KR19980086276A - 내마모성이 우수한 타펫과 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반복응력과 충격에 대한 내구성과 내마모성이 우수한 타펫 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 타펫은 타펫몸체와, 상기 타펫몸체의 캠접촉면에서 형성되어 있으며 무게분율로 약 12~25%의 Co와 나머지가 %의 WC로 이루어진 코팅피막층을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 타펫의 제조방법은 무게분율 (wt%)로 약 12~25%의 Co와 나머지가 WC로 구성된 용사재를 타펫 몸체에 용사하여 코팅피막층을 형성함을 특징으로 한다.

Description

내마모성이 우수한 타펫과 그 제조방법

본 발명은 내마모성이 우수한 타펫과 그 제조 방법에 관한 것이다. 일반적으로, 밸브트레인계는 엔진에서 실린더의 흡배기 밸브를 여닫는 역할을 하는 기구를 말한다. 트럭,버스등 대형대젤엔진에서는 도1에서 도시된 바와 같이 로커아암(12)과 푸시로드(14), 그리고 타펫(혹은 캠팔로우)(20)으로 구성된 오버헤드캠 타입의 밸브트레인계를 사용하고 있다. 타펫(20)은 푸시로드(14)와 캠 샤프트(16)사이에서 캠의 변위변화를 이용하여 왕복운동하게 한다. 도1에서 미설명 부호 17은 밸브, 18은 밸브스프링을 나타낸다.

최근에는 환경보호와 소비자보호운동에 의해 고출력, 저연비, 무정비엔진에 대한 요구가 높아지며서 밸브 트레인계의 사용환경은 고출력으로 인하여 접촉응력과 윤활조건이 가혹해지고 장시간의 수명을 요구하고 있다.

밸브트레인계에서의 파손은 불완전 연소로인하여 배기가스와 매연이 증가하고 엔진의 소음과 진동을 과도하게 하여 차량전체시스템의 성능을 급격하게 감소시킨다.

밸브트레인계의 부품중 핵심요소인 타펫의 파손은 주로 캠과의 접촉에서 고속으로 미끄럼마찰을 하기 때문에 미끄럼 마모에 의해 스커핑을 일으키거나 표면피로에 의한 박리현상인 피팅을 일으킨다. 스커핑과 피팅의 손상을 받으면 급격하게 파손이 진전되기 때문에 엔진 소음증가와 밸브개폐시기의 불안정화나 밸브 기밀유지의 불안정으로 연료가 불완전연소하고 결국 소음이나 배기가스의 문제를 낳게 된다.

일반적으로 기존의 캠과 타펫의 재료로는 강의 표면을 경화시키는 기술인 고주파 표면경화, 침탄경화, 질화경화등 여러 가지의 표면경화기술을 활용하여 표면의 경도를 형상시켜 적용하고 있으며, 칠주철계를 적용시켜 캠과 타펫의 재료로 활용하고 있다. 현재 주로 이용되는 타펫의 재료로는 칠주철과 담금질칠주철계가 대표적이다. 칠주철계는 주조시에 냉각속도를 빠르게 하여 초석시멘타이트(Fe2C)를 석출시킨 것이다. 금속조직적으로는 A1 변태에 의해 시멘타이트로부터 변화한 퍼얼라이트기지와 침상의 시멘타이트로 구성된다.

또한 담금질칠주철은 칠주철에 대해 담금질과 뜨임처리한 것이고, 기지는 마르텐사이트, 또는 뜨임 마르텐사이트이며 시멘타이트와 시멘타이트에서 분해된 템퍼 카본으로 이루어진다. 이를 재료를 많이 사용하는 이유를 들면 시멘타이트는 경도가 높고 내마모성이 우수함과 동시에 기지조직의 소성유동을 방지하며, 또한 융점이 높기 때문에 스커핑 방지 효과가 크다. 또 기지조직은 경도 또는 강도가 부족하면 과대마모나 피팅의 발생원인으로 된다. 담금질칠주철은 담금질에 의한 기지의 고경도 고강도화를 목적으로 한 것이고, 캠과 타펫의 접촉면압이 높은 엔진에 있어서는 칠주철재보다 유리하다. 그러나 현재 널리 사용되고 있는 칠주철이나 담금질칠주철은 전술한 바와 같이 우수한 타펫 재료이지만, 주물인 까닭에 문제점도 많이 내재한 재료이다. 이를테면 담금질칠주철재의 경우 용해, 급냉, 풀림, 담금질, 뜨임과 같은 복잡한 공정을 거치는 재료이다.

