KR20120131792A - 고온 내마모용 철계 소결 합금 및 이를 이용한 밸브 시이트의 제조 방법 - Google Patents

고온 내마모용 철계 소결 합금 및 이를 이용한 밸브 시이트의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 고온 내마모용 철계 소결 합금은, 내연기관의 엔진에 채용되는 것으로서 흡배기 밸브의 개폐시, 상기 밸브와의 기밀성을 유지하여 연소실 내의 열효율을 증진시키기 위한 엔진 밸브 시이트에 적용되는 고온 내마모용 철계 소결 합금에 있어서, 기능부위인 시트 파트(seat part)와 비기능 부위인 지지 파트(support part)를 포함하며, 상기 시트 파트는 솔바이트(Sorbite)와 베이나이트(bainite)가 혼합된 기지조직에 Co계 경질 입자상 및 MnS 상이 균일하게 분산되어 있는 조직이며, 상기 지지 파트는 베이나이트 기지 조직에 미세한 복합 탄화물이 분산되어 있는 조직이며, 상기 시트 파트는, 크롬(Cr) 1.0~3.0 wt%, 몰리브덴(Mo) 6.0~11.0wt%, 규소(Si) 0.1~1.0wt%, 코발트(Co) 16.0~25.0wt%, 니켈(Ni) 0.5~2.0wt%, 망간(Mn) 0.3~1.65wt%, 황(S) 0.15~0.95wt%, 탄소(C) 0.6~1.0wt%, 2.0wt% 이하의 기타성분을 포함하며 나머지는 Fe로 구성되며, 상기 지지 파트는, 크롬(Cr) 2.0~4.0wt%, 몰리브덴(Mo) 0.2~0.4wt%, 탄소(C) 0.7~1.1wt%, 2.0wt% 이하의 기타성분을 포함하며 나머지는 Fe로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

고온 내마모용 철계 소결 합금 및 이를 이용한 밸브 시이트의 제조 방법{Sintered steel alloy for wear resistance at high temperatures and fabrication method of valve-seat using the same}
본 발명은 무연 가솔린, 디젤, LPG 연료의 연료사정별, 배기량별 및 캠샤프트 형식(DOHC, SOHC) 등의 사용조건에 부응하여 공용화할 수 있는 각종 내연기관의 흡배기밸브용 밸브 시이트(valve seat)에 적용되는 것으로 탁월한 내마모성 및 내열성을 가지는 철계 소결 합금 및 이를 이용한 밸브 시이트의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 엔진에는 혼합가스를 연소실 안으로 흡입하는 흡기밸브와, 연소가스를 외부로 배출시키기 위한 배기밸브가 구비되어 있는데, 밸브 시이트는 상기 흡배기밸브의 페이스(face)와 밀착함으로써, 연소실의 압력이 새는 것을 방지하여 완전한 기밀을 유지시켜 주는 부품이다.
이러한 밸브 시이트는 최근의 내연기관이 소형화, 고출력화 됨에 따라 사용압력과 온도의 증가에 대응하는 내마모성ㆍ내열성을 가지는 철계 소결 합금으로 이루어진다. 즉, 엔진작동 중에 가속운동을 하고 또한 시간당 수십만 번 개폐운동을 하는 밸브와 되풀이해서 충돌해도 손상되지 않을 정도로 강한 내마모성을 지녀야 하며, 연소실의 고온가스에 장시간 노출된 상태에서도 견뎌야하므로 강한 내열성도 동시에 가져야 한다.
이를 테면, 상기 밸브 시이트는 고충격 및 고온의 가스하에서 작동되므로 밸브와의 접촉 및 마찰, 배기가스에의 노출 등을 견디어야 하는 사용조건이 매우 가혹하기 때문에 약 900℃까지의 고온에서 내마모성, 내식성, 내산화성 및 고온특성 향상의 필요성이 더욱 요구된다. 또한, 최근 자동차의 국제상품으로서의 성격상, 수입지역마다 상이한 여러조건에 대해서도 광범위하게 대응할 수 있는 밸브 시이트용 소결합금이 요망된다.
