KR100521578B1 - 밸브 시트용 내마모 소결합금과 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밸브 시트용 내마모 소결합금과 그 제조방법에 관한 것으로서, 철을 주성분으로 하여 다량의 크롬 및 코발트를 함유시키고 그 외에 탄소, 망간, 텅스텐 및 바나듐의 함량을 적절히 조절한 분말성형체에 다량의 동을 소결과 동시에 용침한 후 소려열처리하여 제조함으로써, 상대재인 밸브재와의 유사한 물성치로 밸브 시트 적용시에 밸브와의 매칭성이 증대될 수 있고, 결국 전체적인 마모량이 감소될 수 있는 밸브 시트용 내마모 소결합금과 그 제조방법에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 소결합금은 소결과 동시에 구리를 용침한 비납함침 소결합금으로서, 기존 유해한 납을 함침하여서만 대응이 가능하던 건조 분위기의 연료에 적용이 가능하다.

Description

밸브 시트용 내마모 소결합금과 그 제조방법{Wear resist sintering alloy for valve seat and method for manufacturing the same}

본 발명은 밸브 시트용 내마모 소결합금과 그 제조방법에 관한 것으로서, 철을 주성분으로 하여 다량의 크롬 및 코발트를 함유시키고 그 외에 탄소, 망간, 텅스텐 및 바나듐의 함량을 적절히 조절한 분말성형체에 다량의 동을 소결과 동시에 용침한 후 소려열처리하여 제조함으로써, 상대재인 밸브재와의 유사한 물성치로 밸브 시트 적용시에 밸브와의 매칭성이 증대될 수 있고, 결국 전체적인 마모량이 감소될 수 있는 밸브 시트용 내마모 소결합금과 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 엔진의 부품 중 밸브 시트(valve seat)는 밸브면과 밀착되어 연소실의 기밀을 보존하는 역할을 하는 부품으로서, 밸브면을 상대로 계속해서 충격적인 일을 반복 수행하므로 손상되지 않을 정도의 내마모성과 경도를 가질 수 있게 제작되어야 한다.

종래에 사용되는 밸브 시트용 내마모 소결합금은 철을 주성분으로 하고 여기에 탄소 0.4∼1.0중량%, 규소 0.1∼1.0중량%, 크롬 0.5∼2.0중량%, 몰리브덴 6.0∼10.0중량%, 코발트 6.0∼15.0중량% 및 납 6.0∼18.0중량%가 함유된 것으로, 다음의 공정을 거쳐 제조된다.

먼저, 상기 조성 중 납을 제외한 금속분말을 혼합한 다음, 면압 4∼8ton/㎤을 가하여 성형한다.

이후, 환원성 분위기 하에 750∼800℃에서 40분간 예비 소결을 한 다음, 면압 7∼10ton/㎤ 하에서 단조한다.

이어서, 수소 분위기 하에 1,110∼1,140℃에서 30∼50분간 본소결을 한 다음, 자기윤활성을 부여하기 위해 400∼450℃에서 10∼30분간 납을 함침시키고, 같은 온도에서 80∼110분간 바렐 공정을 실시하여 밸브 시트용 내마모 소결합금을 제조한다.

그러나, 상기 조성 및 함량으로 제조된 밸브 시트용 소결합금은 기지조직 내에 거대한 금속입자가 분산된 미세조직 특성을 나타내며, 이 거대한 금속입자는 외부 충격에 의한 크랙 발생의 원인이 되어 내충격성을 떨어뜨린다.

이와 더불어, 종래의 밸브 시트용 소결합금 적용시에는 내마모성이 쉽게 저하되어 마모면 금속입자의 탈락과 함께 실린더 내 압축가스가 샐 우려가 있고, 가공성도 불량하여, 이에 대한 개선이 필요하다.

