KR20060056703A - 실린더 라이너 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실린더 라이너 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 실린더 라이너는 내관과, 내관 둘레의 외관으로 구비하며, 내관과 외관의 사이에는 실린더 블록의 워터재킷과 연통되는 환형의 냉각수 유로가 형성되어 있다. 그리고 실린더 라이넌의 제조방법은, 내관과 외관을 제조하는 단계와; 외관에 대해 내관이 소정의 죔쇄량이 발생하도록 내관과 외관을 기계 가공하는 단계와; 외관의 내경에 내관을 강제 압입하는 단계와; 서로 결합된 내관과 외관 사이의 틈새에 접합제를 침투시켜 내관과 외관을 접합시키는 단계와; 외관의 외면에 부식방지막을 코팅하는 단계를 구비한다. 이러한 본 발명에 의하면, 주철재 내관과 강재 외관으로 구성됨으로써 고강성을 유지할 수 있다. 특히, 고강도를 유지함으로써, 피스톤과의 마찰접촉에도 변형 및 손상되지 않으며, 고온·고압의 연소가스와의 접촉에도 열변형되지 않는다. 또한, 높은 내식성을 보유함으로써 냉각수에 의한 부식이 방지됨은 물론 엔진 연소 과정 시, 냉각수 기포 붕괴에 의해 충격파가 발생되더라도 미세한 소성변형을 일으키지 않으며, 따라서 캐비테이션 부식을 원천적으로 차단한다. 또한, 냉각수가 유통될 수 있는 냉각수 유로를 구비함으로써 피스톤과의 마찰열 및 고온의 연소가스에 의해 고온으로 가열되더라도 쉽게 냉각되며, 따라서 엔진의 효율도 향상시켜준다.

Description

실린더 라이너 및 그 제조방법{CYLINDER LINER AND METHOD FOR PRODUCING THEREOF}

도 1은 본 발명에 따른 실린더 라이너의 구성을 나타내는 단면도,

도 2는 본 발명의 실린더 라이너가 실린더 블록에 설치된 상태를 나타내는 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 실린더 라이너의 변형예의 구성을 나타내는 단면도,

도 4는 변형예의 실린더 라이너가 실린더 블록에 설치된 상태를 나타내는 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 실린더 라이너의 제조방법을 나타내는 블록도이다.

♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣

1: 피스톤 3: 실린더 블록

5: 워터재킷 10: 실린더 라이너

20: 내관 22: 외경

30: 외관 30a: 부식방지막

32: 내경 32a: 환형의 홈부

34: 냉각수 유로 36: 통로

본 발명은 실린더 라이너 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실린더 라이너의 강성을 크게 증대시킴으로써 피스톤 운동에 의한 변형을 방지하고 냉각수에 대한 내식성을 유지할 수 있도록 한 습식 실린더 라이너 및 그 제조방법에 관한 것이다.

실린더 라이너는 실린더 내에 장입되는 부품으로서, 냉각수에 직접 닿지 않는 건식 실린더 라이너와, 바깥 둘레가 실린더 블록의 유로홈과 함께 워터재킷을 형성함으로써 직접 냉각수와 접촉하는 습식 실린더 라이너로 구분된다.

한편, 습식 실린더 라이너는 내측면으로는 피스톤과 직접적으로 마찰접촉함과 동시에 고온·고압의 연소가스와 접촉하고, 외측면으로는 냉각수와 집적 접촉하는 바, 열응력에 대한 내구성 및 냉각수에 대한 내식성을 동시에 갖추고 있어야 한다.

따라서, 습식 실린더 라이너는, 일반적으로 내구성과 내식성이 우수한 재질, 예를 들면 특수주철로 이루어져 있으며, 그 내면에는 윤활막이 형성되어 피스톤과의 마찰접촉이 원활하게 이루어지도록 구성되어 있다. 이러한 습식 실린더 라이너는 통상적으로 원심주조 방법에 의해 제조된다.

그런데, 이러한 종래의 습식 실린더 라이너(이하, "실린더 라이너"라 약칭함)는, 점차적으로 고출력화, 고성능화되는 엔진의 특성에 대응하여 강도 및 내식성을 증대시키데 어느 정도 한계가 있다는 단점이 있다.

