KR100662721B1 - 캠로브재, 이것을 사용한 캠샤프트 및 캠로브재의 제조방법 - Google Patents

캠로브재, 이것을 사용한 캠샤프트 및 캠로브재의 제조방법 Download PDF

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닛폰 피스톤 린구 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 내마모성, 내스커핑(耐scuffing)성 및 내피칭(耐pitching)성 등의 내(耐)슬라이드 이동성이 우수하여 고부하가 걸리는 엔진에도 바람직하게 사용할 수 있는 캠로브재 및 캠로브재의 제조 방법을 제공한다.
Ni:0.3∼5.0 질량%, C:0.5∼1.2 질량%, B 및 P 중 적어도 하나:0.02∼0.3 질량% 및 나머지가 불가피한 불순물을 함유하는 철계(鐵系) 소결(燒結) 합금으로 이루어지고, 외주면 경도가 HRC 50 이상이며, 또한 밀도가 7.5g/cm3 이상인 캠로브재에 의해, 상기 과제를 해결한다. 철계 소결 합금은, 또한 Mo:2.5 질량% 이하를 함유할 수 있다. 또, 상기한 바와 같은 철계 소결 합금의 조성이 되도록 조제된 철계 합금 분말을 소정의 캠로브 형상으로 압축 성형하는 압축 성형 공정과, 상기 압축 성형된 성형체를 2회 이상 반복하여 소결하는 소결 공정과, 상기 소결된 소결체를 담금질·템퍼링 처리하는 공정을 포함하는 캠로브재의 제조 방법에 의해서도, 상기 과제를 해결할 수 있다.
캠로브재, 철계 소결 합금, 성형체, 슬라이드 이동성

Description

캠로브재, 이것을 사용한 캠샤프트 및 캠로브재의 제조 방법 {CAM LOBE MEMBER, CAMSHAFT USING THE SAME AND METHOD FOR PRODUCING CAM LOBE MEMBER}
본 발명은, 내연 기관에 사용되는 캠로브재, 이것을 사용한 캠샤프트, 및 캠로브재의 제조 방법에 관한 것이다.
내연 기관(엔진)에 사용되는 가동 밸브 장치의 캠샤프트로서, 샤프트에 캠로브를 구비한 조립식의 캠샤프트가 알려져 있다. 이 캠샤프트에 구비되는 캠로브는, 롤링 접촉하는 캠폴로워(롤러 폴로워)를 상대재로 하는 것, 및 슬라이드 접촉(미끄러짐 접촉)하는 캠폴로워(슬리퍼 폴로워)를 상대재로 하는 것으로 나눌 수 있다(예를 들면, 일본국 특개 2001-240948호 공보 참조).
이러한 내연 기관에 있어서, 캠샤프트나 로커암 등의 부품은, 운전중에 고속으로 슬라이드 이동하므로, 슬라이드 특성이 요구되고 있다. 특히, 전술한 롤링 접촉하는 롤러 폴로워를 상대재로 하는 캠로브는, 롤러 폴로워와의 접촉 면적이 적으므로, 그 외주면에 있어서 내마모성, 내피칭(耐pitching)성 및 내스커핑(耐scuffing)성 등 모든 슬라이드 특성이 우수할 것이 요구되고 있다.
그러므로, 종래부터, 주조(鑄造)시에 캠노즈(cam nose) 부분에 냉금(冷金)을 사용하여 급속 응고시켜, 캠노즈의 표면 부분에 단단한 백주철(白鑄鐵) 조직을 형 성한 칠캠(chill cam)을 구비하는 캠샤프트가 사용되고 있다. 이 칠캠 샤프트는, 외주 표면에 단단한 칠(chill) 조직을 가지므로, 우수한 내마모성 및 내스커핑성을 가지는 것이다.
한편, 조립식 캠샤프트에 있어서, 캠피스를 온간(溫間) 성형함으로써, 캠피스의 밀도를 향상시켜, 샤프트의 확경(擴徑) 처리 시에 캠피스가 균열되는 문제를 해결하는 기술이 알려져 있다(예를 들면, 일본국 특개 2003-14085호 공보 참조).
그러나, 칠캠 샤프트는, 내피칭 특성이 떨어진다는 문제가 있었다. 그러므로, 칠캠 샤프트는, 고부하가 걸리는 엔진에는 사용하기가 어렵다는 문제가 있었다.
또, 온간 성형에 의한 캠피스의 밀도의 향상에는 한계가 있어, 칠캠 샤프트 와 마찬가지로, 고부하가 걸리는 엔진에는 사용하기가 어렵다는 문제가 있었다.
그래서, 본 발명은, 이러한 문제점을 해결하고, 내마모성, 내피칭성 및 내스커핑성 등의 슬라이드 특성이 우수하므로, 고부하가 걸리는 엔진에 바람직하게 사용할 수 있는 캠로브재, 이것을 사용한 캠샤프트 및 캠로브재의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하는 본 발명의 캠로브재는, Ni:0.3∼5.0 질량%, C:0.5∼1.2 질량%, B 및 P 중 적어도 하나:0.02∼0.3 질량% 및 잔부(殘部) 즉 나머지가 불가피한 불순물을 함유하는 철계(鐵系) 소결(燒結) 합금으로 이루어지고, 외주면 경도가 HRC 50 이상이며, 또한 밀도가 7.5g/cm3 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 특정의 성분 조성으로 이루어지는 철계(鐵系) 합금으로 캠로브재를 제작하므로, 고경도, 고밀도의 캠로브재를 제공할 수 있다. 특히, B 및 P 중 적어도 어느 하나가 함유되어 있는 것에 의해, 소결 중에 액상(液相)을 발생시켜, 제조된 캠로브재의 밀도를 높일 수 있다. 그 결과, 본 발명의 캠로브재는, 내마모성, 내스커핑성, 내피칭성 등의 슬라이드 특성이 우수한 것으로 된다. 그러므로, 고부하가 걸리는 엔진, 예를 들어, 통상의 엔진의 2배 정도의 면압(面壓)이 걸리는 엔진에 대하여도, 바람직하게 사용할 수 있는 캠로브를 제공할 수 있다.
