KR101015774B1 - 분말 금속 밸브 가이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연 기관용 특히 기관유 윤활제가 없거나 적을 경우 작동하기에 적합한 밸브 스템(30)과 밸브 가이드(14) 인터페이스에 오일 분말 금속 부품 특히 밸브 가이드(14)를 제조하기 위한 분말 금속 블렌드를 제공한다. 분말 금속 블렌드는 약 2 내지 약 10 중량% 구리, 약 0.5 내지 약 5.0 중량% 고체 윤활제, 약 1.0 내지 약 3.0 중량% 흑연, 약 1.0 내지 약 8.0 중량% 청동, 약 0.2 내지 약 1.5 중량% 인동 및/또는 인철, 약 0.3 내지 약 1.0 중량% 일시적 윤활제, 및 약 0.3 내지 약 1.0 중량% 망간을 포함하는 저합금강 분말인 밸런스(balance)로 구성된 화학 조성을 갖는다.

밸브 가이드, 내연 기관, 분말 금속

Description

분말 금속 밸브 가이드{POWDER METAL VALVE GUIDE}

도 1은 밸브 어셈블리와 그 주변을 도시한 단면도,

도 2는 밸브 어셈블리를 더 상세히 도시한 단면도,

도3은 재료와 스템/가이드 마모에 미치는 사이클 효과(cycle effect)를 나타낸 그래프, 및

도 4는 본 발명에 따라 만든 분말 금속 밸브의 미세 조직을 도시한 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 밸브 어셈블리

12 : 밸브

14 : 밸브 가이드

16 : 밸브 시트 페이스(valve seat face)

18 : 밸브 시트 인서트(valve seat insert)

24 : 실린더 헤드

28 : 필릿(fillet)

30 : 밸브 스템

본 발명은 일반적으로 분말 금속 블렌드(powder metal blend)에 관한 것이며, 특히, 밸브 가이드와 같은 엔진의 개선된 구성 요소를 만들기 위한 새롭고 개선된 분말 금속 블렌드에 관한 것이다.

최근 환경에 대한 관심들이 소위 "배기 가스가 없는 엔진(zero emission engine)"의 개발에 대한 관심을 다시 유발하고 있다. 이것은 이상적으로 어떠한 오염 물질도 방출 또는 배출하지 않는 내연 기관이다. 내연 기관 내에서 공기 오염에 기여하는 한 요소 및 한 요인은 엔진 윤활유로서, 이 윤활유는 닳은 밸브 스템과 밸브 가이드 인터페이스(interface)로부터 연소실 안으로 새어 들어갈 수 있다. 이 곳은 밸브가 왕복 운동으로 밸브 가이드 안에 결합되는 곳이다. 연소 자체에 기인한 오염 물질은 제외하더라도, 어떤 황을 함유하는 새어 들어간 윤활유는 촉매 파괴(catalyst poisoning)에 의해 촉매 변환 장치를 손상시킬 수 있고 더 나아가 질소 산화물들의 형태를 한 공기 오염을 야기할 수 있다.

내연 기관의 작동 사이클은 이 업계에 잘 알려져 있다. 연소실을 밀봉하는데 효과적으로 상호 작용하는 흡기 및 배기 밸브들, 밸브 가이드들, 및 밸브 시트 인서트(valve seat inserts)에 대한 물리적 요구 사항들에 대해서는 광범위한 연구가 수행되었다. 그 심한 정도가 특정 엔진에 적용함에 의존하지만 기계적, 열적, 화학적 조건의 관점에서, 밸브 시트 인서트들과 밸브 가이드들은 가혹한 환경에서 작동하는 것으로 알려져 있다.

내연 기관에서, 기관유(engine oil)는 밸브 가이드 인터페이스에서의 윤활을 제공하기 위해 밸브 스템 실(valve stem seal)을 통해 밸브 가이드 쪽으로 제어할 수 있게 배출되도록 허용된다. 누설 문제는 마모로 발생하고, 때때로 단순하게 밸브 스템과 밸브 가이드가 달리 가열되는 것을 수용하기 위해 필요한 작동 틈새에 기인한다. 충분한 작동 틈새가 없으면, 밸브 스템은 과열될 수 있고 밸브 가이드에 달라붙는다.

