KR100319428B1 - 밸브시트인서어트 - Google Patents

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KR100319428B1
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윔페니 클라이브 브이
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Abstract

2층 밸브 시트 인서어트 및 그 제조 방법이 개시되어 있다. 본 방법은, 밸브 시트 접촉층을 형성하는 제1파우더 혼합물 및 밸브 시트 베이스층을 형성하는 제2파우더 혼합물을 제조하는 단계: 소정량의 상기 제1파우더 혼합물 및 제2파우더 혼합물 각각을 압분 성형 다이에 투입하고 그 파우더 혼합물 사이의 경계면이 실질적으로 상기 다이의 축과 직각이 되도록 하는 단계: 및 상기 제1파우더 혼합물 및 제2파우더 혼합물을 압분하여 두 층을 갖는 압분체를 형성한 후, 상기 압분체를 소결하는 단계를 포함하고, 압분후에 상기 밸브 시트 접촉층 및 밸브시트 베이스층의 밀도가 실질적으로 동일하도록 상기 제1파우더 혼합물 및 제2파우더 혼합물 중 화학적 조성 또는 물리적 특성 중 적어도 하나를 조절하는 것을 특징으로 한다.

Description

밸브 시트 인서어트
본 발명은 내연기관에 사용되는 밸브 시트 인서어트(valve seat insert)에 관한 것이다.
내연기관의 실린더 헤드 내의 적소에 인터퍼런스 피트(interference fit)에 의해 결합되는 밸브 시트 인서어트들이 잘 알려져 있다. 종래에는, 그러한 인서어트가 단일 재료로써, 주조 또는 분말야금법에 의해 제조된 후 적정 크기로 기계 가공되는 경향이 있었다.
최근에는, 분말야금 기술에 의해 2층(two-layer) 밸브 시트가 제조되었다.
2층 밸브 시트 인서어트는 통상 포핏 밸브(poppet valve)의 시트와 접촉하는 시트 접촉층(seat face layer) 및 예컨대 실린더 헤드 내의 수용 리세스(receiving recess)부와 접촉하는 베이스층 또는 백업층(back-up layer)을 포함한다.
각 층의 기능은 뚜렷하게 구별된다. 그 중에서도 특히, 시트 접촉층은 고온, 부적절한 환경 및 반복되는 충격 손상에 대한 저항성을 제공하는 반면, 베이스층은 장기간에 걸친 크리프(creep) 저항성을 제공함으로써 리세스 내에서 상기 인서어트의 인터퍼런스 피트가 너무 느슨해지지 않도록 한다.
미국 특허 제4,485,147호에는 베이스층을 형성하는 파우더 재료와 혼합된 구리 파우더를 가진 2층 밸브 시트 인서어트가 기재되어 있다. 소결이 이루어지는 동안, 구리는 녹아서 밸브 시트 인서어트 접촉층으로 침투(infiltration)한다. 이것은 별도의 구리합금을 압착해서 공극속으로 침투시키는 작업에 소요되는 비용을 절약하는 것이라고 한다.
유럽 특허 공개 제013O604호에는 시트 접촉층에 비해 향상된 크리프 저항성 및 마모 저항성을 가진 베이스층을 포함하는 디이젤 엔진용 2층 밸브 시트 인서어트가 기재되어 있다. 상기 2층 시트 인서어트는 2중 프레싱 공정에 의해서 제조되었다. 상기 밸브 시트 인서어트는 베이스층을 미리 압분시키고, 이어서 미리 압분된 베이스층 상에 시트접촉 합금층을 압분시킴으로써 제조된다.
밸브 시트 인서어트의 원가를 절감시키기 위해 작업 조건에 알맞은 재료로 된 시트 접촉층을 제공하는 것이 바람직하다. 그러나, 베이스층은, 실린더 헤드 내의 인터퍼런스 피트를 온전히 유지시키기에 적당한 재료로 만들어지는 것이 바람직하지만, 그 재료는 일반적으로 시트 접촉층보다는 상당히 소량으로 합금되므로 비용이 저렴할 수 있다.
