KR20170066449A - 피스톤용 구상 흑연 주철, 일체형 피스톤 및 선박용 엔진 - Google Patents
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Abstract
실시형태의 피스톤용 구상 흑연 주철은 질량으로 C: 2.7~4.3%, Si: 2.0~3.5%, Mn: 0.3~0.8%, Mg: 0.02~0.10%, Cu: 0.3~1.0%, Cr: 0.05~0.90%, Mo: 0.05~1.00%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다. 그리고, C 함유량 및 Si 함유량이 C 함유량과 Si 함유량과의 관계를 나타내는 도면에서, (C 함유량, Si 함유량)으로 표시되는 점 A(2.7%, 3.5%), 점 B(3.2%, 2.0%), 점 C(4.3%, 2.0%), 점 D(3.8%, 3.5%)의 각 점을 차례로 연결하는 선으로 둘러싸인 조성범위 내에 있다.
Description
본 발명의 실시형태는 피스톤용 구상(球狀) 흑연 주철, 일체형 피스톤 및 선박용 엔진에 관한 것이다.
종래, 플리저 보트(pleasure boat)나 기선(汽船) 등의 소형 선박용 엔진의 피스톤이나, 탱커(tanker)선의 보기(補機)나 주기(主機) 등의 선박용 엔진의 피스톤으로서 크라운과 스커트의 2개의 구성부를 갖는 조립형 피스톤이나, 전체가 일체적으로 형성된 일체형 피스톤이 사용되고 있다. 조립형 피스톤에서 헤드부를 구성하는 크라운은 저합금강으로 형성되고, 스커트는 주철로 형성된다. 한편, 일체형 피스톤은 구상 흑연 주철로 형성된다.
여기에서 일체형 피스톤은 2개의 구성부를 갖는 조립형 피스톤에 비하여, 제조공정의 삭감이 도모된다. 또한, 구상 흑연 주철로 형성되는 일체형 피스톤은 저합금강을 사용하는 조립형 피스톤에 비하여 제조비용이 낮다. 일체형 피스톤은 이와 같은 이점을 갖고 있다.
종래의 구상 흑연 주철은 종래의 선박용 엔진의 운전조건하에서 일체형 피스톤을 구성하는 재료로서, 내열성이나 수명에 관한 문제를 발생시키지 않고 사용되어 왔다.
선박용 엔진에서는, 최근 배기 가스 규제 대응이나 고효율화가 진행되고 있다. 이에 의해, 선박용 엔진에서 고출력화가 요구되고 있다. 그 때문에, 엔진을 구성하는 피스톤에 작용하는 열부하는 상승한다. 즉, 일체형 피스톤을 구성하는 구상 흑연 주철에 작용하는 열부하는 상승한다. 이 열부하의 상승하에서, 엔진의 작동과 정지를 반복함으로써 일체형 피스톤, 즉 구상 흑연 주철에 가해지는 열피로는 커진다.
상기한 고출력화에 따른 열피로의 증대에 의해, 일체형 피스톤에 균열이 발생할 우려가 있다. 즉, 일체형 피스톤을 형성하는 종래의 구상 흑연 주철에서는 고출력화가 도모된 엔진의 운전조건하에서 충분한 내열성이나 수명을 얻기 곤란하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 강도 및 경도를 유지하면서, 내열성 및 수명이 우수한 피스톤용 구상 흑연 주철, 이 구상 흑연 주철에 의해 형성된 일체형 피스톤, 및 이 피스톤을 구비하는 선박용 엔진을 제공하는 것이다.
실시형태의 피스톤용 구상 흑연 주철은 질량으로 C:2.7~4.3%, Si: 2.0~3.5%, Mn: 0.3~0.8%, Mg: 0.02~0.10%, Cu: 0.3~1.0%, Cr: 0.05~0.90%, Mo: 0.05~1.00%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다. 그리고, C 함유량 및 Si함유량이 C 함유량과 Si 함유량과의 관계를 도시한 도면에서, (C 함유량, Si 함유량)으로 표시되는 점 A(2.7%, 3.5%), 점 B(3.2%, 2.0%), 점 C(4.3%, 2.0%), 점 D(3.8%, 3.5%)의 각 점을 순차 연결하는 선으로 둘러싸인 조성범위내에 있다.
본 발명에서는 강도 및 경도를 유지하면서, 내열성 및 수명이 우수한 피스톤용 구상 흑연 주철, 이 구상 흑연 주철에 의해 형성된 일체형 피스톤, 및 이 피스톤을 구비하는 선박용 엔진을 제공할 수 있다.
도 1은 C 함유량과 Si 함유량의 관계를 도시한 도면이다.
도 2는 실시형태의 구상 흑연 주철로 제작된 일체형 피스톤의 측면도이다.
도 3은 실시형태의 일체형 피스톤을 구비한 디젤 엔진의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 실시형태의 선박용 엔진을 구비한 선박의 측면도이다.
도 2는 실시형태의 구상 흑연 주철로 제작된 일체형 피스톤의 측면도이다.
도 3은 실시형태의 일체형 피스톤을 구비한 디젤 엔진의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 실시형태의 선박용 엔진을 구비한 선박의 측면도이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 설명한다.
