KR101534864B1 - 차량용 실린더라이너의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내마모성과 내열성이 우수하도록 알루미늄에 일정 조성의 실리콘, 구리, 마그네슘, 철, 망간, 아연, 니켈 등이 함유된 알루미늄 합금과 그 합금을 이용한 실린더라이너 제조방법이 소개된다.

실린더라이너의 제조방법은, 상기 합금의 용탕을 보온로에서 섭씨 700 ~ 800도로 유지하여 인(P)을 50 ~ 500ppm 첨가한 후 30 ~ 60분 안정화시키는 개량화 처리 후 연속주조법을 통해 환봉으로 제조하는 단계; 상기 환봉에 열간단조를 실시하여 원통 형상의 라이너로 만드는 단계; 상기 라이너의 피스톤 왕복운동 면을 기계적 가공을 통하여 실리콘 입자가 돌출되도록 하는 단계;를 포함한다.

자동차, 알루미늄, 합금, 연속주조, 열간단조, 실린더라이너, 내마모성

Description

차량용 실린더라이너의 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR CYLINDER LINER OF VEHICLE}

본 발명은 차량 실린더라이너용 알루미늄 합금 및 그 실린더라이너의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 실린더 라이너는 엔진블록의 보어에 삽입되어 피스톤의 왕복 운동 중 생기는 보어 면의 마모를 막아주는 것으로서, 현재 자동차 등의 수송기기 엔진의 경량화 추세에 따라 개발된 알루미늄 실린더블록의 보어를 보강하기 위해 사용되고 있는 실린더 라이너는 대부분 주철재 라이너이다.

최근에는 엔진의 고출력화에 따른 냉각성능 향상과 경량화가 요구되어 알루미늄 압출재 라이너 등이 사용되고 있는 바, 상기 실린더 라이너에 요구되는 특성은 내마모성으로 알루미늄 합금에서 내마모성을 향상시키기 위해서 많이 이용하는 방법은 합금성분인 실리콘의 양을 증가시키고, 실리콘의 크기를 미세화 시키는 것이다.

도1은 분무성형법을 이용하여 실린더라이너를 제조하는 종래 알루미늄 실린더라이너의 제조방법을 보인 개략도이다.

종래에는 실린더라이너의 실리콘의 함량을 늘리고 그 크기를 미세화하기 위하여 분무성형법(스프레이 포밍 공법)을 이용하는데, 분무성형법이란 고속 고압의 불활성가스를 이용하여 용융금속(1; 알루미늄 용탕)을 강제로 급속 냉각하여 분무기(10)에 의해 분무하며, 이렇게 분무된 분무액적(2)들이 불완전 응고 상태로 비행하다가 기판(20)에 도달한 후 응고가 완료되어 환봉(21)을 이루게 된다.

이렇게 분무성형법을 이용하여 환봉(21)을 제조한 후 간접압출(열간압출) → 스웨이징 → 절단 및 가공 → 표면처리의 순서로 실린더라이너가 제조된다.

그러나, 상술한 바와 같이 분무성형법을 이용한 종래의 실린더라이너 제조방법은 실리콘의 크기를 미세화시킬 수 있지만 실린더라이너의 기초 부재가 되는 환봉의 제조 공정이 까다롭고, 이를 다시 압출해야 하는 등 그 구성이 복잡하여 제조원가가 상승하는 문제가 있다.

또한, 압출시에 시임리스(seamless) 압출을 위해서 환봉 내경에 홀 가공을 해야 하는데, 이때 소재 손실이 발생하는 문제점이 있다.

또한, 종래의 분무성형법으로 제조된 실린더라이너는 입자의 크기가 너무 미세하여 기계가공이 용이하지 않으므로 단단한 입자를 돌출시키기 위한 방법으로 화학적인 에칭방법을 적용하는바, 이에 따라 환경오염을 유발하는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 내마모성이 강한 알루미늄 합금 및 내마모성에 내열성까지 우수한 알루미늄 합금을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 이 알루미늄 합금을 사용하여 제조공정이 간단하고 제조원가가 낮은 실린더라이너를 만드는데 있다.

