KR100342177B1 - 엔진 피스톤 탑링용 오일 템퍼드 이형 강선 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가솔린 또는 디젤 엔진에 사용되는 피스톤 탑링용 오일 템퍼드 이형 강선 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 오일 템퍼드 이형 강선은 그 단면 형태에 있어 사각형의 일측 모서리가 면취된 형상을 하고 있음에 기술적 특징이 있는 것으로, 이러한 본 발명의 오일 템퍼드 이형 강선의 제조 방법은 선재를 1차 산세 및 피막 처리 단계와, 1차 신선 및 표면흠 제거 단계와, 1차 래드 페이턴팅 단계와, 2차산세 및 피막 처리 단계와, 2차 신선 단계와, 2차 래드 페이턴팅과 3차 산세 및 피막 처리 단계와, 3차 신선과 압연 및 3차 열처리 단계와, 4차 산세 및 피막 처리 단계와, 이형 신선 및 오일 템퍼링 하는 단계로 이루어진다.
본 발명은 이형 강선의 제조시 압연과 3차 열처리 및 이형 신선 단계를 통해서 정확한 면취 형상을 얻음과 아울러 표면흠 제거와 2차 신선 및 압연 단계에 의해서 소정의 표면조도를 얻도록 한 데에 기술적 핵심이 있다.
본 발명 방법에 의하여 제조된 피스톤 탑링용 오일 템퍼드 이형 강선은 면취된 형상을 할 뿐만 아니라, 강선의 경도와 표면 조도 역시 탑링에서 요구되는 수준을 충분히 만족하기때문에 피스톤 탑링의 제조 공정에서 면취 공정을 생략할 수가 있으며, 따라서 본 발명의 이형 강선을 사용 시에는 피스톤 탑링의 생산성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
Description
본 발명은 가솔린 또는 디젤 엔진의 피스톤에 장착되는, 압축링으로도 불리는 탑링(top ring)용 오일 템퍼드 이형 강선 및 제조 방법에 관한 것으로서, 더 자세하게는 피스톤용 강선의 선재를 산세, 피막, 신선, 열처리, 압연 등의 전(前) 공정 완료 후, 최종 단계에서 피스톤 링의 형상을 갖도록 탑링의 형상과 거의 동일한 이형 다이스에 의한 이형 신선과 오일 템퍼링 열처리를 실시하므로써, 제조된 이형 강선에 정밀한 단면 형상과 적절한 기계적 성질 및 표면 조도를 부여하고, 피스톤 탑링 제조 시 행해지던 종래의 면취 공정을 생략할 수 있도록 한, 엔진 피스톤 탑 링용 오일 템퍼드 이형 강선에 관한 것이다.
일반적으로, 가솔린 또는 디젤 엔진의 피스톤 외주면에는, 피스톤 외주면과 실린더 내벽과의 틈새를 막아 피스톤의 왕복 운동에 따라 반복되는 엔진의 4 싸이클 행정, 즉 압축, 폭발, 팽창, 배기 행정에서 형성되는 실린더 내 압력의 손실을 방지하기 위한 2개의 압축링과, 엔진 오일의 연소와 열화 방지를 위하여 실린더 내벽에 도포되는 오일을 긁어 엔진 하부에 있는 오일 팬(pan)으로 엔진 오일을 되돌려 보내주는 1개의 오일링이 조립되어 있다.
도1의 (가)내지 (다)에 도시한 바와 같이, 피스톤(1)의 외면에는 외주면을 따라 원형으로 파여져 있는 3개의 홈이 있으며, 상부 홈(2)과 중간 홈(3)에는 두개의 압축링 즉, 탑링(5)과 중간링(6)이, 하부 홈(4)에는 오일링(7)이 조립된다.
특히, 탑링(5)은 접촉면과 미세한 틈이 없도록 피스톤(1)과 실린더(8) 벽(8A) 사이에 밀착하여야만 실린더 내의 압력 손실이 방지되고 엔진의 기준 압축비가 유지되므로써 엔진의 성능이 제대로 발휘될 수 있는 것이다.
따라서, 열팽창에 의하여 팽창하는 피스톤과 탑링의 밀착성 유지를 위하여 피스톤 홈과 접하는 압축링의 일측 모서리는 도2의 (나)에 도시한 바와 같이 경사면(21A)을 갖는다.
탑링(5)의 단면은 도2의 (나)에 도시한 바와 같이, 사각형 형태에서 세 개의 모서리는 라운딩(rounding) 처리한 형태이고 나머지 한 모서리는 경사면(21A)을 갖는 사다리꼴 형태의 단면을 갖는 바, 사각형 형태의 압축링 소재(20)를 면취 가공하여 경사면(21A)을 갖도록 하여야 한다.
