KR20190103186A - 피스톤 링 및 그 제조 방법(piston ring and method for production of same) - Google Patents

피스톤 링 및 그 제조 방법(piston ring and method for production of same) Download PDF

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페데랄-모굴 부르샤이트 게엠베하
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Abstract

링 페이스(10) 내로 그리고 링 페이스의 엣지까지 연장되는, 적어도 하나의 링 플랭크(8) 상에 레데부라이트 구조(4)의 영역을 가지는, 회주철의 링 몸체(14)를 가지는 피스톤 링이 사용 가능하고, 여기서 마모-방지층(6)이 링 페이스(10)에 적용되고 그리고 또한 레데부라이트 구조(4)의 영역을 커버한다. 또한, 이러한 피스톤 링을 제조하는 방법이 제공된다.

Description

피스톤 링 및 그 제조 방법(PISTON RING AND METHOD FOR PRODUCTION OF SAME)
본 발명은 피스톤 링용 내마모성(wear-resistant) 코팅들에 관한 것으로, 특히 피스톤 직경이 큰 모터용 피스톤 링들 뿐만 아니라 이러한 링들의 제조 방법에 관한 것이다.
대용량 내연 기관들은 대부분 고정식 설비들에 사용되거나 또는 보트 모터들로 사용된다. 이러한 엔진들과 연관된 긴 작동 시간 때문에, 특히 여기에 사용되는 컴포넌트들의 내마모성에 대한 요구가 높다. 이는 특히 작동 중에 마찰에 의한 마모로 인해 높은 응력을 받고, 그리고 가동 중단 시간이 필요하기 때문에 그 교체가 복잡하고 비용이 비싼 피스톤 링들에 관련된다.
피스톤 링 상의 마찰에 의한 마모는 먼저 실린더벽과 접촉하는 링 주행면 상에 발생하고 그리고 두 번째로 피스톤링의 링 그루브의 벽들과 접촉하게 되는 링 플랭크(ring flank)들 상에 발생한다. 작동 사이클에서의 압축 링의 경우, 하부 링 플랭크, 즉 연소 기관으로부터 떨어져 있는 플랭크는 그루브의 하부벽과 접촉하게 되고, 여기서 연소 가스들이 피스톤 링 뒤의 그루브의 상부벽과 상부 링 플랭크 사이의 틈을 통해 링의 내부와 그루부의 하단의 사이의 공간으로 흐른다. 이는 링 상의 압력을 생성하여, 링 상에 외부로 향하는 힘을 유발함으로써, 실린더 벽과 링의 주행면 사이의 실링(sealing) 효과를 강화한다. 링 플랭크 상의 마모는 연소 가스들이 연소실로부터 떨어져 있는 피스톤 링의 측면을 통해 링 그루브의 벽과 링 플랭크 사이를 통과할 수 있게 하여, 링 상의 압력이 또한 감소되고, 따라서 실린더 벽과 링 페이스(ring face) 사이의 실링 효과가 추가적으로 손상된다.
긴 작동 수명 동안 실링 효과를 보장하기 위해, 따라서 내마모성이 되도록 피스톤 링의 링 페이스를 설계할 필요가 있을 뿐만 아니라 링 플랭크들이 높은 내마모성을 가져야 한다. 따라서 링 플랭크들의 크롬 도금(chrome plating) 또는 담금질(hardening)이 종래 기술 분야에 공지되어 있다.
미국 특허공개번호 제2004/0040436호는 이온 도금에 의해 적용되는 마모-방지층을 가지는 피스톤 링에 관한 것이다. 또한, 질화층(nitrated layer)이 적용될 수도 있다. 미국 특허공개번호 제2016/0244856호는 기능면 상의 재용융되는 레데부라이트(ledeburite) 영역들을 가지는 슬라이드 링(slide ring)들에 관한 것이다. 미국 특허번호 제4,153,477호는 마모 표면에 관한 것으로, 특히 0.1 내지 10%의 표면 상에 적절하게 냉각속도를 조절함으로써 레데부라이트 내로 흑연 입자들이 통합되도록, 레데부라이트를 가지는 피스톤 링 상의 마모 표면에 관한 것이다. 미국 특허번호 제3,814,447호는 마모 부품들에 관한 것으로, 특히 그루브들에서 플라즈마 분사에 의해 마모-방지 층들이 적용되는 피스톤 링들에 관한 것이다. 미국 특허공개번호 제2007/0252338호는 마모-방지 코팅을 가지는 사다리꼴 피스톤 링에 관한 것이다.
가능한 가장 낮은 연료 소비를 달성하기 위한 바람 및 지속적으로 증가하는 환경 요구사항들 때문에, 상기 목적은 마찰공학 상의 특성들, 즉, 특히 대형 피스톤 기관들을 위한 피스톤 링들의 마모, 마찰 및 부식을 더 개선하는 것이다.
본 발명에 따라, 상기 문제점은 회주철의 링 몸체를 포함하는 피스톤 링에 의해 해결되며, 여기서 링 몸체는 링 페이스 내로 링 페이스 엣지까지 연장되는, 적어도 하나의 링 플랭크 상에 레데부라이트 구조의 영역을 가지고, 마모-방지층이 링 페이스, 즉 레데부라이트 구조의 영역을 또한 커버하는 페이스에 적용되어 있다.
본 발명에 따른 다른 양상에 따라, 링 몸체는 전체 링 페이스에 걸쳐 연장되는 상기 링 페이스 상에 레데부라이트 구조의 영역을 가진다.