상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위하여 본 발명은,

알루미늄 소재를 기본 성분으로 하고 실리콘(Si): 16 ~ 22 중량%, 구리(Cu): 2 ~ 6 중량%, 마그네슘(Mg): 0.2 ~ 2.0 중량%, 철(Fe): 최대 1 중량%, 망간(Mn), 아연(Zn) 및 니켈(Ni)이 각각 최대 0.1 중량% 함유된 조성을 갖는 차량 실린더라이너용 알루미늄 합금을 제공한다.

또한 본 발명은 알루미늄 소재를 기본 성분으로 하고, 실리콘(Si): 16 ~ 22 중량%, 구리(Cu): 2 ~ 6 중량%, 마그네슘(Mg): 0.2 ~ 4.0 중량%, 철(Fe): 최대 1 중량%, 니켈(Ni): 1~5 중량%, 망간(Mn) 및 아연(Zn)이 각각 최대 0.1 중량% 함유된 조성을 갖는 차량 실린더라이너용 알루미늄 합금을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 합금의 용탕을 보온로에서 섭씨 700 ~ 800도로 유지하여 인(P)을 50 ~ 500ppm 첨가한 후 30 ~ 60분 안정화시키는 개량화 처리 후 연속주조법을 통해 환봉으로 제조하는 단계; 상기 환봉에 열간단조를 실시하여 원통 형상의 라이너로 만드는 단계; 상기 라이너의 피스톤 왕복운동 면을 기계적 가공을 통하여 실리콘 입자가 돌출되도록 하는 단계;를 포함하는 자동차용 알루미늄 실린더라이너의 제조방법을 제공한다.

상기 환봉으로 연속주조하는 단계는, 상기 보온로에서 금형이 연결된 주형으 로 용탕을 출탕하는 과정을 포함하며, 여기에서 용탕이 금형 벽면에 융착되지 않고 응고되도록 상기 금형 벽면에서 산소 및 질소가스를 7 ~15 kgf/cm2의 압력으로 공급하고 윤활유를 5~10cc/min의 속도로 공급하며, 상기 금형에 30~60 liter/min의 냉각수량을 갖는 냉각존을 형성하여 출탕되는 합금의 주조속도를 80~120mm/min으로 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 원통형의 라이너로 만드는 단계는, 연속주조로 만들어진 환봉을 일정길이로 절단한 후, 그 환봉을 섭씨 350~450도로 가열하고 프레스 가공하는 것으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 기계적 가공은, 라이너의 피스톤 왕복운동 면을 먼저 기계가공하고, 그 다음 보링 가공을 통하여 치수를 균일하게 맞춘 후 호닝가공을 통하여 입자를 돌출시키는 것을 특징으로 한다.

상기 호닝가공은, 입자크기 46~60 μm의 다이아몬드 스톤을 사용하여 소재가 40~80 μm 절삭되도록 가공하는 1단계와; 입자크기 15~25 μm의 다이아몬드 또는 세라믹 스톤을 사용하여 소재가 20~40 μm 절삭되도록 가공하는 2단계와; 입자크기 15~25 μm의 세라믹 스톤을 사용하여 소재가 1~5 μm 절삭되도록 가공하는 3단계;를 포함하여, 상기 라이너의 표면거칠기가 Rz = 1 ~ 3 μm , Rpk = 0.4 ~ 0.8 μm가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.

알루미늄에 일정 조성의 실리콘, 구리, 마그네슘, 철, 망간, 아연, 니켈 등이 함유된 본 발명에 따른 알루미늄 합금으로 내마모성과 내열성이 우수한 차량용 실린더라이너가 제조된다.

