KR20140109912A - 차량 엔진용 복합 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 엔진 피스톤 - Google Patents

차량 엔진용 복합 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 엔진 피스톤 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량 엔진용 복합 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤의 제조 방법에 있어서, 철합금 인서트링 혼합 재료 분말을 준비하여 링 형상의 인서트링 성형체를 성형하는 인서트링 성형체의 성형 단계와; 성형된 링 형상의 인서트링 성형체를 소결하여 내부 기공율이 40% ~ 60%가 되는 소결 인서트링을 제조하는 링 형상의 소결 인서트링 제작 단계와; 상기 소결 인서트링에 형성되는 내부 기공으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 침투시켜 복합재료를 형성하도록 하는 알루미늄 합금 용침 단계와; 상기 알루미늄 합금 용침 단계에서 내부 기공이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 채워진 소결 인서트링을 금형 내의 일정한 위치에 위치시키고 캐스팅 기계를 이용하여 알루미늄 주물로 주조하여 알루미늄 용침 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤을 제조하는 피스톤 주조 단계를 포함하여 이루어지는 차량 엔진용 고기능성 복합 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤의 제조 방법을 제공한다.

Description

차량 엔진용 복합 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 엔진 피스톤{Method for manufacturing a vehicle engine piston joined with a combined sintered insert ring, and an engine piston made by it}
본 발명은 자동차 엔진에 장착되는 피스톤에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가솔린 엔진과 같은 차량용 엔진 피스톤에 장착되는 인서트링을 철합금 분말 소결체로 제조하고 소결체의 내부에 존재하는 기공으로 알루미늄 합금을 용침(Infiltration)시켜 철합금과 알루미늄합금 복합재료를 제조하여 철합금에서 부족한 경량성, 열특성(열팽창,열전도)을 향상시킴과 동시에 철합금과 알루미늄 합금간의 화학적 결합을 통해 금속간 화합물을 형성시킴으로써 높은 경도의 상(Phase)과 낮은 경도의 상(Phase)을 분포시키는 방법으로 내마모성이 우수한 인서트링을 제조하여 이를 적용한 피스톤을 제조하는 방법 및 이를 이용하여 제조된 엔진 피스톤에 관한 것이다.
자동차 제조 업체들은 연비향상, 배출가스 규제 등의 문제를 해결하기 위하여 엔진 다운사이징 기술을 사용하고 있다. 엔진 다운사이징은 엔진의 배기량이나 실린더 수를 줄여 연비를 향상시키며, 배출가스 문제를 해결하고 있다. 하지만 엔진 다운사이징시 차량 성능(힘)이 떨어지는 단점이 있다. 이를 해결하기 위하여 사용되는 방법은 연료 직분사 방식이나 터보차저 기술을 결합하여 낮은 배기량의 엔진에서 보다 높은 등급의 성능을 낼 수 있도록 하는 기술을 적용시키고 있다.
특히 연료 직분사 방식을 사용하면서 엔진 연소실 내부의 압력과 온도가 증가하여 기존의 가솔린 엔진 피스톤에 사용되는 표면처리 방식으로 대응하기에는 무리가 있어 디젤 엔진에 피스톤에 사용되는 주철(Ni-Resist)소재의 인서트링을 장착한 피스톤의 사용이 요구되고 있다. 상기 주철 소재의 인서트링을 가솔린 엔진에 장착할 경우 제조시 비용이 증가하는 문제와 더불어 디젤 엔진에 비해 고속으로 회전하는 가솔린엔진 피스톤의 중량 증가는 관성을 증가시켜 엔진 출력이 저하되어 연비가 감소하며, 제조시 비용이 증가하는 등의 문제점이 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 종래의 디젤 엔진 피스톤용 인서트링(2)은 주철을 소재로 하여 제조되고, 상기 인서트링에 피스톤 본체(3)의 모재가 되는 알루미늄 주물이 고압 주조되어 인서트링 일체식의 피스톤(4)을 제조하여 사용한다.
그러나, 이와 같은 종래의 일반적인 주철재 인서트링(1)을 사용하여 일체식 피스톤(4)을 형성하여 사용하는 경우에는 다음과 같은 단점을 가진다.
