KR20090048492A

KR20090048492A - 라이너가 없는 실린더를 갖는 엔진 블록을 주조하기 위한 내마모성 알루미늄 합금

Info

Publication number: KR20090048492A
Application number: KR1020097004541A
Authority: KR
Inventors: 살바도르 발티에라-갈라르도; 호세 탈라만테스-실바; 안드레스 페르난도 로드리구에즈-하소; 호세 알레한드로 곤잘레즈-빌라레알
Original assignee: 테네도라 네마크 에스.에이. 드 씨.브이.
Priority date: 2006-08-04
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2009-05-13
Also published as: CN101627138A; WO2008053363A3; US20080031768A1; WO2008053363A2; WO2008053363A8; EP2054535A4; CA2660137A1; AU2007315791A1; BRPI0714884A2; EP2054535A2; MX2009001319A; US20100288461A1

Abstract

실리카-사형 주형과 같은 저비용의 주조 공정을 사용하여 라이너가 없는 실린더 엔진 블록 주조물을 위한 제조 및 성능 조건을 충족시키는 알루미늄-규소 합금 조성물이 개시되어 있다. 본 발명의 합금은 하기 (중량%) 를 포함한다: 13 % 내지 14 % Si; 2.3 % 내지 2.7 % Cu; 0.1 % 내지 0.4 % Fe; 0.1 % 내지 0.45 % Mn; 0.1 % 내지 0.30 % Mg; 0.1 % 내지 0.6 % Zn; 0.05 % 내지 0.11 % Ti; 0.4 % 내지 0.8 % Ni; 0.01 % 내지 0.09 % Sr; 및 나머지는 알루미늄 및 임의의 잔류물임. 상기 합금은 기계화 특성이 매우 양호하여, 실린더 내경 (cylinder bore) 에서 상당히 향상된 표면 마감을 제공한다. 엔진 블록의 제조 비용은 철 라이너가 필요한 선행 기술의 현재 시판되는 합금을 사용하는 것과 비교하여 약 40 % 감소한다. 존재하는 임의의 1 차 Si 는 실질적으로 균일하게 분산되고, 구리는 응고 및 냉각 동안 분리되지 않는다.

Description

라이너가 없는 실린더를 갖는 엔진 블록을 주조하기 위한 내마모성 알루미늄 합금 {WEAR-RESISTANT ALUMINUM ALLOY FOR CASTING ENGINE BLOCKS WITH LINERLESS CYLINDERS}

본 발명은 저비용의 저압 사형 주조 공정을 이용하여 기계적 특성 및 내마모성 및 내스커핑성 (scuffing resistance) 이 양호한 자동차 엔진용 고품질의 알루미늄 실린더 블록으로 주조할 수 있는 알루미늄 합금에 관한 것이고; 따라서 본 발명에 따르면 엔진 블록은 철 (또는 고비용의 알루미늄) 라이너의 삽입 필요 없이 제조되어, 효율적인 실린더 벽을 가질 수 있다.

알루미늄 합금으로 제조된 다수의 자동차 및 비행기 실린더 엔진 블록은 현재 사형 코어 (sand core) 를 사용하는 실리카 사형 주형 (mold) 에서 블록 본체를 주조하고 주철 라이너 세트를 삽입하여 실린더-피스톤 접촉 표면을 형성함으로써 제조된다. 블록을 주조하기 위한 다른 공정은 중력 반-영구 주형, 고압 다이 주조, 저압 다이 주조, 소실 모형 (lost foam) 공정 및 지르콘 사형 패키지 주형을 포함하고; 라이너는 "주조-내" 또는 "압력-내"로 삽입될 수 있다. 더욱 최근에, 소수의 고-말단 알루미늄 엔진 블록에서, 알루미늄으로 제조된 라이너는 주철 라이너에 대해 대체했다. 그러나, 이러한 알루미늄 실린더 라이너를 위한 요건 을 충족하는데 필요한 고비용의 현재 이용가능한 Al 합금은 이러한 합금이 알루미늄 엔진 블록의 잔류물을 주조하는데 사용되는 것을 방해한다 (블록의 잔류물에 사용되는 경우, 일부 부정적인 물리적 성질을 수행하기 때문임). 이러한 Al 합금의 비용은, 라이너로서 사용하는 것을 제한하는 경우에도, 또한 더욱 적은 중량 및 더욱 큰 냉각 이점에도 불구하고 일반적으로 철 라이너를 대신하도록 채택되는 형태를 방해한다.

그러나, 라이너를 이용하는 이러한 실시는 다수의 공정을 필요로 하고, 물질 측정은, 지적된 단점 없이 제거될 수 있다면, 블록 제조자에게 다수의 이점을 제공할 것이다. 예를 들어, 본 발명의 라이너는 제거될 것이고, 알루미늄 본체와 라이너 사이의 불량한 결합으로 인해 블록의 파편 비율은 감소할 것이고, 라이너를 예열하기 위한 에너지 소비는 또한 제거될 것이며, 주조 공정은 단순화될 것이다. 현재, 라이너의 예열은 전기 유도와 소비 시간에 의해 그리고 전체 주조 공정에 대한 복잡성을 추가하여 수행된다. 상기 모든 것은 특히 철 라이너에 대해 참이다. 따라서, 알루미늄 엔진 주조에서 라이너에 대한 필요가 제거되어 상기 선행 기술의 기술적 및 경제적 단점을 극복하는 알루미늄 합금 조성물 및 주조 공정에 대한 요구가 존재한다.

