KR20060050208A

KR20060050208A - 소결 밸브 가이드 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20060050208A
Application number: KR1020050064172A
Authority: KR
Inventors: 가쯔나오 치카하타; 고이치로 하야시; 히로키 후지쯔까; 토루 쯔보이
Original assignee: 히다치 훈마츠 야킨 가부시키가이샤
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2006-05-19
Also published as: EP1619263B1; EP1619263A1; CN100516271C; CN1721566A; US20060032328A1

Abstract

전체 조성이 질량비로 구리 3.5∼5%, 주석 0.3∼0.6%, 인 0.04∼0.15%, 탄소 1.5∼2.5%, 철 잔량으로 이루어지고, 필요한 경우 금속산화물 0.46~1.41%, MnS 및/또는 규산마그네슘을 더 포함하는 소결합금으로 형성되는 소결 밸브 가이드가 개시된다. 금속조직은 펄라이트 상, 철-인-탄소화합물상 및 구리-주석 합금상을 가지는 기재와, 기공과, 질량비로 소결합금의 1.2∼1.7%의 흑연상으로 이루어진다. 단면은, 펄라이트 상이 기재에 차지하는 비율은 면적비로 90% 이상이며, 철-인-탄소화합물상이 금속조직단면에 차지하는 비율이 면적비로 0.1∼3%으로, 구리-주석 합금상이 금속조직단면에 차지하는 비율이 면적비로 1∼3%으로, 철-인-탄소화합물상에 있어서 두께가 15μm이상의 부분이 철-인-탄소화합물상을 차지하는 비율이 면적비로 10%이하다.

가스, 밸브, 가이드, 소결합금

Description

소결 밸브 가이드 및 그 제조방법{Sintered valve guide and manufacturing method thereof}

도 1은 본 발명에 따른 소결 밸브 가이드의 금속조직단면을 표시하는 모식도이다.

도 2는 철-인-탄소 화합물상의 비율이 높은 소결 밸브 가이드의 금속조직단면을 표시한 모식도이다.

도 3a~3d는 전체 조성중의 인 량과 철-인-탄소화합물 상의 비율(도3a), 구리-주석합금상의 비율(도3b), 유리 흑연상의 양(도3c), 페라이트상의 비율(도3d)간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 4a~4d는 전체 조성중의 인 량과 철-인-탄소화합물의 두께(도4a), 마모량(도4b), 피삭성지수(도4c), 압환강도상수(도4d)간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 5a~5d는 전체조성중의 주석 량과 철-인-탄소화합물의 비율(도5a), 구리-주석합금상의 비율(도5b), 유리흑연상의 양(도5c), 페라이트상의 비율(도5d)간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 6a~6d는 전체 조성중의 주석 량과 철-인-탄소화합물의 두께(도6a), 마모량(도6b), 피삭성지수(도6c), 압환강도상수(도6d)간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 7a~7d는 전체조성중의 구리 량과 철-인-탄소화합물의 비율(도7a), 구리-주석합금상의 비율(도7b), 유리흑연상의 양(도7c), 페라이트상의 비율(도7d)간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 8a~8d는 전체 조성중의 구리 량과 철-인-탄소화합물의 두께(도8a), 마모량(도8b), 피삭성지수(도8c), 압환강도상수(도8d)간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 9a~9d는 전체조성중의 탄소 량과 철-인-탄소화합물의 비율(도9a), 구리-주석합금상의 비율(도9b), 유리흑연상의 양(도9c), 페라이트상의 비율(도9d)간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 10a~10d는 전체 조성중의 탄소 량과 철-인-탄소화합물의 두께(도10a), 마모량(도10b), 피삭성지수(도10c), 압환강도상수(도10d)간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 11a~11d는 소결온도와 철-인-탄소화합물의 비율(도11a), 구리-주석합금상의 비율(도11b), 유리흑연상의 양(도11c), 페라이트상의 비율(도11d)간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 12a~12d는 소결온도와 철-인-탄소화합물의 두께(도12a), 마모량(도12b), 피삭성지수(도12c), 압환강도상수(도12d)간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 13a~13d는 소결시간과 철-인-탄소화합물의 비율(도13a), 구리-주석합금상의 비율(도13b), 유리흑연상의 양(도13c), 페라이트상의 비율(도13d)간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 14a~14d는 소결시간과 철-인-탄소화합물의 두께(도14a), 마모량(도14b), 피삭성지수(도14c), 압환강도상수(도14d)간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 15a~15d는 냉각속도와 철-인-탄소화합물의 비율(도15a), 구리-주석합금상의 비율(도15b), 유리흑연상의 양(도15c), 페라이트상의 비율(도15d)간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 16a~16d는 냉각속도와 철-인-탄소화합물의 두께(도16a), 마모량(도16b), 피삭성지수(도16c), 압환강도상수(도16d)간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 17a~17d는 철분말 중의 산화물량과 철-인-탄소화합물의 비율(도17a), 구리-주석합금상의 비율(도17b), 유리흑연상의 양(도17c), 페라이트상의 비율(도17d)간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 18a~18d는 철분말 중의 산화물량과 철-인-탄소화합물의 두께(도18a), 마모량(도18b), 피삭성지수(도18c), 압환강도상수(도18d)간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 19a~19d는 원자화된 철분말 량과 철-인-탄소화합물의 비율(도19a), 구리-주석합금상의 비율(도19b), 유리흑연상의 양(도19c), 페라이트상의 비율(도19d)간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 20a~20d는 원자화된 철분말 량과 철-인-탄소화합물의 두께(도20a), 마모량(도20b), 피삭성지수(도20c), 압환강도상수(도20d)간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 21a~21d는 피삭성 개선 성분 분말 량과 철-인-탄소화합물의 비율(도21a), 구리-주석합금상의 비율(도21b), 유리흑연상의 양(도21c), 페라이트상의 비율(도21d)간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 22a~22d는 피삭성 개선 성분 분말 량과 철-인-탄소화합물의 두께(도22a), 마모량(도22b), 피삭성지수(도22c), 압환강도상수(도22d)간의 관계를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 내연기관의 밸브 가이드에 관한 것으로서, 특히 내마모성 및 피삭성이 우수한 소결합금재로 형성된 소결 밸브가이드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래에는 내연기관의 밸브가이드로서 주철제가 사용되어 왔고, 최근 내마모성과 양산성 면에서 소결합금 밸브 가이드도 사용되어 왔다. 본원 출원인도, 예를 들어 일본특허공개 제55-34858호 및 일본특허 2680927호에서 내마모성이 우수한 밸브가이드재를 제안하였다.

일본특허공개 제55-34858호에 개시된 밸브가이드재는 조성이 중량비로 C 1.5~4%, Cu 1~5%, Sn 0.1~2%, P 0.1~0.3% 미만 및 잔량의 Fe로 구성되고, 펄라이트(pearlite)와 페라이트(ferrite)의 합금기재 중에 Fe-P-c의 공융 화합물인 철-인-탄소화합물상과 cu-Sn상과 유리 흑연이 분산된 조직을 갖는다. 이는 종래의 주철 밸브 가이드보다 내마모성이 우수하고 절삭이 어렵고, 종래의 철계 소결합금보다 개량된 피삭성을 갖는 점이 인정되어, 주철제품에 비해 가공이 상대적으로 어려움 에도 불구하고 많은 자동차 제조회사에 채용되어 왔다.

한편 일본특허 2680927호에 개시된 밸브 가이드재는 일본특허공개 제55-34858호에 개시된 밸브 가이드재보다 개선된 것으로서, 일본특허공개 제55-34858호의 금속조직중의 입계면에 규산마그네슘광물을 분산시켜 내마모성을 손상함이 없이 피삭성을 개선한 것이다.

일본특허 2680927호에 개시된 밸브 가이드재는 일본특허공개 제55-34858호에 개시된 밸브 가이드재와 동등한 내마모성 우수성을 나타내나 피삭성에 있어서는 어느 정도는 개선되었으나 아직 주철제의 피삭성에는 미치지 못한다. 따라서, 피삭성의 보다 개선이 요망되고 있다. 따라서 본원 출원인은 내마모성을 다소 희생하더라도 피삭성을 개량하는 것에 촛점을 맞춰 연구한 결과 일본 특허공개 2002-69597호에서 개시하는 밸브 가이드재를 개발하였다.

일본 특허공개 2002-69597호에 개시하는 밸브 가이드재는 조성이 질량비로 c 1.5~4%, cu 1~5%, Sn 0.1~2%, P 001~0,1% 미만 및 Fe 잔량이고, 펄라이트를 주체로하는 기재 중에 유리 흑연이 분산된 조직을 갖는다.

그러나, 제조 공정의 효율성을 개선하는 추세에 있어서, 밸브 가이드재의 가공성의 개선에 대한 요구가 증가하고 있어 보다 피삭성이 우수한 밸브 가이드재에 대한 요구가 높아지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 밸브 가이드재의 문제를 해결하여, 내마모성과 피삭성이 균형잡힌 소결합금을 밸브 가이드재로서 사용하여 효율적으로 제조할 수 있는 내구성이 높은 신규 소결 밸브 가이드를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 면에 따른 소결 밸브 가이드는 전체 조성이 질량비로 구리 3.5~5%, 주석 0.3~0.6%, 인 0.04~0.15%, 탄소 1.5~2.5% 및 철 잔량으로 이루어진 소결합금으로 형성되고, 상기 소결합금은 펄라이트상, 철-인-탄소 화합물상 및 구리-주석 합금상을 갖는 기재; 기공; 및 질량비로 소결합금의 1.2~1.7%의 비율로 분산되는 흑연상으로 된 금속조직을 갖고, 상기 소결합금의 금속조직단면에 있어서, 상기 펄라이트상의 상기 기재에 대한 비율은 면적비로 90% 이상이고, 상기 철-인-탄소화합물상의 금속조직단면에 대한 비율이 면적비로 0.1~3%이고, 구리-주석합금상의 금속조직단면에 대한 비율이 면적비로 1~3%이고, 상기 철-인-탄소화합물상에 있어서 두께가 15㎛ 이상인 부분이 상기 철-인-탄소화합물상 전체에 대한 비율이 면적비로 10% 이하이다.

