KR102233205B1 - 내빠짐성이 뛰어난 밸브 시트 - Google Patents

Abstract

내빠짐성이 뛰어난 밸브 시트를 제공한다. 내연 기관의 경금속 합금제 실린더 헤드에 압입되어져 사용되는 밸브 시트이며, 외주면의 적어도 1개소에, 산 높이 또는 골 깊이가 5㎛ 내지 80㎛의 볼록 형상부 및/또는 골 깊이가 5㎛ 내지 100㎛인 오목 형상부로 이루어지는 조면화 영역을, 면적률로 합계 0.3% 이상, 갖는다. 또한, 상기한 조면화 영역을 대신하여, 조면화 영역을, 압입 방향으로 연장되는 오목부와 볼록부가 인접해서 이루어지는 요철을 상기 압입 방향에 수직인 방향으로 복수 열 갖는 요철 혼합부, 및/또는 원주 방향으로 연장되는 오목부와 볼록부가 인접해서 이루어지는 요철을 상기 원주 방향에 수직인 방향으로 복수 열 갖는 요철 혼합부로 이루어지는 영역으로 하여도 좋다. 또한 오목부를 격자 형상으로 배치한 요철 혼합부로 하여도 좋다. 이에 의해, 밸브 시트의 고온 보지력이 증가하고, 빠짐 하중이 증대해, 밸브 시트의 가동 중의 빠짐을 방지할 수 있다. 또한, 조면화 영역의 형성은, 레이저 광 조사에 의한 것이 바람직하다.

Description

내빠짐성이 뛰어난 밸브 시트

본 발명은, 내연 기관용의 밸브 시트에 관한 것이며, 특히 경금속 합금제 실린더 헤드에 압입되어져 사용되는 밸브 시트의 내빠짐성의 향상에 관한 것이다.

밸브 시트는, 연소 가스의 시일과 밸브를 냉각하는 역할을 담당하고, 엔진의 실린더 헤드에 압입되어져 사용되어 왔다. 그러나, 압입된 밸브 시트는, 실제로는 실린더 헤드의 모든 면과 접촉되어 있는 것이 아니라, 엔진 운전 중에 고온에서의 보지력(이하, 고온 보지력이라고도 함)이 부족하여, 빠지는 경우가 있었다.

이와 같은 문제에 대해, 예를 들면 특허문헌 1에는, 밸브 시트 탈락 방지 구조가 제안되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 밸브 시트 탈락 방지 구조는, 실린더 헤드 압입 구멍 내주면에 환형 홈을 형성하는 동시에, 실린더 헤드 압입 구멍에 압입하는 밸브 시트의 외주면에도 환형 홈을 형성하고, 밸브 시트를 압입했을 때에, 이들 환형 홈에 형성되는 공간에, 반경 방향으로 확장되는 확장 링을 삽입하여 이루어지는 구조를 갖는다. 이에 의하면, 밸브 시트를 실린더 헤드에 장착할 때에는 압축되어 있던 확장 링은, 밸브 시트를 압입한 후에는, 압입 구멍 내주면에 형성된 환형 홈과 밸브 시트 외주면에 형성된 환형 홈 내에 들어가면, 확장되어 이 양 환형 홈에 걸쳐서 배치되게 되어지고, 밸브 시트의 축 방향으로의 움직임은 완전히 억제되어, 탈락은 확실히 방지할 수 있다.

일본 실용신안 공개 평 01-83109 호 공보

그렇지만, 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 실린더 헤드의 압입 구멍 내주면 및 밸브 시트 외주면에 홈 가공을 실시하여, 환형 홈을 형성할 필요가 있어, 제조 공정이 복잡하게 되는데다가, 부품 치수가 작으므로 소망의 가공 정밀도를 확보하는 것이 어렵다는 문제가 있었다. 또한, 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 압입시의 진동으로, 확장 링이 흔들려 떨어진다는 문제나, 소망의 기능을 확보하는 것이 어렵다는 문제도 있다.

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제를 해결하고, 내연 기관의 경금속 합금제 실린더 헤드에 압입되어져 사용되는 밸브 시트로서, 내연 기관의 가동 중에 용이하게 빠지지 않는 내빠짐성이 뛰어난 밸브 시트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 상기한 목적을 달성하기 위해, 내연 기관의 경금속 합금제 실린더 헤드에 압입되어져 사용되는 밸브 시트의 내빠짐성에 영향을 미치는 각종 요인에 대해, 예의 검토했다.

그 결과, 압입된 밸브 시트는 실린더 헤드와 전면적으로 접촉되어 있는 것이 아니며, 그 때문에, 내연 기관의 가동 중에 보지력(고온에서의 보지력)이 부족해 빠진다는 문제가 발생한다. 보지력(고온에서의 보지력)을 향상시켜, 이와 같은 문제의 발생을 회피하기 위해, 본 발명자들은 실린더 헤드 내주면에 접촉하는 밸브 시트의 외주면을 조면화(粗面化)하는 것을 생각해냈다.

밸브 시트의 외주면은, 통상, JIS B 0601-2001에 규정되는 산술 평균 높이(Ra)로 0.8㎛ 정도로 마무리 가공되어 있다. 본 발명자들은, 경금속 합금제 실린더 헤드에 밸브 시트를 압입하는 경우에는, 밸브 시트의 외주면 표면을 통상의 마무리 가공면에 비해 거친, 외주면을 기준으로 하여 산 높이 5㎛ 내지 80㎛가 되도록 조면화하는 것에 의해, 고온 보지력의 지표인 「고온 빠짐 하중」이 현저하게 높아져, 내빠짐성이 향상되는 것을 발견했다. 게다가, 조면화되는 영역은, 밸브 시트 외주면 전역으로 할 필요는 없으며, 밸브 시트 외주면의 일부 영역이여도 충분히 효과가 있는 것을 발견했다.

