KR101762266B1 - 열전도성 향상을 위한 실린더 헤드의 밸브시트용 코팅층의 형성방법 및 이를 이용한 실린더 헤드 - Google Patents

열전도성 향상을 위한 실린더 헤드의 밸브시트용 코팅층의 형성방법 및 이를 이용한 실린더 헤드 Download PDF

Info

Publication number
KR101762266B1
KR101762266B1 KR1020150175449A KR20150175449A KR101762266B1 KR 101762266 B1 KR101762266 B1 KR 101762266B1 KR 1020150175449 A KR1020150175449 A KR 1020150175449A KR 20150175449 A KR20150175449 A KR 20150175449A KR 101762266 B1 KR101762266 B1 KR 101762266B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
valve
valve seat
coating layer
cylinder head
forming
Prior art date
Application number
KR1020150175449A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170068345A (ko
Inventor
김진관
Original Assignee
현대자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020150175449A priority Critical patent/KR101762266B1/ko
Publication of KR20170068345A publication Critical patent/KR20170068345A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101762266B1 publication Critical patent/KR101762266B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134—Plasma spraying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • C23C4/08—Metallic material containing only metal elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18—After-treatment
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
    • F02F1/26—Cylinder heads having cooling means

Abstract

본 발명은 열전도성 향상을 위한 실린더 헤드의 밸브시트용 코팅층의 형성방법 및 이를 이용한 실린더 헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내연기관에서 실린더 헤드의 연소실 면의 밸브 접촉부에 조면화(Roughening)된 가공면을 형성하는 제1단계; 상기 조면화된 가공면에 철계 분말 소결재를 분사하여 밸브시트용 코팅층을 형성하는 제2단계; 및 상기 밸브시트용 코팅층이 밸브와 밀착될 수 있도록 상기 밸브시트용 코팅층의 형상을 밸브의 형상과 대응하도록 가공하는 제3단계; 등을 포함함으로써, 밸브시트용 코팅층의 높은 열전도도 등으로 인하여, 밸브의 온도를 낮출 수 있으며, 이로 인하여 노킹과 같은 이상 연소를 줄이고, 점화시기를 진각함으로써, 연비 향상의 효과를 가져올 수 있는 열전도성 향상을 위한 밸브시트용 코팅층의 형성방법 및 이를 이용한 실린더 헤드에 관한 것이다.

