KR100388150B1 - 경금속 실린더 블록 및 그의 제조 방법과 그 방법을 실행하기 위한 장치 - Google Patents

경금속 실린더 블록 및 그의 제조 방법과 그 방법을 실행하기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 적어도 하나의 내마모성이고 마찰 공학적으로 최적화된 실린더 내부 구동벽을 포함하고, 1차 실리콘 석출물을 함유하는 미세하게 분산된 표면층을 갖는 경금속 매트릭스 합금으로 이루어진 경금속 실린더 블록에 관한 것이다. 상기 표면층은 1∼10 ㎛의 입경을 갖는 구형 그레인으로 이루어지고, 10∼14%의 AlSi 공정, 5∼20%의 1차 실리콘, 및 나머지 순수 Al 상을 함유한다. 경금속 실린더 블록을 제조하기 위한 본 발명의 방법에 따르면, 레이저 비임은 공급 방향에 수직인 방향으로 적어도 2 mm의 스트립 폭을 가지고 경금속 매트릭스 표면을 가로질러 안내된다. 경질 분말이 경금속 매트릭스 표면에 대한 레이저 비임의 입사 지점에서 용융 온도까지 가열되고 확산된다. 중공 실린더의 내부 구동벽을 코팅하기 위한 본 발명의 장치는 분말 공급 수단, 레이저 비임 장치, 및 편향 거울을 구비한 집속 장치로 이루어져 있다. 분말 공급 수단 및 레이저 비임 장치는 중공 실린더의 반경 방향 및 축선 방향으로 서로 평행하게 안내된다. 집속 장치는 선형 비임 게이트를 구비하고 있다. 분말 공급 수단에는, 레이저 비임의 전진 속도에 따라 분말의 체적 유량을 조절하기 위해 사용되는 계량장치가 제공되어 있다.

Description

경금속 실린더 블록 및 그의 제조 방법과 그 방법을 실행하기 위한 장치 {Light metal cylinder block, method of producing the same and device for carrying out the method}
EP 0 837 152 A1호(Bayerische Motoren Werke AG)에는, 내연기관의 알루미늄 합금으로 이루어지는 부품을 코팅하는 방법이 개시되어 있다. 레이저 비임이 코팅될 부품의 표면에 직접 도달하지 않고 분말 비임에 먼저 부딪치도록 하는 방식으로 레이저 비임이 보내진다. 분말 비임의 에너지에 의해, 그 분말이 고상(固相)으로부터 액상(液相)으로 완전히 변환되어, 그 분말은 부품 표면에 부딪칠 때 그 부품 표면상의 코팅재로서 미세한 물방울 형태로 분리되며, 그 미세한 물방울은 고화(固化) 조건에서 고화하여 부분적으로 비정질이 된다.
따라서, 종래 방법의 경우, 분말이 부품의 표면층 내에 합금화되지 않고, 그 표면에 이르는 도중에 알루미늄 실리콘 분말이 레이저 비임에 의해 액화되는 코팅재의 상 변태가 일어난다. 그 분말이 표면상에서 고화할 때, 소위 1차 실리콘으로 알려진 미세하게 분산된 실리콘이 방출된다.
냉각 속도에 따라, 1 내지 5 ㎛ 범위의 사이즈를 가지는 실리콘 결정이 생성된다. 그러나, 코팅될 부품에 작용하는 레이저 비임의 에너지 때문에, 필요한 급속 냉각이 실제적으로 달성될 수 없다. 따라서, 기체(基體) 표면이 매우 빠르게 가열되고, 따라서, 얻어지는 Si 용융물의 열을 신속하게 충분히 방출할 수 없어, 결정 상(crystalline phase) 및 초정(初晶) 대신에 비정질 상(amorphous phase)이 발생한다.
