KR20100087186A - 레이저 빔을 통한 스틸 피스톤 링 그루브의 그루브 플랭크의 경화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 빔(3)을 통한 스틸 피스톤(5)의 링 그루브(11)의 그루브 플랭크의 경화를 위한 방법에 관한 것으로서, 이 방법에서는 먼저 산소 함유성 공정 가스가 스틸 피스톤(5)의 그루브 플랭크(10)로 안내되고 스틸 피스톤(5)이 회전된다. 공정에서 그루브 플랭크에 산화막이 형성될 때까지 그루브 플랭크(10)에 레이저 빔(3)이 조사된다. 이어서 공정 가스의 공급이 중단되고 그루브 플랭크(10)가 트랙 단위로 가열되고 경화된다. 그루브 플랭크의 산화막을 통해 한편으로는 그루브 플랭크의 입열도가 개선되는데, 이는 그루브 플랭크의 더욱 신속한 가열 및 경화를 가능하게 한다. 다른 한편으로는 그로 인해 그루브 플랭크의 반사도가 감소되므로 단지 적은 양의 빛만 그루브 플랭크에서부터 그루브의 다른 영역으로 반사되고 따라서 이 영역들은 의도치 않게 가열되거나 경화되지 않는다.

Description

레이저 빔을 통한 스틸 피스톤 링 그루브의 그루브 플랭크의 경화 방법{PROCESS FOR HARDENING GROOVE FLANKS OF THE ANNULAR GROOVE OF A STEEL PISTON BY MEANS OF A LASER BEAM}

본 발명은 청구항 1항의 전제부에 설명한 스틸 피스톤 링 그루브의 그루브 플랭크의 경화 방법에 관한 것이다.

독일 공개 특허 공보 DE 103 37 962 A1에는 스틸 피스톤 링 그루브의 그루브 플랭크의 레이저 경화를 위한 방법이 공개되어 있는데, 이 방법에서는 경화에 적합한 레이저 빔 에너지 흡수율을 달성하기 위해 파장이 5 ㎛ 미만인 레이저 빔이 사용되며 이외에도 레이저 빔은 충분히 큰 입사각 조건 하에서 경화할 그루브를 향해야 한다. 이 방법의 단점은 파장이 5 ㎛ 미만인 레이저 빔을 발생시키는 레이저 소스의 선택의 폭이 좁다는 것이다. 이외에도 스틸 피스톤에 대한 레이저 소스의 위치에 따라서 충분히 큰 입사각의 선택이 링 그루브의 형상으로 인해, 즉 경화할 그루브 플랭크에 대향하는 그루브 플랭크로 인해 한정된다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 이러한 단점을 극복하는 것이다.

이 목적은 독립항에 명시한 특징들을 통해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시 형태는 종속항에 설명된다.

본 발명에 따라서 스틸 피스톤의 경화할 그루브 플랭크 면이 산화철을 통해 착색되므로 인하여, 그 입열도가 증가하고 그 반사도가 매우 감소하여 레이저 빔이 임의의 입사각 조건에서 그 파장에 상관없이 경화할 그루브 플랭크 면에 조사되는 것이 가능하다.

본 발명은 종래 기술의 상기 언급한 단점을 극복하는 효과를 제공하며, 특히 본 발명에 따라서 스틸 피스톤의 경화할 그루브 플랭크 면이 산화철을 통해 착색되므로 인하여, 그 입열도가 증가하고 그 반사도가 매우 감소하여 레이저 빔이 임의의 입사각 조건에서 그 파장에 상관없이 경화할 그루브 플랭크 면에 조사되는 것이 가능한 방법을 제공하는 효과가 있다.

하기에서 본 발명의 실시예는 도면을 통해 설명된다. 도면은 다음과 같다.
도 1은 피스톤 링용 그루브 플랭크의 레이저 경화를 위한 장치를 나타낸다.
도 2는 그 하단 플랭크가 레이저를 통해 경화되는 피스톤 링 그루브의 확대도를 나타낸다.

도 1은 고정 장치(1)에 고정된 레이저 소스(2)를 나타내며, 도 2에 확대 도시된 바와 같이 이 레이저 소스는 레이저 빔(3)을 내연 기관용 스틸 재질의 피스톤(5) 상단 링 그루브(11)의 하단 플랭크(10)를 향하게 하며 링 그루브(11)는 도면에 도시되지 않은 압축 링을 위해 제공된다. 스틸 피스톤(5)은 회전판(6)에서 클램핑 홀더(12)를 통해 그 피스톤 축(13)을 중심으로 회전 가능하게 지지되며, 회전판(6)은 도면에 도시되어 있지 않지만 회전판을 전기 제어식으로 회전시키는 전동 구동장치와 함께 기초(7)에 고정되어 있다.

또한 고정 장치(1) 및 스탠드(9)에는 가스관(8)이 고정되어 있다. 공정 가스는 가스관서부터 가스 노즐(4)을 통해 상단 링 그루브(11)의 방향으로 안내되고 특히 레이저로 경화할 하단 플랭크(10)의 영역을 공정 가스로 감싼다.

