KR20090026273A - 스틸 피스톤용 열 산화 보호면 - Google Patents

스틸 피스톤용 열 산화 보호면 Download PDF

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Abstract

본원발명은 연료분사식 디젤엔진용 피스톤(120)과 상기 피스톤(120)을 만드는 방법에 관한 것으로, 상기 디젤엔진은 피스톤 보울(134)과 림(130)의 영역에서 연료 분사 플룸에 의해 야기된 산화의 영향에 내성이 있어야 한다. 연료 분사 플룸(138)에 의해 부딪치는 피스톤 크라운(126)의 면은 슬러리로써 도포되거나 HVOF나 플라즈마 분사와 같은 열 분사 기술에 의해 먼저 내부식성 및 내산화성 조성물로써 코팅된다. 따라서, 고에너지의 산업용 레이저 빔은 분사된 코팅부의 밀도를 증가시키기 위하여 상기 분사된 코팅부를 조사하는 동시에, 코팅재와 기초를 이루는 스틸 지지층을 용융, 합금 및 재료 접합하기 위하여 그 미세구조를 개질하여, 스틸 피스톤 크라운(126)용의 내구성이 강한 보호식 면을 형성한다.
내연기관, 피스톤 크라운, 피스톤, 코팅재, 다공성, 레이저 빔.

Description

스틸 피스톤용 열 산화 보호면{THERMAL OXIDATION PROTECTIVE SURFACE FOR STEEL PISTONS}
본원발명은 디젤엔진용 피스톤과 상기 피스톤을 만드는 방법에 관한 것으로서, 상기 피스톤, 보다 상세하게는 연료 분사식 디젤엔진에 사용되는 스틸 타입의 피스톤은 열 산화 열화에 대해 특히 내열처리된 크라운을 구비하고 있다.
디젤엔진은 공기가 압축되고 연료가 압축차지(compressed charge)에 분사되고, 자동 가연성 혼합물이 피스톤 상에서 작동하도록 팽창되고 사이클이 완료될 때 부산물이 배출되는 공지된 열역학 사이클로 작동하는 왕복운동식 피스톤 엔진이다. 디젤 트럭에 사용되는 것과 같은 대형의 스틸 피스톤의 경우에, 연소과정 동안에 연료를 분사하기 위하여 다중 오리피스 노즐을 사용하는 것이 일반적이다. 다중 오리피스를 구비한 노즐은 피스톤 크라운의 상부 중앙에 가능한 위치되고 연료를 반경방향의 분사 패턴으로 배출한다. 피스톤 크라운에서 오목한 보울은 공기-연료 혼합물이 분사 스프레이로부터 형성되는 것을 보장하도록 설계되며 분사시 회전하는 공기는 최적의 성능을 위해 연소실을 완전하게 채우게 된다. 만약 공기-연료 혼합물이 피스톤 크라운에 있는 보울을 완전하게 채우게 되면, 공기 순환과 출력치에 해가 된다. 이 결과, 실질적으로 공해방지 배출 특성(anti-polluting emission characteristics)이 감소될 것이다. 이와 같이, 오버랩이 있고 혼합물이 각각 분사되는 공간 사이를 넘어서 퍼지면, 이 결과 과도한 국부 연료 농도가 엔진의 공해방지 배출 특성을 다시 감소시키는 매연 형성의 증가와 공기 부족을 초래할 것이다.
이러한 타이밍 문제점외에도, 피스톤 설계시 공해방지 배출 특성에 해가 되는 또 다른 문제점이 야기된다. 디젤 엔진에 분사된 연료가 동시에 점화되기 때문에, 높은 세탄가의 연료가 필요하게 된다. 연소하고 있는 연료 플룸(plumes)은 강렬한 열을 생성한다. 스틸 피스톤의 크라운에 형성된 보울은 상기 보울과 피스톤 크라운의 평평한 최상부 림 사이의 립형상 경계면과 같은, 연소 보울의 최상부 에지에서 및/또는 이에 매우 근접한 구역에서 전형적으로 산화가 발생한다. 이 결과 다중 오리피스 노즐로부터 퍼지며 복수의 반경방향으로 뻗어가는 토치가 발생한다.
이러한 토치 효과는 스틸이 Fe2O3가 되도록 산화시키고 나머지 산화물은 기초를 이루고 영향을 받지 않는 스틸 지지층(substrate)에 부착되지 않는다. 기계적인 팽창/수축 공정은 이렇게 산화된 층을 "플레이킹(flaking)" 방식으로 결국 제거시킨다. 보울 립 형상의 이러한 변화는 연소 과정 동안에 방해가 되고 피스톤 크라운의 연소 보울로 설계된 공해방지 배출 특성에 해가 된다. 게다가, 부식된 영역은 피스톤을 구조적으로 약화시킨다. 피스톤 굽힘, 팽창 및 수축은 반경방향 크랙을 야기하여 촉진시키고 결국에는 피스톤의 기능 고장을 일으킬 수 있다.
