KR20040002642A

KR20040002642A - 분말 금속 밸브 시트 인서트

Info

Publication number: KR20040002642A
Application number: KR1020030040593A
Authority: KR
Inventors: 나라시만선더램엘.; 왕유슈; 로드리게스헤런에이.
Original assignee: 이턴 코포레이션
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2003-06-23
Publication date: 2004-01-07
Also published as: EP1375841B1; JP5551413B2; JP2010031385A; US20040000283A1; EP1375841A3; JP2004043969A; KR20100133934A; KR101160690B1; US6676724B1; KR101245069B1; EP1375841A2

Abstract

경력 및 중력 내연 기관 응용의 밸브 시트 인서트로서 사용하기에 특히 적합한 분말 금속 기관 성분이 개시된다. 상기 분말 금속 기관 성분은 코발트 또는 철 기반 합금에 대한 라베스 상과 같은 금속간 상을 포함한다.

Description

분말 금속 밸브 시트 인서트{POWDER METAL VALVE SEAT INSERT}

본 발명은 일반적으로 분말 금속 기관 성분(powder metal engine component)에 관한 것으로서, 특히 경력(light duty) 및 강력(heavy duty) 내연 기관 응용에 유용한 새로운 개선된 분말 금속 밸브 시트 인서트(powder metal valve seat insert)에 관한 것이다.

내연 기관의 동작 사이클은 종래 기술에 잘 알려져있다. 흡입 및 배기 밸브, 밸브 가이드, 및 배브 시트 인서트가 연소를 실링하는데 효과적으로 상호작용하기 위한 물리적인 조건이 광범위하게 연구되어 왔다. 여전히, 기관 및 차량 제조업자들은, 더 오래 동작하는 비용효율이 높은 기관을 제공하기 위한 기관 성분을 제조함에 있어 더 엄격한 마모 및 비용 절감 요구를 충족하는 방법을 항상 모색하고 있다. 최근에는, 분말 야금(powder metallurgy)이 기관 성분의 제조에 이용되어, 설계상의 융통성을 제공함은 물론 다양한 금속 또는 심지어 세라믹 합성물을 선택하는 것을 허용한다. 분말 야금 프로세스는 철 및 비철 부품을 제조하기 위한 매우 발전된 방법이다. 분말 야금 프로세스의 이점은 스크랩 손실을 최소화하고, 기계가공을 최소화하고, 조밀한 치수 공차를 유지하고, 자동-주유 또는 침투를 위해 공극률(porosity)이 제어되는 재료를 제공하며, 복잡한 형상을 제조하는 것을 포함하지만, 이러한 것들로 제한되지는 않는다.

내연 기관용 밸브 시트 인서트는 연장된 시간 주기 동안 상승된 온도에서 동작하기 위해 높은 마모 저항 재료를 필요로한다. 이 외에도, 밸브 시트 인서트는 상승한 온도에서의 반복적인 충격 하중 상황에서도 높은 크리프 강도 및 높은 열피로를 요구한다. 일반적으로, 높은 합금 분말로 제조되는 밸드 시트 인서트 재료는 낮은 압축성을 갖는다. 따라서, 이중 프레싱, 이중 소결, 고온 소결, 구리 침투 및열간 단조와 같은 프로세서가 원하는 밀도 레벨을 얻기 위해 사용된다. 불행히도, 상기 부가적인 단계는 재료를 매우 고가로 만들 수 있다. 내연 기관은 매우 다양한 연료, 예컨대 가솔린, 유연 또는 무연 연료, 디젤, 또는 CNG(압축 천연 가스)와 같은 대체 연료로 동작할 수 있다. 강력 또는 트럭 기관 응용은 경력 또는 승용차 응용에서보다 훨씬 더 높은 연소 압력으로 동작하여, 훨씬 더 우수한 마모 저항 재료를 필요로한다. 또한, 배기 밸브 시트 인서트가 흡입 밸브 시트 인서트보다 더 높은 온도에서 동작한다는 것이 공지되어 있다. 상기와 같은 매우 다양한 응용에 대해 상이한 모든 유형의 밸브 시트 인서트를 제공하는 것은 기술적으로 비현실적이며 경제적으로 어렵다.

