KR102139401B1 - 2중/3중 층의 밸브 가이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분말 야금학적 공정에 의해 제조되는 연소 기관용 밸브 가이드에 관한 것이며, 상기 가이드는 중앙 섹션, 캠 측 단부편, 및 덕트 측 단부편을 포함하며, 중앙 섹션은 제1 재료로 이루어지고, 덕트 측 단부편은 제2 재료로 이루어지고, 제2 재료는 70 HRB를 초과하는 경도를 가지며, 제1 재료는 제2 재료보다 낮은 적어도 10 HRB까지의 경도를 가진다.

Description

2중/3중 층의 밸브 가이드{DOUBLE/TRIPLE-LAYER VALVE GUIDE}

본 발명은 분말 야금학적 공정들(powder-metallurgical processes)에 의해 제조된 연소기관용 밸브 가이드에 관한 것이며, 상기 가이드는 중앙 섹션, 캠을 향한 단부편(end piece), 및 덕트를 향한 단부편을 가진다.

연소 기관을 위한 밸브 가이드들은 실린더 헤드에 위치되고, 밸브 시트 링과 밀접한 접촉을 가지는 방식으로 및 가스 덕트를 폐쇄할 수 있는 방식으로 진동 밸브(oscillating valve)를 가이드하는 목적에 기여한다.

밸브 가이드들은 수십 년 동안 분말 야금학적 수단에 의해 제조되었다. 제조 공정에서 고유한 이유로 인한 다공성은 그 중에서 밸브 가이드와 밸브 스템 사이의 윤활 효과를 향상시키는 오일이 기공들에 충전되도록 하기 때문에 특별히 유익한 것이다. 구성요소들 사이의 양호한 윤활은 진동 운동으로 인하여 마찰이 생성되기 때문에 필요하다.

기본적으로, 연소 기관에 장착된 밸브 가이드는 중앙 섹션, 캠 측(cam-side), 및 덕트 측(duct-side) 단부편(end piece)으로 세분될 수 있다. 이러한 모든 섹션들은 다른 주위 상태에 노출되고, 다른 기능을 이행하여야만 한다.

예를 들어, 덕트 측 단부편(특히 배기 밸브들에 있는)은 고온에 노출되고, 이러한 이유 때문에 내온성 뿐만 아니라 비부식성 및 내마모성이어야만 한다.

본질적으로 밸브 가이드의 중간 영역을 포함하는 중앙 섹션은 한편으로는 덕트 측 단부편으로부터 열을 전도하여 실린더 헤드(냉각된)를 향해 열을 보내는 목적에 기여한다. 다른 한편으로, 중앙 섹션은 가이드와 밸브 스템 사이의 양호한 윤활을 또한 보장하여야 한다. 더욱이, 중앙 섹션의 양호한 작업성이 또한 보장되어야만 하여서, 엔진 제조업체가 가공 공정을 마무리한 후에, 밸브 정렬에 요구되는 높은 치수 정밀도가 실린더 헤드에서 보장된다.

비록, 보다 낮은 주위 온도로 인하여, 마멸 및 접착과 같은 마모 메커니즘의 영향이 덕트 측 단부편의 경우에서보다 덜 엄격할지라도, 실린더 헤드로부터 돌출하는 캠 측 단부편은 또한 내마모성이어야 한다. 이상적으로, 오일 및 가스가 캠 측에서 실린더 헤드를 빠져나가지 않는 것이 확보된다.

단일 재료로 만들어진 밸브 가이드들은 3개의 상이한 섹션들의 모든 기능 요구조건을 모두 만족시킬 수 없다. 고 다공성의 재료는 예를 들어 오일을 흡수하는데 도움이 되지만, 동시에, 기존의 기공의 결과로서 부식에 특히 민감하다. 이러한 재료는 중간 부분을 위하여 적절하게 이용될 수 있지만, 덕트 측에 대해서는 덜 적합하게 될 것이다. 오일은 기공들을 통해 계속 빠져 나갈 수 있다. 다른 예는 특히 가공되는데 어려울 수 있는 내마모성 재료이며, 이는 덕트 측 재료에 적용된다.