뿐만 아니라, 종래의 밸브 시이트용 철계 소결 합금은 특히, 연소조건이 가혹한 LPG 및 알코올 연료용 엔진에는 사용되지 못하였다. 이에, 모든 연료에 재질을 공용화 할 수 있을 뿐만 아니라, 특히 LPG 연료용 엔진에서도 적용될 수 있는 밸브 시이트용 고온 내마모용 철계 소결 합금에 대한 요구가 증대되고 있다.
또한, 종래에는 밸브 시이트용 철계 소결 합금의 가공성을 향상시키기 위해 납(Pb)을 첨가하였으나 최근 납은 환경 오염물질로 분류되어 사용이 금지됨에 따라 납이 포함되지 않은 밸브 시이트용 고온 내마모용 철계 소결 합금의 개발이 필요하게 되었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 엔진의 고출력화에 대응할 수 있는 내마모성 및 내열성을 가지며, 무연 가솔린이나 디젤연료는 물론 LPG 연료 및 알코올 연료라도 적용 가능한 고온 내마모용 철계 소결 합금 및 이를 이용한 밸브시이트의 제조방법을 제공하는 점에 그 목적이 있다. 또한, 최근 납(Pb)이 환경 오염물질로 분류되어 사용이 금지됨에 따라 납이 포함되지 않은 밸브 시이트용 고온 내마모용 철계 소결 합금을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 고온 내마모용 철계 소결 합금은, 내연기관의 엔진에 채용되는 것으로서 흡배기 밸브의 개폐시, 상기 밸브와의 기밀성을 유지하여 연소실 내의 열효율을 증진시키기 위한 엔진 밸브 시이트에 적용되는 고온 내마모용 철계 소결 합금에 있어서,
기능부위인 시트 파트(seat part)와 비기능 부위인 지지 파트(support part)를 포함하며,
상기 시트 파트는 솔바이트(Sorbite)와 베이나이트(bainite)가 혼합된 기지조직에 Co계 경질 입자상 및 MnS 상이 균일하게 분산되어 있는 조직이며,
상기 지지 파트는 베이나이트 기지 조직에 미세한 복합 탄화물이 분산되어 있는 조직이며,
상기 시트 파트는,
크롬(Cr) 1.0~3.0 wt%, 몰리브덴(Mo) 6.0~11.0wt%, 규소(Si) 0.1~1.0wt%, 코발트(Co) 16.0~25.0wt%, 니켈(Ni) 0.5~2.0wt%, 망간(Mn) 0.3~1.65wt%, 황(S) 0.15~0.95wt%, 탄소(C) 0.6~1.0wt%, 2.0wt% 이하의 기타성분을 포함하며 나머지는 Fe로 구성되며,
상기 지지 파트는,
크롬(Cr) 2.0~4.0wt%, 몰리브덴(Mo) 0.2~0.4wt%, 탄소(C) 0.7~1.1wt%, 2.0wt% 이하의 기타성분을 포함하며 나머지는 Fe로 구성된 점에 특징이 있다.
상기 합금을 제조하는 방법에 있어서,
상기 합금 성분을 가지도록 합금 성분을 혼합기에서 균일하게 혼합하는 원재료 혼합단계(S1);
상기 원재료 혼합단계에서 혼합된 조성물을 압축 성형하여 성형체를 형성하는 성형단계(S2);
상기 성형단계에서 성형된 성형체를 탄소가 확산되지 않는 온도로 질소가스(N2)와 수소가스(H2)가 혼합된 분위기에서 소결을 실시하여 강화시키는 예비 소결단계(S3);
상기 예비 소결단계에서 성형된 예비 소결체를 금형에 장입하고 10~15 ton/㎠의 압력을 가하여 상기 예비 소결체의 밀도를 증가시켜 기지를 치밀하게 성형하는 냉간 단조 단계(S4);
상기 냉간 단조 단계에서 성형된 단조체를 용융점 이하의 온도로 질소가스(N2)와 수소가스(H2)가 혼합된 분위기에서 소결하여 Co계 경질 입자상(B)이 균일하게 기지에 확산되어 접합되고 기지(B)는 솔바이트 및 베이나이트를 형성하며, 기공의 일부에 MnS 상(C)이 균일하게 분포되게 하는 2차 소결 단계(S5); 및
상기 2차 소결 단계 후 기계가공 및 그 기계가공 후 쇠가시(burr)를 제거하는 바렐공정을 거침으로써 밸브 시이트의 완성품을 얻는 후공정 단계(S6);를 포함한 점에 특징이 있다.
