KR100461304B1 - 밸브 시트용 내마모 소결합금의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 밸브시트용 내마모 소결합금의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철을 주성분으로 하고, 탄소, 규소, 크롬, 몰리브덴, 망간, 구리 바나듐, 코발트 및 텅스텐을 함유시킨 고속도강 재질에 동용침 동시소결공정을 통하여 밸브 시트용 소결합금을 제조함으로써, 마모시 기지조직에서 탈락되는 금속 입자가 적어지고, 그 입자의 크기가 매우 적게됨에 따라 내마모성 및 내충격성이 증가시킬 수 있고, 또한 기존 납을 함침하여서만 대응이 가능하던 건조한 연료에도 적용이 가능한 자기윤활성 및 가공성이 향상된 밸브 시트용 내마모 소결합금 및 이의 제조방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

밸브 시트용 내마모 소결합금의 제조 방법{Wear resist sintering alloy for valve seat and method for manufacturing the same}
본 발명은 밸브 시트용 내마모 소결합금의 제조방법에 관한 것으로서,더욱 상세하게는 철을 주성분으로 하고, 탄소, 규소, 크롬, 몰리브덴, 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 가공성을 향상시킬 수 있도록 한 밸브 시트용 내마모 소결합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
통상적으로, 자동차용 엔진의 구성품중 밸브 시트는 밸브면과 밀착되어 연소실의 기밀을 보존하는 역할을 하는 구성품으로서, 밸브면과 계속해서 충격적인 일을 반복 수행하므로 손상되지 않을 정도의 경도를 가지도록 제작되어야 한다.
종래에 사용되는 밸브 시트(valve seat)용 내마모 소결합금은 철을 주성분으로하고, 탄소 0.4-1.0중량%, 규소 0.1-1.0중량%, 크롬 0.5-2.0 중량%, 몰리브덴6.0-10.0중량%, 코발트 6.0-15.0중량% 및 납 6.0-18.0중량%가 함유되어 있다.
이러한 종래의 밸브 시트용 내마모 소결합금의 제조방법은 다음의 공정을 거쳐 제조된다.
먼저, 상기 조성중 납을 제외한 금속 분말을 혼합한 다음, 면압 4-8ton/㎤을 가하여 성형한다. 환원성 분위기 하에 750-800℃에서 40분간 예비 소결을 한 다음, 면압 7-10ton/㎤하에 단조한다.
이어서, 수소 분위기하에 1,110-1,140℃에서 30-50분간 본소결을 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 기지 조직내에 거대한 금속 입자가 분산된 미세 조직 특성을 나타낸다. 이러한 거대한 금속입자는 외부의 충격에 의한 크랙 발생의 원인이 되어 내충격성이 떨어지게 된다.
이와 더불어, 내마모성이 저하되어 마모면의 금속입자의 탈락으로 실린더내 압축 가스가 샐 우려가 있고, 가공성이 불량하여 이에 대한 개선이 필요하다.
또한, 종래의 밸브 시트용 내마모성 소결합금은 납을 사용하여 자기윤활성을 부여하므로써, 우수한 내마모성에도 불구하고 납은 공해물질로서 점차 사용이 불가능하게 되었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명한 것으로서, 철을 주성분으로 하고, 탄소, 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 텅스텐, 코발트, 규소 및 망간을 함유시키고, 여기에 동용침 동시 소결 처리하여 내마모성을 향상시킬 수 있도록 한 밸브 시이트용 내마모 소결합금의 제조공법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 밸브 시트용 내마모 소결합금에 있어서, 철을 주성분으로 하고, 탄소 0.8-1.2중량%, 크롬 2.0-5.0중량%, 몰리브덴 5.0-7.0중량%, 바나듐 3.0-5.0중량%, 텅스텐 8.0-12.0중량%, 망간 0.2-0.5중량%, 코발트 4.0-6.0중량% 를 함유시킨 비납함침재 밸브시트에 동용침 소결(銅溶浸 燒結)된 것을 특징으로 하는 밸브 시트용 내마모 소결 합금을 제공한다.
