KR20060029610A - 실린더 라이너, 그 제조 방법 및 복합부품 - Google Patents

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다임러크라이슬러 아크티엔게젤샤프트
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Abstract

본원 발명은 내연 엔진의 엔진 유닛용 회주철, 알루미늄 또는 세라믹 재료로 제조된 실린더 라이너에 관련된다. 본원 발명의 실린더 라이너는 이들의 마모가능한 면위에 열-주입된 저합금된 철 층 또는 80-95 중량%의 니켈 및 5-20 중량%의 알루미늄을 함유하는 니켈-알루미늄 합금으로 제조된 접착층 및 접착층 위에 배치된 마모된 표면-접촉층을 포함한다. 상기 발명은 또한 상기 실린더 라이너 그리고 내연 엔진용 엔진 유닛과 하나 이상의 본원 발명의 라이너로 구성되는 복합 구성요소를 제조하는 방법에도 관련된다. 본원 발명은 마모된 실린더를 위한 라이너를 새로운 피스톤을 조정하지 않고 저가(low-cost)로 보수할 수 있게 한다.

Description

실린더 라이너, 그 제조 방법 및 복합부품{CYLINDER LINER, METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF AND A COMBINED}
본원 발명은 청구항 1항에 따른 크랭크케이스를 위한 라이너 및 청구항 18 및 20항에 따른 라이너의 제조 방법에 관련된다.
일반적인 유형의 라이너는 공지이다. 라이너는 내연기관의 크랭크케이스 안의 실린더 보어(cylinder bores)안에 위치되며, 실린더 보어 안에 수용되는 피스톤에 적합한 마찰 작업 표면(tribological running surface)을 제공하는데 사용된다. 일반적으로 알루미늄 재료로 제조된 캐스트-인(cast-in) 라이너를 가지는 경-금속 다이-캐스트(light-metal die-cast) 크랭크케이스가 사용된다. 또한 라이너는 회주철(gray cast iron) 또는 세라믹 재료로 제조될 수 있으며, 또한 특히 회주철 하우징(housing)에서 주조되기 보다는 압축될 수 있다.
이러한 유형의 라이너 및 이들의 마찰 작업 표면은 시간이 지남에 따라 사용의 결과로서 마모되게 된다. 일단 결정된 마모율이 존재한다면, 라이너는 보수(repair)되어야 한다. 보수를 위하여, 마모된 라이너를 정해진 규격(예를 들면, 0.3 mm)으로 바꾸고, 호닝(honing)시킨 후 언커버(uncovered)시킨다. 이것은 새로운 마찰 작업 표면을 생성한다. 다음으로, 링(ring)을 가진 새로운 피스톤을 새로 운 라이너의 직경으로 개조한다. 이러한 피스톤은 개별적으로 제조되기 때문에, 계열-생산(series-produced) 피스톤보다 약 3 내지 4배 더 비싸다.
US 제 5,873,163 A호는 라이너의 부식된 표면 구역을 마모시키고, 이후 링을 끼워 맞춤으로써 라이너의 부식된 표면 구역을 보수하는 공정을 개시하였다. 링은 혐기성 결합 물질을 사용하여 연마 표면에 고정된다. 이것은 전체 라이너를 교체하여야 하는 것을 피한다. 이러한 공정은 라이너의 작업 표면을 완전히 교체하도록 하지는 않기 때문에, 현 문제점에 대한 해결책을 제공하지 않는다.
US 제 4,918,805 A호는 디젤 엔진용 실린더 헤드를 보수하기 위한 용접 공정을 기술하는데, 여기서 실린더 헤드에 있는 균열(crack)들은 다양한 금속 합금을 사용하여 용접된다. 그러나 용접 공정은 마찰 작업 표면을 보수하기에는 부적절한데, 왜냐하면 용접 공정은 원하는 마찰 또는 작업 성질을 달성하는데 사용될 수 없기 때문이다.
DE 28 41 446 C2는 금속 부품(metal part) 및 경금속 주조층으로부터 복합체를 제조하는 공정을 기술하였는데, 여기서 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 중간층(interlayer)이 고온 분사에 의하여 금속 부분에 처리되고, 이후 알루미늄 합금의 주조층이 주조된다.
DE 38 16 348 A1은 금속-복합 주조 작업피스의 제조 공정을 기술하는데, 여기서 코팅될 작업피스의 표면은 거칠게되고, 커플링 층(coupling layer), 예를 들어 니켈-기초 합금과 같은 저-용융 금속 합금의 형태로 제공된다. 이후 작업피스는 커플링 층의 유동 온도로 가열되고, 주조함에 의하여 둘러싸여진다.
