KR20160031355A - 배기밸브 스핀들의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 헤드부와 스템부를 갖는 배기밸브 스핀들의 제조방법은, 스테인리스강을 가공하여 상기 헤드부와 스템부를 갖는 모재를 제조하는 모재 제조 단계; 상기 헤드부에 상기 헤드부의 표면으로부터 함몰되는 홈을 가공하는 홈 가공 단계; 상기 홈에 니켈합금을 육성용접하여 용접부를 형성하는 육성용접 단계; 및 상기 용접부를 마찰교반처리하는 마찰교반 단계를 포함한다.

Description

배기밸브 스핀들의 제조방법{Method for manufacturing exhaust valve spindle}
본 발명은 배기밸브 스핀들의 제조방법에 관한 것이며, 상세하게는 선박용 엔진의 배기포트를 개폐시키는 헤드부와 헤드부의 직선 왕복이동을 가이드하는 스템부를 포함하는 선박용 엔진의 배기밸브 스핀들의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 대형선박에 사용되는 디젤엔진의 배기밸브 스핀들(Exhaust valve spindle, 10)은 엔진의 배기포트를 개폐시키는 헤드부(20)와 상기 헤드부(20)의 직선 왕복이동을 가이드하는 스템부(30)로 구성되어 있다. 도 1의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 배기밸브 스핀들(10)은 엔진의 에어 실린더(50) 내에서 혼합 연료가 폭발할 때에는 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 핵심 부품이다.
엔진 메이커에서는 엔진의 효율 향상과 배기가스 오염도 저감을 위해 연소온도와 엔진출력을 증가시켜 왔다. 현재, 배기밸브 스핀들(10)은 폭발, 연소 행정 중 700bar 이상의 압력과 600℃ 이상의 고온의 열악한 환경에 노출되어 있다. 특히, 바텀피스와 직접적으로 접촉하는 헤드부(20)의 시트 면(21)에는 150kg/cm2 이상의 연소 압력이 가해며, 헤드부(20)는 직접 연소 화염의 영향을 받아 600℃ 이상의 고온에 노출된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0040330호(2012.04.27. 공개)
본 발명의 목적은 내마모성 및 내부식성이 우수하여 내구성이 효과적으로 향상된 배기밸브 스핀들 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 도면으로 보다 명확하질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 헤드부와 스템부를 갖는 배기밸브 스핀들의 제조방법은, 스테인리스강을 가공하여 상기 헤드부와 스템부를 갖는 모재를 제조하는 모재 제조 단계; 상기 헤드부에 상기 헤드부의 표면으로부터 함몰되는 홈을 가공하는 홈 가공 단계; 상기 홈에 니켈합금을 육성용접하여 용접부를 형성하는 육성용접 단계; 및 상기 용접부를 마찰교반처리하는 마찰교반 단계를 포함한다.
상기 홈은, 상기 헤드부의 시트면 중간에 가공될 수 있다.
상기 니켈합금은, 인코넬 718을 포함할 수 있다.
상기 마찰교반처리는, 마찰교반부재가 상기 용접부를 가압하며 회전구동하는 것을 특징으로할 수 있다.
상기 마찰교반부재는, 원통형이며, 선단으로부터 마찰돌기가 돌출 형성될 수 있다.
상기 배기밸브 스핀들의 제조방법은, 상기 마찰교반 단계를 거친 후 상기 배기밸브 스핀들을 열처리하는 열처리 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 열처리 단계는, 상기 배기밸브 스핀들을 제1 가열온도에서 기설정된 제1 시간 동안 열처리하는 제1 열처리 단계; 상기 제1 열처리 단계를 거친 상기 배기밸브 스핀들을 제2 가열온도에서 기설정된 제2 시간 동안 열처리하는 제2 열처리 단계; 및 상기 제2 열처리 단계를 거친 상기 배기밸브 스핀들을 냉각하는 냉각 단계를 포함할 수 있다.