즉, 밸브 시트 외주면에, 조면화 영역으로서, 최대 산 높이(또는 산 높이)가 5㎛ 내지 80㎛가 되는 영역(이하, 「볼록 형상부」라고도 함) 또는 최대 골 깊이(또는 골 깊이)가 5㎛ 내지 100㎛가 되는 영역(이하, 오목 형상부라고도 함)을, 적어도 1개소 마련하는 것이, 밸브 시트의 내빠짐성의 향상에 현저하게 기여하는 것을 발견했다. 또한, 상기한 최대 산 높이(또는 산 높이)를 갖는 영역 또는 상기한 최대 골 깊이(또는 골 깊이)를 갖는 영역이, 외주면 전역에 대한 면적률로 0.3% 정도 존재하면, 내빠짐성의 향상에 대해 충분히 효과가 있는 것도 지견(知見)했다.

본 발명은, 이러한 지견에 근거하여, 더욱 검토를 더해 완성된 것이다. 즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.

(1) 내연 기관의 경금속 합금제 실린더 헤드에 압입되는 밸브 시트로서, 해당 밸브 시트의 외주면의 적어도 1개소에 조면화 영역으로서, 압입 방향으로 상기 외주면을 기준으로 하여 산 높이가 5㎛ 내지 80㎛가 되는 볼록 형상부 및/또는 골 깊이가 5㎛ 내지 100㎛가 되는 오목 형상부를 갖고서 이루어지며, 해당 조면화 영역이 상기 외주면의 전역에 대한 면적률로, 합계로 0.3% 이상인 것을 특징으로 하는 내빠짐성이 뛰어난 밸브 시트.

(2) (1)에 있어서, 상기 볼록 형상부가, 해당 볼록 형상부의 산 높이가 상기 외주면을 기준으로 하여, 해당 기준으로부터 압입 방향을 따라 최대 산 높이까지 연속적으로 또는 단계적으로 증가하는 경사진 산 높이를 갖는 영역인 것을 특징으로 하는 밸브 시트.

(3) (1)에 있어서, 상기 오목 형상부가, 해당 오목 형상부의 골 깊이가 상기 외주면을 기준으로 하여, 압입 방향을 따라 최대 골 깊이로부터 상기 기준까지 연속적으로 또는 단계적으로 감소하는 경사진 골 깊이를 갖는 영역인 것을 특징으로 하는 밸브 시트.

(4) (1)에 있어서, 상기 조면화 영역으로서, 압입 방향으로 연장되는 오목부와 볼록부가 인접해서 이루어지는 요철을 상기 압입 방향에 수직인 방향으로 복수 열 갖는 요철 혼합부, 및/또는 원주 방향으로 연장되는 오목부와 볼록부가 인접해서 이루어지는 요철을 상기 원주 방향에 수직인 방향으로 복수 열 갖는 요철 혼합부를 갖는 것을 특징으로 하는 밸브 시트.

(5) (4)에 있어서, 상기 요철 혼합부에 있어서의 상기 오목부와 상기 볼록부가 연장되는 방향이, 상기 압입 방향이 이루는 각이 0° 초과 90° 미만의 범위 내의 각도를 갖는 방향인 것을 특징으로 하는 밸브 시트.

(6) (4)에 있어서, 상기 조면화 영역으로서, 상기 요철 혼합부가 일정 방향으로 연장되는 복수 열의 오목부와, 해당 일정 방향에 대해 수직 방향으로 연장되는 복수 열의 오목부를 조합하여 이루어지는 격자 형상 오목부를 갖고, 해당 격자 형상 오목부의 각 격자 내에 볼록부를 갖고서 이루어지는 요철로 이루어지는 것을 특징으로 하는 밸브 시트.

(7) (4) 내지 (6) 중 어느 하나에 있어서, 상기 볼록부가, 상기 외주면을 기준으로 하여, 산 높이가 5㎛ 내지 80㎛가 되는 볼록부이며, 상기 오목부가, 상기 외주면을 기준으로 하여, 골 깊이가 5㎛ 내지 100㎛가 되는 오목부인 것을 특징으로 하는 밸브 시트.

(8) (4) 내지 (7) 중 어느 하나에 있어서, 상기 요철 혼합부가, 상기 연장되는 방향에 수직인 단면에서, 인접하는 2개의 상기 볼록부의 간격인 피치가 1㎛ 내지 600㎛인 요철을 갖는 것을 특징으로 하는 밸브 시트.

(9) (4) 내지 (8) 중 어느 하나에 있어서, 상기 요철 혼합부의 복수 열의 볼록부의 산 높이가, 상기 외주면을 기준으로 하여 일정한 높이이거나, 또는 해당 기준으로부터 압입 방향을 따라 증가하는 것을 특징으로 하는 밸브 시트.

(10) (1) 내지 (9) 중 어느 하나에 있어서, 상기 조면화 영역이, 상기 외주면에 대해 수직 방향으로 관찰하여, 삼각 형상, 사각 형상, 원형 형상, 반원 형상, 별형 형상 중 어느 하나를 나타내는 것을 특징으로 하는 밸브 시트.

(11) (10)에 있어서, 상기 조면화 영역이, 상기 삼각 형상, 상기 사각 형상, 상기 원형 형상, 상기 반원 형상, 상기 별형 형상 중 어느 하나의 주연부(周緣)에만 상기 볼록 형상부 또는 상기 오목 형상부를 형성하는 것을 특징으로 하는 밸브 시트.

(12) (1) 내지 (11) 중 어느 하나에 있어서, 상기 조면화 영역을, 원주 방향으로 등간격의 각 위치에 형성하는 것을 특징으로 하는 밸브 시트.

(13) (1) 내지 (12) 중 어느 하나에 있어서, 상기 밸브 시트가 철계(鐵基) 소결 합금제인 것을 특징으로 하는 밸브 시트.

본 발명에 의하면, 내연 기관의 경금속 합금제 실린더 헤드에 압입된 밸브 시트의 고온 보지력이 증대되어, 밸브 시트가 내연 기관의 운전 중에 빠지는 것과 같은 문제의 발생이 격감한다는 산업상 현격한 효과를 발휘한다.

