KR101757220B1 - 내마모성이 우수한 내연기관용 철계 소결 합금 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 코발트를 함유한 철계 합금분말 60 내지 90 중량%, 분산강화용 합금분말 10 내지 40 중량% 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 내연기관용 철계 소결 합금 조성물 및 이의 제조방법, 내연기관용 철계 소결 합금 조성물을 이용한 밸브시트에 관한 것이다.
Description
본 발명은 내연기관용 철계 소결 합금 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내마모성 및 내열성이 향상된 내연기관용 철계 소결 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
밸브시트(valve seat)는 실린더 헤드의 각 연소실 내부에 압입되어, 밸브 작동시 혼합가스 및 폭발가스를 흡입 배출하고, 밸브와 맞닿아 닫힌 후 연소실 기밀을 보존하고, 가스의 누설을 방지하며 밸브의 열을 발산하여 과열을 방지하는 기능을 한다. 이러한 기능을 유지하기 위하여 밸브시트는 높은 내열성 및 내마모성이 요구되며, 헤드 압입 후 가공 시 공구(tool) 마모를 최소화할 수 있도록 높은 가공성을 요구되고 있다.
종래 밸브시트 제조공정은 기 원료를 배합하고, 성형하며, 소결한 후 단조 및 열처리하여 가공하는 단계를 거쳐서 제조된다. 상기와 같은 밸브시트의 제조방법으로 한국 공개특허 제2014-0006520호에서는 구리를 주성분으로 하는 밸브시트용 구리합금소재를 제시한 바 있다.
이와 같이 자동차용 밸브시트는 엔진효율 향상에 대한 요구가 증가함에 따라 더욱 가혹한 하중, 온도, 연소압력에 노출되어 향상된 고온 기계적 특성을 지닌 고온/고강도용 합금 개발의 필요성이 꾸준히 대두되어 왔다.
한편, 미세한 산화물 입자로서 분산강화(dispersion strengthening)한 분산강화 합금이 내열합금 개발분야에서 주목되고 있다. 대표적인 분산강화 합금으로는 MA956, MA758 MA6000 등이 있으며, 분산 입자로서 각각 이트리아(Y2O3) 및 알루미나(Al2O3)등이 이용된다.
일반적으로 분산강화 합금에서는 온도 상승에 따른 강도 저하가 비교적 적어 내열성이 높은 특징을 가지고 있다. 특히 내열합금의 분체중에 이트리아(Y2O3)의 미립자를 메커니컬 알로잉(mechanical alloying ; MA)법에 의하여 분산시켜 복합분말을 만들어 이것을 압분ㆍ소결한 후 다시 열간가공을 하여서 만든 경우가 많다. 그 예로 MA754 합금(20% Cr-Ni/0.6Y2O3), MA956 합금(20% Cr-Fe/0.5Y2O3), MA6000E 합금(Ni 기초합금/1.1Y2O3) 등이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 내열성 및 내마모성이 향상된 내연기관용 철계 소결 합금을 제공함에 있다.
또한 본 발명은 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 내연기관용 철계 소결 합금을 이용한 내연기관용 밸브시트를 제공한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금 조성물은 코발트를 함유한 철계 합금분말 60 내지 90 중량%, 분산강화용 합금분말 10 내지 40 중량% 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금 조성물에 있어, 상기 철계 합금분말은 탄소 0.5 내지 2.0 중량%, 니켈 1.0 내지 4.0 중량%, 코발트 2 내지 8 중량%, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금 조성물에 있어, 상기 분산강화용 합금분말은 Fe계 분산강화용 합금분말 및 Ni계 분산강화용 합금분말 중에서 적어도 하나 이상을 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금 조성물에 있어, 상기 Fe계 분산강화용 합금분말은 크롬 15 내지 20 중량%, 알루미늄 1.0 내지 6.0 중량%, 티타늄 0.3 내지 1.0 중량%, 이트리아 0.3 내지 1.3 중량%, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금 조성물에 있어, 상기 Ni계 분산강화용 합금분말은 크롬 26 내지 32 중량%, 알루미늄 0.1 내지 1.0 중량%, 티타늄 0.3 내지 1.0 중량%, 이트리아 0.3 내지 1.3 중량%, 잔부 니켈 및 기타 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
또한 본 발명은 상술한 내연기관용 철계 소결 합금 조성물을 이용한 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법은 a) 코발트를 함유한 철계 합금분말 60 내지 90 중량%, 및 분산강화용 합금분말 10 내지 40 중량%을 포함하는 내연기관용 철계 소결 합금 조성물을 배합하는 단계; b) 배합된 철계 소결 합금 조성물을 5 내지 10 ton/cm2 으로 가압하여 성형체를 제조하는 단계; c) 상기 성형체를 1차 소결하는 단계; d) 1차 소결된 소결체를 단조공정을 수행한 후 2차 소결하는 단계; 및 e) 2차 소결된 소결체를 복합 열처리하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법에 있어, 상기 철계 합금분말은 탄소 0.5 내지 2.0 중량%, 니켈 1.0 내지 4.0 중량%, 코발트 2 내지 8 중량%, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법에 있어, 상기 분산강화용 합금분말은 Fe계 분산강화용 합금분말 및 Ni계 분산강화용 합금분말 중에서 적어도 하나 이상을 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법에 있어, 상기 Fe계 분산강화용 합금분말은 크롬 15 내지 20 중량%, 알루미늄 1.0 내지 6.0 중량%, 티타늄 0.3 내지 1.0 중량%, 이트리아 0.3 내지 1.3 중량%, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법에 있어, 상기 Ni계 분산강화용 합금분말은 크롬 26 내지 32 중량%, 알루미늄 0.1 내지 1.0 중량%, 티타늄 0.3 내지 1.0 중량%, 이트리아 0.3 내지 1.3 중량%, 잔부 니켈 및 기타 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법에 있어, 상기 1차 소결은 1000 내지 1300℃에서 30분 내지 120분 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법에 있어, 상기 2차 소결은 1000 내지 1300℃에서 30분 내지 120분 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법에 있어, 상기 e) 단계는 e1) 상기 2차 소결된 소결체를 800 내지 1000℃에서 열처리하는 소입 단계; 및 e2) 소입된 소결체를 500 내지 700 ℃에서 열처리하는 소려 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법에 있어, 상기 a) 단계 이전에, 상기 분산강화용 합금분말의 평균입경이 10 um 이하(0 미포함)가 되도록 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 상술한 내연기관용 철계 소결 합금 조성물을 포함하는 내연기관용 밸브시트를 포함한다.
