KR20040001721A - 밸브 시트용 내마모 소결합금과 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 밸브 시트용 내마모 소결합금과 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철을 주성분으로 하고 여기에 소정량의 탄소, 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 텅스텐, 코발트 등을 함유시킨 고속도강 재질에 동을 용침한 다음 소려처리를 실시하여 밸브 시트용 소결합금을 제조함으로써, 마모시 기지조직에서 탈락하는 금속 입자를 줄이는 동시에 그 입자의 크기를 작게 하여 기존의 밸브 시트용 소결합금에 비해 내마모성 및 내충격성이 증가되고, 또한 기존 납을 함침하여서만 대응이 가능하던 건조한 연료에도 적용이 가능하도록 개선된 밸브 시트용 내마모 소결합금과 그 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 밸브 시트용 내마모 소결합금과 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철을 주성분으로 하고 여기에 소정량의 탄소, 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 텅스텐, 코발트 등을 함유시킨 고속도강 재질에 동을 용침한 다음 소려처리를 실시하여 밸브 시트용 소결합금을 제조함으로써, 마모시 기지조직에서 탈락하는 금속 입자를 줄이는 동시에 그 입자의 크기를 작게 하여 기존의 밸브 시트용 소결합금에 비해 내마모성 및 내충격성이 증가되고, 또한 기존 납을 함침하여서만 대응이 가능하던 건조한 연료에도 적용이 가능하도록 개선된 밸브 시트용 내마모 소결합금과 그 제조방법에 관한 것이다.
통상적으로, 자동차용 엔진의 구성품 중 밸브 시트는 밸브면과 밀착되어 연소실의 기밀을 보존하는 역할을 하는 구성품으로서, 밸브면과 계속해서 충격적인 일을 반복 수행하므로 손상되지 않을 정도의 경도를 가지도록 제작되어야 한다.
종래에 사용되는 밸브 시트(valve seat)용 내마모 소결합금은 철을 중성분으로 하고 여기에 탄소 0.4 ∼ 1.0 중량%, 규소 0.1 ∼ 1.0 중량%, 크롬 0.5 ∼ 2.0 중량%, 몰리브덴 6.0 ∼ 10.0 중량%, 코발트 6.0 ∼ 15.0 중량% 및 납 6.0 ∼ 18.0 중량%가 함유된 것으로서, 다음의 공정을 거쳐 제조된다.
먼저, 상기 조성 중 납을 제외한 금속 분말을 혼합한 다음, 면압 4 ∼ 8ton/㎤을 가하여 성형한다. 이후, 환원성 분위기 하에 750 ∼ 800℃에서 40분간 예비 소결을 한 다음, 면압 7 ∼ 10ton/㎤ 하에서 단조한다.
이어서, 수소 분위기 하에 1,110 ∼ 1,140℃에서 30 ∼ 50분간 본소결을 한 다음, 자기 윤활성을 부여하기 위하여 400 ∼ 450℃에서 10 ∼ 30분간 납을 함침시키고, 같은 온도에서 80 ∼ 110분간 바렐 공정을 실시하여 밸브 시트용 내마모 소결합금을 제조한다.
그러나, 상기 조성 및 함량으로 제조된 밸브 시트용 소결합금은 기지 조직 내에 거대한 금속 입자가 분산된 미세 조직 특성을 나타낸다. 이러한 거대한 금속 입자는 외부 충격에 의한 크랙 발생의 원인이 되어 내충격성을 떨어뜨린다.
이와 더불어, 종래의 밸브 시트용 소결합금 적용시에는 내마모성이 쉽게 저하되어 마모면 금속 입자의 탈락과 함께 실린더 내 압축 가스가 샐 우려가 있고, 가공성도 불량하여 이에 대한 개선이 필요하였다.
