KR20060013733A

KR20060013733A - 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금

Info

Publication number: KR20060013733A
Application number: KR1020040062318A
Authority: KR
Inventors: 하석
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-08-09
Filing date: 2004-08-09
Publication date: 2006-02-14
Also published as: KR100600191B1

Abstract

본 발명은 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 종래의 알루미늄 합금에 대하여 가로세로비(aspect ratio)가 10 이상이고 입자크기가 20㎛이상인 SiC 분말을 5∼25 부피%로 첨가함으로써, 강도 및 피로 특성을 현저히 향상시킬 수 있고, 고온, 고압, 고출력에 견딜 수 있는 실린더 헤드의 제조가 가능한 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 알루미늄(Al) 기재에 규소(Si) 6.5∼7.5중량%, 구리(Cu) 0.001∼0.2중량%, 마그네슘(Mg) 0.2∼0.45중량%, 철(Fe) 0.001∼0.2중량%, 망간(Mn) 0.001∼1.0중량%, 아연(Zn) 0.001∼0.1중량%, 니켈(Ni) 0.001∼0.05중량%, 주석(Sn) 0.001∼0.05중량%, 크롬(Cr) 0.001∼0.05중량%, 납(Pb) 0.001∼0.05중량%, 티타늄(Ti) 0.001∼0.2중량%, 스트론튬(Sr) 0.008∼0.03중량%를 포함하여 이루어진 알루미늄 합금재에 대하여 실리콘카바이드(SiC)를 5∼25부피%로 포함시켜 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금을 제공한다.

알루미늄 합금, 실린더 헤드, 실리콘카바이드, 가로세로비

Description

실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금{Aluminum alloy for manufacturing cylinder head}

도 1은 본 발명에 따른 실시예의 알루미늄 합금을 촬영한 전자현미경 사진,

도 2는 비교예에 따른 알루미늄 합금을 촬영한 전자현미경 사진,

도 3은 실시예 및 비교예에 대한 인장 시험결과를 나타낸 그래프.

본 발명은 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차용 엔진의 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금 복합재료에 관한 것으로서, 알루미늄을 기재로 하고 여기에 Si, Cu, Mg, Mn, Ti, Sr의 정확한 조성범위와 Fe, Zn, Ni, Sn, Cr, Pb 성분에 대한 한계 조성값을 규정하여, Si, Mg 성분을 중점 규제한 종래의 알루미늄 합금 재료와, 주요 Si, Mg, Cu, Fe, Mn, Zn 성분 및 Ni, Ti 성분 규제에 의해 강도특성을 향상시킨 종래의 알루미늄 합금 재료에 비해, SiC 분말의 정확한 가로세로비(aspect ratio) 및 크기(size) 범위 그리고 한계 부피 분 율 범위를 규정하여 강도 및 피로 특성을 현저히 향상시킨 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금에 관한 것이다.

통상적으로, 차량 엔진용 실린더 헤드는 엔진의 고출력화 및 콤팩트화로 인하여 점차적으로 사용 재질에 요구되는 물성치가 높아지고 있는 추세에 있다.

최근 실린더 헤드의 소재로 각광 받고 있는 알루미늄 합금은 기존 주철 재질에 비해 강도, 강성 및 피로성질이 떨어지는 단점이 있다.

실린더 헤드의 물성치를 높이기 위하여 종래 개발된 알루미늄 합금 재질로는 Si, Mg의 두 성분을 중점 규제한 소재(이하,"A" 라 칭함)가 있다.

그러나, 고온, 고압, 고출력 엔진의 개발에 따라 강도 및 피로특성의 향상을 위한 재질이 요구되어, 주요 Si, Mg 성분 및 Cu, Fe, Mn, Zn, Ni, Ti 성분을 규제하여 기존 재질에 비해 물성을 향상시킨 소재(JIS AC4CH, 이하 "B"라 한다)가 사용되고 있다.

