KR20040095874A - 자동차용 알루미늄 실린더 헤드의 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄(AC2B) 실린더 헤드의 물성 제어에 사용되는 T7 열처리 공정중 시효 처리 온도와 시간을 제어해 줌으로써, 기존의 열처리 방법에 비하여 더욱 짧은 시간내에 동일한 물성 및 잔류 응력 제어가 가능한 자동차용 알루미늄 실린더 헤드의 열처리 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 알루미늄(AC2B) 합금 실린더 헤드에 대한 T7 열처리 공정에 있어서, 상기 알루미늄 실린더 헤드를 500℃±5℃에서 6시간±0.5시간 동안 용체화 처리하는 단계; 80℃±10℃까지 급냉시키는 단계; 270℃±5℃에서 1시간 내지 1.5시간 동안 강도 제어하고, 이어서 220℃±5℃에서 2 내지 3시간 동안 석출물을 성장시키는 시효처리 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 알루미늄 실린더 헤드의 열처리 방법을 제공한다.

Description

자동차용 알루미늄 실린더 헤드의 열처리 방법{Heat treatment method of aluminium alloy cylinder head for vehicle}

본 발명은 자동차용 알루미늄 실린더 헤드의 열처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알루미늄(AC2B) 실린더 헤드의 물성 제어에 사용되는 T7 열처리 공정중 시효 처리 온도와 시간을 제어해 줌으로써, 기존의 열처리 방법에 비하여 더욱 짧은 시간내에 동일한 물성 및 잔류 응력 제어가 가능한 자동차용 알루미늄 실린더 헤드의 열처리 방법에 관한 것이다.

통상적으로 알루미늄은 가볍고 주조성이 뛰어나며 가솔린 및 디젤 엔진용 실린더 헤드 재료로 널리 사용되고 있다.

알루미늄을 사용한 실린더 헤드 주조 공법으로는 저압 주조 및 중력 주조가있으며, 가솔린 엔진에는 저압 주조를, 디젤 엔진은 중력 주조를 주로 사용한다.

최근에는 엔진의 요구 성능이 높아짐에 따라, 가솔린 엔진, 디젤 엔진의 실린더 헤드 모두 조직을 치밀하게 가져갈 수 있는 중력 주조 공법을 사용하는 추세이며, 이러한 공법으로 제조된 알루미늄 실린더 헤드에 대하여 강도 향상 및 치수 안정성 향상을 위해 T6 내지 T7의 열처리를 실시하게 된다.

알루미늄 실린더 헤드와 같이 복잡한 형상을 가지는 제품을 주조품으로 만들게 되면 부위별로 응고되는 속도와 시간이 달라지면서 조직 및 조성이 차이를 보이게 되는데, 이 조성 및 조직이 다르다는 것은 위치별로 물성이 틀리다는 것을 의미하므로 T6나 T7으로 명명되는 열처리를 사용해서 원하는 조직과 조성을 확보하고 있다.

상기 T6와 T7 열처리는 1)고온 용체화 처리 →2)급랭 → 3)시효 처리 →4)공냉 등의 순서로 진행되는 열처리 방법으로서, 상기 고온 용체화 처리와 급랭 단계까지는 T6와 T7 모두 동일하지만, 상기 시효 처리의 온도와 시간에서 차이를 갖는다.

상기 T6는 재료의 최대 강도를 확보하기 위해 실시하는 열처리로 디젤 엔진 실린더 헤드에 주로 사용되며, 시효 조건은 200℃ 이하에서 약 5~6시간 정도이다.

상기 T7은 고온에서의 치수 안정성을 목적으로 가솔린 엔진 실린더 헤드에 주로 사용되고 있으며, 200℃ 이상에서 5시간 정도 실시하게 된다.

상기 T6와 T7 모두 5시간 정도의 용체화 및 시효 시간을 요구하므로, 승온 시간 및 냉각 시간까지 고려한다면 전체 열처리에는 12시간 이상이 소요된다.

