KR100243840B1 - 내마모성이 우수한 엔진용 태핏 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내마모성이 우수한 엔진용 태핏(Tappet)에 관한 것으로, 특히 Ni분말 또는 Ni분말 합금으로 조성된 바인더 재료와, 탄화텅스텐(WC) 경질입자를 혼합하여 소결한 소결체를 태핏의 몸체 중 캠과의 접촉면에 브레이징 니켈 합금을 이용하여 부착시킨 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 엔진용 태핏에 관한 것이다.

이와 같은 본 발명에서 상기 소결체중의 바인더 재료는 50.0% 이상의 Ni 분말에 무게 %로 Cr 45.0%이하, Mo 35.0%이하, Al 10.0%이하, Co 25.0%이하, Cu 10.0%이하로 단독 또는 복합첨가하며, 면적분율로 30-60%로서 소결 후 그 경도가 HV 800이상이고, 상기 탄화텅스텐 경질입자의 면적분율은 40-70%인 것을 특징으로 한다.

Description

내마모성이 우수한 엔진용 태핏

본 발명은 내마모성이 우수한 엔진용 태핏(Tappet)에 관한 것으로, 특히 OHC(Over Head Cam)타입 대형 디젤엔진에서 로커아암과 푸시로드, 태핏으로 구성되어 있는 밸브 트레인계중 푸시로드의 하단에 연결되어서 캠의 외주면을 따라 미끄러져 움직이는 태핏의 표면에 탄화물, 붕화물이나 질화물을 함유한 소결층을 형성시킨 내마모성이 우수한 엔진용 태핏(Tappet)에 관한 것이다.

일반적으로 도 1에 도시한 바와같이 엔진에서 실린더밸브(1)를 여닫는 기구를 밸브 트레인계라 하고, 이 밸브 트레인계는 로커 아암(3)과 푸시로드(4), 그리고 태핏(5)으로 구성된다.

이때 상기 태핏(5)은 푸시로드(4)의 하단에 연결되면서 캠(6)의 외주면을 따라 미끄러져 움직이고, 캠(6)의 외주면 변위변화에 따라 상하이동되면서 푸시로드(4)를 왕복운동시키게 된다.

한편 최근에는 환경보호와 소비자보호운동에 의해 고출력, 고연비, 무정비(Maintenance-Free)엔진에 대한 요구가 높아지면서 밸브 트레인계의 사용환경은 점점 가혹해지고, 장시간의 수명을 요구하고 있다.

따라서 밸브 트레인계에서의 파손은 불완전 연소를 유발하여 배기가스와 매연이 증가하고, 엔진의 소음과 진동이 과도해짐에 따라 차량 전체시스템의 성능을 급격하게 감소시킨다.

그 중에서도 핵심요소인 태핏(5)의 파손(Failure)은 주로 캠(6)과의 접촉에서 고속으로 미끄럼 마찰을 하기 때문에 미끄럼 마모(Sliding Wear)에 의한 스커핑(Scuffing)이나 표면피로에 의한 박리현상인 피팅(Pitting)이 주를 이룬다.

이때 태핏(5)의 표면에 스커핑과 피팅이 발생되면 급격하게 마모가 진전되기 때문에 엔진 소음증가와 밸브 개폐시기의 불일치나 밸브 기밀유지의 불안정으로 연료가 불완전 연소하고 결국 소음이나 배기가스의 문제를 낳게 된다.

또 다른 문제로 태핏(5)에 허용범위를 넘는 오차가 있거나, 캠 샤프트(7)와의 연동에서 과도한 마모가 발생하게 되면 정확한 수직접촉이 이루어지지 않아 캠 샤프트(7)와 평행한 방향으로 하중이 작용하는 캠 워킹(Cam Walking)을 일으킬 수 있다.

일반적으로 캠(6)과 태핏(5)의 재료로는 강과 주철이 많이 이용되며, 강은 고주파 유도경화, 침탄, 질화 등 여러 가지 표면경화기술로 표면의 경도를 향상시키고, 압축응력을 잔류시켜 내마모성과 내피로성을 부여하고 있다.

