KR20110096362A

KR20110096362A - 내마모성 및 내부식성이 우수한 고내열 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들

Info

Publication number: KR20110096362A
Application number: KR1020100015770A
Authority: KR
Inventors: 박경채; 양병모
Original assignee: 금용기계 주식회사; 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2011-08-30

Abstract

본 발명은 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들에 관한 것으로, 상기 헤드부와 스템부는 스테인리스강으로 이루어지고, 상기 헤드부의 시트의 면 가장자리에는 링 형상의 홈이 가공 형성되며, 상기 홈에 원 형상의 비드를 다층으로 육성용접하여 Co계 합금을 용착시킨 것을 특징으로 하는 내마모성 및 내부식성이 우수한 고내열 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들을 그 기술적 요지로 한다.
본 발명에 의하면 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들의 재질을 기존 고가의 니켈 합금인 Nimonic 80A에서 스테인리스강으로 대체하여 제조 원가를 대폭 절감하는 동시에, 엔진의 바텀피스(bottom piece)와 접촉되는 헤드부의 시트의 면에 홈을 가공 형성하고 상기 홈에 표면경화 육성용접(hardfacing)을 하여 원 형상의 비드를 다층으로 형성해 내마모성 및 내부식성이 우수한 Co계 합금을 용착시킴으로써 내구성이 크게 향상되는 효과가 있다.

Description

내마모성 및 내부식성이 우수한 고내열 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들{HIGH HEAT-RESISTANCE EXHAUST VALVE SPINDLE OF MARINE ENGINE HAVING EXCELLENT WEAR RESISTANCE AND CORROSION RESISTANCE}

본 발명은 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들을 스테인리스강으로 제조하여 원가를 대폭 절감 가능하고, 헤드부의 시트의 면에 표면경화 육성용접(hardfacing)에 의한 Co계 합금을 용착시킴으로써 내마모성 및 내부식성이 향상된 고내열 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들에 관한 것이다.

일반적으로 대형선박에 사용되는 2행정 디젤 저속엔진의 배기밸브 스핀들(exhaust valve spindle, 10)은 도 1(a),(b)에 도시된 바와 같이 에어 실린더(50) 내에서 혼합 연료가 폭발할 때는 상부로 이동하여 엔진에 고정되어 있는 부품인 바텀피스(bottom piece, 80)와 접촉하여 압력이 빠져나가지 않도록 기밀을 유지하고, 폭발 후에는 하부로 이동하여 배기포트(90)로 연소가스를 배출하는 역할을 하는 핵심부품이다.

이러한 배기밸브 스핀들(10)은 폭발, 연소 행정 중에서 700bar 이상의 압력과 600℃ 이상의 고온의 열악한 환경에 노출되어 있기 때문에, 엔진 부품 중 최악의 조건에서 작동됨으로써 심각한 손상이 자주 발생되고 있다. 게다가, 최근 선박용 엔진의 효율향상과 배기가스의 오염 저감을 위해 연소온도와 엔진출력이 증가하게 됨으로써 배기밸브 스핀들(10)도 더 높은 압력과 온도에 노출되어 보다 가혹한 조건하에서 사용되고 있기 때문에 내열성 등의 우수한 고온특성이 요구된다.

따라서, 이러한 요구를 충족시키기 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 배기밸브 스핀들(10)의 재질로 고온특성이 우수한 니켈 합금인 Nimonic 80A를 사용해 왔으나, 상기 Nimonic 80A는 Ni을 70% 정도 함유하고 고함량의 Cr, Ti 등으로 구성되어 있어 가격이 매우 고가인 문제가 있다.

또한, 선박엔진에 사용되는 연료는 타 분야에 사용되는 엔진에 비하여 그 품질이 떨어지기 때문에 연료 연소 중에 발생하는 Al₂O₃, SiO₂ 등과 같은 경질의 연소 반응물과 미세 오염입자들로 인하여 바텀피스(bottom piece, 80)와 접촉되는 헤드부의 시트(seat)의 면이 마모되면서 부식에 의해 손상받게 되고, 이와 같은 부식이 계속 진행되면 도 3에 도시된 바와 같이 시트의 면에 깊은 구멍이 형성되며(dent mark), 그 결과 상기 구멍을 통한 고온의 연소가스의 흐름인 국부통풍이 발생되어 온도를 국부적으로 상승시킴으로써 부식을 더욱 촉진시키게 되는 바, 결국 엔진의 효율이 저하되고 배기밸브 스핀들이 파손되어 그 수명이 단축되는 문제가 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 일본의 특개소 60-034606호의 'Ni기 합금제 밸브의 제조방법'에는 석출경화형 Ni 합금을 소재로 하고, 특정의 가공조건으로 가공함으로써 내마모성 및 내식성이 우수한 내열 밸브를 제조하는 기술이 개시되어 있으나, 이 기술 역시 Ni함유량이 높은 고가의 합금이고 바텀피스와의 접촉면이 마모, 부식되는 문제는 크게 개선되지 않았다.