그러므로 본원 발명의 목적은 라이너 및 라이너의 마찰 작업 표면의 간단하고 값싼, 상기 기술된 유형의 보수 방법을 제공하는 것이다. 해결책은 제 1항의 특징을 가지는 라이너, 제 10항의 특징을 가지는 복합 부품 및 제 18항 및 제 20항의 특징을 가지는 방법으로 이루어진다.
그러므로 본원 발명에 따르면, 실린더 라이너의 마모된 작업 표면위에 열적으로 분사된 하나 이상의 층을 가지는 실린더 라이너가 제공된다. 본원 발명의 놀라운 이점은 상이한 재료, 즉 회주철, 알루미늄 재료 또는 세라믹 재료로 제조된 실린더 라이너를 동일한 방법으로 보수 또는 개선할 수 있다는 점이다. 마찰 성질을 가지는, 적어도 상부의 언커버된 층을 가진 하나 이상의 열적 분사층(thermally sprayed layer)의 직접 적용은 실리더 라이너의 내부 직경을 (링을 가진) 계열-생산 피스톤의 크기로 다시 개조가능하게 한다. 그러므로 본원 발명은 개조되어야 하는 (고리를 가진) 새로운 피스톤이 없는 마모된 작업 표면의 효과적이고 값싼 보수를 가능하게 한다. 이는 비용을 최적으로 3 내지 4 요소(factor)만큼 감소시킨다.
유리한 세부사항들은 종속항에서 나타날 것이다.
본원 발명의 두 가지 특히 바람직한 변형 중 하나는 마모된 작업 표면위에 열적으로 분사된 하나의 열적 분사층, 즉, 저-합금 Fe-기초 합금, 바람직하게는 저-합금 Fe-C 합금층을 간단하게 제공한다. 놀랍게도, 이러한 합금은 임의의 재료로 제조된 실린더 작업 피스톤 및 작업 표면에 적합하며, 마모된 작업 표면에 대한 적합한 결합 성질을 가진다.
이러한 유형의 합금은 바람직하게는 아크 와이어 분사(arc wire spraying)를 사용하여 처리되며, 이 경우 각 합금으로 제조된 하나 또는 두 개의 와이어가 분사 재료로 사용될 수 있다. 이러한 층은 마찰 성질을 가지며, 연마될 수 있고, 만약 적절하다면, 새로운 작업 표면을 형성하기 위하여 통상의 방법으로 언커버된다. 후속 처리하는 동안, 이러한 새로운 작업 표면으로 제공된 실린더 라이너의 내부 직경은 (링을 가진) 계열-생산 피스톤의 직경으로 다시 맞출 수 있다. 그러므로 새롭게 처리된 층의 두께는 필요한 내부 직경의 개조 정도에 따라 다르다.
본원 발명의 특히 바람직한 두번째 변형은 마찰 작업 표면으로 기능하고 이후 결합 층에 처리되는 새로운 층을 가지는, 마모된 작업 표면위에 알루미늄 5 내지 20 중량% 및 니켈 80 내지 95 중량%로 구성된 니켈-알루미늄 합금으로 구성되는 결합층을 가지도록 하는 실린더 라이너를 제공한다. 이러한 경우에서, 니켈-알루미늄 합금의 조성물이 또한 실린더 라이너 또는 마모된 작업 표면의 재료와 새롭게 처리된 층의 재료 사이에 균일한 품질의 견고한 결합을 확보하게 한다는 것이 당해 분야의 당업자에게는 놀라운 일이다. 더욱이 결합 구역에서는 틈 또는 균열이 전혀 존재하지 않는다.
특히 결합층은 50 내지 200 ㎛, 바람직하게는 100 ㎛ 두께이며, 바람직하게는 플라즈마 분사에 의하여 실린더 라이너의 내부 표면에 처리된다. 플라즈마 분사에 사용하기 위하여, 결합층과 동일한 재료, 즉, 니켈 80 내지 95 중량% 및 알루미늄 5 내지 20 중량%으로 이루어진 니켈-알루미늄 합금의 분말이 바람직하다.
