KR100254820B1 - 배기 밸브시이트용 내마모 소결합금 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기 밸브 시이트용 내마모 소결합금 및 그의 제조방법에 관한 것 으로, Fe, Cr, Mn, Mo 성분을 함유한 아토마이즈 합금분, Co, Mo, Cr 성분을 함유한 아토마이즈, 합금분 및 Fe, Cr, W, Co, C 성분을 함유한 아토마이즈 합금분에 의해 형성된 경질합금 분말이 미세 퍼얼라이트 및 마르텐시이트 기지조직에 분산되어 있는 철계 소결합금인 본 발명의 합금은 내마모성이 뛰어나 고출력, 고회전, 저연비화되어 가는 엔진의 배기 밸브 시이트 재질로 유용하게 이용될 수 있다.

Description

[발명의 명칭]
배기 밸브 시이트용 내마모 소결합금
[발명의 상세한 설명]
[발명의 목적]
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
본 발명은 배기 밸브 시이트용 내마모 소결합금 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Fe, Cr, Mn, Mo 성분을 함유한 아토마이즈 합금분, Co, Mo, Cr 성분을 함유한 아토마이즈 합금분 및 Fe, Cr, W, Co, C 성분을 함유한 아토마이즈 합금분에 의해 형성된 경질합금 분말이 미세 퍼얼라이트 및 마르텐사이트 기지조직에 분산되어 있으며, 내마모성이 우수하여 배기 밸브 시이트의 재질로 유용하게 이용될 수 있는 철계 내마모 소결합금 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
자동차 엔진용 밸브 시이트는 흡, 배기 밸브의 개폐시 밸브와의 기밀을 유지함으로써 연소실의 열효율을 높이는데 중요한 역할을 담당하는 엔진 부품으로 밸브와의 접촉 및 마찰, 배기가스에의 노출 등을 견디어야 하기 때문에 약 400 ~ 700 ℃ 온도에 대한 내열성, 내마모성 및 내산화성 등이 요구된다.
자동차 엔진용 밸브 시이트 제조방법으로 용침법, 경금속(hard metal)첨가법 및 합금조성제어법 등을 예로 들 수 있다.
용침법은 용침재인 Cu, Cu-Pd 또는 고체윤활재인 Pb, PbO, B2O3, ZnO 등을 소결체의 기공에 용침시킴으로써, 밸브의 회전시 밸브 시이트 표면에 첨가된 용침재 및 고체윤활제에 의하여 윤활 효과를 높인다.
경금속 첨가법은 소결체 기지 중에 300μ 크기의 경질인 Fe-Mo, Co-Ni-W-C 계 복합 탄화물을 첨가시켜 소결체를 제조하여, 복합 탄화물을 함유한 소결체는 밸브와의 접촉시 밸브 시이트에 미치는 하중을 내마모성이 뛰어난 경질의 탄화물을 통해 기지조직으로 분산 전달되게 함으로써 내마모성이 향상된다. 이러한 복합 탄화물은 내마모성에 대한 기여는 크나 가공성이 불량하며, 고가의 Co, Ni, W을 다량 사용함으로써 제조원가가 높아지는 단점이 있다.
한편, 합금조성제어에 의해 원료분말(elemental powder) 상태로 혼합시켜 소결체를 제조하는 방법은 원료의 가격이 저렴하고 용이하게 소결체를 제조할 수 있다는 장점이 있으나 균일한 소결조직을 얻기가 어려운 단점이 있으며, 주로 사용된 원소로는 Co, Ni, Mo, Cr, W, V 등이 있는데 내열성을 향상시키기 위하여 고가인 Co를 주로 첨가시켰다.
기존의 배기 밸브 시이트용 소결합금은 통상적인 분말야금 공법으로 분말혼합-성형-소결-동용침-열처리 공정으로 제조되며, 내마모성 효과를 얻기 위하여 철 분말에 Cr-Mo-Cr 합금분 Co-Cr-W-C 합금분을 혼합하는데, 이 방법은 향후 고회전, 고출력화되어 가고 있는 엔진의 배기 시이트용 재질에 적용하기에는 그 내마모성에 한계가 있다.
한편, 종래의 자동차 엔진용 가솔린 내에 함유된 0.2 - 0. 8 g/gallon의 테트라에틸납(tetraethyl lead)은 옥탄가(octane number)를 증가시켜 녹킹 방지제(antiknoking agent)로 사용됨과 동시에, 연소후 납 산화물(Pb oxide)이나 납 화물(Pb compound)을 형성하여 밸브나 밸브 시이트의 표면에 윤활 피막(lubricating film)을 형성함으로써 밸브 시이트의 마모를 줄여주는 역할을 하여왔다.
그러나 일산화탄소, 산화질소가스 등과 함께 납에 의한 공해문제 때문에 근래에 들어서는 가솔린 내의 테트라에틸납이 0.004 g/gallon 이하인 무연 휘발유를 사용하는 것이 의무화됨에 따라 자동차용 밸브 시이트 또한 내마모성에 있어서 종래의 것보다 훨씬 우수한 새로운 재질이 요구되고 있다.
