KR102384278B1 - 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤 및 가솔린 엔진용 피스톤의 제조 방법 - Google Patents

피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤 및 가솔린 엔진용 피스톤의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 조직을 미세화하여 크랙을 방지할 수 있는 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 알루미늄 주조 방식으로 형성되는 피스톤 몸체부; 및 연소가 이루어지는 상기 피스톤 몸체부의 헤드부 또는 크라운부(상면)의 피스톤 핀축 방향을 따라 길게 형성되는 크랙 발생 예상 영역에 적어도 하나 이상 형성되고, 조직의 미세화를 위해 주조후 용접 방식으로 리멜팅되는 리멜팅부;를 포함할 수 있다.

Description

피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤 및 가솔린 엔진용 피스톤의 제조 방법{Gasoline engine piston having remelting part in piston head and its manufacturing method}
본 발명은 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤 및 가솔린 엔진용 피스톤의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 조직을 미세화하여 크랙을 방지할 수 있는 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤 및 가솔린 엔진용 피스톤의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 가솔린 자동차는 가솔린 연료를 연소시켜서 그 폭발력을 이용하여 크랭크축을 회전시키고, 이를 통해 구동력을 얻는 것으로서, 연료와 공기의 혼합기를 압축하여 이를 연소시키는 실린더를 갖는 내연기관(이하, 엔진이라 함)을 갖추고 있다.
엔진에는 복수개의 실린더를 형성하고 있는 실린더 블록과, 이 실린더 블록의 상부에 형성되어 연소실을 제공하는 실린더 헤드 및 실린더 내에 설치되어 승하강 왕복운동을 하면서 폭발로 인한 팽창과정에서 발생되는 고온, 고압의 가스 압력을 받아 커넥팅 로드를 통하여 크랭크 샤프트로 전달하는 내연기관용 피스톤이 구비되어 있다.
이러한 종래의 피스톤은 엔진 출력이 높아질수록 연소실이 형성된 크라운부가 점점 더 고온에 노출됨으로써 크라운부가 일정 온도 이상 올라가게 되면 열에 의한 크랙 등의 파손이 발생되는 문제점이 있었다.
특히, 크라운부의 두께가 점점 얇아져서 피스톤의 핀축과 가까워질수록 피스톤의 핀축 방향을 따라 이와 대응되는 크라운부의 상면에 응력이 집중되는 장방향으로 길게 응력 집중 영역이 발생되고, 여기서부터 크랙이 발생되어 점차로 전체적으로 크랙이 진행되는 등 많은 문제점들이 있었다.
본 발명의 사상은, 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 크라운부의 응력 집중 영역을 리멜팅하여 주조 이후 비교적 크게 형성된 주조 조직 보다 더 미세하고 치밀한 미세 조직을 형성함으로써 크랙의 발생을 방지할 수 있고, 응력 집중 영역의 깊이에 따라 최적의 프로파일이 형성될 수 있도록 리멜팅 이전에 여유부가 형성되도록 황삭을 수행하고, 리멜팅 이후에 정삭을 할 수 있게 하여 최적 형상의 리멜팅부를 형성할 수 있는 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤 및 가솔린 엔진용 피스톤의 제조 방법을 제공함에 있다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로서, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤은, 알루미늄 주조 방식으로 형성되는 피스톤 몸체부; 및 연소가 이루어지는 상기 피스톤 몸체부의 헤드부 또는 크라운부(상면)의 피스톤 핀축 방향을 따라 길게 형성되는 크랙 발생 예상 영역에 적어도 하나 이상 형성되고, 조직의 미세화를 위해 주조후 용접 방식으로 리멜팅되는 리멜팅부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 리멜팅부는, 전체적으로 타원형 또는 양단부는 둥글고 길이방향으로 길게 단일형으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 리멜팅부는, 상기 피스톤 핀축 방향을 기준으로 일측에 설치되고, 리멜팅된 영역이 제 1 깊이로 형성되는 제 1 리멜팅부; 및 상기 피스톤 핀축 방향을 기준으로 타측에 설치되고, 리멜팅된 영역이 제 2 깊이로 형성되는 제 2 리멜팅부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 리멜팅부와 상기 제 2 리멜팅부는 제 1 거리만큼 서로 이격되는 이격부가 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 이격부는, 적어도 일부분이 상기 피스톤 핀을 일단을 지지하는 제 1 피스톤 핀 보스와 상기 피스톤 핀의 타단을 지지하는 제 2 피스톤 핀 보스 사이에 형성된 커넥팅로드 수용홈의 상방에 설치될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 깊이 및 상기 제 2 깊이는, 상기 헤드부의 두께 보다 작고, 상기 제 1 깊이는 상기 제 2 깊이 이상일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 리멜팅부와 상기 제 2 리멜팅부는 서로 연결될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 리멜팅된 조직 미세화 영역이 상기 피스톤 몸체의 중심부는 얕고 그 주변부는 깊어지는 형상을 갖도록 상기 제 1 리멜팅부의 조직 미세화 영역의 단면 경계선과, 상기 제 2 리멜팅부의 조직 미세화 영역의 단면 경계선은 전체적으로 W자 형상으로 절곡된 곡선 형상일 수 있다.