본 발명은 상술한 문제들을 해결하고자 안출된 것으로서, 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들의 재질을 니켈 합금 Nimonic 80A에서 스테인리스 스틸로 대체함으로써 가격이 저렴하면서도 내열성 및 내부식성 등 내구성이 우수할 뿐만 아니라, 바텀피스(bottom piece)와 접촉되는 헤드부의 시트의 면에 표면경화 육성용접(hardfacing)으로 Co계 합금을 용착시킴으로써 경도가 강화된 내마모성 및 내부식성이 우수한 고내열 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 선박용 엔진의 배기포트를 개폐시키는 헤드부와, 상기 헤드부의 직선 왕복이동을 가이드하는 스템부를 포함하는 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들에 있어서, 상기 헤드부와 스템부는 스테인리스강으로 이루어지고, 상기 헤드부의 시트의 면 가장자리에는 링 형상의 홈이 가공 형성되며, 상기 홈에 원 형상의 비드를 다층으로 육성용접하여 Co계 합금을 용착시킨 것을 특징으로 하는 내마모성 및 내부식성이 우수한 고내열 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들을 제공한다.

이때, 상기 스테인리스 스틸은 SNCrW인 것에도 그 특징이 있다.

여기서, 상기 SNCrW는 중량%로 C:0.2~0.3%, Si:1.0~2.0%, Mn:0.75~1.35%, Cr:18~20%, Ni:8~10%, W:1.6~2.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 홈의 깊이는 10 ~ 15mm인 것에도 그 특징이 있다.

나아가, 상기 Co계 합금은 중량%로 C:0.5~3.0%, Si:0.1~3.0%, Mn:0.1~2.0%, Al:0.1~5.5%, Cr:10~37%, W:0.1~17%, Mo:0.1~10%, Ti:0.1~4.5%, 잔부 Co 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 의하면, 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들의 재질을 기존 고가의 니켈 합금인 Nimonic 80A에서 스테인리스강으로 대체하여 제조 원가를 대폭 절감하는 동시에, 엔진의 바텀피스(bottom piece)와 접촉되는 헤드부의 시트의 면에 홈을 가공 형성하고 상기 홈에 표면경화 육성용접(hardfacing)을 하여 원 형상의 비드를 다층으로 형성해 내마모성 및 내부식성이 우수한 Co계 합금을 용착시킴으로써 내구성이 크게 향상되는 효과가 있다.

도 1(a)는 선박용 엔진의 모식도, 도 1(b)는 선박용 엔진의 배기밸브의 모식도.
도 2는 종래에 사용되어 온 니켈 합금인 Nimonic 80A 재질의 배기밸브 스핀들의 개략도.
도 3은 종래의 배기밸브 스핀들의 시트(seat)면에 발생한 덴트마크(dent mark)을 나타낸 사진.
도 4는 본 발명에 따른 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들의 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 바텀피스(bottom piece)와 접촉되는 시트면에서의 표면경화 육성용접(hardfacing) 방법을 나타낸 구성도.

이하, 본 발명의 구성에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들(10)은 도 4에 도시된 바와 같이 선박용 엔진의 배기포트(90)를 개폐시키는 헤드부(20)와, 상기 헤드부(20)의 직선 왕복이동을 가이드하는 스템부(30)를 포함하여 이루어진다.

이때, 상기 헤드부(20)와 스템부(30)는 스테인리스강으로 제조되는 바, 상기 스테인리스강은 가격이 저렴하고 내열성과 내부식성이 우수한 SNCrW인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 SNCrW는 중량%로 C:0.2~0.3%, Si:1.0~2.0%, Mn:0.75~1.35%, Cr:18~20%, Ni:8~10%, W:1.6~2.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 것을 특징으로 하는데, 이하 상기 SNCrW의 성분조성을 한정한 이유에 대하여 설명한다.

