KR950001720B1 - 피스톤링 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

피스톤링 제조방법

제1도 내지 제8도는 본 발명의 제1실시예를 예시한 도면으로, 제1도는 피스톤링 몸체재료의 사시도.

제2도는 제1도의 A부분의 확대도.

제3도는 재료를 처리하는 작업을 행하는 HIP(열간 정수압 소결) 장치를 보인 도면.

제4도는 재료를 처리하는 작업을 행하는 HIP장치를 보인 도면.

제5도는 HIP장치가 재료처리를 완료한 후에 링상으로 절단된 피스톤링을 보인 도면.

제6도는 피스톤링의 사시도.

제7도는 제6도의 Ⅶ-Ⅶ선 단면도.

제8도는 본 발명의 피스톤링의 성능과 종래의 피스톤링의 성능을 비교한 도면.

제9도 내지 제12도는 본 발명의 제2실시예를 예시한 도면으로, 제9도는 제3도와 유사한 도면.

제10도는 제5도와 유사한 도면.

제11도는 제6도와 유사한 도면.

제12도는 제11도의 XII-XII선 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 11 : 피스톤링 몸체재료 2, 12 : 고경도재료

3, 13 : 관상강재 4, 14 : 덮개

5 : 홈 1a, 11a : 피스톤링 몸체

2a, 12a : 고경도재료

본 발명은 디젤엔진 등의 내연기관에 사용되는 피스톤링의 제조방법에 관한 것이다.

종래의 피스톤링의 전형적인 예로 주철링, 크롬도금으로 활주면을 마무리하 크롬도금링 및 활주면을 텅스텐 카바이드로 분사 형성한 텅스텐 카바이드 분사링을 들 수 있다.

주철링은, 오랜 기간 사용되어 왔음에도 불구하고, 내마모성의 특성이 뒤떨어지기 때문에 만족할만한 성능을 제공하지 못한다. 이와는 대조적으로, 크롬도금링과 텅스텐 카바이드 분사링이 최근 들어 여러 분야에서 사용되고 있지만, 이하에 설명하는 여러 가지 측면에 있어 또한 바람직스럽지 않다.

즉, 용접이나 분사방법을 이용한 피스톤링의 제조방법은 쉽게 착수되지만, 그 두께가 감소되기 때문에 수명이 긴 피스톤링의 생산을 보장할 수 없다. 도금두께는 일반적으로 0.5mm로 제한되지만 도금이 벗겨지거나 제거되기 때문에 상기 두께보다는 두꺼워야 한다. 한편, 피스톤링의 제한 마모량은(직경 4mm의 경우) 약 2mm이고, 따라서 도금층이나 분사층은, 도금 또는 분사 피스톤링의 0.5mm의 제한 두께가 상기한 제한 마모량을 커버할 수 있도록, 종래의 주철링보다 4배 이상의 내마모성을 가져야만 한다. 결과적으로, 종래의 재료보다 각각 두배 또는 세배의 작업수명을 제공하기 위하여, 종래의 재료보다 8배 또는 12배 이상의 내마모성을 갖는 재료의 개발이 요청되어 왔다. 그러나, 피스톤링의 여러 가지 성능조건이 고려될 경우, 그러한 개량된 특성을 달성하기는 어렵다고 보여진다.

따라서, 본 발명의 목적은 현재 사용되고 있는 고경도 재료를 활용하여 피스톤링의 제한 마모량을 두께를 초과하는 두께의 내마모층을 갖는 피스톤링의 제조방법을 제공하는데 있다.

