KR0138683B1 - 내연 기관의 피스톤 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고(高) 실리콘 함유 알루미늄합금으로 이루어지며, 피스톤보스부 근방에, 다공질 양극산화 피막을 형성하고 그 다공질피막에 몰리브덴유화물 또는 불소계수지로 이루어진 윤활제를 침투시켜 이루어진 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤에 관한 것이며, 이 피스톤은 피스톤 표면을 양극산화하여 다공질 산화피막을 형성하고, 윤활제를 침투시킨 후에 불필요한 산화피막을 제거하든지, 피스톤보스부 근방이외의 부분을 마스킹하여 산화피막을 형성하고, 윤활제를 침투시킴으로써 제조되고 피스톤 보스부의 열변형이 극히 작기 때문에, 높은 공연비에서의 고온조건하에서도 피스톤핀의 운동이 저해받지 않고, 엔진트러블 등의 문제를 발생하지 않는다.

Description

내연 기관의 피스톤 및 그 제조방법

제1도는 본 발명에 의한 피스톤의 일실시예를 나타낸 정면도(1a), 측면도(1b) 및 저면도(1c).

제2도는 본 발명에 의한 피스톤의 다른 실시예를 나타낸 정면도(2a), 측면도(2b) 및 저면도(2c).

제3도는 실험예 2에 있어서의 벤치테스트의 조건을 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 피스톤 3 : 피스톤 보스

4 : 스커트부 5 : 헤드

본 발명은 내연기관의 피스톤(piston)에 관한 것이며, 특히 그 작동중에 있어서, 피스톤보스(piston boss)부 근방의 열변형을 방지한 피스톤 및 그 제조방법에 관한 것이다.

내연기관의 피스톤은, 2 싸이클 혹은 4 싸이클을 따지지 않고 고온하에서 실린더내를 미끄럼운동하고 있다. 그 미끄럼운동성을 개선하기 위해서는, 피스톤링(ring)홈의 내마모성을 향상시키는 것이 필요하며, 그 때문에, 적어도 탑링(top ring)홈을 포함한 외부외주면에 양극산화를 실시하거나, 또한 합성수지와 윤활제를 피복 또는 침투시키는 방법이 제안되어 있다(특원소 63-170543호). 또, 피스톤의 헤드(head)의 열적, 기계적 응력에 내구성을 향상시키기 위하여 양극산화처리를 실시하는 것도 알려져, 이들의 방법은 우선 효과를 거두고 있다.

일반적으로, 피스톤의 실린더내에서의 상하미끄럼운동은, 피스톤에 설치된 피스톤보스로 삽입된 피스톤핀(piston pin)으로 접속된 커넥팅로드로 전달되고, 이 커넥팅로드의 미끄럼운동이 크랭크축에 전달되어 축의 회전운동으로 변환된다. 여기에서 피스톤보스는, 피스톤핀의 축받이로써 작용하고 있지만, 피스톤핀과 피스톤보스와의 사이에 약간의 간격(여유)이 있고, 피스톤핀은 피스톤보스내에서 약간의 운동을 하고 있다. 이 운동이 매끄러우면, 피스톤의 미끄럼운동이 원활히 전달되며, 엔진의 회전도 매끄럽게 된다. 그렇지만 피스톤보스가 열변형하면 이 피스톤핀의 운동이 원활하지 않게 된다는 문제가 생긴다.

근래, 지구환경보호의 견지에서, 배출가스중의 CO, HC, NOX농도를 저감시키는 것이 요구되도록 되어 가고 있다. 이 요구를 만족하기 위해서는, 희박연소비(공연비), 즉 공기의 중량(A)와 연료의 중량(F)의 비(A/F)를 크게 하는 것이 필요하고, 이 비를 크게 하면 연소온도가 극도로 상승한다. 이 연소온도의 상승에 따라 피스톤 헤드가 고온으로 되고 그 고온이 피슨보스에도 전달되어 피스톤보스의 열변형을 초래한다는 것을 알았다. 이 피스톤보스가 열변형함으로써 피스톤보스내에서의 피스톤핀의 회전이 불규칙하게 되고, 그것에 기인하여 피스톤의 실린더내에서의 미끄럼운동에 이상을 초래하고, 흠집등이 발생한다라는 문제가 생겼다. 즉, 종래와 같이 공연비의 지나치게 크지 않은 사용조건하에서는, 배출가스중의 CO, HC, NOX 농도는 높지만, 피스톤핀의 운동은 매끄러우며, 실린더와 피스톤의 흠집등도 발생하기 어려우나, CO, HC, NOX 농도를 저감시키기 위해 공연비를 올리면, 연소온도의 상상으로 피스톤 헤드가 고온으로 되고 그 열전달에 의해 피스톤보스도 고온으로 된다.

