KR100323468B1 - 높은 피로 저항성을 갖는 엔진 밸브 스프링을 제작할 수 있는 방법 - Google Patents
높은 피로 저항성을 갖는 엔진 밸브 스프링을 제작할 수 있는 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 높은 피로 저항성을 갖는 엔진 밸브 스프링의 제조 방법에 관한 것으로서, 자동차 엔진의 고출력화, 저연비화에 수반하여 엔진용 밸브 스프링에 있어서 고응력을 가지며 부하 응력 증가에 대응할 수 있도록 우수한 피로 강도를 가지는 밸브 스프링의 제조 방법에 관한 것이다.
엔진 밸브 스프링을 제조하는 방법에 있어서;
작업 공정은 신선한 원소재를 열처리하지 않은 상태에서 코일링을 한 후 소입과 뜨임을 행하고 쇼트 피닝 공정을 거쳐, 셋칭을 하는 공정으로 이루어진 것으로서, 소입시 코일링한 소재의 변형을 방지하기 위하여 850℃에서 10분동안 가열한 후 이를 320℃의 염욕에서 90초동안 냉각한 다음, 공냉시키고, 400℃∼450℃에서 30분 뜨임을 하고, 쇼트 피닝을함으로써 표면으로부터 0.2mm 깊이 이상에서도 열처리시에 형성된 압축 잔류응력층이 그대로 남아있게 함으로써, 밸브 스프링의 피로 저항성을 향상시키는 것으로 구성되어진 높은 피로 저항성을 갖는 엔진 밸브 스프링을 제작할 수 있는 방법이다.
Description
본 발명은 높은 피로 저항성을 갖는 엔진 밸브 스프링을 제작할 수 있는 방법에 관한 것으로서, 자동차의 고출력화, 저연비화에 수반하여 엔진용 밸브 스프링에 있어서 고응력을 가지며 부하 응력 증가에 대응할 수 있도록 우수한 피로 강도를 가지는 밸브 스프링의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 자동차 고출력화, 저연비화에 수반하여 엔진용 밸브 스프링에 있어서는 고응력의 설계가 진행되고 있으며, 부하 응력 증가에 대응할 수 있는 우수한 피로 강도를 갖는 밸브 스프링이 요구되고 있다.
이러한 밸브 스프링에는 주로 합금 설계 조정에 의해 고강도화한 오일템퍼선이 사용되고 있다. 또한 밸브 스프링의 기존 제조 공정을 변화시켜 재료의 강도를 변화시키고 잔류 응력 분포를 개선시키고자 하는 연구가 진행되고 있는 것이 현 실정이다. 그래서 본 발명에서는 이들중 잔류응력 분포를 개선시킬 수 있는 밸브 스프링을 제작하여 그 성능 향상 효과 및 성능 향상의 원인에 대하여 연구하였다.
종래의 공정을 이용한 엔진 밸브 스프링의 제조 방법은 하기와 같다.
신선한 원소재를 열처리한 후 코일링하고, 코일링시에 발생한 유해한 인장 잔류응력을 제거하기 위하여 420℃에서 35분간 응력 제거 소둔을 하여 쇼트피닝을 하였으나 상기와 같이 원소재를 먼저 열처리한 후 열처리된 원소재를 저온소성에 의해 코일링하고, 이를 420℃에서 35분간 응력 제거 소둔을 하는 방법으로 제작된 엔진 밸브 스프링은 고응력 조건 (602.7±511.5MPa)에서 피로 시험한 결과 피로수명에서 피로 수명은 7.4×106에서 절손이 되는 등 스프링의 주요 특성인 피로강도에 있어서 엔진 밸브 스프링의 고응력화에 대응할 수 없는 문제점이 발생하였으며, 피로시험 후의 절손 파단면 사진을 도 4에 도시하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 자동차의 저연비화에 수반하여 엔진용 밸브 스프링에 있어서 부하 응력 증가에 대응할 수 있도록 우수한 피로 강도를 가지는 엔진 밸브 스프링을 제작하는 것이 그 목적이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 엔진 밸브 스프링을 제조하는 방법에 있어서, 신선한 원소재를 열처리하지 않은 상태에서 코일링하는 단계; 상기 코일링된 소재를 850℃에서 10분동안 가열한 후 320℃의 염욕에서 90초동안 냉각한 다음 공냉시켜 코일링한 소재의 변형을 방지하는 단계; 상기 염욕에서 90초동안 냉각된 후 공냉시킨 소재를 400℃∼450℃에서 30분 뜨임을 하고, 쇼트 피닝하는 단계를 통해, 표면으로부터 0.2mm 깊이 이상에서도 열처리시의 압축 잔류응력층이 그대로 남아있게 하여 밸브 스프링의 피로 저항성을 향상시킬 수 있는 높은 피로 저항성을 갖는 엔진 밸브 스프링을 제작할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명을 적용한 엔진 밸브 스프링을 피로시험한 후의 파단면 사진
