KR20000005995A - 내연기관용γ-ＴｉＡｌ베이스합금의포핏밸브의제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내연기관용 γ-TiAl-베이스 합금으로된 포핏밸브(poppet valve)의 제조방법에 관한 것이다. γ-TiAl-소재는 이때 우선적으로 1차 예컨대 압출기에 의하여 성형됨으로 이에 따라 대략 밸브 직경으로 되고 이에 필요한 소재특성을 가진다.
연이어 압축기로 2차 성형을 한다. 그러기 위하여 입구(6)의 직경이 대략 1차 성형 소재의 구멍과 일치하고 이의 직경에 상당한 원통부분(3)이 대략 밸브콘(valve cone)에 상당한 테이퍼(4)(taper)를 거쳐서 출구(5)로 통하는 형태로 되어 있는 금형을 사용한다.
이러한 출구(5)는 최소한 밸브스템(2)의 직경(d)과 근사하다. 압축과정은 밸브컵의 두께(s)에 도달하여 끝난다.

Description

내연기관용 γ-ＴｉＡｌ 베이스 합금의 포핏밸브의 제조방법{A method for the manufacture of the poppet valve from Gamma-TiAl-base alloy}
발명에 의하여 1차 성형에 따른 γ-TiAl-소재는 대략 밸브 컵의 직경과 같고 본 밸브컵에 필요한 소재 특성을 가지도록 이루어지며 금형을 사용하여 1차 성형소재의 압출에 의한 2차 성형은 입구의 직경이 1차 성형소재의 직경과 대략 같으며 이러한 직경에 상당하는 원통부분이 밸브콘(valve cone)과 거의 같은 테이퍼(Taper)를 거쳐 출구로 통하는데 이는 최소한 밸브스템의 직경(d)과 거의 같으며 압출과정은 밸브컵의 두께(s)에 도달하여 성형이 끝나도록 되어 있다.
1차 성형은 특히 압출기로 하지만 기타 방법 예컨대 롤링밀(Rolling Mill/이나 라운드 햄머링(round hammering)으로도 가능하다. 2회의 성형과정으로 특히 스템에서 고도의 변형비에 도달하게 되는데 그범위는 50 및 500:1이며 현재까지 γ-TiAl-베이스합금의 1차 성형에서는 적용한 적이 없으나 의외로 별문제 없이 이의 달성이 가능하다. 밸브컵과 밸브스템을 일체형으로 제조한 밸브는 선행기술에서 압도적으로 2분활형으로 더구나 밸브컵을 성형스템 부분 및 잔여스템과 마찰용접으로 서로 결합하여 제조된 강철밸브에 비하여 발명에 따르는 방법에 의하여 문제없이 해결이 된다.
1차 성형을 압출로 수행할때 온도 범위가 1000∼1350℃이고 신장속도 범위가 10-3-1/초이며 성형비의 범위가 5-50:1일때에 특히 유리하다.
압출에 의한 2차 성형은 1차 성형소재에 비하여 온도범위가 1000∼1420℃이고 신장속도 범위가 10-2-102/초이며 변형비가 5-80:1이다. 성형온도가 상위 온도범위 내에 있으면 압출시에 알파-전이온도를 초과할 수도 있어서 미세박층이고 크리프 강도가 큰 조직의 형성을 조장한다. 극도의 박층간격으로 나타나는 이러한 조직형태는 연이은 열처리가 현저히 넓은 박층간격으로 되기 때문에 열 기계적인 제조에 의해서만아 이루어 진다.
1,2차 성형중에 γ-TiAl-베이스 합금의 산화를 방지하기 위하여서는 각각의 성형과정원에 합금을 보호라이나(캔)(can)속에 삽입하는 것이 유리하다. 특히 캔 소재로서는 스테인레스 강이 사용되며 캔소재와 γ-TiAl-소재 사이에는 모리브덴 층의 형태로 확산경 계층이 존재한다.
분산경계층은 γ-TiAl-합금과 보호재의 철 사이에서 저용융 유텍틱(Eutektic)의 조성을 저해한다. 모리브턴은 예컨대 TiAl-합금의 표면상에 프라즈마 스프레이에 의하여 코팅이 된다. 추가로 TiAl-합금은 또한 몰리브덴 포일로 감쌀 수도 있다.
명시된 캔내 삽입은 단지 발명에 따르는 방법의 특히 유리한 형태이다. 공정유도를 적절히 하면 강철로 명시되어 있는 캔 대신에 유리로된 보호라이나도 사용 가능하다. 산화방지를 위한 보호개스 베일이나 또는 유사한 조치에 의하여 경우에 따라서는 각각의 캔을 생략할 수 있다.
1차 성형후 소재를 소요길이로 절단하며 일반적으로 캔(can)은 기계가공으로 절단한다. 그다음 소재는 새로히 캔에 삽입하며 2차로 압출기에 의하여 성형한다. 캔을 해당치수로 할 경우에 성형후 1차 성형의 캔이 여전히 상태가 양호함으로 2차 성형전에 이를 제거할 필요는 없으며 2차 압출을 위하여서도 계속 사용할 수 있다.
