KR20010020087A

KR20010020087A - 티탄합금 포핏밸브 및 그 표면처리방법

Info

Publication number: KR20010020087A
Application number: KR1019990043976A
Authority: KR
Inventors: 타카노유지; 아사누마히로아키; 하다료수케; 히로세마사히토
Original assignee: 쿠리수 타카시; 후지 오오젝스 가부시키가이샤
Priority date: 1999-08-10
Filing date: 1999-10-12
Publication date: 2001-03-15
Also published as: US6131603A; DE69936198D1; DE69936198T2; CN1283759A; EP1076112A1; EP1076112B1

Abstract

자동차의 내부연소엔진안에 있는 포핏밸브는 밸브 스템과 그 밸브 스템의 일단에 있는 밸브 헤드를 포함하는 밸브 몸체로 구성되어 있다. 산화층은 다른 밸브작동부재에 접촉하는 밸브 몸체의 부분에 형성되어 있다. 산화층위에서, 침탄층은 밸브의 내마모성과 피로강도를 증가시키기 위하여 전체 표면을 덮고 있다.

Description

티탄합금 포핏밸브 및 그 표면처리방법{TI ALLOY POPPET VALVE AND SURFACE TREATMENT THEREOF}

본 발명은 내마모성 및 강도를 향상시킨 티탄합금 포핏밸브 및 그 표면처리방법에 관한 것이다.

엔진의 허용회전속도를 높이는 데 가장 어려운 점은, 밸브작동부재의 중량에 의한 관성질량의 증가이다. 밸브작동부재의 총중량이 증가되면, 관성질량때문에 고속회전중에 캠에 대한 밸브 몸체의 추종성이 저하되고, 엔진의 출력성능을 저하시킨다.

따라서, 종래의 내열강에 대신하여, 중량을 감소시키기 위해서 저비중이고 내열성이 우수한 티탄합금으로 포핏밸브를 형성하였다. 그러나, 티탄합금은 활성을 보유하고 있으므로, 다른 금속에 응착되기 쉽고, 내마모성이나 피로강도도 충분하지 않다. 이로 인하여, 내마모성을 향상시키기 위하여 티탄합금밸브의 표면에 질화처리나 Ni도금과 같은 표면처리가 행해진다.

상기 질화처리된 밸브는, 충분한 강도(경도) 및 내마모성을 보유하고 있지만 너무 딱딱하게 되어 다른 부품들을 침범하게 되고, 이로 인해 밸브와 접촉하는 다른 밸브작동부재의 재질을 변경하는 것이 필요하게 되어 제조비용이 높아지게 된다. 또한, Ni도금된 밸브는 내열성이 충분하지 않아 배기밸브로서 사용하는 데는 부적당하다.

본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 주된 목적은 질화처리나 도금을 하지 않고 내마모성과 강도를 개선시킨 티탄합금 포핏밸브를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 그 포핏밸브의 표면처리방법을 제공하는 것이다.

도1은 본 발명에 따른 포핏밸브의 중앙종단정면도이다.

도2는 마모시험기의 정면도이다.

도3은 마모시험의 결과를 그래프화시킨 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1‥‥‥‥‥밸브 스템 2‥‥‥‥‥밸브 헤드

3‥‥‥‥‥밸브 몸체 4‥‥‥‥‥산화층

4a‥‥‥‥‥경계층 5‥‥‥‥‥밸브 페이스

9‥‥‥‥‥침탄층 10‥‥‥‥‥모터

11‥‥‥‥‥표본 고정지그 12‥‥‥‥‥추

13‥‥‥‥‥칩 14‥‥‥‥‥표본

첨부된 도면을 참조하여 후술하는 실시예의 상세한 설명으로부터 본 발명의 특성 및 이점을 이해할 수 있다.

도1은 본 발명의 티탄합금 포핏밸브를 표시하는 것으로서, 밸브 스템(1)과 하단에 있는 밸브 헤드(2)로 구성되어 있는 밸브 몸체(3)는, Ti-Al합금, 예를 들면 α상 Ti-5Al-2.5Sn 합금, α+β상 Ti-6Al-4V 합금, 또는 β상을 소량 또는 10%이하로 함유하고 있는 α+β상(대부분 α)으로 이루어진 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 합금으로 성형되어 있다.

높은 내마모성과 피로강도를 필요로 하는 부품의 표면, 즉, 밸브시트와 접하는 밸브 페이스(5), 밸브 가이드와 미끄러져 접하는 밸브 스템(1)의 중간부(6), 코터가 부착된 환형상 오목홈(7), 로커 암 또는 태핏이 접촉하는 단면 페이스(8)의 표면에 TiO₂를 포함하는 두께 10~15㎛의 산화층(4)이 형성되어 있다. 산화층(4)과 밸브 몸체(3)사이의 경계층(4a)이 침상 결정구조로 되어 있다.

산화층(4)은, 프로판 가스와 천연가스를 소정의 온도로 가열하여 표면층을 산화시켜 형성되어 있다. 산화층(4)은 고주파유도가열기를 사용하여 형성될 수도 있다.

