KR100980645B1

KR100980645B1 - 피스톤의 후가공 방법

Info

Publication number: KR100980645B1
Application number: KR1020080023689A
Authority: KR
Inventors: 강창원
Original assignee: 주식회사 화영
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2010-09-07
Also published as: KR20090098356A

Abstract

본 발명은 피스톤의 후가공 방법에 관한 것으로, 강재나 주철로 가공된 피스톤을 준비하는 준비 공정(S1); 상기 구비된 피스톤의 표면을 슈퍼피니싱하여 표면에 ‘X’형태의 패턴을 형성하는 연마 공정(S3); 상기 표면에 질화층을 형성하는 열처리 공정(S3)으로 이루어지되; 상기 열처리 공정(S3)은, 상기 구비된 피스톤을 세척제와 물로 세척하는 세척 단계(G1), 상기 세척한 피스톤을 로에 넣는 장입 단계(G2); 상기 로 내부로 질소 가스를 투입하는 퍼징 단계(G3); 상기 로내 부의 온도를 350℃까지 상승하여 30분을 예열하고, 다시 로 내부온도를 570℃까지 상승하여 1시간 30분 정도를 더 예열하는 예열 단계(G4), 상기 로 내부를 온도 570℃, 압력 100 내지 250㎜H₂O의 상태로 5 내지 8시간 유지하면서, 암모니아 가스, 질소 가스, 이산화탄소 가스를 투입하여 미분 농도 30 내지 40％를 유지하여, 피스톤의 표면에 질화층을 형성하는 연질화 단계(G5); 상기 로 내부에 질소 가스를 투입하면서 로 내부 압력을 500 내지 1000㎜H₂O를 유지하면서, 로 내부 온도를 적어도 120℃ 낮추고, 피스톤을 빼내는 냉각 및 장출 단계(G6)로 피스톤의 후가공이 완료되어, 피스톤의 내구성, 내열성 및 표면 강도를 높이고, 상기 피스톤의 표면 패턴에 의해 피스톤에 공급되는 오일의 분포 및 정체가 균일하여 피스톤의 윤활 및 냉각이 효과적으로 이루어지는 것이다.

피스톤, 로드, 슈퍼피니싱, 실린더, 연마, 질화, 연질화, 질소

Description

피스톤의 후가공 방법 { the finish method of piston }

본 발명은 피스톤의 후가공 방법에 관한 것으로, 가공된 피스톤에 표면에 질화층을 형성하고, 상기 피스톤을 연마하는 후가공을 실시하되, 상기 피스톤의 질화층 형성은, 상기 구비된 피스톤을 세척제와 물로 세척한 뒤에, 상기 세척한 피스톤을 로에 넣고, 상기 로 내부로 질소 가스를 투입하며, 상기 로내 부의 온도를 350℃까지 상승하여 30분을 예열하고, 다시 로 내부온도를 570℃까지 상승하여 1시간 30분 정도를 더 예열하며, 상기 로 내부를 온도 570℃, 압력 100 내지 250㎜H₂O의 상태로 5 내지 8시간 유지하면서, 암모니아 가스, 질소 가스, 이산화탄소 가스를 투입하여 미분 농도 30 내지 40％를 유지하며, 상기 로 내부를 적어도 120℃ 낮추고, 피스톤을 빼내내어 피스톤의 표면에 질화층을 형성하여, 피스톤의 내구성, 내열성 및 표면 강도가 높은 것이다.

일반적으로 피스톤(piston)은, 유체(流體)의 압력을 받아 실린더 속을 왕복 운동하는 원판형 또는 원통형의 부품을 말하는 것으로, 상기 실린더 내부를 왕복 운동하면서 받은 압력을 받아 직선 운동하게 되므로, 받은 압력을 온전히 전달하기 위해서는, 밀폐성이 중요한데, 이는 실린더의 외주연에 패킹이 담당한다.

그리고 엔진에 적용하는 피스톤의 경우에는 피스톤과 실린더 사이에 오일을 공급하여, 마찰을 감소하여 마모를 방지하고, 녹이나 부식을 방지하며, 발생하는 열을 낮추는 등의 역할을 하고 있어, 피스톤의 외주면에 오일이 균일하게 분포하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 엔진에 적용하는 피스톤은, 고압력과 고온에 노출되어 있으므로, 피스톤은 고내압성, 고내열성과 높은 내구성이 요구된다.

