KR101822276B1 - 자동차용 실린더 블록 제조방법 - Google Patents

자동차용 실린더 블록 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실린더 라이너와 실린더 블록을 일체화시킨 자동차용 실린더 블록 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 자동차용 실린더 블록 제조방법은 실린더 라이너 형상의 성형체를 준비하는 준비단계와; 준비된 성형체를 실린더 블록용 몰드의 내부에 고정시키는 고정단계와; 성형체가 고정된 실린더 블록용 몰드에 실린더 블록용 주조재 용탕을 주입하여 상기 성형체가 일체화된 실린더 블록을 주조하는 주조단계를 포함한다.

Description

자동차용 실린더 블록 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF CYLINDER BLOCK FOR VEHICLE}
본 발명은 자동차용 실린더 블록 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실린더 라이너와 실린더 블록을 일체화시킨 자동차용 실린더 블록 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 실린더 블록은 주철이나 알루미늄 합금으로 형성된 엔진의 중심이 되는 부분으로서, 종래에는 주조 및 기계가공이 용이하면서 가격면에서도 저렴한 주철이 많이 사용되었으나 최근에는 경량화를 목적으로 알루미늄 합금이 많이 사용되고 있다.
이때 실린더 블록은 하나의 주물이 복수개의 실린더를 포함하도록 형성되는데, 알루미늄 합금으로 형성된 실린더 블록의 경우에는 실린더를 형성하는 원통형 구멍에 실린더 라이너(cylinder liner)가 압입 또는 주입되어 있는 것이 일반적이다. 여기서, 실린더 라이너는 내마모성이 확보된 미끄럼 면을 형성하도록 실린더 내면에 배치된 얇은 두께의 원통을 말하는데, 일반적으로 강을 주조한 다음 정밀 연마하여 사용하고 있다.
이렇게 알루미늄 합금으로 형성된 실린더 블록은 실린더 블록과 실린더 라이너를 별도로 제작한 다음 실린더 블록에 실린더 라이너를 압입 또는 주입시킴으로서 제작 공정수가 늘어나는 단점이 있었다. 특히 금속 분말 등의 혼합 원료 분말을 가압하여 얻어진 실린더 라이너용 분말 성형체를 먼저 소결한 다음, 소결체를 알루미늄 합금에 주입하여 엔진 블록을 제작하는 방법이 제안되었다. 하지만, 이러한 방법은 실린더 라이너용 분말 성형체를 가압성형한 다음 소결공정을 진행하여야 하기때문에 공정수가 늘어나는 단점이 있다.
그리고 다른 방법으로는 알루미늄 합금을 이용하여 다이캐스팅 방법으로 실린더 블록을 주조한 다음, 그 표면에 산화피팍을 형성하여 실린더 블록에서 실린더 라이너를 생략하면서도 내마모성을 확보하는 기술이 제안되었다. 하지만 이러한 방법은 공정수를 줄이는 효과를 얻을 수 있지만 내마모성을 충분히 확보하지 못하는 한계가 있었다.
그래서, 알루미늄 합금으로 형성된 실린더 블록을 제작하면서 공정수를 줄이는 동시에 실린더 내면의 내마모성을 향상시키는 기술이 요구되는 있다.
일본 공개특허공보 10-2003-171703 (2003.06.20) 대한민국 등록특허공보 10-1416380 (2014. 07. 09)
본 발명은 분말로 성형된 실린더 라이너를 실린더 블록의 주조시에 일체화시키면서 소결시킨 자동차용 실린더 블록 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 자동차용 실린더 블록 제조방법은 실린더 라이너 형상의 성형체를 준비하는 준비단계와; 준비된 성형체를 실린더 블록용 몰드의 내부에 고정시키는 고정단계와; 성형체가 고정된 실린더 블록용 몰드에 실린더 블록용 주조재 용탕을 주입하여 상기 성형체가 일체화된 실린더 블록을 주조하는 주조단계를 포함한다.
보다 바람직하게 본 발명의 일 실시형태에 따른 자동차용 실린더 블록 제조방법은 실린더 라이너용 원료 분말을 이용하여 실린더 라이너 형상의 성형체를 준비하는 준비단계와; 준비된 성형체를 실린더 블록용 몰드의 내부에 고정시키는 고정단계와; 성형체가 고정된 실린더 블록용 몰드에 Al 기지의 실린더 블록용 주조재 용탕을 주입하여 상기 성형체가 일체화된 실린더 블록을 주조하되, 주조재 용탕의 온도에 의해서 성형체에 강화상을 합성시키면서 성형체를 소결시키는 주조단계를 포함한다.
