KR19980086277A - 내마모성이 우수한 타펫과 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반복응력에 대한 충격과내마모성이 우수한 타펫과 그의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 타펫은 타펫 몸체와 상기 몸체의 표면에 형성되어 있으며, 무게분율(wt%)로 C 0.2%이하, Cr 26.0~36.0%, Si 0.5~3.9%, Mn 0.5~3.2%, B 2.5~4.6%, P0.5% 이하 그리고 나머지는 Fe와 필연적으로 함유되는 불순물로 구성된 코팅피막층을 구비하여 이루어진다 상기 용사코팅은 복선아크용사(TWAS) 또는 고속화염용사에 의해 형성된다.

Description

내마모성이 우수한 타펫과 그 제조방법

본 발며은 내마모성이 우수한 타펫과 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 밸브트레인계는 엔진에서 실린더의 흡배기 밸브를 여닫는 역할을 하는 기구를 말한다. 트럭,버스등 대형대젤엔진에서는 도1에 도시한 바와같이, 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 회전운동시 변위변화를 이용하여 왕복운동을 푸시로드에 전달하게 한다.

도1에서 미설명부호 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 요구되고 있는 실정이다.

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 표면이 경도를 향상시켜 적용하고 있으며, 칠주철계를 적용시켜 캠과 타펫의 재료로 활용하고 있다. 현재 주로 이용되는 타펫의 재료로는 칠주철과 담금질칠주철계가 대표적이다. 칠주철계는 주조시에 냉각속도를 빠르게 하여 초석시멘타이트(Fe₃C)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 발생원인이 된다. 담금질칠주철은 담금질에 의한 기지의 고경도 고강도화를 목적으로 한 것이고, 캠과 타펫의 접촉면압이 높은 엔진에 있어서는 칠주철재보다 비교적 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 재료이다. 따라서 캠과 타펫의 접촉면압(하중)의 증가가 예상되는 장래의 엔진에 현행재료를 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 반복응력에 대한 충격과 내마모성이 우수한 타펫 및 그의 제조방법을 제공하에 있다.

도1은 일반적인 밸브 트레인 기구의 개략도,

도2는 본 발명에 따른 타펫을 설명하기 위한 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

12 : 로커아암 14 : 푸시로드 16 : 캠 샤프트

18 : 밸브 스프링 20 : 타펫 22 : 용사코팅층

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제1측면에 있어서, 타펫 몸체와 상기 몸체의 표면에 형성되어 있으며, 무게분율(wt%)로 C 0.2%이하, Cr 26.0~36.0%, Si 0.5~3.9%, Mn 0.5~3.2%, B 2.5~4.6%, P0.5% 이하 그리고 나머지는 Fe와 필연적으로 함유되는 불순물로 구성된 코팅피막층을 구비하여 이루어짐을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 타펫을 제공한다.

또한, 본 발명은 제2측면으로서, 무게분율(wt%)로 C 0.2%이하, Cr 26.0~36.0%, Si 0.5~3.9%, Mn 0.5~3.2%, B 2.5~4.6%, P0.5% 이하 그리고 나머지는 Fe와 필연적으로 함유되는 불순물로 이루어지는 용사재를 타펫 몸체의 표면에 용사코팅하여 코팅피막층을 형성하는 것을 포함함을 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 탄화물 또는 경질성분으로 이루어진 재료를 사용하여 마찰열에 대한 내스커핑성을 향상시키며, 기지조직의 고강도화를 시도하여 피로강도를 높이고 내피팅성을 향상시키며, 캠 재료와의 융착성 및 공격성이 낮은 재료로 하여 캠 표면의 손상을 방지하여 준다.

