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KR102554929B1 - 엔진 피스톤 및 그 제조방법 - Google Patents

엔진 피스톤 및 그 제조방법 Download PDF

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KR102554929B1
KR102554929B1 KR1020180125496A KR20180125496A KR102554929B1 KR 102554929 B1 KR102554929 B1 KR 102554929B1 KR 1020180125496 A KR1020180125496 A KR 1020180125496A KR 20180125496 A KR20180125496 A KR 20180125496A KR 102554929 B1 KR102554929 B1 KR 102554929B1
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engine piston
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김학수
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기아 주식회사
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Abstract

본 발명에 의한 엔진 피스톤 제조방법은, 분말 형태의 소결재를 가압하여 피스톤 본체의 상부 형상인 상부체를 성형하는 상부체성형단계; 분말 형태의 소결재를 가압하여 피스톤 본체의 하부 형상인 하부체를 성형하는 하부체성형단계; 상기 상부체와 상기 하부체의 사이에 브레이징재를 배치하고, 소결재를 소결시킴과 동시에 상부체와 하부체를 브레이징 접합시켜 피스톤 본체를 제조하는 접합단계; 상기 피스톤 본체의 표면을 가공하여 표면에 노출된 기공을 제거하는 가공단계; 및 상기 피스톤 본체의 표면에 질화 열처리, 산화 열처리 중 선택된 어느 하나 이상을 수행하여 부동태 피막을 형성시키는 열처리단계;를 포함한다.

Description

엔진 피스톤 및 그 제조방법 {ENGINE PISTON AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 엔진 피스톤 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철계 분말로 제조된 엔진 피스톤 및 그 제조방법에 관한 것이다.
차량의 엔진 피스톤은 종래에 일반적으로 알루미늄 합금 재질로 제조되었다.
디젤 엔진의 경우 자연 착화 방식을 사용하기 때문에 피스톤의 상면부, 즉 헤드부의 온도가 높다면 연소 효율이 상승하게 된다. 그러나 알루미늄 합금 재질은 열전도도가 매우 높기 때문에, 피스톤이 쉽게 냉각되어 헤드부를 높은 온도로 유지하기 어려웠다.
이에, 피스톤의 재질을 알루미늄 합금에서 스틸 재질로 변경하여 피스톤 헤드부의 온도를 상승시키는 기술이 개발되고 있다. 그러나 스틸 재질의 피스톤을 사용하더라도 피스톤 헤드부의 최대 온도가 알루미늄 합금 대비 50~150℃ 상승함으로써 상승 정도가 제한적일 뿐만 아니라, 피스톤의 표면이 산화되면서 크랙이 발생하는 문제가 보고되었다.
따라서, 피스톤 헤드부의 온도를 더욱 상승시킬 수 있으면서 크랙 발생을 방지할 수 있는 새로운 엔진 피스톤 및 그 제조방법이 요구되고 있는 실정이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2015-0056622 A (2015.05.26.)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 단열성을 향상시켜 피스톤 헤드부의 온도를 더 높게 유지하면서 피로강도 및 내산화성이 우수한 엔진 피스톤 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 피스톤 제조방법은, 분말 형태의 소결재를 가압하여 피스톤 본체의 상부 형상인 상부체를 성형하는 상부체성형단계; 분말 형태의 소결재를 가압하여 피스톤 본체의 하부 형상인 하부체를 성형하는 하부체성형단계; 상기 상부체와 상기 하부체의 사이에 브레이징재를 배치하고, 소결재를 소결시킴과 동시에 상부체와 하부체를 브레이징 접합시켜 피스톤 본체를 제조하는 접합단계; 상기 피스톤 본체의 표면을 가공하여 표면에 노출된 기공을 제거하는 가공단계; 및 상기 피스톤 본체의 표면에 질화 열처리 및 산화 열처리 중 선택된 어느 하나 이상을 수행하여 부동태 피막을 형성시키는 열처리단계;를 포함한다.
상기 열처리단계는 상기 피스톤 본체의 표면에 질화 열처리 이후 산화 열처리를 수행할 수 있다.
상기 소결재는 중량%로, C: 0.45~0.6%, Cr: 1.3~1.7%, Mo: 0.15~0.35%, Mn: 0.25~0.40%, S: 0.1~0.2%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 소결재는 중량%로, C: 0.5~0.8%, Mo: 0.8~0.9%, Mn: 0.25~0.40%, S: 0.1~0.2%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 접합단계에서 사용되는 상기 브레이징재는 중량%로, Cu: 35~45%, Si, Mn, B, P, C, Fe의 군 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 총량을 5~30% 및 잔부 Ni을 포함할 수 있다.
