KR100303243B1

KR100303243B1 - 피스톤링

Info

Publication number: KR100303243B1
Application number: KR1019980021203A
Authority: KR
Inventors: 히데오 네기시
Original assignee: 유아사 히로시; 히노지도샤코교 가부시기가이샤
Priority date: 1997-06-10
Filing date: 1998-06-09
Publication date: 2001-10-19
Also published as: CN1204724A; CN1128926C; JPH112323A; KR19990006772A

Abstract

내연기관의 내용년수에 충분히 견디고 뛰어난 내마모성 특성 및 내소성 특성을 가짐과 동시에 저가의 피스톤링을 얻는 것을 목적으로 한다.

그 해결수단으로 피스톤링은 Fe-Cr-Co계 합금에 의해 피스톤링 본체를 구성하고 피스톤링 본체의 외주면에 질화층을 50∼100㎛ 형성하며 질화층이 형성된 외주면에 질화크롬피막을 5∼25㎛ 형성한다. Fe-Cr-Co계 합금은 Co가 3∼10중량 %, Cr이 13∼20중량 % 잔부가 Fe로 이루어지는 것이 바람직하다.

Description

피스톤링{PISTON RING}

본 발명은 피스톤링에 관한 것이다. 다시 상세하게 설명하면 내소성 특성과 내마모성 특성이 개선된 내연기관용의 피스톤링에 관한 것이다.

왕복이동 내연기관에 사용되는 피스톤링에는 고도한 내마모성이 요구된다. 그 때문에 피스톤링에 내마모성 특성을 부여하는 것을 목적으로 하여 접동면에 경질크롬도금 층을 형성시킨 피스톤링이 내연기관용 피스톤링으로서 종래부터 많이 사용되고 있다.

그러나 최근의 내연기관의 고속회전화, 고출력화의 경향에 있어 피스톤링의 사용조건도 점점 과도하게 혹사하는 것으로 되고 있고, 종래의 크롬도금층을 갖는 피스톤링에서는 내마모 특성이 충분하지 않는 경우가 있어 더욱더 내마모에 뛰어난 특성을 갖는 피스톤링이 바람직하게 되었다.

이 점을 해소하기 위해 종래 피스톤링의 접동면에 있어서 내마모 특성을 개선하는 목적으로 피스톤링 본체의 표면에 질화층을 형성하는 것이나 이온프레이팅에 의해 금속의 질화물을 피복시키는 기술이 제안되고 있다. 질화층이나 금속의 질화물에 의한 피복은 경질크롬 도금층에 비교하여 내마모에 뛰어난 특성을 갖고 종래의 크롬도금층을 갖는 피스톤링에 비교하여 내마모에 뛰어난 특성을 갖는 것이 기대된다.

그러나 질화층은 그 경도로부터 도 1의 2점쇄선으로 도시하는 크롬도금층에 비교하여 일점쇄선으로 도시하는 것과 같이 내마모 특성에 뛰어나지만 내소성 특성이 크롬도금층에 비교하여 뒤떨어지는 문제가 있고, 또한 내연기관의 사용기간 만료전에 그 질화층이 마멸해버린다는 문제점이 남아있다. 한편 질화물에 의한 피복은 일점쇄선으로 도시하는 질화층에 비교하여 더욱 고도가 높아 파선으로 도시하는 것과 같이 내마모 특성에 뛰어나지만 피스톤링과의 밀착성 및 유연성에 떨어지기 때문에 금속모재로부터 박리하기 쉽다는 문제가 있다.

이러한 점을 해소하기 위해 피스톤링 본체에 미리 질화층을 형성한 후 질화물로 피복하는 것도 생각할 수 있다(일본국 특공평 6-10454). 그러나 질화층은 내소성 특성에 뒤떨어지기 때문에 질화물이 마멸하여 질화층이 노출되지 않도록 내연기관의 내용년수에 충분히 견딜 수 있는 두께, 예를들어 50㎛정도 이상으로 질화물에 의한 피복막을 형성할 필요가 있다. 그러나 상술한 이온프레이팅 방법에 따른 질화물에 의한 피복막의 형성은 그 피복막의 생성속도가 늦고, 충분한 두께의 피복막을 형성하기 위해서는 장시간을 필요로 하며 생산공정의 장기화로부터 피스톤링의 단가가 현저하게 높아진다는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 내연기관의 내용연수에 충분히 견디고 뛰어난 내마모 특성 및 내소성 특성을 가지며 또한 저가의 피스톤링을 제공하는 데에 있다.

