KR960004831B1 - 철 알루미늄 합금의 내연 기관용 흡입 밸브 - Google Patents

철 알루미늄 합금의 내연 기관용 흡입 밸브 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

철 알루미늄 합금의 내연 기관용 흡입 밸브
제 1 도는 본 발명에 따라제조된 부품의 항목 강도와 종래 기술에 따라 제조된 부품의 항복 강도를 비교 도시한 그래프.
제 2 도는 본 발명에 따라 제조된 부품의 1,100℉에서 크리프(creep)저항과 종래 기술에 따라 제조된 부품의 1,100℉에의 크리프저항을 비교도시한 그래프.
제 3 도는 본 발명에 따라 제조된 부품의 1,100℃에서의 피로 저항과 종래 기술에 따라 제조된 부품의 1,100℃에서의 피로 저항을 비교 도시한 그래프.
제 4 도는 본 발명의 합금의 산화 저항과 통상의 밸브 합금의 산화 저항을 비교 도시한 막대 그래프.
본 발명은 내연 기관용 흡입 밸브의 제조 및 그 제조에서의 철 알루미늄 합금(iron aluminum ally)의 사용에 관한 것이다.
현재의 내연 기관의 개발 추세는 보다 낮은 연료 소비율과 보다 높은 엔진효율 및 보다 낮은 수준의 배기 가스 방출로 보다 높은 속도로 작동할 수 있는 다 - 밸브 기관을 개발하고자 하는 것이다. 엔진에서 속도를 제한하는 것의 예로는 밸브 기구(valve train)와 피스톤 조립체를 들 수 있다. 만일 밸브 기구가 불안정한 모우드로 운전될 경우, 밸브 기구의 구성 부품의 파손 및 과다한 마모가 발생되어 엔진의 속도를 제한하게 된다. 밸브 기구 설계에 있어서, 밸브 기구를 구성하는 부품들의 중량은 전술한 불안정성의 주된 요인이다. 밸브 기구의 가장 무거운 작동부는 밸브 자체이다.
따라서 밸브의 중량을 줄이는 것이 바람직하다. 밸브의 주량을 줄이게 되면, 밸브 기구의 안정성을 증대 시키는 것이 이외에도 밸브 기구를 구동시키는데 사용되는 엔진 출력을 감소시키고 연료 소비를 개선하게 된다. 또 다른 장점은 종래의 것에 비해 밸브를 조기에 개방시키고 더 늦게 폐쇄시키게 되는 더욱 진취적인 캠형상을 사용할 수 있게 하는 것이다. 이는 체적 효율을 증진시키며 나아가 엔진 출력을 증가시킨다.
또한, 밸브 작동을 제어하도록 설계되는 밸브 스프링 부하를 비례적으로 줄임으로써 연료 경제성에서의 이득을 실현할 수 있다. 밸브 시트(seat)의 로딩(loading)으로부터 야기되는 동적 응력은 밸브 중량과 비례하며, 결과적으로 경량 밸브의 낮은 접촉 응력은 시트 삽입재료의 마모를 감소시킬 것이다.
밸브의 경량화를 위해 현재 진행중인 개발의 접근 방법은, 좁은 밸브 스템 또는 중공형 밸브 스템을 사용하여 밸브 질량을 감소시키고 밸브 헤드의 재료를 삭감하는 것이다. 표준 SAE 1541 강의 흡입 밸브재료 제조한 중공형 밸브 스템을 사용함으로써 얻게 되는 것과 동등한 중량 감소는 철 알루미늄 합금의 사용에 의해 실현될 것으로 추정된다.
철 알루미늄계는 0 내지 52의 원자 퍼센트 알루미늄을 갖는 일련의 고용체(solid solution)를 형성한다. 상온에서, 18.5 원자 퍼센트(약 10중량 퍼센트) 미만의 알루미늄을 갖는 합금은 불규칙 구조(disordered structure)를 갖는 BCC 고용체이다. 그러나 18.5 내지 35원자 퍼센트(약 10 내지 18중량 퍼센트)의 알루미늄을 갖는 합금은 DO3형의 규칙 구조(ordered structure)를 형성하며 약 35원자 퍼센트(약 18중량 퍼센트) 이상의 알루미늄을 갖는 합금을 입방정(cubic) B2형 규칙 구조를 형성한다.
광범위하게 사용되는 2개의 흡입 밸브재로서, 냉간 압출 가공과 온간 헤딩(warm head) 가공될 수 있는 1541 마르텐사이트 탄소-망간강과, 많은 규소와 많은 크롬을 함유하는 SIL-1(silcrome)재가 있으며 이들 재료의 조성은 다음과 같다 :
중량 퍼센트
현재 합금 1541은 자동차용 흡입 밸브 시장에서 가장 많이 사용되고 있다. 합금 SIL-1은 산화 저항을 비롯하여 합금 1541의 것보다 우수한 몇몇 성질을 가지며 트럭용 엔진과 같은 대형 흡입 밸브에 광범위하게 사용된다.
소이어(Sawyer)등에 허여된 미합중국 특허 제3,582,323호에는 내연 기관의 배기 밸브에 사용하기 적합한 철 알루미늄 조성물이 개시되어 있다. 이 조성물은 30 내지 50원자 퍼센트, 즉 약 17.1 내지 32.6중량 퍼센트의 알루미늄을 구비하며, 바람직하게는 38-42원자 퍼센트의 알루미늄을 구비한다. 이 조성물은 우선적으로 비교적 취성(brittle)인 금속간 화합물 FeAl을 포함한다. 따라서, 이 조성물은 내연 기관용 흡입 밸브를 제조하는데 사용하기에는 부적합하다고 생각된다.
