KR100728841B1 - 실린더 라이너 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실린더 라이너 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명의 실린더 라이너는 내경부와 외경부를 가지며 탄소성분이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.3 중량% 이상인 강재의 몸체와; 몸체의 내경부와 외경부의 표면강도와 경도가 증가되도록 내경부와 외경부의 표면을 질화 열처리하여 형성되며, 다수의 기공을 갖는 질화층과; 질화층의 기공에 함침되며 40℃에서 100cSt이상의 점도를 갖는 오일을 구비한다. 그리고 실린더 라이너 제조방법은 강재로 몸체를 제조하는 단계와; 몸체를 기계 가공하는 단계와; 기계 가공된 몸체를 표면 경도가 HB 250 이상이 되도록 담금질 열처리하는 단계와; 몸체의 표면에 기공이 형성되도록 질화 열처리하는 단계와; 질화 열처리된 몸체의 표면을 산질화 열처리하는 단계와; 산질화 열처리된 몸체의 기공에 오일을 함침시키는 단계를 구비한다. 이러한 본 발명은, 외면에 질화층을 형성하여 내식성과 내마모성을 증대시키므로 피스톤과의 마찰접촉에도 변형 및 손상되지 않으며, 고온·고압의 연소가스와의 접촉에도 열변형되지 않는다. 특히, 질화층의 기공에 오일을 함침시켜 그 표면에 윤활성을 부여하므로 피스톤과의 마찰접촉에 의한 마찰응력과 열응력 및 냉각수와의 접촉으로 인한 부식을 저감시켜준다. 또한, 높은 내식성을 보유하므로 냉각수에 의한 부식이 방지되고, 엔진 연소 과정 시, 냉각수 기포 붕괴에 의해 충격파가 발생되더라도 미세한 피팅마모를 일으키지 않으며, 따라서 캐비테이션 부식을 원천적으로 차단한다.

Description

실린더 라이너 및 그 제조방법{CYLINDER LINER AND METHOD FOR PRODUCING THEREOF}

도 1은 일반적인 실린더 라이너의 구성을 나타내는 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 실린더 라이너를 나타내는 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 실린더 라이너 제조방법의 구성을 나타내는 블록도,

도 4는 본 발명에 따른 실린더 라이너와 종래의 실린더 라이너에 따른 피스톤링의 마모량을 비교하여 나타낸 그래프이다.

♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣

1: 실린더 블록 5: 피스톤

10: 몸체 12: 내경부

14: 외경부 15: 질화층

16: 기공 17: 오일

본 발명은 실린더 라이너 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실린더 라이너의 강성을 크게 증대시킴으로써 피스톤 운동에 의한 변형을 방지하고 냉각수에 대한 내식성을 유지할 수 있도록 한 습식 실린더 라이너 및 그 제조방법에 관한 것이다.

실린더 라이너는 실린더 내에 장입되는 부품으로서, 냉각수에 직접 닿지 않는 건식 실린더 라이너와, 바깥 둘레가 실린더 블록의 유로홈과 함께 워터재킷을 형성함으로써 직접 냉각수와 접촉하는 습식 실린더 라이너로 구분된다.

도 1에는 습식 실린더 라이너를 나타내는 도면이 도시되어 있다. 이에 따르면, 습식 실린더 라이너는 실린더 블록(1)에 조립되는 몸체(3)를 구비하며, 이 몸체(3)는 내경부(3a)와 외경부(3b)를 갖는다. 내경부(3a)에는 피스톤(5)이 왕복운동가능하게 설치되며, 외경부(3b)는 실린더 블록(1)에 형성된 유로홈(1a)과 함께 워터자켓(6)을 형성한다.

한편, 이러한 습식 실린더 라이너(이하, "실린더 라이너"라 약칭함)는 내경부(3a)가 피스톤(5)과 직접적으로 마찰접촉함과 동시에 고온·고압의 연소가스와 접촉하고, 외경부(3b)가 냉각수와 집적 접촉하는 바, 마찰응력과 열응력에 대한 내구성 및 냉각수에 대한 내식성을 동시에 갖추고 있어야 한다.

