KR100270902B1 - 저압주조에 의한 라이너리스 실린더블록의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공랭식 엔진의 실린더블록(1) 제조방법에 있어서, 실린더블록(1)을 주조하는 주형의 내형(3)의 외주면에 밀착되는 원통형의 니켈 발포체(7)를 제작하는 단계(S1), 니켈 발포체(7)에 티탄늄 분말을 첨가 혼합하는 단계(S2), 티타늄 분말이 혼합된 니켈 발포체(7)를 가열하여 수분을 제거하는 단계(S3) 및, 니켈 발포체(7)를 주형의 내형(3) 및 외형(5) 사이에 삽입한 다음 주형(3,5)에 알루미늄합금 용탕을 무가압 상태로 주입하는 단계(S4)로 이루어져 있는 라이너리스 실린더블록 제조방법에 관한 것으로, 이 방법에 의하면 경량이면서도 내마모성이 우수한 실린더블록을 제조할 수 있게 된다.

Description

저압주조에 의한 라이너리스 실린더블록의 제조방법

본 발명은 저압주조에 의한 라이너리스(linerless) 실린더블록의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 니켈 발포체에 티타늄 미분말을 첨가하여 혼합한 예비 성형체를 실린더블록의 라이너 해당 부분에 미리 위치시키고 여기에 알루미늄합금 용탕을 무가압으로 용침시켜 실린더블록을 주조 제작함으로써 실린더 내벽의 마찰표면에서의 내마모성을 향상시키도록 한 라이너리스 실린더 블록의 제조방법에 관한 것이다.

실린더블록은 엔진의 본체가 되는 부분으로 엔진의 종류에 따라 수냉식 실린더블록과 공랭식 실린더블록으로 구분된다. 일반적으로 실리콘, 망간, 니켈, 크롬 등을 포함하는 특수주철을 재질로 사용하는 수냉식 엔진의 실린더블록은 왕복운동하는 피스톤링과 마찰을 일으키는 실린더 내벽면의 내마모성 및 길들임성을 향상시키기 위해 마찰표면을 특수처리하거나 또는 실린더 라이너를 별도로 삽입하도록 되어 있다.

실린더 라이너는 원통형의 실린더로서 슬리브라고도 하며, 일반적으로 원심주조방식에 의해 생산되고, 습식과 건식으로 대별되는데, 습식 라이너는 냉각수가 라이너의 외주부에 직접 접촉되므로 냉각작용이 우수하며, 이러한 냉각수의 누설을 방지하기 위해 라이너 외측 하단에 내유, 내열성의 씰링을 설치하도록 되어 있고, 주로 디젤엔진에 사용되나 최근에는 가솔린 엔진에도 사용되고 있다.

건식 라이너는 냉각수와 직접 접촉되지 않는 구조의 원통형 슬리브로 실린더블록의 재질이 주철인 경우 실린더 내벽면의 내마모성을 향상시키도록 실린더블록 제작시 실린더 내에 삽입된다.

알루미늄 합금이 주로 사용되는 공랭식 엔진의 실린더블록은 실린더를 한 개씩 제작하도록 되어 있으며, 그 제작방식에는 대체로 실린더블록 주조시 특수 주철제의 라이너를 함께 넣고 주조하는 철ㆍ알루미늄 접합주조방식과 라이너를 삽입하지 않고 실린더의 마찰표면을 직접 특수처리하는 방식의 2가지가 있다.

철ㆍ알루미늄 접합주조방식에 의한 실린더 블록(101)은 도 1에 도시된 바와 같이 먼저 주철제의 라이너(103) 외측에 철·알루미늄 도금을 하고, 이 라이너(103)를 실린더 블록(101)의 주형에 삽입한 뒤, 알루미늄 용탕을 고압 또는 저압 상태에서 주입함으로써 제조하게 된다. 이때, 도금층은 그 한쪽이 주철제의 라이너(103)와, 다른 한쪽이 주조시에 알루미늄과 접합되면서 블록(101) 몸체와 라이너(103)를 단순히 기계적으로 결합시키게 되므로 차체에 적용되어 사용되는 동안 소음의 발생이나 성능저하의 원인이 되어 왔다.

