KR20020007968A - 티타늄 합금 포펫 밸브 및 그 제조 방법 - Google Patents

티타늄 합금 포펫 밸브 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 티타늄 합금 포펫 밸브 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 티타늄 합금 포펫 밸브는 밸브 스템과 밸브 헤드로 구성되고 자동차의 내부 연소 엔진 내의 흡기 또는 배기 밸브로 사용된다. 미소량의 산소(O2)가 연소로내의 밸브로 주입되고 티타늄 산화물이 생성되지 않는 동시에 산화 티탄 격자간 용질을 형성하기 위해 밸브의 티타늄내로 산소 원자를 주입시키기 위하여 밸브를 가열한다. 상기 밸브는 내구성과 경도가 향상되어 강화된다.

Description

티타늄 합금 포펫 밸브 및 그 제조 방법{Ti alloy poppet valve and a method of manufacturing the same}
본 발명은 티타늄 합금 포펫 밸브 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 관성 질량을 감소시켜 엔진의 성능을 향상시키기 위해 내부 연소 엔진내의 흡기 및 배기 밸브를 내열성 금속 대신에 티타늄 합금으로 제조한다. 그러나, 티타늄은 산소와 같은 다른 요소와 결합하기가 쉬워 내구성이 떨어지게 된다.
티타늄 합금 포펫 밸브의 표면은 내구성을 향상시키기 위해 일본 특허 3,022,015에 나타낸 것과 같이 질화 처리되거나 산화 처리되고, 미국 특허 5,466,305에 나타낸 것과 같이 탄소 처리되거나 또는 니켈 도금이 적용된다.
질화 처리 또는 산화 처리된 밸브는 충분한 내구성을 갖지만 경도가 너무 높아 다른 부재를 손상시킬 수 있어서, 밸브와 결합되어 있는 밸브 작동부의 재료를 교환할 필요가 있으며 이에 따라 비용이 상승된다.
산화 처리되는 동안, 소재는 공기 또는 산소가 공급되는 대기중에서 750~800℃의높은 온도에 놓이게 되어 산소 확산이 매우 빠르고, 산화티탄(TiO2) 및 산화티탄(Ti2O3)과 같이 깨지기 어려운 산소층을 형성하여 쉽게 분리된다.
이것은 밸브의 표면에 탄소 처리를 하여 충분한 내구성을 획득하는 것이 어렵게 된다. 니켈 도금이 적용된 밸브내에는 내열성이 충분하지 않고 배기 밸브로 사용하기에 적합하지 않다.
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 티타늄 산화물의 생성없이 내구성이 현저히 향상된 티타늄 합금 포펫 밸브와 그 제조 방법를 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 포펫 밸브의 정면도이다.
도 2는 산소 확산층의 제조 방법을 나타낸 개략도이다.
도 3은 산소 확산 후 밸브 표면의 깊이에 따른 산소 함유량을 나타낸 그래프이다.
도 4는 산소 및 탄소 확산층의 제조 방법을 나타낸 개략도이다.
도 5는 산소 확산 및 탄소 처리 후 밸브 표면의 깊이에 따른 산소 및 탄소 함유량을 나타낸 그래프이다.
도 6은 산소 확산 후 밸브의 경도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 산소 확산 및 탄소 처리 후 밸브의 경도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 연마 실험기와 이것에 의한 실험 방법을 나타낸 정면도이다.
도 9는 연마 실험기에 의한 시편의 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 구부림 실험기를 나타낸 정면도이다.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
1 : 포펫 밸브 2 : 밸브 스템
3 : 밸브 헤드 4 : 밸브 바디
5 : 밸브 표면 7 : 코터 홈
8 : 스템 단면 9 : 진공 가열 연소로
10 : 플라즈마 진공 연소로 11 : 수평 모터
11a : 축 12 : 고정지그
13 : 추 14 : 칩
15, 16 : 시편
이와 같은 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 티타늄 합금 포펫 밸브는 밸브스템과 밸브헤드로 구성되고, 티타늄내의 산소로 인해 생성된 격자간 용질 (interstitial solid solution)을 갖는 산소 확산층을 포함하는 표면층이 마련됨을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 티타늄 합금 포펫 밸브 제조 방법은 연소로내에서 티타늄 산화물이 형성되기 위한 화학량론의 양보다 낮은 산소 밀도를 유지하기 위하여 산소(O2)를 연소로로 주입시키는 단계와, 산화티탄(Ti-O) 격자간 용질을 만들어 밸브의 내구성을 향상시키기 위해 밸브의 티타늄내로 산소 원자를 주입시키기 위하여 700~840℃로 1~4시간 동안 밸브를 가열시키는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로한다.
