KR20050118175A - 질화 밸브 리프터 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR20050118175A
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카츄히로 야마시타
야수시 우에노
카쥬유키 시또
신노스케 뮤네뮤라
치카라 슈가와라
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가부시끼가이샤 리켄
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Abstract

밸브 리프터(1) 또는 심(3)의 슬라이드면(2)은, 침탄 소입 소려처리를 한 후, 그 표면경도가 Hv 660 이상, 화합물층(6)의 두께가 1-5μm가 되도록 가스연질화처리를 한다. 표면의 질화층은 공공률 1% 이하의 치밀한 화합물층(6)이다.

Description

질화 밸브 리프터 및 그 제조 방법 {NITRIDED VALVE LIFTER AND PRODUCING METHOD THEREOF}
본 발명은 내연기관의 밸브작동시스템 부품으로서, 질화를 실시한 밸브 리프터 및 그 제조방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 밸브 리프터와 캠의 조합에 관한 것이다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 내연기관의 직타식(直打式) 밸브작동기구(10)에 있어서, 캠(11)의 회전동작을 밸브(12)의 왕복운동으로 변환하는 밸브 리프터(1)는, 실린더 블록(14)과의 왕복운동에 의한 슬라이드운동에다가, 캠(11)과 당접하는 심(shim)(3) 또는 관면부(冠面部)(2)(도 1 참조)가 높은 면압에서의 슬라이드운동 및 충격력을 받기 때문에, 뛰어난 내마모성 및 내충격성이 요구되고 있다. 한편, 캠(11)은, 내마모성 및 내충격성을 갖는 재질로 하고, 밸브 리프터(1)에 대한 공격성 저감을 위해, 그리고 윤활형태가 불안정한 경계윤활이 되지 않도록 하기 위해, 슬라이드부 표면의 표면거칠기를 향상시킬 필요가 있다. 밸브 리프터(1)의 내마모성 향상의 간단한 수단으로서, 질화처리가 일반적으로 이용되고 있지만, 질화에 의해 최외표면부에 형성되는 화합물층(당업자의 사이에서는 백층이라고도 불리어진다)은, 고경도인 한편 대단히 취약한 성질이 있기 때문에, 종래는 연삭, 연마 등에 의해 제거되며, 질화확산층만을 남긴 상태로 이용되어왔다.
그런데, 근년에서의 내연기관의 고출력화나 저연비화의 요구에 대응하여, 질화에 의한 화합물층의 고경도 및 저마찰계수인 특성을 착안하여, 캠(11)과 슬라이드운동하는 밸브 리프터(1)의 관면부(2)에서의 마찰저감의 수단으로서, 연마 후에도 화합물층을 남긴 사양의 슬라이드부품 및 그 제조방법이 제안되었으며, 예를 들어 일본 특개2002-97563호 공보에 나타내어져있다.
그러나, 상기 일본 특개2002-97563호 공보에 있어서의 슬라이드부품 및 그 제조방법에 있어서는, 종래의 질화처리방법이 이용되고 있으며, 질화처리시에 화합물층이 비교적 두껍게(5-15μm) 형성되며, 표면이 취약한 층이 되는 것 외에, 처리품의 변형도 크고, 표면거칠기도 저하한다. 이 때문에 그 후의 공정에서는, 화합물층을 남기면서 또한 표면거칠기의 조정도 할 필요가 생기고, 얇은 화합물층을 더 얇게 가공하는 대단히 어렵고 안정하지 않은 연마처리를 필요로 하고 있다.
화합물층을 형성시키기 위한 일반적으로 행해지는 가스연질화(軟窒化) 등의 처리에서는, 10μm정도의 화합물층의 형성을 목포로 하여 570℃전후의 온도에서 수 시간의 처리를 하고 있다. 그러나, 이와 같은 처리방법에서는, 다공성층이 발생하고, 취약해진 ε상(Fe2-3N)을 발생시킬뿐만 아니라, 처리품의 변형도 커짐과 함께 표면거칠기도 대폭 악화한다는 문제가 있다. 또한, 상기 종래의 질화처리에서의 화합물층은, 최외층의 다공성 ε상(Fe2-3N), 및 그 아래의 치밀한 γ'상(Fe4N) 및/또는 ε상과 γ'상의 혼합상으로 이루어지며, 이들은 표면에 거의 수직하게 배향한 비교적 조대한 주상(柱狀)결정을 형성한다.
