KR20120125817A

KR20120125817A - 기체연료 자동차용 밸브시트의 제조방법

Info

Publication number: KR20120125817A
Application number: KR1020110043498A
Authority: KR
Inventors: 최재권; 김규환; 박종관; 구원석
Original assignee: (주)테너지; 현대자동차주식회사; 대한소결금속 주식회사
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2012-11-19

Abstract

본 발명은 기체연료 자동차용 밸브시트의 제조방법에 관한 것으로서, 1) 철(Fe)을 주성분으로 하고, 탄소(C) 0.8~1.2 wt%, 니켈(Ni) 1.0~3.0 wt%, 코발트(Co) 7.0~10.0 wt%, 크롬(Cr) 4.5~7.5 wt%, 몰리브덴(Mo) 8.0~11.0 wt%, 망간(Mn) 1.5~3.0 wt%, 칼슘(Ca) 0.1~0.5 wt%를 함유하여 6-9 ton/㎠의 압력으로 성형체를 만드는 단계와; 2) 상기 성형체를 1,130 ~ 1,160℃의 온도로 질소분위기에서 30 ~ 90분간 가열 1차 소결하여 소결체를 형성하는 단계와; 3) 소결체의 중량 대비 14%의 구리 용침제를 별도로 성형하여 상기 소결체 상부에 얹어 1110 ~ 1130℃의 온도에서 20 ~ 40분간 2차 소결하여 용침하는 단계와; 4)상기 용침된 소결체를 880 ~ 930℃의 온도에서 60분간 유지한 다음 유냉처리하는 단계와; 5) 상기 유냉처리된 소결체를 550℃에서 120분간 열처리하는 단계; 를 포함하여 구성된다.

Description

기체연료 자동차용 밸브시트의 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR VALVE SEAT OF GAS FUEL CAR}

본 발명은 기체연료 자동차 엔진용 밸브시트의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 가격경쟁력을 높임과 동시에 종래의 고가 코발트계 합금을 다량 사용한 밸브시트의 내마모성보다 더 우수한 내마모 성능을 갖는 기체연료 자동차 엔진용 밸브시트의 제조방법에 관한 것이다.

밸브시트는 자동차 엔진의 실린더 헤드부에 장착되어 엔진 실린더 내부로 연료와 공기의 혼합가스를 공급하고 실린더 내부에서 폭발 연소된 가스를 외부로 배출하는 흡기 및 배기 밸브가 직접 접촉하는 곳으로써 고경도의 밸브 접촉부가 매우 빠르게 많은 횟수로 반복 접촉되고, 유입된 연료의 폭발 연소에 따른 고온의 상태가 계속 유지되는 가혹한 조건하에 노출됨으로 고온 내마모성과 내충격성, 내열성 등이 다른 부품보다 더욱 크게 요구되어 진다.

지금까지 이러한 기계적 특성이 요구되어지는 밸브시트의 제작에 사용하기 위하여 주물내열강 등의 여러 종류의 합금들과 분말야금법을 이용한 용침법, 경질입자 첨가법 및 기지합금제어를 통한 제조법, 소결 단조공법 등이 널리 사용되어져 왔다.

종래의 자동차엔진은 납 성분이 함유된 유연휘발유에서 현재는 환경문제 등으로 무연휘발유를 사용하는 것이 의무화되었고 엔진의 고성능, 고출력 및 직접분사방식화(GDI) 됨에 따라 밸브시트는 종래의 것보다 훨씬 우수한 재질이 요구되고 있다.

한편 LPG(액화석유가스)나 CNG(압축천연가스), LNG(액화천연가스) 등의 기체연료를 사용하는 엔진은 액체연료(휘발유, 경유)를 사용하는 경우 생성되어지는 연소 생성물에 의한 밸브와 밸브시트간의 윤활성을 기대하기가 어렵고, 밸브와 밸브시트 사이가 직접적인 금속접속이 되기 쉬워 밸브시트의 마모가 증대되는 경향이 있다. 이러한 상황에서 기체연료 엔진용으로서 밸브시트는 내마모성의 향상이 더욱 강화될 필요성이 있다.

