KR100258754B1 - 두께가 얇은관(파이프)의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내열 및 내마모성 알루미늄 재료로 구성되는 두께가 얇은 내연기관의 실린더 라이너를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 방법은 AlSi-과공정 합금 재료로 된 용탕을 용사성형하는 단계, 경우에 따라서는 이어지는 과시효 어닐링 처리단계 및 얇은 두께를 가진 파이프로 열간 가공하는 단계를 포함한다.
이러한 방법에 따라 제조된 라이너는 내마모성, 내열성에 대한 개선된 특성을 보여주고 유해물질 방사량을 현저하게 감소시키는 효과가 있으며, 특히 경금속의 내연기관용 실린더 라이너에 적합하다.

Description

두께가 얇은 관(파이프)의 제조방법
라이너는 내연기관 실린더 블록의 실린더 보어내에 압입 또는 주입으로 끼워져서 마모를 받는 구성부재이다. 내연기관의 실린더 라이너는 피스톤 또는 피스톤링에 의한 강한 마모부하 및 국부적으로 나타나는 고온을 받는다. 따라서 이러한 면은 내마모성과 내열성 재료로 구성되어야 할 필요가 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 특히 실린더 보어의 표면에 내마모성 코팅처리를 하는 다수의 방법이 있다. 기타 가능한 방법으로는, 내마모성 재질로 된 라이너를 실린더 내에 삽입하는 것이다. 여기에서 회주철제 라이너를 사용할 수 있으나, 알루미늄 재료에 비하여 열전도도가 작다는 것 외에도 여러 가지 단점들을 가지고 있다.
이러한 문제는 우선, AlSi-과공정 합금(hypereutectic AlSi alloy)으로 주형된 실린더 블록에 의해 해결된다. 주조기술상의 이유로부터, 실리콘 함유량은, 최대 20 중량%로 제한된다. 또한 주조법에 따르면, 용탕이 응고하는 동안, 직경이 비교적 큰(약 30-80㎛)Si-1차 입자가 석출된다고 하는 단점이 있다. 상기 입자는, 직경 및 각 에지의 예리한 형상에 의하여, 피스톤 및 피스톤 링에 마모를 일으킨다. 따라서, 대응하는 코팅/피복층에 의해 피스톤과 피스톤 링을 보호하지 않으면 안된다. 피스톤/피스톤 링에 대한 Si-입자의 접촉면은, 기계 가공으로 평탄해진다. 이러한 기계 가공에 이어서, 전기화학적 처리를 하기 때문에, 알루미늄 매트릭스가 Si-입자 사이로 쉽게 물러나게 됨으로써, 지지 골격으로서의 Si-입자는 실린더 접촉면으로부터 약간 돌출한다.
이렇게 제조된 실린더 주행로의 단점은, 한편 막대한 제조비용(고가의 합금, 과다한 기계 가공, 철을 피복한 피스톤, 보강한 피스톤 링)이 든다는 것이고, 다른 한편 Si-1차 입자 분포가 불량하다는 것이다. 즉, 조직 내에 Si-입자를 포함하고 있어서, 강한 마모를 받는 넓은 범위가 존재한다. 이러한 마모를 피하기 위하여 주행로와 마찰 상수 사이에 분리매체로서 비교적 두꺼운 유막이 필요하다. 유막의 두께를 조절하는데, 특히 Si-입자의 노출 깊이가 결정적이다. 비교적 두꺼운 유막은, 기계 내에서 마찰 손실을 증가시키고 유해물질 방사량을 현저하게 증가시킨다.
이에 대하여, DE 42 30 228에 기재하는 AlSi-아공정 합금으로 주조되는 실린더 블록은 AlSi-과공정 합금 재료로 구성된 라이너를 삽입하는 것으로서, 보다 경제적이다. 그러나 이 경우에도 상기 문제는 해결되지 않는다.
실린더 라이너 재료로 AlSi-과공정 합금의 장점을 이용하려면 Si-입자에 대한 조직을 변경해야 한다. 주조기술상 실현이 불가능한 알루미늄 합금은, 잘 알려 진 바와 같이, 분말야금법 또는 용사성형(spray compacting)에 의하여 적절하게 제조될 수 있다.