특히 유리한 경우는 압출 금형재로서 내열 몰리브덴 합금, 예컨대 1,2 중량%의 하프늄(Hafnium), 0.1 중량 %의 탄소, 잔여 몰리브덴의 MHC를 사용할 때이다.
내연기관용 포핏밸브로서 특수용의 γ-TiAl-합금은 조성분이 46.5 원자% Al, 2.5원자% Cr, 1원자% Nb, 0.5 원자% Fa, 0.1 원자% B, 잔여 Ti인 합금이 특히 적당한 것으로 판명되었다.
다음에는 도면과 제조 실시예에 의하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 목적은 비용면에서 유리하면서도 이러한 부품의 필요 조건을 충족시켜 주기 위한 소요 소재특성을 가능케 하는 γ-TiAl- 베이스 합금의 내연기관용 포핏밸브를 제조하기 위한 방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 내연기관용 γ-TiAl-베이스합금으로된 포핏밸브를 제조하기 위한방법에 관한 것으로서 두께가 S인 원통형 겁, 원추와 스템의 밸브 부분을 가지며 이의 형태는 균일한 소재의 1차 성형에 이어서 2차 성형에 의한 최소한의 최종치수에 근접한 밸브형으로 되어 있다.
γ-TiAl-베이스 합금은 금속간 소재그룹에 속한 것으로 그의 특성은 각 금속과 세라믹 사이에서 찾을 수 있다.
γ-TiAl-베이스 합금에 있어서 기술적인 의미에서 본다면 합금 45 및 48 원자 %의 알미늄 함유량 즉 실제로는 γ-TiAl-및 α2-Ti3Al-상의 2상합금 또는 합금의 가일층 특성을 개선하는 합금원소를 첨가할 경우엔 다상 합금이다.
추가 합금원소로서는 실온-연성을 증가시켜 주기 위한 특히 크롬, 망간 및 바나디움, 내산성 및 강도를 증가시켜 주기 위한 니오브, 탄탈, 몰리브덴 및 볼프람 및 내열강도, 크립강도를 증대시켜주고 라멜라 조직형의 적당한 조정 및 문제의 대상이 되는 합금의 가공성향상을 위한 규소, 붕소 및 탄소를 들 수 있다.
이러한 제 합금원소는 전부 γ-TiAl-베이스 합금 중에서 약 1-20 원자% 범위내에 있어야 실용적이다.
γ-TiAl-베이스 합금은 그의 정밀도 외에도 온도가 750℃에 이르기까지 내산성과 기계적 성질이 양호하기 때문에 특히 개스터빈 브레이드와 내연기관용 밸브의 고온부위에 적용한다.
실온에서 대부분의 금속간 소재 γ-TiAl-베이스 합금도 또한 취성/연성 전이온도를 상회하는 온도에서도 항복점의 강력한 연신율에 따라서 취성상태를 가짐으로 완제품의 제조에는 제조기술적인 면에서 여러배로 비용이 들고 원가에 심대한영향을 미치며 성형조건에 상당히 좌우된다.
원료의 제조는 융해금속학적으로나 또는 분말금속학적으로나 가능하다.
γ-TiAl-베이스합금의 경우에 입자크기, 상(相)의 분포와 조직동질성에 크게 좌우되는 최적의 소재특성에 달하고 소기의 최종형태에 이르기 위하여서는 여러배로 원료의 추가 기계적인 변형을 요한다. 일반적으로 등온 또는 유사등온조건하에서 최소성가공, 압출, 형단조 또는 롤링이 이에 실증되었다.
DE-PS 43 18 424는 예컨대 γ-TiAl-합금 예컨대 엔진용 밸브와 밸브컵의 성형체를 제조하기 위한 방법을 명시하고 있다. 이러한 방법으로 주물소재는 우선 온도범위가 1050∼1300℃인 유사등온 조건하에 큰 변환비로 변형된 다음 냉각되고 최종 온도범위가 900∼1100℃에서 근소한 신장속도 10-4∼10-1/초로 최종치수에 가까운 형태로 초소성 가공 변형이 된다.
이의 단점으로서는 본 방법이 비교적 느리며 제조기술의 비용이 많이 들어서 원가상승의 원인이 된다.
본 발명의 과제는 경제적으로 유리하면서도 이러한 부품의 요구를 충족시켜 주기 위하여 필요한 소재 특성을 가질 수 있는 γ-TiAl-베이스 합금으로된 내연기관의 포핏밸브를 제조하기 위한 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 플로우 차트에 의한 발명에 따른 제조방법의 주요 공정도,
도 2는 도 1에 의한 압출기의 제조과정 확대도.
