KR101845450B1 - 인서트가 적용된 알루미늄 베드플레이트 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 베드플레이트의 제조방법에 관한 것으로서, 인서트 표면을 저융점 소재로 코팅하는 것에 의해 부품의 강성을 확보하는 제조방법에 관한 것이다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 인서트가 주조되는 인서트 주조단계; 상기 주조된 인서트가 알루미늄에 비하여 저융점인 소재로 코팅되는 코팅단계; 및 상기 코팅된 인서트가 금형에 장착된 후 알루미늄으로 고압주조 되는 고압주조단계;를 포함하는 인서트가 적용된 알루미늄 베드플레이트의 제조방법을 제공한다.

Description

인서트가 적용된 알루미늄 베드플레이트 및 그의 제조방법{Bed-Plate Applied With an Insert and The Method of Manufacturing Thereof}

본 발명은 베드플레이트의 제조방법에 관한 것으로서, 인서트 표면을 저융점 소재로 코팅하는 것에 의해 부품의 강성을 확보하는 제조방법에 관한 것이다.

최근 전 세계적으로 환경오염으로 인한 문제가 가장 중요한 문제로 떠오르면서 환경 오염 물질을 줄이기 위하여 전 산업분야에서 이 문제를 해결하기 위하여 노력하고 있다. 특히 자동차의 배기가스로 인하여 배출되는 이산화탄소로 인하여 지구 온난화로 인한 문제는 심각한 상황이다. 이에 따라 특히 자동차 산업분야는 CO₂의 배출량을 줄이기 위하여 다양한 방법으로 해결책을 제시하고 있다.

이에 대한 대표적인 방법으로 차량의 연비를 증가시켜 단위 리터당 차량의 주행거리를 증가시키는 방법과 차량의 부품 등의 무게를 감소시키는 방법이 있다. 다만, 차량의 부품의 무게를 감소시키는 경우 차량 부품의 강성 및 내구성 등이 저하되어 차량에 탑승한 승객의 안전에는 문제가 발생하는 바, 상기와 같은 문제를 해결하는 것이 자동차 관련 산업의 큰 관심사이다.

상기 문제를 해결하기 위한 방법 중 하나가 차량에 적용되는 중량이 많이 나가는 철계 재질을 밀도가 낮은 알루미늄으로 대체 적용하는 것이다. 이러한 재질 변경에 있어서 발생하는 문제로, 알루미늄이 적용된 부품은 철계 재질이 적용된 부품에 비하여 기계적 물성이 떨어지는 문제점이 있다.

차량에 적용되는 부품 중 베드 플레이트(bed plate)는 주된 베어링과 실린더 블록, 엔진 프레임 등을 지지하는 부품을 말한다. 일반적으로 엔진 실린더블록 하부에 위치하며 로워크랭크케이스(lower crankcase)라고 불린다.

종래기술에서는 베드플레이트는 주철재를 이용하여 제조하였지만, 최근 차량의 다양한 부품 등의 경량화를 위하여 알루미늄을 이용하여 베드플레이트를 제조하는 경우가 증가하고 있는 추세이다. 그러나 상기의 알루미늄이 적용된 부품의 기계적 물성이 철계 재료가 적용된 부품에 비하여 떨어지는 문제로 인하여 하나의 부품 안에서 직접적으로 하중을 많이 받는 부분에는 주철 인서트(insert)를 적용하고 그 이외의 부분을 알루미늄으로 채우는 방식을 적용하고 있다.

