KR100267709B1 - 엔진밸브시트용금속분말조성물,엔진밸브시트제조방법및그장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진 밸브 시트용 금속분말 조성물, 엔진 밸브 시트 제조방법 및 그 제조장치에 관한 것으로, 고온에서도 우수한 기계적 성질을 가질 수 있는 본 발명의 혼합 금속분말을 사용하고, 본 발명의 장치를 이용하여 레이저 클래딩 (laser clading) 방법에 의하여 제조된 일체형 엔진 밸브 시트는 고온에서의 내마모성 및 내식성이 우수할 뿐만 아니라 엔진 블록과의 접합성이 우수하여 기존의 엔진 성능보다 매우 우수한 성능을 갖는 엔진을 제조할 수 있다.

Description

엔진 밸브 시트용 금속분말 조성물, 엔진 밸브 시트 제조방법 및 그 장치{A metal composition for engine valve seat, a method for manufacturing it, and an apparatus therefor}

본 발명은 엔진 밸브 시트용 금속분말 조성물, 엔진 밸브 시트 제조방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다양한 금속을 혼합하여 고온에서도 우수한 기계적 성질을 가질 수 있는 금속분말 조성물, 이들 금속분말 조성물을 이용하여 레이저 클래딩에 의해 엔진 밸브 시트를 제조하는 방법 및 레이저 클래딩 가공장치에 관한 것이다.

자동차 엔진용 밸브 시트는 흡, 배기 밸브의 개폐시 밸브와의 기밀성을 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.

기존의 자동차 엔진용 밸브 시트 제조방법은 용침법, 경금속 (hard metal) 첨가법 및 합금조성제어법으로 나누어진다.

용침법은 용침재인 Cu, Cu-Pd 또는 고체윤활재인 Pb, PbO, B₂O₃, ZnO 등을 소결체의 기공에 용침시킴으로써, 밸브의 회전시 밸브 시트 표면에 첨가된 용침재 및 고체윤활제에 의하여 윤활 효과를 높인다.

경금속 첨가법은 소결체 기지 중에 300㎛ 크기의 경질인 Fe-Mo, Co-Ni-W-C 계 복합 탄화물을 첨가시켜 소결체를 제조하여, 복합 탄화물을 함유한 소결체는 밸브와의 접촉시 밸브 시트에 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, W 을 다량 사용함으로써 제조원가가 높아지는 단점이 있다.

또한, 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.

즉, 현재 사용되는 대부분의 엔진 밸브 시트는 금속분말을 소결(sintering)하여 이를 엔진 블록에 삽입하는 방법으로 제조되는데, 소결에 의한 방법으로 제조되면 경도가 높지 않아 엔진 밸브 시트와의 마찰에 의해 마모되기 쉬우므로 엔진의 성능을 저하시키는 단점이 있다.

한편, 종래의 자동차 엔진용 가솔린 내에 함유된 0.2∼0.8 g/gallon 의 테트라에틸납 (tetraethyl lead)은 옥탄가 (octane number)를 증가시켜 녹킹 방지제 (antiknocking agent)로 사용됨과 동시에, 연소후 납 산화물 (Pb oxide)이나 납 화합물 (Pb compound)을 형성하여 밸브나 밸브 시트의 표면에 윤활 피막 (lubricating film)을 형성함으로써 밸브 시트의 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 시트 또한 내마모성에 있어서 종래의 것보다 훨씬 우수한 새로운 재질이 요구되고 있다.