구조에 의하여 주성분이 Ti-46, 5Al-2.5 Cr-1Nb-0.5Ta-0.1 1B(원자 %)이고 대략 직경 180㎜, 길이 450㎜인 γ-TiAl-잉 곳을 제조하였다. 스테인레스강X5CrNi1810으로 길이가 410㎜이고 외경이 206㎜ 내경이 164.8㎜인 중공원통형 압출캔을 제작하였다. 주조한 γ-TiAl-잉곳에서 선삭으로 주물표피를 날리고 잉곳을 압출캔의 내부에 맞춘다음 알콜로 세척한다.
그다음 잉곳을 샌드블라스트(sand Blast) 한다음 프라즈마 스프레이에 의하여 표면을 몰리브덴 층으로 피복하여 몰리브덴 포일로 감싸 압출캔속에 밀어 넣는다. 압출캔을 폐쇄하기 위하여 원통형 압출캔의 베이스와 헤드부를 당해 강철부품과 용접한다. 그다음에 캔에 삽입한 γ-TiAl-잉곳의 1차 성형을 압출한다.
또한 잉곳은 우선 유도에 의하여 700°, 800°및 1150℃의 3단계로 예열한다. 예열한 다음 피압출품은 다시 유도에 위하여 1230℃의 압출온도로 가열한다. 사용한 압출금형은 입구의 직경이 210㎜이 150°의 각도를 가진 원추형 구멍 및 출구의 직경이 60㎜로 되어 있으며 이는 완성밸브의 컵경 D와 대략 일치한다. 압출비는 12.2:1이다. 압출속도를 수동으로 조절하였으며 약 60㎜초로 하였다. 이러한 압출에 의하여 유지된 압출부품은 완성밸브의 컵에 필요한 압력과 기계적 강도를 가진다.
1차 성형으로 압출된 γ-TiAl-스트립(strip)을 연이어서 물제트커터(water jet cutter)에 의하여 40㎜ 길이로 절단하였다. 연이어 압출품에서 강철캡슐을 선삭하여 제거하였다.
이러한 압출품은 1차 캔삽입과정에서 처럼 새로히 프라즈마 스프레이에 의하여 몰리브덴-확산 경계 층을 형성시킨다. 몰리브덴-포일로 감는 작업은 생략 하였다. 그다음에는 압출품을 길이가 45㎜, 외경이 57㎜이고 내경이 47㎜인 St37(강철)로 된 원통형 강철캡슐 안으로 밀어넣고 베이스부의 용접에 의하여 캔을 폐쇠한다. 2차 성형과정은 성형온도가 1300℃인때 r/α-상(相)영역에서 압출이 되었다.
금형은 MHC-합금(Mo-1.2Hf-0.1C)으로 제작되었다. 금형의 입구경-6-은 60㎜, 원추형 구멍-4-는 105°의 각도를 가지고 있다. 금형의 외경 -5는 밸브스템-2-의 소요경과 대략 일치하였으며 입구경-6-은 밸브컵의 직경과 대략 일치하였다. 금형은 압출전에 흑연-오일 혼합물로 도포하였다. 압출과정은 대략 밸브컵에 대한 소요 두께 S에 이르면 공지된대로 설정된 펀징스트로크(punching stroke)후에 정지되었다.
이와같은 방법으로 밸브컵은 변형이 전혀 안되거나 또는 약간만이 됨으로 밸브컵에 필요한 재질 특성을 가진 1차 성형된 원소재의 투입이 발명에 따르는 제조공정의 전제가 된다. 압출과정에 이어서 선삭에 의하여 원하는 최종치수로 압출소재의 최종 가공을 행하였다.
내연기관용 포핏밸브를 일체형으로 성형 압출하는 경제적인 밸브형.

Claims (4)

  1. 두께가 S인 원통형 컵과 스템(2)의 밸브-부분을 가지며 동질성 소재의 1차 성형과 연이은 2차 성형에 의한 최소한 최종 치수에 근접한 밸브형의 형태로되며 내연기관용의 γ-TiAl-베이스합금으로된 포핏밸브를 제조하기 위한 방법에 있어서, 1차 성형은 γ-TiAl-소재가 그다음 포핏밸브의 대략 직경 D와 소재의 소요특성을 가지며 금형을 사용 1차로 성형된 소재를 압출함으로서 2차 성형을 행하는데 입구(6)의 직경은 대략 1차 성형된 소재의 직경과 같으며 이러한 직경에 상당한 원통부분(3)은 대략 밸브원추에 상당한 테이퍼(4)를 거쳐서 출구(5)를 지나며 이는 최소한 밸브스템(2)의 직경(d)과 근사하며 압출과정은 포핏밸브의 두께 S에 이르러 끝나는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    압출에 의한 1차 성형은 온도범위가 1000∼1350℃이고 신장속도가 10-3-1/초의 범위이며 변형비가 5 내지 50:1의 범위에서 행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    2차 성형은 1차 성형 소재에 비하여 온도범위는 1000∼1420℃이고 신장속도는 10-2-102/초 범위내이며 변형비는 5 내지 80:1의 범위 내에서 행하여 지는 것을특징으로 하는 방법.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    소재는 1,2차 성형전에 보호라이너로 감싸는 것을 특징으로 하는 방법.
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