더욱이, 또한 비용 측면에 있어서, 2층 밸브 시트 인서어트의 제조공정 단계수를 줄이는 것이 바람직하다. 이 점에 있어서, 밸브 시트 인서어트의 두 층을 동시에 압분시키는 것이 바람직하다. 그러나, 동시 압분은 상기 두 구성층의 압분체 밀도에 대한 개별적인 조절이 이루어질 수 없음을 의미한다.
본 발명의 첫번째 태양에 따르면, 밸브 시트 접촉층 및 베이스층을 가진 2층 밸브 시트 인서어트의 제조 방법이 제공되는데, 이 방법은,
두 가지 파우더 혼합물. 즉 밸브 시트 접촉층을 형성하는 제1파우더 혼합물 및 밸브 시트 베이스층을 형성하는 제2파우더 혼합물을 제조하는 단계;
소정량의 상기 제1파우더 혼합물 및 제2파우더 혼합물 각각을 압분 성형 다이(powder compacting die)에 투입하고, 그 파우더 혼합물 사이의 경계면이 실질적으로 상기 다이의 축과 직각이 되도록 하는 단계: 및
상기 제1파우더 혼합물 및 제2파우더 혼합물을 동시에 압분하여 두 층을 갖는 압분체(green compact)를 형성한 후, 상기 압분체를 소결하는 단계를 포함하고,
압분후에 상기 밸브 시트 접촉층 및 상기 밸브 시트 베이스층의 밀도가 실질적으로 동일하도록 상기 제1파우더 혼합물 및 제2파우더 혼합물 중 화학적 조성 또는 물리적 특성 중 적어도 하나를 조절하는 것을 특징으로 한다.
여기에서 "실질적으로 동일한 밀도"란 상기 두 층간의 밀도 편차가 3%이하인 것으로 정의되며, 바람직하게는, 1.5%이하인 것으로 정의된다.
상기 제1파우더 혼합물 및 제2파우더 혼합물 중 적어도 하나는, 각 층이 실질적으로 동일한 밀도를 가지도록 조절된 화학적 조성 및/또는 예컨대 파우더의 입자 형상, 크기 분포 및 겉보기 밀도 등과 같은 물리적 특성을 가질 수 있다.
'혼합물'이란 단어는 서로 다른 적어도 두 개의 금속 파우더 혼합물, 또는 예컨대, 윤활왁스와 같은 첨가제 또는 절삭성(machinability)을 향상시키기 위해 첨가되는 황화망간 또는 탄소와 같은 첨가제를 하나 이상 포함하는 단일 종류의 금속 파우더를 포함하는 혼합물을 의미하는 것으로 해석된다.
상기 각 층의 압분 후의 밀도는 Mgm-3또는 이론밀도 퍼센트치의 절대값으로 측정될 수 있다.
후속적으로 소결되는 재료의 특성은 종종 최초 압분체의 밀도에 크게 의존한다. 따라서, 냉간압분(cold compaction)을 하는 동안 압분체 밀도를 좁은 범위내로 유지시키는 것이 바람직하다. 각 구성층의 압분체 밀도는 주로 구성 파우더들의 상대 압축률(relative compressibility)에 의해 결정된다. 주어진 파우더의 혼합물에 대해서, (예컨대, 기계식 압축기내의) 압축램(ram)의 운동 또는 (수압식 압축기내의) 인가 압력 및, 다이내의 파우더 층진 깊이 등에 의해 압분체의 밀도 및 상기 압축기의 압축방향에 대한 압분체의 축방향 두께가 제어된다. 만약 각 층의 밀도가 서로 다르면, 필연적으로 예상되듯이, 각 파우더의 층진 중량의 근소한 차이마저도 압분 공정을 진행함에 따라 생산되는 밸브시트 인서어트 각각의 크기에 불균형을 초래하게 된다. 따라서, 생산부품의 치수 제어를 정밀하게 유지시키는 것은 어렵다. 그러나, 본 발명의 방법에서와 같이, 만약 두 성분 파우더 모두가 동일한 또는 비슷한 압축 특성을 가진다면, 최종 압분체의 크기를 체크하고 조절하는 것은 매우 용이해진다.
