KR100793612B1 - 선박 디젤 엔진용 피스톤 크라운 링 그루브의 경제적 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박 디젤 엔진용 피스톤 크라운 링 그루브의 경제적인 제조 방법에 관한 것이며; 그 목적은 사용자의 요구특성에 부응하는 피스톤 크라운의 물성을 확보하여 엔진 작동 중에 빈번하게 발생하는 피스톤 크라운 링 그루브의 소성변형 손상 및 제작 중에 발생하는 수소취화균열에 의한 손상을 예방할 수 있고, 상기 링 그루브 내면의 요구 경도를 충분히 확보하고, 잔류응력을 효과적으로 저감할 수 있는 선박 디젤 엔진용 피스톤 크라운 링 그루브의 경제적 제조 방법을 제공함에 있다.

상기 목적달성을 위한 본 발명은 선박 디젤 엔진용 피스톤 크라운의 제조 방법 시, 상기 피스톤 크라운의 링 그루브 내면의 규격 경도를 확보하기 위한 담금질 및 뜨임 열처리의 공정 단계에서 일반적으로 행해지는 원통형 형상의 황삭 상태에서 조질 열처리를 행한 후 그루브를 가공하는 공정과는 달리, 피스톤 크라운의 링 그루브를 미리 가공하는 단계와, 상기 피스톤 크라운을 적절히 조질 열처리하는 단계로 이루어진 것을 그 기술적 요지로 한다.

피스톤 크라운, 링 그루브, 고주파 경화, 담금질, 뜨임, 소성변형, 수소취화균열, 잔류응력, 페라이트(ferrite), 베이나이트(bainite)

Description

선박 디젤 엔진용 피스톤 크라운 링 그루브의 경제적 제조 방법{ Economical Manufacturing Method of Piston Crown Ring Groove For Marine Diesel Engines }

도 1 은 종래의 피스톤 크라운의 제조 공정도

도 2 는 종래의 피스톤 크라운 링 그루브의 단면 설계 형상도

도 3 은 종래의 피스톤 크라운의 담금질 열처리 전 황삭가공의 설계 형상도

도 4 는 종래의 피스톤 크라운 재질의 경화능을 나타낸 그래프

도 5 는 본 발명의 피스톤 크라운의 담금질 열처리 전 황삭가공의 설계 형상도

도 6 은 종래 및 본 발명에 따른 피스톤 크라운 재질의 연속냉각변태선도를 나타낸 비교 그래프

도 7a 는 종래의 공정에 의해 제작된 피스톤 크라운 링 그루브의 미세조직을 나타낸 확대도

도 7b 는 본 발명의 공정에 의해 제작된 피스톤 크라운 링 그루브의 미세조직을 나타낸 확대도

도 8 은 본 발명의 피스톤 크라운 링 그루브의 단면 설계 형상도

도 9 는 본 발명의 피스톤 크라운의 제조 공정도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(10) : 피스톤 (20) : 라이너

(30) : 피스톤 링 (40) : 링 그루브

(50) : 경질 크롬 도금층 (60) : 고주파 경화층

(70) : 피스톤 크라운의 기지 (A) : 링 그루브 깊이

(B) : 본 발명의 냉각경로 (C) : 종래의 냉각경로

본 발명은 선박 디젤 엔진용 피스톤 크라운 링 그루브의 경제적 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피스톤 크라운 링 그루브의 설계 요구 품질에 해당하는 경도와 잔류응력을 확보할 수 있는 담금질 전 황삭 도면 설계와 열처리 방법을 특징으로 하는 선박 디젤 엔진용 피스톤 크라운 링 그루브의 제조 방법에 관한 것이다.

피스톤은 실린더 내부를 왕복운동하며, 동력행정에서 고온, 고압의 가스압력을 받아 커넥팅 로드를 통해 크랭크샤프트에 회전력을 발생시키는 일을 한다. 특 히, 피스톤 헤드 부근에 속하는 크라운 영역은 고온(2000℃ 이상)의 연소가스에 노출되고 높은 압력을 받으며 실린더 내부에서 고속운동을 한다. 이러한 피스톤 윗부분의 둘레에 끼워지는 피스톤 링은 연소가스의 기밀을 유지하고, 연소실 벽의 오일을 긁어내려 오일소모를 줄이고, 피스톤의 열을 실린더로 전달하는 역할을 하게 되며, 상기 피스톤 링이 끼워지는 홈을 링 그루브라 한다.