본 발명에 따른 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법은 고온 기계적 특성이 뛰어난 분산강화용 합금분말을 사용하여 내열성 및 내마모성이 향상된다.
또한, 본 발명은 분산강화용 합금분말을 이용함으로써, 금속기지에 열적 안정성이 우수한 미세 산화물 입자가 전위의 이동을 효과적으로 제한하여 재료의 고온 내마모성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법을 도시한 공정 순서도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산강화용 합금분말이 밸브시트에 도입되는 것을 도시한 모식도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 밸브시트의 조직을 도시한 광학현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산강화용 합금분말이 밸브시트에 도입되는 것을 도시한 모식도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 밸브시트의 조직을 도시한 광학현미경 사진이다.
이하 본 발명에 관하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예 및 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 또한, 본 발명의 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한, 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다" 및/또는 "포함하는"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명을 서술함에 있어, "분산강화용 합금분말"은 산화물이 분산되어 형성된 분산강화용 합금분말(ODS)을 의미한다. 상세하게, 상기 분산강화용 합금분말은 이트리아(Y2O3), 알루미나(Al2O3) 등에서 적어도 하나 이상으로 된 산화물과, 알루미늄, 전이금속 등에서 적어도 둘 이상으로 된 합금으로 형성되는 것일 수 있다. 보다 상세하게, 상기 분산강화용 합금분말은 아토마이징 공정을 이용하여 미립 합금분말(atomization powder)로 제조되거나, 기계적합금화(mechanical alloing)법을 이용하여 합금분말로 제조될 수 있다.
본 출원인은 내연기관내 가혹한 환경하에서 마찰마모, 고온강도, 및 내열성을 가지는 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법에 관하여 연구한 결과, 내연기관용 철계 소결 합금을 이용한 밸브시트는 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 등의 성분을 함유하고 있어서, 단순히 이러한 성분으로 이루어지는 내연기관용 밸브시트는 고가이며 고온에서 내마모성 등이 저하되는 문제가 있음을 확인하였다.
본 출원인은 이러한 문제점을 해결하기 위해, 철계 합금분말로 이루어지는 기지 내에 분산강화용 합금분말로 이루어지는 입자를 분산시킴으로써, 고가의 금속이 과량 사용되는 것을 방지하며, 또한 상기 기지에 소정 함량의 분산강화용 합금분말이 첨가되는 경우 오히려 내열성 및 내마모성이 더 향상되는 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법을 개발하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법을 도시한 공정 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산강화용 합금분말이 내연기광용 밸브시트에 도입되는 것을 도시한 모식도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 밸브시트의 조직을 도시한 광학현미경 사진이다.
우선, 본 발명에 따른 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법을 설명하기로 한다.
즉, 본 발명에 따른 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법은 a) 코발트를 함유한 철계 합금분말 60 내지 90 중량%, 및 분산강화용 합금분말 10 내지 40 중량%을 포함하는 내연기관용 철계 소결 합금 조성물을 배합하는 단계; b) 배합된 철계 소결 합금 조성물을 5 내지 10 ton/cm2 으로 가압하여 성형체를 제조하는 단계; c) 상기 성형체를 1차 소결하는 단계; d) 1차 소결된 소결체를 단조공정을 수행한 후 2차 소결하는 단계; 및 e) 2차 소결된 소결체를 복합 열처리하는 단계를 포함한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법은 배합 단계(S10), 가압 성형 단계(S20), 1차 소결 단계(S30), 2차 소결 단계(S40), 및 열처리 단계(S50)을 포함하여 이루어진다.
상세하게, 상기 배합 단계(S10)는 코발트를 함유한 철계 합금분말과 분산강화용 합금분말을 배합하는 단계를 의미한다. 이때, 상기 철계 합금분말은 60 내지 90 중량%로, 분산강화용 합금분말은 10 내지 40 중량%로 배합된다. 여기서, 상기 분산강화용 합금분말은 Fe계 분산강화용 합금분말 및 Ni계 분산강화용 합금분말 중에서 적어도 하나 이상을 포함하여 이루어지는 것일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법에 있어, 상기 철계 합금분말은 탄소 0.5 내지 2.0 중량%, 니켈 1.0 내지 4.0 중량%, 코발트 2 내지 8 중량%, 및 잔부의 철로 이루어질 수 있다. 이와 같은 조성을 가지는 철계 소결 합금은 내연기관 내부의 가혹한 환경하에서 발생하는 표면피로마모, 부식마모 등의 현상이 방지될 수 있다.
