KR20060007410A - 대형 엔진용 피스톤 및 그러한 피스톤에 내마모층을형성하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철 재료로 만들어지고, 각각 하나의 피스톤 링(3)을 수용하기 위한 외주의 피스톤 링 홈(4)이 외주에 제공되어 있는 피스톤 크라운(1)을 포함하는 대형 엔진용 피스톤을 개시한다. 연소실에 가장 근접하게 위치한 적어도 최상부 피스톤 링 홈(4)에는 연소실에 대향하여 위치한 측면 영역에 내마모층(5)이 제공된다. 내마모층(5)의 높은 하중 지지 능력 및 내구성은 크롬보다 높은 경도를 가진 작은 지지 입자(6)가 매립되어 있는 금속 매트릭스(7)를 상기 내마모층(5)에 제공함으로써 얻어진다. 본 발명의 내마모층(5)은 분무, 용합, 또는 납땜에 의해 설치될 수 있다.

2행정 사이클 디젤 엔진, 피스톤 크라운, 피스톤 링 홈, 하중 지지 입자, 금속 매트릭스, 압분체, 차폐 가스, 분무 장치

Description

대형 엔진용 피스톤 및 그러한 피스톤에 내마모층을 형성하는 방법{PISTON FOR A LARGE-SIZE ENGINE, AND METHOD FOR THE PRODUCTION OF A WEAR-RESISTANT LAYER IN SUCH A PISTON}

본 발명은, 제1 면에 있어서, 철 재료로 만들어지고, 원주 상에 피스톤 링 홈(groove)을 구비한 피스톤 크라운(piston crown)을 가진 대형 엔진, 특히 대형 2행정 사이클 디젤 엔진용 피스톤으로서, 상기 피스톤 링 홈은 각각 피스톤 링을 수용하도록 설계되어 있고, 연소실에 인접하여 홈의 최상부가 연소실로부터 이격되는 위치의 그 측면(lateral surface) 상에 내마모층을 구비하고 있는 피스톤에 관한 것이다.

본 발명은, 또 다른 면에 있어서, 상기 피스톤 상에 내마모층을 제조하는 방법으로서, 상기 내마모층은 연소실로부터 이격하여 위치하는 피스톤 링 홈의 측면 영역의 피스톤 크라운의 철 재료에 적용되는 내마모층의 제조 방법에 관한 것이다.

이러한 종류의 공지된 장치에 있어서, 내마모층은 일반적으로 일렉트로갈바닉 프로세스(electrogalvanic process)에 의해 적용되는 경질 크롬 도금으로서 설계되어 있다. 그러나, 이제까지 사용되어 온 이러한 내마모층은, 고압 형태의 고부하 및 고온 및/또는 투입 공기 중의 고농도 마모성 입자 등의 조건 하에서는 내 구성이 부족한 것으로 입증되었다. 그 결과 사용 수명이 짧아진다.

이러한 전제 하에서, 본 발명의 목적은 단순하고 저렴한 수단을 이용하여 비교적 긴 사용 수명을 가진 내마모층을 얻을 수 있도록 전술한 종류의 피스톤을 개선하는 것과, 본 발명에 따른 내마모층을 적용하는 간단한 방법을 제공하는 것이다.

일반적 의미의 피스톤과 관련하여 전술한 본 발명의 목적의 제1 부분은, 내마모층이 하중 지지 입자(load bearing particle)가 매립되어 있는 금속 매트릭스를 내마모층이 함유하고, 적어도 상기 하중 지지 입자가 크롬보다 더 큰 경도를 가짐으로써 달성된다.

내마모층의 경도 및 그와 함께 내구성은 우선적으로 하중 지지 입자의 성질에 의해 영향을 받는다. 이들 입자가 크롬 또는 산화크롬보다 큰 경도를 가지기 때문에, 본 발명에 따른 방법도 공지된 보호성 크롬층에 비해 증가된 내구성을 제공한다. 경도가 높은 하중 지지 입자가 상대적으로 연질인 매트릭스에 매립되어 있다는 사실로 인해, 내마모층은 충분한 정도의 연성(ductility)을 가진다. 경도가 높은 하중 지지 입자가 매트릭스에 매립되어 있으므로, 상기 하중 지지 입자의 형성을 위해, 고체 형태로는 원위치에서 원하는 두께로 제조될 수 없는 재료를 유리하게 사용할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명에 따른 방법에 의해, 임의의 원하는 두께 및 원하는 고도의 하중 지지력을 가진 내마모층을 제조할 수 있으며, 이에 따라 유리한 방식으로 내마모층의 사용 수명을 연장시킨다.

