KR930006641B1 - 고강도 바이메탈 실린더의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

고강도 바이메탈 실린더의 제조방법

[발명의 상세한 설명]

[발명의 배경]

본 발명은 고강도 바이메탈실린더 및 그 제조방법에 관한 것이다. 바이메탈실린더는 사출성형 및 압출공정에 특수한 용도을 갖는다.

사출성형은 부품을 플라스틱으로 형성 하는 공정으로서, 가열용융된 플라스틱을 주형의 중공부에 압력하에 보내어 중공부의 형상과 크기대로 응고시키는 것이다. 주형의 중공부내로 사출될 플라스틱장입재료는 사출전에 가열 및 가압해야 하는데, 그러한 방법의 하나로서 플라스틱 출발재료가 그 사이에 스크류를 갖는 공동 실린더에 공급된다. 스크류 회전시에 플라스틱은 스크류의 가압된 플라스틱의 예정된 양이 실린더내의 체크링과 스크류의 전방운동에 의해 주형의 중공부내로 연속사출되도록 준비된다.

사출성형 작업의 경제성은 기계설비의 긴 작동 수명의 획득에 의존하므로 실린더의 내부라이닝이 가열된 플라스틱 재료에 대해 높은 내마모성 및 높은 내식성을 갖는 것이 중요하다. 실린더의 내측이 마모되어 실린더의 내경이 커지면 체크링 및 스크류와 실린더의 내벽사이의 틈새가 커져서 플라스틱 재료가 가압영역에서 누출되므로 사출성형에 필요한 압력이 발생하지 않는다. 그러면 실린더는 수리 또는 고체해야 하거나 더 큰 직경의 체크링을 사용하지 않으면 안되며, 양자 모두 경제적 제조공정에 대한 악조건이다.

고내마모성과 고내식성의 내부라이닝과 고강도와 고강성의 외측부분을 갖는 실린더를 제공하기 위해 사용되고 있는 한 공정은 질화공정이다. 여기서 강재실린더의 내측은 상승된 온도에서 실린더의 내벽을 암모니아와 같은 질소 함유기체에 노출시킴으로써 질화된다. 이 공정에 의해 실린더의 내측상에는 상당히 얇은 즉, 0.005" 내지 0.020"의 경질강층이 생긴다. 깊이에 비례하여 경도가 감소하므로 재료가 마모됨에 따라 마모율이 가속된다. 이러한 이유로 질화법은 압출성형 및 사출성형 설비에서 견뎌야 할 정도의 고내마모용에 적합한 방법으로 간주되지 않는다.

개량된 내마모성을 갖는 라이닝을 구비한 실린더를 제공하기 위한 또다른 공정은 원심주조법이다. 이 공정에서는 실린더내에 내부층을 형성하기에 적합한 성분이 예비가공된 실린더형의 외부강재하우징에 장전된다. 다음에 단부를 밀봉하고 하우징을 노위에 배치하여 하우징은 용해되지 않고 내부층을 용해시키기에 충분히 높은 온도에서 실린더형 하우징을 그 축을 중심으로 빠르게 회전시켜 용융된 성분을 하우징의 내측에 대해 연속층으로 분산시킨다. 냉각시에 내부층은 실린더형 외부하우징에 야금학적으로 결합되며, 이어서 내부층을 기계가공하거나 호오닝하여 스크류와 체크링을 수용하기 위한 일정한 직경의 매끄러운 구멍을 형성한다. 저렴성 및 신속성 측면에서는 호오닝보다 보링이 적합하다. 그러나 라이닝 즉, 내부층이 너무 단단하면 보링이 불가능하므로 연삭 또는 호오닝해야 한다. 내부재료를 외부하우징의 내경에 도포 하는데에 사용할 수 있는 또다른 마모면형성법은 (1) 열간등압 압축성형, (2) 플라즈마전이식 아아크용접, (3) 용사 및 레이저융합 및 (4) 직접 레이저피복 등이 있다.

바이메탈실린더를 형성하기 위하여 강재하우징을 내장함에 있어서 철합금을 이용 하는 것은 공지되어 있는데, 그 예로서는 미합중국 특허 제2,046,912호, 제2,046,913호 제3,334,996호 및 제3,658,515호가 있다.