한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 가솔린 엔진용 피스톤의 제조 방법은, (a) 알루미늄 성분이 포함된 용탕을 주조하여 피스톤 몸체부를 형성하는 단계; (b) 연소가 이루어지는 상기 피스톤 몸체부의 헤드부 또는 크라운부(상면)의 적어도 일부분에 피스톤 핀축 방향을 따라 길게 여유부가 형성될 수 있도록 상기 피스톤 몸체부를 거칠게 황삭하는 단계; (c) 리멜팅된 조직 미세화 영역이 상기 피스톤 몸체의 중심부는 얕고 그 주변부는 깊어지는 형상을 갖도록 용접 방식을 이용하여 상기 피스톤 몸체의 여유부를 포함하는 인접 부분을 리멜팅하는 단계; 및 (d) 상기 피스톤 몸체부의 헤드부 또는 크라운부(상면)이 최종 형상으로 형성될 수 있도록 상기 여유부를 정밀하게 정삭하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 (c) 단계에서, 상기 용접 방식은, 길이 방향으로 길게 모재 용융선 또는 용접선을 형성할 수 있도록 적어도 TIG 용접법, MIG 용접법, 레이저 용접법 및 이들의 조합들 중 어느 하나 이상을 선택하여 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 (c) 단계는, (c-1) 상기 피스톤 핀축 방향을 기준으로 일측에 제 1 깊이로 제 1 리멜팅부를 형성하는 단계; 및 (c-2) 상기 피스톤 핀축 방향을 기준으로 타측에 제 2 깊이로 제 2 리멜팅부를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 (c-1) 단계에서, 용접 헤드 또는 레이저 헤드는 적어도 제 1 용접 속도, 제 1 용접 파워, 제 1 근접 거리 및 이들의 조합들 중 어느 하나 이상을 선택하여 상기 제 1 깊이로 상기 제 1 리멜팅부를 형성하고, 상기 (c-2) 단계에서, 용접 헤드 또는 레이저 헤드는 적어도 제 2 용접 속도, 제 2 용접 파워, 제 2 근접 거리 및 이들의 조합들 중 어느 하나 이상을 선택하여 상기 제 2 깊이로 상기 제 2 리멜팅부를 형성할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 크라운부의 응력 집중 영역을 리멜팅하여 주조 이후 비교적 크게 형성된 주조 조직 보다 더 미세하고 치밀한 미세 조직을 형성함으로써 크랙의 발생을 방지할 수 있고, 응력 집중 영역의 깊이에 따라 최적의 프로파일이 형성될 수 있도록 리멜팅 이전에 여유부가 형성되도록 황삭을 수행하고, 리멜팅 이후에 정삭을 할 수 있게 하여 최적 형상의 리멜팅부를 형성할 수 있는 효과를 갖는 것이다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤의 II-II 절단면을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1의 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일부 다른 실시예들에 따른 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤을 나타내는 단면도이다.
도 5는 도 1의 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤을 나타내는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 가솔린 엔진용 피스톤의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 도 6의 가솔린 엔진용 피스톤의 제조 방법의 (c) 단계를 보다 상세하게 나타내는 순서도이다.