캠과 타펫은 슬라이딩 접촉을 하므로 상대부재의 표면상태에 따라 그 상대면에 대해 영향을 끼치게 되며, 금속화학적으로 친화력이 있으면 상호 표면간에 융착이 발생하며, 이 융착에 대한 저항으로 마찰계수가 증가하며, 마찰계수의 증가는 마찰열을 증가시켜 결국 내스커핑성이 나빠진다. 또 상대면의 경도와 표면조도 등의 차이가 발생하면 약한 상대면의 표면이 파손하게 되며, 이로 인한 경도가 상대적으로 증가된 마모입자와 마모면이 발생하여 상대면에 대한 마모가 심화된다. 또한 제조공정이 간소화하여 제조조건의 불균일성으로 인한 영향을 잘 받지 않는 재료로 하여 고체내 또는 제조 로트에서의 재료 불균일을 억제한다.

본 발명은 타펫의 몸체에서 캠과 접촉하는 접촉부에 코팅층을 갖는, 즉 표면에 코팅층을 갖는 내구성과 내마모성이 우수한 타펫과 그 제조방법에 관한 것이다. 도2에서와 같이 탄소강으로 이루어진 몸체와 캠 접촉면이 용사재료로 용사코팅된 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 타펫을 제공함으로써 본 발명의 목적이 달성된다.

타펫의 몸체는 저합금강 또는 탄소강으로 구성되어 있고, 상기 용사코팅층의 용사재료는 무게분율(wt%)로 C 0.2%이하, Cr 20~36%, Si 0.5~3.9%, Mn 0.5~3.2%, B 2.5~4.6%, P0.5% 이하 그리고 나머지는 Fe와 필연적으로 함유되는 불순물로 구성되어 있는 합금으로서 타펫의 표면에 용사코팅층이 형성된 타펫을 제작하므로써, 그 표면에 형성된 용사코팅층을 반복응력에 대한 내피팅성과 내마모성이 우수하여 타펫의 수명 연장에 기여한다. 본 발명의 특징은 상기 재료를 이용하여 아크용사 코팅으로 형성된 코팅피막이 마찰마모 환경에서 표면층이 고상변태로 비정질화 된다는 것으로서 내열성부족, 인성부족, 내마모성부적을 극복하기 위해 안정한 조직상태와 경도가 높은 조직으로 만들고 내마모성을 향상시키기 위한 방법으로 조직을 고용강화시켜 비정질재료의 단점을 극복할 뿐만 아니라, 비정질화 되지 않은 상태에서도 간단한 열처리에 의해 결정질자체가 내마모성이 큰 고경도의 고용체가 되게 하거나 사용할 때 마찰마모 작용에 의해 비정질로 변태하여 내마모성과 내부식서을 모두 만족시키는 재료와 그 제조방법에 관한 것이다. 과도한 면압과 마찰마모에 의한 국부적인 타펫 표면의 박리는 급속히 측방으로 균열성장을 야기하고 인접한 표면을 잠식하게 되어 결국 표면의 박리현상이 발생하게 된다. 이때 용사코팅층 피막이 비정질일 때가 결정질일 때보다 마찰계수가 낮아 마찰응력에 대한 감수성을 낮추므로 상호표면간에 미끄럼이 잘일어나게 하여 뛰어난 내마모성을 나타내는 것이다. 마찰에 의한 응력으로도 재료가 비정질화할 수 있는 가능성이 있음을 감지하고, 수직하중과 마찰에 의한 전단응력으로 비정질화할 수 있는 재료를 타펫의 표면층에 용사코팅시켜 타펫의 수명을 증대시키는 것이 본 발명이 추구하는 바이다.

본 발명에서는 내마모재료가 제품에 부분적으로 용사코팅되어 있던지 제품자체를 전부 비정질재료로 제조하였던지 간에 최초에는 피막의 결정상태가 열적으로 유기될 수 있는 비정질상과 나노결정 또는 메타스테이블결정등과 같은 비유리질상을 포함한 복합조직이다. 그로나 이를 가공하고, 마찰마모 환경에서 사용중에 작용되는 응력에 의해 잔류하는 정질구조로부터 비정질화하는 특징이 있다. 뿐만아니라 비정질화 되지 않은 상태에서도 Cr같은 합금원소의 영향으로 내식성이 우수한 스텐레스강의 조성이 되게 함으로써 내식성, 인성을 얻고 아울러 B과 같은 원소로 내마모성을 얻게 된다.

