KR100419338B1 - Valve train system for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
본 발명은 엔진의 밸브트레인에 관한 것으로 특히, 캠(6)의 상부에 타펫(5)을 캠(6)에 의해 상, 하강되도록 설치하고, 상기 타펫(5)의 상부에 푸시로드(4) 및 로커아암(3)을 설치하며, 상기 로커아암(3)의 타단에는 실린더 밸브(1) 및 밸브스프링(2)을 설치하여 캠(6)의 회동에 따라 타펫(5)이 상, 하강되어 실린더밸브(1)가 개폐하도록 되어 있는 통상의 밸브트레인에 있어서, 상기 타펫(5)이 상, 하강될 때 캠(6)과 접촉하는 타펫(5)의 하부 및 푸시로드(4)와 접촉하는 로커아암(3)의 하부에 각각 경질소결층(7)을 형성하되, 상기 경질소결층(7)의 소결 바인더금속이 주기율표의 전이금속 중에서 ETM이 원자비로 15 ∼ 45%, LTM이 30 ∼ 65% 함유되며 그 중 Fe가 20% 이상, 그리고 석출강화 원소와 석출물 안정화 원소로서 ⅠB, ⅡB, ⅢA와 ⅣA족에 속하는 원소가 단독 또는 복합으로 10 ∼ 30%, 그 외에 불가피한 불순물로 이루어진 바인더금속 분말을 이용하여 경질입자를 소결함으로써 로커 아암과 타펫의 마찰면에 내마모성을 향상시킨 엔진용 밸브트레인에 관한 것이다.The present invention relates to a valve train of an engine, and in particular, the tappet (5) is installed on the upper part of the cam (6) to be moved up and down by the cam (6), the push rod (4) on the upper part of the tappet (5) And a rocker arm (3), and a cylinder valve (1) and a valve spring (2) are installed at the other end of the rocker arm (3) so that the tappet (5) moves up and down as the cam (6) rotates. In a conventional valve train in which the cylinder valve 1 is opened and closed, the lower part of the tappet 5 and the push rod 4 which contact the cam 6 when the tappet 5 is moved up and down are contacted. A hard sintered layer 7 is formed in the lower portion of the rocker arm 3, wherein the sintered binder metal of the hard sintered layer 7 is 15 to 45% in an atomic ratio of the transition metal of the periodic table, and 30 to 30 LTM. It contains 65% of which Fe is 20% or more, and elements belonging to Groups IB, IIB, IIIA and IVA as precipitate strengthening elements and precipitate stabilizing elements alone or in combination The present invention relates to an engine valve train having improved wear resistance on a friction surface between a rocker arm and a tappet by sintering hard particles using a binder metal powder composed of 10 to 30% and other unavoidable impurities.
Description
본 발명은 엔진의 밸브트레인에 관한 것으로 특히, 로커 아암과 타펫의 마찰면에 내마모성이 우수한 경질소결층을 형성함으로써, 로커 아암과 타펫의 마찰면에 내마모성을 향상시킨 엔진용 밸브트레인에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a valve train of an engine, and more particularly, to an engine valve train having improved wear resistance on a friction surface between a rocker arm and a tappet by forming a hard sintered layer having excellent wear resistance on the friction surface of a rocker arm and a tappet.
일반적으로 엔진에서 실린더밸브를 여닫는 역할을 하는 기구를 밸브트레인계라 하는데, 상기 밸브트레인은 로커 아암과 푸시로드, 그리고 타펫으로 구성되어 있다. 로커 아암과 타펫은 엔진 밸브와 캠 샤프트 사이에서 캠의 변위변화를 이용하여 밸브가 왕복운동하게 하는 역할을 담당한다.In general, a mechanism that opens and closes a cylinder valve in an engine is called a valve train system. The valve train includes a rocker arm, a push rod, and a tappet. The rocker arm and the tappet are responsible for causing the valve to reciprocate using the displacement of the cam between the engine valve and the camshaft.
최근에는 환경보호와 소비자보호운동에 의해 고출력, 고연비, 무정비 (maintenance - free) 엔진에 대한 요구가 높아지면서 밸브트레인계의 사용환경은 점점 가혹해지고 있다. 그중 로커 아암과 타펫의 파손(Failure)은 각각 푸시로드와 캠과의 접촉에서 고속으로 미끄럼 마찰을 하기 때문에 미끄럼 마모(sliding wear)에 의해 스커핑(scuffing)을 일으키거나 표면피로에 의한 박리현상인 피팅(pitting)을 일으킨다. 이같은 이상 마모현상으로 마모접촉면에서의 윤활이 원활할 수 없기 때문에 엔진 소음증가와 밸브개폐 시기의 불안정화나 밸브 기밀유지의 불안정으로 연료가 불완전연소하고 결국 소음이나 배기가스의 문제를 발생시키게 된다.Recently, as the demand for high power, high fuel consumption, and maintenance-free engines has increased due to environmental protection and consumer protection movement, the use environment of the valve train system is becoming more severe. Among them, the failure of the rocker arm and the tappet causes sliding friction at high speed in contact with the push rod and cam, respectively, causing scuffing by sliding wear or peeling due to surface fatigue. Cause pitting. Because of this abnormal wear phenomenon, the lubrication on the wear contact surface cannot be smoothed, resulting in incomplete combustion of fuel due to increased engine noise, instability at the valve opening and closing time, or instability of the valve airtightness, resulting in noise or exhaust gas problems.
