KR20120075485A - 내연기관 엔진용 배기 밸브 스핀들 및 그 제조방법 - Google Patents

내연기관 엔진용 배기 밸브 스핀들 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20120075485A
KR20120075485A KR1020127013464A KR20127013464A KR20120075485A KR 20120075485 A KR20120075485 A KR 20120075485A KR 1020127013464 A KR1020127013464 A KR 1020127013464A KR 20127013464 A KR20127013464 A KR 20127013464A KR 20120075485 A KR20120075485 A KR 20120075485A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
base portion
alloy
forging
exhaust valve
outer side
Prior art date
Application number
KR1020127013464A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101435401B1 (ko
Inventor
하로 안드레아스 회그
Original Assignee
맨 디젤 앤드 터보 필리얼 아프 맨 디젤 앤드 터보 에스이 티스크랜드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 맨 디젤 앤드 터보 필리얼 아프 맨 디젤 앤드 터보 에스이 티스크랜드 filed Critical 맨 디젤 앤드 터보 필리얼 아프 맨 디젤 앤드 터보 에스이 티스크랜드
Publication of KR20120075485A publication Critical patent/KR20120075485A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101435401B1 publication Critical patent/KR101435401B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F7/00—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression
    • B22F7/06—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools
    • B22F7/08—Manufacture of composite layers, workpieces, or articles, comprising metallic powder, by sintering the powder, with or without compacting wherein at least one part is obtained by sintering or compression of composite workpieces or articles from parts, e.g. to form tipped tools with one or more parts not made from powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/002—Hybrid process, e.g. forging following casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J5/00—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor
    • B21J5/06—Methods for forging, hammering, or pressing; Special equipment or accessories therefor for performing particular operations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/20—Making machine elements valve parts
    • B21K1/22—Making machine elements valve parts poppet valves, e.g. for internal-combustion engines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/20—Making machine elements valve parts
    • B21K1/24—Making machine elements valve parts valve bodies; valve seats
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/12—Both compacting and sintering
    • B22F3/14—Both compacting and sintering simultaneously
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/17—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by forging
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/008—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of engine cylinder parts or of piston parts other than piston rings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/02—Selecting particular materials for valve-members or valve-seats; Valve-members or valve-seats composed of two or more materials
    • F01L3/04—Coated valve members or valve-seats

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Forging (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

2행정 크로스헤드 엔진인 내연기관 엔진에 대한 배기 밸브 스핀들(1)로서, 상기 배기 밸브 스핀들은 합금강으로된 베이스부를 구비한 밸브 헤드(3)와, 연소실을 향하여 밸브 스핀들의 표면을 형성하는 외측면(5)을 구비한다. 상기 외측면(5)은 니켈계, 크롬계, 또는 코발트계인 열간-내식성 합금의 입자상 시작 물질로부터 형성되며, 상기 입자상 시작 물질은 코히런트 레이어에 일체로 되어 있다. 상기 베이스부에 대한 적어도 천이 영역에서, 상기 외측면의 입자상 물질의 입자들은 외측면(5) 및 베이스부를 단조함으로써 생성되는 전단 변형에 의해 계란형 또는 길이방향으로 연장된 형상으로 변형되며, 단조된 외측면은 적어도 98.0%의 밀도를 가진다.

