KR20200070692A - Method for Manufacturing Oil Content Piston Pin and Light Weight Piston Thereof - Google Patents

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Abstract

A lightweight piston (3) of the present invention is manufactured by manufacturing a sintered piston pin (2) having an inner diameter eccentric based on the outer diameter by sintering molding using Cr/Mo composition pre-alloy powder as a sintering material, forming a nitride in pores formed in the body of a hollow cylinder with gas softening treatment, and applying an oil-containing piston pin (3) in which the pores are filled with oil by impregnating the oil at least two times. Therefore, the lightweight piston can be reduced in the length, thereby being made lightweight and enabling smooth lubricating even when there is an insufficient supply of the flow of oil, alleviating a reduction in fatigue strength due to the pores when sintered with the gas softening treatment for forming the nitride in the pores, and increasing an elastic modulus by preventing coarse pores by blocking the spread of the matrix structure.

Description

오일함유 피스톤 핀 제조방법 및 경량화 피스톤{Method for Manufacturing Oil Content Piston Pin and Light Weight Piston Thereof}Method for Manufacturing Oil Content Piston Pin and Light Weight Piston Thereof}

본 발명은 피스톤 핀 제조에 관한 것으로, 특히 소결(Sintering)을 이용한 오일함유 피스톤 핀 제조로 경량화가 가능한 피스톤에 관한 것이다.The present invention relates to the production of piston pins, and more particularly, to a piston capable of reducing weight by manufacturing an oil-containing piston pin using sintering.

최근 들어 더욱 강화되고 있는 차량 연비 향상은 엔진성능개선과 더불어 엔진 무빙계 부품을 이용한 엔진경량화를 요구하고 있다.In recent years, vehicle fuel efficiency improvements, which have been strengthened in recent years, require improved engine performance and engine weight reduction using engine moving parts.

상기 무빙계 부품은 엔진 운전시 움직임이 발생되는 피스톤과 샤프트(예, 크랭크/캠 샤프트)를 예로 들 수 있으며, 특히 상기 피스톤은 피스톤 링과 피스톤 핀으로 구분될 뿐만 아니라 누적된 경량화 설계경험으로 부품 경량화 접목에 유리한 측면을 갖는다.The moving parts can be exemplified by pistons and shafts (e.g., crank/cam shafts) where movement occurs during engine operation. Particularly, the pistons are divided into piston rings and piston pins, as well as accumulated weight design experience. It has an advantageous side for lightweight grafting.

무엇보다 피스톤 핀은 피스톤 핀 설계인자인 탄성계수와 핀 길이 및 핀 경 중 핀 길이 축소로 경량화가 이루어질 수 있다. 일례로 피스톤 핀은 냉간 포밍된 핀형상의 소재를 가공한 후 침탄 열처리하고, 이를 최종적으로 센터레스 연마하여 길이가 짧은 단 길이 피스톤 핀으로 제조할 수 있다.Above all, the piston pin can be made lighter by reducing the length of the pin among the elastic modulus, which is the design factor of the piston pin, and the pin length and pin diameter. As an example, the piston pin may be manufactured into a short-length piston pin having a short length by processing a cold-formed pin-shaped material, followed by carburizing heat treatment and finally centerless grinding.

그 결과 단 길이 피스톤 핀은 짧은 길이로 인해 피스톤 핀에 가해지는 높은 면압을 이겨내기 위한 내마모성 부여가 가능하고, 특히 DLC 코팅 적용을 통한 내마모성 향상도 가능하기 때문이다. 이 경우 DLC(Diamond-Like Carbon)코팅은 비결정질의 탄소계 소재로서, 플라즈마 중의 탄소이온이나 활성화된 탄화수소 분자를 전기적으로 가속하여 기판에 충돌시켜 만들어진 박막모양의 물질로 고경도, 내부식성, 내마모성의 물성을 다이아몬드와 유사하게 부여하는 방식이다.As a result, the short-length piston pin is able to impart abrasion resistance to overcome the high surface pressure applied to the piston pin due to the short length, and in particular, it is possible to improve the wear resistance by applying a DLC coating. In this case, DLC (Diamond-Like Carbon) coating is an amorphous carbon-based material. It is a thin film-like material made by electrically accelerating carbon ions or activated hydrocarbon molecules in plasma and colliding with a substrate. It has high hardness, corrosion resistance, and wear resistance. It is a method that gives physical properties similar to diamond.

나아가 단 길이 피스톤 핀은 핀 길이 축소뿐만 아니라 탄성계수가 낮아 벤딩 하중에 취약한 소재에 대한 접근성이 가능하다는 장점도 제공한다.Furthermore, the short-length piston pin not only reduces the length of the pin, but also provides the advantage of being able to access materials that are vulnerable to bending loads due to its low elastic modulus.

국내공개특허 10-2010-0009333(2010.01.27)Domestic Publication Patent 10-2010-0009333 (2010.01.27)

하지만 피스톤 핀은 엔진 오일이 직접적으로 공급되는 환경에 있지 않음으로써 오일제트(엔진의 메인 겔러리(Main Gallery)로부터 오일을 유도시켜 오일을 피스톤으로 분사하는 장치)에서 분사된 오일은 피스톤 안쪽벽에 부딪혀 피스톤에 연결된 콘로드 소단부 위로 떨어져야 피스톤 핀에 오일이 스며들어 윤활에 도움을 받을 수밖에 없다.However, since the piston pin is not in the environment where the engine oil is directly supplied, the oil jetted from the oil jet (a device that induces oil from the engine's main gallery to inject the oil into the piston) hits the inner wall of the piston. When it falls on the small end of the cone rod connected to the piston, the oil infiltrates the piston pin to help with lubrication.

이러한 윤활방식으로 인해 짧은 길이의 단 길이 피스톤 핀이 적용된 경우, 콘로드 소단부를 테이퍼 형태로 만들거나 또는 콘로드 소단부에 오일홀을 가공하거나 또는 콘로드의 대단부-로드부-소단부를 이어주도록 오일홀을 길게 가공함으로써 단 길이 피스톤 핀의 윤활 효과를 높여 주고 있다,Due to this lubrication method, when a short-length piston pin of a short length is applied, the small end of the cone rod is tapered, or the oil hole is machined at the lower end of the cone rod, or the large end-rod portion-small portion of the cone rod. By processing the oil hole long to connect, it increases the lubrication effect of the short-length piston pin.

따라서 단 길이 피스톤 핀은 탄성계수가 낮은 소재를 이용하면서도 높은 내마모성을 갖는 장점 대비 취약한 윤활 구조로 인해 콘로드와 같이 연계된 주변부품에 대한 추가 가공을 필요로 하는 단점도 갖고 있다.Therefore, short-length piston pins also have the disadvantage of requiring additional processing for connected peripheral parts such as cone rods due to the weak lubrication structure compared to the advantages of using a material having a low elastic modulus and having high wear resistance.

이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 길이 축소로 경량화되면서 소결(Sintering)을 이용함으로써 오일 유량이 부족한 상황에서도 원활한 윤활작용이 이루어질 수 있고, 특히 기공 질화물 형성을 위한 가스 연질화 처리를 연마 전 실시함으로써 소결시 기공에 의한 피로강도 저하를 개선함과 더불어 기지조직 확산 저지로 조대한 기공을 해소하여 탄성계수를 높여 주는 오일함유 피스톤 핀 제조방법 및 경량화 피스톤의 제공에 목적이 있다.Accordingly, the present invention in consideration of the above points can be smoothly lubricated even in a situation in which oil flow rate is insufficient by using sintering while reducing weight by reducing length, and in particular, performing gas softening treatment for forming pore nitride before polishing. By doing so, the purpose of the present invention is to provide a method for manufacturing an oil-containing piston pin and a lightweight piston, which improves the reduction in fatigue strength due to pores during sintering, and improves the elastic modulus by resolving coarse pores by preventing diffusion of matrix structure.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 오일함유 피스톤 핀 제조방법은 소결재를 이용한 소결 성형의 소결 피스톤 핀에 형성된 기공에 질화물 형성이 이루어지는 가스 연질화 처리를 수행하는 기공질화물조성공정이 포함되는 것을 특징으로 한다.The method for manufacturing an oil-containing piston pin of the present invention for achieving the above object includes a pore nitride composition process for performing gas softening treatment in which the nitride is formed in the pores formed in the sintered piston pin of sintering molding using a sintered material. It is characterized by.

