KR20110139926A

KR20110139926A - 실린더 헤드용 알루미늄 합금 조성물

Info

Publication number: KR20110139926A
Application number: KR1020100060050A
Authority: KR
Inventors: 하석
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2010-06-24
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2011-12-30
Also published as: KR101646270B1

Abstract

본 발명은 강도 및 피로 특성이 향상된 고출력 실린더 헤드용 알루미늄 합금 재료에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알루미늄을 기재로 하고 여기에 Cu, Mg, Mn, Ti, Sn, Zr의 정확한 조성범위와 Si, Zn, Ni, Fe, Pb 성분에 대한 한계 조성값을 규정하여, Si, Mg 성분을 중점 규제한 종래의 알루미늄 합금 재료와, 주요 Si, Cu, Mg, Fe, Mn, Zn 성분 및 Ni, Ti 성분 규제에 의해 강도특성을 향상시킨 종래의 알루미늄 합금 재료에 비해, 강도 및 연신률 특성을 현저히 향상시킨 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금 재료에 관한 것이다.
이를 실현하기 위한 본 발명은 알루미늄을 기재로 하고 알루미늄을 기재로 하고 여기에 규소(Si) 0 ∼ 0.3 중량%, 구리(Cu) 4.0 ∼ 6.0 중량%, 마그네슘(Mg) 0.35 ∼ 0.45 중량%, 철(Fe) 0 ∼ 0.2 중량%, 망간(Mn) 0.4 ∼ 0.6 중량%, 아연(Zn) 0 ∼ 0.1 중량%, 니켈(Ni) 0 ∼ 0.05 중량%, 주석(Sn) 0.1 ∼ 0.15 중량%, 크롬(Cr) 0 ∼ 0.05 중량%, 납(Pb) 0 ∼ 0.05 중량%, 티타늄(Ti) 0.2 ∼ 0.4 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01~0.03 중량% 가 포함되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

실린더 헤드용 알루미늄 합금 조성물{Composition for Aluminum alloy of cylinder head}

본 발명은 강도 및 피로 특성이 향상된 고출력 실린더 헤드용 알루미늄 합금 재료에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알루미늄을 기재로 하고 여기에 Cu, Mg, Mn, Ti, Sn, Zr의 정확한 조성범위와 Si, Zn, Ni, Fe, Pb 성분에 대한 한계 조성값을 규정하여, Si, Mg 성분을 중점 규제한 종래의 알루미늄 합금 재료와, 주요 Si, Cu, Mg, Fe, Mn, Zn 성분 및 Ni, Ti 성분 규제에 의해 강도특성을 향상시킨 종래의 알루미늄 합금 재료에 비해, 강도 및 연신률 특성을 현저히 향상시킨 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금 재료에 관한 것이다.

일반적으로 차량 엔진용 실린더 헤드는 엔진의 고출력화 및 콤팩트화로 인하여 점차적으로 사용 재질에 요구되는 물성치가 높아지고 있는 추세이다.

그러나, 최근 실린더 헤드의 소재로 각광 받고 있는 알루미늄 합금은 기존 주철 재질에 비해 강도, 강성 및 피로성질이 떨어진다.

실린더 헤드의 물성치를 높이기 위하여 종래 개발된 알루미늄 합금 재질로는 Si, Mg의 두 성분을 중점 규제한 소재(이하 "A"라 한다)가 있다(표 1).

그러나, 고온, 고압, 고출력 엔진의 개발에 따라 강도 및 연신률 특성의 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.

wt%

Cu

Si

Mg

Zn

Fe

Mn

Ni

Ti

Pb

Sn

Cr

Sr

Al

A

6.5
-7.5

0.25-
0.45

B

0.20
이하

6.5
-7.5

0.25-
0.45

0.10
이하

0.20
이하

0.10
이하

0.05
이하

0.2
이하

0.05
이하

-

나머지

상기와 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 재료는 다음과 같은 문제점을 유발한다.

