KR20120049882A - 내연기관용 멀티-파트 피스톤 및 이를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

내연기관용 멀티-파트 피스톤 및 이를 제조하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하기 방법 단계를 포함하는, 내연기관용 멀티-파트 피스톤(10, 110)을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다: 접합면(24, 28; 124, 128)을 갖는 내부 지지 부재(22, 26; 122, 126)와 접합면(25, 29; 125, 129)을 갖는 외부 지지 부재(23, 27; 123, 127)를 각각 갖는 상부 피스톤부(11)와 하부 피스톤부(12)를 제조하는 단계, 적어도 하나의 접합면(24, 28 또는 25, 29; 124, 128 또는 125, 129)의 영역에 고온-납땜 재료를 도포하는 단계, 상부 피스톤부(11)와 하부 피스톤부(12)를 접합면(24, 28 또는 25, 29; 124, 128 또는 125, 129) 사이에 접촉부가 형성되는 피스톤 몸체로 조립하는 단계, 상기 피스톤 몸체를 진공로에 옮기고 상기 진공로를 진공화하는 단계; 상기 피스톤 몸체를 10-2 mbar 이하의 압력에서 1300℃ 이하의 납땜 온도까지 가열하는 단계; 납땜된 피스톤(10, 110)을 고온 납땜 재료가 완전히 고화될 때까지 10-2 mbar 이하의 압력에서 냉각하는 단계. 본 발명은 또한 상기 방법에 의해 제조할 수 있는 피스톤(10, 110)에 관한 것이다.

Description

내연기관용 멀티-파트 피스톤 및 이를 제조하기 위한 방법{MULTI-PART PISTON FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF}
본 발명은 내연기관용 멀티-파트 피스톤(multi-part piston) 및 이러한 피스톤을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
EP 1 483 493 B1에 상세히 설명되어 있는 바와 같이, 상부 피스톤부와 하부 피스톤부를 결합하는 경우 문제가 야기될 수 있다. 상부 피스톤부와 하부 피스톤부는 예를 들면 서로 용접 결합 또는 서로 나사 결합할 수 있는데, 이 결합 기술들은 각각의 고유한 장점과 단점이 있다. 또한 국제특허출원 PCT/DE2008/01394에는 상부 피스톤부와 하부 피스톤부가 납땜 재료에 의해 서로 결합하는 것이 공지되어 있다. 그러나 방법 파라미터에 대해서는 전혀 기재하고 있지 않다.
본 발명의 과제는 상부 피스톤부와 하부 피스톤부를 최대한 저비용으로 신뢰성 있게 납땜 결합할 수 있도록 보장하는, 멀티-파트 피스톤(multi-part piston)을 제조하기 위한 단순한 납땜 방법을 제공하는데 있다.
상기 과제는 청구범위 제1항의 특징부를 가진 방법과 상기 방법에 따라 제조할 수 있는 피스톤에 의해 해결된다.
본 발명에 따르면, 먼저 접합면을 갖는 내부 지지 부재와 접합면을 갖는 외부 지지 부재를 각각 갖는 상부 피스톤부와 하부 피스톤부를 제조하고, 적어도 하나의 접합면의 영역에 고온-납땜 재료를 도포하며, 상기 상부 피스톤부와 하부 피스톤부를 접합면 사이에 접촉부가 형성되는 피스톤 몸체로 조립하고, 이어서 상기 피스톤 몸체를 진공로에 옮기고 상기 진공로를 진공화한 후, 10-2 mbar 이하의 압력에서 1300℃ 이하의 납땜 온도까지 가열하는 것이 제공된다. 이후, 상기 납땜된 피스톤을 고온 납땜 재료가 완전히 고화될 때까지 10-2 mbar 이하의 압력에서 냉각한다.
본 발명에 따른 방법에 따르면, 본 발명에 따른 피스톤의 베이스 금속을 진공로에서 가열한 후 원하는 재료특성을 조절하여 가열처리, 특히 응력을 제거하기 위한 열처리가 더 이상 전혀 필요하지 않게 되고 납땜 공정 후 베이스 금속이 특히 강도, 경도와 구조형태와 관련하여 가능한 한 최적의 값을 갖도록 한다. 따라서 본 발명에 따른 방법은 종래기술에 공지된 방법에 비해 공정시간이 짧고 비용면에서 유리하다.