상기 열처리 단계는, 상기 제1 가열온도가 상기 제2 가열온도보다 높은 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 배기밸브 스핀들의 제조방법은, 상기 열처리 단계를 거친 후 상기 배기밸브 스핀들을 최종 가공하는 최종 가공 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기밸브 스핀들의 제조방법의 효과를 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기밸브 스핀들의 제조방법에 의해 생산된 배기밸브 스핀들은, 시트 면의 마찰교반처리에 의해 헤드부의 내구성이 효과적으로 증가된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기밸브 스핀들의 제조방법에 의해 생산된 배기밸브 스핀들은, 열처리에 의해 배기밸브 스핀들의 내구성이 효과적으로 증가된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기밸브 스핀들의 제조방법에 의해 생산된 배기밸브 스핀들의 내구성이 증가되므로, 엔진의 수명이 효과적으로 연장되며, 엔진의 유지, 보수에 필요한 시간 및 경비가 절감된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기밸브 스핀들은 모재를 스테인리스강을 이용하여 제작하므로 제조단가를 효과적으로 절감할 수 있다.
도 1의 (a)는 선박용 엔진의 모식도, (b)는 선박용 엔진의 배기밸브의 모식도이다.
도 2는 종래의 배기밸브 스핀들을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 배기밸브 스핀들의 제조방법의 플로우 차트이다.
도 4는 본 발명의 열처리 단계의 부분 플로우 차트이다.
도 5는 (a)는 본 발명의 시트면에 형성된 홈을 개략적으로 나타낸 도면이며, (b)는 본 발명의 홈에 육성용접된 용접부를 개략적으로 나타낸 도면이고, (c)는 본 발명의 마찰교반처리된 용접부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 마찰교반처리를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7의 (a)는 인코넬 718을 모재에 육성용접한 시험시편, (b)는 시험시편을 기계가공한 외관 사진이다.
도 8의 (a) 내지 (f)는 마찰교반처리 시험을 수행한 시편의 외관 사진이다.
도 9는 시편의 육성용접부 미세조직 사진이다.
도 10은 마찰교반처리된 시편의 거시조직 및 미세조직 사진이다.
도 11의 마찰교반처리된 시편의 SEM 분석 사진이다.
도 12는 마찰교반처리된 시편을 720 ℃에서 8시간 동안 열처리한 후 미세조직을 관찰한 사진이다.
도 13은 마찰교반처리된 시편을 720 ℃에서 8시간 열처리 한 후 650 ℃에서 6시간 열처리한 후 미세조직을 관찰한 사진이다.
도 14는 마찰교반처리된 시편의 경도분포를 나타낸 그래프이다.
도 15는 마찰교반처리 후 720 ℃에서 8시간 열처리한 시편의 경도분포를 나타낸 그래프이다.
도 16은 마찰교반 처리 후 720 ℃에서 8시간 열처리 한 후 650 ℃에서 6시간 열처리한 시편의 경도분포를 나타낸 그래프이다.
도 17은 육성용접된 시편, 마찰교반처리된 시편 및 열처리된 시편의 인장시험 결과를 나타낸 도면이다.
도 18은 마찰교반부재에 따른 마찰교반면의 외형 사진이다.
도 19는 열처리 조건의 선정에 이용된 열처리 온도 및 시간을 나타낸 그래프이다.
도 20은 각각의 열처리 조건에 따른 비커스 경도분포의 변화를 나타낸 도면이다.
도 21은 마찰교반처리 시험을 거친 인코넬 718 용접부의 외부 사진이다.
본 발명은 배기밸브 스핀들의 제조방법에 관한 것으로, 이하 첨부된 도면을 이용하여 본 발명의 실시예들을 설명하고자 한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 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.
도 1의 (a)는 선박용 엔진의 모식도, (b)는 선박용 엔진의 배기밸브의 모식도이다.
배기밸브 스핀들(10)은 대형선박에 사용되는 2행정 저속엔진에서 배기가스를 배출하는 역할을 하는 밸브로, 엔진의 수명에 지대한 영향을 미치는 핵심부품이다. 엔진 메이커에서는 엔진의 효율 향상과 배기가스 오염도 저감을 위해 연소온도와 엔진출력을 증가시켜 왔으며, 이에 따라 배기밸브 스핀들(10)은 더 높은 압력과 온도에 노출되어 더욱 가혹한 조건에서 사용된다. 현재 바텀피스(80)와 접촉하는 배기밸브 스핀들(10)의 헤드부(20)의 시트 면(21)에 가해지는 연소 압력은 150 kg/cm2 이상이며, 헤드부(20)는 직접 연소화염의 영향을 받아 600 ℃ 이상의 고온에 노출된다. 따라서 이러한 가혹한 조건에서 사용되는 배기밸브 스핀들(10)은 내열성 및 내마모성 등의 우수한 고온특성이 요구된다.
