KR20220003298A

KR20220003298A - 엔진용 타펫의 제조방법 및 그에 의한 엔진용 타펫

Info

Publication number: KR20220003298A
Application number: KR1020200080934A
Authority: KR
Inventors: 김주성; 임동필; 서영재
Original assignee: 현대두산인프라코어(주)
Priority date: 2020-07-01
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2022-01-10

Abstract

본 발명은 엔진용 타펫의 제조방법 및 그에 의한 엔진용 타펫에 관한 것으로, 칠주물 공정에 의해 철합금으로 이루어지는 타펫 몸체부를 형성하는 단계; 및 상기 타펫 몸체부의 일측 상에 고속화염용사(HVOF) 공정에 의해 초경합금으로 이루어져 2중 내마모 구조를 형성하는 초경팁부를 형성하는 단계를 포함한다.

Description

엔진용 타펫의 제조방법 및 그에 의한 엔진용 타펫{MANUFACTURING METHOD OF ENGINE TAPPET AND ENGINE TAPPET THEREOF}

본 발명은 엔진용 타펫의 제조방법 및 그에 의한 엔진용 타펫에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 캠과의 습동환경에서 내마모성을 확보하는 엔진용 타펫의 제조방법 및 그에 의한 엔진용 타펫에 관한 것이다.

일반적으로, 엔진에서 실린더밸브를 여닫는 역할을 하는 기구를 밸브 트레인계라 한다. 타펫(Tappet)은 상기와 같은 밸브 트레인계의 구성요소로서, 푸시 로드와 캠 샤프트 사이에서 캠의 변위 변화를 이용하여 왕복 운동하게 한다.

최근 엔진의 트렌드가 고출력, 고효율로 변화됨에 따라 밸브 트레인 시스템 또한 부하가 증가되고 있다. 이에 따라 밸브 트레인의 구성 부품인 타펫과 캠의 접촉응력 및 윤활조건이 엄격해지고 마모 발생에 의해 간극이 증가하여 시스템의 고장을 유발하는 문제가 발생되어 고내마모성의 타펫의 사용이 요구되고 있다.

이러한 문제점을 개선하기 위해 종래에는 고면압 조건에서 내마모성을 확보하기 위해서 초경과 같은 하드메탈이 적용된 타펫이 사용되고 있다. 이러한 타펫은 초경팁을 성형/소결한 후 모재에 바인더 확산법이나 브레이징법으로 접합하거나 용사법을 이용하여 초경분말을 모재에 코팅한다.

이러한 초경 타펫의 모재는 일반적으로 탄소가 0.45wt%인 탄소강을 사용하고 접합공정 후 고주파열처리로 외주면의 경도를 높여 내마모성을 확보한다. 그러나 초경피막과 접합된 모재면은 고주파열처리가 불가하기 때문에 상대적으로 경도가 낮은 특징을 갖는다. 이로 인해 초경피막이 마모나 파손이 되어 모재가 드러나는 경우 캠과의 습동환경에서 내마모성이 불충분한 모재가 과다 마모되어 엔진 손상의 원인이 된다.

본 발명은 캠과의 습동환경에서 타펫의 팁 부분뿐 아니라 타펫의 몸체 부분도 마모 및 파손에 강해지도록 내마모성을 확보하는 엔진용 타펫의 제조방법 및 그에 의한 엔진용 타펫을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 본 발명은 칠주물 공정에 의해 철합금으로 이루어지는 타펫 몸체부를 형성하는 단계; 및 상기 타펫 몸체부의 일측 상에 고속화염용사(HVOF) 공정에 의해 초경합금으로 이루어져 2중 내마모 구조를 형성하는 초경팁부를 형성하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 초경합금은 무게분율로 12 내지 20%의 코발트(Co)와 나머지 %의 탄화텅스텐(WC)을 포함된다.

또한, 상기 철합금은 무게분율로 3 내지 4%의 탄소(C), 0.3 내지 1.5%의 크롬(Cr) 및 나머지 %의 철(Fe)를 포함한다.

또한, 상기 타펫 몸체부를 형성하는 단계에서는, 상기 칠주물 공정에 의해 타펫 몸체부 기초를 형성한 후, 담금질 및 템퍼링하는 단계를 더 포함한다.

