KR100579995B1 - 자동차용 실린더 블록의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 실린더 블록의 제조방법에 관한 것으로서, 알루미늄을 기재로 하고, 실리콘 카바이드와 같은 세라믹 입자를 분말 혼합하여 진공상태에서 열간등압 성형하고, 상기 세라믹 입자 사이의 알루미늄 부분을 에칭 가공에 의해 부식시켜 완성함으로써, 기존의 액상 공정에서 나타난 강화재와 모재의 계면 반응으로 인해 생성되는 계면 화합물에 의한 복합 재료의 성능 저하를 방지함은 물론, 엔진 구동시 실리콘 카바이드 사이의 부식 공간이 오일 저장 공간 역할을 하여 실리콘 카바이드 사이에 윤활막이 형성되면서 마찰 저항이 현저히 감소되고, 엔진 출력이 향상되도록 하는 자동차용 실린더 블록의 제조방법에 관한 것이다.

자동차, 실린더 블록, 실린더 라이너, 제조방법

Description

자동차용 실린더 블록의 제조방법{Method for manufacturing of cylinder liner for automobile}

본 발명은 자동차용 실린더 블록의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분말 제작 및 분말 혼합 후 진공상태에서 열간등압 성형후 에칭 가공에 의해 실리콘 카바이드 사이의 알루미늄 부분을 부식시켜 실린더 라이너를 제조할 수 있는 자동차용 실린더 블록의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차용 엔진의 실린더 블록은 차량을 구성하는 부품 중 가장 큰 주물 부품 중의 하나이며, 엔진 몸체를 구성시켜 주는 모든 내연기관의 핵심부품이다.

또한, 상기 실린더 블록에는 다수개의 실린더 보어가 형성되어 있으며, 이 보어의 내면 상에는 피스톤 왕복운동의 가이드 역할을 하면서 연소실과 크랭크 케이스 사이의 연소가스 및 윤활유 누설을 방지하는 실린더 라이너가 압입 장착되고 있다.

현재 많이 사용되는 실린더 블록의 재질로서, 회주철(FC25) 같은 주철재가 있으나, 엔진의 경량화 요구와 성능의 향상을 위하여 가솔린용 엔진을 대상으로 점차 경량이면서 냉각성능 향상을 위한 열전도도가 우수한 알루미늄 복합재료 합금의 사용이 늘어가고 있는 추세이다.

이러한 알루미늄 복합재료 합금으로 이루어진 실린더 라이너를 제조하는 방법은 크게 실리콘 카바이드와 같은 세라믹 입자나, 휘스커(whisker)와 유기제 결합재를 사용한 예비 성형체를 제작한 후 용탕 단조(squeeze casting)법으로 알루미늄을 예비 성형체 속으로 침투시켜 일체화시켜 실린더 블록을 주조하게 된다.

그런데, 상기 제조방법에서와 같이, 실린더 블록을 제조하기 위해서는 복합재료 실린더 라이너의 예비 성형체를 별도로 제조해야 하며, 무엇보다도 실린더 보어내면의 고온 내마모성을 고려하여 제조해야 한다.

통상적인 복합재료 실린더 라이너의 제조방법을 살펴보면, 먼저 세라믹 입자를 유기용제에 넣은 후 믹서를 이용해서 혼합한 다음, 예비 성형체(perform)금형에 주입하고, 탈수한 다음, 건조시켜 실린더 라이너를 성형 제작하는 단계와, 이와 같이 제작된 복합재료 실린더 라이너를 금형에 배치하되, 균일한 직경으로 된 금형 내의 보어핀에 삽입 배치하는 단계와, 상기 금형의 내부로 알루미늄을 복합재료 실린더 라이너의 예비 성형체 내부로 고압 침투시켜 입히는 단계와, 상기 금형 내의 보어핀으로부터 알루미늄이 침투되어 입혀진 실린더 라이너를 탈거시키는 단계로 진행된다.