상기 접합단계는 1100~1170℃ 조건에서 20~40분간 소결 및 브레이징을 수행하고, 0.8~1.2℃/s 속도로 상온까지 냉각할 수 있다.
상기 접합단계는 상기 상부체와 상기 하부체 사이를 0.05~0.15mm 이격시킨 후 그 사이에 상기 브레이징재를 배치하여 수행할 수 있다.
상기 가공단계는 상기 피스톤 본체의 표면을 0.1~0.2mm 깊이로 가공할 수 있다.
상기 열처리단계에서는 540~570℃ 조건에서 20~120분간 산화 열처리를 수행하여 상기 부동태 피막을 형성하되, 상기 부동태 피막은 Fe3O4 를 포함하여 상기 피스톤 본체의 표면에 2~8㎛ 두께로 형성되는 제1산화물층을 포함할 수 있다.
상기 열처리단계에서는 450~540℃ 조건에서 1~4시간 질화 열처리를 수행하여 질화물층을 형성시킨 후, 540~570℃ 조건에서 산화 열처리를 수행하여 상기 부동태 피막을 형성하되, 부동태 피막은 철 질화물을 포함하여 상기 피스톤 본체의 표면에 4~20㎛ 두께로 형성되는 질화물층과, Fe3O4 를 포함하여 질화물층의 표면에 1~3㎛ 두께로 형성되는 제2산화물층을 포함한다.
한편, 본 발명에 따른 엔진 피스톤은 분말을 압축 성형한 상부체 및 분말을 압축 성형한 하부체를 소결시킴과 동시에 상부체와 하부체를 브레이징 접합시켜 제조된 후 표면이 가공되어 표면에 기공이 노출되지 않는 피스톤 본체; 및 상기 피스톤 본체의 표면에 형성된 산화물 및 질화물 중 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 부동태 피막;을 포함한다.
상기 피스톤 본체의 밀도는 6.9~7.3g/cm3인 것을 특징으로 한다.
상기 피스톤 본체의 내부 기공율은 7.5~12%인 것을 특징으로 한다.
상기 부동태 피막은 Fe3O4 를 포함하여 상기 피스톤 본체의 표면에 2~8㎛ 두께로 형성되는 제1산화물층을 포함할 수 있다.
상기 부동태 피막은 철 질화물을 포함하여 상기 피스톤 본체의 표면에 4~20㎛ 두께로 형성되는 질화물층을 포함할 수 있다.
상기 부동태 피막은 철 질화물을 포함하여 상기 피스톤 본체의 표면에 4~20㎛ 두께로 형성되는 질화물층과, Fe3O4 를 포함하여 질화물층의 표면에 1~3㎛ 두께로 형성되는 제2산화물층을 포함할 수 있다.
상기 피스톤 본체를 형성하는 분말은 중량%로, C: 0.45~0.6%, Cr: 1.3~1.7%, Mo: 0.15~0.35%, Mn: 0.25~0.40%, S: 0.1~0.2%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 피스톤 본체를 형성하는 분말은 중량%로, C: 0.5~0.8%, Mo: 0.8~0.9%, Mn: 0.25~0.40%, S: 0.1~0.2%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 엔진 피스톤 및 그 제조방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 열전도도가 낮기 때문에 연료 연소시 발생하는 열이 피스톤 헤드부에 축적되어 피스톤 헤드부의 온도를 상승시키고, 이를 통해 디젤 엔진의 연소 효율을 향상시킬 수 있다.
둘째, 내산화성이 우수하여 고온에서의 크랙 발생을 방지할 수 있다.
셋째, 소결과 브레이징 접합을 동시에 수행하여 제조 공정이 간단하다.