통상 도 2 에서 보듯이 피스톤의 외주면 둘레에는 피스톤 링을 결합하기 위한 피스톤 링 그루브가 형성되어 있으며. 상기 피스톤은 통상 탄소강 및 저합금강을 주재료로 하여 주조에 의해 주물로 또는 잉곳(ingot)을 단조하여 제조된다.

종래의 피스톤 크라운은 도 1 에서처럼, 탄소강 및 저합금강 재질의 피스톤 크라운을 단조 가공하는 단계와, 상기 피스톤 크라운의 선급검사 후 황삭가공하는 단계와, 강을 강하고 경하게 하기위한 담금질 열처리 단계와, 담금질에 의해 경해진 강에 인성을 부여하기 위한 뜨임(노냉 또는 공냉) 열처리 단계와, 선급 및 선주검사 후 상기 피스톤 크라운의 링 그루브를 가공하는 단계와, 고주파 경화처리를 하는 단계와, 비파괴검사 후 정삭가공 하는 단계와, 크롬도금 하는 단계와, 탈수소처리 하는 단계와, 최종가공 후 비파괴검사를 하는 단계로 구성되어 있다.

상기 공정 절차 중 고주파 경화처리 단계는 엔진 구동 시 연소실의 폭발압력이 피스톤 링을 통하여 피스톤 크라운 링 그루브에 작용하는 과정에서 발생할 수 있는 링 그루브의 소성변형을 방지하고자 낮은 기지 경도를 보상하기 위한 목적으로 적용되는 제조 공정단계로, 상기 공정 절차를 거쳐 제작되는 제품의 경우에는 도 2 에서 보듯이, 링 그루브의 하면에 고주파경화층이 형성되어 있으며, 그 상면 으로 경질 크롬도금층을 구성하고 있다. 또한 담금질 열처리 전 상태의 황삭가공 된 피스톤 크라운의 도면을 보여주고 있는 도 3 과 같이, 이 상태로 조질 열처리를 시행한 후 최종 치수의 링 그루브를 가공하고 그 하면에 고주파 경화처리를 행하게 된다.

상기 고주파 경화처리단계에 의해 고경도화(규격상 HRC40 이상을 말함)된 링 그루브의 영역에 후속공정단계인 경질크롬도금 단계에서 발생하는 수소가 침입하여 수소취화균열(hydrogen embrittlement cracking)을 쉽게 유발시킴으로 인하여 불량률의 상승에 따른 손실을 초래하는 문제점이 있다.

또한, 피스톤 크라운 재질의 경화능을 나타낸 도 4 와 같이 피스톤 크라운의 표면에서 내부로 갈수록 경도가 급격하게 감소함을 보여주고 있다. 이는 황삭 상태로 조질 열처리를 시행한 후 링 그루브를 가공하게 되면 링 그루브의 내면 경도는 표면으로부터의 깊이에 비례하여 감소하므로 일부 최외각 표면부를 제외하고는 규격 경도를 만족시키지 못하게 되며, 이 제품을 그대로 사용하게 되면 피스톤 링의 면압에 의한 링 그루브의 소성변형이 쉽게 발생하게 되므로 고주파 경화처리를 통하여 기지 경도를 보상해야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출되는 것으로, 그 목적은 종래의 피스톤 크라운 링 그루브의 내면 영역을 담금질 전에 형상 가공하여 미리 노출시킴으로 인하여 담금질 시 빠른 냉각속도를 확보하여 요구 품질을 보장함과 동시에 제조 공정 단계의 축소가 가능하여 생산비용을 저감할 수 있는 선박 디젤 엔진용 피스톤 크라운 링 그루브의 경제적 제조 방법을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 탄소강 및 저합금강 재질의 피스톤 크라운을 단조 가공하는 단계와, 상기 피스톤 크라운을 선급검사 후 링 그루브를 가공하는 단계와, 상기 피스톤 크라운을 수냉 담금질 열처리 하는 단계와, 상기 피스톤 크라운을 공냉 뜨임 열처리 하는 단계와, 상기 피스톤 크라운 선급 및 선주검사 후 정삭가공하는 단계와, 상기 피스톤 크라운 링 그루브에 크롬도금하는 단계와, 상기 피스톤 크라운 링 그루브를 최종가공 한 후 최종 비파괴검사를 하는 단계를 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부 도면과 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5 와 같이 담금질 열처리 이전의 단계에서 피스톤 크라운의 링 그루브를 미리 가공하여 링 그루브의 내면을 미리 노출시킴으로 인하여 소성변형을 예방하기위한 단계로 적용되어지던 고주파 경화처리단계의 공정을 축소할 수 있으며, 상기 피스톤 크라운 재질의 연속냉각변태선도를 나타낸 도 6 과, 링 그루브의 미세조직을 확대하여 비교 도시한 도 7a 와 도 7b 에서 보듯이, 종래는 느린 냉각속도(C)로 인하여 페라이트(ferrite)와 베이나이트(bainite)의 혼합조직이 형성되며, 상기 페 라이트의 존재로 인해 규격보다 낮은 기지 경도를 나타내게 되지만, 이와 달리 담금질 전 링 그루브를 미리 가공한 경우에 나타나는 본 발명의 냉각경로(B)는 빠른 냉각속도로 인해 전체가 베이나이트 조직을 형성하여 상대적으로 높은 기지 경도를 얻을 수 있다.