도 8은 도 7의 가솔린 엔진용 피스톤의 제조 방법의 (c-1) 단계를 나타내는 단면도이다.
도 9는 도 7의 가솔린 엔진용 피스톤의 제조 방법의 (c-2) 단계를 나타내는 단면도이다.
도 10 내지 도 20은 본 발명의 여러 실시예들에 따른 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤 및 가솔린 엔진용 피스톤의 제조 방법에 따른 실험 결과를 나타내는 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤 및 이의 제조 방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤(100)을 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤(100)의 II-II 절단면을 나타내는 단면도이고, 도 3은 도 1의 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤(100)의 평면도이다.
먼저, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤(100)은, 알루미늄 주조 방식으로 형성되는 피스톤 몸체부(10) 및 연소가 이루어지는 상기 피스톤 몸체부(10)의 헤드부(11) 또는 크라운부(상면)의 피스톤 핀축 방향을 따라 길게 형성되는 크랙 발생 예상 영역에 적어도 하나 이상 형성되고, 조직의 미세화를 위해 주조후 용접 방식으로 리멜팅되는 리멜팅부(20)를 포함할 수 있다.
더욱 구체적으로 예를 들면, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 리멜팅부(20)는, 기존의 크랙이 발생될 확률이 높은 응력 집중 구간 즉, 피스톤 핀축 방향을 따라 길게 형성되는 것으로서, 전체적으로 타원형 또는 양단부는 둥글고 길이방향으로 길게 단일형으로 형성될 수 있다.
이러한 상기 리멜팅부(20)의 상면은 상기 헤드부(11)의 오목한 곡면을 따라 길게 형성될 수 있고, 이러한 단일형 리멜팅부(20)는 후술될 도 4 및 도 5의 제 1 리멜팅부(21)와 제 2 리멜팅부(22)가 서로 연결된 형태로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 리멜팅된 조직 미세화 영역이 상기 피스톤 몸체부(10)의 중심부는 얕고 그 주변부는 깊어지는 형상을 갖도록 상기 제 1 리멜팅부(21)의 조직 미세화 영역의 단면 경계선과, 상기 제 2 리멜팅부(22)의 조직 미세화 영역의 단면 경계선은 전체적으로 W자 형상으로 절곡된 곡선 형상일 수 있다.
따라서, 이러한 상기 리멜팅부(20)는 리멜팅 과정을 통해 거대한 조직을 미세화함으로써 크랙을 발생시킬 수 있는 조직과 조직 사이의 공간을 줄임으로써 조직을 치밀하게 형성하여 크랙의 발생율을 줄이고, 크랙이 발생되더라도 크랙의 전파를 방지하여 내구성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일부 다른 실시예들에 따른 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤(200)을 나타내는 단면도이고, 도 5는 도 1의 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤(200)을 나타내는 평면도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 다른 실시예들에 따른 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤(200)의 리멜팅부(20)는, 상기 피스톤 핀축 방향을 기준으로 일측에 설치되고, 리멜팅된 영역이 제 1 깊이(D1)로 형성되는 제 1 리멜팅부(21) 및 상기 피스톤 핀축 방향을 기준으로 타측에 설치되고, 리멜팅된 영역이 제 2 깊이(D2)로 형성되는 제 2 리멜팅부(22)를 포함할 수 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 리멜팅부(21)와 상기 제 2 리멜팅부(22)는 제 1 거리(L1)만큼 서로 이격되는 이격부(S)가 형성될 수 있다.
더욱 구체적으로 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 이격부(S)는, 적어도 일부분이 상기 피스톤 핀을 일단을 지지하는 제 1 피스톤 핀 보스(B1)와 상기 피스톤 핀의 타단을 지지하는 제 2 피스톤 핀 보스(B2) 사이에 형성된 커넥팅로드 수용홈(H)의 상방에 설치될 수 있다.
