KR20080063379A

KR20080063379A - 주철 부재의 제조 방법, 주철 부재, 및 차량용 엔진

Info

Publication number: KR20080063379A
Application number: KR1020087010453A
Authority: KR
Inventors: 미노루 가와사키; 고헤이 야나카; 겐지 기데라; 요시노리 이시카와
Original assignee: 도요다 지도샤 가부시끼가이샤
Priority date: 2006-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2008-07-03
Also published as: CN101356039A; US8302305B2; CN101356039B; JP4802895B2; WO2008004708A1; EP2036655A4; EP2036655B1; EP2036655A1; JP2008012564A; KR100995786B1; US20090151163A1

Abstract

주철 재료의 표면에 형성되는 피복층 중의 블로우홀 또는 핀홀 등의 가스 결함의 발생을 저감시킴과 함께 상기 피복층의 비드 균열의 발생을 억제할 수 있는 주철 부재의 제조 방법을 제공한다. 피복을 위한 재료를 레이저 조사 장치로부터의 레이저의 조사에 의해 용융시키고, 이 용융된 재료의 일부 표면에 용착시켜 피복층을 형성하는 공정을 포함하는 주철 부재의 제조 방법으로서, 상기 피복을 위한 재료로서 구리 원소를 주재로 한 재료를 사용하고, 상기 피복층이 형성되었을 때에, 0.01 ∼ 2.0㎜ 두께의 담금질층이 상기 주철 재료의 상기 표면에 형성되도록, 상기 피복층을 형성하는 공정을 실시한다.

Description

주철 부재의 제조 방법, 주철 부재, 및 차량용 엔진 {METHOD FOR MANUFACTURING CAST IRON MEMBER, CAST IRON MEMBER, AND ENGINE FOR VEHICLE}

본 발명은, 주철 재료의 표면에 피복층 (클래드층) 을 형성하는 주철 부재의 제조 방법에 관련되며, 특히, 레이저에 의해 용융시킨 피복 재료를 주철 재료의 표면에 용착시켜 피복층을 형성하는 주철 부재의 제조 방법에 관한 것이다.

종래부터, 엔진용 실린더 헤드의 밸브 시트의 내구성을 향상시키기 위하여, 흡기 밸브, 배기 밸브가 접촉하는 접촉 표면에 밸브 시트로서 내마모성의 피복층을 형성하는 것이 실시된다. 그 피복층의 형성은, 예를 들어 레이저 등의 고밀도 열원을 사용하여, 내마모성 재료 (피복을 위한 재료) 를 용융시키고, 그 용융된 재료를 상기 접촉 표면에 용착시킴으로써 실시되는 경우가 많다.

그러나, 실린더 헤드 본체에 주철 재료를 사용한 경우에는, 주철 재료는, 카본의 함유율이 일반 강재에 비해 높고, 특히 표면에는 편평상으로 길고 큰 A 형 흑연이 존재하기 때문에, 그 흑연과 대기에 포함되는 산소가 피복시에 반응하여, 이산화탄소 가스가 생성되는 경우가 있다. 이 가스 생성에 의해, 형성되는 밸브 시트 (피복층) 중에 핀홀, 블로우홀 등의 가스 결함이 발생하는 경우가 있었다.

한편, 피복시에 용융된 재료가 용착됨으로써 상기 주철 재료의 표면은 가열 되고, 이 표면을 포함하는 표층이 틸화되는 경우가 있다. 이 틸화에 의해, 주철 재료의 표층이 응고 수축되어, 피복층에 비드 균열이 발생하는 경우가 있었다.

이와 같은 문제를 감안하여, 주철 재료의 표면에 피복층을 형성하는 주철 부재의 제조 방법의 일례로서, 피복 전에 피복층을 형성해야 하는 주철 재료의 표면에 블라스트 처리를 하여, 주철 재료의 표면부에 있는 흑연을 미리 제거하고, 이 제거한 표면부에 피복층을 형성하는 방법이 제안되어 있다 (예를 들어, 특허 문헌 1 참조). 그 피복 방법에 따르면, 주철 재료의 표면부로부터 흑연부를 미리 제거한 것에 의해, 피복시에 있어서의 이산화탄소 가스의 생성이 억제되어, 피복층 중에 가스 결함이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

한편, 상기 비드 균열을 방지하는 방법의 일례로서, Fe 보다 탄화물 형성 경향이 높은 금속 (예를 들어 주철) 과 Ni, Co 의 합금을 주철 표면에 배치하고, 레이저에 의해, 이들 재료를 용융 응고시켜 피복을 실시하는 방법 (예를 들어, 특허 문헌 2 참조) 이나, 주철제 실린더 라이너 내면의 가장 마찰이 큰 영역을 예열한 후, 그 영역에 에너지 밀도가 높은 레이저광을 조사함으로써, 내마모성, 내소부성 (耐燒付性) 이 우수한 재료를 용착시켜 용착층을 피복 형성하는 방법 (예를 들어, 특허 문헌 3 참조) 이 제안되어 있다.

특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 평1-111855호

특허 문헌 2 : 일본 공개특허공보 평1-104906호

특허 문헌 3 : 일본 공개특허공보 평1-104487호

발명의 개시

그러나, 특허 문헌 1 과 같이 주철 재료의 표면에 블라스트 처리를 하였다 하더라도, 그 표면부에 있는 흑연부를 완전하게 제거할 수는 없어, 가스 결함의 발생을 억제하기는 어렵다. 특히, 주철제 실린더 헤드 본체에 밸브 시트로서 피복층을 형성하는 경우에는, 실린더 헤드 본체의 형상이 복잡하기 때문에, 피복을 해야 하는 지점에서 적확하게 흑연부를 제거하기는 어렵다. 게다가, 대형 디젤계 엔진의 경우에는, 밸브 시트로서 피복층이 형성되는 범위가 넓고, 피복층의 응고 형태의 균형이 무너지기 쉽기 때문에, 약간의 핀홀의 발생이 피복층의 균열로 이어질 우려도 있었다.

