KR20150123949A - 내마모성 피스톤 링 코팅 - Google Patents

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KR20150123949A
KR20150123949A KR1020157028288A KR20157028288A KR20150123949A KR 20150123949 A KR20150123949 A KR 20150123949A KR 1020157028288 A KR1020157028288 A KR 1020157028288A KR 20157028288 A KR20157028288 A KR 20157028288A KR 20150123949 A KR20150123949 A KR 20150123949A
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제임스 알. 토쓰
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페더럴-모걸 코오포레이숀
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Abstract

본 발명의 코팅된 피스톤 링의 제조방법은 알루미늄계의 재료의 층을 강과 같은 철계 재료로 형성된 링 본체의 외측면에 부가하는 단계를 포함한다. 알루미늄계 재료의 층은 열 분무에 의해 부가된다. 이 방법은 알루미늄계 재료를 링 본체의 철계 재료와 결합시켜 알루미늄 철(Al5Fe2)의 내마모성 코팅을 형성시키는 환경친화적인 열처리 방법을 포함한다. 이 열 처리 방법은 내마모성 코팅의 경도가 HV 1000에 이를 수 있도록 약 550℃로 20분 동안 가열하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

내마모성 피스톤 링 코팅{WEAR RESISTANT PISTON RING COATING}
본 출원은 2013년 3월 13일 출원한 미국 가출원번호 61/779,425호에 기초하여 우선권주장을 하며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참고자료로서 통합되어 있다.
본 발명은 대체로 내연기관용 피스톤 링에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 코팅된 피스톤 링과 이 코팅된 피스톤 링의 제조 방법에 관한 것이다.
예컨대, 내연기관과 같은 왕복운동기관의 피스톤은 피스톤의 외경에 따라 홈에 배치된 링을 포함하는 것이 전형적이다. 피스톤 링은 실린더의 보어 내에서의 왕복운동 중에 피스톤을 가이딩하는 것을 수월하게 한다. 또한, 피스톤 링은 연소가스를 밀봉하고 오일이 상방으로 통과하는 것을 억제한다. 피스톤 링은 가스 부하와 자체의 고유한 부하로 인하여 실린더의 보어를 따라 이동하기 때문에, 피스톤 링은 마모된다. 따라서, 피스톤 링은 질화처리되거나, 6가 크롬과 같은 크롬으로 코팅되거나, 세라믹으로 코팅된다. 이 코팅은 전기도금 또는 물리적 증착법(PVD)에 의해 피스톤 링에 부가된다(입혀 진다)(applied).
주위 환경에 친환경적이면서도 내마모성 코팅이 된 피스톤 링과 이 코팅된 피스톤 링의 제조 방법이 요청된다.
본 발명의 한 양태는 코팅된 피스톤 링을 제공한다. 이 피스톤 링은 중심축 둘레에서 원주방향으로(circumferentially) 뻗어 있는 철계 재료를 포함한다. 내마모성 코팅은 링 본체상에 배치되어 피스톤 링의 외경면(outer diameter surface)을 제공한다. 내마모성 코팅은 알루미늄 철(aluminum iron)(Al5Fe2)을 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 코팅된 피스톤 링을 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 중심축 둘레에서 원주방향으로 뻗어 있는 외측면을 제공하는 철계 재료를 포함하는 링 본체를 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은 알루미늄계 재료의 층을 링 본체의 외측면에 부가하는(applying) 단계와 알루미늄계 재료를 가열하는 단계를 포함한다. 이 가열 단계에 의하면 알루미늄 철 (Al5Fe2)을 포함하는 내마모성 코팅이 형성된다.
