KR20070108600A - 엔진블럭의 알루미늄 라이너용 고규소 알루미늄 합금 소재제조 방법 및 장치 - Google Patents

엔진블럭의 알루미늄 라이너용 고규소 알루미늄 합금 소재제조 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진용 알루미늄 실린더 블럭에 삽입되어 피스톤의 왕복운동시 윤활 및 내열특성이 요구되는 알루미늄 실린더 라이너 제조에 사용되는 고규소 알루미늄 합금 소재의 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 실리콘 15∼30중량%를 함유한 과공정 고규소 실리콘 알루미늄 합금을 급속응고법 중의 하나인 싱글롤 혹은 트윈롤 방식을 통해 두께 100∼200㎛의 합금화된 금속응고 리본을 제조함으로써, 알루미늄 실린더 라이너에서 요구되는 직경 20∼30㎛ 이하의 실리콘 크기를 획득할 수 있고, 이에 따라 기존의 분말 혼합법에서 문제되는 합금성분원소의 불균일한 분포문제를 해결할 수 있으며, 균일한 조직을 효과적으로 최종 제품에 부여하여 균일하고 우수한 품질의 알루미늄 실린더 라이너 제조에 사용되는 급속응고된 합금 리본을 제조하는 방법과 장치를 제공한다.
실린더 라이너, 고규소 알루미늄 합금 소재, 급속응고리본, 트윈롤, 싱글롤

