KR20000016391A - 내연기관용 배기 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관용 배기밸브에 관한 것으로, 밸브 디스크의 상면에 베이스 재료와 다른 재료의 환형의 시트 영역을 갖는 밸브 디스크를 구비한 이동가능한 스핀들을 포함한다. 상기 시트 영역은 밸브가 닫힌 위치에서 정지 밸브부재의 대응하는 영역과 접족한다. 제조시에 밸브 디스크의 시트 영역은 합금의 재결정 온도 주변 또는 그보다 낮은 온도에서 열기계적 변형 프로세스를 받는다. 밸브 디스크의 상면의 시트 영역은 항복강도를 증가시키는 열처리와 열기계적 변형 프로세스에 의해 20℃의 온도에서 적어도 1000 ㎫의 항복강도(R_p0.2)를 갖는 형태로 덴트 마크 방지 특성이 제공된다.

Description

내연기관용 배기밸브

내연기관용 배기밸브에 대한 개발은 밸브의 수명 연장과 신뢰도 향상을 목표로 하여 수년동안 진행되어 왔다. 이러한 연구는 지금까지 시트 영역에는 경한 재료를, 그리고 디스크의 저면에는 고온 내식성 재료를 갖는 밸브 스핀들을 제조함으로써 수행되어 왔다.

시트 영역은, 밸브가 정확하게 작용하도록 기밀되게 닫혀야 함에 따라 배기밸브의 동작 신뢰도를 위하여 특히 중요하다. 상기 시트 영역이 기밀되게 닫히는 작용이 국소 영역에서의 부식에 의해 소위 연소 누출로 저감될 수 있으며, 상기 국소영역에서 환형의 시일면을 가로질러 채널형태의 홈이 생겨서 밸브가 닫힐 때 고온의 배기가스가 그 홈을 통해 유동하게 된다. 이러한 환경에서, 고장 상태가 야기되어 80 시간의 운전기간 내에 밸브를 불량품으로 되게 한다. 이것은 보통의 정밀검사에서도 초기고장을 발견할 수 없다는 것을 의미한다. 그러므로 밸브시트에서의 연소 누출은 예기치 않은 기관정지를 야기할 수 있다. 그 엔진이 선박의 추진기관인 경우, 그러한 상태는 항구들 사이에서의 항해 도중에 배기밸브를 고장으로 발전될 수 있게 하여 항해중에 문제를 일으키게 하고, 항구에서 고비용이 소요되는 예기치 않은 정박을 초래한다.

밸브 시트에서의 연소를 방지하기 위하여, 경도 증가에 의해 시트를 내마모성의 것으로 만들어 덴트 마크의 형성을 감소시키도록 훨씬 증가된 경도를 갖는 여러 가지 많은 밸브시트 재료들이 개발되어 왔다. 덴트 마크들은 통해 고온의 가스가 유동하여 누출되게 할 수 있기 때문에 이러한 덴트 마크들은 연소 누출로 발전되는 조건이 된다. 고온의 가스는 시트 영역의 누설되는 곳의 주변 재료를, 여러 가지의 혼합성분들로 된 가스가 시트 재료에 부식작용을 일으키는 온도 수준까지 가열하게 되어서, 그에 따라 누설부위가 급속히 확대되고 고온의 연소가스 누출이 증가되어 부식을 더욱 확대시키게 된다. 시트 재료는 경도와 더불어 작은 누설이 발생되어도 그에 의한 침식을 지연시키게 높은 내식성을 갖도록 개발되어 왔다.

NIMONIC 80A 재료로 만들어진, 상기와 같은 형태의 배기밸브가 1985. 9. 제 9권에 발표된 논문에 소개되어 있다. 그 열기계적 단조는 시트 영역에 높은 경도를 얻도록 제어된다. 피로에 대한 내구성과 같은 배기밸브의 기계적 특성들을 위하여 상기 논문은 NIMONIC 80A 밸브가 적어도 800 ㎫의 항복강도를 가질 것을 제시하였다.

EP-A-0 280 467호는 고용체를 어닐링한 후 요구되는 형상으로 단조된 베이스 바디로 부터 제조된 니모닉 80A로 제조된 배기밸브를 개시하고 있다. 여기서 시트 영역은 높은 경도를 얻도록 냉간가공된다. 이어서, 상기 밸기밸브는 석출경화될 수 있다.