그 외에, 칠주철(Chilled Cast Iron)과 담금질 칠주철을 캠(6)과 태핏(5) 재료로 활용하는 경우가 대표적이다.

그리고 태핏(5)으로 사용하는 칠주철은 주조시에 냉각속도를 빠르게 하여 초석시멘타이트(Fe₃C)을 석출 시킨 것이며, 금속조직적으로는 A1 변태에 의해 오스테나이트로부터 변화한 퍼얼라이트(Pearlite)기지와 침상의 시멘타이트(Cementite)로 구성된다.

또한 담금질 칠주철은 칠주철에 대해 담금질과 뜨임(Quenching ＆ Tempering) 처리 한 것이고, 기지는 마르텐사이트(Martensite), 또는 뜨임 마르텐사이트이며, 시멘타이트와 시멘타이트에서 분해된 뜨임 카본으로 이루어진다.

이들 재료를 많이 사용하는 이유를 들면, 시멘타이트는 경도가 높고 내마모성이 우수함과 동시에 기지조직의 소성유동을 방지하기 때문에 내스커핑효과나 내피팅성이 우수하다.

그러나 현재 널리 사용되고 있는 칠주철이나 담금질 칠주철은 기술한 바와 같이 우수한 태핏 재료이지만, 주물인 까닭에 문제점도 많이 내재한 재료이다.

이를 테면 담금질 칠주철재의 경우 용해, 급냉, 풀림(Annealing), 담금질(Quenching), 뜨임(Tempering)과 같은 복잡한 공정을 거치는 재료이고, 화학성분, 냉각속도, 열처리 조건 등이 불균일하면 시멘타이트량과 카본량 또는 기지의 경도가 마찰열과 높은 면압으로 인해 변화되기 쉽기 때문에 내마모성과 내스커핑성이 불균일하기 쉬운 재료이다.

그 외에 탄소강이나 합금강을 침탄하여 표면을 마르텐사이트화함으로써 고경도의 태핏을 제조하는 방법이 있는데, 이것은 오히려 마르텐사이트가 시멘타이트보다 열안정성이나 경도가 낮아 칠주철재보다 낮은 내마모성을 가지는 것으로 알려졌다.

최근에는 더우기 캠(5)과 태핏(5)의 접촉면압(부하)의 증가가 계속되어 고효율 내열성까지 충분히 만족하여야 하는데 현실적으로는 시멘타이트의 내열성으로는 300마력이상의 고마력엔진에서 요구되는 고면압에 견디기 어렵다

이를 해결하기 위한 종래의 방법에 태핏(5)을 캠(6)에 약간 기울여 접촉하도록 장착하여 캠 워킹을 해결하는 것이 있었다.

그러나 상기 방법은 캠(6)과 태핏(5)간의 접촉면을 줄이는 효과를 내게 되어 오히려 마모가 심하게 되고, 이를 해결하기 위해 태핏의 표면에 곡면(Spherical Radius)의 크라우닝(Crowning)을 부여하도록 가공하여 캠과의 사이에서 선접촉과 점접촉의 중간형태가 되게 하여 극단적인 에니접촉(Edge Contact)을 피하는 방법이 등장하였으나, 이 또한 만약 반경이 작을 경우 태핏의 표면에 심한 코킹하중(Cocking Loads)이 작용하고, 캠과 태핏 사이에 재밍(Jamming)이 발생하여 요철면 또는 역 플랭크(Reverse Flanks)를 유발한다.

따라서 가장 바람직한 접촉을 이루기 위해 코넬(Calvin C. Connel)은 미국특허 US 4,739,675에서 태핏의 접동면이 약 1500 mm이상의 반경을 가지는 곡면으로 되어야 한다고 하였다.

그러나 현실적으로 캠은 이론적인 완곡선을 유지하기 어려우며 약간의 굴곡이 있기 때문에 곡면형상만으로 태핏의 내구성 향상을 기대하기는 어렵다.

