KR20200033260A - 쇼트-피닝된 런닝-인 층을 가지는 피스톤 링 및 이를 제조하기 위한 방법(piston ring with shot-peened running-in layer and method for the production thereof) - Google Patents

쇼트-피닝된 런닝-인 층을 가지는 피스톤 링 및 이를 제조하기 위한 방법(piston ring with shot-peened running-in layer and method for the production thereof) Download PDF

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Abstract

본 발명은 피스톤 링에 관한 것으로, 상기 피스톤 링은 환형 몸체(2), 용사에 의해 환형 몸체(2)에 적용되는 내마모성 층(6), 및 용사에 의해 내마모성 층(6)에 적용되는, AlCuFe 합금으로 이루어지는, 변형-경화된 런-인 층(8)을 포함한다.

Description

쇼트-피닝된 런닝-인 층을 가지는 피스톤 링 및 이를 제조하기 위한 방법(PISTON RING WITH SHOT-PEENED RUNNING-IN LAYER AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF)
본 발명은 피스톤 링 및 이를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 특히 내연 기관을 위한 다층 코팅을 가지는 대구경 피스톤 링, 또는 2-스트로크 적용을 위한 피스톤 링에 관한 것이다.
왕복 피스톤 내연 기관들과 같은 피스톤 링들에서는, 두가지 상반된 요구 사항이 충족되어야 한다. 한편, 피스톤 링이 점점 얇아지면, 가스 유출 및 오일 소비가 증가하고 엔진의 성능을 저하시키기 때문에, 높은 내마모성이 제공되어야 한다. 한편, 연마된(abrasive) 피스톤 링의 결과로 피스톤 링과 실린더 벽 사이의 틈새는 점점 커져서, 연소 가스들이 링을 통해 보다 쉽게 빠져나갈 수 있고, 이는 엔진의 효율을 감소시킨다. 틈새가 커짐에 따라, 연소실에 남아 있는 스크래핑되지 않은 오일막이 두꺼워져, 단위 시간당 보다 많은 오일이 손실된다; 즉 오일 소비가 증가한다.
엔진 특성의 최대 최적화를 달성하기 위해, 즉, 최대 밀봉 효과 및 낮은 마찰 손실 사이의 최상의 절충안에 도달하기 위해, 피스톤 링(들)과 실린더 벽 사이의 틈새의 치수가 따라서 가능한 정확하게 유지되어야 한다. 그러나, 이는 엔진 제조 및 조립 동안 복잡하고, 비용이 많이 드는 공정 단계들을 필요로 하며, 그렇지 않으면 어느 정도의 불가피한 공차가 지속적으로 발생하기 때문이다. 따라서 조그마한 틈새 치수에 대한 가능한 마이너(minor)가 일반적으로 수용되며, 그리고 피스톤 링은 동작 중의 연마를 통해 최적 두께에 도달하도록 허용된다. 이상적으로, 최적 틈새 직경이 달성될 때까지 피스톤 링의 주행면이 연마된다. 이 공정은 “런-인(run-in)”으로 지칭된다.
따라서, 한편으로는 정상 작동 중에 가능한 작은 마모를 피스톤 링이 받고 틈새가 단지 약간만 확대되도록, 바람직한 내마모성 재료가 요구된다. 다른 한편으로, 우수한 런-인 특성들을 달성하기 위해 주행면의 적어도 일부가 상대적으로 적은 연마를 받아서, 피스톤 링과 실린더 벽 사이의 과도하게 작은 틈새가 런-인 동작 중에 정확한 치수로 가능한 빨리 증가하도록 한다.
따라서, 원칙적으로 피스톤 링들은 의도하는 특성들을 제공하도록 설계된 코팅들을 구비한다. 이는 자연스럽게 의도하는 특성들을 가지는 가능한 비싼 물질을 이용하여 전체 피스톤을 제조하는 것 보다 관리하기 쉬우며 그리고 비용이 덜 든다. 이러한 코팅들에 대한 추가적인 요구 사항이 존재한다. 필요한 특성들을 제공하는 것 이외에, 코팅이 피스톤 링으로부터 벗겨지지 않도록, 즉 밑에 있는 물질과의 우수한 접착력을 가지도록 코팅이 또한 설계되어야 한다. 코팅이 여러 상이한 층들로 구성되는 경우, 층들 간의 우수한 응집력이 또한 필요하다. 그렇지 않으면, 층들의 벗겨지거나 또는 균열이 형성되는 위험이 존재하고, 이는 엔진에 악영향일 수 있다.