본 발명의 일반적 방법의 유리한 구현예 및 바람직한 추가적인 개발 사항이 부속 청구항에 정의되어 있다. 따라서, 하중 지지 입자는 바람직하게는 둥근 형상으로 되어 있을 수 있다. 이것은 마모성 입자(grain) 방식으로 작용하게 함으로써 해당 피스톤 링의 원치않는 마모를 확실히 피할 수 있게 한다. 동시에, 매트릭스 내에 있는 하중 지지 입자의 신뢰성 있는 지지 및 고정(anchorage)을 보장한다.

또 다른 바람직한 방법은, 직경이 20∼60㎛인 하중 지지 입자를 제공하는 것이다. 이에 따라 하중 지지 입자의 비교적 높은 함량 및 고른 분포가 가능해진다. 바람직하기로는, 내마모층에 있는 하중 지지 입자의 양은 50 체적%에 달할 수 있다.

본 발명의 일반적 방법의 또 다른 구현예는, 상기 매트릭스가 구성 원소로서 Ni, Cr, B 및 Si를 함유하는 합금으로 만들어지는 것이다. 그러한 합금은 유리한 방식으로 매트릭스의 비교적 높은 경도를 가져온다. 또한, 상기 재료는 또한 양호한 유동 특성을 가지며, 그것은 스프레이 공정에 의한 간단한 도포를 가능하게 하여 내마모층의 균일한 두께를 용이하게 얻을 수 있게 하는 요소이다.

하중 지지 입자는 세라믹 재료, 바람직하게는 탄화텅스텐으로 이루어질 수 있다. 이 방법은 특히 비용 효율적인 방식으로 매우 높은 경도의 하중 지지 입자를 제공한다.

내마모층은 0.3∼0.5mm의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 두께로 인해 피스톤 링 홈에서의 간극이 내마모층의 마모에 의해 시간이 경과됨에 따라 지나치게 커지지 않게 된다.

본 발명의 일반적 방법의 또 다른 바람직한 구현예는, 내마모층의 밀도가 방사상 내측으로부터 방사상 외측 방향으로 증가하도록 구성하는 것이다. 부하는 피스톤 링 홈의 방사상 외측 범위(outer range)에서 가장 높고, 이것은 이 범위가 가장 높은 하중 지지력을 가져야 함을 의미하며, 그 조건은 방사상 외측 방향으로 밀도를 증가시킴으로써 충족됨을 의미한다. 따라서 상기 방법은 피스톤 링 홈의 방사상 폭에 걸친 밀도 분포가 부하에 대체로 상응하도록 함으로써, 폭 전체에 걸쳐 비교적 균일한 마모를 예상할 수 있게 된다. 이것은 홈에서의 피스톤 링의 바람직하지 않은 경사짐(canting)을 방지하는 데 기여할 것이다.

또 다른 바람직한 방법은, 적어도 내마모층에 인접한 부위에서 피스톤 크라운의 철 재료를 경화(hardening)시키는 것이다. 이것은 내마모층이 베이스 재료 내부로 가라앉는 것을 막으며, 동시에 내마모층과 그 밑에 있는 베이스 재료 사이의 과도한 경도의 차이를 없애주는데, 이 역시 마찬가지로 내구성에 대한 바람직한 효과를 갖는다.

일반적 방법에 관하여 서두에 언급한 본 발명의 목적 중 두 번째 부분은, 매트릭스를 형성하는 금속 합금의 집합체 및 상기 금속 합금과 결합되고, 크롬보다 큰 경도, 바람직하게는 EPH 1600보다 큰 경도를 가진 복수의 하중 지지 입자로 이루어진 내마모층을 형성하는 재료를 앞서 제조된 피스톤 링 홈의 측면 상에 분무하는 방법으로서, 상기 매트릭스를 형성하는 금속 합금은 용융 상태로 존재하며, 후속 단계로 또는 동시에, 상기 분무하는 재료를 적절히 열처리하는 것을 특징으로 하는 방법에 의해 달성된다.

