KR101877715B1 - 밸브 플레이트용 금속소재의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 제조 방법으로 제조된 밸브 플레이트용 금속소재는 탄소 함유량이 높은 금속모재를 사용하여 강성, 내마모성 등의 기계적 물성이 매우 우수함에도, 상기 금속모재 상에 접합소재를 분말 소결법으로 접합 및 코팅 가능하여 높은 접합 특성에 의해 접합 부분에서의 파단이 일어나지 않으며, 접합소재에 의한 우수한 표면 윤활 특성을 가지는 효과가 있다.

Description

밸브 플레이트용 금속소재의 제조 방법{Manufacturing method of Metal material for Valve plates}

본 발명은 밸브 플레이트용 금속소재의 제조 방법에 관한 것이다.

밸브 플레이트는 수송기기 엔진이나 산업기계의 압축기 등에 적용되는 부품 중 하나로, 공기를 흡입 또는 배출하는 가장 역동적으로 움직이는 부품으로 씰링 기능, 일정한 움직임, 충격 에너지의 흡수, 응력의 분산 등의 기능이 요구된다. 따라서 밸브 플레이트는 밸브 시트와 클리어런스 볼륨을 작게 하는 등의 설계가 요구됨에 따라, 시트를 더욱 얇게 만들기 위해 높은 인장강도의 재질이 요구되며, 내마모 특성을 위해 두 재질은 같은 정도의 높은 경도를 갖는 고급의 합금강이 요구되어 진다. 즉, 압축과 배기 시 많은 양의 공기유입과 배출, 정확한 씰링성이 좋은 출력을 얻는 엔진이 되므로, 우수한 강성 및 내구성을 갖춘 밸브 플레이트가 요구되며, 또한 밸브 플레이트의 표면은 윤활 특성이 우수한 연청동 등의 접합소재가 접합 및 코팅됨으로써 표면의 윤활성을 향상시켜 제조된다. 따라서 밸브 플레이트는 표면 윤활 특성, 강성, 내마모성 등의 특성을 더욱 향상시킬 경우, 산업 기계에 전반에 걸쳐 보다 광범위하게 응용될 수 있다.

스테인레스 스틸, 저탄소강, SS400 등의 탄소 함유량이 0.2 중량% 보다 낮은 금속모재를 이용하여 분말 소결법으로 밸브 플레이트를 제조할 수 있으나, 탄소 함유량이 0.2 중량% 이상으로 높은 금속모재의 경우는 분말 소결법으로 밸브 플레이트의 제조 시 계면접합이 일어나지 않거나 접합강도가 충분하지 못한 문제로 인해 실질적으로 제조가 매우 어렵다. 따라서 분말 소결법으로는 강도와 탄성을 높이기 위해 탄소 함유량이 높은 금속모재의 사용이 실질적으로 불가능하다.

따라서 종래까지는 높은 열에 의한 접합소재의 물성 변화 및 접합 특성의 저하를 방지하기 위해서, 분말 소결법이 아닌 용융법을 이용하여야 했다. 예를 들어, 한국공개특허 KR2015-0124792A에는 탄소강을 포함하는 금속모재에 연청동을 포함하는 접합소재를 용융법으로 접합하는 베어링의 제조 방법에 관하여 공지되어 있다.

그러나 이러한 용융법을 이용하여 금속모재와 접합소재를 접합할 경우, 제조되는 베어링은 기공이 없는 조대한 주조 조직을 형성하여 분말 소결법에 의해 제조된 경우와 비교하여 연청동 등의 접합소재가 갖추어야할 윤활성(Oilless)이 낮아지는 결함이 발생한다. 구체적으로, 베어링의 슬라이딩이 일어나는 접동부에는 동합금에 윤활재료의 일종인 납을 일정량 첨가되어 사용되는데, 용융법의 경우에는 납이 동합금과의 용해도가 없는 이유로, 주로 입계에 편석함으로써 재료의 강도가 현저히 낮아지게 되고, 윤활성이 떨어지는 결점이 생긴다. 따라서 윤활성 향상을 위해 금속모재 표면에 연청동 등의 접합소재를 접합 및 코팅하는 의미가 매우 떨어지게 되며, 주물 작업 특성상 작업성과 생산성이 현저히 떨어지는 단점이 있다.