이하의 설명에서 조성성분을 나타내는 %는 특별히 기재하지 않는 한 질량%로 한다. 도 1은 C 함유량과 Si 함유량과의 관계를 도시한 도면이다.
실시형태의 피스톤용 구상 흑연 주철(이하, 구상 흑연 주철이라고 부름)은 C:2.7~4.3%, Si: 2.0~3.5%, Mn: 0.3~0.8%, Mg: 0.02~0.10%, Cu: 0.3~1.0%, Cr: 0.05~0.90%, Mo: 0.05~1.00%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
또한, 실시형태의 구상 흑연 주철에서의 C 함유량 및 Si 함유량은 도 1에서 (C 함유량, Si 함유량)으로 표시되는 점 A(2.7%, 3.5%), 점 B(3.2%, 2.0%), 점 C(4.3%, 2.0%), 점 D(3.8%, 3.5%)의 각 점을 순차 연결하는 선으로 둘러싸인 조성범위내에 있다. 또한, C 함유량 및 Si 함유량으로서 각 점을 순차 연결하는 선 상도 포함된다. 이 둘러싸인 범위내에서의 탄소 당량(CE)(CE=C+1/3×Si)는 3.87~4.97이다.
여기에서, 실시형태의 구상 흑연 주철에서의 불가피한 불순물로서는 예를 들어 S, P 등을 들 수 있다. 이들 불가피한 불순물 중, 적어도 S를 0.05% 이하, P를 0.1% 이하로 억제하는 것이 바람직하다.
실시형태의 구상 흑연 주철은 기지(基地) 조직 중에 구상의 흑연의 결정을 구비하고 있다. 이 구상 흑연 주철에서의 흑연의 구상화율은 80% 이상이다. 이 구상화율은 JIS G5502에 준거하여 산출된다. 또한, 일반적으로 흑연의 구상화율이 80% 이상의 주철이 구상 흑연 주철로 불린다.
실시형태의 구상 흑연 주철에서, 흑연 조직을 제외한 기지조직에서의 탄화물의 비율은 1.6% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 이 탄화물의 비율은 다음에 나타내는 평균된 탄화물의 비율이다.
탄화물의 비율은 예를 들어 다음에 나타내는 방법으로 산출된다. 구상 흑연 주철의 조직 단면을 나이탈 부식액으로 부식시킨다. 계속해서, 조직 단면을 현미경으로 관찰한다. 이 때, 예를 들어 배율을 100배로 하고, 5시야에 대해서 관찰한다. 각 시야에 대해서 화상처리를 실시하고, 탄화물이 차지하는 총면적 및 흑연조직이 차지하는 총면적을 각각 산출한다.
그리고, 흑연조직을 제외한 시야면적에 대해서 탄화물이 차지하는 면적의 비율을 구한다. 즉, 탄화물이 차지하는 면적을, 흑연 조직을 제외한 시야면적으로 나누어 탄화물의 비율을 산출한다. 각 시야에 기초하여 산출된 탄화물의 비율을 산술 평균하여, 평균된 탄화물의 비율을 얻는다.
기지에서의 탄화물은 인성(靭性)을 저하시킨다. 그 때문에, 탄화물의 비율을 1.6% 이하로 함으로써 인성의 저하가 억제된다. 또한, 탄화물의 비율은 이 범위 중에서도 보다 낮은 것이 바람직하다.
실시형태의 구상 흑연 주철은 펄라이트계(펄라이트 주체)의 구상 흑연 주철이다. 실시형태의 구상 흑연 주철의 기지조직은 펄라이트 조직, 페라이트 조직, 흑연 조직 및 탄화물로 구성되어 있다. 여기에서, 펄라이트계(펄라이트 주체)의 구상 흑연 주철이라는 것은 흑연 조직을 제외한, 구상 흑연 주철의 기지조직에서 펄라이트 조직의 비율이 50%를 초과하는 구상 흑연 주철을 말한다.
실시형태의 구상 흑연 주철에서, 펄라이트 조직의 비율은 60~100%인 것이 바람직하다. 이 범위가 바람직한 것은 인성과 강도를 양립시킬 수 있기 때문이다. 더욱, 바람직한 펄라이트 조직의 비율은 90~100%이다. 또한, 이 펄라이트 조직의 비율은 다음에 나타내는 평균된 펄라이트 조직의 비율이다.
펄라이트 조직의 비율은 예를 들어 다음에 나타내는 방법으로 산출된다. 구상 흑연 주철의 조직 단면을 나이탈 부식액으로 부식시킨다. 계속해서, 조직 단면을 현미경으로 관찰한다. 이 때, 예를 들어 배율을 100배로 하고 5시야에 대해서 관찰한다. 각 시야에 대해서 화상 처리를 실시하고, 펄라이트 조직이 차지하는 총면적 및 흑연 조직이 차지하는 총면적을 각각 산출한다.
그리고, 흑연 조직을 제외한 시야 면적에 대하여 펄라이트 조직이 차지하는 면적의 비율을 구한다. 즉, 펄라이트 조직이 차지하는 면적을, 흑연 조직을 제외한 시야 면적으로 나누어, 펄라이트 조직의 비율을 산출한다. 각 시야에 기초하여 산출된 펄라이트 조직의 비율을 산술 평균하여, 평균된 펄라이트 조직의 비율을 얻는다.
