KR20140130127A - 커넥팅 로드 및 제조 방법 - Google Patents

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KR20140130127A
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러셀 에이. 체르넨코프
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메탈딘 엘엘씨
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Abstract

커넥팅 로드의 제조 방법이 개시되며, 상기 방법은 분말 단조(powder forging) 공정을 통해 커넥팅 로드를 형성하는 단계; 상기 분말 단조 공정이 완료된 이후 유도 가열(inductive heating) 공정을 통해 커넥팅 로드의 보어(bore) 내에 일체형 내마모성 표면을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

커넥팅 로드 및 제조 방법{CONNECTING ROD AND METHOD OF MANUFACTURE}
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 2012년 1월 30일 출원된 미국 가출원 제 61/592,302호의 이익을 주장하며, 이의 내용은 본원에 참조로서 포함된다.
본 발명의 다양한 실시형태는 커넥팅 로드 더욱 상세하게는 커넥팅 로드의 제조 방법에 관한 것이다.
커넥팅 로드의 제조 공정은 로드의 압분체(green compact) 형태를 생성하기 위해 상당한 압력으로 폐쇄 금형 내에서 금속 입자를 가압 성형(pressure molding)하는 단계를 포함한다. 그 다음, 금속 입자가 결합된 소결 예비성형체(sintered preform)를 형성하기에 충분한 온도로 용광로에서 압분체를 가열한다. 그리고 나서, 소결 예비성형체를 열간 단조(hot forging)하여 로드의 밀도와 강도가 증가된 최종 로드 형상을 형성한다.
또한, 자동차 업계는 커넥팅 로드 제조업체에게 이러한 부품을 개선시킬 것을 계속해서 요구하고 있다. 컴프레서 및 내연 기관과 같은 많은 피스톤 구동 장치에서, 전부동식(full floating) 피스톤 또는 피스톤 핀을 사용하여, 해당 실린더 내에서 작동할 수 있도록 커넥팅 로드와 피스톤을 작동 가능하게 연결한다. 과거에는, 핀이 연장되는 커넥팅 로드의 소단부(small end)에서 핀 베어링(bearing) 또는 부싱(bushing)에 끼워지는 이러한 핀 또는 개구부의 내부 표면은 코팅을 구비하였다. 그러나, 이러한 공정들 각각은 커넥팅 로드의 제조 비용을 추가한다.
따라서, 성능을 희생시키지 않고 커넥팅 로드의 소단부에서 상기한 코팅 또는 부싱을 제거한 커넥팅 로드 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 자동차 분야에서 사용되는 개선된 커넥팅 로드 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
일 실시형태에서, 커넥팅 로드의 제조 방법이 제공되며, 상기 방법은 분말 단조(powder forging) 공정을 통해 커넥팅 로드를 형성하는 단계; 상기 분말 단조 공정이 완료된 이후 유도 가열(inductive heating) 공정을 통해 커넥팅 로드의 보어(bore) 내에 일체형 내마모성 표면을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 커넥팅 로드의 보어는 내부에 삽입된 부싱을 구비하지 않는다.
또 다른 실시형태에서, 내연 기관용 커넥팅 로드가 제공되며, 상기 커넥팅 로드는 제 1 단부 및 제 2 단부 그리고 이들 사이에서 연장된 길다란 중간부, 여기서 상기 제 1 단부는 상기 제 2 단부보다 작고, 상기 제 1 단부를 통해 보어가 연장되고; 상기 보어 내에 위치하는 일체로 형성된 내마모성 표면을 포함하고, 상기 일체로 형성된 내마모성 표면은 커넥팅 로드의 나머지보다 큰 경도를 가지며, 상기 커넥팅 로드의 보어는 내부에 삽입된 부싱을 구비하지 않는다.
또 다른 실시형태에서, 내연 기관용 어셈블리가 제공되며, 상기 어셈블리는 커넥팅 로드 및 피스톤을 포함하고, 상기 커넥팅 로드는 제 1 단부 및 제 2 단부 그리고 이들 사이에서 연장된 길다란 중간부, 여기서 상기 제 1 단부는 상기 제 2 단부보다 작고, 상기 제 1 단부를 통해 보어가 연장되고; 상기 보어 내에 위치하는 일체로 형성된 내마모성 표면을 포함하고, 상기 일체로 형성된 내마모성 표면은 커넥팅 로드의 나머지보다 큰 경도를 갖고, 상기 커넥팅 로드의 보어는 내부에 삽입된 부싱을 구비하지 않으며, 및 상기 피스톤은 보어의 내부에 회전 가능하게 수용되는 피스톤 핀을 통해 상기 커넥팅 로드에 고정된다.
