KR20150105327A - 증가된 피로 강도를 갖는 내연기관을 위한 피스톤 링, 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소성 변형 가능한 재료로 만들어진, 증가된 피로 강도를 갖는 피스톤 링(2)에 관한 것이다. 피스톤 링(2)은 정상부에서 상부 베어링 표면 에지(3)에 의해 그리고 바닥부에서 하부 베어링 표면 에지(1)에 의해 제한되는 베어링 표면(4)을 갖는다. 둘레의 적어도 일부를 따라, 압축 응력들이 상부 베어링 표면 에지(3)에 및/또는 하부 베어링 표면 에지(1)에 유도되고, 상기 압축 응력들은 롤링에 의해 발생된다.

Description

증가된 피로 강도를 갖는 내연기관을 위한 피스톤 링, 및 그의 제조 방법 {PISTON RING FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES WITH INCREASED FATIGUE STRENGTH, AND METHOD FOR PRODUCING SAME}
본 발명은 피스톤 링 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 피스톤 링은 소성 변형 가능한 재료를 포함하고 활주면과 피스톤 링 플랭크 사이에 하나 이상의 에지를 가지며, 압축 응력들이 롤러 버니싱(roller burnishing)에 의해 활주면과 피스톤 링 사이의 에지에 유도된다.
종래의 피스톤 링들은 하중을 받을 때 파괴되는 경향이 있다. 피스톤 링들은 엔진 작동 동안 열적으로 그리고 역학적으로 하중을 받는다. 특히, 축방향 그루브 유격과 연관된 높은 연소 압력들은 피스톤 링들이 피스톤의 피스톤 링 그루브에서 비틀어질 수 있는 것을 초래한다. 가장 큰 응력들은 피스톤 링의 링 갭에 대향하는(180°에서) 링 백(back)의 하부 또는 상부 활주 에지에서 발생한다. 이러한 응력들이 너무 커진다면, 하나 또는 그 초과의 매우 가는(hairline) 또는 초기 크랙들이 경계 구역에 발생한다. 이러한 매우 가는 크랙들은 시간이 경과함에 따라 더 커지게 되고, 궁극적으로 링 파괴를 초래한다.
링 파괴들에 대항하는 종래의 가능한 수단들은 재료의 강도를 증가시키거나 사용되는 재료의 두께를 증가시키는 것으로 이루어진다. 에지 파괴들의 경우에, 에지의 강도는 인서트의 사용에 의해 더 증가될 수 있다.
또한, 피스톤 링의 에지에 형성되는 아주 가는 크랙들에 앞선 피로 파괴들은 하중을 받을 때 비틀어지는 피스톤 링들에서 발생한다.
본 발명의 목적은 철 또는 강 재료들과 같은 금속으로 제조되는 피스톤 링들의 피로 저항 및 파괴 저항을 증가시키는 것으로 이루어진다.
또한, 본 발명의 목적은 작동 동안 비틀림 하중을 받는 피스톤 링들의 크랙 형성 거동을 개량하는 것으로 이루어진다.
이러한 문제는 소성 변형 가능한 재료를 포함하는 증가된 피로 저항을 갖는 피스톤 링에 의해 해결될 수 있다. 피스톤 링은 정상부에서 상부 활주면 에지에 의해 그리고 바닥부에서 하부 활주면 에지에 의해 범위가 정해지는 활주면을 갖는다. 본 발명에 따른 피스톤 링에서, 압축 응력들은 적어도 피스톤 링의 둘레의 일부를 따라 상부 활주면 에지로 및/또는 하부 활주면 에지로 유도되고, 압축 응력들은 롤러 버니싱에 의해 피스톤 링 에지로 유도된다.