이에 따라, 탄소 함유량이 높은 금속모재를 사용하여 강성, 내마모성 등의 기계적 물성을 향상시킬 수 있음에도, 상기 금속모재 상에 접합소재를 접합 및 코팅할 시 접합 특성이 우수하여 접합 부분에서의 파단이 쉽게 일어나지 않으며, 접합소재에 의한 우수한 표면 윤활 특성을 가지는 밸브 플레이트용 금속소재에 관한 연구가 필요하다.

한국공개특허 KR2015-0124792A

본 발명의 목적은 분말 소결법으로 금속모재와 접합소재를 접합하여도 접합 특성이 저하되지 않아 접합 부분에서의 파단이 일어나지 않는 밸브 플레이트용 금속소재 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 탄소 함유량이 높은 금속모재를 사용하여 강성, 내마모성 등의 기계적 물성이 매우 우수함에도, 상기 금속모재 상에 접합소재를 분말 소결법으로 접합 및 코팅 가능하여 높은 접합 특성에 의해 접합 부분에서의 파단이 일어나지 않으며, 접합소재에 의한 우수한 표면 윤활 특성을 가지는 밸브 플레이트용 금속소재 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 분말 소결법을 이용한 밸브 플레이트용 금속소재의 제조 방법은 a) 탄소 함유 금속모재를 탈탄처리하는 단계, b) 탈탄처리된 금속모재의 표면에 연청동 또는 인청동을 포함하는 접합소재 분말을 도포하는 단계 및 c) 소결하여 금속모재와 접합소재를 접합하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 a) 단계에서 탈탄처리된 탄소 함유 금속모재는 표면으로부터 50 ㎛ 이하의 깊이 영역에서 탄소 함유량이 0.3 중량% 이하인 것일 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 a) 단계의 탈탄처리는 700~850℃에서 0.5~5 시간 동안 열처리되어 수행되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 밸브 플레이트용 금속소재의 제조 방법은 상기 c) 단계 이후에, 금속모재에 접합된 접합소재를 압연한 후 2차 소결하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 a) 단계의 탄소 함유 금속소재는 탄소 함유량이 0.2~2.0 중량%인 탄소강일 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 밸브 플레이트용 금속소재의 제조 방법은 d) 접합소재가 접합된 금속모재를 침탄처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 d) 단계의 침탄처리는 860~920℃에서 침탄제에 의해 수행되는 것일 수 있다.

본 발명은 상기 밸브 플레이트용 금속소재의 제조 방법으로 제조되는 밸브 플레이트를 제공할 수 있다.

본 발명의 밸브 플레이트용 금속소재의 제조 방법은 분말 소결법으로 금속모재와 접합소재를 접합하여도 접합 특성이 저하되지 않아 접합 부분에서의 파단이 일어나지 않는 효과가 있다.

또한 본 발명의 제조 방법으로 제조된 밸브 플레이트용 금속소재는 탄소 함유량이 높은 금속모재를 사용하여 강성, 내마모성 등의 기계적 물성이 매우 우수함에도, 상기 금속모재 상에 접합소재를 분말 소결법으로 접합이 가능하여 높은 접합 특성에 의해 접합 부분에서의 파단이 일어나지 않으며, 접합소재에 의한 우수한 표면 윤활 특성을 가지는 효과가 있다.