맥커매이(McKamey)등에 허여된 미합중국 특허 제4,961,903호에는 DO3형의 철 알루미늄 합금의 개시되어 있다. 이 합금은 26-30원자 퍼센트의 알루미늄을 구비하며 이 합금의 대부분은 붕소를 함유한다. 이 합금은 개량된 에너지 부식시스템(energy corrosion systems)에 사용될 수 있도록 설계된다. 상기 특허에서는 이 합금을 내연 기관용 흡입 밸브의 제조에 사용한다는 언급이 전혀 없다.
식카(Sikka)등에 허여된 미합중국 특허 제5,084,109호 역시 DO3형의 철알루미늄 합금을 개시한다. 이 합금은 약 25-31원자 퍼센트의 알루미늄을 구비한다. 상기 특허에는 철 알루미늄 합금의 연성을 개시시키기 위하여 상온에서 B2 규칙상을 담금질하는 것을 포함하는 가공 열처리가 개시되어 있다. 상기 특허에서는 그 합금을 구조물에 사용한다는 내용을 시사하고 있지만 이 합금을 내연 기관용 흡입 밸브의 제조에 사용한다는 언급은 없다.
갯(Gat)에 허여된 미합중국 특허 제2,172,023호에는 알루미늄 함량이 비교적 적은 즉, 약 8중량 퍼센트(15원자 퍼센트)인 철 알루미늄 합금을 개시한다. 따라서, 이 합금은 불규칙 구조를 갖는다. 상기 특허는 철 알루미늄 합금의 결정(粒界)에 따른 탄화물 석출의 손실 영향을 강조한 것이고, 철 알루미늄 합금에 걸쳐 균일하게 분포되는 미세한 탄화물을 생산하기 위하여 몰리브덴, 탄탈, 콜롬븀(columbium) 및 티탄과 같은 탄화물 성형제(carbide former)의 사용을 개시한다.
본 발명은 내연 기관용 흡입 밸브의 제조 방법에 관한 것이며, 코일형 또는 바 스톡(bar stock)형의 철 알루미늄 합금이 제공된다. 이 합금은 76.05-90.15중량 퍼센트의 철, 9-13.3중량 퍼센트의 알루미늄, 0.05-0.35중량 퍼센트의 탄소, 및 0.5-3중량 퍼센트의 내화금속 및/또는 내화금속을 대신하거나 또는 이와 조합되는 0.3-1.5중량 퍼센트의 티탄을 구비한다. 코일 또는 바 스톡은 800-2,000℉의 온도 범위와 약 0.5-2.2의 참 스트레인(true strain)에서 포핏밸브의 예비 성형체(preform configuration)로 압출된다. 그후 예비 성형체는 절삭 가공전의 형상으로 헤딩(heading) 가공되며, 이때 온도는 예비 성형체의 헤드부를 압출 온도보다 높은 온도 바람직하게는 1800℉-2,200℉의 온도로 유지시키며, 상기 헤딩 가공은 약 1.4-2.3의 참 스트레인에서 수행된다.
그후 예비 성형체는 열처리없이, 필요한 외측부를 그라인딩하여 처리하며 이어서 스템을 질화 또는 크롬도금에 의하여 코팅한다.
최종 밸브를 형성하기 위해 경화성 스템 또는 팁이 밸브 스템에 부착될 수 있다. 바람직한 내화 재료는 몰리브덴, 바나듐, 니오브, 텅스텐 및 탄탈로 구성되는 그룹에서 선택된다.
본 발명의 일실시예에서, 철 알루미늄 합금은 중량을 기초로 할때 10%-11.5%의 알루미늄, 0.07%-0.25%의 탄소, 0.32%-1.5%의 티탄 및 0.5%-0.8%의 지르코늄을 구비하며 그 나머지는 철이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 철 알루미늄 합금은 중량을 기초로 할때 10.5%-11.8%의 알루미늄, 0.07%-0.32%의 탄소 및 0.8%-1.6%의 바나듐을 구비하며 그 나머지는 철이다.
본 발명은 또한 상기 방법들에 의해 제조되는 흡입 밸브에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 2부분의 흡입 밸브에 관한 것으로 밸브의 제 1 부분은 상기 방법들로 제조되고 밸브의 제 2 부분은 저항용접이나 마찰용접에 의해 상기 제 1 부분에 용접되는 경화성 강의 팁 또는 스템이다.
본 발명의 여러가지 특성들은 첨부도면을 참고로 후술되는 설명을 고려한다면 당업자에게 더욱 명백해질 것이다.
본 발명의 설명에 있어서 특별히 언급하지 않는한 모든 퍼센트는 중량을 기초로 한 것이며, 온도는 화씨(Fahrenheit)온도이다. 또한, 다음과 같은 데이타를 설명한다.
경도(Hardness) : 이 값은 로크웰 경도시험법을 사용하여 얻어진다.
참 응력(True Stress) : 참 응력은 응력 측정시에 수천 파운드(K)의 하중을 순간 면적(in2)으로 나눈것과 동일하다.
참 스트레인(True Strain) : 참 스트레인은 최초 면적을 순간 면적으로 나눈 값의 로그(log) 값이다.
본 발명의 방법은 압연되고 절삭 가공된 상태에서 바 또는 코일 스톡을 제공하는 제 1 단계를 구비한다. 필요하다면 바 또는 코일 스톡을 어닐링하게 된다. 바 또는 코일의 특징 직경은 후술하는 공지된 절차에 의해 선택되며, 바 또는 코일 스톡의 조성, 소망하는 밸브 스템과 밸브 헤드의 최종 직경 및 스템을 압출하기 위해 사용되는 공정 즉, 온간(warm) 압축과 열간(hot) 압출중 어느 것을 사용하는지와 같은 몇가지 사항이 고려되어야 한다.
