KR101647963B1 - 질화 가능한 피스톤 링 - Google Patents

Abstract

우수한 질화능력을 가지는 스틸 조성물, 특히 피스톤 링 및 실린더 제조를 위한 스틸 조성물로서, 상기 스틸 조성물은, 0.5 내지 1.2 중량%의 C, 4.0 내지 20.0 중량%의 Cr, 45.30 내지 91.25 중량%의 Fe, 0.1 내지 3.0 중량%의 Mn, 0.1 내지 3.0 중량%의 Mo, 2.0 내지 12.0 중량%의 Ni, 2.0 내지 10.0 중량%의 Si, 0.05 내지 2.0 중량%의 V를 포함하며, 상기에서 주어진 성분들의 비율은 100 중량%의 상기 스틸 조성물에 대해 표현된 것이다. 그것은 시작 물질의 용융물을 산출함으로써 그리고 준비된 몰드 내에서 용융물을 주조함으로써 제조될 수 있다. 얻어진 스틸 조성물을 질화하는 것은, 경화된 그리고 템퍼링된 구상(spheroidal) 그래파이트의 그것을 능가하는 성질을 가지는, 중력 주조 제조함으로써 산출되는 질화된 스틸 조성물을 제공한다.

Description

질화 가능한 피스톤 링{NITRIDABLE PISTON RING}

본 발명은 우수한 질화능력을 가지는 피스톤 링과 관련된 것이다. 더욱이, 본 발명은, 본 발명의 우수한 질화능력을 가지는 피스톤 링으로부터 제조될 수 있는 질화된 피스톤 링과 관련된 것이다. 추가로, 본 발명은, 본 발명의 우수한 질화능력을 가지는 피스톤 링의 제조를 위한 공정, 및 본 발명에 따른 질화된 피스톤 링의 제조를 위한 공정과 관련된 것이다.

내연 기관에서, 피스톤 링은 연소 챔버의 실린더 벽과 피스톤 헤드 사이의 갭을 밀봉한다. 피스톤이 앞뒤로 이동함에 따라, 피스톤 링의 일 측면은 영구적으로 스프링-하중되는 위치에서 실린더 벽에 대해 그의 외부 원주면을 따라 슬라이드 동작하며, 피스톤의 경사 이동 때문에 피스톤 링의 다른 측면은 그의 피스톤 링 홈 내에서 진동 방식으로 슬라이드 동작하는데, 그 결과 그의 플랭크는 피스톤 링 홈의 상부 또는 하부 홈 플랭크를 교번식으로 지지한다(bear). 서로에 대한 이러한 구성 요소들의 상호 슬라이딩은, 물질에 따라 더 많은 또는 더 적은 정도의 마모를 유발한다; 그것이 건조하게 동작한다면, 이것은 소위 프레팅(fretting), 스코어링(scoring)을 유발하며, 최종적으로는 기관의 파괴를 유발할 수 있다. 실린더 벽에 대한 피스톤 링의 슬라이드 및 마모 거동을 개선하기 위하여, 그들의 원주면에는 다양한 물질로부터 형성되는 코팅이 제공되어 왔다.

높은 성능의, 피스톤 링 같은 내연 기관 부품을 산출하기 위하여, 주철(cast iron) 물질 또는 주철 합금이 대개 이용된다. 높은 성능의 기관에서, 예를 들어, 마모, 스코치(scorch) 저항성, 미세-용접 및 부식 저항성 같은 그들의 기능적 성질에 실질적으로 영향을 미치는, 피크 압축 응력(compressive pressure), 연소 온도, EGR 및 윤활 필름 감소와 관련하여, 피스톤 링, 특히 압축 링에 대해 주어진 요구사항들이 더 엄격해졌다.