한편, 실린더의 마찰면을 특수처리하는 방식으로 도 2에 도시된 바와 같이, Al-Si 합금인 알루실(alusil)을 이용하는 방식이 있다. 이 방법은 알루미늄에 실리콘 입자(203)을 넣어 실린더블록(201)을 제조한 다음, 호닝을 한 뒤 호닝된 표면을 부식시켜 노출된 알루미늄을 제거함으로써 실리콘 입자(203)만이 돌출되도록 한다. 이에 따라 피스톤이나 피스톤 링에 대한 실린더 마찰면의 내마모성을 향상시키도록 되어 있다. 그러나 이 방식에 의해 제조되는 실린더 블록(201)은 내구성이 부족하며, 주조성이 좋지 못해 널리 사용되고 있지 않다.

또한, 최근에 세라믹강화 복합재료가 부가된 일체형 알루미늄 실린더블록이 개발된 바 있으나, 이러한 실린더블록 제조방법은 알루미늄 용탕을 주형에 주입할 때 주형 내부의 압력이 고압으로 유지되어야 하는 작업조건이 만족되어야 하기 때문에 제조단가가 상승하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 종래의 실린더블록 제조방법이 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 실린더블록의 주형 내부에 니켈 발포체를 삽입하고 무가압 상태에서 주형내에 알루미늄합금 용탕을 주입하여 니켈 발포체에 용침되도록 저압주조함으로써 경량이면서도 내마모성이 우수한 실린더블록을 제조할 수 있도록 하는대 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 공랭식 엔진의 실린더블록 제조방법에 있어서, 실린더블록을 주조하는 주형의 내형 외주면에 밀착되는 원통형의 니켈 발포체를 제작하는 단계, 이 니켈 발포체에 티탄늄 분말을 첨가 혼합하는 단계, 티타늄 분말이 혼합된 니켈 발포체를 가열하여 수분을 제거하는 단계 및, 이 니켈 발포체를 주형의 내형 및 외형 사이에 삽입한 다음 주형에 알루미늄합금 용탕을 무가압 상태로 주입하는 단계로 이루어져 있는 라이너리스 실린더블록 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 주철제 라이너를 이용한 종래의 실린더블록의 단면 사시도.

도 2는 알루실방식으로 표면처리를 한 실린더 내벽의 부분 단면도.

도 3은 본 발명에 따라 주조되는 실린더블록의 개략 단면 사시도.

도 4는 본 발명에 따라 실린더블록을 제조하는 과정을 개략적으로 나 타내는 블록도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 실린더블록 3 : 내측 주형

5 : 외측 주형 7 : 니켈 발포체

이하, 첨부된 도 3 및 도 4를 참조로 본 발명의 실시예에 따른 라이너리스 실린더블록 제조방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 제조방법에 의하면 도 4에 도시된 바와 같은 과정을 거쳐 실린더 블록(1)을 제조하게 되는데, 그 제조과정은 크게 니켈 발포체(7) 제작단계(S1), 니켈 발포체(7)와 티탄늄 분말 혼합단계(S2), 니켈 발포체(7) 가열단계(S3) 및, 알루미늄합금 용탕 주입단계(S4)로 이루어져 있으며, 추가로 열처리 단계(S5)가 포함될 수도 있다.

여기에서, 니켈 발포체(7) 제작단계(S1)에서는 니켈에 발포제를 가하여 무수한 거품을 발생시켜 기공율이 70 내지 95% 정도되는 다공질의 발포체를 제작한다. 이때, 기공율이 70 내지 95%의 범위내로 유지되어야 하는 이유는 기공율이 95% 이상인 경우 열처리단계(S5)에서 생성된 니켈-알루미늄 금속간화합물의 생산량이 적어져 충분한 내마모성을 확보할 수 없는 반면에 기공율이 70% 이하일 때는 용탕주입단계(S4)에서 니켈 발포체(7)로 용침되는 알루미늄 용탕의 침투가 어려워지기 때문이다. 아울러 기공율이 70% 이하이면 용침에 의해 생성되는 니켈-알루미늄 금속간 화합물 생성량이 과다해져 실린더블록으로서의 기계적 특성을 확보할 수 없게 되는 문제점도 발생하므로, 가장 바람직하게는 기공율이 80%로 유지되는 것이다.