내마모층을 형성하는 재료를 피스톤 링 홈의 해당 측면 상에 직접 분무하기 때문에, 베이스 재료와 양호한 접촉을 얻을 수 있다. 이어지는 열처리는, 분무 각도로 초래될 수 있는 일체의 두께의 편차를 신뢰성 있게 보상하게 된다. 동시에, 열처리는 베이스 재료에 대해 원하는 경도를 얻을 수 있게 한다.

방사상 내측 범위에서보다 방사상 외측 범위에서 더 급경사를 이룬 분무 각도를 이용하여, 피스톤 링 홈의 폭에 걸쳐 분무 각도를 변경하는 것이 편리할 수 있다. 이에 따라 유리한 방식으로 방사상 외측 범위에서, 원하는 바와 같이 더 큰 밀도를 얻을 수 있게 된다.

일반적 방법과 관련하여 전술한 목적은 또한, 매트릭스를 형성하는 금속 합금의 집합체 및 상기 금속 합금과 결합되고, 크롬보다 큰 경도, 바람직하게는 EPH 1600보다 큰 경도를 가진 복수의 하중 지지 입자로 이루어진 내마모층을 형성하는 재료를 바인더 재료의 형태로, 상기 제조된 피스톤 링 홈의 측면 상에 분무하며, 이어서 열처리를 행하는데, 이 열처리를 행하는 동안 매트릭스를 형성하는 금속 합금은 용융되고 상기 바인더 재료는 연소되는 것을 특징으로 하는 방법에 의해 달성된다. 이 방법은, 특히 피스톤 링 홈이 비교적 깊고 좁은 경우에 일어날 수 있는 분무 공정에서의 어려움을 해소한다.

상기 바인더와 함께, 내마모층을 형성하는 상기 재료로부터 고리형 내마모층의 세그먼트 형태를 가진 압분체(green compact)를 제조하여 베이스 재료 상에 올려놓은 다음 열처리하는 방식으로 진행하는 것이 편리할 것이다. 상기 압분체를 제조함으로써 취급이 용이해진다.

또한, 어느 경우에나 유리한 방법은, 차폐 가스(shielding gas)를 공급하여 열처리를 수행하는 것이다. 이것은 특히 베이스 재료와의 접합 구역에서의 산화를 방지하며, 그에 따라 베이스 재료에 대한 내마모층의 양호한 접착을 보장한다.

주요 청구 범위의 추가적 유리한 구현예 및 적합한 개발은 나머지 부속 청구항 및 첨부하는 도면과 결부하여 이하에 제시되는 실시예에 대한 설명으로부터 명백할 것이다.

도 1은 대형 2행정 사이클 디젤 엔진의 피스톤의 부분 단면도이다.

도 2는 도 1에 따른 장치의 내마모층의 일부를 확대한 도면이다.

도 3은 내마모층이 부분적으로 분무되어 있는 도 1에 따른 장치의 피스톤 링 홈을 확대한 도면이다.

도 4는 내마모층의 열처리를 행하는 공정중의 도 1에 따른 장치의 피스톤 링 홈을 확대한 도면이다.

도 5는 피스톤 링 홈에 설치된 세그먼트 형상의 내마모 압분체의 평면도이다.

본 발명이 적용되는 주요 분야는 대형 2행정 사이클 디젤 엔진 및 그와 유사한 대형 엔진 분야이다. 그러한 엔진의 주요 설계 및 작동 방법은 해당 기술분야에 공지되어 있다.

도 1은 대형 2행정 사이클 디젤 엔진의 피스톤(2)의 상부, 즉 피스톤 크라운 (1)으로 지칭되는 부분을 나타낸다. 본 발명에서 설명하는 대형 엔진에서, 피스톤 크라운(1)은 회색 선철(grey cast iron) 또는 주강(cast steel)과 같은 철 재료로 만들어진다. 상기 피스톤(2) 각각의 피스톤 크라운(1)에는 서로 밑에 설치된 여러 개의 피스톤 링(3)을 포함하는 피스톤 링 패키지가 제공되는데, 피스톤 링 패키지는 피스톤 크라운(1)의 외부면과 피스톤(2)을 수용하는 실린더 라이너의 표면 사이의 갭을 밀봉한다. 피스톤 링(3) 각각은 피스톤 크라운(1)의 해당 피스톤 링 홈(4) 내에 수용된다.