본 발명의 다른 면에 따른 소결 밸브 가이드는 전체 조성이 질량비로 구리 3.5~5%, 주석 0.3~0.6%, 인 0.04~0.15%, 탄소 1.5~2.5%, 금속산화물 0.46~1.41% 및 철 잔량으로 이루어진 소결합금으로 형성되고, 상기 소결합금은 펄라이트상, 철-인-탄소 화합물상, 구리-주석 합금상 및 금속산화물상을 갖는 기재; 기공; 및 질량비로 소결합금의 1.2~1.7%의 비율로 분산되는 흑연상으로 된 금속조직을 갖고, 상기 소결합금의 금속조직단면에 있어서, 상기 펄라이트상의 상기 기재에 대한 비율은 면적비로 90% 이상이고, 상기 철-인-탄소화합물상의 금속조직단면에 대한 비율이 면적비로 0.1~3%이고, 구리-주석합금상의 금속조직단면에 대한 비율이 면적비로 1~3%이고, 상기 철-인-탄소화합물상에 있어서 두께가 15㎛ 이상인 부분이 상기 철-인-탄소화합물상 전체에 대한 비율이 면적비로 10% 이하이다.

본 발명의 또 다른 면에 따른 소결 밸브 가이드는 전체 조성이 질량비로 구리 3.5~5%, 주석 0.3~0.6%, 인 0.04~0.15%, 탄소 1.5~2.5%, 황화망간 및 규산마그네슘 광물로부터 1종 이상 선택되는 고체 윤활제 1% 이하 및 철 잔량으로 이루어진 소결합금으로 형성되고, 상기 소결합금은 펄라이트상, 철-인-탄소 화합물상 및 구리-주석 합금상을 갖는 기재; 기공; 및 흑연상과, 상기 기공중 또는 분말입계내로 분산된 1종 이상의 상기 고체 윤활제로 된 금속조직을 갖고, 상기 소결합금의 금속조직단면에 있어서, 상기 펄라이트상의 상기 기재에 대한 비율은 면적비로 80% 이상이고, 상기 철-인-탄소화합물상의 금속조직단면에 대한 비율이 면적비로 0.1~3%이고, 구리-주석합금상의 금속조직단면에 대한 비율이 면적비로 1~3%이고, 상기 흑연상은 면적비로 금속조직단면의 0.8~3.2%의 비율로 상기 기공중에 분산되고, 상기 철-인-탄소화합물상에 있어서 두께가 15㎛ 이상인 부분이 상기 철-인-탄소화합물상 전체에 대한 비율이 면적비로 10% 이하이다.

본 발명의 또 다른 면에 따른 소결 밸브 가이드는 전체 조성이 질량비로 구리 3.5~5%, 주석 0.3~0.6%, 인 0.04~0.15%, 탄소 1.5~2.5%, 금속산화물 0.46~1.41%, 황화망간 및 규산마그네슘광물로부터 1종 이상 선택되는 고체 윤활제 1.6% 이하 및 철 잔량으로 이루어진 소결합금으로 형성되고, 상기 소결합금은 펄라이트상, 철-인-탄소 화합물상, 구리-주석 합금상 및 금속산화물상을 갖는 기재; 기공; 및 흑연상과, 상기 기공중 또는 분말입계내로 분산된 상기 고체 윤활제로 된 금속조직을 갖고, 상기 소결합금의 금속조직단면에 있어서, 상기 펄라이트상의 상기 기재에 대한 비율은 면적비로 90% 이상이고, 상기 철-인-탄소화합물상의 금속조직단면에 대한 비율이 면적비로 0.1~3%이고, 구리-주석합금상의 금속조직단면에 대한 비율이 면적비로 1~3%이고, 상기 흑연상은 면적비로 금속조직단면의 0.8~3.2%의 비율로 상기 기공중에 분산되고, 상기 철-인-탄소화합물상에 있어서 두께가 15㎛ 이상인 부분이 상기 철-인-탄소화합물상 전체에 대한 비율이 면적비로 10% 이하이다.

본 발명의 일 면에 따른 소결 밸브의 제조방법은 인 함유량이 15~21 질량%이고 잔량이 Fe 및 불가피불순물로 된 Fe-P 합금분말, 주석함유량이 8~11 질량%이고 잔량이 구리 및 불가피불순물로 된 Cu-Sn 합금분말 및 흑연분말을 철분말에 첨가하여, Fe-P 합금분말 0.27~0.7 질량%, Cu-Sn 합금분말 3.93~5.44 질량%, 흑연분말 1.7~2.7 질량% 및 철분말 잔량으로 된 혼합분말을 제조하는 공정과, 관상 캐버티(cavity)에 상기 혼합분말을 충진하고 가압압착하여 혼합분말을 관상의 압분체로 성형하는 공정과, 상기 압분체를 비산화성분위기 중에서 가열온도 950~1,050℃로 소결하는 공정을 갖는다.

상기 구성에 따르면 내마모성과 피삭성의 밸런스가 있는 밸브 가이드재를 사용하여 내구성이 높은 소결 밸브 가이드를 효율적으로 제조할 수 있다.

분말야금에 의한 소결합금은 사용하는 원료분말의 조성 및 분말입경이나 가열온도 및 시간 등의 제조조건에 의해, 전체 조성이 같으면서도 금속조직의 구조가 다른 합금이 얻어질 수 있고, 소결합금의 구조에 따라 소결합금 기계적 강도 등의 재료특성은 크게 달라진다. 본 발명에서는 소결합금 중에 존재하는 각 상의 재료특성의 영향을 고려하고, 밸브 가이드를 구성하는 재료에 요구되는 재료특성을 소결합금에 부여하도록 밸브 가이드 재료의 조직구조를 디자인하고, 이에 근거해서 사용원료나 제조조건이 설정된다.

밸브 가이드는 높은 강도와 높은 내마모성이 요구된다. 종래의 밸브 가이드용 합금재료는 이것들의 요구에 응할 수 있지만, 피삭성이 아직 불충분하다고 해서, 가공시 불량에 대한 개선이 수요자로부터 강하게 요청되어 왔다. 따라서, 본 발명에서는 철을 주성분으로 하는 기재, 내마모성에 기여하는 구리-주석 합금상, 철-인-탄소화합물상 및 유리흑연상을 가지는 합금을 베이스로서, 수요자의 요구에 맞는 것 같이 피삭성의 개선에 목적을 두고 있다. 이하, 본 발명의 소결 밸브 가이드을 구성하는 소결합금의 금속조직구조에 대해서 설명한다. 여기서 이하에서 면적%로 표시하는 야금구조의 단면의 각 상의 비율은 평균치로 나타낸다.

소결합금의 기재는, 강도를 높이기 위해서 흑연분말을 혼합한 원료철분말을 소결하는 것에 의해 철분말에 탄소가 확산해서 생성되는 펄라이트 조직으로 구성된다. 고용상태로 탄소를 함유하는 금속분말은 단단하고 압축성이 낮으므로, 철분말 및 흑연분말을 원료분말로서 사용한다.

흑연분말의 양이 부족하면, 기재와 결합하는 탄소량이 저하되고 기재중에 페라이트(α-철)상이 많이 생성해서 기재의 강도가 저하한다. 단, 후술하는 것 같이 철-인-탄소화합물상의 생성에 관련되어서 약간의 페라이트 상이 스테다이트(stedite) 상의 주위에 생성하는 경향이 있지만, 면적비로 기재의 90% 이상이 펄라 이트이면 잔여로서 페라이트가 발생해도 기재강도의 저하는 얼마 안되어 허용할 수 있는 범위다.

펄라이트 기재 중에는 철-인-탄소화합물상이 분산된다. 철-인-탄소화합물은, 흑연분말과 함께 철-인 합금분말을 원료철분말에 배합해서 소결함으로써, 펄라이트 상의 입계상에 박층 형태로 석출되어, 경질 철-인-탄소화합물상을 생성하고, 소결합금의 내마모성의 향상에 기여한다. 이 내마모성향상효과는 철-인-탄소화합물상이 금속조직단면에 차지하는 비율이 0.1 면적% 이상일 때에 현저해진다.

한편, 철-인-탄소화합물상의 생성량이 많아지면, 층의 두께가 늘어서 판상의 철-인-탄소화합물상이 형성되어, 소결합금의 피삭성을 극단적으로 저하시킨다. 따라서, 소결합금의 피삭성을 저하시키지 않기 위해서는, 철-인-탄소화합물상의 생성량을 억제함과 동시에 철-인-탄소화합물상이 박층 형태로 분산되는 것이 중요하다. 구체적으로 금속조직단면에 있어서 철-인-탄소화합물상이 금속조직단면에 차지하는 비율이 3 면적%이하로, 또한, 철-인-탄소화합물상의 두께가 15μm이상인 부분이 철-인-탄소화합물상 전체의 10 면적% 이하일 필요가 있다. 더욱 특정하면, 철-인-탄소화합물상의 두께 15μm 이상인 부분이 철-인-탄소화합물상 전체의 0.1 면적% 이하로, 두께 5μm 이상 15μm 미만의 부분이 10∼40 면적%이며, 나머지의 철-인-탄소화합물상은 두께 5μm 미만이 되는 조직구조가 바람직하다. 철-인-탄소화합물상은 생성할 때에 펄라이트 기재에서 탄소를 탈취하는 경향이 있기 때문에 철-인-탄소화합물상의 주위에 약간의 페라이트가 생성할 수 있다. 페라이트 상은 강도가 낮아서 소결합금의 기재중에 10 면적% 이하 정도이면 허용되지만, 다량으로 분산되 는 것은 바람직하지 못하다. 즉, 원료분말의 인의 함유량이 과잉인 경우에는 생성하는 철-인-탄소화합물상이 두터워질 뿐만 아니라 동시에 펄라이트 기재에서 탄소를 빼앗아서 기재중에 강도가 낮은 페라이트 상이 다량 분산되게 된다. 따라서, 철-인-탄소화합물상의 생성량은, 이런 문제점을 방지하기 위해 억제할 필요가 있고, 구체적으로는, 금속조직단면에 있어서 철-인-탄소화합물상이 0.1∼3 면적%의 범위가 유지되어야 한다. 따라서, 소결합금 중의 인 함유량이 0.04∼0.15 질량%이 되오록 철-인 합금분말의 사용량을 조정한다. 만일 강도 또는 내마모성이 중요하면, 철-인 합금 분말의 량은 0.1 내지 0.15 질량%이고, 만일 피삭성이 더 중요하면 0.04 내지 0.1 질량%이다.

