KR20110130394A - 피스톤 링 및 실린더 슬리브를 생산하기 위한 강 물질 조성물 - Google Patents

피스톤 링 및 실린더 슬리브를 생산하기 위한 강 물질 조성물 Download PDF

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Abstract

특히 피스톤 링 및 실린더 슬리브를 생산하기 위한 강 물질 조성물은, 강 물질의 중량비로 100%에 대해 이하에서 언급된 비율로 이하의 성분을 함유한다: 0.5-1.2wt% C, 0-3.0wt% Cr, 72.0-94.5wt% Fe, 3.0-15.0wt% Mn, 및 2.0-10.0wt% Si. 이는 시작 물질을 용융시키고 이 용융물을 미리 제작된 몰드 안으로 주조함(casting)에 의해 생산될 수 있다.

Description

피스톤 링 및 실린더 슬리브를 생산하기 위한 강 물질 조성물 {STEEL MATERIAL COMPOSITION FOR PRODUCING PISTON RINGS AND CYLINDER LINERS}
본 발명은 피스톤 링 및 실린더 슬리브를 생산하는데 특히 적절한 강 물질 조성물에 관한 것이다. 추가적으로 본 발명은 본 발명에 따른 강 물질 조성물을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 기본적인 성분으로서 강 물질 조성물을 포함한 피스톤 링 및 실린더 슬리브에 관한 것이다.
내연기관에서 피스톤 링은, 연소 챔버로부터 떨어져서 피스톤 헤드 및 실린더 벽 사이에 존재하는 갭을 밀봉한다. 피스톤이 위아래로 이동할 때, 영구적으로 스프링-바이어스된(spring-biased) 접촉에서 실린더 벽을 따라 피스톤 링의 외부 둘레 표면은 슬라이드하고, 피스톤 링 자체는 피스톤의 기울임 이동에 의해 피스톤 링 그루브에서 이동할 때 진동하며, 이러한 진동은 링의 플랭크가 피스톤 링 그루브의 상부 및 하부 플랭크(flanks)와 함께 교번적으로 접촉하게 한다. 두 성분이 서로 위로 슬라이드 하기 때문에, 각각은 물질의 성질에 따라 일정한 양만큼 마모되고, 건조 작동의 경우에 이는 시이징(seizing), 스코어링(scoring)을 유도하고 궁극적으로 엔진에 회복할 수 없는 손상을 일으킬 수 있다. 실린더 벽에 대해 피스톤 링의 슬라이딩 및 마모 성질을 향상시키기 위해, 피스톤 링의 둘레 표면은 다양한 물질로 코팅되어야 한다.
왕복 운동 피스톤 내연기관에 이용되는 것들과 같은 실린더 슬리브의 경우에, 높은 정도의 마모 저항이 보장되어야 하는데, 그렇지 아니하면 다시 말하면 실린더 슬리브가 더 얇아져야 하고, 가스 누수 및 오일 소비는 증가할 수 있으며 엔진의 성능은 저해될 것이다. 실린더 슬리브가 마모됨에 따라, 실린더 벽 및 실린더 슬리브 사이의 갭은 점진적으로 커지게 되며, 그 결과 연소 가스는 더욱 쉽게 실린더 슬리브를 지나 빠져나갈 수 있게 되며("블로우-바이(blow-by)"), 차례로 엔진 효율을 감소시킨다. 확대된 갭 때문에, 벗겨지지 아니하고 연소 챔버에 남아 있는 오일 필름은 더 두꺼워지고, 그 결과 더 많은 오일이 단위 시간당 소실될 수 있으며, 실제로 오일 소비를 증가시킨다.
