KR20040025003A - 엔진 벨브시트용 알루미늄계 금속분말 조성물 및 이것을이용한 밸브시트의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 엔진 벨브시트용 알루미늄계 금속분말 조성물 및 이것을 이용한 밸브시트의 제조방법에 관한 것으로서, 기본적으로 기존의 시트링을 삽입하는 방식을 배제하고 레이저 조사와 클래딩 분말을 사용하는 레이저 클래딩 방식을 적용하여 밸브시트를 성형하는 방법을 제공함으로써, 시트링 삭제에 따른 설계자유도를 높일 수 있도록 하는 동시에 전반적으로 엔진의 내구성 및 성능을 향상시킬 수 있도록 하고, 또한 클래딩면과 레이저빔을 수직으로 유지하고 스크류에 의해 분말을 공급하는 방식을 채용함으로써, 클래딩 작업성 및 성형성 측면에서 우수한 효과를 기대할 수 있도록 하며, 또한 경제성, 내열성, 강도 유지 가능성 등을 고려하여 독자적으로 개발한 클래딩 분말을 사용함으로써, 최신의 야그 레이저 클래딩 공법을 적용하면서 알루미늄 재질의 실린더헤드에 최적의 기계적인 물성을 제공할 수 있도록 한 것이다.
Description
본 발명은 엔진 벨브시트용 알루미늄계 금속분말 조성물 및 이것을 이용한 밸브시트의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알루미늄을 주성분으로 하여 실리콘, 구리, 철, 망간 및 마그네슘이 함유되어 있는 금속분말 조성물을 사용하여 레이저 클래딩(Laser cladding) 공법으로 제조한 엔진 밸브시트와 이때의 제조방법을 제공함으로써, 고온에서 내마모성, 내열성, 내식성 및 강도 유지 가능성 등이 우수한 밸브시트를 제조할 수 있도록 하는 한편, 경제성, 내열성, 강도 유지 가능성 등을 고려하여 독자적으로 개발한 클래딩 분말을 사용함으로써, 최신의 레이저 공법을 적용하면서 알루미늄 재질의 실린더헤드에 최적의 기계적인 물성을 제공할 수 있도록 한 엔진 벨브시트용 알루미늄계 금속분말 조성물 및 이것을 이용한 밸브시트의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 밸브시트는 흡기밸브와 배기밸브의 개폐시 밸브와의 기밀성을 유지하여 연소실의 연소효율을 높이는데 중요한 역할을 담당하는 엔진 부품이다.
이러한 밸브시트는 밸브와의 접촉 및 마찰, 배기가스에의 노출 등을 견디어야 하기 때문에 약 400∼700℃ 정도의 온도에 대한 내열성, 내마모성 및 내산화성 등이 요구된다.
기존 대부분의 밸브시트는 시트링을 삽입한 구조로 되어 있으나, 시트링 삽입과 관련하여 삽입부의 두께가 증가하는 문제, 소재와 밸브시트 간의 단열현상, 밸브시트의 냉각효율 저하, 시트링의 고온 마모발생 등 연소실 내의 열전도율 저하문제 등으로 인해 최근에는 시트링을 삽입하는 대신에 클래딩 분말을 레이저빔으로 용융시켜 밸브시트를 직접 형성하는 레이저 클래딩 방식을 많이 사용하고 있다.
레이저 클래딩 방식은 클래딩면 가공량을 최소화할 수 있어 냉각수 경로의 근접 설계가 가능하고, 소재와 시트 간의 금속적 결합, 밸브시트 냉각효율 향상, 노킹방지 등 연소실 내의 연소 열전도율의 향상을 도모할 수 있는 장점을 갖고 있다.
즉, 워터자켓 근접 설계로 냉각효율을 향상시킬 수 있으므로, 밸브시트 온도저하로 노킹 한계를 증대시킬 수 있고, 밸브 및 밸브시트 직경을 늘릴 수 있으므로, 연소실 내의 충진효율을 상승시킬 수 있으며, 궁극적으로 엔진출력 및 토크 향상, 연비 향상 등의 장점을 갖고 있기 때문에 최근 그 적용추세가 증가하고 있다.
기존 레이저 클래딩 공법에 사용되는 금속분말 조성물로는 다음과 같은 것들이 있다.
1) 알루미늄 5.0∼10.0중량%, 니켈 1.0∼5.0중량%, 철 1.0∼4.0중량%, 잔부가 실질적으로 구리를 기본조성으로 하는 구리 합금분말.
2) 알루미늄 5.0∼10.0중량%, 니켈 1.0∼4.0중량%, 철 1.0∼4.0중량%, 잔부가 실질적으로 구리를 기본조성으로 하는 구리 파이프.
3) 코발트 10∼15중량%, 알루미늄 1.0∼5.0중량%, 니켈 10∼15중량%, 원소주기율표 Va족의 바나듐, 니오븀, 탄탈륨 중의 1종 또는 2종 이상 0.1∼5.0%, 실리콘 1∼5중량%, 잔부가 실질적으로 구리를 기본조성으로 하는 합금분말.