이와 같은 방법으로, 높은 Si 합량, Si-입자의 미세화 및 균일한 분포를 지니고, 대단히 양호한 내마모성을 지니며, 보조 원소(예컨대 Fe, Ni 또는 Mn)에 의해 필요한 내열성을 지니는 AlSi-과공정 합금을 제조할 수 있다. 이러한 합금 내에 존재하는 Si-1차 입자는, 약 0.5 내지 20㎛의 직경을 지닌다. 따라서 이와 같은 방법으로 제조된 합금은, 실린더 라이너 재료로 바람직하다.
일반적으로 알루미늄-합금은 가공이 용이하나, 이러한 과공정 합금을 변형조작하는 것은 문제가 된다. EP 0 635 318에 AlSi-과공정 합금으로부터 실린더 라이너를 제조하는 방법이 잘 기재되어 있다. 이 경우, 실린더 라이너는, 압출 가공에 의하여 대단히 큰 압력과 0.5 내지 12m/분의 압출속도로 제작된다. 압출 가공에 의하여 목표하는 크기의 실린더 라이너를 경제적인 방법으로 생산하는데는, 대단히 빠른 압출 속도가 필요하다. 가공하기 어려운 이러한 종류의 합금에 있어서 실린더 라이너의 얇은 두께를 달성하는 경우, 높은 압출 속도는, 압출시에 형상균열을 초래한다는 것이 판명되었다.
WO 87/0302에는 공동실린더, 소위 관 블룸(pipe bloom)에 대한 용사성형 방법을 기재하고 있다. 예컨대 벽 두께가 25 내지 40mm인 관 블룸의 제작에 관하여 기술하고 있다. 그러나 예컨대 압출 가공에 의해, 이러한 종류의 관 블룸을 두께가 얇은 파이프로 가공하는 경우, 마찬가지로 상기 문제가 발생한다.
본 발명은 두께가 얇은 관을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로서, 내열 및 내마모성 알루미늄 재료로 되어 있고 특히 내연기관의 실린더 라이너에 사용하기 위한 방법에 관한 것이다.
따라서 본 발명의 과제는 두께가 얇은 관, 특히 내연기관의 실린더 라이너를 제조하기 위한 보다 경제적인 방법을 제공함으로써, 제조된 라이너가 내마모성, 내열성에 대하여 필요한 특성의 개선 및 유해 물질의 방사선량을 감소시키는데 기여하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따른 청구항 1에 기재하고 있는 공정을 포함하는 방법으로 해결된다. 본 발명의 보다 상세한 내용은 종속항에 기재하고 있다.
소정의 마찰 특성은, 입자의 직경이 0.5 내지 20㎛ 사이에 있는 1차 석출 입자, 또는 80㎛ 이하의 직경을 지니는 첨가 입자로서 실린더 입자를 재료 중에 포함시킴으로써 얻을 수 있다. 이러한 종류의 Al-합금을 제조하기 위해서, 통상적인 주조 방법을 사용하는 것보다 고합금 용탕의 빠른 응고 속도를 가능하게 하는 방법을 사용하지 않으면 안된다.
이에 속하는 것으로, 용사성형법(이하 "용사성형"이라 함)을 우선 들 수 있다. 소정의 특성에 이르기 위하여, 다량의 실리콘을 함유한 알루미늄 합금의 용탕을 분사하고, 질소류 중에서 1000℃/초의 냉각 속돌 냉각한다. 또한 부분적으로 융해한 분체 입자를 종축의 둘레에서 수평으로 회전하는 동종 재료 또는 통상의 알루미늄 재료(예컨대 AlMg Si0.5)로 이루어진 지지 파이프 상에 분사한다. 동작하는 동안, 바람직하게는 2-3mm의 두께를 지니는 지지 파이프를 분사류의 하방에서 선형으로 이동시킨다. 지지 파이프의 회전 운동 및 병진 운동의 중첩에 의하여, 소정의 내경을 가진 원통형 파이프가 생성된다. 외경은, 피드 속도 및 유효 성형속도에 의하여 결정된다. 이와 같은 방법으로 두께가 6 내지 20mm인 파이프를 제조할 수 있다. 지지 파이프에 대한 적절한 공급 안내 시스템에 의해, 거의 연속적인 생산 조업을 달성할 수 있다.
높은 냉각 속도로 인하여 이러한 용사성형 방법에 따라, 직경 20㎛이하의 Si-1차 석출물이 발생한다. 공정 중에 응고 속도를 조절할 수 있는 "가스/금속비"(용탕 1kg당 표준상태가스 1㎠)에 의해, 적절한 Si 석출 입자가 얻어진다. 용탕의 높은 응고 속도 및 과포화에 기초하여, 최대 40 중량%에 달하는 Si-함유량을 실현할 수 있다. 가스류 중에서 알루미늄 용탕의 급냉에 기초하여, 얻어지는 파이프내의 과포화 상태는, 거의 "동결(frozen)"된다.
