KR20230125078A - 피스톤 링 그루브 인서트 및 제조 방법 - Google Patents

피스톤 링 그루브 인서트 및 제조 방법 Download PDF

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KR20230125078A
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데이비드 트리커
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데이비드 크러스
앤드류 루젝
프리츠 그렌싱
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Abstract

본 발명은, 원주형 그루브를 갖는 피스톤, 및 상기 피스톤의 원주형 그루브 내의 링 그루브 인서트를 포함하는 피스톤 어셈블리에 관한 것이다. 특히, 링 그루브 인서트는 피스톤의 제1 재료와 상이한 제2 재료이다. 상기 제2 재료는, a) 제1 재료의 밀도의 90% 내지 120%의 밀도; b) 제1 재료의 열팽창 계수(CTE)의 50% 내지 90%의 CTE; 또는 c) 제1 재료의 열전도도보다 큰 열전도도 중 하나 이상을 갖는다.

Description

피스톤 링 그루브 인서트 및 제조 방법
본 발명은 내연 엔진에 사용되는 피스톤 링 그루브 인서트, 특히 피스톤과 상이한 물리적 특성을 갖는 솔리드(solid) 재료로 제조된 피스톤 링 그루브 인서트에 관한 것이다. 또한 솔리드 재료로 제조된 피스톤 링 그루브 인서트의 제조 방법이 본원에 기재되어 있다.
우선권
본 출원은 2021년 1월 8일에 출원된 미국 가특허출원 제63/135,473호와 관련되며 이에 대한 우선권을 주장하며, 이는 본원에 참고로 인용된다.
승용차의 대부분의 터보차지 또는 기타 부스트 내연 엔진은, 압축 링 그루브로서 기능하는 스틸 피스톤 링 인서트 주변에 캐스팅된 알루미늄 피스톤을 사용한다. 피스톤 링의 기능은 그루브의 조기 마모, 상부 랜드(top land)의 피로 균열을 방지하고, 그루브 내부 및 주변에서 사전-연소 이벤트(pre-combustion event)로 인한 침식을 방지하는 것이다.
스틸 링 그루브 인서트가, 강화되지 않은 알루미늄 또는 심지어 애노다이징된 알루미늄에 비해 수명과 적용을 제한하는 마모, 침식 및 피로 문제에 대해 충분한 내성을 나타내지만, 피스톤의 링 그루브 인서트는 많은 단점을 나타낸다. 스틸은 알루미늄보다 밀도가 높기 때문에, 스틸 인서트는 피스톤에 왕복 질량을 추가하여 엔진 효율을 감소시키고 연료 소비를 증가시킨다. 알루미늄에 비해, 스틸 링 그루브 인서트는 열전도도가 매우 낮기 때문에 열원(연소실)에서 피스톤 링을 거쳐 엔진 블록과 오일-냉각식 피스톤 언더크라운(undercrown)까지 열 전도 경로에 직접 배치되는 열 장벽 역할을 한다. 또한 스틸의 열팽창 계수(CTE)는 일반적으로 알루미늄의 절반이다. 따라서, 피스톤이 가열되면 알루미늄이 스틸 인서트보다 빠르게 팽창하여 인서트와 피스톤 사이의 결합에 응력을 가해 망실을 일으킬 수 있다.
본 명세서에 기재된 바와 같이, 피스톤 형성 온도에서 인서트가 변형되거나 용융되지 않고 인서트 주변에서 캐스팅 또는 단조 또는 기타 기술에 의해 피스톤이 생성될 수 있게 하는 금속 매트릭스 복합체(MMC)로 제조된 링 그루브 인서트를 제조하기 위한 처리 방법이 기재된다. 이 공정은, 금속 매트릭스에 분산된 복수의 세라믹 입자를 갖는 링 그루브 인서트 재료에 대한 특별한 용도를 발견하며, 상기 인서트 재료는 예비형성된 솔리드이다. 세라믹 입자는 처리 온도에서 용융되거나 변형되지 않아 피스톤 어셈블리를 제조하고 작동 온도에서 긴 수명을 제공한다.
본 명세서에 기술된 바와 같은 링 그루브 인서트는 피스톤 어셈블리에 적합한 밀도, CTE, 열전도도 및 마모 내성과 같은 맞춤 특성을 제공한다. 그루브로부터 피스톤 링으로 또는 오일-냉각식 언더크라운으로의 우수한 열 소산을 위해 높은 열전도도를 가지면서, 개선된 엔진 효율을 위해 전체 피스톤에 질량을 추가하지 않고 피스톤과 인서트 사이의 결합을 개선하기 위해 피스톤 재료에 밀접하게 매칭되는 CTE를 갖는 예비형성된 솔리드 인서트 재료를 갖는 피스톤을 제조할 수 있는 것이 바람직할 것이다.
일 측면에서, 원주형 그루브를 갖는 피스톤, 및 상기 피스톤의 원주형 그루브 내의 링 그루브 인서트를 포함하는 피스톤 어셈블리가 제공된다. 링 그루브 인서트는 바람직하게는 외부 표면 및 내부 표면을 갖는다. 링 그루브 인서트는 피스톤의 제1 재료와 상이한 제2 재료이고, 상기 제2 재료는
a) 제1 재료의 밀도의 90% 내지 120%의 밀도;
b) 제1 재료의 열팽창 계수(CTE)의 50% 내지 90%의 CTE; 또는
c) 제1 재료의 열전도도보다 큰 열전도도
중 하나 이상을 갖는다.
피스톤의 제1 재료는 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금 또는 이들의 조합일 수 있다. 일부 실시양태에서, 피스톤은 규소, 구리, 망간, 마그네슘, 철, 아연, 니켈, 스칸듐, 리튬, 티타늄, 지르코늄 또는 주석의 하나 이상의 합금 원소를 포함하는 알루미늄 합금이다. 알루미늄 합금은 제2 재료와 상이한 용융 온도를 가질 수 있고, 그 차이는 특히 20℃ 내지 80℃이다.
바람직하게는 링 그루브 인서트는 제1 재료의 용융 온도 초과에서, 예컨대 725℃ 또는 더 바람직하게는 1000℃의 온도까지 치수 형상을 유지하는 제2 재료이다. 일부 실시양태에서, 제2 재료는 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 또는 이들의 조합의 매트릭스, 및 제2 재료의 총 부피를 기준으로 5 부피% 내지 60 부피%의, 매트릭스 내에 분산된 강화 입자를 포함하는 금속 매트릭스 복합체(MMC)일 수 있다. 일부 실시양태에서, 매트릭스는 88 중량% 초과의 알루미늄의 알루미늄 합금이다.
제2 재료를 포함하는 링 그루브 인서트는 매트릭스의 경도보다 큰 경도를 갖는 강화 입자를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 강화 입자는 8 초과의 경도를 갖고, 매트릭스는 4 미만의 경도를 갖거나, 강화 입자는 9 내지 10의 경도를 갖고 매트릭스는 2 내지 3의 경도를 가지며, 여기서 경도는 모스 경도 스케일에 따라 측정된다. 강화 입자는 하나 이상의 복수의 세라믹 입자를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 강화 입자는 탄화물, 산화물, 규화물, 붕화물, 질화물, 또는 이들의 조합을 포함한다. 상기 하나 이상의 복수의 강화 입자는 바람직하게는 탄화규소, 탄화붕소, 탄화티타늄, 붕화규소, 질화알루미늄, 질화규소, 질화티타늄, 알루미나, 또는 이들의 조합을 포함한다. 강화 입자의 평균 입자 직경은 0.01㎛ 내지 10㎛일 수 있다.
링 그루브 인서트 재료는, 제2 재료의 총 부피를 기준으로 5 부피% 내지 60 부피%의 강화 입자, 또는 바람직하게는 제2 재료의 총 부피를 기준으로 15 부피% 내지 50 부피%의 강화 입자, 또는 보다 바람직하게는 제2 재료의 총 부피를 기준으로 15 부피% 내지 30 부피%의 강화 입자를 포함하는 MMC일 수 있다.
링 그루브 인서트 재료는 2.5g/cm3 내지 3.0g/cm3의 밀도를 가질 수 있다. 링 그루브 인서트 재료는 140 내지 170W/m°K의 열전도도를 가질 수 있다. 링 그루브 인서트 재료는 15ppm/℃ 내지 25ppm/℃의 열팽창 계수를 가질 수 있다. 링 그루브 인서트 재료는 0.5% 이하의 공극률을 가질 수 있다. 바람직하게는, 링 그루브 인서트 재료는 전술한 것의 임의의 조합 또는 전부를 갖는다.
일 측면에서, 예비형성된 링 그루브 인서트가 제공된다. 링 그루브 인서트는
2.5g/cm3 내지 3.0g/cm3의 밀도,
140 내지 170W/m°K의 열전도도,
15ppm/℃ 내지 25ppm/℃의 CTE, 및
0.5% 이하의 공극률
을 갖는 예비형성된 솔리드일 수 있고,
상기 인서트는, 5 부피% 내지 60 부피%의, 금속 매트릭스 내의 복수의 세라믹 입자를 포함한다. 예비형성된 솔리드 링 그루브 인서트는 0.01㎛ 내지 10㎛의 평균 입자 크기 분포(D50)를 갖는 복수의 세라믹 입자를 포함할 수 있다. 예비형성된 링 그루브 인서트는 100 mm2/mm3 내지 1000 mm2/mm3의 내부 표면적을 갖는 복수의 세라믹 입자를 포함할 수 있다.
링 그루브 인서트 재료는, 강화 입자의 제2 부피 분율의 표면적에 대한 또 다른 알루미늄 합금 매트릭스의 제1 부피 분율의 표면적에 의해 측정 시 이의 치수 형상을 유지할 수 있다. 링 그루브 인서트의 내부 표면은 0.4㎛ 이상의 표면 조도(Ra)를 가질 수 있다. 링 그루브 인서트의 내부 표면은 0.4㎛ 이상의 표면 조도(Ra)를 가질 수 있다. 링 그루브 인서트의 일부가 피스톤의 상부 랜드로 연장될 수 있다. 최상부 하나 이상의 그루브의 상부로부터 피스톤의 상부까지 측정한 거리는 기준 스틸 인서트에 비해 적어도 10%만큼 감소된다.
피스톤 어셈블리는 링 그루브 인서트의 내부 표면과 피스톤 사이의 계면 영역을 포함할 수 있다. 계면 영역은 하나 이상의 금속간 2차 상을 포함할 수 있다. 계면 영역은 피스톤의 제1 재료와 링 그루브 인서트의 제2 재료를 분리하는 확산 제어 코팅을 포함할 수 있다. 계면 영역은 알루미늄, 구리, 니켈, 아연 또는 이들의 조합의 코팅을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 계면 영역은 알루미늄, 구리, 니켈, 아연 또는 이들의 조합을 포함하는 하나 이상의 금속간 2차 상을 포함한다. 계면 영역은 피스톤의 제1 알루미늄 합금으로부터 이동하는 구리, 망간, 마그네슘, 철, 아연 또는 니켈 중 하나 이상의 합금 원소가 풍부할 수 있고, 특히 계면 영역은 마그네슘 및 니켈 중 하나 이상이 풍부할 수 있다. 링 그루브 인서트 재료는, 알루미늄 합금, 및 5 부피% 내지 60 부피%의 강화 입자를 포함하는 MMC일 수 있으며, 계면 영역은 1/500 이하의 매트릭스 상에 대한 강화 입자의 비율을 갖는다. 계면 영역은 5% 이하의 공극률을 가질 수 있다.
또 다른 측면에서, 링 그루브 인서트를 제공하는 단계, 및 금속 또는 금속 합금의 고상선 온도 이상에서 링 그루브 인서트 주변에 금속 또는 금속 합금을 다이 캐스팅하여 캐스팅된 피스톤 어셈블리를 형성하는 단계를 포함하는 피스톤 어셈블리의 제조 방법이 제공된다. 링 그루브 인서트는
2.5g/cm3 내지 3.0g/cm3의 밀도,
140 내지 170W/m°K의 열전도도,
15ppm/℃ 내지 25ppm/℃의 CTE, 및
0.5% 이하의 공극률
을 갖는 예비형성된 솔리드일 수 있다.
상기 방법은 다이 캐스팅 전에 링 그루브 인서트를 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은, 다이 캐스팅 전에 링 그루브 인서트의 표면적을 증가시키는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은, 다이 캐스팅 후 캐스팅된 피스톤 어셈블리를 열처리, 켄칭 및 에이징하는 것들 중 적어도 하나를 추가로 포함할 수 있다. 상기 방법은, 링 그루브 인서트에, 피스톤 링을 수용하기 위한 하나 이상의 링 그루브를 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또 다른 측면에서, 피스톤 실린더 및 상기 피스톤 실린더 내의 피스톤 어셈블리를 포함하는 내연 엔진이 제공된다. 피스톤 어셈블리는, 원주형 그루브, 및 피스톤의 원주형 그루브 내의 링 그루브 인서트를 갖는 피스톤을 포함할 수 있다. 링 그루브 인서트는 외부 표면과 내부 표면을 가질 수 있다. 링 그루브 인서트는 피스톤의 제1 재료와 상이한 제2 재료일 수 있다. 제2 재료는
a) 제1 재료의 밀도의 90% 내지 120%의 밀도;
b) 제1 재료의 열팽창 계수(CTE)의 50% 내지 90%의 CTE; 또는
c) 제1 재료의 열전도도보다 큰 열전도도
중 하나 이상을 갖는다.
내연 엔진은, 링 그루브 인서트의 외부 표면으로부터 반경 방향으로 안쪽으로 연장되는 또 다른 원주형 그루브에서 피스톤 어셈블리와 피스톤 실린더 사이에 배치된 하나 이상의 피스톤 링을 포함할 수 있다. 링 그루브 인서트는 비교 스틸 링 그루브 인서트에 비해 2.5%의 중량 감소를 제공하여 내연 엔진에서 적어도 2.3kg CO2/리터 휘발유의 CO2 감소를 가져올 수 있다. 상기 엔진은 연소 압력 및/또는 엔진 효율의 감소 없이 탄화수소, 아산화질소 및 탄소 산화물 배출을 감소시킬 수 있다. CO2 배출은 기준 스틸 인서트에 비해 적어도 10% 감소될 수 있다.
또 다른 측면에서, 전술한 바와 같은 내연 엔진을 포함하는 차량이 제공된다. 본 발명의 이들 및 다른 비제한적 특징은 하기에 보다 구체적으로 개시된다.
다음은 도면에 대한 간략한 설명이며, 이는 본 명세서에 개시된 예시적인 실시예를 설명하기 위한 목적으로 제공되며 이를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일부 실시양태에 따른 예시적인 차량을 예시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일부 실시양태에 따라 생성된 피스톤 어셈블리의 예시이다.
