KR100318773B1 - 금속간 화합물로 강화된 복합재료 엔진 피스톤의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속간 화합물로 강화된 복합재료 엔진 피스톤 (piston)의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체에 티탄 분말을 첨가하는 단계 (제 1 단계); 제 1 단계에서 티탄 분말을 첨가한 니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체를 150℃ 이상으로 가열하는 단계 (제 2 단계); 및 제 2 단계에서 가열된 니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체에 알루미늄 합금 용탕을 주입하여 저압주조 또는 중력주조의 방법으로 금속간 화합물을 형성하는 단계 (제 3 단계)로 이루어지는 본 발명의 금속간 화합물로 강화된 복합재료 엔진 피스톤의 제조방법은, 고압주조 방법이 아닌 저압주조 또는 중력주조의 방법으로 알루미늄 합금 용탕을 자발적으로 용침시키므로 그 제조방법이 간단하고, 고내마모성이 요구되는 부분에 금속간 화합물을 형성함으로써 경량이면서도 내마모성 및 기계적 특성이 우수한 엔진 피스톤을 제조할 수 있는 방법이다.
Description
본 발명은 금속간 화합물로 강화된 복합재료 엔진 피스톤의 제조방법에 관한것으로, 구체적으로 니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체에 티탄 분말을 첨가하는 단계 (제 1 단계); 제 1 단계에서 티탄 분말을 첨가한 니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체를 150℃ 이상으로 가열하는 단계 (제 2 단계); 및 제 2 단계에서 가열된 니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체에 알루미늄 합금 용탕을 주입하여 저압주조 또는 중력주조의 방법으로 금속간 화합물을 형성하는 단계 (제 3 단계)로 이루어지는 금속간 화합물로 강화된 복합재료 엔진 피스톤의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 엔진 피스톤은 주철제 링을 금형내의 적당한 위치에 고정시킨 후, 용해한 알루미늄을 중력주조 또는 고압주조함으로써 제조되거나 세라믹 섬유로 강화된 복합재료를 사용해 고압주조로 제조한다. 또한, 니켈-크롬 다공질체를 강화재로 사용하여 고압주조에 의해 제조한 후, 고온에서 열처리하여 고 경도의 금속간 화합물을 형성시키는 방법도 있다.
그러나 상기의 제조 방법에서와 같이 주철을 사용하는 경우, 중량이 무겁고 열의 방사 능력이 우수하지 못해 내마모성이 요구되는 엔진 피스톤의 구르브 (groove) 자체의 온도가 상승되므로 접합 부분의 재질이 변질되고 내마모성과 기계적 특성이 저하되는 경우가 있다. 그리고 세라믹 섬유로 강화된 복합재료 브레이크 로터의 경우에는 중량은 주철에 비해 매우 낮으나, 고압으로 가압해야만 하므로 제조공법상의 제약이 커서 피스톤의 형상설계에 제약이 있다. 또한, 고압주조에 의해 니켈-크롬 다공질체에 알루미늄 합금 용탕을 용침시킨 후 열처리하는 공법에서는 다공질체 내로 알루미늄 용탕을 침투시키기 위해서 고온에서 장시간 열처리해야 하며 또한, 고압주조를 해야 하기 때문에 피스톤의 형상설계에 한계가 있다는 문제점이 있었다.
이에 본 발명자들은 상기와 같은 종래의 피스톤 제조방법에서의 문제점을 해결하고자 연구한 결과, 엔진 피스톤 제조시 니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체에 티탄 분말을 소량 첨가한 후, 여기에 알루미늄 합금 용탕을 주입하면 중력주조 또는 저압주조에 의해 무가압하에서도 자발적으로 용침되며, 용침과정에서 엔진의 구르브 부분에 내마모성과 기계적 성질이 우수한 금속간 화합물이 형성되는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 경량이면서도 내마모성과 기계적 특성이 우수한 금속간 화합물로 강화된 복합재료 엔진 피스톤의 제조방법을 제공하는 것이다.