본 발명에 있어서 소결합금 중에는 구리-주석 합금상이 분산된다.

구리-주석 합금상은 연질이고 밸브 또는 슬라이딩 대응물과의 상용성을 향상시켜 내마모성에 기여하는 데 효과적이다. 조직단면의 1 면적% 이상의 비율로 기재 중에 분산된 상태로 구리-주석상의 효과가 현저해지고, 약 3 면적%을 초월하면 소결시의 구리의 팽창에 의해 소결시의 치수안정성이 손상되므로, 조직단면 중의 구리-주석 합금상이 1∼3 면적%가 되도록 원료분말의 배합을 조정한다. 구리-주석 합금상은 단순 구리분말 및 단순 주석 분말을 원료분말로서 이용해도 생기지만, 그 경우 소결합금중에 보이는 합금상의 조성 및 분포의 편차가 커지고, 소결합금의 치수안정성이나 내마모성이 저하한다. 이 때문에, 구리-주석 합금분말을 원료로서 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 펄라이트 기재중에 분산되는 구리-주석 합금상에 있어서, 최대입경이 20μm 이하의 미세한 것이 구리-주석합금상의 80 면적% 이상으 로 이루어지면, 구리-주석 합금상의 분산균일성이 높아지고 상용성의 점에서 특히 유효하다. 압분 형성시의 분말 입자들의 브릿징(bridging) 상태에 따라, 구리-주석 합금분말이 미확산인 채로 잔류하는 경우가 있지만 이러한 미확산의 구리-주석 합금분말에 의한 150μm 이상의 구리-주석 합금상은, 조직단면에 있어서 구리-주석 합금상 전체의 5 면적% 이하이면 지장이 없다. 구리-주석 합금분말은 소결중에 액상을 생성하여 소결의 촉진에 기여하고, 구리 및 주석은 각각 기재에 확산 고용되어 기재를 강화하지만, 과잉의 구리가 고용되면 구리팽창에 의한 치수안정성의 저하가 현저하고, 또한, 과잉의 주석이 고용되면 기재가 취화한다. 이를 방지하여 구리-주석 합금상을 바람직하게 분산하기 위해서, 사용하는 구리-주석 합금분말의 주석함유량이 8∼11 질량%인 것이 바람직하다. 그 결과 소결합금 중의 구리-주석 합금상의 조성도 이 범위 부근이 된다. 따라서 구리-주석 합금분말의 조성 및 조직단면 중의 구리-주석 합금상의 면적비율로부터 구리 및 주석의 합금조성 전체에 있어서의 적정한 함유량을 결정하면 구리는 3.5∼5.0 질량%、주석은 0.3∼0.6 질량%이 된다.

필수적이지는 않지만 펄라이트 기재 중에는 미량의 금속산화물상이 분산되는 것이 바람직하다. 이 금속산화물상은, 알루미늄, 규소, 마그네슘, 철, 티타늄 및 칼슘으로 이루어지는 군의 적어도 1종의 금속의 산화물이며, 이것들의 산화물은 쾌삭성분(easy-cutting component)으로서 작용하여 피삭성의 향상에 기여한다. 단, 금속산화물의 함유량이 과잉해지면 기재가 취화되므로, 조성중의 0.46∼1.41 질량%의 금속산화물이 펄라이트 기재중에 분산되는 것이 바람직하다. 이러한 금속산화물 상은 기재 중에 균일에 분산되는 것이 중요하므로 상기의 금속산화물을 포함한 철분말을 원료분말로서 이용하는 것이 바람직하다. 상기 금속산화물을 총량에서 0.5∼1.5 질량%의 비율로 함유하는 철분말인 것이 바람직하고, 이러한 철분말에는 광석환원철분말이 있다. 통상적으로 사용되는 원자화된 철분말이나 밀(mill) 스케일 환원철분말은 금속산화물의 함유량이 적다.

또한, 금속조직 중에는 유리흑연상이 분산된다. 이것은 원료흑연분말에 유래하고, 고체윤활제로서 작용해서 소결합금의 피삭성 및 내마모성의 향상에 기여한다. 소결합금 중의 유리흑연상의 비율을 조직단면의 현미경 사진으로부터 정확하게 아는 것은, 시료작성작업중에 탈락 등이 일어나기 위해서 어렵기는 하나, JIS-G1211 「탄소정량방법」에 규정되는 유리탄소정량방법에 따른 유리흑연의 질량비를 결정하는 것이 가능하고, 상기 탄소함량 및 흑연의 비중으로부터 유리흑연상의 비에 대한 유리탄소상의 효과를 얻을 수 있다. 상기에 의하면, 유리흑연상의 비율이 약 0.8 면적% 이상이면 유리흑연상에 의한 효과가 현저하고, 3.2 면적%을 초과하여 유리흑연상을 생성하려고 하면 기재중에 경질 세멘타이트(Fe₃c)가 석출해서 소결합금의 피삭성을 손상한다. 또한 과잉의 흑연분말은 분말의 압축성을 손상함과 동시에, 소결합금중의 기재의 비율을 저하시키므로, 소결합금의 강도가 저하된다. 따라서 유리흑연상의 비율은 조직단면 중 약 0.8 면적% 이상 3.2 면적% 이하가 바람직하다.

피삭성의 보다 향상을 기대할 경우에는, 고체윤활제로서 황화망간(MnS) 분말 및 규산그네슘 광물분말의 적어도 1종을 총량으로 원료분말의 1.6 질량% 이하의 비율로 배합하고, 이것들의 성분을 소결합금의 기공 및 분말 입계에 분산되게 할 수 있다. MnS상 및 규산마그네슘상은 내마모성의 향상에 기여하지만, 특히 피삭성 향상의 효과가 크다. 또한 MnS상은 절삭공구의 칼날을 보호해서 공구수명의 연장에 기여하고, 규산 마그네슘 광물은 벽개성이 있어 절삭가공시에 벽개하므로 절삭 에너지의 저감에 효과가 있다. 또한, 양쪽성분과도 칩-브레이크 작용(chip-breaking action)을 가지고, 칩을 세밀하게 파단함으로써 공구의 칼날이 가열되는 것을 방지해서 공구수명을 연장하는 효과를 가진다.

상술한 바와 같은 유리흑연상, 철-인-탄소화합물상, 구리-주석 합금상, 금속산화물상 및 필요한 경우 고체윤활제상을 금속조직중에 분산되게 한 소결합금은, 이하에 설명하는 것 같은 제조방법에 따라서 제조될 수 있고, 그 형성공정에 있어서 밸브 가이드에 대응하는 형상에 형성하면 소결 밸브 가이드를 얻을 수 있다.

이 결과, 제조되는 소결합금 및 소결 밸브 가이드의 전체조성은, 구리 3.5∼5 질량%、주석 0.3∼0.6 질량%、인 0.04∼0.09 질량%、탄소 2.0∼2.5 질량%、상기금속산화물 0.5∼1.5 질량%、및 철 잔량이 된다. 고체윤활제를 사용할 경우는, 합금 전체 조성의 1 질량% 이하가 고체윤활제가 된다.

한편, 밸브 가이드는 일반적으로 밀도가 6.3∼6.9 g/cm³이고, 밀도비로 약 4∼15% 정도의 기공을 포함한다. 상술한 본 발명의 소결 밸브 가이드도 이 점에서는 같다.

소결합금 및 소결 밸브 가이드의 제조방법에 있어서는, 우선, 혼합분말의 조제를 행한다. 그 원료로서 흑연분말, 철-인 합금분말, 구리-주석 합금분말, 광석환원철분말, 및 필요에 따라 고체윤활제분말을 이용하고, 이것들을 균일혼합해서 혼합분말을 얻는다. 각 원료분말의 상세한 것은 다음과 같다.

펄라이트 기재를 생성하는 원료철분말로서는 입경이 약 -150 내지 -65 메쉬(65 내지 150 메쉬 스크린의 마이너스체, 최대입경 104 내지 200㎛)인 원자화된 철분말이 있다. 또는 입경이 -150 내지 -65 메쉬이고 상기 금속산화물의 함유비율이 금속산화물 총량으로 0.5∼1.5 질량%인 광석환원철분말을 이용하는 것이 피삭성 향상 면에서 바람직하다. 광석환원철분말은 그 제조방법에 기인해서 금속산화물의 함유량이 많은 분말이며, 이 금속산화물이 피삭성의 향상에 효과가 있다. 금속산화물의 함유량이 상기범위를 밑돌면, 피삭성개선의 효과가 감소한다. 금속산화물의 함유량이 상기범위를 초과하면, 분말이 단단해져 압축성이 저하하므로 바람직하지 못하다. 광석환원철분말은 다공질이므로, 소결시에 생기는 구리-주석 합금 액상을 모세관력으로 흡수하고, 소결합금의 성분분포를 균질하게 하는 작용도 가진다. 광석환원철분말의 입경이 큰 경우에는 분말의 밀도가 상승시키기 어려우며, 입경이 작은 경우에는 분말의 유동성이 저하시키므로, 약 -150 ∼ -65 메쉬 정도의 분말이 적합하다. 단 광석환원철분말은 금속산화물의 함유량이 많기 때문에 원자화된 철분말 등에 비교해서 약간 단단하고 압축성이 낮다. 따라서 소결 밸브 가이드용 철분말원료는 강도 또는 피삭성 등의 특성 요구에 따라 선택된다. 또는 광석환원철분말과 원자화된 철분말로 이루어진 혼합 분말, 예를 들어 광석환원철분말의 10 질량 % 이상을 원자화된 철분말로 바꾸어서 광석환원철분말과 원자화된 철분말과의 혼합분말로서 이용하면 압축성이 개선되어 얻을 수 있는 소결합금의 강도가 향상한다. 단 원자화된 철분말의 대체비율이 30 질량%를 초과하면, 금속산화물의 분포가 불균일화하거나 피삭성의 개선효과가 얻을 수 없게 되므로, 원자화된 철분말의 대체비율은 10∼30 질량%인 것이 바람직하다. 원자화된 철분말의 입경은, 광석환원철분말의 입경과 같거나 또는 그 이하로 결정된다.