그래서 고온, 고압력에 노출되는 피스톤의 표면은, 고압력, 고온에 대응하기 위해서, 고온에 견디는 재질 선택도 중요하지만, 높은 내구성과 표면 강도가 요구된다.

또한, 마찰 방지와 냉각을 위한 오일이 피스톤에 공급할 때, 피스톤의 외주면이 너무 매끄러운 상태를 가지게 되면, 오일이 균일하게 분포하지 못하고, 오일이 중력 방향으로 몰리게 되는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자, 가공된 피스톤 표면을 연마하고, 상기 연마한 피스톤의 표면에 질화층을 형성하는 피스톤의 후가공을 실시하되, 상기 피스톤의 질화층 형성은, 상기 구비된 피스톤을 세척제와 물로 세척한 뒤에, 상기 세척한 피스톤을 로에 넣고, 상기 로 내부로 질소 가스를 투입하며, 상기 로 내부의 온도를 350℃까지 상승하여 30분을 예열하고, 다시 로 내부온도를 570℃까지 상승하여 1시간 30분 정도를 더 예열하며, 상기 로 내부를 온도 570℃, 압력 100 내지 250㎜H₂O의 상태로 5 내지 8시간 유지하면서, 암모니아 가스, 질소 가스, 이산화탄소 가스를 투입하여 미분 농도 30 내지 40％를 유지하며, 상기 로 내부를 적어도 120℃ 낮추고, 피스톤을 빼내내어 피스톤의 표면에 질화층을 형성하여, 피 스톤의 내구성, 내열성 및 표면 강도를 높이도록 한다.

또한, 상기 피스톤의 연마는, 피스톤의 표면을 슈퍼피니싱하여 표면에 ‘X’형태의 패턴을 형성하여, 상기 패턴이 열처리 이후에도 형상이 유지되어, 상기 피스톤의 표면 패턴에 의해 피스톤에 공급되는 오일의 분포 및 정체가 균일하여 피스톤의 윤활 및 냉각이 용이하게 이루어지도록 한다.

이와 같이 본 발명은, 가공된 피스톤 표면을 연마하고, 상기 연마한 피스톤의 표면에 질화층을 형성하는 피스톤의 후가공을 실시하되, 상기 피스톤의 질화층 형성은, 상기 구비된 피스톤을 세척제와 물로 세척한 뒤에, 상기 세척한 피스톤을 로에 넣고, 상기 로 내부로 질소 가스를 투입하며, 상기 로 내부의 온도를 350℃까지 상승하여 30분을 예열하고, 다시 로 내부온도를 570℃까지 상승하여 1시간 30분 정도를 더 예열하며, 상기 로 내부를 온도 570℃, 압력 100 내지 250㎜H₂O의 상태로 5 내지 8시간 유지하면서, 암모니아 가스, 질소 가스, 이산화탄소 가스를 투입하여 미분 농도 30 내지 40％를 유지하며, 상기 로 내부를 적어도 120℃ 낮추고, 피스톤을 빼내내어 피스톤의 표면에 질화층을 형성하여, 피스톤의 내구성, 내열성 및 표면 강도가 높은 효과가 있다.

또한, 상기 피스톤의 연마는, 피스톤의 표면을 슈퍼피니싱하여 표면에 ‘X’형태의 패턴을 형성하여, 상기 패턴이 열처리 이후에도 형상이 유지되어, 상기 피스톤의 표면 패턴에 의해 피스톤에 공급되는 오일의 분포 및 정체가 균일하여 피스톤의 윤활 및 냉각이 용이한 효과가 있다.

먼저, 준비 공정(S1)은, 원재료를 이용하여 일반적인 가공 방법을 통해 제조한 피스톤을 구비하는 것으로, 피스톤은 주로, 주조를 통해서 통해 제조되며, 정밀한 치수 맞춤을 위해 주조된 피스톤은 외주연 가공이 시행되기도 한다.