또한, 본 발명은 밸브 시트용 내마모 소결합금의 제조방법에 있어서, 철을 주성분으로 하고, 탄소 0.8-1.2중량%, 크롬 2.0-5.0중량%, 몰리브덴 5.0-7.0중량%,바나듐 3.0-5.0중량%, 텅스텐 8.0-12.0중량%, 망간 0.2-0.5중량%, 코발트 4.0-6.0중량%을 배합하여 면압 5-8ton/㎤로 가압 성형하는 제1단계 공정과; 상기 1단계 공정을 거친후, 1,140-1,180℃의 온도에서 밸브시트 중량의 20-30 중량%의 순동을 용침하는 동시 소결후 공냉시키는 제2단계 공정과; 상기2단계 공정을 거친후, 1,130-1,180℃의 온도로 열처리후 급냉처리 하는 제3단계 공정과; 상기 제3단계 공정을 거친후, 600-700℃의 온도로 소둔열처리하는 제4단계 공정과; 상기 제4단계 공정을 거친 후, 상온에서 진행되는 일부 가공 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는밸브 시트용 내마모 소결합금의 제조방법을 제공한다.
이와 같은 특징을 갖는 본 발명의 밸브 시트용 내마모 소결합금 및 이의 제조 방법을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 철을 주성분으로 하고, 내마모성 및 가공성의 문제점을 개선하기 위하여 각 합금강 원소의 조성 범위를 설정하였다.
특히, 본 발명에서는 탄소, 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 코발트 및 텅스텐등의 고속도강 금속분말을 함유시켜 절삭성을 증가시키고, 표면 특성을 향상시킨다.
먼저, 제 1단계 공정으로, 철을 주성분으로 하고, 탄소 0.8-1.2중량%, 크롬 2.0-5.0중량%, 몰리브덴5.0-7.0중량%, 바나듐3.0-5.0중량%, 텅스텐8.0-12.0중량%,망간0.2-0.5중량%, 코발트 4.0-6.0중량%을 배합하여 면압 5-8ton/㎤로 가압 성형한다.
본 발명에서 사용하는 탄소는 고속도강으로 그 함량에 따라 밸브시트용 내마모 소결합금의 기계적 성질이 현저하게 변하게 된다. 본 발명에서 사용되는 탄소의 함량은 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금 조성에 대하여 0.8-1.2중량% 첨가된다.
만일 탄소의 함량이 0.8중량% 미만이면 강도 및 경도가 부족하고, 1.2중량% 초과되면 인장강도 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 2.0-5.0중량% 첨가된다.
본 발명에서 사용하는 몰리브덴은 고속도강으로 절삭성,고온 인장강도 및 경도를 증가시키기 위하여 첨가되고, 그 함량은 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금 조성에 대하여 5.0-7.0 중량% 첨가된다. 만일, 상기 몰리브덴의 함량이 적거나 많은 경우 강도 및 경도가 증가되지 않는다.
본 발명에서 사용되는 바나듐은 고속도강으로 결정립조절 및 내열성향상을 위하여 첨가되고, 그 함량은 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금 조성에 대하여 3.0-5.0중량%로 첨가된다. 만일, 바나듐의 함량이 2.0 중량% 미만이면 거대한 결정림이 형성되어 크랙 발생의 원인이 되므로 바람직하지 못하다.
본 발명에서 사용되는 텅스텐은 고속도강으로 고온인장 및 경도를 증가시키기 위하여 첨가된다. 본 발명의 텅스텐의 함량은 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금 조성에 대하여 8.0-12.0 중량%로 첨가된다. 만일, 텅스텐의 함량이 8.0중량% 미만이면 탄화물의 형성량이 적어 내마모성이 저하되고, 12.0중량%가 초과되면 더 이상 물성이 증가되지 않는다.
본 발명에서 사용하는 코발트는 강도를 증가시키기 위하여 첨가되고, 그 함량은 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금 조성에 대하여 4.0-6.0 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용하는 망간은 철 내에 존재하느 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 못하다.
제 2단계 공정으로, 상기 배합된 금속 분말을 1,140-1,180℃의 온도로 30-50분간 동용침 소결후, 공냉시킨다. 상기 공정에서 1,140℃ 미만에서 소결공정을 거치게 되면 분말 입자의 확산이 잘 되지 않아 기지 조직이 약화되는 문제점이 있고, 1,180℃가 넘으면 결정립이 조대화되어 기계적 성질이 떨어지는 문제가 있어 바람직하지 못하다.