피스톤 링의 주행면들 상에 있는 코팅들은 실린더 벽과 접촉하는 주행면에서 내마모성이여야 한다. 또한, 런-인 페이즈에서의 이들의 본질적인 마모는 대응 표면에 만족스럽게 적응하기에 충분해야 한다. 또한, 이 층들은 높은 내파손성을 가지고, 오랜 시간이 지난 후에도 피로 행동(fatigue behavior)이 미비하거나 없어야 한다.
내마모성 층들은 예를 들어, 경질 크롬으로 제조된다. 독일 특허 공개번호 제 DE19931829A1호는 피스톤 링을 위한 전기 도금된 경질 크롬층을 기술한다. 내마모성층을 위한 다른 재료들은 산화 알루미늄 세라믹을 가지는 크롬(예를 들어, 페더럴-모굴의 CKS®) 또는 마이크로다이아몬드를 가지는 크롬(예를 들어, 페더럴-모굴의 GDC®)이다.
CKS® 내마모성층들에 적용되는 런-인 층들은 예를 들어, 와이어 플레임 스프레잉(wire flame spraying)에 의해 마모층에 적용되는 몰리브덴(molybdenum)에 기반한다. 내마모성층은 블라스팅 공정(blasting process)에 의해 미리 활성화된다.
또한, AlCuFe 합금으로 만들어진 런-인 층은 써멀 스프레잉(용사)에 의해 CKS® 내마모성층에 적용될 수 있다. 그러나, 이러한 목적을 위해 CKS® 내마모성층에 전기 도금된 중간층을 먼저 적용하는 것이 필요하다
그러나, 이에 적용되는 런-인 층 및 크롬계 내마모성층을 가지는 알려진 피스톤 링들의 런-인 및 마모 특성들은 추가적인 개선이 필요하다.
본 발명의 목적은 개선된 런-인 및 마모 행동을 가지는 피스톤 링, 및 이를 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 실시예에 따르면,
- 환형 몸체;
- 환형 몸체 상에 용사(thermally sprayed)에 의해 적용되는 내마모성 층;
- 용사에 의해 내마모성층에 적용되는, AlCuFe 합금으로 이루어진 층에 있는 변형-경화된 런-인(run-in) 층;
을 포함하는 피스톤 링이 제공된다.
두 개의 상이한 기능성 층들을 이용함으로써, 본 발명에 따른 피스톤 링은 신규하고, 유리한 내마모성(내마모성층으로 인한) 및 바람직한 런-인 특성들(런-인 층으로 인한)의 조합을 제공한다. 런-인 층은 예를 들어 쇼트 피닝(shot peening)에 의해 적합하게 후 처리되고, 이에 의해 변형-경화되고 컴팩트해진다(compacted). 내마모성 층은 엔진의 극한 작동 조건들에서 과도한 마모를 방지한다.
대안적으로, 피스톤 링은:
- 환형 몸체;
- 용사에 의해 환형 몸체에 적용되는 내마모성 층; 및
용사에 의해 내마모성 층에 적용되는, AlCuFe로 이루어진 런-인 층 - 상기 런-인 층은 100 μm 미만의, 바람직하게는 60μm 내지 95μm, 특히 바람직하게는 70μm 내지 95μm의 거칠기(Rz)를 가짐 -;
을 특징으로 한다.
추가적인 대안으로, 피스톤 링은:
- 환형 몸체;
- 용사에 의해 환형 몸체에 적용되는 내마모성 층; 및
- 용사에 의해 내마모성 층에 적용되는, 150 내지 250, 바람직하게는 170 내지 210, 특히 바람직하게는 180 내지 200의 경도(HV)를 가지는, AlCuFe로 이루어진 런-인 층;
을 특징으로 한다.
피스톤 링의 일 실시예에서, 런-인 층은 전기 아크 와이어 스프레잉에 의해 내마모성 층에 적용된다. 전기 아크 와이어 스프레잉은 베이스 표면에 코팅을 적용하기에 단순하고, 비용-효율적인 방식이다. 이 방법은 런-인 층들에 대해 사용될 수 있는, 상대적으로 연질의 코팅들을 생산하기에 특히 적합하다. 전기 아크 와이어 스프레잉은 또한 내마모성 AlCuFe 층을 용이하게 생산하는데 사용될 수 있다.