한편, 소비자들은 차량의 동력전달계열(powertrain)의 보다 길고 좋은 보증뿐 아니라 그 차량의 엔진으로부터 여전히 더 좋은 성능을 기대하고 있다. 그 결과, 많은 제조자들은 적어도 100,000 마일까지의 동력전달계열의 보증을 연장하고 있다. 자동차 산업은 개선된 연료의 경제성, 향상된 무게에 대한 마력 비율, 더 낮은 오일 소비, 자동차 엔진에 대해 더 좋은 신뢰성을 끊임없이 추구하고 있다.

근래 분말 야금의 발전은 적절한 피삭성(machinability)과 함께 좋은 열 저항(heat resistance) 및 화학 저항(corrosion resistance) 뿐만 아니라 좋은 마모 저항(wear resistance)의 필요성을 언급하는데 사용된다. 분말 야금(P/M)은 설계 적응성(design flexibility)을 제공할 뿐 아니라 합금 시스템의 광범위한 변동을 자유롭게 선택할 수 있게 한다. 더욱이, 분말 야금은 자가-윤활을 위한 제어된 다공성(porosity)을 제공하고 복잡한 또는 유일한 형상의 제조 또는 최종 치수에 꽤 근접한 제조를 수월하게 한다.

P/M 밸브 가이드들은 규산염, 프리 흑연(free graphite), 황화 망간, 황화 구리 또는 이황화 몰리브덴과 같은 고체 윤활제와 함께 보통 페라이트/펄라이트를 함유한 저합금강으로 제조된다. P/M 밸브 가이드는 저 내지 중밀도로 가압되어, 예를 들어 약 1150℃ 미만의 일반적인 소결 온도를 사용하여 소결되고 그 다음 양 끝쪽이 가공된다. 안쪽 구멍이 리밍에 의해 형성된다. 이 업계에서 오일 침윤 밸브 가이드(oil impregnate valve guide)로 알려져 있지만, 침윤된 오일은 엔진이 작동하는 동안 보충된다. 밸브 가이드의 수명 예측은 밸브 스템과 밸브 가이드 사이의 인터페이스를 윤활하는 기관유에 의존한다.

전술한 기름 누설 문제는 지금까지 더 좋은 밀봉(seal)을 제공함으로써 밸브 스템을 통한 오일 누설을 제어하는 시도 또는/및 그 적합한 수명 예측을 제공하기 위한 밸브 가이드의 윤활과 배기 시스템 안으로 오일의 연소로부터 생산되는 바람직하지 않은 배출 사이의 타협을 달성하기 위한 시도에 의해 언급이 되어 왔다.