상기 문제는 피로 저항의 국부적 증가에 의해서 본 발명에 따라 해결된다. 피로 저항은 피스톤 링의 활주면의 에지의 적어도 일부의 롤러 버니싱에 의해 달성된다. 롤러 버니싱은 각각의 에지의 영역의 피스톤 링의 롤링의 타입이며, 그 결과 압축 응력들이 재료에 발생된다. 이러한 압축 응력들은 피스톤 링의 에지가 하중을 받을 때 피스톤 링의 표면에 발생하는 크랙 형성을 야기하기에 충분히 큰 인장 응력들을 방지하고자 하는 것이다. 압축 응력들의 결과, 피스톤 링은 하중을 받을 때 그렇게 많이 변형되지 않으며, 이는 결국 교번하는 하중들의 경우 크랙 진행의 감소를 유도한다. 본 발명에 따르면, 표면 폴리싱을 위해 이전에 주로 사용되었던 롤러 버니싱의 공지된 기계가공 방법이 피스톤 링의 활주면의 상부 및/또는 하부 에지에 압축 응력들을 발생시키는데 사용된다. 용어 피스톤 링의 "활주면의 상부 및/또는 하부 에지" 는 피스톤 링의 하부/상부 플랭크 및 외부면의 에지를 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 노즈(nose)의 각각의 에지들 사이의 구분은 단지 스크랩퍼 링들의 경우에만 이루어진다. 피스톤 링의 상부 및/또는 하부 외부 에지들에서의 압축 응력들은 또한 롤러 버니싱에 의해 발생될 수 있다. 피스톤 링을 제작하는 금속의 국부적 소성 변형과 함께, 롤러 버니싱을 사용하여서 30% 의 피로 저항의 증가가 달성된다. 따라서 본 발명은 단지 큰 비용으로 발생될 수 있는 비싼 재료들 또는 디자인들 또는 레이아웃들에 의지할 필요없이 피스톤 링의 피로 및 파괴 저항의 증가를 가능하게 한다.
피스톤 링의 다른 실시예에서, 압축 응력들은 롤러 버니싱에 의해 단지 하부 활주면 에지에 유도된다. 정밀하게는 활주면의 하부 에지 또는 또한 피스톤 링의 하부 에지(이들이 일치하지 않는다면)는 연소 가스들로 인한 증가된 하중을 받는다. 따라서, 크랙들은 하부 에지에 더 자주 발생한다. 본 발명에 따른 피스톤 링의 간단한 제 1 실시예에서, 피스톤 링 또는 활주면의 단지 하부 경계만이 롤러 버니싱에 의해 처리된다.
피스톤 링의 다른 실시예에서, 압축 응력들은 롤러 버니싱에 의해 단지 활주면의 상부 에지에 유도된다. 이러한 실시예는 작동 동안 외향으로 비틀어지는, 즉 상부 외부 에지가 작동 동안 인장 응력들로 인한 하중을 받는 피스톤 링들에 대하여 특히 유리하다.
피스톤 링의 부가적인 실시예에서, 압축 응력들은 롤러 버니싱에 의해 상부 및 하부 활주면 에지들 모두에 유도된다. 이러한 실시예는 직사각형 횡단면을 갖는 피스톤 링의 에지들이 크랙 형성으로부터 보호되는 것을 가능하게 한다. 본체의 에지들은 특히 크랙들의 형성이 일어나기 쉬운데, 이는 에지의 재료가 크랙의 2 개의 측들의 인장력들을 흡수할 수 있는 다른 재료에 의해 지지되지 않기 때문이다.
피스톤 링의 다른 실시예에서, 압축 응력들이 롤러 버니싱에 의해 유도되는 활주면 에지에는 각각의 경우에 베벨(bevel)이 제공된다. 베벨은 롤러 버니싱에 의해 발생된다. 에지는 롤러 버니싱에 의해 2 개의 별개의 에지들로 분할되고, 각각의 에지는 실질적으로 더 뭉툭한 각도들을 갖는다.
피스톤 링의 다른 실시예에서, 활주면 에지는 각각의 경우에 둥글게 되며(rounded off), 이 둥근 부분 내측으로 압축 응력들이 롤러 버니싱에 의해 또한 유도된다. 압축 응력들이 제공되는 에지의 곡률 반경은 20 ㎛ 내지 100 ㎛, 바람직하게는 30 ㎛ 내지 80 ㎛, 그리고 더 바람직하게는 40㎛ 내지 60 ㎛ 이다. 제조 공차들 내의 50 ㎛ 의 곡률 반경이 마찬가지로 의도된다. 곡률은 노치(notch) 효과들을 회피하거나 적어도 감소시키는 것을 가능하게 한다.
피스톤 링의 다른 실시예에서, 활주면에는 하나 이상의 마모 보호 코팅 또는 길들임(running-in) 코팅이 더 제공된다. 코팅의 타입에 의존하여, 이는 롤러 버니싱 및 압축 응력들의 유도 이전 또는 이후에 도포될 수 있다. 하지만, 피스톤 링이 압축 응력들의 유도 후에 롤러 버니싱에 의해 더 이상 많이 가열되지 않는 것이 보장되어야 하는데, 만일 보장되지 않는다면 유도된 응력들을 감소시키는 응력이 없는 어닐링(annealing)이 개시되기 때문이다. 또한, 경질의 내마모층이 롤러 버니싱 동안 변형될 수 없고 파손된다면, 이 내마모층이 롤러 버니싱을 불가능하게 할 수 있다는 것에 주의해야 한다. 활주면의 일부에 내마모층이 제공되며, 압축 응력들이 롤러 버니싱에 의해 유도되는 에지에는 내마모층이 제공되지 않는다.
