KR102210213B1 - 철기 소결 합금제 밸브 가이드 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 내마모성 및 열전도성이 우수한 철기 소결 합금제 밸브 가이드에 관한 것이다. 코어 철분에 대하여 확산에 의해 접합된 Cu를 함유하는 확산 합금 분말을 포함하는 원료 분말을 성형하여 성형체를 얻는 성형 단계와, 상기 성형체를 소결하는 소결 단계를 거쳐, 철기 소결 합금제 밸브 가이드를 제조하는 것을 특징으로 하는 철기 소결 합금제 밸브 가이드의 제조 방법 및 상기 제조 방법에 의해 제조된 밸브 가이드에 관한 것이다.

Description

철기 소결 합금제 밸브 가이드 및 그의 제조 방법

본 발명은, 철기(鐵基) 소결 합금제 밸브 가이드 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

최근의 자동차용 가솔린 엔진에 있어서는, 저연비, 저이미션, 고출력을 지향하고, 다운사이징, 직접 분사 고과급 등의 각종 기술의 조합에 의해 연소 효율의 개선이 도모되고 있다. 연소 효율의 개선은 각종 손실을 저감시킴으로써, 특히 손실 비율이 큰 배기 손실이 주목되고, 그 저감 기술로서 고압축화가 시도되고 있다. 고압축화는 필연적으로 엔진 온도의 상승을 초래하고 노킹 등의 이상(異常) 연소 발생의 리스크를 수반하기 때문에, 연소실 내의 냉각 대책이 필요해지고 있다. 특히, 주변 온도가 고온으로 되는 배기측 밸브 주변에서는, 냉각 개선이 필수이고, 밸브의 냉각 기능을 담당하는 밸브 가이드에도 높은 밸브 냉각능이 요구되고 있다.

밸브 냉각능이 높은 밸브 가이드 재료로서, 예를 들면 놋쇠제 밸브 가이드를 들 수 있다. 그러나, 놋쇠제 밸브 가이드는, 보유성(保油性)이 있는 공공(空孔)이 적은 것에 의한 내마모성의 부족이나, 종래 이용되어 온 철기 소결 합금의 밸브 가이드에 비하여 가공 비용 등 비용도 높다는 과제가 있다. 이 때문에, 놋쇠제 밸브 가이드와 비교하여 저비용이나 소결 합금제 밸브 가이드에 있어서, 밸브 냉각능과, 내마모성을 개선하는 기술이 제안되고 있다(특허문헌 1, 특허문헌 2).

예를 들면, 특허문헌 1에는, 질량%로 Cu:10∼90%, Cr:0∼10%, Mo:0∼6%, V:0∼8%, W:0∼8%, C:0.5∼3%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 상기 Cr,Mo, V 및 W의 합계가 2% 이상 16% 이하인 조성을 가지고, 또한, Fe를 주성분으로 하는 Fe기 합금상(合金相), Cu상 또는 Cu를 주성분으로 하는 Cu기 합금상, 및 흑연상으로 이루어지는 조직을 가지는 소결 합금제 밸브 가이드가 제안되고 있다. 또한, 특허문헌 2에는, 철계 합금 분말과, 26wt% 내지 30wt%의 Ni를 함유하는 구리계 합금 분말이 중량 배합비 4:6 내지 6:4의 비율로 혼합된 소결 재료로 이루어지는 소결 합금제 밸브 가이드가 제안되고 있다.

일본특허 제5658804호 일본공개특허 평6-66117호 공보

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것이고, 내마모성 및 열전도성이 우수한 철기 소결 합금제 밸브 가이드 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제는 이하의 본 발명에 의해 달성된다. 즉,

본 발명의 철기 소결 합금제 밸브 가이드의 제조 방법은, 코어 철분에 대하여 확산에 의해 접합된 Cu를 함유하는 확산 합금 분말을 포함하는 원료 분말을 성형하여 성형체를 얻는 성형 단계와, 성형체를 소결하는 소결 단계를 거쳐, 철기 소결 합금제 밸브 가이드를 제조하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 철기 소결 합금제 밸브 가이드의 제조 방법의 일 실시형태는, (1) 상기 원료 분말에 포함되는 Cu 성분의 함유량이 14 질량%∼40 질량%의 범위 내이고, 또한, (2) 상기 원료 분말에 포함되는 Cu 성분 중, 상기 코어 철분에 대하여 확산에 의해 접합된 Cu를 함유하는 확산 합금 분말에 유래하는 Cu 성분의 비율이 45% 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 철기 소결 합금제 밸브 가이드의 제조 방법의 다른 실시형태는, 원료 분말이 C 분말 및 고체 윤활제를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 철기 소결 합금제 밸브 가이드의 제조 방법은, 소결 단계에서의 소결 온도가 1102℃∼1152℃의 범위 내인 것이 바람직하다.

본 발명의 철기 소결 합금제 밸브 가이드의 제조 방법은, 소결 단계에서의 소결 시간이 10분∼2시간의 범위 내인 것이 바람직하다.

제1 본 발명의 철기 소결 합금제 밸브 가이드는, 코어 철분에 대하여 확산에 의해 접합된 Cu를 함유하는 확산 합금 분말을 포함하는 원료 분말을 성형하여 성형체를 얻는 성형 단계와, 성형체를 소결하는 소결 단계를 거쳐 제작된 것을 특징으로 한다.

