KR20030020228A - Ｔｉ 합금의 강화 방법 - Google Patents
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Abstract
Ti 합금은 가열로 내의 CO2분위기 내에서 가열된다. O 및 C 원자는 Ti산화물을 형성함이 없이 Ti 합금 내에 유입되어 Ti 합금을 경화시킴으로써 의해 형성된 Ti-O 및 Ti-C 고용체에 의해 경도를 증가시킨다.
Description
본 발명은 내마모성을 개선하기 위한 Ti 합금의 강화 방법에 관한 것이다.
자동차 산업에서, 포핏 밸브 및 밸브 작동 부품은 고강도 및 저비중의 Ti 합금으로 제조된다. 포핏 밸브는 다른 밸브 작동 부품과 연결되는 부분에서 내마모성과 스커프(scuff) 저항을 요한다.
Ti 합금 재료를 강화하여 내마모성과 스커프 저항을 제공하기 위해, 다양한 방법이 개발되었다. 예를 들어, 일본 특허 공고 번호 62-256956호에서는 산화물이 Ti 합금의 표면 상에 형성된다. 일본 특허 공고 번호 61-81505호에는 질화물이 Ti 합금의 표면 상에 형성된다. 일본 특허 제 2,909,361호에는 Ti 합금 내에 탄소 원자를 확산시키기 위해 침탄(carburizing) 처리가 수행된다.
전술한 방법에 의해 Ti 합금 재료의 내마모성 및 스커프 저항이 개선되지만, 표면이 경화되어 결합될 다른 부품이 파손될 수 있다.
일본 특허 출원 제 2001-25415호에는 Ti-O 및 Ti-C 고용체가 형성된 Ti 합금 포핏 밸브, 그 밸브의 제조 방법에 관해 설명하고 있으며, 상기 방법은 밸브 몸체를 강화하기 위해 O 및 C 원자를 확산시켜 Ti-O 및 Ti-C 고용체를 포함하는 O 및 C 확산층을 형성하도록 Ti 산화물을 형성하기 위한 화학양론적 양보다 작은 산소를 함유하는 플라즈마 진공로 내에서 Ti 합금 밸브를 베타 변태점 보다 낮은 온도에서 가열하는 단계를 포함한다.
O 및 C 원자를 확산시키기 위해, Ti 산화물을 형성하기 위한 화학양론적 양보다 작은 O2의 존재하에서, 열처리가 약 800℃에서 수행된다. 글로우 방전이 이온화 침탄을 위한 가스의 존재하에서 수행되거나 Ti 산화물을 형성하기 위한 화학양론적 양보다 작은 산소가 공급되면서 플라즈마 침탄이 수행된다. 이에 의해 얻어진 산소/탄소 확산층은 내마모 및 스커프 저항을 개선시키지 않지만, 다른 부재에대한 파손 특성을 감소시킨다.
그러나, 전술한 것처럼, 열처리는 플라즈마 진공로 내에서 산소의 존재하에 수행되고 이온화 침탄은 글로우 방전에 의해 수행되므로, 복잡하다. 또한, 플라즈마 진공로 내에 진공 배출 장치 및 플라즈마 전력 공급원이 필요하므로 비용을 증가시킨다.
본 발명의 목적은 선행 기술의 단점을 감안하여, Ti 산화물을 형성함이 없이 산소 및 탄소 원자를 확산시켜 Ti 합금을 강화시키는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 의해 처리된 Ti 합금의 현미경 사진.
도 2는 도 1에 도시된 Ti 합금 재료의 산소 및 탄소 원자의 농도를 도시한 그래프.
도 3은 도 1에 도시된 Ti 합금 재료의 깊이에 따른 경도를 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예 3에 의해 처리된 Ti 합금의 현미경 사진.
도 5는 비교 실시예 2에 의해 처리된 Ti 합금의 현미경 사진.
도 6은 Ti 합금 재료에 대한 마모 시험의 결과를 나타내는 그래프.
도 7은 마모 시험용 장치의 개략도.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
1 : 밸브 가이드 2 : 시편
전술한 목적을 달성하기 위해서, Ti 합금 내에 C 및 O 원자를 확산시키기 위해 600℃ 내지 900℃ 및 CO2분위기의 가열로 내에서 Ti 합금을 가열하는 단계를 포함하는 Ti 합금의 강화 방법이 제공된다.