도 1은 본 발명에 따른 상부체와 하부체의 사시도이고,
도 2는 상부체와 하부체가 브레이징 접합되는 모습을 나타내는 단면도이고,
도 3은 상부체와 하부체가 결합되어 피스톤 본체를 이루는 모습과, 피스톤 본체가 최종적인 피스톤 형상으로 가공된 모습을 나타낸 사시도이고,
도 4는 피스톤 본체의 표면을 가공하여 표면에 노출된 기공을 제거하는 모습을 나타낸 개략도이고,
도 5는 피스톤 본체의 표면에 부동태 피막을 형성시킨 모습을 나타낸 개략도이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 엔진 피스톤 및 그 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에 따른 엔진 피스톤 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 상부체와 하부체의 사시도이고, 도 2는 상부체와 하부체가 브레이징 접합되는 모습을 나타내는 단면도이고, 도 3은 상부체와 하부체가 결합되어 피스톤 본체를 이루는 모습과, 피스톤 본체가 최종적인 피스톤 형상으로 가공된 모습을 나타낸 사시도이고, 도 4는 피스톤 본체의 표면을 가공하여 표면에 노출된 기공을 제거하는 모습을 나타낸 개략도이고, 도 5는 피스톤 본체의 표면에 부동태 피막을 형성시킨 모습을 나타낸 개략도이다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 엔진 피스톤 제조방법은 크게 상부체성형단계, 하부체성형단계, 접합단계, 가공단계 및 열처리단계를 포함하여 구성된다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상부체성형단계 및 하부체성형단계는, 피스톤 본체(100) 형상을 이룰 수 있는 상부체(110) 및 하부체(120)를 성형하는 단계로서, 분말 형태의 소결재를 소정의 금형에 충진시킨 후 압축하는 압축성형 방식으로 상부체(110) 및 하부체(120)를 성형하게 된다.
이때, 상부체(110)는 피스톤 본체(100)의 위쪽 부분을 형성하고 하부체(120)는 피스톤 본체(100)의 아래쪽 부분을 형성하게 되며, 이 상부체(110)와 하부체(120)가 일체로 결합되어 하나의 피스톤 본체(100)를 이루게 된다.
상부체(110)는 예를 들어 외주면을 따라 피스톤링이 삽입되는 삽입홈이 형성될 수 있는 피스톤 본체(100)의 크라운 부분일 수 있고, 하부체(120)는 예를 들어 피스톤 본체(100)의 스커트 부분일 수 있다.
이렇게 피스톤 본체(100)를 상부체(110)와 하부체(120)의 두 부분으로 나눠 성형하는 이유는, 피스톤 본체(100)의 구조 상 하나의 금형에 분말을 채워넣어 피스톤 본체(100)의 전체 형상을 성형하기 어렵기 때문이다. 즉, 일반적인 분말 압축성형이 불가능한 언더컷이나 중공이 포함되어 있는 피스톤 본체(100)를 두 부분으로 나누어 성형하는 것이다.
상부체성형단계 및 하부체성형단계에서 성형되는 상부체(110)와 하부체(120)의 구체적인 형상을 특별히 한정하지는 않지만, 상부체(110) 및 하부체(120)를 이루는 소결재의 재질은 후술되는 바와 같이 스틸 재질로 형성되어 종래의 알루미늄 합금에 비해 강도가 증가하기 때문에, 상부체(110) 및 하부체(120)가 결합되어 형성된 피스톤 본체(100)의 전체 길이, 즉 라이너 내부에서 승강하는 방향의 길이가 종래의 알루미늄 합금 재질로 형성된 피스톤에 비해 작아질 수 있다.
이에 따라, 커넥팅 로드의 길이를 증가시킬 수 있기 때문에 커넥팅 로드와 피스톤 본체(100)의 길이방향이 이루는 각도의 차이가 감소하고, 피스톤 본체(100)에 가해지는 사이드 포스가 감소하면서 피스톤 본체(100)와 라이너 내벽 사이의 마찰이 최소화될 수 있다.
상부체(110) 및 하부체(120)를 형성하는 소결재는 예를 들어, 중량%로, C: 0.45~0.6%, Cr: 1.3~1.7%, Mo: 0.15~0.35%, Mn: 0.25~0.40%, S: 0.1~0.2%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 구성될 수 있다.
또는, 예를 들어 중량%로, C: 0.5~0.8%, Mo: 0.8~0.9%, Mn: 0.25~0.40%, S: 0.1~0.2%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상부체(110)의 재질은 전자의 조성으로, 하부체(120)의 재질은 후자의 조성으로 제조할 수 있을 것이다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 전자 및 후자의 재질을 모두 상부체(110) 및 하부체(120)에 적용할 수 있을 것이다.
탄소(C)는 스틸 재질의 핵심적인 원소로서 강도를 향상시키고, 베이나이트 조직을 안정화하기 위해 상기 범위만큼 첨가된다.
