KR100618257B1

KR100618257B1 - 피스톤링과 그 제조방법

Info

Publication number: KR100618257B1
Application number: KR1019990064358A
Authority: KR
Inventors: 심동섭; 김경운
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 1999-12-29
Filing date: 1999-12-29
Publication date: 2006-09-01
Also published as: KR20010061816A

Abstract

본 발명은 피스톤링 과 그 제조방법에 관한 것으로, C : 0.1 - 0.4wt%, Si : 0.5 wt%이하, Mn :0.3 - 1.5wt%, Cr : 2 - 5 wt%, Mo : 0.3 - 2.0 wt%, V : 0.1 - 0.5 wt% 그리고 나머지는 Fe의 조성의 합금강을 900℃에서 탄소 포텐셜 0.8%로 예비 침탄하여 상온으로 냉각하고, 이어서 880℃에서 탄소 포텐셜 1.2%로 침탄하여 상온으로 냉각시켜 피스톤링의 외주면에 탄화물 함량이 25 - 35%이 포함되는 고탄소 침탄열처리층을 형성하므로써, 우수한 내마모성과 내소착성을 얻게 된다.

피스톤링, 크롬도금층, 침탄열처리, 내연기관, 실린더

Description

피스톤링과 그 제조방법{A piston ring and manufacturing method thereof}

도 1 은 본 발명에 따라 고탄소 침탄처리된 피스톤링의 단면을 도시한 개략도,

도 2 는 본 발명에 따라 고탄소 침탄처리된 피스톤링의 표면확대도,

도 3 는 초기 마모된 피스톤링의 단면을 개략적으로 도시한 도면,

도 4 는 피스톤링의 마모시험을 측정하기 위한 왕복시험 방법을 설명하기 위한 개략도,

도 5 는 일반적인 연소실의 구조를 도시한 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 실린더 12 : 연소실

14 : 피스톤 16 : 피스톤링

18 : 고탄소 침탄열처리층 20 : 탄화물

22 : 오일주머니(OIL POCKET)

본 발명은 피스톤 링 및 그 제조방법에 관한 것으로, 우수한 내마모성과 내소착성을 가지는 피스톤링과 이 피스톤링을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 디젤엔진 및 가솔린 엔진과 같은 내연기관의 연소실은 도 5에 도시된 바와 같이 실린더(10)에 형성된 연소실(12)내에 피스톤(14)이 삽입되어 상하 왕복운동을 주기적으로 반복하게 되는 바, 이 연소실(12) 내부로 엔진오일의 침입과 이 연소실(12)에서 발생하는 연소가스가 연소실(12) 밖으로 새어나가는 것을 방지하는 밀봉작용을 하기 위해 상기 피스톤(14)의 외주면을 따라 실린더(10)의 벽면에 탄성 밀착하게 된 다수개의 피스톤링(16)을 장착하여 사용하고 있다.

이러한 피스톤링(16)은 실린더 혹은 실린더라이너의 내부벽면과 접촉하여 구동하기때문에 마찰마모가 심하게 발생하게 되고, 이러한 마찰마모에 따라 내연기관의 구동중 실린더벽면과 피스톤링이 달라붙는 현상인 소착과 피스톤링의 외주면이 과다하게 마모되는 과다마모가 가장 심각한 문제점으로 대두되고 있다.

물론 이러한 문제는 피스톤링과 실린더 혹은 실린더 라이너의 재질적인 조합의 문제이며, 이의 해결을 위해서 종래에는 표면에 내마모성 또는 내소착성을 가지는 재질을 피스톤링의 외주면에 형성하여 사용하고 있었다.

더욱이 최근들어 엔진의 고속화, 고출력화의 요구에 따라 엔진의 사용부품들의 사용조건은 더욱 가혹해지고 있으며, 피스톤링의 경우에도 사용조건은 더욱 가혹화되어 내소착성 및 내마모성이 더욱 우수한 피스톤링을 가진 연소실이 요구되어 지고 있다.

이에 따라 피스톤링은 주철 혹은 강의 기지조직에 외주면을 크롬도금한 것이 가장 일반적으로 사용되고 있으며, 상대재로서는 흑연이 함유된 주철재 실린더 혹은 실린더 라이나가 많이 사용되어 지고 있다.

그러나 현재 내연기관의 고속화, 고출력화로 인한 보다 가혹한 조건하에서 실린더 혹은 실린더라이너와 피스톤링은 보다 장시간의 사용과 사용기간중의 소착등과 같은 문제를 최소화하는 것이 요구되고 있다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 우수한 내소착성과 내마모성을 가지는 피스톤링과 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 피스톤 링은 C : 0.1 - 0.4wt%, Si : 0.5 wt%이하, Mn :0.3 - 1.5wt%, Cr : 2 - 5 wt%, Mo : 0.3 - 2.0 wt%, V : 0.1 - 0.5 wt% 그리고 나머지는 Fe로 구성된 합금강의 외주면에 탄화물 함량이 25 - 35wt%인 고탄소침탄층이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 피스톤링의 제조방법은, C : 0.1 - 0.4wt%, Si : 0.5 wt%이하, Mn :0.3 - 1.5wt%, Cr : 2 - 5 wt%, Mo : 0.3 - 2.0 wt%, V : 0.1 - 0.5 wt% 그리고 나머지는 Fe의 조성의 합금강을 870 - 930℃에서 탄소 포텐셜 0.8%로 예비 침탄하여 상온으로 냉각하고, 이어서 850 - 900℃에서 탄소 포텐셜 1.2%로 침탄하여 상온으로 냉각하여 제조하게 된 것을 특징으로 하는 것이다.

