KR20020044868A - 이층 재질로 이루어진 밸브시트 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내마모성이 향상된 밸브시트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이층 재질로 이루어진 밸브시트에 있어서, 밸브와 동일한 조성을 갖도록 밸브시트 접합면의 조성을 코발트를 주성분으로 하고 여기에 탄소, 크롬, 몰리브덴, 니켈, 망간, 텅스텐, 규소, 및 철을 함유시켜 밸브시트와 용접하여 제조하는 이층 재질의 밸브시트 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 밸브와의 접촉면의 매칭성이 증가되어 종래 단일 재질의 밸브시트에 비하여 내마모성이 향상되고 밸브와의 기밀감이 장시간 유지되어 엔진의 출력을 증가시킨다.

Description

이층 재질로 이루어진 밸브시트 조성물{A composition of valve seat composed of double layer}

본 발명은 내마모성이 향상된 밸브시트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이층 재질로 이루어진 밸브시트에 있어서, 밸브와 동일한 조성을 갖도록 밸브시트 접합면의 조성을 코발트를 주성분으로 하고 여기에 탄소, 크롬, 몰리브덴, 니켈, 망간, 텅스텐, 규소, 및 철을 함유시켜 밸브시트와 용접하여 제조하는 이층 재질의 밸브시트 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 엔진의 본체는 연료의 연소에 의해 얻어지는 열에너지를 운동에너지로 바꾸어 동력을 발생시켜 주는 기계로 상용적으로 사용되는 엔진은 크게 연료에 따라 가솔린엔진과 디젤엔진으로 구분되고, 실린더헤드와 실린더블록, 크랭크케이스의 3부분의 몸체로 구분되어 그 부품들은 정지부품과 운동부품 및 각종 부속장치로 이루어져 있다. 정지부품인 실린더헤드는 흡기밸브와 배기밸브 및 가솔린 기관에서는 점화프러그가 장착되어 있고, 디젤기관에서는 연료분사노즐이 부착되어 있다.

상기한 흡기밸브 및 배기밸브는 연소실내의 고온고압에 노출되는 밸브헤드와 밸브시트에 밀착되어 기밀작용을 하는 밸브면과 밸브가이드에 안내되어 밸브헤드의 열을 밸브가이드를 통하여 실린더헤드로 배출시키는 스템(stem) 및 스템의 끝단으로 구성되어 있다.

흡기밸브와 배기밸브는 피스턴이 1사이클을 작동하는 짧은 시간안에 쉽게 흡기 및 배기를 하여 체적효율을 높이고, 두 밸브가 닫혀있는 압축 및 동력 행정에서는 밸브헤드와 밸브시트가 밀착되어 충분한 기밀을 유지해야 한다. 또한 연소가스의 고온에 노출되어도 정확히 작동하고, 장시간의 운전에 견디는 등의 어려운 조건을 충족시켜야 한다.

밸브헤드와 밀착되는 밸브시트는 실린더헤드의 포트내에 압착하여 삽입시키는 링의 형상을 이루고 있는데, 이러한 엔진용 밸브시트는 흡기 및 배기 밸브의 개폐시 밸브와의 기밀성을 유지함으로써 연소실의 열효율을 높이는데 매우 중요한 역할을 담당하게 된다.

고온하에서 작동하는 밸브와 접촉면을 이루는 밸브시트는 변형이나 소손에 의한 밀착불량으로 혼합가스의 최적화된 유입과 배기가스의 배출을 이룰 수 없게되어 엔진의 출력을 저하시키는 요인이 되었다. 또한, 차량의 운행중 엔진은 불규칙하게 가감속되고, 이로인해 구동캠에 의해서 개폐되는 밸브는 엔진의 속도에관계없이 관성력을 가지게 되어 혼합기와 배기가스의 유입과 유출이 정확히 이루어지지 않게 되며, 또한 밸브가 열리고 닫히는 동안 밸브시트는 밸브면과의 접촉으로 인하여 파손이 되는 문제점이 있었다.

