KR0148414B1 - 티타늄 합금제 엔진밸브 및, 그것의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 밸브제조공정 및 표면의 산화나 질화를 하는 내마모처리에 있어서, 치수형상 및 정밀도에 뛰어나며 또한 대량 생산가능한 엔진밸브의 제작에 적합한 티타늄 합금봉에 관한 것이다. 그 요지는 α+β형 티타늄 합금봉이며, 그 미세조직은 침상 α결정의 폭 1㎛ 이상인 침상 α 결정조직, 등축 α 결정이 분산한 침상 α 결정의 폭 1㎛ 이상인 침상 α 결정조직 및 α 결정입경이 6㎛ 이상인 등축 α 결정조직중 어느 하나임을 특징으로 하고 있다.

또 상기 α+β형 티타늄 합금봉에 미세조직에 있어서, 침상 α 결정구조의 구-β 입경이 300㎛ 이하이며, 또한 침상 α 결정의 폭이 1㎛ 이상, 4㎛ 이하로 하는 것을 특징으로 하고, 이와 같이 함으로써 가장 효율적인 엔진 밸브용 티타늄 합금봉을 제조할 수 있다.

Description

[발명의 명칭]

티타늄 합금제 엔진 밸브 및, 그것의 제조 방법

[발명의 상세한 설명]

[기술분야]

본 발명은 자동차, 2륜차 등의 엔진용의 대량생산이 가능한 티타늄 합금제 엔진 밸브에 관한 것으로, 특히 엔진밸브를 제조할때의 가열시 형상변화를 일으키지 않고, 또한 그 엔진 밸브의 봉 제조 공정에 있어서 산화처리 또는 질화 처리를 적용하더라도 열 변형을 발생시키지 않게 하는 미세조직을 갖는 티타늄 합금제 엔진 밸브 및 그 제조방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 엔진 밸브에 내마모성을 부여하는 방법과도 관련된다.

[기술의 배경]

자동차 등의 엔진 연소실의 흡입 및 배기공에 설치되는 밸브는 밸브 헤드와 이것에 연속되는 섕크부 및 섕크부의 단부로 구성된다. 예를 들면, 직경 7㎜의 강철 봉재를 250㎜ 길이로 절단하고, 그 일단부를 통전 가열하면서 열간 업셋 단조(전기 단축법)하고, 계속해서 밸브 헤드를 열간 형단조하여 버섯모양의 조형재를 형성하며, 필요에 따라 응력 제거 어닐링을 하고, 이어서 절삭 및 연삭 가공에 의해 최종 형상으로 완성한 다음 내마모성을 부여하기 위해 연질화처리 등의 표면처리를 하는 것이 통례이다.

엔진 밸브에 있어서, 밸브 헤드의 페이스(face)부, 섕크부 및 섕크부의 단부 모두가 내마모성이 요구된다. 또, 이 밸브의 사용환경에서 밸브는 고온강도, 내식성, 내산화성 가져야 하며, 종래의 밸브는 내열강으로 제작되는 것이 일반적이다.

그런데, 근래 자동차등의 엔진은 마력을 저하시키지 않고 연비를 개선하기 위해 경량화가 요구되고 있다. 상하 운동을 고속으로 반복하는 엔진 밸브에 대해서는 경량화에 의한 연비 개선의 파급 효과가 매우 커서, 비강도(specific strength)가 높은 티타늄 합금재의 채용이 시도되고 있다. 예를 들면, 경주용 자동차의 흡기 밸브로서 α+β형 티타늄 합금의 대표적인 예인 Ti-6Al-4V가 많이 사용되어 왔다. 그러나, 티타늄 합금을 엔진 밸브에 그대로 사용했을 경우, 밸브 시트 및 밸브 가이드 등의 상대 부분과, 밸브의 각 부분과의 마찰에 의한 마모가 생겨 내구성이 떨어진다고 하는 문제가 있다. 이 티타늄 합금제 밸브의 제조법은 마무리 가공까지는 내열강으로 제작된 밸브와 같지만, 예를 들어 섕크부에 대해서는 내마모성을 부여하기 위해 몰리브덴(Mo)을 스프레이 하고 있다. 이런 몰리브덴 스프레이 공정은 제조 단가를 비싸게 하여 경제적이지 못하다.

한편, 티타늄 합금제 엔진 밸브에 내마모성을 부여하기 위한 다른 방법으로서, 특개소 61-234210호 공보에 개시되어 있는 것처럼 외면을 이온 질화 처리를 실시한 것, 특개평 1-96407호 공보에 개시되어 있는 것처럼 Ni합금 무전해 도금층을 형성한 것, 또한 특개소 61-81505호 공보에는 이온 플레이팅 처리 또는 질화 처리를 한 것, 특개소 62-2569565호 공보에 볼 수 있듯이 표면에 산화 스케일을 형성시킨 것 등 여러 가지 수단이 이미 제안되어 있다.

