KR101280000B1

KR101280000B1 - 디젤 엔진 피스톤용 오일 갤러리 접합 소결 인서트링의 제조 방법 및 이를 이용한 오일 갤러리 접합 소결 인서트링 일체형 피스톤

Info

Publication number: KR101280000B1
Application number: KR1020110009680A
Authority: KR
Inventors: 이진수; 조영호
Original assignee: 주식회사 티엠시
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2013-07-17
Also published as: KR20120088374A

Abstract

본 발명은 디젤 엔진 피스톤용 오일 갤러리 접합 인서트링의 제조 방법에 있어서, 중공 링 형상의 스틸 소재 오일 갤러리와, 10% ~ 40%의 기공을 가진 링 형상의 소결 인서트링을 각각 제작하는 단계와; 상기 스틸 소재 오일 갤러리를 상기 소결 인서트링의 내경과 상기 스틸 소재 오일 갤러리의 외경이 맞닿도록 상기 소결 인서트링에 압입하는 단계와; 그리고 상기 소결 인서트링과 상기 스틸 소재 오일 갤러리를 접합하는 단계로서, 접합하는 과정에서 상기 소결 인서트링의 내부 기공으로 열전도도가 높은 구리 합금 을 침투시켜 내부 기공을 채움과 동시에 상기 스틸 소재 오일 갤러리와 상기 소결 인서트링의 접합부 주위를 구리 합금으로 채움으로써 상호 접합시키는 단계를 포함하여 이루어지는 디젤 엔진 피스톤용 오일 갤러리 접합 소결 인서트링의 제조 방법을 제공한다.

Description

디젤 엔진 피스톤용 오일 갤러리 접합 소결 인서트링의 제조 방법 및 이를 이용한 오일 갤러리 접합 소결 인서트링 일체형 피스톤 {Method for manufacturing a sintered insert ring joined with oil gallery in diesel engine piston and piston comprising a sintered insert ring joined with oil gallery}

본 발명은 디젤 엔진 피스톤에서 피스톤링이 장착되는 링 글로브를 형성하는 인서트링과 피스톤 내부의 오일 갤러리의 일체화된 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조된 오일 갤러리 접합 소결 인서트링를 구비한 피스톤에 관한 것이다.

일반적으로 엔진 피스톤은 엔진을 구성하는 실린더 내에서 고속으로 직선 왕복 운동을 하는 것으로서, 이러한 엔진 피스톤의 직선 왕복 운동은 커넥팅 로드를 거쳐서 크랭크 축에 회전력으로 전달되어 지고 각종 동력 전달 장치를 거쳐서 최종적으로 이와 같은 엔진을 구비한 차량 등의 추진력을 발휘하도록 하는 것으로 동력 발생장치의 핵심적인 부품에 해당한다.

이러한 피스톤의 상부 외주면에는 피스톤 링을 장착하기 위한 링 글로브가 형성되고, 이곳에 장착되는 피스톤 링은 실린더 내면과 피스톤 사이의 기밀을 유지하고 엔진 오일이 연소실로 혼입되는 것을 방지하도록 하고 있다.

특히, 상기 피스톤은 실린더 내부에서 고온/고압 하에서 고속으로 왕복운동을 하기 때문에 링 글로브에 장착된 피스톤 링(piston ring)과 링 글로브 사이에 마찰이 발생하게 되고, 일반적으로 스틸(steel)재로 형성되는 피스톤 링(piston ring)은 상부 글로브(Top ring groove)의 마모를 촉진하게 되는데, 이러한 마모를 방지하기 위하여 상부 글로브(도 1의 도면부호 'G')의 내부에는 별도의 링 형상의 인서트(이하, 간단히 ‘인서트링‘이라 칭함)가 일체로 성형되도록 하는 마모 방지 방안이 채택되기도 한다.

도 1에 도시된 바와 같은 종래의 인서트링(1)은 철을 주성분으로 하여 제조되는 주철재 인서트링으로 제조되고, 상기 인서트링에 피스톤의 모재가 되는 알루미늄 주물이 고압 주조되어 인서트링 일체식의 피스톤(P)을 제조하여 사용한다.

구체적으로, 기존의 엔진 피스톤용 주철재 인서트링(1)은 탄소 3.0 중량% 이하, 실리콘 1.0∼2.8 중량%, 망간 0.5∼1.5 중량%, 황 0.12 중량% 이하, 니켈 13.5∼17.5 중량%, 구리 5.5∼7.5 중량% 및 크롬 1.5∼2.5 중량%을 함유하고 나머지는 철로 구성되는 조성을 가지는 재료로 제조되며, 다음과 같은 물리적 특성을 갖는 것이 일반적이다.

1) 경도: HB 131∼183

2) 인장강도: 17.6 kgf/㎟

3) 열팽창 계수: 11×10^-6/℃

4) 열전도율: 45W/m℃

5) 비중: 7.3 g/㎤

그러나, 이와 같은 종래의 일반적인 주철재 인서트링(1)을 사용하여 일체식 피스톤(P)을 형성하는 경우에는 다음과 같은 단점을 가진다.

종래의 주철재 인서트링(1)에 피스톤의 모재인 알루미늄 주물을 고압 주조하여 주철재 인서트링 일체식 피스톤(P)으로 제작되기에 피스톤 모재인 알루미늄 합금과 인서트링(1)의 재료인 주철이 서로 다른 재료이므로, 인서트링(1)과 알루미늄 모재(2)가 계면에서만 접촉하여 계면 접합성이 떨어져서 극심한 열 피로를 받는 엔진에서 장기간 사용되는 경우에 계면이 분리될 수 있는 문제점을 가지며, 주철재 인서트링(1)과 알루미늄 모재(2) 간의 열팽창 계수 차이로 인하여 피스톤과 실린더 보어(cylinder bore) 사이의 틈새(clearance)를 줄이는데 한계가 있는 문제점을 가진다.

