KR102452692B1 - 알루미늄 실린더블록용 열처리 코일 부재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고압주조에 의해 제조되는 알루미늄 실린더블록을 고주파 용체화하는 단계, 상기 고주파 용체화하는 단계 후 상기 알루미늄 실린더블록을 급랭시키는 단계 및 시효 열처리하는 단계를 포함하는 알루미늄 실린더블록의 열처리 방법으로서, 본 발명에 의하면, 고압주조로 제조되는 알루미늄 실린더블록을 기존의 T6 열처리와 같은 강도 향상 효과를 발휘할 수 있다.

Description

알루미늄 실린더블록용 열처리 코일 부재{HEAT TREATMENT COIL MEMBER FOR ALUMINIUM CYLINDER BLOCK}

본 발명은 알루미늄으로 제조되는 실린더블록을 열처리하는 방법과 그 방법을 위해 사용되는 열처리 코일부재에 관한 것이다.

실린더블록은 혼합기의 연소, 팽창에 따라 높은 열과 큰 힘을 받는 피스톤이 왕복 운동하는 가이드의 역할과 크랭크샤프트를 견고히 지지하는 역할을 한다.

또한, 엔진의 전체 부품이 직간접적으로 실린더블록에 장착되기 때문에 충분한 강도와 높은 강성이 요구된다.

승용차의 경우에 엔진은 차량 중량의 10~15%를 차지하고, 그 중 15~20%를 실린더블록이 차지하기 때문에 강성을 유지한 상태에서 가능한 한 경량화해야 하는 것이 실린더블록의 요건 중 하나이다.

그래서, 최근에는 주철 대신 알루미늄 합금의 사용이 증가하고 있으며, 이는 알루미늄이 스틸에 비해 가볍고 열전달이 우수하여 엔진용으로 이상적인 소재라고 여겨지고 있기 때문이다.

다만, 알루미늄을 고압주조하여 제조되는 실린더블록은 높은 생산성 및 주철 대비 경량화의 장점이 있지만, 엔진의 출력이 높아질 경우 저널부의 강도 확보에 있어 문제가 생길 수 있다.

종래에 고압주조 제품의 경우에는 강도 향상을 위해 도 1과 같이 시효 열처리하는 T5 열처리를 적용하고 있는데, 이는 고압주조 제품의 치수안정성 확보는 가능하나, 강도 향상의 효과는 미비한 한계가 있다.

그리고, 알루미늄 주조품의 강도 향상을 위해서는 도 2와 같이 용체화 처리와 시효 처리를 통해 강도를 향상시키는 T6 열처리를 적용할 수 있는데, 이는 최대 인장 강도의 획득이 가능하나, 저압주조 및 중력주조에는 적용이 가능하지만 고압주조 제품에는 적용하기가 어렵다.

그 이유는 첫째로 내부 기포 결함으로 인해 용체화 열처리 시 내부 기포가 팽창하는 블리스터 문제가 발생하고, 둘째로 용체화 열처리 후 급냉 시 알루미늄과 주철의 이종 재질 간의 열팽창 차이로 라이너 크랙이 발생하게 된다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

한국공개특허공보 제10-2011-0129698호 일본공개특허공보 제1992-276020호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 고압주조로 제조되는 알루미늄 실린더블록을 기존의 T6 열처리와 같은 강도 향상 효과를 발휘할 수 있도록 하는 알루미늄 실린더블록의 열처리 방법 및 이에 사용되는 알루미늄 실린더블록용 열처리 코일 부재를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 알루미늄 실린더블록의 열처리 방법은, 고압주조에 의해 제조되는 알루미늄 실린더블록을 고주파 용체화하는 단계, 상기 고주파 용체화하는 단계 후 상기 알루미늄 실린더블록을 급랭시키는 단계 및 시효 열처리하는 단계를 포함한다.

상기 고주파 용체화하는 단계는, T6 열처리 공정의 용체화 온도보다 높은 용체화 온도로 진행되고, T6 열처리 공정의 용체화 시간보다 짧은 용체화 시간 동안 진행되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고주파 용체화하는 단계는, 상기 알루미늄 실린더블록의 저널부에 열처리 코일 부재를 안착시켜, 국부적으로 유도 가열하는 것을 특징으로 한다.

