KR100370454B1 - 내연기관용 자기 윤활 피스톤 링 재료와 피스톤 링 - Google Patents

내연기관용 자기 윤활 피스톤 링 재료와 피스톤 링 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피스톤 링에서 요구되는 미끄럼 특성과, 제조 공정시 제공되는 강철 와이어 재료의 기계적 특성들과 같은 상호 모순되지만 우수한 특성을 갖는 피스톤 링 재료와 피스톤 링에 관한 것이다. 피스톤 링 재료나 피스톤 링은 0.3 질량% 이상 및 0.8 질량% 이하의 C, 0.1 내지 3.0 질량%의 Si, 0.1 내지 3.0 질량%의 Mn, 0.03 내지 0.3 질량%의 S, 0.3 내지 6.0 질량%의 Cr, 바람직하게는 3.0 내지 6.0 질량% 또는 0.3 내지 1.0 질량%의 Cr, 0 내지 3.0 질량%의 Cu 및 나머지는 Fe를 필수로 이루어지며, 성형된 피스톤 링의 외주면과 평행한 구조에서 관찰할 때 최대 직경/최소 크기 ≥ 3을 갖는 황화물 함유물(sulfide inclusion)의 분포 상태는 두 개의 황화물 함유물의 최대 크기를 통과하는 직선들 사이에 형성된 교차각이 30o이하를 이루는 형상이다. 또한, 구조에 포함된 비금속 함유물의 면적비는 2.0% 이하이며, 또는 상술한 조성에 추가하여, 0.01% 이하의 Ca와, 전체 질량%가 0.5 이하인 V, Nb, Ti 중 하나 이상의 원소와 1.5% 이하의 Al으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소가 포함된다.

Description

내연기관용 자기 윤활 피스톤 링 재료와 피스톤 링 {SELF-LUBRICATING PISTON RING MATERIAL FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND PISTON RING}
본 발명은 자동차 엔진과 같은 내연기관에 장착되는 피스톤 링에 관한 것이다.
지금까지, 내연기관, 특히 자동차 엔진에서 사용하기 위한 피스톤 링은 주철로 성형되었지만, 강철 와이어를 링 모양으로 성형하여 제작한 소위 강철 피스톤 링으로 변천되어 왔다. 특히, 피스톤 링은, 일반적으로 와이어 스톡(wire stock)을 얻기 위해 소정의 조성을 갖는 잉곳(ingot)을 단조 및 열간 압연과 같은 고온 작업을 실시하는 단계와, 또한 피스톤 링의 작은 단면 형태에 상응하는 강철 와이어 재료를 얻기 위해 인발 등을 실시하는 단계와, 링의 형태를 소정의 곡률로 성형하기 위해 경도 뜨임(hardness tempering) 및 굽힘을 실시하는 단계를 포함한 공정에 의해 제작된다.
오늘날에는 하나의 피스톤 상에 3개의 링, 즉 연소실 쪽으로부터 상부 링, 제2 링, 오일 링을 장착하는 것이 일반적이지만, 최근 경향에 따르면, 심각한 상황에 노출된 부분에 위치된 상부 링과 오일 링은 기능 향상을 위하여 강철로 성형된다. 이러한 배경 하에서, 최근 수년간, 내연기관 대신에 사용하고자 하는 전기 자동차 등의 연구 결과가 주목되었으며, 또한 내연기관의 계속적인 향상을 얻기 위한 노력도 진행되어 왔다.
더욱이, 최근 수년간, 엔진 내부 현상에 관련한 연구도 실시되어 왔으며, Saito 외 다수의 연구(일본 기계 엔지니어 협회의 규슈 지부에서 주최(1999)한 리서치 프리젠테이션 강좌 미팅 1999에서 발표한 "심각한 작동 조건하에서 디젤 엔진의 마모에 관한 연구")에 따르면, 주철로 성형된 제2 링이 현 상황에서 3개의 링들중 가장 많이 마모된다는 점이 지적되었다. 또한, 엔진 주변 성능(engine environmental performance)을 향상시키기 위해 링 구조를 얇게 설계하기 때문에 추종 능력(followability)을 향상시킬 필요가 있다는 점에서 강철 링으로 변천하게 되는 이유가 존재하며, 따라서 이러한 배경하에서 피스톤 링의 기계 강도를 향상시킬 필요가 있다. 게다가, 또한 피스톤 링의 제작 단계에 관련한 기술적인 전환과 확장 용이성(expansion easiness)에 있어서도 큰 이유를 갖게 되었다.
강철 피스톤 링은 기계적 특성과 내마모성 면에서 주철 링보다 훨씬 우수하지만, 용착방지성(anti-seizure property) 면에서 열등하며, 이것은 특히 강철 피스톤 링을 제2 링에서 사용하지 못하는 이유 중 하나이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, JP-A-10-30726에서 밝힌 바와 같이, 강철 피스톤 링에서 질화(nitriding) 등과 같은 표면 처리를 사용하는 데, 이 표면 처리는 실린더 라이너와 접촉하는 강철 피스톤 링의 표면상에서 실시한다. 그러나, 이러한 표면 처리는 비용뿐만 아니라, 피스톤과의 접촉면에서 발생하는 Al 부착을 방지하는 측면에서 적절하지 못하다.
또한, 임의의 표면 처리를 실시하지 않고도 상술한 문제를 해결하기 위한 시도가 있어 왔는 데, JP-B-58-46542 등에서는 피스톤 링의 강철에 성능/비용 면에서 우수한 Cr기 탄화물을 증가시키기 위하여 강철 피스톤 링의 조성으로서 10% 이상의 Cr을 첨가할 것을 제안하고 있다. 그러나, 탄화물의 양을 증가시킴으로써 내마모성을 뛰어나게 향상시킬 수는 있지만 용착방지성의 향상 효과는 미소하며, 기계 성능의 악화와 같은 제조상의 문제를 발생시킨다.
본 발명의 목적은 상술한 기술로서는 얻을 수 없는 3가지 측면 모두를 충족시키고자 하는 것으로서, 다시 말하면, (1) 피스톤 링의 표면 전체에 걸쳐서 용착방지성을 향상시키며, (2) 향상된 용착방지성과 더불어 향상된 기계 가공성 (machinability)을 갖는 재료를 이용하여 피스톤 링을 제조하고, (3) 피스톤 링을 작은 단면 형태로 성형할 때에도 피스톤 링이 충분한 기계적 특성을 유지할 수 있도록 하는 것이다.
상술한 문제들을 해결하기 위한 다양한 연구 결과로서, 본 발명자는 주성분으로서 0.3 내지 0.8%의 C를 함유하는 저합금 강철에 적당한 양의 S를 첨가함으로써 용착방지성과 가공성(workability)을 효과적으로 향상시키고, 바람직하게는 S와 Ca를 동시에 첨가함으로써 뛰어난 효과가 얻어질 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 얻게 되었다.
