KR101991539B1

KR101991539B1 - 크롬 고체 입자 마모방지층 및 내부식성 측면을 갖는 피스톤 링

Info

Publication number: KR101991539B1
Application number: KR1020147022810A
Authority: KR
Inventors: 크리스티안 헤릅스트-데데리치스; 월더머 우르바츠카; 스테판 데우도스; 피터-클라우스 에저
Original assignee: 페데랄-모굴 부르샤이트 게엠베하
Priority date: 2012-03-16
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2019-06-20
Also published as: RU2014141542A; EP2825682B1; JP6049151B2; KR20140134652A; EP2825682A1; CN104185692A; BR112014022559B1; DE102012204156A1; IN2014KN01641A; WO2013135325A1; JP2015511688A; US20150054222A1; CN104185692B; US9404578B2; RU2613819C2

Abstract

내부 원주면, 제1 측면, 제2 측면 및 외부 원주면을 갖는, 10 중량% 이상의 크롬을 갖는 크롬강으로 이루어진 본체를 갖는 코팅된 피스톤 링이 제공되며, 이때 상기 제1 측면은 5-300 ㎛의 층 두께를 갖는 질화물 확산층, 그 바로 위에 배치되고 0.5-15 ㎛의 층 두께를 갖는 질화물 접속층, 및 그 바로 위에 배치되고 0.05-3 ㎛의 층 두께를 갖는 산화물층을 포함하고, 상기 제2 측면은 질화물 확산층을 포함하며, 상기 외부 원주면은 질화물 확산층 및 그 위에 배치되고 크롬 고체 입자층의 전체 부피에 대하여 0.1-30 부피%의 고체 입자를 갖는 크롬 고체 입자층을 포함한다.

Description

크롬 고체 입자 마모방지층 및 내부식성 측면을 갖는 피스톤 링{Piston ring with chromium solid particle wear-prevention layer and corrosion-resistant flank surface}

본 발명은 제1 측면(flank surface)이 질화물 확산층, 그 위에 배치된 질화물 접속층 및 산화물층을 갖고, 제2 측면이 질화물 확산층을 갖고, 외부 원주면(outer circumferential surface)이 질화물 확산층, 및 그 위로, 마모방지층으로서 크롬 고체 입자층을 갖는 피스톤 링에 관한 것이다.

피스톤 엔진 원리를 토대로 하는 내연 엔진에서, 연소로부터 가스가 피스톤을 거쳐 크랭크케이스로 가지 않게 하는 방식으로 시스템이 밀폐되게 하는 피스톤,및 피스톤 홈에 배치된 피스톤 링의 미끄럼 이동은 관련 마찰 파트너의 마모를 초래한다. 이들은 주로 실린더 및 그 위에서 미끄러지는 피스톤 링이다.

특히, 연소 챔버에 가장 가까이 배치된 제1 피스톤 링은 매우 높은 열적 하중 스트레스와 연소 압력을 받는다. 무엇보다도, 이것은 제1 피스톤 링의 연소 챔버를 향하여 면하는 측면 상에서 부식 증가 및 마모 증가를 초래한다. 제1 피스톤 링의 다른 문제는 링이 최악의 윤활 조건하에서 주행해야 하는 점이다. 이들 극한 요건을 충족하기 위하여, 상기 측면들은 내마모성 증가를 위해 경화처리될 수 있다. 예컨대 경질 크롬과 같은 마모방지 코팅이 피스톤 링의 외부 원주면에 도포되어, 주행면(running surface)으로 작용할 수 있다.

표면에 경질층이 제공된 피스톤 링은 DE 10 2005 041 408 A1호에 기재되어 있는데, 여기서는 경질화를 위해 질화처리(nitriding process) 또는 크롬 질화처리가 이용될 수 있고 또 피스톤의 측면 또는 외주 원주면에 마모방지층이 도포될 수 있다.

이러한 피스톤 링은 질화된 측면 상에서 증가된 경도를 갖는다. 그러나, 질화된 표면은, 부동태화(passivating) 원소의 결합으로 인하여 산화물 보호층이 더 이상 자연적인 방식으로 형성되지 않기 때문에, 내부식성이 낮은 결점이 있다. 그러한 피스톤 링의 상부 측면의 내부식성 및 외부 원주면의 내마모성은 여전히 개선의 여지가 있다.

따라서 본 발명의 목적은 동시에 고 경도 및 고 내부식성을 갖는 고 내마모성 외부 원주면 및 측면을 갖는 피스톤 링을 제공하는 것이다.

