KR101990986B1 - 고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화 구조 및 표면질화 처리방법 - Google Patents

고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화 구조 및 표면질화 처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화 구조 및 표면질화 처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화층이 고온에서 질화확산에 따른 모재의 기공발생에 의하여 밸브의 헤더부 및 스템부 사이부분에 크랙이 발생하고 부러지는 등 내구성능 저하를 방지하기 위하여 밸브의 헤더부 및 스템부 사이의 고온에 노출되는 구간의 표면질화층을 제거하여 내구성능을 향상시킨 고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화 구조 및 표면질화 처리방법에 관한 것이다.

Description

고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화 구조 및 표면질화 처리방법{Nitridation surface structure of high power and high temperature engine valve stem and the method of nitride treatment}
본 발명은 고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화 구조 및 표면질화 처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화층이 고온에서 질화확산에 따른 경화 및 모재의 기공발생에 의하여 밸브의 헤더부 및 스템부 사이부분에 크랙이 발생하고, 부러지는 등 내구성능 저하를 방지하기 위하여 밸브의 헤더부 및 스템부 사이의 고온에 노출되는 구간의 표면질화층을 제거하여 내구성능을 향상시킨 고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화 구조 및 표면질화 처리방법에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차 엔진용 밸브 시스템의 흡/배기밸브는 캠 샤프트의 회전운동에 따라 상하 왕복운동을하여 엔진의 연소실을 개폐하는 부품이다.
흡기밸브는 연료와 공기의 혼합기가 적정 시점에 연소실에 공급되도록 엔진의 흡기포트를 개폐하는 밸브이고, 배기밸브는 연소실에서 연소가스가 적정 시점에서 배출될 수 있도록 배기포트를 개폐하는 밸브이다.
이러한 흡/배기밸브는 각 포트에 고정된 중공의 밸브 가이드 내측에 삽입되어 왕복운동을 하게 되며, 이때 밸브가이드는 밸브의 스템부에 접촉된 상태로 밸브의 왕복운동을 가이드 하게 된다.
상기와 같이, 왕복운동을 하는 밸브는 엔진밸브 축부의 마모를 위한 표면처리를 하는데, 그 방법으로는 경질크롬(Cr) 도금과 표면질화(연질화법)에 의한 두 가지 방법이 주로 적용된다.
크롬 도금은 내마모성과, 윤활성, 내열성, 내식성 등이 우수한 장점이 있으나, 자연의 광물질에서 생산되는 크롬은 고갈상태로 진행되어 현재 희소가치가 높고, 그에 따른 가격이 상승되는 문제점이 있으며, 각종 유해성분이 내포된 문제점등이 있었다.
즉, 크롬 도금은 6가 크롬의 수용액을 가열하여 3가 크롬으로 변환시키면서 처리하였으나, 가열하는 과정에서 미세량의 6가 크롬이 증기속에 포함되어 호흡하는 과정에서 인체 내로 들어가 축적되는 문제점이 있으며, 이는 골다공증 및 다양한 질환의 원인으로 작용되기도 하였다. 뿐만 아니라, 크롬은 주변 토양을 오염시키는 환경문제의 원인으로 작용되기도 하였다.
반면, 표면질화(연질화법)는 K2CO3와 KCNO를 주성분으로 하며 화학반응을 통해 얻어지는 것으로, 가격변동이 쉽고, 무한 생산이 가능하다는 장점이 있으므로 우리나라 및 일본은 상기 표면질화에 의해 밸브를 생산하고 있다.
또한, 표면질화(연질화법)는 독성이 강한 KCN의 발생이 수반되지만 인체에 축적되지 않으며 장시간 접촉해도 인체에 유해하지 않은 것으로 알려져있다.
종래 엔진밸브 축부의 표면처리방법을 살펴 보면, 한국공개특허 특1996-0029480(공개일자 1996년08월17일)에 축부(2)의 일단에 헤드부(1)를 보유하는 티탄 또는 티탄합금제 밸브체(3)에 있어서 적어도 밸브가이드(7)와 미끄럼접촉하는 외주면에, 철계재료로 이루어지는 피복층(4)을 형성한 후, 그 피복층에 질화처리를 실시하여 질화층(6)을 형성하는 것을 특징으로 하는 티탄 또는 티탄합금제 엔진밸브의 표면처리방법이 공지되어 있다.
