KR100387488B1 - 레이저 클래딩 공법을 이용한 밸브 시트 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밸브 시트 제조방법을 개선하여 밸브 시트의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 밸브 시트가 가공되는 자리면에 생성되는 산화피막을 제거할 수 있는 레이저 클래딩 공법을 이용한 밸브 시트 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 레이저 클래딩 공법을 이용한 밸브 시트 제조방법에 있어서, 상기 밸브 시트가 가공될 주조물을 형성하는 단계와; 상기 주조물의 밸브 시트가 형성되는 부분에 레이저 클래딩을 위한 밸브 시트 자리면을 가공하는 단계와; 상기 가공된 밸브 시트 자리면에 형성되는 산화피막을 제거하는 단계와; 상기 산화피막이 제거된 밸브 시트 자리면에 미리 설정된 중량% 비율에 따라 혼합된 금속분말 조성물을 주입하는 단계와; 상기 주입되는 금속분말 조성물에 레이저빔을 주사하여 산화피막이 제거된 밸브 시트 자리면에 금속분말 조성물을 클래딩하여 밸브 시트를 형성하는 단계로 이루어진다.

Description

레이저 클래딩 공법을 이용한 밸브 시트 제조방법{USING THE LASER CLADDING PROCESS OF VALVE SEAT MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 밸브 시트 제조방법에 관한 것으로서, 특히 레이저 클래딩 공법을 이용한 밸브 시트 제조방법에 관한 것이다.

통상적으로, 차량의 밸브 시트는 흡기 밸브와 배기 밸브의 개폐시 밸브와의 기밀성을 유지함으로써 연소실의 열효율을 높이는데 중요한 역할을 담당하는 엔진 부품으로 밸브와의 접촉 및 마찰, 배기가스에의 노출 등을 견디어야 하기 때문에 약 400∼700 ℃온도에 대한 내열성, 내마모성 및 내산화성 등이 요구된다.

현재 사용되는 대부분의 밸브 시트는 금속분말 조성물을 소결(Sinter)하여 이를 실린더 헤드에 삽입하는 방법으로 제조되나 소결에 의한 방법으로 제조되면 경도가 높지 않아 밸브 시트와의 마찰에 의해 마모되기 쉬우므로 엔진의 성능을 저하시키는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 밸브 시트 제조방법을 개선하여 밸브 시트의 내구성을 향상시킬 수 있는 레이저 클래딩 공법을 이용한 밸브 시트 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 밸브 시트가 가공되는 자리면에 생성되는 산화피막을 제거할 수 있는 레이저 클래딩 공법을 이용한 밸브 시트 제조방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여 본 발명은 레이저 클래딩 공법을 이용한 밸브 시트 제조방법에 있어서, 상기 밸브 시트가 가공될 주조물을 형성하는 단계와; 상기 주조물의 밸브 시트가 형성되는 부분에 레이저 클래딩을 위한 밸브 시트 자리면을 가공하는 단계와; 상기 가공된 밸브 시트 자리면에 형성되는 산화피막을 제거하는 단계와; 상기 산화피막이 제거된 밸브 시트 자리면에 미리 설정된 중량% 비율에 따라 혼합된 금속분말 조성물을 주입하는 단계와; 상기 주입되는 금속분말 조성물에 레이저빔을 주사하여 산화피막이 제거된 밸브 시트 자리면에 금속분말 조성물을 클래딩하여 밸브 시트를 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 클래딩 공법을 이용한 밸브 시트 제조 단계를 도시한 공정 흐름도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예에 따른 밸브 시트의 제조방법은 레이저 클래딩(LASER Cladding)에 의한 방법으로써, 이는 에너지 밀도가 높은 특성을 갖는 레이저빔을 주사하여 모재에 금속분말 조성물을 클래딩함으로써 모재(실린더 헤드(12))와 일체형으로 밸브 시트를 제조하는 방법이다. 즉, 실린더 헤드(12)의 밸브 시트 자리면(10)에 레이저빔을 주사하여 모재를 용융시킴과 동시에 금속분말 조성물을 주입하여 표면을 합금화시키는 방법이다.