또한, 인서트링(1)의 재질인 주철은 열전도율이 낮아 피스톤 상면부의 연소열을 피스톤 링(도시 생략)을 통하여 실린더 벽으로 방출하는데 한계가 나타내기 때문에, 피스톤(P)이 과열되어서 내열 온도가 초과되는 경우가 발생할 수 있으며, 종국적으로 피스톤이 파손(failure)될 수도 있는 문제점을 가진다.

한편, 디젤 엔진용 피스톤은 실린더 내에서 발생한 연소 폭발력을 받아 실린더 안에서 왕복운동하면서 커넥팅 로드에 전달하여 크랭크 샤프트에 회전력을 발생시키는 일을 하는 장치이기에, 피스톤(P)의 상부에 형성되는 연소실의 주변을 냉각시켜 피스톤의 과열을 막을 수 있도록 하기 위하여 도 2에 도시된 바와 같은 중공 형상의 오일 갤러리(oil gallery)(3)를 설치함이 일반적이다.

이러한 오일 갤러리(3)는 디젤 엔진용 피스톤 제작시 주형 내로 삽입한 솔트 코어(salt core)를 이용한 주조(casting) 방식을 사용하여 피스톤 내부에 형성되어지는 방식으로 주형 내에 솔트 코어를 고정시킨 후 피스톤 주조용 알루미늄 용융액을 주입하여 피스톤을 주조한 이후에, 후처리 가공을 통해 솔트 코어를 털어내어 제거함으로써 링 형상의 빈 공간을 형성되게 함에 의해 피스톤 내부(P)에 도 2에 도시된 바와 같은 오일 갤러리(3)를 형성하게 된다.

이와 같은 솔트 코어는 염에 화학성분이나 합성수지 및 바인더를 혼합한 본디드 코어(bonded core)를 주로 사용함에 따라서 솔트 코어 성형 시에 가스 발생이 유도되는데 이는 솔트 코어 자체의 표면에 크랙을 발생시키는 요인이 되고 있으며, 또한 고온의 알루미늄 용융액 주입 시에는 용융액과 솔트 코어 간의 온도차에 의해 발생하는 가스나 막질 등에 의하여 솔트 코어의 표면에 표면 장력이 형성되므로 솔트 코어 표면으로 용융액이 완전하게 밀착 형성되지 못하게 하며, 이로 인하여 오일 갤러리(3)의 주조 품질을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

또한, 종래의 일반적인 구조에 따른 디젤 엔진용 피스톤의 경우에는, 상술한 오일 갤러리(3) 내부의 오일에 의해 흡수되는 열이 상술한 인서트링(1)을 통하여 전도되기에는 인서트링(1)과 오일 갤러리(3) 사이의 거리가 상당하기에 오일 갤러리(3)에 의한 피스톤의 냉각 효과가 제한적일 수밖에 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 엔진 피스톤의 모재가 되는 알루미늄과 그리고 피스톤의 상부 외주면에 피스톤 링을 장착하기 위한 링 글로브를 형성하도록 제공되는 인서트링 사이의 계면 접합성을 향상시켜서 극심한 열 피로를 받는 엔진에서 장기간 사용되는 경우에도 계면 분리 현상이 발생하는 것을 방지하면서, 인서트링과 알루미늄 모재간의 열팽창 계수 차이를 최소화하여 피스톤과 실린더 보어 사이의 틈새를 최대한 줄여서 열전도율을 높이며 이에 냉각 성능을 향상시키도록 하면서, 나아가 피스톤 주조 이후에 피스톤 내부에 형성되는 중공형 오일 갤러리 내에 잔존하는 솔트코어를 제거하는 공정을 생략하면서 주조결함 발생 요인을 차단하고, 피스톤 내부에 형성되는 중공형 오일 갤러리 내부의 오일에 의해 흡수되는 열이 인서트링을 통하여서도 잘 전도되도록 하는 구조를 제공함으로써 오일 갤러리에 의한 피스톤의 냉각 효과를 높일 수 있도록 하면서, 우수한 강도와 내마모성을 얻음과 동시에 피스톤 제조공정 감소를 통한 원가 절감과 피스톤의 냉각효율 증대 및 오일 갤러리의 주조 품질 문제 해결의 효과를 얻을 수 있는 디젤 엔진 피스톤용 인서트링과 갤러리 및 그 제조 방법을 제공함을 그 해결 과제로 한다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로서,

본 발명은 디젤 엔진 피스톤용 오일 갤러리 접합 인서트링의 제조 방법에 있어서,

중공 링 형상의 스틸 소재 오일 갤러리와, 10% ~ 40%의 기공을 가진 링 형상의 소결 인서트링을 각각 제작하는 단계와;

상기 스틸 소재 오일 갤러리를 상기 소결 인서트링의 내경과 상기 스틸 소재 오일 갤러리의 외경이 맞닿도록 상기 소결 인서트링에 압입하는 단계와; 그리고