적어도 최상측 피스톤 링 홈(4), 즉 피스톤(2)에 의해 제한된 연소실에 인접한 피스톤 링 홈(4)은 그 하부 표면 영역, 즉 연소실로부터 이격한 측면에 해당 피스톤 링(3)이 놓이는 내마모층(5)이 제공되어 있다. 상기 내마모층(5)과 함께 여러 개의 인접한 상측 피스톤 링 홈(4)을 제공하는 것이 적합할 것이다. 도시한 실시예에서, 모든 피스톤 링 홈(4)에는 그러한 내마모층(5)이 제공되어 있다.

도 2에 도시한 확대도에서 잘 알 수 있는 바와 같이, 내마모층(5)은 고도의 경도(hardness)를 가지고, 피스톤 크라운(1)을 형성하는 철 기본재에 접합되는 금속 매트릭스(7)에 매립된 하중 지지 입자(6)를 함유한다. 하중 지지 입자(6)의 경도는 크롬 또는 크롬의 표면 상에 형성되는 산화크롬의 경도보다 크다. 이러한 목적에서, DPH 1600보다 큰 경도를 갖는 하중 지지 입자(6)가 사용된다. 상기 매트릭스(7)를 형성하는 재료는 하중 지지 입자(6)보다 낮은 경도를 가지며, 이로써 내마모층(5)의 충분한 연성이 보장된다. 매트릭스(7)를 형성하기 위한 적합한 재료는 Ni, Cr, Si, Fe, B 및 C를 함유하는 합금이다. 그러한 합금은 74%의 Ni, 15%의 Cr, 4%의 Si, 3.5%의 Fe, 3%의 B 및 0.5%의 C를 함유하는 것이 적합하다.

하중 지지 입자(6)는 저렴한 비용으로 제공될 수 있는 세라믹 재료로 이루어지는 것이 적합하다. 탄화텅스텐으로 만들어진 하중 지지 입자(6)를 사용한 실험에서 양호한 결과가 얻어졌다.

도 2에 도시한 바와 같은 하중 지지 입자(6)는 구형을 이룬 형상으로 둥글게 처리되어 있는 것이 적합하다. 하중 지지 입자(6)의 직경은 20∼60㎛이다. 하중 지지 입자(6)는 매트릭스(7) 전체에 걸쳐 고르게 분포되어 있는 것이 적합하다. 내마모층(5)에서의 하중 지지 입자(6)의 비율은 80 체적% 이하일 수 있다. 50 체적%의 양을 사용한 실험에서 양호한 결과가 얻어졌다.

내마모층(5)의 두께는 피스톤 링(3)과 피스톤 링 홈(4) 사이의 허용가능한 간격이 내마모층(5)이 마모되었을 때에도 지나치지 않도록 계산된다. 따라서, 내마모층(5)은 최대 1mm의 두께, 바람직하게는 0.3∼0.5mm의 두께를 갖는 것이 적합하다. 특별히 큰 장치의 경우에, 전술한 내마모층(5)의 두께는 상한선에 근접한 것이 적합하고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.

내마모층(5)은 그 폭 전체에 걸쳐 고른 밀도를 가질 수 있다. 그러나, 폭을 가로지르는 밀도의 추이는 폭을 가로지르는 부하의 추이에 대체로 상응한 것이 적합하다. 따라서, 밀도는 방사상 내측으로부터 방사상 외측 방향으로 증가되며, 피스톤 링 홈(4)의 외측 림(rim) 부위에서 가장 높다. 이와 같이 마모는 필수적으로 피스톤 링 홈의 폭을 가로질러 균일하며, 그 결과 해당 피스톤 링(3)은 흔들거리고 경사지는 것으로부터 방지된다.