따라서, 구조적으로 상기 리멜팅부(20)는 상기 제 1 피스톤 핀 보스(B1)와 상기 제 2 피스톤 핀 보스(B2) 및 상기 커넥팅로드 수용홈(H)의 영역까지는 도달되지 않기 때문에 이들의 기계적인 특성을 해치지 않는 범위 내에서 크랙의 발생 또는 전파만을 억제할 수 있고, 특히, 상기 리멜팅부(20)는 상기 제 1 피스톤 핀 보스(B1)와 상기 제 2 피스톤 핀 보스(B2) 및 상기 커넥팅로드 수용홈(H)의 형상을 능동적으로 고려하여 최적의 깊이로 형성될 수 있다.
즉, 상기 제 1 깊이(D1) 및 상기 제 2 깊이(D2)는, 상기 헤드부(11)의 두께(T) 보다 작고, 상기 제 1 깊이(D1)는 상기 제 2 깊이(D2) 이상일 수 있다.
그러므로, 헤드부, 즉 크라운부의 응력 집중 영역을 리멜팅하여 주조 이후 비교적 크게 형성된 주조 조직 보다 더 미세하고 치밀한 미세 조직을 형성함으로써 크랙의 발생을 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 가솔린 엔진용 피스톤의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 가솔린 엔진용 피스톤의 제조 방법은, (a) 알루미늄 성분이 포함된 용탕을 주조하여 피스톤 몸체부(10)를 형성하는 단계와, (b) 연소가 이루어지는 상기 피스톤 몸체부(10)의 헤드부(11) 또는 크라운부(상면)의 적어도 일부분에 피스톤 핀축 방향을 따라 길게 여유부가 형성될 수 있도록 상기 피스톤 몸체부(10)를 거칠게 황삭하는 단계와, (c) 리멜팅된 조직 미세화 영역이 상기 피스톤 몸체부(10)의 중심부는 얕고 그 주변부는 깊어지는 형상을 갖도록 용접 방식을 이용하여 상기 피스톤 몸체부(10)의 여유부를 포함하는 인접 부분을 리멜팅하는 단계 및 (d) 상기 피스톤 몸체부(10)의 헤드부(11) 또는 크라운부(상면)이 최종 형상으로 형성될 수 있도록 상기 여유부를 정밀하게 정삭하는 단계를 포함할 수 있다.
따라서, 응력 집중 영역의 깊이에 따라 최적의 프로파일이 형성될 수 있도록 리멜팅 이전에 여유부가 형성되도록 황삭을 수행하고, 리멜팅 이후에 정삭을 할 수 있게 하여 최적 형상의 상기 리멜팅부(20)를 형성할 수 있다.
여기서, 상기 (c) 단계에서, 상기 용접 방식은, 길이 방향으로 길게 모재 용융선 또는 용접선을 형성할 수 있도록 적어도 TIG 용접법, MIG 용접법, 레이저 용접법 및 이들의 조합들 중 어느 하나 이상을 선택하여 이루어질 수 있다.
여기서, TIG 용접 방식이란, 아크 용접 방식의 일종으로써 주변에 불활성 가스 환경 하에서 텅스텐 용접 전극봉을 진행 방향으로 진행시키면서 아크를 발생시켜서 모재를 녹이는 용접 방식이다.
여기서, 예컨대, 리멜팅부의 깊이나 넓이나 폭 등의 프로파일을 위해서, 전기적인 제어나, 전극봉의 이동 속도 제어나, 전극봉의 높이나, 전극봉의 개수 등을 이용하여 정밀하게 제어할 수 있다. 또한, 용접봉의 선단 형상을 리멜팅에 맞추어서 둥글거나 경사지게 형성되는 등 매우 다양한 형상으로 형성할 수 있다.
또한, 리멜팅 이전에 여유부에 대한 형상은 예컨대, 피스톤 크라운부의 중심부는 높고, 테두리부는 낮게 형성되도록 황삭되는 등 매우 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
이러한, 본 발명의 리멜팅부 형성 방법은 이러한 TIG 용접에만 국한되지 않는 것으로서, 이외에도 다양한 형태의 모든 용접 방식이 적용될 수 있다.
도 7은 도 6의 가솔린 엔진용 피스톤(100)(200)의 제조 방법의 (c) 단계를 보다 상세하게 나타내는 순서도이고, 도 8은 도 7의 가솔린 엔진용 피스톤(100)(200)의 제조 방법의 (c-1) 단계를 나타내는 단면도이고, 도 9는 도 7의 가솔린 엔진용 피스톤(100)(200)의 제조 방법의 (c-2) 단계를 나타내는 단면도이다.
