KR100544955B1 - 내연기관용 γ-ＴｉＡｌ 베이스 합금의 포핏밸브의 제조방법 - Google Patents

내연기관용 γ-ＴｉＡｌ 베이스 합금의 포핏밸브의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내연기관용 γ-TiAl-베이스 합금으로된 포핏밸브(poppet valve)의 제조방법에 관한 것이다. γ-TiAl-소재는 이때 우선적으로 1차 성형, 예컨대 압출기에 의하여 성형됨으로 이에 따라 대략 밸브 헤드(head)의 직경으로 되고 이에 필요한 소재특성을 가진다.
연이어 압축기로 2차 성형을 한다. 그러기 위하여 입구(6)의 직경이 대략 1차 성형 소재의 구멍과 일치하고 이의 직경에 상당한 원통부분(3)이 대략 밸브콘(valve cone)에 상당한 테이퍼(4)(taper)를 거쳐서 출구(5)로 통하는 형태로 되어 있는 금형을 사용한다.
이러한 출구(5)는 최소한 밸브 샤프트(2)의 직경(d)과 근사하다. 압축과정은 밸브 헤드의 두께(s)에 도달하여 끝난다.

Description

내연기관용 γ-ＴｉＡｌ 베이스 합금의 포핏밸브의 제조방법{A method for the manufacture of the poppet valve from Gamma-TiAl-base alloy}
도 1은 플로우 차트에 의한 발명에 따른 제조방법의 주요 공정도,
도 2는 도 1에 의한 압출기의 제조과정 확대도.
본 발명은 내연기관용 γ-TiAl-베이스 합금으로 된 포핏밸브 (poppet valve)를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로서, 두께가 S인 원통형 부분, 원추와 샤프트(shaft)의 밸브 단면을 가지며, 이의 형태는 균일한 소재의 1차 성형에 이어서 2차 성형에 의한 최소한의 밸브형태의 최종 치수에 근접한 형태로 되어 있다.
γ-TiAl-베이스 합금은 금속간 소재그룹에 속한 것으로 그의 특성은 각 금속과 세라믹의 특성 사이에 있는 중간체이다.
산업상 중요한 γ-TiAl-베이스 합금은 45 내지 48 원자 %의 알루미늄 함유량을 갖는 합금이며, 즉 실제로는 γ-TiAl-및 α2-Ti3Al-상의 2상합금 또는 합금의 가일층 특성을 개선하는 합금원소를 첨가할 경우엔 다상 (polyphase) 합금이다.
추가 합금원소로서, 실온에서 연성을 증가시켜 주기 위한 크롬, 망간 및 바나디움, 내산성 및 강도를 증가시켜 주기 위한 니오브, 탄탈, 몰리브덴 및 텅스텐 및 내열강도, 크립강도를 증대시켜주고 라멜라 조직형의 적당한 조정 및 문제의 대상이 되는 합금의 가공성 향상을 위한 규소, 붕소 및 탄소가 바람직하다.
이러한 제 합금원소는 전부 γ-TiAl-베이스 합금 중에서 약 1-20 원자% 범위내에 있어야 실용적이다.
γ-TiAl-베이스 합금은 그의 낮은 밀도 외에도 온도가 750℃에 이르기까지 내산성과 기계적 성질이 양호하기 때문에, 여러 적용예 가운데서도 특히 가스 터빈 브레이드 (blade)와 내연기관용 밸브의 고온부위에 상당히 많이 사용된다.
실온에서 γ-TiAl-베이스 합금을 포함하는 대부분의 금속간 소재는 실온에서 취성을 나타내며 또한 취성/연성 전이온도를 상회하는 온도에서도 항복점의 강력한 신장율(extensibility)에 따라서 취성상태를 가짐으로 완제품의 제조에는 제조기술적인 면에서 여러배로 비용이 들고 원가에 심대한 영향을 미치며 성형조건에 상당히 좌우된다.
융해 금속학적 방법이나 분말 금속학적 방법으로 원료를 제조하는 것이 가능하다. γ-TiAl-베이스합금의 경우에 입자크기, 상(相)의 분포와 조직동질성에 크게 좌우되는 최적의 소재특성에 달하고, 소기의 최종형태에 이르기 위하여서는, 여러배로 원료의 추가 기계적인 변형을 요한다. 일반적으로 등온 또는 유사 등온조건하에서 초소형 가공(superplastic forming), 압출, 낙하 단조(drop forging) 또는 롤링이 이에 실증되었다.