Description

열전도성 향상을 위한 실린더 헤드의 밸브시트용 코팅층의 형성방법 및 이를 이용한 실린더 헤드{THE METHOD FOR FORMING A COATING LAYER FOR A VALVE SEAT OF AN CYLINDER HEAD FOR IMPROVED THERMAL CONDUCTIVITY AND THE CYLINDER HEAD USING THE SAME}
본 발명은 열전도성 향상을 위한 실린더 헤드의 밸브시트용 코팅층의 형성방법 및 이를 이용한 실린더 헤드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 밸브시트 대신 밸브시트용 코팅층을 이용함으로써, 밸브의 열 방출을 용이하게 하여 연비 등을 향상시킬 수 있는 실린더 헤드의 밸브시트용 코팅층의 형성방법 및 이를 이용한 실린더 헤드에 관한 것이다.
배기가스에 대한 세계 각국의 규제가 점점 엄격해지고, 소비자들도 경제적인 자동차를 원하는 이 시대 자동차 산업의 가장 큰 화두는 연비다. 연비를 개선하기 위해서는 보다 작고, 보다 효율적인 엔진의 개발이 필요하다. 엔진을 작고 효율적으로 만들기 위해서는 이상 연소(노킹)를 줄이고 연소 효율을 높일 수 있는 방법을 강구해야 한다.
특히, 자동차용 엔진의 구성품 중 밸브시트는 밸브와 밀착하여 연소실의 기밀을 유지하는 역할과 동시에, 밸브를 냉각하는 역할을 하는 구성품으로서, 밸브에 의해 지속적인 충격이 가해지므로, 우수한 경도는 물론, 높은 방열성이 요구된다.
종래의 기술은 알루미늄 실린더헤드의 연소실 면을 가공하여 분말소결재 밸브 시트를 압입하였다. 예를 들어, 디젤엔진의 경우 밸브시트와 접촉하는 부분의 밸브의 온도가 가장 낮다. 즉, 밸브시트가 밸브의 열을 방출하는 역할을 하고 있으므로, 상기 밸브시트의 열전도도를 보다 향상시키면, 노킹 등을 억제할 수 있고, 점화시기를 진각함으로써, 연비를 향상시킬 수 있다.
이러한 이유로 밸브시트의 열전도도를 향상시키기 위하여, 밸브시트를 이중으로 구성함으로써, 고열전도 재질을 증가시키거나, 밸브시트의 두께를 줄이는 노력을 하였다. 그러나 압입으로 접촉된 실린더 헤드와 밸브시트의 서로 다른 두 재질 사이에는 미세한 이격이 존재할 수 밖에 없으므로, 밸브의 열전도도를 향상시키는 데에 물리적인 한계가 있었다.
이에, 본 발명자는 밸브의 열전도도를 향상시키기 위하여, 종래까지 사용되던 기술인 밸브시트를 제거하고, 대신 밸브시트용 코팅층을 적용함으로써, 두께를 줄이고, 실린더 헤드와 밸브시트용 코팅층의 서로 다른 재질의 접촉 부분의 표면적을 최대화 시킴으로써, 연비 등을 향상시킬 수 있는 밸브시트용 코팅층의 형성방법 및 이를 이용한 실린더 헤드를 개발하고자 하였다.
등록특허공보 제10-1438602호 (2014.09.05. 공고)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 밸브시트를 사용하는 대신 밸브시트용 코팅층을 사용하여 밸브 등의 열전도도를 향상시킴으로써, 폭발 행정 등으로 인하여 발생된 밸브의 열을 신속하게 배출함으로써, 엔진 효율을 향상시키고 연비를 향상시킬 수 있는 열전도성 향상을 위한 실린더 헤드의 밸브시트용 코팅층의 형성방법 및 이를 이용한 실린더 헤드를 제공하고자 함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 열전도성 향상을 위한 내연기관의 밸브시트용 코팅층의 형성방법은 내연기관에서 실린더 헤드의 연소실 면의 밸브 접촉부에 조면화(Roughening)된 가공면을 형성하는 제1단계; 상기 조면화된 가공면에 철계 분말 소결재를 분사하여 밸브시트용 코팅층을 형성하는 제2단계; 및 상기 밸브시트용 코팅층이 밸브와 밀착될 수 있도록 상기 밸브시트용 코팅층의 형상을 밸브의 형상과 대응하도록 가공하는 제3단계; 등을 포함한다.
여기서, 상기 밸브시트용 코팅층의 두께(α)는 약 2.5~3.5mm가 되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제2단계는 대기 플라즈마 용사(Atmospheric Plasma Spraying, APS)를 이용하여 상기 철계 분말 소결재를 분사하는 것이 바람직하고, 상기 철계 분말 소결재는 Fe, Ni, Cr, Mo, W 및 Co 등을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실린더 헤드(120)는 밸브(100)의 왕복운동을 안내하기 위한 밸브 가이드(160)를 더 포함하되, 상기 밸브 가이드(160)는 동합금이 되도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 열전도성 향상을 위한 실린더 헤드의 밸브시트용 코팅층의 형성방법을 이용한 실린더 헤드는 상기 실린더 헤드의 연소실 면의 조면화된 밸브 접촉부 및 상기 조면화된 밸브 접촉부의 표면에 형성된 밸브시트용 코팅층 등을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 실린더 헤드는 밸브의 왕복운동을 안내하기 위한 밸브 가이드 등을 더 포함하되, 상기 밸브 가이드는 동합금인 것이 바람직하다.