4) 코발트 10∼15중량%, 알루미늄 1.0∼5.0중량%, 철 4∼8중량%, 니켈10∼15중량%, 원소주기율표 Va족의 바나듐, 니오븀, 탄탈륨 중의 1종 또는 2종 이상 0.1∼5.0%, 실리콘 1∼5중량%, 잔부가 실질적으로 구리를 기본조성으로 하는 합금분말.
위와 같은 구리계 금속분말 조성물들은 이산화탄소 레이저 클래딩에 적합하도록 최적화하여 개발된 분말이지만, 최근 개발되어 우수한 용접특성을 보이고 있는 야그(YAG) 레이저 클래딩에는 적합하지 못한 비효율적인 측면이 있었으며, 밸브시트의 제조와 관련한 레이저 클래딩 공법에 효과적으로 적용할 수 있는 새로운 금속분말 조성물의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 기본적으로 기존의 시트링을 삽입하는 방식을 배제하고 레이저 조사와 클래딩 분말을 사용하는 레이저 클래딩 방식을 적용하여 밸브시트를 성형하는 방법을 제공함으로써, 시트링 삭제에 따른 설계자유도를 높일 수 있도록 하는 동시에 전반적으로 엔진의 내구성 및 성능을 향상시킬 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 클래딩면과 레이저빔을 수직으로 유지하고 스크류에 의해 분말을 공급하는 방식을 채용함으로써, 클래딩 작업성 및 성형성 측면에서 우수한 효과를 기대할 수 있도록 하는데 있다.
또한, 본 발명은 경제성, 내열성, 강도 유지 가능성 등을 고려하여 독자적으로 개발한 클래딩 분말을 사용함으로써, 최신의 야그 레이저 클래딩 공법을 적용하면서 알루미늄 재질의 실린더헤드에 최적의 기계적인 물성을 제공할 수 있도록 하는데 또 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 알루미늄계 금속분말 조성물은 엔진 밸브시트용 금속분말 조성물에 있어서, 상기 금속분말 조성물은 알루미늄 75∼85중량%, 실리콘 10∼20중량%, 구리 1∼10중량%, 철 0∼5중량%, 망간 0∼5중량%, 마그네슘 0∼2중량%로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 알루미늄계 금속분말 조성물을 이용하여 밸브시트를 제조하는 방법은 알루미늄 75∼85중량%, 실리콘 10∼20중량%, 구리 1∼10중량%, 철 0∼5중량%, 망간 0∼5중량%, 마그네슘 0∼2중량%로 이루어진 금속분말 조성물을 야그 레이저 클래딩 공법으로 성형하여 제조하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 밸브시트의 제조방법에 적용되는 레이저 클래딩 장치의 일 구현예를 보여주는 단면도
도 2는 도 1에서 클래딩면과 레이저 조사면 간의 관계를 보여주는 개략도
도 3은 본 발명에 따라 제조한 밸브시트의 레이저 클래딩면에 대한 내구시험 결과를 보여주는 그래프
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 클래딩면 20 : 레이저빔
30 : 실린더헤드 40 : 레이저헤드
50 : 파우더헤드 51 : 파우더 리저버
52 : 스크류피더 53 : 스탭핑모터
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 고온에서도 우수한 기계적 성질을 가질 수 있는 동시에 야그 레이저 클래딩에 적합한 알루미늄계 금속분말 조성물을 제공한다.
이를 위하여, 상기 알루미늄계 금속분말 조성물은 내부식성, 내열성, 내마모성 등의 증가를 위해 알루미늄 75∼85중량%, 실리콘 10∼20중량%, 구리 1∼10중량%, 철 0∼5중량%, 망간 0∼5중량%, 마그네슘 0∼2중량%로 이루어진다.
좀더 바람직하게는 알루미늄 82.11중량%, 실리콘 14.53중량%, 구리 2.35중량%, 철 0.46중량%, 망간 0.44중량%, 마그네슘 0.11중량%로 이루어진다.
여기서, 상기 알루미늄 성분은 레이저 클래딩이 실시되는 실린더헤드의 베이스 재질과 동일한 것으로서, 모재와 레이저 클래딩층 간의 용접성을 증대시키고, 열팽창계수가 동일하여 모재와 레이저 클래딩층 사이에 열팽창계수 차이로 인해 발생하는 응력집중을 예방할 수 있다.
실리콘 성분은 알루미늄 성분과 함께 기지조직의 구성을 위해 첨가된다.
구리 성분은 기지조직 사이에 충진되어 조직의 강도를 보강하는 역할을 하게 된다.
철 성분은 내마모성 증대를 위해 첨가된다.
망간 성분은 레이저 클래딩 후 밸브 접촉면의 가공성(피삭성)을 향상시키기 위해 첨가된다.
마그네슘 성분은 불순물 개념으로 약 2% 이하로 관리하는 것이 좋다.
한편, 본 발명은 야그 레이저 클래딩에 적합한 알루미늄계 금속분말 조성물을 이용하여 밸브시트를 제조하는 방법을 제공하는데 특징이 있다.