피스톤 링 및 실린더 슬리브와 같은 높은 응력에 노출된 내연기관의 부품들은 주조 철 물질 또는 주조 철 합금으로 일반적으로 만들어진다. 고성능 엔진에서 피스톤 링 및 특히 압축 링은 무엇보다 피크 압축 압력, 연소 온도, EGR 및 윤활 필름 감소를 포함한 증가하는 응력에 노출되고, 이는 마모 스커프(scuff) 저항, 마이크로 웰딩 및 부식 저항과 같은 기능성 성질에 중요한 영향을 미친다.
불행하게도, 종래 기술에 따른 주조 철 물질은 파손을 높은 정도로 수용 가능하고, 링은 종종 존재하는 물질이 이용될 때 파손된다. 높은 기계적-동적 하중은 피스톤 링 및 실린더 슬리브에 대해 짧은 작동 수명을 초래한다. 작동면 및 플랭크는 동일한 이유로 큰 마모를 겪는다.
높은 점화 압력, 감소된 방출 및 직접적인 연료 주입은 피스톤 링 상에서 증가된 로드에 기여한다. 결과적으로, 피스톤 물질은 손상되고 그 위에, 특히 하부 피스톤 링 플랭크 상에 축적물이 쌓인다.
피스톤 링 및 실린더 슬리브 상에 높은 기계적 및 동적 로드를 다뤄야 하기 때문에, 더욱더 엔진 제조자는 높은 등급의 강(어닐링되고 고합금된 강, 예를 들어 물질 1.4112)으로 만들어진 피스톤 링 및 실린더 슬리브를 요구한다. 이러한 경우에, 2.08wt% 미만의 탄소를 함유한 철 물질은 강으로서 분류된다. 탄소 함유량이 더 높으면, 이 물질은 주철(cast iron)로 간주된다. 강 물질은 주철보다 뛰어난 강도 성질 및 연성값을 갖는데, 왜냐하면 이들의 미세구조는 자유 그라파이트(free graphite)에 의해 방해받지 않기 때문이다.
강 피스톤 링 또는 실린더 슬리브를 생산하기 위해 가장 빈번히 이용되는 강은 고 크롬 합금, 마르텐사이트계(martensitic) 강이다. 강 피스톤 링은 프로파일 와이어(profile wire)로 제조된다. 프로파일 와이어는 둥글게 감겨있고, 길이에 맞춰 컷되며 "완전한 원형이 아닌(out-of-round)" 맨드렐(mandrel) 위로 드로우된다(drawn over). 이러한 맨드렐 상에서, 피스톤 링은 어닐링 프로세스에서 바람직하게 완전한 원형이 아닌 형상으로 주어지고, 이는 필수적인 접선 힘을 만든다. 강으로 피스톤 링을 제조하는 추가적인 단점은, 일정한 지름을 초과하여 강 와이어로 (와인드) 링을 만드는 것이 더 이상 불가능하다는 점이다. 반대로, 주철 피스톤 링은 이미 완전한 원형이 아닌 채로 주조되고, 이에 의해 시작부터 이상적으로 형상화된다.
주철은 강보다 상당히 낮은 녹는점을 갖는다. 그 차이는 화학적 조성에 따라 350℃ 만큼 크게 날 수 있다. 따라서, 주철은 용융되고 주조되기 쉬운데, 왜냐하면 낮은 녹는점은 낮은 주조 온도를 그리고 냉각에 의한 수축이 덜 일어남을 의미하기 때문이고, 이에 의해 주조 물질은 기포 및/또는 고온 또는 냉각 크랙이 거의 없다. 또한, 낮은 주조 온도는 몰딩 물질 및 퍼니스 상에서 낮은 응력(부식, 가스 구멍, 모래 함유물)을 생성하고 또한 낮은 용융 비용을 나타낸다.
철 물질의 용융 온도는 탄소 함유량뿐만 아니라 "포화도"에도 의존한다. 단순화된 형태로 나타내어진 이하의 공식이 적용된다:
Sc=C/(4.26-1/3(Si+P))
포화도가 1에 더 가까워질수록, 녹는점은 더 내려간다. 주철의 경우에, 1.0의 포화도는 일반적으로 목표되는 값이며, 이 경우 주철은 1150℃의 녹는점을 갖는다. 강의 포화도는 화학 조성에 따라 약 0.18이다. 공융 강은 1500℃의 녹는점을 갖는다.
