KR19980035185U - 내마모성이 우수한 타펫 - Google Patents

Abstract

본 고안은 타펫의 몸체와 캠과 접촉하는 접촉부 표면에 코팅층을 갖는 내구성과 내마모성이 우수한 타펫에 대한 것이다.

본 고안의 내마모성이 우수한 타펫(Tappet)은, 타펫 몸체(1)를 저합금 탄소강 또는 탄소강으로 구성하고, 타펫 몸체의 캠과 접촉하는 면에, 중량 %로, C : 0.2% 이하, Cr : 26.0 - 36%, Si : 0.5 - 3.9%, Mn : 0.5 - 3.2%, B: 2.5 - 4.65, P : 0.5% 이하, 그리고 잔여량의 Fe와 불가피하게 함유되는 불순물로 구성된 합금층으로된 용접층(2)을 형성하여 이루어진 구성이다.

Description

내마모성이 우수한 타펫

본 고안은 타펫의 몸체와 캠과 접촉하는 접촉부 표면에 코팅층을 갖는 내구성과 내마모성이 우수한 타펫에 대한 것이다.

일반적으로, 밸브 트레인계는 엔진에서 실린더의 흡배기 밸브를 여닫는 역할을 수행하는 기구로, 트럭, 버스 등에 사용되는 대형 디젤 엔진에서는 도 1 도시와 같이, 밸브 스프링(14)을 개재하여 밸브(15)가 장착된 로커 아암(13)과 푸시 로드(12), 그리고 타펫(혹은 캠팔로우)(Tappet)(10)으로 구성된 오버헤드캠 타입(Overhead Cam Type)의 밸브 트레인계를 사용하는데, 타펫(10)은 푸시 로드(12)와 캠(11) 샤프트 사이에서 캠의 변위 변화를 이용하여 왕복 운동하게 한다.

이러한 타펫(10)에 대해, 최근에는 환경보호와 소비자 보호 운동에 의해 고출력, 저연비, 무정비(Maintenance Free) 엔진에 대한 요구가 높아지면서 밸브 트레인계의 사용 환경은 고출력으로 인하여 접촉 응력과 윤활 조건이 가혹해지고 장시간의 수명이 요구되고 있다. 밸브 트레인계에서의 파손은 불완전 연소로 인하여 배기 가스와 매연이 증가하고 엔진의 소음과 진동을 과도하게하여 차량 전체 시스템의 성능을 급격하게 감소시킨다.

밸브 트레인계 부품중 핵심 요소인 타펫(10)의 파손(Failure)은 주로 캠(11)과의 접촉으로 고속으로 미끄럼 마찰을 하기 때문에 미끄럼 마모에 의해 스커핑(Scuffing)을 일으키거나 표면 피로에 의한 박리 현상인 피팅(Pitting)을 일으킨다. 스커핑과 피팅의 손상을 받으면 급격하게 파손이 진전되기 때문에 엔진 소음 증가와 밸브 개폐 시기의 불안정화나 밸브 기밀 유지의 불안정으로 연료가 불완전 연소하고 결국 소음이나 배기 가스의 문제를 낳게 된다.

일반적으로 기존의 캠과 타펫의 재료는 강의 표면을 경화시키는 기술인 고주파 표면 경화, 침탄 경화, 질화 경화 등 여러 가지의 표면 경화 기술을 활용하여 표면의 경도를 향상시켜 적용하고 있으며, 칠주철계(Chilled Cast Iron)를 적용시켜 캠과 타펫의 재료로 활용하고 있다. 현재 주로 이용되고 있는 타펫의 재료로는 칠주철과 담금질칠주철계가 대표적이다. 칠주철계는 주조시 냉각 속도를 빠르게 하여 초석 시멘타이트(Fe₃C)를 석출시킨 것이다. 금속 조직적으로는 A 변태에 의해 시멘타이트로부터 변화한 퍼얼라이트(Pearlite) 기지와 침상의 시멘타이트로 구성된다. 또한, 담금질 칠주철은 칠주철에 대해 담금질과 뜨임(Quenching Tempering) 처리를 실시한 것으로, 기지는 마르텐사이트(Martensite), 또는 뜨임 마르텐사이트(Tempered Martensite)이며, 시멘타이트와 시멘타이트로 분해된 템퍼 카본으로 이루어진다.