종래의 주철재 인서트링(2)에 피스톤의 모재인 알루미늄 합금 주물을 고압 주조하여 주철재 인서트링 일체식 피스톤(4)으로 제작되기에 피스톤 본체(3)의 모재인 알루미늄 합금과 인서트링(2)의 재료인 주철이 서로 다른 재료이므로, 이종 금속간의 접합 불량 및 열팽창계수 차이로 인한 접합성이 떨어져서 극심한 열 피로를 받는 엔진에서 장기간 사용되는 경우에 계면이 분리될 수 있는 문제점을 가지며, 알루미늄 모재의 피스톤 본체(3) 보다 주철재 인서트링(2)의 낮은 열전도도로 인한 피스톤의 열을 피스톤링을 통하여 실린더 보어(cylinder bore)로 전달하는데 한계가 있는 문제점으로 인하여, 피스톤(4)이 과열되어서 내열 온도가 초과되는 경우가 발생할 수 있으며, 종국적으로는 피스톤이 파손(failure)될 수도 있는 문제점을 가진다.
또한, 주철 소재의 인서트링을 가솔린 엔진에 장착할 경우에는 제조시 비용이 증가하는 문제와 더불어 디젤 엔진에 비해 고속으로 회전하는 가솔린 엔진 피스톤에서의 중량 증가는 관성을 증가시켜 엔진 출력이 저하되어 연비가 감소하며, 제조시 비용이 증가하는 등의 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 엔진 피스톤의 모재가 되는 알루미늄과 그리고 피스톤의 상부 외주면에 피스톤 링을 장착하기 위한 링 글로브를 형성하도록 제공되는 인서트링 사이의 계면 접합성을 향상시켜서 극심한 열 피로를 받는 엔진에서 장기간 사용되는 경우에도 계면 분리 현상이 발생하는 것을 방지하고, 열전도도가 우수한 소재를 사용하여 열방출을 통하여 냉각 성능을 향상시키도록 하면서, 우수한 강도와 내마모성 뿐만 아니라 중량 감소 효과를 얻을 수 있는 차량 엔진용 고기능성 복합 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤의 제조 방법을 제공함을 그 기술적 과제로 한다.
즉, 본 발명의 기술적 과제는 기존의 주철(Ni-Resist) 소재의 인서트링을 대체할 다른 구조의 인서트링으로서 내마모 특성과 열적 특성이 우수하면서도 중량이 보다 가벼운 인서트링을 개발함으로써, 이를 적용한 내구성이 우수한 차량 엔진용 고기능성 복합 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤을 개발하고자 한다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 해결 방법으로서 안출된 본 발명은, 차량 엔진용 복합 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤의 제조 방법에 있어서,
철합금 인서트링 혼합 재료 분말을 준비하고, 상기 철합금 인서트링 혼합 재료 분말로 링 형상의 인서트링 성형체를 성형하는 인서트링 성형체의 성형 단계와;
성형된 링 형상의 인서트링 성형체를 진공로 또는 환원분위기의 소결로에서 소결하여 내부 기공율이 40% ~ 60%가 되는 소결 인서트링을 제조하는 링 형상의 소결 인서트링 제작 단계와;
상기 소결 인서트링에 형성되는 내부 기공으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금(피스톤 모재와 동일 또는 유사한 재료로 이루어지는 알루미늄 또는 알루미늄 합금)을 침투시켜 내부 기공을 채움과 동시에 경도가 높은 금속간 화합물을 형성함으로써 고경도 상과 저경도 상이 혼재하는 복합재료를 형성하도록 하는 알루미늄 합금 용침 단계와;
상기 알루미늄 합금 용침 단계에서 내부 기공이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 채워진 소결 인서트링을 금형 내의 일정한 위치에 위치시키고 캐스팅 기계(casting machine)를 이용하여 알루미늄 주물(알루미늄 합금 주물을 포함, 이하 동일)로 주조하여 알루미늄 용침 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤을 제조하는 피스톤 주조 단계와; 그리고
상기 피스톤 주조 단계를 거친 알루미늄 합침 소결 인서트링 일체식 엔진 피스톤을 기계 가공하는 피스톤 기계 가공 단계를 포함하여 이루어지는 차량 엔진용 고기능성 복합 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤의 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기한 차량 엔진용 고기능성 복합 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤의 제조 방법을 이용하여 제조되는 것으로서, 차량용 엔진 피스톤의 상부 링 글로브에 장착되는 인서트링을 철합금 분말 소결체로 제조하고 소결체의 내부에 존재하는 기공으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 용침시켜 철합금과 알루미늄 합금 복합재료를 제조하여 경량성과 열특성을 향상시킴과 동시에 철합금과 알루미늄 합금간의 화학적 결합을 통해 금속간 화합물을 형성시킴으로써 소결 인서트링 내에 고경도 상과 저경도 상이 혼재하도록 분포시킨 것을 특징으로 하는 소결 인서트링 일체형 차량용 엔진 피스톤을 제공한다.