포화도는 Si 또는 P의 함유량에 의해 상당히 영향을 받을 수 있다. 예를 들면, 실리콘 함유량의 3wt%의 증가는 C 함유량의 1wt% 증가와 동일한 효과를 갖는다. 따라서, 9.78wt%의 실리콘 및 1wt%의 C 함유량을 갖는 강 물질을 생산하는 것이 가능하고, 이는 1.0의 포화도를 가진 주철(C: 3.26wt%, Si: 3.0wt%)과 동일한 녹는점을 갖는다.
Si 함유량이 상당히 증가한다면, 강 물질의 포화도도 증가될 수 있고, 녹는점은 주철과 동일한 레벨로 낮춰진다. 이러한 방식으로, 예를 들어 GOE 44와 같은 주철을 생산하는데 이용되는 것과 동일한 장비를 이용하여 강을 생산할 수 있다.
높은 실리콘 함유량을 가진 강 주조 물질로 만들어진 피스톤 링 및 실린더 슬리브는 종래 기술에서 공지되어 있다. 그러나, 많은 양의 실리콘의 존재는 물질의 경화도(hardenability)에 나쁜 영향을 미치는데, 왜냐하면 "Ac3" 오르텐사이트계 변환 온도가 상승하기 때문이다.
상기 내용의 관점에서, 본 발명의 목적은, 특히 피스톤 링 및 실린더 슬리브를 생산하기 위해 높은 실리콘 함유량을 가진 강 물질 조성물로서, 향상된 경화도를 가진 강 물질 조성물을 제공하는 것이다. 중력 주조 프로세스에서의 그 생산에 의해, 강 물질 조성물은 이하의 파라미터 중 하나 이상에 대해서 구형 그라파이트를 가진 어닐링된 주철의 성질에서 향상된다:
- e-모듈러스와 같은 기계적 성질, 굽힘 강도
- 파손에 대한 저항
- 기계적 안정성
- 플랭크 마모(flank wear)
- 작동 표면 마모
이러한 목적은 이하에서 나타난 비율의 성분을 포함한 강 물질 조성물을 가진 본 발명에 의해 해결된다:
C: 0.5 - 1.2 wt%
Cr: 0 - 3.0 wt%
Fe: 72.0 - 94.5 wt%
Mn: 3.0 - 15.0 wt%
Si: 2.0 - 10.0 wt%
구체적으로 표시되거나 또는 명확하게 명칭되었던지 아니되었던지, 모든 시작 물질, 구성요소, 함유 물질, 성분 및 첨가제의 합은 모든 경우에 100%와 동일하도록 물질들이 포함된다. 시작 물질, 구성요소, 함유 물질, 성분 및 첨가제의 비율은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 다양한 방법에 의해 조정될 수 있다. 화학적 조성은 생산되는 워크피스에 대한 특별한 참고로 조정된다.
포함된 망간은 오스테나이트 포오머로서 기능을 하고, 이는 감마 범위를 확장시키며 Ac3 오스테나이트화 변환 온도를 위로 시프트시킨다. 이러한 방식으로, 강 물질의 향상된 경화도가 본 발명에 따라 얻어진다.
바람직하게 강 물질 조성에서 100wt%에 대해 표시된 값이 초과하지 않는 비율로 본 발명에 따른 강 물질 조성물에 이하의 성분이 함유된다:
Al: 최대 0.02 wt% P: 최대 0.1 wt%
B: 최대 0.1 wt% S: 최대 0.05 wt%
Cu: 최대 2.0 wt% Sn: 최대 0.05 wt%
Mo: 최대 3.0 wt% Ti: 최대 1.5 wt%
Nb: 최대 0.05 wt% V: 최대 1.5 wt%
Ni: 최대 4.0 wt% W: 최대 1.5 wt%
이 경우에 Nb, Ti, V 및 W의 분율의 합은 1.5wt%를 초과하지 않는다.