상기 소결 인서트링과 상기 스틸 소재 오일 갤러리를 접합하는 단계로서, 접합하는 과정에서 상기 소결 인서트링의 내부 기공으로 열전도도가 높은 구리 합금 을 침투시켜 내부 기공을 채움과 동시에 상기 스틸 소재 오일 갤러리와 상기 소결 인서트링의 접합부 주위를 구리 합금으로 채움으로써 상호 접합시키는 단계를 포함하여 이루어지는 디젤 엔진 피스톤용 오일 갤러리 접합 소결 인서트링의 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 보다 구체적인 방안으로서, 상기 디젤 엔진 피스톤용 오일 갤러리 접합 소결 인서트링의 제조 방법에 있어서,

상기 링 형상의 소결 인서트링을 제작하는 단계는,

철-구리계 혼합 분말로 링 형상의 인서트링 성형체를 성형하는 단계; 및

상기 인서트링 성형체를 소결로에서 소결하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

아울러, 상기 스틸 소재 오일 갤러리와 상기 소결 인서트링의 접합부 주위를 구리 합금으로 채움으로써 이들을 상호 접합시키는 단계는,

먼저 98 중량% 이상 100중량% 미만의 구리를 포함하는 구리계 혼합 분말을 가압 성형하여 링 형상의 용침재를 제작하는 단계를 거친 후에, 제작된 링 형상의 용침재를 상기 소결 인서트링과 상기 스틸 소재 오일 갤러리의 압입 고정체 상에 올려 놓는 단계를 거치고서, 그리고 이를 소결로에서 가열하여 구리 용침재를 용융시켜서 상기 소결 인서트링의 내부 기공 및 상기 스틸 소재 오일 갤러리와의 경계면에 침투시키는 단계를 수행함으로써 이루어질 수 있다.

한편 이와 달리, 상기 스틸 소재 오일 갤러리와 상기 소결 인서트링의 접합부 주위를 구리 합금으로 채움으로써 이들을 상호 접합시키는 단계는,

전술한 바와 같이 구리계 혼합 분말로 링 형상의 용침재를 제작하여 사용하는 대신에, 상기 소결 인서트링과 상기 스틸 소재 오일 갤러리의 압입 고정체를 소결로에서 가열하여 상기 소결 인서트링 내의 내부 기공에 존재하는 구리를 상기 소결 인서트링과 상기 스틸 소재 오일 갤러리의 경계면으로 용출시키는 단계를 수행함으로써 이루어지도록 할 수 있는데, 이 경우에는 상기 링 형상의 소결 인서트링을 제작하는 단계로서 진행되는 철-구리계 혼합 분말로 링 형상의 인서트링 성형체를 성형하는 단계에서 사용되는 철-구리계 혼합 분말에서의 구리의 조성은 20 내지 40 중량%의 범위를 유지하도록 하여, 상기 경계면으로 용출되는 구리의 양을 적절히 유지하여 다음 단계(피스톤 주조 공정)의 처리에 필요한 최소 한도 이상의 접착 강도를 구현할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조되는 디젤 엔진용 피스톤으로서,

알루미늄 주물로 주조방식으로 제조되는 피스톤 몸체의 외측에 형성되는 링 글로브에 장착될 된 피스톤 링과 링 글로브 사이에 마찰과 마모에 저항하도록 상부 글로브의 내부에 피스톤 몸체와 일체로 형성되는 링 형상의 인서트링과,

피스톤의 상부에 형성되는 연소실의 주변을 냉각시켜 피스톤의 과열을 막을 수 있도록 하기 위하여 상기 피스톤 몸체의 내부에 제공되는 것으로서, 상기 링 형상의 인서트링과의 사이의 구리 접합부에 의해 일체로 접합되어 제공되는 중공 링 형상의 스틸 소재 오일 갤러리를 포함하여 이루어지며, 그리고

상기 피스톤 몸체가 알루미늄 주물로 주조되기 이전에 상기 링 형상의 인서트링의 내부에 상기 중공 링 형상의 스틸 소재 오일 갤러리가 압입되고 접합되어 상기 링 형상의 인서트링과 상기 중공 링 형상의 스틸 소재 오일 갤러리의 접합체를 형성한 이후에 피스톤 몸체를 성형하기 위한 주형 속에 설치되고, 알루미늄 주물이 주형 속에 주입되어서 상기 링 형상의 인서트링과 상기 중공 링 형상의 스틸 소재 오일 갤러리의 접합체와 일체로 주조되어 제공되는 것을 특징으로 하는 오일 갤러리 접합 소결 인서트링을 일체로 구비한 디젤 엔진 피스톤을 제공한다.

본 발명에 따르면, 주철재 인서트링을 사용하는 것보다 소결재 인서트링을 사용함으로서 중량감소 효과를 얻을 수 있으며, 오일 갤러리와 인서트링을 일체형으로 제작하여 피스톤을 주조할수 있게 됨으로써 기존의 솔트 코어를 사용하여 오일 갤러리를 형성시키는 공정과 비교할 때, 솔트 코어를 사용하여 갤러리를 형성시키는 피스톤 주조방법에서 발생되는 주조결함을 억제할 뿐만 아니라 피스톤 주조 이후에 오일 갤러리 내부의 잔류 솔트를 제거하는 공정을 제거함으로써 피스톤 제조공정 감소를 통한 원가 절감 효과를 얻을 수 있으며, 일체형으로 접합된 오일 갤러리와 인서트링이 접촉되어 피스톤의 냉각효과를 향상시키는 효과를 제공한다.