상기 문제의 해결 수단은, 야금 공정에 의해 제조된 밸브 가이드들에서의 산화 및 부식을 피하도록 제안하는 특허 공개 GB 780 073 A에 설명되었다. 이러한 것은 밸브 가이드 또는 그 부분들을 코팅하는 것에 의해 도포된 내식성 금속 외피의 준비에 의해 유발되어야 한다.

특허 공개 DE 103 43 680 A1은 구리에 의한 캠 측 단부의 용침(infiltration)에 의하여 오일 및 가스에 대해 밸브 가이드의 두께를 증가시키는 것을 목적으로 하는 해결 수단을 개시한다.

상기된 특허 문헌들은 안전하여야만 하는 밸브 가이드의 3개의 섹션들의 다양한 요구조건에 대한 단지 부분적인 해결 수단을 제공한다. 더욱이, 상기된 모든 조치들은 고유하지 않은 밸브 가이드 특성들을 수반한다. 사실, 필요한 효과를 유발하기 위하여, 밸브 가이드 상에 제공되거나 또는 배열되도록 내식성 외피 또는 구리 슬리브를 위한 추가의 작업 단계들이 필요하다.

결과적으로, 본 발명의 목적은 분말 야금학적 공정에 의해 제조되는 밸브 가이드를 제공하는 것이며, 상기 밸브 가이드는 각각의 섹션들의 상이하고 특별한 요구조건들을 동시에 부합하도록 상이한 재료들로 만들어지는 섹션들로 이루어진다.

이러한 목적은, 분말 야금학적 공정에 의해 제조되는 상기된 종류의 밸브 가이드로서, 중앙 섹션이 제1 재료로 이루어지며, 덕트 측 단부편이 제2 재료로 이루어지고, 제2 재료는 70 HRB를 초과하는 경도를 가지며, 제1 재료는 상기 제2 재료보다 낮은 적어도 10 HRB까지의 경도를 가지는 밸브 가이드에 의해 달성된다.

본 발명은 밸브 가이드의 개별 섹션들이 다른(재료) 요구 조건에 따르는데 적합하다는 이점을 제공한다.

캠 측 단부편은 제1, 제2, 또는 제3 재료로 제조될 수 있다. 제1 또는 제2 재료를 사용하는 것은 제조 공정을 특히 용이하게 한다. 그러므로, 특히 프레스 작업은 단순화되고 단축될 수 있다. 바람직하게, 또한 캠 측 단부편은 제2 재료로 이루어진다.

이후에 설명되는 재료들은 예를 들어 각 경우에 요구되는 특성을 가지는 소결강 등급이다.

예를 들어, 제1 재료는,

- 78 내지 88 % w/w Fe,

- 10 내지 20 % w/w Cu,

- 0.8 내지 1 % w/w Mn,

- 0.4 내지 0.6 % w/w S, 및

- 0.8 내지 2 % w/w C로 구성된다.

상기 조성은 소결 재료의 분석에 기초한다.

추가의 성분들/합금 성분은 4 % w/w의 전체량까지 존재할 수 있다.

제1 재료의 구체적인 조성예는 다음과 같다:

- 84 % w/w Fe,

- 12 % w/w Cu,

- 0.8 % w/w Mn,

- 0.5 % w/w S,

- 0.9 % w/w C

- 필요하면, 용침된 구리를 포함하지 않는 제1 재료의 구리의 함유량과 함께, 100 % w/w까지 추가의 성분/합금 성분.

적어도 10%의 구리 함유량은 높은 열전도성을 보장한다. 이러한 방식으로, 중앙 섹션은 덕트 측과 밸브에서 상승하는 높은 온도를 캠 측으로 전달할 수 있다. 구리는 프레싱 작업 전에 구리 또는 구리 합금 분말의 형태로 혼합물에 추가된다. 황(S)과 연한 망간 황화물(MnS)은 고체 윤활제로서 기여하고, 가이드의 마찰학 체계(tribological system)의 비상 작업 특성을 향상시키고, 엔진 오일의 양이 불충분한 경우에, 윤활을 위해 이용할 수 있다. 제1 재료의 조성은 양호한 가공성을 보장한다.