Description

내연기관 엔진용 배기 밸브 스핀들 및 그 제조방법{An exhaust valve spindle for an internal combustion engine, and a method of manufacturing}
본 발명은 내연 기관 엔진용 배기 밸브 스핀들, 보다 자사하게는 2행정 크로스헤드 엔진용 배기 밸브 스핀들에 대한 것으로서, 상기 밸브 스핀들은 합금강의 베이스부와, 연소챔버를 향한 밸브 스핀들의 표면을 형성하는 외측면을 구비하며, 상기 외측면은 니켈계, 크롬계, 또는 코발트계로되는 열간 내식성 합금의 입자상 시작 물질로 형성되며, 여기서, 입자성 시작 물질은 코히런트 레이어(coherent layer)로 통합된다.
미국 특허 제6,173,702호는 내식성 외측면이 분말야금처리에 의해 베이스부 상에 제공되는 종류의 공지의 배기 밸브 스핀들을 설명하고 있는데, 여기서, 내식성 합금의 입자상 물질은 상기 베이스부 상의 몰드에 배치되고 HIP(Hot Isostatic Pressure) 처리 과정에서 후자와 통합된다. 상기 몰드는 가능한한 많은 공기 또는 가스를 제거하기 위하여 진공처리된다. 상기 HIP 처리 과정은 가열되면서 일정 압력하게 놓일 수 있는 챔버에서 행해진다. 효율적으로 상기 챔버를 사용하기 위하여, 그것은 가급적 많은 베이스부 또는 다른 부분으로 채워지며, 이러한 목적물들은 상기 챔버 내에서 동일한 HIP 처리를 받게 된다. 상기 처리가 시작되면, 상기 챔버는 HIP 조건으로 가열되고 가압되며, 이러한 조건들은 필요한 기간만큼, 예를 들어 적어도 8 시간 내지 12 시간 동안 지속된다.
HIP 처리동안에, 압력은 등압 압축(모든 방향으로 완전히 균일한 압력)으로서 입자상 물질에 영향을 미치게 되며, 입자상 물질의 부피는 상기 베이스부 상에서 그것이 컴팩트하게 되듯이 모든 방향으로 균일하게 감소된다. 외측면의 마이크로 구조촤의 결과로서, 입자들은 완성된 밸브 스핀들으로 취해진 연마되고 폴리싱된 샘플에서 볼 경우 원형의 형상을 가진 구형으로 감지되는 것으로 보여진다. 도 1 및 도 10은 이러한 샘플의 사진이다.
하부 밸브 헤드표면은 그 면적이 넓으며 따라서 예를 들어 엔진 부하가 변화하는 경우, 특히 엔진이 출발하거나 정지하는 경우에 상당한 열적 응력에 노출되게 된다. 이러한 열적 충격은 상기 표면의 중심에서 가장 심한데, 그 이유들 중 부분적 이유는 연소 가스는 연소실의 중앙 근처에서 가장 온도가 높으며, 다른 부분적 이유로서 밸브 헤드는 상부 표면상의 시트 영역은 밸브가 폐쇄되어 있는 동안에 수냉 정지 밸브 시트와 접촉하게 되는 외측 림 아래에서 냉각되기 때문이다. 차가운 주변부 물질은 뜨거운 중앙의 물질의 열적 팽창을 방지하게 되며, 따라서 상당한 열적 응력을 일으키게 된다. 이러한 열적 영향에 의해 야기되는, 천천히 변화하지만 큰 열적 응력은 외측면의 강도와 품질에 높은 요구사항을 만들게 된다.
HIP 처리는 외측면의 정밀한 코히런스와 높은 품질을 가진 마이크로 구조체를 제공하는 것으로 알려져 있지만, HIP 처리는 매우 시간이 소비되며, 상승된 온도에서의 긴 처리 시간은 하나의 합금에서 다른 합금으로의 성분의 확산과 같은 바람직하지 않은 금속적 처리를 일으키게 된다.
본 발명의 목적은 외측면의 고강성을 확보하는 것이며 강한 구조체, 보다 자세하게는 상기 베이스부에 대하여 천이 구간에 인접하게 외측면에 마이크로 구조체를 형성하는 것이다.
본 발명에 따른 배기 밸브 스핀들을 참조하면, 상기 베이스부에 대하여 적어도 천이 구간에서 외측면의 입자상 물질의 입자들은 상기 외측면 및 베이스부를 단조함으로써 야기되는 전단 변형에 의해 계란형 또는 길다란 형상으로 변형되며, 단조된 외측면은 적어도 98.0%의 밀도를 가지게 되는 특성을 가진다.
단조에 의해 유도되는 전단 변형은 다른 분말 입자와 관련하여 분말 입자의 변위를 일으켜서, 입자들은 서로 비벼지게 되며, 입자들의 표면상에 존재하게 되는 산화 필름 레이어를 관통하게 된다. 임의의 산화 필름 레이어는 얇은데, 그 이유는 입자상 물질은 산소가 없는 가스에서 원자화에 의해 만들어지지만, 저장시에 일부 산소는 입자상에 불가피하게 형성되기 때문이다. 전단 변형은 입자들을 타원 또는 길다란 형상으로 특징되는 비-원형 형상으로 변형시킨다. 단조시에, 입자상 물질은 소밀한 레이어로 가압되며, 입자들은 입자상 물질이 베이스부상에 바로 위치하게 될 때 베이스부가 되는 인접한 레이어에 결합된 코히런트(coherent) 물질와 통합된다. 적어도 98.0%의 밀도는 많아야 2%의 기공으로도 표현될 수 있다.
단조에 의해 유도되는 전단 변형은 입자상 물질이 적어도 반경 방향으로 유동하게 하며, 이러한 반경 방향은 배기 밸브 스핀들의 축방향에 수직하며, 따라서 이러한 반경 방향은 밸브 헤드의 하부 표면과 나란하고 상기 베이스부의 물질와 외측면의 물질간의 실질적으로 평평한 평면 천이 구간(transition zone)과 나란하다. 전단 변형 및 그에 따른 천이 구간에 인접한 물질 내에서의 반경 방향 이동은 상기 물질들 사이에서 효과적인 결합을 형성하며, 변형시에 서로에 대하여 입자들을 비벼 극히 효과적인 방법으로 결합을 형성하고, 이에 따른 마이크로 구조체는 상기 마이크로 구조체 내에서 내측 파손 지점의 개수가 매우 작다. 따라서 상기 천이 영역에서의 물질의 결합은 강한 마이크로 구조를 가지게 되며, 외측면 및 베이스부 사이의 기하학적 체결부를 완전히 없애는 것이 가능하게 된다.
바람직한 실시예에서, 상기 외측면 및 상기 베이스부 사이의 천이 구간은 밸브 헤드의 림 영역으로부터 밸브 헤드의 중앙 영역으로 연장되는 영역에서 적어도 하나의 곧은 평면을 따라 연장된다. 상기 림 영역에서, 상기 외측면은 상측으로 연장되며 주변부를 따라 베이스부를 둘러싸는 확장부를 가져서, 외측면 자체는 주변부에서 직립한 벽을 구비한 팬 형상으로 된다. 상기 림으로부터 일정 거리에서, 상기 천이 구간은 밸브 헤드의 중간을 향하여 곧게 뻗은 평면을 따라 연장되기 시작하며, 이러한 평면 연장은 외측면의 두께나 형상의 갑작스런 변화가 없고 단조시에 외측면의 입자상 물질이 어떻게 처리되는지에 있어서 큰 국부적 변화가 없는 장점을 가져온다. 평면의 천이 구간에 인접하여, 입자상 물질은 국부적 영역 내에서 실질적으로 동일한 처리를 받게 되며, 하나 이상의 평면 영역이 상기 림 영역으로부터 중심 영역으로 연장됨에 따라 평면 영역들은 상기 밸브 헤드의 영역의 대부분을 커버하게 된다.
상기 외측면은 상기 베이스부 상에 바로 놓이게 되는 것이 가능하다. 선택사항으로서, 합금의 적어도 하나의 버퍼 레이어는 외측면 및 베이스부 사이에 배치된다. 이러한 버퍼 레이어가 사용될 때, 상기 버퍼 레이어의 합금은 외측면의 열간 내식 합금과 다르며 베이스부의 합금강과 다른 성분을 가진 제3의 합금으로 형성된다. 성분에 있어서 이러한 차이는 버퍼 레이어의 합금의 분석은 합금 성분 중 하나 이상의 성분의 합계(중량비)면에서 또는 합금 성분면에서 상이함을 의미한다. 상기 버퍼 레이어는 예를 들어 서로 다른 양의 카본 또는 크롬, 철 또는 니켈과 같은 다른 성분의 서로 다른 양을 가진 합금강일 수 있다. 따라서, '성분'(composition) 이라는 용어는 합금의 분석을 의미한다. 합금갑으로된 베이스부와 다른 외측면 사이의 상기 버퍼 레이어의 위치는 합금강이 버퍼 레이어의 물질에 대해서만 바로 접촉하며 외측 레이어의 내식성 합금에는 접촉하지 않는 효과를 나타낸다. 상기 버퍼 레이어는 외측면으로부터 베이스부로 그리고 베이스부에서 외측면으로 합금 성분이 확산되는 것을 방지하거나 이를 감소시키도록 작동한다.
바람직하게는, 상기 버퍼 레이어는 강, 오스테나이트 강, 니켈계 합금, 불가피한 불순물을 제외하고 Fe 또는 Ni 로 된 합금을 포함하는 그룹에서 선택된다. 이러한 합금은 외측면의 합금 및 베이스부의 강 모두와 대응되는 것으로 고려된다.
