KR20000035586A

KR20000035586A - 분말 금속 밸브시트 인서트

Info

Publication number: KR20000035586A
Application number: KR1019990051560A
Authority: KR
Inventors: 나라심한산다람락시미; 로드리게스헤론; 왕유슈
Original assignee: 존 씨. 메티유; 이턴 코포레이션
Priority date: 1998-11-19
Filing date: 1999-11-19
Publication date: 2000-06-26
Also published as: CN1104510C; JP2010216016A; DE69906221T2; EP1002883A1; CN1438350A; US6139598A; EP1002883B1; PL336620A1; KR100476899B1; JP2000160307A; CN1260405A; JP4891421B2; US6214080B1; PL191887B1; DE69906221D1; BR9907397A; CN100374605C

Abstract

분말 금속 부품, 특히 밸브시트 인서트 제조용의 배합 금속 분말 혼합물을 개시한다. 이 혼합물은, 15% 내지 30%의 밸브강 분말, 0% 내지 10%의 니켈, 0% 내지 5%의 구리, 5% 내지 15%의 훼로-알로이 분말, 0% 내지 15%의 공구강 분말, 0.5% 내지 5%의 고체 윤활제, 0.5% 내지 2%의 흑연, 및 본질적으로 그 나머지인, 0.6% 내지 2.0%의 몰리브덴, 0% 내지 5%의 니켈, 및 0% 내지 3%의 구리를 함유한 저합금강 분말을 포함하여 구성된다. 본 발명은, 종래에 비해 가공성 향상뿐 아니라, 고온 내마모성 및 내식성 향상을 가져다 준다. 본 발명의 배합물에 따르면, 싱글 프레스 및 소결을 가능케 하는, 비교적 고밀도의 재료를 얻을 수 있다.

Description

분말 금속 밸브시트 인서트{POWDERED METAL VALVE SEAT INSERT}

본 발명은 배합 금속 분말(powedered metal blend), 더욱 상세하게는, 밸브시트 인서트(valve seat insert) 등의 차량 부품 제작용으로 유용한 신규의 개선된 배합 금속 분말에 관한 것이다.

내연기관의 작동 사이클은 해당 기술분야에 잘 알려져 있다. 흡기 및 배기 밸브, 밸브 가이드, 및 연소 과정중의 효율적 시일링(sealing)을 위한 밸브시트 인서트 등이 갖추어야 할 물리적 조건에 관해서는 상당한 연구가 이루어져 있다.

내마모성은, 내연기관에 사용되는 밸브시트 인서트로서의 주요 조건이다. 내열성 및 내식성의 조합(combination), 내마모성을 전제로 한 가공성을 갖추기 위한 노력으로서, 배기 밸브시트 인서트의 경우, 코발트, 니켈 또는 마르텐사이트강 베이스의 합금 주물로 만들고 있다. 이들 합금으로서는, 주조 합금(cast alloy)내 내마모성 탄화물의 존재로 인하여, 고 크롬 및 니켈 성분을 갖는 오오스테나이트 내열강을 주로 선호해왔다.

기타의 엔진 부품 및 밸브시트 인서트를 제작함에 있어서는, 비교적 쉽게 최종적 형상을 얻을 수 있는 관계로, 분말 야금법(powder metallurgy)을 이용하고 있다. 분말 야금법은, 설계 유연성(design flexibility)을 제공할 뿐 아니라, 다양한 금속 또는 세라믹 조성물까지의 선택 범위를 넓혀준다.

본 발명의 양수인에게 양도된 -한편 본 명세서상에서 참고문헌으로 인용되는 바의 미합중국 특허 제4,724,000호는, 분말야금법을 이용하여 제작한 내마모성 부품에 관해 기재하고 있다.

미합중국 특허 제5,041,158호 분말 금속 부품, 특히 마그네슘 규산염 수화물 분말의 첨가로 인한 효과에 관한 것이다. 이 특허 또한, 본 발명의 양수인에게 양도된 한편 본 명세서상에서 참고문헌으로 인용된다.

그 밖의 관련 특허로서는, 미합중국 특허 제4,546,737호, 제4,671,491호, 제4,734,968호, 제5,000,910호, 제5,032,353호, 제5,051,232호, 제5,064,610호, 제5,154,881호, 제5,271,683호 및 제5,286,311호 등이 포함된다.

내연기관용 밸브시트 인서트는, 장시간에 걸친 고온하에서조차 높은 내마모성을 나타낼 수 있는, 우수한 내마모 특성을 요구한다. 밸브시트 인서트는 또한, 내열성과 아울러, 고온하의 반복적 충격 하중시에 있어 높은 크립 강도(creep strength) 및 열적 피로 강도(thermal fatigue strength)까지를 요구하게 된다.

