KR950014939B1 - 보강재로 보강한 피스톤 및 이의 제조방법 - Google Patents

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에이이 피엘씨
데이비드 깁슨 한톤
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Abstract

내용 없음.

Description

보강재로 보강한 피스톤 및 이의 제조방법
제1도는 피스톤링홈보다 더 많이 보강된 보강 크라운 및 피스톤링홈을 갖는 피스톤의 제1형태를 형성하기 위한 주조물의 개략적 단면도.
제2도는 보강크라운 및 피스톤링홈을 제조하기 위한 보강재의 또다른 형태를 보여주는 제1도와 유사한 단면도.
제3도는 피스톤링홈이 크라운과 다르게 보강된 피스톤의 제2형태를 보여주는 제1도와 유사한 단면도.
제4도는 두개의 부분 보강재에 의해 보강된 피스톤의 제2형태를 보여주는 제3도와 유사한 단면도.
제5도는 산화 알루미늄섬유 및 미립자 규소가 피스톤 상부에 보강된 알루미늄합금의 현미경 사진.
제6도는 크라운 및 피스톤링홈이 각각 다른 보강재를 갖는 피스톤의 제3형태를 보여주는 제1도 및 제2도와 유사한 단면도.
제7도는 피스톤의 스커트에 있는 피스톤핀 구멍이 보강된 피스톤의 제4형태를 보여주는 제1도, 제2도, 및 제3도와 유사한 단면도.
본 발명은 적어도 일부분이 섬유로 구성된 보강재가 들어있는 주형(mold)에 용융된 피스톤 금속을 채운후 가압하에서 응고시키는 스퀴이즈 주조법으로 제조한 내연기관 또는 압축기용 보강피스톤에 사용하는 보강재로 보강한 피스톤 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
오래전부터 알루미늄, 알루미늄합금 또는 마그네슘합금과 같은 경금속으로 그러한 피스톤을 제조해왔다. 이러한 경금속은 피스톤의 질량 및 관성을 경감시킨다는 장점이 있다. 그러나, 이러한 경금속중 많은 것들은 작동시에 접하는 조건들에 쉽게 견디지 못한다. 예컨대, 디이젤기관에 있어서, 피스톤의 크라운이 접하는 온도는 그와같은 경금속 물질을 균열시킬 정도로 충분히 높을 수도 있다. 또한 피스톤의 크라운은 연소가스에 의해 부식될 수도 있다. 부가하여, 피스톤링홈안에 유지되는 철 피스톤링 피스톤링홈을 마모시키기 쉽다. 또한 마모는 피스톤핀 구멍내에서 발생될 수 있으며, 알루미늄 및 알루미늄합금의 강도는 팽창슬롯과 같은 다른 부분내에서 접하는 작동중의 응력을 견디기에 충분하지 못하다.
이러한 이유때문에, 경금속 피스톤의 여러 부분을 보강하여 작동중에 접하는 응력들에 좀더 잘 견딜 수 있도록 한다. 예를들어, 피스톤에 경금속보다 좀더 높은 온도에서 견딜 수 있는 세라믹 크라운을 장치하고, 피스톤링홈에 철 보강재를 장치하는 제안이 있었다.
주형내에 용융된 피스톤 금속을 넣어 고압하에 응고시키고 스퀴이즈 주조법에 의해 피스톤을 제조할 경우, 예컨대 균일질량으로 배치된 산화알루미늄 섬유로 만든 보강재를 사용하여 왔다. 이러한 보강재를 주조하기 전에 주형안에 집어넣고 응고되는 동안 압력을 가하여, 용융된 금속을 섬유에 의해 형성된 틈 속으로 강제 침투시켜서, 응고시에 보강재가 피스톤에 결합하여 일체가되게 한다.
그러나, 피스톤의 다른 부분은 다른 보강재를 필요로 한다는 문제점이 있다. 예를 들어, 피스톤링홈 부분은 마모에 강한 보강재를 필요로 하는 한편, 피스톤의 크라운은 고온 및 가스 부식에 강한 보강재를 필요로 한다.