공융 (eutectic) 조성물 외에서 알루미늄에 첨가된 규소가 합금의 경도를 증가시켜서 이의 표면의 내마모성을 증가시킨다는 것이 특허 및 기술적 문헌으로부터 공지되어 있다. 그러나, 합금 중 Si 농도의 단독 증가는 주조 블록에 대한 원하는 모든 특성 (내마모성, 기계화성, 주조성 및 기타 기계적 특성에 관함) 을 제 공하지 않는다. 이러한 원하는 특성은 응고된 주조물에서 형성된 미세구조의 유형에 의해 결정된다. Si 에 의해 제기된 또다른 공정 문제점은, 알루미늄과 합금되는 경우, 응고 동안 합금으로부터 발산되어야 하는 열에 대해 상당히 증가된 용량을 첨가한다는 것이다. 이는 불균일 냉각, 특히 자동차 엔진 블록과 같은 큰 복합 주조물을 생성하여, 실린더 표면에 대해 벌크 주조물의 종종 비견되는 원하는 특성을 적절히 나타나게 하는 문제점을 일으킨다.

합금 조성물 및 주조 공정에 대해 출원인에 의해 발견된 일부 관련된 선행 기술 특허는 하기에 기재된다:

1978 년 1 월 17 일에 출원된 David Charles Jenkinson 의 US 특허 4,068,645 는 약 4 중량% 이하의 마그네슘을 포함함으로써 70 내지 150 의 범위로 브리넬 경도 (Brinell hardeness) 를 수득하기 위해 스트론튬 및/또는 나트륨으로 과공융 (hypereutectic) Al-Si 합금의 미세구조가 변형될 수 있다는 것을 교시하고 있다. 상기 특허는 원하는 미세구조가 1 차 알루미늄 또는 1 차 규소 상의 형성을 피해야 하고, 주조 물품에 내마모성을 제공하는 미세하게 분산된 공융 규소의 고-용량 분획이 존재해야 한다는 것을 교시하고 있다.

상기 특허에 따르면, 원하는 미세구조는 다음과 같은 4 개의 파라미터의 신중한 선택 및 조합에 의해 제공된다: (a) 규소 함량, (b) 변형제 함량, (c) 응고 동안의 성장 속도 및 (d) 응고 동안 고체/액체 중간상 (interphase) 에서의 온도 구배.

원하는 미세구조를 제공하는 상기 4 개의 파라미터의 여러 조합이 개시되어 있다. 그러나, 상기 특허의 교시 내용은 제어된 온도 구배가 상이한 영역에서 주형의 냉각 속도를 프로그래밍하여 달성될 수 있는 영구적 및 반영구적 주형 주조 공정에 적용될 수 있지만, 실리카-사형 주형 주조 공정 (통상적으로 응고 속도는 주형에서 액체 알루미늄으로부터 열을 흡수하는 열적 코어의 첨가에 의해서만 변형될 수 있음) 에 적용될 수 없다. 상기 특허는 1 차 Si 및 1 차 Al 상의 원하는 부재를 수득하기 위해 냉각-주조 (chill-casting) 가 없는 것을 명확히 교시하고 있다.

1984 년 2 월 28 일에 출원된 David M. Smith 등의 US 특허 4,434,014 는 내마모성 및 기계화성에 대한 주조 물품의 특성이 12 내지 15 % Si; 0.001 내지 0.1 % Sr; 0.1 내지 1.0 % Fe; 1.0 내지 3.0 % Ni; 0.1 내지 0.8 % Mn; 및 기타 성분을 포함하는 조성물에 의해 수득된다는 것을 교시하고 있다.

상기 특허는 또한 Ni, Fe 및 Mn 이 서로 교환가능하고, 이들의 범위가 다음과 같음을 교시하고 있다: Fe + Mn 0.2 내지 1.5 %; Fe + Ni 1.1 내지 3.0 %; 및 Fe + Ni + Mn 1.2 내지 4.0 %.

티탄이 첨가되어 상기 합금의 주조성 및 기계적 특성을 향상시킨다. 그러나, 이러한 합금은 약 0.4 내지 0.8 % 미만의 Ni 를 갖는 본 발명의 합금과 대조적으로 높은 함량의 Ni 로 인해 비용이 높다. 따라서, 더욱 낮은 농도의 Ni 는 특히 본 발명의 합금을 더욱 경쟁적이게 한다.

1987 년 3 월 10 일에 출원된 Kasuhiko Asano 등의 US 특허 4,648,918 은 하기를 포함하는 조성을 갖는 내마모성 알루미늄 합금을 교시하고 있다: 7.5 내지 15 % Si; 3.0 내지 6.0 % Cu; 0.3 내지 1.0 % Mg, 0.25 내지 1.0 % Fe; 0.25 내지 1.0 % Mn; 및 나머지는 Al 와 기타 성분임. 상기 특허의 합금은 주괴 (ingot) 의 압출성, 단조성 (forgeability) 및 기계적 특성을 향상시킨다. Cu 함량은 본 발명의 합금보다 높고, 상기 합금의 열처리 및 최종 공정은 본 발명의 사형-주조 공정과 매우 상이하다.