제1 본 발명의 철기 소결 합금제 밸브 가이드의 일 실시형태는, (1) 원료 분말에 포함되는 Cu 성분의 함유량이 14 질량%∼40 질량%의 범위 내이고, 또한, (2) 원료 분말에 포함되는 Cu 성분 중, 코어 철분에 대하여 확산에 의해 접합된 Cu를 함유하는 확산 합금 분말에 유래하는 Cu 성분의 비율이 45% 이상인 것이 바람직하다.

제2 본 발명의 철기 소결 합금제 밸브 가이드는, Cu를 10 질량%∼40 질량% 포함하고, 공공 및 Cu상을 포함하는 조직을 가지고, 공공의 공공 면적율이 3% 이상이며, Cu상의 Cu 면적율이 11%∼36%인 것을 특징으로 한다.

제1 및 제2 본 발명의 철기 소결 합금제 밸브 가이드의 일 실시형태는, Cu를 12 질량%∼35 질량% 포함하는 것이 바람직하다.

제1 및 제2 본 발명의 철기 소결 합금제 밸브 가이드의 다른 실시형태는, Cu를 20 질량%∼30 질량% 포함하는 것이 바람직하다.

제1 및 제2 본 발명의 철기 소결 합금제 밸브 가이드의 다른 실시형태는, Cu 면적율이 13.1%∼33.8%인 것이 바람직하다.

제1 및 제2 본 발명의 철기 소결 합금제 밸브 가이드의 다른 실시형태는, Cu 면적율이 17%∼29%인 것이 바람직하다.

제1 및 제2 본 발명의 철기 소결 합금제 밸브 가이드의 다른 실시형태는, 공공 면적율이 3.6% 이상인 것이 바람직하다.

제1 및 제2 본 발명의 철기 소결 합금제 밸브 가이드의 다른 실시형태는, 공공 면적율이 7.3% 이상인 것이 바람직하다.

제1 및 제2 본 발명의 철기 소결 합금제 밸브 가이드의 다른 실시형태는, 공공 면적율이 15% 이하인 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 내마모성 및 열전도성이 우수한 철기 소결 합금제 밸브 가이드 및 그의 제조 방법을 제공할 수 있다.

[도 1] Cu 함유량(질량%)에 대한 공공 면적율(%)의 변화를 나타내는 그래프이다.
[도 2] Cu 함유량(질량%)에 대한 Cu 면적율(%)의 변화를 나타내는 그래프이다.
[도 3] Cu 함유량(질량%)에 대한 열전도율(W/m·K)의 변화를 나타내는 그래프이다.
[도 4] Cu 함유량(질량%)에 대한 마모량(㎛)의 변화를 나타내는 그래프이다.
[도 5] Cu 함유량이 40 질량% 이하인 범위에서의 실험예 A1, A2, A3, A4, B1, B2, B3, B4에 관한 Cu 함유량(질량%)에 대한 마모량(㎛)의 변화를 나타내는 그래프이다.
[도 6] Cu 함유량(질량%)에 대한 경도(HRB)의 변화를 나타내는 그래프이다.
[도 7] Cu 부분 확산 합금 분말(Cu 함유량 25 질량%)의 일례를 나타내는 사진이고, 여기에서, 도 7의 (A)가, Cu 부분 확산 합금 분말의 외관 형상을 나타내는 전자현미경 사진이고, 도 7의 (B)는, 도 7의 (A)에 나타내는 Cu 부분 확산 합금 분말의 표면에 있어서의 Cu의 분포를 나타내는 조성 맵이다.
[도 8] 원료 분말을 가압 압축한 후이면서 소결하기 전의 상태인 샘플(소결 전의 성형체)의 단면의 일례를 나타내는 화상이고, 여기에서, 도 8의 (A)는 실험예 A3의 전자현미경 사진이고, 도 8의 (B)는 실험예 B3의 전자현미경 사진이며, 도 8의 (C)는 실험예 A3의 Fe 원소의 조성상이고, 도 8의 (D)는 실험예 B3의 Fe 원소의 조성상이며, 도 8의 (E)는 실험예 A3의 Cu 원소의 조성상이고, 도 8의 (F)는 실험예 B3의 Cu 원소의 조성상이다.

본 실시형태의 철기 소결 합금제 밸브 가이드(이하, 「밸브 가이드」로 생략하는 경우가 있음)의 제조 방법은, 코어 철분에 대하여 확산에 의해 접합된 Cu를 함유하는 확산 합금 분말(이하, 「Cu 부분 확산 합금 분말」이라고 칭하는 경우가 있음)을 포함하는 원료 분말을 성형하여 성형체를 얻는 성형 단계와, 성형체를 소결하는 소결 단계를 포함한다. 이 경우, Cu 부분 확산 합금 분말 중의 Cu의 함유량으로서는 특별히 한정되지 않지만, 8 질량%∼45 질량%가 바람직하고, 10 질량%∼30 질량%가 바람직하고, 25 질량%±2 질량%가 특히 바람직하다. Cu 부분 확산 합금 분말로서는 예를 들면, Cu 함유량이 25 질량%인 Cu 부분 확산 합금 분말, 또는, Cu 함유량이 약 10 질량%인 Cu 부분 확산 합금 분말 등을 사용할 수 있다.