또한, 상기 분산강화용 합금분말은 Fe계 분산강화용 합금분말 및 Ni계 분산강화용 합금분말 중에서 적어도 하나 이상을 포함하여 이루어질 수 있다.
상세하게, 상기 Fe계 분산강화용 합금분말은 크롬 15 내지 20 중량%, 알루미늄 1.0 내지 6.0 중량%, 티타늄 0.3 내지 1.0 중량%, 이트리아(Y2O3) 0.3 내지 1.3 중량%, 및 잔부의 철로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 Ni계 분산강화용 합금분말은 크롬 26 내지 32 중량%, 알루미늄 0.1 내지 1.0 중량%, 티타늄 0.3 내지 1.0 중량%, 이트리아(Y2O3) 0.3 내지 1.3 중량%, 및 잔부의 니켈로 이루어질 수 있다.
만약, 상기 분산강화용 합금분말이 상기 Fe계 분산강화용 합금분말 및 Ni계 분산강화용 합금분말을 포함해서 사용되는 경우, 상기 Fe계 분산강화용 합금분말 및 Ni계 분산강화용 합금분말의 중량비는 1:0.5 내지 2.0 일 수 있다.
이와 같은 분산강화용 합금분말을 이용하여 제조된 내연기관용 철계 소결 합금은 철계 합금분말과 분산강화용 합금분말간의 밀착성을 향상시킬 수 있고, 또한 최종 제조된 철계 소결 합금의 내마모성을 증대시킬 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 배합 단계(S10) 이후에 가압 성형 단계(S20)를 수행하게 되는데, 상기 가압 성형 단계(S20)는 상기 배합 단계(S10)에서 배합된 합금분말을 금형에 충진하고 소정의 압력으로 가압하여 성형체를 제조하는 단계를 의미한다.
이때, 상기 압력은 5 내지 10 ton/cm2 일 수 있고, 바람직하게는 6 내지 9 ton/cm2 , 더욱 바람직하게는 7 내지 9 ton/cm2 일 수 있다. 또한, 상기 압력 범주는 본 발명의 목적달성에 좋다.
구체적이고 비한정적일 일 예로, 가압 방법은 기계적인 프레스, 유압 프레스 등의 프레스 성형에 의해 수행될 수 있다.
다음으로, 상기 S20에서 성형된 성형체를 소결하는 1차 소결 단계(S30)를 수행한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법에 있어, 상기 1차 소결 온도는 후술할 2차 소결 온도와 동일하거나, 2차 소결 온도보다 낮을 수 있다.
상세하게, 상기 1차 소결 온도는 1000 내지 1300℃ 일 수 있으며, 바람직하게는 1000 내지 1200℃, 더 바람직하게는 1050 내지 1100℃ 일 수 있다. 또한, 상기 1차 소결시, 유지시간은 30분 내지 120분 일 수 있고, 바람직하게는 40 내지 100분 일 수 있으며, 더 바람직하게는 40 내지 80분 일 수 있다.
이어서, 상기 S30에서 1차 소결된 소결체를 한번 더 소결하는 2차 소결 단계(S40)를 수행한다.
이때, 1차 소결된 소결체를 단조공정을 수행한 후 상기 2차 소결 단계(S40)를 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 단조공정은 이 분야에서 통상적으로 사용되는 공정이면 제한 없이 사용될 수 있으나, 예를 들면, 열간 단조공정인 것이 바람직하고, 열간 단조공정시 온도는 500℃ 이상, 바람직하게는 1000 내지 1300℃에서 수행될 수 있으나, 본 발명이 상기 열간 단조공정의 온도에 한정되지는 않는다.
이와 같이, 본 발명은 상술한 배합 단계(S10), 가압 성형 단계(S20), 1차 소결 단계(S30) 및 2차 소결 단계(S40)를 수행함으로써, 본 발명에 따른 내연기관용 철계 소결 합금의 가공성을 향상시킬 수 있고, 분산강화용 합금분말 간의 응집을 방지할 수 있으며, 분산강화용 합금분말의 조대화를 방지할 수 있다.
마지막으로, 상기 2차 소결 단계(S40)에서 2차 소결된 소결체를 400 내지 1000℃에서 열처리하는 열처리 단계(S50)를 수행한다.
상세하게, 상기 열처리 단계(S50)는 소입 단계 및 소려 단계를 포함할 수 있다.
상기 소입단계 및 소려단계 시, 열처리 온도, 열처리 분위기, 유지시간 등은 이 분야에서 통상적으로 이용되는 것이면 제한 없이 수행될 수 있으나, 예를 들면, 상기 소입단계시 열처리 온도는 800 내지 1000℃ 일 수 있고, 상기 소려단계 시 열처리 온도는 500 내지 700℃ 일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법에 있어, 상기 배합 단계(S10) 이전에, 상기 분산강화용 합금분말의 평균입경이 10 ㎛ 이하(0 미포함)가 되도록 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 분쇄하는 단계는 물리적인 힘에 의해 분쇄되는 단계를 의미하며, 일 예로 분쇄, 파쇄, 해쇄 등의 공정을 포함할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 분산강화용 합금분말의 평균입경은 0.5 내지 10 ㎛ 이하가 바람직하며, 더 바람직하게는 1 내지 10 ㎛ 일 수 있다.