이들 처리 수단에는 각기 일장일단이 있는데, 예를 들어 상기한 Ni합금 무전해 도금 처리에 대해서는 티타늄 합금 표면에 불가피하게 존재하는 산화 피막 때문에, 도금 밀착성이 나빠진다. 이것을 개선하기 위해, 예를 들면 쇼트 블래스팅(shot blasting)이나 불소산을 이용한 산세척 등으로 산화 피막을 제거할 필요가 있으며, 또한 도금후의 확산 열처리로 밀착성을 개선시키는 수단을 취하는 등의 부가 공정이 필요하기 때문에 유리한 방법이라고는 할 수 없다. 또, 이온 플레이팅 처리도 설비적으로 제약이 있어서 대량 생산이 적합하지 않다고 하는 문제가 있다.

비교적 염가인 내마모 처리로서, 적절한 분위기에서 산화 처리 또는 질화 처리하는 것이 알려져 있지만, 통상의 α+β형 티타늄 합금 밸브에 이들 처리 공정을 적용하면, 높은 온도로 가열하기 위해 열변형(특히, 밸브 섕크부의 굴곡)이 생겨 밸브에 요구되는 형상의 치수 정밀도를 확보할 수 없고, 따라서 이것을 수차례에 걸쳐 교정하거나 미리 조형재를 크게 형성하고, 변형 부분을 절삭하는 방법을 취하지 않으면 안되며, 티타늄 합금이 고가이고 절삭하기 어려운 점도 있어 효율적인 생산이 매우 곤란해진다. 이것은 서적, [티타늄과 지르코늄] Vol. 35, NO.2(74쪽)에 기재되어 있다. 치수형상 변화가 일어나는 원인은 산화 또는 질화 처리 온도(700~900℃)에서 티타늄 합금 밸브가 자체 중량(약 50g)의 약간의 응력만으로도 미소한 크리이프 변형(약 2×10^-6%)이 생기기 때문이다.

한편, 특개소 64-28347호 공보에는 α+β 티타늄 합금으로 엔진 밸브를 제조할 때, 사용 환경 중에서의 크리이프 특성을 향상시키는 방법이 개시되어 있다. 즉, 밸브 헤드의 미세조직은 미세한 침상(針狀)의 α결정 조직으로 하는 것이 필수적이며, 이 조직을 얻는데는 β상 온도 구역에서 수냉 또는 공냉한 후, α+β상 성형 온도 구역에서 단조비 2.5이하로 가공하고, 등축 α 결정립이 발생하는 것을 방지하고 있다.

그러나, 상기 발명에 의할 때에는, 가공도를 작게 제한하기 위해 밸브 헤드부와 섕크부가 별도로 가공되며, 그후 만든 조직을 파괴시키지 않도록, 저온에서의 일체화를 위한 접합 공정과 접합부의 검사공정이 필요하므로 생산성이 크게 떨어진다.

본 발명은 그 자체인 공지인 전기 단축법에 의해 봉재로 밸브 헤드를 직접 성형할 수 있고, 조형 밸브 제조후의 어닐링이나 내마모처리로는 비용이 적게 드는 산화 처리 또는 질화 처리에 있어서 고온으로 가열해도 그것에 의한 치수 형상 변화(특히 섕크부의 굴곡)를 생기지 않기 때문에 절삭 및 연삭 여유가 적어서, 매우 경제적으로 대량 생산이 가능한 티타늄 합금재 엔진 밸브 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

또한, 본 발명은 티타늄 합금재 엔진 밸브의 제조에 있어서 요구되는 양호한 냉간 가공성을 갖는 티타늄 합금봉을 제공하는 것을 목적으로 한다.

[발명의 개시]

본 발명에 따른 티타늄 합금제 엔진 밸브는, 적어도 섕크부의 미세조직이 주로 침상 α 결정으로, 침상 α 결정의 폭이 1㎛ 내지 4㎛인 침상 α결정 조직으로 구성되고, 상기 섕크부는 높은 내마모성을 갖도록 산화 또는 질화 처리되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이와 같이, 적어도 섕크부의 조직을 미세조직으로 형성함으로써, 치수 형성 정밀도가 좋은 엔진용 티타늄 합금제 엔진 밸브를 대량 생산할 수 있다.

또한, 본 발명의 티타늄제 엔진 밸브는 상기 적어도 섕크부의 미세 조직이 주로 침상 α 결정 조직으로 이루어지고, α 결정의 폭이 1 내지 4㎛이며, 상기 섕크부는 높은 내마모성을 갖도록 산화 또는 질화 처리되어 있는 것을 특징으로 한다. 그 α 결정의 선행 β 결정의 입경이 300㎛ 이하인 침상 α 결정 조직으로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 티타늄 엔진 밸브 제조 방법을 제공하는데, 그 방법은 α+β형 티타늄 합금봉을 β 변태점 이상으로 가열함과 동시에 밸브의 생크 직경에 근접하도록 열간 압연한 후, 공냉시켜 미소 조직이 침상 α 결정 폭이 1 내지 4㎛인 침상 α 결정 조직으로 주로 이루어지게 하고, 이어서 일단부에 전기 단축법을 적용하여 헤드부를 형성하고, 그 후 산화 처리 및 질화 처리 중 한 가지 이상을 700℃ 이상 900℃ 이하의 처리 온도에서 시행하여 섕크부에 내마모성을 부여하는 것을 특징으로 한다.