도 1로부터 추가로 알 수 있는 바와 같이, 내마모층(5)은 피스톤 크라운(1)의 베이스 재료에 일체를 이룬 단(step)(8)에 의해 형성된 포켓의 충전체로서 설계되어 있으며, 상기 포켓은 상부가 개방되어 있고 내측 웹(web)(9)으로부터 해당 피스톤 링 홈(4)의 외측 테두리를 향해 방사상으로 연장된다. 단(8)에 대면한 웹(9)의 플랭크는 경사져 있으므로, 단(8)과 상기 단(8)을 채우는 내마모층(5)은 방사상 내측 방향으로 뾰족한 선단을 형성한다. 웹(9)과 피스톤 링 홈(4)의 방사상 내측 한계 사이에는 노치 응력 및 열 파괴(heat fracture)를 방지하는 역할을 할 수 있는 외주의 홈(10)이 제공되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 내마모층(5)은 플라즈마 분무 또는 고속도 산소연료(high-velocity oxyfuel; HVOF) 분무와 같은 분무법을 이용하여 베이스 재료 상에 분무시킬 수 있다. 이러한 목적에서, 도면 상에 분무 헤드(11)로 나타낸 분무 장치가 사용되며, 이것은 분무 제트(12)로 도시된 바와 같이, 단(8)에 의해 형성된 포켓 속으로 내마모층(5)을 형성하는 재료를 분무하는 역할을 한다. 분무 각도는 도 3에 선회 화살표(13)로 도시한 바와 같이, 내마모층(5)의 내측 테두리 부분에서보다 피스톤 링 홈(4)의 외측 테두리 부분에서 더 경사가 급하도록 변동될 수 있다. 이러한 방식으로, 내마모층(5)의 외측 테두리 부분에서 내측 테두리 부분보다 더 높은 내마모층(5)의 밀도가 얻어진다.

분무 공정중에, 매트릭스(7)를 형성하는 재료는 액체 중에, 즉 용융 형태로 존재하며, 고화될 때 베이스 재료와의 접합체에 유입된다. 하중 지지 입자(6)는 액체 매트릭스 재료에 분산되며, 따라서 액체 매트릭스 재료와 함께 분무된다. 매 트릭스 재료가 고화되면, 하중 지지 입자는 매트릭스 내에 고정된다.

분무 공정에 이어서, 도 4에 도시한 열처리 공정이 진행된다. 이를 위해서, 피스톤 링 홈(4) 내에 삽입되어 새로 분무된 내마모층(5)을 가열하는 가열 장치(14)가 제공된다. 가열 장치(14)는, 피스톤 링 홈(4) 내에 삽입되어 유도 방식으로 가열할 수 있는 비교적 짧은 히터 세그먼트를 하나 이상 포함한다. 다시 말하면, 전류가 인가될 수 있는 하나 이상의 코일이 제공된다. 열처리가 이루어지는 동안, 외주 전체가 열처리되도록 피스톤 링 홈(4)을 포함하는 피스톤 크라운을, 회전시킨다. 일반적으로, 1회의 360도 회전이면 충분하다. 이 공정은 내마모층(5)과 맞추어진 각각의 피스톤 링 홈(4)에 대해 반복해서 실행되는 것이 적합하다. 마찬가지로, 내마모층을 가진 여러 개 또는 모든 피스톤 링 홈(4)에 대해 동시에 열처리를 행하는 것을 생각할 수 있다. 또한, 회전각을 줄일 수 있도록 외주에 걸쳐 여러 개의 히터 세그먼트가 분포되도록 처리할 수도 있다. 유도 방식으로 가열할 수 있는 가열 장치 대신에, 하나 이상의 버너 또는 레이저 가열 장치를 포함하는 가열 장치를 제공하는 것도 마찬가지로 생각할 수 있음은 물론이다.

가열 장치(14)에 의해 얻을 수 있는 온도는 매트릭스(7)를 형성하는 재료의 융점보다 높다. 설명한 실시예에서, 그러한 온도는 1000℃∼1200℃ 범위이다. 그러한 열처리는 분무 공정중에 피할 수 없는 두께상의 약간의 차이를 보상한다. 동시에, 도 4에서 점선으로 표시된 바와 같이, 내마모층(5)에 바로 인접한 베이스 재료의 부분(15)은 경화된다. 피스톤 링 홈(4)의 하부 측면 플랭크에서의 부분(15)이 경화될 뿐 아니라, 마찬가지로 도 4에서 점선(16)으로 표시된 부분도 경화되도 록, 가열 장치(14)를 설계하고 열처리를 행하는 것이 적합할 것이다.