밸브 스템과 밸브 가이드는 적은 윤활 또는 윤활 없이 꽤 높은 온도에 노출되는데, 이 고온을 견딜 수 있도록 밸브 가이드로 사용할 분말 금속 블렌드 또는 혼합물에 대한 필요가 아직 존재한다. 분말 금속 블렌드는 열이 밸브 스템으로부터 주위의 실린더 헤드로 전도되어 밸브 스템이 밸브 가이드 안에 부착되는 것을 저지하게 밸브 가이드를 허용하도록 좋은 열 전도율을 가져야만 한다. 분말 금속 블렌드는 마찰 마모 및 접착 마모 저항, 스커핑 저항(scuffing resistance)이 좋아야 하며, 크롬 판 및 질화(nitrided) 밸브 스템에 한정하지 않는 밸브 스템 재료 및 밸브 스템 코팅의 다양한 종류에 대항하여 사용될 수 있는 능력을 가져야 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 엔진의 구성 요소를 제조하기 위해 유용한 개선된 분말 금속 블렌드를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 분말 금속 밸브 가이드를 제조하기 위한 개선된 분말 금속 블렌드를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기름이 없어지는 환경에서 작동하는데 특히 적합한 개선된 분말 금속 밸브 가이드를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 더 좋은 히트 싱크(heat sink) 역할을 하도록 열 전도성이 우수한 개선된 분말 금속 밸브 가이드를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 마찰 저항 및 부착 마모 저항, 스커핑 저항 및 밸브 스템 재료와 밸브 스템 코팅에 대항하여 작동하는 능력을 갖는 개선된 분말 금속 밸브 가이드를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 밸브 스템과 밸브 가이드가 작은 윤활 또는 윤활이 없는 밸브 스템/밸브 가이드 인터페이스에서 부착하는 것을 방지하는 분말 금속 밸브 가이드를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적들 및 그 외 목적들은 가혹한 엔진 환경에서 작동하기에 적합한 개선된 분말 금속 블렌드에 의해 달성된다. 본 발명은 중량% 기준으로 다음 화학 조성을 갖는 개선된 분말 금속 블렌드를 포함한다. 즉, 약 2 내지 약 10% 범위의 구리; 약 0.5 내지 약 5.0% 범위의 고체 윤활제; 약 1 내지 약 3% 범위의 흑연; 약 1 내지 약 8% 범위의 청동; 약 0.2 내지 약 1.5% 범위 인철(iron phosphorus) 및/또는 인동(copper phosphorus); 약 0.3 내지 약 1% 범위의 일시적 윤활제(fugitive lubricant); 및 약 0.3 내지 약 1.0%의 범위의 망간을 포함하는 저합금강 분말인 밸런스로 구성된다.
본 발명을 특정하는 신규성의 다양한 특성들은 첨부된 청구항들에서 특히 나타나며, 이 개시의 일부를 이룬다. 본 발명을 보다 잘 이해하기 위해, 그 작동 이점 및 특정 목적들은 그 사용에 의해 얻어지며, 덧붙인 예들, 도면들, 및 발명의 바람직한 실시예가 설명되어 있는 설명적인 내용이 참조로 사용된다.

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본 발명은 새롭고 개선된 분말 금속에 속하며, 특히 이 분말 금속은 내연 기관용 밸브 가이드와 같은 엔진 구성 요소에 적합하다. 본 발명의 분말 금속 블렌드는 어떠한 차량의 부분을 제조하는데 사용될 수 있으며 단순히 밸브 가이드에 한정하지는 않는다. 명세서에서, 특정하지 않으면 모든 온도는 섭씨 온도이며 %는 중량%이다.

분말 야금 공정은 비용-효율적인, 네트 형상에 가까운 형상(near-net shape)의 생산을 제공하며, 게다가 재료 선택에 있어서 다양성 및 사후 소결 처리를 허용한다. 신규한 본 발명의 재료 블렌드는 마찰 및 부착 마모 저항, 스커핑 저항이 우수한 특성을 제공하며, 크롬 도금된 및 질화 밸브 스템들을 포함한 스템 코팅 및 밸브 스템의 다양한 종류에 대하여 사용될 수 있다.

본 발명에 따르는 분말 금속 블렌드는 경차 또는 중형차 모두에 사용되는 가연(leaded) 및 무연(unleaded) 가솔린, 디젤 및 천연 가스 엔진 내의 엔진 구성 요소들로 적용될 수 있는 것이다. 또한, 본원 발명에 따라 생성된 분말 부품들은 우수한 피삭성을 가지며 흡기 또는 배기 가이드로 사용될 수 있다.