그러나, 이와 같이 진행되는 종래의 자동차용 실린더 블록의 제조방법에서는 다음과 같은 문제점이 있다.

1) 첫번째 단계에서 액상공정으로 제작된 복합재료 실린더 라이너의 예비 성형체가 일반적으로 강성이 약하여 크랙이 발생하며, 이에 생산성이 떨어지는 단점이 있으며, 주조후 엔진 작동시 내열성 및 내마모성이 떨어지는 단점이 있다.

2) 액상공정으로 인한 알루미늄과 실리콘카바이드와의 반응을 통해 취성이 강한 알루미늄 카바이드를 형성하는 바, 엔진 작동시 내마모용으로 첨가한 실리콘 카바이드가 연료중에 함유된 유황(S) 성분 등의 연소 과정에서 생성된 산성 분위기에서 탈거되어 엔진 오일의 소모량 및 블로바이 가스의 배출량을 증가시키는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 알루미늄을 기재로 하고, 실리콘 카바이드와 같은 세라믹 입자를 분말상태로 적정량 혼합하여 진공 상태에서 열간등압 성형 후 에칭 가공에 의해 실리콘 카바이드 사이의 알루미늄 부분을 부식시켜 실린더 라이너 일체형 실린더 블록을 제조할 수 있는 복합재료 실린더 라이너의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 통해 본 발명은, 별도의 제조 공정의 생략이 가능하고, 이를 통해 종래의 복합재료 실린더 라이너와 알루미늄 기지 금속간의 강성 약화와 그에 따른 내열, 내마모 저하의 문제점을 해소할 수 있으며, 엔진 작동중에 세라믹 강화 입자가 탈거되어 엔진 오일이 과다하게 소모되는 현상을 근본적으로 예방할 수 있는 자동차용 실린더 블록의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 자동차용 실린더 블록을 제조함에 있어서,

직경이 40 ~ 45㎛의 알루미늄 입자와 5 ~ 15㎛의 실리콘 카바이드(SiC) 입자를 실린더 라이너의 금형 내에 주입하는 제1단계와;

상기 실린더 라이너 금형 내에 알루미늄 입자와 SiC 입자를 분말형태로 혼합한 다음 진공상태에서 열간등압 성형하여 실린더 라이너를 실린더 블록에 일체형으로 제조하는 제2단계와;

미리 정해진 최종 조도에 맞게 상기 실린더 블록의 실린더 보어의 내면을 가공한 후, 실리콘 카바이드 사이의 알루미늄 부분을 고르게 부식시키는 에칭 가공을 실시하는 제3단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 제1단계에서, 상기 실리콘 카바이드 입자의 체적 분율은 10 ~ 50%로 하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2단계에서, 열간등압 성형 공정은 분말형태로 혼합된 알루미늄 입자와 SiC 입자를 280 ~ 410℃로 가열하고 회전펌프를 사용하여 10^-3 torr의 진공으로 유지하고, 100 ~ 200 MPa사이의 일정한 압력으로 가압하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제3단계에서 상기 실린더 보어 내면의 에칭 가공은 2 ~ 5%의 NaOH 수용액으로 50 ~ 100℃에서 1 ~ 5분동안 실시하는 것을 특징으로 한다.

상기 보어 내면 상의 실리콘 카바이드의 높이는 상기 제3단계의 에칭 가공 후, 0.4 ~ 1.6㎛로 최종 유지되도록 하여 제조함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 실린더 블록용 알루미늄 복합재료 라이너 제조방법과 이를 이용한 실린더 블록의 제조방법에 관한 것으로서, 이러한 본 발명을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 직경이 40 ~ 45㎛의 알루미늄 입자와 5 ~ 15㎛의 실리콘 카바이드(SiC) 입자를 실린더 라이너의 금형 내에 주입하는 공정을 거치되, 상기 실리콘 카바이드(SiC)입자의 체적 분율은 10 ~ 50% 다양하게 하여 성형 공정을 실시하게 된다.

