KR101082352B1

KR101082352B1 - 내연기관용 엔진의 실린더 블록

Info

Publication number: KR101082352B1
Application number: KR1020030098600A
Authority: KR
Inventors: 전철진; 이웅; 고승운
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2003-12-29
Filing date: 2003-12-29
Publication date: 2011-11-10
Also published as: KR20050067610A

Abstract

높은 강도를 가지면서 경량화가 가능한 내연기관용 엔진의 실린더 블록이 개시된다. 실린더 블록은 흑연(C)성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 3.0∼3.8중량%로, 실리콘(Si)성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 2.2∼2.8중량%로, 망간(Mn)성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.3∼0.8중량%로, 인(P)성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.06중량%이하로, 황(S)성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.03중량%이하로, 구리(Cu)성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.2∼0.6중량%로, 크롬(Cr)성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.2∼0.5중량%로, 주석(Sn)성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.05중량%이하로, 마그네슘(Mg)성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.01∼0.032중량%로, 그 나머지가 철(Fe)로 조성되는 C/V 흑연주철을 소재로 이루어지고; C/V 흑연의 형상계수가 0.2∼0.5의 범위이며; 기지조직이 퍼얼라이트와 페라이트가 혼합된 상을 갖되, 페라이트의 함유량이 기지조직의 전체 체적을 기준으로 40%이하이다. 이러한 본 발명에 의하면, 높은 강도를 가지되, 무게는 가벼우므로 고강도화 및 경량화를 실현가능하게 한다. 특히, 높은 강도를 가짐으로써 고압축비가 요구되는 디젤엔진의 실린더 블록을 제작하기에는 적합하다. 또한, 주조성과 열전도성이 우수하므로 제조하기 간편하고, 원료소재의 가격이 비교적 저렴하므로 저렴한 가격으로 우수한 성능을 가진 실린더 블록을 제조할 수 있다.

Description

내연기관용 엔진의 실린더 블록{CYLINDER BLOCK OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관용 엔진의 실린더 블록에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 강도를 가지면서 경량화가 가능한 내연기관용 엔진의 실린더 블록에 관한 것이다.

내연기관용 엔진의 실린더 블록은 주조성이 용이하고, 고온·고압에도 견딜 수 있도록 강도가 우수한 재질, 예를 들면 편상흑연주철을 재료로 하여 제조된다.

한편, 편상흑연주철 소재의 실린더 블록은 주조성이 양호하고, 강도가 우수하기는 하지만, 점차적으로 고출력화, 경량화되는 엔진의 특성에 대응하여 강도를 증대시키고, 무게를 줄이는데 어느 정도 한계가 있다는 단점이 있다.

이를 감안하여, 최근에는 무게가 가벼운 알루미늄 합금 소재의 실린더 블록이 개발되고 있다. 한편, 알루미늄 합금 소재의 실린더 블록은 무게가 가벼워서 엔진의 경량화를 실현 가능하게 하지만, 알루미늄 합금이 고가(高價)이므로 제작비용이 많이 소요된다는 단점이 있다.

또한, 알루미늄 합금은 그 강도가 편상흑연주철에 비해 다소 떨어진다. 따라 서 알루미늄 합금을 재료로 고압축비가 요구되는 디젤엔진의 실린더 블록을 제작하기에는 부적합한 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은, 저렴한 비용으로도 실린더 블록의 고강도화, 경량화를 실현 가능하게 하는 내연기관용 엔진의 실린더 블록을 제공하는 데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 내연기관용 엔진의 실린더 블록에 있어서, 흑연성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 3.0∼3.8중량%로, 실리콘성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 2.2∼2.8중량%로, 망간성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.3∼0.8중량%로, 인성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.06중량%이하로, 황성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.03중량%이하로, 구리성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.2∼0.6중량%로, 크롬성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.2∼0.5중량%로, 주석성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.05중량%이하로, 마그네슘성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.01∼0.032중량%로, 그 나머지가 철(Fe)로 조성되는 C/V 흑연주철을 소재로 이루어지고; 상기 C/V 흑연의 형상계수가 0.2∼0.5의 범위이며; 기지조직이 퍼얼라이트와 페라이트가 혼합된 상을 갖되, 상기 페라이트의 함유량이 기지조직의 전체 체적을 기준으로 40%이하인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 내연기관용 엔진의 실린더 블록의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

삭제

먼저, 본 발명의 내연기관용 엔진의 실린더 블록은, C/V 흑연주철 (Compacted/Vermicular graphite cast iron) 소재로 구성되며, 그 성분으로서, 흑연(C)과 실리콘(Si)과 망간(Mn)과 인(P)과 황(S)과 구리(Cu)와 크롬(Cr)과 주석 (Sn)과 마그네슘(Mg)과 철(Fe)을 포함한다.