이들 재료를 많이 사용하는 이유를 들면, 시멘타이트는 경도가 높고 내마모성이 우수함과 동시에 기지 조직의 소성 유동을 방지하며, 또한 융점이 높기 때문에 스커핑 방지 효과가 크다. 또, 기지 조직은 경도 또는 강도가 부족하면, 과대 마모나 피팅의 발생 원인으로 된다. 담금질 칠주철은 담금질에 의한 기지의 고경도/고강도화를 목적으로 한 것이고, 캠과 타펫의 접촉면압이 높은 엔진에 있어서는 칠주철재 보다 유리하다.

그러나, 현재 널리 사용되고 있는 칠주철이나 담금질 칠주철은 상술한 바와 같이, 우수한 타펫 재료이지만 주물인 까닭에 문제점도 많이 내포한 재료이다. 이를테면, 담금질 칠주철재의 경우 용해, 급랭, 풀림(Annealing), 담금질(Quenching), 뜨임(Tempering)과 같은 복잡한 공정을 거치는 재료이다.

그러나, 주물은 화학 성분, 냉각 속도, 열처리 조건 등이 불균일하면 시멘타이트량과 카본량 또는 기지의 경도가 변화하기 쉽기 때문에 내마모성과 내스커핑성이 불균일하기 쉬운 재료라고 인식하고 있다. 따라서, 캠과 타펫의 접촉 면압(부하)의 증가가 예상되는 장래의 엔진에 현행 재료를 채용하는 경우는 엄격한 생산관리, 품질 관리, 공정 관리가 필요할뿐더러 양산시 재료의 불균일을 충분히 고려한 평가가 불가능하다. 그러므로, 앞에서 설명한 바와 같이, 고출력화, 저연비의 시장 요구에 대응하기 위한 밸브 리프트의 증대, 흡배기 밸브의 대형화, 밸브 스프링 하중ㅇ의 증대화 등, 밸브 트레인계의 사용 조건은 가혹해져갈 것이며, 결국 캠과 타펫의 접촉에서의 부하가 증가하는 경향에 대응하면서도 현행 재료의 문제점을 해결할 수 있는 내구성과 내마모성이 우수한 타펫 재료가 필요게 되었다.

또한, 내구성이 우수한 타펫은 다음과 같은 방법으로 얻을 수 있다. 즉, 캠과 타펫의 접촉면간의 마찰 계수를 감소시켜 접촉면에서 발생하는 마찰열을 저하시키고, 내마모성과 내스커핑성을 향상시키며, 고융점의 재료(고융점의 탄화물 또는 경질 성분)를 사용하여 마찰열에 대한 내스커핑성을 향상시키며, 기지 조직의 고강도화를 시도하여 피로 강도를 높이고, 내피팅성을 향상시키며, 캠재료와의 응착성 및 공격성이 낮은 재료로 하여 캠표면의 손상을 방지하며(캠과 타펫은 슬라이딩 접촉을 하므로 상대편의 표면 상태와 그 상대면에 대해 영향을 끼침, 금속학적으로 친화력이 있으면, 상호 표면간에 응착이 발생하며, 이 응착에 대한 저항으로 마찰 계수가 증가하며, 마찰 계수의 증가는 마찰열을 증가시켜 결국 내스커핑성이 나빠진다. 또, 상대면의 경도와 표면 조도 등의 차이가 발생하면 약한 상대면의 표면이 파손하게 되며, 이로 인한 경도가 상대적으로 증가된 마모 입자와 마모면이 발생하여 상대면에 대한 공격성을 띠게 된다), 제조 공정을 단순화하여 제조 조건의 불균일성으로 인한 영향을 잘 받지 않는 재료로 하여금 고체내 또는 제조 로트에서의 재료 불균일을 억제하는 것이 필요하다.