아울러, 소결 인서트링에 인위적으로 형성시킨 내부 기공으로 침투된 열전도율이 높은 소재를 통해 냉각효과를 더욱 향상시킬 수 있으며, 기존 주철재 인서트링과 피스톤 주조용 알루미늄 소재와의 낮은 접합성 문제를 해결하면서, 소결 인서트링의 표면에 존재하는 기공으로 인한 표면적 증가로써 계면의 접촉면적을 확대시켜 계면 접합성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명에 따르면 소결 인서트링 내부에 제공되는 기공이 구리 합금 으로 채워져서 주철재 인서트링과 대비하여 피스톤 모재와의 열팽창 계수의 차이로 인한 간극 발생을 최소화함으로써 인서트링의 열전도율을 향상시키고 결과적으로 피스톤의 냉각 성능을 향상시키는 효과를 제공하게 된다.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 일반적인 디젤 엔진 피스톤을 도시한 도면 및 일부 절개 확대 단면도.
도 3은 본 발명에 따라 오일 갤러리가 접합된 소결 인서트링을 제조하는 방법을 도시한 흐름도.
도 4a는 본 발명에 따른 방법 발명의 제1 실시예에 따른 방법을 도시한 흐름도.
도 4b는 본 발명에 따른 방법 발명의 제2 실시예에 따른 방법을 도시한 흐름도.
도 5는 본 발명에 따라 소결 인서트링과 스틸 소재의 오일 갤러리의 접합을 위하여, 소결 인서트링에 스틸 소재의 오일 갤러리가 압입된 상태에서 구리계 용침재가 상부에 올려진 상태를 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 소결 인서트링과 스틸 소재의 오일 갤러리의 접합체를 도시한 도면.
도 7a는 본 발명에 따라 접합된 오일 갤러리와 소결 인서트링의 접합부 단면을 나타낸 사진.
도 7b는 본 발명에 따라 제작된 소결 인서트링의 주요부 확대 단면을 나타낸 사진.
도 8은 본 발명에 따라 제작된 오일 갤러리 접합 소결 인서트링을 이용하여 제조된 피스톤의 단면을 도시한 도면.

본 발명에 따르면, 디젤 엔진 피스톤용 오일 갤러리 접합 인서트링의 제조 방법에 있어서, 도 3에 도시된 바와 같이,

중공 링 형상의 스틸 소재 오일 갤러리(10)와, 10% ~ 40%의 기공을 가진 링 형상의 소결 인서트링(20)을 각각 제작하는 단계(S110, S120)와;

상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)를 상기 소결 인서트링(20)의 내경과 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)의 외경이 맞닿도록 상기 소결 인서트링(20)에 압입하는 단계(S200)와; 그리고

상기 소결 인서트링(20)과 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)를 접합하는 단계로서, 접합하는 과정에서 상기 소결 인서트링(20)의 내부 기공으로 열전도도가 높은 구리 합금(20a)을 침투시켜 내부 기공을 채움과 동시에 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)와 상기 소결 인서트링(20)의 접합부 주위를 구리 합금(20a)으로 채움으로써 상호 접합시키는 단계(S300)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진 피스톤용 오일 갤러리 접합 소결 인서트링의 제조 방법이 제공된다.

이하에서는 첨부 도면 도 4a 내지 도 7b를 참조하여 본 발명의 보다 구체적인 실시예에 대하여 살펴보기로 한다.

도 4a에 도시된 바와 같은 오일 갤러리 접합 소결 인서트링를 제조하기 위한 본 발명의 바람직한 제 1실시예에 따르면,

먼저, 중공 링 형상의 스틸 소재 오일 갤러리(10)와, 그리고 10% ~ 40%의 기공을 가진 링 형상의 소결 인서트링(20)을 각각 제작하게 되는데, 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)는 바람직하기로 스테인레스 스틸 파이프를 소재로 하여 링 형상으로 제작한다(도 4a의 단계 'S110' 참조).

그리고, 상기 소결 인서트링(20)은 5.0 중량% 내지 40.0 중량%의 구리와, 0.1 중량% 내지 1.0 중량%의 탄소, 그리고 나머지는 철로 구성되는 혼합 분말을 제조하여, 혼합 분말을 성형용 금형에 넣고서 유압 분말 프레스로 2~3ton/㎠의 하중으로 가압하여 4.5g/㎤ ~ 5.5g/㎤의 성형 밀도로서 10~40%의 기공을 보유한 링 형상의 성형체가 되도록 성형하고(도 4a의 단계 'S121' 참조), 성형된 링 형상의 성형체를 환원분위기의 소결로에서 1120℃~1160℃로 30분 내지 60분 소결하여(도 4a의 단계 'S122' 참조), 소결 밀도 4.5g/㎤~5.5g/㎤로서 내부 기공율이 10%~40%가 되는 소결 인서트링을 제작하게 된다(도 4a의 단계 'S120' 참조).

여기에서, 상기 4.5g/㎤ ~ 5.5g/㎤의 성형 밀도의 범위와 관련하여, 그 하한이 되는 4.5g/㎤ 미만의 성형 밀도로는 성형시에 혼합분말이 서로 잘 뭉쳐지지 않아 성형체가 파손될 가능성이 높아서 부적절하게 되며, 5.5g/㎤의 성형 밀도를 초과하는 경우에는 성형체의 내부 기공율이 과도하게 감소됨으로써 본 발명의 목적을 달성하기 어렵다.

