KR100419435B1 - 내연기관용배기밸브 - Google Patents

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KR100419435B1
KR100419435B1 KR10-1998-0709612A KR19980709612A KR100419435B1 KR 100419435 B1 KR100419435 B1 KR 100419435B1 KR 19980709612 A KR19980709612 A KR 19980709612A KR 100419435 B1 KR100419435 B1 KR 100419435B1
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하로 안드레아스 호에그
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엠에이엔 비앤드떠블유 디젤 에이/에스
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Abstract

본 발명은 내연기관용 배기밸브에 관한 것으로, 밸브 디스크의 상면에 베이스 재료와 다른 재료의 환형의 시트 영역을 갖는 밸브 디스크를 구비한 이동가능한 스핀들을 포함한다. 배기밸브가 닫힌 위치에서 시트 영역은 정지 밸브부재의 대응하는 시트 영역과 접촉한다. 밸브 디스크의 상면의 시트 영역은 20℃의 온도에서 적어도 1000 ㎫의 항복강도(Rp0.2)를 갖는 재료로 만들어진다.

Description

내연기관용 배기밸브
내연기관용 배기밸브에 대한 연구는 밸브의 수명 연장과 신뢰도 향상을 목표로 하여 수년동안 진행되어 왔다. 이러한 연구는 지금까지 시트 영역에는 경한 재료를, 그리고 디스크의 저면에는 고온 내식성 재료를 갖는 밸브 스핀들을 제조함으로써 수행되어 왔다.
시트 영역은, 밸브가 정확하게 작용하도록 기밀되게 밀폐되어야 함에 따라 배기밸브의 동작 신뢰도를 위하여 특히 중요하다. 국소 영역에서의 부식으로 소위 연소 누출이 발생하여 시트 영역의 기밀성이 저감될 수 있음은 잘 알려져 있으며, 여기서 환형의 시일면을 가로질러 통로상태로 배기가스가 유동한 덴트 마크(dent mark:만입홈 자국)이 나타나며 배기밸브가 닫혔을 때에도 고온의 배기가스가 그 덴트마크를 통하여 빠져나가게 된다. 이러한 이상 환경하에서 고장이 야기될 수 있고 80 시간도 못되어 밸브 고장으로 발전될 수도 있으며, 이것은 보통의 검사에서 초기 고장을 흔히 발견할 수 없다는 것을 의미한다. 그러므로, 밸브 시트에서의 연소 누출은 계획되지 않은 엔진 정지를 야기할 수 있다. 그 엔진이 선박의 추진기관인 경우, 그러한 상태는 항구들 사이에서의 항해 도중에 배기밸브를 고장으로 발전될 수 있게 하여 항해중에 문제를 일으키게 하고, 고비용이 소요되는 예기치 않은 항구에의 정박을 초래한다.
밸브 시트에서의 연소 누출을 방지하기 위하여, 경도 증가에 의해 시트를 내마모성의 것으로 만들어 덴트 마크의 형성을 감소시키도록 훨씬 증가된 경도를 갖는 여러 가지 많은 밸브시트 재료들이 개발되어 왔다. 덴트 마크들을 통해 고온의 가스가 유동하여 누출되게 할 수 있기 때문에 이러한 덴트 마크 자국들은 연소 누출로 발전되는 조건이 된다. 고온의 가스는 누설되는 곳의 주변 재료를 가열시키게 되며, 그에 의해 가열되는 온도는 혼합성분들로 된 가스가 시트 재료에 부식작용을 하게 하는 정도로 되며, 그에 따라 누설부위가 급속히 확대되고 고온의 연소가스 누출이 증가되어 부식을 더욱 확대시킨다. 시트 재료는 경도와 더불어 작은 누설이 발생되어도 그에 의한 침식을 지연시키게 높은 내식성을 갖도록 개발되어 왔다. 시트 재료에 대한 소정의 요건들과, 이동가능한 밸브부재의 다른 부분들에서의 재료 특성에 대한 다른 요건들은 제조상 잇점이 있고 밸브 디스크의 베이스 재료와 다른 시트 영역 재료를 필요로 한다. 공지된 시트 재료들에 대한 많은 예들이 아래에 주어진다.
예를들어 WO92/13179호는 니켈 베이스의 합금인 알로이(Alloy) 50, 코발트 베이스의 합금인 스텔라이트(Stellite) 6, 및 가장 중요한 합금 성분이 20-24%의Cr, 0.2-0.55%의 C, 4-7%의 Al로 된 니켈 베이스의 합금의 사용이 기재되어 있다. 언급된 한가지 목적은 시트 재료가 덴트 마크의 형성을 감소시기 위해 경도가 커야 하는 것이다.
SE-B-422 388에는, 크로뮴 함유 코발트 합금이 3000℃를 넘는 온도에서 부착된 크로뮴 함유 니켈 합금으로 만들어진 베이스 바디를 갖는 내연기관용 밸브가 기재되어 있으며, 상기 베이스 바디는 기계적 처리를 한다음 작동온도 보다 더 높은 온도에서 에이징(aging)된다. 이 목적은 시트 재료의 내식성을 향상시키고 높은 경도를 부여하기 위한 것이다.
DK-B-165125에는 13-17중량%의 크로뮴과, 2-6중량%의 알루미늄, 0.1-8중량%의 몰리브데늄, 1.5-3.5 중량%의 붕소, 0.5-3 중량%의 티타늄, 4-7 중량%의 코발트 및 조정성분으로 니켈을 포함하는 내식성 합금을 시트 영역에 코팅한 내연기관용 배기밸브가 기재되어 있다. 시트 재료의 높은 경도가 요구된다.
US-A-4 425 300호에는 10-25중량%의 크로뮴과, 3-15중량%의 몰리브데늄, 3-7 중량%의 실리콘, 1-1.2 중량%의 탄소, 1-30 중량%의 철 및 조정성분으로 니켈을 포함하는 합금을 용접에 의해 경질 표면코팅하는 것을 기재하고 있다. 상기 합금은 기공이 없고 코발트 베이스 합금의 것에 필적하는 경도를 갖는다.
EP-A-0529208은 자동차 엔진의 밸브 시트 영역에 용접하기 위한 니켈과 크로뮴 함유 경질의 표면코팅 합금을 기재하고 있다. 상기 합금은 30-48중량%의 Ni, 1.5-15 중량%의 텅스텐, 1.0-6.5 중량%의 몰리브데늄, 조정성분으로서 적어도 40 중량%의 크로뮴을 포함한다. 텅스텐 및 몰리브데늄은 합금에 대한 고용체 강화효과를 갖는다. 탄화물 형성에 의해 경도를 증가시키기 위하여 탄소가 0.3-2.0 중량% 만큼 첨가될 수 있으며, 붕소는 크로뮴 붕화물 형성에 의해 경도를 증가시키기 위하여 0.1-1.5 중량% 만큼 첨가될 수 있다. 탄화물 및 붕화물과 함께 경도를 증가시키는 금속간 화합물 형성을 위하여 1.0-4.0 중량% 만큼 첨가될 수 있다.
EP-A-O 521 821에는 니모닉(Nimonic) 80A 합금 또는 니모닉 81 합금으로 만들어진 밸브가 기재되어 있으며, 상기 밸브에는 니모닉 베이스의 바디 보다 더 높은 내식성을 시트에 부여하도록 시트 영역에 인코넬(Inconel) 625 또는 인코넬 671의 층이 제공된다. 상기 공보에는 인코넬 671 합금에 대해서는 용착되어야 하는 것으로 기재된 반면, 인코넬 625 합금에 대해서는 그 합금이 용착후에 덴드라이트(dendritic) 탄화물구조를 가지며 따라서 상기 합금이 용착된 시트 영역은 내식성을 증대시키기 위하여 구조에 탄화물 분포를 균질화하도록 열간 가공해야 하는 것으로 기재되어 있다.