철-인 합금분말은 인을 배합하기 위한 원료이며, 단독으로는 불안정하고 발화성이 있으므로 안전하게 취급하기 위해서 철-인 합금으로서 사용한다. 인은 철 기재 내로 확산해서 펄라이트 기재의 강도를 높임과 동시에 철-인-탄소화합물상을 생성해서 내마모성의 향상에 기여한다. 인 함유량이 약 10∼13 질량% 정도의 철-인 합금은 950∼1,050℃의 온도범위에서 철-인 합금 액상을 생성한다. 다량의 액상은 소결합금의 치수안정성을 손상하므로 바람직하지 못하지만, 적정량의 액상은 네크(necks) 성장을 촉진하고, 소결합금의 강도를 향상시킨다. 따라서 액상 생성을 적당히 제어하기 위해, 인 함유량이 15 질량% 이상의 철-인 합금분말을 사용한다. 인 함유량이 15 질량% 이상인 철-인 합금분말 중의 인은 소결시에 철분말 내로 확산하고 일부의 인 함유량이 상기 범위가 되어서 액상이 생성된다. 이 액상은 철분표면을 적시고 내부의 인이 액상으로부터 철분말 내로 급속히 확산하고, 액상 중의 인 함유량이 상기 범위 이하가 되면서 액상이 고화된다. 따라서, 철분말끼리의 네크의 성장을 촉진해서 강도 향상에 기여함과 동시에, 액상의 생성을 부분적으로 제한함과 동시에 단시간으로 액상의 고화를 만듦으로써 극단적인 치수안정성의 열화가 방 지된다. 사용하는 철-인 합금분말의 인 함유량이 15 질량% 미만이면 소결시의 인의 확산에 의해 철-인 합금의 조성이 상기 액상 생성 범위가 되어서 액상의 생성이 과도하게 되어 치수안정성이 손상되고 인이 기재 전체에 확산해서 철-인-탄소화합물상의 생성량이 부족된다. 한편 철-인 합금분말의 인 함유량이 21 질량%를 초과하면, 철-인 합금분말이 단단해지기 위해서 혼합분말의 압축성을 손상되어, 압분 및 소결합금의 밀도가 저하해서 소결 밸브 가이드의 강도가 부족된다. 또한 생성하는 철-인-탄소화합물상이 두터워져서 소결합금의 피삭성이 저하한다. 따라서, 인 함유량이 15∼21 질량%의 철-인 합금분말을 사용하는 것이 바람직하고, 사용량은 혼합분말 전량의 0.27∼0.7 질량% 정도가 바람직하다. 혼합분말의 압축성의 면에서, 입경이 광석환원철분말과 같은 정도인 철-인 합금분말을 이용하는 것이 바람직하다. 사용하는 철-인 합금분말이 불가피량의 불순물을 포함하는 것은 허용되며, 예를 들면, 탄소, 규소, 망간 등을 총량에서 1.5 질량% 이하의 범위에서 포함할 수 있다.

구리-주석 합금분말은, 소결합금 중의 구리-주석 합금상의 미세화 및 분산균일성을 높이기 위해서 이용하고, 광석환원철분의 입경보다도 작은 구리-주석 합금분말인 것이 바람직하다. 구리팽창에 의한 치수안정성의 저하나 주석의 과잉고용에 의한 기재의 취화를 방지하기 위해서, 주석함유량이 8∼11 질량%의 구리-주석 합금분말을 사용하는 것이 바람직하고, 사용량은, 혼합분말 전량의 약 3.93∼5.44 질량%정도인 것이 바람직하다. 상기에 따르면 혼합분말 중의 구리함유량은 약 3.5∼5.0 질량%、주석함유량은 0.3∼0.6 질량%이 된다. 구리-주석 합금분말이 혼합분말 중에 균일하게 분산되어 소결합금에 균일하게 분산된 미세 구리-주석 합금상을 생성하기 위해서, 광석환원철분말보다 작은 입경의 철-인 합금분말을 이용한다. 바람직하게는 입경이 -250∼-400 메쉬(최대 입경: 35 내지 61㎛) 정도의 구리-주석 합금분말을 사용한다. 구리-주석 합금분말이 불가피량의 불순물을 포함하는 것은 허용된다.

흑연분말은, 소결시에 광석환원철분말 및 철-인 합금분말과 결합해서 펄라이트 조직 및 철-인-탄소화합물을 생성하고, 잔류한 흑연은 유리흑연상을 형성한다. 소결합금중의 탄소의 적정한 함유량은 1.5∼2.5 질량%이지만, 광석환원철분말중의 금속산화물의 환원이나 주위 공기 내 수분과의 결합에 의한 손실분을 고려할 때, 흑연분말의 사용량은 혼합분말 전량의 1.7∼2.7 질량% 정도가 된다. 단, 과잉의 흑연은 펄라이트 기재중에 시멘타이트를 석출시킬 뿐만 아니라 혼합분말의 압축성을 저하시켜, 그 결과 압분 및 소결합금의 밀도가 저하하고 밸브 가이드의 강도가 저하한다. 이용하는 흑연분말의 입경이 극히 작을 때는 소결 후에 잔류하는 유리흑연상이 부족되고, 입경이 과대할 경우에는 혼합분말의 압축성 현저히 저하되고 소결합금중의 성분분포가 현저하게 불균일해져, 철-인-탄소화합물상 주위에 페라이트 상이 생기기 쉽다.

상기 기술한 바와 같이, 사용되는 고체윤활제는 MnS 분말 및/또는 규산마그네슘 광물분말이며, 규산 마그네슘 광물에는 메타규산마그네슘 광물 및 오르토규산마그네슘 광물이 있다. 메타규산마그네슘 광물로서는 엔스타타이트(enstatite), 클리노엔스타타이트(clinoenstatite), 엔스테나이트(enstenite), 하이퍼스텐(hypersten )등이 들 수 있고, 오르토 규산마그네슘 광물로서는 포르스텔라이트(forstelitee) 크리솔라이트(chrysolite) 등이 있다. 고체윤활제를 이용할 경우 소 결합금의 강도저하를 방지하기 위해서, 사용량은 혼합분말 총량에 대해 1 질량% 이하이다.

상기 기술한 대로 원료분말을 균일하게 혼합한 혼합분말은, 몰드를 이용해서 압분에 압축성형한다. 압축 중 원하는 제품에 대한 적절한 몰드를 사용하고, 밸브 가이드 제조용으로는 긴 원형 관상 캐버티를 사용한다. 구체적으로, 원통형의 구멍부를 가지는 다이(die)와, 다이(die)의 구멍부 중앙에 배치되어서 다이와 긴 관상 캐버티를 구성하는 원통형의 코어 로드와, 캐버티에 집어 넣어지는 환상 단면을 갖는 상하 펀치로 구성된 몰드를 사용한다. 하 펀치를 캐버티에 놓고, 혼합분말을 캐버티에 충진하고, 상 펀치를 캐버티에 삽입해서 상하 펀치 간의 혼합분말을 축방향으로 가압하는 것에 의해 혼합분말을 압축하여 압분체를 제조한다. 이 때 압분체의 형성밀도가 약 6.5∼7.1g/cm³ 정도가 되도록 형성압력을 적당히 조절하는 것이 바람직하다.

상기 압축단계와 관련하여, 압축의 형상이 축방향으로 길기 때문에 형성압력이 축방향 중앙부까지 전파하기 어렵고, 따라서 압분체의 형성밀도가 축방향 양단부에 비교해서 중앙부 밀도가 작을 수 있다. 이 경우 얻을 수 있는 소결 밸브 가이드의 강도는 축방향으로 중앙부에서 낮아진다. 이것을 개선하기 위해서는 캐버티가 펀치의 진행 방향에 대해 약간 테이퍼(tapered) 되도록 다이 구멍부 및 코어 로드 주변부 중 적어도 한 방향에 있어서 직경면을 기울어지게 하는 것이 효과적이다. 만일 테이퍼 경사도가 작으면, 압분체 치수상 영향은 분말입자의 스프링 백 (spring-back) 효과에 의해 해소되므로, 제품의 치수에 실질적인 영향을 주지 않도록 형성압력을 축방향으로 중앙부까지 작용시켜서 형성밀도를 균일화할 수 있다. 테이퍼 비율은 1/5000∼1/1000 정도가 바람직하고, 1/5000보다 작으면 중앙부의 형성밀도의 향상이 불충분하고, 1/1000을 초월하면 압분체의 양단부 사이에서 입경에 있어 상당한 차이가 생긴다.