또한, 본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 강 물질 조성물은 Al, B, C, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Nb, Ni, P, S, Si, Sn, Ti, V 및 W로 이루어진 그룹으로부터 선택된 성분들만을 함유하는 것이 바람직하고, 이러한 성분들의 합은 100wt%와 동일한 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 강 물질 조성물은 매우 극심한 열이 존재하는 경우에 변형될 수 있는 워크피스의 고장발생도(susceptibility)를 감소시키고, 따라서 장기간의 높은 성능을 보장하며 또한 오일 소비를 감소시킨다. 이러한 뛰어난 성질 때문에, 본 발명에 따른 강 물질 조성물은 자동차 및 LB 영역에서 피스톤 링 및 실린더 슬리브의 생산에 또는 밸브 시이트(seat) 삽입물 및 안내물에 대해 이상적으로 적절하다. 추가적으로, 냉각 유닛, 펌프 노즐 및 실린더 슬리브(라이너)에 대한 링 및 디스크 브레이크(블랙 플레이트) 상에서 브레이크 라이닝을 위한 캐리어 플레이트, 드라이브 시일 및 화학 산업을 위한 부품 및 샤프트 슬리브가 제조될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 강 물질 조성물은, 예를 들어 주철 워크피스를 제조하는데 일반적으로 이용되는 기계기구 및 기술을 이용하여, 강 피스톤 링 및 실린더 슬리브를 제조하는 것이 가능하게 된다는 장점을 갖는다. 또한, 생산 비용은 주철 피스톤 링에 대한 것과 동등하고, 제조자에게 비용 이득 및 향상된 값 생성을 가능하게 한다. 또한, 물질 파라미터는 공급자에 관계없이 조정될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 강 물질 조성물을 생산하기 위한 방법은, 본 발명에 따라 제공되고, 이러한 방법은 이하의 단계를 포함한다:
a. 시작 물질로부터 용융물을 생산하는 단계, 및
b. 미리 제작된 몰드 안으로 상기 용융물을 붓는 단계.
예를 들면, 강 조각, 재활용된 물질 및 합금은 시작 물질로서 이용될 수 있다. 용융 프로세스는 퍼니스, 바람직하게는 큐폴라 퍼니스에서 일어난다. 이를 따라서, 용융물은 블랭크(blank)를 생산하도록 고형화되도록 허용된다. 블랭크는 원심 주조, 연속 주조, 펀치 프레싱 방법, 크로닝(Croning), 또는 바람직하게 생사 주형법(green sand moulding)과 같은 관련된 기술에서 알려진 방법을 이용하여 주조될 수 있다.
강 물질 조성물이 냉각된 이후, 거푸집(form)은 비워지고 얻어진 블랭크는 세정된다.
필요하다면, 블랭크는 이후에 어닐링될 수 있다. 이는 이하의 단계로 행해진다:
c. Ac3 온도를 넘어서 강 물질 조성물을 오스테나이트화하는 단계,
d. 적절한 담금질 매체(medium)로 강 물질 조성물을 담금질하는 단계, 및
e. 제어된 대기 퍼니스에서 400 내지 700℃의 범위의 온도에서 강 물질 조성물을 템퍼링하는 단계.
오일은 담금질 매체로서 바람직하게 이용된다.
추가적으로 본 발명에 따른 강 물질 조성물을 경화시키기 위해, 이에 의해 얻어진 강 물질 조성물은 이전에서 설명된 프로세스 단계를 따라서 질화될 수 있다. 이는 예를 들어 가스 질화, 플라즈마 질화, 또는 압력 질화에 의해 수행될 수 있다.
이하의 예는 제한 없이 본 발명을 설명한다.