한편, 특허 문헌 2 와 같이 피복을 한 경우에는, 피복재와 주철재를 합금화시켜 비드 균열을 억제하고, 특허 문헌 3 과 같이 피복을 한 경우에는, 재료의 용융에 레이저를 사용함으로써 주철 부재의 열 영향 영역을 저감시켜 비드 균열을 억제할 수 있지만, 이들의 피복 방법을 단순히 실시한 것만으로는, 흑연과 산소 가스의 반응을 억제하고 있는 것은 아니기 때문에, 피복층 중의 가스 결함의 발생을 충분히 억제할 수 없다.

본 발명은, 이와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적으로 하는 바는, 주철 재료의 표면에 형성되는 피복층 중의 블로우홀 또는 핀홀 등의 가스 결함의 발생을 저감시킴과 함께 상기 피복층의 비드 균열의 발생을 억제할 수 있는 주철 부재의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 관련된 주철 부재의 제조 방법은, 피복을 위한 재료 (피복 재료) 를 레이저 조사 장치로부터의 레이저의 조사에 의해 용융시키고, 그 용융된 재료를 주철 재료의 일부 표면에 용착시켜 피복층을 형성하는 공정을 포함하는 주철 부재의 제조 방법으로서, 상기 피복을 위한 재료로서 구리 원소를 주재로 한 재료를 사용하고, 상기 피복층이 형성되었을 때에, 0.01 ∼ 2.0㎜ 두께의 담금질층이 상기 주철 재료의 상기 표면에 형성되도록 하여, 상기 피복층을 형성하는 공정을 실시하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 주철 재료에 피복층을 형성함으로써, 피복층 중의 가스 결함의 발생을 저감시키고, 또한 피복층의 비드 균열의 발생을 억제할 수 있다. 하기의 실시예에 나타내는 바와 같이, 담금질층의 두께가 0.01㎜ 보다 얇은 경우에는, 피복층의 비드가 잘 형성되기 어렵고, 담금질층의 두께가 2.0㎜ 보다 두꺼운 경우에는, 피복층 중에 가스 결함이 발생하기 쉽고, 피복층에 비드 균열도 발생하기 쉽다. 또한, 이와 같은 두께의 담금질층의 형성은, 피복층의 형성을 실시하는 공정에 있어서, 레이저의 조사 강도를 조정하거나, 피복층이 형성되는 속도를 조정하거나 하여 실시할 수 있다.

본 발명에 관련된 피복 방법에 있어서, 상기 피복을 위한 재료로서, 산소 함유량이 200ppm 이하인 재료를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 이와 같이, 산소 함유량을 200ppm 이하로 함으로써, 피복층 중에 가스 결함이 발생하였다 하더라도, 차량용 엔진의 사용 환경에 충분히 견딜 수 있는 밸브 시트 (피복층) 를 얻을 수 있고, 피복층에 비드 균열이 발생하는 경우도 없다. 그리고, 산소 함유량이 200ppm 보다 많은 경우에는, 하기의 실시예에 나타내는 바와 같이, 그 함유량의 증가에 수반하여 가스 결함이 증가하여, 상기 밸브 시트로서 사용하는 데에 충분한 피복층을 얻을 수 없다.

또한, 상기와 같은 피복을 하는 경우에는, 아르곤 등의 불활성 가스를 피복해야 하는 면에 흐르게 하면서 실시하는 것이 보다 바람직하다. 이와 같이 하여 피복을 실시함으로써, 대기 중의 산소 가스의 혼입을 저감시킬 수 있다. 이로써, 상기 서술한 피복 재료의 산소 함유량의 저감과, 불활성 가스에 의한 대기 중의 산소 가스의 혼입량 저감의 상승 효과에 의해, 피복층 중의 가스 결함의 발생을 더욱 저감시킬 수 있다.

본 발명의 주철 부재의 제조 방법에 있어서, 상기 레이저의 조사 강도를 200W/㎟ 이상으로 조정하여, 상기 피복층을 형성하는 공정을 실시하는 것이 바람직하다. 그 조사 강도가 200W/㎟ 보다 작은 경우에는, 피복층의 비드가 형성되기 어렵다.

또한, 다른 양태로는, 상기 피복층을 형성하는 공정은, 상기 주철 재료의 표면에, 0.1 ∼ 1.0㎜ 의 두께 범위가 되도록 제 1 피복층을 형성하는 공정과, 그 제 1 피복층의 표면에, 상기 제 1 피복층 두께의 1.0 배 ∼ 19 배의 두께 범위가 되도록 제 2 피복층을 형성하는 공정을 적어도 포함하는 것이 바람직하다.

상기 2 개의 공정을 포함하는 피복 방법을 실시함으로써, 제 1 피복층이 주철 재료의 표면층에 있는 흑연을 봉쇄하여 가스 결함의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 제 1 피복층과 제 2 피복층의 2 층의 피복층을 형성함으로써, 피복층의 내부 응력이 완화되어, 피복층의 비드 균열을 억제할 수 있다.

하기의 실시예에 나타내는 바와 같이, 제 1 피복층의 두께를 0.1㎜ 보다 얇게 한 경우에는, 제 2 피복층 형성 후의 피복층에 비드 균열이 발생하기 쉽고, 제 2 피복층의 두께를 1.0㎜ 보다 두껍게 한 경우에는, 제 2 피복층 형성 후의 피복층 중에 가스 결함이 발생하기 쉽다. 또한, 하기의 실시예에 나타내는 바와 같이, 제 2 피복층의 두께를 제 1 피복층의 두께의 19 배보다 두껍게 한 경우에는, 제 2 피복층의 응고 수축시의 응력에 의해 비드 균열을 유발할 우려가 있다. 또한, 제 2 피복층의 두께를 제 1 피복층의 두께의 1.0 배보다 얇게 한 경우에는, 가스 결함의 발생을 충분히 억제할 수 없다.

