KR20010039528A - 포핏밸브의 밸브페이스 경화 방법 - Google Patents

Abstract

내연기관에 사용되는 포핏밸브의 밸브헤드 내에 로브가 형성된다. 로브는 중앙에 꼭지점을 가진 이등변 삼각형 수직섹션을 가진다. 로브를 다이의 구멍 내에 압착함으로써, 로브가 소성 변형되어 밸브시트와 접촉하는 위치에 밸브페이스가 형성된다. 밸브페이스와 밸브시트 사이가 적당하게 기밀된다.

Description

포핏밸브의 밸브페이스 경화 방법 {METHOD OF HARDENING A VALVE FACE OF A POPPET VALVE}

본 발명은 높은 경도 및 안전된 품질을 얻기 위하여 포핏밸브의 밸브페이스를 경화시키는 방법에 관한 것이다.

내연기관에 사용되는 흡기밸브 또는 배기밸브의 밸브페이스는 밸브시트 상에 반복해서 맞물리면서 기밀 상태를 유지하므로 내마모성을 갖는 것이 요구된다. 특히, 저급연료를 사용하는 선박용 디젤엔진의 배기밸브에는 연소 찌꺼기가 밸브페이스 내에 달라 붙어 눌린 자국이 형성되므로 밀봉성(sealability)이 저하된다. 따라서 높은 경도가 요구된다.

상기 요구를 충족시키기 위하여, 코발트 또는 니켈 합금을 포핏밸브의 밸브페이스 상에 패딩하고 경화시켜 내마모성을 향상시킨다. 패딩에 의한 이러한 경화 방법에서, 패딩재는 밸브재와 상이하다. 이 때문에 열팽창률의 차이로 인하여 패딩재가 벗겨지거나 또는 균열이 생길 수 있다. 희유코발트(rare Co)를 함유하는 패딩재는 대형 포핏밸브의 가격을 상승시킨다.

이러한 문제를 해소하기 위하여 밸브페이스를 경화시키는 방법이 있다. 밸브페이스를 단조(forging), 혹은 프레스 또는 롤러를 사용하여 강하게 압착하여 소성 변형시킴으로써 내변형성(deformation resistance) 또는 소성 슬라이딩(plastic sliding)에 대한 경도(hardness)가 증가된다.

그러나, 이러한 경화 방법에는 다음과 같은 문제가 있다. 가공률(working rate)이 경도와 깊은 관련이 있다. 가공률이 상승할 때 경도는 증가하지만 인성(toughness)이 감소되어 밸브페이스가 쉽게 파손된다. 가공률을 최적으로 결정하는 것이 필요하다. 가공률은 밸브페이스의 형상에 따라 가공 전에 결정된다. 가공률 수치가 최적으로 결정되지 않는 경우, 경도 및 깊이가 변할 수 있으므로 국부적인 마모가 일어나 기밀성이 저하된다.

상기 단점을 고려하여, 본 발명의 목적은 밸브페이스 전체에 경도를 균일한 상태로 유지하여 밸브페이스 또는 밸브시트의 국부적인 마모를 방지함으로써, 밸브페이스와 밸브시트가 서로 맞물릴 때, 이들 사이에 충분한 기밀성이 제공되도록 하는 밸브 포핏밸브의 밸브페이스 경화 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 특징 및 장점은 첨부 도면을 참조하여 개시된 다음의 상세한 설명에서 보다 명백해 질 것이다.

도 1은 본 발명에 사용된 포핏밸브 중간체의 밸브헤드 정면도.

도 2는 중간체의 로브를 상세하게 예시하는 부분 단면도.

도 3은 중간체를 다이의 구멍 내에 삽입하여 로브가 소성 변형되는 것을 예시하는 종단면도.

도 4는 로브가 펀치 로워링에 의하여 소성 변형되는 것을 예시하는 종단면도.

도 5는 로브가 단조 도중에 소성 변형되는 것을 예시하는 확대단면도.