그러나 주물은 화학성분, 냉각속도, 열처리 조건등이 불균일하면 시멘타이트량과 카본량 또는 기지의 경도가 변화하기 쉽기 때문에 내마모성과 내스커핑성이 불균일하기 쉬운 재료라고 하고 있다. 따라서 캠과 타펫의 접촉면압(부하)의 증가가 예상되는 장래의 엔진에 현형재료를 채용하는 경우는 엄격한 생산관리, 품질관리, 공정관리가 필요할 뿐만 아니라 양산시 재료불균일을 충분히 고려한 평가가 불가능하다. 그러므로 앞에서 설명한 바와 같이 고출력화, 저연비화의 시장 요구에 대응하기 위한 밸브리프트의 증대, 흡배기밸브의 대형화, 밸브스프링 하중의 증대화 등 밸브트레인계의 사용조건은 가혹해져 갈 것이며, 결국 캠과 타펫의 접촉에서의 부하가 증가하는 경향에 대응하면서도 현행재료의 문제점을 해결할 수 있는 내구성과 내마모성이 우수한 타펫재료가 필요하게 되었다.

따라서 본 발명의 목적은 반복응력과 충격에 대한 내구성과 내마모성이 우수한 타펫 및 그의 제조 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 캠과 타펫의 접촉면에서 발생하던 피팅이나 스커핑과 같은 마모를 억제함으로써 엔진소음증가, 불완전연소 또는 배기가스로 인한 환경오염을 방지하는데 있다.

도1은 일반적인 밸브트레인 기구의 개략도.

도2는 본 발명에 따른 내마모성이 우수한 타펫을 설명하기 위한 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

12 : 로커아암 14 : 푸시로드 16 : 캠샤프트

17 : 밸브 18 : 밸브스프링 20 : 타펫

22 : 용사코팅층

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제1측면에 있어서, 타펫몸체와, 상기 타펫몸체의 캠접촉면에서 형성되어 있으며 무게분율로 약 12~25%의 Co와 나머지가 %의 WC로 이루어진 코팅피막층을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 타펫을 제공한다.

또한, 본 발명은 제2측면에 있어서 무게분율 (wt%)로 약 12~25%의 Co와 나머지가 WC로 구성된 용사재를 타펫 몸체에 용사하여 코팅피막층을 형성함을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 타펫의 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

내구성이 우수한 타펫은 다음과 같은 방법으로 얻을 수 있다. 캠과 타펫의 접촉면간의 마찰계수를 감소시켜 접촉면에서 발생하는 마찰열을 저하시키고, 내마모성과 내스커핑성을 향상시키며, 고융점의 재료(고융점의 탄화물 또는 경질성분)를 사용하여 마찰열에 대한 내스커핑성을 향상시키며, 기지조직의 고강도화를 시도하여 피로강도를 높이고 내피팅성을 향상시키며, 캠 재료와의 융착성 및 공격성이 낮은 재료로 하여 캠 표면의 손상을 방지하며(캠과 타펫은 슬라이딩 접촉을 하므로 상대편의 표면상태와 그 상대면에 대해 영향을 끼침, 금속화학적으로 친화력이 있으면 상호 표면간에 융착이 발생하며, 이 융착에 대한 저항으로 마찰계수가 증가하며, 마찰계수의 증가는 마찰열을 증가시켜 결국 내스커핑성이 나빠짐, 그리고 상대면의 경도와 표면조도 등의 차이가 발생하면 약한 상대면의 표면이 파손하게 되며, 이로 인한 경도가 상대적으로 증가된 마모입자와 마모면이 발생하여 상대면에 대한 공격성을 띠게 됨), 제조공정을 간소화하여 제조조건의 불균일성으로 인한 영향을 잘 받지 않는 재료로 하여 고체내 또는 제조 로트에서의 재료 불균일을 억제한다.