여기서, 상기 실리콘 카바이드(SiC, 이하 SiC)의 체적 분율이 10%미만일 경우, 강성 부족 현상이 발생하고, SiC의 체적 분율이 50%를 초과하게 되면 SiC 입자들의 뭉침현상(agglomeration)이 발생하여 취성(brittleness)을 증대시키기 때문에 SiC 체적 분율을 10 ~ 50%로 한정하였다.

다음으로는, 상기 실린더 라이너 금형 내에 주입한 알루미늄 입자와 SiC 입자를 분말형태로 혼합한 다음 280 ~ 410℃로 가열하고, 회전펌프를 사용하여 10^-3 torr의 진공으로 유지하고, 100 ~ 200 MPa사이의 일정한 압력으로 가압하여 일체형 복합재료 실린더 라이너를 제작하게 된다.

여기서, 금형 내에 주입한 알루미늄과 SiC 입자의 온도를 280 ~ 480℃로 한정한 이유는 280℃미만으로 가열하면 알루미늄에 포함된 합금 원소들의 확산(diffusion)이 활성화 되지 않기 때문에 알루미늄 합금에 포함된 합금 원소들의 강화 효과를 기대 할 수 없고, 또한 480℃를 초과하여 가열하면 알루미늄 합금 원소로 인해 형성된 공정 조직의 국부 재용융(local remelting)이 발생하여 알루미늄 입자들의 강도를 저하시키기 때문에 본 발명에서는 가열온도를 280 ~ 480℃로 한정하였다.

또한, 100MPa 미만으로 압력을 가하게 되면 강화 (consolidation)가 제대로 일어나지 않아 기포가 존재하여 밀도가 낮아지는 현상이 발생하고, 200 MPa를 초과하여 가압하면 SiC 입자들의 크랙이 발생하여 분말입자의 강성을 저하시키는 문제를 발생시키므로 가압력은 100 ~ 200 MPa로 한정하였다.

위와 같은 제조 공정을 통하여 압력이 가해질 때 소성 변형이 일어나게 되고, 기공이나 결함 등이 없어져서 고강도, 고강성을 갖는 복합재료 실린더 라이너를 제작할 수 있게 된다.

한편, 본 발명은 상술한 복합재료 실린더 라이너 일체형 알루미늄 실린더 블록을 고압 주조로 제조한 후, 실린더 보어의 내면을 PCD(poly crystalline diamond)를 사용하여 황삭(Rough Boring)을 실시하고, 상기 PCD를 사용하여 정삭(Fine Boring)을 실시하게 된다.

상기 정삭후 실린더 보어 내면의 조도는 10 ~ 15㎛로 유지시키고, 순수 다이아몬드(pure diamond)를 사용하여 프리 호닝(Pre-honing)을 실시하고, 조도를 4 ~ 5㎛로 맞춘 다음, 피니시 호닝(Finish Honing)을 실시하여 조도를 1 ~ 1.5㎛로 맞추게 된다.

다음으로는 2 ~ 5%의 NaOH으로 50 ~ 100℃에서 실린더 보어 내면을 1 ~ 5분간 에칭 가공을 실시하여 실리콘 카바이드의 높이가 0.4 ~ 1,6㎛정도가 유지되도록 하고, 상기 실리콘 카바이드와 실리콘 카바이드 사이의 알루미늄 부분은 고르게 부식되도록 하여 엔진 작동시 엔진 오일 저장 역할을 하도록 함으로써, 마찰 저항을 저감하게 한 자동차용 실린더 블록을 제조하게 된다.