상기 BWM 특허의 실시예에 따르면, 도포된 층 두께가 3 mm인 경우, 대략 50%가 제거되어, 평탄한 코팅 표면이 얻어진다(상기 특허공보 6 칼럼 10행 내지 15 행 참조). 이것은, 제거 손실이 높고, 물방울 형태로 도포되는 재료의 현저한 기복(waviness)으로 인하여 경계 영역이 사용되지 못하게 된다는 것을 의미한다, 이것은 부가적인 단점을 이룬다.
또한, EP-A-0 221 276호에는, 레이저 에너지에 의해 알루미늄 합금의 표면층을 재용융함으로써 알루미늄 합금의 내마모성을 증가시키는 것이 개시되어 있다. 결합제, 분말 형태의 실리콘, 구리 및 탄화 티탄으로 이루어지는 층이 상기 표면에 형성되고, 이어서 레이저에 의해 용융되어 그 표면내로 침투한다. 이 공보에 기재된 실시예에 따르면, TIC가 5∼30%의 양으로 첨가되어, 표면 경도를 상당히 증가시킨다.
그러나, 마찰 공학적 관점에서, 레이저 재용융 중의 아주 높은 냉각 속도는 높은 정도의 코어 입도(fineness)를 달성하지만, 이 방법으로는 충분한 양의 1차 실리콘이 생성될 수 없다. 따라서, 레이저 재용융은, 윤활제 함유 영역 및 1차 실리콘의 지지 플래토(plateau)를 구비하고 AlSi 합금으로 이루어진 왕복 피스톤 엔진의 실린더의 내부 구동벽을 제조하는데에는 적합하지 않다.
EP 0 411 322호에는, AlSi 합금으로 이루어진 부품의 내마모성 표면을 형성하는 방법이 개시되어 있고, 이 방법은 상기한 EP 0 211 276호에 기초한 것이지만, 레이저 재용융 공정을 수행하기 전에 1차 실리콘 결정을 위한 접종제(inoculation agent)(배종(germ) 형성제)가 표면층에 제공된다. 그 접종제 또는 배종 형성제의 예로서, 탄화실리콘, 탄화티탄, 질화티탄, 탄화붕소 및 붕화티탄이 언급되어 있다.
상기 특허의 바람직한 실시예에서, 코팅이 박리(剝離) 코팅의 형태로 실크-스크린 기술에 의해 형성되어 관련 부품의 표면에 도포된다. 그 코팅의 두께는 바람직하게는 200 ㎛일 수 있고, 용해 깊이는 400∼600 ㎛일 수 있다. 400 ㎛의 용해 깊이를 달성할 수 있도록 불활성 분위기에서 선형으로 집속된 레이저 비임이 사용된다. 또한, 합금화된 영역의 실리콘 함량은 25%이고, 니켈 함량은 8%이다 (250 HV 이상의 경도).
앞에서 이미 설명된 바와 같이, 재용융 및 용해 공정의 경우, 1차 실리콘의 요구되는 미세하게 분산된 편석물을 얻기 위해 매트릭스 합금에 코팅을 부여하면서 냉각 공정을 수행하는 것이 필요하다. 접종제의 첨가 때문에, 알루미늄 표면에서 반응이 일어날 수 있다. 또한, 코팅 수단이 곡면에는 항상 적용될 수는 없다.
EP 0 622 471 A1호는 레이저 유도 MMC 코팅을 갖는 금속 기체(基體)를 개시하고 있다. MMC 코팅은 200 ㎛∼3 mm의 코팅 두께를 가지며, 균질하게 분포된 SiC 입자를 함유한다. 이 특허의 바람직한 실시예에서는, 40 중량% 이하의 SiC 입자가 균질하게 분포된 SiC 입자 형태로 MMC 코팅에 함유된다. 제조에 있어서, SiC 분말 및 사전 합금화된(pre-alloyed) AlSi 분말을 함유하는 분말 혼합물이 레이저 비임에 의해 가열되는데, 그 분말 혼합물로부터 균질 합금을 제조하는데 필요한 열 함량은 상기 금속 기체에 적용된 분말에 의해 제공된다. SiC와 같은 경금속 재료를 함유하는 제품은 피스톤 링의 마모에 불리하게 되는 매우 높은 경도를 갖는다. 또한, 작동가능하고 파편이 없는 내부 구동벽을 얻기 위해 상부의 세라믹 입자 층이 제거되어야 하기 때문에, 기계가공이 매우 복잡하고 많은 비용이 든다.
