KR102118938B1 - 이종 접합 부재 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이종 접합 부재 및 그의 제조방법에 관한 것으로써, 본 발명에 따른 이종 접합 부재는 접합력이 우수하여 강도와 내구성이 우수한 장점이 있다.
Description
본 발명은 이종 접합 부재 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 접합력 향상을 위한 이종 접합 부재 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
수송기기나 자동차 부품의 경량화 및 소형화는 연비의 향상을 위해 중요하게 요구되어 최근 차체용 섀시(chassis) 및 프레임(frame) 제조에 있어서 경량재료의 적용이 증가하고 있다. 경량재료이면서 인장강도를 향상시키기 위해서는 이종 재질의 접합을 널리 사용하는데, 주조나 용접의 방법을 이용하여 성형한다.
그러나 이와 같은 방법은 이종 접합 부재간의 계면에 들뜸 현상이 일어나거나 틈새 형성에 의한 전자 전달에 의해 부식을 촉진시킨다. 즉, 부재들의 이온화 경향성 차이 뿐만 아니라 들뜸 현상이 있을 경우 틈새부식(crevice corrosion)으로 전위차가 형성되어 부식전류가 흘러 발생한다는 문제가 있다.
관련된 특허기술로 일본 특개 제2005-154844호 공보(내식성이 뛰어난 이종 금속(dissimilar metal) 접합부재 및 제조 방법, 이하 특허문헌 1이라 한다.)는 철 소재와 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재가 접합되어 있는 부재를 불소착화합물 이온과 아연 이온을 포함하는 용액 속에 디핑(Dipping)시켜 각 부재가 접합되어 있는 계면에 대해 밀착성을 높이고, 금속 아연을 석출시켜 접합부에서는 이종 금속간의 접촉에 의한 내식성을 향상시키는 효과에 대해 개시하고 있다. 그러나, 이와 같은 특허문헌 1의 경우, 접합된 부재를 접합부 표면에서 석출한 아연만으로 내식 성능을 충분히 만족시킬 수 없을 뿐 아니라, 부품들을 디핑시키기 위해서는 디핑 탱크 등의 설비가 필요하다는 것이 문제된다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-0479486호 (개선된 이종 금속의 접합 방법, 이하 특허문헌 2라 한다.)는 낮은 생산성과 비용문제를 해결하고자 하는 이종금속의 접합 방법을 제공하고 있다. 특허문헌 2는 모재를 구면 현상으로 제작하고, 동합금 소재로 환봉을 제작하여 판재가 되도록 한 후 상기 판재를 프레싱하여 구면형상의 라이닝 소재를 제작하였다고 개시한다. 또한, 상기 라이닝 소재 및 모재를 고온의 가열과 고압을 가하여 접합시키는 접합 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다. 그러나, 특허문헌 2의 경우, 라이닝 소재의 유지를 위해 가해지는 고온으로 인해서 상기 라이닝 소재와 모재의 변형 또는 변성이 일어날 수 있다는 단점이 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 접합력 및 인장 강도가 모두 우수하고, 이종 접합 부재간의 계면이 들뜨지 않아 접합에 의한 부식을 방지할 수 있는 이종 접합 부재와 그의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 해결 과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 접합력 향상을 위한 이종 접합 부재는 상기의 해결하고자 하는 과제를 위하여 다음과 같은 과제 해결 수단을 가진다.
금속, 합금, 고분자 수지 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 모재를 제1 부재로 성형하는 단계; 상기 제1 부재에서 표면의 일부 또는 전부에 다수의 홈부를 형성하는 단계; 상기 제1 부재에서 홈부가 형성된 표면에 금속, 합금, 고분자 수지 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택되고, 상기 모재와 이종 소재의 분말을 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계; 상기 제1 부재를 이종 소재의 용융점 이하 온도로 가열하는 단계; 및 상기 이종 소재의 용융물을 코팅층의 타면에 주조접합하여 제2 부재를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 홈부는 내측에 위치한 적어도 하나의 경사면이 표면과 이루는 각이 둔각이며, 제1 부재와 코팅층이 앵커 구조를 이루며 결합하는 이종 접합 부재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 하나의 실시상태에 따른 이종 접합 부재의 제조 방법에서, 상기 홈부의 직경은 100 마이크로미터 내지 500 마이크로미터이고, 높이가 50 마이크로미터 내지 250 마이크로미터이며, 각각의 홈부들의 최저점 사이의 간격이 100 마이크로미터 내지 1,000 마이크로미터일 수 있다.