상기 본 발명의 캠로브재에 있어서는, 상기 철계 소결 합금은, 또한 Mo:2.5 질량% 이하를 함유하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 전술한 작용에 더하여, 소결 후의 캠로브재의 담금질성을 높여, 철계 합금의 고용(固溶) 효과가 촉진된 캠로브재를 얻을 수 있다.
상기 본 발명의 캠로브재에 있어서는, 상기 캠로브재는, 롤러 폴로워를 상대재(相對材)로 하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 캠로브재가, 그 인성(靭性) 및 경도에 의해, 반복 접촉 피로 강도가 향상되므로, 내피칭 특성에 대표되는 반복 접촉 피로 강도가 필요한 롤러 폴로워의 상대재로서 바람직하게 사용할 수 있다.
상기 과제를 해결하는 본 발명의 캠샤프트는, 상기 본 발명의 캠로브재로 이루어지는 캠로브를 구비한 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 내마모성, 내스커핑성, 내피칭성 등의 슬라이드 특성이 우수하므로, 고부하가 걸리는 엔진에도 바람직하게 사용할 수 있는 캠샤프트를 제공할 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하는 캠로브재의 제조 방법은, 상기 본 발명의 캠로브재의 제조 방법으로서, 상기 철계 소결 합금의 조성이 되도록 조제된 철계 합금 분말을 소정의 캠로브 형상으로 압축 성형하는 압축 성형 공정과, 상기 압축 성형된 성형체를 2회 이상 반복하여 소결하는 소결 공정과, 상기 소결된 소결체를 담금질·템퍼링 처리하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 최후의 소결 공정의 전후의 치수 정밀도가 높고, 캠로브 제조 후의 절삭을 행하지 않아도 되므로, 절삭량이 적어지게 된다. 그러므로, 캠로브의 제조에 관한 수고와 비용을 저감할 수 있다. 또한, 제조 후의 캠로브의 외주면 경도를 HRC 50 이상으로 할 수 있고, 또, 밀도를 7.5g/cm3 이상으로 할 수 있다. 그러므로, 제조 후의 캠로브재는, 고경도, 고밀도로 할 수 있고, 내마모성, 내스커핑성, 내피칭성 등의 슬라이드 특성이 우수한 것으로 할 수 있다. 그러므로, 고부하가 걸리는 엔진, 예를 들어, 통상 사용되고 있는 엔진의 2배 정도의 면압이 걸리는 엔진에 대하여도, 바람직하게 사용할 수 있는 캠로브를 제공할 수 있다.
상기 본 발명의 캠로브재의 제조 방법은, 상기 캠로브재의 외주면에 숏블라스트(shot blast)를 행하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 숏블라스트를 행함으로써, 캠로브재의 내피칭성을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 캠로브재에 의하면, 특정의 성분 조성으로 이루어지는 철기 합금으로 제조되므로, 고경도, 고밀도의 캠로브재를 제공할 수 있다. 특히, B 및 P 중 적어도 어느 하나가 함유되어 있는 것에 의해, 소결 중에 액상을 발생시켜, 제조된 캠로브재의 밀도를 높일 수 있다. 그 결과, 본 발명의 캠로브재는, 내마모성, 내스커핑성, 내피칭성 등의 슬라이드 특성이 우수한 것으로 된다. 그러므로, 고부하가 걸리는 엔진, 예를 들어, 통상의 엔진의 2배 정도의 면압이 걸리는 엔진에 대하여도, 바람직하게 사용할 수 있는 캠로브를 제공할 수 있다. 그리고, 본 발명의 캠로브재는, 롤러 타입의 캠폴로워의 상대재로서, 바람직하게 사용할 수 있다.
또, 본 발명의 캠로브재의 제조 방법에 의하면, 최후의 소결 공정의 전후의 치수 정밀도가 높고, 캠로브재 제조 후의 절삭을 행하지 않아도 되므로, 절삭량이 적어지게 된다. 그러므로, 캠로브재의 제조에 관한 수고와 비용을 저감할 수 있다. 또한, 제조 후의 캠로브재의 외주면 경도를 HRC 50 이상으로 할 수 있고, 또, 밀도를 7.5g/cm3 이상으로 할 수 있다. 그러므로, 제조 후의 캠로브재는, 고경도, 고밀도로 할 수 있고, 내마모성, 내스커핑성, 내피칭성 등의 슬라이드 특성이 우수한 것으로 된다. 그러므로, 고부하가 걸리는 엔진, 예를 들어, 통상의 엔진의 2배 정도의 면압이 걸리는 엔진에 대하여도, 바람직하게 사용할 수 있는 캠로브를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 캠로브재를 구비한 내연 기관의 가동 밸브 장치의 한 종류를 나타낸 사시도 및 본 발명의 캠샤프트의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예의 평가에 사용한 2원통 접촉 시험기의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 있어서, Ni(니켈) 함유량에 대한 캠로브재의 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 있어서, Ni 함유량에 대한 캠로브재의 경도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 있어서, Ni 함유량에 대한 캠로브재의 피칭 발생 회수를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 있어서, Ni 함유량에 대한 캠로브재의 치수 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 있어서, Ni 함유량에 대한 캠로브재의 캠리프트 오차를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 있어서, C(탄소) 함유량에 대한 캠로브재의 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 있어서, C 함유량에 대한 캠로브재의 경도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 있어서, P(인) 함유량에 대한 캠로브재의 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 있어서, P 함유량에 대한 캠로브재의 경도를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 있어서, P 함유량에 대한 캠로브재의 피칭 발생 회수를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 있어서, B(붕소) 함유량에 대한 캠로브재의 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 있어서, B 함유량에 대한 캠로브재의 경도를 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 있어서, Mo(몰리브덴) 함유량에 대한 캠로브재의 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 있어서, Mo 함유량에 대한 캠로브재의 경도를 나타낸 그래프이다.