전형적으로, 고합금강 분말로 이루어진 상기 밸브시트 인서트 재료는 압축성이 떨어진다. 따라서, 소정의 밀도 수준을 얻기 위해서는, 이중 프레싱(double pressing), 이중 소결(double sintering), 고온 소결(high temperature sintering), 침동처리(copper infiltrating) 및 열간 단조(hot forging)를 이용한다. 그러나, 이들 방법을 이용할 경우, 부품 가격이 수용 불가할 정도로 증가한다.

즉, 비교적 고밀도를 얻을 수 있고, 또한 싱글 프레스 (single press) 및/또는 싱글 소결(single sintering)을 이용할 수 있는, 배합 금속 분말을 필요로 하게 된다. 그러한 배합 재료의 경우, 약 6.7 g/cm³내지 7.1 g/cm³범위의 최소 밀도로 압축함으로써, 혹독한 엔진 환경하에서도 그 기능 발휘가 가능한 부품을 제작할 수 있다. 그와 같은 배합 금속 분말이라면, 충분한 내마모성, 높은 내열성, 가공성, 높은 크립 강도, 및 높은 열적 피로 강도를 가지면서도, 경제성 있는 적정 가격을 형성하게 될 것이다.

본 발명은, 고온 내마모성 및 내식성을 얻기 위하여, 고온 열간 경도("열간 경도"라는 용어는, 고온하에서 측정된 경도를 의미함)를 위한 훼로-몰리브덴, 훼로-바나듐 및 훼로 니오븀 같은 훼로-알로이(ferro-alloy) 분말, 및 가공성 및 열전도성을 위한 구리를 함유한 특수 밸브강(valve steel) 분말 조합을 이용하는 새로운 배합 금속 분말 혼합물을 제공함으로써, 앞서 언급한 바의 문제점 및 기타 문제점을 해결하고자 한다. 본 발명에 따른 배합물은, 내마모성을 위한 공구강 (tool steel) 분말, 및 가공성 향상뿐 아니라 마찰 및 슬라이딩 마모를 줄이기 위한 고체 윤활제를 포함한다.

따라서, 본 발명의 목적은, 싱글 프레스 및/또는 싱글 소결법을 요하면서도 비교적 높은 밀도를 갖는 새로운 배합 금속 분말 재료를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 밸브강 분말, 니켈, 구리, 훼로-알로이 분말, 공구강 분말, 고체 윤활제, 흑연 및 일시적 또는 소멸성 윤활제, 및 소정량의 몰리브덴을 함유한 실질적 저합금강 분말을 그 나머지로 하는 혼합물을 함유한 배합 금속 분말을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 경도, 열간 경도, 연마성 마모(abrasive wear), 점착성 마모(adhesive wear), 스커핑(scuffing), 고온 산화도(oxidation tendency), 및 열적 내크립성(creep resistance)면에서 우수성을 띠는 내마모성 제품에 통상 이용되는 분말 금속재 엔진 부품을 제공하는 데 있다.

역시 본 발명의 다른 목적은, 밸브시트 인서트 등의 엔진 부품을 제작하기 위한 배합 금속 분말을 제공하는 데 있다.

본 발명은, 약 0.8 내지 약 2.0%의 탄소(C), 약 2.0 내지 약 6.0%의 크롬 (Cr), 약 1.0 내지 약 20.0%의 구리(Cu), 약 0.5 내지 약 2.0%의 망간(Mn), 약 5.0 내지 약 8.0%의 몰리브덴(Mo), 약 4.0 내지 약 7.0%의 니켈(Ni), 약 0.05 내지 약 0.15%의 질소(N), 약 0.2 내지 약 0.7%의 텅스텐(W), 약 0.05 내지 약 0.5%의 바나듐(V), 약 0.2 내지 약 0.6%의 황(S), 및 그 나머지가 철(Fe)인 화학 조성을 갖는 개선된 분말 금속 엔진 부품을 포함하여 구성된다.

본 발명이 갖는 다양한 새로운 특징들은, 본 명세서의 일부를 구성하는 한편 첨부된 특허청구범위에 구체적으로 지적되어 있다. 본 발명의 목적 및 작용 효과에 대한 이해를 돕기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함에 있어 해당 부분에다 각각의 참조번호를 붙인다.

도 1은 밸브 어셈블리 및 그 결합 부위를 나타내는 단면도.

도 2는 상기 밸브 어셈블리를 보다 상세하게 나타낸 단면도.

도 3은 씰링 관계의 밸브시트 인서트 및 밸브시트면을 더욱 상세히 나타낸 단면도.

도 4는 본 발명의 열간 경도를 기존 재질과 비교하여 나타낸 그래프.

도 5는 본 발명의 밸브시트 마모를 기존 재질과 비교하여 나타낸 그래프.

도 6은 본 발명의 밸브시트 마모한계 시험 데이터를 기존 재질과 비교하여 나타낸 그래프.

도 7은 본 발명의 가공성 비교 데이터를 기존 재질과 비교하여 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 밸브 어셈블리 12 : 밸브

14 : 스템 가이드 16 : 밸브시트면

18 : 밸브시트 인서트 24 : 실린더 헤드

150,000 마일 이상의 엔진 내구성을 갖는 차량을 제작함이 바람직하다. 그러한 차량의 엔진 부품을 설계함에 있어서는, 상당한 내마모성, 높은 내열성 및 가공성을 요구하게 된다.