본 발명의 하나의 실시상태에 따른 이종 접합 부재의 제조 방법에서, 상기 홈부의 단면은 도브테일 구조일 수 있다.
본 발명의 하나의 실시상태에 따른 이종 접합 부재의 제조 방법에서, 상기 코팅 방법은 상온에서 저온분사코팅 방법을 사용할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시상태에 따른 이종 접합 부재의 제조 방법에서, 상기 금속은 알루미늄, 마그네슘, 니켈, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 스틸, 주철, 철, 주석, 코발트, 팔라듐, 망간, 리튬, 은, 금, 인듐, 붕소, 인, 그래핀, 그래파이트, 구리 및 아연으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 합금일 수 있다.
본 발명의 하나의 실시상태에 따른 이종 접합 부재의 제조 방법에서, 상기 모재는 스틸 또는 주철이고, 이종 소재는 알루미늄, 마그네슘, 니켈, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 주석, 코발트, 팔라듐, 망간, 리튬, 은, 금, 인듐, 붕소, 인, 그래핀, 그래파이트, 구리 및 아연으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 합금일 수 있다. 이때, 상기 모재는 스틸 또는 주철이고, 이종 소재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금이며, 상기 가열하는 단계에서의 온도는 200℃ 내지 500℃일 수 있다.
본 발명의 하나의 실시상태에 따른 이종 접합 부재의 제조 방법에서, 상기 고분자 수지는, 폴리카보네이트(PC), 폴리아크릴레이트(PA), 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 에폭시(EP), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리우레탄(PU), 폴리아크릴레이트/아크릴로니트릴부타디엔스티렌 알로이(PA/ABS Alloy) 및 페놀수지로 이루어지는 군에서 선택되는 것일 수 있다.
본 발명의 하나의 실시상태에 따른 이종 접합 부재의 제조 방법에서, 상기 세라믹은 지르코니아, 산화이트륨 지르코니아, 알루미나, 탄화붕소, 이산화우라늄, 이산화플루토늄, 보론 및 실리콘으로 이루어지는 군에서 선택되는 것일 수 있다.
본 발명의 하나의 실시상태는 상기 제조방법에 따라 제조된 이종 접합 부재를 제공한다.
본 발명의 하나의 실시상태는 금속, 합금, 고분자 수지 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 이루어지고, 표면의 일부 또는 전부에 다수의 홈부를 구비하며, 상기 홈부의 내측에 위치한 적어도 하나의 경사면이 표면과 이루는 각이 둔각을 이루는 제1 부재층; 상기 제1 부재층과 이종 소재로서 금속, 합금, 고분자 수지 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 이루어지고, 상기 제1 부재층에서 홈부가 구비된 표면에 형성된 코팅층; 및 상기 코팅층과 동일한 소재로 이루어지고, 상기 코팅층의 타면에 형성된 제2 부재층을 포함하고, 상기 제1 부재층과 코팅층은 앵커 구조를 이루면서 결합하는 이종 접합 부재를 제공한다.
본 발명의 하나의 실시상태에 따른 이종 접합 부재에서, 상기 홈부의 직경은 100 마이크로미터 내지 500 마이크로미터이고, 높이가 50 마이크로미터 내지 250 마이크로미터이며, 각각의 홈부들의 최저점 사이의 간격이 100 마이크로미터 내지 1,000 마이크로미터일 수 있다.
본 발명의 하나의 실시상태에 따른 이종 접합 부재에서, 상기 홈부의 단면은 도브테일 구조일 수 있다.
본 발명의 하나의 실시상태에 따른 이종 접합 부재에서, 상기 코팅층의 두께는 10 마이크로미터 내지 500 마이크로미터일 수 있다.
본 발명의 하나의 실시상태에 따른 이종 접합 부재에서, 상기 제1 부재층은 스틸이고, 이종 소재는 알루미늄, 마그네슘, 니켈, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 주석, 코발트, 팔라듐, 망간, 리튬, 은, 금, 인듐, 붕소, 인, 그래핀, 그래파이트, 구리 및 아연으로 이루어지는 군 중에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 합금일 수 있다.
