KR100452450B1 - 자동차 엔진 블록용 실린더 라이너 소재의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 엔진 블록용 실린더 라이너 소재의 제조 방법에 관한 것으로서, 실린더 블록의 마찰특성 및 내마모성을 향상시키고자, 15-30wt%의 Si(실리콘)을 함유하고, Mg, Cu, Fe, Mn등의 합금 성분의 조성을 규제시킨 알루미늄 합금에, 우수한 마찰 특성을 제공하도록 Graphite(카본) 입자에 Ni(니켈)이 코팅된 분말을 첨가함으로서, 종래의 주철 또는 과공정 알루미늄 합금재 라이너보다 마찰특성과 내마모성을 향상시킬 수 있고, 결국 자동차 엔진의 성능 및 연비를 향상시킬 수 있는 자동차 엔진 블록용 실린더 라이너 소재의 제조 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

자동차 엔진 블록용 실린더 라이너 소재의 제조 방법{Method for manufacturing material of cylinder liner for engine}

본 발명은 자동차 엔진 블록용 실린더 라이너 소재의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실린더 블록의 마찰특성 및 내마모성을 향상시키고자, 20-30wt%의 Si(실리콘)을 함유하고, Mg, Cu, Fe, Mn등의 합금 성분의 조성을 규제시킨 알루미늄 합금에, 우수한 마찰 특성을 제공하도록 Graphite(카본) 입자에 Ni(니켈)이 코팅된 분말을 첨가함으로서, 종래의 주철 또는 과공정 알루미늄 합금재 라이너보다 마찰특성과 내마모성을 향상시킬 수 있는 자동차 엔진 블록용 실린더 라이너소재의 제조 방법에 관한 것이다.

현재 자동차용 알루미늄 엔진 블록의 실린더 보어 보강용 재료는 일반적으로 주철 라이너, A390 과공정 알루미늄 라이너, 23-26중량%의 Si를 함유한 알루미늄 압출재 라이너등이 사용되고 있다.

상기 주철 라이너는 선철과 고철, 그리고 스크랩을 일정 비율로 혼합한 다음 고주파유도로에서 용해하고, 이어서 Carbon 및 Sulfer의 양을 조절하여 원심주조법을 통해 제조한다.

이러한 주철 라이너는 가격이 저렴한 장점은 있으나, 열전도특성이 알루미늄에 비해 현저히 낮아 엔진 폭발시 발생한 열을 효과적으로 방출하는데 한계가 있다.

주철 라이너와 달리, 상기 A390 알루미늄 과공정 합금 라이너는 열전도 특성은 우수하나, 주조 과정에서 엔진 블록과 일체형으로 제조하기 때문에 초정 Si의 크기를 조절하는 것이 어려우며, 또한 내마모성이 비교적 열악하여 장기간 사용시 실린더 보어의 마모로 인해 엔진의 출력이 줄어드는 단점이 있다.

또, 23-26중량%의 Si를 함유한 알루미늄 압출재 라이너는 스프레이 포밍(Spray Forming)공법을 이용하여 빌렛(Billet)을 제조한 후, 압출을 통해 라이너로 만드는 것으로서, 열전도특성 및 내마모성은 우수하나, 내마모재인 Si의 과다 함유로 인해 상대재에 대한 공격성으로 인해 상대재의 마모를 가속시켜, 장기간 사용시 실린더 보어의 마모로 인해 엔진의 출력이 저하되는 문제점과 열악한 마찰특성으로 마찰 손실로 인한 엔진 성능 저하 등의 단점이 있다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 실린더 블록의 마찰특성 및 내마모성을 향상시키고자, 20-30wt%의 Si(실리콘)을 함유하고, Mg, Cu, Fe, Mn등의 합금 성분의 조성을 규제시킨 알루미늄 합금에, 우수한 마찰 특성을 제공하도록 Graphite(카본) 입자에 Ni(니켈)이 코팅된 분말을 첨가함으로서, 종래의 주철 또는 과공정 알루미늄 합금재 라이너보다 마찰특성과 내마모성을 향상시킬 수 있고, 결국 자동차 엔진의 성능 및 연비를 향상시킬 수 있는 자동차 엔진 블록용 실린더 라이너 소재의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은