즉, 실린더 라이너를 이루는 주철재는, 탄성계수(약 15000kg/mm²)가 일반 강재의 탄성계수(약 21000kg/mm²)에 비해 약 30%정도 작기 때문에, 동일한 기계적응력 및 열응력에 대하여 탄성변형량이 크게 된다. 따라서, 피스톤과 마찰접촉시의 고열로 인해, 쉽게 변형되어 피스톤헤드와의 사이에 틈새를 발생시키는 문제점이 있다. 이같은 문제점은 엔진효율을 감소시키는 원인이 된다.

또한, 종래의 주철재 실린더 라이너는, 내식성을 어느 정도 갖추고 있기는 하지만, 주조에 의해 제조되는 주물품인 바, 내부에 미세한 수축결함, 즉, 핀홀, 기포 및 화학성분 편석 등이 발생되며, 따라서, 냉각수와의 직접적인 접촉에 의한 응력부식균열의 진행정도가 일반강재보다 빠르게 진행된다는 문제점이 있다.

또한, 종래의 주철재 실린더 라이너는, 충분한 내식성을 갖추고 있지 못하기 때문에, 엔진의 연소 과정 시, 실린더 라이너와 냉각수 사이에 발생되는 기포의 붕괴에 의한 충격파 및 고속의 물분사에 의해 실린더 라이너 외벽에 미세한 소성변형을 일으키며, 따라서 금속의 산화막이 파괴되는 캐비테이션 부식을 발생시키는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 피스톤과의 마찰접촉 및, 고온·고압의 연소가스와의 접촉과, 냉각수와의 접촉에도 변형되거나 손상되거나 부식되지 않도록 내구성과 내식성이 증대된 실린더 라이너 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 내구성과 내식성을 증대시킴으로써 엔진의 고출력화, 고성능화를 실현 가능하게 하는 실린더 라이너 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 실린더 라이너는, 실린더 블록의 실린더 내에 장입되며, 그 바깥 둘레가 상기 실린더 블록의 유로홈과 함께 워터재킷을 형성하는 실린더 라이너에 있어서, 상기 실린더 라이너는 내관과, 상기 내관 둘레의 외관으로 구성되며, 상기 내관과 외관의 사이에는 상기 워터재킷과 연통되는 환형의 냉각수 유로가 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 실린더 라이너의 제조방법은, 실린더 라이너를 제조하는 방법에 있어서, 내관과 외관을 제조하는 단계와; 상기 외관에 대해 상기 내관이 소정의 죔쇄량이 발생하도록 상기 내관과 외관을 기계 가공하는 단계와; 상기 외관의 내경에 상기 내관을 강제 압입하는 단계와; 서로 결합된 상기 내관과 외관 사이의 틈새에 접합제를 침투시켜 상기 내관과 외관을 접합시키는 단계와; 상기 외관의 외면에 부식방지막을 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 실린더 라이너 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 실린더 라이너의 구성을 나타내는 단면도이며, 도 2는 본 발명의 실린더 라이너가 실린더 블록에 설치된 상태를 나타내는 단면도이다. 먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 실린더 라이너(10)는, 내관(20)과, 내관(20) 둘 레의 외관(30)으로 구성된다.

내관(20)은 주철재로 구성된다. 그리고 외관(30)은 강성이 높은 강재로 구성되며, 그 외면둘레에는 부식방지막(30a)이 형성되어 있다. 부식방지막(30a)은 크롬도금층, 무전해 니켈도금층, 알루미늄 도금층, 수지코팅층 중 어느 하나로 구성되며, 냉각수와 접촉시 부식을 방지해 준다. 여기서, 내관(20)은 원심주조 방법에 의해 제조되며, 외관(30)은 압출, 압연, 인발 등의 방법으로 제조된다.

한편, 이러한 내관(20)과 외관(30)은 서로에 대해 억지끼워맞춤 방식에 의해 결합된다. 즉, 내관(20)의 외경(22)과 외관(30)의 내경(32)의 사이즈를 조절하여 소정의 죔새량{내관(20)의 외경(22) 치수보다 외관(30)의 내경(32) 치수가 작은 정도}을 갖게 한 다음, 내관(20)을 액체 질소 속에 침적시켜 외경(22)을 수축시킨 후, 수축된 내관(20)을 외관(30)의 내경(32)에 끼워 조립시킨다. 그리고 내관(20)의 조립이 완료되면, 외관(30)에 끼워져 조립된 내관(20)을 공기중에 노출시켜 확대시킴으로써 상기 내관(20)의 외경(22)으로 하여금 외관(30)을 강하게 가압하면서 상기 외관(30)과 결합되도록 하는 냉간압입 방식이다.

