KR100418457B1 - 선박용 피스톤 및 피스톤 링의 레이저 경화법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박용 피스톤 및 피스톤 링의 레이저 경화법 및 장치에 관한 것이며, 그 목적은 피스톤 및 피스톤 링과 같은 습동 부품들의 마모 수명 향상과 원활한 시스템 구동성을 확보함에 있어서, 환경 친화적이고 경제적이면서 생산 효율 또한 높은 레이저 열원을 이용하여 보다 효율적인 표면 경화법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명은 레이저 발진기와, Cu 1,2차 반사경과, Mo 세그먼트 집속경과, 작업대로 구성된 레이저 경화장치와, 레이저 발진기에서 생성된 CO₂레이저 빔을 Cu 1,2차 반사경에 의하여 직경 41mm의 원형 레이저 빔으로 Mo 세그먼트 집속경에 전송하고, Mo 세그먼트 집속경을 통해 41mm의 원형 레이저 빔을 3×3mm의 사각형상의 레이저 빔으로 변환하여 회전하는 피열처리재에 조사하여 레이저 경화층을 형성하는 것으로 이루어진 레이저 경화방법에 대한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

선박용 피스톤 및 피스톤 링의 레이저 경화법 및 장치{Laser Hardening methods of the piston and the piston ring for marine diesel engine and its apparatus}

본 발명은 선박용 피스톤 및 피스톤 링의 레이저 경화법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선박용 엔진 및 중장비용 피스톤 및 피스톤 링의 내마모성과 윤활성을 향상시키고, 환경 친화적이며 저렴한 제조 비용 및 높은 생산 효율을 얻을 수 있는 선박용 피스톤 및 피스톤 링의 레이저 경화법 및 장치에 관한 것이다.

선박용 엔진 및 중장비용 피스톤 및 피스톤 링은 엔진의 요소부품으로서 실린더 내벽과 적절한 간격을 유지하며 연소실 및 압축부의 기밀성을 유지시켜 시스템의 성능을 최적화 하는 중요한 역할을 한다. 따라서 피스톤이나 피스톤 링의 마모는 불완전 연소나 윤활 오일의 비정상적 소모를 유발하여 시스템의 성능을 저하시키게 되므로, 피스톤 및 피스톤 링의 내마모성 향상이 시스템의 내구성 및 성능 향상을 위한 필연적 과제이다.

종래에는 피스톤 및 피스톤 링의 내마모성을 향상시키기 위한 방법으로, 크롬 도금 등의 화학적 처리 방법과 이종 재료의 코팅 등의 물리학적 경화 처리 방법이 시도되고 있으나 환경 오염의 유발은 물론 고가의 재료 사용에 따른 제조 원가의 상승을 초래하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 피스톤과 피스톤 링과 같은 습동 부품들의 마모 수명 향상과 원활한 시스템 구동성을 확보함에 있어서, 환경 친화적이고 경제적이면서 생산 효율 또한 높은 레이저 열원을 이용하여 보다 효율적인 표면 경화법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명은 CO₂레이저를 생성하는 레이저 발진기와, 상기 레이저 발진기에서 나온 레이저 빔을 집속하기 위한 집속 광학계와, 피스톤 및 피스톤 링을 고정 및 회전시키기 위한 작업대로 구성되며, 상기 집속 광학계는 상기 레이저 발진기와 수평선상에 설치한 Cu 1차 반사경과, 상기 Cu 1차 반사경과 수직선상 하부에 설치한 Cu 2차 반사경과, 상기 Cu 2차 반사경의 상부측면에 형성한 Mo 세그먼트 집속경으로 구성된 레이저 경화장치; 이와 같은 레이저 경화장치를 이용하여 레이저 발진기에서 생성된 레이저 빔을 피열처리재에 중첩 또는 중첩되지 않고 일정간격을 이루거나, 굴록(나선형)을 이루도록 조사하여 레이저 경화층을 형성하는 경화법에 있어서, 상기 레이저 발진기에서 생성된 CO₂레이저 빔을 Cu 1,2차 반사경에 의하여 직경 41mm의 원형 레이저 빔으로 Mo 세그먼트 집속경에 전송하고, Mo 세그먼트 집속경을 통해 41mm의 원형 레이저 빔을 3×3mm의 사각형상의 레이저 빔으로 변환하여 회전하는 피열처리재에 조사하여 레이저 경화층을 형성하는 레이저 경화방법으로 구성되어 있다.