상기 목적은 내부 원주면(inner circumferential surface), 제1 측면(flank surface), 제2 측면 및 외부 원주면을 갖는, 10 중량% 이상의 크롬을 갖는 크롬강으로 이루어진 본체(base body)를 갖는 피스톤 링이며, 상기 제1 측면은 5-300㎛의 층 두께를 갖는 질화물 확산층, 그 바로 위에 배치되고 0.5-15㎛의 층 두께를 갖는 질화물 접속층 및 그 바로 위에 배치되고 0.05-3㎛의 층 두께를 갖는 산화물층을 포함하고, 상기 제2 측면은 질화물 확산층을 포함하며, 상기 외부 원주면은 질화물 확산층 및 그 바로 위에 배치되고 크롬 고체 입자층의 전체 부피에 대하여 0.1-30 부피%의 고체 입자를 갖는 크롬 고체 입자층을 포함하는 피스톤 링에 의해 본 발명에 따라 달성될 수 있다.

상기 목적은, (a) 내부 원주면, 제1 측면, 제2 측면 및 외부 원주면을 갖는 피스톤 링의 금속성 본체를, 적어도 하나의 질소 화합물을 함유하는 분위기하에서, 조합 질화처리-산화처리로 적어도 300℃로 가열한 다음, 공기를 부가하고, 상기 피스톤 링을 공기 존재하에서 냉각시켜, 질화물 확산층, 그 위에 배치된 질화물 접속층 및 그 위에 배치된 산화물층을 적어도 제1 측면, 제2 측면 및 외부 원주면 상에 생성시키는 단계, 및 (b) 이온 형태의 크롬 및 고체 입자를 함유하는 수성 전해질에 상기 피스톤 링을 도입하여, 적어도 외부 원주면 상에 크롬 고체 입자층을 전기화학적으로 증착시키는 단계를 포함하는, 피스톤 링의 제조 방법에 의해 또한 달성된다.

본 발명은 본 발명에 대한 필수 특징을 개시하는 첨부 도면을 참조하여 예시적으로 다음과 같이 더욱 자세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 피스톤 링의 일 실시양태를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 피스톤 링의 일 실시양태를 통한 부분을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 피스톤 링의 다른 실시양태를 통한 부분을 도시한다.

질화물 확산층, 질화물 접속층 및 산화물층의 제1 측면의 다층 구조는 놀랍게도 매우 높은 내부식성을 가지며, 질화물 층에 의해 생성된 표면의 경도는 보존된다.

본 발명의 의미 내에서 질화물 확산층이라는 것은 본체의 크롬강 내에 매립된 철 질화물, 크롬 질화물 및/또는 철-크롬 질화물을 포함하는 층을 의미한다. 본 발명의 의미 내에서 질화물 접속층이라는 것은 질화물 접속층의 전체 중량에 대하여 ≥90 중량%의 철 질화물, 크롬 질화물 및/또는 철-크롬 질화물을 갖는 층을 의미한다. 본 발명의 의미 내에서 산화물층이라는 것은 산화물층의 전체 중량에 대하여 ≥90 중량%의 철 산화물, 크롬 산화물 및 철-크롬 산화물을 갖는 층을 의미한다.

철 질화물의 예는 Fe₄N, FeN, Fe₂N₃ 및 Fe₂N이다. 크롬 질화물의 예는 CrN 및 Cr₂N이고, 철-크롬 질화물의 예는 Fe₄CrN 및 FeCr₂N₃이다. 철 및 크롬 산화물의 예는 특히 Fe₂O₃, Fe₃O₄ 뿐만 아니라 Cr₂O₃ 및 Cr₃O₄이다.

본 발명에 따른 피스톤 링의 본체는, 본체의 전체 중량에 대하여, 10 중량% 이상의 크롬, 바람직하게는 11-20 중량%의 크롬을 갖는 크롬강을 포함한다. 마텐자이트계(Martensitic) 크롬강이 바람직하다.

조합 질화처리-산화처리의 질화 단계에서 생성된 질화물 확산층 및 질화물 접속층은 질화 단계에서 질소-함유 화합물의 반응으로 인하여 구성성분 철 및 크롬강의 크롬으로 형성하는 철, 크롬 및/또는 철-크롬 질화물을 포함한다. 질화물 접속층은 철, 크롬 및/또는 철-크롬 질화물로 실질적으로 구성되지만, 질화물 확산층은 여전히 철 질화물, 크롬 질화물 및/또는 철-크롬 질화물이 매립된 본체의 크롬강으로 실질적으로 구성된다. 질화처리 동안, 상기 질소-함유 화합물은 크롬강에 확산되어 철, 크롬 및/또는 철-크롬 질화물을 형성한다.