또한, 상기 밸브시트용 코팅층의 두께는 약 2.5~3.5mm인 것이 바람직하며, 상기 밸브시트용 코팅층은 Fe, Ni, Cr, Mo, W 및 Co 등을 포함하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명은 얇은 두께의 밸브시트용 코팅층을 형성시킬 수 있기 때문에, 높은 열전달계수를 가질 수 있으며, 이로 인하여 밸브의 온도를 낮출 수 있는 효과가 있다.
아울러 이러한 낮은 밸브 온도로 인하여, 노킹과 같은 이상 연소를 줄이고, 점화시기를 진각함으로써, 약 0.7~2% 연비 향상의 효과를 가져올 수 있고 보다 효율적인 엔진을 개발할 수 있다.
도 1은 밸브, 밸브시트 및 실린더 헤드를 포함하는 연소실부 벨브트레인 시스템의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 밸브시트용 코팅층과 밸브의 접촉부분을 확대한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 밸브시트용 코팅층의 형성방법을 개략적으로 보여주는 공정도이다.
도 4는 밸브 접촉부의 조면화된 가공면의 전자현미경 사진이다.
도 5는 현재 양산되고 있는 비교예 1의 밸브시트 단면도이다.
도 6은 열전달계수가 개선된 비교예 2의 밸브시트 단면도이다.
도 7은 엔진 회전수에 대한 비교예 1, 2와 실시예 1의 밸브 온도의 변화를 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
일 관점에서, 본 발명은 열전도성 향상을 위한 실린더 헤드의 밸브시트용 코팅층의 형성방법에 관한 것이다.
도 1은 밸브, 밸브시트 및 실린더 헤드를 포함하는 연소실부 벨브트레인 시스템의 단면도이다. 도 2는 본 발명에 따른 밸브시트용 코팅층과 밸브의 접촉부분(x)을 확대한 단면도이다. 도 3은 상기 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명에 따른 밸브시트용 코팅층의 형성방법을 개략적으로 보여주는 공정도이다.
상기 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열전도성 향상을 위한 내연기관의 밸브시트용 코팅층의 형성방법은 내연기관에서 실린더 헤드(120)의 연소실 면의 밸브 접촉부(130)에 조면화(Roughening)된 가공면(150)을 형성하는 제1단계; 상기 조면화된 가공면(150)에 철계 분말 소결재를 분사하여 밸브시트용 코팅층(200)을 형성하는 제2단계; 및 상기 밸브시트용 코팅층(200)이 밸브(100)와 밀착될 수 있도록 상기 밸브시트용 코팅층(200)의 형상을 밸브(100)의 형상과 대응하도록 가공하는 제3단계; 등을 포함한다.
종래 기술은 밸브시트(110)가 실린더 헤드(120)의 연소실 면에 압입되어 있으며, 이러한 밸브시트(110)는 그 두께(a 또는 b)가 상대적으로 두꺼운 약 4.3~4.8mm가 된다.
이러한 두꺼운 두께의 밸브시트(110)는 연소 행정으로 인하여 높아진 밸브(100)의 온도를 실린더 헤드(120) 등으로 신속하게 배출시키는데 장애 요인이 되었다.
그러나 본 발명은 두꺼운 밸브시트(110)를 실린더 헤드(120)의 연소실 면에 압입하는 대신, 상대적으로 얇은 두께의 밸브시트용 코팅층(200)을 실린더 헤드(120)의 연소실 면에 코팅하는 기술을 발명함으로써, 밸브(100)의 열 방출을 용이하게 하였다.
보다 구체적으로, 상기 본 발명에 따른 밸브시트용 코팅층(200)의 형성방법에서 상기 밸브시트용 코팅층(200)의 두께(α)는 약 2.5~3.5mm가 되도록 하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 밸브시트용 코팅층(200)의 두께(α)가 약 2.5mm 미만일 경우, 밸브시트용 코팅층(200)의 두께(α)가 지나치게 얇아 밸브시트용 코팅층(200)의 내구성이 취약해질 수 있는 문제가 있다.
특히, 상기 밸브시트용 코팅층(200)의 두께(α)의 마모한계는 약 1mm이므로, 상기 두께(α)가 마모한계인 약 1mm 미만일 경우, 상기 밸브시트용 코팅층(200)을 교체하는 등의 방법을 강구해야 한다.