다른 양상에 따라, 마모-방지층은 용사층(thermal spray layer), 레이저에 의해 적용되는 경질 물질 코팅, 크롬 분산층(chromium dispersion layer), PVD층, 또는 DLC 층의 형태일 수 있다.
다른 양상에 따라, 마모-방지층은 적어도 하나의 링 플랭크와 링 페이스 사이의 엣지에 걸쳐 연속적으로(원주를 따라) 연장될 수 있다.
다른 양상에 따라, 내부 연소기관으로부터 떨어져 있는 링 플랭크는 레데부라이트 구조의 영역을 구비할 수 있고, 양쪽 링 플랭크들은 바람직하게는 레데부라이트 구조의 영역들을 구비한다.
다른 양상에 따라, 레데부라이트 구조의 두께 및/또는 깊이는 0.05mm 내지 1.5mm, 바람직하게는 0.15mm 내지 1.0mm, 보다 바람직하게는 0.3mm 내지 0.7mm 사이일 수 있다.
다른 양상에 따라, 레데부라이트 구조의 두께는 방사 방향으로 변할 수 있거나, 또는 깊이가 외부를 향해 방사 방향으로 증가할 수 있다.
다른 양상에 따라, 레데부라이트 구조의 두께 및/또는 깊이는 원주 방향으로 변할 수 있고, 그러나 깊이는 바람직하게는 인접한 단부들에서 증가할 수 있다.
다른 양상에 따라, 레데부라이트 구조의 영역은 적어도 하나의 전체 링 플랭크에 걸쳐 연장될 수 있다.
다른 양상에 따라, 방사 방향으로 내부 상에 적어도 하나의 링 플랭크의 영역은 임의의 레데부라이트 구조를 가지지 않으나 방사 방향으로 내부 상의 영역은 바람직하게는 링 몸체의 방사방향 두께의 1/3에 걸쳐, 보다 바람직하게는 2/3에 걸쳐 연장된다.
다른 양상에 따라, 적어도 하나의 링 플랭크와 링 페이스 사이의 엣지는 면취(chamfer)를 가질 수 있다.
다른 양상에 따라, 적어도 하나의 링 플랭크와 링 페이스 사이의 엣지는 둥글고(rounded), 상기 둥근 엣지는 바람직하게는 1mm 내지 3mm의 반경을 가진다.
다른 양상에 따라, 상기 둥근 및/또는 이중(double) 치수는 원주 방향으로 변할 수 있다.
다른 양상에 따라, 링 페이스는 구 형상 또는 편향된(skewed) 구 형상을 가질 수 있다.
다른 양상에 따라, 인접한 표면들은 바람직하게는 방사 방향으로 외부 엣지까지 연장되는, 레데부라이트 구조의 영역을 가질 수 있다.
다른 양상에 따라, 인접한 표면들은 바람직하게는 방사 방향으로 외부 엣지까지 연장되는, 마모-방지층을 적어도 부분적으로 구비할 수 있다.
본 발명에 따라, 상기 문제점은 레데부라이트 구조 및/또는 레데부라이트식으로 재용융되는 회주철 구조를 가지는 피스톤 링을 제조하는 방법에 의해 추가적으로 해결된다. 이 방법은 회주철로부터 링 몸체를 제조함 및 적어도 하나의 플랭크 상에 레데부라이트식으로 재용융되는 회주철 구조를 생성하기 위해 링 몸체의 적어도 하나의 링 플랭크의 영역을 재용융시키는 단계를 포함한다. 이 방법은 링 페이스 상의 레데부라이트식으로 재용융되는 회주철 구조가 노출될 때까지 링 몸체의 링 페이스 상의 재료를 제거함을 포함한다. 마지막으로, 마모-방지층이 링 페이스에 적용된다. 마모-방지층을 적용시키는 것은 마모-방지층이 링 페이스 상에 이전에 노출된 레데부라이트 구조에 적용되어 있는, 링 페이스의 영역에서의 중첩 구역을 생성한다.
상기 방법의 일 실시예에서, 이 방법은 적어도 하나의 링 플랭크의 영역을 재용융시킨 이후 그리고 마모-방지층을 적용시키기 전에 링 몸체의 무응력 어닐링하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다. 재용융시에, 열 영향 구역은 링 몸체에서 고응력들이 만연(prevail)할 수 있는, 레데부라이트 구조 아래에 생성된다. 이러한 열 영향 구역은 무응력 어닐링에 의해 제거될 수 있다. 재용융 및 무응력 어닐링은 바람직하게는 인접한 단부를 획득하기 위해 링이 절개되기 전에 폐쇄된 링 몸체 상에 수행된다.
다른 양상에 따라, 무응력 어닐링에서의 온도는 45°C 내지 600°C, 바람직하게는 500°C 내지 540°C, 보다 바람직하게는 510°C 내지 530°C일 수 있고, 그리고 1시간 내지 4시간, 바람직하게는 1.5시간 내지 3시간, 보다 바람직하게는 1.8시간 내지 2.3시간의 기간 동안 유지될 수 있다.
상기 방법의 다른 실시예에서, 재용융은 링 몸체의 방사 방향 두께의 20% 내지 30%의 반경 범위를 포함한다. 링 몸체의 외부 엣지 사이의 간격(distance)이 존재하고, 이 간격은 엣지가 재용융 중에 손상되지 않도록 보장하고 그리고 이 간격은 약 1mm이다. 링 몸체의 외부 엣지에서부터 20% 내지 30%가 여기서 측정된다.