런던 소재의 해양 공학 연구소에 의해 1990년에 발간된 "중유 운전용 디젤 엔진 연소실"이라는 책에는 많은 논문들에서의 배기밸브 재료에 대하여 얻어진 경험들이 기재되어 있고, 배기밸브의 수명연장을 위해 밸브를 어떻게 설계해야 할지에 대하여 조언하고 있다. 밸브 시트에 대해서는, 논문들은 시트 재료가 높은 경도를 갖고 고온 부식에 대하여 높은 내구성을 갖는 재료로 만들어져야 하는데 이견이 없었다. 배기밸브용의 여러 가지 많은 바람직한 재료들이 "밸브 합금의 물리적 및 기계적 특성들과 성분 평가분석에의 이용"이라는 책 제 7면에 기재되어 있으며, 그 재료들의 기계적 분석에서 820 ㎫이하로 보여지는 재료의 항복강도에 대한 비교표가 포함되어 있다.

배기밸브의 수명을 연장시키는 것이 요구되며, 특히 밸브의 시트 영역에서 연소 누출의 예기할 수 없으며 빠른 발전을 피하거나 적어도 감소시키는 것이 요망된다. 본원의 출원인은 여러 시트 재료들의 덴트 마크 형성에 대한 시험을 실시하였으며, 그 결과 지금까지 알고 있던 것과는 반대로, 전혀 예상외로 시트 재료의 경도는 덴트 마크들이 나타나는 데에 대하여 큰 영향을 주지않는 것으로 나타났다.

본 발명은, 밸브 디스크의 상면에 있는 환형의 시트 영역으로 이루어진 니켈 베이스 합금의 밸브 디스크를 구비하고 이동가능한 스핀들을 포함하며 상기 시트 영역이 배기밸브의 밀폐위치에서 정지 밸브부재의 대응된 시트 영역에 접촉하고 상기 시트 영역은 제조시에 열기계적 변형가공 공정을 거치며 그 공정에서 적어도 부분적으로 냉간가공되는, 특히 2행정기관의 내연기관용 배기밸브에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 배기밸브의 종방향 단면도이다.

도 2는 전형적인 덴트 마크가 표시된 2개의 시트 영역들의 단면도이다.

도 3 내지 도 6은 덴트 마크 형성 단계들과 입자들의 분쇄를 설명하기 위한 2개의 시트 영역들의 단면도들이다.

도 7과 도 8은 덴트 마크 형성의 확대 단면도이다.

도 9는 밸브의 재개방 바로 직후의 표면에 대한 확대 단면도이다.

이하에서는 본 발명의 구체예를, 개략적으로 도시한 첨부 도면을 참고하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 대형 2행정 내연기관용의 배기밸브를 도시하고 있으며, 그 배기밸브는 부호 1로 대체적으로 표시되어 있으며, 상기 내연기관의 엔진은 직경이 250-1000 mm 범위의 실린더를 가진다. 소위 하측 요소로 불리는 배기밸브의 정지상 밸브부재(2)는 도시되지 않은 실린더 커버에 장착된다. 배기밸브는 하단의 밸브 디스크(4)를 지지하는 이동가능한 스핀들(3)을 구비하며, 그 상단에 밸브 개방용 유압 액튜에이터와 스핀들을 밸브가 닫힌 위치로 복귀시키는 공압의 귀환스프링이 공지의 방법으로 연결된다. 도 1은 부분적으로 개방된 위치의 밸브를 도시하고 있다.

베이스 재료에서 얻어질 수 있는 것보다 더 높은 내식성이 요구되는 경우에, 밸브 디스크의 저면에는 고온 내식성 재료(5)의 층이 제공된다. 밸브 디스크의 상면에 있는 환형의 시트 영역(6)은 디스크의 외측 림으로 부터 이격되어 있으며 원추형의 밀폐면(7)을 갖는다. 도면의 시트 영역은 밸브 디스크와 다른 명칭을 갖지만, 그 두분들은 같은 합금으로 만들어짐을 이해해야 한다. 대형 2행정 크로스헤드 엔진용 밸브 디스크는 실린더 보어에 따라 120-500 mm 범위의 외경을 가질 수 있다.