본 발명에 따르면, 소결 인서트링의 내부 기공에 함침된 알루미늄 또는 알루미늄 합금 성분이 피스톤의 모재가 되는 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 동일 유사한 성분으로서 그 접촉성이 향상되어서 극심한 열 피로를 받는 엔진에서 장기간 사용되는 경우에도 계면 분리 현상이 발생하는 것을 방지하고, 이로써 피스톤의 열 피로 파괴를 방지하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에 따르면, 소결 인서트링 내부에 제공되는 기공이 피스톤 모재와 동일 유사한 재료의 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 채워져서 열팽창 계수의 차이로 인한 간극 발생을 최소화함으로써 인서트링의 열전도율을 향상시키고, 상부링(Top ring) 파트의 역할에서 중요한 피스톤 링과의 우수한 열 전달 성능을 제공하며, 결과적으로 피스톤의 냉각 성능을 향상시키는 효과를 제공하게 된다.
아울러, 본 발명에 따르면 소결 인서트링 내부에 제공되는 40% ~ 60%의 기공중 상당 부분을 비중 약 2.7g/㎤의 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 채워줌으로써 가솔린 엔진 피스톤용으로 개발되는 소결 인서트링의 밀도가 5.0g/㎤ 이하로 유지되도록 하여 기존의 주철(Ni-Resist) 소재 인서트링의 밀도 7.3g/㎤과 대비할 때 탁월한 중량 감소 효과와 이에 따른 연비 향상 효과를 얻을 수 있게 된다.
아울러, 본 발명에 따르면 종래의 주철(Ni-Resist) 소재 인서트링의 일반적인 경도 수준인 HRB 70~85와 대비할 때 HRB 100 이상의 높은 경도를 확보할 수 있도록 함으로써 내마모 특성도 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1 및 도 2는 종래 기술에 따라 제작된 주철 소재 인서트링을 구비한 디젤 엔진 피스톤을 도시한 사시도와 요부 단면도.
도 3는 본 발명에 따른 차량용 엔진 피스톤 제작 방법의 바람직한 일 실시예의 순서도.
도 5는 본 발명에 따른 차량용 엔진 피스톤 제작 방법의 바람직한 일 실시예에 사용되는 알루미늄 용침 방법을 예시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 차량용 엔진 피스톤 제작 방법의 바람직한 다른 실시예의 순서도.
도 7은 본 발명에 따른 차량용 엔진 피스톤 제작 방법의 바람직한 다른 실시예에 사용되는 알루미늄 용침 방법을 예시한 도면.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예들에 사용되는 소결 인서트링을 도시한 도면.
도 9 내지 도 14은 본 발명에 따른 소결 인서트링으로서 알루미늄 합금 용침 단계 거친 상태의 단면 상태를 나타낸 사진들.
도 15는 본 발명에 따른 알루미늄 합금 소결 인서트링으로써 제작된 소결 인서트링 일체식 피스톤이 캐스팅된 상태의 단면을 나타낸 도면.
도 16은 본 발명에 따른 알루미늄 합금 소결 인서트링으로써 제작된 소결 인서트링 일체식 피스톤이 캐스팅된 이후에 기계 가공 단계를 거치는 과정을 나타낸 도면.
도 17은 본 발명의 바람직한 실시예들에 따라 제작된 가솔린 엔진 피스톤을 도시한 사시도.
도 18은 본 발명의 바람직한 실시예들에 따라 제작된 디젤 엔진 피스톤을 도시한 사시도.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 살펴보기로 한다.