본 발명의 바 또는 코일 스톡은 철 알루미늄 합금이다. 이 합금은 광범위하게 76.05-90.15중량 퍼센트의 철, 9-13.3중량 퍼센트의 알루미늄, 0.05-0.35중량 퍼센트의 탄소 및 0.5-3중량 퍼센트의 내화금속 및/또는 내화금속을 대신하거나 또는 이와 조합되는 0.3-1.5중량 퍼센트의 티탄을 구비한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 합금의 조성은 다음과 같다 :
*는 선택적이거나 조합을 나타냄
바람직한 내화금속은 몰리브덴, 바나듐, 니오브, 텅스템 및 탄탈로 구성되는 그룹에서 선택된다.
본 발명의 철 알루미늄 합금에서 알루미늄은 중량을 감소시키며 또한, 우수한 산화 저항을 제공한다.
충분한 중량 감소 및 밸브작동 온도에서의 충분한 산화 저항을 제공하기 위해 철 알루미늄 합금에서 적어도 9중량 퍼센트의 알루미늄이 요구된다. 바람직한 하한치는 10% 알루미늄이다. 알루미늄이 13.3중량 퍼센트 이상을 초과할 경우, 큰 범위의 규칙성(규칙 구조)을 가져오며 항복 강도가 더욱 저하된다. 또한, 연성에서 취성으로의 천이온도를 증가시키는 알루미늄의 성향 때문에 더욱 높은 중량 퍼센트의 알루미늄은 합금을 취성화시키는 경향이 있다. 이때, 철 알루미늄 합금 부품의 감소성(susceptibility)을 증가시켜서 주변환경 및 열에 의한 크랙을 야기시킨다.
본 발명의 합금에 있어서, 9 내지 13.3중량 퍼센트 범위의 알루미늄은 밸브를 완성시킴에 있어서 최적의 성형성을 제공하며, 동시에 공냉식 밸브 및 성형된 밸브에 큰 범위의 규칙성을 피할 수 있게 한다.
본 발명에 따른 철 알루미늄 합금에 있어서, 탄소는 합금을 형성하는 작업에서 기본 재료로서 사용되는 강 내부에 존재하는 탄소이거나, 또는 탄소 부가물이다. 탄소는 본 발명의 합금중에 티탄 또는 내화금속과 같은 강력한 탄화물 성형제와 조합에 의해서만 제공된다. 이러한 탄화물 성형 침전물들은 철 알루미늄 합금을 통해 균일하게 분산 또는 분포되게 된다. 상기 침전물들은 재결정을 지체하고 비 정상적인 입자성장을 제어함으로써 고온 강도를 향상시키게 된다. 탄소의 최대 사용 수준은 0.35중량 퍼센트이다. 탄소가 0.35중량 퍼센트 이상의 수준이 될 경우, 합금의 압연 능력이 극히 저하되어 밸브를 제조하는 것을 어렵게 만든다. 고온 강도를 얻기 위해 최소한 0.05중량 퍼센트의 탄소가 필요하다.
티타 및/또는 내화금속과 같은 탄화물 성형제의 양은 존재하는 탄소와 반응하기 위해 필요하다. 철 및 알루미늄의 복탄화물은, 입자 경계를 따라 석출됨으로써 철 알루미늄 합금을 취성으로 만드는 면심 입방형 구조를 갖게 된다. 탄소는 또한 철 알루미늄 합금의 취성을 형성시키는 연성에서 취성으로의 천이온도를 증가시킨다.
내화금속은, 최소한 0.5중량 퍼센트가 필요하다. 적당한 내화금속의 예로는 바나듐, 몰리브덴, 니오브, 텅스텐 및 탄탈 등을 들 수 있다.
내화금속의 상한치는 약 3중량 퍼센트이다. 실예로, 유리된 상태의 바나듐이 1.5중량 퍼센트 가량 존재할 경우, 탄소가 0.3중량 퍼센트 이하이면, 철 알루미늄 합금의 실온 연성은 30퍼센트 정도 저하하게 된다. 또한 1.5중량 퍼센트의 바나듐이 존재할 경우, 탄소가 0.3중량 퍼센트 이하이면, 연성의 감소와 비견될 정도로 철 알루미늄 합금의 크리프 저항이 감소된다는 것이 밝혀졌다.
본 발명에 따른 합금에 있어서, 몰리브덴 역시 탄소가 부재한 상태에서 2중량 퍼센트 보다 많은 양이 존재되면 철 알루미늄 합금의 취성을 야기시킨다.
따라서, 바나듐의 탄화물은 형성하기 위한 충분한 탄소가 존재하는 가운데 바나듐의 상한선은 1.6중량 퍼센드이다. 또한 본 발명의 합금에서, 몰리브덴의 상한선은, 몰리브덴의 탄화물을 형성하도록 충분한 양의 탄소가 존재하는 가운데 약 1.8중량 퍼센트로서 설정된다.
내화 요소의 탄화물 또는 엔진 밸브의 팁부 및 스템부에 경도 및 내마모성을 부여한다.
티탄의 경우, 탄소와 반응하기 위해 약 0.3중량 퍼센트의 티탄이 필요하다. 티탄의 상한선은 약 1.5중량 퍼센트이다.
본 발명의 합금은 또한, 탄소와 함께 약 1중량 퍼센트의 지르코늄을 함유할 수 있다. 지르코늄은 고용체 상태로 존재하지 않는다. 지르코늄은 매트릭스 전체에 걸쳐 균일한 석출물을 형성시키는 것에 효과를 발휘한다.