청구항 1에 관한 발명은 Fe-Cr-Co계 합금에 의해 피스톤링 본체가 구성되고 피스톤링 본체의 외주면에 질화층이 50∼100㎛ 형성되며 질화층이 형성된 외주면에 질화크롬피막이 5∼25㎛ 형성된 피스톤링이다.

청구항 2에 관한 발명은 청구항 1에 관한 발명으로서 Fe-Cr-Co계 합금은 Co가 3∼10중량 %, Cr이 13∼20중량 % 잔부가 Fe로 이루어지는 피스톤링이다.

코발트가 첨가된 합금으로 이루어지는 피스톤링 본체에 질화층을 형성하는 것으로 피스톤링 본체의 표면을 경화시켜 피스톤링 본체 자체의 내소성 특성을 향상시킨다.

피스톤링 본체의 외주면에 질화크롬피막을 형성하는 것으로 피스톤링의 내마모 특성을 향상시키고, 질화크롬피막을 비교적 얇은 5∼25㎛으로 형성하는 것으로 피스톤링의 단가가 높아지는 것을 방지한다.

또한 질화크롬피막이 5㎛미만이면 충분한 내마모 특성을 얻을 수 없고, 질화크롬피막이 25㎛을 넘으면 피스톤링 자체의 단가가 높아진다.

도 1은 주행거리와 피스톤링의 마모량과의 관계를 도시하는 도면이다.

다음에 본 발명의 실시예를 도면을 기초로 상세하게 설명한다.

본 발명의 피스톤링은 내연기관용 엔진의 피스톤에 사용되는 톱링으로서 피스톤링 본체는 Fe-Cr-Co계 합금에 의해 구성된다. 구체적으로 Fe-Cr-Co계 합금은Co가 3∼10중량%, Cr이 13∼20중량% 잔부가 Fe로 이루어지는 합금으로서 이른바 스테인레스강에 코발트가 첨가된 것이다. 이 코발트가 첨가된 합금으로 이루어지는 피스톤링 본체의 외주면에 질화층을 50∼100㎛ 형성한다. 질화층의 형성은 가스질화법에 의해 행해지고 피스톤링 본체를 층에 삽입한 상태에서 570℃ 전후로 가열한 상태에서 질화처리를 행한다. 이 질화처리에 의해 피스톤링 본체의 표면에 질화층이 형성되고, 피스톤링 본체 표면의 표면강도가 높아짐과 동시에 피스톤링 본체를 구성하는 합금에 코발트를 첨가하는 것에 의해 피스톤링 본체 자체의 내소성 특성을 향상시킨다.

또 질화층이 형성된 피스톤링 본체의 외주면에는 다시 질화크롬피막이 5∼25㎛ 두께로 형성된다. 질화크롬피복의 형성은 이온프레이팅법에 의해 행해진다. 이 이온프레이팅법은 PVD법(물리증착법)의 일종으로 특히 크롬의 증기를 질소와 반응시켜 질화크롬으로서 피스톤링 본체의 외주면에 형성시킬 수 있는 반응성 이온프레이팅법을 채용하는 것이 바람직하다. 크롬증기는 전자빔 등의 고에너지 빔을 크롬타겟에 조사(照射)하여 크롬을 증발시키는 것으로 얻을 수 있고, 크롬은 질화물을 형성하기 쉬운 원소로서 크롬의 증기에 질화가스를 혼합한 기체상태중에 플라즈마를 발생시키면 크롬은 이온화하고, 각각 질소이온과 결합하여 질소크롬을 형성한다. 여기서 질화크롬은 질소가스 공급량의 많고적음에 따라, 많은 경우에는 CrN으로서 또한 질소가스 공급량이 적은 경우에는 Cr₂N으로서 형성된다.

이와같이 구성된 피스톤링에서는 피스톤링 본체의 표면에 형성된 질화크롬피막이 접동면의 역할을 하고, 차량의 주행거리에 비례하여 처음에는 이 질화크롬피막이 마모한다. 그러나 질화크롬피막은 내마모 특성에 뛰어나지만 그 두께가 5∼25㎛이기 때문에 도 1의 실선으로 도시하는 것과 같이 사용한도 만료전에 마멸한다. 질화크롬피막이 마멸하면 다음에 질화크롬 피막 밑에 형성된 질화층이 다음에 접동면으로서의 역할을 한다.