다른 양상에 따라, 재용융은 레이저 빔, 전자 빔, 전기 아크 용접, 플라즈마 용접 및 텅스텐 불활성 가스 용접 중에서 선택되는 고-에너지 방사선을 재료에 가함으로써(bombarding) 달성될 수 있다.
추가적인 단계로서, 피스톤 링 및/또는 링 몸체가 제조 중에 절개될 수 있다. 이러한 경우들에서, 링 몸체는 바람직하게는 재용융 단계 이후 그리고 링 페이스의 연마 제거 이전에 절개되는, 폐쇄된 링으로서 주조될 것이다. 무응력 어닐링이 수행되는 경우, 링은 바람직하게는 무응력 어닐링 이후 그리고 링 페이스의 연마 제거 이전에 절개된다.
상기 방법의 다른 실시예에서, 링 페이스는 갈바니 방식으로(galvanically) 또는 CVD 또는 PVD에 의해 또는 고속 화염 용사(high-speed flame spraying) 또는 레이저 합판법(laser cladding)의해 마모-방지층으로 코팅된다.
상기 방법의 추가적인 실시예에서, 단면을 변형시키기 위해 링 몸체를 기계 가공하는 것이 가능하다. 따라서, 예를 들어, 초기에 직사각형인 링 단면은 밀링되거나(milled) 또는 연삭되어(ground) 실질적으로 사다리꼴 링 단면을 형성한다.
피스톤 링을 제조하는 방법의 다른 실시예는 인접한 표면들에 레데부라이트식으로 재용융되는 회주철 구조를 생성하기 위해 인접한 표면들의 적어도 일부분을 재용융시키는 단계를 포함한다. 레데부라이트식으로 재용융되는 회주철 구조는 연소 가스들에 대해 증가된 저항성을 가지고, 이는 레데부라이트식으로 재용융되는 인접한 표면들이 화학적 부식으로부터 보다 잘 보호되도록 한다. 여기서 다시, 인접한 표면들이 완전히 재용융되지 않고, 단지 하나의 표면에서 재용융되는 경우, 거기에서 발생하는 재료의 탈주 또는 원치않는 둥글게됨(roundnesss) 및 재용융됨으로부터 인접한 표면들의 엣지들을 보호하기 위해 이것은 인접한 표면의 엣지로부터 대략적으로 1 밀리미터 떨어져 종단되는 것이 유리하다.
상기 방법의 다른 실시예에서, 이는 재용융 전에 링 몸체를 예열시키는 추가적인 단계를 포함한다. 따라서, 재용융 깊이 특히, 열 영향 구역의 크기 및 특히 응고 작용, 특히 응고 속도는 재용융 중에 조정될 수 있다.
다른 실시예는 거기에 레데부라이트 구조를 생성하기 위해 링 페이스를 재용융시키는 단계를 포함한다.
상기 방법의 또 다른 실시예에서, 이는 재용융 단계 이후 0.5 내지 1.0um의 조도(roughness) Ra로 적어도 하나의 링 플랭크, 바람직하게는 양쪽 링 플랭크들을 연마하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 링 몸체를 인산 처리하는(phosphating) 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따라, 상술한 방법들 중 어느 하나에 따라 제조되는 피스톤 링이 또한 제공된다.
본 발명의 예시적인 실시예들이 도면들을 참조하여 이하에서 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 피스톤 링의 구조에 대한 축방향 단면도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따라 제조되는 피스톤 링의 단면에 대한 사진을 도시한다.
도 3a 내지 3g는 본 발명에 따른 가능한 피스톤 링의 제조하는 방법에 대한 예시적인 실시예의 단계들을 도시한다.
동일한 참조번호들이 동일하거나 또는 유사한 엘리먼트들 또는 컴포넌트들에 대하여 이하의 설명 및 도면 양쪽에서 사용된다. 또한, 모든 도면들에 대하여 유효한 참조번호들의 목록이 있다. 도면들에서 나타나는 실시예들은 단지 개략적인 것이며 실제의 크기 비율을 나타내는 것이 아니다.
회주철(gray cast iron) 재료의 구조적 실시예는 합금의 성분들 뿐만 아니라 상당한 정도로 재료의 응고시에 냉각 조건들에 의해 결정된다. 결과적인 구조, 즉 발생하는 상(phase)들 및 이들의 분포는 상당한 정도로 사용 온도에서 철-탄소 합금으로 이루어지는 재료의 기계적 성질들을 결정한다.
주철이 열역학적 평형상태(thermodynamic equilibrium)에서 서서히 응고하는 경우, 결과적인 구조는 주로 흑연(C) 및 철(Fe)로 이루어지게 되고, 이는 회주철(gray cast iron)로 지칭되며, 이는 흑연이 발생하는 형태에 따라 구형 흑연을 가지는 주철, 연충형(vermicular) 주철, 판상(lamellar) 주철에 따라 구별될 수 있다.
주철이 보다 빠르게 응고하는 경우, 그 결과로 소위 백주철(white cast iron)로 불리는, 철 탄화물(Fe3C, 시멘타이트(cementite)) 및 철로 이루어지는 준안정 상태의(metastable) 소위 레데부라이틱 구조(ledeburitic structure)(레데부라이트 구조(ledeburite structure))가 된다. 레데부라이틱 구조는 회주철 보다 높은 경도를 가지며 이에 따라 덜 마모되며, 반면에 회주철은 보다 큰 인성(toughness)을 가지며 이에 따라 균열들의 확산 및/또는 파손되는 것이 쉽지 않다.