상기 분산강화용 합금분말가 상기 평균입경 범주를 만족하는 경우, 상기 분산강화용 합금분말이 기지 합금과 결합될 시 발생되는 결합상 응집(binderpool)을 방지할 수 있으며, 또한 젖음성(wettability)이 우수하여 인성이 낮아지고, 입자간 거리에 영향을 받는 입자 석출 및 분산 강화 효과(Orowan 강화)가 증대될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법에 있어, 상기 배합 단계(S10) 시, 코발트를 함유한 철계 합금분말 및 분산강화용 합금분말에 그 밖의 첨가제, 예컨대 증발성 윤활제, 고체 윤활제, 가공성 증진제(machinability enhancing agent) 등과 혼합될 수 있다. 이때 상기 첨가제의 함량은 상기 철계 합금분말 및 분산강화용 합금분말 전체 100 중량부 대비 0.1 내지 20 중량부 일 수 있다.
상기 첨가제는 분말 도금 분야에서 사용되는 통상적인 첨가제일 수 있으며, 예를 들면, 상기 증발성 윤활제로는 왁스, 스테아레이트, 금속 비누(metal soap) 등이 사용될 수 있으며, 상기 고체 윤활제로는 MnS, CaF2, MoS2 등에서 적어도 하나 이상 사용될 수 있다. 이때, 상기 고체 윤활제는 상기 철계 합금분말 및 분산강화용 합금분말 전체 100 중량부 대비 0.1 내지 10 중량부, 바람직하게는 1 내지 5 중량부로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법에 있어, 상술한 1차 소결 단계(S30)와 2차 소결 단계(S40) 사이에 1차 소결된 소결체를 상온으로 냉각하는 공정을 적어도 1회 이상 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상술한 2차 소결 단계(S40) 이후에 상술한 2차 소결된 소결체를 상온 또는 영하의 온도로 냉각하는 공정을 적어도 1회 이상 포함할 수 있다.
상세하게, 상기 2차 소결 단계(S40) 이후에 상술한 소입단계가 수행되는데, 소입단계가 완료된 후에 소결체를 영하의 온도로 냉각하는 제1 냉각공정을 수행할 수 있다. 이때, 냉각 온도는 -50 내지 -150 ℃일 수 있다.
또한, 상기 제1 냉각공정이 완료된 소결체를 상술한 소려단계를 수행한 후, 영하의 온도로 냉각하는 제2 냉각공정을 더 수행할 수 있다. 이때, 냉각 온도는 상기 제1 냉각공정의 온도와 유사하거나 동일할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 2차 소결된 소결체를 냉각하는 냉각 단계를 수행함으로써, 철계 소결 합금 내에 존재할 수 있는 미량의 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태되면서 강도 및 내마모성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법에 이용된 내연기관용 철계 소결 합금 조성물을 제공한다.
즉, 본 발명에 따른 내연기관용 철계 소결 합금 조성물은 코발트를 함유한 철계 합금분말 60 내지 90 중량%, 분산강화용 합금분말 10 내지 40 중량% 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.
상술한 바와 같이, 상기 철계 합금분말은 탄소 0.5 내지 2.0 중량%, 니켈 1.0 내지 4.0 중량%, 코발트 2 내지 8 중량%, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 분산강화용 합금분말은 Fe계 분산강화용 합금분말 및 Ni계 분산강화용 합금분말 중에서 적어도 하나 이상을 포함하여 이루어질 수 있다.
상세하게, 상기 Fe계 분산강화용 합금분말은 크롬 15 내지 20 중량%, 알루미늄 1.0 내지 6.0 중량%, 티타늄 0.3 내지 1.0 중량%, 이트리아 0.3 내지 1.3 중량%, 및 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 Ni계 분산강화용 합금분말은 크롬 26 내지 32 중량%, 알루미늄 0.1 내지 1.0 중량%, 티타늄 0.3 내지 1.0 중량%, 이트리아 0.3 내지 1.3 중량%, 및 잔부 니켈 및 기타 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어, 상기 철계 소결 합금 조성물은 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법에 이용된 첨가제를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 내연기관용 철계 소결 합금 조성물을 포함하는 내연기관용 밸브시트를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 내연기관용 밸브시트는 6.9 내지 8.0 g/cm3, 바람직하게는 7.4 내지 7.6 g/cm3의 밀도를 가질 수 있다. 또한, 상기 소결합금재 밸브시트는 300 내지 600 MPa, 바람직하게는 400 내지 500 MPa의 압환강도를 가질 수 있다.
이하 본 발명에 따른 내연기관용 철계 소결 합금에 첨가되는 각 성분의 함량 범위 및 그 제한 이유에 대하여 설명하기로 한다.
