KR20020080876A

KR20020080876A - 엔진의 밸브시트 제조방법

Info

Publication number: KR20020080876A
Application number: KR1020010020723A
Authority: KR
Inventors: 추광명
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2001-04-18
Filing date: 2001-04-18
Publication date: 2002-10-26

Abstract

본 발명은 엔진의 밸브시트 제조방법에 관한 것으로, 금속분말을 압축·성형하는 성형공정(S1)와, 이 성형공정(S1)에서 성형된 제품의 분말입자간의 결합을 확고히 하는 소결공정(S2)과, 이 소결공정(S2)에서 생산된 제품의 기지강도를 강화시키는 단조공정(S3)과, 이 단조공정(S3)에서 생산된 제품 내에 잔존하는 잔유 오오스테나이트 조직을 제거하는 심냉처리공정(S4)과, 이 심냉처리공정(S4)을 거친 제품 내의 내부응력을 제거하고 조직을 균질하게 하는 소려공정(S5) 및, 이 소려공정(S5)에서 생산된 제품의 표면에 산화층을 형성시키는 스팀처리공정(S6)으로 이루어진다.

따라서, 상기 단조공정(S3)과 스팀처리공정(S6)에서 각각 기지강도가 강화되고 자기윤활성이 향상됨으로써 밸브시트의 내마모성이 향상되는 효과가 있다.

Description

엔진의 밸브시트 제조방법{a manufacturing method of valve seat for engine}

본 발명은 엔진의 밸브시트 제조방법에 관한 것으로, 특히 내마모성이 향상되어 수명이 연장되고 기밀성이 향상되도록 된 엔진의 밸브시트 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 엔진에서 밸브시트는 고온고압의 혹독한 조건에서 장기간에 걸쳐반복되는 충격을 받으므로 밸브시트에서 내마모성은 매우 중요한 성질이다.

따라서, 상기 밸브시트는 주로 니켈, 코발트 또는 마르텐사이트강을 기본으로 하는 합금 주물로 제작하며, 이 종류의 합금 주물 중에서도 주조합금 내에 내마모성 탄화물이 존재하는 고 크롬 및 고 니켈 성분의 오오스테나이트 내열강을 널리 사용하고 있다.

그런데, 밸브시트에는 내마모성 뿐만 아니라 내열성, 내부식성, 고온고압하의 반복충격에 대응하는 높은 크립강도와 열적 피로강도 등의 성질이 요구되므로 다양한 재질의 재료를 사용하여 요구되는 성질들을 균형 있게 만족시키기 용이하고, 또한 설계된 형상 및 치수대로의 성형이 비교적 자유로운 분말야금법을 사용하여 제작하기도 한다.

그 한 예로서 일부 디젤엔진의 경우 M(마르텐사이트)3/2계 고속도 공구강재의 금속분말을 사용하여 밸브시트를 제작하였는데, 제조공정은 도 2에서와 같이, 상기 금속분말들을 혼합·압축하여 성형하는 성형공정(s1)과, 이 성형공정(s1)에서 생산된 제품을 가열하여 분말입자들을 결합시키는 소결공정(s2)과, 이 소결공정(s2)에서 생산된 제품을 구리(Cu) 용탕속에 담그는 용침공정(s3)과, 이 용침공정(s3)까지 거친 제품을 0℃ 이하의 온도에서 냉각하여 잔유 오오스테나이트 조직을 안정된 마르텐사이트 조직으로 변태시키는 심냉처리공정(s4)과, 이 심냉처리공정(s4)까지 거친 제품을 다시 가열하여 내부응력을 제거하고 조직을 균일하고 안정된 조직으로 변화시키는 소려공정(s5)으로 이루어진다.

상기와 같은 방법으로 제작된 밸브시트는 구리(Cu)용침에 의하여 기지강도가강화되고 열전도도가 향상된 재질특성을 가진다.

그러나, 연료 특성상 디젤엔진의 연소실은 가솔린엔진에 비해 건조하므로 밸브와 밸브시트간의 마찰이 커서 내마모성이 떨어지는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 금속분말 재료를 사용하여 분말야금법을 통해 밸브시트를 제작함에 있어서, 밸브시트의 내마모성을 향상시킬 수 있도록 된 엔진의 밸브시트 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 엔진의 밸브 설치부 단면도,

도 2는 종래 기술에 따른 밸브시트 제조방법을 나타낸 공정 순서도,

도 3은 본 발명에 따른 밸브시트 제조방법을 나타낸 공정 순서도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 밸브,1a : 밸브헤드,

2 : 실린더헤드,3 : 밸브가이드,

4 : 캠,5 : 스프링,

6 : 밸브시트.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 금속분말을 압축·성형하는 성형공정과, 이 성형공정에서 성형된 제품의 분말입자간의 결합을 확고히 하는 소결공정과, 이 소결공정에서 생산된 제품의 표면조직을 경화시켜 기지강도를 향상시키는 단조공정과, 이 단조공정에서 생산된 제품 내에 잔존하는 잔유 오오스테나이트 조직을 마르텐사이트 조직으로 변태시켜 안정화하는 심냉처리공정과, 이 심냉처리공정을 거친 제품 내의 내부응력을 제거하고 조직을 균질하게 하는 소려공정 및, 이 소려공정에서 생산된 제품의 표면에 산화층을 형성시켜 자기윤활성을 향상시키는 스팀처리공정으로 이루어진다.

따라서, 상기 단조공정에서 제품이 기지강도가 강화되고, 스팀처리공정에서 자기윤활성이 향상됨으로써 밸브시트의 내마모성이 증가된다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 밸브시트 제조방법의 공정 순서도로서, 본 발명은 성형공정(S1), 소결공정(S2), 단조공정(S3), 심냉처리공정(S4), 소려공정(S5) 및 스팀처리공정(S6)으로 이루어진다.