이와 같은 질화처리에서는, 표면거칠기가 상대재의 마찰에 크게 영향을 주기 때문에, 상대재에 대한 공격성를 저감하는 의미에서도 질화후의 연마처리가 불가결하게 되지만, 다공성층의 두께가 불균일하기 때문에 연마비를 비교적 많이 설정할 필요가 있다. 또한, 경도편차 등에 의해 균일한 연마가 곤란하기 때문에, 연마후에 다공성층이 남을 가능성도 있다. 높은 면압에서의 슬라이드운동과 충격을 받는 밸브 리프터의 관면에서는, 연마후에 다공성층이 남은 상태에서는, 다공성층이 박리하여 탈락하여 문제발생의 원인이 된다.
일본 특개2002-97563호 공보에 있어서, 다공성층 제거, 화합물층 두께 및 표면거칠기의 조정의 수단으로서, 버프 등의 연마수단을 이용하는 것이 나타나있지만, 전술한 바와 같이 화합물층은 ε상(Fe2-3N) 및 치밀한 γ'상(Fe4N) 및/또는 ε상과 γ'상의 혼합상으로 이루어지며, 각 상의 분포상태나 경도편차 등에 의해 연마량이 균일하게 되지 않기 때문에, 동일한 연마면에서 화합물층이 전부 제거된 부분 또는 다공성층이 잔존하는 부분 등이 생기기 쉽고, 균일한 화합물층이 얻어지지 않는다. 이 때문에, 내마모성에 편차나 마찰토크저감효과가 얻어지지 않는 문제가 있다.
또한, 일본 특개2002-97563호 공보에 나타나있는 바와 같이, 표면의 기복을 따르도록 연마하여 균일한 화합물층으로 하여도, 표면거칠기의 개선에 문제를 발생한다. 또한, 상기 연마처리는 대단히 비용이 많이 드는 문제가 있다.
한편, 밸브 리프터와 슬라이드운동하는 캠은, 슬라이드면에 연마가공을 실시하여 이용할 수 있지만 표면거칠기는 비교적 거칠고, 윤활형태가 경계윤활이 되며, 취약한 화합물층을 갖는 상기 밸브 리프터 관면의 표면거칠기를 증대시킨다. 이 때문에, 운동초기부터 마찰토크를 억제하여 윤활형태가 불안정한 경계윤활이 되지 않도록 하기 위해서는, 일반적인 연마가공에다가 페이퍼랩 마무리가공 등의 고가의 설비와 긴 가공시간을 필요로 하는 고비용의 수단을 필요로 하는 문제가 있다.
도 1은 본 발명이 적용 가능한 밸브 리프터(심레스)의 일 예의 단면도이다.
도 2는 본 발명이 적용 가능한 밸브 리프터(심 있음)의 다른 예의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 밸브 리프터의 질화 후의 관면단면의 현미경사진(8000배)이다.
도 4는 도 3의 화합물층을 명시하는 단면도이다.
도 5는 종래 기술에 따른 밸브 리프터의 질화 후의 관면 단명의 현미경사진(8000배)이다.
도 6은 도 5의 다공성층을 명시하는 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 밸브 리프터의 질화 후의 관면표면의 현미경사진(8000배)이다.
도 8은 종래 기술에 따른 밸브 리프터의 질화 후의 관면표면의 현미경사진(8000배)이다.
도 9는 캠회전수와 마찰토크의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 밸브 리프터의 사용예를 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 밸브 리프터의 질화 후의 관면단면의 TEM관찰사진(3000배)이다.
도 12는 종래 기술에 따른 밸브 리프터의 질화 후의 다공성층을 제거한 관면단면의 TEM관찰사진(3000배)이다.
도 13은 본 발명에 따른 밸브 리프터의 슬라이드 시험 후에서의 관면표면의 TEM관찰사진(3000배)이다.
도 14는 본 발명 및 종래 기술에 따른 밸브 리프터와 상대재 캠의 시운전 전후의 표면거칠기의 변화를 나타내는 도이다.