다음으로, 본 발명의 일 관점에 의한 알루미늄 실린더블록용 열처리 코일부재는, 실린더블록의 저널부의 외면 형상에 대응되는 단면상 호의 형상을 갖는 호형 코일부를 포함하고, 동일한 단면 형상을 갖는 상기 호형 코일부가 복수의 열로 배열되며, 하나의 열에 구성되는 상기 호형 코일부는 다른 열에 구성되는 상기 호형 코일부와 서로 연결되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 복수의 열을 구성하는 하나의 열에는 동일한 중심을 가지고 호의 길이가 다른 복수의 호형 코일부가 배열되는 것을 특징으로 한다.

또한, 각 열의 호형 코일부를 포함하는 평면은 서로 평행한 것을 특징으로 한다.

나아가, 호의 길이가 가장 큰 호형 코일부의 하면에 결합되는 부도체를 더 포함할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 또 다른 일 관점에 의한 알루미늄 실린더블록용 열처리 코일부재는, 크랭크샤프트가 지지되는 실린더블록의 엣지부의 외면 형상에 대응되는 단면상 호의 형상을 갖는 엣지 안착 코일부가 2열로 배열되고, 상기 엣지부의 일 측면과 다른 일 측면을 각각 덮으며 안착되는 단면상 호의 형상을 갖는 엣지 측면 코일부가 2열로 배열되며, 제1 열의 엣지 안착 코일부의 일 측과 제1 열의 엣지 측면 코일부의 일 측이 연결되고, 제2 열의 엣지 안착 코일부의 일 측과 제2 열의 엣지 측면 코일부의 일 측이 연결되며, 둘 중 하나의 엣지 안착 코일부의 타 측이 둘 중 하나의 엣지 측면 코일부의 타 측과 연결되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 엣지 안착 코일부의 상면에 결합되는 부도체를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 알루미늄 실린더블록의 열처리 방법에 의하면, 개량된 T6 열처리에 의해 알루미늄 실린더블록을 열처리함으로써 기존의 T6 열처리와 동등 수준의 강도 향상이 가능하게 한다.

이는 Si 구상화 및 Al₂Cu 강화상 생성을 통해 알 수 있으며, 항복강도가 20% 이상 향상되는 것으로 확인할 수 있다.

그러므로, 종래 고압주조에 의한 실린더블록에 적용되던 T5 열처리에 대비하여 20% 이상의 강도 향상 효과를 발휘한다.

그리고, 이와 같은 강도 향상이 가능하기 때문에 실린더블록의 저널부 살빼기를 통해 경량화 효과를 가져올 수 있다.

또한, 열처리 시간의 단축 및 에너지 절감의 경제적 효과 또한 얻을 수 있다.

도 1은 기존의 T5 열처리 공정을 도시한 것이다.
도 2는 기존의 T6 열처리 공정을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 알루미늄 실린더블록의 열처리 방법을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 의한 알루미늄 실린더블록의 열처리 방법을 순서적으로 도시한 것이다.
도 5는 알루미늄 실린더블록을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 알루미늄 실린더블록용 열처리 코일 부재를 도시한 것이고, 도 7은 이의 단면 형상을 도시한 것이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 알루미늄 실린더블록용 열처리 코일 부재의 적용 예시를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 알루미늄 실린더블록용 열처리 코일 부재를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 알루미늄 실린더블록용 열처리 코일 부재의 적용 예시를 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 알루미늄 실린더블록용 열처리 코일 부재를 도시한 것이고, 도 13은 이의 열분포 해석결과를 도시한 것이다.
도 14 내지 도 16은 본 발명에 의한 알루미늄 실린더블록의 열처리 방법에 따른 실험 결과이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

도 3은 본 발명에 의한 알루미늄 실린더블록의 열처리 방법을 도시한 것이고, 도 4는 본 발명에 의한 알루미늄 실린더블록의 열처리 방법을 순서적으로 도시한 것이다.

본 발명에 의한 알루미늄 실린더블록은 실린더 블록을 고압주조에 의해 제조하고(S10), 이를 고주파 열처리(S20) 후 급랭(S30, quenching)시키고 시효 열처리(S40)하는 열처리 과정을 거친 후 후처리(S50)에 의해 제조한다.

이는 기존의 T6에 의한 용체화(solution treatment)와 달리 고주파 용체화(induction solution treatment)를 통해 단축된 시간동안 용체화 후 급랭시킴으로써 블리스터 발생 문제없이 고압주조 제품에 적용될 수 있게 한다.

즉, 본 발명에 의한 고주파 용체화 열처리는 후술할 열처리 코일 부재를 이용하여 저널부 등을 국부적으로 가열시키며, 이때 온도는 기존 T6보다 높은 온도로 가열시킨다.