도 3a는 본 발명의 일부 실시양태에 따른 피스톤 어셈블리용 피스톤의 예시이다.
도 3b는 본 발명의 일부 실시양태에 따른 피스톤 어셈블리용 링 그루브 인서트의 도면이다.
도 3c는 본 발명의 일부 실시양태에 따라 생성된 인서트 주변에 캐스팅된 피스톤을 포함하는 피스톤 어셈블리의 도면이다.
도 3d는 본 발명의 일부 실시양태에 따라 생성된 인서트 주변에 캐스팅된 피스톤을 포함하는 피스톤 어셈블리의 또 다른 도면이다.
도 3e는 본 발명의 일부 실시양태에 따라 생성된 인서트 주변에 캐스팅된 피스톤을 포함하는 피스톤 어셈블리의 또 다른 도면이다.
도 4는 본 발명의 일부 실시양태에 따라 생성된 피스톤 어셈블리의 계면 영역의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 5a는 본 발명의 일부 실시양태에 따라 생성된, 피스톤과 인서트 사이에 구리 층을 포함하는 피스톤 어셈블리의 계면 영역의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 5b는 본 발명의 일부 실시양태에 따라 생성된, 피스톤과 인서트 사이에 니켈/구리 층을 포함하는 피스톤 어셈블리의 계면 영역의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 6은 피스톤과 링 그루브 인서트 사이에 니켈/구리 층을 포함하고, 본 발명의 일부 실시양태에 따라 후속적으로 열처리되는 피스톤 어셈블리의 계면 영역의 주사 전자 현미경 사진이다.
도 7a는 본 발명의 일부 실시양태에 따라 생성된 인서트를 포함하는 다양한 재료에 대한 최종 접촉 압력(psi)의 함수로서 링 고유 마모율(ring specific wear rate)(k)(1/psi)을 나타내는 플롯이다.
도 7b는 본 발명의 일부 실시양태에 따라 생성된 인서트를 포함하는 다양한 재료에 대한 하중(lbf)의 함수로서 링 고유 마모율(k)(1/psi)을 나타내는 플롯이다.
도 8a는 본 발명의 일부 실시양태에 따라 제조된 인서트를 포함하는 다양한 재료에 대한 ASTM G99에 따른 20N, 35N 및 50N에서의 디스크 손실 대 스틸 핀 데이터를 나타내는 플롯이다.
도 8b는 본 발명의 일부 실시양태에 따라 생성된 인서트를 포함하는 다양한 재료에 대한 20N, 35N 및 50N에서의 디스크 손실 대 스틸 핀 데이터를 나타내는 또 다른 플롯이다.
도 9는 본 발명의 일부 실시양태에 따라 제조된 인서트를 포함하는 다양한 재료에 대한 20N, 35N 및 50N에서의 디스크에 대한 (마모 커플의 측면에 의한) 조합된 스틸 핀 손실 및 디스크 손실을 나타내는 플롯이다.
도 10a는, 본 발명의 일부 실시양태에 따라 0.1㎛ 내지 50㎛의 평균 입자 크기 분포를 갖는 세라믹 입자용 인서트 재료의 매트릭스 내의 세라믹 입자의 부피 분율(10 부피% 내지 50 부피%)의 함수로서 MMC 인서트 재료의 매트릭스의 내부 표면적(mm2/mm3)을 나타내는 플롯이다.
도 10b는, 본 발명의 일부 실시양태에 따라 1.0㎛ 내지 10㎛의 평균 입자 크기 분포를 갖는 세라믹 입자를 사용한 10 부피% 내지 30 부피%의 세라믹 입자의 부피 분율의 함수로서 MMC 인서트 재료의 매트릭스의 내부 표면적(mm2/mm3)의 바람직한 영역을 나타내는 플롯이다.
본 명세서에 개시된 구성요소, 공정 및 장치에 대한 보다 완전한 이해는 첨부된 도면을 참조하여 수득할 수 있다. 이들 도면은 편의상 본 발명을 설명하는 용이성에 기초한 개략적인 표현일 뿐이며, 따라서 장치 또는 이의 구성요소의 상대적인 크기 및 치수를 나타내거나 예시적인 실시양태의 범위를 정의하거나 제한하려는 의도가 아니다.
명확성을 위해 다음 설명에서 특정 용어가 사용되었지만, 이러한 용어는 도면에서 예시를 위해 선택된 실시양태의 특정 구조만을 지칭하기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 정의하거나 제한하려는 것은 아니다. 도면 및 하기 설명에서, 유사한 숫자 지정은 유사한 기능의 구성요소를 지시함을 이해해야 한다. 단수 형태 표현은 문맥상 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수 지시대상을 포함한다.
명세서 및 청구범위에서 사용된 용어 "포함하는"은 "이루어진" 및 "본질적으로 이루어진" 실시양태를 포함할 수 있다. 본원에 사용된 용어 "포함하다", "비롯하다", "갖는", "갖다", "할 수 있다", "함유하다" 및 이들의 변형어는, 명명된 성분/구성요소/단계의 존재를 요구하고, 다른 성분/구성요소/단계의 존재를 허용하는 개방-말단형 전환 문구, 용어 또는 단어인 것으로 의도된다. 그러나, 그러한 설명은 열거된 성분/구성요소/단계의 "이루어지는" 및 "본질적으로 이루어지는" 조성물, 물품 또는 공정을 기술하는 것으로 해석되어야 하며, 이는 이들로부터 생성될 수 있는 임의의 불순물과 함께 명명된 성분/구성요소/단계의 존재만을 허용하고, 다른 성분/구성요소/단계는 배제한다.
본 출원의 명세서 및 특허청구범위에 기재된 수치 값은, 동일 유효숫자로 줄였을 때 동일한 수치 값, 및 그 값을 결정하기 위해 본 출원에 기술된 유형의 통상의 측정 기술의 실험 오차 미만으로 언급된 수치 값과 차이가 나는 수치 값을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본원에 개시된 모든 범위는, 인용된 종점을 포함하고, 독립적으로 조합가능하다(예를 들어, "2 그램 내지 10 그램"의 범위는 종점 2 그램 또는 10 그램 및 모든 중간 값을 포함한다).
물질이 평균 입자 크기 또는 평균 입자 크기 분포를 갖는 것으로 기재될 때, 이는 총 입자 수의 50%(부피 기준)의 누적 퍼센트가 달성되는 입자 직경으로 정의된다. 즉, 입자의 50%는 평균 입자 크기보다 큰 직경을 갖고, 입자의 50%는 평균 입자 크기보다 작은 직경을 갖는다. 입자의 크기 분포는 명시된 평균 입자 크기의 25% 및 75%에 있는 상위 및 하위 사분위수를 갖는 가우스 분포이며 모든 입자는 명시된 평균 입자 크기의 150% 미만이다.
본 명세서에 기술된 공정 단계는 온도를 지칭하며, 제공되지 않는 한, 이는 열원(예를 들어, 노, 오븐)이 설정되는 온도가 아니라 참조되는 재료에 의해 달성되는 온도를 지칭한다. "실온"이라는 용어는 20℃ 내지 25℃(68℉ 내지 77℉)의 범위를 나타낸다.
내연 엔진
본 명세서에 기술된 바와 같은 피스톤 어셈블리는 차량용 내연 엔진에 사용하기에 적합하다. 본 명세서에 기재된 링 그루브 인서트를 제공함으로써, 피스톤 어셈블리의 전체 질량은 알루미늄 피스톤/스틸 인서트 어셈블리에 비해 감소된다. 링 그루브 인서트를 피스톤 어셈블리에 통합함으로써 발생하는 효율성 효과는, 추가 재료 비용을 능가하는 동시에 CO2 배출을 줄여 환경에 이점을 제공한다. 진동 질량이 추정 15% 감소하면 연료 소비가 1.6 - 2.6리터/100km만큼 감소한다(Schwaderlapp, et. al., "Friction Reduction - the Engine's Mechanical Contribution to Saving Fuel"; Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress, Paper No. F2000A165, pp. 1-8, June 12-15, 2000, Seoul, Korea.). '인서트 A'는 예시 목적으로 본 명세서에 기술된 바와 같이 피스톤 어셈블리용 링 그루브 인서트의 대표적인 것으로 지칭될 것이다. 인서트 A에 대한 질량 감소 계산 예시는 차량당 76유로의 벌금 감소로 해석된다(2.3리터 EcoBoost를 계산 기준선으로 사용). 계산은 1082g의 실린더당 왕복 질량을 기준으로 한다. 인서트 'A'는 스틸 인서트보다 27g 가벼워 2.5%의 질량 감소를 가져온다. 2.5% 질량 감소는, 기준 범위 1.6 - 2.6 리터/100 km의 평균으로서 2.1 l/100 km를 사용하여 2.1 l/100 km의 1/6 = -0.35 l/100 km를 제공한다. 그러면, CO2 감소는 -0.35 l/100 km 또는 -0.8g/km(2.3kg C02/리터 휘발유)이다. 따라서 벌금의 감소는 0.8g/km X €95/g CO2/km이며, 이는 차량당 €76에 해당한다. 예비형성된 솔리드 인서트인, 인서트 A와 같은 인서트는 현재의 제조 공정에서 스틸 인서트를 용이하게 대체할 수 있고, 추가로, 전술된 바와 같이 환경적 및 비용 이점을 제공한다.
도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 차량(100)은, 차량을 이동시키기 위한 다른 구성요소들 중에서, 엔진(150), 구동 트레인(110) 및 휠(120)을 포함한다. 엔진(150)은 내연 엔진이거나 이를 포함할 수 있다. 내연 엔진은 피스톤이 아래로 움직이도록 강제하는 연소 가스와 함께 피스톤 실린더 내에서 발생하는 연소를 포함한다. 엔진(150)은 전술한 인서트 A와 같은 인서트를 포함하는 본 명세서에 기술된 바와 같은 피스톤 어셈블리를 포함한다.
도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 열의 인가로 인한 내연 엔진(200) 내의 가스의 팽창은 가스를 강제로 압축하고, 피스톤(220)의 헤드(또는 상부)에 대해 작용하여 피스톤이 실린더(210) 내에서 아래로 이동하게 한다. 피스톤은 위아래로 이동가능하여 크랭크샤프트(275)에 연결된 연결 로드(265)를 통해 원형 이동을 생성한다. 본 명세서의 실시양태에 따르면 피스톤 실린더 내의 피스톤 어셈블리(250)는 적어도 하나의 원주형 그루브(230)을 갖는 피스톤(220)을 포함한다. 본 명세서에 기술된 실시양태에서, 적어도 하나의 원주형 그루브(230)를 포함하는 피스톤(220)은 피스톤 원주형 그루브(230) 내에 링 그루브 인서트(도 3a에 도시된 바와 같음)를 추가로 포함한다. 당업자에게 이해되는 바와 같이, 용어 링 그루브 인서트(또는 단순히 인서트)는, 캐리어 또는 링 그루브 캐리어로서 또한 상호교환적으로 언급될 수 있다.
일부 실시양태에서, 링 그루브 인서트는 유리한 중량 감소를 제공한다. 예를 들어, 피스톤의 제1 재료와 상이한 제2 재료로 제조된 링 그루브 인서트는 비교용 스틸 링 그루브 인서트에 비해 내연 엔진에 2.5%의 중량 감소를 제공하여 적어도 2.3kg CO2/리터 휘발유의 CO2 감소를 제공한다.
링 그루브 인서트가 캐스팅된 철과 같은 종래에 사용되는 재료보다 열전도도가 3배 내지 6배 더 크기 때문에 전체 피스톤 온도는 더 낮을 것이다. 이는 최상부 피스톤 링에서 실린더 벽으로의 열 전달을 촉진한다.
본 명세서에 기술된 바와 같은 피스톤 링 인서트를 사용함으로써 제공되는 상당히 더 차가운 피스톤 크라운은 압축비를 증가시키고/시키거나 효율 이익을 생성하고, 완전한 압축을 허용함으로써 노킹을 방지하거나 감소시킨다.
일부 실시양태에서, 내연 엔진은 링 그루브 인서트의 마모 내성이 피스톤 어셈블리의 피스톤 재료의 마모 내성보다 크다는 것을 입증한다. 링 그루브 인서트의 마모 내성도 캐스팅된 철과 같거나 크다.
일부 실시양태에서, 내연 엔진은 연소 압력 및/또는 엔진 효율을 감소시키지 않으면서 탄화수소, 아산화질소 및 탄소 산화물 방출의 감소를 입증한다. 본 명세서의 실시양태는, 링 그루브 인서트를 피스톤의 상부까지 더 높게 상승시킨다. 이는, 인서트의 높은 열전도도를 포함하여 향상된 냉각 특성으로 인해 피스톤 링의 상부와 피스톤 상부 랜드 사이의 거리를 감소시킨다. 피스톤 링과 피스톤 상부 사이의 거리가 감소되어 틈새(crevice) 부피가 줄어들고 탄화수소 배출이 감소하며 엔진 효율이 높아진다. 이어서, 엔진 설계에 따라 압축비가 낮아질 수도 있다.
