KR20030092718A - 디젤 엔진의 실린더 헤드용 알루미늄 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디젤 엔진의 실린더 헤드용 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 고압 고출력 디젤엔진의 실린더 헤드와 같은 열부하가 심하게 걸리는 부품의 경도를 증가시켜, 실린더 헤드의 볼트 좌면 함몰을 방지하고, 내열 피로수명을 향상시킬 수 있도록 한 디젤 엔진의 실린더 헤드용 알루미늄 합금을 제공하고자 한 것이다.

이를 위해 본 발명은 실리콘 7∼10 중량%, 구리 0.5∼2.0 중량%, 마그네슘 0.4∼1.0 중량%, 철 0.15 중량% 이하, 티타늄 0.5∼1.0 중량% ,망간 0.05∼0.1 중량%, 스트론튬 50∼300ppm, 기타 불가피한 불순물 0.15 중량% 이하, 알루미늄 나머지 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 실린더 헤드용 알루미늄 합금강을 제공한다.

Description

디젤 엔진의 실린더 헤드용 알루미늄 합금{Aluminium alloy for cylinder head of diesel engine}

본 발명은 디젤 엔진의 실린더 헤드용 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연소압과 출력의 증가로 인한 실린더 헤드의 열부하를 감안하여, 실린더 헤드의 강도 및 경도를 향상시킬 수 있고, 내구 피로수명을 연장시킬 수 있으며, 고내열 피로 특성을 갖도록 한 디젤 엔진의 실린더 헤드용 알루미늄 합금에 관한 것이다.

일반적으로, 환경규제 및 차량의 연비 향상을 위하여 자동차 산업에는 경량금속의 채택이 급격히 늘어 가고 있는 실정에 있고, 특히 연소압과 출력이 증가함에 따라 실린더 헤드에 열부하가 많이 걸림에 따라 고내열 피로 특성을 요구하고 있으며, 실린더 헤드의 재질을 알루미늄으로 사용하고 있다.

주지된 바와 같이, 알루미늄은 지각중에 약 8% 존재하며 실리콘 다음으로 많은 원소로서, 가볍고 내식성 및 가공성과 전기 및 열의 전도도가 우수하여 철강을 제외하고는 가장 많이 사용되는 금속이다.

또한, 알루미늄에 구리, 마그네슘, 실리콘, 티타늄, 망간, 니켈 등의 원소를 첨가하면, 기계적 성질이 우수해지므로 합금으로 제조하여 각 방면에 널리 쓰이고 있다.

한편, 알루미늄 합금 주물은 철강 주물에 비하여 월등히 가벼우므로 자동차를 비롯하여 산업기계, 전기기기, 통신기기, 일용품, 정밀기기 등에 널리 사용되며, 보통 사형, 쉘모울드, 금형주물로서 사용되고 있다.

자동차 부품 특히, 종래 디젤 엔진의 실린더 헤드에 사용되는 기존의 알루미늄 합금의 성분계는 실리콘(Si) 6.50∼7.50 중량%, 구리(Cu) 0.25 중량%, 망간(Mn) 0.35 중량%, 마그네슘(Mg) 0.2∼0.4 중량%, 아연(Zn) 0.35 중량%, 철(Fe) 0.55 중량%, 니켈(Ni) 0.1 중량%, 티타늄(Ti) 0.20중량%, 기타 불가피한 불순물 0.0∼0.15 중량%, 알루미늄(Al) 나머지 중량%로 조성되어 있다.

위에 나타낸 기존의 알루미늄 합금에 대한 물성치는 다음의 표 1과 같다.

위의 표에서 보는 바와 같이, 기존의 알루미늄 합금은 인장강도 25Kgf/㎟, 경도가 Brinnell 경도기로 90, 열피로 수명이 30만 cycles, 충격치가 60KJ/㎟이고, 수지상정(樹枝狀晶)의 가지가 차지하는 공간의 크기(dendrite arm spacing)가 25㎛ 인 특성을 갖는다.

그러나, 상기와 같은 특성을 갖는 기존의 알루미늄 합금은 고온(통상 250-300℃)에서 작동되는 엔진 구동 조건하에서 경도 저하로 실린더헤드 볼트 좌면이 함몰되고 내열피로 특성이 현저히 떨어지는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 고압 고출력 디젤엔진의 실린더 헤드와 같은 열부하가 심하게 걸리는 부품의 경도를 증가시켜, 실린더 헤드의 볼트 좌면 함몰을 방지하고, 내열 피로수명을 향상시킬 수 있도록 한 디젤 엔진의 실린더 헤드용 알루미늄 합금을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 실리콘 7∼10 중량%, 구리 0.5∼2.0 중량%, 마그네슘 0.4∼1.0 중량%, 철 0.15 중량% 이하, 티타늄 0.5∼1.0 중량% ,망간 0.05∼0.1 중량%, 스트론튬 50∼300ppm, 기타 불가피한 불순물 0.15 중량% 이하, 알루미늄 나머지 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 실린더 헤드용 알루미늄 합금강을 제공한다.