본 발명은, 경금속 매트릭스 합금과, 1차 실리콘 석출물이 미세하게 분산되어 있는 표면층의 형태로 경금속 매트릭스에 존재하고 경화제를 함유하는 분말 재료로 이루어진 적어도 하나의 내마모성이고 마찰 공학적으로 최적화된 실린더 내부 구동벽을 가진 경금속 실린더 블록에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 설계된 코팅 장치의 원리를 설명하는 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따라 형성된 표면층의 원리를 나타내는 도면이다.
도 3은 상이한 표면 구조를 갖는 비교예를 나타내는 도면이다.
도 4는 레이저 합금화 영역에 있어서의 주물의 단면도이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 내마모성이고 마찰 공학적으로 최적화된 적어도 하나의 내부 구동벽을 갖는 경금속 실린더 블록을 제공하는데 있다. 그 내부 구동벽의 표면층은 5∼20%의 미세하게 분산된 1차 실리콘을 함유하고, 이 1차 실리콘은 매트릭스 합금에의 전이 영역에서 좁은 폭의 경계 영역을 가지며, 그 전이 영역에 결함 및 산화물 개재물을 함유하지 않는다.
이 경금속 실린더 블록을 제조하는데 사용되는 방법은 소수의 공정 단계를 가지며, 후의 화학적 처리가 완전히 생략된다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 양태에 따르면, 1차 실리콘 상(相)들을 함유하는 미세하게 분산된 표면층을 갖는 경금속 매트릭스 합금으로 이루어진 적어도 하나의 내마모성이고 마찰 공학적으로 최적화된 실린더 내부 구동벽을 가지는 경금속 실린더 블록으로서, 상기 1차 실리콘이 1∼10 ㎛ 범위의 평균 입경을 가지는 균일하게 분포되고 대략 둥글게 형성된 그레인(grain)으로 이루어지고, 상기 표면층은 10∼14%의 AlSi 공정(共晶), 5∼20%의 1차 실리콘, 및 나머지 순수 Al 상(相)을 함유하며, 상기 표면의 최소 경도가 160 HV인 것을 특징으로 하는 경금속 실린더 블록이 제공된다.본 발명의 다른 양태에 따르면, 경금속 매트릭스 합금과, 그 경금속 매트릭스 합금 내에 1차 실리콘 석출물을 가지고 미세하게 분산된 표면층의 형태로 합금화 영역에 존재하고 경화제를 함유하는 분말 재료로 이루어진 적어도 하나의 내마모성이고 마찰 공학적으로 최적화된 실린더 내부 구동벽을 갖는 경금속 실린더 블록을 제조하는 방법으로서, 중력 다이 캐스팅 또는 저압 다이 캐스팅 또는 고압 다이 캐스팅 후에, 평행한 레이저 비임 및 분말 비임에 의한 표면 처리를 행하는 것을 포함하는 상기 경금속 실린더 블록의 제조방법에 있어서, 상기 레이저 비임이 그 레이저 비임의 공급 방향에 대하여 횡으로 적어도 2 mm의 스트립 폭을 가지고 상기 경금속 매트릭스 합금 표면을 가로질러 안내되고, 상기 경금속 매트릭스 합금 표면에 대한 상기 레이저 비임의 충돌 지점에서만 0.1∼0.5 초의 접촉 시간 내에 상기 분말이 용융 온도로 가열되어 확산되는 것을 특징으로 하는 경금속 실린더 블록의 제조방법이 제공된다.본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 분말 공급 수단과, 레이저 비임 장치, 및 편향 거울을 구비한 집속 장치로 이루어진, 중공 실린더의 내부 구동벽 코팅 장치에 있어서, 상기 분말 공급 수단 및 상기 레이저 비임 장치가 상기 중공 실린더의 반경 방향 및 축선 방향으로 서로 평행하게 안내되고, 상기 집속 장치는 2.0∼2.5 mm의 비임 폭을 갖는 선형 비임 출구를 가지며, 상기 분말 공급 수단에는, 레이저 비임의 공급 속도에 따라 분말의 체적 유량을 설정할 수 있게 하는 계량장치가 제공된 것을 특징으로 하는 중공 실린더의 내부 구동벽 코팅 장치가 제공된다.이하에, 몇 가지 실시형태를 설명한다. 이들 실시형태는 본 발명에 따른 레이저 합금화 방법의 바람직한 적용을 예시하는 것이다.
