KR20160148399A

KR20160148399A - 엔진용 밸브 및 그것의 제조 방법

Info

Publication number: KR20160148399A
Application number: KR1020150085424A
Authority: KR
Inventors: 원주연; 윤영철
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2015-06-16
Filing date: 2015-06-16
Publication date: 2016-12-26

Abstract

본 발명은 엔진용 밸브 및 그것의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 엔진에서 실린더에 유입되는 흡기를 제어하거나 실린더로부터 배출되는 배기를 제어하기 위한 엔진용 밸브로서, 환봉 형태의 소재 표면에 내열성, 내식성 및 내마모성을 갖는 재질로 경화층을 형성하고서 밸브 형상으로 형단조하여, 형단조된 경화층으로 형성된 시트부를 구비하는 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브를 제공한다.
또한, 본 발명은 엔진에서 실린더에 유입되는 흡기를 제어하거나 실린더로부터 배출되는 배기를 제어하기 위한 엔진용 밸브의 제조 방법으로서, 환봉 형태의 소재 표면에 내열성, 내식성 및 내마모성을 갖는 재질을 이용하여 일정 두께로 경화층을 형성하는 공정; 상기 경화층이 형성된 소재를 업세팅(upsetting)하는 공정; 및 상기 업세팅된 소재를 밸브 형상으로 형단조하여서, 형단조된 경화층으로 시트부를 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 엔진에서 실린더에 유입되는 흡기를 제어하거나 실린더로부터 배출되는 배기를 제어하기 위한 엔진용 밸브를 제조하는 경우에 환봉 형태의 소재 표면에 내열성, 내식성 및 내마모성이 양호한 재질로 경화층을 형성하고서 형단조하여 엔진용 밸브를 제조함으로써 형단조된 경화층으로 엔진용 밸브의 시트부를 형성하여 시트부를 기존보다 더 견고하고도 용이하게 형성케 한다.

Description

엔진용 밸브 및 그것의 제조 방법{Valve for Engines and Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 휘발유 엔진이나 디젤 엔진에서 흡기 또는 배기밸브로 사용되는 엔진용 밸브에 관한 것으로, 특히 엔진에서 실린더에 유입되는 흡기를 제어하거나 실린더로부터 배출되는 배기를 제어하기 위한 엔진용 밸브를 제조하는 경우에 환봉 형태의 소재 표면에 내열성, 내식성 및 내마모성이 양호한 재질로 경화층을 형성하고서 형단조하여 엔진용 밸브를 제조함으로써 형단조된 경화층으로 엔진용 밸브의 시트부를 형성하여 시트부를 기존보다 더 견고하고도 용이하게 형성하도록 하는 엔진용 밸브 및 그것의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 휘발유 엔진이나 디젤 엔진에서 연료를 연소하여 동력을 발생하는 경우에 연료를 흡기구(吸氣口)를 통해 엔진의 실린더 내에 유입시켜서 연료를 연소시킴과 아울러 엔진의 실린더 내의 배기 가스를 배기구(排氣口)를 통해 배출한다.

이와 같이 엔진에서는 실린더에 유입되는 연료를 제어하거나 실린더로부터 배출되는 배기 가스를 제어하기 위하여 엔진용 밸브를 구비하며, 해당 엔진용 밸브는 실린더에 유입되는 연료를 제어하는 흡기밸브로 사용되거나 실린더로부터 배출되는 배기 가스를 제어하는 배기밸브로 사용될 수 있다.

종래에는 도 1에 도시된 바와 같이 엔진의 실린더 헤드(10)에 설치된 엔진용 밸브(20a, 20b)를 흡기밸브 또는 배기밸브로 사용하였다. 실린더 헤드(10)에 흡기를 위한 흡기구(33)와 배기를 위한 배기구(35)가 설치되어 있는데, 엔진용 밸브(20a)가 흡기구(33)를 통해 실린더(19)에 유입되는 연료를 제어하는 흡기밸브로서 사용되고, 엔진용 밸브(20b)가 실린더(19)로부터 배기구(35)를 통해 배출되는 배기 가스를 제어하는 배기밸브로서 사용된다.

이와 같은 엔진용 밸브(20a, 20b)는 상하 방향으로 작동하여 실린더(19)에 유입되는 흡기를 제어하거나 실린더(19)로부터 배출되는 배기를 제어하되, 엔진용 밸브(20a, 20b)의 헤드 부위에 형성된 시트부가 실린더(19)의 상단에 설치된 시트링(15a, 15b)과 접촉하여서 흡기 또는 배기를 제어한다.