원료 분말에는, Cu 부분 확산 합금 분말 이외에도, C 분말 및 고체 윤활제를사용하는 것이 바람직하고, 또한, 금형을 사용하여 성형체를 형성할 때의 윤활제가 더 포함되어 있는 것이 바람직하다. 그리고, 고체 윤활제로서는 특별히 제한되지 않고, 공지의 고체 윤활제라면 모두 이용할 수 있고, 예를 들면, MoS₂ 등을 들 수 있고, 또한, 이형제(離型劑)로서는 특별히 제한되지 않고, 공지의 이형제라면 모두 이용할 수 있지만, 예를 들면 스테아르산아연 등을 들 수 있다. 또한, 원료 분말 중의 Fe 성분 및 Cu 성분의 주된 공급원으로서는 Cu 부분 확산 합금 분말을 사용하지만, 밸브 가이드 중의 Cu 함유량을 원하는 값으로 조정하기 위하여, 필요에 따라, Fe 분말, Fe기 합금 분말, Cu 분말, 또는 Cu기 합금 분말을 더 병용해도 된다. 또한, 전술한 분말 이외에도 기타의 금속 원소, 비금속 원소 또는 이들 원소를 포함하는 화합물(예를 들면, 산화물, 탄화물, 탄산염, 합금 등)을 주성분으로서 포함하는 분말을 병용해도 된다. 이와 같은 원소를 주성분으로서 포함하는 분말로서는 Ca, Zn, Ni, Cr, V, W 등을 주성분으로서 포함하는 분말을 들 수 있다.

각 성분의 분말을 혼합하여 얻어진 원료 분말은 금형에 충전되고, 성형 프레스 등에 의해 압축, 성형됨으로써 성형체를 얻는다. 그리고, 성형체의 밀도는 예를 들면, 6.55g/㎤∼7.15g/㎤ 정도로 할 수 있다. 다음에, 성형체를 필요에 따라 탈지 처리한 후, Cu의 융점(1085℃)을 넘는 온도 영역, 예를 들면, 1102℃∼1152℃의 범위 내에서 소결한다. 소결 시의 분위기는 진공 분위기 또는 질소 가스 등의 비산화성 가스 분위기로 할 수 있다. 이 때의 소결 시간은 10분∼2시간이 바람직하고, 15분∼1시간이 보다 바람직하고, 20분∼40분이 더욱 바람직하다. 그리고, 소결 후의 성형체를 절삭 가공 등을 함으로써 소정의 형상의 밸브 가이드를 얻는다.

그리고, 본 실시형태의 밸브 가이드 제조 방법에서는, (1) 원료 분말에 포함되는 Cu 성분의 함유량이 14 질량%∼40 질량%의 범위 내이고, 또한, (2) 원료 분말에 포함되는 Cu 성분 중 Cu 부분 확산 합금 분말에 유래하는 Cu 성분의 비율이 45% 이상인 것이 바람직하다. 이 경우, 원료 분말 중의 Fe 성분 및 Cu 성분의 공급원으로서, 각각 Fe 분말 및 Cu 분말만을 사용하여 제작한 밸브 가이드와 비교하여, 같은 정도 전후의 열전도성을 확보하면서도, 내마모성을 대폭으로 개선할 수 있다.

(1) 원료 분말에 포함되는 Cu 성분의 함유량을 14 질량% 이상, 또한, (2) 원료 분말에 포함되는 Cu 성분 중 Cu 부분 확산 합금 분말에 유래하는 Cu 성분의 비율을 45% 이상으로 하는 것에 의해, 원료 분말 중의 Fe 성분 및 Cu 성분의 공급원으로서, 각각 Fe 분말 및 Cu 분말만을 사용하여 제작한 밸브 가이드와 비교하여, 내마모성의 개선 정도를 보다 크게 하는 것이 용이하다. 또한, (1) 원료 분말에 포함되는 Cu 성분의 함유량이 증가할 수록, 절대적인 내마모성은 열화되는 경향이 있지만, Cu 성분의 함유량을 40 질량% 이하로 하는 것에 의해 실용적인 범위의 내마모성을 확보하는 것이 용이하다.

또한, (2) 원료 분말에 포함되는 Cu 성분 중 Cu 부분 확산 합금 분말에 유래하는 Cu 성분의 비율을 45% 이상으로 하는 것에 의해, 원료 분말 중의 Fe 성분 및 Cu 성분의 공급원으로서, 각각 Fe 분말 및 Cu 분말만을 사용하여 제작한 밸브 가이드와 비교하여, 매트릭스 중의 Cu의 분산을 보다 균일하게 할 수 있으므로, 결과적으로, 보다 내마모성을 개선하는 것이 용이해진다.

여기서 (1) 원료 분말에 포함되는 Cu 성분의 함유량은, 20 질량%∼40 질량%가 보다 바람직하고, 23 질량%∼37질량%가 보다 바람직하다. 또한, (2) 원료 분말에 포함되는 Cu 성분 중, Cu 부분 확산 합금 분말에 유래하는 Cu 성분의 비율은 50% 이상이 바람직하고, 56% 이상이 보다 바람직하고, 80% 이상이 더욱 바람직하고, 100%가 특히 바람직하다. 그리고, 조건(1)과 조합하는 조건(2) 대신의 조건으로서, 원료 분말에 포함되는 Cu 부분 확산 합금 분말의 배합 비율을 55 질량% 이상으로 해도 조건(1) 및 조건(2)를 조합한 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이 경우, 원료 분말에 포함되는 Cu 부분 확산 합금 분말의 배합 비율은, 80 질량% 이상이 바람직하고, 90 질량% 이상이 더욱 바람직하다.

다음에, 본 실시형태의 밸브 가이드에 대하여 설명한다.