독일 특허 공보 제 DE-PS 4 318 424 호는 엔진용 밸브 및 포핏 밸브 헤드와 같은 γ-TiAl-합금으로 만들어진 성형체를 제조하기 위한 방법을 기술하고 있다. 이러한 방법으로, 주물소재는 우선 온도범위가 1050∼1300℃인 유사등온 조건하에 큰 변환비로 변형된 다음, 냉각되고, 최종 온도범위가 900∼1100℃에서 낮은 신장속도 10-4∼10-1/초로 최종치수에 가까운 형태로 될 때까지 초소형 가공 변형이 된다.
상기에서 언급한 방법에서 하나의 단점은 본 방법이 제조기술과 관련하여 비교적 느리며 따라서 제조비용이 많이 들어서 원가상승의 원인이 된다.
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따라서 본 발명의 과제는 경제적으로 유리하면서도 이러한 부품의 요구를 충족시켜 주기 위하여 필요한 소재 특성을 가질 수 있는 γ-TiAl-베이스 합금으로된 내연기관용 포핏밸브를 제조하기 위한 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따르면, 1차 성형에 따른 γ-TiAl-소재는 대략 밸브 헤드(head)의 직경 D와 같고 본 밸브 헤드에 필요한 소재 특성을 가지도록 1차 성형이 이루어진다. 그리고 나서 금형을 사용하여 1차 성형 소재의 압출에 의한 2차 성형이 달성되며, 상기한 금형은 입구의 직경이 1차 성형 소재의 직경과 대략 같으며, 이러한 직경에 상당하는 원통 부분이 밸브콘 (valve cone)과 거의 같은 테이퍼(Taper)를 거쳐 출구로 이월하며 이는 최소한 밸브 샤프트(shaft)의 직경(d)과 거의 같으며, 압출과정은 밸브 헤드의 두께(s)에 도달하여 성형이 끝나도록 구성되어 있다.
1차 성형은 특히 압출기로 하지만, 기타 방법 예컨대 라운드 롤링(round rolling)이나 라운드 햄머링(round hammering)으로도 가능하다. 본 발명의 2회의 성형과정으로, 특히 샤프트에서 고도의 성형비에 도달하게 되는데 그 범위는 50 내지 500:1이며, 현재까지 γ-TiAl-베이스 합금의 1차 성형에는 적용한 적이 없으나, 의외로 별문제 없이 이의 달성이 가능하다. 밸브 헤드 및 밸브 샤프트를 일체형으로 제조한 밸브는, 선행기술에 따르는 강철밸브와는 대조적으로, 압도적으로 2 분할형, 즉 성형에 의해 부착된 샤프트 부분을 갖는 밸브 헤드 및 잔여 샤프트로 된 2 분할형으로 제조되며, 그리고나서 마찰용접으로 서로 결합하여 문제없이 해결이 된다.
1차 성형을 압출로 수행할 때, 온도 범위는 1000∼1350℃이고 신장속도 범위는 10-3 내지 1/초이며 성형비의 범위가 5 내지 50:1일 때에 특히 유리하다.
압출에 의한 2차 성형은 1차 성형소재에 비하여 온도범위가 1000∼1420℃이고 신장속도 범위가 10-2 내지 102/초이며 성형비가 5 내지 80:1이다. 성형온도가 상위 온도범위 내에 있으면, 압출시에 알파-전이온도를 초과할 수도 있고, 이는 크리프(creep) 강도가 큰 미세 박막층 (lamellar structure)의 형성을 조장한다. 극도의 미세한 박층 간격으로 나타나는 이러한 조직형태는 연이은 열처리가 박층 사이에 현저히 넓은 박층간격을 갖는 구조를 만들기 때문에 열 기계적인 제조에 의해서만 제조될 수 있다.
1,2차 성형중에 γ-TiAl-베이스 합금의 산화를 방지하기 위하여서는, 각각의 성형과정 전에 합금을 보호 쟈켓 (jacket)속에 삽입하는 것이 유리하다. 특히 캔(encasement) 소재로서는 스테인레스 강이 사용되며, 캔소재와 γ-TiAl-소재 사이에는 몰리브덴 층의 형태로 확산 방지층(diffusion barrier)이 제공된다.
