KR20090006502A - 중력주조공법에 의한 알루미늄 실린더 라이너의 제조장치및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산화 피막 현상 및 기포 유입을 방지하고 초정 실리콘의 크기를 20~70㎛로 형성하기 위한 중력주조공법에 의한 알루미늄 실린더 라이너의 제조장치 및 그 방법을 구현하고자 한다.

실린더라이너, 냉각, 스파이럴, 초정실리콘, 중력주조, 틸팅

Description

중력주조공법에 의한 알루미늄 실린더 라이너의 제조장치 및 그 방법{Apparatus for manufacturing cylinder liner}

본 발명은 알루미늄 실린더 라이너의 제조장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중력 주조시 산화 피막 현상 및 기포유입을 방지하고 내마모성을 향상시킬 수 있는 중력주조공법에 의한 알루미늄 실린더 라이너의 제조장치 및 그 방법에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 자동차 엔진은 혼합기가 실린더 내부의 연소실에서 연소되면서 발생하는 연소압력에 의한 피스톤 승강 운동을 크랭크 기구에 의한 회전운동으로 변환시켜 출력함으로써 동력을 얻게 되는 것이다. 이러한 중요 구성부품으로는 실린더 블록과 실린더 헤드, 그리고 밸브 트레인 및 피스톤과 크랭크 기구 등이 있다.

이 중에서 실린더 블록은 주어진 열에너지로부터 가능한 한 큰 동력을 얻기 위하여 실린더와 피스톤 사이에서 압축된 혼합기나 연소한 폭발가스가 새지 않도록 함과 동시에 피스톤의 접동에 의한 마찰과 마모가 적어야 하는 특징을 가지고 있다. 따라서 실린더 블록의 내면은 정밀하게 성형되고, 만일 실린더 블록과 피스톤 간에 틈새가 형성되면 연소실 내의 혼합기가 누설되므로 엔진에 따라서는 실린더 블록의 내주면에 별도로 제작된 실린더 라이너를 삽입하여 주조 성형하기도 한다.

이와 같이 실린더 라이너를 사용하는 경우에는 통상 주철의 실린더 블록에 특수 주철로 만들어진 실린더 라이너를 끼워 넣지만, 엔진의 중량을 가볍게 하고 열전도율을 좋게 하기 위하여 실린더 블록을 알루미늄 합금으로 주조하고 이에 주철재의 실린더 라이너를 끼워넣어 설치하는 경우도 있다.

그러나 상기와 같이 알루미늄 합금의 실린더 블록에 주철재의 실린더 라이너를 끼워넣어 고정시켜 사용하는 경우 운행중에 실린더 블록과 실린더 라이너 간에 공기층이 발생하게 되면서 내구성이 저하되는 문제점이 있었다,

따라서 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 방법으로 최근에는 실린더 라이너를 알루미늄 합금으로 만든 후 실린더 블록을 만들기 위한 금형의 내부에 상기 실린더 라이너를 위치시킨 다음에 상기 금형에 알루미늄 합금을 녹인 900℃의 용탕을 주입하게 되면 실린더 라이너의 외측둘레가 상기 용탕에 의해 녹게 되면서 결국 실린더 블록의 내면에 실린더 라이너의 외측 둘레가 용융되어 접합되도록 하는 방법을 사용하고 있다. 이러한 방법은 엔진의 중령을 줄일 수 있고, 실린더 라이너의 내구성을 어느 정도 향상시킬 수 있으며, 냉각성능 또한 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

전술한 점들을 참조할 때, 엔진의 경량 및 냉각 성능에 대해서는 어느 정도 개발이 이루어졌지만 실린더 라이너의 내구성을 향상시키기 위한 방법은 아직까지 활발하게 진행되지 못하고 있어, 보다 직접적이고 효율적인 성형방법이 절실히 요구되고 있다.