본 발명에 따른 오래 지속되는 피스톤 링을 획득하기 위해, 링 몸체의 회주철 구조가 하나의 링 플랭크(ring flank) 상에 레데부라이트 구조를 형성하기 위해 적어도 부분적으로 재용융되고, 그리고 링 페이스 상의 마모-방지층으로 추가적으로 코팅되어, 링 페이스 상에 노출된 레데부라이트 구조를 또한 커버한다. 레데부라이트 구조는 대응하는 위치들에서의 링 몸체의 표면을 부분적으로 용융시키기 위해 먼저 가열한 다음 재료가 다시 냉각될 때까지 기다림으로써 생성된다. 링 몸체가 표면에서는 용융되나, 내부에서는 여전히 차고 단단하기 때문에, 용융된 영역이 비교적 빠르게 냉각되어 표면에 레데부라이트 구조를 가지는 영역을 형성하는 “자체-담금질(self-quenching)” 효과가 존재한다.
도 1은 축방향 단면을 도시하는, 이러한 피스톤 링의 예시적인 실시예들 도시하며, 즉, 링축은 교차단면의 평면에 놓여 있다. 링 몸체는 대부분 회주철 구조(2)로 이루어진다. 링 플랭크들(8) 중 하나는 하나의 링 페이스(ring face)(10)와 하나의 링 플랭크(8) 사이의 엣지까지 연장되고 그리고 본래의 회주철 구조를 재용융함으로써 생성되는, 레데부라이트 구조(4)의 영역을 가진다. 마모-방지층(6)은 링 페이스(10)에 적용되어 있다. 이 과정에서, 마모-방지층(6)은 레데부라이트 구조(4) 및 마모-방지층(6)의 중첩 구역(42)에서 레데부라이트 구조(4)를 커버한다. 도 1에서 대부분의 마모-방지층(6)은 본래의 회주철 구조가 존재하는, 링 몸체(2)의 방사방향 외부 표면을 커버한다. 도 1에서, 레데부라이트 구조는 링 몸체(2) 및/또는 피스톤 링의 크랭크샤프트(crankshaft)에 마주하는 하부면에 그리고/또는 연소실로부터 떨어져 있는 링 몸체(2) 및/또는 피스톤 링의 하부 링 플랭크(8)에만 적용되며, 이는 이러한 영역이 작동 중에 높은 응력들에 노출되기 때문이다.
레데부라이트 구조(4)의 영역은 전체 링 플랭크에 걸쳐 연장할 수 있다. 대안적으로, 링 플랭크의 내부 영역은 방사 방향으로 레데부라이트 구조를 가지지 않으며, 그리고 내부 상의 이러한 영역은 바람직하게는 방사 방향으로 링 몸체의 방사방향 두께의 1/3, 보다 바람직하게는 2/3만큼 연장한다. 따라서, 특히 높은 응력들을 받게 되는, 외부 링 플랭크 영역이 바람직하게 레데부라이트의 영역을 구비한다. 방사 방향으로 레데부라이트 구조의 깊이를 변화시키는 것은 유사한 효과를 가지며, 따라서 여기서 깊이가 외부를 향해 방사 방향으로 증가하는 것도 바람직할 수 있다.
일반적으로, 레데부라이트가 없는 가능한 영역까지의 전이 영역을 제외하고, 레데부라이트 구조의 깊이는 0.05mm 내지 1.5mm 사이, 바람직하게는 0.15mm 내지 1.0mm 사이, 보다 바람직하게는 0.3mm 내지 0.7mm 사이이다. 이러한 설계 옵션들은 부서지기 쉬운(brittle) 레데부라이트 구조의 내마모성과 링 몸체의 회주철 구조의 의도되는 인성 사이의 최적의 절충안에 도달할 수 있게 한다. 원주 방향에서의 상이한 응력들을 처리하기 위해, 원주 방향으로 레데부라이트 구조의 깊이를 변화시키는 것도 고려될 수 있다. 인접한 단부들의 방향으로 또는 인접한 단부들에서 증가하는 깊이는 여기서 인접한 단부들 상에 더 많이 발생할 수 있는 마모를 방지하기 위해 바람직하다.
도 1은 레데부라이트 구조를 가지는 하나의 링 플랭크만을 도시하고, 이는 작동 중에 보다 큰 응력들에 이 것이 노출되기 때문에 바람직하게는 연소실로부터 떨어져 있는 링 플랭크이다. 다른 실시예에 따르면, 양쪽의 플랭크들이 레데부라이트 구조를 구비하도록 제공된다. 대안적으로 그리고/또는 추가적으로, 링 페이스는 레데부라이트 구조를 구비할 수도 있다.
마모-방지층(6)은 바람직하게는 링 엣지까지 연장되는 레데부라이트 구조(6)의 영역 및 링 페이스(10)에 걸쳐 연장되어(바람직하게는 연속적으로), 링 플랭크와 링 페이스 사이의 링 엣지의 외부 상에 마모 및 부식되기 쉬울 수 있는 회주철 구조가 존재하지 않는다. 마모-방지층 아래에 위치하는 레데부라이트 구조의 층을 가지는 몸체는 외부의 마모-방지층이 한 지점에서 마모되는 경우, 레데부라이트의 층이 이 지점에서부터 확산되는 마모를 억제하는 지지물(support) 역할을 하는 추가적인 이점을 제공한다. 마모-방지층은 용사층(thermal spray layer), 크롬 분산층(chromium dispersion layer) 또는 몇몇의 다른 물리적 코팅(예를 들어 PAD층 또는 DLC층으로, 여기서 PVD는 물리적 기상증착법(physical vapor deposition)을 나타내고, 그리고 DLC는 다이아몬트-유사 탄소(diamond-like carbon)를 나타냄)의 형태이다. 레이저에 의해 경질 물질층을 적용하는 것도 가능하다.