도시한 실시예에서, 열처리는 분무 공정 후에 수행된다. 그러나, 분무 공정 자체를 실행하는 동안에 열처리를 수행할 수도 있다. 어느 경우에나, 분무 공정 및 열처리는 차폐 가스 분위기에서 수행함으로써 산화반응이 방지된다. 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 예컨대 아르곤과 같은 차폐 가스는, 각각 분무 헤드(11) 또는 가열 장치(14)와 결부되어 있고, 구체적으로 도시되어 있지 않은 차폐 가스 소스와 연결된 노즐(17 또는 18)에 의해 공급된다.

내마모층이 분무될 때, 웹(9)과 홈(10), 그리고 피스톤 링 홈(4)의 방사상 내벽에 대한 불필요한 코팅을 방지하기 위해, 도 3에 도시한 바와 같이 적합한 커버링(covering)(21)을 제공할 수 있다. 그러한 커버링은 피스톤 링 홈(4)에 삽입되고 여러 개의 세그먼트를 포함하는 링으로 이루어질 수 있다. 커버링은 그 외주를 따라 내마모층(5)과의 접합이 방지되도록 처리되거나, 또는 예를 들면 황동과 같은 재료로 이루어진다. 커버링은 분무 공정을 매우 용이하게 한다.

내마모층(5)을 적용하는 방법으로서 또 다른 가능한 방법은, 내마모층(5)을 형성하는 재료, 즉 하중 지지 입자(6)를 함유하는 매트릭스 재료를, 바인더에 의해 접합된 형태 또는 예비소결된 형태로, 제조된 해당 피스톤 링 홈(4)의 측면 플랭크 상에 설치하고, 이어서 열처리를 수행함으로써, 열처리가 진행되는 동안 합금이 용융되고 바인더는 연소되는 방법이다. 그러한 방법은 분무 공정중에, 특히 비교적 작은 분무 각도의 이용이 요구되는 매우 깊고 좁은 피스톤 링 홈인 경우에 예상할 수 있는 어려움을 방지한다.

바인더는, 내마모층(5)을 형성하는 재료와 함께, 해당 피스톤 링 홈의 측면 플랭크 상에 전개시킬 수 있는 페이스트를 형성하도록 설계된다. 그러나, 해당 피스톤 링 홈(4)에 설치되는 고체의 판형 또는 스트립형(strip-like) 압분체의 형태로 중간 제품을 개발하는 것을 마찬가지로 생각할 수 있다. 상기 어느 경우에든, 처리 공정중에 매트릭스 재료가 용융되고 바인더가 연소되는 열처리가 수행된다. 바인더는, 예컨대 희석된 폴리비닐알코올(PVA), 실리콘 또는 라텍스로 이루어질 수 있다.

전술한 압분체는 도 5로부터 명확한 바와 같이, 환형 내마모층(5)의 세그먼트(19)의 형태로 제조되는 것이 적합할 수 있다. 따라서, 여러 개의 인접한 세그먼트(19)가 링을 형성하여 피스톤 링 홈(4)에 삽입되고, 웹(9)은 압분체(19)의 의지가 되는 내측 접합면이 된다. 이에 따라, 웹(9)의 방사상 내측에 위치한 홈(10)은 유리한 방식으로, 열처리가 단(8)에 의해 형성되는 포켓 부위에 한정될 수 있도록 한다. 따라서, 홈(10)은 사실상 열 파괴에 대한 예방책으로서 역할을 하는 미처리 영역을 제공한다.

열처리는 앞에서 설명한 바와 같은 전기 가열 장치, 또는 버너나 레이저 장치를 구비한 가열 장치에 의해 수행될 수 있고, 어느 경우에나 차폐 가스 분위기에서 수행되는 것이 적합하다. 얻을 수 있는 온도는, 어느 경우에든, 매트릭스 재료의 융점보다 높은 온도, 즉 1000℃∼1200℃보다 높아야 한다. 매트릭스 재료의 양호하고 균일한 분포를 보장하기 위해서는, 상기 재료는 양호한 유동 특성을 가져야 하며, 그것은 Ni, Cr, B 및 Si 등의 원소를 함유하는 합금인 경우이다. 각 원소의 양은 앞에서 설명한 예에 제시된 것과 상응할 수 있다. 유동 특성을 개선하기 위해서, 경우에 따라서는 이른바 플럭스(flux)를 첨가하는 것이 적합할 수 있다.