확산 방지층은 γ-TiAl-합금과 보호재의 철 사이에서 저 용융점을 갖는 유텍틱(eutektic)의 조성을 저해한다. 상기 몰리브덴 층은 예컨대 TiAl-합금의 표면상에 프라즈마 스프레이에 의하여 코팅이 된다. 추가로, 상기 TiAl-합금은 또한 몰리브덴 포일로 감쌀 수도 있다.
상기에서 명시된 캔 내 삽입은 오직 본 발명에 따르는 방법의 특히 유리한 형태이다. 상기 공정이 적절히 수행된다면, 강철로 명시되어 있는 캔 대신에 유리로 된 보호 쟈켓을 사용하는 것도 가능하다. 산화방지를 위한 보호 가스 또는 물안개나 유사한 조치를 이용함에 따라, 특정 조건하에서 각각의 캔을 생략할 수 있다.
1차 성형 후, 상기 소재의 길이를 소요길이로 증가시키며, 일반적으로 캔(encasement)은 기계가공으로 절단한다. 그 다음 상기 블랭크는 다시 캔에 삽입하며 2차로 압출기에 의하여 성형한다. 캔을 해당 치수로 할 경우, 1차 성형을 위한 캔의 조건은 여전히 상태가 양호함으로 2차 성형 전에 이를 제거할 필요는 없으며; 2차 압출을 위하여서도 다시 사용할 수 있다.
특히 유리한 경우는 압출 금형재로서 높은 내열 강도를 갖는 몰리브덴 합금, 예컨대 1.2 중량%의 하프늄(Hafnium), 0.1 중량 %의 탄소, 잔여 몰리브덴의 MHC를 사용할 때이다.
내연기관용 포핏 밸브로서 특수용의 γ-TiAl-합금은 조성분이 46.5 원자% Al, 2.5원자% Cr, 1원자% Nb, 0.5 원자% Ta, 0.1 원자% B, 잔부는 Ti인 합금이 특히 적당한 것으로 판명되었다.
실시예
주성분이 Ti-46.5Al-2.5Cr-1Nb-0.5Ta-0.1B(원자 %)인 γ-TiAl-잉곳은 대략 직경 180㎜, 길이 450㎜인 잉곳(ingot)에 의하여 주조된다. 스테인레스 강 X5CrNi1810으로 길이가 410㎜이고, 외경이 206㎜, 내경이 164.8㎜인 중공원통형 압출캔을 제작하였다. 주조한 γ-TiAl-잉곳에서 선삭으로 주물표피를 제거하고, 상기 잉곳을 압출캔의 내부에 맞춘다음 알콜로 세척한다. 그 다음 잉곳을 샌드블래스팅(sand blasting) 한 다음, 프라즈마 스프레이에 의하여 표면을 몰리브덴 층으로 피복하여; 몰리브덴 포일로 감싸 압출캔 속으로 밀어 넣는다. 압출캔을 폐쇄하기 위하여, 원통형 압출캔의 저부와 헤드부를 대응되는 강철 부품과 용접한다. 그 다음에 캔에 삽입한 γ-TiAl-잉곳의 1차 성형이 압출에 의해 수행된다.
이러한 목적을 위하여, 상기 잉곳은 우선 유도에 의하여 700°, 800°및 1150℃의 3단계로 예열한다. 예열한 다음, 압출 블랭크는 다시 유도에 위하여 1230℃의 압출온도로 가열한다. 사용한 압출금형은 입구의 직경이 210㎜, 150°의 각도를 가진 원추형 구멍 및 출구의 직경이 60㎜로 되어 있으며, 이는 완성 밸브의 컵경(dish diameter) D와 대략 일치한다. 압출비는 12.2:1이다. 압출속도를 수동으로 조절하였으며, 약 60㎜/초로 하였다. 이러한 압출에 의하여, 제조된 압출 블랭크는 완성밸브의 컵에 필요한 압력(sealing properties)과 기계적 강도를 가진다.
1차 성형으로 압출된 γ-TiAl-스트립(strip)을 연이어서 물 제트 커터(water jet cutter)에 의하여 40㎜ 길이로 절단하였다. 연이어 강철 캡슐은 선삭하여 상기 블랭크로부터 제거되었다.
