KR100993702B1 - 마그네슘 엔진 블록의 표면 처리 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마그네슘 엔진 블록의 표면 처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차 엔진 경량화를 위하여 그 요구가 증가하고 있는 마그네슘 엔진 블록내의 냉각수 부식을 억제하기 위하여, 마그네슘 엔진 블록의 워터자켓 표면에 산화막을 형성시킬 수 있도록 한 마그네슘 엔진 블록의 표면 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 마그네슘 엔진블록의 워터자켓 내에 전극을 기밀 유지시켜 배치하는 단계와; 상기 엔진블록의 워터자켓내에 전해질 용액을 순환시키는 단계와; 음극에는 상기 전극을 연결하고, 양극에는 상기 전해질 용액을 통해 통전되는 상기 마그네슘 엔진블록이 연결되도록 한 후, 직류 또는 교류 전원을 부가하여 상기 워터자켓 표면에 산화피막이 코팅되게 하는 PEO코팅 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마그네슘 엔진 블록의 표면 처리 방법을 제공한다.

마그네슘, 엔진블록, 워터자켓, 산화피막, 냉각수, 부식, 전극

Description

마그네슘 엔진 블록의 표면 처리 장치 및 방법{Device and method for coating water jacket surface of Mg engine block}

본 발명은 마그네슘 엔진 블록의 표면 처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차 엔진 경량화를 위하여 그 요구가 증가하고 있는 마그네슘 엔진 블록내의 냉각수 부식을 억제하기 위하여, 마그네슘 엔진 블록의 워터자켓 표면에 산화막을 형성시킬 수 있도록 한 마그네슘 엔진 블록의 표면 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.

자동차 주요 부품인 엔진블록은 최근 연비 및 환경개선, 차량 전후 무게비 최적화에 의한 주행성능 개선 때문에 경량화를 끊임없이 요구받고 있고, 해외 선진업체를 중심으로 엔진블록 재질을 기존의 알루미늄 재질에서 마그네슘으로 변경하여 경량화 효과를 극대화하는 마그네슘 엔진블록 개발이 진행되어, 일부 기종은 이미 양산된 바 있다.

엔진블록에 마그네슘 합금을 적용하기 위해서 가장 중요한 것은 알루미늄 대 비 낮은 내열성과 내부식성 인데, 이러한 단점을 개선하기 위한 대부분의 노력이 설계와 소재기술을 중심으로 이루어지고 있다.

이에, 우수한 내열소재의 개발로 고온강도에 대한 단점 보완과, 대기 부식에 대한 단점은 보완되었으나, 냉각수에 대한 부식과 침식에 대한 보완은 아직 그 성과가 미비한 실정이다.

이와 같이, 엔진블록 냉각수로에서의 냉각수 부식과 침식에 대한 보완이 이루어 지지 않을 경우, 냉각수로가 관통되고 연소실의 냉각특성에 심각한 영향을 미치는 등 엔진블록의 내구성에 심각한 영향을 미치게 된다.

지금까지 이러한 마그네슘 합금의 냉각수에 대한 부식을 억제하고 엔진블록 내구성을 확보하기 위한 방안으로서, 냉각수와 접촉하는 엔진 블록의 냉각수로 전체를 알루미늄 구조물로 만들어 엔진 블록 내에 삽입하여 마그네슘 엔진 블록의 구조를 변경하는 설계 기술(도 2 참조)과, 엔진 블록 구조는 알루미늄 블록과 동일하게 한 후 냉각수에 부식억제제를 첨가하여 부식을 억제하는 기술이 있다.

그러나, 냉각수로를 알루미늄으로 대체시키는 경우에는 마그네슘 블록의 주요 적용 효과인 경량화 효과를 감소시키는 문제가 있고, 또한 부식억제제를 첨가하는 것은 일반적인 냉각수가 아닌 특수 냉각수를 적용해야 하므로 유지보수가 불편하여 양산성을 저해한다는 단점을 가지고 있다.

이에, 마그네슘 엔진블록의 가장 큰 잇점인 경량화 효과를 극대화하면서 일반 냉각수를 사용할 수 있도록 하여 유지보수성을 확보하고, 원가상승을 최소화할 수 있는 기술의 정립이 필요한 실정에 있다.

한편, 첨부한 도 1의 (a)는 염수시험환경에서의 재질별 분극곡선으로서, 기존 엔진블록 재질로 사용되고 있는 철강재나 알루미늄 재질에 비해 마그네슘 합금이 낮은 전위값을 가지므로 부식에 취약함을 나타내고 있다.

특히, 엔진블록내의 부식환경은 90℃이상의 고온에서 부식을 촉진시키는 오염물질이 섞여있는 냉각수가 일정 압력이상으로 순환되고 있으므로 염수환경에서 보다 훨씬 심각하다고 할 수 있다.