도 2는 종래의 배기밸브 스핀들을 개략적으로 나타낸 도면이다.
배기밸브 스핀들(10)의 고온특성 요구를 충족시키기 위하여 종래에는 도 2에 도시된 바와 같이 Nimonic 80A 소재를 이용하여 배기밸브 스핀들(10)을 제작하였다. 상기 Nimonic 80A는 고온특성이 우수하나, Ni을 70% 정도 함유하고 고함량의 Cr, Ti 등으로 구성되어 가격이 매우 고가인 문제가 있다. 따라서 본 발명에서는 저렴한 스테인리스 강을 이용하여 고온특성 요구를 충족하는 배기밸브 스핀들(10)을 제조하고자 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기밸브 스핀들의 제조방법의 플로우 차트이며, 도 4는 본 발명의 열처리 단계의 부분 플로우 차트이다. 도 5는 (a)는 본 발명의 시트 면에 형성된 홈을 개략적으로 나타낸 도면이며, (b)는 본 발명의 홈에 육성용접된 용접부를 개략적으로 나타낸 도면이고, (c)는 본 발명의 마찰교반처리된 용접부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 배기밸브 스핀들을 제조하기 위해 모재 제조 단계(S100)에서 스테인리스강을 가공하여 헤드부(20)와 스템부(30)를 갖는 모재를 제조한다. 스테인리스강으로는 가격이 저렴하고 내연성 및 내부식성이 우수한 SNCrW인 것이 바람직하나, 반드시 이에 국한될 것은 아니다.
홈 가공 단계(S200)에서는 모재 제조 단계(S100)에서 제조된 모재의 헤드부(20)에 홈(22)을 가공한다. 홈(22)은 헤드부(20)의 시트 면(21)에 링 형상으로 가공될 수 있으나, 반드시 이에 국한될 것은 아니다.
육성 용접 단계(S300)에서는 홈 가공 단계(S100)에서 가공된 홈(22)에 니켈합금(24)을 육성용접한다. 니켈합금(24)은 내마모성 및 내부식성이 우수한 인코넬 718(Inconel 718)을 사용하는 것이 바람직하나, 반드시 이에 국한될 것은 아니다.
마찰교반 단계(S400)에서는 니켈합금이 육성용접된 용접부(24)에 마찰교반부재(120)를 이용하여 마찰교반처리를 하며, 이에 따라 용접부(24)의 표면개질처리가 이루어진다. 마찰교반부재(120)가 용접부(24)를 가압하며 회전하므로, 마찰열에 의해 용접부(24)가 마찰교반처리된다.
마찰교반부재(120)의 형상으로는 원통형이 바람직하며, 마찰교반부재(120)의 선단에는 마찰돌기가 돌출 형성된다. 마찰돌기가 형성된 마찰교반부재(120)의 선단측이 용접부(24)를 가압한다. 마찰교반부재(120)는 내마모성이 우수한 초경합금으로 제작되는 것이 바람직하다.
열처리 단계(S500)에서는 마찰교반 단계(S400)를 거친 배기밸브 스핀들(10)을 열처리한다. 열처리단계(S500)는 제1 가열온도에서 제1 시간 동안 배기밸브 스핀들(10)을 가열하는 제1 열처리단계(S510), 제1 열처리단계 직후 제2 가열온도에서 제2 시간 동안 배기밸브 스핀들(10)을 가열하는 제2 열처리단계(S520) 및 배기밸브 스핀들(10)을 냉각하는 냉각 단계(S530)를 포함한다. 제1 가열온도는 제2 가열온도보다 높게 설정하는 것이 바람직하며, 냉각단계(S530)에서는 배기밸브 스핀들(10)을 노냉하여, 상온으로 냉각하는 것이 바람직하다.