도 15는 본 발명에 따른 밸브 리프터와 상대재 캠의 습동시험 전후의 표면거칠기의 변화를 나타내는 도이다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 질화처리의 단계에서 표면부에 균일하고 치밀한 내마모성 높은 화합물층을 형성하고, 또한 질화처리에 있어서의 표면거칠기의 증대 및 처리물의 변형이 작고, 내마모성 향상과 표면거칠기와 치수정밀도개선을 위한 연마처리를 필요로 하지 않는 밸브 리프터와 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 캠 표면에 페이퍼랩 마무리 등을 필요로 하지 않고 캠과 조합하여 이용할 수 있는 밸브 리프터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
일반적으로, 질화층에 있어서는, 질화농도가 상대적으로 낮은 확산층과, 질소농도가 높은 화합물층이 층상으로 형성된다. 질화처리농도가 높으면 화합물층이 두껍게 형성되고, 최외표면이 취약한 다공성상이 되므로, 이를 가능한 적게 하기 위해서는 처리온도를 낮게 설정하면 좋지만, 그 경우에는 확산층도 얇아져버린다. 밸브 리프터에 있어서는, 확산층 두께를 50-100μm 필요로 하기 때문에, 50-100μm의 상기 확산층과 고경도로 저마찰계수를 나타내는 치밀하고 소정의 표면거칠기의 화합물층을 얻는 것을 원하고 있다.
그래서, 본 발명자들은 예의 연구한 결과, 질화 전의 밸브리프터 관면의 표면거칠기를 작게 하고, 또한 질화에 의한 화합물층의 두께를 얇게 억제함으로써, 질화 후의 관면의 표면거칠기도 작고, 내마모성이 뛰어난 밸브 리프터를 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 또한 상기 밸브 리프터를 캠과 조합함으로써, 페이퍼랩 등의 고비용의 마무리가공을 필요로 하지 않고 시운전에 의해 캠의 표면거칠기를 작게 하고, 종합적으로 내마모성이 뛰어나고 또한 마찰토크를 저감한 밸브 리프터와 캠의 조합을 실현할 수 있으며, 아울러 저비용화도 실현할 수 있음을 발견하였다.
즉, 본 발명에 따른 적어도 관면에 가스질화 또는 가스연질화를 실시한 밸브 리프터는, 최외표면에 질화에 의한 화합물층이 1-5μm 형성되며, 형성된 화합물층의 표면거칠기가 Ra 0.05 이하인 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에 따른 밸브 리프터의 제조방법은, 질화 전의 관면의 표면거칠기를 Ra 0.01-0.03으로 연마가공하는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 연마가공한 밸브 리프터를 질화처리하고, 표면화합물층 두께가 1-5μm가 되는 질화조건을 선택함으로써, 높은 경도에서 저마찰계수의 질화화합물층을 관면의 최외표면에 가지고 또한 표면거칠기 Ra 0.05 이하가 되는 밸브 리프터를 얻는다.
질화 후의 화합물층 두께가 1μm 이하에서는 내마모성과 마찰토크저감효과가 얻어지지 않고, 5μm 이상에서는 다공성층의 형성과 표면거칠기의 증대, 및 화합물층이 두꺼운 것에 의한 사용시의 화합물층 박리의 문제가 생기기 때문에 상한을 5μm로 한다. 또한, 일반적으로 표면거칠기는 Ra 0.05 이하이면 슬라이드부품으로서 문제 없이 사용할 수 있다. 표면거칠기가 Ra 0.05 이상에서는, 상대재 공격성이 커지며, 마찰토크저감효과도 얻어지지 않기 때문에 본 발명에서는 관면의 표면거칠기는 Ra 0.05 이하로 한다. 표면거칠기는 Ra 0.045에서 상대재 캠을 연마하는 기능을 가지며, 따라서 마찰토크를 저감하는 효과가 얻어지기 때문에 보다 좋다.
또한, 본 발명에 따른 밸브 리프터에 있어서는, 질화 후의 화합물층의 공공률(空孔率)이 5% 이하로서, 예를 들어 도 3에 나타내는 바와 같이, SEM에 의한 배율 8000배의 관찰에서 표면부에 다공성층은 인정되지 않고 비교적 치밀한 화합물층을 형성한다. 일반적으로 공곡률이 5% 이하이면 밸브 리프터와 같은 슬라이드부품으로서는 충분히 치밀하므로, 본 발명에서는 공공률을 5% 이하로 한다. 공공률이 5% 이상에서는 표면거칠기에 영향을 주기 때문에, 내마모성과 마찰토크저감효과가 얻어지지 않는다.
