KR20020033611A - 표면-합금화된 원통형, 부분 원통형 또는 속이빈 구조 부재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 알루미늄 매트릭스 주조 합금, 및 석출된 경질 화합물상을 갖는 알루미늄 기본 합금을 포함하며 구조 부재의 상부 표면까지 연장된 석출 영역으로 구성되는 실리콘 합금된 원통형, 부분 원통형 또는 속이빈 원통형 구조 부재를 개시하며, 상기 매트릭스와 상기 석출 영역 사이에는, (이하 변태 영역으로 일컬어지는) 초정 경질 화합물상에 의해 과포화되는 공정 영역이 있으며, 상기 매트릭스로부터 상기 구조 부재의 표면까지의 경도 증가는 계단식으로 이루어진다.
Description
원통형 벽들의 내부 베어링 표면들을 코팅하는 방법은 DE-OS 198 17 091호에 개시되어 있다. 청구항 1에 따르면, 표면 상에서 나선형으로 이동하는 방사 지점을 갖는 에너지 빔이, 고정된 위치에 유지되는 광금속 엔진 블록에 대하여 이동하는 실리콘 파우더의 연속적인 공급하기 위해 프로브를 이용함으로써, 내마모(wear-resistant) 표면들이 광금속 엔진 블록들의 내부 피스톤 베어링 표면들 상에 제조된다. 약 2㎾의 레이저 광파워 및 약 0.5 내지 2mm의 방사 지점 직경에서, 분당 약 10g의 파우더가 표면에 적용되어 합금된다. 이러한 수단을 이용하여, 20 내지 50%의 경질 물질 성분이 약 1mm의 투과 깊이에서 표면 내에 합금화될 수 있게 된다.
또한, 공급 방향을 가로질러 적어도 2mm의 스트립 폭을 갖는 레이저 빔이, 고정 위치에 유지되는 광금속 매트릭스 표면 상으로 안내되는 광금속 원통형 블록제조 방법을 개발하고자 하는 시도가 이루어졌다. 이러한 경우, 파우더는 먼저 광금속 매트릭스 표면 상의 레이저 빔이 입사되는 지점에서 용융점까지 가열된 다음 그 내부에서 확산된다. 매트릭스 합금 내에서 150 내지 650㎛의 평균 층 두께가 바람직한 것으로 주어지는 합금 영역 내에 초정 실리콘(primary silicon)이 형성된다. 레이저 광파워는 바람직하게는 3 내지 4㎾이며, 여기에서는 또한 선형 초점 시스템이 이용된다.
상기 설명된 방법에 의해 얻을 수 있는 구조는 1 내지 10㎛의 평균 입자 직경을 갖는 라운드 입자들을 나타내는, 초정 실리콘 석출물을 포함하는 미세하게 분산된 표면층을 갖는 광금속 매트릭스 합금으로 구성된다. 또한, 순수한 알루미늄 상에 부가하여, 표면층은 또한 10 내지 14%의 AlSi 공정 및 5 내지 20%의 초정 실리콘을 포함하며, 여기서 최소 경도는 대략 160HV이다.
특정한 적용을 위해서는 열 쇼크에 영향을 받지 않는 구조 부재들이 필요하다. 이는 매우 비싼 처리 방법을 이용하는 지금까지 알려진 제조 방법들에 의해서만 이루어질 수 있다. 이러한 무거운 임무를 갖는 구조 부재에 대한 특성은 매트릭스로부터 표면층까지 경도가 천천히 증가되며, 상기 표면층에서의 총 경도 증가는 매트릭스 합금의 초기 경도의 200%의 범위로 증가되어야 한다.
본 발명은 표면-합금된 원통형, 부분 원통형 또는 속이빈 원통형 구조 부재에 관한 것으로서, 이는 알루미늄 매트릭스 주조 합금, 및 석출된 경질 상태를 갖는 알루미늄 기본 합금을 포함하며 구조 부재의 표면까지 연장된 석출 영역으로 구성된다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 세 개의 영역들을 갖는 표면-합금된 구조 부재의 단면도이다.