종래 기술에 있어서, S는 용착을 방지하기 위하여 극압 첨가제(extreme pressure additive)로서 엔진 오일에 유기적인 형태로 첨가된다. 한편, 본 발명자는, MnS와 같은 황화물이 강철 내에 존재하도록 제작될 때, S는 마찰열에 의해 마찰 표면상에 새로 형성된 표면 중 자신의 원래 위치에서 황화물 막을 형성하며, 또한 이것은 윤활 성능을 효과적으로 향상시킨다는 점을 발견하게 되었다. 이러한 방법에 따라서, 윤활 물질이 재료 내에 분포되어 있기 때문에 윤활이 필요한 국부적 위치에서 윤활 성능을 향상시키고자 할 때 많은 양의 윤활 물질을 첨가할 필요가 없다. 또한, 극압 첨가제와는 달리, 오일을 교환하는 경우에도 윤활 효과는 사라지지 않으며 반영구적인 기능을 기대할 수 있다.
또한, 종래 기술에 있어서, 강철 내에 Cr기 탄화물을 증가시키는 것과 질화에 의하여 표면 경도를 상승시키는 것 등은 마찰로 인한 마모 발생시 주철로 이루어진 라이너 재료와의 내마모성 차이를 증가시키고자 하는 것이다. 이러한 방법은 용착방지성을 상승시키지만, 불균일한 접촉 상태에서 라이너 측면의 마모를 증진시켜 결과적으로 라이너의 접촉 면적을 증가시킴으로써, 특정 하중이 국부적, 비정상적으로 상승하는 것을 방지하고자 하는 것이다. 즉, 이 방법들은 초기에 장착된 피스톤 링의 적응성(conformability)을 향상시키기 위한 기술에 관련한 것이지, 접착 마모(adhesion wear)와 같이 내구성을 악화시키는 마모에 대항하여 요구되는 마모 저항성을 향상시키는 데는 거의 기여하지 않는다.
더욱이, 내마모성의 지나친 증가는 라이너 측면을 침투하는 상황을 유발하며, 이러한 상황이 진행됨에 따라서 유극 등이 증가하고, 배기 가스량과 관련된 블로바이(blow-by)량이 증가한다. 상술한 S의 효과는 재료의 마모를 진행시키지 않으면서 마찰 계수를 낮추어 용착방지성을 향상시키기 때문에, 엔진이 작동하는 중에도 유극 변화 정도가 낮게 유지되는 뛰어난 장점을 갖는다.
특히, 본 발명의 제1 측면에 따라서, 연장 피스톤 링 재료에는 내연기관용 피스톤 링을 생산하기 위해 적절하게 적용된 자기 윤활이 제공되며, 이때 피스톤 링 재료는 질량면에서 0.3 질량% 이상 및 0.8 질량% 이하의 탄소, 0.1 내지 3.0 질량%의 규소, 0.1 내지 3.0 질량%의 망간, 0.03 내지 0.3%의 황, 0.3 내지 6.0%의 크롬, 0 내지 3.0%의 구리 및 나머지는 철로 이루어져 있는 강철을 필수적으로 포함하고, 또한, 피스톤 링 재료는 이 재료의 길이방향 구조에서 볼 때 최소 크기에 대한 최대 크기 비율, 즉 형상비가 3 이상을 각각 갖는 황화물 함유물들을 포함하며, 길이방향 구조 내의 황화물 함유물들은 이 황화물 함유물들 중 어느 한쪽의 최대 크기를 통과하는 가상 직선과, 황화물 함유물들 중 다른 쪽의 최대 크기를 통과하는 가상 직선 사이에 형성된 교차각이 30o이하인 방향을 갖는다.
본 발명의 제2 측면에 따라서, 피스톤 링 재료에는 내연기관용 피스톤 링을 생산하기 위해 적절하게 적용된 자기 윤활이 제공되며, 이때 피스톤 링 재료는 질량면에서 0.3 질량% 이상 및 0.8 질량% 이하의 탄소, 0.1 내지 3.0 질량%의 규소, 0.1 내지 3.0 질량%의 망간, 0.03 내지 0.3 질량%의 황, 0.3 내지 6.0 질량%의 크롬, 0 내지 3.0 질량%의 구리 및 나머지는 철로 이루어져 있는 강철을 필수적으로 포함하며, 또한, 피스톤 링 재료는 이 피스톤 링 재료로 성형된 피스톤 링의 외주와 평행한 면에 존재하는 구조에서 볼 때 최소 크기에 대한 최대 크기의 비율, 즉 형상비가 3 이상을 각각 갖는 황화물 함유물들을 포함하며, 구조 내의 황화물 함유물은 이 황화물 함유물들 중 어느 한쪽의 최대 크기를 통과하는 가상 직선과, 황화물 함유물들 중 다른 쪽의 최대 크기를 통과하는 가상 직선 사이에 형성된 교차각이 30o이하를 이루는 분포 상태로 제공된다. 바람직하게는, 0.01% 이하의 Ca가 첨가되며 Cr은 3.0 내지 6.0% 또는 0.3 내지 1.0%의 범위이다. 덧붙여 말하자면, 피스톤 링 재료의 외주는 재료, 즉 길이방향과 평행한 강철 와이어 재료의 표면으로 형성된 피스톤 링의 외주면을 의미한다.
추가로, 피스톤 링 재료나 피스톤 링에 있어서, 구조 내에서 비금속 함유물의 면적비는 2.0% 이하일 수 있으며, 상술한 조성에 추가하여 피스톤 링 재료나 피스톤 링은 V, Nb, Ti로 이루어진 그룹 중 적어도 하나를 전체적으로 0.5% 이하로 함유할 수도 있으며, 그리고/또는 1.5% 이하의 Al을 포함할 수도 있다.
도 1은 Cr 함유량과 탄화물의 종류 및 양 사이의 관계를 설명하기 위한 다이어그램.
도 2는 황화물 함유물들의 교차각(intersecting angle)을 나타내는 마이크로 구조 사진과 이 구조의 개략적인 형태를 도시한 도면.
도 3은 응력 방향과 크랙 전개 방향에 의해 이루어진 각도가 응력 세기 인자에 미치는 영향을 설명하기 위한 다이어그램.
도 4는 초고압 마찰 마모 시험 방법(ultrahigh pressure friction wear test method)을 개략적으로 나타낸 도면.
도 5는 왕복 운동 마모 시험 방법(reciprocating motion wear test method)을 개략적으로 나타낸 도면.
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명에 따른 피스톤 링의 일실시예를 나타내는 개략도와 단면도.
본 발명은, 주성분으로서 0.3 내지 0.8%의 C를 함유하는 저합금 강철로 제작된 피스톤 링에, 강철 내에 존재하는 황화물 함유물(sulfide inclusion)에 의해 발생된 자기 윤활 특성을 제공하여, 부품들의 마모를 최소화하면서 용착방지성을 향상시키는 것을 특징으로 한다. 이하에서 본 발명을 상세히 설명한다.
