KR100540962B1 - 활주 부재 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

낮은 비용으로 우수한 활주성 및 내구성을 가지는 활주 부재(12)가 기재된다. 활주 부재의 상부 활주 표면은 활주 부재(12)의 금속 모재(16) 상에 복합층(14) 및 확산층(15)을 형성하는 질화 공정에 의해 형성된다. 버프 연마 공정은 복합층(14)의 최외층부 상에서 얇게 수행되어, 복합층(14b 및/또는 14c)의 부분이 남는다.
활주 부재, 금속 모재, 복합층, 확산층, 질화 공정, 버프 연마, 내구성, 활주성

Description

활주 부재 및 그 제조 방법 {SLIDING MEMBER AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 일반적으로 내연 엔진 내에 밸브 리프터와 같은 활주 부재 및, 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일본 실용 신안 공개 제H4-121404호는 내연 엔진의 흡기/배기 밸브를 구동하기 위해 캠과 활주식으로 접촉하는 심(Shim)을 갖춘 밸브 리프터를 개시한다. 밸브 리프터의 심은 마찰을 최소화하도록 충분히 작은 표면 거칠기를 갖는 활주 표면을 구비할 필요가 있다. 동시에, 활주 표면은 활주 표면에서의 과도한 마모 및 이러한 마모로 인해 활주 표면의 표면 거칠기가 증가하여 마찰이 증가되는 것을 방지하도록 충분한 경도를 가져야 한다.
그러므로, 랩핑 공정을 통하여 고 정밀도를 가지는, 밸브 리프터와 같은, 활주 부재의 금속 모재(base metal)를 매끄럽게 하고, 그 후에 상부 활주 표면상에 물리적 증착(PVD)을 통해 티타늄 질화물과 같은 경질 재료 보호 코팅을 생성하는 것이 공지되어 있다.
위에서 언급한 종래 기술과 비교되는, 저 비용의, 마찰이 적고 우수한 내구성을 가진 활주 부재에 대한 요구가 있다. 본 발명은 다른 요구뿐만 아니라 종래 기술에 대한 상기 요구에 부응하기 위한 것으로, 이러한 요구는 본 설명으로부터 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하게 이해될 수 있다.
경질 재료 코팅이 물리 증착을 통해서 활주 표면상에 형성될 때, 진공로를 사용하는 공정의 수행이 필요하다는 것이 공지되어 있다. 따라서, 이러한 공정에서는 제한된 수의 작업편만이 동시에 처리될 수 있다. 그러므로, 활주 부재 또는 캠 종동부의 제조 비용이 매우 높아지게 된다. 본 발명은 앞서 언급한 문제의 관점에서 구상되었다.
본 발명의 목적 중 하나는 저 비용으로 마찰력이 작고 및 우수한 내구성을 가진 활주 부재를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 태양에 따르면, 활주 부재는 금속 모재, 확산층 및 복합층을 포함하여 생산된다. 확산층은 제1 깊이로 금속 모재상에 위치된다. 복합층은 제2 깊이로 확산층상에 위치된다. 확산층과 복합층은 질화 공정을 통하여 금속 모재상에 형성된다. 질화 공정에 의해 형성된 복합층의 최초 깊이가 복합층의 제2 깊이로 감소되어 매끄러운 상부 활주 표면이 남도록 복합층의 제2 깊이는 복합층의 최외층 부분상에서 연마 공정에 의해 형성된다.
본 발명의 이러한 목적 외에, 특징, 태양 및 이점은, 다음의 상세한 설명으로부터 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명백히 이해될 수 있으며, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다.
이러한 최초 기재 사항의 일부분을 형성하는 첨부된 도면에 관해 지금부터 언급한다.
도1은 본 발명의 하나의 실시예에 따라 제조된 밸브 리프터(활주 부재)를 가진 내연 엔진용 밸브 액츄에이터 조립체의 부분 개략도이다.
도2는 본 발명의 하나의 실시예에 따라 제조된 밸브 리프터(활주 부재)의 단면도이다.
도3은 버프 연마 공정이 밸브 리프터의 상부 활주 표면상에서 수행되기 전 밸브 리프터의 선택된 부분의 확대 부분 단면도이다.
도4는 버프 연마 공정이 밸브 리프터의 상부 활주 표면상에서 수행된 후 밸브 리프터의 선택된 부분의 확대 부분 단면도이다.