참고적으로 본 발명의 실시예에 따라 레이저 클래딩 가공 단계에 사용되는 레이저 클래딩 가공장치는 밸브 시트 자리면(10)의 산화피막을 제거하는 구성부와, 금속분말 조성물과 보호가스를 밸브 시트 자리면(10)에 주입하는 구성부와, 레이저빔을 발생하여 주입된 금속분말 조성물에 주사하는 구성부와, 상기 각각의 구성부의 작동을 제어하는 제어부로 구성한다.

도 1에 도시된 산화피막을 제거하는 ③단계와 레이저 클래딩 가공을 하는 ④단계에는 상기 레이저 클래딩 가공장치의 구성요소 가운데 일부 구성요소가 개시되어 있으며, 금속분말 조성물을 저장하여 밸브 시트 자리면(10)에 공급하는 공급부와, 밸브 시트 자리면(10)에 주입되는 금속분말 조성물에 보호가스를 공급하는 보호가스 공급용 노즐(30)이 도시됨을 알 수 있다.

또한, 레이저빔을 발생하는 레이저빔 공급원(20)과, 레이저빔 공급원(20)으로부터 투사되는 레이저빔을 렌즈(22)를 통해 밸브 시트 자리면(10)으로 주입되는 금속분말 조성물로 집중 주사하는 레이저빔 진동부(24)가 개시된다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 클래딩 공법을 이용한 밸브 시트 제조방법은 밸브 시트가 가공될 주조물(실린더 헤드(12))을 형성하는 ①단계와; 주조물의 밸브 시트가 형성되는 부분에 레이저 클래딩을 위한 밸브 시트 자리면(10)을 가공하는 ②단계와; 가공된 밸브 시트 자리면(10)에 형성되는 산화피막을 제거하는 ③단계와; 산화피막이 제거된 밸브 시트 자리면(10)에 미리 설정된 중량% 비율에 따라 혼합된 금속분말 조성물을 주입하고, 주입되는 금속분말 조성물에 레이저빔을 주사하여 밸브 시트를 클래딩 형성하는 ④단계로 이루어진다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 레이저 클래딩 공법을 이용한 밸브 시트 제조방법은 두 가지 방법으로 실시할 수 있다.

첫 번째 방법으로 실린더 헤드(12)를 주조 성형하고, 밸브 시트 자리면(10)을 가공한다(①, ②단계). 이어서, 공급부(14)에 저장된 실리콘(Si)과 보론(B)입자(16)를 밸브 시트 자리면(10)에 분사한 후 레이저빔을 주사하여 온도 상승시 화학반응을 유발하여 산화피막을 제거한다(③단계). 이어서, 레이저 클래딩(금속분말 조성물과 함께 레이저빔 주사)가공을 실시하고(④단계), 스로트(Throat)가공 및 밸브 접촉면을 가공하여 밸브 시트를 제조하게 된다(도시되지 않음).

또 다른 방법은 실린더 헤드(12)를 주조 성형하고, 밸브 시트 자리면(10)을 가공한다(①, ②단계). 이어서, 1차 레이저빔을 주사하여 산화피막을 제거하고(③단계), 이어서, 밸브 시트 자리면(10)에 분사되는 금속분말 조성물에 주사되는 레이저빔 주사량이 1차 레이저빔 주사량보다 증대되도록 2차 레이저빔을 주사하여 밸브 시트 자리면(10)을 클래딩 가공(④단계)하고, 스로트(Throat)가공 및 밸브 접촉면을 가공하여 밸브 시트를 제조하게 된다(도시되지 않음).