즉, 활주면을 형성하는(두께 2mm 이상의)두꺼운 내마모층을 제조하는 방법이 활용 가능하다면, 현재의 도금링 또는 분사링보다 4배 이상의 내구성을 갖는 피스톤링을 제조하기에 적절하다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 다수의 홈이 가늘고 긴 원통형 강재로 만들어진 피스톤링 몸체 재료의 상부표면 내에 원주방향을 형성되고, 상기 홈은 피스톤링의 폭보다 더 작은 폭과 2mm 이상의 깊이를 가지며, 피스톤링 몸체 재료의 길이와 사실상 같은 길이를 갖는 얇은 관상강재가 제공되며, 상기 홈에 단일 또는 여러 형태의 분말재료로 채워질 수 있도록 본 발명의 실시예가 구성된다. 몸체 재료와 관상강재의 양쪽단부가 서로 용접된 후에 온도와 압력을 점점 더 높게 인가함으로써 분말의 소결이 이루어지며, 동시에 피스톤링 몸체의 홈과 재료가 결합된다. 외부관상재가 절단되어 제거된 후에 인접 홈간의 몸체는 격리되며, 이에 따라 본 발명의 피스톤링 생성된다.

가늘고 긴 원통형 강재로 만들어지는 피스톤링 몸체 재료에 피스톤링의 직경보다 4mm이상 더 큰 직경을 갖는 관상강재가 제공되고 하나 또는 다수형태의 분말이 두 부재간의 공간에 채워지며 몸체재료와 관상강재의 양쪽단부가 서로 용접되는 본 발명의 또다른 실시예가 제공된다. 상기한 분말재료는 온도와 압력을 점차 증가시킴에 따라 소결되고 동시에 피스톤링 몸체재료에 단단히 부착되고, 외부 관상강재를 절단하여 제거한 후에, 여러 가지 이중층 부재가 절단되어 사전 설정된 폭을 갖는 링상 구성을 취하게 됨으로써 피스톤링이 생성된다.

본 발명은 본 발명의 방법에 따라 내마모성 피스톤링의 제조를 허용하기 때문에, 고경도의 재료로 만들어지고 2mm 이상의 두께를 갖는 활주면상에 내마모층을 갖는 피스톤링을 제조할 수 있고, 그에 의해 수명연장이 보장된다. 또한, 점차 증가되는 온도 및 압력으로 소결될 수 있는 고경도 등급으로 이루어지는 한, 내마모층을 형성하기 위해 어떠한 적절한 재료도 사용될 수 있기 때문에, 다수형태의 여러재료 중에서 바람직한 재료가 선택가능하고 그러한 재료의 적절한 혼합비가 또한 선택 가능하다.

또한, 피스톤링의 경우보다 깊이나 폭이 2mm이상 좁은 다수의 홈이 본 발명의 제2방법에 따라 제조되는 피스톤링내에 형성되고, 강재로 만들어지는 피스톤링 몸체가 피스톤링의 활주면의 양쪽단부에 존재한다. 따라서, 내마모층을 소결시키는데 사용되는 재료가 점성이 떨어지는 경우에도 활주면상의 모난부분이 V자형으로 패일 가능성은 존재하지 않는다.

그밖에, 피스톤링이 본 발명의 제2방법에 따라 만들어질 경우, 홈이 형성될 필요는 없으며, 따라서 고경도재료가 피스톤링 몸체용으로 사용되고 분말재료가 쉽게 삽입되는 장점이 파생된다.

또한, HIP(열간 정수압 소결)장치가 점증되는 온도와 압력하에서 재료를 소결하는데 활용될 때, 결합부분은 어떠한 형상이라도 비교적 자유롭게 선택될 수 있는 바, 이는 복잡한 구성의 재료를 소결하고 결합하는데 바람직스러우며, HIP장치가 정수압 레벨로 대기가스압을 사실상 상승시키는 역할을 수행하기 때문에, 고경도 분말 재료의 소결단계와 피스톤링 몸체 재료 및 고경도 분말재료를 결합시키는 단계의 적용이 허용된다.

이하 본 발명의 일실시예가 첨부도면에 의거 상세히 설명된다. 제1도에 피스톤링 몸체재료(1)가 도시되어 있는 바, 이는 실린더의 표면내에 한정되는 다수의 홈(5)을 구비한다. 몸체재료는 증가된 점성을 갖추어야 하며, 주철보다는 합금강 및 탄소강으로 만들어지는 것이 바람직하다.