피스톤 링의 다른 실시예에서, 피스톤 링은 철 또는 강 재료를 포함하거나 철 또는 강 재료로 실질적으로 또는 전체적으로 구성된다. 철 및 강 재료들에는, 롤러 버니싱에 의한 기계가공을 위해 필요한 소성 변형 가능한 특성들이 제공될 수 있다.
피스톤 링의 다른 실시예에서, 피스톤 링은 압축 링으로서 형성된다. 피스톤 링의 다른 실시예에서, 피스톤 링은 직사각형 링으로서 형성된다. 피스톤 링의 부가적인 실시예에서, 피스톤 링은 테이퍼진 압축 링으로서 형성된다. 피스톤 링의 다른 실시예에서, 피스톤 링은 내부 베벨을 갖는 피스톤 링으로서 형성된다. 피스톤 링의 다른 실시예에서, 피스톤 링은 내부 각도를 갖는 피스톤 링으로서 형성된다. 피스톤 링의 부가적인 실시예에서, 피스톤 링은 내부 베벨을 갖는 테이퍼진 압축 링으로서 형성된다. 피스톤 링의 다른 실시예에서, 피스톤 링은 내부 각도를 갖는 테이퍼진 압축 링으로서 형성된다. 피스톤 링의 다른 실시예에서, 피스톤 링은 양면(double-sided) 사다리꼴 링으로서 형성된다. 피스톤 링의 부가적인 실시예에서, 피스톤 링은 단면(one-sided) 사다리꼴 링으로서 형성된다. 피스톤 링의 다른 실시예에서, 피스톤 링은 L-형상 압축 링으로서 형성된다.
피스톤 링의 다른 실시예에서, 피스톤 링은 스크래퍼 링으로서 형성된다. 피스톤 링의 부가적인 실시예에서, 피스톤 링은 테이퍼진 스크래퍼 링으로서 형성된다. (테이퍼진)스크래퍼 링의 경우에, 피스톤 링의 (하부)피스톤 링 플랭크의 외부 에지는 피스톤 링의 활주면의 (하부)에지와 일치하지 않는다. 이러한 경우, 압축 응력들은 롤러 버니싱에 의해 단지 피스톤 링의 하부 피스톤 링 플랭크의 외부 에지에 유도될 수 있다. (테이퍼진)스크래퍼 링들의 경우에, 바람직하게는 피스톤 링의 (하부)피스톤 링 플랭크의 외부 에지와 피스톤 링의 활주면의 (하부)에지 모두에 롤러 버니싱에 의해 압축 응력들이 제공된다. (테이퍼진)스크래퍼 링들은 개방된 또는 폐쇄된 갭을 가질 수 있으며, 개방된 갭은 기계가공을 크게 간소화한다.
피스톤 링의 다른 실시예에서, 압축 응력들은 단지 피스톤 링의 둘레의 일부에 유도된다. 압축 응력들은 피스톤 링 갭으로부터 단지 45°이상, 바람직하게는 90°이상, 더 바람직하게는 135°이상의 각도 거리에서 대응하는 에지들에 유도된다. 링 백으로서 또한 지칭되는 피스톤 링의 이러한 영역은 대부분의 응력들을 흡수한다. 링 백은 따라서 또한 특히 크랙들 및 파괴들이 일어나기 쉽다. 압축 응력을 피스톤 링의 둘레의 단지 일부에 유도함으로써, 특히 기계가공 시간 및 따라서 또한 롤러 버니싱 기계의 처리량이 개량될 수 있고, 그 결과 이러한 작업 단계에 대한 비용들이 감소될 수 있다.
피스톤 링의 다른 실시예에서, 압축 응력들은 피스톤 링의 전체 상부 및/또는 하부 에지를 따라 유도된다. 이러한 실시예는 롤러 버니싱 공정이 신속하게 회전하는 기계들에 의해 실행되는 것을 가능하게 하며, 이러한 경우 전체 링의 기계가공은 피스톤 링 에지들의 더 신속한 기계가공을 가능하게 하며, 이러한 신속한 기계가공은 기계를 보호하게 한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 연성의, 소성 변형 가능한 재료를 포함하는 피스톤 링의 피로 및 파괴 저항을 증가시키기 위한 방법이 제공된다. 피스톤 링은 정상부에서 상부 활주면 에지에 의해 그리고 바닥부에서 하부 활주면 에지에 의해 범위가 정해지는 활주면을 갖는다. 이 방법은 압축 응력을 롤러 버니싱에 의해 상부면 에지 및/또는 하부 활주면 에지를 기계가공함으로써 피스톤 링의 둘레의 적어도 일부에 유도하는 단계를 포함한다. 이러한 방법 단계는 주로 종래의 방식으로 제조되는 피스톤 링의 마지막 제작 단계들 중 하나로서 실행된다. 반경방향 외측으로 대면하는 피스톤 링의 측은 이러한 경우 활주면으로서 간주된다.