먼저, 알루미늄 또는 마그네슘 합금으로 만들어진 경금속 엔진 블록의 내부를 코팅하기 위한 장치에 대하여 설명한다. 프로브(probe)가 엔진 블록의 실린더내부로 하강되는 동시에 순수 실리콘 분말을 도입한다. 이 프로브는 분말 공급 수단과 레이저 비임 장치를 포함한다.
프로브에 설치된 회전 구동장치가 분말 방출 노즐과 에너지 비임을 경금속 실린더 블록의 내부 구동벽으로 향하게 한다.
이 장치의 목적은, 내부 구동벽을 가로질러 나선형으로 회전하는 레이저 비임에 의해 실리콘 형태의 경질(硬質) 재료 입자를 평행하게 공급되는 실리콘 입자에 합금화하기 위한 것이다.
레이저 에너지가 매트릭스 표면상에 넓은 트랙에 걸쳐 분포되게 하기 위해, 레이저 비임은 바람직하게 2∼4 mm의 트랙 폭을 갖는 선형(線形) 초점을 가진다. 스폿 비임에 의해 형성되는 표면과 비교하여, 선형 초점은 파형을 형성하지 않고, 미세하게 분산된 1차 실리콘 입자를 갖는 편평한 대역(帶域)(band)을 형성한다. 이 대역이 합금화 영역으로 불리며, 이 합금화 영역과 매트릭스 금속 사이에는 좁은 전이 영역만이 있다.(도 1 참조)
분말은 경금속 매트릭스 합금에 부딪치기 직전에는 입자 구조를 가지며, 레이저 빔의 영역에서 경금속 매트릭스 합금과 접촉하게 될 때만 0.1∼0.5 초의 접촉 시간 내에 용융 및 합금화된다. 따라서, 선형 초점에 의해, 대략 10%의 작은 경계 영역 백분율을 달성하는 것이 가능하다. 레이저 트랙은 실린더 보어 내에서 나선형으로 하강하며, 필요한 경우 레이저 트랙들의 오버랩핑(overlapping)이 배제될 수 있다. 따라서, 약간의 기복을 제거하기 위해 정밀 기계가공만을 필요로 하는, 평탄하고 완전히 균질한 표면층이 형성된다.
내마모성이고 마찰 공학적으로 최적화된 적어도 하나의 실린더 내부 구동벽을 갖는 경금속 실린더 블록을 제조할 때 이용되는 기계가공 작업의 일 예로서는, 하기의 기계가공 단계들이 행해진다.
먼저, 300∼750 ㎛의 평균 층 두께를 갖는 1차 실리콘을 함유한 합금화 영역이 매트릭스 합금에 형성된다. 상기 층 두께의 정확한 값은 공정 파라미터, 상기 장치의 위치결정 정밀도 및 주물의 치수 공차와 같은 여러 가지 인자에 좌우된다. 따라서, 아래에서 두께가 주어질 때는, 항상 "평균" 층 두께를 말하며, 공차 범위는 상기 장치가 부품의 중앙에 배치될 수 있기 때문에 매우 좁게 유지될 수 있다.