따라서, 본 고안은 상기 설명한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 타펫의 몸체와 캠과 접촉하는 접촉부 표면에 코팅층을 갖는 내구성과 내마모성이 우수한 타펫을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1 은 밸브 트레인 기구를 개략적으로 도시한 도면,

도 2 는 본 고안에 따른 내마모성이 우수한 타펫을 도시한 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 타펫 몸체2 : 용접층

10,20 : 타펫11 : 캠

12 : 푸시 로드13 : 로커 아암

14 : 밸브 스프링15 : 밸브

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 고안에서는, 저합금강 또는 탄서강으로 구성된 몸체와, 몸체의 캠과 접촉하는 면에, 중량 %로, C:0.2% 이하, Cr:20-36%, Si:0.5 - 3.9%, Mn:0.5 - 3.2%, B:2.5 - 4.6%, P:0.5% 이하, 잔여량의 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진 합금으로된 용접층을 가지는 내구성과 내마모성이 우수한 타펫을 제공한다.

또한, 본 고안에서는 용접층을 구성하는 합금층이 Mo: 3.0 - 4.6% 를 포함할 수 있다.

더욱이, 용접층은 티그(TIG), 미그(MIG), 또는 아크 용접의 어느 하나에 의해 형성될 수 있다.

이하에서는 양호한 실시예와 관련하여 본 고안을 상세하게 설명한다.

도 2 도시와 같이, 본 고안의 타펫(20)은 저합금강 또는 탄소강으로 구성된 몸체(1)와, 몸체의 캠(11)과 접촉하는 면에, 중량 %로, C:0.2% 이하, Cr:20 - 36%, Si:0.5 - 3.9%, Mn:0.5 - 3.2%, B:2.5 - 4.6%, P:0.5% 이하, 잔여량의 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진 합금으로된 용접층(2)을 가지는 구성인데, 본 고안에서는 타펫의 표면에 형성된 용접층(2)이 반복 응력에 대한 내피팅성과 내마모성이 우수하여 타펫의 수명 연장에 기여한다.

내열성 부족, 인성 부족, 내마모성 부족을 극복하기 위해 안정한 조직 상태와 인성이 강한 조직으로 만들고 내마모성을 향상시키기 위해 조직을 고용 강화시켜 비정질 재료의 단점을 극복할 뿐만 아니라 비정질화되지 않은 상태에서도 간단한 열처리에 의해 결정질 자체가 내마모성이 큰 고경도의 고용체가 되게 하건, 면압에 의해 비정질로 변태하여 내마모성과 내부식성, 인성을 모두 만족시킬 수 있다. 과도한 면압과 마찰마모에 의한 국부적인 타펫 표면의 박리는 급속하게 측방으로 균열 성장을 야기하고, 인접한 표면을 잠식하게 되어 결국 표면이 떨어져 나가게 한다. 이때, 용접층 피막이 비정질일 때가 결정질일 때 보다 마찰 계수가 낮아 마찰 응력에 대한 감수성을 낮추므로 상호 표면간에 미끄럼이 잘 일어나게 하여 뛰어난 내마모성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 마찰에 의한 응력으로도 재료가 비정질화할 수 있는 가능성이 있음을 감지하고 수직 하중과 마찰에 의한 전단 응력으로 비정질화할 수 있는 재료를 타펫의 표면층에 용접시켜 타펫의 수명을 증대시킨 것이다.

본 고안에서는 내마모 재료가 제품에 부분적으로 용접되어 있던지 제품 자체를 전부 비정질 재료로 제조하던지간에 최초에는 비정질 상태가 나노 결정 (Nanocrystal) 또는 메타스테이블 결정(Metastable Crystal) 등과 같은 비유리질(Nonvitriform) 상태이다.

그러나, 이는 가공하고 사용중에 작용되는 고응력에 의해 비정질화(Stress Induced Vitriform)하는 특징이 있다. 뿐만아니라, 비정질화되지 않은 상태에서도 Cr과 같은 합금 원소의 영향으로 내식성이 우수한 스테인레스강의 조성이 되게 하므로 내식성, 인성을 얻고, 아울러 B과 같은 원소에 의해 내마모성을 얻는다.