즉, 상기 소재(20)를 탑링(21)으로 사용하기 위해서는 피스톤 제작 공장에서 별도로, 탑링의 조립 홈(2)의 상면(2A)과 접하게 되는 소재(20)의 일측 모서리 (20A)를 연마하는 면취가공을 행하여 경사면(21A)으로 만들어 주므로써, 실린더 내벽(8A)이 압축링(21)의 수직면(21B)을 미는 힘과 실린더(8) 상부 연소실(9)에 형성된 압력에 의하여 압축링(21)의 경사면(21A)과 피스톤 홈 상면(2A)과의 밀착에 미세한 틈이 없어지고, 실린더 내부의 압력 손실이 방지되어 엔진의 연소 효율이 떨어지지 않게 된다.
상기와 같이, 엔진을 구성하는 중요 부품의 하나인 피스톤 링의 소재로는 고급 주철제가 주로 사용되어 왔으나, 합금 기술과 선재 가공 기술이 발전함에 따라내마모성과 우수한 내열 특성을 갖는 선재가 개발되어 현재는 선재로 만들어진 피스톤 링이 주로 쓰이고 있다.
피스톤 링은 고압·고온의 매우 가혹한 조건에서 사용되기 때문에 소재의 내마모성의 향상과 고온에서도 유지되어야 하는 탄성적 특성 개선을 위한 측면에서의 연구가 주로 추진되고 있다.
상기와 같은 피스톤 링에 대한 선행 기술을 살펴 보면, 일본 공개 특허공보 11061344에 엔진의 피스톤 링은 매우 가혹한 조건 하에서 사용되는 관계로 링의 내마모성 향상을 위하여, 크롬대 탄소 양의 비율, 크롬과 규소의 양 및 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐 등의 미량 첨가 원소를 조절하므로써 소재의 가공성과 압연성을 향상시키고 열처리 후의 경도를 유지하는 방법이 개시되어 있다.
그리고, 일본 공개 특허공보 05059495에는 소재의 화학 성분을 조절하고 열처리에 의하여 조직 내에 미세한 카바이드 석출물을 균일하게 분산시킨 후 표면 질화시키는 방법이, 미국 특허 5,154,433에는 표면 질화층을 갖는 마르텐싸이트 (martensite)계 스테인레스 강인 피스톤 링의 슬라이딩(sliding) 면에 이온 도금 처리를 하여 질화 티타늄(titanium nitride) 박막을 피복하는 방법과 같은 경화처리에 관련된 기술들이 개시되어 있다.
그러나, 소재의 물리적 특성을 개선하기 위한 기술이 대부분일 뿐, 선재의 제조 가공 측면에서 고려된, 즉 피스톤 링 성형시 면취 가공 공정 등을 생략할 수 있는 피스톤 링용 소재 강선의 제조 기술은 없는 실정이다.
최종 가공 공정인 피스톤 탑링의 면취 가공을 생략하여 피스톤 탑링의 생산성을 높일 수 있는, 면취 가공이 완료된 상태와 같은 이형 강선 소재와, 이형 강선 제조를 위하여 치수 변화를 감안한 강선 소재의 이형 신선 및 신선 후 상기 경사면 (21A)을 포함한 소재 표면의 거칠기를 면취 가공 수준 이상으로 달성할 수 있는 신선 방법을 제공하는 것에 본 발명의 목적이 있다.
도 1의 (가)내지 (다)는 일반적인 피스톤과 피스톤 링의 구조를 보인 것으로,
(가)는 피스톤의 사시도이고,
(나)는 피스톤 링의 사시도이며,
(다)는 실린더 내 피스톤과 피스톤 링의 조립 단면도이다.
도 2는 압축링의 단면도로서,
(가)는 가공전의 압축링 소재에 대한 단면도이고,
(나)는 가공된 압축링에 대한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 방법으로 제조한 피스톤 탑링의 단면도.
((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))
1. 피스톤 2,3,4. 피스톤 링의 조립 홈
5. 탑링(압축링) 6.압축링(중간링)
7. 오일링 9. 연소실
본 발명의 오일 템퍼드 이형 강선은 면취 상태의 단면을 가지고 있기 때문에 피스톤 탑링의 제조시 면취 공정을 생략할 수 있으며, 이러한 이형 강선을 제조하는 본 발명의 방법은 선재의 1차 산세 및 피막 처리 단계와, 1차 신선과 표면흠 제거(shaving) 단계와, 1차 래드 페이턴팅(lead patenting) 열처리 단계와, 2차 산세 및 피막 처리 단계와, 2차 신선 단계와, 2차 래드 페이턴팅 단계와, 3차 산세 및 피막 처리 단계와, 3차 신선 및 압연 단계와, 3차 래드 페이턴팅 단계와, 4차 산세 및 피막 처리 단계와, 이형 신선 그리고 오일 템퍼링 열처리 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.