또한, 정지상 밸브부재에는 환형의 원추형 밀폐면(9)을 형성하는 약간 돌출된 시트 영역(8)이 제공되며, 상기 밀폐면은 밸브의 닫힌 위치에서 밀폐면(7)과 접촉한다. 밸브 디스크는 작동온도로 가열되는 동안에 형상이 변하기 때문에, 시트 영역은 2개의 밀폐면들이 밸브의 작동온도에서 평행하도록 되어 있으며 이것은 상대적으로 찬 밀폐면(7)이 연소실로부터 가장 멀리 떨어져 위치한 상측 림(10)의 밀폐면(9)과 접촉하는 것을 의미한다.

도 2는 전형적인 덴트 마크(11)가 밀폐면(7)의 밀폐 림으로부터, 즉 상측의 림(10)이 수직의 점선으로 표시된 밀폐면(7)과 부딪히는 원형의 아크부분으로부터 거의 0.5 mm정도 떨어져 끝남을 보여준다.

도 3은 경한 입자(12)가 밸브가 완전히 닫히기 직전에 2개의 밀폐면(7,9)들 사이에 갇힌 것을 보여준다. 상기 입자는 연속된 막힘 운동으로 분말상태로 파쇄되며, 그 파쇄 분말의 상당한 부분은 배기가스에 실려서 도 4에서 화살표 A로 표시된 바와같이 시트들 사이에서 음속으로 날려간다. 파쇄된 분말의 일부는, 밀폐면들에 가장 가까운 입자들이 마찰력에 의해 보지되기 때문에 밀폐면(7,9)들 사이에서 고착되며, 그 사이의 공간에 있는 입자들은 분말의 전단력에 의해 고착된다. 따라서, 정점이 서로 마주보게 대향된 원추형의 분말 침적물들이 형성된다. 고체의 입자들이 시트 표면들 사이에 갇힌 효과에 대한 추측은 정확하지 않다. 그 대신에 분말의 일부가 날려가기 때문에 시트들 사이에 포착된 재료 량이 감소된다.

계속된 밀폐 동작으로 원추형의 분말 축적물들은 붕괴되어 시트 표면의 평면에서 퍼져서 도 5와 같이 렌즈형상의 분말체 또는 분말 침적물로 된다. 이같은 렌즈 형상의 분말체는 최대 두께가 0.5 mm로 되고 그 침적물의 가장 넓은 부분이 평균 0.3-0.4 mm의 두께를 갖는다.

도 6은 밸브가 닫혔을 때, 그러나 연소실의 압력이 연료의 연소에 의해 상승되기 직전의 상태를 도시하고 있다. 상기 공압의 귀환 스프링은 분말체 주변 영역의 밀폐면(9)에 대하여 완전히 기밀되게 밀폐면(7)을 당길 정도로 강하지 않다.

연소실의 압력이 연료의 점화후 급격히 증가되면, 하측의 디스크 표면에 대한 상향의 힘이 크게 상승하여 밀폐면들이 서로에 대하여 밀착되게 가압된다. 그와 동시에 분말체는 밀폐면들을 탄성적으로 변형시키기 시작한다. 분말체가 충분히 두껍고 재료의 항복강도가 충분히 크지 못하면, 그 탄성변형은 소성변형으로 되어 영구적인 덴트가 된다. 도 7은 정지상의 시트 영역(8)이 가장 높은 항복강도를 갖는 경우를 보여주고 있으며, 이 경우 디스크의 시트 영역(6)은 항복점 바로 직전까지 탄성적으로 변형하게 된다. 도 8에 도시된 바와같이 밀폐면들이 완전히 압착된 위치까지 계속된 압축으로, 분말체는 밀폐면 속으로 묻히게 되며 시트 재료는 소성변형하게 된다.

밸브가 다시 개방될 때, 입자들은 도 9에 도시된 바와같이 배기되는 가스에 의해 날려짐과 동시에 시트 재료는 무부하 상태로 복귀된다. 시트 표면들 모두 또는 어느 하나에서 어느 정도의 소성변형이 발생되면, 영구적인 덴트 마크(11)가 분말체에 의해 형성된 가장 큰 만입 홈 보다는 작은 깊이로 밀폐 면에 존재하게 된다. 시트 재료의 항복강도가 보다 크면, 덴트 마크는 보다 작게 형성된다.