상기 준비단계에서 상기 실린더 라이너용 원료 분말은 Al, TiO2 및 C를 혼합하는 것을 특징으로 한다.
상기 주조단계에서는 Al 기지의 실린더 블록용 주조재 용탕에 포함된 Al 성분이 성형체를 형성하는 원료 분말과 반응하여 Al2O3 및 TiC가 합성되는 것을 특징으로 한다.
상기 실린더 라이너용 원료 분말은 몰(mol)비를 기준으로 Al, TiO2 및 C는 8~27 : 2~4 : 2~4로 혼합되는 것을 특징으로 한다.
상기 실린더 라이너용 원료 분말은 몰비를 기준으로 Al은 12~17mol이 혼합되는 것을 특징으로 한다.
상기 실린더 라이너용 원료 분말은 몰비를 기준으로 CuO가 3~5mol 더 혼합되는 것을 특징으로 한다.
상기 주조단계에서 상기 Al 기지의 실린더 블록용 주조재 용탕의 온도는 700 ~ 1000℃인 것을 특징으로 한다.
상기 주조단계에서 상기 Al 기지의 실린더 블록용 주조재 용탕의 온도는 859 ~ 892℃인 것을 특징으로 한다.
상기 준비단계에서 실린더 라이너 형성의 성형체는 5000 ~ 7000psi 압력으로 압축성형하는 것을 특징으로 한다.
상기 주조단계에서 상기 Al 기지의 실린더 블록용 주조재 용탕은 Al 또는 Al합금인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 분말상태의 원료로 성형된 실린더 라이더 형상의 성형체를 몰드에 장입한 상태로 실린더 블록용 주조재 용탕을 몰드에 주입하여 실린더 라이더 형상의 성형체가 일체화된 실린더 블록을 제조할 수 있다.
이에 따라 실린더 블록의 제조 공정수를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 성형체가 용탕의 온도에 의해서 소결되어 내마모성이 향상된 실린더 블록을 제조할 수 있다.
그리고 성형체를 형성하는 원료 분말의 종류 및 조성비를 조절하여 Al2O3 및 TiC와 같은 강화상을 형성하여 실린더 블록의 내마모성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 실린더 블록의 제조방법을 보여주는 순서도이고,
도 2는 성형체의 Al 첨가량에 따른 DSC 분석 결과를 보여주는 그래프이며,
도 3은 성형체의 Al 첨가량에 따른 반응생성물의 차이를 보여주는 XRD 그래프이고,
도 4는 성형체의 Al 첨가량에 따른 TiC 합성온도의 변화를 보여주는 그래프이며,
도 5는 성형체의 CuO 첨가량에 따른 DSC 분석 결과를 보여주는 그래프이고,
도 6은 성형체의 CuO 첨가량에 따른 TiC 합성온도의 변화를 보여주는 그래프이며,
도 7은 실린더 블록을 승온시키면서 승온에 따른 DSC 분석 결과를 보여주는 그래프이고,
도 8은 실린더 블록을 승온시키면서 승온에 따른 반응생성물의 차이를 보여주는 XRD 그래프이며,
도 9는 실린더 블록의 성형체에 해당되는 부분의 미세조직 사진이고,
도 10은 실린더 블록의 성형체에 해당되는 부분의 EPMA 분석결과를 보여주는 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 실린더 블록의 제조방법을 보여주는 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차용 실린더 블록의 제조방법은 크게, 실린더 라이너 형상의 성형체를 준비하는 준비단계(S100)와; 준비된 성형체를 실린더 블록용 몰드의 내부에 고정시키는 고정단계(S200)와; 성형체가 고정된 실린더 블록용 몰드에 실린더 블록용 주조재 용탕을 주입하여 상기 성형체가 일체화된 실린더 블록을 주조하는 주조단계(S300)를 포함한다.
준비단계(S100)는 실린더 블록에서 실린더 라이너의 역할을 하는 부분을 준비하는 단계로서, 실린더 라이너용 원료 분말을 준비하고 혼합(S110)한 다음, 혼합된 우너료 분말을 이용하여 실린더 라이너 형상의 성형체를 가압하여 성형한다.(S120)
이때 실린더 라이너용 원료 분말은 강화상의 형상을 위하여 Al, TiO2 및 C를 준비한 다음 혼합한다. 그리고 실린더 라이너용 원료 분말에는 강화상의 형성온도를 낮추기 위하여 CuO를 더 혼합할 수 있다. 또한, 다양한 강화상을 형성시키기 위한 다양한 원료 분말을 더 추가 혼합할 수 있다. 예를 들어 WO3와 같은 분말을 더 혼합할 수 있다.