본 발명의 조성은 또한, 1중량 퍼센트 이하의 망간 및 0.8중량 퍼센트 이하의 규소를 함유할 수 있다. 이들은 미량 원소이며, 본 발명의 철 알루미늄 합금용 원료로서 일반 강을 사용함에 의해 생성되는 부산물이다.
본 발명에 따른 철 알루미늄 합금의 조성의 실시예들을 이하 표 1에 도시한다.
[표 1]
철 알루미늄 합금의 조성(중량%)
본 발명에 따른 흡입 포핏 밸브를 제조하는 제조 순서는 광범위하게는 종래 기술을 따른다. 선정된 지름을 갖는 바 또는 코일 스톡(stock)이 제공된다. 바람직한 길이의 블랭크가 바 또는 코일 스톡으로부터 절단된다. 이후 블랭크는 그 헤드 단부를 제외하고 압출에 의해 직경이 감소된다. 압출되지 않는 블랭크의 헤드 단부는 이후 확대 횡단면으로 압인된다.
본 발명에 따라서, 블랭크의 압출 작업은 800~2000℉의 온도 및 0.5-2.2의 참 스트레인에서 실시된다. 헤딩 가공은 압출 온도보다 높은 적당한 온도에서 실시되며 양호하는 1800-2200℉에서 실시된다. 헤딩 가공은 1.4~2.3의 참 스트레인에서 실시된다.
1800℉ 이상의 고온에서, 압출 작업 및 헤딩 작업을 포함한 성형 공정은 고온 단조 작업으로서 특징 지워진다. 일반적으로, 상기 작업은 분당 14 내지 20개의 평균 생산속도를 가지며, 고온 작업 용구를 사용하여 기계적 크랭크(crank) 및 스크루우 프레스(screw press) 작업으로 실행된다.
표 1에 개시된 합금중 E4A로 명명한 합금은 750~950℉의 온도에서 온간압출된다. 이는 상기 합금을 헤딩 성형 공정을 통해 밸브로 제조할 수 있도록 만든다. 이러한 공정은 분당 60~100개의 높은 생산 속도를 갖는다는 점이 있다. 상기 공정은 또한 고온 단조 작업에 의해 제조된 부품들 보다 더욱 정량(net)이며 직선 형상을 갖는 흡입 밸브 부품을 제공한다.
이러한 공정에서 브랭크는 750~950℉에서 온간 압출되며, 양호하게는 1800℉ 이상의 고온에서 압인되게 된다.
압출 작업 단계에서 고생산 속도를 유지하기 위해, 결집된 단부는 유도 가열원을 사용하여 압인 온도로 외부적으로 가열되는 것이 양호하다.
본 발명의 일 특징은 표 1에 도시된 합금들이 압출 및 압인 이후 열처리를 필요로 하지 않는다는 것이다. 1541 합금 또는 SIL-1 합금을 사용하여 제조된 종래의 흡입 밸브의 제조과정에서 이러한 공정 이후에 열처리 공정을 포함한다. 이는 밸브의 적절한 경도 및 미세 구조를 제공하기 위해 요구되는 것이었다. 본 발명에 따른 합금은 이러한 열처리 작업이 필요없게 되므로 시간 및 비용 절감의 효과를 갖는다.
바람직하게, 본 발명에 따른 철 알루미늄 합금의 밸브는 약 400℉ 이상의 온도에서 교정(straightening) 가공된다. 이는 교정기(straightener)를 압출 및 압인 공정과 일치시켜 위치시킴에 의해 쉽게 실시되며, 선행 성형 작업으로부터 형성된 밸브내의 잔류열은 교정화 단계를 위해 사용된다. 이는 별도의 재가열 단계를 필요로 하지 않게 해준다.
본 발명에 따른 밸브가 설치되게 되는 엔진의 형태에 따라, 밸브는 밸브에 용접되는 팁 또는 스템을 갖게 된다. 이는 특별한 팁의 내마모성을 제공하는 잇점을 갖는다. 팁 내마모성의 결핍은 내연 기관에서 과도한 태핏 래쉬(tappet lash)를 야기할 수 있으며 밸브 헤드의 과열을 초래하고 밸브의 성능을 파괴시킬 수도 있게 된다.
일예로서, 밸브 헤드 및 스템의 몇몇 부분들은 표 1에 도시된 본 발명에 따른 경량의 철 알루미늄 합금으로부터 제조되며 나머지 스템 부분들은 SAE 4140과 같은 경화성 표준 강으로부터 제조된다. SAE 4140 강은 중량에 기초하여 이하의 조성을 갖는다.
SAE 4140 팁의 장점은 50보다 큰 로크웰(Rc) 경도로 쉽게 경화된다는 것이다. 두개의 부분은 마찰 용접 등의 공지 기술에 의해 각각 접합되게 된다. 표 1에 도시된 본 발명의 L2C 합금은 SAE 4140 강 스템상에 성공적으로 마찰 용접된다.
SAE 4140 강의 팁을 본 발명에 따른 철 알루미늄 합금의 밸브 스템에 저항 용접 또는 돌기(projection) 용접시키는 것도 가능하다. SAE 4140 강으로 만들어진 강의 팀은 약 0.06~0.1인치 범위의 두께를 가지며, 도표 1에 도시된 L2C 철 알루미늄 합금으로 제조된 0.3인치 직경을 갖는 밸브 스템에 성공적으로 돌기 용접된다.
밸브 생산을 위해, 상기 용접의 요구되는 허용 가능한 압압(push-off) 강도는 1800파운드이다. 본 발명에 따른 철 알루미늄 합금상에 형성되는 용접부는 2800~3300파운드의 더욱 높은 압압 강도를 갖는다.
