KR20070011822A

KR20070011822A - 이종금속의 접합구조 및 접합방법

Info

Publication number: KR20070011822A
Application number: KR1020050066416A
Authority: KR
Inventors: 김기열
Original assignee: 주식회사 티엠시
Priority date: 2005-07-21
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2007-01-25

Abstract

접합성능을 향상시킬 수 있는 이종금속의 접합구조 및 접합방법을 개시한다. 부품 간의 마찰력을 저감할 수 있도록 각각의 부품이 접촉되는 접촉면 중 적어도 일측면에 라이닝재가 장착된 이종금속의 접합구조에 있어서, 다수개의 기공이 형성된 상태로 상기 부품이 접촉되는 모재면에 접합되는 라이닝재; 및 상기 라이닝재의 마찰력이 저감될 수 있도록 상기 모재에 접합된 상기 라이닝재의 기공에 침투되는 고체윤활제를 포함하는 구조로 형성됨으로써, 라이닝재와 모재 간의 접합계면에서 고용되지 않은 납 액상이 출현하지 않게 되므로 안정적인 접합을 이룰 수 있게 되어 접합력이 향상되는 것이다.

라이닝재, 실린더블록, 고체윤활제

Description

이종금속의 접합구조 및 접합방법{STRUCTURE FOR JOINING BETWEEN DIFFERENT MATERIALS AND METHOD THEREOF}

도 1은 종래 구조를 갖는 유압실린더블록을 부분적으로 단면하여 도시한 단면도,

도 2 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예인 이종금속의 접합구조를 단계적으로 도시한 상태도로써,

도 2는 이종금속의 접합구조를 이루는 라이닝재를 도시한 단면도,

도 3은 도 2에 도시된 라이닝재가 모재에 접합된 상태를 도시한 단면도,

도 4는 모재에 접합된 라이닝재에 고체윤활제가 침투된 상태를 도시한 단면도.

**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**

101 : 실린더블록 103 : 라이닝재

103a : 기공 104 : 고체윤활제

본 발명은 이종금속의 접합구조 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세 하게는 모재에 결합하는 소결체의 구조를 개선하여 접합력을 증가시킬 수 있도록 하는 이종금속의 접합구조 및 그 접합방법에 관한 것이다.

공업적으로 다양한 부분품의 제조 시에 서로 다른 성질을 가지는 이종금속을 접합해야 하는 경우가 많으며 그 중에서도 기계적인 접합방법이나 화학적인 접합방법 이상에 금속학적 접합방법으로는 주조 시에 이형금속을 주형에 넣고 주입하는 주조법과 각종의 용접법 등을 들 수 있다.

이러한 다양한 이종금속의 접합방법 중 유압모터, 유압펌프의 핵심부품으로 사용되는 실린더블록의 접합방법을 일예로 들어 설명하면, 도 1에 도시한 바와 같이 실린더블록(1)과 밸브플레이트(2)가 서로 접촉된 상태로 고속 고압의 회전운동을 함으로 유압을 형성하는 운동에너지를 얻게 된다.

상기와 같이 실린더블록(1)과 밸브플레이트(2) 사이에는 마찰을 최소화하기 위해 윤활성을 확보하는 것이 중요한 바, 이를 위해 일반적으로 실린더블록(1)과 밸브플레이트(2)의 각 접촉면중 적어도 일측의 접촉면에 윤활성이 뛰어난 고체윤활제가 포함된 동합금재질의 라이닝재(1a)를 접합하여 사용한다. 라이닝재(1a)에 포함되는 고체윤활제는 납(Pb), 이황화몰리브덴(MoS₂), 이황화텅스텐(WS₂) 중의 어느 한 성분으로 이루어지며, 오일, 그리이스와 같은 타 윤활제에 비해 건성윤활제로써 피막수명이 길고 액상윤활제가 도달하기 힘든 부분의 윤활작용과 먼지가 묻지 않고 오염이 되지 않기 때문에 최근 그 수요가 급증하고 있다.

그리고 실린더블록(1)에 라이닝재(1a)를 접합하는 방법으로는 종래에 주조접합법 및 확산접합법 등이 있다.