방법의 다른 실시예에서, 단지 하부 활주면 에지에만 롤러 버니싱에 의해 압축 응력들이 제공된다.
방법의 다른 실시예에서, 단지 상부 활주면 에지에만 롤러 버니싱 공정을 사용하여 압축 응력들이 제공된다.
방법의 부가적인 실시예에서, 양 에지들, 상부 및 하부 활주면 에지들의 적어도 일부에 롤러 버니싱에 의해 에지들에 압축 응력들이 제공된다.
방법의 다른 실시예에서, 압축 응력들이 롤러 버니싱에 의해 유도되는 활주면 에지에는 각각의 경우에 또한 롤러 버니싱 공정에 의해 베벨이 제공되거나 둥글게 된다. 이러한 실시예에서, 에지(들)의 평균 곡률 반경은 롤러 버니싱에 의해 증가된다. 둥근 에지는(적절하게는 추후-기계가공 단계들 후에) 20 ㎛ 내지 100 ㎛, 바람직하게는 30 ㎛ 내지 80 ㎛, 그리고 더 바람직하게는 40 ㎛ 내지 60 ㎛ 의 곡률 반경을 갖는다.
방법의 부가적이 실시예에서, 상기 방법은 압축 응력들을 유도하는 단계 후에 길들임 코팅을 도포하는 단계 및/또는 마모 보호 코팅을 도포하는 단계를 포함하고/하거나 롤러 버니싱에 의해 압축 응력들을 유도하는 단계는 템퍼링 단계 후에 실행된다. 템퍼링은 이러한 경우 경화 또는 어닐링과 같은 임의의 열처리를 의미하며 이는 상기 열처리의 온도로 인해 재료의 응력들을 실질적으로 감소시키기에 적절하다. 유도된 압축 응력들은 템퍼링에 의해 다시 감소될 것이다. 선택된 보호층 및 필요한 방법 파라미터들에 따라서, 롤러 버니싱의 단계는 길들임 또는 마모 보호층을 도포하기 전에 또는 그 후에 압축 응력을 유도하기 위해 실행된다. 임의의 경우에, 롤러 버니싱은 재료의 응력 해제가 발생하는 이러한 높은 온도들을 요구하는 마지막 방법 단계 후에만 실행되어야 한다.
방법의 부가적인 실시예에서, 압축 응력들은 롤러 버니싱에 의해 피스톤 링의 하부 피스톤 링 플랭크의 외부 에지에 유도된다. 이러한 실시예는 주로 스크래퍼 링들로서 공지된 것을 위해 주로 사용되며, 여기서 단차부가 하부 피스톤 링 플랭크와 피스톤 링의 활주면 사이에 배열된다. 압축 응력들은 그 후 스크래퍼 링의 노즈를 형성하는 그루브의 2 개의 볼록한 에지들에 유도될 수 있다.
방법의 다른 실시예에서, 압축 응력들은 피스톤 링 갭으로부터 45°이상, 바람직하게는 90°이상, 더 바람직하게는 135°이상의 각도 거리를 갖는 피스톤 링의 부분에만 유도된다. 피스톤 링 갭에 대향하는 피스톤 링의 이러한 부분은 또한 링 백으로서 지칭된다. 따라서 피스톤 링의 하부 외부 에지가 롤러 버니싱되고 단지 링 백의 영역에 압축 응력들이 제공된다.
방법의 다른 실시예에서, 압축 응력들은 피스톤 링의 전체 상부 및/또는 하부 에지를 따라 유도된다.
에지들 외측의 활주면이 롤러 버니싱되지 않거나 압축 응력들이 제공되지 않는 것에 또한 주의해야 한다. 마찬가지로 에지들 외측의 피스톤 링 플랭크들이 롤러 버니싱되지 않거나 압축 응력들이 제공되지 않는다. 롤러 버니싱은 단지, 버(burr)들이 에지에 발생되지 않고 활주면 또는 하부(상부) 피스톤 링 플랭크로의 둥근 에지의 매끄러운 천이부가 보장될 수 있는 에지로부터 아주 멀리서 실행되어야 한다.
본 발명은 예시적인 실시예들의 개략적인 도면들을 사용하여 이하에 설명된다.
도 1은 피스톤 링의 사시도를 도시한다.
도 2는 종래의 피스톤 링의 파괴의 전자 현미경 이미지를 도시한다.