본 발명의 하나의 실시상태에 따른 이종 접합 부재에서, 상기 고분자 수지는 폴리카보네이트(PC), 폴리아크릴레이트(PA), 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 에폭시(EP), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리우레탄(PU), 폴리아크릴레이트/아크릴로니트릴부타디엔스티렌 알로이(PA/ABS Alloy) 및 페놀수지로 이루어지는 군에서 선택될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시상태에 따른 이종 접합 부재에서, 상기 세라믹은 지르코니아, 산화이트륨 지르코니아, 알루미나, 탄화붕소, 이산화우라늄, 이산화플루토늄, 보론 및 실리콘으로 이루어지는 군에서 선택될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시상태에 따른 이종 접합 부재는 수송기기의 프레임 부품용, 수송기기의 엔진 부품용 또는 섀시 부품용일 수 있다.
본 발명에 따른 이종 접합 부재는 이종 접합 부재간의 계면에 생기는 들뜸 현상을 방지하여 접합력을 향상시켜 밀착성이 우수하고, 인장 강도가 우수한 효과가 있다. 또한 제1 부재와 제2 부재의 계면에 생기는 들뜸 현상에 따른 틈새부식(crevice corrosion)의 방지도 가능하여 내식성이 향상되는 효과를 가져 올 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 내지 도 2는 표면에 다수의 홈부가 형성된 제1부재의 단면을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 계면의 단면으로써, 제1 부재의 표면에 코팅층이 형성된 단면을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 제1 부재가 성형된 예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제1 부재의 접합면에 코팅층을 형성하기 위한 저온분사코팅 장치를 나타낸 것이다.
도 6는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 코팅된 제1 부재의 표면에 형성된 코팅층을 나타낸 것이다.
도 7 내지 도 8은 코팅층의 타면에 제2 부재를 형성하여 제1 부재와 제2 부재가 접합된 이종 접합 부재를 나타낸 것이다.
도 9 내지 도 10은 주조접합에 따라 제2 부재를 형성하는 하나의 실시예를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이종 접합 부재를 나타낸 것이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이종접합 부재의 단면 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 14는 제1 부재의 표면에 본 발명에 따른 홈부 및 코팅층을 형성하지 않은 채로 제2 부재를 접합한 비교예를 나타낸 것이다.
도 15는 비교예에 따른 이종 접합 부재의 단면 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 계면의 단면으로써, 제1 부재의 표면에 코팅층이 형성된 단면을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 제1 부재가 성형된 예를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 제1 부재의 접합면에 코팅층을 형성하기 위한 저온분사코팅 장치를 나타낸 것이다.
도 6는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 코팅된 제1 부재의 표면에 형성된 코팅층을 나타낸 것이다.
도 7 내지 도 8은 코팅층의 타면에 제2 부재를 형성하여 제1 부재와 제2 부재가 접합된 이종 접합 부재를 나타낸 것이다.
도 9 내지 도 10은 주조접합에 따라 제2 부재를 형성하는 하나의 실시예를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이종 접합 부재를 나타낸 것이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이종접합 부재의 단면 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 14는 제1 부재의 표면에 본 발명에 따른 홈부 및 코팅층을 형성하지 않은 채로 제2 부재를 접합한 비교예를 나타낸 것이다.
도 15는 비교예에 따른 이종 접합 부재의 단면 SEM 사진을 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 이종 접합 부재 및 그의 제조방법은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 하나의 실시상태는 금속, 합금, 고분자 수지 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 모재를 제1 부재로 성형하는 단계; 상기 제1 부재에서 표면의 일부 또는 전부에 다수의 홈부를 형성하는 단계; 상기 제1 부재에서 홈부가 형성된 표면에 금속, 합금, 고분자 수지 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택되고, 상기 모재와 이종 소재의 분말을 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계; 상기 제1 부재를 이종 소재의 용융점 이하 온도로 가열하는 단계; 및 상기 이종 소재의 용융물을 코팅층의 타면에 주조접합하여 제2 부재를 형성하는 단계를 포함하는 제조방법일 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 제1 부재로 성형할 모재는 금속 또는 합금이고, 제2 부재를 형성하는 이종 소재는 모재와 상이한 금속 또는 합금일 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 제1 부재로 성형할 모재는 금속 또는 합금이고, 제2 부재를 형성하는 이종 소재는 고분자 수지 또는 세라믹일 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 제1 부재로 성형할 모재는 고분자 수지나 세라믹이고, 제2 부재를 형성하는 이종 소재는 모재와 상이한 고분자 수지나 세라믹일 수 있다.
