KR100349762B1 - 밸브 시트용 내마모 소결합금 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 밸브 시트용 내마모 소결합금 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철을 주성분으로 하고, 탄소, 규소, 크롬, 몰리브덴, 코발트, 망간, 납, 바나듐 및 텅스텐을 함유시켜 심냉 처리 공정을 통하여 밸브 시트용 내마모 소결합금을 제조함으로써, 마모시 기지조직에서 탈락되는 금속 입자가 적어지고 그 입자의 크기가 매우 적게됨에 따라 내마모성 및 내충격성이 증가되고, 자기 윤활성 및 가공성이 향상된 밸브 시트용 내마모 소결합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 밸브 시트용 내마모 소결합금 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철을 주성분으로 하고, 탄소, 규소, 크롬, 몰리브덴, 코발트, 망간, 납, 바나듐 및 텅스텐을 함유시켜 심냉 처리 공정을 통하여 밸브 시트용 내마모 소결합금을 제조함으로써, 마모시 기지조직에서 탈락되는 금속 입자가 적어지고 그 입자의 크기가 매우 적게됨에 따라 내마모성 및 내충격성이 증가되고, 자기 윤활성 및 가공성이 향상된 밸브 시트용 내마모 소결합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
종래 사용되는 밸브 시트(valve seat)용 내마모 소결합금은 철을 주성분으로 하고, 탄소 0.4 ∼ 1.2 중량%, 규소 0.1 ∼ 1.0 중량%, 크롬 0.5 ∼ 2.0 중량%, 몰리브덴 6.0 ∼ 10.0 중량%, 코발트 6.0 ∼ 15.0 중량% 및 납 6.0 ∼ 18.0 중량%가 함유되어 있다.
이러한 상기 밸브 시트용 내마모 소결합금의 제조방법은 다음의 공정을 거쳐제조된다.
먼저, 상기 조성 중 납을 제외한 금속 분말을 혼합한 다음, 면압 4∼ 8 ton/㎠를 가하여 성형한다. 환원성 분위기 하에 750 ∼ 800℃에서 40분간 예비 소결을 한 다음, 면압 7 ∼ 10 ton/㎠하에 단조한다. 이어서, 수소 분위기하에 1110 ∼ 1140℃에서 30 ∼ 50분간 본 소결을 한 다음, 자기 윤활성을 부여하기 위해 400 ∼ 450℃에서 10 ∼ 30분간 납을 함침시키고, 같은 온도에서 80 ∼ 110분간 바렐 공정을 거쳐 밸브 시트용 내마모 소결합금을 제조한다.
그러나, 상기 조성 및 함량으로 제조된 밸브 시트용 내마모 소결합금은 기지조직내에 거대한 금속 입자가 분산된 미세 조직 특성을 나타낸다. 이러한 거대한 금속 입자는 외부의 충격에 의한 크랙 발생의 원인이 되어 내충격성이 떨어지게 된다. 이와 더불어, 내마모성이 저하되어 마모면의 금속 입자의 탈락으로 실린더내 압축 가스가 샐 우려가 있고 가공성이 불량하여 이에 대한 개선이 필요하다.
상기한 바와 같이, 종래의 밸브 시트용 내마모성 소결합금은 그 제조공정수가 많아 생산성이 떨어지고, 기지 조직내 분산된 거대 입자에 의한 내충격성 및 내마모성이 저하되어 압축가스 등이 샐 우려가 있다.