연삭 및 응착 두 가지 모두의 마모 저항이 내연 기관에 사용되는 밸브 시트 인서트의 주요 조건이라는 것이 공지되어 있다. 양호한 마모 저항과 결합된 절삭성과 높은 열 및 부식 저항의 조합을 얻고자, 밸브 시트 인서트는 코발트, 니켈, 또는 마르텐사이트 철(martensite iron) 기반의 합금 주조로 제조되어 왔다. 이들 합금은 일반적으로, 캐스트 합금내에 마모 저항 탄화물이 존재하는 것으로 인해 높은 크롬 및 니켈 함유량을 가진 오스테나이트(austenitic) 열-저항 스틸에 대해 바라직하다. 그러나, 코발트 또는 니켈 기반 합금은 일반적으로 더 고가이다.

따라서, 새로운 분말 금속 기관 성분, 특히 강력 트럭 응용에서든지 승용차에서와 같은 경력 응용에서든지 배기 및 흡입 밸브 두 가지 모두에 대해 대부분의 내연 기관 응용에 적합한 밸브 시트 인서트가 여전히 요구된다. 바람직하게는, 상기 분말 금속 밸브 시트 인서트는 가솔린, 유연 또는 무연, 디젤, 또는 천연 가스와 같은 임의의 대체 연료를 포함하는(그러나 이러한 것들로 제한되지는 않음) 임의의 유형의 내연 기관 연료와 사용될 수 있다. 분말 금속 밸브 시트 인서트는 다양한 유형의 밸브 재료에 대해 우수한 연삭 및 응착 마모 저항 특성을 나타낸다.

따라서, 본 발명의 목적은 내연 기관을 위한 새로운 분말 금속 기관 성분을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 매우 다양한 내연 기관 응용에서 사용하기에 적합한 새로운 분말 금속 밸브 시트 인서트를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 강력 트럭 기관 응용에서 동작하기에 특히 적합한 개선된 분말 금속 밸브 시트 인서트를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 가솔린, 유연 또는 무연 연료, 디젤, 또는 CNG, 알콜 기반 연료 또는 이들의 혼합물과 같은 대체 건식 연료를 포함하는(그러나, 이들로 제한되지는 않음) 임의의 다양한 연료로 동작할 수 있는 내연 기관에서 동작하기에 적합한 개선된 분말 금속 밸브 시트 인서트를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 경도, 고온 경도, 연삭 및 응착 마모 저항에서 우수한 특성을 가진 개선된 분말 금속 밸브 시트 인서트를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적은, 라베스 상(Laves phase)과 같은 금속간 상을 포함하는 Tribaloy 합금, 특히 코발트 또는 철 기반 합금 중 어느 하나에 대한 조성에서와 유사한 재료 합금을 포함하는 개선된 분말 금속 기관 성분을 이용하여 달성될 수 있다. Tribaloy 는 Deloro Stellite Inc의 등록 상표이다. 본 발명에따른 철 기반 분말 금속 기관 성분은, 중량 퍼센트(weight percent) 기준으로 약 0.5 내지 약 1.5%에 달하는 양의 탄소(C); 약 1.0 내지 약 4.0%에 달하는 양의 크롬(Cr); 약 2.0% 내지 약 8.0%에 달하는 양의 몰리브덴(Mo); 약 0.2 내지 0.9%에 달하는 양의 망간(Mn); 약 0.1 내지 0.8%에 달하는 양의 바나듐(V); 약 0 내지 약 20.0%에 달하는 양의 구리(Cu); 약 0.2% 내지 약 3.5%에 달하는 양의 니켈(Ni); 약 0.2% 내지 약 0.8%에 달하는 양의 황(S); 약 0.2 내지 약 0.6%에 달하는 양의 텅스텐(W); 및 나머지가 실제로 철(Fe)인 화학적 조성을 포함한다.