[도면의 간단한 설명]

제1도는 본 발명의 티타늄 합금봉으로 제조한 엔진 밸브의 측면을 나타낸 도면이며, 제2도는 산화처리 또는 질화처리에 있어서, 노(furnace)내에 가로로 놓인 상태를 나타낸 도면이다. 도면에 있어서, (1)은 밸브 헤드, (2)는 섕크부, (3)은 섕크부의 단부, (4)는 페이스부를 나타낸다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 α+β형 티타늄 합금봉은, β상 온도 구역에서 전기 단축법에 의해 구슬 모양으로 성형된 후에, 계속해서 실온으로 냉각함이 없이 β상 또는 α+β상 온도 구역에서 단조비 3~10으로 형단조되고 이어서 공냉된다. 버섯 모양이기 때문에, 부위에 따라 단조비에 차이가 있다. 또, 이 미세조직은 침상 α결정의 폭이 1㎛ 이상으로 크다. 침상 α결정의 분단 정도는, β상 온도 구역에서 형단조한 것은 분단이 거의 없고, α+β상 온도 구역에서 형단조한 것은 상당히 분단되어 있어서 일부에서 등축 α결정립을 볼 수 있다.

통상의 α+β형 티타늄 합금봉은 α결정 입경이 2~4㎛의 미세등축 α결정 조직의 봉이다. 그 이유는, 예를 들면, 100㎜의 사각 빌렛(billet)을 β상 온도 구역에서 약 7㎜ 지름의 재료로 열간 압연할 경우, 이와 같은 가는 선재로 가공되는 과정에서, 가는 선재는 냉각되기 쉬어지며, α+β상 온도 구역으로 들어가서, 그 구역에서 충분히 가공되기 때문에 미세등축 α결정 조직이 필연적으로 얻어지기 때문이다. 또, 상기 열간 압연한 선재를 코일 모양으로 감은 다음, 냉간에서의 인발 가공에 의해 둥근 단면을 얻고, 표면을 다듬기 위한 세이빙(표피 벗기기, 흠집제거) 및 곧은 봉으로 형성하기 위한 교정도 실시하지만(필요에 따라 적절히 어닐링도 함) 이때의 선재에는 균열방지를 위해 어느 정도 이상의 신장률 및 면적 감소율이 필요하며, 그것에는 미세 등축 α 결정 조직이 적합하다. 또한, 대표적인 α+β형 티타늄 합금인 Ti-6Al-4V의 가는 봉의 주된 용도는 항공기 등의 볼트, 너트이지만, 이것에는 강도와 연성이 뛰어난 미세등축 α결정 조직의 것만이 사용되고 있다.

그러나, 전기 단축법에 의한 상기 α결정 입경이 2~4㎛의 미세 등축 α결정 조직의 봉재로 밸브를 제조할 경우, 단조후의 변형 제거 어닐링이나 내마모성을 부여하는 표면처리로서 산화 또는 질화처리에 있어서도 이들은 약 700℃ 이상의 고온으로 행해지며, 이때, 밸브는 처리 로(furnace)안에 제2도처럼 가로로 놓여지거나 망상 지지체에 삽입된 상태에서 가열되기 때문에, 밸브 자체의 중량에 의해 열변형 되는 것으로 판명되었다.

이와같은 열변형을 억제하기 위해서는, 본 발명에서 규제하는 미세조직으로 하는 것이 필요하다.

본 발명이 대상으로 하는 α+β형 티타늄 합금은 티타늄 합금은 티타늄 합금의 거의 대부분을 차지하는 Ti-6Al-4V를 대표로 하고, 그밖에 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6Al-2Fe-0.1Si, Ti-3Al-2.5V, Ti-5Al-1Fe, Ti-5Al-2Cr-1Fe, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 등이다.

본 발명이 이와 같은 α+β형 티타늄 합금을 선택한 이유는 엔진 밸브로서의 기계적 특성을 만족하는 동시에, 밸브 소재인 가능 봉재로 하기 위해 필요한 연간 가공성이 있기 때문이다. 티타늄 합금으로서는 이밖에 α형 티타늄 합금, 니어-α(near-α)형 티타늄 합금이 있지만, 이들은 열간강도가 높고 또한 연성이 부족하므로 균열 발생을 억제하여 수율이 좋고 가는 선재로 열간 가공하기 위해서는 가공중에 온도가 저하하지 않게 하는 특별한 대책이 필요해진다. 또한, β형 티타늄 합금은 일반적으로 크리이프 강도가 낮아 엔진 흡기 밸브로서의 기계적 특성을 만족하지 않고, 또한 절삭 및 연삭 가공성이 티타늄 합금중에서 특히 나빠 효율적인 생산이 곤란하기 때문에 본 발명의 대상에서 제외됐다.