이는 가열 시간을 최소화하기 위함이며, 도시의 예시와 같이 530℃에서 2분간 열처리를 진행함으로써 강화 원소의 이동 속도를 증가시킨다.

그리고, 가열 후 워터 분사 노즐을 이용하여 가열시킨 저널부 등을 약 20초 간 급랭시켜 저널부 온도를 약 80℃까지 떨어뜨린다.

이후 시효 열처리(aging)에 의하며, 이는 기존의 T5 열처리와 같은 수준으로 220℃, 2.5hrs을 적용할 수 있다.

이러한 고주파 용체화 열처리(S20)와 이를 위한 열처리 코일 부재를 도 5 내지 도 9를 참조하여 이하에서 설명한다.

도 5는 알루미늄 실린더블록을 도시한 것이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 알루미늄 실린더블록용 열처리 코일 부재를 도시한 것이고, 도 7은 이의 단면 형상을 도시한 것이며, 도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 알루미늄 실린더블록용 열처리 코일 부재의 적용 예시를 도시한 것이다.

본 발명에 의한 알루미늄 실린더블록의 열처리 방법의 고주파 용체화 열처리(S20)는 실린더블록(C)의 저널부(A)에 국부적으로 적용하며, 이를 위한 열처리 코일 부재의 일 실시예는 도 6과 같다.

본 발명의 일 실시예에 의한 알루미늄 실린더블록용 열처리 코일 부재(100)는 저널부의 외면 형상에 대응되는 단면상 호형 코일부와 호형 코일부로부터 연장되는 수직 코일부를 포함한다.

그리고, 호형 코일부는 복수의 열로 배열되어 저널부의 외면에 안착될 수 있게 마련된다.

도 6에 도시된 일 실시예로서의 열처리 코일 부재(100)는 호형 코일부가 두 개의 열로서 나란하게 배열되는데, 각각의 열에서는 동일한 중심을 가지고 호의 길이가 다른 복수의 호형 코일부가 도시와 같이 같은 열에 배치된다.

즉, 제1 열의 호형 코일부(111, 112, 113, 114)는 동일한 호의 중심을 가지면서 호의 길이가 다른 호형 코일부로 구성된다.

그리고, 제2 열의 호형 코일부(121, 122)는 제1 열의 호형 코일부(111, 112, 113, 114)와 단면상 동일한 4개의 호형 코일부가 나란히 배치되고, 제2 열의 호형 코일부를 포함하는 평면과 제1 열의 호형 코일부를 포함하는 평면은 평행을 이룬다.

다만, 도시에서 제2 열의 호형 코일부의 부호는 두 개만 표시되었다.

각각의 호형 코일부의 양 단으로부터는 수직 코일부가 수직하게 연장된다.

즉, 수직 코일부는 제1 열의 호형 코일부(111, 112, 113, 114)로부터 수직하게 연장되는 수직 코일부(131, 132, 133, 134)와 제2 열의 호형 코일부(121,122)로부터 수직하게 연장되는 수직 코일부(141,142)로 구성된다.

여기서, 표시된 수직 코일부는 각 호형 코일부의 일 단에서 연장된 수직 코일부만을 표시하였으며, 동일하게 타 단에서도 수직하게 연장된 수직 코일부가 구성된다. 그리고, 제2 열의 호형 코일부(121,122)로부터 연장되는 수직 코일부(141,142)의 부호는 두 개만 표시되었다.

나아가, 단면상 동일한 호의 길이를 가지는 제1 열의 호형 코일부와 제2 열의 호형 코일부로부터 각각 연장된 수직 코일부 간에 연결 코일부(151, 152, 153, 154)가 수평적으로 연결된다.

여기서도 대칭적으로 구성되는 연결 코일부 중 일 방향의 연결 코일부만 부호로 지시하였다.

이와 같이 도 6에 예시된 열처리 코일부재는 부분적으로 지칭된 호형 코일부, 수직 코일부 및 연결 코일부가 연결되어 전체적으로 'U'자 형상의 하나의 코일부재를 형성하여 실린더 블록(A) 면 전체를 감쌀 수 있는 형상을 가지고, 코일부재의 양 단이 전원까지 연장되어 전원에 연결되게 된다.

알루미늄은 철강 재료에 대비하여 열전도도가 높기 때문에 고주파 열처리 시 효율이 떨어질 수가 있는데, 본 발명은 고주파 열처리의 효율을 위해 이와 같은 열처리 코일 부재를 적용함으로써, 도 8과 같이 실린더 블록 주변을 가열시키게 된다.