본 발명에 따른 분말 금속 성분의 선택적인 실시예는, 중량 퍼센트 기준으로 약 0.7 내지 약 1.4%에 달하는 양의 탄소(C); 약 1.0 내지 약 4.0%에 달하는 양의 크롬(Cr); 약 6.0 내지 약 12.0%에 달하는 양의 몰리브덴(Mo); 약 0.1 내지 약 1.0%에 달하는 양의 규소(Si); 약 0.5% 내지 약 3.5%에 달하는 양의 니켈(Ni); 약 0.2 내지 약 1.0%에 달하는 양의 황(S); 약 4.0 내지 약 15.0%에 달하는 양의 코발트(Co); 최대 약 20%에 달하는 양의 구리(Cu); 및 나머지가 실제로 철(Fe)인 화학적 조성을 포함한다.

본 발명의 특성을 나타내는 다양한 신규 특징은 본 개시에 첨부되어 그 일부를 형성하는 특허청구범위에서 상세히 지적된다. 본 발명과, 그 동작 이점 및 이것의 사용으로 얻어지는 소정의 목적을 더욱 잘 이해하기 위해서는, 본 발명의 바람직한 실시예가 제시되어 있는 첨부 예, 도면 및 세부사항을 참조한다.

도 1은 기관 일부의 밸브 어셈블리를 나타내는 횡단면도.

도 2는 밸브 시트 인서트를 포함하는 밸브 어셈블리의 일부를 보다 상세히 나타내는 횡단면도.

도 3은 본 발명에 따른 제1 철 기반의 실시예 및 상업적으로 이용될 수 있는 밸브 시트 재료에 대한 밸브 시트 인서트 리그 테스트(rig test) 결과를 나타내는 그래프.

도 4는 도 3의 상업적으로 이용될 수 있는 재료와 본 발명의 제1 철 기반 실시예의 절삭성의 비교를 나타내는 그래프.

도 5는 본 발명의 제2 코발트 포함 실시예와 캐스트 T400 재료에 대한 밸브 시트 인서트 리그 테스트 결과를 나타내는 그래프.

도 6은 본 발명에 따라 제조된 분말 금속 성분을 나타내는 단면 마이크로조직.

본 발명은 밸브 시트 인서트로서 사용하기에 특히 적합한 개선된 분말 금속기관 성분에 관한 것이다. 본 발명에 따른 분말 금속 밸브 시트 인서트는 우수한 특성의 연삭 및 응착 마모 저항, 고온 저항, 고온 경도 및 절삭성을 제공한다. 본 발명에 따른 분말 금속 밸브 시트 인서트는 강력 트럭 응용에서 또는 심지어 경력 승용차 응용에서와 같은 매우 다양한 내연 기관 응용에 유용하다. 이것은 하드-페이스(hard-faced) 및 질소 밸브를 포함하는 다양한 유형의 밸브 재료로 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 분말 금속 밸브 시트 인서트는, 가솔린, 유연 또는 무연 연료, 디젤, 또는 알콜 기반 연료, CNG 또는 프로판, 또는 이들의 혼합물과 같은 대체 건식 연료를 포함하는(그러나 이러한 것들로 제한되지 않음) 임의의 다양한 유형의 연료원으로 동작하는 내연 기관에 사용될 수 있다.

달리 규정되지 않을 경우, 본 명세서에서, 모든 온도는 섭씨 온도(℃)이고, 모든 퍼센트(%)는 중량 퍼센트 기준이다.

먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 기관에서 사용하기 위한 밸브 어셈블리(10)가 도시되어 있다. 상기 밸브 어셈블리 도면은 단지 본 발명을 보다 잘 이해할 수 있게 하기 위한 설명용으로 제공되는 것이다. 밸브 어셈블리(10)는 밸브축 가이드(14)의 내부 보어내에 왕복적으로 각각 격납되는(receive) 다수의 밸브(12)를 포함한다. 밸브축 가이드(14)는 본래 실린더 헤드(24)로 삽입되는 튜블러 구조이다. 이들 기관 성분은 당업자들에게 잘 알려져있는 장치이므로, 본원에서 그 동작에 대해 상세히 설명할 필요가 없다. 많은 제조업자에 의해 변형 및 대체 구조가 제공되기 때문에, 본 발명이 임의의 특정 구조로 제한되지 않는다.