본 명세서에 있어서는, 달리 언급이 없으면, 모든 온도는 섭씨 온도(℃)이고, 또한 모든 백분율(%)은 중량 %를 의미한다.

본 발명에 따르면, 밸브시트 인서트와 같은 엔진 부품에 특히 알맞는 분말 금속 부품을 얻을 수 있다. 본 발명의 배합 금속 분말은 질화처리된 엔진 밸브용 밸브시트 인서트에 특히 적합하다. 본 발명에 따른 분말 금속 부품은 기타의 장치에도 동일하게 적용할 수 있음은 물론이다. 본 발명에 따른 배합 금속 분말로 구성된 밸브시트 인서트 등의 엔진 밸브 관련 부품은, 배기 밸브시트 인서트 부품뿐 아니라 흡기 밸브시트 인서트 부품으로도 사용할 수 있다.

도 1∼3에 따르면, 엔진용 밸브 어셈블리를 참조번호(10)로 나타낸다. 밸브 어셈블리(10)는, 밸브 스템 가이드(valve stem guide)(14)내 구멍에 왕복운동 가능 상태로 각각 수용된 다수의 밸브(12)를 포함한다. 상기 밸브 스템 가이드(14)는, 실린더 헤드(24)에 삽설된 관형 구조물이다. 이들 엔진 부품들은 당업자에게 있어서는 잘 알려져 있다. 본 발명은, 이들 구조물은 제조업자에 의해 다양한 형태의 변형이 가능하기 때문에, 어떠한 특정 구조를 한정하고자 함이 아니다. 이들 밸브 어셈블리 관련 도면들은, 단지 본 발명을 보다 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것이다.

밸브(12)는, 캡(cap)(26), 필렛(fillet)(28) 및 그 사이에 배치된 밸브시트면(16)을 포함하고 있다. 밸브 스템(30)은 필렛, 즉 넥(neck)(28) 위쪽으로 위치하며, 통상 상기 밸브 스템 가이드(14)내에 수용되어 있다. 밸브시트 인서트(18)는 엔진의 실린더 헤드(24)내에 장착된다. 바람직하게는, 인서트(18)는, 도시된 바의 단면 형상을 가지며, 또한 상기 밸브시트면(16)과 상호 접촉하고 있다.

분말 금속 부품으로 하여금 엔진 환경 등의 혹독한 조건하에서 제 기능을 발휘하도록 하기 위하여, 상기 배합 금속 분말을, 6.7 내지 7.1 g/cm³의 최소 밀도를 갖는 상태로 압축해야 한다. 바람직하게는, 상기 배합물은, 6.9 g/cm³의 최소 밀도를 갖도록 한다.

본 발명의 배합 금속 분말은, 밸브강 분말, 니켈, 구리, 훼로-알로이 분말, 공구강 분말, 고체 윤활제, 흑연, 및 일시적 또는 소멸성 윤활제 분말, 및 그 나머지의 저합금강 분말을 포함하여 구성된다. 본 발명에 따른 상기 배합물은, 그 성분들을 다음과 같은 비율로 함유한다. 즉, 15% 내지 30%의 밸브강 분말, 0 내지 10%의 니켈, 0 내지 5%의 구리, 5 내지 15%의 훼로-알로이 분말, 0 내지 15%의 공구강 분말, 0.5 내지 5%의 고체 윤활제, 0.5 내지 2.0%의 흑연, 0.3 내지 1.0%의 분말상소멸성 윤활제, 및 그 나머지인, 0.6 내지 2.0%의 몰리브덴을 함유한 저합금강 분말로 구성된다. 바람직하게는, 상기 저합금강 분말은, 0.6 내지 2.0%의 몰리브덴, 0 내지 5%의 니켈, 및 0 내지 3%의 구리를 함유하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 배합 금속 분말은, 고온 내마모성 및 내식성을 위한 밸브강 분말, 및 고온 열간 경도를 위한 훼로-알로이 분말 조합을 이용한다. 상기 공구강 분말은 내마모성 및 열간 경도를 위해 첨가한다. 상기 고체 윤활제는, 가공성 증대 및 슬라이딩 감소를 위하여, 마찰을 줄이는 역할을 한다. 몰리브덴 및 크롬 같은 합금 성분은, 내마모성 및 내식성을 위한 고용체 강화(solid solution strengthening) 효과를 가져다 준다. 상기 니켈 및 오스테나이트 밸브강 분말은 면심 입방 격자(face centered cubic)(FCC) 매트릭스(matrix)를 안정화하여 내열성을 향상시킨다. 상기 철-몰리브덴 입자는 내마모성 및 열간 경도를 향상시킨다. 분말상 규산 마그네슘 수화물(talc), 이황화 몰리브덴(MoS₂), 또는 불화 칼슘(CaF₂) 등의 고체 윤활제와 흑연은 내마모성 및 가공성 향상을 가져온다. ACRAWAX C와 같은 일시적 또는 소멸성 윤활제 분말은, 압축 과정중 공구의 갈링(galling)을 방지함으로써 다이(die) 수명을 연장시키는 역할을 한다.