유리한 추가 실시형태들은 종속항에 명확하게 나타나 있다.
원칙적으로 모든 공지된 고온-납땜 재료가 적합하다. 그러나 니켈, 코발트 및/또는 구리를 기재로 하는 납땜 재료가 바람직하다. 적합한 납땜 재료에 대한 일례로서 니켈계 납땜 재료 L-BNi2(EN 1044 또는 DIN 8513에 따른 재료)가 있다. 이 납땜 재료에 의해, 특히 AFP-강을 사용할 때 특히 상부 피스톤부와 하부 피스톤부 사이가 견고하고 신뢰성 있게 결합된다.
상기 납땜 재료를 도포하는 유형과 방법의 선택은 당업자의 재량이다. 상기 납땜 재료는 예를 들면 적어도 하나의 접합면에 평면 도포, 특히 브러싱 또는 스탬프에 의한 인쇄법에 의해 도포할 수 있다. 그러나 상기 납땜 재료는 적어도 하나의 접합면의 영역에 배치되는 적어도 하나의 저장 홈에 도입될 수 있다. 이 경우, 적어도 하나의 저장 홈을 제조기술적으로 특히 단순한 방법으로 둘러싸는 형태 또는 직선 형태의 홈으로서 또는 구형 캡 형태의 홈으로서 형성할 수 있다.
상기 상부 피스톤부 및/또는 하부 피스톤부에는 적어도 하나의 중앙 면이 마련되어 있어 상부 피스톤부와 하부 피스톤부의 조립을 단순하게 하고 특히 단순한 방법으로 상부 피스톤부와 하부 피스톤부를 서로 정확하게 배향할 수 있도록 하는 것이 유리하다. 납땜 결합을 최적화하기 위해, 경우에 따라 적어도 하나의 중앙 면에는 납땜 재료가 제공된다. 특히 적어도 하나의 중앙 면이 접합면과 소정의 각을 이루게 되면, 납땜 재료가 소정의 각으로 부착될 수 있어 유리하다.
피스톤 몸체는 바람직하게는 진공로에서 적어도 1000℃의 납땜 온도까지 가열하면 납땜 공정 중에 작용하는 모세관력에 의해 납땜 재료가 최적으로 분포된다. 이 납땜 온도를 적어도 5분 동안 일정하게 유지하는 것이 유리하다.
본 발명에 따른 방법은 모든 멀티-파트 피스톤에 대해서 적합하다. 피스톤에는 예를 들면 외부 순환형 냉각관과 내부 냉각실을 한정하는 링형 내부 지지 부재가 구비될 수 있다. 피스톤에는 대면적의 영역을 통해 피스톤 헤드 하부로 연장될 수 있는 외부 순환형 냉각관을 한정하는 중앙 내부 지지 부재가 구비될 수도 있다. 두 경우 모두에서 냉각관 또는 냉각실 내 순환하는 냉각 오일에 의해 특히 우수한 냉각작용이 이뤄진다.
본 발명에 따른 피스톤은 바람직하게는 페라이트-펄라이트 구조를 갖는 강-베이스 금속, 예를 들면 AFP-강으로 구성된다. 본 발명에 따른 방법에 의해 얻고자 하는 베이스 금속의 경도는 바람직하게는 230 HB 내지 300 HB이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세히 설명한다. 실시예들은 정확한 치수가 아닌 개략적인 도면으로 도시되어 있다:
도 1은 본 발명에 따른 피스톤의 제1실시예의 단면도이고;
도 2는 본 발명에 따른 피스톤의 제2실시예의 단면도이며;
도 3은 본 발명에 따른 방법의 냉각단계의 온도-시간-도표이다.
