KR920007937B1 - 밸브시트용 철(Fe)계 소결합금 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

밸브시트용 철(Fe)계 소결합금

본 발명은 밸브시트용 철계 소결합금에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진 부품중에서 가장 가혹한 마모조건에 있는 밸브시트에 사용되는 합금재로서 사용연료나 엔진의 종류에 관계없이 내식성 및 내마모성이 뛰어난 새로운 조성의 밸브시트용 철계 소결합금에 관한 것이다.

밸브시트(Valve Seat)는 엔진부품중에서 가장 마모조건이 가혹하다 할 수 있는데, 윤활제가 없고 고온의 상태에서 작동되는 부품이므로 더욱 그러하다. 특히, 단위 갤론(gallon)당 1.5g 이상의 납(Pb)을 함유하는 고연가솔린(高鉛 Gasoline)을 사용하는 엔진의 경우나 밸브가 여러개 인 엔진(다벨브와 엔진) 즉, 3-밸브, 4-밸브, 6-밸브엔진의 경우에 있어서는 밸브시트에 미치게 되는 열적 조건이 매우 가혹하기 때문에 밸브시트의 마모정도가 매우 심하다.

한편, 자동차용 엔진의 경우에 있어서 유연가솔린을 사용하는 경우에는 배기가스중에 인체에 유해한 PbO가 다량 함유되게 되어 공해문제가 야기되므로 대기오염을 중시하는 선진국 등에서는 유연가솔린의 사용이 완전히 통제되고 있다. 그렇지만 아직 상당수의 후진국에서는 유연가솔린의 장점 즉, 유연가솔린의 연소시 생성되는 PbO의 윤활작용에 의해 밸브와 밸브시트의 마모량이 저하되는 점 등 때문에 여전히 많이 사용되고 있다.

그러나, 상기한 바와 같이 1.5g/Gallon이상의 고연가솔린의 경우 Pb화합물의 침적물이 밸브주위에 과량 부착되어 밸브의 열을 밸브시트를 통해 원활하게 방출시킬 수가 없게 되므로 말미암아 밸브와 밸브시트가 과열되어 그 침적물이 용해되면 부식마모가 급속히 진행되는 문제가 있었다.

근래에 들어서는 상기와 같은 유연가솔린을 사용하지 않은 선진국에서도 고출력 엔진의 개발추세에 따라 다밸브화엔진이 많이 생산, 판매되고 있기 때문에, 이러한 경우 밸브시트사이의 간격이 좁아짐으로 인해 열적조건이 더욱 가혹해 지게 되며, 더욱이 고온하에서는 밸브시트의 재질이 쉽게 연화되어 그 마모가 더욱 촉진되는 문제점을 안고 있다.

그러나, 기존의 소결합금 재질은 그 내부에 기공이 존재하는 등 물성이 좋지 않아서, 열전도성이 낮고 마모율도 좋지 않음으로 인해 상기와 같은 열적 조건이 가혹한 밸브시트에 사용하기에는 개선의 여지가 많았다.

따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 제문제점을 개선하고 유연가솔린이나 다밸브화엔진 등과 같은 연료나 엔진의 종류에 관계 없이 우수한 내식성 및 내마모성을 갖는 새로운 조성의 밸브시트용 철(Fe)계소결합금을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 철(Fe)계 소결합금에 있어서, 그 화학성분 조성이 C 0.4∼2.0wt%, Cr 0.5∼5.0wt%, Mo 5.0∼15wt%, Ni 0.2∼2.0wt%, Co 0.4∼2.0wt%, Cu 8.0∼20.0wt%, S 0.01∼0.5wt%, 그리고 잔여성분은 Fe로 이루어진 밸브시트용 철계 소결합금을 그 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 상기와 같은 조성을 갖는 소결합금을 제조하기 위해 그 원료로서, C성분으로는 천연흑연 분말을 사용하였으며, Cr성분으로는 Fe-Cr의 합금분말, 예컨대 Cr을 12wt% 함유하고 있는 분말을 사용하였으며, Mo 성분으로는 금속 Mo분말이나 Fe-Mo분말 또는 이들이 예컨대, 20∼30wt% : 70∼80wt%로 혼합된 혼합분말을 사용하였으며, Ni와 Co는 각각 이들의 금속분말을 사용하였으며, Cu는 3∼5wt%의 Co가 함유된 용침용 Cu분말을 사용하고, S성분으로는 Fe-S합금분말로서 S가 0.7∼1.0wt% 함유되어 있는 것을 사용하여 제조한다.

이때, 상기 원료분말은 상기와 같은 최종화학성분의 조성이 되도록 배합시키고 나서 이 혼합분말을 5∼7T/㎠의 압력을 가하여 압분체를 성형시킨다. 그 다음에는 통상의 방법으로 소결, 열처리하는데, 이 압분체를 수소분위기하에서 1000℃∼1200℃의 온도에서 약 1∼2시간 동안 가열시켜서 소결한 다음, 상기 소결된 철소결체를 동용침시키기 위해 동압분체를 상기 철소결체위에 올려 놓고 질소분위기하에서 1000℃∼1200℃의 온도로 15∼30분간 가열시키고, 이를 질소분위기하에서 850℃∼900℃로 약 20∼1시간 동안 가열시킨후 유냉(油冷)시키는 소입과정을 거친 후, 다시 질분위기하에서 550℃∼700℃로 약 1시간∼2시간동안 공냉(空冷)시키는 소려단계를 거치게 되면 밸브시트용 철계 소결합금을 제조할 수가 있게 된다.