통상 사용되는 밸브트레인을 도 1 에 도시하고 있으나 도면에 도시된 밸브트레인 외에도 여러 종류의 형태가 있다. 도 1 은 보편적인 밸브트레인을 도시한 것으로 캠(6)의 상부에 타펫(5)을 캠(6)에 의해 상, 하강되도록 설치하고, 상기 타펫(5)의 상부에 푸시로드(4) 및 로커아암(3)을 설치하며, 상기 로커아암(3)의 타단에는 실린더 밸브(1) 및 밸브스프링(2)을 설치하여 캠(6)의 회동에 따라 타펫(5)이 상, 하강되어 실린더밸브(1)가 개폐하도록 되어 있다. 그런데 타펫(5)이 상, 하강될 때 캠(6)과 접촉하는 타펫(5)의 하부 및 푸시로드(4)와 접촉하는 로커아암(3)의 하부가 항상 수직을 이루어 실린더를 따라 상하왕복운동하는 구조로 되어 있다. 이 경우 캠 샤프트나 타펫 중의 어느 한 쪽이라도 허용범위를 넘는 오차가 있거나, 캠 샤프트가 축방향의 과도한 하중으로 굽힘변형을 일으키는 경우로 인해 정확한 수직접촉이 이루어지지 않으면 캠 샤프트와 평행한 방향으로 하중이작용하는 캠 워킹(cam walking)을 일으킬 수 있다.A valve train that is generally used is shown in FIG. 1, but there are various types of valve trains in addition to the valve train shown in the drawing. FIG. 1 illustrates a general valve train, in which a tappet 5 is installed on the upper part of the cam 6 so as to be moved up and down by the cam 6, and the push rod 4 and the upper part of the tappet 5 are installed. The rocker arm (3) is installed, and the other end of the rocker arm (3) is provided with a cylinder valve (1) and a valve spring (2), the tappet (5) is moved up and down in accordance with the rotation of the cam (6) cylinder The valve 1 is opened and closed. However, when the tappet 5 is moved up and down, the lower part of the tappet 5 in contact with the cam 6 and the lower part of the rocker arm 3 in contact with the push rod 4 are always vertical to move up and down along the cylinder. It is structure to exercise. In this case, either the camshaft or the tappet has an error exceeding the allowable range, or the camshaft is loaded in the direction parallel to the camshaft unless the correct vertical contact is made due to the bending deformation caused by excessive load in the axial direction. It can cause cam walking to work.
따라서 종래에는 캠 워킹을 해결하기 위해 타펫을 캠에 약간 기울여 접촉하도록 장착하는데, 이는 캠과 타펫 간의 접촉면을 줄이는 효과를 내게 되어 마모가 보다 심하게 된다.Therefore, in the related art, in order to solve the cam walking, the tappet is mounted to be inclined slightly in contact with the cam, which has an effect of reducing the contact surface between the cam and the tappet, thereby causing more wear.
또 다른 방법으로는 타펫 표면을 곡면(Spherical radius)의 크라우닝 (crowning)으로 가공하여 캠과의 사이에서 선접촉과 점접촉의 중간형태가 되게하여 극단적인 엣지 접촉(edge contact)을 피할 수 있었다. 그러나 만약 반경이 충분하게 크지 않으면 타펫표면에 심한 코킹하중(cocking loads)이 걸리고 캠과 타펫이 자꾸 끼이는 재밍(jamming)이 발생하여 요면(凹面) 마모 또는 역 플랭크(reverse flanks)를 유발한다. 코넬(Calvin C. Connel)은 미국특허 제4,739,675호에서 타펫의 접동면이 약 1500mm이상의 반경을 가지는 곡면으로 될 때 가장 바람직한 선접촉을 이룬다고 하였다. 만약 바람직하게 선접촉을 이룬다면 타펫면에 r/2(r=반경)에 해당하는 원으로 접촉흔적을 형성하며 정상마모가 진행된다. 그러나 이런 방법도 엣지접촉에 대한 완벽한 대비책은 못될 뿐 더러 고경질의 타펫면을 완벽한 곡면으로 가공하는 것이 어렵고, 특히 조도와 마모입자 등에 의해 접촉위치가 쉽게 달라질 수 있는 문제가 있다. 특히 마모는 초기의 길들이기(running-in)과정이 그 후 마모양상을 좌우할 정도로 중요하다. 따라서 가공치수관리, 조도관리,마모입자관리와 오일의 청정도 관리 등을 모두 만족하지 않으면 크라우닝으로 곡면가공하는 것만으로는 효과가 없다.Alternatively, the tappet surface could be machined with a crowning spherical radius, resulting in an intermediate form of line contact and point contact with the cam, thus avoiding extreme edge contact. . However, if the radius is not large enough, severe caulking loads are placed on the surface of the tappet and jamming occurs between the cam and the tappet, causing concave surface wear or reverse flanks. Calvin C. Connel states in US Pat. No. 4,739,675 that the best possible line contact is achieved when the sliding surface of the tappet is a curved surface having a radius of more than about 1500 mm. If the line contact is preferably made, a contact trace is formed in a circle corresponding to r / 2 (r = radius) on the tappet surface and normal wear progresses. However, even this method is not a perfect preparation for the edge contact, and it is difficult to process the hard surface of the hard tappet into a perfect curved surface, in particular, there is a problem that the contact position can be easily changed by roughness and wear particles. Wear is particularly important so that the initial running-in process then determines the wear pattern. Therefore, if processing dimension control, roughness control, wear particle management and oil cleanliness management are not satisfied, it is not effective to process the surface by crowning.