상기 분말은. 소정의 합금 반응을 가능케 하는 합금 성분들의 혼합물이면 되나, 예비합금(pre-alloyed) 상태의 분말이면 더욱 좋다.

본 발명에 따른 혼합물의 제1 성분은 밸브강 분말로서, 약 15% 내지 30%를 이룬다. 바람직하게는, 밸브강 분말은, 상기 배합물 또는 혼합물의 약 20%를 차지하는 것이 바람직하다. 적절한 밸브강 분말로서는 OMG Americas사제 21-2, 23-8N, 또는 21-4N을 들 수 있으나, 이를 특별히 한정하는 것은 아니다. 이들은 철계(iron based) 분말로서, 기본적으로, 21-2N의 경우 21%의 크롬과 2%의 니켈을 의미한다. 21-4N이라면 21%의 크롬과 4%의 니켈을 의미한다. 마찬가지로, 23-8N의 경우라면 23%의 크롬과 8%의 니켈을 기본적으로 의미하는 것이다. 전형적 21-2N 금속 분말의 화학 조성은 다음과 같다.

C 0.50 - 0.60%

Mn 7.0 - 9.5%

Si 0.08 - 0.25%

Cr 19.3 - 21.5%

Ni 1.5 - 2.75%

N 0.20 - 0.40%

Fe 나머지

23-8N 분말 금속의 화학 조성은 다음과 같다.

C 0.50 - 0.60%

Mn 1.5 - 3.50%

Si 0.60 - 0.90%

Cr 22.0 - 24.0%

Ni 7.0 - 9.0%

N 0.28 - 0.35%

Fe 나머지

21-4N 분말 금속의 화학 조성은 다음과 같다.

C 0.48 - 0.54%

Mn 8.00 - 9.50%

Si 0.08 - 0.25%

Cr 20.0 - 22.0%

Ni 3.25 - 4.50%

N 0.38 - 0.50%

Fe 나머지

본 발명에 따른 혼합물의 제2 성분은 니켈이다. 니켈은 약 0 내지 10%로 상기 혼합물에 첨가되는 바, 약 7.0%로 함이 바람직하다. 니켈 분말은, 실질적인 순수 니켈 입자, 마스터알로이(masteralloy), 또는 합금 성분들이 섞인 니켈 입자를 포함하는 의미이나, 이를 특별히 한정하는 것은 아니다. 니켈 함유량은 주어진 백분율 범위내에 들어야 한다.

구리 분말은 상기 혼합물의 제3 성분이다. 구리의 경우, 약 0 내지 5% 범위에서 첨가하는 바, 바람직하게는 2.0%로 한다. 마찬가지로, 구리 분말 역시, 실질적 순수 구리 입자, 합금 성분들이 섞인 구리 입자, 및/또는 기타 첨가 성분, 및/또는 예비합금 상태의 구리 입자를 포함하는 의미이나 이를 한정하지는 않는다. 밀도, 열전도성 및 가공성 증가를 목적으로 한 침동처리를 통해 상당량의 구리(약 20%까지)를 첨가할 수도 있다.

상기 혼합물의 제4 성분은, 훼로-몰리브덴을 함유함이 바람직한 훼로-알로이 분말이다. 훼로-알로이 분말은 약 5 내지 15%로 하며, 전체 혼합물의 약 9%로 함이 바람직하다. 본 발명에 사용하기 위한 몰리브덴 함유 철 베이스 분말은 ShieldAlloy사로부터 입수할 수 있다. 이것은, 60%의 용해 몰리브덴을 함유한 철 예비합금으로서, 기타 예비합금 성분은 2.0% 이하를 함유하고 있다. 이 철 베이스 분말은, 몰리브덴에 덧붙여, 철과 예비합금 상태를 이룬 기타 성분을 함유할 수도 있으나, 몰리브덴이 아닌 철과 예비합금을 이룬 성분을 함유하지 않는 것이, 본 발명을 실시함에 있어서는 보다 유익하다.

상기 혼합물의 제5 성분은, 약 0 내지 약 15%를 구성하는 공구강 분말이다. 바람직하게는, 이 성분 역시, 철 훼로-알로이, 탄소, 및 적어도 하나의 전이원소인 예비합금 분말이다. 기타 부품의 경우처럼, 본 발명 관련 부품을 제작하는 데 사용되는 철은 야금학적 탄소 또는 전이원소 이외의 불순물은 함유하지 않는 것이 바람직하다. 적절한 공구강 분말은, Powdrex사제 M 시리즈 공구강 분말을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 혼합물의 제6 성분은, 분말상 규산 마그네슘 수화물(통상, talc라고 함), MoS₂또는 CaF₂와 같은 고체 윤활제이다. 물론, 기타의 이황화물 또는 불화물 형태의 어떤 통상적 고체 윤활제를 이용할 수도 있으나, 이를 한정하는 것은 아니다.

