KR960006451B1 - 오우버헤드밸브장치의 리프터용 소결합금과 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

오우버헤드밸브장치의 리프터용 소결합금과 그 제조방법

제1도는 오우버헤드밸브장치의 구성도,

제2도는 (a),(b),(c)는 본 발명에 따른 소결합금의 소결 및 열처리공정을 나타낸 그래프,

제3도는 본 발명의 따른 소결합금의 조직을 100배로 확대한 현미경사진,

제4도는 종래의 주철주물과 본 발명에 따른 소결합금과의 열팽창시험결과를 나타낸 그래프,

제5도는 종래의 주철주물과 본 발명에 따른 소결합금과 마모량 시험결과를 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

l :캠축 2 : 푸시로드

3 : 로커아암 4 : 밸브

5 : 캠노즈부 6 : 실린더블럭

7 : 리프터

본 발명은 오우버헤드밸브장치의 리프터용 소결합금과 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 주철주물의 절삭가공시 발생되는 주철분말을 재료로 이용함으로써 제작 원가가 감소되고 내마모성과 내충격성이 우수한 리프터용 소결합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 오우버헤드밸브(OHV)형 엔진의 밸브장치에 사용되는 리프터는 제1도에 도시된 바와 같이 캠축(1)의 회전운동을 상하 왕복운동으로 전환하여 푸시로드(2)와 로커아암(3)을 작동시킴으로써 밸브(4)를 개폐시키도록 하는 부품으로, 캠노즈부(5) 및 실린더블럭(6)과 습동되는 부분의 내마모성이 요구되며, 밸브개폐시 리프터(7)에 걸리는 하중에 대한 내하중성 및 엔진의 진동에 의해 전달되는 충격을 흡수할 수 있는내충격성이 요구된다.

그런데 종래의 리프터(7)는 통상 주철주물로서 캠노즈부(5)와 접촉되는 부위의 경도를 강화시키기 위해 주조용 금형에 칠(Chill)을 형성하여 제작되는데, 이 경우 칠형성 과정에서 제조상의 불량이 다발되고 가공이 난이하여 비용이 과다하게 소요되며, 엔진작동시 상기 캠노즈부(5)와 리프터(7)가 습동되면서 마찰압에 의하여 순간적으로 유막이 밀려나게 되면 마모가 발생된다는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문세점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 주철주물의 절삭시 부산물로 발생되는 주철분말에 합금원소를 첨가하여 성형소결등의 치리를 함으로써 제조비용이 지렴하면서도 기계적 특성, 특히 내마모성 및 내열충격성이 우수한 오우버헤드밸브장치의 리프터용 소결합금과 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 주철주물로 된 실린더블럭등의 가공에 의해 발생되는 주철절삭분을 분쇄하여 만들어진 소정의 조성을 갖는 주철분말에 일정량의 인철(PASC 45)과 스테인레스(SUS410) 분말 및 고체윤활제인 스테아린산아연(P11)분말을 소정량 첨가하여 혼합물을 만들고, 이 혼합분말을 소정압력으로 가압성형하여 성형체를 만든 다음, 이 성형체를 비산화성 분위기에서 1100℃∼1200℃ 온도로 0.5∼2.0시간 유지시켜 소결작업을 실시함으로써, 탄소함량을 감소시키고 기공의 구상화를 이루도록 한다. 이때 소결과정중 8∼9%의 구리를 융침시켜 용침된 구리가 습동부에서 고체윤활제의 역활을 하여 내마모성을 향상시키도록 할 수 있다. 즉 구리가 성형 소결체의 내부에 필연적으로 존재하는 10∼15%의 기공을 채우게 되는 것이다. 또 이 소결체를 상온까지 공냉시킨 다음 재가열하여 850∼900℃의 온도영역에서 2.0∼5.0시간 동안 유지하여 탄화물의 균질화를 실시한 다음 유냉시켜 담금처리하고, 이후 150∼200℃의 온도영역에서 1.0∼2.0시간 동안 유지시켜 템퍼링한 후 공냉시킴으로써 기지조직내부에 미세한 탄화물을 균일하게 분포시켜 내마모성이 우수한 리프터용 소결합금을 제조하는 방법을 제공하게 된다.

이하 본 발명을 좀 더 상세하게 설명한다.