기지에서의 펄라이트 조직은 강도(인장강도)를 향상시킨다. 그 때문에, 실시형태의 구상 흑연 주철을 펄라이트계의 구상 흑연 주철로 함으로써, 우수한 강도(인장강도)가 얻어진다.
실시형태의 구상 흑연 주철은 예를 들어 선박용 엔진의 피스톤을 구성하는 재료로서 바람직하다. 선박용 엔진으로서는 예를 들어 보어 직경(실린더의 직경)이 150㎜~350㎜ 정도의 엔진을 들 수 있다. 또한, 선박용 엔진으로서는 500PS~4500PS 출력의 엔진을 들 수 있다. 즉, 실시형태의 구상 흑연 주철은 소형~중형의 선박용 엔진의 피스톤을 구성하는 재료로서 적용할 수 있다. 이와 같은 선박용 엔진의 운전시에서 피스톤의 온도는 예를 들어 500℃ 정도가 된다.
다음에, 상기한 실시형태의 구상 흑연 주철에서의 각 조성범위의 한정이유를 설명한다.
(1) C(탄소)
C는 구상 흑연을 정출시키기 위해 필요한 원소이다. C의 함유율이 2.7% 이상에서 구상화율이 80% 이상인 구상 흑연이 정출된다. 한편, C의 함유율이 4.3% 이하에서, 흑연의 현저한 정출을 억제하고, 구상화율이 80% 이상인 구상 흑연의 정출이 유지된다. 또한, 80% 이상의 구상화율을 유지하기 위해, C의 함유율은 C 함유량과 Si함유량과의 관계를 나타내는 도 1에서 점 A(2.7%, 3.5%)와 점 B(3.2%, 2.0%)를 연결하는 직선 AB 이상이고, 또한 점 C(4.3%, 2.0%)와 점 D(3.8%, 3.5%)를 연결하는 직선 CD 이하이다. C의 함유율을 직선 AB 이상으로 함으로써 수축특성의 악화가 억제된다. 한편, C의 함유율을 직선 CD 이하로 함으로써 카본 드로스(carbon dross) 결함이나 부상 흑연의 발생이 억제된다.
여기에서 C의 함유율은 C 함유량과 Si 함유량의 관계를 도시한 도 1에서, 점 E(3.3%, 2.8%)와 점 F(3.43%, 2.4%)를 연결하는 직선 EF 이상이고, 또한 점 G(3.7%, 2.4%)와 점 H(3.57%, 2.8%)를 연결하는 직선 GH 이하인 것이 보다 바람직하다.
(2) Si(규소)
Si는 구상 흑연을 정출시키기 위해 필요한 원소이다. Si의 함유율이 2.0% 이상에서 구상화율이 80% 이상의 구상 흑연이 정출된다. 또한, Si의 함유율이 2.0% 이상에서 수축특성의 악화가 억제된다. 한편, Si의 함유율이 3.5% 이하에서, 강도가 저하되지 않고, 구상화율이 80% 이상의 구상 흑연의 정출이 유지된다. 또한, Si의 함유율이 3.5% 이하에서, 드로스 결함이나 부상 흑연의 발생이 억제된다. 그 때문에, Si의 함유율을 2.0~3.5%로 했다. 보다 바람직한 Si의 함유율은 2.4~2.8%이다.
상기한 C와 Si의 조성범위로부터 구상 흑연 주철에서의 C 함유량 및 Si 함유량은 도 1에서 (C 함유량, Si 함유량)으로 표시되는 점 E(3.3%, 2.8%), 점 F(3.43%, 2.4%), 점 G(3.7%, 2.4%), 점 H(3.57%, 2.8%)의 각 점을 차례로 연결하는 선으로 둘러싸인 조성범위 내에 있는 것이 보다 바람직하다. 이 범위내에서의 탄소 당량(CE)는 4.23~4.50이다.
(3) Mn(망간)
Mn은 흑연을 미세화하고, 또한 기지 조직인 펄라이트를 강화하는 작용을 갖는 원소이다. 이들의 효과는 Mn의 함유율이 0.3% 이상에서 발휘된다. 한편, Mn의 함유율이 0.8% 이하에서, 신장과 취성(脆性)의 악화를 방지하고, 수축특성의 증가를 억제한다. 그 때문에, Mn의 함유율을 0.3~0.8%로 했다. 보다 바람직한 Mn의 함유율은 0.3~0.5%이다.
(4)Mg(마그네슘)
Mg는 구상 흑연을 얻기 위해 필요한 원소이다. Mg의 함유율이 0.02% 이상에서 구상화율이 80% 이상의 구상 흑연이 얻어진다. 한편, Mg의 함유율이 0.10% 이하에서, 수축공(shrinkage cavity), 드로스 결함(dross defect), 역칠(inverse chill), 재질 경화 및 가스 결함이 억제된다. 그 때문에, Mg의 함유율을 0.02~0.10%로 했다. 보다 바람직한 Mg의 함유율은 0.02~0.05%이다.
(5) Cu(동)
Cu는 Cr 등의 백선철화 원소의 첨가에서의 탄화물을 억제한다. Cu의 함유율이 0.3% 이상에서 이 효과가 얻어진다. 한편, Cu의 함유율이 1.0% 이하에서, 80% 이상의 구상화율이 유지된다. 그 때문에, Cu의 함유율을 0.3~1.0%로 했다. 보다 바람직한 Cu의 함유율은 0.3~0.5%이다.