즉 피스톤링의 마모량에 있어서 피스톤링의 사용한도를 도 1에 파선으로 나타내 고찰한 경우 종래의 크롬도금층을 형성한 피스톤링 및 질화층을 형성한 피스톤링에서는 주행거리 B점 및 C점에 있어서 피스톤링의 마모량의 사용한도에 달하게 된다. 그러나 본 발명의 피스톤링에서는 A점까지는 피스톤링 본체의 표면에 형성된 질화피막이 접동면의 역할을 하고 차량의 주행거리에 비례하여 이 질화크롬피막이 마모하며 또한 질화크롬피막이 마멸한 도면의 A점에서는 다음에 질화층이 피스톤링의 접동면으로서의 역할을 이루고 차량의 주행거리에 비례하여 이 질화층이 다음에 마모하기 때문에 결과로서 사용한도에 있어서 주행거리를 D점까지 다시 연장할 수 있다.

질화층은 질화크롬피막에 비교하여 내마모 특성이 부족하지만 질화크롬피막이 마멸한 도면의 A점에서 D점까지의 사이에서 피스톤의 기능을 발휘시키는 데는 충분한 층두께를 가지고 있으며 당초부터 질화층만이 피스톤링 본체에 형성된 것에 비교하여 충분한 내마모 특성을 갖는다. 여기서 피스톤링 본체를 구성하는 합금에 코발트가 첨가되고 있기 때문에 내소성 특성에도 뛰어나고 사용한도까지의 기간의 잔존기간 사이에 충분히 그 기능을 발휘한다.

또 질화크롬피복을 충분한 두께, 예를들어 50㎛정도로 형성하면 도면의 파선으로 도시하는 것과 같이 피스톤링의 사용한도에 이르기까지의 주행거리는 또한 연장되게 되지만 그 피복이 마멸하기 이전에 내연기관 자체의 수명이 짧아지게 된다. 또 질화크롬피복을 충분한 두께로 형성하는 것은 피복막의 생성속도가 늦어지는 것에 기인하고, 생산공정의 장기화로부터 피스톤링의 단가가 현저하게 높아지게 된다.

따라서 본 발명에 의하면 질화크롬피막 및 질화크롬피막의 하측에 형성된 질화층에 의해 내마모 특성 및 내소성 특성을 확보하기 때문에 내연기관의 사용한도에 이르는 총 운전시간에 상응하여 질화크롬피막을 비교적 얇은 5∼25㎛로 형성하는 것으로 내연기관의 내용연수에 충분히 견디고 뛰어난 내마모 특성 및 내소성 특성을 갖는 저가의 피스톤링을 얻을 수 있다.

실시예

다음에 본 발명의 실시예를 비교예와 함께 설명한다.

< 실시예 1 >

직접분사방식의 터보인터쿨러 디젤엔진용의 본 발명에 관한 피스톤링을 작성했다. 즉 Co가 3∼10중량%, Cr이 13∼20중량% 잔부가 Fe로 이루어지는 Fe-Cr-Co계 합금으로 이루어지는 피스톤링 본체의 외주면에 질화층을 50∼100㎛형성하고, 질화층이 형성된 피스톤링 본체의 외주면에 다시 질화크롬피막을 형성했다. 질화크롬피막의 형성은 이온프레이팅법에 의해 CrN으로서 형성하고 그 질화크롬피막을 25㎛형성한 피스톤링을 실시예 1로 했다.

< 실시예 2 >

실시예 1의 피스톤링과 동 재질로서 같은 모양, 같은 크기의 피스톤링 본체의 외주면에 질화층을 50∼100㎛형성하고, 질화층이 형성된 피스톤링 본체의 외주면에 다시 질화크롬피막을 형성했다. 질화크롬피막의 형성은 이온프레이팅법에 의해 CrN으로서 형성하고 그 질화크롬피막을 5㎛형성한 피스톤링을 실시예 2로 했다.

< 비교예 1 >

직접분사방식의 터보인터쿨러 디젤엔진용의 피스톤링을 작성했다. Cr이 13∼20중량% 잔부가 Fe로 이루어지는 Fe-Cr-계 합금인 스테인레스 합금으로 피스톤링 본체를 제작하고, 그 피스톤링 본체의 외주면에 질화층을 형성하지 않고 질화크롬피막을 형성했다. 질화크롬피막의 형성은 이온프레이팅법에 의해 CrN으로서 형성하고 그 질화크롬피막을 50㎛형성한 피스톤링을 비교예 1로 했다.

< 비교예 2 >

비교예 1의 피스톤링과 동재질로서 같은 모양, 같은 크기의 피스톤링 본체의 외주면에 질화층을 형성하지 않고 질화크롬피막을 형성했다. 질화크롬피막의 형성은 이온프레이팅법에 의해 CrN으로서 형성하고 그 질화크롬피막을 25㎛형성한 피스톤링을 비교예 2로 했다.