연소하는 연료에 의해 배출되는 과도한 열이 초래하는 보울 립 산화의 문제 점을 해결하기 위하여 여러 시도가 제안되었다. 예를 들면, 이러한 시도는 산화와 부식을 방지하도록 설계된 특히 정식화된 합금으로부터 피스톤 크라운 전체가 제조되는 것이다. 그러나, 트럭에 사용하기 위한 큰 직경의 피스톤용 피스톤 크라운은 상당량의 재료를 필요로 한다. 이렇게 특히 정식화된 합금은 디젤 피스톤의 비용을 상당히 증가시키게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 종래기술의 다른 시도가 1998년 9월 28일 Hoeg에게 허여된 미국특허문헌 제5,958,332호에 개시되어 있다. 이러한 실시예에 있어서, 고온의 내부식성 합금으로 제조된 특정 플레이트가 피스톤이나 다른 엔진 부품의 중요 부분에 용접된다. 그러나, 특별한 합금 플레이트의 루스피스(loose-piece) 제조는 피스톤 조립체의 비용이 증가할 뿐만 아니라 제조 공정에 수많은 처리 및 조립 단계를 부가한다. 예를 들어, 이러한 것은 환형의 내고온성 스틸이나 세라믹 기반의 재료를 연소 보울로 수축끼워맞춤(shrink-fit)하는 것이다. 그러나, 이를 적용하기 전에 동일한 제약이 있게 된다. 따라서, 산화를 초래하는 저가의 스틸 피스톤의 피스톤 크라운 부식의 문제점과 연소 보울 립에 매우 근접하여 디젤 엔진에 연소에 의해 배출된 상당한 열의 문제점을 해결하는 것이 장기간의 지금까지의 염원이었다. 상업적으로 실용적인 해결책은 총 생산 비용 또는 제조 비용을 증가시키지 않으면서 반드시 간편하게 이행되어야 하는 것인 한편, 오랜기간 피스톤 배출 컴플라이언스 성능을 유지시켜야 한다.
본 발명에 따르면, 내연기관용 피스톤 크라운의 내부식성과 내산화성을 향상시키기 위한 방법이 제공된다. 본 발명은 외부 크라운면을 갖고 있는 크라운을 구비한 피스톤을 제공하는 단계; 필수적으로 내부식성 및 내산화성 조성물(composition)로 이루어지는 코팅재를 준비하는 단계; 코팅재를, 피스톤 크라운에 도포하여 상기 코팅재가 도포된 채로의 미세구조와 100%의 완전 재료 밀도보다 낮은, 도포된 채로의 다공성을 갖는 크라운 면에 고착되게 하는 단계;로 이루어진다. 본 발명은 미세구조를 개질(reform)하고 상기 코팅부와 상기 크라운면 사이에 재료 접합을 형성함과 동시에 코팅부의 밀도를 증가시키기 위하여 고에너지 레이저 빔으로 상기 코팅부를 조사하는 단계를 더 포함한다. 이러한 상기 코팅부를 조사하는 단계는 실제로 상기 코팅부와 상기 크라운면의 재료를 합금화하여, 최초 코팅부와 크라운면 재료의 특성으로부터 변형되는 복합 재료의 특성을 발생시킨다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 연료 분사식 디젤 엔진에서 스틸 피스톤을 작동시키는 방법이 제공된다. 본 방법은 실린더 헤드를 구비한 엔진 실린더를 제공하는 단계; 림과 대체로 환형의 립을 형성한 보울 사이의 경계면, 대체로 환형의 림과 상기 림 아래에 있는 오목한 보울 세트로 이루어진 크라운을 구비한 피스톤을 제공하는 단계; 실린더 헤드쪽으로 그리고 상기 실린더 헤드로부터 멀리 실린더에서 피스톤을 왕복운동시키는 단계; 액상의 연료를 실린더로 그리고 피스톤 크라운의 립쪽으로 강제로 배출하는 단계; 및 상기 피스톤 크라운의 립 근처에서 연료를 연소시키는 단계로 이루어진다. 상기 피스톤을 제공하는 단계는 도포된 채로의 미세구조와 100%의 완전 재료 밀도보다 낮은, 도포된 채로의 다공성을 갖는 립에 필수적으로 내부식성 및 내산화성 조성물로 이루어진 코팅재를 도포하고, 상기 코팅부의 밀도를 증가시키기 위하여 도포된 코팅부를 고에너지 레이저 빔으로 조사하는 동시에 상기 코팅부와 상기 립 사이에 재료 접합부를 형성함으로써 피스톤 크라운의 립의 표면 조성물을 변경시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 연료 분사식 디젤 엔진용 피스톤이 제공된다. 피스톤은 횡단하도록 형성된 한쌍의 마주한 핀 보어를 갖는 대체로 원통형의 스커트를 포함한다. 크라운이 상기 스커트 최상부에 형성된다. 크라운은 대체로 환형의 림과 상기 림 아래에 있는 오목한 보울 세트를 포함한다. 대체로 환형의 립은 상기 림과 상기 보울 사이의 경계면을 따라서 형성된다. 립은, 고에너지 레이저 빔으로 조사되고, 필수적으로 내부식성 및 내산화성의 도포된 조성물로 이루어진 접합된 표면 처리부이다.
본 발명의 방법과 피스톤 구성부는 환형 림과 오목한 보울 사이의 경계면을 이루는 피스톤 크라운의 립 구역을 의도적으로 준비하여 처리함으로써 종래기술의 피스톤의 결점과 단점을 극복하여, 인젝터 노즐로부터 립으로 분사된 액상의 연료가 연소한다는 악영향을 보다 잘 견딜 수 있다. 본 발명에 따라 만들어지고 작동되는 상대적으로 저가의 스틸 피스톤은 실질적으로 보다 긴 사용 수명을 갖고 피스톤의 구조적 합치성 뿐만 아니라 장기간의 피스톤 배출 컴플라이언스 성능을 유지시킬 수 있다.