링 페이스(10)와 링 플랭크(8) 사이의 엣지는 도 1에서 둥글게(rounded) 도시된다. 부서지기 쉬운 마모-방지층을 손상시킬 수 있는 노치 응력(notch stress)들 및/또는 최대응역(stress peak)들의 발생은 균일한 전이를 가지는 이러한 실시예에 의해 방지된다. 이는 바람직하게는 링 페이스의 구 형상 또는 편향된(sked) 구 형상에 의해 더 지지된다. 면취(chamfer)를 적용하는 것이 여기서 고려될 수도 있다. 양쪽 링 플랭크들이 레데부라이트 구조의 영역을 구비하는 일 실시예에서, 다른 링 엣지는 이에 따라 동일한 방식으로 설계될 수 있다. 둥근 영역의 반경은 1mm 내지 3mm 범위이지만, 일반적으로 여기서 둥근 영역은 일정한 반경을 가지지 않고 대신 중심에서 더 작은 반경을 가져 더 큰 반경을 가지는 링 플랭크 및 링 페이스로 점점 평평해지게 된다. 특히, 면취 및/또는 둥근 영역의 치수(즉, 여기서 반경)는 원주 방향으로 변할 수 있다. 피스톤 링이 내부 면취를 구비하는 경우, 그 결과는 장력 하에 단면에서의 외란(disturbance)으로 인해 링 몸체가 비틀어지는 것이다(설치된 상태에서). 이러한 비틀림은 인접한 단부들에서 보다 링의 후방 상에서 보다 큰 효과를 가지고, 이는 마모-방지층에서 원주 방향으로 응력들의 차이를 유발하고, 이는 손상 가능성을 높힌다. 이는 원주 방향으로 둥근 영역 및/또는 면취의 치수에서의 변화에 의해 균형이 잡힐 수 있다(balanced).
또한, 인접한 표면들은 인접한 표면/링 페이스의 엣지까지 연장되는 레데부라이트 구조의 영역들을 가질 수도 있다. 대응하는 레데부라이트의 영역들은 다시 마모-방지층을 구비할 수 있다. 링 페이스가 또한 레데부라이트 구조를 구비하는 경우, 이는 방사 방향으로 외부 상의 인접한 표면들의 엣지들 상에 회주철 구조가 많이 노출되지 않아 거기에서 발생할 수 있는 임의의 마모를 방지할 수 있는 결과를 달성한다. 이러한 방식으로, 모든 인접한 표면들이 레데부라이트 구조로 구성될 수 있다. 링 몸체의 방사방향 두께의 2/3을 걸쳐 연장되는, 방사 방향으로 인접한 표면들의 외측 영역은 레데부라이트 구조로 이루어지는 것이 바람직하다. 링 몸체의 방사 방향 두께의 1/3에 걸쳐 연장되는, 방사 방향으로 외부 상에 인접한 표면들의 영역들이 레데부라이트 구조로 이루어지는 것이 또한 바람직하다.
본 발명에 따른 피스톤 링을 제조하기 위해, 링 몸체가 먼저 회주철로부터 제조되어, 즉, 주조 이후에 열역할적 평형 상태에서 철-탄소 합금이 응고되어, 그 결과로 회주철 구조가 된다. 그리고 레데부라이트 구조를 구비하게 되는 표면의 영역이 가열되고 그리고 적어도 하나의 링 플랭크 상에서 용융된다. 이러한 가열은 고-에너지 방사선을 이에 가함으로써(bombarding) 수행될 수 있고, 여기서 예를 들어, 레이저 빔, 전자 빔, 전기 아크 용접, 플라즈마 용접 또는 텅스텐 불활성 가스 용접이 사용될 수 있다. 일반적으로, 이러한 목적을 위해 사용되는, 예를 들어 레이저 빔이 약 1mm에서 수십 mm까지의 직경을 가지기 때문에 전체 영역이 한 번에 가열되지 않고, 대신 한 지점에서 링 몸체가 가열되며, 그리고 재용융될 전체 영역은 고-에너지 방사선 및 링의 상대적인 운동에 의해 커버된다. 이는 예를 들어, 링이 회전가능하게 장착되고 그리고 원형 영역을 커버하기 위해 회전되는 것에 의해 또는 로봇 암에 의해서 방사선 공급원을 이동시킴으로써 달성될 수 있으며, 이는 또한 원주 방향으로 재용융 구역의 깊이에서의 간단한 변화를 허용한다. 재용융 구역의 깊이는 에너지 입력에 의해 결정된다.
냉각은 자체-담금질을 통해 일어나므로, 담금질 매체가 사용되지 않는다. 이러한 냉각은 상대적으로 빠르게 일어나, 레데부라이트 구조가 형성되고, 그리고 피스톤 링의 한 위치는 다른 위치들이 상술한 방법에 의해 여전히 가열되는 동안에 이미 냉각되는 과정에 있다.
재용융될 링 플랭크의 적어도 하나의 영역이 선택되어, 링 페이스와 링 플랭크 사이의 엣지까지 연장된다. 링 플랭크들 이외에, 링 페이스가 레데부라이트 구조를 구비하는 것이, 즉, 이를 가열하는 것도 가능하다.