전술한 바와 같은 요구를 만족시키기 위해 본 발명은 경동식 중력주조공법으로 실린더 라이너를 성형함으로써 산화 피막 현상 및 기포유입 현상을 방지할 수 있는 알루미늄 실린더 라이너의 제조장치 및 그 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 스파이럴 형상 냉각방식을 적용하여 초정 실리콘의 크기를 20~70㎛ 정도로 형성할 수 있는 중력주조공법에 의한 알루미늄 실린더 라이너의 제조장치 및 그 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 엔진블록의 주조시 주조접합이 용이하도록 하는 중력주조공법에 의한 알루미늄 실린더 라이너의 제조장치 및 그 방법을 제공한다.

상기한 바를 달성하기 위한 제1 견지에 있어, 본 발명은 양측으로 오픈되는 제1,2 금형과, 상기 제1,2 금형의 사이에 삽입되어 소정의 공간부를 형성하기 위한 제3 금형으로 구성된 실린더 라이너의 제조장치에 있어서, 상기 공간부는 실린더 라이너의 형상에 대응하는 제품부와, 상기 제품부의 직경보다 크게 형성된 압탕부 로 구성된 성형챔버이며; 상기 금형의 일측으로는 용탕이 담겨지고, 0~90ㅀ각도만큼 틸팅하여 상기 성형챔버에 용탕을 주입하는 호퍼와; 상기 제3 금형의 내부에 설치되며, 스파이럴 타입으로 형성되어 상기 성형챔버에 충진된 용탕을 응고시키는 냉각부로 구성된 실린더 라이너의 제조장치를 제안한다.

상기한 바를 달성하기 위한 제2 견지에 있어, 본 발명은 제1,2,3 금형을 합형하고, 200~300℃까지 예열한 다음, 상기 호퍼의 내부에 용탕을 공급하는 단계와; 상기 호퍼를 수평상태에서 수직상태로 틸팅시켜 성형챔버의 내부에 용탕을 700~750℃에서 주입하는 단계와; 냉각부의 관로를 통해 냉각수 또는 냉각공기를 유입시켜 상기 성형챔버에 충진된 용탕을 응고시키는 단계와; 상기 제1,2,3 금형을 분할시켜 상기 성형챔버로부터 실린더 라이너를 취출하는 단계로 이루어지는 실린더 라이너의 제조방법을 제안한다.

본 발명은 실린더 라이너의 성형과정에서 발생하는 산화 피막 현상 및 기포가 유입되는 것을 방지할 수 있으며, 특히 알루미늄 실린더 라이너의 조직(즉, 초정 실리콘 크기)을 20~70㎛ 정도로 형성할 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라 상기 실린더 라이너의 외부 표면을 요철모양으로 형성함으로써 엔진블록 주조시 표면적을 증대시켜 주조접합이 용이하도록 하는 효과가 있다.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 후술 될 상세한 설명에서는 상술한 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명에 있어 대표적인 실시 예를 제시할 것이다. 그리고 본 발명으로 제시될 수 있는 다른 실시 예 들은 본 발명의 구성에서 설명으로 대체한다.

본 발명에서는 산화 피막 현상 및 기포 유입을 방지하고 초정 실리콘의 크기를 20~70㎛로 형성하기 위한 중력주조공법에 의한 알루미늄 실린더 라이너의 제조장치 및 그 방법을 구현하고자 한다.

이를 위해서는 중력주조공법을 적용할 때 요구되는 금형의 형상 및 용탕이 담겨지는 호퍼의 주입각도 등을 포함하는 실린더 라이너의 제조장치가 구체적으로 개시되어야 한다. 그리고 금형냉각기술 즉, 금형냉각채널 형상과 금형의 예열온도, 호퍼의 경동각도, 용탕주입온도, 실린더 라이너의 재질 등의 구체적인 방안이 개시되어야 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 중력주조공법에 의한 알루미늄 실린더 라이너의 제조장치를 보이고 있는 도면이다. 본 발명의 실시 예에 따른 제조장치는 실린더 라이너를 성형하기 위한 3개의 금형(10,12,14), 용탕(A)이 담겨지는 호퍼(basin: 16), 압탕부(18a)와 제품부(18b)로 이루어진 성형챔버(18), 스파이럴 냉각타입으로 된 냉각부(20)로 구성된다.

