KR101199433B1 - 내마모성 및 자기윤활 특성을 갖는 밸브시트용 소결합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철(Fe)에 탄소(C), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 코발트(Co), 규소(Si) 및 황화망간(MnS)을 첨가하여 기지 조직(Matrix)을 베이나이트(bainite)로 하고, 여기에 몰리브덴(Mo)계 분말을 균일하게 분포시켜 제조가 용이하면서도 내마모성 및 자기윤활 특성을 향상시킨 고성능 밸브시트용 소결합금 및 그 제조방법과, 상기 방법으로 제조된 엔진의 밸브시트에 관한 것이다.
본 발명은 몰리브덴(Mo) 성분을 특정 함량으로 첨가하고, 다른 성분들의 사용 범위를 일정하게 조절함으로써 내마모성 및 자기윤활 특성이 우수한 밸브시트용 소결합금을 제조하는 것이 가능하며, 압환하중이 우수하여 고부하의 자동차 엔진 밸브시트에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

내마모성 및 자기윤활 특성을 갖는 밸브시트용 소결합금{SINTERED ALLOY FOR VALVE SEAT HAVING WEAR RESISTANCE AND SELF-LUBRICATING PROPERTY}

본 발명은 내마모성 및 자기윤활 특성을 갖는 밸브시트용 소결합금에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 철(Fe)에 탄소(C), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 코발트(Co) 및 규소(Si), 황화망간(MnS)을 첨가하여 기지 조직(Matrix)을 베이나이트(bainite)로 하고, 여기에 몰리브덴(Mo)계 분말을 균일하게 분포시켜 제조가 용이하면서도 내마모성 및 자기윤활 특성을 향상시킨 고성능 밸브시트용 소결합금 및 그 제조방법과, 상기 방법으로 제조된 엔진의 밸브시트에 관한 것이다.

자동차용 엔진의 구성품 중 밸브시트는 밸브면과 밀착되어 연소실의 기밀을 보존하는 역할을 하는 구성품으로, 밸브면과 계속해서 충격적 접촉을 반복 하므로 손상되지 않을 정도의 경도를 가지도록 제작된다.

종래의 밸브시트 소결합금은 크롬(Cr)계, 크롬-몰리브덴-코발트(Cr-Mo-Co)계, 코발트(Co)계 등 다양한 합금계의 분말들이 사용되고 있으나 최근에는 내열성과 윤활성이 뛰어난 Co계 합금이 균일하게 분포되어 있는 재료를 주로 사용하고 있다.

그러나 상기 Co계 분말이 분포된 소결합금은 가격이 고가로 비경제적으로, Co 분말을 최소 또는 전혀 사용하지 않으면서 밸브와 밸브시트의 마모량을 감소시킬 수 있는 재질 개발이 필요하게 되었다.

또한, 압축천연가스(Compressed Natural Gas; CNG), 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas; LPG) 등과 같은 가스 상의 연료를 사용하는 엔진에서는 마모진행이 급격하게 촉진되어, 비교적 단시간에 사용 수명에 이르므로 우수한 내마모성을 가지면서도 마모 진행을 늦추며, 고온에서의 윤활성을 더 높일 필요성이 제기되었다.

결국, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 주된 목적은 내마모성 및 자기윤활 특성을 갖는 고기능성 밸브시트용 소결합금 및 그 제조방법과, 상기 방법으로 제조된 엔진의 밸브시트를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고(high)내마모성, 고내열성, 및 자기윤활 특성을 갖는 밸브시트용 소결합금을 제공한다.

본 발명에서, 상기 소결합금은 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 규소(Si) 및 황화망간(MnS)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 소결합금은 철(Fe)에 탄소(C), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 규소(Si) 및 황화망간(MnS)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함하여 기지 조직(Matrix)을 베이나이트(bainite)로 하고, 경질입자로서 철-몰리브덴(Fe-Mo) 합금 분말과, 고체윤활제로 몰리브덴(Mo) 단분말을 균일하게 분포시킨 것이 특징이다.

베이나이트는 굳기 강도가 높은 조직으로, 본 발명에서는 밸브시트용 소결합금의 조직을 베이나이트를 주체로 함에 따라 밸브시트의 내마모성과 상대 공격성을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 내마모성이 저하되는 문제를 방지하기 위해 상온경도가 매우 높은 철-몰리브덴(Fe-Mo)계 재질을 사용하여 상온에서부터 고온에 이르기까지 내마모성을 향상시킨 것을 특징으로 하며, 종래 고체윤활제로 사용하던 코발트(Co) 분말을 몰리브덴(Mo) 분말로 대체하여 고온에서의 윤활특성을 향상시킨 것이 특징이다.