도5는 밸브 리프터의 상부 활주 표면상에서 수행된 가스 질소 탄산화 공정에 의해 생성된 확산층 및 복합층을 도시한 밸브 리프터의 선택된 부분의 확대 부분 단면도이다.
도6은 밸브 리프터의 상부 활주 표면의 깊이 대 질소 농도를 기초로 밸브 리프터의 경도를 도시하는 특성도이다.
본 발명의 선택된 실시예는 지금부터 도면을 참조하여 설명될 것이다.
본 발명의 실시예에 관한 다음의 설명은 본 발명의 설명만을 위한 것이며, 첨부된 청구범위 및 그와 동등한 것에 의해 한정됨으로써 본 발명을 제한하는 목적이 아니라는 것이 본 명세서로부터 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 명백하게 이해될 수 있을 것이다.
먼저 도1을 참조하여, 내연 엔진용(도시하지 않음) 밸브 액츄에이터 조립체(10)의 일부가 본 발명의 제1 실시예를 설명하기 위해 개략적으로 도시되어 있다. 밸브 액츄에이터 조립체(10)는 흡기/배기 밸브(13)를 움직이는 밸브 리프터(12)의 형태로 캠 종동부(활주 부재)를 작동식으로 접촉하는 캠축의 캠(11)을 포함한다.
도2에 도시된 바와 같이, 최종 생산물인 밸브 리프터(12)는 개방된 바닥부을 갖춘 실린더 형상을 가진다. 밸브 리프터(12)는 통상적인 방법으로 흡기/배기 밸브(13)에 체결된다. 밸브 리프터(12)는 흡기/배기 밸브(13)와 크랭크축(도시 생략)의 회전과 함께 회전하는 캠축의 캠(11) 사이에 위치된다. 밸브 리프터(12)는 캠축의 캠(11)을 활주식으로 접촉하는 캠 활주 표면으로서 기능하는 상부 활주 표면(12a)을 가진다. 최종 표면 공정은 아래에 설명한 바와 같이 이러한 상부 활주 표면 상에서 수행된다.
도3 및 도5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라서 제조된 활주 부재 또는 밸브 리프터(12)는 복합층(14)으로 형성된 상부 활주 표면(12a) 및 금속 모재(16) 상에 위치한 확산층(15)을 포함한다. 특히, 상부 활주 표면(12a)은 밸브 리프터(12)의 금속 모재(16) 상에서의 질화 공정에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 복합층(14) 및 확산층(15)은 밸브 리프터(12)의 금속 모재(16) 상에서의 질화 공정에 의해 초기에 생성된 최초의 소정 깊이를 가진다. 복합층(14)의 최초 소정 깊이는 도3에서 "t0" 로 표시된다. 금속 모재(16) 상에서 질화 공정이 수행된 후, 연마 공정이 복합층(14)의 최외층부(14a) 상에서 얇게 수행되어, 복합층(14)의 층부(14b, 14c)만 남는다. 다시말해, 복합층(14)의 최외층부(14a)는 연마 공정에 의해 완전히 제거된다. 따라서, 질화 공정에 의해 형성된 복합층(14, 도3)의 최초 깊이 "t0"는 복합층(14, 도4)의 최종 깊이 "t"의 깊이로 감소되어 매끄러운 상부 활주 표면(12a)이 남는다. 따라서, 상부 활주 표면(12a)은 복합층(14)의 최외층부(14a)의 윤곽을 따르는 방식으로 복합층(14)을 얇게 연마시킴으로써 형성되어 균일한 최종 표면을 얻게 된다.
위에서 설명된 질화 공정은 질소가 금속 모재(16) 상으로 확산되어짐으로써 외부 표면을 경화시키는 방법이다. 본 발명에 의해 고찰된 다른 질화 공정은 단지 질소만이 투과되는 순수 질화법 및 질소와 탄소가 동시에 투과되는 질소 탄화법을 포함한다. 더욱 상세하게는, 암모니아 가스를 가진 가스 질화법, 시안화염을 가진 염욕 및 시안산 형태의 염욕을 사용한 염욕 질화법, 시안산을 사용한 액체 질화법, 암모니아 가스 및 탄화 가스를 사용한 가스 질소 탄화법 및 이온화된 질소가 금속 모재내로 빠른 속도로 충돌하는 이온 질화법을 포함한다. 특히, 가스 질소 탄화법은 시안을 생산하지 않기 때문에 오염 없는 처리 방법이다. 또한, 가스 질소 탄화법은 안정적 및 연속적인 방법으로 처리될 수 있다. 따라서, 제조 비용이 낮게 된다. 그러므로, 가스 질소 탄화법은 본 발명에 적합하다.