또한, 한국등록특허 10-1071632(등록일자 2011년10월04일)에 최소 하나 이상의 코터홈이 형성된 엔진밸브의 표면처리 방법에 있어서, 성형된 엔진밸브(30)가 일정한 길이를 갖도록 축부(32) 전장을 절단하는 과정과(S110); 전장절단 후, 엔진밸브(30)의 축부(32) 외경을 그라인더로 연삭(황삭) 가공하는 축 조연 과정과(S120); 축 조연 후, 1500 ~ 1750rpm으로 고속 회전하는 한 쌍의 숫돌 사이에 엔진밸브(30)의 축부(32)를 위치시켜 정삭가공하는 축 사상 과정과(S130); 축 사상 후, 엔진밸브(30)를 550 ~ 590℃ 범위의 연질화 용액에 30 ~ 45분간 침지시켜 화학반응을 통해 질화층을 형성하는 연질화 과정과(S140); 연질화 과정 후, 엔진밸브(30)의 코터홈(33)이 형성된 축단부를 950 ~ 1050℃ 범위에서 15 ~ 3초간 고주파 열처리한 후 상온에서 공냉시키는 축 단부 열처리 과정과(S150); 축 단부 열처리과정 후, 코터홈(33)이 형성된 축단부를 180 ~ 250℃ 범위에서 15 ~ 3초간 중주파 열처리하는 축 단부 템퍼링 과정과(S160); 상기 축 단부 템퍼링 과정 후, 숫돌에 의한 연삭으로 코터홈(33)에 형성된 이물질 및 돌출부분을 제거하는 코터홈 연삭 과정과(S170); 코터홈 연삭 후, 엔진밸브(30)의 축부(32)를 숫돌로부터 실시되는 축 버핑을 통해 질화로부터 발생한 유해층을 제거하는 과정과(S180); 축 버핑 후, 엔진밸브(30)의 헤드부(31)에 형성된 밸브면(34)을 숫돌로 연마하는 밸브면 연마 과정과(S190); 벨브면 연마 후, 엔진밸브(30)를 세척하여 이물질을 제거하는 세척과정(S200);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 엔진밸브의 표면처리 방법이 공지되어 있다.
또한, 한국등록특허 10-1337936(등록일자 2013년12월02일)에 스템부(11)의 모재(13) 표면에 코팅층이 형성되고, 상기 코팅층은, 모재(13) 표면에 최하층으로서 코팅되고 Ti 또는 Cr로 이루어진 버퍼층(14)과; 상기 버퍼층(14) 위에 코팅되고 CrN, TiN, 또는 TiCN으로 이루어진 중간층(15)과; 상기 중간층(15) 위에 코팅되는 TiAlN/CrN 나노다층(16)과; 상기 TiAlN/CrN 나노다층(16) 위에 코팅되는 TiAlCN 층(17);을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브가 공지되어 있다.
또한, 한국공개특허 10-2013-0099763(공개일자 2013년09월06일)에 스템부(11)의 표면에 최하층으로서 코팅되고 Ti 또는 Cr로 이루어진 버퍼층(14); 상기 버퍼층(14) 위에 코팅되고 CrN 이나 TiN 또는 TiCN으로 이루어진 중간층(16); 상기 중간층(15) 위에 코팅되는 TiAlN/CrN 제1나노다층(16); 및 상기 TiAlN/CrN 제1나노다층(16) 위에 최상층으로서 코팅되는 TiAlCN/CrCN 제2나노다층(17); 을 포함하는 코팅층을 가지는 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브가 공지되어 있다.
그러나, 상기 종래 특허들은 700℃ 이하에서 운행되는 엔진에 적용되는 것으로 표면을 질화처리하여 표면층의 내마모성, 내식성, 내피로도를 상승시킬 목적으로 표면을 질화처리하고 있고, 크롬도금과 함께 질화처리 하고 있으나, 이러한 질화 층은 고온(750 ℃ 이상) 및 보다 긴 내구성능을 필요로 하는 고출력 및 고온용 엔진에는 적합하지 않다.
즉, 엔진용 밸브의 축부 표면질화층이 고온에서 노출될 경우 질화확산에 따른 모재의 기공발생에 의하여 밸브축부가 부러지는 등의 심각한 문제점이 발생되므로 이러한 문제점을 해결하기 위하여 고온으로 상승되는 부위의 모제를 더 굵게 하는 설계변경 등의 다양한 시도가 이루어 지고 있으나, 엔진용 밸브의 스템부 표면질화층이 고온에서 노출될 경우 질화층이 경화됨에 따른 부러짐 현상은 본질적으로 방지할 수 없는 문제점이 있었다.