일반적으로, 밸브 시트 접촉층을 구성하는 파우더 혼합물은 베이스층을 이루는 파우더 혼합물에 비해 합금 비율이 높다. 따라서, 일반적으로 밸브 시트 접촉층 파우더는 높은 합금 함유량 때문에 베이스층에 비해 압축률이 낮다. 그러므로, 본 발명의 한 실시예에서, 상당히 합금 비율이 낮은 베이스층 파우더 조성은 상기 두 파우더가 비슷한 압축률을 가지도록 조절된다.
베이스층의 조절은 예를 들어, 서로 다른 품위(grade)의 철 파우더를 혼합시키는 것을 포함할 수 있다. 상기 다른 품위의 철은 예를 들어, 비교적 높은 압축률을 가진 분무(atomised) 파우더 및 비교적 낮은 압축률을 가진 해면철(sponge iron) 등을 포함할 수 있다. 각 구성 파우더 양의 상대적인 비율은, 압분체가 각각의 두 층에서 실질적으로 동일한 밀도를 가지도록, 베이스층 파우더 혼합물의 전체 압축률이 접촉층 파우더의 압축률과 실질적으로 동일하게끔 조절될 수 있다.
두 층의 압축밀도를 조절하는 것과 더불어, 소결에 따른 각 층의 크기 변화가 실질적으로 동일하도록 각 층의 크기 변화를 제어하는 것이 바람직하다. 소절에 따른 크기 변화가 실질적으로 동일한 것은 소결후 기계가공 시에 제거되어야만 하는 재료의 양을 최소화하는데 바람직하다.
크기 제어는, 예를 들어 구리 및/또는 흑연 형태의 탄소 파우더를 상기 베이스층 및/또는 접촉층 파우더 혼합물에 첨가함으로써 달성될 수 있다. 베이층에 대한 흑연의 첨가는, 소결에 따른 베이스층의 팽창 정도를 접촉층의 팽창 정도에 가깝도록 감소시켜 준다는 것이 밝혀졌다. 약 0.8 내지 1.2 wt% 범위 내에서의 흑연 첨가가 효과적이라는 것도 밝혀졌다.
때때로, 소결 후 열처리가 행해질 수 있다. 이 경우에는, 열처리에 따르는 크기 변화가 두 층에서 실질적으로 동일하도록 제어하는 것이 바람직하다.
백업층에 대한 구리 파우더의 첨가는 소결에 따른 팽창을 증가시키는 반면, 접촉층에 대한 구리 파우더의 첨가가 소결에 따른 크기 변화에 미치는 영향은 비교적 작다는 것이 밝혀졌다. 구리 파우더의 첨가는 소결에 따른 크기 변화를 제어하는데 도움을 줄 뿐만 아니라 소결 반응을 촉진시키는데에도 유용하다.
본 발명에 따른 2층 밸브 시트의 한 실시예에서, 접촉층은 동 권리자의 유럽특허 공고 제0312161호에 따른 소결된 합금철(ferrous-based alloy)을 포함할 수 있으며, 상기 특허에 개시된 내용을 여기에 참고로 기재한다. 유럽 특허 공고 제O312161호에 기재된 특허청구범위 제1항 내지 제7항에 따른 합금철 및 동 특허청구범위 제8항 내지 제14항에 기재된 방법에 의해 제조된 합금철은 밸브 시트 인서어트의 가동 접촉층에 특히 적합한 것으로 밝혀졌다.