예를 들어, 제2 재료는,

- 82 내지 86 % w/w Fe,

- 1.0 내지 1.5 % w/w Cr,

- 12 내지 16 % w/w Cu,

- 0.6 내지 0.8 % w/w Mn,

- 0.4 내지 0.6 % w/w S,

- 0.5 to 2.0 % w/w C, 및

- 필요하면, 3.5 % w/w까지의 양일 수 있는 추가의 성분/합금 성분으로 구성된다.

조성은 소결 재료의 분석에 기초한다.

제2 재료의 구체적인 조성예는 다음과 같다:

- 84 % w/w Fe,

- 1.2 % w/w Cr,

- 12 % w/w Cu,

- 0.7 % w/w Mn,

- 0.5 % w/w S,

- 0.6 % w/w C, 및

- 필요하면, 용침된 구리를 포함하지 않는 제2 재료의 구리의 함유량과 함께, 100 % w/w까지 추가의 원소/합금 성분.

제1 재료와 비교하여 차이는 크롬 탄화물의 형성으로 인한 보다 높은 내마모성을 유발하는 크롬 함유량이다. 또한, 제2 재료는 장기간의 시간에 걸쳐서 고온에 견딜 수 있다. 고온으로 인하여, 제2 재료는 덕트 측 단부편에 노출되고, 대체로 캠 측보다 더욱 심한 마모를 받기 쉽다. 이러한 이유 때문에, 제2 재료는 우수한 내마모성을 특징으로 한다.

연소 기관을 위한 밸브 가이드 구성요소에 있는 마모 메커니즘으로서, 접착 및 마모는 자주 부딪힌다. 이러한 것은 밸브 가이드와 밸브 스템 사이에서 발생하고, 캠 측에서 보다 덕트 측에서 더욱 현저한 것으로 알려졌다. 마모가 갖는 주요 문제는 배출 밸브 가이드 시스템에서 겪게 된다. 이것들은 밸브 가이드와 밸브 스템 사이의 갭 폭/여유로 이어질 수 있어서, 입자들이 슬라이딩 영역에 들어가는 가능성을 증가시키고, 이는 궁극적으로 밸브 스템 끼임, 결과적으로 모터 실패를 유발할 수 있다. 그러므로, 제2 재료의 구리 함유량은 경도와 강도와 같은 기계적 특성을 추가적으로 개선하는데 기여한다.

제1 및 제2 재료들은 경도에 대하여 다르고, 덕트 측 단부편의 제2 재료와 비교하여 중앙 섹션의 제1 재료의 보다 낮은 경도는 양호한 가공성을 보장하는데 반하여, 덕트 측 단부편의 보다 경질의 재료는 내마모성 뿐만 아니라 내온성을 크게 향상시킨다.

분말 야금학적 공정에 의해 제조된 밸브 가이드들의 중앙 섹션의 전형적인 열전도성은 21 내지 48 W/(mK)의 범위에 놓인다.

다른 밸브 가이드 시스템(예를 들어, 주조 설계)와 비교하여, 분말 야금학적으로 제조된 밸브 가이드들은 특정 양의 오일을 흡수할 수 있는 기공을 소유한다는 이점을 제공한다. 보다 높은 오일 함유량은 밸브 가이드의 윤활 효율을 개선하는 것으로 이어진다. 밸브 가이드와 밸스 스템 사이에서 발생하는 일정한 마찰을 고려하여, 이러한 것은 상당한 이점으로 고려된다.

