KR101245872B1

KR101245872B1 - 인서트 주조 구조체

Info

Publication number: KR101245872B1
Application number: KR1020090033651A
Authority: KR
Inventors: 다카시 사토; 기이치로 사이토
Original assignee: 데이피 고교 가부시키가이샤; 티피알 가부시키가이샤
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2009-04-17
Publication date: 2013-03-20
Also published as: EP2113320B1; US8402881B2; CN101571079B; KR20090115052A; ATE545472T1; EP2113320A1; US20090272261A1; CN101571079A; JP2009264347A; JP5388475B2

Abstract

인서트 주조에 의해 알루미늄 합금으로 둘러싸여 주조되며 외주 주조 기면 (4)에 돌기를 복수개 갖는 주철제 실린더 라이너(2)를 포함하는 인서트 주조 구조체(10)에 있어서, 인서트 주조 구조체(10)는, 돌기 기저까지의 주철부 두께를 L1, 주철부와 알루미늄 합금부와의 일체부 두께를 L2로 했을 때, L1/L2=0.45의 조건하에서 측정한 열전도율이 35∼80W/m·K의 값을 가지고 있다.

Description

인서트 주조 구조체{INSERT CASTING STRUCTURE}

본 발명은, 외주 주조 기면(肌面)(outer circumferential surface)에 돌기를 복수개 갖는 주철제 실린더 라이너가, 알루미늄 합금에 둘러싸여 주조되어 있는 인서트 주조 구조체에 관한 것으로, 특히 열전도성과 접합 강도가 뛰어난 인서트 주조 구조체에 관한 것이다.

자동차용 엔진에 있어서 경량, 소형화를 달성하기 위해서, 알루미늄 합금제의 실린더 블록에 주철제의 실린더 라이너가 장착되는 것이 많다. 이러한 실린더 라이너부착 실린더 블록의 제조방법으로서 다음의 방법이 알려져 있다. 실린더 블록용의 주형(鑄型)내에 실린더 라이너를 미리 세트한다. 이 주형내에 주조재료(알루미늄 합금)를 주입(鑄入)하여, 실린더 라이너의 외주부를 알루미늄 합금으로 둘러싸서 주조한다. 이 경우, 실린더 라이너 외주부와 실린더 블록이 일체로 결합된 인서트 주조 구조체의 열전도성을 향상시키는 것이 엔진 성능의 향상에 효과가 있다.

종래의 인서트 주조용 실린더 라이너로서 일본 공개특허 2005-194983호 및 일본 공개특허 2004-209507호의 기술이 제안되어 있다. 일본 공개특허2005-194983 호에서는, 실린더 라이너 외주면의 돌기 높이, 돌기 개수, 돌기 면적율을 소정의 값으로 함으로써, 실린더 라이너와 실린더 블록과의 밀착성과 접합 강도를 향상시키는 것을 제안하고 있다. 또한, 일본 공개특허2004-209507호에서는, 실린더 라이너 외주면의 산술 평균 거칠기와 전개 길이 비를 소정의 값으로 함으로써, 실린더 라이너와 실린더 블록과의 밀착성과 열전도성의 향상 및 얇은 두께화를 도모하는 것을 제안하고 있다. 또한, 실린더 라이너를 알루미늄 합금으로 둘러싸서 주조하여 형성된 인서트 주조 구조체의 열전도율을 향상시키는 기술로서, 실린더 라이너 주조 기면에 알루미늄 합금 등의 고열전도재료를 용사(溶射)하는 것이 종래부터 알려져 있다.

근년, 엔진의 고출력화나 저연비화 때문에, 실린더 보어(bore) 상사점(上死點) 부근은 열적에 엄격한 상황에 있다. 또한, 저프릭션화와 컴팩트화에 의해, 실린더 보어간의 두께의 저감이 요구되고 있다. 열대책으로서는, 실린더 라이너를 알루미늄 합금으로 둘러싸서 주조한 인서트 주조 구조체의 열전도성의 향상이 필요하다. 실린더 보어 사이의 두꺼운 부분의 얇은 두께화의 대책으로서는, 실린더 라이너의 얇은 두께화가 요구된다.