이에 본 발명자는 엔진과 같은 고온에서 우수한 기계적 성질을 갖는 엔진 밸브 시트용 재료 및 엔진 밸브 시트를 제조하는 방법을 개발하고자 노력하여 오던 중, 특정 조성의 혼합 금속분말을 재료로 사용하여 레이저 클래딩에 의한 방법으로 일체형 엔진 밸브 시트를 제조하는 방법 및 그 가공장치를 알아내어 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 엔진 밸브 시트용 금속분말 조성물, 엔진 밸브 시트 제조방법 및 레이저 클래딩 가공장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 레이저 클래딩 장치로 엔진 밸브 시트를 제조하는 방법의 일예를 나타내는 개략도이고,

도 2는 본 발명의 레이저 클래딩 장치로 엔진 밸브 시트를 제조하는 방법의 일예를 나타내는 사시도이고,

도 3은 본 발명의 금속분말로 레이저 클래딩된 엔진 밸브 시트용 재료 시편의 횡단면에서의 비커스 경도 분포를 표면으로부터의 거리에 따라 나타낸 그래프도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 가공 테이블 (work table) 2 : 엔진 블록 (engine block)

3 : 스크류 컨베어 (screw conveyor) 4 : 호퍼 (hopper)

5 : 노즐 (nozzle) 6 : 반사 미러 (reflect mirror)

7 : 레이저 빔 (laser beam) 8 : 보호가스 공급 호퍼

9 : 혼합 금속분말 12 : 엔진 밸브 시트 홈

13 : 레이저 클래딩에 의한 엔진 밸브 시트

15 : 보호가스 공급용 노즐 (nozzle for shielding gas)

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 다양한 금속을 혼합하여 고온에서도 우수한 기계적 성질을 가질 수 있도록 한 금속분말 조성물, 이들 금속분말 조성물을 이용하여 레이저 클래딩에 의해 엔진 밸브 시트를 제조하는 방법 및 그 가공장치를 제공한다.

이하 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

우선, 본 발명에서는 엔진 밸브 시트용 재료로 사용되는 금속분말 조성물을 제공하는데, 이들 조성물은 니켈 (Ni), 크롬 (Cr), 철 (Fe), 실리콘 (Si), 보론 (B), 탄소 (C) 분말을 혼합하여 이루어지는 것으로서, 모재인 알루미늄 합금강 KS D 6008 에 클래딩된다.

보다 상세하게는, 본 발명의 엔진 밸브 시트용 재료인 금속분말 조성물은 내식성, 내열성 및 내마모성의 증가를 위해 니켈 68∼72 중량%, 크롬 14∼18 중량%, 철 4∼6 중량%, 실리콘 3∼5 중량%, 보론 3∼5 중량% 및 탄소 0.5∼1.5 중량% 를 혼합하여 이루어진다. 이 때 니켈 : 크롬 : 철 : 실리콘 : 보론 : 탄소의 중량비는 70.16 : 16 : 5 : 4.2 : 3.8 : 0.84 인 것이 바람직하다.

상기 본 발명의 재료들 중,68-72 중량%니켈은 탄화물을 형성하지 않고 공석점을 왼쪽으로 이동시키며 전범위에 걸쳐서 γ 상에 고용되고, α 상에 대해서는 25% 까지 고용된다. 또한 연성의 감소없이 아철산염 (ferrite)을 강화시켜 강도를 증가시키기 때문에상기 범위의니켈을 첨가하면 충격, 부식에 대한 저항을 증가시키고 팽창계수를 낮춘다.

14-18 중량% 크롬 사용은공석점을 왼쪽으로 이동시키고, 철과 크롬의 산화물들의 경도를 증가시키고, 결정립을 미세하게 하며 인성을 증가시키는 역할을 한다.

3-5 중량%의실리콘은 아철산염을 경화시키고, 탄화물을 경화시키지는 않으며 탄화물을 분해하여 흑연 (graphite)을 생성시킨다.3-5 중량%의보론은 일반적으로 취성을 개선시키기 위한 재료로 쓰이며 일정한 강도값 갖기보다는 오히려 분산된 경도값을 갖는다. 비정질인 보론은 전자회절법에 의해 2 nm 의 규칙적인 결정립 직경을 가진 미세 결정질상이라고 밝혀진 바 있다.