상기 금속은, 알루미늄, 마그네슘, 니켈, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 스틸, 주철, 철, 주석, 코발트, 팔라듐, 망간, 리튬, 은, 금, 인듐, 붕소, 인, 그래핀, 그래파이트, 구리 및 아연으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 합금일 수 있다.
더욱 구체적으로 상기 제1 부재로 성형할 모재는 스틸 또는 주철이고, 제2 부재와 코팅층을 형성하는 이종 소재는 알루미늄, 마그네슘, 니켈, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 주석, 코발트, 팔라듐, 망간, 리튬, 은, 금, 인듐, 붕소, 인, 그래핀, 그래파이트, 구리 및 아연으로 이루어지는 군 중에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 합금일 수 있다.
상기 고분자 수지는, 폴리카보네이트(PC), 폴리아크릴레이트(PA), 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 에폭시(EP), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리우레탄(PU), 폴리아크릴레이트/아크릴로니트릴부타디엔스티렌 알로이(PA/ABS Alloy) 및 페놀수지로 이루어지는 군에서 선택되는 것일 수 있다.
상기 세라믹은, 지르코니아, 산화이트륨 지르코니아, 알루미나, 탄화붕소, 이산화우라늄, 이산화플루토늄, 보론 및 실리콘으로 이루어지는 군 중에서 선택되는 것일 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 제1 부재에는 이종 소재를 접합하고자 하는 표면의 일부 또는 접합하고자 하는 표면의 전부에 다수의 홈부를 형성할 수 있다.
상기 홈부에서 내측에 위치한 적어도 하나의 경사면이 제1 부재의 표면과 이루는 각이 둔각일 수 있다. 상기 제1 부재의 표면은 홈부가 형성된 표면에서 각각의 홈부들의 최고점을 연결한 선들로 형성된 면을 의미한다.
이때, 경사면이 표면과 이루는 각은 제1 부재의 단면을 기준으로, 홈부의 적어도 하나의 측면과 제1 부재의 표면과 이루는 내각을 의미한다.
도 1 및 도 2는 표면에 다수의 홈부가 형성된 제1 부재의 단면을 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 제1 부재의 단면에서 홈부(130)의 내측에 위치한 각(a)와 각(b)가 둔각일 수 있다. 본 발명에서 둔각이란 90°초과이며 180°미만인 크기를 갖는 각을 의미한다.
각각의 홈부에서 내측에 위치한 적어도 하나의 경사면이 제1 부재의 표면과 이루는 각이 둔각이기만 하면, 제1 부재와 코팅층이 앵커 구조를 이루며 결합할 수 있다. 앵커 구조를 이루며 결합하므로 제1 부재와 이종 소재로 이루어진 코팅층의 결합력이 매우 강해지는 장점이 있다. 제1 부재의 표면에 형성된 홈부의 형상으로 인해 제1 부재와 코팅층이 앵커 구조를 이루면서 결합하면 외부의 충격이나, 열, 압력 등의 환경 조건에 의해서도 쉽게 결합력이 떨어지지 않는다. 또한, 제1 부재와 코팅층 사이에 공극이 형성되지 않아 들뜨는 현상이 발생하지 않는 장점이 있다.
상기 홈부의 단면은 도브테일 구조 또는 물방울 구조일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 도 2를 참조하면, 상기 도브테일 구조의 홈부를 형성하기 위해 사용한 툴(140)을 예시적으로 나타낸 것이나, 이에 한정되지는 않는다.
도 3은 제1 부재의 표면에 코팅층이 형성된 단면을 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 하나의 실시예로 각각의 홈부 내부에 적어도 하나의 마이너 홈부가 형성될 수도 있다. 하나의 메이저 홈부 내부에 형성된 적어도 하나의 마이너 홈부로 인해 이중 또는 삼중의 앵커 구조가 형성되어 코팅층과 제1 부재 사이의 결합력이 더 향상될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 도 3을 참조하면, 상기 홈부의 직경(c)이 100 마이크로미터 이상, 150 마이크로미터 이상일 수 있고, 500 마이크로미터 이하, 300마이크로미터 이하일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 각각의 홈부의 직경이 100 마이크로미터 미만이면, 홈부를 형성하기에 공정이 복잡하고 어려워질 수 있다. 또한, 각각의 홈부의 높이가 500 마이크로미터 초과이면, 홈부 내부의 공간에 채워지는 코팅층과 제1 부재간에 공극이 발생할 수 있어 결합력이 약해질 수 있다.