본 발명자들은 이같은 피스톤보스의 고온화가, 피스톤보스의 불균일한 열변형을 초래하는 것을 발견했다. 이 열변형에 따라, 피스톤핀의 자유로운 운동, 나아가서 피스톤과 실린더와의 원활한 미끄럼운동이 저해되므로써, 이것은, 예를 들어 실린더벽과 피스톤과의 흠집과 눌어붙음이 생겨서 엔진트러블의 원인으로도 된다.

일반적으로, 원통형과 같은 단순한 형상의 부재라면, 온도상승에 따라 내경등이 균일하게 감소(축소)된다. 이 경우는, 예를 들어 내경을 허용된 범위내에서 크게 성형하면 열변형의 영향을 제거할 수 있다. 그러나, 피스톤과 같이 복잡한 형상의 부재의 경우는, 실제로는 불균일한 변형을 발생시키고, 변형의 정도를 예측 추정하여 대책을 강구하는 것은 곤란하다. 실제의 피스톤보스의 구멍지름은 14∼16mmφ정도인 경우가 많고, 피스톤 재료에 통상 이용되어지는 AC8A의 열팽창율은 약 19×10^-6(/℃)이다. 즉, 임시로 몇번의 온도상승에서도 피스톤보스 구멍은 수㎛의 불규칙변형을 생기게 하고, 피스톤핀지름과 피스톤보스내경과의 간격의 허용차를 넘어서 변형하여 원활한 피스톤핀의 운동이 저해되게 된다. 예를 들어, 공연비가 10%정도 증대한 경우, 피스톤의 헤드의 온도는 수십도 상승한다고 하며, 이에 따라 피스톤부에서는, 몇번의 온도상승으로 되어 변형이 개시되어 버린다. 공연비를 10%전후 증대시키지 않으면 안되는 현상을 감안한다면, 고온지역의 연소에 의해 피스톤보스 뿐만 아니라, 피스톤핀지름도 팽창하여 피스톤핀의 운동이 극단적으로 제한된다. 이것은 피스톤의 미끄럼운동의 원활성에도 악영향을 미쳐서 피스톤과 실린더내벽과의 사이에서 흠집과 눌어붙음의 발생을 초래하여 엔진의 회전을 어렵게 할뿐만 아니라 피스톤, 실린더, 피스톤핀등의 파손을 초래하는 일도 있었다. 본 발명자들은 이들 일련의 사상(事象)의 인과관계를 파악하여 본 발명을 이루게 되었다.

이같은 문제는, 4 싸이클 엔진 및 2 싸이클 엔진의 어느 것에 있어서도 발생하지만 특히 2 싸이클 엔진에서 발생하기 쉬운 경향이 있었다.

종래의 피스톤에서는, 그 헤드와 피스톤링홈 혹은 스커트부등에는 내열성과 내내마모성의 향상을 위하여 경질알루마이트 처리된 것도 있으나, 피스톤보스와 피스톤핀 구멍 주변에 까지 경질알루마이트 처리를 한 예는 없으며, 이 부분의 개량은 없었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하여 고온조건하에서도 열변형하기 어려운 피스톤보스를 가지는 피스톤 및 그와 같은 피스톤의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 상기의 목적을 달성하기 위하여 피스톤보스부 근방에 다공질양극 산화피막이 형성되어 그 다공질피막에 윤활성물질을 침투시킨 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤을 제공한다. 상기 윤활성 물질로써는, 몰리브덴유화물 또는 불소계수지 등이 바람직하다.

또 본 발명은 피스톤의 전표면에 1차 전해에 의해 다공질 양극 산화피막을 형성하여, 이어서 그 다공질피막에 2차 전해법에 의해 몰리브덴 유화물을 침투시키거나, 또는 상기 다공질 피막에 불소계수지를 침투시켜, 그러한 후에 적어도 피스톤보스부 근방이외의 표면을 기계적, 물리적, 또는 화학적으로 연삭하여 상기 다공질 피막을 제거하여 이루어진 내연기관의 피스톤의 제조방법을 제공한다.