마찰 작업 표면으로 기능하는 새로운 층은 바람직하게는 실린더 라이너 또는 낡고 마모된 작업 표면과 동일한 재료로 구성된다. 그러므로 피스톤을 새로운 작업 표면 재료로 개조할 필요가 없으며, 엔진의 이전의 작업 성질이 복구될 수 있다.
두가지 바람직한 변형에 대하여, 실린더 라이너는 본래 공지된 방식으로 회주철 또는 알루미늄 재료, 바람직하게는 예를 들면, 상표명 Silitec 5, Alusil 등으로 공지된 Si-과공정(hypereutectic) Al-Si 합금으로 제조될 수 있다. 또한 실린더 라이너는 예를 들면, 산화물 세라믹스, 세라믹-금속 복합재, 실리콘 카바이드 세라믹스 또는 섬유-보강된 SiC/SiC 또는 C/SiC 세라믹과 같은 세라믹 재료로 제조될 수 있다.
어떠한 경우에서든, 제 1 열적 분사층의 처리 전에, 마모된 작업 표면과 제 1 열적 분사층 사이의 결합을 더욱 개선하기 위하여, 마모된 작업 표면을 예를 들어 고압 워터 블라스팅(high-pressure water blasting) 또는 강옥 블라스팅(corundum blasting)에 의하여 예비처리, 특히 거칠게 하는 것이 유리하다.
본원 발명의 대표적인 실시예는 다음의 내용에서 보다 상세히 설명된다.
본원 발명에 의한 방법은 이미 상기 설명한 바와 같이, 매우 광범위한 재료로 제조된 라이너를 처리하는데 사용될 수 있다. 예로서, DE 197 17 825 A1은 작업 표면으로서 기초 재료안에 안전하게 고정되고 그 구조면에서 균질한 알루미늄 니트라이드 층을 가진 알루미늄-기초 합금[공정(eutectic)에 가까운 합금으로서 AlSi8Cu, AlSi9Cu, AlSi10Cu과 같은]으로 제조된 크랭크케이스를 기술한다.
더욱이 DE 44 38 550 A1은 단단한 입자 형태에서 미세한 1차 실리콘 결정 및 층간금속성 상을 포함하는 과공정 알루미늄-실리콘 합금으로 제조된 실린더 라이너를 개시하였다. 이러한 유형의 재료는 제 1 단계에서 정밀-보링(precision-boring)을 수행함으로써 표면-가공된다. 이후, 표면은 호닝(honing)에 의하여 매끄러워진다. 일련의 제조에서, 이것은 거친 호닝 및 마무리 호닝으로 공지된 둘 이상의 작업 단계에서 일어난다. 최종 단계에서, 합금안에 함유되고 실제적인 작업 표면을 형성하는 실리콘 입자는 산 수용액의 도움으로 에칭된 알루미늄에 의하여 언커버된다.
독일 특허 출원 DE 197 33 204 A1 및 DE 197 33 205 A1은 알루미늄 고용체, 공정 실리콘의 매우 미세한 그물구조로의 조대 결정(coarse), 실리콘 침전 또는 입자, 층간금속성 상 및 극도로 곱게 분산된 산화물로 구성된 혼성층(heterogeneous layer)에 의하여 구분되는 과공정 알루미늄-실리콘 합금 또는 알루미늄-실리콘 복합재료의 열적 분사된 코팅을 개시하였다. 이러한 코팅은 특징적인 1차 알루미늄 고용체 수지상 결정(dendrites), 공정 실리콘에 의하여 넣어지는 수지상 가지(dendrite arms)를 가진다. 이러한 유형의 코팅에 두루 존재하는 박절편은 특징적인 스폰지-유사 외관을 드러낸다. 1차 실리콘 침전 및 실리콘 입자는 오직 적은 비율로만 존재하며, 이들은 오직 작은 직경을 가진다. 이러한 층들을 표면-가공하는 동안, 표면에 존재하는 수지상 가지는 부분적으로 연마되어, 후속적인 언커버링 단계 동안, 알루미늄이 에칭되어 실제적인 작업 표면을 형성하는 알루미늄-없는 실리콘 골격이 남는다.
실리콘 23 내지 40 중량%, 바람직하게는 25 중량%, 지르코늄 최고 0.6 중량 %, 철 0.25 중량%, 및 각각의 경우에서 망간, 구리, 니켈 및 아연, 잔여 알루미늄 0.01 중량%을 포함하는 재료로 만들어진 마모된 라이너는 예를 들어 샌드블라스팅에 의하여 세척되며, 만약 적절하다면 마모된 마찰 작업 표면의 예비 처리를 위하여 예를 들어, 고압 워터 블라스팅 또는 강옥 브라스팅에 의하여 거칠게 된다.
