KR100302484B1

KR100302484B1 - 차량용부시리스로커암어셈블리및그의제조방법

Info

Publication number: KR100302484B1
Application number: KR1019980019468A
Authority: KR
Inventors: 재 수 김
Original assignee: 재 수 김
Priority date: 1998-05-28
Filing date: 1998-05-28
Publication date: 2002-02-28
Also published as: KR19990086476A

Abstract

본 발명은 차량용 부시리스 로커암 어셈블리 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 암모니아가스와, 프로판 가스로부터 생성되는 흡열반응가스를 1220×660×600㎜ 크기의 연질화 노(爐)에 각기 3.5∼4.5㎥/hr 정도로 공급하고 온도를 570∼640℃로 일정하게 유지하는 노(爐)에 반제품 로커암을 장입하여 110∼130분 정도 유지시키고, 상기 암모니아가스와 흡열반응가스의 공급을 중지시킨 상태에서 60∼80분 정도 노냉시킴으로써, 상기 반제품 로커암의 적어도 로커암 축용 체결공의 내표면 상에 조밀육방격자 구조를 갖는 ε-Fe₃N과 미소량의 γ-Fe₄N 및 α-Fe로 구성된 연질화 화합물층을 0.012∼0.030㎜ 두께로 형성하여 로커암을 제작하고, 로커암의 조정나사용 체결공에 조절나사를 체결한 부시리스 로커암 어셈블리를 제공함으로써, 부시 제작용 인청동소결 코일을 대용하도록 하여 부품의 수를 줄이고 종래 코일로부터 부시를 가공하거나 로커암에 압입하여야 하는 작업성의 어려움을 근본적으로 개선한 특징이 있다.

Description

차량용 부시리스 로커암 어셈블리 및 그의 제조방법

본 발명은 차량용 부시리스 로커암 어셈블리 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 실린더에 마련된 흡,배기공을 원하는 시점에 각기 개폐하도록 캠에 연동되어 밸브를 가동시키는 로커암에 있어서, 더욱 상세하게는 로커암 축을 회동중심으로 하여 일정한 각도로 회동되는 로커암을 특수열처리하여 로커암이 로커암 축에 회동자재하게 설치되도록 로커암의 체결공에 압입되던 소착방지용 부시를 대용하도록 한 차량용 부시리스 로커암 어셈블리 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

로커암 축(2)에 회동자재하게 설치된 로커암(1)은 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 캠(3)의 회전에 따라 실린더(CY)의 상부면에 마련된 흡,배기공을 각기 원하는 시점에 밸브(4)에 의해 개폐되도록 캠(3)과 연동된 리프터(5)에 수용된 푸시로드(6)의 상단부와 로커암(1)의 좌측단부에 체결된 조정나사(7)의 하단부가 접촉되고, 이와 동시에 로커암(1)의 우측단부는 밸브스템(4a)의 상단부와 접촉되도록 설치된다. 따라서, 캠(3)이 회전되면 리프터(5)가 상하운동을 반복하게 되고, 그에 따라 푸시로드(6)가 로커암(1)의 좌측단부를 로커암 축(2)을 회동중심으로 하여 상하로 가동시킴으로써 로커암(1)의 우측단부가 밸브스템(4a)의 상단부를 가압하여밸브헤드(4b)가 시이트(CY1)와 이격되면서 하강하여 각기 흡,배기를 수행하거나 또는, 로커암(1)의 우측단부가 원위치로 복귀되어 밸브(4)가 스프링(8)의 탄성력에 의해 원위치로 복귀됨으로써 밸브헤드(4b)의 상부면이 시이트(CY1)를 폐쇄하는 일련의 과정이 반복적으로 진행된다.

여기서, 로커암(1)은 통상 80㎞/h로 차량이 주행할 경우에 1분당 2,000회 이상 밸브(4)를 개폐하도록 로커암 축(2)을 회동중심으로 하여 회동된다. 따라서, 로커암(1)은 로커암 축(2)을 중심으로 회동될 때 마찰열에 기인된 소착현상이 발생되기 때문에 이를 방지하고자 일반적으로, 도 2에 나타나 있는 바와 같이 소착방지용 부시(9)를 로커암(1)의 체결공에 압입하여 사용하고 있다.