가열 단계중에 형성된 내마모성 코팅은 경도가 높고, 예컨대 이 경도는 HV 1000이다. 따라서, 이 코팅된 피스톤 링은 왕복운동 기관에 사용될 때 마모율이 낮다. 내마모성 코팅에 의해 제공된 마모율은 전기도금된 크롬 코팅의 마모율과 유사할 것이다. 그러나, 크롬 코팅과 크롬 코팅을 부가하기 위해(입히기 위해) 사용된 전기도금 방법과 달리, 본 발명의 코팅된 피스톤 링의 제조 방법과 내마모성 코팅은 주위 환경에 대해 친환경적이다.
본 발명의 기타 다른 장점은 첨부한 도면과 연관지어 고려할 때 다음의 발명의 상세한 설명을 참고하여 보다 잘 이해될 것이므로, 이 기타 다른 장점은 용이하게 평가될 수 있을 것이다.
본 발명에 의하면 주위 환경에 대해 친환경적이면서도 내마모성이 있는 코팅된 피스톤 링과 이것의 제조 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 코팅된 피스톤 링에 관한 사시도;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 코팅된 피스톤 링을 형성하기 위해 사용된 방법의 단계를 설명하는 도면;
도 3은 가열단계 전에 도 1의 코팅된 피스톤 링을 형성하기 위해 사용된 링 본체의 외측면에 부가된 알루미늄계 재료의 단면도; 및
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 코팅된 피스톤 링의 복수개의 면을 제공하는 내마모성 코팅의 단면도이다.
본 발명의 한 양태는 내연 기관과 같은 왕복운동 기관용 내마모성 코팅(22)을 포함하는 피스톤 링(20)을 제조하는 방법을 제공한다. 도 1에는 한 실시예에 따른 코팅된 피스톤 링(20)의 일례가 도시되어 있고, 도 2에는 코팅된 피스톤 링(20)을 형성하기 위해 사용된 방법의 단계가 도시되어 있다.
이 방법은 강, 강합금, 주철, 주철 합금, 구상 철(nodular iron), 주강과 같은 철계 재료 또는 왕복운동 기관의 조건을 취급할 수 있는 또 다른 철계 재료로 형성된 링 본체(24)를 제공함으로써 시작된다. 링 본체(24)는 도 1에 도시된 것처럼, 중심축(A) 둘레에서 원주 방향으로 뻗어 있다. 또한, 링 본체(24)는 도 3에 도시된 것처럼, 외측면(26), 외측면(26) 반대편에서 대향하고 있는 내측면(28) 및 외측면(26)을 내측면(28)로부터 이격시키는 에지면(30)을 제공한다. 도 1의 실시예에서, 링 본체(24)는 각각의 면(26, 28, 30)을 따라서 개구(32)를 제공하도록 분할되어 있다. 링 본체(24)는 전체적으로 패턴이 없거나(full-face), 패턴이 반 정도 들어가 있거나(semi-inlaid) 또는 전체적으로 패턴이 들어가 있을 수 있다(fully-inlaid). 더욱이, 적어도 하나의 홈(34) 즉, 복수개의 홈(34)이 링 본체(24)의 외측면(26)을 따라서 형성될 수 있다.
다음으로, 이 방법은 도 3에 도시된 것처럼 알루미늄계 재료의 층(36)을 링 본체(24)의 외측면(26)에 부가하는 단계를 포함한다. 알루미늄계 재료는 순 알루미늄인 것이 전형적이지만, 알루미늄 합금 또는 다른 알루미늄계 재료일 수 있다. 외경면(38)에 부가된 알루미늄계 재료의 층(36)의 두께(t1)는 15 내지 25마이크론(μm)인 것이 전형적지만, 다른 두께 (t1)일 수 있다.
알루미늄계 재료를 링 본체(24)의 외측면(26)에 부가하는데 사용된 방법은 예컨대, 분무(spraying)와 같은 저비용 방법이다. 한 실시예에서, 플라즈마 스프레이 방법이 사용된다. 이 방법은 알루미늄 와이어 또는 알루미늄 분말을 플라즈마 제트로 공급하는 단계를 포함하는데, 여기에서 알루미늄은 용융되어 링 본체(24)의 외측면(26)위로 향하게 추진된다. 이와 다르게는, 다른 열 분무 방법(thermal spray process)이 알루미늄계 재료를 외측면(26)에 부가하기 위해 사용될 수 있다. 도 3에 도시되지 않았지만, 알루미늄계 재료의 층(36)이, 외측면(26)에 추가하여, 내측면(28)의 적어도 일부분 및/또는 링 본체(24)의 에지면(30)의 적어도 일부분에 부가될 수도 있다.