그러나, 종래 기술의 주철 물질은 파괴될 수 있는 매우 큰 위험이 있다; 사실, 현재의 물질을 이용할 때에, 링은 빈번히 파괴되고 있다. 증가하는 기계적-동적 하중은 피스톤 링에 대한 더 짧은 서비스 수명을 유발한다. 심각한 마모 및 부식이 작동 표면 및 플랭크 상에서 일어난다.

높은 점화 압력, 감소된 방사물(emissions) 및 직접 연료 주입은 피스톤 링 상에의 증가된 하중을 의미한다. 이것은, 특히 하부 피스톤 링 플랭크 상에 피스톤 물질의 축적(build-up) 및 파괴를 유발한다.

피스톤 링 상에의 높은 기계적 및 동적 응력 때문에, 더욱 많은 엔진 제조사들이 (예를 들어, 등급 1.4112 같은 고합금강인, 단단한, 템퍼링되어 있는) 높은 등급의 스틸로부터의 피스톤 링을 요구하고 있다. 본 명세서에서 카본을 2.08 중량%보다 적게 함유하는 철 물질은 스틸로서 알려진다. 카본 함유량이 더 높다면, 그것은 주철로서 알려진다. 주철과 비교하여, 기본 미세구조 내에서 자유 그래파이트로부터의 간섭이 없기 때문에, 스틸은 더 우수한 내구성 및 강도 성질을 가진다.

일반적으로, 높은 크롬 합금의 마르텐사이트(martensiti) 스틸은 스틸 피스톤 링의 제조를 위해 이용된다. 그러나, 이러한 스틸은 주철 구성요소의 그것보다 제조 비용이 현저하게 높다는 문제점으로 곤란할 수 있다.

스틸 피스톤 링은 프로파일 와이어로 제조된다. 프로파일 와이어는 "비-원형" 주축(mandrel) 위에서 순환 형태로 감기며, 절단되고 당기어진다(pulled). 피스톤 링은 어닐링 공정에 의해 그의 주축 상에 그의 원하는 비-원형 형태를 달성하는데, 이는 필수적인 탄젠트(tangential) 힘을 부과한다. 스틸로의 피스톤 링 제조에 대한 추가 문제점은, 특정 직경을 넘어서 스틸 와이어로부터의 링 제조(감기)가 더 이상 가능하지 않다는 것이다. 반면, 주철로 형성된 피스톤 링은 주조 시에 이미 비-원형이며, 이는 처음부터 피스톤 링이 이상적인 형태를 가지도록 한다.

주철은 스틸보다 실질적으로 더 낮은 용융점을 가진다. 화학적 조성에 따라, 차이는 350℃ 이하일 수 있다. 따라서, 주철은 용융 및 주조하기 쉬운데, 그것은 낮은 용융점이 주조 온도가 더 낮고, 이에 따라 냉각 시에의 수축이 더 작은 것을 의미하기 때문이며, 이는 주조 물질이 더 적은 파이프(pipe) 결함, 또는 열 및 냉각 크래킹을 가지도록 한다. 낮은 주조 온도는 또한 용광로 및 몰드의 물질 상에의 낮은 응력 (침식, 가스 기공성, 샌드(sand) 산입)을 유발하며, 또한 적은 용융 비용을 유발한다.

철 물질의 용융점은 단순하게 카본 함유량 및 그의 "포화 정도"에 따라 다르다. 다음의 실험적 공식이 적용된다.

S_c = C/(4.26 ― 1/3(Si+P))

포화 정도가 1에 가까울수록, 용융점은 더 낮다. 주철에서, 1.0의 포화 정도가 대개 바람직한데, 거기서 주철은 1150℃의 용융점을 가진다. 스틸의 포화 정도는 화학적 조성에 따라 대략 0.18이다. 공융(eutectic) 스틸은 1500℃의 용융점을 가진다.

포화 정도는 Si 또는 P 함유량에 의해 실질적으로 영향받을 수 있다. 예로서, 3 중량%의 높은 실리콘 함유량은 1 중량%의 높은 C 함유량과 유사한 효과를 가진다. 따라서, 1.0의 포화 정도를 가지는 주철(3.26 중량%의 C; 3.0 중량%의 Si)과 동일한 용융점을 가지는, 1 중량%의 C 및 9.78 중량%의 실리콘 함유량을 가지는 스틸을 제조하는 것이 가능하다.

