KR20140006520A - 경사구조면을 가지는 밸브시트용 구리합금소재 및 밸브시트의 제조방법 - Google Patents

경사구조면을 가지는 밸브시트용 구리합금소재 및 밸브시트의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구리합금소재의 밸브시트 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 밸브시트의 합금소재를 구리를 주 성분으로 하여 니켈, 철, 규소 및 크롬과 고경도 입자생성 원소를 포함하도록 하고, 상기 합금소재의 일측면에 탄소섬유와 탄소나노튜브 등을 포함하는 경사진 복합재층이 형성되도록 함으로써, 용접성 및 내마모성을 확보할 수 있는 경사구조면을 가지는 밸브시트용 구리합금소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로 본 발명은 밸브시트용 합금소재에 있어서, 상기 합금소재는 구리를 주성분으로 하고, 니켈(Nickel) 5.0 ~ 24.0 중량%, 철(Iron) 3.0 ~ 15.0 중량%, 규소(Silicon) 0.5 ~ 5.0 중량% 및 크롬(Chromium) 0.3 ~ 1.3 중량% 를 포함하며, 상기 합금소재는 고경도 입자생성 원소인 알루미늄(Aluminium), 이트륨(Yttrium), 티타늄(Titanium) 또는 지르코늄(Zirconium) 중 어느 하나 이상의 물질을 1.0 ~ 15.0 중량% 함유하거나, 몰리브덴(Molybdenum), 텅스텐(Tungsten), 바나듐(Vanadium) 또는 코발트(Cobalt) 중 어느 하나 이상의 물질을 1.0 ~ 15.0 중량% 함유하고, 상기 합금소재의 일측면에 탄소섬유 및 탄소나노튜브를 포함하는 경사진 복합재층이 형성되는 것을 특징으로 하는 경사구조면을 가지는 밸브시트용 구리합금소재를 제공한다.

Description

경사구조면을 가지는 밸브시트용 구리합금소재 및 밸브시트의 제조방법{COPPER ALLOY FOR VALVE SEAT HAVING INCLINED STRUCTURAL SURFACE AND ITS MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 구리합금소재의 밸브시트 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 밸브시트의 합금소재를 구리를 주 성분으로 하여 니켈, 철, 규소 및 크롬과 고경도 입자생성 원소를 포함하도록 하고, 상기 합금소재의 일측면에 탄소섬유와 탄소나노튜브 등을 포함하는 경사진 복합재층이 형성되도록 함으로써, 용접성 및 내마모성을 확보할 수 있는 경사구조면을 가지는 밸브시트용 구리합금소재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
밸브시트란 케이싱에 고정되어 있는 밸브가 안착하는 자리로서, 밸브시트의 구멍 직경은 거의 관의 내경과 같다. 상기 밸브시트는 그 형상에 따라 평면시트, 원추시트, 구면시트 및 인서트시트 등으로 나눌 수 있다.
상기 밸브시트는 자동차의 엔진 등에 주로 사용될 수 있는데, 밸브와의 접촉 및 마찰, 배기 가스에의 노출 등을 견뎌야 하는 경우가 많아 내열성, 내마모성 및 내산화성이 요구된다.
따라서, 종래의 밸브시트는 내마모성과 내열성을 만족시키기 위해 구리-니켈-규소 타입의 동합금계를 주로 사용하였다. 그러나 상기 동합금계는 약 350 ~ 450℃의 고온의 환경에서 고강도 입자들의 미세화로 인해 내마모성이 떨어지는 단점을 가지고 있어, 코발트-몰리브덴, 구리-니켈, 철-텅스텐, 철-몰리브덴의 규화물 등을 사용하여 내마모성을 높이려는 연구들이 있었고, 밸브시트 장착 시 용접의 문제를 개선하기 위해 붕소 및 크롬을 첨가한 새로운 합금을 개발하여 밸브시트의 장착성과 내마모성을 높이는 연구가 있었다.
한편, 종래 연구된 밸브시트용 합금소재는 구리를 주성분으로 하여 니켈 5.0 ~ 24.5 중량%, 철 3.0 ~ 20.0 중량%, 규소 0.5 ~ 5.0 중량%, 붕소 0.05 ~ 0.3 중량%, 크롬 0.3 ~ 5.0 중량% 및 코발트 0.01 ~ 2.0 중량% 를 포함하고, 몰리브덴, 텅스텐 또는 바나듐 중 어느 하나 이상의 물질 3.0 ~ 20.0 중량% 가 함유된다.