도 1은 디젤엔진용 종래 기술의 스틸 피스톤의 사시도;
도 2는 중앙에 위치된 다중 오리피스 연료 분사 노즐로부터의 복수의 반경방 향으로 뻗어있는 연료 분사 스프레이를 도시하고 있는, 도 1에 도시된 종래기술의 피스톤의 평면도;
도 3은 도 2에서의 선 3-3을 따라 취해진 부분 단면도;
도 4는 피스톤 크라운에서 가장 취약한 부분에 내산화성 및 내부식성 조성물의 스프레이재를 강제로 나아가게 하는 과정을 도시하고 있는, 본 발명에 따른 스틸의 디젤엔진 피스톤의 부분 단면도;
도 5는 도 4에 도시된 바와 유사하나, 이중 코팅재로써 코팅된 피스톤 크라운의 모든 가장 취약한 부분을 도시하고 있는 단면도;
도 6은 도 5에 도시된 바와 유사한, 코팅부의 밀도를 증가시키기 위하여 고에너지 레이저 빔이 면에 조사되는 동시에 피스톤 크라운의 취약한 부분과 코팅부 사이에 재료 접합부를 형성하고 미세구조를 개질한 이후의 면을 도시하고 있는, 피스톤의 부분 단면도;
도 7은 코팅된 면의 임의의 부분에 예기치 못한 조사를 방지하기 위하여 피스톤 크라운의 림 부분 상에 가해진 제 1 환형 마스크를 포함하고 있는, 본 발명에 따른 피스톤의 사시도;
도 8은 제 1 마스크가 놓여진 피스톤 크라운의 보울 구역에서의 코팅부를 조사하고 있는 고에너지 레이저 빔을 도시하는, 도 7에서의 선 8-8을 따라 취해진 부분 단면도;
도 9는 보울 구역을 덮고 있는 제 2 마스크와 피스톤 크라운의 평평한 상부 림 부만을 노출시키기 위한 밸브 포켓을 포함하고 있는 피스톤의 사시도;
도 10은 림부 상의 코팅부를 조사하는 처리 공정 동안에 밸브 포켓을 조사하지 않도록 제 2 마스크의 반사하는 레이저 빔을 도시하고 있는, 도 9에서의 선 10-10을 따라 취한 부분 단면도;
도 11은 한 영역에 있는 코팅부가 고에너지 레이저 빔에 의해 조사될 수 있도록 밸브 포켓에만 노출되고 피스톤 크라운의 최상부에 놓여진 제 3 마스크를 도시하고 있는, 피스톤의 사시도; 및
도 12는 피스톤의 크라운의 면 가공을 완성하기 위하여 밸브 포켓의 구역에서 코팅부를 조사하고 있는 고에너지 레이저 빔을 도시하고 있는, 도 11에서의 선 12-12를 따라 취해진 부분 단면도.
도면을 살펴보면, 동일한 부재번호는 여러 도면에 있어서 동일한 구성요소나 상기 구성요소에 대응되는 구성요소를 지시하고 있으며, 연료 분사식 디젤엔진용 스틸 피스톤은 도 1에서 부재번호 20으로 지시되었다. 피스톤(20)은 연료 분사식 디젤엔진에 사용하기에 적합한 타입니다. 피스톤(20)은 대체로 원통형의 스커트부(22)로 이루어지며, 상기 스커트부는 행단하도록 형성된 한쌍의 마주한 핀 보어(24)를 구비하고 있다. 스커트(22)는 피스톤(20)을 안내하고 지지함에 따라 디젤엔진의 (도시되지 않은) 실린더에서 왕복운동을 하는 한편, 피스톤 보어(24)는 (도시되지 않은) 커텍팅 로드의 상단부에, 궁극적으로는 디젤엔진의 크랭크 샤프트에 부착된 피스톤 핀을 수용한다. 부재번호 26으로 지시된 크라운은 스커트(22)의 최상부에 부착된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 스커트(22)와 크라 운(26)은 단일의 스틸재로 일체형으로 형성된다. 재료 조성물은 이에 한정되는 것은 아니지만 상대적으로 저가의 SAE 4140H를 포함한 공지된 여러 재료로부터 선택될 수 있다. 단일품으로 도시된 대신에, 피스톤(20)은 소위 "관절(articulating)"식이며, 여기서 크라운(26)은 피스톤 핀에 대한 통상적인 연결을 통하여 스커트(20)에 대해 상대적으로 약간 피벗가능하다.
크라운(26)은 압축링 및/또는 오일링(도시 생략)을 수용하도록 복수의 링 홈(28)을 포함한다. 링 홈(28)은 크라운 림(30)을 크라운의 상단부에서 교차하는 크라운(26)의 원통형 외부 슬라이딩면에 형성되어 있다. 림(30)은 피스톤(20)의 가장 높은 최상부로 이루어진 대체로 평평한 환형 구역이다. 통상적으로, 필요하지 않을지라도, 하나 이상의 밸브 포켓(32)은 피스톤(20)이 상사점("TDC") 위치에 있을 때 (도 3에서 2점 쇄선으로 도시된) 배기 밸브 헤드 및/또는 흡기 밸브 헤드(25)용 클리어런스 공간을 제공하도록 림에 형성되어 있다.