본 발명에 따른 2층 밸브 시트에는, 바람직하게는 소결과 동시에, 또는 다른 방법으로는 소결공정에 이어서, 합금구리(copper-based alloy)가 침투될 수 있다. 더욱이, 본 발명에 따른 2층 밸브 시트는 각 구성층의 최초 파우더 혼합물 내에 구리가 첨가되었는지 아닌지에 상관없이 침투가 이루어질 수 있다.
본 발명의 두번째 태양에 따르면, 상기 첫번째 태양의 방법에 의해 제조된 2층 밸브 시트 인서어트가 제공된다.
본 발명이 보다 충분히 이해될 수 있도록 첨부된 도면을 참조로 실시예를 설명하기로 한다.
제1도는 흑연 첨가에 따른, 소결 및 열처리 후에 백업충 파우더의 크기 변화를 나타낸 그래프이다.
제2도는 혼합된 구리 함량에 따른, 소결 및 열처리 후의 크기 변화를 나타낸 그래프이다.
[실시예 1]
1% C, 4% Cr, 6% Mo, 3% V, 6% W 및 그 나머지가 철인 미리 합금된 스틸(steel) 파우더 49.5 wt%, 비합금된 분무 철 파우더 49.5 wt% 및 흑연 파우더0.5 wt%를 혼합함으로써 시트 접촉층의 파우더 혼합물을 제조하였다. 1 wt%의 윤활 왁스도 역시 첨가되었다.
70 wt%의 분무철 혼합물과 30 wt％의 해면철 파우더 및 0.6 wt％ 내지 1.2 wt%의 흑연 파우더를 혼합함으로써 백업층의 파우더 혼합물이 만들어졌다. 해면철 파우더는 백업층 파우더 혼합물의 압축률을 접촉층 파우더 혼합물의 압축률로 감소시키기 위해 첨가되었다. 의도적으로, 더 이상의 합금은 첨가되지 않았다. 또한 각 파우더 혼합물에 1 wt％의 윤활왁스가 첨가되었다.
상기 각각의 파우더 혼합물로부터, 속이 빈 원통형 압분괴(blanks) 형태인 다수의 단일층 압축물(single layer pressings)이 제조되었으며, 이때의 압축 압력은 770 MPa이었다. 상기 압분괴의 치수는 축방향 두께가 6 mm 였고, 반지름 방향 두께가 6 mm였다. 상기 접촉층 파우더 혼합물로부터 제조된 압분괴는 "EF"로 약호되는 반면, 상기 백업층 혼합물로부터 제조된 압분괴는 "CD"로 약호되었다. 압축된 모든 압분괴에 대해 소결되는 동안 합금구리의 침투가 이루어졌으며, 상기 소결은 약 1100℃, 수소/질소 혼합 분위기에서 수행되었다.
다이 내에서 두 파우더 층을 770 MPa 압력으로 동시에 압분시킴으로써 약간의 2층 압분괴가 제조되었다. 또한 상기 압분괴는 소결되었고 전술한 압분괴와 마찬가지로 침투가 이루어졌다.
또한, 소결 후, 소결된 압분괴를 -120℃ 까지 냉각하는 단계 및 이어서 600℃의 보호 분위기하에서 2시간 동안 템퍼링하는 단계를 포함하는 열처리가 행해졌다.
압분체의 밀도는 상기 압축된 압분괴의 밀도로써 측정되었고, 크기 변화는 소결된 대상물 및 소결 후 열처리를 거친 대상물에 대해서 측정 되었다.
제1도는 첨가되는 탄소량의 변화가, 소결 및 후속적인 열처리에 따른 크기 변화에 미치는 영향을 보여준다. 탄소 함유량이 증가할수록, 백업층 성분의 팽창은 감소하여 수평선(10)으로 표시된 접촉층의 팽창에 접근한다.
