KR970001323B1 - 내마모성이 우수한 밸브시트용 소결합금 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

내마모성이 우수한 밸브시트용 소결합금

제1도는 종래재, 비교재 및 발명재에 대한 슬라이딩 스피드와 마모량과의 관계를 나타내는 그래프.

본 발명은 자동차 엔진에 사용되는 밸브시트(Valve Seat)용 소결합금에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고속주행시에도 내열, 내마모특성이 우수한 밸브시트용 소결합금에 관한 것이다.

자동차 엔진용 밸브시트는 흡, 배기 밸브의 개폐시 밸브와의 기밀성을 유지함으로서 연소실의 열효율을 높이는데 중요한 역할을 담당하는 엔진부품으로서, 밸브와의 접촉 및 마찰, 배기가스에의 노출등에 견디어야 하기 때문에 약 400~700℃의 온도에 대한 내열성, 내마모성 및 내산화성이 요구된다.

상기 자동차 엔진용 밸브시트를 제조하는 방법으로는 크게 용침법, 경(Hard) 금속 첨가법 및 기지합금조성 제어법등으로 나누어진다.

상기 용침법은 용침재인 Cu, Cu-Zn, Cu-Pb나 고체윤활재인 Pb, PbO, B₂O₃, ZnO 등을 소결체의 기공에 용침시킴으로서, 밸브의 회전시 밸브 시트표면에 첨가된 용침재 및 고체 윤활재에 의해서 윤활 효과를 높이는 방법이다.

또한 상기 경금속 첨가법은 소결체 기지중에 300 마이트론 크기의 경질인 Fe-Mo계, Fe-Cr계, Co-Ni-W-C계 복합탄화물을 첨가시켜 소결체를 제조하며, 상기 복합 탄화물을 함유한 소결체는 밸브와의 접촉시 밸브시트에 미치는 하중을 내마모성이 뛰어난 경질의 탄화물을 통해 기지조직으로 분산 전달되게 함으로서 내마모성이 향상된다. 그러나 상기 복합 탄화물을 첨가하는데 고가의 Co, Ni, W를 다량 사용함으로서 제조원가가 높아지는 단점이 있다.

한편, 기지의 합금 조성제어에 의한 원료분말(Elemental powder) 상태로 혼합시켜 소결체를 제조하는 방법은 값싼 원료의 선정과 용이하게 원하는 합금조성을 만들 수 있는 장점이 있으나 균일한 소결조직을 얻기가 어렵고, 주로 사용되는 원소로는 CO, Ni, Mo, Cr, Mn C, W, V 등으로서 고가인 단점이 있다.

한편, 종래의 자동차 엔진용 가솔린내에 함유된 0.2~0.8g/gallon의 테트라에틸납(Tetraethyl lead)은 옥탄가(Octane number)를 증가시켜 녹킹방지제(Antiknocking agent)로 사용됨과 함께, 연소후 납산화물(Pb oxide)이나 납화합물(Pb compound) 을 형성해서 밸브나 밸브시트 표면에 윤활피막을 형성함으로서 밸스시트의 마모를 줄여주는 역할을 하여왔다. 그러나 일산화탄소, 산화질소 가스등과 함께 납에 의한 공해문제 때문에 근래에는 가솔린내의 테트라에틸납이 0.004g/gallon 이하인 무연휘발유를 사용하는 것이 의무화됨에 따라 자동차용 밸브시트 또한 내마모성이 있어서 종래의 것보다 훨씬 우수한 재질이 요구되고 있다.

이에 본 발명자는 밸브시트 제조시 내열내마모성 향상을 위하여 Co를 많이 첨가하는 종래의 방법과는 달리, 고가인 Co 대신 Ni을 첨가하므로서, 재료의 소결밀도를 향상시키고, 동시에 Cr, Mo, W, C, Ti를 미량 첨가시켜 소입 처리없이 소결 후 마르텐사이트 기지조직을 얻은 후 소려 처리를 함으로서, 종래보다 값싸게 제조되며, 내모머성 및 내열성이 우수하여 무연휘발유를 사용하는 엔진 뿐만 아니라 디젤엔진에도 사용될 수 있는 엔진밸브시트용 소결합금을 발명하여 특허받은 바 있다(대한민국 특허 제38076호, 등록일 : 1990. 12. 5).

상기 특허 발명은 중량%로 탄소 : 0.1-1.5%, 크롬 : 0.2-3.0%, 몰리브덴 : 0.2-4.0%, 텅스텐 : 0.2-4.0%, 티타늄 : 0.01-1%, 니켈 : 6-13% 및 잔부 철로 구성된 것을 특징으로 하는 합금 및 이 합금을 소입처리없이 소결후 서냉에 의해 기지조직을 마르텐사이트화 시킴을 특징으로 하는 제조방법에 관한 것이었다.

그러나. 상기 발명재는 낮은 슬라이딩 스피드(0.62미터(meter)/초 이하)의 마모 조건에서는 공구강의 내마모성에 필적하는 우수한 내마모 특성을 가졌으나, 높은 슬라이딩 스피드(0.94미터/초 이상)이 마모조건에서는 내마모성을 충분히 확보하기에는 미흡한 단점이 있다.

