KR20160016832A - 피스톤 링의 제조 방법 - Google Patents

피스톤 링의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주철 또는 주강으로 이루어진 피스톤 링의 제조 방법에 관한 것으로서, 이것은 원주에 걸쳐 보았을 때 링 갭 단부들의 영역에서, 주 동체의 나머지 원주 영역과 비교하여 층 두께가 상승되는 방식으로 가변적인 층 두께의 적어도 하나의 PVD 층으로 코팅되는 피스톤 링 주 동체를 제조함으로써 이루어지고, 피스톤 링 주 동체는, 링 갭 단부들이 정해진 원주 각도에 걸쳐 반경 방향 압력을 거의 가하지 않는 방식으로 피스톤 링 주 동체에서 반경 방향 압력 분포가 이루어지도록 가공되고, 150℃보다 위의 피스톤 링 온도에서, 반경 방향 압력 분포는 피스톤 링의 전체 링 원주에 걸쳐 거의 균일한 방식으로 PVD 층의 가변적인 층 두께가 설정된다.

Description

피스톤 링의 제조 방법{Method for producing a piston ring}
본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 주철 또는 주강으로 만들어진 피스톤 링의 제조 방법에 관한 것이다.
내마모층을 가진 피스톤 링을 제공하는 것이 일반적으로 공지되어 있다. 여러가지 예에서, 매우 경질의 PVD 층들이 주행면상에 증착된다. 조인트에서 피스톤 링은, 특히 제 1 홈에서의 피스톤 링은 링의 배면에서보다 더 큰 마모를 겪는다는 점이 엔진 작동에서 알려져 있다. 동시에, PVD 층은 엔진 작동중에 링의 반경 방향 압력 분포를 손상시킨다. 코팅 및 베이스 재료의 상이한 열팽창(바이메탈 효과)에 기인하여, 조인트에서의 압력은 증가되며, 따라서 심지어는 이러한 영역에서의 더 높은 압력을 선호하게 된다. 이는 대향 동체(counter-body)에 더 큰 하중을 초래하며, 결과적으로 동일한 부분에 더 높은 마모를 가져온다.
일본 출원 JP 2001-295699 A1 은 코팅된 주행면(running face)을 포함하는 피스톤 링을 개시한다. 이러한 피스톤 링의 주행면에는 경질의 PVD 층이 제공된다. 추가된 층이 동일한 부분에 증착되는데, 이것은 경질의 PVD 층보다 향상된 주행 특성을 가진다. 이러한 조치는 피스톤 링의 원주 방향에서 최적화된 압력 분포를 제공하도록 의도되는 것인데, 왜냐하면 조인트에 인접한 피스톤 링의 영역에서 층내 주행(running-in layer)은 상대적으로 빠르게 제거되기 때문이다.
유럽 특허 EP 1 359 351 B1 은 일반적인 방법에 관한 것이다. 조인트가 제공된 베이스 동체는 회전하게 되며, 증발원 둘레에서 회전된다. 상이한 회전 속도의 결과로서, 베이스 동체의 원주에서 보았을 때 상이한 층 두께가 생성된다. 조인트 영역에서의 층 두께는 나머지 원주 영역에서 보다 더 커야만 한다.
피스톤 링 베이스 재료 및 PVD 층의 상이한 열팽창 계수들이 주어지면, 대략 150℃의 링 온도에서 시작되어, 엔진 작동중의 반경 방향 압력 분포가 변화하여, 증가된 반경 방향 압력이 조인트 영역에서 형성되는 효과를 가져온다.
본 발명의 목적은 PVD 코팅 피스톤 링의 사용 수명을 연장시키는 것으로서, 동시에, 대향 동체(counter-body)가 그 어떤 마모의 증가 또는 하중의 증가를 겪지 않도록 하는 것이다.
이러한 목적은, 엔진이 가동되지 않는 냉간 작동 상태에서 정해진 원주 각도에 걸쳐 링의 단부들에 실질적으로 반경 방향 압력이 없게끔 피스톤 링 베이스 동체의 반경 방향 압력 분포가 이루어지도록 피스톤 링 베이스 동체를 가공하고, 150 ℃ 보다 높은 피스톤 링 온도에서 피스톤 링의 전체 링 원주에 걸쳐서 실질적으로 균일한 반경 방향 압력 분포가 존재하도록 PVD 층의 가변적인 층 두께를 설정함으로써 달성된다.
본 발명에 따른 방법의 유리한 특징은 관련된 방법에 관한 종속 청구항들에 기재되어 있다.