크롬(Cr)은 후술할 질화물층 및 산화물층의 안정화를 위해 상기 범위만큼 첨가되는데, 첨가량이 1.3% 미만일 경우에는 후술할 부동태 피막층의 경도가 낮아지고, 첨가량이 1.7%를 초과하면 분말 형태의 소결재를 압축 성형할 때의 성형성이 저하된다.
몰리브덴(Mo)은 탄화물 형성을 통해 고온에서의 강도를 향상시키기 위해 상기 범위만큼 첨가되는데, 크롬과 같이 첨가될 경우 함께 합금화된다. 크롬과 합금화될 경우 첨가량이 0.15% 미만일 경우에는 고온 강도가 저하되어 엔진 피스톤으로서 요구되는 물성을 달성할 수 없고, 첨가량이 0.35%를 초과할 경우에는 강도가 과도하게 상승하여 분말 성형이 어려워지게 된다. 크롬 없이 몰리브덴 단독으로 사용될 경우 첨가량이 0.8% 미만이면 고온 강도가 저하되고, 0.9%를 초과하면 분말 성형성이 저하된다.
망간(Mn)과 황(S)은 함께 구형의 MnS를 이루면서 가공성을 향상시키는 원소로서, MnS 분말을 이용하여 투입된다. 망간 및 황의 첨가량이 하한보다 적을 경우에는 가공성이 저하되고, 망간 및 황의 첨가량이 상한보다 많을 경우에는 강도를 저하시키거나 MnS의 편석에 의해 취약부를 형성할 수 있다.
접합단계에서는 앞서 설명한 상부체(110) 및 하부체(120)를 소결하면서 동시에 브레이징 접합시키는 단계로서, 상부체(110)와 하부체(120) 사이에 브레이징재(200)를 삽입한 후 가열, 가압하여 상부체(110) 및 하부체(120)를 소결시키면서 브레이징재(200)가 상부체(110) 및 하부체(120)로 일부 침투하면서 상부체(110)와 하부체(120)를 일체로 결합시키고, 결과적으로 하나의 피스톤 본체(100)를 형성하게 된다.
브레이징재(200)는 예를 들어 환형으로 형성되고, 상면이 상부체(110)의 하면에 접하고, 하면이 하부체(120)의 상면에 접하도록 일종의 와셔 형상으로 형성될 수 있다.
브레이징재(200)는 예를 들어 중량%로, Cu: 35~45%, Si, Mn, B, P, C, Fe의 군 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 총량을 5~30% 및 잔부 Ni을 포함하는 재질일 수 있다. 니켈의 함량이 상기 범위를 초과하면 용융점이 높아지고 상부체(110)와 하부체(120) 사이에서 확산되는 구리의 양이 감소함에 따라 브레이징 접합이 제대로 수행되지 않고, 구리의 함량이 상기 범위를 초과하면 니켈에 의한 강도 향상 효과가 감소하여 브레이징 결합부의 결합강도가 저하된다.
접합단계를 실시할 때에는 상부체(110)와 하부체(120)를 가압한 상태로 1100~1170℃ 조건에서 20~40분간 유지하여 소결과 브레이징을 동시에 수행하고, 소결 및 브레이징이 완료된 후 0.8~1.2℃/s 속도로 상온까지 냉각함으로써 피스톤 본체(100)의 조직을 베이나이트로 변태시키게 된다.
한편, 접합단계를 수행할 때 상부체(110)와 하부체(120) 사이를 0.05~0.15mm 이격시키는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 0.06~0.12mm 간격을 유지하는 것이 좋다. 이렇게 상부체(110)와 하부체(120) 사이에 소정의 간격을 형성시킴으로써, 브레이징재(200)가 상부체(110)와 하부체(120) 사이로 쉽게 유동하면서 상부체(110)와 하부체(120)의 결합면에 균일하게 확산될 수 있다.
이때, 이격 거리가 0.05mm 미만일 경우에는 상부체(110)와 하부체(120) 사이의 공간이 너무 좁기 때문에 브레이징재(200)의 확산이 제대로 이루어지지 않고, 0.15mm를 초과할 경우에는 브레이징 접합이 이루어지지 않거나 접합강도가 350MPa를 만족하지 못 하게 된다.
