KR101856381B1 - 실린더 헤드용 알루미늄 합금 - Google Patents

실린더 헤드용 알루미늄 합금 Download PDF

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이경문
이후담
이종국
민병호
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현대자동차주식회사
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    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads

Abstract

본 발명은 실린더가 작동되는 동안 형성되는 고온에서의 열전도도와 인장강도가 우수한 실린더 헤드용 알루미늄 합금에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 실린더 헤드용 알루미늄 합금은 차량의 엔진에 사용되는 실린더 헤드용 알루미늄 합금으로서, 중량%로, Si: 4.5 ~ 5.0%, Cu: 3.0 ~ 4.0%, Fe: 0.2 ~ 0.5%, Mn: 0.02% 이하(0% 제외), Mg: 0.1 ~ 0.3%, Zr: 0.1% 이하(0% 제외), Cr: 0.1 ~ 0.2%, 잔부 Al 및 불가피한 불순물을 포함하고, 강화상으로 Al(Fe,Cr)Si상이 1.0 ~ 2.3% 범위로 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

실린더 헤드용 알루미늄 합금{ALUMINUM ALLOY FOR CYLINDER HEAD}
본 발명은 실린더 헤드용 알루미늄 합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실린더가 작동되는 동안 형성되는 고온에서의 열전도도와 인장강도가 우수한 실린더 헤드용 알루미늄 합금에 관한 것이다.
실린더 헤드는 엔진의 주요 부품으로써, 연료 및 공기의 입구, 연소가스 출구 역할을 하는 부품이다. 통상 연소실 내 폭발에 따라 실린더 헤드의 하면 온도는 약 200℃까지 상승한다. 연소실의 온도가 상승하면, 연료의 자동 발화현상이 발생하여 노킹(knocking) 현상이 발생하게 된다. 노킹 현상이 발생하면 엔진의 내구성이 저하될 뿐만 아니라 연비가 저하되는 문제가 발생한다.
연소실 내의 노킹 현상을 방지하기 위해서는, 폭발이 일어난 후 발생된 열이 빠르게 방출되어야 한다. 따라서, 높은 열전도도를 갖는 소재로 실린더 헤드를 제작할 경우, 연소실에서 헤드로 전달된 열이 빠르게 외부로 방출되어 노킹 현상을 방지할 수 있으며, 이는 곧 연비 저감 효과를 나타낼 수 있다.
종래의 가솔린 엔진용 실린더 헤드는 Al-Si-Cu 계열의 합금인 AC2B 합금을 중력주조로 성형한 다음 T7 열처리를 실시하여제조되었다.
AC2B 합금은 중량%로, Si: 5.5 ~ 6.5%, Fe: 1.0%, Cu: 3.0 ~ 4.0%, Mn: 0.6%, Mg: 0.1%, Ni: 0.35%, Zn: 1.0%, 잔부 Al 및 불가피한 불순물을 포함한다.
상기와 같은 조성을 갖는 AC2B 합금의 물성을 살펴보면, T7 열처리를 거친 AC2B 합금은 항복강도 220MPa 이상, 인장강도 270MPa 이상, 신율 1.0% 이상, 열전도도 160W/mK@25℃, 165W/mK@200℃를 나타낸다.
AC2B 합금은 Al2Cu 강화상과 Si 정출물을 통해 강도 및 주조성이 향상된다. 그러나 이들 정출물이 지나치게 많이 생성될 경우, 열전도도를 낮추는 원인이 된다.
실린더 헤드는 고온의 환경하에서 높은 강도와 열전도도를 유지하여야 하는데, 종래의 AC2B 합금의 경우 강도는 충족하나 열전도도가 부족한 문제가 있었다.
따라서, 종래의 합금에 비해 동등하거나 그 이상의 강도를 유지하면서도, 실린더가 작동되는 동안 형성되는 고온(200℃)에서의 열전도도를 높게 유지할 수 있는 새로운 알루미늄 합금이 요구되고 있는 실정이다.