또한, 종래의 밸브 시트용 내마모성 소결합금에서는 유해한 납을 사용하여 자기윤활성을 부여하기 때문에 환경적으로 사용이 불가능해질 것으로 보이며, 공해물질로 간주된 납을 사용한다는 점에서 개선이 시급한 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 철을 주성분으로 하여 다량의 크롬 및 코발트를 함유시키고 그 외에 탄소, 망간, 텅스텐 및 바나듐의 함량을 적절히 조절한 분말성형체에 기존의 납을 대신하여 다량의 동을 소결과 동시에 용침한 후 소려열처리하여 제조함으로써, 상대재인 밸브재와의 유사한 물성치로 밸브 시트 적용시에 밸브와의 매칭성이 증대될 수 있고, 결국 전체적인 마모량이 감소될 수 있는 밸브 시트용 비납함침 소결합금과 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 엔진 밸브 시트용 소결합금에 있어서, 철을 주성분으로 하고 여기에 탄소 0.8∼1.2중량%, 크롬 15.0∼20.0중량%, 망간 0.3∼0.6중량%, 코발트 25.0∼30.0중량%, 텅스텐 5.0∼7.0중량% 및 바나듐 2.0∼4.0중량%가 함유된 분말성형체 100중량%에 대하여 20∼30중량%의 구리가 함유되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 엔진 밸브 시트용 소결합금의 제조방법에 있어서, 철을 주성분으로 하고 여기에 탄소 0.8∼1.2중량%, 크롬 15.0∼20.0중량%, 망간 0.3∼0.6중량%, 코발트 25.0∼30.0중량%, 텅스텐 5.0∼7.0중량% 및 바나듐 2.0∼4.0중량%의 분말을 배합하여 면압 5∼8ton/㎤로 가압 성형하는 제1단계 공정과; 상기 제1단계 공정을 거친 분말성형체를 1,140∼1,180℃의 온도에서 소결과 동시에 상기 분말성형체 100중량%에 대하여 20∼30중량%의 구리를 용침한 후 공냉하는 제2단계 공정과; 이후 450∼550℃의 온도에서 소려열처리하는 제3단계 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명의 밸브 시트용 내마모 소결합금과 그 제조방법을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 LPG 차량 및 디젤엔진 차량 등 건조한 분위기에서 연소되는 자동차 밸브 시트용 내마모 소결합금과 그 제조방법에 관한 것으로, 철을 주성분으로 하되 내마모성 및 경도 향상을 위하여 각 합금강 원소의 조성범위를 적절히 설정하였다.

특히, 본 발명에서는 건조 분위기에서의 내마모성 및 밸브와의 매칭성, 자기윤활성의 향상을 위해 다량의 크롬과 코발트를 함유시키고 그 외에 탄소, 망간, 텅스텐 및 바나듐을 적절히 함유시키는 조성으로 상대 습동품인 밸브와 유사한 물성치를 지니게 제조하고, 또한 자기윤활을 위하여 납을 사용하는 대신 소결시 다량의 구리를 용침하여 제조한다.

먼저, 제1단계 공정으로, 철을 주성분으로 하고 여기에 탄소 0.8∼1.2중량%, 크롬 15.0∼20.0중량%, 망간 0.3∼0.6중량%, 코발트 25.0∼30.0중량%, 텅스텐 5.0∼7.0중량% 및 바나듐 2.0∼4.0중량%를 배합하여 면압 5∼8ton/㎤로 가압 성형한다.

밸브 시트용 내마모 소결합금은 첨가되는 탄소(C)의 함량에 따라 고속도강으로서의 기계적 성질이 현저히 달라진다.

본 발명에서는 제1단계공정의 금속분말 전체 조성에 대하여 탄소가 0.8∼1.2중량%로 첨가된다.

만일, 탄소의 함량이 0.8중량% 미만이면 강도 및 경도가 부족하게 되고, 1.2중량%를 초과하면 인장강도 및 경도가 감소되어 바람직하지 못하다.

본 발명에서 사용하는 크롬(Cr)은 고속도강으로서의 내마모성 및 내열성, 그리고 자기윤활성을 증가시키기 위하여 첨가되고, 그 함량은 제1단계공정의 금속분말 전체 조성에 대하여 15.0∼20.0중량%의 함량으로 첨가된다.

만일, 상기 크롬의 함량이 15.0중량% 미만이면 내마모성 및 내열성, 자기윤활성의 효과가 극대화 되지 않는다.