탄소: 0.5 내지 2.0 중량%
탄소(C)는 기지 조직에 고용되어 기지 조직을 강화시킴과 동시에, 크롬(Cr), 코발트(Co) 등과 탄화물을 형성하여 내마모성을 향상시키는데 있어서 철계 합금분말 전체 성분의 0.5 내지 2.0 중량%가 되도록 한다.
탄소(C)가 상기한 하한치보다 적으면 본래의 효과를 얻을 수 없으며, 탄소가 상기한 상한치보다 너무 많으면, 기지에 시멘타이트(Cementite)를 형성시키거나, 소결시에 액상을 형성하여 기지 조직의 안정성을 저하시킬 수 있다.
니켈: 1.0 내지 4.0 중량%
니켈(Ni)은 기지 조직에 고용되어 강도 및 내열성을 향상시키나, 1.0 중량% 미만이면 내열성 개선에 효과가 없으며, 4.0 중량%를 초과하면 국부적으로 잔류 오스테나이트(Austenite) 조직이 과량 분포하게 되어 내마모성을 저하시킨다.
코발트: 2 내지 8 중량%
코발트(Co)는 기지 조직 및 분산강화용 합금분말에 고용되어 고온 강도 및 내열성을 향상시키며, 특히 기지 조직에 고용된 2 내지 8 중량%의 코발트(Co)는 기지 조직과 분산강화용 합금분말 간의 결합력을 증대시켜 분산강화용 합금분말의 탈락에 의한 마모를 방지할 수 있다. 또한, 분산강화용 합금분말로 이루어진 입자간의 응집을 방지할 수 있다.
분산강화용 합금분말 : 10 내지 40 중량%:
10 내지 40 중량%의 분산강화용 합금분말은 내연기관용 엔진에서와 같은 가혹한 환경하에서 기지상으로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있으며, 강도와 내마모성을 향상시킨다. 이때, 상기 분산강화용 합금분말이 10 중량% 미만이면 내마모성 개선에 효과가 없으며, 40 중량%를 초과하면 다량의 산화물로 인해 밸브시트가 브리틀(brittle)화가 일어나 강도가 저하되고 상대재(밸브)의 마모를 촉진시킨다.
분산강화용 합금분말의 조성 중 크롬(Cr)은 사용 환경 온도가 높고 분산강화용 합금분말의 산화 피막의 생성이 많아질 경우, 분산강화용 합금분말의 산화 피막의 박리가 발생하기 때문에, 분산강화용 합금분말의 산화를 억제하는데 유효하다.
상세하게, 분산강화용 합금분말의 조성 중 크롬의 함량이 15 중량% 미만이면 분산강화용 합금분말의 산화 피막이 너무 두꺼워져서 산화 마모되기 쉬우며, 크롬의 함량이 20중량% 초과이면 고체 윤활제가 되는 산화 피막의 형성이 억제된다.
분산강화용 합금분말의 조성 중 티타늄(Ti)은 본 발명에 따른 분산강화용 합금분말 의 취성을 낮추는 역할을 한다. 즉, 상기 티타늄은 0.3 내지 1.0 중량%로 첨가되는 것이, 본 발명에 따른 내연기관용 밸브시트의 취성 감소, 내열성 및 내식성의 향상에 바람직하다.
분산강화용 합금분말의 조성 중 알루미늄(Al)은 본 발명에 따른 분산강화용 합금분말의 내마모성을 더욱 촉진하는 역할을 한다. 즉, 상기 알루미늄은 1.0 내지 6.0 중량%가 바람직하며, 상기 범주를 만족하는 경우 본 발명에 따른 목적달성에 좋다.
분산강화용 합금분말의 조성 중 이트리아(Y2O3)는 분산강화용 합금분말 내에 분산되어 분산강화용 합금분말을 강화할 뿐만 아니라, 고온 환경하에서 소결합금으로 사용 시에도 발현될 수 있다. 즉, 상기 이트리아는 0.3 내지 1.3 중량%가 바람직하며, 상기 범주를 만족하는 경우 밸브와 응착 마모를 억제할 수 있어 내마모성이 증대될 수 있다.
이하 본 발명의 구체적인 설명을 위하여 하기의 실시예를 들어 상세하게 설명하겠으나, 본 발명이 다음 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 : Fe계 분산강화용 합금분말을 이용한 밸브시트의 제조
본 실시예에서는 밸브시트 제조를 위하여 Fe계 분산강화용 합금분말을 사용하여 밸브시트를 제조하였다. 실시예 1에 따른 철계 소결 합금의 조성은 중량%로 하기 표 1에 수록하였고, Fe계 분산강화용 합금분말은 기계적합금화법(MA)에 의해 제조된 것으로 상세한 조성은 표 3에 수록하였다.