상기 제 2 피복층을 형성하는 공정을, 상기 제 2 피복층이 상기 제 1 피복층의 표면으로부터 벗어나지 않도록 하여 실시하는 것이 바람직하다. 상기 제 1 피복층의 표면으로부터 벗어나지 않도록, 구체적으로는, 제 2 피복층의 녹아내림 등이 제 1 피복층 상으로부터 흘러내려 주철 재료에 접촉하지 않도록 제 2 피복층을 함으로써, 가스 결함의 발생을 방지할 수 있다.

상기 피복층을 형성하는 공정의 전처리 공정으로서, 상기 주철 재료의 표면층에 함유되는 흑연 및 그 흑연 중의 유분 (油分) 을 제거할 수 있는 강도 이상, 또한, 상기 주철 재료의 표면이 용융되는 강도보다 작은 강도가 되도록, 조사 강도를 조정한 레이저를 상기 주철 재료의 표면에 조사하는 공정을 실시하는 것이 바람직하다. 상기 전처리 공정을 실시하여 흑연을 제거함으로써, 산소와 흑연에 의한 이산화탄소 가스의 생성 반응을 저감시킬 수 있다. 또한, 레이저의 조사 강도는, 주철 재료의 표면이 용융되는 강도보다 작아지도록 조정되어 있기 때문에, 주철 재료의 최표면은, 용융에 의해 틸화되지 않아, 모재가 되는 주철 재료 표면의 균열 발생을 방지할 수 있다. 또한, 이와 같은 전처리 공정을, 상기 레이저 조사 장치를 사용하여 실시하면, 새롭게 설비 투자를 하지 않고 저렴하게 실시할 수 있다.

특히, 상기 전처리 공정에 있어서, 상기 주철 재료의 표면에 조사되는 레이저의 입사 에너지가, 10 ∼ 20J/㎟ 의 범위가 되도록 상기 레이저의 조사 강도를 조정하는 것이 바람직하다. 입사 에너지가 10J/㎟ 보다 작은 경우에는, 열량이 부족하기 때문에 주철 재료의 최표면의 흑연 및 흑연 중에 함유되는 유분을 제거할 수 없다. 한편, 입사 에너지가 20J/㎟ 보다 큰 경우에는, 주철 재료의 최표면이 용융에 의해 틸화되어, 주조 재료의 표면에 균열이 발생한다.

보다 바람직한 주철 부재의 제조 방법으로는, 상기 레이저 조사 장치와 상기 주철 재료의 어느 일방 또는 쌍방을, 상대적으로 150㎜/min ∼ 600㎜/min 의 속도 범위가 되도록 이동시키면서, 상기 피복층을 형성하는 공정을 실시한다.

이와 같은 속도 조건에서 피복층을 형성함으로써, 확실하게 비드 균열을 저감시킬 수 있다. 상기 상대적인 속도 (상대 속도) 가 150㎜/min 보다 작은 경우에는, 피복층을 구성하는 비드의 립부가 단속적이 되어 버릴 우려가 있다. 또한, 600㎜/min 보다 큰 경우에는, 상기 레이저 조사 장치의 이동 방향을 따라 비드 균열이 발생할 우려가 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 피복 방법에 의해 얻어진 주조 부재로서, 주철 재료의 일부 표면에 피복층을 형성한 주철 부재로서, 상기 피복층은 구리 원소를 주재로 하고 있고, 상기 주철 재료의 상기 표면에는 0.01 ∼ 2.0㎜ 두께의 담금질층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 주철 부재도 개시한다. 상기 주철 부재의 피복층은, 한정되는 것은 아니지만 상기 주철 재료의 표면에, 0.1 ∼ 1.0㎜ 의 두께 범위의 제 1 피복층과, 그 제 1 피복층의 표면에, 상기 제 1 피복층 두께의 1.0 배 ∼ 19 배의 두께 범위의 제 2 피복층을 구비하고 있는 것이 바람직하다.

상기 주조 부재는, 핀홀, 블로우홀 등의 가스 결함, 및, 피복층의 비드 균열이 없기 때문에, 사용 환경이 엄격하고 안전성이 중시되는 차량의 엔진 등에 특히 바람직하다. 구체적으로는, 상기 주철 부재가 차량의 엔진을 구성하는 실린더 헤드이고, 이 주철 부재의 표면에 형성되는 피복층은 실린더 헤드를 구성하는 밸브 시트인 것이 바람직하다.

본 발명의 주철 부재의 제조 방법에 의하면, 주철 재료의 표면에 형성되는 피복층 중의 가스 결함의 발생 및 상기 피복층의 비드 균열의 발생을 억제할 수 있다.

본 명세서는 본원의 우선권의 기초인 일본 특허출원 2006-185846호의 명세서 및/또는 도면에 기재되어 있는 내용을 포함한다.

도 1 은, 본 발명에 관련된 주철 부재의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 2 는, 실시예 1 ∼ 3 의 피복층의 단면도이다.

도 3 은, 실시예 1 과 비교예 3 의 내마모 시험의 결과를 나타낸 도면이다.

도 4 는, 실시예 4 와 비교예 4 에 있어서의 피복 재료에 함유하는 산소 함유량과, 피복층에 있어서의 가스 결함의 관계를 나타낸 도면이다.

