KR910002869B1 - 내마모성 철계소결합금 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

내마모성 철계소결합금

도면은 본 발명의 실시예에 따라 1150℃에서 소결한 소결합금에 대한 현미경 사진

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

가 : 페로(ferro)몰리브덴 입자 나 : 용침된 구리

다 : 퍼얼라이트 기지조직 라 : 베이나이트 기지조직

마 : 마르텐사이트 기지조직

본 발명은 내마모성 철계소결합금에 관한 것으로, 특히 우수한 내마모성과 양호한 기계가공성이 요구되는 디젤엔진이나 또는 터보차저엔진에서 그 배기밸브의 밸브시트에 적합한 철계소결합금에 관한 것이다.

본래 밸브시트는 소결에 의한 방법이 아니라 주조에 의한 방법으로 제작하였다. 그러다가 점차로 내마모성이 좋은 소결합금으로 대체되었으나, 디젤엔진등 가혹한 조건에서 사용되는 경우에는 대체가 어려워 여전히 크롬-몰리브덴계의 칠드(chilled)주물이나 스텔라이트 코팅 제품등이 사용되고 있다. 또한 대체되기 시작한 소결합금, 즉 C-Cr-W-O계나 C-Cr-W-Fe계의 분말합금을 경질상으로 사용하고 있었음으로 내마모성에 대한 기여는 크나 가공성이 불량하며, 코발트등 고가의 분말원료를 다량 함유함으로써 제조단가가 상승하는 단점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 상기 종래 기술에서의 단점을 해결하고, 코발트등 값비싼 분말원료를 사용하지 않고서도 종래 합금과 같거나 또는 그 이상의 내마모성을 가짐은 물론 가공성과 경계성이 우수한 밸브시트용 소결합금을 제공하기 위함이다.

본 발명에서는 전술한 종래 기술에서의 단점을 해결하기 위한 연구결과 다음 조성을 갖는 소결합금이 상기 본 발명의 목적에 부합되는 우수한 것임을 밝혀냈다.

즉, 본 발명에 따른 밸트시트용 소결합금은 1.0-5.0중량% Cr, 3.0-15.0중량% Mo, 5.0중량% 이하의 Ni, 0.1-2.0중량% V, 0.5-1.5중량% C, 8.0-18.0중량% Cu 및 나머지는 Fe로 구성되고, 퍼얼라이트(pearlite), 베이나이트(bainite) 및 마르텐사이트(martensite) 혼합기지 조직에 페로몰리브덴이 균일하게 분산된 조직을 갖는다. 이 소결합금으로 제조된 밸브시트는 무연가솔린 엔진은 물론 디젤이나 터보차저엔진에서와 같이 가혹한 조건에서도 우수한 성능을 발휘한다.

본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

제1표는 대비의 편의를 위하여 본 발명에 의한 합금분말 성분범위를 표로 표시한 것이다.

[제1표 중량%]

상기 성분에 대한 효과와 그 조성한정의 이유를 설명하면 다음과 같다.

Cr : Cr은 Fe·C과 함께 철-크롬의 복탄화물을 형성하여 기지금속에 균일하게 분산됨으로 내열 및 내마모성에 크게 기여한다. 1.0중량%(이하 "%"표기함) 이하에서는 상기 효과가 떨어지고, 5.0% 이상이어도 그 효과는 더 증가되지 않으므로 1.0-5.0%Cr이 바람직하며, 더욱 바람직한 것은 2.0-4.5%Cr이다.

Mo : Mo은 금속몰리브덴 또는 페로몰리브덴으로 첨가되어 철-몰리브덴 복탄화물을 형성하여 600-1300 정도의 비커스경도를 가지는 우수한 내마모성 소결합금의 제조를 가능하게 한다. 또한 소결된 합금의 안정화에 기여하고, 일부는 기지금속으로 확산하여 기지금속의 고온안정성에 기여한다. 3.0% 이하에서는 결정입 크기나 내마모성이 떨어지고, 15.0% 이상 첨가되면 기지금속이 취약하게 되어 기계가공성이 저하된다. 따라서 3.0-15.0% Mo이 바람직하며, 더욱 바람직하기는 4.0-10.0%Mo이다.