본 발명에 따른 고온 내마모용 철계 소결 합금 및 이 소결 합금을 이용한 밸브 시이트의 제조방법은 납이 포함되지 않아 환경 오염을 일으키지 않으며 우수한 내마모성 및 내열성을 가지므로 무연 가솔린 엔진은 물론 디젤이나 LPG 연료용 엔진에서와 같이 가혹한 조건에서도 공용화할 수 있는 밸브 시이트들 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고온 내마모용 철계 소결 합금의 시트 파트의 조직을 200배 확대한 현미경 조직 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 고온 내마모용 철계 소결 합금의 지지 파트의 조직을 200배 확대한 현미경 조직 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 고온 내마모용 철계 소결 합금을 이용하여 밸브 시이트를 제조하는 방법의 공정도이다.
도 4는 본 발명에 따른 고온 내마모용 철계 소결 합금으로 제조된 밸브 시이트의 조직을 도식적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 고온 내마모용 철계 소결 합금으로 제조된 밸브 시이트의 물성을 보여주는 실험결과이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 고온 내마모용 철계 소결 합금의 시트 파트의 조직을 200배 확대한 현미경 조직 사진이다. 도 2는 본 발명에 따른 고온 내마모용 철계 소결 합금의 지지 파트의 조직을 200배 확대한 현미경 조직 사진이다. 도 3은 본 발명에 따른 고온 내마모용 철계 소결 합금을 이용하여 밸브 시이트를 제조하는 방법의 공정도이다. 도 4는 본 발명에 따른 고온 내마모용 철계 소결 합금으로 제조된 밸브 시이트의 조직을 도식적으로 보여주는 도면이다. 도 5는 본 발명에 따른 고온 내마모용 철계 소결 합금으로 제조된 밸브 시이트의 물성을 보여주는 실험결과이다.
도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 고온 내마모용 철계 소결 합금과 그 소결합금을 이용하여 밸브 시이트를 제조하는 방법을 상세하게 서술하고자 한다.
본 발명에 따른 고온 내마모용 철계 소결 합금은, 내연기관의 엔진에 채용되는 것으로서 흡배기 밸브의 개폐시, 상기 밸브와의 기밀성을 유지하여 연소실 내의 열효율을 증진시키기 위한 엔진 밸브 시이트에 적용되는 합금이다.
본 발명에 따른 고온 내마모용 철계 소결 합금은 기능부위인 시트 파트(seat part)와 비기능 부위인 지지 파트(support part)를 포함하고 있다.
상기 시트 파트는 솔바이트(Sorbite)와 베이나이트(bainite)가 혼합된 기지조직에 Co계 경질 입자상 및 MnS 상이 균일하게 분산되어 있는 조직이다.
상기 지지 파트는 베이나이트 기지 조직에 미세한 복합 탄화물이 분산되어 있는 조직이다.
상기 시트 파트는, 크롬(Cr) 1.0~3.0 wt%, 몰리브덴(Mo) 6.0~11.0wt%, 규소(Si) 0.1~1.0wt%, 코발트(Co) 16.0~25.0wt%, 니켈(Ni) 0.5~2.0wt%, 망간(Mn) 0.3~1.65wt%, 황(S) 0.15~0.95wt%, 탄소(C) 0.6~1.0wt%, 2.0wt% 이하의 기타성분을 포함하며 나머지는 Fe로 구성되어 있다.
상기 지지 파트는, 크롬(Cr) 2.0~4.0wt%, 몰리브덴(Mo) 0.2~0.4wt%, 탄소(C) 0.7~1.1wt%, 2.0wt% 이하의 기타성분을 포함하며 나머지는 Fe로 구성되어 있다.
밸브 시이트를 시트 파트와 지지 파트의 2층재 소결 합금으로 제조하는 이유는 원가절감을 위하여 밸브와 접촉하는 기능부위인 시트 파트는 고온 내마모성, 내식성, 내산화성 등의 요구에 합당한 고가의 고온 내마모용 철계 소결 합금으로 이루어진다. 지지 파트는 상기 시트 파트를 지지해 주는 역할만을 수행하므로 상기 시트 파트에 비해 저가의 철계 소결 합금으로 이루어진다.