다음의 표 1은 "A"와 "B"의 성분 함량을 나타낸다.

위의 표 1에서 보는 바와 같이, 종래의 알루미늄 합금 소재는 Si, Mg 성분을 중점 규제한 "A" 재료와, 주요 Si, Cu, Mg, Fe, Mn, Zn 성분 및 Ni, Ti 성분을 규제하여 강도특성을 향상시킨 "B" 재료로 나눌 수 있다.

그러나, 상기한 종래의 두 합금 재료는 다음과 같은 문제점이 있었다.

즉, Si, Mg만을 중점적으로 규제하는 "A" 재료의 경우에는 Fe, Mn, Zn, Ni, Ti 등 타 성분첨가에 의한 물성변화를 정확히 제어할 수 없다.

예를 들어, Fe 성분의 경우 재료 내에 다량 함유시 재질의 취성을 증가시켜 충격강도 및 강도성질을 급격히 저하시킨다.

또한, 주요 Si, Cu, Mg, Fe, Mn, Zn 성분 및 Ni, Ti 성분을 규재한 "B" 재료의 경우 Si, Mg의 두 성분을 중점 규제한 알루미늄 합금 소재에 비해 강도특성이 현저히 향상된다.

그러나, 엔진 실린더 헤드의 경우 점차 고온, 고압, 고출력화 및 콤팩트화 됨에 따라 강도 및 고온 특성의 향상이 중요시되고 있는데, "B" 재료의 경우 현재 요구되는 강도 및 피로물성을 만족시킬 수 없다.

즉, 취성 원소인 Fe 함량의 상한치가 너무 높아 Fe 성분에 의한 재료 내 취성증가조직에 대한 제어가 힘들어 내피로 특성이 우수하지 않으며, Cu, Ti, Mn 성분의 범위 규제가 없어 Cu, Ti, Mn 성분 미 첨가에 의한 피로성질의 저하가 발생할 수 있는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 연구개발된 것으로서, 기존의 재료 "A"와 주요 성분 규제를 통해 강도특성을 향상시킨 기존의 재료 "B" 보다 강도 및 피로 특성을 현저히 향상시킬 수 있도록 기존의 "B"재료에 SiC 분말을 혼합한 복합재료("C" 재료)를 제공하는데 그 목적이 있다.

즉, 본 발명은 고온, 고압, 고출력의 실린더 헤드 제조시 그 재료로서 사용될 수 있는 새로운 알루미늄 합금 복합재료를 제공하고자, 기존의“B”재료를 기재로 하고 여기에 SiC 분말의 정확한 가로세로비(aspect ratio) 및 크기(size) 범위 그리고 한계 부피 분율 범위를 규정하여 강도 및 피로 특성을 현저히 향상시킨 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 알루미늄(Al) 기재에 규소(Si) 6.5∼7.5중량%, 구리(Cu) 0.001∼0.2중량%, 마그네슘(Mg) 0.2∼0.45중량%, 철(Fe) 0.001∼0.2중량%, 망간(Mn) 0.001∼1.0중량%, 아연(Zn) 0.001∼0.1중량%, 니켈(Ni) 0.001∼0.05중량%, 주석(Sn) 0.001∼0.05중량%, 크롬(Cr) 0.001∼0.05중량%, 납(Pb) 0.001∼0.05중량%, 티타늄(Ti) 0.001∼0.2중량%, 스트론튬(Sr) 0.008∼0.03중량%를 포함하여 이루어진 알루미늄 합금재에 대하여 실리콘카바이드(SiC)를 5∼25부피%로 포함시켜 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금을 제공한다.

바람직하게는, 상기 실리콘카바이드(SiC)는 가로세로비(aspect ratio)가 10∼15이고 입자크기는 20㎛∼35㎛인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금에 대하여 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.

본 발명은 강도 및 피로 특성이 향상된 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금 복합재료를 제공하여, 고압 고출력 직분식 디젤 및 가솔린 엔진의 실린더 헤드 제조용 소재로 사용될 수 있도록 한 것이다.