본 발명에 있어서, α+β형 티타늄 합금봉의 미세조직은 침상 α결정의 폭이 1㎛ 이상인 침상 α결정 조직, 등축 α결정이 분산되고 침상 α결정의 폭이 1㎛ 이상인 침상 α결정 조직, 또는 α결정 입경이 6㎛ 이상인 등축 α결정 조직 중 어느 하나라고 한 것은, 엔진용 밸브의 제조 공정에 있어서 단조후의 밸브 헤드 및 냉간 가공 변형이 잔존하는 밸브 섕크부의 어닐링 및 최종 형상으로 마무리한 다음의 산화 처리 및 질화 처리시에 생기는 열변형을 방지하기 위해서이다.

본 발명에 있어서, 미세조직에 관계없이 α+β형 티타늄합금을 β상 온도 구역으로 가열하고, 공냉 속도 이하의 속도로 냉각하면, 침상 α결저의 폭이 1㎛ 이상인 침상 α 결정 조직이 얻어진다. 등축 α결정이 분산된 침상 α결정 조직은 등축 α결정 조직의 α+β형 티타늄 합금을 β상 온도 구역의 바로 아래에서 가열한 후에 공냉시키면 얻어진다. α결정 입경이 6㎛ 이상인 등축 α결정 조직은 등축 α결정 조직인 것을 α+β상 온도 구역에서 가열한 후 서냉시키면 얻어진다. α결정 입경이 6㎛ 미만이면, 종래부터 경험되고 있듯이, 현저한 열변형이 생기기 쉽고, 또 α결정 입경이 커지면 열변형 방지 효과가 커지는 반면에, 입도 조정에 시간이 걸려 현실적이 아니기 때문에, 상한을 25㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 침상 α결정의 폭을 1㎛ 이상으로 한 것은, 1㎛ 미만의 것을 얻는데는 수냉이 필요해져서 그 경우 변형이 생기기 때문에 어닐링이나 산화 및 질화 처리시에 변형하여 문제가 되기 때문이다. 이상의 미세 조직을 갖는 티타늄 합금은 통상의 가는 봉의 제조 공정 외에도, 조직 조정용의 가열 공정이나 가공성의 손실을 보정하기 위한 열간 교직 공정을 필요로 한다. 또, 미세 등축 조직을 열처리에 의해 6㎛ 이상의 등축 α결정으로 할 경우 등은 선재가 열변형되기 쉬우므로 그 방지책이 필요해진다.

여기서 특히 침상 α결정 조직의 선행-β(pre-β) 입경이 300㎛ 이하이며, 침상 α결정의 폭이 1㎛ 이상 4㎛ 이하이면, 전술한 열변형을 방지할 수 있고, 또한 종래의 가는 봉의 제조 공정을 그대로 사용할 수 있기 때문이다. 즉, 침상 α결정 조직의 선행-β 입경이 300㎛ 이하인 조직은 열간 압연으로 빌렛의 가열시에 생기는 조대한 선행-β를 β구역 압연에 이어서 α+β구역 압연으로 완전히 파쇄한 다음, 계속해서 가공 발열에 의해 β상 온도 구역에서 단시간(수초부터 수분간)유지하면서 공냉함으로써 얻어진다. 이 조직은 신장률 및 면적 감소율을 어느 정도 확보하고, 그후의 냉간으로의 인발가공, 세이빙(표피 벗기기, 흠집 제거), 봉으로의 교직시의 균열 발생등이 없다. 그 이유는, 300㎛를 넘으면 신장율이 10% 이하로 낮아지고, 냉간 인발이나 교직이 곤란해지기 때문이다. 또한, 그 하한은 특별히 한정할 필요는 없는데, 왜냐하면, β 입계가 확인할 수 없을 정도로 작아져 있을 경우에도 침상 조직이면 상기 열변형의 문제는 일어나지 않기 때문이다. 그리고, 피로 강도의 관점에서는 β입경이 작은쪽이 유리하다.

또, 침상 α결정의 폭에 대해서는, 열변형을 억제하는 데는 4㎛가 넘는 조대한 침상 α결정 조직이 더욱 적합하지만, 섕크부의 피로 강도의 저하를 생각하면 α결정의 폭이 1~4㎛인 것이 적당하며, 1㎛ 미만인 것의 열간 압연후 β상 온도 구역에서 급냉해서 얻어지지만 신장성이 없고 교직이 곤란해진다.

즉, 본 발명자는 가는 봉의 제조에서는 β입자의 성장과 α결정의 폭을 용이하게 억제할 수 있고, 그 결과 열변형에 강한 침상 α결정 조직이더라도 신장률 및 면적 감소율이 높게 되어 종래의 제조 공정으로 만들 수 있음을 발견했다.

본 발명의 티타늄 합금봉을 제조하기 위한 열간 압연에서 성형되는 선재의 지름은 5㎜이상 10㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 즉, α+β형 티타늄 합금은 일반적으로 냉간 신장 능률이 낮기 때문에 밸브의 섕크부 지름에 가능한한 가깝게 되도록 열간 압연하고, 제조상 필요한 연삭 여유를 남긴 직경의 것을 직접 얻도록 하기 위해서이다. 선재의 지름을 이와 같은 목표로 하는 것은 가는 선재 때문에 냉각 속도를 크게 취할 수 있고, 압연 종류후 β상 온도 구역에서 냉각중에 β입경과 α결정의 폭이 커지는 것에 의한 피로 강도의 저하를 용이하게 방지할 수 있게 된다. 또, 압연중 가공 발열에 의해 침상화시키는 이 방법에는 압하율을 크게 취할 수 있고 또한 열용량이 작고 직경이 작은 재료가 바람직하다.