본 발명에 따른 밸브는 중간 열처리 없이 특정의 치수 절삭 가공된 후 크롬 도금 또는 질화에 의해 양호하게 마무리된다. 크롬 도금 또는 질화 처리의 목적은 양호한 내마모성을 제공하기 위함이다. 본 발명에 따른 합금의 알루미늄은 1060℉에서 60분 동안 실시되는 소금욕 질화공정에서 815마이크로 인치의 두께를 갖는 깊은 경화 합성층의 형성을 촉진시킨다.
본 발명에 따른 합금으로 제조된 밸브 스템 또는 크롬 도금될 수 있다. 표 1의 철 알루미늄 합금 L2의 밸브 스템상에 크롬 도금을 하는 것은 양호한 표면 마무리를 갖게 하며 35마이크로 인치의 도금 깊이를 갖는다. 밸브 스템으로의 피막의 접착성은 우수하다. 밸브용으로 지정된 최대 마무리 가공의 Ra(2승평균 평방근)은 18마이크로 인치이다. 표 1의 합금 L2C로 제조되어 크롬 도금된 밸브 13마이크로 인치의 Ra값을 갖는다.
이하, 본 발명의 실시예들에 관해 설명하기로 한다.
[실시예 1]
우수한 항복 강도는 흡입 밸브 합금에 있어서 중요한 특성이다. 작동 온도에서의 높은 항복 강도는 흡입 밸브에 대해 소위 "컵핑(cupping)"이라고 불리우는 것에 저항하기 위해서 필요하다. 이것은 밸브의 고장을 일으키는 가장 현저한 변형이다.
항복 강도는 시험용 시편을 0.125in의 지름으로 절삭 가공함으로써 결정된다. 상기 시편은 그후에 로(furnace)내에서 시험 온도로 가열되고, 그후에 볼드윈 테스팅 머신(Baldwin Testing Machine)에서 0.05in/min의 속도로 잡아당겨진다. 이런 속도와 온도로 시편을 잡아당기기 위해 필요한 응력은 스트레인의 함수로서 ksi로 그래프상에 나타나 있다. 이런 그래프에서, 항복 강도가 측정된다. 항복 강도는 0.2%의 스트레인에 상응하는 응력으로서 나타낸다. 이런 항복 강도는 각각의 시편에 대해 서로 다른 온도에서 결정될 수 있다.
이 실시예에 있어서, 표 1에 있어서의 L2 조성을 갖고 0.74in의 지름으로 된 슬러그들은 0.5in의 지름까지 압연되고, 그후에 0.125in의 시험 지름까지 절삭가공된다. 슬러그들은 실온으로부터 약 1500℉까지의 온도범위에서 시험된다. 얻어진 항복 강도 값은 시험 온도의 함수로서 제 1 도에 그래프로 나타나 있다.
또한 SAE 1541의 조성을 갖는 흡입 밸브의 샘플이 얻어진다. 이들 흡입 밸브들은 "VMS-31"이라는 상표명으로 본출원의 양수인에 의해 시판되고 있다. 상기에 언급된 SAE 1541은 냉간 압출 및 온간 헤딩 가공될 수 있는 표준 저탄소의 마르텐사이트강인 흡입 밸브 재료이다. 이런 합금은 현재 자동차용 흡입 밸브 시장에서 가장 높은 점유율을 차지하고 있다.
SAE 1541 밸브의 시험용 시편은 또한 원하는 시험 지름까지 절삭 가공함으로써 준비되고, 상기 절차를 동일하게 서로 다른 온도에서 항복 강도에 대해 시험되었다. 그 결과치들이 제 1 도에 도시되어 있다.
제 1 도는 또한 316 스테인레스강 및 미합중국 특허 제5,084,109호로부터의 조성에 대한 항복 강도 데이타를 포함한다. 서로 다른 온도에서의 316 스테인레스 강에 대한 항복 강도는 편람(handbook)으로부터 얻어질 수 있다. 비교의 목적으로, 미합중국 특허 제5,084,109호로부터 선택된 조성은 상기 특어헤서 "Fe3Al+2% Cr 합금"으로서 나타나 있다. 이 합금은 25~31% 알루미늄과 2% 크롬을 함유한다. 그것은 B2형의 규칙 구조물을 갖는다. 서로 다른 온도에서의 항복 강도를 포함한 인장 데이타는 상기 특허상의 표 Ⅲ에 개시되어 있다. 316 스테인레스 강 데이타 및 상기 제5,084,109호 특허의 표 Ⅲ으로부터의 항복 강도 데이타도 또한 제 1 도에 도시되어 있다.
대부분의 자동차용 흡입 밸브에 대한 작동 온도는 약 700℉~1,000℉의 범위내에 있다. 이 범위는 수직의 점선으로 제 1 도에 표시되어 있다.
제 1 도에 도시된 바와 같이, 이런 작동 온도범위에 있어서, 본 발명의 철 알루미늄 합금 L2에 대한 항복 강도는 합금 1541에 의해 제공된 항복 강도와 비교되어 있다. 또한, 합금 L2로 제작된 밸브 부품은 합금 1541로 제작된 것보다 14% 가볍다.
동일한 작동법위에 있어서, 본 발명의 합금 L2는 미합중국 특허 제,084,109호의 합금보다 거의 200% 높은 항복 강도를 제공하고, 316 스테인레스 강보다는 거의 400% 높은 항복 강도를 제공한다.
[실시예 2]
흡입 밸브 합금의 성능은 그들의 크리ㅍ 파단(즉, 일정한 응력과 고온도하에서의 시간에 따른 변형)과 관련되어 있다. 이것은 중요한 성질이며 크리프 파열 시험을 사용하여 측정된다. 작동 온도하에서 크리프 강도가 불충분하면 조기의 밸브 고장을 일으킬 수 있다.