만약, 온도가 700℃보다 낮으면 산소는 티타늄 합금 밸브안으로 충분히 확산되지 않고 요구되는 경도를 얻지 못한다. 만약, 온도가 840℃보다 높으면 포펫 밸브는 변형이 생기며 실제적으로 생산품으로서 사용이 불가능하게 된다. 그러므로, 온도는 750~800℃의 범위가 적절하다.
만약, 시간이 1시간 미만이면 요구되는 경도를 얻을 수 없고, 4시간 이상이면 처리시간이 너무 길어 밸브의 생산성이 떨어진다. 그러므로, 2~3시간의 범위가 적절하다.
밸브 표면의 산소 밀도는 1.10 ×10-7g/㎠ 에서 1.47 ×10-6g/㎠이 적절할 것이다. 만약, 1.10 ×10-7g/㎠ 보다 낮으면 경도가 충분하지 않고, 1.47 ×10-6g/㎠보다 높으면 산소는 티타늄에 결합되어 티타늄 산화물(titanium oxide)을 형성시킨다.
본 발명에 의해 제조된 포펫 밸브는 내구성과 내력성이 향상된다.
도 1은 티타늄 합금 포펫 밸브(poppet valve)(1)를 나타낸 것이다. 밸브 바디(valve body)(4)는 밸브 스템(valve stem)(2)와 밸브 헤드(valve head)(3)로 구성되고 α-β합금의 Ti-6Al-4V로 만들어져 있다. 이것이 Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-6V-2Sn 및 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 와 같은 α합금; Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 및 Ti-8Al-1Mo-1V와 같이 10% 보다 낮은 β위상을 포함한 α-β합금인 유사 α합금; 또는 Ti-13v-11Cr-3Al 및 Ti-15Mo-5Zr-3Al과 같은 β합금으로 제조될 수도 있다
표면 처리는 밸브 표면(5)과 같이 밸브 바디(4)의 내구성있는 부위나 밸브 가이드(미도시), 코터(cotter) 홈(7) 및 스템 단면(8)과 연결되는 밸브 스템(2)의 연결 부위를 경화시키기 위해 수행된다.
도 2는 상기 티타늄 합금 포펫 밸브(1)가 진공 가열 연소로내에 놓여있는 것을 나타낸 것으로, 밸브 바디(4)의 표면에 산소 확산층이 형성되도록 산소 밀도, 시간 및 온도가 규정되어 있다. 본 발명의 실시예와 비교예에서처럼 산소 밀도는 밸브의 전체 표면적에 대한 산소량을 의미한다.
티타늄 산화물의 생성을 방지하기 위해 산소 밀도는 티타늄 산화물을 형성하기 위한 화학량론의 양보다 더 작은 양이 적용된다.
가열 온도는 Ti-6Al-4V의 β변환점인 995℃보다 낮은 온도가 적용되어 티타늄 합금의 침상같은 결정체의 형성에 의해 경도가 감소되는 것을 방지할 수 있다.
실시예 1:
포펫 밸브가 산소 밀도 1.10 ×10-7g/㎠인 대기에서 750℃ 온도로 4시간 동안 가열되었고, 질소 가스에 의해 실내가 냉각되었다. 경도가 좋고 변형이 적은 밸브가 제조되었다.
실시예 2:
포펫 밸브가 산소 밀도 2.83 ×10-7g/㎠인 대기에서 800℃ 온도로 3시간 동안 가열되었고, 질소 가스에 의해 실내가 강제 냉각되었다. 경도가 좋고 변형이 적은 밸브가 제조되었다.
실시예 3:
포펫 밸브가 산소 밀도 1.42 ×10-6g/㎠인 대기에서 700℃ 온도로 2시간 동안 가열되었고, 질소 가스에 의해 실내가 강제 냉각되었다. 경도가 좋고 변형이 적은 밸브가 제조되었다.