(6) Cr(크롬)
Cr은 내열성이나 경도를 향상시킨다. Cr의 함유율이 0.05% 이상에서 이들의 효과가 얻어진다. 한편, Cr의 함유율이 0.90% 이하에서 적절한 경도를 유지하면서, 인성을 저하시키는 탄화물의 과잉 형성을 억제한다. 그 때문에, Cr의 함유율을 0.05~0.90%로 했다. 보다 바람직한 Cr의 함유율은 0.2~0.4%이다.
(7) Mo(몰리브덴)
Mo는 Cr과 동일하게, 내열성이나 경도를 향상시킨다. Mo의 함유율이 0.05% 이상에서 이들의 효과가 얻어진다. 한편, Mo의 함유율이 1.00% 이하에서 적절한 경도를 유지하면서 인성을 저하시키는 탄화물의 과잉 형성을 억제한다. 그 때문에, Mo의 함유율을 0.05~1.00%로 했다. 보다 바람직한 Mo의 함유율은 0.3~0.5%이다.
(8) S(유황), P(인)
S 및 P는 실시형태의 구상 흑연 주철에서는 불가피한 불순물로 분류되는 것이다. 이들 불가피한 불순물은 가능한 그 잔존 함유율을 0%에 근접시키는 것이 바람직하다. 또한, 이들 불가피한 불순물 중 적어도 S는 0.05 이하, P는 0.1로 억제되는 것이 바람직하다.
S는 Mg 등과의 친화력이 크고, 구상화제의 Mg를 소비한다. 또한, MgS를 발생시키고, 주물의 품질을 열화시킨다. 그 때문에, S의 잔존 함유율을 0.05% 이하로 하고, 가능한 한 그 잔존 함유율을 0%에 근접시키는 것이 바람직하다.
P는 기지의 입자계에 스테다이트(steadite)의 석출(정출)을 촉진한다. 이에 의해, 취화(embrittlement)가 진행된다. 그 때문에, P의 잔존함유율을 0.1% 이하로 하고, 가능한 그 잔존함유율을 0%에 근접시키는 것이 바람직하다.
다음에, 실시형태의 구상 흑연 주철 및 이 구상 흑연 주철을 사용하여 제조되는 일체형 피스톤의 제조방법에 대해서 설명한다.
실시형태의 구상 흑연 주철이나 일체형 피스톤은 예를 들어 다음과 같이 제조된다. 구상 흑연 주철을 구성하기 위한 용탕(溶湯)은 예를 들어 1480~1550℃의 온도로 유지된다. 용탕은 예를 들어 전기로 등에 의해 형성된다.
이 용탕에 대해서 구상화 처리를 실시한다. 여기에서, 구상화 처리의 방법은 특별히 한정되는 것은 아니고, 구상 흑연 주철을 제작할 때 널리 일반적으로 실시되고 있는 방법이다. 또한, 구상화제로서 Mg 합금, Fe-Si-Mg 합금 등이 사용된다. 구상화 처리의 온도는 제품으로의 주입(鑄入) 온도로부터 역산하여 1480~1550℃로 한다.
여기에서, 구상화 처리전의 용탕에 대해서, 용탕 중의 S 및 P의 함유량이 각각 0.05% 이하, 0.1% 이하가 되도록 탈황 및 탈인을 실시해도 좋다.
구상화 처리후, 사형(砂型)에 의해 형성한 주형(鑄型)에 주입(注湯)한다. 여기에서, 주형에 주입하기 위한 레이들(ladle)에 용탕을 바꾸어 옮길 때, 접종제를 첨가하여 접종한다. 접종온도는 주탕 온도로부터 역산하여, 예를 들어 1380 ~ 1450 ℃에서 실시한다. 주탕 온도가 높으면 수축 불량이 발생하기 쉬워지고, 주탕 온도가 낮으면 가스 결함이나 온수 순환 불량이 발생하기 쉬우므로, 주탕 온도는 예를 들어 1330 ~ 1410 ℃로 설정된다. 또한, 이들의 온도는 예를 들어 침지형 온도계로 측정된다. 여기에서, 일체형 피스톤을 형성하는 경우, 주형은 일체형 피스톤의 형상으로 형성되어 있다.
주형내의 주탕은 냉각장에서, 예를 들어 350℃ 이하의 온도가 될 때가지 자연 냉각된다.
냉각 후, 틀에서 분리하여 주형으로부터 주물을 취출한다. 주물에 부착된 모래는 예를 들어 쇼트 피닝(shot peening) 등에 의해 제거된다. 또한, 탕도(湯道)나 압탕(押湯) 등의 구성부 이외의 부분은 예를 들어 플라즈마 용단(溶斷) 등에 의해 잘라 내어진다.
계속해서, 주물은 열처리된다. 열처리로서 노멀라이징(normalizing) 처리 및 어닐링(annealing) 처리를 실시한다.
노멀라이징 처리는 예를 들어 강도를 향상시키기 위해 이루어진다. 노멀라이징 처리는 예를 들어 870~940℃의 온도에서 2~3시간 실시된다. 즉, 노멀라이징 처리는 주물의 온도가 870~940℃에 도달한 후, 2~3시간 실시된다. 이 온도에 도달할 때까지의 승온온도는 250~350℃/h인 것이 바람직하다.