더욱이, 본 발명은 피스톤보스부 근방이외의 표면을 접착성 테이프 또는 도료에 의해 마스킹 한 후 양극산화에 의해 피스톤보스부 근방 표면에 다공질양극 산화피막을 형성하여 그 다공질 피막에 몰리브덴유화물 또는 불소계수지로 된 윤활성물질을 침투시켜, 그러한 후에 상기 접착성 테이프 또는 도료로 된 마스킹을 박리하여 된 내연기관의 피스톤의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 내연기관의 피스톤에서, 피스톤보스부 근방에 다공질양극 산화피막을 설치하고, 그 피막중에 윤활제를 침투시키고 있기 때문에, 높은 공연비에서의 고온 영역의 연소에 있어서도 피스톤보스부의 연변형과 열연화등을 방지할 수 있으며, 엔진 회전시의 피스톤핀과 피스톤보스의 미끄럼운동, 운동이 원활히 유지되어, 정상적인 엔진회전이 장기간에 걸쳐 보호된다. 또, 피스톤보스부 이외의 스커트부와 헤드에는 산화피막이 없기 때문에, 피스톤운동에 따른 온도상승을 방지할 수 있다.

이하에 실시예를 들어 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

제1도는, 본 발명에 의한 피스톤의 일실시예를 도시한 도면이고 4 싸이클엔진용의 피스톤이다. 제1도에 있어서, 피스톤(1)은 대략 원통상의 스커트부(4)와 그 서커트부(4)의 한끝을 폐쇄하는 헤드(5)로된 대략 컵모양을 이루고 있다. 상기 스커트부(4)의 외주에는, 상기 헤드(5)에 가까운 쪽에서 순서로 첫 번째링 감입홈(2b) 및 오일링 감입홈(2a)이 형성되어 있다. 또, 스커트부(4)는, 상기 오일링 감입홈(2a)의 아래 부분에 있어서, 서로 평행한 2평면을 형성하고 있고, 그들 2평면의 각 중앙부에 관통구멍이 형성되어 있다. 이들의 관통구멍은, 서로 동축이고, 각 관통구멍의 주위에는, 벽면을 쌓아 올린 형상의 피스톤보스(3)이 설치되어 있다.

이 4 싸이클 엔진용의 피스톤(1)의 재질은 4 싸이클엔진에, 종래로부터 사용되고 있는 재료이어도 좋지만, 실리콘(Si)을 많이 포함한 금속주물, 예를 들면 AC8A, 로엑스(Lo-Ex)합금이라 불려지는 고(高) 실리콘 함유 알루미늄합금이 바람직하다. 이것들은, 12∼23%의 Si를 포함한 재료이다.

제2도는, 본 발명의 피스톤의 다른 실시예를 도시한 도면이고, 2 싸이클 엔진용의 피스톤이다. 제2도에 있어서도 피스톤(1)은 대략 원통상의 스커트부분(4)와 그 스커트부분(4)의 한끝을 폐쇄하는 헤드(5)로 된 대략 컵모양을 이루고 있다. 상기 스커트부(4)의 외주에는, 상기 헤드(5)에 가까운 쪽으로부터 순서로 첫 번째링 감입홈(2b), 두 번째링 감입홈(2c) 및 오일링 감입홈(2a)이 형성되어 있다. 또, 스커트부(4)에는, 상기 오일링 감입홈(2a)의 아래 부분에 있어서, 서로 동축의 관통구멍이 형성되어 피스톤보스(3)를 이루고 있다. 2 싸이클엔진의 경우에는, 4 싸이클엔진과 비교하여, 공연비의 증대에 따른 연소온도의 상승이 생기기 쉽기 때문에, 엔진 오일공급을 위한 오일구멍과 피스톤보스 근방의 스커트부의 슬릿 등을 설치해 두는 것이 바람직하다.

이 2 싸이클 엔진용의 피스톤(1)의 재질은, 2 싸이클엔진에 종래로부터 사용되고 있는 재료이어도 좋지만, 실리콘(Si)을 다량 포함한 금속주물, 예를 들어 AC9A, AC9B라고 불려지는 고(高) 실리콘 함유 알루미늄합금이 바람직하다. 이들은 19∼23%의 Si를 포함한 재료이다.