또한 본 발명에 의한 제조방법에 의하면, 알루미늄 합금의 용탕을 개량화 처리후 연속주조법을 통해 환봉을 제조하기 때문에 고용된 실리콘이 균일하게 정출 및 석출되어 기지에 미세하게 분포되는바, 이에 따라 실린더라이너의 오일 저장성능 및 내마모성이 향상되어 엔진 성능이 증대되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 제조방법에 의하면, 실린더라이너 제조에 있어서 선행되는 환봉의 제조가 간단하기 때문에 원가가 절감되며 화학적 방법을 사용하지 않기 때문에 환경오염 문제가 없다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

도2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연속주조법을 이용한 환봉의 제조공정을 나타낸 개략도이고, 도3은 환봉을 열간단조를 통해 실린더라이너로 제조하는 공정을 설명하기 위한 설명도이다.

차량용 실린더라이너를 제조하는데 사용되는 알루미늄 합금의 조성은 본 발명에 의하면 아래와 같은 2가지 실시예가 있다.

먼저 제1실시예는, 알루미늄 소재를 기본 성분으로 하고 실리콘(Si): 16 ~ 22 중량%, 구리(Cu): 2 ~ 6 중량%, 마그네슘(Mg): 0.2 ~ 2.0 중량%, 철(Fe): 최대 1 중량%, 망간(Mn), 아연(Zn) 및 니켈(Ni)이 각각 최대 0.1 중량% 함유된 조성을 갖는 알루미늄 합금으로, 일반적인 실린더라이너를 제조하기 위한 것이다.

또한 제2실시예는 알루미늄 소재를 기본 성분으로 하고 실리콘(Si): 16 ~ 22 중량%, 구리(Cu): 2 ~ 6 중량%, 마그네슘(Mg): 0.2 ~ 4.0 중량%, 철(Fe): 최대 1 중량%, 니켈(Ni): 1~5 중량%, 망간(Mn) 및 아연(Zn)이 각각 최대 0.1 중량% 함유된 조성을 갖는 알루미늄 합금으로, 제1실시예와 비교하여 성분은 유사하나 내열성을 높이기 위하여 마그네슘(Mg) 및 니켈(Ni)의 함량을 증가한 것으로, 내열성이 더 요구되는 실린더라이너를 제조하기 위한 것이다.

여기서, 제1실시예와 제2실시예에 따른 알루미늄 합금은 모두 상기 실리콘(Si)의 경우 함유량은 16 ~ 22 중량%를 사용하는데, 그 함량이 16중량% 미만이면 초정실리콘의 양이 적어 내마모성이 떨어지고, 반면에 22중량%를 초과하여 과량으로 사용하게 되면 연속주조 공정에서 미세편석 및 실리콘의 조대화로 내마모성이 떨어지고 가공성 저하의 문제가 있어 바람직하지 않다. 이러한 실리콘 성분은 내마모성을 향상시키고, 주조성 개선 및 강도 향상의 효과가 있다.

상기 구리의(Cu) 경우, 함유량은 2 ~ 6 중량%를 사용한다.

이때, 구리의 함유량이 2 중량% 미만이면 고용강화 효과가 없고, 6 중량%를 초과하여 과량으로 사용하면 고용도가 제한되는 문제가 있다.

상기 마그네슘(Mg)의 경우, 제1실시예에서의 함유량은 0.2 ~ 2.0 중량%이고 제2실시예에서의 함유량은 0.2 ~ 4.0 중량%인데, 상기 범위에서 마그네슘의 함량을 높이면 내열성이 우수해진다.

이때, 상기 마그네슘의 사용함량이 0.2 중량% 미만이면 강도의 저하가 발생 하고, 4.0 중량%를 초과하여 과량으로 사용하면 주조성이 나빠지는데, 이러한 마그네슘 성분은 실리콘과 함께 석출물을 생성시켜 강도 향상의 효과가 있다.

또한, 상기 철(Fe)의 경우 함유량이 1%를 초과하면 신율이 나빠진다.