본 발명은 경질의 내마모성 및 내식성이 큰 라이너 즉, 내부층을 갖고 고강도 강재의 뒷대기용 외피를 갖는 개량된 고강도 바이메탈실린더를 제조하는 방법을 제공한다. 경질의 라이너합금은 취성이고 약간의 변형에도 균열이 생기기 때문에 뒷대기용 강재는 소성변형이 없이 높은 내부압력을 지지하기 위한 높은 항복강도를 가져야 한다. 고강도 뒷대기용 강재와 더불어 내마모성 및 내식성이 큰 라이너를 제조한다는 것은 이전에는 불가능했다. 20,000psi 이상의 사출압력에서 기인하는 분출공의 선단부 및 구멍에서의 고응력을 견디도록 사출성형실린더의 고압단부상에 열처리된 슬리브를 사용할 필요가 이전에는 있었다.

사출성형에 사용되는 실린더의 고압단부상에 열처리된 슬리브를 사용하는 것은 콜드스타트시에 공정조건에서 유발할 수 있는 고압에 실린더의 잔부가 노출되는 단점이 있다. 콜드스타트는 사출성형기계가 실린더에 재료를 담고 있는 채로 작동이 정지되었을 때에 발생한다. 기계가 재작동하면 정체재료가 용해될때까지 실린더를 영구변형시켜 무용하게 하기에 충분한 정도의 압력이 통상적으로 저압인 영역에서 발생할 수 있다.

내마모성 및 내식성이 큰 라이너에 고강도 뒷대기용 강을 제공 하는 것이 불가능했던 이유는 덧대기용 강이 오스테나이트상 온도로부터 실온으로 급냉시키는 것과 같은 종래의 열처리에 의해 경화될때 경질의 라이너재료가 균열되기 쉽기 때문이다. 강을 경화시키는 종래의 방법은 강을 약 816℃ 내지 1038℃(1500-1900℉) 범위의 고온으로 가열하는 것이다. 이 온도에서 라이너와 뒷대기용 강재료는 모두 상조직이 오스테나이트로 된다. 이들 재료를 실온으로 급냉시키면, 오스테나이트는 또다른 결정조직인 극취성이고 변형에 저항 하는 마텐사이트로 변태한다. 그러나 오스테너아트에서 마텐사이트로의 변태는 체적팽창이 수반되고, 이러한 뒷대기용 강재의 팽창은 열처리중에 바이메탈실린더에서 미합중국 특허 제3,658,515호에 기재된 바와같은 종래의 경질의 라이너재료를 균열시키는 경향이 있다.

[발명의 개요]

본 발명은 개량된 바이메탈실린더와 그러한 바이메탈실린더의 제조방법에 관한 것이다. 실린더는 고강도 하우징, 즉, 뒷대기용 강재 및 철합금라이너, 즉, 내부층을 갖는다. 뒷대기용 강재의 고강도와 라이너의 고경도는 라이너를 실린더의 내측에 형성한후에 합성실린더를 후열처리함으로써 얻는다. 이것은 바이메탈실린더를 열처리전에 호오닝 대신에 보링할 수 있어서 열처리후에 필요한 비교적 값비싼 호오닝작업의 필요성을 거의 감소시키는 장점도 제공한다.

본 발명의 뒷대기용 강을 오스테나이트화 영역에서 중간온도까지 급냉시켜 강화시키고, 양호하게는 30 내지 50의 로크웰경도를 갖는 거의 베이나이트의 조직으로 변태시키며, 이러한 급냉후에는 강이 제어된 속도로 서냉된다. 이러한 중간온도에서 라이너재료는 덧대기용 강재의 변태시에 발생하는 작은 팽창을 흡수하기에 충분한 인성과 연성은 여전히 갖고 있다. 이러한 중간온도는 통상적으로 약 260℃ 내지 427℃ (500-800℉)이다. 뒷대기용 강이 베이나이트로 변태된 온도에서부터의 냉각시에 라이너합금은 주로 마텐사이트로 변태된다.