크리프 파열 시험에 있어서, 0.125in의 지름, 1.12in의 공칭 길이, 및 0.5in의 게이지 길이를 갖는 시편을 시험 온도까지 대기중에 가열시켰다. 그후에 미리 설정된 하중(응력)이 가해지고, 연신율(%)을 시간의 함수로서 상기 하중에서 측정된다.
제 2 도는 표 1에서 본 발명의 철 알루미늄 합금중 하나인 L2C에 대한 1,100℉의 온도 및 10ksi의 응력에서의 크리프 데이타를 요약한 것이다. L2C 합금의 값은 0.74in의 지름과 1.316in의 길이를 갖는 슬러그들로부터 얻어진다. 슬러그들은 15분동안 1650℉의 온도까지 가스 점화식 로에서 가열된다. 슬러그들은 그후의 0.290in의 스템 지름까지 압출되었다. 밸브 헤드의 압인 가공은 밸브 1830℉까지 재가열한 후 1.312in의 헤드 지름까지 행해진다. 이런 작업후에, 밸브 스템들은 500℉에서 교정된다. 연속해서, 밸브들은 0.273in의 스템 지름과 1.272in의 헤드 지름까지 마무리 그라인딩되고, 크롬 도금된다. 크리프 파열 시험을 위한 시편들은 이들 밸브로부터 얻어진다.
제 2 도는 또한 합금 SIL-1으로부터 제작된 밸브로부터의 시편에 대한 1.100℉의 온도와 10ksi의 응력하에서 크리프 데이타를 요약해 놓은 것이다. 상기에 언급된 SIL-1은 대형의 흡입 밸브를 제작하기 위해 가장 폭넓게 사용된 합금이다. SIL-1 밸브들은 " VMS-42"의 상표명으로 본출원의 양수인에 의해 시판되고 있다.
제 2 도는 또한 1541 합금으로부터 제작된 밸브로부터의 시편과, L2S로 나타낸 철 알루미늄 합금으로부터 제작된 밸브로부터의 시편에 대한 데이타를 제공한다.
이런 철 알루미늄 합금 L2S는 다음과 같은 조성을 갖는다.
L2S 합금은 내화 금속과 티탄도 함유하지 않았다. L2S 합금은 750℉ 및 1800℉에서 밸브형상으로 압출되고, 그후에 L2C 합금에 대한 상기의 절차와 동일한 절차를 사용하여 압인되고 크롬도금된다. 750℉에서의 온간 압출은 60개(part)/min의 속도로 헤딩 공정을 사용하여 실행되고, 반면에 1800℉에서의 압출은 10~14개/min의 속도로 맥시프레스(Maxipress) 안에서 실행되었다. 맥시프레스는 에이제어에이엑스 매뉴팩츄어링 컴패니(AJAX Manufacturing Company)에 의해 제작된 1000톤의 기계이다. 사용된 특별한 기계에 대한 모델 번호는 3816이다.
750℉와 1800℉에서 압출된 L2S 합금 시편들에 대한 크리프 시험은 온도 1100℉와 응력 10ksi에서 실시된다.
제 2 도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 철 알루미늄 합금 L2C로부터 제작된 밸브들은, 크리프 저항에 있어서, 합금 1541로부터 제작된 밸브보다 우수하고 철 알루미늄 합금 L2S로부터 제작된 밸브보다도 우수하였고 합금 SIL-1으로부터 제작된 밸브와 동일한 크리프 저항을 가졌으며, 이 밸브들은 1800℃나 750℉에서 압출되었다. 이런 후자의 개념에 있어서, 본 실시예는 철 알루미늄 합금안에 내화금속이 약 5중량% 이하 및/또는 약 3중량% 이하의 티탄이 존재할 경우의 중요한 특징을 나타내고 있다.
흡입 밸브에 대한 크리프 저항 매개 변수는 2% 연신율보다 작으며 그후에 10,000psi 인장력 하에서 1100℉으로 100시간 동안 로안에서 가열한다. 제 2 도에 도시된 바와 같이, L2C 조성을 갖는 본 발명의 밸브들은 이런 매개 변수내에 있게 된다.
[실시예 3]
내연 기관의 운전중에 다수회의 밸브 개폐동작 때문에, 밸브 합금의 피로수명은 포핏 밸브 설계에 사용되는 중요한 성질이다.
피로 수명은 알.알. 무어 피로 시험(R.R. Moore fatigue test)를 사용하여 측정된다. 이것은 고온 시험이다. 이런 시험 절차에 있어서, 12in 길이의 피로시편이 사용된다. 이런 경우에 있어서, 게이지 단면은 로를 사용함으로써 1100℉의 시험 온도까지 가열되고 전체 시험 사이클 동안에 상기 온도로 유지된다. 샘플은 5000RPM으로 회전된다. 시험 하중은 베어링 하우징을 통해 샘플에 가해진다. 상기 시험은 샘플이 파괴될 때까지 이런 온도와 응력으로 작동된다. 카운터는 파괴시까지의 회전수를 기록하고, 그후에 응력에 대한 사이클 수로서 그래프에 나타내어서, 표준 피로곡선(S-N)을 제공한다.