이하에, 본 발명의 캠로브재, 캠샤프트 및 캠로브재의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 캠로브재는, Ni:0.3∼5.0 질량%, C:0.5∼1.2 질량%, B 및 p 중 적어도 하나:0.02∼0.3 질량% 및 나머지가 불가피한 불순물을 함유하는 철계 소결 합금으로 이루어지고, 외주면 경도 HRC가 50 이상이며, 밀도가 7.5g/cm3 이상이다. 철계 소결 합금에는, 또한 Mo:2.5 질량% 이하를 함유하게 할 수 있다.
먼저, 철계 소결 합금에 대하여 설명한다.
Ni(니켈)는, 강도·인성을 높이는 작용이 있다. Ni의 함유량은, 0.3∼5.0 질량%로 한다. Ni가 0.3 질량% 미만에서는, 충분한 강도·인성을 얻을 수 없다. 한편, Ni가 50 질량%를 넘으면 소결시의 치수 변화량이 커지므로, 정밀도가 악화되어 버린다. Ni는, 1. 0∼3.0 질량% 함유하게 하는 것이 바람직하다.
C(탄소)는, 내마모성을 만족시키는 캠 외주면 경도가 얻어지는 작용이 있다. C의 함유량은, 0.5∼1.2 질량%로 한다. C가 0.5 질량% 미만에서는, 담금질·템퍼링 처리 후에 원하는 캠 외주면 경도를 얻을 수 없고, 내마모성이 떨어진다. 한편, C가 1.2 질량%를 넘으면 압축성이 현저하게 저하되므로, 밀도가 상승되지 않는다. C는, 0.8∼1.0 질량% 함유하게 하는 것이 바람직하다.
B(붕소) 및 P(인)는, Fe(철) 및 C와 저융점의 3원 공정(共晶) 액상이 생기게 하여 소결을 촉진시키는 작용이 있다. B 및 P 중 적어도 어느 하나가, 본 발명의 캠로브재에 사용하는 철계 소결 합금에 포함되어 있다. 이 B 및 P 중 적어도 한쪽의 함유량은, 0.02∼0.3 질량%이다. B 및 P 중 적어도 한쪽이 0.02 질량% 미만에서는, 상기의 작용이 작으므로, 후술하는 밀도 및 경도를 갖지 않게 되는 경우가 있다. 한편, B 및 P 중 적어도 한쪽이 0.3 질량%를 넘으면, 소결시의 수축량이 작아져, 캠로브재의 치수 정밀도가 악화된다. B 및 P 중 적어도 한쪽은, 0.05∼0.20 질량% 함유하게 하는 것이 바람직하다. 그리고, B 및 P의 양쪽을 함유하게 하는 경우에는, 그 B와 P와의 함유 비율은, 특히 한정되지 않지만, 통상, B:P=2:1∼1:2 정도로 한다.
임의로 첨가되는 Mo(몰리브덴)는, 담금질성을 높이므로, 철계 합금 기지의 고용 효과를 촉진시키는 작용이 있다. Mo의 함유량은, 2.5 질량% 이하로 한다. Mo는 함유량 0.05 질량%정도로부터 조금씩 효과를 얻을 수 있지만, Mo가 2.5 질량%를 넘으면 압축성이 현저하게 악화되어, 밀도가 상승하지 않는다. Mo는, 바람직하게는, 0.2∼1.5 질량% 이하 정도 함유하게 하는 것이 바람직하다.
그리고, 나머지의 불가피한 불순물은, 원료 분말에 혼입하는 미량의 불순물 외에, 소결용 분말에 첨가되는 스테아린산 아연과 같은 윤활제나 그 외의 첨가 성분의 잔류물도 포함된다.
이어서, 전술한 철계 소결 합금에 의한 캠로브재의 물성에 대하여 설명한다.
캠로브재의 외주면 경도는, HRC 50 이상으로 한다. HRC 50 미만에서는 내마모성을 만족시킬 수 없다. 그리고, 캠로브재의 외주면 경도의 상한치는 특히 한정되지 않지만, 통상, HRC 60정도이다. 외주면 경도는 HRC 50∼55인 것이 바람직하다. 여기서, 캠로브재의 외주면이란, 캠로브로서 캠샤프트에 사용한 경우에 캠폴로워와 슬라이드하는 면을 말한다.
또, 캠로브재의 밀도는, 7.5g/cm3 이상으로 한다. 밀도가 7.5g/cm3 미만에서는, 캠로브재가 가지는 빈구멍에 의해 강도가 저하되어, 내피칭성이 악화되므로, 고부하가 걸리는 엔진에는 사용할 수 없다. 그리고, 캠로브재의 밀도의 상한치는 특히 한정되지 않지만, 통상, 7.7g/cm3정도이다. 밀도는, 7.5∼7.6g/cm3인 것이 바람직하다.
이상과 같이, 본 발명의 캠로브재는, 고밀도·고경도이므로, 캠폴로워와의 접촉에 있어서, 높은 내피칭 특성을 가진다. 그러므로, 본 발명의 캠로브재로 이루어지는 캠로브는, 고부하가 걸리는 엔진에 바람직하게 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 캠로브재는, 내마모성, 내스커핑성에도 우수하므로, 슬라이드 특성이 우수한 것이다.