상기 도 1,2를 참조하면, 제1 금형(10)과 제2 금형(12)은 양측으로 설치되는 데 이들은 실린더(도시하지 않음)에 의해 양측으로 분리된다. 이는 상기 제1,2 금형(10,12) 및 제3 금형(14)에 의해 실린더 라이너 제품이 성형되었을 때 이를 취출하기 위한 것으로, 이러한 구성 및 동작은 이미 널리 알려진 공지기술에 해당함으로 본 발명의 상세한 설명에서는 생략하기로 한다. 또한 제3 금형(14)은 실린더 라이너를 성형할 때 원통 모양으로 만들기 위하여 중앙에 설치되는 금형으로써, 이 또한 공지기술에 해당한다.

호퍼(16)는 제1,2 금형(10,12)의 후방에 설치되어 0~90ㅀ각도로 회전(구체적으로는 Tilting 동작)하는 것으로, 종래에는 금형이 기울어지는 타입이지만 본 발명에서는 호퍼(16)가 수평상태에서 수직상태로 틸팅하여 성형챔버(18)의 내부로 용탕(A)을 주입한다.

성형챔버(18)는 제1,2 금형(10,12)이 합형되고 중간에 제3 금형(14)이 삽입되었을 때 형성되는 공간부를 말하며, 용탕(A)이 유입되기 위한 압탕부(18a)와 실린더 라이너로 형성되기 위한 제품부(18b)로 구성된다. 도 3을 참조하면, 상기 성형챔버(18)는 상광하협식으로 형성되며, 바람직하게는 호퍼(16)로부터 주입되는 용탕(A)이 성형챔버(18)의 외부로 넘치지 않도록 직경이 크게 형성된 압탕부(18a)를 상부에 형성하고, 상기 압탕부(18a)의 아래쪽으로 실린더 라이너의 두께와 동일한 직경을 가지는 제품부(18b)가 일체로 형성된다. 또한 상기 제품부(18b)의 외주면은 요철모양으로 형성되며, 이는 실린더 라이너를 성형할 때 외부표면을 거칠게 하기 위한 것이다. 즉, 상기 실린더 라이너의 표면에 요철을 형성함으로써 엔진블록 주조시 표면적을 증대시켜 주조접합이 용이하도록 하기 위한 것이다.

다음으로, 냉각부(20)는 본 발명의 주요 구성요소 중의 하나로, 제3 금형(14)의 내부에 설치되고, 냉각효율을 증대시키기 위하여 스파이럴(spiral) 냉각방식을 채택하고 있다. 또한 상기 냉각부(20)는 직선타입으로 형성된 유입관로(26a) 및 배출관로(28a,28b)와 코일스프링 모양으로 형성된 유입관로(26b)로 구성된다.

즉, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이 상기 냉각부(20)는 외부로부터 냉각수 또는 공기(차가운 공기)를 공급받기 위한 유입구(22)를 구비하고, 상기 유입구(22)에는 파이프 형상의 유입관로(26a)가 연결되며, 상기 유입관로(26a)의 일측단은 냉각부(20)의 본체와 결합되어 다시 유입관로(26b)와 연결된다. 상기 유입관로(26b)의 끝부분은 배출관로(28b)와 연결되고, 상기 배출관로(28b)는 배출구(24)와 연결되어 있는 배출관로(28a)로 연결된다. 이때 상기 유입관로(26b)는 스파이럴 타입(즉, 코일스프링 타입)으로 형성되는데, 이는 냉각효과를 극대화시키기 위한 것이고, 또한 상기 관로(26a,26b,28a,28b)의 내부를 크롬(Cr) 재질로 도금 처리하여 내구성을 향상시킨다.