런던 소재의 해양 공학 연구소에 의해 1990년에 발간된 "중유 운전용 디젤 엔진 연소실"이라는 책에는 많은 논문들에서의 배기밸브 재료에 대하여 얻어진 경험들이 기재되어 있고, 배기밸브의 수명연장을 위해 밸브를 어떻게 설계해야 할 지에 대하여 조언하고 있다. 밸브 시트에 대해서는, 논문들은 시트 재료가 높은 경도를 갖고 고온 부식에 대하여 높은 내구성을 갖는 재료로 만들어져야 하는데 이견이 없었다. 배기밸브용의 여러 가지 많은 바람직한 재료들이 "밸브 합금의 물리적 및 기계적 특성들과 성분 평가분석에의 이용"이라는 책 제 7면에 기재되어 있으며, 그 재료들의 기계적 분석에서 820 ㎫이하로 보여지는 재료의 항복강도에 대한 비교표가 포함되어 있다.
배기밸브의 수명을 연장시키는 것이 요구되며, 특히 밸브의 시트 영역에서 연소 누출의 예기할 수 없으며 빠른 발전을 피하거나 적어도 감소시키는 것이 요망된다.
본 발명은 내연기관, 특히 2행정기관의 배기밸브에 관한 것으로, 시트 영역이 배기밸브의 밀폐위치에서 정지상태의 밸브부재의 대응된 시트 영역에 접촉하는 밸브 디스크의 베이스 재료와 다른 재료로 된 환형의 시트 영역을 상면에 갖는 밸브 디스크를 구비한 이동가능한 스핀들을 포함하는 배기밸브에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 배기밸브의 종방향 단면도이다.
도 2는 전형적인 덴트 마크가 표시된 2개의 시트 영역들의 단면도이다.
도 3 내지 도 6은 덴트 마크 형성 단계들과 입자들의 분쇄를 설명하기 위한2개의 시트 영역들의 단면도들이다.
도 7과 도 8은 덴트 마크 형성의 확대 단면도이다.
도 9는 밸브의 재개방 바로 직후의 표면에 대한 확대 단면도이다.
이하에서는 본 발명의 구체예를, 개략적으로 도시한 첨부 도면을 참고하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 대형 2행정 내연기관용의 배기밸브를 도시하고 있으며, 그 배기밸브는 부호 1로 대체적으로 표시되어 있으며, 상기 내연기관의 엔진은 직경이 250-1000 mm 범위의 실린더를 가진다. 소위 하측 요소로 불리는 배기밸브의 정지상 밸브부재(2)는 도시되지 않은 실린더 커버에 장착된다. 배기밸브는 하단의 밸브 디스크(4)를 지지하는 이동가능한 스핀들(3)을 구비하며, 그 상단에 밸브 개방용 유압 액튜에이터와 스핀들을 밸브가 닫힌 위치로 복귀시키는 공압의 귀환스프링이 공지의 방법으로 연결된다. 도 1은 부분적으로 개방된 위치의 밸브를 도시하고 있다.
밸브 디스크의 저면에는 고온 내식성 재료(5)의 층이 제공된다. 밸브 디스크의 상면에 있는 환형의 시트 영역(6)은 디스크의 외측 림으로 부터 이격되어 있으며 원추형의 시일면(7)을 갖는다. 대형 2행정 크로스헤드 엔진용 밸브 디스크는 실린더 보어에 따라 120-500 mm 범위의 외경을 가질 수 있다.
또한, 정지상 밸브부재에는 환형의 원추형 시일면(9)을 형성하는 약간 돌출된 시트 영역(8)이 제공되며, 상기 시일면은 밸브의 닫힌 위치에서 시일면(7)과 접촉한다. 밸브 디스크는 작동온도로 가열되는 동안에 형상이 변하기 때문에, 시트 영역은 2개의 시일면들이 밸브의 작동온도에서 평행하도록 되어 있으며 이것은 상대적으로 찬 시일면(7)이 연소실로부터 가장 멀리 떨어져 위치한 상측 림(10)의 시일면(9)과 접촉하는 것을 의미한다.
도 2는 전형적인 덴트 마크(11)가 시일면(7)의 시일 림으로부터, 즉 상측의 림(10)이 수직의 점선으로 표시된 시일면(7)과 부딪히는 원형의 아크부분으로부터 거의 0.5 mm정도 떨어져 끝남을 보여준다.
도 3은 경한 입자(12)가 밸브가 완전히 닫히기 직전에 2개의 시일면(7,9)들 사이에 갇힌 것을 보여준다. 상기 입자는 연속된 막힘 운동으로 분말상태로 파쇄되며, 그 파쇄 분말의 상당한 부분은 배기가스에 실려서 도 4에서 화살표 A로 표시된 바와같이 시트들 사이에서 음속으로 날려간다. 파쇄된 분말의 일부는, 시일면들에 가장 가까운 입자들이 마찰력에 의해 보지되기 때문에 시일면(7,9)들 사이에서 고착되며, 그 사이의 공간에 있는 입자들은 분말의 전단력에 의해 고착된다. 따라서, 정점이 서로 마주보게 대향된 원추형의 분말 침적물들이 형성된다. 고체의 입자들이 시트 표면들 사이에 갇힌 효과에 대한 추측은 정확하지 않다. 그 대신에 분말의 일부가 날려가기 때문에 시트들 사이에 포착된 재료 량이 감소된다.
계속된 시일 동작으로 원추형의 분말 축적물들은 붕괴되어 시트 표면의 평면에서 퍼져서 도 5와 같이 렌즈형상의 분말체 또는 분말 침적물로 된다. 이같은 렌즈 형상의 분말체는 최대 두께가 0.5 mm로 되고 그 침적물의 가장 넓은 부분이 평균 0.3-0.4 mm의 두께를 갖는다.
도 6은 밸브가 닫혔을 때, 그러나 연소실의 압력이 연료의 연소에 의해 상승되기 직전의 상태를 도시하고 있다. 상기 공압의 귀환 스프링은 분말체 주변 영역의 시일면(9)에 대하여 완전히 기밀되게 시일면(7)을 당길 정도로 강하지 않다.
연소실의 압력이 연료의 점화후 급격히 증가되면, 하측의 디스크 표면에 대한 상향의 힘이 크게 상승하여 시일면들이 서로에 대하여 밀착되게 가압된다. 그와 동시에 분말체는 시일면들을 탄성적으로 변형시키기 시작한다. 분말체가 충분히 두껍고 재료의 항복강도가 충분히 크지 못하면, 그 탄성변형은 소성변형으로 되어 영구적인 덴트가 된다. 도 7은 정지상의 시트 영역(8)이 가장 높은 항복강도를 갖는 경우를 보여주고 있으며, 이 경우 디스크의 시트 영역(6)은 항복점 바로 직전까지 탄성적으로 변형하게 된다. 도 8에 도시된 바와같이 시일면들이 완전히 압착된 위치까지 계속된 압축으로, 분말체는 시일면 속으로 묻히게 되며 시트 재료는 소성변형하게 된다.
밸브가 다시 개방될 때, 입자들은 도 9에 도시된 바와같이 배기되는 가스에 의해 날려짐과 동시에 시트 재료는 무부하 상태로 복귀된다. 시트 표면들 모두 또는 어느 하나에서 어느 정도의 소성변형이 발생되면, 영구적인 덴트 마크(11)가 분말체에 의해 형성된 가장 큰 만입 홈 보다는 작은 깊이로 시일 면에 존재하게 된다. 시트 재료의 항복강도가 보다 크면, 덴트 마크는 보다 작게 형성된다.
적당한 시트 재료들에 대한 분석예를 설명하기로 한다. 모든 함량은 중량 백분율을 나타내며, 불가피한 불순물은 무시하기로 한다. 또한, 여기서의 항복강도 표시는 온도가 달리 표시되지 않는 한, 약 20 ℃ 온도에서의 항복강도를 의미한다. 합금은 크로뮴 함유 니켈 베이스 합금 (또는 니켈 함유 크로뮴 베이스 합금)이며, 상기 합금은 그것의 항복강도와 합금의 경도 사이에는 별다른 상호관계가 없지만그 반대로 경도와 인장강도 사이에는 상호관계가 있다. 이들 합금들과 관련하여, 항복강도는 0.2의 변형(Rp0.2)으로 발생되는 강도를 의미한다.