본 발명의 목적은 뒷대기용 재료에 대해선 높은 강도를, 라이너에 대해서 적절한 경도를 부여하기 위해 합성실린더를 열처리할 때에 균열이 발생하지 않는 후열처리식 라이너재료를 갖는 개량된 고강도 바이메탈실린더를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 뒷대기용 강재를 경화시키기전에 라이너를 보링하여 바이메탈실린더를 제조하는 개량된 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 뒷대기용 강재가 높은 내부압력을 견디기에 충분한 강도를 가지고 있지 않은 종래의 바이메탈실린더에서와 같이 열처리된 슬리브와 차후부가 필요로하지 않고 내마모성 및 내식성을 갖는 개량된 바이메탈실린더를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 본 발명에 따라 제조됐을 때 라이너재료에 내식성과 매마모성을 모두 제공하는 고강도 강재의 뒷대기부재 및 철합금 라이너로 된 개량된 실린더를 제공하는 것이다.

본 발명에 따라 뒷대기용 강재실린더는 오스테나이트화 온도에서부터의 냉각중에 바라지 않는 고온변태 생성물의 형성을 피하기에 충분한 경질성을 갖는 AISI-SAE 지정합금강 4140, 4340, 8620 및 6150 등과 같은 탄소강 또는 저합금강으로 되어 있다.

본 발명에 사용된 라이너재료는 뒷대기용 강이 베이나이트로 변태하는 온도보다 낮을 마텐사이트로의 변태온도를 갖는 철합금이다. 상기 재료는 다음과 같은 조성의 합금을 포함한다.

또한, 인 또는 황은 불순물로서 존재하는 것이다.

다른 적합한 합금은 상표명 "Ni-Hard"로 시판되고 있는 3 내지 5%의 니켈과 1.5 내지 2.5%의 크롬을 함유 하는 니켈-크롬 백주철이다. 또다른 적합한 합금은 14 내지 20%의 크롬과 1 내지 3%의 몰리브덴을 함유하는 크롬-몰리브덴 백주철이나, 미합중국 특허 제3,334,996호에 기재된 바와같이 경질의 철합금이다. 모든 경우에 라이너에 사용된 합금이 선택된 뒷대기용 금속에 대해 베이나이트 변환온도보다 낮은 온도에서 마텐사이트로 변환하는 것을 결정하기 위해 공표된 시간-온도 변태챠트를 참조해야 한다.

모든 경우에 경질의 철합금내부층, 즉, 라이너는 오스테나이트화 온도에서부터의 냉각시에 통상 58 내지 65 로크웰경도, 양호하게는 62 내지 64 로크웰경도를 갖는 마텐사이트 조직으로 거의 변태된다.

본 발명의 따른 바이메탈실린더는 일례로 원심주조법으로 제조하는데, 비교적 연한 라이너가 AISI-SAE 4140강과 같은 저합금강으로된 외부하우징의 내측상에 피복된다. 라이너를 피복하기전에 강실린더를 미리 보링한다. 라이너를 피복한후에, 그러나 바이메탈실린더를 열처리하기전에 라이너에 거친 기계가공을 행한다. 비교적 연한 라이너와 외부하우징은 이 단계에서의 기계가공작업이 용이하다.

이어서 실린더를 예열된 노위에 놓고 열처리한다. 노에서 실린더는 실린더의 크기에 따라 외경온도를 약 816℃ 내지 1038℃(500-800℉)에 도달되며 이 온도에서 30 내지 90분간 유지된다. 실린더는 이어서, 양호하게는 강제순환공냉식을 병용하여, 수냉식으로 260℃ 내지 427℃(500-800℉)로 급냉되어 실린더 온도가 5분 이내에, 양호하게는 2분 이내에, 260℃ 내지 427℃(500-800℉)에 도달된다. 이어서 실온에 이를 때까지 제어된 속도로 서냉시킨다. 서냉속도는 실린더의 크기와 두께에 따르지만, 통상 시간당 약 10℃ 내지 66℃(50-150℉)이다

[양호한 실시예의 설명]

실린더는 AISI4140 강으로 만들어지며 요구되는 최종크기보다 0.124" 더 큰 내경의 구멍을 미리 뚫는다. 라이너합금을 강재튜브의 내측에 배치하고, 배치된 라이너합금을 원심주조중에 수용하고 있도록 강재캡을 실린더의 각 단부상에 용접한다. 튜브내측의 공기가 비워지고 주조중의 산화방지에 이용되는 아르곤가스가 채워진다. 밀봉된 튜브를 1327℃ 내지 1349℃(2420-2460℉)로 예열된 노에 배치했다가 실린더의 외경이 약 1321℃(2410℉)에 이를 때 노에서 제거한다. 이어서 실린더를 원심스피너에 신속하게 옮기고 실린더의 내경상에서 75G의 힘을 발생시키기에 충분한 속도로 회전시킨다. 회전은 실린더의 외경이 871℃(1600℉)에 이를 때까지 계속된다. 실린더를 냉각구덩이에 두고 또 질석과 같은 절연재료로 피복하여 2일간에 걸쳐 실온으로 서냉시킨다. 냉각후에 실린더는 바라는 최종치수보다 0.012" 내지 0.025"가 작은 내부치수로 거칠게 구멍이 뚫어진다.