이때 원료 분말은 화학양론적 조성을 위하여 몰(mol)비를 기준으로 Al, TiO2 및 C이 8~27 : 2~4 : 2~4의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다. 이때 Al은 몰비를 기준으로 12~17mol이 혼합되는 것이 바람직하다. 그리고 CuO는 3~5mol로 혼합되는 것이 바람직하다.
다만, 제시된 몰비를 기준으로 원료 분말이 혼합되더라도 원료 분말이 이상적으로 균일하게 혼합되는 것이 아니기 때문에 기지성분인 Al의 양이 부족하여 원하는 수준의 강화상, 예를 들어 Al2O3 및 TiC가 원활하게 합성되지 않는다. 이렇게 부족한 Al양은 주조단계에서 제공되는 Al 기지의 실린더 블록용 주조재 용탕에 함유된 Al에 의해 보충되면서 원하는 수준(종류, 양)의 강화상이 형성된다.
상기에서 제시된 몰비로 원료 분말이 혼합되면 혼합된 원료 분말을 가압하여 실린더 라이너 형상으로 성형하여 성형체를 준비한다. 이때 실린더 라이너 형성의 성형체는 5000 ~ 7000psi 압력으로 압축성형하는 것이 바람직하다. 만약 5000psi 미만의 압력으로 성형하는 경우에는 후속 공정 중 성형체의 형상이 파괴되는 문제가 발생하고, 7000psi 초과의 압력으로 성형하는 경우에는 후속 공정 진행 후 강화상(TiC)의 합성이 원활하게 진행되지 않는 문제가 발생한다.
이렇게 실린더 라이너 형상의 성형체가 준비되면, 실린더 블록 주조용 몰드를 준비하고(S210), 준비된 성형체를 실린더 블록용 몰드의 내부에 고정시킨다(S220).(고정단계; S200)
고정단계(S200)는 실린더 라이너 형상의 성형체를 실린더 블록에 일체화 시키기 위한 준비단계로서, 실린더 블록을 주조하기 위한 몰드의 내부에 준비된 성형체를 장입하여 고정시킨다.
성형체의 고정이 완료되면, 몰드에 Al 기지의 실린더 블록용 주조재 용탕을 주입하여 성형체가 일체화된 실린더 블록을 주조한다(주조단계; S300). 부연하자면, 성형체가 고정된 실린더 블록용 몰드에 Al 기지의 실린더 블록용 주조재 용탕, 예를 들어 Al 또는 Al합금을 주입하여 상기 성형체가 일체화된 실린더 블록을 주조한다. 그러면 주조재 용탕의 온도에 의해서 성형체에 강화상이 합성(고온 자전 합성반응)되면서 성형체가 소결되고, 성형체와 실린더 블록이 일체화될 수 있다. 이때 실린더 블록의 주조는 고압주조 방법인 다이캐스팅 방법을 사용하여 주조하는 것이 바람직하다.
이렇게 다이캐스팅 방법으로 주조를 실시하는 이유는 주조재 용탕의 온도에 의해서 성형체에 열역학적 및 화학적으로 안정한 강화상이 자발적으로 합성되지만 소재내 조직의 치밀화가 부족한 단점이 있는데 이를 다이캐스팅 공정시 주조압력을 조절하여 치밀한 조직의 제품을 제작할 수 있기 때문이다. 이는 다이캐스팅 공정시 주조압력을 조절하면 주조재 용탕에 함유된 Al이 성형체에 침투하여 조직을 치밀하게 하는 것으로 확인되었다.
또한, Al 기지의 실린더 블록용 주조재 용탕은 다이캐스팅 방법을 사용하기 위하여 ADC12 합금을 사용할 수 있다.
한편, 상기 Al 기지의 실린더 블록용 주조재 용탕의 온도는 일반적인 다이캐스팅 공정 온도인 700 ~ 1000℃인 것이 바람직하다. 특히, 강화상의 원활한 형성을 위하여 상기 Al 기지의 실린더 블록용 주조재 용탕의 온도를 859 ~ 892℃로 제한하는 것이 좋다.
이렇게 주조재 용탕의 온도를 제한된 온도로 유지하면서 다이캐스팅을 실시하면 주조재 용탕의 온도에 의해서 성형체를 형성하는 원료 분말이 서로 합성되고, 특히 주조재 용탕에 함유된 알루미늄이 성형체에서 모자라는 알루미늄의 양을 보충하면서 다양한 종류의 강화상이 형성된다. 예를들어 강화상으로는 TiC, Al2O3 및 CuAl2와 함께 TiAl3 및 Cu2Ti3 등이 형성될 수 있다.