형성된 압분체는 비산화 분위기 중에서 950∼1050℃의 온도로 가열해서 소결한 후 냉각한다. 상기 범위에서 소결할 때 흑연은 철분말과 결합해서 펄라이트 조직을 형성한다. 또한 철-인 합금분말 중 일부가 액상을 생성해서 분말끼리의 확산에 의한 소결결합에 기여함과 동시에 인이 다공성의 광석환원철분말 중에 침투해 흑연과 화합해서 철-인-탄소화합물상을 생성하고, 소결 후의 냉각과정에 있어서 철-인-탄소화합물상이 석출한다. 구리-주석 합금분말은 소결시의 가열과성에서 액상을 생성해서 소결을 촉진하고, 구리 및 주석이 철 기재에 확산된다. 소결 및 냉각 후 소결합금은 펄라이트 조직중에 박층상으로 분산석출한 철-인-탄소화합물상 및 액화된구리 및 주석으로부터 분산 석출된 미세한 구리-주석 합금상을 포함한다. 상기의 금속조직은 5분 정도의 소결보유시간으로 형성되지만, 소결보유시간을 길게 하면 철분말간의 네크의 성장이 진행하는 것에 의해 강도가 향상하므로, 강도 면에서 소결보유시간은 20분 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 45분 이상이다. 단, 소결온도가 1050℃를 초과하거나 소결시간이 90분을 초과하면, 흑연의 기재에의 확산이 진행해서 잔류하는 유리흑연량이 저하하는 동시에 석출하는 철-인-탄소화합물의 양이 늘어나고 또 철-인-탄소화합물상의 두께도 증대하기 위해서 피삭성이 현 저하게 저하된다. 한편, 소결온도가 950℃ 미만이면 소결이 충분히 진행하지 않고, 원하는 금속조직을 얻을 수 없게 되는 동시에 강도가 현저하게 저하한다. 소결시의 가열온도에 의해 액체 상태의 생성속도나 확산·분산속도가 변화되므로, 바람직한 금속조직구조가 되기 위해서는 높은 쪽의 온도로 소결할 경우는 소결시간을 짧게하고 조금 낮은 온도로 소결할 경우는 소결시간을 길게 하는 것이 바람직하다. 냉각속도가 늦어지면 철-인-탄소화합물상 및 페라이트 상의 석출량이 많아져 두께도 두터워지므로, 냉각속도는 약 8℃/분 이상, 바람직하게는 약 10℃/분 이상인 것이 바람직하다.

상기 소결에 의해 소결 밸브 가이드의 조제품(粗製品)을 얻을 수 있고, 이 내면을 리머(reamer)로 고정밀 기계가공 하는 것에 의해 소결 밸브 가이드 최종제품을 얻는다. 본 발명에 있어서는 소결 밸브 가이드를 구성하는 소결합금의 피삭성이 개선되므로 리머에 의한 기계가공에 필요로 하는 시간이 단축되어 가공불량도 감소한다.

소결 밸브 가이드의 조제품을 오일에 침지하면 모세관력에 의해 기공중에 오일이 흡수되어 소결 밸브 가이드의 기밀성을 높이므로 효과적이다. 또한, 기계가공시에 윤활유로서 작용해서 피삭성을 향상시키는 효과도 가진다. 침지시 진공으로 해서 탈기하는 것에 의해 강제적으로 소결 밸브 가이드 조제품의 기공중으로 함침해도 좋다. 또한, 오일에 이황화 몰리브덴 등을 분산시키면 피삭성이 향상하는 동시에 내마모성도 향상하므로 바람직하다.

상술한 대로 얻을 수 있는 본 발명의 소결 밸브 가이드의 금속조직단면을 모 식적으로 나타내면 도 1과 같다. 금속조직은 기재와, 기공(P)과, 기공(P)중에 분산되는 흑연상(G)으로 이루어지고, 기재는 금속산화물상(MO)을 포함할 수 있는 펄라이트상(PE)과, 구리-주석 합금상(CS)과, 철-인-탄소화합물상(FPC)을 가진다. 철-인-탄소화합물상(FPC)은 엷게 분산되고 있어 그 주위에 극소량의 페라이트상(F)이 형성된다.

도 2는 예를 들어 일본특허공개 제55-34858호에 기재된, 인의 함유량이 증가한 종래의 소결합금의 금속조직단면을 모식적으로 나타낸 도면이며, 철-인-탄소화합물상에 있어서 두께가 15μm 이상인 부분이 많고 -인-탄소화합물상의 주위에는 탄소가 탈취되어서 생기는 페라이트 상이 다량 존재한다. 이러한 금속조직의 경우, 도 1의 경우와 비교해서 피삭성이 떨어지고 강도도 낮다. 전술의 일본특허공개 제55-34858호에 나타내지는 소결합금은, 도 2에 나타내는 것 같은 두터운 철-인-탄소화합물상을 가진다.

이하, 실시예를 참조해서 본 발명을 더욱 상세에 설명한다.

[실시예1]

(시료1∼27)

철분말로서 광석환원철분말(금속산화 물0.1 질량% 함유) 또는 원자화된철분말 금속산화물 0.2 질량% 함유)을 이용하고, 표 1에 기재된 배합비대로 철분말, 철-인 합금분말, 구리-주석 합금분말 및 흑연분말을 혼합해서 시료 1∼27의 혼합분말을 각각 제조하였다. 각 혼합분말 시료의 조성을 표 2에 나타낸다. 사용한 각분말의 입경은 광석환원철분말(150μm 이상:5% ,45∼150μm:75%, 45μm 미만:20%), 원자화된 철분말(150μm 이상:17%, 45∼150μm:58%, 45μm 미만:25%), 철-인 합금분말(63μm 이상:3%, 45∼63μm:10%, 45μm 미만:87%), 구리-주석 합금분말(150μm 이상:7%, 45∼150μm:73%, 45μm 미만:20%) 및 흑연분말(평균입경:0.6∼0.8)이었다.

각 시료에 대해서 혼합분말을 550 MPa의 압력으로 가압압축하고, 외경 11mm, 내경 6mm, 길이 40mm의 원형 관상 압분(마모시험 및 피삭성시험용) 및 외경 18mm, 내경 10mm, 길이 10mm의 환형 압분(압환시험(radial crushing test)용)으로 형성하고, 비산화분위기중 1000℃의 온도로 60분간 소결하고, 1000℃로부터 600℃로 12℃/분의 냉각속도로 냉각하고, 그 후 실온까지 냉각하여 시료 1∼27의 소결체를 얻었다.

시료 1∼27의 소결체에 대해서, 현미경을 이용해서 소결체의 금속조직단면(×340)을 관찰하고, 금속조직단면중에 차지하는 철-인-탄소화합물상 및 구리-주석 합금상의 비율(면적%)、기재 중에 차지하는 페라이트 상의 비율(면적%)、유리흑연의 비율(질량%)、철-인-탄소화합물상에 있어서의 두께가 5μm 미만, 5μm 이상 15μm 미만, 15μm 이상의 각 부분의 비율(면적%)을 요구했다. 이 결과를 표 3에 나타낸다.

또한, 시료 1∼27의 소결체에 대해서, 하기를 따라서 마모시험, 피삭성시험 및 압환시험을 행하고, 마모량, 피삭성지수 및 압환강도를 측정했다. 이 결과를 표 3에 나타낸다.

(마모시험)

각각의 관상 소결체를 세로형 밸브 가이드 마모시험기에 달아서 마모시험을 행했다. 마모시험에서는 축선을 수직방향으로 설정한 피스톤의 하단부에 밸브 축을 달아서 밸브를 소결체 내로 삽입시켜 3 MPa의 측면가중을 피스톤에 적용시키면서 500℃의 배기가스 분위기 중에서 밸브를 왕복운동시켰다. 이때 스트로크 속도는 3000 rpm, 스트로크장은 8 mm이다. 30시간 왕복운동 뒤 소결체의 내주면의 마모량 (μm)을 측정했다.

(피삭성시험)

초경합금제 리머를 사용하여 관상 소결체의 내경에 리머 가공을 주어서 축방향에서 10 mm 절삭할 때까지의 소요시간을 측정했다. 시료 13(일본특허공개 55-034858호 기재의 합금조성에 상당하고, 이하, 종래 합금이라고 칭한다)에 있어서의 소요시간을 100으로 하여 각 시료에 있어서의 소요시간을 지수로 환산했다. 이 지수가 작은 만큼 소결체는 깎기 쉬어 가공시간이 짧아지는 요컨데, 피삭성이 좋은 것을 의미한다.

(압환시험)

JIS Z2507 「소결-압환강도 측정」에서 규정하는 방법에 따라 환상 소결체를 직경방향으로 압중을 증가시켜 소결체가 파괴할 때까지 압착하였다. 상기 최대 압중으로부터 하기식 1에 의해 압환강도 상수 K(N/mm²)을 산출한다. (식 중, F:파괴했을 때의 최대가중(N), L:환상 소결체의 길이(mm), d:환상 소결체의 외경(mm), e:환상소결체의 벽두께(mm)이다)。

K=F (d-e)/ (L x e²) (1)

시료 1∼9는 전체 조성중의 인 량을 변화시킨 것으로, 시료 1∼7는 철-인 합금분말의 인 함유량을 일정하게 하고 시료 8, 9는 전체 조성중의 인 량 및 철-인 합금분말의 인 함유량의 양쪽을 변화시킨 것이다. 이들 시료 및 시료 10(일본특허공개 제55-034858호에 개시되는 소결 합금, 이하 "종래 합금"이라고 표시함)에 대해서, 전체 조성중의 인 량과 각상의 비율과의 관계를 도 3a-3d에, 인 량과 철-인-탄소화합물상의 두께 및 재료특성(마모량, 피삭성지수 및 압환강도)과의 관계를 도 4a-4d에 나타낸다.

도3a, 3c 및 3d와 도 4a로부터 명백하게, 인 량의 증가에 대해 구리-주석 합금상의 비율은 변동하지 않고(도 3b), 철-인-탄소화합물상의 비율 및 두께가 인량의 증가에 의해 급격히 증가하고, 인 량이 0.15 질량%을 초과한 영역에서 유리흑연상의 양의 감소 및 페라이트 상의 증가가 일어난다. 이는 인량이 증가하는 것에 의해 철-인-탄소화합물의 형성이 촉진되지만, 이 철-인-탄소화합물의 형성 때문에 유리흑연 및 기재에 용해된 탄소가 소비되어 그 결과 페라이트 상이 증가하는 것을 의미한다. 또한, 도 4b, 4c 및 4d에 따르면, 인량이 0.04 질량% 미만인 소결체는 피삭성은 양호하지만, 마모량이 크고 방사성 파단강도상수가 낮은 값을 나타내고 있다. 인량이 0.04 질량% 이상에서는 인량의 증가를 따라서 방사 파단강도가 증가해 마모량이 저하하지만, 피삭성지수가 상승해 피삭성이 나빠진다. 특히 인량이 0.15 질량%이상에 있어서 피삭성지수의 증가가 현저하다.