또 다른 실시형태에서, 커넥팅 로드의 제조 방법이 제공되며, 상기 방법은 분말 단조 커넥팅 로드를 형성하는 단계; 상기 분말 단조 공정이 완료된 이후 유도 가열 공정을 통해 커넥팅 로드의 보어 내에 일체형 내마모성 표면을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이들 및/또는 다른 특징, 양태, 및 장점은 첨부한 도면을 참고로 다음의 상세한 설명을 읽을 때 더욱 잘 이해될 것이며, 도면 전체를 통해 유사한 참조번호는 유사한 부분을 나타낸다, 도면에서:
도 1은 피스톤에 고정된, 본 발명의 일 실시형태에 따라 형성된 커넥팅 로드의 도면이고;
도 1A는 피스톤에 고정된, 본 발명의 대안적인 실시형태에 따라 형성된 커넥팅 로드의 도면이고;
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따라 형성된 커넥팅 로드를 도시한 도면이고;
도 2A는 본 발명의 대안적인 실시형태에 따라 형성된 커넥팅 로드를 도시한 도면이고;
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 제조 공정을 도시한 흐름도이고; 및
도 4는 본 발명의 비제한적인 바람직한 실시형태에 따라 함께 형성된 일체형 내마모성 표면을 갖는 부품을 개략적으로 도시한다.
도면이 본 발명의 다양한 실시형태와 특징을 나타내지만, 이들 도면은 반드시 일정한 비율은 아니며, 본 발명의 바람직한 실시형태를 개시하고 설명하기 위해 일부 특징이 과장될 수 있다. 본원에 명시된 예시는 하나의 형태에서 본 발명의 여러 양태를 도시하고, 이러한 예시는 어떠한 방식으로든지 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
미국 특허 제 6,579,492호에 대한 참조가 이루어지며, 이의 내용은 본원에 참조로서 포함된다. 이제 도면을 참고하면, 본 출원의 교시에 따라 제조된 커넥팅 로드(10)가 도시되어 있다. 로드(10)는 중간부(12), 소형 단부(14) 및 대형 단부(16)를 포함하는 길다란 구성을 갖는다. 엔진 분야에 공지된 바와 같이, 피스톤(22)의 피스톤 핀(20)을 수용하도록 구성된 소형 단부(14)를 통해 보어(18)가 형성된다. 엔진 분야에 공지된 바와 같이, 개구부(24)는 대형 단부(16)에 형성되고 크랭크축(미도시)의 저널을 수용하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 커넥팅 로드(10)는 분말 단조 공정을 포함하는 제 1 단계(30)를 통해 형성된다. 이후, 상기 커넥팅 로드(10)는 제 2 단계(32)를 통해 더 형성되는데, 여기서 소형 단부(14)의 보어에 가까운 커넥팅 로드의 부분(26)은 유도 가열 단계(32)라 하는 추가의 처리 단계를 거치며, 국부적인 영역에서 이후의 가열 처리 단계를 통해, 상기 부분(26)은 피스톤 핀(20)과의 상호작용을 위해 보어(18) 내에 내마모성 표면을 제공한다. 이 내마모성 표면은 미국 특허 제 6,579,492호에 개시된 바와 같은 별도로 형성된 부싱에 대한 필요성을 배제한다. 게다가, 내마모성 표면은 또한 별도로 적용된 부싱, 또는 부싱 대신의 또는 부싱에 추가한 코팅의 필요성을 배제한다.
또한 그리고 비제한적인 바람직한 일 실시형태에서, 상기 유도 가열 단계(32)는 담금질(quenching) 단계(33)를 동반하거나 포함하며, 상기 담금질 과정 동안 발생할 수 있는 모든 응력을 최소화하면서 상기 유도 가열 단계를 통해 상기 부분에 가해진 열은 신속하게 제거된다.