그리고 각 성분의 조성비는 흑연(C)이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 3.0중량% ∼ 3.8중량%로, 실리콘(Si)이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 2.2중량% ∼ 2.8중량%로, 망간(Mn)이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.3중량% ∼ 0.8중량%로, 인(P)이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.06중량%이하로, 황(S)이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.03중량%이하로, 구리(Cu)가 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.2중량% ∼ 0.6중량%로, 크롬(Cr)이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.2중량% ∼ 0.5중량%로, 주석(Sn)이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.05중량%이하로, 마그네슘(Mg)이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.01중량% ∼ 0.032중량%로, 그 나머지가 철(Fe)로 조성된다.

실험결과에 의하면, 흑연(C)은, 실리콘(Si)과 함께 C/V 흑연의 정출에 영향을 주는 원소로서, 그 조성비가 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 3.0중량%이하일 경우에는, 두께가 얇고 복잡한 형상의 실린더 블록의 냉각속도가 빠른 부분에서 Chill 발생이 쉽고, 그 조성비가 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 3.8중량%이상일 경우에는, 조대한 흑연의 정출이 일어나기 쉽다. 따라서, 흑연(C)의 조성비는 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 3.0중량%∼ 3.8중량%인 것이 가장 적절한 것으로 나타났다.

그리고 실리콘(Si)은, 기지조직을 페라이트화시키고, C/V 흑연의 정출을 촉 진시키는 원소로서, 그 조성비가 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 2.8중량%이상일 경우에는 기지조직을 지나차게 페라이트화시켜 실린더 블록의 물성을 약화시킨다. 따라서, 실리콘(Si)의 조성비는 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 2.2중량% ∼ 2.8중량%인 것이 가장 적절한 것으로 나타났다.

그리고 망간(Mn)은, 퍼얼라이트 생성원소로서, 그 조성비가 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.3중량% ∼ 0.8중량%일 때, 기지조직을 퍼얼라이트화시키는 것으로 나타났다. 따라서, 망간(Mn)의 조성비는 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.3중량% ∼ 0.8중량%인 것이 가장 적절한 것으로 나타났다. 한편, C/V 흑연주철 소재로 구성된 본 발명의 실린더 블록은, 기지조직이 퍼얼라이트와 페라이트가 혼합된 상을 갖되, 페라이트의 함유량이 기지조직의 전체 체적을 기준으로 40%이하인 것이 바람직한 것으로 나타났다. 이는 페라이트의 함유량이 기지조직의 전체 체적을 기준으로 40%이상인 경우, 실린더 블록의 물성을 약화시키기 때문이다.

그리고 실험결과에 의하면, 인(P)은 그 조성비가 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.06중량%이상일 경우, Fe₃-Fe₃C-Fe₃P라는 저융점의 3원공정을 형성하여 열간 강도저하 및 취성을 일으키는 것으로 나타났다. 따라서 인(P)의 조성비는 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.06중량%이하로 조성되는 것이 적절한 것으로 나타났다.

또한, 황(S)은 마그네슘(Mg)과 친화력이 높은 원소로서, 그 조성비가 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.03중량%이상일 경우에는 C/V 흑연화에 필요한 마 그네슘(Mg)을 소모시킨다. 따라서, 그 조성비는 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.03중량%이하인 것이 바람직하다.

그리고 구리(Cu)와 크롬(Cr)과 주석(Sn)은, 퍼얼라이트 생성원소로서 기지조직을 강화시키나, 그 조성비가 전체 조성물의 총중량을 기준으로 각각 0.6중량% 이상, 0.5중량%이상, 0.05중량% 이상일 경우에는 기지조직을 Chill화 시킨다. 따라서 Chill화 방지하기 위한 구리(Cu)와 크롬(Cr)과 주석(Sn)의 조성비는 각각 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.2중량% ∼ 0.6중량%, 0.2중량% ∼ 0.5중량%, 0.05중량%이하로 조성되는 것이 바람직하다.

그리고 마그네슘(Mg)은 C/V 흑연화에 유효한 원소로서, 그 조성비가 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.032중량% 이상일 경우에는, 흑연 구상화율이 높아져 최적의 주조성 및 열전도성을 얻기 어렵고, 그 조성비가 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.01중량%이하일 경우에는, 최적의 인장강도인 35∼43㎏/mm²를 나타내는 최적의 C/V 흑연화율을 얻을 수 없게 된다. 따라서, 마그네슘(Mg)의 조성비는 최적의 주조성 및 열전도성 그리고 최적의 C/V 흑연화율을 얻기 위해, 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.01중량%∼ 0.032중량%인 것이 가장 적절한 것으로 나타났다. 여기서, 최적의 인장강도 즉, 35∼43㎏/mm²를 얻기위한 최적의 C/V 흑연화율은 70%이상인 것으로 나타났다. 따라서, 본 발명의 C/V 흑연주철 소재의 실린더 블록은 C/V 흑연화율이 70%이상으로 구성된다.