도 2는 도 1의 Y 좌표를 따른 경도 프로파일이다.
본 발명의 목적은 새로운 미세조직 특성들 및 표면 근처에서의 재료 변화를 갖는, 마찰학적으로 최적화된 열처리가능한 원통형 블랭크들을 개발하는 것이다. 새로운 마이크로-구조적인 특성들 및 표면 근처에서의 물질 변경은 특히, 주조 블랭크를 진동, 가령 예를 들어 왕복 장치의 베어링 박스들의 베어링 표면들, 브레이크 부분들의 마모 표면들, 및 모든 타입의 슬라이딩 및 마찰 표면들에 노출되는 구조 부재로서 이용할 수 있도록 해야 한다.
상기 목적은 청구항들에서 규정되는 본 발명의 특성에 의해 달성된다. 매트릭스, 석출 영역 및 주요 경질 상태에 의해 과포화되는 공정 변태 영역을 포함하는 본 발명에 따른 구조를 이용하게 되면, 특별히 유익한 특성들을 갖는 밸브 시트 링들을 포함하는 엔진 블록들 및 원통형 헤드들 뿐 아니라, 가령 예를 들어 슬라이딩 표면들(크랭크샤프트), 마찰 표면들(브레이크 디스크들)과 같은 마모 표면들을 갖는 다양한 구조 부재를 제조할 수 있게 된다. 상기 특성들은 매트릭스로부터 표면층까지의 느린 경도 증가에 의해 특징지어진다. 이러한 특성들은 예정된 구조 부재이며, 이에 따라 열쇼크에 영향을 받지 않는 구조 부재들을 필요로 하는 적용들에 대하여 설비된다.
코팅층에는 다른 타입의 합금들이 이용될 수 있다. 파우더는 적절한 형태의 파우더 슬릿 노즐들을 통하여 단일단(단일 파우더 조사) 또는 여러 단들(몇번의 파우더 조사)에서 워크피스(workpiece)의 표면에 적용될 수 있다. 선형 초점 폭은 적어도 4mm, 바람직하게는 5 내지 15mm이다.
실리콘이 파우더 배출구로 공급되는 단일단의 파우더 공급장치에 대한 워크피스로는 AlSiCuNi와 Mg-함유 Al 합금들 뿐 아니라 AlSi와 AlSiCu의 합금들이 적절하다. 2 단의 파우더 공급장치에 대하여, 실리콘 뿐 아니라 납도 알루미늄-실리콘 주조 블랭크에 대한 파우더 물질로서 적용될 수 있다.
이제, 본 발명은 경질 재료 파우더로서 실리콘을 이용하는 두 개의 예시적인 실시예에 관련하여 좀 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 세 개의 영역들, 즉 알루미늄 매트릭스(1), 변태 영역(2) 및 석출 영역(3)을 구비하는 구조 부재의 단면도를 도시한다. 석출 영역(3) 내에서, 주로 HV>250을 갖는 경질 표면에 경질 물질로 된 많은 미세 입자들이 야기된다. 구조 부재의 표면(4)은, 예를 들어 피스톤들을 위한 베어링 표면, 샤프트 또는 베어링 부분들을 형성할 수 있으며, 깨끗한 기계 처리에 의해 사용 준비 상태가 된다.
변태 영역(2)에는, 균일한 회색 색깔을 보이는 균질의 과포화된 알루미늄-실리콘 주조 구조가 있다. 표면 상으로 전달된 에너지 빔의 열 유입은 여기까지 도달되며 용융 부(front)를 형성한다.
표면을 합금하는 동안 구조 부재에 공급되는 열은 매트릭스(1)를 통하여 제거된다. 열 균형은 공급 속도, 에너지 제어 및 냉각 측정에 의해 영향을 받을 수 있다.
도 2는 구조 부재의 표면 영역 내에서 본 발명에 따라 제조된 구조 부재의경도 프로파일을 보여준다. 본 경우에 있어서, 경도는 매트릭스 내에서 100HV에서 시작되어 최대 240HV의 값까지 계단식으로 증가된다. 개선된 열 쇼크 반응은 이러한 경도 프로파일에 관련된다.