또한 B는 고용한계 이상의 무게비율로 합금계에 포함됨으로써 용사시 기판재에 충돌, 응고시 불안정한 과포화고용체를 형성하여 열역학적으로 고상변태가 용이한 상태가 된다. 타펫의 제조상의 기존 문제점중 하나는 고경도를 얻음으로써 내마모성을 향상시키면 그로인해 인성이 저하되어 내충격성이 부족하게 되므로(특히, 세라믹재료) 피팅, 스폴링과 같은 표면층의 손상이 불가피하였던 것이다.

본 발명은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 초기에는 고용강화를 통해 강도를 유지하고 마찰에 의해 비정질화 됨으로써 고경도를 얻게 되는 특징을 이용한 것이다. 이로써 인성을 가진 소지층이 고경도의 표면층을 지지하면서 충격하중을 흡수하고 표면에서는 전단응력 및 마찰저항을 담당함으로써 인성과 내마모성을 갖춘 타펫을 얻는다.

본 발명은 코팅피막의 소지층자체는 일부나 전부가 미변태층으로서 고용강화 등의 효과로 HV 600~850정도의 경도를 가지지만, 최표면층은 마찰에 의해 비정질화 될 때 HV1200이상의 경도를 가지게 되며 따라서 피막 전체를 보게 되면 우수한 경도 경사를 지니게 된다. 더욱이 스코링이나 와이퍼링과 같은 심한 마모홈이 발생하지 않도록 표면층은 마찰계수를 낮추는 역할을 하고 소지층은 면압을 고루 분산시켜 높은 밀착강도를 가지게 되며 높은 인성으로 내피팅성이 우수하게 된다.

상기 용사코팅층은 복선아크용사코팅, 고속화염용사코팅등에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 용사코팅피막을 갖는 타펫 제조방법을 제공함으로써 달성된다.

이하 실시예를 통하여 본 발명에 대해 설명한다. 그러나 하기 실시예가 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

용사코팅의 예로서 복선아크용사 코팅의 경우 코팅건은 보통 안정적인 제조품질을 위하여 자동화개념으로 다축관절로 제어되는 로봇에 장착되어지며, 이때 건의 노즐부와 타펫면과의 거리는 약7~13mm정도의 거리를 유지한다. 용사거리가 제시된 범위보다 작은 경우 피용사코팅재의 열영향으로 인하여 잔류응력에 의한 변형 발생이 우려되며, 용사거리가 큰 경우는 지나치게 용융입자의 비행거리가 커져 비행중 과냉됨으로 인해 기판과 충돌시 충분한 소성변형을 기대할 수 없다는 단점이 있다. 또한 용사시 모재와 용사 건축이 이루는 각도는 80~90°로서 제한하며 이는 용사재의 부착효율 및 분산되는 용사각이 최적으로 조화될 수 있는 범위이다. 용사재료로는 상기 언급된 조성으로 제작된 코어드선을 사용하며 가장 좋기로는 직경 1.6mm의 규격을 추천한다. 용사코팅시 조건을 살펴보면, 압축공기압력은 약60psi, 아크 로딩용 전압은 약 30~33V,전류는 100~200A, 와이어 이송량은 2.34kg/hr, 그리고 한패스당 적층두께는 5mils로 한다.

한편 다른 실시예로서 상기 조성의 합금을 분말로 제조하여 고속화염용사를 실시하는 경우에 보다 우수한 코팅막품질을 얻을 수 있다. 이는 동일한 조성에서 공정의 차이를 극명하게 보여주는 것으로서, 고속화염용사의 경우 용융 비상입자의 비행속도가 마하 3~5에 이르는 상당한 고속이므로 기판 충돌시 기공이 극소화되고 산화물등의 결함이 최소화 된 치밀한 조직을 얻을 수 있게 된다.