또, 빌렛을 열간 압연할 경우, 통상 변형능력이 높은 β상 온도 구역으로 가열하여 압연을 개시하지만, 산화에 의한 표면상처가 발생하기 쉽기 때문에, α+β상 온도 구역으로 가열하고, 열간 압연함으로써 가공 발명시켜 β상 온도 구역에서 열간 압연하는 방법도 있다.

밸브 형상으로 가공하는 방법은 예를 들면 7㎜, 길이 250㎜인 봉의 일단부에 충분한 변형력을 얻기 위해 β변태점 이상으로 통전 가열하여 전기 단축법에 의해 직경 20~25㎜의 구슬 모양의 형상을 만들고, 실온으로 냉각함이 없이 계속해서 그 부분을 형단조하여 지름이 36㎜인 밸브 헤드를 성형하여 공냉시킨다. 그후 700~900℃로 어닐링하고, 절삭 가공에 의해 소정의 치수 정밀도로 완성한다. 여기에서, 어닐링 온도는 나중의 내마모 처리를 위힌 가열 온도 이상, 즉 800℃ 이상으로 하고, 가공중의 응력 유기 변태에 의한 변형이나 변형 도입에 의한 재가열시의 변형이 없도록 공냉 속도 이하의 냉각속도로 냉각하는 것이 바람직하다.

다음, 티타늄 합금밸브를 700℃ 이상 900℃ 이하의 온도로 가열하여 산화 또는 질화 처리함으로써 내마모처리를 한다. 내마모 처리는 페이스부, 섕크부, 섕크부의 단부에 필요하지만, 엔진의 방식 및 상대 재료의 상이점에 따라 내마모성의 요구수준은 여러 가지로 다르다. 예를 들면, 페이스부는 상대 재료가 구리(Cu)계 시트일 경우에는 처리하지 않아도 된다. 또, 섕크부 단부는 로커-아암(rocker-arm)방식의 경우에는 산화처리나 질화처리로는 불충분하며, 담금질한 강철제 칩을 끼우는 등의 해결책이 필요해진다. 여기서, 처리 온도가 700℃ 미만이면 극히 장시간을 피요로 하며, 또 900℃ 이상인 경우는 상기의 조직 조정을 해도 열변형이 나타나며 밸브의 형상 및 치수정밀도를 확보할 수 없다. 단, 이 처리 온도는 상기 범위로 한정될 필요는 없다.

[실시예 1]

각종 미세 조직을 갖는 Ti-6Al-4V티타늄 합금봉 및 밸브를 준비하고, 산화 처리 및 질화 처리 가열후의 섕크부의 굴곡을 파악한 결과를 표 1 에 나타낸다. 본 발명의 미세 조직은 열변형이 현저하게 적다. 섕크부의 내마모 처리로서는, 적어도 산화 처리(700℃, 1시간)가 필요하다. 또, 페이스부 및 섕크부의 단부의 내마모 처리로 산화 처리 또는 질화 처리를 적용할 경우에는, 더욱 고온의 장시간 처리가 필요하고 더욱 열변형이 되지 않는 조직으로 한정된다.

표 1에 있어서의 미세 조직의 조정 방법은 단면이 100㎜인 사각 티타늄 합금 빌렛을 α+β상 온도 구역에서 열간 가공하고, 계속해서 소정의 가공을 하며 미세한 등축 α결정 조직의 7㎜직경의 봉을 제작한 뒤에 다음의 열처리를 하는 것이다.

미세한 등축 α결정 조직은 이 봉을 700℃에서 어닐링한 것이다. 그 조직의 α결정 입경은 2~4㎛이다.

중립 등축 α결정 조직은 이 봉을 850℃로 가열한 후 서냉했다. 그 조직의 α결정 입경은 약 6㎛이다.

조대 등축 α결정 조직은 이 봉을 950℃로 가열후 서냉했다. 그 조직의 α결정 입경은 10㎛이다.

침상 α결정 조직-1은 이 봉을 980℃로 가열후 공냉했다. 그 조직은 등축 α결정이 분산한 침상 α결정의 폭이 1㎛ 이상인 침상 α결정 조직이다.

침상 α결정 조직-2는 이 봉을 1010℃로 1분간 가열한 후 공냉했다. 선행-β 입경은 약 40㎛이며, α결정의 폭은 약 2㎛이다.

침상 α결정 조직-3은 이 봉을 1010℃로 약 1시간 가열한 후 공냉했다. 선행-β 입경은 약 1000㎛이며, α결정의 폭은 약 2㎛이다.

침상 α결정 조직-4는 이 봉을 1010℃로 1시간 가열후 노냉했다. 선행-β 입경은 약 1000㎛이며, α결정의 폭은 5~20㎛이다.