종래기술은 주철 인서트를 별물로 제조한 후 금형에 안착시키고 알루미늄 용탕을 주입시켜 바깥살을 채우고 있다. 그러나, 상기의 종래기술로는 알루미늄과 주철의 경계면에 충분한 접착력을 가질 수 없기에 과도한 하중이 부품에 가해지는 경우 주철 인서트와 알루미늄의 계면(경계면)에서 파손이 발생하여 그로 인한 문제가 발생하게 되었다. 또한, 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 인서트 재질의 등급을 FC250에서 FCD500으로 높이는 등의 방법을 적용하고 있지만 인서트에 적합한 재질을 적용하는 것에는 한계가 있으므로 이를 극복할 수 있는 물성을 향상시키는 해결책이 필요한 실정이다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 부품의 강성을 확보하기 위한 인서트가 적용된 알루미늄 베드플레이트의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 부품의 기계적 물성이 약한 부분을 국부적으로 강화시킬 수 있는 인서트가 적용된 알루미늄 베드플레이트를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 인서트가 주조되는 인서트 주조단계; 상기 주조된 인서트가 알루미늄에 비하여 저융점을 갖는 소재로 코팅되는 코팅단계; 및 상기 코팅된 인서트가 금형에 장착된 후 알루미늄으로 고압주조 되는 고압주조단계;를 포함하는 인서트가 적용된 알루미늄 베드플레이트의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 저융점을 갖는 소재는 아연 합금인 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 아연 합금은 알루미늄-아연 합금인 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 알루미늄-아연 합금은 아연의 함량이 합금 전체 중량에 대하여 20 ~ 38 wt% 인 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 인서트 주조단계와 코팅 단계 사이에 인서트가 예열되는 예열단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 고압주조단계 이후 열처리 또는 국부 가열을 하는 열처리 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 열처리단계는 상기 고압주조에 의하여 제조된 베드플레이트의 일면이 200 ~ 240℃로 가열되며, 상기 일면의 반대면이 냉각되는 것이 바람직하다.

상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 상기 제조 방법에 의하여 제조된 인서트가 적용된 알루미늄 베드플레이트를 제공한다.

본 발명의 제조방법에 의하면 부품의 강성을 확보하기 위한 인서트가 적용된 알루미늄 베드플레이트의 제조방법을 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 인서트가 적용된 알루미늄 베드플레이트에 의하면, 부품의 기계적 물성이 약한 부분을 국부적으로 강화시킬 수 있는 인서트가 적용된 알루미늄 베드플레이트를 제공하는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 인서트가 적용된 알루미늄 베드 플레이트의 제조방법의 순서도.
도 2는 종래기술에 따른 베드플레이트의 주철 인서트와 제품 내부의 계면을 나타낸 확대사진도.
도 3은 종래기술에 따른 베드플레이트의 알루미늄 인서트와 제품 내부의 계면을 계면을 나타낸 확대사진도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 인서트가 적용된 알루미늄 베드 플레이트의 제조방법의 순서도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조재의 실리콘함량에 따른 액상선과 고상선을 나타낸 그래프도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 아연함량에 따른 액상선과 고상선을 나타낸 그래프도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 일 측면에서 인서트 표면을 저융점 소재로 코팅하는 것에 의해 부품의 강성을 확보하는 제조방법에 관한 것이다.

차량의 연비 향상을 위하여 자동차 업계에서는 차량을 경량화하는 방법을 다양한 부품에서 적용하고 있다. 그 중 하나가 차량에 적용되는 소재 중 철계 재질을 저밀도 소재인 알루미늄으로 대체하는 것이지만 알루미늄은 기계적 물성이 낮은 문제점이 있었다. 특히 베드플레이트는 종래에 주철재를 이용하여 제조하였으나 경량화를 위하여 알루미늄으로 소재를 대체적용하고 있다.

통상적으로 베드 플레이트(Bed plate)는 엔진 실린더블록 하부에 위치하여 로워크랭크케이스(lower crank case)라고도 불리우며, 베트 플레이트는 크랭크샤프트를 지지하고 연소압에 의한 하중을 견디기 위해 충분한 강성이 확보 되어야 한다.

상기와 같은 방법으로 제조된 알루미늄 베드플레이트는 기계적 물성이 낮은 문제로 인하여 종래에는 고강도가 요구되는 곳에는 주철 인서트(1)를 적용하고 이를 금형에 안착시킨 후 그 외각 부분을 알루미늄으로 채우는 방법 즉, 주철 인서트(1)를 별물로 제조한 후 금형에 안착시키고 알루미늄 용탕을 주입하여 바깥살을 채우는 방법을 적용하고 있었다.