또한, 도 7에 나타내는 바와 같이, 표면에 평균직경 0.5μm 이하의 미세한 탄화물, 질화물, 황화물 혹은 산화물, 또는 상기 화합물의 2종 이상으로 이루어진 다수의 돌기를 갖는 것을 특징으로 한다. 이들 돌기는, 캠과 조합하여 슬라이드운동하였을 때, 그 연마기능에 의해 캠의 표면거칠기를 Ra 0.02 이하까지 향상시키며, 밸브 리프터 자신의 표면거칠기를 증대시키는 일 없이 이탈하여 표면에 딤플을 남기는 특징이 있다. 또한, 일본 특개평6-2511에는 캠과 슬라이드운동하는 슬라이드면의 표면거칠기를 0.2Rz 내지 0.7Rz 으로 한 질화규소로 하는 것이 나타나있는데, 0.2Rz 이하에서는 표면거칠기의 개선효과가 없는 것이 나타나서, 구성이 다른 것이다.
본 발명에 따른 밸브 리프터와 조합시키는 상대재 캠에는, 일반적으로 캠샤프트에 이용되는 주철, 주강 및 이들의 칠(chill), 침탄, 소입 등의 처리를 실시한 것과, 철계 소결재 및 여기에 소입처리 등을 실시한 것을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 밸브 리프터의 제조방법에서는, 질화처리에 있어서, 밸브 리프터에 유해한 다공성층을 발생시키지 않는다. 밸브 리프터의 표면에는 1-5μm의 γ'상 및/또는 γ'상과 ε상의 혼합상으로 이루어지는 균일하고 치밀한 등축결정을 포함하는 질소화합물층을 형성하고, 또한 관면의 표면거칠기는 Ra 0.05 이하로서 변형도 거의 없다. 이 때문에 질화처리 후의 연마를 필요로 하지 않을 뿐만 아니라 연마에 의해 다공성층을 제거하는 경우에 일어나는 다공성층의 연마잔재와 필요한 질소화합물층의 연마에 의한 과도제거도 없다. 또한 질화에 의해 형성된 균일한 두께의 치밀한 화합물층에 의해, 상기 밸브 리프터는 관면의 표면경도가 균일하게 Hv 660 이상인 것을 특징으로 한다.
여기에다가, 본 발명의 밸브 리프터의 제조방법에 있어서는, 상기 밸브 리프터의 질화처리온도가 500-560℃ 인 것을 특징으로 한다. 질화처리온도가 500℃ 미만에서는 질화속도가 늦고 충분한 질소화합물층이 형성되지 않으며, 또한 560℃를 넘으면 다공성층이 형성되어 질화처리 후에 제거를 위한 연마가 필요하게 된다. 또한, 질화처리의 분위기를 적절히 조절함으로써 밸브 리프터 관면에 γ'상 및/또는 γ'상과 ε상의 혼합상을 형성하는 것을 특징으로 한다. 그리고, 질화화합물층은 등축결정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 밸브 리프터에 있어서, 모재로서는 일반적으로 밸브 리프터에 이용되고있는 기계구조용 탄소강, 합금강, 공구강 등을 이용할 수 있다.
또한, 상기 재료에 이용되는 질화처리법에는, 가스질화, 가스연질화 이외에도, 이온질화, 라디칼질화와 염욕질화 등을 들 수 있지만, 이온질화, 라디칼질화법은 1회의 처리량이 대단히 적어서 비용면에서의 이점이 없고, 염욕질화법은 환경문제와 표면거칠기의 확보가 곤란하기 때문에 바람직하지 않으며, 본 발명에 있어서는 가스질화 및 가스연질화가 적합하다.
가스질화 및 가스연질화처리는 NH3을 사용하는 방법이 일반적이지만, 강재에 대하여 질화작용을 나타내는 분위기를 형성하는 요소(尿素) 등의 물질을 사용하여도 상관없다. 또한, 본 발명에서는 분위기의 조절용으로 N2가스를 사용하고있지만, NH3의 분해가스, 변성가스(RX가스), N2가스 등을 단일체 또는 혼합하여 필요량을 공급하여도 좋다. 또한 본 발명에서는 연질화용의 가스로서 CO2가스를 사용하고있지만, 변성가스 등의 CO를 포함하는 가스를 사용하는 방법이라도 상관없다. 또한 질화처리에 속하는 산질화, 침류질화 등의 질소화합물층 중에 제 3의 원소를 포함하는 경우라도, 표면에 형성된 질소화합물층이 γ'상 및/또는 γ'상과 ε상의 혼합상이면 본 발명의 효과를 나타낸다.