제1 본 실시형태의 밸브 가이드는, 본 실시형태의 밸브 가이드 제조 방법을이용하여 제조된 밸브 가이드인 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 종래의 밸브 가이드 제조 방법에 의해 제조된 밸브 가이드와 비교하여, 내마모성 및 열전도성에 관하여 동등 정도 또는 그 이상의 성능을 가지는 밸브 가이드를 제공할 수 있다. 특히, (1) 원료 분말에 포함되는 Cu 성분의 함유량이 14 질량%∼40 질량%의 범위 내이고, 또한, (2) 원료 분말에 포함되는 Cu 성분 중 Cu 부분 확산 합금 분말에 유래하는 Cu 성분의 비율이 45% 이상인 경우, 원료 분말 중의 Fe 성분 및 Cu 성분의 공급원으로서, 각각 Fe 분말 및 Cu 분말만을 사용하여 제작한 밸브 가이드와 비교하여, 같은 정도 전후의 열전도성을 확보하면서도, 내마모성을 대폭으로 개선할 수있다.

또한, 제1 본 실시형태의 밸브 가이드에서는, Cu를 10 질량%∼40 질량% 포함하고, 공공 및 Cu상을 포함하는 조직을 가지고, 공공의 공공 면적율이 3% 이상이며, Cu상의 Cu 면적율이 11%∼36%인 것이 바람직하다.

Cu의 함유량을 10 질량% 이상으로 하고, 또한 Cu 면적율을 11% 이상으로 하는 것에 의해 우수한 열전도성을 얻는 것이 용이해진다. 또한, Cu의 함유량을 40 질량% 이하로 하고, 또한 Cu 면적율을 36% 이하로 하는 것에 의해, 공공 면적율을 3% 이상으로 하는 것이 용이해진다. 또한, 공공 면적율을 3% 이상으로 하는 것에 의해, 밸브 가이드가 충분한 보유성을 확보할 수 있기 때문에, 우수한 내마모성을 얻는 것이 용이해진다. 이 경우, 밸브 가이드의 열전도성이 뛰어나기 때문에, 밸브 가이드의 온도 상승이 억제되고, 밸브 냉각 능력이 높아지고, 밸브로부터의 방열이 촉진되어, 밸브의 온도 상승을 억제할 수 있기 때문에, 밸브의 마모를 억제할 수 있고, 또한 노킹 등의 엔진 이상 연소의 저감에 공헌할 수 있다.

제1 본 실시형태의 밸브 가이드에서는, 주로 Cu 함유량 및 Cu 면적율을 선택함으로써, 400℃에서의 열전도율을 28W/m·K∼60W/m·K 정도의 범위 내에서 제어할 수 있다. 그리고, 열전도율은 밸브 냉각능의 관점에서 40W/m·K∼60W/m·K가 바람직하고, 50W/m·K∼60W/m·K가 보다 바람직하고, 밸브 냉각 능력과 기타의 특성을 밸런스 양호하게 양립시키는 관점에서 50W/m·K∼55W/m·K가 더욱 바람직하다.

그리고, Cu의 함유량을 40 질량% 이하로 한 경우, 제조 비용을 내리는 것도 용이해진다. Cu의 함유량은 10 질량% 초과 40 질량% 이하가 바람직하고, 12 질량%∼35 질량%가 보다 바람직하고, 20 질량%∼30 질량%가 더욱 바람직하고, 23 질량%∼27 질량%가 특히 바람직하다.

또한, Cu 면적율은 13.1%∼33.8%가 바람직하고, 17%∼29%가 보다 바람직하다.

또한, 공공 면적율은 3.6% 이상이 바람직하고, 7.3% 이상이 보다 바람직하다. 그리고, 공공 면적율의 상한값은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 밸브 가이드의 강도를 확보하는 관점에서 15% 이하가 바람직하고, 12% 이하가 보다 바람직하고, 11.5% 이하가 더욱 바람직하다. 이에 의해, 밸브 가이드를 실린더 블록에 압입한 후에, 밸브 가이드가 실린더 블록으로부터 탈락하는 것을 방지할 수 있다.

제1 본 실시형태의 밸브 가이드는 Cu, Fe 및 불가피한 불순물을 적어도 포함하는 조성을 갖지만, Cu 및 Fe 이외의 기타의 금속 원소 및 비금속 원소가 더 포함되어 있어도 된다. 이와 같은 원소로서는 C, Mo, S, Ca, Zn, Ni, Cr, V, W 등을 예시할 수 있고, 필요에 따라서 원소의 종류·함유량을 적절히 선택할 수 있다. 그러나, Ni는 Cu와 전율(全率) 고용체를 형성하므로, Ni의 Cu로의 고용이 열전도율을 현저하게 저하시키는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1/단락[0015] 등). 즉, Ni는 열전도율의 향상을 저해하기 때문에, 본 실시형태의 밸브 가이드에는, Ni는 포함되지 않는 것이 바람직하다.

또한, Cr, Mo, V, W는 비용을 증대시킨다. 그러므로, Cr, Mo, V, W는 기본적으로 포함되지 않거나, 또는, 각각의 원소의 함유량은 극력 적게 하는 것이 바람직하다. 다만, 이들 원소 중, 본 실시형태의 밸브 가이드에 있어서, Mo는 내마모성 및 가공성 개선의 관점에서 소량 사용하는 것이 호적하다.

C는 소결체의 철 기지(基地)를 강화하고, 강도, 경도를 높이는 원소이지만, 과다해지면 기지 중에 시멘타이트가 생성되기 쉬워진다. 그러므로, C를 사용하는 경우, C의 함유량은 0.8∼1.2 질량%가 바람직하다. 또한, 성형 시의 이형제로서, 예를 들면 스테아르산아연 등을 사용해도 된다. 그리고, 상기에 열거한 기타의 금속 원소는, 금속 이외에 황화물(예를 들면, MoS₂ 등)이나, 탄산화물의 형태로 매트릭스 중에 포함되어 있어도 된다.