내마모층(5)이 분무되거나 용융되어 놓여질 때 액체 물질이 각각의 피스톤 링 홈(4)의 방사상 외측 림 위로 방울져 떨어지는 것을 방지하기 위해서, 도 3 내지 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 방사상 외주 상에 단(8)에 의해 형성된 포켓을, 적용 공정을 지속시키도록 부착되고 나중에, 즉 내마모층(5)이 응고된 후에 제거될 수 있는 외주 커버 수단(20)에 의해 한정시킬 수 있다. 그러한 커버 수단은 여러 개의 세그먼트를 포함하는 링일 수 있는데, 상기 세그먼트의 내측은 내마모층(5)과 접합되는 것을 방지하도록 처리되거나 또는 그러한 물질로 이루어진다.

또 다른 구현예로서, 용융 매트릭스 재료 및 거기에 매립되어 있는 하중 지지 입자에 의해 사전에 형성된 납땜 처리 세그먼트(soldered-in segment)로 내마모층(5)을 형성하는 것도 마찬가지로 생각할 수 있다.

Claims (31)

1. 대형 디젤 엔진, 특히 대형 2행정 사이클 디젤 엔진용 피스톤에 있어서,

   철 재료로 만들어진 피스톤 크라운(1)을 포함하며, 상기 피스톤 크라운은 그 외주에, 각각 피스톤 링(3)을 수용하도록 설계되어 있는 피스톤 링 홈(4)을 가지고 있으며, 연소실에 인접하여 위치되는 상기 홈(4)의 적어도 최상부에는, 상기 연소실로부터 이격되는 그 측면 상에 내마모층(wear-resistant layer)(5)이 제공되어 있고,

   상기 내마모층(5)은 하중 지지 입자(load bearing particles)(6)가 매립되어 있는 금속 매트릭스(7)를 함유하고, 적어도 상기 하중 지지 입자(6)는 크롬보다 더 높은 경도를 가지는 것을 특징으로 하는

   피스톤.
2. 제1항에 있어서,

   상기 하중 지지 입자(6)가 DPH 1600보다 큰 경도를 가진 것을 특징으로 하는 피스톤.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 하중 지지 입자(6)가 둥근 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 하중 지지 입자(6)가 20∼60㎛ 범위의 직경을 가진 것을 특징으로 하는 피스톤.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 하중 지지 입자(6)가 상기 매트릭스(7) 내에 고르게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 내마모층(5) 내 상기 하중 지지 입자(6)의 비율이 80 체적% 이하인 것을 특징으로 하는 피스톤.
7. 제6에 있어서,

   상기 내마모층(5) 내 상기 하중 지지 입자(6)의 비율이 50 체적%인 것을 특징으로 하는 피스톤.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 매트릭스(7)가 구성 원소로서 Ni, Cr, B 및 Si를 함유하는 합금으로 만들어진 것을 특징으로 하는 피스톤.
9. 제8항에 있어서,

   상기 매트릭스(7)를 형성하는 상기 합금이, 74%의 Ni, 15%의 Cr, 4%의 Si, 3.5%의 Fe, 3%의 B 및 0.5%의 C를 함유하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 하중 지지 입자(6)가 세라믹 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 피스톤.
11. 제10항에 있어서,

    상기 하중 지지 입자(6)가 탄화텅스텐으로 이루어진 것을 특징으로 하는 피스톤.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 내마모층(5)의 두께가 1mm 이하인 것을 특징으로 하는 피스톤.
13. 제12항에 있어서,

    상기 내마모층(5)의 두께가 0.3∼0.5mm 범위인 것을 특징으로 하는 피스톤.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 내마모층(5)의 밀도가 방사상 내측으로부터 방사상 외측 방향으로 증가되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 내마모층(5)을 수용하는 상기 베이스 재료가, 적어도 상기 내마모층(5)에 바로 인접한 부위에서 경화되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 베이스 재료가, 상기 피스톤 링 홈(4)의 양측면과 접하는 부분(flank) 내에서 경화되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
17. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 내마모층(5)이, 상기 피스톤 크라운(1)의 베이스 재료에 일체화되어 있는 단(step)(8)의 충전체(filling)로서 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
18. 제17항에 있어서,

    상기 단(8)이 방사상 내측 측면에 있는 외주 웹(web)(9)에 의해 한정되고, 상기 웹은 외주 홈(10)에 의해 상기 피스톤 링 홈(4)의 방사상 내측 표면으로부터 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,