실시예 4:
포펫 밸브가 산소 밀도 1.47 ×10-6g/㎠인 대기에서 800℃ 온도로 3시간 동안 가열되었고, 질소 가스에 의해 실내가 강제 냉각되었다. 경도가 좋고 변형이 적은 밸브가 제조되었다.
비교예는 다음과 같다:
비교예 1:
포펫 밸브가 산소 밀도 1.08 ×10-7g/㎠인 대기에서 700℃ 온도로 2시간 동안 가열되었고, 질소 가스에 의해 실내가 강제 냉각되었다. 변형은 적지만 경도가 좋지 않은 밸브가 제조되었다.
비교예 2:
포펫 밸브가 산소 밀도 1.50 ×10-6g/㎠인 대기에서 800℃ 온도로 3시간 동안 가열되었고, 질소 가스에 의해 실내가 강제 냉각되었다. 변형은 적지만 산소 밀도가 너무 높아서 티타늄과 재반응된 산소가 밸브의 표면상에 이산화티탄(TiO2)와 같은 산화물 필름을 형성하여 경도의 감소를 초래하였다.
비교예 3:
포펫 밸브가 산소 밀도 1.40 ×10-7g/㎠인 대기에서 850℃ 온도로 2시간 동안 가열되었고, 질소 가스에 의해 실내가 강제 냉각되었다. 높은 온도때문에 밸브의 변형이 매우 커서 실제적으로 사용하기에 적절하지 못하였다.
도 3은 필드 에미션 오거 전자 스펙트로스코피(field emission Auger electron spectroscopy device)에 의해 상기 실시예 1~4의 각 깊이에 따라 측정된 산소 함유량의 평균을 나타낸 것이다. 포펫 밸브의 표면으로부터의 깊이는 횡좌표축 상에 나타냈고 산소 밀도는 세로좌표축 상에 나타낸다. 산소 함유량의 단위는 "원자%" 대신에 "분석된 전체 원자수에 대한 산소 원자수 비율"로 나타낸다.
티타늄 산화물 제품은 엑스레이(X-ray) 회절측정기(diffractrometer)에 의해 발견되지 않았고 산소 원자는 티타늄에 결합되지 않았으나 여전히 격자간 용질을 형성하기 위한 티타늄내에 원자로써 남아있었다.
도 6은 횡좌표축에 마이크로미터(㎛) 단위의 깊이를 나타내고 세로좌표축에 Hv 단위의 경도를 나타내었다. 상기 그래프에서는 본 발명에 따른 실시예 1~4의 평균값과 취급되지 않은 밸브의 일례를 나타내고 있다. 이들은 일본의 시마즈(Shimazu)사에 의해 제조된 마이크로-빅커스(Micro-Vickers) 경도 측정기에 의해 측정되었다.
그래프에 나타나 있듯이, 경도는 대략 50㎛의 깊이에 대해 Hv 350을 가지며, 본 발명에 의해 취급된 밸브는 상당히 높은 수치의 Hv 500~630의 경도를 갖는다.
내부 연소 엔진내에 사용되는 포펫 밸브의 대략 50㎛의 깊이는 적절한 내구성과 경도가 요구된다. 도 3에서처럼, 만약 산소 함유량이 대략 50㎛의 깊이에 대해 4~12%를 유지하면 충분한 내구성과 경도를 획득할 수 있을 것이다.
만약, 표면내의 산소 함유량이 12%를 초과하면 경도는 증가하지만 깨지기가 쉬워진다. 그러므로, 상한선까지 값을 설정하는 것이 바람직하다.
밸브의 티타늄내로 산소와 탄소 원자를 주입함으로써 밸브 바디의 표면을 처리하는 것이 아래에 기술되어 있다.
밸브 스템과 밸브 헤드로 구성된 티타늄 합금 밸브가 플라즈마 진공 연소로내에 놓여있고, 이 연소로는 티타늄 산화물을 형성하기 위한 화학량론의 양보다 적은 산소를 포함하며 탄소 처리 가스는 예정된 시간동안 티타늄 합금의 β변형점보다 낮은 온도에서 주입된다. 그러므로, 산소와 탄소 원자는 밸브의 표면내로 주입되고 티타늄 합금내에 산소와 탄소의 격자간 용질을 형성하여 밸브의 표면을 단단하게 만든다.