그리고, 상기 소결온도와 소결시간의 상한과 하한은, 하한 조건에 미달된 상태로 소결시에는 제품 상태에서 요구되는 경도와 밀도와 같은 기준 물성에 미달되는 미소결 상태가 발생하는 문제점이 있기에 설정되는 한계이며, 그리고 상한 조건을 초과하는 경우에는 소결 제품에서 용융 상태가 발생하면서 형상 변형이 초래되는 문제가 있기 때문에 필요한 한계가 된다. 즉, 상기 온도 및 시간범위를 초과하는 영역에서는 액상소결이 일어나고, 상기 온도 및 시간에 미달하는 영역에서는 고상소결이 일어나 소결층이 심하게 수축되는 현상이 발생될 수 있으며, 또한 고상소결이 일어나면 소결층의 강도가 약하게 되고, 액상소결이 일어나면 소결과정에서 구리가 용융되어 형성되는 유동성이 큰 용융 구리가 소결층의 어느 한 군데로 집중되어 소결층 내부의 기공의 분포가 고르지 못할 뿐만 아니라 기공도에도 악영향을 끼칠 수 있다. 그리고, 용융 구리의 유동성이 클수록 소결층의 수축율은 더욱 커진다.

따라서, 고상소결과 액상소결이 일어나는 각각의 천이온도 및 천이시간 범위내에서 소결이 이루어지면 성형체에 포함된 구리가 용융되어 용융구리가 형성되지만, 이 때의 용융구리의 점도는 비교적 높기 때문에 유동성이 적어서 소결층 내에서 흘러서 한군데로 집중되는 현상이 방지됨으로써 용융구리의 분포가 고르게 된다. 따라서, 소결층의 기공이 막히는 현상이 줄어들고 또한 기공도 고르게 분포될 수 있다. 또 한편으로 점도가 높은 용융 구리가 소결층의 표면에 존재함으로써 추후에 스틸 소재 오일 갤러리(10)와의 접합에 유리하게 된다.

여기에서, 소결 인서트링(20)을 제작하는 혼합 분말은 다음의 표 1의 조성과 같이 구리와 탄소와 철을 포함하는 이외에, 혼합 분말의 균일한 혼합을 위한 윤활재로서 0.1 중량% 내지 1.5 중량%의 스테아르산 리튬(Li Stearate)과 같은 윤활재를 추가적인 성분 조성으로 가진 혼합 분말을 사용하는 것이 바람직한데, 이는 또한 탈왁스 과정에서 성형체에서 빠져나올 때 분말입자의 계면을 통해 빠져나오면서 입자 내에서 표면의 산화를 감소시키며 제품 내부에 적당한 다공성을 확보하기 위하여 사용된다.

Cu	C	Li Stearate	Fe	비고
5~40	0.1~1.0	0.1~1.5	Bal.	단위: 중량%

다음 단계로, 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)를 상기 소결 인서트링(20)의 내경과 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)의 외경이 맞닿도록 상기 소결 인서트링(20)에 압입하게 된다(도 4a의 단계 'S200' 참조).

한편, 상기 소결 인서트링(20)과 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)을 상호 접합시키는 단계(S300)의 구체적인 진행을 위하여 본 제 1실시예에서는, 먼저 구리계 혼합 분말로 링 형상의 용침재(30)를 제작하는 단계(도 4a의 단계 'S310a')가 진행되어야 하는데, 상기 링 형상의 용침재(30)는 98 중량% 이상 100중량% 미만의 구리를 포함하는 혼합 분말을 가압 성형하여 제작된다.

바람직하기로는, 다음의 표 2와 같이 0.1~1.0 중량%의 스테아르산 리튬(Li Stearate), 0.05~0.2 중량%의 아연(Zn), 0.01~0.1 중량%의 망간(Mn), 나머지 구리(Cu)로 이루어진 조성을 가진 구리계 혼합 분말을 사용하는 것이 바람직하다.

Li Stearate	Zn	Mn	Cu	비고
0.1~1.0	0.05~0.2	0.01~0.1	Bal.	단위: 중량%

여기에서 미량으로 첨가되는 아연(Zn)은 구리의 강도를 향상시키는 구리 합금을 형성하고, 망간(Mn)은 내열성 및 윤활성을 증가시키는 역할을 하고, 그리고 스테아르산 리튬(Li Stearate)은 분말의 혼합을 용이하게 함과 동시에 탈왁스 과정에서 성형체에서 빠져 나올 때는 분말입자의 계면을 통해 빠져 나오면서 입자내에서 표면의 산화를 감소시키며 제품 내부에 적당한 다공성을 확보하기 위하여 사용하게 된다.

그리고는, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 링 형상의 용침재(30)를 상기 소결 인서트링(20)과 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)의 압입 고정체 상에 올려 놓는 단계(도 4a의 단계 'S310b')를 거치고서, 그리고 이를 소결로에서 가열하여 상기 링 형상의 용침재(30)를 용융시켜서 상기 소결 인서트링(20)의 내부 기공 및 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)와의 경계면에 용융 구리 합금을 침투시키는 단계(도 4a의 단계 'S310c')를 수행하게 된다.

이때, 환원성 분위기의 소결로에서 1120℃~1160℃의 온도범위로 30~60분간 가열시킴으로써, 상기 소결 인서트링(20)의 내부 기공에 열전도도가 높은 구리 합금(30a)이 채워지도록 하면서, 상기 소결 인서트링(20)의 표면으로 용출되는 구리 합금(30b)은 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)와 상기 소결 인서트링(20)의 접합부 주위를 구리 합금(30b)으로써 채움으로써 도 6에 도시된 바와 같이 상호 접합이 이루어지도록 한다.