가열 및 후속되는 냉각으로 인해 발생하는 링 몸체에서의 임의의 응력들을 분산시키기 위해, 무응력 어닐링(stress-free annealing)은 링 몸체를 냉각시킨 이후에 수행될 수 있다. 이는 450°C 내지 600°C, 바람직하게는 500°C 내지 540°C, 보다 바람직하게는 510°C 내지 530°C의 온도에서 1시간 내지 4시간, 바람직하게는 1.5시간 내지 3시간, 보다 바람직하게는 1.8시간 내지 2.3시간 동안 일어나며, 그 다음 다시 새로 냉각된다. 그리고, 링 몸체는 바람직하게는 무응력 어닐링 이후에 절개된다(cut open).
그리고 레데부라이트식으로 재용융되는 회주철 구조가 링 페이스 상에 노출될 때까지 링 페이스(10)로부터 재료가 제거된다. 그 다음, 마모-방지층이 거기에서 노출된 레데부라이트의 영역을 포함하여, 링 페이스에 적용된다.
또한, 재용융 단계에서, 링 페이스(10)가 또한 재용융될 수 있어, 레데부라이트식으로 재용융되는 회주철 구조가 또한 이 위치에서 노출된다. 레데부라이트 구조가 이 경우에 링 페이스에서 이미 노출되기 때문에, 링 페이스 상의 재료는 원하는 형상을 구현할 때까지 그리고/또는 재용융 동안, 특히 엣지에서 발생하는 변형을 제거할 때까지 여기서 제거된다.
대안적으로, 레데부라이트 구조를 얻기 위한(yield) 링 페이스의 재용융은 링 페이스에서의 재료의 제거 이후(그리고, 마모-방지층을 적용하기 전)에 일어날 수도 있다.
좁은 영역은 여기서 링 플랭크들과 링 페이스(10) 사이의 적어도 하나의 엣지 상에서 가열되지 않으며, 즉 링 페이스 상(링 플랭크들 상의 재용융되는 구역에서부터)의 물질의 제거로 인해 이미 노출된 레데부라이트는 다시 용융되지 않는다. 그리고, 필요한 경우, 후속되는 무응력 어닐링이 있을 수 있다.
여기서 다시, 전체 링 페이스가 레데부라이트식으로 재용융되는 회주철 구조를 구비하는 대신에 부분적인 영역들, 예를 들어 구형 링 페이스의 경우에 방사방향으로 외부 상에 가장 멀리 있는, 즉, 실린더 벽과 접촉하게 되는 둘레부 영역들에서만 이를 구비할 수 있다.
엣지들이 면취들 또는 둥근 영역들을 구비하게 될 경우, 이는 레데부라이트 구조를 형성하기 위해 주철을 재용융한 이후에 일어난다.
0.5 내지 1.0um의 조도(roughness)로 적어도 하나의 링 플랭크의 표면을 연마 연삭(Abrasive grinding)하는 것은 링 몸체의 적어도 하나의 링 플래크의 영역을 재용융한 이후에 또 다른 가능한 방법 단계이다. 이는 그루브의 벽 및 링 플랭크 상의 마모를 더 감소시킨다. 두개의 링 플랭크들은 바람직하게는 연삭된다(ground off). 내부식성에서의 개선은 인산염 층(phosphate layer)을 적용하고 그리고/또는 링 몸체를 인산 처리하는 최종 단계에 의해 달성된다.
도 2는 본 발명자들에 의해 제조된 주철의 피스톤 링(2)을 통과하는 단면에 대한 사진을 도시한다. 이 피스톤 링의 양쪽 링 플랭크들은 레데부라이트 구조(4)를 구비하였다. 도 2에서의 중첩 영역(42)이 상부 링 페이스 엣지 상에, 즉, 연소실 근처에 도시된다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 따른 가능한 일 실시예의 피스톤 링을 제조 위한 방법에 대한 예시적인 실시예의 단계들을 도시한다.
도 3a는 피스톤 링 블랭크(piston ring blank)(16) 및/또는 피스톤 링의 부분 단면도를 도시한다. 폐쇄된 피스톤 링 블랭크(16)의 축은 페이지의 외부인 우측 상에 위치한다. 여기서 피스톤 링 블랭크(16)은 폐쇄 링을 형성시킨다. 여기서 링 플랭크(8)는 상부 링 플랭크를 나타낸다. 방사방향 내부 표면 및 하부 링 플랭크는 많은 엘리먼트들로 도면이 과하지 않게 하기 위해 별도의 참조 번호들로 여기서 표시되지 않았다. 피스톤 링 블랭크(16)의 방사방향 외부 표면은 링 페이스와 같이 참조 번호 30으로 표시되었다.
도 3b에서 상부 및 하부 링 플랭크들(8)의 부분들이 재용융되어, 레데부라이트 구조(4)가 재용융되는 위치들에서 생성된다. 재용융 이전에, 피스톤 링 블랭크(16)는 재용융 과정을 최적화하기 위해 가열될 수 있다. 레데부라이트 구조(4)를 가지는 재용융되는 구역들 옆 및 아래에, 주철 구조에서 응력들이 발생하는 열 영향 구역이 존재한다.
도 3c는 열 영향 구역(20)들이 제거된 무응력 어니링 이후의 상황을 도시한다. 도 3d는 절개된 피스톤 링 블랭크(16)을 도시하며, 이는 이제 링 몸체(14)로 지칭된다. 선행하는 무응력 어닐링의 단계로 인해, 링은 절개된 이후에 비틀리게 되지 않는다. 인접한 단부(28)는 잔여하는 피스톤 링에 의해 대부분 가려지지만 인접한 단부면 상에서 볼 수 있다.