상기 망간(Mn), 아연(Zn) 및 니켈(Ni)은 미량원소인데, 제1실시예에서는 망간, 아연, 니켈이 각각 최대 0.1 중량% 함유되지만, 제2실시예에서는 망간 및 아연은 각각 최대 0.1 중량%로 제1실시예와 동일하지만 니켈은 1~5 중량% 함유되어 제1실시예보다 높은 함량을 갖는데, 이것은 내열성을 높이기 위함이다.

이와 같은 제1실시예와 제2실시예의 조성을 갖는 상기의 알루미늄 합금들을 이용하여 차량용 실린더라이너를 제조하기 위해서는 상기 알루미늄 합금을 용해로에서 합금의 용해 온도 이상으로 과열 용해하여 합금화하여 용탕으로 만든다.

상기 알루미늄 합금은 일반적인 주조법을 사용하면 초정 실리콘의 크기와 분포 제어가 어렵기 때문에 차량용 실린더라이너의 소재로 사용할 수 없는바, 차량용 실린더라이너로 사용하기 위해서는 고용된 실리콘이 균일하게 정출 및 석출되어 기지에 미세하게 분포되어야 하는데, 이렇게 하기 위해서는 인(P)을 첨가한 개량화 처리와 주물을 균일하게 급냉시킬 수 있는 연속주조법이 필요하다.

도2에 도시된 바와 같이, 제1실시예 또는 제2실시예에 따른 합금의 용탕(100)을 보온로(110)에서 섭씨 700~800도로 유지하여 인(P)을 50~500ppm 첨가한 후, 30~60분 안정화시키는 개량화 처리를 한다. 이때 칼슘(Ca)의 함량을 50ppm 미만으로 유지하면 더욱 더 좋은 개량화 효과를 얻을 수 있다.

이렇게 개량화 처리된 용탕(100)은 연속주조법을 통해 환봉(200)으로 제조된 다(환봉제조단계).

연속주조법이란 용탕(100;용해금속)을 주형(130)에 연속적으로 주입하고 응고시키는 주조법으로, 보통 판, 봉, 선 모양의 환봉을 제조하는데 사용된다.

연속주조에서는 주형(130) 위쪽에서 연속적으로 주탕하고 주형(130)의 밑을 빼놓은 다음 약간 응고된 주괴를 아래쪽에서 냉각수로 급냉시키며 계속 끌어내는 방식으로 수 ~ 수십 미터에 이르는 긴 환봉을 제조할 수 있다.

연속주조법을 사용하여 환봉(200)을 제조하는 경우, 융체(Al-Si-Mg-Cu)의 이동 변수가 있어 응고시킬 때 주형(130) 및 금형(140)의 온도제어가 필수적인데, 상기 환봉(200)으로 연속주조하는 단계는 상기 보온로(110)에서 금형(140)이 연결된 주형(130)으로 용탕(100)을 출탕하는 과정을 포함하는데, 합금화된 용탕(100)을 주형(130)에 장입할 때 주형(130) 입구온도를 650℃ 이상으로 유지하여 용탕(100)이 주형(130)의 측벽에서 급랭되어 응고되는 것을 막는다.

또한, 용탕이 금형(140) 벽면에 융착되지 않고 응고되도록 상기 금형(140) 벽면에서 산소 및 질소가스를 7 ~15 kgf/cm2의 압력으로 공급하고 윤활유를 5~10cc/min의 속도로 공급하며, 상기 금형(140)에 30~60 liter/min의 냉각수량을 갖는 냉각존을 형성하여 출탕되는 합금의 주조속도를 80~120mm/min으로 제어한다.

이것은 주형(130) 위쪽으로 연속 주입된 용탕이 그대로 아래로 흐르지 않고 빌렛(billet) 형상을 유지하게 하는데 필요한 조건이다. 출탕된 합금은 주조 속도를 80~120 mm/min로 조절해 주면 금형(140)의 냉각존을 거쳐 환봉 형태로 연속주조된다.