Si 15-30 중량%, Cu 1.0-4.5 중량%, Mg 0.5-1.5 중량%, Mn 0.3중량% 이하, Fe 0.3 중량% 이하, 나머지 Al로 이루어진 과공정 알루미늄 합금을 용해하는 단계; Ni이 코팅된 Graphite를 가열하여 상기 과공정 알루미늄 합금에 첨가하여 교반시키는 단계; 스프레이 장비를 이용하는 스프레이 공법(Spray Forming)으로 빌렛을 제조하는 단계; 제조된 빌렛을 압출을 통하여 파이프 형태의 소재로 제조하는 단계로 구성되는 자동차 엔진 블록용 실린더 라이너 소재의 제조 방법을 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 Ni이 코팅된 Graphite 입자를 가열하는 단계에서 가열온도는 200-500℃ 인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 Ni이 코팅된 Graphite 입자의 크기는 5-30㎛, 밀도는 2.0-3.5g/㎤ 이며, 첨가량은 알루미늄 합금량의 5-20 중량%인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 과공정 알루미늄 합금에 Ni이 코팅된 Graphite를 첨가하여 교반시키는 단계에서 교반속도는 500-1500 RPM 인 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 자동차 엔진 블록용 실린더 라이너 소재의 제조 방법을 설명하는 순서도,

도 2는 종래의 자동차 엔진 블록용 실린더 라이너 소재의 제조 방법을 설명하는 순서도.

이하, 본 발명의 자동차 엔진 블록용 실린더 라이너 소재의 제조 방법에 대하여 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

본 발명은 종래의 주철 또는 과공정 알루미늄 합금재 라이너보다 마찰특성과 내마모성을 향상시켜서, 자동차 엔진의 성능 및 연비를 향상시킬 수 있도록 한 방법을 제공하고자 한 것으로서, 상술한 바와 같이 Si 15-30 중량%, Cu 1.0-4.5 중량%, Mg 0.5-1.5중량%, Mn 0.3중량% 이하, Fe 0.3 중량% 이하, 나머지 Al로 이루어진 과공정 알루미늄 합금을 소정의 온도로 용해하는 단계; Ni이 코팅된 Graphite를 소정의 온도로 가열한 후, 상기 과공정 알루미늄 합금에 첨가하여 교반시키는 단계; 스프레이 장비를 이용하는 스프레이 공법(Spray Forming)으로 빌렛(billet)을 제조하는 단계; 제조된 빌렛을 압출작업을 통하여 파이프 형태의 라이너 소재로 제조하는 단계를 통하여, 기존의 라이너 소재에 비하여 마찰특성과 내마모성이 우수한 자동차 엔진 블록용 실린더 라이너 소재를 제공할 수 있다.

본 발명의 방법에 따른 각 단계를 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 제조방법에 사용되는 알루미늄 합금의 조성은 Si 15-30 중량%, Cu 1.0-4.5 중량%, Mg 0.5-1.5 중량%, Mn 0.3 중량% 이하, Fe 0.3 중량% 이하, 나머지 Al로 이루어진 합금을 사용하며, 이를 750-800℃의 용해온도에서 용해시킨다.

합금 성분중 Si은 합금의 내마모성에 영향을 미친다. Si의 함량이 15중량% 이하로 적으면 내마모성이 작아지고, 30중량% 이상으로 너무 높으면 상대재를 공격한다.

Cu는 열처리 과정에서 미세한 금속간화합물을 형성하여 강도 및 경도를 향상시키나, Cu의 함량이 4.5중량% 이상으로 너무 높으면 내부식특성이 떨어진다.

Mg는 0.3 중량% 이상으로 함량 과다시 열전도도 감소 및 주물에 산화물 형성이 많아 주조 품질의 영향과 열처리에 의해 신율 저하가 발생하고, 함량 미달시 강도가 저하된다.

Mn의 함량을 높이면 강도는 증가하나 연성은 감소하고 Mg 함량이 낮으면 연성은 증가하나 강도는 감소하므로, 그 함량을 0.3 중량% 이하로 규제한다.

Fe는 과다 함유시 취성의 Fe화합물을 형성시키므로, 0.3 중량% 이하로 규제한다.