그러나, 일본 공개특허 2005-194983호의 기술은 접합 강도가 높지만, 열전도성이 부족한다. 또한, 돌기 높이가 높아지면, 미끄럼동작면의 조직을 유지하면서, 실린더 라이너의 얇은 두께화를 도모하는 것이 어려워진다. 또한, 일본 공개특허 2004-209507호의 기술은, 실린더 라이너의 외주 주조 기면과 알루미늄 합금과의 충분한 접합강도를 얻을 수 없다. 또한, 실린더 라이너의 외주 주조 기면에 알루미늄 합금 등의 고열전도성 재료를 용사하는 방법은, 비용상승이 된다.

본 발명의 목적은, 열전도성과 접합 강도가 높고, 얇은 두께화도 가능한 인서트 주조 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서 본 발명은 다음의 해결 수단을 채택한다. 즉, 본 발명은, 인서트 주조에 의해 알루미늄 합금으로 둘러싸여 주조되며 외주 주조 기면(4)에 돌기를 복수개 갖는 주철제 실린더 라이너(2)를 포함하는 인서트 주조 구조체(10)에 있어서, 상기 인서트 주조 구조체는, 돌기 기저까지의 주철부 두께를 L1, 주철부와 알루미늄 합금부와의 일체부 두께를 L2로 했을 때, L1/L2=0.45의 조건하에서 측정한 열전도율이 35∼80W/m·K의 값을 가지고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 돌기를 갖는 실린더 라이너의 외주 주조 기면의 표면적이, 돌기가 없는 실린더 라이너의 외주 주조 기면의 표면적에 대해서 140∼230%인 것이 바람직하다. 표면적율이 140% 미만에서는 열전도율이 저하하고, 접합 강도도 저하하는 경우가 있다. 230%를 넘으면 인서트 주조성이 악화되어, 열전도율이 저하한다.

돌기의 높이가 0.2∼0.7mm이고, 돌기의 개수가 1cm²당 70∼150개인 것이 바람직하다. 돌기 높이가 0.2mm 미만에서는, 돌기수가 많아도 충분한 접합 강도를 얻 을 수 없다. 돌기 높이가 0.7mm를 넘으면, 실린더 라이너의 얇은 두께화가 곤란해지는 것과 함께, 열전도율도 저하한다. 돌기의 개수가 1cm²당 70개 미만에서는, 열전도율이 저하하고, 150개를 넘으면 열전도율이 저하한다.

실린더 라이너의 내주면 마감 후의 실린더 라이너의 두께가 1.5∼2.3mm인 것이 바람직하다. 두께가 1.5mm 미만에서는, 실린더 라이너의 내주면에 양호한 미끄럼동작 특성의 주철 조직을 얻을 수 없다. 실린더 라이너의 얇은 두께화를 도모하기 위해서는 2.3mm 이하가 필요하다.

본원발명은, 높은 열전도성과 접합 강도를 얻을 수 있기 때문에, 엔진 성능의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 실린더 라이너의 내주면 마무리시의 두께를 얇은 두께(2.3mm 이하)로 할 수 있기 때문에, 실린더 보어간 거리를 작게 할 수 있고, 실린더 블록을 컴팩트하게 할 수 있다. 또한, 실린더 보어간의 거리가 종래와 같은 경우, 알루미늄 합금부를 두껍게 할 수 있기 때문에, 냉각 공동을 설치하는 것도 가능하게 된다.

이하, 본 발명의 일실시형태를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 실린더 라이너를 장착한 실린더 블록의 일부분을 도시한다. 도 2는 실린더 라이너를 도시한다. 실린더 블록(1)의 재료로서는, 경량화 및 비용면을 고려하여, 예를 들면, JIS ADC 10(관련 규격: 미국 ASTM A380.0), 혹은 JIS ADC 12 (관련규격: 미국 ASTM A383.0) 등의 알루미늄 합금이 이용된다. 실린더 라이너(2)의 재료로서는, 내마모성, 내소부성 및 가공성을 고려하여, 예를 들면, JIS FC230 등의 주철이 이용된다. 주철의 조성의 일례는, T.C:2.9∼3.7(질량% 이하 같음), Si:1.6∼2.8, Mn:0.5∼1.0, P:0.05∼0.4, 잔 Fe이다. 필요에 따라서, Cr:0.05∼0.4(질량%, 이하 같음), B:0.03∼0.08, Cu:0.3∼0.5를 첨가해도 좋다.