참고로, 열처리 공정(S3)을 통한 치수 변형은 미미하나, 열처리 공정(S3)을 통해서 약간의 팽창 및 수축이 발생할 수 있으므로, 피스톤의 외주연 가공 및 피스톤의 연마 공정(S3)에서는 열처리 공정(S3)에서 발생할 수 있는 치수 변형을 고려하여 가공하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 피스톤의 재질은 주철이나 알루미늄 합금을 사용하기도 하며, 대형 엔진에 사용하는 경우, 주로 에프씨디(FCD, Ferrum Casting Ductile, 구상흑연주철품)을 주조(주물)의 방법으로 제조하거나, 또는 원통형의 강재를 가공하여 사용하며, 상기 피스톤은 단독으로 구성되기도 하나, 대형 엔진에 적용할 경우에는 피스톤과 이에 고정하는 로드(피스톤 로드)가 일체로 구성된 것을 제공되어, 피스톤과 로드를 모두 열처리와 연마를 거치도록 하는데, 피스톤과 로드는 한번에 일체로 제작되기보다는, 피스톤과 로드가 각각 제작하여, 서로 조립한 것을 준비한다.

다음으로, 연마 공정(S2)은 본 발명에 따른 피스톤의 후처리 공정의 마지막 공정으로, 연마 공정(S2)은, 상기 열처리된 피스톤의 외면을 연마하는 공정으로, 상기 연마는 슈퍼피니싱 머신을 통해서 연마를 가공하여, 상기 연마를 통해 표면에 체크 형태의 무늬를 가지도록 하며, 상기 연마 공정(S2)을 통한 표면은 적어도 Ra 0.4를 가지도록 한다.

참고로, 상기 슈퍼피니싱(Super finishing)은, 공작물 표면을 다듬질하는 방법으로 초정밀다듬질이라고도 하며, 공작물의 표면에 입도가 고운 숫돌을 가벼운 압력으로 맞붙여 누르고 작은 진폭으로 진동시키면서, 공작물에는 회전 이송운동을 주어 공작물(피스톤) 표면을 다듬질하는 방법으로, 피스톤의 외면을 연마하며, 또한, 피스톤에 로드가 결합된 경우에는 로드 외면까지 연마하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 진동에 의해 상기 피스톤의 표면은 그 길이방향을 따라 ‘X’자 형태의 패턴을 형성하여, 상기 패턴에 의해 상기 피스톤에 오일이 공급될 때, 오일이 피스톤의 표면에 균일하게 도포되고, 정체할 수 있도록 하는 특징이 있다.

참고로, 상기 피스톤에 슈퍼피니싱을 적용하여, 피스톤의 표면에‘X’자 형태의 패턴을 다음 [사진 1] 및 [사진 2]에 나타내었으며, [사진 1]은 피스톤과 로드의 경계 부분을 찍은 사진이며, [사진 2]는 슈퍼피니싱에 의한 ‘X’자 패턴을 잘 보여주고 있는 피스톤의 표면을 보여준다.

[사진 1]

[사진 2]

그리고 마지막 공정인, 열처리 공정(S3)은, 상기 연마한 피스톤을 열처리 과정을 거쳐 내구성, 내열성, 표면 경도 등을 높이는 것으로, 상기 열처리로 연질화 작업을 거치게 되면, 상기 열처리 공정(S3)은, 몇 단계를 걸쳐 이루어지는데, 도2의 순서도를 참고하여 순서대로 설명하면 다음과 같다.

첫 번째, 지그 조립 단계(G0)는, 상기 준비 공정(S1)에서 제공한 피스톤을 지그(jig)에 설치하는 공정으로, 상기 지그는 상기 피스톤을 세워 고정할 수 있도록 한 것으로, 상기 지그에 고정하도록 단도리 하며, 각 피스톤 사이는 10㎜ 이상이 되도록 띄우는 것이 바람직하다.

두 번째, 세척 단계(G1)는, 상기 지그에 고정된 피스톤을 세척제 및 물로 세정하여 오일 및 이물질을 제거하는 공정으로, 통상 수작업으로 작업하여 오일과 이물질이 남아 있지 않도록 하고, 상기 세척제로는 티씨이(TCE, trichloro ethylen, 트리콜로로 에틸렌)을 사용하고, 상기 티시이 사용한 뒤에 수세척한다.

세 번째, 장입 단계(G2)는, 상기 세정한 피스톤을 열처리를 위한 로 내부에 넣는 공정으로, 상기 피스톤이 로 내부에 넣기 전에, 로 내부가 오염물질이 없는 깨끗한 상태를 가지도록 하는 것이 바람직하다.