림(30)에 의해 경계가 형성된 크라운(26)의 중앙 내부 구역은 보울 형상임을 알 수 있고 부재번호 34로 지시되었다. 보울(34)은 피스톤 크라운(26)의 최상부에 있는 공동으로 형성된 연소실 세그먼트로 이루어진다. 크라운(26)에 있는 넓은 연소 오목부의 중앙에 있는 다중 오리피스 노즐(36)은 연료를 복수의 반경방향 제트로 또는 깃털형상으로 분사한다. 노즐(36)과 내뿜어진 연료의 플룸(38)의 형상은, 공기와 연료가 교차하고 연료의 연소가 전개되는 공간을 최적화하기 위하여 분사된 연료 스트림에서의 에너지를 갖는, 보울(34)의 오목하게 소용돌이 치는 형상을 사용하게 된다. 보울(34)은 오목형상의 트로프(42, trough)쪽으로 떨어지는 첨단형 상의 또는 돔 형상의 중앙부를 포함할 수 있다. 트로프(42)는 대체로 환형으로 형성되어 있고, 이 트로트의 상부의 상승면은 림(30)으로 복귀한다. 림(30)과 트로프(42)의 상승면 사이의 경계면은 대체로 환형 립(44)으로 이루어지며, 이 립은 도 3에 도시된 바와 같이 트로프(42)를 약간 돌출할 수도 하지 않을 수도 있다.
통상적인 디젤엔진에 있어서, 분사된 연료의 플룸(38)은 피스톤이 상사점 이전("BTDC")에 대략 5°에서 시작하여 상사점 이후("ATDC")에 대략 10°까지로 이동함에 따라 계속된다. 이처럼, 플룸(38)의 궤도는 대체로 일정하게 유지되고 플룸(38)이 플룸의 접촉 구역으로서 특징지워지는 피스톤 크라운(26)의 표면적과 부딪친다. 따라서, 플룸 접촉 구역은 실린더내에서 피스톤이 대략 5°(BTDC)에서 대략 10°(ATDC)까지 이동함에 따라 연료 분사 플룸(38)에 의해 부딪치는(target) 노출된 크라운 면의 일부분이다. 플룸 접촉 구역은 보울(34)의 노출된 전체 표면적을 포함하지 않는다. 플룸 접촉 구역에 매우 근접하여 연료가 소비되어 배출된 강렬한 열 때문에, 종래 기술의 피스톤에서의 피스톤 크라운(26)의 스틸 조성물은 Fe2O3 상태가 될 때까지 산화되는 경향이 있다. 변형을 초래하는 산화물은 더이상 지지층 스틸재에 부착되지 않고, 팽창 공정과 수축 공정을 통하여 플레이크처럼 신속하게 제거된다. 엔진의 사용 수명이 얼마이건 간에 사용 내내 엔진 내에서, 넓어지는 부식 영역은 피스톤(20)의 연소 보울(34)로 설계된 공해방지 배출 특성을 저하시킨다. 구조적 안정성은 시간이 흐름에 따라 상당히 손상될 수 있다. 도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이, 이들 부식된 부분은 스프레이 플룸(38)과 작용하는 립(44)의 부식 영역으로 가장 잘 알려져 있다.
도 4-12를 살펴보면, 본 발명에 따라 개량된 피스톤과 이 개량된 피스톤을 제조하고 작동시키는 방법이 도시되었다. 편리하도록, 상기 설명된 부재번호와 대응하고 종래기술과 본원발명을 구별하기 위하여 앞에 숫자 "1"을 더 붙였다.
본원발명은 크라운(126)을 구비한 피스톤(120)에 관한 것으로서, 상기 크라운의 면이 디젤엔진의 연소에 의해 상기 크라운(126)의 면에 상당히 가깝게 배출된 강렬한 열에 보다 잘 견딜 수 있도록 플룸 접촉 구역에서 변형되어 보강되었다. 도 4와 5는 피스톤 크라운(26)의 부분 단면도를 도시한 도면으로서, Amdry 995C, 인코넬(Inconel) 718, 스텔라이트(Stellite) 6, 니켈-크롬, 크롬, 또는 이들 조성물의 혼합물과 같은 내부식성 및 내산화성 조성물로 분사되거나 그렇지 않으면 처리된다. 내부식성 조성물은 페이스트(paste)와 같은 슬러리로써 도포될 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 코팅 공정은 연소식이나 전기 아크식 중 어느 한 타입의 열 분사 공정으로써 실시된다. 이러한 공정은 "메탈라이징"으로 잘 알려져 있다. 연소식 열 분사 공정은 파우더 플레임 스프레이, 와이어/로드 플레임 스프레이, 폭발(detonation) 스프레이, 및 고속 산소연료("HVOF") 스프레이를 포함하나, 이들로 한정되는 것은 아니다. 전기 아크 공정은 아크 와이어 스프레이와 플라즈마 스프레이를 포함하나, 이들로 한정되는 것은 아니다.