한편, 연속주조법을 통해 제조된 환봉(200)에 열간단조를 실시하여 원통(pipe) 형상의 라이너로 만든다.

종래의 분무성형법에서는 환봉 형태의 소재를 원통 형태의 라이너로 압출하기 위해서 시임리스(seamless) 공법으로 압출을 한다. 시임리스 공법을 하기 위해서는 소재 중간에 홀(Hall) 가공을 해야 하는데 이때 소재의 손실이 생기고 공정이 복잡해진다.

이에 본 발명은 품질이 떨어지는 압출 방법이 아닌 열간 단조를 사용하여 원통 형상의 라이너를 제조한다.

도3에 도시된 바와 같이, 열간 단조를 사용하여 원통형의 라이너로 만드는 단계는, 연속주조로 만들어진 환봉(200)을 제조될 라이너의 높이에 맞추어 일정 길이로 절단한 후, 그 절단된 환봉(210)을 섭씨 350~450도로 가열하고 프레스 가공하여 이루어진다.

여기서, 상기 환봉(210)을 350℃ 미만에서 단조하는 경우에는 취성으로 인해 단조 파단이 발생하고 450℃를 초과하는 경우에는 금형 소착으로 인해 원통 형상으로 제조할 수 없게 된다.

상기 열간단조 작업은 가열된 환봉(210)을 단조 금형(220)에 장입 후 프레스단조기(230)를 사용하여 1단 단조 성형한다.

또한, 상기 단계에 의하여 원통 형상의 라이너(300)가 제조되면, 상기 라이너(300)를 실린더 블록 주조시 삽입하고 그 라이너(300)의 피스톤 왕복운동 면(310)을 기계적 가공을 통하여 실리콘 입자가 돌출되도록 함으로써 오일 저장공 간을 확보하고 내마모성을 향상시킨다.

상기 기계적 가공은, 바람직하게는 라이너(300)의 피스톤 왕복운동 면(310)을 먼저 기계 가공하고, 그 다음 보링 가공을 통하여 치수를 균일하게 맞춘 후 호닝 가공을 통하여 입자를 돌출시킨다.

여기서 입자를 돌출시키는 호닝 가공이 가장 중요한데, 이과정은 3단계로 이루어진다.

호닝 1단계에서는, 입자크기 46~60 μm 다이아몬드 스톤을 사용하여 소재가 40~80 μm 절삭되도록 가공한다. 이때 툴의 회전수는 150~350rpm, 이송속도는 8~20m/min, 회전방향은 한 방향으로 가공시간은 15~30초가 적당하다.

호닝 2단계에서는, 입자크기 15~25 μm 다이아몬드 또는 세라믹 스톤을 사용하여 소재가 다시 20~40 μm 절삭되도록 가공한다.

호닝 3단계에서는, 입자크기 15~25 μm 세라믹 스톤을 사용하여 소재가 1~5 μm 절삭되도록 가공한다. 이때, 툴의 회전수는 150~350rpm, 이송속도는 8~20m/min, 회전방향은 시계방향 가공 후 반시계방향으로 가공하는 양방향가공, 가공시간은 총 15~40초가 적당하다.

이와 같이 호닝가공이 총 3단계를 거치면 최종적으로, 라이너의 표면거칠기가 Rz = 1 ~ 3 μm , Rpk= 0.4 ~ 0.8 μm가 되는데, 이때 가장 좋은 엔진 시험결과를 얻을 수 있다.

여기서, 상기 라이너의 표면거칠기가 제시된 값 미만이면 윤활성능이 저하되고, 제시된 값을 초과하면 오일소모가 증대되어 바람직하지 못하다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 설명된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위 내에서 얼마든지 구성요소의 치환과 변형이 가능한바, 이 또한 본 발명의 권리에 속하게 된다.