다음으로 단계(S1)에서 제작된 니켈 발포체(7)에 티탄늄 분말을 혼합하게 된다(S2). 이때, 티타늄 분말의 중량비를 전체의 3 내지 35%로 유지하도록 하는데, 이 경우에도 분말의 중량비가 3% 이하이면 니켈 발포체(7)와 알루미늄 합금 용탕의 화학반응성이 작아져 발포체(7)로의 용탕침투가 불건전해지고, 반대로 35%를 넘으면 니켈 발포체(7)와 알루미늄합금이 과도하게 발열반응을 일으키므로 니켈 발포체(7)의 형상이 변화되기 때문에 이와 같이 티타늄 분말의 중량비를 조절하도록 되어 있다.

이렇게 해서 티타늄 분말이 첨가 혼합된 니켈 발포체(7)의 제작이 완료되면 알루미늄 용탕 주입(S4)을 위해 도 3에 도시된 주형(3,5)에 끼우기 전에 니켈 발포체(7)를 150℃ 정도로 가열하여 니켈 발포체(7)의 표면에 존재하는 수분을 제거한다(S3).

다음에, 니켈 발포체(7)를 도 3에 도시된 상태로 주형의 내외형(3,5) 사이에 끼워 넣은 후, 720℃까지 가열한 알루미늄합금 용탕을 무가압 상태로 주형(3,5)에 주입한다(S4). 이때, 알루미늄합금 용탕은 니켈 발포체(7)에 용침되며, 용침조건은 일반적인 저압주조 또는 중력주조와 동일하게 할 수 있으므로 금형의 가열온도, 발포체의 온도, 용탕성분의 종류는 임의로 설정하더라도 무방하다.

다만, 금형의 온도는 250℃로 유지되도록 하며, 알루미늄 용탕의 온도는 750 내지 690℃로 유지하도록 한다. 이는 용탕의 온도가 750℃ 이상이 되면 니켈 발포체(7)가 용탕으로 인해 녹아버릴 수 있고, 690℃ 이하가 되면 실린더 블록(1)의 성형이 곤란하게 되기 때문이다. 이렇게 해서 용탕의 투입이 완료되면 주조과정(S4)에서 생성된 금속간 화합물에 의해 실린더 내벽면의 내마모성이 향상된 실린더블록(1)을 얻을수 있게 된다.

그런데, 본 발명에 따르면 실린더의 내마모성을 더욱 향상되도록 하기 위해 금속간 화합물의 양을 좀 더 증대시킬 수 있다. 이를 위해 주조된 실린더 블록을 500 내지 550℃ 온도범위에서 열처리한다(S5). 열처리 결과에 따라 실린더 블록(1)은 별도의 라이너 없이도 피스톤 링과 직접 접촉하는 내벽면 부위에 티탄 알루미늄 금속간 화합물, 산화알루미늄, 니켈-알루미늄 금속간 화합물 등이 생성되어 고내마모성을 얻을 수 있게 된다. 다만, 열처리온도가 500℃ 이하로 되면 가열시간이 매우 길어져 비효율적이 되고, 반대로 550℃ 이상이 되면 자중에 의해 실린더 블록(1)의 형상이 변화되는 문제가 발생할 수 있으므로 반드시 500 내지 550℃의 온도범위를 유지하는 것이 바람직하다.