상기 종래의 합금소재는 구리를 주성분으로 하여 합금원소를 첨가함으로써, 용접성이 우수하고, 내마모성이 향상될 수 있는 장점이 있다.
여기서 용접성이란 금속재료의 용접될 수 있는 성질을 말하며, 용접은 고열이 수반되는 도금적 접합법이고, 재질변화, 잔류응력 또는 변형 등을 발생시킨다. 철강의 경우에는 탄소량이 많아질수록 용접성이 떨어지는 경향이 있다.
그러나 종래의 밸브시트용 합금소재를 이용하는 경우, 용접성 및 내마모성의 향상을 위해 고가의 원소를 다량으로 사용하게 되어 자원이 낭비될 뿐만 아니라 생산비용 및 제작비용이 증가하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 고경도 입자생성 원소의 양을 최적화하여 용접성을 확보하고, 생산비용 및 제작비용을 절감하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 밸브시트 합금소재의 일측면에 탄소섬유와 탄소나노튜브 등을 포함하는 경사진 복합재층이 형성되도록 함으로써, 밸브시트의 장착 시 고경도물질에 의한 갈라짐을 방지하고, 장착된 기기의 작동 중 댐핑(Damping)성의 우세로 인한 소음진동(NVH) 성능을 향상시키는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 밸브시트용 합금소재에 있어서, 상기 합금소재는 구리를 주성분으로 하고, 니켈(Nickel) 5.0 ~ 24.0 중량%, 철(Iron) 3.0 ~ 15.0 중량%, 규소(Silicon) 0.5 ~ 5.0 중량% 및 크롬(Chromium) 0.3 ~ 1.3 중량% 를 포함하며, 상기 합금소재는 고경도 입자생성 원소인 알루미늄(Aluminium), 이트륨(Yttrium), 티타늄(Titanium) 또는 지르코늄(Zirconium) 중 어느 하나 이상의 물질을 1.0 ~ 15.0 중량% 함유하거나, 몰리브덴(Molybdenum), 텅스텐(Tungsten), 바나듐(Vanadium) 또는 코발트(Cobalt) 중 어느 하나 이상의 물질을 1.0 ~ 15.0 중량% 함유하고, 상기 합금소재의 일측면에 탄소섬유 및 탄소나노튜브를 포함하는 경사진 복합재층이 형성되는 것을 특징으로 하는 경사구조면을 가지는 밸브시트용 구리합금소재를 제공한다.
본 발명에서 상기 복합재층은 탄소섬유, 탄소나노튜브 및 레진을 도포하여 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 복합재층은 모재(母材) 합금원소로 1차 성형하고, 상기 모재 합금원소에 탄소섬유 및 탄소나노튜브를 첨가하여 2차 성형하여 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 복합재층은 상기 밸브시트의 모재에 레이저나 고주파를 포함하는 고에너지를 분사하여 용융 및 융착되어 형성되는 것이 바람직하다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의하면, 밸브시트용 합금소재의 제조방법에 있어서, 상기 합금소재를 구리를 주성분으로 하고, 니켈 5.0 ~ 24.0 중량%, 철 3.0 ~ 15.0 중량%, 규소 0.5 ~ 5.0 중량% 및 크롬 0.3 ~ 1.3 중량% 를 포함하며, 고경도 입자생성 원소인 알루미늄, 이트륨, 티타늄 또는 지르코늄 중 어느 하나 이상의 물질을 1.0 ~ 15.0 중량% 함유하거나, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐 또는 코발트 중 어느 하나 이상의 물질을 1.0 ~ 15.0 중량% 함유하도록 제조하는 단계 후에, 상기 합금소재의 일측면에 탄소섬유, 탄소나노튜브 및 레진을 도포하여 경사진 복합재층을 형성하는 단계, 상기 합금소재의 일측면에 모재(母材) 합금원소로 1차 성형하고, 상기 모재 합금원소에 탄소섬유 및 탄소나노튜브를 첨가하여 2차 성형하여 경사진 복합재층을 형성하는 단계, 또는 상기 합금소재의 일측면에 상기 밸브시트의 모재에 레이저나 고주파를 포함하는 고에너지를 분사하여 용융 및 융착되어 형성되는 경사진 복합재층을 형성하는 단계 중 어느 하나 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 경사구조면을 가지는 밸브시트의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 합금소재는 구리를 주성분으로 하고, 니켈, 철, 규소 및 크롬을 적정량 포함하며, 상기 합금소재에 첨가하는 고경도 입자생성 원소인 알루미늄, 이트륨, 티타늄, 지르코늄, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐 또는 코발트의 양을 최적화하여 원가가 절감될 뿐만 아니라 용접성 및 내마모성이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 밸브시트용 합금소재의 일측면에 탄소물질 등을 포함하는 경사진 복합재층이 형성되도록 함으로써, 밸브시트의 장착 시 고경도물질에 의한 갈라짐 또는 부서짐을 방지하는 효과가 있고, 댐핑성의 우세로 인한 소음진동 성능이 향상되는 효과가 있다.