선접촉을 유지하여 마모를 줄이기 위한 해결방법으로는 러스트(Robert H.Rust)가 미국 특허 제3,915,129호에서 소개한 타펫의 밑부분에 접동면만 평면을 갖는 타펫의 외경보다 작은 구형 볼을 삽입하여 볼의 평면이 캠을 타고 움직이면서 항상 선접촉이 되게 하는 구조가 있다. 그러나 이 방법은 볼이 타펫몸체에 단단히 박혀 있어야 캠과의 마찰중에 빠져나오는 일이 없기 때문에 타펫이 볼을 감싸듯이 하여 고정한다.A solution to reduce wear by maintaining line contact is to insert a spherical ball smaller than the outer diameter of the tappet, which has only a sliding surface, at the bottom of the tappet introduced by US Patent No. 3,915,129 by Robert H. Rust. There is a structure in which the plane of the ball is always in line contact while moving on the cam. However, in this method, the ball must be firmly embedded in the tappet body so that it does not escape during friction with the cam.
이때 볼의 곡면은 많은 부분이 타펫과 접촉하고 있기 때문에 마찰이 큰 상태가 되는데 이를 방지하기 위한 방법이나 기술은 제시하지 못하였다. 또 볼의 직경이 작은 데다 일부 면만 평면가공하므로 캠과의 접촉면이 충분하지 못한 까닭에 볼과 타펫 사이의 마찰이 크면 캠이 회전할 때 함께 연동하지 못하고 선접촉이 되지 않거나 단속적으로 재밍이 발생하게 되는 문제가 있다.At this time, the curved surface of the ball is in a large friction state because many parts are in contact with the tappet, but a method or technique for preventing this was not presented. In addition, because the diameter of the ball is small and only a part of the surface is machined, the contact surface with the cam is not sufficient. Therefore, if the friction between the ball and the tappet is large, the cam will not interlock with each other and the line contact will not occur or the jamming will occur intermittently. There is a problem.
그리고 미국특허 제5,553,512호에서는 접동부에 롤러를 설치하여 캠에 대응하여 회전함으로써 마모를 줄이는 방식을 제시하였다. 그러나 이 기술은 부품 가공비가 지나치게 많아지고 복잡하여 차량용 엔진과 같이 적은 용량의 엔진에는 적합하지 않은 단점이 있다.In addition, US Patent No. 5,553,512 proposes a method of reducing wear by installing a roller in the sliding part to rotate in response to the cam. However, this technique has a disadvantage that it is not suitable for a small engine such as a vehicle engine because the component processing cost is too high and complicated.
이같은 문제를 해결하기 위해 타펫 접동면에 고합금강 소결층을 형성함으로써 경도를 향상시키는 기술이 소개되었다. 미국특허 제4,230,491호와 제5,609,128호에서는 내열합금 조성의 분말을 소결하여 붙임으로써 내마모성을 증가시켰다. 그 중 특허 제4,230,491호는 내열 합금원소와 0.5 ∼ 1.0%의 탄소를 철분말과 소결하여 탄화물 및 윤활성이 좋은 흑연을 석출하는 방식이고, 특허 제5,609,128호는 Fe-C-Cr-Mo-W-V 경질합금을 이용하였다. 하지만 이들은 합금 내에 석출하는 탄화물의 분율이 적어 높은 내면압성을 확보하기에는 미흡한 단점이 있다. 이들과 달리 보다 높은 경도의 세라믹을 부착함으로써 대응하는 것으로 미국특허 제5,060,607호, 제5,168,841호, 제5,185,923호, 제5,253,418호, 제5,662,076호, 제5,758,415호, 제5,943,990호, 제6,073,345호, 제6,110,605가 있다. 이들은 Si3N4, SiC, CrN, Al2O3, Cr7C3, AlN, ZrO2등 세라믹 소결층을 알루미늄합금, 은합금, 동합금 등으로 브레이징하여 접합하는 방식으로, 이 방식은 가장 극심한 마모부위에 금속과의 친화력이 적은 세라믹을 부착하여 마찰계수를 낮추는 방식이다. 그러나 세라믹 소결층은 취성이 크고 금속재료에 비해 캠 워킹, 재밍 등에 대한 수용능력이 적어 충격을 받으면 곧 파괴되는 문제가 있었다.To solve this problem, a technique for improving hardness by forming a high alloy steel sintered layer on the tappet sliding surface has been introduced. U.S. Patent Nos. 4,230,491 and 5,609,128 increase wear resistance by sintering and adhering powders of heat-resistant alloy compositions. Patent No. 4,230,491 is a method of sintering heat-resistant alloy element and 0.5 to 1.0% of carbon with iron powder to precipitate carbide and lubricity graphite, and Patent No. 5,609,128 is hard to Fe-C-Cr-Mo-WV An alloy was used. However, they have a disadvantage in that the fraction of carbide precipitated in the alloy is insufficient to secure high surface pressure resistance. In contrast to these, by attaching a ceramic of higher hardness, US Pat. There is. They are made by bonding ceramic sintered layers such as Si 3 N 4 , SiC, CrN, Al 2 O 3 , Cr 7 C 3 , AlN, ZrO 2 by brazing them with aluminum alloy, silver alloy, copper alloy, etc. It is a method of lowering the friction coefficient by attaching ceramics with less affinity with metal on the wear part. However, the ceramic sintered layer is brittle and has a problem of being destroyed soon after impact due to less capacity for cam walking, jamming, etc., compared to metal materials.