피로 시험은 표 1에서 L2로 지정된 본 발명의 철 알루미늄 합금을 사용하여 실시되었다. 이 합금에 대한 1,100℉에서의 알.알. 무어(R.R. More)의 피로 시험결과는 제 3 도에 도시되어 있다. 또한, 제 3 도에는 FA-129로 표시된 미합중국 특허 제4,961,903호에 개시된 합금에 대한 비교 데이타도 표시되어 있다. 제 3 도에 도시된 상기 합금에 대한 데이타는 상기 특허 제4,961,903호로부터 얻어진다. 합금 FA-129는 다음과 같은 조성을 가진다 :
제 3 도에는 SIL-1 및 1541에 대한 데이타도 표시되어 있다. 이 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 철 알루미늄 합금 L2에 의해 얻어질 수 있는 108싸이클에 대한 응력 시험 결과는 외삽법을 적용하면 대용량의 흡입기 밸브 합금 SIL-1에 의해 얻어질 수 있는 결과와 동일하게 되었으며, 합급 1541에 의해 얻어질 수 있는 결과 보다는 우수하였다. 합금 L2는 상기 특허 제4,961,903호의 합금 FA-129보다도 상당히 우수한 피로 강도를 가졌다.
[실시예 4]
밸브 합금에 대한 또 다른 중요 특성은 작동온도에서의 합금의 산화 저항이다. 합금 SIL-1은 대형의 흡입 밸브를 제작하기 위해 가장 폭넓게 사용되며, 그 주된 이유는 합금1541에 비해 우수한 산화 저항을 가지기 때문이다. 산화 저항의 특성은 다음의 절차를 사용하여 측정된다. 이러한 측정 시험에는 1.18in2의 표면적과 0.3in의 직경을 가지는 시편이 사용된다. 시편은 용광로내에서 1,100℉까지 가열되고 공기중에서 100시간 동안 유지된다. 산화기간의 말기에 시편은 실온까지 공냉되고 그 표면은 모든 산화물이 제거되도록 와이어로 닦여진다. 이렇게 하여 단위면적당 질량 손실로서 산화를 표현하게 된다.
제 4 도는 다수의 합금재료에 대하여 1,100℉으로 가열한 후 100시간 동안 공기중에 유지시키는 산화저항 시험으로부터 얻은 데이타를 요약하고 있다. 이 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 철 알루미늄 합금은 합금 SIL-1에 비해서도 우수한 산화저항을 가지며, 가장 널리 사용되는 흡입 밸브 합금 1541보다 거의 30배 정도 우수한 산화저항을 가진다.
상기 실시예 1-4는 본 발명의 합금이 통용되고 있는 흡입 밸브 합금과 동일하거나 보다 우수한 특성을 가진다는 사실을 입증한다. 동시에, 본 발명의 합금으로 제조된 밸브는 통용되는 흡입 밸브보다 현저히 경량이다.
[실시예 5]
L2C의 조성을 가지는 밸브를 상기 실시예 2에 제시된 절차에 따라 제조하였다. 이 밸브를 전술한 바와 같이 절삭 가공하여 교정하였다. 그후, 제너랄 모터스사의 표준 400시간 내구 시험을 사용하여 1.9리터의 내연 기관내에서 시험하였다. 이러한 시험은 자동차 제조업자들이 자동차 엔진에 제조된 흡입 밸브를 유효하게 사용하기 위하여 사용하여 표준시험이다. 이 시험은 400시간의 존속시간 동안 1.9리터의 새턴 디오에치씨(Saturn DOHC) 엔진에서 수행되었다. 시험중에는 30분 싸이클을 반복하였다. 엔진을 27분 동안 최대부하에서 2000 내지 6200rpm로 운전시켰다. 이러한 운전 다음에는 2분의 공전 주기와 6750rpm으로 단시간에 속도를 급상승시키는 작업을 수행한다. 그후, 이러한 30분 싸이클을 반복한다. 엔진에서 시험된 본 발명의 철 알루미늄 합금은 합금 1541로 제조된 흡입 밸브에 비해 매우 우수한 것으로 비교되었다. 또한, 철 알루미늄 합금은 다른 모든 엔진 특성 요건을 만족하였다.
[실시예 6]
본 실시예는 상이한 조성의 밸브 스템 부재를 함께 마찰 용접하기 위한 절차를 예시한다. 이 절차에서는 2개의 밸브 스템이 마찰로부터 생기는 열에 의해 함께 접합된다. 직경이 0.329인치인 SAE 4140스템을 0.325인치의 직경을 가지는 L2C 밸브 스템에 접합시켰다. L2C 스템을 고정적으로 유지하는 반면에 4140 강 스템을 높은 rpm으로 회전시켰다. 그후, 2개의 부재를 함께 접톡시켜서 열을 발생시키고, 접촉면이 가열되었을 때 미세한 압력을 가하여 우수한 용접 접합부를 형성하였다.
[실시예 7]
본 실시예는 상이한 조성의 밸브 스템 부재를 저항 용접시키기 위한 절차를 예시한다. 이 절차는 SAE 4140 팁을 L2C 밸브 스템에 용접하는데 적용하였다.
팁재를 상부 전극에 유지시키는 반면에 하부 전극에 밸브 스템을 고정시켰다. 이러한 저항 용접을 위한 기계의 설정 조건으로 10싸일클의 스퀴즈를 적용하였다. 즉, 총 전력의 85%를 10싸이클 동안 가한 후 10싸이클 동안 전류를 가하지 않는 것이다. 이러한 과정중에 상부 전극을 아래로 내려서 4140 팁이 밸브 스템의 상부에 접촉되도록 하였다. 전류 흐름에 대한 저항은 계면과 스템재에서 열을 발생시켜 용접 접합부를 형성하였다. 접촉 싸이클중에는 약 1300psi의 응력을 가하였다.
그후, 4140 팁을 유도 코일에 의해 선택적으로 경화시켰으며, 이어서 오일중에서 담금질하였다.
그후, 팁을 밸브 스템으로부터 떼어내는데 필요한 전단력(푸쉬-오프 강도)을 측정하였다. 얻어진 데이타는 다음과 같다 :
L2C 스템의 직경=0.27inch
밸브의 축방향으로의 4140 팁의 두께=0.09inch
직경이 0.03inch인 밸브 스템에서의 푸쉬-오프 강도(설계치)=1800lbs
팁이 달린 L2C 밸브에서의 실제 푸쉬-오프 강도=2800 내지 3300lbs
4140 팁은 Rc=50보다 큰 경도치로 쉽게 열경화될 수 있다.