그런데, 도 9에서 참조되는 바와 같이, 실린더블록(C)에는 이종 재질인 주철 라이너(L)가 인접하기 때문에 열이 하방으로 전달될 시 열변형의 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 열전달이 주철 라이너(L)로 되지 않고 저널부에 집중될 수 있도록 도 7과 같이 부도체(160)가 추가 구성된다.

부도체(160)는 호의 길이가 가장 큰 최외곽의 호형 코일부(111) 하면에 결합되어, 도 9와 같이 유도 가열이 수평적으로, 즉 제1 열과 제2 열이 이루는 평면에 나란한 방향이 아닌 수직한 방향으로 유도될 수 있게 한다.

다음으로, 도 10 및 도 11을 참조하여 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 알루미늄 실린더블록용 열처리 코일 부재를 설명한다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의한 알루미늄 실린더블록용 열처리 코일 부재(200)는, 도 5에 도시된 저널부(A)에서 크랭크샤프트가 회전하는 반원형 구조의 엣지부(B)에 적용되기 위한 것이다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의한 알루미늄 실린더블록용 열처리 코일 부재(200)는 엣지부의 외면 형상에 대응되는 단면상 호형 코일부(211,222)가 열을 이뤄 나란하게 배열되고, 각 호형 코일부(211,222)의 각각의 일 단은 서로 연결 코일부(251)에 의해 연결되고, 각각의 타 단은 전원으로 연장되는 형태로 소위 'J'자 형상을 가진다.

앞선 실시예에서와는 달리 엣지부(B)의 형상으로 인해 제1 열의 호형 코일부(211)와 제2 열의 호형 코일부(222)의 간격이 좁기 때문에 연결 코일부(251)는 곡선 형태인 것이 바람직하다.

엣지부(B)에 적용되는 열처리 코일 부재(200)는 도 11과 같이 하방향이 가열 방향이 되어야 하므로, 도시와 같이 호형 코일부(211,222)의 상면에 부도체(260)를 결합시킨다.

이같은 실시예의 열처리 코일 부재(200)는 앞선 실시예에 의한 열처리 코일 부재(100)에 비해 비교적 간단한 형상으로 제작의 용이성을 가진다.

도 12는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 알루미늄 실린더블록용 열처리 코일 부재를 도시한 것이고, 도 13은 이의 열분포 해석결과를 도시한 것이다.

이하에서는, 도 12 및 도 13을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 알루미늄 실린더블록용 열처리 코일 부재를 설명하기로 한다.

도 12에 의해 참조되는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 알루미늄 실린더블록용 열처리 코일 부재는 도 5에 도시된 엣지부(B)에 적용되는 열처리 코일 부재로서, 엣지면에 안착되는 단면상 호형의 엣지 안착 코일부(311, 321)가 열을 이뤄 나란하게 배열되고, 엣지부(B)의 측면을 덮도록 안착되는 단면상 호형의 엣지 측면 코일부(312, 322)가 엣지부(B)의 양 측면을 안착하도록 구성된다.

그리고, 엣지 안착 코일부(311)의 일 측과 엣지 측면 코일부(312)의 일 측이 연결 코일부(351)에 의해 연결된다.

여기서, 엣지 안착 코일부(311)가 이루는 평면과 엣지 측면 코일부(312)가 이루는 평면은 나란하게 배치되기 때문에, 연결 코일부(351)는 엣지부(B) 측면을 따라 일 회 이상 절곡된 형상일 수 있으며, 제2 열에 해당하는 엣지 안착 코일부(321)와 엣지 측면 코일부(322) 간에도 또한 연결 코일부가 구성된다.

그리고, 제1 열의 엣지 안착 코일부(311)의 타 측은 연결 코일부(352)에 의해 제2 열의 엣지 측면 코일부(322)의 타 측과 연결이 되고(a2, b2 간), 제1 열의 엣지 측면 코일부(312)의 타 측(a1)과 제2 열의 엣지 안착 코일부(321)의 타 측(b1)이 전원으로 연장되는 형태로 구성된다.

반대로, 제1 열의 엣지 측면 코일부(312)의 타 측과 제2 열의 엣지 안착 코일부(321)의 타 측이 연결 코일부에 의해 연결되고(a1, b1 간), 제1 열의 엣지 안착 코일부(311)의 타 측(a2)과 제2 열의 엣지 측면 코일부(322)의 타 측(b2)이 전원으로 연장되는 형태일 수도 있다.

본 실시예에서의 알루미늄 실린더블록용 열처리 코일 부재는 이와 같이 소위 butterfly 형상의 코일 부재로 구성되어, 엣지부(B) 앞선 두 실시예의 장점이 접목되어 열분포 해설 결과 도 13과 같이 우수한 열전달 효율을 확인할 수 있었다.