여기에 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 실시예 1의 1차 소결된 금속소재에 대한 이미지이며, 도 2는 실시예 1의 2차 소결된 금속소재에 대한 이미지이다.
도 3은 비교예 1의 1차 소결된 금속소재에 대한 이미지이며, 도 4는 비교예 1의 2차 소결된 금속소재에 대한 이미지이다.
도 5는 실시예 1로부터 제조된 최종 밸브플레이트 대한 이미지이다.
도 6은 실시예 1의 탄소강의 탈탄 부위에 대한 현미경 조직과 마이크로 경도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 밸브 플레이트용 금속소재 및 이의 제조 방법을 상세히 설명한다.

본 발명에 기재되어 있는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 상기 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.

또한 본 발명에서 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 발명에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것을 의미한다.

또한 본 발명에서 특별한 언급 없이 불분명하게 사용된 %의 단위는 중량%를 의미한다.

본 발명의 분말 소결(燒結)법을 이용한 밸브 플레이트용 금속소재의 제조 방법은 a) 탄소 함유 금속모재를 탈탄처리하는 단계, b) 탈탄처리된 금속모재의 표면에 연청동 또는 인청동을 포함하는 접합소재 분말을 도포하는 단계 및 c) 소결하여 금속모재와 접합소재를 접합하는 단계를 포함한다.

본 발명에서 언급하는 소결(燒結)은 가루 또는 가루를 어떤 형상(形象ㆍ形像)으로 압축(壓縮)한 것을 가열(加熱)하였을 때, 가루가 서로 밀착(密着)하여 고결(固結)하는 현상(現象)을 의미할 수 있다.

상기 접합소재는 금속모재 표면에 높은 윤활성을 부여할 수 있는 금속합금을 의미하며, 예컨대 연청동 또는 인청동을 포함할 수 있다. 상기 연청동은 납-구리-주석계 금속합금으로, 밸브 플레이트용 금속소재의 표면을 이루는 물질로서 매우 우수한 표면 윤활성을 가진다. 구체적으로, 상기 연청동은 구리 60~90 중량%, 주석 5~20 중량% 및 납 5~20 중량%를 포함하는 납-구리-주석계 금속합금일 수 있다. 상기 인청동은 인-구리-주석계 금속합금으로, 밸브 플레이트용 금속소재의 표면을 이루는 물질로서 우수한 표면 윤활성과 연청동보다 우수한 강도를 가진다. 구체적으로, 상기 인청동은 구리 80~95 중량%, 주석 3~15 중량% 및 인 0.01~5 중량%를 포함하는 인-구리-주석계 금속합금일 수 있다.

상기 a) 단계의 탄소 함유 금속소재는 탄소 함유량이 0.2~2.0 중량%, 구체적으로, 0.3~2.0 중량%인 탄소강일 수 있다. 일반적으로, 탄소 함유 금속모재의 탄소 함유량이 증가할 경우, 금속모재 상에 접합소재를 접합할 시의 요구되는 소결온도 또한 증가하게 된다. 특히 탄소 함유량이 0.3 중량% 이상의 금속모재(고탄소강)를 사용할 경우, 접합 시 요구 소결온도가 급격히 높아지므로, 금속모재의 탄소 함유량에 따라(소결온도에 따라) 접합소재의 종류에 제약을 받게 된다.

구체적으로, 상기 접합소재로서 인청동 또는 연청도는 금속소재의 표면 윤활성 향상을 위한 매우 바람직한 금속합금이나, 합금으로 이루어진 연청동 또는 인청동은 끓는점이 탄소강 등의 금속모재와 비교하여 상대적으로 낮다. 또한 상술한 바와 같이 탄소 함유량이 높은 금속모재에 접합소재를 접합할 경우, 보다 높은 소결온도에서 소결되어야 하므로, 접합소재로서 연청동 또는 인청동을 사용할 시 높은 온도에 의해 접합성 저하 등의 부작용이 발생한다. 즉, 탄소 함유량이 높은 금속모재에 접합소재인 연청동 또는 인청동을 접합할 경우, 표면 윤활성 저하, 접합성 저하에 따른 접합 부분이 쉽게 파단되는 현상 등의 부작용이 발생한다.