본 발명의 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 열처리가 후술된다.
Ti 합금으로는 Ti-5Al-2.5Sn과 같은 알파 합금, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo(여기서 "Ti6242"로 지칭됨) 및 Ti-8Al-Mo-V와 같은 준(near) 알파 합금, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn 및 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo와 같은 알파-베타 합금, 및 Ti-13V-11Cr-3Al 및Ti-15Mo-5Zr-3Al과 같은 베타 합금을 포함한다. Ti6242가 바람직하게 사용될 수도 있다.
열처리에서, Ti 합금은 가열로 내에 위치되고, 로 내의 공기는 CO2에 의해 세정된다. Ti 합금은 600℃ 내지 900℃, 바람직하게 800 내지 850℃ 및 CO2분위기에서 가열된다.
600℃ 이하에서, 탄소 원자의 확산 속도는 너무 느려, 비용면에서 단점이 된다. 900℃ 이상에서, 산화물층이 형성되고 상기 온도는 Ti의 베타 변태점을 초과하여 그 조직을 변화시키므로 바람직하지 않다.
열처리에 있어서, Ti 합금 내로의 C 및 O의 유입에 의해 소비된 CO2를 보충하고 로 내의 CO2분위기를 유지하기 위해, CO2는 가열로 내로 항상 공급될 수도 있다. 공급 속도는 0.5 내지 3.0 ℓ/분, 바람직하게 1.0 내지 2.5 ℓ/분일 수도 있다.
CO2내에서 처리 시간은 내마모성 및 경도에 영향을 주므로, 바람직하게 1 내지 3 시간일 수도 있다. 열처리에 의해, O 및 C 원자는 표면으로부터 25 내지 50㎛의 깊이로 확산되며, 표면 경도는 HV 550 내지 1000이다.
자동차의 내연기관 내의 포핏 밸브가 Ti 합금으로 제조될 때, 적절한 비커스(Vickers) 경도는 HV 700 내지 850이다. 본 발명에 따른 방법에 의해 처리된 밸브는 내마모성 및 스커프 저항을 제공할 뿐만 아니라, 다른 부재에 대한 손상특성도 개선시킨다.
실시예 1
24 l의 부피를 갖는 머플 로(muffle furnace) 내부에는 Ti6242로 제조된 포핏 밸브가 표본으로서 놓여지며 CO2가 공기를 세정하기 위해 유입된다. CO2는 1 ℓ/분의 유동 속도로 로내에 공급되며 표본은 800℃까지 가열되어 2시간 동안 상기 온도에서 유지된다. 그후, 밸브는 공기와 접촉하지 않고 상온으로 냉각된다. 냉각 후, 표본은 로 밖으로 꺼내져 다양한 시험이 행해진다.
도 1은 표본 단면의 현미경 사진을 도시한다. 현미경 사진에 도시된 것처럼, O 및 C 원자가 도면에 도시된 깊이로 유입되었다.
도 2는 전기장 복사형 오제(Auger) 전자 분광계에 의해 각각의 깊이에서 측정된 O 및 C 원자의 평균 농도를 도시하는 그래프이다. 상기 그래프에서, 횡축은 표본 표면으로부터의 깊이(㎛)를 의미하고, 종축은 O 및 C 원자의 농도(원자%)를 의미한다. 농도의 단위, 즉 "원자%"는 분석된 총 원자에 관련된 O 및 C 원자의 비를 의미한다. 상기 그래프는 표본의 확산층 내에 있는 산소 및 탄소 원자를 도시한다.
X선 미소회절 장치의 X선 회절에 의해 TiC는 확인되지만, Ti 산화물은 확인되지 않는다. 이 결과로부터, 산소 원자는 Ti와 결합하지 않고 원자로 존재한다. 탄소 원자는 부분적으로 Ti와 결합하여 TiC를 형성하지만, 잔류부분은 탄소 원자로서 확산된다.
이에 의해 얻어진 표본의 단면 경도는 시마츠(SHIMAZU)사의 마이크로-비커스 경도 시험기에 의해 측정된다. 도 3은 경도의 분포를 도시한다. 횡축은 표면으로부터의 깊이(㎛)를 의미하고 종축은 100gf하에서의 경도(HV)를 의미한다. 본 발명의 방법에 따라 50㎛의 깊이까지 경도가 개선됨을 도시한다.