따라서, 도 8 에 나타난 링 그루브의 단면 설계 형상도와 같이 고주파 경화처리층이 삭제된 설계 특징을 볼 수 있으며 결론적으로 도 9 과 같이 종래의 도 1 에 도시된 제조 공정단계에 비하여 다수개의 단계가 축소되어 구성된다.

상기 본 발명에 따른 담금질 열처리 전 피스톤 크라운의 링 그루브를 가공함에 따른 품질 특정을 최적화하기 위한 열처리 단계의 조건으로 링 그루브를 미리 가공하고, 이후 수냉 담금질 열처리와 공냉 뜨임 열처리를 행한다. 이는 종래의 담금질 열처리 방법으로는 규격 경도를 만족시키지 못하므로 불가피하게 경도 보상 차원에서 고주파 경화처리를 행하였으나, 링 그루브를 미리 가공하고 담금질 열처리를 행한 본 발명은 종래에 비하여 경도가 32~88 HB 정도 상승하여 요구되는 규격 경도를 만족시키게 된다.

상기 열처리 방법에 의하여 제작된 피스톤 크라운의 링 그루브의 기계적 성질(경도, 잔류응력) 및 종래 제품의 기계적 성질(경도, 잔류응력)은 표 1 과 같다.

표 1.

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.

상기와 같은 구성 및 작용에 의해 기대할 수 있는 본 발명의 효과는 규격에서 요구하는 피스톤 크라운의 링 그루브의 표면 경도를 확보할 수 있어 충분한 기능성을 보유하며, 본 발명의 제조 방법을 통하여 제작된 피스톤 크라운 링 그루브는 종래의 제품에 비해 잔류응력이 낮아 엔진 구동 시에도 피스톤 크라운의 링 그루브의 치수 안정도가 우수하며, 오히려 압축잔류응력의 형성으로 인하여 내균열 저항성이 우수하여 내구성을 향상시켜 결과적으로, 피스톤 크라운의 제조 공정의 단축에 따른 생산비용의 저감은 물론 엔진의 성능 및 효율향상과, 피스톤 크라운의 사용 수명과, 장기화로 인한 엔진의 유지 보수비용을 저감시키는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 탄소강 및 저합금강 재질의 선박 디젤 엔진용 피스톤 크라운을 제조하는 방법에 있어서;

   탄소강 및 저합금강 재질의 피스톤 크라운을 단조 가공하는 단계와, 상기 피스톤 크라운의 선급검사 후 링 그루브를 가공하는 단계와, 상기 피스톤 크라운을 수냉 담금질 열처리 하는 단계와, 상기 피스톤 크라운을 공냉 뜨임 열처리 하는 단계와, 상기 피스톤 크라운을 선급 및 선주검사 후 정삭가공하는 단계와, 상기 피스톤 크라운 링 그루브에 크롬도금하는 단계와, 상기 피스톤 크라운 링 그루브를 최종가공 한 후 최종 비파괴검사를 하는 단계를 특징으로 하는 선박 디젤 엔진용 피스톤 크라운 링 그루브의 제조 방법.
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