1991 년 3 월 28 일에 출원된 John Barlow 등의 US 특허 5,019,178 에는 하기로 주로 이루어진 용융물로부터 제조된 알루미늄-규소 라이너의 제조 방법이 개시되어 있다: 14 내지 16 % Si; 1.9 내지 2.2 % Cu; 1.0 내지 1.4 % Ni; 0.4 내지 0.55 % Mg; 0.6 내지 1.0 % Fe; 0.02 내지 0.1 % Sr; 및 0.3 내지 0.6 % Mn. 상기 특허의 합금은 주조 공정의 응고 단계 동안 가압 하에 실린더 라이너로 형성된다. 상기 특허는 전체 엔진 블록이 저압 사형 주조 공정에서 청구된 합금으로 제조되는 것을 제안하거나 교시하고 있지 않다.

1993 년 6 월 8 일에 출원된 John A. Eady 등의 US 특허 5,217,546 에는 12 내지 15 % Si; 0.10 % 초과의 Sr; 0.005 % 초과의 Ti; 1.5 내지 5.5 % Cu; 1.00 내지 3.00 % Ni; 0.1 내지 1.0 % Mg; 0.1 내지 1.0 % Fe; 및 기타 성분을 갖는 주조 과공융 Al-Si 합금이 개시되어 있다. 상기 특허에 따르면, 수득된 미세구조는 형성된 임의의 1 차 Si 가 실질적으로 균일하게 분산되고 실질적으로 분리되지 않는 것이며, 상기 미세구조는 주로 공융 매트릭스를 포함한다. 그러나, 상기 특허의 합금은 Ti 및 과량의 Ni 에 의존하고, 과량의 Ni 은 엔진 블록의 경쟁적인 물질 제조를 위한 합금을 너무 고비용이 되게 한다.

1994 년 5 월 31 일에 출원된 Kevin P. Rogers 등의 US 특허 5,316,070 은 영구적인 주형에서 과공융 Al-Si 합금의 조절된 주조 공정을 교시하고 있다. 영구적인 주형은 냉각 시스템 및 정확한 온도 조절기가 완전히 장착될 수 있어서 예비-수립된 응고 프로그램을 실시할 수 있고, 따라서 주조 물품의 원하는 미세구조를 달성할 수 있다. 상기 특허의 교시 내용은 사형-주조 공정에 적용될 수 없다.

1996 년 1 월 16 일에 출원된 Kevin P. Rogers 등의 US 특허 5,484,492 에는 0.005 % 내지 0.25 % 이하의 Cr, Mo, Nb, Ta, Ti, Zr, V 및 Al 로 이루어진 제 1 군의 원소로부터 선택된 하나 이상의 원소; 0.1 내지 3.0 % Ca, Co, Cr, Cs, Fe, K, Li, Mn, Na, Rb, Sr, Y, Ce, 란탄 계열의 원소 및 악티니드 계열의 원소로 이루어진 제 2 군의 원소로부터 선택된 하나 이상의 원소; 및 12 내지 15 % Si; 1.5 내지 5.5 % Cu; 1.0 내지 3.0 % Ni; 0.1 내지 1.0 % Mg; 0.1 내지 1.0 % Fe; 0.1 내지 0.8 % Mn; 0.01 내지 0.1 % Zr; 0 내지 3.0 % Zn; 0 내지 0.2 % Sn; 0 내지 0.2 % Pb; 0 내지 0.1 % Cr; 0.001 내지 0.1 % Sr 또는 Na; 최대 0.05 % B; 최대 0.03 % Ca; 최대 0.05 % P; 및 최대 0.05 % 의 기타 원소로 이루어진 제 3 군의 원소를 본질적으로 갖는 과공융 Al-Si 합금이 개시되어 있다. 주조 미세구조는 존재하는 임의의 1 차 Si 가 실질적으로 균일하게 분산되고 주로 공융 매트릭스를 포함하는 것이다. 대조적으로, 본 발명은 상이하고 낮은 범위의 Ni (최대 0.8 %) 를 사용한다.

최량의 출원인의 지식에 대해, 마지막 3 개의 특허 (Comalco 에 양도됨) 는 모두 산업화된 것은 아니다.