이어서, 실린더를 열처리한다. 실린더는 약 1038℃ 내지 1177℃(1900-2150℉)로 예열된 노에 배치되어 광학고온계로 측정한 외경온도가 약 1038℃(1900℉)에 이르게 되고, 이 온도에서 45분간 유지된다. 이어서 실린더를 스피너에 신속하게 옮기고 외경온도가 316℃에 이를 때까지 회전시킨다. 스피너상에서 냉각사이클동안에는 전형적으로 약 5분인 총 냉각시간의 처리사이클동안 바라는 냉각속도를 얻기 위해 수냉과 강제순환공냉이 이용된다. 외경이 약 316℃(600℉)에 이르면 스피너에서 제거하여 실온으로 서냉시킨다. 이어서, 실린더를 최정치수로 호오닝하여 기계가공한다.

냉각속도는 본 발명의 범위내에 또다른 뒷대기용 강재 및 라이너재료의 사용에 따라 다양해지는 것이다. 또한 실린더크기의 변화에 따라 냉각속도도 변화된다. 모든 경우에 열처리에 사용된 냉각속도는 합금라이너의 마텐사이트변태개시점보다 높은 온도에서 뒷대기용 강재의 베이나이트변태를 거의 완료시키기에 적합해야 한다. 그럼으로써, 본 발명의 라이너는 더욱 취성이 강한 마텐사이트 조직으로 변환되기전에 덧대기용 재료의 팽창을 흡수할 수 있다.

본 발명에 따라 만들어진 합성실린더는 사출성형공정에 사용시에 당면하게 되는 압력에 견디기 위한 부수적인 열처리 슬리브를 필요로 하지 않는다.

다음의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.

[실시예]

본 예에서 라이너는 상기에서 설명한 바와같이 원심주조법으로 제조되는 양호한 실시예이다.

[실시예1]

다음과 같은 조성을 갖는 합금을 4140강실린더내에 배치했다.

원심주조는 실린더를 외경온도 1321℃(2410℉)로 가열한 상태로 행해진다. 실린더는 바라는 최종내경 1.757" 보다 0.124"가 큰 치수로 미리 구멍이 뚫어진다. 이어서 합금이 실린더속에 주조되고 냉각된 후에 내경 1.747"×외경 3.85"×길이 32.500"의 치수로 거친 기계가공을 행한다. 공정중에 이 단계에서는 뒷대기용 강재와 라이너가 연하기 때문에 기계가공이 비교적 용이하다.

이어서, 실린더는 약 1149℃(2100℉)로 예열된 노에서 열처리된다. 실린더는 외경온도가 약 1038℃(1900℉)에 이르게 되며 이 온도에서 45분간 유지된다. 이어서 실린더는 원심스피너로 옮겨지고 외경온도가 약 316℃(600℉)에 이를 때까지 회전된다. 스피너상에서의 냉각사이클 동안에는 열처리사이클중에 바라는 냉각속도를 얻기위해 수냉 및 강제순환공냉이 사용된다. 외경이 약 316℃(600℉)에 이르면 스피너에서 제거하여 5시간에 걸쳐 실온으로 서냉시킨다.

실린더에서 뒷대기용 강재는 50 로크웰의 경도와 247,000psi의 항복강도 및 271,000psi의 인장강도를 갖는다. 내경 1.757"×외경 3.750"×길이 24"의 치수로 기계가공한 후에 튜브의 잔부에 대해 압력시험을 했다. 라이너재료는 85,600psi의 파손시의 후우프응력에 상당하는 55,000psi의 압력에 이를 때까지 균열되지 않았다. 최종조직에 대한 야금학적 평가는 열처리된 뒷대기용 강재는 거의 베이나이트 조직으로 변태되었고, 경질의 라이너는 1차 탄화물을 함유하는 마텐사이트 조직으로 거의 변태되었음을 보였다.