반대로, 상기 밸브시트용 코팅층(200)의 두께(α)가 약 3.5mm 초과일 경우, 지나치게 두꺼운 두께로 인한 열전도도가 저하되고 이로 인하여, 밸브(100)의 열이 실린더 헤드(120) 등으로 신속하게 배출되지 않을 수 있는 등의 문제가 있다.
또한, 도 4는 밸브 접촉부의 조면화된 가공면의 전자현미경 사진이다. 상기 도면에 도시된 바와 같이, 조면화된 가공면(150)은 마이크로미터 크기의 일정한 굴곡(151)을 갖게 되며, 가공 방법에 따라 상기 굴곡(151)의 모양이나 크기는 달라질 수 있다.
일례로 상기 가공 방법은 기계식 툴 등을 이용하여 일정한 패턴의 굴곡(151)을 형성할 수도 있으며, 물 등의 액체를 표면에 강하게 분사하여 무작위 패턴의 굴곡을 형성할 수도 있다. 이러한 방법으로 형성된 조면화된 가공면(150)은 나노 크기의 굴곡(151) 등으로 인하여 표면적이 매우 넓어 열전도도의 극대화에 유리한 장점을 갖는다.
또한, 상기 밸브시트용 코팅층의 형성방법 중 제2단계를 통해 형성된 조면화된 가공(150)에 철계 분말 소결재를 분사하여 밸브시트용 코팅층(200)을 형성한다. 분사된 철계분말 소결재는 상기 제1단계를 통해 형성된 조면화된 가공면(150)에 빈틈없이 채워지게 됨으로써, 코팅층과의 결합력이 우수하고, 넓은 접촉면에 의하여 열전도도 등이 향상된다.
여기서, 상기 철계 분말 소결재를 분사하는 방법은 당업계에 공지된 어떠한 방법도 이용할 수 있으나, 대기 플라즈마 용사(Atmospheric Plasma Spraying, APS) 등을 이용하는 것이 바람직하다. 아울러, 상기 철계 분말 소결재는 Fe, Ni, Cr, Mo, W 및 Co 등의 원소를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 3단계와 같이, 밸브시트용 코팅층(200)이 밸브(100)의 접촉면과 대응함으로써, 밸브(100)와 밀착되어 연소실의 기밀을 유지할 수 있다. 이를 위하여, 밸브시트용 코팅층(200)의 형상을 밸브(100)의 접촉면과 대응하도록 가공하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실린더 헤드(120)는 밸브(100)의 왕복운동을 안내하기 위하여, 밸브(100) 스템의 이동 통로에 밸브 가이드(160)를 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 밸브 가이드(160)의 소재는 동합금 등인 것이 바람직하다.
이하, 또 다른 관점에서 본 발명은 열전도성 향상을 위한 실린더 헤드의 밸브시트용 코팅층의 형성방법을 이용한 실린더 헤드에 관한 것이다.
상기 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본원발명에 따른 실린더 헤드의 밸브시트용 코팅층의 형성방법을 이용한 실린더 헤드는 실린더 헤드(120)의 연소실 면의 조면화된 밸브 접촉부(130) 및 상기 조면화된 밸브 접촉부(130)의 표면에 형성된 밸브시트용 코팅층(200) 등을 포함한다.
또한, 상기 실린더 헤드(120)는 밸브(100)의 왕복운동을 안내하기 위한 밸브 가이드(160) 등을 더 포함하되, 상기 밸브 가이드(160)는 동합금 등인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 밸브시트용 코팅층(200)의 두께(α)는 약 2.5~3.5mm인 것이 바람직하고, 상기 밸브시트용 코팅층(200)은 Fe, Ni, Cr, Mo, W 및 Co 등의 원소를 포함한다.
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 해석되지 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
본 발명에 따른 밸브시트용 코팅층의 형성방법을 적용한 실시예와 종래기술이 적용된 비교예의 열전달계수를 비교하였다. 특히, 도 5는 현재 양산되고 있는 비교예 1의 밸브시트 단면도이고, 도 6은 열전달계수가 개선된 비교예 2의 밸브시트 단면도이다.
보다 구체적으로, 상기 비교예 1은 현재 양산중인 사양으로 약 68부피%의 밸브 접촉부(130)와 약 32부피%의 시트 헤드 압입부(140)로 구성되어 전체 두께(a)가 약 4.8mm인 밸브시트(110)의 단면도이다. 그리고 상기 비교예 2는 약 35부피%의 밸브 접촉부(130)와 약 65부피%의 시트 헤드 압입부(140)로 구성되어 전체 두께(b)가 약 4.3mm인 밸브시트(110)의 단면도이다.
상기 밸브시트(110)를 포함하는 비교예 1과 비교예 2의 열전달계수와 본 발명에 따라 형성된 3.0mm 두께의 밸브시트용 코팅층(200)을 포함하는 실시예 1과 실시예 2의 열전달계수를 하기 표 1에 정리하였다.