피스톤 어셈블리 구성
도 2에 도시된 내연 엔진용 피스톤 실린더 내에 제공하기 위한 피스톤 어셈블리(350)는 도 3a-3c에 단면도로 도시되어 있다. 피스톤(320)은 도 3a에 도시된 바와 같이 헤드(325) 또는 상부 랜드 부분을 갖는다. 피스톤(320)의 피스톤 헤드(325) 내에는 원주형 그루브(330)이 있다. 링 그루브 인서트(360)는 피스톤 헤드(325)의 원주형 그루브(330) 내에 배치된다. 도 3b는 내부 표면(370) 및 외부 표면(380)을 갖는다. 외부 표면(380)은 도 3c에 도시된 바와 같이 피스톤(320)의 원주형 외부 표면(340)과 동일 평면이다. 외부 표면(380)은 피스톤 링(미도시)을 운반하기 위한 원주형 그루브(390)을 제공하기 위해 링 그루브 인서트의 외부 표면(380)으로부터 반경 방향으로 안쪽으로 연장되는 또 다른 원주형 그루브를 추가로 포함한다. 링 그루브 인서트(360)의 내부 표면(370)은 예를 들어 도시된 바와 같이 (370A) 및 (370B)를 포함하는 하나 이상의 표면을 포함한다. 링 그루브 인서트(360)의 내부 표면(370)은 모놀리스(monolithic) 피스톤 어셈블리를 만들기 위해 피스톤 내에서 처리하기에 적합한 임의의 형상일 수 있다. 내부 표면(370)은 원형, 챔퍼형(chamfered), 사인파형, 또는 부채꼴형 표면을 포함할 수 있다. 내부 표면의 특징부는 링 그루브 인서트(360)로 기계 가공, 스탬핑 또는 압인될 수 있다. 바람직하게는 내부 표면(370)과 원주형 그루브(330) 사이에 갭 및 공극률이 없다. 내부 표면(370)은 본원에서, 원주형 그루브(330)와 커플링되거나 다르게는 매칭되는 표면으로 정의된다. 원주형 그루브(330)는 내부 표면(370) 주변을 형성하고 내부 표면(370)을 수용하기 위해 원형, 챔퍼형, 사인파형, 부채꼴형과 같은 상보적인 형상을 포함할 수 있다. 내부 표면(370)은 코팅 없이 직접적으로 또는 코팅으로 간접적으로 원주형 그루브(330)에 결합된다. 일부 실시양태에서, 이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 계면 영역이 내부 표면(370)과 원주형 그루브(330) 사이에 배치된다. 피스톤 링(305)은 피스톤(320)과 피스톤 실린더 벽(310) 사이의 링 그루브 인서트(360)의 원주형 그루브(390) 내에 배치된다. 거리 D는 피스톤 링(305)의 상부와 피스톤(320)의 상부 사이 또는 그루브(390)의 지점(345)과 피스톤(320)의 상부 사이의 거리로 정의된다. 거리 D를 포함하는 피스톤(320)과 실린더 벽(310) 사이의 원주형 부피는 틈새 부피로 정의된다. 인서트(360)는 틈새 부피가 최소화되도록 인서트(360)로써 거리 D가 최소화되도록 한다. 거리 D는 상부 랜드 길이로도 지칭될 수 있다. 일부 실시양태에서, 거리 D는 통상의 스틸 인서트에 비해 10% 이상, 20% 이상, 30% 이상, 또는 40% 이상 만큼 감소된다.
도 3c에 도시된 바와 같은 피스톤 어셈블리의 구성에 더하여, 본원에서 고려되는 피스톤 어셈블리는 하나 초과의 링 그루브 인서트 및/또는 인서트의 외부 표면(예: 도 3b 및 도 3c의 링 그루브 인서트의 표면(380))으로부터 안쪽으로 연장되는 하나 이상의 원주형 그루브를 포함할 수 있다. 즉, 본 명세서에 기술된 바와 같은 피스톤 어셈블리는 하나 이상의 피스톤 링을 수용하도록 구성될 수 있다. 도 3d는 인서트(460) 주변에 캐스팅된 피스톤(420)을 갖는 피스톤 어셈블리(450)를 도시한다. 인서트(460)는, 추가 처리, 예를 들어, 인서트(460)의 외부 표면을 피스톤(420)의 외부 표면과 동일 평면이 되도록 기계 가공하기 위한 처리 전 및 그루브(예: 도 3c의 그루브(390))가 피스톤 어셈블리(450)의 인서트 부분으로 기계 가공되기 전에 도시된다. 도 3e는 인서트(560) 주변에 단조된 피스톤(520)을 갖는 피스톤 어셈블리(550)를 도시한다. 인서트(560)는 추가 처리, 예를 들어 인서트(560)의 외부 표면에 하나 이상의 그루브를 기계 가공하기 전에 도시된다.
일부 실시양태에서, 링 그루브 인서트의 일부가 피스톤 헤드의 상부 랜드로 연장되거나 피스톤 링이 피스톤 크라운(피스톤 헤드의 상부에서)에 더 가깝게 이동되어 도 3c에서와 같이 거리 D를 감소시킬 수 있고, 따라서, 틈새 부피를 감소시키고 조기-점화 경향을 감소시킨다. 구성에는 더 짧은 피스톤 및/또는 더 긴 연결 로드가 포함될 수 있다. 더 짧은 피스톤은 엔진의 왕복 질량을 감소시키고 더 긴 연결 로드는 라이너에 대해 피스톤을 밀어내는 방사형 힘으로 인한 마찰 손실을 감소시킨다. 부피 및 조기-점화 경향을 둘다 감소시키는 것은 엔진 효율을 증가시킨다.
본 명세서에 기술된 피스톤 어셈블리에 적합한 피스톤 링은 압축 링 또는 상업적으로 이용 가능한 임의의 피스톤 링을 제조하는 데 사용되는 종래의 철계 재료를 포함할 수 있다. 가장 일반적인 피스톤 링 재료는, 일반적으로 CrN, 경질 크롬, DLC 또는 다른 저마찰 마모 내성 코팅으로 코팅된 크롬(스테인리스) 스틸이다. 피스톤 링은 크롬(스테인리스) 스틸에 사용되는 것과 유사한 코팅으로 코팅된 캐스팅된 철로도 제조될 수 있다. 피스톤 링은 열전도도가 높고 피스톤 그루브 링 인서트에 대한 마찰 계수가 낮은 재료로 제조될 수 있다. 비제한적인 예에서, 피스톤 압축 링은 구리, 니켈, 규소 및 크롬을 포함하는 구리 함유 합금으로 제조된다. 이러한 구리 합금은 압축 링을 만드는 데 사용되는 기존의 철계 재료에 비해 수 배의 열전도도를 가질 수 있다. 구리-니켈-규소-크롬 함유 합금은 다른 고전도도 합금보다 피스톤 작동 온도에서 강도가 더 높다. 이 합금은 또한 압축 링에 필요한 응력 완화 내성과 마모 내성을 가지고 있다. 피스톤 링은 양호한 밀봉을 위해 그루브(예를 들어, 도 3a 및 3c의 그루브(390))에 피팅되도록 사이징된다. 링의 크기는 엔진 크기에 따라 다르다. 링은 1000밀리미터 이상과 같이 큰 내부 직경(즉, 보어)을 가질 수 있다고 고려된다.
더 높은 열 전도도를 갖는 피스톤 링 재료를 사용함으로써, 열은 피스톤 링을 통해 링 그루브로부터 실린더 라이너로 보다 신속하게 전달될 것이다. 링 그루브의 보다 낮은 온도는 그루브에서 피스톤 재료의 항복 강도를 증가시키고, 피로 강도도 증가시킨다. 열전도도가 더 높은 링 재료를 사용하면 과도한 그루브 마모 위험 없이 상부 링 그루브를 피스톤 크라운에 더 가깝게 배치할 수 있다.
피스톤 어셈블리 재료
본 명세서에 기술된 피스톤 어셈블리는 피스톤 및 링 그루브 인서트를 포함하며, 여기서 2개의 구성요소는 서로 다른 재료이지만 도 3d 및 도 3e의 예에 도시된 바와 같이 모놀리스 유닛을 제공하도록 함께 결합된다. 일부 실시양태에서, 피스톤은 제1 재료이고, 링 그루브 인서트는 제2 재료이다. 제2 재료 또는 인서트 재료는 피스톤 헤드의 제1 재료와 상이하다. 링 그루브 인서트의 제2 재료는 후술되는 다양한 방법 중 어느 하나에 의해 피스톤과 통합되기 전에 예비형성되는 조밀한 솔리드 재료일 수 있다.
피스톤 재료는 피스톤에 적합한 임의의 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 피스톤은 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금 또는 이들의 조합이다. 바람직하게는, 피스톤 재료는 알루미늄 합금이고 규소, 구리, 망간, 마그네슘, 철, 아연, 니켈, 스칸듐, 리튬, 티타늄, 지르코늄 또는 주석을 포함하는 하나 이상의 합금 원소를 포함할 수 있다.
피스톤 재료의 알루미늄 합금은 82 중량% 초과의 알루미늄일 수 있다. 피스톤에 사용되는 알루미늄 합금은 2000 시리즈 알루미늄 합금(즉, 구리와 합금화된 알루미늄), 6000 시리즈 알루미늄 합금(즉, 마그네슘 및 규소와 합금화된 알루미늄), 또는 7000 시리즈 알루미늄 합금(즉, 아연과 합금화된 알루미늄)을 포함할 수 있다. 적합한 알루미늄 합금의 비제한적 예는 2124 및 2168을 포함한다.
일부 실시양태에서, 피스톤 재료의 알루미늄 합금은 93.5 중량% 알루미늄, 4.4 중량% 구리, 1.5 중량% 마그네슘 및 0.6 중량% 망간을 포함하는 2124 합금이다.
다른 실시양태에서, 피스톤 재료의 알루미늄 합금은 82.5 중량% 내지 86.3 중량% 알루미늄, 11.0 중량% 내지 13.0 중량% 규소, 0.7 중량% 내지 2.5 중량% 니켈, 0.7 중량% 내지 2.5 중량%의 마그네슘 및 0.7 중량% 내지 2.5 중량%의 구리를 포함하는 합금이다. 바람직한 실시양태에서, 피스톤 재료는 11.0 중량% 내지 13.0 중량% 규소, 0.7 중량% 내지 2.5 중량% 니켈, 1.0 중량% 마그네슘, 1.0 중량% 구리 및 잔부 알루미늄으로 이루어진 알루미늄 합금이다. 일부 실시양태에서, 피스톤 재료는 12.6 중량% 규소를 포함하는 알루미늄 합금이다.
또 다른 실시양태에서, 피스톤 재료의 알루미늄 합금은 92.6 중량% 내지 94.9 중량% 알루미늄, 0.10 중량% 내지 0.25 중량% 규소, 0.9 중량% 내지 1.3 중량% 철, 1.9 중량% 내지 2.7 중량% 구리, 1.3 중량% 내지 1.8 중량% 마그네슘, 0.9 중량% 내지 1.2 중량% 니켈, 0.04 중량% 내지 0.10 중량% 티타늄, 및 임의적으로 최대 0.10 중량% 아연을 포함하는 2618 합금이다. 바람직한 실시양태에서, 피스톤 재료는 0.10 중량% 내지 0.25 중량% 규소, 0.9 중량% 내지 1.3 중량% 철, 1.9 중량% 내지 2.7 중량% 구리, 1.3 중량% 내지 1.8 중량% 마그네슘, 0.9 중량% 내지 1.2 중량% 니켈, 0.04 중량% 내지 0.10 중량% 티타늄, 임의적으로 최대 0.10 중량% 아연, 및 잔부 알루미늄으로 이루어진 알루미늄 함급이다.
제1 재료를 포함하는, 도 3c의 피스톤(320)과 같은 본 명세서에 기술된 바와 같은 피스톤은 제1 밀도(ρ1), 제1 열팽창(CTE1) 및 제1 열전도도(TC1)를 특징으로 한다.
인서트 재료는 피스톤의 제1 재료와 상이한 제2 재료로 제조된다. 일부 실시양태에서, 인서트 재료는 금속 매트릭스 복합체(MMC)이다. 금속 매트릭스는 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, 티타늄, 티타늄 합금 또는 이들의 조합의 매트릭스를 포함할 수 있다. 금속 매트릭스는 제2 재료의 총 부피를 기준으로 매트릭스 내에 분산된 5 부피% 내지 60 부피%의 강화 입자를 추가로 포함할 수 있다.
제2 재료를 포함하는, 도 3c의 인서트(360)와 같은 본 명세서에 기재된 링 그루브 인서트는 제2 밀도(ρ2), 제2 열팽창(CTE2) 및 제2 열전도도(TC2)를 특징으로 한다.
링 그루브 인서트의 제2 재료는 다음 중 적어도 하나를 가질 수 있다: a) 피스톤의 제1 재료의 밀도의 90% 내지 120%의 밀도; b) 피스톤의 제1 재료의 열팽창 계수(CTE)의 50% 내지 90%의 CTE; 또는 c) 피스톤의 제1 재료의 열전도도보다 큰 열전도도. 일부 실시양태에서, 인서트의 제2 재료는 다음 중 적어도 둘을 갖는다: a) 피스톤의 제1 재료의 밀도의 90% 내지 120%의 밀도; b) 피스톤의 제1 재료의 열팽창 계수(CTE)의 50% 내지 90%의 CTE; 또는 c) 피스톤의 제1 재료의 열전도도보다 큰 열전도도. 다른 실시양태에서, 인서트의 제2 재료는 다음을 갖는다: a) 피스톤의 제1 재료의 밀도의 90% 내지 120%의 밀도; b) 피스톤의 제1 재료의 열팽창 계수(CTE)의 50% 내지 90%의 CTE; 및 c) 피스톤의 제1 재료의 열전도도보다 큰 열전도도.
인서트의 밀도 ρ2는 0.9ρ1 내지 12ρ1일 수 있다. 일부 실시양태에서, 인서트의 밀도 ρ2는 피스톤의 밀도 ρ1과 거의 같거나; 또는 ρ1 = ρ2이다. 인서트의 예시적인 밀도 ρ2는 2.5g/cm3 내지 3.5g/cm3, 예컨대 2.7g/cm3 내지 3.1g/cm3, 2.8g/cm3 내지 3.0g/cm3 또는 2.85g/cm3 내지 2.90g/cm3일 수 있다. 인서트의 상대적으로 낮은 밀도인 ρ2는 기존의 스틸 인서트에 비해 상당한 이점을 제공한다. 일반적으로, 피스톤 홈 인서트의 밀도는 기존 스틸 인서트 밀도(ρ스틸)의 적어도 1/3이다. 보다 낮은 밀도는, 피스톤 링 인서트가 0.25ρ스틸 내지 0.50ρ스틸의 밀도 ρ2를 달성할 수 있다. 보다 낮은 밀도는 본 명세서에 기재된 인서트가 더 낮은 왕복 질량을 갖도록 하여 엔진 효율을 증가시키고/시키거나 연료 소비를 감소시킨다.
일부 실시양태에서, 인서트의 열팽창 계수 CTE2는 피스톤 재료의 0.5CTE1 내지 0.9CTE1이다. 일부 실시양태에서, 인서트의 열팽창 계수 CTE2는 피스톤의 열팽창 계수 CTE1보다 작다. 일부 실시양태에서, 인서트의 열팽창 계수 CTE2는 피스톤의 열팽창 계수 CTE1와 같거나 거의 같거나; 또는 CTE1 = CTE2이다. 예시적인 인서트의 CTE(CTE2)는 10ppm/℃ 내지 30ppm/℃, 15ppm/℃ 내지 25ppm/℃, 또는 15ppm/℃ 내지 20ppm/℃일 수 있다. 이에 비해, 스틸의 CTE인 CTE스틸은, CTE가 일반적으로 알루미늄 피스톤의 절반인 알루미늄 피스톤과의 열팽창 미스매치이다. 알루미늄 피스톤/스틸 인서트가 있는 비교 어셈블리가 가열됨에 따라, 알루미늄은, 인서트와 피스톤 사이의 결합에 응력을 가하는 스틸 인서트보다 빠르게 팽창한다. 본 명세서에 기재된 바와 같이 제1 피스톤 재료와 제2 인서트 재료의 열팽창을 조정하면, 피스톤과 인서트 사이의 결합이 개선되면서 어셈블리의 수명이 길어진다.