대체로, 질화물 확산층 중의 철, 크롬 및/또는 철-크롬 질화물의 농도는 질화물 확산층의 전체 중량에 대하여 전체적으로 약 0.1-5 중량% 범위이다. 또한, 질화물 확산층 중의 철, 크롬 및/또는 철-크롬 질화물의 농도는 대체로 내부에서부터 외부로 증가하며, 바람직하게는 약 10^-5 -10^-3 중량%에서 대략 1-15 중량%로 증가한다. 질화물 확산층 위에 배치된 질화물 접속층에서, 철, 크롬 및/또는 철-크롬 질화물의 농도는, 질화물 접속층의 전체 중량에 대하여, 현저하게 더 높고 또 ≥90 중량%, 바람직하게는 ≥95 중량% 이다. 질화물 확산층 및 질화물 접속층은 크롬강의 구성성분, 예컨대 합금 구성성분으로부터 형성하는 질화물을 더 함유할 수 있다.

조합 질화처리-산화처리의 산화 단계에서, 산화물은 질화물로부터 형성하며, 따라서 상기 산화물층은, 산화물층의 전체 중량에 대하여, ≥90 중량%의 철 산화물, 크롬 산화물 및 철-크롬 산화물, 바람직하게는 ≥95 중량%의 철 산화물, 크롬 산화물 및 철-크롬 산화물을 포함한다.

질화물 확산층의 층 두께는 5-300 ㎛, 바람직하게는 10-200 ㎛, 특히 20- 150 ㎛이다. 질화물 접속층의 층 두께는 0.5-15 ㎛, 바람직하게는 1-10 ㎛, 특히 2-8 ㎛이며, 산화물층의 층 두께는 0.05-3 ㎛, 바람직하게는 0.1-2 ㎛, 특히 0.2-1.5 ㎛이다.

바람직하게는 연소 챔버와 면하는 상부 측면으로 작용하는 본 발명에 따른 피스톤 링의 제1 측면은 상술한 질화물 확산층, 그 위에 바로 배치된 질화물 접속층 및 그 위에 바로 배치된 산화물층을 포함하는 3층 구조를 갖는다. 산화물층은 제1 측면의 고 내부식성에 책임이 있다.

바람직하게는 연소 챔버로부터 먼 쪽에서 면하는 측면으로 작용하는 제2 측면은 질화물 확산층을 포함하고, 제1 측면의 다른 층 구조를 가질 수 있다. 그러나, 제2 측면은 바람직하게는 산화물층을 포함하지 않고, 더욱 바람직하게는 더 적은 층 두께를 갖는 질화물 접속층, 특히 ≤1 ㎛의 층 두께를 갖는 질화물 접속층을 포함하거나, 또는 질화물 접속층을 포함하지 않는다. 이것은 외주 원주면에 대해 바람직하다. 이들 바람직한 실시양태는 질화처리-산화처리 후, 예컨대 연마에 의해 다시 산화물층 및 경우에 따라 질화물 접속층을 기계적으로 제거하는 것에 의해 생성될 수 있다. 이렇게 하여, 제2 측면의 낮은 조도가 부가적으로 달성될 수 있고, 이것은 제2 측면이 더 낮은 마찰계수 및 그에 따라 더 낮은 마모성을 나타내는 반면에, 고 내부식성은 제2 측면에 필요하지 않는 이점을 갖는다.

적어도 일부 영역에서 제2 측면의 평균 피크-대-밸리(peak-to-valley) 높이는 바람직하게는 ≤2 ㎛, 특히 ≤1.5 ㎛이다. DIN EN ISO 4287:1998에 따른 평균 피크-대-밸리 높이는 조도를 기재한다. 대체로, 제1 측면, 즉 최상부 산화물층의 평균 피크-대-밸리 높이는 ≥2 ㎛, 특히 ≥2.5 ㎛, 특히 바람직하게는 ≥3 ㎛이다. 제2 측면의 평균 피크-대-밸리 높이에 대한 제1 측면의 평균 피크-대-밸리 높이의 비율은 ≥1.5:1, 특히 ≥2:1인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에 따른 피스톤 링의 외부 원주면 위에, 마모방지층으로 작용하는 0.1-30 부피%의 고체 입자를 갖는 크롬 고체 입자층을 질화물 확산층에 도포한다. 예컨대 크롬층이 균열에 균열 네트워크를 갖고, 그 균열에 고체 입자가 매립된 DE 35 31 410 A1호 및 EP 0 217 126 A1호에 기재된 바와 같은 층은 크롬 고체 입자층으로 적합하다. 에컨대 WO 2009/121443 A1호에 기재된 바와 같이 구조화된 크롬 고체 입자층이 더욱 바람직하다.