도시하지 않았지만, 제1도의 4 싸이클 엔진용 피스톤 및 제2도의 2 싸이클 엔진용 피스톤의 어느 경우에도, 피스톤보스(3)의 관통구멍에 피스톤핀이 삽입되며, 그 피스톤핀의 축방향의 중점부근에 커넥팅로드의 한끝이 설치되어 피스톤과 함께 커넥팅로드가 미끄럼운동하게 된다. 여기에서 피스톤보스(3)은, 삽입되는 피스톤핀의 축받이로써 움직이고 있다. 더욱이 커넥팅로드의 다른 끝은 크랭크축에 접속되어 피스톤 즉, 커넥팅로드의 미끄럼운동이 크랭크축의 회전운동으로 변환된다.

본 발명의 피스톤(1)에 있어서는, 전체가 상기와 같이 고(高)실리콘 함유 알루미늄합금으로 되고, 또한 그 피스톤보스(3)부 근방의 표면에 다공질 산화피막이 형성되고 그 다공질 산화피막에 윤활제가 침투되어 있는 것을 특징으로 한다. 여기에서, 피스톤보스부 근방이라는 것은 적어도 피스톤보스 구멍의 내측으로, 삽입된 피스톤핀과 접하는 부분, 바람직한 것은 피스톤보스 구멍의 내측 및 그 주변의 표면을 의미하는 것이다. 예를 들어, 제1도 및 제2도에 도시한 예에서는, 일반적으로 점으로 표시한 부분을 피스톤보스부 근방으로 하는 것이 바람직하다.

상기 다공질 산화피막에 침투시키는 윤활제로서는, 종래로부터 윤활제로 이용되고 있는 천연유류, 불소계수지, 이염기산에스테르와 실리콘 등의 합성윤활유, 그리스(grease), 또는 유화몰리브덴 등의 몰리브덴유화물 등이 예로 들어지지만, 그 중에서도 몰리브덴유화물 또는 훗소계수지가 바람직하다.

본 발명의 피스톤에서는, 그 재로로써 고(高피)실리콘 함유 알루미늄 합금을 이용하고 있어서, 경량으로 기계강도가 높고, 내열성에도 뛰어나다.

또, 본 발명의 피스톤에서는, 피스톤보스부 근방이 수 ㎛에서 수십 ㎛두께의 경질의 산화피막으로 피복되어 있다. 이 산화피막의 열팽창률은, 알루미늄합금의 약 1/5정도이기 때문에, 적어도 피스톤보스부 근방의 열변형을 억제할 수 있다. 예를 들어 피스톤 헤드가 400℃정도로 가열된 경우에는, 이 산화피막에 의해 열팽창의 억제효과는 충분히 발휘된다.

더욱이, 본 발명의 피스톤에서는, 피스톤보스부 근방에 형성된 단단한 다공질 산화피막 전체에 몰리브덴 유화물 등의 윤활제가 존재한다. 따라서, 종래와 같이 윤활제를 간단히 도포한 경우와는 달리, 그 산화피막이 마모하여 완전히 없어질 때까지는 뛰어난 윤활성 및 내마모성을 유지할 수 있다. 즉, 엔진과 같은 엄격한 마모조건하에서의 용도에 적합한 것이다.

특히, 윤활제로서 몰리브덴유화물을 이용한 경우, 그 몰리브덴유화물이 침투한 피스톤보스부의 산화피막과 피스톤핀이 접함으로써, 강재(鋼材)와 유화물이 반응하여 피스톤핀의 강재표면에 철등의 강재의 유화물 층이 형성되거나, 또는 몰리브덴유화물 자체가 강재표면으로 전이하는 것을 알았다. 따라서, 피스톤보스와 피스톤핀과의 미끄럼운동성은 원활히 유지되고, 공연비의 증대에 따른 연소온도의 상승에 기인하는 피스톤보스의 열변형이 방지되며, 피스톤보스와 피스톤핀과의 사이의 간격에 변동으로 생기는 미끄럼운동상의 트러블이 방지된다.

이어서, 본 발명에 의한 내연기관의 피스톤의 제조방법에 대하여 상술한다.