면취가 필요없는 본 발명의 피스톤 탑링용 강선 제조 방법은 정확한 치수의 면취된 형상과 피스톤 링에 요구되는 표면 조도를 확보하는 것에 그 기술적 핵심이 있으며, 이를 위하여 면취된 형상의 정밀한 제어는 압연 단계와 이형 신선 단계에서, 표면 조도는 표면흠 제거 단계와 2차 신선 단계 및 압연 단계에서 이루어 진다.
상기 본 발명의 방법에서 중요한 것은, 표면흠 제거 깊이를 0.10∼0.30mm로 하고 2차 신선량은 20∼80%의 수준으로 행하며, 3차 래드 페이턴팅은 650∼750℃에서 1∼4시간 실시하는 소둔 처리로 변경할 수 있다는 것이다. 그리고, 이형 신선 가공량은 5∼20%로 하는 것이 바람직 하다.
1차 신선 후 표면흠 제거 단계에서 그 깊이를 최소 0.10mm∼0.30mm로 한정한 것은 선재의 표면에 발생하는 통상적인 표면흠의 깊이가 최소 0.1mm 에서 최대 0.30mm이며, 그러한 표면흠을 제거하기 위한 목적에서 이다.
그리고, 2차 신선량을 20∼80%로 하는 것은 20% 미만의 가공량에서는 가공량이 낮아 1차 열처리 후의 강선 표면 조도를 1.5㎛이하로 낮추기가 어렵고, 가공량이 80%를 초과하게되면 신선시 부여된 강선의 잔류응력이 높아 압연 단계에서 강선의 표면 크랙(crack)이 발생하기 쉽기 때문이다.
2차 래드 페이턴팅 실시 후의 3차 산세와 피막 처리 및 3차 신선은 보조 공정의 성격을 갖는 단계로서, 2차 래드 페이턴팅까지 실시된 강선의 표면에 다시 생성된 표면 스케일(scale)을 제거하고 산세에 의한 스케일 제거로 다시 거칠어진 강선 표면을 적절히 신선하여 표면 조도를 높여 주기 위한 공정이며, 이때의 신선율이 20%에 미치지 못하면 가공량이 적어 스케일 제거가 완전치 못하고 표면이 거칠어지게 되며, 50%를 초과하게 되면 잔류응력이 높아져 3차 래드 페이턴팅과 이형 신선을 통하여 적절한 기계적 물성치를 얻을 수 없기 때문에 20∼50%의 연신율을 적용하되 3차 래드 페이턴팅과 이형 신선율을 고려하여 결정되어야 한다.
또한, 3차 래드 페이턴팅을 대신하여 적용 가능한 소둔 처리를 650∼750℃에서 1∼4시간으로 한정한 것은, 650℃ 미만에서는 재결정에 의한 소둔 강선의 연화가 불완전하여 이형 신선 단계에서 모서리의 라운드(round) 부분에 크랙이 발생하거나 이 부위와 접촉하는 다이스의 접촉면이 쉽게 마모되는 문제가 있으며, 750℃를 초과하면 오스테나이트 결정립의 크기가 증가하여 강선의 강도가 저하되기 때문이다.
피스톤 탑링으로 사용될 수 있도록 목표 형상과 치수를 결정해주는 이형 신선 가공량을 5∼20%로 하는 것은, 5% 미만의 가공량에서는 다이스 내의 강선 충진율이 낮아 이형선 모서리의 라운드 형상이 제대로 형성되지 않고, 가공량이 20%를 초과하면 강선의 연신 때문에 이형선의 치수가 불안정해지는 문제점이 발생하기 때문이다.
아래의 실시예를 통하여 본 발명의 이형 강선과 그 제조 방법에 대하여 더욱 명확하게 이해될 것이다.
피스톤 탑링용 오일 템퍼드 강선을 제조하고 그 제조 방법을 개발하기 위하여 직경이 5.5mm이며, 화학 성분이 0.50∼0.60wt%C, 1.20∼1.60wt%Si, 0.50∼0.80wt%Mn, 최대 0.03wt%P, 최대 0.03wt%S, 0.50∼080wt%Cr, 최대 0.2wt%Cu인 SAE 9254 선재에 2가지 제조 방법을 적용하여 중형 승용차용 피스톤 탑링 샘플 2종을 제조하였다.
샘플 1의 제조 방법은 1차 산세 및 피막 처리 →10% 1차 신선 및 0.125mm 표면흠 제거 →650℃ 1차 래드 페이턴팅 →60% 2차 신선 및 650℃ 2차 래드 페이턴팅 →3차 산세 및 피막 처리 →35% 3차 신선 →47% 압연 →700℃ ×2시간의 3차 소둔 열처리 →4차 산세 및 피막 처리 →7% 이형 신선 →500℃ 오일 템퍼링의 단계로 이루어 진다.