본 발명에 사용되는 주철분말은 합금주철로 된 주물을 절삭가공할때 생성되는 칩을 파쇄시켜 분말로 만든것으로서, 그 화학조성은 중량%로 2.0∼3.5% 탄소(C)와, 1.5∼2.5% 규소(Si), 0.4∼1.0% 망간(Mn)및, 기타 주철절삭분의 종류에 따라 다른 합금원소도 첨가되어 있는 바, 본 발명에서는 이러한 주철분말을 사용함에 의해 종래 순철분말에 대하여 합금원소를 별도로 첨가하던 공정을 단축시킴은 물론 혼합시키는 별도의 공정도 없으므로, 간단하고 경제적인 제조공정 및 품질이 우수한 원분말을 제공하게 되는 것이다.

여기서, 경우에 따라 파쇄된 주철분말이 상기와 같은 조성비율을 갖지 못하는 경우에는 부족된 원소를 첨가해 주도록 한다.

다음으로 상기 주철분말의 성형성 및 소결성을 향상시키기 위하여 10%∼20%의 인철(Fe-P, PASC45)을 첨가하고, 기지조직에 탄화물을 고르게 분포시켜 내마모성을 증가시키기 위해 20%∼30%의 스테인레스(SUS 410L)분말을 첨가하며, 이 혼합물에 고체윤활제로서 스테아린산아연(P11)을 0.5∼1.0% 첨가한다.

이어 상기와 같은 조성을 갖는 혼합분말을 리프터 제작용 금형에 충진하고 4∼7TON/cm²의 압력으로 성형하여 성형체를 만들고, 이 성형체를 소정의 온도에서 소결시켜 주는 바, 즉 제2도(a)에 도시된 바와 같이 비산화성 분위기에서 1100∼1200℃ 온도로 0.5∼2.0시간 동안 유지시켜 탈탄 및 소결작업을 실시하는데, 소결작업 중에 8∼9%의 구리(Cu)를 용침시켜도 좋으며, 이후 상온까지 공냉시켜 소결체를 완성한다.

상기에서 탈탄소화하는 이유는 주철분말 소결체의 표면에 형성된 산화막이 소결재료 내부에서 그물형상으로 잔존하거나 또는 탄소의 함량이 많을 경우 소결재료의 기계적 성질 특히 인성을 저하시키기 때문으로, 환원반응에 의해 산화막과 주철분말내의 탄소를 결합시켜 이산화탄소(CO₂)의 형태로 환원시켜 제거하게 된다.

한편 상기와 같은 소결작업에서는 소결온도 및 소결시간이 주요인자로 작용하게 되는데, 소결온도를 1100∼1200℃로 유지하는 이유는 이 온도가 성형 완료된 제품이 용해되기 시작되는 온도의 직하의 온도이기 때문이며, 이 온도 범위를 유지함으로써 확산속도를 최대한 높이고 각 분말입자간의 결합이 활발히 이루어지도록 할 수 있는 것이다.

본 발명자들이 반복 실험한 바에 의하면 환원반응이 가장 활발하게 진행되는 온도는 1120℃ 정도이고 소결작업이 가장 활발하게 진행되는 온도는 1180℃였으며, 성형체를 이들 온도 범위에서 소정의 시간동안 유지시키면 탈탄 및 소결작업이 순조롭게 진행되는 것으로 판명되었다.

또한 본 발명의 상기 제조방법에서 용침시키는 구리의 조성비를 8∼9%로 한정하는 이유는 성형소결체의 내부에 형성되는 10∼15%의 기공을 구리로 용침시키기 위한 것으로서 8% 이하의 구리를 이용할 경우 용침효과 및 내마모성 효과를 충분히 달성하기에는 부족하여 소정의 목적을 이룰 수 없기 때문이며, 9% 이상의 구리를 용침되도록 할 경우에는 열팽창에 따른 체적변화율이 증대되기 때문에 그 이상의 함량을 이용할 경우 본 발명의 목적을 달성하기가 곤란해지기 때문이다.