일실시예에서, 상기 베이스부의 합금강은 오스테나이트 스테인레스 강이다. 수년동안, 합금 NIMONIC 80 A (특수 소재에 대한 등록 상표)로 밸브 스핀들 전체를 만드는 것이 인정되었다. 그러나 이와 같은 특수 합금은 오스테나이트 스테인레스강 만큼 용이하게 입수할 수 있는 것은 아니며, 상기 스테인레스강은 고강도를 가지며 내식성이 연소실을 향하는 표면상의 스테인레스강의 성능을 상회하여 향상된다면 특히 2행정 크로스헤드 엔진에서 우수한 성능을 보여주는 것으로 고려된다. 그러나, 스테인레스강은 비교적 높은 탄소 성분을 가진다. 상기 버퍼 레이어는 확산된 탄소를 흡수하여, 배기 밸브의 주요부에 대하여 스테인레스강을 사용하는 장점은 완성된 배기 밸브의 장기간 인성 및 내식성에 대한 높은 요구 조건에 의해 훼손되지 않는다.
바람직한 실시예에서, 상기 버퍼 레이어는 적어도 2mm 의 두께를 가진다. 이러한 두께는 버퍼 레이어가 레이어에 대한 탄소 확산이 탄화물로 변환되는 탄화물 형성 능력을 나타내는 합금으로 되지만 레이어의 탄소 활성도의 증가를 야기하지 않는 경우에도 이러한 탄소가 버퍼 레이어를 가로질러 확산되도록 하는데 충분하다.
본 발명은 배기 밸브 스핀들이 합금강의 베이스부를 구비한 밸브 헤드와, 연소실을 향하는 밸브 스핀들의 표면을 형성하는 외측면을 구비하는 내연 기관 엔진에 대한 배기 밸브 스핀들을 제조하는 방법에 대한 것으로서, 외측면은 니켈계, 크롬계 또는 코발트계의 열간-내식성 합금의 물질에서 시작하는 입자로부터 형성된다.
본 발명에 따르면, 상기 방법은 열간-내식성 합금의 입자상 물질이 베이스부의 포위체에 담겨지고, 상기 입자상 물질이 단조 온도로 가열되고 단조되어, 상기 입자상 물질은 길다란 형상 또는 계란 형상으로 입자를 변형시키는 전단 변형을 받게 되며, 이러한 단조는 입자상 물질을 적어도 98.0%의 밀도로 컴팩트화시키며, 상기 베이스부 또는 베이스부와 버퍼 레이어를 외측면과 통합시키게 된다.
단조는 HIP 처리와 관련하여 상당히 신속하게 발생하며, 밸브 부품이 상승된 단조 온도에 있는 동안 합금 성분은 단지 짧은 시간에 하나의 합금으로부터 인접한 합금으로의 확산하게 된다. 전술한 바와 같이, 이러한 단조는 입자상 물질을 서로 가압하게 되며 전단 변형은 천이 구간과 나란한 방향으로 입자들을 이동시키게 되며, 입자상 물질들을 서로 비벼서 합체시킨다. 이러한 운동과정 동안에, 비벼지고 합체되는 산화 필름은 초기에는 입자 파쇄물 상에 존재하며, 임의의 입자 내부의 그레인으로부터의 깨끗한 합금 물질은 다른 입자 내부의 그레인으로부터 얻어지는 깨끗한 합금 물질와 직접 접촉하게 되며, 상기 그레인은 마이크로 구조체 수준에서 효과적으로 연결된다.
일실시예에서, 용기 내의 입자상 물질은 벨브 헤드의 림 영역 내부로부터 벨브 헤드의 중앙 영역으로 연장되는 영역에서 실질적으로 균일한 두께의 레이어에 제공된다. 입자상 물질로 된 레이어가 상기 용기 내에 실질적으로 균일한 두께로 형성되고 실질적으로 균일한 단조 조건이 가해질 때 결국 외측면은 실질적으로 균일한 두계를 가지게 된다. 외측면 및 베이스부 사이의 천이 구간은 밸브 헤드의 반경방향으로 단일하게 곧게 뻗은 평면을 따라 연장된다.
다른 실시예에서, 용기 내의 입자상 물질은 밸브 헤드의 림 영역 내부로부터 밸브 헤드의 중앙 영역으로 연장되는 영역에서 밸브의 길이방향 중심축을 향하여 증가하는 두께로 된 레이어에 제공된다. 상기 밸브 헤드의 저부 표면은 일반적으로 평평한 표면이며, 상기 베이스부의 저부 표면은 외측면의 두께가 두꺼운 것이 가능하게 하도록 옴폭한 중앙 영역으로 형성될 수 있다. 상기 외측면 및 상기 베이스부 사이의 천이 구간은 다수개의 곧게 뻗은 평면을 따라 연장되거나, 천이 구간은 약간 만곡된 형상을 가진다. 밸브 헤드의 저부 표면의 중앙 영역에서의 외측면의 증가된 두께는 배기 밸브에 입자상 물질의 양에 대하여 소모되는 것에 비하여 긴 수명을 가진 배기 밸브를 제공하게 되는데, 그 이유는 사용시에 최고의 온도 충격 및 작동시에 최고의 물질 손실이 밸브 헤드의 저부 표면의 중앙 영역에서 발생하기 때문이다. 상기 배기 밸브 스핀들은 물질 손실이 림 영역 또는 다른 국부적인 영역에 가장 인접하게 되는 것으로 예상되는 엔진에 사용된다면, 상기 외측면은 림 영역으로의 방향에서의 증가된 두께 또는 국부적인 영역에서의 증가된 두께를 선택적으로 가질 수 있다.
본 발명에 따른 추가적인 방법은 열간 내식성 합금의 입자상의 물질이 예비 성형품을 형성하는 불활성 대기에서 열간 스프레이되고, 상기 예비 성형품 및 베이스부는 단조 온도로 가열되어 단조됨으로써 상기 입자상 물질은 길다란 형상 또는 타원 형상으로 입자를 형성하게 되는 전단 변형을 받게 되며, 이러한 단조는 입자상 물질의 밀도를 적어도 98.0%로 소밀화시키며, 외측면을 베이스부와 일체화하거나 버퍼 레이어와 베이스부에 통합되는 특징으로 가진다.
이러한 방법에서, 상기 입자상 물질은 입자상 물질이 단일체로서의 베이스부에 배치되게 하는 충분히 안정적인 형상의 예비 성형품으로 우선 성형된다. 상기 입자상 물질은 상기 베이스부 상에 스프레이 될 수도 있다. 상기 입자상 물질이 기공 없이 연결되는 경우에, 용기를 사용하는 것을 회피할 수도 있다. 용기가 사용되면, 단조가 완료된 후에 가공되어야 한다. 예비 성형품의 입자상 물질이 단조 전에 불규칙한 형상을 가지더라도, 이러한 단조로 인하여 처음에 언급된 방법과 관련하여 설명된 바와 같은 동일한 효과가 발생하지만, 변형된 입자는 상당히 불규칙적인 형상을 가지게 된다.
어떠한 방법이 사용되더라도, 단조 이전에 외측면의 물질은 1 X 10 -4 바 미만의 압력까지 진공 처리된다. 이러한 진공 처리는 단조되어지는 입자상 물질 내에서 기공으로부터 기체를 제거하며, 이러한 진공 처리는 물질의 압축을 촉진한다. 외측면의 물질에 존재하는 기체들은 불활성 가스와 같은 산소가 없는 기체이지만, 가능한한 적은 가스를 가지는 것이 바람직하다. 결국, 외측면의 물질은 1 X 10 -7 바 미만의 압력으로 진공 처리된다.
제 3 합금의 버퍼 레이어가 사용되면, 이러한 제 3 합금은 베이스부의 합금강(제1합금)과는 다르며 외측면의 열간-내식성 합금(제2합금)과 다른 성분을 가진다. 상기 제 3 합금은 외측면의 물질이 상기 베이스부의 상기 표면에 배치되기 전에 베이스부의 표면에 가해진다. 상기 제 3 합금은 외측면의 물질에 선택적으로 가해질 수 있다. 그러나, 상기 베이스부의 표면은 제 3 합금이 양호하게 제어되는 방식으로, 특히 양이 균일하게 조절되고 균일한 방식으로 물질로부터 도포되는 균일하며 매끄러운 면이다.
상기 외측면을 구비한 밸브 헤드를 획득하기 위하여 하나 이상의 단계에서 단조를 행하는 것이 가능하다. 상기 베이스부와 상기 외측면을 통합하는 단조 단계에 후속하여, 통합된 베이스부 및 외측면은 최종 형태를 얻기 위하여 적어도 하나의 후속 단계에서 단조될 수 있다. 예를 들어 베이스부 및 외측면이 밸브의 헤드부가 후속 단계에서 단조되는 작업이 뒤따르는 제 1 단조 단계에서 통합시에 원통형을 가진다면 이는 바람직하다.
천이 구간을 가로지르는 확산을 감소시키기 위하여, 단조는 10분 미만의 시간으로 행해지는 것이 바람직하며, 외측면을 구비한 베이스부는 단조 후에 즉시 냉각된다.
추가적은 방법의 실시예에서, 밸브 샤프트부는 단조가 완결된 후에 베이스부 상에 마찰 용접된다. 이러한 것의 장점 중 하나는 단조 온도로 가열되어져야 하는 물질의 양은 밸브 샤프트부가 존재하지 않을 때보다 작다는 것이다. 다른 장점은 상기 베이스부가 측면으로 연장되는 샤프트부를 가지는 대신에 외측면으로부터 멀어지는 방향의 측면 상에서 다이에 완전히 둘러싸여 지지될 수 있다는 것이다.
밸브 헤드 및 샤프트를 구비한 왼전한 밸브 또는 단조된 밸브 헤드는 온도 또는 어닐링과 같은 최종 열처리를 받게 된다. 이러한 열처리는 천이 구간에서 합금 성분의 확산을 일으키며, 물질들간의 금속적 결합을 강화시킨다.