도5에 도시한 이러한 질화 공정을 통해서, 확산층(15) 및 복합층(14)이 금속 모재(16) 상에 층을 이루는 방법으로 형성된다. 이러한 질화 공정으로부터, 확산층(15)내에서의 질소(N) 농도는 상대적으로 낮고, 반면에 복합층(14) 내에서의 질소(N) 농도는 상대적으로 높다. 질소 농도가 증가함에 따라 재료의 경도가 높아지므로, 복합층(14)의 경도는 확산층(15)의 경도보다 더 크다. 그러므로, 질소 농도가 도6에 그래프로 도시한 바와 같이 감소하기 때문에, 상부 활주 표면(12a)의 경도는 관통 깊이의 증가에 따라 감소한다.
그러나, 복합층(14)의 최초 깊이 "t0"는 매우 작기 때문에(바람직하게는 5 μm 내지 15 μm), 통상적인 랩핑 공정이 상부 활주 표면(12a)을 균일하고 매끄럽게 하도록 수행된다면, 모든 복합층(14)이 제거될 수도 있어, 확산층(15)이 부분적으로 노출될 수도 있다.
그러므로, 본 발명에서는, 복합층(14)의 최외층부(14a) 만이 연마되어, 복합층(14)의 부분(14b, 14c)이 남는다. 다시 말해, 복합층(14)의 표면은 복합층(14)의 최외층부(14a)의 윤곽을 따르는 방식으로 얇게 연마된다. 따라서, 남은 복합층(14)은 고경도를 가진 보호막으로 기능을 할 수 있다. 따라서, 우수한 활주성 및 내구성을 갖는 밸브 리프터(12)가 적은 비용으로 얻어질 수 있다.
금속 모재(16)로서, 탄소강, 합금강, 톨 스틸(Toll Steel) 및 강철 재료와 같은 다양한 철강 재료가 이용될 수 있다. 전형적으로, 크롬 몰리브덴강은 탄화, 담금질, 템퍼링되어 이용된다. 적절한 그라인딩 및/또는 연마 공정이 질화 공정이 수행되는 외부 표면상에서 미리 수행된다.
언급한 실시예에 있어서, 금속 모재(16)는 유효 깊이 0.7 내지 1.1 mm를 가지며 표면 경도가 58HRC 이상이 되도록 단조, 탄화, 담금질 및 템퍼링 공정에 의해 형성된 단조강(SCM420H)이 바람직하다. 이어서, 표면 연마 공정은 외부 표면의 표면 거칠기가 약 Ra 0.02 ㎛가 되도록 수행된다. 그 후에, 가스 질소 탄화 공정은 외부 표면의 표면 경도가 660 Hv 이상이고, 복합층(14)의 깊이가 7 μm 이상이 되도록 수행된다. 도3에서 도시한 바와 같이, 이와 같은 방식으로, 확산층(15) 및 복합층(14)이 형성되어 금속 모재상에 형성된 최초 두께를 가진다.
다음에, 도4에서 도시된 바와 같이, 버프 연마 공정은 최종 상부 활주 표면(12a)의 표면 거칠기가 Ra 0.02 ㎛이상이고, 남은 복합층(14)의 깊이 "t"가 2.5 μm 이상이 되도록 수행되는 것이 바람직하다. 이러한 버프 연마 공정에 있어서, 연마는 복합층(14)의 최외층부(14a)의 윤곽을 따르는 방식으로 수행되어, 복합층(14)은 약 2.5 μm 내지 10 μm의 잔류 깊이 또는 최종 깊이 "t"를 가진다. 따라서, 복합층(14)의 최외층부만이 얇고 균일하게 연마된다. 다시 말해, 버프 연마 공정에 의해서 제거된 복합층(14)의 양은 거의 3 μm 내지 5 μm 정도로 매우 작다.
본 발명에 따라 제조된 밸브 리프터(12)에 있어서, 경질 복합층(14)은 상부 활주 표면(12a)을 형성하도록 금속 모재(16) 상에 남겨진다. 그러므로, 랩핑 공정 후에 경질 막이 PVD에 의해 분리 생성되는 경우와 비교해서, 제조 비용이 거의 절반으로 감소될 수 있고, 동시에 실질적으로 동일한 마찰 감소 효과 및 내구성을 확보할 수 있다.