C(탄소)는 탄화물을 형성하고 고온강도를 높이며 내마모성을 개선시키기 때문에 0.2중량%이상 함유하는 것이 바람직하나, 그 함량이 0.3중량%를 초과하면 인성 및 연성이 낮아지므로, 그 함량을 0.2~0.3중량%로 한정한다.

Si(실리콘)은 탈산제로서 첨가하지만 다량 첨가하면 강도 및 인성이 저하되기 때문에 그 함량을 2.0중량% 이하로 한정한다.

Mn(망간)은 탈산제로서 첨가하지만 다량 첨가하면 고온 내부식성이 저하되기 때문에 그 함량을 1.35중량% 이하로 한정한다.

Cr(크롬)은 고온 내식성을 확보하기 위해 적어도 18중량% 이상 함유하는 것이 바람직하나, 그 함량이 20중량%를 초과하면 비용이 증가하고, 고온강도 및 인성의 저하를 초래하기 때문에, 그 함량을 18~20중량%로 한정한다.

Ni(니켈)은 고온강도 및 내식성을 개선시키므로 8중량% 이상 함유하는 것이 바람직하나, 그 함량이 10중량%를 초과하면 비용이 증가하고 첨가 효과가 포화되기 때문에, 그 함량을 8~10중량%로 한정한다.

W(텅스텐)은 고온강도를 향상시키기 때문에 1.6중량% 이상 함유하는 것이 바람직하나, 그 함량이 2.5중량%를 초과하면 인성이 저하되므로, 그 함량을 1.6~2.5중량%로 한정한다.

또한, 상기 헤드부(20)의 시트(seat, 21)의 면 가장자리에는 상기 스템부(30)의 주위를 따라 링 형상의 홈(22)이 가공 형성되고, 상기 홈(22)의 깊이는 10 ~ 15mm인 것이 바람직하다. 상기 홈(22)의 깊이가 10mm 미만이면 Co계 합금이 시트(21)의 면에 용착된 층의 두께가 적어 바텀피스(80)와의 접촉시 용착층이 마모, 부식되면서 배기밸프 스핀들이 파손되고 연소가스가 누출되어 엔진 효율이 저하될 수 있으며, 상기 홈(22)의 깊이가 15mm를 초과하면 불필요한 부분에까지 Co계 합금 사용하여 비용이 증가할 뿐만 아니라, 증가된 깊이 만큼 원 형상의 비드를 다층으로 육성용접하여 Co계 합금을 용착시켜야 하는 문제가 있기 때문에, 상기 홈(22)의 깊이는 10 ~ 15mm로 한정한다.

그리고, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 홈(22)에 원 형상의 비드를 다층으로 육성용접하여 Co계 합금을 용착시키는데, Co계 합금으로 된 용접봉을 사용하여 아크열로 모재인 헤드부(20)의 시트(21)의 면에 가공 형성된 링 형상의 홈(22)에 표면경화 육성용접(hardfacing)을 함으로써 일정 크기와 두께를 갖는 원 형상의 비드를 균일하게 다층 형성하여 표면경화에 의해 내마모성 및 내부식성을 향상시켜 바텀피스(80)와의 마모부의 수명을 연장시킨다.

이때, 상기 Co계 합금은 중량%로 C:0.5~3.0%, Si:0.1~3.0%, Mn:0.1~2.0%, Al:0.1~5.5%, Cr:10~37%, W:0.1~17%, Mo:0.1~10%, Ti:0.1~4.5%, 잔부 Co 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 바, 이하에서는 상기 Co계 합금의 성분조성을 한정한 이유를 설명한다.

C(탄소) 성분은 W, Mo, Ti 등과 결합하여 탄화물을 형성함으로써 상온 및 고온경도를 향상시키는 원소로서, 그 함량이 0.5중량% 미만이면 고경도를 확보할 수 없고, 그 함량이 3.0중량%를 초과하면 내열충격성이 열화되므로, 그 함량을 0.5~3.0중량%로 한정한다.

Si(실리콘)은 주조성, 육성용접성 및 유동성을 개선해 주는 원소로서, 그 함량이 0.1중량% 미만이면 소망하는 개선 효과를 얻을 수 없고, 그 함량이 3.0중량%를 초과하면 개선 효과가 포화되기 때문에, 그 함량을 0.1~3.0중량%로 한정한다.