< 비교예 3 >

실시예 1의 피스톤링과 같은 재질로서 같은 모양, 같은 크기의 피스톤링 본체의 외주면에 질화층을 형성했다. 즉 Co가 3∼10중량 %, Cr이 13∼20중량 % 잔부가 Fe로 이루어지는 Fe-Cr-Co계 합금으로 이루어지는 피스톤링 본체의 외주면에 질화층을 50∼100㎛형성하고 질화크롬피막은 형성하지 않는 피스톤링을 비교예 3으로 했다.

< 비교예 4 >

비교예 1의 피스톤링과 같은 재질로서 같은 모양, 같은 크기의 피스톤링 본체의 외주면에 크롬도금층을 200∼300㎛ 형성한 피스톤링을 비교예 4로 했다.

< 비교시험 >

직접분사방식의 타보인터쿨러 디젤엔진에 각각 상술한 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1∼4의 피스톤링을 장착하고, 정격회전수로 800시간 운전을 행했다. 운전종료후 각각의 피스톤링을 꺼내서 피스톤링 외주면의 마모량을 프로필로 측정하여 외주면의 소성의 유무 및 그 상황을 시각에 따라 조사했다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1

	마모량(㎛)	소성의 유무	외주면의 상황
실시예 1	32	없음	질화크롬 피막이 마멸하지만 소성은 없음
실시예 2	45	없음	질화크롬 피막이 마멸하지만 소성은 없음
비교예 1	26	없음	질화크롬 피막이 잔존한다
비교예 2	33	있음	질화크롬 피막이 마멸하고 소성있음
비교예 3	52	없음	소성없음
비교예 4	75	없음	소성없음

< 평가 >

표 1에서 알 수 있는 것과 같이 비교예 1에서는 소성은 발생하고 있지 않지만 질화크롬피막을 비교적 두껍게 형성하기 위해서는 피스톤링 자체의 단가가 높아진다는 문제가 있다. 또 비교예 2에서는 질화크롬피막이 마멸하여 소성이 발생하는 것으로부터 질화크롬피막이 25㎛에서는 충분한 내마모 특성을 발휘하지 않는 것을 알 수 있다. 또 비교예 3에서는 소성이 없는 것으로부터 비교예 2의 결과와의 비교에 의해 스테인레스강에 코발트를 첨가한 합금으로 피스톤링본체를 구성하면 피스톤링 본체 자체의 내소성 특성이 향상하는 것을 알 수 있다. 또한 종래품인 크롬도금피막을 갖는 비교예 4에서는 마모량이 다른 피스톤링에 비교하여 현저하게 많은 것을 알 수 있다.

이에 대해 코발트를 첨가한 스테인레스강에 질화층을 형성하고 또한 질화크롬피막을 얇게 형성한 실시예 1 및 2에서는 질화크롬피막이 마멸해도 소성이 발생하지 않는 것으로부터 충분한 내마모 특성 및 내소성 특성을 갖는 것을 알 수 있다. 또 실시예 2의 마모량이 실시예 1의 마모량보다 많은 것은 실시예 2의 질화크롬피막이 실시예 1의 질화크롬피막보다도 조기에 마멸하는 것에 의한 것이라고 생각할 수 있다.

이상 설명한 것과 같이 본 발명에 의하면 Fe-Cr-Co계 합금 또는 Fe-Cr-Ni-Co계 합금에 의해 피스톤링 본체를 구성하고, 이 피스톤링 본체의 외주면에 질화층을 50∼100㎛ 형성했기 때문에 피스톤링 본체 자체의 내소성 특성을 향상시킬 수 있다. 또 질화층이 형성된 외주면에 다시 크롬피막을 5∼25㎛형성했기 때문에 피스톤링 자체의 단가를 높이지 않고 피스톤링의 내마모 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 이 결과 본 발명에 의하면 질화크롬층 및 질화크롬층의 하측에 형성된 질화층에 의해 내마모 특성 및 내소성 특성을 확보하고, 내연기관의 내용연수를 충분히 견디며 뛰어난 내마모 특성 및 내소성 특성을 갖는 저가의 피스톤링을 얻을 수 있다.

Claims

Fe-Cr-Co계 합금에 의해 피스톤링 본체가 구성되고, 상기 피스톤링 본체의 외주면에 질화층이 50∼100㎛ 형성되며 질화층이 형성된 외주면에 질화크롬피막이 5∼25㎛ 형성된 것을 특징으로 하는 피스톤링.
제 1항에 있어서,

Fe-Cr-Co계 합금은 Co가 3∼10중량 %, Cr이 13∼20중량 % 잔부(殘部)가 Fe로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피스톤링.