알루미늄계 재료의 층(36)이 외측면(26)에 부가해진 후에, 이 방법은 층(36)과 링 본체(24)를 가열하는 단계를 포함한다. 이 가열단계는 열처리 공정을 포함하는데, 이 열처리 공정에 의해 알루미늄계 재료의 층(36)이 링 본체(24)의 철계 재료와 결합되어(combine) 알루미늄 철(Al5Fe2)이 형성된다. 알루미늄 철(Al5Fe2)은 도 1과 4에 도시된 것처럼, 피스톤 링(20)의 내마모성 코팅(22)을 제공한다. 내마모성 코팅(22)은 화합물층 또는 금속간 층으로도 불리울 수도 있다. 내마모성 코팅(22)은 52중량% 내지 55중량%의 알루미늄과 45중량% 내지 48중량%의 철을 포함하는 것이 전형적이다. 한 실시예에서, 링 본체(24)가 강으로 구성되고 알루미늄계 재료의 층(36)이 순 알루미늄일 때, 가열 또는 열처리하는 동안에 형성된 내마모성 코팅(22)은 대체로 알루미늄 철(Al5Fe2)로 구성된다. 그러나, 내마모성 코팅(22)의 정확한 조성은 사용된 철계 재료와 알루미늄계 재료의 종류에 따라 변동될 수 있다. 어째든, 내마모성 코팅(22)의 대부분은 알루미늄 철(Al5Fe2)이다.
가열 단계는 알루미늄 철(Al5Fe2)이 형성되기에 충분한 온도로 그리고 충분한 시간 동안 가열하는 것을 포함한다. 이 가열 단계는 산소가 없고 불활성인 분위기, 예컨대, 질소 분위기에서 실행되는 것이 전형적이다. 가열 단계의 시간과 온도는 링 본체(24)의 기하학적 형태와 알루미늄 층(36)의 두께(t1)에 따라 변동되지만, 각 케이스에서, 그 시간과 온도는 알루미늄 철(Al5Fe2)이 형성되기에 충분하다. 한 실시예에서, 가열 단계는 약 550℃로 20분 동안 가열하는 것을 포함하는 것이 전형적이다. 이 가열 단계는 내마모성 코팅(22)이 HV 100의 경도를 가질 때까지 가열하는 것도 포함한다. 가열 단계후의 내마모성 코팅(22)의 두께(t2)는 15 내지 50마이크론인 것이 전형적이다. 도 4에는 링 본체(24)의 철계 재료와 내마모성 코팅(22)사이의 뚜렷한 대비가 도시되어 있지만, 철계 재료는 알루미늄 철(Al5Fe2)로 점진적으로 트랜지션(transition)될 수 있고 알루미늄계 재료는 알루미늄 철(Al5Fe2)로 점진적으로 트랜지션될 수 있어, 피스톤 링(20)은 성분상의 기울기를 가지는 조직(gradient structure)을 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 내마모성 코팅(22)을 포함하는 코팅된 피스톤 링(20)을 제공한다. 피스톤 링(22)은 중심축(A) 둘레에서 원주방향으로 뻗어 있는 철계 재료를 포함하는 링 본체(24)를 구비하고 있다. 철계 재료는 강, 강합금, 주철, 주철 합금, 구상철, 주강 또는 왕복운동 기관의 조건을 취급할 수 있는 다른 철계 재료를 포함하는 것이 전형적이다. 한 실시예에서, 링 본체(24)는 각각의 표면(26, 28, 30)을 따라서 개구(32)를 제공하도록 분할되어 있다. 링 본체(24)는 전체적으로 패턴이 없거나, 패턴이 반정도 들어가 있거나 또는 전체적으로 패턴이 들어가 있을 수 있다. 링 본체(24)에는 도 1에 도시된 것처럼 적어도 하나의 홈(34) 즉, 복수 개의 홈(34)이 외측면(26)을 따라서 형성될 수도 있다.