다음으로, 실험을 통하여 본 실시예에서 원료 분말의 혼합비율을 한정하는 이유를 설명한다.
도 2는 성형체의 Al 첨가량에 따른 DSC 분석 결과를 보여주는 그래프이며, 도 3은 성형체의 Al 첨가량에 따른 반응생성물의 차이를 보여주는 XRD 그래프이고, 도 4는 성형체의 Al 첨가량에 따른 TiC 합성온도의 변화를 보여주는 그래프이다.
본 실험에서는 Al 첨가량에 따른 반응생성물의 합성 경향을 알아보는 실험으로서, Al, TiO2 및 C를 준비한 다음 TiO2 및 C의 조성비는 고정하고 Al의 혼합비율을 조절(xAl-3TiO2-3C)하면서 반응생성물의 합성 경향을 알아보았다.
도 2 및 도 3에 나타나 바와 같이 Al의 혼합비율이 8mol, 17mol 및 27mol에서 TiC가 합성되는 것을 확인할 수 있었다.
Al의 혼합비율이 4mol에서는 TiC가 합성되지 않는 것을 확인할 수 있었다.
화학양론적으로는 4Al + 3TiO2 + 3C → 2Al2O3 + 3 Tic 와 같은 반응식이 성립되어야 하지만, 원료 분말이 이상적으로 균일하게 혼합되는 것이 아니기 때문에 기지성분인 Al이 부족하여 주변 성분들과 화학반응의 진행이 원활하게 진행되지 않은 것을 확인할 수 있었다.
또한, Al의 혼합비율이 40mol에서는 TiC가 합성되기는 하지만 원하는 수준으로 합성이 되지 않는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, TiC 합성을 위해서 성형체를 형성하는 원료 분말 중 Al의 몰비를 기준으로 8 ~ 27mol을 혼합하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 12~17mol을 혼합하는 것이 좋다.
한편, 도 4에 나타난 바와 같이 Al양 증가함에 따라 TiC 합성온도가 낮아지는 경향을 보인는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 도 2 내지 도 4에서 나타난 바와 같이 TiC 합성을 위해서는 Al을 보충하기 위하여 Al 기지의 주조재 용탕을 사용하는 다이캐스팅 공정이 필요하고, Al의 양을 조절하여 TiC 합성온도를 감소할 수 있음을 확인할 수 있었다. 특히, Al의 양을 조절하여 일반적인 다이캐스팅 공정 온도인 700 ~ 1000℃로 주조재 용탕의 온도를 조절하여 다이캐스팅 공정을 실시할 수 있음을 확인할 수 있었다.
다음으로, 보조 성분의 혼합비율에 따른 반응생성물의 합성 경향을 알아보는 실험을 실시하였다.
도 5는 성형체의 CuO 첨가량에 따른 DSC 분석 결과를 보여주는 그래프이고, 도 6은 성형체의 CuO 첨가량에 따른 TiC 합성온도의 변화를 보여주는 그래프이다.
본 실험은 기지내 소재 특성의 향상을 위하여 Cu를 첨가하기 위한 보조성분인 CuO의 첨가량에 따른 반응생성물의 합성 경향을 알아보는 실험으로서, Al, TiO2, C 및 CuO를 준비한 다음 Al, TiO2 및 C의 조성비는 고정하고 CuO의 혼합비율을 조절(16Al-3TiO2-3C-xCuO)하면서 반응생성물의 합성 경향을 알아보았다.
도 5에 나타난 바와 같이 CuO의 혼합비율이 증가할수록 TiC 부피분율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 다만, CuO의 혼합비율이 낮은 경우에는 TiC가 원하는 수준만큼 형성되지 않는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도 6에 나탄 바와 같이 CuO의 혼합에 의해 TiC 합성온도가 감소되는 것을 확인하였고, CuO의 혼합비율이 증가할수록 TiC의 합성온도가 감소되는 경향을 보였다.
따라서 CuO의 혼합비율은 몰비를 기준으로 3~5mol을 혼합하는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명에 따라 제조된 성형체가 일체화된 실린더 블록에 대하여 온도에 따른 반응생성물의 합성 경향을 알아보는 실험을 실시하였다.
도 7은 실린더 블록을 승온시키면서 승온에 따른 DSC 분석 결과를 보여주는 그래프이고, 도 8은 실린더 블록을 승온시키면서 승온에 따른 반응생성물의 차이를 보여주는 XRD 그래프이다.