지금까지 제1 실시예로서 설명한 과정을 통하여서 다음의 표 3의 실험 조건에 따라서 만들어진 오일 갤러리 접합 소결 인서트링(10, 20)은,

스틸 소재 오일 갤러리	스테인리스 스틸
인서트링 분말 조성	8.0중량% Cu, 0.1중량% C, 1.0중량% Li Stearate, 잔부 Fe
인서트링 성형 밀도	5.0g/㎤
인서트링 소결온도	1120℃~1160℃
인서트링 소결 시간	50분
소결 인서트링 기공율	35%
용침재 분말 조성	0.5중량% Li Stearate, 0.1중량% Zn, 0.1중량% Mn, 잔부 Cu
가열 접합 온도	1120℃~1160℃
가열 접합 시간	50분

첨부 도면 도 7a의 사진에 나타나 있는 바와 같이 그 접합부 사이를 구리 합금(30b)이 채워지면서 상호 접합이 이루어지도록 하고, 또한 첨부 도면 도 7b의 사진에 나타나 있는 바와 같이 소결 인서트링(10)의 내부 기공에도 구리 합금(30a)이 채워지게 됨이 실험을 통하여서도 확인되었다.

이상에서 설명된 본 발명에 따른 오일 갤러리 접합 소결 인서트링를 제조하기 위하여 구리 용침재(30)를 사용한 제1 실시예(도 4a)와 달리, 도 4b에 도시된 바와 같이 구리 용침재(30)를 별도로 사용하지 않고서 오일 갤러리 접합 소결 인서트링를 제조하는 본 발명의 대안적인 실시예인 제 2실시예가 제공될 수도 있다.

이러한 본 발명의 제 2실시예에 따른 경우에도, 먼저 중공 링 형상의 스틸 소재 오일 갤러리(10)와, 그리고 10% ~ 40%의 기공을 가진 링 형상의 소결 인서트링(20)을 각각 제작하는 단계(도 4b의 단계 'S110' 및 단계 'S120' 참조)가 진행됨은 도 4a를 참조하여 설명된 상기 제1 실시예와 동일하며, 그 구체적인 공정으로서 단계 'S121' 및 'S122' 도 동일하다.

한편, 제2 실시예에서의 상기 소결 인서트링(20)은 다음의 표 4와 같이 25 중량% 내지 40.0 중량%의 구리(Cu)와, 0.1 중량% 내지 1.0 중량%의 탄소(C), 0.1 중량% 내지 1.0 중량%의 스테아르산 리튬(Li Stearate), 0.05 중량% 내지 0.2 중량%의 아연(Zn), 0.01 중량% 내지 0.1 중량%의 망간(Mn), 그리고 나머지는 철(Fe)로 구성되는 혼합 분말을 사용하여 제조된다는 점에서 구별된다.

Cu	C	Li Stearate	Zn	Mn	Fe	비고
25~40	0.1~1.0	0.1~1.0	0.05~0.2	0.01~0.1	Bal.	단위: 중량%

앞서 살펴본 제1 실시예의 경우와 달리, 제2 실시예의 경우에는 구리의 조성비가 높은 범위를 가지게 되는데, 별도의 구리 용침재를 사용하지 않는 제2실시예에서 소결 인서트링(20)을 형성할 때 사용되는 구리의 조성비가 낮은 영역에 있는 경우에는 후술되는 단계 'S300', 보다 구체적으로 후술되는 'S320'의 단계에서 접합 경계면으로의 구리의 용출 정도가 불충분하여 스틸 오일 갤러리와 소결 인서트링 사이의 구리 접합부의 접합 강도가 낮게 되는 불량이 발생할 수도 있기 때문에, 이러한 불량을 회피하기 위하여 제1 실시예의 경우보다는 구리의 함량이 높게 설정되는 것이다.

제2 실시예에서도, 다음 단계로, 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)를 상기 소결 인서트링(20)의 내경과 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)의 외경이 맞닿도록 상기 소결 인서트링(20)에 압입하는 단계(도 4b의 단계 'S200' 참조)가 진행된다.

그리고는, 상기 소결 인서트링(20)과 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)의 압입 고정체를 소결로에서 가열하여, 상기 소결 인서트링(20)의 내부의 구리를 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)와의 경계면으로 용출시키는 단계(도 4b의 단계 'S320')를 수행함으로써 도 6에 도시된 바와 같이 상호 접합된 소결 인서트링(20)과 스틸 소재 오일 갤러리(10)의 접합체를 얻을 수 있다.

이때, 환원성 분위기의 소결로에서 1120℃~1160℃의 온도범위로 30~60분간 가열시킴으로써, 상기 소결 인서트링(20)의 내부 기공에 열전도도가 높은 구리 합금(30a)이 채워지도록 하면서, 상기 소결 인서트링(20)의 표면으로 용출되는 구리 합금(30b)은 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)와 상기 소결 인서트링(20)의 접합부 주위를 구리 합금(30b)으로써 채움으로써 상호 접합이 이루어지도록 한다.

본 발명에 따르면, 상술한 바와 같이 제조된 오일 갤러리 접합 소결 인서트링(10, 20)을 이용하여 디젤 엔진용 피스톤을 제조할 수 있게 되는데, 상술한 실시예들에 따라 제조된 오일 갤러리 접합 소결 인서트링(10, 20)을 금형 내의 일정한 위치에 위치시키고, 캐스팅 기계(casting machine)를 이용하여 알루미늄 주물로 주조하여 필요한 기계 가공 단계를 거쳐서, 도 8에 도시된 바와 같이 오일 갤러리 접합 소결 인서트링 일체식 엔진 피스톤(P)을 제조할 수 있게 된다.