제1 가열온도는 약 700 ~ 950 ℃, 제2 가열온도는 약 600 ~ 750 ℃인 것이 바람직하며, 제1 시간은 약 8시간, 제2 시간은 약 10시간인 것이 바람직하다. 다만, 상기 가열온도 및 가열시간은 예시적인 수치이며, 반드시 이에 국한될 것은 아니다.
최종 가공 단계(S600)에서는 열처리 단계(S500)을 거친 배기밸브 스핀들(10)의 표면을 연마하고 래핑(Lapping)하여 마감처리한다.
(실험예)
(1) 시편의 제작
모재는 표 1의 조성을 가지는 내열강(SNCrW)을 사용하였으며, 육성용접은 용접로봇을 이용하여 현대종합금속(한국)에서 생산된 Inconel 718 1.2Ø 와이어를 사용하여 표 2와 같은 조건으로 시편을 제작하였다.
성분 Ni Cr W Mo Nb C Mn Si S Fe
wt(%) 10.29 19.9 2.06 0.17 0.05 0.26 1.02 0.96 0.003 bal.
Welding Current(A) 200
Welding Voltage(V) 16.7
Multi. or Single Pass 6 pass / 4 layer
Welding Speed(cm/min) 9
Oscillation Width(mm) 6
Oscillation Speed(Hz) 5
Shield Gas Ar(Balance)/He/H2/CO2
Shield Gas Flow(l/min) 20
육성용접은 도 7에서 도시한 것처럼 희석율 완화를 위하여 4층으로 실시하였으며, 용접 후 마찰교반처리를 용이하게 하기 위하여 표면층의 용접면을 기계가공 하였다.
(2) 마찰교반처리 조건의 결정
상기 시편에 대해 마찰교반부재(120)를 이용하여 마찰교반처리 시험을 수행하였다. 마찰교반부재(120)의 이동속도 및 회전속도는 100 mm/min와 200 rpm으로 일정하게 유지하였고, 마찰교반부재(120)의 압입하중은 20 ~ 35 kg/mm2으로 변화하며 마찰교반처리 시험을 수행하였다.
도 8의 (a) 내지 (f)는 마찰교반처리 시험을 수행한 시편의 외관 사진이다. 도 8의 (b) 내지 (d)의 경우, 전진 측에 그루브(groove) 결함이 발생하였고, 하중의 증가에 의해 점차 그 크기가 감소되는 경향을 보인다. 도 8의 (e)의 압입하중 40 kg/mm2의 경우, 표면상에 결함이 발생하지 않는 것이 확인된다. 또한, 40 kg/mm2의 압입하중으로 멀티패스를 수행한 결과, 도 8의 (f)에 나타난 바와 같이, 결함이 없는 건전한 표면 상태를 유지하는 것이 확인된다.
(3) 인코넬 718 육성용접부의 조직 관찰
도 9는 시편의 육성용접부 미세조직 사진이다. 도 9의 (a)에서, 육성용접부의 미세조직은 주조조직을 형성하면서 육성되었으며, 내열강재와 인코넬 718 합금 간의 계면이 분명하게 형성되어있음을 확인할 수 있다. 멀티패스 용접이 진행됨에 따라 도 9의 (b)에 나타난 바와 같이 용접층이 형성되고, 용접된 부분의 미세조직을 확인한 결과 도 9의 (c)에 나타난 바와 같이 주조조직이 형성됨을 알 수 있다.
(4) 마찰교반처리부의 광학 및 SEM 조직 관찰
도 10은 마찰교반처리된 시편의 거시조직 및 미세조직 사진이다. 도 10의 (a)는 마찰교반처리된 시편의 거시조직을 나타내며, 교반부가 결함이 없이 양호한 상태임을 나타낸다. 도 10의 (b) 내지 (c)는 마찰교반처리된 시편의 미세조직을 나타내며, 교반부에는 결정립들이 주조조직이 아닌 미세한 결정립들이 분포하는 것이 확인된다.
도 11의 마찰교반처리된 시편의 SEM 분석 사진이다. 도 11의 (b) 내지 (c)에 나타난 바와 같이 교반부에는 2 ~ 5 ㎛ 정도의 등축정들이 분포하고, 1 ~ 2 ㎛ 정도의 MC carbide가 균질하게 분포된 것을 확인할 수 있다.