한국등록특허 제10-1646270호(2016.08.01)
본 발명은 실린더가 작동되는 동안 형성되는 고온에서의 열전도도와 강도를 모두 높게 유지할 수 있는 실린더 헤드용 알루미늄 합금을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 실린더 헤드용 알루미늄 합금은 차량의 엔진에 사용되는 실린더 헤드용 알루미늄 합금으로서, 중량%로, Si: 4.5 ~ 5.0%, Cu: 3.0 ~ 4.0%, Fe: 0.2 ~ 0.5%, Mn: 0.02% 이하(0% 제외), Mg: 0.1 ~ 0.3%, Zr: 0.1% 이하(0% 제외), Cr: 0.1 ~ 0.2%, 잔부 Al 및 불가피한 불순물을 포함하고, 강화상으로 Al(Fe,Cr)Si상이 1.0 ~ 2.3% 범위로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 알루미늄 합금은 200℃에서의 열전도도가 185W/mK 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 알루미늄 합금은 인장강도가 290MPa 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 알루미늄 합금은 Fe/Cr의 중량비가 1.0 ~ 2.5인 것을 특징으로 한다.
상기 알루미늄 합금에 형성된 강화상인 Al(Fe,Cr)Si상은 다각형상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 실린더 헤드용 알루미늄 합금에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 실린더가 작동되는 동안 형성되는 고온에서 높은 열전도도를 유지하여 노킹 현상을 방지할 수 있다.
둘째, 종래 합금 대비 동등하거나 그 이상의 강도를 유지하여 실린더 헤드용으로 사용이 가능하다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금의 온도별로 형성되는 강화상들의 종류 및 양을 나타낸 그래프이고,
도 4는 비교예 10에 따른 알루미늄 합금의 온도별로 형성되는 강화상들의 종류 및 양을 나타낸 그래프이며,
도 5는 종래 양산재에 형성되는 강화상을 보여주는 SEM 사진이고,
도 6은 본 발명이 실시예에 따른 알루미늄 합금에 형성되는 강화상을 보여주는 SEM 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 실린더 헤드용 알루미늄 합금에 대하여 설명하기로 한다.
우선 실린더 헤드용 알루미늄 합금은, 중량%로, Si: 4.5 ~ 5.0%, Cu: 3.0 ~ 4.0%, Fe: 0.2 ~ 0.5%, Mn: 0.02% 이하(0% 제외), Mg: 0.1 ~ 0.3%, Zr: 0.1% 이하(0% 제외), Cr: 0.1 ~ 0.2%, 잔부 Al 및 불가피한 불순물을 포함한다. 그리고 Fe/Cr의 중량비가 1.0 ~ 2.5인 것이 바람직하다.
특히, 본 발명에 따른 실린더 헤드용 알루미늄 합금은 강화상으로 Al(Fe,Cr)Si상이 1.0 ~ 2.3% 범위로 형성된다.
다음으로 각 성분별 수치한정의 이유에 대해 설명한다.
Si: 4.5 ~ 5.0%
규소(Si)는 주조성을 향상시키기 위해 첨가하는 원소로서, 주조성 및 강도의 확보를 위해 4.5% 이상의 첨가가 필요하지만, 5.0%를 초과하여 첨가되면 고온에서의 열전도도가 목표 수준으로 증가하지 않으므로 함량을 5.0% 이하로 제한한다.
Cu: 3.0 ~ 4.0%
구리(Cu)는 Al2Cu 계열의 석출상 및 AlCuFe 계열의 정출물을 형성하여 알루미늄 합금의 강도를 상승시키는 원소이다. 이를 위해 최소한 3.0% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나 4.0%를 초과하여 첨가할 경우, 강도는 향상되지만 열전도도가 저하되는 문제가 있다.
Fe: 0.2 ~ 0.5%
철(Fe)는 AlFeSi 상을 생성하여 강도를 향상시키고, 금형 소착 방지에 효과적인 원소이다. 또한, Cr과 함께 첨가될 경우 정출물이 다각형으로 변하여 열전도도와 신율 향상에 기여한다. 이러한 효과를 위해 0.2% 이상의 첨가가 필요하지만, 0.5%를 초과하여 첨가될 경우 철계 합금상의 분율이 증가되어 고온 열전도도가 저하되는 문제가 있다.