도 2 및 도 3은 산소 및 탄소 원자의 존재가 Ti 합금의 경도 개선에 기여함을 보여준다.
도 3에 도시된 것처럼, 표면 경도는 HV 830이다.
실시예 2 내지 9 및 비교 실시예 1 내지 3
Ti6242에 대한 표면 처리가 상이한 온도 및 시간에 대해 수행되며, 다음 표 1은 그 결과를 나타낸다.
CO2분위기에서, Ti6242는 710℃ 내지 850℃에서 0.5 내지 50시간 동안 가열되어, O 및 C 원자가 산화물의 형성 없이 Ti 합금 내에 유입된다.
도 4는 실시예 3에 따라 처리된 Ti 합금 포핏 밸브의 현미경 사진을 도시하며, O 및 C 확산층이 형성되었음을 나타낸다.
포핏 밸브는 자동차의 내연 기관에 사용되고 고온과 같은 심한 조건에 놓인다. 이러한 밸브는 HV 700 내지 850의 경도를 요구한다. 실시예 1, 5 및 6에서 표본은 800℃에서 1 내지 2 시간의 조건에 놓일 것을 요한다.
비교 실시예 1에서 명백한 것처럼, 850℃의 온도는 실시예 8 및 9에서의 온도와 동일하지만, HV 1030을 얻기 위해 55 시간이 걸린다. 그러나 시간이 너무 오래 걸려 표면 상에 산화물층이 형성된다. 또한 변형이 커서 적절하지 못하다.
비교 실시예 2 및 3에서, 온도가 900℃ 이상일 때, 표면 경도는 충분하지만두꺼운 산화물층이 형성되어 큰 변형을 야기하는데, 이는 실제적인 용도에 부적절하다.
도 5는 비교 실시예 2에 따른 포핏 밸브의 현미경 사진이며, 여기서 산화물층이 O 및 C 확산층 상에 형성되었음을 나타낸다.
도 6은 실시예 1 및 3, 비교 실시예 2의 Ti6242, 처리되지 않은 Ti 합금 및 연질화처리된 내열강에 대한 마모 시험의 결과를 도시한다.
도 7에 도시한 것처럼, 상기 시험을 수행하기 위해, 시편(2)은 Fe 소결 재료로 제조된 밸브 가이드(1)에 연결된다. 6㎏f의 수직 중량 "W"이 부과되고 시편(2)은 윤활유가 이들 사이에 공급되면서 50시간 동안 왕복 이동된다.
처리되지 않은 Ti6242로 제조된 시편의 마모가 최대이며, 마모는 실시예 3, 실시예 1, 내열강 및 비교 실시예 2의 순으로 작아진다. 실시예 1은 내열강과 마모 측면에서 동등하다. 표면 경도의 차이로 인해, 실시예 3은 실시예 1보다 마모가 크다. 비교 실시예 2에서 마모가 최소인 것은 표면 상의 산화물 때문인 것으로 판단된다. 비교 실시예 2는 너무 경질이어서, 이와 연결된 밸브 가이드(1)의 마모가 최대이다.
Ti 합금 내에 C 및 O 원자를 확산시키기 위해 600℃ 내지 900℃ 및 CO2분위기의 가열로 내에서 Ti 합금을 가열하는 단계를 포함하는 본 발명에 따른 Ti 합금의 강화 방법에 의해, 복잡하지 않고 플라즈마 진공로 내부에 진공 배출 장치 및 플라즈마 전력 공급원이 필요없게 된다.
Claims (7)
- Ti 합금의 강화 방법으로서,C 및 O 원자를 상기 Ti 합금 내로 확산시키도록 600℃ 내지 900℃ 및 CO2분위기의 가열로 내에서 상기 Ti 합금을 가열하는 단계를 포함하는 Ti 합금의 강화 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 방법이 0.5 내지 50 시간 동안 수행되는 Ti 합금의 강화 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 방법이 800℃ 내지 850℃에서 수행되는 Ti 합금의 강화 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 방법이 1 내지 3 시간 동안 수행되는 Ti 합금의 강화 방법.
- 제 1 항에 있어서,CO2가 상기 가열로 내로 항상 유입되는 Ti 합금의 강화 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 방법이 약 800℃에서 1 내지 2 시간 동안 수행되는 Ti 합금의 강화 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 Ti 합금이 내연 기관 내의 포핏 밸브를 제조하는데 사용되는 Ti 합금의 강화 방법.
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