우선, 알루미늄(Al) 기재에 규소(Si) 6.5∼7.5중량%, 구리(Cu) 0.001∼0.2중량%, 마그네슘(Mg) 0.2∼0.45중량%, 철(Fe) 0.001∼0.2중량%, 망간(Mn) 0.001∼1.0중량%, 아연(Zn) 0.001∼0.1중량%, 니켈(Ni) 0.001∼0.05중량%, 주석(Sn) 0.001∼0.05중량%, 크롬(Cr) 0.001∼0.05중량%, 납(Pb) 0.001∼0.05중량%, 티타늄(Ti) 0.001∼0.2중량%, 스트론튬(Sr) 0.008∼0.03중량%를 포함하여 이루어진 알루미늄 합금재를 구비하고, 이 알루미늄 합금재에 대하여 실리콘카바이드(SiC)를 5∼25부피%로 첨가시킨다.

이때, 상기 실리콘카바이드(SiC)의 가로세로비(aspect ratio)가 10∼15이고 입자크기는 20㎛∼35㎛이다.

상기 실리콘 카바이드(SiC)가 25부피% 이상이면, 함량 과다로 취성이 증가하여 강도성질을 저하시킬 수 있으므로 최대 25부피%이하로 한정하고, 5부피% 미만 첨가시 SiC 분산효과를 볼 수 없기 때문에 최소 5부피% 이상으로 첨가하는 것이 좋다.

또한, 실리콘카바이드(SiC)의 가로세로비(aspect ratio)가 10이하인 경우는 크랙 억제(crack arrest)효과를 볼 수 없으므로, 가로세로비가 10이상인 분말을 사 용하고, Al과의 접합성 문제를 해결하기 위하여 가로세로비가 15이하인 분말을 사용한다.

그리고, 실리콘 카바이드 입자와 Al과의 접합성 문제를 해결하기 위하여 실리콘카바이드의 크기는 20㎛이상 35㎛이하로 한정하게 된다. 이는 실리콘 카바이드가 35㎛이상의 크기를 가지면 취성이 증가하여 강도성질을 저하시킬 우려가 있고 20㎛이하의 크기를 가지면 Al과의 접합성이 떨어지기 때문이다.

위와 같은 본 발명의 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금재료의 함량 및 강도 및 고온 특성을 향상시키기 위하여 첨가되는 SiC 분말의 함량은 다음의 표 2에 정리되어 기재된 바와 같다.

여기서, 상기 각 성분의 한정 이유를 설명하면 다음과 같다.

(1) Cu : 0.001∼0.2중량%

0.2중량% 이상이면 함량 과다로 열전도도가 감소되고, 주조시 열간 취성이 발생되는 효과를 보이므로 0.001∼0.2 중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

(2) Si : 6.5∼7.5중량%

Si의 함량이 6.6중량% 이하이면 강도 및 주조성이 나빠지고, 7.5중량% 이상 이면 강도는 증가하나 신율이 감소하는 점을 고려하여, 신율의 감소를 최소화하기 위하여 6.5∼7.5 중량%로 한정하는 것이 좋다.

(3) Mg : 0.25∼0.45중량%

Mg의 함량이 0.45중량% 이상이면 함량 과다로 열전도 감소 및 주물에 산화물 형성이 많아 주조 품질의 영향과 열처리에 의해 신율 저하가 발생하고, 0.25중량% 이하이면 강도가 저하되므로 강도 및 신율 확보를 위해 Mg의 함량을 0.25∼0.45중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

(4) Zn : 0.001∼0.1중량%

0.1중량% 이상이면, 함량 과다로 열전도 및 내식성이 감소하게 되므로 그 함량을 0.1중량% 이하로 관리하는 것이 바람직하다.

(5) Fe : 0.001∼0.2중량%

0.2중량% 이상이면, 함량 과다로 취성 화합물이 생성되므로 그 함량을 0.2 중량% 이하로 관리하는 것이 좋다.