상기한 구성으로 된 본 발명에 따르면, 피스톤링의 습동면에 고탄소 침탄층이 형성되어 기존의 크롬도금층을 형성하였던 피스톤링보다도 우수한 내마모성과 내소착성을 나타내는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 피스톤링의 원재료는 C : 0.1 - 0.4wt%, Si : 0.5 wt%이하, Mn :0.3 - 1.5wt%, Cr : 2 - 5 wt%, Mo : 0.3 - 2.0 wt%, V : 0.1 - 0.5 wt% 그리고 나머지는 Fe로 이루어진 합금강으로, 구체적인 수치한정이유는 다음과 같다.

C의 경우 0.1%이하는 제조하기 어려우며, 0.4%이상에서는 침탄이 어렵기 때문에 C의 조성범위는 0.1-0.4wt%로 제한하였다.

Si는 흑연조장화 원소로서 탈산작용을 하기때문에 그 0.5wt%이하로 제한하였다.

Mn은 고온에서의 인장강도 및 강도유지에 유효한 원소로서, 0.3wt%이하를 첨가하면 효과가 거의 나타나지 않고, 1.5wt%를 초과하면 내마모특성에 악영향을 미치기 때문에 그 조성범위를 0.3 - 1.5wt%로 제한하였다.

Cr은 내식성이 크며 강력한 탄화물 생성원소로서 탄화물 조직에 들어가 조직을 치밀하게 하는 것으로 2wt%이하의 첨가시에는 효과가 거의 없고 5wt%이상 첨가시에는 냉각중에 마이크로크랙이 발생하여 취성이 증가하므로 조성범위를 2 - 5wt% 로 제한하였다.

Mo는 흑연화를 저해하고 탄화물 생성을 촉진하는 원소로서 0.3wt%이하일 때는 거의 효과가 없으며, 2.0wt%이상 첨가할 때는 증가효과가 없다.

V은 오스테나이트 결정입자 성장을 방지하고 상기 Mo과 함께 탄화물 생성을 촉진하는 역할을 하는 원소로서, 0.1wt%이하 첨가시에는 효과가 거의 없고 0.5wt%이상을 첨가하는 경우 추가에 따른 증가효과가 없다.

이러한 조성으로 된 피스톤링의 내소착성을 향상시키기위해 피스톤링의 외주면을 가스침탄방식으로 고탄소 침탄 열처리를 실시하게 되는 데, 고탄소 침탄 열처리하는 방법은 다음과 같다.

상기한 조성의 합금강을 870 - 930℃에서 탄소 포텐셜(탄소농도) 0.8%로 예비 침탄하여 상온으로 냉각하고, 이어서 850 - 900℃에서 탄소 포텐셜 1.2%로 침탄하여 상온으로 냉각하여 제조하게 된다.

여기서 고탄소 침탄기술은 탄소량을 종래의 0.8 - 1.0%보다 많은 2-3%로 하여 마르텐사이트의 기지에 탄화물을 분산 생성하는 방법으로서, 그 재질은 탄화물(carbide)의 형성이 비교적 용이하여야 하며, 탄화물의 양 및 형태입도 등을 제어하기 쉽고 단순한 작업공정으로 짧은 시간내에 처리되어야 하며 소성변형능이 떨어지지 않는 소재이어야 한다.

이렇게 하여 얻어진 고탄소 침탄 피스톤링은 도 1에 도시된 바와같이 피스톤 링(16)의 외주면 즉, 실린더 접촉부(18)가 고탄소 침탄열처리층이 형성된다.

도 2는 고탄소 침탄 열처리층의 표면을 확대한 도면으로, 구형으로 보이는 흰색의 입자들은 탄화물이며, 그 외의 기지조직은 강(steel)의 급냉조직인 마르텐사이트 혹은 베이나이트등으로 구성되어 있다.

이러한 고탄소침탄열처리층을 가진 피스톤링은 실린더 혹은 실린더라이너와 접촉하여 구동하게 되면 초기에 도 3에 나타난 것처럼 고탄소 침탄열처리층(18)의 기지조직이 파이면서 탄화물(20)은 그대로 남게 되어 파여진 기지조직에 오일(22)이 함유하게 되며, 이들 오일의 작용에 의하여 내마모성 및 내소착성이 우수해지게 되는 것이다.

이때 탄화물의 함량은 침탄시간 및 침탄온도로 조절할 수 있는 바, 탄화물 함량이 25%이하인 경우 경도 저하로 과다마모가 발생하고, 35%이상인 경우 높은 경도값으로써 취성이 발생하여 이상마모가 발생하므로, 탄화물양은 25% - 35%의 경우가 바람직하다.