또, 본 발명의 캠로브재는, 롤러 타입의 캠폴로워(롤러 폴로워)의 상대재로서, 바람직하게 사용된다. 여기서, 도 1 (a)에는, 본 발명의 캠로브재로 이루어지는 캠로브(1)를 구비한 캠샤프트(2)와 롤러 폴로워(롤링 접촉 타입의 캠폴로워)(3)가 접촉하는 태양을 나타낸 내연 기관의 가동 밸브 장치(4)의 사시도를 나타낸다. 그리고, 도 1 (a)의 바로 앞쪽에는 캠샤프트(2)에 구비된 캠로브(5)와 슬리퍼 폴로워(슬라이드 접촉 타입의 캠폴로워)(6)가 도시되어 있다.
이 롤러 폴로워(3)로서는, 롤러 타펫(tappet), 롤러 로커암 등을 들 수 있다. 이와 같은 롤러 폴로워(3) 및 이 상대재로 되는 캠로브재(1)에 있어서는, 내피칭 특성에 대표되는 반복 접촉 피로 강도가 필요하다. 본 발명에 있어서는, 캠로브재의 소결 중에 B 또는/ 및 P성분에 의해 액상을 발생시켜, 캠로브재를 기밀화하여, 밀도를 향상시킨 것이다. 이같이 하여, 캠로브재의 인성(靭性) 및 경도의 향상이 도모되므로, 반복 접촉 피로 강도를 향상시킨 것이다. 그러므로, 본 발명의 캠로브재는, 롤러 폴로워의 상대재로서 바람직하게 사용할 수 있다.
그리고, 전술한 본 발명의 캠로브재를 사용함으로써, 도 1 (a), 도 1 (b)에 나타낸 바와 같은 캠샤프트(2)를 제공할 수 있다. 이 캠샤프트(2)의 태양, 제조 방법에 대하여는 후술한다.
이어서, 본 발명의 캠로브재의 제조 방법에 대하여 설명한다. 이 제조 방법은, 전술한 본 발명의 캠로브재에 대한 것이다.
본 발명의 캠로브재의 제조 방법은, 전술한 조성의 철계 소결 합금으로 되도록 배합, 조제한 철계 합금 분말을 사용하고, 압축 성형 공정 및 소결 공정을 2회 이상 반복, 담금질·템퍼링 처리를 행하는 것이다. 또한, 캠로브재의 외주면에 숏블라스트를 행할 수 있다.
철계 합금 분말에 첨가하는 원소의 조성, 배합비, 작용 등은, 전술한 캠로브재의 설명에 있어서의 것과 마찬가지이다. 소결 후에, 전술한 범위 내의 조성비로 되도록, 철계 합금 분말을 배합, 조제한다.
그러한 철계 합금 분말을, 각 성분이 균등하게 혼합되도록 혼합하고, 소정의 형상으로 압축 성형하는 압축 성형 공정에 대하여 설명한다. 이 압축 성형 공정은, 2회 이상 행해진다. 그리고, 2회째 이후의 압축 성형 공정은, 소결 공정 후에 행해진다.
이 압축 성형 공정은, 종래 공지의 압축 성형 장치를 사용하여 행해지고, 통상, 메카 프레스 등을 사용하여 프레스 성형이 행해진다. 압축 성형시의 면압은, 최후의 압축 성형 공정을 제외한 압축 성형 공정(가성형)에 있어서는, 통상, 5∼7ton/cm2정도로 한다. 또, 최후의 압축 성형 공정에 있어서는, 통상, 7∼12ton/cm2정도로 하고, 가(假)성형보다 높은 면압으로 한다. 그리고, 압축 성형 공정에 있 어서의 온도는, 통상의 온도와 같고, 20∼40℃ 정도로 행한다.
이와 같이 철계 합금 분말을 압축 성형한 후, 그 성형체를 소결하는 소결 공정에 대하여 설명한다. 이 소결 공정은, 2회 이상 행해진다.
소결 공정은, 종래 공지의 소결 장치를 사용할 수 있고, 통상, 진공 소결로(燒結爐) 등을 사용하여 행한다. 소결 공정에 있어서의 온도는, 최후의 소결 공정을 제외한 소결 공정(가소결)에 있어서는, 통상, 650∼850℃ 정도로 한다. 또, 최후의 소결 공정에 있어서는, 통상, 1100∼1200℃ 정도, 바람직하게는 1130∼1180℃ 정도로 하고, 가소결보다 높은 온도로 한다. 소결 공정에 있어서의 성형체의 주위의 분위기는, 통상의 소결시의 분위기와 같고, 특히 한정되지 않지만, Ax가스, Rx가스, 진공 등의 분위기 하에서 소결이 행해진다. 캠로브재의 성형체의 소결에 관한 시간은, 통상의 시간과 같고, 특히 한정되지 않지만, 30∼90분 정도이다.
이어서, 최후의 소결 공정에서 얻어진 캠로브재의 소결체에 대하여, 담금질·템퍼링 처리를 행한다. 담금질 처리는, 통상, 열처리로 등에 있어서, 800∼950℃에서, 30∼150분 정도 유지한 후, 오일, 물 등을 사용하여, 30∼100℃ 정도로 급냉함으로써 행한다. 템퍼링 처리는, 전술한 담금질 처리 후, 통상, 120∼200℃에서, 30∼150분 정도 유지한 후, 2∼10℃/분 정도의 속도로, 10∼40℃ 정도까지 냉각함으로써 행한다. 담금질·템퍼링 처리에 의하면, 캠 외주면의 경도를 높여, 캠로브재의 내마모성을 향상시킬 수 있다.
또한, 캠로브재의 소결체의 외주면에, 숏블라스트를 행하는 것이 바람직하다. 숏블라스트를 행함으로써, 캠로브재의 외주면에 잔류 압축 응력이 생기게 하 여, 내피칭성을 향상시킬 수 있다. 숏블라스트는, 통상, 캠로브재를 회전시켜, 그 외주면에 숏 가능하도록 노즐을 조정하고, 스틸, 유리 비드 등의 그리드를, 5kg/cm2정도의 압력으로 캠로브재의 외주면에 부딪치게 하는 것으로 처리가 행해진다.
