KR960015802B1 - 할로우형 실린더의 이종금속 접합방법 - Google Patents

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Description

할로우형 실린더의 이종금속 접합방법

제1도는 할로우형 실린더의 이종금속 접합상태를 도시한 종단면도

제2도는 일반적인 주조에 의한 접합 방법을 도시한 개략도

제3도는 본 발명의 주조에 의한 접합 방법을 도시한 개략도

제4도는 본 발명에 의한 이종금속 접합체의 단면사진

제5도는 단순 노냉에 의한 이종금속 접합체의 단면사진

제6도는 접합강도 시험 방법 및 시험편의 개략도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 본체 2 : 접합재

3 : 보온 또는 단열재 4 : 접합강도 시험지그

5 : 가압지그

본 발명은 이종금속재료의 주조에 의한 접합방법에 관한 것으로, 특히 할로우형(中空形) 실린더류의 접합시 용융되는 접합재의 최종 응고점을 급냉방법 대신에 오히려 보온 또는 단열을 이용해 방향성 응고를 이루게 하며 접합하는 할로우형 실린더의 이종금속 접합방법에 관한 것이다.

일반적으로 행해지는 그림 1과 같은 할로우형 실린더의 접합은 주조에 의한 접합이나 압압방식 또는 확산 접합법을 사용하기도 한다.

압압방식은 실질적인 야금학적 접합방법이 아닌 기계적인 응력에 의해 접합재를 본체내면에서 단순히 접촉시킨 상태로서 앞서 언급된 접합방법중 접합강도가 가장 낮으므로 할로우 내부에서 고속, 고하중의 피스톤이 왕복운동하는 부품 등에서는 접합재가 쉽게 떨어져 나갈 수 있다.

한편, 확산접합방법은 접합하려는 두 접합재의 열팽창차를 이용하여 접합해야 하므로 접합재의 선정이 까다로우며, 접합면의 조도 및 청정도 관리가 엄격하며 접합공정이 길어 코스트가 상승된다.

주조에 의한 접합법은 할로우형 실린더류의 접합법으로 가장 많이 사용되는 접합법으로 원심주조법, ESR(Electro Slag Remelting)법등이 사용된다.

원심주조법은 주조에 의한 접합법중 오래전부터 가장 많이 사용되는 접합법으로 금속산화물과 개재물을 비중차에 의하여 분리시키며 방향성 응고를 시킬 수 있는 장점이 있으나, 할로우가 2개 이상이 될 경우에는 원심주조에 의한 접합은 거의 불가능한 단점이 있다.

ESR법은 최근 주목받는 접합법으로서 재용해하려는 비철재를 소모전극으로 하여 용융슬래그 중에 그 선단부를 놓고 통전시켜 슬래그의 쥬울(Joule)발열을 이용하여 순차적으로 용해, 접합하는 방법이다.

ESR법은 슬래그의 보호하에 정련된 청정한 액체금속이 적층응고하는 반면, 슬래그의 선택과 전처리에 유의해야 하며, 전류·전압·전극 송급속도 등의 제어 파라메타가 많고, 그들을 제어할 특수장치가 별도로 필요한 단점이 있다. 이외에 일반적인 주조에 의한 접합법은 공통적으로 용융금속의 방향성 응고를 위해서는 특수한 강제 냉각설비가 필요하다.

방향성 응고는 주조에 의한 접합방법에서 매우 중요한 요소이다. 일반적으로 주물의 응고에서 각종 불순물 및 개스기공이나 수축결함등이 최종 응고점에서 발생되므로 접합면에서 필히 최종 응고점을 피해야 할 필요가 있기 때문이다. 방향성 응고를 이루는 방법으로 가장 많이 사용되는 방법은 그림 2와 같이 접합체의 외부에서 냉각수를 뿜어주는 냉각설비를 별도로 설치하여 접합하고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 상술한 종래의 방법에서 나타나는 각종 문제점을 해결하고 충분한 경제성을 발휘하여 신뢰성 있는 접합부를 얻을 수 있는 할로우형 실린더의 이종금속 접합방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 할로우형 실린더의 주조에 의한 접합에 있어서 방향성 응고를 이루기 위해 일반적으로 행해지는 급냉법 대신에 오히려 보온 또는 단열을 이용해 최종 응고점을 형성시키는 접합법이다. 본 발명의 보온 또는 단열을 이용하여 방향성 응고를 이루는 방법은, 원하는 최종 응고부위에 그림 3과 같이 모래, 세리믹등과 같은 열전도율이 낮은 보온재 또는 단열재를 사용하여 일반 분위기로나 저진공로에서 중공형본체(이하 모재라함) 내면에 접합될 금속(이하 접합재라함)의 용융점 이상에서 가열하고 10∼20분 유지후 단순히 노냉함으로써 접합이 완료된다. 할로우 내면에 접합되는 재질은 모재의 재질보다 융점이 낮아야 하며, 공업적으로는 Cu계 합금등의 비철재료가 주로 사용되며 모재 재질은 일반 강제로 한다.