일부 실시양태에서, 인서트의 열전도도 TC2는 피스톤 재료의 열전도도 TC1보다 크거나; 또는 TC2 > TC1이다. 예시적인 인서트의 열전도도 TC2는 140 W/m°K 내지 170 W/m°K, 또는 150 W/m°K 내지 160 W/m°K일 수 있다. 일부 실시양태에서, 피스톤의 열전도도 TC1는 100 내지 150 W/m°K이다. 일부 실시양태에서, 인서트의 열전도도 TC2는 피스톤의 열전도도 TC1과 같거나 거의 같거나; 또는 TC1 = TC2이다. 또 다른 실시양태에서, 인서트의 열전도도 TC2는 피스톤의 열전도도 TC1보다 작다. 알루미늄 피스톤/스틸 인서트를 갖는 비교 어셈블리에서, 스틸 인서트는, 열 장벽을 생성하는 알루미늄 피스톤에 비해 열전도도가 매우 낮다. 이는, 열원 또는 연소실로부터 피스톤 링을 거쳐 엔진 블록과 오일 냉각식 피스톤 언더크라운까지 열 전도 경로에 직접 위치하는 열 장벽을 생성한다. 일부 실시양태에서, 인서트 재료는 140 내지 170 W/m°K의 열 전도도를 갖는 금속 매트릭스 복합체(MMC)이다. 일부 실시양태에서, 인서트 재료는 156 W/m°K의 열 전도도를 갖는 금속 매트릭스 복합체(MMC)이다.
일부 실시양태에서, 피스톤 재료는 인서트 재료와 상이한 온도에서 용융된다. 일부 실시양태에서, 인서트의 융점 MP2는 피스톤 재료의 융점 MP1보다 크거나; 또는 MP2 > MP1이다. 피스톤 재료는 5℃ 내지 200℃, 또는 20℃ 내지 80℃의 차이만큼 인서트 재료의 융점 MP2보다 낮은 융점 MP1를 가질 수 있다. 더 높은 융점을 가짐으로써 인서트 재료는 치수 일체성을 보여주고, 즉, 인서트 재료는 피스톤 어셈블리에 통합될 때 형성 공정 중에 용융되거나 변형되지 않는다. 일부 실시양태에서, 피스톤 재료는 알루미늄 합금이고, 인서트 재료보다 낮은 용융 온도를 갖는다. 일부 실시양태에서, 인서트 재료는 피스톤 재료의 용융 온도 초과에서 이의 치수 형상을 유지한다. 일부 실시양태에서, 인서트 재료는 최대 725℃의 온도 또는 최대 1000℃의 온도까지 치수 형상을 유지한다.
MMC로서의 링 그루브 인서트
링 그루브 인서트 재료 또는 제2 재료는 제1 재료의 밀도의 90% 내지 120%의 밀도, 제1 재료의 CTE의 50% 내지 90%의 열팽창 계수 또는 제1 재료의 열전도도보다 큰 열전도도 중 적어도 하나를 갖는 금속 매트릭스 복합체(MMC)일 수 있다. 금속 매트릭스 복합체는, 금속 매트릭스, 및 금속 매트릭스에 분산된 강화 입자를 포함하는 복합 재료이다. 금속 매트릭스 상은 전형적으로 연속적인 반면, 강화 입자는 금속 매트릭스 상 내에서 분산된 상을 형성한다.
본 발명의 MMC에서, 매트릭스 상은 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, 티타늄, 티타늄 합금 또는 이들의 조합으로 형성된다. 강화 입자는 탄화물, 산화물, 규화물, 붕화물 및 질화물로부터 선택된 세라믹 재료이다. 특정 강화 입자는 탄화규소, 탄화붕소, 탄화티탄, 붕화규소, 질화알루미늄, 질화규소, 질화티탄, 산화지르코늄, 알루미나 또는 이들의 조합을 포함한다. 특정 실시양태에서, 탄화규소가 사용된다.
금속 매트릭스에 세라믹 강화 입자를 첨가하면 매트릭스의 용융 온도 초과에서 어느 정도의 기계적 안정성이 가능해진다. 이를 통해 솔리드 인서트 재료가 변경되거나 희석되지 않고 형성 공정에서 살아남을 수 있다.
강화 입자는 바람직하게는 매트릭스 내에 분포되며 균일하게 분포될 수 있다. 일부 실시양태에서, 강화 입자의 5 부피% 내지 60 부피%가 제2 재료의 총 부피를 기준으로 매트릭스 내에 분산된다. 일부 실시양태에서, 인서트 재료는 알루미늄 합금의 매트릭스 및 제2 재료의 총 부피를 기준으로 5 부피% 내지 60 부피%의, 매트릭스 내에 분산된 강화 입자를 포함하는 금속 매트릭스 복합체(MMC)이다.
매트릭스 내의 강화 입자의 부피 분율은 인서트 재료의 총 부피를 기준으로 한다. 예시적인 부피 분율은 5 부피% 내지 60 부피%, 예를 들어 5 내지 50 부피%, 5 내지 45 부피%, 10 내지 40 부피%, 10 내지 35 부피% 또는 15 내지 35 부피%일 수 있다. 일부 실시양태에서, MMC는 제2 재료의 총 부피를 기준으로 15 부피% 내지 50 부피%의 강화 입자를 포함한다. 일부 실시양태에서, MMC는 제2 재료의 총 부피를 기준으로 15 부피% 내지 30 부피%의 강화 입자를 포함한다.
일부 실시양태에서, 인서트 재료는 강화 입자의 제2 부피 분율의 표면적에 대한 금속 또는 금속 합금 매트릭스의 제1 부피 분율의 표면적에 의해 측정되는 이의 치수 형상을 유지한다.
일부 실시양태에서, 강화 입자는 인서트 재료의 금속 매트릭스의 경도보다 더 큰 경도를 갖는다. 강화 입자는 8 초과의 경도를 가질 수 있고, 매트릭스는 4 미만의 경도를 가질 수 있으며, 이때 경도는 모스 경도 스케일에 따라 측정된다. 강화 입자에 대한 예시적인 경도 값은 8 내지 10, 예컨대 8.0 내지 8.5, 8.0 내지 9.0, 8.0 내지 9.5, 8.0 내지 10.0, 8.5 내지 9.0, 8.5 내지 9.5, 8.5 내지 10.0, 9.0 내지 9.5, 9.0 내지 10.0, 또는 9.5 내지 10.0일 수 있다. 매트릭스에 대한 예시적인 경도 값은 2 내지 5, 예컨대 2.0 내지 2.5, 2.0 내지 3.0, 2.0 내지 3.5, 2.0 내지 4.0, 2.0 내지 4.5, 2.0 내지 5.0, 2.5 내지 3.0, 2.5 내지 3.5, 2.5 내지 4.0, 2.5 내지 4.5, 2.5 내지 5.0, 3.0 내지 3.5, 3.0 내지 4.0, 3.0 내지 4.5, 3.0 내지 5.0, 3.5 내지 4.0, 3.5 내지 4.5, 3.5 내지 5.0, 4.0 내지 4.5, 4.0 내지 5.0, 또는 4.5 내지 5.0일 수 있다. 일부 실시양태에서, 강화 입자는 9 내지 10의 경도를 갖고, 강화 입자는 2 내지 3의 경도를 가지며, 여기서 경도는 모스 경도 스케일에 따라 측정된다.
전술한 바와 같이, 강화 입자는 하나 이상의 복수의 세라믹 입자를 포함할 수 있다. 하나 이상의 복수의 강화 입자는 탄화물, 산화물, 실리사이드, 붕화물, 질화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 하나 이상의 복수의 강화 입자의 예는 탄화규소, 탄화붕소, 탄화티탄, 붕화규소, 질화알루미늄, 질화규소, 질화티탄, 산화지르코늄, 알루미나, 또는 이들의 조합을 포함한다. 인서트 재료의 강화 입자는 매트릭스 합금의 용융 온도에서 용융되지 않으며, 강화 입자는 전술한 바와 같이 제1 재료 금속 또는 금속 합금의 용융 온도에서 용융되지 않는다.
강화 입자는, 인서트와 피스톤 사이에 -20℃ 내지 40℃의 냉간 시동(cold start-up) 조건 온도를 포함하여 실온 및 작동 온도에서 충분한 마모 내성을 허용하고 긴 피스톤 수명을 제공하게 하는 크기를 갖는다. 강화 입자의 입자 크기는 또한, 비공격적인 마모 내성을 허용하도록 선택된 크기를 가지며, 이는 피스톤 링 재료의 마모를 최소화하면서 인서트 또는 피스톤 링 그루브 내 마모를 방지한다는 것을 의미한다.
강화 입자는 마이크론 범위 또는 마이크론 미만의 평균 입자 크기 분포(D50)를 가질 수 있다. 평균 입자 크기 분포는 입자의 전체 부피의 50 부피%(부피%)의 누적 퍼센트가 달성되는 입자 직경으로 정의된다. 즉, 입자의 50 부피%는 평균 입자 크기 분포보다 큰 직경을 갖고, 입자의 50 부피%는 평균 입자 크기 분포보다 작은 직경을 갖는다. 제한됨이 없이, 평균 입자 크기 분포(D50)는 0.01㎛ 내지 10㎛, 예컨대, 0.01㎛ 내지 5㎛, 0.01㎛ 내지 3.5㎛, 0.01㎛ 내지 3㎛, 0.1㎛ 내지 3㎛, 0.5㎛ 내지 3㎛, 또는 0.9㎛ 내지 3.0㎛일 수 있다. 보다 큰 조질(coarse) 입자는 피스톤 벽에 과도한 마모를 발생시키므로, 보다 미세한 입자를 사용하는 것이 바람직하다. 평균 입자 크기는 브루나우어, 에멧 및 텔러(BET) 등가 구형 직경을 사용하여, 레이저 산란에 의해, 또는 당업계에 공지된 체 기술에 의해 계산될 수 있다. 강화 입자는 바람직하게는 구형, 비구형, 불규칙형, 렌티큘러형(lenticular shape) 또는 세장형(elongated shape)을 갖는다. 강화 입자의 종횡비는 4:1 이하, 예컨대 3:1 이하, 2:1 이하, 2:1 이하 또는 1:1이다.
강화 입자는 더 큰 종횡비를 갖는 섬유가 없거나 실질적으로 없다. 강화 섬유는 종횡비가 4:1 이하인 강화 입자에 비해 열전도도가 낮기 때문에 적합하지 않다.
보강재 입자 크기는 또한 열 전도도 및 마모 특성에 영향을 미칠 수 있다. 이론에 얽매이지 않고, MMC의 열전도도 감소는 강화-매트릭스 계면에서 계면 열 장벽으로 인해 강화 입자 크기가 감소함에 따라 관찰되는 것으로 여겨진다. 강화 입자의 크기는 마모, 즉 피스톤 링의 마모에 너무 공격적이지 않도록 예를 들어 12㎛ 초과로 너무 조질이 되지 않도록 선택된다.
인서트 재료의 알루미늄 합금은 88 중량% 초과의 알루미늄일 수 있다. 일부 실시양태에서, MMC에 사용되는 알루미늄 합금은 2000 시리즈 알루미늄 합금(즉, 구리와 합금화된 알루미늄), 6000 시리즈 알루미늄 합금(즉, 마그네슘 및 규소와 합금화된 알루미늄), 또는 7000 시리즈 알루미늄 합금(즉, 아연과 합금화된 알루미늄)이다. 적합한 알루미늄 합금의 비제한적 예는 2009, 2124, 2090, 2099, 6061, 및 6082를 포함한다.
일부 실시양태에서, 인서트 재료의 알루미늄 합금은 91.2 중량% 내지 98.6 중량% 알루미늄, 0.15 중량% 내지 4.9 중량% 구리, 및 0.1 중량% 내지 1.8 중량% 마그네슘을 포함한다. 바람직한 실시양태에서, 인서트 재료는 0.15 중량% 내지 4.9 중량% 구리, 0.1 중량% 내지 1.8 중량% 마그네슘 및 잔부 알루미늄으로 이루어진 알루미늄 합금이다.
일부 실시양태에서, 인서트 재료의 알루미늄 합금은 91.2 중량% 내지 94.7 중량% 알루미늄, 3.8 중량% 내지 4.9 중량% 구리, 1.2 중량% 내지 1.8 중량% 마그네슘, 및 0.3 중량% 내지 0.9 중량% 망간을 포함한다. 바람직한 실시양태에서, 인서트 재료는 3.8 중량% 내지 4.9 중량% 구리, 1.2 중량% 내지 1.8 중량% 마그네슘, 0.3 중량% 내지 0.9 중량% 망간 및 잔부 알루미늄으로 이루어진 알루미늄 합금이다.
일부 실시양태에서, 인서트 재료의 알루미늄 합금은 95.8 중량% 내지 98.6 중량% 알루미늄, 0.8 중량% 내지 1.2 중량% 마그네슘, 및 0.4 중량% 내지 0.8 중량% 규소를 포함한다. 바람직한 실시양태에서, 인서트 재료는 0.8 중량% 내지 1.2 중량% 마그네슘, 0.4 중량% 내지 0.8 중량% 규소 및 잔부 알루미늄으로 이루어진 알루미늄 합금이다.
일부 실시양태에서, 인서트 재료의 알루미늄 합금은 92.8 중량% 내지 95.8 중량% 알루미늄, 3.2 중량% 내지 4.4 중량% 구리, 0 내지 0.2 중량% 철, 1.0 내지 1.6 중량% 마그네슘, 0 내지 0.6 중량% 산소, 0 내지 0.25 중량% 규소, 및 0 내지 0.25 중량% 아연을 포함한다. 바람직한 실시양태에서, 인서트 재료는 3.2 중량% 내지 4.4 중량% 구리, 0 내지 0.2 중량% 철, 1.0 내지 1.6 중량% 마그네슘, 0 내지 0.6 중량% 산소, 0 내지 0.25 중량% 규소, 0 내지 0.25 중량% 아연, 및 잔부 알루미늄으로 이루어진 알루미늄 합금이다.
일부 특정 실시양태에서, MMC 인서트 재료는, 15 부피% 내지 30 부피% 및 30 부피% 내지 50 부피%의 탄화규소 입자를 비롯한 10 부피% 내지 50 부피%의 탄화규소 입자로 강화된 6061 시리즈 또는 2124 시리즈 알루미늄 합금을 포함한다.