아울러 경사진 복합재층을 형성하는 방법을 선택적으로 이용할 수 있어 생산효율을 향상시키고, 제조공정을 최적화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고에너지의 분사를 이용하여 경사진 복합재층의 형성을 나타낸 예시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 2차 성형 및 소결을 통해 경사진 복합재층의 형성을 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유, 탄소나노튜브 및 레진을 도포하여 경사진 복합재층의 형성을 나타낸 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
먼저 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 밸브시트용 합금소재(100)에 있어서, 상기 합금소재(100)는 구리를 주성분으로 하고, 니켈(Nickel) 5.0 ~ 24.0 중량%, 철(Iron) 3.0 ~ 15.0 중량%, 규소(Silicon) 0.5 ~ 5.0 중량% 및 크롬(Chromium) 0.3 ~ 1.3 중량% 를 포함하며, 상기 합금소재(100)는 고경도 입자생성 원소인 알루미늄(Aluminium), 이트륨(Yttrium), 티타늄(Titanium) 또는 지르코늄(Zirconium) 중 어느 하나 이상의 물질을 1.0 ~ 15.0 중량% 함유하거나, 몰리브덴(Molybdenum), 텅스텐(Tungsten), 바나듐(Vanadium) 또는 코발트(Cobalt) 중 어느 하나 이상의 물질을 1.0 ~ 15.0 중량% 함유하고, 상기 합금소재(100)의 일측면에 탄소섬유 및 탄소나노튜브를 포함하는 경사진 복합재층(110)이 형성되는 것을 특징으로 한다.
종래의 엔진 밸브시트용 합금소재(100)는 철을 주성분으로 한 것에 비하여 본 발명에서는 구리를 주성분으로 채택하는데, 이러한 구리는 열전도도를 향상시키는 특징이 있다.
본 발명의 합금소재(100)에 5.0 ~ 24.0 중량% 포함되는 니켈은, 탄화물을 형성하지 않고 구리에 첨가되어 구리합금에서 조직을 강화시키고 인성을 높여주며, 고경도의 입자를 생성하는 역할을 한다. 성분함량이 낮을 경우 강도 및 내마모성이 떨어질 수 있으며, 반대로 높을 경우 인성이 감소될 우려가 있고, 비경제적이다.
또한, 합금소재(100)에 3.0 ~ 15.0 중량% 포함되는 철은, 코발트 등과 같이 고경도 규화물을 생성하며, 성분함량이 낮을 경우 내마모성이 감소될 수 있고, 높을 경우 고경도 입자의 조대화가 발생함과 동시에 용접성이 나빠진다.
그리고 본 합금소재(100)에 0.5 ~ 5.0 중량% 포함되는 규소는, 탈산제로서 밸브시트용 합금소재(100)의 제조 시 결정입계에 편석입계 탄화물의 석출을 저지하고, 동시에 입계 산화층을 저감시킬 뿐만 아니라 니켈 등과 같은 원소와 함께 규화물을 형성하여 고경도 입자를 생성한다. 성분함량이 낮을 경우 탈산제로서의 효과가 미미하고, 고경도 입자가 적게 생성되며, 반대로 높을 경우엔 합금 내 편석이 과량 형성되고, 인성이 저하되며, 용접성이 떨어지게 된다.
아울러 본 합금소재(100)에 0.3 ~ 1.3 중량% 포함되는 크롬은 실리콘과 크롬실리사이드를 형성하여 강도를 향상시키고 탄소와 크롬카바이드를 형성하여 경도를 증가시켜 내마모성을 향상시킬 뿐만 아니라 고경도 입자를 분산시키는 역할을 한다. 상기 크롬의 성분함량이 낮을 경우 고경도 입자 분산의 효과가 줄어들게 되어 합금소재(100)가 균질하게 형성되기 힘들고, 반대로 높을 경우 고경도 입자의 조대화가 발생하며, 합금화 시 균열이 발생될 수 있다.