따라서, 실린더 라이너는, 일반적으로 내구성과 내식성이 우수한 재질, 예를 들면 특수주철로 이루어져 있으며, 그 내경부(3a)에는 윤활막이 형성되어 피스톤(5)과의 마찰접촉이 원활하게 이루어지도록 구성되어 있다. 이러한 실린더 라이너는 통상적으로 원심주조 방법에 의해 제조된다.

그런데, 이러한 종래의 실린더 라이너는, 점차적으로 고출력화, 고성능화되는 엔진의 특성에 대응하여 강도 및 내식성을 증대시키데 어느 정도 한계가 있다는 단점이 있다.

즉, 실린더 라이너를 이루는 주철재는, 탄성계수(약 15000kg/mm²)가 일반 강재의 탄성계수(약 21000kg/mm²)에 비해 약 30%정도 작기 때문에, 동일한 기계적응력 및 열응력에 대하여 탄성변형량이 크게 된다. 따라서, 피스톤(5)과 마찰접촉시의 고열로 인해, 쉽게 변형되어 피스톤헤드와의 사이에 틈새를 발생시키는 문제점이 있다. 이같은 문제점은 엔진효율을 감소시키는 원인이 된다.

또한, 종래의 주철재 실린더 라이너는, 내식성을 어느 정도 갖추고 있기는 하지만, 주조에 의해 제조되는 주물품인 바, 내부에 미세한 수축결함, 즉, 핀홀, 기포 및 화학성분 편석 등이 발생되며, 따라서, 냉각수와의 직접적인 접촉에 의한 응력부식균열의 진행정도가 일반 강재보다 빠르게 진행된다는 문제점이 있다.

또한, 종래의 주철재 실린더 라이너는, 충분한 내식성을 갖추고 있지 못하기 때문에, 엔진의 연소 과정 시, 실린더 라이너와 냉각수 사이에 발생되는 기포의 붕괴에 의한 충격파 및 고속의 물분사에 의해 실린더 라이너 몸체(3)의 외경부(3b)에 미세한 캐비테이션 피팅마모가 발생되는 문제점이 있다.

또한, 종래의 주철재 실린더 라이너는, 그 내경부(3a)에 오일 저장을 위한 미세 그루브를 형성하여 피스톤(5)과의 마찰을 저감시키는 구조를 갖추고 있다. 그러나, 상기 미세 그루브를 내경부(3a)에 형성하기 위해서는 상기 내경부(3a)를 호닝 가공해야 하며, 따라서 제조 공정이 매우 번거롭고 까다로운 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 피스톤과의 마찰접촉 및, 고온·고압의 연소가스와의 접촉과, 냉각수와의 접촉에도 변형되거나 손상되거나 부식되지 않도록 내구성과 내식성이 증대된 실린더 라이너 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 내구성과 내식성을 증대시킴으로써 엔진의 고출력화, 고성능화를 실현 가능하게 하는 실린더 라이너 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 내경부에 오일저장을 위한 미세 그루브를 형성하지 않고도 피스톤과의 마찹접촉력을 저감시킬 수 있는 실린더 라이너 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 실린더 라이너는 실린더 블록의 실린더 내에 장입되는 실린더 라이너에 있어서, 상기 실린더 라이너는, 내경부와 외경부를 가지며, 탄소성분이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.3 중량% 이상인 강재 재질의 몸체와; 상기 몸체의 내경부와 외경부의 표면 강도와 경도가 증가되도록 상기 내경부와 외경부의 표면을 질화 열처리함에 따라 형성되며, 다수의 기공을 갖는 질화층과; 상기 질화층의 기공에 함침되며, 40℃에서 100cSt이상의 점도를 유지하는 오일을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명에 따른 실린더 라이너 제조방법은, 강재 재질로 몸체를 제조하는 단계와; 제조된 상기 몸체를 기계 가공하는 단계와; 가공된 상기 몸체를 표면 경도가 HB 250 이상이 될 수 있도록 담금질 열처리하는 단계와; 열처리된 상기 몸체의 표면에 기공이 형성되도록 질화 열처리하는 단계와; 질화 열처리된 상기 몸체의 표면을 산질화 열처리하는 단계와; 산질화 열처리된 상기 몸체의 기공에 오일을 함침시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 실린더 라이너 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 실린더 라이너의 구성을 나타내는 단면도이다. 이에 따르면, 본 발명의 실린더 라이너는 몸체(10)를 갖는다. 몸체(10)는 강재 재질로 구성되며, 이때 강재 재질의 몸체(10)는 탄소성분이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.3 중량% 이상이며, 담금질 열처리에 의하여 내부가 경화되어 표면 경도가 HB 250 이상이 될 수 있는 강재가 바람직하다.