실린더 라이너(2)는 실린더 블록(1)에 장착되어 있다. 실린더 라이너(2)의 내주면(3)이 실린더 보어를 형성한다. 즉, 실린더 블록용의 주형내에 실린더 라이너(2)가 미리 세트되고, 주형내에 알루미늄 합금 용탕(溶湯)이 충전되는 것에 의해, 주철제 실린더 라이너(2)가 알루미늄 합금제의 실린더 블록(1)에 둘러싸여 주조되어 일체 결합된, 인서트 주조 구조체(10)가 제조된다. 실린더 라이너(2)는 내주면이 마무리 가공되어, 완성시의 두께는 1.5∼2.3mm가 된다.

실린더 라이너(2)의 외주 주조 기면(4)에는 돌기(5)가 복수 형성되어 있다. 돌기(5)의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 3A∼도 3C에 도시하는 바와 같이, 사다리꼴(도 3A), 사각형(도 3B), 혹은 잘록해진(선단부가 굵고, 중간부가 가는) 형상(도 3C) 등이 이용된다.

돌기(5)를 갖는 실린더 라이너(2)의 외주 주조 기면(4)의 표면적은, 돌기가 없는 실린더 라이너의 외주 주조 기면의 표면적에 대해서 140∼230%이다 .또한, 돌기(5)의 높이는 0.2∼0.7mm이고, 돌기의 개수는 1cm²당 70∼150개이다.

돌기 면적율은 10∼50%가 바람직하다. 돌기 면적율은, 단위면적내에 존재하 는 돌기(5)에 있어서, 돌기(5)의 기저로부터 높이 0.2mm 위치에 있어서의 돌기(5)의 단면적의 합계 면적이 단위면적에 차지하는 비율로서 산출된다. 돌기 면적율이 10% 미만에서는 접합 강도가 저하한다. 50%를 넘으면 돌기가 결합하여 주조성이 저하하고, 공극이 생겨 밀착성이 저하하고, 열전도율이 저하한다.

실린더 라이너(2)는 원심 주조법에 의해 제조된다. 원심 주조법에 의하면, 균일한 복수의 돌기(5)를 외주 주조 기면(4)에 갖는 실린더 라이너(2)를 생산성 좋게 제조할 수 있다. 이하, 실린더 라이너(2)의 제조 방법을 설명한다.

평균 입자지름 0.002∼0.02mm의 규조토 벤토나이트(점결제), 물, 및 계면활성제를 소정의 비율로 혼합하여 도형재(途型材)가 제작된다. 200∼400℃로 가열되어 회전하는 주형(금형)의 내면에 도형재가 분무 도포되고, 주형의 내면에 도형층이 형성된다. 도형층의 두께는 0.5∼1.1mm이다. 계면활성제의 작용에 의해, 도형층내로부터 발생하는 증기의 기포에 의해서, 도형층에 복수의 오목한 구멍이 형성된다. 도형층을 건조 후, 회전하는 주형내에 주철용탕이 주입된다. 이 때, 도형층의 오목한 구멍에 용탕이 충전되어, 균일한 복수의 돌기가 형성된다. 용탕이 경화하여 실린더 라이너가 형성된 후, 도형층과 함께 실린더 라이너가 주형으로부터 취출된다. 블라스트 처리에 의해 도형재가 제거되어, 균일한 복수의 돌기를 외주 주조 기면에 갖는 실린더 라이너가 제조된다.

이하, 돌기(5)를 외주 주조 기면(4)에 복수 갖는 주철제 실린더 라이너(2)가 알루미늄 합금에 둘러싸여 주조되어 일체 결합된 인서트 주조 구조체(10)에 대해서, 열전도율과 접합 강도를 평가한 결과(표 1 참조)를 설명한다.

실시예 및 비교예 모두, 시험에 사용한 실린더 라이너의 주조 조성은 다음과 같다.

T.C:2.9∼3.7(질량%, 이하 같음), Si:1.6∼2.8, Mn:0.5∼1.0, P:0.05∼0.4, Cr:0.05∼0.4, 잔부 Fe.