이러한 목적은 본 발명에 따른 방법을 이용하여 제조된 피스톤 링에 의해 달성된다.
피스톤 링의 유리한 특징은 관련된 종속 청구항들에 개시되어 있다.
조인트가 제공된 피스톤 링은 주철 또는 주강으로 제작된 베이스 동체를 구비하며, 이것은 외측 원주 표면에 적용된 적어도 하나의 내마모성 PVD 층을 가지며, 정해진 원주 영역에서 보이는, 조인트에 인접한 피스톤 링 베이스 동체의 영역에 있는 PVD 층은 나머지 원주 영역에서보다 더 두꺼운 재료 두께를 가지도록 설계된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 4 x 10 -6/K 보다 작은 팽창 계수를 가지는 PVD 층이 피스톤 링 베이스 동체에 적용되는데, 상기 피스톤 링 동체는 주철 또는 주강 재료로 제작되고 100℃ 내지 200℃ 사이의 온도 범위에서 15 x 10-6/K 보다 작은 팽창 계수를 가진다.
조인트에 인접한 영역에서의 PVD 층의 층 두께가 유리하게는 나머지 원주 영역에서보다 20 % 내지 40 % 사이로 더 두껍도록 설계된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 조인트에 인접한 영역에서의 PVD 층의 층 두께는 40 내지 100㎛ 사이이고, 나머지 원주 영역에서의 PVD 층의 층 두께는 5 내지 60 ㎛ 사이이다.
만약 PVD 층이 중량으로 최대 15 %의 산소 함량을 가지는 CrN, CrN(O) 또는 CrN 과 같은 균질한 층 또는 (AiTiN/CrN 과 같은) 다층 시스템으로서 설계된다면, 이것이 유리하게는 100 내지 200℃ 사이의 온도 범위에서 4 x 10-6/K 미만의 열팽창 계수를 가지고, 여기에서 PVD 층의 층 두께는 피스톤 링 배면부의 영역에서 5 내지 40 ㎛ 미만 사이이고 조인트에 인접한 영역에서 40 내지 100 ㎛ 미만 사이이다.
만약 PVD 층이 탄소에 기한 것이라면, 본 발명의 다른 특징에 따라서, 100 내지 200℃ 사이의 온도 범위에서 2 x 10-6/K 미만의 열팽창 계수를 가지고, 여기에서 PVD 층의 층 두께는 피스톤 링 배면의 영역에서 1 ㎛ 초과 내지 20 ㎛ 사이이고, 조인트에 인접한 영역에서 30 ㎛ 의 최대치를 가진다.
필요하다면, PVD 층에는 나노입자(nanoparticles)가 제공될 수도 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 조인트에 인접한 영역에는 각각의 링 단부로부터 시작되는 두꺼운 PVD 층이 10°내지 40 °사이의 각도 범위로 제공된다.
코팅 과정 동안 적절한 프로세스 제어에 의해, 가변적인 층 두께가 피스톤 링 베이스 동체의 원주에 걸쳐 발생된다. 이미 기술된 바와 같이, PVD 내마모층은 조인트에 인접한 영역에서 상당히 더 두껍게 설계됨으로써 마모의 증가를 해결하고 따라서 그렇게 구현된 피스톤 링의 사용 수명을 현저하게 늘린다.
최초의 층 두께는 원주의 나머지에 걸쳐, 특히 링 배면(ring back)에 걸쳐 유지된다. 이것은 층의 바이메탈 효과(bimetal effect)를 강화시키지 않는다.
사용중에, 피스톤 링의 형상, 특히 고온 피스톤 링의 링 형상은 실린더 보어 표면과 같은, 목표 층 구조(targeted layer structure)에 의해 제어될 수 있어서, 링 단부들은 대향 동체(counter body)에 대하여 압력을 상당히 덜 가하게 된다.
본 발명에 따르면, 이상적인 적용의 경우에 냉간 피스톤 링의 링 단부들은 반경 방향 압력을 거의 전개시키지 않기 때문에, 억제될 수 없는 바이메탈 효과는 150℃에서 시작되는 피스톤 링 온도에서 전체 링 원주에 걸쳐 균일한 온도 압력 분포를 결과시킨다. 이러한 조치는 피스톤 링 형상이 유리하게 영향 받을 수 있게 하며, 그에 의해 조인트에서의 압력이 감소되고, 따라서 특히 조인트에 인접한 영역에서 마모의 증가에 대응할 수 있다.