바람직한 고체 입자는 텅스텐 카바이드, 크롬 카바이드, 산화 알루미늄, 실리콘 카바이드, 실리콘 질화물, 탄화붕소, 입방정 질화붕소 및/또는 다이아몬드의 고체 입자이다. 유리한 특성은 전기화학적으로 증착된 크롬층의 균열에 매립된 다이아몬드 입자, 예를 들어 WO 2001/004386 A1호 및 EP 1 114 209 B1호에 기재된 바와 같이 체질에 의해 결정된 0.25-0.4 ㎛ 범위의 크기를 갖는 특히 다이아몬드 입자에 의해 달성될 수 있다.

고체 입자의 입자 크기는 바람직하게는 0.01 내지 10 ㎛, 특히 0.1-5 ㎛ 범위이고, 입자 크기는 가장 바람직하게는 0.2-2 ㎛이다. 소정 입자 크기는 체질에 의해 결정된 직경에 관한 것이다. 크롬 고체 입자층에서 고체 입자의 비율은 크롬 고체 입자층의 전체 부피에 대하여 바람직하게는 0.2-10 부피%, 특히 0.3-8 부피%이다.

크롬 고체 입자층의 두께는 바람직하게는 ≥ 40 ㎛, 특히 50-100 ㎛ 이다. 외부 원주면은 바람직하게는 산화물층을 갖지 않고, 특히 바람직하게는 산화물층을 갖지 않으며, 현저하게 더 낮은 층 두께를 갖는 질화물 접속층, 특히 ≤ 1 ㎛ 층 두께를 갖는 질화물 접속층을 가지거나 또는 질화물 접속층을 갖지 않는다. 크롬 고체 입자층의 더 우수한 지지가 달성된다. 제2 측면의 경우에서와 같이, 상기 산화물층 및 질화물 접속층은 기계적으로 제거될 수 있다.

다른 실시양태에서, 외부 원주면 및 제1 측면뿐만 아니라 외부 원주면 및 제2 측면은 각 경우에서 0.05-0.5 mm의 마모에 의해 원주 외부 엣지를 형성하며, 상기 피스톤 링은 원주 외부 엣지 상에 질화물 확산층을 포함한다. 원주 외부 엣지 상의 피스톤 링은 적어도 일부 영역에서 질화물 확산층 위에 배치된 크롬 고체 입자층 및 마찬가지로 원주 외부 엣지의 적어도 일부 영역에서 고체 입자를 함유하지 않고 바로 그 위에 배치된 크롬층을 갖는 것이 바람직하다. 원주 외부 엣지의 영역은 외부 원주면의 경우에서와 같이, 부가적으로 적어도 일부에서 각각 독립적으로 질화물 접속층을 가질 수 있다. 제조하는 동안, 이것은 본 발명에 따른 방법에서 질화물 접속층이 외부 엣지 영역에서 다시 완전히 제거되지 않고, 주행면이 예를 들어, 완전히 그라운드 오프(ground off)되지 않을 때 생긴다.

이 의미에서 원주 외부 엣지 또는 외부 엣지라는 것은 DIN ISO 13715에 따른 외부 엣지를 의미하며, 이때 상기 기준에 따른 마모는 이상적인 기하학적 형상 내부에서의 편차이다. 바람직한 실시형태에서, 상기 마모는 0.05-0.5 mm, 특히 0.1-0.2 mm 이다. 상기 마모는 예를 들어 원형 또는 챔퍼(chamfer)일 수 있다.