실시예 1∼9 및 비교예 1∼4의 실린더 라이너는 상술한 제조방법에 의해 제작하였다. 비교예 5의 실린더 라이너는 다음의 제조 방법에 의해 원심 주조법에 의해 제작되었다.

평균 입자지름 0.05∼0.5mm의 규사, 평균 입자지름 0.1mm 이하의 실리카 플라워, 벤토나이트(점결제), 및 물을 소정의 비율로 혼합하여 도형재가 제작된다. 200∼400℃로 가열되어 회전하는 주형(금형)의 내면에 도형재가 분무 도포되어, 주형의 내면에 도형층이 형성된다. 도형층의 두께는 1mm이다. 도형층을 건조 후, 회전하는 주형내에 주철용탕이 주입된다. 용탕이 경화하여 실린더 라이너가 형성된 후, 도형층과 함께 실린더 라이너가 주형으로부터 취출된다. 블라스트 처리에 의해 도형재가 제거되어, 소정 거칠기를 외주 주조 기면에 갖는 실린더 라이너가 제조된다.

주철제 실린더 라이너(2)는 알루미늄 합금에 둘러싸여 주조되어 시험용의 인서트 주조 구조체(10)(도 4A 참조)가 제조되었다.

실시예 및 비교예 모두, 시험에 사용한 알루미늄 합금은 JIS ADC12 알루미늄 합금이다.

1. 열전도율

열전도율은 레이저 플래시법에 의해 구하였다. 도 4A∼도 4C에 도시하는 바와 같이, 돌기(5)의 기저까지의 주철부(2A)의 두께를 L1, 주철부(2A)와 알루미늄 합금부(1A)와의 일체부의 두께를 L2로 했을 때, L1/L2=0.45가 되도록, 인서트 주조 구조체(10)로부터 테스트 피스(20)가 잘라진다. 도 4A에 도시되어 있는 2점 쇄선은 절취선을 도시한다. 즉, 테스트 피스(20)는, 바깥지름 10mm, 돌기(5)의 기저까지의 주철부(2A)의 두께 1.35mm, 주철부(2A)와 알루미늄 합금부(1A)와의 일체부의 두께 3mm가 되도록, 인서트 주조 구조체(10)로부터 잘라내어졌다. 열전도율은, 레이저 조사 개시부터 테스트 피스(20)의 이면에 열이 전달될 때까지의 시간을 계측하여, 테스트 피스(20)의 두께로부터 산출된다. 도 5에 있어서, 20은 테스트 피스, 21은 레이장치, 22는 열전대, 23은 직류 앰프, 24는 레코더이다. 열전도율은 35∼80W/m·K가 요구된다.

2. 접합 강도

인서트 주조 구조체(10)로부터 20mm×20mm의 테스트 피스(30)(도 6 참조)를 제작한다. 주철부(2A)와 알루미늄 합금부(1A)의 각각에 전용 치구(31,32)를 접착제로 접착한다. 테스트 피스(30)를 인장 시험기로 화살표 방향으로 끌어당겨, 주철부(2A)와 알루미늄 합금부(1A)가 벗겨졌을 때의 강도를 접합 강도로 한다. 접합 강도는 3Mpa 이상이 바람직하다.

3. 돌기 높이

딥 다이얼 게이지로 실린더 라이너(2)의 돌기 높이를 측정한다. 돌기 높이는 0.2∼0.7mm가 요구된다.

4. 돌기 개수

비접촉의 3차원 레이저 형상 측정기에 의해서, 돌기(5)의 기저로부터 높이 0.2mm 위치에 있어서의 돌기의 등고선도를 구한다. 10 mm×10mm의 범위 에 있어서, 닫혀져 있는 등고선의 개수를, 1cm²당의 돌기 개수로 한다. 돌기 개수는 1cm²당 70∼150개가 요구된다.