바람직한 실시예로서, 상기 기공질화물조성공정에 적용된 소결재는 Cr/Mo 조성 Prealloy 분말야금이고, 상기 Cr/Mo 조성 Prealloy 분말야금은 C(탄소), Cr(크롬), Mo(몰리브덴), Mn(망간), S(황)와 함께 잔부 Fe를 중량퍼센트(wt%)로 포함한다. 상기 중량퍼센트(wt%)는 잔부 Fe를 베이스로 하여 상기 C를 0.4 ~ 0.7 wt%, 상기 Cr을 1.0 ~ 3.5 wt%, 상기 Mo를 0.1 ~ 1.0 wt%, 상기 Mn을 0.3 ~ 0.6 wt%, 상기 S를 0.1 ~ 0.3 wt%로 조성하여 준다.As a preferred embodiment, the sintered material applied to the porous nitride composition process is a Cr/Mo composition prealloy powder metallurgy, and the Cr/Mo composition prealloy powder metallurgy is C (carbon), Cr (chromium), Mo (molybdenum), Mn ( Manganese) and S (sulfur) together with the balance Fe in weight percent (wt%). The weight percent (wt%) is based on the balance Fe The C is composed of 0.4 to 0.7 wt%, the Cr of 1.0 to 3.5 wt%, the Mo of 0.1 to 1.0 wt%, the Mn of 0.3 to 0.6 wt%, and the S of 0.1 to 0.3 wt%.

바람직한 실시예로서, 상기 기공질화물조성공정은, 상기 소결재를 상기 소결 피스톤 핀으로 제조하는 소재소결공정, 테이퍼 형상에 이어 외경에 대한 면취 가공으로 상기 소결 피스톤 핀을 가공한 후 상기 가스 연질화 처리를 수행하는 전처리 예비 공정으로 수행된다.As a preferred embodiment, the pore nitride composition process, the material sintering process for manufacturing the sintered material with the sintered piston pin, followed by a tapered shape, processing the sintered piston pin by chamfering the outer diameter, followed by the gas softening treatment It is carried out as a pre-treatment pre-treatment process.

바람직한 실시예로서, 상기 소재소결공정은 분말로 준비된 상기 소결재를 소결 금형에 넣어 내경이 외경기준으로 편심되면서 상기 소결 피스톤 핀의 밀도 기준으로 밀도 차이를 갖는 저밀도 중앙부가 형성된 중공을 갖는 상기 소결 피스톤 핀으로 성형하고, 상기 소결 피스톤 핀의 온도를 내려주도록 냉각속도를 2.5℃/s로 하는 소결 경화가 이루어지는 절차로 수행된다.As a preferred embodiment, the material sintering process is by inserting the sintered material prepared as a powder into a sintering mold, and the inner diameter is eccentric with respect to the outer diameter, and the sintered piston having a hollow with a low density central portion having a density difference based on the density of the sintered piston pin It is molded into fins and is subjected to a sinter hardening procedure with a cooling rate of 2.5°C/s to lower the temperature of the sintered piston fins.

바람직한 실시예로서, 상기 전처리 예비 공정은 상기 소결 피스톤 핀을 세정 한 후 상기 질화물이 상기 소결 피스톤 핀의 기공에 형성되도록 550~590℃ 온도조건에서 1~4시간 동안 상기 가스 연질화 처리가 수행되는 절차로 이루어진다. In a preferred embodiment, the pretreatment pre-process is performed by performing the gas softening treatment for 1 to 4 hours at a temperature condition of 550 to 590° C. so that the nitride is formed in the pores of the sintered piston pin after cleaning the sintered piston pin. It consists of a procedure.

바람직한 실시예로서, 상기 소결 피스톤 핀은 상기 가스 연질화 처리에 이어진 SAE 점도 5W30 이상의 저점도 오일에 의한 1차 오일 함침, 외경 표면에 대한 황삭, 중삭, 절삭, 슈퍼 피니싱을 순차적으로 수행하는 가공, 세정, 80~120℃ 온도에서 이루어지는 건조, SAE 점도 5W30 이상의 저점도 오일에 의한 2차 오일 함침을 거쳐 피스톤 핀으로 완성된다.As a preferred embodiment, the sintered piston pin is a primary oil impregnation by low-viscosity oil having a SAE viscosity of 5W30 or higher, followed by roughing, medium-cutting, cutting, super-finishing on an outer diameter surface, followed by the gas softening treatment, Washing, drying at a temperature of 80~120℃, and secondary oil impregnation with low viscosity oil with SAE viscosity of 5W30 or more are completed with a piston pin.

바람직한 실시예로서, 상기 가공은 상기 소결 피스톤 핀의 내경에 적용되지 않는다.In a preferred embodiment, the processing is not applied to the inner diameter of the sintered piston pin.

그리고 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 피스톤 핀은 Cr/Mo 조성 Prealloy 분말을 소결재로 한 소결 성형으로 외경기준 대비 편심 내경을 형성한 소결 피스톤 핀이 제조된 후, 가스 연질화 처리로 중공원통의 바디에 형성된 기공에 질화물이 형성되며, 적어도 2번의 오일 함침으로 상기 기공을 오일이 메워져 제조가 완성되는 것을 특징으로 한다.And the piston pin of the present invention for achieving the above object is a sintered molding with a Cr/Mo composition prealloy powder as a sintered material, and a sintered piston pin having an eccentric inner diameter compared to an outer diameter standard is produced, followed by gas softening treatment. Nitride is formed in the pores formed in the body of the hollow pipe, and the pores are filled with oil by at least two oil impregnations to complete the production.

바람직한 실시예로서, 상기 Cr/Mo 조성 Prealloy 분말은 C(탄소), Cr(크롬), Mo(몰리브덴), Mn(망간), S(황)가 중량퍼센트(wt%)로 혼합되고, 상기 C는 0.4 wt%를 최소치로 하여 0.7 wt%를 최대치로 하며, 상기 Cr은 1.0 wt%를 최소치로 하여 3.5 wt%를 최대치로 하고, 상기 Mo는 0.1 wt%를 최소치로 하여 1.0 wt%를 최대치로 하며, 상기 Mn은 0.3 wt%를 최소치로 하여 0.6 wt%를 최대치로 하고, 상기 S는 0.1 wt%를 최소치로 하여 0.3wt%를 최대치로 하며, 잔부 Fe로 조성된다.In a preferred embodiment, the Cr/Mo composition Prealloy powder is C (carbon), Cr (chromium), Mo (molybdenum), Mn (manganese), S (sulfur) is mixed in weight percent (wt%), the C Is 0.4 wt% as the minimum, 0.7 wt% is the maximum, Cr is 1.0 wt% as the minimum, 3.5 wt% is the maximum, and Mo is 0.1 wt% as the minimum, and 1.0 wt% is the maximum. Mn is 0.3 wt% as the minimum, 0.6 wt% as the maximum, and S is 0.1 wt% as the minimum, and 0.3 wt% is the maximum, and the balance is composed of Fe.

바람직한 실시예로서, 상기 소결 피스톤 핀은 상기 내경 편심을 0.5~1mm로 하여 전체 핀 길이 구간 중 중앙구간의 밀도를 달리하는 저밀도 중앙부가 형성된 테이퍼 핀으로 이루어지고, 상기 저밀도 중앙부의 밀도를 6.5 ~ 6.6g/㎤로 하면서 체적을 100% 전체 체적 대비 15~35% 체적으로 하여 상기 가스 연질화 처리로 탄성계수 값이 120GPa을 넘도록 하면서 회전굽힘 값이 280MPa을 넘도록 제조된다.As a preferred embodiment, the sintered piston pin has a low-density central portion that varies the density of the central section of the entire length of the pin by setting the inner diameter eccentricity to 0.5 to 1 mm. It is made of tapered pins formed, and rotates while the density of the low-density central part is 6.5 to 6.6 g/cm 3 while the volume is 15 to 35% of the total volume compared to the total volume, so that the elastic modulus value exceeds 120 GPa by the gas softening treatment. It is manufactured so that the bending value exceeds 280 MPa.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 피스톤은 20mm 외경지름과 20mm 외경지름과 6.5 ~ 6.9g/㎤로 구간별 밀도차이가 있는 50mm 핀 길이를 가지면서 120GPa 탄성계수 값 및 280MPa 회전굽힘 값을 갖도록 소결재로 소결 성형되고, 질화물을 형성한 기공에 오일이 메워진 피스톤 핀; 상기 피스톤 핀이 콘로드 소단부와 결합되어 피스톤 바디의 안쪽으로 위치되고, 복수개의 피스톤 링이 상기 피스톤 바디의 외경에 끼워지는 피스톤이 포함되는 것을 특징으로 한다.In addition, the piston of the present invention for achieving the above object has a 20mm outer diameter diameter and a 20mm outer diameter diameter of 6.5 to 6.9g/cm3 and a 50mm pin length with a density difference for each section, a 120GPa elastic modulus value and a 280MPa rotational bending value. A piston pin sintered and molded with a sintered material so as to have an oil filled in the pores forming the nitride; It characterized in that the piston pin is coupled to the small end of the cone rod is located inside the piston body, a plurality of piston rings include a piston fitted to the outer diameter of the piston body.

이러한 본 발명의 피스톤 경향화를 위해 제조된 오일함유 피스톤 핀은 하기와 같은 작용 및 효과를 구현한다.The oil-containing piston pin manufactured for the tendency of the piston of the present invention realizes the following actions and effects.