또한, 20-30 중량%의 동을 넣어 기공에 침투시킴으로써, 기지강도 보강과 윤활 역할을 하도록 설계되어 있다.
제 3단계 공정으로, 상기 동용침동시소결된 밸브시트를 1,130-1,180℃의 온도로 열처리후 급냉처리하는 공정을 거친다.
이는 합금성분이 균일하게 분포할수 있도록하고, 급냉을 통하여 탄화물 확산을 방지하여 균일한 분포를 가지게 한다.
제 4단계 및 제 5단계 공정으로, 상기 열처리된 소결합금을 600-700℃ 의 온도에서 60-90분간 템퍼링 열처리하여 기지조직에 인성을 부여한다.
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 금속입자가 매우 미세하고 저 경도의 분말이 혼합됨으로써 가공시 연속성을 가짐에 따라 가공성이 향상된다. 또한, 동용침 소결 및 MnS의 첨가로 인하여 자기 윤활성을 나타내어 기체연료 및 분사등 건조한 분위기의 연료에도 사용될수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예
다음 표 1에 나타난 바와 같은 함량과 조성으로 배합하여 밸브 시트용 내마모 소결합금을 제조하였다. 이렇게 배합된 분말을 7ton/㎤의 압력으로 성형한 다음, 1,170℃에서 40분간 동용침 동시소결후, 1,150℃에서 40분간 열처리후 급냉처리하고, 650℃에서 60분간 소려후 상온에서 일부 가공공정을 거쳐 소결합금을 제조하였다.
비교예로는 종래기술에 의거하여 제조된 상업용 밸브시트용 소결합금을 사용하였다.
그리고, 상기 실시예 및 비교예에서 제조한 밸브 시트용 내마모 소결합금에 대하여 마모량을 측정하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
[시험방법]
1. 마모량(mm) : 시뮬레이션 리그시험기(Rig Tester)를 이용하여 다음의 시험조건하에서 수행하였다.
- CAM회전수 : 2,500rpm
- 온도 : 350℃
- 시간 : 10시간
- 사용연료 : LPG+산소가스
위의 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 밸브시트 소결합금은 종래에 따른 비교예와 비교하여 볼 때, 그 마모량이 약 10% 감소하였음을 알 수 있었고, 결국 밸브시트의 내마모성을 향상시킬 수 있었음을 알 수 있었다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 밸브 시트용 내마모 소결합금 및 이의 제조 방법에 의하면, 조성의 변화와 함께 동용침 동시 소결 처리하여, 기존의 밸브 시트 소결합금에 비하여 내마모성을 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.
또한, 내마모성이 우수하여 기존에 납함유 재료로만 대응이 가능하던 건조 분위기의 연료 종류에서도 사용이 가능하다.
특히, 기존의 납함침 재료를 배제하여, 공해유발을 억제하는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 삭제
  2. 밸브 시트용 내마모 소결합금의 제조방법에 있어서,
    철을 주성분으로 하고, 탄소 0.8-1.2중량%, 크롬 2.0-5.0중량%, 몰리브덴 5.0-7.0중량%,바나듐 3.0-5.0중량%, 텅스텐 8.0-12.0중량%, 망간 0.2-0.5중량%, 코발트 4.0-6.0중량%을 배합하여 면압 5-8ton/㎤로 가압 성형하는 제1단계 공정과;
    상기 1단계 공정을 거친후, 1,140-1,180℃의 온도에서 밸브시트 중량의 20-30 중량%의 순동을 용침하는 동시 소결후 공냉시키는 제2단계 공정과;
    상기2단계 공정을 거친후, 1,130-1,180℃의 온도로 열처리후 급냉처리 하는 제3단계 공정과;
    상기 제3단계 공정을 거친후, 600-700℃의 온도로 소둔열처리하는 제4단계 공정과;
    상기 제4단계 공정을 거친 후, 상온에서 진행되는 일부 가공 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 밸브 시트용 내마모 소결합금의 제조방법.
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