도 1 은 본 발명의 레이저 경화 열처리 장치를 나타낸 예시도

도 2 는 본 발명의 레이저 빔 집속 광학계를 나타낸 예시도

도 3 은 본 발명의 Mo 세그먼트 집속경을 나타낸 상세도

도 4 는 본 발명에 따라 레이저 빔을 중첩 조사시킨 경화층의 형상도

도 5 는 본 발명에 따라 자체 오일 홈을 내포한 경화층의 형상도

도 6 은 본 발명에 따라 레이저 빔을 연속적으로 조사시킨 경화층 형상도

도 7 은 레이저 경화층의 경도 특성도

도 8 은 레이저 빔이 중첩 조사된 영역의 경도 변화 특성도

도 9 는 기지층과 경화층의 표면 조도를 나타낸 비교도

도 10 은 ASTM G99의 Pin-on-disk의 마모시험 결과 비교도(하중 3kg, 최고속도 2m/sec, 무윤활)

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) 레이저 발진기 (2) 집속 광학계

(3) 작업대 (4) Cu 1차 반사경

(5) Cu 2차 반사경 (6) Mo 세그먼트 집속경

(7) 기지영역 (8) 경화영역

(9) 중첩영역 (10) 피열처리재

(61) Mo 세그먼트 (62) 세그먼트 베이스

(A) 초점거리

첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명의 레이저 경화 열처리 장치를 나타낸 예시도이고,

도 2 는 본 발명의 레이저 빔 집속 광학계를 나타낸 예시도이고,

도 3 은 본 발명의 Mo 세그먼트 집속경을 나타낸 상세도이고,

도 4 는 본 발명에 따라 레이저 빔을 중첩 조사시킨 경화층의 형상도이고,

도 5 는 본 발명에 따라 자체 오일 홈을 내포한 경화층의 형상도이고,

도 6 은 본 발명에 따라 레이저 빔을 연속적으로 조사시킨 경화층 형상도이고,

도 7 은 레이저 경화층의 경도 특성도이고,

도 8 은 레이저 빔이 중첩 조사된 영역의 경도 변화 특성도이고,

도 9 는 기지층과 경화층의 표면 조도를 나타낸 비교도이며,

도 10 은 ASTM G99의 Pin-on-disk의 마모시험 결과 비교도(하중 3kg, 최고속도 2m/sec, 무윤활)로써,

본 발명은 장치적으로 CO₂레이저를 생성하는 레이저 발진기(1)와, 상기 레이저 발진기(1)에서 나온 레이저 빔을 집속하기 위한 집속 광학계(2)와, 피스톤 및 피스톤 링을 고정 및 회전시키기 위한 작업대(3)(일반적으로 소재를 고정하고 회전시키는 작업대로서 공용된 기술이므로 상세한 설명은 생략)로 구성되었다.

상기 집속 광학계(2)는 Cu 1,2차 반사경(4,5)과, Mo 세그먼트 집속경(6)으로 구성되었고, Cu 1차 반사경(4)은 레이저 발진기(1)에서 수평으로 나오는 레이저 빔을 수직방향으로 반사할 수 있도록 레이저 발진기(1)와 수평선상에 설치하고, Cu 2차 반사경(5)은 Cu 1차 반사경에 의해 반사된 레이저 빔을 Mo 세그먼트 집속경(6)으로 반사하기 위하여 Cu 1차 반사경과 수직선상 하부에 설치하며, 상기 Mo 세그먼트 집속경(6)은 Cu 2차 반사경(5)에 의해 반사된 레이저 빔을 집속·반사하여 피열처리재에 조사할 수 있도록 Cu 2차 반사경(5)의 상부 측면에 설치한다.