참고적으로 명세서 전반에 걸쳐 기재되는 용어 가운데 "주사"라 함은 레이저빔 공급원(20)에서 발생된 레이저빔을 원하는 부위에 발사시키는 것을 말한다.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 밸브 시트 제조방법에 있어서, 산화피막을 제거하는 ③단계는 두 가지로 구분되며, 사용자의 선택에 따라 실시할 수 있다. 도 1을 참조하여 산화피막을 제거하는 단계를 보다 상세하게 설명한다.

레이저 클래딩 작업시 밸브 시트 자리면(10)을 가공한 후 레이저 클래딩 작업을 실시하게 되면, 밸브 시트 자리면(10)에 형성된 산화피막이 레이저 클래딩시 모재와 금속분말 조성물의 결합을 저해하는 원인이 된다.

현재 밸브 시트를 제조하는 업체의 산화피막 제거방법은 자체 용제형 합금을 사용하는 방법을 취하고 있다. 이는 금속분말 조성물 성분에 산화피막을 제거하기 위한 성분(Si, B)을 함유시킨다는 것이다. 이것에 따른 문제점은 금속분말 조성물 성분 중에 산화피막 제거를 위한 성분을 함유하게 됨으로써 레이저 클래딩후에도 성분이 합금층과 섞여있게 되어 고온의 연소실 조건에서 엔진 운행중 실리콘과 보론(Si, B)입자의 반응이 발생하는 경우 엔진 고장(Failure) 상태를 초래하게 되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 레이저 클래딩 가공을 하기 이전에 밸브 시트 자리면(10)에 형성되는 산화피막 제거를 선행한다.

먼저, 도 1의 ③단계에서 첫 번째 방법 ⓐ는 미리 설정된 중량% 비율에 따라 혼합된 금속분말 조성물을 가공된 밸브 시트 자리면(10)에 주입하는 단계와; 주입된 금속분말 조성물에 레이저빔을 주사하여 온도 상승에 따른 화학반응으로 산화피막을 제거하는 단계로 이루어진다.

여기서, 미리 설정된 중량% 비율에 따라 혼합된 금속분말 조성물은 실리콘(Si)과 보론(B)입자(16)로 이루어진다. 실리콘(Si)과 보론(B)입자(16)는 서로 혼합되어 화학 반응을 통해 열을 발산한다. 이러한 특성으로 산화피막 제거재로 사용되지만 금속 분말상태 즉 안정화된 상태로는 서로 반응을 하지 않기 때문에 실리콘(Si)과 보론(B)입자(16)를 분사한 후 레이저빔을 주사하게 된다. 이때 발생하는 열이 실리콘(Si)과 보론(B)입자(16)의 화학 반응을 도와 밸브 시트 자리면의 가공시 발생한 산화피막을 제거할 수 있게된다.

한편, 도 1의 ③단계에서 두 번째 방법 ⓑ는 가공된 밸브 시트 자리면(10)에 레이저빔만을 주사하고, 주사되는 레이저빔의 주사량을 조절하여 산화피막을 제거한다.

여기서, 1차 레이저빔 주사는 산화피막이 형성된 밸브 시트 자리면(10)을 1회전 주사(주사량을 조절하여 산화피막만 제거할 수 있게 함 ; 알루미늄 합금의 용융점(Melting Point)을 넘지 않는 온도 범위 설정)한다.

이와 같이 밸브 시트의 자리면(10)에 형성된 산화피막이 제거된 상태에서 밸브 시트를 클래딩 형성하기 위한 ④단계로 진입하게 된다. ④단계에서는 금속분말조성물의 주입시 금속분말 조성물의 이송을 원활하게 하며, 금속분말 조성물을 외부 공기로부터 차단시키는 보호가스(Shielding Gas)를 혼합하여 주입한다.

즉, 금속분말 조성물을 공급부(14)를 통해 밸브 시트 자리면(10)에 주입할 때 보호가스 (Shielding Gas)를 공급하는데, 보호가스는 금속분말 조성물과 함께 혼합되어 공급되며 동시에 별도의 보호가스 공급장치를 통해서도 공급할 수 있다.