IN 625 합금은 20-23중량%의 Cr, 8-10중량%의 Mo, 3.15-4.15중량%의 Ta+Nb, 5중량%까지의 Fe, 0.1중량%까지의 C, 0.5중량%까지의 Mn, 0.5중량%까지의 Si, 0.4중량%까지의 Al, 0.4중량%까지의 Ti, 1.0중량%까지의 Co, 0.015중량%까지의 S, 0.015중량%까지의 P, 그리고 적어도 58중량%의 니켈을 조정성분으로 포함하여 조성된다. 상기 합금의 항복강도는 소성변형과 어느 정도의 석출경화에 의해 증가될 수 있다.
IN 671 합금은 0.04-0.08중량%의 C, 46-49중량%의 Cr, 0.3-0.5중량%까지의 Ti 및 조정성분으로서 Ni를 포함하여 조성된다. 상기 합금의 항복강도는 소성변형과 석출경화에 의해 증가될 수 있다.
IN 690 합금은 27-30중량%의 Cr, 7-11중량%까지의 Fe, 0.05중량%까지의 C, 임의로 소량의 Mg, Co, Si 및 조정성분으로서 적어도 58중량%의 Ni를 포함하여 조성된다. 상기 합금의 항복강도는 소성변형에 의해 증가될 수 있다.
IN 718형의 합금은 10-25중량%의 Cr, 5.0중량%까지의 Co, 10중량%까지의 Mo+W, 3-12중량%의 Nb+Ta, 3중량%까지의 Ti, 2중량%까지의 Al, 0.3중량%까지의 C, 1중량%까지의 Si, 0.015중량%까지의 S, 0.015중량%까지의 P, 3중량%까지의 Mn, 5-25중량% 까지의 Fe, 그리고 니켈을 조정성분으로 포함하여 조성된다. 상기 합금은 항복강도의 증가 특성이 각 성분들, 특히 Al, Ti, Ni 및 Nb의 함량에 매우 의존하는 점에서 특징이 있으며, 상기 Al의 함량은 특히 영향이 있다. Al의 함량이 0.55중량% 보다 많은 경우에 항복강도는 부정적인 영향을 받는다. 상기 Al의 함량이 0.5중량% 밑으로 유지되어야 한다. 석출경화에 의하여 항복강도를 증가시킬 것이 요구되는 경우에, Nb+Ta의 함량은 4중량% , 바람직하게는 7중량% 보다 높아야 하며, Ti의 함량은 0.7중량% 보다 높아야 하고 바람직하게는 0.95-2중량% 범위로 되어야 한다. 그와 동시에, Ni의 함량은 47-60중량% 사이, 바람직하게는 52-57중량% 사이의 범위인 것이 유익하다. 소성변형에 의해 항복강도를 증가시키는 것이 요구되는 경우에, Co와 Mo+W의 함량은 상기 범위의 상위 절반에서 선택되어야 한다. 상기 성분들이 상기의 바람직한 범위들내에서 선택되면, 예를들어 50중량% 보다 많으면 상기 합금은 소성변화되고 석출경화되며, 항복강도는 1600 ㎫ 보다 크게 될 수 있다.
NIMONIC Alloy 105 합금은 15중량%의 Cr, 20중량% Co, 5중량%의 Mo, 4.7중량%의 Al, 1중량%까지의 Fe, 1.2중량%의 Ti 및 조정성분으로서 Ni로 분석된다.
Rene 220 합금은 10-25중량%의 Cr, 5-25중량%의 Co, 10중량%까지의 Mo+W, 11중량%까지의 Nb, 4중량%까지의 Ti, 3중량%까지의 Al, 0.3중량%까지의 C, 2-23중량%의 Ta, 1중량%까지의 Si, 0.015중량%까지의 S, 0.015중량%까지의 P, 3중량%까지의 Mn, 5중량%까지의 Fe, 그리고 니켈을 조정성분으로 포함하여 조성된다. 통상적으로, Rene 220 합금은 0.02중량%의 C, 18중량%의 Cr, 3중량%의 Mo, 5중량%의 Nb, 1중량%의 Ti, 0.5중량%의 Al, 3중량%의 Ta 및 조정성분으로서 Ni을 함유한다. 석출경화와 결합된 변형은 상기 재료에서 극히 높은 항복강도를 얻을 수 있게 한다. 955℃에서 50%의 변형도에서 항복강도는 1320 ㎫이 되고, 970℃에서 50%의 변형도에서 항복강도는 1400 ㎫로 되며, 990℃에서 50%의 변형도에서 항복강도는 1465 ㎫로 되며, 970℃에서 25%의 변형도에서 항복강도는 1430 ㎫로 된다. 석출경화는 760℃에서 8시간동안 수행되고 이어서 730℃에서 24시간, 그리고 690℃에서 24시간동안 수행된다.
NIMOMIC PK31 합금은 0.04중량%의 C, 20중량%의 Cr, 2.3중량%의 Ti, 0.45중량%의 Al, 14중량% Co, 4.5중량%의 Mo, 5중량%의 Nb, 1중량%까지의 Fe 및 가능한 소량의 Si, Cu 및 M, 및 조정성분으로서 Ni를 포함하는 것으로 분석된다.
Merl 76 합금은 0.0015중량%의 C, 11.9중량%의 Cr, 18중량%의 Co, 2.8중량%의 Mo, 1.2중량%의 Nb, 0.3중량%의 Hf, 4.9중량%의 Ti, 4.2중량%의 Al, 0.016중량%의 B, 0.04중량%의 Zr 및 조정성분으로서 Ni를 포함하는 것으로 분석된다.
Udimet 700 합금은 0.15중량%의 C, 15중량%의 Cr, 18.5중량%의 Co, 5.3중량%의 Mo, 4.2중량%의 Ti, 3.5중량%의 Al, 1중량%까지의 Fe 및 조정성분으로서 Ni를 포함하는 것으로 분석된다.
Rene 95 합금은 0.08중량% 까지의 C, 11.8-14.6중량%의 Cr, 7.5-8.5중량%의 Co, 3.1-3.9중량%의 Mo, 3.1-3.9중량%의 W, 3.1-3.9중량%의 Nb, 3.1-3.9중량%의 Ti, 2.1-3.1중량%의 Al, 0.02중량% 까지의 B, 0.075중량% 까지의 Zr, 및 조정성분으로서 Ni를 포함하는 것으로 분석된다.
상술한 표준 분석에 있어서, 실제 생산된 합금에 따라 불가피한 불순물에 의하여 표준분석과 편차가 발생될 수 있다.
기술문헌들에는 석출경화를 하기 위하여 여러 합금의 열처리를 어떻게 하는지에 대하여 상세히 설명되어 있으며, 고용체 어닐링을 위한 열처리와 합금의 재결정화 온도 등에 대해서는 널리 공지되어 있다. 그러므로, 단지 수개의 예들에 대해서만 아래에서 설명하기로 한다.
Rene 220 : 0.03중량%의 C, 20.2중량%의 Cr, 11.7중량%의 Co, 2.95중량%의 Mo, 5.05중량%의 Nb, 1.2중량%의 Ti, 및 조정성분으로서 Ni를 함유하는 것으로 분석된 용접 분말의 4개 층을 오스테나이트 스테인레스 스틸 AISI 316의 베이스 바디에 PTAW에 의해 접합하였다. 본 발명에 따른 합금이 부착된 상기 바디는 후속적으로 775℃에서 4시간 동안 열처리되고 이어서 700℃에서 4시간 동안 열처리되었다. 베이스 바디로 부터 2개의 통상의 인장시험편을 만들고, 인장시험을 한 결과 각각 1138 ㎫와 1163 ㎫의 항복강도 Rp0.2를 나타냈다. 그리고, 같은 방법으로 제조된 2개의 베이스 바디는 750℃에서 8시간의 열처리에 이어서 700℃에서 4시간 동안 열처리되었다. 상기 2개의 베이스 바디 시험편들을 인장강도 시험을 한 결과 항복강도는 각각 1206 ㎫와 1167 ㎫로 측정되었다. 마지막으로, 같은 방법으로 제조된 베이스 바디는 800℃에서 4시간 동안의 열처리에 이어서 700℃에서 8시간 동안 열처리되었다. 상기 인장시험에서, 2개의 베이스 바디 시험편들을 항복강도들은 각각 1091 ㎫와 1112 ㎫로 측정되었다.
