KR100716356B1 - 자동차용 실린더 헤드의 제조방법 - Google Patents

자동차용 실린더 헤드의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 강도 및 피로 특성이 향상된 자동차용 실린더 헤드의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실린더 헤드를 기존의 일체형에서 분리형(2-piece)으로 제조하여 조립함으로써 종래의 일체형 알루미늄 실린더 헤드에 비해, 내피로 특성을 현저히 향상시킬 수 있는 자동차용 실린더 헤드의 제조방법에 관한 것이다.
이를 실현하기 위해, 본 발명은 실린더 헤드를 2개의 분리형(2-piece)으로 제조하여 조립하는 바, 열피로 및 폭발압에 의한 피로 하중이 집중적으로 작용하는 실린더 헤드의 하면부는 AC4CH 소재를 사용하여 고압 주조 공법을 이용하여 제조하고, 냉각수통로 및 오일통로의 기능을 하는 실린더헤드 상면부는 AC4C 또는 AC4CH 소재를 사용하여 중력 주조 공법 또는 저압 주조 공법으로 제조한 후 일체형으로 조립하는 것을 특징으로 하는 자동차용 실린더 헤드의 제조방법을 제공하고자 한다.
실린더 헤드, 분리형, 고압 주조, 저압 주조, 중력 주조, AC4CH, AC4C