네 번째, 퍼징 단계(G3)는, 상기 피스톤을 넣은 로 내부로 질소(N₂) 가스를 투입하는 단계로, 상기 질소 가스의 투입량은 로 크기에 다르겠지만, 보통, 질소 가스를 4㎥/hr로 30분 투입한다.

다섯 번째, 예열 단계(G4)는, 상기로 내부의 히터를 통해 온도를 올리는 과정으로, 로 내부 온도를 350℃까지 올려 30분 정도를 유지하여 예열하고, 다시 온도를 570℃로 1시간 30분 정도를 유지하여 로 내부의 온도가 피스톤의 온도와 같아지도록 안정화하도록 한 번 더 예열과정을 가진다.

여섯 번째, 연질화 단계(G5)는, 상기 예열한 후에, 로 내부가 570℃인 상태를 유지하면서, 로 내부로 암모니아(NH₃) 가스와 이산화탄소(CO₂) 및 질소(N₂) 가스를 투입하여, 피스톤 표면을 질화하는 단계로, 상기 투입하는 상기 암모니아 가스와 이산화탄소의 투입량은 로 크기에 다르겠지만, 보통, 암모니아 가스는 6㎥/hr, 이산화탄소는 4ℓm, 질소 가스는 70ℓ를 투입하며, 피스톤의 재질이 강재인 경우에는 5시간, 피스톤의 재질이 주물인 경우에는 8시간을 투입하면, 로 내부는 100 내지 250 ㎜H₂O로 유지한다.

그리고 상기 질화 과정에서는, 미분(로 내부의 질화 처리 중 암모니아 농도를 뜻함)의 비율을 피스톤의 재질에 따라 달라지는데, 상기 피스톤의 재질이 강재류일 경우에는, 미분을 30 내지 40％로 유지하여, 질화 깊이를 20㎛를 가지도록 하 고, 또한, 상기 피스톤의 재질이 주물인 경우에는 미분을 35 내지 38％로 유지하여, 질화 깊이를 12 내지 14㎛를 가지도록 한다.

일곱 번째, 냉각 및 장출 단계(G6)는, 상기 로 내부의 온도를 낮추는 과정으로 송풍기를 통해 로 내부를 120℃ 이하로 낮추는 단계이며, 상기 냉각 단계(G7)에서는 연질화 단계(G6)에서 공급하는 암모니아 가스와 이산화탄소의 공급을 중단하고, 질소 가스는 2㎥/hr로 지속적으로 공급하여, 내로 내압이 500 내지 1000㎜H₂O로 유지하며, 로 내부 온도가 120℃ 이하로 낮춰지면 피스톤을 빼내면, 상기 피스톤 열처리 공정(S3)을 완료하며, 상기 열처리 공정(S3)에 의해 피스톤의 후가공 공정이 완료된다.

이렇게 후가공을 거친 피스톤은, 우선, 아울러, 상기 슈퍼 피니싱을 통한 연마로, 피스톤 표면에 발생한 패턴으로 인해, 오일이 중력 방향으로 쏠리는 것을 방지하고, 오일에 의한 피스톤의 냉각, 윤활 등을 최대화하는 특징이 있다.

또한, 상기 열처리 공정에 의해서, 표면이 적정 깊이로 균일하게 질화되어, 표면 경도, 내구성 및 내열성을 높이게 되므로, 일반적인 실린더에 적용함은 물론, 고압, 고열이 발생하는 엔진블록의 실린더에 적용이 용이한 것이다.

덧붙여, 상기 공정은 일반적인 공정과 달리, 연삭 과정을 먼저 거치고 열처리 작업을 하기 때문에, 열처리 후에 상기 슈퍼 피니싱으로 피스톤 표면에 형성된 패턴을 유지하면서, 상기 열처리에 의해 윤활성을 가지는 표면을 가지게 되어(염욕 질화와 유사한 성질을 같진다), 상기 피스톤이 실린더에 조립되었을 때, 일차적으로 열처리에 의한 피스톤의 표면 자체의 윤활 작업이 이루어지는 특징이 있다.

도 1은 본 발명에 따라 피스톤의 후가공에 따른 보여주는 공정도.

도 2는 본 발명에 따른 열처리 공정의 순서도.

