KR101880725B1 - 피스톤 링 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피스톤 링(1')을 제조하기 위한 제조 방법에 관한 것이다. 상기 제조 방법에 따라서, 적어도 반경 방향에서 외부 작동 표면(5)과, 반경 방향에서 내부 둘레 표면(4)과, 이 작동 표면과 둘레 표면 사이에서 연장되는 상부 및 하부 플랭크 표면(2, 3)을 포함하는 금속 본체(1)는 대략 원통형으로 형성되는 작동 표면(5)의 영역에 테이퍼부(5')를 구비하고, 적어도 작동 표면(5)은 하나 이상의 내마모성 층(7)을 구비하며, 그리고 하나 이상의 마모 층(7)의 영역이면서 와이핑 에지부(6)를 형성하는 상기 영역은 실질적으로 원통형으로, 사전 결정될 수 있는 폭(h')을 갖는 웨브(8)를 형성하면서, 적어도 부분적으로 제거된다.

Description

피스톤 링 제조 방법{Method for producing a piston ring}

본 발명은 특허 청구항 제 1 항의 전제부에 따라서 피스톤 링을 제조하기 위한 제조 방법에 관한 것이다.

피스톤 링은 주철, 주조강 또는 강선(steel wire)으로 다양하게 제조된다. 오늘날에는 특히 크롬층을 포함하는 공동화된 링의 형태로 이른바 자체로 첨예화되는 와이핑 에지부(self-sharpened wiping edge)를 포함하는 피스톤 링이 이용되고 있다.

독일 출원 DE 10 2007 007 961 A1은 실질적으로 원주 방향으로 연장되는 작동 표면(running surface)과, 상부 플랭크 표면과, 하부 플랭크 표면뿐 아니라, 내부 둘레 표면을 구비한 본체를 포함하는 피스톤 링을 개시하고 있으며, 이 경우 적어도 하부 플랭크 표면으로 이어지는 작동 표면의 전환 영역에 0.1㎜ 이하의 에지부(≤ 0.1㎜)가 제공되고, 작동 표면에는 적어도 10㎜ 이하의 PVD 표면층(≤ 10㎜)이 제공된다.

독일 특허 DE 103 59 802 B3에는 피스톤 링과 이 피스톤 링의 제조 방법이 기재되어 있다. 피스톤 링은 작동 표면 프로파일을 구비한 작동 표면뿐 아니라, 상부 플랭크 표면 및 하부 플랭크 표면을 포함하고, 적어도 작동 표면에는, 이 작동 표면의 부분 영역에 제거될 수 있는 덮개부(covering)가 제공되는 방식으로, 증착 코팅층(vapor-deposted coating)이 제공되며, 그럼으로써 증착 코팅층을 제조하고 덮개부를 제거한 이후, 첨예한 모서리의 작동 에지부(running edge)가 작동 표면과 플랭크 표면들 중 하나 이상의 플랭크 표면 사이에 제공된다.
프랑스 특허 FR 1.484.253 에서는 피스톤 링을 제조하기 위한 일반적인 제조 방법이 개시되어 있다.
영국 특허 GB 1441961 에서는 피스톤 링 자체의 외부 작동 표면의 영역에 경질 및 연질의 구성 부분을 포함하는 작동 표면층이 구비되는 피스톤 링이 개시된다.

본 발명의 목적은, PVD 층을 구비한 피스톤 링들을 제조하기 위한 대체되는 제조 방법에 있어서, 피스톤 링이 종래 기술에 비해서 향상된 와이핑 작용(wiping action)을 나타내는, 상기 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

상기 목적은, 작동 표면이 PVD 표면층을 구비하고, PVD 표면층이 제공된 경우 상기 PVD 표면층 자체는 웨브를 형성하기 위해 작동 표면의 기본 재료에 이르기까지 제거되는 것을 통해 달성된다.

본 발명에 따르는 제조 방법의 바람직한 개선 실시예들은 해당하는 방법 관련 종속항들에서 제시된다.

그 외에도 본 발명에 따르는 제조 방법에 따라 제조되면서 자체적으로 첨예화되는 와이핑 에지부를 포함하는 압축 피스톤 링이 제안된다.

본 발명에 따르는 제조 방법으로, 다시 말하면 하나 이상의 내마모성 층과 상호 작용하는 작동 표면의 영역에 정의된 테이퍼부를 제조하는 것으로, 파열의 우려가 없으면서 자체적으로 첨예화되는 와이핑 에지부(기능 에지부)가 형성되는 방식으로, 피스톤 링, 특히 압축 피스톤 링의 와이핑 작용의 향상이 달성될 수 있다.