따라서, 열처리 시간을 단축시킬 수 있다면 생산 시간의 단축 및 차량 1대당 생산 비용이 절감된다는 장점을 갖게 되는 바, 이러한 열처리 시간을 줄이기 위해서는 용체화 또는 시효 공정의 온도를 높이면 되지만, 그 전에 온도를 변경하는 경우에 나타나는 제품 물성 변화를 충분히 이해해야만 한다.

상기 T6와 T7 열처리는 공정의 특성상 용체화 처리 후 급랭 처리를 하는데, 이 과정에서 400℃ 이상의 급격한 온도 변화로 인해 형상이 복잡한 주물에서는 냉각에 의한 수축으로 응력이 발생한다. 이를 잔류 응력이라 부르며, 잔류 응력이 발생한 주물은 재료 원래의 강도보다 낮은 외력에서도 파괴가 발생할 수 있으므로 급랭 온도를 최대한 높이거나 시효 공정에서 응력을 감소시키는 것이 필수적이다.

즉, 시효 처리는 물성의 조절 뿐만아니라 잔류 응력 제거도 수행하게 되고, 따라서 시효 온도와 시간을 변경하기 위해서는 주조 조직과 물성의 변화뿐만 아니라 재료내의 잔류 응력 감소라는 역할을 동시에 수행할 수 있도록 적절한 범위를 선택해야 한다.

알루미늄 디젤 엔진과 가솔린 엔진 모두 복잡한 형상에 따른 주조품의 물성 불균형과 잔류 응력 발생이라는 문제점을 안고 있으나, 디젤엔진의 경우 인성이 좋은 재료(연신율 5∼6%)를 사용하므로 잔류 응력에 대해 상대적으로 여유가 있는 편이다.

그러나, 가솔린 엔진의 실린더 헤드 소재는 상대적으로 인성이 낮으므로(연신율 1∼2%) 잔류 응력에 의한 영향이 크고, 또한 가솔린, 디젤 엔진 모두 새로 개발되는 엔진들의 사용 조건은 계속 가혹해지고 있으며 동시에 실린더의 수 변경등을 통한 다양한 배기량 수요를 만족해야 하기 때문에 물성을 확보하면서도 생산성을 높일 수 있는 공정의 필요성이 계속 증가하고 있다.

하지만, 기존의 설비에서 동일한 열처리 방법을 사용하여 생산량을 늘리는 방안은 설비의 용량 한계로 실제 시효 온도가 낮아질 수 있는 위험이 있고, 이를 막기 위해 열처리 온도를 임의로 올리는 경우 생산 단가가 상승한다는 문제가 발생한다.

이에, 가솔린 엔진의 실린더헤드에 요구되는 물성을 유지하면서 잔류응력을 제어할 수 있는 열처리 방법이 연구/개발중에 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여, 가솔린 엔진의 알루미늄 실린더 헤드에 요구되는 물성을 기존의 주조품과 차이없이 유지시키는 동시에 잔류 응력을 제어하여 생산성을 높일 수 있는 열처리 방법을 제안하는 것으로서, 알루미늄(AC2B) 소재 가솔린 엔진의 실린더 헤드에 대한 T7 열처리 공정중 시효 공정을 단계별로 구분하여, 그 온도 및 시간에 대한 정확한 범위를 규정해줌으로써, 열처리 공정의 시간을 단축하고 생산성 및 품질을 모두 만족시킬 수 있도록 한 자동차용 알루미늄 실린더 헤드의 열처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예와 비교예1,2에 대한 경도 측정 결과를 나타내는 그래프.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 알루미늄(AC2B) 합금 실린더 헤드에대한 T7 열처리 공정에 있어서, 상기 알루미늄 실린더 헤드를 500℃±5℃에서 6시간±0.5시간 동안 용체화 처리하는 단계; 80℃±10℃까지 급냉시키는 단계; 270℃±5℃에서 1시간 내지 1.5시간 동안 강도 제어하고, 이어서 220℃±5℃에서 2 내지 3시간 동안 석출물을 성장시키는 시효처리 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 알루미늄 실린더 헤드의 열처리 방법을 제공한다.