도2에서 도시된 바와같이 본 발명의 타펫은 타펫몸체(20a), 상기 몸체의 표면에 용사코팅된 용사코팅층(22)으로 구성된다. 타펫몸체(20a)는 탄소강으로 구성되어 있고, 용사코팅층(22)은 무게분율(wt%)로 C 0.2%이하, Cr 20~36%, Si 0.5~3.9%, Mn 0.5~3.2%, B 2.5~4.6%, 그리고 나머지는 Fe와 필연적으로 함유되는 불순물로 구성되어 있다. 그리고 도2에서 미설명부호 14는 푸시로드, 16은 캠 샤프트이다.

이하 본 발명에서재료의 성분조성을 제한한 이유를 설명한다.

성분제한의 이유를 보면, 반복응력 작용에 대하여 용사피막과 모재의 경계 부위를 따른 표면크랙과 부식된 홈, 열충격 크랙, 부식저항을 위해서는 최소한 크롬 Cr 20%이상이 필요하며 기계적 물성 특히, 반복 응력과 충격에 의한 표면 크랙 발생에 대한 저항성과 표면에서의 거친면의 개선에 사용된다. 그러나 36%이상의 크롬을 갖는 시편은 강도와 인성이 낮아지므로 제한한다. Cr은 Fe와 함께 전율고용체를 형성하며, 강도와 내식성을 향상시키는데 가장 유효한 원소로서 최소 20%이상 첨가되어야 비로소 장범위 정합구조를 억제시켜 비정질화 할 수 있는 특징을 나타낸다. 20.0%이하에서는 액상으로부터 빠르게 α-페라이트상으로 상변태하는 일이 생길 수 있으며 이는 조성의 파티션이 요구되지 않는 파티션리스변태이므로 결정상인 α-페라이트상으로의 상변태를 억제시키기 어려워져 비정질상 형성이 어려워질 수 있다. 그리고 36%이상인 경우는 α-ferrite와 크롬(Cr)의 혼합상으로 존재하려는 구동력이 발생할 수 있으며 이로 인해 비정질상 형성이 어려워질 수 있다. 한편 통상적으로 비정질상을 얻기 위해서는 반금속계 원소의 첨가가 필수적이라고 볼 수 있는데 B은 융점을 낮추고 재료의 비정질화에 크게 기여하므로 필수적인 원소이다. 특히 용융중에 다른 금속산화물의 융점을 낮추어 불순물과 기공등을 표면에 떠올라 기공율을 낮추고 건전한 코팅피막을 얻을 수 있게 함으로써 자융합금의 원소로 널리 쓰이는데 본 발명에서는 용사시 소지와 함께 녹아서 접착성 개선에도 유효하므로 필수로 함유시킨다. 함량이 너무 낮으면 평형 고용체에서 과포화에 의한 상의 불안정성에 기여도가 작아 비정질 형성등이 저하되어 급냉상태에서 이미 결정화가 일어나므로 2.5%이상을 포함하여야 한다. 4.6%이상에서는 FeB, Fe₂B등의 금속간화합물이 생성되면서 안정한 결정질로 되려는 경향과 함께 취성이 나타나기 쉽고 후속 마찰환경에서 고상변태에 이용될 수 있는 구동력이 소진되므로 제한한다. Mn은 스테킹폴트(Skacking Fault)생성 에너지준위를 낮추고 계의 자유에너지준위를 높여 스테킹 폴트생성시 부분적 띠의 폭을 넓히는 효과가 있어 준안정결정질상이 외부에서의 압력으로 가해진 에너지로 안정한 비정질상이 되도록 도와 준다. 강에서는 중요한 오스테나이트화 원소로 사용되며 불안정한 오스테나이트 조직을 가공에 의해 마르텐사이트로 변태하도록 하는 원소이다. Mn은 높은 가공경화능을 가지는 특징이 있으며, 습식분위기 에서는 캐비티에의한 반복적인 충격가공을 받을 때 높은 내부식성을 가진다. 이것이 미세 국부적인 전기적 부식과 피팅등을 예방하게 함으로써 낮은 마찰계수를 유지하게 하며 높은 내마모성과 내식성을 나타낸다. 그러나 0.5%이하에서는 효과가 미미하고 3.2%이상에서는 γ-Fe 즉, 오우스테나이트가 나타나 비정질상을 형성하는데 방해하는 역효과가 있으므로 제한한다. Si는 α-garrite를 강화시키며, 비정질화 도었을 때 소지강도를 향상시킨다. 0.5%이상에서는 비정질화에 도움을 주므로 이 이상을 첨가하며 3.9%이상에서는 Fe₂Si등의 화합물이 나타나기 시작하므로 제한한다. P는 비정질화 원소중의 하나이므로 첨가를 허용하지만 Fe계에서 취성을 예방하기 위해서는 가능한한 0.5%이하로 제한한다. 또한 C는 Fe를 강화시키는 강력한 원소이지만 본 발명에서는 취성을 예방하고 탄화물형성을 억제하기 위해 0.2%이하로 제한한다. 선택적으로 첨가되는 Mo은 α-페라이트형성과 강화원소로 작용하는 원소이면서 자융합금효과를 얻을 수 있으므로 첨가한다. 이를 첨가하는 경우는 4.6%이상에서는 더 이상 효과가 증가하지 않으므로 제한하고, Cr량 첨가에 따라 변동이 가능하므로 바람직하게는 3.0%이상으로 첨가한다. 이는 합금내 고용강화효과에 의한 강도증가는 물론 용사시 격자왜곡에 의한 침입형원소의 고용한도 증가 및 자용합금 첨가원소로의 역할을 기대할 수 있다.