이에 반해 일본특허 공개 소62-182407호, 소62-185806호, 평09-242512호, 평09-242513호, 평09-242514호, 평09-242515호는 WC와 같은 탄화물입자를 함유하는 소결초경층을 부착하였다. 이들은 경질입자의 바인더금속으로 니켈 또는 니켈합금을 사용하여 내식성이 우수하고 탄화물의 분율이 높아 내면압성이 우수하다. 그러나 이 경우는 소결 중에 탄화물입자가 취성이 큰 사방정으로 성장하는데 사방정조직은 프레팅(Fretting)마모로 인한 충격피로에 취약하여 마모손상이 일어나는 단점이 있다.On the other hand, Japanese Patent Laid-Open Nos. 62-182407, 62-185806, 09-242512, 09-242513, 09-242514, 09-242515 and 09-242515 include sintering containing carbide particles such as WC. Carbide layer was attached. They use nickel or nickel alloy as the binder metal of the hard particles, and are excellent in corrosion resistance and high in carbide pressure, and thus excellent in surface pressure resistance. In this case, however, carbide particles grow into highly brittle tetragonal crystals during sintering, and the tetragonal structure is vulnerable to impact fatigue due to fretting wear, resulting in abrasion damage.
이상과 같이 종래 기술에서 사용하는 기술은 바인더금속의 문제로 인해 탄화물, 질화물, 붕화물과 같은 경질입자의 장점을 밸브 트레인 부품에 완벽히 재현해 내지 못하였다.As described above, the technique used in the prior art did not completely reproduce the advantages of hard particles such as carbides, nitrides and borides in the valve train parts due to the problem of binder metal.
따라서 상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 경질입자가 액상소결 중에 구상으로 유지하도록 하는 고강도 바인더금속을 이용하여 강인성과 아울러 높은 내면압성을 가지는 엔진용 밸브트레인을 제공하는데 목적이 있다.Therefore, in order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide an engine valve train having rigidity and high surface pressure resistance by using a high-strength binder metal to keep hard particles spherical in liquid phase sintering.
도 1 은 본발명이 적용된 엔진 밸브트레인의 사시도.1 is a perspective view of an engine valve train to which the present invention is applied.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
1 : 실린더밸브 2 : 밸브스프링1: Cylinder Valve 2: Valve Spring
3 : 로커아암 4 : 푸시로드3: rocker arm 4: push rod
5 : 타펫 6 : 캠5: tappet 6: cam
7 : 경질소결층7: hard sintered layer
상기 목적을 달성하기 위한 본발명의 구성을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the configuration of the present invention for achieving the above object in detail as follows.
도 1 은 보편적인 밸브트레인에 본 발명이 적용된 상태를 나타낸 사시도로서, 캠(6)의 상부에 타펫(5)을 캠(6)에 의해 상, 하강되도록 설치하고, 상기 타펫(5)의 상부에 푸시로드(4) 및 로커아암(3)을 설치하며, 상기 로커아암(3)의 타단에는 실린더 밸브(1) 및 밸브스프링(2)을 설치하여 캠(6)의 회동에 따라 타펫(5)이 상, 하강되어 실린더밸브(1)가 개폐하도록 되어 있는 통상의 밸브트레인에 있어서, 상기 타펫(5)이 상, 하강될 때 캠(6)과 접촉하는 타펫(5)의 하부 및 푸시로드(4)와 접촉하는 로커아암(3)의 하부에 각각 경질소결층(7)형성한다.1 is a perspective view showing a state in which the present invention is applied to a universal valve train, a tapette 5 is installed on the upper part of the cam 6 by the cam 6 so as to move up and down, and the upper part of the tappet 5. Push rod (4) and rocker arm (3) is installed on the other end of the rocker arm (3) is installed cylinder valve (1) and valve spring (2) tappet (5) in accordance with the rotation of the cam (6) In a conventional valve train in which the cylinder valve 1 is opened and closed by upwards and downwards, the lower part and the push rod of the tappet 5 which contacts the cam 6 when the tappet 5 is raised and lowered. The hard sintered layers 7 are formed in the lower part of the rocker arm 3 which contacts 4, respectively.
그리고 상기 경질소결층(7)의 소결 바인더금속은 주기율표의 전이금속 중에서 ETM(Early Transition Metal)이 원자비로 15 ∼ 45%, LTM(Late Transition Metal)이 30 ∼ 65%, 그리고 석출강화 원소와 석출물 안정화 원소로서 ⅠB, ⅡB, ⅢA와 ⅣA족 중에 속하는 원소가 단독 또는 복합으로 10 ∼ 30%, 그 외에 불가피한 불순물로 이루어진 합금이다. 바람직 하기로는 적정한 경질석출물 분율을 확보하기 위해 ⅢA와 ⅣA족에서 탄소와 보론을 단독 또는 복합으로 원자비 10 ∼ 25% 범위로 첨가한다.The sintered binder metal of the hard sintered layer 7 has an atomic ratio of 15 to 45% in terms of atomic transition metal (ETM), 30 to 65% in LTM (late transition metal) among transition metals of the periodic table, and As the precipitate stabilizing element, an element belonging to groups IB, IIB, IIIA, and IVA, alone or in combination, is an alloy composed of 10 to 30% and other unavoidable impurities. Preferably, carbon and boron are added alone or in combination in an atomic ratio of 10 to 25% in groups IIIA and IVA to secure an appropriate fraction of hard precipitates.