따라서, 본 발명에서는 철을 주성분으로 탄소, 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 텅스텐, 규소, 코발트, 망간, 및 납을 함유시킴으로써, 내마모성 및 가공성이 향상된 밸브 시트용 내마모 소결합금 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 밸브 시트용 내마모 소결합금에 있어서,
철을 주성분으로 하고 탄소 0.8 ∼ 1.2 중량%, 크롬 2.0 ∼ 4.0 중량%, 몰리브덴 2.0 ∼ 4.0 중량%, 바나듐 2.0 ∼ 4.0 중량%, 텅스텐 7.0 ∼ 10.0 중량%, 규소 0.2 ∼ 0.6 중량%, 코발트 3.0 ∼ 5.0 중량%, 망간 0.2 ∼ 0.5 중량% 및 납 10.0 ∼ 15.0 중량%가 함유되어 있는 밸브 시트용 내마모 소결합금을 그 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명은 밸브 시트용 내마모 소결합금의 제조방법에 있어서,
철을 주성분으로 하고, 탄소 0.8 ∼ 1.2 중량%, 크롬 2.0 ∼ 4.0 중량%, 몰리브덴 2.0 ∼ 4.0 중량%, 바나듐 2.0 ∼ 4.0 중량%, 텅스텐 7.0 ∼ 10.0 중량%, 규소 0.2 ∼ 0.6 중량%, 코발트 3.0 ∼ 5.0 중량% 및 망간 0.2 ∼ 0.5 중량%을 배합하여 면압 5 ∼ 8 ton/㎠로 가압 성형하는 제 1 단계 공정과,
상기 1 단계 공정을 거친 후, 1140 ∼ 1180℃의 온도에서 30 ∼ 50분 동안 소결 후, 공냉시키는 제 2 단계 공정과,
상기 2 단계 공정을 거친 후, -200 ∼ -160℃의 온도에서 5 ∼ 20분 동안 심냉처리(sub-zero)하는 제 3 단계 공정과,
상기 3 단계 공정을 거친 후, 450 ∼ 550℃의 온도에서 30 ∼ 50분 동안 납을 함침시키는 제 4 단계 공정과,
상기 4 단계 공정을 거친 후, 420 ∼ 440℃의 온도에서 80 ∼ 100분 동안 바렐 공정을 통해 제조되는 밸브 시트용 내마모 소결합금의 제조방법을 또 다른 특징으로 하고 있다.
이와 같은 본 발명을 각 제조 공정의 단계별로 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 철을 주성분으로 하고, 내마모성 및 가공성의 문제점을 개선하기 위하여 각 합금강 원소의 조성 범위를 설정한다. 특히, 본 발명에서는 탄소, 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 및 텅스텐 등의 고속도강 금속분말을 함유시켜 절삭성을 증가시키고 표면 특성을 향상시킨다.
먼저, 제 1 단계 공정으로,
철을 주성분으로 하고, 탄소 0.8 ∼ 1.2 중량%, 크롬 2.0 ∼ 4.0 중량%, 몰리브덴 2.0 ∼ 4.0 중량%, 바나듐 2.0 ∼ 4.0 중량%, 텅스텐 7.0 ∼ 10.0 중량%, 규소 0.2 ∼ 0.6 중량%, 코발트 3.0 ∼ 5.0 중량% 및 망간 0.2 ∼ 0.5 중량%을 배합하여 면압 5 ∼ 8 ton/㎠로 가압 성형한다.
본 발명에서 사용하는 탄소는 고속도강으로 그 함량에 따라 밸브 시트용 내마모 소결합금의 기계적 성질이 현저하게 변하게 된다. 본 발명에서 사용되는 탄소의 함량은 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금 조성에 대하여 0.8 ∼ 1.2 중량% 첨가된다. 만일 탄소의 함량이 0.8 중량% 미만이면 강도 및 경도가 부족하고, 1.2 중량% 초과되면 인장 강도 및 경도가 감소되어 바람직하지 못하게 된다.
본 발명에서 사용하는 크롬은 고속도강으로 내마멸성 및 절삭성을 증가시키기 위하여 첨가되고, 그 함량은 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금 조성에 대하여 2.0 ∼ 4.0 중량%로 첨가된다. 만일, 상기 크롬의 함량이 2.0 중량% 미만이면 내마멸성 및 절삭성의 효과가 나타나지 않고, 4.0 중량%가 초과되면 더 이상 물성의 증가되지 않는다.
본 발명에서 사용하는 몰리브덴은 고속도강으로 절삭성, 고온 인장 강도 및 경도를 증가시키기 위하여 첨가되고, 그 함량은 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금 조성에 대하여 2.0 ∼ 4.0 중량% 첨가된다. 만일, 상기 몰리브덴의 함량이 적거나 많은 경우 강도 및 경도가 증가되지 않는다.
본 발명에서 사용하는 바나듐은 고속도강으로 결정립을 조절하기 위하여 첨가되고, 그 함량은 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금 조성에 대하여 2.0 ∼ 4.0 중량%로 첨가된다. 만일, 바나듐의 함량이 2.0 중량% 미만이면 거대한 결정립이 형성되어 크랙 발생의 원인이 되므로 바람직하지 못하고, 4.0 중량%를 초과하면 더 이상 물성이 증가하지 않아 비경제적이다.