도 6은 가공 후 밸브페이스의 경화상태를 예시하는 종단면도.

도 1은 가공 전의 배기 포핏밸브 중간체(1)의 밸브헤드(1a)를 예시한다. 밸브 중간체(1)는 SUH 37과 같은 오스테나이트 내열강 또는 NCF 80A 및 NCF 751과 같은 니켈 내열합금을 그 위에 용체화처리(solution treatment)하여 제조된다.

포핏밸브 중간체(1)의 밸브헤드(1a) 가장자리 부분(1b)의 외경은, 점선으로 나타낸 바와 같이, 가공 후의 포핏밸브(2)의 가장자리 부분(2a)의 외경보다 약간 적다. 이등변 삼각형으로 절단된 로브(3)는 가공된 포핏밸브(2)의 테이퍼 밸브페이스(2b)에 대응하는 위치의 밸브헤드(1a) 상에 형성된다.

로브(3)는 테이퍼 밸브페이스(2b) 내로 소성 변형된다. 가공률은 퍼센트로 나타내며, 로브(3)와 로브(3)의 높이로 분할된 밸브페이스(2b) 사이의 높이 차이이다. 이 차이는, 도 2에 예시된 바와 같이, 로브 중앙의 "L₁" 및 로브(3) 내측 원주 단부 근처의 "L₂"이다. 가공률은 중앙이 최대이며 로브(3)의 내주 단부 및 외주 단부를 향하여 점차 감소된다. 로브(3)와 밸브페이스(2b)의 외주 단부 "S"의 밸브페이스 사이에는 높이 차이가 없고 가공률이 제로로 된다. 상기 실시예에 있어서, 가공률이 로브(3)의 중앙은 30 내지 60%이고 로브(3)의 내주 단부는 5 내지 10%이다.

중간체(1)의 밸브헤드(1a)는 530 ∼ 620℃, 바람직하기로는 550 ∼ 600℃ 사이의 온도로 가열되어 도 3에 예시된 단조장치(forging device)에 의하여 단조된다.

중간체(1)의 상기 가열온도 범위는 다음 이유를 근거로 한 것이다. 도 7은 단조 온도와 내변형성 간의 관계를 예시하는 그래프이다. 도 7에 있어서, 530℃ 이하에서 내변형성이 높다. 따라서, 로브(3)를 소성 변형에 의하여 경화시키려면 고에너지가 필요하고, 큰 포핏밸브를 가공하려면 고압축력을 제공하는 대형 단조장치가 필요하다. 가열온도가 620℃를 초과하는 경우, 내변형성이 감소되며 경화에 의해서는 충분한 경도가 얻어질 수 없으므로 균열이 발생한다. 안전상, 상한은 620℃로 설정된다.

도 5에 예시된 바와 같이, 상기 온도까지 가열된 중간체(1)는 단조장치 다이의 구멍(4a) 내에 밸브헤드(1a)를 꼭대기로 하여 수직으로 삽입된다. 도면에서, 다이(4)의 구멍은 포핏밸브(2)의 밸브헤드(1)와 일치된다. 펀치(5)는 구멍(4a)에 대하여 소정의 스트로크로 상하 이동한다.

중간체(1)를 다이(4)의 구멍(4a)에 위치시킨 다음, 도 4에 예시된 바와 같이, 펀치(5)를 하강시켜 중간체(1)를 단조시킴으로써 최종 포핏밸브(2)가 얻어진다. 도 5에 예시된 바와 같이, 단조 도중에, 중간체(1)의 로브(3)는 가공률이 최대인 중앙으로부터 화살표로 나타낸 바와 같이 내주 및 외주방향으로 변형되고 밸브헤드(1a)의 가장자리 부분(1b)은 외측 반경방향으로 변형된다.

따라서, 도 6에 예시된 바와 같이, 가공된 포핏밸브(2)의 밸브페이스(2b) 전체가 일정한 깊이로 균일하게 경화되므로 국부적으로 마모가 발생하지 않는 높은 내마모성을 가진 포핏밸브(2)를 얻을 수 있다.