Description

엔진블럭의 알루미늄 라이너용 고규소 알루미늄 합금 소재 제조 방법 및 장치{Method and device for manufacturing Al alloy material included high Si}
도 1은 본 발명에 따른 고규소 알루미늄 합금 소재 제조 장치를 나타내는 개략도
도 2는 본 발명에 따른 고규소 알루미늄 합금 소재 제조 과정 중 용탕이 리본 형태로 제조되는 것을 나타내는 개략도
도 3은 본 발명에 따른 고규소 알루미늄 합금 소재 제조 방법으로 제조된 합금 리본의 현미경 사진
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 용해도가니 11 : 출구
12 : 스톱퍼 13 : 질소가스 공급장치
14 : 금속회전체 15 : 히터
16 : 용탕
본 발명은 엔진블럭의 알루미늄 라이너용 고규소 알루미늄 합금 분말 제조 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고규소 알루미늄 합금 리본을 급속응고법으로 제조하여 실린더 라이너에서 요구되는 미세하고 균일한 실리콘의 형상, 크기 및 분포를 효과적으로 구현할 수 있는 고품위의 고규소 알루미늄 합금 분말 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 엔진용 알루미늄 블럭의 보어 보강재로 사용되고 있는 알루미늄 실린더 라이너 제조용 소재는 각각의 합금 성분 원소 분말을 제조한 후, 이를 기계적으로 혼합한 다음 교반하여 합금화하거나(Mechanical Alloying, MA), 각각의 합금 성분 원소분말을 교반 혼합하여 성형체 형태로 제조하는 방법이 사용되고 있다.
상기 기계적인 합금화(MA)법의 경우, 본 발명에서 사용하고자 하는 고규소 알루미늄 합금의 성분 원소인 알루미늄과 실리콘의 기계적인 교반 혼합시 알루미늄에 비해 상대적으로 고경도인 실리콘의 분쇄 및 합금화가 어렵고, 실린더 라이너에서 요구하는 20㎛ 이하 크기의 실리콘 입자를 구현하는데 많은 시간이 소모되며, 그 분포 또한 불균일해지는 문제점을 가지고 있다.
또, 다른 방법인 상기 각 합금 성분 원소 분말을 혼합하여 성형체를 제조하는 방법의 경우, 고경도의 실리콘의 미세한 분말 제조가 어렵고, 균일한 실리콘의 분포 또한 효과적으로 제어하기 어려운 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 실리콘 15∼30중량%를 함유한 과공정 고규소 실리콘 알루미늄 합금을 급속응고법 중의 하나인 싱글롤 혹은 트윈롤 방식을 통해 두께 100∼200㎛의 합금화된 금속응고 리본을 제조함으로써, 알루미늄 실린더 라이너에서 요구되는 직경 20∼30㎛ 이하의 실리콘 크기를 획득할 수 있고, 이에 따라 기존의 분말 혼합법에서 문제되는 합금성분원소의 불균일한 분포문제를 해결할 수 있으며, 균일한 조직을 효과적으로 최종 제품에 부여하여 균일하고 우수한 품질의 알루미늄 실린더 라이너 제조에 사용되는 급속응고된 합금 리본을 제조하는 방법과 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제조 방법은 고주파 유도로 내에 장착한 용해도가니에 순도 99%이상의 알루미늄 및 15∼30중량% 범위의 순도 99%이상의 실리콘을 계량한 후 장입 밀봉하여 900℃ 온도에서 용해시키는 단계와, 상기 용해도가니 바닥의 출구을 막고 있던 스토퍼를 개방하는 동시에 용탕의 상부쪽에 질소가스를 일정 압력(1∼2기압)으로 가압 공급하여 용탕이 출구를 통하여 줄기모양으로 배출되도록 하는 단계와, 상기 배출되는 용탕을 고속으로 회전하는 냉각매체인 금속회전체에 접촉시켜 급속응고된 리본 형태의 소재를 제조하고 이를 포집하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 용탕의 금속응고를 위하여 금속회전체를 5,000rpm 이상으로 고속 회전시키면서 냉각속도 10-4K/sec 이상으로 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는 고주파 유도로 내에 설치되는 용해도가니와, 상기 용해도가니의 하단에 형성된 출구의 개폐역할을 하는 스톱퍼와, 상기 용해도가니의 상단에 설치되어 용탕 배출을 위한 압력을 제공하는 질소가스 공급장치와, 상기 용해도가니의 출구의 저부에 인접 배치되어 그 표면에 접촉되는 용탕을 급속응고시켜주는 금속회전체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속회전체는 싱글롤 또는 트윈롤 형태인 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 실리콘 15∼30중량%를 함유한 과공정 고규소 실리콘 알루미늄 합금을 급속응고법 중의 하나인 싱글롤 혹은 트윈롤 방식을 통해 두께 100∼200㎛의 합금화된 금속응고 리본을 제조함으로써, 알루미늄 실린더 라이너에서 요구되는 직경 20∼30㎛ 이하의 실리콘 크기를 획득할 수 있고, 이에 따라 기존의 분말 혼합법에서 문제되는 합금성분원소의 불균일한 분포문제를 해결할 수 있으며, 균일한 조직을 효과적으로 최종 제품에 부여하여 균일하고 우수한 품질의 알루미늄 실린더 라이너 제조에 사용되는 급속응고된 합금 리본을 제조할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
이를 위하여, 본 발명의 장치에 대한 구성을 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 고규소 알루미늄 합금 소재 제조 장치를 나타내는 개략도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 통상의 고주파 유도로(미도시)의 내부에는 용해도가니(10))가 설치된다.
이때의 용해도가니(10)는 개폐가능한 구조로 되어 있으며, 그 하단에 형성되는 출구, 즉 용탕의 배출을 위한 출구(11)를 개폐하기 위한 스톱퍼(12)를 구비하고 있다.
여기서, 상기 스톱퍼(12)는 상하 동작하는 보편적인 방식으로 개폐기능을 수행할 수 있게 된다.
따라서, 상기 스톱퍼(12)를 들어주면 용해도가니(10)의 출구(11)가 개방되고, 그대로 놓으면 용해도가니(10)의 출구(11)가 밀폐된다.
또한, 상기 용해도가니(10)의 주변으로는 히터(15)가 배치되어 있으며, 히터 가동시 도가니 내의 재료(알루미늄+실리콘)가 용해될 수 있게 된다.
또한, 상기 용해도가니(10)의 상측에는 소정의 배관이 연결 설치되며, 이때의 배관을 통해 질소가스 공급장치(13)측으로부터 제공되는 질소가스가 용해도가니(10) 속으로 공급되고, 따라서 이때의 가스로 인하여 용해도가니(10)에 충진되어 있는 용탕의 상부가 가압된다.
또한, 상기 용해도가니(10)의 저부, 즉 출구(11)의 바로 아래쪽에는 고속으로 회전하는 냉각매체인 금속회전체(14)가 배치되며, 이에 따라 용해도가니(10)의 출구(11)로부터 배출되는 용탕은 소정의 속도, 예를 들면 5,000rpm 이상의 속도로 회전하고 있는 금속회전체(14)에 접촉되어 급속하게 응고될 수 있게 된다.
예를 들면, 금속회전체와 접촉하는 용탕은 냉각속도 10-4K/sec 이상으로 급속응고될 수 있게 된다.
여기서, 위의 냉각속도는 금속회전체의 회전속도를 높여서 증가시킬 수 있으며, 또 용탕의 과열온도(용융점 이상으로 가열한 정도)를 증가시켜 용탕 온도와 응고 온도차를 증가시켜 조절할 수 있다.
또한, 위의 10-4K/sec 는 급속 응고와 일반적인 응고의 응고속도의 경계(기준)인 10-3K/sec 보다 빠르다는 것을 의미한다.
이러한 금속회전체(14)는 모터 등과 같은 통상의 구동원을 이용하여 회전시킬 수 있다.
이때의 금속회전체(14)는 싱글롤 또는 트윈롤 형태로 구성할 수 있다.
또한, 위와 같이 급속 응고된 합금 리본은 금속회전체의 일측에 구비되어 있는 포집장치(미도시)를 통해 포집하여 회수할 수 있다.
이러한 구성을 통하여 수행되는 본 발명의 엔진블럭의 알루미늄 라이너용 고규소 알루미늄 합금 분말 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.
실린더 블럭용 실린더 라이너소재 제조에 사용되는 분말을 제조하기 위하여 순도 99%이상의 알루미늄 및 15∼30중량% 범위의 순도 99%이상의 실리콘을 계량한 다음, 상기 고주파 유도로 내에 설치되어 있는 용해도가니(10)에 장입하게 된다.
이렇게 용해도가니(10)에 장입된 소재를 900℃ 온도에서 용해시키게 된다.
다음으로, 상기 용해도가니(10) 바닥의 출구(11)을 막고 있던 스톱퍼(12)를 들어서 출구(11)를 개방하는 동시에 용탕의 상부쪽에 질소가스를 일정 압력(1∼2기압)으로 가압 공급하여 용탕이 출구(11)를 통하여 줄기모양으로 배출되도록 한다.
즉, 상기 질소가스 공급장치(13)와 연결된 배관을 통해 질소가스가 일정 압력(1∼2기압)으로 공급되면, 용해도가니(10) 내의 용탕은 화살표 방향과 같이 가압되고, 따라서 용탕은 출구(11)를 통하여 줄기모양으로 용이하게 배출된다.
예를 들면, 도 2에 도시한 바와 같이, 도가니로부터 공급된 용탕은 합금의 용해 온도보다 대략 200∼300℃ 이상으로 과열된 것으로, 오리피스를 통해 일정량 공급되어 고속으로 회전하는 롤러에 접촉하는 순간 급속응고되어 얇고 긴 리본형태로 제조된다.
계속해서, 상기 용해도가니(10)의 출구(11)를 통하여 배출되는 알루미늄 합금 용탕을 고속으로 회전하고 있는 냉각매체인 금속회전체에 접촉시켜서 급속응고된 리본형태의 소재를 제조한다.
이렇게 급속응고된 합금 리본은 금속회전체의 일측에 있는 포집장치를 통해 포집하여 회수한다.
도 3은 본 발명에 따른 고규소 알루미늄 합금 소재 제조 방법으로 제조된 합금 리본의 현미경 사진이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 급속응고된 합금 리본은 냉각속도가 일반 냉각속도보다 빠르기 때문에 일반 냉각법에 비해 미세한 결정의 획득이 가능하다.
사진은 형성된 알루미늄의 미세한 수지상을 나타내는 것으로, 하나의 결정립이 20㎛ 정도이고, 이들 결정립 사이 혹은 결정립 내에서 형성되는 실리콘의 입자 크기는 20㎛ 이하로 제조가 가능하다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 엔진블럭의 알루미늄 라이너용 고규소 알루미늄 합금 분말 제조 방법 및 장치에 의하면, 실리콘 15∼30중량%를 함유한 고규소 실리콘 알루미늄 합금을 급속응고법을 통해 100∼200㎛ 크기의 합금화된 분말을 제조함으로써, 알루미늄 실린더 라이너에서 요구되는 직경 20∼30㎛ 이하의 실리콘 크기를 획득할 수 있어, 고기능, 고품위의 실린더 라이너 제조에 사용되는 합금 소재를 얻을 수 있다.
특히, 기존의 분말 혼합법에서 문제되는 합금성분원소의 불균일한 분포문제를 해결함과 함께 균일한 조직을 효과적으로 최종 제품에 부여함으로써 균일하고 우수한 품질의 알루미늄 실린더 라이너 제조에 사용되는 소재를 제조할 수 있다.