도 5 는, 실시예 5 ∼ 8 과 비교예 5 ∼ 8 의 피복층의 가스 결함 (핀홀) 과 비드 균열의 결과를 나타낸 도면이다.

도 6 은, 실시예 6 과 비교예 9 의 피복층의 단면을 나타낸 도면이다.

도 7 은, 실시예 9 와 비교예 10 의 피복층의 단면을 나타낸 도면이다.

도 8 은, 실시예 10 과 비교예 11 에 의해, 전처리 공정에 있어서, 레이저의 최적인 입사 에너지의 조건을 설명하기 위한 도면이다.

도 9 는, 실시예 11 과 비교예 12 에 의해, 최적 가공 속도를 설명하기 위한 도면이다.

도 10 은, 피복층의 균열 형태를 설명하기 위한 도면이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하에, 본 발명을 실시예에 의해 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.

또한, 이하의 실시예에서는, 도 1 에 나타내는 바와 같은 주철 재료 (예를 들어, 도 1 의 경우에는 실린더 헤드 본체 (21)) 의 표면 (22) 에, 피복 장치 (1) 를 사용하여 피복층 (예를 들어 도 1 의 경우에는 밸브 시트) (23) 을 형성함으로써 주철 부재 (20) 를 제조하고 있다.

[실시예 1]

피복 치수 200㎜ × 500 × 150㎜ 의 주철 재료 (JIS 규격 : FC25 상당) 를 준비하고, 이 표면에 피복을 위한 재료 (피복 재료) 로서 하기의 표 1 에 나타내는 바와 같은 구리 원소를 주재로 한 내마모성 재료의 분말을 사용하여 피복하였다. 구체적으로는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 분말을 불활성 가스 (아르곤 가스) 와 함께 반송하고, 반송한 분말에 빔 조사 면적이 6.5 × 1.0㎜ 인 레이저 조사 장치 (10) 로부터 레이저를 조사함으로써, 상기 분말을 용융시키고, 용융된 재료를 주철 재료의 일부 표면에 용착시켜 피복층을 형성하였다. 또한, 레이저의 조사 강도는, 피복층 하층 (주철 재료의 표면) 에 형성되는 담금질층이 0.01 ∼ 2.0㎜ 의 범위가 되도록, 2.0kw 로 하고, 피복시에 있어서의 주철 재료와 레이저 조사 장치의 상대 속도 (가공 속도) (V) 가 500㎜/min 이 되도록, 레이저 조사 장치를 이동시키면서 피복층을 형성하였다. 이와 같이 하여 제조된 주철 부재의 단면을 현미경으로 관찰하였다. 이 결과를 도 2 에 나타낸다. 또한, 주철 부재의 피복층에 대하여, 슬라이딩 속도 0.3m/s, 가압 하중 1.15㎫ 의 조건으로 마모 시험을 실시하였다. 이 결과를 도 3 에 나타낸다.

[실시예 2, 3]

실시예 1 과 동일하게 하여, 주철 재료의 표면에 피복층을 형성하여, 주철 부재를 제조하였다. 실시예 2 가 실시예 1 과 상이한 점은, 레이저의 조사 강도를 2.5kw 로 하고, 가공 속도를 500㎜/min 으로 한 점이다. 또한, 실시예 3 이 실시예 1 과 상이한 점은, 레이저의 조사 강도를 2.5kw 로 하고, 가공 속도를 1000㎜/min 으로 한 점이다. 이와 같이 제조된 주철 부재의 단면을 실시예 1 과 동일하게 현미경으로 관찰하였다. 이들의 결과를 도 2 에 나타낸다.

[비교예 1]

실시예 1 과 동일하게 하여, 주철 재료의 표면에 피복층을 형성하여, 주철 부재를 제조하였다. 실시예 1 과 상이한 점은, 담금질층이 0.01㎜ 보다 작아지도록, 레이저의 조사 강도를 조정하여 주철 재료의 표면에 피복한 점이다.

[비교예 2]

실시예 1 과 동일하게 하여, 주철 재료의 표면에 피복층을 형성하여, 주철 부재를 제조하였다. 실시예 1 과 상이한 점은, 담금질층이 2.0㎜ 보다 커지도록, 레이저의 조사 강도를 조정하여 주철 재료의 표면에 피복한 점이다.

[비교예 3]

종래, 밸브 시트로서 실린더 헤드에 압입하는 소결재 (JIS 규격 : SMF30 상당) 를 준비하여, 실시예 1 과 동일한 조건으로 마모 시험을 실시하였다.

[결과 1]

도 2 에 나타내는 바와 같이, 실시예 1 ∼ 3 의 피복층을 형성한 주철 부재는, 가스 결함도 없고, 비드 균열도 없었다. 그러나, 비교예 1 의 경우에는, 피복층의 비드가 형성되기 어려웠다. 또한, 비교예 2 의 경우에는, 피복층 중에 가스 결함이 포함되고, 피복층에 비드 균열이 발생하였다. 또한, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 실시예 1 의 주철 부재는, 비교예 3 의 것에 비해 내마모성이 향상되었다.

[고찰 1]

이와 같은 피복층은, 피복을 위한 재료를 용융시키는 온도 (1700℃ 이상) 까지 가열하여 주철 재료의 표면에 용착시킴으로써 형성되기 때문에, 형성된 피복층은, 주철 재료의 표면 (하지) 의 열전도에 의해 자기 냉각·응고되어 형성된다. 그 때에, 주철 재료는, 담금질 변태점 온도 이상으로 가열되고 또한 냉각되기 때문에 피복층 하층에 담금질층이 형성된다. 그리고, 결과 1 에서, 0.01 ∼ 2.0㎜ 두께의 담금질층이 생기는 조건에서 피복을 실시하면, 핀홀 등의 가스 결함을 저감시킬 수 있음과 함께, 피복층의 비드 균열을 억제할 수 있다고 생각된다. 또한, 0.01㎜ 이상의 두께의 담금질층을 형성하기 위해서는, 적어도, 레이저의 조사 강도를, 200W/㎟ 이상으로 조정하는 것이 바람직하다. 또한, 실시예 1 의 주철 부재가, 비교예 3 의 것에 비해 내마모성이 향상된 것은, 재질 그 자체의 영향과, 피복층 중의 가스 결함, 피복층의 비드 균열이 없었던 것에 의한 것이라고 생각된다.