또한, 상기 초경팁부를 형성하는 단계 이전, 샌드 블라스트(Sand Blast) 공정에 의해 상기 타펫 몸체부 일측의 표면을 다듬어 준다.

또한, 상기 초경팁부의 경도는 HRA 85 이상이고, 상기 초경팁부와 접합되는 상기 타펫 몸체부 일측의 경도는 HRC 55 이상이다.

또한, 상기 초경팁부의 파괴인성은 7MPa·m^1/2 이상이다.

또한, 상기 초경팁부와 상기 타펫 몸체부의 접합강도는 60Mpa 이상이다.

또한, 전술한 제조방법에 의하여 제조된 엔진용 타펫이다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명에 따른 엔진용 타펫의 제조방법 및 그에 의한 엔진용 타펫 은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 초경팁부를 초경합금으로 제조하므로 고내마모성을 가져 캠과의 습동환경에서도 쉽게 마모되거나 파손되지 않는다.

둘째, 초경팁부가 형성되는 타펫 몸체부는 철합금을 이용하여 칠주물 공정에 의해 형성되어, 초경팁부와 함께 2중 내마모 구조를 형성하므로 초경팁부가 마모 또는 파손되어 캠과의 습동환경에 노출되더라도 쉽게 마모되거나 파손되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진용 타펫의 사시도 및 단면도이다.
도 2는 기준이 미달된 초경팁부의 파손된 모습이 도시된 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진용 타펫의 제작과정이 도시된 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 타펫 몸체부의 제작과정이 도시된 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 타펫 몸체부의 내마모성을 확인하기 위한 실험조건이 도시된 표 및 실험결과가 도시된 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초경팁부의 제작과정이 도시된 순서도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.

본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진용 타펫의 단면이 도시된 것으로, 도 1을 참조하여 보면 상기 엔진용 타펫(100)은 타펫 몸체부(110) 및 초경팁부(130)를 포함한다.

상기 타펫 몸체부(110)는 철합금으로 이루어진다. 상기 타펫 몸체부(110)를 이루는 철합금은 무게분율로 3 내지 4%의 탄소(C), 0.5 내지 1.5%의 크롬(Cr) 및 나머지 %의 철(Fe)을 포함한다.

상기 타펫 몸체부(110)는 도면을 참조하여 보면, 제1 타펫 몸체(111) 및 제2 타펫 몸체(113)로 이루어진다.

상기 제1 타펫 몸체(111)와 상기 제2 타펫 몸체(113)는 원기둥의 형태로 형성된다. 상기 제1 타펫 몸체(111)는 동일한 크기의 횡단면이 설정 길이만큼 형성되고, 상기 제1 타펫 몸체(111)의 일단부에 상기 제2 타펫 몸체(113)가 형성된다.

상기 제2 타펫 몸체(113)는 횡단면이 상기 제1 타펫 몸체(111)의 횡단면보다 더 크게 형성되며, 일정 길이만큼 형성되는데 상기 제2 타펫 몸체(113)의 길이는 상기 제1 타펫 몸체(111)의 길이보다 짧게 형성된다.

상기 타펫 몸체부(110)는 철합금을 이용하여 칠주물 공정에 의해 형성된다. 이에 대해서는 후술의 제조과정에서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

상기 초경팁부(130)는 상기 타펫 몸체부(110)의 일측 상에 형성된다. 본 실시예에서는 상기 제2 타펫 몸체(113) 상에 상기 초경팁부(130)가 형성되는 것이다.

상기 초경팁부(130)는 초경합금으로 이루어진다. 상기 초경팁부(130)를 이루는 초경합금은 무게분율로 12 내지 20%의 코발트(Co)와, 나머지 %의 탄화텅스텐(WC)을 포함한다. 본 실시예에서는 17%의 코발트(Co)를 포함하므로 상기 초경팁부(130)가 WC-17Co 초경합금으로 형성된다.

후술의 제조과정에서 보다 구체적으로 설명하겠지만, 상기 초경팁부(130)는 고속화염용사(HVOF) 공정에 의해 형성된다.

상기 공정을 보다 구체적으로 설명하여 보면, 용사 건(미도시) 내부에서 산소와 가연성 가스를 혼합 폭발시키고, 상기 용사 건(미도시)에 투입된 미립분말 형태의 초경합금 분말이 화염에 가열 용융된 상태로 고속으로 상기 타펫 몸체부(110)에 분사된다. 이러한 공정에 의해 상기 초경팁부(130)는 높은 접합강도의 치밀한 코팅으로 형성될 수 있다.