제2도는 제1도의 표면에 형성된 홈이 난 부분(A)의 확대 단면도로, 홈(5)은 피스톤링보다 폭이 작고 2mm 이상의 사디리꼴 형태의 깊이를 갖는다. 홈의 형상은 반드시 사다리꼴 형태를 취할 필요는 없지만 응력집중을 야기할 수도 있는 형상은 피해야만 한다.

제3도는 사전처리단계에서의 HIP장치의 조립상태를 예시한 단면도로, 카바이드 등의 경도가 증가된 분말재료(2)가 피스톤링 몸체재료와 두께가 감소된(3) 공간에 채워진다. 재료의 양쪽 측단부는 진공상태에서 덮개(4)로 덮어지고, 진공상태에서 고경도재료(2)를 혼입하기 위해 전자용접(EBW)이 가해진다. 경도가 증가된 재료의 경도는 400-1,000HV의 범위내에 속하는 것이 바람직하며, 우수한 활주성과 경화가능성이 대한 저항 및 내마모성을 가져야만 하기 때문에, 재료의 선택은 제한된다. 텅스텐 카바이드 (WC) 또는 크롬 카바이드(Cr₃C₂)가 선택 예상되는 재료이지만, 다른 여러 성분으로 혼합된 재료가 본 발명의 방법에서 사용될 수 있다.

제4도는 동작중인 HIP장치를 보인 것으로, 피스톤링 몸체재료(1)가 점증되는 온도 및 압력 하에서 HIP장비로 처리되고 있다. 압력은 약 1,000-1,200kgf/cm²이고, 가열온도는 약 1,000-1,200℃이다. HIP장치가 재료처리를 마친 후에, 두께가 감소된 외부 관상강재(3)가 선반에 의해 제거되며 제5도에 예시한 바와 같이 링상으로 절단된다. 절단은 피스톤링 몸체재료(1)가 용접된 인접 고경도재료간에 차지하는 위치에서 수행된다. 그렇게 처리된 피스톤링은 내부 및 외부직경이 최종적으로 한정되는 마무리공정을 거친 후, 피스톤링은 제6도에 도시한 바와 같은 형태로 최종적으로 처리된다. 제6도에 피스톤링 몸체(la)와 활주면을 형성하기 위한 고경도재료(2a)가 도시되어 있다. 앞서 설명된 바와 같은 공정을 거쳐, 본 발명의 피스톤링이 이와 같이 완성된다.

제7도는 제6도의 Ⅶ-Ⅶ선 단면도로, 피스톤링은 점성이 증가된 피스톤링 몸체(la)와 고경도재료로 형성된 활주면으로 구성된다. 고경도재료(2a)는 단단하여 비교적 부서지기 쉽지만, 활주면 이외의 다른 부분이 피스톤링 몸체와 접촉상태를 유지한다. 재료의 결합강도는 HIP장치에 의해 일정하게 유지되며, 사용 중에 피스톤링의 단부가 제거될 수 있는 가능성은 존재하지 않는다. 제8도는 본 발명의 내마모 피스톤링이 매우 증가된 내구성을 갖고 있음을 보여준다. 제5도 내지 제8도에 있어서 단일 홈이 사용되었지만, 다수의 홈이 형성될 수도 있다.