(5) 열처리에 따른 조직 변화
도 12는 마찰교반처리된 시편을 720 ℃에서 8시간 동안 열처리한 후 미세조직을 관찰한 사진이며, 도 13은 마찰교반처리된 시편을 720 ℃에서 8시간 열처리 한 후 650 ℃에서 6시간 열처리한 후 미세조직을 관찰한 사진이다.
도 12의 (a) 및 (b)에 나타난 바와 같이, 720 ℃에서 8시간 열처리된 시편은 약 2 ~ 10 ㎛의 크기를 갖는 결정립들로 구성되어 있으며 마찰교반처리를 거친 시편보다 결정립들이 다소 성장된 양상을 나타내었다. 도 13의 (a) 및 (b)에 나타난 바와 같이 720 ℃에서 8시간 열처리 한 후 650 ℃에서 6시간 열처리한 시편은 약 10 ~ 30 ㎛의 크기를 갖는 결정립들로 구성되어 있으며, 마찰교반처리를 거친 시편보다 약 4배 정도의 결정립 성장률이 높은 것으로 확인되었다. 또한, 도 12 및 도 13의 열처리된 시편 역시 MC carbide가 1 ㎛ 미만의 크기로 분포되어 있는 것이 확인되었다.
(6) 열처리에 따른 경도 변화
도 14는 마찰교반처리된 시편의 경도분포를 나타낸 그래프이다. 도 14의 (a)에 나타난 바와 같이, 모재는 220 ~ 250 Hv 정도의 경도값을 갖는 것으로 나타내나, 교반부는 모재보다 약 20% 이상 향상된 260 ~ 300 Hv 정도의 경도값을 갖는 것으로 확인된다. 또한, 도 14의 (b)에 나타난 바와 같이, 경도값은 시편의 top side로부터 bottom side로 갈수록 점차 증가하며, 280 ~ 335 Hv의 범위에 분포하는 것으로 확인된다.
도 15는 마찰교반처리 후 720 ℃에서 8시간 열처리한 시편의 경도분포를 나타낸 그래프이다. 도 15의 (a)에 나타난 바와 같이, 마찰교반처리후 720 ℃에서 8시간 열처리한 시편의 모재는 375 ~ 400 Hv 정도의 경도값을 가지며, 교반부는 모재보다 약 20% 이상 향상된 460 ~ 470 Hv 정도의 경도값을 갖는 것으로 확인된다. 또한, 도 15의 (b)에 나타난 바와 같이, 경도값은 시편의 top side로부터 bottom side로 갈수록 점차 증가하며, 440 ~ 470 Hv의 범위에 분포하는 것으로 확인된다. 즉, 열처리된 시편이 마찰교반처리된 시편에 비해 경도값이 전체적으로 50% 이상 향상된 것을 알 있다.
도 16은 마찰교반 처리 후 720 ℃에서 8시간 열처리 한 후 650 ℃에서 6시간 열처리한 시편의 경도분포를 나타낸 그래프이다. 도 16의 (a)에 나타난 바와 같이, 마찰교반처리 후 720 ℃에서 8시간 열처리한 후 650 ℃에서 6시간 열처리한 시편의 모재는 405 ~ 415 Hv 정도의 경도값을 가지며, 교반부는 모재보다 약 20% 향상된 470 ~ 490 Hv 정도의 경도값을 갖는 것으로 확인된다. 또한, 도 16의 (b)에 나타난 바와 같이, 경도값은 시편의 top side로부터 bottom side로 갈수록 점차 증가하며, bottom side의 경도값이 490 Hv까지 증가되는 것으로 확인된다. 즉, 두 단계를 거쳐 열처리된 시편이 한 단계의 열처리를 거친 시편에 비해 경도값이 약 5 ~ 10% 이상 향상된 것을 알 수 있다.