이러한 블랭크는 1차 캔 삽입 과정에서처럼, 다시 프라즈마 스프레이에 의하여 몰리브덴 확산 방지층으로 고정된다. 몰리브덴-포일로 감는 단계는 생략하였다. 그 다음에는 상기 블랭크를 길이가 45㎜, 외경이 57㎜이고, 내경이 47㎜인 St37(강철)로 된 원통형 강철캡슐 안으로 밀어넣고, 저부의 용접에 의하여 캔을 폐쇠한다. 2차 성형과정은 성형온도가 1300℃에서, r/α-상(相)영역에서 압출이 되었다.
금형은 MHC-합금(Mo-1.2Hf-0.1C)으로 제작되었다. 상기 금형의 입구경(6)은 60㎜, 테이퍼(taper)(4)는 105°의 각도를 갖는다. 상기 금형의 외경(5)은 상기 밸브 샤프트(2)의 소요 직경 d와 대략 일치한다. 상기 입구경(6)은 밸브 헤드의 직경 D와 대략 일치한다. 상기 금형은 압출 전에 흑연-오일 혼합물로 도포하였다. 압출과정은 대략 밸브 헤드에 대한 소요 두께 S에 이르면 공지된 대로 설정된 스탬프(stamp) 통로 후에 정지된다. 이와 같은 방법으로, 상기 밸브 헤드는 변형이 전혀 안 되거나 또는 약간만 되기 때문에, 이미 밸브 헤드에 필요한 재질 특성을 가진 1차 성형된 원소재의 사용은 본 발명에 따르는 제조공정의 전제가 된다. 압출과정에 이어서, 원하는 최종치수로 압출 블랭크의 최종 가공이 선삭(turning)에 의하여달성된다.
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내연기관용 포핏밸브를 일체형으로 성형 압출하는 경제적인 밸브형을 얻게 된다.

Claims (7)

  1. 밸브는 두께가 S인 원통형 헤드부, 원추부(1) 그리고 샤프트(2)를 포함하며,동질성 소재의 1차 성형과 연이은 2차 성형에 의한 최소한 최종 치수에 근접한 밸브의 형태로 된, 내연기관용의 γ-TiAl-베이스 합금으로 된 포핏밸브를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    1차 성형은 상기 1차 성형 후에 상기 γ-TiAl 소재가 상기 밸브 헤드의 직경 D를 가지며, 상기 밸브 헤드에 요구되는 소재 특성을 가지도록 수행되며, 그리고 1차적으로 성형된 소재의 2차 성형은 압출 금형을 이용한 압출에 의해 수행되며, 상기 압출 금형은, 입구(6)의 직경이 1차적으로 성형된 소재의 직경에 대응되며, 그리고 상기 직경에 대응하는 원통형 부분(3)은 상기 출구(5)를 향해 밸브 원추부에 대응하는 테이퍼(4)를 거쳐서 전개되며, 상기 출구(5)는 최소한 밸브 샤프트(2)의 직경 d 에 대응되는 직경을 가지며, 그리고 여기서 상기 압출 과정은 밸브 헤드의 두께 S 가 도달될 때 종료되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 γ-TiAl-베이스합금으로 된 포핏밸브를 제조하기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    압출에 의한 1차 성형은 온도범위가 1000∼1350℃이고, 신장속도가 10-3 내지 1/초의 범위이며, 성형비가 5 내지 50:1의 범위에서 행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    2차 성형은 1차 성형 소재에 비하여 온도범위는 1000∼1420℃이고, 신장속도는 10-2 내지 102/초 범위 내이며, 성형비는 5 내지 80:1의 범위 내에서 행하여 지는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 소재는 1,2차 성형 전에 보호 자켓으로 감싸는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 보호 자켓의 재료로서 강(steel)이 사용되며 그리고 보호 재료와 γ-TiAl-재료 사이에는 몰리브덴층의 형태로 된 확산 방지층이 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 2 항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 압출 금형을 위한 재료로서 몰리브덴 합금이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    γ-TiAl 합금으로서는 46.5원자%의 Al, 2.5원자%의 Cr, 1원자%의 Nb, 0.5원자%의 Ta, 0.1원자%의 B, 잔여가 Ti인 조성을 가지는 합금이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
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