적당한 시트 재료들에 대한 분석예를 설명하기로 한다. 모든 함량은 중량 백분율을 나타내며, 불가피한 불순물은 무시하기로 한다. 또한, 여기서의 항복강도 표시는 온도가 달리 표시되지 않는 한, 약 20 ℃ 온도에서의 항복강도를 의미한다. 합금은 크로뮴 함유 니켈 베이스 합금 (또는 니켈 함유 크로뮴 베이스 합금)이며, 상기 합금은 그것의 항복강도와 합금의 경도 사이에는 별다른 상호관계가 없지만 그 반대로 경도와 인장강도 사이에는 상호관계가 있다. 이들 합금들과 관련하여, 항복강도는 0.2의 스트레인(R_p0.2)으로 발생되는 강도를 의미한다.

NIMONIC Alloy 105 합금은 15%의 Cr, 20% Co, 5%의 Mo, 4.7%의 Al, 1%까지의 Fe, 1.2%의 Ti 및 조정성분으로서 Ni로 분석된다.

NIMONIC 80A 합금은 0.1%까지의 C, 1%까지의 Si, 0.2%까지의 Cu, 3%까지의 Fe, 1%까지의 Mn, 18-21%의 Cr, 1.8-2.7%까지의 Ti, 1.0-1.8%까지의 Al, 2%까지의 Co, 0.3%까지의 Mo, 0.1%까지의 Zr, 0.008%까지의 B, 0.015%까지의 S, 그리고 Ni를 조정성분으로 포함하여 조성된다.

NIMONIC 80 합금은 공칭상 0.04%의 C, 0.47%의 Si, 21%의 Cr, 0.56%의 Mn, 2.45%의 Ti, 0.63%의 Al 및 Ni를 조정성분으로 포함하여 조성된다.

NIMONIC 81 합금은 0.1%까지의 C, 29-31%의 Cr, 0.5%까지의 Si, 0.2%까지의 Cu, 1%까지의 Fe, 0.5%까지의 Mn, 1.5-2%까지의 Ti, 2%까지의 Co, 0.3%까지의 Mo, 0.7-1.5%까지의 Al 그리고 Ni을 조정성분으로 포함하여 조성된다.

NIMONIC PK50 합금은 공칭상 0.03%의 C, 19.5%의 Cr, 3%의 Ti, 1.4%의 Al, 2%까지의 Fe, 13-15.5%까지의 Co, 4.2%까지의 Mo, 및 Ni를 조정성분으로 포함하여 조성된다.

Rene 220 합금은 10-25%의 Cr, 5-25%의 Co, 10%까지의 Mo+W, 11%까지의 Nb, 4%까지의 Ti, 3%까지의 Al, 0.3%까지의 C, 2-23%의 Ta, 1%까지의 Si, 0.015%까지의 S, 3%까지의 Mn, 5%까지의 Fe, 그리고 Ni을 조정성분으로 포함하여 조성된다. 통상적으로, Rene 220 합금은 0.02%의 C, 18%의 Cr, 3%의 Mo, 5%의 Nb, 1%의 Ti, 0.5%의 Al, 3%의 Ta 및 조정성분으로서 Ni을 함유한다. 석출경화와 결합된 변형은 상기 재료에서 극히 높은 항복강도를 얻을 수 있게 한다. 955℃에서 50%의 변형도에서 항복강도는 1320 ㎫이 되고, 970℃에서 50%의 변형도에서 항복강도는 1400 ㎫로 되며, 990℃에서 50%의 변형도에서 항복강도는 1465 ㎫로 되며, 970℃에서 25%의 변형도에서 항복강도는 1430 ㎫로 된다. 석출경화는 760℃에서 8시간동안 수행되고 이어서 730℃에서 24시간, 그리고 690℃에서 24시간동안 수행된다.

상술한 표준 분석에 있어서, 실제 생산된 합금에 따라 불가피한 불순물에 의하여 표준분석과 편차가 발생될 수 있다.

기술문헌들에는 석출경화를 하기 위하여 여러 합금의 열처리를 어떻게 하는지에 대하여 상세히 설명되어 있으며, 고용체 어닐링을 위한 열처리와 합금의 재결정화 온도 등에 대해서는 널리 공지되어 있다.

항복강도를 증가시키기 위한 열기계적 변형 프로세스는 공지된 방법에 의해, 예를들어 시트 영역의 롤링 또는 단조에 의하거나 또는 비팅 또는 햄머링 작업과 같은 다른 방법에 의해 재료의 열간/냉간 가공을 포함한다. 상기 변형 뒤에 시트의 시일면은 연삭될 수 있다.