그리고 몸체(10)는 내경부(12)와 외경부(14)를 가지며, 내경부(12)와 외경부(14)의 표면에는 질화층(15)이 형성되어 있다. 질화층(15)은 몸체(10)의 내, 외경부(12, 14)를 질화 열처리 함에 따라 대략 10㎛정도의 두께로 형성된다. 이러한 질화층(15)은 몸체(10)의 내, 외경부(12, 14)의 강도 및 경도를 증대시켜 내식성 및 내마모성을 향상시킨다.

한편, 질화층(15)에는 다수의 미세 기공(16)이 형성되어 있는 데, 이 기공(16)들에는 오일(17)이 함침되어 있다. 다수의 기공(16)들은 몸체(10)는 내, 외경부(12, 14)를 질화 열처리 함에 따라 형성된다.

그리고 기공(16)에 함침된 오일(17)은 몸체(10)의 내, 외경부(12, 14)에 윤활성을 부여하는 것으로, 몸체(10)의 내경부(12)가 피스톤과 마찰 접촉 운동할 경우, 마찰응력과 오일냉각에 의한 열응력을 저감시켜준다. 그리고 몸체(10)의 외경부(14)가 냉각수와 접촉할 경우, 냉각수에 대한 부식을 저감시키며, 따라서 내식성 을 좋게 한다. 여기서, 기공(16)에 함침된 오일(17)은, 그 점도가 40℃에서 100cSt이상을 유지한다.

이러한 구성의 실린더 라이너에 의하면, 내경부(12)와 외경부(14)에 질소화합물인 질화층(15)을 형성하여 내식성 및 내마모성을 증대시킴으로써, 피스톤과의 마찰접촉으로 인한 마찰응력과 열응력 및 냉각수와의 접촉으로 인한 부식을 저감시켜준다.

특히, 질화층(15)에 형성된 기공(16)에 오일(17)을 함침시켜 내, 외경부(12, 14)에 윤활성을 부여함으로써 피스톤과의 마찰접촉에 의한 마찰응력과 열응력 및 냉각수와의 접촉으로 인한 부식을 더욱 저감시켜준다.

이하에서는 이와 같은 구성을 갖는 실린더 라이너 제조방법을 도 3을 참고로하여 상세하게 살펴본다. 먼저, 본 발명의 제조방법은, 내경부(12)와 외경부(14)를 갖는 실린더 라이너 몸체(10)를 제조하는 단계(S101)를 포함한다. 이때, 실린더 라이너 몸체(10)는 탄소성분이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.3 중량% 이상인 강재 재질의 파이프 또는 강재 재질의 환봉을 기계 가공하여 제조한다.

한편, 실린더 라이너 몸체(10)의 제조가 완료되면, 제조된 실린더 라이너 몸체(10)의 내, 외경부(12, 14)를 담금질 열처리한다(S103). 담금질 열처리 단계는 강재 재질의 실린더 라이너 몸체(10)를 담금질 열처리 함으로써 실린더 라이너의 경도와 강도를 증대시키는 단계이다. 이러한 담금질 열처리 단계는 실린더 라이너 몸체(10)의 표면 경도가 HB 250 이상의 값이 될 수 있도록 처리한다.

그리고 실린더 라이너 몸체(10)의 담금질 열처리가 완료되면, 상기 실린더 라이너 몸체(10)의 내경부(12)와 외경부(14)를 기계 가공한다(S105). 기계 가공은 실린더 라이너 몸체(10)의 정밀도를 높여주는 공정이다. 특히, 담금질 열처리 시 발생된 열변형 량 만큼을 기계 가공하여 정밀도를 높여주는 단계이다.

다시, 도 3을 참조하면, 본 발명의 제조방법은, 기계 가공된 실린더 라이너 몸체(10)의 내, 외경부(12, 14)를 질화 열처리하는 단계를 포함한다(S107).

질화 열처리는 실린더 라이너 몸체(10)의 내, 외경부(12, 14)를 질화 열처리함으로써 실린더 라이너 몸체(10)의 내경부(12)와 외경부(14)의 표면을 경화시키며, 따라서 라이너 몸체(10)의 표면 내마모성을 증대시킨다.