또한, 상기 실시예 1의 실린더 헤드(120)의 소재는 가솔린 엔진의 실린더 헤드(120)로서 공지되었으며 T7 열처리된 알루미늄 합금인 AC2B이며, 실시예 2의 실린더 헤드(120)의 소재는 디젤 엔진의 실린더 헤드(120)로서 공지되었으며 T6 열처리된 알루미늄 합금인 AC4CH이다.
여기서, 상기 AC2B는 Si 6.5 내지 7.5 중량%, Fe 0.3 중량% 이하, Cu 3.5 내지 4.0 중량%, Mn 0.5 중량% 이하, Mg 0.6 중량% 이하, Cr 0.15 중량% 이하, Zn 0.1 중량% 이하, Ti 0.15 중량% 이하, Ni 0.2 중량% 이하, Pb 0.03 중량% 이하, Sn 0.1 중량% 이하, Sr 0.005 중량% 이하, Cd 0.009 중량% 이하 및 잔부의 Al 등을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 AC4CH는 Cu 0.10 중량% 이하, Si 6.5 내지 7.5 중량%, Mg 0.25 내지 0.45 중량%, Zn 0.10 중량% 이하, Fe 0.20 중량% 이하, Mn 0.10 중량% 이하, Ni 0.05 중량% 이하, Ti 0.20 중량% 이하, Pb 0.05 중량% 이하, Sn 0.05 중량% 이하, Cr 0.05 중량% 이하 및 잔부의 Al 등을 포함하는 것이 바람직하다.
구 분 비교예 1 비교예 2 실시예 1 실시예 2
열전달계수
(W/M-K)		 19.38 28.41 158.7 153.1
증가율
(%)		 0 47 719 609
밸브시트
또는
코팅층의 두께(mm)		 4.8 4.3 3.0 3.0
비고 밸브시트 밸브시트 밸브시트용 코팅층 밸브시트용 코팅층
상기 표 1에서 알 수 있듯이, 밸브시트(110)의 전체 두께(b)가 얇고, 고열전도 재질의 부피가 큰 비교예 2의 열전달계수가 비교예 1의 열전달계수보다 다소 향상된 것을 확인할 수 있었다.
그러나 본 발명에 따른 밸브시트용 코팅층의 형성방법이 적용되어 두께(α)가 얇고 열전달율이 높은 철계 분말 소결재를 분사하여 형성된 밸브시트용 코팅층(200)을 포함하는 실시예 1 및 2의 열전달계수는 종래 기술이 적용된 비교예 1 및 2의 열전달계수보다 약 6~7배 향상되었다는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 1 및 2의 열전달계수가 비교예 1 및 2보다 월등히 높은데, 이러한 결과는 비교예 1 및 2가 실린더 헤드(120)와 밸브시트(110) 사이에 미세한 이격이 존재하고, 두꺼운 두께의 밸브시트로 인하여 밸브(100)의 열이 실린더 헤드(120)로의 전달이 억제되었기 때문이라고 해석할 수 있다.
또한, 도 7은 엔진 회전수에 대한 비교예 1, 2와 실시예 1의 밸브 온도의 변화를 비교한 그래프이다. 상기 도 7에서 엔진 회전수의 범위 전반에 걸쳐 열전달계수가 가장 높은 실시예 1의 밸브 온도가 가장 낮다는 것을 확인할 수 있었다.
특히, 엔진 회전수가 3,000 RPM에서 실시예 1의 밸브 온도가 비교예 1의 밸브 온도보다 약 70℃ 정도 낮은 온도를 달성하였으며, 이러한 온도 차이는 약 0.7~2% 연비 향상의 효과를 가져올 수 있다.
한편, 실린더 헤드의 밸브 가이드의 구성성분에 따라 밸브의 온도에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위하여, 하기 표 2와 같이 비교예 3과 실시예 2의 밸브 최고온도를 비교하였다.
구 분 비교예 3 실시예 2
밸브 가이드 구성성분 주철합금 동합금
밸브 최고온도(℃) 641 637
상기 표 2에서 상기 비교예 3은 실시예 2와 같이 본 발명에 따른 밸브시트용 코팅층의 형성방법을 적용한 약 3.0mm 두께의 밸브시트용 코팅층 등을 포함한다. 그러나 상기 비교예 3은 실린더 헤드의 밸브 가이드가 동합금 반면, 상기 실시예 2는 실린더 헤드의 밸브 가이드가 주철합금이라는 차이가 있다.
이때, 6,000rpm 엔진의 부하에서 배기 온도가 약 835℃의 조건에서, 상기 비교예 3과 실시예 2의 밸브 중앙 부분의 최고 온도를 측정하였다. 측정 결과, 실시예 2의 밸브 최고온도가 약 637℃로서, 비교예 3의 밸브 최고온도인 약 641℃보다 약 4℃ 낮게 측정되었다.
이와 같은 결과는 밸브 가이드의 성분에 따라 밸브의 온도 차이를 유발한다는 해석을 가능하게 하며, 특히 본 발명과 같이, 밸브 가이드가 주철합금일 경우보다 동합금일 경우 밸브의 온고 하강의 효과가 크다는 것을 확인할 수 있었다.
100: 밸브
110: 밸브시트
120: 실린더 헤드
130: 밸브 접촉부
140: 시트 헤드 압입부
150: 조면화된 가공면
160: 밸브 가이드
151: 굴곡
160: 밸브 가이드
200: 밸브시트용 코팅층
α: 두께
a: 두께
b: 두께
x: 밸브시트용 코팅층과 밸브의 접촉부분