C(탄소)는 중요한 원소이며, 이 C의 일부는 매트릭스 내에 용해되어 저합금 강철의 강도를 제공하고, C의 다른 일부는 탄화물을 형성하여 내마모성과 용착방지성을 향상시킨다. 이 때문에 적어도 0.3%의 C가 필요하다. 그러나, C가 0.8% 이상이 되면 재료를 강철 와이어로 가공하거나 재료를 링 모양으로 구부리는 것이 곤란하다. 피스톤 링의 생산성을 향상시킴으로써 피스톤 링을 저렴하게 제조할 수 있다는 점이 피스톤 링에서 특히 중요하기 때문에, C 함유량은 0.8% 이하로 설정된다.
보통 환원제로서 Si가 첨가되기 때문에, 하한가는 0.1%로 설정된다. 한편, Si는 강철의 뜨임 연화 작용(temper softening behavior)에 영향을 미친다. 뜨임 연화를 최소화하고 열저항 강도를 향상시키기 위한 바람직한 Si 함유량은 1.0% 이상이다. 그러나, Si를 지나치게 첨가하면 냉간 가공성(cold workability)을 저하시키기 때문에, Si의 상한가는 3.0%로 설정되어야 한다.
비록 Mn이 Si와 유사한 환원제로서 사용되고 0.1% 이상이 필요할지라도, 지나치게 첨가하면 열간 가공성을 악화시킨다. 그 결과, 상한가는 3.0%로 설정되어야 한다.
Cr의 일부는 C와 화합하여 탄화물을 형성하며, 내마모성과 용착방지성은 향상된다. 추가로, Cr의 일부는 매트릭스 내에서 용해되며 내부식성과 뜨임 연화 저항을 향상시킨다. 더욱이, 이 성분은 충분한 경화성(hardenability)을 유지하기 위해 필요하며, 이로 인하여 충분한 열처리 경화를 얻을 수 있다. 가장 중요한 것은, 임의의 표면 처리를 행하지 않고도 미끄럼 특성을 향상시키고자 하는 것과 같은 본 발명의 제1 목적을 성취할 수 있도록 침전된 탄화물의 종류를 조절하여야 한다는 것이다.
도 1은, 본 발명에서 사용하기 위하여 Cr이 합금(Fe-0.55%, C-0.2%, Si-0.2% Mn 강)으로 이루어질 때(합금 성분들의 전체 양이 1로 설정되는 동안 석출량은 atm비로 계산 및 표시됨), 열역학적 계산에 의해 석출량의 변화와 종류의 변경을 평가 및 계획하기 위해 사용되는 그래프이다. 가장 단단한 M7C3탄화물(비커스 경도: 2400HV)의 양은 합금에 첨가된 Cr의 양이 증가함에 따라서 증가하지만, M7C3탄화물의 양은 Cr의 양이 약 6%일 때 최대가 되는 것으로 보인다. 즉, 최소의 Cr 첨가량으로 마모 저항을 최대화하도록 설계할 때 3.0 내지 6.0%의 Cr이 바람직한 조성인 것으로 보인다. Cr 함유량의 면적이 이러한 바람직한 범위 보다 더 낮은 경우, 이에 따른 효과는 작지만 적어도 0.3%의 첨가에 의해서 충분한 경도성을 유지할 수 있으며 생산성이 향상된다.
그러나, 마르텐사이트 메트릭스 내에서 Cr의 양이 이 Cr을 지나치게 첨가함으로써 증가하게 되는 경우에, 산화물은 윤활 특성을 부여하는 황화물이 발생하기 전에 용착 발생면(seizure-occurring surface)에서 우선적으로 형성되는 경향이 있으며, 그 결과 용착방지성은 악화된다. 이것은 석출된 주 탄화물이 M7C3로부터 M23C6으로 변화되어 탄화물에 흡수된 Cr의 양이 적어지며 5% 이상의 Cr이 첨가될 때 마르텐사이트 메트릭스 내에서 Cr의 양이 크게 증가하는 결과를 초래하기 때문이다. 게다가, 이 경우에, 주로 침전된 탄화물의 경도도 낮아지기 때문에, 마모 저항은 상술한 바와 같이 악화된다. 따라서, Cr의 상한가는 6.0%로 설정된다.
탄화물에 의한 상술한 효과는 상술한 바와 같이 낮은 Cr 함유 영역에서 작지만 이 영역은 생산성과 특히 냉간 가공성이 중요할 때 선호된다. 이 경우에, 경화성을 충분히 유지하기 위해서, Cr 함유물을 적어도 0.3%로 설정하고 상한가를 1.0%로 설정하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명에서 가장 중요한 원소는 S이다. 종래의 강철 와이어로 제작된 피스톤 링에서, 용착방지성은 상술한 바와 같이 불충분하지만, 용착방지성은 적당한 양의 S를 첨가함으로써 크게 향상될 수 있다. 대부분의 S는 Mn과 화합하여 MnS를 형성하는 데, 이것은 엔진 오일에 작용하여 윤활 효과를 일으키며, 그 결과 마찰 계수는 낮아지고 용착방지성은 향상된다.
용착은 마찰 표면 온도가 마찰열의 발생에 의해 상승되며 물질들 사이에서 열진동(thermal vibration)에 의해 원자 운동이 일어나 결과적으로 부착이 발생하는 현상이며, 마찰면 온도는 마찰 에너지의 단조로운 증가 함수(= 마찰 계수 × 비하중(specific load) × 미끄럼 속도)로 표현된다. 그 결과, 마찰 계수가 감소할 때, 온도는 쉽게 증가하지 않으며, 용착방지성은 향상된다. 이러한 효과를 얻기 위해서 적어도 0.03%의 S가 필요하지만, S를 지나치게 첨가하게 되면 기계적 특성의 악화를 초래하고, 강철 피스톤 링으로 성형되는 강철 와이어를 성형하기 위한 인발 단계에서 쉽게 파괴되며, 그 결과 상한가는 0.3%로 설정된다.
더욱이, 본 발명자는, 0.3% 정도의 S가 첨가된 강철 피스톤 링에 있어서, 기계적 특성으로서 피스톤 링의 제조 공정 중에 실시된 단조의 비율을 증가시키는 것이 바람직하다는 것을 발견하게 되었다. 특히, 단조비를 높힘으로써 피스톤 링의 기계적 특성이 향상되며 이러한 높은 단조비는 강철 와이어를 소정의 곡률로 구부림으로서 얻어지는 강철 피스톤 링의 파단/파손을 억제하기 위한 수단을 마련하게 된다.