이러한 이유로, 탄소 함유량이 높은 금속모재에 접합소재인 연청동 또는 인청동을 접합해야할 경우, 종래까지는 분말 소결법을 이용한 접합이 실질적으로 불가능한 한계가 있다.

하지만 상기 a) 단계인 탈탄처리 과정을 거칠 경우, 접합 부분에 해당하는 금속모재의 표면에서 표면 아래의 내부까지의 접합 영역 내 탄소 함유량이 감소되므로, 이후 c) 단계에서 접합소재를 상기 금속모재의 접합 부분에 효과적으로 접합할 수 있다. 즉, 탈탄처리 과정을 거쳐 접합 영역의 탄소 함유량을 낮출 수 있음에 따라, 보다 낮은 온도에서 금속모재와 접합소재를 접합할 수 있는, 마치 탄소 함유량이 낮은 금속모재에 접합하는 경우와 유사한 낮은 소결온도에서의 접합이 가능한 효과를 갖는다.

상기 접합 영역은 상기 a) 단계의 탈탄처리에 의해 금속모재 표면으로부터 20~50 ㎛까지의 깊이 영역에서 탄소 함유량이 감소되는 영역을 의미할 수 있다.

바람직한 일 예에 있어서, 전술한 바와 같이, 금속모재의 접합 영역은 금속모재의 표면으로부터 20~50 ㎛까지의 깊이 영역에서 탄소 함유량이 감소되는 것이, 접합 시 온도에 따른 접합소재의 변성을 방지하고 접합 특성이 향상되어 접합 부분에서 발생하는 파단을 방지할 수 있으며, 금속모재 자체의 탄성 및 강도 저하를 방지할 수 있는 측면에서 바람직하다.

특히 바람직한 일 예에 있어서, 상기 a) 단계는 탄소 함유 금속모재의 표면으로부터 50 ㎛ 이하의 깊이 영역에서 탄소 함유량이 0.3 중량% 이하, 구체적으로 0~0.3 중량%, 보다 구체적으로 0.001~0.3 중량%가 되도록 탈탄처리하는 단계인 것이 좋다. 이를 위한 수단 중 바람직한 일 예로서, 상기 a) 단계는 탈탄처리가 500~1,000℃, 바람직하게는 700~850℃의 탈탄온도에서 0.5~5 시간, 바람직하게는 1~3 시간의 탈탄시간 동안 열처리되어 수행됨에 따라 이루어질 수 있다. 상기 단계에서 탈탄처리가 850℃ 이하에서 수행될 경우, 너무 높은 온도에 의한 결정립 조대화에 따른 금속모재의 탄성 및 강도 저하를 방지할 수 있다. 이러한 접합 영역 깊이에 따른 탄소 함유량 감소는 온도 및 시간에 의존하여 점진적으로 진행되는 것에 기인한다.

상술한 범위의 탈탄온도 및 탈탄시간을 만족할 경우, 금속모재의 표면으로부터 20 ㎛의 깊이까지의 탄소량은 0.02~0.07 중량%일 수 있고, 20 ㎛의 깊이에서 30 ㎛의 깊이까지의 탄소량은 0.07~0.3 중량%일 수 있다. 따라서 탈탄처리에 의해 표면으로부터의 깊이에 따른 탄소 농도 구배를 가지는 탈탄처리된 금속모재를 사용할 경우, 이후 b), c) 단계를 거침으로써 금속모재와 접합소재 간의 접합강도 등의 접합 특성이 현저히 향상되며, 탄소 함유량 감소에 따른 금속모재의 탄성 및 강성 등의 기계적 물성의 저하를 실질적으로 방지할 수 있다. 구체적으로, 상기 기계적 물성에 있어서, 상술한 범위의 탈탄온도 및 탈탄시간을 만족할 경우, 금속모재의 비커스 경도(Hv), 구체적으로, 금속모재 표면으로부터 20~50 ㎛의 깊이 영역의 비커스 경도(Hv)가 100~200일 수 있다.