Fe계에서 분말 야금학적으로 제조된 밸브 가이드의 밀도는 6.5 내지 7 g/cm³의 범위에 있다. 이러한 것은 대략 10 내지 20 %의 다공성을 유발한다. 중앙 섹션이 높은 다공성을 요구하기 때문에, 제1 재료를 위한 다공성은 15 내지 20 %, 바람직하게 17 내지 20 %의 범위에 놓인다. 중앙 섹션의 다공성은 오일 흡수 능력과 관련되고, 윤활 특성에서 영향을 가진다.

본 발명의 실시예에서, 분말 야금학적으로 제조된 밸브 가이드는 캠 측에 적용되는 구리 용침(copper infiltration)이 추가적으로 제공될 수 있다. 바람직하게, 용침은 캠 측 단부편의 외측(outside) 및/또는 전면측(frontside)에 존재할 것이다. 이러한 것은 오일 및 가스에 대한 두께를 증가시키고, 환경에 유해한 엔진 오일의 소비를 추가로 감소시킨다. 구리 용침은 외부면으로부터 캠 측 단부편의 벽의 중앙으로 아래로 최대 연장하는 영역, 그러나, 바람직하게 1 내지 3 ㎜의 두께를 가지는 표면층 구역의 영역 내에 도달한다.

본 발명의 밸브 가이드의 제조는 5개의 단계들로 발생할 수 있다. 제1 단계에서, 제2 재료로 구성된 덕트 측 단부편을 위한 분말은 펀치와 동축으로 배열된 다이 내로 충전되고, 적절하면, 프레싱 공구의 수단에 의해 사전 콤팩트화되고, 제2 단계에서, 제1 재료로 이루어진 중앙 섹션을 위한 분말은 다이 내로 충전되며, 적절하면, 프레싱 공구의 수단에 의해 사전 콤팩트화되고, 제3 단계에서, 제2 또는 제3 재료로 이루어진 캠 측 단부편을 위한 분말은 다이 내로 충전되고, 적절하면, 프레싱 공구의 수단에 의해 사전 콤팩트화되고, 제4 단계에서, 완전한 밸브 가이드는 프레싱 공구를 사용하여 다이에서 콤팩트화되며, 콤팩트의 형태는 특히 다이 및 펀치의 형태에 의해 특별히 결정되며, 제5 단계에서, 완전한 밸브 가이드는 소결된다. 그러나, 밸브 가이드 섹션들의 콤팩트화 순서는, 먼저 덕트 측 단부편, 그런 다음 중앙 섹션, 최종적으로 캠 측 단부편이 콤팩트화되도록 또한 역전될 수 있다. 중앙 섹션과 캠 측 단부편이 동일 재료로 구성되는 경우에, 작업 단계가 생략되는 것은 말할 필요도 없다. 또한, 캠 측 단부편은 제3 재료로 잘 제조될 수 있다. 개별 콤팩트 단계들은 중간 콤팩트 단계들이 생략될 수 있도록 단일 단계로 통합될 수 있다.

프레싱 첨가제, 예를 들어 왁스는 콤팩트의 결합을 개선하도록 분말 혼합물에 첨가될 수 있다. 후속의 소결 공정 동안, 왁스는 완전히 증발하게 되며, 이러한 방식으로 소결된 밸브 가이드에 더 이상 존재하지 않을 것이다.

단일 재료로 제조되는 밸브 가이드들을 제공하는 방법과 대조적으로, 본 발명의 방법은 중앙 섹션의 밀도 및 다공성이 프레싱 작업의 수단에 의해 잘 조정될 수 있다는 이점을 제공한다.

상기 방법의 특별한 실시예에서, 콤팩트화된 밸브 가이드와 구리 바디(body)는 함께 소결될 수 있으며, 구리 바디는 콤팩트화된 밸브 가이드의 캠 측과 밀접하여 접촉하거나 또는 그 위에 얹혀 있으며, 그 중량에 대하여, 용침되는 구리의 양을 맞추도록 적절하게 조정된다. 바람직하게, 구리 바디는 슬리브이다. 오일 및 가스에 대한 두께를 증가시키는 몇몇 재료들로 구성된 밸브 가이드와 구리 바디는 단일 작업 단계(소결 작업)의 수단에 의해 서로 접합된다.