도 2는 본 발명 뜨임 온도에 따른 경도 변화 그래프
도 3은 본 발명 뜨임 온도에 따른 인장 강도 및 단면 수축률의 변화 그래프
도 4는 종래 엔진 밸브 스프링을 피로 시험한 후의 파단면 사진
도 5는 종래의 공정품과 본 발명 공정으로 제작한 시험품의 잔류 응력 비교 그래프도 6은 본 발명 공정으로 제작한 뜨임온도별 인장 시험편 파단면
첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명을 적용한 엔진 밸브 스프링의 피로시험 후의 파단면 사진,
도 2는 본 발명 뜨임 온도에 따른 경도 변화 그래프,
도 3은 본 발명 뜨임 온도에 따른 인장 강도 및 단면 수축률의 변화 그래프,도 5는 종래의 공정품과 본 발명 공정으로 제작한 시험품의 잔류 응력 비교 그래프,도 6은 본 발명 공정으로 제작한 뜨임온도별 인장 시험편 파단면을 도시한 것으로, 본 발명은 신선한 원소재를 열처리하지 않은 상태에서 코일링을 한 후 소입과 뜨임을 하고 쇼트 피닝 공정을 거치고, 셋칭을 하는 공정으로 이루어진 것으로서, 소입시 코일링한 소재의 변형을 방지하기 위하여 850℃에서 10분동안 가열한 후 320℃의 염욕에서 90초동안 냉각한 다음 공냉시키고, 350℃∼450℃에서 30분 뜨임을 하고, 쇼트 피닝을 하도록 되어 있다.상기 소입시 850℃ 를 초과하여 코일링한 소재를 가열할 경우, 재료가 연화되어 재료의 특성에 나쁜 영향이 있으며, 850℃ 미만으로 코일링 소재를 가열할 경우, 열처리 효과를 얻을 수 없게 된다. 즉, 본 발명은 코일링한 소재의 변형을 방지하기 위한 최적의 온도인 850℃ 로 가열하도록 되어 있다.
이하 본 발명에 대한 온도별 뜨임의 시험은 다음과 같다.
도 6 에 도시된 바와 같이 소입 후 250℃, 350℃에서 뜨임을 실시한 시험편의 인장 시험에 의한 파단면에서는 모두 입계취성 파면이 관찰되었다. 그러나 400℃와 450℃에서 뜨임한 시험편의 인장 시험에 따르는 파단면에서는 입계 파면이 전혀 관찰되지 않았고 연성 파면만 관찰되었다.
상기 실험에 대한 결과치로는 도 2와 3에 도시하였으며 경도는 뜨임 온도의 증가에 따라 감소하나 인장 강도는 400℃에서 뜨임할 때 최대치가 나타나는 것을 알 수 있다. 이것은 상기의 인장 시험편 파단면 관찰에서 알 수 있듯이 400℃ 미만의 온도에서 재료가 취약해지는 것을 알 수 있다.
또한 하기의 표에서 알 수 있듯이 뜨임 조건이 다른 시험편 4개를 피로 시험을 한 결과는 다음과 같다.
뜨임 조건에 따라 피로 수명은 달라지지만 제조 공정을 변화시킨 밸브 스프링은 기존의 오일 템퍼선을 사용한 밸브 스프링보다 피로 수명이 약 7 배 정도 향상된 것을 알 수 있다.
응력 조건은 (602.7±511.5MPa)이다.
| 구분 | 뜨임 | 피로수명(평균 사이클수) | 내구배율 |
| 기존의 오일템퍼선을사용한것. | 420℃×35분(응력제거 소둔) | 7.4×106절손 | 1 |
| 제조 공정을변화시킨것 | 350℃× 30분 | 20×106절손 | 2.7 |
| 400℃× 30분 | 56×106절손 | 7.6 | |
| 450℃× 30분 | 51×106절손 | 6.9 |
제조 공정을 변화시킨 시험품 및 기존의 오일 템퍼선을 이용한 시험품의 피로 시험에 따른 절손 기점부는 모두 스프링 단면의 내측부에 있고 절손 기점부의 위치는 스프링의 표면에서 0.2mm 정도의 깊이에 위치해 있다. 이 내부 기점에서는 비금속 개재물등의 결함은 관찰되지 않았다. 도 1과 4에 도시한 사진과 같이 제조 공정을 변화시켜 제작한 시험품 중에서 350℃에서 뜨임한 시험편이 400℃ 및 450℃에서 뜨임한 시험품에 비해 조기에 절손이 되는 원인은 경도가 Hv650 정도로 다른 시험품보다 경도가 높아 취약해진 것에 기인한다.