먼저, 본 발명에 따른 차량 엔진용 복합 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤 제작 방법의 바람직한 일 실시예는, 첨부 도면 도 3 및 도 6의 순서도에 도시된 바와 같이,
철합금 인서트링 혼합 재료 분말을 준비(S110)하고, 상기 철합금 인서트링 혼합 재료 분말로 링 형상의 인서트링 성형체를 성형(S120)하는 인서트링 성형체의 성형 단계(S100)와;
성형된 링 형상의 인서트링 성형체를 진공로 또는 환원분위기의 소결로에서 소결하여 내부 기공율이 40% ~ 60%가 되는 소결 인서트링을 제조하는 링 형상의 소결 인서트링 제작 단계(S200)와;
상기 소결 인서트링에 형성되는 내부 기공으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 침투시켜 내부 기공을 채움과 동시에 경도가 높은 금속간 화합물을 형성함으로써 고경도 상과 저경도 상이 혼재하는 복합재료를 형성하도록 하는 알루미늄 합금 용침 단계(S300)와;
상기 알루미늄 합금 용침 단계(S300)에서 내부 기공이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 채워진 소결 인서트링을 금형 내의 일정한 위치에 위치시키고 캐스팅 기계(casting machine)를 이용하여 알루미늄 주물로 주조하여 알루미늄 용침 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤을 제조하는 피스톤 주조 단계(S400)와; 그리고
상기 피스톤 주조 단계(S400)를 거친 알루미늄 합침 소결 인서트링 일체식 엔진 피스톤을 기계 가공하는 피스톤 기계 가공 단계(S500)를 포함하여 이루어지는 차량 엔진용 복합 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤의 제조 방법을 제공한다.
여기에서, 상기 인서트링 성형체의 성형 단계(S100)를 구성하도록 철합금 인서트링 혼합 재료 분말 준비(S110)하는 단계에서는 각각의 분말을 성분비에 맞춰 10~60분간 혼합기에서 혼합하여 혼합 분말을 형성하게 되는데, 상기 혼합 분말에서 기지부로 사용되는 철(Fe)은 성형체 및 소결체 인서트링의 강도를 확보하는 역할을 하며, 탄소(C)는 철기지 조직에서 펄라이트(Pearlite) 양을 증가시켜 인장강도 및 경도를 증가시키는 역할을 하여, 구리(Cu)는 철보다 낮은 융점으로 인해 소결성을 향상시켜 강도를 증가시시키는 역할을 한다. 또한, 본 발명에 따른 소결 인서트링을 제작하는 혼합 분말은 다음의 표의 조성과 같이 구리와 탄소 그리고 잔부로서 철을 포함하는 이외에, 혼합 분말의 균일한 혼합을 위한 윤활재로서 1.0 중량% 이하의 아연 스테아린산 (Zn-stearate)과 같은 윤활제를 추가적인 성분 조성으로 가진 혼합 분말을 사용하는 것이 바람직한데, 이는 일반적인 성형과정 중 성형금형과 성형체의 마찰력을 감소시켜 성형체 강도를 향상시키고, 성형체내의 밀도분포를 균일하게 하기 보다는 승온 과정에서 성형체 내부에 존재하는 윤활재가 기화되어 외부로 빠져나올 때 분만입자의 계면을 통해 빠져나오면서 기공을 형성하게 되는 바, 그 첨가량의 조절을 통하여 제품 내구의 기공도 조절 효과를 위하여 사용되었다.
Figure pct00001
나아가, 소결 인서트링(10)을 제작하는 혼합 분말은 다음의 표의 조성과 같이 미량으로 인(P)과 규소(Si)를 포함할 수도 있는데, 인(P)은 기공을 구상화시켜 소결성을 좋게 하며 강도 증가뿐 아니라 인성을 증가시기키는 역할을 한다.