기밀성을 유지하기 위하여 밸브시트의 접촉면은 밸브면의 각도와 30°∼ 45°의 모따기면을 형태로 제작한다. 또한 밸브시트는 고온가스에 노출되어 밸브면과 계속적인 접촉 및 마찰이 일어나고, 배기가스에의 노출 등을 견디어야 하기 때문에 약 400∼700 ℃ 온도에 대한 내열성, 내마모성 및 내산화성 등이 요구되고 충분한 강도 및 열팽창률이 적은 내열강으로 제작한다.

종래 밸브시트는 단일종의 재질로 제조하는 일층 재질(도 1); 및 2종의 서오다른 재질로 제조하는 이층 재질(도 2) 형태로 제조하였다.

일층 재질은 철을 주성분으로 하고 탄소 1.2∼1.6 중량%, 니켈 1.0∼3.0 중량%, 코발트 7.0∼12.0 중량%, 크롬 7.0∼10.0 중량%, 몰리브덴 0.3∼0.8 중량%, 및 텅스텐 2.0∼4.5 중량%를 함유시키고 성형 후 소결하여 제조한다.

이때, 밸브면의 조성은 코발트를 주성분으로 하고 탄소 0.9∼1.4 중량%, 니켈 3.0 중량% 미만, 크롬 26.0∼32.0 중량%, 몰리브덴 1.0 중량% 미만,텅스텐 3.0∼6.0 중량%, 규소 0.4∼2.0 중량%, 망간 1.0 중량% 미만, 및 철 3.0 중량% 미만으로 함유시켜 제조한다.

밸브면과 밸브시트는 지속적인 마찰로 인하여 마모가 발생하고 상기한 바에 따른 서로 다른 조성으로 인하여 매칭성이 불량하여 더욱 심각한 마모를 초래한다.

이에 내마모성을 높이기 위하여 다른 금속을 첨가시키는 방법이 제안된 바, 용침재 및 고체윤활재를 소결체에 용침하여 윤활 효과를 높이는 용침법; 경질 복합 탄화물을 첨가시켜 기지내 균일한 분산을 하여 내마모성을 높이는 경질금속 (hard metal)첨가법; 및 합금을 원료분말 상태태로 혼합후 소결시켜 내열성을 높이는 합금조성제어법 등이 제안되었다. 그러나 상기 방법들은 가공성이 불량하거나 모재내에 첨가 금속의 균일한 분산이 어렵고 고가인 코발트를 첨가하는 방식으로 인하여 경제성이 뒤떨어 진다.

상기 문제점에 대한 방안으로 저가의 금속분말로 이루어진 밸브시트 모재에 내마모성이 우수한 재질을 이층으로 제조하는 방법이 제안되었다(도 2).

이층 재질로 이루어진 밸브시트는 통상의 제조방법으로 제조하는데, 먼저 각재질을 이층으로 성형한 다음, 소결후 열처리하고 가공하여 제조한다.

이에, 본 발명자는 이층 재질로 이루어진 밸브시트에 있어서 밸브에 접착되는 밸브시트의 접착면의 재질 차이에 의한 마모성이 저감된다는 점에 착안하여 밸브와 동일한 조성으로 밸브시트 접착면을 이루고 나머지 밸브시트는 통상의 조성으로 하여 성형 및 소결 후 용접하여 이층 재질의 밸브시트 조성물을 제조하였고, 상기 제조된 이층 재질의 밸브시트 조성물이 마모 시험 결과 우수한 내마모성을 지님을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 밸브와 동일한 재질로 이루어진 밸브시트 접촉면을 포함하는 이층 재질의 밸브시트 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 밸브와 동일한 재질로 이루어진 밸브시트 접촉면을 포함하는 이층 재질의 밸브시트의 제조방법을 제공하는 것이다.

도 1 은 일층 재질로 이루어진 밸브시트의 단면구조를 나타낸 것이다.

도 2 는 이층 재질로 이루어진 밸브시트의 단면구조를 나타낸 것이다.