한편, 열전달이 엣지부(B)에 집중되지 않고 저널부(A)에 고루 전달될 수 있도록 엣지 안착 코일부(311,321)의 상면에 부도체(360)를 결합할 수 있다.

도 6을 참조하여 설명된 본 발명의 일 실시예에 의한 열처리 코일 부재를 이용하여 고주파 국부 열처리에 의한 효과를 확인하기 위해 용체화 온도를 530℃로 설정하고, 용체화 시간은 2min으로 설정하여 실험한 결과, 도 14에서 고주파 열처리 전 광학현미경 사진에서의 침상구조 Si가 고주파 열처리 후의 광학현미경 사진에서 구상화 Si가 되는 것을 확인할 수 있었다.

침상 구조 Si는 외부 응력이 작용할 시 파단의 기점으로 작용하기 때문에, 알루미늄 합금의 물성을 떨어뜨리는 문제가 있으며, 이를 구상화할 시 물성이 향상되게 된다.

그리고, 고주파 열처리의 효과를 가시적으로 확인하기 위해 TEM 분석을 동일한 조건으로 진행하였으며, 열처리 전후 TEM 사진을 통해 강화상 생성 유무를 명확히 확인할 수 있었다.

즉, 도 15에서 참조되는 바와 같이, 열처리 전 TEM 사진에서는 sphere 형상의 석출물(θ: incoherent→비강화상)이 관찰되며, 이는 안정상으로 알루미늄 기지 내에 존재하며, 물성 강화에 영향을 미치지 않는다.

반면, 열처리 후 TEM 사진에서는 needle 형상의 석출물(θ˝,θ′: coherent→강화상)이 관찰되며, 이는 물성을 향상시키는 강화상이다.

항복 강도 및 인장 강도의 결과는 도 16과 같으며, 항복 강도는 20% 이상 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

111,112,113,114 : 제1 열의 호형 코일부
121,122 : 제2 열의 호형 코일부
131,132,133,134 : 제1 열의 수직 코일부
141,142 : 제2 열의 수직 코일부
151,152,153,154 : 연결 코일부
160 : 부도체

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 실린더블록의 저널부의 외면 형상에 대응되는 단면상 하방향으로 라운드진 호의 형상을 갖는 호형 코일부를 포함하고,
   동일한 단면 형상을 갖는 상기 호형 코일부가 복수의 열로 배열되며,
   하나의 열에 구성되는 상기 호형 코일부는 다른 열에 구성되는 상기 호형 코일부와 서로 연결되고,
   상기 복수의 열을 구성하는 하나의 열에는 동일한 중심을 가지고 호의 길이가 다른 복수의 호형 코일부가 배열되는 것을 특징으로 하며,
   호의 길이가 가장 큰 호형 코일부의 하면에 결합되고, 상기 호의 길이가 가장 큰 호형 코일부와 동일한 곡률로 하방향으로 라운드진 호의 형상을 갖는 부도체를 더 포함하는,
   알루미늄 실린더블록용 열처리 코일 부재.
5. 삭제
6. 청구항 4에 있어서,
   각 열의 호형 코일부를 포함하는 평면은 서로 평행한 것을 특징으로 하는,
   알루미늄 실린더블록용 열처리 코일 부재.
7. 삭제
8. 크랭크샤프트가 지지되는 실린더블록의 엣지부의 외면 형상에 대응되는 단면상 하방향으로 라운드진 호의 형상을 갖는 엣지 안착 코일부가 2열로 배열되고,
   상기 엣지부의 일 측면과 다른 일 측면을 각각 덮으며 안착되는 단면상 호의 형상을 갖는 엣지 측면 코일부가 2열로 배열되며,
   제1 열의 엣지 안착 코일부의 일 측과 제1 열의 엣지 측면 코일부의 일 측이 연결되고,
   제2 열의 엣지 안착 코일부의 일 측과 제2 열의 엣지 측면 코일부의 일 측이 연결되며,
   둘 중 하나의 엣지 안착 코일부의 타 측이 둘 중 하나의 엣지 측면 코일부의 타 측과 연결되며,
   상기 엣지 안착 코일부의 상면에 결합되고, 상기 엣지 안착 코일부와 동일한 곡률로 하방향으로 라운드진 호의 형상을 갖는 부도체를 더 포함하는,
   알루미늄 실린더블록용 열처리 코일 부재.
9. 삭제

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