일반적인 로커암(1)의 재질은 고탄소강으로서 경도(HB)가 201∼269 정도 유지하도록 담금질(quenching) 및 뜨임(tempering) 열처리하고, 소착방지용 부시(9)로는 인청동소결 코일 제품을 사용하고 있다. 그러나, 이러한 인청동소결 코일제품은 별도의 공정이 이루어져야 하고 또한, 제작된 인청동부시(9)를 로커암(1)의 체결공에 압입하여야 하는 작업상의 어려움이 있다. 그리고, 하기의 표 1은 인청동소결 코일의 일반적인 화학조성을 나타내고 있으며, 경도(H_RB)는 76이다.

여기서, 미설명번호 1a는 오일공급로이며, 미설명번호 10a는 로커암(1)의 오일공급로(1a)에 연통된 오일홈이다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창출된 것으로서, 그 목적은 로커암 자체를 특수열처리하여 로커암 축에 회동자재하게 결합하는 로커암의 소착방지용 부시를 대용할 수 있도록 한 차량용 부시리스 로커암 어셈블리 및 그의 제조방법을 제공함에 있다.

도 1은 종래기술에 의한 로커암 어셈블리가 장착된 엔진의 흡,배기부를 개략적으로 나타내는 단면도.

도 2는 도 1의 소착방지용 어셈블리를 확대하여 나타내는 정면도.

도 3은 도 2의 Ⅲ―Ⅲ선을 따라 자른 단면도.

도 4는 본 발명에 의한 차량용 부시리스 로커암 어셈블리를 정면도.

도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ선을 따라 자른 단면도.

도 6은 고탄소강 원자재의 열처리 사양(600℃)시 상태도를 나타내는 도면.

도 7은 Fe₃C와 평형하는 탄소(C)의 용해도를 나타내는 도면.

도 8은 Fe₄N과 평형하는 질소(N)의 용해도를 나타내는 도면.

≪도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명≫

2 : 로커암 축 3 : 캠

4 : 밸브 5 : 리프터

6 : 푸시로드 7 : 조정나사

8 : 스프링 11 : 로커암

11a : 오일공급로 11b : 오일홈(oil groove)

11c : 체결공

이러한 본 발명의 목적은, 반제품 로커암의 적어도 로커암 축용 체결공의 내표면 상에 조밀육방격자 구조를 갖는 ε-Fe₃N과 미소량의 γ-Fe₄N 및 α-Fe로 구성된 연질화 화합물층을 0.012∼0.030㎜ 두께로 형성한 로커암과, 상기 로커암의 조정나사용 체결공에 체결된 조절나사를 포함하여 구성된 차량용 부시리스 로커암 어셈블리에 의해서 달성된다.

또한, 본 발명의 목적은, 1200×660×600㎜ 크기인 연질화 노에 암모니아가스와, 프로판 가스로부터 생성되는 흡열반응가스를 각기 3.5∼4.5㎥/hr 정도로 공급하고 온도를 570∼640℃로 일정하게 유지하는 노(爐) 내로 반제품 로커암을 장입하여 110∼130분 정도 유지시키고, 이후 상기 암모니아가스와 흡열반응가스의 공급을 중지시킨 상태에서 60∼80분 정도 노냉시킴으로써, 상기 반제품 로커암의 적어도 로커암 축용 체결공의 내표면 상에 조밀육방격자 구조를 갖는 ε-Fe₃N과 미소량의 γ-Fe₄N 및 α-Fe로 구성된 연질화 화합물층을 0.012∼0.030㎜ 두께로 형성하여 로커암을 제작하고, 상기 로커암의 조정나사용 체결공에 조절나사를 체결함을 특징으로 하는 차량용 부시리스 로커암 어셈블리의 제조방법에 의해 달성된다.

이하, 본 발명의 첨부된 도면에 의거하여 차량용 부시리스 로커암 어셈블리의 제조방법과 그 어셈블리에 관한 바람직한 실시예를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 여기서, 설명되는 번호중, 도 1에 해당하는 번호는 그와 동일한 번호를 이용하여 설명하기로 한다.

우선, 고탄소강 재질의 원자재를 열간단조후 절단하여 개별제품에 대응되는 크기로 각기 분리한다. 그런 다음, 종래의 로커암(1)과 동일하게 소재를 담금질 및 뜨임 열처리를 하여 경도(HB)를 201∼269로 유지시킨다.

