KR101046418B1 - 밸브시트 및 그 제조공정 - Google Patents

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강병찬
김대율
오영규
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    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
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Abstract

본 발명은 분산 강화형 경질입자 분말을 고속도강재 기지조직 분말에 혼합하여 소결 및 스팀 처리하여 석출 강화형 경질입자와 산화철(Fe3O4)층을 형성시켜, 고온에서 내마모성, 내열성 및 전단 강도를 현저히 향상시켜 특히 고출력 가솔린, LPG, CNG 엔진에서의 가혹한 조건에 적용한 밸브시트 및 그 제조공정에 관한 것이다.

Description

밸브시트 및 그 제조공정{Valve Seat and Method of Producing the Valve Seat}
본 발명은 분산 강화형 경질입자 분말을 고속도강재 기지조직 분말에 혼합하여 소결 및 스팀 처리하여 석출 강화형 경질입자와 산화철(Fe3O4)층을 형성시켜, 고온에서 내마모성, 내열성 및 전단 강도를 현저히 향상시켜 특히 고출력 가솔린, LPG, CNG 엔진에서의 가혹한 조건에 적용한 밸브시트 및 그 제조공정에 관한 것이다.
밸브시트(Valve Seat)는 실린더 헤드의 각 연소실 내부에 압입되어 밸브 작동시 혼합가스 및 폭발가스를 흡입 배출하고, 밸브와 맞닿아 닫힌 후 연소실 기물을 보존, 누설을 방지하고 밸브의 열을 발산하여 과열을 방지한다.
이러한 기능을 유지하기 위하여 높은 내열성 및 내마모성을 요구하며, 헤드 압입 후 가공 시 공구(Tool) 마모를 최소화할 수 있도록 높은 가공성을 요구한다.
종래 밸브시트 제조공정은 도 6에 도시한 바와 같이, 기지 조직(matrix)을 이루는 Co-Mo-Ni Pre-alloyed(Co-Mo-Ni 합금) 분말에 10~15중량% 정도의 C-Cr-W-Co계 분산 강화형 경질입자분말을 첨가 혼합한 후, 프레스로 밸브시트 형상으로 성형한다. 다른 한편, 용침동을 성형한다.
밸브시트 성형물을 1차 소결한 후, 소결 성형물 위에 용침동 성형물을 올려놓고 용침 소결하면, 동(Cu)이 소결 성형물의 기공 사이로 용침되어 표면에 발생되는 부식현상을 방지한다.
이와 같은 종래의 밸브시트는 저출력 엔진에서 어느 정도의 내마모성을 가지고 있지만 고출력 엔진에서는 내마모성이 현저히 떨어지는데, 이것은 기지 조직의 금속간 화합물로서 단일의 C-Cr-W-Co계 분산 강화형 경질입자만이 분산되어 있고, 또한, 기지 조직에 형성된 기공에 용침된 동은 상대적으로 전단 강도가 약하기 때문이다.
따라서, 현재 가솔린 엔진은 고출력화 되고, LPG 엔진과 CNG 엔진은 배기물이 클린한 상태라서 저출력 엔진 및 무윤활 상태의 LPG 엔진과 CNG 엔진에서 배기 밸브시트의 마모량이 현저히 증대되고 있다.
또한, 템퍼링 공정은 570~600℃에서 3회 실시하여 담금질에 따른 취성을 완화시키기 때문에 공정수(열처리 횟수)가 많아 에너지 비용도 같이 상승한다.
또한, 제조공정에서 용침동 성형 공정과 용침 소결 공정이 더 부가되어 그만큼 생산성과 경제성에 나쁜 영향을 준다.
본 발명은 고출력의 가솔린 엔진이나 무윤활 상태의 LPG엔진 또는 CNG 엔진에서의 내마모성을 현저히 향상시킨 밸브시트 및 그 제조공정을 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 해결하기 위하여, 본 발명의 청구항 3에 기재된 밸브시트는,
C(0.80~1.00중량%)+Si(0.30~0.50중량%)+Mn(0.30~0.50중량%)+Cr(4.10~4.3중량%)+Mo(4.00~6.00중량%)+V(1.90~2.10중량%)+W(5.90~6.10중량%)+Fe(Bal)로 이루어진 고속도강재(HSS) 기지 조직(matrix);
상기 기지 조직 내에 형성된 분산 강화형 경질입자;
상기 기지 조직 내에 형성된 석출 강화형 경질입자;
상기 기지 조직의 기공에 형성되는 산화철(Fe3O4)층을 포함하되,
상기 분산 강화형 경질입자는 Fe(Bal)-Mo(35중량%)-Si(1.40중량%)계 경질입자이고,
상기 석출 강화형 경질입자는 상기 고속도강재에 함유된 Cr, W, Mo, V성분이 탄소와 결합하여 구형 카바이드 형태로 석출 형성된 것이고,
상기 기지 조직 내에 MoS2 고체윤활제를 형성한다.