그 다음, 추가 기계가공 단계에서, 300∼750 ㎛의 출발 층 두께가 호닝(honing)과 같은 정밀 기계가공에 의해 150 ㎛까지 제거함으로써 필요한 최종 층 두께로 감소된다. 본 발명의 방법에 의해 얻어지는 최종 층 두께는 150∼600 ㎛의 범위이다. 그 층은 청구의 범위의 청구항 제 1 항 및 제 2 항에서 특별히 정의한 바와 같은 구조를 특징으로 하는 순수 확산층이다.
경질 상(hard phase)의 편석 값은 분말 공급, 레이저 빔 공급 및 공급되는 레이저 에너지를 제어함으로써 설정될 수 있다. 10 ㎛보다 작은 석출 값의 경우, 경질 상을 기계가공하는 동안의 파괴 깊이가 감소되어, 파괴된 경질 상을 제거하는데 이전에 요구되었던 절삭 여유가 상당히 감소될 수 있다.(그 파괴 깊이는, 상부 층에 함유되지만 견고하게 결합되지 않는 경질 상에 의해 결정된다.)
합금화에 레이저 비임을 사용함으로써, 표면이 경화되어, 적어도 160 HV의 표면층 경도 값이 얻어진다. 양호한 경화 결과 때문에, 레이저 처리된 표면이 직접 호닝될 수 있다. 또한, 경질 상을 노출시키기 위해 이전에 요구되었던 추가의 기계적 및 화학적 처리 단계가 더 이상 필요하지 않다. 이것은 또한, 스트립 형상의 합금화 영역의 오버랩 정도에 따라 표면 기복이 무시할 수 있을 정도로 작기 때문에 실린더 코팅을 도려내는 것이 더 이상 필요하지 않다는 것을 의미한다.
이하, 본 발명에 따라 실린더 블록의 내부 구동벽에 형성되는 표면 구조를 비교예를 참조하여 더 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따라 설계된 코팅 장치는 분말 공급 수단(1)을 포함하고, 그 분말 공급 수단은 그의 단부(1a)에, 실린더 블록의 내부 구동벽(5)쪽으로 향하여 있는 노즐(1b)을 가지고 있다.
레이저 비임 장치(2), 집속 장치(3) 및 편향 거울(4)을 통해 에너지가 공급되고, 레이저 비임(6)은 실린더 블록의 내부 구동벽 표면(7)에 부딪치기 직전까지는 분말과 만나지 않는다.
공지의 광학 법칙에 따르면, 레이저 비임(6)은 선형, 바람직하게는 X자형, I자형 또는 8자형 형상이 되도록 집속된 다음, 예를 들어, 편향 거울(4)을 기울임으로써 내부 구동벽 표면(7)상에 조사된다. 도입되는 에너지의 양은 그 조사의 형태에 의해 제어될 수 있어, 석출 구조가 경계에서 영향을 받을 수 있다.
편향 거울(4)을 회전시킴으로써, 레이저 비임(6)은 내부 구동벽 표면(7)을 가로질러 이동하여 스트립(strip) 형태의 대역(帶域)이 얻어진다. 이와 동시에, 레이저 비임(6)이 실린더 축선(8)을 따라 전진 이동하면, 그 레이저 비임의 상기 2가지 운동의 겹침(오버랩핑)에 의해 나선형의 코팅이 내부 구동벽 표면(7)상에 형성된다. 그 회전 이동과 실린더 축선(8)에 따른 직선 이동은 그 나선의 권회부(winding)들이 서로 가깝게 되어 폐쇄된 합금화 영역을 형성하도록 하는 방식으로 서로 조절되어야 한다.