상기 Ni이 코팅된 Graphite 입자를 가열하는 공정에서 가열온도는 200-500℃ 정도가 적당한데, 그 이유는 가열온도가 200℃ 이하로 너무 낮으면, 입자에 함유되어 있는 수분의 건조 시간이 길어지며, 500℃ 이상으로 너무 높으면, 입자 표면에 코팅된 Ni이 산화되어, 알루미늄 합금과 Ni이 코팅된 Graphite 입자와의 젖음성이 떨어져 최종 합금의 강도가 낮아지는 문제가 발생한다.

이때 사용되는 Ni 코팅 Graphite 입자의 크기는 5-30㎛, 밀도는 2.0-3.5g/㎤가 적당하며, 투입량은 알루미늄 합금량의 5-20wt%가 적당하다.

상기 Graphite의 표면에 Ni 코팅을 하는 목적은 윤활특성을 발휘할 수 있도록 Graphite 입자를 보호하는 것으로서, 코팅된 Graphite 입자의 밀도를 2.0-3.5g/㎤로 유지시키는 것이 좋다.

이렇게 코팅된 Graphite 입자의 밀도를 2.0-3.5g/㎤로 유지시키는 이유는 코팅된 입자의 밀도가 2.0g/㎤ 이하로 떨어지면, 알루미늄 용탕내에서 코팅된 입자가 부유되고, 3.5g/㎤ 이상으로 무거워지면 코팅된 입자가 용탕의 밑으로 가라 앉아,빌렛(Billet) 제조를 위한 스프레이(Spray)시 균일한 소재를 얻는 것이 불가능하기 때문이다.

또, 코팅된 입자의 크기는 5-30 ㎛가 적당한 데, 이는 5㎛ 이하의 입자는 제조가 어렵고, 입자가 30㎛ 이상으로 커지면, 스프레이(Spray)시 노즐이 막히는 문제점이 발생한다.

또한, 코팅 입자의 투입량을 상기 알루미늄 합금 전체의 5-20wt%로 제한하는 목적은 투입량이 너무 적으면 소재의 마찰 특성이 낮아지고, 너무 많으면 소재의 물성이 저하되기 때문이다.

상기 과공정 알루미늄 합금에 Ni이 코팅된 Graphite를 첨가하고 교반하는 과정에서 교반 속도는 500-1500 RPM이 적당한데, 교반속도가 너무 빠르면, 용탕내 와류가 형성되어 교반과정에 용탕내로 산소가 유입되어 용탕이 산화되고 물성이 저하되는 문제점을 유발한다.

그리고, 교반 속도가 너무 느리면, 용탕을 교반하는 시간이 길어지며, 이때 용탕과 Graphite에 코팅된 Ni와의 반응에 의해 Ni층이 얇아지는 문제점이 발생한다.

상기 스프레이(Spray)장비를 이용하여, 상기 알루미늄 합금의 빌렛(Billet)를 제조하는 공정에서는 질소 가스 또는 아르곤 가스등의 불활성 가스를 사용하는데, 이들 가스가 불활성이기 때문에 용탕의 스프레이 과정에서 용탕과의 반응이 일어나지 않아 Billet의 품질을 저하시키지 않기 때문이다.

마지막으로, 상기와 같이 제조된 Billet을 압출을 통하여 파이프 형태의 라이너 소재로 제조하게 된다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명하고자 한다.

하기의 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 이들 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 한정되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1

본 발명의 제조방법에 이용된 알루미늄 합금계 성분의 범위중 다음과 같은 함량을 선택하여, 통상적인 스프레이 포밍(Spray Forming)을 이용하여 시편을 제조하였다.

즉, Si 25 중량%, Cu 2.0 중량%, Mg 0.5 중량%, Mn 0.2wt%, Fe 0.2 중량%, 나머지는 알루미늄인 합금 조성물을 770 ℃에서 용융 및 교반한 후 질소 분위기에서 스프레이 포밍(Spray Forming)을 한 후, 압출비 23:1로 압출하여 시편을 제조하였다.

비교예 1

종래기술 재료의 강도 성질 평가를 위해 종래기술의 조성에서 다음과 같은 합금 조성물을 제조하였다.