엔진 구성 요소들에 대한 본 발명의 적용을 보다 잘 이해하기 위해서 엔진 안에서 사용되며 (10)으로 보통 나타낸 밸브 어셈블리를 도시한 도 1 및 2를 참조한다. 밸브 어셈블리(10)는 밸브 가이드(14)의 내부 구멍 안에서 왕복 운동하게 각각 수용된 다수의 밸브(12)를 포함한다. 밸브 가이드(14)는 실린더 헤드(24) 안으로 삽입된 테이블 모양의 구조이다. 밸브(12)는 헤드(26)와 밸브(12)의 필릿(fillet)(28) 사이에 개재된 밸브 시트 페이스(valve seat face)(16)를 포함한다. 밸브 스템(30)은 보통 필릿(28) 위쪽에 위치되면 일반적으로 밸브 가이드(14) 안에 수용된다. 밸브 시트 인서트(valve seat insert)(18)는 보통 엔진의 실린더 헤드(24) 안에 장착된다. 이러한 엔진 구성 요소들의 구성은 당업자들에게 잘 알려져 있다. 설계들의 수정 또는 대안인 구조가 여러 제조자들에게 제공될 수 있기 때문에 본 발명에는 어떤 특정 구조에 한정될 의도가 없다. 이러한 밸브 어셈블리 도면들은 본 발명을 보다 잘 이해하기 위한 설명만을 목적으로 한다.

본 발명의 분말 금속 블렌드는 구리, 고체 윤활제, 흑연, 청동, 인동, 일시적 윤활제, 및 망간을 포함하는 저 함금강 분말인 밸런스로 구성된다. 본 발명에 따르는 분말 금속 블렌드는 약 2 내지 약 10% 범위의 구리, 약 0.5 내지 약 5% 범위의 고체 윤활제, 약 1 내지 약 3% 범위의 흑연, 약 1 내지 약 8% 범위의 청동, 약 0.2 내지 약 1.5% 범위의 인동 및/또는 인철, 및 약 0.3 내지 약 1%의 범위에 있는 일시적 윤활제, 및 약 0.3 내지 약 1.0% 범위에 있는 망간을 포함하는 저합금강 분말인 밸런스로 구성된다.

더 바람직하게는 금속 분말 블렌드는 약 5% 구리(Cu), 약 2% 고체 윤활제, 약 2% 흑연, 약 2% 청동, 약 1% 인동, 약 0.6% 일시적 윤활제, 및 바람직하게는 약 0.6% 망간(Mn)을 함유하는 저합금강 분말인 밸런스로 구성된다.

본 발명에 따르는 분말 금속 블렌드의 합금 수준은 특히 오일이 없거나 거의 없는 환경하에서 고온의 장치에서의 마찰 저항에 대한 하드 페이스(hard phase) 및 고체 윤활성(solid lubricity)을 향상하도록 한 것이다.

기본적인 구리의 추가는 고체 용해 강화를 가져오며 마모 저항을 향상시킨다. 또한, 프리 구리(free copper)는 피삭성을 향상시킨다. 여기서 구리가 사용된다는 것은 실질적으로 순수한 구리 입자들과 같은 분말을 포함하는 어떤 구리에 한정하지 않고 합금 요소들 및/또는 강화 요소들(fortifying elements) 및/또는 프리-합금(pre-alloy) 구리와의 혼합물 안의 구리 입자들을 포함한다는 것을 의미한다.

고체 윤활제는 부착에 대한 저항을 제공하며 피삭성을 향상시킨다. 적합한 고체 윤활제로는 제한적이진 않지만 분말 수화 마그네슘 규산염(hydrated magnesium silicate)(보통, 활성(talc)이라 함), 이황화 몰리브덴(MoS₂), 플르오르화 칼슘(CaF₂), 질화 붕소(BN), 이황화 텅스텐(WS₂), 흑연, 규산염 윤활제(silicate lubricant), 황화 윤활제(sulfide lubricant), 불화 윤활제(fluoride lubricant), 텔루르 윤활제(telluride lubricant), 및 운모이다. 물론, 제한적이진 않지만 그 외 이황화 또는 불화 유형의 고체 윤활제를 포함하는 어떠한 종래 고체 윤활제도 본 발명의 혼합물과 함께 사용될 수 있다.

