KR100213813B1 - 자동차의 실린더 헤드 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 실린더 헤드 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명은 알루미늄으로 다이캐스트 방법에 의해 실린더 헤드를 제조하는 방법에 있어서, 상기 실린더 헤드의 흡기 및 배기 포트 사이의 구조물인 밸브 브릿지는 별도의 주물이 인서트되어 제조된 것을 특징으로 한다.

Description

자동차의 실린더 헤드 제조 방법

제1도는 실린더 헤드의 밸브 브릿지 부분을 나타낸 도면.

본 발명은 자동차의 실린더 헤드 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 실린더 헤드의 흡입 포트와 배기 포트사이의 구조물인 밸브 브릿지(bridge)의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 첨부도면에 도시된 바와같이, 실린더 헤드(10)는 실린더 블록위에 설치된 뚜껑 부분으로서, 가스나 물이 누설되는 것을 방지하기 위해 헤드 가스킷을 대고 여러개의 볼트로 실린더 블록에 결합되어 있다.

실린더 헤드의 안쪽은 실린더와 함께 연소실을 형성하고, 그 외부에는 흡기 및 배기 매니폴드, 밸브 기구, 점화 플러그 등이 부착되는 구멍과 고정용 볼트 구멍이 형성되어 있고, 수냉식 헤드에는 그 내부에 냉각수가 통과하는 물 재킷이 마련되어 있다. 그리고, 상기 흡기 및 배기 매니폴드가 연결되는 흡기 및 배기 포트(2,3)사이의 구조물을 흡기 및 배기 사이를 연결시킨다는 의미에서 밸브 브릿지(4)라 총칭하고 있다.

기존에는, 실린더 헤드의 재질로서 실린더 블록과 같이 스틸을 사용했으나, 최근들어 연비의 증강을 위해, 7.87의 스틸 밀도에 비해 매우 낮은 2.70의 밀도를 갖는 가벼우면서도 고강도인 알루미늄 합금이 가솔린 엔진이나 디젤 엔진 모두에 주로 사용되는 추세이다. 이러한 알루미늄 합금은 스틸에 비해 열전도성이 매우 좋기 때문에 연소실의 열에너지를 용이하게 외부로 방출시킬 수가 있어서 조기 점화의 원인이 되는 집열 부분이 생기지 않고, 또한 압축비를 높일 수 있다는 장점이 있다.

이러한 장점이 있는 알루미늄 합금을 사용해서 실린더 헤드를 제조하는 방법으로는, 통상적인 다이캐스트 방법이 주로 사용되었다. 다이캐스트 방법은 보통의 영구주형 주조 방법과 두 가지 점에서 다르다. 즉, 다이캐스트 방법은 오직 비철 금속의 주조에만 한정되며, 용융 금속을 대기압이상의 압력으로 금형에 압입하고, 응고 종료때까지 계속 가압한다는 점에서 다르다.

다이캐스트 방법에 사용되는 금형(die)은 고온의 용탕에 고속으로 접하게 되는 것과, 반복 사용 때문에 표면에 침식이나 균열이 생기기 쉬우므로, 이를 피할 수 있는 적절한 재질의 선택이 다이캐스트의 능률을 높이기 위하여 매우 중요하며, 보통 특수강이 사용된다. 금형은 한 개 또는 두 개의 주형공동부를 가지는 복잡한 경우가 많으며, 또한 2개의 부분으로 분할된 분할 다이일 수도 있으나, 흔히 몇 개의 부분으로 분할되어 몇 개의 상이한 방향으로 움직이게 되는 복잡한 경우도 있다. 그밖에, 다이는 냉각로가 형성된 것도 있어서, 매우 고가일 수밖에 없다.

따라서, 다이캐스트 방법은 소량 생산에는 적당하지 않으며, 오직 대량생산과 절삭가공의 불필요가 그 경제성을 보증하게 된다. 또한, 주물 크기에 대한 제한과, 다이캐스트기를 설비비용이 고가인 것도 결점이다.

다이캐스트를 실시하려면, 가압주입을 수행하는 다이캐스트기가 필요한데, 이기계는 압축 공기 또는 유압 플런저로 용탕을 주형내에 고압, 고속으로 밀어넣는 것이며, 여러 가지의 형식이 있으나 현재는 유압식이 주로 사용되고 있다.

이러한 다이캐스트 방법으로 알루미늄 재질의 실린더 헤드를 제조했을 때, 특히 디젤 엔진일 경우, 흡기 및 배기 포트(2,3)사이의 밸브 브릿지(4)에 항시 고온 및 고응력이 인가되므로, 고온 피로에 의한 균열이 주조결함(주로, porosity)을 따라 발생하는 경우가 많았다. 이 균열은 시린더 헤드(1)의 표면에서 시작되어 내부로 전파되는데, 이를 개선하기 위한 몇 가지 처리 방법이 제시되어 있다(예를들어, 일본 특개평 4-228243호 참조).

이러한 처리방법의 예로는 밸브 브릿지의 두께를 증가시키거나, 냉각속도를 높이기 위해 칠러(chiller) 또는 수냉 파이프를 사용하는 것 등이 있으며, 최근에는 고강도가 요구되는 부위, 즉 밸브 브릿지만 재용융시키는 방법이 사용되고 있다.