첫째, 냉간단조로 국한되던 피스톤 핀 제조를 소결 영역으로 넓혀 줄 수 있다. 둘째, 짧은 길이의 피스톤 핀이 소결로 제조됨으로써 냉간단조시 필요하던 DLC(Diamond-Like Carbon)코팅을 적용하지 않고서도 충분한 물성을 확보할 수 있다. 셋째, 가스연질화 및 분말야금(Cr/Mo 조성 Prealloy)으로 소결시 조대한 기공 문제를 해소함으로써 피스톤 핀의 피로강도 저하와 탄성계수 저감을 가져오지 않는 피스톤 핀 제조가 가능하다. 넷째, 소결시 기공 죄척화가 가능하면서 기공에 머금은 오일 배출과 기공주변의 질화물로 인해 내마모성이 향상된다. 다섯째, 오일제트에서 공급되는 오일이 부족해도 기공에서 나오는 오일로 원활한 윤활작용이 이루어짐으로써 오일함유 피스톤 링으로 작용이 가능하다. 여섯째, 소결 특성으로 피스톤 링 제조시 가공량 및 가공공수 축소가 이루어지면서도 치수정밀도가 우수하다. 일곱째, 초기 엔진 시동시 콘로드 소단부쪽은 오일공급이 원활하지 못한데 소결공법 적용시 오일함침이 가능하여 초기 윤활성을 향상시킬 수 있다. 여덟째, 내경편심이 적용된 피스톤 핀의 형상구현은 타공법 대비 소결공법에서는 쉽게 형상구현이 가능하여 엔진구동시 핀 자체 회전으로 윤활성을 향상시킬 수 있다.First, it is possible to widen the manufacturing of the piston pin, which was limited to cold forging, to the sintering area. Second, since the short-length piston pin is manufactured by sintering, sufficient physical properties can be secured without applying the diamond-like carbon (DLC) coating required for cold forging. Third, by resolving coarse pore problems during sintering with gas softening and powder metallurgy (Cr/Mo composition prealloy), it is possible to manufacture piston pins that do not reduce the fatigue strength of the piston pins and reduce the modulus of elasticity. Fourth, it is possible to tighten pores during sintering, while improving wear resistance due to oil discharge in the pores and nitride around the pores. Fifth, even if the oil supplied from the oil jet is insufficient, it is possible to act as an oil-containing piston ring by smoothly lubricating the oil from the pores. Sixth, due to the sintering characteristics, while reducing the amount of machining and the number of machining when manufacturing the piston ring, the dimensional accuracy is excellent. Seventh, when the engine starts, the oil supply is not smooth at the small end of the cone rod. When the sintering method is applied, oil impregnation is possible, so that the initial lubricity can be improved. Eighth, the shape of the piston pin to which the inner diameter eccentricity is applied can be easily implemented in the sintering method compared to the punching method, so that the lubrication can be improved by rotating the pin itself when the engine is driven.

도 1은 본 발명에 따른 오일함유 피스톤 핀 제조방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 오일함유 피스톤 핀 제조의 소재 소결 공정이 소결 금형을 이용해 수행되는 상태이며, 도 3은 본 발명에 따른 오일함유 피스톤 핀 제조의 후처리 공정으로 제조된 피스톤 핀의 조직 상태이고, 도 4는 본 발명에 따른 오일함유 피스톤 핀이 적용된 경량화 피스톤의 예이며, 도 5는 본 발명에 따른 오일함유 피스톤 핀 제조의 소재 소결 공정, 전처리 예비 공정, 후처리 공정이 갖는 특징으로 소결재 장점을 예시한 소결 공정도이다.1 is a flow chart of a method for manufacturing an oil-containing piston pin according to the present invention, and FIG. 2 is a state in which a material sintering process for manufacturing an oil-containing piston pin according to the present invention is performed using a sintering mold, and FIG. 3 is according to the present invention The structure state of the piston pin produced by the post-treatment process of oil-containing piston pin production, FIG. 4 is an example of a lightweight piston to which the oil-containing piston pin according to the present invention is applied, and FIG. 5 is an oil-containing piston pin manufacturing according to the present invention It is a sintering process diagram illustrating the advantages of sintered materials as features of the material sintering process, pre-treatment pre-processing, and post-treatment process.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying exemplary drawings, and as such examples, those skilled in the art to which the present invention pertains may be embodied in various different forms, and thus are described herein. It is not limited to the embodiment.

도 1을 참조하면, 오일함유 피스톤 핀 제조방법은 S10의 소재 소결 공정, S20의 소재가공 공정, S30의 전처리 예비 공정, S40의 전처리 공정, S50의 포밍 공정, S60의 후처리 예비 공정, S80의 후처리 공정으로 수행된다.Referring to Figure 1, the oil-containing piston pin manufacturing method is S10 material sintering process, S20 material processing process, S30 pre-treatment pre-processing, S40 pre-treatment process, S50 forming process, S60 post-treatment pre-processing, S80 It is performed as a post-treatment process.

특히 상기 소재 소결 공정(S10)은 설계적으로 엔진 실린더의 연소압에 의해 약 40㎛ 이내의 밴딩 및 오발(Oval) 변형량을 만족시키는 설계 대비 기공 형성으로 발현되는 피로강도 저하를 분말야금(Cr/Mo 조성 Prealloy)으로 극복하여 준다. 또한 상기 전처리 예비 공정(S30)은 양끝쪽 부위 대비 약 0.3~0.4g/㎤ 정도 낮은 중앙부 밀도로 인해 약 5% 수준으로 더 많은 기공 형성으로 발현되는 탄성계수 저감을 가스 연질화 적용으로 극복하여 준다.In particular, the material sintering process (S10) is a powder metallurgy (Cr/) that reduces the fatigue strength expressed by pore formation compared to a design that satisfies the bending and oval deformation within 40 μm by the combustion pressure of the engine cylinder. Mo composition Prealloy). In addition, the pretreatment preliminary process (S30) overcomes the reduction of the elastic modulus, which is expressed by the formation of more pores at the level of about 5%, due to the density of the central part, which is about 0.3 to 0.4 g/cm 3, compared to the ends of both ends, by application of gas softening. .

그러므로 상기 소재 소결 공정(S10)과 상기 전처리 예비 공정(S30)은 기공질화물조성공정으로 특징됨으로써 소재 소결 공정(S10)의 분말야금(Cr/Mo 조성 Prealloy)에 의한 질화물 형성과 함께 전처리 예비 공정(S30)의 가스 연질화에 의한 기공부 질화물 조직화가 이루어진 소결 피스톤 핀을 우선적으로 얻을 수 있다.Therefore, the material sintering process (S10) and the pretreatment preliminary process (S30) are characterized by a porous nitride composition process, and thus, a pretreatment preliminary process (with the formation of nitride by the powder metallurgy (Cr/Mo composition prealloy) of the material sintering process (S10) ( It is possible to preferentially obtain the sintered piston pin in which the pores are nitrided by gas softening in S30).

그 결과 상기 오일함유 피스톤 핀 제조방법은 기공질화물조성공정(S10,S30)에 S20의 소재가공 공정이 개입되고, S40의 전처리 공정, S50의 포밍 공정, S60의 후처리 예비 공정, S80의 후처리 공정이 순차적으로 수행되고, 이러한 절차를 통해 소재 소결 공정(S10)에서 1차적으로 제조된 소결 피스톤 핀(2)이 후처리 공정(S80)에서 최종적인 제품으로 피스톤 핀(3)이 제조됨을 특징으로 한다.As a result, in the method of manufacturing the oil-containing piston pin, the material processing process of S20 is involved in the porous nitride composition process (S10, S30), the pretreatment process of S40, the forming process of S50, the pretreatment process of S60, and the posttreatment of S80. The process is performed sequentially, and the sintered piston pin 2 primarily manufactured in the material sintering process (S10) through this procedure is characterized in that the piston pin 3 is manufactured as a final product in the post-treatment process (S80). Is done.

이하 상기 오일함유 피스톤 핀 제조방법의 상세 공정은 하기와 같다.Hereinafter, a detailed process of the method for manufacturing the oil-containing piston pin is as follows.

먼저 상기 소재 소결 공정(S10)은 S11의 분말 단계, S12의 성형 단계, S13의 소결경화 단계를 거쳐 S14의 소재피스톤 핀이 제조된다.First, in the material sintering process (S10), a material piston pin of S14 is manufactured through a powder step of S11, a molding step of S12, and a sintering hardening step of S13.

일례로 상기 분말(S11)은 소결 피스톤 핀(2)의 제조를 위한 분말 소재(1)로서 분말야금(Cr/Mo 조성 Prealloy)이 적용됨으로써 소결후 조대한 기공형성을 줄일 수 있다.For example, the powder (S11) is powdered metal (Cr/Mo composition prealloy) is applied as a powder material (1) for the production of the sintered piston pin (2), thereby reducing coarse pore formation after sintering.