Claims

삭제
삭제
구상 흑연 주철로 가공된 피스톤을 준비하는 준비 공정(S1); 준비된 피스톤의 표면을 연마하는 연마 공정(S2); 연마한 피스톤을 열처리하는 열처리 공정(S3)으로 이루어지는 후가공을 실시하되,

상기 연마 공정(S2)에서 피스톤의 연마는, 연마재에 진동을 주어 연마하는 슈퍼 피니싱을 적용하여, 피스톤의 표면에 길이 방향을 따라 ‘X’자 형태의 패턴을 형성하고, 피스톤의 표면은 적어도 Ra 0.4의 조도를 형성하여, 피스톤에 공급하는 오일의 분포가 균일하도록 하며,

상기 피스톤의 열처리 공정(S3)에서는,

연마된 피스톤을 세척제와 물로 오일과 이물질을 제거하는 세척 단계(G1)

지그에 조립된 피스톤을 로 내부에 넣는 장입 단계(G2);

조립된 피스톤이 장입 된 로 내부에 질소 가스를 투입하는 퍼징 단계(G3)

질소 가스가 투입된 로 내부의 온도를 350℃까지 상승시켜 적어도 8시간 유지하고, 이어 다시 온도를 570℃까지 상승시킨 뒤에, 적어도 1시간 30분을 유지하는 예열 단계(G4);

예열 단계(G4)를 거친 로 내부에 암모니아 가스, 질소 가스, 이산화탄소를 5 내지 8시간을 투입하면서, 로 내부의 온도 570℃, 로 내압은 100 내지 250 ㎜H₂O 유지하고, 미분 농도(로 내부의 질화 처리 중의 암모니아 농도)를 35 내지 38％로 유지하여, 구상 흑연 주철로 가공된 피스톤 표면에 질화 깊이 12 내지 14㎛ 인 질화층을 형성하는 연질화 단계(G5);

선행 연질화 단계(G5)를 거친 로 내부에 질소 가스를 투입하면서 로 내압은 500 내지 1000 ㎜H₂O을 유지하면서, 로 내부의 온도를 적어도 120℃까지 하강시킨 뒤에, 피스톤을 로 밖으로 빼내는 냉각 및 장출 단계(G6)로 이루어짐을 특징으로 하는 피스톤의 후가공 방법.
강재로 가공된 피스톤을 준비하는 준비 공정(S1); 준비된 피스톤의 표면을 연마하는 연마 공정(S2); 연마한 피스톤을 열처리하는 열처리 공정(S3)으로 이루어지는 후가공을 실시하되,

상기 연마 공정(S2)에서 피스톤의 연마는, 연마재에 진동을 주어 연마하는 슈퍼 피니싱을 적용하여, 피스톤의 표면에 길이 방향을 따라 ‘X’자 형태의 패턴을 형성하고, 피스톤의 표면은 적어도 Ra 0.4의 조도를 형성하여, 피스톤에 공급하는 오일의 분포가 균일하도록 하며,

상기 피스톤의 열처리 공정(S3)에서는,

연마된 피스톤을 세척제와 물로 오일과 이물질을 제거하는 세척 단계(G1)

지그에 조립된 피스톤을 로 내부에 넣는 장입 단계(G2);

조립된 피스톤이 장입 된 로 내부에 질소 가스를 투입하는 퍼징 단계(G3)

질소 가스가 투입된 로 내부의 온도를 350℃까지 상승시켜 적어도 8시간 유지하고, 이어 다시 온도를 570℃까지 상승시킨 뒤에, 적어도 1시간 30분을 유지하는 예열 단계(G4);

예열 단계(G4)를 거친 로 내부에 암모니아 가스, 질소 가스, 이산화탄소를 5 내지 8시간을 투입하면서, 로 내부의 온도 570℃, 로 내압은 100 내지 250 ㎜H₂O 유지하고, 미분 농도를 30 내지 40％로 유지하여, 강재로 가공된 피스톤 표면에 질화 깊이 20㎛인 질화층을 형성하는 연질화 단계(G5);

선행 연질화 단계(G5)를 거친 로 내부에 질소 가스를 투입하면서 로 내압은 500 내지 1000 ㎜H₂O을 유지하면서, 로 내부의 온도를 적어도 120℃까지 하강시킨 뒤에, 피스톤을 로 밖으로 빼내는 냉각 및 장출 단계(G6)로 이루어짐을 특징으로 하는 피스톤의 후가공 방법.