본 발명에서 사용하는 텅스텐은 고속도강으로 고온 인장 강도 및 경도를 증가시키기 위하여 첨가된다. 본 발명의 텅스텐의 함량은 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금 조성에 대하여 7.0 ∼ 10.0 중량%로 첨가된다. 만일, 텅스텐의 함량이 7.0 중량% 미만이면 탄화물의 형성량이 적어 내마모성이 저하되고, 10.0 중량%가 초과되면 더 이상 물성이 증가되지 않는다.
또한, 본 발명에서 사용하는 규소는 탈산제로서 밸브 시트용 내마모 소결합금의 제조시 결정 입계에 편석 입계 탄화물의 석출을 저지하고, 입계 산화층을 동시에 저감시키는 역할은 하게된다. 또한, 규소는 합금 중에서 편석을 만드는 경향이 있으며, 산화규소로 되어 강속에 존재하여 입계 산화층을 형성하게 되므로 그 함량을 제한한다. 본 발명에서는 상기 규소의 함량을 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금 조성에 대하여 0.2 ∼ 0.6 중량%로 첨가시킨다. 이때, 만일 규소의 함량이 0.2 중량% 미만이면 탈산제로서의 효과가 미비하고, 0.6 중량%가 초과되면 합금 내에 편석이 많이 형성되어 바람직하지 못하게 된다.
본 발명에서 사용하는 코발트는 강도를 증가시키기 위하여 첨가되고, 그 함량은 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금 조성에 대하여 3.0 ∼ 5.0 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다. 만일, 코발트의 함량이 3.0 중량% 미만이면 강도증가 효과가 없고, 5.0 중량%가 초과되면 더 이상 물성이 증가되지 않아 비경제적이다.
본 발명에서 사용하는 망간은 철 내에 존재하는 미량의 황과 결합하여 MnS를 형성하기 위하여 첨가된다. 본 발명의 망간의 함량은 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금에 대하여 0.2 ∼ 0.5 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다. 만일 망간의 함량이 0.2 중량% 미만이면 MnS를 형성하여 자기윤활성을 갖기 어려워 바람직하지 못하고, 0.5 중량%가 초과되면 더 이상 물성이 증가되지 않아 비경제적이다.본 발명의 1 단계 공정은 상기와 같은 특성을 갖는 성분들을 배합하여 면압 5 ∼ 8 ton/㎠로 가압 성형하며, 상기 성형압력은 통상의 소결합금을 제조하는 압력으로 하여 단조한다.
제 2 단계 공정으로,
상기 배합된 금속 분말을 1140 ∼ 1180℃의 온도로 30 ∼ 50 분간 소결 후, 공냉시킨다. 상기 공정에서 1140℃ 미만에서 소결 공정을 거치게 되면 분말 입자의 확산이 잘 되지 않아 기지 조직이 약화되는 문제점이 있고, 1180℃가 넘으면 결정립이 조대화되어 기계적 성질이 떨어지는 문제가 있어 바람직하지 못하다.
제 3 단계 공정으로,
상기 소결된 합금을 -200 ∼ -160℃의 온도에서 5 ∼ 20 분간 심냉처리(sub-zero)를 거친다. 이러한 심냉 처리공정은 상기와 같은 온도에서 함으로써 합금의 변태를 진행시켜 잔류 오스테나이트를 감소시켜 합금의 기계적 물성을 개선시킨다.
본 발명에서 심냉 처리를 함으로써 종래 소결합금의 예비 소결 및 본 소결공정을 단축시킬 수 있으며, 거의 동등 이상의 물성을 얻을 수가 있다.
제 4 단계 및 5 단계 공정으로,
상기 심냉 처리된 소결합금을 450 ∼ 550℃의 온도에서 30 ∼ 50 분간 납 10.0 ∼ 15.0 중량%를 함침시킨 다음, 420 ∼ 440℃에서 80 ∼ 100 분간 바렐 공정을 거치는 것으로 본 발명이 완성된다.
특히, 본 발명에서 사용하는 납은 자기 윤활성을 부여하여 건조한 분위기의 연료에도 사용될 수가 있다. 본 발명의 납의 함량은 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금 조성에 대하여 10.0 ∼ 15.0 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다. 만일 납의 함량이 10.0 중량% 미만이면 잔류 기공이 많이 발생하고, 15.0 중량%가 초과되면 납의 함침 후 초과된 납이 표면으로 석출되어 바람직하지 못하다. 또한, 납을 함침시키는 온도는 450 ∼ 550℃가 최적의 함침효율을 가질 수 있어 바람직하며, 후공정인 바렐 공정은 420 ∼ 440℃의 온도에서 하는 것이 최종 소결합금의 표면광택 및 이물질 제거를 위해 바람직하다.