대안적인 실시형태에서, 대형 단부(16)의 개구부(24)에 가까운 부분(27)은 또한 상기한 유도 가열 단계라 하는 추가의 처리 단계를 거치며, 국부적인 영역에서 이후의 가열 처리단계를 통해, 상기 부분(27)은 크랭크축의 저널과의 상호작용을 위해 개구부(24) 내에 내마모성 표면을 제공하며, 이는 별도로 적용된 베어링, 또는 베어링 대신의 또는 베어링에 추가한 코팅의 필요성을 배제한다. 또 다른 대안적인 실시형태에서, 대형 단부(16)의 개구부(24)에 가까운 부분(27)만이 상기한 유도 가열 단계라 하는 추가의 처리 단계를 거치며, 보어(18) 또는 부분(26)에는 유도 가열이 적용되지 않는다. 따라서, 보어(18) 또는 개구부(24) 둘 중 하나가 내마모성 표면을 제공하도록 국부적인 영역에서 가열 처리를 거치거나, 또는 보어(18) 또는 개구부(24) 둘 모두가 내마모성 표면을 제공하도록 국부적인 영역에서 가열 처리를 거칠 수 있다.
예를 들어 그리고 비제한적인 바람직한 일 실시형태에서, 그리고 제 1 단계 동안, 일반적으로 대략 80,000 psi인 큰 압력으로 폐쇄 금형 내에서 분말 금속 입자를 성형함으로써 압분체가 로드 형태로 형성된다. 물론, 필요한 압력은 변할 수 있으며, 상기한 값보다 크거나 작을 수 있다. 이 가압 성형은 상기 입자를 기계적으로 맞물리게 하며, 안정적이고, 비교적 약하지만 취급하기에는 충분히 강한 부분을 형성하게 한다. 그리고 나서, 금속 입자가 결합할 수 있도록 하는 충분한 시간 동안 화씨 2,000도 이상의 온도의 용광로에서 압분체를 가열한다. 다시 그리고 응용이 필요할 수 있듯이, 상기 온도는 또한 변할 수 있다. 소결 이후, 예비성형체는 압분체와 동일한 구성을 갖지만 훨씬 더 강하다.
그리고 나서, 커넥팅 로드의 형상을 형성하고 커넥팅 로드에 필요한 밀도와 강도를 증가시키기 위해, 예비성형체를 열간 단조한다. 일반적으로, 이는 대략 60,000 psi의 온도와 섭씨 1,800도 이상의 온도로 프레스에서 다시 한번 열간 단조되는데, 이때의 온도와 압력은 상기 온도와 압력보다 크거나 작도록 변할 수 있다.
제 1 단계 이후, 상기 커넥팅 로드의 부분(26) 및/또는 부분(27)은 유도 가열을 거치며, 여기서 상기 부분(26) 및/또는 부분(27)은 유도 가열 단계를 통해 더 경화되고, 따라서 보어(18)와 피스톤 핀(20)뿐만 아니라 개구부(24)의 인터페이스에 내마모성 표면이 제공된다. 다시 말해서, 보어(18) 및/또는 개구부(24)의 표면은 유도 가열 단계를 통해 더 경화됨으로써 내마모성 표면을 제공하고, 이는 유도 가열 단계로 처리되지 않은 커넥팅 로드의 다른 부분들보다 단단하다. 다른 가열 단계가 적용되어 원하는 내마모성 표면을 제공할 수 있다는 것을 또한 알 수 있다. 비제한적인 일 실시형태에서, 일체형 내마모성 표면은 보어(18) 및/또는 개구부(24)에서 연장된 0.5 내지 2.0 mm 범위의 두께를 갖는다. 또한, 비제한적인 바람직한 일 실시형태에서 열처리된 영역의 경도는 로크웰 경도 스케일(Rockwell Hardness Scale, HRC) 또는 기타 동등한 스케일에 따라 55 내지 65 HRC이다. 물론, 상기한 값보다 크거나 작은 두께 및/또는 경도가 본 발명의 바람직한 실시형태에 범위 내에서 고려될 수 있다.
비제한적인 바람직한 실시형태에서, 상기한 유도 가열 단계에서 사용된 온도는 600 내지 1,200℃의 범위이다. 하나의 바람직한 범위는 850 내지 950℃이다. 물론, 이러한 범위는 예로서 제공되며, 필요한 온도는 변할 수 있고 상기한 값 또는 범위보다 크거나 작을 수 있다.
또한 그리고 비제한적인 바람직한 일 실시형태에서, 상기 유도 가열 단계(32)는 담금질 단계(33)를 동반하거나 포함하며, 상기 담금질 과정 동안 발생할 수 있는 모든 응력을 최소화하면서 상기 유도 가열 단계를 통해 상기 부분에 가해진 열은 신속하게 제거된다.