밸브 가이드의 개별 요소들 또는 섹션들은 분말 야금학적 공정에 의해 별개로 또한 제조될 수 있으며, 이어서 마찰 용접에 의해 서로 접합될 수 있다.

도면은 본 발명에 의해 제안된 바와 같은 밸브 가이드(1)의 실시예를 예로서 도시한 단면도이다.

밸브 가이드는 캠 측 단부편(2), 중앙 섹션(3), 및 덕트 측 단부편(4)으로 이루어진다. 밸브 스템이 보어(bore) 내에서 움직이고 보어는 도면부호 5에 의해 표시된다. 이 실시예에서, 중앙 섹션은 제1 재료(7)로 이루어지고, 캠 측 및 덕트 측 단부편은 제2 재료(6)로 이루어진다.

Claims (11)

1. 중앙 섹션, 캠 측 단부편, 및 덕트 측 단부편을 가지는, 분말 야금학적 공정들에 의해 제조된 연소기관용 밸브 가이드에 있어서,
   상기 중앙 섹션은 제1 재료로 이루어지며, 상기 덕트 측 단부편은 제2 재료로 이루어지고, 상기 제2 재료는 70 HRB를 초과하는 경도를 가지며, 상기 제1 재료는 제2 재료의 경도보다 낮은 적어도 10 HRB까지의 경도를 가지고,
   상기 제1 재료는,
   최소 10% w/w 소결된 Cu를 포함하고, 용침된 Cu가 없으며, 15%~20% 범위의 다공성을 가지는 것을 특징으로 하는 밸브 가이드.
2. 제1항에 있어서, 상기 캠 측 단부편은 상기 제1 재료, 상기 제2 재료 또는 제3 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 밸브 가이드.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 재료는 78 내지 88 % w/w Fe, 10 내지 20 % w/w Cu, 0.8 내지 1 % w/w Mn, 0.4 내지 0.6 % S, 0.8 내지 2 % w/w C, 및 4 % w/w 까지의 추가 성분들로 이루어진 것을 특징으로 하는 밸브 가이드.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 중앙 섹션을 위한 상기 제1 재료는 21 내지 48 W/(mK)의 범위의 열전도성을 가지는 것을 특징으로 하는 밸브 가이드.
6. 삭제
7. 제1항 내지 제3항, 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 오일 및 가스에 대한 기밀성(tightness)을 개선할 목적으로 상기 밸브 가이드의 캠 측 단부편의 외측 또는 전면측의 구리 용침(infiltration)을 하는 것을 특징으로 하는 밸브 가이드.
8. 제7항에 있어서, 상기 구리 용침은 벽 중앙의 외측으로부터의 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 가이드.
9. 청구항 1에 따른 밸브 가이드 제조 방법에 있어서,
   처음에, 밸브 가이드의 덕트 측 단부편, 중앙 섹션 및 캠 측 단부편을 위한 분말이, 펀치와 동축으로 배열된 다이 내로 연속으로 충전되고,
   이어서, 상기 다이 내의 전체 밸브 가이드가 프레싱 공구에 의하여 콤팩트되고, 상기 콤팩트의 형태는 상기 다이와 펀치의 형태에 의해 결정되고, 상기 전체 밸브 가이드가 최종 작업 단계에서 소결되는 것을 특징으로 하는 밸브 가이드를 제조하는 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 연속 충전 단계들 중 적어도 한 충전 단계 동안, 사전 콤팩트화(precompaction) 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 밸브 가이드를 제조하는 방법.
11. 제1항 내지 제3항, 제5항 중 어느 한 항에 따른 밸브 가이드를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 밸브 가이드의 개별 섹션들은 상기 밸브 가이드를 형성하도록 콤팩트화 및 소결하는 것에 의해 분말 야금학적 방식으로 제조되어, 마찰 용접에 의해 접합되는 것을 특징으로 하는 밸브 가이드를 제조하는 방법.

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