샘플 2의 제조 방법은 상기 샘플 1의 제조 방법 중에서 3차 열처리 대신 650℃ 3차 래드 페이턴팅을 적용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다.
상기와 같이 제조된 샘플의 치수 측정치는 다음 표와 같다.
| 구 분 | T(mm) | H(mm) | W(mm) | R1(mm) | R2(mm) | R3(mm) | |
| 규 격 | 1.225∼1.255 | 2.975∼3.025 | 0.70∼0.80 | 0.30∼0.40 | 0.10∼0.15 | 0.15∼0.20 | 45。 |
| 샘플 1 | 1.241 | 3.002 | 0.754 | 0.38 | 0.13 | 0.18 | 45。 |
| 샘플 2 | 1.240 | 3.000 | 0.751 | 0.38 | 0.12 | 0.18 | 45。 |
* 상기 부호는 도3에 의거함
상기의 샘플 치수 측정치는 투영기를 이용하여 20∼50배의 배율로 측정한 것이며, 표 1로부터 두 샘플의 치수는 거의 비슷하고 규격에도 정확히 부합되는 것을 알 수 있다.
그리고, 또다른 중요 측정치인 샘플의 경도, 신율 및 표면 조도를 측정한 결과는 아래 표2와 같다.
| 구분 | 경도(Hv) | 신율(%) | 표면조도(RZD,㎛) |
| 규 격 | 510∼555 | ― | 1.5이하 |
| 샘플 1 | 529 | 6.7 | 0.7 |
| 샘플 2 | 531 | 6.5 | 0.9 |
* 상기의 신율은 파단시의 값이며 기준 시험편의 길이는 250mm이다.
표2에서 알 수 있듯이 샘플의 경도와 표면 조도 값 역시 규격 내에 합치되고 있다.
상기와 같이 본 발명의 방법으로 제조된 오일 템퍼드 이형 강선은 피스톤 탑 링에 요구되는 경도, 표면 조도 등을 만족시킬 뿐 아니라, 면취된 단면 형상을 갖고 있기 때문에 종래의 피스톤 탑 링 제조시 필수적인 면취 공정을 생략할 수 있다.
따라서, 피스톤 탑링의 제조에 있어서 생산성 향상에 기여할 뿐 아니라 제조 원가의 절감에도 효과가 있을 것으로 기대된다.
Claims (4)
- 사각형의 한 모서리가 면취된 단면 형상을 하는 피스톤 탑링에 있어서, 이형 다이스에 의한 신선으로 피스톤 탑링과 동일하게 사각형의 한 모서리가 면취된 단면 형상을 하며, 화학성분이 규격 SAE 9254를 만족하고 경도가 Hv 460∼560, 표면 조도(Rz.D)가 1.5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤 탑링용 오일 템퍼드 이형 강선.
- 화학성분이 규격이 SAE 9254를 만족하는 피스톤 탑링용 선재를, 1차 산세 및 피막 처리 단계와; 1차 신선 및 0.10∼0.30mm 깊이의 표면흠 제거 처리 단계와; 1차 래드 페이턴팅 및 2차 산세·피막 처리 단계와; 20∼80% 가공율의 2차 신선 단계와; 2차 래드 페이턴팅 및 3차 산세와 피막 처리 단계와; 20∼50% 신선율의 3차 신선과 압연 단계와; 650∼750℃에서 1∼4 시간 실시하는 3차 소둔 또는 3차 래드 페이턴팅 중의 하나를 실시하는 단계와; 4차 산세 및 피막 처리 단계와; 5∼20% 가공량의 이형 신선 및 오일 템퍼링의 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 엔진 피스톤 탑링용 오일 템퍼드 이형 강선의 제조 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1019990055916A KR100342177B1 (ko) | 1999-12-08 | 1999-12-08 | 엔진 피스톤 탑링용 오일 템퍼드 이형 강선 및 그 제조방법 |
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| KR1019990055916A KR100342177B1 (ko) | 1999-12-08 | 1999-12-08 | 엔진 피스톤 탑링용 오일 템퍼드 이형 강선 및 그 제조방법 |
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|---|---|
| KR20010054920A KR20010054920A (ko) | 2001-07-02 |
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| JPS5519998A (en) * | 1978-07-27 | 1980-02-13 | Schmidt Gmbh Karl | Piston for engine |
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| JPH06207671A (ja) * | 1993-01-12 | 1994-07-26 | Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd | 内燃機関のピストンリング |
-
1999
- 1999-12-08 KR KR1019990055916A patent/KR100342177B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (5)
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