5. 표면적율

비접촉의 3차원 레이저형상 측정기에 의해서, 돌기(5)의 기저로부터 높이 0.2mm 위치에 있어서의 돌기의 등고선도를 구한다. 10mm×10mm의 범위에 있어서, 닫혀져 있는 등고선 부분의 면적의 합계 면적으로부터 돌기 면적율 B를 구한다. 돌기 개수를 N개, 돌기의 평균 높이를 Hmm로 하고, 또한, 돌기를 단면적이 일정한 원기둥이라 가정했을 때, 돌기가 없는 실린더 라이너의 외주 주조 기면의 표면적에 대한, 돌기가 있는 실린더 라이너의 외주 주조 기면의 돌기를 포함한 표면적의 비율 A(%)를, 다음식으로부터 구하였다. 한편, 돌기 면적율 B는, 상술한 바와 같이, 단위면적내에 존재하는 돌기(5)에 있어서, 돌기(5)의 기저로부터 높이 0.2mm 위치에 있어서의 돌기(5)의 단면적의 합계 면적이 단위면적에 차지하는 비율로서 산출된다. 표면적율 A는 140∼230%가 요구된다.

A=35.45×(B×N)^1/2×H+100 …(1)

상기 식(1)은 다음과 같이 하여 산출하였다.

도 7에 있어서, 돌기 평균 반지름: Rmm, 돌기 평균 높이: Hmm, 돌기 개수: N 개, 돌기 면적율: B로 했을 때,

π×R²×N=100×B

R²=100×B/(π×N)

R=10×(B/(π×N))^1/2

돌기 측면의 면적=2×π×R×H×N

=2×π×10×(B/(π×N))^1/2×H×N

=20×π^1/2×(B×N)^1/2×H

=35.45×(B×N)^1/2×H

10mm×10mm의 면적=100mm²

표면적율 A(%)=35.45×(B×N)^1/2×H+100

표 1에 평가결과를 나타낸다. 실시예 1∼9는 열전도율과 접합강도가 높다. 그러나, 표면적율이 낮은 비교예 1, 2, 4, 및 표면적율이 높은 비교예 3은 열전도율이 저하한다. 돌기 높이가 낮고, 비교예 2는 접합 강도가 낮고, 돌기 높이가 높은 비교예 3은 열전도율이 저하한다. 돌기 개수가 적은 비교예 1은 열전도율이 저하하고, 돌기 개수가 많은 비교예 4는 열전도율이 저하한다. 돌기가 없고, 주조 기면이 거친 비교예 5는 충분한 접합 강도를 얻을 수 없다.

도 1은 본 발명의 인서트 주조 구조체의 하나의 실시예를 도시하고, 실린더 라이너를 장착한 실린더 블록의 일부분을 도시하는 평면도이다.

도 2는 실린더 라이너를 도시하는 평면도이다.

도 3A는 돌기 형상을 도시하는 도면이다.

도 3B는 다른 돌기 형상을 도시하는 도면이다.

도 3C는 또 다른 돌기 형상을 도시하는 도면이다.

도 4A는 테스트 피스 제작을 위한 인서트 주조 구조체를 도시하는 평면도이다.

도 4B는 인서트 주조 구조체로부터 잘라진 테스트 피스를 도시하는 사시도이다.

도 4C는 테스트 피스의 일부분을 도시하는 도면이다.

도 5는 열전도율의 측정 방법을 도시하는 도면이다.

도 6은 접합 강도의 측정 방법을 도시하는 도면이다.

도 7은 표면적율의 산출 방법을 설명하기 위한 도면이다.

Claims

인서트 주조에 의해 알루미늄 합금으로 둘러싸여 주조되며 외주 주조 기면 (4)에 돌기를 복수개 갖는 주철제 실린더 라이너(2)를 포함하는 인서트 주조 구조체(10)에 있어서, 상기 인서트 주조 구조체는, 돌기 기저까지의 주철부 두께를 L1, 주철부와 알루미늄 합금부와의 일체부 두께를 L2로 했을 때, L1/L2=0.45의 조건하에서 측정한 열전도율이 35∼80W/m·K의 값을 갖고,

상기 돌기를 갖는 실린더 라이너의 외주 주조 기면의 표면적이, 돌기가 없는 실린더 라이너의 외주 주조 기면의 표면적에 대해서 140∼230%이며,

상기 돌기의 높이가 0.2∼0.7mm이고, 돌기의 개수가 1cm²당 70∼150개인 인서트 주조 구조체.
제 1 항에 있어서, 상기 실린더 라이너의 내주면 마감 후의 실린더 라이너의 벽 두께가 1.5∼2.3mm인 인서트 주조 구조체.
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