밸브(12)는 밸브(12)의 필릿(28)과 밸브 헤드 사이에 삽입되는 밸브 시트 페이스(16)를 포함한다. 밸브축(30)은 보편적으로 넥(28)의 위쪽에 위치하며, 일반적으로 밸브축 가이드(14)내에 격납된다. 밸브 시트 인서트(18)는 보편적으로 기관의 실린더 헤드(24)내에 장착된다. 바람직하게는, 상기 밸브 시트 인서트(18)는 도시된 횡단면을 가진 형상으로 실제로 원형이며, 밸브 시트 페이스(16)와의 접촉을 실링하기 위해 상기 밸브 시트 페이스를 함께 격납한다.

본 발명에 따른 분말 금속 블렌드의 제1 철 기반 실시예는, 다음과 같은 중량 퍼센트 기준으로 이하의 것들을 포함하는 재료의 블렌드를 사용한다:즉, Tribaloy T10에 포함된 것과 유사한 라베스 상과 같은 금속간 상을 포함하는 약 5 내지 약 15%, 바람직하게는 약 10%의 철 기반 합금; Powdrex로부터 상업적으로 이용될 수 있는 M3 공구강 분말과 같은 약 3% 내지 약 10%, 바람직하게는 약 5%의 공구강 분말; CaF₂및 MoS₂또는 이들의 혼합물과 같이 약 1% 내지 약 2%, 바람직하게는 약 1.5%의 고체 윤활제; 약 0.2% 내지 0.8%, 바람직하게는 0.5%의 활석(Talc)과 같은 고체 윤활제; Acrawax C와 같은 약 0.2% 내지 0.8%, 바람직하게는 약 0.5%의 일시적인 윤활제; 약 0.5 내지 약 1.2%, 바람직하게는 약 0.8%의 흑연; 및 나머지로 실질적으로 약 0 내지 약 3%, 바람직하게는 약 0.5% Cr; 약 0 내지 약 4%, 바람직하게는 약 1%의 Ni; 약 0.5 내지 약 1.5%, 바람직하게는 약 1%의 Mo; 0 내지 약 0.8%, 바람직하게는 약 0.25%의 V를 포함하는 저합금 분말; 그리고 나머지로 실질적으로 Fe을 포함한다. 본 발명에 따른 분말 금속 블렌드의 제2 코발트 포함 실시예는 중량 퍼센트 기준으로, 약 10% 내지 약 40%, 바람직하게는 약 35%의 T-400Tribaloy 분말(또는 이와 등가인 CoMoCrSi 분말); 약 1% 내지 약 5%, 바람직하게는 약 3%의 MoS₂와 같은 고체 윤활제; 약 1% 내지 약 2%, 바람직하게는 약 1.5%의 흑연; 및 나머지로 실제로 Hoeganaes Corporation으로부터 상업적으로 이용될 수 있는 Distaloy AE와 같은 저합금 베이스 분말의 혼합물을 포함한다.

본 발명에서 사용허기에 적합한 도구강 분말은, 바람직한 M3 분말을 이용하여 Powdrex로부터 상업적으로 이용될 수 있는 M 시리즈 강 분말을 포함하지만, 이것으로 제한되지는 않는다.

MoS₂는 본 발명에 바람직한 고체 윤활제이지만, CsF₂또는 활석 또는 MoS₂와의 그 혼합물과 같은 다른 윤활제가 이용될 수도 있다. 적합한 고체 윤활제는 분말식 수화 마그네슘 규산염(hydrated magnesium silicate)(보편적으로 활석을 말함), Acrawax C, 및 종래기술에 공지된 이황화물 또는 플루오르화물 유형의 고체 윤활제를 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다.

흑연 분말에 대한 적합한 소스가, Southewestern Industries Incorporated의 제조품인 Southwestren 1651이다.

구리 분말에 대한 적합한 상업적 소스는 OMG Americas이다. 이 회사는 또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 코발트가 포함된 분말 금속 블렌드에 사용되는 434 Powder와 같은 저합금 분말에 대한 적합한 소스이다.

본 발명의 제1 실시예에 따라 철 기반 분말 금속 블렌드에 이용되는 저합금 분말은 Quebec Metal Powders로부터 상업적으로 이용될 수 있는 OMP 4701 분말이바람직하다.