본 발명의 제1제조방법에서, 우선 고(高)실리콘 함유 알루미늄경합금을 재료로 한 피스톤의 적어도 피스톤보스부 근방, 즉 피스톤핀 축받이부와 핀구멍 주변부의 표면에, 양극산화처리에 의해 다공질의 산화피막을 형성한다. 구체적으로는, 피스톤의 적어도 피스톤보스부 근방을 유산, 수산 등의 무기산, 혹은 유기산의 단독 또는 혼합물을 포함한 용액으로 이루어진 전해액에 담그고, 이 피스톤을 양극으로 하여 전해한다. 이 전해에 의해 피스톤의 적어도 전해액에 접한 부분의 표면이 산화되며, 다공질의 양극산화피막이 형성된다. 이때, 전해시간과 전해전류치등의 조건을 조정함으로써, 다공질 산화피막의 두께를 수 ㎛에서 수십 ㎛으로 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 이와 같이 하여 형성된 다공질 산화피막에 윤활제를 침투시킨다. 이 윤활제로서는 몰리브덴유화물, 혹은 불소계수지를 이용하는 것이 좋다.

몰리브덴유화물을 이용할 경우에는, 예를 들어 몰리브덴 산 암모니아((NH₄)₂MoS₄)등의 몰리브덴유화물을 용해한 전해액을 준비하고, 그 전해액속에 피스톤의 적어도 다공질 산화피막을 형성한 부분을 담그고, 그것을 양극으로 하여 전해한다. 이 전해에 의해 전해액속에 존재하는 부전하를 가진 MoS₄ ^2-가, 양극인 피스톤측으로 끌어당기고, 피스톤 표면에 형성된 산화피막의 구멍내에서 산화되어, MoS₂라고 하는 윤활성을 가지는 몰리브덴유화물이 다공질 산화피막 전체에 균일하게 석출된다.

불소계수지를 이용하는 경우에는, 예를 들어 불소계수지 에멀젼도료를 도포한 후에 가열해도 좋으며, 불소계수지분체를 가열조건하에서 분사하여 용융시켜 침투시켜도 좋다.

이와 같이 하여 다공질 피막에 윤활제를 침투시킨 후, 피스톤의 피스톤보스부 이외에 형성된 다공질 산화피막을 제거하여, 본 발명의 피스톤을 얻는다. 다공질피막을 제거하는 방법으로서는, 기계적, 물리적, 또는 화학적 연법(硏法)등이 적합하게 이용된다.

기계적 연마는, 선반과 같은 연삭기를 이용하여 행하는 것이 좋으며, 이 기계적 연삭법에 의하면, 평활하고 미련한 연삭면이 얻어진다.

물리적 연마는, 알런덤(alundum), 코런덤(corundum)등의 경질입자를 분사하여 연마하는 플래스터법 등이 바람직하게 이용되며, 이 방법은 대량생산에 적당하다. 또, 이 방법에 의해 얻어지는 연삭면은 미소하게 조면화하고 있기 때문에, 방열성이 양호하고 함유성도 향상한다.

화학적 연마는, 가성(苛性)소다와 같은 알칼리액에 의한 연삭이 바람직하다. 이 알칼리액에 의한 화학적 연삭에서는, 붓터치 등에 의해 소정의 군데만을 알칼리액을 도포하여 연삭할 수 있으며, 미소한 부분을 한정적으로 연삭하는 것이 가능하다.

또, 이들의 방법은, 적용하는 부분에 따라, 적절히 짜맞추어서 이용할 수도 있다.

본 발명의 제2제조방법에 있어서는, 우선, 피스톤의 피스톤보스 이외의 표면을 마스킹재료로 마스킹한다.

이 마스킹은, 접착테이프 또는 도료에 의해 행하는 것이 좋다.

마스킹에 이용되는 접착테이프로서는, 내산성, 내알칼리성을 가지며, 전기절연성이고, 어느 정도의 강도를 가짐과 동시에 접착성에 뛰어나고, 또한 박리할 경우에 접착제가 남지 않도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 염화비닐, 폴리에틸렌, 염화비닐리덴, 그외의 수지필름 및 불소계수지필름과 같은 수지필름에 접착제를 도포한 것이 예로 들어진다.

이같은 접착성 테이프로서, 예를 들어 일동전공사(日東電工社) 제품의 염화비닐을 지지체로 하는 접착테이프 SPV-214 또는 SPV-224등이 알맞게 이용된다. 접착테이프를 이용하여 마스킹하는 방법은, 마스킹을 위한 특별한 장치를 필요로 하지 않고 간편하게 마스킹을 행할 수 있다라는 이점이 있지만, 오목부와 미세한 부분의 마스킹이 곤란한 경우도 있다.