열기계적 변형 프로세스에서 요구되는 힘을 감소시키기 위해 시트 영역을 갖는 바디는 재료의 분석에 따라 1000-1200℃ 사이 범위의 공칭 온도에서 0.1-2시간동안 고용체 어닐링되고, 그에 이어서 (통상 500℃의) 중간 온도로 솔트 배드에서 담금질 (quenching) 한 다음 실온으로 공냉되거나 또는 가스 분위기에서 실온으로 담금질될 수 있다. 열간/냉간 가공은 상기의 단계들 다음에 수행될 수 있다. 상기 힘을 적당히 낮게 유지하기 위하여 상기 열기계적 변형은 900-1000℃의 상승된 온도에서, 다시 말해서 통상적으로 950-1050℃인 재결정 온도의 하한치 부근에서 발생되는 것이 바람직하다. 열간 가공의 경우, 고용체 어닐링으로부터 거의 재결정 온도까지의 냉각은 먼저 실온으로의 1차 냉각 없이도 수행될 수 있다. 가능한한 변형은 중간의 재가열로 여러단계로 수행될 수 있다. 20%의 냉간가공에서, 통상적으로 1200 ㎫의 항복강도를 얻을 수 있다. 특히 높은 항복강도가 요구되는 경우에는 변형과 가공작업이 완료된 뒤에 시트 영역은, 예를들어 850 ℃의 온도에서 24 시간동안 노출된 다음 700℃의 온도에서 16시간 석출경화 처리된다.

상기와 같이 처리된 베이스 바디는 주조와 통상의 단조에 의하거나 또는 고온 압출이나 유사한 변형 프로세스와 함께 HIP 프로세스 또는 CIP 프로세스와 같은 분말 야금학적으로 콤팩트화하는 프로세스에 의해 제조될 수 있다.

밸브의 샤프트는 디스크와 다른 재료로 만들어질 수 있으며, 그 경우에 디스크에 마찰 용접될 수 있다.

본 발명의 목적은 덴트 마크들의 형성을 일으키는 메카니즘을 예방하는, 연소 누출 발생을 위한 기본 조건들을 약화 내지 제거한 시트 재료를 제공하는 것이다.

이를 위한 본 발명에 따른 배기밸브는, 밸브 디스크 상면의 시트 영역은, 열기계적 성형프로세스와 항복강도를 증대시키는 열처리에 의해 20℃의 온도에서 적어도 1000 ㎫의 항복강도(R_p0.2)를 갖는 덴트 마크 방지 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.

덴트 마크들은, 배기밸브가 개방되어 있는 동안에 배기밸브를 통해 연소실로부터 배기시스템으로 유동하는 코크스 입자들과 같은 입자상 연소 잔류물에 의해 형성된다. 배기밸브가 닫혔을 때, 그 입자들은 밸브 시트위의 밀폐된 시일면들 사이에 갇히게 될 수 있다.

작동하는 밸브 스핀들에서의 수많은 덴트 마크들에 대한 연구로부터, 새로운 덴트 마크들은 상측의 밀폐 림(rim)에 도달하는 경우는 거의 없음을 알았다. 여기서 밀폐 림은 정지상의 밸브 시트의 상단이 이동가능한 원추형의 밸브 시트와 접촉하는 곳의 원주상의 선을 말한다. 실제로, 덴트 마크들은 상기 밀폐 림으로부터 0.5 mm정도 떨어져서 끝나며, 이것은 별도의 설명이 없어도 입자들이 상기 밀페 림 영역에서 포착되는 것을 예상할 수 있다.

밀폐 림의 바로 앞에서 덴트 마크가 존재하지 않는 것은 코크스등의 입자들이, 그것들이 매우 경한 입자들이라 할지라도 밸브가 완전히 닫히기 전에 분말상태로 분쇄되기 때문이다. 그 분쇄된 분말들의 일부는 입자들이 분쇄됨과 동시에 날려가 버리는데 그 이유는 배기가스가 연소실로 부터 닫히는 밀폐면들 사이의 틈새를 통해 거의 음속으로 유동하기 때문이다. 높은 속도의 배기가스가 밀폐 림부근의 분말을 날려버리므로, 림까지 덴트 마크들이 존재하지 않는 것은 밀폐면들 사이에 포착된 모든 입자들이 분쇄됨을 보여주는 것이다. 매우 두꺼운 입자들일지라도 분쇄에 의해 그 두께가 작게 되어 분말상태로서 날려져버리며, 실제로 덴트 마크들을 형성할 수 있는 분말의 침적물은 가장 크게는 0.5 mm의 두께를 가지며, 보통의 경우 최대 두께는 0.3-0.4 mm이다.