Mn: 0.02% 이하(0% 제외)
망간(Mn)은 응고 중 조직 내부에 미세상을 형성시켜 강도를 향상시키는 원소이다. 하지만, 과도하게 첨가될 경우 타원소의 효과를 저감시키는 단점이 발생되기 때문에 그 최대값을 0.02%로 제한하는 것이 바람직하다.
Mg: 0.1 ~ 0.3%
마그네슘(Mg)은 Mg2Si 강화상을 형성하여 강도를 향상시키는 원소이다. 이러한 강화 효과를 위해 0.1% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나 0.3%를 초과하여 첨가될 경우, 정출물의 생성이 증가되어 고온에서의 열전도도가 저하된다.
Zr: 0.1% 이하(0% 제외)
지르코늄(Zr)은 Al과의 정합성의 좋은 원소로서, 그 함량을 0.1%까지 제한할 경우 열전도도 향상을 기대할 수 있으나, 0.1%를 초과하여 첨가될 경우 Al3Zr 생성량이 증가하여 소재의 신율이 저하되는 단점이 있다.
Cr: 0.1 ~ 0.2%,
크롬(Cr)은 Fe계열의 정출물(AlFeSi)의 형상을 침상에서 다각형으로 변화시킴으로서 열전도도 및 신율 향상에 기여하는 원소이다. 정출물(AlFeSi)이 생성되는 함량을 원하는 수준으로 제어하기 위하여 Fe/Cr의 중량비율을 1.0 ~ 2.5로 제어할 필요가 있고, 이에 따라 Cr의 함량을 0.1 ~ 0.2%로 제어하는 것이 바람직하다.
전술한 성분들을 제외한 알루미늄 합금의 나머지는 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.
본 발명은 고온에서의 열전도도 및 강도 특성이 우수한 실린더 헤드를 제조하기 위하여 상기와 같은 조성을 갖는 용강을 통상의 실린더 헤드 제조방법을 사용하여 제조한다. 통상의 실린더 헤드 제조방법은 성분이 조정된 용강을 주조하여 성형품을 생산한 후 이를 용체화 처리하고, 이어서 시효 열처리를 실시한다.
[실시예]
이하 실시예를 사용하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
상업 생산되는 실린더 헤드의 생산 조건에 따라 최종 제품을 생산하는 실험을 실시하였으며, 다만 하기의 [표 1]과 같이 각 성분의 함량을 변경하면서 생산된 용강을 이용하여 주조된 성형품을 용체화 처리 및 시효 열처리를 실시하였다. 이때 비교예 10을 제외한 나머지 양산재, 실시예 및 비교예는 시효 열처리로 T7 열처리(온도 250℃)를 실시하였고, 비교예 10은 시효 열처리 온도를 270℃로 실시하였다.
구분 Si Cu Fe Mn Mg Zr Cr Fe/Cr
(중량비)		 Al(Fe,Cr)Si
(wt%)
양산재
(AC2B-T7)		 6.5 3.2 0.17 0.015 0.10 - - -
실시예 1 4.5 3.0 0.22 0.018 0.27 0.1 0.11 1.8 1.05
실시예 2 5.0 4.0 0.48 0.019 0.28 0.1 0.19 2.5 2.27
실시예 3 4.5 3.0 0.20 0.018 0.27 0.1 0.20 1.0 1.26
비교예 1 6.0 3.5 0.40 0.02 0.20 0.1 0.20 - -
비교예 2 4.0 3.5 0.40 0.02 0.20 0.1 0.20 - -
비교예 3 4.8 4.5 0.40 0.02 0.20 0.1 0.20 - -
비교예 4 4.8 2.5 0.40 0.02 0.20 0.1 0.20 - -
비교예 5 4.8 3.5 0.10 0.02 0.20 0.1 0.20 0.5 0.90
비교예 6 4.8 3.5 0.60 0.02 0.20 0.1 0.20 3.0 2.60
비교예 7 4.8 3.5 0.40 0.02 0.20 0.2 0.20 - -
비교예 8 4.8 3.5 0.40 0.02 0.20 0.1 0.05 8.0 1.50
비교예 9 4.8 3.5 0.40 0.02 0.20 0.1 0.30 1.3 2.35
비교예 10 5.0 4.0 0.50 0.019 0.29 0.1 0.20 2.5 2.38
한편, 상기와 같은 조건으로 생산된 실린더 헤더를 25℃ 및 200℃ 분위기에서 열전도도를 측정하였고, 25℃ 분위기에서 항복강도, 인장강도 및 신율을 측정하였으며, 그 결과를 [표 2]에 나타내었다.