이와 같이 제조된 오일 갤러리 접합 소결 인서트링 일체식 엔진 피스톤(P)은

알루미늄 주물로 주조방식으로 제조되는 피스톤 몸체(100)의 외측에 형성되는 링 글로브(G)에 장착될 된 피스톤 링과 링 글로브(G) 사이에 마찰과 마모에 저항하도록 상부 글로브의 내부에 피스톤 몸체(100)와 일체로 형성되는 링 형상의 인서트링(20)과,

피스톤의 상부에 형성되는 연소실의 주변을 냉각시켜 피스톤의 과열을 막을 수 있도록 하기 위하여 상기 피스톤 몸체(100)의 내부에 제공되는 것으로서, 상기 링 형상의 인서트링(20)과의 사이의 구리 접합부에 의해 일체로 접합되어 제공되는 중공 링 형상의 스틸 소재 오일 갤러리(10)를 포함하여 이루어지며, 그리고

상기 피스톤 몸체(100)가 알루미늄 주물로 주조되기 이전에 상기 링 형상의 인서트링(20)의 내부에 상기 중공 링 형상의 스틸 소재 오일 갤러리(10)가 압입되고 접합되어 상기 링 형상의 인서트링(20)과 상기 중공 링 형상의 스틸 소재 오일 갤러리(10)의 접합체를 형성한 이후에 피스톤 몸체(100)를 성형하기 위한 주형 속에 설치되고, 알루미늄 주물이 주형 속에 주입되어서 상기 링 형상의 인서트링(20)과 상기 중공 링 형상의 스틸 소재 오일 갤러리(10)의 접합체와 일체로 주조되어 제공된다. 물론, 이러한 알루미늄 주조 이후에 도 8에 확대 도시된 바와 같이 피스톤 링 규격에 맞도록 기계 가공을 거쳐서 링 글로브(G)가 형성되게 된다.

이로써, 본 발명에 따르면 주철재 인서트링을 사용하는 것보다 소결재 인서트링을 사용함으로서 중량감소 효과를 얻을 수 있으며, 중공형의 스틸 오일 갤러리(10)와 소결 인서트링(20)을 일체형으로 제작하여 피스톤(P)을 주조할수 있게 됨으로써 기존의 솔트 코어를 사용하여 오일 갤러리를 형성시키는 공정과 비교할 때 주조 결함을 억제할 뿐만 아니라 피스톤 제조공정 감소를 통한 원가 절감 효과를 얻을 수 있으며, 일체형으로 접합된 중공형 스틸 오일 갤러리(10)와 소결 인서트링(20)이 상호 접촉되어 있어서 피스톤(P)의 냉각효과를 더욱 향상시키는 효과를 제공한다.

아울러, 소결 인서트링(20)에 인위적으로 형성시킨 내부 기공으로 침투된 열전도율이 높은 구리 합금 소재를 통해 냉각효과를 더욱 향상시킬 수 있으며, 기존 주철재 인서트링과 피스톤 주조용 알루미늄 소재와의 낮은 접합성 문제를 해결하면서, 소결 인서트링(20)의 표면에 존재하는 기공으로 인한 표면적 증가로써 피스톤 몸체(100)와의 계면의 접촉면적을 확대시켜 계면 접합성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 소결 인서트링(20) 내부에 제공되는 기공이 구리 합금으로 채워져서 주철재 인서트링과 대비하여 피스톤 모재와의 열팽창 계수의 차이로 인한 간극 발생을 최소화함으로써 인서트링(20)의 열전도율을 향상시키고 결과적으로 피스톤의 냉각 성능을 향상시키는 효과를 제공하게 된다.

본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하기 위하여 바람직한 실시예들을 도면으로 예시하면서 설명되었으나, 이들은 하나의 예시에 불과하기에 다른 수단으로 대체 가능함을 당업자라면 누구라도 이해할 수 있을 것이며, 본 발명에 따른 여러 실시예들은 단지 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시 목적으로 제시된 것으로 본 발명은 이에 국한되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 특허청구범위에 기재된 기술 사상의 범주 내에서 다양한 변경 및 실시가 가능할 것이다.

10: 스틸 소재 오일 갤러리
20: 소결 인서트링
30: 링 형상의 용침재
100: 피스톤 몸체
P: 피스톤
G: 링 글로브
S110: 중공 링 형상의 스틸 소재 오일 갤러리를 제작하는 단계
S120: 10% ~ 40%의 기공을 가진 링 형상의 소결 인서트링을 제작하는 단계
S200: 스틸 소재 오일 갤러리를 소결 인서트링에 압입하는 단계
S300: 소결 인서트링과 스틸 소재 오일 갤러리를 접합하는 단계

