KR100262890B1 - 밸브태핏용 철계 소결합금 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차 엔진에 있어서, 캠 축의 회전운동을 왕복운동으로 바꾸어 주는 부분인 밸브 태핏(valve tappet)을 제조하는데 사용되는 철계 소결합금에 관한 것으로서, 상세하게는 탄소, 크롬, 몰리브덴, 망간 및 텅스텐, 니오븀, 붕소, 인, 바나듐 등과 잔부는 철로 구성되는 밸브 태핏용 소결합금에 관한 것이다. 본 발명의 소결합금은 탄화물 및 붕화물이 기지조직에 다량으로 분포되며, 조직이 마르텐사이트(martensite)화 됨으로써 우수한 내마모성 및 내부식성을 지녀 밸브 태핏용 재료로 유용하게 사용될 수 있다.

Description

밸브 태핏용 철계 소결합금
본 발명은 자동차 엔진 부품인 밸브 태핏을 제조하는데 사용되는 철계 소결합금에 관한 것으로서, 탄소, 크롬, 몰리브덴, 망간, 텅스텐 등과 잔부는 철로 구성되는 밸브 태핏(valve tappet)용 철계 소결합금에 관한 것이다.
밸브 태핏은 밸브 리프터(valve lifter)라고도 불리며, 캠 축의 회전운동을 상하운동으로 바꾸어 주는 원통형의 부품이다. 밸브 태핏의 윗면은 평면으로 캠에 접촉되어 있고, 그 내면에는 푸쉬 로드(push rod)가 와닿는 오목면 시트가 설치되어 있다. 외통부는 실린더 블록 또는 실린더 헤드에 설치된 태핏 구멍으로 안내된다. 태핏의 재질은 합금 주철 또는 탄소강으로 만들어지며, 측면 및 저면과 푸쉬 로드의 접촉면은 급냉하여 경화하거나, 화염 또는 고주파 담금질이 되어 있다.
기존에 사용되었던 밸브 태핏은 대개 3.3∼3.6 중량%의 탄소, 1.9∼2.3 중량%의 규소, 0.6∼0.9 중량%의 망간, 0.4∼0.6 중량%의 니켈, 0.3∼0.5 중량%의 크롬, 0.5∼0.7 중량%의 몰리브덴, 0.07∼0.2 중량%의 구리, 0.3 중량% 이하의 인, 0.1 중량% 이하의 황 및 잔부 철의 조성으로 구성되며, 칠링(chilling) 경화처리, 소입, 소결 및 열처리 후의 경도(HRC)가 61 이상인 특수 주철을 사용하여 제조되었다. 상기 조성의 특수 주철에 내마모성을 부여하기 위하여 세멘타이트(cemmentite)인 Fe3C를 기지조직 내에 35% 이상 분포시키며, 특수 주철을 담금질하여 기지 조직을 마르텐사이트화하였다. 그러나, Fe3C의 탄화물만이 기지 조직내에 분포되어 있으므로 소재의 내마모성에는 한계가 있으며, 디젤엔진이 고출력화 및 다밸브화되는 추세에 따라 엔진내 밸브-스프링의 힘이 증가되어 캠과 태핏에 가해지는 하중이 증가되고, 그로 인해 태핏의 접동면이 긁혀 흠집이 생기는 스커핑(scuffing)과 피팅(pitting)현상이 발생되었다. 또한, 엔진의 연소온도를 낮추어 대기오염의 주범인 배기가스 내의 질소 산화물(NOX) 양을 감소시키기 위하여 채택되는 배기가스 재순환장치(EGR system)에 의해 발생되는 연소가스로 부식마모가 촉진되어 상기 특수 주철로 제조된 밸브 태핏이 조기에 과다하게 마모되는 문제가 발생되었다.
이에 본 발명자는 고 내마모성 및 내부식성이 요구되는 밸브 태핏을 제조하는데 사용될 수 있는 적합한 재료를 개발하고자 연구를 계속하여 오던 중, 탄화물 및 붕화물이 마르텐사이트화된 기지 조직에 분산되어 있는 철계 소결합금이 내마모성 및 내부식성이 우수한 밸브 태핏용 재료임을 알아내어 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 내마모성 및 내부식성이 우수한 엔진 밸브 태핏용 재료를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 마르텐사이트가 혼재된 조직에 탄화물 및 붕화물이 균일하게 분산되어 있는 엔진 밸브 태핏용 철계 소결합금을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 엔진 밸브 태핏용 철계 소결합금은 2.0∼3.0 중량%의 탄소, 8.0∼15.0 중량%의 크롬, 0.3∼2.5 중량%의 몰리브덴, 0.1∼1.0 중량%의 망간, 0.5∼3.0 중량%의 텅스텐, 0.2∼1.0 중량%의 인, 0.1∼1.0 중량%의 붕소, 0.5∼2.0 중량%의 바나듐, 0.5∼7.5중량%의 니오븀(Nb) 및 잔부 철로 구성된다.
본 발명의 재료들 중 탄소는 기지조직을 강화하고 탄화물(Cr3C2, WC, NbC, VC, Mo2C 등)을 형성시키는 효과가 있고, 크롬 또는 몰리브덴과 결합하여 경질상을 석출시킴으로써 소재의 내마모성을 향상시키는 효과가 있으며 2.0% 이하이면 효과가 적고 3.0% 이상이면 탄화물을 구성하는 다른 성분의 양과 관련하여 그 효과가 적어진다.