이하, 본 발명에 따른 자동차용 알루미늄 실린더 헤드의 열처리 방법을 상세하게 설명한다.

본 발명은 Al-Si-Cu 계열 합금인 AC2B 합금을 사용하여 제조된 알루미늄 실린더 헤드를 열처리 하는 T7 열처리 공정에서 시효 공정에 대해 정확한 온도 및 시간 범위를 규정하여, 기존의 T7 열처리 방법으로 제조된 제품과 동일한 수준의 인장강도 및 항복강도를 짧은 시간 내에 얻을 수 있고, 실린더 헤드내의 잔류응력이 가동 수준으로 제어될 수 있는 점에 그 주된 특징이 있다.

통상, 알루미늄(AC2B) 합금 실린더 헤드에 대한 T7 열처리 공정은 용체화 처리, 급냉, 시효처리 단계로 이루어지는 바, 본 발명에 따른 열처리 방법도 다음의 표 1과 같이 진행된다.

위의 표 1을 참조로, 본 발명에 따른 알루미늄(AC2B) 합금 실린더 헤드에 대한 T7 열처리 공정을 단계별로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

1) 용체화 처리 단계

용체화 처리는 주조 공정후 제품 내부에 불균일하게 성장한 석출물과 합금원소들이 기지내에 균일하게 고용되도록 충분히 높은 온도까지 가열하여 단일상의 고체를 만들어내는 단계이다.

본 발명에 따른 용체화 온도는 주물이 용융되지 않으면서 고용이 충분히 이루어지도록 용융점 아래인 500℃±5℃로 규정하고, 용체화 시간은 처리 시간이 길 경우 완전한 고용이 이루어질 수 있으나, 반면 장시간에 따른 비용증가와 재질 물성을 저하시키는 결정립 성장(grain growth)을 초래하므로 6시간±30분으로 규정한다.

2) 급냉 단계

상기 용체화 처리 후 급랭 처리를 하는데, 80℃±10℃까지 급냉시키게 된다.

이 급냉 과정에서 400℃ 이상의 급격한 온도 변화로 인해 형상이 복잡한 주물에서는 냉각에 의한 수축으로 응력(잔류응력)이 발생하므로, 급냉 온도를 최대한 높이거나 하기의 시효 공정에서 응력을 감소시키는 것이 필수적이다.

3) 시효 처리 단계

시효 처리는 용체화 처리를 통해 균일하게 고용시킨 합금원소를 기지 내부에 균일하게 석출시키고자 실온 내지 실온 이상의 온도로 가열해서 유지시키는 단계로서, 실질적으로 알루미늄 주조품의 물성을 결정하는 단계이다.

시효 처리 단계에서 제어되는 가솔린 알루미늄 실린더 헤드의 물성으로는 잔류응력, 강도 등을 들 수 있다.

이러한 강도와 잔류 응력 제거 등을 효과적으로 수행하기 위해서, 본 발명에 따르면 AC2B 가솔린 엔진 실린더 헤드의 초기 시효 조건을 270℃±5℃에서 1시간 내지 1.5시간 유지시키는 것으로 설정하였다.

기존의 AC2B용 T7 공정과 비교하면 약 20℃ 정도 높은 온도이다.

본 발명에 따른 시효 처리 온도를 기존보다 상승시켜 줌에 따라, 안정된 구조의 석출물을 빠르게 성장시킬 수 있고, 그에따라 기존 T7 열처리의 목적인 고온 치수 안정성 향상과 동일한 역할을 수행하게 된다.

본 발명에 따른 시효 처리 시간을 1.5시간 이내로 제한한 이유는 270℃에서 장시간 열처리를 하면 석출물들이 조대하게 성장하면서 소재 물성이 감소하기 때문이며, 또한 시효 온도의 10℃ 변화는 석출에 큰 영향을 미치므로 온도 범위를 270℃에서 ±5℃ 이내로 제한한다.