본 발명에 따른 피스톤 링은 다양하게 이용될 수 있다. 생각될 수 있는 적용예는 차량(승용차, 트럭, 버스)의 내연 기관, (정지 상태 엔진과 같은) 산업용 적용예, 건설 기계, 기관차 및 선박을 포함한다. 디젤 엔진 분야에서의 적용, 특히 대형 2 사이클 디젤 엔진이 바람직하다.
본 발명의 주제는 예시적인 실시예에 기초하여 도면에 도시되어 있으며, 이것은 다음과 같다.
도 1 은 반경 방향 압력 분포가 표시되어 있는 피스톤 링 베이스 동체의 개략적인 도면을 표시한다.
도 2 는 PVD 층이 제공된 도 1 에 따른 피스톤 링 동체의 개략적인 도면을 도시한다.
도 1 은 오직 표시만 되어 있는 조인트가 제공된 피스톤 링 베이스 동체(1)를 도시한다. 냉간 상태에서 피스톤 링 베이스 동체(1)의 반경 방향 압력 분포는 화살표에 의해서 표시되어 있다. 조인트에 인접한 단부 영역(3,4)들을 제외하고, 원주 방향에서 볼 때 피스톤 링 베이스 동체(1)는 대략 동일한 반경 방향 압력 분포를 가진다는 점은 명백하다. 바람직스럽게는 10 도 내지 40 도 사이의 원주 각도에 걸쳐서 연장되는, 조인트에 인접한 단부영역(3,4)들의 방향에서, 반경 방향 압력 분포는 0 에 가까운 범위로 감소된다. 이것은 예를 들어 조인트에 인접한 단부 영역(3,4)들에서 피스톤 링 베이스 동체(1)에 음의 윤곽(negative contour)을 제공함으로써 달성될 수 있다.
도 2 는 도 1 에 따른 피스톤 링 베이스 동체를 도시한다. 조인트(2) 및 조인트에 인접한 단부 영역(3,4)들은 명백하게 도시되어 있다. 이러한 예에서 피스톤 링 베이스 동체(1)는 주강(cast steel)으로 제작되며, 11 x 10-6/K 의 팽창 계수를 가진다. PVD 층(5)은 외측 원주 표면상으로 증착되어 주행면을 형성하며, 본 발명에 따라서, 조인트에 인접한 피스톤 링 베이스 동체(1)의 단부 영역(3,4)들에서 증가된 층 두께를 가진다. 이러한 목적을 위하여, 중량비로 최대 15% 까지의 산소 함량을 가진 CrN 과 같은 균일 층들(homogeneous layers) 또는 AlTiN/CrN 과 같은, PVD 다층 시스템들이 이용될 수 있다. 적절한 CrN PVD 내마모층은 대략 3 x 10-6/K 의 열팽창 계수를 가진다. 상기 CrN-베이스의 층들에 대하여 800 HV 내지 2500 HV 사이의 층 경도가 달성 가능하거나, 또는 대안으로서, 만약 필요하다면, 탄소 베이스의 층들에 대하여 최대 4500 HV 의 층 경도, 또는 만약 필요하다면 6000 HV 와 같이 더 높은 층 경도(layer hardness)가 달성 가능하다.
이러한 예에서, PVD 층(5)의 층 두께는 조인트에 인접한 단부 영역(3,4)의 부분에서 대략 42 ㎛ 이며, 링 배면부(ring, back, 6)의 영역에서 대략 15 ㎛ 이다. 이상적인 적용의 경우에 억제될 수 없는 바이메탈 효과의 결과로서, 도 1 에 따라서 제조된 피스톤 링 베이스 동체(1)는 150℃ 의 피스톤 링 온도에서 시작되는 링 원주를 가로지르는 실질적으로 균일한 반경 방향 압력 분포를 가질 것이다.