[실시예 4]

실시예 1 과 동일하게 하여, 주철 재료의 표면에 피복층을 형성하여 주철 부재를 제조하였다. 실시예 1 과 상이한 점은, 상기 피복 재료로서, 산소 함유량이 200ppm 이하인 재료 (구체적으로는, 산소 함유량이 100ppm, 200ppm) 를 사용한 점이다. 그리고, 이 주철 부재의 피복층의 단면에 있어서, 평균 직경이 0.2㎜ 이상인 가스 결함의 개수와, 평균 직경이 0.4㎜ 이상인 가스 결함의 개수를 측정하였다. 이 결과를 도 4 에 나타낸다. 또한, 밸브 시트에 유해한 가스 결함 (핀홀) 은, 0.5㎜ 이상의 것이다.

[비교예 4]

실시예 4 와 동일하게 하여, 주철 재료의 표면에 피복층을 형성하여, 주철 부재를 제조하였다. 실시예 4 와 상이한 점은, 상기 피복을 위한 재료로서, 산소 함유량이 200ppm 을 초과한 재료 (구체적으로는, 산소 함유량이 250ppm, 300ppm, 350ppm, 400ppm) 를 사용한 점이다. 그리고, 실시예 4 와 동일하게 하여, 가스 결함의 개수를 측정하였다. 이 결과를 도 4 에 나타낸다.

[결과 2]

도 4 에 나타내는 바와 같이, 실시예 4 와 같이 산소 함유량이 200ppm 이하의 재료를 피복 재료로서 사용한 경우에는, 평균 직경이 0.4㎜ 이상의 가스 결함은 없었다. 또한, 산소 함유량이 100ppm 이하의 재료를 사용한 경우에는, 평균 직경이 0.2㎜ 이상인 가스 결함은 없었다. 실시예 4, 비교예 4 의 결과에서 알 수 있듯이 피복 재료의 산소 함유량이 증가함에 따라, 가스 결함의 개수가 증가하였다.

[고찰 2]

결과 2 로부터, 피복층 중에 형성되는 가스 결함은, 분말 (피복을 위한 재 료) 에 함유되는 산소와 주철 재료의 흑연이 반응하여 생성되는 이산화탄소에 의해 발생한다고 생각되며, 상기 산소 함유량을 낮게 함으로써 가스 결함의 발생은 대부분을 억제할 수 있다고 생각된다. 그리고, 산소 함유량이 200ppm 이하이면, 밸브 시트에 유해한 0.5㎜ 이상의 핀홀을 억제할 수 있고, 산소 함유량이 100ppm 이하이면, 평균 직경 0.2㎜ 이하의 핀홀을 억제할 수 있어, 더욱 양질의 피복층을 형성할 수 있다.

[실시예 5]

실시예 1 과 동일하게 하여, 주철 재료의 표면에 피복층을 형성하여, 주철 부재를 제조하였다. 실시예 1 과 상이한 점은, 도 1 에 나타내는 바와 같은 엔진을 구성하는 실린더 헤드의 본체 (주철 재료) (21) 의 표면 (22) 에 피복층 (23) 을 형성한 점과, 이하에 나타내는 2 층으로 이루어지는 피복층을 형성한 점이다. 구체적으로는, 피복층을 형성하는 공정으로서, 먼저, 주철 재료의 표면에, 0.1㎜ 의 두께가 되도록 제 1 피복층 (1 층째) 을 형성하는 공정을 실시하였다. 다음으로, 그 제 1 피복층의 표면에, 두께가 1.9㎜ (제 1 피복층의 19 배의 두께) 가 되도록 제 2 피복층 (2 층째) 을 형성하는 공정을 실시하였다. 또한, 제 1 피복층과 제 2 피복층의 재질은 동일하다. 그리고, 이 2 층으로 이루어지는 피복층이 형성된 주철 부재의 단면을 관찰하였다. 이 결과를 도 5 에 나타낸다. 또한, 도 5 에 나타내는 ○ 는, 비드 균열이 없는 경우, 또는, 가스 결함이 거의 없는 경우이다. 또한, △ 는, 밸브 시트의 사용에 지장이 없는 비드 균열이 있는 경우, 또는, 밸브 시트의 사용에 지장이 없는 가스 결함이 있는 경우이다. × 는, 밸브 시트의 사용에는 바람직하지 않은 비드 균열이 있는 경우, 또는, 밸브 시트의 사용에는 바람직하지 않은 가스 결함이 있는 경우이다.

[실시예 6 ∼ 8]

실시예 5 와 동일하게 하여, 실린더 헤드 본체 (주철 재료) 의 표면에 피복층을 형성하여, 주철 부재를 제조하였다. 실시예 6 이 실시예 5 와 상이한 점은, 제 1 피복층의 두께를 0.5㎜ 로, 제 2 피복층의 두께를 1.5㎜ (제 1 피복층의 3.0 배의 두께) 로 한 점이다. 실시예 7 이 실시예 5 와 상이한 점은, 제 1 피복층의 두께를 0.8㎜ 로, 제 2 피복층의 두께를 1.2㎜ (제 1 피복층의 1.5 배의 두께) 로 한 점이다. 또한, 실시예 8 이 실시예 5 와 상이한 점은, 제 1 피복층을 1.0㎜ 로, 제 2 피복층의 두께를 1.0㎜ (제 1 피복층의 1.0 배의 두께) 로 한 점이다. 그리고, 이들의 피복을 실시한 주철 부재에 대해서도, 실시예 5 와 동일한 단면 관찰을 실시하였다. 이 결과를 도 5 에 나타낸다. 또한, 실시예 6 의 주철 부재의 단면 사진을 도 6 에 나타낸다.