도 4는 비제한적인 유도 가열 단계를 통해 함께 형성된 일체형 내마모성 표면을 갖는 부품(10)을 개략적으로 도시하며, 분말 단조 공정이 완료된 이후 상기 부품(10)의 보어(18) 및/또는 개구부(24) 내에 코일(50) 또는 코일(50)의 일부가 삽입되며, 상기 부품(10)은 코일(50)이 형성하는 집중 자기장을 통한 유도 전류를 통해 높은 온도로 가열된다. 비제한적인 일 실시형태에서 그리고 필요한 경우, 상기 부품은 이후 코일(50) 옆의 또는 코일(50)과 일체로 결합된 구성요소를 통해 담금질될 수 있고, 또는 대안적으로 상기 유도 가열 단계 이후 담금질 공정을 수행하도록 구성된 다른 구성요소로 상기 부품 자체를 옮길 수 있다. 또한 그리고 또 다른 비제한적인 대안적인 실시형태에서, 원하는 내마모성 표면을 제공하기 위해 상기한 유도 가열 단계 및 담금질 공정을 반복할 수 있다. 물론, 단일 단계의 공정들이 또한 본 발명의 바람직한 실시형태의 범위 내에 있는 것으로 간주될 수 있다.
금속 분말은 일 실시형태에서 다를 수 있고, 모재(base metal) 분말은 철 분말일 수 있다. 소결 예비성형체는 혼합 또는 합금 분말로 형성될 수 있다. 철 분말은 일반적으로 니켈, 몰리브덴, 구리, 탄소 등과 같은 다른 성분을 포함한다. 기본 철은 구리, 흑연, 망간, 황 및 윤활제와 혼합된다. 물론, 본 발명의 바람직한 실시형태 내에서 다른 조합도 고려할 수 있다.
예를 들어, 단조 부품을 제조하기 위해 합금 망간, 황, 철 기반 분말을 사용할 수 있다. 커넥팅 로드 제조를 위해 사용되는 혼합물을 제조하기 위해 합금 분말이 구리 및 탄소와 혼합된다.
비제한적인 일 실시형태에서, 커넥팅 로드의 조성은 1.50 내지 3.50%의 구리(Cu) 및 0.45 내지 0.90%의 탄소(C)를 포함하며, 이들 각각은 상기 로드의 중량%를 말한다. 물론, 본 발명의 바람직한 실시형태의 범위 내에서 상기한 값보다 크거나 작은 구리와 탄소의 다른 범위가 고려될 수 있다.
물론, 커넥팅 로드 이외의 부품을 단조하기 위해 본 발명이 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 다른 자용차용 용도는 내연 기관용 피스톤 링 및 밸브 시트를 포함한다. 다른 부품은 클러치 레이스, 차동 기어 및 유사한 부품을 포함한다.
본원에서 사용되는 용어 "제 1", "제 2" 등은 본원에서 임의의 순서, 수량, 또는 중요도를 나타내지 않고, 오히려 이들 구성요소를 서로 구분하기 위해 사용되며, "부정관사"와 같은 용어는 본원에서 수량의 제한을 나타내지 않고, 오히려 언급된 아이템의 적어도 하나의 존재를 나타낸다. 또한, 본원에서 사용되는 용어 "하부" 및 "상부"는, 달리 언급하지 않는 한, 오직 설명의 편의를 위한 것이며, 어느 하나의 위치 또는 공간적 방향으로 제한되지 않음을 주목해야 한다.
수량과 관련하여 사용되는 수식어 "약"은 언급된 값을 포함하며 문맥에서 지시한 의미를 갖는다(예를 들어, 특정 수량의 측정과 관련된 오류의 정도를 포함한다).
본 발명을 바람직한 실시형태를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수 있고 균등물이 이의 구성요소에 대해 대체될 수 있다는 것을 본 기술분야의 숙련자는 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 교시에 특정 상황 또는 재료에 맞추도록 많은 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 실시하기 위한 최상의 모드로서 개시된 특정 실시형태로 제한되지 않으며, 본 발명은 첨부한 청구항의 범위 내에 있는 모든 실시형태를 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 커넥팅 로드의 제조 방법에 있어서, 상기 방법은
    분말 단조(powder forging) 공정을 통해 커넥팅 로드를 형성하는 단계;
    상기 분말 단조 공정이 완료된 이후 유도 가열(inductive heating) 공정을 통해 커넥팅 로드의 보어(bore) 내에 일체형 내마모성 표면을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 일체형 내마모성 표면은 0.5 내지 2.0 mm 범위의 두께를 갖고; 및
    상기 커넥팅 로드의 보어는 내부에 삽입된 부싱(bushing)을 구비하지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 일체형 내마모성 표면은 55 내지 65 HRC 범위의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 일체형 내마모성 표면은 55 내지 65 HRC 범위의 경도를 갖고; 및
    상기 커넥팅 로드의 보어는 내부에 삽입된 베어링(bearing)을 구비하지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항의 방법에 의해 형성된 커넥팅 로드.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 일체형 내마모성 표면은 0.5 내지 2.0 mm 범위의 두께를 갖고 및 상기 일체형 내마모성 표면은 55 내지 65 HRC 범위의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 커넥팅 로드.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 커넥팅 로드의 조성은 1.50 내지 3.50%의 구리(Cu) 및 0.45 내지 0.90%의 탄소(C)를 포함하며, 이들 각각은 상기 커넥팅 로드의 중량%인 것을 특징으로 하는 커넥팅 로드.