구체적으로, 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 함유 시 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.

이러한 이유로는, 주조성 확보를 위한 Si과 취성 원소인 Fe의 화학적 결합으로 침상모양의 화합물을 만들기 때문에 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 상기의 문제점을 해소하기 위한 헤드용 알루미늄 합금 조성물에 관한 것으로서, 이에 본 발명자는 상기한 문제점을 해결하고자 상기 "B"재료 대신 Si의 함량을 최소화한 알루미늄 합금 재료("C" 재료)를 개발하였고, 본 발명의 알루미늄 합금 재료가 기존의 재료 "A"와 주요 성분 규제를 통해 강도특성을 향상시킨 기존의 재료 "B" 보다 강도 피로 특성이 현저히 향상됨을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 고온, 고압, 고출력의 실린더 헤드 제조 시 그 재료로서 사용될 수 있는 새로운 알루미늄 합금 재료를 제공하는 것이다.

구체적으로, 본 발명의 목적은 주조성 확보에는 유리하나 취성을 유발할 수 있는 Si의 함량을 최소화 하고 대신에 강도 및 연신률을 대폭 향상시킬 수 있는 Cu의 첨가가 이루어지며, 주조성 확보도 가능한 알루미늄 합금재료를 제공하는 것이다.

이러한 본 발명은 알루미늄을 기재로 하고 여기에 규소(Si) 0 ∼ 0.3 중량%, 구리(Cu) 4.0 ∼ 6.0 중량%, 마그네슘(Mg) 0.35 ∼ 0.45 중량%, 철(Fe) 0 ∼ 0.2 중량%, 망간(Mn) 0.4 ∼ 0.6 중량%, 아연(Zn) 0 ∼ 0.1 중량%, 니켈(Ni) 0 ∼ 0.05 중량%, 주석(Sn) 0.1 ∼ 0.15 중량%, 크롬(Cr) 0 ∼ 0.05 중량%, 납(Pb) 0 ∼ 0.05 중량%, 티타늄(Ti) 0.2 ∼ 0.4 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01~0.03 중량% 가 포함함으로써 달성된다.

이상과 같은 본 발명은 주요 Si, Mg, Cu, Fe, Mn, Zn 성분 및 Ni, Ti 성분 규제에 의해 강도특성을 향상시킨 종래의 알루미늄 합금 재료에 비해, Si의 함량을 최소화하고 Cu를 첨가함으로써 강도 및 연신률 특성을 현저히 향상시킨 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금 재료를 제공함으로써, 보다 고온, 고압, 고출력에 견딜 수 있는 실린더 헤드의 제조가 가능해지는 효과가 있는 발명인 것이다.

도 1은 본 발명의 실린더 헤드용 알루미늄 합금 조성물에서 상온에서의 실시예 및 비교예 인장 시험결과를 나타낸 그래프.

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실린더 헤드용 알루미늄 합금 조성물은 도 1에 도시된 바와 같이, 알루미늄을 기재로 하고 여기에 규소(Si) 0 ∼ 0.3 중량%, 구리(Cu) 4.0 ∼ 6.0 중량%, 마그네슘(Mg) 0.35 ∼ 0.45 중량%, 철(Fe) 0 ∼ 0.2 중량%, 망간(Mn) 0.4 ∼ 0.6 중량%, 아연(Zn) 0 ∼ 0.1 중량%, 니켈(Ni) 0 ∼ 0.05 중량%, 주석(Sn) 0.1 ∼ 0.15 중량%, 크롬(Cr) 0 ∼ 0.05 중량%, 납(Pb) 0 ∼ 0.05 중량%, 티타늄(Ti) 0.2 ∼ 0.4 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01~0.03 중량% 가 포함되는 것을 그 기술상의 기본 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실린더 헤드용 알루미늄 합금 조성물에 대한 각 구성요소를 첨부한 도면을 참조하여 하나씩 살펴보면 다음과 같다.