또한, 이 경우의 단조비는 피스톤 링의 제조 공정 중 잉곳으로부터 피스톤 링 제품 사이에서 발생하는 면적 감소에 의해 정의된다. 즉, 그것은 (단조 전의 잉곳 단면적)/(굽힘 후의 제품 단면적), 다시 말해서 최종 피스톤 링 제품의 단면적에 대한 단조 및 인발 방향에 수직한 잉곳의 단면적의 비율이다. 그러나, 강철 와이어로부터 피스톤 링 제품까지 굽힘 작업하는 동안 면적 감소의 변화는, 본 발명의 효과를 달성할 수 있다는 조건하에서, 그리고 (단조 전의 잉곳 단면적)/(굽힘전(단조 후)의 강철 와이어 단면적)이 단조비에 의해 평가될 수 있다는 조건하에서 무시될 수 있다. 단조비가 높을수록 단조는 더 높은 정도로 실시될 수 있음을 나타낸다.
MnS와 같은 황화물을 포함하는 주형 상태(초기 구조)의 강철에서, 응고된 다공질 구조물의 결정 입계들이 3중으로 겹치는 곳에서 수많은 구형 또는 스핀들형 황화물이 존재하며, 이들의 방위는 임의적이지만 단조비가 증가함에 따라 황화물들의 방위가 결정되어 기계적 특성이 향상된다.
단조비가 증가되면 강철 와이어의 황화물 방위는 강철 와이어의 길이 방향으로 상승되는 데, 다시 말해서 황화물은 주로 피스톤 링에 작용하는 주변 응력(peripheral stress)을 따라서 뻗어 있으며 기계적 특성은 거의 악화되지 않는다. 이러한 효과는 확장 황화물(extended sulfide), 즉 각각 3 이상의 형상비(최대 크기/최소 크기)를 갖는 황화물에서 특히 현저하다. 그 결과, 3 이상의 형상비를 갖는 황화물의 방위가 주변 방향을 향하여 상승되지 않는 경우에, 기계적 특성은 후술하는 바와 같이 악화된다.
특히, 피스톤 링의 외주면에 평행한 구조물에서 관찰할 때 3 이상의 형상비를 갖는 황화물 함유물에서 2개의 황화물 함유물들 중 최대 크기를 갖는 황화물 함유물을 통과하는 2개의 직선의 교차각(예각)이 30o정도의 분포 상태를 이룬다면, 본 발명의 효과를 충족시키는 피스톤 링이 얻어질 수 있으며, 이러한 황화물 분포를 얻기 위한 단조비는, 예를 들어 500 이상이 바람직하다.
도 2는 1(주조 상태)과 500의 단조비로 단조된 강철이 에칭되지 않은 경우에 광학 현미경에 의해 400배 확대하여 관찰한 마이크로 구조의 개략도이며, 이 개략도는 황화물 함유물의 교차각의 측정을 나타낸다. 3 이상의 형상비를 갖는 2개의 임의의 황화물 함유물을 선택한 후에, 각 최대 크기를 통과하는 직선 A, B에 의한 형성된 예각을 관찰 시야(observation fields of view) 내에서 반복하여 측정한다. 적어도 10개의 시야에 걸쳐서 측정하며 각도의 최대값을 교차각으로 정의하다. 시야에서 교차가 이루어지지 않는다면(예를 들어, 도 2에서 단조비가 500일 때), A 선에 평행한 A'선은 보조선으로서 점선으로 표시할 수도 있다. 또한, "일정 분량의 황화물 침전물"이란 용어는, 400배 광학 현미경으로 관찰할 때 하나의 연속 침전물로서 보이는 황화물 침전물로 정의하며 최대 크기를 통과하는 직선은 측정선으로서 사용한다.
도 2에서는 단조비가 1인 경우에 30o를 초과하는 교차각을 갖는 황화물 함유물이 나타나지만, 단조비가 500인 경우에 교차각은 30o이하이다. 특히, 30o의 수치는 파괴 역학에서 설계되는 수치이다. 도 3은 G. R. Irwin(ASME지, 시리얼 E, 저널 응용 역학, 24권 3번(1957), 361-364 페이지 "Analysis of Stresses and Strains near the End of a Crack Transversing a Plate" 참조.)의 분석적 계산을 나타내며 응력 방향과 크랙 전개 방향 사이에 임의의 각도가 형성될 때 응력 세기 인자의 변화를 나타내며, 다음과 같은 수학식으로 표현된다:
[수학식 1]
여기서, KI는 크랙을 전개시키는 추진력을 이루는 응력 세기 인자이며, β는 응력 방향과 크랙 방향 사이에 형성된 각도이고, σ는 응력, π는 원의 직경에 대한 원주의 비율이며, a는 크랙 길이이다. 크랙은 이 크랙이 응력에 대해 직각(β = 90o)일 때 쉽게 전개되며, 크랙이 응력 방향을 따라 나타날 때(β = 0o)는 전개되지 않고, 크랙은 각도가 30o를 초과할 때 쉽게 전개된다(즉, 응력 세기 인자가 크게 상승한다). 함유물이 동적 접합(dynamic bonding)에서 열등하며, 따라서 크랙으로서 간주될 수 있다는 점을 고려하여, 함유물 분포에 관련한 방향 변화를 30o범위 내로 조절하는 것이 중요하게 보인다. 또한, 확장 함유물들의 적당한 방향을 제공하는 것도 중요하게 보인다.
S는 강철의 기계적 특성을 악화시키는 대표적인 원소이다. S-함유 강철의 경우에 강도의 악화에 관련한 대응책이 없다면, 강철 피스톤 링을 제작하기 곤란하다. 예를 들어 1% 정도의 S를 첨가할 수 있는 JP-A-7-258792는 충분한 단조비가 얻어질 수 없으며 주로 주강에 관련한 실린더 라이너를 포함한다. 사실, 비교적 저렴한 비용으로 강철 피스톤 링을 형성할 수 있는 것은 인발, 압연, 굽힘과 같은 소성 가공 기술이다. 즉, 상기 단계를 이용하여 1% 정도의 S 함유 강철을 피스톤 링 강철 와이어로 가공하여야 하는 경우에, 소성 가공을 위해 요구되는 재료 강도는 불충분하며, 인발 공정 중에 파단이 발생하여 강철 피스톤 링이 얻어질 수 없다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따라서, 물론 피스톤 링의 우수한 기계적 특성이 얻어지며, 추가로 본 기술은 특히 단조비에 있어서 뛰어나게 높은 미끄럼 제품을 얻을 수 있다. 따라서, 피스톤 링은 0.03 내지 0.3%의 범위에 존재하는 S 함유량을 갖도록 제한된다.