상기의 과정을 거친 성형소결체는 2단계의 열처리과정으로 들어가는데, 제1단계는 제2도(b)에 도시된바와 같이 850∼900℃의 온도범위에서 2.0∼5.0시간 동안 유지시킨 다음 유냉시켜 담금질(oil-quenching)하는 과정으로서, 첨가된 스테인레스 분말(SUS 410L)의 작용에 의해 소결재료 내부에 그물형으로 성형되어 있는 탄화물을 미세한 입자모양으로 만들어 기지조직내에 균일하게 분산시킴으로써 기지조직을 강화하고, 기계적 성질 특히 내마모성을 향상시킨다. 상기에서 850∼900℃라는 온도설정범위는 탄화물의 균일화를 위한 최적의 온도조건으로서, 이 범위를 벗어날 경우 본 발명의 목적인 내마모성의 향상을 크게 기대할 수 없게 된다.

다음으로 담금질이 완료된 소결재는 제2도(c)에 도시된 바와 같이 150∼200℃의 온도범위에서 1.0∼2.0시간 동안 유지시킨 후 공냉시키는 제2단계 열처리(템퍼링)를 거침으로써, 담금질과정에서 발생된 내부응력이 제거되어 기지조직의 인성이 강화되게 된다.

상기와 같은 2단계의 열처리 및 일련의 냉각처리공정은, 본 발명의 리프터용 소결합금과 같은 기계부품들의 기계적 특성이 냉각공정시의 냉각속도 및 재열 처리공정의 유무등에 의존하기 때문에 본 발명의 목적 및 용도에 대하여 최적의 조건을 부여하기 위하여 채택된 것이다.

상기와 같은 방법으로 제조된 본 발명의 소결합금의 화학조성(구리를 용침한 경우)은 중량%로 1.25∼1.50% 탄소(C), 1.50∼2.50% 규소(Si), 0.3∼0.4%망간(Mn), 0.2∼0.3%인(P), 0 1% 이하의 황(S), 1.0∼1.5% 크롬(Cr), 0.1 이하의 니켈(Ni) 및 8.0∼9.0%의 구리(Cu)로 되어 있다. 여기서 오스테나이트의 탄소고용한도는 1.7%로서 1.25∼1.50%의 함유량을 갖는 소결합금내부의 탄소는 대부분 기지조직내에 고용되며, 다만 불균일한 분포로 인해 완전고용되지 않은 탄소는 조직중의 기공주변에 미세한 탄화물로 존재하면서 Cu와 함께 슬라이딩이 일어나는 부위에서 고체윤활제 역활을 하게 되어 마찰저항을 저하시키고 마모량을 감소시킴으로써 내마모성을 향상시키는 작용을 하게 된다.

본 발명의 실시예는 다음과 같다.

(실시예 1)

주철절삭분말에 10%의 인철(PASC 45)과 20%의 스테인레스분말(SUS 410) 및 스테아린산 아연 0.7%를 첨가하여 혼합하고, 이 혼합분말을 리프터 제작용 금형에 충진한 뒤 5∼7 TON/㎠의 압력으로 성형하였다. 이 성형체를 0.2mbar 이하의 고진공 체임버내에서 1120∼1180℃의 온도에서 1시간 동안 소결한 뒤 상온까지 공냉시키고, 약 880℃까지 약 3시간 동안 재가열한 다음 급격히 유냉(oil-guenching)시키고 다시 약 180℃의 온도범위에서 약 2시간 동안 유지시킨 후 공냉시켰다. 얻어진 소결합금의 전체경도는 로크웰경도 C 스케일로 45∼50정도이고 밀도는 6.5∼6.8g/cm³정도이었다.

(실시예 2)

상기 실시예 1에 대하여 소결과정 중 8.5% 구리를 통상의 방법으로 용침시킨다는 점만 다르고, 나머지공정은 동일하게 수행하였다.

구리가 용침된 본 실시예에 따른 소결합금은 전체경도가 HRC 50∼55 정도이고 밀도는 6.8∼7.3g/cm³정도로서, 구리가 용침되지 않은 경우보다 다소 높은 밀도를 나타내었다.

제3도는 본 발명의 제조방법에 따른 소결합금의 현미경조직 사진으로서, 검은 부분은 소결과정에서 생성된 기공이고, 흰부분은 기지조직으로 템퍼드 마르텐사이트와 소르바이트 및 미세한 탄화물로 형성되어 있음을 나타낸다.