전술한 바와 같은 금속 매트릭스 복합체(MMC)을 포함할 수 있는 인서트 재료 또는 제2 재료는, 조밀하고, 최소 공극률을 갖는 것을 특징으로 할 수 있는 예비형성된 솔리드일 수 있다. 이 낮은 공극률은 프리폼 인서트로부터 피스톤 형성 공정에 추가로 적용될 때까지 유지되어 인서트가 피스톤과 일체로 형성되어 피스톤 어셈블리를 형성한다. 인서트 재료에 대한 예시적인 낮은 공극률 값은 5% 이하, 예를 들어 2.5% 이하, 2% 이하, 1.5% 이하, 1% 이하 또는 0.5% 이하일 수 있다. 일부 실시양태에서, 링 그루브 인서트는 0.5% 이하의 공극률을 갖는다. 낮은 공극률은 금속 매트릭스 복합체로 캐스팅하는 동안 제1 재료의 침투를 감소시킬 수 있다. 낮은 공극률을 갖는 재료로 형성된 링 그루브 인서트는 예비형성된 솔리드를 제공한다.
피스톤 어셈블리를 형성하기 전에, 링 그루브 인서트의 내부 표면(예컨대, 도 3b 및 도 3c의 링 그루브 인서트의 표면(370))은 0.4㎛ 이상의 표면 조도(Ra)를 가질 수 있다. 인서트 재료의 내부 표면에 대한 예시적인 표면 조도 값은 0.2㎛ 내지 1.6㎛, 예컨대 0.2㎛ 내지 0.4㎛, 0.2㎛ 내지 0.8㎛, 0.2㎛ 내지 1.6㎛, 0.4㎛ 내지 0.8㎛, 0.4㎛ 내지 1.6㎛, 또는 0.8㎛ 내지 1.6㎛일 수 있다. 일부 실시양태에서, 표면 조도(Ra)는 0.4㎛ 이상이다. 프리폼 인서트가 피스톤과 함께 처리되어 피스톤 어셈블리를 형성하기 전에 당업계에 공지된 방법에 의해 필요에 따라 표면 조도를 증가시키거나 감소시키도록 링 그루브 인서트의 내부 표면을 변화시킬 수 있다. 표면 조도는, 다른 표면 처리 방법 중에서, 연마, 호닝, 머시닝, 샷 블라스팅, 아쿠아 블라스팅, 그릿 또는 비드 블라스팅에 의해 변화될 수 있다. 표면 조도는 표면 프로파일로메트리(profilometry)에 의해 측정된다.
피스톤 어셈블리 계면 영역
인서트는 계면을 형성하기 위해 코팅 없이 직접적으로 또는 코팅에 의해 간접적으로 피스톤과 접촉할 수 있다. 임의의 적합한 코팅은, 도금, 애노다이징, 냉간 분무, 전기분해, 플래싱(flashing) 또는 이들의 조합에 의해 박막, 포일로서 적용될 수 있다. 인서트는 예를 들어 캐스팅 또는 단조 전에 용융 금속에 침지되는 것과 같이 당업계에 공지된 바와 같이 "플래싱"될 수 있다. 플래싱을 위한 용융 금속은 알루미늄, 규소, 구리, 망간, 마그네슘, 철, 아연, 니켈, 스칸듐, 리튬, 티타늄, 지르코늄, 주석 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이론에 얽매이지 않고, 예를 들어 피스톤과 함게 캐스팅하기 전에 플래싱되는 인서트는, 예를 들어 계면 영역을 통해 피스톤과의 충분한 결합을 제공하여 링 그루브 인서트가 피스톤으로부터 탈결합되거나 박리되지 않는 것으로 여겨진다.
일부 실시양태에서, 본 명세서에 기술된 바와 같은 피스톤 어셈블리는 링 그루브 인서트의 내부 표면과 피스톤 헤드 사이의 계면 영역(예를 들어, 피스톤 원주형 그루브(330)에 직접 또는 간접적으로 결합된 도 3b 및 도 3c의 링 그루브 인서트의 내부 표면(370))을 추가로 포함한다.
피스톤 어셈블리를 형성할 때, 피스톤 원주형 그루브(330)과 접촉하는 링 그루브 인서트의 내부 표면은, 산화물이 없거나 실질적으로 없는 비-애노다이징된다. 일부 실시양태에서, 피스톤 어셈블리는 인서트와 피스톤의 계면에서 1/1000 이하의 알루미늄에 대한 알루미늄 산화물의 비율을 갖는다.
강화 입자는 계면으로 이동하지 않고, 인서트 재료의 미세구조적 안정성으로 인해 오히려 인서트의 MMC 내에 분산되어 머물어서 형성 및/또는 피스톤을 사용한 후속 열처리 동안 열기계적 공정을 견뎌낸다. 일부 실시양태에서, 인서트 재료는, 알루미늄 합금 및 5 부피% 내지 60 부피%의 강화 입자를 포함하는 금속 매트릭스 복합체(MMC)이고, 여기서 계면 영역은 1/500 이하의 매트릭스 상에 대한 강화 입자의 비율을 갖는다.
계면 영역은 하나 이상의 금속간 2차 상을 포함할 수 있다. 금속간 2차 상은 알루미늄, 규소, 구리, 망간, 마그네슘, 철, 아연, 니켈, 스칸듐, 리튬, 티타늄, 지르코늄, 주석 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
인서트와 피스톤의 계면에서의 결합은 성능, 긴 수명 및 마모 내성을 위해 중요하다. 공극률 및/또는 갭은 유해하므로 피해야 한다. 인서트와 피스톤 사이의 최대 접촉을 달성하기 위해, 형성 공정과 후속 열처리가 고려된다. 일부 실시양태에서, 계면 영역은 5% 이하, 4% 이하, 3% 이하, 2% 이하, 1% 이하, 또는 0.5% 이하의 공극률을 갖는다. 일부 실시양태에서, 계면 영역은 0.5% 이하의 공극률을 갖는다.
확산 제어 코팅은 인서트와 피스톤 사이의 계면에서 임의적으로 이용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 계면 영역은 피스톤의 제1 재료와 인서트의 제2 재료를 분리하는 확산 제어 코팅을 포함한다. 계면 영역은 피스톤 금속 또는 금속 합금으로부터의 합금 원소가 이동하는 것을 방지하기 위해 확산 제어 코팅을 포함할 수 있다. 확산 제어 코팅은 알루미늄, 구리, 니켈, 아연 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 코팅은 피스톤 어셈블리로 피스톤과 일체화하는 형성 공정 전에 링 그루브 인서트의 내부 표면에 적용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 계면 영역은 알루미늄, 구리, 니켈, 아연 또는 이들의 조합을 포함하는 하나 이상의 금속간 2차 상을 포함한다. 일부 실시양태에서, 계면 영역은, 피스톤 헤드의 제1 알루미늄 합금으로부터 이동하는 구리, 망간, 마그네슘, 철, 아연 또는 니켈 중 하나 이상의 합금 원소가 풍부하다. 일부 실시양태에서, 계면 영역은 마그네슘 및 니켈 중 하나 이상이 풍부하다.
인서트 형성 방법
본 발명에 따른 인서트 재료는 당업계에 공지된 다양한 방법에 의해 피스톤 링을 수용하기 위한 적어도 하나의 그루브를 갖는 인서트 링으로 형성될 수 있다. 따라서, 링 그루브 인서트는 예비형성된 솔리드인 것이 바람직하다. 링 그루브 인서트는 2.5g/cm3 내지 3.0g/cm3의 밀도, 140 내지 170W/m°K의 열전도도, 15ppm/℃ 내지 25ppm/℃의 CTE, 및 0.5% 이하의 공극률을 갖는다.
링 그루브 인서트를 형성하는 방법은, 분말의 압착 및 소결, 고온 분말 압착, 압착 및 단조, 솔리드 또는 분말 프리폼의 단조, 직접 및 간접 압출, 압연 시트로부터의 스탬핑 또는 압인, 및/또는 예비형성된 솔리드로부터의 기계 가공을 포함하지만 이로 제한되지 않는다.
형상은 도 3b에 도시된 바와 같이 일반적으로 링 형상이다. 링 그루브 인서트를 형성하는 방법은 표면을 변형하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 표면 변형에는 링 그루브 인서트에 원형, 챔퍼형, 사인파형, 또는 부채꼴형 표면을 제공하기 위해 임의의 코너를 변화시키거나 제거하는 것을 포함한다. 피스톤 캐스팅과 접촉하거나 그렇지 않으면 피스톤 캐스팅에 의해 둘러싸이는 링 그루브 인서트의 내부 표면(예를 들어, 도 3c에서와 같이 (370A) 및 (370B)를 포함하는 표면(370))은 원형, 챔퍼형, 사인파형, 또는 부채꼴형 표면을 포함한다. 인서트 형상은 인서트와 피스톤 사이의 결합을 향상시키기 위해, 즉 갭 또는 공극률의 도입이 없는 결합을 제공하기 위해 변형될 수 있다.
링 그루브 인서트의 형상을 변형하는 다른 방법은, 추가로 또는 대안적으로, 인서트와 피스톤 사이의 개선된 결합을 촉진하기 위해 관통 홀 또는 돌출부와 같은 특징부를 부가하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 링 그루브 인서트는, 링 그루브 인서트의 원주형 두께를 통해 홀을 뚫도록 기계 가공될 수 있어 피스톤 어셈블리를 형성하는 동안 피스톤 재료의 일부가 인서트 링을 관통할 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 돌출부 또는 핀 특징부는 분말 예비형성된 형상을 소결하거나 기계 가공에 의해 링 그루브 인서트에 포함될 수 있다.
일부 실시양태에서, 링 그루브 인서트의 표면 및 특히 내부 표면은 표면적을 증가시킴으로써 접착성 및 열전도도를 향상시키도록 변형된다. 내부 표면의 표면적은, 다양한 기간 및 진폭의 표면에 그루브를 부가하는 것 및/또는 표면 조도(Ra)를 조정하기 위해 표면을 조질화하는 것 중 적어도 하나에 의해 증가될 수 있다.
링 그루브 인서트를 형성하는 방법은 전술한 바와 같이 인서트 주변의 피스톤을 다이 캐스팅 또는 단조하기 전에 링 그루브 인서트를 코팅하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 코팅은 캐스트 재료와 인서트 사이의 접착을 촉진하는 데 사용된다. 코팅은 수 나노미터 내지 수 마이크론의 두께 범위일 수 있다. 코팅은 도금, 애노다이징, 냉간 분무, 전기 분해, 플래싱 또는 이들의 조합에 의해 박막, 포일로 적용될 수 있다. 제한됨이 없이, 코팅 두께는 0.01㎛ 내지 5.0㎛, 예컨대, 0.01㎛ 내지 4㎛, 0.01㎛ 내지 3.5㎛, 0.01㎛ 내지 3㎛, 0.1㎛ 내지 3㎛, 0.5㎛ 내지 3㎛, 또는 1.0㎛ 내지 3.0㎛일 수 있다.
형상 변형, 표면 변형 및/또는 코팅을 포함하는 상기 방법은, 피스톤 어셈블리를 형성하기 위해 후술되는 예비형성된 솔리드 링 그루브 인서트를 피스톤과 통합하기 전에 수행될 수 있다.
피스톤 어셈블리의 제조 방법
피스톤 어셈블리를 제조하는 방법은, 전술한 바와 같은 링 그루브 인서트를 제공하는 단계를 포함하며, 인서트는 예비형성된 솔리드일 수 있다. 알루미늄 피스톤과의 종래의 스틸 인서트를 사용하는 공지된 제조 방법이 본원의 실시양태에 적용 가능하다. 예비형성된 솔리드 링 그루브 인서트가 예비형성된 솔리드 링 그루브 인서트 주변에 형성되도록 피스톤 재료 금속 또는 금속 합금, 또는 본 명세서에 기재된 바와 같은 제1 재료로 다이 캐스팅 또는 단조될 수 있다. 피스톤과 링 그루브 인서트를 포함하는 피스톤 어셈블리는 캐스팅 또는 단조를 포함할 수 있다. 피스톤 어셈블리를 형성하는 것은 피스톤 금속 또는 금속 합금의 고상선 온도 이상에서 수행될 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 캐스팅은 피스톤 금속 또는 금속 합금의 고상선 온도 이상에서 수행되어 캐스팅된 피스톤 어셈블리를 형성한다. 중력, 저압 및 고압 다이 캐스팅, 스퀴즈 캐스팅, 틱소단조(thixoforging), 반고체 단조 및 적층 가공과 같은 다른 방법도 고려된다. 적층 제조를 사용하여 인서트까지 피스톤을 형성하고, 인서트를 분말에 넣은 다음 적층 제조를 계속하여 모놀리스 피스톤/인서트 유닛으로의 통합을 완료할 수 있다.
피스톤 어셈블리를 제조하는 방법은 다이 캐스팅 또는 피스톤 어셈블리를 형성하기 위한 다른 형성 기술 후에 피스톤 어셈블리를 균질화, 켄칭, 에이징 및 열처리하는 것 중 적어도 하나를 추가로 포함할 수 있다. 피스톤 어셈블리를 제조하는 방법은, 적어도 하나의 피스톤 링을 수용하기 위해 링 그루브에 적어도 하나의 링 그루브를 형성하는 것을 포함한다. 적어도 하나의 링 그루브(예를 들어, 도 3c의 그루브(390))는 피스톤 어셈블리를 형성한 후 어느 시점에서든지 인서트(예를 들어, 도 3c의 인서트(360))로 가공될 수 있다.
링 그루브 인서트를 포함하는 피스톤 어셈블리를 형성하기 위해 피스톤 재료를 캐스팅하는 예에서, 본 명세서에 개시된 방법은 상이한 합금 원소(예를 들어, 알루미늄, 규소, 구리, 망간, 마그네슘, 철, 아연, 니켈, 스칸듐, 리튬, 티타늄, 지르코늄 또는 주석)를 모합금 또는 순수 금속(알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금 또는 이들의 조합)으로 용융 액체 풀로 첨가하는 것을 포함할 수 있다. 이는 또한 자석 또는 수동 교반을 사용하여 노를 교반하는 것도 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 방법은 용융 액체를 제조하기 위해 유도 노 또는 가스 가열 노 또는 전기 저항 노를 사용하는 것을 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 방법은 링 그루브 인서트를 갖는 알루미늄 합금 캐스팅 피스톤을 형성하기 위해 용융 알루미늄 합금을 캐스팅하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 용융 합금은 캐스팅 전에 처리될 수 있다. 처리에는 노 플럭싱, 인라인 탈기, 인라인 플럭싱 및 필터링 중 하나 이상이 포함될 수 있다. 알루미늄 합금 캐스트 피스톤은, 직접 캐스팅 및 연속 캐스팅 방법을 포함하여 당업자에게 공지된 바와 같이 알루미늄 산업에서 일반적으로 사용되는 표준에 따라 수행되는 임의의 캐스팅 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 몇 가지 비제한적 예로서, 캐스팅 공정은 직접 냉각(direct chill, DC) 캐스팅 공정 또는 영구 몰드 공정을 포함할 수 있다. 일부 측면에서, DC 캐스팅이 사용된다.