도 1은 금속간 화합물로 강화된 복합재료를 사용하여 제작된 엔진 피스톤의단면 사시도이고,
도 2는 금속간 화합물로 강화된 복합재료를 사용하여 제작된 엔진 피스톤의 정면도이며,
도 3은 비교재 (AC8A)를 중력주조에 의해 680∼700℃에서 제조한 피스톤의 구르브 (groove)의 조직을 나타내는 사진이고,
도 4는 본 발명의 방법으로 의해 제조한 피스톤의 구르브의 조직을 나타내는 사진이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체에 티탄 분말을 첨가하는 단계 (제 1 단계); 150℃ 이상으로 가열하는 단계 (제 2 단계); 및 알루미늄 합금 용탕을 주입하여 저압주조 또는 중력주조의 방법으로 금속간 화합물을 형성하는 단계 (제 3 단계)로 이루어지는 금속간 화합물로강화된 복합재료 엔진 피스톤의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
우선, 본 발명에서는 니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체에 티탄 분말을 첨가하는 단계 (제 1 단계); 제 1 단계에서 티탄 분말을 첨가한 니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체를 150℃ 이상으로 가열하는 단계 (제 2 단계); 및 제 2 단계에서 가열된 니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체에 알루미늄 합금 용탕을 주입하여 저압주조 또는 중력주조의 방법으로 금속간 화합물을 형성하는 단계 (제 3 단계)로 이루어지는 금속간 화합물로 강화된 복합재료 엔진 피스톤의 제조방법을 제공한다.
상기 제 1 단계에서 티탄 분말은 니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체 중량에 대하여 3∼32 중량%로 첨가할 수 있으며, 제 2 단계에서 알루미늄 합금 용탕의 온도는 670∼820℃인 것이 바람직하다.
상기 제 3 단계 후에는 열처리를 할 수 있는데, 이 때 열처리 조건은 450∼550℃에서 4∼20시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명의 엔진 피스톤의 제조방법에서는 니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체에 티탄 분말을 첨가 사용하여 알루미늄 합금 용탕을 중력주조 또는 저압주조함으로써 피스톤의 구르브 부분을 강화한다. 즉, 중력주조 또는 저압주조시 용융 알루미늄과 티탄 분말이 우선적으로 화학반응 (발열반응)하여 티탄-알루미늄간의 금속간 화합물이 생성되고, 이 반응열에 의해 2차로 니켈-알루미늄간의 금속간 화합물이 생성된다. 따라서, 고내마모성이 요구되는 부분에는 티탄-알루미늄간의 금속간 화합물, 산화알루미늄 및 니켈-알루미늄 금속간 화합물이 생성되어 내마모성과 기계적 특성이 우수한 경량 엔진 피스톤이 제조된다.
전술한 바와 같이, 제 1 단계에서는 경량이면서 내마모성이 우수한 엔진 피스톤을 제조하기 위해 니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체에 티탄 분말을 첨가하여 사용한다. 니켈-크롬 다공질체는 금속간 화합물의 생성량에 따라 기공율을 74∼94%으로 하는 것이 바람직하다. 기공율이 94%를 초과할 때는 열처리 후 생성된 니켈-알루미늄 금속간 화합물 생성량이 적어서 충분한 내마모성을 확보할 수 없으며, 기공율이 70% 이하일 때는 용탕의 침투가 잘 안되어 주조 결함이 과다하게 발생되고, 기공율이 74% 미만일 때는 열처리 후 생성된 니켈-알루미늄 금속간 화합물 생성량이 과다해짐과 동시에 취약해져 피스톤으로서 충분한 기계적 특성을 확보할 수 없게 된다.
상기에서 사용되는 티탄 분말은 다공질체 중량의 3∼32 중량%로 혼합하여 사용하는 것이 바람직한데, 티탄 분말을 3 중량% 미만으로 첨가하면 고압주조시 용탕과 충분한 반응이 안되며, 32 중량%를 초과하면 과도한 반응으로 다공질체가 용탕에 녹거나 내부에 다량의 수축기공 등의 결함이 발생하게 된다.
상기 제 2 단계에서는 이들 다공질체의 표면에 존재하는 수분을 제거하기 위해 150℃ 이상으로 가열하는 과정을 거친다.