재료의 냉간가공에 의해 항복강도를 증가시킬 필요가 있는 경우에, 이것은시트 영역에서 예를들어 압연이나 단조와 같은 공지된 수단으로 수행되거나, 또는 다른 비팅 또는 햄머링과 같은 다른 수단에 의해서도 수행될 수 있으며, 이 경우 시트의 시일면이 연삭된다. 합금이 석출경화성분을 함유하는 경우에, 냉간가공은 상기한 적당히 상승된 온도에서 실시될 수 있다.
이하에서는, 시트 영역이 HIP 프로세스에 의해 형성된 배기밸브의 제조 예가 제공된다. 스틸, 합금강 또는 니켈 합금과 같은 적당한 재료의 베이스 바디가 시트 영역을 제외하고 요구되는 형상으로 통상의 방법으로 제조된다. 그런 다음 요구되는 시트 재료가 공지된 HIP (HIP는 고온 등압의 약자이다) 프로세스에 의해 베이스 바디에 코팅된다. 상기 프로세스는, 예를들어 불활성 분위기로 된 챔버 속으로 용융 니켈과 크로뮴 함유 합금의 액상 제트 무화에 의해 제조되는 입상의 출발재료를 이용하며, 이로써 물방울과 같은 입자상의 재료는 냉각되어 매우 조밀한 덴드라이트 조직의 입자들로서 고상화된다.
상기 입자상의 출발재료는 베이스 바디의 상면에, 밸브 디스크 상면의 시트 영역에서 요구되는 두께로 조정된 량으로 코팅된다. 그런다음 바디는 금형에 넣어져서, 시일되고 바람직하지 않은 기체를 제거하도록 진공화한 HIP 챔버에 배치된다. 그리고, HIP 프로세스가 개시되며, 여기서 입상의 재료는 950-1200 ℃ 사이 범위의 온도와 900-1200 바의 높은 압력에서 열처리된다. 이러한 상태에서 출발 분말재료는 소성되어, 용융되지 않은 점착성의 조밀한 재료로 일체화된다. 그런 다음 상기 바디는 금형에서 제거되어 필요에 따라 예를들어 Rene 95를 위하여 1150 ℃에서 1시간 동안 고용체 어닐링되고 이어서 중간 온도(통상 535 ℃)로 솔트 배드에서담금질하고 실온에서 공냉되거나 또는 실온에서 가스로 냉각될 수 있다. 그리고 상기와 같은 단계들을 거친 다음 열간/냉간 가공이 수행될 수 있으며, 합금 조성이 부여될 필요가 있는 경우에 예를들어 Rene 95에 대하여 석출경화가 870 ℃에서 1시간동안 그리고 이어서 650 ℃에서 24시간 동안 수행되고, 상기 바디는 실온에서 공냉된다. 마지막으로 상기 바디는 요구되는 치수로 연삭된다.
베이스 바디로서 샤프트 없는 밸브 디스크를 가공하는데 사용할 수 있으며, 그런 다음 샤프트는 HIP 프로세스가 종결된 뒤에 밸브 디스크에 장착된다. 이러한 샤프트의 장착은 예를들어 마찰용접과 같은 수단에 의해 수행될 수 있다. 이에 대한 잇점은, 상기와 같이 샤프트가 나중에 장착될 때 HIP 챔버가 동시에 복수개의 베이스 바디들을 수용할 수 있기 때문에, HIP 챔버를 보다 잘 이용할 수 있는 것이다. 또한, 경제성을 고려하여 그리고 해당 영역에서 재료의 요구되는 특성에 따라, 바디으 여러 영역에 여거 입자 조성물들을 사용하여 HIP 프로세스에 의해 입자상 재료로부터 전체 밸브 디스크를 제조하거나 또는 필요하면 전체 밸브 스핀들을 제조할 수도 있다.
본 명세서에서의 냉간 가공이란 합금의 재결정 온도 보다 낮은 온도에서 표준의 냉간가공을 의미하거나, 또는 재결정을 위하여 보다 낮은 온도 영역 부근 또는 그 이하의 온도에서 열간 기계적 변형을 의미한다. 후자의 경우에는 먼저 바디를 실온 까지 냉각시키지 않고도 고용체 어닐링으로부터 가공온도로 바디를 냉각시키는 잇점이 있다.
본원의 출원인은 시트 재료들에서 덴트 마크 형성에 대한 시험을 실시하였으며, 그 결과 지금까지 알고 있던 것과는 반대로, 전혀 예상하지 못하게 시트 재료의 경도는 덴트 마크들이 나타나는데에 대하여 큰 영향을 주지않는 것으로 나타났다.
본 발명의 목적은 덴트 마크들의 형성을 일으키는 메카니즘을 예상하여 연소 누출 발생을 위한 기본 조건들을 약화 내지 제거한 시트 재료를 제공하는 것이다.
이를 위한 본 발명에 따른 배기밸브는, 밸브 디스크 상면의 시트 영역은 20℃의 온도에서 적어도 1000 ㎫의 항복강도를 갖는 재료로 만들어진 것을 특징으로 한다.
덴트 마크들은, 배기밸브가 개방되어 있는 동안에 배기밸브를 통해 연소실로부터 배기시스템으로 유동하는 코크스 입자들과 같은 입자상 연소 잔류물에 의해 형성된다. 배기밸브가 닫혔을 때, 그 입자들은 밸브 시트위의 시일된 시일면들 사이에 갇히게 될 수 있다.
작동하는 밸브 스핀들에서의 수많은 덴트 마크들에 대한 연구로부터, 새로운 덴트 마크들은 상측의 시일 림(rim)에 도달하는 경우는 거의 없음을 알았다. 여기서 상기 시일 림은 정지상의 밸브 시트의 상단이 이동가능한 원추형의 밸브 시트와 접촉하는 곳의 원주상의 선을 말한다. 실제로, 덴트 마크들은 상기 시일 림으로부터 0.5 mm정도 떨어져서 끝나며, 이것은 별도의 설명이 없어도 입자들이 상기 밀페 림 영역에서 포착되는 것을 예상할 수 있다.
시일 림의 바로 앞에까지 밖에 덴트 마크가 존재하지 않는 것은 코크스등의 입자들이 그것들이 매우 경한 입자들이라 할지라도 밸브가 완전히 닫히기 전에 분말상태로 분쇄되기 때문이다. 그 분쇄된 분말들의 일부는 입자들이 분쇄됨과 동시에 날려가 버리는데 그 이유는 배기가스가 연소실로 부터 거의 음속으로 닫히는 시일면들 사이의 틈새를 통해 유동하기 때문이다. 높은 속도의 배기가스가 시일 림부근의 분말을 날려버리고, 림까지 덴트 마크들이 존재하지 않는 것은 시일면들 사이에 포착된 모든 입자들이 분쇄됨을 보여주는 것이다. 비교적 크고 두꺼운 입자들일지라도 분쇄에 의해 그 크기가 작게 되어 분말로서 날려버리며, 실제로 덴트 마크들을 형성할 수 있는 분말의 침적물은 가장 크게는 0.5 mm의 두께를 가지며, 보통의 경우 최대 두께는 0.3-0.4 mm이다.
특히 최대 압력이 195 바로 될 수 있는 가장 최근에 개방된 엔진의 경우에는, 디스크의 저면에 작용하는 부하는 400 톤에 이를 수 있다. 배기 밸브가 닫히고 연소실의 압력이 최대 압력으로 상승될 때, 시일 면들은 분말상 침적물 주변에서 완전히 일치되게 가압된다. 이것은 시트들이 얼마나 경한 재료로 만들어지든지 관계없이 방지될 수 없다.
