KR101718418B1 - 피스톤 링의 제조 방법 - Google Patents

피스톤 링의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

내마모성 층(8,9)이 제공된 요부가 있는 강철 피스톤 링(1)의 제조 방법으로서, 가동 표면측에 요부(2) 형성부가 제공된 주 동체(1)가 제조되고, 주 동체는 베벨(7)이 제조되는 방식으로 가동 표면(3)으로의 주 동체(1)의 측면(5)의 천이 영역에서 기계 가공되며, 가동 표면(3) 및 베벨(7)의 적어도 일부에는 내마모성 층(8,9)이 제공되고, 내마모성 층이 제공되지 않은 주 동체의 측면 영역(5,6) 및 원주 영역(4)은 측면(5)의 베벨측 영역에서 질화된 층(10)을 가지지 않는 정해진 폭(a)의 일부가 유지되는 방식으로 질화되며, 차후에, 실질적으로 예리하지만 질화되지 않은 기능 에지(11)가 가동 표면(3)으로의 측면(5)의 천이 영역에 만들어지는 범위로 적어도 내마모성 층이 제거된다.

Description

피스톤 링의 제조 방법{Method for producing piston rings}
본 발명은 내마모성 층이 제공된 요부가 있는 강철 피스톤 링의 제조 방법에 관한 것이다.
독일 출원 DE 102 21 800 A1 은 강철 피스톤 링에 마모 보호 층들을 만들기 위한 방법을 개시하는데, 이것은 제 1 작업 단계에서 가동 표면의 적어도 일부에 가동 표면 코팅을 제공하고, HV 0.1<1400 의 경도를 발생시키기 위하여 제 2 작업 단계에서 플라즈마 질화 작용(plasma nitriding)에 의해 질화물 층을 적어도 측면(flank)에 제공하는 것으로 이루어짐으로써, 플라즈마 질화의 작업 단계는 < 490℃ 의 온도 범위에서 이용된 가동 표면 코팅에 따라서 수행된다.
강철 피스톤 링은 독일 출원 DE 10 2005 023 627 A1 에 개시되어 있으며, 이것은 일 측부상의 요부(recess), 상부 측면(upper flank) 및 하부 측면(lower flank), 내측 원주 표면을 가진 가동 표면을 포함하고, 가동 표면에는 마이크로크랙(microcrack)을 가진 크롬 세라믹 베이스의 마모 보호층이 코팅되고, 적어도 측면들에는 마모 감소용 질화물 층이 제공됨으로써, 측면이 가동 표면으로 천이되는 영역들중 적어도 하나는 대략 예리한 에지(sharp-edged)의 디자인을 가진다.
요부를 가진 PVD 코팅 강철 피스톤 링이 구현되었을 때, 예리한 기능 에지(functional edge)가 필요하다. 표면 질화(surface nitriding)에 대한 필요성 때문에, 그것은 이전에 선택 사항이 아니었다. 질화된 에지는 0.1 mm 보다 크지 않은 에지 반경(edge radius)이 필요하다.
당업자는 최대 R < 0.05 mm 의 둥근 영역을 가지는 예리한 에지가 표준 방식으로 제조되는 것을 고려한다.
본 발명의 목적은 내마모성 층이 제공된 요부가 있는 강철 피스톤 링을 제조하는 대안의 방법을 제공하는 것으로서, 그 방법에 의하여 예리한 기능 에지가 측면과 가동 표면 사이의 천이 영역에 구현될 수 있다.
본 발명의 목적은 내마모성 층이 제공된 요부가 있는 강철 피스톤 링의 제조 방법에 의해 달성되는데, 이것은 가동 표면측에 요부를 가지는 주 동체를 만드는 단계; 모따기 부분(chamfer)이 형성되도록 주 동체의 측면이 가동 표면으로 천이되는 영역을 가공하는 단계; 가동 표면 및 모따기 부분의 적어도 부분들에 내마모성 층을 제공하는 단계; 내마모성 층이 제공되지 않은 주 동체의 측면 영역들 및 원주 영역을 질화(nitiriding)시킴으로써, 정해진 폭을 가지고 질화 층을 가지지 않는 섹션은 측면의 모따기 측 영역(chamfer-side region)에 유지되는 단계; 및, 실질적으로 예리하지만, 측면이 가동 표면으로 천이되는 영역에서 질화되지 않은 기능 에지가 형성되는 범위로, 적어도 내마모 층을 최종적으로 제거하는 단계;에 의해 이루어진다.