도 3 은 본 발명의 밸브시트 접촉면을 밸브와 동일한 재질로 하여 제조된 밸브시트의 단면구조를 나타낸 것이다.

*도면의 주요 부분에 대한 기호의 설명*

1: 밸브시트2: 밸브시트 접촉면

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 밸브시트 조성물에 있어서, 밸브시트 접촉면이 탄소 0.9∼1.4 중량%, 크롬 26.0∼32.0 중량%, 몰리브덴 1.0 중량% 미만, 니켈 3.0 중량% 미만, 망간 1.0 중량% 미만, 텅스텐 3.0∼6.0 중량%, 규소 0.4∼2.0 중량%, 철 3.0 중량% 미만이고 나머지는 코발트로 이루어진 이층 재질의밸브시트 조성물을 제공한다.

또한, 본 발명은 밸브시트 조성물의 제조방법에 있어서, 통상의 밸브시트 조성물 및 밸브와 동일한 재질로 이루어진 밸브시트 접착면을 성형 및 소결 후 용접하여 제조하는 이층 재질의 밸브시트 조성물의 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 밸브시트 조성물은 밸브면과 동일한 재질로 밸브시트 접착면을 제조함으로써 엔진구동시 전달되는 밸브와의 마찰력을 저감시켜 밸브시트의 마모를 줄일 수 있으며 밸브와 밀착됨에 따라 엔진의 출력을 증가시킬 수 있다.

밸브시트는 링의 형상으로 밸브와 밀착되어 있어 흡기 및 배기 밸브의 개폐시 밸브와의 기밀성을 유지하여 연소실의 열효율을 높이게 된다.

본 발명에서는 밸브와 동일한 재질로 이루어진 밸브시트 접촉면을 포함하는 이층 재질의 밸브시트 조성물을 제조한다..

통상의 밸브시트는 철을 주성분으로 하고 탄소 0.9∼2.0 중량%, 몰리브덴 0.4∼0.8 중량% 및 구리 2.0∼6.0 중량%로 이루어진다. 상기 조성으로 이루어진 밸브시트를 제조하여 사용하는 경우 밸브와의 마찰시 마모량이 증가하여 밸브와의 기밀성 및 연소실의 열효율을 저하시킨다.

본 발명의 밸브시트 조성물은 상기 통상의 밸브시트 조성물 및 밸브와의 접촉면을 밸브와 동일한 조성으로 탄소 0.9∼1.4 중량%, 니켈 3.0 중량% 미만, 크롬 26.0∼32.0 중량%, 몰리브덴 1.0 중량% 미만, 텅스텐 3.0∼6.0 중량%, 규소 0.4∼2.0 중량%, 망간 1.0 중량% 미만, 철 3.0 중량% 미만, 나머지는 코발트를 함유시켜 밸브시트 접착면을 제조한다.

밸브 및 밸브시트는 고온가스에 노출되어 있고 계속적인 접촉 및 마찰이 일어남에 따라 고온강도성이 요구된다. 상기 요건에 적합한 코발트는 제조되는 밸브시트 접촉면의 경화능을 향상시켜 고온 강도를 효과적으로 개선할 수 있다.

탄소는 강의 강도를 향상시키는데 매우 효과적이며 철, 크롬 및 몰리브덴 등의 금속 원소화 화합하여 탄화물을 형성함으로써 강의 강도 및 경도를 향상시킨다.

합금조성물의 소입성을 향상시키기 위해 금속원소를 첨가시키며 본 발명에서는 크롬, 몰리브덴, 니켈 및 망간 등의 금속원소를 첨가하여 밸브시트 접합면의 소입성을 향상시킨다. 이러한 소입성 향상 금속원소는 그 함량이 부족할 때는 소입성 효과가 미흡하여 강도가 향상되지 않는 반면, 너무 많으면 강도가 포화되어 더 이상 효과가 없기 때문에 첨가량이 매우 중요하다.