| 밸브시트번호 | 기지상 조성 | 고체 윤활제 | Fe계 분산강화용 합금분말 | 제조방법 | |||||
| Fe | C | Ni | Co | 기타 | MnS | CaF2 | |||
| 1-1 | Bal. | 1.2 | 2.0 | 4.0 | 2.0 | 2.0 | 0.5 | 10 | 2P2S |
| 1-2 | Bal. | 1.2 | 2.0 | 4.0 | 2.0 | 2.0 | 0.5 | 20 | 2P2S |
| 1-3 | Bal. | 1.2 | 2.0 | 4.0 | 2.0 | 2.0 | 0.5 | 30 | 2P2S |
| 1-4 | Bal. | 1.2 | 2.0 | 4.0 | 2.0 | 2.0 | 0.5 | 40 | 2P2S |
| 1-5 | Bal. | 1.2 | 2.0 | 2.0 | 2.0 | 2.0 | 0.5 | 30 | 2P2S |
| 1-6 | Bal. | 1.2 | 2.0 | 8.0 | 2.0 | 2.0 | 0.5 | 30 | 2P2S |
| 3-1 | Bal. | 1.2 | 2.0 | 1.0 | 2.0 | 2.0 | 0.5 | 30 | 2P2S |
| 3-2 | Bal. | 1.2 | 2.0 | 9.0 | 2.0 | 2.0 | 0.5 | 30 | 2P2S |
| 3-3 | Bal. | 1.2 | 2.0 | 4.0 | 2.0 | 2.0 | 0.5 | 5 | 2P2S |
| 3-4 | Bal. | 1.2 | 2.0 | 4.0 | 2.0 | 2.0 | 0.5 | 50 | 2P2S |
상기 Fe계 분산강화용 합금분말을 배합기에 넣은 후, 20 rpm, 1 시간동안 배합하였다. 배합 후, 혼합된 합금분말을 밸브시트 형상의 금형에 충진하고 8 ton/cm2의 압력으로 성형해주었고, 성형된 합금분말을 1100℃에서 60분 동안 1차 소결(예비 소결)하였다.
이어서 1차 소결된 소결체를 상온까지 냉각한 후 1100℃에서 열간 단조공정을 실시한다. 이때 단조 압력은 약 5 ton/cm2 이었고, 단조공정이 완료된 후 상온까지 오일 냉각하였다.
다음으로, 단조공정이 완료된 소결체를 1150℃에서 90분 동안 2차 소결(본 소결)하였다. 2차 소결이 완료된 소결체를 상온까지 냉각하였다. 이 후 900℃에서 1시간 동안 소입하였고, 소입이 완료된 소결체를 -100℃에서 15분 동안 냉각하였다.
마지막으로, 냉각된 소결체를 2시간 동안 600℃까지 상승한 후 2시간 동안 소려하였다.
도 2에는 상기와 같이 분산강화용 합금분말이 밸브시트에 도입되는 것을 모식화하여 나타내었다.
실시예 2 : Ni계 분산강화용 합금분말을 이용한 밸브시트의 제조
Fe계 분산강화용 합금분말 대신 Ni계 분산강화용 합금분말을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 실시예 2에 따른 철계 소결 합금의 조성은 중량%로 하기 표 2에 수록하였고, Ni계 분산강화용 합금분말은 기계적합금화법(MA)에 의해 제조된 것으로 상세한 조성은 표 3에 수록하였다.
한편, 표 1 및 표 2에서 "2P2S"는 2회 press와 2회 sintering(소결)을 의미한다.
| 밸브시트번호 | 기지상 조성 | 고체 윤활제 | Ni계 분산강화용 합금분말 | 제조방법 | |||||
| Fe | C | Ni | Co | 기타 | MnS | CaF2 | |||
| 2-1 | Bal. | 1.2 | 2.0 | 4.0 | 2.0 | 2.0 | 0.5 | 10 | 2P2S |
| 2-2 | Bal. | 1.2 | 2.0 | 4.0 | 2.0 | 2.0 | 0.5 | 20 | 2P2S |
| 2-3 | Bal. | 1.2 | 2.0 | 4.0 | 2.0 | 2.0 | 0.5 | 30 | 2P2S |
| 2-4 | Bal. | 1.2 | 2.0 | 4.0 | 2.0 | 2.0 | 0.5 | 40 | 2P2S |
| 조성 | |||||||||||
| Fe | Ni | Co | Mo | Cr | W | Si | Al | Ti | Y | 기타 | |
| Fe계 분산강화용 합금분말 | Bal. | - | - | - | 17 | - | - | 4.5 | 0.5 | 0.7 | 2.0 이하 |
| Ni계 분산강화용 합금분말 | - | Bal. | - | - | 30 | - | - | 0.3 | 0.5 | 0.7 | 2.0 이하 |
비교예 1
실시예 1과 동일하게 실시하되, 기지상 조성 중 Co를 1.0 중량%로 하여 실시하였다. 상세한 조성은 표 1(밸브시트번호 3-1)에 수록하였다.
비교예 2
실시예 1과 동일하게 실시하되, 기지상 조성 중 Co를 9.0 중량%로 하여 실시하였다. 상세한 조성은 표 1(밸브시트번호 3-2)에 수록하였다.
비교예 3
실시예 1과 동일하게 실시하되, Fe계 분산강화용 합금분말의 함량을 5 중량%로 하여 실시하였다. 상세한 조성은 표 1(밸브시트번호 3-3)에 수록하였다.
비교예 4
실시예 1과 동일하게 실시하되, Fe계 분산강화용 합금분말의 함량을 50 중량%로 하여 실시하였다. 상세한 조성은 표 1(밸브시트번호 3-4)에 수록하였다.