V : V은 강력한 MC형 탄화물을 형성하여 분산강화를 일으키는 원소이며, 소량 첨가로써 내열 및 내마모성이 크게 향상되고, 고온에서의 안정성에 기여한다. 0.1%이하에서는 상기 효과가 적고, 2.0% 이상은 기계가공성 및 경제적인 점에서 바람직하지 못하다. 따라서 0.1-2.0% V이 바람직하며, 더욱 바람직하기는 0.2-0.8% V이다.

Ni : Ni은 기지에 확산되어 Cr등과 함께 기지금속을 강화시키며 내열성 및 고온인성을 향상시킨다. 5.0%이상으로 과량이 첨가되면 마르텐사이트조직이 과대하게 형성되어 기계가공성이 저하한다. 따라서 0-5.0%N가 바람직하며, 더욱 바람직한 것은 1.0-4.0%Ni이다.

C : C는 다른 원소와 탄화물을 형성하여 경도, 변형강도 및 내마모성을 향상시킴으로써 기지조직강화에 중요한 원소이다. 0.6% 이하의 C를 함유하면 기지금속에 퍼얼라이트 뿐 아니라 페라이트도 형성되어 내마모성을 해치게 되고, 1.5%이상 함유하면 탄화물 형성 및 퍼얼라이트화에 소요되고 남은 탄소가 세멘타이트(cementite)를 형성하여 기지금속을 취약하게 한다. 따라서 0.6-1.5%C가 바람직하며, 더욱 바람직한 것은 0.6-1.2%C이다.

Cu : Cu는 열전도가 우수하기 때문에 소결체의 기공을 구리용침으로 메꾸면 고온작동시에 열하중이 격감되고 소결된 밸브시트링의 유연성이 향상된다. 특히 가/혹한 조건에서의 사용에 유리하다. 그러나 용침전의 소결체의 밀도가 6.7g/㎠ 이하이면, 용침구리의 양이 많아져 압환강도가 낮아지고, 상기 밀도가 7.1g/㎤ 이상이면 구리의 양이 압환강도를 향상시키는 데에 비효과적이다. 이때의 Cu양이 8.0-18.0%이며, 따라서, 본 발명에서는 8.0-18.0%Cu가 적당하며, 더욱 바람직한 것은 13-16% Cu이다.

상술한 성분이외에도 기계가공성의 향상을 위해 1.5% 미만의 황화망간(MnS)이나 윤활제를 첨가할 수도 있다.

[실시예]

제2표에는 계열 시험(series test)을 행한 본 발명의 바람직한 실시예들의 성분비를 보였다.

[제2표]

제2표의 각 그룹(group)은 다른 성분의 조성비를 대략 동일하게 유지하였을 때 해당 성분의 조성비에 따른 물성을 파악하기 위한 것이다.

예를 들어 Mo그룹에 있어서, 실시예 3 내지 실시예 6은 다른 성분의 조성비는 대략 동일하고 Mo의 성분비만이 2.99, 5.04, 10.05, 14.53으로 순차적으로 변화하고 있다.

또한 기계가공성의 향상을 위해 황화망간(ZnS)을 첨가한 실시예들의 조성비는 다음 제3표와 같다.

[제3표]

[비교예]

한편 본 발명의 특징적 조성범위를 벗어나는 경우의 물성을 파악하기 위해 다음 제4표와 같이 5가지의 비교예를 함께 시험하였다. 제4표의 후단에는 후술하는 일본제의 PB-7E 합금을 종래 합금의 조성으로서 함께 기재하였다.