밸브시트의 내마모성을 향상시키기 위해서는 종래부터 밸브시트 기지(Matrix) 중에 Co계, Cr계 탄화물을 분산시키거나 페로-크롬(Fe-Cr), 페로-몰리브덴(Fe-Mo)계의 금속간 화합물 형태의 경질입자를 분산시키는 방법을 사용하여 왔다.

그러나 이들 경질입자의 분산량을 많게 하면 상대물에 대한 공격성이 증대하여 밸브의 마모가 증가한다는 문제점과 경질입자가 일반적인 분말보다 고가인 점을 고려하면 다량 첨가시 생산원가가 상승하여 가격경쟁력이 저하되는 등의 문제점이 있다.

상기와 같은 점을 감안하여 안출된 본 발명의 목적은, 가격경쟁력을 높임과 동시에 종래의 고가 코발트계 합금을 다량 사용한 밸브시트의 내마모성보다 더 우수한 내마모 성능을 갖는 기체연료 자동차 엔진용 밸브시트의 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 가진다.

본 발명의 기체연료 자동차용 밸브시트의 제조방법은, 1) 철(Fe)을 주성분으로 하고, 탄소(C) 0.8~1.2 wt%, 니켈(Ni) 1.0~3.0 wt%, 코발트(Co) 7.0~10.0 wt%, 크롬(Cr) 4.5~7.5 wt%, 몰리브덴(Mo) 8.0~11.0 wt%, 망간(Mn) 1.5~3.0 wt%, 칼슘(Ca) 0.1~0.5 wt%를 함유하여 6-9 ton/㎠의 압력으로 성형체를 만드는 단계와; 2) 상기 성형체를 1,130 ~ 1,160℃의 온도로 질소분위기에서 30 ~ 90분간 가열 1차 소결하여 소결체를 형성하는 단계와; 3) 소결체의 중량 대비 14%의 구리 용침제를 별도로 성형하여 상기 소결체 상부에 얹어 1110 ~ 1130℃의 온도에서 20 ~ 40분간 2차 소결하여 용침하는 단계와; 4)상기 용침된 소결체를 880 ~ 930℃의 온도에서 60분간 유지한 다음 유냉처리하는 단계와; 5) 상기 유냉처리된 소결체를 550℃에서 120분간 열처리하는 단계; 를 포함하여 구성된다.

그리고 상기 철(Fe)과 몰리브덴(Mo)은 페로-몰리브덴(Fe-0.85wt%Mo)과 페로-몰리브덴(Fe-60wt%Mo) 형태로 첨가되는 것이 바람직하다.

또한 상기 철(Fe), 크롬(Cr) 및 탄소(C)는 페로-크롬(Fe-65wt%Cr-5wt%C) 형태로 첨가되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 니켈(Ni)은 순수 분말 형태로 첨가되는 것이 바람직하다.

또한 상기 코발트(Co)는 순수 분말로 첨가되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 칼슘(Ca)은 CaF₂로, 망간(Mn)은 MnS형태로 첨가되는 것이 바람직하다.

여기서 상기 페로-크롬의 성분은 철(Fe), 크롬(Cr) 및 탄소(C)로 이루어지나, 상기 탄소의 함량이 나머지에 비해 소량이어서 본 기술분야에서는 통상 페로-크롬으로 통용되고 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의한 기체연료 자동차 엔진용 밸브시트의 제조방법은, 합금철분을 몰리브덴을 고용시켜 완전합금화 공법으로 제조한 합금철분을 주 원료로 사용하고, 저가의 페로-몰리브덴, 페로-크롬을 경질입자를 사용하여 가격경쟁력을 확보함과 동시에 내마모성은 기존 고가의 코발트계 합금을 다량 사용한 밸브시트보다 더 우수한 내마모 성능을 갖는 밸브시트를 안정적으로 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 기체연료 자동차용 밸브시트의 제조방법을 나타내는 블록도.
도 2는 실제 엔진과 유사한 형태의 시뮬레이션 리그시험기(Rig Tester)의 구조를 개략적으로 도시한 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 밸브시트 조성비로 소결 용침 후 열처리 한 철계소결합금을 광학현미경으로 500배 확대한 조직도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예들은 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.