본 발명의 질화 밸브 리프터에 있어서는, 가스질화 및 가스연질화법을 이용하여 질화처리온도, 시간, 분위기 등을 조정하고, 질화처리 후에 다공성층이 없으며, 공공률이 5% 이하의 치밀한 질화화합물층을 형성한다. 질화 전후를 비교하여 표면거칠기의 증대가 거의 없고, 질화처리에 의한 왜곡과 변형도 극히 작다. 따라서, 질화 후의 화합물층 두께의 조정, 표면거칠기의 조정 및 다공성층 제거를 위한 연마를 필요로 하지 않고 균일한 두께의 화합물층이 얻어지며, 이에 따라서 안정한 내마모성을 확보할 수 있다. 또한, 고비용의 연마처리를 필요로 하지 않기 때문에, 저비용으로 고성능의 밸브 리프터를 얻을 수 있다. 또한, 캠과 조합하여 슬라이드운동하였을 때에 밸브 리프터 자신의 표면거칠기를 증대시키는 일없이 그 연마기능에 의해 캠의 표면거칠기를 향상시킬 수 있다.
또한, 밸브 리프터에는, 밸브 리프터 본체 상면과 캠과의 사이에 심을 끼워넣어 캠과 슬라이드운동시키는 심을 사용한 사양의 밸브 리프터와, 심을 이용하지 않고 밸브 리프터 관면에서 직접 캠과 슬라이드운동시키는 심레스 사양의 밸브 리프터가 있는데, 본 발명의 밸브 리프터 및 그 제조방법은 양 사양의 밸브 리프터 모두 적용이 가능하다. 또한, 밸브 리프터의 관면 등에 유공(油孔)과 그 외의 목적의 구멍 혹은 모따기, 홈 등을 마련한 밸브 리프터에 대해서도 적용할 수 있다. 또한, 본 발명의 밸브 리프터 및 그 제조방법에 의한 화합물층을 밸브의 스템 단부 등과 슬라이드운동하는 밸브 리프터의 보스부에도 적용 가능하다.
이하, 본 발명에 따른 실시형태의 일 예를 설명한다. 도 1 및 도 2에 나타내는 본 발명의 밸브 리프터(1)는, 도 10에 나타내는 바와 같이, 내연기관의 직타식 밸브작동기구에 있어서, 캠(11)과 밸브(12)의 사이에 개재되어 캠(11)의 회전동작을 밸브(12)의 왕복운동으로 변환하는 슬라이드부품이다. 예를 들어, 도 1에 나타내는 바와 같이, 밸브 리프터(1)의 캠(도시하지 않음)과 슬라이드 접촉하는 슬라이드면(2)에 대하여 본 발명의 밸브 리프터(1)의 제조방법이 이용된다. 또한, 도 2에 나타내는 바와 같이, 캠과 직접 슬라이드 접촉하는 심(3)의 슬라이드면(2)에 대해서도 본 발명은 적용된다.
본 발명에 따른 밸브 리프터(1)의 구체적인 실시예를 이하에 나타낸다. 먼저, SCM재를 단조성형한 소재를, 표면거칠기가 HRC 58 이상, 유효경화층 깊이가 약 1.0mm가 되도록 침탄 소입 소려처리를 실시하고, 그 후 관면 즉 슬라이드면(2)의 표면거칠기를 숫돌과 연마재를 이용하는 연삭반을 사용하여 Ra 0.01-0.03으로 가공하는데, 바람직하기로는 슬라이드면(2)의 표면거칠기가 Ra 0.02가 되도록 관면 마무리가공을 한다.
이어서, 슬라이드면(2)의 표면경도가 Hv 660 이상, 화합물층(6)(도 4 참조)의 두께가 1-5μm가 되도록, 처리온도 520℃, 처리시간 70분에서 가스연질화처리를 한다. 가스연질화처리에 사용하는 가스는 NH3와 N2 및 CO2의 혼합가스를 사용한다.
가스연질화처리에서는, 1-5μm의 범위로 균일하게 화합물층을 형성하고, 또한 다공성층이 없는 화합물층으로 하기 위하여, 또한 변형이 적고 표면거칠기를 Ra 0.05 이상으로 하기 위하여, 온도의 균일성과 분위기가스의 교반에 주의하여 처리를 한다. 또한, 분위기가스의 조성과 NH3의 분해율을 관리하는 것도, 1-5μm의 범위로 균일하게 화합물층을 형성하고, 또한 다공성층이 없는 화합물층을 얻기 위해 중요하다. 밸브 리프터는, 소정의 NH3의 분해율이 된 분위기 중에서 질화처리된다. NH3의 분해율은, 가스교환율(유량) 혹은 혼합가스의 구성비 등으로 관리할 수 있다. 또한, 다른 로에서 소정의 NH3의 분해율로 분위기 조정한 가스를 이용하여 질화처리를 하면 된다. 본 실시예에서의 NH3의 분해율은 23%였다.