상기 주조접합법은 예열된 철합금의 모재인 실린더블록(1)에 용융된 동합금재질인 라이닝재(1a)를 부어서 제작하거나, 라이닝재(1a)를 미리 가공된 실린더블록(1)에 놓고 가열하여 용융상태로 만들어 제작하는 방법이 있다. 이러한 주조접합법은 생산비용이 저렴하여 선호되는 접합방법이지만, 라이닝재(1a)인 동합금재질의 조성을 제어하기가 어렵고 동합금재질에 고용되지 않는 납(Pb) 합금 등의 편석이 발생하며, 또한 접합계면에 납이 용융되어 존재하게 되므로 접합성이 떨어지는 문제점이 있어 밸브플레이트(2)와 실린더블록(1) 사이에 마찰력이 낮은 경우에만 한정적으로 사용되는 한계가 있다.

한편, 확산접합법은 모재인 실린더블록(1)과 접합재인 라이닝재(1a)를 밀착시켜 실린더블록(1)의 융점이하 조건으로 소성변형이 발생하지 않을 정도로 가압해서 접합면간에 발생하는 확산을 이용하여 접합하는 방법으로, 일정한 수준이상의 접합력을 얻기 위해서는 접합하려는 실린더블록(1)과 라이닝재(1a)가 밀착하도록 가공하여야 하고, 가압하여야하므로 제작상의 어려움이 있어, 양산공정에 적용하기에는 문제점이 있다.

그리고 또 다른 방법으로 사용되는 소결접합법은 조성의 제어가 용이하고, 형상에 따른 영향을 비교적 적게 받는 장점이 있으나, 역시 접합면에 납 등의 용융에 의한 접합성이 떨어지는 문제가 있어, 접합안정성이 낮고, 공정 도중에 일정한 형상을 만들어 주고 소결밀도를 올리기 위하여 가압을 하여야 하는 등의 문제점이 있다.

상기와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 동합금재질로 이루어진 라이닝재의 구조를 개선하여 라이닝재의 고체윤활제에 의해 발생되는 저온에서의 용융에 의한 접합성 저하를 방지하여 접합력을 향상시켜 접합의 안정성을 유지할 수 있도록 함과 동시에 균일한 합금조성을 이룰 수 있도록 하는 이종금속의 접합구조 및 그 접합방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 이종금속의 접합구조는 부품 간의 마찰력을 저감할 수 있도록 각각의 부품이 접촉되는 접촉면 중 적어도 일측면에 라이닝재가 장착된 이종금속의 접합구조에 있어서, 다수개의 기공이 형성된 상태로 상기 부품이 접촉되는 모재면에 접합되는 라이닝재; 및 상기 라이닝재의 마찰력이 저감될 수 있도록 상기 모재에 접합된 상기 라이닝재의 기공에 침투되는 고체윤활제를 포함하는 구조로 이루어짐으로써, 상기 라이닝재를 상기 모재에 접합 시 납 액상이 출현하지 않도록 하여 결합력이 향상될 수 있도록 한 것이다.

상기와 같이 본 발명의 목적을 달성하기 위한 이종금속의 접합방법은 구리 및 주석을 포함하는 동합금 분말을 이용하여 다수의 기공이 형성된 다공질 소결체인 라이닝재를 제조하는 제조단계; 상기 라이닝재를 마찰력을 저감하고자 하는 모재에 열을 가하여 접합하는 접합단계; 및 접합이 완료된 상기 라이닝재의 기공 내부에 미끄럼성이 우수하여 마찰력을 저감시키는 고체윤활제를 침투시키는 침투단계;를 순차적으로 실시하여 상기 라이닝재를 상기 모재에 접합하는 접합단계에서 접합면에 납 액상이 출현하지 않도록 하여 결합력이 저하되는 것을 방지할 수 있도 록 한 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예인 이종금속의 접합구조 및 접합방법을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예인 이종금속의 접합구조를 단계적으로 도시한 상태도로써, 도 2는 이종금속의 접합구조를 이루는 라이닝재를 도시한 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 라이닝재가 모재에 접합된 상태를 도시한 단면도이고, 도 4는 모재에 접합된 라이닝재에 고체윤활제가 침투된 상태를 도시한 단면도이다.