본 발명의 실시예들은 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 외측면이 종래의 HIP 처리에 의해 제공되는 밸브 스핀들로부터 취해지는 연마되고 폴리싱된 샘플의 현미경 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 배기 밸브의 형태의 배기 밸브 스핀들의 부분 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 밸브 헤드의 단조에 대한 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 밸브 샤프트 및 밸브 헤드의 개략도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따라 외측면이 제공되는 밸브 스핀들로부터 취해지는 연마되고 폴리싱된 샘플의 현미경 사진이다.
도 8 및 도 9는 각각 테스트 샘플의 평면도 및 측면도이다.
도 10은 종래의 HIP 처리에 의해 외측면이 제공되어지는 밸브 스핀들로부터 취해진 연마되고 폴리싱된 샘플의 형미경 사진이다.
도 11은 본 발명의 방법에 다른 단조 이전에 용기 내에 담겨지는 입자상 물질을 도시하는 도면이다.
도 1 및 도 10을 참조하면, 샘플은 HIP 콤팩트화된 입자상 물질로부터 얻어지며 입자들을 통한 절개부로부터의 원형 형상이 도시된다. 이것은 컴팩트화 단계 동안에 입자들이 구형을 유지한다는 것을 보여준다. 상기 입자들이 구형상인 것은 HIP 컴팩트화 처리의 전형적인 모습이며, 이것은 컴팩트화 단계 동안에 등압 압력이 가해진 결과이다. 등압 압력으로 인하여 입자상 물질은 입자가 처리 과정동안에 물질 내에서 주변으로 이동하지 않는 방식으로 수축된다. 이것은 매우 정연한 처리 단계로서, 입자들 간의 상호 위치는 유지된다. 종래의 미세 구조를 명확히 분별하기 위하여 3개의 사이클이 도 10의 사진에 추가되어, 사진에서 입자의 3개의 윤관이 나타난다.
도 2는 2행정 크로스헤드 엔진의 배기 밸브에 대한 배기 밸브 스핀들(1)의 개략도이다. 상기 밸브의 좌반부는 외부에서 보여지며, 밸브의 우반부는 외측면(5)의 위치와 범위를 예시적으로 보여주는 단면으로 보여진다. 상기 밸브 스핀들은 밸브 샤프트(2), 베이스부(4) 및 외측면(5)을 가진 밸브 헤드(3)를 구비하는데, 상기 밸브 샤프트의 저부 섹션은 도 2에 도시된다. 상기 배기 밸브의 축방향은 상기 샤프트의 중심에서 연장되는 라인(C)의 방향에서 가리키는 화살표(A)에 의해 도시되며, 화살표(R)는 축방향에 수직한 반경 방향을 가리킨다.
상기 밸브 헤드(3)의 상부 표면에서 밸브 시트(6)는 상기 시트의 밀봉 표면 상의 오목한 마크의 형성에 대응 작용하기에 적합한 열간-내식성 합금에서 만들어진다. 이러한 좌석 합금은 공지되어 있으며, 그 중에서도 출원인의 WO97/47862 에서 공지되었고 설명되었는데, WO97/47862는 시트 합금과 관련하여 본원에 편입된다.
상기 밸브 헤드 상의 외측면(5)은 배기 밸브 스핀들이 엔진에 장착될 때 연소실을 향하여 하향하는 표면(7)을 형성하고 배기 밸브로부터 물질을 소결하는 상호 작용을 하는 열간-내식성 물질의 레이어이다. 상기 열간-내식성 물질은 니켈계, 크롬계 또는 코발트계인 합금의 자료에서 출발하는 입자로 형성된다. 엔진에서의 작동시에, 배기 밸브 스핀들은, 상기 밸브 시트(6)가 배기 밸브 하우징(미도시)에서 고정 밸브 시트와 접하는 폐쇄 위치와, 배기 밸브 스핀들(1)이 하향 이동하고 밸브 시트(6)가 고정 밸브 시트로부터 일정 거리에 있는 개방 위치 사이에서 엔진 사이클의 적절한 시간에서 이동한다. 상기 실린더 라이너 및 실린더 커버(미도시)와 함께 배기 밸브 스핀들(1)은 내연 기관 엔진의 연소실을 형성하며 연소시에 발생되는 뜨겁고 열악한 환경에 노출된다.
배기 밸브 스핀들을 사용하는 내연 기관 엔진은 4행정 엔진 또는 2행정 크로스 헤드 엔진이다. 2행정 엔진은 MAN Diesel 사의 MC 또는 ME 타입일 수 있고, 베르트실래사의 RTA 또는 RTA-flex 타입이거나, 미쯔미시사의 것일 수 있다. 이러한 2행정 크로스헤드 엔진에서, 피스톤의 직경은 250 내지 1100 mm 의 범위이며, 밸브 헤드의 외경은 120mm 내지 600mm의 것인데, 일반적으로 170mm 이상이다.
이러한 수치로부터, 연소실을 향하는 배기 밸브 스핀들의 표면은 외측면(5)에 큰 열적 응력을 일으키며 외측면과 베이스부 사이에서 각각 경계 영역에 열적 응력을 일으키는 큰 영역을 가진다. 본 발명의 실시예에서, 상기 외측면(5)은 밸브 헤드의 림 영역을 향하여 배기 밸브 스핀들의 중앙으로부터 연장되는 평평한 영역에서 베이스부(4)에 강하게 연결된다.
상기 배기 밸브 스핀들(1)은 중간 또는 고속 타입의 4행정 엔진과 같은 작은 엔진에서 구현될 수 있는데, 배기 밸브 스핀들은 파손 없이 연속적인 작동이 지배적이며 큰 부하가 걸리는 대형 엔진인 2행정 크로스헤드 엔진에서 적용가능하다.
일실시예에서, 상기 외측면(5)은 베이스부(4)의 표면상에 바로 가해진다. 배기 밸브 스핀들의 다른 실시예에서, 도 6 및 도 7의 개략적인 사진이 촬영된 시편들 중 하나에서, 버퍼 레이어(9)는 베이스부(4) 및 외측면(5) 사이에 배치된다. 상기 버퍼 레이어(9)는 불가피한 불순물을 제외하고 베이스부의 표면에 가해진 실질적으로 순수한 니켈의 레이어로 된다. 상기 니켈 레이어는 상기 베이스부의 상부에 놓인 입자상 물질로서 제공되는 것과는 다른 방식으로 표면에 가해진다. 상기 니켈 레이어는 상기 버퍼 레이어의 상부에 외측면의 입자상 물질을 배치하기 전에 별도의 과정에서 제공된다. 별도의 과정에서, 상기 베이스부는 갈바닉 욕조에 배치되며, 니켈은 30 내지 150 마이크로미터, 바람직하게는 30 내지 70 마이크로미터의 범위의 두께를 가지는 레이어를 형성하는 니켈 전기 도금에 의해 증착된다. 전기 도금된 레이어는 순수한 니켈의 밀도가 되는 장점을 가진다. 전기 도금된 레이어는 베이스부에 금속 결합된다.
다른 실시예에서, 상기 버퍼 레이어는 불가피한 불순물을 제외하고는, Fe로 구성된다. 상기 버퍼 레이어를 순수하게 또는 거의 Fe 또는 Ni 로 만드는 장점은 상기 버퍼 레이어는 탄화물이 없거나 소량 형성된다는 것이다. 이 경우에, 상기 버퍼 레이어에서 탄화물의 형성이 억제되며, 상기 버퍼 레이어로의 탄소의 확산은 버퍼 레이어에서의 탄소 활동도를 증가시키며, 레이어에 대한 추가적인 확산에 제지된다. 탄소는 철과 니켈에서 매우 낮은 용해도를 가진다. 예를 들어, 500℃의 온도에서의 니켈의 용해도는 질량 기준 0.1% 미만이며, 매우 작은 양의 탄소가 버퍼 레이어에 확산될 때, 상기 버퍼 레이어는 100%의 탄소 활동도를 얻게 되어 레이어로의 탄소의 추가적인 확산을 가상적으로 방지하게 된다.
다른 예로서, 상기 버퍼 레이어(9)는 강 또는 오스테나이트강으로 형성된다. 상기 버퍼 레이어는 강으로된 플레이트일 수도 있다. 보다 더 구체적으로, 베이스부(4)는 단조된 밸브 강(표 1에서 SNCrW - Alloy 1)으로 형성되며, 외측면(50)은 Alloy 671 으로 형성되며, 강 플레이트는 표 2의 합금에서 선택되는 W.No. 1.4332 로 형성될 수도 있다. 다른 예로서, 상기 버퍼 레이어(9)는 UNS S31603 의 입자상 물질로서 제공될 수 있으며, 상기 외측면(5)은 Alloy 671의 입자상 물질로 형성될 수 있다. 상기 베이스부(4)는 단조강으로 형성된다. 이 경우, 상기 버퍼 레이어의 입자상 물질 및 외측면의 입자상 물질은 단조시에 베이스부(4)상에서 코히런트 물질로 통합된다.
선택적 실시예에서, 상기 버퍼 레이어는 니켈계 합금으로 형성될 수 있다. 이러한 유형의 합금은 외측면의 합금에 결합되기 적당하며, 중량 기준으로 크롬 성분이 25% 미만, 즉히, 20 내지 23% 의 크롬을 가지는 alloy IN 625, 19 내지 23# 크롬을 가지는 alloy INCOLOY 600 또는 10 내지 25% 크롬을 가지는 alloy IN718, 또는 약 15% 크롬을 가지는 alloy NIMINIC Alloy 105, 10 내지 25% 크롬을 가지는 alloy Rene 200 와 같이, 외측면보다는 상당히 낮은 크롬 성분을 가진다. 상기 버퍼 레이어는 높은 용량의 니켈이 탄소의 확산을 방지하는 경향이 있듯이 니켈이 풍부한 합금으로 될 수 있다.