삭제
삭제
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삭제
본 발명의 청구항 5에 기재된 밸브시트 제조공정은,
C(0.80~1.00중량%)+Si(0.30~0.50중량%)+Mn(0.30~0.50중량%)+Cr(4.10~4.3중량%)+Mo(4.00~6.00중량%)+V(1.90~2.10중량%)+W(5.90~6.10중량%)+Fe(Bal)로 이루어진 기지 조직(matrix)을 이루는 고속도강재(HSS) 분말에 분산 강화형 경질입자 분말을 10~20중량% 첨가하여 혼합하는 혼합공정;
상기 혼합공정에서 혼합한 혼합물을 프레스로 성형하는 성형공정;
상기 성형공정에서 성형한 성형물을 소결하여 상기 기지 조직 내에 석출 강화형 경질입자를 형성시키는 소결공정;
상기 소결공정이 끝난 후 스팀 처리하여 상기 기지 조직의 기공에 산화철(Fe3O4)층을 형성시키는 스팀처리공정을 포함하되,
상기 혼합공정에서 MoS2 고체윤활제를 첨가하고,
상기 스팀처리공정에서 상기 석출 강화를 더 진행시킨다.
삭제
이상의 설명으로부터 명백하듯이, 본 발명의 실시예에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
기지 조직(matrix)을 이루는 고속도강재(HSS)와, 상기 기지 조직 내에 형성된 분산 강화형 경질입자와, 상기 기지 조직 내에 형성된 석출 강화형 경질입자와, 상기 기지 조직의 기공에 형성되는 산화철(Fe3O4)층을 포함함으로써, 고온에서 밸브시트의 고(高)내마모성을 증대시킨다.
또한, 상기 분산 강화형 경질입자는 Fe-Mo-Si계 경질입자이고, 상기 석출 경화형 경질입자는 상기 고속도강재에 함유된 Cr, W, Mo, V성분이 탄소와 결합하여 구형 미세 카바이드 형태로 석출됨으로써, 고온 작동시 내마모성을 증대시킨다.
또한, 상기 기지 조직의 표면에 MoS2를 더 형성함으로써, 배기되는 고온 가스와 반응을 통한 윤활 작용하여 밸브의 회전시 회전 미끄럼 마찰계수를 현저히 줄여 내마모성을 증대시킨다.
특히, 스팀공정을 통해 기지 조직의 기공에 산화철층을 형성시켜 전단 강도를 현저히 증대시켜 기공의 확대를 방지하고, 템퍼링 3공정을 스팀 1공정으로 열처리 가능하여 공수 단축에 따른 에너지 비용을 절감하고, 특히 스팀공정은 기지 조직의 안정화와 동시에 석출을 더 진행시키는 열처리 효과도 있다.
또한, 소결 공정과 스팀 공정을 통해 내마모성을 향상시키기 때문에 종래의 소결 및 용침 소결 공정, 담금질과 템퍼링 공정보다 1/2만큼 공정수를 현저히 줄여 생산성과 경제성 측면에서 매우 우월하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밸브시트의 HSS 기지조직 내 구형 미세 카바이드(석출 강화형 경질입자)의 분포를 나타낸 현미경 조직.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밸브시트의 HSS 기지조직 내 Fe-Mo-Si계 분산 강화형 경질입자의 분포를 나타낸 현미경 조직.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밸브시트의 HSS 기지조직에 MoS2 고체 윤활제가 분포된 현미경 조직.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밸브시트의 HSS 기지조직 사이의 기공 주위에 형성된 스팀층(산화철층)의 분포를 나타낸 현미경 조직.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밸브시트의 제조 공정도.
도 6은 종래 밸브시트의 제조 공정도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라 설명하는데 성분은 %으로 표시하지만 중량%을 의미한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밸브시트의 HSS 기지조직 내 구형 미세 카바이드(석출 강화형 경질입자)의 분포를 나타낸 현미경 조직이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밸브시트의 HSS 기지조직 내 Fe-Mo-Si계 분산 강화형 경질입자의 분포를 나타낸 현미경 조직이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밸브시트의 HSS 기지조직 사이에 MoS2 고체 윤활제가 분포 형성된 현미경 조직이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 밸브시트의 HSS 기지조직 사이의 기공 주위에 형성된 스팀층(산화철층)의 분포를 나타낸 현미경 조직이다.