본 발명의 제1형태에 따라, 보강재 성분을 비균일하게 함으로써 보강재가 피스톤의 다른 각각의 부분에 필요로하는 특성을 갖게 함을 특징으로 하는, 내연기관 또는 압축기용 보강피스톤의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제2형태에 따라, 보강재 성분을 비균일하게 함으로써 보강재가 피스톤의 다른 각각의 부분에 필요로 하는 특성을 갖게 함을 특징으로 하는, 스퀴즈 주조법에 의해 제조하고 적어도 일부분이 섬유로 구성된 보강재를 포함하는 내연기관 또는 압축기용 보강피스톤을 제공한다.
본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 제1도를 참조하면, 다음과 같은 방법으로 제조되는 피스톤(디이젤 기관용 피스톤일 수도 있음)이 도시되어 있다. 먼저 일반적인 원통형 보강재는 섬유로 만든다. 이 섬유는 다음과 같은 것중에서 적당한 성분으로 만들 수 있다.
Figure kpo00001
보강재(10)는 적당한 방법, 에컨대 영국특허출원 제83.01320호에 기술된 기술(技術)에 의해 만들 수 있다. 그러나, 보강재내의 섬유 부피비를 보강재의 중앙부분(11)에서 가장 많게, 그리고 보강재의 외부주변부분(12)에서 가장적게 섬유를 배치시킨다. 예를들어, 보강재의 중앙부분(11)에서의 섬유 부피비는 20-25%인 반면에 외부 주변부분(12)에서는 1-10%이다.
또다른 형태로서(제2도 참조), 보강재(10)는 큰 섬유 부피비를 갖는 내부로 향한 플랜지부분(10a) 및 작은 부피비를 갖는 림(limb) 부분(10b)을 갖는 환상형 일 수도 있다. 보강재(10)는 영국특허출원 제83.08174호에 기술된 장치와 같은 크라운다운 스퀴즈 주조장치의 주형내에 배치된다. 알루미늄 또는 알루미늄합금과 같은 용융된 경금속을 주형에 부어 주형을 닫은 후 실질적인 힘, 예컨대 40톤 정도의 가압하에서 응고시킨다. 이러한 압력을 용융 금속을 보강재(10)내의 섬유 사이에 존재하는 틈 속으로 강제 침투하게 한다. 이정도 크기의 압력때문에 금속은 별로 어려움 없이 외부 주변 부분(12) 및 중앙부분(11)내로 침투된다. 금속을 응고시킨 후 피스톤을 주형에서 분리한 다음 다듬질 기계가공한다.
피스톤의 크라운 주위에 1개 또는 2개 이상의 피스톤링홈(13)을 성형하기 위해서 피스톤 재질을 제거하는 다듬질 기계가공이 실시된다. 또한 피스톤내에 피스톤 연소보울(bowl)(14)을 만들기 위하여 기계가공할 수 있다. 또한 다른 피스톤의 형상(도시되지 않음)이 추가될 수 있고, 이에 따라 일반적인 다듬질 기계가공을 수행한다.
작동시에 피스톤은 주철, 구상흑연주철 및/또는 강철피스톤링(도시되지 않음)이 들어있는 피스톤링홈(13)과 더불어 내연기관 내에서 왕복운동을 한다. 피스톤링홈(13)을 형성하는 피스톤재질에 있어서 섬유의 부피비가 작을수록 피스톤 재질의 강도를 어느정도 향상시키는 한편 섬유의 양이 피스톤링의 지나친 고마모율을 초래하기에는 충분하지 않도록 하는 것을 보장한다. 그러므로, 피스톤링홈이 최소로 마모됨에 따라서 피스톤링의 마모는 최소가 된다. 그러나, 크라운의 중심에서 중앙부분(11)은 고온강도를 최적화하기 위해 최대 섬유보강재를 갖는데, 이 고온강도는 연소실내의 고온에 견디기 위하여 필요하다. 연소보울(14)이 있는 디이젤 기관 피스톤인 경우에 디이젤 기관 피스톤 설계상 극도의 온도화에서 특히 균열, 부식 및 국부적 용융을 일으키기 쉬운 연소보울의 입구(15)를 형성하는 부분은 크게 보강한다.
또다른 실시예인 제2도에서, 플랜지부분(10a)은 연소보울(14)의 입구부(15)를 보강하는 한편 림(limb)부분(10b)은 피스톤링홈(13)을 보강한다.
