본 발명에 의한 캠샤프트 제조방법을 도시한 것이다.

이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 이종재질의 접합 성형방법을 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 이종재질의 접합 성형방법은, 모재 상에 이종재질의 분말을 적층시켜 성형하는 방법으로서, 이종재질 분말의 적층을 AM 공정에 의한다.

캠샤프트를 예로 들어, 이종재질의 접합 성형방법의 일 실시예를 설명하도록 한다.

먼저 봉재를 주조 또는 단조 후 가공에 의해 샤프트(10)를 제조한다.

여기서, 봉재의 주단조시 캠(cam)이 장착될 위치마다 요철 형상(11)을 부가하여 제조한다.

이때 요철의 형상은 적층량을 감안한 두께로 제조한다.

이는 AM(3-D printing) 공정 특성상 생산속도가 느려서 양산 적용에 어려움이 있기 때문에 주조를 통해서 일정한 적층 높이를 최소화하기 위함이다.

이렇게 제조된 샤프트(10)의 요철 형상에 AM 공법으로 내마모 분말을 적층시킨다.

적층시에 표면의 조도를 위해서 가공량을 포함하는 높이를 적층시켜준다.

그리고, 생산속도를 높이면 표면 조도가 저하되기 때문에 저하된 부분을 최종 프로파일 가공을 통해 제거해 준다.

이와 같은 요철 형상을 부가하는 이유는, 첫째로 AM 공정의 특성상 생산속도를 보완하기 위해서 가공량을 감안하여 적층구간을 최소화하기 위함이다. 이를 통해서 생산속도를 확보할 수 있어 AM 공정에 의해 양산이 어려운 한계를 벗어날 수 있게 된다. 둘째로 적층시 발생되는 열응력의 영향으로 모재의 열변형을 방지하기 위한 박육화 구간을 피하기 위함이다.

AM의 특성상 제품 완성 이후에 잔류열응력으로 인해 소재의 물성이 떨어지기에 현재의 열처리와 모재의 두께가 박육할 경우 열에 의한 모재의 변형이 발생될 수가 있는 것인데, 본 발명은 이를 극복할 수가 있다.

이러한 본 발명에 의한 방식은 모재와 용재의 용융에 의한 결합이기 때문에 별도의 공정이 발생되지 않고 결합이 가능하며, 도 4에서 참조되는 바와 같이 용융된 구간(계면)에서 모재에 분말의 성분이 고용된 형태로 존재하게 된다.

즉, 분말이 모재에 용융됨에 따라서 모재와 분말 사이 경도 값을 가지게 되면서 미접합부 계면구간의 기공이 최소화됨에 따라 접합 특성이 향상되는 것이다.

또한, 이와 같이 접합 제조되는 제품은 접합성능의 향상으로 인해 동작시 접합된 소재가 탈락되는 것도 예방할 수가 있다.

도 5에 도시된 제조방법은 좌측에서 우측으로 순차적으로 나타낸 것이다.

이를 참조하면, 준비단계에서 요철 형상이 부가된 샤프트 및 분사장치를 준비하고, 각각의 요철 형상 상에 분말을 분사하여 적층시키게 된다.

요철의 양 단 중 일 단에서 시작하여 다른 일 단으로 이동하면서 적층이 이뤄지고, 적층이 완료된 후 가공하여 제조되게 된다.

적층시 분사 헤드(h)의 굴곡 회전은 어렵기 때문에 샤프트(10)를 회전시키고, 분사 헤드(h)는 좌우로 위치 이동하는 것을 통해 작업의 효율성을 증대시킨다.

이를 위해서 적층 위치별로 AM 분사 노즐을 위치하게 한 후, 적층 속도는 샤프트(10)의 회전 속도로 조절을 한다.

초기에 적층시 계면과 적층이 안 될 경우에는 크랙(crack)이 발생되어 상단면까지 크랙이 발생되기 때문에 초기의 적층 속도는 기본이 되는 속도의 50% 수준으로 회전시키는 것이 바람직하다.

분사 헤드(h)는 좌우 이동을 통해 1 layer를 적층 완료한 후, 다시 초기 위치로 이동하여 2 layer 적층을 반복하는 방식에 의한다.

표면부와 적층되는 구간을 제외한 나머지 구간은 속도를 기존 상태로 변경하여 적층시켜준다.

적층시 열변형을 고려해서 1 layer 적층 이후 다시 초기 적층 위치에서 적층을 진행하도록 한다.

약 5mm로 총 20 layer 적층을 반복 진행하고, 그 후 내부 응력을 제거하기 위해서 200~250℃에서 템퍼링(tempering)을 진행해 준다.

템퍼링에 의한 열처리 이후 표면 조도와 캠 위상에 따른 프로파일 가공을 1mm 정도로 진행하여 제조를 완료하게 된다.

한편, 분말의 소재별 적층 조건은 다르고, 적층 조건은 소재의 물성치를 좌우하기에 중요하다. 만일 초기 적층이 불량시 크랙이 진전되어서 표면까지 이어지게 되기 때문이며, 열응력에 의한 소재의 기계적 물성치가 저하되기에 소재의 열응력을 제거할 템퍼링을 요하게 된다.

적층시 고려되어야 할 부분은 레이저 출력, 표면의 조도, 모재와 고용량 등이 된다.