도 3e는 클램핑된(clamped) 이후에 링 몸체를 도시하고, 이는 바람직하게는 완전히 둥근 형태가 아니며(out-of-round form), 그리고 링 페이스가 후퇴되고(set back) 그리고/또는 기계 가공(machining)된 이후이다. 마모된 링 페이스 영역(24)은 점선으로 표시된다. 적어도 일 밀리미터의 재료가 여기서 제거된다. 링 페이스의 제거 이후, 재용융 구역으로부터의 레데부라이트 구조(4)가 링 페이스 상에 노출된다. 둥근 형태의 링 몸체를 고정시키고 그리고 둥글거나 또는 완전히 원형이 아닌 형상으로 연삭하는 것이 또한 가능하다.
도 3f는 링 페이스에 마모-방지층을 적용하여, 이로 인행 중첩 구역(24)을 형성한 이후에 피스톤 링을 도시하고, 여기서 마모-방지층(6)은 레데부라이트(4)의 위에 위치한다. 마모-방지층은 링 플랭크 상의 레데부라이트 구조(4) 또는 링 플랭크(8)를 커버하지 않는다. 그러나, 링 페이스 및 링 플랭크들(8) 사이의 전이 영역에서 그리고 노즈(nose)들, 면취들 또는 둥근 부분들(미도시)에서 편차가 발생할 수 있다.
도 3g는 또 다른 제조 단계를 도시하며, 여기서 이전에 직사각형 단면을 가졌던 피스톤 링은 사다리꼴 링이 되도록 변형되었다. 상부 및 하부 피스톤 링 플랭크들(8)은 원추형(conical) 표면을 따라 연마되어, 레데부라이트 구조(4)의 반사방향 치수가 감소된다. 또한, 레데부라이트 구조의 축상 두께가 피스톤 링의 중심 방향으로 감소한다. 역사다리꼴 링(내부 상의 축상 두께가 링 페이스 상의 두께 보다 큼)이 재용융되고 그리고 기계 가공에 의해 직사각형 링으로 변환되는 경우 유사한 효과가 달성될 수도 있다. 이는 축방향으로 레데부라이트층의 두께에서의 변화를 용이하게 구현하게 한다. 이러한 변환은 링을 절개하기 전 또는 이후에 수행될 수도 있다.
2 회주철 구조
4 레데부라이트 구조
6 마모-방지층
8 링 플랭크
10 링 페이스(ring face)
14 링 몸체
16 피스톤 링 블랭크
20 열 영향 구역
24 연마된 링 페이스 영역
26 링 페이스에 노출된 레데부라이트 구조
28 인접한 단부
30 피스톤 링 블랭크(16)의 방사방향 외부 표면 또는 링 페이스
42 레데부라이트 구조 및 마모-방지층의 중첩 구역

Claims (29)

  1. 회주철(gray cast iron)의 링 몸체(14)를 포함하는 피스톤 링으로서,
    상기 링 몸체(14)는 적어도 하나의 링 플랭크(ring flank)(8) 상에 링 페이스(ring face) 내로 그리고 상기 링 페이스(10)의 하나의 엣지까지 연장되는 레데부라이트식으로(ledeburitically) 재용융되는 회주철 구조(레데부라이트 구조(ledeburite structure))(4)의 영역을 가지고;
    마모-방지층(wear-preventing layer)이 상기 레데부라이트식으로 재용융되는 회주철 구조(4)의 영역을 포함하는 상기 링 페이스에 적용되고; 그리고
    상기 링 플랭크(8) 상에 상기 레데부라이트식으로 재용융되는 회주철 구조(4)의 두께는 방사 방향으로 변하는;
    피스톤 링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 링 몸체(14)는 상기 링 페이스(10) 상에 레데부라이트 구조(4)의 영역을 가지고, 상기 구조는 전체 링 페이스(10)에 걸쳐 연장되는,
    피스톤 링.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 마모-방지층은 용사층(thermal spray layer), 레이저에 의해 적용되는 경질 물질 코팅, 크롬 분산층(chromium dispersion layer), PVD 층, 또는 DLC 층의 형태이고,
    상기 링 플랭크(8) 상에 상기 레데부라이트식으로 재용융되는 회주철 구조(4)의 두께는 단면에서 방사 방향으로 외부를 향해 증가하는,
    피스톤 링.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마모-방지층은 상기 적어도 하나의 링 플랭크(8)와 상기 링 페이스(10) 사이의 엣지에 걸쳐 연속적으로 연장되는,
    피스톤 링.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    연소실(combustion chamber)로부터 떨어져 있는 상기 링 플랭크(8)가 레데부라이트 구조(4)의 영역을 구비하거나 또는 양쪽 링 플랭크들(8)이 레데브라이트 구조(4)의 영역들을 구비하는,
    피스톤 링.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레데부라이트 구조(4)의 깊이(depth)는 0.05mm 내지 1.5mm 사이인,
    피스톤 링.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레데부라이트식으로 재용융되는 회주철 구조(4)의 두께는 원주 방향으로 변하여, 인접한 단부(abutting end)들에서 두께가 증가하는,
    피스톤 링.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레데브라이트 구조(4)의 영역은 적어도 하나의 링 플랭크(8) 전체에 걸쳐 연장되는,
    피스톤 링.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    방사 방향으로 내부 상의 상기 적어도 하나의 링 플랭크(8)의 영역이 레데부라이트 구조(4)를 가지지 않아, 방사 방향으로 내부 상의 상기 영역이 상기 링 몸체(14)의 방사 방향 치수의 1/3에 걸쳐 연장되는,
    피스톤 링.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 링 플랭크(8)와 상기 링 페이스(10) 사이의 엣지는 면취(chamfer)를 가지는,
    피스톤 링.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 링 플랭크(8)와 상기 링 페이스(10) 사이의 엣지는 둥글게 되어(rounded), 상기 둥근 영역이 1mm 내지 3mm 반경을 가지는,
    피스톤 링.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 둥근 영역 또는 상기 면취의 치수는 원주 방향으로 변하는,
    피스톤 링.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 링 페이스(10)는 구 형상 또는 편향된(skewed) 구 형상을 가지는,
    피스톤 링.