이러한 질화 열처리는, 질화 열처리 중, 순질화 또는 연질화 또는 염욕 순질화 또는 염욕 연질화 중 어느 하나를 실시하는 것이 바람직하다. 한편, 실린더 라이너 몸체(10)의 내, 외경부(12, 14)가 질화 열처리됨에 따라 실린더 라이너 몸체의 내, 외경부에는 질화층이 형성되는데, 이러한 질화층은 10㎛정도의 두께를 가지며, 그 표면에는 다수의 기공(porous)이 형성된다.

한편, 질화 열처리가 완료되면, 실린더 라이너 몸체(10)의 내, 외경부(12, 14)를 산질화 열처리한다(S109). 산질화 열처리는 라이너 몸체(10)의 질화 처리시, 가스 중에 산소를 첨가하여 질화층에 산화물을 존재시키는 방법으로서, 실린더 라이너 몸체(10)의 내경부(12)와 외경부(14)의 내식성을 극대화시킨다. 특히, 몸체(10)의 내경부(12)와 외경부(14)에 도금을 한 것과 같은 효과를 갖게 하여 냉각수에 대한 내식성을 극대화시킨다.

다시, 도 3을 참조하면, 본 발명의 제조방법은, 산질화 열처리된 실린더 라 이너 몸체(10)의 기공(16)에 오일을 함침시키는 단계(S111)를 포함한다.

오일 함침은, 실린더 라이너 몸체(10)의 내, 외경부(12, 14)에 형성된 기공(16)에 오일이 스며들게 하는 것으로서, 상기 내, 외경부(12, 14)에 윤활특성을 부여하는 단계이다. 오일의 함침은 실린더 라이너 몸체(10)를 넣은 용기를 진공으로 유지한 상태에서 오일을 용기에 주입함으로써 실린더 라이너 몸체(10)의 기공(16)에 오일이 빨려 들어가게 한다.

이상에서와 같이 여러 단계를 통하여 제조된 실린더 라이너는 도 2에 도시된 바와 같이 내, 외경부(12, 14)에 기공(16)이 형성된 질화층(15)이 형성되며, 따라서 우수한 내마모성 및 내식성을 갖게 된다. 특히, 우수한 내마모성을 가짐으로써 피스톤과의 마찰접촉에도 변형 및 손상되지 않으며, 고온·고압의 연소가스와의 접촉에도 열변형되지 않는다. 또한, 높은 내식성을 보유하므로 냉각수에 의한 부식이 방지됨은 물론 엔진 연소 과정 시, 냉각수 기포 붕괴에 의해 충격파가 발생되더라도 미세한 피팅마모를 일으키지 않으며, 따라서 캐비테이션 부식을 원천적으로 차단한다.

한편, 본 발명자는 본 발명의 제조방법으로 실린더 라이너를 제조해 보았으며, 제조된 실린더 라이너의 내식성을 아래의 표 1에서와 같이 시험해 보았다.

구분	주철재			강재
	시편 1	시편 2	시편 3	시편 1	시편 2
표면처리	경질크롬	Ni-B무전해도금	Ni-Cr 용사도금	연질화	산질화
표면처리두께 (㎛)	50	10	50	10	10
염수시험 시간	24	48	48	120시간	200시간
발청유무	적색발청	적색발청	적색발청	적색발청	적색발청

표 1. 표면처리 조건에 따른 발청성 시험

(시험조건)

가로×세로×두께가 5cm×5cm×1cm인 주철재 시편 1, 2, 3 및 강재 시편 1, 2를 각각 준비하되, 주철재 시편 1은 경질크롬도금하고, 주철재 시편 2는 Ni-B무전해도금하며, 시편 3은 Ni-Cr 용사도금하며, 철재 시편 1은 연질화 열처리하고, 철재 시편 2는 산질화 열처리하였다. 그리고 각각의 시편을 염수시험하여 발청의 유무를 측정해보았다.