상기 홈부의 높이(d)는 50 마이크로미터 이상일 수 있고, 250 마이크로미터 이하, 200 마이크로미터 이하일 수 있으나 이에 제한되지는 않고 제1 부재의 두께에 따라 적절히 조절할 수 있다. 홈부의 높이가 50 마이크로미터 이하인 경우에는 제1 부재 표면의 거칠기가 너무 작아지므로 제1 코팅층과 제1 부재가 충분한 결합력을 가지기가 어려워질 수 있다. 또한, 홈부의 높이가 250 마이크로미터 초과인 경우에는 제1 부재의 두께가 너무 얇아질 수 있는 문제가 있어서 제1 부재의 소재의 특성이 충분히 발휘되지 않을 수 있다.
도 3을 참조하면, 각각의 홈부들의 최저점 사이의 간격(e)은 100 마이크로미터 이상, 150 마이크로미터 이상, 1,000 마이크로미터 이하, 500 마이크로미터 이하일 수 있다. 홈부들간의 간격이 너무 작으면 홈부 형성 공정이 어려울 수 있고, 간격이 1,000 마이크로미터 초과로 커지면, 두 홈부 사이의 공간에는 앵커구조가 형성되지 않기 때문에 제1 코팅층과 제1 부재 사이에 공극이 발생하여 접합력이 떨어지는 문제가 발생할 수 있어 적절하게 조절하는 것이 바람직하다.
상기 각각의 홈부들 간의 간격은 일정하게 형성되는 것이 바람직하다. 각각의 홈부들 간의 간격이 일정하게 유지될 때, 제1 부재와 코팅층이 접하는 모든 부분에서 제1 부재와 코팅층간의 접합력을 일정하게 유지시킬 수 있는 효과가 있다.
도 4는 본 발명에 따른 제1 부재가 성형된 예를 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, 이종 소재를 접합할 표면(110)에 다수의 홈부가 형성될 수 있다.
제1 부재의 외면(120)은 주물의 기초를 이루고 있고, 접합하고자 하는 이종 소재의 용융물과 맞닿지 않고 있으며, 용융물을 주입하여 주물을 만드는 데 사용하는 틀로서 이용된다. 제1 부재는 주입되는 용융물의 종류에 따라 적정한 온도로 미리 예열해주어야 하므로 적절한 내열재료로 만들어진다.
상기 코팅층을 형성하는 단계에서, 코팅 방법은 상온에서 저온분사코팅 방법을 사용할 수 있다.
여기서 상온이란 특별히 열을 가하지 않는 통상의 온도를 의미한다. 예를 들어, 0℃ 초과 40℃ 이하의 온도일 수 있으나, 이에 제한되지 않고, 저온분사코팅 장치를 구동하는 데 있어서 열을 가하지 않는 것을 의미한다.