이러한 방식으로 예비처리된 표면은 니켈 80-95 중량%, 알루미늄 20-5 중량%로 구성된 결합층 재료의 결합층이 제공된다. 결합층 재료는 분말형태의 합금형태이며, DE 195 08 687 C2에 기술된 바와 같이, 본래 공지된 플라즈마 분사 공정을 사용하여 처리된다. 결합층의 두께는 거칠기 및 함몰을 모두 포함하는 마모된 작업 표면이 결합층에 의하여 완전히 커버되도록 한다. 가장 얇은 지점에서, 결합층의 두께는 대략 0.05 내지 0.1 mm이 되어야 한다.
라이너를 형성하는 재료와 동일한 재료의 새로운 마모층이 결합층에 처리된다. 이 경우에서도 역시, 이러한 처리는 DE 197 33 204 A1 및 DE 197 33 205 A1에 기술된 바와 같이, 플라즈마 분사 공정에 의하여 영향을 받는다. 이 새로운 층은 다시 보수된 라이너를 위한 작업 표면으로 기능한다. 기본 후속 공정(호닝, 언커버링)을 하는 동안 마모층의 두께는 (링을 가진) 계열-생산 피스톤이 라이너의 직경에 맞추어질 수 있도록 하기 위하여 라이너의 최초 직경이 복구되도록 한다.
고화(solidify)되기 전에, 결합층은 두개의 층이 서로 약 0.01 내지 0.1 mm 의 깊이로 관통하면서 라이너의 마모된 표면에 결합한다. 처리될 결합층과 새로운 마찰층 사이의 결합에도 동일하게 적용한다.
Silitec 5 재료로 제조된, 140 mm의 높이와 93 mm 의 직경을 가진 마모된 실 린더 라이너는 유사한 방식으로 처리되었다. 우선, 마모된 마찰 작업 표면을 샌드블라스팅으로 세척하고, 이후 플라즈마 분사 공정에 의하여 니켈 95 중량%와 알루미늄 5 중량%로 이루어진 100 ㎛ 두께의 결합층으로 커버시켰다. 그 후, 유사한 플라즈마 분사 공정을 사용하여 결합층을 마찰 작업 표면으로서 기능하는 Silitec 5의 새로운 층으로 커버하였다. 이후 이러한 층을 호닝시키고, 실린더 라이너의 내부 직경을 원하는 (링을 가진) 계열 피스톤의 치수에 맞추면서 일반적인 방법으로 언커버시켰다.
플라즈마 분사 공정에 대한 다른 방법으로서, 불꽃 분사 및 아크 와이어 분사와 같은 다른 열적 분사 공정을 사용할 수도 있다. 열적 분사 공정의 선택은 실린더 라이너 및 결합층의 재료 및 원하는 마이크로구조의 유형에 따라 달라진다.
이러한 기준은 본래 공지된 방식으로 당해 분야의 당업자에 의하여 서로 적절하게 조화될 수 있다.
상기 재료로 제조된 또다른 실린더 라이너는 동일한 방법(세척하고 샌드블라스팅을 사용하여 거칠어짐)으로 예비처리 되었으며, 이후 아크 와이어 분사에 의하여 저합금 Fe-C 합금을 처리하였다. 후속 처리(호닝, 커버링)를 하는 동안, 실리더 라이너의 내부 직경은 사용되는 (링을 가진) 피스톤의 치수에 맞게 개조되었다.
본원 발명은 청구항 1항에 따른 크랭크케이스를 위한 라이너 및 청구항 18 및 20항에 따른 라이너의 제조 방법에 관련된다.

Claims (26)

  1. 실린더 라이너(cylinder liner)가 그 마모된 작업 표면(worn running surface) 위에 하나 이상의 열적 분사층(thermally sprayed layer)을 가지는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진용 엔진 블록을 위한 회주철, 알루미늄 재료 또는 세라믹 재료로 제조된 실린더 라이너.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 실린더 라이너는 그 마모된 작업 표면 위에 저합금(low-alloy) Fe-기초 합금의 열적 분사층을 가지는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 열적 분사층은 저합금 FeC 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너.