[제4표]

제4표에서 보는 바와 같이 비교예 1은 Mo와 Cu의 조성범위가, 비교예 3은 Cr과 Cu의 조성범위가 본 발명의 특징적 범위를 벗어나고 있다. 또 비교예 2는 Mo, 비교예 4는 V, 비교예 5는 Ni가 각각 본 발명의 범위외이다.

제2표 내지 제4표에 제시된 각 중량%의 성분비의 성분 분말(Cu 제외)을 혼합하여 6ton/㎠의 압력으로 성형하고, 11.50℃에서 60분간 소결하였다. 그후, 1120℃에서 제2표 내지 제4표에 제시된 함량의 Cu를 용침시켰다. 이 소결체를 850℃로 가열한 다음, 담금질 및 뜨임 처리하여 밸브시트를 제조하였다.

다음 이 밸브시트를 다음 제5표에 기재된 바와 같은 조건으로 내마모성 시험을 행하였다. 이 시험은 밸브시트를 전용 마모시험기를 사용하여 정상운전시보다 아주 가혹한 조건하에서 시험하였기 때문에 일반 자동차 엔진에 밸브를 설치하여 마모시험을 한 경우보다는 단위시간당 밸브 또는 밸브시트의 마모량이 대폭 크고 시험결과에도 편차가 큰 경향을 가진다.

[제5표]

상기와 같이 제조한 본 발명의 각 실시예 및 비교예의 소결체로 제작한 밸브시트와 상기에 기재된 조성비의 종래 합금으로 제작한 일본의 닛뽄 피스톤 링(Nippon Piston Ring)사 제품인 PE-7E 밸브시트에 대한 물리적성질 및 내마모성을 시험한 결과를 제6표에 나타내었다.

[제6표]

제6표에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 각 실시예들은 종래 합금에 비해 압환강도와 밸브침하량, 그리고 시트마모량에 있어서 일반적으로 우수한 경향을 나타낸다. 더구나 이것은 종래 합금처럼 Co등 고가의 금속원료를 사용하지 않으므로 그 경제적 효과는 월등하게 된다.

한편 제6표의 각 비교예들, 본 발명 조성범위를 벗어난 경우의 성분비에 있어서는 현저한 물성의 열화(劣化)가 발견된다. 예를 들어 비교예 5를, Ni를 제외한 다른 조성비가 유사한 실시예 16과 비교하는 경우 Ni의 성분비가 약 2% 증가함에 따라 밸브침하량이 약 2배로 현격히 증가하였다.

이상과 같이 본 발명에 따른 내마모성 철계 소결합금은 값비싼 원료를 사용하지 않고도 내마모성이 더욱 우수하고 가공성도 양호한 소결체를 매우 저렴한 가격으로 제공할 수 있는 이점이 있다.

Claims (7)

1.0-5.0중량% Cr, 3.0-15.0중량% Mo, 5.0중량% 이하의 Ni, 0.1-2.0중량% V, 0.6-1.5중량% C, 8.0-18.0중량% Cu, 1.5중량%이하의 황화망간 및 나머지 Fe로 구성되어 있고, 퍼얼라이트, 베이나트 및 마르텐사이트의 혼합기지조직에 페로몰리브덴상이 균일하게 분산되어 있음을 특징으로 하는 내마모성 철계소결합금.

제1항에 있어서, 상기 Cr함량이 2.0-4.5중량%임을 특징으로 하는 내마모성 철계소결합금.

제1항에 있어서, 상기 Mo함량이 4.0-10.0중량%임을 특징으로 하는 내마모성 철계소결합금.

제1항에 있어서, 상기 V함량이 0.2-0.8중량%임을 특징으로 하는 내마모성 철계소결합금.

제1항에 있어서, 상기 Ni함량이 1.0-4.0중량%임을 특징으로 하는 내마모성 철계소결합금.

제1항에 있어서, 상기 C함량이 0.6-1.2중량%임을 특징으로 하는 내마모성 철계소결합금.

제1항에 있어서, 상기 Cu함량이 13-16중량%임을 특징으로 하는 내마모성 철계소결합금.

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