Si-합금된 초정 실리콘의 경질 상태 영역은 탄력있는 연화제 매트릭스 합금 상에서 보호된다.
실리콘-합금된 원통형 또는 부분 원통형의 구조 부재를 제조하는 방법은 먼저, (선형 초점으로도 일컬어지는) 선형 방사 영역을 갖는 에너지 빔을 워크피스 표면 상에 가하는 단계를 포함한다. 이에 의해 워크피스 표면은 용융되며, 경질 물질 또는 합금 파우더가 용융된 표면 내로 공급된다.
에너지 빔이 입사된 영역에는, 가열 및 용융 프론트, 용액 영역 또는 재용융 영역 및 응고 부를 갖는 국부적으로 결합된 용융 조(bath)가 형성된다. 워크피스 표면으로 공급된 파우더는 가열 부에서 용융되며 용융 조 내에 담궈진다. 780 내지 940nm의 파장에서 에너지 빔 결합이 최적화됨으로써, 파우더가 급속하게 가열되어 액화 매트릭스 합금과 컨택하는 용융 조 내로 확산된다는 것이 테스트에 의해 입증되었다.
용해 영역내에서 대류가 발생하여, 용융 영역 내에서의 균질화 공정이 가속화된다. 이는 적어도 105W/cm2의 특정 파우더를 갖는 에너지 빔에 의해 가능해진다.경질 물질 또는 용융 조 내의 합금 파우더는 단지 선형 초점이 용해 영역 내에서 충분히 긴 시간 동안 실행되는 경우에만 균일하게 분배된다는 것을, 완성된 부분들로부터 알 수 있다. 정확한 값들은 실험에 의해 결정될 수 있다.
응결 영역에서, 균일하게 분배된 파우더 물질은 응결 부 내에서 200 내지 600K/sec의 냉각 속도로 방향적으로 응결되는 경향이 있으며, 상기 응결 부에서의 공급 속도는 500 내지 5,000m/min이다. 유익한 변형에서, 파우더는 가스 흐름을 통하여 구조 부재의 표면으로 전달되어, 특정량의 파우더가 운동 에너지에의해 용융 영역 내로 투과될 수 있게 한다.
다른 테스트들은 에너지 빔이 바람직하게는 입사 영역 앞에서 분할되며, 상기 입사 영역에서 제 1 부분 빔은 가열 및 용융 영역 내로 편향되고 제 2 부분 빔은 열 구조적인 처리를 위하여 응결 부 뒤에서 편향된다는 것을 입증하였다. 구조의 형성은 본 방법에 의해 특별히 제어될 수 있다.
미세조직의 다른 제어는 응결 프론트 내에서 < 1kW/cm2의 규정 파워에서 워크피스의 표면 상에 에너지 빔을 간헐적으로 가함으로써 달성될 수 있다. 경질 물질 또는 금속간 화합물상을 용해하고 균일적으로 분배하기 위한 용융 조 내에서의 에너지 빔의 실행 시간은 0.02 내지 1초 사이임을 발견하였다.
상기 요구조건들은 조정가능한 선형 초점 폭을 갖는 a>3kW 다이오드 레이저에 의해 충족된다. 이를 이용함으로써, 코팅을 시작하기 전에 그리고 코팅의 끝에서, 에너지 빔의 선형 초점 폭이 공급 방향을 가로질러 감소될 수 있게 된다. 전력량 또한 유사하게 제어됨으로써, 이후의 표면 처리 동안, 파우더 또는 입사되는 에너지의 공급량 중에서 단지 적은 양만이 중복된다.
워크피스가 속이빈 원통으로 구성된다면, 이는 바람직하게는 회전 방향에 대하여 고정 위치에 유지되는 에너지 빔이 평탄한 합금 영역을 형성하기 위하여 회전축의 방향으로 회전하는 동안 공급 방향이 연속적일 수 있도록, 아래(downhand) 위치에서 에너지 빔에 대하여 회전해야 한다.