실시예 5:
Ti-6Al-4V 합금은 열간 단조에 의해 도 4에 나타내듯이 플라즈마 진공 연소로내에 놓여진 밸브 바디를 형성한다. 산소 가스가 연소로내로 주입되었고 밸브의 표면적에 대한 산소 밀도는 1.83 ×10-7g/㎠를 유지하였다. 상기 밸브는 3시간 동안 800℃로 가열되었다.
그리고, 탄소 처리를 위해 티타늄 합금내로 탄소 원자를 주입시키기 위하여 연소로내로 프로판 가스를 주입하여 백열(glow discharge)을 배출시켰다. 결과적으로, 경도가 좋고 변형이 적은 밸브가 제조되었다.
도 5는 깊이에 대한 밸브의 산소와 탄소 함유량의 관계를 나타낸 것이고, 도 7은 깊이에 대한 경도의 관계를 나타낸 것이다.
엑스레이 회절측정기에 의한 엑스레이 회절에 의해 밸브 바디내에서 탄화티탄(TiC)이 발견되었지만 티타늄 산화물은 발견되지 않았다. 도 5에서처럼, 산소 원자는 티타늄과 결합되지 않았지만 티타늄 내에 원자로서 남아있는다. 탄소 원자는 탄화티탄을 형성하기 위해 부분적으로 티타늄에 결합되지만 그 나머지는 원자로써 티타늄내로 주입된다.
도 7에서 실시예 5의 밸브는 같은 재질로 만들어진 비처리 밸브보다 경도가 더 높았고, 특히 15㎛의 깊이에 대한 경도는 대략 Hv 530 이었다. 다른 부재의 손상은 감소되고 내구성은 증가한다.
도 6과 도 7을 비교하여 보면, 도 7의 표면 근처의 경도는 도 5보다 낮다. 만약 산소 확산과 더불어 탄화 처리가 수행되면 경도는 그렇게 높지 않게 되며 다른 부재의 손상은 감소된다.
Ti-6Al-4V 합금과 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 합금내에 산소 확산층, 산소 및 탄소 확산층을 갖는 소정의 시편에 대해 연마 실험을 수행하였으며, 연마 실험기와 사용 방법을 아래와 같이 기술한다.
도 8은 수평 모터(11), 시편을 고정시키기 위해 수직으로 이동되도록 축(11a)의 단부에 설치된 고정 지그(12) 및 이 고정 지그(12)상에 놓여진 추(13)를 포함하는 크로스바(crossbar) 연마 실험기를 나타낸 것이다.
매끈한 외부 환형 표면을 만들기 위해 연마되고 비윤활 처리된 단조 금속처럼 강철로 만들어진 디스크 같은 칩(14)이 축(11a) 단부에 이 축(11a)과 동심축을 이루며 설치되어 있다. 그리고, 비윤활 처리된 편평한 저면을 갖는 시편(15)이 고정 지그(12)의 저면에 설치되어 있으며 그 저면은 칩(14)의 상면과 연결되어 있다. 1㎏의 추(13)가 고정 지그(12)의 상면에 놓여있고 모터(11)가 설정된 속도로 칩(14)을 회전시키기 위해 작동된다. 상기 추(13)는 매회 칩(14)에 500g의 중량을 가하여 시편(15)이 50m 이동하게 함으로써 모터의 회전수와 칩의 외부 직경을 감지하게 된다.
시편(15)과 칩(14) 사이에 용착(seizure) 또는 갤링(galling)이 생기거나 시편이 350m 미끄러졌을 때 실험이 끝난다.
도 9는 다음의 실험에 의해 얻어진 결과를 나타낸다.
도 9에 있어서, (A)와 (B)는 Ti-6Al-4V 와 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo가 각각 표면처리되지 않았고; (C)와 (D)는 산화가 적용된 두 개의 합금이며; (E)와 (F)는 산소 확산층이 포함된 두 개의 합금이고; (G)와 (H)는 산소와 탄소 확산층이 적용된 두 개의 합금이다.
도 9에서 나타내듯이, 본 발명이 적용된 (E)에서 (H)까지의 시편의 용착 거리가 표면 처리가 적용되지 않은 (A) 및 (B)와 비교하여 현저히 증가되었다. 산화 작용이 적용된 서로 유사한 (C)와 (D) 조차 350m 미끄러지고, 용착이 발생하지 않았으며, 현저히 높은 내구성을 나타내었다. 이것으로 내구성이 현저히 증가된 포펫 밸브를 얻을 수 있음이 명백하게 되었다.