상기와 같이, 미세 조직을 조정후, 전기단축법과 형단조에 의해 지름이 36㎜인 밸브 헤드와 6.7㎜ 지름과 110㎜ 길이의 섕크부를 갖는 밸브로 가공했다.

산화 처리 가열방법은, 제2도에 도시한 것처럼, 밸브를 가로로 놓고, 대기중에서 700~900℃로 1시간 가열한 후 공냉한다. 섕크부의 굴곡은 산화 스케일을 제거한 다음 섕크부의 80㎜ 길이의 양단부를 지지하고, 회전시켜, 다이얼 게이지로 중앙부의 진동의 최소치와 최대치의 차의 절반으로 했다. 섕크부의 굴곡은 10㎛ 이내이면 문제가 없다.

표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 중립 등축 α결정 조직에서는 750℃까지로 한정되지만, 침상 α결정 조직-4에서는 900℃로도 문제가 없다.

또 질화 처리도 산화 처리 가열과 같이 실시한 결과, 전적으로 동일한 굴곡을 나타내었다.

또한 다른 α+β형 티타늄 합금은 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-6Al-2Fe-0.1Si, Ti-5Al-1Fe, Ti-5Al-2Cr-1Fe, Ti-3Al-2.5V 등도 전적으로 같은 경향을 나타냈다.

[실시예 2]

실시예 1 의 표 1에 나타낸 미세 조직을 갖는 봉은 통상의 공정에 의해 제조할 수 있는 것이다. 예를 들면, 처음에 종래의 미세 등축 α결정 조직을 열간 압연으로 만들고, 그후 가열로나 통전가열법으로 조직을 조정한 다음 냉간 교직한다. 신장률 및 면적 감소율이 적은 조직, 예를 들면, 침상 α결정 조직-4는 온간 또는 열간 교직하면 균열을 방지할 수 있다. 그러나 종래의 미세 등축 α결정 조직을 만드는 방법과 같이 효율저긍로 제조할 수 있으면 매우 유익하다.

종래의 제조 방법으로 만드는 것을 전제로 하여, 각종 미세조직을 갖는 봉의 여러 가지 조성을 검토했다. 그 결과, 침상 α결정 조직의 선행-β 입경이 300㎛ 이하이며, 또한 침상 α결정의 폭이 1㎛ 이상, 4㎛ 이하인 침상 α결정 조직-2는 열간압안만으로 만들어 넣을 수 있었다. 즉, 표 1의 침상 α결정 조직-2의 α+β상 온도구역의 압연에 의해, 빌렛의 구-β 입자를 α+β상 온도 구역의 압연에 의해 파쇄한 다음, 압연의 후단에서 압연 속도나 1패스(pass)당의 압연량을 증가시켜서 가공 발열시켜 β상 온도 구역으로 승온시킨 다음, β상 온도 구역으로 1분 정도 유지하고, β입자의 성장을 억제하여 공냉하는 방법에 의해 제조할 수 있기 때문이다. 또한 이 조직은 냉간 인발 및 냉간교직시 균열발생이 없는데, 그 이유는 신장률 및 면적 감소율이 어느 정도 있기 때문이다.

예를 들면, 선행-β 입경이 300㎛인 것을 신장률이 약 13%이고, 면적 감소율이 약 50%이며, 종래의 미세 등축 α결정 조직의 것과 같다. 이상의 검토 결과를 표 2에 도시한다.

기호 ○ : 문제 없음. 열간 압연에서는 미세조직을 직접 만들어 넣을 수 있는 것 을 ○으로 했다.

냉간 인발 및 냉간교직에서는 균열의 발생 및 진전이 없는 것을 ○으로 했다.

△ : 조건범위가 좁지만 할 수 있다.

× : 할 수 없다. 그러나, 이하의 공정을 추가 또는 대체하면 할 수 있다. 열간 압연에서 ×의 것은 미세 등축 α결정 조직에 열간 압연한 다음 열처리하면 목표조직이 얻어진다. 그리고, 침상 α 결정 조직-3, -4는 열처리전의 조직이 무엇이든 좋다.

냉간인발 및 냉간교직에서 ×의 것은 신장률이 약 7%, 면적 감소율이 약 15%로 작기때문이며, 온간 및 열간으로 실시하면 균열을

[실시예 3]

100㎜인 사각의 Ti-6Al-4V 빌렛을 1050℃, β상 온도 구역에서 압연하고, α+β상 온도 구역에서 충분히 압연한 다음, 가공 발열에 의해 β상 온도 구역에서 단시간 유지하여 공냉함으로써, 약 7.5㎜ 지름의 코일 형상의 선재를 형성했다. 미세조직은 침상 α결정 조직이며, 그 α결정의 폭은 약 2㎛, 그 선형-β 입경은 30~60㎛였다.

이 선재를 늘려서 세이빙한 다음, 교직하여 센터리스(centerless)연산을 수행함으로써 7.0㎜ 지름의 직선상의 봉재를 형성했다.