상기 산화층(4)을 형성한 후, 밸브 몸체(3)의 전체 표면에, 침탄에 의해서 Ti를 함유하는 3~5㎛ 두께의 침탄층(9)을 형성한다. 침탄층(9)은, 플라즈마, 레이저 또는 전자빔 등의 고밀도에너지 가열기에 의해서, 밸브 몸체(3)의 표면을 변태점이하의 온도, 예컨대 800℃ 이하 까지 가열하고, 예를 들면 가스 침탄에 의해서 탄소를 확산침투시켜서 형성되어 있다.

플라즈마등의 고밀도에너지 가열기를 사용하면, 표면층만이 단시간에 국부적으로 가열되고, 내부까지 열이 전달되는 것을 방지함으로써, 밸브 몸체(3)의 소재내부의 조직이 변화되어 피로강도가 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 침탄시간이 단축되는 이점도 있다.

침탄층(9)을 형성하고, 그 다음 그 안에 산화층(4)을 형성할 수 있다. 이 경우에서, 아세틸렌가스를 사용하여 산화처리를 행하면 가스속의 탄소가 소재로 확산침투하므로, 산화공정이 촉진된다.

상기 실시형태에서와 같이, 밸브 몸체(3)를, Ti-Al합금, 또는 α상, α+β상 또는 β상을 소량 포함하는 α+β상으로 이루어진 티탄합금으로 형성하고, 그 표면 전체에 침탄층(9)을 형성하면, 밸브 몸체(3)의 조직이 대략 등축형상으로 되어 밸브 몸체가 강화되므로 인장연성이나 피로강도가 높아진다. 피로강도는, 침탄층(9)을 형성하는 것만으로 약 20% 향상된다.

또한, 다른 밸브작동부재와 접촉하는 밸브 페이스(5)의 표면에 산화층(4)을 형성하고, 그 하방의 경계층(4a)을 부분적으로 침상 결정구조로 하면, 밸브 몸체(3) 전체의 피로강도를 저하시키지 않으면서, 표면층의 내마모성 및 인성을 크게 향상시킬 수 있다.

그리고, 산화층(4)은, 종래의 질화처리에서와 같이 너무 딱딱하게 되지 않으므로, 다른 밸브작동부재에 대한 상대공격성이 증가되지 않는다.

본 발명의 발명자는, 상기 요령으로 표면처리를 실시한 표본을 제작하여 마모시험을 행하였다. 마모시험기와 시험방법을 설명한다.

도2는, 크로스 바 마모시험기로서, 모터(10)와, 그 모터(10)의 모터축(10a) 선단의 바로위에 있고 상하로 움직일 수 있게 설치된 표본 고정지그(11)와, 그 고정지그(11)위에 놓여지는 추(12)로 이루어져 있다.

모터축(10a)의 선단부에, 외표면이 연마되고 탈지처리된 원판형상 스틸 칩(13)을 동심형상으로 부착한다. 다음에, 고정지그(11)의 하면에, 탈지처리되고 하단면이 평평한 표본(14)을 부착하고, 그 표본의 하단면을 칩(13)의 상단면에 접촉시킨다. 다음에, 고정지그(11)의 상면에 1kg의 추(12)를 얻어놓고, 모터(10)를 작동시켜 칩(13)을 일정 속도로 회전시킨다. 추(12)는, 칩(13)이 표본(14)위를 50m 미끄러져 이동할 때마다(모터의 회전수와 칩의 외경에 의해서 결정된다) 500g씩 추가된다.

시험은, 표본(14)과 칩(13) 사이에 시저(seizure)와 갤링(galling)이 발생하던가, 또는 미끄럼이동거리가 350m에 도달하면 종료된다.

시험결과를 도3에 표시하였다. 표본(A)는, 표면에 경화처리를 실시하지 않은 통상의 Ti-Al합금, 표본(B)는 Ti-6Al-4V 합금에 침탄층만을 형성한 것, 표본(C)는 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 합금에 동일하게 침탄층만을 형성한 것, 표본(D)는 상기 표본(B)에 산화층을 형성하고 침탄층을 형성한 것, 표본(E)는 상기 표본(C)에 산화층을 형성하고 침탄층을 형성한 것을 나타낸다.

도3에서 알 수 있듯이, 침탄층만을 형성시킨 표본(B)(C)에 있어서의 시저발생 미끄럼이동거리는, 경화처리를 실시하지 않은 통상의 표본(A)와 비교하여 향상되어 있다. 또한, 상기 표본(B)(C)에 산화층을 형성하고 침탄층을 형성한 표본(D)(E)의 시저발생 미끄럼이동거리는 큰폭으로 향상된다. 특히, 표본(E)인 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo은, 350m까지 미끄럼이동시켜도 시저발생이 일어나지 않고, 매우 높은 내마모성을 제공할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 있어서 내마모성과 피로강도를 모두 향상시키기 위해서, 다른 밸브작동부재와 접촉하는 부분만 산화층(4)을 형성하여 부분적으로 침상 결정구조로 하고, 밸브 몸체(3)의 표면 전체에 침탄층(9)을 형성하고 있다. 그러므로, 밸브 몸체(3) 자체의 피로강도를 저하시키지 않으면서 표면층의 내마모성이나 인성을 보다 향상시킬 수 있다.