2002 년 6 월 4 일에 출원된 Jonathan A. Lee 등의 US 특허 6,399,020 에는 하기 조성을 갖는 고온 적용, 예컨대 피스톤 및 기타 내부 연소 엔진 적용에 적합한 알루미늄 합금이 개시되어 있다: 11.0 내지 14.0 % Si; 5.6 내지 8.0 % Cu; 0 내지 0.08 % Fe; 0.5 내지 1.5 % Mg; 0.05 내지 0.9 % Ni; 0 내지 1.0 % Mn; 0.05 내지 1.2 % Ti; 0.12 내지 1.2 % Zr; 0.05 내지 1.2 % V; 0.05 내지 0.9 % Zn; 0.01 내지 0.1 % Sr; 나머지 Al. 상기 합금에서 Si/Mg 의 비율은 10 내지 25 이고, Cu/Mg 의 비율은 4 내지 15 이다. 본 출원인의 발명의 합금은 주로 Si/Mg 비율 및 Sr 의 양에 있어서 상기 특허에 개시된 합금 조성물과 상이하다. Sr 이 고비용의 원소이기 때문에, 본 발명의 합금은 더욱 비용-경쟁적이다. 또한, 본 발명은 Zr 또는 V 를 포함하지 않고, Mg 이 최대 0.3 %이다.

Jonathan A. Lee 등의, 2003 년 7 월 15 일에 출원된 US 특허 6,592,687 및 2005 년 7 월 19 일에 출원된 US 특허 6,918,970 에는 하기 조성 (중량%) 을 갖는 알루미늄-규소 합금이 개시되어 있다: 14 내지 25.0 Si; 5.5 내지 8.0 Cu; 0.05 내지 1.2 Fe; 0.5 내지 1.5 Ni; 0.05 내지 0.9 Mn; 0.05 내지 1.2 Ti; 0.05 내지 1.2 Zr; 0.05 내지 1.2 V; 0.05 내지 0.9 Zn; 0.001 내지 0.1 P; 및 나머지는 알루미늄임. '970 특허의 합금은 연장된 범위의 Si (6.0 내지 25.0 %) 및 Sr (0.001 내지 0.1 의 범위) 를 가진다. Si/Mg 비율은 10 내지 25 이고, Cu/Mg 비율은 4 내지 15 이다. 상기 합금은 X 가 Ti, V 또는 Zr 을 나타내는 L1₂ 결정 구조를 갖는 유형 Al₃X 의 화합물을 형성함으로써 알루미늄 매트릭스의 격자 파라미터를 변형시키는 주요 원소로서 Ti, V 및 Zr 을 가진다.

Herbert William Doty 의 이름으로 나타나는, 2005 년 7 월 26 일에 출원된 US 특허 6,921,512 및 2005 년 9 월 15 일에 공개된 US 특허 공개공보 No. 2005/0199318 에는 자동차 엔진을 위한 실린더 블록을 주조하고 기계화하는데 적합한 알루미늄 합금이 개시되어 있다. 상기 합금은 하기 (중량%) 를 포함한다: 9.5 내지 12.5 % Si; 0.1 내지 1.5 % Fe; 1.5 내지 4.5 % Cu; 0.2 내지 3 % Mn; 0.1 내지 0.6 % Mg; 최대 2.0 % Zn; 0 내지 1.5 % Ni; 최대 0.25 % Ti; 0.05 % 이하 Sr; 나머지는 알루미늄임. 상기 특허 소유권자의 발명의 중요한 특징은 Mn 대 Fe 의 비율이다. Mn/Fe 중량비는 Fe 함량이 0.4 % 이상인 경우에는 1.2 내지 1.75 또는 그 이상이고, Fe 함량이 합금의 0.4 % 미만인 경우에는 0.6 이상 1.2 이다. 대조적으로, 본 발명의 Si 범위는 13 내지 14 % 이다.

Al-Si 합금에서 원하는 미세구조는 응고 동안의 성장 속도와 온도 구배의 정확한 조합에 의해 제조된다.

본문에 인용된 문헌 (상기 특허 포함) 및 본문에 인용된 문헌에 인용되거나 참고된 모든 문헌은 참고로서 본원에 포함된다. 본문에 참고로서 포함된 문헌 또는 그에 포함된 임의의 교시 내용은 본 발명의 실시에 사용될 수 있다.

발명의 개요 및 목적

본 발명의 목적은 마모 라이너가 필요하지 않도록 하는 기계화, 주조 및 내마모성 특성의 필요한 조합을 갖는 엔진 블록을 주조하기 위해 실리카-사형 주형 및 코어를 이용하는 저압 주조 공정에 적합한 신규한 과공융 Al-Si 합금을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 현재 대량 생산된 철 라이너를 갖는 알루미늄 엔진 블록과 경쟁적인 라이닝되지 않은 실린더를 갖는 알루미늄 엔진 블록의 제조를 위한 이러한 신규 Al-Si 합금을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가 목적은 상이한 합금 또는 금속으로부터 제조된 실린더 라이너가 필요하지 않고 또한 선행 기술의 현존 과공융 Al 합금으로부터 제조된 엔진 블록 주조물보다 기계화하기 용이한 기계적 특성을 갖는 향상된 엔진 블록 주조물을 제조하는 신규 Al-Si 합금을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 하기 바람직한 구현예의 기재내용 및 수반되는 도면으로부터 지적되거나 명백해질 것이다.

본원에 기재되어 있고 청구되는 제안된 발명은 주조될 때 실린더 엔진 블록에 필요한 제조 및 성능 조건을 충족시키고 또한 실리카-사형 주형과 같은 저비용의 주조 공정을 사용하여 주조될 수 있는 알루미늄-규소 합금 조성물이다.