일반적으로 밸브시트는 엔진부품 중에서 사용 환경상 마모조건이 매우 가혹하며, 특히 LPG, CNG, LNG 등과 같은 기체(청정연료)를 연료로 사용하는 엔진에서는 더욱 마모에 의해 피로가 심한데, 이는 기체연료를 사용할 경우에 마찰을 상쇄시켜 주는 윤활제 역할을 하는 성분이 없어, 일반 가솔린이나 디젤을 연료로 사용하는 내연기관보다도 그 사용조건이 극히 가혹한 상태로 작동되기 때문에 윤활상태가 좋지 않을 뿐만 아니라, 건조상태에서의 엔진작동으로 인해 유막이 단절되는 등의 밸브시트의 마모 정도가 매우 심하게 나타난다.

그러므로 상기와 같은 가혹한 조건에서 사용되는 밸브시트는 내마모성, 내식성 및 내열성 등이 필히 요구되고 있다.

본 발명에 따른 기체연료 자동차용 밸브시트는, 철(Fe)을 주성분으로 하고 탄소(C) 0.8~1.2 wt%, 니켈(Ni) 1.0~3.0 wt%, 코발트(Co) 7.0~10.0 wt%, 크롬(Cr) 4.5~7.5 wt%, 몰리브덴(Mo) 8.0~11.0 wt%, 구리(Cu) 9.0~16.0 wt%, 망간(Mn) 1.5~3.0 wt%, 칼슘(Ca) 0.1~0.5 wt%가 함유되어 있다.

여기에 본 발명에서는 상기와 같은 조성을 갖는 합금을 제조하기 위하여 그 원료로서 상기 철(Fe)과 몰리브덴(Mo)은 페로-몰리브덴(Fe-0.85wt%Mo)과 페로-몰리브덴(Fe-60wt%Mo) 형태로, 상기 철(Fe), 크롬(Cr) 및 탄소(C)는 페로-크롬(Fe-65wt%Cr-5wt%C) 형태로, 상기 니켈(Ni)은 순수 분말 형태로 상기 코발트(Co)는 순수 분말로, 상기 칼슘(Ca)은 CaF₂로, 망간(Mn)은 MnS형태로 첨가하였다.

상기 원료분말을 상기와 같은 최종 화학성분 조성으로 배합하고, 이 혼합분말을 6 ~ 9톤/cm²의 압력으로 상온에서 가압하여 성형체를 제조하였다.

그리고 상기 성형체를 질소분위기하에서 1,130 ~ 1,160℃의 온도에서 약 30분 ~ 1.5시간 가열하여 소결하였으며, 소결체 중량대비 14%의 구리 용침제(Cu-4Fe)를 별도로 성형하여 소결체 상부에 얹어 1,110℃ ~ 1,130℃의 온도에서 약 20분 ~ 40분간 2차소결을 실시하여 모세관현상을 이용하여 소결체의 개기공(Open-Pore)을 용융된 구리로 봉공하였다.