이하, 본 발명 디젤 엔진의 실린더 헤드용 알루미늄 합금강에 대하여 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금은 종래의 성분에서 실리콘, 구리, 마그네슘, 티타늄, 망간의 양을 현저히 늘이고, 대신 철 및 아연의 함량을 감소시키는 조성으로 이루어지는 바, 실리콘 7∼10 중량%, 구리 0.5∼2.0 중량%, 마그네슘 0.4∼1.0 중량%, 철 0.15 중량% 이하, 티타늄 0.5∼1.0 중량% ,망간 0.05∼0.1 중량%, 스트론튬 50∼300ppm, 기타 불가피한 불순물 0.15 중량% 이하, 알루미늄 나머지 중량%의 합금 성분계로 이루어진다.

이와 같은 합금 성분계를 갖는 본 발명의 알루미늄 합금을 용해하여 주조하는 공정, 통상적인 중력 주조 공정, 냉각 및 열처리 공정등을 진행하여 디젤 엔진의 실린더 헤드용 소재를 제조하였는 바, T-6 (용체화후 인공시효) 열처리시 CuAl₂및 Mg₂Si등과 같은 석출물(precipitates)이 입계 (grain boundary) 및 입내(inside grain)에 분산되어 경도 및 강도를 향상시킬 수 있었고, Si 함량을 증가시켜 주조시 유동성을 증가시킴과 동시에 주조후 액상에서 고상으로 응고시 고액 공존 영역(semi-solid region)을 줄임으로써, 수지상 조직(DAS : dendrite Arm Spacing)의 성장을 억제시켜 미세한 조직을 얻을 수 있었다.

또한, Fe 함량을 현저히 줄임으로써, 열피로 특성에 불리한 제2상 입자 (second phase particles)의 출현을 억제시켜 내열피로 수명을 증가시킬 수 있었고, Mn 함량을 Fe함량에 대비하여 적당한 비율로 첨가하여 앞에 기술한 제2상 입자의 형상(morphology)을 침상에서 구상으로 변화시켜 내열 피로수명을 획기적으로 향상시킬 수 있었다.

이러한 장점을 갖는 본 발명 알루미늄 합금 소재에 대한 물성치 시험을 수회에 걸쳐서 시행하였는 바, 그 결과는 다음 표 2와 같다.

위의 표 2에 나타난 바와 같이, 수회 시험의 평균치로서, 인장강도 32Kgf/㎟, 경도가 Brinnell 경도기로 120, 열 피로수명이 50만 cycles, 충격치(강도)가 80KJ/㎟ 이고, 수지상정(樹枝狀晶)의 가지가 차지하는 공간의 크기(DAS:Dendrite Arm Spacing)가 18㎛ 인 특성을 갖는 것으로 나타났다.

이와 같은 본 발명강의 물성치를 표 1에 나타낸 기존의 알루미늄 합금의 물성치와 비교해 보면, 인장강도 및 경도가 향상되었음을 알 수 있고, 또한 피로수면 및 충격강도도 크게 향상되었으며, DAS도 크게 개선되었음을 알 수 있었다.

한편, 상기 DAS가 작을수록 소재의 강도 및 내열 피로 수명을 증가시키는 효과가 있는 것이다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 디젤 엔진의 실린더 헤드용 알루미늄 합금에 의하면, 기존의 알루미늄 합금에 비하여 강도 28% 증가되고, 경도 33%, 내구수명은 60% 향상시킴으로써, 고연소 고압력 및 고출력에서 사용되는 디젤 실린더 헤드용 소재로 사용할 시, 엔진 오일의 소모저감, 실린더 헤드의 크랙 발생 방지, 냉각수 유출의 차단등의 효과를 얻을 수 있고, 특히 내구수명을 연장시켜 엔진 의 신뢰성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (1)

1. 디젤 엔진의 실린더 헤드용 알루미늄 합금에 있어서,

   실리콘 7∼10 중량%, 구리 0.5∼2.0 중량%, 마그네슘 0.4∼1.0 중량%, 철 0.15 중량% 이하, 티타늄 0.5∼1.0 중량% ,망간 0.05∼0.1 중량%, 스트론튬 50∼300ppm, 기타 불가피한 불순물 0.15 중량% 이하, 알루미늄 나머지 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 실린더 헤드용 알루미늄 합금.