[실시예 2]

실린더는 후속열처리를 하지 않는 것을 제외하고는 실시예1과 같이 제조한다. 뒷대기용 강재는 단지 18 내지 20 로크웰의 경도와 약 60,000psi의 항복강도였으며, 라이너는 30,000psi 이하에서 균열되었다. 라이너의 경도는 단지 35 내지 45 로크웰이었다.

[실시예 3]

실린더는 라이너를 미합중국 특허 제3,658,515호(2단, 1 sowl 8 god)의 철-니켈-붕소 합금으로 한 것을 제외하고는 실시예1과 같이 제조한다. 뒷대기용 강재는 15 내지 18 로크웰 경도와 51,000psi항복강도였다. 라이너의 경도는 60 내지 62 로크웰의 범위였다.

실시예3의 실린더를 실시예1과 동일하게 열처리했다.

뒷대기용 강재의 경도는 35 내지 40 로크웰을 나타냈으나, 라이너는 라이너합금이 뒷대기용 부재, 즉, 외피가 베이나이트로 변태되는 온도와 거의 동일한 온도에서 취성이 강한 마텐사이트로 변환되기 때문에 균열이 발생했다.

상기한 바로부터 본 발명의 바이메틸실린더는 뒷대기용 강재가 마텐사이트로 변환됨과 함께 마텐사이트로 변환되는 라이너재료를 이용한 것에 비해 우수한 것이 명백하다.

이상 본 발명을 각종 실시예를 참조로하여 설명했지만, 본 기술분야의 숙련자들에게는 많은 다른 수정안 및 변경안이 자명할 것이다. 따라서 본 발명은 본원의 상세한 설명에 의해서 한정되지 않으며, 단지 첨부된 청구범위에 의해서만 한정된다.

Claims (8)

1. 고강도 바이메탈실린더를 제조하는 방법에 있어서, 내마모성 및 내식성이 큰 철합금라이너를 실린더에 부착시키는 단계와, 실린더에서 오스테나이트상을 형상하기에 충분한 온도로 가열하고 철재외부케이싱이 베이나이트 조직으로 변태되도록 실린더를 중간온도로 냉각시킨 다음에 철합금라이너가 마텐사이트 조직으로 변태되도록 실린더를 더욱 냉각시키는 열처리를 실린더에 행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 바이메탈실린더의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 바이메탈실린더의 내경을 열처리전에 보링하는 것을 특징으로 하는 고강도 바이메탈실린더의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 실린더의 뒷대기용 강재가 AISI 4140강인 것을 특징으로 하는 고강도 바이메탈실린더의 제조방법.
4. 제2항에 있어서, 철합금라이너의 조성은 2.5 내지 4.25중량 %의 탄소, 0.5 내지 1.50중량 %의 망간, 0.25 내지 1.25중량 %의 실리콘, 20 내지 35중량 %의 크롬, 0.13 내지 0.25중량 %의 니켈, 0.62 내지 1.00중량 %의 몰리브덴, 0.02 내지 0.04중량 %의 인, 0.02 내지 0.03중량 %의 황, 0.29 내지 0.40중량 %의 바나듐 및 100중량 %를 만들기 위한 철로된 잔부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도 바이메탈실린더의 제조방법.
5. 제2항에 있어서, 실린더를 외경온도가 약 816℃ 내지 1038℃(1500-1900℉)에 이르기까지 가열하고 이 온도에서 30 내지 90분 동안 유지시킨 후에 약 260℃ 내지 427℃(500-800℉)로 급냉시키고 이어서 실온에 이를 때까지 제어된 속도로 서냉시키는 것을 특징으로 하는 고강도 바이메탈실린더의 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 서냉속도가 시간당 약 10℃ 내지 66℃(50-150℉)인 것을 특징으로 하는 고강도 바이메탈실린더의 제조방법.
7. 제6항에 있어서, 급냉이 실린더 온도가 5분내에 약 260℃ 내지 427℃(500-800℉)까지 떨어지도록 수냉 및 강제순환공냉에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도 바이메탈실린더의 제조방법.
8. 제7항에 있어서, 라이너가 58 내지 65 로크웰경도를 갖는 마텐사이트 조직으로 변태되는 것을 특징으로 하는 고강도 바이메탈실린더의 제조방법.