도 1의 (b)는 ASTM 1384 시험법에 따라 알루미늄 합금과 내열마그네슘 합금의 냉각수 부식시험 후 표면손상도를 비교한 결과로써, 마그네슘 합금의 표면에서는 표면부식에 의한 손상과 박리 등이 심각히 발생하고 있음을 알 수 있다.

이에, 엔진 경량화를 위한 마그네슘 엔진블록 개발을 위해 필수적인 냉각수 부식억제에 대한 요소기술과 적용방안을 정립하여, 마그네슘 엔진블록의 내구성을 확보하고 양산화하기 위한 기술이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 엔진블록에서 냉각수 내식성이 가장 요구되는 워터자켓부에 워터자켓 내부형상과 간섭에 의한 접촉이 되지 않도록 형상 고안된 전극을 삽입하여 PEO코팅(Plasma Enhanced Oxidation)을 실시함으로써, 마그네슘 표면에 치밀한 산화막을 형성시켜 엔진 작동시 발생하는 냉각수 부식과 표면 침식을 방지하여 마그네슘 블록의 내구성을 확보할 수 있도록 한 마그네슘 엔진 블록의 표면 처리 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 마그네슘 엔진블록의 워터자켓 내에 전극을 기밀 유지시켜 배치하는 단계와; 상기 엔진블록의 워터자켓내에 전해질 용액을 순환시키는 단계와; 음극에는 전기적 안정성이 높은 스테인레스 스틸 또는 Pt계 합금 등의 금속으로 이루어진 전극(Electrode)을 연결하고, 양극에는 상기 전해질 용액을 통해 통전되는 상기 마그네슘 엔진블록이 연결되도록 한 후, 직류 또는 교류 전원을 부가하여 상기 워터자켓 표면에 산화피막이 코팅되게 하는 PEO코팅 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마그네슘 엔진 블록의 표면 처리 방법을 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 산화피막 코팅중, 산화피막 내부에서 반응된 가스(O₂ 또는 H₂)는 국부적으로 형성된 강한 전류장에 의해 플라즈마를 형성하고, 이 고온 에너지가 워터자켓 표면에 순간 형성된 산화물을 융착시키는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 산화피막은 엔진블록 연소실의 열전도성을 저해하지 않도록 5㎛ ~ 25㎛의 두께 범위로 코팅되는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 워터자켓 내부형상과 간섭에 의한 접촉이 되지 않도록 구비되어, 워터자켓내에 기밀 유지되며 장착되는 전극과; 엔진블록의 워터자켓(냉각수로) 입구 및 출구에 장착되어, 전해액 순환 펌프와 연결되는 연결 지그와; 상기 워터자켓의 내부에 충진되어 전해액 순환 펌프에 의하여 워터자켓 입구 및 출구를 통해 순환되는 전해액과; 음극에는 전기적 안정성이 높은 스테인레스 스틸 또는 Pt계 합금 등의 금속으로 이루어진 전극(Electrode)이 연결되고, 양극에는 산화반응을 시키고자 전해액을 통해 엔진블록이 연결되어, 직류 또는 교류 전원을 인가하는 정류기; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 마그네슘 엔진 블록의 표면 처리 장치을 제공한다.

바람직하게는, 상기 전극은 엔진블록의 실린더 헤드 장착면에 기밀을 유지하며 장착되는 직사각형의 상부지그판과, 이 상부지그판상에 수직으로 세워져 엔진블록의 각 실린더의 외경과 워터자켓 내면 사이 공간에 삽입되는 전극체로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

엔진블록에서 냉각수 내식성이 가장 요구되는 워터자켓부에 전극을 삽입하여 PEO코팅(Plasma Enhanced Oxidation)을 실시함으로써, 마그네슘 표면에 치밀한 산화막을 형성시켜, 엔진 작동시 발생하는 냉각수 부식과 표면 침식을 방지할 수 있고, 마그네슘 엔진블록의 내구성을 확보할 수 있다.

또한, 알루미늄 블록과 동일한 구조가 가능하여 경량화 효과를 극대화하고, 마그네슘 블록에서 냉각수에 대한 내식성이 가장 요구되는 워터자켓부에만 표면처리를 하여, 내구성 확보, 유지보수성 확보, 공정 비용 상승을 최소화시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 워터자켓 내부형상과 간섭에 의한 접촉이 되지 않도록 고안된 전극을 워터자켓 내부에 삽입하고, 엔진블록에 기존에 가공되어 있는 볼트 홀을 이용하여 전극과 보조지그를 체결함으로써, 엔진블록 냉각수로부와 전해액 순환펌프를 하나의 회로로 구성한 후, 냉각수로에 전해액을 흘려주면서 PEO코팅을 실시하여 엔진블록 전체 표면이 아닌 냉각수가 흐르는 표면 즉, 워터자켓 표면에만 치밀한 산화막을 형성시켜, 냉각수 부식과 침식을 억제할 수 있고, 엔진블록 연소실의 열전도성을 저해하지 않도록 산화막의 두께를 제어할 수 있는 점에 주안점이 있다.