상기 Mo 세그먼트 집속경(6)은 도 3과 같이 일면이 오목하게 형성된 세그먼트 베이스(62)와, 상기 세그먼트 베이스(62)의 오목부에 사각플레이트 형상의 Mo 세그먼트(61)가 다수개 설치·구성되어, 레이저 열처리에 적합한 사각형상의 레이저 빔으로 변환하여 회전하는 피스톤 및 피스톤 링의 외주 표면에 수직하게 조사되도록 구성되었다.

또한 본 발명은 상기와 같은 장치를 이용하여 피스톤 및 피스톤 링의 표면 경화에 있어서, 도 4과 같이 레이저 빔이 서로 중첩되도록 조사하여 경화층이 중첩되게 형성하는 방법과, 도 5와 같이 레이저 빔이 서로 중첩되지 않도록(즉 일정한 간격을 두고) 조사하여 기지영역(7)과 경화영역(8)이 요철을 형성하도록 조사하여 경화층 사이에 자체 오일 홈을 형성시키는 방법과, 도 6와 같이 레이저 빔을 경화영역(8)이 굴곡을 형성하도록 연속으로 조사하여 연속적인 경화영역을 형성하는 방법으로 구성되었다.

본 발명은 상기와 같은 경화법에 있어서 목표 물성치(표면 조도: 6.0㎛ Ra,경화 깊이: 300㎛, 유효 경도: 450Hv)를 달성하기 위해 레이저 열처리 입열 조건으로 30∼45J/mm를 사용하였고, 상기 Mo 세그먼트 집속경(6)과 피열처리재(10)의 표면까지의 거리 즉 초점거리(A)를 311mm로 일정하게 유지하였다. 이와 같이 초점거리를 311mm로 유지하는 이유는 열처리에 적합한 에너지 밀도 분포가 균질한 집속빔을 얻기 위해서이며, 상기와 같은 조건하에 형성된 경화층은 300∼340㎛의 경화 깊이와 1.6∼5.6㎛ Ra의 표면 조도를 보였다.

본 발명은 상기와 같은 구성으로 5㎾ 출력의 레이저 발진기(1)를 사용하여 상기 레이저 발진기(1)에서 나온 약 41mm 직경의 레이저 빔을 Cu 1,2 반사경(4,5)를 통해 반사하여 Mo 세그먼트 집속경(6)으로 보내고, 상기 Mo 세그먼트 집속경(6)에 의하여 레이저 열처리에 적합한 3×3mm의 사각형상의 빔이 되도록 하며, 이와 같이 레이저 빔을 3×3mm의 사각형상의 빔으로 구성하는 이유는 빔의 전영역에 걸쳐서 에너지 밀도분포를 가장 균질하게 유지함이고, 레이저 출력(1∼4.5㎾)과 피스톤 및 피스톤 링의 회전 속도(1∼13m/min)를 변화하여 경화작업을 수행한다.

상기와 같이 형성한 사각형상의 레이저 빔이 서로 중첩되도록 조사했을 경우에는 도 4와 같이 평활한 단면부 형상을 가지며, 중첩영역(9)은 레이저 빔의 열영향으로 인하여 경도 저하가 생긴다. 그러나 중첩영역(9)의 경도 또한 유효경도(450Hv)를 충분히 만족한다(도 8 참조).

사각형상의 레이저 빔이 서로 중첩되지 않도록(즉, 일정한 간격을 두고) 조사했을 경우에는 단면 형상이 기지영역(7)과 경화영역(8)이 요철을 형성하고 요철의 형성은 경화영역(8)이 마르텐사이트 변태에 따른 부피 팽창에 기인한 것으로 조직 변태가 발생하지 않는 기지영역(7)은 상대적으로 골을 이루어 윤활유를 공급하는 경로 및 윤활유를 머금는 저장소 역할을 하게된다(도 5 참조).