도 3d, 4a 및 4c로부터, 피삭성지수의 변동은 철-인-탄소화합물상의 생성 비및 두께가 15μm 이상의 비율과 상당한 관련성이 있다. 인량이 0.15 질량% 이하의 영역에 있어서, 두께 15μm 이상의 철-인-탄소화합물상의 비율이 10 면적% 이하가 되고, 피삭성지수도 35 이하로 작게 억제할 수 있다. 요컨대 철-인-탄소화합물상이 미세화함으로써 피삭성이 개선된다.

한편 압환강도의 변동은 철-인-탄소화합물상의 비율과 관련성이 있다. 철-인-탄소화합물상의 비율의 증가와 함께 압환강도는 증가하고, 철-인-탄소화합물상의 비율이 0.1 면적% 이상이 되는 인 량 0.04 질량% 이상의 영역에 있어서 500 MPa 정도 이상의 충분한 압환강도를 얻을 수 있고, 인량이 0.1 질량% 이상에서 종래 합금보다도 높은 압환강도를 나타내지만 인량의 증가와 함께 강도가 낮은 페라이트 상의 비율도 증가하기 때문에 인량이 0.2 질량% 이상에서는 오히려 강도의 저하가 생긴다.

또 마모량의 변동은 철-인-탄소화합물의 생성비율과 관련성이 있어서, 인량이 0.04 질량% 이상이고 철-인-탄소화합물상의 비율이 0.1 면적%이 되는 영역에 있어서 마모량이 급격히 감소한다. 즉 인량의 증가 및 철-인-탄소화합물상의 생성비율의 증가를 따라서 마모량도 감소한다.

상기로부터 전체 조성중의 인량이 0.04∼0.15 질량%이며, 철-인-탄소화합물상의 비율이 0.1∼3 면적%이며, 또한 그 철-인-탄소화합물상에 있어서의 두께가 15μm 이상인 것만 차지하는 비율이 면적비로 10% 이하인 때, 압환강도, 피삭성 및 내마모성의 모두에 있어서 적정한 밸브 가이드가 된다.

시료 4 및 11∼23는, 전체 조성중의 주석량 및/또는 구리량을 변화시킨 것으로서, 구체적으로 시료 4, 11∼14은 구리량을 일정하게 하고, 시료 4, 15∼19는 이용하는 구리-주석 합금분말의 조성을 일정하게 하고 시료 20∼23는 전체 조성중의 주석량, 구리량 및 구리-주석 합금분말의 조성이 변한다. 이들 시료 및 시료 13에 대해서, 전체 조성중의 주석량과 각상의 비율과의 관계를 도 5a-5d에, 주석량과 철-인-탄소화합물상의 두께 및 재료특성(마모량, 피삭성지수 및 압환강도)과의 관계를 도 6a-6d에 나타낸다. 또한, 전체 조성중의 구리량과 각상의 비율과의 관계를 도 7a-7d에, 구리량과 철-인-탄소화합물상의 두께 및 재료특성(마모량, 피삭성지수 및 압환강도)과의 관계를 도 8a-8d에 나타낸다.

도 5b에 있어서의 구리-주석 합금상의 비율의 변화는 주석의 첨가형태에 따라 크게 다르고, 이것과 도 7b를 같이 고려하면 구리-주석 합금상의 비율은 주석량보다도 오히려 구리량에 의존한다. 또한 도 5a, 5c, 5d 및 도 6a도 주석량이 금속조직의 상 구성에 주는 영향이 작은 것을 나타내고 있다.

한편 내마모성 및 압환강도는 주석량의 증가에 의해 향상하고, 피삭성은 저하한다. 이것은, 기재에 용해된 주석의 증가에 의한 것으로, 주석량이 전체 조성의 0.3 질량% 이상인 경우 마모량 70μm 이하, 압환강도 500 MPa 이상으로 양호한 내마모성 및 압환강도를 나타내고, 피삭성에 있어서는 주석량이 0.6 질량% 이하가 바람직하다.

도 7a, 도 8a에 따르면, 구리량의 증가는 철-인-탄소화합물상의 비율 및 두께를 감소시켜, 따라서 도 8c와 같이 피삭성을 향상시킨다. 이는 구리에 의해 기재의 담금질성이 향상하고, 겉보기의 냉각속도가 빨라지는 것에 의한 (냉각속도에 의한 영향의 상세한 것은 후술한다). 또한, 도 7b에 따르면, 구리량의 증가는 구리-주석 합금상의 비율을 증가시킨다. 연질이고 상용성이 뛰어한 구리-주석 합금상의 존재는 내마모성을 향상시킴과 동시에 가공도 쉽게 하고, 구리량이 3.5 질량%이상의 영역에서 피삭성지수가 35 이하의 양호한 값을 나타낸다(도 8c). 한편, 구리-주석 합금상은 압환강도를 향상시키고(도 8d), 5.0 질량% 이상에서는 구리-주석 합금상의 연질 과잉으로 인해 강도를 저하시킨다. 이 결과로 적정한 주석량의 범위는 0.3∼0.6 질량%이며, 적정한 구리량의 범위는 3.5∼5.0 질량%이 된다.

시료 4 및 24∼27는, 전체 조성중의 탄소량을 변화시킨 것으로서, 이들 시료 및 시료 13에 대해서 전체 조성중의 탄소량과 각 상의 비율과의 관계를 도 9에, 탄소량과 철-인-탄소화합물상의 두께 및 재료특성(마모량, 피삭성지수 및 압환강도)과의 관계를 도 10에 나타낸다.

탄소량의 증가에 의해 철-인-탄소화합물상의 비율 및 상의 두께가 증가하는 것을 도 9a 및 도 10a로부터 안다. 유리흑연상의 비율도 증가한다(도 9c). 단, 도 9d는 탄소량이 2.5 질량%을 넘으면 페라이트 상의 비율이 급격히 증가하는 것을 나타내고, 철-인-탄소화합물상의 생성에 따른 기재에서 탄소탈취가 일어나는 것을 의미한다.

도 10c의 피삭성지수는 철-인-탄소화합물상의 두께에 의한 영향 및 유리흑연상의 비율에 의한 영향을 받고 있다. 즉 유리흑연상의 증가에 의한 피삭성지수의 저하(피삭성향상)와, 철-인-탄소화합물상의 증가 및 성장에 의한 피삭성지수의 증가(피삭성악화)의 조합에 의해 탄소량 2.0∼2.5 질량%의 범위에서 피삭성지수가 극소가 된다. 마모량은 철-인-탄소화합물상의 비율의 증가에 의해 감소하는 것으로 보인다. 그러나, 압환강도에 대해서는, 철-인-탄소화합물상의 비율의 증가에 의해 향상할 것으로 보이나, 도 10d에 따르면 도리어 저하하고, 특히 탄소량이 2.5질량%을 넘으면 압환강도의 저하가 현저하다. 이것은, 탄소분말량의 증가에 의해 혼합분말의 압축성이 저하하고, 생압분(green compact) 및 소결체의 강도가 저하g하기 때문이다. 이 결과로, 압환강도, 피삭성 및 내마모성의 모두에 있어서 적정한 탄소량의 범위는 2.0∼2.5 질량%가 된다.

[실시예]

(시료 28∼38)

각 시료에 있어서의 혼합분말의 배합을 실시예 1의 시료 4과 같은 배합비율로 하고, 표 4에 나타내는 것 같이 소결온도를 900℃(시료 28), 950℃(시료 29), 1050℃(시료 30), 1100℃(시료 31)에 변경한 것 이외는 시료 4와 같은 조작을 되풀이해서 혼합분말의 조제, 생압분의 형성, 소결, 냉각을 행하고, 시료 28∼31의 소결체를 얻었다. 각 시료에 있어서의 혼합분말전체의 성분조성은 표 5에 나타낸다.

또한, 소결시간을 10분(시료 32), 20분(시료 33), 45분(시료 34), 90분(시료 35), 120분(시료 36)으로 경한 것 이외는 시료 4와 같은 조작을 되풀이해서 혼합분말의 조제, 생압분의 형성, 소결, 냉각을 행하고, 시료 32∼36의 소결체를 얻었다.

더욱, 소결 후의 냉각속도를 8℃/분(시료 37), 4℃/분(시료 38)에 변경한 것이외는 시료 4와 같은 조작을 되풀이해서 혼합분말의 조제, 생압분의 형성, 소결, 냉각을 행하고, 시료 37∼38의 소결체를 얻었다.

시료 28∼38의 소결체에 대해서, 시료 1∼27과 같이, 조직단면관찰에 의한 소결체의 금속조직단면중의 각상의 비율의 결정, 마모시험, 피삭성시험 및 압환강도를 행했다. 이것들의 결과를 표6에 나타낸다.

시료 4 및 시료 28∼31에 대해서, 소결온도와 전체 조성중의 각상의 비율과의 관계를 도 11a-11d에, 소결온도와 철-인-탄소화합물상의 두께 및 재료특성(마모량, 피삭성지수 및 압환강도)과의 관계를 도 12a-12d에 나타낸다.

도 11b에 따르면, 구리-주석 합금상의 비율은 소결온도에 의존하지 않지만, 철-인-탄소화합물상은 900℃를 초월했을 경우에 생성되고, 그 비율 및 두께는 소결온도의 상승에 의해 증가하는 반면(도 11a, 도 12a), 유리흑연상의 비율은 반대로 감소한다(도 11c). 이것은 소결온도가 높은 만큼 흑연의 고용확산이 보다 신속하게 진행하고, 소결온도가 낮은 경우에 페라이트 상의 비율이 높은 것은 흑연입자가 확산하기 어렵기 때문이다. 단 소결온도가 1100℃를 초과하면, 철-인-탄소화합물상의 과잉형성에 의한 탄소의 부족으로 인해 페라이트 상의 비율이 증가한다(도 11d).