[특허문헌 001] 한국공개특허 특1996-0029480(공개일자 1996년08월17일) [특허문헌 002] 한국등록특허 10-1071632(등록일자 2011년10월04일) [특허문헌 003] 한국등록특허 10-1337936(등록일자 2013년12월02일) [특허문헌 004] 한국공개특허 10-2013-0099763(공개일자 2013년09월06일)
본 발명은 상기 종래 문제점을 해결하기 위하여 고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화층이 고온에서 질화확산에 따른 경화 및 모재의 기공발생에 의하여 밸브의 헤더부 및 스템부 사이부분에 크랙이 발생하고 부러지는 등 내구성능 저하를 방지하기 위하여 밸브의 헤더부 및 스템부 사이의 고온에 노출되는 구간의 표면질화층을 제거하여 내구성능을 향상시킨 고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화 구조 및 표면질화 처리방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 엔진용 밸브 스템부에 표면질화층이 형성된 고출력 및 고온 엔진용 밸브에 있어서, 상기 표면질화층은 상기 스템부중 750℃이상 고온에 노출되는 밸브의 헤더부 및 스템부 사이부분에는 제거된 것을 특징으로 하는 고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화 구조를 과제의 해결수단으로 한다.
상기 표면질화층이 제거된 헤더부 및 스템부 사이부분은 헤더부 끝단으로 부터 스템부 방향으로 11~25mm 이격된 간격부분인 것을 과제의 해결수단으로 한다.
또한, 본 발명은 고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화 처리방법에 있어서, 상기 엔진용 밸브 스템부에 표면질화층을 형성하는 단계; 및 상기 스템부중 750℃이상 고온에 노출되는 밸브의 헤더부 및 스템부 사이부분의 표면질화층을 제거하는 단계;를 포함하여 구성되는 고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화 처리방법을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 밸브의 헤더부 및 스템부 사이부분의 표면질화층을 제거하는 단계에서 상기 표면질화층을 제거하는 밸브의 헤더부 및 스템부 사이부분은 헤더부 끝단으로 부터 스템부 방향으로 11~25mm 이격된 간격부분인 것을 과제의 해결수단으로 한다.
상기 표면질화층을 제거하는 단계에서 표면질화층의 제거는 연마에 의해 제거되는 것을 과제의 해결수단으로 한다.
본 발명의 고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화 구조 및 표면질화 처리방법은 고출력 및 고온 엔진용 밸브의 헤더부 및 스템부 사이의 고온에 노출되는 구간의 표면질화층을 제거함으로써, 밸브의 헤더부 및 스템부 사이 표면질화층이 고온에서 질화확산에 따른 경화 및 모재의 기공발생에 의하여 밸브의 헤더부 및 스템부 사이부분에 크랙이 발생하고, 부러지는 등 내구성능 저하를 근본적으로 방지할 수 있는 우수한 효과가 있으며, 고출력 및 고온 엔진용 밸브에 있어서 자동차 강국인 일본 보다 기술우위를 점할 수 있는 획기적인 효과가 있다.
도 1은 밸브의 헤더부 및 스템부 사이부분 온도분포 비교도
도 2는 질화확산에 따른 모재의 기공발생 시간결과 비교도
도 3은 표면질화층 제거 전 후의 고온피로수명 테스트 결과 비교도
본 발명은, 엔진용 밸브 스템부에 표면질화층이 형성된 고출력 및 고온 엔진용 밸브에 있어서, 상기 표면질화층은 상기 스템부중 750℃이상 고온에 노출되는 밸브의 헤더부 및 스템부 사이부분에는 제거된 것을 특징으로 하는 고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화 구조를 기술구성의 특징으로 한다.
상기 표면질화층이 제거된 헤더부 및 스템부 사이부분은 헤더부 끝단으로 부터 스템부 방향으로 11~25mm 이격된 간격부분인 것을 기술구성의 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화 처리방법에 있어서, 상기 엔진용 밸브 스템부에 표면질화층을 형성하는 단계; 및 상기 스템부중 750℃이상 고온에 노출되는 밸브의 헤더부 및 스템부 사이부분의 표면질화층을 제거하는 단계;를 포함하여 구성되는 고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화 처리방법을 기술구성의 특징으로 한다.
상기 밸브의 헤더부 및 스템부 사이부분의 표면질화층을 제거하는 단계에서 상기 표면질화층을 제거하는 밸브의 헤더부 및 스템부 사이부분은 헤더부 끝단으로 부터 스템부 방향으로 11~25mm 이격된 간격부분인 것을 기술구성의 특징으로 한다.