또한, 이 봉재를 사용하여 제1도에 도시한 것처럼, 전기단축법에 의해 β상 온도 구역(약 1050℃)에서 구슬 형상을 만들어 밸브 헤드를 단조하고, 810℃에서 1시간 어닐링한 다음 공냉하고, 헤드부의 지름을 36㎜, 섕크부의 지름을 6.7㎜로 한 100㎜ 길이의 밸브를 절삭 및 연삭에 의해 제조했다.

표 3의 NO.1에 나타난 것처럼 어닐링 종료후의 섕크부의 굴곡은, 0~100㎛이며, 종래법(표 3의 비교예 A,B)과 비교하여 현저한 개선을 볼 수 있었다. 어닐링후의 섕크부의 굴곡은 100㎛ 이내이면 문제가 없다.

본 발명(NO.1~11)에서 발생하는 이 섕크부의 굴곡은 교직시의 변형이 해제되었기 때문에 생긴 것이며, 비교예(A~G)에서 발생하는 섕크부의 굴곡은 이것에 더해서 어닐링중의 크리이프 변형이 가해진 것이다. 또 밸브를 제2도에 도시한 것처럼 가로로 놓은 상태에서 810℃로 1시간 산화했을 때의 굴곡은 0~3㎛이며, 810℃로 10시간 질화했을 때의 굴곡은 5~10㎛이며, 종래의 방법에 비해 현저한 개선을 볼 수 있었다. 그리고, 비교예에 대해서는, 밸브의 지름을 크게 만들어, 어닐링 후의 굴곡을 절삭에 의해 곧게 했다.

또한, 밸브 섕크부의 평가 피로 강도는 50kgf/㎟이며 종래의 방법과 비교햐여 같았다. 본 밸브 헤드의 크리이프 강도는 온도 500℃, 10kg/㎟의 압력 조건하에서 크리이프 변형 0.1%에 달하는 데에 100시간이 소요되며, 따라서 밸브로서 실용상 문제가 없다는 것을 알 수 있다.

굴곡은 섕크부의 80㎜ 간격의 두점을 지지하고, 밸브를 회전시켰을때의지지 구간의 중앙부에서의 진동의 최대치와 최소치의 차의 절반을 다이얼 게이지로 측정했다. 굴곡은 10㎛ 이내이면 문제가 없다.

밸브 섕크부의 평가 피로 강도는 밸브 섕크부와 같은 미세 조직을 갖는 소재로부터 직경 8㎜의 오노식(Ono式)회전 굴곡 시험에 의해 구했다.

밸브 헤드의 평가 크리이프 강도는 밸브 헤드와 같은 미세 조직을 갖는 소재로부터 JIS Z2271 시험에 의해 구했다.

NO.1과 같이 처리한 본 발명의 다른 예(NO.2~11)를 비교예와 함께 표 3에 나타낸다. 열간 압연후의 냉각 속도를 바꾸어 침상 α 결정의 폭을 바꾸었다. 이것에 의하면, 본 발명의 실시예는 모두 양호한 결과로 나타났다. 그리고, 밸브 헤드의 추정 크리이프 강도는 실시예나 비교예 모두 차이가 없었다.

또한 810℃로 1시간 산화처리한 각종 티타늄 합금제 밸브 및 810℃로 10시간 질화처리한 각종 티타늄 합금밸브를, FC25상당의 밸브가이드, Fe-C-Cu계의 밸브시트를 사용한 엔진을 사용하여 6000rpm으로 200시간의 내구성 시험을 했다. 그 결과, 섕크부의 눌어붙기 및 페이스부의 마모에 대해 종래품과 동등하거나 그 이상이었다. 그리고 섕크부의 단부에 담금질한 강철제 칩을 부착했다.

산화는 810℃에서 1시간, 질화(Ti-3Al-2.5V는 제외함)는 810℃에서 10시간 실시했다. 모두 제2도에 도시한 것처럼 로내에 놓았다.

[실시예 4]

100㎜인 사각의 Ti-6Al-4V빌렛을, α+β상 온도 구역(약 950℃)압연에 의해 9㎜지름의 선재로 했다. 미세조직은 2~4㎛의 등축 α결정 조직이었다. 이 선재를 인발하고, 흠집을 제거하며, 실시예 1에 나타낸 각종 열처리를 하고, 800~850℃로 교직하고, 센터리스 가공하여, 7㎜ 지름의 선재로 했다. 이들 선재의 미세 조직은 미세 등축 α결정, 중립 등축 α결정, 조대 등축 α결정, 침상 α결정 조직-1,-2,-3,-4였다. 이들 선재를 사용하여 소정 방법에 의해 제1도에 도시한 것처럼, 헤드 지름이 36㎜이고, 축의 지름이 6.7㎜이며, 길이가 110㎜인 밸브를 제조했다. 밸브 헤드는 전기단축법에 의해 β상 온도 구역에서 구슬을 형성하고, 계속해사 α+β상 온도 구역에서 형단조하여 성형후 공냉했다. 그 L단면의 조직은 모두 등축 α결정립을 일부 볼 수 있었고, 침상 α결정은 분단되어 있었다. 또, 통상 실시하는 단조후의 어닐링은 봉재가 열간 교직되어 있으므로 필요하지 않았다. 이들 밸브를 세운 상태로 표 4에 나타낸 소정의 방법으로 산화 또는 질화했을 때의 굴곡을 실시예 1과 같은 방법에 의해 측정하였다. 결과를 표 4에 나타낸다. 표에서 알 수 있듯이 본 발명의 굴곡은 0~10㎛이며, 종래법(20~60㎛)과 비교하여 현저하게 개선되었음을 볼 수 있었다.