상기와 같이 제조된 용침 소결체를 카본 포텐셜이 조절되는 열처리 전용로에서 880~930℃로 1시간 유지 후 급냉시켜 담금질한 다음 별도의 분위기가스가 없는 열처리로에서 550℃로 2시간 유지한 후 공기중에서 냉각시켜 철계 소결합금을 제조하였다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명은 1) 철(Fe)을 주성분으로 하고, 탄소(C) 0.8~1.2 wt%, 니켈(Ni) 1.0~3.0 wt%, 코발트(Co) 7.0~10.0 wt%, 크롬(Cr) 4.5~7.5 wt%, 몰리브덴(Mo) 8.0~11.0 wt%, 망간(Mn) 1.5~3.0 wt%, 칼슘(Ca) 0.1~0.5 wt%를 함유하여 6-9 ton/㎠의 압력으로 성형체를 만드는 단계(S10)와 2) 상기 성형체를 1,130 ~ 1,160℃의 온도로 질소분위기에서 30 ~ 90분간 가열 1차 소결하여 소결체를 형성하는 단계(S20)와 3) 소결체의 중량 대비 14%의 구리 용침제를 별도로 성형하여 상기 소결체 상부에 얹어 1110 ~ 1130℃의 온도에서 20 ~ 40분간 2차 소결하여 용침하는 단계(S30)와 4)상기 용침된 소결체를 880 ~ 930℃의 온도에서 60분간 유지한 다음 유냉처리하는 단계(S40)와 5) 상기 유냉처리된 소결체를 550℃에서 120분간 열처리하는 단계(S50)를 거쳐 밸브시트를 제조하게 된다.

예컨대 상기 1)단계(S10)에서는 탄소(C), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 칼슘(Ca), 망간(Mn), 철(Fe)을 성분으로 7.5~8.1g/cm³의 밀도를 가지며, 상기 성분 중 경질입자로 크롬(Cr) 4.5~7.5wt%, 몰리브덴(Mo) 8.0~11.0wt%, 코발트(Co) 7.0~10.0wt%로 조성하고, 상기 고체윤활제로는 칼슘(Ca)과 망간(Mn)이 각각 3.0wt% 이하의 성분비로 조성하고, 나머지 기조조직에 해당되는 성분비는 탄소(C) 0.8~1.2wt%, 니켈(Ni) 1.0~3.0wt%, 구리(Cu) 9.0~16.0wt% 및 잔량의 철(Fe)을 갖도록 조성한 후 상기 기지조직에 경질입자와 고체윤활제를 배합하여 성형한 성형체를 제조한 후에 2)단계(S20) 내지 5)단계(S50)를 거치면서 동용침 및 열처리를 실시하게 되는 것이다.

여기서 상기 기지조직에 포함된 구리는 3)단계에서 동용침되는 구리에 의해 조성된다.

이러한 열처리를 거쳐 밸브시트의 경도를 밸브 경도와 유사하게 할 수 있는 것이다.

이와 같은 제조 공정을 거친 본 발명은 상기의 소결합금 화학성분들은 그 조성범위로 합금 내에서 각기 다음과 같은 작용을 하게 된다.

먼저, 탄소(C)는 기지에 고용되어 기지를 강화시킴과 동시에 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 등과 탄화물을 형성하여 내마모성을 향상시키는데 있어서 전체 성분의 0.8~1.2wt%가 되도록 한다.

만일 0.8%이하로 되면 본래의 효과를 얻을 수 없으며, 1.2%를 초과하면 기지에 시멘타이트(Cementite)를 형성시키기거나, 소결시에 탄화물 주위에 액상을 형성하여 기지조직의 안정성을 저하시킬 수 있다.

니켈(Ni)은 기지에 고용되어 고온인성과 내열성을 향상시키나 1%미만이면 내열성 개선에 효과가 없으며, 3%를 초과하면 국부적으로 잔류오스테나이트(Austentite) 조직이 과다하게 분포되어 내마모성을 저하시킨다.

코발트(Co)는 기지 및 경질입자에 고용되어 강도와 내열성을 향상시키며, 특히 금속간 화합물이나 탄화물 형태로 제작된 경질입자에 포함된 코발트는 기지와 경질입자간의 접촉력을 증대시켜 경질입자 탈락에 의한 마모를 방지할 수 있다.

크롬(Cr)은 탄소(C)와 반응하여 탄화물을 형성하여 내마모성을 향상시킴과 동시에 기지에 고용되어 내열성을 향상시킨다.