그리고 태핏의 크라우닝반경이 지나치게 크면, 캠과의 곡률 차이로 접촉면이 균일하지 못하고 태핏에 동심원의 트랙을 남기고 캠이 심하게 마모되는 문제가 있어 이들 구조변경에 의한 해결방법에는 한계가 있다.

또한 이를 극복하기 위해 일특개 소 62-182407, 일특개 소62-185806에서는 탄화물, 질화물, 붕화물을 포함하는 고융점의 초경합금분말을 니켈분말과 함께 소결한 층을 접합하는 로커아암과 태핏을 제시하고 있다.

그러나 이들 특허에서는 단지 초경층을 접합하는 개념만이 소개되어 있을 뿐으로 상세한 제조기술이나 구체적인 달성방법은 제시하지 않고 있다.

본 발명에서는 종래의 칠주철재료나, 구조 형상에서 해결하지 못한 현행의 문제점인 내피팅성, 내스커핑성을 개선하기 위해 태핏의 표면에 내마모성이 우수한 경질의 탄화물, 붕화물이나 질화물을 함유하는 소결층을 형성시킨 내마모성이 우수한 엔진용 태핏을 제공하는데 그 목적이 있다.

제1도는 OHC타입 대형 디젤엔진중 밸브트레인계를 나타내는 요부 단면도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 밸브 2 : 밸브 스프링

3 : 로커 4 : 푸시로드

5 : 태핏 6 : 캠

7 : 캠 샤프트

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 Ni분말 또는 Ni분말 합금으로 조성된 바인더 재료와, 탄화텅스텐(WC) 경질입자를 혼합하여 소결한 소결체를 태핏의 몸체 중 캠과의 접촉면에 브레이징 니켈 합금을 이용하여 부착시킨 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에서 상기 소결체중의 바인더 재료는 50.0% 이상의 Ni 분말에 무게 %로 Cr 45.0%이하, Mo 35.0-%이하, Al 10.0%이하, Co 25.0%이하, Cu 10.0%이하로 단독 또는 복합첨가하며, 면적분율로 30-60 %로서 소결 후 그 경도가 HV 800이상이고, 상기 탄화텅스텐 경질입자의 면적분율은 40-70 % 인 것을 특징으로 한다.

또한, 이와 같은 본 발명에서 소결체중의 경질입자 크기는 평균 5 ㎛이하이거나, 평균 2 ㎛이하인 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

일반적으로 태핏의 파손 중 스커핑(Scuffing)의 원인은, 캠과 접촉할 때 때때로 태핏이 회전하지 않고 멈추어 서서 미끄럼마찰(sliding)만을 주로 일으키게 되어 결국 반복적인 국부 마모가 발생하기 때문이며, 이를 피하기 위하여 구름접촉으로 유도한다.

또한 구름접촉이라 할지라도 경도가 HV 800 이하이면 내피팅(Pitting Resistance) 성능면에서 효과가 없으므로 그 이상을 얻는 것이 바람직하다.

그리고 과도한 면압과 마찰마모에 의한 국부적인 태핏 표면의 박리는 급속히 측방으로 균열성장을 야기하고 인접한 표면을 잠식하게 되어 결국 표면이 떨어져 나가게 하므로, 이를 억제하기 위해서는 접촉면을 고경도화할 필요가 있다.

한편 캠과 태핏은 슬라이딩 접촉을 하므로 상대편의 표면상태과 그 상대면에 대해 영향을 끼치며, 금속화학적으로 친화력이 있으면 상호 표면간에 미세응착이 발생한다.

이때 캠과 태핏 사이의 접촉면 응착은 다시 마찰계수를 증가시키고, 마찰계수의 증가는 마찰열을 증가시켜 결국 내스커핑성이 나빠진다.

또한 상대면의 경도와 표면조도 등에 차이가 있으면 상대적으로 무른 쪽의 표면이 파손되며, 이때 발생하는 마모입자는 가공경화효과로 원래보다 경도가 증가한 상태가 된다.