따라서, 상기에 기술한 바와같이 보강재는 플랜지 및 림부분 다듬질 기계가공한 피스톤의 다른 각각의 부분에 최적특성을 갖게 한다.
제3도를 참조하면, 이 피스턴은 다음과 같이 성형된다.
먼저, 보강재(20)는 제1도를 참조하여 상기에 기술한 종류의 섬유 및 기술을 사용하여 제조된다. 그러나, 이 보강재(20)에서는 섬유가 보강재(20)의 전체에 대체로 균일한 부피비를 갖는다. 이 부피비는 1-25% 사이의 적당한 비율을 가질 수도 있지만, 15-25%의 범위가 바람직하다. 섬유는 가로, 세로 및 상당한 두께를 갖는 뭉치형태 또는 가로, 세로를 갖지만 두께가 거의 없는 얇은 판상의 형태를 이룰 수도 있다.
그러나, 본 실시예에서, 보강재의 외부 주변부분은 피스톤재질과 결합하여 이 부분에 형성된 피스톤링홈내의 피스톤 특성을 향상시키는 미세하게 분산된 재질 또는 재질들을 함유한다. 피스톤링홈의 주된 문제점이 마모이므로 이에 적당한 재질은 규소, 산화 알루미늄, 산화규소, 탄화규소, 이산화지르코늄 및 흑연화같은 피스톤 재질의 내마모성을 증가시키는 것들이다. 부가하여 피스톤재질의 분산경화를 제공하는 피스톤링홈의 재질은 산화알루미늄, 탄화규소, 질화규소, 탄화텅스텐, 탄화티탄늄, 멀라이트(규산 알루미늄), 탄화붕소로 구성되거나 광물분말과 같은 비교적 주변부에 미세하게 분산되는 재질의 양은 필요로 하는 특성을 갖는 피스톤 재질을 제조하기 위하여 통상의 합금조건들을 고려하여 결정된다. 미립자재질의 크기는 0.025-1.0㎛이다.
예를들어, 피스톤재질이 '로-엑스(Lo-Ex)'로 알려진 알루미늄합금인 경우에, 규소는 합금에 이미 존재하는 규소와 함께 과공정합금이 만들어지도록 첨가된다. 이 경우에 있어서, 규소의 함유량는 피스톤링홈을 형성하는 재질중 15-33%의 무게비(1.25-7.25%의 부피비)로 할 수 있다.
만약, 탄화규소가 로-엑스(Lo-Ex) 피스톤 재질에 첨가된다면, 탄화규소입자의 크기는 분산경화가 일어나지 않도록 제어되어야 한다.
미세하게 분산되는 재질은 입자, 분말, 또는 결정립의 형태로 첨가될 수 있다.
흑연이 사용될 경우, 알루미늄합금은 쉽게 흑연을 "습윤(wet)"시키지 못하며 또한 섬유내의 흑연의 분산은 알루미늄합금이 섬유를 습윤시키지 못하게 하는 문제점이 생긴다. 부적당한 습윤은 주조시, 알루미늄합금과 완전히 결합된 형태를 이루지 못하게 된다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여, 섬유에 첨가하기전 흑연입자에 니켈카르보닐을 분해하여 또는 니켈을 비전해용착하여 니켈을 피복할 수 있다. 피복된 흑연은 섬유와 혼합되어 보강재를 형성한다. 적당한 보강재 성분의 다른 예는 표 1에 주어졌다.
[표 1]
보강재 성분(모든 퍼센트는 부피비이다)
Figure kpo00002
((3D)는 섬유가 3차원의 뭉치형태인 것을 표시한다).
((1D)는 섬유가 가로, 세로를 갖지만 두께가 거의 없는 얇은 관상의 형태인 것을 표시한다.)
또한 제4도를 참조하면, 보강재(20)는 두개의 부분 보강재(20a,20b)로 형성된다. 제1부분 보강재(20a)는 가로, 세로를 갖지만, 두께가 거의 없는 와셔의 형상을 이루고 있다. 그것은 제3도를 참조로 상기에서 기술한 보강재(20)의 중앙부분과 동일한 재질로 구성된다. 제2부분 보강재(20b)는 단(短) 실린더의 형태이며, 상기에 기술한 바와 같은 제1부분 보강재(20a)의 것과 동일하거나 또는 다른 섬유로 만든다. 또한 제2부분 보강재(20b)는 상기에 기술한 바와같이 제3도의 보강재(20)의 외부주변부분에 적합한 것과 같은 미립자 재질 또는 미립자 재질들의 조합을 포함한다.