이후, 로커암 축(2)에 대응되는 로커암(11)의 체결공(11c)을 형성하도록 소재의 몸체를 드릴링하여 체결공(11c)을 형성하고, 그 체결공(11c)의 관통된 내경을 브로우치(broach)를 이용하여 황삭 및 정삭하는 2회 절삭공정을 거친 표면을 매끄럽게 가공한다. 그리고, 로커암(11)이 로커암 축(2)을 회동중심으로 회동시 회동자재하게 체결된 로커암(11)의 체결공(11c)과 로커암 축(2)간의 유막을 형성하여 마찰력을 최소화하기 위한 오일공급로(11a)를 제품에 사양에 적합하게 선삭가공하여 형성하고, 매끄럽게 가공된 체결공(11c)의 내경면을 T 커터를 이용하여 오일홈(11b)을 가공하여 오일공급로(11a)와 연통되도록 형성한다. 이와 함께, 푸시로드(6)의 상하운동에 의해 로커암(11)을 로커암 축(2)을 회동중심으로 하여 회동되도록 로커암(11)의 일단부에 푸시로드(6)의 상단부와 접촉되어 연동되는 조정나사(7)를 설치할 수 있도록 그에 대응된 체결공을 가공한다.

이하, 로커암 원자재로부터 전술된 공정에 의해 가공된 반제품 상태의 로커암을 반제품 로커암이라 한다.

이렇게 종래의 로커암(1)과 동일한 작업공정에 의해 제작된 반제품 로커암은 본 발명의 목적을 달성하기 위해 특수열처리를 수행되는데, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 특수열처리 공정은 소위, 질화법(nitriding)을 이용하여 적어도 체결공(11c)의 내표면 상에 내식성, 내마모성 및 미끄럼성이 우수한 동시에 종래의 청동소결 부시(9)를 대용할 수 있도록 내소착성이 우수한 화합물층을 형성하는 것이다. 통상적으로, 질화법은 강(綱)을 암모니아 분위기 하에서 가열하고, 질소를 침투시켜 표면을 경화하는 방법을 말한다. 침탄에 비하여 경도가 높아서 내마멸성, 내식성이 좋으며, 고온에서의 경도유지력이 우수하고 경화과정에서의 변형이 적어 강을 경화시키는 방법으로 널리 사용되고 있다. 그러나, 본 발명은 전술된 질화법을 이용하되, 조직을 경화시키는 순질화 열처리에 비해 탄소(C)와 질소(N)의 농도를 낮춤으로써 조직을 연질화시켜 종래의 부시(9)를 대용토록 한 것이다.

질화공정은 전술된 바와 같이, 반제품 로커암 표면을 깨끗이 한 후 질화상자에 밀봉하여 1220×660×600㎜ 크기의 연질화 노(爐) 안에 장입한 후, 질화상자 안의 공기를 암모니아(NH₃) 가스와 흡열반응(RX) 가스로 치환한다. 이 때, 노 내부의 온도는 600±5℃, 바람직하게는 600℃로 유지하여야 하며, 노 내의 분위기는 암모니아가스와 흡열반응 가스가 각기 3.5∼4.5㎥/hr 정도로 공급되도록 유지한다.

그런 다음, 노 내의 온도를 570∼640℃ 바람직하게는 600±5℃ 정도로 110∼130분, 바람직하게는 120분 정도 유지하고, 60∼80분 정도 노냉시킨 후(전술된 가스의 공급중지) 노로부터 질화상자를 꺼내면 로커암(11)의 열처리공정은 완료된다. 여기서, 암모니아의 미분해도를 살펴보면, 장입직전에는 35∼40％, 장입후 온도가 상승되는 30∼60분 정도에서는 20∼25％ 그리고, 온도가 600±5℃로 일정하게 유지되는 60∼120분 정도에서는 25∼30％가 된다.

이렇게 열처리가 완료되면, 로커암(11)은 전표면에 걸쳐 조밀육방격자 구조를 갖는 ε-Fe(C,N)의 연질화 화합물층(질화층)이 0.012∼0.030㎜ 정도 형성된다. 보다 상세하게는 이 화합물층은 ε-Fe외에 미소량의 γ-Fe₄N 및 α-Fe로 구성된다.

여기서, ε-상(Fe₃N 기반의 조밀육방정)의 탄소(C) 및 질소(N)의 고용한도를 살펴보면,

500℃: 7.7∼11％N → Fe-N 2원계,

500℃: 5.0％N(최저), 3.8％C(최고) → Fe-N-C계

600℃: 3.6％N(최저), 3.4％C(최저) → Fe-N-C계 (도6 참조)