크롬은 기지조직 중에 일부 고용되어 소입성과 내부식성을 동시에 향상시키며, 탄소와 결합하여 경도(Hv)가 1300이며, 용융점이 1895℃인 경질의 탄화물 (Cr3C2)을 형성함으로써 소재의 내마모성을 향상시킨다. 성분범위가 8.0% 이하이면 효과가 적고 15.0% 이상이면 경제적이지 못하다.
몰리브덴은 크롬과 같이 기지조직을 강화시키는 것 외에 탄소와 반응하여 경도(Hv)가 1800이며, 용융점이 2500℃인 경질의 탄화물(Mo2C)을 형성함으로써 소재의 내마모성을 향상시킨다. 성분범위가 0.3% 이하이면 효과가 적고 2.5% 이상이면 경제적이지 못하다.
텅스텐은 경도(Hv)가 1780이며, 용융점이 2900℃인 내마모성이 우수한 탄화물(WC)을 형성한다. 성분범위가 0.5% 이하이면 효과가 적고 3.0% 이상이면 경제적이지 못하다.
인은 저온에서 3상 공정의 액상을 형성함으로써 합금재의 강도 및 경도를 증가시킨다. 성분범위가 0.2% 이하이면 효과가 적고 1.0% 이상이면 경제적이지 못하다.
붕소는 붕화물 및 탄붕화물을 형성하여 내마모성을 향상시키며, 성분범위가 0.1% 이하이면 효과가 적고 1.0% 이상이면 경제적이지 못하다. 바나듐은 탄소와 반응하여 경도(Hv)가 2100이며, 용융점이 2800℃인 경질의 탄화물(VC)을 형성함으로써 소재의 내마모성을 향상시킨다. 성분범위가 0.5% 이하이면 효과가 적고 2.0% 이상이면 경제적이지 못하다.
또한, 니오븀은 경도(Hv)가 2050이며, 용융점이 3500℃인 경질의 탄화물(NbC)을 형성함으로써 소재의 내마모성을 향상시킨다. 성분범위가 0.5% 이하이면 효과가 적고 7.5% 이상이면 경제적이지 못하다.
기존에 주로 이용되는 엔진 밸브 태핏용 재료는 세멘타이트인 Fe3C를 기지조직내에 35% 이상 분포시켜 스커핑에 대한 내마모성을 부여하고, 조직을 마르텐사이트화하여 피팅에 대한 내마모성을 부여함으로써 소재의 내마모성을 향상시켰으나, 본 발명의 합금재에서는 Cr3C2, WC, NbC, VC 및 Mo2C 등의 탄화물과 붕화물을 기지조직내에 30% 이상 분포시켜 스커핑에 대한 내마모성을 부여하고, 기지조직의 대부분을 마르텐사이트화하여 피팅에 대한 내마모성을 부여함으로써 소재의 내마모성 및 내부식성을 향상시킨다는 특징이 있다.
이하 실시예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
[실시예 및 비교예]
고내마모성 엔진 밸브 시이트용 재료의 제조
제조될 엔진 밸브 태핏용 소결합금의 최종 구성성분이 하기 표 1의 조성이 될 수 있도록 공지의 방법을 통하여 금속 분말을 일정시간 동안 혼합한 후, 성형하고 소결하였다. 그런 다음 소입 및 소려한 뒤 열처리하여 소결합금을 제조하였다.
제조된 소결합금을 이용하여 핀-온-디스크(pin-on-disc) 시험(하중: 60N, 속도: 0.25m/초, 거리: 900m)을 통하여 내마모성을 측정하였으며, 내부식성 시험을 수행하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
한편, 기존의 밸브 태핏용 특수 주철을 비교실시예로 하여 실시예의 철계 소결합금과 비교하였다.
[표 1a]
Figure kpo00001
[표 1b]
Figure kpo00002
[표 2]
Figure kpo00003
상기 표에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 철계 소결합금은 핀-온-디스크 테스트 결과 마모량이 29㎛ 감소하여 기존의 특수 주철에 비해 내마모성이 향상되었으며, 내부식성이 기존의 특수 주철에 비해 5배 이상 향상되었음을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 밸브 태핏용 소결합금은 현재 밸브 태핏용 재료로 사용되고 있는 특수 주철 재료에 비해 내마모성 및 내부식성이 향상되어 고출력, 다밸브 디젤엔진 및 배기가스 재순환장치(EGR system)가 채택된 디젤엔진의 밸브 태핏을 제조하는데 유용하게 사용될 수 있는 우수한 철계 소결합금이다.

Claims (1)

  1. 2.0∼3.0 중량%의 탄소(C), 8.0∼15.0 중량%의 크롬(Cr), 0.3∼2.5 중량%의 몰리브덴(Mo), 0.1∼1.0 중량%의 망간(Mn), 0.5∼3.0 중량%의 텅스텐(W), 0.2∼1.0 중량%의 인(P), 0.1∼1.0 중량%의 붕소(B), 0.5∼2.0 중량%의 바나듐(V), 0.5∼7.5중량%의 니오븀(Nb) 및 잔부 철(Fe)로 구성되어 탄화물 및 붕화물이 기지조직 내에 30%이상 함유된 것을 특징으로 하는 밸브 태핏용 철계 소결합금
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