제3도 또는 제4도를 참조로 하여 상기에 기술한 보강재(20)는 일체형이든 두 부분으로 형성되는 제1도를 참조로 하여 상기에 기술한 동일 방법인 스퀴즈 주조법으로 피스톤을 주조한다. 가압하에서 용융된 피스톤재질이 보강재에 침투함에 따라 이 재질은 보강재내의 미세하게 분산된 재질과 접촉하고 결합하여 향상된 성질의 재질부분을 형성하게 된다. 예컨대, 규소의 경우에 있어서, 규소 과공정 합금이 형성되며, 한편으로는 미립자의 탄화규소 분산물이 들어있는 로-엑스의 기지(matrix)가 탄화규소와 함께 형성된다. 주조후에, 피스톤링홈(13)은 다른 다듬질 기계가공이 수행되는 동안 보강부분내에서 기계가공된다.
제5도의 현미경 사진은 부피비로 새필섬유 10% 및 미립자 규소 10%로 보강된 알루미늄합금상부를 보여준다. 보이는 바와같이, 보강재는 균일한 특성을 갖도록 합금전체에 균일하게 분산되어 있다.
그리하여 제3도 내지 제5도를 참조로하여 상기에 기술한 방법에 의하여 일반적인 피스톤의 크라운에 섬유가 보강된 피스톤을 만들고, 특히 미세하세 잘 분산된 미립자 재질의 존재로 인하여 피스톤링홈이 큰 내마모성을 갖게한다.
피복된 흑연이 사용될 경우, 특히, 니켈피복이 알루미늄합금에서 용융되거나 또는 부분용융된다. 따라서 알루미늄합금과 잘 결합되어있고 우수한 내마모성(섬유로 인하여) 및 동시에 적당한 윤활작용(흑연으로 인하여)을 갖는 복합물이 생긴다. 그래서, 두 재질의 장점이 얻어진다.
제5도를 참조하면, 보강재(30)가 제1도를 참조로 하여 상기에 기술한 바와같이 제조되는 섬유의 부피밀도가 증가되는 중앙부분(31) 및 제2도를 참조로하여 기술한 바와같은 미립자재질을 갖는 외부주변부분(32)을 가짐을 알 수 있다. 이 보강재(30)는 제1도 및 제2도를 참조로 하여 기술한 바와같은 동일한 방법으로 피스톤 주조물내에 결합되고, 고밀도의 섬유로 보강한 크라운 및 연소보울(33)을 가지고 여기에 미립자 재질로 보강된 피스톤링홈(13)이 제공된 피스톤을 제조한다.
섬유밀도의 변화 및 또는 미세하게 분산된 재질의 결합은 피스톤의 다른 부분에 적용될 수 있고 미립자재질은 피스톤의 다른 개선된 특성을 주기 위하여 변화될 수 있다. 예를들어, 제7도를 참조하면, 피스톤의 스커트(skirt)를 보강하고 스커트 표면 및 피스톤에 설치한 피스톤 핀 구멍(43)의 내부 표면의 마찰특성을 개선하도록 외부둘레에 미세하게 분산된 재질(42)을 갖는 보강재(40)가 제공된다. 섬유 보강재는 제1-6도를 참조하여 상기 기술한 바와같이 만들고, 미세하게 분산된 재질은 이황화 몰리브덴, 이황화텅스텐 또는 흑연과 같은 적당한 소정의 저마찰재질일 수도 있다. 이것은 피스톤이 작동될 때 스커트 표면과 실린더 또는 라이너 사이의 마찰력을 감소시키며, 또한 피스톤구멍(43)과 피스톤핀 사이의 마찰력을 감소시킨다.
피스톤의 스커트는 보강되지만, 피스톤구멍이 보강되지 않을 수도 있으며, 또한 이와 반대의 경우도 될 수도 있다.