한편, 냉각은 예를 들어 500~1000℃/h의 냉각속도로 실온까지 실시되는 것이 바람직하다. 여기에서, 상기 온도는 예를 들어 노에서의 온도에 기초하는 것이다.
노멀라이징의 온도를 상기 범위로 하는 것은 결정립의 조대화에 의한 인성의 저하를 억제하기 위함이다.
또한, 노멀라이징 처리는 구상 흑연 주철이나 일체형 피스톤에서 예를 들어 700MPa 이상의 인장강도가 필요한 경우에 실시된다. 즉, 열처리로서 노멀라이징 처리 및 어닐링 처리의 쌍방을 실시하는 경우와, 노멀라이징 처리만을 실시하는 경우가 있다.
어닐링 처리는 예를 들어 응력을 제거하기 위해 이루어진다. 어닐링 처리는 예를 들어 550~600℃의 온도에서 3~4시간 실시된다. 즉, 어닐링 처리는 주물의 온도가 550~600℃에 도달한 후, 3~4시간 실시된다. 이 온도에 도달할 때까지의 승온속도는 80~120℃/h인 것이 바람직하다.
한편, 냉각은 예를 들어 20~30℃/h의 냉각속도로 250~350℃의 온도까지 실시되는 것이 바람직하다. 이 냉각은 예를 들어 노 냉각에 의해 실시된다. 그리고, 주물은 대기중에서 자연 냉각에 의해 실온까지 냉각된다. 또한, 상기 온도는 상술한 노멀라이징 처리와 동일하게, 노에서의 온도에 기초하는 것이다.
어닐링의 온도를 상기 범위로 하는 것은 적정한 응력의 제거를 실시하면서 펄라이트의 분해에 의한 강도의 저하를 억제하기 위함이다. 냉각속도를 20~30℃/h로 하는 것은 부품 전체를 균일하게 냉각하기 위함이다.
상기한 공정을 거쳐, 구상 흑연 주철이나 일체형 피스톤이 제작된다.
여기에서, 실시형태의 구상 흑연 주철로 제작된 일체형 피스톤의 구성에 대해서 설명한다.
도 2는 실시형태의 구상 흑연 주철로 제작된 일체형 피스톤(10)의 측면도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 일체형 피스톤(10)은 크라운(11)과 스커트(12)가 일체적으로 형성되어 있다. 크라운(11)은 대략 원통형상을 갖고 있다. 스커트(12)는 크라운(11)으로부터 하방으로 연장되도록 형성되어 있다.
이 일체형 피스톤(10)은 예를 들어 선박용 엔진의 피스톤으로서 사용할 수 있다. 선박용 엔진으로서는 예를 들어 가스 엔진, 디젤 엔진, 듀얼 퓨얼(dual fuel) 엔진 등을 들 수 있다. 선박용 엔진으로서는 예를 들어 보어 직경(실린더의 직경)이 150㎜~350㎜, 6~12기통의 엔진을 들 수 있다.
이와 같이, 실시형태의 구상 흑연 주철로 제작된 일체형 피스톤(10)은 우수한 내열성이나 수명을 갖는다. 그 때문에, 종래의 선박용 엔진보다, 예를 들어 열부하가 상승한 선박용 엔진에, 일체형 피스톤(10)을 적용하는 것이 가능해진다.
다음에, 실시형태의 일체형 피스톤을 구비한 선박용 엔진의 구성에 대해서 설명한다. 또한, 이 일체형 피스톤은 실시형태의 구상 흑연 주철로 제작되어 있다. 여기에서는 일체형 피스톤을 디젤엔진에 구비한 일례를 도시한다.
도 3은 실시형태의 일체형 피스톤(33)을 구비한 디젤엔진(20)의 구성을 도시한 도면이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 디젤 엔진(20)은 주체부(30)와, 흡기경로부(40), 배기경로부(50) 및 연료공급부(60)를 구비하고 있다.
주체부(30)는 연료를 연소시켜 얻어진 열에너지를 운동에너지로 변환한다. 구체적으로는 연소에 의해 얻어진 열에너지를 크랭크 샤프트(34)의 회전운동으로 변환한다. 주체부(30)는 실린더 블럭(31), 실린더 헤드(32), 일체형 피스톤(33), 크랭크 샤프트(34) 및 캠 샤프트(35)를 구비한다.
실린더 블럭(31)은 실린더(36)를 구비한다. 이 실린더(36)에는 일체형 피스톤(33)이 슬라이딩 자유롭게 수납되어 있다. 실린더 헤드(32)는 일체형 피스톤(33)에 대향하도록 배치되어 있다. 그리고, 실린더(36), 일체형 피스톤(33) 및 실린더 헤드(32)에 의해, 작동실(37)이 구성되어 있다.
작동실(37)은 일체형 피스톤(33)의 슬라이딩 운동에 의해 용적이 변화되는 내부 공간이다. 또한, 본 디젤 엔진(20)은 복수의 작동실(37)이 설치된 다기통 엔진이다.
일체형 피스톤(33)은 커넥팅 로드에 의해 크랭크 샤프트(34)와 연결되어 있다. 크랭크 샤프트(34)는 일체형 피스톤(33)의 슬라이딩에 의해 회전한다. 또한, 크랭크 샤프트(34)는 복수의 기어를 통하여 캠 샤프트(35)를 회전시킨다.
