KR101699788B1 - 피스톤 링의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 맞댐 조인트(5)를 구비한 피스톤 링(1)을 제조하기 위한 제조 방법에 관한 것이며, 상기 제조 방법에 따라서, 환형 금속 본체는 적어도 자체의 외부 원주면(2)의 영역에 하나 이상의 경질 층(2')을 구비하고, 상기 층 코팅에 이어서 피스톤 링의 내부 원주면(3)은 적어도 부분적으로 벽 두께를 감소시키는 방식으로 재료 제거에 의해 가공된다.

Description

피스톤 링의 제조 방법{Method for producing a piston ring}

본 발명은 맞댐 조인트(butt joint)를 구비한 피스톤 링을 제조하기 위한 제조 방법에 관한 것이다.

오토 엔진뿐 아니라 디젤 엔진에서도 증가하는 출력 밀도에 의해, 피스톤 링의 부하도 내마모성 및 내온성과 관련하여 동일한 정도로 증가하고 있다. 이를 방지하기 위해, 다양하게 작동 표면 측에 크롬 도금되거나 질화되어 이미 높은 경도를 제공하는 피스톤 링이 제조되고 있다. 그 외에도 그 사이, 요구되는 출력 밀도의 관점에서도, 예컨대 PVD(물리적 증착) 층들, 또는 HVOF(고속화염용사) 층들과 같이 매우 경질인 층 시스템들을 포함하는 피스톤 링들도 이용되고 있다. 상기 경도는 링 형태 및 반경 방향 압력 분포에 영향을 미칠 수 있는 높은 고유 응력을 초래한다.

상기 높은 고유 응력은 제조 시뿐 아니라 엔진에서 이용될 때에도 링 형태 및 반경 방향 압력 분포를 바람직하지 못하게 변경시킨다. 특히 피스톤 링 기본 재료에 비해 훨씬 더 낮은 열 팽창에 의해 이른바 바이메탈 효과가 발생하며, 이런 바이메탈 효과로 인해서는, 존재하는 작동 온도 조건에서, 맞댐 조인트의 영역에 압력이 상승하는 우려가 발생한다. 이는 재차 특히 상기구역에서 작동 표면 마모를 증가시킨다.

가능한 대책은, 극단의 경우에 라이트 갭(light gap)을 형성할 정도까지 맞댐 조인트 영역 내 반경 방향 압력을 저하시킬 수도 있는 피스톤 링 기하 구조[오목 타원형(negative ovality)]의 적합한 레이아웃일 수도 있다. 그러나 상기 방법은 특히 프로파일 와이어로 제조되는 압축 피스톤 링과 결부될 때 제조 기술의 관점에서 구현될 수 없다. 특히 원형 래핑 공정(round lapping)을 통한 작동 표면 가공 시 맞댐 조인트 내 충분한 반경 방향 압력은 가공 결과에 중요한 요소이다.

더욱더 좁아지는 맞댐 조인트 유격 및 맞댐 조인트 유격 공차로 인해, 높은 고유 응력을 방지하기 위해 오목 타원형을 제조하기 위한 기술적 효과는 경제적으로 실현될 수 없는데, 그 이유는 래핑 부싱(lapping bushing)이 이미 매우 짧은 시간 이후에는 교환되어야 하기 때문이다.

독일 출원 DE 100631은, 완전히 동일한 횡단면을 갖는 실링 링에서 실링 표면에 전면적으로 균일한 압착을 달성하기 위한 방법을 개시하고 있으며, 상기 방법에 따르면, 각각 링이 안쪽 방향으로 또는 바깥쪽 방향으로 탄성 하중을 받는지의 여부에 따라 링이 바깥쪽 표면 또는 안쪽 표면에서 해머 가공 또는 압연 공정으로 압축되는데, 더욱 정확하게 말하면, 링 자체의 단부들의 맞은편 위치에서 가장 강하게 압축되고, 상기 맞은편 위치에서부터 단부들 방향으로 갈수록 점차 약하게 압축된다.

독일 출원 DE 36 12 454 A1에 의해서는 가스 밀봉을 위한 피스톤 링이 공지되었으며, 이 경우, 링은, 관성력의 결과로 맞댐 조인트 단부들이 상승할 때 상승 위치에서 비틀림 모멘트(twisted moment)가 전혀 발생하지 않거나 감소된 정도로만 발생할 수 있는 방식으로 안쪽의 반경부로부터 맞댐 조인트 단부들 쪽으로 갈수록 가늘어지는 형태로 형성되며, 그리고 링의 맞댐 조인트는, 상부 플랭크에 접촉할 때 헤드 랜드(head land)로 향하는 링의 기밀성이 강하게 소실되는 정도로 상부 방향으로 확대된다.
미국 출원 US 2009/0026711에서는 압축 피스톤 링이 개시된다. 이 경우 두 맞댐 조인트 단부의 영역에서는 공구에 의해 소정의 재료 제거가 실행된다. 피스톤 링은 내마모성 층을 구비할 수 있다.