상기 조성범위의 실리콘과 보론의 첨가는 보로실리케이트(Borosilicate)라는 저용융점 물질을 형성하고, 이것은 유동성을 향상시켜 결과적으로 레이저클래딩 표면이 부드러운 흐름 곡선을 유지시켜주었으며, 실리콘과 보론 분말은 저용융점을 유도함으로써 레이저 빔이 용융에 요구되어지는 비에너지를 감소시킬 수 있었다. 0.5-1.5 중량%의 탄소는 크롬과 철분말을 효과적으로 결합시켰고, 4-6 중량%의 철조성은 합금의 고용강화를 향상시키는 효과를 가져왔다.

상기 금속분말에 포함되는 원소들의 역할을 하기 표 1에 나타내었다.

	Fe	Cr	Si	C	B
고용 강화	○	○	○
금속간 화합물의 형성			○
입계 강화				○	○
탄화물 형성		○		○	○
내산화 보호피막		○	○

또한, 본 발명에서는 상기 금속 혼합분말을 이용하여 엔진 밸브 시트를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명의 엔진 밸브 시트의 제조방법은 레이저 클래딩 (laser clading)에 의한 방법으로써, 이는 에너지 밀도가 높은 특성을 갖는 레이저 빔을 조사하여 모재에 금속분말을 클래딩함으로써 엔진 블록과 일체형으로 엔진 밸브 시트를 제조하는 방법이다.

이 때, 상기 금속분말 조성물은 기계 합금 (Mechanical Alloying)법으로 표준 혼합시간인 24시간 동안 혼합하여 사용한다.

즉, 상기와 같이 혼합된 금속분말을 엔진 블록의 엔진 밸브 시트 홈에 주입하고 여기에 레이저 빔을 조사하여, 실린더 헤드의 재료인 모재에 금속분말이 클래딩되게 함으로써 엔진 블록과 일체형으로 엔진 밸브 시트를 제조한다.

이 때 레이저 빔의 흡수율을 높이기 위하여, 레이저 클래딩 가공하기 전에 엔진 블록의 밸브 시트 위치, 즉 레이저 빔이 조사될 위치에 흑연을 도포할 수 있다.

또한 모재와 금속분말간의 냉각 속도차에 따라 균열이 생기는 문제를 해결하기 위하여, 예열하여 레이저 클래딩 가공을 수행한다. 즉, Ω사의 마이크로프로세서 온도계 (Microprocessor Thermometer)를 이용해 약 250 ℃ 정도의 온도로 예열하여 클래딩 가공을 수행한다.

또한 금속분말을 노즐을 통하여 엔진 밸브 시트 홈에 주입할 때 보호가스 (shielding gas)를 공급하는데, 보호가스는 금속분말과 함께 혼합되어 공급되며 동시에 별도의 보호가스 공급장치를 통해서도 공급된다. 보호 가스는 금속분말의 이송을 원활하게 하며, 혼합 금속분말을 외부 공기로부터 차단하여 클래딩 가공시 금속분말이 산화되는 것을 방지하는 역할을 한다. 사용될 수 있는 보호가스로는 아르곤 가스 또는 헬륨 가스 등이 있는데, 효율은 높으나 고가인 헬륨 가스보다는 아르곤 가스가 주로 사용된다. 보호가스 공급시에는 0.1 kgf/cm²의 가스압을 가한다.

또한, 본 발명에서는 레이저 클래딩 가공에 사용되는 장치를 제공하며, 그 일예를도 1및도 2에 도시하였는 바, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도시되어 있는 바와 같이 레이저 클래딩 가공장치는 금속분말 (9)을 저장하여 스크류 컨베어 (3)를 통해 그 저장된 금속분말 (9)을 소정 장소로 공급하는 혼합 금속분말 호퍼 (4), 그 혼합 금속분말 호퍼 (4)로부터 금속을 공급받아 주입되는 보호가스와 같이 혼합 저장하는 보호가스 공급 호퍼 (8), 그 보호가스 공급 호퍼 (8)에 공급된 보호가스와 혼합되어 있는 금속분말을 실린더 헤드의 밸브 시트 가공위치로 공급하는 노즐 (5), 그 노즐 (5)로부터 배출되는 금속분말에 보호가스를 공급하는 보호가스 공급용 노즐 (15)로 구성되는 금속분말 공급수단과,

소정의 레이저 빔 (7)을 발생하는 레이저 빔 공급원과, 그 레이저 빔 공급원으로부터 투사되는 레이저 빔을 상기한 노즐 (5)로부터 공급되는 금속분말로 집중 조사하는 반사 미러 (6)로 구성되는 레이저 빔 조사수단을 포함하고 있다.