대체로, 외부 엣지 영역에서 코팅은 외부 원주면과 함께, 예를 들어 몇 개의 피스톤 링을 다른 것의 상부에 하나씩 적층한 다음 이들을 전기화학적으로 코팅하는 것에 의해 실시된다. 상술한 질화물 확산층, 외부 엣지의 적어도 일부 영역에 도포된 크롬 고체 입자층, 및 고체 입자를 함유하지 않고, 크롬 고체 입자층 바로 위에 배치되고, 외부 엣지의 적어도 일부 영역에 도포된 크롬층을 포함하는 외부 엣지의 층 구조는 주행면의 코팅의 이점을 갖는다. 그러나, 피스톤 링의 엣지 영역은 부가적으로 크롬 고체 입자층 중의 엣지 영역에서 생기는 코팅 중의 균열 형성의 결과로 증가된 마모 경향을 갖는다. 이들 균열 형성은 크롬 고체 입자층에 도포된 엣지 영역 중의 무-고체입자 크롬층에 의해 방지될 수 있다. 고체 입자를 함유하지 않는 크롬층의 층 두께는 바람직하게는 10-100 ㎛, 특히 30-80 ㎛이다.

이러한 피스톤 링은, 질화처리-산화처리 및 측면과 외부 원주면 사이의 원주 외부 엣지를 포함하여 외부 원주면 상에 크롬 고체 입자층의 전기화학적 증착 후, 이온 형태로 크롬을 함유하고 고체 입자는 함유하지 않는 수성 전해질에 피스톤 링을 도입하고, 외부 원주면 및 원주 외부 엣지의 영역에 크롬층, 특히 고체 입자를 함유하지 않는 경질 크롬층을 전기화학적으로 증착하여 생성된다.

또한, 주행면 상에는 고체 입자를 함유하지 않는 크롬층은 적어도 부분적으로, 예를 들어 기계적으로 다시 제거하는 것이 본 발명에 따르면 바람직하다.이렇게 하여, 주행면이 특히 내마모성의 크롬 고체 입자층을 그 표면 바로 위에 전달하고, 엣지 영역에서 고체 입자를 갖지 않는 부가적 크롬층에 의해 칩이 방지되는 것을 달성한다.

따라서, 본 발명에 따른 피스톤 링의 유리한 실시양태에서, 제1 측면은 상술한 질화물 확산층, 그 위에 바로 배치된 질화물 접속층 및 그 위에 바로 배치된 산화물층을 갖고, 제2 측면은 질화물 확산층, 경우에 따라 그 위에 바로 배치된 질화물 접속층을 갖고 산화물층은 갖지 않으며, 또 외부 원주면은 질화물 확산층, 경우에 따라 그 위에 바로 배치된 질화물 접속층, 및 그 위에 바로 배치된 크롬 고체 입자층을 갖는다. 질화물 확산층, 경우에 따라 질화물 접속층, 크롬 고체 입자층 및 무-고체 입자 크롬층의 층 구조는 엣지 영역에서 더욱 바람직하다. 외부 원주면 및 제2 측면의 경우에서와 같이, 상기 엣지 영역은 바람직하게는 산화물층을 갖지 않고, 특히 바람직하게는 질화물 접속층을 갖지 않는다.

본 발명에 따른 층 구조는 특히 소위 사다리꼴 피스톤 링용으로 적합한데, 이는 사다리꼴 피스톤 링은 디젤 엔진에서 연소 잔류물로 인한 시징업(seizing up)을 피하기 위하여 디젤 엔진 중의 제1 피스톤 링으로서 흔히 사용되며, 이러한 디젤 엔진에서, 고 연소 압력으로 인하여 제1 피스톤 링의 연소 챔버와 면하는 측면의 특히 높은 내부식성이 바람직하다. 따라서 각 경우에서 본체의 제1 측면 및 제2 측면은 링 형상의 경사면(bevelled surface)을 갖는 것이 바람직하며, 상기 링-형상의 경사면은 각 경우에서 내부 원주면에 접속되며, 상기 링-형상의 경사면은 각 경우에서 측면의 적어도 70%를 구성하며, 각 경우에서 본체의 내부 원주면과 경사면 사이에 내부 각 α 및 β는 92°- 115°, 바람직하게는 95°- 110°, 특히 바람직하게는 97°- 100°이다. 각 경우에서 경사면은 측면의 적어도 80%를 구성하는 것이 바람직하다.

