KR101238126B1 - 이종재질의 배기 밸브 스핀들 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이종재질의 배기 밸브 스핀들 제조방법에 관한 것으로서, 스템부 상단에 동일 직경을 가지는 이종 재질의 팁을 접합하는 팁 용접단계와, 용접비드(버르:Burr)를 제거하는 용접비드 제거단계와, 상기 팁을 포함하는 선단부를 전기 업셋(Electrical Upsetting) 장치로 예비 성형하여 예비성형부를 제작하는 예비 성형단계와, 상기 예비성형부를 일정 온도로 가열한 후 단조형틀에서 단조하여 헤드부를 성형하는 열간 단조단계, 및 상기 헤드부와 스템부로 형성된 밸브 스핀들을 열처리하는 열처리단계로 구성됨으로써, 팁을 구성하는 고가의 니켈(Ni)기 초내열 합금의 사용량을 최소화함과 동시에 내구성 향상은 물론 제조단가 절감을 통해 경제성을 확보할 수 있는 이종재질의 배기 밸브 스핀들 제조방법에 관한 것이다.

Description

이종재질의 배기 밸브 스핀들 제조방법{Manufacturing process for exhaust valve spindle with defferent materials}
본 발명은 이종재질의 배기 밸브 스핀들 제조방법에 관한 것으로서, 봉재 선단에 이종 재질의 팁을 용접하고 전기 업셋 장치로 예비성형부를 제작한 후, 상기 예비성형부를 열간 단조 및 열처리 과정을 통해 밸브 스핀들을 제작함으로써, 팁을 구성하는 고가의 니켈(Ni)기 초내열 합금의 사용량을 최소화하는 것은 물론 내구성과 경제성을 확보할 수 있는 이종재질의 배기 밸브 스핀들 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 내연기관, 특히 선박에 사용되는 4행정기관, 2행정기관인 디젤엔진의 배기 밸브 스핀들은 고온에서의 높은 강도와 내식성 및 내마모성이 요구되고 있다.
따라서 이러한 배기 밸브 스핀들은 니모닉(Nimonic) 80A로 알려진 고가의 니켈(Ni)기 초내열 합금을 이용하여 제작하거나, 또는 내열강으로 제조된 밸브헤드의 시크부 위에 스텔라이트(Stellite) 합금을 육성 용접하여 제조하는 육성 용접법, 헤드부의 표면에 초내열 합금인 인코넬(Inconel 625)을 용사(溶射)하여 제작하는 표면처리형, 밸브의 헤드부와 스템부를 다른 재료로 만들어 다양한 접합공정으로 접합하는 조합형 등이 이용되고 있다.
상기 제조방법 중 밸브의 헤드부와 스템부를 다른 재료로 만들고, 이들을 접합시키는 제조법에 대해서는 본 발명 출원인이 특허등록 제10-0543295호(2006년01월20일 공고)의 플라이휠 방식 마찰용접을 이용한 대형엔진용 경제형 배기 밸브 스핀들의 제조방법으로 선 출원 등록 받든 바 있다.
그러나 상기한 선행기술 등에서의 배기 밸브 스핀들 제조를 위해서는 니켈(Ni)기 초내열 합금 소재로 헤드부를 형성하고, 상기 헤드부의 일단에 스템부와 동일한 직경의 접합부를 형성한 후, 이 접합부를 마찰용접법을 이용하여 스템부와 서로 용접하였다.
그러나 상기와 같이 마찰용접법을 이용하는 종래의 밸브 스핀들 제조방법은 헤드부와 스템부를 결합하는 방식으로 인해 헤드부를 구성하는 고가의 니켈(Ni)기 초내열 합금의 사용량이 많아지게 되어 제조비용을 절감하는데 한계가 있었다.