이와 반대로, 외관(30)을 고주파 가열하여 내경(32)을 확대시킨 후, 확대된 내경(32)에 내관(20)을 끼워 조립시키고, 내관(20)이 끼워져 조립된 외관(30)을 서서히 냉각시킴으로써, 외관(30)의 내경(32)으로 하여금 내관(20)을 강하게 조이면서 상기 내관(20)과 결합되도록 하는 열간압입 방식도 있다. 물론, 내관(20)을 냉각시키거나 외관(30)을 가열하지 않고 상온에서 내관(20)과 외관(30)을 직접 결합시키는 상온압입 방식을 사용해도 된다.

이와 같은 구성의 실린더 라이너(10)에 따르면, 내관(20)과 외관(30)으로 구성되어 있되, 그 재질을 각각 주철재와 강재로 구성하여 이중복합구조를 이루게 함으로써 고강성을 유지할 수 있게 한다. 특히, 고강도를 유지할 수 있게 함으로써, 도 2에 도시된 바와 같이 피스톤(1)과의 마찰접촉에 의해 발생되는 기계적 응력 및 고온·고압의 연소가스와의 접촉에 의해 발생되는 열응력에 대한 내구성을 향상시킨다.

또한, 실린더 라이너(10)는, 워터재킷(5)의 냉각수와 직접 접촉하는 외관(30)이, 높은 강성과 내식성을 보유한 강재로 구성됨으로써, 냉각수에 의한 부식을 방지함은 물론 엔진 연소 과정 시, 냉각수 기포 붕괴에 의해 충격파가 발생되더라도 미세한 소성변형을 일으키지 않으며, 따라서 캐비테이션 부식을 원천적으로 차단한다.

다음으로, 도 3과 도 4에는 본 발명에 따른 실린더 라이너의 변형예를 나타내는 도면이 도시되어 있다. 변형예의 실린더 라이너는, 내관(20)과 외관(30)의 사이에 냉각수 유로(34)가 환형의 형태로 형성되는 구성을 갖는다.

냉각수 유로(34)는 적어도 2개 이상의 통로(36)에 의해 실린더 블록(3)의 워터재킷(5)과 연통되도록 구성되며, 워터재킷(5)의 냉각수를 도입하여 고열로 가열된 실린더 라이너(10)를 냉각시키도록 구성된다.

이러한 변형예의 실린더 라이너는, 내관(20)과 외관(30)의 사이에 냉각수가 흐를 수 있는 냉각수 유로(34)를 구비함으로써, 피스톤(1)과의 마찰접촉 및 연소가스로 인해 고열로 가열되더라도 효과적으로 냉각될 수 있게 된다.

한편, 이러한 냉각수 유로(34)는 외관(30)을 제조하는 과정에서, 외관(30)의 내경(32)을 기계 가공하여 환형의 홈부(32a)를 형성함으로써 형성되도록 구성된다.

이하에서는, 이와 같은 구성을 갖는 실린더 라이너의 제조방법을 도 5를 참고로하여 상세하게 살펴본다. 먼저, 본 발명의 제조방법은, 내관(20)과 외관(30)을 제조하는 단계(S101)를 포함한다. 이때, 내관(20)은 주철재를 재료로 원심주조 방법으로 제조하고, 외관(30)은 강재를 재료로 압출, 압연, 인발 중 어느 하나의 방법으로 제조한다.

한편, 내관(20)과 외관(30)의 제조가 완료되면, 내관(20)과 외관(30)의 내, 외면을 기계 가공을 해야 한다(S103). 기계 가공은, 내관(20)과 외관(30)의 내, 외면을 기계 가공하여 내관(20)의 외경(22)보다 외관(30)의 내경(32)을 작게 하는 단계로서, 외관(30)에 대해 내관(20)이 소정의 죔쇄량이 발생토록 하기 위함이다. 즉, 내관(20)과 외관(30)의 내, 외면을 기계 가공하여 내관(20)의 외경(22)보다 외관(30)의 내경(32)을 작게 구성함으로써, 후술하는 바와 같이 내관(20)을 외관(30)에 강제 압입하는 과정에서 상기 내관(20)에 소정의 죔쇄량이 발생토록 하기 위함이다.

한편, 외관(30)을 기계 가공하는 단계(S103)에서, 외관(30)의 내경(32)에 환형의 홈부(32a)를 형성할 수도 있다. 홈부(32a)는 내관(20)과 외관(30)의 결합시, 내관(20)과 외관(30)의 사이에 환형의 냉각수 유로(34)를 형성하게 한다.