상기 시트 파트는 솔바이트 및 베이나이트의 혼합 조직에 코발트(Co)계 경질 입자상 및 MnS 입자가 균일하게 분산되어 있는 조직이다.
상기 지지 파트는 마르텐 사이트 기지에 수 마이크로미터 크기의 미세한 복합탄화물이 분산되어 있는 조직이다. 상기 복합탄화물은 예컨대 (FeCrMo)C가 될 수 있다.
본 발명에 따른 고온 내마모용 철계 소결 합금의 합금 성분을 청구범위 제1항과 같이 한정한 이유는 다음과 같다.
본 발명에 따른 고온 내마모용 철계 소결 합금은 기 서술한 바와 같이 기능부위인 시트 파트와 비기능 부위인 지지 파트인 2층재질로 구성되어 있다.
상기 시트 파트는 도 1에 도시된 바와 같이 솔바이트 및 베이나이트의 혼합 조직(A)에 Co계 경질 입자상이 균일하게 분산되어 있으며, 기공의 일부에 MnS가 분산되어 있다.
상기 시트 파트의 기지 조직(A)은 크기가 180㎛ 이하의 Fe, Co, Mo, Ni의 합금 분말(prealloyed powder)과 크기가 12㎛ 이하인 탄소(graphite) 분말의 첨가로 제조된다.
상기 고온 내마모용 철계 소결 합금으로 제조된 밸브 시이트는 시트 파트의 표면경도가 Hv30 220~320 정도의 값을 가지며, 지지 파트의 표면경도는 Hv30 270~370 정도의 값을 가진다. 또한 밸브 시이트는 7.0~7.5g/cc의 밀도를 가진다. 상기 밸브 시이트는 mHv(100g) 250~450 정도의 미세경도 값을 가진다.
한편, 기능 부위인 시트 파트의 미세구조는 mHv(100g) 350~450의 미세경도를 가진 솔바이트 및 베이나이트의 혼합 기지조직(A)에 mHv(100g) 600~900의 미세경도를 갖는 Co계 경질입자상(B)과 가공성 및 고체윤활제 역할을 하는 MnS(C)이 균일하게 분산된 조직을 갖는다. 기공에 분산되어 있는 MnS는 제품 자체의 자기 윤활성이 탁월하여, 밸브와의 접촉 및 마찰, 배기 가스에의 노출 등을 견뎌야 하는 사용 조건의 가혹함에 대해 내마모성, 내열성, 내식성, 내산화성 및 고온 특성이 향상된다.
시트 파트의 기지 조직(A)에 첨가된 Co는 그 일부가 Fe, Mo, C와 함께 복합탄화물인 (Fe,Co,Mo)C를 석출하여 기지 금속에 균일하게 분산됨으로써 내마모성에 기여하며, 일부는 기지에 고용되어 내열성에 크게 기여한다. 기지에 첨가된 Co의 함량이 6.0wt% 미만인 경우에는 석출입자 및 기지의 고용량이 적어 내마모성 및 내열성이 떨어지는 문제점이 있으며, Co의 함량이 7.0wt% 를 초과하는 경우에는 기지 금속이 석출입자로 인하여 과다하게 취약하게 되어 기계 가공성이 저하되는 문제점이 있다. 또한, Co계 경질 입자상은 레이브 상(LAVE's PHASE)인 금속간 화합물 형태로 존재하는데, 그 조성은 Co(나머지)-Mo(27.0~30.0wt%)-Cr(7.5~8.5wt%)-Si(2.3~2.8wt%)로 규제하며, 그 양은 30% 내지 40%로 규제한다. 따라서, 총 Co의 양은 기지제(B)에 포함된 Co와 Co계 경질 입자상(B)에 포함된 Co를 포함하여 21~30wt%로 유지하는 것이 바람직하다.