결과적으로, 상술한 바와 같은 각각의 실험 결과에 의하면, 엔진의 실린더 블록을 C/V 흑연주철을 소재로 제조하되, 그 성분으로서 흑연(C)을 총중량비를 기준으로 3.0중량% ∼ 3.8중량%로, 실리콘(Si)을 2.2중량% ∼ 2.8중량%로, 망간(Mn)을 0.3중량% ∼ 0.8중량%로, 인(P)을 0.06중량%이하로, 황(S)을 0.03중량%이하로, 구리(Cu)를 0.2중량% ∼ 0.6중량%로, 크롬(Cr)을 0.2중량% ∼ 0.5중량%로, 주석 (Sn)을 0.05중량%이하로, 마그네슘(Mg)을 0.01중량% ∼ 0.032중량%로, 그 나머지를 철(Fe)로 조성함으로써, 높은 강도를 가지면서 무게는 가볍고, 주조성과 열전도성이 우수한 실린더 블록을 제조할 수 있게 한다. 특히, 고출력 엔진의 실린더 블록에 적합한 강도를 지니면서 동시에 경량화를 가능하게 함으로써 고압축비가 요구되는 디젤엔진의 실린더 블록을 제작하기에는 적합하며, 저렴한 가격으로 우수한 성능을 가진 실린더 블록을 제조할 수 있게 한다. 한편, C/V 흑연주철을 소재로 된 본 발명의 실린더 블록은 C/V 흑연의 형상계수(Shape Factor)가 0.2∼0.5의 범위를 갖는 것이 바람직한 것으로 나타났다.

다음으로, 본 발명자는 본 발명에 따른 C/V 흑연주철을 소재의 실린더 블록의 기계적 성질을 테스트하기 위해, 아래의 표 1에서와 같이 종래의 브레이크 디스크와 몇 가지 항목으로 비교 시험해 보았다.

구분	인장강도(kg/mm²)	경도(HB)	연신율(%)	비고
C/V 흑연주철 소재의 실린더 블록	35.5∼44.8	175∼225	2∼5
편상흑연주철 소재의 실린더 블록	25	180∼210	1

표 1. 실린더 블록 기계적 성질 비교

시험결과, 본 발명에 따른 C/V 흑연주철 소재의 실린더 블록은 인장강도와, 경도 그리고 연신율이 종래의 편상흑연주철 소재의 실린더 블록보다 월등히 높은 것으로 나타났으며, 따라서 본 발명의 C/V 흑연주철 소재의 실린더 블록은 종래의 편상흑연주철 소재의 실린더 블록보다 경도가 높고 인장강도가 우수함을 알 수 있다.

종합적으로 살펴보면, 본 발명에 따른 C/V 흑연주철 소재의 실린더 블록은 종래의 편상흑연주철 소재의 실린더 블록보다 높은 강성을 얻을 수 있으면서 동시에 가공하기에 적절한 경도를 가짐으로써 실린더 블록의 고강도화를 가능하게 하며, 동시에 주조성도 좋게 한다. 특히, 고강도화를 가능하게 함으로써 고출력화되는 엔진의 특성에 대응하여 제조될 수 있는 특징을 갖는다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 내연기관용 엔진의 실린더 블록은, 높은 강도를 가지되, 무게는 가벼우므로 고강도화 및 경량화를 실현가능하게 한다. 특히, 높은 강도를 가짐으로써 고압축비가 요구되는 디젤엔진의 실린더 블록을 제작하기에는 적합하다. 또한, 주조성과 열전도성이 우수하므로 제조하기 간편하고, 원료소재의 가격이 비교적 저렴하므로 저렴한 가격으로 우수한 성능을 가진 실린더 블록을 제조할 수 있다.

Claims

내연기관용 엔진의 실린더 블록에 있어서,

흑연(C)성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 3.0∼3.8중량%로, 실리콘(Si)성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 2.2∼2.8중량%로, 망간(Mn)성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.3∼0.8중량%로, 인(P)성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.06중량%이하로, 황(S)성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.03중량%이하로, 구리(Cu)성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.2∼0.6중량%로, 크롬(Cr)성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.2∼0.5중량%로, 주석(Sn)성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.05중량%이하로, 마그네슘(Mg)성분이 전체 조성물의 총중량비를 기준으로 0.01∼0.032중량%로, 그 나머지가 철(Fe)로 조성되는 C/V 흑연주철을 소재로 이루어지고;

상기 C/V 흑연의 형상계수가 0.2∼0.5의 범위이며;

기지조직이 퍼얼라이트와 페라이트가 혼합된 상을 갖되, 상기 페라이트의 함유량이 기지조직의 전체 체적을 기준으로 40%이하인 것을 특징으로 하는 내연기관용 엔진의 실린더 블록.
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제 1항에 있어서,

C/V 흑연화율이 70%이상인 것을 특징으로 하는 내연기관용 엔진의 실린더 블록.
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