본 발명에 따른 상기 혼합물의 제7 성분은, 약 0.5 내지 약 2.0%를 구성하는 흑연이다. 흑연은, 압축을 위한 상기 혼합물에 탄소를 첨가할 수 있는 바람직한 방법이다. 적절한 흑연 분말 공급원으로서는 Southwestern 1651급을 들 수 있는 바, 이는 Southwestern Industries사 제품이다.

역시 본 발명에 따른 상기 혼합물의 제8 성분은, 약 0.3 내지 약 1.0%를 이루는 분말상 윤활제이다. 분말상 윤활제를 여기서는, 소결 단계를 거치는 동안 타서 없어지거나 또는 열분해되기 때문에, 일시적 또는 소멸성 윤활제라 한다. 적절한 윤활제로서는 스테아르산 아연(zinc stearates), 왁스, 소결과 동시에 휘발되는, 독점 시판중인 에틸렌 스테아라미드(ethylene stearamide) 조성물 등의 통상적 왁스성 또는 지방성 물질이 포함된다. 적절한 분말상 윤활제의 일예로서는 Glyco Chemical사제인 ACRAWAX C를 들 수 있다.

상기 혼합물의 나머지 성분은, 약 0.6 내지 2.0%의 몰리브덴, 약 0 내지 5%의 니켈, 및 약 0 내지 약 3%의 구리를 함유하는 것이 바람직한 저합금강 분말이다. 적절한 저합금강 분말로서는, Hoeganaes사 제품인 85HP 또는 150HP가 있다.

이들 배합 금속 분말을 충분한 시간 동안 혼합하여 균질상의 혼합물로 만든다. 보통, 약 30분 내지 2시간 동안 혼합하는데, 바람직하게는 1시간 정도 혼합하면 균질상의 혼합물이 얻어지게 된다. 볼 믹서(ball mixer) 등의 기타 혼합 수단을 이용해도 무방하다.

이어서, 약 50 톤/in²(TSI) 내지 65 톤/in²의 압력으로 상기 혼합물을 압축하는데, 이때 60 톤/in²로 함이 바람직하다. 상기 압축 압력이라면, 압축물 소재(green compact)를, 약 6.7 g/cm³내지 7.1 g/cm³, 바람직하게는 6.9 g/cm³의 소재상태 밀도를 갖는 대략적 설계 형상 또는 완전한 설계 형상까지 성형하기에 족한 정도이다. 압축은 보통 소요 형상의 다이를 통해 이루어진다. 인서트 부품 제조용 철계 금속 분말의 경우, 적어도 약 20 톤/in², 통상 그보다 더 세게, 예컨대 약 40톤/in²내지 60 톤/in²로 가압한다. 일반적으로, 35 톤/in²이하의 압력은 사용하지 않는다. 유용하기야 하겠지만, 65 톤/in²이상의 압력은 비용이 너무 많이 들게 된다. 압축 과정은 유니액셜(uniaxial) 또는 아이소스태틱(isostatic) 상태로 이루어진다.

상기 압축물 소재를 통상 소결로(sintering furnace)로 보내어, 여기서 소결시킨다. 소결은, 대부분의 구성 요소들의 용융점 이하의 온도로 상기 압축물을 가열함으로써, 압축물내 인접면들을 서로 접착시키는 작업이다.

본 발명에 있어서의 소결 조건으로서는, 통상적 소결 온도, 즉 약 1040℃ 내지 약 1150℃(바람직하게는, 1100℃)를 이용한다. 약 20분 내지 약 1시간 동안, 질소(N₂) 와 수소(H₂)의 혼합가스로 된 환원성 분위기중에서, 바람직하게는, 보다 높은 소결 온도(약 1250℃ 내지 약 1350℃)에서 약 30분 정도 소결한다. 소결은, 분말 입자들이 그 접촉점에서의 확산 접착이 되어 일체화된 소결체를 형성하기에 충분한 시간 동안에 걸쳐, 약 1100℃ 이상의 온도에서 실시된다. 상기 소결은, N₂/H_2,또는 약 140℃의 이슬점을 갖는 건조 암모니아 등의 환원 분위기에서 실시하는 것이 바람직하고, 또한, 아르곤 같은 불할성 기체를 사용하거나, 진공내에서 실시해도 좋다.

상기 과정을 거쳐 얻어진 제품은, 소결 상태 그대로 및/또는 열처리 상태로 사용할 수도 있다. 적절한 열처리 조건으로서는, 상기 압축처리된 분말 금속 부품에 대한 질화처리(nitriding), 침탄처리(carburizing), 또는 증기처리(steam treatment)를 들 수 있으나, 이를 특별히 한정하지는 않는다. 선택 여하에 따라서는, 상기 얻어진 제품을 침동처리함으로써 그 열전도성을 향상시킬 수도 있다.