[비교예 5 ∼ 8]

실시예 5 와 동일하게 하여, 실린더 헤드 본체 (주철 재료) 의 표면에 피복층을 형성하여 주철 부재를 제조하였다. 비교예 5 ∼ 8 이 실시예 5 와 상이한 점은, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 제 1 피복층의 두께를, 0.1㎜ 보다 얇게 하였거나 (비교예 5), 또는 1.0㎜ 보다 두껍게 한 (비교예 6 ∼ 8) 점이고, 또한, 제 2 피복층의 두께를, 제 1 피복층의 두께의 19.0 배보다 두껍게 하였거나 (비교예 5), 또는 제 1 피복층의 두께의 1.0 배보다 얇게 한 (비교예 6 ∼ 8) 점이다. 그리고, 이들의 피복층을 형성한 주철 부재에 대해서도, 실시예 5 와 동일하게 단면 관찰을 실시하였다. 이 결과를 도 5 에 나타낸다.

[비교예 9]

비교예 2 와 동일하게 하여, 1 층만의 피복층을 형성하였다. 이 주철 부재의 단면 사진을 도 6 에 나타낸다.

[결과 3]

도 5, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 실시예 5 ∼ 8 의 주철 부재의 피복층에는, 밸브 시트에 사용하는 데에 지장이 있는 비드 균열, 가스 결함은 없었다. 그러나, 비교예 5 ∼ 9 의 주철 부재의 피복층에는, 비드 균열, 가스 결함의 어느 일방이 있어 밸브 시트로서 사용할 수 없는 것이었다.

[고찰 3]

제 1 피복층을 0.1 ∼ 1.0㎜ 의 두께 범위로 하면, 제 2 피복층에 대한 카본의 희석을 저감시킬 수 있고, 가스의 발생을 봉쇄할 수 있다고 생각된다. 그리고, 비교예 5 와 같이, 제 1 피복층의 두께가 제 2 피복층의 두께에 비해 얇은 (2 층째가 1 층째의 두께의 19 배보다 두꺼운) 경우에는, 제 2 피복층의 응고 수축시의 응력에 의해 비드 균열을 유발했다고 생각된다. 또한, 비교예 6 ∼ 8 과 같이, 제 1 피복층의 두께가 제 2 피복층의 두께에 비해 두꺼운 (2 층째가 1 층째의 두께의 1.0 배보다 얇은) 경우에는, 비교예 9 와 같이, 피복층에 가스 결함이 포함되어, 피복층을 절삭 후의 밸브 시트 최종 형상 표면에, 가스 결함이 공공 (空孔) 결함으로서 노정되는 경우도 있을 수 있다. 따라서, 제 1 피복층의 두께의 1.0 배 ∼ 19 배의 두께 범위가 되도록 제 2 피복층을 형성하면, 제 2 피복층의 피복시의 열 영향에 의한 균열의 유발도 저감시킬 수 있다. 또한, 균열, 가스 결함의 발생이 없는 보다 양질의 피복층을 형성하려면, 주철 재료의 표면에, 0.5 ∼ 0.8㎜ 의 두께 범위가 되도록 제 1 피복층을 형성하고, 제 1 피복층의 두께의 1.5 배 ∼ 3.0 배의 두께 범위가 되도록 제 2 피복층을 형성하는 것이 보다 바람직하다고 생각된다. 또한, 제 1 피복층과 제 2 피복층의 재질이 상이해도, 융점, 열팽창률 등의 재료 특성이 가까운 것이면, 대략 동일한 결과가 얻어지는 것으로 생각된다.

[실시예 9]

실시예 5 와 동일하게, 주철 재료의 표면에 2 층으로 이루어지는 피복층을 형성하여 주철 부재를 제조하였다. 실시예 5 와 상이한 점은, 도 7 에 나타내는 바와 같이 제 2 피복층을 형성하는 공정을, 상기 제 2 피복층이 상기 제 1 피복층의 표면으로부터 벗어나지 않도록 하여 실시한 (폭 a > 폭 b 로 한) 점이다. 그리고, 이 피복층을 형성한 주철 부재의 단면을 관찰하였다. 이 결과를 도 7 에 나타낸다.

[비교예 10]

실시예 9 와 동일하게, 주철 재료의 표면에 2 층으로 이루어지는 피복층을 형성하여 주철 부재를 제조하였다. 실시예 5 와 상이한 점은, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 제 2 피복층을 형성하는 공정을, 상기 제 2 피복층이 상기 제 1 피복층의 표면으로부터 벗어나도록 하여 실시한 (폭 a < 폭 b 로 한) 점이다. 그리고, 이 피복층을 형성한 주철 부재의 단면을 관찰하였다. 이 결과를 도 7 에 나타낸다.

[결과 4]

도 7 에 나타내는 바와 같이, 실시예 9 의 피복층에는 가스 결함이 없었지만, 비교예 10 의 피복층의 비어져 나온 부분의 근방에는, 가스 결함 핀홀 (핀홀) 이 발생되어 있었다.