HVOF 스프레이 공정을 사용한 일 실시예에 있어서, 가압된 챔버 건(146, gum)은 고온 고압의 플레임을 만들기 위하여 아세틸렌, 수소, 프로판 등과 같은 연소물을 사용한다. 플레임이 강제로 DeLaval 노즐을 통과하여 이동 가스(carrier gas)가 초음속으로 가속된다. 공급원료 파우더가 고압의 연소실(146)로 축방향으로 이송되거나 노즐의 측벽을 통하여 직접적으로 이송된다. 공급원료 파우더는 상기 설명된 재료의 그룹으로부터 선택될 수 있다. HOVF는 피스톤 크라운(126)의 취약한 표면상에 내부식성 및 내산화성 조성물의 만족할만한 코팅을 도포할 수 있는 유일한 열 분사 공정이 아닌, 사용될 수 있는 여러 분사 공정중 적용가능한 실시예중 하나이다.
상기 설명된 종래의 열 분사 공정에 더하여, 소위 "냉간 분사(cold spray)" 열 분사 공정을 사용하는 것도 본 발명의 범주내에 포함되어 실시될 수 있다. 냉간 분사 기술에 따르면, 1-50 마이크론 사이즈의 미립자가 초음속으로 가속되어 작업부의 표면에 도포된다. 일 실시예로서, 헬륨이나 질소가 300-700℃로 가열되어 고압으로 가압실에 분사된다. 상기 설명된 내부식성 및 내산화성 조성물 중 하나의 조성물과 같은 파우더 공급원료가 상기 미립자를 녹이는데 충분히 고온이 아닌 가스 스트림으로 유입된다. 고체의 파우더/가스 혼합물은 DeLaval 노즐을 통과하며, 여기서 미립자는 초음속으로 가속된다. 미립자가 충분한 운동에너지를 갖고서 지지층과 충돌하여 용융 및/또는 응결없이 기계적 접합되나, 야금적 접합(metallurgical bond)을 생성하지는 않는다.
도 5는 피스톤 크라운(126)을 나타내고 있으며 상기 크라운의 플룸의 접촉 구역은 분사재로써 완전히 코팅되며, 상기 분사재는 분사된 채로의 미세구조와 분사된 100%의 완전 재료 밀도보다 낮게 분사된 채로의 다공성을 갖는 내구성이 우수한 코팅부를 형성한다. 즉, 분사재의 조성물은 크라운(126)의 표면적이 완전히 도 포된 이후에, 미세구조 특성을 가지며 이 재료의 밀도가 100%의 완전 밀도보다 낮다. 플룸의 접촉 구역의 외측에 있는 이러한 보울(134)의 부분은 내부식성, 내산화성 재료로 코팅되지 않는다. 이러한 피스톤 크라운(126)이 본 발명에 따라 변형되어 보강되고 긴 수명의 피스톤 크라운(126)으로 변형되기 위하여, 고에너지 레이저 빔이 피스톤 크라운(126)의 기초를 이루는 스틸 지지층과 함께 코팅재료의 용융을 일으키는 분사재의 코팅부를 조사하는데 사용된다. 이러한 레이저 빔의 일 실시예는 소위 고출력의 다이렉트 다이오드 레이저("HPDL")에 의해 발생된다. 2개의 재료(코팅부 및 지지층)가 레이저 빔의 영향을 받아서 섞이고 분사된 채로의 상태의 코팅부 상에 코팅부의 밀도를 증가시키기 위하여 상기 2개의 재료가 합금되는 한편(도 5), 이와 동시에 상기 코팅부의 미세구조를 개질한다. 더욱이, 상기 코팅부와 크라운 지지층 사이의 재료 접합은 이어지는 조사 공정에 의하여 만들어진다. 이와 같이 변형된 피스톤 크라운(126)은 도 6에 도시되었다.
플룸 접촉 구역 위의 피스톤 크라운(126) 면의 기하형상이 복잡하기 때문에, 다수의 패스(pass)와 고에너지 레이저 빔은 분사된 채로의 코팅부에 완전하게 균일하게 조사될 필요가 있다. 분사된 채로의 코팅부의 임의의 영역이 레이저 빔과 관련하여 정해지지 않은 입사각으로 조사되는 것을 방지하기 위하여, 조사 공정 이전에 그리고 조사 공정에 이어서 코팅부의 임의의 부분을 덮는 것이 바람직하다.
도 7과 도 8로 되돌아와서, 제 1 마스크는 부재번호 148로 지시되었다. 제 1 마스크는 림(30)과 밸브 포켓(32) 영역에서의 코팅부를 일시적으로 덮는 한편, 트로프(142)의 영역에 도포된 코팅부를 노출시킨다. 따라서, 제 1 마스크(148)가 제 위치에 있는 한편, 고에너지 레이저(150)가 코팅재가 도포되는 (즉 플룸 접촉 구역) 트로프(142)의 부분을 자유롭게 조사한다. 상기 설명한 바와 같이, 레이저(150)의 촛점 아래의 트로프(142)의 구역이 지지층 스틸 재료에 현재 합금되어 재료적으로 접합되었다. 이러한 실시예에 있어서, 레이저(150)는 상향의 상승 경로에서 이동하는 빔이므로 립(144)쪽으로 진행함에 따라, 트로프(142)에 도포된 모든 코팅재는 결국에 완전히 조사될 것이고 스틸 피스톤 크라운(126)과 재료 접합부로 개질된다. 그러나, 바람직한 실시예에 있어서, 레이저(150)는 대략 12mm x 0.5mm의 촛점의 직사각형 빔을 갖는 타입으로부터 선택된다. 장축의 빔은 수직방향으로 트로프(142)를 립(144)까지 완전하게 처리하나, 이렇게 수직 위치로 고정되지는 않는다. 빔과 피스톤은 레이저를 고정시키고 피스톤을 회전시키는 것처럼 원주부 주위에서 서로에 대해 이동하여, 장축의 빔이 처리된 영역을 지나가게 된다. 이러한 용융된 코팅부는 실질적으로 크라운(126)의 물리적인 특성을 강화시켜서, 산화의 문제점을 피할 수 있고 SAE 4140 H와 같은 표준 피스톤 스틸재를 계속 사용하게 한다. 따라서, 본 발명은 림과 보울의 산화와 관련된 문제점을 극복하는데 있어서 종래기술보다 저렴한 비용의 해결책을 제시한다.