구분 열전도도
(W/mK@25℃)		 열전도도
(W/mK@200℃)		 항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 신율
(%)
양산재(AC2B-T7) 160 165 218 300 2~4
실시예 1 183 197 194 305 2.6
실시예 2 173 187 203 300 2.2
실시예 3 181 196 196 296 2.4
비교예 1 165 175 - 309 -
비교예 2 172 187 181 278 2.7
비교예 3 168 178 192 310 1.9
비교예 4 171 186 174 267 2.9
비교예 5 175 181 185 284 2.2
비교예 6 165 176 189 303 1.3
비교예 7 167 176 189 294 1.8
비교예 8 168 178 179 268 1.5
비교예 9 169 180 185 277 1.4
비교예 10 166 175 190 264 1.2
[표 1] 및 [표 2]에 나타난 바와 같이 실시예들은 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 조성, 즉 Si: 4.5 ~ 5.0%, Cu: 3.0 ~ 4.0%, Fe: 0.2 ~ 0.5%, Mn: 0.02% 이하(0% 제외), Mg: 0.1 ~ 0.3%, Zr: 0.1% 이하(0% 제외), Cr: 0.1 ~ 0.2%, 잔부 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 만족하는 그룹으로서 200℃ 분위기에서 열전도도가 185W/mK 이상으로 유지되고, 항복강도 190MPa 이상, 인장강도도 290MPa 이상 및 신율 2.0 이상으로 유지된다.
또한, 강화상으로 Al(Fe,Cr)Si상의 분율이 각각 1.05wt%, 2.27wt% 및 1.26wt%로 생성되어 원하는 수준의 인장강도 및 열전도도를 확보할 수 있었다. 따라서 Al(Fe,Cr)Si상의 함량은 1.0 ~ 2.3wt% 수준으로 관리하는 것이 바람직하다. 여기서, Al(Fe,Cr)Si상의 함량은 Al-Fe-Si계열 상의 함량과 Al-Cr-Si계열 상의 함량을 합한 값을 의미한다.
반면에, 비교예 2 및 비교예 4는 Si 및 Cu의 함량이 제한값을 초과하여 첨가된 비교예로서 200℃ 분위기에서 열전도도는 185W/mK 이상을 만족하는 수준을 유지하지만, Al(Fe,Cr)Si상이 생성되지 않아 인장강도가 낮은 것을 확인할 수 있었다.
또한, 비교예 6은 Fe의 함량이 제한값을 초과하여 첨가된 비교예로서 Al(Fe,Cr)Si상이 제한값보다 많이 생성되어 인장강도는 만족하는 수준을 유지하지만, 200℃ 분위기에서 열전도도가 낮은 것을 확인할 수 있었다.
그리고 비교예 10은 각 합금 원소의 함량은 만족하지만 시효 열처리 온도가 상대적으로 높았기 때문에 Al(Fe,Cr)Si상이 제한값보다 많이 생성되어 인장강도 및 200℃ 분위기에서 열전도도가 낮은 것을 확인할 수 있었다. 특히, 신율이 상당히 저하되는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금의 온도별로 형성되는 강화상들의 종류 및 양을 나타낸 그래프이고, 도 4는 비교예 10에 따른 알루미늄 합금의 온도별로 형성되는 강화상들의 종류 및 양을 나타낸 그래프이다.