본 실시예에 있어서는, 상기 처리조건에서 가스연질화를 하지만, 처리온도 560℃에서 처리시간 30분, 및 처리온도 500℃에서 처리시간 150분에서도 각각 3.5μm와 2.5μm의 다공성층이 없는 화합물층이 얻어졌다. 또한 이 때의 NH3의 분해율은 520℃처리와 비교하여, 처리온도 560℃에서는 크게 할 필요가 있었지만, 500℃에서는 동일하였다. NH3의 분해율은 질화처리온도 500-560℃에 따라서 5-50%의 범위에서 관리한다. 또한 밸브 리프터는 지그에 정렬하여 늘어놓고 균일하게 분위기가스에 접촉하도록 가스연질화처리를 함으로써, 보다 변형이 적은 균일한 화합물층의 밸브 리프터가 얻어졌다.
또한, 종래 행해지고 있는 것 같은 560℃를 넘는 온도의 가스연질화처리에서는, 필요한 1-5μm의 화합물층으로 하는데는 처리시간이 짧고, 적절한 분위기로 조절할 수 없었다. NH3의 분해개 표면에서 행해진 경우만 질화에 유효하게 작용하기 때문에, NH3의 분해율이 큰 분위기 중에서는 처리품 표면의 NH3의 분해반응은 감소하고, 다공성층이 없는 화합물층이 형성되었지만 화합물층에 편차가 생기고, NH3의 분해율이 작은 분위기 중에서는 처리품 표면의 질화가 활발하게 행해져서 화합물층에 다공성층을 발생시켰다.
질화처리의 온도, 시간 및 분위기가 관리된 상기 가스연질화처리에 의해, 밸브 리프터의 관면에는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 모재 상에 확산층(7) 및 표면에 다공성층을 형성하지 않고 공공률이 5% 이하의 치밀한 화합물층(6)으로 이루어지는 질화층을 형성한다.
또한, 화합물층 표면에는, 도 7에 나타내는 평균직경 0.5μm 이하의 미세한 탄화물, 질화물, 유화물 혹은 질화물, 또는 상기 화합물중의 2종 이상으로 이루어지는 다수의 돌기(흰 입상부분)를 가지고 있다. 이 때의 표면거칠기는 Ra 0.05 이하이다. 또한, 도 11에 나타내는 바와 같이, 질소화합물층에 0.5μm 이하의 등축결정을 포함하고 있다. 이렇게 하여 얻어진 본 발명에 따른 밸브 리프터는, 표면거칠기와 치수정밀도 개선을 위한 연마처리를 필요로 하지 않는다.
다음으로, 비교예로서, 상기 본 발명에 따른 실시예와 동일 소재를 사용하고, 질화 전의 관면의 표면거칠기를 다르게 하는데, 본 발명의 질화처리와 동일 조건의 가공방법에 의해 밸브 리프터를 제조하였다.
이 때의 슬라이드면(2)에 있어서의 질화처리 전과 후의 표면거칠기의 변화의 예를 표 1에 나타낸다. 본 발명의 실시예에서는 질화 전의 슬라이드면의 표면거칠기를 Ra 0.012-0.028로 연마가공하기 때문에, 질화 후의 슬라이드면의 표면거칠기를 Ra 0.024-0.045로 할 수 있음을 알 수 있다. 이에 반하여, 비교예 1, 2, 3에서는, 질화처리 전의 슬라이드면의 표면거칠기가 Ra 0.03을 넘은 경우, 질화처리 후의 표면거칠기가 Ra 0.05를 넘어버린다.
표 1
면거칠기(Ra) 질화전 마무리 질화조건
질화전 질화후
본 발명 실시예1 0.012 0.024 연삭반, 임의의 ㅅ숫돌과 연마제, 유성냉각제 가스연질화온도 520℃, 시간 70분가스구성 NH3+N2+CO2
실시예2 0.021 0.040
실시예3 0.028 0.045
비교예1 0.038 0.070 연삭반, 임의의 지석과 연마제, 유성냉각제 가스연질화온도 520℃, 시간 70분가스구성 NH3+N2+CO2
비교예2 0.055 0.100
비교예3 0.080 0.170
도 5, 도 12 및 도 8은 종래 기술에 따른 비교예 4의 밸브 리프터에 대하여 질화 후의 단면 및 표면을 나타낸 것이다.