본 발명에서 ETM원소는 장주기표에서 ⅢB, ⅣB, ⅤB 및 ⅥB 족에 속하는 원소 들이다. 특히 ⅥB 족의 크롬은 ⅦB, Ⅷ족이 속하는 LTM원소 중 철, 코발트, 니켈과 같은 철족에 대해 고용도가 크고 가격이 저렴하여 본 발명에서 많이 이용된다. 이 고용체는 보론, 탄소와 함께 미세한 붕화물, 탄화물을 형성하여 가공성과 강도 면에서 유리하다. 크롬을 제외한 ETM원소들은 주로 크롬을 보조하는 용도로 사용한다. 그러나 이들은 크롬과 달리 LTM에 대한 상온에서의 고용도가 적어 대개 원자비로 총 5% 이하만 첨가한다. 이들 중 몰리브덴은 본 발명에서 크롬과 전율고용체를 이루어 매트릭스조직을 강화하고, 붕화물, 탄화물을 안정화하는 특징이 있다. 그 외에 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 니오븀, 하프늄, 탄탈, 텅스텐, 란타니드, 악티니드 등 다른 ETM원소들도 매트릭스를 강화하고 안정한 붕화물, 탄화물을 형성하는 효과가 있어 스폴링(spalling), 피팅(pitting), 치핑(chipping), 열균열(heat checking)과 같은 피로마모에 대한 저항성이 높다. 또 소결과정에서 LTM과 ⅠB, ⅡB, ⅢA와 ⅣA족의 산화를 억제하여 불순물을 감소시키며, 기공율을 낮추도록 기여한다.In the present invention, the ETM elements are elements belonging to groups IIIB, IVB, VB, and VIB in the long period table. In particular, the chromium of the VIB group is used in the present invention due to the high solubility and low price for iron groups such as iron, cobalt, and nickel among the LTM elements belonging to Group V and Group VIII. This solid solution forms fine borides and carbides together with boron and carbon, which is advantageous in terms of processability and strength. Except for chromium, ETM elements are mainly used to aid chromium. However, unlike chromium, they have a low solubility at room temperature for LTM and usually only add up to 5% in atomic ratio. Of these, molybdenum is formed in the present invention to form a tremor solid solution and strengthen the matrix structure, it is characterized by stabilizing borides, carbides. In addition, other ETM elements such as titanium, vanadium, zirconium, niobium, hafnium, tantalum, tungsten, lanthanide, and actinides also have the effect of strengthening the matrix and forming stable borides and carbides, resulting in spalling and fitting. Resistance to fatigue wear such as chipping, heat checking and heat checking. In addition, during the sintering process, the oxidation of LTM, IB, IIB, IIIA and IVA is inhibited to reduce impurities and contribute to lower porosity.
그러나 ETM원소의 총합이 원자비로 15% 미만일 경우는 충분한 강도와 인성을 보유하지 못하고, 젖음성이나 저융점의 합금을 얻는데 어려움이 있으므로 제한한다. 또한 45%를 초과할 경우에는 ⅢA와 ⅣA족과 석출물을 과다하게 만들어 인성을 해치게 되므로 제한한다.However, if the total amount of ETM elements is less than 15% in atomic ratio, it does not have sufficient strength and toughness, and it is difficult to obtain an alloy of wettability or low melting point. In addition, if the content exceeds 45%, the IIIA and IVA groups and precipitates will be excessively used, which will damage toughness.
본 발명에서 LTM원소는 바인더금속의 매트릭스 역할을 하며, 장주기표에서 ⅦB, Ⅷ족에 속하는 원소들이다. 본 발명에서는 탄화물이나 질화물과 같은 경질입자와 결합력이 뛰어나면서 가격이 싸고 자원이 풍부한 철(Fe)을 원자비로 20% 이상 포함되며, 내식성이나 내열성을 개선하기 위해 일부 니켈, 코발트 등과 같은 다른 LTM원소를 첨가할 수 있다. 니켈, 코발트와 같은 LTM원소는 탄질화물을 만드는 경향이 약해 철이 20% 미만인 경우에는 경질입자의 주성분을 구성하게 되는 탄질화물 입자들과 충분한 결합력을 기대하기 어려워 함량을 제한한다. 니켈은 기존에 바인더로 주로 사용되는 코발트보다 저렴하고 텅스텐과 몰리브덴과 같은 고융점 금속을 활성화시켜 소결을 촉진하는 효과가 있다. 코발트는 강에 대한 젖음성(Wettability)이 우수하고 강도 향상효과가 있어 필요시 일부 첨가한다. 그 외의 LTM원소도 매트릭스원소로서 첨가 가능하다. 그러나 이들 원소들은 대부분 고가이거나 크롬의 고용도가 적은 이유로 사용량이 적다. 본 발명에서 LTM원소들이 원자비로 30% 미만이 되면 경질화합물이 과다해지고 인성이 저하하므로 제한한다. 또한 65%를 초과하면 매트릭스 강도가 부족하여 내마모성이 저하하므로 제한한다.In the present invention, the LTM element serves as a matrix of the binder metal and is an element belonging to Group B and Group V in the long period table. In the present invention, it is excellent in binding strength with hard particles such as carbides and nitrides, and low cost and resource-rich iron (Fe) is contained in more than 20% in atomic ratio, and other LTM, such as some nickel, cobalt, etc. to improve the corrosion resistance or heat resistance Element may be added. LTM elements such as nickel and cobalt have a weak tendency to form carbonitrides, and when iron is less than 20%, it is difficult to expect sufficient bonding force with carbonitride particles which constitute the main component of hard particles, thereby limiting the content. Nickel is cheaper than cobalt, which is mainly used as a binder, and has an effect of promoting sintering by activating high melting point metals such as tungsten and molybdenum. Cobalt has good wettability against steel and has an effect of improving strength. Other LTM elements can also be added as matrix elements. However, most of these elements are low in use due to their high price or low chromium solubility. In the present invention, when the LTM elements are less than 30% by an atomic ratio, the hard compound is excessively limited and the toughness is reduced. In addition, if it exceeds 65%, the matrix strength is insufficient and wear resistance is lowered.