본 발명에 따른 시효 처리 단계에 의하면, 위와 같이 270℃±5℃에서 1시간 내지 1.5시간 열처리하는 단계를 진행한 다음, 일정 시간동안 석출물을 성장시키고자 시효 온도 220℃에서 2시간 내지 3시간 동안 유지시키는 단계가 더 진행된다.

본 발명에 따른 시효 처리 단계중 첫번째 단계에서 고온으로 인하여 실린더 헤드 내부에 생성된 석출물은 상대적으로 온도가 낮은 두번째 단계에서 서서히 균일하게 성장하면서 실린더 헤드가 전반적으로 균일한 물성을 가질 수 있게 된다.

또한, 상기 시효 처리 단계중 두번째 시효 처리 단계의 온도는 가솔린 엔진의 실린더 헤드가 차량 운행중 노출되는 온도 범위이기도 하다.

즉, 엔진이 가동되는 온도에서 일정시간 석출물을 성장시킴으로써, 석출물의 내부 성장 거동을 제어함과 동시에 잔류 응력 수준을 엔진 가동중의 수준으로 낮춰주는 효과를 얻게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하는 바, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 국한되는 것은 아니다.

실시예

일반적인 AC2B 조성을 만족하는 통상적인 실린더 헤드 소재를 이용하여 시편을 제조하였으며, 상기 표 1에 제시된 본 발명에 따른 열처리법을 이용하여 시편에 대한 열처리를 실시하되, 본 실시예는 표 2의 열처리 방법으로 실시하였다.

위의 표 2에서 보는 바와 같이, 본 실시예에 의하면 상기 시편을 500℃±5℃에서 6시간 동안 용체화 처리한 후, 80℃까지 급냉시킨 다음, 첫번째 단계로서 270℃에서 1.5시간 동안 강도 제어함과 함께 두번째 단계로서 220℃에서 2시간 동안 석출물을 성장시키는 시효 처리에 의거하여 열처리를 실시하였다.

비교예 1∼2

아래의 표 3과 같이 실시예 1과 동일한 조성의 합금으로 시편을 제조한 후, 각각 기존 T7 열처리 공법(비교예 1) 및 270℃ 시효 온도에서 열처리를 실시하였다.

위의 표 3에서 보는 바와 같이, 비교예 1은 기존의 T7 열처리 방법으로서, 시편을 500℃±5℃에서 6.5시간 동안 용체화 처리한 후, 80℃까지 급냉시킨 다음, 250℃±5℃에서 5시간 동안 시효 처리하였고, 비교예 2는 상기 시편을 500℃±5℃에서 6.5시간 동안 용체화 처리한 후, 80℃까지 급냉시킨 다음, 270℃±5℃에서 5시간 동안 시효 처리하였다.

실험예 1

상기 열처리로 만들어진 3종류(실시예, 비교예1,2)의 시편에 대해 다이아몬드 입자로 1mm까지 연마(polishing)한 후 경도 측정을 실시하였으며, 그 결과는 다음 표 4에 나타낸 바와 같다.

위의 표 4와 도 1의 그래프에 나타낸 바와 같이, 실시예 1에 따라 얻어진 본 발명의 시편 재료와 비교예1,2의 시편 재료에 대한 경도 비교시, 본 발명의 실시예에 의하여 시효 처리된 재료는 3.5시간이라는 짧은 시간 내에 기존의 T7 열처리 방법에 의하여 시효처리(5시간)된 재료와 동일한 수준의 경도를 보이는 것으로 나타났다.

또한, 비교예 2(270℃에서 5시간 동안 시효 처리를 계속하는 경우)에 의한 재료는 급격한 경도 저하가 관찰되므로 고온 시효 시간을 제한하는 것이 바람직한 것으로 나타났다.