상술한 바와 같이, 금속모재 표면으로부터 20~50 ㎛까지의 깊이 영역에서, 바람직하게는 상술한 범위로서 탄소 함유량이 감소되어 탈탄처리가 수행될 경우, 이를 통해 제조된 밸브플레이트용 금속소재는 특히 금속모재와 접합소재와의 접합 특성이 우수하여 접합강도가 현저히 향상되어, 접합 부분에 강한 충격이 가해져도 실질적으로 파단되지 않는 현저한 효과를 가진다. 또한 이와 함께 금속모재 상에 접합 및 코팅된 접합소재는 기공이 많은 소결조직을 형성하여 매우 우수한 윤활성 특성을 가지게 된다.

상기 a) 단계의 탈탄처리는 전술한 표면에서 특정 깊이까지의 영역의 탄소량을 만족하도록, 예컨대 상기 탈탄온도 및 탈탄 시간을 만족하는 것이 상술한 효과가 극대화되어 바람직하며, 이와 함께 공지된 다양한 탈탄처리 방법을 더 참고하여 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 탈탄처리는 금속모재에 함유된 탄소의 제거가 용이하도록 금속모재를 산소 분위기에서 열처리를 수행하는 것이 바람직하다. 대기 분위기 등의 산소 분위기에서 금속모재에 열을 가할 경우, 자연스럽게 금속모재에 함유된 탄소와 산소가 결합하여 탈탄 반응이 진행됨에 따라 금속모재의 접합 영역의 탄소 함유량이 감소하게 된다. 탄소를 함유하는 금속모재에 산화 분위기(대기 중)에서 열이 가해지면 열이 가해지는 부분의 금속모재 표면 및 표면 하부까지 열이 전달되며, 이에 따라 탄소는 대기 중의 산소화 반응하여 일산화탄소, 이산화탄소 등으로 산화되어 기화된다. 따라서 금속모재의 접합 영역에 함유된 탄소의 함유량이 감소하게 된다. 구체적인 일 예로, 금속모재를 산화 분위기로에 장입하고, 로의 온도를 상술한 범위의 열처리 온도로 맞춰 상술한 범위의 시간 동안 열처리를 수행할 수 있다. 이렇게 금속모재 전체에 열을 가할 수 있고, 정밀한 금속소재의 제조가 필요한 경우, 접합 영역에만 국부적으로 열을 가할 수도 있다.

상기 b) 단계는 분말 소결법으로 금속모재에 접합소재를 접합하기 위해 접합소재 분말을 금속모재 표면에 도포하는 단계이다. 접합하고자 하는 금속모재의 표면 영역에 접합소재 분말을 도포할 수 있다. 도포 평균두께는 요구에 따라 적절히 조절될 수 있으며, 접합소재 분말의 평균입경은 예컨대 5~100 ㎛일 수 있다. 또한 접합하고자 하는 접합소재의 형상은 평면(시트)이나 볼록한 형태 또는 오목한 형태 등 다양한 형태로 도포될 수 있다. 하지만 이는 구체적인 설명을 위해 제시된 범위일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.

경우에 따라, 본 발명의 밸브 플레이트용 금속소재의 제조 방법은 상기 a) 단계와 b) 단계 사이에 탈탄처리된 금속모재의 표면을 연마하는 단계를 더 포함할 수 있다. 사포 등을 이용한 그라인딩을 포함하는 표면 연마 단계가 a) 단계와 b) 단계 사이에 수행됨으로써, 탈탄처리 시 발생하는 표면 산화피막을 제거하여, 이후 접합소재를 접할할 시 접합 특성을 보다 향상시킬 수 있다.

상기 c) 단계는 소결하여 금속모재와 접합소재를 접합하는 단계이며, 환원성 분위기에서 수행될 수 있다. 이때 소결온도는 금속모재와 접합소재가 접합할 수 있으며, 접합소재의 용융점 미만의 온도이어야 한다.