알루미늄 철(Al5Fe2)을 포함하는 내마모성 코팅(22)은 도 4에 가장 잘 도시된 것처럼 피스톤 링(20)의 외경면(38)을 제공한다. 알루미늄계 재료가 링 본체(24)의 에지면(30)에 부가되면, 내마모성 코팅(22)은 도 4에 도시된 것처럼 마무리처리된(finished) 피스톤 링(24)의 측면(42)을 제공한다. 알루미늄계 재료가 링 본체(24)의 내측면(28)에 부가되면, 내마모성 코팅(22)은 도 4에 도시된 것처럼 마무리처리된 피스톤 링(20)의 내경면(40)을 제공한다. 가열단계후의 내마모성 코팅(t2)의 두께는 15 내지 50마이크론인 것이 전형적이다.
그러나, 링 본체(24)의 철계 재료가 마무리 처리된 피스톤 링(20)의 내경면을 제공할 수 있다. 이 경우, 마무리 처리된 피스톤 링(20)의 내경면은 링 본체(24)의 내측면(28)과 동일하다. 피스톤 링(20)의 철계 재료는 피스톤 링(20)의 외경면(38)으로부터 내경면을 이격시키는 측면을 제공한다. 이 경우, 마무리 처리된 피스톤 링(20)의 측면은 링 본체(20)의 에지면(30)과 동일하다.
내마모성 코팅(22)은 알루미늄 철(Al5Fe2)을 포함하고, 바람직하게는 대체로 알루미늄 철(Al5Fe2)을 구성되거나 또는 전체적으로 알루미늄 철(Al5Fe2)로 구성된다. 내마모성 코팅(22)은 화합물층 또는 금속간 층으로도 불리울 수도 있다. 내마모성 코팅(22)은 52중량% 내지 55중량%의 알루미늄과 45중량% 내지 48중량%의 철을 포함하는 것이 전형적이다. 한 실시예에서, 링 본체(24)가 강으로 구성되고 알루미늄계 재료가 순 알루미늄일 때, 내마모성 코팅(22)은 알루미늄 철(Al5Fe2)로 구성된다. 그러나, 내마모성 코팅(22)의 정확한 조성은 사용된 철계 재료와 알루미늄계 재료의 종류에 따라 변동될 수 있다. 어쨋든, 내마모성 코팅(22)의 대부분은 알루미늄 철(Al5Fe2)이다.
열 처리 단계는 공칭 경도 HV 1000인 높은 경도를 가지고 있는 내마모성 코팅(22)을 제공한다. 따라서, 내모성 코팅(22)에 의해 제공된 마모율은 낮고 전기도금된 크롬 코팅의 마모율과 유사할 것이다. 그러나, 크롬 코팅과 크롬 코팅을 입히기 위해 사용된 전기도금 방법과 달리, 본 발명의 내마모성 코팅(22)과 내마모성 코팅(22)을 형성하는 방법은 녹색 환경적이고 친환경적이다.
코팅된 피스톤 링(20)은 실린더의 보어(도시되지 않음)내에서 왕복운동 중에 피스톤을 가이딩하는 것을 수월하게 하기 위해 피스톤(도시되지 않음)의 외경을 따라 홈내에 배치되는 한편, 연소가스를 밀봉하고 오일의 상방으로 통과하는 것을 억제한다. 코팅된 피스톤 링(20)은 코팅된 피스톤 링에 인접해서 배치되거나 다른 코팅된 피스톤 링 사이에 또는 코팅되지 않은 피스톤 링 사이에 배치될 수 있다.