레이저 소스(2)로서 예를 들어 다이오드 레이저 또는 Nd:YAG 레이저의 사용이 가능하다. 본 발명의 실시예에서는 압축 링을 위한 링 그루브(11)의 하단 플랭크(10)가 경화되는데, 그 이유는 이 플랭크가 엔진 가동 시 압축 링에 의해 높은 부하에 노출되기 때문이다. 하지만 기계적 고부하에 노출된 모든 피스톤(5) 면이 본 발명에 따른 방식으로 경화될 수 있다.

레이저 빔(3)의 작은 집속점에서부터 회전판(6)에 의해 회전되는 피스톤(5)의 링 그루브(11) 하단 면(10)이 트랙 단위로 가열된다. 경화 공정에서 가열된 트랙을 냉각시키는 작용을 하는 냉각 매체는 필요하지 않는데, 그 이유는 하단 그루브 플랭크(10)의 양호한 경화를 위한 자기 냉각을 동반하는 가열된 트랙과 인접한 피스톤 재료인 스틸 사이에서의 매우 신속한 온도 보상이 이루어지기 때문이다.

이 경화 공정 중에 공정 가스는 가스 노즐(4)을 통해 하단 그루브 플랭크(10)로 전달되며, 공정 가스는 아르곤 및 산소, 질소 및 산소 또는 아르곤, 질소 및 산소의 혼합물로 구성될 수 있다. 대규모 시험에서 1%의 산소와 99%의 질소로 구성된 공정 가스 혼합물을 통해 양호한 결과가 달성되었다.

공정 가스는 레이저 빔(3)이 조사된 그루브 플랭크 면이 산화물 형성으로 인해 착색되고 산화철(Fe₂O₃)이 형성되도록 하는 작용을 한다. 이로 인해 레이저가 조사된 면의 입열도가 개선되며 이에 따라 이 면의 가열이 가속화되고 레이저의 효율이 개선된다. 다른 한편으로는 산화철에 의한 그루브 플랭크 면의 착색이 이 면의 반사도를 감소시키며 이로 인해 그루브 플랭크(10)에 의해 반사되고 도 2에서 점으로 도시된 레이저 빔(3')의 세기가 감소되어 그에 의해 조사된 그루브 바닥(14)이 경화에 충분하지 않게 가열된다. 그루브 플랭크(10)와 그루브 바닥(14) 사이의 모서리 또는 그루브 바닥(14)을 경화시키는 것은 바람직하지 않는데, 그 이유는 엔진 가동 시 균열이 형성될 수 있을 정도로 이 영역의 경도가 이 영역에서 피스톤 재료의 기본 내구성을 감소시키기 때문이다.

그루브 플랭크(10)의 경화를 위한 본 발명에 따른 방법의 다른 이점으로서, 그루브 플랭크(10) 및 레이저 빔(3)에 의해 형성된 입사각(α)이 임의로 선택될 수 있고 입열 구역의 크기가 최선의 경화 결과를 위해 최적으로 설정되도록 선택된다.

α 입사각
1 고정 장치
2 레이저 소스
3, 3' 레이저 빔
4 가스 노즐
5 피스톤, 스틸 피스톤
6 회전판
7 기초
8 가스관
9 스탠드
10 하단 플랭크, 그루브 플랭크
11 상단 링 그루브
12 클램핑 홀더
13 피스톤 축
14 그루브 바닥

Claims (5)

1. 그 피스톤 축(13)을 중심으로 회전 가능하게 지지된 스틸 피스톤(5)의 링 그루브(11)의 그루브 플랭크를 레이저 빔(3)으로 경화하기 위한 방법으로서, 레이저 빔(3)이 그루브 플랭크(10)를 향하며 스틸 피스톤(5)이 그 피스톤 축(13)을 중심으로 회전되는 방법에 있어서,
   하기 공정 단계를 특징으로 하는 제조 방법:
   - 산소 함유성 공정 가스를 스틸 피스톤(5)의 그루브 플랭크(10)로 안내하는 단계,
   - 스틸 피스톤(5)을 회전시키는 단계,
   - 그루브 플랭크(10)에 산화막이 형성될 때까지 공정 가스로 둘러 싸인 그루브 플랭크(10)에 레이저 빔(3)을 조사하는 단계,
   - 공정 가스의 공급을 중단하는 단계,
   - 레이저 빔(3)으로 그루브 플랭크(10)를 트랙 단위로 가열 및 경화시키는 단계.
2. 제1항에 있어서, 공정 가스로서 아르곤 및 산소의 혼합물이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 공정 가스로서 질소 및 산소의 혼합물이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 공정 가스로서 질소, 아르곤 및 산소의 혼합물이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 최소한 약 1%의 산소가 공정 가스에 혼입되는 것을 특징으로 방법.

Images