따라서 캠과 태핏의 접촉면간의 마모를 줄이기 위한 방법으로 마찰계수를 감소시켜 접촉면에서 발생하는 마찰열을 저하시키고 고융점의 재료(고융점 탄화물 또는 질화물)을 사용하여 내스커핑성을 향상시키는 방법, 캠 재료와의 응착성 및 공격성이 낮은 재료를 선택하여 캠 표면의 손상을 방지하는 방법이 있다.

본 발명은 상기 두가지 방법중 전자를 택하여 고융점이면서 캠재료와의 응착성이 낮은 경질재료를 이용하여 소결한 재료(소결체)를 부착함으로써 내마모성이 우수한 층을 갖는 태핏에 관한 것이다.

여기서 본 발명의 태핏재료로서 다음의 조성재료를 이용하여 기존보다 Co를 덜 함유한 합금으로 되어진 내마모코팅층을 가져 캠과 접촉 마모하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바인더 재료인 Ni은 순수한 분말을 사용하거나, 또는 50.0 % 이상의 Ni 분말에 무게 %로 Cr 1.0∼45.0 %, Mo 1.0~35.0 %, Mo 1.0∼10.0 %, Co 1.0∼25.0 %, Cu 1.0∼10.0 %로 단독 또는 복합첨가하며, 나머지는 불가피하게 혼합되는 불순물로 조성되는 것을 특징으로 한다.

이하에 본 발명의 소결체에 사용되는 바인더 재료의 조성범위를 한정한 이유를 설명한다.

바인더재료로서는 우수한 내열성과 적용성을 가지는 Co가 화학적, 물리적인 성질이 가장 우수하다고 알려져 많이 쓰이나 본 발명에서는 고가인 Co와 동등한 성능을 가지면서 가격이 싼 Ni을 기본재료로 사용한다.

Ni은 태핏의 몸체재료인 강과의 친화성이 크고 경도나 탄성률이 강과 동등의 수준이며 내열 내식성이 뛰어나 고온의 마모환경에 놓이는 태핏의 코팅재료로서 적합한 성질을 가진다.

바인더 재료에 의하여 Ni 기지층을 강화시키고 용융점(Melting Point)을 낮춤으로써 제조를 쉽게하고 내면압성과 내마모성이 증가하여 피팅과 스커핑에 대한 저항성을 개선한다.

바인더 재료중 Ni이 50 % 미만일 때는 인성저하나 태핏몸체재료인 철강과 열팽창계수의 큰 차이로 인해 접착강도를 저하시킬 우려가 있으므로 제한한다.

첨가원소로서 Cr은 45.0 % 이상에서 소결후 응고중에 Ni과 화합물을 형성하면서 내열성과 내마모성에 내식성을 해치는 δ상이 나타날 수 있어 제한한다. Al은 10.0 % 이상에서는 응고중에 취약한 β상이 나타날 가능성이 있어 제한한다.

Co는 Ni과 전율 고용체를 이루며 합금시 다른 첨가원소들과 함께 Ni을 강화시켜 내마모성을 향상시키지만 Co의 가격이 비싸고 25.0 % 이상에서는 효과가 포화하므로 제한한다.

Cu는 내식성과 내소착성을 개선하는 효과로 첨가한다. 그러나 10.0 % 이상 첨가할 경우는 소결체의 강도를 저하시키므로 제한한다.

또한 본 발명의 범주에는 소결체와 태핏몸체와의 접착성을 향상시키기 위하여 별도의 Ni 브레이징 재료를 접착면에 도포하는 것도 포함한다.

본 발명의 소결체에서는 이상에 기술한 바인더 재료의 분율이 면적분율로 30-60 % 되는 것을 특징으로 하며, 30 % 이하에서는 태핏에서 요구하는 인성과 균열억제효과를 발휘하지 못하고 60 % 이상에서는 경질입자 부족으로 내면압성이 저하하므로 제한한다.

경질입자로는 질화물, 탄화물, 붕호물이나 그 혼합물을 이용하는데 그중, WC는 경도가 Hv 2400의 고경도로서 탄성률 70×10⁴MPa의 고강도를 나타낸다.