상기 입자상 물질은 공지의 기술인 몇가지 다른 방식으로 만들어질 수 있다. 상기 입자상 물질은 예를 들어 불활성 대기로 된 챔버에 원하는 성분의 용융된 합금의 액체 제트를 원자화함으로써 만들어질 수 있으며, 상기 물질은 입자가 매우 정밀한 덴드라이트 구조로 되도록 켄칭되고 응고된다. 상기 입자상 물질은 분말로 불리워질 수도 있다.
상기 입자상 물질은 불활성 대기를 가진 챔버에 원하는 성분의 용융된 합금의 액체 제트를 원자화(atomisation)함으로써 만들어질 수도 있는데, 무화 입자의 스프레이는 고체부 상에서 타격되고 증착되도록 배향된다. 상기 고체부는 냉각되고 이 순간 입자는 상기 고체부로부터 분리된 예비 성형품을 형성하게 된다. 상기 입자들은 상기 고체부에 결합될 수도 있으며, 베이스부(4)가 사용되어 예비 성형품은 베이스부에 직접 결합된다.
상기 베이스부(4)에 대한 적절한 물질은 스테인레스 강을 포함한다. 이러한 물질의 예는 다음의 표 1에 주어져 있다. W.-No. 는 합금에 대한 독일 표준 번호이다. 언급된 퍼센트는 중량 퍼센트이다.
W.-No. C Si Mn Cr Ni 기타 밸런스
Alloy 1 0.25% 1.4% 1.3% 20% 9% 3% W Fe
- 0.35% 2.5% 0.8% 11.5% - 1% Mo Fe
1.4873 0.43% 2.3% 1.2% 18% 9% 1% W Fe
1.4718 0.45% 3.2% 0.4% 9% - - Fe
1.4871 0.52% - 9% 20.8% 3.9% 0.45% N Fe
1.4747 0.81% 2% - 19.5% 1.4% - Fe
선택적인 버퍼 레이어에 대한 적절한 물질은 다음의 표 2에 예시된 강을 포함한다. w.-nO.는 합금에 대한 독일 표준 번호이다. 언급된 퍼센트는 중량 퍼센트이다.
W.-No. C Si Mn Cr Ni 기타 밸런스
1.4370 0.08% 0.8% 7% 18% 8% - Fe
1.4316 0.03% 0.5% 1.5% 20.5% 10.5% Nb>12xC Fe
1.4551 0.04% 0.8% 1.8% 19.5% 10% - Fe
1.4430 0.025% 0.8% 1.8% 18.5% 12% 2.6% Mo Fe
1.4332 0.03% 0.5% 1% 24.5% 13% - Fe
- 0.08% 0.8% 1.8% 23.5% 13.5% - Fe
버퍼 레이어에 대한 다른 적절한 물질은 0.5% - 1.0% mN, 16.5 - 18% Cr, 11.5 - 14% Ni, 2.5 - 3.0% Mo, 0 - 0.1% N, 0 - 0.025% O, 0 - 0.03 % C, 및 밸런스 Fe 를 포함하는 합금 UNS S31603 이다. 상기 버퍼 레이어가 플레이트 물질로 이루어지면, 질소 및 산소의 성분에 대한 어떠한 일반적 요구사항도 없다. 그러나, 상기 버퍼 레이어가 입자상 물질로 형성된다면, 질소의 성분은 최대 0.1% 인 것이 바람직하며, 산소의 성분은 최대 0.03% 인 것이 바람직하다.
상기 외측면에 대한 적절한 물질은 배기 밸브에서의 공지 기술로 알려져 있으며, 예로서 Stellite 6, 50% Cr 및 50% Ni 유형의 합금, 48-52% Cr, 1.4-1.7% Nb, 최대 0.1% C, 최대 0.16% Ti, 최대 0.2% C+N, 최대 0.5% Si, 최대 1.0% Fe, 최대 0.3% Mg, 및 Ni 인 밸런스를 포함하는 IN 657 유형의 합금을 들 수 있다. 다른 예로서, 40 내지 51% Cr, 0 - 0.1% C, 1.0% 미만 Si, 0 - 5.0% Mn, 1.0% 미만 Mo, 0.05% - 0.5% B, 0 - 1.0% Al, 0 - 1.5% Ti, 0 - 0.2% Zr, 0.5 - 3.0% Nb, 최대 5.0%의 Co and Fe, 최대 0.2% 0, 최대 0.3% N, 및 Ni 인 밸런스를 포함하는 성분을 가진 합금일 수도 있다. 외측면으로서 다른 사용 적절한 페이싱 합금은 런던, 해양 공학 연구소 로부터 "중연료 작동을 위한 디젤 엔진 연소실 물질" 라는 이름의 책에서 1990년 반포된 "최근의 밸브 물질에 대한 작동 실험 검토"라는 논문에 나와 있다.
상기 단조는 단조 위치에 밸브 헤드의 베이스부(4)를 배치하고 필요시에 베이스부의 표면에 상기 버퍼 레이어(9)를 가함으로써 준비된다. 외측면(5)의 입자상 물질은 여러가지 다른 방식으로 제공된다. 도 11에 도시된 실시예에서, 상기 외측면은 베이스부(4)에서 용기(12)에 놓이는 입자상 물질로서 제공되는 반면에 용기를 구비한 베이스부와 입자상 물질은 단조를 위한 준비로서 다이부에 배치된다. 상기 용기(12) 및 베이스부상의 입자상 물질의 배치는 몇가지 다른 방식으로 행해진다. 상기 용기는 상기 베이스부상에 용접되며 용기에 입자상 물질을 충진하고 진공 장비를 연결하며 단조 이전에 차단하는데 사용되는 파이프 스터드가 제공된다. 선택적으로, 상기 용기(12)는 상기 입자상 물질이 상기 용기 내에 증착된 후에 베이스부(4)에 고정된다. 이러한 고정 작업은 용접 또는 진공 브레이징에 의한 다른 방법으로서 행해진다. 추가적인 선택적 예로서, 상기 용기는 상기 베이스부에 고정되며, 후속적으로 상기 입자상 물질은 상기 용기 내에 충진되며, 최종적으로 브레이징이 행해진다. 진공 브레이징을 사용할 때, 상기 용기는 컵 형상으로 되며 내부에 거친 쓰레드부가 제공되는데, 상기 쓰레드부는 베이스부 상에서 외측 쓰레드부와 짝을 이루게 된다. 상기 쓰레드부에는 땜납부가 제공된다. 다음으로 가열 및 고정 작업이 진공 오븐에서 행해진다. 다른 예에서, 상기 외측면(8)의 입자상 물질은 도 3에 도시된 베이스부(4)에 배치된 예비 성형품으로서 제공된다. 이러한 예비 성형품의 형성은 아래에서 보다 자세히 설명된다.
단조 이전에, 외측면(5)의 입자상 물질을 구비한 베이스부(4), 가능하다면 버퍼 레이어(9) 및 용기(12)는 950℃ 내지 1100℃의 온도의 범위가 되는 것이 바람직한 단조 온도로 가열된다. 가열된 부품들은 기계적으로 구동되거나 유압 구동되는 구동 메커니즘, 저부 다이부(10) 및 상부 다이부(11)를 가지는 단조 프레스로 도입된다. 상기 단조 프레스의 구동부는 하나의 다이부를 다른 다이부를 향하여 변위하며, 상기 다이부 내에 놓인 물질은 이러한 변위 동안에 기계적으로 변형된다. 단조를 수행하기 위하여 필요한 힘은 밸브 헤드의 크기에 의존한다. 약 490mm 의 밸브 헤드 직경에 대하여 효과적인 단조 작업은 약 250 내지 400MN 의 범위로 압축력을 구현할 수 있는 단조 프레스로써 행해진다. 보다 작은 밸브 헤드의 경우, 사용되는 압축력은 150mm 의 밸브 헤드 직경을 가진 배기 밸브에 대해서는 35MN 으로 비교적 작다. 단조 작업은 10분 내에 행해지는 것이 바람직하며, 3분 내에 행해지는 것이 더욱 바람직하다. 단조 작업 동안에, 외측면(5)의 입자상 물질은 컴팩트화되어 외측면의 두께는 입자상 물질의 초기 두께의 30 내지 70%로 감소하게 된다. 소밀한 예비 성형품이 사용된다면, 밀도는 단조를 하기 전보다 비교적 높아지게 되며, 이 경우, 외측면의 두께는 입자상 물질의 초기 두께의 30 내지 95%로 감소하게 된다. 상기 입자상 물질은 외측면의 결과적인 밀도가 적어도 98.0%가 되도록 두께가 감소하게 된다. 단조를 사용하여 이러한 수준으로 컴팩트화되면, 상기 입자상 물질은 적절한 밀도를 얻게 된다. 물론 입자상 물질은 적어도 99.0% 또는 심지어 적어도 99.5% 및 가장 바람직하게는 100% 밀도로 추가적으로 컴팩트화하는 것이 더욱 바람직하다.
단조 동안에 입자상 물질은 전단 변형을 받게 되어 입자들을 변위 위치로 놓이게 하고 물질은 변형되게 된다. 변형은 물질에서 입자들 간의 상대적인 변위를 나타내는 변형의 기하학적 정도이다. 전단 변형으로 인하여 입자들은 변위하게 되고 입자들이 접촉할 경우 입자들이 변형하게 된다. 전단 변형은 단조에 의해 영향을 받게 되는 표면에 나란하게 작용한다. 이러한 단조는 배기 밸브 스핀들의 축방향으로 표면(7)에 영향을 주게 되는데, 여기서 축방향은 이러한 표면에 수직하며, 전단 변형은 이러한 표면에 나란하게 작용하며, 표면은 배기 밸브 스핀들의 반경 방향으로 놓인다. 외측 레이어를 컴팩트화하는 동안에, 전단 변위는 반경 방향으로 입자들을 변위시키며, 입자들은 비벼져서 타원형, 계란형 또는 비정형과 같은 비-구형으로 변위되도록 힘을 받게 된다. 단조가 완료되면, 단조된 밸브 헤드는 다이로부터 제거되고 공기는 공랭식 또는 다른 방식으로 냉각된다.