제2 본 실시형태의 밸브 가이드는 Cu를 10 질량%∼40 질량% 포함하고, 공공 및 Cu상을 포함하는 조직을 가지고, 공공의 공공 면적율이 3% 이상이며, Cu상의 Cu 면적율이 11%∼36%인 것을 특징으로 한다. 그리고, 제2 본 실시형태의 밸브 가이드의 기타의 형태는, 제1 본 실시형태의 밸브 가이드와 동일하게 할 수 있다. 또한, 제2 본 실시형태의 밸브 가이드는, 본 실시형태의 밸브 가이드 제조 방법에 의해 제조할 수 있지만, 이 제조 방법 이외의 제조 방법에 의해 제조된 것이어도 된다.

그리고, 제1 및 제2 본 실시형태의 밸브 가이드는, 내연 기관의 흡기 밸브용 또는 배기 밸브용 중 어느 쪽의 밸브 가이드로서도 이용할 수 있지만, 배기 밸브용 밸브 가이드로서 이용하는 것이 바람직하다.

[실시예]

이하에, 본 발명을 실험예를 들어 설명하지만, 본 발명은 이하의 실험예에만 한정되는 것은 아니다.

1. 밸브 가이드의 제작

각 실험예의 밸브 가이드 제작에는, 원료 분말로서 이하에 열거하는 분말을 적절히 조합하여 사용하였다. 그리고, 원료 분말로서 사용한 각 성분의 분말의 입경(입도 분포 중 빈도가 비교적 높은 범위의 입경)은 이하와 같다.

<Fe 및 Cu 성분>

·Cu 부분 확산 합금 분말(Cu 함유량 25 질량%) : 106-150㎛ 범위

·Cu 부분 확산 합금 분말(Cu 함유량 10 질량%)

·Fe 분말 : 106-150㎛ 범위

·Cu 분말 : 45㎛ 이하

<Fe 및 Cu 이외의 기타의 성분>

·C 분말: 50㎛ 이하

·그 외의 분말(고체 윤활제, 이형제 등)

표 1에 나타내는 배합 조성으로 각 성분의 분말을 혼합한 원료 분말을 준비하였다. 다음에, 원료 분말을 가압 압축함으로써, 외경(外徑) 10.5㎜, 내경(內徑)5.0㎜, 길이 45.5㎜인 원관(圓管) 형상의 성형체를 얻었다. 그리고, 가압 압축 시의 성형 압력을 적절히 선택하는 것에 의해 표 2에 나타낸 바와 같이 성형체의 밀도를 조정하였다. 다음에, 상기 성형체를 질소 가스 분위기 중에서 1127℃의 온도로 30분간 소결함으로써 소결체를 얻었다. 그리고, 이 소결체를 절삭 가공함으로써 외경 10.3㎜, 내경 5.5㎜, 길이 43.5㎜인 밸브 가이드를 얻었다. 각 실험예의 밸브 가이드 Cu 함유량 및 C 함유량을 표 2에 나타낸다. 그리고, 표 2에 나타내는 「밸브 가이드의 Cu 함유량」은, 표 1에 나타내는 「원료 분말 중의 Cu 성분의 함유량」에 대응하는 값이다.

2. 밀도의 측정

소결 처리 전의 성형체의 밀도는 JIS Z 2501에 기초하여 측정하였다. 결과를표 2에 나타낸다.

3. 공공 면적율의 측정

밸브 가이드를, 축방향에 대하여 직교하는 방향으로 절단하여 얻어진 단면에 대하여, 레이저 현미경(레이저텍 제조의 HYBIRD L3)에서 배율 20배로 촬상하였다. 다음에, 얻어진 화상 데이터를 이진화 처리하여, 관찰 시야 내의 전체 면적에 대한 공공 면적의 비율을 구함으로써, 공공 면적율을 결정하였다. 결과를 표 2에 나타낸다.

4. Cu 면적율의 측정

공공 면적율을 측정하는 경우와 동일하게 하여 촬상하고, 밸브 가이드 단면의 화상 데이터를 이진화 처리하였다.이 때, 공공 면적율을 측정하는 경우에 대하여, 촬상 시의 휘도를 변경함으로써, 이진화 처리 시에 Cu상과 Cu상 이외의 부분을 식별할 수 있게 하였다. 그리고, 이진화 처리한 화상 데이터에 기초하여, 관찰 시야 내의 전면적에 대한 Cu상의 면적 비율을 구함으로써, Cu 면적율을 결정하였다. 결과를 표 2에 나타낸다.

5. 열전도율의 측정

밸브 가이드의 열전도율은, 레이저 플래시법에 의해 측정하였다. 각 실험예의 밸브 가이드와 동일한 제조 조건으로 제작한 원반형의 테스트 실린더(직경 10㎜, 두께 2㎜)에 대하여, 신쿠 리코 제조(현회사명:어드밴스 리코)의 종형 열팽창계(DL-7000형)를 이용하여 측정하였다. 열전도율은 레이저 조사 개시로부터 테스트 실린더의 이면에 열이 전달될 때까지의 시간을 계측하고, 테스트 실린더의 두께에 의해 산출하였다. 결과를 표 2에 나타낸다.