[고찰 4]

비교예 10 과 같이, 제 2 피복층의 폭 b 가 제 1 피복층의 폭 a 보다 큰 경우에는, 그 양단 (비어져 나온 부분) 에서 주철 재료의 흑연의 혼입이 일어나고, 그 결과로서, 제 2 피복층 중에 가스 결함이 발생하기 쉽다. 또한, 피복 재료는, 피복시에는 용융되기 때문에 녹아내림이 발생하는 경우가 있다. 따라서, 제 1 피복층에 표면에 맞추어, 그 표면 상에 동일한 면적의 제 2 피복층을 피복한 경우에도, 제 2 피복층의 녹아내림이 주철 재료의 표면에 흘러들어, 가스 결함을 유발할 우려도 생각할 수 있다. 따라서, 이와 같은 용융, 녹아내림도 상정하여, 제 2 피복층을 형성하는 공정을, 제 2 피복층이 제 1 피복층의 표면으로부터 벗어나지 않도록 하여 실시하는 것이 바람직하다고 생각된다.

[실시예 10]

피복층 형성의 전처리 공정으로서, 실시예 1 에 사용한 것과 동일한 주철 재료의 표면층에 함유되는 흑연 및 그 흑연 중의 유분을 제거할 수 있는 강도 이상, 또한, 상기 주철 재료의 표면이 용융되는 강도보다 작은 강도가 되도록, 조사 강도를 조정한 레이저를 상기 주철 재료의 표면에 조사하였다. 구체적으로는, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 레이저의 출력을 1.0kW 또는 1.5kW 로 하고, 주철 재료의 표면에 있어서의 레이저의 입사 에너지가, 10 ∼ 20J/㎟ 의 범위가 되도록, 레이저의 조정을 실시하였다. 그리고, 이들 주철 재료의 단면을 관찰하였다. 이 결과를 도 8 에 나타낸다. 또한, 실시예 1 과 동일한 피복층을 형성하여 주철 부재를 제조하고, 그 주철 부재의 단면을 관찰하였다.

[비교예 11]

실시예 10 과 동일하게 전처리 공정을 실시하였다. 실시예 10 과 상이한 점은, 주철 재료의 표면에 있어서의 레이저의 입사 에너지를, 10J/㎟ 보다 작게 하였거나, 또는, 20J/㎟ 보다 크게 한 점이다. 그리고, 실시예 10 과 동일하게, 주철 재료의 단면을 관찰하였다. 이 결과를 도 8 에 나타낸다. 또한, 실시예 10 과 동일하게 피복층을 형성하여 주철 부재를 제조하고, 그 주철 부재의 단면을 관찰하였다.

[결과 5]

실시예 10 의 주철 부재는, 모두 가스 결함 및 균열이 없는 피복층이 형성되었지만, 비교예 11 의 주철 부재 중, 전처리 공정에 있어서 20J/㎟ 보다 큰 것은 최표면이 용융되고, 틸화가 일어나 모재 표면에 균열이 발생하고, 피복층에 비드 균열이 발생하였다. 또한, 전처리 공정에 있어서 10J/㎟ 보다 작은 것은, 피복층 중에 가스 결함이 발생하였다.

[고찰 5]

비교예 11 과 같이, 10J/㎟ 보다 작은 경우에는, 흑연 및 흑연 중의 유분을 제거할 수 없었기 때문에, 피복층에 가스 결함이 발생하였다고 생각된다. 한편, 20J/㎟ 보다 큰 경우에는, 주철 재료의 틸화에 의해 균열이 발생하기 쉽고, 이 균열의 발생에 의해 피복층에도 비드 균열이 발생한 것으로 생각된다. 따라서, 실시예 10 과 같이, 주철 재료의 표면에 있어서의 레이저의 입사 에너지가, 10 ∼ 20J/㎟ 의 범위가 되도록 레이저의 조정을 실시하면, 주철 재료의 표면에 개재하는 흑연 및 흑연 중의 유분을 제거할 수 있고, 주철 재료의 표면이 용융되어 틸화되는 경우도 없기 때문에, 고품질의 피복층을 형성할 수 있다고 생각된다.

[실시예 11]

실시예 9 와 동일하게, 주철 재료의 표면에 피복층을 형성하여, 주철 부재를 제조하였다. 실시예 9 와 상이한 점은, 도 1 에 나타내는 레이저 조사 장치 (10) 와 주철 재료 (실린더 헤드 본체) (21) 를 상대적으로 이동시키는 속도 (가공 속도) (V) 를, 도 9 에 나타내는 바와 같이 (● 표로 나타내는 바와 같이), 150㎜/min ∼ 600㎜/min 의 범위로 하여 피복층을 형성한 점이다. 그리고, 주철 부재의 외관 및 단면의 관찰을 실시하였다. 이 결과를 도 9 에 나타낸다. 또한, 본 실시예에서는, 레이저 출력이 1.5kW 이하의 것은, 비드가 형성되지 않기 때문에, 그 이상의 레이저 출력으로 피복을 실시하고 있다.

[비교예 12]

실시예 11 과 동일하게 하여, 주철 재료의 표면에 피복층을 형성하여, 주철 부재를 제조하였다. 실시예 11 과 상이한 점은, 도 9 에 나타내는 바와 같이, (× 표로 나타내는 바와 같이), 상대 이동 속도 (가공 속도) (V) 를 150㎜/min 보다 작은 또는 600㎜/min 보다 큰 조건에서 피복을 실시한 점이다. 그리고, 피복층의 외관 및 단면의 관찰을 실시하였다. 이 결과를 도 9 에 나타낸다.

[결과 6]

실시예 11 의 주철 부재에는, 피복층에는 가스 결함, 비드 균열은 보이지 않았다. 비교예 12 중, 하강 속도가 150min 보다 작은 경우에는, 비드의 리플이 단속적이 되어 (요철이 격렬해져), 밸트 시트로서 사용 가능한 피복층이 얻어지지 않았다. 또한, 종래의 일반적인 1 층의 피복의 경우에는, 밸브 시트 원주에 대하여 수직 방향의 불확정 위치에, 도 10 의 (a) 에 나타내는 바와 같이 밸브 시트 (피복층의 비드) 를 횡단하는 횡단 균열이 발생하였지만, 비교예 12 중 가공 속도가 600min 보다 큰 경우에는, 도 10 의 (b) 에 나타내는 바와 같이 밸브 시트를 종단하는 종단 균열이 발생하였다.