구체적으로, 상기 소결온도는 금속모재와 접합소재가 접합할 수 있는 온도 이상이어야 하고, 접합소재의 용융점 미만이어야 하며, 그 값의 범위는 일 예로서 700~900℃이다. 상기 a) 단계의 탈탄처리를 거침에 따라 상기 범위의 낮은 소결온도로 금속모재와 접합소재와의 접합이 가능하여, 접합 강도 등의 접합 특성이 우수한 효과가 있다. 특히 소결온도가 접합소재의 용융점 이상일 경우, 예컨대 900℃를 초과하는 경우, 금속모재에 접합 및 코팅되는 접합소재의 윤활성 및 접합 강도가 급격히 떨어지게 되므로, 밸브 플레이트용 금속소재로서의 사용이 불가하다.

상기 c) 단계의 소결이 완료된 후, 접합소재층을 눌러주는 압연 단계를 더 거침으로써, 층의 조직을 치밀하게 할 수 있다. 따라서 압연 등을 더 거쳐 금속모재 표면에 접합소재를 원하는 형상으로 표면에 견고히 접합 및 밀착시킬 수 있다.

또한 상기 c) 단계 또는 상기 압연 단계 이후에 2차 소결 단계가 더 수행될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 예에 따른 밸브 플레이트용 금속소재의 제조 방법은 상기 c) 단계 이후에, 금속모재에 접합된 접합소재를 압연한 후 2차 소결하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 2차 소결 단계는 전술한 c) 단계와 동일한 소결 방법으로 수행될 수 있다. 이러한 2차 소결 단계를 더 거침으로써, 압연 단계를 거침에 따라 접합된 금속모재와 접합소재에 가해진 응력을 제거하여, 강도 등의 기계적 특성을 보다 향상시킬 수 있다. 특히 a) 단계의 탈탄처리를 거치지 않고 압연 단계 및 2차 소결 단계를 거칠 경우, 완전 박리 등의 접합 특성이 현저히 떨어지게 되므로, 압연 및 2차 소결에 의한 치밀화 및 응력 제거가 의미 없게 된다.

상술한 바와 같이, 접합소재의 접합 특성을 향상시키기 위해 접합 전에 금속모재의 접합 영역을 탈탄처리는 과정이 수행된다. 이러한 과정에서 과도한 탈탄이 진행되거나 접합 영역 외의 영역까지 탈탄처리가 진행될 수 있다.

따라서 접합 영역 외의 탈탄이 필요하지 않는 영역이 탈탄처리가 진행된 경우, , 본 발명의 밸브 플레이트용 금속소재의 제조 방법은 d) 접합소재가 접합된 금속모재를 침탄처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 즉, 경우에 따라 c) 단계의 접합 이후에 금속모재의 탄소 함유량을 증가시키는 침탄처리 과정인 d) 단계가 더 수행될 수 있다.

상기 d) 단계의 침탄처리는 침탄제에 의해 열처리되어 수행되는 것일 수 있다. 침탄온도는 800~1,000℃, 바람직하게는 860~920℃로서 900℃ 전후 범위의 오스테나이트 온도 영역 수행될 수 있다. 상기 침탄온도는 접합소재가 용융되지 않는 범위이어야 한다.

이렇게 침탄처리를 더 거칠 경우, 탄소 함유량이 떨어질 수 있는 금속모재의 접합 영역에 탄소를 확산시켜 금속모재의 표면 경도와 내마모성이 향상되며, 상기 표면 하부는 강인성을 유지할 수 있게 한다.

상기 침탄처리는 크게 고체침탄법, 액체침탄법 또는 가스침탄법으로 구분될 수 있으며, 본 발명에서는 모두 이용 가능하다.

고체침탄법은 고온에서 금속의 표면 또는 표면 하부에 탄소를 확산 침투시킴으로써 탄소양을 증가시키고 탄화물 합금층을 생성시키는 방법이다. 이때 사용되는 침탄제는 크게 제한되지 않으며, 예컨대 60~70 중량%의 목탄, 20~30 중량%의 탄산바륨 및 3~10 중량%의 탄산나트륨을 포함하는 조성물이 사용될 수 있다.