게다가, S의 상술한 효과를 추가로 향상시키기 위해서, Ca와 S를 함께 첨가하는 것이 효과적이다. Ca가 MnS 내에 존재하기 때문에, 용착 표면으로 쉽게 흘러나간다. 추가로, Ca가 강한 감소 기능을 갖기 때문에, 용착 표면상에서 산화물이 쉽게 형성되는 것을 방지하며 황화물 형성이 촉진되어 윤활 특성이 향상된다. 그러나, Ca의 지나친 첨가는 열간 가공성을 악화시키기 때문에, Ca의 함유량은 바람직하게는 0.01% 이하이다. 상술한 효과를 얻기 위해서, Ca의 함유량은 바람직하게는 0.0001% 이상이며, 더 바람직하게는 0.0005% 이상이고, 가장 바람직하게는 0.002% 이상이다. 또한, 용착방지성뿐만 아니라 기계 가공성 및 연삭성을 향상시키는 데는 S와 Ca 둘 다 첨가하는 것이 효과적이다.
Cu의 밀도가 높아지고 결정 입계에서 용해되기 때문에 그리고 고온 가공성을 악화시키기 때문에, Ca의 지나친 함유량은 강철 피스톤 링의 제조에 관련한 와이어 스톡의 고온 작업 공정에서 강철 재료의 파단을 초래한다. 그 결과, Cu의 함유량은 0 내지 3.0%의 범위 내로 설정되며, 바람직하게는 0 내지 2.5%, 더 바람직하게는 0 내지 0.5%의 범위로 설정된다. 한편, Ca와 유사하게, Cu는 용착 바로 전에형성되어 새롭게 생성된 강철 표면상에서 산화물 발생을 억제하여 S의 효과를 향상시키기 위한 원소이다. 원소 Cu는 내후성(weather-resistant) 강철의 첨가 원소로서 알려져 있지만, 이 내부식 작용은 수동적인 산화물 코팅을 형성하기 위한 Cr의 방식 작용이 아니라 산소에 대한 강철의 친화력이 감소되는 작용이어서 S 첨가 재료의 윤활 특성은 충분히 얻어질 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서 0.1% 이상의 Cu 함유량이 선호된다.
본 발명의 바람직한 조건으로서 구조물을 차지하는 비금속 함유물의 면적비를 2.0% 이하로 제한하는 이유는 강철 와이어 재료로 가공하기 위한 인발 공정에서 파단이 발생하지 않으며, 와이어 재료를 코일 형태로 형성하는 동안 파괴가 방지되고, 높은 가공 효율을 갖는 제조가 바람직한 범위 내에서 가능하다는 것이다.
강철 내에 용해된 N(질소)을 고정하기 위하여 원소 V, Ti 및 Nb들 중 적어도 하나가 첨가될 수도 있다. 고체 용액 상태 내의 N으로 인하여, 변형 시효(strain aging)는 약 250oC에서 강철 내에 발생하며, 생산성은 강철 와이어 제조 동안 냉간 소성 가공에서 크게 감소된다. 그 결과, 어닐링 동안 소량의 이 원소들을 첨가함으로써, 그리고 MX 타입의 캄파운드로서 N을 고정함으로써, 제조 공정수와 중간 어닐링 수는 감소될 수 있으며 생산성은 향상될 수 있다. 그러나, 이들 원소의 지나친 첨가는 기계 가공성을 악화시키기 때문에, 이들 첨가된 원소들의 전체 함유량은 0.5% 이하로 설정된다. 효과를 얻기 위해서, 함유량은 0.1% 이상이 바람직하다.
원소 Al은 Cr과 함께 질화 경도(nitriding hardness)를 상승시킨다. 본 발명에서는 Cr의 함유량이 상승될 수 없기 때문에, 질화 경도는 Al에 의해 유지될 수도 있다. 그러나, Al의 지나친 첨가가 수동 상태(passive state)의 코팅을 형성하며 용착방지성을 저해하기 때문에, 상한가는 1.5%로 설정된다. 추가로, 이러한 효과를 얻기 위해서, Al 함유량은 0.01% 이상이 바람직하다.
더욱이, 본 발명에서는 질화, PVD 및 Cr 도금과 같은 표면 처리가 조합될 수도 있다. 특히, 내연기관용 피스톤 링에는 Cr 도금, PVD 및 질화 처리 중 하나 이상의 조합을 이용하여 표면 처리가 가해질 수도 있다. 질화의 효과가 본 발명의 장점에 추가되어 용착방지성과 마모 저항이 향상된다. 더욱이, 본 발명에 대해 시너지 효과를 일으키지 않는 PVD 및 Cr 도금 처리조차도 피스톤과 접촉하는 미처리 표면상에서 Al 점착이 발생하는 것을 방지한다는 점에서 본 발명에 기여한다. 표면 코팅이 낡게 되는 경우에서조차도 엔진의 수명은 본 발명의 S 효과에 의해 연장된다.
피스톤 링과 피스톤 재료의 주요 성분으로서 사용된 Al 사이의 미끄럼 특성으로서, 특히 피스톤과 관련한 문제들 중 하나인 미끄럼 특성에 관해서, Al은 강철에 대하여 매우 낮은 내마모성을 필수적으로 갖기 때문에 상이한 재료들 사이에서 내마모성의 차이를 이용하기 위한 종래의 마모 조절은 전혀 사용될 수 없다. Al과 Fe의 반응을 조절하기 위해서, 화학적 활성 제어가 실시되는 본 발명에서 S의 첨가는 필수적이다.
추가로, 본 발명의 피스톤 링을 성형하기 위해서 강철 내에 다음과 같은 범위 내의 추가 원소들이 함유될 수 있다.
P ≤ 0.1%, Mo ≤ 1.0%, W ≤ 1.0%, Ni ≤ 2%, Mg ≤ 0.01%, B ≤ 0.01% 및 Zr ≤ 0.1%
이하에서, 본 발명의 효과를 실시예를 통하여 설명할 것이다.
(실시예 1)
표 1에 나타낸 조성으로 마련된 샘플 번호 1 내지 8 및 10(단면적 220 × 220mm)의 잉곳들은 대기중에서 고주파 유도 용해(high-frequency induction melting)에 의해 얻어진다. 샘플 중에서, 샘플 번호 1 내지 5는 본 발명의 조성을 만족시키며, 샘플 번호 6은 Si-Cr강, 번호 7은 JIS-SUJ2, 번호 8은 고 S 물질, 고 Cu 물질이고, 이들 비교예, 즉 번호 6 내지 8 및 10은 본 발명의 조성 범위 내에 해당하지 않는다. 더구나, 샘플 번호 9는 주철 JIS-FC 250이며 용융 금속을 몰드 내로 주입함으로써 주철 피스톤 링을 형성하기 위해 마련된다.