도 1 내지 도 4의 범례에서 AL13CR4SI4는 Al-Cr-Si계열의 강화상을 의미하고, ALFESI_BETA는 Al-Fe-Si계열의 강화상을 의미한다.
도 1은 실시예 1에 따른 알루미늄 합금의 온도별로 형성되는 강화상들의 종류 및 양을 나타낸 그래프로서, Al(Fe,Cr)Si상이 1.05% 형성된 것을 확인할 수 있었다.(0.35% [AlCrSi] + 0.7% [AlFeSi] = 1.05%)
도 2는 실시예 2에 따른 알루미늄 합금의 온도별로 형성되는 강화상들의 종류 및 양을 나타낸 그래프로서, Al(Fe,Cr)Si상이 2.27% 형성된 것을 확인할 수 있었다.(0.61% [AlCrSi] + 1.66% [AlFeSi] = 2.27%)
도 3은 실시예 3에 따른 알루미늄 합금의 온도별로 형성되는 강화상들의 종류 및 양을 나타낸 그래프로서, Al(Fe,Cr)Si상이 1.26% 형성된 것을 확인할 수 있었다.(0.64% [AlCrSi] + 0.62% [AlFeSi] = 1.26%)
반면에, 도 4는 비교예 10에 따른 알루미늄 합금의 온도별로 형성되는 강화상들의 종류 및 양을 나타낸 그래프로서, Al(Fe,Cr)Si상이 2.38% 형성된 것을 확인할 수 있었다.(0.64% [AlCrSi] + 1.74% [AlFeSi] = 2.38%)
도 1 내지 도 4 및 [표 2]의 결과로부터 비교예 10과 같이 합금 원소의 조성과 Fe/Cr 비율이 본 발명에서 제한하는 범위를 만족한다고 하더라도, Al(Fe,Cr)Si상 함량이 2.3%를 초과하여 형성되는 경우 열전도도가 급격하게 감소 (175W/mK 수준)하여 실린더 헤드 열효율 향상에 기여할 수 없다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 신율이 감소(1.2% 수준)하여 내구성을 요구하는 실린더 헤드에 적용하기 어렵다는 것도 확인할 수 있었다.
한편, 도 5는 종래 양산재에 형성되는 강화상을 보여주는 SEM 사진이고, 도 6은 본 발명이 실시예에 따른 알루미늄 합금에 형성되는 강화상을 보여주는 SEM 사진이다.
도 5는 [표 1]의 양산재에 따른 알루미늄 합금의 미세조직을 보여주는 SEM 사진으로서, Al-Fe-Si 계열의 정출상이 침상으로 형성되는 것을 확인할 수 있었다.
반면에, 도 6은 [표 1]의 실시예 3에 따른 알루미늄 합금의 미세조직을 보여주는 SEM 사진으로서, Al-Fe-Si 계열의 정출상이 침상이 아닌 다각형으로 형성되는 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 (5)

  1. 차량의 엔진에 사용되는 실린더 헤드용 알루미늄 합금으로서,
    중량%로, Si: 4.5 ~ 5.0%, Cu: 3.0 ~ 4.0%, Fe: 0.2 ~ 0.5%, Mn: 0.02% 이하(0% 제외), Mg: 0.1 ~ 0.3%, Zr: 0.1% 이하(0% 제외), Cr: 0.1 ~ 0.2%, 잔부 Al 및 불가피한 불순물을 포함하고, Fe/Cr의 중량비가 1.0 ~ 2.5이며, 강화상으로 Al(Fe,Cr)Si상이 1.0 ~ 2.3% 범위로 형성되고, 200℃에서의 열전도도가 185W/mK 이상인 것을 특징으로 하는 실린더 헤드용 알루미늄 합금.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 인장강도가 290MPa 이상인 것을 특징으로 하는 실린더 헤드용 알루미늄 합금.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 알루미늄 합금에 형성된 강화상인 Al(Fe,Cr)Si상은 다각형상인 것을 특징으로 하는 실린더 헤드용 알루미늄 합금.
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