본 발명의 분말 금속 블렌드에서, 흑연은 결국 마모 저항과 피삭성을 향상시키게 하는 매트릭스 강도(matrix strength), 하드 페이스 및 고체 윤활성을 제공하기 위해 사용된다. 흑연 부분은 용해되어 펄라이트 미세구조 안에서 주요한 탄화물 및 공정 탄화물(eutectic carbide)이 된다. 나머지 흑연은 고체 윤활제가 된다. 예비혼합물 내에 약 2% 이상의 프리 흑연(free graphite)이 있다면, 압축성 및 습태 강도(green strength)가 상실된다. 여기서 사용된 "프리 흑연"이란 남은 흑연 즉, 용해되지 않은 흑연을 말한다. 흑연 분말용으로 적합한 소스는 사우스웨스턴 1651 그레이드(Southwestern 1651 grade)이며, 이것은 사우스웨스턴 산업 회사(Southwestern Industries Incorporated)의 제품이다.

청동은 고체 윤활성과 안티-스커핑(anti-scuffing) 특성을 제공하는 청동 상(phase)을 형성하도록 추가된다. 청동 분말은 보통 301 그레이드 90% 구리 및 10% 주석이 바람직하며, 보통 대략 80 메시의 보통 입자 크기를 갖는 90-10 청동이라 불린다. 이것은 비철 분말을 판매하는 예를 들어 AcuPowder International LLC로부터 상업적으로 이용할 수 있다.

인동은 기공 라운딩(pore rounding)과 매트릭스 강도를 제공하며, 이것은 소결 보조(aid)이다. 바람직하게는, 인동은 약 8% 인과 구리인 밸런스를 갖는 프리-합금 분말이다. 인동의 상업적 소스는 AcuPowder International LLC이다.

일시적 윤활제는 분말 윤활제이며, 소결 단계 동안 다 타버리거나 열분해되기 때문에 이 업계에서 "임시(temporary)" 또는 "일시적(fugitive)"으로 알려져 있다. 적합한 윤활제들은 제한적이진 않지만 스테아르산염(stearate), 스테아르아미드(stearamide), 리튬 스테아르산염, 아연 스테아르산염, 왁스(wax) 또는 소결하자마자 휘발하는 상업적으로 사용할 수 있으나 전매 특허인 에틸렌 스테아르아미드 조성 또는 몰드 윤활제와 같은 종래 왁스로 만든 또는 지방으로 만든 재료이다. 바람직한 일시적 윤활제는 Glyco Chemical사로 부터 구할 수 있는 Acrawax C이다. Acrawax C는 압축할 때 공구의 마멸(galling)을 저지한다.

본 발명에 적합한 저합금강 분말은 상업적으로 이용할 수 있는 Domfer의 MP37R 또는 Kobelco의 300 MA 또는 Hoeganaes의 A 1000 또는 North American Hoeganaes의 ASC 100.29이다.

본 발명에 따르는 분말 금속 블렌드 또는 혼합물은 균질 혼합물이 되도록 충분한 시간동안 완전히 섞인다. 혼합물은 약 30분에서 약 2시간 동안 섞이며, 바람직하게는 약 1시간 동안 섞여서 그 결과 균질 혼합물이 된다. 어떠한 적합한 혼합 수단 예를 들어 볼 믹서가 사용될 수 있다.

그 다음 혼합물은 40~60 TSI(tons per square inch) 바람직하게는 50 TSI인 통상의 압축 압력으로 압축된다. 미터법에서는, 이것은 약 608~911 MPa 또는 바람직하게는 760 MPa 이다. 압축 압력은 근사 네트 형상(near net shape) 또는 네트 형상이 되도록 압력을 가하고 습태 콤팩트(green compacts)를 형성하도록 그리고 바람직한 습태 밀도는 약 6.2~7.2 g/cm³의 범위 내에 바람직하게는 6.5 g/cm³가 되도록 적절하여야만 한다. 압축은 보통 원하는 형상의 다이로 행해진다. 보통, 약 35 TSI 미만의 압력은 거의 사용되지 않고 가능하더라도 약 65 TSI 이상의 압력은 매우 비싸다. 압축은 단축으로 또는 등압압축성형(isostatic)이다.