레이저(150)가 보울(134) 내의 도포 영역을 가로지름에 따라, 피스톤(120)은 회전되고/회전되거나 레이저(150)가 회전되어 코팅면 영역의 전체 환형 영역이 적절하게 조사된다. 레이저(150)의 촛점이 트로프(142) 상에 뻗어있어서, 제 1 마스크(148)와 접촉하고 피스톤 크라운(126)으로부터 멀리 손상없이 반사될 것이다. 이것은 제 1 마스크(148)가 연마된 구리와 같은, 반사성 및 열 전도성 금속재로 만 들어지기 때문이다.
일단 트로프(142) 구역이 적절하게 조사된 경우에, 분사재에 의해 코팅된 림(130)에 신경을 쓸 필요가 있다. 그러나, 밸브 포켓(132)이 림(130)의 면 아래로 가압되기 때문에, 레이저(150)의 촛점은 림(130)과 동시에 밸브 포켓(132)의 구역에 있는 코팅부를 효과적으로 조사하는데 최적이 되지 못할 수가 있다. 따라서, 제 2 마스크(152)가 도 9에 도시된 바와 같이 사용된다. 제 2 마스크(152)는 또한 연마된 구리와 같은 반사성 금속제 쉴드형 재료로 만들어질 수 있으며, 밸브 포켓(132)을 덮도록 구성될 수 있다. 따라서 분사 코팅된 피스톤 크라운(126)의 노출된 부분만이 림면(130)을 이룬다. 제 2 마스크(152)에 의해 효과적으로 보호되는 영역에 의하여, 레이저(150)는 도 10에 도시된 바와 같이 림(130)의 코팅된 면을 조사하도록 재위치될 수 있다. 다시 말하면, 피스톤(120) 및/또는 레이저(150)는 효과적인 방식으로 전체 림(130) 면을 커버하도록 회전될 수 있다. 레이저(150)로부터의 빔이 도 10에 도시된 바와 같이 제 2 마스크(152)에 부딪칠 때마다, 크라운(126)으로부터 멀리 손상없이 반사되고, 임의의 흡수된 열이 빠르게 방산된다. 이러한 방법에 의하여, 밸브 포켓(132)은 비정상적인 세팅시 레이저(150)에 의한 조사에 의해 보호받게 된다. 제 2 마스크(152)는 또한 코팅부에서 그리고 밸브 포켓(132)의 에지를 따라 과도하게 용융되지 않도록 조력한다. 더욱이, 트로프(142)는 레이저(150)에 의한 연속적인 조사로부터 보호되며, 이렇게 보호되지 않으면 상기 레이저는 이미 조사된 면의 의도하지 않은 야금학적 개질을 초래할 수 있다.
피스톤 크라운(126)에 분사된 채로의 코팅부를 완전히 조사하기 위하여, 제 3 마스크(154)는 제 2 마스크(152)가 제거된 이후에 피스톤 크라운(126)의 최상부에 도포된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 제 3 마스크(154)는 이미 조사된 림(130)을 덮고 밸브 포켓(132)의 영역을 개방상태로 유지하도록 설계되었다. 따라서, 레이저(150)의 위치가 재설정되어 그 촛점이 도 12에 도시된 바와 같이 밸브 포켓(132)의 깊이로 게이지된다. 조사 공정은 크라운(126)과 레이저(150) 사이의 회전에 의해 달성되는 상대운동을 발생시키거나, 2개의 구성요소 사이에서 다르게 가이드된 상대 운동을 발생시킨다. 레이저(150) 빔이 밸브 포켓(132) 밖으로 림(130)의 구역으로 통과함에 따라, 제 3 마스크(154)는 림 표면(130)으로부터 멀리 빛 에너지를 손상없이 반사시켜서, 고에너지 레이저 빔과 의도하지 않은 또 다른 상호작용으로부터 이미 개질된 면을 보호한다. 제 3 마스크(154)는 코너에서 그리고 밸브 포켓(132)의 에지를 따라서 과도하게 용융되지 않도록 더욱 조력한다.
비록 레이저에 대한 여러 많은 타입이 본 발명의 조사 단계를 효과적으로 달성하기 위해 사용될지라도, 고출력의 다이렉트 다이오드 레이저가 적당한 결과를 만들어내는 것으로 알려져 왔다.