그러나, 밸브 브릿지에 발생되는 균열을 방지하기 위한 종래의 방법중에서, 밸브 브릿지의 두께를 증가시키는 방법은 설계 여유의 제한으로 인해서 한계가 있고, 칠러 또는 수냉 파이프를 사용하는 방법은 별도의 칠러 또는 수냉 파이프의 사용으로 인해서 설계 여유가 감소됨과 아울러 구조가 복잡해지며, 또한 밸브 브릿지만 재용융시키는 방법은 용융후에 치수가 변하게 되어 불량율이 상승된다는 문제점이 있었다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 알루미늄으로 다이캐스트 방법에 의해 실린더 헤드를 제조하는 방법에 있어서, 상기 실린더 헤드의 흡기 및 배기 포트사이의 구조물인 밸브 브릿지는 별도의 주물이 인서트되어 제조된 것을 특징으로 한다.

상기 인서트 주물의 재질은 철재 주물이거나, 또는 니켈 합금인 것이 바람직하다.

다른 방식에 있어서 본 발명은, 알루미늄으로 다이캐스트를 실시한후, 열처리하여 실린더 헤드를 제조하는 방법에 있어서, 상기 열처리 공정은 밸브 브릿지 부분에 폭발성 원소를 코팅한 후, 재용융시켜 실시하는 것을 특징으로 한다.

상기 폭발성 원소는 나트륨이나 마그네슘인 것이 바람직하다.

이러한 본 발명의 자동차의 실린더 헤드 제조 방법에 의하면, 밸브 브릿지의 강도가 한층 더 강화되어 균열의 발생을 방지할 수 있고, 설사 균열이 발생되었다 하더라도 밸브 브릿지의 조직이 매우 미세하게 이루어져 있기 때문에 균열의 전파를 지연시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

[실시예 1]

우선, 실린더 헤드의 형상에 대응하는 형상으로 이루어진 금형을 제작한다. 이 금형에 용융된 알루미늄을 다이캐스트기를 이용해서 가압시키면서 주입하여 밸브 브릿지가 형성되지 않는 실린더 헤드를 제조한다.

상기와 같이 실린더 헤드를 제조한 후, 밸브 브릿지가 형성되어 있지않은 비어있는 공간에 별도의 주물을 인서트하여 밸브 브릿지를 제조한다. 이 인서트 주물의 재질은 철재 주물 또는 니켈 합금인 것이 바람직하다.

즉, 실린더 헤드 전체의 재질은 알루미늄인 반면에, 밸브 브릿지만이 철이나 또는 니켈 합금으로 이루어진다. 따라서, 철이나 니켈 합금은 알루미늄보다는 인장 강도가 상대적으로 강하므로, 고열 및 고응력에 의한 균열의 발생을 억제할 수 있다.

[실시예 2]

우선, 용융된 알루미늄을 사용하여 다이캐스트 방법에 의해 실린더 헤드를 제작한다. 상기 실시예 1과는 달리 밸브 브릿지부분을 포함하는 실린더 헤드 전체를 제작한다. 그런다음, 열처리 공정을 실시하는데, 상기 열처리 공정은 다음과 같은 방법으로 진행한다.

주조된 실린더 헤드를 용체화처리(solid solution treatment)하고 공정을 510℃의 온도에서 2시간, 그리고 180℃의 온도에서 8시간 진행한다. 여기서, 용체화 처리란 주물을 고용체로 용해하는 온도 이상까지 가열한 후, 급냉하여 고용체의 조직상태를 그대로 상온까지 지속시키는 처리이다.

이때, 상기와같은 실린더 헤드에 열처리 공정을 실시하는 것에 우선하여, 밸브 브릿지 부분에 폭발성 원소, 예를들어 나트륨이나 마그네슘과 같은 원소를 미리 코팅한 상태에서 열처리 공정을 진행한다.

따라서, 실린더 헤드의 다른 부분은 알루미늄에 의해 열처리된 상태이지만, 밸브 브릿지 부분만이 그 표면에 폭발성 원소로 이루어진 것으로 코팅되어 있게된다.

즉, 폭발성 원소인 나트륨이나 마그네슘은 알루미늄보다 다공성이 적기 때문에 주조 결함의 발생이 적고, 따라서 균열 발생의 원인이 제거됨과 아울러 미세한 주조 조직으로 이루어지기 때문에 균열의 전파를 지연시킬 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명에 의하면, 밸브 브릿지가 별도의 주물로서 인서트되어 제조되었거나 또는 폭발성 원소로 코팅되어 있으므로 연소실의 폭발로 인한 고온 및 고응력을 받게되는 밸브 브릿지의 강도가 강화되고, 또한 주조 결함의 발생도 적어짐과 아울러 미세한 주조 조직을 얻을 수 있게 되어 균열의 전파를 지연시킬 수 있고, 특히 균열의 발생을 억제할 수 있다.

이상에서 본 발명은 그의 바람직한 실시예를 기준으로 설명하였지만, 본 발명이 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

Claims (6)

1. 다이캐스트에 의해 알루미늄으로 실린더 헤드를 제조하는 방법에 있어서, 상기 실린더 헤드의 흡기 및 배기 포트사이의 구조물인 밸브 브릿지는 별도의 주물이 인서트되어 제조된 것을 특징으로 하는 자동차의 실린더 헤드 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 인서트 주물의 재질은 철재 주물인 것을 특징으로하는 자동차의 실린더 헤드 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 인서트 주물의 재질은 니켈 합금인 것을 특징으로하는 자동차의 실린더 헤드 제조방법.
4. 다이캐스트에 의해 알루미늄을 주조한 후, 열처리하여 실린더 헤드를 제조하는 방법에 있어서, 상기 열처리 공정은 밸브 브릿지 부분에 폭발성 원소를 코팅한 후, 재용융시켜 실시하는 것을 특징으로하는 자동차의 실린더 헤드 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 폭발성 원소는 나트륨인 것을 특징으로하는 자동차의 실린더 헤드 제조방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 폭발성 원소는 마그네슘인 것을 특징으로하는 자동차의 실린더 헤드 제조방법.