전술한 본 발명의 기재로부터, 당업자는 본 발명을 용이하게 개량, 변경 및 수정할 수 있는 것이다. 이러한 당해 기술분야에서의 개량, 변경 및 수정도 첨부한 청구의 범위에 의해 보호하고자 한다.

Claims (15)

  1. 알루미늄을 9-13중량 퍼센트 함유하는 철 알루미늄계 조성을 지니며, 고온 특성을 개선시킨 불규칙 구조를 갖고 그리고 압출 및 헤딩 가공에 의한 바스톡으로부터 제조되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 철 알루미늄계의 조성은 a) 76.0-90.15중량 퍼센트의 철 ; b) 9-13.3중량 퍼센트의 알루미늄 ; c) 0.05-0.35중량 퍼센트의 탄소 ; d) 0.5-3중량 퍼센트의 내화금속 및/또는 0.3-1.5중량 퍼센트의 티탄으로 구성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 밸브.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 내화금속은 몰리브덴, 바나듐, 니오브, 텅스텐 및 탄탈로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 밸브.
  4. 제 1 항에 있어서, 밸브 스템에 용접되는 열경화된 강의 팁을 갖는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 밸브.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 조성은 중량을 기초로 할때 10%-11.5%의 알루미늄, 0.07%-0.25%의 탄소, 0.3%-1.5%의 티탄 및 0.5-0.8%의 지르코늄 및 잔여량의 철로 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 밸브.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 조성은 중량을 기초로 할때 10.5%-11.8%의 알루미늄, 0.07%-0.32%의 탄소, 0.8%-1.6%의 바나듐 및 잔여량의 철로 구성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 밸브.
  7. 중량을 기초로 할때, (1) 76.05-90.15중량 퍼센트의 철, (2) 9-13.3중량 퍼센트의 알루미늄, (3) 0.05-0.35중량 퍼센트의 탄소, (4) 몰리브덴, 바나듐, 니오브, 텅스텐 및 탄탈로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 0.5-3중량 퍼센트의 내화금속, (5) 0-1%의 지르코늄, (6) 0-1%의 망간, (7) 0-0.8%의 규소 및 (8) 0-3%의 크롬을 함유하며, 불규칙 구조 및 개선된 고온 항복 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 경량의 철 알루미늄 합금.
  8. 제 7 항에 있어서, 중량을 기초로 할때 10.5%-11.8%의 알루미늄, 0.07%-0.32%의 탄소, 0.8%-1.6%의 바나듐 및 잔여량의 철로 구성되는 것을 특징으로 하는 경량의 철 알루미늄 합금.
  9. 중량을 기초로 할때, (1) 76.05-90.15중량 퍼센트의 철, (2) 9-13.3중량 퍼센트의 알루미늄, (3) 0.05-0.035중량 퍼센트의 탄소, (4) 0.3-1.5중량 퍼센트의 티탄 및 (5) 0.5-1%의 지르코늄을 함유하며, 불규칙 구조 및 개선된 연성 및 고온 항복 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 경량의 철 알루미늄 합금.
  10. 제 9 항에 있어서, 중량을 기초로 할때 10%-11.5%의 알루미늄, 0.07%-0.25%의 탄소, 0.3%-1.5%의 티탄, 0.5%-0.8%의 지르코늄 및 잔여량의 철로 구성되는 것을 특징으로 하는 경량의 철 알루미늄 합금.
  11. (a) (1) 76.05-90.15중량 퍼센트의 철 ; (2) 9-13.3중량 퍼센트의 알루미늄 ; (3) 0.05-0.35중량 퍼센트의 탄소 ; (4) 0.5-3중량 퍼센트의 내화금속 및/또는 0.3-1.5중량 퍼센트의 티탄으로 구성되는 조성을 갖는 철 알루미늄 합금의 코일 또는 바스톡을 제공하는 단계와 ; (b) 800℉-2,000℉ 범위의 온도와 0.5-2.2의 참 스트레인에서 상기 코일 또는 바 스톡을 포핏 밸브의 예비 성형체로 압출하는 단계와 ; (c) 상기 예비 성형체의 헤드를 2,200℉ 이하의 유효 헤딩 온도에서 유지시키면서 상기 예비 성형체의 절삭 가공 이전의 형태로 약 1.4-2.3의 참 스트레인에서 헤딩 가공하는 단계 및 ; (d) 상기 헤딩 가공된 예비 성형체를 열처리 없이, 절삭 가공된 형태로 그라인딩하는 단계에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 철 알루미늄 합금을 구비하는, 내연 기관용 흡입 밸브.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 내화금속은 몰리브덴, 바나듐, 니오브, 텅스텐 및 탄탈로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 흡입 밸브.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 바 또는 코일 스톡은 중량을 기초로 할때 10%-11.5%의 알루미늄, 0.07%-0.25%의 탄소, 0.3-1.5%의 티탄, 0.5%-0.8%의 지르코늄 및 잔여량의 철로 구성된 것을 특징으로 하는 내연 기관용 흡입 밸브.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 바 또는 코일 스톡은 중량을 기초로 할때 10.5%-11.8%의 알루미늄, 0.07%-0.32%의 탄소, 0.8%-1.6%의 바나듐 및 잔여량의 철로 구성되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 흡입 밸브.
  15. 제 11 항에 있어서, 밸브 스템에 용접되는 경화성 강의 팁을 구비하며, 상기 팁은 열경화되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 흡입 밸브.
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