Si 함유량의 현저한 증가는 스틸의 포화 정도를 상승시키고 용융점을 주철에 대한 그것으로 감소시킬 수 있다. 따라서, 예를 들어 GOE　44 같은, 주철의 제조를 위해 이용되는, 동일한 기술의 도움으로 스틸을 제조하는 것이 가능하다.

높은 실리콘의 주철로부터 형성되는 피스톤 링이 종래 기술에 공지되어 있다. 그러나, 많은 양으로 존재하는 실리콘은 물질의 경화능력(hardenability)에 부정적인 영향을 미치는데, 이는 그의 오스테나이트 전이 온도 "Ac3"가 증가하기 때문이다.

상기 기술이 일반적인 공정임에도, 피스톤 링 표면의 경도를 증가시키는 것은 물질을 질화하는 것으로 구성된다. 그러나, 낮은 질화능력을 가지는 높은 실리콘의 스틸 주조가 종래 기술에 개시되어 있을 뿐이다.

이에, 본 발명의 목적은, 다량의 실리콘 조성물을 가지는 피스톤 링, 및 질화된 피스톤 링을 제공하는 것이다. 중력 주조에 의한 제조 시에, 질화된 피스톤 링의 질화된 스틸 조성물의 성질은, 적어도 이하의 점에서, 경화된 그리고 템퍼링된 구상(spheroidal) 그래파이트 주철의 성질을 능가할 것이다.

― 탄성율, 휨 강도 같은 기계적 성질;
― 파괴 강도;
― 형태 안정성;
― 플랭크 상에의 마모;
― 작동 표면 상에의 마모.

본 발명에 따르면, 위와 같은 목적은, 이하의 비율로 이하의 성분들을 포함하는 스틸 조성물을 메인 바디로서 구비하는 피스톤 링에 의해 달성된다.

C: 0.5 내지 1.2 중량%
Cr: 4.0 내지 20.0 중량%
Fe: 45.30 내지 91.25 중량%
Mn: 0.1 내지 3.0 중량%
Mo: 0.1 내지 3.0 중량%
Ni: 2.0 내지 12.0 중량%
Si: 2.0 내지 10.0 중량%
V: 0.05 내지 2.0 중량%
B: 최대 0.5 중량%
Cu: 최대 2.0 중량%
Nb: 최대 0.05 중량%
P: 최대 0.01 중량%
Pb: 최대 0.05 중량%
S: 최대 0.05 중량%
Sn: 최대 0.05 중량%
Ti: 최대 0.2 중량%
W: 최대 0.5 중량%

상기 스틸 조성물은 C, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Nb, Ni, P, Pb, S, Si, Sn, Ti, V 및 W로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 성분들만을 포함하며, 이러한 성분들의 합은 100 중량%가 된다.

본 발명의 피스톤 링의 우수한 질화능력은 4.0 내지 20.0 중량%의 크롬 함유량에 기인한다고 가정된다. 질화 공정에서, 크롬은 매우 견고한 질화물을 형성한다. 크롬을 스틸 조성물에 첨가하는 것이 일반적으로 물질의 오스테나이트 전이 온도를 상승시키고, 또한 이에 따라 그의 경화능력이 더 악화되는 것이 유발되지만, 본 발명에서는 2.0 내지 12.0 중량%의 니켈을 첨가하여서 오스테나이트 전이 온도의 이러한 상승이 저해되는(counteract) 것이 발견된다. 이러한 방식으로, 본 발명은 오스테나이트 전이 온도의 상승이 얻을 수 있는 물질 표면의 우수한 경화능력을 효력 없게 만드는 것을 방지하는데, 이는 메인 바디의 경화능력 면에서의 동시적인 감소에 의한 스틸 조성물의 개선된 질화능력 때문이다.