도 1은 조면화 영역의 바람직한 형상을 모식적으로 도시하는 설명도이다.
도 2는 고온 보지력 측정 장치의 개략을 모식적으로 도시하는 단면도이다.
도 3은 조면화 영역의 바람직한 형상을 모식적으로 도시하는 설명도이다.
도 4는 조면화 영역의 바람직한 형상을 모식적으로 도시하는 설명도이다.
도 5는 조면화 영역의 바람직한 형상을 모식적으로 도시하는 설명도이다.
도 6은 조면화 영역의 바람직한 형상을 모식적으로 도시하는 설명도이다.
도 7은 조면화 영역의 바람직한 형상을 모식적으로 도시하는 설명도이다.
도 8은 조면화 영역의 바람직한 형상을 모식적으로 도시하는 설명도이다.
도 9는 조면화 영역의 바람직한 형상을 모식적으로 도시하는 설명도이다.
도 10은 조면화 영역의 바람직한 형상을 모식적으로 도시하는 설명도이다.

본 발명 밸브 시트는, 내연 기관의 알루미늄 합금이나 마그네슘 합금 등의 경금속 합금제 실린더 헤드에 압입된 상태에서 사용된다. 본 발명 밸브 시트는, 소재가 소정 치수로 가공되며, 또한 밸브 시트 외주면의 적어도 1개소에 「조면화 영역」이 형성되어 이루어진다. 여기에서 말하는 「조면화 영역」이란, 통상의 마무리 가공면의 표면 거칠기(Ra：0.8㎛ 정도)에 비해, 국소적으로 거친 표면 성질과 상태의 영역을 의미한다. 이 「조면화 영역」은, 경금속 합금제 실린더 헤드에 밸브 시트가 압입되었을 때에, 경금속 합금제 실린더 헤드의 표층(表層)에 맞물려, 실린더 헤드와의 접합력(밸브 시트의 보지력)을 높이고, 빠짐(拔落) 하중의 증대에 기여하여, 엔진 가동 중의 밸브 시트의 빠짐을 억제하는 작용을 갖는다.

그리고, 「조면화 영역」은 외주면을 기준으로 하여, 일정 높이의 산 높이가 5㎛ 내지 80㎛의 볼록 형상부, 및/또는 일정 깊이의 골 깊이가 5㎛ 내지 100㎛의 오목 형상부로 하는 것이 바람직하다.

볼록 형상부의 산 높이가 5㎛ 미만이면, 산 높이가 너무 낮아서 밸브 시트의 빠짐을 방지할 수 없다. 한편, 산 높이가 80㎛를 초과하여 커지면, 실린더 헤드의 알루미늄 합금 등의 경금속 합금을 삭제하고, 삭제된 알루미늄 합금 등의 경금속 합금에 기인하여 실린더 헤드와의 밀착력이 저하된다. 이 때문에, 볼록 형상부의 산 높이를 5㎛ 내지 80㎛의 범위로 한정했다. 또한, 산 높이는 바람직하게는 10㎛ 내지 40㎛, 더욱 바람직하게는 20㎛ 내지 35㎛이다.

또한, 오목 형상부의 골 깊이가 5㎛ 미만이면, 골 깊이가 너무 얕아서 실린더 헤드의 알루미늄 합금 등의 경금속 합금을 맞물리는 양이 부족하여, 밸브 시트의 빠짐을 방지할 수 없다. 한편, 골 깊이가 100㎛를 초과하여 커지면, 실린더 헤드의 알루미늄 합금 등의 경금속 합금을 삭제하고, 그에 기인하여 실린더 헤드와의 밀착력이 저하된다. 이 때문에, 오목 형상부(「조면화 영역」)의 골 깊이를 5㎛ 내지 100㎛의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 골 깊이는 바람직하게는 10㎛ 내지 100㎛, 더욱 바람직하게는 15㎛ 내지 35㎛이다.

본 발명에서는 「조면화 영역」으로서, 이와 같은 표면 성질과 상태를 갖는 볼록 형상부 또는 오목 형상부를, 외주면 전역에 형성하여도 좋지만, 외주면의 적어도 1개소에서, 외주면 전역에 대한 면적률로 합계 0.3% 이상을 형성함으로써, 충분히 소망의 보지력을 유지할 수 있다. 이 때문에, 볼록 형상부 및/또는 오목 형상부로 이루어지는 「조면화 영역」은 합계로, 외주면 전역에 대한 면적률로 0.3% 이상으로 한다. 또한, 바람직하게는 0.5% 이상이다. 한편, 조면화 영역이, 합계로 면적률로 50%를 초과하면, 압입한 밸브 시트의 보지력의 증가는 포화된다. 이 때문에, 외주면 전역에 대한 면적률로 합계, 0.5% 이상 50% 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 상기한 표면 성질과 상태의 볼록 형상부를, 숏 블라스트(shot-blast) 처리, 샌드 블라스트(sand-blast) 처리 등에 의해 외주면 전역에 형성하여도 좋다.

또한, 볼록 형상부 또는 오목 형상부인 「조면화 영역」의 형상은, 특별히 한정되지 않지만, 압입 방향에 대해 직교하는 방향으로 긴 영역이 되는 형상으로 하는 것이, 내빠짐성 향상의 관점에서 바람직하다. 압입 방향에 직교하는 방향으로 긴 영역이 되는 형상으로 하는 것에 의해, 빠짐시의 저항이 커져서 빠짐 하중이 증대되고 내빠짐성이 향상된다. 예를 들면, 도 1의 (a) 및 (b)에 모식적으로 도시하는 바와 같이, 외주면에 대해 수직인 방향으로 관찰하여, 압입 방향으로 역삼각 형상, 사각 형상을 나타내는 형상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 삼각 형상, 원형 형상, 반원 형상, 별형 형상을 나타내는 형상으로 하여도 아무런 문제는 없다. 반원 형상의 일 예를 도 5에, 별형 형상의 일 예를 도 6에, 각각 도시한다.