이를 구체적으로 살펴보면, 도 2에 도시된 바와 같이, 엔진용 밸브(20a, 20b)의 헤드 부위에는 시트링(15a, 15b)과 접촉하는 부위에 해당되는 시트부(22)를 구비하고, 시트부(22)와 시트링(15a, 15b) 간의 접촉에 의해 흡기 또는 배기를 제어한다.

이에, 엔진용 밸브(20a, 20b)의 시트부(22)는 고온의 가스와 지속적으로 접촉하므로 내열성, 내식성 및 내마모성이 양호한 재질로 이루어져야 할 필요가 있다. 아울러, 엔진용 밸브(20a, 20b)의 헤드 부위의 바닥면(23)은 실린더(19) 내부에 항시 접촉하고 있음에 기인하여 고온의 가스에 계속 노출되므로 내열성 및 내식성이 양호한 소재로 이루어져야 할 필요가 있다.

종래에는 엔진용 밸브(20a, 20b)를 제조하는 경우 도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같은 공정을 거쳐서 제조하였다. 먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이 환봉 형태의 소재(25)를 업세팅(upsetting) 하고서, 형단조하여 도 3b에 도시된 바와 같이 헤드 부위(26)를 형성하고 시트부를 위치시키기 위한 시트부 육성용 베이스(27)를 가공하여 형성한다. 그리고, 도 3c에 도시된 바와 같이 헤드 부위(26)의 시트부 육성용 베이스(27)에 내열성, 내식성 및 내마모성을 갖는 하드페이싱(hardfacing) 재질(28)을 육성용접하고서, 헤드 부위(26)에 육성용접된 하드페이싱 재질(28)의 표면을 가공하여 시트부(22)의 형성을 완료함으로써 도 3d에 도시된 바와 같이 헤드 부위(26)에 시트부(22)를 구비하는 엔진용 밸브(20)를 제조한다.

이상과 같이, 종래에는 엔진용 밸브(20)를 제조하는 경우에 환봉 형태의 소재를 업세팅하고서 형단조하여 형성된 헤드 부위(26)에 시트부 육성용 베이스(27)를 가공하여 하드페이싱 재질(28)을 육성용접함으로써 시트부(22)를 형성하는데, 육성용접 자체의 결함발생률이 높고 모재와의 희석으로 인한 경도 저하와 용접의 급냉으로 인한 열 충격에 약하여 내구성이 저하되는 단점이 있다. 또한, 시트부(22)의 기하학적 형상으로 인하여 시트부(22)의 형성이 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 엔진에서 실린더에 유입되는 흡기를 제어하거나 실린더로부터 배출되는 배기를 제어하기 위한 엔진용 밸브를 제조하는 경우에 환봉 형태의 소재 표면에 내열성, 내식성 및 내마모성이 양호한 재질로 경화층을 형성하고서 형단조하여 엔진용 밸브를 제조함으로써 형단조된 경화층으로 엔진용 밸브의 시트부를 형성하여 시트부를 기존보다 더 견고하고도 용이하게 형성하도록 하는 엔진용 밸브 및 그것의 제조 방법을 제공함에 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 엔진에서 실린더에 유입되는 흡기를 제어하거나 실린더로부터 배출되는 배기를 제어하기 위한 엔진용 밸브로서, 환봉 형태의 소재 표면에 내열성, 내식성 및 내마모성을 갖는 재질로 경화층을 형성하고서 밸브 형상으로 형단조하여, 형단조된 경화층으로 형성된 시트부를 구비하는 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브를 제공한다.

본 발명에 따른 엔진용 밸브에 의하면, 상기 시트부가 형성된 헤드 부위의 바닥 전체 또는 바닥 일부에 상기 형단조된 경화층을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 따른 엔진용 밸브에 의하면, 상기 환봉 형태의 소재는 SUH1, SNCrW, SUH3 및 Nimonic 80A 소재 중의 하나이고, 상기 경화층을 형성하는 소재는 Nimonic 80A, Stellite 계, Colmonoy 계, WC 계 및 NiCrSiB 계열의 재질 중의 하나인 것을 특징으로 한다.