본 발명의 합금은 하기 (중량%) 를 포함한다:

13 % 내지 14 % Si;

2.3 % 내지 2.7 % Cu;

0.1 % 내지 0.4 % Fe;

0.1 % 내지 0.45 % Mn;

0.1 % 내지 0.30 % Mg;

0.1 % 내지 0.6 % Zn;

0.05 % 내지 0.11 % Ti;

0.4 % 내지 0.8 % Ni;

0.01 % 내지 0.09 % Sr; 및

나머지는 (응집물에서 "잔류물"로서 알려지고 내마모성을 포함한 의도된 목적을 위한 상기 합금의 효능에 실질적으로 영향을 미치는데 불충분한 양으로 존재하는 소량의 임의의 추적 원소, 불순물, 잔류물 및 기타 성분 이외의) 알루미늄임.

발명의 바람직한 구현예의 기재

본 발명이 저압 사형 주조 공정을 통해 알루미늄 합금 실린더 엔진 블록 주조물에 적용되는 바와 같이 본원에 기재되지만, 이는 이의 광범위한 양태에서 또한 유사한 특성이 필요한 다른 유형의 주조물 및 또한 다른 주조 공정에 적용될 수 있다고 이해될 것이다.

자동차 엔진 주조에 이용된 유형의 합금 중 규소의 농도를 증가시키는 것이 일반적으로 생성된 주조물의 경도 및 내마모성을 증가시키고, 이의 최종 특성이 주조물의 냉각 속도에 의존한다는 것은 공지되어 있다.

저압 주형 충전, 예를 들어 Cosworth 공정 (및 또한 비-산업화된 Comalco 공정) 을 특징으로 하는 종래의 사형-주조 공정은 본래 응고 속도를 조절하기 위한 사형 주형 및 코어에 의해 제기된 곤란함으로 인해 고농도의 규소를 갖는 합금을 이용하여 양호한 품질의 블록 및 따라서 주조물의 미세구조를 제조할 수 없다. 높은 Si 함량을 갖는 선행 기술의 알루미늄 합금을 이용하는 경우, 두껍고 얇은 섹션이 조합된 실린더 엔진 블록의 복잡한 기하 구조는 바람직하지 않은 그레인을 갖는 1 차 규소 상의 형성 및 1 차 규소 상의 크기 분포, 또한 주조물의 높은 다공도 수준을 일으킨다.

높은 Si 농도 합금의 이용에 대한 또다른 문제점은 이들의 융합 열이 아공융 (hypoeutectic) 합금과 비교하여 높다는 것이고, 따라서 사형 주형은 응고 공정 동안 높은 열 방출을 발산시키고 이를 극복할 수 있어야 한다.

제조되는 알루미늄 합금 블록은 현대식 자동차에 예상되는 바와 같이 수행하기 위해 정확히 조절된 특징 및 기계적 특성이 필요하다. 라이너 삽입물이 없는 블록은 표면을 작업함에 있어서 높은 내마모성을 가져야 하고, 높은 피크 발화 압력을 갖는 엔진에서 약 100 내지 200 bar 의 고압을 견뎌야 한다. 다공도 수준은 1 % 미만이어야 하고, 최대 세공 크기는 작업 표면에서 500 마이크론 미만이어야 한다.

또한, 알루미늄 합금이 높은 열 전도도를 가져 엔진의 고온 영역에서 엔진 냉각 시스템의 냉각액으로 높은 열 이동 속도를 유지하고 냉각 매질에 대한 양호한 내부식성을 갖는 것이 필요하다. 고효율 현대식 엔진은 또한 엔진 블록이 주조되는 합금이 승온, 즉 180 ℃ 내지 200 ℃의 범위에서 높은 강도 및 높은 내피로성 및 내크리프성을 나타내는 것을 요구한다.

아공융 합금을 이용하는 공정에 대한 현재 도전은 높은 규소 합금을 기계화하는 것이 A390 합금의 경우에서와 같이 공구의 더욱 큰 마모 및 높은 기계화 비용을 의미한다는 것이다. 본 발명의 공정에서, 이의 높은 규소 함량에도 불구하고 1 차 규소 형성을 억제하여 완전한 공융 미세구조를 생성한다. 본 발명의 주조물의 미세구조의 이러한 특징은 양호한 기계화성을 보장한다. 공구 수명은 A356 합금의 기계화와 유사하지만, 표면 마감이 우수하다.

본 발명의 합금은 최대 내마모성을 강화시키기 위해 Al-Si-Cu-Mg-Ni-Mn-Fe 시스템에 기초한다. 라이닝되지 않은 실린더를 갖는 현대식 엔진 블록에 의해 요구된 필요한 특징을 제공하면서, 또한 경쟁적인 낮은 제조 비용을 유지한다.

본 발명의 주조 공정은 실리카-사형 코어 및 주형과 조합된 열적 코어 (또는 대규모의 냉기) 를 이용한다. 냉기는 응고 공정의 올바른 방향, 및 주조물의 높은 피로성을 일으키는 필수적인 응고 속도를 제공한다.