알루미늄 합금 캐스팅 피스톤은 직접 캐스팅 및 연속 캐스팅 방법을 포함하여 당업자에게 공지된 바와 같이 알루미늄 산업에서 일반적으로 사용되는 표준에 따라 수행되는 임의의 캐스팅 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 몇 가지 비제한적 예로서, 캐스팅 공정은 직접 냉각(DC) 캐스팅 공정 또는 영구 몰드 공정을 포함할 수 있다. 어떤 측면에서는 DC 캐스팅이 사용된다. 알루미늄 합금 캐스팅 피스톤은 직접 캐스팅 및 연속 캐스팅 방법을 포함하여 당업자에게 공지된 바와 같이 알루미늄 산업에서 일반적으로 사용되는 표준에 따라 수행되는 임의의 캐스팅 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 몇 가지 비제한적 예로서, 캐스팅 공정은 직접 냉각(DC) 캐스팅 공정 또는 영구 몰드 공정을 포함할 수 있다. 어떤 측면에서는 DC 캐스팅이 사용된다.
본원에 개시된 방법은 균질화를 포함할 수 있다. 균질화는 적어도 400℃(예를 들어, 적어도 400℃, 적어도 410℃, 적어도 420℃, 적어도 430℃, 적어도 440℃, 적어도 450℃, 적어도 460℃, 적어도 470℃, 적어도 480℃, 적어도 490℃, 적어도 500℃, 적어도 510℃, 적어도 520℃, 또는 적어도 530℃)의 피크 금속 온도(PMT)를 달성하기 위해 본 명세서에 기재된 합금 조성물로부터 제조된 캐스팅된 피스톤 어셈블리를 가열하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 합금 피스톤 어셈블리는 400℃ 내지 580℃, 420℃ 내지 575℃, 440℃ 내지 570℃, 460℃ 내지 565℃, 485℃ 내지 560℃, 500℃ 내지 560℃, 또는 520℃ 내지 580℃의 온도로 가열될 수 있다. 임의적으로, PMT에 대한 가열 속도는 100℃/시간 이하, 75℃/시간 이하, 50℃/시간 이하, 40℃/시간 이하, 30℃/시간 이하, 25℃/시간 이하, 20℃/시간 이하, 또는 15℃/시간 이하이다. 임의적으로, PMT에 대한 가열 속도는 10℃/분 내지 100℃/분(예컨대, 10℃/분 내지 90℃/분, 10℃/분 내지 70℃/분, 10℃/분 내지 60℃/분, 20℃/분 내지 90℃/분, 30℃/분 내지 80℃/분, 40℃/분 내지 70℃/분, 또는 50℃/분 내지 60℃/분)이다.
일부 경우에서, 알루미늄 합금 캐스팅 피스톤 어셈블리는 일정 시간 동안 침지(soak)(즉, PMT와 같은 특정 온도에서 유지)되도록 허용된다. 일부 실시양태에서, 알루미늄 합금 캐스팅 피스톤 어셈블리는 최대 24시간(예를 들어, 30분 내지 6시간 포함) 동안 침지될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 알루미늄 합금 피스톤 어셈블리는 30분 이상(예를 들어, 최대 24시간) 동안 적어도 400℃의 온도에서 침지된다. 본원에 기재된 바와 같은 균질화는 다단계 균질화 공정으로 수행될 수 있다. 일부 실시양태에서, 균질화 공정은 균질화 가열 및 침지 사이클 중 둘 이상의 단계를 포함할 수 있다.
균질화 후, 외부 표면이 더 빨리 냉각되고 더 높은 온도에서 내부 표면을 유지하도록 수 초 동안 켄칭수가 피스톤 어셈블리의 표면에 적용될 수 있으며, 이는 또한 단면을 가로지르는 미세구조의 구배를 촉진할 수 있다. 미세 구조의 구배는 화학 조성의 구배, 1차 그레인 분포, 불용성 금속간 입자(유형, 크기, 모양, 분포), 텍스쳐 또는 재결정된 그레인의 분포, 강화 침전물 및/또는 강화 입자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 피스톤 어셈블리는 선택된 게이지에 기초한 켄칭 단계에서 50℃/초 내지 400℃/초에서 변할 수 있는 켄칭 속도로 실온으로 냉각될 수 있다. 예를 들어, 켄칭 속도는 50℃/초 내지 375℃/초, 60℃/초 내지 375℃/초, 70℃/초 내지 350℃/초, 80℃/초 내지 325℃/초, 90℃/초 내지 300℃/초, 100℃/초 내지 275℃/초, 125℃/초 내지 250℃/초, 150℃/초 내지 225℃/초, 또는 175℃/초 내지 200℃/초일 수 있다.
켄칭 단계에서, 알루미늄 합금 피스톤 어셈블리는 액체(예를 들어, 물) 및/또는 가스 또는 다른 선택된 켄칭 매질로 신속하게 켄칭된다. 특정 측면에서, 알루미늄 합금 피스톤 어셈블리는 물로 신속하게 켄칭될 수 있다. 일부 실시양태에서, 알루미늄 합금 피스톤 어셈블리는 공기로 켄칭된다.
일부 실시양태에서, 알루미늄 합금 피스톤 어셈블리는 T6 또는 T7 템퍼를 생성하기 위해 인위적으로 에이징되는 것과 같이 일정 기간 동안 인위적으로 에이징될 수 있다. 일부 실시양태에서, 경화(hardening) 공정을 가속화하기 위해 알루미늄 합금 피스톤 어셈블리는 일정 기간 동안 100℃ 내지 225℃에서 인위적으로 노화될 수 있다. 임의적으로, 알루미늄 합금 피스톤 어셈블리는 15분 내지 48시간 동안 인위적으로 에이징될 수 있다. 다중 에이징 처리를 사용할 수도 있다.
일부 실시양태에서, 제조 동안 또는 제조 후에 열처리를 적용하여 상기 기재된 바와 같이 계면 영역에서의 개선된 결합을 위한 알루미늄 합금 피스톤 어셈블리를 제조할 수 있다. 일부 실시양태에서, 알루미늄 합금 피스톤 어셈블리는 일정 기간 동안 400℃ 내지 600℃에서 열처리될 수 있다. 임의적으로, 알루미늄 합금 피스톤 어셈블리는 15분 내지 48시간 동안 열처리될 수 있다. 특정 측면에서, 피스톤 어셈블리는 500℃에서 24시간 동안 열처리된다.
단조에 의한 피스톤 어셈블리 형성 방법
피스톤 어셈블리는 300℃ 내지 550℃의 온도, 보다 바람직하게는 400℃ 내지 500℃의 온도에서 적합한 툴링에서 열간 단조에 의해 형성될 수 있다.
하기 실시예는 본 발명의 조성물, 물품 및 방법을 예시하기 위해 제공된다. 실시예는 단지 예시를 위한 것이며 본 명세서에 기재된 재료, 조건 또는 공정 매개변수에 대한 개시를 제한하려는 의도가 아니다.
실시예
실시예 1:
링 그루브 인서트는 본 발명의 측면에 따라 제조되었다. 인서트 재료[SupremEX® 225CA Alloy (MATERION PERFORMANCE ALLOYS AND COMPOSITES, Mayfield Heights, OH 44124, USA)]는 금속 매트릭스 복합체(MMC)를 생성하기 위해 25 부피% 탄화규소 입자로 강화된 고품질 알루미늄 합금(2124A)을 포함했다. 탄화규소는 평균 입자 크기 분포(D50)가 3㎛이다. 25 부피% 탄화규소 입자로 강화된 2124 알루미늄 합금의 물리적 특성이 표 1에 나와 있다.
물리적 특성
밀도, g/cm3 (lbs/in3) 2.88 (0.104)
탄성 모듈러스, GPa (msi) 115 (16.7)
비강성(specific stiffness), GPa/g/cm3 39
푸아송비 0.3
열전도도 @ 25℃ W/m°K (BTU/hr.ft. ℉) 156 (90)
열팽창 @ 25℃ppm/℃ (ppm/℉) 16.3 (9.1)
고상선 ℃ (℉) 548 (1018)
비열 용량 J/g/℃ (BTU/lb/℉) 0.829 (0.198)
인서트 재료는 기계적 합금 공정을 사용하는 분말 야금 경로를 통해 제조되었다. 생성된 미세구조는 강화 입자의 균일한 분포와 정제된(refined) 그레인 구조를 보여주었다. 인서트 재료 특성은 2.88g/cm3의 밀도, 115GPa의 탄성 모듈러스, 16.1㎛/mK의 열팽창 계수 및 156W/m°K의 열전도도(TC인서트)를 포함한다.
피스톤 어셈블리는 링 그루브 인서트 주변에 12.6 중량% 규소(AI-12.6Si)를 포함하는 피스톤 재료 알루미늄 합금을 캐스팅하여 형성되었다. 피스톤을 형성하는 Al-12.6Si 합금은 2.68g/cm3의 밀도, 18.0㎛/mK의 열팽창 계수(CTE), 154W/m°K의 열전도도를 갖는다.
인서트 재료의 밀도(2.88g/cm3)는 피스톤 재료 밀도(2.68g/cm3)의 107%이다. 또한, 인서트 재료는 스틸보다 밀도가 훨씬 낮다. 인서트 재료의 열팽창 계수(16.1㎛/mK)는 피스톤 재료의 CTE(18.0㎛/mK)의 89%이며 이는 인서트와 피스톤 사이의 결합 응력을 감소시킨다. 인서트 재료의 열전도도(156 W/m°K)는 피스톤 재료의 열전도도(154 W/m°K)보다 크며, 열 장벽을 감소시킴으로써 피스톤에 향상된 냉각을 제공한다.
도 4는 피스톤(620) 및 인서트(660)를 갖는 피스톤 어셈블리(650)의 계면 영역(655)의 주사 전자 현미경 사진이다.
실시예 2
예비형성된 솔리드 링 그루브 인서트를 실시예 1에서와 같이 제조하였다. 인서트 내부 표면을 구리로 도금하여 두께 2㎛의 확산 차단 코팅을 형성하고, 피스톤에 대한 인서트의 결합을 향상시켰다.
피스톤 어셈블리는, 실시예 1에서와 같이 예비형성된 솔리드 링 그루브 인서트 주변에 12.6 중량% 규소를 포함하는 피스톤 재료 알루미늄 합금 Al-12.6Si를 캐스팅함으로써 형성되었다.
도 5a는 피스톤(720) 및 인서트(760)를 갖는 피스톤 어셈블리(750)의 계면 영역(755)의 주사 전자 현미경 사진이다. 계면 영역(755)은 피스톤과 인서트 사이에 구리 층(765)을 포함한다.
실시예 3
예비형성된 솔리드 링 그루브 인서트를 실시예 1에서와 같이 제조하였다. 이어서 인서트 내부 표면을 니켈/구리로 도금하여 두께 2㎛의 확산 차단 코팅을 형성하고, 피스톤에 대한 인서트의 결합을 향상시켰다.
피스톤 어셈블리는 실시예 1에서와 같이 예비형성된 솔리드 링 그루브 인서트 주변에 12.6 중량% 규소를 포함하는 피스톤 재료 알루미늄 합금을 캐스팅함으로써 형성되었다.
도 5b는 피스톤(820) 및 인서트(860)를 갖는 피스톤 어셈블리(850)의 계면 영역(855)의 주사 전자 현미경 사진이다. 계면 영역(855)은 피스톤과 인서트 사이에 니켈/구리 층(865)을 포함한다.
실시예 4:
피스톤 어셈블리를 실시예 3에서와 같이 형성하였다. 이어서 어셈블리를 500℃에서 24시간 동안 열처리하였다.
도 6은 피스톤(920) 및 인서트(960)를 갖는 피스톤 어셈블리(950)의 계면 영역(955)의 주사 전자 현미경 사진이다. 계면 영역(955)은 피스톤과 인서트 사이에 니켈/구리 층(965)을 포함한다. 계면은 우수한 결합을 보여준다. 주사 전자 현미경(SEM)과 에너지 분산성 X선 분광법(EDS)을 사용하여 피스톤 캐스팅의 규소 함량이 국소적으로 감소하고, 상당한 마그네슘의 존재가 예기치 않게 계면으로 이동했음이 관찰되었다.
실시예 5:
도 7a는, 마모를 측정하기 위한 다양한 재료에 대한 최종 접촉 압력(psi)의 함수로서 링 고유 마모율(k)(1/psi)을 나타내는 플롯(1000)을 예시한다. 실시예 5는, 인서트 링 상의 CrN 코팅된 블록이며 금속 매트릭스 복합체(MMC)를 제조하기 위해 25 부피% 탄화규소 입자로 강화된 고품질 항공우주 등급 알루미늄 합금(2124A)을 포함하며, 하기 표 2에 기재된 물리적 특성을 갖는 인서트 재료[SupremEX® 225XE Alloy (MATERION PERFORMANCE ALLOYS AND COMPOSITES, Mayfield Heights, OH 44124, USA)]에 대한 플롯 포인트 E5-1 및 E5-2로 표시된 데이터를 포함한다.
물리적 특성
밀도, g/cm3 (lbs/in3) 2.88 (0.104)
탄성 모듈러스, GPa (msi) 115 (16.7)
비강성, GPa/g/cm3 39
푸아송비 0.3
열전도도 @ 25℃ W/m°K (BTU/hr.ft. ℉) 150 (87)
열팽창 @ 25℃ppm/℃ (ppm/℉) 16.1 (8.9)
고상선 ℃ (℉) 548 (1018)
비열 용량 J/g/℃ (BTU/lb/℉) 0.836 (0.200)
비교예 C1은, 플롯 포인트로서 C1-1 및 C1-2로 나타낸 데이터를 포함하고, 실시예 5와 동일하며 캐스팅된 알루미늄 피스톤 재료와 유사한 마모율을 갖는 CrN 블록 재료를 사용하지만, 단조(forged) 합금 AA2618에 대한 통상의 스틸 인서트(CrN으로 코팅됨)을 나타내기 위해 AA2618 링을 사용한다. 도시된 바와 같이, 실시예 5는 비교 재료보다 적어도 500배 낮은 마모율을 나타낸다.