본 발명은 타펫의 몸체에서 캠과 접촉하는 접촉부에 용사코팅층을 갖는, 즉 표면에 코팅층을 갖는 내구성과 내마모성이 우수한 그 제조방법에 관한 것이다. 도2에서와 같이 탄소강으로 이루어진 몸체와, 몸체의 캠 접촉면이 용사재료로 고속화염용사코팅된 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 타펫을 제공함으로써 본 발명의 목적이 달성된다. 타펫과 몸체는 저합금강 또한 탄소강으로 구성되어 있고, 상기 용사코팅층의 용사재료는 경질상으로서 텅스텐 카바이드를 사용하며 바인더로서 Co를 채용한 복합상으로 구성된다. 본 발명의 타펫은 도2에서 도시한 바와 같이 타펫몸체(20a)와 타펫 몸체(1)의 표면 에 용사된 용사코팅층(22)으로 구성된다. 타펫몸체(20a)는 탄소강으로 구성되어 있고, 용사코팅층(22)은 무게분율 (wt%)로 약 12~25%의 Co를 포함하여, 가장 좋기로는 17~22%의 범위와 잔량은 텅스텐카바이드로 이루어진다. 도2에서 미설명부호 14는 푸시로드, 16은 캠샤프트이다.

일반적으로 내마모성이 요구되는 부재나 부품은 사용환경에 따라 거동의 차이가 있을 수는 있으나, 크게 2가지 특성이 부여가 되어야 요구품질을 만족시킬 수가 있는데, 내피팅성과 내스커핑 특성이 그것이다.

본 발명에서는 내스커핑성 획득의 측면에서 용착마모, 즉 미끄럼에 대한 내성을 보강하기 위하여 비커스경도 1300이상의 경질화합물인 텅스텐카바이드(WC)를 사용하였으며, 내피팅 특성을 보강키 위하여는 고하중의 구름마찰 상태에서 우수한 인성을 부여하기 위하여 Co의 함량을 조정하였다. 또한 본 발명에서 용사코팅시 사용된 재료는 입도범위 5~45μm로서 신터링 또는 분사, 건조된 분말을 사용하였다.

타펫의 표면에 용사코팅층이 형성된 타펫을 제작하면, 그 표면에 형성된 용사코팅증은 반복응력에 대한 내피팅성과 내마모성이 우수하여 타펫의 수명 연장에 기여한다. 타펫의 제조상의 기존 문제점중 하나는 고경도를 얻음으로써 내마모성을 향상시키면 그로인해 인성이 극도로 저하되어 과도한 면압과 마찰마모에 의한 국부적인 타펫 표면의 박리는 급속히 축방으로 균열성장을 야기하고 인접한 표면을 잠식하게 되어 결국 표면이 떨어져 나가는 것이다. 이러한 내피로성 및 내충격성의 부족은 (특히, 세라믹 재료) 피팅, 스풀링과 같읕 표면층의 손상을 초래하였던 것이다. 본 발명은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 기지는 인성이 우수한 Co를 채용하고, 내마모성은 높은 경도의 텅스텐카바이드를 미세분산 시킬 수 있는 고속화염용사를 채용하였다. 이로써 인성을 가진 소지층이 고경도의 표면층을 지지하면서 충격하중을 흡수하고 표면에서는 수직하중이나 전단응력을 담당함으로써 인성과 내마모성을 갖춘 타펫을 얻는다. 더욱이 스코링이나 와이퍼링과 같은 심한 마모흠이 발생하지 않도록 표면층이 발생하지 않도록 표면층은 마찰계수를 낮추는 역할을 하고 소지층은 면압을 고루 분산시켜 높은 밀착강도를 나타내게 된다.

상기 용사코팅층은 일반 화염용사 및 아크용사, 플라즈마용사 등에 의한 얻어진 피막 품질에 비해 월등히 우수한 코팅조직을 제공한다. 열원이 산소와 아세틸렌 등의 혼합가스에 의한 화염이라는 점에서는 일반화염용사와 동일하지만 가장큰 차이점은 특수한 건, 배럴구조 및 연소 방식의 차이에서 비롯되는 용사화염의 속도, 즉 용사입자의 속도이다. 일반 용사시 입자 비산속도는 음속이하이지만, 고속화염용사의 경우, 2000~2200m/sec(약 마하6)의 범위이다. 결국 입자의 비산속도가 상당히 큰 값이고, 또한 산화분위기에서의 용사입자 비행체류시간이 극히 짧기 때문에 타 용사코팅에 비해 산화물이 작고 건전한 조직은 물론, 기판과의 충돌시 운동에너지가 크므로 충진율이 개선되어 매우 낮은 기공율을 보이게 된다. 또한 상기의 기구에 의해 코팅조직에서 가장 문제시 되어 온 기지와의 밀착강도 역시 다른 공정에서는 기대하기 어려운 8000~11000psi정도로 개선 할 수 있었다. 이상 본 발명의 특징은 고속화염용사코팅등에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 내구성과 내마모성이 우수한 용사코팅재질층을 갖는 타펫 제조방법을 제공함으로써 달성된다.