또한, 「조면화 영역」의 형상은, 도 1의 (a) 및 (b)에 모식적으로 도시하는 바와 같이, 상기한 역삼각 형상, 사각 형상의 전역을 상기한 표면 성질과 상태로 가공하여도, 또한, 도 1의 (c) 및 (d)에 모식적으로 도시하는 바와 같이, 상기한 형상의 주연부(윤곽)의 소정 폭만을 조면화한 영역으로 하여도 좋다.

또한, 본 발명에서는, 「조면화 영역」인 「볼록 형상부」는, 산 높이가 외주면을 기준으로 하여, 도 3의 (b)에 도시하는 바와 같이, 해당 기준으로부터 압입 방향을 따라 최대 산 높이까지 연속적으로 또는 단계적으로 증가하는 경사진 산 높이를 갖는 영역으로 하여도 좋다. 또한, 「오목 형상부」는, 도 4의 (b)에 도시하는 바와 같이, 골 깊이가 외주면을 기준으로 하여, 압입 방향을 따라 최대골 깊이로부터 해당 기준까지 연속적으로 또는 단계적으로 감소하는 경사진 골 깊이를 갖는 영역으로 하여도 좋다. 이와 같은 경사진 산 높이, 골 깊이를 갖는 영역으로 하는 것에 의해, 밸브 시트의 압입이 용이해진다.

또한, 본 발명에서는 「조면화 영역」을, 압입 방향으로 연장되는 오목부와 볼록부가 인접해서 이루어지는 요철을 압입 방향에 수직인 방향으로 복수 열 갖는 영역, 또는 원주 방향으로 연장되는 오목부와 볼록부가 인접해서 이루어지는 요철을 원주 방향에 수직인 방향으로 복수 열 갖는 영역으로 하여도 좋다. 이와 같은 영역을 각각 단독, 또는 그들을 혼합하여 배치하여, 「조면화 영역」으로 하여도 좋다. 본 발명에서는 이와 같은 영역을 「요철 혼합부」라 칭한다. 이와 같은 영역을 밸브 시트 외주면에 마련하는 것에 의해, 볼록 형상부 및/또는 오목 형상부를 배치한 경우보다 내빠짐성이 향상된다. 이 조면화 영역으로서의 「요철 혼합부」의 일 예를 도 7 및 도 8에 도시한다.

또한, 오목부 및 볼록부가 연장되는 방향은, 압입 방향 또는 원주 방향으로 하지만, 연장되는 방향을, 압입 방향과 이루는 각이 0° 초과 90° 미만의 범위 내의 각도를 갖는 방향(경사 방향)으로 하여도 좋다. 이와 같은 조면화 영역으로 하여도 상기한 동일한 효과를 기대할 수 있다.

또한, 「조면화 영역」으로서 요철 혼합부를, 일정 방향으로 연장되는 복수 열의 오목부와, 해당 일정 방향에 대해 수직 방향으로 연장되는 복수 열의 오목부를 조합해서 이루어지는 격자 형상 오목부를 갖고, 해당 격자 형상 오목부의 각 격자 내에 볼록부를 갖고서 이루어지는 요철로 이루어지는 요철 혼합부로 하여도 좋다. 이와 같은 표면 성질과 상태의 일 예를 도 10에 모식적으로 도시한다. 이와 같은 요철 혼합부에서는 볼록부가 격자 형상 오목부의 내에 섬(島) 형상으로 띄엄 띄엄 존재하도록 하는 표면 성질과 상태를 나타낸다. 또한, 여기에서 말하는 「일정 방향에 대해 수직 방향」이란, 정확하게 「수직」인 경우에 부가하여, 정확한 「수직」으로부터 수 도(數度) 정도 편향된 「거의 수직」인 경우도 포함하는 것으로 한다.

상기한 「요철 혼합부」에서는 외주면을 기준으로 하여, 산 높이가 5㎛ 내지 80㎛의 볼록부와 골 깊이가 5㎛ 내지 100㎛의 오목부로 이루어지는 요철로 하는 것이 바람직하다. 볼록부의 산 높이가 5㎛ 미만이면, 산 높이가 너무 낮아서 밸브 시트의 빠짐을 방지할 수 없다. 한편, 최대 산 높이가 80㎛를 초과하여 커지면, 실린더 헤드의 알루미늄 합금 등의 경금속 합금을 삭제하고, 삭제된 알루미늄 합금 등의 경금속 합금에 기인하여 실린더 헤드와의 밀착력이 저하된다. 이 때문에, 「요철 혼합부」에 있어서의 볼록부의 산 높이를 5㎛ 내지 80㎛의 범위로 한정했다. 또한, 산 높이는 바람직하게는 10㎛ 내지 50㎛, 더욱 바람직하게는 20㎛ 내지 40㎛이다.

또한, 오목부의 골 깊이가 5㎛ 미만이면, 골 깊이가 너무 얕아서 실린더 헤드의 알루미늄 합금을 맞물리는 양이 부족하여, 밸브 시트의 빠짐을 방지할 수 없다. 한편, 골 깊이가 100㎛를 초과하여 커지면, 실린더 헤드의 알루미늄 합금을 삭제하고, 그에 기인하여 실린더 헤드와의 밀착력이 저하된다. 이 때문에, 「요철 혼합부」에 있어서의 오목부의 골 깊이를 5㎛ 내지 100㎛의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 골 깊이는 바람직하게는 10㎛ 내지 100㎛, 더욱 바람직하게는 15㎛ 내지 45㎛이다.