보호 가스는 금속분말 조성물의 이송을 원활하게 하며, 혼합된 금속분말 조성물을 외부 공기로부터 차단하여 레이저 클래딩 가공시 금속분말 조성물이 산화되는 것을 방지하는 기능을 한다. 사용될 수 있는 보호가스로는 아르곤 가스 또는 헬륨 가스등이 있는데, 효율은 높으나 고가인 헬륨 가스보다는 아르곤 가스가 주로 사용된다.

또한, 전술한 ④단계에서 레이저빔이 주사되는 금속분말 조성물은 구리(Cu)와 니켈(Ni)입자(18)를 미리 설정된 중량% 비율에 따라 혼합하여 이루어진다.

즉, 본 발명에서는 밸브 시트 클래딩용 재료로 사용되는 금속분말 조성물을 제공하는데, 이들 조성물은 구리(Cu), 니켈(Ni)입자(18)를 혼합하여 이루어지는 것으로서, 모재인 알루미늄 합금강에 클래딩된다.

이와 같이 레이저 클래딩 공법을 이용하여 밸브 시트 자리면(10)이 클래딩 가공되면, 밸브 시트의 가공을 보다 용이하게 실시할 수 있다. 예를 들면, 밸브 시트의 내구성이 개선되어 밸브 시트의 직경과 밸브 시트에 접촉되는 밸브의 직경을 보다 자유롭게 설계 변경할 수 있으며, 밸브 시트의 온도를 낮춤으로써 압축비와 연료 소모량을 개선할 수 있다.

또한, 밸브 시트 제조에 있어서, 생산성 향상과 기초 재료 소비량 감소에 따른 원가를 절감할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 레이저 클래딩 공법을 이용한 밸브 시트 제조방법은 에너지 밀도가 높은 레이저빔의 특성을 밸브 시트 제조기술에 응용하여 모재와 클래드 층과의 접합 강도를 향상시키고, 고온에서도 높은 경도를 나타내고 내마모성도 우수한 밸브 시트를 제조하여 엔진 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 레이저 클래딩 공법을 이용한 밸브 시트 제조방법에 있어서,

   상기 밸브 시트가 가공될 주조물을 형성하는 단계와;

   상기 주조물의 밸브 시트가 형성되는 부분에 레이저 클래딩을 위한 밸브 시트 자리면을 가공하는 단계와;

   미리 설정된 중량% 비율에 따라 혼합된 실리콘(Si)과 보론(B)입자로 이루어진 금속분말 조성물을 상기 가공된 밸브 시트 자리면에 주입하는 단계와;

   상기 주입된 금속분말 조성물에 레이저빔을 주사하여 온도 상승에 따른 화학반응으로 산화피막을 제거하는 단계와;

   상기 산화피막이 제거된 밸브 시트 자리면에 미리 설정된 중량% 비율에 따라 혼합된 금속분말 조성물을 주입하는 단계와;

   상기 주입되는 금속분말 조성물에 레이저빔을 주사하여 산화피막이 제거된 밸브 시트 자리면에 금속분말 조성물을 클래딩하여 밸브 시트를 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 공법을 이용한 밸브 시트 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 산화피막 제거단계는 상기 가공된 밸브 시트 자리면에 레이저빔을 주사량을 조절하여 산화피막을 제거하는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 공법을 이용한 밸브 시트 제조방법.
5. 제3항에 있어서, 상기 금속분말 조성물의 주입단계에서 금속분말 조성물의 이송을 원활하게 하며, 금속분말 조성물을 외부 공기로부터 차단시키는 보호가스를 혼합하여 주입하는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 공법을 이용한 밸브 시트 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 보호가스는 아르곤 가스인 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 공법을 이용한 밸브 시트 제조방법.
7. 제3항에 있어서, 상기 레이저빔이 주사되는 금속분말 조성물은 구리(Cu)와 니켈(Ni)입자를 미리 설정된 중량% 비율에 따라 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 클래딩 공법을 이용한 밸브 시트 제조방법.