도 7b는 하중(lbf)의 함수로서 링 고유 마모율(k)(1/psi)을 나타내는 플롯(1100)을 예시한다. 실시예 5는 플롯 포인트로서 E5-3 및 E5-4로 나타낸 데이터를 포함하고, 비교예 C1은 플롯 포인트 C1-3 및 C1-4로 나타낸 데이터를 포함한다. 다시, 실시예 5는 스틸 비교 재료보다 상당히 낮은 마모율을 나타낸다.
실시예 6:
ASTM G99에 따른 핀 온 디스크 마모 시험은, 핀 및 디스크 상의 중량 손실을 측정하기 위해 실시예 5에서와 같이 인서트 재료를 포함하는 다양한 재료에 대해 수행되었다. 핀 온 디스크 마모 시험에 대한 매개변수는 표 3에 기재된 바와 같다.
핀 온 디스크 시험 매개변수
3/8" (9.525mm) 디아 핀 온 1.5" 디아 디스크
핀 재료: 4340 스틸, 연마 피니시(ground finish).
실험실 조건 23℃, 36% RH.
마모 사이클 주파수 2 Hz
마모 패턴 15mm 단방향 경로
하중 : 20,35, 50 N.
디스크 - 다양한 재료를 시험함, 기계 피니시(machined finish).
시험 기간 5000 사이클 (65N), 10000 사이클 (50, 35 & 20N 하중)
접촉 면적 71.26mm2
도 8a는, 20N, 35N 및 50N에서 실시예 5에서와 같은 인서트 재료를 포함하는 실시예 6 및 2618 알루미늄 합금인 비교예 C2에 대한 디스크 손실 대 스틸 핀에 대한 데이터를 나타내는 플롯(1200)을 포함한다. 실시예 6은, 2618 알루미늄 합금의 중량 손실의 약 10분의 1인 중량 손실을 나타낸다.
도 8b는, 20 N, 35 N 및 50 N에서 실시예 6, 비교예 C2, 뿐만 아니라 300M 스틸인 비교예 C3 및 Ti6Al4C 티타늄 합금인 비교예 C4에 대한 디스크 손실 대 스틸 핀에 대한 데이터를 보여주는 플롯(1300)을 포함한다. 실시예 6은 비교예보다 상당히 낮은 중량 손실을 나타낸다.
도 9는 20N, 35N 및 50N에서 실시예 6 및 비교예 C2, C3 및 C4에 대한 (마모 커플의 측면에 의한) 조합된 스틸 핀 손실 및 디스크 손실 대 디스크에 대한 데이터를 나타내는 플롯(1400)을 포함한다. 실시예 6은 비교예에 비해 현저히 낮은 중량 손실을 나타낸다.
실시예 7:
도 10a는, 0.1㎛ 내지 50㎛의 평균 입자 크기 분포를 갖는 세라믹 입자용 인서트 재료의 매트릭스 내의 세라믹 입자의 부피 분율(10 부피% 내지 50 부피%)의 함수로서 MMC 인서트 재료의 매트릭스의 내부 표면적(mm2/mm3)을 나타내는 플롯(1500)을 포함한다.
도 10b는, 1.0㎛ 내지 10㎛의 평균 입자 크기 분포를 갖는 세라믹 입자를 사용한 10 부피% 내지 30 부피%의 세라믹 입자의 부피 분율의 함수로서 MMC 인서트 재료의 매트릭스의 내부 표면적(mm2/mm3)의 바람직한 영역을 나타내는 플롯(1600)을 포함한다. 플롯(1500 및 1600)은, 입자 크기와 매트릭스 내의 세라믹 입자의 부피 분율의 균형을 유지함으로써 MMC 내에서 안정성 및 마모 내성에 대한 바람직한 영역을 이론적으로 예측한다. 너무 높은 내부 표면적은 불충분한 마모를 제공하고, 너무 낮은 내부 표면적은 캐스팅 중 불충분한 안정성과 작동 중 피스톤 링에 과도하게 공격적인 마모를 제공한다.
실시예 8
실시예 1에서와 같이 제조된 MMC 링 그루브 인서트에 대해 가속 내구성 시험(Accelerated Durability Testing)을 수행하였다. 이 시험은 표준 Ford 150-시간 시험(완전 개방 스로틀에서 96시간) 후에 모델링되었다. 수정된 시험은 Ford 2.3 L EcoBoost를 기본 엔진으로 사용했다. 재료 선택으로 인해, 피스톤, 핀 및 로드(rod)의 총 질량이 기존 엔진 재료에 비해 30%(1.4kg) 감소했다. 150시간 가속 내구성 시험에서의 시험 절차에는 반복된 40분 사이클이 포함되었다. 각 사이클에는 유휴(idle)(2000rpm에서), 피크 토크(3000rpm에서), 피크 출력(6000rpm에서) 및 90% e-max(5850rpm에서 감소된 속도의 피크 출력)가 포함되었다. 40분 사이클을 총 150시간 동안 225회 반복하였다. 표 4의 요약을 참조한다. 따라서, 이 공격적인 시험에는 90% 이상의 WOT(wide-open throttle)에서 96시간에 걸쳐 소모되는 엔진이 포함되었다. 시험 중에 헤드 개스킷이 2회 블로잉되었고(blown), 이는 시험 중 격렬 주행(hard running)을 나타낸다. 헤드 개스킷의 이러한 망실(failure)은 시험 체제의 강도를 보여준다.
가속 내구성 시험
분
사이클 동안 주행 시간 9000
사이클에 필요한 총 WOT 5625
브레이크-인 동안 총 주행/시운전 1431.2
브레이크-인 동안 총 WOT 주행/시운전 184.01
사이클 시 총 주행(웜-업 포함) 10431.2
사이클 시 총 주행 WOT 5628.36
조합 주행 11862.3
조합 WOT 주행 5812.37
가속 내구성 시험의 가혹한 조건에서도, MMC 링 그루브 인서트의 마모 징후가 없었다. 그리고, 전체 피스톤 어셈블리에 대한 임의의 치수 변화가 최소화되었다. 피스톤 그루브가 시험 과정에서 평균 15 마이크론에서 평균 42 마이크론으로 증가하는 상부 그루브 평탄도(top groove flatness)의 치수 변화를 나타내었지만, 이는 최소였다. 중요한 것은, 상기 결과는 MMC 링 그루브 인서트의 눈에 띄는 마모나 변형 없이 시험 전반에 걸쳐 일정한 엔진 성능을 보여주었다는 것이다.
실시양태
다음의 실시양태가 고려된다. 특징 및 실시양태의 모든 조합이 고려된다.
실시양태 1:
원주형 그루브를 갖는 피스톤; 및
상기 피스톤의 원주형 그루브 내의 링 그루브 인서트
를 포함하는 피스톤 어셈블리로서,
상기 링 그루브 인서트는 외부 표면 및 내부 표면을 갖고, 상기 링 그루브 인서트는 상기 피스톤의 제1 재료와 상이한 제2 재료이고, 상기 제2 재료는
a) 제1 재료의 밀도의 90% 내지 120%의 밀도;
b) 제1 재료의 열팽창 계수(CTE)의 50% 내지 90%의 CTE; 또는
c) 제1 재료의 열전도도보다 큰 열전도도
중 하나 이상을 갖는, 실시양태.
실시양태 2:
실시양태 1에 있어서,
상기 제1 재료가 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금 또는 이들의 조합인, 실시양태.
실시양태 3:
실시양태 1 또는 2에 있어서,
상기 알루미늄 합금이 규소, 구리, 망간, 마그네슘, 철, 아연, 니켈, 스칸듐, 리튬, 티타늄, 지르코늄 또는 주석 중 하나 이상의 합금 원소를 포함하는, 실시양태.
실시양태 4:
실시양태 1-3 중 어느 하나에 있어서,
상기 알루미늄 합금이 20℃ 내지 80℃의 차이 내에서 상기 제2 재료와 상이한 용융 온도를 갖는, 실시양태.
실시양태 5:
실시양태 1-4 중 어느 하나에 있어서,
상기 제1 재료의 알루미늄 합금이 상기 제2 재료보다 낮은 용융 온도를 갖는, 실시양태.
실시양태 6:
실시양태 1-5 중 어느 하나에 있어서,
상기 제2 재료가 제1 재료의 용융 온도 초과에서 치수 형상을 유지하는, 실시양태.
실시양태 7:
실시양태 1-6 중 어느 하나에 있어서,
상기 제2 재료가 최대 725℃의 온도까지 치수 형상을 유지하는, 실시양태.
실시예 8:
실시양태 1-7 중 어느 하나에 있어서,
상기 제2 재료가 최대 1000℃의 온도까지 치수 형상을 유지하는, 실시양태.
실시양태 9:
실시양태 1-8 중 어느 하나에 있어서,
상기 제2 재료가,
알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, 티타늄, 티타늄 합금 또는 이들의 조합의 매트릭스, 및
제2 재료의 총 부피를 기준으로 5 부피% 내지 60 부피%의, 상기 매트릭스 내에 분산된 강화 입자
를 포함하는 금속 매트릭스 복합체(MMC)인, 실시양태.
실시양태 10:
실시양태 1-9 중 어느 하나에 있어서,
상기 제2 재료가, 알루미늄 합금의 매트릭스 및 제2 재료의 총 부피를 기준으로 5 부피% 내지 60 부피%의, 상기 매트릭스 내에 분산된 강화 입자를 포함하는 금속 매트릭스 복합체(MMC)인, 실시양태.
실시양태 11:
실시양태 1-10 중 어느 하나에 있어서,
상기 강화 입자가 상기 매트릭스의 경도보다 큰 경도를 갖는, 실시양태.
실시양태 12:
실시양태 1-11 중 어느 하나에 있어서,
상기 강화 입자가 8 초과의 경도를 갖고, 상기 매트릭스가 4 미만의 경도를 갖고, 상기 경도는 모스 경도 스케일에 따라 측정되는, 실시양태.
실시양태 13:
실시양태 1-12 중 어느 하나에 있어서,
상기 강화 입자가 9 내지 10의 경도를 갖고, 상기 매트릭스가 2 내지 3의 경도를 갖고, 상기 경도는 모스 경도 스케일에 따라 측정되는, 실시양태.
실시양태 14:
실시양태 1-13 중 어느 하나에 있어서,
상기 강화 입자가 하나 이상의 복수의 세라믹 입자를 포함하는, 실시양태.
실시양태 15:
실시양태 1-14 중 어느 하나에 있어서,
상기 하나 이상의 복수의 세라믹 입자가 탄화물, 산화물, 규화물, 붕소화물, 질화물 또는 이들의 조합을 포함하는, 실시양태.
실시양태 16:
실시양태 1-15 중 어느 하나에 있어서,
상기 하나 이상의 복수의 세라믹 입자가 탄화규소, 탄화붕소, 탄화티타늄, 붕화규소, 질화알루미늄, 질화규소, 질화티타늄, 알루미나 또는 이들의 조합을 포함하는, 실시양태.
실시양태 17:
실시양태 1-16 중 어느 하나에 있어서,
상기 MMC가 제2 재료의 총 부피를 기준으로 15 부피% 내지 50 부피%의 강화 입자를 포함하는, 실시양태.
실시양태 18:
실시양태 1-17 중 어느 하나에 있어서,
상기 MMC가 제2 재료의 총 부피를 기준으로 15 부피% 내지 30 부피%의 강화 입자를 포함하는, 실시양태.
실시양태 19:
실시양태 1-18 중 어느 하나에 있어서,
상기 MMC가 140 내지 170W/m°K의 열전도도를 갖는, 실시양태.
실시양태 20:
실시양태 1-19 중 어느 하나에 있어서,
상기 강화 입자의 평균 입자 크기가 0.01㎛ 내지 10㎛인, 실시양태.
실시양태 21:
실시양태 1-20 중 어느 하나에 있어서,
상기 제2 재료의 알루미늄 합금이 88 중량% 초과의 알루미늄인, 실시양태.
실시양태 22:
실시양태 1-21 중 어느 하나에 있어서,
상기 제2 재료의 알루미늄 합금이 91.2 중량% 내지 98.6 중량%의 알루미늄, 0.15 중량% 내지 4.9 중량%의 구리, 및 0.1 중량% 내지 1.8 중량%의 마그네슘을 포함하는, 실시양태.
실시양태 23:
실시양태 1-22 중 어느 하나에 있어서,
상기 제2 재료의 알루미늄 합금이 91.2 중량% 내지 94.7 중량%의 알루미늄, 3.8 중량% 내지 4.9 중량%의 구리, 1.2 중량% 내지 1.8 중량%의 마그네슘, 및 0.3 중량% 내지 0.9 중량%의 망간을 포함하는, 실시양태.
실시양태 24:
실시양태 1-23 중 어느 하나에 있어서,
상기 제2 재료의 알루미늄 합금이 95.8 중량% 내지 98.6 중량%의 알루미늄, 0.8 중량% 내지 1.2 중량%의 마그네슘, 및 0.4 중량% 내지 0.8 중량%의 규소를 포함하는, 실시양태.
실시양태 25:
실시양태 1-24 중 어느 하나에 있어서,
상기 제2 재료의 알루미늄 합금이 92.8 중량% 내지 95.8 중량%의 알루미늄, 3.2 중량% 내지 4.4 중량%의 구리, 0 내지 0.2 중량%의 철, 1.0 내지 1.6 중량%의 마그네슘, 0 내지 0.6 중량%의 산소, 0 내지 0.25 중량%의 규소 및 0 내지 0.25 중량%의 아연을 포함하는, 실시양태.
실시양태 26:
실시양태 1-25 중 어느 하나에 있어서,
상기 제2 재료가, 강화 입자의 제2 부피 분율의 표면적에 대한 또 다른 알루미늄 합금 매트릭스의 제1 부피 분율의 표면적에 의해 측정되는 치수 형상을 유지하는, 실시양태.
실시양태 27:
실시양태 1-26 중 어느 하나에 있어서,
상기 링 그루브 인서트의 내부 표면이, 1/1000 이하의 알루미늄에 대한 산화알루미늄 비율을 갖는, 실시양태.
실시양태 28:
실시양태 1-27 중 어느 하나에 있어서,
상기 링 그루브 인서트의 내부 표면이 0.4㎛ 이상의 표면 조도(Ra)를 갖는, 실시양태.
실시양태 29:
실시양태 1-28 중 어느 하나에 있어서,
상기 링 그루브 인서트가 0.5% 이하의 공극률을 갖는, 실시양태.
실시양태 30:
실시양태 1-29 중 어느 하나에 있어서,
상기 링 그루브 인서트가 외부 표면으로부터 안쪽으로 연장되는 하나 이상의 그루브를 포함하는, 실시양태.