흡기 경로부(40)는 외부로부터 흡입된 공기를 작동실(37)로 인도한다. 흡기 경로부(40)는 공기가 흐르는 방향을 따라서 컴프레서 휠(compressor wheel)(도시하지 않음)과 흡기 매니폴드(intake manifold)(41)를 구비한다. 흡기 매니폴드(41)는 컴프레서 휠에 의해 압축된 공기를 작동실(37)로 인도한다.
배기 경로부(50)는 작동실(37)로부터 배출된 배기를 외부로 인도한다. 배기 경로부(50)는 배기가 흐르는 방향을 따라서, 배기 매니홀드(51)와, 터빈 휠(도시하지 않음)을 구비한다. 배기 매니폴드(51)는 작동실(37)로부터 배출된 배기를 터빈 휠로 인도한다.
연료공급부(60)는 연료탱크로부터 공급된 연료를 작동실(37)로 인도한다. 연료공급부(60)는 연료가 흐르는 방향을 따라서, 연료분사펌프(61)와, 연료분사노즐(62)을 구비한다. 연료분사펌프(61)는 플런저의 왕복운동에 의해 가압한 연료를 연료분사노즐(62)로 송출한다. 연료분사노즐(62)은 작동실(37)의 내부에 연료를 분사한다.
이와 같은 선박용 엔진에 구비된 일체형 피스톤(10)은 우수한 내열성이나 수명을 갖는다. 그 때문에, 일체형 피스톤(10)을 구비한 선박용 엔진에서 종래의 선박용 엔진보다 예를 들어 열부하를 상승시키는 것이 가능해진다.
다음에, 실시형태의 선박용 엔진을 구비한 선박의 개요에 대해서 설명한다. 또한, 이 선박용 엔진은 실시형태의 일체형 피스톤을 구비하고 있다.
도 4는 실시형태의 선박용 엔진을 구비한 선박(70)의 측면도이다. 도 4에 도시한 바와 같이 선박(70)은 선체(71), 캐빈(72), 퍼넬(73)(굴뚝), 프로펠러(74), 및 키(75)를 구비한다.
캐빈(72)은 선체(71)에서의 데크(76)상의 후부에 설치되어 있다. 퍼넬(73)은 캐빈(72)의 후방에 배치되어 있다. 프로펠러(74) 및 키(75)는 선체(71)의 후방 하부에 설치되어 있다.
선체(71) 내의 후부에는 프로펠러(74)의 구동원인 주엔진(77) 및 감속기(78)가 구비되어 있다. 프로펠러(74)는 주엔진(77)으로부터 감속기(78)를 경유한 회전동력에 의해 회전 구동된다. 또한, 실시형태의 선박용 엔진은 주엔진(77)으로서 기능한다.
또한, 선체(71) 내의 후부에는 선박(70) 내의 전기계통에 전력을 공급하기 위한 발전장치(79)가 설치되어 있다. 발전장치(79)로서 엔진을 구비하는 경우에는, 실시형태의 선박용 엔진을 발전용 엔진으로서 적용해도 좋다.
상기한 실시형태의 구상 흑연 주철은 강도 및 경도를 유지하면서, 우수한 내열성이나 수명을 갖는다. 이 구상 흑연 주철로부터 제작된 일체형 피스톤에서도, 강도 및 경도를 유지하면서, 우수한 내열성이나 수명을 갖는다. 이 일체형 피스톤을 구비한 선박용 엔진에서는 피스톤의 내열성이나 수명에 관하여, 높은 신뢰성을 갖는다.
(구상화율, 강도, 경도, 내열성, 탄화물의 비율, 수명 및 펄라이트의 비율의 평가)
여기에서는, 실시형태의 구상 흑연 주철에서 80% 이상의 구상화율을 갖고, 우수한 내열성 및 수명이 얻어지는 것을 설명한다.
표 1은 평가에 사용된 시료 1~시료 17의 화학조성을 나타낸다. 또한, 시료 1~시료 10은 본 실시형태의 화학조성범위에 있는 구상 흑연 주철이다. 시료 11~시료 17은 그 화학조성이 본 실시형태의 화학조성범위에 없는 구상 흑연 주철 또는 흑연 주철이고, 비교예이다. 또한, 표 1에는 탄소 당량(CE)(CE=C+1/3×Si)도 나타내고 있다.
시료 1~시료 17의 구상 흑연 주철에 대해서 구상화율, 강도, 경도, 내열성, 탄화물의 비율, 수명 및 펄라이트의 비율을 평가했다. 또한, 탄화물의 비율이라는 것은 흑연 조직을 제외한 기지 조직에서의 탄화물의 비율이다. 펄라이트의 비율이라는 것은 흑연 조직을 제외한 기지 조직에서의 펄라이트 조직의 비율이다.
구상화율의 측정은 JIS G5502에 준거하여 실시되었다.
강도는 인장시험에 의해 평가되었다. 인장시험은 JIS Z2241에 준거하여 실시되었다. 파단시의 신장은 신장계를 사용하여 산출했다. 인장시험에서의 시험편으로서 JIS Z2241에서의 14호 A 시험편을 사용했다.