철-인-탄소화합물상의 두께 및 유리흑연상의 비율과 피삭성지수와의 상관성은 도 11a~d 및 도 12a~d에 있어서도 확인할 수 있다 피삭성지수가 35 이하가 되는 범위를 추구하면 소결온도가 1050℃ 이하가 되고, 이 범위에 있어서 철-인-탄소화합물상의 비율은 약 3 면적% 이하, 두께 15μm 이상의 철-인-탄소화합물상의 비율이 10% 이하가 된다.

또한 압환강도에 대해서는, 철-인-탄소화합물상의 비율과의 상관성뿐만아니라 페라이트 상의 비율과의 상관성도 있어, 페라이트 상의 비율이 많으면 압환강도가 저하한다. 압환강도가 500 MPa 이상의 범위에서는 소결온도는 950∼1050℃가 되고, 이 범위에 있어서 철-인-탄소화합물상의 비율이 약 0.2∼3면적%이며 페라이트 상은 약 9 면적% 이하가 된다.

상기 기술한 바와 같이, 조성이 같아도 소결온도에 따라 형성되는 금속조직 및 발휘되는 재료특성이 크게 다르고, 소결온도 950도∼1050℃에서 얻을 수 있는 재료특성이 양호한 소결 밸브 가이드는 철-인-탄소화합물상의 비율이 약 0.2∼3 면적%이고、두께 15μm이상의 철-인-탄소화합물상의 비율이 10% 이하이며, 페라이트 상이 약 9 면적% 이하가 된다.

시료 4 및 시료 32∼36에 대해서, 소결시간과 전체 조성중의 각상의 비율과의 관계를 도 13a~13d에 소결시간과 철-인-탄소화합물상의 두께 및 재료특성(마모량, 피삭성지수 및 압환강도)과의 관계를 도 14a~14d에 나타낸다.

도 13a, 13c, 13d로부터, 소결시간의 증가를 따라서 탄소의 고용확산 및 철-인-탄소화합물상의 형성이 진행하고, 탄소의 확산이 불충분한 경우 및 철-인-탄소화합물상이 과잉형성될 경우에 페라이트 상이 증가한다. 이것은, 소결온도에 의한 영향과 유사하다.

따라서, 철-인-탄소화합물상의 비율, 두께 및 유리흑연상의 비율과 피삭성지수와의 상관성은 도 13a-13d, 도 14a-14d에 있어서도 확인할 수 있고, 피삭성지수가 35 이하가 되는 범위를 추구하면, 소결시간이 90분 이하가 되고, 이 범위에 있어서, 철-인-탄소화합물상의 비율은 약 3 면적%이하, 두께 15μm 이상의 철-인-탄소화합물상의 비율이 약 10%이하, 유리흑연상의 비율은 1 면적% 이상이 된다.

또한, 압환강도에 대해서는, 500 MPa 이상이 되는 범위를 추구하면 소결시간이 20분 이상이 된다. 철-인-탄소화합물상은 소결시간이 20분 이하라도 강도를 발휘하기에 충분한 양을 생성하고 있어, 금속조직자체가 형성된다. 소결시간을 연장함에 의해 소결체 강도가 향상되는 것은 철 입자 간에 네크 성장에 기인하며 필요로 되는 압환강도 및 내마모성에 따라 적정에 소결이 보유되는 것 같이 소결시간을 설정한다.

시료 4 및 시료 37 및 38에 대해서, 냉각속도와 전체 조성중의 각상의 비율과의 관계를 도 15a-15d에, 냉각속도와 철-인-탄소화합물상의 두께 및 재료특성(마모량, 피삭성지수 및 압환강도)과의 관계를 도 16a-16d에 나타낸다.

도 15a-15d 및 도 16a로부터, 구리-주석 합금상 및 유리흑연상의 양은 냉각속도에 의해 변화되지 않지만, 철-인-탄소화합물상 및 페라이트 상은 냉각속도가 빠른 만큼 적어지고, 따라서 철-인-탄소화합물상의 두께도 감소한다.

한편, 재료특성에 있어서 냉각속도의 영향을 받는 것은 피삭성이다. 일반적으로 냉각속도의 증가를 따라 액상 물질이 고착화할 때의 석출은 미세화한다. 소결 밸브 가이드 중 석출하는 철-인-탄소화합물상이 희미해지고, 그 생성량도 감소하고, 이것에 따른 페라이트 상의 비율도 감소한다. 이 결과 피삭성이 향상한다. 구리-주석 합금상도 액체 상태로의 석출이 미세화한다. 피삭성지수가 35 이하가 되는 냉각속도의 범위를 추구하면, 8℃/분 이상이 되고, 이 때의 철-인-탄소화합물상의 비율은 3 면적% 이하, 두께 15μm 이상의 철-인-탄소화합물상의 비율이 10%이하, 페라이트 상의 비율이 5% 이하가 된다.

[실시예 3]

(시료 39∼49)

각 시료에 있어서의 혼합분말의 배합을 나타내는 표 7를 따르고, 원료철분말중의 산화물량을 0.2 질량%(밀 스케일 환원철분말, 시료 39), 0.5 질량%(시료 40), 1.5 질량%(시료 41), 2.0 질량%(시료 42)에 변경한 것 이외는 시료 4로 같은 조작을 되풀이해서 혼합분말의 조제, 생압분의 형성, 소결, 냉각을 행하고, 시료 39∼42의 소결체를 얻었다. 한편, 각 시료에 있어서의 혼합분말전체의 성분조성은 표 8에 나타낸다.

또한 광석환원철분말의 일부 또는 전부를 원자화된 철분말 (산화물량:0.2질량%)로 대체하고, 그 혼합분말 전체 조성중의 비율을 5 질량%(시료 43), 10 질량%(시료 44), 15 질량%(시료 45), 20 질량%(시료 46), 30 질량%(시료 47), 40 질량%(시료 48), 92.2 질량%(시료 49)에 변경한 것 이외는 시료 4와 같은 조작을 되풀이해서 혼합분말의 조제, 생압분의 형성, 소결, 냉각을 행하고, 시료 43∼49의 소결체를 얻었다.

시료 39∼49의 소결체에 대해서, 시료 1∼27와 유사한 방식으로 조직 단면 관찰에 의한 소결체의 금속조직단면 중의 각상의 비율의 결정, 마모시험, 피삭성시험 및 압환강도를 행했다. 이것들의 결과를 표 9에 나타낸다.

시료 4, 10 및 시료 39∼42에 대해서, 철분말중의 산화물량과 전체 조성중의 각상의 비율과의 관계를 도 17a-17d에, 철분말중의 산화물량과 철-인-탄소화합물상의 두께 및 재료특성(마모량, 피삭성지수 및 압환강도)과의 관계를 도 18a-18d에 나타낸다.

도 17a-17d 및 도 18a에 따르면, 철분말중의 산화물량은 철-인-탄소화합물상이나 구리-주석 합금상등의 다른 상의 형성에 대부분 영향을 주지 않고, 산화물은 단독으로 금속조직중에 존재한다. 한편, 산화물량의 증가를 따라서 피삭성지수가 감소한다(도 18c). 그러나, 동시에 압환강도가 감소하고 마모량이 증가한다(도 13d). 따라서, 피삭성지수가 35 이하, 압환강도가 500 MPa 이상, 마모량이 60μm 이하의 범위를 추구하면, 철분말중의 산화물량은 약 0.5∼1.5 질량%이 된다.

시료 4, 10 및 시료 43∼49에 대해서, 원자화된 철분말의 배합량과 전체 조성중의 각상의 비율과의 관계를 도 19a-19d에, 원자화된 철분말의 배합량과 철-인-탄소화합물상의 두께 및 재료특성(마모량, 피삭성지수 및 압환강도)과의 관계를 도 20a-20d에 나타낸다.

도 19a-19d 및 도 20a에 있어서도, 원자화된 철분말의 배합량에 의한 것 외의 상의 형성에 대한 영향은 보여지지 않는다. 도 20b-20d로부터 명백하듯이, 재료특성에 대하여는 작은 영향을 주고, 구체적으로 혼합된 원자화된 철분말 함량이 증가할 수록 압환강도는 증가하고, 원자화된 철분말만 사용될 때 강도가 최대로 된다. 또한 혼합된 원자화된 철분말의 양이 감소할 때 피삭성지수가 감소하며 특히 원자화된 철분말의 첨가량이 30 질량% 이하일 때 피삭성의 개선이 더 효과적이다. 밀 스케일 환원 철분말이 사용되는 경우 피삭성은 원자화된 철분말이 사용될 때와 동일하나, 광석 환원 철분말이 사용될 경우에는 더 좋은 반면, 압환강도는 원자화된 철분말이 사용될 때와 비교하여 약간 떨어진다. 따라서 소결 밸브 가이드에 보다 높은 강도가 요구되는 경우에는 원자화된 철분말을 사용하는 것이 바람직하고, 피삭성의 개선이 요구되는 경우에는 광석 환원 철분말의 사용이 바람직하다. 만일 광석환원철분말 및 원자화된 철분말을 배합하여 사용하면, 원자화된 철분말의 혼합비는 약 30 질량% 이하인 것이 바람직하며 이때 피삭성의 개선은 더욱 커진다.

[실시예 4]

(시료 50∼66)

각 시료에 있어서의 혼합분말의 배합을 나타내는 표 10을 따르고, 피삭성을 개선하는 성분으로서 유화 망간 분말 0.2∼2.0 질량%(시료 50∼55, 시료 62∼66), 규산 마그네슘 분말 0.2∼2.0 질량%(시료 56∼61, 시료 62∼66)을 배합한 것 이외는 시료 4와 같은 조작을 되풀이해서 혼합분말의 조제, 생압분의 형성, 소결, 냉각을 행하고, 시료 50∼66의 소결체를 얻었다. 각 시료에 있어서의 혼합분말 전체의 성분조성은 표 11에 나타낸다.