본 발명에 따른 방법의 유리한 특징들은 종속항의 방법 청구항들에 기재되어 있다.
본 발명에 따른 방법은 내부 연소 엔진을 위한 압축 피스톤 링을 위해 유리하게 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 개념에 따르면, 모따기 부분은 기계적으로 형성되며, 특히 연삭(grinding)에 의해 형성된다.
필요하다면 요부를 포함하는 가동 표면에 크롬 층이 직접적으로 적용될 수 있다.
대안으로서, 얇은 물리 증기 증착(physical vapor deposition, PVD) 층 또는 다이아몬드상 카본(diamond like carbon, DLC) 층이 가동 표면에 적용될 수 있다.
적용예에 따라서, PVD 층 또는 DLC 층에 크롬층을 추가의 내마모성 층으로서 적용할 수 있다.
당업자는 적용예에 따라서 적절한 마모 방지층 또는 층들을 선택할 것이다.
본 발명의 다른 개념에 따르면, 제조 공정을 최적화시키기 위하여 내마모성 층이 적용되기 전에 적어도 2 개의 주 동체들이 패키지로 조합된다. 이러한 상태에서, 하나 또는 다른 내마모성 층은 공지의 방법들을 이용하여 적용될 수 있다.
여기에서, 서로를 향하여 지향된 모따기 부분들을 가지는 2 개의 주 동체들을 패키지로 조합시키거나, 또는 서로의 뒤에 위치된 모따기 부분들을 가진 몇개의 (2 개 초과) 주 동체들을 패키지로 조합시키는 선택이 존재한다.
주 동체에 있는 모따기 부분 때문에, 대략 쐐기 형상의 노취(notch)가 서로 대향하는 모따기 부분들과 함께 결과되며, 이것은 내마모성 층의 적용 동안에 내마모성 층이 적어도 부분적으로 모따기 영역에 증착될 수 있는 것을 보장한다.
서로의 뒤에 축방향으로 위치된 주 동체들의 경우에, 2 개 이상의 주 동체들은 패키지로 조합될 수 있으며, 그에 의하여 비용 효과가 더욱 향상될 수 있다.
주 동체의 재료로 만들어지는, 예리한 기능 에지(sharp functional edge)를 형성할 수 있도록, 본 발명의 다른 특징에 따라서, 관련 측면상의 질화물 결여 섹션(nitride-free section)은 0.1 mm 내지 1.5 mm 사이이다.
최종적인 작업은 요부 외측의 적어도 내마모성 층이 가동 표면으로부터 기계적으로 제거되는 것을 허용하며, 특히 연삭(grinding)에 의해 제거되는 것을 허용한다. 주 동체의 재료는 필요하다면 모따기 부분이 측면에 연결되는 지점까지 연삭됨으로써, 강철 피스톤 링의 마무리된 상태에서 질화물 층은 가동 표면으로부터 대략 0.05 내지 0.7 mm 에 위치된다.
따라서 본 발명에 따른 방법은 측면과 가동 표면 사이의 천이 영역에서 요부가 있는 강철 피스톤 링상에 예리하지만 질화되지 않은 기능 에지가 형성될 수 있게 한다.
기능 에지가 유리하게는 하부 측면의 천이 영역에, 즉, 실린더 크랭크케이스를 향하는 측면에 형성되고, 가동 표면에 형성됨으로써, 적어도 하나의 오일 스크레이퍼 링(oil scraper ring)의 외측에서도 잔류 오일이 긁어질 수 있는 것에 기여한다.
본 발명의 주제는 예시적인 실시예에 기초하여 도면들에 도시되어 있으며 다음에 설명될 것이다.
도 1 은 코팅 이전의 요부가 있는 강철 피스톤 링을 도시한다.
도 2 는 모따기 부분이 제공되어 있는, 도 1 에 따른 요부가 있는 피스톤 링을 도시한다.