이와 같은 냉각부(냉각채널: 20)의 구성에 따라서, 실린더 라이너의 조직을 최적화할 수 있는데, 바람직하게는 초정 실리콘의 크기를 20~70㎛ 정도로 조직을 형성할 수 있으며 이는 실린더 라이너의 내마모성을 향상시킬 수 있고 또한 산화 피막 현상 및 기포가 유입되는 현상을 방지할 수 있다.

한편, 전술한 냉각부(20)의 관로(26a,26b,28a,28b)를 통해 유입되는 냉매를 공기로 사용했을 때 실린더 라이너의 표면 조직은 도 7에 나타낸 바와 같이 40㎛를 얻을 수 있었으며, 또한 냉각수를 사용했을 때 실린더 라이너의 표면 조직은 도 8과 같이 35㎛ 정도로 나타났다.

이하, 상기한 바와 같이 구성된 제조장치를 이용하여 알루미늄 실린더 라이너를 성형하는 방법을 도 2 및 도 6을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 제조방법으로 따라 성형되는 실린더 라이너는 과공정 Al-Si 재질로 성형되는데, 예를 들어 Al-17~25wt%Si 합금, A390, B390 재질 등을 사용한다. 이때 실린더 라이너를 이루는 재질 중에서 'A390'에 함유되어 있는 각 조성물 및 조성비는 표 1과 같다.

성 분	Al	Si	Cu	Mg	Mn	Fe	Zn	Ti
Spec	Rem	16~17	4~5	0.45~0.65	0.10 Max	0.5 Max	1.0 Max	0.2 Max

다음, 제1 금형(10)과 제2 금형(12)을 합형하고, 그 사이의 공간부에 제3 금형(14)을 삽입한 다음, 상기 각 금형(10,12,14)을 200~300℃까지 예열시킨 후, 수평상태로 놓여진 호퍼(16)에 용탕(A)을 공급한다.

이후, 상기 호퍼(16)를 90ㅀ로 회전(즉, 수직방향으로 틸팅)시켜서 호퍼(16)에 담겨져 있는 용탕(A)을 성형챔버(18)의 내부로 주입시킨다. 이때 상기 용탕(A)은 제품부(18b)와 압탕부(18a)까지 충진되어지며, 주입온도는 700~750℃ 정도이다.

이어서, 유입구(22)를 통해 냉각수를 공급하게 되면, 상기 냉각수는 파이프 형상의 유입관로(26a)→스파이럴 타입의 유입관로(26b)→파이프 형상의 배출관로(28b)→파이프 형상의 배출관로(28a)를 통해 흐르면서 성형챔버(18)에 충진되어 있는 용탕(A)을 응고시켜 실린더 라이너 형상으로 만든다.

끝으로, 상기 제1 금형(10)과 제2 금형(12)을 양측으로 벌려서 분할시킨 다음, 이어서 제3 금형(14)을 아래로 이동시켜 빼내게 됨으로써 알루미늄 실린더 라이너는 취출되어진다. 이와 같은 동작에 따라 본 발명에서는 4개의 실린더 라이너를 동시에 성형할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 중력주조공법에 의한 알루미늄 실린더 라이너를 제조하는 장치의 구성을 개략적으로 보여주고 있는 도면.

도 2는 도 1에서 도시하고 있는 실린더 라이너 제조장치의 핵심부분 및 동작상태를 단면으로 보이고 있는 도면.

도 3은 도 2에서 도시하고 있는 성형챔버(18)의 형상을 보이고 있는 도면.

도 4는 도 1에서 도시하고 있는 스파이럴 형상 냉각방식으로 된 냉각부(20)의 상세구성을 보이고 있는 도면.

도 5는 도 2 또는 도 4에서 도시하고 있는 냉각부(20)의 관로를 따라 냉각수가 흐르는 과정을 보이고 있는 도면.

도 6은 본 발명에 따른 알루미늄 실린더 라이너의 제조방법을 순차적으로 보여주고 있는 도면.