한편 제4도는 본 발명의 제조방법에 따른 소결합금으로 제작된 리프터와 주철주물제 리프터의 열팽창 시험결과를 도시한 것으로, 엔진오일의 승온 가능 범위인 20∼140℃의 전체 온도구간에서 본 발명의 제1실시예에 따른 소결합금(B)과 제2실시예에 따른 소결합금(C)이 종래의 주출주물(A) 보다 열팽창 변형량이 적어서, 본 발명의 소결합금이 일충격에 견디는 특성이 우수함을 나타낸다.

제5도는 본 발명의 소결합금(B,C)으로 제조된 리프터와 종래 주철주물제(A)로 제조된 리프터를 실제엔진에 장착하고 구동시킨 후 마모량을 측정한 것으로, 본 발명의 제조방법에 따른 소결합금(B,C)이 종래의 주철주물제(A) 보다 내마모성이 우수함을 알 수 있다.

상기 시험에 사용된 엔진은 수냉식 4사이클 엔진으로 OHV형 밸브개폐기구를 가지고 있고, 총배기량은 2367CC, 실린더 내경과 행정은 92.0mm와 89.0mm이고, 최대 출력은 80PS, 4200RPM, 최대로르크는 16.0kg.m/2400RPM이다. 또한 내구조시험조건은 냉각수온도 95℃, 엔진오일 온도 110℃에서 최대 4200RPM으로 하여 600시간동안 운전하있다.

즉 상기와 같은 조건으로 엔진실험을 실시한 결과, 본 발명의 제조방법에 의하여 제조되는 소결합금이 구리용침의 유무에 관계없이 종래의 것에 비하여 내마모성과 내열충격성면에서 우수함을 알 수 있었다. 특히 본 발명의 제조방법에 의한 것으로서 구리용침이 되지 않은 소결합금의 내마모성과 내열충격성이 뛰어난 것은 적절한 기공이 형성되어 있어서 오일을 항상 보유하게 되므로, 가압습동시 유막이 손실되는 현상을 방지할 수 있기 때문이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 합금주철주물의 절삭시 생성되는 값싼 주철분말을 이용하여 소정의 조성을 갖는 혼합분말을 만든 다음, 이를 성형 소결해 줌으로서 열특성이 우수하고 내마모성이 우수한 리프터를 제작할 수 있게 될 뿐만 아니라, 주철분말을 재활용함으로써 제작원가를 크게 감소시킬 수 있고, 기존의 주철주물보다 중량도 감소되므로, 성능향상 및 연비향상등의 효과도 얻을 수 있도록 되어 있다.

Claims (3)

1. 합금주철주물의 절삭시 생성되는 값싼 주철분말을 이용하여 조성되는 소결합금으로서, 탄소 1.25∼1.50중량%, 규소 1.50∼2.50중량%, 망간 0.3∼0 4중량%, 인 0.2∼0.3중량%, 황 0.1중량% 이하, 크롬 1.0∼1.5중량%, 니켈 0.1중량% 이하 및 구리 8.0∼9.0%를 포함하고 나머지는 Fe로 이루어진 오우버헤드밸브장치의 리프터용 소결합금.
2. 화학조성이 중량%로 2.0∼3.5% C와, 1.5∼2.5% Si, 0.4∼1.0% Mn 및 기타 미량의 합금원소가 함유된 주철분말에 10∼20%의 인철(Fe-P)과 20∼30%의 스테인레스(SUS 410L) 분말 및 0.5∼1.0%의 스테아린산아연을 첨가하여 혼합한 다음, 4∼7ton/cm²압력으로 가압하여 성형체를 만들고, 이 성형체를 비산화성 분위기에서 1100∼1200℃의 온도로 0.5∼2.0시간 유지시켜 탈탄 및 소결공정을 실시하고 상온까지 공냉시킨 다음, 다음 재가열하여 850∼900℃의 온도에서 2.0∼5.0시간 동안 유지시킨 후 유냉으로 담금질하고, 이후 150∼200℃ 온도에서 1.0∼2.0시간 동안 유지시킨 후 공냉하는 공정으로 구성되는 오우버헤드밸브장치의 리프터용 소결합금의 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 소결공정중에 8.0∼9.0%의 구리를 용침시키는 것을 특징으로 하는 오우버헤드밸브창치의 리프터용 소결합금의 제조방법.