다른 바람직한 실시양태에서, 측면의 오직 일부만이 경사지며, 그 결과 측면의 링-형상 비경사 부분은 잔존하며, 이는 깎인 면(facet)으로도 기재된다. 측면의 링-형상 경사면은 바람직하게는 각 측면의 70-95%, 특히 바람직하게는 75-92%, 특히 80-90%를 구성한다. 링-형상 비경사면은 바람직하게는 각 측면의 5-30%, 특히 바람직하게는 8-25%, 특히 10-20%를 구성한다. 이 실시양태에서 링-형상 비경사면의 적어도 하나는 산화물층을 갖지 않고, 질화물 접속층을 갖지 않는 것이 더욱 바람직하다. 링-형상 비경사면은 산화물층을 갖지 않고, 질화물 접속층을 갖지 않는다. 링-형상 비경사면의 적어도 하나는 < 5 ㎛ 층 두께를 갖는 질화물 확산층을 갖거나 또는 질화물 확산층을 갖지 않는 것이 더욱 바람직하다.

이러한 피스톤 링은 질화물 확산층, 질화물 접속층 및 산화물층의 3층 구조의 이점을 가지며, 사다리꼴 링의 경사면 만이 피스톤의 홈과 접촉하기 때문에 고 경도 및 고 내부식성의 조합이 바람직하며, 여기서 고 경도 및 내부식성은 피스톤 링의 특성을 향상시킨다. 비경사면의 영역에서 산화물층 및 질화물 접속층의 부족으로 인하여, 이 피스톤 링은 산화물층 및 질화물 접속층의 부족으로 인하여, 도전성 접속이 더 우수하기 때문에 후에 더욱 효율적으로 크롬 도금될 수 있는 이점을 또한 갖는다.

따라서 바람직한 실시양태는 내부 원주면, 제1 측면, 제2 측면 및 외부 원주면을 갖는 본체를 갖는 피스톤 링에 관한 것이며, 각 경우에서 제1 측면 및 제2 측면은 각 경우에서 내부 원주면에 접속되고, 각 경우에서 측면의 70-95%를 구성하는 링-형상 경사면을 가질 수 있고, 각 경우에서 본체의 내부 원주면과 링-형상 경사면 사이의 내부각 α및 β는 각각 독립적으로 92°- 115°이고, 상기 피스톤 링은 링-형상 비경사면을 가지며, 상기 링-형상 경사면은 5-300 ㎛의 층 두께를 갖는 질화물 확산층, 그 바로 위로 배치된, 0.5-15 ㎛의 층 두께를 갖는 질화물 접속층, 및 그 바로 위에 배치된, 0.05-3 ㎛의 층 두께를 갖는 산화물층을 포함하고, 상기 링-형상 비경사면은 5-300 ㎛의 층 두께를 갖는 질화물 확산층을 갖고, 링-형상 비경사면의 적어도 하나는 산화물층을 갖지 않고, 질화물 접속층을 갖지 않으며, 외부 원주면은 질화물 확산층 및 그 위에 배치되고 크롬 고체 입자층의 전체 부피에 대하여 0.1-30 부피% 크롬 고체를 갖는 크롬 고체 입자층을 포함한다.

각 경우에서 본 발명에 따른 피스톤 링의 표면 상에서 개별 층은 피스톤 링의 표면의 일부를 덮을 수 있거나 또는 표면을 완전히 덮을 수 있다. 특히, 각 경우에서 층(질화물 확산층, 질화물 접속층, 산화물층, 크롬 고체 입자층, 및 고체 입자를 함유하지 않는 크롬층)은 각 표면의 50-100%, 바람직하게는 80-100%를 덮을 수 있다.

본 발명에 따른 피스톤 링의 제조 방법은,

(a) 피스톤 링의 본체를, 적어도 하나의 질소 화합물을 함유하는 분위기하에서, 조합 질화처리-산화처리로, 적어도 300℃, 바람직하게는 500-800℃로 가열한 다음, 여기에 공기를 부가하고, 상기 피스톤 링을 공기 존재하에서 냉각시켜, 질화물 확산층, 그 위에 배치된 질화물 접속층 및 그 위에 배치된 산화물층을 피스톤 링의 적어도 제1 측면, 제2 측면 및 외부 원주면 상에 생성시키는 단계, 및

(b) 이온 형태의 크롬 및 고체 입자를 함유하는 수성 전해질에 상기 피스톤 링을 도입하여, 적어도 외부 원주면 상에 크롬 고체 입자층을 전기화학적으로 증착시키는 단계를 포함한다.

예를 들어, 질소(N₂) 및 암모니아(NH₃)는 질소 화합물로 적합하다. 암모니아, 수소(H₂) 및 질소의 혼합물이 바람직하게 사용된다. 상기 크롬 고체 입자층 및 무-고체 입자 크롬층의 전기화학적 증착은 당업자에게 공지된 통상의 방식으로 실시할 수 있다.