특히, 최근에는 운전자의 고속 주행성향을 고려할 때, 고속운전 조건에서도 뛰어난 내마모 특성을 지닌 새로운 밸브시트용 재질이 요구되고 있기 때문에 본 발명자는 상기 특허발명을 개량하여 고속 슬라이딩 스피드의 마모 조건에서도 냉, 내마모성이 우수한 밸브시트용 소결합금을 개발하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명은 고가이면서 내마모특성에 크게 기여를 하지 못하는 Ti 원소를 첨가하지 않는 대신에 분산강화 효과와 경금속 첨가효과를 동시에 발휘할 수 있게, 첨가합금 원소로서는 다소 입자크기가 굵은 텅스텐 분말을 다소 첨가함으로서 고속 마모조건에서도 우수한 내마모 특성을 지닌 밸브시트용 소결합금을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 텅스텐을 포함하고, 중량%로, C : 0.4-1.5%, Cr : 0.2-3.0%, Mo : 0.2-4.0%, Ni : 6-13% 및 잔부 Fe로 조성되어 구성되는 밸브시트용 소결합금에 있어서, 상기 W의 함량이 2-8%의 범위이고, 그 입도가 30-150μm인 것을 특징으로 하는 내마모성이 우서한 밸브시트용 소결합금에 관한 것이다.

이하, 본 발명의 조성 및 성분에 대한 수치한정 이유에 대하여 설명한다.

상기 탄소는 첨가량이 증가할수록 소결체의 인장강도를 증가시킬 수 있으나, 연신률을 현저히 감소시킨다. 상기 탄소의 함유량이 0.4중량%(이하, %라 함) 이하에서는 강도 향상 효과가 적으며, 1.5% 이상에서는 강중에서 탄화물을 다량 석출시켜 소결체를 취약하게 하므로 탄소 첨가량은 0.4-1.5%가 가장 바람직하다.

상기 크롬은 고온강도 및 고온 내마모, 내구성을 향상시키는데 필요한 원소로서, Cr의 함유량이 0.2% 미만에서는 충분한 효과를 얻지 못한다. 그러나, Cr 함량이 높으면 산소와의 높은 친화력으로 분말의 표면산화를 일으켜 재료를 취약하게 하거나 잔류 오스테나이트 양을 증대시켜 내마모성을 저해하므로 Cr의 함유량은 0.2-3.0%가 바람직하다.

상기 몰리브덴이나 텅스텐은 강의 열처리시 다른 어떤 합금원소보다 경화능을 향상시키며 미량 첨가에 의해 연성의 감소없이 인장강도를 높일 수 있는 원소로서, 그 첨가량이 많으면 기지조직을 보다 느린 냉각속도에서도 마르텐사이트화 시킬 수 있게 하나, 과도하면 고가의 합금원소여서 물성향상효과보다 재료의 제조비용의 상승정도가 심화되므로 Mo의 함유량을 0.2-0.4%, W의 함유량은 2-8%로 하는 것이 바람직하다.

특히, 상기 W 분말의 입자크기가 30μm 이하로 너무 작으면 기지중으로 고용되어서 분산강화 효과를 얻기 불가능하며, 150μm 이상으로 너무 조대하면 마모시 기지로부터 탈락할 위험이 있으므로 W 분말의 입자 크기는 30-150μm 범위가 바람직하다.

상기 Ni은 Fe중에서 확산계수가 낮아 소결체의 불균일 조직을 야기시키는 원소로서, 소결 합금강 제조에 있어 Ni의 첨가는 소결체의 인장 강도를 현저히 향상시키는 반면에 충격강도 및 연성을 악화시킨다.

상기 Ni의 첨가량이 6% 이하에서는 고온 내열성을 충분히 확보하기 어렵고, 13% 이상에서는 내마모성이 열화되므로 상기 Ni의 첨가량은 6-13%가 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

실시예

하기표 1과 같은 조성을 갖도록 분말들을 건식 혼합기에서 혼합한 후, 6ton/cm²의 압력으로 성형하고 1150-1250℃에서 1시간 소결한 다음, 소결체에 인성을 향상시킬 목적으로 550℃에서 1시간 소려 처리를 하였다.

그후 상기 소결체에 대하여 슬라이딩 스피드에 따른 마모량을 측정하고, 그 결과를 제1도에 나타내었다.

상기 마모량은 오코시형(Okoshi type) 마모시험기를 사용하였으며, 이때 마모시험 조건은 마모거리 : 100m, 최종마모하중 : 6.3kg, 상대 마모재 : 30h=3mm(AISI 4140을 고주파열처리한 후 표면경도값이 비커스600)이었다.

제1도에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명재(1-3)은 슬라이딩 스피드가 1.37m/초의 고속 마모조건에서 마모량 0.85mg으로서, 종래재의 마모량 2.35mg에 비해서 현저한 내마모 개선효과를 보임을 알 수 있다. 본 발명재의 경우 내마모성이 슬라이딩 스피드 0.94m/초 조건 근처에서 다소 주단조 고속도 공구강(비교예 3)보다 나쁘나, 그 이외의 마모 속도 0.62m/초 이하 조건에서는 상기 고속도 고구강 보다 우수한 내마모성을 가지며, 1.37m/초 조건에서는 약간 내마모성이 저조하나 주, 단조 고속도 공구강에 버금가는 우수한 내마모 특성을 지니고 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 고가인 Co계 합금 대신 Ni를 사용하여 기지조직을 강화시키고, 동시에 다소 조대한 W 분말을 사용하여 분산강화 효과 및 경금속 사용효과를 확보함으로서, 저속 및 고속의 마모조건에서도 주, 단조 고속도 공구강에 버금가는 우수한 내마모성 소결형 밸브시트를 제조하여 무연가솔린 및 디젤엔진에 사용할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 텅스텐을 포함하고, 중량%로, C : 0.4-1.5%, Cr : 0.2-3.0%, Mo : 0.2-4.0%, Ni : 6-13%, 및 잔부 Fe로 조성되어 구성되는 밸브시트용 소결합금에 있어서, 상기 W의 함량이 2-8%의 범위이고, 그 입도가 30-150μm인 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 밸브시트용 소결합금.