또한, 이들 각종 미세조직의 밸브를 FC25 상당의 밸브가이드, Fe-C-Cu계의 밸브시트를 사용한 엔진을 사용하여 6000rpm으로 200시간의 내구성 시험을 했다. 그 결과 섕크부의 눌어붙기 및 페이스부의 마모에 대해 종래품과 동등하거나 그 이상이었다. 그리고 섕크부의 단부에는 담금질한 강철제 칩을 부착하고 있었다.

[실시예 5]

100㎜인 사각의 Ti-3Al-2.5V 빌렛을 α+β상 온도 구역(약 930℃) 압연에 의해 9㎜ 지름의 선재로 했다. 미세 조직은 4㎛의 동축 α결정 조직이었다. 이 선재를 인발 가공하고, 세이빙하며, 실시예 1에 나타낸 각종 열처리의 가열 온도를 모두 20℃ 낮게 하여 800~850℃로 교직하고, 센터리스 가공하여 7㎜ 지름의 선재를 형성했다. 이들 선재의 미세 조직은 미세 등축 α 결정, 중립 등축 α결정, 조대 등축 α결정, 침상 α결정 조직 -1,-2,-3,-4였다. 이들 선재를 사용하여 소정의 방법에 의해 제1도에 도시한 것처럼, 헤드 지름이 36㎜이고, 섕크부의 지름이 6,7㎜이며, 길이가 110㎜인 밸브를 제조했다. 밸브 헤드는 전기 단축법에 의해 β상 온도 구역에서 구슬을 형성하고, 계속해서 α+β상 온도 구역에서 형단조하여 성형한 후 공냉했다. 그 L단면의 조직은 선행-β 입자가 신장된 조직으로서, 침상 α결정의 분단을 거의 볼 수 없었다. 또 통상 실시하는 단조후의 어닐링은 봉재가 열간 교직되어 있으므로 필요하지 않았다.

이들 밸브를 세운 상태로 표 5에 나타낸 소정의 방법으로 산화 또는 질화했을 때의 굴곡을 실시예 1과 같은 방법에 의해 측정하여 결과를 표 4에 나타낸다.

본 발명의 굴곡 측정결과는 0~10㎛이며 종래의 방법(20~60㎛)과 비교하여 현격한 개선을 볼 수 있었다.

또한, 이들 각종 미세조직의 밸브를 FC25 상당의 밸브 가이드, Fe-C-Cu계의 밸브시트를 사용한 엔진을 사용하여 6000rpm으로 200시간의 내구성 시험을 했다. 그 결과, 섕크부의 눌어붙기 및 페이스부의 마모에 대해 종래품과 동등하거나 그 이상이었다. 그리고 섕크부 단부에는 담금질한 강철제 칩을 부착하였다.

[산업상의 이용가능성]

이상과 같이 본 발명의 티타늄합금봉을 사용하면 열변형이 해소되고 염가의 내마모처리인 산화처리 및 질화처리를 밸브제조에 적용할 수 있고, 또한 종래의 공정에서 그 티타늄 합금봉을 제조할 수 있는 방법은 소재로 사용되는 봉재도 효율적으로 생산할 수 있으므로 극히 경제적으로 티타늄합금제 밸브를 제조할 수 있다.

Claims (4)

1. 적어도 섕크부의 미소 조직이 침상 α결정 폭이 1 내지 4㎛인 침상 α결정 조직으로 주로 이루어져 있고, 상기 섕크부에는 높은 내마모성이 부여되도록 산화 또는 질화 처리가 되어 있는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금제 엔진 밸브.
2. 제1항에 있어서, 상기 침상 α결정 조직의 선행-β(pre-β) 입경이 300㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 티타늄 합금제 엔진 밸브.
3. α+β형 티타늄 합금봉을 β 변태점 이상으로 가열함과 동시에 밸브의 생크 직경에 근접하도록 열간 압연한 후, 공냉시켜 미소 조직이 침상 α결정 폭이 1 내지 4㎛인 침상 α결정 조직으로 주로 이루어지게 하고, 이어서 일단부에 전기 단축법을 적용하여 헤드부를 형성하고, 그 후 섕크부에 내마모성을 부여하기 위하여 산화 처리 및 질화 처리 중 한가지 이상을 700℃ 이상 900℃ 이하의 처리온도에서 시행하는 것을 특징으로 하는 티타늄 합금제 엔진 밸브 제조 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 침상 α결정 조직의 선행-β결정의 입경이 300㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 티타늄 합금제 엔진 밸브 제조 방법.