마스킹에 사용되는 도료로서는, 내산성, 내알칼리성을 가지며, 전기 절연성이고, 건조후의 도료피막이 어느 정도의 강도를 가지는 것이 좋지만, 일반적으로는 알카리계, 폴리스틸렌계, 파라핀계, 실리콘수지계, 불소수지계의 도료 등이 열거된다. 이 마스킹방법에서는, 상기와 같은 도료를 피스톤보스부 이외의 표면에 도포하고 건조시키면 좋고, 복잡한 형상과 미세한 부분에도 유효하게 마스킹 할 수 있다. 단지, 이들의 도료를 이용하여 마스킹 할 경우, 도포를 위한 치구(治具)와 공구를 필요로 하는 것, 건조에 시간이 걸리는 것, 최종공정에 있어서 건조한 도표피막을 유기용제등으로 박리하는 수고가 드는 것등의 결점도 있다. 따라서 상기의 접착테이프 및 도료를 맞추어서 간편하고 유효히 마스킹하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하여 마스킹한 피스톤을, 상술한 제1제조방법에서 말한 것과 같이 양극산화처리하여 피스톤보스부 근방에 다공질산화피막을 형성한다. 이어서, 그 다공질 산화피막에, 제1제조방법에서 말한것과 같이 하여 윤활제를 침투시킨다.

최후에, 피스톤보스부 이외를 마스킹한 마스킹재를 박리하여 본 발명의 피스톤을 얻는다. 접착테이프로 마스킹한 경우는, 그 접착테이프를 벗겨내는 것만으로 간편하게 박리할 수 있다. 도막으로 마스킹한 경우에는, 그 도막을 유기용매등으로 용해시켜서 제거하면 좋다. 그 용매는, 사용한 도료의 용해성에 따라 적정 선택하면 좋다.

그리고, 본 발명의 제조방법에 있어서는 피스톤보스부 근방이외에도 작동시에 현저한 열변형을 받기 쉬운 부분, 작동시에 실린더와 강하게 마찰하여 마모되기 쉬운 부분, 극단에 마스킹하기 어려운 부분 등을, 피스톤보스부 근방과 같이 양극산화처리하고, 윤활제를 침투시켜도 좋다. 구체적으로는, 그와 같은 부분은 피스톤의 형상에 의해 다르지만, 예를 들어 피스톤보스의 구멍주변의 융기한 부분등이 포함된다.

[실시예 1]

고(高) 실리콘 함유 알루미늄합금에서, 제1도에 도시한 4 싸이클 엔진용 피스톤을 주조했다. 이 피스톤의 헤드의 지름은 56mm, 피스톤의 길이는 59mm로 했다.

똑같이, 고(高) 실리콘 함유 알루미늄 합금에서, 제2도에 도시한 2 싸이클의 엔진용 피스톤을 주조했다. 이 피스톤의 헤드의 지름은 49mm, 피스톤의 길이는 45mm로 했다.

이어서, 이들의 피스톤을 양극으로 하고, 납판을 음극으로 하여 20wt%의 유산수 용액중에서 10부터 60분사이에 전해함으로써, 피스톤의 전 표면에 두께 수 ㎛∼수십 ㎛의 다공질 산화피막을 형성했다.

더욱이 이 다공질 산화피막을 형성한 피스톤을 양극으로 하고 스테인레스판을 음극으로 하여, 0.1wt%의 몰리브덴 산 암모니움을 포함한 전해액중에서 10분간 전해함으로써, 몰리브덴유화물을 다공질 산화피막속으로 침투시켰다.

이들의 피스톤의 표면의, 피스톤보스부 근방(제1도 및 제2도의 점으로서 표시한 부분) 이외의 표면을 선반을 이용해서 연삭하여 다공질 산화피막을 제거하여 본 발명의 피스톤을 얻었다.

[실시예 2]

실시예 1과 같이 피스톤을 주조하고, 전 표면에 다공질 산화피막을 형성했다.

이들의 피스톤에 불소계수지 분산도료를 도포하여, 가열건조함으로써, 다공질 산화피막중에 불소계수지를 침투시켰다.

이들의 피스톤의 표면의, 피스톤보스부 근방이외의 표면을 선반을 이용하여 연삭하여 다공질 산화피막을 제거하여 본 발명의 피스톤을 얻었다.

[실시예 3]

실시예 1과 같이 피스톤을 주조하여 전 표면에 다공질 산화피막을 형성한 후에 몰리브덴유화물을 침투시켰다.

이들의 피스톤의 표면의, 피스톤보스부 근방이외의 표면을 알런덤(alundum), 코런덤(corundum) 의 경질미립지를 내뿜는 브래스터법에 의해 물리적으로 연삭하여 다공질 산화피막을 제거하여 본 발명의 피스톤을 얻었다.