이와 같이 구성되는 레이저 클래딩 가공장치를 이용하여 밸브시트를 가공할 경우, 우선 혼합 금속분말 호퍼 (4)에 혼합 금속분말을 저장시킨 상태에서 스크류 컨베어 (3)를 회전 구동시킨다. 이 때 스크류 컨베어 (3)는 혼합 금속분말 호퍼 (4)의 금속분말을 보호가스 공급호퍼 (8)로 이송, 공급하며, 그 보호가스 공급호퍼 (8)는 별도의 보호가스 주입수단에 의해 상부로부터 주입되는 보호가스와 상기 공급된 금속분말을 혼합하여 저장함으로써 금속분말의 이송을 원활하게 한다.

이러한 상태에서, 그 보호가스 공급호퍼와 연통된 노즐 (5)을 실린더 헤드의 밸브시트 가공위치로 조준하여 보호가스와 혼합된 금속분말을 배출하는데, 이 때 별도의 보호가스 공급수단인 보호가스 공급용 노즐 (15)로부터 보호가스가 공급되어 배출되는 금속분말이 외부공기와 접촉하는 것을 차단하여 금속분말의 산화를 방지한다.

이렇게 금속분말이 밸브시트 가공위치로 배출되는 과정에서, 레이저 빔 공급원으로부터 투사되는 레이저 빔 (7)을 반사 미러 (6)를 이용하여 상기 가공위치로 배출되는 금속분말에 조사하게 된다. 이 때, 금속분말은 조사되는 레이저 빔 (7)에 의해 클래딩된다.

이하 실시예에 의하여 본 발명을 자세히 설명하기로 한다. 단 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

니켈 334.1 g, 크롬 76.2 g, 철 23.8 g, 실리콘 20.0 g, 보론 18.1 g 및 탄소 4 g 을 기계 합금 (Mechanical Alloying)법으로 표준 혼합시간인 24시간 동안 혼합하였다. 모재로 알루미늄 주물 2종 KS D 6008를 사용하여, 상기에서 혼합한 금속분말을 레이저 빔을 조사하여 모재에 클래딩하였다. 이 때 Ω사의 마이크로프로세서 온도계를 이용해 약 250 ℃ 의 온도로 예열하여 클래딩 가공을 수행하였다. 또한 보호가스로는 아르곤 가스를 사용하였으며, 0.1 kgf/cm²의 가스압을 주었다.

레이저 클래딩으로 제조된 시편은 폭 2.16 mm, 용입 깊이 0.992 mm, 모재와 분말의 희석 부분인 다이루션 층의 두께 0.232 mm 로 나타났다.

상기 시편을 이용하여 하중 100 g 을 주어 경도를 측정한 결과, 경도분포는 600∼800 Hv 범위였다. 즉, 경도값은 표면에서 다소 적은 값을 나타내어 표면에서부터 0.1 mm 까지는 경도 550 Hv를 보이며, 0.2∼0.8 mm 까지는 600∼800Hv 값을 보인다. 다이루션 층이 나타나는 0.9∼1.1 mm 까지는 모재와 분말의 용융 부위로 경도값은 급격히 떨어진다. 모재의 경도값은 약 100 Hv 인데 비해 레이저 클래딩된 표면의 경도는 600∼800Hv 임을 알 수 있다 (도 3참조).