또한, 용사성형은 융해 상태가 아닌 입자를 입자 인젝터에 의하여 빌릿(billet)에 도입시킬 수 있는 가능성도 제공한다. 이러한 입자는, 임의의 기하학적 형상 및 2㎛ 내지 400㎛범위 내에 있는 임의의 직경을 가질 수 있기 때문에, 조직에 대한 다수의 조절가능성이 있다. 이러한 입자는, 예컨대, 직경이 2㎛ 내지 400㎛ 범위에 있는 Si-입자 또는 상기 직경 범위를 지니는 것으로, 예컨대, 구입가능하고 마찰의 관점에서 적절한 산화세라믹(예컨대 Al2O3) 또는 비산화세라믹 입자(예컨대 SiC, B4C)인 것이 좋다.
용사성형한 파이프의 조직 상태는 연이은 과시효 어닐링에 의해 변경될 수 있다. 어닐링에 의해, 소정의 마찰 특성에 맞도록, 2 내지 30㎛의 Si직경으로 조직을 조절할 수 있다. 어닐링 과정 중의 Si-입자의 성장은, 고체 중의 확산으로 수행되고, 이 때 작은 Si 입자가 소실한다. 이러한 확산은, 과시효 온도 및 어닐링 처리 시간에 달려있다. 온도가 높은수록 Si-입자의 성장은 빨라진다.
그렇지만 이 공정에 있어서 시간은 하위의 역할을 하는데 불과하다. 적절한 온도는, 약 500℃이고, 이 경우, 어닐링 시간은 3-5시간이면 충분하다.
이렇게 제조한 적절한 조직은, 다음의 공정에 있어서 더 이상 변하지 않거나, 소정의 마찰 특성에 맞도록 변화한다.
이와 같이 제조한 파이프의 출발 두께에 따라, 여러 방법 예컨대, 원형 니딩(round kneading), 스웨이징(swaging), 튜브 롤링(tube rolling), 프레스 롤링(press rolling), 튜브 인발(tube drawing), 링 롤링(ring rolling) 또는 압출(extruding)으로 열간가공함으로써, 소정의 목표하는 크기로 그 두께를 감소시킨다. 이 때 작업 온도는 300℃ 및 550℃사이이다. 이 경우, 열간 가공은, 성형에 도움이 될 뿐만 아니라, 용사성형된 출발 재료에 대한 프로세스로 인한 잔존가공(1-5%)의 폐쇄에도 도움이 된다.
그런 다음, 목표 크기로 성형된 파이프를 소정의 길이를 지니는 개개의 파이프로 절단한다.
본 발명에 관한 방법에는, 실린더 라이너의 재료를 적절하게 가공할 수 있다고 하는 이점이 있다. 동시에 두께가 얇은 파이프를 제조하기 위하여 단일한 압출가공을 사용하는 경우에 해당하는 압출 압력, 압출 속도 및 생산 품질에 관한 고경비 및 경제성은, 상기 제조 방법에 의해 효과적으로 극복할 수 있다.
조성 AlSi25 Cu2.5 Mg1 Ni의 합금을 용융 온도가 830℃이고 4.5㎥/kg의 가스/금속비(용탕 1kg당 표준 상태의 가스 1㎥)에서 용사성형법에 의해, 지지 파이프 (내경;69.5mm, 두께;2.0mm) 상에서 피드 속도가 약 0.6m/분인 상태에서 성형되어 두께가 15.0mm인 파이프를 얻는다. 상기 조건에서 용사성형한 재료 중에, 직경 범위 1㎛ 내지 10㎛의 Si 입자가 석출된다. 용사성형한 파이프를 520℃에서 4시간동안 어닐링 처리한다. 이러한 어닐링 처리 후, Si-석출 입자의 직경 범위는 2㎛ 내지 30㎛가 된다. 그런 다음, 열간 가공에 있어서, 맨드릴을 사용하여 420℃에서 원형 압축하고, 용사성형된 파이프를 외경 98mm로부터 외경 79mm 또한 내경 69mm로 가공한다. 가공도는, 용사성형한 파이프의 상기 잔존 기공을 폐쇄하는데 충분하다. 원형 압축의 경우, 다른 조직 변화는 일어나지 않는다.