이에, 본 발명자들은 고출력, 고회전, 저연비화되어 가는 엔진개발 추세에 대응하기 위한 배기 밸브 시이트용 재질을 제조하고자 노력하여 오던 중, Fe, Cr, Mn, Mo 성분을 함유한 아토마이즈 합금분, Co, Mo, Cr 성분을 함유한 아토마이즈 합금분 및 Fe, Cr, W, Co, C 성분을 함유한 아토마이즈 합금분에 의해 형성된 경질 합금 분말이 미세 퍼얼라이트 및 마르텐사이트 기지조직에 분산되어 있는 철계 소결합금이 내마모성이 우수한 배기 밸브 시이트용 재질임을 알아내어 본 발명을 완성하였다.
[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]
본 발명의 목적은 내마모성이 우수한 배기 밸브 시이트용 소결합금 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
[발명의 구성 및 작용]
상기 목적을 달성하기 위하여, 발명에서는 C, Ni, Cr, Mo, Cu, Ca 및 Fe를 호함하는 배기 밸브 시이트용 내마모 소결합금 및 그의 제조방법을 제공한다
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 배기 밸브 시이트용 재질은 철계 소결합금으로서 Fe, Cr, Mn, Mo성분을 함유한 아토마이즈 합금분, Co, Mo, Cr 성분을 함유한 아토마이즈 합금분 및 Fe, Cr, W, Co, C 성분을 함유한 아토마이즈 합금분에 의해 형성된 경질합금 분말이 미세 퍼얼라이트 및 마르텐사이트 기지조직에 분산되어 있는데, 그 성분조성은 0.7 ~ 1.5 중량％ C, 1~5 중량％ Ni, 1 ~ 5 중량％ Cr, 3 ~ 8 중량％ Mo, 3 ~ 10 중량％ Co, 0.5 ~0.3 중량％ W, 9 ~ 16 중량％ Cu, 0.2 ~ 1.0 중량％ Ca 및 나머지는 Fe로 구성되어 있다.
상기의 Fe-Cr-Mn-Mo의 아토마이즈 합금분은 95 ~ 98 중량％ Fe, 1 ~ 2 중량％ Cr, 0.5 ~ 1.5 중량％ Mn 및 0.3 ~ 1.0 중량％ Mo으로 이루어지고, Co-Mo-Cr의 아토마이즈 합금분은 50 ~ 70 중량％ Co, 20 ~ 40 중량％ Mo 및 5 ~ 20 중량％ Cr로 이루어지고, Fe-Cr-W-Co-C의 아토마이즈 합금분은 20 ~ 40 중량％ Fe, 30 ~ 50 중량％ Cr, 10 ~ 30중량％ W, 5 ~20 중량％ Co 및 1 ~ 5 중량％ C로 이루어져 있다.
본 발명의 배기 밸브 시이트용 소결합금은 Fe-Cr-Mn-Mo 합금분에 경질합금분인 Co-Mo-Cr 및 Fe-Cr-W-Co-C를 혼합한 후 성형하고 일정온도에서 소결 및 동용침시킨 다음 일정 온도에서 일정 시간 동안 소입(quenching)시키고, 소려(tempering)하는 과정을 거쳐 제조된다.
상기 제조과정 중 분말 혼합시에는 고체윤활제로서CaF2를 소량 첨가할 수 있으며, 성형밀도는 6.8 g/cm3이다. 또한 소결 및 동용침 과정은 1160 ±15 ℃에서 1 시간 동안 환원성 분위기 하에서 행하고, 소입은 920±30 ℃ 온도에서 1 시간동안, 소려는 600±30 ℃ 온도에서 2 시간 동안 행해진다.
이하 실시예 및 시험예에 의하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 단 이들 시험예 및 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 이들에 의하여 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1] 배기 밸브 시이트용 소결합금의 제조
제조될 배기 밸브 시이트용 소결합금의 최종 구성성분이 0.9 중량% C, 1.5 중량％ Ni, 5.0 중량％ Mo, 5.0중량% Co, 12중량％ Cu, 0.4 중량％ Ca 및 나머지는 Fe로 구성될 수 있도록 (표 1 참조), Fe-Cr-Mn-Mo 합금분에 경질합금분인 Co-Mo-Cr 및 Fe-Cr-W-Co-C를 혼합한 후 성형하고 1160℃의 온도로 환원성 분위기에서 1시간 동안 소결 및 동용침시켰다. 그런 다음 920℃의 온도에서 1 시간 동안 소입시키고, 600℃의 온도에서 2 시간 동안 소려하여 본 발명의 소결합금을 제조하였다.