Description

자동차용 실린더 헤드의 제조방법{Manufacturing method of cylinder-head for automobile}
도 1은 본 발명에 따른 자동차용 실린더 헤드를 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 하면부 20 : 상면부
본 발명은 자동차용 실린더 헤드의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실린더 헤드를 기존의 일체형에서 분리형(2-piece)으로 제조하여 조립함으로써 종래의 일체형 알루미늄 실린더 헤드에 비해, 내피로 특성을 현저히 향상시킬 수 있는 자동차용 실린더 헤드의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차 엔진용 실린더 헤드는 엔진의 고출력화 및 컴팩트화로 인하여 사용 재질에 요구되는 물성치가 점차적으로 높아지고 있는 추세이며, 특히 직분식 터보차져 방식의 고연소압화로 인한 가혹한 열피로 및 폭발압에 의해 피로 파손이 많이 발생하고 있다.
이에 실린더 헤드의 물성치를 높이기 위하여 다양한 소재 개발에 힘쓰고 있는 바, 종래 개발된 알루미늄 합금 재질로는 규소(Si), 마그네슘(Mg)의 두 성분을 중점 규제한 소재(이하 "A"라 함)가 있다(표 1참조).
그러나, 고온, 고압, 고출력 엔진의 개발에 따라 강도 및 피로특성의 향상을 위한 재질이 요구되어, 주요 규소(Si), 마그네슘(Mg) 성분을 비롯한 구리(Cu), 철(Fe), 망간(Mn), 아연(Zn), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 성분을 규제하여 기존 재질에 비해 물성을 향상시킨 소재(JIS AC4CH, 이하 "B"라 함)가 사용되고 있다(표 1참조).
Figure 112005054470740-pat00001
상기와 같이, 종래의 알루미늄 합금 소재는 규소, 마그네슘 성분을 중점 규제한 "A" 재료와, 규소, 마그네슘, 구리, 철, 망간, 아연 성분 및 니켈, 티타늄 성분을 규제하여 "B" 재료로 나눌 수 있다.
그러나, 상기한 종래의 두 재료는 다음과 같은 문제점을 유발한다.
다시 말해, 규소, 마그네슘만을 중점적으로 규제하는 "A" 재료의 경우에는 철, 망간, 아연, 니켈, 티타늄 등 다른 성분의 첨가에 의한 물성변화를 정확히 제어할 수 없는 문제점이 있다.
예를 들어, 철 성분의 경우, 재료 내에 다량 함유시 재질의 취성을 증가시켜 충격강도 및 강도성질을 급격히 저하시킨다.
반면에, 상기 "B" 재료의 경우, 규소, 마그네슘의 두 성분을 중점 규제한 "A" 재료에 비해 강도특성이 현저히 향상된다.
그러나, 현재 자동차 엔진용 실린더 헤드의 경우, 냉각수통로와 오일통로, 흡/배기 포트 등을 형성하기 위해 많은 코어(core)들로 배치된 복잡한 형상을 이루고 있기 때문에 통상적인 중력 주조 공법 또는 저압 주조 공법으로 제조하고 있다.
이와 같은 이유로 물성이 향상된 "B" 재료를 사용하더라도 실린더 헤드의 고온, 고압, 고출력화 및 컴팩트화가 지속적으로 이루어짐에 따라 현재 요구되는 강도 및 피로 물성을 만족시킬 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 고온, 고압, 고출력의 실린더 헤드 제조시, 기존의 일체형에서 분리형(2-piece)으로 제조하여 조립함으로써 종래의 일체형 알루미늄 실린더 헤드에 비해, 내피로 특성을 현저히 향상시킬 수 있는 자동차용 실린더 헤드의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이를 실현하기 위해 구체적으로 본 발명은 실린더 헤드를 2개의 분리형(2-piece)으로 제조한 후 조립하는 바, 열피로 및 폭발압에 의한 피로 하중이 집중적으로 작용하는 실린더 헤드 하면부는 AC4CH 소재를 사용하여 고압 주조 공법으로 제조하고, 냉각수통로 및 오일통로의 역할을 주로하는 실린더헤드 상면부는 AC4C 또는 AC4CH 소재를 사용하여 중력 주조 공법 또는 저압 주조 공법으로 제조한 후 일체형으로 조립하는 것을 특징으로 한다
이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은, 자동차용 실린더 헤드의 제조방법에 있어서,
2개의 분리형으로 실린더 헤드를 제조하되, 상기 실린더 헤드의 하면부는 용해 온도 730 ~ 760℃에서 주조하고, 용탕 온도가 690 ~ 730℃일때 금형에 주입하며, 금형 내의 용탕 온도가 550 ~ 670℃일 때 가압하는 고압 주조 공법을 통해 제조하는 한편, 상기 실린더 헤드의 상면부는 용해 온도 730 ~ 760℃에서 주조하고, 용탕 온도가 690 ~ 730℃일때 금형에 주입하여 응고시키는 중력 주조 공법 또는 저압 주조 공법을 통해 제조하여, 각각 제조한 실린더 헤드의 하면부와 상면부를 일체형으로 조립하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 실린더 헤드의 하면부는 AC4CH 소재로 제조하고, 실린더 헤드의 상면부는 AC4C 또는 AC4CH 소재로 제조하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 자동차용 실린더 헤드를 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 강도 및 피로 특성이 향상된 자동차용 실린더 헤드의 제조방법에 있어서, 실린더 헤드 하면부(10)는 상기 "B" 재료에 해당하는 AC4CH 알루미늄 합금 소재를 사용하여 통상의 고압 주조 공법으로 제조하고, 실린더 헤드 상면부(20)는 상기 "B" 재료 또는 AC4CH 소재 대비, 저가인 AC4C 조성을 사용하여 통상의 중력 주조 공법 또는 저압 주조 공법으로 제조한 후 일체형으로 조립하는 것이다.
상기 AC4CH 소재의 알루미늄 합금을 사용하여 강도 및 내피로성이 요구되는 실린더 헤드 하면부(10)는 고압 주조 공법을 이용하여 제조하는 바, 용해 온도 730~760℃에서 주조하고, 용탕 온도가 690~730℃일때 금형에 주입하며, 금형 내의 용탕 온도가 550~670℃일 때 가압하여 실린더 헤드 하면부(10)를 제조하게 된다.
이때, 상기 조건에서 용해 온도를 730 ~ 760℃로 한정하는 이유는 730℃보다 낮을 경우 합금원소들의 완전한 용해가 이루어지지 않고, 스트론늄(Sr)에 의한 개량화 처리시 그 효과가 발생하지 않으며, 760℃보다 높을 경우 온도 상승에 따른 비용증가 및 용존수소량의 증가에 의한 기공량이 커지기 때문에 위의 온도 범위를 적용하게 된다.
또한, 주입 온도를 690 ~ 730℃로 한정하는 이유는 690℃보다 낮을 경우 용탕의 유동성 저하로 응고시 결함이 발생할 수 있고, 730℃보다 높을 경우 응고조직의 조대화로 물성저하를 초래하기 때문에 위의 온도 범위에서 주입하게 된다.
가압시 온도 범위를 550 ~ 670℃로 한정하는 이유는 용탕이 냉각되어 응고되는 구간으로 액체와 고체가 공존하는 온도 범위이기 때문에 위의 온도 범위로 한정하게 된다.
한편, 실린더 헤드 상면부(20)는 상기 AC4CH 또는 이보다 상대적으로 저가 소재인 AC4C 알루미늄 합금을 사용하여 중력 주조 공법 또는 저압 주조 공법을 이용하여 제조하는 바, 용해 온도 730 ~ 760℃에서 주조하고 용탕 온도가 690 ~ 730℃에서 금형에 주입하여 응고시킨 후 제조하게 된다.
이후 열처리 및 가공을 실시하고 도 1에 도시된 바와 같이, 실린더 헤드 하면부(10)와 실린더 헤드 상면부(20)를 조립하여 최종 제품을 완성하게 된다.
한편, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 시편을 이용하여 물성평가를 실시해 본 결과, 본 발명에 따른 자동차용 실린더 헤드는 종래의 실린더 헤드와 비교하여, 강도 및 피로 특성이 모두 현저히 향상되었음을 알 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 자동차용 실린더 헤드의 제조방법은 고압 고출력 직분식 디젤 및 가솔린 엔진용 실린더 헤드를 제조하는데 이용하게 될 경우, 엔진의 강도 특성을 현저히 향상시킬 수 있게 된다.
이하 본 발명을 실시예 및 비교예에 의거 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예
통상적인 합금의 제조방법을 이용하여, 상기 표 1의 "B" 재료를 사용하여 얻 어진 합금 소재의 인장특성 및 피로특성을 평가하기 위하여, 이 합금 소재를 750℃에서 용융한 후, 700℃일 때 금형에 주입하고, 용탕 온도가 580℃일 때 가압 및 냉각을 실시하여 소정 규격을 갖는 시편 및 실린더 헤드를 제조하였다.
비교예
통상적인 합금의 제조방법을 이용하여, 상기 표 1의 "B" 재료를 사용하여 얻어진 합금 소재의 인장특성 및 피로특성을 평가하기 위하여, 이 합금 소재를 750℃에서 용융한 후, 700℃일 때 금형에 주입하고, 냉각시켜 소정 규격을 갖는 시편 및 실린더 헤드를 제조하였다.
시험예 1
먼저, 상기 실시예와 비교예에서 제조된 시편 및 실린더 헤드를 이용하여 상온에서의 강도 및 신율을 측정한 후 비교하였다.
Figure 112005054470740-pat00002
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예를 통해 얻어진 본 발명의 재료와, 비교예를 통해 얻어진 종래의 재료를 비교하여 본 결과, 상온에서 인장강도와 항복강도는 약 21%정도 향상되었고, 신율은 약 45% 정도 크게 증대하였다.
시험예 2
상기 실시예와 비교예에서 제조된 실린더 헤드로 엔진 내구시험을 실시하여 그 내구성을 비교하였다.
Figure 112005054470740-pat00003
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 실시예를 통해 얻어진 본 발명에 따른 실린더헤드와, 비교예의 종래 방법에 따른 실린더헤드의 엔진 내구시험 비교시, 엔진 폭발압에 대한 내피로성이 약 220% 증가하여 내구성이 크게 향상되었다.
이상의 결과로부터, 본 발명에 따른 자동차용 실린더 헤드의 제조방법은 실린더 헤드에서 중요시 되고 있는 강도 및 내피로성이 크게 향상되며, 이로 인해 엔진의 고출력화에 따른 고온, 고압, 고출력에 견딜 수 있는 실린더 헤드를 제조할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 실린더 헤드의 제조방법에 의하면, 기존의 통상적인 중력 주조 공법 또는 저압 주조 공법에 의한 일체형보다 실린더헤드의 강도 및 내피로성의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 종래 일체형 실린더 헤드를 제조함에 있어 냉각수통로(water jacket)를 형성하기 위해 코어를 사용해야 하는 반면, 본 발명은 실린더 헤드를 냉각수통로 부위에서 분리함으로써 코어를 사용하지 않아도 되고, 상기 코어에 의한 거칠기를 극복할 수 있어 실린더 헤드의 품질 향상을 도모할 수 있다.
특히, 실린더 헤드 상면부는 강도 및 내피로성을 크게 요구하지 않기 때문에 일반적인 저가 알루미늄 소재를 사용함으로써, 원가절감 효과도 클 것으로 판단된다.