상기 표면질화층을 제거하는 단계에서 표면질화층의 제거는 연마에 의해 제거되는 것을 기술구성의 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예 및 도면을 통하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예 및 도면에 한정되지 않는다.
우선, 본 발명의 고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화 구조는 엔진용 밸브 스템부에 표면질화층이 형성된 고출력 및 고온 엔진용 밸브에 있어서, 상기 표면질화층은 상기 스템부중 750℃이상 고온에 노출되는 밸브의 헤더부 및 스템부 사이부분에는 제거되어 구성된다.
[도 1]을 참조하여 설명하면, 약700℃ 미만으로 운전되는 저출력(MPI)엔진과 고출력 및 고온으로 운전되는 고출력(T-GDI)엔진에서 연소실에 노출되는 밸브 스템부의 온도분포는 저출력(MPI)은 헤더부 끝단으로 부터 스템부 방향으로 11~23mm 이격된 간격부분은 최고온도가 600~700℃ 정도로 운전되므로 밸브 스템부의 표면질화층에 기포조직이 발생하지 않으므로 부러짐현상은 발생하지 않는다.
그러나, 고출력(T-GDI)엔진의 경우, 헤더부 끝단으로 부터 스템부 방향으로 11~25mm 이격된 간격부분은 최고온도가 750℃ 이상으로 운전되므로 밸브 스템부의 표면질화층에 기포조직이 발생되어 부러짐현상이 발생된다.
즉, [도 2]에 나타난 바와 같이, 600~700℃ 정도로 운전되는 저출력(MPI)엔진 밸브 스템부 표면질화층은 질화확산 두께의 변화(A)가 크지 않으므로 질화확산에 따른 모재에 기공이 발생하지 않는 반면, 750℃ 이상으로 운전되는 고출력(T-GDI)엔진 밸브 스템부 표면질화층은 질화확산 두께의 변화(A)가 심하므로 질화확산에 따른 모재에 기공이 심하게 발생된다.
특히, [도 2]를 참조하면, 저출력 700℃(150hrs) 및 고출력 750℃(100hrs)부터 표면에 백색층과 그 아래 흑색층이 형성되며, 질화층이 깊이방향으로 확산되면서 Fe3N 도는 Fe4N의 결합이 깨져 표면층에 기공이 형성되므로 고온노출에 의한 모재의 기공발생을 확인할 수 있다.
상기 질화확산에 따른 모재의 기공발생과 관련한 고온피로수명 테스트를 실시한 결과, [도 3]에 도시한 바와 같이, 시험온도 800℃에서 인가응력 160MPa 밸브테스트 한 결과 질화층이 존재하는 경우 에는 3.2 x 105 개폐횟수를 기록한 반면, 질화층이 제거된 경우에는 동일 조건에서 6.3 x 105 개폐횟수를 기록하여 그 내구성능이 훨씬 우수하게 나타났다.
이에 따라 상기 표면질화층이 제거된 헤더부 및 스템부 사이부분은 헤더부 끝단으로 부터 스템부 방향으로 11~25mm 이격된 간격부분으로 설계하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화 처리방법은 상기 엔진용 밸브 스템부에 표면질화층을 형성하는 단계; 및 상기 스템부중 750℃이상 고온에 노출되는 밸브의 헤더부 및 스템부 사이부분의 표면질화층을 제거하는 단계;를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 밸브의 헤더부 및 스템부 사이부분의 표면질화층을 제거하는 단계에서 상기 표면질화층을 제거하는 밸브의 헤더부 및 스템부 사이부분은 헤더부 끝단으로 부터 스템부 방향으로 11~25mm 이격된 간격부분으로 설계하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 표면질화층을 제거하는 단계에서 표면질화층의 제거는 연마에 의해 제거될 수 있음은 물론이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 엔진용 밸브 스템부에 표면질화층이 형성된 고출력 및 고온 엔진용 밸브에 있어서, 상기 스템부중 밸브의 헤더부 및 스템부 사이부분의 표면질화층은 750℃이상 고온에 노출되는 경우 상기 표면질화층이 깊이방향으로 확산되면서 Fe3N 또는 Fe4N의 결합이 깨져 모재에 기공이 형성되고, 밸브의 헤더부 및 스템부 사이부분에 크랙이 발생되어 부러지는 현상을 방지하기 위하여 밸브의 헤더부 끝단으로 부터 스템부 방향으로 11~25mm 이격된 간격부분에는 표면질화층이 제거된 것을 특징으로 하는 고출력 및 고온 엔진용 밸브의 스템부 표면질화 구조
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