그리고, 본 발명의 캠로브재의 제조 방법에 의해 제조된 캠로브재는, 최후의 소결 공정의 전후에 있어서의 치수 변화율이 +- (±)0~0.5% 정도로 된다. 이 치수 변화율이란, 삼차원 측정기를 사용하고, 최후의 소결 공정전의 성형체와 그 소결 공정 후의 소결체의 외주 형상을 360˚에 걸쳐 1˚마다 최저 일점을 측정하고, 측정점으로부터 트레이스된 양쪽의 형상을 중첩시켜 각 측정점의 치수 변화율을 구하고, 그 중 최대치를 가리킨다.
이와 같이, 본 발명의 캠로브재의 제조 방법에 의하면, 적어도 2회의 압축 성형 공정과 소결 공정을 거치므로, 최후의 소결 공정의 전후의 치수 정밀도가 높고, 캠로브재 제조 후의 절삭을 행하지 않아도 되므로, 절삭량이 적어지게 된다. 그러므로, 캠로브재의 제조에 관한 수고와 비용을 저감할 수 있다. 또한, 제조 후의 캠로브재의 외주면 경도를 HRC 50 이상으로 할 수 있고, 또 밀도를 7.5g/cm3 이상으로 할 수 있다. 그러므로, 제조 후의 캠로브재는, 고경도, 고밀도로 할 수 있고, 내마모성, 내스커핑성, 내피칭성 등의 슬라이드 특성이 우수한 것으로 할 수 있다. 그 결과, 고부하가 걸리는 엔진, 예를 들어, 통상의 엔진의 2배 정도의 면압이 걸리는 엔진에 대하여도, 바람직하게 사용할 수 있는 캠로브재를 제공할 수 있다.
그리고, 이같이 하여 제조된 캠로브재를, 샤프트에 조립, 고정함으로써, 도 1 (b)에 나타낸 바와 같은 조립식 캠샤프트(2)를 얻을 수 있다. 이러한 캠샤프트(2)는, 예를 들면, S45C 등의 재질로 이루어지는 샤프트(7)의 소정 위치에 소정 각도로, 수축 끼워맞춤 또는 냉각 끼워맞춤에 의해 조립, 고정함으로써 얻어진다. 캠로브재를 샤프트에 조립, 고정하는 방법으로서는, 상기한 수축 끼워맞춤 및 냉각 끼워맞춤이, 조립 정밀도, 염가의 설비비의 점에서 바람직하지만, 압력 삽입이나, 확산 접합 등의 다른 방법에 의한 것도 가능하다. 또, 이 캠샤프트(2)는, 본 발명의 캠로브재로 이루어지는 캠로브(1)만을 구비해도 되고, 도 1 (a)과 같이, 본 발명에 의한 캠로브(1)와, 롤링 타입의 캠폴로워(6)에 대하여 바람직한 슬라이드 특성을 가지는 캠로브(5)를 구비하는 것으로 해도 된다. 이같이 하여 제조되는 캠샤프트는, 캠로브의 연삭 가공이 전혀 불필요하거나, 필요해도 아주 약간이면 된다. 이같이 하여, 내마모성, 내스커핑성, 내피칭성 등의 슬라이드 특성이 우수하므로, 고부하가 걸리는 엔진에도 바람직하게 사용할 수 있는 캠샤프트를 제공할 수 있다.
실시예
이하에, 실시예와 비교예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
(실시예 1∼30)
표 1에 기재된 최종 성분 조성으로 되도록 각 원소를 철분 중에 첨가하여 소결용 분말을 조제하고, 6ton/cm2의 면압으로 캠로브의 형상으로 압축 성형하고, 이어서 7OO℃에서 9O분간 소결을 행하였다. 또한, 10ton/cm2의 면압으로 압축 성형하 고, 이어서 114O℃에서 6O분간 소결을 행하였다. 이어서, 이 소결체를 900℃에서 100분 가열하고, 그 후, 냉각 오일에서 담금질 처리를 행하였다. 또한, 이 소결체를 150℃에서 60분간 가열하고, 그 후, 공냉(空冷)으로 템퍼링 처리를 행하였다. 그 후, 숏블라스트를 행하고, 실시예 1∼30의 캠로브재를 제작했다.
(비교예 1)
표 1에 기재된 최종 성분 조성으로 되도록, 각 원소를 용융시켜, 냉금을 가지는 주형에 흘려 넣어 급냉하고, 응고시켜 칠 주철을 얻었다. 이것을 연마함으로써, 비교예 1의 캠로브재를 제작했다.
(비교예 2∼5)
표 1에 기재된 최종 성분 조성으로 되도록 각 원소를 철분 중에 첨가하여 소결용 분말을 조제하고, 5ton/cm2의 면압으로 캠로브의 형상으로 압축 성형하고, 이어서 1100℃에서 60분간 소결을 행함으로써, 비교예 2∼5의 캠로브재를 제작했다.
[표 1]
Figure 112005019745061-pct00001
(평가 방법 및 그 결과)
각 실시예 및 각 비교예에 의해 얻어진 캠로브에 대하여, (1)밀도, (2)외주면의 록웰 경도 HRC, (3)피칭 발생 회수 및 마모량, (4)치수 변화율, (5)캠리프트 오차를 측정했다. 각 측정 방법을 이하에 설명하고, 각 측정 결과를 표 2에 나타낸다.
(1) 밀도
얻어진 캠로브재의 시험편을 파라핀으로 구멍을 밀봉 처리하고, 아르키메데스법에 따라 밀도를 측정했다.
(2) 외주면의 록웰 경도
록웰 경도계에 의해, C스케일에 의해, 얻어진 캠로브재의 시험편의 캠노즈의 외주를 5점 계측하고, 그 평균치를 산출하여, 외주면의 록웰 경도로 하였다.