위 교시에 비추어 보았을 때 본 발명에 관한 여러가지의 수식과 변형이 가능하고 구체적으로 설명되지는 않았지만 첨부 특허청구의 범위 내에서 실시될 수 있다는 것은 자명하다. 또한, 특허청구의 범위의 부재번호는 단지 편의를 위한 것이고 어떤 식으로든지 한정하는 의미로 해석되어서는 안된다.

Claims (20)

  1. 중심축 둘레에서 원주 방향으로 뻗어 있는 철계 재료를 포함하는 링 본체; 및
    상기 링 본체 상에 배치되어 상기 피스톤 링의 외경면을 제공하는 내마모성 코팅을 구비하고 있고, 상기 내마모성 코팅은 알루미늄 철(Al5Fe2)을 포함하고 하고 있는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 내마모성 코팅은 52 내지 55중량%(wt.%)의 알루미늄과 45 내지 48중량%의 철을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 내마모성 코팅의 대부분은 알루미늄 철(Al5Fe2)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 내마모성 코팅의 경도는 HV 1000인 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 내마모성 코팅의 두께는 15 내지 50 마이크론인 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 내마모성 코팅은 열처리되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 철계 재료는 강, 강 합금, 주철, 주철 합금, 구상 철 또는 주강을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 철계 재료는 상기 외경면 반대편에서 대향하고 있는 상기 링 본체의 내측면을 제공하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 내마모성 코팅은 상기 외경면 반대편에서 대향하고 있는 내경면 및 내경면을 외경면으로부터 이격시키는 측면 중 적어도 하나의 적어도 일부분을 제공하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
  10. 내측면과 반대편에서 대향하고 있는 외측면을 제공하고 이 내측면과 외측면은 중심축 둘레에서 원주방향으로 뻗어 있는, 철계 재료를 포함하는 링 본체를 제공하는 단계;
    알루미늄계 재료의 층을 링 본체의 외측면에 부가하는 단계;및
    알루미늄계 재료를 가열하는 단계;로 구성되고,
    상기 가열하는 단계는 알루미늄 철(Al5Fe2)을 포함하는 내마모성 코팅을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 가열하는 단계는 알루미늄계 재료를 약 550℃로 20분 동안 가열하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 가열하는 단계는 산소가 없는 불활성 분위기에서 실행하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링의 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서, 알루미늄계 재료의 층을 링 본체의 외측면에 부가하는 단계는 열 분무 방법을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링의 제조 방법.
  14. 제13 항에 있어서, 열 분무 방법은 플라즈마 분무인 것을 특징으로 하는 피스톤 링의 제조 방법.
  15. 제 10 항에 있어서, 알루미늄계 재료는 가열하는 단계 동안에 내마모성 코팅을 형성하기 위해 철계 재료와 결합되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링의 제조 방법.
  16. 제 10 항에 있어서, 알루미늄계 재료를 링 본체의 외측면에 부가하는 단계는 알루미늄계 재료를 15 내지 25 마이크론으로 부가하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링의 제조 방법.
  17. 제 10 항에 있어서, 상기 내마모성 코팅의 경도는 HV 1000인 것을 특징으로 하는 피스톤 링의 제조 방법.
  18. 제 10 항에 있어서, 내마모성 코팅은 52 내지 55중량%의 알루미늄과 45 내지 48중량%의 철을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링의 제조 방법.
  19. 제 10 항에 있어서, 철계 재료는 강, 강 합금, 주철, 주철 합금, 구상 철, 또는 주강으로 구성되고, 알루미늄계 재료는 알루미늄으로 구성되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링의 제조 방법.
  20. 제 10 항에 있어서, 링 본체는 내측면을 외측면으로부터 이격시키는 에지면을 포함하고, 알루미늄계 재료를 내측면과 에지면 중 적어도 하나의 적어도 일부분에 부가하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링의 제조 방법.
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