본 발명의 합금은 현재 사용된 합금보다 낮은 비용으로 라이너가 없는 알루미늄 합금 블록의 제조에 특히 적합하다. 하기 표 1 은 본 발명의 조성물과 선행 기술 합금의 원소의 통상적인 농도를 비교한 것이다.

[표 1]

A) 과공융 Al-Si 합금 390 및 391

B) 공융 합금: 3HA

C) 근 (Near) 공융 합금

D) 본 발명의 합금

합금 390 (A) 는 내마모성 주조 모터 원소에 대한 통상적인 선택이지만, 앞서 기재된 바와 같이 사형 주조 공정에 적용될 수 없다.

합금 3HA (B) 는 또한 이러한 적용에 대해 적합한 합금이지만, 니켈의 높은 함량 (2 %) 으로 인해 이의 비용은 높다. Ni 의 고농도는 합금 비용을 35 % ($ 15,000 US/1 톤의 Ni) 로 증가시키고, 2000 ppm 의 Sr 은 추가로 조합되어 더욱더 고비용이 된다.

근 공융 합금 (C) 는 필요한 내마모성을 제공하기 위한 규소 함량이 충분하지 않다.

높은 Ni 함량이 주조물 표면의 내마모성을 향상시키는 것이 공지되어 있음에도 불구하고, 각각 약 1 %의 Ni 함량이 주조 블록의 비용을 약 15 % 증가시키기 때문에, 고비용의 Ni 은 이의 이용을 억제시킨다. 니켈은 또한 응고 동안 Cu 분리를 방지하는데 도움을 주고, 따라서 선행 기술 합금 일부는 역시 니켈 함량을 증가시키는 경향이 있다. 따라서, 출원인들은 더욱 신규한 대안물을 찾게 되었다. 이들은 0.8 % 이하의 Ni 및 900 ppm 의 Sr 을 함유하는 신규 합금 조성물을 발견하였고, 이는 사형 주조 공정에 의해 제조될 수 있는, 원하는 미세구조 및 기계적 특성을 갖는 큰 복합 주조물을 제조한다.

각각 본 발명의 합금으로부터 엔진 블록 주조물의 라이닝되지 않은 알루미늄 실린더 표면에서 수득된 미세구조 (100 X) 및 A390 으로 알려진 합금으로부터 엔진 블록 주조물의 라이닝되지 않은 알루미늄 실린더 표면에서 수득된 미세구조 (100 X) 의 현미경 사진을 나타내는 도 1 및 2 에 대해, 도 1 에서 나타낸 본 발명의 합금이 1 차 Si 상 그레인이 도 2 에 나타낸 선행 기술 합금의 미세구조와 비교하여 매우 작고 균일하게 분산되는 미세구조를 제공한다는 것이 명백하다.

추가적으로, 실리카 사형 주조 공정과 병용되는 경우 선행 기술의 합금의 단점을 극복하는 신규한 합금을 개발함에 있어서 출원인이 직면한 도전은 실리카 사형 공정의 낮은 냉각 속도 및 높은 열 방출에도 불구하고 주조물 중 금속간 분리 및 다공도가 최소화되도록 하는 조성물을 발견하는 것이다.

도 1 에 관해, 출원인은 Al-Si 합금 시스템의 상평형 그림에서 선행 기술 합금 중 일부의 위치 및 본 발명의 합금의 상이한 위치를 나타냈다. 아공융 및 공융 합금이 과공융 합금보다 낮은 온도에서 액체이기 때문에 이러한 합금이 실리카 사형 주조 공정에서 취급하기 더욱 용이하다는 것을 이러한 상평형 그림에서 알 수 있다. Al-Si 합금의 이러한 특성에 대해, Si 함량을 증가시키는 것은 사형 주형에 용융된 합금을 더욱 높은 온도에서 붓는 것을 필요로 하고, 따라서 응고되는 금속으로부터 사형 주형 및 코어를 통해 더욱 많은 열이 발산되어야 한다. 본 발명의 합금은 주조물 표면에서 원하는 내마모성을 달성하기 위해 충분한 Si 함량을 제공하고, 상기 합금의 기타 성분은 다른 주조 공정의 주형보다 비교적 낮은 방열을 갖는 실리카 사형 주형에서 이의 주조에 적합하게 한다. 동시에, 본 발명의 합금은 이의 낮은 Ni 함량으로 인해 특히 유사한 내마모성을 갖는 선행 기술 합금보다 그리 비싸지 않다. 본 발명의 합금은 특히 실리카 사형 주형 및 코어에서 주조될 때 실린더 라이너 필요 없이 대량의 엔진 블록 주조를 위한 비용 경쟁적인 공정을 제공한다.

본 발명의 합금 및 주조 방법에는 다음과 같은 이점이 있다:

상기 합금에 의해 제공된 내마모성으로 실린더 내경 (cylinder bore) 에 철 라이너를 삽입할 필요성이 없다. 따라서, 제조된 블록은 더욱 작고 경량이며 (철 라이너의 중량 및 비용을 절약함), 엔진 크기를 증가하지 않고 엔진 용량을 증가시킬 수 있다 (예를 들어, 2.3 내지 3.0 리터).