가솔린 자동차의 엔진의 실린더 헤드 부위의 온도는 출력 5 마력일 때 5,000 rpm 에서 약 400∼600 ℃ 의 범위를 갖는다. 내열 실험을 하기 위하여 클래드된 면의 경도를 측정하였다. 일반적으로 내열 시험을 하기 위하여 일정 온도로 가열한 후 경도를 측정하면 50∼60 % 로 경도값은 낮아지는데, 본 내열 시험을 위하여 예열한 시편의 클래드 층을 약 600 ℃ 로 가열한 후 공기 중에서 서냉시켜 경도를 측정한 결과 경도값이 600∼700 Hv 로 유지되는 것을 확인하였다. 이로부터 금속 성분간 친화력을 부여해 주는 보론과 탄소를 첨가하고, 시편을 예열하면 클래드 층이 더욱 견고하게 된다는 것을 알 수 있다.

상기 실험결과에서 알 수 있듯이, 본 발명에서는 강도가 우수하고 주조성이 우수한 알루미늄 주물 KS D 6008 에 내마모성, 내식성, 내열성을 부여하기 위하여 니켈, 크롬, 실리콘, 철, 보론, 탄소를 중량비적으로 혼합한 분말을 레이저 클래딩하여 자동차용 엔진 밸브 시트에 적합한 특성의 재료를 얻을 수 있었다. 또한 예열하여 레이저 클래딩함으로써 모재와 혼합 금속분말 사이의 조직이 치밀하고 용융, 융착된 클래드 부위의 균열을 방지할 수 있었으며 용입 깊이가 깊은 클래드를 얻을 수 있었다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 레이저 클래딩은 에너지 밀도가 높은 레이저 빔의 특성을 응용한 기술로서 모재와 클래드 층과의 접합이 매우 우수하여 접합 강도가 높으며 기존의 기술보다 단시간에 가공생산할 수 있는 장점이 있다. 즉 본 발명의 장치를 이용한 제조방법에 의하여 혼합 분말을 레이저 클래딩하여 제조된 엔진 밸브 시트는 고온에서도 높은 경도를 나타내고 내마모성도 우수하여 엔진 수명을 향상시키며 고품질의 엔진을 생산을 가능하게 하였다.

Claims (4)

1. 니켈 68∼72 중량%, 크롬 14∼18 중량%, 철 4∼6 중량%, 실리콘 3∼5 중량%, 보론 3∼5 중량% 및 탄소 0.5∼1.5 중량% 를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진 밸브 시트용 금속분말 조성물.
2. 보호가스를 이용하여 혼합 금속분말(9)을 엔진 블록(2)의 엔진 밸브 시트 홈(12)에 주입하는 단계, 상기 혼합 금속분말(9)를 예열하는 단계, 레이저 빔이 조사될 위치에 흑연을 도포하는 단계 및 레이저 빔을 조사하는 단계로 구성되어, 실린더 헤드의 재료인 모재에 금속분말이 클래딩되게 함으로써 엔진 밸브 시트(13)가 엔진 블록(2)과 일체형으로 생성되는 것을 특징으로 하는 엔진 밸브 시트의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서, 보호가스는 아르곤 가스 또는 헬륨 가스인 것을 특징으로 하는 엔진 밸브 시트의 제조방법.
4. 금속분말 (9)을 저장하여 스크류 컨베어 (3)를 통해 그 저장된 금속분말 (9)을 소정 장소로 공급하는 혼합 금속분말 호퍼 (4), 그 혼합 금속분말 호퍼 (4)로부터 금속을 공급받아 주입되는 보호가스와 같이 혼합 저장하는 보호가스 공급 호퍼 (8), 그 보호가스 공급 호퍼 (8)에 공급된 보호가스와 혼합되어 있는 금속분말을 실린더 헤드의 밸브 시트 가공위치로 공급하는 노즐 (5), 그 노즐 (5)로부터 배출되는 금속분말에 보호가스를 공급하는 보호가스 공급용 노즐 (15)로 구성되는 금속분말 공급수단과,

   소정의 레이저 빔 (7)을 발생하는 레이저 빔 공급원과, 그 레이저 빔 공급원으로부터 투사되는 레이저 빔을 상기한 노즐 (5)로부터 공급되는 금속분말로 집중 조사하는 반사 미러 (6)로 구성되는 레이저 빔 조사수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 가공장치.

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