상기 제 1 마스크(148), 제 2 마스크(152) 및 제 3 마스크(154)가 상기 설명된 것과 다른 순서로 배치될 수 있음을 알 수 있다. 더욱이, 3개 이하 또는 3개 이상의 마스크가 본 명세서에서 설명된 바와 같이 코팅부 재료를 효과적으로 개질하기 위해 조사 단계 동안에 필요할 수 있다. 더욱이, 매우 특별한 코팅부의 재료가 상기 설명된 바와 같이 사용되는 경우, 이들 재료만이 적당한 재료인 것은 아니 다. 오히려, 공업용 레이어를 사용하여 용융 동작시 사용하기에 적합한 임의의 코팅부가 사용될 수 있다. 예를 들면, 가스 터빈 분야에서 알려진 바와 같이, 다양한 통상적이고 적당한 파우더가 고온의 산화를 방지하는 것으로 알려졌다. 용융된 코팅부가 크래킹이나, 부식이나 열 산화없이도 플룸의 접촉 구역의 외형과 순응한다면, 이러한 여러 공지된 재료가 사용되어질 수 있다. 본 발명에 따른 용융된 피스톤 크라운 면의 또 다른 장점은 필요하다면 분사된 코팅부로부터 멀리 칩핑(chipping)이나 플레이킹 없이도 조사된 면에 다음-기계에 대한 능력을 초래한다. 이러한 본 발명의 방법은 높은 생산 설정으로 빠른 사이클 시간에 달성될 수 있고, 매우 정밀하게 컴퓨터 처리된 제어가 실행되어 반복되도록 설명될 수 있다. 이러한 공정은 인라인 생산 공정에 매우 적합하다.
분명한 것은, 본 발명에 대한 여러 수정과 변경이 상기 기재된 사항의 범주내에서 가능하다는 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위의 범주내에서 본원발명이 상기 설명된 실시예와 다르게 실시될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (21)

  1. 내연기관용 피스톤 크라운의 내부식성을 향상시키기 위한 방법으로서,
    외부 크라운면을 갖고 있는 크라운을 구비한 피스톤을 제공하는 단계;
    필수적으로 내부식성 및 내산화성 조성물로 이루어진 코팅재를 준비하는 단계;
    상기 코팅재를, 도포된 채로의 미세구조와 100%의 완전 재료 밀도보다 낮은, 도포된 채로의 다공성을 갖는 크라운 면에 고착시키기 위하여 상기 코팅재를 피스톤 크라운에 도포하는 단계; 및
    상기 미세구조를 개질하고 상기 코팅부와 상기 크라운 면 사이에 재료 접합을 형성함과 동시에 코팅부의 밀도를 증가시키기 위하여 고에너지의 레이저 빔으로 상기 코팅부를 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 크라운의 내부식성을 향상시키기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고에너지 레이저 빔에 의해 조사되는 것을 방지하기 위하여 코팅부를 마스킹하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 크라운의 내부식성을 향상시키기 위한 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 코팅부를 마스킹하는 단계는 반사성 금속제 쉴드를 사용해서 크라운의 일부를 일시적으로 덮는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 크라운의 내부식성을 향상시키기 위한 방법
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 피스톤 크라운은 대체로 환형의 림과 상기 환형의 림 아래에 있는 오목한 연소 보울 세트로 이루어지고, 상기 크라운의 일부를 일시적으로 덮는 단계는 상기 림과 보울 중 하나를 덮으나 이들 중 나머지 다른 하나는 덮지않는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 크라운의 내부식성을 향상시키기 위한 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 피스톤 크라운은 상기 림에 형성된 적어도 하나의 밸브 포켓을 포함하고, 상기 크라운의 일부분을 일시적으로 덮는 단계는 상기 림과 밸브 포켓 중 하나를 덮으나 이들 중 나머지 다른 하나는 덮지 않는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 크라운의 내부식성을 향상시키기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 코팅재를 도포하는 단계는 분사재를 피스톤 크라운쪽으로 강제로 추진시켜서 연소과정에 의해 생성된 가스상의 유동으로 진입시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 크라운의 내부식성을 향상시키기 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 분사재를 가스상의 유동으로 진입시키는 단계는 가 속기 노즐을 통하여 강제로 가스상의 유동으로 추진시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 크라운의 내부식성을 향상시키기 위한 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 분사재를 강제로 추진시키는 단계는 DC 전기 아크를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 크라운의 내부식성을 향상시키기 위한 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 DC 전기 아크를 생성하는 단계는 불활성 기체를 이온화하여 고온의 플라즈마 제트를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 크라운의 내부식성을 향상시키기 위한 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 코팅부를 조사하는 단계는 고출력의 다이렉트 다이오드 레이저를 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 크라운의 내부식성을 향상시키기 위한 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 분사재를 강제로 추진시키는 단계는 상기 분사재를 외부 크라운의 전체면보다 작은 면을 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 크라운의 내부식성을 향상시키기 위한 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 피스톤을 제공하는 단계는 스틸 합금으로 이루어진 재료 조성물로 피스톤을 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 크라운의 내부식성을 향상시키기 위한 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 외부 크라운면은, 실린더내에서의 피스톤이 대략 5°(BTDC)로부터 10°(ATDC)까지의 범위로 이동함에 따라 연료 분사 플룸에 의해 실질적으로 부딪치게 되는 외부 크라운면의 일부분으로 이루어지는 플룸의 접촉 구역을 구비하고, 상기 분사재를 강제로 추진시키는 단계는 상기 외부 크라운면의 플룸 접촉 구역을 코팅하나 전체 외부 크라운면을 코팅하지 않는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 크라운의 내부식성을 향상시키기 위한 방법.