분말 금속 블렌드는 균질 혼합물을 얻도록 충분한 시간 철저히 혼합된다. 보통, 혼합물은 약 30분 내지 약 2시간, 바람직하게는 약 1시간 동안 블렌딩됨으로써, 균질 혼합물이 얻어진다. 볼 혼합기 또는 더블콘 블렌더(double cone blender)와 같은 임의의 적합한 혼합 수단이 이용될 수 있다.

다음으로, 혼합물은, 약 65 TSI(약 988 Mpa) 미만의 바람직한 압력으로 평방인치 당 약 50 톤(TSI) 내지 평방 인치당 약 75 톤(약 760 내지 약 1140 Mpa)에 달하는 통상적인 압축 압력의 통상적인 프레스로 압축된다. 약 65 TSI를 초과하는 압력은 유용하긴 하지만 지나치게 비싸다. 역으로, 50 TSI 보다 낮은 압력이 이용될 수도 있지만, 약 35 TSI 보다 낮은 압력은 거의 사용된 적이 없다. 압축 압력은 니어 넷 쉐이프(near net shape), 또는 심지어 약 6.5그램/세제곱센티미터(g/cm³) 내지 약 7/4 g/cm³범위의 원하는 밀도를 갖는 넷 쉐이프를 프레스하여 콤팩트를 형성하는데 적합하다. 상기 밀도는 6.8g/cm³가 바람직하다. 분말 금속 기관 성분이 강력 트럭 응용에서와 같은 심각한 기관 환경에서 동작하도록 하기 위해서는, 분말 금속 기관 성분이 6.5g/cm³의 최소 밀도로 압축될 수 있어야 한다. 압축은 원하는 형상의 다이를 이용하여 수행될 수 있다. 압축은 단일축으로(uniaxially) 또는 동일배열로(isotacticly) 수행될 수 있다. 그린 콤팩트는 콤팩트의 소결이 발생하는 통상적인 소결로로 전달된다. 소결은, 콤팩트내의 대부분 성분의 액상 온도 미만으로 콤팩트를 가열함으로써 콤팩트내의 인접 표면들을 본딩하는 것이다.

본 발명에 이용되는 소결 조건은 통상적인 소결 온도를 사용하는데, 이것은 일반적으로 약 1,040℃ 에서 약 1,150℃ 범위, 바람직하게는 약 1,100℃ 온도를 사용한다. 선택적으로, 더 높은 소결 온도가 약 1,250℃ 에서 약 1,350℃ 범위, 바람직하게는 약 1,300℃에서 약 20분 내지 약 한 시간, 또는 더욱 바람직하게는 30분 동안, 질소(N₂), 수소(H₂) 또는 아르곤(Ar)을 포함하는(그러나 이것으로 제한되지는 않음) 불활성 가스 또는 혼합 기체의 환원성 대기에서, 또는 진공 상태에서 이용될 수 있다. 본 발명의 합금은 "소결(as-sintered)" 상황에서 또는 열 처리 상황에서 사용될 수 있다. 분말 야금을 위한 열 처리 방법이 종래 기술에 잘 알려져있다.

본 발명의 분말 금속 재료는 실온에서 압인가공될 수 있고, 또는 가공경화 표면을 형성하기 위해 또는 증가된 마모 저항에 대한 밀도를 증가시키기 위해 고온 단조될 수 있다. 이 외에도, 본 발명의 분말 금속 재료는 증가된 마모 저장에 대한 밀도를 증가시키기 위해 구리 침투될 수 있다.

상기 조성 및 방식에 따라 제조되는 제1 실시예의 철 기반 분말 금속 기관 성분은 중량 퍼센트 기준으로, 약 0.5 내지 약 1.5%의 탄소(C); 약 1.0 내지 약 4.0%의 크롬(Cr); 약 0.3 내지 약 0.9%의 망간(Mn); 약 3.0 내지 약 7.0%의 몰리브덴(Mo); 약 0.1 내지 약 0.5%의 바나듐(V); 약 0.2 내지 약 2.0%의 니켈(Ni); 약 0.2 내지 약 0.8%의 황(S); 약 0.2 내지 약 0.6%의 텅스텐(W); 약 0 내지 약 20%의 구리(Cu); 그리고 나머지로 실질적으로 철(Fe)을 포함하는 화학 조성을 갖는다. 분말 금속 기관 성분은 Rockwell B Scale의 약 100 에서 약 120 HRB 범위의 명백한 경도를 갖는다.