소결합금을 이루는 금속분말 성분은 중량비로 탄소(C) 0.7∼1.1 %, 크롬(Cr) 2.5∼4.0 %, 몰리브덴(Mo) 4.0∼6.0 %, 텅스텐(W) 3.9∼5.5 %, 바나듐(V) 2.0∼3.0 %, 구리(Cu) 15.0∼25.0, 기타 2 % 이하, 나머지는 철(Fe)로 이루어진다.

제조공정의 첫 번째 공정인 상기 성형공정(S1)은 금속분말들을 혼합하여 균질한 혼합물을 만들고, 이 혼합물을 틀에 넣어 압축하여 설계형상으로 성형하는 공정이며, 상기 금속분말은 믹서에서 약 1시간 정도 혼합하여 균질한 혼합물로 만들고, 600 MPa의 압력으로 압축한다.

두 번째 공정인 상기 소결공정(S2)은 성형된 제품을 소결로 내부에서 용융점 이하의 온도로 가열하여 압축상태의 분말입자들을 상호 접합시키는 공정으로서 1100∼1110℃의 온도에서 20∼25분간 실시한다.

세 번째 공정인 상기 단조공정(S3)은 소결 완료된 제품을 300톤의 하중으로 프레스 가공하는 공정으로서 제품의 기지강도를 강화시킨다.

네 번째 공정인 상기 심냉처리공정(S4)은 밸브시트가 제품으로 완성되어 엔진에 설치된 상태에서 밸브시트 내의 잔유 오오스테나이트 조직이 시간의 경과, 온도의 변화 등에 따라 안정된 마르텐사이트 조직으로 변화하면서 체적이 팽창함으로써 변형(시효변형)을 일으키는 현상을 방지하기 위하여 상기 단조공정(S3)까지 거친 제품 내의 잔유 오오스테나이트 조직을 마르텐사이트 조직으로 변태시켜 안정화시키는 공정으로서 액체질소를 이용하여 20분간 실시한다.

다섯 번째 공정인 상기 소려공정(S5)은 심냉처리공정(S4)까지 마친 제품이 그 경도는 대단히 높으나 반면 인성이 부족하여 취약한 성질을 가지게 되므로 다시 중간 정도의 온도로 가열하여 내부에 생성된 내부응력을 제거하고 불안정한 조직을 균일하고 안정한 조직으로 변화시키는 공정이며, 550℃에서 2시간 동안 실시한다.

마지막으로 여섯 번째 공정인 스팀처리공정(S6)은 소려공정(S5)까지 완료한 제품의 표면에 고온의 스팀을 접촉시켜 스팀산화물로 이루어진 산화층을 형성시킴으로써 제품 표면의 자기윤활성을 향상시키는 공정으로서, 500℃의 스팀으로 20분간 실시한다.

따라서, 상기와 같은 방법으로 제작된 밸브시트는 단조공정(S3)을 통하여 기지강도가 강화되고 스팀처리공정(S6)에서 자기윤활성이 향상됨으로써 내마모성이 향상된 재질특성을 가진다.

종래의 제조방법에 따라 생산된 밸브시트와 본 발명에 따른 제조방법에 의해 생산된 밸브시트의 내마모성을 비교해 보기 위하여 동일한 조건(캠 회전속도 : 1500 RPM, 온도 : 400℃, 사용연료 : LPG, 시험시간 : 15시간)하에서 비교시험을 실시하여 아래와 같은 결과를 얻었다.

구 분	종래 밸브시트	본 발명에 의한 밸브시트
밸브깊이 변화량(㎛)	35 ∼ 54	25 ∼ 40

상기 표에서와 같이 종래 밸브시트를 적용하였을 때의 밸브깊이 변화량보다 본 발명에 의한 밸브시트를 적용하였을 때의 밸브깊이 변화량이 작으므로, 본 발명에 의한 밸브시트의 내마모성이 향상되었음을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 소결공정 후 단조공정을 실시하고 소려공정 후 스팀처리공정을 실시하여 기지강도가 강화되고 자기윤활성이 향상됨으로써 밸브시트의 내마모성이 향상되는 효과가 있으며, 이에 따라 밸브시트의 수명연장과 밸브의 기밀성 향상이라는 부가적인 장점도 있다.

Claims

금속분말을 혼합하여 600 Mpa의 압력으로 압축·성형하는 성형공정(S1)과,

상기 성형공정(S1)에서 성형된 제품을 1100∼1110℃의 온도로 20∼25분간 가열하여 분말입자간의 결합을 확고히 하는 소결공정(S2)과,

상기 소결공정(S2)에서 생산된 제품을 300ton의 하중으로 프레스 가공하여 제품의 기지강도를 강화하는 단조공정(S3)과,

상기 단조공정(S3)에서 생산된 제품을 20분간 액체질소 처리하여 잔유 오오스테나이트 조직을 마르텐사이트 조직으로 변태시킴으로써 조직을 안정화하는 심냉처리공정(S4)과,

상기 심냉처리공정(S4)에서 생산된 제품을 550℃의 온도로 2시간동안 가열하여 내부응력을 제거하고 불안정한 조직을 균일하고 안정된 조직으로 변화시키는 소려공정(S5) 및,

상기 소려공정(S5)에서 생산된 제품의 표면에 500℃의 스팀을 20분간 접촉시켜 스팀산화물로 이루어지는 산화층을 형성시킴으로써 자기윤활성을 향상시키는 스팀처리공정(S5)으로 이루어지는 엔진의 밸브시트 제조방법.