도1은 분무성형법을 이용하여 실린더라이너를 제조하는 종래 알루미늄 실린더라이너의 제조방법을 보인 개략도,

도2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연속주조법을 이용한 환봉의 제조공정을 나타낸 개략도,

도3은 환봉을 열간단조를 통해 실린더라이너로 제조하는 공정을 설명하기 위한 설명도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 알루미늄 합금의 용탕 110 : 보온로

130 : 주형 140 : 금형

200 : 연속주조 환봉 210 : 절단된 환봉

220 : 단조 금형 230 : 프레스 단조기

300 : 실린더 라이너 310 : 피스톤 왕복운동 면

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 알루미늄 소재를 기본 성분으로 하고, 실리콘(Si): 16 ~ 22 중량%, 구리(Cu): 2 ~ 6 중량%, 마그네슘(Mg): 0.2 ~ 2.0 중량%, 철(Fe): 최대 1 중량%, 망간(Mn), 아연(Zn) 및 니켈(Ni)이 각각 최대 0.1 중량% 함유된 조성을 갖거나, 실리콘(Si): 16 ~ 22 중량%, 구리(Cu): 2 ~ 6 중량%, 마그네슘(Mg): 0.2 ~ 4.0 중량%, 철(Fe): 최대 1 중량%, 니켈(Ni): 1~5 중량%, 망간(Mn) 및 아연(Zn)이 각각 최대 0.1 중량% 함유된 조성을 갖는 합금의 용탕을 보온로에서 섭씨 700 ~ 800도로 유지하여 인(P)을 50 ~ 500ppm 첨가한 후 30 ~ 60분 안정화시키는 개량화 처리 후 연속주조법을 통해 환봉으로 제조하는 단계;

   상기 환봉에 열간단조를 실시하여 원통 형상의 라이너로 만드는 단계;

   상기 라이너의 피스톤 왕복운동 면을 기계적 가공을 통하여 실리콘 입자가 돌출되도록 하는 단계;를 포함하고,

   상기 환봉으로 연속주조하는 단계는,

   상기 보온로에서 금형(140)이 연결된 주형(130)으로 용탕을 출탕하는 과정을 포함하며, 여기에서 용탕이 금형(140) 벽면에 융착되지 않고 응고되도록 상기 금형(140) 벽면에서 산소 및 질소가스를 7 ~15 kgf/cm2의 압력으로 공급하고 윤활유를 5~10cc/min의 속도로 공급하며, 상기 금형(140)에 30~60 liter/min의 냉각수량을 갖는 냉각존을 형성하여 출탕되는 합금의 주조속도를 80~120mm/min으로 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 실린더라이너의 제조방법.
4. 삭제
5. 청구항 3에 있어서, 상기 원통형의 라이너로 만드는 단계는, 연속주조로 만들어진 환봉을 일정길이로 절단한 후, 그 환봉을 섭씨 350~450도로 가열하고 프레스 가공하는 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 실린더라이너의 제조방법.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 기계적 가공은,

   라이너의 피스톤 왕복운동 면을 먼저 기계가공하고, 그 다음 보링 가공을 통하여 치수를 균일하게 맞춘 후 호닝가공을 통하여 입자를 돌출시키는 것을 특징으로 하는 차량용 실린더라이너의 제조방법.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 호닝가공은,

   입자크기 46~60 μm의 다이아몬드 스톤을 사용하여 소재가 40~80 μm 절삭되도록 가공하는 1단계와;

   입자크기 15~25 μm의 다이아몬드 또는 세라믹 스톤을 사용하여 소재가 20~40 μm 절삭되도록 가공하는 2단계와;

   입자크기 15~25 μm의 세라믹 스톤을 사용하여 소재가 1~5 μm 절삭되도록 가공하는 3단계;를 포함하여,

   상기 라이너의 표면거칠기가 Rz = 1 ~ 3 μm , Rpk = 0.4 ~ 0.8 μm가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 실린더라이너의 제조방법.

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