철 기반 라베스 상 분말 금속 기관 성분의 바람직한 화학 조정은: 1.05%의 C, 2.0%의 Cr, 11.0%의 Cu, 0.1%의 Mg, 0.58%의 Mn, 4.23%의 Mo, 0.72%의 Ni, 0.47%의 S, 0.33%의 V, 0.36%의 W, 그리고 그 나머지로 실질적으로 Fe을 포함한다.

본 발명의 제2 코발트 포함 실시예에 따른 분말 금속 기관 성분은 중량 퍼센트 기준으로, 약 0.7 내지 약 1.4%의 탄소(C); 약 1.0 내지 약 3.0%의 크롬(Cr); 약 6.0 내지 약 12.0%의 몰리브덴(Mo); 약 0.5 내지 약 3.0%의 니켈(Ni); 약 0.1 내지 약 1.0%의 규소(Si); 약 0.2 내지 약 0.8%의 황(S); 약 4.0 내지 약 15.0%의 코발트(Co); 최대 20%의 구리(Cu), 그리고 그 나머지로 실질적으로 철(Fe)을 포함하는 화학 조성을 갖는다. 상기 금속 분말 기관 성분은 Rockwell B Scale로 약 100 내지 약 120 HRB 범위의 명백한 경도를 갖는다.

코발트 기반 라베스 상 분말 금속 기관 성분에 대한 바람직한 화학 조성은: 1.29%의 C, 15%의 Co, 2.2%의 Cr, 0.89%의 Cu, 9.51%의 Mo, 2.67%의 Ni, 0.7%의 S, 0.86%의 Si, 및 그 나머지로 실질적으로 Fe을 포함한다.

도 3은 EXP1451로 구별된 제1 실시예에 따라 제조되는 밸브 시트 인서트와 EMS554MCul로 구별된 상업적으로 이용가능한 재료의 밸브 시트 인서트 리그 테스 결과를 도시하는 그래프이다. 리그 마모 테스트 절차에 대한 상세한설명은, WEAR 201(1996)의, Y.S.Wang 등에 의한 논설(article) "The Effect of Operating Conditions on Heavy Duty Engine Valve Seat Wear"에 명백히 나타나있으며, 본 발명의 양수인에게 할당되어 본원에서 참조로 포함되어 있는 미합중국 특허 제 5,271,823호에 기재되어 있다. 상기 테스트에서, 21-2N 재료로 제조된 밸브는 약 273 킬로그램(kg) 힘의 사이드로드(sideload)를 받는 축을 가지며, 대략 1,440,000 사이클 동안 20 헤르쯔(Hz)의 사이클 레이트(cycle rate)로 동작하였다. 밸브 시트는 약 677℃의 온도까지 가열되었다.

도 4는 "공구 마모 일차(Tool Wear Primary)" 와 "공구 마모 이차(Tool Wear Secondary)"로 구별된 두 상황에서 도 3과 동일한 재료에 대한 절삭성의 비교를 도시한다. 절삭성 테스트 절차의 상세한설명은, Proceedings of the International Symposium on Valvetrain System and Design Materials(1997)의, H.Rodrigues에 의한 논문 "Sintered Valve Seat Inserts and Valve Guides:Factory Affecting Design, Performance and Machinability"에 제시되어 있다. 테스트의 동작 파라미터는 약 1550 rpm 및 9.3 ipm의 피드 레이트(feed rate)로 동작하는 냉각재를 가진 CBN(Cubic Boron Nitride) 기계를 포함하였다.