비교예 5
실시예 1과 동일하게 실시하되, Fe계 분산강화용 합금분말 대신에 Co-Mo-Cr계 합금분말 18 중량%, Cr-W-Co계 합금분말 9 중량% 및 Fe-Mo계 합금분말 8 중량%을 사용하여 밸브시트를 제조하였다. 상세한 조성은 표 4(밸브시트번호 3-5)에 수록하였다. 이때, Co-Mo-Cr계 합금분말, Cr-W-Co계 합금분말 및 Fe-Mo계 합금분말의 각 조성은 표 5에 수록하였다.
| 밸브시트번호 | 기지상 조성 | 고체 윤활제 | 분산강화용 합금분말 | 제조방법 | |||||
| Fe | C | Ni | Co | 기타 | MnS | CaF2 | |||
| 3-5 | Bal. | 1.2 | 2.0 | 4.0 | 2.0 | 2.0 | 0.5 | 35 | 2P2S |
| 분산강화용 합금분말 |
조성 | ||||||||||
| Fe | Ni | Co | Mo | Cr | W | Si | Al | Ti | Y | 기타 | |
| Co-Mo-Cr계 | - | - | Bal. | 28 | 8.5 | - | 2.5 | - | - | - | 2.0 이하 |
| Cr-W-Co계 | Bal. | - | 10 | 2.5 | 40 | 20.5 | 1.8 | - | - | - | 2.0 이하 |
| Fe-Mo계 | Bal. | - | - | 60 | - | - | - | - | - | - | 2.0 이하 |
시험예
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 밸브시트의 물성을 하기의 방법으로 측정하여, 표 6에 수록하였다.
1. 밀도 및 압환 강도
밀도는 아르키메데스법을 이용하였다. 압환강도(Radial Crushing Strength, RCS)는 JIS Z 2507의 규정에 준거해서 구해진 값으로 한다. 일 예로서, 압환강도 측정은 밸브시트를 Instron의 ram 축과 시편의 원주방향이 일치하도록 하부 ram 상단에 시편을 고정시킨 후 ram 속도 3 mm/sec로 가압하여 수행하였따. 이때 압환강도 측정은 각각 5회이상 측정하여 최대, 최소치를 제외한 값들의 평균치를 구하였다.
2. 내마모성
상기 밸브시트를 Rig 시험기에서 시험조건을 회전수 1500rpm, 온도 400℃, 시간 15hr로 실행했다. 또, 상대 밸브재는 내열강 SUH35으로 사용하였다. 내마모성은 밸브시트 마모량과 밸브 침하량을 평가했다.
3. 조직 확인
미세조직은 알루미나 분말로 경면연마한 후 5% nital 용액으로 수초간 부식한 후, ZEISS 사의 AXI0 Scope.A1 광학 현미경을 이용하여 확인하였고, 그 결과는 도 3에 도시하였다. 도 3에 도시된 바와 같이 내연기관용 밸브시트는 금속기지에 열적 안정성이 우수한 ODS 산화물 입자(분산강화용 합금분말 입자)가 분산되어 있는 것을 알 수 있으며, 밸브시트 표면에 크랙이 발생하지 않음을 알 수 있다.
| 밸브시트번호 | 시험결과 | 비고 | |||
| 밀도 (g/cm3) |
압환강도(MPa) | 마모 시험 | |||
| 배기측 마모량 | |||||
| 밸브시트 마모량(mm) | 밸브 침하량(mm) | ||||
| 1-1 | 7.55 | 516 | 0.031 | 0.00408 | 본 발명예 |
| 1-2 | 7.50 | 469 | 0.023 | 0.00415 | 본 발명예 |
| 1-3 | 7.44 | 404 | 0.011 | 0.00419 | 본 발명예 |
| 1-4 | 7.31 | 353 | 0.016 | 0.00422 | 본 발명예 |
| 1-5 | 7.41 | 395 | 0.015 | 0.00416 | 본 발명예 |
| 1-6 | 7.52 | 418 | 0.010 | 0.00424 | 본 발명예 |
| 2-1 | 7.65 | 529 | 0.029 | 0.00417 | 본 발명예 |
| 2-2 | 7.59 | 499 | 0.019 | 0.00423 | 본 발명예 |
| 2-3 | 7.54 | 461 | 0.007 | 0.00431 | 본 발명예 |
| 2-4 | 7.48 | 433 | 0.012 | 0.00425 | 본 발명예 |
| 3-1 | 7.56 | 449 | 0.067 | 0.00416 | 비교예 1 |
| 3-2 | 7.39 | 361 | 0.016 | 0.00503 | 비교예 2 |
| 3-3 | 7.57 | 521 | 0.039 | 0.00621 | 비교예 3 |
| 3-4 | 7.22 | 305 | 0.073 | 0.00511 | 비교예 4 |
| 3-5 | 7.56 | 409 | 0.043 | 0.00515 | 비교예 5 |
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 밸브시트는 7.3 g/cm3 이상의 밀도와 350MPa 이상의 압환 강도를 갖는 것을 특징으로 한다. 밀도의 감소는 분산강화용 합금분말 입자와 기지의 결합력 저하를 야기시키며, 고출력의 가혹한 환경에서 내마모성을 확보할 수 없어진다. 또한 압환강도 350MPa 미만에서는 분산강화용 합금분말 입자와 기지의 결합력 및 내마모성이 부족한 것을 알 수 있다.