한편, 고경도 입자생성 원소인 알루미늄, 이트륨, 티타늄 및 지르코늄은 합금에서 Al2O3, TiO2, ZrO2 등의 고경도 미세립자로 분산되어서 내마모성을 높여주는 역할을 한다. 성분함량이 낮을 경우에는 내마모성이 감소하며, 높을 경우에는 입자의 조대화가 발생한다.
마찬가지로 고경도 입자생성 원소인 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐 및 코발트는 합금에서 고경도 미세립자를 형성하는 역할을 하며, 성분함량이 낮을 경우에는 내마모성이 감소하고, 높을 경우에는 입자가 조대화되거나 응력집중이 쉬운 형상으로 형성되어 인성이 감소할 수 있다.
본 발명의 기본소재는 내마모성을 많이 높이지 않고 용접성을 안정적으로 가지면서 특정 기능면에는 내마모성을 향상시키는 경사구조의 복합재층(110)을 형성할 수 있다. 이를 통해, 소재의 측면에서는 고경도 입자생성 물질의 양을 최소화하여 원가절감을 달성할 수 있고, 공정의 측면에서는 표면 복합층의 성능을 효과적으로 높이는 제조공법을 사용하여 기존의 밸브시트용 합금소재(100)에 비해 내마모성 등이 향상된 소재를 얻을 수 있게 된다.
상기한 바와 같이 밸브시트용 합금소재(100)의 기능을 담당하는 일측면에 경사구조면을 갖는 복합재층(110)을 형성할 수 있는 바, 도 1은 고에너지(120)의 분사를 이용하여 경사진 복합재층(110)의 형성을 나타낸 예시도이다.
밸브시트의 모재로 형성된 합금소재(100)에 레이저 및 고주파 등을 포함하는 고에너지(120)를 분사하여 합금소재(100)의 일부가 용융되어 융착됨으로써, 경사구조면을 갖는 복합재층(110)이 형성될 수 있다.
또한, 탄소섬유, 탄소나노튜브 및 레진을 도포한 후 고에너지(120)를 분사하여 경사구조면을 갖는 복합재층(110)을 형성할 수도 있다.
탄소섬유와 탄소나노튜브의 탄소들은 규소와 결합하여 규탄화물을 생성하고, 이로써 보다 높은 내마모성을 가지는 효과가 있다.
상기 탄소섬유는 유기섬유를 비활성 기체 속에서 가열 및 탄화하여 만든 섬유로써, 셀룰로스, 아크릴섬유, 비닐론 및 피치 등이 원료로 쓰이고, 일반적으로 탄소의 육각 고리가 연이어 층상격자를 형성한 구조로 금속광택을 갖는다. 본 발명에서는 마이크로미터 수준의 미세한 스케일로 절단된 형태로 사용된다.
한편, 상기 탄소나노튜브는 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 신소재로써, 관의 지름이 수 ~ 수십 나노미터에 불과하고, 전기전도도는 구리와 비슷하며, 열전도율은 다이아몬드와 같고, 강도는 철강보다 약 100배 가량 우수하다. 본 발명에서는 분말 형태로 사용되는 것이 일반적이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 2차 성형 및 소결을 통해 경사진 복합재층(110)의 형성을 나타낸 예시도이다.
모재 합금원소로 1차 성형을 하고, 이후 탄소복합재료를 첨가하여 2차 성형을 하는 방식으로 이용된다. 여기서 상기 탄소복합재료는 탄소섬유 및 탄소나노튜브와 같이 탄소를 포함하여 형성된 다양한 소재일 수 있다.
상기 2차 성형 후에 압력 및 열을 가하여 합금소재(100)를 소결시킴으로써, 경사구조면을 가지는 복합재층(110)을 형성할 수 있다.
마지막으로 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유, 탄소나노튜브 및 레진을 도포하여 경사진 복합재층(110)의 형성을 나타낸 예시도이다.
먼저, 탄소섬유, 탄소나노튜브 및 레진을 도장 또는 전착 등의 방법으로 밸브시트용 합금소재(100)에 1차적으로 접착시킨다.