또한, 본 발명의 소결합금은 탄소(C) 0.4~1.0중랑%, 니켈(Ni) 1.0~5.0중량%, 크롬(Cr) 2.0~6.0중량%, 몰리브덴(Mo) 7.0~15.0중량%, 코발트(Co) 0~3.0중량% , 규소(Si) 0.1~0.5중량%, 황화망간(MnS) 0.4~1.5중량%, 및 잔부는 철(Fe)로 구성될 수 있으며, 이때 소결합금 분말의 평균 입자크기는 45~180 ㎛인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 철(Fe)을 주성분으로 하고, 탄소(C) 0.4~1.0중랑%, 니켈(Ni) 1.0~5.0중량%, 크롬(Cr) 2.0~6.0중량%, 몰리브덴(Mo) 7.0~15.0중량%, 코발트(Co) 0~3.0중량%, 규소(Si) 0.1~0.5중량%, 및 황화망간(MnS) 0.4~1.5중량%의 분말을 혼합하는 단계(S1); 상기 S1 단계에서 혼합된 분말 합금을 소정 압력으로 상온 가압하여 밸브시트의 형상으로 성형하는 단계(S2); 및 상기 S2 단계에서 성형된 성형체를 암모니아 분위기에서 1,100~1,500℃로 소결한 후 600℃에서 템퍼링하는 단계(S3);를 포함하는 내마모성 및 자기윤활 특성을 갖는 밸브시트용 소결합금의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 엔진의 밸브시트를 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 몰리브덴(Mo) 성분을 특정 함량으로 첨가하고, 다른 성분들의 사용 범위를 일정하게 조절함으로써 내마모성 및 자기윤활 특성이 우수한 밸브시트용 소결합금을 제조하는 것이 가능하다.

특히, 본 발명의 소결합금은 철-몰리브덴(Fe-Mo)계의 경질상 입자를 고르게 분포시켜 내마모성을 향상시킴과 동시에 몰리브덴(Mo) 단분말을 첨가하여 고온에서의 윤활특성을 향상시키며, 압환하중이 우수하여 고부하의 자동차 엔진 밸브시트에 유용하게 사용될 수 있다.

이하, 본 발명의 밸브시트용 소결합금의 원료 분말의 조성, 평균 입자크기 및 배합 비율을 상기와 같은 범위로 한정한 이유에 대해 설명한다.

먼저, 본 발명에서 사용되는 탄소(C)는, 기지 조직에 고용되어 기지 조직을 강화시킴과 동시에, 내마모성을 향상시키기 위해 전체 밸브시트용 소결합금 조성에 대하여, 0.4~1.0중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소(C)의 함량이 0.4중량% 미만인 경우에는 강도 및 경도가 부족하고, 1.0중량%가 초과되면 과공석 탄화물의 양이 많아져 밸브의 마모를 촉진하고 인장강도가 감소되어 기지 조직의 안정성을 저하시킬 수 있다.

본 발명에서 코발트(Co)는 내열성 및 고온 경도를 증가시키기 위해 첨가된다. 상기 코발트(Co)는 연소가스 분위기에서의 내식성을 향상시킬 뿐만 아니라, 경질 입자와의 밀착성을 향상시키고, 내마모성 향상에 기여하는 역할을 하며, 그 함량은 전체 밸브시트용 소결합금 조성에 대하여, 0~3.0중량%로 첨가되는 것이 좋다.

본 발명에서 크롬(Cr)은 스테인레스강으로 내마멸성 및 절삭성을 증가시키기 위해 첨가되며, 그 함량은 전체 밸브시트용 소결합금 조성에 대하여 2.0~6.0중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.

다만, 과도한 첨가는 크롬 탄화물의 석출을 야기하여 상대재 공격성을 높여서 피삭성을 저하, 다시 말해, 마모를 증가시킬 수 있으므로, 상기 범위로 한정한다.

본 발명에서 몰리브덴(Mo)은 절삭성, 고온내마모성, 인장강도 및 경도를 증가시키기 위해 전체 밸브시트용 소결합금 조성에 대하여 7.0~15.0중량%의 범위로 첨가되는 것이 바람직하며, 기질의 템퍼링 연화 저항을 높이는 작용이 있어 가열과 냉각이 반복되는 밸브시트에서 사용 중의 세팅을 방지하는데 있어서 유효하다.