피스톤 링의 다른 실시예에서, AlCuFe 런-인 층은 쇼트 피닝(shot peening), 롤링(rolling), 또는 해머링(hammering)에 의해 변형-경화된다.
변형 경화(Strain hardening)는 층 내로 압축 응력들을 도입하여, 런-인 층을 경화시킨다. 따라서 지금까지, 이들 작업이 런-인 페이즈 동안 제거되기 때문에, 런-인 층들은 후-처리되지 않았다. 표면적으로, 짧은 작동 기간 내에 거의 완전히 제거되는 레이어에 대하여 주의를 기울일 필요가 없었기 때문에, 이러한 이유로 추가적인 머시닝 단계가 과거에는 생략되었다. 변형 경화의 결과, 런-인 층은 보다 안정적으로 더 오래 지속되어, 왕복 엔진의 런-인 공정이 연장될 수 있다. 또한, 의도하는 값으로 런-인 기간을 조정하기 위해 런-인 층의 두께를 변화시키거나 또는 상이한 재료를 이용하는 것이 일반적이다. 런-인 층의 안정성은 동일한 재료 소비로 런-인 기간을 연장시키거나 또는 동일한 런-인 기간으로 재료의 두께를 감소시키기 위해 변형 경화에 의해 증가된다. 런-인 층은 단지 작은 두께만을 가지고, 그리고 변형 경화는 본질적으로 런-인 층의 전체 두께에 걸쳐 경화를 달성할 수 있다.
피스톤 링의 다른 실시예에서, 쇼트 피닝 이후의 런-인 층의 표면은 50 내지 100%, 바람직하게는 70 내지 100%, 보다 바람직하게는 90 내지 100%의 커버리지를 가진다. 런-인 층의 표면 중 적어도 50%는 쇼트 피닝 공정으로 인해 쇼트 펠릿(shot pellet)들로부터의 압입(indentation)에 의해 영향을 받는다. 런-인 층의 표면 상에 쇼트 펠릿들로부터의 압입은 런-인 층의 표면 중 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 70%, 보다 바람직하게는 적어도 90%를 커버한다. 현미경으로 보면, 런-인 층의 표면 구조는 쇼트 피닝으로 인한 쇼트 펠릿으로부터의 임프린트(imprint)를 보인다. 쇼트 펠릿들로부터의 임프린트들을 가지는 표면 구조를 통해, 런-인 층이 쇼트 피닝에 의해 변형-경화되었는지 여부가 쉽게 결정될 수 있다.
접촉 촉진 층이 환형 몸체와 내마모성 층 사이에 제공된다. 접촉 촉진 층은 환형 몸체 상의 레이어들의 최적의 접착을 보장한다.
내마모성 층, 런-인 층, 및 선택적으로 접착 촉진 층은 바람직하게는 오버스프레이된(oversprayed) 형태로 적용된다.
환형 몸체는 바람직하게는 이들의 엣지 상에 베벨(bevel)을 가지는 가스 배출 슬롯들을 가진다.
베벨은 바람직하게는 30도 내지 70도의 각도를 가진다. 또한, 베벨은 바람직하게는 0.5 내지 2.0 mm의 폭을 가진다.
본 발명의 다른 양상에 따라, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 피스톤 링을 제조하기 위한 방법이 제공되고, 상기 방법은:
환형 몸체를 제공하는 단계;
환형 몸체 상으로 내마모성 층을 용사하는 단계; 및
내마모성 층 상에 AlCuFe 합금으로 이루어진 런-인 층을 용사하는 단계 - 상기 런-인 층은 쇼트 피닝에 의해 컴팩트됨 -;
을 포함한다.
내마모성 층, 런-인 층, 및 선택적으로 접착 촉진 층은 바람직하게는 오버스프레이된 형태로 적용된다.
용사하는 단계는 바람직하게는 다음과 같은 코팅 공정들을 포함한다:
- 전기 아크 와이어 코팅 공정(an electric arc wire coating process)
- 플레임 코팅 공정(flame coating process);
- 대기압 플라즈마 스프레잉(atmospheric plasma spraying, APS); 및
- 고속 산소 연료(HVOF) 플레임 스프레잉.