본 발명에서 ⅠB, ⅡB족은 바인더금속의 매트릭스를 고용강화하고, ⅢA와 ⅣA족은 경질 석출물을 형성하여 강화시키는 역할을 한다. ⅢA와 ⅣA족에서는 주로 보론과 탄소가 이용되며, 실리콘과 알루미늄은 이들 화합물을 안정화하는 역할을 한다. 이들 원소의 합이 원자비로 10% 미만일 경우는 매트릭스 강화효과가 적고, 30%를 초과할 때는 경질석출물이 조대하여 취성이 증가하는 문제가 있으므로 제한한다. 바람직하기로는 적정한 경질석출물 분율을 확보하여 엔진 구동 중에 발생하는 충격에 대한 저항성을 만족하기 위해서 ⅢA와 ⅣA족에서 탄소와 보론을 단독 또는 복합으로 원자비 10 ~ 25% 범위로 첨가한다. 탄소와 보론이 원자비 10% 미만에서는 충분한 경질석출물을 얻지 못하여 바인더 금속의 내면압 강도가 불충분한 문제가 발생하며, 25% 이상일 경우에는 바인더금속에서 감당해야 할 인성이 불충분하게 되어 제한한다.In the present invention, groups IB and IIB enhance the solid solution matrix of the binder metal, and groups IIIA and IVA form and strengthen hard precipitates. Boron and carbon are mainly used in IIIA and IVA groups, and silicon and aluminum play a role in stabilizing these compounds. If the sum of these elements is less than 10% in atomic ratio, the matrix strengthening effect is small. If the sum of these elements exceeds 30%, the hard precipitate is coarse and the brittleness is increased. Preferably, carbon and boron are added alone or in combination in an atomic ratio of 10 to 25% in groups IIIA and IVA in order to secure an appropriate hard precipitate fraction to satisfy resistance to impacts generated during engine operation. When carbon and boron are less than 10% in atomic ratio, sufficient hard precipitates are not obtained, and the internal pressure strength of the binder metal is insufficient, and when 25% or more, the toughness to be handled by the binder metal is insufficient.
이상의 바인더금속을 요구하는 경도에 맞추어 혼합비율을 정하는데, 엔진 밸브트레인계에서는 경질층의 내면압성을 향상하기 위해 경질입자를 대략 면적비로 45 ∼ 90% 차지하도록 비중을 고려하여 혼합한다. 이때, 경질입자가 면적비로 45% 미만에서는 경질입자보다 바인더금속 조직이 먼저 과도하게 마모되어 경질입자를 고정하는 힘이 약해지면서 탈락되거나, 내면압성이 저하되는 문제가 있으며, 90% 이상일 경우에는 바인더금속의 면적이 지나치게 적어 소결층의 내충격성이 부족하므로 충격파괴가 쉽게 발생하는 문제가 있다. 본 발명에서는 경질입자 면적비를 혼합비율에 따라 대략 65 ∼ 85% 정도 얻었다.The mixing ratio is determined according to the hardness required for the above binder metal. In the engine valve train system, in order to improve the internal pressure resistance of the hard layer, the hard particles are mixed in consideration of specific gravity so as to occupy 45 to 90% by area ratio. At this time, when the hard particles are less than 45% by area ratio, the binder metal structure is excessively worn before the hard particles, so that the force to fix the hard particles is weakened, so that there is a problem of dropping or lowering the internal pressure resistance. Since the area of the metal is too small and the impact resistance of the sintered layer is insufficient, the impact fracture easily occurs. In the present invention, about 65 to 85% of the hard particle area ratio was obtained according to the mixing ratio.
본 발명의 바인더금속은 표면에너지가 커서 유리처럼 금속이나 세라믹과의 젖음성이 우수하여 경질 세라믹입자의 바인더로 적합하며, 이 성질을 이용하여 종래에 바인더금속으로 폭넓게 쓰이는 코발트를 대체할 수 있다. 따라서 본 발명에서 제시하는 소결제품은 내면압성, 내열성과 내식성이 우수하여 높은 내구성을 요구하는 엔진용 밸브트레인 재료로 이용이 가능하다.The binder metal of the present invention has a large surface energy and is excellent in wettability with metals or ceramics, such as glass, and thus is suitable as a binder for hard ceramic particles. By using this property, it is possible to replace cobalt widely used as a binder metal. Therefore, the sintered product proposed in the present invention can be used as an engine valve train material requiring high durability due to excellent surface pressure resistance, heat resistance and corrosion resistance.
이하 본 발명의 엔진 밸브트레인의 경질소결층을 제조하는 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 하기의 실시예가 본 발명의 범주를 제한하는 것은 아니다.Hereinafter, an embodiment of manufacturing a hard sintered layer of the engine valve train of the present invention will be described in detail. However, the following examples do not limit the scope of the present invention.
본 발명의 실시예에서는 바인더금속을 분말형태로 만들어 이용하는데 입도, 입도분포, 형상, 순도 및 표면상태 등이 제품의 품질에 영향을 주기 때문에, 가능한 한 균일한 입도의 미세 입자를 얻기 위해 개스 애토마이제이션(Gas Atomization) 방법에 의하여 상기의 조성비로 된 바인더금속 분말을 제조한 후, 소결을 위한 분말은 경질입자와의 충진성을 고려하여 45㎛ 이하인 사이즈의 입자를 분급 사용한다. 바인더금속분말의 입도분포가 좁은 것보다는 여러 크기의 입자가 적당히 섞인 다소 넓은 분포의 분말을 사용하는 것이 성형된 제품의 밀도, 강도 및 탄성한계가 증가한다. 하지만 입자의 크기가 지나치게 커지면 소결제품의 밀도가 낮아지는 문제가 있어 최대크기를 45㎛ 이하의 크기를 가지는 미세입자로 제한한다.In the embodiment of the present invention, since the binder metal is used in the form of powder, the particle size, particle size distribution, shape, purity, and surface state affect the quality of the product. After the binder metal powder having the above composition ratio is manufactured by the gas atomization method, the powder for sintering is classified into particles having a size of 45 μm or less in consideration of filling with hard particles. Rather than having a narrow particle size distribution of the binder metal powder, the use of a rather wide distribution of powders of adequately mixed particles of different sizes increases the density, strength and elastic limit of the molded article. However, if the size of the particles is too large, there is a problem that the density of the sintered product is lowered, so the maximum size is limited to the fine particles having a size of 45㎛ or less.