Figure pct00002
여기에서, 본 발명에 따른 엔진 피스톤 제작 방법에 있어서, 상기 인서트링성 형체의 성형 단계(S100)와 상기 링 형상의 소결 인서트링 제작 단계(S200)의 바람직한 제 1실시예에 따르면, 도 4에서 상부에 도시된 흐름도 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 인서트링 성형체의 성형 단계(S100)에서의 상기 링 형상의 성형체가 되도록 성형(S120)하는 과정은 성형하고자 하는 인서트링 제품의 치수로 만들어진 성형틀(금속, 흑연, 세라믹 소재의 성형틀)에 혼합이 완료된 철합금 인서트링 혼합 재료 분말을 비가압 상태로 채우는 공정(비가압 상태: 성형틀을 제거시 형상이 유지되지 않은 상태)을 수행하여 진행되고, 그리고 후속하는 상기 링 형상의 소결 인서트링 제작 단계(S200)에서는 인서트링의 소결이 완료된 이후에 소결 인서트링으로부터 상기 성형틀을 제거하는 작업이 추가적으로 수행된다.
이와 달리, 상기 인서트링 성형체의 성형 단계(S100)와 상기 링 형상의 소결 인서트링 제작 단계(S200)의 바람직한 제 2실시예에 따르면, 도 4에서 하부에 도시된 흐름도 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 인서트링 성형체의 성형 단계(S100)에서의 상기 링 형상의 성형체가 되도록 성형(S120)하는 과정은 성형하고자 하는 인서트링 제품의 치수로 만들어진 가압 프레스 금형에 혼합 완료된 철합금 인서트링 혼합 재료 분말을 채우고 가압 프레스를 이용하여 400~800kg/㎠의 압력을 가하여 제품의 형상이 유지되는 수준으로 성형하여 금형 내부에 성형체를 형성하고, 성형체를 금형으로부터 분리하여 성형 공정을 완료하게 되고, 나아가 후속하는 상기 링 형상의 소결 인서트링 제작 단계(S200)에서 인서트링 성형체의 소결을 수행하여 소결 인서트링의 제작을 완료하게 된다.
그리고, 상기 링 형상의 소결 인서트링 제작 단계(S200)를 보다 구체적으로 살펴보면, 이 단계에서는 앞서 성형된 링 형상의 인서트링 성형체를 진공로 또는 환원분위기의 소결로에서 각각의 조건에 맞는 소결 온도로 30분 ~ 60분 유지하여 소결함으로써 내부 기공율이 40% ~ 60%가 되는 소결 인서트링을 제조하게 되는데, 이에 따라 제조되는 소결 인서트링의 소결 밀도는 바람직하기로 3.8g/㎤ ~ 4.5g/㎤의 소결 밀도의 범위를 가지도록 하는 것이 바람직하며, 그 하한이 되는 3.8g/㎤ 미만의 소결 밀도를 가지도록 하는 경우에는 성형시에 혼합분말이 서로 잘 뭉쳐지지 않아 성형체가 파손될 가능성이 높아서 부적절하게 되며, 그리고 4.5g/㎤의 소결 밀도를 초과하는 경우에는 소결체의 내부 기공율이 과도하게 감소됨으로써 본 발명의 목적을 달성하기 어렵기 때문에 이와 같은 소결 밀도를 충족하도록 소결체를 형성하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 성형체를 소결하여 도 8에 도시된 바와 같은 인서트링 소결체(10)를 제조하는 인서트링 소결 단계(S200)에서의 소결온도와 소결시간의 상한과 하한은, 하한 조건에 미달된 상태로 소결시에는 제품 상태에서 요구되는 경도와 밀도와 같은 기준 물성에 미달되는 미소결 상태가 발생하는 문제점이 있기에 설정되는 한계이며, 그리고 상한 조건을 초과하는 경우에는 소결 제품에서 용융 상태가 발생하면서 형상 변형이 초래되는 문제가 있기 때문에 필요한 한계가 된다.
즉, 상기 온도 및 시간범위를 초과하는 영역에서는 과다한 액상소결이 일어나고, 상기 온도 및 시간에 미달하는 영역에서는 소결이 이뤄지지 않아 소결 제품의 강도가 약하게 되어 제품으로서 역할을 할 수 없다.
한편, 이와 같이 제조되는 소결 인서트링(10)의 형상은 후술될 피스톤 주조 단계(S400)에서 피스톤 금형 내에 소결 인서트링(10)을 위치시킬 때 소결 인서트링(10)의 고정된 위치를 확보할 수 있도록 도 5, 도 7, 도 8, 및 도 15에 나타낸 바와 같이 외측 외주연에 플랜지(10h)를 구비한 형상을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 다음과 같은 조건에 따른 조성을 가진 5개의 샘플에 대하여 본 발명에 따른 방법에 따라서 소결 인서트링(10)을 시험 제작하였다.