상기 방법에서, 런-인 층은 전기 아크 와이어 스프레잉에 의해 내마모성 층에 적용될 수 있다.
런-인 층은 쇼트 피닝, 롤링 및/또는 해머링에 의해 변형-경화될 수 있다.
쇼트 피닝은 50 내지 100%, 바람직하게는 70 내지 100%, 보다 바람직하게는 90 내지 100%의 커버리지가 달성되는 방식으로 수행된다.
본 방법은 바람직하게는:
접착 촉진 층 상에 스프레잉하는 단계 이전에 환형 몸체의 플랭크(flank)에게 그 엣지들에서의 베벨을 제공하는 단계;
를 더 포함한다.
환형 몸체가 가스 배출 슬롯들을 가지는 경우, 상기 방법은 바람직하게는:
접착 촉진 층 상에 스프레잉하는 단계 이전에 가스 배출 슬롯들에게 이들의 엣지들에의 베벨을 제공하는 단계;
를 더 포함한다.
베벨은 바람직하게는 30도 내지 70도의 각도를 가진다. 또한 베벨은 바람직하게는 0.5 내지 2.0mm의 폭을 가진다.
본 발명은 예시적인 실시예를 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 이하에서 설명된다.
도 1a 내지 도 1f는 다양한 머시닝 단계들 중에 피스톤 링의 단면에 기초하여 본 발명의 일 실시예를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 피스톤 링의 일 실시예의 주행면에서의 변형-경화된 런-인 층의 평면도를 도시한다.
동일하거나 유사한 참조 부호들은 동일하거나 유사한 엘리먼트들 및 컴포넌트들을 지칭하도록 도면들 및 설명들에서 사용된다.
피스톤 링들의 주행면들 상에 있는 코팅들은, 기판에 대한 우수한 내열성 접착력 및 층 내에서의 우수한 내열성 바인딩(응집력)을 가지는 것 이외에, 실린더벽과 접촉하는 표면 영역에서 내마모성이기도 하여야 한다.
또한, 런-인 페이즈에서 이들의 본질적인 마모는 대응표면에 만족스럽게 적응하기에 충분해야 한다. 또한, 이 층들은 높은 내파손성을 가지고, 오랜 시간이 지난 후에도 피로 행동(fatigue behavior)이 미비하거나 없어야 한다. 이 경우, AlCuFe 합금으로 이루어진 변형-경화된 런-인 층이 사용되고, 이는 피스톤 링 상에 전기 아크 와이어 스프레잉에 의해 생산된다. 여기서 변형 경화(strain hardening)는 쇼트 피닝(shot peening)에 의해 달성된다. 쇼트 피닝, 즉 변형 경화는 스프레잉된 런-인 층의 컴팩션(compaction)을 일으킨다. 변형 경화는 개선된, 강화된 런-인 층을 발생시키는 런-인 층에서의 압축 응력들을 생성한다. 변형 경화는 런-인 층의 전체 두께에 실질적으로 영향을 준다. 0.5 내지 1 mm의 직경을 가지는 쇼트 블라스트 펠릿(shot blast pellet)들을 이용하여 쇼트 피닝이 수행되어, 충분히 매끄럽고, 경화된 표면의 런-인 층이 달성된다. 블라스팅 압력은 2.5 bar 내지 6 bar 사이, 바람직하게는 3 bar 내지 5.5 bar 사이, 보다 바람직하게는 4 bar 내지 5 bar 사이일 수 있다. 쇼트 피닝은 런-인 층의 표면으로부터 50 내지 200 mm 사이의 거리에서 수행된다. 쇼트 피닝에서 분당 1 내지 3 kg 블라스트 펠릿들의 대량 처리를 사용할 수 있다. 롤링(Rolling), 널링(knurling) 또는 해머링(hammering)이 쇼트 피닝 대신 변형 경화 공정들로 사용될 수도 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 극심한 응력들을 견딜 수 있지만 우수한 런-인 행동을 나타내는, 플레임 스프레잉 공정에 의해 적용되는, 내마모성 층들을 가지는 피스톤 링들의 주행면들을 제공하는 것이다. 층들을 생산하기 위한 방법은 바람직하게는 간단하고 비용-효율적이며, 특히 특정 응용에 맞는 특성들을 가지는 런-인 층 및 내마모성 코팅들의 생산을 허용한다.