니켈 내열합금 NCF80A를 사용하였다. 로브의 중앙, 외주 및 내주 단부의 가공률을 약 580℃에서 약 45%, 0 및 약 7%로 각각 설정하고 단조처리에 의하여 단조하였다. 가공 후, 얻어진 제품의 밸브페이스(2b) 표면의 비커스경도(Vickers hardness)는 임의의 포인트에서 어떤 현저한 변화없이 470 내지 480Hv 범위에 걸친다. 표면 뿐만 아니라 밸브페이스(2b) 내부에도 균열이 발생하지 않으므로 고품질의 포핏밸브(2)를 얻게 된다.

단조된 포핏밸브(2)에 700℃로 10시간 동안의 공랭(air cooling)과 같은 시효 처리(age treatment)를 추가로 실행하여 밸브페이스(2b)의 경도를 증가시킬 수 있다.

전술한 실시예에 있어서, 중간체의 로브(3)를 소성 변형시켜 이것을 경화시키기 위하여, 단조장치가 사용되었지만 로브(3)는 내측으로부터 외측으로 압착되어 높은 압착력을 필요로 하지 않는 포핏밸브 내에 소성 변형된다.

대형 포핏밸브에 있어서, 로브(3)는 단조장치의 해머에 의하여 수직으로 수차례 압착되는 반면, 중간체는 수직축을 중심으로 느리게 회전할 수 있으므로 모든 원주 섹션이 점차 변형된다. 따라서, 고압축 단조장치를 제공할 필요가 없다.

상기 내용은 단지 본 발명의 실시예에 관한 것으로서, 당업자는 청구 범위를 벗어나지 않고 여러 가지로 변형 및 변경할 수 있다.

포핏밸브의 밸브페이스 전체에 경도를 균일한 상태로 유지하여 경화시킴으로써 밸브페이스 또는 밸브시트의 국부적인 마모가 방지되어, 밸브페이스와 밸브시트가 서로 맞물릴 때, 이들 사이에 충분한 기밀성이 제공된다.

Claims (7)

1. 내열합금으로 제조되고, 밸브페이스가 형성된 밸브헤드를 가진 포핏밸브의 밸브페이스를 경화시키는 방법에 있어서,

   가공 후 밸브페이스에 대응하는 위치의 포핏밸브 중간체 상에 로브―여기서 로브는 퍼센트로 표시된 최대 가공률을 갖는 부분을 중앙에 가지고, 가공률은 로브와 로브의 높이로 분할된 밸브페이스 사이의 높이 차이이고, 로브의 가공률은 내주 및 외주 단부를 향하여 점차 감소됨―를 형성하는 단계, 및

   상기 로브를 압착하여 소성 변형시켜 로브를 밸브페이스에 경화시키는 단계

   를 포함하는 밸브페이스 경화 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 로브 중앙의 최대 가공률은 30 내지 60%이고, 상기 로브 내주 단부 근처 및 내주 단부의 가공률은 5 내지 10%인 밸브페이스 경화 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 로브를 압착하는 단계가 530 ∼ 620℃에서 실행되는 밸브페이스 경화 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 로브가 로브의 중앙에 꼭지점을 갖는 이등변 삼각형 수직 섹션을 가지는 밸브페이스 경화 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 로브를 압축하는 단계가 포핏밸브 중간체를 밸브헤드와 일치되는 다이의 구멍 내에 삽입하고 상기 로브를 강하게 압착하여 소성 변형시키는 단계를 포함하는 밸브페이스 경화 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 단계가 로브를 소성 변형시킨 후 시효 처리하는 단계를 추가로 포함하는 밸브페이스 경화 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 로브를 압착하는 단계에서, 상기 로브가 내주 및 외주 단부 양방향으로 압착되는 밸브페이스 경화 방법.