종래 기술에 의한 비교예 4의 밸브 리프터는, 일반적인 570℃에서 가스연질화되어 주상정(柱狀晶)을 포함하는 화합물층(6)이 두껍게 형성되며, 조대한 다공성층(8)을 가지고 있다(도 6 참조). 또한, 변형이 크고 면거칠기도 악화되므로, 후공정의 버프연마에 의해 다공성층의 제거가 필요하게 된다. 도 12에 다공성층을 가공에 의해 제거한 밸브 리프터 단면의 TEM조직을 나타내는데, 표면으로부터 거의 수직하게 배향된 비교적 조대한 주상결정을 갖고 있다.
표 2에, 실시예 2 및 비교예4의 밸브 리프터의 질화 전후의 치수정밀도의 변화 및 화합물층, 다공성층의 두께를 나타낸다. 변형은, 질화 전의 밸브 리프터 관면 형상에 대하여, 외주부를 기준으로 질화 후의 최대변위를 나타낸다. 본 발명에 따른 밸브 리프터는, 질화처리 후에, 표면거칠기의 증대가 없고 변형도 대단히 적으며, 게다가 화합물층에 다공성층이 형성되어있지 않다. 이에 따라서, 후가공으로서의 연마를 필요로 하지 않기 때문에 연마에 의한 화합물층 두께에 편차가 생기는 일이 없다.
표 2
본발명(실시예2) 비교예4
표면거칠기(Ra) 변형(μm) 화합물층(μm) 표면거칠기(Ra) 변형(μm) 화합물층(μm)
질화전 0.02 - - 0.02 - -
질화후 0.04 0.2 2.5(다공성층:0) 0.12 5-15 12.5(다공성층:2.5-4.5)
질화후의 연마 연마불용 0.05이하 - 0-9
[실시예]
상기 본 실시예의 본 발명에 따른 밸브 리프터와 비교예4의 종래 기술에 따른 밸브 리프터 및 캠부를 칠화한(chilled) 칠드캠을 엔진에 끼워넣고, 회전수 1000-4000rpm에서 모터링시험을 하여 슬라이드운동시의 마찰토크를 측정하였다. 도 14는 본 발명과 종래 기술에 따른 밸브 리프터의 시운전 전후의 밸브 리프터의 관면 및 슬라이드 상대재의 캠(캠노즈부)의 표면거칠기의 변화를 나타낸다. 본 발명에 따른 밸브 리프터는, 자신의 표면거칠기의 증대를 일으키지 않고 그 연마기능에 의해 캠측의 표면거칠기를 향상(저감)시킬 수 있다. 한편, 종래 기술에 따른 밸브 리프터는, 시운전 전후에 밸브 리프터 자신의 표면거칠기가 대폭 증대한다.
또한, 도 15는 본 발명에 따른 밸브 리프터의 시운전 전으로부터 내구평가 후의 밸브 리프터의 관면과 상대재의 캠(캠노즈부)의 표면거칠기의 변화를 나타낸다. 본 발명에 따른 밸브 리프터의 관면의 표면거칠기는 거의 변화가 없으며, 한편 상대재의 캠측의 표면거칠기를 그 연마기능에 의해 Ra 0.02μm까지 향상시킨다. 또한, 밸브 리프터와 캠의 종합 슬라이드운동 평가로서 이용되는 표면거칠기의 제곱평균으로부터도 수렴하는 경향이다. 도 13은 내구평가 후의 본 발명의 밸브 리프터의 슬라이드표면을 나타낸다. 슬라이드운동 전의 표면에 보여진 돌기는, 캠과 조합하여 슬라이드운동하였을 때, 그 연마기능에 의해 캠의 표면거칠기를 Ra 0.02μm 이하까지 향상시키고, 밸브 리프터 자신의 표면거칠기를 증대시키는 일없이 보유(保油)효과를 향상시키는 딤플을 남기고 이탈한다.