본 발명에 따르면, 제 1 실시예에서, 이 목적은 하나의 상단 상에 다른 두 개의 상이한 스프레이 층들(내마모성 층, 선택적으로 접착 촉진 층, 및 외부 런-인 층)로 이루어지는 코팅에 의해 달성된다. 층들의 접착력 및 응집력은 코팅 이전의 가스 배출 슬롯들을 사용하고, 그리고 링 플랭크에서 엣지들을 적절하게 베벨링(beveling)함으로써 더 개선된다.
도 1a 및 도 1b는 어떻게 피스톤 링 또는 환형 몸체(2)가 베벨링되는지에 대한 단면도를 도시한다. 본 발명에 따라, 코팅 이전에, 피스톤 링(2)의 엣지들은 주행면 측면(도면에서 좌측) 상에 베벨(10)을 구비할 수 있다. 본 발명에 따르면, 베벨(10)의 각도 α는 30도 내지 70도일 수 있다; 45도의 각도가 예시로서 도 2에서 도시된다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 베벨(10)은 0.5 내지 2 mm의 폭을 가진다. 엣지들의 패시팅(faceting)은 피스톤 링의 제조에서 선택적인 단계이다. 즉, 베벨은 본 발명에 따른 완성된 피스톤 링에 대한 선택적인 특징이다. 패시팅은 임의의 적합한 공지된 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 배럴-형상의 주행면을 획득하기 위해서 피스톤 링의 주행면을 둥글게 하는 것도 마찬가지로 가능하다. 주행면의 패시팅 또는 셰이핑(shaping)은 임의의 적합한 공지된 방법을 사용하여 수행될 수 있다.
도 1c는 제 1의 코팅 층을 적용하는 단계에 대한 단면도를 도시한다. 접착 촉진 층(4)이 환형 몸체(2)에 적용된다. 본 발명에 따라, 이는 고속 산소 연료(HVOF) 플레임 스프레잉, 대기압 플라즈마 스프레잉(atmospheric plasma spraying, APS), 전기 아크 와이어 코팅(electric arc wire coating), 또는 와이어 플레임 코팅(wire flame coating) 공정들을 포함하는 용사(thermal spraying)에 의해 발생한다. 예시로서, 이것은 HVOF 디바이스(12)로 예시되어 있다. 접착 촉진 층(4)은 니켈 합금으로 설계되어 있다.
도면 1d에서, 내마모성 층(6)이 접착 촉진 층(4)에 또는 접착 촉진 층(4) 위에 적용된다. 이는, 접착 촉진 층의 적용과 동일하게, 상술한 용사 공정 중 하나를 이용하여 일어날 수 있고, 이는 또한 상이한 각각의 층들에 대하여 상이한 공정들을 사용할 수 있다. 도시되는 예에서, 이는 마찬가지로 HVOF 디바이스(14)를 이용하여 달성된다. 층 설계는 FF, 즉 오버스프레이된다. 본 발명의 제 1 실시예에 따라, 내마모성 층은 탄화 몰리브덴(molybdenum carbide MoC) 또는 탄화 텅스텐(tungsten carbide WC), 또는 크롬 탄화물(chromium carbide CrC)을 가지는 몰리브덴 합금일 수 있다.
도 1e에서, 런-인 층(8)은 내마모성 층(6)에 또는 내마모성 층(6) 위에 적용된다. 이는 전기 아크 와이어 스프레잉 디바이스(16)를 이용하여 전기 아크 와이어 스프레잉에 의해 수행된다. 층 설계는 여기서 마찬가지로 FF, 즉 오버스프레이된다. 런-인 층은 알루미늄-구리-철(AlCuFe 합금)을 포함한다. 피스톤 링은 바람직하게는 2-스트로크 내연 기관용 대구경(large bore) 피스톤 링이다.
도 1f에서, 마지막으로 적용되는 런-인 층은 쇼트 피닝에 의해 주행 표면 또는 그 표면 상에서 후처리된다. 런-인 층은 주행면에서 변형-경화되어, 그 결과 엔진의 런-인 페이즈가 연장되거나, 또는 더 얇은 런-인 층을 이용함으로써 연마가 줄어든다. 쇼트 피닝 디바이스(26)가 변형 경화를 위해 사용된다.