또한, 「조면화 영역」으로서의 「요철 혼합부」는, 오목부 및 볼록부가 연장되는 방향에 수직인 단면에서, 인접하는 2개의 볼록부의 간격인 피치(이하, 산 피치라고도 함)가 1㎛ 내지 600㎛가 되는 요철로 하는 것이 바람직하다. 볼록부의 산 피치가 1㎛ 미만이면, 피치가 너무 좁아서 실린더 헤드의 알루미늄 합금을 충분히 맞물리지 못하여, 소망의 실린더 헤드와의 밀착력을 확보할 수 없게 된다. 한편, 산 피치가 600㎛를 초과하여 커지면, 피치가 너무 넓어서 실린더 헤드의 알루미늄 합금을 충분히 맞물리지 못하여, 소망의 실린더 헤드와의 밀착력을 확보할 수 없게 된다.

또한, 「조면화 영역」으로서의 「요철 혼합부」에서는, 볼록부는 외주면을 기준으로 하여 일정한 산 높이를 갖는 볼록부로 하여도, 또는 압입 방향을 따라 산 높이가 증가하는 볼록부로 하여도 좋다.

또한, 「조면화 영역」으로서의 요철 혼합부의 형상은, 상기한 오목 형상부나 볼록 형상부와 마찬가지로, 압입 방향에 대해 직교하는 방향으로 긴 영역이 되는 형상으로 하는 것이, 내빠짐성 향상의 관점에서 바람직하다. 압입 방향에 직교하는 방향으로 긴 영역이 되는 형상으로 하는 것에 의해, 빠짐시의 저항이 커져서 빠짐 하중이 증대되고 내빠짐성이 향상된다. 예를 들면, 외주면에 대해 수직인 방향으로 관찰하여, 압입 방향으로 삼각 형상, 역삼각 형상, 사각 형상, 원형 형상, 반원 형상, 별형 형상 중 어느 하나를 나타내는 형상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 「조면화 영역」의 형상은, 상기한 형상의 전역을 상기한 표면 성질과 상태로 가공하여도, 또한, 상기한 형상의 주연부(윤곽)의 소정 폭만을 조면화한 영역으로 하여도 좋다.

또한, 「조면화 영역」으로서, 상기한 표면 성질과 상태의 「요철 혼합부」를, 외주면 전역에 형성해도 좋지만, 외주면의 적어도 1개소에서, 외주면 전역에 대한 면적률로 합계 0.3% 이상을 형성함으로써, 충분히 소망의 보지력을 유지할 수 있다. 이 때문에, 「요철 혼합부」로 이루어지는 「조면화 영역」은 합계로, 외주면 전역에 대한 면적률로 0.3% 이상으로 한다. 또한, 바람직하게는 0.5% 이상이다. 한편, 조면화 영역이 합계로 면적률로 50%를 초과하여도, 압입한 밸브 시트의 보지력의 증가가 포화될 뿐이다. 이 때문에, 바람직하게는, 외주면 전역에 대한 면적률로 합계, 0.5% 이상 50% 이하이다.

본 발명 밸브 시트에서는, 상기한 각종 표면 성질과 상태의 「조면화 영역」을, 밸브 시트 외주면의, 적어도 1개소, 바람직하게는 밸브 시트의 축 주위에 180° 간격으로 2개소, 또한, 밸브 시트의 보지 안정성이라는 관점에서는 도 1의 (e)에 도시하는 바와 같이, 축 주위에 120° 간격으로 3개소 등, 밸브 시트의 원주 방향으로 등간격의 각 위치에 형성하는 것이 바람직하다.

상기한 각종 표면 성질과 상태의 「조면화 영역」은, 본 발명에서는 레이저 광 조사 처리, 또는 표면 성질과 상태에 따라서는 숏 블라스트 처리, 용사에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 밸브 시트 외주면의 전역을 상기한 조면화 영역으로 하는 경우에는, 숏 블라스트 처리를 이용하는 것이 생산성, 경제성의 관점에서 바람직하지만, 표면 성질과 상태에 따라서는, 사포, 에어 해머에 의한 타흔(打痕)을 이용하여도 좋다.

본 발명에서는 레이저 광의 조사는, 미리 설정한 밸브 시트 외주면의 소정의 위치에서 미리 설정된 형상, 크기로, 상기한 소망의 표면 성질과 상태를 갖는 「조면화 영역」이 되도록, 조사 패턴, 조사 시간을 선택하여 실행하는 것으로 한다. 특히, 상기한 소망의 표면 성질과 상태를 갖는 「조면화 영역」으로 하기 위해는, 레이저 광의 조사 시간, 출력, 주파수 등을 적정하게 조정하는 것이 바람직하다.

마무리 가공된 밸브 시트 외주면에 레이저 광을 조사하면, 표면이 용융되고, 용융된 용탕(溶湯)이 배출되는 것에 의해 오목부를, 한편, 배출된 용탕이 응고되어 그 주위에 볼록부를 각각 형성한다. 그 때문에, 레이저 광의 조사 시간, 출력, 주파수 등을 조정하는 것에 의해, 상기한 소망의 표면 성질과 상태를 갖는 「조면화 영역」을 용이하게 형성할 수 있다.

본 발명 밸브 시트는, 상기한 조면화 영역을 갖는 밸브 시트이면 좋으며, 그 소재를 한정할 필요는 없다. 용제재, 소결체 등 상용의 밸브 시트용 소재를 모두 적용할 수 있다. 그 중에서도, 철계 소결 합금제로 하는 것이 가공성, 제조성이 뛰어나고, 밸브 시트로서 구비해야 하는 특성의 조정 등이 용이하다는 관점에서 바람직하다.

본 발명 밸브 시트용 소재로서 매우 바람직한 철계 소결 합금으로서는, 질량%로, C : 0.4% 내지 1.5%를 포함하고, 또는 추가로, Ni, Co, Cr, Mo, V, W, Si, S, Mn, B 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 합계로 40% 이하 함유하며, 나머지 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 기지부(基地部) 조성을 갖는 것이 바람직하다. 그리고, 철계 합금제 소결체에는, 상기한 기지 조성의 기지상(基地相) 중에, MnS, CaF₂, BN 등의 고체 윤활제 입자, 빅커스 경도(Vickers hardness; HV)로 500 내지 1200HV0.1의 경도를 갖는 Mo－Si－Fe계 금속간 화합물 입자, Mo－Si－Ni계 금속간 화합물 입자, Co계(基) 금속간 화합물 입자 등의 경질 입자를 분산시키는 것이 바람직하다. 또한, 피삭성(被削性) 개선을 목적으로 한 입자를 분산시켜도 좋은 것은 말할 필요도 없다.