몰리브덴(Mo)은 기지에 고용될 경우 내열성과 소입성을 향상시키고 금속몰리브덴이나 페로-몰리브덴(Fe-Mo)형태로 첨가될 경우 복탄화물이나 금속간 화합물을 형성하여 내마모성을 향상시킨다. 그러나 과다 첨가하면 강도가 저하될 뿐만 아니라 상대 밸브를 공격하여 마모시킬 우려가 있다.

구리(Cu)는 열전도도가 우수하기 때문에 소결체의 기공을 용침시킨 구리로 봉공시키면 밸브로부터 전달되는 열적하중을 실린더헤드쪽으로 빠르게 이동시켜 감소시킨다. 또한 열전도성뿐만 아니라 강도와 피삭성도 함께 증가시킨다.

이상과 같은 공정을 통하여 제조된 밸브시트는 기지조직(메트릭스)에 완전 합금화된 몰리브덴이 첨가되어 있어 열처리 소입성의 향상과 내마모성을 동시에 향상시키며, 열처리를 통해 상대 밸브와의 경도차를 최소화하여 경도차에 의한 응착 마모현상을 최소화하였다.

또한, 몰리브덴과 크롬형태의 금속간 화합물 경질입자를 기지조직 속에 균일하게 분산하여 내마모성을 유지하였다. 그 외에도 칼슘(Ca)과 망간(Mn)을 기지조직에 분산시켜 기계가공성을 향상시킬 뿐만 아니라 밸브와 밸브시트간의 직접 접촉에 따른 윤활효과 감소의 영향을 방지하여 작동 중 자체윤활작용을 유지시켜 전체적인 마모량이 감소된다.

다음 표 1에 나타낸 바와 같은 함량과 조성으로 배합하여 실시예와 비교예로 밸브시트용 내마모 소결합금을 제조하였다.

이렇게 배합된 분말을 8 ton/cm²의 압력으로 밸브시트 형상으로 성형한 다음 1,150℃에서 40분간 소결하였다.

구분	기지상조성(wt%)						Fe	주 철분	경질입자		밀도 (g/cm³)	경도 (Hv)	제조 방법	비고
구분	C	Ni	Cr	Co	Mo	Cu		주 철분	종류	함유량 (wt%)		경도 (Hv)	제조 방법	비고
1	1.1	2.0	6.0	8.5	9.5	12	나머지	Fe-0.85Mo	B+C	24	7.76	530	동용침	실시예
2	1.0	2.0	6.0	8.5	9.5	12	나머지	Fe-0.85Mo	B+C	24	7.75	550	동용침	실시예
3	1.2	2.0	-	6.5	1.5	13	나머지	Fe-6.5Co	A	15	7.78	383	동용침	비교예
4	0.8	1.5	-	6.5	1.5	-	나머지	Fe-6.5Co	T1	25	7.12	253	2P2S	비교예
5	0.8	2.0	4.5	10.0	6.0	13	나머지	Fe-1Cr-0.7Mn	A+B+T1	25	7.78	360	동용침	비교예

* 경질입자 A : Fe-40Cr-20W-10Co, B : Fe-60Mo, C : Fe-65Cr-5C, T1 : 60Co-30Mo-8Cr

* 제조방법 동용침 : 소결+구리용침, 2P2S : 2회성형 2회소결

또한 이렇게 제조된 소결체에 별도 성형된 용침제를 소결체 상부에 얹어 1,120℃에서 20분간 2차 소결하였다.

이 후 920℃에서 1시간 유지 후 급냉시켜 담금질한 다음 550℃~600℃에서 1.5~2시간 유지 후 공냉시키는 열처리를 실시하였다.

열처리가 완료된 공정품은 최종 밸브시트의 형상으로 가공한 후 바렐 공정을 거쳐 실시예의 소결합금을 제조하였다.

비교예로서는 기존 공정에 의거하여 동용침한 후 열처리 및 2P2S 공정으로 소결합금을 제조하였다.