도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 가솔린 엔진용 피스톤의 제조 방법의 (c) 단계는, (c-1) 상기 피스톤 핀축 방향을 기준으로 일측에 제 1 깊이(D1)로 제 1 리멜팅부(21)를 형성하는 단계 및 (c-2) 상기 피스톤 핀축 방향을 기준으로 타측에 제 2 깊이(D2)로 제 2 리멜팅부(22)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
더욱 구체적으로 예를 들면, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 (c-1) 단계에서, 용접 헤드(WH) 또는 레이저 헤드는 적어도 제 1 용접 속도(V1), 제 1 용접 파워(P1), 제 1 근접 거리(H1) 및 이들의 조합들 중 어느 하나 이상을 선택하여 상기 제 1 깊이(D1)로 상기 제 1 리멜팅부(21)를 형성할 수 있다.
이어서, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 (c-2) 단계에서, 용접 헤드(WH) 또는 레이저 헤드는 적어도 제 2 용접 속도(V2), 제 2 용접 파워(P2), 제 2 근접 거리(H2) 및 이들의 조합들 중 어느 하나 이상을 선택하여 상기 제 2 깊이(D2)로 상기 제 2 리멜팅부(22)를 형성할 수 있다.
따라서, 이러한 상기 용접 헤드(WH) 또는 레이저 헤드의 용접 속도, 용접 파워, 근접 거리 등을 조절하여 원하는 프로파일로 리멜팅부의 형상을 피스톤의 스팩이나, 사용 환경이나, 가공 조건 등을 고려하여 매우 정밀하게 형성할 수 있다.
아울러, 도면에서는 용접봉이 없는 상태를 예시하였으나, 용접봉이 있는 경우도 가능하다.
도 10 내지 도 20은 본 발명의 여러 실시예들에 따른 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤 및 가솔린 엔진용 피스톤의 제조 방법에 따른 실험 결과를 나타내는 도면들이다.
더욱 구체적으로 예를 들면, 도 10에 도시된 바와 같이, 피스톤의 크라운부에서 기존의 크랙이 시작되는 지점과 크랙이 진행되는 방향이 노란색 화살표로 표시되어 있다. 그 아래 도면에서는 응력이 특히 집중되는 부분이 피스톤 핀축의 방향과 대응되도록 장방향으로 길게 형성되는 것을 알 수 있다.
도 11은 도 10에 도시된 형태로 리멜팅 공정이 진행된 피스톤 샘플 및 단면관찰결과를 보였다. 연소실 황삭 절단 형상은 용접 넓이가 8mm, 용접 깊이가 2mm의 경우, 미세조직이 양호하고 예열 및 리멜팅후 정삭 가공 여유가 있는 것으로 확인되었다.
도 12는 도 11의 리멜팅 경계역역에 대한 미세조직 분석결과이다. 1번 영역이 경우 주조조직을 관찰한 결과이며, 2번 영역의 경우 리멜팅 영역을 관찰한 결과이다. 리멜팅 영역의 경우 초정 Si 크기가 현저히 작아진 것을 확인할 수 있다. 이러한 미세한 초정 Si 크기는 엔진 구동시 발생하는 열응력을 감소시켜서 피스톤의 내구성을 향상시키는 역할을 할 수 있다.
도 13은 주조조직과 리멜팅 조직을 갖는 피스톤 소재의 인장 및 항복강도를 측정한 결과이다. 인장 및 항복강도 모두 주조조직에 비해 우수한 값을 보임을 확인할 수 있었다.
도 14는 주조 조직과 리멜팅 조직을 갖는 피스톤 소재의 피로강도를 측정한 결과이다. 변형율 제어방식을 저주기 피로시험을 수행한 결과 리멜팅 조직을 갖는 시편의 경우가 주조조직을 갖는 시편에 비해 10배 이상의 수명을 보임을 확인할 수 있었다.