실린더에서 연료의 연소가 개시되고 압력이 크게 상승되며 밸브 디스크에 부하가 증가되면, 분말상의 침적물들은 2개의 시일면들 속으로 유동하게 됨과 동시에 시트 재료들은 탄성적으로 변형된다. 이러한 시트 재료의 탄성 변형 동안에 분말상의 침적물과 시일면들 사이의 면압이 증가하여 상기 분말상의 침적물이 넓게 퍼져서 확대되게 한다. 상기 분말 침적물이 충분히 두꺼운 경우에는 그러한 탄성 변형은 분말 침적물의 접촉면적에서의 압력이 시트 재료의 최저 항복강도에 도달할 때까지 계속되며, 이 경우 상기 시트 재료는 비탄성적인 소성변형되고 덴트 마크가 형성되기 시작하게 된다. 상기와 같은 소성변형은 결과적으로 변형경화로 인하여 항복강도의 증가를 초래한다. 분말 침적물 주변의 국소 영역에서의 2개의 시트 재료들이 균일한 항복강도를 얻게 되면, 그 분말 침적물은 다시 전술한 바와같이 다른 시트 재료의 소성변형을 개시하게 된다.
덴트 마크들의 형성을 저지하고자 하면, 이것은 전술한 바와같이 시트 재료들을 보다 더 경한 것으로 제조함으로써는 얻어질 수 없으며, 그대신에 시트 재료들은 탄성적인 것이 되어야 하고 그것은 시트 영역을 항복강도가 높게 하여 제조함으로써 달성될 수 있다. 그와 같이 보다 높은 항복강도는 이중의 효과를 제공한다. 먼저, 보다 높은 항복강도를 갖는 시트 재료는 보다 높은 탄성 변형을 나타내어 소성변형이 일어나기전에 두꺼운 분말 침적물을 흡수하게 된다. 둘째 효과는 분말 침적물이 도포되는 부분들의 시일면들의 표면 특성과 관련된다. 소성변형에 의해 형성된 덴트 마크 형상은 균등하고 완만하며 보다 넓은 면적으로의 분말 침적물의 분산을 촉진하여 분말 침적물의 두께를 부분적으로 감소시키고, 이어서 접촉면적의 확대로 인하여 접촉면의 응력을 부분적으로 감소시킨다. 탄성 변형으로부터 소성변형으로의 천이영역에서 분말 침적물을 부적합하게 고착시키는 보다 깊고, 보다 불규칙한 덴트 구조가 급격히 형성되며, 그 덴트 구조는 분말 침적물 직경의 바람직한 확대가 더 이상 이루어지지 않도록 방지하는 효과를 갖는다.
0.14 mm의 두께를 갖는 분말 침적물이, 시일면들의 어떠한 소성 변형없이 1000 ㎫의 항복 강도의 낮은 한계치를 갖는 재료로 된 2개의 시트 영역들 사이에서 흡수될 수 있는지에 대하여 배기밸브에서 테스트하였다. 시트 표면들 사이에 포착된 입자들의 많은 부분은 두께가 0.15 mm정도로 분쇄되었다. 본 발명에 따른 배기밸브에서는 입자들의 상당한 부분들의 덴트 마크 형성이 방지되었으며, 그 이유는 밸브가 개방될 때 시트 표면들이 단순히 그 원래의 상태로 탄성적으로 복귀되고 그와 동시에 분쇄된 입자들의 나머지 부분은 시트 표면들로 부터 날려가 버리기 때문이다.
시트 영역의 탄성 특성의 증가를 위하여, 시트 영역의 재료는 적어도 1100 ㎫의, 바람직하게는 1200 ㎫의 항복강도를 갖는 것이 바람직하다. 현재 사용되는 시트 재료의 영율(Young's Modulus)은 항복강도의 증가에도 사실상 변화되지 않으며, 이것은 가장 큰 탄성 변형과 항복강도 사이에서 거의 선형의 관계를 나타낸다. 이로부터 2500 ㎫ 이상의 항복강도를 갖는 시트 재료는 이상적인 것으로 여겨지는데 그것은 그 시트 재료는 통상적으로 가장 흔히 발생하는 침적물 두께의 분말 침적물을 탄성 변형에 의해 흡수할 수 있기 때문이다. 그러나, 그러한 높은 항복강도를 갖는 적당한 재료가 현재 존재하지 않는다. 아래 기재한 것으로부터 현재 이용 가능한 시트 재료들의 일부는 항복강도를 적어도 1100 ㎫까지 상승시키는 방법으로제조될 수 있는 것으로 보여진다. 다른 조건들이 동일하다면, 항복강도의 10% 증가는 덴트 마크들의 깊이를 적어도 10% 감소시키게 된다. 대부분 형태의 입자들에 있어서, 1200 ㎫는 침적물 두께를 현저히 감소시키기에 충분하게 높으며, 그 결과 덴트 마크들의 깊이를 30%까지 감소시키게 되지만, 그와 동시에 이용가능한 재료는 한정된다. 이것은 또한 적어도 1300 ㎫의 항복강도를 갖는 시트재료에도 적용된다.
특히 바람직한 실시예에서, 시트 영역의 재료는 적어도 1400 ㎫의 항복강도를 갖는다. 이러한 항복강도는 현재 이용되는 시트 재료의 항복강도의 거의 2배이며, 덴트 마크의 형성 메카니즘에 대한 현재의 지식을 기초하여 볼 때 이러한 항복강도의 재료는 시트 영역의 연소 누출 문제를 크게 제거할 것으로 생각된다. 시트 재료에 형성될 수 있는 극소수의 덴트 마크의 깊이는 너무 작아서 고온 부식이 발생하는 온도까지 시트 재료를 가열하기에 충분히 많은 누출가스량이 덴트 마크를 통해 유동하지 못하게 될 것이다.
한 실시예에서, 밸브 디스크와 정지부재의 시트 영역들은 각각 시트 영역들의 작동 온도에서 거의 동일한 항복강도를 갖는다. 2개의 시트 재료들이 일정한 항복강도를 가짐에 따라 분말 침적물이 시일면들 속으로 가압될 때 두 개의 시일면들의 형성이 거의 동일하게 나타나며, 이것은 시일면들 각각에서 결과적으로 나타나는 소성변형을 감소시킨다. 고정된 시트 영역은 스핀들의 시트 영역보다 온도가 더 낮으며, 이것은 많은 재료에 있어서 항복강도가 온도 증가에 따라 저하되는 사실에 비추어 볼 때 스핀들 시트 재료는 20 ℃에서 보다 높은 항복강도를 갖게 됨을 의미한다. 본 실시예는 정지상태의 시트 영역이 고온 내식성 재료로 만들어진 경우에특히 유익하다.
정지상의 시트 재료는 경화강 또는 주철로 되는 경우, 정지부재의 시트 영역은 시트 영역들의 동작온도에서 밸브 디스크의 시트 영역 보다 상당히 더 높은 항복강도를 갖게 된다. 이러한 설계로 밸브 스핀들에 어떠한 덴트 마크도 형성되지 않게 될 것이다. 이것은 두가지 잇점이 있다. 먼저, 스핀들의 시트 영역은 통상 고온 내식성 재료로 만들어져서 덴트 마크가 정지부재에 있게 되는 경우 보다 그 덴트 마크는 연소 누출로 발전되기가 보다 어렵게 된다. 둘째로, 밸브 스핀들은 회전하여 각각의 밸브 폐쇄시에 덴트 마크들이 정지상의 시일면에서 새로운 위치에 자리잡기 때문에, 열적인 영향이 정지 시트 영역에서 분산된다.
이하에서는 밸브 시트 재료로서 본 발명에 따라 이용가능한 여러 가지 재료들이 설명된다. NIMONIC과 INCONEL은 인코 알로이의 등록 상표이며, Udimet는 스페셜 메탈 인코포레이션의 등록상표이다.