단, 본 발명의 실시예에서 시효 처리의 두번째 단계로서 220℃로 온도를 감소시켰음에도 불구하고 경도가 계속 감소하는 원인은 전 단계를 거치면서 소재 자체의 온도가 270℃까지 상승한 상태이므로, 분위기 온도를 220℃로 내려도 소재의 온도가 내려가는데는 시간이 걸리기 때문으로 판단된다.

따라서, 270℃에서 시효 유지 시간은 장시간 고온 노출에 따른 강도 저하를 고려해 1.5시간 이내로 제한하는 것이 바람직하다.

실험예 2

상기 실시예와 비교예 1,2에서 제조된 시편으로 열처리 완료후, 상온에서 다음과 같은 인장특성을 비교하였다.

(1) 인장강도(tensile strength, MPa)

인장강도는 KS B0802의 시험방법으로 측정하였고 그 결과를 하기 표 5에 나타냈다.

(2) 항복강도(yeild strength, MPa)

항복강도는 KS B0802의 시험방법으로 측정하였고 그 결과를 하기 표 5에 나타냈다.

(3) 신율(%)

신율은 인장시험기를 사용하여 측정하였고 그 결과를 표 5에 나타냈다.

위의 표 5에 나타낸 바와 같이, 실시예에 따라 얻어진 본 발명에 의한 시편 재료와 비교예1,2의 종래 방법에 의한 재료를 비교하면, 인장강도와 항복강도 모두 거의 유사한 수준으로 나타났으며, 신율 역시 실시예의 시편이 약 1.6% 정도로 기존 열처리를 실시한 시편과 약간 낮지만 거의 동일한 수준임을 알 수 있었다.

이와 같은 실시예 및 비교예들간의 비교를 통하여, 본 발명의 열처리 방법을 이용하면 짧은 열처리 시간으로도 엔진의 물성 저하 없이 동등한 품질의 제품을 제공할 수 있음을 확인하였다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 알루미늄 실린더 헤드의열처리 방법에 의하면, 기존 열처리보다 약 2∼3시간 이상 열처리 공정이 단축되면서도 동일한 경도, 강도, 신율을 얻을 수 있고, 따라서 본 발명의 열처리 공정을 사용함으로써, 잔류응력 감소와 동등한 수준의 물성을 확보하면서 종래의 열처리 방법의 장시간 열처리에 따른 생산성 한계를 극복할 수 있는 장점을 제공한다.

또한, 본 발명의 알루미늄 합금 실린더 헤드 열처리 공정은 알루미늄 합금(AC2B) 소재 가솔린 엔진의 실린더 헤드에 적합하게 사용될 수 있으며, 특히 T7 열처리시 급랭에 의한 잔류응력의 감소와 함께 열처리 시간 단축을 통한 생산성을 현격히 향상시킬 수 있다.

또한, 실린더 헤드의 열처리 온도를 엔진 가동시의 온도 수준으로 낮춤으로써, 엔진 내부의 잔류 응력이 가동 수준으로 제어되는 재료를 제공할 수 있다.

Claims (2)

1. 알루미늄(AC2B) 합금 실린더 헤드에 대한 T7 열처리 공정에 있어서,

   상기 알루미늄 실린더 헤드를 500℃±5℃에서 6시간±0.5시간 동안 용체화 처리하는 단계;

   80℃±10℃까지 급냉시키는 단계;

   270℃±5℃에서 1시간 내지 1.5시간 동안 강도 제어하고, 이어서 220℃±5℃에서 2 내지 3시간 동안 석출물을 성장시키는 시효처리 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 알루미늄 실린더 헤드의 열처리 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 용체화 처리 단계는 알루미늄 실린더 헤드를 500℃±5℃에서 6시간 동안 유지시키는 공정으로 진행되고;

   상기 급냉 단계는 80℃까지 급냉시키는 공정으로 진행되며;

   상기 시효 처리 단계는 270℃에서 1.5시간 동안 강도 제어하고, 이어서 220℃에서 2시간 동안 석출물을 성장시키는 단계로 진행되는 것을 특징으로 하는 자동차용 알루미늄 실린더 헤드의 열처리 방법.