Claims (9)

  1. 내연기관에서 실린더 헤드(120)의 연소실 면의 밸브 접촉부(130)에 조면화(Roughening)된 가공면(150)을 형성하는 제1단계;
    상기 조면화된 가공면(150)에 철계 분말 소결재를 분사하여 밸브시트용 코팅층(200)을 형성하는 제2단계; 및
    상기 밸브시트용 코팅층(200)이 밸브(100)와 밀착될 수 있도록 상기 밸브시트용 코팅층(200)의 형상을 밸브(100)의 형상과 대응하도록 가공하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브시트용 코팅층의 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 밸브시트용 코팅층(200)의 두께(α)는 2.5~3.5mm가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 밸브시트용 코팅층의 형성방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2단계는 대기 플라즈마 용사(Atmospheric Plasma Spraying, APS)를 이용하여 상기 철계 분말 소결재를 분사하는 것을 특징으로 하는 밸브시트용 코팅층의 형성방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 철계 분말 소결재는 Fe, Ni, Cr, Mo, W 및 Co를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브시트용 코팅층의 형성방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 실린더 헤드(120)는 밸브(100)의 왕복운동을 안내하기 위한 밸브 가이드(160)를 더 포함하되, 상기 밸브 가이드(160)는 동합금이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 밸브시트용 코팅층의 형성방법.
  6. 실린더 헤드(120)의 연소실 면의 조면화된 밸브 접촉부(130); 및
    상기 조면화된 밸브 접촉부(130)의 표면에 형성된 밸브시트용 코팅층(200);을 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더 헤드.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 실린더 헤드는 밸브(100)의 왕복운동을 안내하기 위한 밸브 가이드(160)를 더 포함하되, 상기 밸브 가이드(160)는 동합금인 것을 특징으로 하는 실린더 헤드.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 밸브시트용 코팅층(200)의 두께(α)는 2.5~3.5mm인 것을 특징으로 하는 실린더 헤드.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 밸브시트용 코팅층(200)은 Fe, Ni, Cr, Mo, W 및 Co를 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더 헤드.
KR1020150175449A 2015-12-09 2015-12-09 열전도성 향상을 위한 실린더 헤드의 밸브시트용 코팅층의 형성방법 및 이를 이용한 실린더 헤드 KR101762266B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150175449A KR101762266B1 (ko) 2015-12-09 2015-12-09 열전도성 향상을 위한 실린더 헤드의 밸브시트용 코팅층의 형성방법 및 이를 이용한 실린더 헤드