그 다음 습태 콤팩트는 약 1000℃ 내지 약 1150℃ 범위의 바람직하게는 약 1020℃인 통상의 소결 온도를 사용한 소결로(sintering furnace) 안에서 소결된다. 약 1250℃ 내지 약 1350℃ 범위의 더 높은 소결 온도가 대안으로 적용될 수 있으며, 바람직하게는 약 1300℃의 온도로 약 20분 내지 약 1시간 또는 바람직하게는 약 30분 동안 질소(N₂)와 수소(H₂)의 혼합 가스로 된 환원 환경에서 적용될 수 있다. 소결은 콤팩트 내 성분들의 액상선 온도(liquidus temperature) 아래로 콤팩트를 가열함으로써 콤팩트 안에 있는 인접하는 표면들이 접착하는 것이다. 소결은 대략 1100℃의 온도로 그 접촉점에서 분말 입자들의 확산 접착을 하게 할 정도로 충분한 시간 동안 수행되어 일체화된 소결 덩어리를 형성한다. 소결은 질소와 산소 혼합물 또는 약 -40℃ 차수의 이슬점을 갖는 건조 결합 암모니아(dry associated ammonia)와 같은 환원 환경에서 수행되는 것이 바람직하다. 소결은 아르곤과 같은 불활성 가스 또는 진공에서 수행될 수도 있다.

전술한 방법으로 제조된 분말 금속 엔진 구성 요소에 있어서 중량%의 화학 조성은 약 1.5% 내지 약 3.0% 탄소, 약 4.0% 내지 약 10.0% 구리, 약 0.5%까지의 마그네슘, 약 1.2%까지의 망간, 약 0.8%까지의 인, 약 0.6%까지의 황, 약 0.8%까지의 주석, 및 대체로 철인 밸런스로 구성된다. 총 탄소 비율 중 약 1.0% 내지 약 1.8%의 탄소 비율은 결합된 탄소이다. 여기서 사용된 "결합된 탄소(combined carbon)"란 예를 들어 탄화물의 형태로 다른 성분들과 접착된 탄소를 의미한다. 전체 탄소는 예를 들어 순수한 흑연 형태인 단일의 탄소뿐 아니라 결합된 탄소를 포함한다.

유익하게도, 결과물은 오일 침윤 조건 뿐 아니라 소결 조건 및/또는 열처리 조건에서 모두 사용될 수 있다. 적합한 열처리 조건들은 한정되진 않으나 압축된 분말 금속 구성 요소들을 질화(nitriding), 침탄(carburizing), 침탄질화법(carbonitriding) 또는 증기 처리를 포함한다. 결과물에는 열 전도성을 향상시키기 위해 구리가 침윤될 수 있다. 대안의 실시예가 이 특징에 대해 더 상세히 설명될 것이다.

밸브 가이드를 형성하는데 있어서, 재료는 이 업계에서 알려진 방법으로 양 끝 부분으로부터 압인될 수 있다. 공정은 두 목적들 역할을 하는 끝부분들을 성형하는 것 즉, 동심(concentricity)을 유지하기 위한 구멍의 내경(ID)을 곧게 하는 것과 안티-스커핑 특성을 더 향상시키기 위해 마모 표면에 부가적인 고밀도화(densification)이다. 밸브 가이드 재료는 부가적으로 얇은 막 또는 경계 윤활 영역 아래에서 작동하는 고온 오일로 스며들게 할 수 있다. 오일은 분말 금속 밸브 가이드 안에 있는 구멍들 안에 채워지며, 작동하는 동안 끊임없는 윤활을 제공하기 위한 저장소 역할을 하여 제조하는 동안 피삭성을 향상시킨다. 스며들게 할 수 있는 오일의 양은 제한되어 있으므로, 마모 저항에 대해서 침윤 오일에만 의존할 수 없다.