[고찰 6]

비교예 12 와 같은 종단 균열은, 비드에 대하여 원주 (圓周) 병행으로 연속적으로 발생하는 균열 (현상) 이기 때문에, 비드 전체에 대한 응력 증가가 원인으로 생각된다. 이와 같은 균열의 발생은, 2 층 피복에 의해, 가스 결함·국부 횡단 균열 (비드 균열) 을 억제하는 한편으로, 비드 전체에 대한 응력이 증가한 것에 따른 것으로 생각된다. 그리고, 가공 속도에 대한 영향이 매우 현저하게 나타나는 것은, 냉각 속도를 주된 요인으로서, 상기 균열의 요인이 되는 응력이 발생하기 때문이라고 생각된다. 따라서, 실시예 11 에 나타내는 바와 같이, 가공 속도가, 150㎜/min ∼ 600㎜/min 의 범위로 함으로써 (구체적으로는 종래의 1 층 피복의 일반적인 가공 속도 (900㎜/min) 보다 저하시켜) 피복층의 냉각 속도를 저하시키고, 피복층 비드 전체에 발생하는 응력을 저감시켜, 비드 균열의 발생을 회피할 수 있었다고 생각된다.

본 명세서에 인용된 모든 간행물은, 그 내용의 전체를 본 명세서에 도입하는 것으로 한다. 또한, 첨부된 청구의 범위에 기재되는 기술 사상 및 발명의 범위를 일탈하지 않는 범위 내에서 본 발명의 여러 가지 변형 및 변경이 가능한 것은 당업자에게는 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 변경도 포함하는 것을 의도한다.

Claims

피복을 위한 재료를 레이저 조사 장치로부터의 레이저의 조사에 의해 용융시키고, 그 용융된 재료를 주철 재료의 일부 표면에 용착시켜 피복층 (클래드층) 을 형성하는 공정을 포함하는 주철 부재의 제조 방법으로서,

상기 피복을 위한 재료로서 구리 원소를 주재로 한 재료를 사용하고, 상기 피복층이 형성되었을 때에, 0.01 ∼ 2.0㎜ 두께의 담금질층이 상기 주철 재료의 상기 표면에 형성되도록 하여, 상기 피복층을 형성하는 공정을 실시하는 것을 특징으로 하는 주철 부재의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 피복을 위한 재료로서, 산소 함유량이 200ppm 이하인 재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 주철 부재의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 레이저의 조사 강도를 200W/㎟ 이상으로 조정하여, 상기 피복층을 형성하는 공정을 실시하는 것을 특징으로 하는 주철 부재의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 피복층을 형성하는 공정은,

상기 주철 재료의 표면에, 0.1 ∼ 1.0㎜ 의 두께 범위가 되도록 제 1 피복층을 형성하는 공정과,

그 제 1 피복층의 표면에, 상기 제 1 피복층의 두께의 1.0 배 ∼ 19 배의 두께 범위가 되도록 제 2 피복층을 형성하는 공정을 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 주철 부재의 제조 방법.
제 4 항에 있어서,

상기 제 2 피복층을 형성하는 공정을, 상기 제 2 피복층이 상기 제 1 피복층의 표면으로부터 벗어나지 않도록 하여 실시하는 것을 특징으로 하는 주철 부재의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 피복층을 형성하는 공정의 전처리 공정으로서, 상기 주철 재료의 표면층에 함유되는 흑연 및 그 흑연 중의 유분을 제거할 수 있는 강도 이상, 또한, 상기 주철 재료의 표면이 용융되는 강도보다 작은 강도가 되도록, 조사 강도를 조정한 레이저를 상기 주철 재료의 표면에 조사하는 공정을 실시하는 것을 특징으로 하는 주철 부재의 제조 방법.
제 6 항에 있어서,

상기 주철 재료의 표면에 조사되는 레이저의 입사 에너지가, 10 ∼ 20J/㎟ 의 범위가 되도록 상기 레이저의 조사 강도를 조정하는 것을 특징으로 하는 주철 부재의 제조 방법.
제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 레이저 조사 장치와 상기 주철 재료의 어느 일방 또는 쌍방을, 상대적으로 150㎜/min ∼ 600㎜/min 의 속도 범위가 되도록 이동시키면서, 상기 피복층을 형성하는 공정을 실시하는 것을 특징으로 하는 주철 부재의 제조 방법.
상기 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법에 의해 피복층이 형성된 주철 부재.
주철 재료의 일부 표면에 피복층을 형성한 주철 부재로서,

상기 피복층은 구리 원소를 주재로 하고 있고, 상기 주철 재료의 상기 표면에는 0.01 ∼ 2.0㎜ 두께의 담금질층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 주철 부재.
제 10 항에 있어서,

상기 피복층은, 상기 주철 재료의 표면에, 0.1 ∼ 1.0㎜ 의 두께 범위의 제 1 피복층과,

그 제 1 피복층의 표면에, 상기 제 1 피복층의 두께의 1.0 배 ∼ 19 배의 두 께 범위의 제 2 피복층을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 주철 부재.
상기 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 주철 부재를 구비한 차량용 엔진으로서, 상기 주철 부재는, 차량용 엔진을 구성하는 실린더 헤드이고, 상기 피복층은, 상기 실린더 헤드를 구성하는 밸브 시트인 것을 특징으로 하는 차량용 엔진.