외측면의 물질에서의 유효 변형률은 적어도 0.3 인 것이 바람직하다. 이러한 유효 변형은 2006, 프랜티스홀, 5판, 칼 팍잔 및 슈미트에 의해 저술된 "제조 공학 및 기술", 또는 222-223 페이지, 1978년 스톡홀름, 로얄 스웨덴 기술대학교, 논문 104, 게르트 헤드너에 의해 저술된 "Formelsamgling I Hallfasthetslare"과 같은 교과서에 설명된 전통적인 방식으로 계산된다. 보다 바람직하게는, 유효 변형율은 적어도 0.4 인 것이 바람직하다. 이것은 외측면의 입자와 베이스부 또는 버퍼 레이어의 물질 사이의 효과적이며 강한 경합을 가능하게 한다.
배기 밸브를 제조하는 첫번째의 방법은 다음에서 설명된다. 배기 밸브 스핀들은 합금강으로 된 베이스부와, 연소실을 향하는 밸브 시픈들의 표면으로 형성되는 외측면을 구비한 밸브 헤드를 가진다. 합금강의 베이스부는 적절한 형상으로 물질들을 단조하여 준비된다. 외측면을 형성하는 입자상 시작 물질이 준비된다. 이러한 물질은 열간-내식 합금으로 된다. 입자상 시작 물질은 외측면의 형상을 내측면에 가지는 용기 내에 담겨진다. 상기 용기는 환언하면 밸브 헤드가 단조된 후에 제거될 수 있도록 준비된다. 열간-내식성 합금의 입자상 물질이 베이스부의 용기 내에 놓이는 동안에, 입자상 물질 및 베이스부는 단조 온도로 가열되고 저부 다이부(10)와 같은 다이부 중 하나 내부에 배치된다. 다음으로 상기 물질이 단조되면, 입자상 물질은 입자들을 길다랗거나 계란형으로 변형시키는 전단 변형을 받게 된다. 동시에, 입자상 물질은 적어도 98.0%의 밀도로 컴팩트화되고, 베이스부 또는 버퍼 레이어와 베이스부에 통합된다.
배기 밸브를 제조하는 두번째 방법은 예비 성형품을 형성하도록 열간-내식성 합금의 입자상 물질을 열간 스프레이 하는 것이다. 상기 예비 성형품은 스프레이 작업 동안에 베이스부 상에 직접 형성되거나, 베이스부상에 배치되거나 분리되어 형성되며 단조 온도로 가열된다. 다음으로, 예비 성형품 및 베이스부, 선택적으로 버퍼 레이어는 배기 밸브부로 단조된다. 단조동안에, 입자상 물질은 입자들을 갈다한 형상이나 계란형 형상으로 변형시키는 전단 변형을 받게 되며, 이러한 단조는 입자상 물질이 적어도 98.0%의 밀도로 컴팩트화되게 하며, 외측면은 베이스부 또는 버퍼 레이어와 베이스부에 통합된다.
입자상 물질을 열단 스프레잉 하는 작업은 용융된 합금과 함께 스프레이 드라이어 노즐을 제공하고, 입자가 부분적으로 통합되지만 소밀하지 않은 상태로 남아 있는 베이스부(4)상에 무화된 입자로서 합금을 스프레이함으로써 발생될 수 있다. 열간 스프레이로 가해진 예비 성형품을 가진 베이스부는 단조 온도로 가열되고 전술한 바와 같이 다이들 중 하나에 배치되어 소밀한 상태로 단조된다.
외측면에 대하여 준비되는 입자상 물질은 입자에 존재하는 산소의 양을 감소시키기 위하여 단조 이전에 진공 처리된다. 이러한 방식으로, 입자상에 산화 필름을 형성하는 것이 대응하여 행해진다.
단조에서, 외측면(5)은 초기 두께에 비교하여 약 25% 미만의 두께와 같은 작은 두께로 압축된다. 동시에, 외측면에서의 물질의 밀도는 약 65% 로부터 100% 근처까지 상승하게 된다. 결과적으로 밀도는 적어도 98.0%가 되는 것이 바람직하다.
전술한 방법에 의해 제조된 밸브 헤드(3)는 연소실을 향하여 배향된 표면에서 외측면(5)을 가지는 밸브 헤드이다. 상기 밸브 헤드는 밸브 샤프트를 구비하며, 만약 밸브 헤드(3)의 베이스부(4)가 밸브 샤프트(2)와 일체로 형성된다면, 선택적으로 밸브 헤드는 보다 편리한 것으로 고려되어지는 것으로서 밸브 샤프트(2) 없이 제조될 수도 있다. 후자의 경우, 밸브 샤프트는 밸브 헤드의 제조가 완결된 후에 밸브 헤드 상에 장착되어져야 한다. 도 5는 밸브 샤프트(2) 및 완성된 밸브 헤드를 도시한다. 이러한 2개의 부품은 공지의 방식으로 마찰 용접함으로써 결합된다. 이러한 마찰 용접에서, 밸브 헤드와 같은 하나의 부품은 고정되고, 밸브 샤프트와 같은 다른 부품은 일단 회전하고 다음으로 밸브 헤드와 접하여 축방향으로 이동하게 되어, 이러한 2개의 부품들은 하나의 배기 밸브 스핀들로 서로 마찰 용접된다.
얻어진 강한 마이크로 구조체로 인하여 천이 영역에서 물질은 강하게 결합된다. 본 발명에 따르면, 이러한 결합은 테스트될 수 있다. 전단 부하에서 물질의 파손에 대한 강도를 측정하기 위하여, 특별한 테스프 시편이 배기 밸브의 절개된 샘플에 기초하여 준비된다. 이러한 테스트 시편은 도 8 및 도 9에 도시된 바와같은 형상으로 된다. 이러한 테스트 시편은 폭 w=9.0mm, 길이 l=40.0mm, 당김 홀의 중심들간의 거리 d=52.4mm, 베이스부의 두께 t=3.5mm, 외측면의 두께 T를 가진다. 외측면의 두께는 측정되어 T 로 설정된다. 전체 물질을 통하여 그루브(g1, g2)는 적어도 2mm 의 폭으로 양측으로부터 절개되며, 길이방향으로 이와 같이 분리되어 레이어의 상호 결합부의 오버랩 부분은 외측면의 측정된 두께보다 적다.
여섯가지 실험들이 행해졌고, 그 결과는 표 3에 나타나 있다. 얻어진 전단 강도는 높은 수준이다. 이러한 수준은 고체 상태의 물질의 전단 강도에 필적한다. 본 발명에 따라 얻어진 결합은 물질을 약하게 만들지 않는다.
폭
(mm)		 두께
(mm)		 오버랩
(mm)		 오버랩 면적
(mm2)		 단면족
(mm2)		 전단력(N)
 전단 강도
(N/mm2)
8.91 1.30 1.39 12.38 11.58 6323.6 510.6
8.94 1.45 1.50 13.41 12.96 6088.6 454.0
8.91 1.46 1.52 13.54 13.01 6138.4 453.2
8.94 1.45 1.50 13.41 12.96 6424.8 479.1
8.90 1.62 1.77 15.75 14.42 7451.8 473.0
8.91 1.33 1.41 12.56 11.85 5527.3 440.0
8.91 1.20 1.24 11.05 10.69 5134.3 464.7
8.92 1.42 1.51 13.43 12.62 6314.4 469.8
추가적인 실시예에서, 열간 내식성 합금의 입자상 물질은 세라믹 물질인 지르코니아(ZrO2)와 같은 분리 물질의 입자와 혼합된다. 분리 물질은 외측면의 오측 표면 근처에서 보다 높은 농도를 가지며, 외측면과 베이스부 사이의 천이 구간에서는 분리 물질이 없는 것이 바람직하다. 외측면의 입자상 물질은 분리 물질의 질량 기준 5 내지 60% 를 포함하지만, 분리 물질의 양은 외측면의 질량 기준으로 40%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
특허청구범위의 범위 내에서 전술한 실시예들을 다른 실시예와 결합할 수도 있다. 또한전술한 실시례들을 청구범위의 범위 내에서 변화시키는 것도 가능하다. 밸브 시트(6)는 예를 들어 밸브 헤드와 동일한 합금으로 형성될 수 있고, 버퍼 레이어(9)는 밸브 시트(6)에서 종료되며 최대 직경에서 경사지거나 수직한 범위를 가진다 (밸브 시트(6) 하측 영역).
전술한 실시예들 중 어떠한 것도 템퍼링 또는 어닐링과 같은 최종 열처리를 받게 될 수 있다. 열처리는 2 내지 6시간 동안 지속되며 800 내지 1050℃의 범위의 온도에서 행해진다. 다른 온도 범도에서도 행해질 수 있다.
배기 밸브 시픈들은 엔진의 주요 부품이며, 특정 배기 밸브 스핀들의 제조 사양 및 인식 문서에 대한 정보는 배기 밸브 스핀들에 태그로 표시되어 저장될 수 있다. 이러한 태그는 원격으로 읽고 쓸 수 있는 RFID 타입인 것이 바람직한데, 바람직하게는 제공된 추적 가능성에 대한 개별 인증 데이터를 포함하는 것이 바람직하다. 특정 스핀들에는 필요시에 하나 이상의 태그가 제공된다. 이러한 태그는 배기 밸브 스핀들 내의 위치에 배치되며, 그 위치는 열 또는 태그를 상하게 하는 다른 파라미터로부터 적절히 차단되어 있다.
1: 배기 밸브 스핀들 3: 밸브 헤드
4: 베이스부 5: 외측면