도 2는 본 발명에 따라 선형 초점에 의해 형성된 합금화 영역(10)을 나타낸다. 이 합금화 영역(10)은 석출이 많은 영역(11)과 석출이 적은 측면 영역(12, 13)으로 이루어진다. 도 2는 레이저 처리 직후의 합금화 영역의 상태를 나타내고, 이 도면에서, 석출이 적은 영역(LAL)의 백분율이, 석출이 많은 영역의 유효 길이(LNL)에 비해 상대적으로 적다는 것을 볼 수 있다. 도 3에서, 석출이 적은 영역들이 기호 LAK로 표시되어 있고, 계면 영역(15, 16, 17)을 가지고 있다.
비교를 위해, 도 3은 종래의 원형 초점을 이용하여 형성된 3개의 합금화 영역을 나타낸다. 선형 초점으로 형성된 코팅 폭은 원형 초점으로 형성된 것과 거의 동일하다. 원형 초점을 이용하는 방법의 경우, 석출이 많은 구조의 유효 길이(LNK)는 선형 초점으로 얻어지는 유효 길이(LNL)보다 상당히 짧다는 것을 볼 수 있다. 또한, 원형 초점의 경우, 석출이 적은 구조가 실린더 블록 구조체의 보다 깊은 영역까지 하향 연장하기 때문에, 경화된 표면층의 유효 깊이가 선형 초점의 경우보다 매우 많이 더 짧다. 이것이 도 3의 단면도에서 넓은 계면 영역(15, 16, 17)으로 나타내어져 있다.
침투 깊이가 동일한 경우, 도 3에 따른 비교예에서의 유효 깊이가 도 2에 따른 본 발명의 실시예에서의 것보다 짧기 때문에, 비교예의 코팅 품질은 본 발명에 비해 열등하다. 또한, 비교예와 본 발명의 실시예의 기계가공 깊이가 동일한 경우, 비교예에서 제거되어야 하는 재료의 양(△HWK)은 △HWL보다 상당히 더 많은데, 그 이유는, 원형 초점이 내부 구동벽의 영역에 도 2의 대응하는 내부 구동벽 부분(LNL)보다 적은 유효 재료 백분율(MK)을 가지는 파형 표면층을 형성하기 때문이다.
본 발명에 따른 실시예에서의 유효 재료 백분율은 LNL이고, MK는 개개의 값 LHK1, LNK2및 LNK3의 합으로 형성된다.
따라서, 본 발명의 경금속 실린더 블록은, 미세한 1차 Si 석출물의 균일한 분포의 결과로 마찰 공학적으로 최적화되고 선형 초점 및 오버랩핑 처리에 기인하여 저렴한 비용으로 형성될 수 있는 내마모성의 내부 구동벽을 가진다.
이것이 도 4에 도시된 조직에 의해 예시된다. 도 4는 200배 배율로 확대한 단면 사진으로서, 도 4의 우측 절반 A는 AlSi9Cu3타입의 주조 합금을 나타내고, 좌측 절반 B는 1차 실리콘 석출물이 미세하게 분산된 마찰 공학적으로 최적화된 표면층을 나타낸다. 본 발명의 실시예에서, 1차 Si 백분율은 10%이고, 1차 상(primary phase)의 직경은 4.4 ㎛이며, 1차 Si 상들 사이의 거리는 13 ㎛이다.
상기 신규한 재료의 하중 지지 용량에 관한 한, 매트릭스 조직 A와 합금화 영역 B의 결합에 특별한 중요성이 부여되어야 한다. 도 4로부터, 전이 영역 C는 어떠한 산화물이나 다른 결함도 함유하지 않는다는 것을 알 수 있다. 이것은, 합금화 영역이 매트릭스 조직으로부터 사실상 원위치에 형성되어, 영역 A와 B에서 상이한 조성을 갖는 균일 재료가 얻어졌다는 사실에 기인한다.