(3) 피칭 발생 회수 및 마모량
피칭 발생 회수와 마모량에 대하여는, 다음과 같이 측정했다. 도 2에 나타낸 2원통 접촉 시험기를 사용하고, 일정 속도로 회전하는 캠로브재의 각 시험편(8)과 상대재 원통 시험편(9)의 회전면을 접촉시켜, 양 시험편의 접촉면에 윤활유(10)를 적하하면서 소정의 하중(11)을 걸어 회전시켜, 피칭이 발생할 때까지의 회전 회수를 계측하고, 피칭 발생 회수로 하였다. 또, 마찬가지로 각 시험편(8)을 회전시켜, 일정 회전 회수(1×105회)당의 마모 퇴적량(μm)을 측정하여, 마모량으로 하였다.
(측정 조건)
측정 장치: 2원통 접촉 시험기
회전수:1500rpm
윤활유:엔진 오일 10W30
유온:10O℃
유량:2×10-4m3/min
하중:3000N
롤링율:0%
상대재:SUJ2
판정 방법: AE(acoustic emission)에 의해, 피칭 발생의 균열을 검지하고, 그 때의 접촉 회수를 피칭 발생 회수로 하여 S-N 곡선을 작성하고, 각 시험편과 비교했다.
(4) 치수 변화율
3차원 측정기를 사용하고, 2차 성형체와 2차 소결체의 외주 형상을 360˚에 걸쳐 1˚마다 측정하고, 측정점으로부터 트레이스된 양쪽의 형상을 중첩시켜 각 측정점의 치수 변화율을 구하고, 그 중 최대치를 2차 성형체에 대한 2차 소결체의 치수 변화율로서 특정했다. 그리고, 비교예 2∼5에 대하여는, 성형과 소결을 한번만 행하고 있으므로, 1차 성형체와 1차 소결체의 외주 형상에 대하여, 치수 변화율을 측정했다.
(5) 캠리프트 오차
2차 소결체를 담금질, 템퍼링 후, 다시 숏블라스트한 후의 시험편에 대하여 캠리프트 오차를 측정했다. 캠 프로필 측정 프로그램 애드콜을 사용하여 캠 프로필을 측정하고, 목적하는 프로필과 비교하여, 그 오차를 검출하고, 리프트 오차로 하였다. 그리고, 비교예 2∼5에 대하여는, 성형과 소결을 한번만 행하고 있으므 로, 1차 소결체를 담금질, 템퍼링 후의 시험편에 대하여 캠리프트 오차를 측정했다.
[표 2]
Figure 112005019745061-pct00002
(측정 결과에 대한 고찰)
(가) Ni(니켈)량의 영향(실시예 1~8,16)
표 2의 실시예 1~8,16은, Ni량이 서로 상이한 합금의 밀도, 경도, 피칭 발생 회수, 마모량, 치수 변화율, 캠리프트 오차의 각각의 시험 결과를 나타내고 있다.
밀도, 경도 및 피칭 발생 회수는, Ni량 0.5%~5.0%까지는, Ni량이 증가하는데 따라, 모두 증가하는 경향이다. 밀도는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 7.52~7.58 g/cm3로 조금씩 증가하는 경향이다. 경도도, 도 4에 나타낸 바와 같이, 52.5~55.5 HRC로 밀도와 마찬가지로 조금씩 증가하는 경향이다. 또, 피칭 발생 회수도, 도 5에 나타낸 바와 같이, 1.2×106~6.O×106으로 증가하는 경향으로 되어 있다.
마모량은, Ni량 0.5%~5.0%까지는, 0.1g~0.23μm/1×105회로 하고, 비교적 변화가 적고 안정되어 있다.
치수 변화율은, 도 6에 나타낸 바와 같이, Ni량 0.5%~5.0%까지는, ∼0.1∼-0.5%로 조금씩 증가하는 경향이다. 또, 캠리프트 오차는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 치수 변화율과 마찬가지로, Ni량 0.5%~5.0%까지는, 0.02~0.05mm로 조금씩 증가하는 경향이다.
(나) C(탄소)량의 영향(실시예 9~12,24,25)
표 2의 실시예 9~12,24,25는, C량이 서로 상이한 합금의 밀도, 경도, 피칭 발생 회수, 마모량, 치수 변화율, 캠리프트 오차의 각각의 시험 결과를 나타내고 있다.
밀도는, 도 8에 나타낸 바와 같이, C량이 0.5%FH 낮은 경우에는 7.55g/cm3로 높고, C량이 증가하면 밀도는 감소 경향이 되어, C량이 1.2%로 높은 경우에는, 밀도는 7.51g/cm3로 낮다. 경도는, 밀도와는 역으로, 도 9에 나타낸 바와 같이, C량 0.5%~12%까지는, 51.5~56.0 HRC로 증가하는 경향으로 되어 있다.
피칭 발생 회수는, C량 O.5%~1.2%까지는, 1.5×106~3.5×106으로 비교적 변화가 적고 안정되어 있다. 마모량은, 피칭 발생 회수와 마찬가지로, C량 0.5%~1.2%까지는, 0.16~0.25μm/1×105회로 비교적 변화가 적고 안정되어 있다. 치수 변화율은, C량 0.5%~1.2%까지는, -0.1∼-0.4%로 약간 증가하는 경향이다. 캠리프트 오차는, C량 0.5%~1.2%까지는, 0.01~0.03mm로 비교적 변화가 적고 안정되어 있다.
(다) P(인)량의 영향(실시예 1,13~15)
표 2의 실시예 1,13~15는, P량이 서로 상이한 합금의 밀도, 경도, 피칭 발생 회수, 마모량, 치수 변화율, 캠리프트 오차의 각각의 시험 결과를 나타내고 있다.