또한 제조 비용의 절감을 위하여 마찰용접부분을 헤드부 쪽으로 이동하는 방법이 제안되고 있으나, 이와 같이 마찰용접부분을 헤드부 쪽으로 이동하는 방법은 매우 불합리한 방법으로서, 마찰용접부분의 이동으로 인해 마찰면적이 과도하게 커지게 되고, 또한 그에 따른 충분한 마찰용접 압력을 제공하기 위해서는 제조장비가 과도하게 커져야 하기 때문에 제조장비를 신설해야 하는 등의 시설비용이 추가 발생하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 첫째, 니켈(Ni)기 초내열 합금 소재로 헤드부 선단의 팁을 제작한 후 상기 팁을 봉재 선단에 용접하고 단조 성형하여 열처리하는 방법을 채택함으로써, 고가의 니켈(Ni)기 초내열 합금의 사용량을 최소화하여 제조단가를 절감할 수 있게 하고, 둘째, 내구성은 물론 기존의 마찰용접 장비를 그대로 활용할 수 있어 경제성을 확보할 수 있는 이종재질의 배기 밸브 스핀들 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 일정 길이의 스템부 상단에 동일 직경을 가지는 이종 재질의 팁을 마찰용접을 통해 접합하는 팁 용접단계와, 상기 팁 용접단계에서 마찰용접부위에 발생하는 용접비드(버르:Burr)를 제거하는 용접비드 제거단계와, 상기 팁을 포함하는 선단부를 전기 업셋(Electrical Upsetting) 장치로 예비 성형하여 예비성형부를 제작하는 예비 성형단계와, 상기 예비성형부를 일정 온도로 가열한 후 단조형틀에서 단조하여 헤드부를 성형하는 열간 단조단계, 및 상기 헤드부와 스템부로 형성된 밸브 스핀들을 열처리하는 열처리단계를 포함하여 구성된다.
여기서 상기 팁 용접단계는 상기 스템부와 팁을 플라이휠 방식으로 마찰 용접한다.
또한 상기 열간 단조단계는 상기 예비성형부를 전기 가열로에서 1100~1200℃의 온도로 가열하는 것이 바람직하다.
또 상기 열처리단계는 열처리로의 온도를 100℃/Hr 비율로 700℃까지 상승시킨 상태에서 16시간 방치 후 냉각하는 것이 바람직하다.
한편 상기 용접비드 제거단계 후 상기 마찰용접부위를 비파괴 방법으로 검사하는 검사단계를 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 고가의 니켈(Ni)기 초내열 합금 소재의 사용량이 감소되어 제조단가 절감을 통해 높은 경제성을 확보할 수 있는 효과가 있고, 또한 내구성이 우수하여 고품질의 밸브 스핀들 제작이 가능할 뿐아니라, 기존 마찰용접 장비의 활용이 가능하여 추가적인 설비비용의 절감을 통해 경제성과 생산성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 이종재질의 배기 밸브 스핀들 제조방법의 흐름도,
도 2는 본 발명의 이종재질의 배기 밸브 스핀들 제조방법의 공정도,
도 3은 본 발명의 열처리단계의 열처리 조건을 나타낸 도표이다.
이하 본 발명의 이종재질의 배기 밸브 스핀들 제조방법의 바람직한 일 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 이종재질의 배기 밸브 스핀들 제조방법의 흐름도를 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 이종재질의 배기 밸브 스핀들 제조방법의 공정도를 순차적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 이종재질의 배기 밸브 스핀들 제조방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 팁 용접단계(S10), 용접비드 제거단계(S20), 예비 성형단계(S30), 열간 단조단계(S40), 및 열처리단계(S50)로 구성된다.
여기서 팁 용접단계(S10)는 밸브 스핀들(100)의 스템부(70)와 동일한 직경를 가지는 일정 길이의 봉재 상단에 동일 직경을 가지는 이종 재질의 팁(10)을 마찰용접을 통해 접합하는 단계이다.
여기서 팁(10)은 고가의 니켈(Ni)기 초내열 합금 소재로 이루어지며, 스템부(70)를 구성하는 봉재는 니켈-크롬(Ni-Cr) 내열강 소재로 제작된다.
즉, 팁 용접단계(S10)는 가격이 상대적으로 저렴한 니켈-크롬(Ni-Cr) 내열강으로 길이가 긴 스템부(70)를 구성하고, 스템부(70)의 선단에 상대적으로 가격이 비싼 고가의 니켈(Ni)기 초내열 합금 팁(10)을 결합하는 공정이다.
이때 스템부(70)와 팁(10)은 마찰용접법을 이용하여 용접 결합시킨다.