6. 마모량의 측정

밸브 가이드의 구멍에, 밸브(스템 외경: 5.48㎜, 재질: SUH35 상당)를 삽입하였다. 다음에, 밸브 가이드의 하단측(연소실측)의 외주면의 온도가 300℃로 되도록, 밸브의 하단면을 가스 버너로 가열하고 또한 밸브 가이드의 축방향 중앙부 부근을 수냉하고, 또한, 밸브의 하단측의 측면에 대하여 밸브의 축방향과 직교하는 방향으로 70N의 압부(押付) 하중을 가하였다. 또한, 밸브 가이드의 상단(上端) 측으로부터 윤활유(engine oil:0W-20 상당)를 0.4cc/hr로 적하하였다. 이 상태에서, 스템 회전수를 0으로 한 채로, 밸브를 3000회/분으로 4시간 왕복 운동시켰다. 그리고, 시험 분위기는 공기로 하였다. 시험 종료 후, 압부 하중을 첨가한 방향과 평행한 방향에 있어서의 밸브 가이드의 상단측, 중앙부 및 하단측의 내경을 측정하고, 시험 전후에 있어서의 밸브 가이드의 상단측, 중앙부 및 하단측의 내경의 변화량으로부터, 각각의 위치에서의 마모량을 측정하였다. 그리고, 이들 3개소의 측정 위치에서의 마모량의 평균값을 구하였다. 결과를 표 2에 나타낸다.

7. 경도의 측정

밸브 시트의 경도는, 소결 후의 테스트 실린더를 미쓰도요 제조의 로크웰 경도계(HR-100형)를 이용하여 측정하였다. 경도는 각 테스트 실린더마다 4개소 측정하고, 그 평균값을 구하였다.

[표 1]

[표 2]

※ 실시예 A3의 공공 면적율은 3개의 샘플의 공공 면적율(각 샘플의 값은 9.4, 3.7, 8.0)의 평균값임

※ 실시예 A4의 공공 면적율은 2개의 샘플의 공공 면적율(각 샘플의 값은 3.6, 3.5)의 평균값임

※ 실시예 B3의 공공 면적율은 2개의 샘플의 공공 면적율(각 샘플의 값은 2.7, 3.9)의 평균값임

8. Cu 함유량에 대한 각종 물성값·특성값의 변화

표 1 및 표 2에 기초하여 작성한 Cu 함유량에 대한 각종 물성·특성값의 변화를 나타낸 그래프를 도 1∼도 6에 나타낸다. 여기에서, 도 1은 Cu 함유량(질량%)에 대한 공공 면적율(%)의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 2는 Cu 함유량(질량%)에 대하다 Cu 면적율(%)의 변화를 나타내는 그래프이며, 도 3은 Cu 함유량(질량%)에 대한 열전도율(W/m·K)의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 4는 Cu 함유량(질량%)에 대한 마모량(㎛)의 변화를 나타내는 그래프이며, 도 5는 Cu 함유량이 40 질량% 이하의 범위에서의 실험예 A1, A2, A3, A4, B1, B2, B3, B4에 관한 Cu 함유량(질량%)에 대한 마모량(㎛)의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 6은 Cu 함유량(질량%)에 대한 경도(HRB)의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 2, 도 3, 도 6으로부터, Cu 함유량에 대한 Cu 면적율, 열전도율 및 경도의 변화에 관하여, Cu 성분 및 Fe 성분으로서 Cu 부분 확산 합금 분말을 적어도 사용하여 제작된 밸브 가이드(실험예 A 시리즈)와, Cu 성분 및 Fe 성분으로서 Cu 분말 및 Fe 분말만을 사용하여 제작된 밸브 가이드(실험예 B 시리즈)와의 사이에서 현저한 유의차는 인지되지 않았다.

또한, 도 1을 참조하면, Cu 함유량에 대한 공공 면적율의 변화에 관하여, 실험예 B 시리즈보다 실험예 A 시리즈 쪽이, 동일한 Cu 함유량에 있어서 공공 면적율이 전체적으로 보다 높은 값을 나타내는 경향이 있다고도 생각된다. 다만, 표 2의 하란 ※1, ※3에 나타낸 바와 같이, 동일한 실험예의 밸브 가이드에서도, 측정 샘플에 의해 공공 면적율이 크게 흩어져 있는 것 등으로부터, 실험예 A 시리즈와 실험예 B 시리즈 사이에서, 얼마간의 수치나 파라미터에 의해 정량적이면서 구체적으로 특정할 수 있는 정도의 명확한 유의차가 존재한다고 말하기 어렵다. 그러나, 도 1로부터는, Cu 부분 확산 합금 분말을 사용하여, 또는, Cu 부분 확산 합금 분말과 함께 Fe 분말 및/또는 Cu 분말을 적절히 병용하여 제작한 밸브 가이드(실험예 A 시리즈)는, Cu 분말 및 Fe 분말을 사용하여 제작된 밸브 가이드(실험예 B 시리즈)보다 공공 면적율이 전반적으로 높은 경향을 나타내고 있는 것은 명확하다. 그러므로, Cu 분말 및 Fe 분말을 사용하여 제작된 밸브 가이드와 비교하고, Cu 부분 확산 합금 분말을 주된 원료 분 성분으로서 사용하여 제작한 밸브 가이드 쪽이 보유성이 보다 높아지고, 내마모성의 향상에 연결된다고 추측된다.

한편, 도 4를 참조하면, 실험예 A 시리즈, 실험예 B 시리즈 모두, Cu 함유량의 증가에 대하여 마모량이 증대하고, 특히 Cu 함유량이 40 질량%를 넘으면, 실험예 A 시리즈에서는 마모량이 급격하게 증대하고 있다. 여기에서, 도 3도 더 참조하면 Cu 함유량이 40 질량%를 넘으면, 열전도율의 향상은 포화 경향에 있는 것을 알 수 있다. 이러한 점들을 근거로 하면, Cu 함유량이 40 질량%를 넘으면, 열전도율의 향상은 포화되는 한편, 마모량만이 급격하게 증대하므로, 내마모성과 열전도성을 종합적으로 개선한다는 관점에서는 Cu 함유량이 40 질량% 이하인 경우와 비교하여 뒤떨어진다고 판단된다. 이 점을 근거로 하여, Cu 함유량이 40 질량% 이하인 범위에 대하여, Cu 함유량(질량%)에 대한 마모량(㎛)의 변화를 검토하기 위해 도 5를 나타낸다.