상기 시트 접촉층(EF)의 압분체 밀도는 6.85 Mgm-3이었다. 아래 표1에는 첨가되는 탄소량의 변화에 따른 백업층 성분의 압분체 밀도가 나타나 있다.
표1은, 탄소 첨가가 0.6 내지 1.2 wt％인 범위에서 상기 백업층 성분의 압축률이 접촉층(EF)의 압축률과 거의 같아짐을 보여주는 반면, 제1도는, 소결에 따른 팽창은 탄소 첨가량이 증가할수록 감소함을 보여준다. 그러나, 탄소 첨가량이 적을 시에는, 상기 두 층 사이의 경계에서 탄소 고갈의 흔적이 있음을 현미경 조직 검사로부터 알 수 있다. 이러한 고갈 현상은 탄소의 싱크(sink)로 작용하는 시트 접촉층내의 강한 탄화물 형성 합금 요소로 인한 것이다. 그러나, 탄소 첨가량이 1.2 wt%를 넘으면, 상기 두 층의 시료에 대한 미세구조로부터, 상기 백업층이 다소의 불연속적인 결정입계 탄화물을 포함하는 것을 볼 수 있는데, 이것 또한 바람직하지 않다. 따라서, 베이스층에 대한 바람직한 탄소의 첨가량은 0.8 내지 1.2 wt% 범위내가 되어야만 한다. 엔진이 작동하는 동안 밸브시트 인서어트가 실린더 헤드 내에서 계속 유지되려면 적정 강도(strength) 및 경도(hardness)가 요구되기 때문에 백업층 내에서의 현저한 탄소 고갈 현상은 바람직하지 못하다.
[실시예 2]
단일층 및 2층 압축물의 또 다른 실시예가 비침투(non-infiltrated) 조건 하에서 수행되었다.
접촉층 파우더 혼합물은 상기 실시예 l에서 기재된 것과 동일하고, 다만 1 wt%의 황화망간 및 0 내지 4 wt% 범위의 구리 파우더가 첨가되었다.
0 내지 4 wt%의 구리 첨가를, 0.5 wt%의 황화망간 및 1 wt%의 탄소를 포함하는 백업층 파우더 혼합물도 역시 제조되었다. 분무철 및 해면철의 혼합은 전술한 실시예 1에 기재된 것과 같다.
상기 시트 접촉층 파우더로부터 압축된 시료들은 "SF"로 약호되는 반면, 상기 백업층 파우더로부터 제조된 시료들은 "BK"로 약호되었다.
아래 표2에는 상기 접촉층 및 백업층의 압분체 밀도(Mgm-3)가 나타나 있다. 이 표에서, 층의 약호 다음에 오는 숫자는 구리 첨가량을 나타낸다.
표2는, 구리 첨가가 0 내지 4 wt%인 범위에서 상기 두 층의 파우더 혼합물의 압축률이 비숫함을 보여준다. 제2도는 소결에 따른 상기 접촉층의 크기 변화는 파우더 혼합물에 첨가되는 구리량과는 비교적 무관하다는 것을 보여준다. 그러나, 소결에 따른 상기 백업층의 크기 변화는 구리 첨가에 따라 상당히 민감하게 변한다. 백업층에 2 wt％의 구리를 첨가하면 소결 및 후속적인 열처리에 따른 크기 변화가 접촉층의 크기 변화와 실질적으로 같다. 구리의 첨가는 소결에 따른 크기 변화를 제어하는데 도움을 줄뿐만 아니라, 소결된 재료의 강도에 있어서도 유리하므로, 비침투 재료 내에 2 내지 4 wt% 범위의 구리가 첨가되는 것이 바람직하다. 이러한 사실은, 이러한 범위의 구리 첨가가 합금철 재료의 소결을 촉진하는 것으로 오래동안 알려져 왔었기 때문에. 예상치 않은 것이다.