Claims (18)

1차 실리콘 상(相)들을 함유하는 미세하게 분산된 표면층을 갖는 경금속 매트릭스 합금으로 이루어진 적어도 하나의 내마모성이고 마찰 공학적으로 최적화된 실린더 내부 구동벽을 가지는 경금속 실린더 블록으로서,
상기 1차 실리콘이 1∼10 ㎛ 범위의 평균 입경을 가지는 균일하게 분포되고 대략 둥글게 형성된 그레인(grain)으로 이루어지고, 상기 표면층은 10∼14%의 AlSi 공정(共晶), 5∼20%의 1차 실리콘, 및 나머지 순수 Al 상(相)을 함유하며, 상기 표면의 최소 경도(硬度)가 160 HV인 것을 특징으로 하는 경금속 실린더 블록.
제 1 항에 있어서, 상기 1차 실리콘 상들이 1차 상 직경의 1∼5배의 간격으로 상기 표면층 내에 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 경금속 실린더 블록.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 1차 실리콘이 상기 매트릭스 합금에서 적어도 2 mm의 폭과 150∼650 ㎛의 평균 층 두께를 갖는 스트립 형상의 합금화 영역에 배치되고, 그 스트립 형상의 합금화 영역이 상기 실린더 내부 구동벽을 가로질러 나선형으로 연장하는 것을 특징으로 하는 경금속 실린더 블록.
제 3 항에 있어서, 상기 스트립 형상의 합금화 영역의 폭이 2∼4 mm인 것을 특징으로 하는 경금속 실린더 블록.
제 3 항에 있어서, 상기 스트립 형상의 합금화 영역들이 여러 개 인접하여 있는 경우, 그 합금화 영역들이 각 합금화 영역의 폭의 5∼10%의 오버랩 폭으로 서로 오버랩되어 있는 것을 특징으로 하는 경금속 실린더 블록.
1차 실리콘 석출물을 함유하고, 순수 확산층으로서, 석출이 많은 합금화 영역(11)과 석출이 적은 계면 영역(12, 13)으로 이루어진 미세하게 분산된 표면층을 갖는 경금속 매트릭스 합금으로 이루어진 적어도 하나의 내마모성이고 마찰 공학적으로 최적화된 실린더 내부 구동벽을 가지는 경금속 실린더 블록으로서,
상기 1차 실리콘 석출물이 1∼10 ㎛ 범위의 평균 입경을 가지는 균일하게 분포되고 대략 둥글게 형성된 1차 실리콘 그레인(grain)으로 이루어지고, 상기 합금화 영역은 10∼14%의 AlSi 공정, 5∼20%의 1차 실리콘, 및 나머지 순수 알루미늄 상으로 이루어지고, 160 HV의 최소 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 경금속 실린더 블록.
경금속 매트릭스 합금과, 그 경금속 매트릭스 합금 내에 1차 실리콘 석출물을 가지고 미세하게 분산된 표면층의 형태로 합금화 영역에 존재하고 경화제를 함유하는 분말 재료로 이루어진 적어도 하나의 내마모성이고 마찰 공학적으로 최적화된 실린더 내부 구동벽을 갖는 경금속 실린더 블록을 제조하는 방법으로서, 중력 다이 캐스팅 또는 저압 다이 캐스팅 또는 고압 다이 캐스팅 후에, 평행한 레이저 비임 및 분말 비임에 의한 표면 처리를 행하는 것을 포함하는 상기 경금속 실린더 블록의 제조방법에 있어서,
상기 레이저 비임이 그 레이저 비임의 공급 방향에 대하여 횡으로 적어도 2 mm의 스트립 폭을 가지고 상기 경금속 매트릭스 합금 표면을 가로질러 안내되고, 상기 경금속 매트릭스 합금 표면에 대한 상기 레이저 비임의 충돌 지점에서만 0.1∼0.5 초의 접촉 시간 내에 상기 분말이 용융 온도로 가열되어 확산되는 것을 특징으로 하는 경금속 실린더 블록의 제조방법.