현미경 사진에 따르면, 상기 부품의 미세조직은, 오스테나이트 매트릭스내에 미세 탄화물이 함유된 약 20 내지 약 30%, 바람직하게는 약 25%의 상과, 몰리브덴 고함유의 약 5 내지 10%, 바람직하게는 약 7%의 경질 상(hard phase)과, 약 1 내지 5%, 바람직하게는 2%의 고체 윤활제와, 또한 나머지가 조질 마르텐사이트(tempered martensite)로 구성되어 있음이 판명되었다.

최종 제품의 화학 조성은, 중량% 기준으로 환산하면 다음과 같다.

C 약 0.8 내지 약 2.00%

Cr 약 2.0 내지 약 6.0%

Cu 약 1.0 내지 약 20.0%

S 약 0.2 내지 약 0.6%

Mn 약 0.5 내지 약 2.0%

Mo 약 5.0 내지 약 8.0%

Ni 약 4.0 내지 약 7.0%

N 약 0.05 내지 약 0.15%

W 약 0.2 내지 약 0.7%

V 약 0.05 내지 약 0.5%

Fe 나머지 (본질적으로)

바람직한 실시예의 경우, 상기 완성 제품의 화학 조성은, 중량% 기준으로 다음과 같다.

C 약 1.50%

Cr 약 4.10%

Cu 약 2.0%

Mn 약 1.0%

Mo 약 6.5%

Ni 약 5.5%

N 약 0.1%

S 약 0.5%

W 약 0.4%

V 약 0.15%

Fe 본질적 나머지

역시 바람직한 실시예에 있어서, 상기 완성 제품의 화학 조성은, 중량% 기준으로 다음과 같다.

C 약 1.2%

Cr 약 3.96%

Cu 약 12.52%

Mn 약 1.34%

Mo 약 8.03%

Ni 약 5.90%

N 약 0.10%

S 약 0.29%

W 약 0.23%

V 약 0.10%

Fe 본질적 나머지

도 4는, 본 발명에 따라 제작된 밸브시트 인서트 재료의 열간 경도를 기존의 재료와 비교하여 나타낸 것인 바, 본 발명의 경우를 "신규"로, 기존의 경우를 "기존"으로 각각 표기했다. 상기 기존의 재료는 현재 엔진에 사용되고 있으며, 1.05∼1.25% C, 1.0∼2.7% Mn, 4.0∼6.5% Cr, 2.5∼4.0% Cu, 및 1.6∼2.4% Ni의 화학 조성을 갖는다. 경도(Hv)는 표준 비커스 경도 시험을 나타낸다. 시험 방법에 대한 설명은, 문헌 [Y. S. Wang et al., "The Effect of Operating Conditions of Heavy Duty Engine Valve Seat Wear", WEAR 201 (1996)]에 기재되어 있다.

도 5는 밸브시트 마모 리그(rig) 비교 테스트 결과를 나타내며, 도 6은 밸브시트 마모 리그 한계 테스트 데이터를 나타낸다. 밸브시트 마모 리그 한계는, 리그 테스트에 통과된 재료 규격상의 한계이다. 리그 마모 테스트 방법은, 문헌 [Y. S. Wang et al., "The Effect of Operating Conditions on Heavy Duty Engine Valve Seat Wear", WEAR 201 (1996)]에 기재되어 있다. 도 6에 있어서, 상기 고체 윤활제는 MoS₂이다. 상기 경질 상은 Fe-Mo 입자이다.

도 7은, 본 발명과 종래기술 사이의 가공성 비교 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 가공성 테스트 방법에 대해서는, 문헌 [H. Rodrigues, "Sintered Valve Seat Inserts and Valve Guide: Factors Affecting Design, Performance, and Machinability, "Proceedings of the International Symposium on Valvetrain System and Design Materials (1997)]에 기재되어 있다.

이들 그래프를 면밀히 검토해 보면, 본 발명을 통해 소정의 특성이 향상되었음을 알 수 있다. 본 발명에 따르면, 장시간 고온에서 사용하는 경우라도, 내마모성 향상의 효과를 얻게 된다.

다음 실시예들은 본 발명을 설명하나, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

실시예 1

분말을 다음 배합비로 더블콘(double cone) 혼합기내에서 30분 동안 혼합한다. 혼합물은, 밸브강 분말(OMG Americas사제의 23-8N, 21-4N 및 21-2N 등) 20%, Inco사로부터 입수 가능한 니켈 5%, OMG Americas사로부터 입수 가능한 구리 2%, 훼로-알로이 분말(ShieldAlloy사제의 Fe-Mo 분말 등) 10%, 공구강 분말(Powdrex사제의 M 시리즈 공구강 분말 등) 10%, 고체 윤활제(Hohman Plating사제의 이황화 몰리브덴 등) 3%, Southwestern Graphite사제의 흑연 1%, 고체 윤활제(Millwhite사제의 규산 마그네슘 수화물 분말 또는 탈크 등) 1%, Baychem사제의 소멸성 분말 윤활제 Acrawax C 1%, 및 그 나머지가, 몰리브덴 0.85∼1.5%를 함유한 Hoeganaes사제의 저합금강 분말로 구성되어 있다.