Claims (3)

  1. 자동차용 실린더 헤드의 제조방법에 있어서,
    2개의 분리형으로 실린더 헤드를 제조하되, 상기 실린더 헤드의 하면부는 용해 온도 730 ~ 760℃에서 주조하고, 용탕 온도가 690 ~ 730℃일때 금형에 주입하며, 금형 내의 용탕 온도가 550 ~ 670℃일 때 가압하는 고압 주조 공법을 통해 제조하는 한편, 상기 실린더 헤드의 상면부는 용해 온도 730 ~ 760℃에서 주조하고, 용탕 온도가 690 ~ 730℃일때 금형에 주입하여 응고시키는 중력 주조 공법 또는 저압 주조 공법을 통해 제조하여, 각각 제조한 실린더 헤드의 하면부와 상면부를 일체형으로 조립하는 것을 특징으로 하는 자동차용 실린더 헤드의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 실린더 헤드의 하면부는 AC4CH 소재로 제조하고, 실린더 헤드의 상면부는 AC4C 소재로 제조하는 것을 특징으로 하는 자동차용 실린더 헤드의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 실린더 헤드의 하면부 및 상면부 모두 AC4CH 소재로 제조하는 것을 특징으로 하는 자동차용 실린더 헤드의 제조방법.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2001170751A (ja) 1999-12-15 2001-06-26 Honda Motor Co Ltd シリンダブロックの製造方法
KR20040090611A (ko) * 2003-04-18 2004-10-26 현대자동차주식회사 자동차용 실린더 헤드 소재의 조직 미세화 방법

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