Claims (15)

  1. 2행정 크로스헤드 엔진인 내연기관 엔진에 대한 배기 밸브 스핀들로서, 상기 배기 밸브 스핀들은 합금강으로된 베이스부를 구비한 밸브 헤드와, 연소실을 향하여 밸브 스핀들의 표면을 형성하는 외측면을 구비하며, 상기 외측면은 니켈계, 크롬계, 또는 코발트계인 열간-내식성 합금의 입자상 시작 물질로부터 형성되며, 상기 입자상 시작 물질은 코히런트 레이어에 일체로 되어 있으며,
    상기 베이스부에 대한 적어도 천이 영역에서, 상기 외측면의 입자상 물질의 입자들은 외측면 및 베이스부를 단조함으로써 생성되는 전단 변형에 의해 계란형 또는 길이방향으로 연장된 형상으로 변형되며, 단조된 외측면은 적어도 98.0%의 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 배기 밸브 스핀들.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브 헤드의 림 영역 내부에서 밸브 헤드의 중앙 영역으로 연장되는 영역에서, 상기 외측면 및 베이스부 사이의 천이 구간은 적어도 하나의 곧게 뻗은 평면을 따라 연장되는 것을 특징으로 하는 배기 밸브 스핀들.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    합금의 적어도 하나의 버퍼 레이어는 베이스부 및 외측면 사이에 배치되며, 상기 버퍼 레이어의 합금은 상기 베이스부의 합금강과는 다르며 상기 외측면의 열간-내식성 합금과도 다른 성분을 가진 제3 합금인 것을 특징으로 하는 배기 밸브 스핀들.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 버퍼 레이어는 강, 오스테나이트강, 니켈계 합금, 불가피한 불순물을 제외하고는 Fe 또는 Ni 를 포함하는 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 배기 밸브 스핀들.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스부의 합금강은 오스테나이트 스테인레스 강인 것을 특징으로 하는 배기 밸브 스핀들.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버퍼 레이어는 적어도 2mm 의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 배기 밸브 스핀들.
  7. 내연기관 엔진에 대한 배기 밸브 스핀들 제조방법으로서, 상기 배기 밸브 스핀들은 합금강으로된 베이스부를 구비한 밸브 헤드와, 연소실을 향하여 밸브 스핀들의 표면을 형성하는 외측면을 구비하며, 상기 외측면은 니켈계, 크롬계, 또는 코발트계인 열간-내식성 합금의 입자상 시작 물질로 형성되며,
    열간-내식성 합금의 입자상 물질은 상기 베이스부에서 용기 내에 담겨지며, 상기 입자상 물질은 단조 온도로 가열되어 단조되어서, 상기 입자상 물질은 상기 입자를 계란형 또는 길이방향으로 연장된 형상으로 변형시키는 전단 변형을 받게 되며, 단조 작업은 상기 입자상 물질을 적어도 98.0%의 밀도로 컴팩트화하고 상기 외측면을 베이스부 또는 버퍼 레이어와 베이스부에 통합하는 것을 특징으로 하는 배기 밸브 스핀들 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 밸브 헤드의 림 영역 내부로부터 상기 밸브 헤드의 중앙 영역으로 연장되는 영역에서, 상기 용기 내의 입자상 물질은 실질적으로 균일한 두께의 레이어에 제공되는 것을 특징으로 하는 배기 밸브 스핀들 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 밸브 헤드의 림 영역 내부로부터 상기 밸브 헤드의 중앙 영역으로 연장되는 영역에서, 상기 용기 내의 입자상 물질은 상기 밸브의 중심을 향하여 두께가 증가하는 레이어에 제공되는 것을 특징으로 하는 배기 밸브 스핀들 제조방법.
  10. 내연기관 엔진에 대한 배기 밸브 스핀들 제조방법으로서, 상기 배기 밸브 스핀들은 합금강으로된 베이스부를 구비한 밸브 헤드와, 연소실을 향하여 밸브 스핀들의 표면을 형성하는 외측면을 구비하며, 상기 외측면은 니켈계, 크롬계, 또는 코발트계인 열간-내식성 합금의 입자상 시작 물질로 형성되며,
    상기 열간-내식성 합금의 입자상 물질은 예비 성형품을 형성하기 위하여 열간 스프레이되며, 상기 예비 성형품 및 베이스부는 단조 온도로 가열되어 단조되어서, 상기 입자상 물질은 입자를 계란형 또는 길이방향으로 연장된 형상으로 변형시키는 전단 변형을 받게 되며, 단조 작업은 상기 입자상 물질을 적어도 98.0%의 밀도로 컴팩트화하고 상기 외측면을 베이스부 또는 버퍼 레이어와 베이스부에 통합하는 것을 특징으로 하는 배기 밸브 스핀들 제조방법.
  11. 제 7 항 또는 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단조 작업을 수행하기 전에, 상기 외측면의 물질은 1 X 10 -4 바 미만의 압력, 바람직하게는 1 X 10 -7 바의 압력으로 진공 처리되는 것을 특징으로 하는 배기 밸브 스핀들 제조방법.
  12. 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외측면이 상기 베이스부의 상기 표면에 배치되기 전에, 상기 베이스부의 합금강과 다르며, 상기 외측면의 열간-내식성 합금과도 다른 성분을 가지는 제 3 합이 상기 베이스부 표면에 가해지는 것을 특징으로 하는 배기 밸브 스핀들 제조방법.
  13. 제 7 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스부와 상기 외측면을 통합하는 단조 단계 이후에, 통합된 베이스부 및 외측면은 최종 형상을 얻기 위하여 적어도 하나의 후속 단계에서 단조되는 것을 특징으로 하는 배기 밸브 스핀들 제조 방법.
  14. 제 7 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단조는 10분 미만의 시간, 바람직하게는 2 분 미만의 시간 동안 행해지며, 상기 외측면을 구비한 베이스부는 단조 이후에 바로 냉각되는 것을 특징으로 하는 배기 밸브 스핀들 제조 방법.
  15. 제 7 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 샤프트부는 완료된 단조 작업 이후에 배이스부 상에 마찰 용접되는 것을 특징으로 하는 배기 밸브 스핀들 제조 방법.
KR1020127013464A 2009-10-30 2010-10-29 내연기관 엔진용 배기 밸브 스핀들 및 그 제조방법 KR101435401B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DKPA200970184 2009-10-30
DKPA200970184A DK177071B1 (en) 2009-10-30 2009-10-30 Exhaust valve spindle for an internal combustion engine and a method of manufacture thereof
PCT/DK2010/050292 WO2011050815A1 (en) 2009-10-30 2010-10-29 An exhaust valve spindle for an internal combustion engine, and a method of manufacturing