(내식성 시험)

시험결과, 경질크롬도금된 주철재 시편 1은 24시간내에 발청이 발생되었으며, Ni-B무전해 도금된 주철재 시편 2와 Ni-Cr 용사도금된 주철재 시편 3은 각각 48시간내에 발청이 발생되었다. 그리고 연질화 열처리된 철재 시편 1은 120시간내에 발청이 발생되었으며, 산질화 처리된 철재 시편 2는 200시간내에 발청이 발생되 었다.

결론적으로, 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 강재 재질의 실린더 라이너는 주철재 재질의 실린더 라이너보다 내식성이 월등히 우수한 것으로 나타났다. 특히, 내식성이 우수하므로 냉각수와의 접촉시 쉽게 부식되지 않는 것으로 나타났다.

그리고 본 발명자는 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 실린더 라이너의 내마모성을 시험해 보았다.

(시험조건)

가로×세로×두께가 5cm×5cm×1cm인 실린더 라이너에 일반적으로 사용되고 있는 보론 주철재 시편과, 합금 주철재 시편 및, 본 발명의 질화처리된 강재 시편을 준비한 다음, 준비된 각각의 시편을 피스톤링으로써 100N의 하중으로 20시간동안 마찰접촉시킨 후, 피스톤링의 마모량을 측정해 보았다.

(내마모성 시험)

시험결과, 도 4에 도시된 바와 같이 보론 주철재 시편과 마찰접촉한 피스톤링은 0.39㎣의 마모량을 보였고, 합금 주철재 시편과 마찰접촉한 피스톤링은 0.633㎣의 마모량을 보였으며, 강재 시편과 마찰접촉한 피스톤링은 0.035㎣의 마모량을 보였다.

결론적으로, 질화처리된 강재 시편은 피스톤링과 마찰접촉하는 과정에서, 상기 피스톤링의 마모를 최소화시키므로, 자기 자신은 물론, 피스톤과 엔진의 수명을 최대한으로 연장시키는 역할을 하게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명 의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 실린더 라이너 및 그 제조방법은, 그 외면에 질화층을 형성하여 내식성과 내마모성을 증대시킴으로써, 피스톤과의 마찰접촉에도 변형 및 손상되지 않으며, 고온·고압의 연소가스와의 접촉에도 열변형되지 않는다. 특히, 질화층에 형성된 기공에 오일을 함침시켜 그 표면에 윤활성을 부여함으로써 피스톤과의 마찰접촉에 의한 마찰응력과 열응력 및 냉각수와의 접촉으로 인한 부식을 더 더욱 저감시켜준다. 또한, 높은 내식성을 보유함으로써 냉각수에 의한 부식이 방지됨은 물론 엔진 연소 과정 시, 냉각수 기포 붕괴에 의해 충격파가 발생되더라도 미세한 피팅마모를 일으키지 않으며, 따라서 캐비테이션 부식을 원천적으로 차단한다.

Claims (7)

1. 실린더 블록(1)의 실린더 내에 장입되는 실린더 라이너에 있어서,

   상기 실린더 라이너는,

   내경부(12)와 외경부(14)를 가지며, 탄소성분이 전체 조성물의 중량비를 기준으로 0.3 중량% 이상인 강재 재질의 몸체(10)와;

   상기 몸체(10)의 내경부(12)와 외경부(14)의 표면 강도와 경도가 증가되도록 상기 내경부(12)와 외경부(14)의 표면을 질화 열처리함에 따라 형성되며, 다수의 기공을 갖는 질화층(15)과;

   상기 질화층(15)의 기공(16)에 함침되며, 40℃에서 100cSt이상의 점도를 유지하는 오일(17)을 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너.
2. 삭제
3. 삭제
4. 실린더 라이너를 제조하는 방법에 있어서,

   강재 재질로 몸체를 제조하는 단계와;

   제조된 상기 몸체를 기계 가공하는 단계와;

   가공된 상기 몸체를 표면 경도가 HB 250 이상이 될 수 있도록 담금질 열처리하는 단계와;

   열처리된 상기 몸체의 표면에 기공이 형성되도록 질화 열처리하는 단계와;

   질화 열처리된 상기 몸체의 표면을 산질화 열처리하는 단계와;

   산질화 열처리된 상기 몸체의 기공에 오일을 함침시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너 제조방법.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 4항에 있어서,

   상기 몸체의 질화 열처리는, 순질화 또는 연질화 또는 염욕 순질화 또는 염욕 연질화 중 어느 하나를 실시하는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너 제조방법.

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