이렇게 주조된 실린더 블록을 재차 열처리함으로써 내벽면의 내마모성을 더욱 향상시킬 수 있게 되는데 이때, 내마모성은 생성되는 금속간 화합물의 양에 따라 좌우되며, 이 금속간 화합물의 생성량은 열처리시의 가열 열량에 비례하게 된다. 그런데, 가열열량은 가열온도와 시간에 따라 좌우되므로 가열온도가 높을 경우에는 가열시간은 짧아지고, 가열온도가 낮을 경우에는 가열시간이 길어지게 된다. 이에 따라 본 발명에 있어서는 하나의 예로서 가열온도를 520℃로 하고, 가열시간을 각각 6, 12, 18시간으로 설정하여 가열 열처리했다.

그 결과를 열처리하지 않은 경우 및 종래의 실린더블록 재질로 많이 사용되는 AC8A 알루미늄합금 또는 주철의 경우와 비교하면 다음 표 1 및 표 2와 같다.

재료	경도(브리넬)
비교재(AC8A)	98
주조 직후	170
520℃ 6시간 열처리	200
520℃ 12시간 열처리	252
520℃ 18시간 열처리	278

재료	마모량(g)	마찰계수
AC8A	84	0.68
주조 직후	32	0.40
520℃ 6시간 열처리	28	0.39
520℃ 12시간 열처리	23	0.37
520℃ 18시간 열처리	20	0.38
주철	32	0.46

이때, 표 1의 비교시험은 브리넬 경도기를 이용한 경도시험과 볼 디스크 마모시험기에 의한 마모시험을 한 것이며, 표 2의 마모시험의 경우 고주파 메칭(high frequency matching)을 이용한 왕복동형(reciprocating type)을 사용하게 되며, 상대재로는 SCM4를, 마찰압력으로는 500 N/㎠의 압력을, 이동거리는 4.5㎞를 설정했다.

표 1 및 2에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따라 제조된 라이너리스 실린더블록은 니켈과 티타늄 그리고 알루미늄합금으로 이루어진 금속간 화합물이 실린더 내벽에 형성됨으로써 별도의 라이너를 실린더 내주면에 끼워 삽입하지 아니하고도 종래의 주철제 또는 알루미늄제 실린더 블록에 비해 내마모성을 크게 향상시킬 수 있게 된다. 더욱이 적정 시간 동안의 열처리를 통해 내벽에 형성되는 금속간 화합물의 양을 증대시킴으로써 보다 우수한 내마모성이나 표면경도를 달성할 수 있게 된다.

Claims (6)

1. 공랭식 엔진의 실린더블록(1) 제조방법에 있어서, 상기 실린더블록(1)을 주조하는 주형의 내형(3)의 외주면에 밀착되는 원통형의 니켈 발포체(7)를 제작하는 단계(S1), 상기 니켈 발포체(7)에 티탄늄 분말을 첨가 혼합하는 단계(S2), 티타늄 분말이 혼합된 니켈 발포체(7)를 가열하여 수분을 제거하는 단계(S3) 및, 상기 니켈 발포체(7)를 상기 주형의 내형(3) 및 외형(5) 사이에 삽입한 다음 상기 주형(3,5)에 알루미늄합금 용탕을 무가압 상태로 주입하는 단계(S4)로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 라이너리스 실린더블록 제조방법.
2. 제1 항에 있어서, 상기 알루미늄합금 용탕주입단계(S4)가 종료된 다음 주조된 상기 실린더블록(1)을 열처리하는 단계(S5)를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 라이너리스 실린더블록 제조방법.
3. 제1 항에 있어서, 상기 니켈 발포체(7)는 기공율이 70 내지 95%의 범위내에서 유지되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 라이너스 실린더블록 제조방법.
4. 제1 항에 있어서, 상기 티타늄 분말은 3 내지 35%의 질량비를 갖도록 상기 니켈 발포체(7)에 혼합되는 것을 특징으로 하는 라이너스 실린더블록 제조방법.
5. 제1 항에 있어서, 상기 알루미늄합금 용탕의 온도는 690 내지 720℃의 범위내에서 유지되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 라이너스 실린더블록 제조방법.
6. 제2 항에 있어서, 상기 열처리 단계(S5)에서 상기 실린더블록(1)을 열처리하는 온도는 500 내지 550℃의 범위내로 유지되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 라이너스 실린더블록 제조방법.

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