본 발명은 강도 및 피로 특성이 향상된 실린더 헤드용 알루미늄 합금 복합재료에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고압 고출력 직분식 디젤 및 가솔린 엔진의 실린더 헤드 제조 시 소재로 사용되는 강도 및 연신률 특성이 향상된 알루미늄 합금 재료에 관한 것이다.

본 발명에서는 실린더 헤드용 알루미늄 합금 재료의 강도 및 연신률 특성을 향상시키기 위한 알루미늄 합금재료의 함량을 다음의 표 2에 나타낸 바와 같이 규정한다.

wt%

Cu

Si

Mg

Zn

Fe

Mn

Ni

Ti

Pb

Sn

Cr

Zr

Al

C

4.0
-6.0

0.3
이하

0.35-0.45

0.10
이하

0.20
이하

0.40
-0.6

0.05
이하

0.2
-0.4

0.05
이하

0.1
-0.15

0.05
이하

0.01
-0.03

나머지

성분범위:

(1) Cu : 4.0 ∼ 6.0 중량%

Si 최소화시 알루미늄 합금재료의 주된 강화기구로 함량 과다 시 열전도도가 감소되고 주조 시 열간 취성이 발생되는 효과를 보이므로 4.0 ∼ 6.0 중량%로 한다.

(2) Si : 0 ∼ 0.3 중량%

Si 함량이 많으면 주조성은 증가하나 신율이 감소하는 점을 고려하여, 신율의 감소를 최소화하기 위하여 0 ∼ 0.3 중량%로 한다.

(3) Mg : 0.35 ∼ 0.45 중량%

함량 과다 시 열전도 감소 및 주물에 산화물 형성이 많아 주조 품질의 영향과 열처리에 의해 신율 저하가 발생하고, 함량 미달 시 강도가 저하되므로 강도 및 신율 확보를 위해 0.35 ∼ 0.45 중량%로 한다.

(4) Zn : 0 ∼ 0.1 중량%

함량을 과다로 첨가하는 경우 열전도 및 내식성이 감소하게 되므로 그 함량을 0.1 중량% 이하로 한다.

(5) Fe : 0 ∼ 0.2 중량%

함량 과다 시 취성 화합물이 생성되므로 그 함량을 0.2 중량% 이하로 한다.

(6) Mn : 0.4 ∼ 0.6 중량%

함량 첨가 시 별도의 열처리 없이 응고 중 조직 내부에 미세분산상(dispersion)이 형성되어 현저한 강도 증가를 보이며 알루미늄 기지와 알루미늄 구리 화합물간의 격자상수 불일치를 감소시키는 점을 고려하여 0.4∼ 0.6 중량%로 한다.

(7) Ni : 0 ∼ 0.05 중량%

불순물로서 첨가되며, 과다로 첨가되는 경우 재료의 강도성질이 저하되므로 그 함량을 0.05 중량% 이하로 한다.

(8) Sn : 0.1 ∼ 0.15 중량%

Si최소화시 Zr과 함께 첨가되어 주조성을 확보하는 역할을 하지만, 과다로 첨가되는 경우 재료의 강도성질이 저하되므로 그 함량을 0.1~0.15 중량% 이하로 한다.

(9) Cr : 0 ∼ 0.05 중량%

(10) Pb : 0 ∼ 0.05 중량%

(11) Ti : 0.2 ∼ 0.4 중량%

함량 과다 시 취성이 증가할 수 있지만 적정량 첨가 시 조직의 미세화 효과가 있어 그 함량을 0.2~0.4 중량% 이하로 한다.

(12) Zr : 0.01 ∼ 0.03 중량%

Si최소화시 Sn과 함께 첨가되어 주조성을 확보하는 역할을 하지만, 과다로 첨가되는 경우 재료의 강도성질이 저하되므로 그 함량을 0.01~0.03 중량% 이하로 한다.