상기 도면을 주의깊게 살펴보면, 원하는 특성에 있어서의 개선이 종래 기술에 비해 본 발명을 이용하여 얻어진다는 것이 나타나있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 PM 재료를 포함하는 코발트와 캐스트 T-400 Tribaloy 재료에 대한 밸브 시트 인서트 리그 테스트 결과를 도시하는 그래프이다. 캐스트 T-400 Tribaloy 인서트는 프리미엄 강력 디젤 응용을 위한 것이다. 상기 리그 테스트는 염욕 질화 Sil 1 밸브를 이용하여 수행되었다. 밸브 시트는 약 510℃의 온도에 있다. 밸브축은 대략 864,000 사이클 동안 약 10Hz의 사이클 레이트로 약 1814 킬로그램(kg) 힘의 사이드로드를 받는다. 다시말해, 캐스트 T-400 Tribaloy 재료에 비교되는 본 발명의 개선점이 명백히 도시되어 있다. 이것은, 기계가공하기 어려워 일반적으로 사전완성(pre-finished) 형태로 사용되는 캐스트 T-400 인서트와 비교되는 상당한 절삭성 개선을 나타낸다.

도 6은 본 발명의 분말 금속 블렌드 재료의 마이크로조직을 나타내는 스케치이다. 본 발명의 두 실시예에 존재하는 금속간 또는 라베스 상이 식별된다. 라베스 상은 열 및 마모 저항을 제공한다. 또한, 고체 윤활제, 탄화물, 및 템퍼드 마르텐사이트 매트릭스(tempered martensitic matrix)내의 평활(lubricity) 및 절삭성을 위해 구리 합금으로 채워지는 기공이 도시되어 있다. 보유한 오스테나이트 상이 또한 상기 마이크로구조에 도시되어 있다.

예 Ⅰ

본 발명에 따른 철 기반 분말은 더블콘 블렌더에서 약 30분 동안 다음과 같은 공식을 사용하여 블렌딩된다. 블렌드는, 100kg의 철 기반 금속간 분말, 50kg의 M3 분말, 15kg의 MoS₂, 5kg의 활석, 10kg의 흑연 분말, 6kg의 Acrawax C, 및 814kg의 QMP 4701 분말로 구성된다. 다음으로, 상기 블렌드는 6.8g/cm³의 밀도로 압축된다. 2100°F에서 20분 내지 30분 동안 수소 잔여물을 가진 90% 질소의 환원성 대기에서 소결이 수행된다. 상기 소결 이후에, 1.0 탄소 포텐셜에서 두 시간 동안 1600°F에서 침탄이 수행된 다음, 질소 대기에서 한 시간 동안 800°F에서 템퍼링함으로써 기름 담금질이 수행된다. 원할 경우, 상기 재료는 또한 소결하는 동안 Cu 침투될 수도 있다.

예 Ⅱ

본 발명에 따른 코발트 포함 블렌드가 상기 예 Ⅰ에서와 같이 처리되지만, 상기 블렌드는 다음과 같은 재료 및 중량: 즉 350kg의 T400 분말, 16kg의 흑연 분말, 30kg의 MoS₂, 10kg의 활석, 5kg의 Acrowax C, 및 589kg의 Distaloy AE를 포함한다.

Tribaloy 또는 T-400 합금양과 유사한 철 기반 금속간 재료의 100% 훨씬 미만의 양에 의해 유리하게 발견된 본 발명은 강력 및 경력 응용에서 적절한 마모 저항에 효과적으로 이용될 수 있다. 고체 윤활제와 결합된 신규 금속간 마이크로구조는, 경쟁성있는 가격으로 제조될 수 있는 우수한 절삭성 및 개선된 마모 저항을 가진 밸브 시트 인서트를 제공한다.

Tribaloy T 10 분말 금속 블렌드와 유사한 보다 낮은 비용의 철 기반 금속간 재료는 특히 대량 생산 승용차 응용에서 사용하기에 유리하다.

본 발명의 T-400 분말 금속 블렌드의 코발트 기반 금속간 상은 강력 응용에 대해 마모 저항을 제공한다. 절삭성 또는 비용이 제1 실시예에서와 같은 관심을 끌지는 못하지만, 제2 실시예는 트럭 기관 응용에서 특별한 실용성을 발견한다.

본 발명이 소정의 세부적인 사항으로 기술되었다 하더라도, 상기 바람직한 실시예에 대한 설명은 단지 예로서 제시된 것이며, 이하 청구된 본 발명의 의도와범위에서 벗어나지 않고 형태 및 세부항목에 대한 다양한 변경이 가능하다는 것을 알아야 한다.