본 발명을 이용하여 표면-합금된 원통형, 부분 원통형 또는 속이빈 원통형 구조 부재들이 제조될 수 있다. 이들은 알루미늄 매트릭스 코팅 합금, 및 석출된 경질 화합물상들을 갖는 알루미늄 기본 합금을 포함하며 구조 부재의 표면까지 연장된 석출 영역으로 구성된다. 매트릭스와 석출 영역 사이에는, 초정 경질 화합물상들(과포화 영역)에 의해 과포화된 공정 영역이 있으며, 여기에서 경도는 매트릭스로부터 구조 부재의 표면까지 계단식으로 증가한다. 매트릭스 합금이 과공정 (hypoeutectic) 타입의 AlSiCu이며, 과포화된 공정 변태 영역 내에 1μ보다 작은 정밀 석출된 초정 실리콘 화합물상을 갖는 AlSi 타입의 합금이 있는 반면, 석출 영역 내에는 2 내지 20μ의 초정 실리콘 화합물상들이 있는 경우, 특별히 유리한 조건들을 얻을 수 있다. 여기에서 구조 부재의 표면까지의 경도 증가는 적어도 200%이다.
본 발명에 따른 석출 영역과 변태 영역 간의 구조 부재의 층 두께비는 알루미늄 매트릭스의 방향에서 구조 부재의 표면으로부터 측정되어 2:1 이상이다. 이 영역 내의 구조 부재의 표면과 매트릭스 간의 경도 증가는 1:1.5:2 내지 1:2:3로 얻어질 수 있다.
Claims (6)
- 알루미늄 매트릭스 주조 합금, 및 석출된 경질 화합물상을 갖는 알루미늄기 합금을 포함하며 구조 부재의 상부 표면까지 연장된 석출 영역으로 구성되는 실리콘 합금화된 원통형, 부분 원통형 또는 속이빈 원통형 구조 부재에 있어서,상기 매트릭스와 상기 석출 영역 사이에는, (이하 변태 영역으로 일컬어지는) 초정 경질 화합물상에 의해 과포화되는 공정 영역이 있으며, 상기 매트릭스로부터 상기 구조 부재의 표면까지의 경도 증가는 계단식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 합금된 원통형, 부분 원통형 또는 속이빈 원통형 구조 부재.
- 제 1 항에 있어서, 알루미늄 원통형 블록을 제조하기 위하여, 상기 매트릭스 합금은 과공정 타입의 AlSiCu 또는 AlSiMg이며, 상기 과포화된 공정 변태 영역 내에는 <1μ의 정밀 석출된 초정 실리콘 화합물상을 갖는 AlSi 타입의 합금이 있고, 상기 석출 영역 내에는 2 내지 20μ의 초정 실리콘 화합물상들이 있으며, 여기에서 구조 부재의 표면까지의 경도 증가는 200% 이상인 것을 특징으로 하는 구조 부재.
- 제 1 항에 있어서, 슬라이딩 및 마찰 표면들을 갖는 브레이크 부분들을 제조하기 위하여, 표면층 내에는, 순수한 알루미늄 화합물상 뿐 아니라 10 내지 14%의 AlSi 공정혼합물 및 5 내지 20%의 초정 실리콘이 있는 것을 특징으로 하는 구조 부재.
- 제 1 항에 있어서, 진동에 노출되는 구조 부재들을 제조하기 위하여, 160 내지 240HV의 경도를 갖는 초정 실리콘을 포함하는 표면 경질 물질들 상에 삽입되는 것을 특징으로 하는 구조 부재.
- 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 석출 영역과 상기 변태 영역 간에 알루미늄 매트릭스의 방향으로 상기 구조 부재의 표면으로부터 측정된 층의 두께비는 2:1 이상인 것을 특징으로 하는 구조 부재.
- 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매트릭스와 상기 구조 부재의 표면 간의 경도 증가는 계단식으로 이루어지며, 여기서 상기 매트릭스, 상기 변태 영역 및 상기 석출 영역 내에서의 경도 증가는 1:1.5:2 내지 1:2:3이고, 상기 구조 부재의 표면에서의 최종 경도는 200HV 이상인 것을 특징으로 하는 구조 부재.
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