시트 영역 재료는 몰리브데늄, 텅스텐, 코발트, 하프늄, 철 및 크로뮴과 같은 고용체 강도강화 성분을 적어도 10 중량% 포함하는 니켈 베이스의 크로뮴 함유 합금으로 될 수 있으며, 상기 합금은 밸브 디스크에 용접되고 그 항복 강도는 합금의 재결정온도 부근 또는 이하의 온도에서 재료의 냉간가공에 의해 상기 하한치 보다 더 높은 값으로 증가된다. 아래의 기재는 이러한 형태의 합금들을 예로서 설명한 것이다 : 즉, IN 625는 용접후 450 ㎫의 항복강도를 가지지만, 적어도 27%의 냉간가공후에는 그 항복강도가 1000 ㎫으로 되고, 40% 이상의 냉간가공후에는 1100 ㎫의 항복강도를 갖는다. IN 671은 용접된 상태에서 490 ㎫의 항복강도를 가지며,30 - 40%의 냉간가공은 1000 ㎫ 이상의 항복강도를 갖게 한다. 용접후에는 IN 690은 500 ㎫의 항복강도를 가지며, 45%의 냉간가공후에는 그 합금의 항복강도는 1035 ㎫까지 증가된다. IN 718 유형의 합금은 또한 용접후에 500 ㎫의 항복강도를 가지며, 적어도 35%의 냉간가공후 항복강도는 1000 ㎫ 이상까지 되었다. 그러나, IN 718형의 합금이 모두 냉간가공 또는 열처리로 항복강도의 큰 상승을 나타내지는 않았으며, 이것은 아래에서 보다 상세히 설명된다.
니오븀 또는 탄탈륨을 함유하는 합금들에 있어서, 석출경화 열처리에 의해 냉간가공후 합금 항복강도가 더욱 증가되었다. 이것은 또한 알루미늄 및 티타늄을 함유하는 합금에도 적용되지만, 통상적으로 이들 두가지 성분들의 미세 조정을 필요로 하며, 용접후 후속적인 열처리로 고용체의 어닐링을 수행하여서 냉간가공한 알루미늄과 티타늄이 용접시에 이미 석출경화 효과를 갖도록 한다.
변형적으로, 시트 영역 재료는 니오븀과 탄탈륨을 함유하는 니켈 베이스의 크로뮴 함유 합금으로 될 수 있으며, 상기 합금은 밸브 디스크에 용접됨으로써 그의 항복강도가 석출경화 열처리에 의해 상기한 하한치 보다 더 높은 값으로 증가되었다. 냉간 가공을 하지 않고도 높은 항복강도를 얻을 수 있는 합금의 예로는 Rene 220이다. 용접후에 상기 합금은 낮은 항복강도를 갖지만, 제조시에 적당한 열처리로 항복강도가 실질적으로 1000 ㎫ 이상으로 쉽게 될 수 있다. 상기한 니모닉 합금 PK31와 IN 718형 합금은 냉간가공없이도 열처리에 의해 1000 ㎫ 보다 상당히 높은 항복강도를 가질 수 있게 된다.
냉간가공을 포함하지 않는 다른 실시예는, 시트 영역 재료가 몰리브데늄, 텅스텐, 코발트, 하프늄, 철 및 크로뮴과 같은 고용체 강도강화 성분과 니오븀, 탄탈륨, 알루미늄 및 티타늄과 같은 석출경화 성분을 적어도 10중량% 포함하는 니켈 베이스의 크로뮴 함유 합금인 것과, 상기 합금이 밸브 디스크에 용접된 다음 그 항복강도가 석출경화 열처리에 의해 상기 하한치 보다 더 높게 증가되는 것이다. 상기 합금들은 고용체 강도강화 성분들을 함유하기 때문에, 상기 합금들은 실제에 있어서 분말상의 침적물에 의해 소성변형을 받게 되면 항복강도가 증가되는 경향을 갖는다.
다른 실시예에서, 시트 영역의 재료는 몰리브데늄, 텅스텐, 코발트, 하프늄, 철, 티타늄, 니오븀, 탄탈륨, 및 알루미늄중에서 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하는 니켈 베이스의 크로뮴 함유 합금이며, 적어도 시트 영역은 HIP 프로세스에 의해 제조되며, 가능한한 통상적인 어닐링에 이어서 담금질과 석출경화하는 것으로 구성되는 제어된 석출경화를 제공하도록 후속적으로 열처리하는 공정을 거친다. 특히, 이용가능한 합금 중에는 IN 100이 언급될 수 있으며, 그것은 HIP 프로세스 뒤에 20℃에서 1300 ㎫의 항복강도를 가지며 더욱이 스핀들의 작동온도에서 매우 높은 수준, 거의 650 ℃에서 1285 ㎫의 항복강도가 유지되는 점에서 특히 바람직하다. HIP 프로세스 뒤에, Merl 76은 1200 ㎫의 항복강도를 가지며, Udimet 700은 그에 상응하는 높은 항복강도를 갖는다. 또한, Rene 95도 적합하며 그것은 HIP 프로세스 뒤에 1200 ㎫의 항복강도를 가지는데 그 항복강도는 500 ℃에서 1160 ㎫으로 저하된다. 니모닉 합금 105의 합금도 사용될 수 있는데 그것은 성분들이 약간 변경되어 그 성분들이 탄소질화물 성분들과 산화물 성분들을 형성하여 HIP 프로세스 뒤에 소위 PPBs(Prior Particle Boundaries)라 불리는 취성 성분들의 응집성의 체인을 형성할 수 있도록 되어 있다. 상기 합금들은 고용체 강도강화 성분들을 포함하는 정도에 따라 항복강도는 냉간가공에 의해 더욱 증대될 수 있다. HIP 프로세스는 또한 단조와 압출 공정으로 보완될 수 있다. HIP 프로세스에 대신하여 다른 분말 야금학적 콤팩팅 프로세스도 상기 시트 재료에 이용될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 시트 영역 재료는 몰리브데늄, 텅스텐, 코발트, 하프늄, 철, 티타늄, 니오븀, 탄탈륨, 및 알루미늄 중에서 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하는 니켈 베이스의 크로뮴 함유 합금이며, 시트 영역은 주조하거나 분말 야금학적으로 제조된 다음, 상기 하한치 보다 더 높은 값으로 시트 영역재료의 항복강도를 증가시키는 시트 영역의 변성온도로 합금의 재결정온도 이하의 온도에서 열간 기계 단조, 압연 또는 비팅(beating)가공을 한다. 상기 분말야금 기술은 예를들어 스핀들 베이스 바디에 입자상 또는 분말상의 출발재료를 가열 스프레이 부착으로 될 수 있으며, 열간 기계 단조는 스프레이 부착된 재료의 냉간 가공을 포함할 수 있다. 상기 냉간가공은 상기 변성프로세스를 걱정할 정도까지의 석출경화를 피하도록 적당히 상승된 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 시트 영역은 예를들어 적어도 35%의 변형정도가 나타나는 IN 718형 합금으로 될 수 있다. 상기 시트 영역은 또한 거의 1000 ㎫의 항복강도로 열간가공 및 석출경화된 INCONEL Alloy X-750으로 될 수도 있다. 합금이 상기한 유형의 석출경화성분을 함유하는 경우에, 석출경화 열처리를 통하여 항복강도를 더욱 증가시킬 수 있다.
특히 바람직한 시트 영역의 재료는 10-25중량%의 크로뮴, 최대 25중량%의 코발트, 최대 10중량%의 몰리브데늄과 텅스텐 혼합물, 최대 11중량%의 니오븀, 최대 20중량%의 탄탈륨, 최대 3중량%의 티타늄, 최대 0.55중량%의 알류미늄, 최대 0.3중량%의 탄소, 최대 1중량%의 실리콘, 최대 0.015중량%의 인, 최대 0.015중량%의 황, 최대 3중량%의 망간, 최대 25중량%의 철 및 조정성분으로서 니켈을 포함하여 조성되는 것으로, 상기 알루미늄과 티타늄 및 니켈의 함량은 알루미늄 0.5중량%, 티타늄 0.7-3중량%, 니켈 52-57중량% 까지로 제한되는 것이 바람직하며, 탄탈륨 함량의 절반과 니오븀의 혼합물은 적어도 3중량%로 되는 것이 적당하다.