또한, 종래의 밸브 시트용 내마모성 소결합금에서는 납을 사용하여 자기윤활성을 부여하기 때문에 우수한 내마모성에도 불구하고 공해물질로 간주되어 그 사용을 금하는 추세에 있는 납을 사용한다는 점에서 이에 대한 개선이 시급한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 주성분인 철에다 탄소, 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 텅스텐, 코발트, 규소, 질화붕소, 황 및 망간을 함유시키고, 동을 용침한 다음, 소려처리를 실시하여 제조함으로써, 납 함침 없이도 건조한 연료에 적용 가능하고 내마모성을 향상시킨 밸브 시트용 소결합금과 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 철을 주성분으로 하고 탄소, 규소, 크롬, 몰리브덴 및 코발트가 함유된 밸브 시트용 소결합금에 있어서,
철을 주성분으로 하고 여기에 탄소 1.1 ∼ 1.6 중량%, 크롬 3.0 ∼ 5.0 중량%, 몰리브덴 2.0 ∼ 4.0 중량%, 바나듐 3.0 ∼ 5.0 중량%, 텅스텐 6.5 ∼ 9.5 중량%, 코발트 2.0 ∼ 3.5 중량%, 규소 0.2 ∼ 0.6 중량%, 질화붕소 0.1 ∼ 1.0 중량%, 황 0.2 ∼ 0.4 중량% 및 망간 0.2 ∼ 0.5 중량%가 함유되어 있는 비납함침 소결합금에 동 12 ∼ 18 중량%가 용침되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 철을 주성분으로 하고 탄소, 규소, 크롬, 몰리브덴 및 코발트를 함유하는 밸브 시트용 소결합금의 제조방법에 있어서,
철을 주성분으로 하고 여기에 탄소 1.1 ∼ 1.6 중량%, 크롬 3.0 ∼ 5.0 중량%, 몰리브덴 2.0 ∼ 4.0 중량%, 바나듐 3.0 ∼ 5.0 중량%, 텅스텐 6.5 ∼ 9.5중량%, 코발트 2.0 ∼ 3.5 중량%, 규소 0.2 ∼ 0.6 중량%, 질화붕소 0.1 ∼ 1.0 중량%, 황 0.2 ∼ 0.4 중량% 및 망간 0.2 ∼ 0.5 중량%를 배합하여 면압 5 ∼ 8ton/㎤로 가압 성형하는 제 1 단계 공정과;
상기 제 1 단계 공정을 거친 후, 1,150 ∼ 1200℃의 온도로 소결 후 공냉시키는 제 2 단계 공정과;
상기 제 2 단계 공정을 거친 후, 1080 ∼ 1100℃의 온도에서 12 ∼ 18 중량%의 순동을 용침하는 제 3 단계 공정과;
상기 제 3 단계 공정을 거친 후, 850 ∼ 880℃의 온도에서 30 ∼ 50분간 유지 후 유냉하는 제 4 단계 공정과;
상기 제 4 단계 공정을 거친 후, 600 ∼ 650℃의 온도로 소려처리하는 제 5 단계 공정;
으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이와 같은 특징을 갖는 본 발명의 밸브 시트용 내마모 소결합금과 그 제조방법을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 밸브 시트용 내마모 소결합금은 철을 주성분으로 하며, 내마모성 및 가공성의 문제점을 개선하기 위하여 각 합금강 원소의 조성 범위를 적절히 설정하였다. 특히, 본 발명에서는 탄소, 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 코발트 및 텅스텐 등의 고속도강 금속 분말을 함유시켜 절삭성을 증가시키고, 표면 특성을 향상시킨다.
먼저, 제 1 단계 공정으로, 철을 주성분으로 하고 여기에 탄소 1.1 ∼ 1.6 중량%, 크롬 3.0 ∼ 5.0 중량%, 몰리브덴 2.0 ∼ 4.0 중량%, 바나듐 3.0 ∼ 5.0 중량%, 텅스텐 6.5 ∼ 9.5 중량%, 코발트 2.0 ∼ 3.5 중량%, 규소 0.2 ∼ 0.6 중량%, 질화붕소 0.1 ∼ 1.0 중량%, 황 0.2 ∼ 0.4 중량% 및 망간 0.2 ∼ 0.5 중량%를 배합하여 면압 5 ∼ 8ton/㎤로 가압 성형한다.