도 3은 마모 보호층이 제공되는 본 발명에 따른 피스톤 링의 횡단면을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 롤러 버니싱 공정 동안 본 발명에 따른 피스톤 링의 횡단면도를 도시한다.
도 5는 종래의 피스톤 링과 비교한 본 발명에 따른 피스톤 링의 피로 저항의 개량을 도시하는 다이어그램을 도시한다.
동일한 참조 부호들은 도면들 및 설명에서 동일한 또는 유사한 구성요소들을 위해 사용된다.
도 1은 피스톤 링(2)의 사시도를 도시한다. 피스톤 링(2)은 외측에 활주면(4)을 갖는다. 도면에서 볼 수 없는 피스톤 링의 하부 측은, 다른 도면들에서 참조 부호 8 이 제공되는 피스톤 링(2)의 하부 플랭크를 형성한다. 피스톤 링의 상부 측은 상부 피스톤 링 플랭크(6)에 의해 형성된다. 활주면(4)은 활주면(4)의 상부 에지(3)에서 상부 피스톤 링 플랭크(6)와 만난다. 활주면(4)은 활주면(4)의 하부 에지(1)에서 하부 피스톤 링 플랭크와 만나고, 그의 참조 부호 8 은 이 도면에서 도시되지 않는다. 피스톤 링은 피스톤 링의 내부면(10)에 의해 내측에서 범위가 정해진다. 피스톤 링(2)은 링 갭(12)에서 개방된다.
하중을 받는 동안, 피스톤 링(2)은 정상부에서 외향으로 회전될 수 있다. 피스톤 링이 정상부에서 외향으로 회전된다면, 이는 또한 네거티브(negative) 비틀림(22)으로서 나타낼 수 있다. 활주면(4)의 에지(3)는 특히 이러한 네거티브 비틀림에 의한 인장 방식으로 하중을 받는다. 이러한 인장 하중은 상부 에지(3)에 크랙 형성을 야기할 수 있다.
하지만 피스톤 링(2)은 또한 하중을 받을 때 정상부에서 내향으로 비틀어질 수 있으며, 이는 포지티브(positive) 비틀림(24)에 대한 이동 방향에 대응한다. 활주면(4)의 하부 에지(1)는 특히 이러한 포지티브 비틀림으로 인해 인장 방식으로 하중을 받는다. 연소 가스들의 압력으로 인한 심각한 하중과 함께, 이러한 인장 하중은 피스톤 링(2) 또는 활주면의 하부 외부 에지(1)에서의 크랙 형성을 야기할 수 있다. 활주면(4)의 하부 에지(1)는 이러한 경우 더 큰 하중으로 인해 활주면(4)의 상부 에지(3)보다 크랙들이 더욱더 일어나기 쉽다.
피스톤 링은 활주면(4)의 하부 에지(1)에 롤러 버니싱에 의해 압축 응력들이 제공되었고, 그 결과 하부 에지(1)는 둥글게 되고 압축 응력들을 갖는다. 이러한 압축 응력들은, 예컨대 마무리 연마 동안 롤러 버니싱된 하부 에지(1)에서 금속 미세 구조의 변경들에 의해 검출될 수 있다. 이는 롤러 버니싱 공정이, 결국 에칭된 마무리 연마 동안 현미경 하에서 검출 가능한 연성 재료 변위를 이행하기 때문에 가능하다. 롤러 버니싱된 영역은 매우 작고 좁을 수 있는데, 그러한 이유로 인해 본 발명에 따른 피스톤 링은 육안에 의해 종래의 피스톤 링과 구분될 수 없는 것을 가능하게 한다.
도 2는 종래의 피스톤 링의 파괴된 면의 SEM(주사 전자 현미경) 이미지를 도시한다. 이러한 경우 파괴 표면 내의 상이한 지형도들이 더 명백하게 보여질 수 있다 : 활주 에지(1) 또는 활주면의 하부 에지로부터 시작하여, 크랙은 링 횡단면으로 연장한다. 공정에서, 매우 미세한 표면 구조가 발생되고, 이는 교번하는 하중 하에서 피로 파괴에 대하여 통상적이다. 링 횡단면의 대략 1/3 의 약함이 도달된다면, 과도한 하중(overload)의 파괴가 발생하고, 이는 통상적인 더 조악한 표면 구조에 의해 인지될 수 있다. 과도한 하중의 파괴의 표면은 피로 파괴가 있는 영역보다 더 조악한 구조를 갖는다. 피스톤 링의 위치는 나타낸 상부 활주면 에지(3), 활주면(4) 및 피스톤 링의 하부 플랭크(8) 뿐만 아니라 피스톤 링의 내부 베벨(26)에 의해 명백하게 볼 수 있다.