도 3 및 도 4 는 도 2 에 따른 주 동체들의 대안의 패키지 방법을 도시한다.
도 5 및 도 6 은 도 3 및 도 4 에 도시된 패키지된 주 동체들의 대안의 코팅 방법들을 도시한다.
도 7 은 PVD 층이 제공된 주 동체의 개략적인 도면이다.
도 8 은 PVD 층이 제공된 질화된 주 동체의 개략적인 도면이다.
도 9 는 도 8 에 따른 주 동체를 도시하지만. 크롬 층이 PVD 층에 적용된 것이다.
도 10 은 예리하고 질화되지 않은 기능 에지를 가진 마무리된 피스톤 링을 도시한다.
도 1 은 강철로 제작된 피스톤 링 주 동체(1)를 도시하며, 이것은 요부(2)가 제공된 가동 표면(3), 내측 원주 표면(4), 하부 측면(5) 및 상부 측면(6)을 포함하며, 하부 측면은 피스톤 링이 설치되었을 때 실린더 크랭크케이스(미도시)를 면하는 측면이고, 상부 측면은 피스톤 링이 설치되었을 때 연소 챔버(미도시)를 면하는 측면이다. 이러한 주 동체(1)는 이후에 피스톤 링이 되기 위한 기본 형상이며, 피스톤 링은 압축 피스톤 링으로서 이용될 수 있다.
도 2 는 측면(5)이 가동 표면(3)으로 천이되는 영역이 예를 들어 연삭(grinding)에 의해 가공됨으로써 모따기 부분(chamfer, 7)이 형성되는 영역을 도시한다.
도 3 및 도 4 는 도 2 에 따른 주 동체(1)들에 대하여 상이한 패키지 방법(packaging method)들을 도시한다.
도 3 에서, 몇개의 주 동체(1)들이 서로의 뒤에 축방향으로 배치되고, 모따기 부분(7)들도 마찬가지로 서로의 뒤에 축방향으로 위치된다. 요부(2)는 개별의 모따기 부분(7)의 방향으로 이어지기 때문에, 가동 표면(3)을 코팅할 때 모따기 부분(7)의 적어도 일부에 코팅 물질을 제공하는데 문제를 나타내지 않는다.
도 4 는 서로 면하는 모따기 부분(7)들을 가진 2 개의 주 동체(1)들이 쌍으로 배치됨으로써, 쐐기(wedge)가 형성되는 것을 도시한다. 여기에서 가동 표면(3)을 코팅할 때, 코팅 물질이 모따기 부분(7)의 영역으로 도입될 수 있다.
도 5 및 도 6 은 가동 표면(3)의 코팅을 도시하며, 보다 상세하게는 도 3 및 도 4 와 관련하여 도시한다.
이러한 예에서, 내마모성 크롬 층(8)은 가동 표면(3)의 영역에 적용되며, 이러한 크롬 층은 요부 영역(2) 및 가동 표면(3)의 나머지 영역들에 직접적으로 적용된다. 내마모성 크롬 층(8)은 또한 모따기 부분(7)의 적어도 넓은 부분에 걸쳐 이루어진다.
도 7 은 개별적인 주 동체(1)를 도시하는데, 이것은 1 내지 5 ㎛ 사이의 층 두께를 가진 PVD 층(9)으로 코팅되었다. 도 5 및 도 6 에 유사하게, 모따기 부분(7)들이 제공된 측면 영역(5)들중 적어도 일부 부분들은 마찬가지로 PVD 층으로 코팅되었다.
도 8 로부터 명백한 바로서 도 7 에 따라서 PVD 에 의해 코팅된 주 동체(1)는 PVD 층(9)의 외부에서 질화되었다(nitride). 질화물 층(nitride layer, 10)은 도 1 에 도시된 모든 다른 원주 영역(4) 및 측면 영역(5,6)상에 제공된다. 그러나, 측면의 영역에서, 질화물 층(10)은 모따기 부분(7)으로 완전하게 연장되지 않아서, 정해진 폭을 가지는 질화물 층 없는 섹션(nitride layer-free section)이 존재하며, 예를 들어 질화물 층 없는 섹션(nitride layer-free section)은 1.5 mm 의 정해진 폭을 가진다.