크롬은 탄소와 결합하여 탄화물을 형성하거나 크롬 산화물의 형태로 강의 경도를 증가시키고, 결정립을 미세하게 하며 인성을 증가시킨다. 다량 첨가하여도 취화를 일으키지 않고 취성(brittleness)을 방지하는 효과가 있으나 과도한 경우에는 템퍼링 취성을 조장한다.

몰리브덴은 탄소와 결합하여 탄화물을 형성함에 따라 경화능을 향상시키는효과가 있으므로 템퍼링 취성을 방지하여 템퍼링 취화 저항성을 부여한다.

니켈은 탄화물을 형성하지 않고 강의 조직을 미세화하여 연성의 감소없이 아철산염 (ferrite)을 강화시켜 강도를 증가시킨다. 특히, 크롬과의 조합으로 오스테나이트계 스테인레스강을 형성함에 따라 내열성을 증가시키며 우수한 경화능을 나타내고, 탄소나 질소의 기지내 확산을 느리게 하므로 내열강의 열화(劣化)를 방지한다.

망간은 일부분이 강 속에 고용되고, 나머지는 강 속에 함유되어 있는 미량의 황(S)과 결합하여 비금속개재물(nonmetallic inclusion)인 MnS를 결정립내에 형성한다. 상기 MnS의 형성으로써 강 속의 황 금속원소의 함량이 감소되므로 결정립계에 형성되는 취약하고 저융점화합물인 FeS의 형성을 억제시킨다.

텅스텐은 고가이고 비중이 커서 편재하기 쉬우므로 그 용도에 제한이 따르나 경화능을 향상시키고 철 및 탄소 금속원소와 결합하여 Fe₄W₂C 또는 Fe₃W₃C형의 탄화물을 형성하여 강도를 증가시킨다.

강 속의 규소는 철 및 탈산제에서 잔류되는 것으로 형성된 탄화물을 분해하고 니켈과 더불어 아철산염을 경화시킨다. 또한 규소는 SiO₂와 같은 화합물을 형성하지 않는한 페라이트 속에 고용되므로 기계적 성질에는 큰 영향을 미치지 않는다.

상기와 같은 조성을 이용하여 본 발명의 밸브시트 접착면을 조성하여 내마모성이 우수한 이층 재질로 이루어진 밸브시트의 제조가 가능해진다.

본 발명은 밸브시트 조성물의 제조방법에 있어서, 밸브시트 조성물 및 밸브와 동일한 재질로 이루어진 밸브시트 접착면 및 밸브시트를 성형 및 소결 후 용접하여 이층 재질로 이루어진 밸브시트를 제조한다.

용접이란 용접부를 용융 상태로 하든가 용융 상태로 하지 않을 정도로 가열한 부재 또는 상온 상태의 부재를 서로 접촉시키고 압력을 가하여 접합하는 이음 방법을 의미한다. 즉, 두개의 금속을 접합하여 하나로 만드는 작업으로서 나사 또는 리벳을 사용하는 기계적 이음과는 다르며 일반으로 용접으로 이음 된 것은 분해할 수 없다. 넓은 의미에서는 접합할 금속 사이에 가열한 다른 금속을 사이에 넣고 결합시키는 방법도 포함한다.

열원으로는 가스 , 아크 , 전기 , 저항열 , 마찰열 등이 사용되고 가스는 산소-아세틸렌가스 아크는 금속 아크 , 탄소 아크 등이 사용된다.

용접은 종류가 서로 다른 재료를 쉽게 접합할 수 있으며 재료의 절약, 공정을 절약할 수 있다. 또한 접합효율도 매우 우수하고 수명이 길며 시설비가 다른 공정에 비하여 매우 적게 든다.