그리고, 도 5는 표 1 및 표 2 내에 나타내는 각 실험예 중, 밸브 가이드의 제조에 사용한 원료 분말 중의 Cu 성분 및 Fe 성분의 금속 분말 조합·배합 비율을 변경한 것 이외는, 기타의 제조 조건을 모두 동일하게 하여 제조한 실험예에 대하여 작성한 그래프이다. 도 5로부터 명백한 바와 같이, 실험예 A1-4 및 실험예 B1-4에 있어서는, Cu 함유량의 증가에 대하여 마모량이 직선적으로 증가하고 있고, 또한, Cu 함유량에 대한 마모량의 증가율(도면 중 2개의 직선의 기울기)은, 실험예 A1-4보다 실험예 B1-4쪽이 현저하게 크다. 그리고, Cu 함유량이 14 질량% 이상에서는 분명하게, 동일한 Cu 함유량에 있어서의 마모량은 실험예 B 시리즈보다 실험예A 시리즈 쪽이 작고, 또한, Cu 함유량의 증가에 수반하는 마모량의 양자의 괴리 정도도 증대한다.

여기에서, 실험예 A1-4 중, (1) Cu 함유량이 14 질량%∼40 질량%의 범위에 해당하는 것은, 실험예 A2-4이다. 그리고, 실험예 A2-4는, Cu 함유량의 점에서 대응하는 실험예 B2-4와의 비교에서 Cu 부분 확산 합금 분말을 주원료 분말로서 사용하여 제조된 점에 특징이 있고, 모두, (2) 원료 분말에 포함되는 Cu 성분 중 Cu 부분 확산 합금 분말에 유래하는 Cu 성분의 비율이 45% 이상이다. 즉, 상기 (1) 및 (2)를 만족시키는 조건에 의해 제조된 밸브 가이드는, 원료 분말 중의 Fe 성분 및 Cu 성분의 공급원으로서, 각각 Fe 분말 및 Cu 분말만을 사용하여 제작한 밸브 가이드와 비교하여, 같은 정도 전후의 열전도성을 확보하면서도, 내마모성을 대폭으로 개선할 수 있다.

그리고, 도 5에 나타내는 그래프로부터는, 내마모성의 개선은 밸브 가이드의 제조 시에 원료 분말로서 Cu 부분 확산 합금 분말을 사용하는 것과 매우 강한 상관관계가 있는 것을 이해할 수 있다.

9. Cu 부분 확산 합금 분말의 전자현미경 관찰

도 7은, Cu 부분 확산 합금 분말(Cu 함유량 25 질량%)의 일례를 나타내는 사진이다. 여기에서, 도 7의 (A)가, Cu 부분 확산 합금 분말의 외관 형상을 나타내는 전자현미경 사진이고, 도 7의 (B)은, 도 7의 (A)에 나타내는 Cu 부분 확산 합금 분말의 표면에 있어서의 Cu의 분포를 나타내는 조성맵(EDS 분석 맵)이다. 해상도 및 흑백 표시의 형편상, 본원에 첨부된 도 7의 (B) 자체로부터는 판별할 수 없지만, 도 7의 (B)의 오리지널 데이터에서는, 코어 철분의 표면에는 Cu가 편재하여 존재하고 있는 영역 이외에도, Cu가 미세한 점형의 영역으로서 분산되어 존재하고 있는 것이 확인된다. 이들로부터, 코어 철분에 대하여 Cu가 확산에 의해 접합되어 있는 것을 파악할 수 있다.

10. 소결 전의 성형체의 단면 관찰

도 8은, 원료 분말을 가압 압축한 후, 또한 소결하기 전의 상태인 샘플(소결 전의 성형체)의 단면의 일례를 나타내는 화상이다. 여기에서, 도 8 중에 나타내는 6개의 화상 중, 좌열측의 3개의 화상[도 8의 (A), 도 8의 (C), 도 8의 (E)]이,실험예 A3[(1) 원료 분말에 포함되는 Cu 성분의 함유량: 25 질량%, (2) 원료 분말에 포함되는 Cu 성분 중 Cu 부분 확산 합금 분말에 유래하는 Cu 성분의 비율: 100%]의 샘플의 화상의 일례이고, 우열측의 3개의 화상[도 8의 (B), 도 8의 (D), 도 8의(F)]이, 실험예 B3[(1) 원료 분말에 포함되는 Cu 성분의 함유량: 25 질량%, (2) 원료 분말에 포함되는 Cu 성분 중 Cu 부분 확산 합금 분말에 유래하는 Cu 성분의 비율: 0%]의 샘플의 화상의 일례이다.

또한, 도 8 중에 나타내는 6개의 화상 중, 상단의 2개의 화상[도 8의 (A), 도 8의 (B)]이 전자현미경 사진(SEM상)이고, 중단의 2개의 화상[도 8의 (C), 도 8의 (D)]이 상단의 전자현미경 사진에 대응하는 Fe 원소의 조성상이며, 하단의 2개의 화상[도 8의 (E), 도 8의 (F)]이 상단의 전자현미경 사진에 대응하는 Cu 원소의 조성상이다. 그리고, 중단에 나타내는 Fe 원소의 조성상에 있어서, 백과 흑으로 이진화된 각각의 영역 중, 흰 부분이 Fe이고, 하단에 나타내는 Cu 원소의 조성상에 있어서, 백과 흑으로 이진화된 각각의 영역 중, 흰 부분이 Cu이다.