한편, 본 발명에 따르면 상기와 같은 소결합금의 화학성분들은 그 조성범위로 첨가되어 합금내에서 각기 다음과 같은 작용을 하게 된다.

우선 C는 기지에 고용되어 기지를 강화시킴과 동시에, 다른성분 Cr, Mo 등과 탄화물을 형성하여 내마모성을 향상시키는 바, 전체 성분에 대해 0.4∼2.0wt%가 되도록 첨가하는 것이 좋다. 그러나 0.4%이하로 되면 본래의 효과를 얻을 수 없으며, 2%를 초과하면, 취화(脆化)되어 요구강도를 얻을 수 없게 된다.

또한, Cr은 상기 C와 반응해서 탄화물을 형성하여 내마모성을 향상시킴과 동시에, 기지에 고용되어 내열성을 향상시키게 되는데, 0.5∼5.0wt%가 되도록 한다. 만일, 0.5%이하로 되면 첨가효과가 없으며, 5%를 초과하면 강도 및 피삭성을 저하시키므로 좋지 않다.

Mo성분은 그 일부는 금속 Mo상태로 첨가되어 기지에 고용되어 내열성 및 소입성을 향상시키고, 나머지는 Fe-Mo상태로 첨가되어 복(複)탄화물 또는 금속간 화합물을 형성하여 내마모성을 향상시킨다. 그러나, 5%이하로 함유되면 만족할만한 수준의 내마모성을 나타내지 못하며, 15%를 초과하면 강도가 저하될 뿐만 아니라 상대밸브를 공격하여 마모시킬 우려가 있다.

Ni성분은 기제 고용되어 강도 및 내열성을 향상시키지만, 0.2% 미만이면 효과가 없으며, 2%를 초과하면 가격이 상승되어 경제성이 없게 된다.

Co성분역시 기지에 고용되어 강도 및 내열성을 향상시키지만, 0.4%미만이면 효과가 없고, 2%를 초과하면 경제성이 없다.

그리고, Cu성분은 동용침처리에 의해 철계의 소결체 내부에 존재하는 기공을 메워주는 작용을 하기 때문에 강도 및 열전도성을 향상시켜주며, 특히 유연가솔린사용시 납화합물에 의한 부식마모를 방지해 주는 작용도 하게 된다. 그러나, 이 성분이 8%이하가 첨가되면 일부기공만 메우게 됨으로, 동(Cu)용침 효과가 완전하지 못하게 되며, 20%이상 첨가되면 Cu의 양이 과도하여 소결체 외부로 흘러내릴 뿐만 아니라, 치수 변형도 커지는 문제가 발생된다.

그외에도 S(황)성분은 금속황화물을 형성하여, 합금소결체에 자기윤활성 및 피삭성을 부여하지만 그 함량이 0.02% 이하로 되면 상기 효과가 부족하며, 2%이상 초과하면 합금소결체의 강도를 저하시키게 되어 좋지 않게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 소결합금은 상기와 같은 화학성분의 조성을 갖는 것이 가장 좋다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 철계 소결합금은 종래와는 달리 합금구조내에 기공이 없는 등 물성이 우수하며, 특히 강도나 경도면에서 종래의 것에 비해 60∼65%이상 개선된 효과를 나타내고, 내마모성면에서는 약 300∼350%이상의 개선효과를 나타낸다.

따라서, 본 발명의 철계 소결합금은 특히 자동차 등의 엔진 부품의 밸브시트의 재질로 사용할 경우 연료나 엔진의 종류에 관계없이 우수한 내열성 및 내마모성을 갖는 매우 유용한 합금재인 것이다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

[실시예 1∼5]

다음 표 1에 나타낸 조성에 따라 원료분말을 혼합시키고, 이 혼합 분말을 6 T/㎠의 압력을 가해 성형한 다음 수소분위기하에서 1120℃로 약 60분간 가열하여 소결시킨다.

이렇게 소결된 소결체위에 동(Cu)압분체를 올려놓고 질소분위기하에서 1100℃로 20분동안 가열시켜서 동응 침시킨다. 그 다음에는 질소분위기를 계속 유지시키면서 860℃의 온도로 30분동안 가열시켜서 유냉시키고, 계속해서 질소분위기에서 600℃로 90분동안 가열시킨 다음 공기중에서 냉각시켜서 철계 소결합금을 제조하였다. 얻어진 소결합금에 물성을 측정한 결과는 다음 표 2와 같다. 또한, 소결후 얻어진 합금의 조성도 다음 표 1과 같은 조성을 나타내었다.

[비교예 1∼2]

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되 원료성분은 다음 표 1과 동일하게 실시하였다. 그 물성측정결과는 다음표2에 나타내었다.

[표 1]

[표 2]

*단 비교예 1,2는 동용침, 소입, 소려처리하지 않은 것임.

Claims (1)

1. 철(Fe)계 소결합금에 있엇서, 그 화학성분조성이 C 0.4∼2.0wt%, Cr 0.5∼5.0wt%, Mo 5.0∼15wt%, Ni 0.2∼2.0wt%, Co 0.4∼2.0wt%, Cu 8.0∼20.0wt%, S 0.01∼0.5wt%, 그리고 잔여성분은 Fe로 이루어진 것을 특징으로 하는 밸브시트용 철계 소결합금.