이상 설명된 바와 같이, 본 발명은 타펫과 표면에 고경도와 인성을 가지는 Fe-Cr-B계 비정질재료를 용사코팅함으로써 반복 응력과 충격에 대한 내구성과 내마모성이 우수한 타펫을 만들 수 있다. 또한, 본 발명의 타펫은 기존의 엔진에서 캠과 타펫의 접촉면에서 발생하던 피팅이나 스커핑과 같은 마모를 억제함으로써 엔진소음증가, 불완전연소 또는 배기가스로 인한 환경오염등을 방지하는 효과를 제공한다.

Claims (6)

1. 타펫 몸체와 상기 몸체의 표면에 형성되어 있으며, 무게분율(wt%)로 C 0.2%이하, Cr 26.0~36.0%, Si 0.5~3.9%, Mn 0.5~3.2%, B 2.5~4.6%, P0.5% 이하 그리고 나머지는 Fe와 필연적으로 함유되는 불순물로 구성된 코팅피막층을 구비하여 이루어짐을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 타펫.
2. 제1항에 있어서, 상기 코팅피막층은 3.0~4.6% Mo를 더욱더 함유하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 타펫.
3. 무게분율(wt%)로 C 0.2%이하, Cr 26.0~36.0%, Si 0.5~3.9%, Mn 0.5~3.2%, B 2.5~4.6%, P0.5% 이하 그리고 나머지는 Fe와 필연적으로 함유되는 불순물로 이루어지는 용사재를 타펫 몸체의 표면에 용사코팅하여 코팅피막층을 형성하는 것을 포함함을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 타펫의 제조방법
4. 제3항에 있어서, 상기 용사제는 3.0~4.6% Mo를 더욱더 함유하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 타펫의 제조방법.
5. 제3항에 있어서, 상기 용사코팅은 복선아크용선 코팅법(TWAS)으로 수행되는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 타펫의 제조방법.
6. 제3항에 있어서, 상기 용사코팅은 고속화염용사법(HVOF)으로 수행되는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 타펫의 제조방법.