Figure pct00003
또한, 상기 알루미늄 합금 용침 단계(S300)는 상기 소결 인서트링(10)에 형성된 내부 기공으로 피스톤 모재(20)와 동일 또는 유사한 재료로 이루어지는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 침투시켜 내부 기공을 채움과 동시에 경도가 높은 금속간 화합물(철-알루미늄-실리콘 화합물)을 형성함으로써 고경도 상과 저경도 상이 혼재하는 복합재료를 형성하도록 하는 단계로서, 이에 대한 보다 구체적인 하나의 방법 실시예에 따르면 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 소결 인서트링(10)을 피스톤 모재(20)와 동일 또는 유사한 재료로 이루어지는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로서 용융 장치(50)에 의해 700℃~750℃의 용융 상태로 있는 용탕(55)에 대기압하에서 1분 내지 10분 동안 장입하는 알루미늄 합금 용침 단계(S310)로 구성될 수 있는데, 여기에서 예컨대 통상의 크기를 가진 피스톤의 경우에 1분 미만의 시간 동안 장입의 경우에는 내부 기공에 침투하여 내부 기공을 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 채워지는 효과가 불충분하여 바람직하지 않고, 또한 10분을 초과할 경우 소결 인서트링(10)의 표면이 과열되어 일부 용융되는 현상이 발생한다.
이와 달리, 상기 알루미늄 합금 용침 단계(S300)의 다른 또 하나의 방법 실시예에 따르면 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 피스톤 모재(20)와 동일 또는 유사한 재료로 이루어지는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말의 성형체 또는 주조재(65)를 소결이 완료된 상기 소결 인서트링(10)과 접촉시킨 상태로 비산화 분위기 로(60)에서 700℃~750℃ 10분 내지 60분 동안 유지하여 상기 소결 인서트링(10)의 내부 기공으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금아 참투하도록 하는 알루미늄 합금 용침 단계(S320)로 구성될 수 있다.
앞서 설명된 알루미늄 합금 용침 단계(S300; S310, S320)에 사용되는 알루미늄 합금, 즉 피스톤 본체의 모재를 구성하는 알루미늄 합금과 동일 또는 유사한 알루미늄 합금은 10 내지 20 중량%의 실리콘(Si)과 그리고 미량 원소로 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 니겔(Ni)과, 그리고 잔부로서 알루미늄(Al)을 포함하여 이루어질 수 있으며, 이와 달리 소량의 미량 원소들을 포함한 알루미늄(Al)으로 이루어질 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 소결 인서트링(10)으로서 상기 알루미늄 합금 용침 단계(S300)를 거친 상태의 단면 상태를 확대하여 나타낸 사진들을 도시한 도 9 내지 도 14에서 확인되는 바와 같이 소결 인서트링(10)의 내부 기공으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 채워진 상태가 확인된다.
먼저, 링 형상의 소결 인서트링(10)의 내부 기공으로 알루미늄 합금이 채워진 상태가 도 9에 도시되어 있으며, 그리고 절단면 경도 측정점(#1 및 #2)을 표시한 도 10에 따르면 상기 소결 인서트링(10)의 단면을 확대한 상태를 촬영한 사진에 경도 측정점(#1 및 #2)을 나타내고 있다.
이와 같은 인서트링 절단면의 표면 경도를 측정한 결과는 다음의 표와 같다.
Figure pct00004
또한, 상기 사진이 촬영된 인서트링 제작 실험예는 상기 표 3의 샘플 #2의 소결 인서트링(10)을 상기 단계 (S310)에 따라서 3분(180초)간 알루미늄 합금 용탕에 장입하여 내부 기공으로 알루미늄 합금(도 10의 도면부호 '11')이 침투하여 내부 기공을 채움과 동시에 화합물(도 10의 도면부호 '11')을 형성하는 경우에, 각각의 측정점('#1' 및 '#2')에서 내부 경도를 측정한 결과는 다음과 같다.