또한, 밸브 리프터(12)의 상부 활주 표면(12a) 상에서 버프 연마 공정이 수행됨으로써, 상부 활주 표면(12a)의 주연 에지는 적절히 라운딩된다. 따라서, 모따기 공정을 별도로 수행할 필요가 없다.
복합층의 최외층부의 윤곽을 따라 가공할 수 있는 표면 가공 방법 중 하나가 버프 연마 공정이다. 버프 연마는 랩핑 공정과 같이 입자를 사용하는 최종 표면 공정이다. 그러나, 버프 연마는 경질 금속 랩 대신에 천, 펠트 또는 부드러운 탄성을 가진 가죽으로 만들어진 버프를 사용한다. 그러므로, 위에서 설명된 바와 같이, 복합층(14)의 최외층부(14a)의 윤곽을 따라 최외층부 만을 얇게 연마하는 것이 가능하다. 따라서, 버프 연마 공정은 본 발명에 적합하다.
다시 말해, 랩핑 연마 공정이 상기 복합층(14)상에서 수행하면, 표면을 적절히 매끄럽게 할 수 있지만, 복합층(14)의 일부만을 얇고 균일한 층으로 남기는 것은 어렵다. 그러므로, 본 발명의 효과를 얻을 수 없다.
다시 도5를 참조하여, ε상(Fe2N-Fe3N)은 질화 공정에 의해서 복합층(14)의 최외층부(14a) 내에 형성되고, 반면에 ε+ γ'상 및 γ'상은 질화 공정에 의해 ε상 내부에 형성된다. 복합층(14)의 ε상은 복합층(14)의 남은 층부(14b, 14c)보다 낮은 인성을 가진다. 그러므로, 복합층(14)의 최외층부(14a)는 밸브 리프터(12)의 활주 표면으로서 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명에 있어서, 위에서 언급한 연마 공정은 이러한 최외층부(14a)를 충분히 제거한다. 그 결과로서, ε+ γ'상 및 γ'상을 가진 층부(14b, 14c)가 노출된다. 그러므로, 질화 공정에 의해 형성된 ε 상으로 인한 부정적인 효과가 없다.
연마 공정 전 복합층(14)의 최초 깊이 "t0"가 5 μm 보다 작으면, 연마 공정 후에 처리된 재료 층의 두께를 확보하기가 어렵다. 복합층(14)의 최초 깊이 "t0"가 15 μm 를 넘으면, 구멍을 가진 다공층이 형성될 수도 있다. 따라서, 질화 공정에 의한 복합층(14)의 최초 깊이 "t0"는 연마 공정 전, 5 μm 에서 15 μm 인 것이 바람직하다.
또한, 연마 공정 후 복합층(14)의 최종 깊이 "t"가 2 μm 미만이면, 복합층(14)은 사용 중 마모될 수도 있다. 또한, 위에서 언급한 ε상이 제거 될 수도 있다. 연마 공정 후 복합층(14)의 최종 깊이 "t"가 10 μm 를 넘으면, 위에서 설명된 바와 같이, 복합층(14)을 형성하는 중에 다공층이 발생될 수도 있다. 그러므로, 연마 공정 후 복합층(14)의 최종 깊이 "t"는 2 μm 에서 10 μm 인 것이 바람직하다.
연마 공정 후 복합층(14)의 상부 활주 표면(12a)의 표면 거칠기가 Ra 0.01 ㎛ 보다 작으면, 대량 생산 규모로 공정을 수행하는 것이 어렵다. 반대로, 표면 거칠기가 Ra 0.05 ㎛보다 크면, 충분한 마찰 감소 효과가 얻어질 수 없다. 그러므로, 연마 작업 후 복합층(14)의 표면 거칠기는 Ra 0.01 ㎛ 내지 0.05 ㎛가 바람직하다.
물론, 본 발명의 범위는 밸브 리프터에 한정되지 않고 오히려 본 발명이 다른 형태의 활주 부재의 함께 사용될 수 있음이 본 설명으로부터 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진자에게는 명백하게 이해될 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 기재된 실시예에 한정되지 않는다. 활주 부재의 다른 예는 흡기/배기 밸브의 캠, 로커 암과 같은 캠 종동부, 피스톤 링 및 다양한 베어링 부재에 활주식으로 인접하게 위치된 심(Shim)을 포함한다.