  4. 제 2항 또는 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열적 분사층은 아크 와이어 분사(arc wire spraying)에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 실린더 라이너는
    - 상기 마모된 작업 표면 위에 니켈 80 내지 95 중량% 및 알루미늄 5 내지 20 중량%로 이루어진 니켈-알루미늄 합금으로 구성된 열적 분사 결합층을 가지며,
    - 상기 마모된 작업 표면의 결합층 상부에 마찰 작업 표면(tribological running surface)으로 기능하는 열적 분사층을 가지는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 결합층은 50 내지 150 ㎛, 바람직하게는 100 ㎛의 두께인 것을 특징으로 하는 실린더 라이너.
  7. 제 5항 또는 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결합층은 플라즈마 분사(plasma spraying)에 의하여 처리되는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너.
  8. 제 5항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마찰 작업 표면으로 기능하는 층은 실린더 라이너 또는 마모된 작업 표면과 동일한 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너.
  9. 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더 라이너는 Si-과공정(hypereutectic) Al-Si 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너.
  10. 실린더 라이너가 그 마모된 작업 표면 위에 열적 분사층을 가지는 것을 특징으로 하는, 내연 엔진용 엔진 블록 및 회주철, 알루미늄 재료 또는 세라믹 재료로 제조된 하나 이상의 실린더 라이너로 제조된 복합 부품(composite part).
  11. 제 10항에 있어서, 상기 실린더 라이너는 그 마모된 작업 표면위에 저합금 Fe-기초 합금의 열적 분사층을 가지는 것을 특징으로 하는 복합 부품.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 열적 분사층은 저합금 FeC 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 복합 부품.
  13. 제 11항 또는 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열적 분사층은 아크 와이어 분사에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는 복합 부품.
  14. 제 10항에 있어서, 상기 실린더 라이너는
    - 상기 마모된 작업 표면 위에 니켈 80 내지 95 중량% 및 알루미늄 5 내지 20 중량%로 이루어진 니켈-알루미늄 합금으로 구성되는 결합층을 가지며,
    - 상기 마모된 작업 표면의 결합층 상부에 마찰 작업 표면으로서 기능하는 층을 가지는 것을 특징으로 하는 복합 부품.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 결합층은 플라즈마 분사(plasma spraying)에 의하여 하나 이상의 실린더 라이너의 내부 표면에 처리되는 것을 특징으로 하는 복합 부품.
  16. 제 14항 또는 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마찰 작업 표면으로 기능하는 층은 실린더 라이너 또는 마모된 작업 표면과 동일한 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 복합 부품.
  17. 제 14항 내지 16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더 라이너는 Si-과공정 Al-Si 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 복합 부품.
  18. 저합금 Fe-기초 합금층이 아크 와이어 분사에 의하여 실린더 라이너의 마모된 작업 표면에 적용되는 것을 특징으로 하는, 회주철, 알루미늄 재료 또는 세라믹 재료로 제조된 실린더 라이너의 보수(repairing) 방법.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 사용되는 분사 재료는 저합금 FeC 합금인 것을 특징으로 하는 실린더 라이너의 보수 방법.
  20. 다음의 방법 단계들에 의하여 특징되는, 회주철, 알루미늄 재료 또는 세라믹 재료로 제조된 실린더 라이너의 보수 방법:
    - 니켈 80 내지 95 중량% 및 알루미늄 5 내지 20 중량%로 이루어진 니켈-알루미늄 합금의 결합층을 상기 실린더 라이너의 마모된 작업 표면에 적용하는 단계,
    - 마찰 작업 표면으로서 기능하는 층을 적용하는 단계.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 실린더 라이너의 마모된 작업 표면은 결합층의 처리 이전에 예비처리, 특히 세척(clean)되는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너의 보수 방법.
  22. 제 20항 또는 21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결합층은 50 내지 150 ㎛, 바람직하게는 100 ㎛의 두께로 적용되는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너의 보수 방법.
  23. 제 20항 내지 22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마찰 작업 표면으로 기능하는 층은 실린더 라이너 또는 마모된 작업 표면과 동일한 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너의 보수 방법.
  24. 제 20항 내지 23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더 라이너는 Si-과공정 Al-Si 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너의 보수 방법.
  25. 제 20항 내지 24항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 결합층은 플라즈마 분사 방법에 의하여 처리되는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너의 보수 방법.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 플라즈마 분사에 니켈 80 내지 95 중량% 및 알루미늄 5 내지 20 중량%로 이루어진 니켈-알루미늄 합금 분말을 사용하는 것을 특징으 로 하는 실린더 라이너의 보수 방법.
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