표 1은 분말 소재(1)로 적용된 분말야금(Cr/Mo 조성 Prealloy)의 각 성분을 예시한다.Table 1 illustrates each component of the powder metallurgy (Cr/Mo composition prealloy) applied as the powder material (1).

Figure pat00001
Figure pat00001

표 1을 참조하면, 분말 소재(1)는 C(탄소), Cr(크롬), Mo(몰리브덴), Mn(망간), S(황)를 중량퍼센트(wt%)로 사용하면서 각각에 대해 최소 중량퍼센트(Min wt%)에서 최대 중량퍼센트(Max wt%)로 설정된다.Referring to Table 1, the powder material (1) is C (carbon), Cr (chromium), Mo (molybdenum), Mn (manganese), S (sulfur) as a weight percent (wt%), the minimum for each It is set from the weight percent (Min wt%) to the maximum weight percent (Max wt%).

일례로 C는 가스 연질화 전 기지강화에 유리하여 베이나이트 및 템퍼드 마르텐사이트 조직형성에 기여한다. 이 경우 0.4 Min wt% C는 페라이트 조직 억제에 우수한 반면 0.7 Max wt% C는 탄화물 및 오스테나이트 조직 억제에 우수하다.For example, C favors matrix strengthening prior to gas softening, contributing to the formation of bainite and tempered martensite. In this case, 0.4 Min wt% C is good for suppressing ferrite structure, while 0.7 Max wt% C is good for suppressing carbide and austenite structure.

일례로 Cr과 Mo은 표면 및 기공부에 화합물 및 질화물 형성시켜 내마모 및 피로강도 향상에 기여한다. 이 경우 1.0 Min wt% Cr는 피로강도 저하를 가져오는 반면 3.5 Max wt% Cr은 표면 Cr산화물 형성으로 질화물 형성에 어려우면서 성형성을 저하시킨다. 0.1 Min wt% Mo는 피로강도 저하를 가져오는 반면 1.0 Max wt% Mo은 Cr과 혼합 첨가시 성형성을 저하시킨다.For example, Cr and Mo contribute to improving wear resistance and fatigue strength by forming compounds and nitrides on the surface and pores. In this case, 1.0 Min wt% Cr causes a decrease in fatigue strength, while 3.5 Max wt% Cr forms a surface Cr oxide, making it difficult to form a nitride and deteriorating formability. 0.1 Min wt% Mo leads to a decrease in fatigue strength while 1.0 Max wt% Mo decreases formability when mixed with Cr.

일례로 Mn과 S는 0.3~0.5 wt% MnS로 가공성 첨가제로 작용한다. 이 경우 0.3 Min wt% Mn이면 가공성 향상이 어렵다. 또한 0.6 Max wt% Mn이면 인장강도를 저하시킨다. 0.1 Min wt% S이면 가공성 향상이 어렵다. 또한 0.3 Max wt% S이면 인장강도를 저하시킨다.For example, Mn and S are 0.3 to 0.5 wt% MnS, which act as a processability additive. In this case, if it is 0.3 Min wt% Mn, it is difficult to improve the workability. In addition, when it is 0.6 Max wt% Mn, the tensile strength is lowered. If it is 0.1 Min wt% S, it is difficult to improve the workability. In addition, if it is 0.3 Max wt% S, the tensile strength is reduced.

이로부터 분말야금(Cr/Mo 조성 Prealloy)은 소결경화 시킬 수 있고 이후 질화시 Cr과 Mo와 반응하여 질화물을 형성시킬 수 있으므로 소결시 합금분말이 기지조직 확산으로 조대한 기공을 형성 시키는 문제를 없애 피스톤 핀 재질로 적합한 특정이 구현된다.From this, powder metallurgy (Cr/Mo composition prealloy) can be hardened by sintering, and then nitrided to form nitrides by reacting with Cr and Mo during nitridation, thereby eliminating the problem of forming coarse pores by diffusion of matrix during sintering. A suitable specification is realized with the piston pin material.

일례로 상기 성형(S12)은 소결 피스톤 핀(2)의 밀도를 6.4~6.9g/㎤로 분포하도록 한다. 특히 상기 성형(S12)은 피스톤 상하운동시 핀의 회전을 증대하여 소결 피스톤 핀(2)에 주는 응력분산 및 윤활성을 향상시키도록 중공의 소결 피스톤 핀(2)이 외경기준으로 내경에 0.5~1mm 편심을 형성시켜 준다.For example, the molding (S12) is to distribute the density of the sintered piston pin (2) to 6.4 ~ 6.9g / cm3. In particular, in the molding (S12), the hollow sintered piston pin 2 is 0.5 to 1 mm in inner diameter based on the outer diameter so as to improve the stress distribution and lubricity to the sintered piston pin 2 by increasing the rotation of the pin during vertical movement of the piston. It creates an eccentricity.

도 2를 참조하면, 소결 금형(100)은 분말 소재(1)가 소결과정을 통해 소결 피스톤 핀(2)으로 제조되도록 다이(110), 코어(130) 및 하/상단 펀치(150-1,150-2)로 구성된다.Referring to Figure 2, the sintering mold 100 is a powder material (1) through the sintering process to be manufactured with a sintered piston pin (2) die 110, core 130 and lower / upper punch (150-1,150- 2).

도시된 바와 같이, 다이(110)와 코어(130)의 소결 공간으로 분말 소재(1)를 투입한 후 하단 펀치(150-1)와 상단 펀치(150-2)를 작동시킴으로써 소결 공간내에서 내경과 외경으로 구분된 바디 체적을 갖는 중공원통(hollow circular cylinder)으로 성형된다.As shown, after the powder material 1 is introduced into the sintering space of the die 110 and the core 130, the inner diameter in the sintering space is operated by operating the lower punch 150-1 and the upper punch 150-2. It is molded into a hollow circular cylinder with a body volume divided by and outer diameter.

이와 같이 상기 소결 금형(100)에서 성형 및 소결되어 제조된 소결 피스톤 핀(2)은 서로 연결된 네트워크 구조의 기공을 형성한다. 이 경우 상기 기공 네트워크는 성형 및 소결시 빠져나오는 윤활제의 영향으로 형성될 수 있다. 또한 상기 기공 네트워크는 그 주변으로 확산층을 형성하여 표면의 피로강도 및 내마모성을 더욱 강화시켜 준다.In this way, the sintered piston pins 2 manufactured and sintered in the sintering mold 100 form pores having a network structure connected to each other. In this case, the pore network may be formed under the influence of lubricant coming out during molding and sintering. In addition, the pore network forms a diffusion layer around it to further enhance the fatigue strength and wear resistance of the surface.

본 실시예에서 상기 소결 금형(100)은 분말야금(Cr/Mo 조성 Prealloy)을 적용한 분말 소재(1)에 대한 성형 조건을 소결 피스톤 핀 재질이 갖추어야 할 물성인 밀도 6.6g/㎤ 이상, 탄성계수 120GPa 이상, 회전굽힘 280MPa 이상이 충족되도록 설정한다. 특히 항복/인장/피로 등 기계적인 물성이 스틸대비 떨어지는 소결 피스톤 핀 재질의 물성을 고려하여 밀도의 차이로 부터 동등 안전율 및 중량 설계가 가능한 중공원통의 바디 체적을 성형 조건으로 적용하여 준다.In this embodiment, the sintering mold 100 has a density of 6.6 g/cm 3 or more, and a modulus of elasticity that is a property that the sintered piston pin material must have molding conditions for the powder material 1 to which powder metallurgy (Cr/Mo composition prealloy) is applied. Set to meet 120 GPa or more and rotational bending of 280 MPa or more. In particular, considering the physical properties of the sintered piston pin material that mechanical properties such as yield/tensile/fatigue are inferior to steel, the body volume of the hollow cylinder capable of equal safety factor and weight design from the difference in density is applied as molding conditions.

그 결과 상기 소결 금형(100)에서 성형된 소결 피스톤 핀(2)은 전체 길이를 상단/중간/하단 구간으로 구분할 때 상단 구간의 밀도를 6.8g/㎤, 중간 구간의 밀도를 6.5g/㎤, 하단 구간의 밀도를 6.8g/㎤로 조성하므로 전체적으로 6.4~6.9g/㎤에 포함되도록 제조된다. 이 경우 상단/중간/하단 구간 밀도 조성은 소결 금형(100)의 소결 조건 설정을 통해 이루어진다. 여기서 상/하 구간은 피스톤(5)( 도 5 참조)의 핀 하우징에 접촉되는 영역이고, 상기 중간 구간은 콘로드 소단부(9)(도 5 참조)의 부싱과 접촉하는 부위를 의미한다.As a result, the sintered piston pin 2 formed in the sintering mold 100 has a density of 6.8 g/cm 3 in the upper section and 6.5 g/cm 3 in the middle section when the entire length is divided into upper/middle/lower sections. Since the density of the lower section is composed of 6.8 g/cm 3, it is manufactured to be included in 6.4 to 6.9 g/cm 3 as a whole. In this case, the density composition of the upper/middle/lower section is made by setting the sintering conditions of the sintering mold 100. Here, the upper/lower section is an area in contact with the pin housing of the piston 5 (see FIG. 5), and the middle section refers to a portion in contact with the bushing of the small end portion 9 of the rod (see FIG. 5).