다음에, 본 발명 밸브 시트용 소재로서 매우 바람직한 철계 합금 소결체의 제조 방법에 대해 간단하게 설명한다.

원료로 하는 철계(鐵係) 분말에, 상기한 소결체의 조성이 되도록, 흑연 분말과, 윤활제 분말과, 또는 추가로 합금용 분말과 또는 추가로 고체 윤활제 분말 및/또는 경질 입자 분말을 배합하고, 혼합기 등으로 혼합, 혼련하여 혼합분(混合粉)으로 한다. 이어서, 얻어진 혼합분을, 소정 형상의 금형에 장입(裝入)하고, 가압 성형하여 소정 형상의 압분체(壓粉體)로 한다. 이어서, 이들 압분체에 소결 처리를 실시하여, 소결체로 한다. 소결 처리는 상용의 소결 방법인, 환원 분위기, 또는 비산화성 분위기 중에서 1100 내지 1200℃로 실행하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하여 얻어진 소결체를 절삭, 연삭 등의 가공에 의해 소정 치수 형상의 내연 기관용 밸브 시트로 한다.

실시예

철계 분말(순철분(純鐵粉))에, 흑연 분말과, 경질 입자 분말과, 고체 윤활제 분말을 배합하고, 혼합, 혼련하여 혼합분으로 했다. 또한, 철계 분말과 흑연 분말과 경질 입자 분말과 고체 윤활제 분말의 합계량에 대한 질량%로, 흑연 분말을 1.0%, 경질 입자 분말을 10.0%, 고체 윤활제 분말을 0.5%, 각각 배합했다. 경질 입자는, 빅커스 경도(HV)로 800 내지 1200HV의 Ni－Mo－Cr－Co계 경질 입자로 했다. 고체 윤활제 입자는 MnS로 했다.

이어서, 얻어진 혼합분을 금형에 충전하고, 성형 프레스로 가압 성형하여, 밸브 시트(치수 : φ34mm×φ25mm×8mm) 형상의 압분체로 했다. 얻어진 압분체의 밀도는 6.5g/㎤ 내지 7.1g/㎤이었다. 이어서, 압분체에, 환원성 분위기 중에서 1100 내지 1200℃×60min의 소결 처리를 실시하여 소결체(a)로 했다. 얻어진 소결체(a)의 밀도는 6.2g/㎤ 내지 7.2g/㎤이었다. 또한, 밀도는 아르키메데스법으로 측정했다.

이들 소결체(a)에, 절삭·연삭 가공(마무리 가공)을 실시하여, 소정 치수(치수 : φ32mm×φ25mm×6.0mm)의 밸브 시트로 했다. 또한, 밸브 시트 외주면의 마무리 가공면의 표면 거칠기는, JIS Z 0601(2001)의 규정에 준거한 Ra로, 0.09㎛ 내지 0.15㎛였다.

이어서, 마무리 가공된 밸브 시트의 외주면에, 표 1에 나타내는 형상으로 표 1에 나타내는 표면 성질과 상태의 조면화 영역을 형성했다. 조면화 영역의 형성은, 레이저 광 조사 처리 또는 숏 블라스트 처리, 또는 용사, 사포, 에어 해머에 의한 타흔에 의한 것이다. 또한, 조면화 영역을 형성하지 않는 경우를 종래예(밸브 시트 No.1)로 했다.

형성한 조면화 영역을, 모식적으로 도 3, 도 4 및 도 5 내지 도 10에 도시한다.

도 3은, 외주면에 대해 수직 방향으로 관찰한 상태에서, 조면화 영역이 삼각 형상을 나타내는 경우이며, (a)는 조면화 영역이 볼록 형상부를 나타내고, 압입 방향을 따라 산 높이가 일정한 경우이며, (b)는 조면화 영역이 볼록 형상부를 나타내며, 산 높이가 압입 방향을 따라 외주면으로부터 최대 산 높이까지 연속적으로 변화(산 높이가 증가)하고 있는 경우이다. 도 4는, 외주면에 대해 수직 방향으로 관찰한 상태에서, 조면화 영역이 장방 형상을 나타내는 경우이며, (a)는 조면화 영역이 볼록 형상부를 나타내고, 압입 방향을 따라서 산 높이가 일정한 경우이며, (b)는 조면화 영역이 오목 형상부를 나타내는 경우이며, 압입 방향을 따라서 골 깊이가, 최대 골 깊이로부터 외주면까지 연속적으로 변화(골 깊이가 감소)되어 있는 경우이다. 또한, 산 높이, 골 깊이는 적절히 선정했다.

도 5는, 외주면에 대해 수직 방향으로 관찰한 상태에서, 조면화 영역이 반원 형상을 나타내고, 조면화 영역이 볼록 형상부를 나타내는 경우이며, 압입 방향을 따라서 산 높이가 일정했다. 또한, 도 6은, 외주면에 대해 수직 방향으로 관찰한 상태에서, 조면화 영역이 별형 형상을 나타내고, 조면화 영역이 볼록 형상부를 나타내는 경우이며, 압입 방향을 따라서 산 높이가 일정했다.

도 7 및 도 8은, 외주면에 대해 수직 방향으로 관찰한 상태이며, 조면화 영역이 삼각 형상을 나타내고, 그 표면 성질과 상태가 요철 혼합부를 나타내며, 또한, 그 볼록부가 모두, 외주면을 기준으로 하여 일정한 산 높이를 갖고, 게다가 그 오목부가 모두 외주면을 기준으로 하여 일정한 골 깊이를 갖는 경우이다. 도 7은, 원주 방향으로 연장되는 볼록부와 오목부를, 연장되는 방향에 수직인 방향으로 인접해서 이루어지는 요철을, 압입 방향으로 복수 열 갖는 영역으로 하는 경우이며, 도 8은, 압입 방향으로 연장되는 볼록부와 오목부를, 연장 방향에 수직인 방향(원주 방향)으로 인접해서 이루어지는 요철을, 원주 방향으로 복수 열 갖는 영역으로 하는 경우이다. 또한, 열의 수(복수 열)는 조면화 영역의 크기, 산 피치에 따라 변화시켰다.