도 15는 리멜팅 영역, 즉 refinig부에 대한 위치와 응력을 계산한 전산모사 결과이다. 피스톤 형태와 관계없이 리멜팅 전 보다 리멜팅 후의 안전율이 상승함을 확인할 수 있다. 따라서, 가솔린 피스톤 헤드부이 리멜팅을 통해 피스톤의 내구수명 향상이 가능함을 확인할 수 있었다.
또한, 도 16에 도시된 바와 같이, 가솔린 피스톤인 경우, 미세화 영역, 즉 리멜팅 영역을 황삭면 기준 및 정삭면 기준으로 비교해 보면, 그 경계선의 깊이 및 높이를 확인할 수 있었다.
또한, 도 17은 리멜팅 전과 리멜팅 후의 특정 피스톤에 대한 실험 결과를 나타내는 도표로서, 리멜팅 후의 라이프타임의 수치가 1.37E+09로써 10의 계수가 8에서 9로 달라질 만큼 크게 향상되는 것을 확인할 수 있다.
도 18은 도 4 및 도 5의 피스톤(200)의 외경에 따른 리멜팅 구간의 범위를 일례를 나타내는 것으로서, 피스톤의 크라운부 가운데를 기준으로 2개의 영역을 리멜팅하는 일례의 응력 분포도이다.
도 19는 도 1 내지 도 3의 피스톤(100)의 외경에 따른 리멜팅 구간의 범위를 일례를 나타내는 것으로서, 피스톤의 크라운부 가운데를 가로지르는 1개의 장방향으로 길게 형성된 영역을 리멜팅하는 다른 일례의 응력 분포도이다.
또한, 도 20은 피스톤의 리멜팅부의 깊이가 최대 5mm 정도인 경우를 나타내는 사진으로써 미세화된 리멜팅 영역은 절단 사진으로도 확인할 수 있었다.
이외에도, 도면에 국한되지 않고 다양한 위치와 형태와 개수의 리멜팅부가 형성되는 것도 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 피스톤 몸체부
11: 헤드부
20: 리멜팅부
21: 제 1 리멜팅부
22: 제 2 리멜팅부
D1: 제 1 깊이
D2: 제 2 깊이
L1: 제 1 거리
S: 이격부
B1: 제 1 피스톤 핀 보스
B2: 제 2 피스톤 핀 보스
H: 수용홈
T: 두께
WH: 용접 헤드
V1: 제 1 용접 속도
V2: 제 2 용접 속도
P1: 제 1 용접 파워
P2: 제 2 용접 파워
H1: 제 1 근접 거리
H2: 제 2 근접 거리
100, 200: 가솔린 엔진용 피스톤

Claims (12)

  1. 알루미늄 주조 방식으로 형성되는 피스톤 몸체부; 및
    연소가 이루어지는 상기 피스톤 몸체부의 헤드부 또는 크라운부(상면)의 피스톤 핀축 방향을 따라 길게 형성되는 크랙 발생 예상 영역에 적어도 하나 이상 형성되고, 조직의 미세화를 위해 주조후 용접 방식으로 리멜팅되는 리멜팅부; 를 포함하고,
    상기 리멜팅부는,
    상기 피스톤 핀축 방향을 기준으로 일측에 설치되고, 리멜팅된 영역이 제 1 깊이로 형성되는 제 1 리멜팅부; 및
    상기 피스톤 핀축 방향을 기준으로 타측에 설치되고, 리멜팅된 영역이 제 2 깊이로 형성되는 제 2 리멜팅부; 를 포함하며,
    상기 제 1 깊이 및 상기 제 2 깊이는, 상기 헤드부의 두께 보다 작고,
    상기 제 1 깊이는 상기 제 2 깊이 이상인,
    피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 리멜팅부는, 전체적으로 타원형 또는 양단부는 둥글고 길이방향으로 길게 단일형으로 형성되는, 가솔린 엔진용 피스톤.