(7) 인장시험
도 17은 육성용접된 시편, 마찰교반처리된 시편 및 열처리된 시편의 인장시험 결과를 나타낸 도면이다. 육성용접된 시편의 항복강도 및 인장강도는 각각 374 MPa 및 621 MPa를 나타내고, 연신율은 23%로 나타난다. 마찰교반처리된 시편의 항복강도 및 인장강도는 각각 476 MPa 및 734 MPa로 육성용접된 시편에 비해 현저한 강도향상을 나타내며, 연신율은 26%로 육성용접된 시편과 큰 차이를 나타내지 않는다. 열처리된 시편의 항복강도 및 인장강도는 각각 843 MPa 및 1151 Mpa까지 증가되나, 연신율은 5.3%로 현저히 감소된 양상을 나타낸다.
이상의 실험을 통해 내열강(SNCrW) 소재의 모재로 제작한 시편에 인코넬 718을 육성용접한 후, 마찰교반처리 및 열처리를 거치는 경우, 배기밸브 스핀들에서 요구되는 특성을 만족시킬 수 있음을 확인하였다.
(실시예)
(1) 모재 제조, 홈 가공 및 육성 용접
내열강(SNCrW)을 사용하여 헤드부(20)와 스템부(30)를 가지는 배기밸브 스핀들(10)을 제조하였으며, 헤드부(20)의 시트 면(21) 중간에 홈(22)을 가공하고, 홈에 인코넬 718을 육성용접하여 용접부(24)를 형성하였다.
(2) 마찰교반부재의 선정
표 3은 마찰교반처리에 적합한 마찰교반부재(120)를 선택하기 위해 제작한 마찰교반부재(120)의 화학조성과 미세조직을 나타낸다. 내마모성 및 마찰교반부재(120)의 제작성 등을 고려하여 Co 함량을 10%로 하였으며, 일반적으로 인성을 부여하기 위해 사용하는 TaC 등의 첨가원소 등을 첨가하여 5 종류의 마찰교반부재(120)를 제작하였다. 1 ~ 4번 마찰교반부재(120)는 국내 대구텍사에서 제작하였으며, 5번 마찰교반부재(120)는 일본 Sanalloy사에서 제작하였다.
No. Marker WC Co (Ta/Nb)C Cr3C2 others Maker
1 W 89.5 10.0 - - 0.5 TaeguTec
2 U 85.0 13.0 2.0 〃
3 D 86.1 12.1 1.7 0.06 〃
4 S 85.5 12.7 1.7 〃
5 J 86.1 12.9 0.42 0.52 Sanalloy
이렇게 제작한 마찰교반부재(120)는 내구성 비교를 위하여, 인코넬 718을 육성용접한 배기밸브 스핀들(10)의 헤드부(20)에 회전속도 및 압입하중을 각각 200 rpm 및 35 kg/cm2로 고정하고, 이송속도만 달리하여 마찰교반처리 시험을 진행하였다. 표 4는 마찰교반처리의 시험 결과를 나타낸다.
구분 회전속도
(rpm)		 압입하중
(kg/mm2)		 이동속도
(mm/min)		 결과
W-1 200 35 50 마찰돌기 소실
U-1 200 35 60 정상
U-2 200 35 85 정상
U-3 200 35 110 정상
U-4 200 35 135 마찰교반부재 파손
D-1 200 35 110 마찰돌기 소실
D-2 200 35 122 마찰돌기 소실
D-3 200 35 135 마찰돌기 소실
S-1 200 35 110 마찰돌기 소실
J-1 200 35 110 정상
표 4에 나타낸 바와 같이, W, D 및 S 마찰교반부재(120)는 마찰돌기가 소실되었으나, 이와 대조적으로 U 및 J 마찰교반부재(120)는 외형적인 변형이나 파단이 없이 양호하게 마찰교반처리를 완료하여 내구성이 유지되는 것이 확인되었다. 다만, U 마찰교반부재(120)의 경우 이송속도가 135 mm/min인 경우 마찰교반부재(120)가 파손되었다.
도 18은 마찰교반부재에 따른 마찰교반면의 외형 사진이다.