본 발명의 우수한 질화능력을 가지는 피스톤 링을 질화하는 것은 본 발명에 따른 질화된 피스톤 링을 산출한다.

본 발명의 질화된 피스톤 링은, 강하게 가열될 때에 그들의 형상이 변화하는 경향을 적게 가지며, 이에 따라 장기적으로 높은 성능을 보장하고, 오일 소비를 감소시킨다.

본 발명의 질화된 스틸 피스톤 링은 또한, 그들이 주철 부품을 제조하기 위한 기술 및 기계 장치를 이용하여 제조될 수 있다는 이점을 가진다. 추가로, 제조 비용은 주철 피스톤 링의 그것에 대응하며, 이는 제조사에 대한 비용 절약 및 개선된 마진을 제공한다. 유사하게, 물질 파라미터는 공급자와 상관없이 자유롭게 조절될 수 있다.

본 발명에 따른 피스톤 링은 이하의 단계를 포함하는 방법으로 제조된다.

a. 시작 물질로부터 용융된 매스(mass)를 산출하는 단계; 및
b. 상기 용융된 매스를 준비된 몰드 내에서 주조하는(casting) 단계

시작 물질의 예는 스틸 스크랩(scrap), 리턴 스크랩, 및 합금 물질이다. 용융 공정은 용광로 내에서, 바람직하게는 큐폴라(cupola) 용광로 내에서 수행된다. 다음으로, 용융물이 고체화될 때에 블랭크가 산출된다. 피스톤 링은 종래에 알려진 방법, 예를 들어 원심 주조 공정, 연속 주조 공정, 다이 스탬핑 공정, 주형(Croning) 공정, 또는 바람직하게는 주물사(green sand) 몰딩을 이용하여 제조될 수 있다.

피스톤 링이 냉각된 후에, 몰드는 비워지며, 얻어진 블랭크가 세정된다.

필요하다면, 피스톤 링은 담금질되고 템퍼링될 수 있다. 이하의 단계는 이를 달성한다.

c. 그의 Ac3 온도 이상에서 피스톤 링을 오스테나이트화(austenitization) 하는 단계;
d. 적절한 담금질(quenching) 매체 내에서 피스톤 링을 담금질하는 단계; 및
e. 제어된 분위기의 용광로 내에서 400℃ 내지 700℃의 온도 범위로 피스톤 링을 템퍼링(tempering) 하는 단계

바람직하게는, 오일이 담금질 매체로서 이용된다.

본 발명에 따른 질화된 피스톤 링을 제조하기 위하여, 위에서 언급된 공정 단계 다음에, 얻어진 피스톤 링을 질화하는 단계가 수행된다. 이것은, 예를 들어, 가스 질화, 플라즈마 질화 또는 압력 질화에 의해 달성될 수 있다.

다음의 실시예는 본 발명을 제한하는 일 없이 본 발명을 설명한다.

실시예
이하의 조성을 가지며, 본 발명에 따른 높은 질화능력이 있는 스틸 조성물로부터 피스톤 링이 제조되었다.

B: 0.001 중량% Pb: 0.16 중량%
C: 0.7 중량% S: 0.009 중량%
Cr: 18.0 중량% Si: 3.0 중량%
Cu: 0.05 중량% Sn: 0.001 중량%
Mn: 0.45 중량% Ti: 0.003 중량%
Mo: 1.05 중량% V: 0.11 중량%
Nb: 0.002 중량% W: 0.003 중량%
Ni: 3.15 중량% Fe: 나머지