도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 일 실시예인 이종금속의 접합구조는 서로 접촉된 상태로 고속 고압의 회전운동을 하는 부품인 실린더블록(101)과 밸브플레이트(102)의 각 접촉면중 적어도 일측의 접촉면에 동합급재질의 라이닝재(103)가 접합된다.

상기 라이닝재(103)에는 다수개의 기공(103a)이 형성된 상태로 실린더블록(101)의 접합되고, 접합이 완료된 라이닝재(103)의 기공(103a) 내부에는 윤활성이 뛰어난 고체윤활제(103a)를 침투시킨다.

상기 고체윤활제(103a)는 납(Pb), 이황화몰리브덴(MoS₂), 이황화텅스텐(WS₂) 중의 어느 한 성분으로 이루어지며, 오일, 그리이스와 같은 타 윤활제에 비해 건성윤활제로써 피막수명이 길고 액상윤활제가 도달하기 힘든 부분의 윤활작용과 먼지가 묻지 않고 오염이 되지 않는 특성이 있다.

상기와 같이 구성된 이종금속의 접합방법은 다음과 같다.

도 2에 도시한 바와 같이 80~95 퍼센트의 구리(Cu)와 5~20 퍼센트의 주석(Sn)이 함유된 동합금 분말을 소결하여 다수개의 기공(103a)이 형성된 다공질의 소결체인 라이닝재(103)를 제조하는 제조단계와, 도 3에 도시한 바와 같이 라이닝재(103)를 모재인 실린더블록(101)에 접합하는 접합단계와, 도 4에 도시한 바와 같이 접합이 완료된 라이닝재(103)의 기공(103a) 내부에 고체윤활제(104)를 침투시키는 침투단계를 순차적으로 실시하여 이종금속인 라이닝재(103)와 실린더블록(101)을 접합하게 되는 것이다.

도 2에 도시한 바와 같이 상기 제조단계는 원하는 조성의 분말을 혼합하고 이를 금형에 넣고 성형을 한 후 일정 온도에서 소결을 진행함으로써 라이닝재를 얻을 수 있다.

도 3에 도시한 바와 같이 상기 접합단계는 라이닝재(103)를 모재인 실린더 블록(101)위에 위치시키고, 형상을 고정을 위하여 목적하는 형상으로 제조된 흑연지그를 라이닝재(103) 위에 위치시켜 조립체를 형성하는 조립단계를 거치고, 상기 조립체를 비산화성 진공분위기 혹은 환원성 분위기의 노에 장입한 후, 라이닝재(101)의 고상선온도보다 높고 액상선과 고상선 중간온도보다 낮은 온도의 범위인 온도에서 1~2시간동안 가열하여 라이닝재(103)에 기공(103a)이 형성된 상태로 접합한다.

상기와 같이 라이닝재(103)와 실린더블록(101)을 서로 접합하는 경우, 노의 분위기는 환원성 분위기 혹은 진공분위기가 되어야 하며, 이는 동합금의 소결체인 라이닝재(103) 또는 철계합금 모재인 실린더블록(101)의 표면에 형성된 산화피막이 접합을 방해하므로 로의 분위기를 통해 라이닝재(103) 표면의 산화피막을 제거한다.

또한, 접합단계에서 고려되어야할 사항은 구리 및 주석으로 이루어지는 라이닝재(103)에서 액상선 온도는 1020 ℃ 정도이며 고상선의 온도는 840 ℃ 정도로서, 중간온도인 930?? 이상이 되면 액상이 과다 출현하여 라이닝재(103) 내에 형성된 기공(103a)으로 액상이 침투하게 되므로 접합한 이후 고체윤활제(104)의 침투를 행할 수 없게 된다. 그리고 840 ℃ 이하의 온도에서 접합을 행하게 되면 라이닝재(103)와 실린더블록(101) 사이에 고상확산만이 발생하므로 원하는 접착력을 얻을 수 없게 된다.