도 1f에서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단면도에서 완성된 피스톤 링이 도시되고, 환형 몸체(2), 접착 촉진 층(4), 내마모성 층(6), 및 런-인 층(8)을 포함한다.
본 발명의 제 2 실시예에 따라, 피스톤 링은 환형 몸체, 환형 몸체의 주행면에 적용되는 내마모성 층, 및 내마모성 층에 적용되는 변형-경화된 AlCuFe 합금 런-인 층을 포함한다. AlCuFe 합금이 이들 컴포넌트들 및 불가피한 불순문들로 구성될 수 있고, 또는 AlCuFe 합금이 작은 양의 탄소와 같은 고체 윤화제들 및 합금 원소를 더 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 피스톤 링의 주행면에 대한 확대된 상세도를 도시하고, 표면은 런-인 층(8) 또는 주행면 상에 있는 쇼트 블라스트 펠릿들(42)로부터의 임프린트들을 나타낸다. 임프린트들(42)은 여기서 큰 커버리지를 나타내고, 그 결과 런-인 층(8)의 전체 표면은 변형-경화된다.
2개의 상이한 기능성 층들을 사용함으로써, 본 발명에 따른 피스톤 링은 신규하고, 유리한 내마모성(내마모성 층으로 인한) 및 바람직한 런-인 특성들(런-인 층으로 인한)의 조합을 제공한다. 런-인 층(8)은 스프레잉 이후에 변형-경화되고, 그리고 런-인 페이즈에서 발생하는 연마에 의해 제거된다. 내마모성 층(6)은 엔진의 극심한 작동 조건들 하에서 과도한 마모를 방지한다.
내마모성 층(6)은 바람직하게는 경질 크롬, 산화 알루미늄을 가지는 크롬(예를 들어, 페더럴-모굴의 CKS®), 또는 마이크로다이아몬드를 가지는 크롬(예를 들어, GDC®)를 포함한다. 내마모성 층(6)은 마찬가지로 다이아몬드-유사 탄소(DLC)를 구비하거나 또는 이러한 층을 포함할 수 있다.
런-인 층(8)은 바람직하게는 20 내지 400um의 층 두께를 가진다.
내마모성 층의 적용은 바람직하게는 용사 공정을 이용하여 발생한다.
용사 공정은 바람직하게는 대기압 플라즈마 스프레잉(APS, 예를 들어 MKP), 또는 고속 산소 연료(HVOF) 플레임 스프레잉(예를 들어, 페더럴-모굴의 MKJet®)이다. 내마모성 층은 바람직하게는 경질 크롬, 산화 알루미늄을 가지는 크롬(예를 들어, 페더럴-모굴의 CKS®), 또는 마이크로다이아몬드 또는 다이아몬드-유사 층을 가지는 크롬(예를 들어, GDC®)을 포함한다.
내마모성 층은 바람직하게는 블라스팅 공정에 의해 활성화되거나 또는 열적으로 활성화된다.
런-인 층(8)의 적용은 열적 코팅 공정을 이용하여 발생한다. 열적 코팅 공정은 바람직하게는 전기 아크 와이어 스프레잉이다.
런-인 층(8)은 바람직하게는 20 내지 400 um의 층 두께를 가진다.