밸브 시트용 내마모 소결합금은 첨가되는 탄소의 함량에 따라 고속도강으로서 그 기계적 성질이 현저히 달라진다. 본 발명에서는 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금 조성에 대하여 탄소가 1.1 ∼ 1.6 중량%로 첨가된다. 만일, 탄소의 함량이 1.1 중량% 미만이면 강도 및 경도가 부족하고, 1.6 중량%를 초과하여 첨가하면 인장강도 및 경도가 감소되어 바람직하지 못하다.
상기 크롬은 고속도강으로 내마모성 및 내식성을 증가시키기 위하여 첨가되고, 그 함량은 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금 조성에 대하여 3.0 ∼ 5.0 중량%로 첨가된다. 만일, 상기 크롬의 함량이 3.0 중량% 미만이면 내마모성 및 내식성의 증가 측면에서 효과가 미흡해지고, 5.0 중량%를 초과하여 첨가하면 가공성이 떨어지는 문제가 있어 바람직하지 않다.
상기 몰리브덴은 고속도강으로 절삭성, 고온 인장강도 및 경도를 증가시키기 위하여 첨가되고, 그 함량은 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금 조성에 대하여 2.0 ∼ 4.0 중량%로 첨가된다. 만일, 상기 몰리브덴을 상기 첨가범위를 벗어나 첨가하면 강도 및 경도가 증가되지 않는다.
상기 바나듐은 고속도강으로 결정립을 조절하기 위하여 첨가되고, 그 함량은 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금 조성에 대하여 3.0 ∼ 5.0 중량%로 첨가된다. 만일, 바나듐의 함량이 3.0 중량% 미만으로 첨가되면 내마모성 효과가 떨어지고,5.0 중량%를 초과하여 첨가하면 비경제적이므로 바람직하지 못하다.
상기 텅스텐은 고속도강으로 고온 인장 및 경도를 증가시키기 위하여 첨가된다. 그 함량은 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금 조성에 대하여 6.5 ∼ 9.5 중량%로 첨가된다. 만일, 텅스텐의 함량이 6.5 중량% 미만이면 탄화물의 형성량이 적어 내마모성이 저하되고, 9.5 중량%를 초과하여 첨가하면 경도가 너무 높아져 상대 재질에 대한 공격성이 커진다.
상기 코발트는 내열성 및 고온 경도를 증가시키기 위하여 첨가되며, 그 함량은 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금 조성에 대하여 2.0 ∼ 3.5 중량%로 첨가된다. 만일, 코발트의 함량이 2.0 중량% 미만이면 내열성의 증가 측면에서 효과가 미흡해지고, 3.5 중량%를 초과하여 첨가하면 비경제적이므로 바람직하지 못하다.
상기 질화붕소는 내마모성 및 자기 윤활성을 향상시키기 위하여 첨가되며, 그 함량은 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금 조성에 대하여 0.1 ∼ 1.0 중량%로 첨가된다. 만일, 질화붕소의 함량이 0.1 중량% 미만이면 내마모성 및 자기 윤활성 증가 효과가 떨어지고, 1.0 중량%를 초과하여 첨가하면 취약해지는 문제가 있어 바람직하지 못하다.
상기 규소는 탈산제로서 밸브 시트용 내마모 소결합금의 제조시 결정 입계에 편석 입계 탄화물의 석출을 저지하고, 입계 산화물을 동시에 저감시키는 역할을 한다. 또한, 규소는 합금 중에서 편석을 만드는 경향이 있으며, 산화규소로 강속에 존재하여 입계 산화층을 형성하게 되므로 그 함량을 제한한다. 본 발명에서는 규소의 함량을 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금 조성에 대하여 0.2 ∼ 0.6 중량%로첨가한다. 만일, 규소를 0.2 중량% 미만으로 첨가하면 탈산제로서의 효과가 미비해지고, 0.6 중량%를 초과하여 첨가하면 합금 내 편석이 많이 형성되어 바람직하지 못하다.