이상과 같은 공정을 통하여 제조된 밸브 시트용 내마모 소결합금은 고속도강 금속 분말 사용으로 기지 조직에 미세한 구형 입자가 분산된 표면 특성을 나타내어, 마모시 탈락되는 탄화물의 입자 크기가 매우 적어 전체적인 마모량이 감소된다. 그리고, 분산된 금속 입자가 매우 미세하고 저 경도의 분말이 혼합됨으로써 가공시 연속성을 가짐에 따라 가공성이 향상된다. 또한, 납의 함침으로 인하여 자기 윤활성으로 건조한 분위기의 연료에도 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예
다음 표 1에 나타낸 바와 같은 함량과 조성으로 배합하여 밸브 시트용 내마모 소결합금을 제조하였다. 이렇게 배합된 분말을 7 ton/㎠의 압력으로 성형한 다음, 1170℃에서 40분간 소결 후, -180℃에서 10분간 심냉처리하였다. 여기에, 납을 함침하여 500℃에서 40분간 소려 후 430℃에서 90분간 바렐공정을 거쳐 소결합금을 제조하였다. 비교예로는 기존 공정에 의거하여 심냉처리를 하지 않고 소결합금을 제조하였다.
그리고, 상기 실시예 및 비교예에서 제조한 밸브 시트용 내마모 소결합금에 대하여 마모량을 측정하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
[시험 방법]
1. 마모량(mm): 시뮬레이션 리그 시험기(Rig tester)를 이용하여 다음의 시험조건하에서 수행하였다.
- CAM 회전수 : 1500 rpm
- 온도 : 400 ℃
- 시간 : 15 시간
- 사용 연료 : LPG
따라서, 상기 표 1의 결과에 의해 본 발명에서 실시예의 밸브 시트 소결합금은 비교예와 비교하여 볼 때 마모량이 약 15%정도 감소하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 밸브 시트용 내마모 소결합금은 심냉처리 공정을 통하여 내마모성이 우수하여 건조 분위기의 연료 종류에서도 사용이 가능하다.
Claims (2)
- 밸브 시트용 내마모 소결합금에 있어서, 철을 주성분으로 하고 탄소 0.8 ∼ 1.2 중량%, 크롬 2.0 ∼ 4.0 중량%, 몰리브덴 2.0 ∼ 4.0 중량%, 바나듐 2.0 ∼ 4.0 중량%, 텅스텐 7.0 ∼ 10.0 중량%, 규소 0.2 ∼ 0.6 중량%, 코발트 3.0 ∼ 5.0 중량%, 망간 0.2 ∼ 0.5 중량% 및 납 10.0 ∼ 15.0 중량%가 함유되어 있는 것임을 특징으로 하는 밸브 시트용 내마모 소결합금.
- 밸브 시트용 내마모 소결합금의 제조방법에 있어서,철을 주성분으로 하고, 탄소 0.8 ∼ 1.2 중량%, 크롬 2.0 ∼ 4.0 중량%, 몰리브덴 2.0 ∼ 4.0 중량%, 바나듐 2.0 ∼ 4.0 중량%, 텅스텐 7.0 ∼ 10.0 중량%, 규소 0.2 ∼ 0.6 중량%, 코발트 3.0 ∼ 5.0 중량% 및 망간 0.2 ∼ 0.5 중량%을 배합하여 면압 5 ∼ 8 ton/㎠로 가압 성형하는 제 1 단계 공정과,상기 1 단계 공정을 거친 후, 1140 ∼ 1180℃의 온도에서 30 ∼ 50분 동안 소결 후, 공냉시키는 제 2 단계 공정과,상기 2 단계 공정을 거친 후, -200 ∼ -160℃의 온도에서 5 ∼ 20분 동안 심냉처리(sub-zero)하는 제 3 단계 공정과,상기 3 단계 공정을 거친 후, 450 ∼ 550℃의 온도에서 30 ∼ 50분 동안 납 10.0 ∼ 15.0 중량%를 함침시키는 제 4 단계 공정과,상기 4 단계 공정을 거친 후, 420 ∼ 440℃의 온도에서 80 ∼ 100분 동안 바렐 공정을 거치는 것을 특징으로 하는 밸브 시트용 내마모 소결합금의 제조방법.
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