[실시예 4]

실시예 1과 같이 피스톤을 주조하여 전 표면에 다공질 산화피막을 형성한 후에 몰리브덴유화물을 침투시켰다.

이들의 피스톤의 표면의, 피스톤보스부 근방이외의 표면을 3%의 가성소다로 처리하여 산화피막을 제거하고, 1%의 질산으로 처리하여 부착된 가성소다 중화시켜 제거하여 본 발명의 피스톤을 얻었다.

[실시예 5]

실시예 1과 같이 피스톤을 주조했다. 피스톤보스부 근방이외의 표면에, 염화비닐수지 점착필름을 접착하여 마스킹했다.

이들의 피스톤을 실시예 1과 같이 양극산화처리하여 다공질 산화피막을 형성하고, 실시예 1과 같이 전해처리에 의해 몰리브덴유화물을 침투시켰다.

그 후, 염화비닐 수지점착필름을 제거하고, 점착제를 씻어내어 본 발명의 피스톤을 얻었다.

[실시예 6]

실시예 1과 같이 피스톤을 주조했다. 피스톤보스부 근방이외의 표면에, 폴리스틸렌도료를 도포하여, 가열건조시켰다.

이들의 피스톤을 실시예 1과 같이 양극산화처리하여 다공질 산화피막을 형성하고, 실시예 1과 같이 전해처리에 의해 몰리브덴유화물을 침투시켰다.

그 후, 폴리스틸렌도료의 도막을 용해(톨루엔)에 용해시켜 제거하여, 본 발명의 피스톤을 얻었다.

[실험예 1]

이하의 조건의 피스톤(합계 6종류)을 준비했다.

조건 1. 제1도 및 제2도에서와 같은 형상으로 주조하여, 양극 산화처리도 윤활제 침투도 행하지 않은 피스톤.

조건 2. 조건 1과 같은 형상으로 주조하여, 피스톤보스 및 피스톤보스 구멍주변을 양극산화처리함으로써, 두께 15㎛의 다공질 산화피막을 형성한 피스톤.

조건 3. 조건 2와 같이 다공질 산화피막을 형성하고 그 산화피막중에 전해에 의해 몰리브덴유화물을 균일하게 침투시킨 피스톤.

이들의 피스톤을 이용하여, 피스톤이외는 같은 재료를 이용하여 4 싸이클 및 2 싸이클의 엔진을 제조하고, 종래 보통의 공연비(수치 : 10), 종래에서 5%, 10% 및 15% 증대시킨 공연비로 작동시켰을 때의, 피스톤보스의 열변형의 정도를 정성(定性)적으로 평가했다. 결과를 표 1에 나타냈다. 표 1에서, 시료 1은 제1도에 나타난 형상의 피스톤을 이용한 4 싸이클엔진에서, 시료 2는 제2도에 나타난 형상의 피스톤을 이용한 2 싸이클엔진에서 얻어진 결과를 나타냈다. 또, 표 1중의 부호는, 작동후의 피스톤보스부의 관찰에 의한 평가결과를 나타낸 것이고, ◎은 열변형을 완전히 받지 않은 경우, ○는 미끄럼운동후에 약간 열변형의 영향이 전해진 것이지만, 실용상은 완전히 지장이 없는 경우, △는 단기간의 사용에서는 문제가 없지만, 장기간의 사용에서는 실용상 문제가 발생하는 경우, X는 단기간이어도 위험한 경우, XX는 완전히 실용불가능한 경우이다.

이들의 결과에서, 무처리의 피스톤에서는 종래의 공연비에 있어서는 약간 열변형의 영향을 받더라도, 단기간이라면 사용가능하다. 그러나, 공연비가 5% 증가하면 열변형의 영향이 크고, 단기간이라도 사용불가능이 된다. 산화피막만을 가지는 피스톤의 경우에는 공연비가 5% 증대해도 열변형의 영향은 작고, 단기간에서의 사용이 가능하다. 산화피막과 몰리브덴유화물 침투를 잘 맞춘 피스톤에서는, 공연비가 15% 증대해도 거의 문제없이 사용가능한 것이 나타났다. 그리고, 몰리브덴유화물의 대신에 불소계 수지를 침투시킨 경우에도, 거의 같은 결과가 얻어진다.

[표 1] 평가 결과

단, ◎ : 열변형의 영향을 완전히 받고 있지 않음.