본 발명의 다른 실시예에서, 밸브 가이드의 뜨거운 끝 부분은 소결 후에 밸브 가이드의 총 길이의 약 1/3까지 구리가 침윤된다. 이 영역은 밸브로부터 밖으로 열을 전달하게 하는데 충분하다. 밸브의 "뜨거운 끝 부분(hot end)"은 밸브 헤드에 가장 근접한 실린더 헤드 내에 위치한 끝 부분을 가리킨다. 이 위치는 연소실에 가장 근접한 곳이다. 부수적으로, 밸브 가이드를 관통하는 구멍의 내경은 반다듬질(semi-finished)(이 업계에선 잘 알려진 단계)될 수 있으며, 그를 통한 황산의 분출을 희석시킨다. 그 다음 밸브 가이드를 관통하는 구멍의 내경은 질화, 다듬질 및 오일이 침윤된다. 밸브 가이드의 총 길이의 약 1/3까지 구리를 침윤하는, 밸브 가이드를 관통하는 구멍의 내경을 질화하는, 및 부가적으로 다듬질 단계 전에 내경을 관통하는 황산 방출을 희석하는 단계들은 밸브 가이드의 열 전도성을 향상시키기 위해 여기서 설명한 향상된 분말 금속 블렌드 외의 다양한 분말 금속 블렌드들에 적용될 수 있다. 본 발명에 따르는 대안의 실시예의 제품 및 방법은 부적절한 열전달로 인하여 밸브 스템/가이드 접착, 스커핑 또는 마모를 악화시킬 수 있는 중공 밸브 스템 또는 나트륨 또는 칼륨 또는 다른 액체 냉각 밸브 스템에 특히 적합하다. 본 발명의 대안의 실시예에 따라 제조된 바람직한 밸브 가이드는 중량%로 약 0.5 내지 약 2.0% 탄소, 약 0.5 내지 약 1.0% 망간, 약 0.5% 이하의 규소, 약 5% 이하의 고체 윤활제, 약 7 내지 약 20%의 구리(침윤 후), 및 철인 밸런스로 구성된 화학 조성을 갖는다.

본 발명의 바람직한 분말 금속 블렌드로 제조된 밸브 가이드는 본 발명의 양수인에게 양도되었으며 참고로 여기에 포함된 미합중국 특허 제5,271,823호에 설명되어 있고 도시되어 있는 리그 테스트 장비(rig test device)로 평가해 보았다. 리그 테스트는 엔진 밸브 스템과 가이드들의 부착 특성 뿐만 아니라 마모 특성을 시험할 수 있게 한다. 3개의 밸브 가이드들(EMS 543으로 표시한 상업적으로 이용 가능한 물질로 만든 밸브 가이드, EMS 543에 고온 오일을 침윤한 밸브 가이드(EMS 543 HTO라 함), EXP 1439라 표시한 본 발명에 따른 개선된 분말 금속 블렌드로부터 제조한 밸브 가이드)이 시험되었다. EMS 543은 약 0.5 내지 0.9%의 탄소(C), 약 0.5 내지 약 1.0% 망간(Mn), 약 0.15 내지 약 0.35% 황(S), 약 3.5 내지 약 5.5% 구리(Cu), 약 0.3 내지 약 0.6% 마그네슘(Mg), 및 철과 고체 윤활제인 밸런스의 화학 조성을 갖는다.

리그 테스트에 대한 밸브 스템과 밸브 가이드 온도들은 대략 204℃로 10 Hz의 구동(밸브 운동의 시물레이션용)으로 설정되었다. 오일 침윤이 초기에는 개선된 결과를 제공하는 듯 보이나, 약 50 시간이 지난 후에는 오일이 침윤된 밸브 가이드는 마모를 나타내기 시작한다. 약 50시간 후에, EMS 543 HTO의 마모는 EMS 543 밸브 가이드와 유사하다. 이 발명의 분말 금속 블렌드로 된 밸브 가이드는 도 3에 도시된 것처럼 EMS 543에 비해 마모 감소가 현저하게 된다. 약 20시간 후에 EMS 543은 심각한 양의 마모(EXP 1439(본 발명)의 0.02mm에 비해 0.42mm)를 보인다. 모든 테스트들은 사전에 윤활유를 공급하고 테스트하는 동안 부가 오일을 추가하지 않고 수행되었다.