도 9 및 도 10은, 외주면에 대해 수직 방향으로 관찰한 상태이며, 조면화 영역이 삼각 형상을 나타내고, 그 표면 성질과 상태가 요철 혼합부를 나타내며, 또한 그 볼록부가 모두 외주면을 기준으로 하여 일정한 산 높이를 갖고, 게다가 그 오목부가 모두 외주면을 기준으로 하여 일정한 골 깊이를 갖는 경우이다. 도 9는, 요철 혼합부의 오목부와 볼록부가 연장되는 방향을 압입 방향에 대해 45° 기울인 경우이며, 도 10은, 연장되는 오목부를 격자 형상으로 조합하여 격자 형상 오목부로 한 요철 혼합부의 경우이며, 압입 방향과 원주 방향으로 각각 오목부를 배치하고 있다.

또한, 상기한 조면화 영역을 레이저 광 조사 처리로 형성하는 경우에는, 상기한 소망의 표면 성질과 상태를 갖는 「조면화 영역」이 되도록, 레이저 광의 조사 패턴, 조사 시간, 출력, 주파수 등을 조정하여 실행했다. 또한, 일부에서는 조면화 영역을, 용사, 숏 블라스트 처리, 사포 처리, 에어 해머 처리에 의해 형성했다. 이 경우, 숏 블라스트 처리, 사포 처리, 에어 해머 처리는 밸브 시트 외주면 전역으로 했다. 또한, 레이저 광 조사 처리나 숏 블라스트 처리 등을 실행하지 않고, 마무리 가공 그대로의 상태를 보지하는 밸브 시트를 종래예로 했다. 또한, 산 높이, 골 깊이는, 비접촉 형상계(「one-shot 3D 측정 매크로스코프」(상품명)((주) 키엔스제))를 이용하여 측정했다.

얻어진 밸브 시트에 대해, 도 2에 도시하는 고온 보지력 측정 장치를 이용하여, 소정 온도(200℃)에 있어서의 빠짐(拔出) 하중(고온 빠짐 하중)을 측정하여, 밸브 시트의 고온 보지력을 평가했다.

평가 대상의 밸브 시트(1)를, 고온 보지력 측정 장치의 알루미늄 합금제 실린더 헤드 상당재(相當材)(2)에 압입했다. 그리고, 실린더 헤드 상당재(2)의 하부에 배설된 가열 수단(4)으로 밸브 시트가 소정 온도(200℃)가 될 때까지 가열했다.

이어서, 소정의 온도로 가열된 밸브 시트(1)를, 가압 지그(3)를 이용해 압압하여, 실린더 헤드 상당재(2)로부터 이탈시켰다. 그 때의 빠짐 하중(L)을, 하중계(도시하지 않음)에 의해 측정했다. 얻어진 빠짐 하중에 대해, 종래예를 기준(1.00)으로 하여, 각 밸브 시트의 빠짐 하중비를 산출해, 내빠짐성을 평가했다. 얻어진 결과를 표 1에 나타낸다.

[표 1]

[표 2]

본 발명예는 모두, 조면화 영역이 없는 종래예에 비해, 빠짐 하중은 증대되고 내빠짐성이 향상되어 있다. 한편, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예에서는 조면화 영역이 없는 종래예에 비해 빠짐 하중에 변화는 보여지지 않는다.

1 : 밸브 시트 2 : 실린더 헤드 상당재
3 : 가압 지그 4 : 가열 수단
10 : 고온 보지력 측정 장치

Claims (22)