Mn(망간)은 육성용접성을 개선하는 작용을 하므로 그 함량을 0.1중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하나, 그 함량이 2.0중량%를 초과하면 개선 효과가 포화되기 때문에, 그 함량을 0.1~3.0중량%로 한정한다.

Al(알루미늄)은 Cr과 같이 내부식성을 향상시키고, Ti 등과 결합하여 금속간 화합물을 형성함과 동시에 질화물을 형성하여 상온 및 고온경도를 향상시켜 내마모성을 향상시키므로 0.1중량% 이상 함유하는 것이 바람직하나, 그 함량이 5.5중량%를 초과하게 되면 주조성 및 유동성을 저하시키며 용접성 및 인성이 저하되므로, 그 함량을 0.1~5.5중량%로 한정한다.

Cr(크롬)은 고온경도를 향상시켜 내마모성이 증대되고, 내부식성을 개선하는 작용을 하기 때문에 10중량% 이상 함유하는 것이 바람직하나, 그 함량이 37중량%를 초과하면 내열충격성이 저하되기 때문에, 그 함량을 10~37중량%로 한정한다.

W(텅스텐)은 탄화물을 미세화하고 합금의 고온경도 및 고온강도를 향상시키기 때문에 0.1중량% 이상 함유하는 것이 바람직하나, 그 함량이 17중량%를 초과하면 육성용접성과 절삭성이 저하되므로, 그 함량을 0.1~17중량%로 한정한다.

Mo(몰리브덴)은 W와 공존하여 고용 강화되고, 탄화물을 형성하여 합금이 고온경도와 고온강도를 향상시키기 때문에 0.1중량% 이상 함유하는 것이 바람직하나, 그 함량이 10중량%를 초과하면 내열충격성 및 인성이 나빠지므로, 그 함량을 0.1~10중량%로 한정한다.

Ti(티타늄)은 결정립을 미세화하고 금속간 화합물을 형성하여 내열충격성, 고온경도 및 고온강도를 향상시키는 작용을 하므로 0.1중량% 이상 함유하는 것이 바람직하나, 그 함량이 4.5중량%를 초과하면 탄화물의 량이 과다하게 되어 오히려 내열충격성, 인성 및 내부식성이 나빠지므로, 그 함량을 0.1~4.5중량%로 한정한다.

[실시예]

중량%로 C:0.23%, Si:1.4%, Mn:1.1%, Cr:18.5%, Ni:9.6%, W:1.8%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 SNCrW 스테인리스강을 단조기로 열간 가공하여 다음의 치수를 갖는 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들의 모재를 제조하였다.

전장 : 1180mm, 헤드부의 직경 : 320mm, 스템부의 직경 56~66mm

다음에 상기 모재의 헤드부의 시트의 면의 가장자리에 깊이 12mm의 홈을 형성하였다.

이어서, 표1의 성분조성과 잔부Co 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 Co계 합금을 각각 제조하고, 통상의 조건으로 연속 주조함으로써 직경 4.8mm의 용접봉을 성형한 후, 상기 Co계 합금으로 된 용접봉을 사용하여 상기 모재의 시트의 면에 형성된 홈에 원 형상의 비드를 다층으로 형성하며 표면경화 육성용접을 실시하여 Co계 합금을 모재에 용착시켰으며, 이어서 표면을 연마하여 마감처리를 하였다.

[표1]

다음에 상기 육성용접부에 대하여 800℃의 고온에서 비커스 경도(Hv)를 측정하였고, 700℃에서 15분간 유지후 수냉의 조작을 1사이클로 반복 행하여 원 형상의 비드가 균열이 발생하기까지의 사이클수를 측정하는 내열충격성 시험을 하였으며, 상기 배기밸브 스핀들의 육성용접부가 포함된 시험편을 잘라 915℃에서 가열한 용융산화연 40g 중에 1시간 침지후 중량감소량을 측정하는 내부식성 시험을 실시하였으며, 그 결과를 비교예3인 니켈 합금Nimonic 80A의 시편과 비교예4인 SNCrW 스테인리스강의 시편을 포함한 비교예들과 대비하여 표 2에 나타내었다.