도 4는 본 발명에 따르는 분말 금속 밸브 가이드의 미세구조를 나타낸 것이다. 이 미세구조를 갖는 밸브 가이드는 수용할 수 있는 피삭성을 가지며 최적의 마모 저항을 나타낸다. 미세구조 매트릭스는 좋은 강도와 경도를 제공하는 펄라이트의 최대량을 보여준다. 페라이트 양은 피삭성과 마모 특성을 저하시킨다. 본 발명 에서 페라이트 양은 최소화된다. 탄화물의 망 조직(network)은 마모 저항을 최대화한다. 제한적인 것은 아니지만 흑연, 활석, 황화 망간, 이황화 몰리브덴, 불화 칼슘 들을 포함하는 고체 윤활제들의 다양한 조합은 피삭성과 마모 특성을 최적화한다. 미세 구조 안에 있는 구멍들은 구리 침윤과 오일 침윤을 위한 장소를 제공하여, 피삭성, 마모 저항, 및 구리가 침윤될 경우 열 전도성을 향상시킨다.

발명의 원리들의 적용을 설명하기 위해 본 발명의 특별한 실시예들이 자세히 보여지고 설명되었으나, 발명은 그 원리를 벗어나지 않으면서 다르게 실시될 수 있는 것으로 이해될 것이다.

자동차의 구성 요소를 제조하는데 본 발명의 분말 금속 블렌드를 적용하면, 제조하기 용이하며 열 전도성이 우수한 밸브 가이드와 같은 부품들을 만들 수 있으며, 마찰 저항 및 부착 마모 저항, 스커핑 저항이 개선된 밸브 가이드와 같은 부품들을 제조할 수 있다.

Claims (17)

1. 분말 금속 부품을 제조하기 위한 분말 금속 블렌드에 있어서:

   2.0 내지 10.0 중량% 구리;

   0.5 내지 5.0 중량% 고체 윤활제;

   1.0 내지 3.0 중량% 흑연으로서, 상기 흑연의 2.0 중량% 이하가 프리 흑연인, 1.0 내지 3.0 중량% 흑연;

   1.0 내지 8.0 중량% 청동;

   인동과 인철로 구성된 그룹으로부터 선택된 0.2 내지 1.5 중량% 부재;

   0.3 내지 1.0 중량%인 일시적 윤활제; 및

   0.3 내지 1.0 중량% 망간을 포함하는 저합금강 분말인 밸런스(balance)로 구성되는 분말 금속 블렌드.
2. 제1항에 있어서, 상기 고체 윤활제는 활석, MoS₂, CaF₂, WS₂, MnS, 흑연, 규산염 윤활제, 황화 윤활제, 불화 윤활제, 텔루르 윤활제, 및 운모로 구성된 그룹으로부터 선택된 부재인 것을 특징으로 하는 분말 금속 블렌드.
3. 제1항에 있어서, 상기 일시적 윤활제는 아연 스테아르산염, 에틸렌 스테아르아미드 몰드 윤활제, 스테아르산염, 스테아르아미드, 리튬 스테아르산염, 및 왁스로 구성된 그룹에서 선택된 부재인 것을 특징으로 하는 분말 금속 블렌드.
4. 제1항에 있어서, 상기 블렌드는:

   5.0 중량% 구리;

   2.0 중량% 고체 윤활제;

   2.0 중량% 흑연;

   5.0 중량% 청동;

   인동과 인철로 구성된 그룹으로부터 선택된 1.0 중량% 부재;

   0.6 중량% 일시적 윤활제; 및

   0.6 중량% 망간을 포함하는 저합금강 분말인 밸런스로 구성된 것을 특징으로 하는 분말 금속 블렌드.
5. 제1항의 분말 금속 블렌드로부터 제조된 분말 금속 부품.
6. 제5항에 있어서, 상기 분말 금속 블렌드는 6.2 g/cm³의 최소 밀도로 압축되는 것을 특징으로 하는 분말 금속 부품.
7. 제6항에 있어서, 상기 밀도는 6.4 g/cm³인 것을 특징으로 하는 분말 금속 부품.
8. 제6항에 있어서, 상기 분말 금속 부품은 밸브 가이드를 포함하는 분말 금속 부품.
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