Claims (4)

  1. 고주파 유도로 내에 장착한 용해도가니에 순도 99%이상의 알루미늄 및 15∼30중량% 범위의 순도 99%이상의 실리콘을 계량한 후 장입 밀봉하여 900℃ 온도에서 용해시키는 단계;
    상기 용해도가니 바닥의 출구을 막고 있던 스토퍼를 개방하는 동시에 용탕의 상부쪽에 질소가스를 일정 압력(1∼2기압)으로 가압 공급하여 용탕이 출구를 통하여 줄기모양으로 배출되도록 하는 단계;
    상기 배출되는 용탕을 고속으로 회전하는 냉각매체인 금속회전체에 접촉시켜 급속응고된 리본 형태의 소재를 제조하고 이를 포집하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진블럭의 알루미늄 라이너용 고규소 알루미늄 합금 소재 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 용탕의 금속응고를 위하여 금속회전체를 5,000rpm 이상으로 고속회전시키면서 냉각속도 10-4K/sec 이상으로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 엔진블럭의 알루미늄 라이너용 고규소 알루미늄 합금 소재 제조 방법.
  3. 고주파 유도로 내에 설치되는 용해도가니(10)와, 상기 용해도가니(10)의 하단에 형성된 출구(11)의 개폐역할을 하는 스톱퍼(12)와, 상기 용해도가니(10)의 상단에 설치되어 용탕 배출을 위한 압력을 제공하는 질소가스 공급장치(13)와, 상기 용해도가니(10)의 출구(11)의 저부에 인접 배치되어 그 표면에 접촉되는 용탕을 급속응고시켜주는 금속회전체(14)를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진블럭의 알루미늄 라이너용 고규소 알루미늄 합금 소재 제조 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 금속회전체(14)는 싱글롤 또는 트윈롤 형태인 것을 특징으로 하는 엔진블럭의 알루미늄 라이너용 고규소 알루미늄 합금 소재 제조 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105014024A (zh) * 2015-06-26 2015-11-04 苏州洲盛非晶科技有限公司 用于非晶带生产的单辊压力制带机

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