실시양태 31:
실시양태 1-30 중 어느 하나에 있어서,
상기 링 그루브 인서트의 일부가 피스톤의 상부 랜드로 연장되고, 최상부 하나 이상의 그루브의 상부로부터 피스톤의 상부까지 측정된 거리가 기준 스틸 인서트에 비해 적어도 10% 감소되는, 실시양태.
실시양태 32:
실시양태 1-31 중 어느 하나에 있어서,
상기 링 그루브 인서트의 내부 표면과 상기 피스톤 사이의 계면 영역을 추가로 포함하는 실시양태.
실시양태 33:
실시양태 1-32 중 어느 하나에 있어서,
상기 계면 영역이 하나 이상의 금속간 2차 상을 포함하는, 실시양태.
실시양태 34:
실시양태 1-33 중 어느 하나에 있어서,
상기 계면 영역이 제1 재료와 제2 재료를 분리하는 확산 제어 코팅을 포함하는, 실시양태.
실시양태 35:
실시양태 1-34 중 어느 하나에 있어서,
상기 계면 영역이 알루미늄, 구리, 니켈 또는 아연의 코팅을 포함하는, 실시양태.
실시양태 36:
실시양태 1-35 중 어느 하나에 있어서,
상기 계면 영역이 알루미늄, 구리, 니켈, 아연 또는 이들의 조합을 포함하는 하나 이상의 금속간 2차 상을 포함하는, 실시양태.
실시양태 37:
실시양태 1-36 중 어느 하나에 있어서,
상기 계면 영역에는 피스톤의 제1 알루미늄 합금으로부터 이동하는 구리, 망간, 마그네슘, 철, 아연 또는 니켈 중 하나 이상의 합금 원소가 풍부한, 실시양태.
실시예 38:
실시양태 1-37 중 어느 하나에 있어서,
상기 계면 영역에는 마그네슘 및 니켈 중 하나 이상이 풍부한, 실시양태.
실시양태 39:
실시양태 1-38 중 어느 하나에 있어서,
상기 제2 재료가 알루미늄 합금 및 5 부피% 내지 60 부피%의 강화 입자를 포함하는 금속 매트릭스 복합체(MMC)이고, 상기 계면 영역은 매트릭스 상에 대한 강화 입자의 비율이 1/500 이하의 매트릭스 상에 대한 강화 입자의 비율을 갖는, 실시양태.
실시양태 40:
실시양태 1-39 중 어느 하나에 있어서,
상기 계면 영역이 5% 이하의 공극률을 갖는, 실시양태.
실시예 41:
실시양태 1-40 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법이
링 그루브 인서트를 제공하는 단계로서, 상기 링 그루브 인서트는
2.5g/cm3 내지 3.0g/cm3의 밀도,
140 내지 170W/m°K의 열전도도,
15ppm/℃ 내지 25ppm/℃의 CTE, 및
0.5% 이하의 공극률
을 갖는 예비형성된 솔리드인, 단계; 및
상기 링 그루브 인서트 주변에 금속 또는 금속 합금을, 상기 금속 또는 금속 합금의 고상선 온도 이상에서 다이 캐스팅하여, 캐스팅된 피스톤 어셈블리를 형성하는 단계
를 포함하는 피스톤 어셈블리의 제조 방법.
실시양태 42:
실시양태 1-41 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법이 다이 캐스팅 전에 링 그루브 인서트를 코팅하는 단계를 추가로 포함하는, 실시양태.
실시양태 43:
실시양태 1-42 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법이 다이 캐스팅 전에 링 그루브 인서트의 표면적을 증가시키는 단계를 추가로 포함하는, 실시양태.
실시양태 44:
실시양태 1-43 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법이 다이 캐스팅 후에 캐스팅된 피스톤 어셈블리를 열처리, 켄칭 및 에이징 중 하나 이상을 추가로 포함하는, 실시양태.
실시양태 45:
실시양태 1-44 중 어느 하나에 있어서,
상기 방법이 링 그루브 인서트에 하나 이상의 링 그루브를 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 실시양태.
실시양태 46:
실시양태 1-45 중 어느 하나에 있어서,
내연 엔진이
피스톤 실린더; 및
상기 피스톤 실린더 내의 피스톤 어셈블리
를 포함하고,
상기 피스톤 어셈블리는
원주형 그루브를 갖는 피스톤; 및
외부 표면 및 내부 표면을 갖는, 상기 피스톤의 원주형 그루브 내의 링 그루브 인서트
를 포함하고,
상기 링 그루브 인서트는 피스톤의 제1 재료와 상이한 제2 재료이고, 상기 제2 재료는
a) 제1 재료의 밀도의 90% 내지 120%의 밀도;
b) 제1 재료의 열팽창 계수(CTE)의 50% 내지 90%의 CTE; 또는
c) 제1 재료의 열전도도보다 큰 열전도도
중 하나 이상을 갖는, 실시양태.
실시양태 47:
실시양태 1-46 중 어느 하나에 있어서,
상기 하나 이상의 피스톤 링이 링 그루브 인서트의 외부 표면으로부터 반경 방향 안쪽으로 연장되는 또 다른 원주형 그루브에서 피스톤 어셈블리와 피스톤 실린더 사이에 배치되는, 실시양태.
실시양태 48:
실시양태 1-47 중 어느 하나에 있어서,
상기 링 그루브 인서트가 비교용 스틸 링 그루브 인서트에 비해 2.5% 중량 감소를 제공하여 적어도 2.3kg CO2/리터 휘발유의 CO2 감소를 수득하는, 실시양태.
실시양태 49:
실시양태 1-48 중 어느 하나에 있어서,
상기 엔진이 연소 압력 및/또는 엔진 효율을 감소시키지 않으면서 탄화수소, 아산화질소 및 탄소 산화물 배출물을 감소시키는, 실시양태.
실시양태 50:
실시양태 1-49 중 어느 하나에 있어서,
CO2 배출물이 기준 스틸 인서트에 비해 10% 이상 감소되는, 실시양태.
실시양태 51:
실시양태 1-50 중 어느 하나에 있어서,
차량이 이전 실시양태 중 어느 하나의 내연 엔진을 포함하는, 실시양태.
실시양태 52:
실시양태 1-51 중 어느 하나에 있어서,
예비형성된 링 그루브 인서트를 포함하되,
상기 링 그루브 인서트는
2.5g/cm3 내지 3.0g/cm3의 밀도,
140 내지 170W/m°K의 열전도도,
15ppm/℃ 내지 25ppm/℃의 CTE, 및
0.5% 이하의 공극률
을 갖는 예비형성된 솔리드이고,
상기 인서트는 5 부피% 내지 60 부피%의, 금속 매트릭스 내에 복수의 세라믹 입자를 포함하는, 실시양태.
실시양태 53:
실시양태 1-52 중 어느 하나에 있어서,
예비형성된 솔리드 링 그루브 인서트가 0.01㎛ 내지 10㎛의 평균 입자 크기 분포(D50)를 갖는 복수의 세라믹 입자를 포함하는, 실시양태.
실시예 54:
실시양태 1-53 중 어느 하나에 있어서,
예비형성된 링 그루브 인서트가 100 mm2/mm3 내지 1000 mm2/mm3의 내부 표면적을 갖는 복수의 세라믹 입자를 포함하는, 실시양태.
상기 개시된 및 다른 특징 및 기능의 변형, 또는 이들의 대안이 많은 다른 시스템 또는 적용례로 결합될 수 있음을 이해할 것이다. 현재 예견하지 못하거나 예상하지 못한 다양한 이들의 대안, 수정, 변형 또는 개선이 이후에 당업자에 의해 이루어질 수 있으며, 이는 또한 하기의 청구범위 또는 이의 등가물에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (15)

  1. 원주형 그루브(circumferential groove)를 갖는 피스톤; 및
    상기 피스톤의 원주형 그루브 내의 링 그루브 인서트(ring groove insert)
    를 포함하는 피스톤 어셈블리로서,
    상기 링 그루브 인서트는 외부 표면 및 내부 표면을 갖고, 상기 링 그루브 인서트는 상기 피스톤의 제1 재료와 상이한 제2 재료이고, 상기 제2 재료는
    a) 제1 재료의 밀도의 90% 내지 120%의 밀도;
    b) 제1 재료의 열팽창 계수(CTE)의 50% 내지 90%의 CTE; 또는
    c) 제1 재료의 열전도도보다 큰 열전도도
    중 하나 이상을 갖는, 피스톤 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 재료가 알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금 또는 이들의 조합인, 피스톤 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금이 규소, 구리, 망간, 마그네슘, 철, 아연, 니켈, 스칸듐, 리튬, 티타늄, 지르코늄 또는 주석 중 하나 이상의 합금 원소를 포함하는, 피스톤 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 재료가,
    알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, 티타늄, 티타늄 합금 또는 이들의 조합의 매트릭스, 및
    제2 재료의 총 부피를 기준으로 5 부피% 내지 60 부피%의, 상기 매트릭스 내에 분산된 강화(reinforcement) 입자
    를 포함하는 금속 매트릭스 복합체인, 피스톤 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 강화 입자가 8 초과의 경도를 갖고, 상기 매트릭스가 4 미만의 경도를 갖고, 상기 경도는 모스 경도 스케일(Mohs Hardness Scale)에 따라 측정되는, 피스톤 어셈블리.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 강화 입자가 탄화물, 산화물, 규화물, 붕소화물, 질화물 또는 이들의 조합을 포함하는, 하나 이상의 복수의 세라믹 입자를 포함하는, 피스톤 어셈블리.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 하나 이상의 복수의 세라믹 입자가 탄화규소, 탄화붕소, 탄화티타늄, 붕화규소, 질화알루미늄, 질화규소, 질화티타늄, 알루미나 또는 이들의 조합을 포함하는, 피스톤 어셈블리.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 금속 매트릭스 복합체가 제2 재료의 총 부피를 기준으로 15 부피% 내지 30 부피%의 강화 입자를 포함하는, 피스톤 어셈블리.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 금속 매트릭스 복합체가
    2.5g/cm3 내지 3.0g/cm3의 밀도,
    140 내지 170W/m°K의 열전도도,
    15ppm/℃ 내지 25ppm/℃의 CTE, 및
    0.5% 이하의 공극률(porosity)
    을 갖는, 피스톤 어셈블리.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 강화 입자가 0.01㎛ 내지 10㎛의 평균 입자 크기를 갖거나, 상기 강화 입자가 100 mm2/mm3 내지 1000 mm2/mm3의 내부 표면적을 갖는, 피스톤 어셈블리.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 제2 재료의 매트릭스가
    91.2 중량% 내지 98.6 중량%의 알루미늄, 0.15 중량% 내지 4.9 중량%의 구리, 및 0.1 중량% 내지 1.8 중량%의 마그네슘; 또는
    91.2 중량% 내지 94.7 중량%의 알루미늄, 3.8 중량% 내지 4.9 중량%의 구리, 1.2 중량% 내지 1.8 중량%의 마그네슘, 및 0.3 중량% 내지 0.9 중량%의 망간; 또는
    95.8 중량% 내지 98.6 중량%의 알루미늄, 0.8 중량% 내지 1.2 중량%의 마그네슘, 및 0.4 중량% 내지 0.8 중량%의 규소; 또는
    92.8 중량% 내지 95.8 중량%의 알루미늄, 3.2 중량% 내지 4.4 중량%의 구리, 0 내지 0.2 중량%의 철, 1.0 내지 1.6 중량%의 마그네슘, 0 내지 0.6 중량%의 산소, 0 내지 0.25 중량%의 규소 및 0 내지 0.25 중량%의 아연
    을 포함하는 알루미늄 합금인, 피스톤 어셈블리.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 피스톤 어셈블리가 상기 링 그루브 인서트의 내부 표면과 상기 피스톤 사이의 계면 영역을 추가로 포함하고, 상기 계면 영역은 알루미늄, 구리, 니켈, 아연 또는 이들의 조합을 포함하는 하나 이상의 금속간 2차 상(intermetallic secondary phase)을 포함하는, 피스톤 어셈블리.
  13. 피스톤 어셈블리용 링 그루브 인서트로서,
    상기 링 그루브 인서트는
    2.5g/cm3 내지 3.0g/cm3의 밀도,
    140 내지 170W/m°K의 열전도도,
    15ppm/℃ 내지 25ppm/℃의 CTE, 및
    0.5% 이하의 공극률
    을 갖는 예비형성된 솔리드(preformed solid)이고,
    상기 예비형성된 솔리드는,
    알루미늄, 알루미늄 합금, 마그네슘, 마그네슘 합금, 티타늄, 티타늄 합금 또는 이들의 조합의 매트릭스, 및
    예비형성된 솔리드의 총 부피를 기준으로 5 부피% 내지 60 부피%의, 금속 매트릭스 내에 분산된 강화 입자
    를 포함하는 금속 매트릭스 복합체인, 링 그루브 인서트.
  14. 제13항에 따른 링 그루브 인서트를 제조하는 단계; 및
    상기 링 그루브 인서트 주변에 금속 또는 금속 합금을, 상기 금속 또는 금속 합금의 고상선(solidus) 온도 이상에서 다이 캐스팅(die casting)하여, 캐스팅된 피스톤 어셈블리를 형성하는 단계
    를 포함하는 피스톤 어셈블리의 제조 방법으로서,
    상기 금속 또는 금속 합금은 제1 재료이고, 상기 링 그루브 인서트는 제1 재료와 상이한 제2 재료이고, 상기 제2 재료는
    a) 제1 재료의 밀도의 90% 내지 120%의 밀도;
    b) 제1 재료의 열팽창 계수(CTE)의 50% 내지 90%의 CTE; 또는
    c) 제1 재료의 열전도도보다 큰 열전도도
    중 하나 이상을 갖는, 제조 방법.
  15. 피스톤 실린더; 및
    상기 피스톤 실린더 내의 피스톤 어셈블리
    를 포함하는 내연 엔진(internal combustion engine)으로서,
    상기 피스톤 어셈블리는
    원주형 그루브를 갖는 피스톤; 및
    상기 피스톤의 원주형 그루브 내에 배치되며 외부 표면 및 내부 표면을 갖는, 제13항에 따른 링 그루브 인서트
    를 포함하고,
    상기 링 그루브 인서트는 피스톤의 제1 재료와 상이한 제2 재료이고, 상기 제2 재료는
    a) 제1 재료의 밀도의 90% 내지 120%의 밀도;
    b) 제1 재료의 열팽창 계수(CTE)의 50% 내지 90%의 CTE; 또는
    c) 제1 재료의 열전도도보다 큰 열전도도
    중 하나 이상을 갖는, 내연 엔진.
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