상기 도 5는 본 발명의 하나의 실시예로서 코팅층을 형성하기 위한 저온분사코팅 장치(220)를 나타낸 것이고, 도 6은 제1 부재의 표면에 형성된 코팅층(200)을 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 분말(Powder)(236)은 압축가스를 이용하여 가속된 가스 기류인 캐리어 가스(232)에 혼합하여 사용할 수 있다. 초음속 노즐(240)은 분말을 초음속으로 가속하여 대상물인 제1 부재(100)의 접합 표면(110)에 분사하여 코팅층(200)을 형성한다. 분말이 직접 용융점까지 용융되어 이루어지는 코팅이 아닌 운동에너지에 의한 소성변형으로 고상상태에서 이루어지는 코팅이기 때문에 모재의 변형 또는 변성의 위험이 낮은 효과가 있다. 더욱이 상온에서 이루어지기 때문에 더더욱 모재에 영향을 미치지 않는다. 가스 제어부(226)는 가스히터(230)의 온도를 조절하여 메인 가스(238)의 공급량을 조절하는 역할을 한다. 상기 가스 제어부로(226)부터 고압력으로 공급된 가스는 분말공급장치(234)로부터 공급된 분말(236)을 메인 가스(238)와 혼합하여 노즐(240)을 통해 분사한다. 상기 과정들의 모든 제어와 데이터습득 및 교류는 제어시스템(228)이 중앙에 위치해 제어해 줄 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 상기 코팅층의 두께는 10 마이크로미터 이상, 50 마이크로미터 이상, 500 마이크로미터 이하, 250 마이크로미터 이하일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 코팅층의 두께는 제1 부재의 두께와, 제 1 부재에 형성된 홈부의 높이를 고려하여 적절하게 조절할 수 있다. 제1 부재의 두께가 1,000 마이크로미터 이하인 경우라고 가정할 때, 상기 코팅층의 두께가 10 마이크로미터 이하이면, 제1 부재의 표면에 구비된 각각의 홈부 내의 공간을 충분히 채우지 못할 수 있어서 제1 부재와 제2 부재 사이에 공극을 발생시키며, 이로 인해 충분한 접합력의 효과를 가지지 못할 수도 있다. 또한, 상기 코팅층의 두께는 500 마이크로미터 이하이면, 제1 부재의 표면에 구비된 홈부 내부의 공간을 채워서 제1 부재와 앵커 구조를 이루면서 결합하는 데 충분하다.
도 7과 도 8은 코팅층(200)의 타면에 제2 부재(300)를 형성하여 제1 부재(100)와 제2 부재(300)가 접합된 이종 접합 부재를 나타낸 것이다. 도 8을 참조하면, 코팅층(200)과 제2 부재(300)는 동일한 소재이기 때문에, 이종 접합 부재의 단면을 살펴보면 제1 부재(100)와 제2 부재(300)만 보여질 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 제조방법에서, 제1 부재의 표면에 코팅층을 형성한 후, 상기 제1 부재를 이종 소재의 용융점 이하 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 모재는 스틸 또는 주철이고, 이종 소재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 경우, 가열 온도는 알루미늄의 용융점 이하 온도일 수 있다. 더욱 구체적으로 200℃ 이상, 500℃ 이하의 온도로 가열할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 제조방법은, 상기 제1 부재를 가열한 이후에, 상기 코팅층과 동일한 이종 소재의 용융물을 코팅층의 타면에 주조접합하여 제2 부재를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 9 및 도 10은 주조접합에 따라 제2 부재를 형성하는 하나의 실시예를 나타낸 것이다.
상기 도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 이종 소재의 용융물을 제1 부재(100)의 코팅층(200)에 주조접합하는 단계는 이종 소재의 용융물(310)을 탕로(320)에 충진하고, 가압수단(500)에 의해 프레스방식으로 주조접합하는 것을 특징으로 한다. 상기 용융물(310)을 가압수단(500)에 의해 접합하고자 하는 제1 부재(100)의 접합 표면(110)의 위치까지 이동시킴으로써, 용착되어 주물을 형성할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예는, 금속, 합금, 고분자 수지 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 이루어지고, 표면의 일부 또는 전부에 다수의 홈부를 구비하며, 상기 홈부의 내측에 위치한 적어도 하나의 경사면이 표면과 이루는 각이 둔각을 이루는 제1 부재층; 상기 제1 부재층과 이종 소재로서 금속, 합금, 고분자 수지 및 세라믹으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나로 이루어지고, 상기 제1 부재층에서 홈부가 구비된 표면에 형성된 코팅층; 및 상기 코팅층과 동일한 소재로 이루어지고, 상기 코팅층의 타면에 형성된 제2 부재층을 포함하고, 상기 제1 부재층과 코팅층은 앵커 구조를 이루면서 결합하는 이종 접합 부재를 제공한다.
상기 이종 접합 부재에서 제1 부재, 홈부, 코팅층, 제2 부재, 앵커 구조는 상술한 바와 같다.
도 11은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이종 접합 부재로서, 자동차 엔진블록의 제조예를 나타낸 것이다.
도 12 및 도 13은 주철라이너와 알루미늄 엔진블록 간 이종접합 부재의 단면 SEM 사진을 나타낸 것이다.