다시, 도 5를 참조하면, 내관(20)과 외관(30)의 기계 가공 후, 기계 가공된 외관(30)에 내관(20)을 강제 압입한다(S105). 강제 압입은, 열간압입, 냉간압입, 상온압입 중 어느 하나로 실시한다.

열간압입은 외관(30)을 가열하여 확대시킨 후, 확대된 내경(32)에 내관(20)을 끼워 조립시키고, 내관(20)이 끼워져 조립된 외관(30)을 서서히 냉각시키는 방법으로서, 이때, 외관(30)의 가열온도는 대략, 125℃∼300℃범위의 온도로 가열하며, 고주파에 의한 방법으로 가열한다.

냉간압입은 내관(20)을 냉각시켜 수축시킨 후, 수축된 내관(20)을 외관(30)의 내경(32)에 끼워 조립시키고, 외관(30)에 끼워져 조립된 내관(20)을 공기중에 노출시켜 확대시키는 방법으로서, 이때, 내관(20)의 냉각온도는 -75℃이하의 온도로 냉각시키며, 액체 질소 속에 침적시키는 방법으로 냉각시킨다.

상온압입은 내관(20)을 냉각시키거나 외관(30)을 가열하지 않고 상온에서 내관(20)과 외관(30)을 직접 결합시키는 방법이다. 한편, 상온압입은 내관(20)과 외관(30)과 사이에서 발생한 죔쇄량에 의해 높은 마찰력이 형성되므로, 압입시의 마찰력을 줄일 수 있도록 내관(20)과 외관(30)의 사이에 수지계열 접착제를 도포한다. 수지계열 접착제는 압입시에는 내관(20)과 외관(30) 사이의 마찰력을 저감시켜 주지만, 압입이 완료되면 내관(20)과 외관(30)을 접착시켜주어서 내관(20)과 외관(30)의 접착력을 높여준다.

다시, 도 5를 참조하면, 내관(20)의 강제 압입 후, 서로 결합된 내관(20)과 외관(30)의 틈새에 접합제를 침투시켜 상기 내관(20)과 외관(30)을 접합시킨다(S107). 접합제는 브레이징 합금이나 동용침 분말 중 어느 하나를 사용한다. 여기서, 브레이징 합금이나 동용침 분말은 내관(20)과 외관(30)을 접합하기도 하지만, 주철재 내관(20)과 강재 외관(30)간에 열전달이 용이하게 한다.

그리고 내관(20)과 외관(30)의 접합이 완료되면, 냉각수와 접촉되는 외관(30)의 외면에 부식방지막을 코팅한다(S109). 부식방지막은, 크롬도금층, 무전해 니켈도금층, 알루미늄 도금층, 수지코팅층 중 어느 하나로 구성된다. 여기서, 부식방지막으로서 크롬도금과 무전해 니켈도금을 시행할 경우에는, 대략 0.035㎜이상의 두께로 코팅하는 것이 바람직하다. 그리고 부식방지막으로서 알루미늄 도금을 시행할 경우에는, 용융알루미늄 도금과 알루미늄 메탈라이징 공법을 이용하여 대략 0.02㎜이상의 두께로 코팅하는 것이 바람직하다. 그리고 부식방지막으로서 수지코팅을 시행할 경우에는, 대략 0.05㎜이상의 두께로 코팅하는 것이 바람직하다.

이상에서와 같이 여러 단계를 통하여 제조된 실린더 라이너는 도 1 내지 도 4에서와 같이 주철재 내관(20)과 강재 외관(30)으로 구성하여 이중복합구조를 이루게 되며, 따라서 고강성을 유지할 수 있다. 특히, 고강도를 유지함으로써, 피스톤(1)과의 마찰접촉에도 변형 및 손상되지 않으며, 고온·고압의 연소가스와의 접촉에도 열변형되지 않는다.

또한, 높은 내식성을 보유하면서 동시에 냉각수 유로를 구비함으로써 냉각수에 의한 부식이 방지됨은 물론 엔진 연소 과정 시, 냉각수 기포 붕괴에 의해 충격파가 발생되더라도 미세한 소성변형을 일으키지 않으며, 따라서 캐비테이션 부식을 원천적으로 차단한다.