(6) Mn : 0.001∼0.1중량%

0.1중량% 이상이면, 함량 과다로 별도의 열처리 없이 응고중 조직 내부에 미세분산상(dispersion)이 형성되어, 현저한 강도 증가를 나타내는 점을 고려하여 0.1중량% 이하로 관리해주는 것이 좋다.

(7) Ni : 0.001∼0.05중량%

불순물로서 첨가되며, 0.05중량% 이상으로 과다 첨가되는 경우 재료의 강도성질이 저하되므로, 그 함량을 0.05중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

(8) Sn : 0.001∼0.05중량%

불순물로서 첨가되며, 0.05중량% 이상으로 과다 첨가되는 경우 재료의 강도성질이 저하되므로, 그 함량을 0.05중량% 이하로 한정한다.

(9) Cr : 0.001∼0.05중량%

불순물로서 첨가되며, 0.005중량% 이상으로 과다 첨가되는 경우 재료의 강도성질이 저하되므로, 그 함량을 0.05중량% 이하로 한정한다.

(10) Pb : 0.001∼0.05중량%

(11) Ti : 0.001∼0.2중량%

0.2중량% 이상으로 과다 첨가시, 취성이 증가할 수 있으므로 그 함량을 최대 0.2중량%이하로 한정해주는 것이 바람직하다.

(12) Sr : 0.008∼0.03중량%

0.03중량% 이상이면, 함량 과다로 취성이 증가하여 강도성질을 저하시킬 수 있고, 미첨가시에는 Si조직의 형상을 구상화시킬 수 없어 강도 등 기계적 물성이 저하되므로 최소 0.008 중량% 이상으로 한정해주는 것이 바람직하다.

(13) SiC : 5∼25부피%

25부피% 이상이면, 함량 과다로 취성이 증가하여 강도성질을 저하시킬 수 있으므로 최대 25부피%이하로 한정하고, 5부피% 미만 첨가시 SiC 분산효과를 볼 수 없기 때문에 최소 5부피% 이상으로 첨가하는 것이 좋다.

그리고, SiC의 가로세로비가 10이하인 경우는 크랙 억제(crack arrest)효과를 볼 수 없으므로, 가로세로비가 10이상인 분말을 사용하고, Al과의 접합성 문제를 해결하기 위하여 입자의 크기는 20㎛이상으로 한정하게 된다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 한정되지 않는다는 것은 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예

통상적인 합금 제조방법을 이용하여, 상기 표 2에 제시한 본 발명에 따른 조성 성분의 범위중 다음의 함량으로 알루미늄 합금 조성물을 제조하였다.

즉, Al을 기재로 여기에 Si 6.9중량%, Cu 0.04중량%, Mg 0.35중량%, Fe 0.2중량%, Mn 0.02중량%, Zn 0.02중량%, Ni 0.03중량%, Ti 0.02중량%, Pb 0.02중량%, Sn 0.01중량%, Cr 0.03 중량%를 포함하여 이루어진 알루미늄 합금재에 대하여 SiC 를 10부피%(가로세로비:10, 입자크기:25㎛)로 포함시켜 얻어진 합금 조성물을 750℃에서 용융한 후, 100℃로 예열시킨 금형에 주입하여 소정 규격을 갖는 시편으로 제조하였다.

비교예

통상적인 합금 제조방법을 이용하여, 상기 표 1에 나타낸 재료 "B"의 조성성분 범위중 다음의 함량으로 합금 조성물을 제조하였다.

즉, Al을 기재로 여기에 Si 6.9중량%, Cu 0.04 중량%, Mg 0.35 중량%, Fe 0.2중량%, Mn 0.02중량%, Zn 0.02중량%, Ni 0.03중량%, Ti 0.02중량%, Pb 0.02중량 %, Sn 0.01중량%, Cr 0.03중량%를 포함하여 이루어진 알루미늄 합금재에 대하여 SiC를 10부피%(가로세로비:2, 입자크기:10㎛)로 포함시켜 얻어진 합금 조성물을 750℃로 용융한 후, 100℃로 예열시킨 금형에 주입하여 실시예와 동일한 규격의 시편으로 제조하였다.