Claims

디젤 엔진 피스톤용 오일 갤러리 접합 인서트링의 제조 방법에 있어서,
중공 링 형상의 스틸 소재 오일 갤러리(10)와, 10% ~ 40%의 기공을 가진 링 형상의 소결 인서트링(20)을 각각 제작하는 단계(S110, S120)와;
상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)를 상기 소결 인서트링(20)의 내경과 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)의 외경이 맞닿도록 상기 소결 인서트링(20)에 압입하는 단계(S200)와; 그리고
상기 소결 인서트링(20)과 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)를 접합하는 단계로서, 접합하는 과정에서 상기 소결 인서트링(20)의 내부 기공으로 구리 합금(20a)을 침투시켜 내부 기공을 채움과 동시에 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)와 상기 소결 인서트링(20)의 접합부 주위를 구리 합금(20a)으로 채움으로써 상호 접합시키는 단계(S300)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진 피스톤용 오일 갤러리 접합 소결 인서트링의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 10% ~ 40%의 기공을 가진 링 형상의 소결 인서트링(20)을 제작하는 단계(S120)는,
5.0 중량% 내지 40.0 중량%의 구리와, 0.1 중량% 내지 1.0 중량%의 탄소, 그리고 나머지는 철로 구성되는 혼합 분말을 제조하여, 혼합 분말을 성형용 금형에 넣고서 유압 분말 프레스로 2~3ton/㎠의 하중으로 가압하여 4.5g/㎤ ~ 5.5g/㎤의 성형 밀도로서 10~40%의 기공을 보유한 링 형상의 성형체가 되도록 성형하는 단계('S121')와; 그리고
성형된 링 형상의 성형체를 환원분위기의 소결로에서 1120℃~1160℃로 30분 내지 60분 소결하는 단계('S122')를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진 피스톤용 오일 갤러리 접합 소결 인서트링의 제조 방법.
제2항에 있어서,
상기 소결 인서트링(20)을 제작하는 혼합 분말은 상기 구리, 탄소, 및 철을 포함하는 이외에, 혼합 분말의 균일한 혼합을 위하여 0.1 중량% 내지 1.5 중량%의 윤활재를 추가적인 성분 조성으로 가진 혼합 분말이 사용되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진 피스톤용 오일 갤러리 접합 소결 인서트링의 제조 방법.
제3항에 있어서,
상기 소결 인서트링(20)과 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)을 상호 접합시키는 단계(S300)는,
0.1~1.0 중량%의 스테아르산 리튬, 0.05~0.2 중량%의 아연, 0.01~0.1 중량%의 망간, 나머지 구리를 포함하는 구리계 혼합 분말을 가압 성형하여 링 형상의 용침재(30)를 제작하는 단계('S310a')와;
상기 링 형상의 용침재(30)를 상기 소결 인서트링(20)과 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)의 압입 고정체 상에 올려 놓는 단계('S310b')와; 그리고
환원성 분위기의 소결로에서 1120℃~1160℃의 온도범위로 30~60분간 가열하여 상기 용침재(30)를 용융시켜서 상기 소결 인서트링(20)의 내부 기공 및 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)와의 경계면에 용융 구리 합금을 침투시키는 단계('S310c')를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진 피스톤용 오일 갤러리 접합 소결 인서트링의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 10% ~ 40%의 기공을 가진 링 형상의 소결 인서트링(20)을 제작하는 단계(S120)는,
25.0 중량% 내지 40.0 중량%의 구리와, 0.1 중량% 내지 1.0 중량%의 탄소, 0.1 중량% 내지 1.0 중량%의 스테아르산 리튬, 0.05 중량% 내지 0.2 중량%의 아연, 0.01 중량% 내지 0.1 중량%의 망간, 그리고 나머지는 철로 구성되는 혼합 분말을 제조하여, 혼합 분말을 성형용 금형에 넣고서 유압 분말 프레스로 2~3ton/㎠의 하중으로 가압하여 4.5g/㎤ ~ 5.5g/㎤의 성형 밀도로서 10~40%의 기공을 보유한 링 형상의 성형체가 되도록 성형하는 단계('S121')와; 그리고
성형된 링 형상의 성형체를 환원분위기의 소결로에서 1120℃~1160℃로 30분 내지 60분 소결하는 단계('S122')를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진 피스톤용 오일 갤러리 접합 소결 인서트링의 제조 방법.
제5항에 있어서,
상기 소결 인서트링(20)과 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)을 상호 접합시키는 단계(S300)는,
상기 소결 인서트링(20)과 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)의 압입 고정체를 환원성 분위기의 소결로에서 1120℃~1160℃의 온도범위로 30~60분간 가열하여, 상기 소결 인서트링(20)의 내부의 구리를 상기 스틸 소재 오일 갤러리(10)와의 경계면으로 용출시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진 피스톤용 오일 갤러리 접합 소결 인서트링의 제조 방법.
디젤 엔진용 피스톤으로서,
알루미늄 주물로 주조방식으로 제조되는 피스톤 몸체(100)의 외측에 형성되는 링 글로브(G)에 장착될 된 피스톤 링과 링 글로브(G) 사이에 마찰과 마모에 저항하도록 상부 글로브의 내부에 피스톤 몸체(100)와 일체로 형성되는 링 형상의 인서트링(20)과,
피스톤의 상부에 형성되는 연소실의 주변을 냉각시켜 피스톤의 과열을 막을 수 있도록 하기 위하여 상기 피스톤 몸체(100)의 내부에 제공되는 것으로서, 상기 링 형상의 인서트링(20)과의 사이의 구리 접합부에 의해 일체로 접합되어 제공되는 중공 링 형상의 스틸 소재 오일 갤러리(10)를 포함하여 이루어지며, 그리고
상기 피스톤 몸체(100)가 알루미늄 주물로 주조되기 이전에 상기 링 형상의 인서트링(20)의 내부에 상기 중공 링 형상의 스틸 소재 오일 갤러리(10)가 압입되고 접합되어 상기 링 형상의 인서트링(20)과 상기 중공 링 형상의 스틸 소재 오일 갤러리(10)의 접합체를 형성한 이후에 피스톤 몸체(100)를 성형하기 위한 주형 속에 설치되고, 알루미늄 주물이 주형 속에 주입되어서 상기 링 형상의 인서트링(20)과 상기 중공 링 형상의 스틸 소재 오일 갤러리(10)의 접합체와 일체로 주조되어 제공되는 것을 특징으로 하는 오일 갤러리 접합 소결 인서트링을 일체로 구비한 디젤 엔진 피스톤.