특히 상기 상/하단 구간의 6.8g/㎤ 밀도 대비 중간 구간의 6.5g/㎤ 밀도에 의한 중앙부 밀도저하는 핀 설계에서 있어서 단점으로 작용되지만 이어지는 가스연질화 처리를 통한 기공 및 기공 주변에 대한 질화물 형성을 용이하게 함으로써 물성측면에서 불리함이 상쇄되는 방식이다. 이를 위해 상기 중간 구간은 질화처리 후 120GPa의 탄성계수 값을 갖도록 100% 전체 체적 대비 약 15~35% 체적으로 설정한다.In particular, the lower density of the central portion due to the density of 6.8 g/cm 3 in the upper/lower section compared to the density of 6.5 g/cm 3 in the middle section acts as a disadvantage in the fin design, but the formation of nitrides in the pores and around the pores through the subsequent gas softening treatment This is a way to offset the disadvantages in terms of physical properties by facilitating. To this end, the intermediate section is set to a volume of about 15 to 35% compared to the total volume of 100% so as to have an elastic modulus value of 120 GPa after nitriding treatment.

일례로 상기 소결경화(S13)는 소결 피스톤 핀(2)을 냉각속도 2.5℃/s로 냉각시켜준다.For example, the sinter hardening (S13) cools the sintered piston pin 2 at a cooling rate of 2.5°C/s.

그 결과 소결 피스톤 핀(2)이 중공 형상으로 제조된다. 이 경우 상기 소결 피스톤 핀(2)은 Φ20mm 이상의 외경과 50mm 이하의 핀 길이를 최종제품 규격으로 하도록 가공성이 고려된 가공 사이즈로 제조된다.As a result, the sintered piston pin 2 is produced in a hollow shape. In this case, the sintered piston pin 2 is manufactured in a processing size in which workability is considered so that an outer diameter of Φ20 mm or more and a pin length of 50 mm or less are used as final product specifications.

이어 상기 소재가공 공정(S20)은 S21의 형상가공 단계, S22의 면취 가공 단계로 수행된다.Subsequently, the material processing step (S20) is performed as a shape processing step of S21 and a chamfering processing step of S22.

일례로 상기 형상가공(S21)은 소결 피스톤 핀(2)을 테이퍼 형상으로 가공하여 테이퍼 형상 소결 피스톤 핀(2)으로 만들어 준다. 상기 면취 가공(S22)은 테이퍼 형상 소결 피스톤 핀(2)에 대한 외경을 가공하여 준다. 이 경우 상기 테이퍼 가공 및 외경 가공은 통상적인 피스톤 핀 가공 도구 및 장치를 사용하여 이루어진다.For example, the shape processing (S21) is to process the sintered piston pin (2) into a tapered shape to make a tapered sintered piston pin (2). The chamfering process (S22) processes the outer diameter of the tapered sintered piston pin (2). In this case, the taper processing and the outer diameter processing are performed using conventional piston pin processing tools and devices.

이후 상기 전처리 예비 공정(S30)은 S31의 세정(cleaning) 단계, S32의 가스 연질화 단계로 수행된다.Thereafter, the pretreatment preliminary process (S30) is performed by a cleaning step of S31 and a gas softening step of S32.

일례로 상기 세정(S31)은 테이퍼/외경 가공된 소결 피스톤 핀(2)에 대한 표면 탈지 또는 세척이다. 상기 가스 연질화(S32)는 테이퍼/외경가공 및 세척된 소결 피스톤 핀(2)을 센타레스 연마전에 이루어지고, 약 550~590℃ 온도조건에서 약 1~4시간 동안 가스 연질화 실시로 이루어진다. 이 경우 소결 피스톤 핀(2)에 형성된 기공 네트워크는 연질화가스의 입출입을 용이하게 한다.In one example, the cleaning (S31) is a surface degreasing or cleaning of the tapered/outer diameter sintered piston pin (2). The gas softening (S32) is performed before taper/outer diameter processing and the washed sintered piston pin 2 is centerless polished, and is made by gas softening for about 1 to 4 hours at a temperature condition of about 550 to 590°C. In this case, the pore network formed on the sintered piston pin 2 facilitates the entry and exit of soft nitriding gas.

그 결과 가스 연질화는 소결 피스톤 핀(2)의 표면에서 심부로 이어지는 기공부에 질화물을 형성하고, 이러한 기공부 주위 질화물은 피로하중을 저하시키는 노치역활을 하는 기공에 반해 피로하중을 크게 증가시키면서 기공을 어느 정도 메꾸어 기공 크기를 줄여 탄성계수를 상승시켜 준다. 특히 가스 연질화는 전체 길이 중 상/하단 구간의 6.8g/㎤ 밀도 대비 중간 구간의 6.5d 밀도를 갖는 소결 피스톤 핀(2)의 중앙 성형밀도 저하부에 대한 탄성계수 및 피로강도를 상승시켜준다.As a result, the gas softening forms nitrides in the pores leading from the surface of the sintered piston pin 2 to the core, and the nitrides around these pores increase fatigue loads significantly, as opposed to pores that act as notches that reduce fatigue loads. By filling the pores to some extent, the pore size is reduced to increase the elastic modulus. In particular, gas softening increases the modulus of elasticity and fatigue strength of the sintered piston pin (2), which has a density of 6.5 d in the middle section compared to a density of 6.8 g/cm3 in the upper/lower section of the entire length. .

그러므로 가스 연질화 처리된 소결 피스톤 핀(2)은 피스톤 핀 적용에 적합한 상태로 전환된다.Therefore, the gas softened sintered piston pin 2 is switched to a state suitable for piston pin application.

표2는 가스 연질화 처리된 소결 피스톤 핀(2)에 대한 물성 변화를 예시한다.Table 2 illustrates the change in the properties of the gas softened sintered piston pin 2.

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표 2를 참조하면, 가스 연질화 처리는 가스질화로 인해 기지조직의 경도는 다소 열화되는 반면 탄성계수와 피로강도를 향상함으로써 스틸사양 대비 윤활성이 우수한 조직구조를 형성됨이 증명된다. 특히 상기 표 2는 소결 피스톤 핀(2)이 상/하단 구간 대비 밀도 저하를 갖는 중간 구간이 있음에도 120GPa의 탄성계수를 부여하면서 피로강도를 상승시켜줌도 증명된다.Referring to Table 2, it is proved that the gas soft nitridation treatment slightly deteriorates the hardness of the matrix structure due to gas nitridation, while improving the elastic modulus and fatigue strength, thereby forming a structure having excellent lubricity compared to steel specifications. In particular, Table 2 also proves that the sintered piston pin 2 increases the fatigue strength while imparting an elastic modulus of 120 GPa even though there is an intermediate section having a density drop compared to the upper/lower section.

한편 가스 연질화에 의한 기공 주위 질화물 형성은 도 3을 통해 예시된다.Meanwhile, nitride formation around the pores by gas softening is illustrated through FIG. 3.

계속해서 상기 전처리 공정(S40)은 S41의 오일 함침으로 수행되고, 이는 후처리 공정(S70)의 오일 함침과 구별되도록 1차 오일 함침으로 칭한다.Subsequently, the pre-treatment process (S40) is performed by oil impregnation of S41, which is referred to as primary oil impregnation to be distinguished from the oil impregnation of the post-treatment process (S70).

일례로 상기 1차 오일 함침(S41)은 냉간 상태(시동초기)의 윤활성을 향상시키도록 SAE(Society of Automotive Engineers) 점도 5W30 이상의 저점도 오일을 소결 피스톤 핀(2)에 함침시켜준다. 이 경우 소결 피스톤 핀(2)에 형성된 기공 네트워크는 기공에 오일이 메워지는 오일 함침의 효과를 높여준다.For example, the primary oil impregnation (S41) impregnates the sintered piston pin 2 with a low viscosity oil having a viscosity of 5W30 or higher with a SAE (Society of Automotive Engineers) viscosity to improve lubrication in a cold state (initial start). In this case, the pore network formed in the sintered piston pin 2 enhances the effect of oil impregnation with oil filling the pores.

이어 상기 포밍 공정(S50)은 S51의 센터리스 가공 단계, S52의 슈퍼 피니싱 (superfinishing) 가공 단계로 수행된다.Subsequently, the forming process S50 is performed as a centerless processing step of S51 and a superfinishing processing step of S52.