본 발명에서 사용하는 망간(Mn)은 철 내에 존재하는 미량의 황과 결합하여 MnS를 형성하도록 첨가되며, 그 함량은 제1단계공정의 금속분말 전체 조성에 대하여 함량 0.3∼0.6중량%로 첨가된다.

만일, 망간의 함량이 0.3중량% 미만이면 MnS 형성을 통해 얻어지는 자기윤활성을 갖기 어려워 바람직하지 못하다.

본 발명에서 사용하는 코발트(Co)는 강도, 내열성 및 자기윤활성을 증가시키기 위하여 첨가되고, 그 함량은 제1단계공정의 금속분말 전체 조성에 대하여 25.0∼30.0중량%로 첨가된다.

만일, 코발트의 함량이 25.0중량% 미만일 경우 밸브와의 유사 물성치를 얻기 어렵고, 내열성 및 자기윤활성의 증가 효과가 극대화 되지 않는다.

본 발명에서 사용하는 텅스텐(W)은 고속도강으로서의 고온 인장 및 경도를 증가시키기 위하여 첨가되며, 그 함량은 제1단계공정의 금속분말 전체 조성에 대하여 5.0∼7.0중량%로 첨가된다.

만일, 텅스텐의 함량이 5.0중량% 미만이면 탄화물의 형성량이 적어 내마모성이 저하된다.

본 발명에서 사용하는 바나듐(V)은 고속도강으로서의 결정립을 조절하기 위하여 첨가되고, 그 함량은 제1단계공정의 금속분말 전체 조성에 대하여 2.0∼4.0중량%로 첨가된다.

만일, 바나듐의 함량이 2.0중량% 미만이면 거대한 결정립이 형성되어 크랙 발생의 원인이 되므로 바람직하지 못하다.

다음으로, 제2단계 공정으로, 상기 제1단계 공정을 거친 분말성형체를 통상의 소결로에서 1,140∼1,180℃의 온도로 30∼50분간 동용침 소결 후 공냉시킨다.

이 공정에서 1,140℃ 미만에서 소결하게 되면 분말 입자의 확산이 잘 되지 않아 기지조직이 약화되는 문제점이 있고, 1,180℃가 넘으면 결정립이 조대화되어 기계적 성질이 떨어지는 문제가 있어 바람직하지 못하다.

여기서, 상기 제1단계 공정을 거친 분말성형체 위에 구리분말 또는 구리성형체를 올린 후 소결과 동시에 동용침을 실시하며, 이때 제1단계 공정을 거친 분말성형체의 100중량%에 대하여 20∼30중량%의 구리를 용침시킨다.

여기서, 용침시킬 구리의 양을 20중량% 미만으로 적게 사용할 경우, 분말성형체 내에 적정량의 구리가 침투하지 않아서 존재하게 되는 다수의 미세공 때문에 바람직하지 않다.

또한, 30중량% 보다 많은 양의 구리를 사용할 경우, 분말성형체 위로 용침되고 남은 구리가 존재하게 되므로 이를 제거해야 하는 후처리 가공이 필요해지는 등 문제가 있어 바람직하지 않다.

다음으로, 제3단계 공정으로, 상기와 같이 동용침 소결 후 공냉시킨 소결합금을 통상의 전기연속로에서 450∼550℃의 온도로 60∼90분간 소려(tempering)하여 기지조직에 인성을 부여하고, 이후 일부 가공공정을 거쳐 본 발명의 소결합금을 완성한다.

여기서, 450℃의 미만에서 소려할 경우 인성 부여의 목적을 달성하기 어렵고, 550℃보다 높은 온도에서 소려할 경우 최종 소결합금의 경도 측면에서 바람직하지 않다

이상과 같은 공정을 통하여 제조된 밸브 시트용 비납함침 내마모 소결합금은 고합금 금속 분말의 사용으로 상대재인 밸브 재질과 유사한 물성치를 지니는 바, 적용시 자기윤활성 및 밸브와의 매칭성이 우수한 특성을 가짐은 물론, 결국 전체적인 마모량이 감소되는 장점을 가진다.