한편, 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 엔진에서 실린더에 유입되는 흡기를 제어하거나 실린더로부터 배출되는 배기를 제어하기 위한 엔진용 밸브의 제조 방법으로서, 환봉 형태의 소재 표면에 내열성, 내식성 및 내마모성을 갖는 재질을 이용하여 일정 두께로 경화층을 형성하는 공정; 상기 경화층이 형성된 소재를 업세팅(upsetting)하는 공정; 및 상기 업세팅된 소재를 밸브 형상으로 형단조하여서, 형단조된 경화층으로 시트부를 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 엔진용 밸브의 제조 방법에 의하면, 상기 환봉 형태의 소재는 SUH1, SNCrW, SUH3 및 Nimonic 80A 소재 중의 하나이고, 상기 경화층을 형성하는 소재는 Nimonic 80A, Stellite 계, Colmonoy 계, WC 계 및 NiCrSiB 계열의 재질 중의 하나인 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 따른 엔진용 밸브의 제조 방법에 의하면, 상기 형단조에 의해 시트부가 형성된 헤드 부위의 바닥 전체 또는 바닥 일부에 형단조된 경화층을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 엔진용 밸브의 제조 방법에 의하면, 상기 경화층은 상기 환봉 형태의 소재 표면에 일정 깊이의 홈을 형성한 후에 해당 홈 위에 상기 소재 표면과 일치하는 두께로 형성하거나, 상기 환봉 형태의 소재 표면에 직접 일정 두께로 형성하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명에 따른 엔진용 밸브의 제조 방법에 의하면, 상기 경화층은 PTA(Plasma Transferred Arc) 용접, 레이저 클레딩(Laser Cladding), 용사 코팅(Thermal Spray) 중에서 선택된 하나의 공법을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 엔진용 밸브의 제조 방법에 의하면, 상기 업세팅된 소재를 밸브 형상으로 형단조하는 때에 상기 업세팅된 소재에 설정 온도의 열을 가하는 상태에서 형단조를 진행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 엔진에서 실린더에 유입되는 흡기를 제어하거나 실린더로부터 배출되는 배기를 제어하기 위한 엔진용 밸브를 제조하는 경우에 환봉 형태의 소재 표면에 내열성, 내식성 및 내마모성이 양호한 재질로 경화층을 형성하고서 형단조하여 엔진용 밸브를 제조함으로써 형단조된 경화층으로 엔진용 밸브의 시트부를 형성하여 시트부를 기존보다 더 견고하고도 용이하게 형성케 한다.

도 1은 흡기 또는 배기용으로 사용되는 엔진용 밸브의 적용을 도시한 엔진 단면도이다.
도 2는 엔진용 밸브의 시트부와 시트링 간의 접촉 부위를 확대하여 도시한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3d는 종래 엔진용 밸브의 제조 과정을 설명하기 위한 가공 처리 도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 엔진용 밸브의 제조 과정을 설명하기 위하여 예시한 가공 처리 도이다.
도 5는 본 발명에 따른 엔진용 밸브의 제조 과정을 예시한 공정 흐름도이다.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 하나의 실시예로서 설명하는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.

본 발명은 엔진에서 실린더에 유입되는 흡기를 제어하거나 실린더로부터 배출되는 배기를 제어하기 위한 엔진용 밸브를 제조하는 경우에 환봉 형태의 소재 표면에 내열성, 내식성 및 내마모성이 양호한 재질로 경화층을 형성하고서 형단조하여 엔진용 밸브를 제조함으로써 형단조된 경화층으로 엔진용 밸브의 시트부를 형성하여 시트부를 기존보다 더 견고하고도 용이하게 형성하도록 구현된다.

이와 같이 구현하기 위하여 본 발명은 엔진에서 실린더에 유입되는 흡기를 제어하거나 실린더로부터 배출되는 배기를 제어하기 위한 엔진용 밸브를 제조하되, 도 4a 내지 도 4c에 예시된 바와 같은 가공 처리를 거쳐서 엔진용 밸브를 제조한다.

먼저, 도 4a와 같이 환봉 형태의 소재(121)의 표면에 내열성, 내식성 및 내마모성이 양호한 재질을 사용하여 일정 두께로 경화층(123)을 형성하되, 도 4a의 (A)와 같이 환봉 형태의 소재(121)의 일부 표면에 홈을 형성하지 않고 온전한 상태에서 경화층(123)을 형성하거나 도 4a의 (B)와 같이 환봉 형태의 소재(121)의 일부 표면에 홈을 형성한 후 경화층(123)을 형성하고서, 도 4b와 같이 해당 경화층(123)이 형성된 소재(121)를 업세팅한 후, 해당 업세팅된 소재(121)를 밸브 형상으로 형단조하여 도 4c와 같이 엔진용 밸브(120)의 형상을 완성함으로써 엔진용 밸브(120)의 제조를 완료한다.