또한, 냉각수가 유통될 수 있는 냉각수 유로를 구비함으로써 피스톤(1)과의 마찰열 및 고온의 연소가스에 의해 고온으로 가열되더라도 쉽게 냉각되며, 따라서 엔진의 효율도 향상시켜준다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 실린더 라이너 및 그 제조방법은, 주철재 내관과 강재 외관으로 구성함으로써 고강성을 유지할 수 있다. 특히, 고강도를 유지함으로써, 피스톤과의 마찰접촉에도 변형 및 손상되지 않으며, 고온·고압의 연소가스와의 접촉에도 열변형되지 않는다. 또한, 높은 내식성을 보유함으로써 냉각수에 의한 부식이 방지됨은 물론 엔진 연소 과정 시, 냉각수 기포 붕괴에 의해 충격파가 발생되더라도 미세한 소성변형을 일으키지 않으며, 따라서 캐비테이션 부식을 원천적으로 차단한다. 또한, 냉각수가 유통될 수 있는 냉각수 유로를 구비함으로써 피스톤과의 마찰열 및 고온의 연소가스에 의해 고온으로 가열되더라도 쉽게 냉각되며, 따라서 엔진의 효율도 향상시켜준다.

Claims (14)

1. 실린더 블록(3)의 실린더 내에 장입되며, 그 바깥 둘레가 상기 실린더 블록(3)의 유로홈과 함께 워터재킷(5)을 형성하는 실린더 라이너에 있어서,

   상기 실린더 라이너는 내관(20)과, 상기 내관(20) 둘레의 외관(30)으로 구성되며, 상기 내관(20)과 외관(30)의 사이에는 상기 워터재킷(5)과 연통되는 환형의 냉각수 유로(34)가 형성되는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 내관(20)은 주철재 재질로 구성되고, 상기 외관(30)은 강재 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 외관(30)의 외면 둘레에는 부식방지막(30a)이 코팅되어 있으며, 상기 부식방지막(30a)은 크롬도금층, 무전해 니켈도금층, 알루미늄 도금층, 수지코팅층 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너.
4. 실린더 라이너를 제조하는 방법에 있어서,

   내관과 외관을 제조하는 단계와;

   상기 외관에 대해 상기 내관이 소정의 죔쇄량이 발생하도록 상기 내관과 외 관을 기계 가공하는 단계와;

   상기 외관의 내경에 상기 내관을 강제 압입하는 단계와;

   서로 결합된 상기 내관과 외관 사이의 틈새에 접합제를 침투시켜 상기 내관과 외관을 접합시키는 단계와;

   상기 외관의 외면에 부식방지막을 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너 제조방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 강제 압입은, 열간압입, 냉간압입, 상온압입 중 어느 하나의 방법으로 실시하는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너 제조방법.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 열간압입은, 고주파로 상기 외관을 125℃∼300℃범위의 온도로 가열하여 확대시키고, 확대된 상기 외관의 내경에 상기 내관을 압입하는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너 제조방법.
7. 제 5항에 있어서,

   상기 냉간압입은, 액체질소로 상기 내관을 -75℃이하의 온도로 냉각하여 축소시키고, 축소된 상기 내관을 상기 외관의 내경에 압입하는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너 제조방법.
8. 제 5항에 있어서,

   상기 상온압입은, 상기 내관을 상온에서 상기 외관의 내경에 직접 결합시키되, 상기 내관과 외관 사이의 마찰력을 저감시킬 수 있도록 수지계열 접착제를 도포하여 압입하는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너 제조방법.
9. 제 4항에 있어서,

   상기 내관과 외관을 접합시키는 단계에서, 상기 접합제는 브레이징 합금, 동용침 분말 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 실린더 라이너 제조방법.
10. 제 4항에 있어서,

    상기 부식방지막은, 크롬도금층, 무전해 니켈도금층, 알루미늄 도금층, 수지코팅층 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너 제조방법.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 크롬도금층 또는 무전해 니켈도금층은, 0.035㎜이상의 두께로 코팅되는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너 제조방법.
12. 제 10항에 있어서,

    상기 알루미늄 도금층은, 0.02㎜이상의 두께로 코팅되는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너 제조방법.
13. 제 10항에 있어서,

    상기 수지코팅층은, 0.05㎜이상의 두께로 코팅되는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너 제조방법.
14. 제 4항에 있어서,

    상기 외관을 기계 가공하는 단계에서, 상기 외관의 내경에 환형의 홈부를 형성하여 상기 내관과 외관의 사이에 환형의 냉각수 유로가 형성될 수 있게 하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더 라이너 제조방법.

Images