본 발명의 목적은, 작동 표면 영역에 제공되는 경질의 코팅층을 구비한 피스톤 링을 제조하기 위한 경제적인 제조 방법에 있어서, 오토 엔진뿐 아니라 디젤 엔진에서 꾸준히 상승하는 출력 밀도에 적합한 상기 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

상기 목적은, 맞댐 조인트를 구비한 피스톤 링을 제조하기 위한 제조 방법으로서, 환형 금속 본체가 적어도 자체의 외부 원주면의 영역에서 하나 이상의 경질 층을 구비하는, 상기 제조 방법에 있어서, 상기 층 코팅에 이어서 피스톤 링의 내부 원주면은 적어도 부분적으로 벽 두께가 감소하는 방식으로 재료 제거에 의해 가공되고, 재료 제거는 맞댐 조인트로부터 출발하여 각각 10°와 120° 사이, 특히 90°의 원주 영역에 걸쳐서 이루어지며, 적어도 피스톤 링의 내부 원주면은 질화물층을 구비하고, 이 질화물층은 피스톤 링의 외부 원주면의 코팅에 이어서 재료 제거로 처리되는, 상기 제조 방법에 의해 달성된다.

본 발명에 따르는 제조 방법의 바람직한 개선 실시예들은 대응하는 종속항들에서 제시된다.

특히 바람직하게는, 특히 맞댐 조인트 영역에서, 내부 원주면의 가공은, 최종의 원형 래핑 공정 이후에 실행된다. 이런 경우 가공은, 맞댐 조인트로부터 출발하여, 맞댐 조인트 단부들로부터 양쪽의 원주 방향으로 최대 120°, 특히 90°까지 이루어질 수 있다.

본 발명은 단지 최초에 언급한 문제에 대비하는 외부의 경질 작동 표면 코팅층들(예: PVD, HVOF)을 구비하는 피스톤 링, 특히 압축 피스톤 링에만 관한 것이다.

특히 맞댐 조인트의 근처 원주면 영역에서 재료 감소에 의해서는 반경 방향의 면적 관성 모멘트가 감소된다. 특히 맞댐 조인트의 근처 영역에서 면적 관성 모멘트가 감소함으로써, 목표하는 반경 방향 압력 감소가 달성된다.

동시에, 피스톤 링의 작동 온도 조건에서, 추가로 바이메탈 효과에 의해 발생하는 형태 변형도 감소되는데, 그 이유는 더욱 강하게 커지는 재료의 비율이 더욱 작아지기 때문이다.

특히 바람직하게는, 피스톤 링의 내부 원주면이 질화된 경우, 상기 효과는 추가로 강화되는데, 그 이유는 질화물층이 잔류 압축 응력(residual compression stress)을 보유하기 때문이다. 상기 유형의 응력이 질화물층의 부분적인 제거에 의해 제거된다면, 마찬가지로 작동 표면에서의 반경 방향 압력도 감소한다.

가공 공정의 종료 시에 감소된 반경 방향 충격 압력을 수반할 수 있는 가능성을 통해, 피스톤 링은 더욱 높은 충격 압력을 갖는 제조 공정을 위해서도 이용될 수 있다[예: 원형 또는 볼록 타원형(positive-oval)]. 그럼으로써 특히 작동 표면의 마찰 공학적 거동을 위해 중요한 래핑 공정은 긍정적인 영향을 받게 된다.

맞댐 조인트에서 이미 언급한 감소된 작동 표면 마모 이외에, 피스톤 링의 작동 표면 코팅층의 향상된 마찰 공학적 특성을 통해서 마찰 상대 부재, 예컨대 실린더 라이너의 마찰 감소도 수반된다.

또한, 작은 접선력(tangential force)을 갖는 피스톤 링의 경우에, 향상된 래핑 결과가 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 대상은 일 실시예에 따라서 도면에 도시되어 있으며, 하기와 같이 설명된다.

도 1은 피스톤 링(1)을 도시한 기본적인 개략도이다.