시트 파트 기지에 첨가되는 Mo는 Fe, Co, Cr과 함께 복합탄화물을 형성하여 우수한 내마모성과 내열성을 제공하며, 기지 중에 확산되어 고온 안정성에 기여한다. Mo의 함량이 1.0wt% 미만인 경우에는 석출입자가 적어서 내마모성이 떨어지게 되며, Mo의 함량이 2.0wt% 를 초과하는 경우에는 기지 금속이 취약하게 되어 기계 가공성이 저하되므로 Mo 첨가의 효과가 떨어지는 문제점이 있다. Co계 경질 입자상은 레이브 상(LAVE's PHASE)인 금속간 화합물 형태로 존재하는데, 그 조성은 Co(나머지)-Mo(27.0~30.0wt%)-Cr(7.5~8.5wt%)-Si(2.3~2.8wt%)로 규제하며, 그 양은 30% 내지 40%로 규제한다. 따라서, 총 Mo의 양은 기지제(B)에 포함된 Mo와 Co계 경질 입자상(B)에 포함된 Mo를 포함하여 8.5~13.5wt%로 유지하는 것이 바람직하다.
시트 파트의 기지에 첨가되는 Ni은 기지 금속에 확산 고용되어 내열성 및 고온특성을 향상시킨다. Ni의 함량이 0.5wt 미만인 경우에는 내열성 및 고온특성의 향상 효과가 미약하다. 한편 Ni의 함량이 2.0wt% 를 초과하는 경우에는 기지 조직이 마르텐사이트 및 Ni-리치(rich) 오스테나이트(Austenite)로 변화되어 조직이 불안정해지고 필요 이상으로 경도가 커지고 기계 가공성이 저하되는 문제점이 있다.
시트 파트에 첨가되는 C는 기지에 첨가되어 있는 Co, Mo, Ni 원소와 복합탄화물을 형성하여 기지에 확산됨으로서 재료의 강도 및 경도를 향상시켜 내마모성을 향상시키고, Fe 기지에 고용된 C는 기지의 강도를 향상시키는 작용을 한다. C의 함량이 0.6wt% 미만인 경우에는 기지 금속에 퍼얼라이트와 함께 페라이트가 과다하게 형성되므로 기지가 연화하여 강도와 내마모성이 저하되는 문제점이 있다. C의 함량이 1.0wt% 를 초과하는 경우에는 퍼얼라이트 형성에 소요되고 남은 C가 망상(network) 구조의 시멘타이트를 형성하여 기지 금속을 취약하게 하는 문제점이 있다.
시트 파트의 기지에 첨가되어 기공 속에 분산되어 있는 12㎛ 이하의 MnS(도 1에서 C로 표기된 부분)는 Mn이 62.5wt% 내지 54wt% 와, S가 33.5wt% 내지 36.5wt%의 비율로 구성된 화합물이다. MnS는 고온에서도 화합물로서 분해되지 않고, 안정되기 때문에 소결 후에도 MnS의 형태로 소결체의 기공속에 잔류한다. MnS는 기계 가공시 바이트(Bite)의 마찰계수를 저하시켜 피삭성이 좋은 소결체를 얻을 수 있게 하는 효과를 제공한다. MnS는 고체 윤활제의 역할을 하여 금속 간의 충격 및 마찰력을 감소시키는 역할을 한다. MnS의 함량이 0.5wt% 미만이면 그 역할이 미약하며, 그 함량이 2.5wt%를 초과하면 기지의 강도가 약화 되어 밸브 시이트를 헤드에 압입시 파괴되는 문제점이 있다.
시트 파트에 경질상으로 첨가된 150㎛ 이하의 Co계 경질 입자상(B)은 미세경도 mHv(100g) 600~900의 값을 가지며, 고온에서도 연화되지 않아 상온 및 고온 내마모성이 우수한 경질 입자상으로서 밸브의 하중을 받아 기지 전파시켜주는 역할을 한다. Co계 경질 입자상(B)의 조성은 Mo 27~30wt%와, Cr 7.5~8.5wt%, Si 2.3~2.8wt%, C 0.03wt% 이하 및 나머지가 Co로 구성된다. Cr은 Co계 경질 입자상(B)에 포함된 Cr만의 양으로 규제된다.
Co계 경질 입자상의 첨가량은 30wt% 내지 40wt%로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 총 Cr의 함량은 Co계 경질 입자상(B)에서만 포함된 양으로 규제하여 1.0wt% 내지 3.0wt%로 규제한다.
Si는 Co계 경질 입자상(B)에 포함된 Si 양으로 규제된다. 따라서, 총 Si량은 Co계 경질 입자상(B)에 포함된 0.1~2.0wt%가 된다.
2.0wt% 이하의 기타성분은 기지재, 경질 입자상으로 첨가되는 원재료들에 미소량의 불순물이 첨가됨으로써 구성된다.