합금과 그 후속적인 제조공정의 선택은 배기밸브의 크기에 의해 영향을 받을 수 있으며, 그것은 밸브 디스크가 예를들어 외경이 130-500 mm 정도로 대형인 경우에는 상당한 정도의 냉간가공이 요구되기 때문이다.
본 발명은 또한, 내연기관 특히 2행정 크로스헤드 엔진용 배기밸브의 이동가능한 밸브 디스크의 상면에 위치하고 밸브 디스크의 베이스 재료와 다른 합금으로 만들어지며, 밸브가 닫힐 때 정지상태의 밸브 부재의 대응하는 시트 영역과 접촉하는 환형의 시트 영역에 덴트 마크가 제한되는 또는 방지되는 재료로서 20℃에서 적어도 1000 ㎫의 항복강도를 갖는 니켈 베이스의 크로뮴 함유 합금의 이용에 관한 것이다. 덴트 마크 제한 재료 이용에 대한 장점은 상술한 바로 부터 명백하다.
본 발명에 따라 내연기관용 배기밸브 디스크의 상면의 시트 영역을 적어도 1000 ㎫의 항복강도를 갖는 재료로 제조함으로써 시트 영역에 입자상의 침적물에 의한 덴트 마크 형성이 방지되어 연소누출이 방지된다.

Claims (18)

  1. 밸브 디스크의 상면에 베이스 재료와 다른 재료의 환형의 시트 영역을 가지며 시트 영역이 배기밸브가 닫힌 위치에서 정지 밸브부재의 대응하는 시트 영역과 접촉하도록 된 밸브 디스크와 이동가능한 스핀들을 구비한 내연기관, 특히 2행정 크로스헤드 엔진의 배기밸브에 있어서, 상기 밸브 디스크의 상면의 시트 영역은 20℃의 온도에서 적어도 1000 ㎫의 항복강도(Rp0.2)를 갖는 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 시트 영역의 재료는 적어도 1100 ㎫, 바람직하기로는 적어도 1200 ㎫의 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 시트 영역의 재료는 적어도 1300 ㎫, 바람직하기로는 적어도 1400 ㎫의 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
  4. 전기한 제 1 내지 3항의 항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브 디스크와 정지 밸브부재의 시트 영역들은 각각 그들의 작동 온도들에서 동일한 항복강도를 갖는 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
  5. 전기한 제 1 내지 3항의 항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 정지 밸브부재의 시트 영역은 시트 영역들의 작동 온도들에서 밸브 디스크의 시트 영역 보다 상당히 더 높은 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
  6. 전기한 제 1항 내지 5항의 항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 시트 영역의 재료는 몰리브데늄, 텅스텐, 코발트, 하프늄, 철 및 크로뮴과 같은 고용체 강성강화성분들을 적어도 10중량% 포함하는 니켈 베이스의 크로뮴 함유 합금이며, 상기 합금은 밸브 디스크에 용접되고, 그런다음 합금의 항복강도는 합금의 재결정 온도 이하의 온도에서 재료의 냉간가공에 의해 상기 하한치 보다 더 높은 수치로 증가된 것을 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 상기 합금은 니오븀과 탄탈륨을 함유하며, 냉간가공후 합금의 항복강도는 석출경화 열처리에 의해 더욱 증가된 것을 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 합금은 알루미늄과 티타늄을 함유하며, 용접후 냉간가공하기전에 상기 합금은 고용체 어닐링되고 담금질되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
  9. 전기한 제 1항 내지 제 8항의 항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 시트 영역재료는 니오븀과 탄탈륨을 함유하는 니켈 베이스의 크로뮴 함유 합금이며, 상기 합금은 밸브 디스크에 용접되고, 용접후 상기 합금의 항복강도는 석출경화 열처리에 의해 하한치 보다 더 큰 수치로 증가된 것을 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
  10. 전기한 제 1항 내지 제 5항의 항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 시트 영역의 재료는 몰리브데늄, 텅스텐, 코발트, 하프늄, 철 및 크로뮴과 같은 고용체 강성강화성분들과, 니오븀, 탄탈륨, 알루미늄 및 티타늄과 같은 석출경화 성분을 적어도 10중량% 포함하는 니켈 베이스의 크로뮴 함유 합금이며, 상기 합금은 밸브 디스크에 용접되고, 그런다음 합금의 항복강도는 석출경화 열처리에 의해 하한치 보다 높은 수치로 증가된 것을 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
  11. 전기한 제 1항 내지 5항의 항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 시트 영역의 재료는 코발트, 몰리브데늄, 텅스텐, 하프늄, 철, 니오븀, 탄탈륨, 알루미늄 및 티타늄중에서 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하는 니켈 베이스의 크로뮴 함유 합금이며, 적어도 시트 영역은 HIP 프로세스에 의해 제조되는 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 합금의 항복강도는 HIP 프로세스 후 재료의 냉간가공에 의해 더욱 증가된 것을 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
  13. 전기한 제 1항 내지 제 5항의 항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 시트 영역의 재료는 코발트, 몰리브데늄, 텅스텐, 하프늄, 철, 니오븀, 탄탈륨, 알루미늄 및 티타늄중에서 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하는 니켈 베이스의 크로뮴 함유 합금이며, 적어도 시트 영역은 주조 또는 분말 야금에 의해 제조되고 이어서 하한치 보다 더 높은 수치로 시트 영역 재료의 항복강도를 증가시키는 시트 영역의 변형도로 그리고 합금의 재결정 온도이하의 온도에서 열간 기계적 변형되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 열간 기계적 변형은 재료의 냉간가공을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
  15. 전기한 제 11항 내지 제 14항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금의 항복강도는 석출경화 열처리를 통해 증가되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
  16. 제 8, 10, 11, 13항중 어느 한 항에 있어서, 상기 시트 영역 재료는 10-25중량%의 Cr, 최대 25중량% 까지의 Co, 최대 10중량% 까지의 Mo+W, 최대 11중량% 까지의 Nb, 최대 20중량% 까지의 Ta, 최대 3중량% 까지의 Ti, 최대 0.55중량% 까지의 Al, 최대 0.3중량% 까지의 C, 최대 1중량% 까지의 Si, 최대 0.015중량% 까지의 S, 최대 0.015중량% 까지의 P, 최대 3중량% 까지의 Mn, 최대 25중량% 까지의 Fe, 그리고 Ni를 조정성분으로 포함하여 조성되며, Al, Ti 및 Ni 성분들은 Al이 최대 0.5중량%까지, Ti는 0.7-3중량%, Ni는 52-57중량%로 제한되고, Nb + Ta/2 의 함량은 적어도 3중량%로 되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
  17. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브 디스크의 외경은 130-500 mm 범위인 것을 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
  18. 밸브 디스크의 시트 영역이 베이스 재료와 다른 합금으로 만들어지며 배기밸브가 닫힌 위치에서 정지 밸브부재의 대응하는 시트 영역과 접촉하도록 된, 내연기관, 특히 2행정 크로스헤드 엔진용 배기밸브의 이동가능한 밸브 디스크의 상면에 환형의 시트 영역에 덴트 마크 제한 또는 방지 재료로서 20℃의 온도에서 적어도 1000 ㎫의 항복강도를 갖는 니켈 베이스의 크로뮴 함유 합금의 용도.