제 7 항에 있어서, 상기 경금속 매트릭스 합금이 상기 충돌 지점에서 적어도 350 ㎛의 깊이로 완전히 용융되고, 상기 경금속 매트릭스 합금 표면에서 플라즈마 상태로 전환되는 것을 특징으로 하는 경금속 실린더 블록의 제조방법.
제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 확산 중에, 용융된 분말이 500∼1000 ㎛의 층 두께를 갖는 합금화 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 경금속 실린더 블록의 제조방법.
제 7 항에 있어서, 상기 경금속 매트릭스 합금에 충돌하기 직전의 시점에, 상기 분말이 그레인(grain) 구조를 가지며, 상기 경금속 매트릭스 합금과 상기 레이저 비임의 접촉을 통해서만 상기 분말이 0.1∼0.5 초의 접촉 시간 내에 용융 및 합금화되는 것을 특징으로 하는 경금속 실린더 블록의 제조방법.
제 7 항에 있어서, 상기 레이저 비임의 공급 속도와 상기 분말 비임의 공급 속도가,
(a) 상기 경금속 매트릭스 합금 내로의 확산이 350∼850 ㎛의 침투 깊이를 달성하도록 일어나고,
(b) 상기 합금화 영역의 제어된 느린 냉각의 결과로, 10 ㎛보다 작은 대략 둥글게 형성된 1차 상들이 1차 상 직경의 1∼5배에 해당하는 간격으로 형성되고,
(c) 110∼160 HV의 층 경도(硬度)를 갖는 경질 상(hard phase)의 석출이 달성되도록 하는 방식으로 제어되는 것을 특징으로 하는 경금속 실린더 블록의 제조방법.
제 11 항에 있어서, 상기 공급 속도가 분당 0.8∼4.0 m이고, 상기 레이저 비임의 충돌 면적이 1∼10 mm2이며, 레이저광 출력이 3∼4 kW인 것을 특징으로 하는 경금속 실린더 블록의 제조방법.
제 7 항에 있어서, 상기 레이저 비임이 중공 실린더의 내부 구동벽 표면상에서 선형 초점을 가지고 나선형으로 회전하고, 그 과정에서, Si 분말이 부가되어, 1차 실리콘을 함유하는 스트립 형상의 합금화 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 경금속 실린더 블록의 제조방법.
제 7 항에 있어서, 상기 합금화 영역의 평균 처리 깊이가 750 ㎛인 것을 특징으로 하는 경금속 실린더 블록의 제조방법.
제 7 항에 있어서, 상기 합금화 영역의 경질 상이 기계가공되어, 전체 층 두께의 30% 이내의 최상부 층이 제거되는 것을 특징으로 하는 경금속 실린더 블록의 제조방법.
제 7 항에 있어서, 상기 합금화 영역이, 중간 기계가공 작동을 수행함이 없이 직접 호닝(honing)되는 것을 특징으로 하는 경금속 실린더 블록의 제조방법.
분말 공급 수단(1)과, 레이저 비임 장치(2), 및 편향 거울(4)을 구비한 집속 장치(3)로 이루어진, 중공 실린더의 내부 구동벽을 코팅하기 위한 장치에 있어서,
상기 분말 공급 수단(1) 및 상기 레이저 비임 장치(2)가 상기 중공 실린더의 반경 방향 및 축선 방향으로 서로 평행하게 안내되고, 상기 집속 장치(3)는 2.0∼2.5 mm의 비임 폭을 갖는 선형 비임 출구를 가지며, 상기 분말 공급 수단(1)에는, 레이저 비임의 공급 속도에 따라 분말의 체적 유량을 설정할 수 있게 하는 계량장치가 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 중공 실린더의 내부 구동벽 코팅 장치.
제 17 항에 있어서, 상기 집속 장치(3)는, 상부 및 하부 표면 영역이 중앙 초점 영역에서의 것보다 더 높은 에너지를 출력할 수 있게 하는 X자형 또는 I자형 또는 8자형의 초점 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 중공 실린더의 내부 구동벽 코팅 장치.
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