도 1은 본 발명에 따른 피스톤(10)의 제1실시예로서, 납땜 공정 전에 조립한 피스톤 몸체를 도시하고 있다. 피스톤(10)은 예를 들면 AFP-강으로 단조된 상부 피스톤부(11)와 하부 피스톤부(12)로부터 조립된다. 상부 피스톤부(11)는 연소 공동(13), 둘러싸는 형태의 상부 랜드(top land)(14)와 둘러싸는 형태의 링 벨트(15)를 포함한다. 하부 피스톤부(12)는 피스톤 스커트(16) 및 피스톤 핀(미도시)을 수용하기 위한 핀홀(18)을 가진 허브(17)를 포함한다. 상부 피스톤부(11)와 하부 피스톤부(12)는 순환형 외부 냉각관(19)과 중앙 내부 냉각실(21)을 형성한다.
상부 피스톤부(11)는 내부 지지 부재(22)와 외부 지지 부재(23)를 포함한다. 내부 지지 부재(22)는 상부 피스톤부(11)의 하부에 링형으로 둘러싸는 형태로 배치되고 접합면(24)을 갖는다. 내부 지지 부재(22)는 또한 내부 냉각실(21)의 순환형 벽의 일부를 형성한다. 이 실시예에서 상부 피스톤부(11)의 외부 지지 부재(23)는 둘러싸는 형태의 링 벨트(ring belt)(15)의 내부에 형성되고 접합면(25)을 갖는다. 내부 지지 부재(22)는 또한 외부 냉각관(19)으로부터 내부 냉각실(21)로 냉각 오일을 침투시키기 위한 범람관(31)을 포함한다.
하부 피스톤부(12)도 마찬가지로 내부 지지 부재(26)와 외부 지지 부재(27)를 포함한다. 내부 지지 부재(26)는 하부 피스톤부(12)의 상부에 순환 배치되어 있고 접합면(28)을 갖는다. 내부 지지 부재(26)는 또한 내부 냉각실(21)의 순환형 벽의 일부를 형성한다. 이 실시예에서 외부 지지 부재(27)는 링 벨트(15)의 내부에 형성되고 접합면(29)을 갖는다. 내부 지지 부재(26)는 또한 이 실시예에서 접합면(28) 위에 수직으로 형성되어 둘러싸는 형태의 중앙 면(32)을 갖는다. 또한 하부 피스톤부(12)에는 접합면(29)을 반경 방향으로 넓게 하고 납땜 재료를 도포하기 위한 큰 표면을 제공하는 순환형 밴드가 설치될 수 있다. 상기 밴드는 납땜 공정 후, 예를 들면 피스톤의 마무리 가공시 다시 분리 제거된다(미도시).
도 1에는 피스톤(10)이 납땜 공정 전에 조립된 피스톤 몸체로서 도시되어 있다. 이 실시예에서, 납땜 저장부(33) 형태의 고온 납땜 재료가 하부 피스톤부(12)의 내부 지지 부재(26)의 접합면(28)과 중앙 면(32) 사이에 소정의 각으로 도포된다. 상기 납땜 재료는 둘러싸는 형태의 납땜 저장부(33)로서 도포되거나 다수의 점 또는 선형의 납땜 저장부로서 도포될 수 있다. 추가로 이 실시예에서 납땜 재료는 상부 피스톤부(11) 및/또는 하부 피스톤부(12)의 외부 접합면(25 또는 29) 중 적어도 하나에 박층 형태로 도포된다(미도시). 그러나 이는 반드시 필요한 것은 아니다. 또 다른 변형예에 있어서, 납땜 재료는 납땜 저장부를 별도로 마련하지 않고 접합면에만 평면 도포될 수 있다.
이어서 상부 피스톤부(11)와 하부 피스톤부(12)를 이들의 접합면(24, 25 또는 28, 29)을 따라 접촉시켜 피스톤 몸체로 조립하되, 중앙 면(32)에 의해 상부 피스톤부(11)와 하부 피스톤부(12)가 정확하게 배향할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 피스톤(110)의 제2실시예로서, 납땜 공정 전에 조립된 피스톤 몸체로서 도시하고 있다. 피스톤(110)은 도 1에 따른 피스톤(10)과 실질적으로 대응된다.