그리고 상기 바인더금속과 함께 혼합하는 탄화물, 질화물 및 산화물과 같은 경질입자는 본 발명에서의 타펫과 같이 사용 중에 지속적으로 충격피로를 받는 경우에는 평균입자 크기를 평균 약 25.0㎛ 이하로 제한한다. 이는 경질입자 평균크기가 25.0㎛를 초과하는 입자들이 혼재할 경우 밀러지수(001)면이 벽개면이 되어 결정면에 평행한 균열들이 발생하기 쉽기 때문이다. 바람직하기로는 7.5㎛ 이하일때 바인더금속 입자와 혼합하여 소결하여 높은 밀도를 얻고 초경분말야금층에 가해지는 프레팅(Fretting) 마모에 대한 내피로성과 고면압에 대해 높은 내마모성을 발휘한다. 입자의 크기가 7.5㎛ 이상일 경우에는 미세기공과 같은 입자의 내부 결합으로 인해 사용중에 경질입자가 파손되고, 균열기점으로 작용할 가능성이 있다.Hard particles such as carbides, nitrides, and oxides mixed with the binder metal are limited to an average particle size of about 25.0 μm or less when subjected to continuous impact fatigue during use, such as the tappet in the present invention. This is because when the particles having an average size of hard particles larger than 25.0 μm are mixed, the surface of the Miller Index (001) becomes a cleaved surface, and cracks parallel to the crystal surface are likely to occur. Preferably, when the particle size is 7.5 μm or less, the binder metal particles are mixed and sintered to obtain high density, and exhibit high fatigue resistance against fatigue and high surface pressure against fretting wear applied to the cemented carbide metal layer. If the size of the particles is 7.5 μm or more, hard particles may break during use due to internal bonding of particles such as micropores, which may act as a cracking point.
한편, 성형성을 증가시키고 밀도를 높이기 위해 사전에 위의 경질입자와 바인더금속 입자를 15wt% 이하로 혼합하여 성형한 입자를 사용하는 경우가 있는데, 이때는 혼합된 입자를 45 ∼ 125㎛ 크기로 만들어 사용하기도 한다. 경질입자의 재료로는 텅스텐탄화물, 티타늄탄화물, 지르코늄탄화물, 탄탈탄화물, 실리콘탄화물, 크롬탄화물과 보론질화물, 지르코늄질화물, 티타늄질화물, 실리콘질화물 및 하프늄붕화물, 티타늄붕화물, 지르코늄붕화물, 크롬붕화물, 알루미늄붕화물, 코발트붕화물, 철붕화물과 알루미늄산화물, 지르코늄산화물 이들의 복화합물 또는 다른 경질세라믹이나 다이어몬드입자가 이용될 수 있다.On the other hand, in order to increase the formability and increase the density, the above-mentioned hard particles and binder metal particles may be used in the form of a mixture of 15 wt% or less. In this case, the mixed particles are made into 45 to 125 μm in size. Also used. Tungsten carbide, titanium carbide, zirconium carbide, tantalum carbide, silicon carbide, chromium carbide and boron nitride, zirconium nitride, titanium nitride, silicon nitride and hafnium boride, titanium boride, zirconium boride and chromium Carbohydrates, aluminum borides, cobalt borides, iron borides and aluminum oxides, zirconium oxide complex compounds thereof or other hard ceramic or diamond particles may be used.
이상과 같이 구성된 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 하기의 실시예가 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.When explaining the embodiment of the present invention configured as described above in detail. However, the following examples do not limit the scope of the present invention.
실시예 1 ∼ 7Examples 1-7
바인더금속 분율(나머지 분율은 경질입자) 및 바인더금속의 화학조성비를 표1과 같이 한 후 이를 개스 애토마이제이션 방법으로 바인더금속분말을 제조하여 소결을 위한 분말은 경질입자와의 충진성을 고려하여 45㎛ 이하의 분말을 사용하였으며, 경질입자의 조성 및 평균입도를 표1과 같이 한 후 상기의 재료들과 유기바인더를 혼련기로 균일하게 혼합하였다. 유기바인더로는 파라핀, 폴리에틸렌왁스나 EBS왁스같은 고분자 요소와 스테아린산, 글리콜, 폴리비닐 알콜과 같은 액체 바인더를 제품의 크기와 형상에 따라 섞는데, 본 발명에서는 유기바인더로 파라핀을 0.5wt% 첨가하였다. 경우에 따라 유기바인더 외에 분말의 압축률을 향상시키고 금형과의 마찰을 줄여 입자의 유동을 돕기 위하여 윤활제로 흑연, 수지, 비누 등을 0.1wt% 추가로 첨가하는데 본 발명에서는 첨가하지 않은 상태로 성형하였다.The binder metal fraction (the remaining fraction is hard particles) and the chemical composition ratio of the binder metal are prepared as shown in Table 1, and the binder metal powder is prepared by gas atomization method, and the powder for sintering is considered in consideration of filling with hard particles. Powders of 45 μm or less were used, and the composition and average particle size of the hard particles were as shown in Table 1, and the above materials and the organic binder were uniformly mixed with a kneader. As an organic binder, a polymer component such as paraffin, polyethylene wax or EBS wax and a liquid binder such as stearic acid, glycol or polyvinyl alcohol are mixed according to the size and shape of the product. In the present invention, 0.5 wt% of paraffin was added to the organic binder. . In some cases, graphite, resin, soap, etc. are added to the organic binder to improve the compression ratio of the powder and to reduce the friction with the mold to help the particles flow. .