특히 최대 압력이 195 바로 될 수 있는 가장 최근에 개방된 엔진의 경우에는, 디스크의 저면에 작용하는 부하는 400 톤에 해당될 수 있다. 배기 밸브가 닫히고 연소실의 압력이 최대 압력으로 상승될 때, 밀폐 면들은 분말상 침적물 주변에서 완전히 일치되게 가압된다. 이것은 시트들이 얼마나 경한 재료로 만들어지든지 관계없이 방지될 수 없다.

실린더에서 연료의 연소가 개시되고 압력이 크게 상승되며 밸브 디스크에 작용하는 부하가 증가되면, 분말상의 침적물들은 2개의 밀폐면들 속으로 유동하게 됨과 동시에 시트 재료들은 탄성적으로 변형된다. 이러한 시트 재료의 탄성 변형 동안에 분말상의 침적물과 시일면들 사이의 면압이 증가하여 상기 분말상의 침적물이 넓게 퍼져서 확대되게 한다. 상기 분말 침적물이 충분히 두꺼운 경우에는 그러한 탄성 변형은 분말 침적물의 접촉면적에서의 압력이 시트 재료의 최저 항복강도에 도달할 때까지 계속되며, 이 경우 상기 시트 재료는 비탄성적인 소성변형되고 덴트 마크가 형성되기 시작하게 된다. 상기와 같은 소성변형은 결과적으로 변형경화로 인하여 항복강도의 증가를 초래한다. 분말 침적물 주변의 국소 영역에서의 2개의 시트 재료들이 균일한 항복강도를 얻게 되면, 그 분말 침적물은 다시 전술한 바와같이 다른 시트 재료의 소성변형을 개시하게 된다.

덴트 마크들의 형성을 방지하고자 하는 경우, 이것은 전술한 바와같이 시트 재료들을 보다 더 경한 것으로 제조함으로써 얻어질 수는 없으며, 그대신에 시트 재료들은 탄성적인 것이 되어야 하고 그것은 시트 영역을 항복강도가 높게 하여 제조함으로써 달성될 수 있다. 그와 같이 보다 높은 항복강도는 이중의 효과를 제공한다. 먼저, 보다 높은 항복강도를 갖는 시트 재료는 보다 높은 탄성 응력을 보여 소성변형이 일어나기전에 두꺼운 분말 침적물을 흡수하게 된다. 둘째 효과는 분말 침적물이 도포되는 부분들의 밀폐면들의 면특성과 관련된다. 소성변형에 의해 형성된 덴트 마크 형상은 균등하고 완만하며 보다 넓은 면적으로의 분말 침적물의 분산을 촉진하여 분말 침적물의 두께를 부분적으로 감소시키고, 이어서 접촉면적의 확대로 인하여 접촉면의 응력을 부분적으로 감소시킨다. 탄성 변형으로부터 소성변형으로의 천이영역에서 분말 침적물을 부적합하게 고착시키는 보다 깊고, 보다 불규칙한 덴트 구조가 급격히 형성되며, 그 덴트 구조는 분말 침적물 직경의 바람직한 확대가 더 이상 이루어지지 않도록 방지하는 효과를 갖는다.

0.14 mm의 두께를 갖는 분말 침적물이, 밀폐면들의 어떠한 소성 변형없이 1000 ㎫의 항복 강도의 낮은 한계치를 갖는 재료로 된 2개의 시트 영역들 사이에서 흡수될 수 있는지에 대하여 배기밸브에서 테스트하였다. 시트 표면들 사이에 포착된 입자들의 많은 부분은 두께가 0.15 mm정도로 분쇄되었다. 본 발명에 따른 배기밸브에서는 입자들의 상당한 부분들의 덴트 마크 형성이 방지되었으며, 그 이유는 밸브가 개방될 때 시트 표면들이 단순히 그 원래의 상태로 탄성적으로 복귀되고 그와 동시에 분쇄된 입자들의 나머지 부분은 시트 표면들로 부터 날려가 버리기 때문이다.