표 4의 W-1 및 U-1~3의 조건으로 마찰교반처리한 배기밸브 스핀들(10)의 경우, 마찰교반처리 부분의 외관상 결함 없이 마찰교반처리가 완료되었으나, 모두 전진측(advancing side)에서 버(burr)가 발생하였다. 한편, 표 4의 U-4 조건으로 마찰교반처리를 한 경우 처리 초반부에 마찰교반부재(120)가 파단되어 시험을 완료하지 못하였다. D-1~3과 S-1 조건은 마찰교반처리 시험의 중반부에서 마찰돌기의 소실로 인하여 마찰교반처리가 완결되지 못하고 중단되었으며, 버가 형성되었다. D-3 조건의 경우 전진 측에서 그루브(groove) 결함이 발견되었다. 한편, J 바찰교반부재(120)를 사용한 J-1 조건에서는 다른 조건에서보다 양호한 마찰교반처리부를 형성하고, 버의 발생 역시 현저히 적은 것이 확인되었다.
(3) 열처리 조건의 선정
최적의 열처리 조건을 선정하기 위해 단계별 열처리에 대한 설계를 진행하였다. 열처리에 사용된 마찰교반부재(120)는 앞선 시험에서 선정된 J-1 조건으로 제작한 마찰교반부재(120)를 사용하였다. 복합단계의 열처리는 표 5 및 도 19에 나타낸 바와 같이 950 ℃, 720 ℃ 및 620 ℃의 온도에서 1 ~ 10 시간의 조합으로 열처리를 하였다. 열처리 과정 중 MC 카바이드의 형성을 촉진하기 위하여 950 ℃의 온도에서 1시간 동안 열처리하는 과정을 설계하였고, 초내열 합금의 물성향상에 가장 큰 효과를 주는 금속간산화물의 형성을 촉진하기 위하여 720 ℃ 및 620 ℃의 열처리 과정을 설계하였다.
Step 열처리 조건
1 950 ℃/ 1h
2 720 ℃/ 8h
3 950 ℃/ 1h + 720 ℃/ 5h
4 720 ℃/ 8h + 620 ℃/ 10h
5 950 ℃/ 1h + 720 ℃/ 8h + 620 ℃/ 10h
도 20은 상기 표 5의 각각의 열처리 조건에 따른 비커스 경도분포의 변화를 나타낸 도면이다. 도 20에 나타난 바와 같이 950 ℃의 열처리 과정을 포함하지 않은 프로세스에서 보다 높은 경도분포를 나타내는 것이 확인된다. Step 1의 열처리는 대략 225 Hv의 경도값을 가짐으로서 열처리의 효과가 거의 나타나지 않는 것이 확인된다. 720 ℃와 620 ℃의 조합으로 이루어진 Step 4의 열처리는 다른 공정에 비해 가장 큰 경도 상승 효과를 나타내며, 대략 450~485 Hv의 비커스 경도 분포를 나타내는 것이 확인된다. 한편, 950 ℃, 720 ℃ 및 620 ℃의 조합으로 이루어진 Step 5도 비교적 높은 경도값(약 450~460 Hv)를 나타내었으나, Step 4의 조합보다 낮은 것으로 확인된다.
(4) 최적 마찰교반처리 조건의 선정
J 마찰교반부재(120)를 사용하여 인코넬 718 용접부에 대한 최적의 마찰교반처리 조건을 선정하기 위하여, 표 6과 같은 조건으로 마찰교반처리 시험을 실시하였다.
No. 회전속도
(RPM)		 압입하중
(kg/mm2)		 이송속도
(mm/min)
1 200 40 200
2 200 40 130
3 300 35 100
4 300 35 130
5 200 40 100
6 300 35 150
7 200 40 90
8 180 40 90
9 180 42 90
10 180 42 80
11 160 45 80
12 180 45 80
도 21은 표 6의 조건으로 마찰교반처리 시험을 거친 인코넬 718 용접부의 외부 사진이다.