일례로 상기 센터리스 가공(S51)은 오일 함침된 소결 피스톤 핀(2)의 절삭가공 시 재료표면의 흑피를 제거하거나 가공량이 많은 경우 절삭량을 크게 하여 빠르게 가공하는 황삭, 황삭으로 거칠어진 면을 정리하면서 정 치수에 가깝도록 마무리하는 중삭, 설계 사양에 맞춰 주는 절삭으로 구분되어 수행된다. 그 결과 소결 피스톤 핀(2)의 사이즈는 상기 절삭으로 Φ20mm 이상의 외경과 50mm 이하의 핀 길이로 만들어 진다.As an example, the centerless machining (S51) is to clean the roughened surface by roughing and roughing to quickly process by removing the black skin on the material surface during the cutting process of the oil-impregnated sintered piston pin 2 or by increasing the cutting amount when the amount is large. In addition, it is performed by dividing into medium cutting to finish close to the regular dimension and cutting to meet the design specifications. As a result, the size of the sintered piston pin 2 is made to the outer diameter of Φ20mm or more and the pin length of 50mm or less by the cutting.

일례로 상기 슈퍼 피니싱 가공(S52)은 미세하고 연한 숫돌 입자를 낮은 압력으로 설계 사이즈의 소결 피스톤 핀(2)을 매끈한 고정밀도의 표면으로 형성시켜 준다. For example, the super-finishing process (S52) forms fine and soft grindstone particles at a low pressure to form a sintered piston pin 2 of a design size with a smooth, high-precision surface.

이로부터 소결 피스톤 핀(2)은 표면가공 소결 피스톤 핀(2)으로 전환된다.From this, the sintered piston pin 2 is converted to a surface-processed sintered piston pin 2.

그 결과 상기 표면가공 소결 피스톤 핀(2)은 그 외경의 표면에 묻은 가스연질화 화합물층(즉, 질화물)이 제거되나 기공 네트워크를 따라 심부까지 침투된 질화물을 그대로 유지함으로써 표면 연마면의 기공주위에 상당량의 질화물이 형성되어 있고, 특히 기공부 질화물(화합물층)에 인접하여 주변으로 확산층이 형성되므로 피로강도 및 내마모성이 우수한 표면을 얻을 수 있다. 하지만 상기 표면가공 소결 피스톤 핀(2)은 센터리스 가공(S51)과 슈퍼 피니싱 가공(S52)으로 내경 가공이 이루어지지 않는데, 이는 내경에 형성된 질화물(화합물층)로 기공이 메꿔지도록 함으로써 오일 함침 및 윤활측면에서 유리하기 때문이다.As a result, the surface-processed sintered piston pin 2 is removed from the gas softening compound layer (ie, nitride) on the surface of its outer diameter, but retains the nitride that has penetrated into the core along the pore network, thereby surrounding the pores of the surface polishing surface. Since a considerable amount of nitride is formed, and in particular, a diffusion layer is formed around the pore portion nitride (compound layer), it is possible to obtain a surface having excellent fatigue strength and wear resistance. However, the surface-processed sintered piston pin 2 is not subjected to inner diameter processing by centerless processing (S51) and super finishing processing (S52), which impregnates and lubricates oil by filling the pores with a nitride (compound layer) formed in the inner diameter. This is because it is advantageous from the side.

계속해서 상기 후처리 예비 공정(S60)은 S61의 세정 단계, S62의 건조 단계로 수행한다.Subsequently, the post-treatment preliminary process (S60) is performed by a washing step of S61 and a drying step of S62.

일례로 상기 세정(S61)은 테이퍼/외경 가공된 소결 피스톤 핀(2)에 대한 표면 탈지 또는 세척이다. 상기 건조(S62)는 약 80~120℃ 온도에서 이루어진다.In one example, the cleaning (S61) is surface degreasing or cleaning of the tapered/outer diameter sintered piston pin (2). The drying (S62) is carried out at a temperature of about 80 ~ 120 ℃.

최종적으로 상기 후처리 공정(S70)은 S71의 오일 함침으로 수행되고, 이는 전처리 공정(S40)의 오일 함침과 구별되도록 2차 오일 함침으로 칭한다.Finally, the post-treatment process (S70) is performed with the oil impregnation of S71, which is referred to as secondary oil impregnation to be distinguished from the oil impregnation of the pre-treatment process (S40).

일례로 상기 2차 오일 함침(S71)은 냉간 상태(시동초기)의 윤활성을 향상시키도록 SAE 점도 5W30 이상의 저점도 오일을 소결 피스톤 핀(2)에 함침시켜준다. 이 경우 소결 피스톤 핀(2)에 형성된 기공 네트워크는 오일 함침의 효과를 높여준다.For example, the secondary oil impregnation (S71) impregnates the sintered piston pin (2) with a low viscosity oil having a SAE viscosity of 5W30 or higher to improve lubrication in a cold state (initial starting). In this case, the pore network formed on the sintered piston pin 2 enhances the effect of oil impregnation.

그 결과 상기 피스톤 핀(3)은 기공 네트워크를 통해 기공이 오일로 메워진다.As a result, the piston pin 3 is filled with oil through a pore network.

최종적으로 상기 피스톤 핀(3)은 Φ20mm 이상의 외경, 50mm 이하의 핀 길이, 외경기준 0.5~1mm 편심 내경을 가지며, 핀 양쪽부의 밀도를 6.8g/㎤ 이상으로 하면서 그 중앙부의 밀도를 6.6g/㎤ 이상으로 형성하고, 탄성계수를 120GPa 이상으로 하면서 회전굽힘을 280MPa 이상으로 하는 물성을 갖는다.Finally, the piston pin 3 has an outer diameter of Φ20 mm or more, a pin length of 50 mm or less, an eccentric inner diameter of 0.5 to 1 mm based on the outer diameter, and the density of the central portion thereof is 6.6 g/cm 3 while the density at both sides of the pin is 6.8 g/cm 3 or more. It is formed as described above, and has a property of making the rotational bending of 280 MPa or more while the elastic modulus is 120 GPa or more.

한편 도 3을 참조하면, 소결 피스톤 핀(2)에서 제조 완료된 피스톤 핀(3)이 갖는 조직의 현미경 사진을 예시한다.Meanwhile, referring to FIG. 3, micrographs of tissues of the piston pin 3 manufactured in the sintered piston pin 2 are illustrated.

도시된 피스톤 핀(3)의 기지조직은 Cr/Mo Prealloy + 소결경화 + 가스연질화로 조직에서 질화물에 인접된 기공이 오일 포켓(Oil pocket)으로 역할 하는 템퍼드 마르텐사이트(예, 600도 템퍼링 조직)로 조성됨을 예시한다. 이로부터 피스톤 핀(3)은 오일제트에서 공급되는 오일이 부족해도 기공에서 나오는 오일과 기공 주변의 질화물로 인해 내마모성 향상이 이루어지므로 DLC코팅을 삭제할 수 있고, 가공량 및 가공공수 축소로 높은 치수정밀도를 가질 수 있다.The base structure of the illustrated piston pin (3) is Cr/Mo Prealloy + sintered hardening + gas softening, so that the pores adjacent to the nitride in the structure serve as oil pockets (eg, a 600 degree tempering structure) ). From this, even if the oil supplied from the oil jet is insufficient, the piston pin 3 improves wear resistance due to the oil coming out of the pores and the nitrides around the pores, so that the DLC coating can be eliminated, and the dimensional accuracy is high by reducing the amount of processing and the number of machining. Can have

한편 도 4는 피스톤(5)에 적용된 피스톤 핀(3)이 오일함유 피스톤 핀으로 작용하는 경량화 피스톤의 예를 나타낸다.On the other hand, Figure 4 shows an example of a lightweight piston in which the piston pin 3 applied to the piston 5 acts as an oil-containing piston pin.

도시된 바와 같이, 피스톤(5)은 피스톤 바디(5-1)로 이루어져 피스톤 핀(3)과 피스톤 링(7)이 조립된다.As shown, the piston 5 is composed of a piston body 5-1, the piston pin 3 and the piston ring 7 are assembled.

일례로 상기 피스톤 핀(3)은 콘로드 부시를 매개로 콘로드 소단부(9)와 피스톤 안쪽으로 위치되도록 피스톤 바디(5-1)를 관통해 결합됨으로써 피스톤(5)과 일체화된다. 상기 피스톤 링(7)은 복수개의 피스톤 링(예, 1,2,3 피스톤 링)으로 구성되어 피스톤 바디(5-1)의 외경에 끼워짐으로써 피스톤(5)과 일체화된다.For example, the piston pin (3) is integrated with the piston (5) by being coupled through the piston body (5-1) so as to be positioned inside the piston with the cone rod end portion (9) via the cone rod bush. The piston ring 7 is composed of a plurality of piston rings (eg, 1,2,3 piston rings) and is integrated with the piston 5 by being fitted to the outer diameter of the piston body 5-1.