제조된 밸브시트용 내마모 소결합금을 도 2와 같은 실제 엔진과 유사한 형태의 시뮬레이션 리그시험기(Rig Tester)를 통하여 마모량을 측정하였고 그 결과를 표 2 에 나타내었다.

구분	마모량(㎛)		비고
구분	밸브시트	밸브	비고
1	39	14	실시예
2	37	12	실시예
3	240	20	비교예
4	120	37	비교예
5	80	16	비교예

(여기서, 시험조건은 Cam 회전수 1,500RPM , 밸브시트온도 : 400℃ , 시험시간 : 15시간 임)

표 2에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 실시예의 밸브시트 소결합금은 비교예와 비교하여 볼 때 마모량이 현재 양산엔진에 적용중인 비교예 재질 대비 평균적으로 약 74% 감소하였음을 알 수 있으며, 실시예에서 우수한 특성을 나타낸 2번 재질은 실제로 기체연료(LPG) 엔진의 내구시험에서도 양산엔진에 적용중인 수입 재질 대비 마모가 개선되는 양호한 특성을 보였다.

또한 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 의해 제조된 밸브시트에는 경질입자가 포함되어 있어 경도 및 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명의 제조방법을 이용해 밸브시트를 제조할 경우 밸브시트의 성능을 크게 향상시킬 수 있고, 밸브시트 제조를 위한 조성물의 조성비를 조절하여 밸브시트 제조원가를 절감할 수 있게 된다.

Claims

1) 철(Fe)을 주성분으로 하고, 탄소(C) 0.8~1.2 wt%, 니켈(Ni) 1.0~3.0 wt%, 코발트(Co) 7.0~10.0 wt%, 크롬(Cr) 4.5~7.5 wt%, 몰리브덴(Mo) 8.0~11.0 wt%, 망간(Mn) 1.5~3.0 wt%, 칼슘(Ca) 0.1~0.5 wt%를 함유하여 6-9 ton/㎠의 압력으로 성형체를 만드는 단계와;
2) 상기 성형체를 1,130 ~ 1,160℃의 온도로 질소분위기에서 30 ~ 90분간 가열 1차 소결하여 소결체를 형성하는 단계와;
3) 소결체의 중량 대비 14%의 구리 용침제를 별도로 성형하여 상기 소결체 상부에 얹어 1110 ~ 1130℃의 온도에서 20 ~ 40분간 2차 소결하여 용침하는 단계와;
4)상기 용침된 소결체를 880 ~ 930℃의 온도에서 60분간 유지한 다음 유냉처리하는 단계와;
5) 상기 유냉처리된 소결체를 550℃에서 120분간 열처리하는 단계; 를 포함하여 구성된 기체연료 자동차용 밸브시트의 제조방법.

제1항에 있어서,
상기 철(Fe)과 몰리브덴(Mo)은 페로-몰리브덴(Fe-0.85wt%Mo)과 페로-몰리브덴(Fe-60wt%Mo) 형태로 첨가되는 것을 특징으로 하는 기체연료 자동차용 밸브시트의 제조방법.

제1항에 있어서,
상기 철(Fe), 크롬(Cr) 및 탄소(C)는 페로-크롬(Fe-65wt%Cr-5wt%C) 형태로 첨가되는 것을 특징으로 하는 기체연료 자동차용 밸브시트의 제조방법.

제1항에 있어서,
상기 니켈(Ni)은 순수 분말 형태로 첨가되는 것을 특징으로 하는 기체연료 자동차용 밸브시트의 제조방법.

제1항에 있어서,
상기 코발트(Co)는 순수 분말로 첨가되는 것을 특징으로 하는 기체연료 자동차용 밸브시트의 제조방법.

제1항에 있어서,
상기 칼슘(Ca)은 CaF₂로, 망간(Mn)은 MnS형태로 첨가되는 것을 특징으로 하는 기체연료 자동차용 밸브시트의 제조방법.