Claims

중량 퍼센트 기준으로 화학 조성을 갖는 분말 금속 기관 성분으로서,

약 0.5 내지 약 1.5%의 C,

약 1.0 내지 약 4.0%의 Cr,

약 0.3 내지 약 0.9%의 Mn,

약 3.0 내지 약 7.0%의 Mo,

약 0.1 내지 약 0.5%의 V,

약 0.2 내지 약 2.0%의 Ni,

약 0.2 내지 약 0.8%의 S,

약 0.2 내지 약 0.6%의 W,

약 0 내지 약 20.0%의 Cu, 및

나머지로 실질적으로 Fe를 포함하는, 분말 금속 기관 성분.
제 1 항에 있어서,

상기 기관 성분은 밸브 시트 인서트인 것을 특징으로 하는 분말 금속 기관 성분.
제 1 항에 있어서,

상기 분말 금속 기관 성분은 약 6.5 g/cm³의 최소 밀도로 압축된 분말 금속 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 기관 성분.
제 3 항에 있어서,

상기 압축된 분말 금속 재료는 약 100 에서 약 120 범위의 Rockwell B scale의 경도를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 기관 성분.
제 4 항에 있어서,

상기 압축된 분말 금속 재료는, 라베스 상, 탄화물 및 고체 윤활제가 템퍼드 마르텐사이트, 펄나이트, 베이나이트 및 오스테나이트를 포함하는 매트릭스에 분산되어 있는 마이크로구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 기관 성분.
제 5 항에 있어서,

상기 성분은 소결(as-sintered) 및 템퍼드 상황을 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 기관 성분.
제 5 항에 있어서,

상기 성분은 구리 침투 상황을 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 기관 성분.
제 5 항에 있어서,

상기 성분은 증기 처리 상황을 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 기관 성분.
제 5 항에 있어서,

상기 성분은 침탄되고 템퍼드된 상황, 및 침탄질화되고 템퍼드된 상황으로 구성된 그룹으로부터 선택된 요소인 상황을 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 기관 성분.
중량 퍼센트 기준으로 화학 조성을 갖는 분말 금속 기관 성분으로서,

약 0.7 내지 약 1.4%의 C,

약 1.0 내지 약 3.0%의 Cr,

약 6.0 내지 약 12.0%의 Mo,

약 0.1 내지 약 1.0%의 Si,

약 0.5 내지 약 3.0%의 Ni,

약 0.2 내지 약 0.8%의 S,

약 4.0 내지 약 15.0%의 Co,

최대 약 20.0%의 Cu, 및

나머지로 실질적으로 Fe를 포함하는, 분말 금속 기관 성분.
제 10 항에 있어서,

상기 기관 성분은 밸브 시트 인서트를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 기관 성분.
제 10 항에 있어서,

상기 분말 금속 기관 성분은 약 6.5 g/cm³의 최소 밀도로 압축된 분말 금속 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 기관 성분.
제 10 항에 있어서,

상기 압축된 분말 금속 재료는 약 100 에서 약 200 범위의 Rockwell B scale의 경도를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 기관 성분.
제 10 항에 있어서,

상기 압축된 분말 금속 재료는, 라베스 상, 탄화물 및 고체 윤활제가 템퍼드 마르텐사이트 매트릭스내에 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 분말 금속 기관 성분.
제 10 항에 있어서,

상기 고체 윤활제는 MoS₂, CaF₂, 활석, 흑연, 및 MoS₂, talc, 흑연과 CaF₂의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 기관 성분.
제 15 항에 있어서,

상기 성분은 소결(as-sintered) 및 템퍼드 상황을 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 기관 성분.
제 15 항에 있어서,

상기 성분은 구리 침투 상황을 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 기관 성분.
제 15 항에 있어서,

상기 성분은 증기 처리 상황을 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 기관 성분.
제 15 항에 있어서,

상기 성분은, 침탄되고 템퍼드된 상황, 및 침탄질화되고 템퍼드된 상황으로 구성된 그룹으로부터 선택된 요소인 상황을 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 금속 기관 성분.