상기 제2 타펫 몸체(113) 상에 형성되는 상기 초경팁부(130)는 두께가 0.2mm 이상 되도록 형성된다. 이와 같이 형성되는 상기 초경팁부(130)는 내마모성을 높이기 위해서 경질탄화물인 탄화텅스텐(WC)을 사용하였으며, 탄화텅스텐(WC) 분말을 결합하고 추가로 인성을 보강하기 위해서 코발트(Co)를 바인더로 사용한다.

그에 따라 경도는 HRA 85 이상(= HRC 67 이상)이고, 타펫과 상대 접촉하는 캠의 경도는 HRC 50 수준이므로 높은 내마모성을 갖는다.

그리고 파괴인성은 7MPa·m^1/2 이상이다. 파괴인성이란, 취성파괴에 대한 재료의 저항 정도를 나타내는 성질을 의미한다. 상기 초경팁부(130)의 파괴인성이 7MPa·m^1/2 보다 낮을 경우 상기 초경팁부(130)에는 크랙이 발생될 수 있다.

도 2는 파괴인성이 기준 값(7MPa·m^1/2)을 미달할 때 상기 초경팁부(130)에 크랙이 발생한 모습을 나타낸 그림과 사진이다. 도 2의 (a)를 참조하는 바와 같이, 상기 초경팁부(130)의 파괴인성이 전술한 바와 같이 7MPa·m^1/2 미만이면 상기 초경팁부(130)의 표면에 상기 초경팁부(130)의 중심부를 기준으로 10mm 이내의 범위(도 2 (a)의 화살표 부분)에서 크랙이 발생된다.

상기 초경팁부(130)를 평면에서 보았을 때 도 2의 (b)와 같은 모습으로 크랙이 형성되는 것을 확인할 수 있고, 상기 초경팁부(130)의 표면에서 발생한 크랙은 도 2의 (c)를 참조하는 바와 같이 상기 초경팁부(130)의 내부로 전파된다.

따라서 전술한 바와 같은 파괴인성이 기준 값을 미달하는 상기 초경팁부(130)가 적용된 상기 엔진용 타펫(100)이 엔진에 조립되면 엔진 작동 중 상기 초경팁부(130)의 파손이 발생될 수 있고, 이는 엔진 고장의 원인이 된다.

그러나 본 발명의 일 실시예에서와 같이 상기 초경팁부(130)가 고속화염용사 공정에 의해 초경합금으로 이루어지면, 파괴인성이 7MPa·m^1/2 이상이 되므로 상기 초경팁부(130)의 표면에 크랙의 발생뿐 아니라, 상기 엔진용 타펫(100)의 파손과 엔진의 고장도 방지할 수 있다.

이하에서는 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 엔진용 타펫(100)의 제조과정을 설명하기로 한다.

상기 엔진용 타펫(100)의 제조과정은 도 3을 참조하는 바와 같이, 상기 타펫 몸체부(110)를 형성하는 단계(S100 단계) 및 상기 초경팁부(130)를 형성하는 단계(S300 단계)를 포함한다.

먼저, 도 4를 참조하여 상기 타펫 몸체부(110)를 형성하는 과정을 살펴보면, 상기 타펫 몸체부(110)는 철합금을 이용하여 칠주물 공정을 통해 타펫 몸체부의 기초를 형성한다. (S110 단계)

칠주물 공정은 금형 주형을 사용하여 용탕을 급랭시켜 접촉된 부분만 칠(Chill)층이 형성되면서 경화되고, 그 내부는 서냉되어 강인한 조직이 된다. 본 실시예에서는 초경팁부(130)와 접합되는 타펫 몸체(113)에만 칠(Chill)층이 형성된다.

상기 S110 단계를 통해 상기 타펫 몸체부의 기초가 형성되면, 상기 타펫 몸체부의 기초를 담금질(S130 단계) 한 후 템퍼링(S150 단계) 한다.

상기 타펫 몸체부의 기초가 칠주물 공정에 의해 형성되기 때문에 마모에 강하지만, 담금질을 통해 상기 타펫 몸체부(110) 내부 상태가 안정화되고 경도가 향상되는 장점이 있다.