본 발명의 밸브시트는 통상의 조성으로 이루어진 밸브시트 및 탄소, 크롬, 몰리브덴, 니켈, 망간, 텅스텐, 규소, 철, 및 코발트로 이루어진 밸브시트 접착면을 성형 및 소결 공정을 수행한 다음, 밸브시트 접착면을 밸브시트에 용접하여 가공함으로써 본 발명을 완성한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 이층 재질의 밸브시트는 밸브시트 접착면이 밸브와 동일한 조성을 포함함에 따라 밸브와의 접촉시 이질감이 떨어지고 매칭성이 우수하여 마모량이 저하된다. 이에 따라 밸브와의 기밀성이 장기간 유지되어 엔진의 효율을 높일 수 있으며 밸브시트의 수명이 연장된다. 또한, 그 제조방법에 있어서 용접을 통하여 이루어지므로 가공상의 편리성 및 시설비가 저감되어 경제적인 잇점이 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1, 비교예 1> 밸브시트 조성물의 제조

다음 표 1에 나타낸 조성을 이용하여 밸브시트 및 밸브시트 접착면을 제조한 다음, 플라즈마를 열원으로 용접하여 이층 재질의 밸브시트 조성물을 제조하였다.

비교예로는 통상적인 단일 재질의 밸브시트 조성물을 이용하여 밸브시트 조성물을 제조하였다.

조성(중량%)	탄소(C)	크롬(Cr)	몰리브덴(Mo)	니켈(Ni)	망간(Mn)	텅스텐(W)	규소(Si)	철(Fe)	코발트(Co)
실시예 1(밸브접촉면)	1.0	30.0	0.8	2.5	0.8	5.0	0.5	2.5	나머지
비교예 1	1.0	8.0	0.8	2.0	-	3.5	-	나머지	10.0

시험예 : 마모시험

실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 밸브시트 조성물의 물성을 측정하기 위하여 시편을 제조하였으며, 다음과 같은 방법에 의해 시험을 수행하였다.

상기 제조된 시편을 슬라이딩 속도 (sliding speed) 1.4 m/sec, 슬라이딩 거리 (sliding length) 30 km, 작용 하중 (final load) 6.3 kg, 디스크 (disc) 온도 150 ℃ 의 조건으로 핀-온-디스크 (pin-on-disc) 마모시험을 수행하였으며 그 결과는 다음 표 1에 나타낸 바와 같다.

구분	핀마모량(g)	디스크 마모량(g)
실시예 1	2×10-3	4×10-3
비교예 1	5×10-3	7×10-3

기 실험결과 실시예 1의 경우, 비교예 1에 비하여 핀 마모가 개선되었음을 알 수 있으며, 상대재인 디스크 마모는 비교예에 비하여 마모가 개선되었거나 유사함을 알 수 있었다. 특히 실시예 1의 핀 마모량은 비교재에 비하여 약 20% 감소되었으며, 디스크 마모량은 약 40% 감소되었다.

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명은 밸브와 동일한 조성이 함유되어 있는 밸브시트 접착면을 포함하는 밸브시트를 용접 공정을 통해 제조하였다. 본 발명의 밸브시트 조성물은 밸브 시트의 접촉면의 조성을 밸브면과 동일한 조성으로 제조함으로써 밸브와 밸브시트간의 매칭성이 증가하여 마찰에 의한 마모를 저감시켜 고온하에서 작동시 변형이나 소손에 의한 밀착불량이 발생하지 않아 혼합가스의 최적화된 유입과 배기가스의 배출이 용이하여 엔진의 출력을 증가시킨다.

Claims (2)

1. 밸브시트 조성물에 있어서, 밸브시트 접촉면이 탄소 0.9∼1.4 중량%, 크롬 26.0∼32.0 중량%, 몰리브덴 1.0 중량% 미만, 니켈 3.0 중량% 미만, 망간 1.0 중량% 미만, 텅스텐 3.0∼6.0 중량%, 규소 0.4∼2.0 중량%, 철 3.0 중량% 미만이고 나머지는 코발트로 이루어진 것임을 특징으로 하는 이층 재질의 밸브시트 조성물.
2. 밸브시트 조성물의 제조방법에 있어서, 통상의 밸브시트 조성물 및 청구항 1 항의 조성이 함유된 밸브시트 접착면을 성형 및 소결후 용접하여 제조하는 것을 특징으로 하는 이층 재질의 밸브시트 조성물의 제조방법.