상기 실시예는, 제1 부재(100)의 모재는 주철로 제조된 실린더 라이너이고, 라이너의 외주면에 도브테일 형상의 홈부를 형성시킨 후 제2 부재(300)와 동일한 조성의 분말로 저온분사코팅하여 코팅층(200)을 형성하였다. 이후 코팅된 라이너를 적정한 온도로 예열한 다음에 알루미늄 엔진블록의 주조 금형(400)에 장착한 후, 용해된 제2 부재의 알루미늄 합금을 이용하여 주조공법으로 엔진블록 금형(400)에 충진하여 형성한 실린더 라이너와 엔진블록 부품에 대한 이종 접합 부재이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 제1 부재와 제2 부재 사이에 코팅층(200)이 형성되어 있어 공극이 형성되지 않은 것을 확인할 수 있다. 두 상이한 소재 사이에 공극이 형성되지 않았으므로 접합력이 매우 우수하여 두 소재의 장점을 모두 가진 접합 부재가 될 수 있다.
또한, 접합력의 우수함으로 인해 접합강도가 향상될 수 있으며, 부재 사이의 틈이 감소하여 틈새부식의 방지도 가능하고 열전도도가 향상되어 내식성 및 내구성의 향상효과를 가져올 수 있다는 장점이 있다. 이는 이종 접합부재가 적용되는 부품의 경량화 및 부품의 소형화에 효율적으로 사용될 수 있다.
도 14는 제1 부재의 표면에 본 발명에 따른 홈부 및 코팅층을 형성하지 않은 채로 제2 부재를 접합한 비교예로서, 자동차 엔진블록의 제조예를 나타낸 것이다.
도 15는 상기 비교예에 따른 이종 접합 부재의 단면 SEM 사진을 나타낸 것이다 .
상기 비교예는, 제1 부재의 모재는 주철이고, 제2 부재의 소재는 알루미늄 합금으로 형성한 이종 접합 부재이다.
도 15를 참조하면, 제 1부재의 표면에 일부 굴곡이 형성되어 있어 거칠기는 존재하고 있지만, 본 발명에 따른 홈부가 구비되어 있지는 않다. 또한, 제1 부재와 제2 부재 사이에 공극이 존재하고 들뜸이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 도 15에서 들뜸이 발생한 공간 중 세 위치의 너비가 441.2 마이크로미터, 410.8 마이크로미터, 409.6 마이크로미터인 것을 확인할 수 있다.
상기 비교예와 같이 들뜸이 발생하면, 접합력이 약해져서, 충격이나 온도나 습도와 같은 외부 환경의 변화 등에 의해서도 두 소재가 분리될 수 있는 가능성이 있다.
본 발명에 따른 이종 접합 부재는 수송기기의 프레임 부품, 수송기기의 엔진 부품 또는 섀시 부품에 사용될 수 있다. 여기서 수송기기는 특별히 제한되지 않고, 자동차, 선박, 헬기 또는 모토사이클 등 모든 수송기기에 적용될 수 있다.
또한, 상기 이종 접합 부재는 수송기기 외에 이종 접합 부재가 적용될 수 있는 다른 기구나 장치 등에도 적용 가능하다.
이하, 본 출원을 구체적으로 설명하기 위해 실시예 및 비교예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 출원은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 출원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 출원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 제1 부재 110 : 접합표면
120 : 외면 130 : 홈부
140 : 홈부 형성 툴 200 : 제2 부재 코팅층
220 : 저온분사장치 222 : 가스 공급
224 : 고압 226 : 가스 제어부
228 : 제어 시스템부 230 : 가스 히터
232 : 캐리어 가스 234 : 분말공급장치
236 : 분말 238 : 메인 가스
240 : 초음속 노즐 300 : 제2 부재
310 : 용융물 320 : 탕로
400 : 금형 500 : 가압수단
120 : 외면 130 : 홈부
140 : 홈부 형성 툴 200 : 제2 부재 코팅층
220 : 저온분사장치 222 : 가스 공급
224 : 고압 226 : 가스 제어부
228 : 제어 시스템부 230 : 가스 히터
232 : 캐리어 가스 234 : 분말공급장치
236 : 분말 238 : 메인 가스
240 : 초음속 노즐 300 : 제2 부재
310 : 용융물 320 : 탕로
400 : 금형 500 : 가압수단
Claims (16)
- 금속 또는 합금의 모재를 제1 부재로 성형하는 단계;
상기 제1 부재에서 표면의 일부 또는 전부에 다수의 홈부를 형성하는 단계;
상기 제1 부재에서 홈부가 형성된 표면에 금속 또는 합금에서 선택되고, 상기 모재와 이종 소재의 분말을 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계;
상기 제1 부재를 이종 소재의 용융점 이하 온도로 가열하는 단계; 및
상기 이종 소재의 용융물을 코팅층의 타면에 주조접합하여 제2 부재를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 홈부는 내측에 위치한 적어도 하나의 경사면이 표면과 이루는 각이 둔각이며, 제1 부재와 코팅층이 앵커 구조를 이루며 결합하며,
상기 홈부는,
하나의 메이저 홈부; 및
