KR100235598B1

KR100235598B1 - 피스톤의 표면경화처리방법

Info

Publication number: KR100235598B1
Application number: KR1019970022020A
Authority: KR
Inventors: 박성탁
Original assignee: 김태구; 대우자동차주식회사
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1997-05-30
Publication date: 1999-12-15
Also published as: KR19980085849A

Abstract

본 발명은 내마모성의 증대를 위하여 피스톤의 표면을 경화시키는 피스톤의 표면경화처리방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 피스톤의 표면경화처리방법은 알루미늄합금으로 주조된 피스톤에 있어서, 피스톤을 회전시키는 단계(S1)와 : 회전중인 피스톤의 외주면에 열을 가하여 피스톤의 외주면을 용융시키는 단계(S2)와 : 용융되는 피스톤의 외주면에 구리파우더 또는 티타뉴카바이드를 분사하는 단계(S31 : S32)와 : 분사된 구리 파우더에 의하여는 피스톤의 외주면에 판상의 구리-알루미늄(CuAl₂) 석출물을 형성시키는 단계(S41) 또는 분사된 티타늄카바이드 피스톤의 외주면에 분산되어 분포되는 단계(S41)로 이루어져 있다. 따라서, 피스톤의 외주면은 표면경화층을 형성함으로써 피스톤의 내마모성이 현저하게 증대하게 된다.

Description

피스톤의 표면경화처리방법

본 발명은 자동차엔진의 피스톤에 관한 것으로, 보다 상세히는 내마모성의 증대를 위하여 피스톤의 표면을 경화시키는 피스톤의 표면경화처리방법에 관한 것이다.

제1도을 참고로하여 엔진본체에 대하여 간략히 살펴보면, 엔진본체는 흡입된 연료와 공기를 폭발시켜 동력을 발생하는 부분으로 실린더, 크랭크케이스, 실린더 헤드, 피스톤(10), 피스톤링, 커넥팅로드, 크래크축, 플라이휠, 캠축, 밸브, 밸브 기구등으로 구성되어 있다.

실린더엔진에는 각 실린더에 피스톤(10)이 왕복운동이 가능하도록 장착되어 있으며, 피스톤(10)의 왕복운동에 따라 피스톤(10)에 연결된 커넥팅로드에 의하여 크랭크축이 회전운동을 한다. 실린더의 상측에는 실린더헤드가 있으며, 내부는 연소실을 형성하고 흡입밸브와 배기밸브가 설치되어 있다.

피스톤(10)은, 상술한 바와 같이, 팽창행정에서 고온·고압의 가스압력을 받게 되어 지속적으로 고온의 상태에 있게 되며, 단시간에 전달되는 고압의 충격에 의하여 실린더의 내부를 고속도로 운동하기 때문에 피스톤(10)은 실린더벽과의 사이에 강한 마찰이 생긴다.

이와 같은 피스톤의 작동여건에 따라, 피스톤은 다음과 같은 성질을 갖는 재료로 제작되어야 한다. 첫째로, 열로 인하여 재질의 강도가 저하하거나 적열에 의하여 이상연소가 일어나는 것을 방지하기 위하여 열전도도가 좋아야 한다. 열전도도가 크면 피스톤의 온도상승이 적어짐은 물론 윤활유의 소비량도 적어지게 된다. 둘째로, 실린더내를 고속도로 왕복운동하므로 관성에 의한 동력손실을 줄이고 순응성을 양호하게 하기 위하여 가능한 한 비중이 작아야 한다. 피스톤의 중량이 작게 되면, 또한 엔진의 진동을 감소시키고 크랭크축에 걸리는 하중도 작아지게 된다. 셋째로, 고온에서의 강도가 커야한다. 피스톤의 내부는 운전중에 항상 200∼350℃로 가열되고 경우에 따라서는 500℃ 이상이 될 때도 있으므로 강도가 충분하여야 한다. 넷째로, 팽창계수와 마찰계수가 작아야 한다.