그리고, 밸브 몸체(3)의 소재의 표면에 직접 산화처리를 행하는 것도 고려되지만, 그렇게 하면 표면의 반사율 때문에 상기 산화층을 얻기가 어렵고, 처리시간을 연장할 필요가 있다. 그 결과, 가열영역이 증대되어 침상 결정구조 부분이 증가하고, 밸브 몸체의 피로강도를 저하시키게 된다.

그리고, 상기 산화처리를 실시하기 전에, 밸브 몸체(3)의 표면에 레이저빔 처리에 사용되는 탄소 스프레이 피막을 형성하여도 좋고, 그렇게 하면, 산화층(4)이 얇게 형성된다.

본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태에서는, 다른 밸브작동부재와 접촉하는 부분에 산화층(4)을 형성하고, 그 하방의 경계층(4a)을 침상 결정구조로 하고 있지만, 이와 같은 침상 결정구조를 형성하지 않으면서 산화층(4)을 형성하여도 된다.

또한, 상기 실시형태에서는, 밸브 몸체(3)의 재료로서, α상, α+β상, 또는 β상을 소량 함유하는 α+β상으로 이루어진 티탄합금을 사용하였지만, β상으로 이루어진 티탄합금을 사용하여도 된다.

본 발명은 청구항의 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지로 변형시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, 질화처리나 도금을 하지 않고도 내마모성과 강도가 개선된 티탄합금 포핏밸브 및 그 포핏밸브의 표면처리방법이 제공될 수 있다.

Claims

밸브 스템과 그 밸브 스템의 하단에 있는 밸브 헤드로 구성되어 있는 밸브 몸체와, 다른 밸브작동부재와 접촉하는 밸브 몸체의 부분에 형성된 산화층과, 내마모성과 피로강도를 필요로 하는 밸브 몸체의 표면위에 있는 상기 산화층위에 형성된 침탄층으로 구성되어 있는 티탄합금 포핏밸브.
제1항에 있어서, 상기 다른 밸브작동부재는 로커 암, 태핏, 캠, 코터, 밸브 가이드 또는 밸브 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 티탄합금 포핏밸브.
제1항에 있어서, 상기 침탄층은 밸브 몸체의 전체 표면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 티탄합금 포핏밸브.
제1항에 있어서, 상기 산화층 아래에 침상 결정구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 티탄합금 포핏밸브.
제1항에 있어서, 상기 밸브 몸체는, α상, α+β상, 또는 β상을 소량 함유하는 α+β상으로 이루어진 티탄합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 티탄합금 포핏밸브.
밸브 몸체를 포함하는 티탄합금 포핏밸브의 표면처리방법으로서,

산화층을 형성하기 위해 다른 밸브작동부재와 접촉되는 밸브 몸체의 표면을 산소분위기하에서 가열하는 단계와,

침탄을 실시하여 침탄층을 형성하기 위해서 내마모성과 피로강도를 필요로 하는 밸브 몸체의 표면을 변태점이하의 온도에서 가열하는 단계를 포함하는 티탄합금 포핏밸브의 표면처리방법.
밸브 몸체를 포함하는 티탄합금 포핏밸브의 표면처리방법으로서,

침탄을 실시하여 침탄층을 형성하기 위해서 내마모성과 피로강도를 필요로 하는 밸브 몸체의 표면을 변태점이하의 온도에서 가열하는 단계와,

산화층을 형성하기 위해서 다른 밸브작동부재와 접촉하는 밸브 몸체의 표면을 산소분위기하에서 가열하는 단계를 포함하는 티탄합금 포핏밸브의 표면처리방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 침탄은 가스침탄인 것을 특징으로 하는 티탄합금 포핏밸브의 표면처리방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 다른 밸브작동부재는 로커 암, 태핏, 캠, 코터, 밸브 가이드 또는 밸브 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 티탄합금 포핏밸브의 표면처리방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 침탄층은 밸브 몸체의 전체 표면위에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 티탄합금 포핏밸브의 표면처리방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 산화층아래에 침상 결정구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 티탄합금 포핏밸브의 표면처리방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 밸브 몸체는, α상, α+β상, 또는 β상을 소량 함유하는 α+β상으로 이루어진 티탄합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 티탄합금 포핏밸브의 표면처리방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 침탄은 고밀도에너지 가열기에 의해서 실시되는 것을 특징으로 하는 티탄합금 포핏밸브의 표면처리방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 고밀도에너지 가열기는 플라즈마, 레이저 또는 전자 빔을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 티탄합금 포핏밸브의 표면처리방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 산화층은 산소를 함유한 화염에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 티탄합금 포핏밸브의 표면처리방법.