700℃: 3.0％N(최저), 3.0％C(최고) → Fe-N-C계임을 알 수 있다. 본 발명의 열처리 온도를 600℃ 정도로 유지하는 이유는 이 온도에서 화합물층이 매우 안정적으로 형성됨은 물론 그에 따른 내식성, 내마모성, 미끄럼성이 우수하고, 인성이 양호하고 마찰계수가 작아 내소착성이 가장 우수하기 때문이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 570∼640℃ 바람직하게는 570℃ 부근에서 소재의 질화처리에 의해 α-Fe의 공간격자 사이로 C와 N이 확산되지만, α-Fe에 대한 C의 고용도는 N의 고용도에 비해 극히 적음으로 인해, 즉시 포화하여 극미세한 (submicroscopic) Fe₃C를 생성하게 되고, 이것이 핵이 되어 N의 확산을 촉진케 함으로써 Fe₃C → Fe₃-C, Fe₄N → ε-상(N,C)의 상변태를 거쳐 ε-상의 질화물이 생성된다.

여기서, 전술된 흡열반응가스(Endothermic Gas)를 좀 더 상세히 설명하면, 이 가스는 외부로부터 열을 공급받아야 변성하기 때문에 소위, 흡열형 가스라고도 한다. 흡열반응가스는 프로판과 공기를 1,080℃의 온도에서 Ni촉매를 통과시킴으로써 제조되는 것으로, 그 이론반응식은 하기와 같이

2C₃H₈+ 3(O₂+4N₂) → 6CO + 8H₂+ 12N₂+ CO₂+ H₂O이며, 그 조성은 CO: 23％, H₂: 30％, N₂: 47％ 및 미량의 H₂0, CO₂등을 포함하여 조성된다.

이와 같이 형성된 본 발명의 화합물층의 경도는 종래 부시(9)의 경도와 비교하여 볼 때, 경도 시험법 상의 차이로 인해 통일된 자료를 얻을 수 없으나, 부시(9)의 경도는 전술된 바와 같이 H_RB 76이고 본 발명이 화합물층의 경도는 HV 500 이상으로 확인되어 화합물층의 경도가 부시의 경도에 비하여 높아 내마멸성이우수하되, 인성이 양호하며 마찰계수가 적어 경도가 높더라도 로커암 축(2)에 대한 미끄럼성이 우수하여 종래의 부시(9)를 충분히 대용할 수 있음을 알 수 있었다. 이렇게 완성된 로커암(11)의 조정나사(7)용 체결공에 조정나사(7)를 체결함으로써 부시리스 로커암 어셈블리가 완성된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 구조 및 방법에 의하면, 질화법에 의해 고탄소강 원자재를 600℃에서 상변태시켜 순질화 열처리(강의 경질법)에 비하여 탄소 및 질소의 고용농도를 낮추어 연질화 화합물을 형성함으로써 종래의 부시의 경도에 비하여 우수한 경도를 구현하여 내마멸성이 매우 우수한 동시에 인성이 양호하고 마찰계수가 적어 로커암 축과의 소착발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.

더욱이, 이러한 구조 및 방법은 부시 제작용 인청동소결 코일을 대용하도록 함으로써 종래 코일로부터 부시를 가공하거나 로커암에 압입하여야 하는 작업성의 어려움을 근본적으로 개선한 효과가 있다.

Claims

반제품 로커암의 로커암축(2)용 체결공(11c)의 내표면상에 조밀육방격자 구조를 갖는 ε-Fe₃N, γ-Fe₄N 및 α-Fe로 구성된 연질화 화합물층을 0.012∼0.030㎜ 두께로 형성하여 소착방지용 부시기능을 하게되는 로커암(11); 및

상기 로커암(11)의 조정나사체결공에 체결된 조절나사(7)를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량용 부시리스 로커암 어셈블리.
암모니아가스와, 프로판 가스로 부터 생성되는 흡열반응가스를 각각 3.5∼4.5㎥/hr 정도로 공급하고 온도를 570∼640℃로 일정하게 유지하는 로 내로 반제품 로커암을 장입하여 110∼130분정도 유지시킨후 상기 암모니아가스와 흡열 반응가스의 공급을 중지시킨 상태에서 60∼80분정도 로냉시켜,

상기 반제품 로커암의 적어도 로커암 축(2)용 체결공(11c)의 내표면상에 조밀육방격자 구조를 갖는 ε-Fe₃N, γ-Fe₄N 및 α-Fe로 구성된 연질화 화합물층을 0.012∼0.030㎜ 두께로 형성하여 소착방지용 부시기능을 하게되는 로커암(11)을 제작하고, 상기 로커암(11)의 조정나사용 체결공에 조절나사(7)를 체결함을 특징으로 하는 차량용 부시리스 로커암 어셈블리의 제조방법.