그리고 고온의 진공 또는 탄소 분위기에서 경화시킴으로써, 경사구조면을 갖는 복합재층(110)을 형성할 수 있다.
여기서 상기 레진이란 유기화합물 및 그 유도체로 이루어진 비결정성 고체 또는 반고체를 말하는 것으로, 천연수지와 합성수지로 구분될 수 있는데, 본 발명에서 사용하는 레진은 고체 또는 반고체 여부 및 천연 또는 합성 여부와 상관없이 이용될 수 있다.
본 발명은 밸브시트용 합금소재(100)를 구리를 주성분으로 하고, 니켈, 철, 규소 및 크롬을 적정량 포함하여, 첨가하는 고경도 입자생성 원소의 양을 최적화하여 비용을 절감할 수 있고, 용접성과 내마모성 또한 향상시키는 장점이 있다.
그리고 밸브시트용 합금소재(100)의 일측면에 다양한 방법을 이용하여 탄소물질 등을 포함하는 경사진 복합재층(110)을 형성함으로써, 갈라짐과 부서짐을 방지하고, 소음진동 성능을 향상시키는 장점이 있다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
100 : 합금소재
110 : 복합재층
120 : 고에너지

Claims (5)

  1. 밸브시트용 합금소재에 있어서,
    상기 합금소재는 구리를 주성분으로 하고, 니켈(Nickel) 5.0 ~ 24.0 중량%, 철(Iron) 3.0 ~ 15.0 중량%, 규소(Silicon) 0.5 ~ 5.0 중량% 및 크롬(Chromium) 0.3 ~ 1.3 중량% 를 포함하며,
    상기 합금소재는 고경도 입자생성 원소인 알루미늄(Aluminium), 이트륨(Yttrium), 티타늄(Titanium) 또는 지르코늄(Zirconium) 중 어느 하나 이상의 물질을 1.0 ~ 15.0 중량% 함유하거나, 몰리브덴(Molybdenum), 텅스텐(Tungsten), 바나듐(Vanadium) 또는 코발트(Cobalt) 중 어느 하나 이상의 물질을 1.0 ~ 15.0 중량% 함유하고,
    상기 합금소재의 일측면에 탄소섬유 및 탄소나노튜브를 포함하는 경사진 복합재층이 형성되는 것을 특징으로 하는 경사구조면을 가지는 밸브시트용 구리합금소재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복합재층은 탄소섬유, 탄소나노튜브 및 레진을 도포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 경사구조면을 가지는 밸브시트용 구리합금소재.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복합재층은 모재(母材) 합금원소로 1차 성형하고, 상기 모재 합금원소에 탄소섬유 및 탄소나노튜브를 첨가하여 2차 성형하여 형성되는 것을 특징으로 하는 경사구조면을 가지는 밸브시트용 구리합금소재.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 복합재층은 상기 밸브시트의 모재에 레이저나 고주파를 포함하는 고에너지를 분사하여 용융 및 융착되어 형성되는 것을 특징으로 하는 경사구조면을 가지는 밸브시트용 구리합금소재.
  5. 밸브시트용 합금소재의 제조방법에 있어서,
    상기 합금소재를 구리를 주성분으로 하고, 니켈 5.0 ~ 24.0 중량%, 철 3.0 ~ 15.0 중량%, 규소 0.5 ~ 5.0 중량% 및 크롬 0.3 ~ 1.3 중량% 를 포함하며, 고경도 입자생성 원소인 알루미늄, 이트륨, 티타늄 또는 지르코늄 중 어느 하나 이상의 물질을 1.0 ~ 15.0 중량% 함유하거나, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐 또는 코발트 중 어느 하나 이상의 물질을 1.0 ~ 15.0 중량% 함유하도록 제조하는 단계 후에,
    상기 합금소재의 일측면에 탄소섬유, 탄소나노튜브 및 레진을 도포하여 경사진 복합재층을 형성하는 단계,
    상기 합금소재의 일측면에 모재(母材) 합금원소로 1차 성형하고, 상기 모재 합금원소에 탄소섬유 및 탄소나노튜브를 첨가하여 2차 성형하여 경사진 복합재층을 형성하는 단계,
    또는 상기 합금소재의 일측면에 상기 밸브시트의 모재에 레이저나 고주파를 포함하는 고에너지를 분사하여 용융 및 융착되어 형성되는 경사진 복합재층을 형성하는 단계 중 어느 하나 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 경사구조면을 가지는 밸브시트의 제조방법.
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