상기와 같이 혼합한 재료를 두께 1.0mm, 직경 28mm인 동전과 같은 형태의 쿠폰으로 성형한 후 450 ∼ 550℃의 온도로 예비소결한 뒤 S45C 탄소강 원판블록 위에 니켈계 합금 페이스트를 이용하여 부착한 뒤 표1과 같은 소결온도로 각각 가열하여 소결과 브레이징을 동시에 시행하였다. 소결이 끝난 블록의 경질층은 1,500mm 반지름의 곡률로 크라운가공하면서 최종 조도를 Rmax 1.2로 마무리하였다.After molding the material mixed as described above into a coupon in the form of a coin with a thickness of 1.0mm, 28mm in diameter and then pre-sintered at a temperature of 450 ~ 550 ℃ and attached to the S45C carbon steel disc block using a nickel-based alloy paste The sintering and brazing were performed simultaneously by heating to the sintering temperature as shown in Table 1. The hard layer of the sintered block was crowned with a radius of curvature of 1,500 mm and the final roughness was finished at Rmax 1.2.
상기와 같은 방법으로 제조하여 HV 850 이상 경도인 시편블록을 제조한 뒤 단동 타펫-캠 시험기(Single-acting tappet-cam tester)에서 피팅저항성을 시험하였다. 시험조건은 캠회전속도 1000rpm, 스프링 정지하중 175kgf, 시험회전수 1×107사이클, 오일온도 75 ∼ 85℃의 조건으로 시험하였다. 상대 캠은 SCM440 강을 고주파 경화하여 HRC 55이상의 경도를 가진 캠 샤프트에서 채취하여 시험하였다.After preparing the specimen block having a hardness of HV 850 or more by the above-described method, the fitting resistance was tested in a single-acting tappet-cam tester. The test conditions were tested under the condition of cam rotation speed 1000rpm, spring stop load 175kgf, test rotation speed 1 × 10 7 cycles, oil temperature 75 ~ 85 ℃. Relative cams were tested by induction hardening the SCM440 steel from camshafts with hardness greater than HRC 55.
그 결과 본 발명에서 제공한 고강도 합금을 이용하여 소결한 블록시편과 캠마모면에서는 마모에 의한 손상이 발생하지 않았다.As a result, the damage caused by abrasion did not occur in the block specimen and the cam wear surface sintered using the high strength alloy provided in the present invention.
비교예 1 ∼ 5Comparative Examples 1 to 5
표1에 예시한 비교예 1 ∼ 5는 종래의 바인더금속 분말을 이용하여 경질입자와 함께 혼합하여 소결하였다. 소결을 위한 바인더금속 분말은 평균 15 ∼ 45 ㎛ 크기인 입자를 사용하였으며, 표1의 경질입자들과 파라핀 0.5 wt%를 혼련기로 균일하게 혼합하였다.Comparative Examples 1 to 5 illustrated in Table 1 were mixed with the hard particles and sintered using conventional binder metal powder. As the binder metal powder for sintering, particles having an average size of 15 to 45 μm were used, and the hard particles of Table 1 and 0.5 wt% of paraffin were uniformly mixed with a kneader.
상기와 같이 혼합한 재료를 본 발명과 동일한 형태로 성형한 후 본 발명과 동일한 방법으로 예비소결을 거쳐 표1과 같은 소결온도로 각각 가열하여 소결하였다. 상기와 같이 제조한 블록을 본 발명과 동일한 방법으로 마모시험을 한 결과 내마모성이 부족하여 마모흔 이나 피팅이 발생하였다.The material mixed as described above was molded into the same shape as the present invention and then presintered in the same manner as the present invention, followed by heating and sintering at the sintering temperatures shown in Table 1, respectively. As a result of the abrasion test of the block prepared as described above in the same manner as the present invention, wear scars or fittings occurred due to the lack of wear resistance.
표1Table 1
(○: 양호 △: 얕은 마모흔적 발생 ×: 피팅발생)(○: Good △: Shallow wear traces occur ×: Fittings occur)
이상에서 설명한 바와 같이 밸브트레인의 마찰부분에 경질소결층을 형성하고, 상기 경질소결층의 소결 바인더금속의 소결제품은 젖음성이 우수하면서도 액상소결 공정을 거친 뒤에도 경질입자가 구상을 유지하여 표면층의 내피로성,내피팅성과 인성이 우수하여 높은 내구성을 나타내게 된다.As described above, a hard sintered layer is formed on the friction portion of the valve train, and the sintered product of the sintered binder metal of the hard sintered layer has excellent wettability and hard particles remain spherical even after the liquid sintering process. It has excellent fatigue resistance, fitting resistance and toughness and shows high durability.
이는 기존의 엔진 밸브트레인에서 캠과 타펫, 푸시로드와 로커아암의 접촉면에서 발생하던 피팅이나 스폴링과 같은 마모를 억제함으로써 엔진소음증가, 불완전연소 또는 배기가스로 인한 환경오염 등을 방지하는 효과를 얻는다.This suppresses wear such as fittings and spalling that occurred on the cam and tappet, push rod and rocker arm contact surfaces in the existing engine valve train, thereby preventing the increase of engine noise, environmental pollution caused by incomplete combustion or exhaust gas. Get
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