  14. 스틸 피스톤을 연료 분사식 디젤엔진에서 작동시키기 위한 방법으로서,
    실린더 헤드를 구비한 엔진 실린더를 제공하는 단계;
    대체로 환형의 림과 상기 환형의 림 아래에 있는 오목한 보울 세트, 상기 림과 대체로 환형의 립을 형성한 상기 보울 사이의 경계면으로 이루어진 크라운을 구비한 피스톤을 제공하는 단계;
    상기 피스톤을 상기 실린더내에서 실린더 헤드쪽으로 또는 실린더 헤드로부터 멀어지는 쪽으로 왕복운동시키는 단계;
    액상의 연료를 상기 실린더내로 그리고 상기 피스톤 크라운의 상기 립쪽으로 강제로 배출시키는 단계; 및
    상기 피스톤 크라운의 상기 립에 인접한 연료를 연소시키는 단계;를 포함하 고 있고,
    상기 피스톤을 제공하는 단계는 필수적으로 내부식성 및 내산화성 조성물로 이루어진 코팅재를 도포된 채로의 미세구조와 100%의 완전 재료 밀도 미만의 도포된 채로의 다공성을 갖는 립에 도포함으로써 상기 피스톤 크라운의 상기 립의 면 조성물을 변경시키는 단계와, 상기 미세구조를 개질하고 상기 코팅부와 상기 립 사이에 재료 접합을 형성함과 동시에 상기 코팅부의 밀도를 증가시키기 위하여 고에너지 레이저 빔으로 상기 코팅부를 조사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스틸 피스톤을 연료 분사식 디젤엔진에서 작동시키기 위한 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 피스톤을 제공하는 단계는 분사재의 미립자가 림과 충돌시 소성변형하도록 필수적으로 내부식성 및 내산화성 조성물로 이루어지는 분사재를 림쪽으로 강제로 추진하게 함으로써, 상기 분사재가 분사된 채로의 미세구조와 100%의 완전 재료 밀도보다 낮은, 분사된 채로의 다공성을 갖는 내구성이 우수한 코팅부와 같은 림에 부착되는, 피스톤 크라운의 림의 면의 조성물을 변경시키는 단계와, 상기 미세구조를 개질하고 상기 코팅부와 상기 림 사이에서 재료 접합을 형성함과 동시에 상기 코팅부의 밀도를 증가시키기 위하여 고에너지 레이저 빔으로 상기 코팅부를 조사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스틸 피스톤을 연료 분사식 디젤엔진에서 작동시키기 위한 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 피스톤을 제공하는 단계는 분사재의 미립자가 보울 과 충돌시 소성변형하도록 필수적으로 내부식성 및 내산화성 조성물로 이루어지는 분사재를 보울쪽으로 강제로 추진하게 함으로써, 상기 분사재가 분사된 채로의 미세구조와 100%의 완전 재료 밀도보다 낮은, 분사된 채로의 다공성을 갖는 내구성이 우수한 코팅부와 같은 림에 부착되는, 피스톤 크라운의 보울의 적어도 일부분의 면의 조성물을 변경시키는 단계와, 상기 미세구조를 개질하고 상기 코팅부와 상기 보울 사이에서 재료 접합을 형성함과 동시에 상기 코팅부의 밀도를 증가시키기 위하여 고에너지 레이저 빔으로 코팅부를 조사하는 단계를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 스틸 피스톤을 연료 분사식 디젤엔진에서 작동시키기 위한 방법.
  17. 스커트를 가로질러 형성된 한쌍의 마주한 핀 보어를 구비한 대체로 원통형의 스커트; 및
    상기 스커트의 최상부에 형성되고, 대체로 환형의 림과, 상기 림 아래의 오목한 보울 세트와, 상기 림과 상기 보울 사이의 경계면을 따르는 대체로 환형의 립으로 이루어진 크라운;을 포함하고 있고,
    상기 립은, 고에너지 레이저 빔으로 조사되고, 도포된 내부식성 및 내산화성 조성물로 필수적으로 이루어진 접합면 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 분사식 디젤 엔진용 피스톤.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 피스톤 크라운은 필수적으로 스틸로 이루어진 베이스 재료 조성물로부터 제조되는 것을 특징으로 하는 연료 분사식 디젤 엔진용 피스 톤.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 림은, 고에너지 레이저 빔으로 조사되고, 분사된 내부식성 및 내산화성 조성물로 필수적으로 이루어진 접합면 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 분사식 디젤 엔진용 피스톤.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 보울의 적어도 일부분은, 고에너지 레이저 빔으로 조사되고, 분사된 내부식성 및 내산화성 조성물로 필수적으로 이루어진 접합면 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 분사식 디젤 엔진용 피스톤.
  21. 제 17 항에 있어서, 상기 접합면 처리부의 상기 분사된 내부식성 및 내산화성 조성물은 Amdry 995C, 인코넬 718, 스텔라이트 6, 니켈-크롬, 크롬, 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 연료 분사식 디젤 엔진용 피스톤.
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