또한, 상기 제 3 단계에서는 670∼820℃로 가열한 알루미늄 합금 용탕을 주입시키는데, 용탕 온도가 670℃ 미만이면 용탕이 다공질체의 내부로 용침되기 어려우며 820℃를 초과하면 다공질체가 녹아 합금화가 되는 경우가 있다. 그리고 용침시에는 저압주조 또는 중력주조 공법을 사용하는데, 이는 고압주조에 의해 니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체에 알루미늄 합금을 용침시키는 경우에는 용탕이 다공질체 내로 침투될 때 가해준 압력에 의해 다공질체의 표면에 매우 국부적으로 금속간 화합물이 형성되기 때문이다. 또한, 니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체에 티탄 분말을 첨가한 다공질체에 알루미늄 용탕을 용침시킬 때에도 저압주조의 방법으로도 충분히 알루미늄 용탕이 다공질체 내로 침투되며, 이 때 일부 알루미늄이 티탄과 접촉되는 순간에 순간적인 발열반응이 진행되어 금속간 화합물이 생성된다. 그러나 만약 알루미늄 용탕이 고압에 의해 금형과 밀접하게 접촉하게 되면 빠른 속도로 냉각되기 때문에 이들 발열반응이 지속적으로 진행되지 못하므로 금속간 화합물이 매우 소량으로 생성된다. 따라서, 냉각속도가 상대적으로 느린 저압주조 또는 중력주조 방법을 이용하여 발열반응을 지속적으로 유지시킴으로써 반응물의 생성량을 냉각속도의 완급으로 조절하는 것이 바람직하다. 용침 조건은 니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체에 알루미늄 합금 용탕을 침투시킬 수만 있으면, 금형의 온도, 다공질체의 온도, 용탕 성분의 종류 및 온도 등은 제한되지 않는다.
상기 조건으로 제조된 알루미늄 합금 피스톤에는 금속간 화합물이 생성되어 내마모성이 향상되나, 좀 더 금속간 화합물의 양을 증대시킬 필요가 있으면 500∼550℃에서 4∼20시간 동안 열처리하는 과정을 더 수행하여 내마모성이 요구되는 부분에 고내마모성의 티탄-알루미늄 금속간 화합물, 산화알루미늄 및 니켈-알루미늄 금속간 화합물의 생성량을 증대시킬 수 있다. 이 때, 열처리 온도가 450℃ 미만이면 가열시간이 매우 길어지며, 열처리 온도가 550℃를 초과하면 알루미늄 부분이 자중에 의해 형상이 변형될 수도 있으므로 450∼550℃ 사이에서 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 이 때 생성되는 금속간 화합물은 가열 온도가 높을 경우에는 짧은 시간 동안 가열해야 하고, 가열 온도가 낮을 경우에는 긴 시간 동안 가열해야 하므로, 가열 시간과 가열 온도의 상관관계를 고려하여 수행하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 공정으로 AC8A 알루미늄 합금을 사용하여 제조한 피스톤에 대해 비커스 경도기를 사용하여 경도를 측정하였으며, 볼 온 디스크 (Ball on disk) 마모시험기를 사용하여 마모량을 측정하였다.
그 결과, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 피스톤은 높은 경도를 나타냄을 알 수 있었으며, 열처리 시간이 증가할수록 경도가 높아짐을 알 수 있었다. 또한, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 피스톤은 주철에 비해 그 마모량이 적어 그에 따른 마찰계수의 값이 낮았으며, 열처리 시간이 증가할수록 그 마모량이 적어 열처리 시간에 비례하여 내마모성이 증가함을 알 수 있었다.
이하 실시예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예들은 본 발명을 예시하는 것으로, 본 발명의 내용이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 금속간 화합물로 강화된 복합재료 엔진 피스톤의 제조 (1)
니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체에 기공율을 82%로 하여 티탄 분말을 10% 혼합하였다. 이들 다공질체의 표면에 존재하는 수분을 제거하기 위해 150℃로 가열한 후, 금형온도를 350℃로 한 상태에서 720℃의 AC8A 알루미늄 합금 용탕을 가하여 용침시켜 금속간 화합물로 강화된 복합재료 엔진 피스톤을 제조하였다.
상기와 같은 공정으로 제조된 피스톤에 대해 비커스 경도기를 사용해서 경도를 측정하고, 볼 온 디스크 (Ball on disk) 마모시험기로 마모량을 측정하여 그 결과를표 1및표 2에 나타내었다. 마모시험은 하이 프리퀀스 머싱 (High Frequence Maching)을 사용하여 왕복형 (reciprocating type)으로 마모특성을 평가했으며, 상대재는 SCM14를 사용, 마찰압력은 500 N/㎠, 이동거리는 4.5 kg로 했다.
실시예 2. 금속간 화합물로 강화된 복합재료 엔진 피스톤의 제조 (2)
실시예 1과 같은 방법으로 니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체에 알루미늄 합금 용탕을 가하여 용침시킨 후, 520℃에서 6시간 가열하여 최종적인 엔진 피스톤을 제조하였다.
상기와 같은 공정으로 제조된 엔진 피스톤에 대하여 경도 및 마모량을 측정하여표 1및표 2에 나타내었다.