그것은 시작 물질(스틸 스크랩, 리턴 스크랩, 및 합금 물질)로부터 용융된 매스를 산출하고, 준비된 주물사 몰드 내에서 용융물을 주조함으로써 얻어졌다. 다음에, 몰드는 비워졌으며, 얻어진 피스톤 링은 세정되었다. 피스톤 링은 이후에 담금질되고 템퍼링되었다. 이것은 스틸 조성물의 Ac3 온도 위에서의 오스테나이트화, 오일 내에서의 담금질, 및 제어된 분위기의 용광로 내에서 400℃ 내지 700℃의 온도 범위에서 템퍼링에 의해 달성되었다.
최종적으로, 얻어진 피스톤 링의 표면은 질화되었다. 질화된 영역에서, 1000 HV 이상의 경도가 얻어졌는데, 이는 플랭크 마모 및 작동 표면 마모에 대한 높은 저항성을 보장한다. 이 경우에, 경도는 DIN 6773에 따라 결정되었다.

Claims (9)

1. 우수한 질화능력을 가지는 스틸 조성물을 메인 바디로서 포함하는 피스톤 링으로서,
   상기 스틸 조성물은,
   0.5 내지 1.2 중량%의 C,
   4.0 내지 20.0 중량%의 Cr,
   0.1 내지 3.0 중량%의 Mn,
   0.1 내지 3.0 중량%의 Mo,
   2.0 내지 12.0 중량%의 Ni,
   3.0 내지 10.0 중량%의 Si,
   0.05 내지 2.0 중량%의 V,
   최대 0.5 중량%의 B,
   최대 2.0 중량%의 Cu,
   최대 0.05 중량%의 Nb,
   최대 0.01 중량%의 P,
   최대 0.05 중량%의 Pb,
   최대 0.05 중량%의 S,
   최대 0.05 중량%의 Sn,
   최대 0.2 중량%의 Ti,
   최대 0.5 중량%의 W, 및
   잔부(殘部)의 Fe
   를 포함하며,
   상기에서 주어진 성분들의 비율은 100 중량%의 상기 스틸 조성물에 대해 표현된 것이고,
   상기 스틸 조성물은 B, C, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Nb, Ni, P, Pb, S, Si, Sn, Ti, V 및 W로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 성분들만을 포함하며, 상기 성분들의 합은 100 중량%가 되며,
   상기 피스톤 링은,
   a. 시작 물질로부터 용융된 매스(mass)를 산출하는 단계; 및
   b. 상기 용융된 매스를 준비된 몰드 내에서 주조하는(casting) 단계
   를 포함하는 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는,
   피스톤 링.
   
2. 제1항에 따른 피스톤 링을 질화함으로써 얻어질 수 있는 것을 특징으로 하는,
   질화된 피스톤 링.
   
3. 제1항에 따른 피스톤 링의 제조를 위한 방법으로서,
   a. 시작 물질로부터 용융된 매스(mass)를 산출하는 단계; 및
   b. 상기 용융된 매스를 준비된 몰드 내에서 주조하는(casting) 단계
   를 포함하는,
   피스톤 링의 제조를 위한 방법.
   
4. 제3항에 있어서,
   c. 상기 피스톤 링을 Ac3 온도 이상에서 오스테나이트화(austenitization) 하는 단계;
   d. 담금질(quenching) 매체 내에서 상기 피스톤 링을 담금질하는 단계; 및
   e. 제어된 분위기의 용광로 내에서 400℃ 내지 700℃의 온도 범위로 상기 피스톤 링을 템퍼링(tempering) 하는 단계
   를 더 포함하는,
   피스톤 링의 제조를 위한 방법.
   
5. 제2항에 따른 질화된 피스톤 링을 제조하기 위한 방법으로서,
   a. 제3항 또는 제4항에 따른 방법을 수행하는 단계; 및
   b. 얻어진 상기 피스톤 링을 질화하는 단계
   를 포함하는,
   질화된 피스톤 링을 제조하기 위한 방법.
   
6. 제1항에 있어서,
   Cr: 4.0 내지 18.0 중량%인,
   피스톤 링.
   
7. 제1항에 있어서,
   Ni: 3.15 내지 12.0 중량%인,
   피스톤 링.
   
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