경도는 프리넬 경도 시험에 의해 평가되었다. 브리넬(Brinell) 경도 시험은 JIS Z2243에 준거하여 실시되었다.
내열성은 크리이프(creep) 시험에 의해 평가되었다. 크리이프 시험은 JIS Z2271에 준거하여 실시되었다. 크리이프 시험에서는 시험온도를 450℃, 부하응력을 300MPa로 했다. 그리고, 응력재하(應力載荷) 후 25시간후의 변형을 크리이프 변형으로 했다. 크리이프 변형은 신장계를 사용하여 산출되었다. 온도계측에는 R형 열전대를 사용했다. 크리이프 시험에서의 시험편으로서, JIS Z2241에서의 14호 A 시험편을 사용했다.
내열성의 향상의 정도를 나타내는 내열성 향상도는 각 시료에서의 크리이프 변형을 종래의 구상 흑연 주철인 시료 11에서의 크리이프 변형으로 제거함으로써 얻어졌다(각 시료에서의 크리이프 변형/시료 11에서의 크리이프 변형). 또한, 이 내열성 향상도는 작을수록 내열성이 우수하다.
탄화물의 비율 및 펄라이트의 비율은 상술한 방법으로 얻어졌다.
수명은 고온 저사이클 피로시험에 의해 평가되었다. 고온 저사이클 피로시험은 JIS Z2279에 준거하여 실시되었다. 고온 저사이클 피로시험에서는 시험온도를 450℃로 했다. 온도계측에는 R형 열전대를 사용하고, 변형 계측에는 신장계를 사용했다. 그리고, 각 시료에서의 결과를, 종래의 구상 흑연 주철인 시료 11에서의 결과로 나누어 수명비를 산출했다. 또한, 이 수명비는 클수록 수명이 긴 것을 나타낸다.
각각의 시험에 사용하는 시험편은 다음과 같이 제작되었다. 전기로에서 구상 흑연 주철을 구성하기 위한 용탕을 형성했다. 용탕의 온도를 1520℃로 유지하고, 구상화 처리 및 접종을 실시했다.
계속해서, 침지형 온도계에 의해 주탕의 온도가 1350~1380℃인 것을 확인하고, 사형(砂型)에 의해 형성한 주형에 주입했다. 그리고, 냉각장에서 주형내의 주탕을 350℃ 이하의 온도까지 자연 냉각했다.
냉각 후, 틀 분리하여 주형으로부터 주물을 취출했다. 쇼트 피닝에 의해 주물로부터 모래를 털어내었다.
계속해서, 각 주물에 대해서 어닐링 처리를 실시했다. 어닐링 처리는 570℃의 온도에서 3.5시간 실시했다. 또한, 이 온도에 도달할 때까지의 승온속도를 100℃/h로 했다. 3.5시간의 경과 후, 각 주물을, 노 냉각에 의해 25℃/h의 냉각속도로 280℃의 온도까지 냉각했다. 계속해서, 자연냉각에 의해 대기중에서 각 주물을 실온까지 냉각했다.
냉각 후, 기계톱으로 각 주물로부터 둥근 봉을 잘라내어 선반(旋盤) 가공에 의해 각 시험편으로 가공했다. 이와 같이 하여 시험편을 얻었다.
또한, 시료 1~10 시료에 관한 주물에 대해서는 노멀라이징 처리 및 어닐링 처리 쌍방을 실시한 것도 제작했다. 노멀라이징 처리는 900℃의 온도에서 2.5 시간 실시했다. 또한, 이 온도에 도달하기 까지의 승온속도를 300℃/h로 했다. 2.5시간의 경과 후, 각 주물을, 공냉에 의해 800℃/h의 냉각속도로 150℃의 온도까지 냉각했다.
계속해서, 어닐링 처리를 실시했다. 어닐링 처리는 상기한 조건과 동일한 조건에서 실시되었다. 냉각 후, 상기와 동일하게 가공하여 시험편을 얻었다.
각 시료에서의 시험결과를 표 2 및 표 3에 나타낸다. 표 2는 어닐링 처리만을 실시했을 때의 결과이다. 표 3은 노멀라이징 처리 및 어닐링 처리를 실시했을 때의 결과이다.
여기에서, 표 2에 나타낸 결과에서 시료 16 및 시료 17에 대해서는 구상화율이 80% 미만이다. 그 때문에, 시료 16 및 시료 17을 구상 흑연 주철이라고 부를 수는 없으므로, 구상화율의 측정 이외의 평가는 실시되어 있지 않다. 또한, 수명에 관해서는 시료 6~시료 10 및 시료 11~시료 15에 대해서 평가했다. 또한, 구상화율 및 탄화물의 비율은 노멀라이징 처리를 하는지의 여부로 바뀌지 않으므로 표 3에는 나타내지 않았다.
표 2 및 표 3에 나타낸 바와 같이 시료 1~시료 10에서는 80% 이상의 구형상화율을 갖고, 종래의 구상 흑연 주철(시료 11)과 동등한 인장강도 및 브리넬 경도를 유지하면서, 내열성이 향상되어 있다. 또한, 시료 1~시료 10에서는 탄화물의 비율은 1.6% 이하이고 펄라이트의 비율은 50%를 초과하고 있다.