상기 방법의 바람직한 실시양태에서, 상기 산화물층 및 경우에 따라 외부 원주면 상의 질화물 접속층 및 경우에 따라 제2 측면은 단계(b) 이전에, 특히 표면의 비경사 부분에서 다시 제거될 수 있다. 상기 산화물층 및 경우에 따라 제2 측면 상의 질화물 접속층은 다르게는 크롬 도금 후에만 제거될 수 있다.

외부 엣지 상에 무-고체 입자 크롬층을 포함하는 본 발명에 따른 피스톤 링을 제조하기 위하여, 다른 단계 (c) 상기 피스톤 링은 이온 형태의 크롬을 함유하고, 고체 입자는 함유하지 않는 수성 전해질에 도입되며, 고체 입자를 함유하지 않는 크롬층은 외부 원주면 상 및 원주 외부 엣지 영역 상에 전기화학적으로 증착되고, (d) 외부 원주면 상의 크롬층은 적어도 부분적으로 기계적으로 다시 제거될 수 있다.

본 발명은 내부 연소 엔진에서 본 발명에 따른 피스톤 링을 사용하는 것에 관한 것이다. 이를 위하여, 본 발명에 따른 피스톤 링은 내부 연소 엔진의 피스톤에, 바람직하게는 연소 챔버와 가장 가깝게 배치된 제1 피스톤 링으로서 당업자에게 공지된 방식으로 도입될 수 있다.

상술한 특징 및 이하에 설명될 특징은 조합적으로 예시될 뿐만 아니라 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않는 한 다른 조합으로 또는 단독으로 이용될 수 있다.

도 1에서 본 발명에 따른 피스톤 링(1)의 실시양태는 내부 원주면(2) 및 외부 원주면(11)을 갖는 것으로 표시된다. A 및 B는 후속하는 도 2 및 도 3에 대한 피스톤 링(1)을 통하여 구획 축을 도시한다.

도 2는 도 1에 따른 구획 축 A-B의 방향에서 본 발명에 따른 피스톤 링(1)의 일 실시양태를 통한 구획을 도시한다. 상기 피스톤 링(1)은 내부 원주면(2), 제1 측면(3), 제2 측면(4) 및 외부 원주면(5)을 갖는 금속성 본체(9)로 이루어진다. 제1 측면(3), 제2 측면(4) 및 외부 원주면(5)은 질화물 확산층(6)을 갖고, 제1 측면(3) 상에서 질화물 접속층(7) 및 상기 산화물층(8)은 상기 질화물 확산층(6) 위에 배치된다. 층 두께는 개략적으로만 도시되고 축척을 나타내지 않는다. 외부 원주면(5) 상에는 주행면(11)을 형성하는 크롬 고체 입자층(10)이 질화물 확산층(6) 상에 도시되어 있다.

도 3은 본 발명에 따른 피스톤 링(1)의 다른 실시양태를 통한 구획을 도시하며, 이때 각 경우에서 본체(9)의 제1 측면(3) 및 제2 측면(4)은 링-형상 경사면(14,15) 및 링-형상 비경사면(16, 17)을 갖고, 상기 외부 원주면(5)과 제1 측면(3) 뿐만 아니라 외부 원주면(5) 및 제2 측면(4)은 각 경우에서 원주 외부 엣지(12, 13)를 형성한다. 제1 측면(3)의 내부 원주면(2) 및 경사면(14)은 내부 각 α를 형성한다. 제2 측면(4)의 내부 원주면(2) 및 경사면(15)은 내부 각 β를 형성한다.