피스톤 링은 이하의 조성을 가진 본 발명에 따른 강 물질 조성물로 만들어졌다:
Al: 0.002wt% P: 0.03wt%
B: 0.1wt% S: 0.009wt%
C: 0.7wt% Si: 3.0wt%
Cr: 2.0wt% Sn: 0.001wt%
Cu: 0.05wt% Ti: 0.007wt%
Mn: 5.05wt% V: 0.015wt%
Mo: 0.5wt% W: 0.011wt%
Nb: 0.002wt% Fe: 나머지
이는 시작 물질(강 스크랩, 재활용된 물질 및 합금)의 용융물을 생산하는 단계, 및 미리 제작된 생사 주형으로 용융물을 붓는 단계에 의해 수행되었다. 이후, 주형은 비워지고 이렇게 얻어진 피스톤 링은 세정되었다. 이후 피스톤 링은 어닐링되었다. 이는 강 물질 조성물의 Ac3 온도를 넘는 오스테나이트화 단계, 및 400 내지 700℃ 범위의 온도에서 제어된 대기 퍼니스에서 템퍼링하는 단계에 의해 이루어진다.

Claims (7)

  1. 특히 피스톤 링 및 실린더 슬리브를 생산하기 위한 강 물질 조성물로서,
    상기 강 물질 조성물은 중량비로 100%에 대해 이하에서 언급된 비율로 이하의 성분
    C: 0.5 - 1.2 wt%
    Cr: 0 - 3.0 wt%
    Fe: 72.0 - 94.5 wt%
    Mn: 3.0 - 15.0 wt%
    Si: 2.0 - 10.0 wt%
    을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    특히 피스톤 링 및 실린더 슬리브를 생산하기 위한 강 물질 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 강 물질 조성물은 이하에서 언급된 비율을 초과하지 않는 양으로 이하의 성분
    Al: 최대 0.02 wt%
    B: 최대 0.1 wt%
    Cu: 최대 2.0 wt%
    Mo: 최대 3.0 wt%
    Nb: 최대 0.05 wt%
    Ni: 최대 4.0 wt%
    P: 최대 0.1 wt%
    S: 최대 0.05 wt%
    Sn: 최대 0.05 wt%
    Ti: 최대 1.5 wt%
    V: 최대 1.5 wt%
    W: 최대 1.5 wt%
    을 포함하고,
    Nb, Ti, V 및 W의 비율의 합이 1.5wt%를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는,
    특히 피스톤 링 및 실린더 슬리브를 생산하기 위한 강 물질 조성물.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 강 물질 조성물은 Al, B, C, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, Nb, Ni, P, S, Si, Sn, Ti, V 및 W로 이루어진 그룹으로부터 선택된 성분만을 포함하고,
    이러한 성분들의 합이 100wt%인 것을 특징으로 하는,
    특히 피스톤 링 및 실린더 슬리브를 생산하기 위한 강 물질 조성물.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 강 물질 조성물을 생산하기 위한 방법으로서,
    a. 상기 시작 물질로부터 용융물을 생산하는 단계; 및
    b. 미리 제작된 주형으로 상기 용융물을 붓는 단계를 포함하고,
    c. Ac3 온도를 초과하여 상기 강 물질 조성물을 오스테나이트화하는 단계,
    d. 적절한 담금질 매체로 상기 강 물질 조성물을 담금질하는 단계, 및
    e. 제어된 대기 퍼니스에서 400 내지 700℃의 범위의 온도에서 상기 강 물질 조성물을 템퍼링하는 단계를 필수적으로 포함하는,
    강 물질 조성물을 생산하기 위한 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    f. 얻어진 상기 강 물질 조성물을 질화시키는 단계를 추가로 포함하는,
    강 물질 조성물을 생산하기 위한 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 강 물질 조성물을 기본 성분으로 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 강 물질 조성물을 기본 성분으로 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더 슬리브.
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