타펫의 제조상의 기존 문제점중 하나는 고경도를 얻음으로써 내마모성을 향상시키면 그로 인해 인성이 극도로 저하되어 내충격성이 부족하게 되므로(특히, 세라믹 재료), 피팅, 스폴링(Spalling)과 같은 표면층의 손상이 불가피하였던 것이다. 본 고안에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 초기에는 고용(Solid Solution) 강화를 통해 경도를 유지하고 마찰에 의해 비정질화됨으로써 고경도를 얻게 되는 특징을 가진다. 이로써 인성을 가진 소지층이 고경도의 표면층을 지지하면서 충격 하중을 흡수하고 표면에서는 수직 하중이나 전단 응력을 담당함으로써 인성과 내마모성을 갖춘 타펫을 얻는다.

또한, 본 고안에서는 소지층 자체는 미변태층으로서 고용 강화 등의 효과로 HV 600 -850 정도의 경도를 가지지만, 최표면층은 비정질화될 때, HV 1200 이상의 경도를 나타내며 자연적인 경도 경사를 지닌다. 더욱이, 스코링(Scoring)이나 와이퍼링(Wipering)과 같은 심한 마모흠이 발생하지 않도록 표면층은 마찰 계수를 낮추는 역할을 하고, 소지층은 면압을 고루 분산시켜 높은 밀착 강도를 나타내게 된다.

본 고안에서 용접층은 티그(TIG), 미그(MIG), 아크 용접(Arc Welding) 등에 의해 형성되는데, 일예로, 미그 용접의 용접 조건은, 200 - 250℃ 에서 예열하고, 극성은 역극성이며, 전류: 250 - 270 A, 전압: 27 - 30 V, 혼합 가스: 공기 95%, 산소 5% 또는 공기 98%, 산소 2%이고, 혼합 유량: 25ft³/hr, 와이어 이송량: 219 인치(inch)/분이다.

이하에서는 타펫 표면의 용접 코팅층을 구성하는 합금의 성분 조성을 한정한 이유를 설명한다.

Cr은 기계적 물성, 특히 반복 응력과 충격에 의한 표면 크랙 발생에 대한 저항성과 표면에서의 거친면의 개성을 위해 사용되는데, 반복 응력 작용에 대하여 용접 비드의 경계 부위(용접 계면부)를 따른 표면 크랙과 부식된 홈, 열충격 크랙, 부식저항을 위해 최소 20% 이상이 필요하며, 36% 이상시 강도와 인성이 저하되므로 그 이하로 제한한다.

Cr은 Fe와 함께 전율 고용체를 형성하며, 강도와 내식성을 향상시키는데 가장 유효한 원소로서 최소 20% 이상 첨가되어야 비로소 장범위 정합 구조를 억제시켜 비정질화할 수 있는 특징을 나타낸다. 20.0% 이하에서는 액상으로부터 빠르게 α-페라이트(Ferrite) 상으로 상변태(Polymorphic Transformation)가 발생할 수 있으며, 이는 조성의 파티션(Partition)이 요구되지 않는 파티션리스(Partitionless) 변태이므로 결정상인 α-페라이트(Ferrite) 상으로의 상변태를 억제시키기 어려워져 비정질상 형성이 어려워질 수 있다. 그리고, 36% 이상인 경우는 α-페라이트(Ferrite)와 Cr의 혼합상으로 존재하려는 구동력이 발생할 수 있으며, 이로 인해 비정질상 형성이 어려워질 수 있다. 통상적으로 비정질상을 얻기 위해서는 반금속계 원소의 첨가가 필수적이라고 볼수 있다.

B는 융점을 낮추고 재료의 비정질화에 크게 기여하므로 필수적인 원소이다. 특히, 용융중에 다른 금속 산화물을 용해하고 표면에 떠올라 기공율을 낮춘다. 뿐만아니라 자융 합금의 원소로 널리 쓰이는데, 본 고안에서는 용접시 소지 금속과 함께 녹아서 강한 접착성을 나타내므로 필수적으로 함유시킨다. 함량이 너무 낮으면 비정질 형성능이 저하되어 급냉 상태에서 이미 결정화가 일어난다. 또, Cr 과 함께 붕화물을 형성하는 수가 있으므로 기본 조성물인 Fe를 비정질화시키는데 필요한 양을 감소시킬 수 있어서 최소 2.8%이상 함유하여야 한다. 4.6% 이상에서는 FeB,Fe₂B 등의 금속간 화합물이 생성되면서 안정한 결정질로 되려는 경향과 함께 취성이 나타나기 쉬우므로 제한한다.