도 3은 마모 보호층이 제공되는 본 발명에 따른 피스톤 링의 횡단면을 도시한다. 하부 활주 에지의 형상은 피스톤 링의 피로 및 파괴 저항에 상당한 영향을 갖는다. 코팅된 에지(크롬, PVD)들은 코팅되지 않은 에지들보다 크랙 형성이 더 일어나기 쉽다.
또한, 경질 재료들로 이루어진 두꺼운 층들은 마찬가지로 얇은 층들보다 크랙 형성에 의해 더 영향을 받는다. 또한, 고강도 마모 보호층들은 예컨대 저강도 재료로 이루어진 길들임 층들보다 더 크랙들을 형성하는 경향이 있다. 날카로운 에지들, 즉 작은 곡률 반경들을 갖는 에지들은 더 큰 곡률 반경들을 갖는 둥근 에지들보다 더 크랙들을 형성하는 경향이 있다.
본 발명에 따른 피스톤 링을 통하는 도 3의 횡단면은 압축 응력들이 제공되는 활주면(4)의 하부 에지(1)와 피로 파괴 저항에 있어서 현재 유리한 것으로 간주되는 피스톤 링의 구성의 특징들을 조합하는 실시예를 도시한다.
링(2)은 고품질 주조 재료 또는 강 재료로 제작된다. 코팅(28)은 30 ㎛ 이상의 가능한 최저 두께를 갖는다(이러한 경우 개략적으로 확대된 두께로 도시됨). 마모 보호층(28)은 챔버형이고(chambered), 마모 보호층(28)은 활주면(4)의 하부 에지(1)까지 연장하지 않는다. 하부 활주 에지(1)는 노출되고 따라서 매우 경질의 마모 보호층(28)이 사용되더라도 크랙들이 코팅에 발생되지 않으면서 롤러 버니싱에 의해 기계가공될 수 있다. 하부 에지(1)는 롤러 버니싱되고, 그 결과 압축 응력들이 하부 에지(1)에 존재한다. 롤러 버니싱은 45 ㎛ 의 곡률 반경(42)을 발생한다. 곡률 반경은 20 ㎛ 내지 70 ㎛, 바람직하게는 30 ㎛ 내지 60 ㎛, 그리고 더 바람직하게는 40 ㎛ 내지 50 ㎛ 이다. 라운딩(rounding)은 롤러 버니싱에 의해 달성될 수 있거나 또는 이미 둥글게 된 에지에 압축 응력들이 롤러 버니싱에 의해 제공될 수 있다.
종래의 20 ㎛ 와 비교하여 더 큰 50 ㎛ 의 반경을 갖는 하부 활주 에지(1)의 라운딩은 피로 파괴 저항이 더 증가되는 것을 가능하게 한다. 이전의 경험에 따르면, 50 내지 80 ㎛ 범위 내의 활주면(4)의 하부 에지(1)의 곡률 반경이 오일-스크래핑 효과에 있어서 여전히 용납 가능하다. 오일-스크래핑 효과의 한계들은 100 ㎛ 이상의 곡률 반경들에 의해 예상된다.
큰 반경들의 적용은 링 제조 공정에서의 비용의 명백한 증가와 연관되는데, 이는 형성된 큰 반경들은 단지 링들을 개별적으로 기계가공함으로써 달성될 수 있기 때문이다. 대략 평균 20 ㎛ 까지의 더 작은 곡률 반경들은 묶음들로 기계가공하는 것에 의한 활주면들의 비싸지 않은 폴리싱에 의해 달성될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 롤러 버니싱 공정 동안 본 발명에 따른 피스톤 링의 횡단면도를 도시한다. 여기서, 버니싱 롤(40)은 둥근 부분(42)을 발생하고 에지에 압축 응력들을 발생하며 매끄럽게 하기 위해 피스톤 링(2)의 하부 플랭크(8)와 활주면(1) 사이에 하부 에지(1)에 맞닿아 프레스 된다. 본 발명은 피로 강도를 더 증가시키는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 따르면, 링들 상의 에지 라운딩은 재료 제거에 의해서뿐만 아니라 피스톤 링의 하부 피스톤 링 플랭크(8)와 활주면(4) 사이의 하부 에지(1)의 최소한의 변위(롤러 버니싱) 및 재료 압축에 의해 또한 달성된다. 롤러 버니싱 및 롤러 버니싱 동안의 재료 압축으로 인해, 압축 응력들이 버니싱 롤(40)에 의해 활주면 에지(1)에서 가장 높은 하중 영역(42)의 재료로 피스톤 링으로 유도된다. 이러한 결정적인 링 영역의 압축 응력들은 에지 영역의 크랙들의 발생에 대항하고, 그 결과 링의 피로 강도는 상당히 더 증가된다. 이 효과는 그 중에서도 그 표면 거칠기에 의해 표면으로부터 인장 응력들을, 이상적으로는 구멍이 없는 압축된 금속 미세 구조가 존재하는 표면 아래로 변위시킴으로써 달성된다. 따라서 응력 크랙은 노치 효과의 도움에 의해 작은 표면 오목부로부터 시작하여 전파되지 않을 수 있는데, 이는 응력 크랙을 위한 시작 지점으로서 작용할 수 있는 미세 구조 내의 표면 구조들이 없기 때문이다. 또한, 전파되는 크랙의 2 개의 측들이 표면에서 뻗어있는 동안, 노치는 단지 에지의 표면에 직접적으로 재료의 파괴 라인에 작용한다. 대조적으로, 재료의 표면 하의 결함부는 재료에 의해 그의 전체 외부 에지에서 유지된다. 따라서, 크랙들은 바람직하게는 노치 효과를 사용하여 재료의 외부 표면으로부터 내향으로 전파된다.