도 7은 도 6에서 도시하고 있는 응고 단계에서 공냉 조건일 때의 실린더 라이너의 표면조직 상태를 사진으로 촬영한 도면.

도 8은 도 6에서 도시하고 있는 응고 단계에서 수냉 조건일 때의 실린더 라이너의 표면조직 상태를 사진으로 촬영한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 제1 금형 12: 제2 금형

14: 제3 금형 16: 호퍼

18: 성형챔버 18a: 압탕부

18b: 제품부 18c: 요철모양

20: 냉각부 26a, 26b: 유입관로

28a, 28b: 배출관로

Claims (6)

1. 양측으로 오픈되는 제1,2 금형(10,12)과, 상기 제1,2 금형(10,12)의 사이에 삽입되어 소정의 공간부를 형성하기 위한 제3 금형(14)으로 구성된 실린더 라이너의 제조장치에 있어서,

   상기 공간부는 실린더 라이너의 형상에 대응하는 제품부(18b)와, 상기 제품부(18b)의 직경보다 크게 형성된 압탕부(18a)로 구성된 성형챔버(18)이며;

   상기 금형(10,12,14)의 일측으로는 용탕(A)이 담겨지고, 0~90ㅀ각도만큼 틸팅하여 상기 성형챔버(18)에 용탕(A)을 주입하는 호퍼(16)와;

   상기 제3 금형(14)의 내부에 설치되며, 스파이럴 타입으로 형성되어 상기 성형챔버(18)에 충진된 용탕(A)을 응고시키는 냉각부(20)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 중력주조공법에 의한 알루미늄 실린더 라이너의 제조장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 냉각부(20)는 직선모양으로 형성되어 외부로부터 냉각수 또는 냉각공기를 유입하기 위한 유입관로(26a)를 구성하고, 상기 유입관로(26a)에는 스파이럴 모양으로 형성되어 상기 용탕(A)을 응고시키는 유입관로(26b)가 연결되며, 상기 유입관로(26b)에는 응고과정을 거친 냉각수 또는 냉각공기를 외부로 배출시키기 위한 배출관로(28b,28a)가 연결됨을 특징으로 하는 중력주조공법에 의한 알루미늄 실린 더 라이너의 제조장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 각 관로(26a,26b,28a,28b)의 내부에는 크롬 재질로 도금 처리됨을 특징으로 하는 중력주조공법에 의한 알루미늄 실린더 라이너의 제조장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 제품부(18b)의 외주면에는 요철모양(18c)이 형성됨을 특징으로 하는 중력주조공법에 의한 알루미늄 실린더 라이너의 제조장치.
5. 상기 제1항의 제조장치를 이용하여 알루미늄 실린더 라이너를 제조하는 방법에 있어서,

   상기 제1,2,3 금형(10,12,14)을 합형하고, 200~300℃까지 예열한 다음, 상기 호퍼(16)의 내부에 용탕(A)을 공급하는 단계와;

   상기 호퍼(16)를 수평상태에서 수직상태로 틸팅시켜 상기 성형챔버(18)의 내부에 용탕(A)을 700~750℃에서 주입하는 단계와;

   상기 냉각부(20)의 관로(26a,26b,28a,28b)를 통해 냉각수 또는 냉각공기를 유입시켜 상기 성형챔버(18)에 충진된 용탕(A)을 응고시키는 단계와;

   상기 제1,2,3 금형(10,12,14)을 분할시켜 상기 성형챔버(18)로부터 실린더 라이너를 취출하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 중력주조공법에 의한 알루미늄 실린더 라이너의 제조방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 실린더 라이너는 과공정 알루미늄-실리콘 재질로 성형되며, 상기 실린더 라이너의 초정 실리콘 크기는 20~70㎛ 조직으로 이루어짐을 특징으로 하는 중력주조공법에 의한 알루미늄 실린더 라이너의 제조방법.

Images