마찰용접은 플라이휠 방식의 마찰 용접 방식을 이용할 수 있다.
플라이휠 방식의 마찰 용접은 본 출원인의 특허등록 제10-0543295호(2006년01월20일 공고)의 플라이휠 방식 마찰용접을 이용한 대형엔진용 경제형 배기 밸브 스핀들의 제조방법에서와 같이, 플라이휠 회전축과, 이 회전축과 소정간격으로 이격된 고정축에 각각 니켈(Ni)기 초내열 합금 팁(10)과 니켈-크롬(Ni-Cr) 내열강 구성의 봉재를 고정한 상태에서 플라이휠을 회전시키고, 상기 고정축을 플라이휠 쪽으로 가압하여 니켈(Ni)기 초내열 합금 팁(10)과 니켈-크롬(Ni-Cr) 내열강 구성의 봉재의 면접촉에 따른 마찰을 발생시켜 회전 관성모멘트 에너지를 열에너지로 자연스럽게 변환시킴과 동시에 가압하여 마찰면이 마찰용접 되도록 하는 것이다.
이에 대한 구체적인 실시예는 공지기술이므로 상세 설명은 생략하기로 한다.
한편 용접비드 제거단계(S20)는 팁 용접단계(S10)에서 마찰용접부위(5)에 발생하는 용접비드(버르:Burr)를 제거하는 단계이다.
용접비드 제거단계(S20)는 팁 용접단계(10)에서 니켈(Ni)기 초내열 합금 팁(10)과 니켈-크롬(Ni-Cr) 내열강 구성의 스템부(70) 봉재를 마찰 용접할 경우 마찰용접부위(5)에 용접비드(버르:burr)가 형성되므로 이를 선반을 이용하여 제거하는 단계이다.
한편 용접비드 제거단계(S20) 완료 후, 마찰용접부위(5)를 검사하는 검사단계(S25)를 수행하는 것이 바람직하다.
이때 마찰용접부위(5)는 비파괴방법으로 검사한다.
검사단계(S25)의 바람직한 예로는 약품 또는 방사성 기체를 이용한 PT(Penetrant Testing)검사나 초음파탐상검사(UT검사:Ultrasonic Testing) 방법을 이용한다.
따라서 검사단계(S25)는 상기 검사방법으로 마찰용접부위(5)를 검사한 후 용접 불량인 것을 선별하여 폐기하는 것이다.
한편 예비 성형단계(S30)는 니켈(Ni)기 초내열 합금 소재의 팁(10)이 부착된 선단부를 전기 업셋팅 머신(Electrical upsetting machine)으로 예비 성형하여 예비성형부(20)를 제작하는 단계이다.
즉, 예비 성형단계(S30)는 니켈-크롬(Ni-Cr) 내열강 구성의 봉재 스템부(70)에 마찰용접으로 니켈(Ni)기 초내열 합금 팁(10)을 결합한 상태에서 니켈(Ni)기 초내열 합금 팁(10)을 포함하는 선단부를 전기 업셋 예비성형장치에 투입하여 밸브 스핀들(100)의 헤드부(40))를 단조하기 좋게 덩어리 형태로 예비성형부(20))를 제작하는 것이다.
따라서 예비 성형단계(S30)는 전기 업셋 장치의 가열판에 니켈(Ni)기 초내열 합금 소재의 팁(10)이 부착된 선단부를 프레스로 가압하여 열 변형시킴으로써, 도시된 바와 같은 예비성형부(20)를 형성하는 것이다.
이때 예비성형부(20)는 니켈(Ni)기 초내열 합금 팁(10)이 선단에 넓게 일체로 위치하게 되는 것이다.
한편 열간 단조단계(S40)는 예비 성형단계(S30)에서 제작된 예비성형부(20)를 일정 온도로 가열한 후 단조형틀에서 단조하여 밸브 스핀들(100)의 헤드부(40)를 성형하는 단계이다.
따라서 열간 단조단계(S40)는 전기 업셋 장치에 의해 형성된 예비성형부(20)를 전기가열로에 투입한 상태에서 1100~1200℃ 온도로 가열하고, 이를 단조형틀에 내입한 후, 프레스로 가압하여 밸브 스핀들(100)의 헤드부(40)를 단조하여 제작하는 것이다.