시트 영역의 탄성 특성의 증가를 위하여, 시트 영역의 재료는 적어도 1100 ㎫의, 바람직하게는 1200 ㎫의 항복강도를 갖는 것이 바람직하다. 현재 사용되는 시트 재료의 영율(Young's Modulus)은 항복강도의 증가에도 사실상 변화되지 않으며, 이것은 가장 큰 탄성 응력과 항복강도 사이에서 거의 선형의 관계를 나타낸다. 이로부터 2500 ㎫ 이상의 항복강도를 갖는 시트 재료는 이상적인 것으로 여겨지는데 그것은 그 시트 재료는 통상적으로 가장 흔히 발생하는 침적물 두께의 분말 침적물을 탄성 변형에 의해 흡수할 수 있기 때문이다. 그러나, 그러한 높은 항복강도를 갖는 적당한 재료가 현재 있지 않다. 아래 기재한 것으로부터 현재 이용가능한 시트 재료들의 일부는 항복강도를 적어도 1100 ㎫까지 상승시키는 방법으로 제조될 수 있는 것으로 보여진다. 다른 조건들이 동일하다면, 항복강도의 10% 증가는 덴트 마크들으 깊이를 적어도 10% 감소시키게 된다. 대부분 형태의 입자들에 있어서, 1200 ㎫는 침적물 두께를 현저히 감소시키기에 충분하게 높으며, 그 결과 덴트 마크들의 깊이를 30%까지 감소시키게 되지만, 그와 동시에 이용가능한 재료는 한정된다. 이것은 또한 적어도 1300 ㎫의 항복강도를 갖는 시트재료에도 적용된다.

특히 바람직한 실시예에서, 시트 영역의 재료는 적어도 1400 ㎫의 항복강도를 갖는다. 이러한 항복강도는 현재 이용되는 시트 재료의 항복강도의 거의 2배이며, 덴트 마크의 형성 메카니즘에 대한 현재의 지식을 기초하여 볼 때 이러한 항복강도의 재료는 시트 영역의 연소 누출 문제를 크게 제거할 것으로 생각된다. 시트 재료에 형성될 수 있는 극소수의 덴트 마크의 깊이는 너무 작아서 고온 부식이 발생하는 온도까지 시트 재료를 가열하기에 충분히 많은 누출가스량이 덴트 마크를 통해 유동하지 못하게 도리 것이다.

한 실시예에서, 밸브 디스크와 정지부재의 시트 영역들은 각각 시트 영역들의 작동 온도에서 거의 동일한 항복강도를 갖는다. 2개의 시트 재료들이 일정한 항복강도를 가짐에 따라 분말 침적물이 밀폐면들 속으로 가압될 때 두 개의 밀폐면들의 형성이 거의 동일하게 나타나며, 이것은 밀폐면들 각각에서 결과적으로 나타나는 소성변형을 감소시킨다. 고정된 시트 영역은 스핀들의 시트 영역보다 온도가 더 낮으며, 이것은 많은 재료에 있어서 항복강도가 온도 증가에 따라 저하되는 사실에 비추어 볼 때 스핀들 시트 재료는 20 ℃에서 보다 높은 항복강도를 갖게 됨을 의미한다. 본 실시예는 정지상태의 시트 영역이 고온 내식성 재료로 만들어진 경우에 특히 유익하다.

정지상의 시트 재료는 경화강 또는 주철강으로 되는 경우, 정지부재의 시트 영역은 시트 영역들의 동작온도에서 밸브 디스크의 시트 영역 보다 상당히 더 높은 항복강도를 갖게 된다. 이러한 설계로 밸브 스핀들에 어떠한 덴트 마크도 형성되지 않게 될 것이다. 이것은 두가지 잇점이 있다. 먼저, 스핀들의 시트 영역은 통상 고온 내식성 재료로 만들어져서 덴트 마크가 정지부재에 있게 되는 경우 보다 그의 덴트 마크는 연소 누출로 발전되기가 보다 어렵게 된다. 둘째로, 밸브 스핀들은 회전하여 각각의 밸브 폐쇄시에 덴트 마크들이 정지상의 밀폐면에서 새로운 위치에 자리잡기 때문에, 열적인 영향이 정지 시트 영역에서 분산된다.

이하에서는 밸브 디스크와 시트 재료로서 본 발명에 따라 이용가능한 여러 가지 재료들이 설명된다. NIMONIC(니모닉)은 인코 알로이의 등록 상표이다.