액체침탄법은 침탄제를 포함하는 용액에 침탄할 금속모재를 담가 침탄시키는 방법이다. 이때 침탄제는 NaCN을 주성분으로 하여 중성염이나 탄산염이 첨가된 것일 수 있다.

가스침탄법은 고체침탄법이 지닌 단점을 보완하기 위해 사용되는 것으로, 고체침탄법에 비해 열효율이 높고 공정도 간단함에 따라, 상기 d) 단계의 침탄처리는 가스침탄법을 이용하는 것이 바람직하다. 이때 침탄제는 메탄, 에탄, 프로판, 일산화탄소 등을 포함하는 예컨대 천연가스 등의 탄화수소계 가스 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 d) 단계의 침탄처리는 국부적으로 수행될 수 있음에 따라, 상기 d) 단계는 침탄처리가 요구되지 않는 금속모재의 표면에 침탄 방지제를 도포하는 과정을 더 포함할 수도 있다. 침탄 방지제로는 구리도금이 예시될 수 있으며, 5~50 ㎛의 두께로 도포될 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 d) 단계의 침탄처리가 완료된 후에, e) 재열처리 단계가 더 수행될 수 있다. 경우에 따라 고온에서 장시간 가열하면 심부 조직이 조대화(粗大化)될 수 있으므로, 이를 다시 미세화하게 만들 수 있으며, 또한 강 조직의 변화로 인해 강이 여리게 됨을 방지하고 표면층의 경화를 높일 수 있다. 재열처리 시의 온도는 800-950℃인 것이 예시될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 탄소 함유량이 높은 금속모재에 분말 소결법을 이용하여 접합소재를 접합하는 밸브 플레이트용 금속소재의 제조 방법을 제공하는 것에 목적이 있으며, 따라서 상기 제조 방법으로 제조되는 강성, 내마모성 및 윤활성이 우수한 밸브 플레이트를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

탄소 함유량이 0.47 중량%인 탄소강을 산화성 전기로에 넣어 850℃의 탈탄온도에서 1 시간 동안 탈탄처리를 수행하였다.

이때 탄소강의 깊이에 따른 탄소 함유량을 측정하였다. 구체적으로 상기 측정 방법은 상기 탈탄처리된 금속모재를 노냉하여 자동발광분광분석장치(Optical Emission Spectrometer, OES-5500 Shimadzu)를 이용하여 측정되었다.

그 결과, 탈탄처리된 탄소강은 표면에서 20 ㎛의 깊이까지의 탄소량이 0.02~0.07 중량%로 감소되었으며, 상기 20 ㎛의 깊이에서 30 ㎛의 깊이까지의 탄소량이 0.3 중량%로 감소되었으며, 40 ㎛의 깊이에서는 탄소량이 0.47 중량%로 실질적으로 감소되지 않았다.

하기 표 1은 탄소강 표면에서 20 ㎛의 깊이 영역에 따른 탄소 및 기타 성분들의 함유량을 나타낸 것이다. 탄소(C)는 0.02~0.07 중량%로 나타났으며, Si이 0.2 중량%, Mn이 0.7 중량%, 불순물인 P, S가 0.01 중량% 이하로 탄소 이외에는 변화가 없었다.

중량%		C	Si	Mn	P	S
탈탄처리 전	입하상태	0.47	0.20	0.70	0.009	0.002
탈탄처리 후	850℃×1hr+노냉	0.02~0.07	0.20	0.70	0.009	0.002

또한 탄소강의 탈탄 부위에 대한 현미경 조직과 비커스(Hv) 경도를 측정(하중 200 g에서 5 초 동안 유지 조건)하였으며 이의 결과는 도 6에 나타내었다. 그 결과, 탈탄처리된 탄소강은 표면에서 20 ㎛의 깊이 영역의 비커스 경도(Hv)는 110이었으며, 상기 20 ㎛의 깊이에서 30 ㎛의 깊이까지의 영역의 비커스 경도(Hv)는 166이었으며, 상기 30 ㎛의 깊이에서 40 ㎛의 깊이까지의 영역의 비커스 경도(Hv)는 170이었다.