도 1은 종래기술에 따른 인서트가 적용된 알루미늄 베드 플레이트의 제조방법의 순서도이다. 종래에는 인서트 주조단계(S11)에서 주철 인서트(1)를 별도로 주조 후, 상기 주철 인서트(1)를 장착단계(S13)에서 금형에 주철 인서트(1)를 장착 하였다. 이후, 상기 주철 인서트(1)가 장착된 알루미늄 용탕을 고압으로 주입하는 고압주조단계(S15)로 제조하였다.

그러나 종래기술은 주철 인서트(1)와 알루미늄 주조재(3) 사이에 충분한 계면 접착력을 가질 수 없기에 큰 하중이 가해지는 경우 주철 인서트와 알루미늄 주조재(3)의 경계면에 파손이 발생하는 문제가 발생하였다.

도 2는 종래기술에 따른 베드플레이트의 주철 인서트(1)와 제품 내부의 계면을 나타낸 확대사진도이다. 상기 도2와 같이 주철 인서트(1)와 알루미늄 주조재(3)의 계면이 접합되지 않고 간극이 있는 것을 확인할 수 있다.

상기의 문제점을 해소하기 위하여 위해 주철 인서트(1)에 적용되는 재질의 등급을 높이는 방법 즉, FC250소재에서 FCD500소재로 변경하여 적용하는 방법을 이용하였지만, 주철 인서트(1)에 적합한 재질을 적용하는 데에는 한계가 있어 현재 이러한 한계를 극복할 수 있는 물성 향상 방안이 필요한 실정이다.

도 3은 종래기술에 따른 베드플레이트의 알루미늄 인서트(5)와 제품 내부의 계면을 나타낸 확대사진도이다. 나아가, 상기 주철 인서트(1)와 알루미늄 주조재(3)의 계면이 접합되지 않는 문제점을 해결하기 위하여 주철 인서트(1) 대신 알루미늄 인서트(5)를 적용하는 방안도 고려할 수 있지만 상기 도3과 같이 알루미늄 인서트(5)와 알루미늄 주조재(3) 사이에 계면 간의 간극이 여전히 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 상기의 계면 간의 간극이 형성되는 것을 방지하기 위하여 알루미늄보다 저융점을 갖는 접합제가 요구되었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 인서트가 주조되는 인서트 주조단계(S101); 상기 주조된 인서트가 알루미늄에 비하여 저융점을 갖는 소재로 코팅되는 코팅단계(S103); 및 상기 코팅된 인서트가 금형에 장착된 후 알루미늄으로 고압주조 되는 고압주조단계(S109);를 포함한다. 나아가, 상기 저융점 소재는 아연 합금인 것을 특징으로 하며, 상기 아연 합금은 알루미늄-아연 합금인 것을 특징으로 하고, 상기 알루미늄-아연 합금은 아연의 함량이 합금 전체 중량에 대하여 20 ~ 38 wt% 인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 인서트 주조단계(S101)와 코팅단계(S103) 사이에 인서트가 예열되는 예열단계(S105);를 더 포함하며 상기 고압주조단계 이후 열처리 또는 국부 가열을 하는 열처리 단계(S111);를 더 포함하고, 상기 열처리단계(S111)는 상기 고압주조에 의하여 제조된 베드플레이트의 일면이 200 ~ 240℃로 가열되며, 상기 일면의 반대면이 냉각되는 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로 설명하면, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 인서트가 적용된 알루미늄 베드 플레이트의 제조방법의 순서도이다. 우선 인서트를 주조하여 제조하는 인서트 주조단계(S101)를 거친 후, 알루미늄 보다 저융점을 갖는 소재를 이용하여 인서트 표면에 융착 즉, 코팅을 시키는 코팅단계(S103)를 거친다. 이후, 주조된 인서트를 금형의 온도와 유사한 수준으로 예열하는 예열단계(S105)를 거친다. 상기 예열단계(S105) 이후, 인서트를 금형에 장착시키는 장착단계(S107)를 거친다. 인서트를 금형에 장착 후, 알루미늄 용탕을 금형에 고압으로 주입하여 알루미늄 제품을 주조하는 고압주조단계(S109)를 통하여 주조제품을 제작한다. 이로 인하여 인서트의 표면은 알루미늄 용탕보다 낮은 온도에서 녹기 때문에 인서트의 외부에 주조된 알루미늄 주조재(3)보다 더 강한 화학적 결합으로 체결된다. 그러나 고압주조 특성상 냉각속도가 빠르므로 화학적 결합이 충분하지 못할 가능성이 존재하므로 열처리단계(S111)에서 상기 고압주조단계를 거친 제품의 추가적인 열처리를 통하여 화학적 결합을 강화시키거나 국부 가열을 통해 필요한 부분에서 충분한 화학적 결합을 갖도록 한다.