도 5는 종래의 피스톤 링과 비교하여 본 발명에 따른 피스톤 링의 피로 저항의 개량을 도시하는 다이어그램을 도시한다. 다이어그램에서, 0℃ 내지 600℃ 사이의 온도들이 x-축선을 따라 좌표에 나타내어진다. y-축선은 106 사이클로 200 ㎫ 내지 550 ㎫ 의 단위를 사용하여 피로 저항을 도시한다. 하부 곡선(44)은 종래의 피스톤 링의 측정 지점들을 연결한다. 피로 저항은 온도 증가에 따라 감소한다. 상부 곡선(46)은 본 발명에 따른 피스톤 링의 측정 지점들을 연결하며, 활주면과 하부 피스톤 링 플랭크 사이의 하부 에지에는 롤러 버니싱에 의해 압축 응력들이 제공되었다. 본 발명에 따른 피스톤 링이 종래의 피스톤 링과 비교하여 더욱 증가된 피로 저항을 갖는 것을 명백하게 볼 수 있다. 피로 저항은 온도 증가에 의해서 더 감소하는데, 이는 더 높은 온도들이 금속 재료들의 응력이 없는 어닐링과 동일한 효과를 갖기 때문이다. 압축 응력에 의해 달성되는 효과들은 더 차가운 피스톤 링들에서 더 발생하는데, 이는 차가운 피스톤 링이 전체적으로 더 높은 강도를 갖기 때문이다.
대략 30%의 피로 저항의 증가가 롤링 버니싱을 사용하여 달성되었으며, 피스톤 링이 제작되는 금속의 국부적 소성 변형을 갖는다. 본 발명은 따라서 비싼 재료들 또는 제조하기에 비싼 디자인들 또는 레이아웃들에 의지하지 않으면서 피스톤 링의 피로 및 파괴 저항의 증가를 가능하게 한다.
본 발명은 보호 범주를 정의하거나 한정하는데 사용되지 않아야 하는 실시예들을 사용하여 도면들을 참조하여 예시되었다. 청구항들이 본 발명의 보호 범주를 정의한다. 도면들의 특징들의 개별적인 조합들의 개시에 더하여, 도시된 실시예들의 특징들의 간단한 조합에 의해 발생될 수 있는 다른 실시예들이 또한 개시된 것으로 간주되어야 한다.
1 활주면의 하부 에지(하부 활주 에지)
2 피스톤 링
3 활주면의 상부 에지(상부 활주 에지)
4 활주면
6 상부 피스톤 링 플랭크
8 하부 피스톤 링 플랭크
10 피스톤 링의 내부면
12 링 갭
22 네거티브 비틀림을 위한 이동 방향
24 포지티브 비틀림을 위한 이동 방향
26 내부 베벨을 갖는 피스톤 링의 내부 베벨
28 챔버형 마모 보호층(하부 활주 에지는 코팅되지 않음)
40 버니싱 롤
42 활주면의 롤러 버니싱된 에지의 둥근 부분
44 종래 피스톤 링의 피로 저항
46 롤러 버니싱된 피스톤 링의 피로 저항

Claims (17)

  1. 연성의 소성 변형 가능한 재료를 포함하는 증가된 피로 저항을 갖는 피스톤 링(2)으로서, 정상부에서 상부 활주면 에지(3)에 의해 그리고 바닥부에서 하부 활주면 에지(1)에 의해 범위가 정해지는 활주면(4)을 갖는 피스톤 링(2)에 있어서,
    압축 응력들이 피스톤 링의 둘레의 적어도 일부를 따라 상부 활주면 에지(3)에 및/또는 하부 활주면 에지(1)에 유도되는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    압축 응력들은 단지 하부 활주면 에지(1)로 유도되는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 링.