직경 6mm의 시편(16)이 준비되고 상기와 같은 처리가 시편에 적용된다. 양단을 지지한 상태에서 하중을 가하여 시편이 1mm정도 구부러졌다. 표면층의 조건이 검사되었다.
산화 처리가 적용된 시편의 표면층에서 분리 현상이 발생하였다. 산소 확산이 적용된 시편의 표면층에서 균열이 생기고, 산소 확산 및 탄소 처리가 적용된 시편은 이상이 발생되지 않았다.
이러한 결과에 의해, 산화 처리가 적용된 시편은 표면층에 형성된 깨지기 어려운 산화물이 분리되었다. 산소 확산층만이 적용된 시편은 표면층의 경도가 너무 높아 결과적으로 균열이 발생하였고, 산소 확산과 탄소 처리가 적용된 시편은 표면층의 경도가 미세하게 감소하였기 때문에 강점이 성취되었다.
본 발명은 또한 Ti-Al 금속간 화합물에도 적용할 수도 있다.
이상에서와 같이 본 발명은 제조된 티타늄 합금 포펫 밸브에 티타늄 산화물이 생성되지 않는 동시에 내구성이 현저히 향상되는 효과를 얻는다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명은 바람직한 구체적인 예들에 대해서만 기술하였으나, 상기의 구체적인 예들을 바탕으로 한 본 발명의 기술사상 범위 내에서의 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 또한, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (14)

  1. 밸브 스템과 밸브 헤드로 구성되고, 티타늄내의 산소로 인해 생성된 격자간 용질(interstitial solid solution)을 갖는 산소 확산층을 포함하는 표면층이 마련됨을 특징으로 하는 티타늄 합금 포펫 밸브.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산소 확산층은 탄소 원자를 더 함유함을 특징으로 하는 상기 티타늄 합금 포펫 밸브.
  3. 제1항에 있어서, 상기 산소 확산층의 깊이는 50㎛임을 특징으로 하는 상기 티타늄 합금 포펫 밸브.
  4. 제1항에 있어서, 상기 산소 확산층내에서 전체 원자수 중 산소 원자의 비율은 4~12%임을 특징으로 하는 상기 티타늄 합금 포펫 밸브.
  5. 제1항에 있어서, 상기 밸브는 α- β티타늄 합금으로 제작됨을 특징으로 하는 상기 티타늄 합금 포펫 밸브.
  6. 제5항에 있어서, 상기 α- β티타늄 합금은 Ti-6Al-4V임을 특징으로 하는 상기 티타늄 합금 포펫 밸브.
  7. 연소로내에서 티타늄 산화물이 형성되기 위한 화학량론의 양보다 낮은 산소밀도를 유지하기 위하여 산소(O2)를 연소로로 주입시키는 단계;
    산화티탄(Ti-O) 격자간 용질을 만들어 밸브의 내구성을 향상시키기 위해 밸브의 티타늄내로 산소 원자를 주입시키기 위하여 700~840℃로 1~4시간 동안 밸브를 가열시키는 단계;
    를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 티타늄 합금 포펫 밸브 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 밸브의 표면 전체에 대한 산소 밀도는 1.10 ×10-7g/㎠ 에서 1.47 ×10-6g/㎠임을 특징으로 하는 상기 티타늄 합금 포펫 밸브 제조방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 가열은 750~800℃의 온도에서 수행함을 특징으로 하는 상기 티타늄 합금 포펫 밸브 제조방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 가열은 2~3시간 동안 수행함을 특징으로 하는 상기 티타늄 합금 포펫 밸브 제조방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 연소로는 진공 가열 연소로임을 특징으로 하는 상기 티타늄 합금 포펫 밸브 제조방법.
  12. 제7항에 있어서, 상기 연소로는 밸브의 티타늄내로 탄소 원자를 주입시키기 위해 탄소 처리 가스가 채워진 플라즈마 진공 연소로임을 특징으로 하는 상기 티타늄 합금 포펫 밸브 제조방법.
  13. 제7항에 있어서, 상기 밸브는 α- β티타늄 합금으로 제작됨을 특징으로 하는 상기 티타늄 합금 포펫 밸브 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 α- β티타늄 합금은 Ti-6Al-4V임을 특징으로 하는 상기 티타늄 합금 포펫 밸브 제조방법.
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