상기한 조성의 알루미늄 합금 재료는 이 분야의 통상적인 주조방식에 의해 제조될 수 있으며, 이에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금 복합재료로 제조된 시편을 이용하여 물성평가를 실시해 본 결과, 본 발명의 알루미늄 합금 복합재료는 종래의 알루미늄 합금 조성물에 비하여 강도 및 연신률 특성이 모두 현저히 향상되었음을 알 수 있었다.

따라서, 본 발명의 알루미늄 합금 복합재료는 실린더 헤드에 적합하게 사용될 수 있으며, 특히 고압 고출력 직분식 디젤 및 가솔린 엔진 알루미늄 실린더 헤드의 소재로 사용되면 엔진의 강도특성을 현저히 향상시킬 수 있게 된다.

이하, 다음의 실시예에 의거 본 발명을 더욱 상세히 설명하는 바, 본 발명이 다음의 실시 예로 한정되는 것은 아니다.

실시예

통상적인 합금 제조방법을 이용하여, 상기 표 2에 제시한 본 발명에 따른 조성성분의 범위 중 다음의 함량으로 합금 조성물을 제조하였다. 알루미늄을 기재로 하고 여기에 규소(Si) 0.1 중량%, 구리(Cu) 4.8 중량%, 마그네슘(Mg) 0.4 중량%, 철(Fe) 0.14 중량%, 망간(Mn) 0.5 중량%, 아연(Zn) 0.03중량%, 니켈(Ni) 0.02 중량%, 주석(Sn) 0.15 중량%, 크롬(Cr) 0.02 중량%, 납(Pb) 0.01 중량%, 티타늄(Ti) 0.3 중량%, 지르코늄(Zr) 0.03 중량% 가 포함되어 있는 것을 특징으로 한다.

이때, 얻어진 합금 조성물의 물성(강도, 신율, 피로 등)을 측정하기 위하여, 이 합금 조성물을 780℃에서 용융한 후 100℃로 예열시킨 금형에 주입하여 소정 규격을 갖는 시편을 제조하였다.

비교예

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

이 함량은 Si 6.9 중량%, Cu 0.04 중량%, Mg 0.35 중량%, Fe 0.2 중량%, Mn 0.02 중량%, Zn 0.02 중량%, Ni 0.03 중량%, Ti 0.02 중량%, Pb 0.02 중량%, Sn 0.01 중량%, Cr 0.03 중량%, Al 92.36 중량%이었다.

얻어진 합금 조성물의 물성을 측정하기 위하여, 이 합금 조성물을 750℃로 용융한 후 100℃로 예열시킨 금형에 주입하여 실시예와 동일한 규격의 시편을 제조하였다.

시험예 1

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

또한, 인장 시험은 기계식 인장시험기를 이용하였고 그 결과를 표 3과 도 1에 나타내었다.

구분	항복강도	인장강도	연신률
실시예	357MPa	401MPa	8%
비교예	203MPa	252MPa	4%

상기 표 3과 도 1에 나타낸 바와 같이, 실시예에 따라 얻어진 본 발명의 재료와 비교예에 따라 얻어진 종래의 재료를 비교하여 본 결과, 강도는 75%, 연신률은 100% 이상 크게 향상되었다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims

알루미늄을 기재로 하고, 여기에 규소(Si) 0 ∼ 0.3 중량%, 구리(Cu) 4.0 ∼ 6.0 중량%, 마그네슘(Mg) 0.35 ∼ 0.45 중량%, 철(Fe) 0 ∼ 0.2 중량%, 망간(Mn) 0.4 ∼ 0.6 중량%, 아연(Zn) 0 ∼ 0.1 중량%, 니켈(Ni) 0 ∼ 0.05 중량%, 주석(Sn) 0.1 ∼ 0.15 중량%, 크롬(Cr) 0 ∼ 0.05 중량%, 납(Pb) 0 ∼ 0.05 중량%, 티타늄(Ti) 0.2 ∼ 0.4 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01~0.03 중량% 가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 실린더 헤드용 알루미늄 합금 조성물.