이로부터 상기 피스톤 핀(3)은 도 1의 오일함유 피스톤 핀 제조 공정을 통해 오일을 머금도록 제조됨으로써 오일이 부족한 경우에도 윤활작용이 가능한 오일함유 피스톤 핀으로 작용한다.From this, the piston pin 3 is manufactured to contain oil through the oil-containing piston pin manufacturing process of FIG. 1, thereby acting as an oil-containing piston pin capable of lubricating even when oil is insufficient.

그러므로 상기 피스톤 핀(3)은 오일제트에서 분사된 엔진오일이 피스톤 안쪽에 맞고 떨어져 콘로드 소단부를 거쳐서 공급되면, 이미 오일을 함침하고 있지만 공급된 오일로 인해 피스톤 핀(3)의 중앙부에 형성된 기공 네트워크에서 핀 전체적으로 재공급될 수 있다.Therefore, when the engine oil injected from the oil jet hits the inside of the piston and is supplied through the end of the cone rod, the piston pin 3 is already impregnated with oil, but is formed in the center of the piston pin 3 due to the supplied oil. It can be re-supplied across the pins in the pore network.

한편 도 5는 경량화 피스톤(5)에 적용된 피스톤 핀(3)이 소결재/가스연질화/오일함침/내경편심을 특징으로 하여 오일함유 피스톤 핀으로 작용하는 효과를 예시한다.On the other hand, Figure 5 illustrates the effect of the piston pin 3 applied to the lightweight piston 5 acting as an oil-containing piston pin characterized by sintered material/gas softening/oil impregnation/inner diameter eccentricity.

도시된 바와 같이, 소결재는 (1) 설계적으로 요구되는 물성만 확보된다면 열팽창계수가 스틸단조와 가깝고 치수공차가 적어 가공공수가 축소되고, (2) 소결재의 특성인 기공에 엔진 오일 유입시 내마모성 향상 효과를 높이며, (3) 불순물이 적은 상태에서 Cr, Mo 등의 경화능에 좋은 합금 원소의 사용하여 핀 형상 구현을 용이하게 하여 기존의 수회 성형 공정이 불필요한 장점을 갖는다.As shown, the sintered material (1) if only the physical properties required by design are secured, the coefficient of thermal expansion is close to that of steel forging, and the dimensional tolerance is small, so the processing time is reduced, and (2) engine oil is introduced into the pores, which are the characteristics of the sintered material. It has the advantage of improving the wear resistance at the time, and (3) the use of alloying elements that are good for hardenability such as Cr and Mo in a state where there are few impurities, thereby facilitating the implementation of the fin shape, thereby eliminating the need for a conventional multiple molding process.

따라서 초기 엔진 시동시 소단부쪽은 오일공급이 원활하지 못한데 소결공법 적용시 오일함침이 가능하여 초기 윤활성을 향상시킬 수 있다. 또한, 내경편심이 적용된 형상구현은 타공법 대비 소결공법에서는 쉽게 형상구현이 가능하여 엔진 구동시 핀 자체 회전으로 윤활성을 향상시킬 수 있다.Therefore, when the engine starts, the oil supply is not smooth at the small end. When the sintering method is applied, oil impregnation is possible, thereby improving the initial lubricity. In addition, the shape implementation with the inner diameter eccentricity can be easily implemented in the sintering method compared to the perforation method, thereby improving lubricity by rotating the pin itself when the engine is driven.

이로부터 오일함유 피스톤 핀 효과를 발생하도록 소결재로 이루어진 피스톤 핀(3)은 스틸재 또는 스틸대비 높은 열팽창계수로 인해 콘로드 부시와 간극 재설정 및 내마모성 향상을 위한 표면 경화처리가 필요한 알루미늄 재질 또는 내부 수축공을 억제할 수 있는 공정이 필요하면서 스틸 대비 많은 가공량에 의한 가공공수 증가가 요구되는 주철재 대비 많은 장점이 있음이 증명된다.From this, the piston pin 3 made of sintered material to generate the oil-containing piston pin effect is made of steel or aluminum material that requires surface hardening treatment for resetting the gap and improving wear resistance due to a higher coefficient of thermal expansion than steel. It is proved that there are many advantages over cast iron materials, which require a process capable of suppressing shrinkage holes and increase the number of machining steps due to a large amount of processing compared to steel.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 경량화 피스톤(3)은 Cr/Mo 조성 Prealloy 분말을 소결재로 한 소결 성형으로 외경기준 대비 편심 내경을 형성한 소결 피스톤 핀(2)이 제조된 후, 가스 연질화 처리로 중공원통(hollow circular cylinder)의 바디에 형성된 기공에 질화물이 형성되며, 적어도 2번의 오일 함침으로 상기 기공을 오일이 메워준 오일함유 타입 피스톤 핀(3)을 적용함으로써 길이 축소의 경량화 장점과 함께 부족한 오일 유량 공급에서도 원활한 윤활작용이 이루어질 수 있고, 특히 기공 질화물 형성을 위한 가스 연질화 처리로 소결시 기공에 의한 피로강도 저하를 개선함과 더불어 기지조직 확산 저지로 조대한 기공을 해소하여 탄성계수가 높아진다.As described above, the lightweight piston 3 according to the present embodiment is a sintered piston pin 2 having an eccentric inner diameter compared to an outer diameter standard by sintering molding using a Cr/Mo composition prealloy powder as a sintered material, and then gas Nitride is formed in the pores formed in the body of a hollow circular cylinder by soft nitriding treatment, and at least two oil impregnations reduce the weight by reducing the length by applying an oil-containing type piston pin 3 filled with oil. In addition to the advantages, smooth lubrication can be achieved even in the supply of insufficient oil flow rate. In particular, the gas softening treatment for pore nitride formation improves the fatigue strength reduction caused by pores during sintering and solves the large pores by preventing the diffusion of matrix structure. The elastic modulus increases.

1 : 분말 소재 2 : 소결 피스톤 핀
3 : 피스톤 핀 5 : 피스톤
5-1 : 피스톤 바디 7 : 피스톤 링
9 : 콘로드 소단부
100 : 소결 금형 110 : 다이
130 : 코어 150-1.150-2 : 하/상단 펀치1: powder material 2: sintered piston pin
3: Piston pin 5: Piston
5-1: Piston body 7: Piston ring
9: Con rod small end
100: sintering mold 110: die
130: core 150-1.150-2: lower/top punch

Claims (19)