Claims

내부 원주면(2), 제1 측면(3), 제2 측면(4) 및 외부 원주면(5)을 갖는, 10 중량% 이상의 크롬을 갖는 크롬강으로 이루어진 본체(base body)를 갖는 피스톤 링(1)으로,
상기 제1 측면(3)은, 5-300㎛의 층 두께를 갖는 질화물 확산층(6), 그 바로 위에 배치되고 0.5-15㎛의 층 두께를 갖는 질화물 접속층(7) 및 그 바로 위에 배치되고 0.05-3㎛의 층 두께를 갖는 산화물층(8)을 포함하고,
상기 제2 측면은, 질화물 확산층(6)을 포함하며, 상기 외부 원주면(5)은 질화물 확산층(6) 및 그 바로 위에 배치되고 크롬 고체 입자층의 전체 부피에 대하여 0.1-30 부피%의 고체 입자를 갖는 크롬 고체 입자층(10)을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
제1항에 있어서, 각 경우에서 상기 외부 원주면(5) 및 제1 측면(3) 뿐만 아니라 외부 원주면(5) 및 제2 측면(4)은 0.05-0.5 mm의 마모를 갖는 원주 외부 엣지 (12, 13)를 갖고, 상기 원주 외부 엣지(12, 13)의 영역에서의 상기 본체(9)는 상기 질화물 확산층(6)을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
제2항에 있어서, 상기 본체(9)는 상기 원주 외부 엣지(12, 13)의 적어도 일부 영역에서, 상기 질화물 확산층(6) 위에 배치되며, 크롬 고체 입자층의 전체 부피에 대하여 0.1-30 부피%의 고체 입자를 갖는 크롬 고체 입자층(10), 및 그 바로 위에 배치되고 상기 원주 외부 엣지(12, 13)의 적어도 일부 영역에서 고체 입자를 함유하지 않는 크롬층을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 각 경우에서 상기 본체(9)의 제1 측면(3) 및 제2 측면(4)은 링-형상 경사면(14, 15)을 갖고, 상기 링-형상 경사면 (14, 15)은 각 경우에서 상기 내부 원주면(2)에 접속되며, 측면(3, 4)의 적어도 70%를 구성하며, 상기 본체(9)의 내부 원주면(2)과 링-형상 경사면(14,15) 사이의 내부각 α 및 β는 각 경우에서 독립적으로 92°- 115°인 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
제4항에 있어서, 상기 링-형상 경사면(14, 15)은 각 경우에서 측면(3, 4)의 70-95%를 구성하고, 상기 제1 측면(3) 및 제2 측면(4)은 각 경우에서 부가적으로 링-형상 비경사면(16,17)을 가지며, 상기 링-형상 비경사면(16, 17)의 적어도 하나는 산화물층을 갖지 않고, 질화물 접속층을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
제5항에 있어서, 상기 링-형상 비경사면(16, 17)의 적어도 하나는 < 5 ㎛의 층 두께를 갖는 질화물 확산층(6)을 갖거나 또는 질화물 확산층(6)을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외부 원주면(5) 및 제2 측면(4)은 산화물층을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 측면(4)의 표면은 적어도 일부에서 ≤ 2 ㎛의 평균 피크-대-밸리 높이를 갖고, 상기 제1 측면(3)의 표면은 적어도 일부에서 ≥ 2.5 ㎛의 평균 피크-대-밸리 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
(a) 내부 원주면(2), 제1 측면(3), 제2 측면(4) 및 외부 원주면(5)을 갖는 피스톤 링의 금속성 본체(9)를, 적어도 하나의 질소 화합물을 함유하는 분위기하에서, 조합 질화처리-산화처리로, 적어도 300℃로 가열한 다음, 여기에 공기를 부가하고, 상기 피스톤 링을 공기 존재하에서 냉각시켜, 질화물 확산층, 그 위에 배치된 질화물 접속층 및 그 위에 배치된 산화물층을 적어도 상기 제1 측면, 제2 측면 및 외부 원주면 상에 생성시키는 단계, 및
(b) 이온 형태의 크롬 및 고체 입자를 함유하는 수성 전해질에 상기 피스톤 링을 도입하여, 적어도 상기 외부 원주면 상에 크롬 고체 입자층을 전기화학적으로 증착시키는 단계를 포함하는, 제1항에 따른 피스톤 링의 제조 방법.
제9항에 있어서, 단계(a)와 (b) 사이에, 상기 산화물층 및 경우에 따라 상기 외부 원주면 상의 및 경우에 따라 상기 제2 측면 상의 상기 질화물 접속층이 다시 제거되는 단계를 더 포함하는 피스톤 링의 제조 방법.
제10항에 있어서, 단계(b) 이후에,
(c) 이온 형태의 크롬을 함유하고 고체 입자는 함유하지 않는 수성 전해질에 상기 피스톤 링을 도입하며, 고체 입자를 함유하지 않는 크롬층은 상기 외부 원주면(5) 상 및 원주 외부 엣지 영역(12, 13) 상에 전기화학적으로 증착되고, 및
(d) 상기 외부 원주면 상의 크롬층은 적어도 부분적으로 기계적으로 다시 제거되는 단계를 더 포함하는 피스톤 링의 제조 방법.
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