나아가, 본 발명의 일실시예에 따르면, 우선 주철 인서트(1)를 주조를 통하여 제작한다. 상기 주조를 통하여 제작된 인서트(1)를 저융점을 갖는 소재인 아연 합금을 인서트 표면에 코팅하기 위하여 아연 합금 용탕에 충분히 담궈 상기 인서트(1) 표면에 아연 합금과 상기 인서트(1) 간의 화학적 결합을 하도록 유도한다. 이후, 상기 제조된 인서트(1)를 고압주조에 이용되는 금형의 온도와 유사한 수준으로 예열한 후 상기 인서트(1)를 고압주조에 이용되는 금형에 안착시키고 알루미늄 용탕을 금형 내부에 고압으로 주입하여 주조를 실시한다. 상기의 방법으로 주조된 베드플레이트의 하단 끝단부 계면을 추가적으로 열처리하여 인서트 표면에 코팅된 아연 합금이 고압주조를 통하여 추가적으로 주조된 알루미늄 합금과 충분한 화학적 결합이 될 수 있도록 한다. 나아가, 상기의 열처리단계(S111) 중 고압주조품의 온도가 올라가는 경우 블리스터 등의 결함을 야기할 수 있으므로 상기 고압주조품의 전반적인 온도가 상승되지 않도록 반대편에 냉각을 적용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 인서트 표면에 코팅되는 아연 합금은 다양한 합금화를 통해 상기 인서트와 주조재간의 계면의 간극 형성하는 문제를 방지할 수 있으나 불필요한 금속간의 화합물이 생성되는 것을 방지하기 위하여 알루미늄 용탕이 적용되는 고압주조단계에서는 알루미늄-아연 합금이 적용되는 것이 가장 바람직하다.

더 나아가, 상기 알루미늄-아연 합금은 아연의 함량이 합금 전체 중량에 대하여 20 ~ 38 wt% 인 것이 바람직하다. 종래기술은 고압주조단계(S109)에서의 알루미늄 용탕은 급속도로 유동하여 금형 내부에 채워지므로 알루미늄 용탕이 재워지는 시간 동안 금형 및 인서트에 지속적으로 열전달이 이루어지지는 않았다. 그러나, 본 발명은 액상선을 지나면서 고체가 생성되어 유동이 늦어지므로 인서트에 지속적인 열전달이 이루어진다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 주조재의 실리콘 함량에 따른 액상선(11)과 고상선(13)을 나타낸 그래프도이다. 상기 도5의 가로축은 알루미늄-실리콘 합금의 전체중량 대비 실리콘의 함량 wt%에 해당하며, 세로축은 절대온도를 나타낸다. 상기 도5와 같이 알루미늄-실리콘합금은 실리콘의 성분이 전체 중량의 10wt%일 때 액상선(11)이 615℃에 위치하며, 고상선(13)은 575℃에 위치하는 것을 확인할 수 있다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 아연함량에 따른 액상선(21)과 고상선(23)을 나타낸 그래프도이다. 상기 도6의 가로축은 알루미늄-아연합금의 전체중량 대비 아연의 함량 wt%에 해당하며, 세로축은 절대온도를 나타낸다. 상기 도6에서 아연이 38wt%미만일 때, 액상선(21)의 위치는 615℃이상을 유지하며, 아연이 20wt%미만일 때, 고상선(23)의 위치는 575℃미만을 유지하는 것을 확인할 수 있다.