상기 메이저 홈부 내부에 형성된 적어도 하나의 마이너 홈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 접합 부재의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 홈부의 직경은 100 마이크로미터 내지 500 마이크로미터이고, 높이가 50 마이크로미터 내지 250 마이크로미터이며,
각각의 홈부들의 최저점 사이의 간격이 100 마이크로미터 내지 1,000 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 이종 접합 부재의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 홈부의 단면은 도브테일 구조인 것을 특징으로 하는 이종 접합 부재의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 코팅층을 형성하는 단계에서,
코팅 방법은 상온에서 저온분사코팅 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 이종 접합 부재의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 금속은,
알루미늄, 마그네슘, 니켈, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 스틸, 주철, 철, 주석, 코발트, 팔라듐, 망간, 리튬, 은, 금, 인듐, 붕소, 인, 그래핀, 그래파이트, 구리 및 아연으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 이종 접합 부재의 제조방법. - 청구항 5에 있어서,
상기 모재는 스틸 또는 주철이고,
이종 소재는 알루미늄, 마그네슘, 니켈, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 주석, 코발트, 팔라듐, 망간, 리튬, 은, 금, 인듐, 붕소, 인, 그래핀, 그래파이트, 구리 및 아연으로 이루어지는 군 중에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 이종 접합 부재의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 모재는 스틸 또는 주철이고,
이종 소재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금이며,
상기 가열하는 단계에서의 온도는 200℃ 내지 500℃인 것을 특징으로 하는 이종 접합 부재의 제조방법. - 삭제
- 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조된 이종 접합 부재.
- 금속 또는 합금으로 이루어지고, 표면의 일부 또는 전부에 다수의 홈부를 구비하며, 상기 홈부의 내측에 위치한 적어도 하나의 경사면이 표면과 이루는 각이 둔각을 이루는 제1 부재층;
상기 제1 부재층과 이종 소재로서 금속 또는 합금으로 이루어지고, 상기 제1 부재층에서 홈부가 구비된 표면에 형성된 코팅층; 및
상기 코팅층과 동일한 소재로 이루어지고, 상기 코팅층의 타면에 형성된 제2 부재층을 포함하고,
상기 제1 부재층과 코팅층은 앵커 구조를 이루면서 결합하며,
상기 홈부는,
하나의 메이저 홈부; 및
상기 메이저 홈부 내부에 형성된 적어도 하나의 마이너 홈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종 접합 부재. - 청구항 10에 있어서,
상기 홈부의 직경은 100 마이크로미터 내지 500 마이크로미터이고, 높이가 50 마이크로미터 내지 250 마이크로미터이며,
각각의 홈부들의 최저점 사이의 간격이 100 마이크로미터 내지 1,000 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 이종 접합 부재. - 청구항 10에 있어서,
상기 홈부의 단면은 도브테일 구조인 것을 특징으로 하는 이종 접합 부재. - 청구항 10에 있어서,
상기 코팅층의 두께는 10 마이크로미터 내지 500 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 이종 접합 부재. - 청구항 10에 있어서,
상기 제1 부재층은 스틸 또는 주철이고,
이종 소재는 알루미늄, 마그네슘, 니켈, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 주석, 코발트, 팔라듐, 망간, 리튬, 은, 금, 인듐, 붕소, 인, 그래핀, 그래파이트, 구리 및 아연으로 이루어지는 군 중에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 이종 접합 부재. - 삭제
- 청구항 10 내지 청구항 14 중 어느 한 항의 이종 접합 부재는 수송기기의 프레임 부품용, 수송기기의 엔진 부품용 또는 섀시 부품용인 것을 특징으로 하는 이종 접합 부재.
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2018
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