P량에 관한 밀도, 경도, 피칭 발생 회수는, Ni와 마찬가지의 경향을 나타내고 있다. 밀도는, 도 10에 나타낸 바와 같이, P량 0.05%~0.3%까지는, 7.51~7.54g/cm3로 조금씩 증가하는 경향이다. 경도도, 도 11에 나타낸 바와 같이, P량 0.05%~0.3%까지는, 52.0~54.0 HRC로 밀도와 마찬가지로 조금씩 증가하는 경향이다. 또, 피칭 발생 회수는, 도 12에 나타낸 바와 같이, P량 0.05%~0.3%까지는, 8.5×105~1.5×106으로 증가하는 경향으로 되어 있다.
마모량은, P량 0.05%~0.3%까지는, 0.20~0.23μm/1×105회로 비교적 변화가 적고 안정되어 있다. 치수 변화율은, 마모량과 마찬가지로, P량 0.05%~0.3%까지는, -0.1∼-0.2%로 비교적 변화가 적고 안정되어 있다. 캠리프트 오차는, P량 0.05%~0.3%까지는, 0.02~0.03mm로 비교적 변화가 적고 안정되어 있다.
(라) B(붕소)량의 영향(실시예 10,17~19)
표 2의 실시예 10,17~19는, B량이 서로 상이한 합금의 밀도, 경도, 피칭 발생 회수, 마모량, 치수 변화율, 캠리프트 오차의 각각의 시험 결과를 나타내고 있다.
밀도는, 도 13에 나타낸 바와 같이, B량 0.02%~O.3%까지는, 7.51~7.53g/cm3로 변화가 적고 안정되어 있다. 경도도, 도 14에 나타낸 바와 같이, B량 0.02%~0.3%까지는, 53.0~54.0 HRC로 밀도와 마찬가지로 변화가 적고 안정되어 있다.
피칭 발생 회수는, B량 O.02%~O.3%까지는, 2.0×106~3.2×106으로 비교적 변화가 적고 안정되어 있다. 마모량도, B량 0.02%~0.3%까지는, 0.21~024μm/1×105회로 비교적 변화가 적고 안정되어 있다. 치수 변화율은, 마모량과 마찬가지로, B량 O.02%~0.3%까지는, -0.2∼-0.4%로 비교적 변화가 적고 안정되어 있다. 캠리프트 오차는, B량 0.02%~0.3%까지는, 0.02~0.04mm로 비교적 변화가 적고 안정되어 있다.
(마) Mo(몰리브덴)량의 영향(실시예 6,20~23,26~30)
표 2의 실시예 6, 20~23, 26~30은, Mo량이 서로 상이한 합금의 밀도, 경도, 피칭 발생 회수, 마모량, 치수 변화율, 캠리프트 오차의 각각의 시험 결과를 나타내고 있다.
밀도는, 도 15에 나타낸 바와 같이, Mo량이 0.3%로 낮은 경우에는 7.54g/cm3로 높고, Mo량이 증가하면 밀도는 감소 경향이 되어, Mo량이 2.5%로 높은 경우에는, 압축성이 현저하게 악화되므로, 밀도가 7.5Og/cm3로 낮다. 경도는, 도 16에 나타낸 바와 같이, Mo량이 0.3%~2.5%까지는, 담금질성이 높아져, 55.5~56.5 HRC로 높고, 변화가 적고 안정되어 있다.
피칭 발생 회수는, Mo량이 0.3%~2.5%까지는, 1.8×106~2.5×106으로 비교적 변화가 적고 안정되어 있다. 마모량은, Mo량이 0.3%~2.5%까지는, 0.16~O.21μm/1×105회로 낮고, 또한 비교적 변화가 적고 안정되어 있다. 치수 변화율은, Mo량이 0.3%~2.5%까지는, 0~ ―0.3%로 비교적 변화가 적고 안정되어 있다. 캠리프트 오차는, Mo량이 0.3%~2.5%까지는, 캠리프트 오차는 0.02~0.04mm로 비교적 변화가 적고 안정되어 있다.
(바) Ni, B, Mo의 각종 조합에 대하여(실시예 24~29)
표 2의 실시예 24~29는, Ni량, B량, Mo량이 서로 상이한 합금의 밀도, 경도, 피칭 발생 회수, 마모량, 치수 변화율, 캠리프트 오차의 각각의 시험 결과를 나타내고 있다.
Ni량 1.0%~3.5%, B량 0.05%~0.2%, Mo량 0.3%~2.0%의 조합에 있어서의 각 시험 결과에 대하여 고찰한다.
밀도는, Mo의 영향을 받으므로, Ni, B의 원소를 변화시켜도 거의 효과가 없고, 7.50~7.54g/cm3로 비교적 낮으므로 중간 정도로 추이하고 있다. 경도는, C량이 높고, 또한 Mo의 영향을 받으므로, 55.5~56.5 HRC로 비교적 약간 높게 추이하고 있다.
피칭 발생 회수는, Mo에 의해 밀도가 영향을 받고, 또, Ni의 영향을 받으므로, 1.8×106~3.5×106으로 광범위하게 추이하고 있다. 마모량은, C량이 높고, C와 Mo와의 상승효에 의해 경도가 영향을 받으므로, 경도가 높고, 0.16~0.21μm/1×105회로 비교적 낮게 추이하고 있다.
치수 변화율은, Ni의 영향을 받으므로, 0∼-0.4%로 광범위하게 추이하고 있다. 캠리프트 오차는, 치수 변화율과 마찬가지로, Ni의 영향을 받으므로, 0.01~0.04mm로 광범위하게 추이하고 있다.
(사) B, P의 조합에 대하여(실시예 30)
표 2의 실시예 30은, B 및 P의 조합에 의한 합금의 밀도, 경도, 피칭 발생 회수, 마모량, 치수 변화율, 캠리프트 오차의 각각의 시험 결과를 나타내고 있다.