도 9는 회전수와 마찰토크의 관계를 나타낸 그래프이다. 이 결과, 본 발명에 따른 밸브 리프터는, 시운전 전후 및 내구평가에서의 자기의 표면거칠기의 변화가 거의 없고, 또한 연마기능에 의해 캠측의 표면거칠기를 향상시키며, 마찰토크가 종래 기술에 의한 것보다 낮고, 슬라이드저항에서도 우위인 것을 알 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 밸브 리프터는, 질화 후의 화합물층 두께가 1-5μm이며, 또한 질화 후의 관면의 면거칠기가 Ra 0.05 이하이며, 게다가 화합물층 표면부에 다공성층이 형성되지 않는 것을 특징으로 하기 때문에, 기본적으로 버프연마처리를 필요로 하지 않는다. 이와 같이 하여 제조되는 밸브 리프터(1)에서는, 질화처리 후에 고비용의 연마처리를 기본적으로 필요로 하지 않고, 슬라이드면(2)에 고경도 및 저마찰계수의 화합물층을 균일하게 존재시킬 수 있기 때문에 내마모성도 안정하며, 고성능을 유지하면서 제조비용을 대폭 저감할 수 있다. 또한, 상대재의 캠과 조합하여 슬라이드이동시킴으로써 밸브 리프터 자신의 표면거칠기의 증대를 일으키는 일없이 그 연마기능에 의해 캠측의 표면거칠기를 향상시킬 수 있기 때문에, 상대재의 캠에 대해서도 페이퍼랩 마무리가공 등의 고가의 설비와 긴 가공시간을 요하는 고비용의 수단을 필요로 하지 않는다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 밸브 리프터에서는, 다공성층이 없는 1-5μm의 치밀하고 단단한 질화화합물층을 형성하여, 질화 전후의 표면거칠기의 증대가 거의 없고, 또한 왜곡변형이 극히 작은 가스질화처리를 일으킴으로써, 표면거칠기의 조정 및 다공성층의 제거 등, 질화처리 후의 화합물층을 조정하는 연마를 필요로 하지 않는다. 이에 따라서 표면성상이 균일하고 안정한 내마모성을 확보할 수 있다.
또한, 균일한 화합물이 얻어짐으로써, 종래 기술에 따른 밸브 리프터에 비하여 마찰토크를 저감할 수 있다. 또한 고비용의 연마처리를 필요로 하지 않기 때문에, 저비용의 밸브 리프터를 얻을 수 있다.
또한, 캠과 조합하여 슬라이드이동시킴으로써 밸브 리프터 자신의 표면거칠기의 증대를 일으키는 일없이, 그 연마기능에 의해 캠측의 표면거칠기를 향상시킬 수 있기 때문에, 내마모성 및 마찰토크의 향상에다가, 캠측의 저비용화도 실현할 수 있다.

Claims (10)

  1. 내연기관용 밸브 리프터의 적어도 관면에 가스질화 또는 가스연질화를 실시한 밸브 리프터에 있어서, 최외표면에 질화에 의한 화합물층이 1-5μm 형성되고, 형성된 화합물층의 표면거칠기가 Ra 0.05 이하인 것을 특징으로 하는 밸브 리프터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 화합물층이 γ'상 및/또는 γ'상과 ε상의 혼합상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 밸브 리프터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 화합물층이 등축결정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 밸브 리프터.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 화합물층의 공공률이 5% 이하인 것을 특징으로 하는 밸브 리프터.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 화합물층의 표면에, 평균직경 0.5μm 이하의 다수의 돌기를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 밸브 리프터.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 화합물층의 표면의 돌기가, 질화물, 혹은 탄소, 산소, 유황 및 이들의 화합물 중에 적어도 1종류를 포함하는 질화물인 것을 특징으로 하는 밸브 리프터.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서, 밸브 리프터 관면의 표면경도가 Hv 660 이상인 것을 특징으로 하는 밸브 리프터.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서, 밸브 리프터 관면이 캠과의 슬라이드운동에 의해 캠의 표면거칠기를 향상시키고, 또한 밸브 리프터 자신의 표면거칠기를 증대시키지 않는 것을 특징으로 하는 밸브 리프터.
  9. 내연기관용 밸브 리프터 중의 적어도 관면에 가스질화 또는 가스연질화를 실시하는 밸브 리프터의 제조방법에 있어서, 질화 전의 관면의 표면거칠기를 Ra 0.01-0.03로 연마가공하는 것을 특징으로 하는 밸브 리프터의 제조방법.
  10. 제 9 항에 기재된 상기 밸브 리프터의 제조방법에 있어서, 질화처리온도가 500-560℃인 것을 특징으로 하는 밸브 리프터의 제조방법.
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