한편, 상기 타펫 몸체부(110)는 철합금으로 이루어지므로 주요 물질은 철(Fe) 이지만, 철로만 이루어지는 것은 아니다. 상기 타펫 몸체부(110)는 무게분율로 3 내지 4%의 탄소(C)와, 0.3 내지 1.5%의 크롬(Cr) 및 나머지 %의 철(Fe)을 포함하는 철합금으로 이루어진다.

전술한 바와 같은 과정으로 제조된 상기 타펫 몸체부(110)는 경도가 향상된다. 특히, 상기 타펫 몸체부(110)를 제조하는 과정에서 담금질과 템퍼링 과정을 거치면서 경도가 더욱 향상되며, 본 실시예에서 상기 타펫 몸체부(110)의 경도는 HRC 55 이상(HRA 81 이상)이 된다. 타펫과 상대 접촉하는 캠의 경도는 HRC 50 수준으로 10% 이상 경도가 높으므로 높은 내마모성을 갖는다.

도 5에는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 상기 타펫 몸체부(110)의 내마모성을 알아보기 위한 실험을 한 데이터와 결과가 도시된 것이다.

실험은 초경팁부의 마멸 후 타펫 몸체부의 내마모성을 평가하는 것으로, 11L 엔진 모터링 리그 평가로 진행된다. 실험은 도 5의 (a)에 도시된 바와 같은 조건으로 진행된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 타펫 몸체부(110)의 실험 비교군으로 선택된 타펫 몸체의 사양은 탄소강 소재로 고주파 열처리가 되어 제작된 것이다.

상기 타펫 몸체부(110)와 실험 비교군 모두에는 단시간 마멸이 가능하도록 초경팁부가 10um의 두께로 형성되어 있다. 이와 같은 실험 결과 도 5의 (b)를 참조하는 바와 같이 실험 비교군의 타펫 몸체가 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 타펫 몸체부(110)보다 현저하게 더 많이 마모된 것을 확인할 수 있다.

즉, 본 실시예에서와 같은 상기 타펫 몸체부(110)의 내마모성이 훨씬 우수한 것을 확인할 수 있고, 만에 하나 상기 초경팁부(130)가 마멸되더라도 상기 타펫 몸체부(110)로 인한 엔진의 손상을 방지할 수 있다.

상기 타펫 몸체부(110)가 형성된 후에는 도 6을 참조하는 바와 같이, 상기 타펫 몸체부(110)의 일측 상에 상기 초경팁부(130)를 형성하는 단계(S300 단계)가 이루어진다.

상기 초경팁부(130)를 형성하는 과정을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 상기 초경팁부를 형성하기 위해서는 먼저, 초경합금 분말을 준비한다. (S310 단계) 상기 초경합금 분말은 코발트(Co)와 탄화텅스텐(WC)을 포함한다. 보다 구체적으로 상기 초경합금 분말은 무게분율로 12 내지 20%의 코발트(Co)와, 나머지 %의 탄화텅스텐(WC)으로 이루어진다. 본 실시예에서는 무게분율로 17%의 코발트(Co)와, 나머지 %의 탄화텅스텐(WC)으로 이루어진 초경합금 분말을 준비한다.

상기 초경합금 분말은 분말 알갱이의 사이즈가 15 내지 38um 인 것을 사용한다.

상기 초경합금 분말이 준비되면, 고속화염용사 공정을 진행하기 위한 준비과정으로 샌드 블라스트(Sand blast) 공정이 이루어진다. 상기 샌드 블라스트 공정을 통해 상기 초경팁부(130)가 형성되는 상기 타펫 몸체부(110)의 일측, 즉 상기 제2 타펫 몸체(113)의 표면의 코팅에 방해되는 이물질이 제거되고 표면이 거칠게 다듬어 진다. 이로 인해 초경분말과 접촉되는 상기 타펫 몸체부(110)의 접촉면적이 증가되어 결과적으로 상기 초경팁부(130)와의 접합강도가 향상된다.

상기 샌드 블라스트 공정 이후에는 상기 고속화염용사 공정을 통해 상기 타펫 몸체부(110)의 일측 상에 상기 초경합금 분말을 분사하며 코팅하는 과정이 이루어진다. (S330 단계) 즉, 상기 초경합금 분말을 분사하여 코팅하면서 상기 초경팁부(130)를 형성하는 것이다.