    피스톤 링 패키지의 복수 개의 상부 피스톤 링 홈(4)에 내마모층(5)이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
20. 제19항에 있어서,

    모든 피스톤 링 홈(4)에 내마모층(5)이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 피스톤 상에 내마모층을 형성하는 방법으로서,

    상기 내마모층(5)은, 연소실로부터 이격되어 있는 위치의 해당 피스톤 링 홈(4)의 측면 영역에서 상기 피스톤 크라운(1)의 철 재료에 적용되고,

    매트릭스(7)를 형성하는 합금이 용융 상태로 존재하는 상태에서, 사전에 준비된 상기 피스톤 링 홈(4)의 측면 상에, 상기 매트릭스(7)를 형성하는 합금으로 이루어지고, 상기 매트릭스에는 크롬보다 더 높은 경도를 가진 복수의 하중 지지 입자(6)가 혼합되어 있는, 상기 내마모층(5) 형성 재료를 분무하는 단계, 및

    상기 분무 단계에 이어서 또는 동시에, 상기 분무된 재료를 열처리하는 단계

    를 포함하는 것을 특징으로 하는

    내마모층의 형성 방법.
22. 제21항에 있어서,

    상기 내마모층(5)의 폭에 걸쳐 분무 각도는, 방사상 내측 범위에서보다 방사상 외측 범위에서 더 경사가 가파르도록 변동되는 것을 특징으로 하는 내마모층의 형성 방법.
23. 제21항 또는 제22항에 있어서,

    상기 분무 공정중에, 상기 내마모층(5)의 방사상 내측 림(rim)에 인접한 상기 피스톤 링 홈(4)의 영역이 커버링(covering)(21)에 의해 덮이는 것을 특징으로 하는 내마모층의 형성 방법.
24. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 피스톤 상에 내마모층을 형성하는 방법으로서,

    상기 내마모층(5)은, 연소실로부터 이격되어 있는 위치의 해당 피스톤 링 홈(4)의 측면 영역에서 상기 피스톤 크라운(1)의 철 재료에 적용되고,

    매트릭스(7)를 형성하는 합금으로 이루어지고, 상기 매트릭스에는 크롬보다 더 높은 경도를 가진 복수의 하중 지지 입자(6)가 혼합되어 있는, 상기 내마모층(5) 형성 재료를 사전에 준비된 상기 피스톤 링 홈(4)의 측면 상에 바인더 재료의 형태로 적용하는 단계, 및

    계속해서 열처리를 수행하는 단계

    를 포함하고,

    상기 열처리가 이루어지는 동안 상기 매트릭스(7) 형성 합금은 용융되고 상기 바인더 재료는 연소되는 것을 특징으로 하는

    내마모층의 형성 방법.
25. 제24항에 있어서,

    상기 바인더와 함께, 내마모층을 형성하는 상기 재료로부터 고리형 내마모층(5)의 세그먼트(19) 형태를 가진 압분체(green compact)를 제조하고, 상기 압분체를 상기 피스톤 링 홈(4)의 양쪽 측면의 인접 영역에 위치시킨 다음, 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모층의 형성 방법.
26. 제21항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 열처리가 차폐 가스(shielding gas)를 공급함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 내마모층의 형성 방법.
27. 제21항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 열처리가 상기 매트릭스(7)를 형성하는 물질의 융점보다 높은 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 내마모층의 형성 방법.
28. 제21항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 열처리는, 상기 피스톤 링 홈(4)의 외주의 일부분 위로 가로질러 연장 되는 유도 가열 방식의 가열 장치(14)를 이용하여 수행되고, 상기 피스톤 크라운(1)을 회전시킴으로써 상기 가열 장치를 따라 상기 내마모층(5)이 이동되는 것을 특징으로 하는 내마모층의 형성 방법.
29. 제21항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 열처리가 하나 이상의 버너 및/또는 레이저 장치를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 내마모층의 형성 방법.
30. 제21항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 내마모층(5)이 상기 베이스 재료의 단(8)에 삽입되는 것을 특징으로 하는 내마모층의 형성 방법.
31. 제30항에 있어서,

    상기 단(8)은, 상기 내마모층(5)이 응고될 때까지 상기 단의 방사상 외면의 외주 링(20)에 의해 한정되는 것을 특징으로 하는 내마모층의 형성 방법.

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