이때, 형단조하여 완성되는 엔진용 밸브(120)의 헤드 부위에는 시트링과 접촉하여 흡기 또는 배기를 제어하는 시트부(122)가 형성되는데, 해당 시트부(122)는 내열성, 내식성 및 내마모성이 양호한 재질로 이루어진 경화층(123)에 의해 형성되고, 형단조 과정에서 경화층(123)이 소재(121)와 견고하게 결합되고, 경화층(123)이 가공 경화되며, 경화층(123) 내부의 결함이 제거된다. 따라서, 본 발명의 상기 장점들, 즉, 형단조 과정에서 경화층(123)의 가공 경화를 통해 용접의 희석율로 기인한 경도 저하 문제를 해결 가능하며, 단조 효과를 통해 육성용접 자체의 내부 결함을 제거 가능하여 기존의 밸브 대비 내구성을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 도 4c와 같이 엔진용 밸브(120)의 헤드 부위 바닥(126)의 전체 또는 일부가 경화층(123)으로 이루어지게 되므로 해당 헤드 부위의 바닥(126)의 내열성 및 내식성을 향상시킬 수 있다.

또한, 엔진용 밸브(120)에 형성되는 시트부(122)는 종래와 같이 헤드 부위의 표면에 육성용접하는 방식으로 형성하지 않고, 소재(121)의 표면에 경화층(123)을 형성한 후 형단조하여 형성하므로, 시트부(122)의 기하학적인 형상에 구애됨이 없이 용이하게 형성할 수 있다는 장점이 있다.

환봉 형태의 소재(121)의 표면에 내열성, 내식성 및 내마모성이 양호한 재질을 이용하여 일정 두께로 경화층(123)을 형성하는 공정에서, 환봉 형태의 소재(121)로서는 내열성 및 내식성이 양호한 소재를 사용하되 예를 들어 SUH1, SNCrW, SUH3 및 Nimonic 80A 소재 중에서 선택한 하나를 사용할 수 있으며, 내열성, 내식성 및 내마모성이 양호한 재질로 형성되는 경화층(123)은 예를 들어 Nimonic 80A, Stellite 계, Colmonoy 계, WC 계 및 NiCrSiB 계열의 재질 중에서 선택한 하나를 사용할 수 있다. 그리고, 상기 경화층(123)은 PTA(Plasma Transferred Arc) 용접, 레이저 클레딩(Laser Cladding), 용사 코팅(Thermal Spray) 중에서 선택된 하나의 공법을 사용하여 형성할 수 있다.

PTA 용접을 이용하여 경화층(123)을 형성하는 경우에는 고온의 플라즈마를 이용하여 소재(121)의 표면에 열을 가하면서 분말형태의 Nimonic 80A, Stellite 계, Colmonoy 계, WC 계 및 NiCrSiB 계열의 재질과 같은 내열성, 내식성 및 내마모성이 좋은 재질을 해당 플라즈마 속으로 공급하여 소재(121)의 표면에 용접하여서 경화층(123)을 형성하고, 레이저 클레딩을 이용하여 경화층(123)을 형성하는 경우에는 고온의 레이저 빔을 이용하여 소재(121)의 표면에 열을 가하면서 분말형태의 Nimonic 80A, Stellite 계, Colmonoy 계, WC 계 및 NiCrSiB 계열의 재질과 같은 내열성, 내식성 및 내마모성이 좋은 재질을 해당 레이저 빔 속으로 공급하여 소재(121)의 표면에 용접하여서 경화층(123)을 형성한다.

또한, 용사 코팅을 이용하여 경화층(123)을 형성하는 경우에는 아크, 가스 및 플라즈마 등의 다양한 열원을 이용하여 분말형태의 Nimonic 80A, Stellite 계, Colmonoy 계, WC 계 및 NiCrSiB 계열의 재질 중에서 선택한 하나의 소재를 해당 열원에 의해 용융시켜 소재(121)의 표면에 적층하여 경화층(123)을 형성한다.

아울러, 환봉 형태의 소재(121)에 경화층(123)을 형성하는 경우, 소재(121)의 표면에 예를 들어 1mm~5mm 깊이의 홈을 형성한 후에 해당 홈 위에 환봉 형태의 소재(121)의 표면과 일치하는 두께로 경화층(123)을 형성하거나, 환봉 형태의 소재(121)의 표면에 홈을 형성하지 않고서 소재(121)의 표면에 예를 들어 1mm~5mm의 두께로 경화층(123)을 형성할 수 있다.