본 발명에서 사용되는 보온재 또는 단열재는 표 1에 나타낸 것과 같이 모재나 접합재 보다 열전도율이 낮고 접합재가 용융되었을 때 반응성이 없어야 한다. 따라서 접합재의 용융후 냉각과정에서 접합부 근방과 비교할 때 보온재 또는 단열재의 열전도율이 낮으므로 상대적으로 늦게 응고되어 접합부로부터 방향성 응고를 이루게 된다. 이에 반하여 단순 노냉하는 경우에는 용융금속이 용탕 전반에 걸쳐 응고핵이 생성되므로 접합부등에서 예기치 못한 최종 응고점이 생성되며 각종 불순물 및 수축결함등이 생성될 가능성이 높게 된다.

본 발명은 경제성은 별도의 냉각실이나 특수 냉각장치가 불필요하며, 접합면의 청정도를 위해 슬래그 또는 플럭스도 사용하지 않으며 단순히 일반 분위기 열처리로나 저진공 열처리로 등에서 별도의 특수 냉각설비없이 접합공정이 이루어지므로 그 경제성이 입증된다. 또한 모재 내면 전부를 접합재로 채우지 않고 필요부위만 접합재를 사용함으로써 재료비 손실도 적은 이점이 있으며 냉각수로 강제 냉각하는 방법은 실린더 본체 표면이 급냉되어 경도가 높아지므로 접합후 가공이 어려운 점이 있다.

[실시예 1]

다음은 본 발명을 적용하여, 할로우 모체를 SCM440으로 하고, 모재의 내주면에 접합될 접합재의 재질은 연청동을 사용하여 주조접합한 예이다.

사용된 보온재는 일반 주물작업에서 사용하는 표 1의 지르코사를 성형하여 사용하였으며, 접합로는 일반 저진공 분위기로를 사용하였다. 접합온도는 1100℃에서 약 10분간 유지후 단순히 노냉하며 이때 진공도는 저융점 금속(Pb, Sn)의 증기압 온도를 고려하여 N₂가스로 600Torr 정도 유지시켰다.

도면 제4도는 본 발명에 의해 제조된 할로우 실린더의 단면을 나타낸 것으로 양호한 접합부를 형성한 것을 나타내며 도면 제6도와 같이 시편 제작하여 접합강도 테스트결과, 전단강도로 20kg·f/mm²이상의 양호한 접합결과를 얻었다.

[실시예 2]

실시예 1과 같이 본 발명을 적용하여 S45C의 모재와 일반 청동의 접합재를 주조에 의한 접합을 하였다. 접합조건은 실시예 1에서 사용된 분위기로에서 접합온도 1130℃, 15분 유지후 단순히 노냉하였다.

보온재료는 표 1의 Al₂O₃환봉을 사용하였다.

제조된 할로우 실린더의 단면을 절단하여 조사한 바 도면 제4도와 같이 실시예 1과 동일하게 양호한 접합결과를 득하였다.

[비교예 1]

실시예 1과 같이 동일한 접합조건과 재질을 선택하여 접합후 단순 노냉하는 종래방식 즉, 본 발명의 특징인 방향성 응고의 역할을 하는 보온재를 사용하지 않고 주조에 의한 접합을 실시하였다.

도면 제5도는 제조된 할로우 실린더의 단면을 절단하여 나타낸 것으로 접합부 위치에서 결합 발생된 것을 알 수 있다.

[비교예 2]

보온재의 사용을 제외하고 실시예 1과 동일한 조건으로 주조접합한 후, 냉각시 기화된 액체질소로 급냉하였다. 노내 열전대로 측정된 냉각속도는 분당 약 200∼250℃정도였다.

접합된 상태는 비교예 1의 도면 제5도와 동일한 양상을 나타내었다. 즉 기화된 액체질소에 의한 가스냉각정도로는 양호한 접합을 위해 필요한 방향성 응고가 충분히 일어나지 않는 것으로 판단된다.

[표 1]

* 표시의 재질은 벤토나이트 4% 배합의 주형 상태에서 측정.

Claims (3)

1. 이종금속인 모재와 접합재를 주조에 의해 접합하여 할로우형 실린더를 제조하는 방법에 있어서, 접합하려는 접합재를 모재의 할로우 내에 넣고, 접합재의 할로우 내면에 방향성 응고를 이루기 위한 보온 또는 단열재를 충진하며, 이를 일반분위기로나 진공로에서 모재의 용융점보다는 낮고 접합재의 용융점보다는 높은 온도로 가열 유지한 후, 냉각하는 것을 특징으로 하는 할로우형 실린더의 이종금속 접합방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 보온 또는 단열재는 모래, 파인 세라믹 등과 같이 열전도가 낮으며 용융금속과 반응성이 없는 것을 특징으로 하는 할로우형 실린더의 이종금속 접합방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 이종금속인 모재와 접합재는 일반 탄소강과 동계합금, 또는 합금강과 동계합금의 조합인 것을 특징으로 하는 할로우형 실린더의 이종금속 접합방법.