○ : 약간, 열변형의 영향을 받고 있다.

△ : 열변형의 영향을 받으며, 단기간에서는 실용상 지장없으나, 장기간에는 문제가 된다.

X : 열변형의 영향이 크고, 단기간에서도 문제가 된다.

XX : 열변형의 영향이 매우 크고, 처음부터 중대문제가 된다.

[실험예 2]

본 발명에 의한 효과를 더욱 확인하기 위해, 750cc공냉 4 싸이클 엔진에 의해 벤치테스트를 행했다. 벤치테스트의 조건은 제3도에 도시한 바와 같다. 제3도에 있어서, 세로축은 회전수(r.p.m.), 가로축은 시간(Hr)으로 했다. 10,000r.p.m.을 풀 토크(full torgue)로 했다.

피스톤은 AC8A제(製)(Si 12%), 피스톤핀은 SCM422 제침탄소입, 외경연마는 슈퍼피니쉬 마무리로 했다.

피스톤보스의 구멍은,

시료 A : 보링(boring)한 후, 버니시(burnish)마무리 했다.

시료 B : 보링한 후, 본 발명에 따른 산화피막형성 및 윤활제(몰리브덴유화물) 침투를 행하고, 거기에 버니시마무리를 했다.

이것들에 대하여, 100시간의 테스트완료후의 마모량을 지름변화로 나타내면, 이하와 같이 된다.

시료 A : 핀 외경 22㎛, 피스톤보스 구멍내경 25㎛, 합계47㎛.

시료 B : 핀 외경 9㎛, 피스톤보스 구멍내경 10㎛, 합계19㎛.

이들의 결과로, 본 발명의 피스톤에서는 무처리의 피스톤과 비교하여, 피스톤핀과 피스톤보스와의 간격의 변동이 약 40%로 억제된 것을 알았다. 이 시료 B정도의 변형이라면, 실용상 완전히 문제는 없고, 충분히 시장가치가 있는 것이라고 인정된다.

이상 서술했듯이, 본 발명의 피스톤보스는, 적어도 이하의 효과를 가진다.

1. 피스톤보스부 근방에 형성한 다공질 산화피막에 침투한 몰리브덴유화물등의 윤활제에 의한, 피스톤보스와, 피스톤 및 피스톤보스의 접하는 실린더 내벽과의 사이의 윤활효과.

2. 피스톤보스부 근방에 침투된 몰리브덴유화물과 피스톤핀이 접하는 것에 의한 피스톤핀 표면에서의 윤활제의 전이 및 생성효과.

3. 알루미늄합금의 몇분의 일의 열팽창률을 가지는 산화피막에 의한 열팽창 억제효과.

이들의 효과중에서는, 1의 윤활효과가 특히 현저하다.

Claims (4)

1. 고(高) 실리콘 함유 알루미늄합금으로 이루어진 내연기관의 피스톤에서, 피스톤보스부 근방에, 다공질 양극산화피막을 형성하고, 그 다공질피막에 몰리브덴유화물 또는 불소계수지로 이루어진 윤활제를 침투시킨 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤.
2. 고 실리콘 함유 알루미늄합금으로 이루어진 내연기관의 피스톤 핀의 적어도 피스톤보스부 근방 표면을 양극산화하여 다공질 산화피막을 형성하는 공정과, 상기 다공질 산화피막에 몰리브덴유화물을 전해에 의해 침투시키거나, 이 다공질 산화피막에 불소계수지를 침투시키는 공정과, 피스톤보스부 근방이외의 부분에 형성된 다공질 산화피막을 연삭하여 제거하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤의 제조방법.
3. 고 실리콘 함유 알루미늄합금으로 이루어진 내연기관의 피스톤의 피스톤보스부 근방이외의 부분의 표면에, 접착성 테이프 또는 도료로 이루어진 마스킹재료를 적용하고, 이 부분의 표면을 마스킹하는 공정과, 상기 피스톤보스부 근방 표면을 양극화하여 다공질 산화피막을 형성하는 공정과, 상기 다공질 산화피막에 몰리브덴유화물을 전해에 의해 침투시키거나, 이 다공질 산화피막에 불소계수지를 침투시키는 공정과, 상기 마스킹 재료를 제거하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 고 실리콘 함유 알루미늄합금이 실리콘 함유량 12에서 23%인 것을 특징으로 하는 내연기관의 피스톤의 제조방법.