한편, 경화층(123)이 형성된 소재(121)를 업세팅 하고서 해당 업세팅된 소재(121)를 형단조하는 경우, 해당 업세팅된 소재(121)에 설정 온도의 열을 가하는 상태에서 형단조를 진행한다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 엔진용 밸브의 제조 방법은 도 5의 공정 흐름도를 따른다. 상술한 바와 같이, 환봉 형태의 소재(121)의 표면에 내열성, 내식성 및 내마모성이 양호한 재질을 사용하여 일정 두께로 경화층(123)을 형성하고(S100), 경화층(123)이 형성된 소재(121)를 업세팅한 후(S200), 해당 업세팅된 소재(121)를 밸브 형상으로 형단조하여(S300), 엔진용 밸브(120)의 형상을 완성함으로써 엔진용 밸브(120)를 제조한다.

본 발명은 상술한 설명에 한정되는 것은 아니고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 아니하는 범위 내에서 본 발명을 여러 가지 형태로 변경하여 실시할 수 있을 것이며, 그러한 변경 실시는 본 발명의 기술적 범위에 해당된다고 할 것이다.

본 발명은 엔진의 흡기 또는 배기를 제어하는 경우에 매우 유용하게 적용할 수 있을 것이다. 본 발명에 의하면, 엔진에서 실린더에 유입되는 흡기를 제어하거나 실린더로부터 배출되는 배기를 제어하기 위한 엔진용 밸브를 제조하는 경우에 환봉 형태의 소재 표면에 내열성, 내식성 및 내마모성이 양호한 재질로 경화층을 형성하고서 형단조하여 엔진용 밸브를 제조함으로써 형단조된 경화층으로 엔진용 밸브의 시트부를 형성하여 시트부를 기존보다 더 견고하고도 용이하게 형성케 한다.

121; 소재 123; 경화층
120; 엔진용 밸브 122; 시트부
126; 헤드 부위 바닥

Claims

엔진에서 실린더에 유입되는 흡기를 제어하거나 실린더로부터 배출되는 배기를 제어하기 위한 엔진용 밸브로서,
환봉 형태의 소재 표면에 내열성, 내식성 및 내마모성을 갖는 재질로 경화층을 형성하고서 밸브 형상으로 형단조하여, 형단조된 경화층으로 형성된 시트부를 구비하는 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브.
청구항 1에 있어서,
상기 시트부가 형성된 헤드 부위의 바닥 전체 또는 바닥 일부에 상기 형단조된 경화층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브.
청구항 1에 있어서,
상기 환봉 형태의 소재는 SUH1, SNCrW, SUH3 및 Nimonic 80A 소재 중의 하나인 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브.
청구항 1에 있어서,
상기 경화층을 형성하는 소재는 Nimonic 80A, Stellite 계, Colmonoy 계, WC 계 및 NiCrSiB 계열의 재질 중의 하나인 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브.
엔진에서 실린더에 유입되는 흡기를 제어하거나 실린더로부터 배출되는 배기를 제어하기 위한 엔진용 밸브의 제조 방법으로서,
환봉 형태의 소재 표면에 내열성, 내식성 및 내마모성을 갖는 재질을 이용하여 일정 두께로 경화층을 형성하는 공정;
상기 경화층이 형성된 소재를 업세팅(upsetting)하는 공정; 및
상기 업세팅된 소재를 밸브 형상으로 형단조하여서, 형단조된 경화층으로 시트부를 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브의 제조 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 환봉 형태의 소재는 SUH1, SNCrW, SUH3 및 Nimonic 80A 소재 중의 하나인 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브의 제조 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 경화층을 형성하는 소재는 Nimonic 80A, Stellite 계, Colmonoy 계, WC 계 및 NiCrSiB 계열의 재질 중의 하나인 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브의 제조 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 형단조에 의해 시트부가 형성된 헤드 부위의 바닥 전체 또는 바닥 일부에 형단조된 경화층을 형성하는 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브의 제조 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 경화층은 상기 환봉 형태의 소재 표면에 일정 깊이의 홈을 형성한 후에 해당 홈 위에 상기 소재 표면과 일치하는 두께로 형성하거나, 상기 환봉 형태의 소재 표면에 직접 일정 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브의 제조 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 경화층은 PTA(Plasma Transferred Arc) 용접, 레이저 클레딩(Laser Cladding), 용사 코팅(Thermal Spray) 중에서 선택된 하나의 공법을 사용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브의 제조 방법.
청구항 5에 있어서,
상기 업세팅된 소재를 밸브 형상으로 형단조하는 때에 상기 업세팅된 소재에 설정 온도의 열을 가하는 상태에서 형단조를 진행하는 것을 특징으로 하는 엔진용 밸브의 제조 방법.