도 4에 도시한 바와 같이 상기 침투단계는 실린더블록(101)에 접합된 라이닝재(103)의 기공(103a) 내부에 진공분위기에서 고체윤활제(104)를 침투시키는 것으로서, 상기 고체윤활제(104)는 납(Pb), 이황화몰리브덴(MoS₂), 이황화텅스텐(WS₂) 등으로 이루어지며, 각 성분마다 이종금속의 접합방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 고체윤활제(104)가 납(Pb)인 경우에는 구리 80~95퍼센트, 주석 5~20퍼센트로 조성된 청동분말을 이용하여 스펀지 형태의 소결체인 라이닝재(103)를 접합할 모재인 실린더블록(101)의 표면형상과 동일하게 제조한 후, 제조된 라이닝재(103)를 모재인 실린더블록(101)의 표면에 위치시킨 후 목적하는 형상으로 제조된 흑연지그를 그 위에 위치시키고, 1~50 bar의 압력으로 가압하여 조립체를 형성한다. 이때 상기 가압단계를 생략될 수도 있다.

그리고 상기 조립체를 질소와 수소를 혼합한 환원성 분위기의 노에 장입하고 840~930 ℃ 까지 온도를 서서히 올려 1~2 시간 유지시킨 후, 노냉 혹은 공냉하여 라이닝재(103)와 실린더블록(101)을 접합한다.

실린더블록(101)에 접합된 라이닝재(103)에는 다수개의 기공(103a)이 형성된 상태를 유지하고, 이렇게 접합된 접합체를 진공분위기에서 납을 용융하여 용침을 행하고, 라이닝재(103)의 전체 무게에 대비하여 약 0.1~20퍼센트 정도의 납을 기공(103a) 내부에 침투시킨다.

이와 같이 제조된 이종금속인 라이닝재(103)와 실린더블록(101)의 조직은 접합면에 기공이 발생하지 않으며 라이닝재(103) 내부에 납이 침투된 상태를 유지하게 되는 것이다.

상기 고체윤활제(104)가 납(Pb)인 또 다른 경우에는 구리80~95퍼센트, 주석 5~20퍼센트로 조성된 청동분말을 이용하여 스펀지 형태의 소결체인 라이닝재(103)를 접합할 모재인 실린더블록(101)의 표면형상과 동일하게 제조한 후, 제조된 라이닝재(103)를 구상흑연주철로 된 모재인 실린더블록(101)의 표면에 위치시킨 후 목적하는 형상으로 제조된 흑연지그를 그 위에 위치시켜 조립체를 형성한다.

실린더블록(101)에 접합된 라이닝재(103)에는 다수개의 기공(103a)이 형성된 상태를 유지하고, 이렇게 접합된 접합체를 진공분위기에서 납을 용융하여 용침을 행하고, 라이닝재(103)의 전체 무게에 대비하여 약 0.1~20 퍼센트 정도의 납을 기공(103a)에 침투시킨다.

이와같이 제조된 이종금속인 라이닝재(103)와 실린더블록(101)의 조직은 접합면에 기공이 발생하지 않으며 라이닝재(103) 내부에 납이 침투된 상태를 유지하게 되는 것이다.

상기 고체윤활제(104)가 이황화몰리브덴(MoS₂)인 경우에는 구리80~95퍼센트, 주석 5~20퍼센트로 조성된 청동분말을 이용하여 스펀지 형태의 소결체인 라이닝재(103)를 접합할 모재인 실린더블록(101)의 표면형상과 동일하게 제조한 후, 제조된 라이닝재(103)를 구상흑연주철로 된 모재인 실린더블록(101)의 표면에 위치시킨 후 목적하는 형상으로 제조된 흑연지그를 그 위에 위치시켜 조립체를 형성한다.

실린더블록(101)에 접합된 라이닝재(103)에는 다수개의 기공(103a)이 형성된 상태를 유지하고, 이렇게 접합된 접합체를 분무 스프레이를 이용하여 이황화몰리브덴을 라이닝재(103)의 전체 무게에 대비하여 약 0.1~20 퍼센트 정도의 기공(103a) 내에 침투시킨다.

이와같이 제조된 이종금속인 라이닝재(103)와 실린더블록(101)의 조직은 접합면에 기공이 발생하지 않으며 라이닝재(103) 내부에 이황화 몰리브덴이 침투된 상태를 유지하게 되는 것이다.