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150175449A KR101762266B1 (ko) 2015-12-09 2015-12-09 열전도성 향상을 위한 실린더 헤드의 밸브시트용 코팅층의 형성방법 및 이를 이용한 실린더 헤드

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170068345A KR20170068345A (ko) 2017-06-19
KR101762266B1 true KR101762266B1 (ko) 2017-07-28

Family

ID=59279119

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150175449A KR101762266B1 (ko) 2015-12-09 2015-12-09 열전도성 향상을 위한 실린더 헤드의 밸브시트용 코팅층의 형성방법 및 이를 이용한 실린더 헤드

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101762266B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005105966A (ja) 2003-09-30 2005-04-21 Mitsubishi Materials Corp エンジン用バルブシート及びその製造方法
JP2013092150A (ja) 2012-11-26 2013-05-16 Yanmar Co Ltd 内燃機関用鋳鉄製シリンダヘッドのバルブシート部の表面硬化処理方法
JP2015014262A (ja) * 2013-07-05 2015-01-22 株式会社リケン バルブシート及びその製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005105966A (ja) 2003-09-30 2005-04-21 Mitsubishi Materials Corp エンジン用バルブシート及びその製造方法
JP2013092150A (ja) 2012-11-26 2013-05-16 Yanmar Co Ltd 内燃機関用鋳鉄製シリンダヘッドのバルブシート部の表面硬化処理方法
JP2015014262A (ja) * 2013-07-05 2015-01-22 株式会社リケン バルブシート及びその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170068345A (ko) 2017-06-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2661352C2 (ru) Способ изготовления поршневого кольца
CN109072397A (zh) 用于内燃发动机的气缸的活塞
CN107164718B (zh) 一种降低汽油机曲轴瓦磨损量的表面处理工艺
CN105296878A (zh) 铝基活塞环槽表面合金强化方法
KR101762266B1 (ko) 열전도성 향상을 위한 실린더 헤드의 밸브시트용 코팅층의 형성방법 및 이를 이용한 실린더 헤드
CN103639648A (zh) 一种内燃机胀断连杆的加工工艺
JPH061064B2 (ja) ピストンリングの製造方法
MX2018009762A (es) Sistema tribologico de un motor de combustion interna con recubrimiento.
CN106121768B (zh) 一种铜合金发动机油底壳
CN103124842B (zh) 往复活塞式内燃机曲轴箱的支承座中的通风孔的制造方法
MX2007010382A (es) Junta de acero de capas multiples con capa metalica nitrurada.
WO2010007151A3 (de) Verfahren zur herstellung eines metallischen verbundbauteils, insbesondere für ein elektromagnetisches ventil
US20110155088A1 (en) Engine valves
US20070101964A1 (en) Valve seat for engine method of manufacturing the valve seat, and cylinder head for engine
US20220003316A1 (en) Piston ring
KR101876283B1 (ko) 고강도 Ti-6Al-4V 티타늄합금 부품 제조방법 및 이를 이용한 커넥팅로드
CN103498711A (zh) 盘锥面堆焊合金并在合金层上保留氮化层的气门
JP2013148026A (ja) シリンダライナ
Rao et al. Petrol engine exhaust valve design, analysis and manufacturing processes
JP4637143B2 (ja) 筒内噴射式内燃機関、筒内噴射式内燃機関用ピストン、筒内噴射式内燃機関用ピストンの低熱伝導合金および筒内噴射式内燃機関用ピストンの低熱伝導部材とその製造方法
KR20030065460A (ko) 캠 접촉장치
CN107269435A (zh) 一种柴油机燃油系统及其电控喷油器
WO2019043932A1 (ja) 内燃機関
KR100445870B1 (ko) 자동차용 엔진 밸브의 밸브 태핏 제조 방법
JP2004204762A (ja) 摺動部品及びその摺動部品の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant