KR20130004709A - 대형엔진용 피스톤 크라운면을 제작하는 방법 및 그를 이용한 대형엔진용 피스톤 - Google Patents

Abstract

대형엔진용 피스톤은 철강 재료로 이루어진 피스톤 크라운을 가지고, 피스톤 크라운 최상부의 표면에 보호층을 구비한다. 보호층은 60 내지 80 wt％의 인코넬(Inconel) 625 파우더 성분과 그 나머지 부분을 이루는 40 내지 20 wt％의 서멧(Cermet) 파우더 성분을 함유한 코팅피막층으로서, 피스톤 크라운 최상부에 위치한 표면의 언더컷(Under-cut) 상태에서 코팅되어 형성된다. 대형엔진용 피스톤 크라운면의 제작 시에는, 고속화염용사(HVOF: high-Velocity Oxygen Fuel Spraying) 공법에 의해 60 내지 80 wt％의 인코넬(Inconel) 625 파우더 성분과 그 나머지 부분을 이루는 40 내지 20 wt％의 서멧(Cermet) 파우더 성분을 함유한 코팅재를 피스톤 크라운 최상부의 표면으로 코팅한다.
이에 따르면, 종래의 인코넬 625 육성용접에 비해 피스톤 크라운면의 두께를 감소시킬 수 있으며, 작업공정 시간이 짧아지고, 보수공정 및 용접 후 가공이 불필요해져 공정이 단순화될 수 있다. 또한 대형엔진용 피스톤 크라운면의 기공 함유량이 극소가 될 수 있다.

Description

대형엔진용 피스톤 크라운면을 제작하는 방법 및 그를 이용한 대형엔진용 피스톤{Manufacturing Method of Piston Crown Surface for Two-stroke Diesel Engine and Piston of Two-stroke Diesel Engine using the same}

본 발명은 대형엔진(Two-stroke Diesel Engine)의 피스톤에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대형엔진용 피스톤 크라운면을 제작하는 방법 및 그를 이용한 대형엔진용 피스톤에 관한 것이다.

대형엔진의 피스톤 크라운면은 고온 연소가스에 노출되는 피스톤 헤드(Head) 부분으로, 내부식성이 우수한 인코넬 625(Inconel 625) 육성용접을 실시하여 내부식성을 유지하도록 제조되는 것이 일반적이다.

또한 피스톤 크라운면은 연소실에서 발생하는 고온 고압의 연소가스에 견뎌야 하기 때문에, 피스톤 크라운면에 인코넬 625 육성용접을 적용하는 경우 내부식성을 확보하기 위해 다층(3층 이상)의 두꺼운 육성용접을 실시하여야 하고, 용접전 예열 및 육성용접 후 가공이 필요하다. 따라서 인코넬 625 육성용접의 난이성과 다층 육성용접으로 인해 용접불량의 발생 빈도가 잦아 용접재료가 과다하게 소모되며, 수정용접과 용접 후 가공의 필요성으로 인해 공정이 복잡해지고, 제조비용이 상승하는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 10-0793612호

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 공정을 단순화하면서 종래의 인코넬 625 육성용접과 동등한 수준의 내부식성을 확보할 수 있는 대형엔진용 피스톤 크라운면을 제작하는 방법 및 그를 이용한 대형엔진용 피스톤을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 대형엔진용 피스톤은 철강 재료로 이루어진 피스톤 크라운을 가지고, 상기 피스톤 크라운 최상부의 표면에 보호층을 구비한 대형엔진용 피스톤으로서, 상기 보호층은 60 내지 80 wt％의 인코넬(Inconel) 625 파우더 성분과 그 나머지 부분을 이루는 40 내지 20 wt％의 서멧(Cermet) 파우더 성분을 함유한 코팅피막층으로서, 상기 피스톤 크라운 최상부에 위치한 표면의 언더컷(Under-cut) 상태에서 코팅되어 형성된 것을 특징으로 한다.

한편 본 발명에 따른 대형엔진용 피스톤 크라운면의 제작 방법은 철강 재료로 이루어진 피스톤 크라운을 가지고, 상기 피스톤 크라운 최상부의 표면에 보호층을 구비한 대형엔진용 피스톤의 크라운면을 제작하기 위한 방법으로서, 상기 피스톤 크라운 최상부에 위치한 표면의 언더컷(Under-cut) 상태에서 60 내지 80 wt％의 인코넬(Inconel) 625 파우더 성분과 그 나머지 부분을 이루는 40 내지 20 wt％의 서멧(Cermet) 파우더 성분을 함유한 코팅재를 이용하여 코팅피막층의 형태로 상기 보호층을 형성하되, 고속화염용사(HVOF: high-Velocity Oxygen Fuel Spraying) 공법에 의해 상기 코팅재를 상기 피스톤 크라운 최상부의 표면으로 코팅하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 대형엔진용 피스톤 크라운면을 제작하는 방법 및 그를 이용한 대형엔진용 피스톤에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.

첫째 피스톤 크라운 상부 표면 보호층의 두께와 무관하게 내부식성을 확보하기 위한 요구 조성을 쉽게 만족시킬 수 있어 종래의 다층 육성용접에 비해 피스톤 크라운 상부 표면 보호층의 두께가 감소한다.

둘째 고속화염용사의 코팅공정을 적용하므로 작업공정 시간이 짧고 보수공정 및 용접 후 가공공정이 불필요해져 공정이 단순화된다.

셋째 대형엔진용 피스톤 크라운면의 기공 함유량이 극소가 되도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대형엔진용 피스톤의 개략적 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대형엔진용 피스톤 크라운면의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대형엔진용 피스톤 크라운면의 부식 실험 결과를 예시적으로 보인 참조도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대형엔진용 피스톤 크라운면을 제작하는 방법 및 그를 이용한 대형엔진용 피스톤에 대해서 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대형엔진용 피스톤 크라운면을 보인 구성도로서, 대형엔진의 피스톤(100)의 상부, 즉 피스톤 크라운(110)으로 지칭되는 부분을 나타낸다.

대형엔진용 피스톤(100)은 회주철(grey cast iron) 또는 주강(cast steel) 또는 단강(forged steel)과 같은 철강 재료로 이루어진 피스톤 크라운(110)을 가진다.

피스톤 크라운(110)은 연소실의 고온 고압의 연소가스에 노출되므로, 피스톤 크라운(110) 최상부의 표면, 즉 크라운면에는 피스톤 크라운(110)의 내부식성을 향상시키기 위한 보호층(111)이 구비된다.

일 실시예에서, 해당 보호층(111)은 60 내지 80 wt％의 인코넬(Inconel) 625 파우더 성분과 그 나머지 부분을 이루는 40 내지 20 wt％의 서멧(Cermet) 파우더 성분을 함유한 코팅피막층으로서, 피스톤 크라운(110)의 최상부에 위치한 표면의 언더컷(Under-cut) 상태에서 코팅되어 형성된다. 피스톤 크라운면에 압축응력을 작용시켜 언더컷 상태에서의 코팅을 실시할 수 있다.

구체적으로, 일 실시예는 종래의 인코넬 625 육성용접과 비교할 때 내부식성을 향상시키기 위해서, 내부식 특성이 우수한 인코넬 625 파우더에, MCrAlY(M：Co, Ni, CoNi 등) 합금 파우더와 세라믹(Ceraminc) 파우더가 혼합된 서멧 파우더를 첨가함으로써 내부식성을 향상시킬 수 있다.

내부식성 향상을 위해 첨가되는 서멧 파우더는 최소 20 wt％ 이상에서 종래의 인코넬 625 파우더와 비교 우위에 있는 내부식성을 나타낸다. 또한 40 wt％ 이상 초과 시에는, 서멧 파우더의 특성상 코팅피막의 경도가 상승할 뿐만 아니라 기공이 증가하게 되어 코팅피막의 내부식 특성 향상에 영향을 주지 않으므로, 인코넬 625 파우더에 20 ~ 40 wt％의 서멧 파우더를 혼합한 코팅피막이 가장 우수한 수준의 내부식 특성을 나타낸다.

한편 일 실시예는 종래의 인코넬 625 육성용접을 대체하기 위한 방안으로서, 고속화염용사(HVOF: high-Velocity Oxygen Fuel Spraying) 공법에 의해 60 내지 80 wt％의 인코넬(Inconel) 625 파우더 성분과 그 나머지 부분을 이루는 40 내지 20 wt％의 서멧(Cermet) 파우더 성분을 함유한 코팅재를 피스톤 크라운(110)의 최상부의 표면으로 코팅하는 방법을 채용한다.

이때 고속화염용사의 코팅방법과, 인코넬 625 파우더에 20 내지 40 wt％ 서멧 파우더를 혼합한 코팅재질이 선정되었으므로, 실험계획법에 의하여 코팅재별 용사변수를 최적화할 수 있다.

예컨대 실험자는 코팅재의 종류를 인코넬 625 파우더, 인코넬 625 파우더에 30% 세라믹 파우더를 혼합한 코팅재, 인코넬 625 파우더에 30% 서멧 파우더를 혼합한 코팅재를 각각 제조하고, 일정 사이즈의 코팅시편을 제조하되, 실험계획법에 의해 각 코팅재당 수 개(예컨대 9개)의 용사조건별 시편을 제작한 후 코팅피막의 물성(표면조도, 경고, 기공율, 피막두께) 등을 평가할 수 있다.

구체적으로 인코넬 625 육성용접(Overlay welding), 인코넬 625 코팅, 인코넬 625 및 세라믹(Ceramic) 혼합물 코팅, 인코넬 625 및 서멧 혼합물 코팅의 4가지 경우에 대하여 고온 부식 시험을 수행하여 보면, 일 실시예와 같은 인코넬 625 및 서멧(Cermet) 혼합물 코팅이 가장 우수한 내부식 특성을 보임을 알 수 있다.

도 3은 이러한 실험 결과를 예시적으로 보인 참조도이다. (a)는 고온 부식 시험 전의 인코넬 625 육성용접(S110), 인코넬 625 코팅(S120), 인코넬 625 및 세라믹 혼합물 코팅(S130), 인코넬 625 및 서멧 혼합물 코팅(S140)의 외관 형상을 차례로 보인 것이다. (b)는 (a)에 나타난 각 경우, 즉 S110 내지 S140의 시편에 대하여 400시간 고온 부식 시험 후의 외관 형상 변화를 S111, S121, S131, S141를 통해 차례로 보인 것이다.

이와 같이 일 실시예는 인코넬 625 파우더에 20 내지 40 wt％ 서멧 파우더를 혼합한 코팅재질이 선정하고, 용접 대신 고속화염용사의 코팅방법을 적용하여 코팅시편을 제작한 후, 실험계획법에 의해 코팅시편에 대한 용사조건을 변화시켜 가며 코팅피막의 물성을 평가하는 방식으로 최적의 용사조건을 결정할 수 있다.

일 실시예에 따르면 보호층(111)의 두께와 무관하게 내부식성을 부여할 수 있으며, 코팅을 사용함으로 인해 경제성을 고려하여 최대 코팅피막의 두께를 제한할 수도 있다.

이와 같이 일 실시예는 대형엔진의 피스톤 크라운면의 내부식성을 향상시키기 위해서 적정 조성물로 피스톤 크라운면에 코팅 처리를 수행한 것으로서, 이에 따르면 작업공정 시간이 단축되고, 보수공정이 불필요하며, 피스톤 크라운면에서 기공 함유량이 적어지게 된다.

본 발명에 따른 대형엔진용 피스톤 크라운면을 제작하는 방법 및 그를 이용한 대형엔진용 피스톤의 구성은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

100: 대형엔진용 피스톤
110: 피스톤 크라운
111: 보호층

Claims (2)

1. 철강 재료로 이루어진 피스톤 크라운을 가지고, 상기 피스톤 크라운 최상부의 표면에 보호층을 구비한 대형엔진용 피스톤으로서,
   상기 보호층은 60 내지 80 wt％의 인코넬(Inconel) 625 파우더 성분과 그 나머지 부분을 이루는 40 내지 20 wt％의 서멧(Cermet) 파우더 성분을 함유한 코팅피막층으로서, 상기 피스톤 크라운 최상부에 위치한 표면의 언더컷(Under-cut) 상태에서 코팅되어 형성된 것을 특징으로 하는 대형엔진용 피스톤.
   
2. 철강 재료로 이루어진 피스톤 크라운을 가지고, 상기 피스톤 크라운 최상부의 표면에 보호층을 구비한 대형엔진용 피스톤의 크라운면을 제작하기 위한 방법으로서,
   상기 피스톤 크라운 최상부에 위치한 표면의 언더컷(Under-cut) 상태에서 60 내지 80 wt％의 인코넬(Inconel) 625 파우더 성분과 그 나머지 부분을 이루는 40 내지 20 wt％의 서멧(Cermet) 파우더 성분을 함유한 코팅재를 이용하여 코팅피막층의 형태로 상기 보호층을 형성하되,
   고속화염용사(HVOF: high-Velocity Oxygen Fuel Spraying) 공법에 의해 상기 코팅재를 상기 피스톤 크라운 최상부의 표면으로 코팅하는 것을 특징으로 하는 대형엔진용 피스톤 크라운면의 제작 방법.

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