[표 1]
샘플번호 화학적 조성(질량%)
C Si Mn Cr Al S V+Nb+Ti Ca Cu Fe
1 0.31 1.85 2.83 5.95 < 0.01 0.29 - 0.0002 - 나머지
2 0.66 0.93 1.21 2.53 0.80 0.13 - 0.0010 - "
3 0.79 0.35 1.98 0.31 1.48 0.06 - 0.0030 2.96 "
4 0.51 0.33 1.03 5.03 < 0.01 0.12 - 0.0060 - "
5 0.62 0.43 1.01 4.23 < 0.01 0.13 0.25 0.0098 - "
6 0.55 1.49 0.71 0.61 < 0.01 < 0.01 - 0.0003 - "
7 1.00 0.25 0.31 1.48 < 0.01 < 0.01 - < 0.0001 - "
8 0.55 1.51 0.72 1.01 < 0.01 0.35 - 0.0002 - "
9 3.21 1.23 0.46 0.05 < 0.01 0.03 - < 0.0001 - "
10 0.55 1.35 0.55 1.15 < 0.01 0.28 - < 0.0001 3.44 "
먼저, 이들 잉곳들에는 열간 및 냉간 작업이 가해지며 단면적이 9mm × 9mm인 와이어 형태의 스톡이 얻어진다. 덧붙여 말하자면, 샘플 번호 10이 주입될 수있지만 다음 열간 작업 단계에서 강철 재료가 파단되어 시험편이 형성되지 않는다. 이어서, 어닐링 처리 후에, 소정의 경화/뜨임 처리가 실시되어 경도가 약 520HV로 조절된다. 그후, 조절된 경화를 갖는 와이어 형태의 스톡에 관하여, 피스톤 링의 외주면을 이루는 길이방향 표면에 평행한 구조 내에 존재하는 황화물 함유물(형상비 ≥ 30)들 사이에 형성된 교차각은 상술한 과정에 따라서 측정된다. 샘플 번호 9는 표 1의 용융 합금을 9mm × 9mm의 단면적을 갖는 몰드 내에 주입함으로써 형성된다.
이 샘플들을 이용함으로써, 피스톤 링의 기본적인 성능을 조사하기 위해 용착방지성(스커프 하중(scuff load))을 평가한다. 시험 방법은 아래 설명하는 조건에서 도 4에 도시한 극압 마찰 마모 시험기를 이용하여 실시하며, 하중이 급속하게 상승할 때는 용착이 시작하는 것으로 고려한다. 평가 결과는 황화물 함유물들의 교차각과 함께 시험편의 경도를 표 2에 기록한다.
미끄럼 표면 형태 : 5mm × 5mm의 정사각형
마찰율 : 1 m/s
마찰 표면 압력 : 1 Mpa의 초기 압력과 3분마다 1 Mpa씩 증가
윤활유 : 모터유 #30
상대물 : JIS-FC250(JIS 회색 주철)
[표 2]
샘플 번호 교차각(o) 경도(HV) 스커프 하중(MPa) 비고
1 20.3 521 50 본 발명
2 21.6 517 50 본 발명
3 19.8 520 50 본 발명
4 22.4 510 50 본 발명
5 20.4 530 50 본 발명
6 21.2 512 24 비교예
7 20.9 522 31 비교예
8 22.0 521 50 비교예
9 83.7 198 50 비교예
추가로, 내마모성은 왕복 운동 마모 시험으로 평가한다. 이 시험은 독립적으로 성형되며 8mm 직경과 20mm 길이를 갖는 시험편을 20mm 직경을 갖는 상대물(JIS-FC250)에 대해 왕복 운동 형태로 마찰시켜 마모 폭을 측정하는 것으로서, 이 시험의 개략적인 모양은 도 5에 도시한다. 다른 시험 조건들은 아래 설명한다. 평가 결과는 표 3에 기록한다.
압착 하중 : 500N
1회 왕복 운동시의 미끄럼 거리 : 130mm
최대 미끄럼 속도 : 0.5 m/s
윤활유 : 모터유 #30(적하(dripping))
[표 3]
샘플 번호 마모 폭(mm) 비고
1 0.54 본 발명
2 0.65 본 발명
3 0.71 본 발명
4 0.50 본 발명
5 0.51 본 발명
6 0.72 비교예
7 0.56 비교예
8 0.58 비교예
9 1.53 비교예
표 2와 표 3으로부터, 본 발명을 만족시키는 샘플 번호 1 내지 5는 우수한 용착방지성과 우수한 내마모성을 나타내고 있음을 분명히 알 수 있다. 한편, 샘플 번호 9(주철 FC250)는 큰 마모 폭과 불충분한 내마모성을 갖는다. 샘플 번호 6(Si-Cr 강)과 번호 7(JIS-SUJ2)은 내마모성은 만족스럽지만 용착방지성은 불충분하다.
제 1 실시예의 평가에서 사용하기 위한 샘플 상태는 링 형태로 구부리기 전에 피스톤 링 강철 재료의 샘플 상태와 동일한 것으로 가정할 수 있다. 피스톤 링의 용착방지성과 내마모성이 구부림 상태에서 평가되거나 측정되지 못하는 이유는, 작은 단면적을 갖는 환형 피스톤 링과 관련되는 한에 있어서 정확한 측정 결과를 얻기 위하여 필요한 모양(크기)을 갖는 각각의 샘플들을 얻기가 어렵다는 것이다. 그러나, 구부림 전의 강철 와이어 상태에서 관찰된 황화물 함유물들의 교차각은 구부러진 피스톤 링 상태에서도 실질적으로 변하지 않으며 형상비도 구부림 동안 변하지 않기 때문에, 본 발명의 피스톤 링은 제 1 실시예에서 충분히 평가된다.
(실시예 2)
표 1의 조성을 갖는 샘플 번호 1과 샘플 번호 8의 각각을 열간 압연에 의해 5.5mm의 직경을 갖는 코일로 성형한 후에, 인발과 냉간 압연을 통하여 1.5 mm × 3.1 mm의 단면적을 갖는 평평한 와이어 형태를 완성한다. 샘플 번호 1은 어떠한 문제를 일으키지 않고도 가공될 수 있지만, 샘플 번호 8은 악화된 냉간 가공성 때문에 인발 동안 파괴된다. 연이은 인발/압연 방향에 대해 수직한 구조물에서 이구조물을 차지하는 비금속 함유물의 면적비를 인발 전의 빌릿 상태에서 영상 분석을 통하여 측정할 때, 샘플 번호 1은 1.95%를 나타내고 샘플 번호 8은 2.52%를 나타내는 데, 상기 파괴의 이유는 S의 함유량이 높고 비금속 함유물의 면적비가 2.0%를 초과하기 때문이다.
구조물을 차지하는 비금속 함유물의 바람직한 양은 구부림 동안 와이어 스톡의 파단을 방지하기 위하여 구부림 전의 강철 와이어 상태에서도 2.0 면적% 이하이며, 비금속 함유물의 양은 피스톤 링 상태의 관찰 결과에 결정적으로 영향을 받는다.