[실시예1]

C : 0.3wt%, Si : 0.4 wt%, Mn :0.8wt%, Cr : 3 wt%, Mo : 1.0 wt%, V : 0.3 wt% 그리고 나머지는 Fe로 이루어진 합금강을 제조하여 외주면에 고탄소침탄층이 형성된 피스톤링을 제조하였다.

고탄소 침탄의 과정은 930℃에서 메탄, 프로판, 부탄등의 탄화수소를 사용한 가스침탄법을 사용하여, 탄소포텐샬 0.8%로 예비 침탄한 뒤, 상온으로 냉각하고, 이를 다시 900℃에서 예비침탄에서 보다 높은 탄소 포텐샬인 1.2%로 침탄하였다.

이때 고탄소 침탄층의 표면에서 카바이드량은 35%였으며 표면경도는 HV 950- 1000정도가 얻어졌다, 한편 상대재로서의 주철재 실린더 혹은 실린더라이너의 경도값은 HB 250- 280이었다.

내소착성의 평가는 도 4과 같이 피스톤링에 해당하는 시편(30)을 실린더에 해당되는 상대재(32)에 소정주기로 왕복운동을 반복하므로써 마모정도를 측정하는 마모시험기를 이용하였다.

마모시험시 하중은 300N으로 동일하였으며, 소착이 일어날 때까지의 시간으로 내소착성을 평가하였다.

여기서 소착이 일어나는 시점은 두재질간의 마찰계수가 급격히 증가하는 시점으로 하였다.

한편 비교를 위하여 외주면이 크롬을 도금한 피스톤링과 같이 시험을 행하였다.

이렇게 하여 얻어진 결과는 다음 표2에 나타낸 바와 같이, 외주면이 Cr인 경우에 비해서 내소착성이 우수한 것을 알 수 있었다.

외주면의 재질	소착이 일어나기까지의 시간
크롬(Cr)	2시간
	2.3시간
	3시간
고탄소 침탄	16시간
	13.5시간
	14시간

[실시예2]

상기 실시예 1과 동일한 합금강을 이용하여 870℃에서 예비침탄을, 850℃에서 다시 침탄하여 외주면에 고탄소침탄층이 형성된 피스톤링을 제조하였다.

이때 고탄소 침탄층의 표면에서 카바이드량은 25%였으며, 표면경도는 HV850-900정도가 얻어졌다.

한편 상대재로서의 주철재 실린더 혹은 실린더라이너의 경도값은 HB 250 - 280이었다.

내소착성의 평가는 실시예1과 같은 방법으로 행하였다. 이렇게 하여 얻어진 결과는 표2에 나타낸 바와 같이, 외주면이 크롬인 경우에 비해서 내소착성이 우수한 것을 알 수 있었다.

외주면의 재질	소착이 일어나기까지의 시간
크롬(Cr)	2시간
	2.3시간
	3시간
고탄소 침탄	9시간
	11.5시간
	10시간

[실시예 3]

상기 실시예1과 동일한 합금강으로 외주면에 동일한 침탄조건으로 고탄소 침탄층을 형성하여 고탄소 침탄층의 표면에서 카바이드량은 35%였으며 표면경도는 HV 950-1000정도가 얻어졌다.

반면에 상대재는 상기 실시예1과 달리 경도값이 HB 300- 330인 실린더재질을 이용하였다.

그리고 내소착성의 평가는 실시예1과 같은 방법으로 행하여, 그 결과를 다음 표3에 나타낸 바, 이경우에도 외주면이 크롬인 경우에 비해서 내소착성이 우수한 것을 알 수 있다.

외주면의 재질	소착이 일어나기까지의 시간
크롬(Cr)	1시간
	1.8시간
	2시간
고탄소 침탄	11시간
	10.8시간
	13시간

이상에서 서술한 바와 같이 본 발명의 고탄소 침탄열처리층이 형성된 피스톤링은 기존에 사용되던 재질 즉 크롬도금층이 형성된 것에 비하여 우수한 내소착성과 내마모성을 얻게 되는 효과를 볼 수 있다.

Claims

C : 0.1 - 0.4wt%, Si : 0.5 wt%이하, Mn :0.3 - 1.5wt%, Cr : 2 - 5 wt%, Mo : 0.3 - 2.0 wt%, V : 0.1 - 0.5 wt% 그리고 나머지는 Fe로 구성된 합금강의 외주면에 탄화물 함량이 25 - 35wt%인 고탄소침탄층이 형성된 것을 특징으로 하는 피스톤링.
C : 0.1 - 0.4wt%, Si : 0.5 wt%이하, Mn :0.3 - 1.5wt%, Cr : 2 - 5 wt%, Mo : 0.3 - 2.0 wt%, V : 0.1 - 0.5 wt% 그리고 나머지는 Fe의 조성의 합금강을 870 - 930℃에서 탄소 포텐셜 0.8%로 예비 침탄하여 상온으로 냉각하고, 이어서 850 - 900℃에서 탄소 포텐셜 1.2%로 침탄하여 상온으로 냉각하여 제조하게 되는 것을 특징으로 하는 피스톤링의 제조방법.