상기 혼합물에 있어서의 중량% (kg):

200 kg - 21-2N

50 kg - Ni

20 kg - Cu

10 kg - M2 공구강 분말

30 kg - MoS₂

100 kg - Fe-Mo

5 kg - Acrawax C

10 kg - 탈크

580 kg - 저합금 Mo강

이어서, 상기 혼합물을 6.8∼7.0 g/cm³의 밀도로 압축한다. 질소 90% 및 그 나머지가 수소로 이루어진 환원성 분위기하에서, 2100。F에서 20∼30분 동안 소결한다. 소결에 이어, 1.0 카본 포텐셜(carbon potential)하에서 1600。F에서 2시간 동안 침탄처리한 다음, 오일(oil)에 담금질한다. 침탄처리 후에는, 질소 분위기하 800。F에서 1시간 동안 조질처리한다.

실시예 2

분말을 다음 배합비로 더블콘 혼합기내에서 30분 동안 배합한다. 혼합물은, 밸브강 분말(OMG Americas사제의 23-8N, 21-4N 및 21-2N 등) 20%, Inco사제의 니켈 5%, OMG Americas사제의 구리 2%, 훼로-알로이 분말(Shield Alloy사제의 Fe-Mo 분말 등) 10%, 공구강 분말(Powdrex사제의 M 시리즈 공구강 분말 등) 10%, 고체 윤활제(Hohman Plating사제의 이황화 몰리브덴 등) 3%, Southwestern Graphite사제의 흑연 1%, 고체 윤활제(Millwhite사제의 규산 마그네슘 수화물 분말 또는 탈크 등) 1%, 및 그 나머지가 몰리브덴 1.5%를 함유한 Hoeganaes사제의 저합금강 분말로 구성되어 있다.

상기 혼합물에 있어서의 중량% (kg):

200 kg - 21-2N

50 kg - Ni

20 kg - Cu

10 kg - M2 공구강 분말

30 kg - MoS₂

100 kg - Fe-Mo

5 kg - Acrawax C

10 kg - 탈크

580 kg - 저합금 Mo강

상기 혼합물을 6.8∼7.0 g/cm³의 밀도로 압축하고, 또한 구리 슬러그(slug)를 그린백(Greenback) 681 분말로 만들어 7.1∼7.3 g/cm³의 밀도로 압축한다. 침투제측을 부품 위에 올려놓은 다음, 90% 질소 및 그 나머지가 수소로 이루어진 환원성 분위기하에서, 2100。F에서 20∼30분 동안 소결하여 최소 7.3 g/cm³의 밀도로 만든다. 이어서, 1.0 카본 포텐셜하 1600。F에서 2시간 동안 침탄처리한 다음, 오일에 담금질한다. 침탄처리 후에는, 질소 분위기하 800。F 에서 1시간 동안 조질처리한다.

이상, 본 발명의 기본취지에 대한 적용예를 들고자, 특정 실시예를 상세히 설명한 바 있으나, 상기 기본취지를 벗어나지 않는 한의 다양한 수정 실시예가 가능함을 밝혀둔다.

본 발명에 따르면, 싱글 프레스 및/또는 싱글 소결법을 요하면서도 비교적 높은 밀도를 갖는 새로운 배합 금속 분말을 얻을 수 있다.

Claims

약 0.8% 내지 약 2.0%의 C,

약 2.0% 내지 약 6.0%의 Cr,

약 1.0% 내지 약 20.0%의 Cu,

약 0.5% 내지 약 2.0%의 Mn,

약 5.0% 내지 약 8.0%의 Mo,

약 4.0% 내지 약 7.0% Ni,

약 0.05% 내지 약 0.15%의 N,

약 0.2% 내지 약 0.7%의 W,

약 0.05% 내지 약 0.5%의 V,

약 0.2% 내지 약 0.6%의 S, 및

나머지(본질적으로)의 Fe

를 함유하는 화학 조성을 가진 분말 금속 부품.
제1항에 있어서, 상기 분말 금속 부품은, 약 6.7 g/cm³내지 약 7.1 g/cm³범위의 밀도로 압축되는 압축 배합 금속 분말을 포함하여 구성된 분말 금속 부품.
제2항에 있어서, 상기 분말 금속 부품은, 오스테나이트 및 마르텐사이트 매트릭스에 탄화물이 함유된 약 20 % 내지 약 38 % 상, 몰리브덴 고함유의 약 5% 내지 10% 상, 약 1% 내지 5%의 고체 윤활제, 및 그 나머지가 조질 마르텐사이트를 갖는 미세조직을 포함하여 구성된 분말 금속 부품.
제1항에 있어서, 상기 화학 조성은,

성 분 중량%

C 1.50

Cr 4.10

Cu 2.0

Mn 1.0

Mo 6.5

Ni 5.5

N 0.1

S 0.5

W 0.4

V 0.15

Fe 나머지

인 분말 금속 부품.
제1항에 있어서, 상기 분말 금속 부품이 밸브시트 인서트인 분말 금속 부품.
제3항에 있어서, 상기 분말 금속 부품이 내연기관용 밸브시트 인서트인 분말 금속 부품.
제1항에 있어서, 아래의 화학 조성을 가진 분말 금속 부품.