피스톤 링의 각각의 이용 분야에 따라서, 바람직하게는, 작동 표면에 이른바 다중 코팅층 구조(multi-coat layer system)가 구비될 수 있다. 상기 유형의 구조는 예컨대 독일 특허 DE 10 2006 046 915 B3에 기재되어 있다.

링 작동 표면의 테이퍼부는 바람직하게는 작동 표면에 기계적인 방식으로 형성된다.

원통형 가공 이후에 노출되는 웨브 폭은, 본 발명의 추가의 사상에 따라, 0.05와 0.45㎜ 사이이다.

예컨대 30분(minute)과 120분(minute) 사이에서 바람직하게 제조되는 작동 표면 테이퍼부(running surface taper)는 코팅 이전에 제조할 작동 표면에 형성되며, 이때 공정 절차는 링 재료와는 무관하게 진행된다.

주철 피스톤 링의 경우 와이핑 에지부는 첨예한 모서리(90°)로 형성되거나, 또는 각각의 요건에 따라 최대 0.1㎜의 반경으로 라운딩될 수 있다.

강재 링에서는 와이핑 에지부의 영역이 질화(nitirfication)되거나 비질화된 상태로 형성될 수 있다. 비질화된 실시예에서 와이핑 에지부는 첨예한 모서리(90°)로 형성될 수 있다.

질화된 강재 링의 실시예에 따라서는 필요에 따라 하기와 같은 링의 실시예들이 제공될 수 있다.

- 와이핑 에지부는 0.1㎜ 미만의 반경 방향 만입부(radial indentation)를 포함하고, 강 웨브 및 작동 표면은 질화되며, PVD 표면층 아래에는 질화 층이 존재하지 않거나, 또는

- 와이핑 에지부는 0.15㎜ 미만의 사면부를 구비하고, 강 웨브 및 작동 표면은 질화되며, 이런 경우에는 질화 층이 PVD 표면층 아래에 잔존하다.

그에 따라 각각의 재료 및 적용 사례에 따라서, 하나 이상의 내마모성 층, 바람직하게는 PVD 층을 구비한 피스톤 링, 특히 압축 피스톤 링이 제조될 수 있다.

PVD 층을 거의 표면층으로서 간주한다면, 상기 PVD 층은 와이핑 에지부의 영역에서 기본 재료에 이르기까지 대략 원통형으로 제거되며, 그럼으로써 사전 결정될 수 있는 폭을 갖는 웨브가 제조된다.

복수의 마모 층이 제공된다면, PVD 표면층은 작동 표면의 기본 재료에 이르기까지 연삭될 수 있거나, 또는 하나 이상의 내마모성 층(예: 질화물층)이 PVD 표면층 아래에 잔존할 정도로만 연삭될 수 있다.

두 실시예의 공통점은, 모든 경우에, 소정의 폭을 갖는 웨브가, 첨예한 모서리로 형성되거나, 라운딩되거나, 또는 사면부를 구비하는 와이핑 에지부의 영역에 형성된다는 점에 있다.

본 발명의 대상은 일 실시예에 따라 도면에 도시되어 있으며 하기와 같이 설명된다.
도 1은 피스톤 링의 제조 공정을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따르는 방법에 따라 제조된 피스톤 링의 다양한 실시예를 도시한 개략도이다.
도 3은 적어도 부분적으로 질화되고 PVD 표면층을 구비한 피스톤 링을 도시한 개략도이다.

도 1은 3개의 그림을 포함하고 있다. 상부 그림에는 도시된 것처럼 최초 직사각형 형태를 보유하고 있었던 피스톤 링 본체(1)가 확대도로 도시되어 있다. 상기 횡단면 프로파일에는 다음과 같은 피스톤 링 영역, 즉 하부 플랭크 표면(2), 상부 플랭크 표면(3), 내부 둘레 표면(4) 및 작동 표면(5)이 도시되어 있다. 첨예한 모서리의 와이핑 에지부(6)(기능 에지부)의 제조를 위해, 작동 표면(5)에는 작동 표면의 사전 결정될 수 있는 높이(h)에 걸쳐서 작동 표면 테이퍼부(5')(예: 100분(minute))가 기계적인 방식으로 형성된다. 후속하는 그림에서는 본체(1)를 확인할 수 있지만, 여기서는 PVD 표면층(7)이 구비되며, 상기 PVD 표면층은 사전 결정된 작동 표면 프로파일(5')에 상응하게 작동 표면(5) 상에서 제거된다.

도 1의 하부 그림에는, 사전 결정된 폭(h')을 갖는 웨브(8)를 제조하기 위해, PVD 표면층(7)이 작동 표면(5)의 기본 재료에 이르기까지 연삭되는 점이 도시되어 있다. 이런 유형의 가공을 통해서 첨예한 모서리의 와이핑 에지부(6)가 형성되며, 이 와이핑 에지부는 PVD 표면층(7)에 대한 정의된 간격(h')에 의해 파열 우려가 없으며, 작동 상태에서는 자체적으로 첨예화된다.