또한, 동용침으로 자기윤활 기능을 수행하는 바, 기존 납함유 재료로만 가능하던 건조 분위기의 연료(예, LPG)에 대응 가능하고, 기존 납함침 방식을 배제하여 납성분 함유에 따른 환경문제를 예방할 수 있는 장점을 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거 더욱 상세히 설명하는 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 및 비교예

실시예로서, 하기 표 1의 조성과 함량으로 배합한 금속 분말을 7ton/㎤의 압력으로 성형한 다음, 이 분말성형체를 1,170℃에서 40분간 동용침함과 동시에 소결한 후 공냉하였으며, 여기서 분말성형체 100중량%에 대하여 25중량%의 구리를 사용하였다.

이후, 500℃에서 70분간 소려 후 일부 가공공정을 거쳐 소결합금을 제조하였으며, 이러한 소결합금이 적용된 밸브 시트와 기존 공정에 의거 제조한 밸브 시트(비교예)에 대하여 단품시험을 실시 후 마모량을 측정하였고, 그 결과를 밀도 및 경도의 측정결과와 함께 하기 표 1에 나타내었다.

[시험방법]

마모량(mm) 측정: 시뮬레이션 리그 시험기(Rig Tester)를 이용하여 다음의 시험조건 하에 수행하였다.

- 캠(cam)의 회전수 : 2000rpm

- 온도 : 350℃

- 시간 : 10시간

- 사용연료 : LPG

측정의 결과로서, 표 1에 나타낸 바와 같이, 비교예의 경우 상대적으로 저경도를 가지며, 실시예의 경우 밸브와 동등 수준의 고경도를 가지는 것으로 나타났다.

또한, 마모량 측정의 결과에서, 본 발명의 실시예에 따른 밸브 시트용 소결합금은 비교예에 비해 마모량이 약 25% 감소됨을 알 수 있었다.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 내마모성 및 경도가 향상된 밸브 시트용 소결합금을 얻을 수 있고, 이에 본 발명에 따른 소결합금을 자동차 엔진용 밸브 시트의 소재로 적용할 경우 상대 습동품인 밸브와의 매칭성 및 자기윤활성이 더욱 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

이러한 본 발명은 LPG 차량 등 건조한 분위기에서 연소되는 자동차 엔진용 밸브 시트의 제조에 널리 적용 가능하다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 밸브 시트용 내마모 소결합금과 그 제조방법에 의하면, 철을 주성분으로 하여 다량의 크롬 및 코발트를 함유시키고 그 외에 탄소, 망간, 텅스텐 및 바나듐의 함량을 적절히 조절한 분말성형체에 다량의 동을 소결과 동시에 용침한 후 소려열처리하여 제조함으로써, 다음과 같은 효과가 있다.

1) 고합금 금속분말의 사용으로 강도 등의 물성치가 상대재인 밸브재와 유사한 수준으로 되어, 밸브 시트 적용시 밸브와의 매칭성이 증대되고, 전체적인 마모량이 감소된다.

2) 다량의 구리를 소결시 함유시킴으로써 자기윤활 역할을 향상시키고, 기존 유해한 납을 함침하여서만 대응이 가능하던 건조 분위기의 연료(예, LPG)에서 적용이 가능하다.

3) 비납함침 소결합금으로서, 기존의 납함침 방식을 배제하여 납성분 함유에 따른 환경문제 발생을 방지하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 삭제
2. 엔진 밸브 시트용 소결합금의 제조방법에 있어서,

   철을 주성분으로 하고 여기에 탄소 0.8∼1.2중량%, 크롬 15.0∼20.0중량%, 망간 0.3∼0.6중량%, 코발트 25.0∼30.0중량%, 텅스텐 5.0∼7.0중량% 및 바나듐 2.0∼4.0중량%의 분말을 배합하여 소정의 성형로에서 면압 5∼8ton/㎤로 가압 성형하는 제1단계 공정과;

   상기 제1단계 공정을 거친 분말성형체를 소정의 소결로에서 1,140∼1,180℃의 온도로 소결시킴과 동시에 상기 분말성형체 100중량%에 대하여 20∼30중량%의 구리를 용침한 후 공냉하는 제2단계 공정과;

   이후, 소정의 전기연속로에서 450∼550℃의 온도로 소려열처리하는 제3단계 공정;

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 시트용 내마모 소결합금의 제조방법.