(실시예 3)
표 1의 샘플 번호 1 내지 7은 1.5 mm × 3.1 mm의 단면적을 갖는 평평한 와이어 형태를 형성하기 위해 실시예 2에서 설명한 공정으로 처리하며, 1000oC에서 30분 동안 유지한 후에 경화를 실시하고, 약 510 HV의 경도를 제공하기 위해 뜨임을 실시한다. 그 후, 1 mm/s의 공급 속도에서 180000/s의 회전수로 연삭숫돌 절삭기에 의해 10회의 절삭을 실시하여 버 발생 주파수(burr occurrence frequency)를 검사한다. 표 4는 발생 주파수를 나타낸다.
[표 4]
샘플 번호 버 발생 주파수 비고
1 0 본 발명
2 0 본 발명
3 0 본 발명
4 0 본 발명
5 0 본 발명
6 8 비교예
7 10 비교예
샘플 번호 6과 7에서는 버 발생이 발견되지만 적절한 양의 S가 첨가된 샘플 번호 1 내지 5에서는 버 발생이 보이지 않으며, 본 발명의 S 첨가가 버 감소에 크게 효과적인 것으로 보인다. 이것은 피스톤 링의 제조에서 완전 자동 라인(through automating line)을 가능하게 한다.
(실시예 4)
표 1의 샘플 번호 1의 조성과 동일한 조성을 갖는 잉곳을 독립적으로 성형하여 사용하고, 단조비가 1 내지 1000 사이에서 변화하는 열간 및 냉간 가공에서 3.0 mm × 1.2 mm의 크기를 갖는 와이어 스톡을 성형한다(도 6 참조). 이어서, 경화/뜨임에 의해 경도를 400 HV로 설정하고, 성형된 피스톤 링의 외주면을 이루는 와이어 스톡의 길이방향 표면에 대해 평행한 구조물 상에서 황화물 함유물(형상비 ≥ 3)의 교차각을 측정한다.
이어서, 경도가 조절된 와이어 스톡에 대해 30 mm 간격으로 3점 굽힘 시험을 실시한다. 10mm의 변위가 관찰될 때까지 재료를 굽히며, 비파괴 재료는 "o" 마크로 표시하고 파괴 재료는 "x" 마크로 표시한다. 이것은 경화/뜨임이 가해진 와이어 스톡이 압연 굽힘에 의해 소정의 곡률을 갖는 피스톤 링으로 성형될 때 성형성(formability)을 평가하기 위해 사용된다. 결과를 표 5에 나타낸다.[표 5]
샘플 번호 단조비 교차각(o) 파괴/비파괴 비고
1-1 1 86 x 비교예
1-2 10 43 x 비교예
1-3 500 28 o 본 발명
1-4 2000 11 o 본 발명
1-5 10000 5 o 본 발명
단조비가 낮고 황화물 함유물의 교차각이 30o를 초과할 때, 기계적 특성은 악화되며 와이어 스톡을 링 형태로 굽히는 동안 파괴가 일어난다. 이어서, 굽힘 가공성이 우수한 와이어 스톡이 도 6에 도시한 바와 같이 형성된 피스톤 링을 형성하기 위해 구부러질 때, 외주면에 평행한 구조물에서 관찰한 황화물 함유물의 상술한 교차각은 실질적으로 와이어 스톡의 교차각과는 다르다.
와이어 스톡에서 관찰된 황화물 함유물의 교차각은 상술한 바와 같이 굽힘 피스톤 링 상태에 반영된다. 추가로, 본 발명에서처럼 황화물 함유물의 교차각이 30o이하인 경우에 작은 단면적을 갖는 피스톤 링이 엔진에 장착될 때 불충분한 기계적 특성으로 인하여 발생할 수 있는 피로 파괴의 두려움에 관해서는, 충분한 기계적 특성이 유지될 수 있다.
본 발명에 따라서, 자기 윤활 특성을 갖는 피스톤 링이 제공될 수 있으며, 그 결과 임의의 표면 처리를 하지 않고도 용착방지성이 우수하므로, 실린더 라이너와 피스톤에 대한 침투성(attacking property)이 감소된다. 또한, 제조 공정에서 기계 가공성과 같은 가공성이 향상되기 때문에, 그리고 제조 비용과 유도시간(lead time)이 감소되기 때문에, 피스톤 링은 성능과 제조, 양쪽에서 우수하다. 이 피스톤 링을 갖는 내연기관이 주변 성능과 내구성의 향상에 이바지할 것으로 기대할 수 있기 때문에 뛰어난 산업상의 장점이 얻어진다.

Claims (19)

  1. 내연기관용 피스톤 링을 생산하기에 적합하게 적용된 자기 윤활(self-lubrication)을 갖는 피스톤 링 재료에 있어서,
    상기 피스톤 링 재료는 질량면에서 0.3% 이상 0.8% 이하의 탄소, 0.1 내지 3.0% 규소, 0.1 내지 3.0% 망간, 0.03 내지 0.3% 황, 0.3 내지 6.0% 크롬 및 나머지는 철(balance iron)로 이루어진 강철을 필수적으로 포함하며,
    상기 피스톤 링 재료는 상기 재료의 길이방향 구조에서 관찰할 때 3 이상의 형상비, 즉 최소 크기에 대한 최대 크기의 비율을 각각 갖는 황화물 함유물들을 포함하고,
    상기 길이방향 구조에서의 황화물 함유물은 상기 황화물 함유물의 어느 한쪽의 최대 크기를 통과하는 가상 직선과 상기 황화물 함유물의 다른 쪽의 최대 크기를 통과하는 가상 직선 사이에 만들어진 교차각이 30o이하인
    피스톤 링 재료.
  2. 제1항 또는 제17항에서,
    상기 길이방향 구조에 포함된 비금속 함유물의 면적비가 2% 이하인 피스톤 링 재료.
  3. 내연기관용 피스톤 링을 생산하기에 적합하게 적용된 자기 윤활을 갖는 피스톤 링 재료에 있어서,
    상기 피스톤 링 재료는 질량면에서 0.3% 이상 0.8% 이하의 탄소, 0.1 내지 3.0% 규소, 0.1 내지 3.0% 망간, 0.03 내지 0.3% 황, 0.3 내지 6.0% 크롬 및 나머지는 철로 이루어진 강철을 필수적으로 포함하며,
    상기 피스톤 링 재료는 이 피스톤 링 재료로 성형된 피스톤 링의 외주에 평행한 면에 존재하는 소정의 구조에서 관찰할 때 3 이상의 형상비, 즉 최소 크기에 대한 최대 크기의 비율을 각각 갖는 황화물 함유물들을 포함하고,
    상기 소정의 구조 내의 황화물 함유물에는 상기 황화물 함유물의 어느 한쪽의 최대 크기를 통과하는 가상 직선과 상기 황화물 함유물의 다른 쪽의 최대 크기를 통과하는 가상 직선 사이에 만들어진 교차각이 30o이하인 분포 상태가 제공되는
    피스톤 링 재료.