이하에 실시예를 통하여 본 발명에 대해 설명한다. 그러나 하기 실시예가 발명의범위를 한정하는 것은 아니다.

용사코팅에 사용된 열원은 산소와 아세틸렌의 혼합액체의 분무상이며 착화시 폭발연소는 용사건의 내부에서 이루어 지게 되며 배럴은 4 또는 8인치의 규격을 사용한다. 이때 지정된 조건은 예로서 산소압력 155~165psi, 연료압력 110~120psi이며, 분말의 이송속도는 약 60~80 g/min이었다. 또한 용사건 노즐과 모재와의 용사거리는 25~35cm, 이동속도는 250m/sec이고 이송가소로는 아르곤을 사용하였다. 본 발명에서의 한 실시예로서 코팅피막의 안정한 시방두께로는 0.3~0.6mm가 실시 되었다.

이하 본 발명에서 재료의 성분조성을 제한한 이유를 설명한다. WC는 화학적으로 안정되고, 고융점, 고경도의 탄화물이기 때문에 내스커포성, 내마모성에 대한 대폭적인 개선효과를 기대할 수 있다. Co의 철에 대한 용착력은Ni보다 작기 때문에 마르텐사이트 또는 칠화된 스틸 캠과의 용착 문제는 크게 억제 될 수 있다.

이상에서 경질상으로서 텅스텐 카바이드를 사용하고 바인더로써 Co를 채용시 Co의 성분비는 무게비로서 약12~25%를 이용하며, 가장 좋기로는 17~22%의 범위를 사용한다. 일반적으로 내마모성이 요구되는 부재나 부품은 사용환경에 따라 거동의 차이가 있을 수는 있으나, 크게 2가지 특성이 부여가 되어야 요구품질을 만족시킬 수가 있는데, 내피팅성과 내스커핑 특성이 그것이다. 본 발명에서는 Co를 12%이하로 구성하는 경우 코팅후 피막의 인성이 크게 저하되어 오히려 고하중의 미끄럼과 구름 마모 환경에서 감소하게 된다. 이를 보완하기 위해서 Co의 함량은 많을수록 좋지만 25%이상인 경우에서는 오히려 내마모성이 부족하여 내스커핑성이 감소하게 된다.

이상설명된 바와 같이 본 발명은 타펫의 표면에 고경도와 인성을 가지는 WC~CO계 재료를 용사코팅함으로써 반복응력과 충격에 대한 내구성과 내마모성이 우수한 타펫을 만들 수 있다.

또한, 본 발명의 타펫은 기조의 엔진에서 캠과 타펫의 접촉면에서 발생하던 피팅이나 스커핑과 같은 마모를 억제함으로써 엔진소음증가, 불완전연소 또는 배기가스로인한 환경오염 등을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (5)

1. 타펫몸체와, 상기 타펫몸체의 캠접촉면에서 형성되어 있으며 무게분율로 약 12~25%의 Co와 나머지가 %의 WC로 이루어진 코팅피막층을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 타펫.
2. 제1항에 있어서, 상기 코팅피막층은 17~22%중량 %의 Co로 이루어진 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 타펫.
3. 무게분율 (wt%)로 약 12~25%의 Co와 나머지가 WC로 구성된 용사재를 타펫 몸체에 용사하여 코팅피막층을 형성함을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 타펫의 제조방법.
4. 상기 제3항에 있어서, 상기 용사는 고속화염용사코팅 공정에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 타펫의 제조방법.
5. 상기 제3항에 있어서, 상기 용사재는 17~22%의 Co와 나머지 %의 WC로 구성되는 갖는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 타펫의 제조방법.