  8. 내연 기관용 커넥팅 로드에 있어서, 상기 커넥팅 로드는
    제 1 단부 및 제 2 단부 그리고 이들 사이에서 연장된 길다란 중간부, 여기서 상기 제 1 단부는 상기 제 2 단부보다 작고, 상기 제 1 단부를 통해 보어가 연장되고;
    상기 보어 내에 위치하는 일체로 형성된 내마모성 표면을 포함하고, 상기 일체로 형성된 내마모성 표면은 커넥팅 로드의 나머지보다 큰 경도를 가지며,
    상기 커넥팅 로드의 보어는 내부에 삽입된 부싱을 구비하지 않는 것을 특징으로 하는 커넥팅 로드.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 일체로 형성된 내마모성 표면은 0.5 내지 2.0 mm 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 커넥팅 로드.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 일체로 형성된 내마모성 표면은, 상기 커넥팅 로드가 분말 단조 공정을 통해 처음 형성되고 난 후, 유도 가열 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 커넥팅 로드.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 일체형 내마모성 표면은 55 내지 65 HRC 범위의 경도를 갖고 및 상기 일체로 형성된 내마모성 표면은 0.5 내지 2.0 mm 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 커넥팅 로드.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 커넥팅 로드의 조성은 1.50 내지 3.50%의 구리(Cu) 및 0.45 내지 0.90%의 탄소(C)를 포함하며, 이들 각각은 상기 커넥팅 로드의 중량%이며, 상기 제 2 단부는 또한 내부에 연장된 보어를 갖고, 상기 제 2 단부의 보어는 내부에 삽입된 베어링을 구비하지 않으며, 상기 제 2 단부의 보어는, 상기 커넥팅 로드가 분말 단조 공정을 통해 처음 형성되고 난 후, 유도 가열 공정을 통해 형성되는 일체로 형성된 내마모성 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 커넥팅 로드.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 일체형 내마모성 표면은 55 내지 65 HRC 범위의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 커넥팅 로드.
  14. 내연 기관용 어셈블리에 있어서, 상기 어셈블리는
    커넥팅 로드 및 피스톤을 포함하고,
    상기 커넥팅 로드는 제 1 단부 및 제 2 단부 그리고 이들 사이에서 연장된 길다란 중간부, 여기서 상기 제 1 단부는 상기 제 2 단부보다 작고, 상기 제 1 단부를 통해 보어가 연장되고;
    상기 보어 내에 위치하는 일체로 형성된 내마모성 표면을 포함하고, 상기 일체로 형성된 내마모성 표면은 커넥팅 로드의 나머지보다 큰 경도를 갖고,
    상기 커넥팅 로드의 보어는 내부에 삽입된 부싱을 구비하지 않으며, 및
    상기 피스톤은 보어의 내부에 회전 가능하게 수용되는 피스톤 핀을 통해 상기 커넥팅 로드에 고정되는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 일체로 형성된 내마모성 표면은 0.5 내지 2.0 mm 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 일체형 내마모성 표면은 55 내지 65 HRC 범위의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 일체형 내마모성 표면은 55 내지 65 HRC 범위의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 일체로 형성된 내마모성 표면은, 상기 커넥팅 로드가 분말 단조 공정을 통해 처음 형성되고 난 후, 유도 가열 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 일체로 형성된 내마모성 표면은 0.5 내지 2.0 mm 범위의 두께를 갖고 및 상기 일체형 내마모성 표면은 55 내지 65 HRC 범위의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 커넥팅 로드의 조성은 1.50 내지 3.50%의 구리(Cu) 및 0.45 내지 0.90%의 탄소(C)를 포함하며, 이들 각각은 상기 커넥팅 로드의 중량%인 것을 특징으로 하는 어셈블리.
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