첨부한 도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 워터자켓 내부형상과 간섭에 의한 접촉이 되지 않도록 고안된 전극(100)을 구비한다.

즉, 직사각형의 상부지그판(102)과, 이 상부지그판(102)상에 수직으로 세워진 전극체(104)로 구성된 전극(100)을 제작하여, 이 전극(100)의 전극체(104) 부분이 상기 엔진블록(200)의 각 실린더의 외경과 워터자켓(202) 내면 사이 공간에 삽입될 수 있도록 한다.

보다 상세하게는, 첨부한 도 4a의 워터자켓(202) 상단면을 통해 상기 전극(100)의 전극체(104) 부분이 워터자켓(202) 내부에 삽입되도록 하고, 첨부한 도 4c 와 같이 실린더헤드 볼트부를 활용하여 전극(100)의 상부지그판(102)을 체결하 게 된다.

즉, 전극(100)의 상부지그판(102)에 형성된 고정볼트홀 위치를 엔진블록에 체결되는 실린더 헤드의 볼트홀과 그 사양을 동일하게 맞추어주면, 별도의 장착홀 가공없이 워터자켓부 기밀성을 유지하며 상부지그판(102)을 체결할 수 있다.

이러한 전극 체결 후, 도 4c 및 도 4d에서 보는 바와 같이, 엔진블록 자체의 냉각수로 입구(냉각수 순환 펌프와의 연결구)와 출구(드레인커버부위)에 전해액 순환 펌프(108)와 연결되는 연결 지그(106: 전해액 순황용 지그)를 장착하는 바, 상기 전극(100) 체결의 경우와 동일하게 엔진블록 자체의 볼트홀을 이용하여 체결함으로써 엔진블록 냉각수로와 전해액을 순환하는 펌프를 하나의 순환회로로 구성할 수 있다.

이러한 장치를 활용하여, 엔진블록의 냉각수로에 전해액을 흘려주면서, PEO코팅을 실시하여, 엔진블록 전체 표면이 아닌 냉각수가 흐르는 표면에만 치밀한 산화막을 형성시켜 냉각수 부식과 침식을 억제시킬 수 있고, 엔진블록 연소실의 열전도성을 저해하지 않도록 산화막의 두께를 최소로 제어할 수 있다.

여기서, 엔진블록의 냉각수로에 PEO 코팅이 이루어지는 것을 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 3a는 PEO 공정에 대한 개략도이다.

음극에는 상대적으로 전기적 안정성이 높은 스테인레스 스틸 또는 Pt계 합금 등의 금속으로 이루어진 전극(Electrode)이 연결되고, 양극에는 산화반응을 시키고자 하는 금속, 예를 들면 마그네슘(Mg) 엔진블록이 연결되며, 정류기를 통해 직류 또는 교류 전원이 인가되어 워터자켓 표면에 산화피막을 형성시킨다.

이렇게 형성된 산화피막 내부에서, 그 반응된 가스(O₂ 또는 H₂)는 국부적으로 형성된 강한 전류장에 의해 플라즈마가 발생되며, 이들 에너지가 순간 형성된 산화물을 융착시키는 역할을 하게 되어, 매우 치밀하고 단단한 산화물이 형성된다.

플라즈마 양극산화는 60V 내외에서 행하여지고, 제품의 크기에 따라서 인가하는 전압은 차이가 있을 수 있다.

전해질의 온도는 대체로 25℃이나 플라즈마 구역(zone)의 국부적인 온도는 1,000℃를 초과하기도 하며, 이러한 고온에 의해 도 3b와 같은 2MgOSiO₂의 산화막 코팅이 형성되고, 산화막의 표면은 불규칙적인 다공성을 나타내게 된다.

이때, 전해질의 조성과 온도, 전압 및 전류조건은 마그네슘 엔진블록에 사용되는 세부 화학조성과 원하는 산화막의 두께에 따라 변경될 수 있지만, 상기 산화피막은 엔진블록 연소실의 열전도성을 저해하지 않는 범위로서 5㎛ ~ 25㎛의 두께 로 코팅되도록 하는 것이 바랍직하다.