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120075485A true KR20120075485A (ko) 2012-07-06
KR101435401B1 KR101435401B1 (ko) 2014-08-28

Family

ID=43921371

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020127013464A KR101435401B1 (ko) 2009-10-30 2010-10-29 내연기관 엔진용 배기 밸브 스핀들 및 그 제조방법

Country Status (7)

Country Link
EP (1) EP2494158B1 (ko)
JP (1) JP4701309B2 (ko)
KR (1) KR101435401B1 (ko)
CN (2) CN102667077B (ko)
DK (1) DK177071B1 (ko)
ES (1) ES2651311T3 (ko)
WO (1) WO2011050815A1 (ko)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101238126B1 (ko) 2011-12-23 2013-02-27 주식회사 케이,에스,피 이종재질의 배기 밸브 스핀들 제조방법
DK177487B1 (en) * 2012-07-06 2013-07-15 Man Diesel & Turbo Deutschland An exhaust valve spindle for an exhaust valve in an internal combustion engine
EP2781284A1 (en) * 2013-03-18 2014-09-24 Sandvik Intellectual Property AB A method for manufacturing a valve spindle
WO2015147272A1 (ja) * 2014-03-28 2015-10-01 旭化成ケミカルズ株式会社 内燃機関の排気弁棒及びその製法
DE102015220891A1 (de) * 2015-10-26 2017-04-27 Federal-Mogul Valvetrain Gmbh Innengekühltes Ventil für Verbrennungsmotoren sowie Verfahren und Vorrichtung zu dessen Herstellung
CN105507978A (zh) * 2015-12-15 2016-04-20 苏州爱盟机械有限公司 一种车用发动机气门
CN116732390B (zh) * 2023-06-30 2024-02-09 江西宝顺昌特种合金制造有限公司 一种80a合金及其制备方法

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2341039A1 (fr) * 1976-02-11 1977-09-09 Dervaux Ets Procede de fabrication d'organes mecaniques tels que des soupapes pour moteurs thermiques
US4530322A (en) * 1980-10-31 1985-07-23 Nippon Kokan Kabushiki Kaisha Exhaust valve for diesel engine and production thereof
JPS6149008U (ko) * 1984-09-05 1986-04-02
JPS6185512A (ja) * 1984-10-02 1986-05-01 Fuji Valve Kk 内燃機関用吸排気弁の弁体およびその製造方法
JP3143111B2 (ja) * 1990-06-04 2001-03-07 株式会社神戸製鋼所 内燃機関の弁の製造方法
JPH06346166A (ja) * 1993-06-11 1994-12-20 Kobe Steel Ltd 溶接性に優れたＮｉ基粉末焼結合金及び複合弁棒
JP3362241B2 (ja) * 1994-08-17 2003-01-07 フジオーゼックス株式会社 エンジンバルブの製造方法
CN1080769C (zh) * 1994-12-13 2002-03-13 曼B与W狄赛尔公司 缸体构件及镍基表面加硬用硬合金
DK172987B1 (da) 1994-12-13 1999-11-01 Man B & W Diesel As Cylinderelement, nikkelbaseret pålægningslegering og anvendelse af legeringen
DK173136B1 (da) * 1996-05-15 2000-02-07 Man B & W Diesel As Bevægeligt vægelement i form af en udstødsventilspindel eller et stempel i en forbrændingsmotor.
DK173348B1 (da) * 1996-06-07 2000-08-07 Man B & W Diesel As Udstødsventil til en forbrændingsmotor
JP3957234B2 (ja) * 1997-06-30 2007-08-15 日本ピストンリング株式会社 耐摩耗性鉄基焼結合金材
JP3542702B2 (ja) * 1997-07-30 2004-07-14 株式会社エヌゼットケイ ディーゼル機関用弁棒
DE69909100T2 (de) * 1998-07-21 2004-05-06 Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho, Nagakute Kompositmaterial auf titanbasis, verfahren zu dessen herstellung und motorventil
JP2001050020A (ja) * 1999-05-31 2001-02-23 Nippon Piston Ring Co Ltd 内燃機関用の弁装置
JP4205505B2 (ja) * 2000-08-28 2009-01-07 日立Ｇｅニュークリア・エナジー株式会社 耐蝕・耐摩耗性合金とそれを用いた機器
JP4335189B2 (ja) * 2005-09-02 2009-09-30 日本ピストンリング株式会社 内燃機関用バルブとバルブシートの組合せ体
JP4797170B2 (ja) * 2006-02-27 2011-10-19 国立大学法人電気通信大学 金属材料製造方法及び装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN102667077B (zh) 2015-09-02
CN102667077A (zh) 2012-09-12
JP2011094605A (ja) 2011-05-12
DK177071B1 (en) 2011-05-30
EP2494158A4 (en) 2017-05-03
CN105127433B (zh) 2018-04-13
JP4701309B2 (ja) 2011-06-15
WO2011050815A1 (en) 2011-05-05
CN105127433A (zh) 2015-12-09
KR101435401B1 (ko) 2014-08-28
ES2651311T3 (es) 2018-01-25
EP2494158B1 (en) 2017-10-18
EP2494158A1 (en) 2012-09-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101435401B1 (ko) 내연기관 엔진용 배기 밸브 스핀들 및 그 제조방법
KR101388613B1 (ko) 디젤 엔진 연료 밸브용 노즐
US7472674B2 (en) Method of manufacture of a piston for an internal combustion engine, and piston thus obtained
US8234788B2 (en) Method of making titanium-based automotive engine valves
KR101562914B1 (ko) 내부 연소 엔진의 배기 밸브용 배기 밸브 스핀들
JP4529159B2 (ja) ディーゼルエンジンの燃料バルブのためのノズルを製造する方法、及び、ノズル
CN101970811B (zh) 用于内燃机的排气门杆或活塞形式的可运动的壁构件及制造这种构件的方法
CN102472224B (zh) 内燃机燃料喷射喷嘴、喷嘴坯料及其制造方法
US6432557B2 (en) Metal matrix composite and piston using the same
US5842109A (en) Method for producing powder metal cylinder bore liners
EP0749365B1 (en) A method of manufacturing a nozzle for a fuel valve, and a nozzle
US9616498B2 (en) Method for manufacturing a valve spindle
Bobel et al. Laser Powder-Bed Fusion Additive Manufacturing of Structural Automotive Components
DE102009045642A1 (de) Abriebfester Kolbenringträger, Kolben mit dem abriebfesten Kolbenträger und Herstellungsverfahren für den Kolben
Ilia et al. High performance powder-forged connecting rods for direct injection turbocharged engines
RU2434146C2 (ru) Подвижный элемент стенки в форме стержня выпускного клапана или поршня для двигателя внутреннего сгорания и способ изготовления такого элемента
DK174073B1 (da) Fremgangsmåde til fremstilling af en forstøver til en brændselsventil samt en sådan forstøver

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170811

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180809

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190808

Year of fee payment: 6