Co계 경질 입자상의 첨가량이 30% 내지 40%인 경우에는 자동차 엔진의 배기량은 4000cc 부터 5000cc 이하의 차량에 적용될 수 있다. Co계 경질 입자상(B)이 고온 내마모성을 위한 것으로서 30wt% 미만을 첨가할 경우 고온 내마모성의 기여가 미흡하다. 한편, Co계 경질 입자상(B)이 고온 내마모성을 위한 것으로서 40wt% 를 초과하여 첨가할 경우 필요 이상의 고온 내마모성의 증가할 수 있다.
한편, 비기능 부위인 지지 파트는 mHv(100g) 350~550의 미세경도를 가진 마텐사이트 기지조직(A)에 수 마이크로미터 크기의 (FeCrMo)C (B)와 같은 미세한 복합탄화물이 분산되어 있는 조직을 갖는다.
지지 파트는 크기가 212㎛ 이하의 Fe, Cr, Mo, V의 합금 분말(prealloyed powder)과 크기가 12㎛ 이하인 탄소(graphite) 분말의 첨가로 제조된다.
지지 파트의 Cr 함량은 2.0~4.0wt%인데, Cr의 함량이 2.0wt% 미만이면 복합 탄화물인 (FeCrMo)C의 양이 적어지고, 기지의 고용량이 적어져 내마모성이 떨어지는 문제점이 있다. 한편, Cr의 함량이 4.0wt%를 초과하는 경우에는 복합 탄화물인 (FeCrMo)C가 과다하게 석출되고, 기지의 고용량이 과다하여 제품이 취약해지는 문제점이 있다.
지지 파트의 Mo의 조성은 0.2~0.4wt%로 규제된다. 지지 파트에 첨가되는 Mo은 Fe, Cr, C와 함께 복합 탄화물을 형성하여 우수한 내마모성과 내열성을 제공한며 기지 중에 확산되어 고온 안정성에 기여한다. Mo의 함량이 0.2wt% 미만인 경우에는 석출 입자의 양이 미약하여 내마모성이 떨어지는 문제점이 있다. Mo의 함량이 0.4wt%를 초과하는 경우에는 기지 금속이 취약하게 되어 기계 가공성이 저하되므로 인해 Mo의 첨가 효과가 떨어지는 문제점이 있다.
지지 파트에 첨가되는 C는 Fe 기지에 고용되어 기지의 강도를 향상시키고, 지지부에 포함되어 있는 Fe, Cr, Mo과 탄화물(예:(Fe,Cr,Mo)C)을 형성하여 재료의 강도를 향상시킨다. C의 함량이 0.7wt% 미만인 경우에는 기지 금속에 퍼얼라이트와 함께 페라이트가 형성되므로 기지의 강도가 저하된다. 한편, C의 함량이 1.1wt%를 초과하는 경우에는 퍼얼라이트에 소요되고 남은 탄소가 망상(network) 구조의 세멘타이트(Cementite)를 형성하여 기지 금속을 취약하게 한다.
이제 상술한 성분의 소결 합금을 이용하여 밸브 시이트를 제조하는 방법을 설명한다.
상기 밸브 시이트를 제조하는 방법은, 원재료 혼합 단계(S1)와, 성형 단계(S2)와, 예비 소결 단계(S3)와, 냉간 단조 단계(S4)와, 2차 소결 단계(S5)와, 후가공 단계(S6)를 포함하고 있다.
상기 원재료 혼합 단계(S1)에서는 상술한 합금 성분을 가지도록 합금 성분을 혼합기에서 균일하게 혼합하는 단계이다. 상기 원재료 혼합 단계(S1)에서 사용된 혼합기는 더블콘(Double cone)을 사용하였으며 혼합시간은 40분이었다.
상기 성형 단계(S2)에서는 상기 원재료 혼합단계(S1)에서 혼합된 조성물을 압축 성형하여 성형체를 형성하였다. 상기 성형 단계(S2)에서는 자동 성형기를 사용하여 상온에서 압축 성형을 실시하여 성형체의 밀도가 6.8~7.0g/cc가 되도록 성형하였다.