[실시예 2] 배기 밸브 시이트용 소결합금의 제조
제조될 배기 밸브 시이트용 소결합금의 최종 구성성분이 1.0중량% C, 2.0 중량％ Ni, 3.5 중량％ Cr, 5.0 중량％ Mo, 8.0 중량％ Co, 0.4 중량％ Mn, 1.0 중량％ W, 12 중량％ Cu, 0.4 중량% Ca 및 나머지는 Fe로 구성될 수 있도록 (표 1 참조), Fe-Cr-Mn-Mo 합금분에 경질합금분인 Co-Mo-Cr 및 Fe-Cr-W-Co-C를 혼합한 후 성형하고 1160℃의 온도로 환원성 분위기에서 1 시간 동안 소결 및 동용침시켰다. 그런 다음 920℃의 온도에서 1 시간 동안 소입시키고, 600 ℃의 온도에서 2 시간 동안 소려하여 본 발명의 소결합금을 제조하였다.
[비교예]
제조될 배기 밸브 시이트용 소결합금의 최종 구성성분이 1.3 중량% C, 2.0 중량％ Ni, 7.5 중량％ Cr, 2.0 중량％ Mo, 6.5 중량％ Co, 2.0 중량％ W, 13중량％ Cu, 0.7 중량％ Ca 및 나머지는 Fe로 구성될 수 있도록 (표 1 참조), Fe-Cr-Mn-Mo 합금분에 경질합금분인 Co-Mo-Cr 및 Fe-Cr-W-Co-C를 혼합한 후 성형하고 1160℃의 온도로 환원성 분위기에서 1 시간 동안 소결 및 동용침시켰다. 그런 다음 920℃의 온도에서 1시간 동안 소입시키고, 600 ℃의 온도에서 2 시간 동안 소려하여 본 발명의 소결합금을 제조하였다.
Figure kpo00001
[시험예] 마모시험
상기 실시예 및 비교예에 의하여 제조된 배기 밸브 시이트용 소결합금을 슬라이딩의 형태는 회전, 슬리이딩 속도(sliding speed) 2.5 m/sec, 슬라이딩 거리(sliding length) 30 Km, 작용 하중(final load) 20 lb 및 디스크(disc) 온도 150 ℃인 조건으로 핀-온-디스크(pin-on-disc) 마모시험을 수행하였다. 이 실험에서 핀(pin) 재질로는 상기 실시예 및 비교예에 의하여 제조된 소결합금이 사용되었고, 디스크(disc) 재질로는 차량의 엔진 밸브 재질인 SUH35가 사용되었다.
상기 실험조건으로 마모량을 측정한 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
Figure kpo00002
상기 표 2에서 볼수 있듯이, 실시예 1 및 실시예 2의 마모성이 비교예에 비하여 개선되었으며, 실시예 2의 경우 비교예에 비하여 마모량이 9중량％ 감소되었음을 알 수 있다.
[발명의 효과]
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 배기 밸브 시이트용 소결합금은 내마모성이 우수하여 고출력, 고회전, 저연비화 되어가는 엔진의 배기 밸브 시이트 재질로 유용하게 이용될 수 있다.

Claims (2)

  1. 0.7 ~ 1.5 중량％ C, 1 ~ 5 중량％ Ni, 1 ~ 5 중량％ Cr, 3 ~ 8 중량％ Mo, 3 ~ 10 중량％ Co, 0.5 ~ 0.3 중량％ W, 9 ~ 16 중량% Cu, 0.2 ~ 1.0 중량％ Ca 및 나머지는 Fe로 구성되어 있고, Fe, Cr, Mn, Mo 성분을 함유한 아토마이즈 합금분; Co, Mo, Cr 성분을 함유한 아토마이즈 합금분; 및 Fe, Cr, W, Co, C 성분을 함유한 아토마이즈 합금분에 의해 형성된 경질 합금 분말이 미세 퍼얼라이트 및 마르텐사이트 기지조직에 분산되어 있는 배기 밸브 시이트용 내마모 소결합금.
  2. 95 ~ 98 중량％ Fe, 1 ~ 2 중량％ Cr, 0.5 ~ 1.5 중량％ Mn 및, 0.3 ~ 1.0 중량％ Mo으로 이루어진 40 ~ 90 중량％ Fe-Cr-Mn-Mo 합금분에, 50 ~ 70 중량% Co, 20 ~ 40 중량％ Mo 및 5 ~ 20 중량％ Cr로 이루어진 5~30 중량％ Co-Mo-Cr 경질합금분 및 20 ~ 40 중량％ Fe, 30 ~ 50 중량％ Cr, 10 ~ 30 중량％ W, 5 ~ 20 중량％ Co 및 1 ~ 5 중량％ C로 이루어진 5 ~ 30중량％ Fe-Cr-W-Co-C 경질합금분을 혼합한 후, 고체 윤활제인 CaF2를 첨가하여 성형하고, 1160±15 ℃ 온도로 1 시간 동안 환원성 분위기 하에서 소결 및 동용침시킨 다음 920±30 ℃ 온도에서 1 시간 동안 소입(quenching)시키고, 600±30 ℃ 온도에서 2 시간 동안 소려(tempering)시키는 것을 특징으로 하는 배기 밸브 시이트용 내마모 소결합금의 제조방법.
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