단일의 도 1에는 피스톤 링(1), 특히 압축 피스톤 링이 기본적인 개략도로 도시되어 있다. 도 1에서 상기 피스톤 링은 작동 표면(2)과, 내부 원주면(3)과, 상부 링 플랭크(4)를 포함한다. 그 외에도 피스톤 링(1)은 맞댐 조인트(5)도 포함한다. 예시에 따른 상기 도 1에서 피스톤 링(1)은 작동 표면(2)의 영역에 도포되는 PVD 층(2')을 구비한다. 이미 언급한 것처럼, 상기 유형으로 경질인 작동 표면 층들은 피스톤 링(1)의 고유 응력에 영향을 미친다. 이런 영향은 특히 피스톤 링(1)의 (연질인) 기본 재료와 (더욱 경질인) PVD 층 사이에 특히 맞댐 조인트 영역(5)에 부정적으로 작용하는 또 다른 유형의 열 팽창이 제공된다는 관점에 따른다. 다시 말하면, 맞댐 조인트 영역(5)은 반경 방향에서 바깥쪽을 향해 탄성 하중을 받으며, 그로 인해 상기 영역에서는 마찰 상대 부재, 예컨대 실린더 라이닝에 대해 증가된 압착력이 생성된다. 이처럼 부정적인 효과를 방지하기 위해, 본 발명에 따라서, 피스톤 링의 표면 코팅, 특히 PVD 층(2') 및 래핑 공정을 이용한 작동 표면(2)의 코팅에 이어서, 맞댐 조인트(5)의 맞댐 조인트 에지부들(6, 7)로부터 출발하여 예컨대 20°의 원주 각도(α)에 걸쳐서 재료 제거가 수반되는 방식으로, 피스톤 링(1)의 문제 영역, 다시 말해 피스톤 링(1)의 맞댐 조인트의 근처 영역(5', 5")이 가공되는 점이 제안된다. 이런 경우 재료 제거는 각각의 맞댐 조인트 에지부들(6, 7)의 영역에서 최대로 이루어지고, 제거 종료 지점(6', 7')의 방향에서 최소로 이루어진다. 각각의 링 유형과 이용 사례에 따라서 각도(α)는 최대 90°일 수 있다.

상기 조치를 통해서, 더욱 경질인 재료를 이용하여 더욱 연질인 기본 재료를 코팅함으로써 수반되는 상이한 재료 쌍들로 인한 이른바 바이메탈 효과는 방지된다.

수많은 경우에, 피스톤 링은 반드시 질화해야 하며, 이때 질화 과정을 통해 이미 경질인 표면층이 제조된다. 그런 다음 상기 질화물층 상에 PVD 또는 HVOF 층이 증착되는 점에 한해, 이후 제공되는 높은 고유 응력을 감소시키기 위해서는, 재료 제거를 통해 피스톤 링의 내주면에서 질화물층도 적어도 부분적으로 감소시키거나 적어도 부분적으로 완전하게 제거해야 한다.

1. 피스톤 링 2. 외부 원주면
3. 내부 원주면 5. 맞댐 조인트

Claims (6)

1. 맞댐 조인트(5)를 구비한 피스톤 링(1)을 제조하기 위한 제조 방법으로서, 환형 금속 본체가 적어도 자체의 외부 원주면(2)의 영역에 하나 이상의 경질 층(2')을 구비하는, 상기 제조 방법에 있어서, 상기 하나 이상의 경칠 층(2')의 코팅에 이어서 상기 피스톤 링(1)의 내부 원주면(3)이 적어도 부분적으로 벽 두께를 감소시키는 방식으로 재료 제거에 의해 가공되고, 상기 재료 제거는, 맞댐 조인트(5)로부터 출발하여 각각 10°와 120° 사이의 원주 영역(α)에 걸쳐서 이루어지며, 적어도 상기 피스톤 링(1)의 내부 원주면(3)은 질화물층(2")을 구비하고, 이 질화물층은 상기 피스톤 링(1)의 외부 원주면(2)상에의 상기 하나 이상의 경질 층(2')의 코팅에 이어서 재료 제거로 처리되는, 피스톤 링의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 코팅된 작동 표면은 내부 작동 표면의 재료 제거 이전에 래핑 공정으로 처리되는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링의 제조 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 맞댐 조인트(5)로 각각 향해 있는 상기 피스톤 링(1)의 영역들(5', 5")의 내부 원주면(3)은 재료 제거로 처리되는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링의 제조 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 재료 제거는, 상기 피스톤 링(1)의 원주 방향에서 볼 때, 맞댐 조인트(5)로부터 출발하여 점점 적게 이루어지는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링의 제조 방법.
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