본 발명에서 적용하는 레이저 클래딩 공법은 에너지 밀도가 높은 특성을 갖는 레이저빔을 조사하면서 모재에 금속분말을 클래딩함으로써, 실린더헤드와 일체형의 밸브시트는 제조하는 공법이다.
예를 들면, 위의 금속분말 조성물을 실린더헤드의 홈(밸브자리면)에 주입하면서 동시에 레이저빔을 조사하여 모재에 금속분말을 클래딩함으로써, 실린더헤드와 일체형의 밸브시트를 제조한다.
본 발명에서는 레이저 클래딩 방식으로 기존의 CO2레이저 대신에 야그 레이저를 사용한다.
특히, 도 2에 도시한 바와 같이, 레이저 조사 방법으로 클래딩면(10)과 레이저빔(20) 사이에 수직관계를 유지함으로써, 레이저의 에너지 분포를 균일하게 할 수 있고, 금속분말의 용융속도를 균일하게 할 수 있다.
여기서, 미설명 부호 30은 실린더헤드 본체를 나타낸다.
또한, 본 발명에서는 레이저 클래딩 공법에 사용되는 장치에 대한 일 구현예를 제공한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 레이저빔 조사를 위한 레이저헤드(40)와 금속분말 공급을 위한 파우더헤드(50)가 제공되고, 각각은 수직의 레이저헤드(40)에 대해 파우더헤드(50)가 일정각도 경사진 구조로 조합된다.
상기 파우더헤드(50)는 금속분말을 저장할 수 있는 파우더 리저버(51)와, 금속분말의 정량공급을 위한 스크류피더(52) 및 스텝핑모터(53)를 포함한다.
상기 파우더헤드(50)를 통한 금속분말 공급시 보호가스로서 아르곤가스를 함께 공급함으로써, 금속분말이 외부공기와 접촉하는 것을 차단하여 금속분말의 산화를 방지하는 것이 바람직하다.
이렇게 레이저빔 조사를 클래딩면과 수직으로 유지함으로써, 전체 클래딩면에 일정한 레이저 에너지를 조사할 수 있으며, 스크류에 의한 공급방식으로 분말소모량을 줄일 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 야그 레이저 클래딩을 이용한 밸브시트 제조방법의 일 실시예를 설명한다.
알루미늄 82.11중량%, 실리콘 14.53중량%, 구리 2.35중량%, 철 0.46중량%, 망간 0.44중량%, 마그네슘 0.11중량% 함량비로 금속분말을 제조한 다음, 이렇게 제조한 금속분말을 3㎾ 출력의 레이저빔 조사와 함께 알루미늄 재질의 모재에 클래딩하였다.
위와 같이 밸브시트를 클래딩한 후, 밸브를 체결하고 가열식 분말특성 시험기와 가압식 분말특성 시험기를 이용하여 단체 마모시험을 실시한 결과, 도 3에 도시한 바와 같이, 우수한 내마모성 및 내열성을 확인하였다.
이때, 클래딩층 깊이는 1.0∼1.2mm이고, 클래딩층 경도는 300∼400Hv0.2이었다.
이상에서와 같이 본 발명은 레이저 조사와 클래딩 분말을 사용하는 레이저 클래딩 방식을 적용하여 밸브시트를 성형하는 방법을 제공함으로써, 시트링 삭제에 따른 설계자유도를 높일 수 있는 동시에 전반적으로 엔진의 내구성 및 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 레이저 클래딩시 클래딩면과 레이저빔을 수직으로 유지하고 스크류에 의해 분말을 공급하는 방식을 채용함으로써, 클래딩 작업성 및 성형성 측면에서 우수한 효과를 기대할 수 있는 장점이 있다.
또한, 경제성, 내열성, 강도 유지 가능성 등을 고려하여 독자적으로 개발한 클래딩 분말을 사용함으로써, 최신의 야그 레이저 클래딩 공법을 적용하면서 알루미늄 재질의 실린더헤드에 최적의 기계적인 물성을 제공할 수 있는 효과가 있다.
Claims (3)
- 엔진 밸브시트용 금속분말 조성물에 있어서,상기 금속분말 조성물은 알루미늄 75∼85중량%, 실리콘 10∼20중량%, 구리 1∼10중량%, 철 0∼5중량%, 망간 0∼5중량%, 마그네슘 0∼2중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 엔진 벨브시트용 알루미늄계 금속분말 조성물.
- 알루미늄 75∼85중량%, 실리콘 10∼20중량%, 구리 1∼10중량%, 철 0∼5중량%, 망간 0∼5중량%, 마그네슘 0∼2중량%로 이루어진 금속분말 조성물을 야그 레이저 클래딩 공법으로 성형하여 제조하는 것을 특징으로 하는 알루미늄계 금속분말 조성물을 이용한 밸브시트의 제조방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 레이저 클래딩 공법에서 클래딩면과 레이저빔은 수직을 유지하고, 금속분말의 공급은 스크류 피딩 방식을 채용하는 것을 특징으로 하는 알루미늄계 금속분말 조성물을 이용한 밸브시트의 제조방법.
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