상부체(110)와 하부체(120)를 이격시킬 때, 상부체(110)의 결합면에 상부돌기(111)를 형성시키고, 하부체(120)의 결합면에 하부돌기(121)를 형성시키며, 상부돌기(111)와 하부돌기(121)를 서로 맞닿게 함으로써 상부체(110)와 하부체(120)의 사이를 이격시키는 것이 바람직하다. 이때, 상부돌기(111) 및 하부돌기(121)는 각각 세 개 이상 형성되어, 상부체(110)와 하부체(120)가 일정 거리를 안정적으로 유지하도록 하는 것이 바람직할 것이다. 이러한 상부돌기(111) 및 하부돌기(121)는 최종적인 외경 가공시 가공되어 제거됨으로써, 결합된 상부체(110)와 하부체(120) 사이에는 브레이징재(200)만이 존재하게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 가공단계에서는 피스톤 본체(100)의 표면을 소정의 가공 깊이(101)만큼 가공하여 표면에 형성된 기공(P)을 제거하게 된다.
더 구체적으로 설명하면, 피스톤 본체(100)의 표면을 가공하면서 가공 깊이(101) 미만의 크기를 갖는 표면의 기공(P)은 깎여나가 제거되고, 가공 깊이(101)를 초과하는 크기를 갖는 표면의 기공(P)은 그 주변의 피스톤 본체(100) 표면부가 기공(P) 내부로 밀려들어 결과적으로 피스톤 본체(100)의 표면을 평탄화시키게 된다.
이때, 가공 깊이(101)는 0.1~0.2mm인 것이 바람직하다. 가공 깊이(101)가 0.1mm 미만일 경우에는 피스톤 본체(100) 표면의 기공(P)을 제거하기 어렵고, 가공 깊이(101)가 0.2mm를 초과하더라도 표면의 기공 제거 효과가 더 나아지지 않을 뿐만 아니라, 과다한 가공으로 인해 가공비가 상승하고, 상부체(110) 및 하부체(120)의 크기를 더 크게 해야 하기 때문에 소재비가 상승하게 된다.
이러한 가공단계를 통한 표면 가공을 통해 피스톤 본체(100) 표면의 기공(P)은 제거되거나 피스톤 본체(100) 내부의 기공과 차단되어 피스톤 본체(100)의 표면이 평탄화되지만, 피스톤 본체(100) 내부의 기공(P)은 제거되지 않고, 엔진 피스톤으로써 작동할 때 단열층의 역할을 수행하게 된다.
가공단계를 거친 후에 피스톤 본체(100)의 밀도는 6.9~7.3g/cm3이고, 피스톤 본체(100)의 내부 기공율은 7.5~12%인 것이 바람직하다.
밀도가 상기 범위에 미달하거나 내부 기공율이 상기 범위를 초과할 경우, 단열 성능이 향상되어 피스톤 헤드부의 온도가 올라감으로써 디젤엔진의 연료 효율이 향상되는 반면 취성이 증가하여 수명이 저하되고, 밀도가 상기 범위를 초과하거나 내부 기공율이 상기 범위에 미달할 경우 단열 성능이 저하되어 피스톤 헤드부의 온도를 충분히 상승시키기 어렵다.
도 5에 도시된 바와 같이, 열처리단계에서는 피스톤 본체(100)의 표면에 질화 열처리, 산화 열처리 중 선택된 어느 하나 이상을 수행하여 부동태 피막(130)을 형성시키게 된다.
이때, 수행하는 열처리에 따라 형성되는 부동태 피막(130)의 세부적인 구성이 달라지게 된다.
먼저, 도 5(a)에 도시된 바와 같이 스팀 열처리만을 수행할 경우, 부동태 피막(130)은 Fe3O4 를 포함하여 피스톤 본체(100)의 표면에 2~8㎛ 두께로 형성되는 제1산화물층(131)으로 구성될 수 있다.
이때, 산화 열처리는 스팀 분위기에서 540~570℃ 조건에서 20~120분간 수행함으로써 피스톤 본체(100)의 표면에 제1산화물층(131)을 형성시키게 된다.
Fe3O4 은 다공성 물질로서 단열성이 우수하기 때문에 피스톤 본체(100)의 헤드부 온도를 높이는데 도움을 줄 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 피스톤 본체(100)는 앞서 설명한 바와 같이 크롬을 함유하고 있는바, 스팀 열처리를 통해 제1산화물층(131)에 Cr2O3가 추가적으로 형성되어 피스톤 본체(100)의 표면 내산화성을 향상시킬 수도 있다.