이때 니켈(Ni)기 초내열 합금 팁(10)은 예비성형부(20)의 선단에 위치하기 때문에 도시된 바와 같이 내마모성을 극도로 요하는 배기 밸브 스핀들(100)의 헤드부(40)의 선단에만 위치하게 되는 것이다.
따라서 고가의 니켈(Ni)기 초내열 합금의 사용량을 최소화할 수 있게 되는 것이다.
한편 열처리단계(S50)는 헤드부(40)와 스템부(70)로 구성된 밸브 스핀들(100)을 열처리하는 단계로서 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 열처리단계(S50)의 열처리 조건을 나타낸 도표이다.
열간 단조단계(S40)에서 열간 단조를 수행할 때 니켈(Ni)기 초내열 합금 팁(10)은 풀림된 상태이기 때문에 니켈(Ni)기 초내열 합금 고유의 내마모성을 제공하기 위해서 열처리를 수행해야 한다.
열처리단계(S50)에서의 열처리의 바람직한 방법으로는 도 3에 도시된 바와 같이, 열처리로의 온도를 100℃/Hr(시간당 100℃ 상승) 비율로 700℃까지 상승시킨 상태에서 16시간 방치한 후, 동일한 비율로 냉각시키는 방법으로 담금질한다.
밸브 스핀들(100)은 이와 같은 열처리단계(S50)를 통해 니켈(Ni)기 초내열 합금 고유의 내마모성을 얻을 수 있게 되는 것이다.
따라서 본 발명은 니켈(Ni)기 초내열 합금 소재로 팁(10)을 제작한 후, 상기 팁(10)을 포함하는 밸브 스핀들(100)의 헤드부(40)를 제작함으로써, 고가의 니켈(Ni)기 초내열 합금의 사용량을 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 제조단가를 절감할 수 있게 되고, 또한 마찰용접 면적을 확대하지 않고 제작 가능하여 기존의 마찰용접 장비를 그대로 활용할 수 있어 경제성을 확보할 수 있는 밸브 스핀들을 제작할 수 있게 되는 것이다.
이상, 상기의 실시 예는 단지 설명의 편의를 위해 예시로서 설명한 것에 불과하므로 특허청구범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술 범주 내에서 다양한 변형 적용이 가능할 것이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
5 : 마찰용접부위 10 : 팁
20 : 예비성형부 40 : 헤드부
70 : 스템부 100 : 밸브 스핀들
S10 : 팁 용접단계
S20 : 용접비드 제거단계
S25 : 검사단계
S30 : 예비 성형단계
S40 : 열간 단조단계
S50 : 열처리단계

Claims (5)

  1. 일정 길이의 스템부 상단에 동일 직경을 가지는 이종 재질의 팁을 마찰용접을 통해 접합하는 팁 용접단계;
    상기 팁 용접단계에서 마찰용접부위에 발생하는 용접비드(버르:Burr)를 제거하는 용접비드 제거단계;
    상기 팁을 포함하는 선단부를 전기 업셋(Electrical Upsetting) 장치로 예비 성형하여 예비성형부를 제작하는 예비 성형단계;
    상기 예비성형부를 일정 온도로 가열한 후 단조형틀에서 단조하여 헤드부를 성형하는 열간 단조단계; 및
    상기 헤드부와 스템부로 형성된 밸브 스핀들을 열처리하는 열처리단계;
    를 포함하여 구성되는 이종재질의 배기 밸브 스핀들 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 팁 용접단계는 상기 스템부와 팁을 플라이휠 방식으로 마찰 용접하는 것을 특징으로 하는 이종재질의 배기 밸브 스핀들 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열간 단조단계는 상기 예비성형부를 전기 가열로에서 1100~1200℃의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 이종재질의 배기 밸브 스핀들 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열처리단계는 열처리로의 온도를 100℃/Hr 비율로 700℃까지 상승시킨 상태에서 16시간 방치 후 냉각하는 것을 특징으로 하는 이종재질의 배기 밸브 스핀들 제조방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용접비드 제거단계 후 상기 마찰용접부위를 비파괴 방법으로 검사하는 검사단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종재질의 배기 밸브 스핀들 제조방법.









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