제9도 내지 제12도는 본 발명의 제2실시예를 보인 것이다. 제9도는 사전처리단계에서의 HIP장치와 여러 부재와의 조립상태를 단면도로 보인 것이다. 피스톤링의 활주면을 형성하기 위해 사용되는 분말재료(12)가 피스톤링 몸체재료(11)와 두께가 감소된 외부 관상강재(13)간의 공간에 채워진다. 양측 측단부는 진공상태에서 덮개(14)로 밀봉 용접되고, 분말재료(내마모재료)(12)는 진공압력하에서 밀봉된다. 분말재료(12)는 카바이드나 코발트 합금과 같은 1,000HV 이상의 경도를 갖는 재료인 것이 바람직하지만, 활주성이 증가된 몰리브덴 분말과 경도가 증가된 분말의 혼합분말이 또한 효과적으로 사용되는바, 그 이유는 내마모성 외에도 활주성과 경화가능성에 대한 저항이 요구되기 때문이다.

제4도는 앞에서 설명한 실시예의 경우와 유사한 방식으로 수행하는 HIP장치가 점차적으로 높은 온도와 압력으로 피스톤링 몸체재료를 처리하는 방식을 보인 것이다. 일반적으로 약 1,000-1,200kgf/cm²의 온도가 사용되며 최대가열온도는 약 1,200℃이다. 그런, 특수한 목적에 따라 더욱 더 높은 온도와 압력이 인가될 수도 있다.

피스톤링 몸체재료가 HIP장치로 처리된 후에, 선반에 의해 외부관상강재(13)가 제거되며 제10도에 도시한 바와 같은 링상으로 절단된다. 또한, 절단후 측면의 다듬기 공정이 끝난 후에 피스톤링은 제11도에 예시한 바와 같이 링상으로 최종 치수를 구비하여 완성된다. 제12도는 제11도의 XII-XII선 단면도로, 피스톤링 몸체(11a)와 활주면을 형성하는 내마모성재료(12a)가 예시되어 있다.

제12도는 피스톤링 몸체(11a)의 전체표면과 결합되는 고경도의 내마모성 재료(12a)를 예시한 것이다. 그러나, 이 실시예에 있어서, 레이팅과 분사가 행해지는 종래의 링과는 달리 재료가 증가된 밀도 내에서 확산될 수 있도록 HIP장치로 인가되는 소결합금의 적정 혼합비를 보장하기 위해서 최상의 주의를 기울여 피스톤링이 제조된다면 실제점성이 제공될 수도 있다. 따라서, 본 발명에서 보인 조건하에서 사용될 경우에도 실제 용융에 만족스럽게 사용될 수 있는 피스톤링이 제조될 수 있게 된다.

Claims (2)

1. 2mm이상의 깊이를 갖는 다수의 홈을 가늘고 긴 원통형 강재로 만들어진 피스톤링 몸체재료의 표면 내에 원주방향으로 형성하고, 상기 피스톤링 몸체재료와 같은 길이를 갖는 얇은 관상강재를 상기 몸체재료의 외주둘레에 배열하며, 단일 또는 다수의 분말을 상기 홈내에 채우고, 상기 몸체재료와 상기 관상강재의 양쪽단부를 용접하며, 상기 분말이 소결됨과 동시에 피스톤링 몸체재료내의 상기 홈 및 외부 관상강재의 내면과 결합되도록 HIP장치로 상기 분말에 점차적으로 높은 온도와 압력을 인가하고, 상기 외부 관상재료를 절삭제거하며, 인접 홈간의 지점에서 피스톤링 몸체재료를 절단하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 피스톤링 제조방법.
2. 가늘고 긴 원통형강재로 만들어진 피스톤링 몸체재료상에 상기 피스톤링 몸체재료보다 직경이 더 큰 관상강재를 배열하고, 상기 두 부재간의 공간에 단일 또는 다수의 분말을 채우며, 상기 피스톤링 몸체재료와 상기 관상강재의 양쪽단부를 용접하고, 상기 분말이 소결됨과 동시에 피스톤링 몸체재료 및 외부 관상강재의 내면과 결합되도록 상기 분말에 점차적으로 높은 온도와 압력을 인가하며, 상기 외부 관상재료를 절삭제거하고, 이렇게 구성된 서로 다른 이중층 부재를 사전 설정된 두께를 갖는 링상으로 절단하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 피스톤링 제조방법.

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