1. 링 베이스 동체 2. 조인트
3.4. 단부 영역 5. PVD 층

Claims (15)

  1. 피스톤 링 베이스 동체(1)를 구성함에 의한 주철 또는 주강으로 제작된 피스톤 링의 제조 방법으로서, 원주에서 볼 때, 피스톤 링 베이스 동체(1)의 나머지 원주 영역에 비교하여 링 단부(3,4)들의 영역에서 층 두께가 증가하도록 피스톤 링 베이스 동체를 가변적인 층 두께를 가진 적어도 하나의 PVD 층으로 코팅하고,
    엔진이 가동되지 않는 냉간 작동 상태에서, 정해진 원주 각도에 걸쳐 링의 단부(3,4)들에 실질적으로 반경 방향 압력이 없게끔 피스톤 링 베이스 동체의 반경 방향 압력 분포가 이루어지도록 피스톤 링 베이스 동체(1)가 가공되고, 150 ℃ 보다 높은 피스톤 링 온도에서 피스톤 링의 전체 링 원주에 걸쳐서 실질적으로 균일한 반경 방향 압력 분포가 존재하도록 PVD 층(5)의 가변적인 층 두께가 설정되는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    조인트에 인접한 피스톤 링 베이스 동체(1)의 영역(3,4)에는 100 ㎛ 미만의 층 두께 및, 보다 상세하게는 60㎛ 미만의 층 두께를 가진 PVD 층(5)이 제공되고, 피스톤 링 베이스 동체(1)의 나머지 원주 영역에는 60 ㎛ 미만의 층 두께 및, 보다 상세하게는 40㎛ 미만의 층 두께를 가지는 PVD 층이 제공되는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    PVD 층(5)은 특히 AlTiN/CrN 에 기초한 PVD 다층 시스템(multi-layer system)으로서 피스톤 링 베이스 동체(1)의 주행면에 적용되는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링의 제조 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    PVD 층(5)은 중량으로 최대 15 % 의 산소 함량을 가진 CrN, CrN(O) 또는 CrN 에 기초하는 균질 층(homogeneous layer)으로서 피스톤 링 베이스 동체(1)의 주행면에 적용되는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링의 제조 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    탄소에 기초한 층이 PVD 층으로서 이용되는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링의 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    4 x 10 -6/K 보다 작은 팽창 계수를 가지는 PVD 층(5)이, 100℃ 내지 200℃ 사이의 온도 범위에서 15 x 10-6/K 보다 작은 팽창 계수를 가지는 피스톤 링 베이스 동체(1)에 적용되는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링의 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 피스톤 링.
  8. 제 7 항에 있어서,
    조인트(2)가 제공되고 주철 또는 주강으로 만들어진 베이스 동체(1)를 포함하고, 상기 베이스 동체는 외측 원주 표면에 적용된 적어도 하나의 내마모성 PVD 층(5)을 가지고,
    정해진 원주 영역에서 보았을 때, 조인트에 인접한 피스톤 링 베이스 동체(1)의 영역(3,4)에서의 PVD 층(5)은 나머지 원주 영역에서보다 더 큰 재료 두께를 가지도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    조인트에 인접한 영역(3,4)에서의 PVD 층(5)의 층 두께는 나머지 원주 영역에서보다 20 % 내지 40 % 사이로 더 두껍도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,
    PVD 층(5)의 층 두께는 조인트에 인접한 영역(3,4)에서 40㎛ 내지 100㎛ 사이이고, PVD 층(5)의 층 두께는 나머지 원주 영역에서 5㎛ 내지 60㎛ 사이인 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,
    층 두께가 두꺼워진 PVD 층(5)을 가진 영역은, 피스톤 링 베이스 동체(1)의 조인트(2)로부터 시작하여, 10°내지 40°사이의 원주 영역에 걸쳐 연장되고, 보다 상세하게는 10°내지 20°사이의 원주 영역에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
  12. 제 7 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,
    피스톤 링 베이스 동체(1)는 100℃ 내지 200℃ 사이의 온도 범위에서 15 x 10-6/K 미만의 의 열팽창 계수를 가진 강철 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
  13. 제 7 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서,
    PVD 층(5)은, 중량으로 최대 15 %의 산소 함량을 가지는 CrN, CrN(O) 또는 CrN 에 특히 기초한 균질 층(homogeneous layer)으로서, 또는 특히 AlTiN/CrN 에 기초한 다층 시스템으로서 설계되고, PVD 층은 100℃ 내지 200℃ 사이의 온도 범위에서 4 x 10-6/K 미만의 열팽창 계수를 가지고, PVD 층(5)의 층 두께는 피스톤 링 배면부의 영역(3,4)에서 5 ㎛ 내지 40 ㎛ 미만 사이이고 조인트에 인접한 영역(3,4)에서 40 ㎛ 내지 100 ㎛ 미만 사이인 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
  14. 제 7 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서,
    PVD 층(5)은 탄소에 기초하여 설계되고, 100℃ 내지 200℃ 사이의 온도 범위에서 2 x 10-6/K 미만의 열팽창 계수를 가지고, PVD 층(5)의 층 두께는 피스톤 링 배면의 영역에서 1 ㎛ 초과 내지 20 ㎛ 사이이고, 조인트에 인접한 영역(3,4)에서 30 ㎛ 의 최대치를 가지는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
  15. 제 7 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서,
    PVD 층(5)은 나노입자(nanoparticle)들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
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