여기서 NaOH 수용액의 농도를 2 ~ 5%로 한정하게 된 배경은 2%미만으로 할 경우 SiC의 에칭량이 적어 SiC 사이의 오일 저장 역할을 제대로 수행할 수 없고, 또한 5%를 초과하면 SiC 입자가 과다하게 에칭되어 엔진 작동시 연료속에 함유된 황(S)성분으로 인해 산성 분위기에서 SiC 입자가 탈거 되는 현상이 발생하므로 본 발명에서는 NaOH 수용액의 농도를 2 ~ 5%로 결정하였다.

이와 더불어 에칭시간을 1분이내로 하면 에칭이 덜되어 윤활작용이 제대로 수행되지 않고, 5분 이상으로 하면 과다 에칭이 되어 상술한 바와 같은 원리로 SiC입자의 탈거 현상이 발생하므로 에칭시간을 1 ~ 5분간으로 한정하였다.

따라서, 이와 같이 일체형 구조로 이루어진 본 발명에 따른 제조방법을 통해 실린더 블록을 제작함으로써, 알루미늄 실린더 블록에 실린더 라이너를 일체형으로 주조하여 밀착성 및 열전도율을 우수하며, 상기 실린더 블록의 실린더 보어 내면이 미세한 실리콘 카바이드로 구성되어 이러한 실리콘 카바이드 사이의 얇은 윤활막(0.4 ~ 1.6㎛)을 통해 마찰 저항이 매우 감소하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 실린더 블록의 제조방법에 의하면, 엔진 구동시 실리콘 카바이드 사이의 부식 공간이 오일 저장 공간 역할을 하여 실리콘 카바이드 사이에 윤활막이 형성되면서 마찰 저항이 현저히 감소되고, 엔진 출력이 향상되도록 하는 한편, 엔진 구동중에 세라믹 강화 입자가 탈거되어 엔진 오일이 과다하게 소모되는 현상을 근본적으로 예방할 수 있다.

또한, 별도의 제조 공정의 생략이 가능하고, 이를 통해 종래의 액상 공정에서 나타나는 복합재료 실린더 라이너와 알루미늄 기지 금속간의 강성 약화와 그에 따른 내열, 내마모성 저하의 문제점을 해소할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 자동차용 실린더 블록을 제조함에 있어서,

   직경이 40 ~ 45㎛의 알루미늄 입자와 5 ~ 15㎛의 실리콘 카바이드(SiC) 입자를 실린더 라이너의 금형 내에 주입하는 제1단계와;

   상기 실린더 라이너 금형 내에 알루미늄 입자와 SiC 입자를 분말형태로 혼합한 다음 진공상태에서 열간등압 성형하여 실린더 라이너를 실린더 블록에 일체형으로 제조하는 제2단계와;

   미리 정해진 최종 조도에 맞게 상기 실린더 블록의 실린더 보어의 내면을 가공한 후, 실리콘 카바이드 사이의 알루미늄 부분을 고르게 부식시키는 에칭 가공을 실시하는 제3단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차용 실린더 블록의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 제1단계에서, 상기 실리콘 카바이드 입자의 체적 분율은 10 ~ 50%로 하는 것을 특징으로 하는 자동차용 실린더 블록의 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 제2단계에서, 열간등압 성형 공정은 분말형태로 혼합된 알루미늄 입자와 SiC 입자를 280 ~ 410℃로 가열하고 회전펌프를 사용하여 10^-3 torr의 진공으로 유지하고, 100 ~ 200 MPa사이의 일정한 압력으로 가압하는 것을 특징으로 하는 자동차용 실린더 블록의 제조방법.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 제3단계에서 상기 실린더 보어 내면의 에칭 가공은 2 ~ 5%의 NaOH 수용액으로 50 ~ 100℃에서 1 ~ 5분동안 실시하는 것을 특징으로 하는 자동차용 실린더 블록의 제조방법.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 보어 내면 상의 실리콘 카바이드의 높이는 상기 제3단계의 에칭 가공 후, 0.4 ~ 1.6㎛로 최종 유지되도록 하여 제조함을 특징으로 하는 자동차용 실린더 블록의 제조방법.