이렇게 워터자켓부에 직접 설치된 PEO코팅용 전극에서 생성된 플라즈마는 기존 아노다이징 공정이나 화성처리법에서의 다공성 산화막(도 3c 우측 사진 참조)과는 달리 도 3c의 좌측 사진에 나타낸 바와 같이 마그네슘 워터 자켓부 표면에 불규칙적인 다공을 이루되 치밀한 산화막을 형성시켜, 냉각수에 대한 부식과 침식에 대한 내구성을 부여할 뿐만 아니라, 기존 아노다이징 공정보다도 얇은 막으로도 동등 특성을 확보하여 엔진블록 열전도성에 대한 우위를 확보할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 마그네슘 블록용 냉각수 부식 억제 방법에 대한 시험예로서, 도 5에 도시된 바와 같이 알루미늄판, 마그네슘판, 마그네슘+PEO 코팅한 판을 시험편으로 제작하여, 냉각수 시험 및 산세 후 그 표면을 관찰하였는 바, 본 발명에 따른 코팅면은 냉각수 부식이 이루어지지 않음을 알 수 있었다.

이와 같이, 본 발명은 알루미늄 블록과 동일한 구조가 가능하여 경량화 효과를 극대화하고, 마그네슘 블록에서 냉각수에 대한 내식성이 가장 요구되는 워터자켓부에만 표면처리를 하여, 내구성 확보, 유지보수성 확보, 공정 비용 상승을 최소화시킬 수 있다.

도 1은 염수시험 환경에서의 엔진블록 재질별 분극곡선과, ASTM 1384 시험법에 따라 알루미늄 합금과 내열마그네슘 합금의 냉각수 부식시험 후 표면손상도를 비교한 사진,

도 2는 알루미늄 구조물로 만들어 엔진 블록내에 삽입하여 마그네슘 엔진 블록의 구조를 변경하는 기존 기술을 설명하는 개략도,

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 마그네슘 엔진 블록의 표면 처리 방법을 설명하는 개략도,

도 4a 내지 도 4d는 본 발명에 따른 마그네슘 엔진 블록의 표면 처리 장치를 설명하는 실제 사진,

도 5는 알루미늄판, 마그네슘판, 마그네슘+PEO 코팅한 판을 시험편으로 제작하여, 냉각수 시험 및 산세 후 그 표면을 관찰한 사진.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 전극 102 : 상부지그판

104 : 전극체 106 : 연결 지그

108 : 전해액 순환용 펌프 200 : 엔진블록

202 : 워터자켓

Claims (5)

1. 마그네슘 엔진블록의 워터자켓 내에 전극을 기밀 유지시켜 배치하는 단계와;

   상기 엔진블록의 워터자켓내에 전해질 용액을 순환시키는 단계와;

   음극에는 상기 전극을 연결하고, 양극에는 상기 전해질 용액을 통해 통전되는 상기 마그네슘 엔진블록이 연결되도록 한 후, 직류 또는 교류 전원을 부가하여 상기 워터자켓 표면에 산화피막이 코팅되게 하는 PEO코팅 단계;

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마그네슘 엔진 블록의 표면 처리 방법.
2. 청구항 1에 잇어서,

   상기 산화피막 코팅중, 산화피막 내부에서 반응된 가스는 국부적으로 형성된 강한 전류장에 의해 플라즈마를 형성하고, 이 플라즈마가 워터자켓 표면에 순간 형성된 산화물을 융착시키는 것을 특징으로 하는 마그네슘 엔진 블록의 표면 처리 방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 산화피막은 엔진블록 연소실의 열전도성을 저해하지 않도록 5㎛ ~ 25㎛의 두께 범위로 코팅되는 것을 특징으로 하는 마그네슘 엔진 블록의 표면 처리 방법.
4. 워터자켓 내부형상과 간섭에 의한 접촉이 되지 않도록 구비되어, 워터자켓내에 기밀 유지되며 장착되는 전극과;

   엔진블록의 워터자켓 입구 및 출구에 장착되어, 전해액 순환 펌프와 연결되는 연결 지그와;

   상기 워터자켓의 내부에 충진되어 전해액 순환 펌프에 의하여 워터자켓 입구 및 출구를 통해 순환되는 전해액과;

   음극에는 전극이 연결되고, 양극에는 산화반응을 시키고자 전해액을 통해 통전되는 마그네슘 엔진블록이 연결되어, 직류 또는 교류 전원을 인가하는 정류기;

   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 마그네슘 엔진 블록의 표면 처리 장치.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 워터자켓 내에 장착되는 전극은 엔진블록의 실린더 헤드 장착면에 기밀을 유지하며 장착되는 직사각형의 상부지그판과, 이 상부지그판상에 수직으로 세워져 엔진블록의 각 실린더의 외경과 워터자켓 내면 사이 공간에 삽입되는 전극체로 구성된 것을 특징으로 하는 마그네슘 엔진 블록의 표면 처리 장치.

Images