Mn은 적층 결함(Stacking Fault) 생성 에너지 준위를 낮추고 계(System)의 자유 에너지 준위를 높여 적층 결함 생성시 파셜 밴드(Partial Band)의 폭을 넓히는 효과가 있어서 준안정결정질상이 외부에서의 압력으로 가해진 에너지에 의해 안정한 비정질상이 되도록 도와준다. 강에서는 중요한 오스테나이트(Austenite)화 원소로 작용하며, 불안정한 오스테나이트 조직을 가공에 의해 마르텐사이트(Martensite)로 변태시키는 원소이다. Mn은 높은 가공 경화능(High Work Hardenability)을 가지는 특징이 있으며, 습식 분위기에서는 캐버티(Cavity)에 의한 반복적인 임펄스 가공(Impulse Working)을 받을 때, 높은 내식성(Erosion Resistance)을 가진다. 이것이 미세 국부적인 전기적인 부식과 피팅(Pitting) 등을 예방하게 함으로써 낮은 마찰 계수를 유지하게 하며, 높은 내마모성과 내식성을 나타낸다. 그러나, 0.5% 이하에서는 효과가 미미하고 3.2% 이상에서는 γ-Fe 즉, 오스테나이트가 생성하여 비정질상을 형성하는데 방해하는 역효과가 있으므로 제한한다.

Si는 α-페라이트(Ferrite)를 강화시키며, 비정질화되었을 때, 소지 강도를 향상시킨다. 그러나, 0.5% 이상에서는 비정질화에 도움을 주므로 그 이상 첨가하며, 3.9% 이상에서는 Fe₃Si, Fe₂Si등의 화합물이 나타나기 시작하므로 제한한다.

P은 비정질화 원소의 하나이므로 첨가를 허용하지만 Fe 계에서 취성을 예방하기 위해서는 가능한한 0.5% 이하로 제한한다.

C는 Fe를 강화시키는 강력한 원소이지만 본 고안에서는 취성을 예방하고 탄화물 형성을 억제하기 위해 0.2% 이하로 제한한다.

Mo은 α-페라이트(Ferrite) 형성과 강화 원소로 작용하는 원소이면서 자융(Self Fluxing) 합금 효과를 얻을 수 있으므로 첨가한다. 이를 첨가하는 경우는 4.6% 이상에서는 더 이상 효과가 증가하지 않으므로 제한하고 Cr량 첨가에 따라 변동이 가능하므로 바람직하게는 3.0% 이하로 첨가한다.

따라서, 상기 설명한 본 고안의 내마모성이 우수한 타펫에 의하면, 타펫의 표면에 고경도와 인성을 가지는 Fe-Cr-B계 비정질 재료를 용접하여 용접층을 형성함으로써 반복 응력과 충격에 대한 내구성과 내마모성이 우수한 타펫이 얻어지며, 이로써, 기존의 엔진에서 캠과 타펫의 접촉면에서 발생하던 피팅이나 스커핑과 같은 마모를 억제함으로써 엔진의 소음 증가, 불완전 연소 또는 배기 가스로 인한 환경 오염 등을 방지하는 효과가 얻어진다.

Claims (3)

1. 타펫 몸체를 저합금 탄소강 또는 탄소강으로 구성하고, 타펫 몸체의 캠과 접촉하는 면에, 중량 %로, C : 0.2% 이하, Cr : 26.0 - 36%, Si : 0.5 - 3.9%, Mn : 0.5 - 3.2%, B: 2.5 - 4.65, P : 0.5% 이하, 그리고 잔여량의 Fe와 불가피하게 함유되는 불순물로 구성된 합금층으로된 용접층을 형성하여 이루어진 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 타펫.
2. 제 1 항에 있어서, 용접층을 구성하는 합금층은 Mo: 3.0 - 4.6%를 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 타펫.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 용접층은 티그(TIG), 미그(MIG), 또는 아크 용접의 어느 하나에 의해 용접 형성되는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 타펫.