상기 망간은 철 내에 존재하는 미량의 황과 결합하여 MnS를 형성하기 위하여 첨가된다. 그 함량은 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금에 대하여 0.2 ∼ 0.5 중량%로 첨가된다. 만일, 망간의 함량이 0.2 중량% 미만이면 MnS를 형성하여 자기 윤활성을 갖기 어려워 바람직하지 못하다.
제 2 단계 공정으로, 상기 제 1 단계를 거친 가압 성형물을 1150 ∼ 1200℃의 온도로 30 ∼ 50분간 소결한 후, 공냉시킨다. 상기 공정에서 1150℃ 미만에서 소결공정을 거치게 되면 분말 입자의 확산이 잘 되지 않아 기지 조직이 약화되는 문제점이 있고, 1200℃가 넘으면 결정립이 조대화되어 기계적 성질이 떨어지는 문제점이 있어 바람직하지 못하다.
제 3 단계 공정으로, 상기 제 2 단계를 거친 후, 1080 ∼ 1100℃의 온도에서 동용침(銅溶浸)한다. 이때, 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금의 조성에 대하여 12 ∼ 18 중량%의 순동을 기공에 침투시킴으로써, 열전도도를 향상시키고, 기지 조직을 강화시킨다. 만일, 동의 함량이 12 중량% 미만이면 그 효과가 적고, 18 중량%를 초과하여 사용하면 내마모성이 떨어져 바람직하지 못하다.
제 4 단계 및 제 5 단계 공정으로, 상기 제3단계를 거친 소결합금을 850 ∼ 880℃의 온도에서 30 ∼ 50분간 유지한 후 유냉하고, 이후 600 ∼ 650℃의 온도에서 소려(tempering)처리하여 기지 조직에 인성을 부여한다.
이상과 같은 공정을 통하여 제조된 밸브 시트용 내마모 소결합금은 고속도강 금속 분말의 사용으로 기지 조직에 미세한 구형 입자가 분산된 표면 특성을 나타내어, 마모시 탈락되는 탄화물의 입자 크기가 매우 작아 전체적인 마모량이 감소된다.
또한, 우수한 내마모성을 가짐에 따라, 고출력, 고성능 엔진용 무연가솔린뿐만 아니라 기존에 납함유 재료로만 대응이 가능하던 건조 분위기의 연료(예, LPG) 종류에서도 사용이 가능하다.
특히, 기존의 납함침 방식을 배제하여, 납성분 함유에 따른 환경문제를 방지할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거 더욱 상세히 설명하는 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1, 2
본 발명에 따른 실시예 1, 2로서, 다음의 표 1에 나타낸 바와 같은 조성과 함량으로 배합하여 밸브 시트용 내마모 소결합금을 제조하였다. 이렇게 배합된 분말을 7ton/㎤의 압력으로 성형한 다음, 1,170℃에서 40분간 소결 후, 1090℃에서 전체 밸브 시트용 내마모 소결합금의 조성에 대하여 15 중량%의 순동을 용침하였으며, 이후 870℃의 온도에서 40분간 유지 후 유냉하고, 마지막으로 630℃에서 소려처리하였다.
비교예 1, 2
비교예 1, 2로서, 다음의 표 1에 나타낸 바와 같은 조성과 함량으로 종래기술에 의거 밸브 시트용 소결합금을 제조하였다.
실험예
상기 실시예와 비교에서 제조한 밸브 시트용 내마모 소결합금에 대하여 마모량을 측정하였고, 그 결과를 다음의 표 1에 나타내었다.
[시험방법]
마모량(mm): 시뮬레이션 리그시험기(Rig Tester)를 이용하여 다음의 시험조건 하에서 실시하였다.