Claims (11)

  1. 두 가지 파우더 혼합물, 즉 밸브 시트 접촉층을 형성하는 제1파우더 혼합물 및 밸브 시트 베이스층을 형성하는 제2파우더 혼합물을 제조하는 단계 :
    소정량의 상기 제1파우더 혼합물 및 제2파우더 혼합물 각각을 압분 성형 다이에 투입하는 단계: 및
    상기 제1파우더 혼합물 및 제2파우더 혼합물을 동시에 압분하여 두 층을 갖는 압분체를 형성한 후, 상기 압분체를 소결하는 단계를 포함하고,
    압분후에 상기 밸브 시트 접촉층 및 상기 밸브 시트 베이스층의 밀도 편차가 3％이하가 되는 동시에, 소결에 따른 상기 두 층의 크기 변화가 동이하며, 상기 소결에 따른 크기 변화는, 상기 파우더 혼합물 중 적어도 하나에 최고 6 wt% 까지의 구리를 첨가하는 단계 및 상기 베이스층 파우더 혼합물에 0.6 내지 1.2 wt% 범위의 탄소 파우더를 첨가하는 단계 중에서 선택된 한 단계에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는, 밸브 시트 접촉층 및 베이스층을 가진 2층 밸브 시트 인서어트의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압분 후의 밀도는 Mgm-3의 단위로 정해지는 것을 특징으로 하는, 밸브 시트 접촉층 및 베이스층을 가진 2층 밸브 시트 인서어트의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 두 층의 압분 후의 밀도는 이론밀도의 퍼센트 값으로 정해지는 것을 특징으로 하는, 밸브 시트 접촉층 및 베이스층을 가진 2층 밸브 시트 인서어트의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    원하는 압분체 밀도를 얻기 위해 상기 파우더 혼합물중 적어도 하나는, 서로 다른 적어도 두 개의 성분 금속을 혼합함으로써 조절되는 것을 특징으로 하는, 밸브 시트 접촉층 및 베이스층을 가진 2층 밸브시트 인서어트의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 밸브 시트 접촉층을 구성하는 파우더 혼합물은 합금 비율이 높은 고합금철 파우더 및 비교적 순철 파우더를 포함하는 것을 특징으로 하는, 밸브 시트 접촉층 및 베이스층을 가진 2층 밸브 시트 인서어트의 제조 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 밸브 시트 베이스층을 구성하는 파우더 혼합물은 압축률이 비교적 높은 파우더 및 압축률이 비교적 낮은 파우더를 포함하는 것을 특징으로 하는, 밸브 시트 접촉층 및 베이스층을 가진 2층 밸브 시트 인서어트의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 압축률이 비교적 높은 파우더 및 압축률이 비교적 낮은 파우더는 모두 순철 파우더인 것을 특징으로 하는, 밸브 시트 접촉층 및 베이스층을 가진 2층 밸브 시트 인서어트의 제조 방법,
  8. 제6항에 있어서,
    상기 압축률이 비교적 높은 파우더는 분무철이고, 상기 압축률이 비교적 낮은 파우더는 해면철인 것을 특징으로 하는, 밸브 시트 접촉층 및 베이스층을 가진 2층 밸브 시트 인서어트의 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 층은 소결 후 열처리에 따른 크기 변화가 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는, 밸브 시트 접촉층 및 베이스층을 가진 2층 밸브 시트 인서어트의 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제8항 어느 한 항에 있어서,
    상기 2층 밸브 시트에 구리계(copper-based) 재료를 침투시키는 단계를 더 포함하며, 상기 베이층 파우더 혼합물에는 0.8 내지 1.2 wt% 범위의 탄소 파우더가 첨가되는 것을 특징으로 하는, 밸브 시트 접촉층 및 베이스층을 가진 2층 밸브 시트 인서어트의 제조 방법.
  11. 상기 제1항 내지 제8항중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는, 2층 밸브 시트 인서어트.
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