Figure pct00005
그리고, 첨부 도면 도 11 내지 도 13에서는 상기 도 10의 인서트링 샘플 절단면을 확대한 사진으로서 미세조직을 나타내기 위한 SEM(주사전자현미경: Scanning Electron Microscope) 사진과 EDX(Energy-dispersive X-ray spectroscopy) 사진들을 나타내고 있으며, 사진 상의 도면부호 (11)은 내부 기공으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 침투하여 알루미늄과 알루미늄 화합물이 생성된 부분을 나타내고, 그리고 도면부호 (12)는 철합금 소결체의 기지(Matrix)인 펄라이트(Pearlite) 조직을 나타낸다.
한편, 도 14에는 인서트링(10) 단면 사진과 SEM 사진 상의 각부에 대한 경도 측정값을 함께 도시하고 있다.
나아가, 상기 알루미늄 합금 용침 단계(S300)에서 내부 기공이 알루미늄 합금으로 채워진 소결 인서트링(10)을 피스톤 금형(도시 생략) 내의 일정한 위치에 위치시키고 캐스팅 기계(casting machine)를 이용하여 알루미늄 주물로 주조하여 소결 인서트링(10)과 알루미늄 모재(20)가 일체화된 알루미늄 합침 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤(100)을 제작하는 피스톤 주조 단계(S400)가 진행되게 되는데, 이와 같이 피스톤 주조 단계(S400)를 마친 엔진 피스톤(100)은 도 15에 도시된 바와 같은 단면 구조(도면부호 '23'의 주조체 윤곽 구조)를 가지게 된다.
그리고는, 상기 피스톤 주조 단계(S400)를 거친 알루미늄 합침 소결 인서트링 일체식 엔진 피스톤(100)을 기계 가공하는 피스톤 기계 가공 단계(S500)가 진행되는데, 이 단계에서는 도 15에 도시된 바와 같이 주조체 윤곽(23)을 구비한 형태로 도시된 엔진 피스톤(하부 글로브는 이미 가공된 상태로 도시)을 도 16에 도시된 바와 같이 피스톤 링(도시 생략) 규격에 맞도록 기계 가공 단계(도 3 및 도 6의 'S500' 단계 참조)를 거쳐서 상부 링 글로브(25)가 형성되도록 함으로써, 도 17에 도시된 바와 같은 차량 엔진용 복합 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤(100)의 제작이 완성된다.
이로써, 엔진 피스톤(100)의 모재가 되는 알루미늄 모재(20)와 그리고 피스톤의 상부 외주면에 피스톤 링(미도시)을 장착하기 위한 상부 링 글로브(Top ring groove; 25)를 형성하도록 제공되는 인서트링(10) 사이의 계면 접합성을 향상시켜서 극심한 열 피로를 받는 엔진에서 장기간 사용되는 경우에도 계면 분리 현상이 발생하는 것을 방지하면서, 인서트링(10)과 알루미늄 모재(20)간의 열팽창 계수 차이를 최소화하여 엔진 피스톤(100)과 실린더 보어 사이의 틈새를 최대한 줄여서 열전도율을 높이며 이에 냉각 성능을 향상시키도록 하면서, 우수한 강도와 내마모성 뿐만 아니라 중량 감소 효과를 얻음과 동시에 피스톤 제조공정 감소를 통한 원가절감과 피스톤의 냉각효율 증대 효과를 얻을 수 있는 차량 엔진용 복합 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤(100)을 제작할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면서 도 15 내지 도 17에 도시된 가솔린 엔진 피스톤의 구조를 예시적으로 설명하였지만, 본 발명의 기본적인 구성은 도 18에 도시된 바와 같이 디젤 엔진 피스톤에 대하여서도 적용 가능함은 물론이다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 그 구체적인 실시예를 통하여 설명하기 위하여 바람직한 실시예들을 도면으로 예시하면서 설명되었으나, 이들은 하나의 예시에 불과하기에 다른 수단으로 대체 가능함을 당업자라면 누구라도 이해할 수 있을 것이며, 본 발명에 따른 여러 실시예들은 단지 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시 목적으로 제시된 것으로 본 발명은 이에 국한되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 특허청구범위에 기재된 기술 사상의 범주 내에서 다양한 변경 및 실시가 가능할 것이다.