또한, 몰리브덴의 작용을 기지 전체에서 균일하게 얻기 위해서는 철-몰리브덴(Fe-Mo) 합금 분말의 형태로 부여하는 것이 바람직하고, 자기윤활 특성을 얻기 위해서는 몰리브덴(Mo) 단분말 형태로 부여하는 것이 바람직한데, 이때 각 분말의 평균 입자 크기는 철-몰리브덴(Fe-Mo) 합금 분말이 45~104 ㎛, 몰리브덴(Mo) 분말은 1.5~4 ㎛인 것이 좋다.

또한, 상기 철-몰리브덴(Fe-Mo)은 경질입자로서 전체 밸브시트용 소결합금 조성의 3.0~12.0중량%로 존재하도록 소결합금으로 구성되는 것이 바람직하다. 함량이 3중량% 미만이면 원하는 내마모성을 확보할 수 없고, 12.0중량%를 초과하면 상대 공격성이 높아져 상대재(밸브)를 마모시킬 우려가 있으며, 강도도 저하된다.

또한, 상기 몰리브덴(Mo) 분말은 전체 밸브시트용 소결합금 중에 1.0~5.0중량%로 존재하도록 소결합금으로 구성되는 것이 바람직한데, 1.0중량% 미만일 때는 원하는 자기윤활 특성을 확보할 수 없고, 5.0중량% 초과일 때는 내마모성이 저하될 수 있다.

본 발명에서 사용되는 니켈(Ni)은 철-몰리브덴(Fe-Mo) 합금 분말에 고용시키면 니켈(Ni)이 균일하게 되어, 베이나이트 단상 조직을 얻기 쉽다. 또한, 그 함량은 전체 밸브시트용 소결합금 조성의 1.0~5.0중량%가 되도록 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 규소(Si)는, 탈산제로서 밸브시트용 소결합금의 제조시 결정 입계에 편석 입계 탄화물의 석출을 저지하고, 입계 산화층을 동시에 저감시키는 역할을 한다. 또한, 그 함량은 전체 밸브시트용 소결합금 조성의 0.1~0.5중량%가 되도록 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 황화망간(MnS)은, 기지 중에 분산시킴에 따라 절삭 가공시 소결 합금의 피삭성을 개선할 수 있다. 이들 피삭성 개선 성분의 함량이 0.4중량% 미만이면 그 효과가 불충분하고, 1.5중량%를 초과하면 이들 성분이 소결 시, 분말끼리의 확산을 저해하여 소결합금의 강도가 저하한다. 따라서 그 함량은 전체 밸브시트용 소결합금 조성의 0.4~1.5중량%가 되도록 첨가하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예. 밸브시트용 소결합금 제조

하기 표 1에 나타낸 바와 같은 함량과 조성으로 배합하여 밸브시트용 소결합금을 제조하였다.

하기의 조성으로 배합된 분말은 15 ton/cm²의 압력에서 외경 29㎜, 내경 22 ㎜ 및 높이 8 ㎜의 원통형으로 성형한 다음, 암모니아 분해가스 분위기 중 1,100~1,150℃에서 60분간 소결한 후 600℃에서 90분간 템퍼링 하였다.

실험예.

상기 실시예에서 제조한 소결합금에 대해, 마이크로 비커스 경도 시험기 (MVK-H, AKASI, Japan)를 사용하여 경도를 측정하고 최대치와 최소치를 하기 표 2에 나타내었으며, 압환강도 및 마모시험을 수행하였다.

압환강도 측정은 만능재료시험기(Instron 4465, INSTRON, USA)의 램축과 시편의 원주방향이 일치하도록 하부램 상단에 시편을 고정시킨 후, 램 스피드 3mm/min로 가압하여 실시한 후 측정치를 아래의 수식에 대입하여 산출하고 측정값을 표 2에 나타내었다.

K = F(D-e) / Le² (KS D 0051 : 2002)

단, 상기에서 F는 파괴시의 최대하중(N), L은 중공원통의 지름(㎜), D는 중공원통의 외부 지름(㎜) 및 e는 중공원통의 벽의 두께(㎜)이다.

또한, 마모시험은 엔진 시뮬레이션(engine simulation) 시험 장치 (SINTERON, KOREA)를 사용하여 실시하였으며, 실제 엔진 실린더 환경과 유사하도록 구성하였다.

본 발명에서는 밸브시트의 내마모성 평가를 시험 전, 후의 밸브의 축방향 이동량 즉, 밸브 침하량으로 표시하여 평가하였으며, 열처리 및 기계가공이 완료된 각 시편을 전용 치구에 장착하고 밸브시트 형상으로 가공한 후 분당 1,500회 밸브를 개폐시키며 LPG를 연료로 사용하여 밸브시트 온도 400℃에서 15시간씩 고온 마모시험을 실시한 후 측정값을 표 2에 나타내었다.