  3. 제 1 항에 있어서,
    압축 응력들은 단지 상부 활주면 에지(3)로 유도되는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 링.
  4. 제 1 항에 있어서,
    압축 응력들은 롤러 버니싱에 의해 상부 및 하부 활주면 에지(3, 1)들 모두에 유도되는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 링.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    압축 응력들이 롤러 버니싱에 의해 유도되는 각각의 활주면 에지(1, 3)에는 롤러 버니싱 공정에 의해 베벨이 제공되는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 링.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    압축 응력들이 롤러 버니싱에 의해 유도되는 각각의 활주면 에지(1, 3)는 롤러 버니싱 공정에 의해 둥글게 되고(rounded off), 상기 둥글게 된 부분은 20 ㎛ 내지 100 ㎛, 바람직하게는 30 ㎛ 내지 80㎛, 그리고 더 바람직하게는 40 ㎛ 내지 60 ㎛ 의 곡률 반경을 갖는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 링.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활주면(4)에는 하나 이상의 마모 보호 코팅 또는 길들임(running-in) 코팅이 추가로 제공되는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 링.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피스톤 링은 철 또는 강 재료를 포함하거나 실질적으로 또는 전체적으로 철 또는 강 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 링.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피스톤 링은 압축 링, 직사각형 링, 테이퍼진 압축 링, 내부 베벨을 갖는 피스톤 링, 내부 각도를 갖는 피스톤 링, 내부 베벨을 갖는 테이퍼진 압축 링, 내부 각도를 갖는 테이퍼진 압축 링, 양면 사다리꼴 링, 단면 사다리꼴 링 또는 L-형상 압축 링으로서 형성되는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 링.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피스톤 링은 스크래퍼 링 또는 테이퍼진 스크래퍼 링으로서 형성되며, 압축 응력들은 롤러 버니싱에 의해 피스톤 링(2)의 하부 피스톤 링 플랭크(8)의 외부 에지(1)에 유도되는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 링.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축 응력들은 피스톤 링 갭으로부터 45°이상, 바람직하게는 90°이상, 더 바람직하게는 135°이상의 각도 거리를 갖는 피스톤 링의 일부에만 유도되는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 링.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축 응력들은 피스톤 링(2)의 전체 상부 및/또는 하부 활주면 에지(3, 1)를 따라 유도되는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 링.
  13. 연성의 소성 변형 가능한 재료를 포함하는 피스톤 링(2)의 피로 저항을 증가시키는 방법으로서, 상기 피스톤 링(2)은 정상부에서 상부 활주면 에지(3)에 의해 그리고 바닥부에서 하부 활주면 에지(1)에 의해 범위가 정해지는 활주면(4)을 갖는, 피스톤 링의 피로 저항을 증가시키는 방법에 있어서,
    피스톤 링(2)의 둘레의 적어도 일부에, 상부 활주면 에지(3)에 및/또는 하부 활주면 에지(1)에 압축 응력들이 유도되며,
    상기 압축 응력들은 롤러 버니싱에 의해 유도되는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 링의 피로 저항을 증가시키는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    압축 응력들은 롤러 버니싱에 의해 단지 하부 활주면 에지(1)에 유도되는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 링의 피로 저항을 증가시키는 방법.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    압축 응력들이 롤러 버니싱에 의해 유도되는 각각의 활주면 에지(1, 3)에는 롤러 버니싱 프로세스에 의해 베벨이 제공되거나 둥글게 되고, 20 ㎛ 내지 100 ㎛, 바람직하게는 30 ㎛ 내지 80㎛, 더 바람직하게는 40 ㎛ 내지 60 ㎛ 의 곡률 반경이 둥글게 하는 공정 동안 달성되는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 링의 피로 저항을 증가시키는 방법.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    압축 응력을 유도하는 단계 후에 길들임 코팅을 도포하는 단계 및/또는 마모 보호 코팅을 도포하는 단계를 더 포함하고/하거나 롤러 버니싱에 의한 압축 응력들을 유도하는 단계는 템퍼링 단계 후에 실행되는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 링의 피로 저항을 증가시키는 방법.
  17. 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축 응력들은 피스톤 링 갭으로부터 45°이상, 바람직하게는 90°이상, 더 바람직하게는 135°이상의 각도 거리를 갖는 피스톤 링의 일부에만 유도되는 것을 특징으로 하는,
    피스톤 링의 피로 저항을 증가시키는 방법.
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