성 분 중량%

C 약 1.20

Cr 약 3.96

Cu 약 12.52

Mn 약 1.34

Mo 약 8.03

Ni 약 5.90

N 약 0.10

S 약 0.29

W 약 0.23

V 약 0.10

Fe 나머지
제7항에 있어서, 상기 분말 금속 부품이 내연기관용 밸브시트 인서트인 분말 금속 부품.
중량 %로서,

약 15% 내지 약 30%의 밸브강 분말,

약 0% 내지 약 10%의 니켈,

약 0% 내지 약 5%의 구리,

약 5% 내지 약 15%의 철 합금 분말,

약 0% 내지 약 15%의 공구강 분말,

약 0.5% 내지 약 5%의 고체 윤활제,

약 0.5% 내지 약 2.0%의 흑연, 및

약 0.3% 내지 약 1.0%의 일시적 윤활제와,

그 나머지가, 약 0.6% 내지 약 2.0%의 몰리브덴, 약 0% 내지 약 5%의 니켈, 및 약 0% 내지 약 3%의 구리를 함유한 저합금강 분말을 함유하는 금속 분말 혼합물.
제9항에 있어서, 상기 철 합금 분말은, 훼로-몰리브덴 분말을 포함하는 금속 분말 혼합물.
제10항에 있어서, 상기 분말 혼합물을 약 50 톤/in²내지 약 65 톤/in²범위의 압력으로 압축하는 금속 분말 혼합물.
제10항에 있어서, 상기 일시적 윤활제는, 스테아레이트, 스테아라미드, 스테아르산 아연, 스테아르산 리튬, 에틸렌 비스 스테아라미드, 및 합성 왁스 윤활제로 된 군으로부터 선택되는 1종인 금속 분말 혼합물.
제10항에 있어서, 상기 고체 윤활제는, 규산 마그네슘 수화물 미네랄, 황화물 윤활제, MnS, CaF₂, WS₂, MoS₂, 셀레늄화(selenide) 윤활제, 텔레륨화(telluride) 윤활제, 및 마이카(mica)로 된 군으로부터 선택되는 1종을 함유하는 금속 분말 혼합물.
중량% 기준으로, 약 15% 내지 약 30%의 밸브강 분말, 약 0% 내지 약 10%의 니켈, 약 0% 내지 약 5%의 구리, 약 5% 내지 약 15%의 훼로-알로이 분말, 약 0% 내지 약 15%의 공구강 분말, 약 0.5% 내지 약 5%의 고체 윤활제, 약 0.5% 내지 약 2.0%의 흑연, 및 약 0.3% 내지 약 1.0%의 일시적 윤활제와, 나머지가 본질적으로 저합금강 분말을 포함하는 배합 금속 분말 혼합물을 구비하는 단계,

상기 혼합물을 혼합하여 실질적으로 균질의 혼합물을 얻는 단계,

적어도 단일 단계에서 상기 혼합물을 하나의 선택된 가압력으로, 압축물 소재를, 약 6.7 g/cm³까지의 최소 밀도를 갖는 적어도 실질적인 형상으로 가압하는 단계, 및

가압된 압축물 소재를 단일단계에서 소결하여 분말 금속 부품을 제조하는 단계를 포함하는 분말 금속 부품 제조방법.
제14항에 있어서, 상기 분말 금속 부품을 열처리, 증기처리, 및 침동처리하는 군으로부터 선택되는 하나의 처리공정을 추가로 포함하는 제조방법.
제15항에 있어서, 상기 열처리 단계는, 상기 분말 금속 부품의 침탄처리 단계를 포함하는 제조방법.
제15항에 있어서, 상기 열처리 단계는, 상기 분말 금속 부품의 침탄질화(carbonitriding) 단계를 포함하는 제조방법.
제15항에 있어서, 상기 분말 금속 부품을 기계가공하여 밸브시트 인서트로 하는 단계를 추가로 포함하는 제조방법.
제14항에 있어서, 상기 저합금강 금속 분말은, 중량% 기준으로, 약 0.6% 내지 약 2.0%의 몰리브덴, 약 0% 내지 약 5%의 니켈, 및 약 0% 내지 약 3%의 구리를 함유하는 제조방법.
제19항에 있어서, 상기 훼로-알로이 분말은, 훼로-몰리브덴 분말을 포함하는 제조방법.