도 21에 나타난 바와 같이 조건 1, 6 및 11로 마찰교반처리한 경우 교반처리면에서 결함이 관찰된다. 조건 1은 200 rpm, 40 kg/mm2 및 200 mm/min으로 시험한 것으로, 입열랑이 부족하여 교반중앙부에 결함이 길게 형성된 것으로 판단된다. 이송속도를 130 mm/min으로 늦추었던 조건 2는 양호한 결과를 나타낸다. 조건 6도 300 rpm, 35 kg/mm2 및 150 mm/min의 조건으로 시험하여 교반처리 표면에 결함이 발생하지만, 이송속도가 130 mm/min으로 낮은 조건 4에서는 양호한 결과를 나타낸다. 조건 11의 경우 회전속도가 160 rpm으로, 입열량을 맞추기 위해 압력을 45 kg/mm2으로 높이고 이송속도를 80 mm/min으로 낮게 하였지만, 회전속도가 지나치게 낮아 마찰교반에 필요한 충분한 마찰열을 발생시키지 못하여 결함이 발생한 것으로 판단된다.
표 7은 표 6의 조건으로 시험한 마찰교반처리의 결과를 나타낸다.
No. 마찰교반면 외관상태 마찰교반부재 상태 판정
1 × × ×
2 ○ ○ ×
3 ○ ○ ×
4 ○ ○ ×
5 ○ ○ ×
6 × × ×
7 × × ×
8 × × ×
9 ○ ○ ○
10 ○ ○ ○
11 ○ × ×
12 ○ ○ ○
표 7에 나타난 바와 같이, 마찰교반면의 외관상태 및 마찰교반부재(120)의 상태 등을 고려할 때 조건 8, 9 및 12에 따라 배기밸브 스핀들(10)을 제조함이 바람직하다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 배기밸브 스핀들(10)의 제조방법에 의해 생산된 배기밸브 스핀들(10)은, 시트 면의 마찰교반처리에 의해 헤드부(20)의 내구성이 효과적으로 증가되며, 열처리에 의해 배기밸브 스핀들(10)의 내구성이 효과적으로 증가된다. 따라서, 엔진의 수명이 효과적으로 연장되며, 엔진의 유지, 보수에 필요한 시간 및 경비를 효과적으로 절감할 수 있다. 또한, 종래에 배기밸브 스핀들(10)의 모재로 사용된 고가의 Nimonic 80A를 저가의 스테인리스강으로 대체하면서도, 내구성을 확보하는바, 제조 단가를 효과적으로 절감할 수 있다.
본 발명을 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 실시예들에 한정되지 않는다.
10: 배기밸브 스핀들 20: 헤드부
21: 시트 면 22: 홈
24: 용접부 26: 마찰교반처리된 용접부
30: 스템부 50: 실린더
80: 바텀피스 90: 배기포트

Claims (7)

  1. 헤드부와 스템부를 갖는 배기밸브 스핀들의 제조방법에 있어서,
    스테인리스강을 가공하여 상기 헤드부와 스템부를 갖는 모재를 제조하는 모재 제조 단계;
    상기 헤드부에 상기 헤드부의 표면으로부터 함몰되는 홀을 가공하는, 홈 가공 단계;
    상기 홈에 니켈합금을 육성용접하여 용접부를 형성하는 육성용접 단계; 및
    상기 용접부를 마찰교반처리하는 마찰교반 단계를 포함하는, 배기밸브 스핀들의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 홈은,
    상기 헤드부의 시트 면 중간에 가공되는, 배기밸브 스핀들의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 니켈합금은,
    인코넬 718을 포함하는, 배기밸브 스핀들의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마찰교반처리는,
    마찰교반부재가 상기 용접부를 가압하며 회전구동하는 것을 특징으로 하는, 배기밸브 스핀들의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배기밸브 스핀들의 제조방법은,
    상기 마찰교반 단계를 거친 후 상기 배기밸브 스핀들을 열처리하는 열처리 단계를 더 포함하는, 배기밸브 스핀들의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열처리 단계는,
    상기 배기밸브 스핀들을 제1 가열온도에서 기설정된 제1 시간 동안 열처리하는 제1 열처리 단계;
    상기 제1 열처리 단계를 거친 상기 배기밸브 스핀들을 제2 가열온도에서 기설정된 제2 시간 동안 열처리하는 제2 열처리 단계; 및
    상기 제2 열처리 단계를 거친 상기 배기밸브 스핀들을 냉각하는 냉각 단계를 포함하는, 배기밸브 스핀들의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열처리 단계는,
    상기 제1 가열온도가 상기 제2 가열온도보다 높은 것을 특징으로 하는, 배기밸브 스핀들의 제조방법.


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