상기와 같은 바인더 재료의 면적분율에 의하여 탄화텅스텐 경질입자의 면적분율은 40-70 %(불가피하게 혼합되는 불순물 면적은 생각하지 않음)가 된다.

본 발명자는 실험을 통해 WC와 같은 경질입자가 평균 10 ㎛이상의 크기인 입자는 상대 캠에 스커핑(Scuffing)마모를 일으키며, 태핏은 오로비스(Orobis)분류번호 6-8번 정도의 피팅(Pitting) 마모가 발생하는 것을 알게 되었다.

실험결과 평균 5 ㎛ 이하의 입경을 가진 입자를 사용할 때 오로비스(Orobis) 분류번호 9번 이상의 만족한 마모결과를 얻었고, 평균 2 ㎛ 이하로 관리하는 경우는 스커핑 등 손상의 징후가 전혀 보이지 않는 10번 이상의 보다 만족한 마모상태를 얻을 수 있었다.

이하에 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 실시예에 사용한 Ni바인더용 분말은 평균입도 4 ㎛ 인것을 사용하였으며, 나머지 첨가합금의 입도는 평균 4-10 ㎛ 크기의 분말을 사용하였고, 소결층의 두께는 최종 연마상태에서 0.7 mm이다.

그러나 분말의 크기나 소결층 두께가 본 발명의 실시예와 다르다고 하여도 발명의 범주에서 벗어나지는 않았다.

본 실시예에는 페이스트형 브레이징 Ni합금을 이용하여 1차 소결품을 태핏몸체에 부착하였으며, 조성은 Cr 7.0 %, Fe 3.0 %, Si 4.5 %와 나머지는 Ni이고, 200 KHz, 150 KW용량의 고주파가열장치를 이용해 태핏몸체를 회전하면서 가열하고, 냉각은 냉각수라인이 내장된 동판에 무전해 니켈도금한 냉각판으로 실시하였으며, 냉각판은 가열이 끝나면 소결체를 가압하면서 급속냉각시켰다.

내피팅시험을 통한 마모시험은 단동태핏-캠 시험장치에서 1000rpm, 스프링 정하중 174.5 kg, 시험횟수 10⁷사이클, 윤활유온도 75-85℃의 조건으로 실시하였으며 다음과 같은 결과를 얻었다.

본 발명의 엔진용 태핏은 경질의 소결층으로 HV 800이상의 고경도를 가지는 표면층을 형성하여 내피팅성과 내스커핑성이 우수하여 높은 내구성을 나타내게 된다.

그리고 바인더 재료인 Ni 합금의 우수한 내식성과 인성과 WC 경질입자의 고경도로 내마모성을 모두 만족시키는 장점이 있다. 이는 기존의 엔진에서 캠과 태핏의 접촉면에서 발생하던 피팅이나 스커핑과 같은 마모를 억제함으로서 엔진소음증가, 불완전연소 또는 배기가스로 인한 환경오염 등을 방지하는 효과를 얻는다.

Claims (4)

1. Ni분말 또는 Ni분말 합금으로 조성된 바인더 재료와, 탄화텅스텐(WC) 경질입자를 혼합하여 소결한 소결체를 태핏의 몸체 중 캠과의 접촉면에 브레이징 니켈 합금을 이용하여 부착시킨 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 엔진용 태핏.
2. 제1항에 있어서, 상기 소결체중의 바인더 재료는 50.0 % 이상의 Ni분말에 무게 %로 Cr 45.0%이하, Mo 35.0%이하, Al 10.0%이하, Co 25.0% 이하, Cu 10.0%이하로 단독 또는 복합첨가하며, 면적분율로 30-60 %로서 소결 후 그 경도가 HV 800이상이고, 상기 탄화텅스텐 경질입자의 면적분율은 40-70 % 인 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 엔진용 태핏.
3. 제1항에 있어서, 상기 소결체중의 경질입자 크기는 평균 5 ㎛이하인 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 엔진용 태핏.
4. 제3항에 있어서, 소결체중의 경질입자의 크기가 평균 2 ㎛이하인 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 엔진용 태핏.

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