가장 중요한 차이는 상부 피스톤부(11)와 하부 피스톤부(12)는 순환형 외부 냉각관(119)만을 형성한다는 점이다. 이를 위해 상부 피스톤부(11)는 상부 피스톤부(11)의 하부 중앙에 배치되고 접합면(124)을 갖는 내부 지지 부재(122)를 포함한다. 이와 유사하게 하부 피스톤부(12)는 하부 피스톤부(12)의 하부 중앙에 배치되고 접합면(128)이 마련된 내부 지지 부재(126)를 포함한다. 그 결과 형성되는 냉각관(119)은 연소 공동(13) 하부에서 특히 넓게 연장되어 효율적인 냉각효과를 얻을 수 있다.
또 다른 차이점은 이 실시예에서 상부 피스톤부(11)의 외부 지지 부재(123)가 링 벨트(15)의 하부에 형성된다는 점이다. 외부 지지 부재(123)는 접합면(125)과 접합면(125) 위에 수직으로 형성되어 둘러싸는 형태의 중앙 면(134)을 갖는다. 이와 유사하게 하부 피스톤부(12)의 외부 지지 부재(127)도 마찬가지로 둘러싸는 형태의 링 벨트(15) 하부에 형성되고 접합면(129)을 갖는다.
도 2에서 피스톤(110)도 또한 납땜 공정 전에 조립된 피스톤 몸체로서 도시되어 있다. 이 실시예에서, 납땜 저장부(133) 형태의 고온-납땜 재료가 상부 피스톤부(11)의 외부 지지 부재(123)의 접합면(125)과 중앙 면(134) 사이에 소정의 각으로 도포된다. 상기 납땜 재료는 둘러싸는 형태의 납땜 저장부(133)로서 도포되거나 다수의 점 또는 선형의 납땜 저장부로서 도포될 수 있다. 또한 이 실시예에서 하부 피스톤부(12)의 중앙 지지 부재의 접합면(128)에는 납땜 재료가 충전된 구형 캡 형태의 납땜 저장부(135)가 구비되어 있다.
이어서 상부 피스톤부(11)와 하부 피스톤부(12)를 이들의 접합면(124, 125 또는 128, 129)을 따라 접촉시켜 피스톤 몸체로 조립하되, 중앙 면(134)에 의해 상부 피스톤부(11)와 하부 피스톤부(12)가 정확하게 배향할 수 있게 된다.
이 실시예에서 피스톤(10, 110) 제조를 위한 납땜 방법은 다음과 같이 실시된다. 베이스 금속으로서 DIN-EN10267과 재료번호 1.1303에 따른 AFP-강 38MnVS6이 선택된다. 고온-납땜 재료로서 EN 1044 또는 DIN 8513에 따른 니켈계 납땜 재료 L-BNi2가 선택된다. 이 납땜 재료의 필수 조성은 7중량%의 크롬, 3.1 중량%의 붕소, 4.5중량%의 규소, 3중량%의 철, 최대 0.06중량%의 탄소 및 잔부(100중량%까지)의 니켈(모든 %는 납땜 재료 기준임)로 이루어진다. 용융 도표에서 고체-액체-라인에 따른 용융온도 범위는 970℃ 내지 1000℃이다. 납땜 온도 범위는 1010℃ 내지 1180℃이다.
냉각가스 장치를 구비한 공지의 고온-진공로에 피스톤 몸체를 넣는다. 상기 진공로를 압력이 약 5 x 10-3 mbar에 도달할 때까지 진공화한다. 다음, 상기 진공로를 1150℃의 납땜 온도까지 가열한다. 가열 단계 중 압력은 10-2 mbar 이하이다. 상기 납땜 온도를 이 실시예에서는 15분 내지 60분으로 일정하게 유지하되, 압력은 약 5 x 10-4 mbar까지 낮춘다. 다음, 상기 진공로를 납땜 재료가 완전히 고화될 때까지(예를 들면 약 960℃) 냉각시킨다(도 3 참조). 이 온도에서 냉각가스, 예를 들면 질소를 취입하여 냉각을 촉진시킬 수 있다. 상기 냉각 공정은 최종 피스톤(10, 110)이 AFP-강의 페라이트-펄라이트 구조와 230 HB 내지 300 HB의 경도를 갖도록 제어된다.