도 1, 도 2 및 도 4에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 밸브시트는 고속도강재(HSS) 기지 조직(matrix)과, 상기 기지 조직 내에 형성된 분산 강화형 경질입자와, 상기 기지 조직 내에 형성된 석출 강화형 경질입자와, 상기 기지 조직의 기공에 형성되는 산화철(Fe3O4)층을 포함한다.
HSS(고속도강)재 분말 성분은 표 1과 같다.
C(중량%) Si(중량%) Mn(중량%) Cr(중량%) Mo(중량%) V(중량%) W(중량%) Fe(중량%)
0.80~1.00 0.30~0.50 0.30~0.50 4.10~4.3 4.00~6.00 1.90~2.10 5.90~6.10 Bal.
HSS재 기지 조직은 소결 및 스팀 공정을 통해 고속도강재 분말에 함유된 Cr, W, Mo, V 성분이 탄소와 결합하여 구형 미세 카바이드 형태(도 1의 화살표로 표시한 부분)로 석출되어 석출 강화형 경질입자를 분산 형성시켜 밸브시트의 고온 작동시 내마모성을 증대시킨다.
고속도강재 합금 원소의 영향은 다음과 같다.
① W: 경한 탄화물(M6C)을 만들어 내마모성을 향상시키고, 경도의 내열성, 내연화성을 증가.
② Mo: 영향은 상기 W의 영향과 거의 유사하고, 점성을 향상시키고, 인성을 증대.
③ Cr: 통상 4중량% 정도 첨가하고, 탄화물(M23C6)을 형성하여 경도를 향상시키고, 내스케일링성, 내연화성, 내마모성도 향상시킴.
④ V: 강력한 탄화물(MC) 형성용 원소이고, 통상 2.5중량%가 최대 첨가량이며 그 이상 첨가시 단조품에서 단조가 곤란해지는 문제가 발생된다. 내마모성을 증가시키고, 결정립 미세화 내연화성 증가로 고온 경도 증대, 인성을 향상시킴.
이와 같은 본 발명의 HSS 기지조직은 종래의 6.5중량% Co Pre-alloyed 기지조직과의 고온 경도를 비교하면 아래의 그래프와 같다.
Figure 112010037604016-pat00001
위 그래프에서 알 수 있듯이, Fe-Mo-Cr-W-V계 HSS Pre-alloyed 기지 조직 적용 Cr, W, Mo, V 구형의 백색 탄화물을 석출시켜 고온에서 종래의 6.5중량% Co Pre-alloyed 기지 조직보다 우수한 특성을 나타낸다.
다음으로 Fe(Bal)-Mo(35중량%)-Si(1.40중량%)계 경질입자는 기지 조직에 금속간 화합물로 분산시켜 내마모성을 증대시킨다.
혼합시 Matrix 분말에 Fe-Mo-Si 경질 입자 분말을 10~20중량% 바람직하게는 15중량% 첨가하여 기지 조직에 금속간 화합물 형태로 분산(도 2 참조)시켜서, 고온에서 엔진 밸브 작동시 반복되는 밸브의 충격에서 견뎌내어 고온 내마모성을 확보한다.
Figure 112010037604016-pat00002
경도가 현재 범용으로 적용되는 Co-Mo-Cr-Si보다 Fe-Mo-Si 가 온도별로 다소 높음을 알 수 있다.
Figure 112010037604016-pat00003
또한, Fe-Mo-Si 함량을 증대시킬수록 내마모성이 증가 됨을 알 수 있다.
한편, 도 3과 같이 MoS2 고체 윤활제 첨가를 통한 고온 윤활성 증대로 내마모성을 향상시킬 수 있다.
즉 캠의 회전에 의한 밸브가 상, 하 운동으로 분당 수천 번의 밸브시트와 밸브가 접촉 특히 밸브가 일정 각도로 회전하면서 밸브시트와 접촉이 이루어지는데, 이때 첨가된 MoS2 고체 윤활제가 배기되는 고온 가스와 화학반응을 하여 밸브와 밸브시트 금속간 접촉면에서의 윤활 작용을 일으켜 직접적인 접촉을 방지하여 고온에서의 내마모성을 증대시킨다.
다른 한편, 스팀 처리 공정에 의한 스팀층 또는 산화철(Fe3O4)층 형성으로 기지 조직의 강도를 증대시킨다(도 4 참조).
소결 처리된 밸브시트 소결물에 스팀 처리하면, 아래와 같이 화학 반응을 한다.
3Fe+4H2O->Fe3O4+4H2
이러한 화학 반응을 통해 고속도강재 기지 조직의 기공에 안정된 산화층 Fe3O4(Magnetite)을 형성한다.