350℃에서 뜨임한 시험품의 경우 표면에서 0.2mm 깊이에 존재하는 절손기점부를 제외하고 거의가 입계파면을 나타내고 있다. 제조 공정을 변화시킨 시험품 중 400℃에서 뜨임한 시험품의 경우 경도는 Hv530∼580 정도로서 기존의 오일템퍼선을 이용한 시험품과 비슷하다. 450℃에서 뜨임한 시험품의 경도는 Hv510∼560 정도로 400℃에서 뜨임한 시험품의 경도보다 다소 낮으며 400℃에서 뜨임한 시험품보다 피로수명이 다소 낮은 원인은 경도차에 의해 나타나는 것이다.
또한 쇼트피닝을 실시한 스프링 내측부의 깊이별 잔류 응력 분포를 살펴보면 다음과 같다.
기존의 오일템퍼선을 이용해 제작한 밸브 스프링 시험품은 코일링 후에 스프링 내측에 존재하는 인장 잔류응력을 제거하기 위해 응력제거 소둔을 실시한다. 그러나, 이 응력 제거 소둔으로는 밸브 스프링 내측부에 형성된 인장 잔류응력을 완전히 제거하지 못한다. 그런 가운데 쇼트피닝을 실시하면 표면부는 쇼트피닝의 효과로 압축잔류 응력층이 형성되지만, 쇼트피닝의 영향을 받지 않는 0.2mm 정도 깊이 이상에서는 +49MPa 이상의 인장 잔류응력이 그대로 남아있다. 제조 공정을 변화시켜 제작한 밸브 스프링 시험품에서도 코일링 후 스프링의 내측부에 인장 잔류응력이 존재하지만 이후의 열처리 공정에서 인장잔류 응력이 완전히 제거되고 열처리시의 급냉효과에 의해 스프링 내부에 압축 잔류응력이 조금 형성된다. 이때 형성된 스프링 내부의 잔류 응력은 -49MPa 정도로 쇼트피닝을 실시한 후에도 쇼트 피닝의 영향을 받지 않는 0.2mm 정도 깊이 이상의 지점에서 그대로 존재한다.이러한 압축잔류 응력은 스프링 작동시 외부에서 가해지는 인장응력을 상쇄시켜 줌으로써, 피로수명을 향상시키는 역할을 한다.
도 5 는 제조 공정을 변화시켜 제작한 밸브 스프링의 시험품과 종래 오일템퍼선을 사용한 밸브 스프링의 내측부 잔류응력을 나타낸다. 내측 표면에서는 두 시험품의 잔류응력이 같지만 내측 표면에서 0.2mm 정도 깊이에서는 종래의 공정품과 공정 변경 시험품의 잔류응력차는 98MPa 이상이 됨을 알 수 있다. 이러한 잔류 응력의 차에 의해 피로 수명이 향상된 것을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명을 통하여 제조공정을 변화시켜 뜨임온도별로 제작한 밸브스프링과 종래 오일템퍼선을 이용하여 제작한 밸브스프링의 피로수명을 비교, 조사한 결과, 제조 공정을 변화시켜 뜨임온도 400∼450℃에서 제작한 밸브 스프링은 602.7±511.56MPa의 피로 시험 응력하에서 기존의 오일템퍼선을 이용해 제작한 밸브 스프링의 피로 수명보다 7배 정도 수명이 향상되었다. 이 피로 수명 향상 원인은 쇼트 피닝을 실시한 코일 내측 표면으로부터 깊이 0.2mm 이상의 지점에 형성된 압축 잔류응력에 의한 것으로 사료되며 기존의 밸브 스프링수명보다 고응력에서 오래 견딜수 있는 밸브 스프링을 제작할 수 있는 효과가 있는 것이다.
Claims (1)
- 엔진 밸브 스프링을 제조하는 방법에 있어서;신선한 원소재를 열처리하지 않은 상태에서 코일링하는 단계;상기 코일링된 소재를 850℃에서 10분동안 가열한 후 320℃의 염욕에서 90초동안 냉각한 다음 공냉시켜 코일링한 소재의 변형을 방지하는 단계;상기 염욕에서 90초동안 냉각된 후 공냉시킨 소재를 400℃∼450℃에서 30분 뜨임을 하고, 쇼트 피닝하는 단계를 통해, 표면으로부터 0.2mm 깊이 이상에서도 열처리시의 압축 잔류응력층이 그대로 남아있게 하여 밸브 스프링의 피로 저항성을 향상시킨 것을 특징으로 하는 높은 피로 저항성을 갖는 엔진 밸브 스프링을 제작할 수 있는 방법.
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