한편, 도 5(b)에 도시된 바와 같이 질화 열처리와 스팀 열처리를 동시에 수행할 경우, 부동태 피막(130)은 철 질화물을 포함하여 피스톤 본체(100)의 표면에 4~20㎛ 두께로 형성되는 질화물층(132)과, Fe3O4 를 포함하여 질화물층(132)의 표면에 1~3㎛ 두께로 형성되는 제2산화물층(133)을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 먼저 암모니아(NH3) 분위기의 450~540℃ 조건에서 1~4시간 열처리를 수행하여 Fe2-3N을 50% 이상, 나머지 Fe4N을 포함하는 질화물층(132)을 형성시킨 후, 스팀 분위기의 540~570℃ 조건에서 20~120분 열처리를 수행하여 Fe3O4 를 포함하는 제2산화물층(133)을 형성시키는 것이 바람직하다.
질화물층(132)을 형성할 때에는 이온질화 또는 가스연질화 방법을 사용할 수 있고, 이에 따라 형성된 다공성의 질화물이 피스톤 본체(100)의 단열성을 향상시킬 수 있다. 또한 질화 열처리에 이어 스팀 분위기에서 산화 열처리를 수행함으로써, 피스톤 본체(100)의 고온 피로강도를 향상시킬 수 있다.
질화물층(132)을 형성할 때에는 이온질화 또는 가스연질화 방법을 사용할 수 있고, 이에 따라 형성된 다공성의 질화물이 피스톤 본체(100)의 단열성을 향상시킬 수 있다. 또한 질화 열처리에 이어 스팀 분위기에서 산화 열처리를 수행함으로써, 피스톤 본체(100)의 고온 피로강도를 향상시킬 수 있다.
한편, 질화물층(132) 중에서 피스톤 본체(100)의 표면에 가까운 쪽에는 조직이 치밀한 조밀층이 형성되고, 그 위에는 다공성의 다공층이 형성되는데, 조밀층의 두께는 2㎛ 이상으로 형성되고, 다공층의 두께는 10㎛ 이하로 형성되는 것이 바람직하다. 다공층은 피스톤 본체(100)의 단열성을 향상시키고, 조밀층은 산소의 침투를 막아 피스톤 본체(100)의 산화를 방지한다.
또한, 제2산화물층(133) 없이 질화물층(132)만으로 부동태 피막(130)을 형성시킬 수도 있다. 이 경우 질화 열처리 이후 산화 열처리를 수행하지 않게 된다.
이에 더해서, 도 3(a)에 도시된 접합단계를 거쳐 제조된 피스톤 본체(100)를 도 3(b)에 도시된 최종적인 피스톤(100a) 형상으로 형성시키기 위해 추가적인 가공이 수행될 수 있다.
이러한 가공은 피스톤링을 삽입하기 위한 삽입홈, 커넥팅 로드와 체결하기 위한 핀홀, 윤활유를 저장하기 위한 오일갤러리 등을 형성시키기 위해 수행된다.
이러한 추가적인 가공은 접합단계 이후, 가공단계 이전에 수행될 수 있을 것이다.
한편, 본 발명에 따른 엔진 피스톤은, 분말을 압축 성형하여 각각 제조된 상부체(110) 및 하부체(120)를 소결시킴과 동시에 브레이징재(200)를 통해 접합시켜 제조된 후 표면이 가공되어 표면에 기공이 노출되지 않는 피스톤 본체(100)와, 피스톤 본체(100)의 표면에 형성된 산화물 및 질화물 중 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 부동태 피막(130)을 포함하여 구성된다.
이러한 엔진 피스톤은 앞서 설명한 엔진 피스톤 제조방법에 의해 제조되는 것으로서, 그 세부적인 구성은 엔진 피스톤 제조방법에 대한 설명으로 갈음하도록 한다.