[표2]

상기 표2의 실험결과에 나타난 바와 같이, 본 발명의 성분조건을 함유한 Co계 합금을 용착시킨 발명예1 내지 3은 육성용접부의 고온경도가 350Hv 이상의 고경도를 가짐으로써 고온에서 우수한 기계적 성질을 갖고 있었고, 비교예1 및 2는 모재에 Co계 합금을 용착시켰기 때문에 고온경도는 어느 정도 충족시켰으나, Co계 합금을 사용하지 않은 비교예3 및 4는 고온 경도가 불량하여 내마모성이 나쁘기 때문에 시트의 마모면에 사용되기에는 부적합한 것을 확인할 수 있었다.

또한, 본 발명의 성분조건을 함유한 Co계 합금을 용착시킨 발명예1 내지 3은 육성용접부의 원 형상 비드에 균열이 발생하기까지의 수냉조작의 사이클 수가 14회 이상으로서 상당히 우수한 내열충격성을 갖기 때문에 바텀피스와의 접촉시에도 내균열성이 우수함을 알 수 있었으나, 비교예1 내지 4는 균열이 쉽게 발생하여 육성용접용으로 충분히 만족되는 사용수명을 갖고 있지 않음을 확인할 수 있었다.

그리고, 본 발명의 성분조건을 함유한 Co계 합금을 용착시킨 발명예1 내지 3은 시험후 육성재의 중량감소량이 적어 매우 우수한 내부식성을 갖고 있었으나, 비교예1 내지 4는 시험후 육성재의 중량감소량이 많아 육성용접부의 표면에 부식에 의한 손상이 발생되기 쉽고 이로 인한 고온의 국부통풍으로 인해 덴트 마크가 생겨 부식이 더욱 촉진될 수 있음을 확인할 수 있었다.

결국, 본 발명은 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들의 재질을 기존 고가의 니켈 합금인 Nimonic 80A에서 스테인리스강으로 대체하여 제조 원가를 대폭 절감 가능하고, 엔진의 바텀피스와 접촉되는 헤드부의 시트의 면에 홈을 가공 형성하고 상기 홈에 표면경화 육성용접(hardfacing)을 하여 원 형상의 비드를 다층으로 형성하여 내마모성 및 내부식성이 우수한 Co계 합금을 용착시킴으로써 내구성이 크게 향상되어 배기밸브의 사용수명을 연장시킬 수 있다.

10. 배기밸브 스핀들 20. 헤드부
21. 시트(seat) 22. 홈
30. 스템부 40. 밸브 드라이브(valve drive)
50. 에어 실린더(air cylinder) 60. 밸브 하우징(valve housing)
70. 밸브 가이드(valve guide) 80. 바텀피스(bottom piece)
90. 배기포트

Claims

선박용 엔진의 배기포트를 개폐시키는 헤드부와, 상기 헤드부의 직선 왕복이동을 가이드하는 스템부를 포함하는 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들에 있어서,
상기 헤드부와 스템부는 스테인리스강으로 이루어지고,
상기 헤드부의 시트의 면 가장자리에는 링 형상의 홈이 가공 형성되며,
상기 홈에 원 형상의 비드를 다층으로 육성용접하여 Co계 합금을 용착시킨 것을 특징으로 하는 내마모성 및 내부식성이 우수한 고내열 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들.
제1항에 있어서,
상기 스테인리스강은 SNCrW인 것을 특징으로 하는 내마모성 및 내부식성이 우수한 고내열 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들.
제2항에 있어서,
상기 SNCrW는 중량%로 C:0.2~0.3%, Si:1.0~2.0%, Mn:0.75~1.35%, Cr:18~20%, Ni:8~10%, W:1.6~2.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 것을 특징으로 하는 내마모성 및 내부식성이 우수한 고내열 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들.
제1항에 있어서,
상기 홈의 깊이는 10 ~ 15mm인 것을 특징으로 하는 내마모성 및 내부식성이 우수한 고내열 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들.
제1항에 있어서,
상기 Co계 합금은 중량%로 C:0.5~3.0%, Si:0.1~3.0%, Mn:0.1~2.0%, Al:0.1~5.5%, Cr:10~37%, W:0.1~17%, Mo:0.1~10%, Ti:0.1~4.5%, 잔부 Co 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 것을 특징으로 하는 내마모성 및 내부식성이 우수한 고내열 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들.