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Families Citing this family (43)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6606970B2 (en) * 1999-08-31 2003-08-19 Richard Patton Adiabatic internal combustion engine with regenerator and hot air ignition
DE19942386B4 (de) * 1999-09-04 2013-10-02 Pro-Beam Systems Gmbh Verfahren zur Randschichtbehandlung von Oberflächen mittels Energiestrahl
US9416887B2 (en) 2000-07-18 2016-08-16 George H Blume Low turbulence valve
US8915722B1 (en) 2009-02-23 2014-12-23 George H. Blume Integrated fluid end
DE10055275A1 (de) * 2000-11-08 2002-05-23 Iropa Ag Endlos-Fadenbremsband und Verfahren zu seiner Herstellung
US6655369B2 (en) * 2001-08-01 2003-12-02 Diesel Engine Transformations Llc Catalytic combustion surfaces and method for creating catalytic combustion surfaces
JP2004359998A (ja) * 2003-06-04 2004-12-24 Hitachi Ltd 化合物粒子分散合金層を有する金属部材の製造方法及び摺動部材
US7779807B2 (en) * 2003-11-11 2010-08-24 Honda Motor Co., Ltd. Intake/exhaust valve and its seal for internal combustion engine
US7540470B1 (en) * 2005-01-11 2009-06-02 Blume George H Powdered metal inlay
US7562647B2 (en) * 2006-03-29 2009-07-21 High Performance Coatings, Inc. Inlet valve having high temperature coating and internal combustion engines incorporating same
US20080032065A1 (en) * 2006-03-30 2008-02-07 High Performance Coatings, Inc. Methods for coating engine valves with protective coatings using infrared radiation
US7559991B2 (en) 2006-03-30 2009-07-14 High Performance Coatings, Inc. Apparatus for coating engine valves with protective coatings and curing the coatings using infrared radiation
US7726026B1 (en) 2006-05-09 2010-06-01 Blume George H Powdered metal inlay
US8613886B2 (en) * 2006-06-29 2013-12-24 L. E. Jones Company Nickel-rich wear resistant alloy and method of making and use thereof
JP5232492B2 (ja) * 2008-02-13 2013-07-10 株式会社日本製鋼所 偏析性に優れたＮｉ基超合金
DE102008018875A1 (de) 2008-04-14 2009-10-15 Märkisches Werk GmbH Auslassventil an einem Hubkolbenmotor
US7754143B2 (en) * 2008-04-15 2010-07-13 L. E. Jones Company Cobalt-rich wear resistant alloy and method of making and use thereof
EP2327804B1 (en) * 2008-07-25 2018-01-03 Nittan Valve Co., Ltd. Exhaust poppet valve and solution treatment method of poppet valve
DE102009016833B3 (de) 2009-04-09 2011-01-13 Märkisches Werk GmbH Bimetallventil
US8261767B1 (en) 2009-04-24 2012-09-11 Novatech Holdings Corp. Powdered metal inlay
DK177071B1 (en) * 2009-10-30 2011-05-30 Man Diesel & Turbo Deutschland Exhaust valve spindle for an internal combustion engine and a method of manufacture thereof
US8344299B1 (en) 2009-11-20 2013-01-01 Novatech Holdings Corp. Cylinder heater
US9228458B2 (en) * 2010-02-19 2016-01-05 Ford Global Technologies, Llc Valve seat insert
DE102011007140A1 (de) * 2011-04-11 2012-10-11 Man Diesel & Turbo Se Ventilsitzring
US20130309000A1 (en) * 2012-05-21 2013-11-21 General Electric Comapny Hybrid laser arc welding process and apparatus
EP2740908B1 (en) * 2012-06-14 2016-10-26 Nittan Valve Co., Ltd. Method of forming poppet valve faces and poppet valves having faces formed by this method
DK177487B1 (en) * 2012-07-06 2013-07-15 Man Diesel & Turbo Deutschland An exhaust valve spindle for an exhaust valve in an internal combustion engine
EP2781284A1 (en) * 2013-03-18 2014-09-24 Sandvik Intellectual Property AB A method for manufacturing a valve spindle
US20140345557A1 (en) * 2013-05-23 2014-11-27 Caterpillar Inc. Thermal Spray Coated Engine Valve for Increased Wear Resistance
CA2931644C (en) * 2013-11-26 2019-08-06 S.P.M. Flow Control, Inc. Valve seats for use in fracturing pumps
EP3126090B1 (en) * 2014-04-04 2018-08-22 Special Metals Corporation High strength ni-cr-mo-w-nb-ti welding product and method of welding and weld deposit using the same
DK177960B1 (en) * 2014-04-08 2015-02-02 Man Diesel & Turbo Deutschland An exhaust valve for an internal combustion engine
US9644504B2 (en) 2015-03-17 2017-05-09 Caterpillar Inc. Single crystal engine valve
WO2017105942A1 (en) * 2015-12-18 2017-06-22 Borgwarner Inc. Wastegate component comprising a novel alloy
DE102016200739A1 (de) * 2016-01-20 2017-07-20 Mahle International Gmbh Metallisches Hohlventil für eine Brennkraftmaschine eines Nutzkraftfahrzeugs
DE102016117698A1 (de) * 2016-09-20 2018-03-22 Man Diesel & Turbo Se Ventilkörper eines Gaswechselventils, Gaswechselventil und Brennkraftmaschine
KR101836713B1 (ko) * 2016-10-12 2018-03-09 현대자동차주식회사 배기계 부품용 니켈 합금
US11305346B2 (en) * 2017-04-27 2022-04-19 Federal-Mogul Valvetrain Gmbh Poppet valve and method of its manufacture
DE102017114375A1 (de) * 2017-06-28 2019-01-03 Man Diesel & Turbo Se Ventilsitzring eines Gaswechselventils als einstückiger Gußkörper aus einer Cobalt-Chrom-Hartlegierung
US11155904B2 (en) 2019-07-11 2021-10-26 L.E. Jones Company Cobalt-rich wear resistant alloy and method of making and use thereof
US20210031297A1 (en) * 2019-08-01 2021-02-04 GM Global Technology Operations LLC System and method for multi-task laser welding
CN111022730B (zh) * 2019-12-24 2022-02-08 广州发展电力科技有限公司 一种处理调节阀门结晶堵塞的系统、方法和存储介质
CN113106297B (zh) * 2021-04-10 2022-06-17 江苏明越精密高温合金有限公司 一种抗热裂铸造高温合金母合金及其制备方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1557025A (en) * 1924-07-17 1925-10-13 Us Ind Alcohol Co Nickel-chromium alloy and articles made therefrom
US4122817A (en) * 1975-05-01 1978-10-31 Trw Inc. Internal combustion valve having an iron based hard-facing alloy contact surface
FR2346915A1 (fr) 1976-03-31 1977-10-28 Texier Alain Systeme de transmission numerique assurant des liaisons multipoints
JPS6059077B2 (ja) 1980-05-02 1985-12-23 福田金属箔粉工業株式会社 ニツケル基肉盛合金
US4530322A (en) * 1980-10-31 1985-07-23 Nippon Kokan Kabushiki Kaisha Exhaust valve for diesel engine and production thereof
EP0167034B1 (en) * 1984-06-12 1988-09-14 Sumitomo Electric Industries Limited Valve-seat insert for internal combustion engines and its production
US4909860A (en) 1989-02-21 1990-03-20 Inco Alloys International, Inc. Method for strengthening cold worked nickel-base alloys
DK166219C (da) 1991-01-23 1993-08-16 Man B & W Diesel Gmbh Ventil med haardpaalaegning
DK0521821T3 (da) 1991-07-04 1996-08-26 New Sulzer Diesel Ag Udstødningsventil til en dieselforbrændingsmotor og fremgangsmåde til fremstilling af ventilen
JP3148340B2 (ja) 1991-08-27 2001-03-19 福田金属箔粉工業株式会社 ハードフェーシング用高靱性クロム基合金、その粉末、および該合金を肉盛した自動車用エンジンバルブ
US5328527A (en) 1992-12-15 1994-07-12 Trw Inc. Iron aluminum based engine intake valves and method of making thereof
JP3328753B2 (ja) * 1993-12-22 2002-09-30 フジオーゼックス株式会社 肉盛用Ｆｅ基合金組成物
US5592913A (en) * 1996-03-29 1997-01-14 Caterpillar Inc. Exhaust valve with a tapered stem portion

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Publication number Publication date
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ATE197982T1 (de) 2000-12-15
DE69703654D1 (de) 2001-01-11
DK64296A (da) 1997-12-08
EP0901565A1 (en) 1999-03-17
NO985515D0 (no) 1998-11-26
PL187246B1 (pl) 2004-06-30

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