상기 예비 소결 단계(S3)에서는 상기 성형 단계(S2)에서 성형된 성형체를 탄소가 확산되지 않는 온도로 질소가스(N2)와 수소가스(H2)가 혼합된 분위기에서 소결을 실시하여 강화시킨다. 상기 예비 소결 단계(S3)에서는 탄소가 일부(약 20% 정도)만 확산시키는 온도 범위인 Fe-C 상태도의 A1 변태점(723℃)~A3 변태점(910℃)의 온도에서 압축된 성형체를 중성 가스인 질소(N2) 와 환원성 가스인 수소(H2)의 혼합 가스로 된 분위기에서 소결하여 어느 정도의 강도를 갖도록 한다. 상기 예비 소결 단계(S3)에서 질소(N2) 와 환원성 가스인 수소(H2)의 혼합 가스를 사용하여 소결하는 이유는 소결체가 외부의 환경 조건에 영향을 받지 않도록 하기 위해서이다.
상기 냉간 단조 단계(S4)에서는 상기 예비 소결단계(S3)에서 성형된 예비 소결체를 금형에 장입하고 10~15 ton/㎠의 압력을 가하여 예비 소결체의 밀도를 증가시켜 기지를 치밀하게 성형한다. 상기 냉간 단조 단계(S4)를 거치면 조직의 밀도가 7.2~7.5g/cc가 된다.
상기 2차 소결 단계(S5)에서는 상기 냉간 단조 단계(S4)에서 성형된 단조체를 용융점 이하의 온도로 질소가스(N2)와 수소가스(H2)가 혼합된 분위기에서 소결하여 Co계 경질 입자상(B)이 균일하게 기지에 확산되어 접합되고 기지(B)는 솔바이트 및 베이나이트를 형성하며, 기공의 일부에 MnS 상(C)이 균일하게 분포되게 한다.
상기 후가공 단계(S6)에서는 상기 2차 소결 단계(S5) 후 기계가공 및 그 기계가공 후 쇠가시(burr)를 제거하는 바렐 공정을 거침으로써 밸브 시이트의 완성품을 얻는다. 상기 후가공 단계(S6)는 소결체를 도면 치수와 일치되도록 가공하는 일반적인 공정으로서, 그에 따른 가공방법은 높이 치수를 맞추는 높이 연마, 외경 치수를 맞추는 외경 연마, 그리고 상기의 소결체로 된 밸브 시이트가 헤드에서 압입성이 용이하게 되도록 하는 면취가공을 수행한다. 마지막으로 가공 후에 깔쭉깔쭉하게 남은 모서리의 잔부를 제거하면 본 발명에 따른 고온 내마모용 철계 소결 합금의 밸브 시이트 제조가 완료된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 소결 합금으로 제조된 밸브 시이트의 물성을 살펴보고 목표로 하는 충분한 성능을 가지는지에 대해 서술한다.
상기 제조방법에 의해 제조된 밸브 시이트의 합금 성분을 분석한 결과 시트 파트의 성분은 크롬(Cr) 2.5wt%, 몰리브덴(Mo) 9.5wt%, 규소(Si) 0.9wt%, 코발트(Co) 24.0wt%, 니켈(Ni) 1.5wt%, 망간(Mn) 1.2wt%, 황(S) 0.9wt%, 탄소(C) 1.0wt%, 나머지는 기타 불순물과 Fe로 구성되었다.
한편, 지지 파트는, 크롬(Cr) 2.0wt%, 몰리브덴(Mo) 0.25wt%, 탄소(C) 0.8wt%, 나머지는 기타 불순물과 Fe로 구성되었다.
본 발명의 일 실시 예에 의해 제조된 밸브 시이트는 시트 파트의 표면 경도가 Hv30 280, 지지 파트의 표면 경도가 Hv30 320이며, 완성된 밸브 시이트의 밀도는 7.3g/cc로써 국내 자동차 메이커가 요구하는 밸브 시이트의 요구 사양인 시트 파트의 표면 경도 Hv30 220~320, 지지 파트의 표면 경도 Hv30 270~370, 밀도 7.0~7.4g/cc을 만족하였다.
또한, 종래의 밸브 시트와 달리 가공성 향상을 위해 MnS를 형성시킴으로써 납(Pb)이 포함되지 않으므로 환경오염을 방지하는 효과도 제공한다.