Cu 3.9 중량%, Si 24.5 중량%, Mg 1.0 중량%, Fe 0.2 중량%, Mn 0.2중량%, 기타 0.2중량%, 나머지 알루미늄이었다. 얻어진 종래의 합금 조성물의 물성 측정을 위하여, 얻어진 합금 조성물을 770 ℃에서 용융 및 교반한 후 질소 분위기에서 스프레이 포밍을 한 후, 압출비 23:1로 압출하여 시편을 제조하였다.

실험예

상기 실시예와 비교예에서 제조된 시편으로 다음과 같은 기계적 강도와 강도 특성 및 강도 특성을 비교하였다.

(1) 인장강도(tensile strength, MPa)

인장강도는 KS B0802의 시험방법으로 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.

(2) 항복강도(yeild strength, MPa)

항복강도는 KS B0802의 시험방법으로 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.

(3) 신율(%)

신율은 인장시험기를 사용하여 측정하였고, 그 결과를 표 1에 나타냈다.

(4) 피로성질(failure cycle)

피로 성질은 고주파 피로시험기를 사용하여 측정하였고, 그 결과를 표 1에 나타냈다.

(5) 마찰 및 마모 특성

마찰 및 마모 특성은 Pin-on-Disc식 마찰마모시험기를 사용하였으며, 상대재로는 Cr도금층을 대상으로 실시하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

위의 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예에 따라 얻어진 본 발명의 소재와 비교예에 따라 얻어진 종래의 소재간을 비교해 본 결과, 인장강도와 항복강도, 신율은 약간 증가하였으나 거의 동등한 수준을 나타내났고, 마찰계수의 경우 실시예가 비교예 대비 약 50% 향상되었으며, 자기마모량 및 상대재 마모량도 비교예 대비 상대재가 모두 우수한 수준을 나타났다.

따라서, 본 발명의 방법으로 제조된 소재를 자동차 엔진의 실린더 라이너용 소재로 사용할 경우, 마찰력 저감으로 엔진 성능을 향상시킬 수 있으며, 또한 자기재 및 상대재 마모량의 저감으로 사용중 엔진의 성능 저하를 줄일 수 있음을 알 수 있었다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차 엔진 블록용 실린더 라이너 소재의 제조 방법에 의하면, 15-30wt%의 Si(실리콘)을 함유하고, Mg, Cu, Fe, Mn등의 합금 성분의 조성을 규제시킨 알루미늄 합금에, 우수한 마찰 특성을 제공하도록 Graphite(카본) 입자에 Ni(니켈)이 코팅된 분말을 첨가함으로서, 종래의 주철 또는 과공정 알루미늄 합금재 라이너보다 마찰특성과 내마모성을 향상시킬 수 있고, 결국 자동차 엔진의 성능 및 연비를 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.

Claims (4)

1. 삭제
2. Si 15-30 중량%, Cu 1.0-4.5 중량%, Mg 0.5-1.5 중량%, Mn 0.3중량% 이하, Fe 0.3 중량% 이하, 나머지 Al로 이루어진 과공정 알루미늄 합금을 용해하는 단계와, Ni이 코팅된 Graphite를 가열하여 상기 과공정 알루미늄 합금에 첨가하여 교반시키는 단계와, 스프레이 장비를 이용하는 스프레이 공법(Spray Forming)으로 빌렛을 제조하는 단계와, 제조된 빌렛을 압출을 통하여 파이프 형태의 소재로 제조하는 단계로 구성되는 자동차 엔진 블록용 실린더 라이너 소재의 제조 방법에 있어서,

   상기 Ni이 코팅된 Graphite 입자의 크기는 5-30㎛, 밀도는 2.0-3.5g/㎤ 이며, 첨가량은 알루미늄 합금량의 5-20 중량%인 것을 특징으로 하는 자동차 엔진 블록용 실린더 라이너 소재의 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 Ni이 코팅된 Graphite 입자를 가열하는 단계에서 가열온도는 200-500℃ 인 것을 특징으로 하는 자동차 엔진 블록용 실린더 라이너 소재의 제조 방법.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 과공정 알루미늄 합금에 Ni이 코팅된 Graphite를 첨가하여 교반시키는 단계에서 교반속도는 500-1500 RPM 인 것을 특징으로 하는 자동차 엔진 블록용 실린더 라이너 소재의 제조 방법.