Claims (6)

  1. 차량 엔진용 복합 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤의 제조 방법에 있어서,
    철합금 인서트링 혼합 재료 분말을 준비(S110)하고, 상기 철합금 인서트링 혼합 재료 분말로 링 형상의 인서트링 성형체를 성형(S120)하는 인서트링 성형체의 성형 단계(S100)와;
    성형된 링 형상의 인서트링 성형체를 진공로 또는 환원분위기의 소결로에서 소결하여 내부 기공율이 40% ~ 60%가 되는 소결 인서트링을 제조하는 링 형상의 소결 인서트링 제작 단계(S200)와;
    상기 소결 인서트링에 형성되는 내부 기공으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 침투시켜 내부 기공을 채움과 동시에 경도가 높은 금속간 화합물을 형성함으로써 고경도 상과 저경도 상이 혼재하는 복합재료를 형성하도록 하는 알루미늄 합금 용침 단계(S300)와;
    상기 알루미늄 합금 용침 단계(S300)에서 내부 기공이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 채워진 소결 인서트링을 금형 내의 일정한 위치에 위치시키고 캐스팅 기계를 이용하여 알루미늄 주물로 주조하여 알루미늄 용침 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤을 제조하는 피스톤 주조 단계(S400)와; 그리고
    상기 피스톤 주조 단계(S400)를 거친 알루미늄 합침 소결 인서트링 일체식 엔진 피스톤을 기계 가공하는 피스톤 기계 가공 단계(S500)를 포함하여 이루어지는 차량 엔진용 복합 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 인서트링 성형체의 성형 단계(S100)에서의 상기 링 형상의 성형체가 되도록 성형(S120)하는 과정은 성형하고자 하는 인서트링 제품의 치수로 만들어진 성형틀에 혼합이 완료된 철합금 인서트링 혼합 재료 분말을 비가압 상태로 채우는 공정을 수행하여 진행되고, 그리고
    상기 링 형상의 소결 인서트링 제작 단계(S200)에서는 인서트링의 소결이 완료된 이후에 소결 인서트링으로부터 상기 성형틀을 제거하는 작업이 추가적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 차량 엔진용 복합 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 인서트링 성형체의 성형 단계(S100)에서의 상기 링 형상의 성형체가 되도록 성형(S120)하는 과정은 성형하고자 하는 인서트링 제품의 치수로 만들어진 가압 프레스 금형에 혼합 완료된 철합금 인서트링 혼합 재료 분말을 채우고 가압 프레스를 이용하여 400~800kg/㎠의 압력을 가하여 제품의 형상이 유지되는 수준으로 성형하여 금형 내부에 성형체를 형성하고, 성형체를 금형으로부터 분리하여 성형 공정을 완료하는 것을 특징으로 하는 차량 엔진용 복합 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤의 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 용침 단계(S300)는,
    상기 소결 인서트링(10)을 피스톤 모재(20)와 동일 또는 유사한 재료로 이루어지는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로서 700℃~750℃의 용융 상태로 있는 용탕(55)에 대기압하에서 1분 내지 10분 동안 장입하는 알루미늄 합금 용침 단계(S310)로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 엔진용 복합 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤의 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 용침 단계(S300)는,
    피스톤 모재(20)와 동일 또는 유사한 재료로 이루어지는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말의 성형체 또는 주조재(65)를 소결이 완료된 상기 소결 인서트링(10)과 접촉시킨 상태로 비산화 분위기 로(60)에서 700℃~750℃, 10분 내지 60분 동안 유지하는 알루미늄 합금 용침 단계(S320)로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량 엔진용 복합 소결 인서트링 일체형 엔진 피스톤의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 따라 제조되는 차량용 엔진 피스톤으로서,
    차량용 엔진 피스톤의 상부 링 글로브에 장착되는 인서트링을 철합금 분말 소결체로 제조하고 소결체의 내부에 존재하는 기공으로 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 용침시켜 철합금과 알루미늄 합금 복합재료를 제조하여 경량성과 열특성을 향상시킴과 동시에 철합금과 알루미늄 합금간의 화학적 결합을 통해 금속간 화합물을 형성시킴으로써 소결 인서트링 내에 고경도 상과 저 경도 상이 혼재하도록 분포시킨 것을 특징으로 하는 소결 인서트링 일체형 차량용 엔진 피스톤.
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