  4. 제3항 또는 제18항에서,
    상기 소정의 구조에 포함된 비금속 함유물의 면적비가 2% 이하인 피스톤 링 재료.
  5. 제1항, 제3항, 제17항 및 제18항 중 어느 한 항에서,
    상기 강철이 0.01 질량% 이하의 칼슘을 추가로 포함하는 피스톤 링 재료.
  6. 제1항, 제3항, 제17항 및 제18항 중 어느 한 항에서,
    상기 강철이 3.0 내지 6.0 질량%의 크롬을 추가로 포함하는 피스톤 링 재료.
  7. 제1항, 제3항, 제17항 및 제18항 중 어느 한 항에서,
    상기 강철이 0.3 내지 1.0 질량%의 크롬을 추가로 포함하는 피스톤 링 재료.
  8. 제1항, 제3항, 제17항 및 제18항 중 어느 한 항에서,
    상기 강철은 바나듐, 니오븀 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택되며, 전체 질량%가 0.5 이하인 적어도 하나의 원소를 추가로 포함하는 피스톤 링 재료.
  9. 제1항, 제3항, 제17항 및 제18항 중 어느 한 항에서,
    상기 강철이 1.5 질량% 이하의 알루미늄을 추가로 포함하는 피스톤 링 재료.
  10. 자기 윤활을 갖는 내연기관용 피스톤 링에 있어서,
    상기 피스톤 링은 질량면에서 0.3% 이상 및 0.8% 이하의 탄소, 0.1 내지 3.0% 규소, 0.1 내지 3.0% 망간, 0.03 내지 0.3% 황, 0.3 내지 6.0% 크롬 및 나머지는 철로 이루어진 강철을 필수적으로 포함하며,
    상기 피스톤 링은 피스톤 링의 외주와 동축인 면에 존재하는 소정의 구조에서 관찰할 때 3 이상의 형상비, 즉 최소 크기에 대한 최대 크기의 비율을 각각 갖는 황화물 함유물들을 포함하고,
    상기 소정의 구조 내의 상기 황화물 함유물에는 상기 황화물 함유물의 어느 한쪽의 최대 크기를 통과하는 가상 직선과 상기 황화물 함유물의 다른 쪽의 최대 크기를 통과하는 가상 직선 사이에 만들어진 교차각이 30o이하인 분포 상태가 제공되는
    피스톤 링.
  11. 제10항 또는 제19항에서,
    상기 구조에 포함된 비금속 함유물의 면적비가 2% 이하인 피스톤 링.
  12. 제10항 또는 제19항에서,
    상기 강철이 0.01 질량% 이하의 칼슘을 추가로 포함하는 피스톤 링.
  13. 제10항 또는 제19항에서,
    상기 강철이 3.0 내지 6.0 질량%의 크롬을 추가로 포함하는 피스톤 링.
  14. 제10항 또는 제19항에서,
    상기 강철이 0.3 내지 1.0 질량%의 크롬을 추가로 포함하는 피스톤 링.
  15. 제10항 또는 제19항에서,
    상기 강철은 바나듐, 니오븀 및 티타늄으로 이루어진 군에서 선택되며, 전체 질량%가 0.5 이하인 적어도 하나의 원소를 추가로 포함하는 피스톤 링.
  16. 제10항 또는 제19항에서,
    상기 강철이 1.5 질량% 이하의 알루미늄을 추가로 포함하는 피스톤 링.
  17. 내연기관용 피스톤 링을 생산하기에 적합하게 적용된 자기 윤활(self-lubrication)을 갖는 피스톤 링 재료에 있어서,
    상기 피스톤 링 재료는 질량면에서 0.3% 이상 0.8% 이하의 탄소, 0.1 내지 3.0% 규소, 0.1 내지 3.0% 망간, 0.03 내지 0.3% 황, 0.3 내지 6.0% 크롬, 0 보다 크고 3.0% 이하인 구리 및 나머지는 철(balance iron)로 이루어진 강철을 필수적으로 포함하며,
    상기 피스톤 링 재료는 상기 재료의 길이방향 구조에서 관찰할 때 3 이상의 형상비, 즉 최소 크기에 대한 최대 크기의 비율을 각각 갖는 황화물 함유물들을 포함하고,
    상기 길이방향 구조에서의 황화물 함유물은 상기 황화물 함유물의 어느 한쪽의 최대 크기를 통과하는 가상 직선과 상기 황화물 함유물의 다른 쪽의 최대 크기를 통과하는 가상 직선 사이에 만들어진 교차각이 30o이하인
    피스톤 링 재료.
  18. 내연기관용 피스톤 링을 생산하기에 적합하게 적용된 자기 윤활을 갖는 피스톤 링 재료에 있어서,
    상기 피스톤 링 재료는 질량면에서 0.3% 이상 0.8% 이하의 탄소, 0.1 내지 3.0% 규소, 0.1 내지 3.0% 망간, 0.03 내지 0.3% 황, 0.3 내지 6.0% 크롬, 0 보다 크고 3.0% 이하인 구리 및 나머지는 철로 이루어진 강철을 필수적으로 포함하며,
    상기 피스톤 링 재료는 이 피스톤 링 재료로 성형된 피스톤 링의 외주에 평행한 면에 존재하는 소정의 구조에서 관찰할 때 3 이상의 형상비, 즉 최소 크기에 대한 최대 크기의 비율을 각각 갖는 황화물 함유물들을 포함하고,
    상기 소정의 구조 내의 황화물 함유물에는 상기 황화물 함유물의 어느 한쪽의 최대 크기를 통과하는 가상 직선과 상기 황화물 함유물의 다른 쪽의 최대 크기를 통과하는 가상 직선 사이에 만들어진 교차각이 30o이하인 분포 상태가 제공되는
    피스톤 링 재료.
  19. 자기 윤활을 갖는 내연기관용 피스톤 링에 있어서,
    상기 피스톤 링은 질량면에서 0.3% 이상 및 0.8% 이하의 탄소, 0.1 내지 3.0% 규소, 0.1 내지 3.0% 망간, 0.03 내지 0.3% 황, 0.3 내지 6.0% 크롬, 0 보다 크고 3.0% 이하인 구리 및 나머지는 철로 이루어진 강철을 필수적으로 포함하며,
    상기 피스톤 링은 피스톤 링의 외주와 동축인 면에 존재하는 소정의 구조에서 관찰할 때 3 이상의 형상비, 즉 최소 크기에 대한 최대 크기의 비율을 각각 갖는 황화물 함유물들을 포함하고,
    상기 소정의 구조 내의 상기 황화물 함유물에는 상기 황화물 함유물의 어느 한쪽의 최대 크기를 통과하는 가상 직선과 상기 황화물 함유물의 다른 쪽의 최대 크기를 통과하는 가상 직선 사이에 만들어진 교차각이 30o이하인 분포 상태가 제공되는
    피스톤 링.
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