- CAM 회전수: 2500rpm
- 온도: 400℃
- 시간: 10시간
- 사용연료: LPG + 산소가스
마모량 측정의 결과로서, 상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 밸브 시트용 소결합금은 종래기술의 비교예에 따른 밸브 시트용 소결합금과 비교하여 볼 때, 그 마모량이 약 25% 감소함을 알 수 있었고, 결국 본 발명의 소결합금을 이용하면 밸브 시트의 내마모성이 향상될 수 있음을 확인하였다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 밸브 시트용 소결합금과 그 제조방법에서는 조성의 변화와 함께 동용침 후 열처리를 실시하여 제조함으로써, 기존의 밸브 시트용 소결합금에 비해 내마모성을 향상시킬 수 있게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 밸브 시트용 내마모 소결합금과 그 제조방법에 의하면, 조성의 변화와 함께 동용침 후 열처리를 실시하여, 기존의 밸브 시트용 소결합금에 비해 내마모성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 내마모성이 우수하여, 고출력, 고성능 엔진용 무연가솔린뿐만 아니라 기존에 납함유 재료로만 대응이 가능하던 건조 분위기의 연료(예, LPG) 종류에서도 사용이 가능하다.
특히, 기존의 납함침 방식을 배제하여, 납성분 함유에 따른 환경문제를 방지할 수 있는 효과가 있다.
Claims (2)
- 철을 주성분으로 하고 탄소, 규소, 크롬, 몰리브덴 및 코발트가 함유된 밸브 시트용 소결합금에 있어서,철을 주성분으로 하고 여기에 탄소 1.1 ∼ 1.6 중량%, 크롬 3.0 ∼ 5.0 중량%, 몰리브덴 2.0 ∼ 4.0 중량%, 바나듐 3.0 ∼ 5.0 중량%, 텅스텐 6.5 ∼ 9.5 중량%, 코발트 2.0 ∼ 3.5 중량%, 규소 0.2 ∼ 0.6 중량%, 질화붕소 0.1 ∼ 1.0 중량%, 황 0.2 ∼ 0.4 중량% 및 망간 0.2 ∼ 0.5 중량%가 함유되어 있는 비납함침 소결합금에 동 12 ∼ 18 중량%가 용침되어 있는 것을 특징으로 하는 밸트 시트용 내마모 소결합금.
- 철을 주성분으로 하고 탄소, 규소, 크롬, 몰리브덴 및 코발트를 함유하는 밸브 시트용 소결합금의 제조방법에 있어서,철을 주성분으로 하고 여기에 탄소 1.1 ∼ 1.6 중량%, 크롬 3.0 ∼ 5.0 중량%, 몰리브덴 2.0 ∼ 4.0 중량%, 바나듐 3.0 ∼ 5.0 중량%, 텅스텐 6.5 ∼ 9.5 중량%, 코발트 2.0 ∼ 3.5 중량%, 규소 0.2 ∼ 0.6 중량%, 질화붕소 0.1 ∼ 1.0 중량%, 황 0.2 ∼ 0.4 중량% 및 망간 0.2 ∼ 0.5 중량%를 배합하여 면압 5 ∼ 8ton/㎤로 가압 성형하는 제 1 단계 공정과;상기 제 1 단계 공정을 거친 후, 1,150 ∼ 1200℃의 온도로 소결 후 공냉시키는 제 2 단계 공정과;상기 제 2 단계 공정을 거친 후, 1080 ∼ 1100℃의 온도에서 12 ∼ 18 중량%의 순동을 용침하는 제 3 단계 공정과;상기 제 3 단계 공정을 거친 후, 850 ∼ 880℃의 온도에서 30 ∼ 50분간 유지 후 유냉하는 제 4 단계 공정과;상기 제 4 단계 공정을 거친 후, 600 ∼ 650℃의 온도로 소려처리하는 제 5 단계 공정;으로 이루어진 것을 특징으로 하는 밸브 시트용 내마모 소결합금의 제조방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR101438602B1 (ko) * | 2012-04-02 | 2014-09-05 | 현대자동차 주식회사 | 밸브시트용 소결합금 및 이를 이용한 밸브시트 제조방법 |
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