본 발명의 합금은 (특히 철 실린더 라이너의 부재 하에) 방열에 대한 더욱 양호한 열적 특성을 가진다. 본 출원인의 블록은, 철 라이너와 블록 간의 계면이 제거되기 때문에, 철 라이너 블록을 갖는 통상 사용된 알루미늄 블록보다 약 10 ℃ 낮은 온도에서 작업한다.

또한 상기 합금은 (피스톤 알루미늄 합금과 철 라이너 간의 열 팽창 계수의 더욱 큰 차이와 대조적으로) 피스톤과 블록 모두의 열 팽창 계수가 유사하기 때문에 틈이 더욱 좁아진다. 이러한 이점은 더욱 조용한 엔진 작동을 제공하고, 엔진을 환경적으로 더욱 깨끗하게 한다.

라이너 재고 및 취급이 필요하지 않다. 따라서, 철 라이너의 비용을 피하고 전기 유도로 이러한 라이너를 예열할 필요가 없기 때문에, 제조 공정에서 중요한 절약이 존재한다. 더욱 드물게 사용된 알루미늄 라이너에 대한 진실은 동일하고, 또한 이는 엔진 주조 블록의 잔류물의 합금보다 더욱 고비용의 합금으로부터 제조된다.

본 발명의 합금으로부터 제조된 라이너가 없는 엔진은 또한 재순환되기 용이한데, 알루미늄으로부터 철 실린더 라이너의 분리가 필요하지 않기 때문이다.

본 발명의 합금은 또한 매우 양호한 기계화 특징을 제공하고, 공구 수명이 통상-알려진 A356 합금의 기계화와 유사하거나 비슷하지만, 실린더 내경 중 표면 마감은 상당히 더욱 양호하다.

라이닝이 되지 않은 엔진 블록의 제조 비용은 선행 기술의 알려진 합금을 사용할 때의 제조 비용과 비교하여 본 발명의 방법 및 합금을 사용함으로써 약 40 % 감소한다.

도 1 은 본 발명의 합금으로부터 엔진 블록 주조물의 라이닝되지 않은 알루미늄 실린더 표면에서 수득된 미세구조 (100 ㎛) 의 현미경 사진을 나타낸다.

도 2 는 A390 으로 알려진 합금으로부터 엔진 블록 주조물의 라이닝되지 않은 알루미늄 실린더 표면에서 수득된 미세구조 (100 ㎛) 의 대조적인 현미경 사진을 나타낸다.

도 3 은 A380, A390, A413 및 Durabore™ (U.S. 특허 No. 6,921,512 에 의해 예시된 것으로 이해되는 GM 합금) 으로 알려진 선행 기술 합금과 대조적인 본 발명의 합금에 대한 Si 함량의 바람직한 범위를 나타내는 Al-Si 합금의 도식적인 상평형 그림이다.

실시예 1

Al-Si 합금을 본 발명에 따라 제조하고, 블록을 실리카 사형 주형 및 코어에서 주조시켰다. 상기 합금은 하기 조성을 가졌다 (중량%):

Si = 13.5 %; Sr = 900 ppm; Fe = 0.4 %; Cu = 2.5 %; Ni = 0.5 %; Mn = 0.4 %; Mg = 0.35 %; 나머지는 본질적으로 오직 알루미늄 (및 소량의 임의의 기타 본질적으로 영향을 미치지 않는 원소, 이후에 "잔류물"로 칭함) 임.

상기 합금을 750 ℃의 온도에서 주형에 부었다.

결과는 다음과 같았다:

미세구조 분리는 감소하였다.

변헝된 공융 셀을 더욱 고르게 분포시키고, 1 차 알루미늄을 감소시켰다. 1 차 규소 입자를 여전히 관찰하였지만, 이들은 1 % 미만의 총 규소를 포함하였다.

실시예 2

본 발명의 합금의 내마모성을 시험하기 위해, 일련의 단일 단계 20 시간 지속 시험을, Plint TE77 시험 기계를 사용하여 수행하였다. 시험 장치는 다웰 (dowel) 과 플레이트 간의 왕복 (reciprocating) 라인 접촉을 제공하였다. 경 화된 다웰을 사용하여 피스톤 고리를 시뮬레이트하고, 평평한 둥근 플레이트를 사용하여 실린더 라이너를 시뮬레이트하였다. 사용된 오일은 100 ℃로 가열된 시판되는 자동차 석유 엔진 미네랄 오일이었다.

하기 3 개의 상이한 물질을 평가하였다: (1) 디젤 적용용 주철 라이너, (2) 과공융 알루미늄-규소 합금 (이는 고성능 엔진에서 고비용의 라이너로서 통상적으로 사용되는 유형이고; 여기서 1 차 내마모성 상은 1 차 규소의 상이었음), 및 (3) 본 발명의 합금. 이 결과는 이러한 모든 물질에서 수득된 마모 자국이 성질상 유사하고 시험된 물질 간의 크기에 있어서 상당한 차이를 나타내는 것을 나타낸다.