보다 상세하게는, 비교예는 SiC를 실시예와 같이 10부피%로 첨가하되, 가로세로비 및 입자크기를 본 발명에서 바람직하게 한정하는 실시예의 범위보다 그 이하의 것으로 적용시켰다.

시험예 1

먼저, 상기 실시예와 비교예에서 제조된 시편을 이용하여 상온에서의 피로시험을 실시한 후 비교하였다.

피로시험은 유압식 피로시험기를 이용하였고 150∼220MPa 응력범위에서 10Hz, R=0의 조건으로 하여 실시하였으며, 그 결과를 아래의 표 3과 첨부한 도 1에 나타낸 바와 같다.

위의 표 3와 도 1에서 보는 바와 같이, 실시예에 따라 얻어진 본 발명의 재료와 비교예에 따라 얻어진 재료를 비교하여 본 결과, 피로수명은 800%(8배) 이상 크게 향상되었다.

이는, 상기 실리콘카바이드(SiC)를 가로세로비(aspect ratio)가 10 이상 그리고 입자크기가 20㎛ 이상으로 적용해야 피로수명을 향상시킬 수 있음을 의미한다.

시험예 2

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 시편을 이용하여 상온에서의 피로시험을 실시한 후 그 단면을 분석하였으며 그 결과를 도 2에 나타내었다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 및 비교예에 따라 얻어진 본 발명의 재료를 전자현미경으로 촬영하여 분석하여 본 결과, 비교예의 합금재 경우 크랙의 발생 보였으며, 실시예의 재료에는 크랙이 보이지 않았다.

이는, 가로세로비(aspect ratio)가 10이상이고, 입자크기(particle size)가 20㎛이상인 SiC 분말이 크랙 억제(crack arrest)효과를 발생시키는 것을 의미한다.

이상의 결과로부터 본 발명의 알루미늄 합금재료는 실린더 헤드에서 중요시되고 있는 피로특성을 현격히 향상시킬 수 있고, 이에 엔진의 고출력화에 따른 고온, 고압, 고출력에 견딜 수 있는 실린더 헤드를 제조할 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금에 의하면, 종래의 알루미늄 합금에 대하여 가로세로비(aspect ratio)가 10 이상이고 입자크기가 20㎛이상인 SiC 분말을 5∼25 부피%로 첨가함으로써, 강도 및 피로 특성을 현저히 향상시킬 수 있고, 고온, 고압, 고출력에 견딜 수 있는 실린더 헤드의 제조가 가능해지는 효과가 있다.

Claims

실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금에 있어서,

알루미늄(Al) 기재에 규소(Si) 6.5∼7.5중량%, 구리(Cu) 0.001∼0.2중량%, 마그네슘(Mg) 0.2∼0.45중량%, 철(Fe) 0.001∼0.2중량%, 망간(Mn) 0.001∼1.0중량%, 아연(Zn) 0.001∼0.1중량%, 니켈(Ni) 0.001∼0.05중량%, 주석(Sn) 0.001∼0.05중량%, 크롬(Cr) 0.001∼0.05중량%, 납(Pb) 0.001∼0.05중량%, 티타늄(Ti) 0.001∼0.2중량%, 스트론튬(Sr) 0.008∼0.03중량%를 포함하여 이루어진 알루미늄 합금재에 대하여 실리콘카바이드(SiC)를 5∼25부피%로 포함시켜 이루어진 것을 특징으로 하는 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금.
청구항 1에 있어서, 상기 실리콘카바이드(SiC)는 가로세로비(aspect ratio)가 10∼15이고 입자크기는 20㎛∼35㎛인 것을 특징으로 하는 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금.