  3. 삭제
  4. 알루미늄 주조 방식으로 형성되는 피스톤 몸체부; 및
    연소가 이루어지는 상기 피스톤 몸체부의 헤드부 또는 크라운부(상면)의 피스톤 핀축 방향을 따라 길게 형성되는 크랙 발생 예상 영역에 적어도 하나 이상 형성되고, 조직의 미세화를 위해 주조후 용접 방식으로 리멜팅되는 리멜팅부; 를 포함하고,
    상기 리멜팅부는,
    상기 피스톤 핀축 방향을 기준으로 일측에 설치되고, 리멜팅된 영역이 제 1 깊이로 형성되는 제 1 리멜팅부; 및
    상기 피스톤 핀축 방향을 기준으로 타측에 설치되고, 리멜팅된 영역이 제 2 깊이로 형성되는 제 2 리멜팅부; 를 포함하며,
    상기 제 1 리멜팅부와 상기 제 2 리멜팅부는 제 1 거리만큼 서로 이격되는 이격부가 형성되는, 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 이격부는,
    적어도 일부분이 상기 피스톤 핀을 일단을 지지하는 제 1 피스톤 핀 보스와 상기 피스톤 핀의 타단을 지지하는 제 2 피스톤 핀 보스 사이에 형성된 커넥팅로드 수용홈의 상방에 설치되는, 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤.
  6. 삭제
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 리멜팅부와 상기 제 2 리멜팅부는 서로 연결되는, 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤.
  8. 제 1 항에 있어서,
    리멜팅된 조직 미세화 영역이 상기 피스톤 몸체의 중심부는 얕고 그 주변부는 깊어지는 형상을 갖도록 상기 제 1 리멜팅부의 조직 미세화 영역의 단면 경계선과, 상기 제 2 리멜팅부의 조직 미세화 영역의 단면 경계선은 전체적으로 W자 형상으로 절곡된 곡선 형상인, 피스톤 헤드부에 리멜팅부를 갖는 가솔린 엔진용 피스톤.
  9. (a) 알루미늄 성분이 포함된 용탕을 주조하여 피스톤 몸체부를 형성하는 단계;
    (b) 연소가 이루어지는 상기 피스톤 몸체부의 헤드부 또는 크라운부(상면)의 적어도 일부분에 피스톤 핀축 방향을 따라 길게 여유부가 형성될 수 있도록 상기 피스톤 몸체부를 거칠게 황삭하는 단계;
    (c) 리멜팅된 조직 미세화 영역이 상기 피스톤 몸체의 중심부는 얕고 그 주변부는 깊어지는 형상을 갖도록 용접 방식을 이용하여 상기 피스톤 몸체의 여유부를 포함하는 인접 부분을 리멜팅하는 단계; 및
    (d) 상기 피스톤 몸체부의 헤드부 또는 크라운부(상면)이 최종 형상으로 형성될 수 있도록 상기 여유부를 정밀하게 정삭하는 단계; 를 포함하고,
    상기 (c) 단계는,
    (c-1) 상기 피스톤 핀축 방향을 기준으로 일측에 제 1 깊이로 제 1 리멜팅부를 형성하는 단계; 및
    (c-2) 상기 피스톤 핀축 방향을 기준으로 타측에 제 2 깊이로 제 2 리멜팅부를 형성하는 단계; 를 포함하고,
    상기 제 1 깊이 및 상기 제 2 깊이는, 상기 헤드부의 두께 보다 작고,
    상기 제 1 깊이는 상기 제 2 깊이 이상인,
    가솔린 엔진용 피스톤의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 용접 방식은, 길이 방향으로 길게 모재 용융선 또는 용접선을 형성할 수 있도록 적어도 TIG 용접법, MIG 용접법, 레이저 용접법 및 이들의 조합들 중 어느 하나 이상을 선택하여 이루어지는, 가솔린 엔진용 피스톤의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 (c-1) 단계에서, 용접 헤드 또는 레이저 헤드는 적어도 제 1 용접 속도, 제 1 용접 파워, 제 1 근접 거리 및 이들의 조합들 중 어느 하나 이상을 선택하여 상기 제 1 깊이로 상기 제 1 리멜팅부를 형성하고,
    상기 (c-2) 단계에서, 용접 헤드 또는 레이저 헤드는 적어도 제 2 용접 속도, 제 2 용접 파워, 제 2 근접 거리 및 이들의 조합들 중 어느 하나 이상을 선택하여 상기 제 2 깊이로 상기 제 2 리멜팅부를 형성하는, 가솔린 엔진용 피스톤의 제조 방법.
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