본 실험은 Al이 충분히 공급된 상태에서 성형체가 온도에 따른 반응생성물의 합성 경향을 알아보는 실험으로서, Al, TiO2, C 및 CuO를 준비한 다음 혼합비율을 고정시킨 상태(17Al-3TiO2-3C-3CuO)로 성형체를 제작하고, Al의 추가 공급을 위하여 다이캐스팅 공정을 실시한 제품에 대하여 Ar 분위기에서 10℃/min으로 승온하면서 반응생성물의 합성 경향을 알아보았다. 이때 도 8은 도 7에 도시된 각 지점에서의 XRD 분석 결과이다.
도 7 및 도 8에 나타난 바와 같이 C 포인트 및 D 포인트에서 TiC가 합성되는 것을 확인할 수 있었지만, A 포인트 및 D 포인트에서는 TiC가 합성되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 보다 구체적인 반응생성물의 합성 경향은 아래의 표 1에 나타내었다.
[표 1]
Figure 112016040920208-pat00001
따라서, 강화상의 원활한 합성을 위하여 주조재 용탕의 온도는 700 ~ 1000℃로 한정하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 TiC의 원활한 합성을 위하여 주조재 용탕의 온도를 859 ~ 892℃로 한정하는 것이 좋을 것이다.
다음으로, 본 발명에 따라 제조된 성형체가 일체화된 실린더 블록의 미세조직 사진을 분석하였다.
도 9는 실린더 블록의 성형체에 해당되는 부분의 미세조직 사진이고, 도 10은 실린더 블록의 성형체에 해당되는 부분의 EPMA 분석결과를 보여주는 사진이다.
도 9 및 도 10에 나타난 성형체는 17Al-3TiO2-3C-3CuO의 혼합비율로 성형체를 제작하고, Al의 추가 공급을 위하여 다이캐스팅 공정을 실시한 제품에 대한 미세조직 사진 및 EPMA 분석결과이다.
도 9 및 도 10에 나타난 바와 같이 CuAl2 주위에 TiC가 균일하게 생성된 것을 확인할 수 있었고, 소재 전체적으로 기공이 없이 치밀한 구조가 형성된 것을 확인할 수 있었다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 자동차용 실린더 블록을 제조하는 방법으로서,
    실린더 라이너용 원료 분말을 이용하여 실린더 라이너 형상의 성형체를 준비하는 준비단계와;
    준비된 성형체를 실린더 블록용 몰드의 내부에 고정시키는 고정단계와;
    성형체가 고정된 실린더 블록용 몰드에 Al 기지의 실린더 블록용 주조재 용탕을 주입하여 상기 성형체가 일체화된 실린더 블록을 주조하되, 주조재 용탕의 온도에 의해서 성형체에 강화상을 합성시키면서 성형체를 소결시키는 주조단계를 포함하는 자동차용 실린더 블록 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 준비단계에서 상기 실린더 라이너용 원료 분말은 Al, TiO2 및 C를 혼합하는 자동차용 실린더 블록 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 주조단계에서는 Al 기지의 실린더 블록용 주조재 용탕에 포함된 Al 성분이 성형체를 형성하는 원료 분말과 반응하여 Al2O3 및 TiC가 합성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 실린더 블록 제조방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 실린더 라이너용 원료 분말은 몰(mol)비를 기준으로 Al, TiO2 및 C는 8~27 : 2~4 : 2~4로 혼합되는 것을 특징으로 하는 자동차용 실린더 블록 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 실린더 라이너용 원료 분말은 몰비를 기준으로 Al은 12~17mol이 혼합되는 것을 특징으로 하는 자동차용 실린더 블록 제조방법.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 실린더 라이너용 원료 분말은 몰비를 기준으로 CuO가 3~5mol 더 혼합되는 것을 특징으로 하는 자동차용 실린더 블록 제조방법.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 주조단계에서 상기 Al 기지의 실린더 블록용 주조재 용탕의 온도는 700 ~ 1000℃인 것을 특징으로 하는 자동차용 실린더 블록 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 주조단계에서 상기 Al 기지의 실린더 블록용 주조재 용탕의 온도는 859 ~ 892℃인 것을 특징으로 하는 자동차용 실린더 블록 제조방법.
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 준비단계에서 실린더 라이너 형성의 성형체는 5000 ~ 7000psi 압력으로 압축성형하는 것을 특징으로 하는 자동차용 실린더 블록 제조방법.
  11. 청구항 2에 있어서,
    상기 주조단계에서 상기 Al 기지의 실린더 블록용 주조재 용탕은 Al 또는 Al합금인 것을 특징으로 하는 자동차용 실린더 블록 제조방법.
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