실시예 3. 금속간 화합물로 강화된 복합재료 엔진 피스톤의 제조 (3)
열처리를 520℃에서 12시간 동안 수행하는 것을 제외하고는 실시예 2와 같은방법으로 엔진 피스톤을 제조하여 경도 및 마모량을 측정하여표 1및표 2에 나타내었다.
실시예 4. 금속간 화합물로 강화된 복합재료 엔진 피스톤의 제조 (4)
열처리를 520℃에서 18시간 동안 수행하는 것을 제외하고는 실시예 2와 같은 방법으로 엔진 피스톤을 제조하여 경도 및 마모량을 측정하여표 1및표 2에 나타내었다.
| 엔진 피스톤 | 경도 |
| 실시예 1 (주조 직후, 열처리 수행하지 않음) | 234 |
| 실시예 2 (520℃에서 6시간 열처리한 후) | 240 |
| 실시예 3 (520℃에서 12시간 열처리한 후) | 252 |
| 실시예 4 (520℃에서 18시간 열처리한 후) | 278 |
| 비교재(AC8A)* | 87 |
| * AC8A : 알루미늄 합금 |
표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 피스톤은 높은 경도를 나타냄을 알 수 있었으며, 열처리 시간이 증가할수록 경도가 높아짐을 알 수 있었다.
| 엔진 피스톤 | 마모량(mg) | 마찰계수 |
| 실시예 1 (주조 직후, 열처리 수행하지 않음) | 32 | 0.40 |
| 실시예 2 (520℃에서 6시간 열처리한 후) | 28 | 0.39 |
| 실시예 3 (520℃에서 12시간 열처리한 후) | 23 | 0.37 |
| 실시예 4 (520℃에서 18시간 열처리한 후) | 20 | 0.38 |
| 비교재(AC8A)* | 84 | 0.68 |
| 주철 | 32 | 0.46 |
| * : 알루미늄 합금 |
표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 피스톤은 기존의 엔진 피스톤의 재료인 주철에 비해 그 마모량이 적어 그에 따른 마찰계수의 값이 낮았고, 열처리 시간이 증가할수록 그 마모량이 감소함을 알 수 있었다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 금속간 화합물로 강화된 복합재료 엔진 피스톤의 제조방법은 고압주조 방법이 아닌 저압주조 또는 중력주조의 방법으로 알루미늄 합금 용탕을 자발적으로 용침시키므로 그 제조방법이 간단하고, 고내마모성이 요구되는 부분에 금속간 화합물을 형성함으로써 경량이면서도 내마모성 및 기계적 특성이 우수한 엔진 피스톤을 제조할 수 있는 방법이다.
Claims (2)
- 니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체에 중량에 대하여 티탄 분말 3∼32 중량%를 첨가하는 단계 (제 1 단계);제 1 단계에서 티탄 분말을 첨가한 니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체를 150℃ 이상으로 가열하는 단계 (제 2 단계); 및제 2 단계에서 가열된 니켈-크롬 다공질체 또는 니켈 다공질체에 알루미늄 합금 용탕을 주입하여 670∼820℃에서 저압주조 또는 중력주조의 방법으로 금속간 화합물을 형성하는 단계 (제 3 단계)로 이루어지는 금속간 화합물로 강화된 복합재료 엔진 피스톤 (piston)의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 제 3 단계 후에 450∼550℃에서 4∼20시간 동안 열처리하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤의 제조방법.
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| KR1019990011375A KR100318773B1 (ko) | 1999-04-01 | 1999-04-01 | 금속간 화합물로 강화된 복합재료 엔진 피스톤의 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20000065269A KR20000065269A (ko) | 2000-11-06 |
| KR100318773B1 true KR100318773B1 (ko) | 2001-12-28 |
Family
ID=19578489
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1019990011375A KR100318773B1 (ko) | 1999-04-01 | 1999-04-01 | 금속간 화합물로 강화된 복합재료 엔진 피스톤의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100318773B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100502773B1 (ko) * | 2001-11-22 | 2005-07-22 | 니뽄 가이시 가부시키가이샤 | 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기 및 이를 이용한 복합 재료의 제조 방법 |
-
1999
- 1999-04-01 KR KR1019990011375A patent/KR100318773B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100502773B1 (ko) * | 2001-11-22 | 2005-07-22 | 니뽄 가이시 가부시키가이샤 | 복합 재료를 제조하기 위한 반응 용기 및 이를 이용한 복합 재료의 제조 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20000065269A (ko) | 2000-11-06 |
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