상기 고속화염용사 공정을 통해 상기 초경팁부(130)를 형성할 때에는 상기 초경팁부(130)의 두께가 설정 기준 값 이상이 되도록 한다. 본 실시예에서 상기 설정 기준값은 0.2mm 이므로 상기 초경팁부(130)의 두께가 0.2mm 이상 되게 형성한다.

전술한 바와 같은 과정에 의해 형성되는 상기 초경팁부(130)의 기공률은 3% 이하이다. 기공률이 3% 보다 큰 경우 초경 피막의 밀도가 낮아 경도와 파괴인성이 저하되어 쉽게 마모되는 단점이 있다.

상기 타펫 몸체부(110)와 상기 초경팁부(130)의 접합강도는 60MPa 이상이다. 초경팁부(130)와 타펫 몸체부(110)의 접합이 불완전하여 미접합 영역이 존재하면 접합강도는 평가에 사용되는 접착제의 접합강도 60MPa보다 낮은 강도에서 초경팁부(130)가 파손되며 분리된다. 특히, 60MPa 정도로 낮은 접합강도를 갖는 초경팁부는 엔진 작동 중 작용하는 반복 고하중에 의한 충격으로 파손되어 엔진 고장을 유발할 수 있다.

본 실시예에서는 전술한 바와 같이 상기 고속화염용사 공정을 통해 상기 초경팁부(130)를 제작하므로 상기 타펫 몸체부(110)와의 접합강도가 향상된다. 이에 따라 상기 초경팁부(130)가 상기 타펫 몸체부(110)로부터 쉽게 분리되거나 파손, 마모되지 않는 장점을 갖는다.

본 발명에 의해 제조되는 엔진용 타펫은 초경팁부가 고속화염용사 공정에 의해 형성되며 초경합금으로 이루어지므로 쉽게 마모되거나 파손이 방지된다. 뿐만 아니라, 초경팁부가 마모 또는 파손되더라도 칠주물 공정에 의해 형성되며 철합금으로 이루어지는 타펫 몸체부도 고내마모성을 가지므로 쉽게 마모되거나 파손되지 않아 엔진의 고장을 방지할 수 있다.

특히, 상기 초경팁부를 형성할 때 두께의 제한 없이 박막으로 제조가 가능하므로 재료비용을 낮출 수 있다. 또한, 엔진용 타펫을 제조하는 공정은 비교적 단순하고 리드타임(Lead Time)이 짧아 공정비용을 절감할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 엔진용 타펫 110: 타펫 몸체부
111: 제1 타펫 몸체 113: 제2 타펫 몸체
130: 초경팁부

Claims

칠주물 공정에 의해 철합금으로 이루어지는 타펫 몸체부를 형성하는 단계; 및
상기 타펫 몸체부의 일측 상에 고속화염용사(HVOF) 공정에 의해 초경합금으로 이루어져 2중 내마모 구조를 형성하는 초경팁부를 형성하는 단계를 포함하는 엔진용 타펫 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 초경합금은 무게분율로 12 내지 20%의 코발트(Co)와 나머지 %의 탄화텅스텐(WC)을 포함하는 엔진용 타펫 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 철합금은 무게분율로 3 내지 4%의 탄소(C), 0.3 내지 1.5%의 크롬(Cr) 및 나머지 %의 철(Fe)를 포함하는 엔진용 타펫 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 타펫 몸체부를 형성하는 단계에서는,
상기 칠주물 공정에 의해 타펫 몸체부 기초를 형성한 후, 담금질 및 템퍼링하는 단계를 더 포함하는 엔진용 타펫 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 초경팁부를 형성하는 단계 이전,
샌드 블라스트(Sand Blast) 공정에 의해 상기 타펫 몸체부 일측의 표면을 거칠게 다듬어 주는 엔진용 타펫 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 초경팁부의 경도는 HRA 85 이상이고,
상기 초경팁부와 접합되는 상기 타펫 몸체부 일측의 경도는 HRC 55 이상 인 엔진용 타펫 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 초경팁부의 파괴인성은 7MPa·m^1/2 이상 인 엔진용 타펫 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 초경팁부와 상기 타펫 몸체부의 접합강도는 60Mpa 이상 인 엔진용 타펫 제조방법.
제 1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조된 엔진용 타펫.