시료 50∼66의 소결체에 대해서, 시료 1∼27과 같이, 조직단면관찰에 의한 소결체의 금속조직단면중의 각상의 비율의 측정, 마모시험, 피삭성시험 및 생압분시험을 행했다. 이들의 결과를 표 12에 나타낸다.

시료 4, 10 및 시료 50∼66에 대해서, 혼합분말중의 피삭성개선분말의 첨가와 전체 조성중의 각상의 비율과의 관계를 도 21a-21d에, 혼합분말중의 피삭성개선분말의 첨가량과 철-인-탄소화합물상의 두께 및 재료특성(마모량, 피삭성지수 및 압환강도)과의 관계를 도 22a-22d에 나타낸다.

도 21c 및 도 22c에 따르면, 혼합분말중의 피삭성개선분말의 증가에 따라 유리흑연상의 비율이 서서히 증가하고 피삭성지수도 서서히 감소한다. 그러나, 피삭성개선분말의 효과는 비교적 온화해서, 게다가 첨가량이 늘어남에 따라 압환강도는 반대로 서서히 저하하고, 첨가량이 1.6 질량%을 초과하면 소결저해(확산억제)에 의한 기재의 취화에 의해 마모량이 급격히 증가하므로 피삭성개선분말 뿐에 의한 피삭성의 극적인 개선은 어렵다. 따라서 피삭성-개선 성분 분말만으로 피삭성을 현저히 개선하는 것은 어렵다. 따라서 철-인-탄소화합물상의 비율 및 두께나 유리흑연상의 비율 및 피삭성에 대한 다른 영향 등을 최적화하는 것이 중요하며, 압환강도 및 내마모성과의 균형을 고려해서 조성 및 제조조건을 결정할 필요가 있다.

본 발명은 상기 실시예에 의해 제한되지 않으며, 첨부되는 특허청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다양한 변화가 가능함을 밝혀둔다.

본 발명에 따르면 내마모성과 피삭성의 균형이 있는 밸브가이드재에 의해 내구성이 높은 소결 밸브 가이드를 효율적으로 제조할 수 있다.

Claims

전체 조성이 질량비로 구리 3.5~5%, 주석 0.3~0.6%, 인 0.04~0.15%, 탄소 1.5~2.5% 및 철 잔량으로 이루어진 소결합금으로 형성되고,

상기 소결합금은 펄라이트상, 철-인-탄소 화합물상 및 구리-주석 합금상을 갖는 기재; 기공; 및 질량비로 소결합금의 1.2~1.7%의 비율로 분산되는 흑연상으로 된 금속조직을 갖고,

상기 소결합금의 금속조직단면에 있어서, 상기 펄라이트상의 상기 기재에 대한 비율은 면적비로 90% 이상이고, 상기 철-인-탄소화합물상의 금속조직단면에 대한 비율이 면적비로 0.1~3%이고, 구리-주석합금상의 금속조직단면에 대한 비율이 면적비로 1~3%이고, 상기 철-인-탄소화합물상에 있어서 두께가 15㎛ 이상인 부분이 상기 철-인-탄소화합물상 전체에 대한 비율이 면적비로 10% 이하인 것을 특징으로 하는 소결 밸브 가이드.
전체 조성이 질량비로 구리 3.5~5%, 주석 0.3~0.6%, 인 0.04~0.15%, 탄소 1.5~2.5%, 금속산화물 0.46~1.41% 및 철 잔량으로 이루어진 소결합금으로 형성되고,

상기 소결합금은 펄라이트상, 철-인-탄소 화합물상, 구리-주석 합금상 및 금속산화물상을 갖는 기재; 기공; 및 질량비로 소결합금의 1.2~1.7%의 비율로 분산되는 흑연상으로 된 금속조직을 갖고,

상기 소결합금의 금속조직단면에 있어서, 상기 펄라이트상의 상기 기재에 대한 비율은 면적비로 90% 이상이고, 상기 철-인-탄소화합물상의 금속조직단면에 대한 비율이 면적비로 0.1~3%이고, 구리-주석합금상의 금속조직단면에 대한 비율이 면적비로 1~3%이고, 상기 철-인-탄소화합물상에 있어서 두께가 15㎛ 이상인 부분이 상기 철-인-탄소화합물상 전체에 대한 비율이 면적비로 10% 이하인 것을 특징으로 하는 소결 밸브 가이드.
전체 조성이 질량비로 구리 3.5~5%, 주석 0.3~0.6%, 인 0.04~0.15%, 탄소 1.5~2.5%, 황화망간 및 규산마그네슘광물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 고체 윤활제 1% 이하 및 철 잔량으로 이루어진 소결합금으로 형성되고,

상기 소결합금은 펄라이트상, 철-인-탄소 화합물상, 구리-주석 합금상 및 금속산화물상을 갖는 기재; 기공; 및 흑연상과, 상기 기공중 또는 분말입계내로 분산된 상기 고체 윤활제로 된 금속조직을 갖고,

상기 소결합금의 금속조직단면에 있어서, 상기 펄라이트상의 상기 기재에 대한 비율은 면적비로 80% 이상이고, 상기 철-인-탄소화합물상의 금속조직단면에 대한 비율이 면적비로 0.1~3%이고, 구리-주석합금상의 금속조직단면에 대한 비율이 면적비로 1~3%이고, 상기 흑연상은 면적비로 금속조직단면의 0.8~3.2%의 비율로 상기 기공중에 분산되고, 상기 철-인-탄소화합물상에 있어서 두께가 15㎛ 이상인 부분이 상기 철-인-탄소화합물상 전체에 대한 비율이 면적비로 10% 이하인 것을 특징으로 하는 소결 밸브 가이드.
전체 조성이 질량비로 구리 3.5~5%, 주석 0.3~0.6%, 인 0.04~0.15%, 탄소 1.5~2.5%, 금속산화물 0.46~1.41%, 황화망간 및 규산마그네슘광물로부터 1종 이상 선택되는 고체 윤활제 1.6% 이하 및 철 잔량으로 이루어진 소결합금으로 형성되고,

상기 소결합금은 펄라이트상, 철-인-탄소 화합물상, 구리-주석 합금상 및 금속산화물상을 갖는 기재; 기공; 및 흑연상과, 상기 기공중 또는 분말입계내로 분산된 상기 고체 윤활제로 된 금속조직을 갖고,

상기 소결합금의 금속조직단면에 있어서, 상기 펄라이트상의 상기 기재에 대한 비율은 면적비로 90% 이상이고, 상기 철-인-탄소화합물상의 금속조직단면에 대한 비율이 면적비로 0.1~3%이고, 구리-주석합금상의 금속조직단면에 대한 비율이 면적비로 1~3%이고, 상기 흑연상은 면적비로 금속조직단면의 0.8~3.2%의 비율로 상기 기공중에 분산되고, 상기 철-인-탄소화합물상에 있어서 두께가 15㎛ 이상인 부분이 상기 철-인-탄소화합물상 전체에 대한 비율이 면적비로 10% 이하인 것을 특징으로 하는 소결 밸브 가이드.
제2항에 있어서, 상기 금속산화물은 알루미늄, 규소, 마그네슘, 철, 칼슘 및 티타늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속의 산화물인 것을 특징으로 하는 소결 밸브 가이드.
제1항에 있어서, 금속조직단면에 있어서 상기 철-인-탄소화합물상은 두께가 5㎛ 이상 15㎛ 미만의 부분이 면적비로 10~40%이고, 나머지 철-인-탄소화합물상은 두께가 5㎛ 미만인 것을 특징으로 하는 소결 밸브 가이드.
인 함유량이 15~21 질량%이고 잔량이 Fe 및 불가피불순물로 된 Fe-P 합금분말, 주석함유량이 8~11 질량%이고 잔량이 구리 및 불가피불순물로 된 Cu-Sn 합금분말 및 흑연분말을 철분말에 첨가하여, Fe-P 합금분말 0.27~0.7 질량%, Cu-Sn 합금분말 3.93~5.44 질량%, 흑연분말 1.7~2.7 질량% 및 철분말 잔량으로 된 혼합분말을 제조하는 공정과,

관상 캐버티(cavity)에 상기 혼합분말을 충진하고 가압압착하여 혼합분말을 관상의 압분체로 성형하는 공정과,

상기 압분체를 비산화성분위기 중에서 가열온도 950~1,050℃로 소결하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 소결 밸브 가이드의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 철분말은 금속산화물을 0.5~1.5 질량% 함유하는 광석 환원 철분말인 것을 특징으로 하는 소결 밸브 가이드의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 철분말은 원자화된 철분말을 10~30 질량% 함유하는 광석 환원 철분말과 원자화된 철분말의 혼합분말인 것을 특징으로 하는 소결 밸브 가이드의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 철분말은 최대 입경이 104 내지 200 ㎛인 것을 특징으로 하는 소결 밸브 가이드의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 Fe-P 합금분말은 최대 입경이 61~104 ㎛이고, Cu-Sn 합금분말은 최대 입경이 35~61 ㎛인 것을 특징으로 하는 소결 밸브 가이드의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 소결 시간은 15 내지 90분인 것을 특징으로 하는 소결 밸브 가이드의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 혼합분말의 제조공정은 황화망간분말 및 규산마그네슘광물분말로부터 선택된 1종 이상의 분말을 상기 혼합분말의 1.6 질량% 이하로 첨가하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 밸브 가이드의 제조방법.
제7항에 있어서, 관상 캐버티를 정의하는 다이(die)의 내경면 및 펀치(punch)의 외주면 중 하나 이상이 경사를 갖는 것에 의해 상기 관상 캐버티가 1/5000~1/1000의 비율로 테이퍼 되는 것을 특징으로 하는 소결 밸브 가이드의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 소결공정에 의해 얻어진 소결체를 오일(oil)에 침적하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 밸브 가이드의 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 소결공정에 의해 얻어진 소결체를 8℃/분의 냉각속도로 냉각하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소결 밸브 가이드의 제조방법.