본 발명에 따라 제조된 두께가 얇은 파이프, 특히 내연기관의 실린더 라이너는 내마모성, 내열성의 현저한 개선을 이루고 유해 물질의 방사선량 감소에 크게 기이한다.

Claims (15)

  1. AlSi 과공정 합금으로부터 내연기관의 실린더 라이너를 제조하기 위한 방법에 있어서, - AlSi-합금으로 용탕을 제조하는 단계, - 용사성형에 의해, 상기 합금 용탕을 회전하는 지지 파이프 상에 침적시켜서, AlSi 과공정 합금 재료로 구성되고 약 0.5 내지 20㎛사이 바람직하게는 1 내지 10㎛사이의 직경을 지니는 Si 1차 입자를 합금 내에 포함하는 두께 6mm 내지 20mm의 두꺼운 파이프를 직접적으로 성형하는 용사성형 단계,
    - 필요시, 함유된 Si 1차 입자의 조대화(粗大化)를 위하여, 상기 두꺼운 파이프를 과시효 어닐링 처리하여, Si-1차 입자의 직경을 2㎛ 내지 30㎛로 성장시키는 과시효 어닐링 단계, 및
    - 250 내지 500℃의 온도에서 열간가공에 의해 상기 파이프를 1.5 내지 5mm의 두께로 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께가 얇은 파이프 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 파이프를 제조하기 위하여 아래 조성, 즉 AlSi(17-35)Cu(2.5-3.5) Mg(0.2-2.0) Ni(0.5-2)의 합금 용탕을 사용하는 것을 특징으로 하는 두께가 얇은 파이프 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 파이프를 제조하기 위하여 아래 조성, 즉 AlSi(17-35) Fe(3-5) Ni(1-2)의 합금 용탕을 사용하는 것을 특징으로 하는 두께가 얇은 파이프 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 파이프를 제조하기 위하여 아래 조성, 즉 AlSi(17-35)의 합금 용탕을 사용하는 것을 특징으로 하는 두께가 얇은 파이프 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 파이프를 제조하기 위하여 아래 조성, 즉 AlSi(17-35) Cu(2.5-3.5) Mg(0.2-2.0) Ni(0.5-5)의 합금 용탕을 사용하는 것을 특징으로 하는 두께가 얇은 파이프 제조방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 용사성형의 경우, Si 입자의 일부를 사용한 AlSi 합금의 용탕에 의하여 그리고 Si 입자의 일부를 입자 인젝터에 의해 Si 분체의 형태로 파이프에 도입시키는 것을 특징으로 하는 두께가 얇은 파이프 제조방법.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 용사성형의 경우, 입자 인젝터에 의해 산화세라믹 또는 비산화 세라믹계의 내마모성 입자를 도입시키는 것을 특징으로 하는 두께가 얇은 파이프 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, Si-1차 입자의 조대화를 위하여 460 내지 540℃의 온도범위에서 0.5 내지 10시간 동안 과시효 어닐링을 행하는 것을 특징으로 하는 두께가 얇은 파이프 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 열간 가공의 경우, 원형 니딩 또는 스웨이징에 의해 두꺼운 파이프를 열간 가공하는 것을 특징으로 하는 두께가 얇은 파이프 제조방법.
  10. 제1항에 있어서, 열간 가공의 경우, 튜브 롤링에 의해 두꺼운 파이프를 열간 가공하는 것을 특징으로 하는 두께가 얇은 파이프 제조방법.
  11. 제1항에 있어서, 열간 가공의 경우, 프레스 롤링에 의해 두꺼운 파이프를 열간 가공하는 것을 특징으로 하는 두께가 얇은 파이프 제조방법.
  12. 제1항에 있어서, 열간 가공의 경우, 튜브 인발에 의해 두꺼운 파이프를 열간 가공하는 것을 특징으로 하는 두께가 얇은 파이프 제조방법.
  13. 제1항에 있어서, 열간 가공의 경우, 링 롤링에 의해 두꺼운 파이프를 열간 가공하는 것을 특징으로 하는 두께가 얇은 파이프 제조방법.
  14. 제1항에 있어서, 열간 가공의 경우, 경우에 따라 배압을 가하는 전방 또는 후방 중공 프레스에 의해 두꺼운 파이프를 열간 가공하는 것을 특징으로 하는 두께가 얇은 파이프 제조방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 방법은 부가적으로 직경 및 두께를 목표하는 크기로 성형판 파이프를 소정의 길이를 지니는 개개의 파이프로 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 두께가 얇은 파이프 제조방법.
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