1. 내연기관의 경금속 합금제 실린더 헤드에 압입되는 밸브 시트에 있어서,
   상기 밸브 시트의 외주면 중 적어도 1개소에, 상기 외주면의 표면보다 거친 표면을 갖는 조면화 영역을 구비하고,
   상기 조면화 영역이, 상기 외주면을 기준으로 하여 산 높이가 5㎛ 내지 80㎛가 되는 볼록 형상부, 또는, 상기 볼록 형상부 및 상기 외주면을 기준으로 하여 골 깊이가 5㎛ 내지 100㎛가 되는 오목 형상부를 갖고서 이루어지며,
   상기 조면화 영역이 상기 외주면의 전역에 대한 면적율에서, 합계로 0.3% 이상 50% 이하인 것을 특징으로 하는
   내빠짐성이 뛰어난 밸브 시트.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 조면화 영역이, 상기 외주면을 기준으로 하여 최대 산 높이가 5㎛ 내지 80㎛인 동시에 상기 기준으로부터 압입 방향을 따라 최대 산 높이까지 연속적으로 또는 단계적으로 증가하는 경사진 산 높이를 갖는 영역인 볼록 형상부, 또는, 상기 볼록 형상부 및 상기 외주면을 기준으로 하여 골 깊이가 5㎛ 내지 100㎛가 되는 오목 형상부를 갖고서 이루어지는 것을 특징으로 하는
   밸브 시트.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 조면화 영역이, 상기 외주면을 기준으로 하여 최대 골 깊이가 5㎛ 내지 100㎛인 동시에 상기 외주면을 기준으로 하여, 압입 방향을 따라 최대 골 깊이로부터 상기 기준까지 연속적으로 또는 단계적으로 감소하는 경사진 골 깊이를 갖는 영역인 오목 형상부, 또는, 상기 오목 형상부 및 상기 외주면을 기준으로 하여 최대 산 높이가 5㎛ 내지 80㎛인 동시에 상기 기준으로부터 압입 방향을 따라 최대 산 높이까지 연속적으로 또는 단계적으로 증가하는 경사진 산 높이를 갖는 영역인 볼록 형상부를 갖고서 이루어지는 것을 특징으로 하는
   밸브 시트.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 조면화 영역이, 상기 외주면을 기준으로 하여 산 높이가 5㎛ 내지 80㎛가 되는 볼록 형상부, 및 상기 외주면을 기준으로 하여 최대 골 깊이가 5㎛ 내지 100㎛인 동시에 상기 외주면을 기준으로 하여, 압입 방향을 따라 최대 골 깊이로부터 상기 기준까지 연속적으로 또는 단계적으로 감소하는 경사진 골 깊이를 갖는 영역인 오목 형상부를 갖고서 이루어지는 것을 특징으로 하는
   밸브 시트.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 조면화 영역이, 압입 방향으로 연장되는 오목부와 볼록부가 인접해서 이루어지는 요철을 상기 압입 방향에 수직인 방향으로 복수 열 갖는 요철 혼합부, 및 원주 방향으로 연장되는 오목부와 볼록부가 인접해서 이루어지는 요철을 상기 원주 방향에 수직인 방향으로 복수 열 갖는 요철 혼합부 중 적어도 하나를 가지며,
   또한, 상기 볼록부가, 상기 외주면을 기준으로 하여, 산 높이로 5㎛ 내지 80㎛가 되는 볼록부이고, 상기 오목부가, 상기 외주면을 기준으로 하여, 골 깊이로 5㎛ 내지 100㎛가 되는 오목부인 것을 특징으로 하는
   밸브 시트.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 요철 혼합부에 있어서의 상기 오목부와 상기 볼록부의 연장되는 방향이, 상기 압입 방향과 이루는 각으로, 0° 초과 90° 미만의 범위 내의 각도를 갖는 방향인 것을 특징으로 하는
   밸브 시트.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 조면화 영역으로서, 상기 요철 혼합부가 일정 방향으로 연장되는 복수 열의 오목부와, 상기 일정 방향에 대해서 수직 방향으로 연장되는 복수 열의 오목부를 조합해서 이루어지는 격자형 오목부를 갖고, 상기 격자형 오목부의 각 격자 내에 볼록부를 갖고서 이루어지는 요철로 이루어지는 것을 특징으로 하는
   밸브 시트.
8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 요철 혼합부가, 상기 연장되는 방향에 수직인 단면에서, 인접하는 2개의 상기 볼록부의 간격인 피치가 1㎛ 내지 600㎛인 요철을 갖는 것을 특징으로 하는
   밸브 시트.
9. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 요철 혼합부의 복수 열의 볼록부의 산 높이가, 상기 외주면을 기준으로 하여 일정한 높이거나, 또는 상기 기준으로부터 압입 방향을 따라 증가하는 것을 특징으로 하는
   밸브 시트.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 요철 혼합부의 복수 열의 볼록부의 산 높이가, 상기 외주면을 기준으로 하여 일정한 높이거나, 또는 상기 기준으로부터 압입 방향을 따라 증가하는 것을 특징으로 하는
    밸브 시트.
11. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조면화 영역이, 상기 외주면에 대해 수직 방향으로 관찰하여, 삼각 형상, 사각 형상, 원형 형상, 반원 형상, 별형 형상 중 어느 하나를 나타내는 것을 특징으로 하는
    밸브 시트.
12. 제 8 항에 있어서,
    상기 조면화 영역이, 상기 외주면에 대해 수직 방향으로 관찰하여, 삼각 형상, 사각 형상, 원형 형상, 반원 형상, 별형 형상 중 어느 하나를 나타내는 것을 특징으로 하는
    밸브 시트.
13. 제 9 항에 있어서,
    상기 조면화 영역이, 상기 외주면에 대해 수직 방향으로 관찰하여, 삼각 형상, 사각 형상, 원형 형상, 반원 형상, 별형 형상 중 어느 하나를 나타내는 것을 특징으로 하는
    밸브 시트.
14. 제 10 항에 있어서,
    상기 조면화 영역이, 상기 외주면에 대해 수직 방향으로 관찰하여, 삼각 형상, 사각 형상, 원형 형상, 반원 형상, 별형 형상 중 어느 하나를 나타내는 것을 특징으로 하는
    밸브 시트.
15. 제 11 항에 있어서,
    상기 조면화 영역이, 상기 삼각 형상, 상기 사각 형상, 상기 원형 형상, 상기 반원 형상, 상기 별형 형상 중 어느 하나의 주연부에만 상기 볼록 형상부 또는 상기 오목 형상부를 형성하는 것을 특징으로 하는
    밸브 시트.
16. 제 12 항에 있어서,
    상기 조면화 영역이, 상기 삼각 형상, 상기 사각 형상, 상기 원형 형상, 상기 반원 형상, 상기 별형 형상 중 어느 하나의 주연부에만 상기 볼록 형상부 또는 상기 오목 형상부를 형성하는 것을 특징으로 하는
    밸브 시트.
17. 제 13 항에 있어서,
    상기 조면화 영역이, 상기 삼각 형상, 상기 사각 형상, 상기 원형 형상, 상기 반원 형상, 상기 별형 형상 중 어느 하나의 주연부에만 상기 볼록 형상부 또는 상기 오목 형상부를 형성하는 것을 특징으로 하는
    밸브 시트.
18. 제 14 항에 있어서,
    상기 조면화 영역이, 상기 삼각 형상, 상기 사각 형상, 상기 원형 형상, 상기 반원 형상, 상기 별형 형상 중 어느 하나의 주연부에만 상기 볼록 형상부 또는 상기 오목 형상부를 형성하는 것을 특징으로 하는
    밸브 시트.
19. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조면화 영역을 원주 방향으로 등간격의 각 위치에 형성하는 것을 특징으로 하는
    밸브 시트.
20. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 시트가 철계 소결 합금제인 것을 특징으로 하는
    밸브 시트.
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