도 8에 나타낸 실험예 A3과 실험예 B3은, 원료 분말 중의 Cu의 전체 함유량은 동일하지만, Cu 부분 확산 합금 분말을 사용하여 제작한 밸브 가이드인가, Cu 분말 및 Fe 분말을 사용하여 제작된 밸브 가이드인가라는 점에 큰 차이가 있다. 그리고, 특히 도 8의 (E), 도 8의 (F)를 참조하면, 실험예 B3보다 실험예A3 쪽이, 매트릭스 중의 Cu의 편재가 작고, 보다 균일하게 분산되어 있는 경향에 있는 것을 알 수 있다. 또한, 이 Cu의 편재 정도의 차이는, Cu의 면적율의 차이 및 원료 분말 중의 Cu의 전체 함유량의 차이에 의존하는 것은 아니라고 생각된다. 실험예 A 시리즈와 실험예 B 시리즈 사이에서, 도 2에 나타낸 바와 같이 Cu의 함유량에 대하여 Cu 면적율에 유의차가 없고, 또한, 실험예 A3과 실험예 B3에서는 원료 분말 중의 Cu의 전체 함유량은 동일하기 때문이다. 따라서, Cu의 편재 정도의 차이는, 원료 분말 중의 Fe 성분 및 Cu 성분으로서, Cu 부분 확산 합금 분말을 주성분으로서사용하는지의 여부에 크게 의존하고 있다고 생각된다.

그리고, Cu 함유량의 증가에 수반하여, 실험예 A 시리즈 쪽이 실험예 B 시리즈보다 우수한 내마모성을 나타내는 도 5의 결과는, 매트릭스 중의 Cu의 편재 정도의 차이에도 기인한다고 추측된다. 이러한 이유는, 도 6에 나타낸 바와 같이 Cu 함유량이 커질수록 경도가 저하되므로, 매트릭스 중에 있어서 Cu의 편재 정도가 보다 큰실험예 B 시리즈에서는, 국소적인 마모도 보다 촉진되기 쉽다고 생각되기 때문이다. 그러므로, 본 발명자들은, 도 8의 (E), 도 8의 (F)에 나타내어진 바와 같은 Cu의 편재에 대하여, 정량적이면서 또한 구체적으로 파악하기 위해 얼마간의 수치에 의한 정량화를 검토하였지만, 구체적인 방책은 찾아낼 수 없었다.

Claims (7)

1. 코어 철분에 대하여 확산에 의해 접합된 Cu를 함유하는 확산 합금 분말을 포함하는 원료 분말을 성형하여 성형체를 얻는 성형 단계, 및 상기 성형체를 1102℃∼1152℃의 범위 내의 소결 온도에서 소결하는 소결 단계를 거쳐, 철기(鐵基) 소결 합금제 밸브 가이드를 제조하고,
   (1) 상기 원료 분말에 포함되는 Cu 성분의 함유량이 14 질량%∼40 질량%의 범위 내이고, 또한, (2) 상기 원료 분말에 포함되는 Cu 성분 중, 상기 코어 철분에 대하여 확산에 의해 접합된 Cu를 함유하는 확산 합금 분말에 유래하는 Cu 성분의 비율이 45% 이상이고,
   상기 철기 소결 합금제 밸브 가이드는 공공(空孔)을 갖고,
   상기 공공의 공공 면적율은 3%~15%인,
   철기 소결 합금제 밸브 가이드의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 소결 단계에서의 소결 시간이 10분∼2시간의 범위 내인, 철기 소결 합금제 밸브 가이드의 제조 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   제조된 상기 철기 소결 합금제 밸브 가이드가 Ni를 포함하지 않는, 철기 소결 합금제 밸브 가이드의 제조 방법.
4. 코어 철분에 대하여 확산에 의해 접합된 Cu를 함유하는 확산 합금 분말을 포함하는 원료 분말을 성형하여 성형체를 얻는 성형 단계, 및 상기 성형체를 1102℃∼1152℃의 범위 내의 소결 온도에서 소결하는 소결 단계를 거쳐 제작되는 철기 소결 합금제 밸브 가이드로서,
   (1) 상기 원료 분말에 포함되는 Cu 성분의 함유량이 14 질량%∼40 질량%의 범위 내이고, 또한, (2) 상기 원료 분말에 포함되는 Cu 성분 중, 상기 코어 철분에 대하여 확산에 의해 접합된 Cu를 함유하는 확산 합금 분말에 유래하는 Cu 성분의 비율이 45% 이상이고,
   상기 철기 소결 합금은 주 성분으로서의 Fe, 주 성분으로서 Cu, 불가피한 불순물 및 기타 성분을 포함하며,
   상기 기타 성분은 C, Mo, S, Ca, Zn, Ni, Cr, V, W, 고체 윤활제, 이형제로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이고,
   상기 철기 소결 합금에 포함되는 Cu의 함유량은 10 질량%~40 질량%이며,
   상기 철기 소결 합금제 밸브 가이드는 공공(空孔)을 갖고,
   상기 공공의 공공 면적율은 3%~15%인,
   철기 소결 합금제 밸브 가이드.
5. 제4항에 있어서,
   상기 철기 소결 합금제 밸브 가이드가 Ni를 포함하지 않는, 철기 소결 합금제 밸브 가이드.
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7. 삭제

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