또한, 상기 시험예를 통해 살펴본 결과, Rig 시험기에서 본 발명에 따른 밸브시트를 이용하여 측정한 결과,, 밸브시트 마모량이 0.035 mm 이하이고, 밸브침하량이 0.0044 mm 이하인 것으로 나타났다. 따라서, 본 발명에 따른 내연기관용 철계 소결 합금 조성물을 이용한 밸브시트는 내마모성이 향상되며, 밸브와의 상용성(compatiblity) 또한 우수하여 밸브(재)의 손상을 방지함을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Claims (15)
- 코발트를 함유한 철계 합금분말 60 내지 90 중량%, 분산강화용 합금분말 10 내지 40 중량% 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지되,
상기 철계 합금분말은 탄소 0.5 내지 2.0 중량%, 니켈 1.0 내지 4.0 중량%, 코발트 2 내지 8 중량%, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고,
상기 분산강화용 합금분말은 Fe계 분산강화용 합금분말로 크롬 15 내지 20 미만 중량%, 알루미늄 1.0 내지 6.0 중량%, 티타늄 0.3 내지 1.0 중량%, 이트리아 0.3 내지 1.3 중량%, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며,
밸브시트 마모량이 0.035 mm 이하인 내연기관용 철계 소결 합금 조성물.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 분산강화용 합금분말은 Fe계 분산강화용 합금분말 및 Ni계 분산강화용 합금분말로 이루어지고,
상기 Fe계 분산강화용 합금분말은 크롬 15 내지 20 미만 중량%, 알루미늄 1.0 내지 6.0 중량%, 티타늄 0.3 내지 1.0 중량%, 이트리아 0.3 내지 1.3 중량%, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며,
상기 Ni계 분산강화용 합금분말은 크롬 26 내지 32 중량%, 알루미늄 0.1 내지 1.0 중량%, 티타늄 0.3 내지 1.0 중량%, 이트리아 0.3 내지 1.3 중량%, 잔부 니켈 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며,
상기 Fe계 분산강화용 합금분말 및 Ni계 분산강화용 합금분말의 중량비는 1:0.5 내지 2.0인 내연기관용 철계 소결 합금 조성물.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 분산강화용 합금분말은 Ni계 분산강화용 합금분말로 크롬 26 내지 32 중량%, 알루미늄 0.1 내지 1.0 중량%, 티타늄 0.3 내지 1.0 중량%, 이트리아 0.3 내지 1.3 중량%, 잔부 니켈 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 내연기관용 철계 소결 합금 조성물.
- a) 코발트를 함유한 철계 합금분말 60 내지 90 중량%, 및 분산강화용 합금분말 10 내지 40 중량%을 포함하는 내연기관용 철계 소결 합금 조성물을 배합하는 단계;
b) 배합된 철계 소결 합금 조성물을 5 내지 10 ton/cm2으로 가압하여 성형체를 제조하는 단계;
c) 상기 성형체를 1차 소결하는 단계;
d) 1차 소결된 소결체를 단조공정을 수행한 후 2차 소결하는 단계; 및
e) 2차 소결된 소결체를 복합 열처리하는 단계를 포함하며,
상기 철계 합금분말은 탄소 0.5 내지 2.0 중량%, 니켈 1.0 내지 4.0 중량%, 코발트 2 내지 8 중량%, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고,
상기 분산강화용 합금분말은 Fe계 분산강화용 합금분말로 크롬 15 내지 20 미만 중량%, 알루미늄 1.0 내지 6.0 중량%, 티타늄 0.3 내지 1.0 중량%, 이트리아 0.3 내지 1.3 중량%, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며,
밸브시트 마모량이 0.035 mm 이하인 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 6항에 있어서,
상기 분산강화용 합금분말은 Ni계 분산강화용 합금분말로 크롬 26 내지 32 중량%, 알루미늄 0.1 내지 1.0 중량%, 티타늄 0.3 내지 1.0 중량%, 이트리아 0.3 내지 1.3 중량%, 잔부 니켈 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법.
- 제 6항에 있어서,
상기 1차 소결은 1000 내지 1300℃에서 30분 내지 120분 동안 수행되는 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법.
- 제 6항에 있어서,
상기 2차 소결은 1000 내지 1300℃에서 30분 내지 120분 동안 수행되는 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법.
- 제 6항에 있어서,
상기 e) 단계는
e1) 상기 2차 소결된 소결체를 800 내지 1000℃에서 열처리하는 소입 단계; 및
e2) 소입된 소결체를 500 내지 700 ℃에서 열처리하는 소려 단계를 포함하는 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법.
- 제 6항에 있어서,
상기 a) 단계 이전에,
상기 분산강화용 합금분말의 평균입경이 10 um 이하(0 미포함)가 되도록 분쇄하는 단계를 더 포함하는 내연기관용 철계 소결 합금의 제조방법.
- 제 1항, 제 3항 및 제 5항 중 어느 한 항의 내연기관용 철계 소결 합금 조성물을 포함하는 내연기관용 밸브시트.
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN107866572A (zh) * | 2017-10-13 | 2018-04-03 | 苏州艾维科斯园林设备有限公司 | 一种新型高效节能发动机引擎的制备工艺 |
| KR20200044561A (ko) * | 2018-10-19 | 2020-04-29 | 현대자동차주식회사 | 엔진 피스톤 및 그 제조방법 |
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| 신소재 핸드북(신소재 편찬위원회, 현영창 편역, 1995, 170 ~ 171 페이지) |
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