이상에서 열거한 조건들을 가장 적절하게 만족시키는 재질은 알루미늄합금이기 때문에 현재 피스톤은 알루미늄합금을 재질로하여 주조에 의하여 제작되고 있다. 현재 사용되고 있는 알루미늄합금 피스톤용 재료로는 강계의 Y합금과 규소계의 로 엑스(Low Ex)의 2종류가 있다. Y합금은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(Ni)을 주성분으로 하는 대표적인 주물용 경합금으로 열전도가 잘 되고, 내열성, 즉 온도상승에 따른 고온에서의 강도, 경도의 감소가 적으며 피스톤재료로 적합하기 때문에 피스톤의 재료로 이용되고 있다. 그렇지만, Y합금은 로 엑스에 비하여 비중과 열팽창계수가 큰 결점을 가지고 있어 Y합금보다는 내열성이 약간 떨어지지만 알루미늄과 규소(Si)에 소량의 구리 및 니켈을 첨가한 로 엑스가 비중과 열팽창계수가 적고 주조성이 뛰어나므로 현재 가장 많이 이용되고 있다.

그러나, 피스톤의 재질로 열팽창계수가 적은 로 엑스 알루미늄합금이 사용되고 있으나, 로 엑스 알루미늄합금은 규소를 포함하고 있어 내마모성이 저하되는 문제점을 안고 있다. 규소는 로 엑스 알루미늄합금에서 2%이상이 함유되어 있어 주조성이 뛰어나기는 하나 내마모성이 상당히 떨어져 피스톤의 수명을 단축시키는 결점을 가지고 있다. 이와 같이 규소성분이 함유된 알루미늄합금이 내마모성이 상당히 떨어짐에도 불구하고 현재에는 피스톤의 열팽창에 대한 연구가 주로 진행되고 있을뿐 피스톤의 내마모성을 향상시키기 위한 연구는 활발히 이루어지지 않고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 고려하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 피스톤의 내마모성을 증대시키는 피스톤의 표면경화처리방법을 제공함에 있다.

제1도는 자동차엔진의 주요부분을 절개하여 나타낸 사시도.

제2도는 본 발명에 따른 피스톤의 표면경화처리방법을 설명하기 위하여 나타낸 도면.

제3도는 본 발명에 따른 피스톤의 표면경화처리방법의 플로우를 나타내는 흐름도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 피스톤 20 : 표면경화처리기

22 : 텅스텐전극 24 : 노즐

26 : 분사관

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1의 특징으로 본 발명에 따른 피스톤의 표면경화처리방법은 알루미늄합금으로 주조된 피스톤에 있어서, 피스톤을 회전시키는 단계와 : 회전중인 피스톤의 외주면에 열을 가하여 피스톤의 외주면을 용융시키는 단계와 : 용융되는 피스톤의 외주면에 구리 파우더를 분사하는 단계와 : 분사된 구리 파우더에 의하여 피스톤의 외주면에 판상의 구리-알루미늄 석출물을 형성시키는 단계로 이루어져 있다.

본 발명의 제2의 특징으로 본 발명에 따른 피스톤의 표면경화처리방법은 알루미늄합금으로 주조된 피스톤에 있어서, 피스톤을 회전시키는 단계와 : 회전중인 피스톤의 외주면에 열을 가하여 피스톤의 외주면을 용융시키는 단계와 : 용융되는 피스톤의 외주면에 티타늄카바이드 파우더를 분사하는 단계와 : 분사된 티타늄카바이드 파우더를 피스톤의 외주면에 분산시키어 분포시키는 단계로 이루어져 있다.

이하, 본 발명에 따른 피스톤의 표면경화처리방법의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참고로하여 상세히 설명한다.

우선, 표면경화처리에 대하여 간략히 알아보면, 표면경화처리는 마모, 녹, 피로균열등은 모두가 표면에서 발생하는 것으로 기계부품의 표면층만을 경화시켜 내마모성을 향상시키기 위한 표면개질처리이다. 표면경화처리방법은 화학적 표면경화법과 물리적 표면경화법의 2가지가 있다. 화학적 표면경화는 표면층의 화학성분이 변화하는 것으로서 모체(母材)와는 이질(異質)이 되어 내마모성이나 내피로성이 향상되는 것이며, 물리적 표면경화는 표면층의 조직이 변화하게 되는 것이다.

전술한 표면경화처리의 중요성에 따라 피스톤의 외주면을 경화처리하기 위하여 제2도를 참고하면, 제2도는 본 발명에 따른 피스톤의 표면경화처리방법을 수행하기 위한 표면경화처리장치의 구성을 개략적으로 나타내고 있다. 피스톤(10)은 적합한 회전장치(도시되어 있지 않음)에 의하여 회전되며, 표면경화처리를 위하여 적합하게 설정된 회전수를 갖는다. 한편, 회전하는 피스톤(10)의 상측에는 표면경화처리기(20)가 위치하고 있다.