물론, 본 발명이 이의 특정 바람직한 구현예에 대해서만 상세히 명시되어 있고, 하기 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신 및 범주를 벗어나지 않고 다수의 변형 및 변화를 할 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims

하기 (중량%) 를 포함하는 내마모성 알루미늄 합금:

13 % 내지 14 % Si;

2.3 % 내지 2.7 % Cu;

0.1 % 내지 0.4 % Fe;

0.1 % 내지 0.45 % Mn;

0.1 % 내지 0.30 % Mg;

0.1 % 내지 0.6 % Zn;

0.05 % 내지 0.11 % Ti;

0.4 % 내지 0.8 % Ni;

0.01 % 내지 0.09 % Sr; 및

나머지는 주로 알루미늄 및 임의의 잔류물임.
복합 알루미늄 엔진 무라이너 (linerless) 실린더 블록 주조물의 제조 방법에 있어서, 향상된 점이 Al-Si 합금을 사용하여 제 1 항에 따른 조성을 갖는 상기 주조물을 형성하는 것을 포함하는 방법.
제 2 항에 있어서, 실리카 사형 코어를 갖는 실리카 사형 주형에서 상기 주조물을 형성하는 것을 포함하고, 응고 후의 상기 주조물이, 존재하는 임의의 1 차 Si 가 실질적으로 균일하게 분산되는 미세구조를 갖는 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 용융된 합금을 약 760 ℃ 내지 약 780 ℃의 온도에서 상기 실리카 사형 주형에 붓는 방법.
하기 (중량%) 를 포함하는 내마모성 알루미늄 합금:

13 % 내지 14 % Si;

2.3 % 내지 2.7 % Cu;

0.1 % 내지 0.4 % Fe;

0.1 % 내지 0.45 % Mn;

0.1 % 내지 0.30 % Mg;

0.1 % 내지 0.6 % Zn;

0.05 % 내지 0.11 % Ti;

0.4 % 내지 0.8 % Ni;

0.01 % 내지 0.09 % Sr; 및

나머지는 본질적으로 알루미늄임.
하기를 포함하는, 실린더 라이너 없이 알루미늄 합금 엔진 블록의 작동을 견디도록 상기 알루미늄 합금으로 제조된 내마모성이 향상된 표면을 갖는 실린더 내경 (cylinder bore) 을 갖는 알루미늄 합금 엔진 블록을 제조하기 위한 제 5 항에 따른 조성을 갖는 Al-Si 합금의 주조물의 제조 방법:

응고 후의 상기 주조물이, 존재하는 임의의 1 차 Si 가 실질적으로 균일하게 분산되는 미세구조를 갖도록 상기 합금을 제어된 방향 및 응고 속도로 응고시키기 위한 냉각 매체 (chill means) 및 실리카 사형 코어를 갖는 실리카 사형 주형을 제공하는 단계; 상기 엔진 블록 주조물을 형성하기 위해 상기 합금을 용융된 금속으로서 상기 주형에 도입하는 단계.
제 6 항에 있어서, 상기 냉각 매체가 냉기 대 주조물의 중량 비율이 1 내지 5 의 범위이도록 하는 중량을 갖는 금속 물질인 방법.
제 6 항에 있어서, 상기 냉각 속도가 약 0.3 내지 3.0 ℃/초의 범위인 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 냉각 속도가 약 0.3 내지 3.0 ℃/초의 범위인 방법.
제 6 항에 있어서, 상기 용융된 합금을 약 760 ℃ 내지 약 780 ℃의 온도에서 상기 실리카 사형 주형에 붓는 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 용융된 합금을 약 760 ℃ 내지 약 780 ℃의 온도에서 상기 실리카 사형 주형에 붓는 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 용융된 합금을 약 760 ℃ 내지 약 780 ℃의 온도에서 상기 실리카 사형 주형에 붓는 방법.
제 9 항에 있어서, 상기 용융된 합금을 약 760 ℃ 내지 약 780 ℃의 온도에서 상기 실리카 사형 주형에 붓는 방법.
제 6 항에 있어서, 상기 용융된 합금을 약 755 ℃ 내지 약 765 ℃의 온도에서 상기 실리카 사형 주형에 붓는 방법.
제 9 항에 있어서, 상기 용융된 합금을 약 755 ℃ 내지 약 765 ℃의 온도에서 상기 실리카 사형 주형에 붓는 방법.
하기 (중량%) 조성을 갖는, 실린더 라이너 없이 알루미늄 합금 엔진 블록의 수행을 견디도록 동일한 알루미늄 합금으로 제조된 향상된 내마모성을 갖는 표면을 갖는 실린더 내경을 갖는 알루미늄 합금 엔진 블록을 제조하는데 적합한 내마모성 특징이 향상된 알루미늄-규소 합금으로부터 제조된 주조 물품:

13 % 내지 14 % Si;

2.3 % 내지 2.7 % Cu;

0.1 % 내지 0.4 % Fe;

0.1 % 내지 0.45 % Mn;

0.1 % 내지 0.30 % Mg;

0.1 % 내지 0.6 % Zn;

0.05 % 내지 0.11 % Ti;

0.4 % 내지 0.8 % Ni;

0.01 % 내지 0.09 % Sr; 및

나머지는 본질적으로 알루미늄임.