그 결과, 상기 표 2에서 보는 바와 같이, Fe-Mo의 양이 많아지면 경도가 급증하여 밸브시트의 마모량이 급감하고, 동시에 압환강도는 증가하였다.

그러나, Fe-Mo의 양이 12.0중량%를 초과하면 경도는 증가하지만 압환강도가 저하되었으며, 경질상이 석출하기 쉽고 상대재(밸브) 공격성이 높아져 밸브의 마모가 촉진되어 밸브시트의 마모량을 증가시켰다.

또한, Mo의 양이 많아지면 윤활성이 향상되고 마모성은 좋아지지만, 5.0중량%를 초과하면 경도와 효과의 향상이 낮아졌으며, 1.0중량% 미만에서는 효과가 불충분하였다.

한편, Ni을 4.0중량%로 포함한 합금은 Ni을 그 미만으로 포함한 합금과 비교하여 기지가 단단하고 밸브시트의 마모량이 적었다. 또한, Ni이 증가함에 따라 경도 및 압환강도가 증가하였으며, 밸브와 밸브시트의 마모량이 낮아 안정하였다.

그러나, Ni을 5.0중량% 이상 함유한 합금에서는 밸브와 밸브시트의 마모량이 급증하였으며, 압환강도 역시 낮아졌다.

Cr의 경우에는, Cr의 양이 많아질수록 경도가 증가하고, 밸브 및 밸브시트의 마모량이 감소하며, 압환강도는 증가하는 것으로 확인되었다.

또한, C는, C의 양이 많아질수록 탄화물의 석출물이 많아져 경도가 증가하고, 밸브 및 밸브시트의 마모가 감소하여, 압환강도가 증가하였다.

상기와 같은 결과로부터, 본 발명에서는 내마모성 및 경도가 향상된 밸브시트용 소결합금을 얻을 수 있었으며, 밸브와의 매칭성 및 자기윤활성이 더욱 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

이상, 본 발명의 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다.

따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (8)

1. 탄소(C) 0.4~1.0중랑%, 니켈(Ni) 1.0~5.0중량%, 크롬(Cr) 2.0~6.0중량%, 몰리브덴(Mo) 7.0~15.0중량%, 코발트(Co) 0~3.0중량%, 규소(Si) 0.1~0.5중량%, 황화망간(MnS) 0.4~1.5중량% 및 잔부는 철(Fe)로 구성되고, 평균 입자크기가 45~180 ㎛인 밸브시트용 소결합금.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 밸브시트용 소결합금은, 기지 조직(Matrix)은 탄소(C), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co). 규소(Si), 황화망간(MnS) 및 철(Fe)로 이루어진 베이나이트로 하고, 경질입자로서 철-몰리브덴(Fe-Mo) 합금 분말과, 윤활제로 몰리브덴(Mo) 분말이 혼합하되,
   상기 철-몰리브덴(Fe-Mo) 합금 분말 및 몰리브덴(Mo) 분말은,
   평균 입자크기 45~104 ㎛의 철-몰리브덴(Fe-Mo) 합금 분말과 평균 입자크기 1.5~4 ㎛의 몰리브덴(Mo) 분말이 전체 밸브시트용 소결합금 조성에 대해 각각 3~12 중량% 및 1~5중량%로 혼합되는 것을 특징으로 하는 밸브시트용 소결합금.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. (1) 탄소(C) 0.4~1.0중랑%, 니켈(Ni) 1.0~5.0중량%, 크롬(Cr) 2.0~6.0중량%, 몰리브덴(Mo) 7.0~15.0중량%, 코발트(Co) 0~3.0중량%, 규소(Si) 0.1~0.5중량%, 황화망간(MnS) 0.4~1.5중량% 및 잔부의 철(Fe) 분말을 혼합하는 단계(S1);
   (2) 상기 S1 단계에서 혼합된 분말 합금을 소정 압력으로 상온 가압하여 밸브시트의 형상으로 성형하는 단계(S2); 및
   (3) 상기 S2 단계에서 성형된 성형체를 암모니아 분위기에서 1,100~1,500℃로 소결한 후 600℃에서 템퍼링 하는 단계(S3);를 포함하는 밸브시트용 소결합금의 제조방법.
   
8. 제7항의 방법으로 제조된 엔진의 밸브시트.