그러나, 본 발명에서는 복합층의 최외층부의 윤곽을 따르는 방식으로 연마가 얇게 수행되기 때문에, 본 발명은 캠 종동부와 같은 활주 부재용으로 특히 적합하다. 특별히, 활주 표면의 매끄러움보다도, 활주 표면의 표면 거칠기 감소가 캠 종동부에서 더욱 중요하다. 어떤 경우든, 본 발명에 있어서, 또한 우수한 활주성 및 내구성을 가진 활주 부재를 낮은 비용으로 제공하는 것이 가능하다.
여기에 쓰인 "실질적으로", "약" 및 "거의"와 같은 정도의 용어는 최종 결과가 현저히 바뀌지 않도록 수정된 용어에 대한 합리적인 정도의 편차를 의미한다. 예를 들어, 이러한 편차가 수정된 단어의 의미를 부정하지 않는다면, 이 용어는 수식된 용어의 ±5 % 이상의 편차를 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
본 출원은 일본 특허 출원 제2000-286497호을 기초로 한 우선권을 주장하였다.
일본 특허 출원 제2000-286497호의 전체 기재가 참조로서 본 명세서에 편입된다.
선택된 실시예만이 본 발명을 설명하기 위해 선택된 반면, 첨부된 청구항 내에 한정된 바에 있어서 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 변경과 수정이 가능하다는 것이 본 기재로부터 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 명백하다. 또한, 본 발명에 따른 실시예의 상기 설명은 설명만을 위해 제공되었고, 첨부된 청구항 및 그와 동등한 것에 의해 본 발명을 한정하기 위한 목적이 아니다. 그러므로, 본 발명의 범위는 기재된 실시예에 국한되지 않는다.

Claims (13)

  1. 금속 모재와,
    상기 금속 모재 상에 위치된 제1 깊이를 가진 확산층과,
    상기 확산층 상에 위치된 제2 깊이를 가진 복합층을 포함하고,
    상기 확산층 및 복합층은 질화 공정을 통하여 금속 모재의 외부 표면 상에 형성되고, 상기 복합층의 최외층부 상의 연마 공정에 의해 복합층의 제2 깊이가 형성되어 매끄러운 활주 표면이 남도록, 질화 공정에 의해 형성된 복합층의 최초 깊이가 복합층의 제2 깊이로 감소되는 것을 특징으로 하는 활주 부재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연마 공정에 의해 형성된 복합층의 제2 깊이는 연마 공정이 금속 모재의 외부 표면의 윤곽을 따르는 균일한 깊이를 가지는 것을 특징으로 하는 활주 부재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 매끄러운 활주 표면을 형성하는 연마 공정은 버프 연마 공정인 것을 특징으로 하는 활주 부재.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 활주 부재는 내연 엔진의 흡기 또는 배기 밸브를 구동하는 캠에 활주식으로 인접한 캠 종동부인 것을 특징으로 하는 활주 부재.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연마 공정을 수행하기 전 복합층의 최초 깊이는 5 μm 내지 15 μm 인 것을 특징으로 하는 활주 부재.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연마 공정을 수행한 후 복합층의 제2 깊이는 2 μm 내지 10 μm 인 것을 특징으로 하는 활주 부재.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연마 공정을 수행한 후 복합층의 매끄러운 활주 표면은 Ra 0.01 ㎛ 내지 0.05 ㎛의 표면 거칠기를 가지는 것을 특징으로 하는 활주 부재.
  8. 활주 부재의 제조 방법에 있어서,
    질화 공정을 통하여 활주 부재의 금속 모재 상에 깊이를 가진 확산층 및 복합층을 형성하는 단계와,
    상기 복합층의 일부가 활주 부재 상에 매끄러운 활주 표면을 생성하도록 복합층의 깊이를 감소시키기 위해 복합층의 최외층 부분 상에서 연마 공정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 활주 부재의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 연마 공정은 버프 연마 공정인 것을 특징으로 하는 활주 부재의 제조 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 활주 부재는 내연 엔진의 흡기 또는 배기 밸브를 구동하는 캠에 활주식으로 인접한 캠 종동부인 것을 특징으로 하는 활주 부재의 제조 방법.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 연마 공정을 수행하기 전 복합층의 깊이는 5 μm 내지 15 μm 인 것을 특징으로 하는 활주 부재의 제조 방법.
  12. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 연마 공정을 수행한 후 복합층의 깊이는 2 μm 내지 10 μm 인 것을 특징으로 하는 활주 부재의 제조 방법.
  13. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 연마 공정을 수행한 후 복합층의 매끄러운 활주 표면은 Ra 0.01 ㎛ 내지 0.05 ㎛인 것을 특징으로 하는 활주 부재의 제조 방법.
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