또한 사각형상의 레이저 빔을 도 6과 같이 열처리시작점으로부터 경화하기 시작하여 피열처리재의 원주둘레를 한바퀴 돌았을 경우 열처리시작점에 도달하게 되며 이때 측방향으로 이동하여 다시 연속적으로 경화시키게 조사하여 경화영역(8)이 굴곡(나선형)을 형성하도록 조사했을 경우에는 열처리 효율을 높일 뿐만 아니라 경화영역(8)이 연속적으로 형성되고, 오일 홈이 연속적으로 연결되어 윤활유의 도중 손실을 최소화하고 공급성도 원활해진다.

상기에서 명시한 경화법으로 도 7에서 볼 수 있듯이 기지영역(7)의 경도에 비해 약 3배정도 높은 경도의 경화층을 얻을 수 있고, 이러한 경화층의 높은 경도는 기지의 퍼얼라이트 조직이 레이저 열처리에 의해 자기 담금질 효과로 마르텐사이트 조직으로 변태됨에 따른 것이다. 또한 도 10에서 볼 수 있듯이 레이저 열처리에 의하여 내마모성이 기지영역(7)에 비하여 약 2배정도 향상됨을 알 수 있다.

(변형예, 응용예 및 법적해석)

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명은 상기와 같은 장치와 방법으로 피스톤 및 피스톤 링의 내마모성 개선으로 인하여 사용 시간에 따른 마모량을 줄일 수 있다. 따라서 실린더와의 간격에 대한 기밀을 장시간 지속할 수 있으므로 연소 가스의 누출이나 윤활 오일의 과다 소모를 방지하게 되어 시스템의 성능 및 효율을 향상시키며, 구동부의 장수명화로 시스템의 유지 및 보수비용을 대폭적으로 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

1. CO₂레이저를 생성하는 레이저 발진기와, 상기 레이저 발진기에서 나온 레이저 빔을 집속하기 위한 집속 광학계와, 피스톤 및 피스톤 링을 고정 및 회전시키기 위한 작업대로 구성되며,

   상기 집속 광학계는 상기 레이저 발진기와 수평선상에 설치한 Cu 1차 반사경과, 상기 Cu 1차 반사경과 수직선상 하부에 설치한 Cu 2차 반사경과, 상기 Cu 2차 반사경의 상부측면에 형성한 Mo 세그먼트 집속경으로 구성된 것을 특징으로 하는 선박용 피스톤 및 피스톤 링의 레이저 경화 장치.
2. 제 1 항에 있어서;

   상기 Mo 세그먼트 집속경은 일면이 오목하게 형성된 세그먼트 베이스와, 상기 세그먼트 베이스의 오목부에 사각플레이트 형상의 Mo 세그먼트가 다수개 설치·구성된 것을 특징으로 하는 선박용 피스톤 및 피스톤 링의 레이저 경화 장치.
3. 제 1 항에 있어서;

   Cu 1,2차 반사경에 의하여 전송된 직경 41mm의 원형 레이저 빔을 Mo 세그먼트 집속경을 이용하여 에너지 밀도가 균질한 3×3mm 사각형상의 레이저 빔을 형성시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 선박용 피스톤 및 피스톤 링의 레이저 경화 장치.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 레이저 발진기에서 생성된 레이저 빔을 피열처리재에 중첩 또는 중첩되지 않고 일정간격을 이루거나, 굴록(나선형)을 이루도록 조사하여 레이저 경화층을 형성하는 경화법에 있어서,

   상기 레이저 발진기에서 생성된 CO₂레이저 빔을 Cu 1,2차 반사경에 의하여 직경 41mm의 원형 레이저 빔으로 Mo 세그먼트 집속경에 전송하고, Mo 세그먼트 집속경을 통해 41mm의 원형 레이저 빔을 3×3mm의 사각형상의 레이저 빔으로 변환하여 회전하는 피열처리재에 조사하여 레이저 경화층을 형성하는 것을 특징으로 하는 선박용 피스톤 및 피스톤 링의 경화방법.