도 9 는 도 5 및 도 6 에서 이미 설명되었던 크롬 층(8)이 PVD 층(9)에 적용되었던 것을 도시한다. 도 8 에 대하여 이미 설명되었던 것과 같은 과정들이 적용된다.
도 10 은 마무리된 강철 피스톤 링(1')을 도시한다. 도 8 및 도 9 에 도시된 층(8,9)들은 측면(5)이 가동 표면(3)으로 천이되는 영역에서 예리한 기능 에지(11)가 형성되도록 제거되었으며, 여기에서 질화물 층(10)은 기능 에지(functional edge, 11)로부터 정해진 거리(a')에서 끝나며, 예를 들어 0.5 mm 의 거리에서 끝난다.
1. 주 동체 2. 요부
3. 가동 표면 5.6. 측면 영역
7. 모따기 부분 8.9. 내마모성 층

Claims (12)

  1. 내마모성 층(8,9)이 제공된 요부가 있는 강철 피스톤 링(1')의 제조 방법으로서,
    가동 표면측에 요부(2)를 가지는 주 동체(1)를 만드는 단계로서, 주 동체(1)의 측면(5)이 가동 표면(3)으로 천이되는 영역에서 모따기 부분(chamfer, 7)이 형성되도록 주 동체(1)가 가공되는, 주 동체(1)를 만드는 단계;
    가동 표면(3)에 내마모성 층(8,9)을 제공하고, 모따기 부분(7)의 적어도 일부분에 내마모성 층(8,9)을 제공하는 단계;
    내마모성 층(8,9)이 제공되지 않은 주 동체(1)의 측면 영역(5,6)들 및 원주 영역(4)을 질화(nitiriding)시킴으로써, 정해진 폭(a)을 가지고 질화 층(10)을 가지지 않는 섹션이 측면(5)의 모따기 측 영역(chamfer-side region)에 유지되는 단계; 및,
    측면(5)이 가동 표면(3)으로 천이되는 영역에서, 예리하지만 비질화된 기능 에지(unnitrided functional edge, 11)가 형성되는 범위로, 적어도 내마모성 층(8,9)을 최종적으로 제거하는 단계;를 포함하는, 요부가 있는 강철 피스톤 링의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    모따기 부분(chamfer, 7)은 연삭(grinding)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 요부가 있는 강철 피스톤 링의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    크롬층(chromium layer, 8)은 요부(2)를 포함하는 가동 표면(3)에 적용되는 것을 특징으로 하는, 요부가 있는 강철 피스톤 링의 제조 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    PVD 층 또는 DLC 층(9)이 가동 표면(3)에 적용되는 것을 특징으로 하는, 요부가 있는 강철 피스톤 링의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    크롬 층(8)이 PVD 층 또는 DLC 층(9)에 적용되는 것을 특징으로 하는, 요부가 있는 강철 피스톤 링의 제조 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    내마모성 층(8,9)이 적용되기 전에 적어도 2 개의 주 동체(1)들이 패키지(package)로 조합되는 것을 특징으로 하는, 요부가 있는 강철 피스톤 링의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    서로를 향하여 지향된 모따기 부분(7)들을 가지는 2 개의 주 동체(1)들은 각각의 경우에 패키지로 조합되는 것을 특징으로 하는, 요부가 있는 강철 피스톤 링의 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    서로의 뒤에 위치된 모따기 부분(7)들을 가지는 몇개의 주 동체(1)들은 패키지로 조합되는 것을 특징으로 하는, 요부가 있는 강철 피스톤 링의 제조 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    측면(flank)상의 질화물 층이 결여된 섹션(a')은 0.1 내지 1.5 mm 인 것을 특징으로 하는, 요부가 있는 강철 피스톤 링의 제조 방법.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    적어도 내마모성 층(8,9)은 연삭(grinding)에 의해 요부를 포함하는 가동 표면(3)으로부터 제거되는, 요부가 있는 강철 피스톤 링의 제조 방법.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    주 동체(10)의 재료는 모따기 부분(7)이 측면(5)에 연결되는 영역까지 연삭되는, 요부가 있는 강철 피스톤 링의 제조 방법.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 강철 피스톤 링의 제조 방법에 따라서 제조된 압축 피스톤 링.
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