2 피스톤 링 / 환형 몸체
4 접착 촉진 층
6 내마모성 층
8 런-인 층
10 베벨
12 접착 촉진 층을 위한 플레임 스프레잉 디바이스
14 내마모성 층을 위한 플레임 스프레잉 디바이스
16 전기 아크 와이어 스프레잉 디바이스
20 와이어 전극
22 전기 아크
24 가스 스트림
26 쇼트 피닝 디바이스
30 쇼트 펠릿 서플라이
32 가스/공기 스트림
34 스틸 블라스팅 쇼트
42 블라스트 펠릿들로부터의 임프린트들
α 베벨 각도
d 베벨 폭

Claims (9)

  1. 피스톤 링으로서,
    - 환형 몸체(2);
    - 상기 환형 몸체(2) 상에 용사된(thermally sprayed) 내마모성 층(6); 및
    - 상기 내마모성 층(6) 상에 AlCuFe 합금으로 이루어진 용사된 런-인(run-in) 층(8);
    을 포함하되,
    - 상기 런-인 층이 변형 경화(strain hardening)로 인해 더 큰 경도를 가지는, 쇼트 펠릿(shot pellet)들로부터의 임프린트(imprint)들을 상기 런-인 층(8)이 가지며,
    - 상기 런-인 층(8)은 150 내지 250의 경도(HV)를 가지며,
    - 쇼트 피팅(shot peening)에서 50 내지 100%의 커버리지(coverage)가 달성되고, 그리고 상기 런-인 층(8)은 60 μm 내지 95 μm의 거칠기(Rz)를 가지는,
    피스톤 링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 런-인 층(8)은 전기 아크 와이어 스프레잉(electric arc wire spraying)에 의해 상기 내마모성 층(6) 상에 적용되는(applied),
    피스톤 링.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환형 몸체(2)의 주행면(running surface) 상에 용사된 접착 촉진 층(4)을 더 포함하되, 상기 내마모성 층(6)은 상기 접착 촉진 층(4) 상에 적용되는,
    피스톤 링.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 내마모성 층(6) 및 상기 런-인 층(8)은 오버스프레이된 형태(oversprayed form)로 적용되거나,
    상기 환형 몸체의 플랭크(flank)가 그 엣지들에 베벨(bevel)을 가지며, 상기 베벨은 30° 내지 70°의 각도 또는 0.5 내지 2.0 mm의 폭 중 적어도 하나를 가지거나, 또는
    상기 환형 몸체는 그 엣지들에 베벨을 가지는 가스 배출 슬롯들을 가지며, 상기 베벨은 바람직하게는 30° 내지 70°의 각도 또는 0.5 내지 2.0mm의 폭 중 적어도 하나를 가지는,
    특징 중 적어도 하나를 가지는,
    피스톤 링.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤 링은 대구경(large bore) 피스톤 링인,
    피스톤 링.
  6. 피스톤 링을 제조하기 위한 방법에 있어서,
    - 환형 몸체(2)를 제공하는 단계;
    - 상기 환형 몸체(2) 상에 내마모성 층(6)을 용사하는 단계;
    - AlCuFe 합금으로 이루어진 런-인(run-in) 층(8)을 상기 내마모성 층(6) 상에 용사하는 단계, 및
    - 상기 런-인 층을 쇼트 피닝에 의해 변형 경화하는 단계 - 상기 쇼트 피닝으로 50-100%의 커버리지가 달성됨 -;
    를 포함하되,
    - 상기 런-인 층(8)은 150 내지 250의 경도(HV)를 가지고, 그리고
    - 상기 런-인 층(8)은 60 μm 내지 95 μm의 거칠기(Rz)를 가지는,
    피스톤 링을 제조하기 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 런-인 층은 전기 아크 와이어 분사에 의해 상기 내마모성 층(6) 상에 적용되는,
    피스톤 링을 제조하기 위한 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 내마모성 층을 용사하는 단계는:
    - 전기 아크 와이어 코팅 공정;
    - 와이어 플레임 코팅 공정;
    - 대기압 플라즈마 스프레잉(atmospheric plasma spraying, APS); 및
    - 고속 산소 연료(high-velocity oxygen fuel, HVOF) 플레임 스프레잉;
    을 포함하는,
    피스톤 링을 제조하기 위한 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    - 그 엣지들에 베벨을 가지는 상기 환형 몸체의 플랭크를 제공하는 단계 - 상기 베벨은 30° 내지 70°의 각도 또는 0.5 내지 2.0 mm의 폭 중 적어도 하나를 가짐 -; 또는
    - 그 엣지들에 베벨을 가지는 가스 배출 슬롯들을 제공하는 단계 - 상기 베벨은 30° 내지 70°의 각도 또는 0.5 내지 2.0 mm의 폭 중 적어도 하나를 가짐 -;
    중 적어도 하나를 더 포함하는,
    피스톤 링을 제조하기 위한 방법.
KR1020207002034A 2017-07-21 2018-04-24 쇼트-피닝된 런닝-인 층을 가지는 피스톤 링 및 이를 제조하기 위한 방법(piston ring with shot-peened running-in layer and method for the production thereof) KR102466364B1 (ko)

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