소결재를 이용한 소결 성형의 소결 피스톤 핀에 형성된 기공에 질화물 형성이 이루어지는 가스 연질화 처리를 수행하는 기공질화물조성공정;
이 포함되는 것을 특징으로 하는 오일함유 피스톤 핀 제조방법.
A pore nitride forming process for performing a gas softening treatment in which the nitride is formed in the pores formed on the sintered piston pin of the sinter molding using the sintered material;
Oil-containing piston pin manufacturing method characterized in that it is included.
청구항 1에 있어서, 상기 소결재는 Cr/Mo 조성 Prealloy 분말야금인 것을 특징으로 하는 오일함유 피스톤 핀 제조방법.
The method of claim 1, wherein the sintered material is a Cr/Mo composition prealloy powder metallurgy.
청구항 2에 있어서, 상기 Cr/Mo 조성 Prealloy 분말야금은 중량퍼센트(wt%)로 혼합한 C(탄소), Cr(크롬), Mo(몰리브덴), Mn(망간), S(황)와 함께 잔부 Fe를 포함하는 것을 특징으로 하는 오일함유 피스톤 핀 제조방법.
The method according to claim 2, wherein the Cr/Mo composition Prealloy powder metallurgy is mixed with C (carbon), Cr (chrome), Mo (molybdenum), Mn (manganese), and S (sulfur) mixed in weight percent (wt%). Method for manufacturing an oil-containing piston pin comprising Fe.
청구항 3에 있어서, 상기 중량퍼센트(wt%)는 잔부 Fe를 베이스로 하여 상기 C를 0.4 ~ 0.7 wt%, 상기 Cr을 1.0 ~ 3.5 wt%, 상기 Mo를 0.1 ~ 1.0 wt%, 상기 Mn을 0.3 ~ 0.6 wt%, 상기 S를 0.1 ~ 0.3 wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 오일함유 피스톤 핀 제조방법.
The method according to claim 3, The weight percent (wt%) is based on the balance Fe Characterized in that it comprises 0.4 to 0.7 wt% of the C, 1.0 to 3.5 wt% of the Cr, 0.1 to 1.0 wt% of the Mo, 0.3 to 0.6 wt% of the Mn, and 0.1 to 0.3 wt% of the S Oil-containing piston pin manufacturing method.
청구항 1에 있어서, 상기 기공질화물조성공정은, 상기 소결재를 상기 소결 피스톤 핀으로 제조하는 소재소결공정, 상기 소결 피스톤 핀을 가공한 후 상기 가스 연질화 처리를 수행하는 전처리 예비 공정으로 수행되는 것을 특징으로 하는 오일함유 피스톤 핀 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the porous nitride composition process is performed as a material sintering process for manufacturing the sintered material with the sintered piston pin, and a pretreatment preliminary process for performing the gas softening treatment after processing the sintered piston pin. Method for manufacturing an oil-containing piston pin.
청구항 5에 있어서, 상기 소재소결공정은 분말로 준비된 상기 소결재를 소결 금형에 넣어 중공을 갖는 상기 소결 피스톤 핀으로 성형하고, 상기 소결 피스톤 핀의 온도를 내려주는 소결 경화가 이루어지는 절차로 수행되는 것을 특징으로 하는 오일함유 피스톤 핀 제조방법.
The method according to claim 5, wherein the material sintering process is performed by a procedure in which the sintered piston pin having a hollow is formed by inserting the sintered material prepared as a powder into a sintering mold and sintering the pin to lower the temperature of the sintered piston pin. Method for manufacturing an oil-containing piston pin.
청구항 6에 있어서, 상기 성형은 상기 소결 피스톤 핀의 내경이 외경기준으로 편심되도록 하고, 상기 소결 피스톤 핀의 밀도 기준으로 밀도 차이를 갖는 저밀도 중앙부를 형성시켜주는 것을 특징으로 하는 오일함유 피스톤 핀 제조방법.
The method according to claim 6, wherein the molding is so that the inner diameter of the sintered piston pin is eccentric with respect to the outer diameter, and forming a low-density central portion having a density difference based on the density of the sintered piston pin. .
청구항 6에 있어서, 상기 소결경화는 냉각속도를 2.5℃/s로 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 오일함유 피스톤 핀 제조방법.
The method of claim 6, wherein the sintering hardening is achieved by setting the cooling rate to 2.5°C/s.
청구항 5에 있어서, 상기 소결 피스톤 핀의 가공은 테이퍼 형상에 이어 외경에 대한 면취 가공이 이루어지는 절차로 수행되는 것을 특징으로 하는 오일함유 피스톤 핀 제조방법.
The method of claim 5, wherein the processing of the sintered piston pin is performed by a tapered shape followed by a chamfering process for an outer diameter.
청구항 5에 있어서, 상기 전처리 예비 공정은 상기 소결 피스톤 핀을 세정(cleaning) 한 후 상기 질화물의 형성을 위해 상기 가스 연질화 처리가 수행되는 절차로 이루어지는 것을 특징으로 하는 오일함유 피스톤 핀 제조방법.
The method according to claim 5, wherein the pre-treatment pre-processing comprises a procedure in which the gas softening treatment is performed to form the nitride after cleaning the sintered piston pin.
청구항 10에 있어서, 상기 가스 연질화 처리는 상기 질화물이 상기 소결 피스톤 핀의 기공에 형성되도록 550~590℃ 온도조건에서 1~4시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 오일함유 피스톤 핀 제조방법.
The method of claim 10, wherein the gas softening treatment is performed for 1 to 4 hours at a temperature condition of 550 to 590°C so that the nitride is formed in the pores of the sintered piston pin.
청구항 1에 있어서, 상기 소결 피스톤 핀은 상기 가스 연질화 처리에 이어진 1차 오일 함침, 가공, 세정, 건조, 2차 오일 함침을 거쳐 피스톤 핀으로 완성되는 것을 특징으로 하는 오일함유 피스톤 핀 제조방법.
The method of claim 1, wherein the sintered piston pin is completed with a piston pin through primary oil impregnation, processing, cleaning, drying, and secondary oil impregnation followed by the gas softening treatment.
청구항 12에 있어서, 상기 1차 오일 함침과 상기 2차 오일 함침은 SAE(Society of Automotive Engineers) 점도 5W30 이상의 저점도 오일로 이루어지는 것을 특징으로 하는 오일함유 피스톤 핀 제조방법.
The method according to claim 12, wherein the primary oil impregnation and the secondary oil impregnation are SAE (Society of Automotive Engineers) viscosity 5W30 or more of low-viscosity oil, characterized in that the piston pin manufacturing method.
청구항 12에 있어서, 상기 가공은 상기 소결 피스톤 핀의 외경 표면에 대한 황삭, 중삭, 절삭, 슈퍼 피니싱을 순차적으로 수행하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 오일함유 피스톤 핀 제조방법.
The method of claim 12, wherein the processing is performed by sequentially performing roughing, medium cutting, cutting, and super finishing on the outer diameter surface of the sintered piston pin.
청구항 12에 있어서, 상기 가공은 상기 소결 피스톤 핀의 내경에 적용되지 않는 것을 특징으로 하는 오일함유 피스톤 핀 제조방법.
The method of claim 12, wherein the processing is not applied to the inner diameter of the sintered piston pin.
Cr/Mo 조성 Prealloy 분말을 소결재로 한 소결 성형으로 외경기준 대비 편심 내경을 형성한 소결 피스톤 핀이 제조된 후, 가스 연질화 처리로 중공원통(hollow circular cylinder)의 바디에 형성된 기공에 질화물이 형성되며, 적어도 2번의 오일 함침으로 상기 기공을 오일이 메워져 제조가 완성되는
것을 특징으로 하는 피스톤 핀.
After sintering of a Cr/Mo composition prealloy powder as a sintered material, a sintered piston pin having an eccentric inner diameter compared to an outer diameter standard is manufactured, and then nitride is deposited in the pores formed in the hollow circular cylinder body by gas softening treatment. Is formed, the pores are filled with oil by at least two oil impregnations to complete the production.
Piston pin characterized in that.
청구항 16에 있어서, 상기 Cr/Mo 조성 Prealloy 분말은 C(탄소), Cr(크롬), Mo(몰리브덴), Mn(망간), S(황)가 중량퍼센트(wt%)로 혼합되고, 상기 C는 0.4 wt%를 최소치로 하여 0.7 wt%를 최대치로 하며, 상기 Cr은 1.0 wt%를 최소치로 하여 3.5 wt%를 최대치로 하고, 상기 Mo는 0.1 wt%를 최소치로 하여 1.0 wt%를 최대치로 하며, 상기 Mn은 0.3 wt%를 최소치로 하여 0.6 wt%를 최대치로 하고, 상기 S는 0.1 wt%를 최소치로 하여 0.3wt%를 최대치로 하며, 잔부 Fe를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀.
The method according to claim 16, The Cr/Mo composition Prealloy powder is C (carbon), Cr (chrome), Mo (molybdenum), Mn (manganese), S (sulfur) is mixed in weight percent (wt%), the C Is 0.4 wt% as the minimum, 0.7 wt% is the maximum, Cr is 1.0 wt% as the minimum, 3.5 wt% is the maximum, and Mo is 0.1 wt% as the minimum, and 1.0 wt% is the maximum. And, the Mn is 0.3 wt% to the minimum, 0.6 wt% to the maximum, the S is 0.1 wt% to the minimum, 0.3 wt% to the maximum, the piston pin comprising the balance Fe.
청구항 16에 있어서, 상기 소결 피스톤 핀은 상기 내경 편심을 0.5~1mm로 하면서 전체 핀 길이 구간 중 중앙구간의 밀도를 달리하는 저밀도 중앙부가 형성된 테이퍼 핀으로 이루어지고, 상기 저밀도 중앙부를 100% 전체 체적 대비 15~35% 체적으로 하여 상기 가스 연질화 처리로 탄성계수 값이 120GPa을 넘도록 하면서 회전굽힘 값이 280MPa을 넘도록 하는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀.
The method according to claim 16, wherein the sintered piston pin is a low-density central portion that varies the density of the central section of the entire length of the pin while the eccentricity of the inner diameter is 0.5 to 1 mm. A piston made of a tapered pin formed, characterized in that the low-density center portion is 15 to 35% by volume compared to 100% of the total volume, so that the elastic modulus value exceeds 120 GPa by the gas softening treatment, and the rotational bending value exceeds 280 MPa. pin.
20mm 외경지름과 구간별 밀도차이가 있는 50mm 핀 길이를 가지면서 120GPa 탄성계수 값 및 280MPa 회전굽힘 값을 갖도록 소결재로 소결 성형되고, 질화물을 형성한 기공에 오일이 메워진 피스톤 핀;
상기 피스톤 핀이 콘로드 소단부와 결합되어 피스톤 바디의 안쪽으로 위치되고, 복수개의 피스톤 링이 상기 피스톤 바디의 외경에 끼워지는 피스톤;
이 포함되는 것을 특징으로 하는 경량화 피스톤.A piston pin sintered with a sintered material having a 20 mm outer diameter diameter and a 50 mm fin length with a difference in density for each section, and a 120 GPa elastic modulus value and a 280 MPa rotation bending value, and filled with oil in pores forming nitride;
A piston in which the piston pin is engaged with the small end of the con rod and positioned inside the piston body, and a plurality of piston rings are fitted to the outer diameter of the piston body;
Lightweight piston characterized in that it is included.
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