Claims (14)

  1. 내연기관 또는 압축기용 보강피스톤의 제조방법에 있어서, 섬유보강재(10,20,30,40)를 준비하는 단계, 섬유보강재의 일부분에 미세분산 입자재료를 결합시키고 섬유보강재의 다른 부분에는 미세분산 입자재료를 결합시키지 않는 단계, 미세분산 입자재료를 결합시킨 보강재를 주형에 삽입하는 단계, 주형을 용융금속으로 채우는 단계 및 용융금속이 미세분산 입자재료를 결합시킨 부분 및 미세분산 입자재료를 결합시키지 않은 부분에 침투되어 미세분산 입자재료를 결합시킨 부분 및 미세분산 입자재료를 결합시키지 않은 부분이 피스톤의 각 부분에 상이한 특성을 제공하는 피스톤을 형성하도록 가압하에 용융금속을 응고시키는 단계로 구성시킨 것이 특징인 피스톤의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 미세분산 입자재료는 피스톤재료와 합금을 형성하는 재료인 것이 특징인 보강피스톤의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 피스톤재료는 알루미늄합금이고 미세분산 입자재료는 규소 및 규소화합물을 포함하는 그룹으로부터 선택한 것이 특징인 보강피스톤의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 미세분산 입자재료가 피스톤의 특정한 일부분 또는 부분들에 필요로 하는 표면 성질을 형성하는 재료인 것이 특징인 보강피스톤의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 미세분산 입자재료는 피스톤의 특정한 일부분 또는 부분들의 표면에서 마찰계수를 감소시키도록 이황화 몰리브덴, 이황화 텅스텐 또는 흑연을 포함하는 그룹으로부터 선택한 것이 특징인 보강피스톤의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 보강재가 부가적인 비균일성을 갖도록 보강재 내의 섬유 부피비를 변화시켜서 큰 부피비의 섬유를 포함하는 주조피스톤의 일부분 또는 부분들은 제1특성을 갖고 적은 부피비의 섬유를 포함하는 주조피스톤의 일부분 또는 부분들은 제2특성을 갖는 보강피스톤의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 제1특성 및 제2특성이 상이한 섬유를 사용하여서 달성되는 것이 특징인 보강피스톤의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 섬유의 부피비가 1-25%로 변화하는 것이 특징인 보강피스톤의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 제1특성을 갖는 주조피스톤의 일부분 또는 부분들의 섬유 부피비가 20-25%이고, 제2특성을 갖는 주조피스톤의 일부분 또는 부분들의 섬유 부피비가 1-10%인 것이 특징인 보강피스톤의 제조 방법.
  10. 내연기관 또는 압축기용 보강피스톤에 있어서, 스퀴이즈주조한 피스톤 동체, 섬유로 이루어졌고 주조시에 피스톤 동체에 결합하되 미세분산 입자재료를 결합시킨 제1부분과 미세분산 입자재료를 결합시키지 않은 제2부분을 갖는 보강재, 보강재의 제1부분으로 보강하여 필요한 제1특성을 갖는 피스톤의 제1부분 및 보강재의 제2부분으로 보강하여 피스톤의 제1부분의 특성과 다른 필요한 제2특성을 갖는 피스톤의 제2부분으로 구성시킨 것이 특징인 보강피스톤.
  11. 제10항에 있어서, 보강재가 부가적인 비균일성을 갖도록 섬유 부피비를 변화시켜서 큰 부피비의 섬유를 포함하는 피스톤의 일부분 또는 부분들은 제1특성을 갖고 작은 부피비의 섬유를 포함하는 피스톤의 일부분 또는 부분들은 제2특성을 갖는 보강피스톤.
  12. 제11항에 있어서, 피스톤이 크라운과 피스톤링홈을 포함하며 보강재가 크라운과 피스톤링홈을 보강하되, 피스톤링홈의 부분보다 크라운부분이 더 큰 섬유 부피비를 갖는 것이 특징인 보강피스톤.
  13. 제10항에 있어서, 피스톤이 크라운부분과 피스톤링홈을 포함하며 보강재가 양 부분을 보강하되, 보강재가 이들 부분중 적어도 한 부분의 특성을 향상시키기 위하여 미세분산 입자재료를 포함한 것이 특징인 보강피스톤.
  14. 제13항에 있어서, 피스톤이 피스톤링밴드 및 스커트를 가지되, 보강재가 이들 부분에 확장되고 보강되지 않은 피스톤금속보다 낮은 마찰계수를 갖는 표면을 형성하는 입자재료를 포함한 것이 특징인 보강피스톤.
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