  14. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    인접한 표면들은 방사 방향으로 외부 엣지까지 연장되는, 레데부라이트식으로 재용융되는 회주철 구조(4)의 영역을 가지는,
    피스톤 링.
  15. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    인접한 표면들은 방사 방향으로 외부 엣지까지 연장되는, 마모-방지층을 적어도 부분적으로 구비하는,
    피스톤 링.
  16. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피스톤 링은 사다리꼴 링인,
    피스톤 링.
  17. 레데부라이트식으로 재용융되는 회주철 구조를 가지는 피스톤 링을 제조하는 방법으로써, 상기 방법은:
    회주철로 제조되는 링 몸체(14)를 제조하는 단계;
    상기 링 몸체(14)의 적어도 하나 링 플랭크(8)의 영역을 재용융시켜 상기 적어도 하나의 플랭크 상에 레데부라이트식으로 재용융되는 회주철 구조를 생성하는 단계;
    레데부라이트식으로 재용융되는 회주철 구조가 상기 링 페이스(10) 상에 노출될 때까지 상기 링 몸체(14)의 하나의 링 페이스(10) 상의 재료(material)를 연마하는(abrading) 단계; 및
    상기 링 페이스(10) 상에 노출된 상기 레데부라이트식으로 재용융되는 회주철 구조(26) 및 상기 링 페이스(10)에 마모-방지층을 적용하는 단계 - 상기 레데부라이트식으로 재용융되는 회주철 구조(4) 및 상기 마모-방지층의 중첩 구역(42)이 생성됨 -;
    를 포함하고,
    재용융 중에 에너지 입력이 방사 방향으로 변하여, 상기 레데부라이트식으로 재용융되는 회주철 구조(4)의 두께가 방사 방향으로 변하는,
    피스톤 링을 제조하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 링 플랭크(8)의 영역을 재용융시킨 이후 그리고 재용융 중에 생성되는 열 영향 구역(heat influence zone)(20)을 제거하기 위해 상기 링 페이스(10) 상의 재료를 연마하기 전에 상기 링 몸체(14)를 무응력 어닐링(stress-free annealing)하는 단계;
    를 더 포함하는,
    피스톤 링을 제조하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    무응력 어닐링에서의 온도는 450°C 내지 600°C이고, 그리고 1시간 내지 4시간의 기간 동안 유지되는,
    피스톤 링을 제조하는 방법.
  20. 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재용융은 상기 링 몸체(14)의 반사 방향 두께의 20% 내지 30%의 반경 영역을 포함하는,
    피스톤 링을 제조하는 방법.
  21. 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재용융은 레이저 빔(laser beam), 전자 빔(electron beam), 전기 아크 용접(electric arc welding), 플라즈마 용접(plasma welding) 또는 텅스텐 불활성 가스 용접(tungsten inert gas welding) 중에서 선택되는 고-에너지 방사선으로 가함(bombardment)으로서 발생하는,
    피스톤 링을 제조하는 방법.
  22. 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 링 플랭크(8)의 영역을 재용융시키는 단계 이후 그리고 인접한 단부(28)를 획득하기 위해 상기 링 페이스(10) 상의 재료를 연마하는 단계 이전에 상기 링 몸체(14)를 절개하는 단계;
    를 더 포함하고,
    무응력 어닐링이 수행되는 경우, 상기 링 몸체는 상기 무응력 어닐링 이후에 절개되는,
    피스톤 링을 제조하는 방법.
  23. 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 링 페이스(10)는 고속 화염 용사(high-speed flame spraying) 또는 레이저 합판법(laser cladding)에 의해 상기 마모-방지층으로 코팅되는,
    피스톤 링을 제조하는 방법.
  24. 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    사다리꼴에서 직사각형으로 또는 직사각형에서 사다리꼴로 단면을 변경하기 위해 상기 링 몸체(14)를 기계 가공(machining)하는 단계;
    를 더 포함하는,
    피스톤 링을 제조하는 방법.
  25. 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 링 몸체(14)는 상기 링 페이스(10)를 연마하기 위해 절개된 이후 원형이 아닌 형상으로 클램핑되는(clamped),
    피스톤 링을 제조하는 방법.
  26. 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    재용융 단계 이전에 상기 링 몸체(14)를 예열하는 단계;
    를 더 포함하는,
    피스톤 링을 제조하는 방법.
  27. 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    레데부라이트식으로 재용융되는 회주철 구조를 그 곳에 생성하기 위해, 상기 링 페이스 상의 재료를 제거한 이후 그리고 마모-방지층을 적용하기 전에 상기 링 페이스(10)를 재용융시키는 단계;
    를 더 포함하는,
    피스톤 링을 제조하는 방법.
  28. 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재용융시키는 단계 이후 0.5 내지 1.0um의 조도(roughness) Ra로 적어도 하나의 플랭크(8)를 연삭하는(grinding) 단계;
    를 더 포함하는,
    피스톤 링을 제조하는 방법.
  29. 제 17 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 링 몸체(14)를 인산 처리하는(hosphating) 단계;
    를 더 포함하는,
    피스톤 링을 제조하는 방법.
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