C량, Mo량이 높으므로, 밀도는 낮으며, 경도는 역으로 높아지고, 피칭 발생 회수, 마모량은, 전술한 각 실시예의 범위 중의 중간 정도이며, 치수 변화율은 낮으며, 캠리프트 오차는 높았다. 이와 같이, B와 P를 조합시켜도, 본 발명의 범위 의 밀도 및 경도를 얻을 수 있었고, 그 외에도 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
(아) 비교예에 대하여
실시예 1∼30은, 비교예 1∼5 중 어느 것보다 우수했다.
비교예 2는, B 및 P를 함유하고 있지 않은 점에서, 본 발명에 포함되어 있지 않다. 그 결과, 비교예 2는, 밀도, 피칭 발생 회수가 각 실시예보다 낮아, 내피칭성이 뒤지고 있었다. 또, 비교예 2는, 마모량이 각 실시예보다 커서, 내마모성이 뒤지고 있었다. 비교예 2는, 1회 압축 1회 소결에 의해 제조되었으므로(이하, 1P1S 라고 함), 치수 변화율이 각 실시예보다 높고, 또 캠리프트 오차도 각 실시예보다 높았다. 이와 같이, 비교예 2는, 치수 변화율, 캠리프트 오차, 양쪽 모두 뒤지고 있던 비교예 3은, Ni를 함유하고 있지 않은 점에서, 본 발명에 포함되어 있지 않다. 그 결과, 비교예 3은, 밀도, 피칭 발생 회수가 각 실시예보다 낮고, 내피칭성이 뒤지고 있었다. 또, 비교예 3은, 밀도, 경도 모두 각 실시예보다 낮기 때문에, 마모량이 각 실시예보다 크고, 내마모성이 뒤지고 있었다. 비교예 3은, 1P1S에 의해 제조되었기 때문에, 치수 변화율이 각 실시예보다 높고, 또, 캠리프트 오차도 각 실시예보다 높았다. 이와 같이, 비교예 3은, 치수 변화율, 캠리프트 오차, 양쪽 모두 뒤지고 있었다.
비교예 4는, C, Ni, P의 함유량이 본 발명의 규정량보다 낮고, 본 발명에 포함되어 있지 않다. 그 결과, 비교예 4는, 밀도, 피칭 발생 회수가 각 실시예보다 낮고, 전술한 비교예 2, 3보다 더욱 내피칭성이 뒤지고 있었다. 또, 비교예 4는, 밀도, 경도 모두 각 실시예보다 낮기 때문에, 마모량이 각 실시예 및 전술한 비교 예 2, 3보다 커서, 내마모성이 매우 뒤지고 있었다.
비교예 5는, C, Ni, P의 함유량이 모두 본 발명의 규정량보다 높아 본 발명에 포함되지 않는다. 그 결과, 비교예 5는, 비교예 2, 3과 마찬가지로, 밀도, 피칭 발생 회수가 각 실시예보다 낮으므로, 내피칭성이 뒤지고 있었다. 또, 비교예 5는, 밀도, 경도 모두 각 실시예보다 낮기 때문에, 마모량이 각 실시예보다 커서, 내마모성이 뒤지고 있었다. 또한, 비교예 5는, 1P1S에 의해 제조되었기 때문에, 치수 변화율이 각 실시예보다 극단적으로 높고, 또 캠리프트 오차도 각 실시예보다 극단적으로 높았다. 이와 같이, 비교예 5는, 치수 변화율, 캠리프트 오차, 양쪽 모두 뒤지고 있었다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 캠샤프트 및 캠로브재의 제조 방법에 의하면, 내마모성, 내피칭성 및 내스커핑성 등의 슬라이드 특성이 우수하므로, 고부하가 걸리는 엔진에 바람직하게 사용할 수 있는 캠로브재, 이것을 사용한 캠샤프트 및 캠로브재의 제조 방법을 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. Ni:0.3∼5.0 질량%, C:0.5∼1.2 질량%, B 및 P 중 적어도 하나:0.02∼0.3 질량%를 함유하는 철계(鐵系) 소결(燒結) 합금으로 이루어지고, 외주면 경도가 HRC 50 내지 60이며, 또한 밀도가 7.5g/cm3 이상인 것을 특징으로 하는 캠로브재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 철계 소결 합금은 Mo:2.5 질량% 이하를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 캠로브재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캠로브재는 롤러 폴로워를 상대재(相對材)로 하는 것을 특징으로 하는 캠로브재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 캠로브재로 이루어지는 캠로브를 구비한 것을 특징으로 하는 캠샤프트.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 상기 철계 소결 합금의 조성이 되도록 조제된 철계 합금 분말을 면압 5 내지 7 ton/㎠에서 소정의 캠로브 형상으로 압축 성형하는 압축 성형 공정과,
    상기 압축 성형된 성형체를 650 내지 850℃의 온도에서 소결하는 소결 공정을 차례대로 1회 이상 행하고,
    최후에 상기 소결된 소결체를 면압 7 내지 12 ton/㎠에서 소정의 캠로브 형상으로 압축 성형하는 압축 성형 공정 및 상기 압축 성형된 성형체를 1100 내지 1200℃의 온도에서 소결하는 소결 공정을 행하고
    상기 소결된 소결체를 800 내지 950 ℃의 온도에서 유지한 후 30 내지 100 ℃로 급냉하는 담금질 처리를 행하고,
    상기 소결체를 120 내지 200 ℃의 온도에서 유지한 후 2 내지 10℃/분의 속도로 10 내지 40℃ 까지 냉각하는 템퍼링 처리하는 공정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 캠로브재의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 캠로브재의 외주면에 그리드를 5㎏/㎠ 정도의 압력으로 부딪히게 하는 것에 의해 숏블라스트(shot blast)를 행하는 것을 특징으로 하는 캠로브재의 제조 방법.
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