AM 공법의 경우, 레이저 출력으로 모재와 분말을 동시에 용융시켜서 접합시키는 방식으로서, 적정한 W(watt)를 선정하는 것이 중요하고, 적층될 분말의 경우 모재(Fe-C)와의 고용량 및 접합성을 고려할 때, C 함량이 0.3 이하 Cr-Co의 탄화물(강화상)을 구현할 수 있는 Stellite 6,21과 같은 Cr-Fe-Co를 선정하는 것이 바람직하다.

도 6 내지 도 8은 소재별 출력별 미세조직 및 적층영역을 나타낸 것이며, 비교 정리하면 다음 표 1과 같다.

재질	Stellite 6	Stellite 6	Stellite 21
출력(W)	180	200	380
두께	20 layer	20 layer	12 layer
crack 유무	×	○	×

Stellite 6, 180W인 경우, ×100으로 관찰된 미세조직이 도 6(a)이고, ×500으로 관찰되는 미세조직이 도 6(b)이며, 적층영역을 도 6(c)에 나타내었다.

Stellite 6, 200W인 경우, ×100으로 관찰된 미세조직이 도 7(a)이고, ×500으로 관찰되는 미세조직이 도 7(b)이며, 적층영역을 도 7(c)에 나타내었다.

Stellite 21, 380W인 경우, ×100으로 관찰된 미세조직이 도 8(a)이고, ×500으로 관찰되는 미세조직이 도 8(b)이며, 적층영역을 도 8(c)에 나타내었다.

참조되는 바와 같이, Stellite 6의 경우 180W가 적정 출력으로써, 이상의 출력의 경우에는 표면 분리가 발생될 수가 있다. 또한, 적층시 30 layer 수준(5mm) 적층 이후 가공량 1mm를 가져온다.

반면, Stellite 21의 경우 250~450W의 전 영역대에서 크랙이 발생되지 않고, 주조면에도 적층이 가능함을 알 수 있다. 또한, 적층시 20 layer 수준(5mm)으로 가공량 1mm로 가져온다.

결과적으로, 공정의 자율성을 위해서 Stellite 21을 적층시킬 경우, 출력량 및 표면의 조도에 영향을 받지 않으므로 양산에 더욱 용이하다.

도 9 및 도 10은 크랙 발생 여부를 확인하기 위한 color check 결과로서, 도 9의 Stellite 6, 180W에서 크랙이 발생되지 않으며, 도 10의 Stellite 21에서 크랙이 발생되지 않음을 확인할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명과 같이 AM에 의해 모재에 분말의 성분이 고용된 형태로 제조함에 따라, 결함에 대해 보다 안정적이며, 불량이 확인되는 부분에 대해서만 가공할 수 있어 공정 조건 및 공정 수가 비교적 간단해지며, 위치별로 적층 재질을 변경하여 적용 가능하여, 고가 재질을 최소화함으로써 원가를 줄일 수가 있고, 각 캠에 걸리는 면압에 따라서 최적화 설계가 가능하게 한다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

1. 주조 또는 단조로 제조된 모재 상에 AM(3-D printing) 공정에 의해 분말을 적층시키는 것을 특징으로 하는,
   이종재질의 접합 성형방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 모재는 상기 분말을 적층시킬 구간에 요철 형상을 부가하여 제조되는 것을 특징으로 하는,
   이종재질의 접합 성형방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 분말의 적층 후 200℃~250℃에서 템퍼링(tempering) 처리하는 것을 특징으로 하는,
   이종재질의 접합 성형방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   용융 접합된 상기 모재와 상기 분말 간의 계면에는 상기 분말이 상기 모재에 고용된 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는,
   이종재질의 접합 성형방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 분말은 Stellite 21 재질인 것을 특징으로 하는,
   이종재질의 접합 성형방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 모재는 봉재로 제조되는 샤프트(shaft)이며, 상기 샤프트 상에 상기 분말을 캠 형상으로 적층시키는 것을 특징으로 하는,
   이종재질의 접합 성형방법.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 분말을 분사하는 분사 노즐은 상기 샤프트의 길이 방향을 따라 이동하고, 상기 샤프트가 회전함으로써 상기 분말을 상기 캠 형상으로 적층시키는 것을 특징으로 하는,
   이종재질의 접합 성형방법.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 분사 노즐은 상기 캠이 위치될 구간의 일 단에서 타 단까지 이동하여 1개 층을 적층시킨 후, 다시 일 단으로 이동하여 타 단까지 반복 이동함으로써 복수의 층을 적층시키는 것을 특징으로 하는,
   이종재질의 접합 성형방법.
9. 청구항 6에 있어서,
   상기 분말의 적층 후 200℃~250℃에서 템퍼링(tempering) 처리하는 것을 특징으로 하는,
   이종재질의 접합 성형방법.
10. 청구항 6에 있어서,
    상기 분말은 Stellite 21 재질인 것을 특징으로 하는,
    이종재질의 접합 성형방법.
11. 주조 또는 단조로 제조된 모재 상에 AM(3-D printing) 공정에 의해 분말이 적층되어, 용융 접합된 상기 모재와 상기 분말 간의 계면에 상기 분말이 상기 모재에 고용된 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는,
    이종재질 접합 제품.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 모재는 봉재로 제조되는 샤프트(shaft)이며, 상기 샤프트 상에 상기 분말이 캠 형상으로 적층되어 접합되는 것을 특징으로 하는,
    이종재질 접합 제품.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 분말은 Stellite 21 재질인 것을 특징으로 하는,
    이종재질 접합 제품.

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