또한, 표 2에 나타낸 바와 같이 시료 6~시료 10에서의 수명비는 종래의 구상 흑연 주철(시료 11)의 수명비의 3배 이상이다. 이는 시료 6~시료 10에서 내열성이 향상되어 있는 것, 및 탄화물의 비율이 1.6 이하로 억제되어 있는 것이 요인으로 생각된다.
또한, 시료 1~시료 5에 관하여 수명비의 데이터는 도시되어 있지 않지만, 내열성이 향상되어 있는 것, 및 탄화물의 비율이 1.6 이하로 억제되어 있는 점에서, 시료 6~시료 10에서의 수명비와 동등한 정도의 수명비가 얻어지는 것으로 생각된다.
또한, 표 3에 도시한 바와 같이 시료 1~시료 10에서 700㎫ 이상의 인장강도가 얻어지고 있다. 또한, 표 3에는 표시되어 있지 않지만, 노멀라이징 처리 및 어닐링 처리를 실시했을 때에도 수명비는 종래의 구상 흑연 주철(시료 11) 3배 이상이었다.
한편, 표 2에 나타낸 바와 같이, Cr의 함유량이 많은 시료 12 및 시료 13, 및 Mo의 함유량이 많은 시료 14 및 시료 15에서는 인성을 저하시키는 탄화물의 비율이 1.6%를 초과하고 있다. 수명비에 관하여, 이들 시료 12~시료 15는 종래의 구상 흑연 주철(시료 11)보다는 높지만, 시료 6~시료 10보다 낮다. 이는 시료 12~시료 15에서 내열성이 향상되어 있지만, 탄화물의 비율이 1.6을 초과하고 있는 것이 요인으로 생각된다. 즉, 시료 12~시료 15에서는 인성이 저하되어 있으므로, 시료 6~시료 10보다 수명비가 낮은 것으로 생각된다.
Si의 함유율이 본 실시형태의 범위에 없는 시료 16 및 시료 17에서는 구상화율이 80% 미만이다.
이와 같이 시료 1~시료 10에서는 80% 이상의 구상화율을 갖고 우수한 내열성 및 수명이 얻어지는 것을 알 수 있다.
본 발명의 몇 가지 실시형태를 설명했지만, 이들 실시형태는 예로서 제시한 것이고, 발명의 범위를 한정하려는 의도는 없다. 이들 신규의 실시형태는 그 밖의 여러가지 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 여러가지 생략, 치환, 변경을 실시할 수 있다. 이들 실시형태나 그 변형은 발명의 범위나 요지에 포함되고, 또한 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함된다.
10, 33: 일체형 피스톤 11: 크라운
12: 스커트 20: 디젤 엔진
30: 주체부 31: 실린더 블럭
32: 실린더 헤드 34: 크랭크 샤프트
35: 캠 샤프트 36: 실린더
37: 작동실 40: 흡기 경로부
41: 흡기 매니폴드 50: 배기 경로부
51: 배기 매니폴드 60: 연료공급부
61: 연료분사펌프 62: 연료분사노즐
70: 선박 71: 선체
72: 캐빈 73: 퍼넬
74: 프로펠러 75: 키
76: 데크 77: 주엔진
78: 감속기 79: 발전장치
12: 스커트 20: 디젤 엔진
30: 주체부 31: 실린더 블럭
32: 실린더 헤드 34: 크랭크 샤프트
35: 캠 샤프트 36: 실린더
37: 작동실 40: 흡기 경로부
41: 흡기 매니폴드 50: 배기 경로부
51: 배기 매니폴드 60: 연료공급부
61: 연료분사펌프 62: 연료분사노즐
70: 선박 71: 선체
72: 캐빈 73: 퍼넬
74: 프로펠러 75: 키
76: 데크 77: 주엔진
78: 감속기 79: 발전장치
Claims (7)
- 질량으로 C: 2.7~4.3%, Si: 2.0~3.5%, Mn: 0.3~0.8%, Mg: 0.02~0.10%, Cu: 0.3~1.0%, Cr: 0.05~0.90%, Mo: 0.05~1.00%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고,
C 함유량 및 Si 함유량이 C 함유량과 Si 함유량과의 관계를 나타내는 도면에서, (C 함유량, Si 함유량)으로 표시되는 점 A(2.7%, 3.5%), 점 B(3.2%, 2.0%), 점 C(4.3%, 2.0%), 점 D(3.8%, 3.5%)의 각 점을 차례로 연결하는 선으로 둘러싸인 조성범위 내에 있는, 피스톤용 구상 흑연 주철. - 제 1 항에 있어서,
질량으로 Cr을 0.2~0.4% 함유하고 있는, 피스톤용 구상 흑연 주철. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
질량으로 Mo를 0.3~0.5% 함유하고 있는, 피스톤용 구상 흑연 주철. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 불가피한 불순물 중, 질량으로 S를 0.05% 이하, P를 0.1% 이하로 억제된, 피스톤용 구상 흑연 주철. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 피스톤용 구상 흑연 주철이, 펄라이트계의 구상 흑연 주철인, 피스톤용 구상 흑연 주철. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 피스톤용 구상 흑연 주철을 사용하여 제작된, 일체형 피스톤.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 피스톤용 구상 흑연 주철을 사용하여 제작된 일체형 피스톤을 구비하는, 선박용 엔진.
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| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
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