이후, 탈탄된 탄소강의 표면을 그라인딩 연마하여 표면의 산화피막을 제거한 후, 접합해야 할 표면에 평균입경이 45 ㎛인 연청동(구리 80 중량%, 주석 10 중량%, 납 10 중량%) 분말을 10 mm층이 되도록 덮어 도포하였다. 그리고 소성로에 넣어 860℃의 소결온도에서 2 시간 동안 1차 소결하여 탄소강 표면에 연청동을 접합하고, 그 표면을 압연하여 소결금속의 치밀화(밀도)를 높였다. 그리고 이를 다시 소성로에 넣어 860℃의 접합온도에서 2 시간 동안 2차 소결을 통해 응력을 제거하여 밸브 플레이트 제조를 위한 원판 금속소재를 제조하였다.

그리고 실시예 1의 1차 소결된 금속소재와 2차 소결된 금속 소재에 대하여 굽힘 시험을 수행하였다. 그 결과, 1차 소결된 금속 소재의 경우, 도 1과 같이 양호한 접합상태를 나타내었으며, 압연 후 2차 소결된 금속 소재의 경우, 도 2와 같이 더욱 양호한 접합상태를 나타내었다.

[비교예 1]

탈탄처리를 수행하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 수행하였다.

그리고 비교예 1의 1차 소결된 금속소재와 2차 소결된 금속 소재에 대하여 굽힘 시험을 수행한 결과, 1차 소결된 금속 소재의 경우, 도 3과 같이 불량한 접합상태를 나타내었으며, 압연 후 2차 소결된 금속 소재의 경우, 도 4와 같이 완전 박리된 상태를 나타내었다.

연청동 대신 인청동(구리 90 중량%, 주석 9.9 중량%, 인 0.1 중량%)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 수행하였다.

그 결과, 실시예 1의 경우와 같이 접합 특성이 우수한 것을 확인하였다.

Claims (8)

1. a) 탄소 함유 금속모재를 탈탄처리하는 단계
   b) 탈탄처리된 금속모재의 표면에 연청동 또는 인청동을 포함하는 접합소재 분말을 도포하는 단계 및
   c) 접합소재 분말의 용융점 미만에서 소결하여 금속모재와 접합소재를 접합하는 단계를 포함하며,
   상기 a) 단계에서 탈탄처리된 탄소 함유 금속모재는 표면으로부터 50 ㎛ 이하의 깊이 영역에서 탄소 함유량이 0.3 중량% 이하인, 분말 소결법을 이용한 밸브 플레이트용 금속소재의 제조 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 a) 단계의 탈탄처리는 700~850℃에서 0.5~5 시간 동안 열처리되어 수행되는 것인 밸브 플레이트용 금속소재의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 c) 단계 이후에, 금속모재에 접합된 접합소재를 압연한 후 2차 소결하는 단계를 더 포함하는 밸브 플레이트용 금속소재의 제조 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 a) 단계의 탄소 함유 금속모재는 탄소 함유량이 0.2~2.0 중량%인 탄소강인 밸브 플레이트용 금속소재의 제조 방법.
6. 제1항에 있어서,
   d) 접합소재가 접합된 금속모재를 침탄처리하는 단계를 더 포함하는 밸브 플레이트용 금속소재의 제조 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 d) 단계의 침탄처리는 860~920℃에서 침탄제에 의해 수행되는 것인 밸브 플레이트용 금속소재의 제조 방법.
8. 제1항, 제3항 내지 제7항에서 선택되는 어느 한 항의 밸브 플레이트용 금속소재의 제조 방법으로 제조되는 밸브 플레이트.

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