또한, 고체윤활제(104)가 이황화 텅스텐(WS₂인 경우에는 상기 이황화몰리드덴 대신 이황화텅스텐을 사용하는 것이 다를 뿐 이황화몰리브덴의 제조방법과 동일한다.

이와 같이 본 발명의 바람직한 일 실시예인 이종금속의 접합구조 및 접합방법은 다공질의 소결체로 이루어진 라이닝재(103)를 스틸모재로 이루어진 실린더블록(101)에 접합한 후, 접합이 완료된 라이닝재(103)의 내부에 형성된 기공(103a)에 고체윤활제(104)를 침투시킴으로써, 접합계면에서 고용되지 않은 납 액상이 출현하지 않게 되므로 안정적인 접합을 이룰 수 있게 되는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 바람직한 일 실시예인 이종금속의 접합구조 및 접합방법은 다공질의 소결체로 이루어진 라이닝재를 실린더블록에 접합한 후, 기공이 형성된 상태로 접합이 완료된 라이닝재의 기공 내부에 고체윤활제를 침투시킴으로써, 접합계면에 고용되지 않은 납 액상이 출현하는 것을 방지하여 접합력을 향상시킴과 동시에 접합의 안정성을 이루고 균일한 합금조성을 이룰 수 있게 되어 접합성능이 향상되는 효과가 있다.

Claims

부품 간의 마찰력을 저감할 수 있도록 각각의 부품이 접촉되는 접촉면 중 적어도 일측면에 라이닝재가 장착된 이종금속의 접합구조에 있어서,

다수개의 기공이 형성된 상태로 상기 부품이 접촉되는 모재면에 접합되는 라이닝재; 및

상기 라이닝재의 마찰력이 저감될 수 있도록 상기 모재에 접합된 상기 라이닝재의 기공에 침투되는 고체윤활제를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종금속의 접합구조.
제 1항에 있어서, 상기 고체윤활제는 납, 이황화몰리브덴 및 이황화텅스텐으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 성분을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 이종금속의 접합구조.
제 1항 및 제 2항에 있어서, 상기 라이닝재는 원하는 조성의 분말을 혼합하고 이를 금형에 넣고 성형을 한 후, 일정온도에서 소결을 진행하여 기공이 형성되는 것을 특징으로 하는 이종금속의 결합구조.
구리 및 주석을 포함하는 동합금 분말을 이용하여 다수의 기공이 형성된 다공질 소결체인 라이닝재를 제조하는 제조단계;

상기 라이닝재를 마찰력을 저감하고자 하는 모재에 열을 가하여 접합하는 접합단계; 및

접합이 완료된 상기 라이닝재의 기공 내부에 미끄럼성이 우수하여 마찰력을 저감시키는 고체윤활제를 침투시키는 침투단계;를 순차적으로 실시하여 상기 라이닝재와 상기 모재간의 접합력을 향상시키는 것을 특징으로 하는 이종금속의 접합방법.
제 4항에 있어서, 상기 제조단계는 구리가 80~95 퍼센트 함유되고, 주석이 5~20 퍼센트 비율로 포함된 동합금 분말을 사용하고, 상기 분말을 혼합한 후 이를 금형에 넣고 성형을 한 후 일정 온도에서 소결을 진행하여 상기 라이닝재를 제조하는 것을 특징으로 하는 이종금속의 접합방법.
제 4항에 있어서, 상기 접합단계는 상기 라이닝재와 상기 철계 모재와 흑연지그의 조립체를 비산화성 진공분위기 혹은 환원성분위기의 노에서, 상기 라이닝재의 고상선온도 이상으로부터 액상선과 고상선 중간의 온도이하까지의 온도에서 1~2시간동안 가열하여 상기 라이닝재의 기공이 형성되어 있는 상태로 접합하는 것을 특징으로 하는 이종금속의 접합단계.
제 6항에 있어서, 상기 노 내의 온도는 840에서 930도의 온도 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 이종금속의 접합방법.
제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 접합단계는 상기 라이닝재를 상기 모재위에 위치시키고 흑연지그를 위치시켜 조립체를 형성하는 조립단계; 및

상기 라이닝재와 상기 철계 모재와 상기 흑연지그의 조립체를 가압하는 가압단계가 포함되는 것을 특징으로 하는 이종금속의 접합방법.