또한, 상술한 바와 같이 제조된 엔진 피스톤의 압축높이, 즉 피스톤 상면에서 피스톤핀까지의 거리는 25~40mm로서, 종래의 Al 피스톤 대비 약 25%의 높이를 축소 가능하다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 피스톤 본체
110: 상부체
120: 하부체
130: 부동태 피막
200: 브레이징재
P: 기공

Claims (18)

  1. 분말 형태의 소결재를 가압하여 피스톤 본체의 상부 형상인 상부체를 성형하는 상부체성형단계;
    분말 형태의 소결재를 가압하여 피스톤 본체의 하부 형상인 하부체를 성형하는 하부체성형단계;
    상기 상부체와 상기 하부체의 사이에 브레이징재를 배치하고, 소결재를 소결시킴과 동시에 상부체와 하부체를 브레이징 접합시켜 피스톤 본체를 제조하는 접합단계;
    상기 피스톤 본체의 표면을 가공하여 표면에 노출된 기공을 제거하는 가공단계; 및
    상기 피스톤 본체의 표면에 질화 열처리 및 산화 열처리 중 선택된 어느 하나 이상을 수행하여 부동태 피막을 형성시키는 열처리단계;를 포함하는 엔진 피스톤 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열처리단계는 상기 피스톤 본체의 표면에 질화 열처리 이후 산화 열처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤 제조방법.

  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 소결재는 중량%로, C: 0.45~0.6%, Cr: 1.3~1.7%, Mo: 0.15~0.35%, Mn: 0.25~0.40%, S: 0.1~0.2%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 소결재는 중량%로, C: 0.5~0.8%, Mo: 0.8~0.9%, Mn: 0.25~0.40%, S: 0.1~0.2%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 접합단계에서 사용되는 상기 브레이징재는 중량%로, Cu: 35~45%, Si, Mn, B, P, C, Fe의 군 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 총량을 5~30% 및 잔부 Ni을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 접합단계는 1100~1170℃ 조건에서 20~40분간 소결 및 브레이징을 수행하고, 0.8~1.2℃/s 속도로 상온까지 냉각하는 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 접합단계는 상기 상부체와 상기 하부체 사이를 0.05~0.15mm 이격시킨 후 그 사이에 상기 브레이징재를 배치하여 수행하는 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤 제조방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 가공단계는 상기 피스톤 본체의 표면을 0.1~0.2mm 깊이로 가공하는 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 열처리단계에서는 540~570℃ 조건에서 20~120분간 산화 열처리를 수행하여 상기 부동태 피막을 형성하되,
    상기 부동태 피막은 Fe3O4 를 포함하여 상기 피스톤 본체의 표면에 2~8㎛ 두께로 형성되는 제1산화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤 제조방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 열처리단계에서는 450~540℃ 조건에서 1~4시간 질화 열처리를 수행하여 질화물층을 형성시킨 후, 540~570℃ 조건에서 산화 열처리를 수행하여 상기 부동태 피막을 형성하되,
    부동태 피막은 철 질화물을 포함하여 상기 피스톤 본체의 표면에 4~20㎛ 두께로 형성되는 질화물층과, Fe3O4 를 포함하여 질화물층의 표면에 1~3㎛ 두께로 형성되는 제2산화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤 제조방법.
  11. 분말을 압축 성형한 상부체 및 분말을 압축 성형한 하부체를 소결시킴과 동시에 상부체와 하부체를 브레이징 접합시켜 제조된 후 표면이 가공되어 표면에 기공이 노출되지 않는 피스톤 본체; 및
    상기 피스톤 본체의 표면에 형성된 산화물 및 질화물 중 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 부동태 피막;을 포함하는 엔진 피스톤.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 피스톤 본체의 밀도는 6.9~7.3g/cm3인 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤.
  13. 삭제
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 부동태 피막은 Fe3O4 를 포함하여 상기 피스톤 본체의 표면에 2~8㎛ 두께로 형성되는 제1산화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 부동태 피막은 철 질화물을 포함하여 상기 피스톤 본체의 표면에 4~20㎛ 두께로 형성되는 질화물층을 포함하는 엔진 피스톤.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 부동태 피막은 철 질화물을 포함하여 상기 피스톤 본체의 표면에 4~20㎛ 두께로 형성되는 질화물층과, Fe3O4 를 포함하여 질화물층의 표면에 1~3㎛ 두께로 형성되는 제2산화물층을 포함하는 엔진 피스톤.
  17. 청구항 11에 있어서,
    상기 피스톤 본체를 형성하는 분말은 중량%로, C: 0.45~0.6%, Cr: 1.3~1.7%, Mo: 0.15~0.35%, Mn: 0.25~0.40%, S: 0.1~0.2%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 피스톤 본체를 형성하는 분말은 중량%로, C: 0.5~0.8%, Mo: 0.8~0.9%, Mn: 0.25~0.40%, S: 0.1~0.2%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 피스톤.
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