이와 같이 본 발명에 따른 고온 내마모용 철계 소결 합금 및 이 소결 합금을 이용한 밸브 시이트의 제조방법은 납이 포함되지 않아 환경 오염을 일으키지 않으며 우수한 내마모성 및 내열성을 가지므로 무연 가솔린 엔진은 물론 디젤이나 LPG 연료용 엔진에서와 같이 가혹한 조건에서도 공용화할 수 있는 밸브 시이트들 제공하는 효과가 있다.
이상, 바람직한 실시 예를 들어 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 발명이 그러한 예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 실시 예가 구체화될 수 있을 것이다.
A : 솔바이트(Sorbite)와 베이나이크(Bainite)가 혼합된 기지조직
B : Co계 경질 입자상(hard phase)
C : MnS
D : 기공
S1 : 원재료 혼합 단계
S2 : 성형 단계
S3 : 예비 소결 단계
S4 : 냉간 단조 단계
S5 : 2차소결 단계
S6 : 후가공 단계

Claims (2)

  1. 내연기관의 엔진에 채용되는 것으로서 흡배기 밸브의 개폐시, 상기 밸브와의 기밀성을 유지하여 연소실 내의 열효율을 증진시키기 위한 엔진 밸브 시이트에 적용되는 고온 내마모용 철계 소결 합금에 있어서,
    기능부위인 시트 파트(seat part)와 비기능 부위인 지지 파트(support part)를 포함하며,
    상기 시트 파트는 솔바이트(Sorbite)와 베이나이트(bainite)가 혼합된 기지조직에 Co계 경질 입자상 및 MnS 상이 균일하게 분산되어 있는 조직이며,
    상기 지지 파트는 베이나이트 기지 조직에 미세한 복합 탄화물이 분산되어 있는 조직이며,
    상기 시트 파트는,
    크롬(Cr) 2.0~4.0 wt%, 몰리브덴(Mo) 8.5~11.0wt%, 규소(Si) 0.5~1.5wt%, 코발트(Co) 21.0~30.0wt%, 니켈(Ni) 0.5~2.0wt%, 망간(Mn) 0.3~1.65wt%, 황(S) 0.15~0.95wt%, 탄소(C) 0.6~1.0wt%, 2.0wt% 이하의 기타성분을 포함하며 나머지는 Fe로 구성되며,
    상기 지지 파트는,
    크롬(Cr) 2.0~4.0wt%, 몰리브덴(Mo) 0.2~0.4wt%, 탄소(C) 0.7~1.1wt%, 2.0wt% 이하의 기타성분을 포함하며 나머지는 Fe로 구성된 것을 특징으로 하는 고온 내마모용 철계 소결 합금.
  2. 제1항의 합금을 제조하는 방법에 있어서,
    제1항에 따른 합금 성분을 가지도록 합금 성분을 혼합기에서 균일하게 혼합하는 원재료 혼합단계(S1);
    상기 원재료 혼합단계에서 혼합된 조성물을 압축 성형하여 성형체를 형성하는 성형단계(S2);
    상기 성형단계에서 성형된 성형체를 탄소가 확산되지 않는 온도로 질소가스(N2)와 수소가스(H2)가 혼합된 분위기에서 소결을 실시하여 강화시키는 예비 소결단계(S3);
    상기 예비 소결단계에서 성형된 예비 소결체를 금형에 장입하고 10~15 ton/㎠의 압력을 가하여 상기 예비 소결체의 밀도를 증가시켜 기지를 치밀하게 성형하는 냉간 단조 단계(S4);
    상기 냉간 단조 단계에서 성형된 단조체를 용융점 이하의 온도로 질소가스(N2)와 수소가스(H2)가 혼합된 분위기에서 소결하여 Co계 경질 입자상(B)이 균일하게 기지에 확산되어 접합되고 기지(B)는 솔바이트 및 베이나이트를 형성하며, 기공의 일부에 MnS 상(C)이 균일하게 분포되게 하는 2차 소결 단계(S5); 및
    상기 2차 소결 단계 후 기계가공 및 그 기계가공 후 쇠가시(burr)를 제거하는 바렐공정을 거침으로써 밸브 시이트의 완성품을 얻는 후공정 단계(S6);를 포함한 것을 특징으로 하는 고온 내마모용 철계 소결 합금을 이용한 밸브 시이트의 제조방법.
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