전체 바디 또는 적어도 전체 밸브 디스크는 NIMONIC 합금으로 만들어지는 것이 바람직하다. 이들중에서도 NIMONIC 80, NIMONIC 80A, 또는 NIMONIC 81을 사용하는 것은 널리 알려져 있으며, 상기 합금들은 대형 디젤 엔진의 연소실에 존재하는 부식성 분위기에서의 내식성과 마모특성에 대하여 양호한 작용 경험을 제공하였다. 또는 NIMONIC Alloy 105가 이용될 수 있으며, 이 합금은 베이스 바디 주조와 통상의 단조공정을 거친 후에 800㎫ 정도의 항복강도를 가지며 또한 15%의 냉간가공후에는 1000㎫ 이상으로 상승되었다. 또한, NIMONIC PK50이 이용될 수도 있으며, 이 합금은 1100㎫의 항복강도로 냉간가공과 석출경화될 수 있다. 통상의 NIMONIC 합금으로 된 시트 영역에서의 70%의 변형도로 1400㎫의 항복강도를 얻을 수 있다. 또한, 석출경화시키는 열처리를 통하여 항복강도를 더욱 증가시킬 수 있다.

합금과 그 후속적인 제조공정의 선택은 배기밸브의 크기에 의해 영향을 받을 수 있으며, 그것은 밸브 디스크가 예를들어 외경이 130-500 mm 정도로 대형인 경우에는 상당한 정도의 냉간가공이 요구되기 때문이다.

본 발명은 또한, 내연기관 특히 2행정 크로스헤드 엔진용 배기밸브의 이동가능한 밸브 디스크의 상면에 위치하고, 밸브가 닫힐 때 정지상태의 밸브 부재의 대응하는 시트 영역과 접촉하는 환형의 시트 영역에 덴트 마크가 제한되는 또는 방지되는 재료로서 20℃에서 적어도 1000 ㎫의 항복강도를 갖는 니켈 베이스의 크로뮴 함유 합금의 이용에 관한 것이다. 덴트 마크 제한 재료 이용에 대한 장점은 상술한 바로 부터 명백하다.

본 발명에 따라, 내연기관용 배기밸브 디스크의 상면의 시트 영역을 적어도 1000 ㎫의 항복강도를 갖는 재료로 제조함으로써 시트 영역에 입자상의 침적물에 의한 덴트 마크 형성이 방지되어 연소누출이 방지된다.

Claims (7)

1. 밸브 디스크의 시트 영역이 밸브의 제조시에 적어도 부분적으로 재료가 냉간가공되는 열기계적 변형 프로세스를 받으며, 시트 영역은 밸브가 닫힌 위치에서 정지상의 밸브부재의 대응하는 시트 영역과 접촉하는, 밸브 디스크의 상면에 환형의 시트 영역을 가지는 니켈 베이스의 합금의 밸브 디스크와 이동가능한 스핀들을 포함하는 내연기관, 특히 2행정 크로스헤드 엔진의 배기밸브에 있어서, 항복강도를 증가시키는 열처리와 열기계적 변형 프로세스에 의해 20℃의 온도에서 적어도 1000 ㎫의 항복강도(R_p0.2) 형태로 덴트 마크 방지 특성이 밸브 디스크의 시트 영역에 제공되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
2. 제 1항에 있어서, 상기 시트 영역의 재료는 적어도 1100 ㎫, 바람직하기로는 적어도 1200 ㎫의 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
3. 제 2항에 있어서, 상기 시트 영역의 재료는 적어도 1300 ㎫, 바람직하기로는 적어도 1400 ㎫의 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
4. 전기한 제 1 내지 3항의 항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브 디스크와 정지 밸브부재의 시트 영역들은 각각 그들의 작동 온도들에서 동일한 항복강도를 갖는 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
5. 전기한 제 1 내지 3항의 항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 정지 밸브부재의 시트 영역은 시트 영역들의 작동 온도들에서 밸브 디스크의 시트 영역 보다 상당히 더 높은 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
6. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브 디스크의 외경은 130-500 mm 범위인 것을 특징으로 하는 내연기관용 배기밸브.
7. 배기밸브가 닫힌 위치에서 정지 밸브부재의 대응하는 시트 영역과 접촉하도록 된, 내연기관, 특히 2행정 크로스헤드 엔진용 배기밸브의 이동가능한 밸브 디스크의 상면의 환형의 시트 영역에 덴트 마크 제한 또는 방지 재료로서 20℃의 온도에서 적어도 1000 ㎫의 항복강도를 갖는 니켈 베이스의 크로뮴 함유 합금을 사용하는 용도.