표면경화처리방법은 잘 알려져 있는 불활성가스 텅스텐아아크 용접법(Inert-Gas-Shieled Tungsten Arc Welding; TIG welding)을 이용한다. 표면경화처리기의 구성을 살펴보면, 중심부에는 텅스텐전극(22)이 위치하고, 외측에는 불활성기체인 아르곤(Ar) 또는 헬륨(He)을 공급하는 노즐(24)이 위치한다. 본 발명의 실시를 위하여 종래의 불활성가스 텅스텐아아크 용접법과는 달리 텅스텐전극(22)과 노즐(24)의 사이에는 피스톤(10)의 외주면에 파우더를 공급하는 분사관(26)이 배치된다. 본 발명의 피스톤의 표면경화처리방법에 따른 파우더(Powder)는 구리(Cu) 또는 티타늄카바이드(TiC)가 사용된다.

지금부터는, 이상과 같은 표면처리기의 구성과 구리 또는 티타늄카바이드를 사용의 따른 표면열처리방법에 대하여 설명한다.

먼저, 구리파우더를 분사관(26)을 통하여 피스톤(10)의 외주면에 공급하여 피스톤의 외주면을 경화처리하는 방법에 대하여 설명한다. 피스톤(10)을 회전장치에 의하여 소정의 회전수를 갖도록 회전시킨다(S1). 그 후 표면경화처리기(20)를 작동시키켠, 텅스텐전극(22)으로부터 아아크(Arc)가 발생하여 회전중인 피스톤(10)의 외주면을 용융시킨다(S2). 용융되는 피스톤(10)의 외주면에, 제2도에서 화살표로 나타낸 바와 같이, 분사관(26)을 통하여 구리파우더를 분사시킨다(S31). 분사된 구리파우더는 모재인 알루미늄과 함께 표면에서 용융되며, 알루미늄과 구리의 판상석출물인 구리-알루미늄(CuAl₂)를 생성시킨다(S41). 생성석출물인 구리-알루미늄은 피스톤의 외주면의 내마모성을 증대시킨다.

다음으로는, 티타늄카바이드를 분사관(26)을 통하여 피스톤(10)의 외주면에 공급하여 피스톤의 외주면을 경화처리하는 방법에 대하여 설명한다. 구리파우더를 사용하여 표면경화처리방법과 마찬가지로, 피스톤(10)을 회전장치에 의하여 소정의 회전수를 갖도록 회전시키고(S1), 그 후 표면경화처리기(20)를 작동시키어 텅스텐 전극(22)으로부터 아아크(Arc)가 발생하도록 하여 회전중인 피스톤(10)의 외주면을 용융시킨다(S2). 이번에는 용융되는 피스톤(10)의 외주면에, 분사관(26)을 통하여 티타늄카바이드파우더를 분사시킨다(S32). 이 때에는 티타늄카바이드의 용융온도가 대단히 높기 때문에(티타늄카바이드의 용융온도는 대략 2100℃임) 분사된 티타늄카바이드파우더는 모재인 알루미늄과 함께 표면에서 용융되지 않고 알루미늄의 모재내에 분산되어 분포한다(S42). 따라서, 분포된 티타늄카바이드에 의하여 피스톤의 외주면은 내마모성이 증대된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 피스톤의 외주면에 구리파우더 또는 티타늄카바이드파우더를 분사하여 피스톤의 외주면에 표면경화층을 형성함으로써 피스톤의 내마모성이 현저하게 증대하게 된다.

Claims

알루미늄합금으로 주조된 피스톤의 표면경화처리방법에 있어서, 상기 피스톤을 회전시키는 단계(S1); 상기 회전중인 피스톤의 외주면을 불활성 가스 텅스텐아아크로 용융시키는 단계(S2); 상기 용융된 피스톤의 외주면에 티타늄 카바이드 파우더를 분사하는 단계(S32); 및 상기 분사된 티타늄 카바이드 파우더를 피스톤의 외주면에 분산시키어 분포시키는 단계(S42)로 이루어진 피스톤의 표면경화처리방법.