도 1에는, PVD 층(7)이 단일의 내마모성 층으로서 동시에 표면층을 형성하는 점이 도시되어 있다.

도 2도 마찬가지로 3개의 그림을 도시하고 있으며, 상부 그림에는 도 1의 하부 그림에 따르는 완성된 피스톤 링(1')이 도시되어 있다. 여기서 웨브(8)의 폭은 0.05 내지 0.45㎜로 명시된다.

피스톤 링(1')의 각각의 재료 선택에 따라서, 바람직하게는, 피스톤 링(1')의 와이핑 에지부(6)의 영역에 반경부 또는 챔퍼부(사면부)를 제공할 수 있다. 중간 그림에는 와이핑 에지부(6)의 영역에 최대 0.1㎜의 반경을 갖는 피스톤 링(1')이 도시되어 있다.

도 2의 하부 그림에서는 소정의 각도로 하부 플랭크 표면(2)으로 이어지는 챔퍼부/사면부를 확인할 수 있다. 여기서 웨브 폭은 최대 0.15㎜만큼 감소된다.

강재 피스톤 링의 경우 와이핑 에지부(6)는 질화되거나 비질화된 상태로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 비질화된 실시예의 경우 와이핑 에지부(6)는 첨예한 모서리(90°)로 형성되며, 이는 도 2의 상부 그림에 도시된 것과 같다.

도 3도 마찬가지로 3개의 그림을 포함하고 있으며, 이들 그림은 윤곽의 관점에서 도 2의 그림들에 상응한다. 그러나 도 2와 다른 점은, PVD 표면층(7)이 도포되기 이전에, 웨브(8)와 작동 표면(5)이 질화된다는 점에 있다. 이런 경우에 PVD 층(7)의 연삭 공정은, 질화물층(9)이 웨브 측에 보존되도록 실행된다.

질화된 강재 링의 실시예의 경우에는, 도 3의 추가 그림들에 도시된 와이핑 에지부(6)의 변형 형태들이 제공될 수 있다. 이 경우 PVD 표면층(7)이 도포되기 이전에, 플랭크 표면들(2 및 3) 및 작동 표면(5)뿐 아니라 둘레 표면이 질화된다. 웨브(8)의 영역에서 PVD 표면층(7)을 제거한 이후에, PVD 표면층(7) 아래에는 어떠한 질화물층도 잔존하지 않는다(도 3의 그림 1). 그러나 웨브(8)의 요구되는 질화가 보존되도록, 웨브(8)의 영역에서 PVD 표면층(7)의 제거를 실행하는 점도 생각해볼 수 있다.

1'. 피스톤 링 2.3. 플랭크 표면
5. 작동 표면 7. 내마모성 층

Claims (12)

1. 피스톤 링(1')을 제조하기 위한 제조 방법으로서, 적어도 반경 방향에서의 외부 작동 표면(5)과, 반경 방향에서의 내부 둘레 표면(4)과, 상기 작동 표면과 상기 둘레 표면 사이에서 연장되는 상부 및 하부 플랭크 표면(2, 3)을 포함하는 금속 본체(1)는 원통형으로 형성된 상기 작동 표면(5)의 영역에 구비된 테이퍼부(5')를 포함하고, 적어도 상기 작동 표면(5)은 하나 이상의 내마모성 층(7)을 구비하며,
   와이핑 에지부(6)를 형성하는, 하나 이상의 내마모성 층(7)의 영역을 실질적으로 원통형으로, 미리 결정될 수 있는 폭(h')을 갖는 웨브(8)를 형성하도록, 적어도 부분적으로 제거하고,
   상기 작동 표면(5)은 PVD 표면층(7)을 구비하고, 이 PVD 표면층(7)이 제공된 경우 상기 PVD 표면층 자체를, 웨브(8)의 형성을 위해, 상기 작동 표면(5)의 기본 재료에 이르기까지 제거하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 작동 표면(5)의 적어도 원추형으로 형성된 테이퍼부(5')가 질화되고, 이어서 상기 작동 표면(5)에 PVD 표면층(7)이 제공되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 와이핑 에지부(6)의 영역은 질화된 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 와이핑 에지부(6)는 첨예한 모서리로 형성되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 와이핑 에지부(6)는 최대 0.2㎜의 반경으로 대응하는 플랭크(2)로 이어지는 라운딩부를 구비하여 형성되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 와이핑 에지부(6)는 30°를 상회하는 각도로 대응하는 플랭크(2)로 이어지는 사면부를 구비하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 주철, 주조강 또는 강선으로 이루어진 본체(1)가 이용되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 따르는 제조 방법에 따라 제조된 압축 피스톤 링.
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