상기 냉각 공정의 제어시 일반적으로 당업자에게 알려진 파라미터를 다양하게 고려한다. 가장 단순한 것은 당업자에게 알려진 소위 시간-온도-전이도(ZTU)로서 AFP-강 38MnVS6의 경우와 같이 통상적으로 베이스 금속의 제조자로부터 입수할 수 있다. 진공로의 구성 및 가공할 부품의 크기, 기하구조와 개수는 부품의 열용량에 영향을 주는 파라미터이기 때문에 실질적인 파라미터로서 고려된다. 또한 열전도와 방열과 같은 물리적 효과 및 구조 변경에 의해 제한되는 열효과도 경우에 따라 온도 범위에 대해 항상 선형적으로 변하는 것은 아니므로 냉각 공정에 영향을 미친다.

Claims (15)

  1. 하기 방법 단계를 포함하는, 내연기관용 멀티-파트 피스톤(10, 110)을 제조하기 위한 방법:
    a) 접합면(24, 28; 124, 128)을 갖는 내부 지지 부재(22, 26; 122, 126)와 접합면(25, 29; 125, 129)을 갖는 외부 지지 부재(23, 27; 123, 127)를 각각 갖는 상부 피스톤부(11)와 하부 피스톤부(12)를 제조하는 단계,
    b) 적어도 하나의 접합면(24, 28 또는 25, 29; 124, 128 또는 125, 129)의 영역에 고온-납땜 재료를 도포하는 단계,
    c) 상부 피스톤부(11)와 하부 피스톤부(12)를 접합면(24, 28 또는 25, 29; 124, 128 또는 125, 129) 사이에 접촉부가 형성되는 피스톤 몸체로 조립하는 단계,
    d) 상기 피스톤 몸체를 진공로에 옮기고 상기 진공로를 진공화하는 단계;
    e) 상기 피스톤 몸체를 10-2 mbar 이하의 압력에서 1300℃ 이하의 납땜 온도까지 가열하는 단계;
    f) 납땜된 피스톤(10, 110)을 고온 납땜 재료가 완전히 고화될 때까지 10-2 mbar 이하의 압력에서 냉각하는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 니켈, 코발트 및/또는 구리를 기재로 하는 고온-납땜 재료가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 납땜 재료가 적어도 하나의 접합면(24, 28 또는 25, 29; 124, 128 또는 125, 129)에 평면 도포되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 납땜 재료가 적어도 하나의 접합면의 영역에 배치되는 적어도 하나의 저장 홈(33, 133, 135)에 유입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 저장 홈(33, 133, 135)이 둘러싸는 형태 또는 직선형 홈으로서 또는 구형 캡 형태의 홈으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상부 피스톤부(11) 및/또는 하부 피스톤부(12)에 적어도 하나의 중앙 면(32, 134)이 마련되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 중앙 면(32, 134)에 납땜 재료가 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 적어도 하나의 중앙 면(32, 134)이 접합면(28, 125)과 소정의 각을 이루고 납땜 재료가 소정의 각으로 부착되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피스톤 몸체가 적어도 1000℃의 납땜 온도까지 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 납땜 온도가 적어도 5분간 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각속도가 1℃/분 내지 50℃/분에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조할 수 있는 내연기관용 멀티-파트 피스톤(10, 110).
  13. 제12항에 있어서, 외부 순환형 냉각관(19)과 내부 냉각실(21)을 한정하는 링형 내부 지지 부재(22, 26)가 제공되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  14. 제12항에 있어서, 외부 순환형 냉각관(119)을 한정하는 중앙 내부 지지 부재(122, 126)가 제공되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 페라이트-펄라이트 구조와 230 HB 내지 300 HB의 경도를 갖는 강-베이스 재료, 특히 AFP-강으로 구성되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
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