산화철층은 고온 작동 시 기공 확대를 방지하여 고속도강재 기지조직의 전단 강도(Shear strength)를 증대시킨다.
또한, 기지조직의 HSS재의 석출 강화를 위한 템퍼링 공정을 스팀처리(570℃) 공정으로 동시 진행이 가능하여, 템퍼링 공정 3회를 스팀처리공정 1회로 행함으로써 공수와 에너지비용을 절감할 수 있다.
전술한 밸브시트의 제조공정을 도 5를 참조하여 설명한다.
먼저, 기지 조직(matrix)을 이루는 고속도강재(HSS) 분말에 분산 강화형 경질입자 분말을 10~20중량% 첨가하여 혼합한다(S10). 혼합은 더불-콘(double-cone)에서 30분 정도 행한다. 이때 혼합공정에서 MoS2 고체윤활제를 더 첨가하는 것이 바람직하다.
이러한 혼합물을 프레스로 밸브시트 형상으로 성형하는데, 성형 밀도는 6.90 g/cc 이상이 되게 한다(S12).
상기 밸브시트 성형물은 밀폐소결로(walking beam type furnace)에서 1100~1200℃ 사이에서 소결을 행한다(S14).
소결 공정은 고속도강 기지 조직 내의 Cr, W, Mo, V 성분이 탄소와 결합하여 구형 미세 카바이드 형태로 석출되어 밸브시트의 고온 작동시 내마모성을 증대시킨다.
또한, 소결 공정은 Fe-Mo-Si계 경질입자를 기지 조직에 금속간 화합물 형태로 분산시켜 고온에서 엔진 밸브 작동시 반복되는 밸브의 충격에 견디는 고온 내충격성과 내마모성을 확보한다.
소결 공정이 끝난 후 스팀 공정을 행한다(S16).
스팀 공정은 소결 공정과 마찬가지로 열처리 공정의 일종으로 570~580 ℃ 5~7시간 정도 행하면, 고속도강재 기지 조직의 기공에 산화철(Fe3O4)층을 형성시키는 동시에 석출 강화를 더 진행시킨다.
이러한 스팀층(산화층)은 고온 작동시 기공의 확대를 방지하도록 고속도강재 기지조직의 전단 강도를 증대시킨다.
이와 같이 스팀공정이 끝나면, 종래와 마찬가지로 마무리 공정(평면/외경 연삭, 면취 선삭, 바렐)을 행하여 제품을 완성한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변경 또는 변형하여 실시할 수 있음은 해당기술분야의 당업자라면 자명하다 할 것이다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. C(0.80~1.00중량%)+Si(0.30~0.50중량%)+Mn(0.30~0.50중량%)+Cr(4.10~4.3중량%)+Mo(4.00~6.00중량%)+V(1.90~2.10중량%)+W(5.90~6.10중량%)+Fe(Bal)로 이루어진 고속도강재(HSS) 기지 조직(matrix);
    상기 기지 조직 내에 형성된 분산 강화형 경질입자;
    상기 기지 조직 내에 형성된 석출 강화형 경질입자;
    상기 기지 조직의 기공에 형성되는 산화철(Fe3O4)층을 포함하되,
    상기 분산 강화형 경질입자는 Fe(Bal)-Mo(35중량%)-Si(1.40중량%)계 경질입자이고,
    상기 석출 강화형 경질입자는 상기 고속도강재에 함유된 Cr, W, Mo, V성분이 탄소와 결합하여 구형 카바이드 형태로 석출 형성된 것이고,
    상기 기지 조직 내에 MoS2 고체윤활제를 형성하는 밸브시트.
  4. 삭제
  5. C(0.80~1.00중량%)+Si(0.30~0.50중량%)+Mn(0.30~0.50중량%)+Cr(4.10~4.3중량%)+Mo(4.00~6.00중량%)+V(1.90~2.10중량%)+W(5.90~6.10중량%)+Fe(Bal)로 이루어진 기지 조직(matrix)을 이루는 고속도강재(HSS) 분말에 분산 강화형 경질입자 분말을 10~20중량% 첨가하여 혼합하는 혼합공정;
    상기 혼합공정에서 혼합한 혼합물을 프레스로 성형하는 성형공정;
    상기 성형공정에서 성형한 성형물을 소결하여 상기 기지 조직 내에 석출 강화형 경질입자를 형성시키는 소결공정;
    상기 소결공정이 끝난 후 스팀 처리하여 상기 기지 조직의 기공에 산화철(Fe3O4)층을 형성시키는 스팀처리공정을 포함하되,
    상기 혼합공정에서 MoS2 고체윤활제를 첨가하고,
    상기 스팀처리공정에서 상기 석출 강화를 더 진행시키는 밸브시트 제조공정.
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