순수한 아연은 융점이 약 420℃ 정도이지만 고압주조용 알루미늄 합금의 액상선(11)은 약 615℃ 정도이므로 순수한 아연의 용점은 고압주조용 알루미늄 합금에 비해 매우 낮기 때문에 순수한 아연을 적용할 경우 제 위치에서 접합되지 않고 용해되어 충분한 화학적 결합이 생기지 못한다. 따라서, 인서트 표면에 코팅되어 접합제로 사용된 아연합금은 응고가 이루어져 유동을 최소화 해야 한다. 결국 상기와 같은 이유로 알루미늄 합금의 액상선(11)인 615℃ 에서 접합제인 아연합금 역시 고상화가 진행되도록 합금 조성비를 제한한다. 알루미늄-아연합금에서 아연 함량이 38wt% 이하일 때 액상선이 615℃ 이상을 유지한다.

반면, 아연 합금이 접합제로서 효과를 갖기 위해서는 고상선(23)이 고압주조용 합금보다 낮아야 한다. 상기 도6과 같이 알루미늄-아연 합금에서 아연 함량이 20wt% 미만일 때, 고압주조에 적용되는 알루미늄 합금의 고상선(23)인 575℃ 보다 낮게 형성된다.

결국 상기의 이유로 상기 알루미늄-아연 합금은 아연의 함량이 합금 전체 중량에 대하여 20 ~ 38 wt%인 것이 바람직하다.

상기의 알루미늄-아연 합금은 종래기술의 T5 열처리인 220℃ 시효처리 온도에서 알루미늄과 아연 상으로 분리되므로 추후 T5 시효처리를 하는 경우 안정하게 상분리되어 치수안정성도 얻을 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 제조방법에 의하면 부품의 강성을 확보하기 위한 인서트가 적용된 알루미늄 베드플레이트의 제조방법을 제공할 뿐만 아니라 부품의 취약한 부분을 국부적으로 강도를 상승시킬 수 있어 제조단가 상승을 최소화 하는 효과가 있다.

한편, 본 발명은 다른 일 측면에서 인서트 표면을 저융점 소재로 코팅하는 것에 의해 부품의 강성을 확보하는 제조방법에 의하여 부품의 기계적 물성이 약한 부분을 국부적으로 강화시킬 수 있는 인서트가 적용된 알루미늄 베드플레이트 관한 것이다. 본 발명의 인서트가 적용된 알루미늄 베드플레이트에 의하면, 부품의 기계적 물성이 약한 부분을 국부적으로 강화시킬 수 있는 인서트가 적용된 알루미늄 베드플레이트를 제공하는 효과가 있다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

S11 : 인서트 주조단계
S13 : 장착단계
S15 : 고압주조단계
S101 : 인서트 주조단계
S103 : 코팅단계
S105 : 예열단계
S107 : 장착단계
S109 : 고압주조단계
S111 : 열처리단계
1 : 주철 인서트
3 : 알루미늄 주조재
5 : 알루미늄 인서트
11 : 알루미늄 주조재의 액상선
13 : 알루미늄 주조재의 고상선
21 : 접합제의 액상선
23 : 접합제의 고상선

Claims (8)

1. 인서트가 주조되는 인서트 주조단계;
   상기 주조된 인서트가 알루미늄에 비하여 저융점을 갖는 소재로 코팅되는 코팅단계; 및
   상기 코팅된 인서트가 금형에 장착된 후 알루미늄으로 고압주조 되는 고압주조단계;를 포함하며,
   상기 저융점을 갖는 소재는 알루미늄-아연 합금이고,
   상기 알루미늄-아연 합금은 합금 전체 중량에 대하여 20 ~ 38 wt% 의 아연, 나머지 알루미늄 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 인서트가 적용된 알루미늄 베드플레이트의 제조방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 인서트 주조단계와 코팅 단계 사이에 인서트가 예열되는 예열단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인서트가 적용된 알루미늄 베드플레이트의 제조방법.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 고압주조단계 이후 열처리 또는 국부 가열을 하는 열처리 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인서트가 적용된 알루미늄 베드플레이트의 제조방법.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 열처리단계는 상기 고압주조에 의하여 제조된 베드플레이트의 일면이 200 ~ 240℃로 가열되며, 상기 일면의 반대면이 냉각되는 것을 특징으로 하는 인서트가 적용된 알루미늄 베드플레이트의 제조방법.
   
8. 제1항, 제5항 또는 제6항 중 어느 한 항의 제조 방법에 의하여 제조된 인서트가 적용된 알루미늄 베드플레이트.

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