KR20130053985A - 다층구조 실린더헤드 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

하면이 연소실면을 이루고 상면이 연소실 반대면으로서 워터재킷면을 이루도록 구성되며, 주조 또는 단조에 의해 제조된 실런더헤드 하부; 및 상기 실린더헤드 하부의 상부에 결합되며, 하면이 워터재킷면을 이루고 상면이 캠 설치면을 이루도록 구성되며, 주조 또는 단조에 의해 제조되고, 하면이 상기 실린더헤드 하부의 상면과 결합되며 그 사이에서 워터재킷을 형성하는 실린더헤드 상부;를 포함하는 다층구조 실린더헤드 및 그 제조방법이 소개된다.

Description

다층구조 실린더헤드 및 그 제조방법 {MULTI-LAYER TYPE CYLINDER HEAD AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR}
본 발명은 고출력 엔진 실린더헤드의 복합 제조공법에 관한 기술로서, 중자를 사용하지 않는 금형주조 공법을 이용하여 고질적인 물성저하 부분인 중자 접합부를 금형 냉각방식으로 대체하여 소재물성을 향상시키는 다층구조 실린더헤드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 내연기관의 주요부품인 실린더헤드 제조기술에 관한 것이다. 최근 연비강화와 경량 엔진개발에 대한 시장요구에 부흥하기 위하여 각 자동차 메이커들은 엔진 고출력화에 집중하고 있으며, 엔진에 적용되고 있는 소재는 그 사용환경이 보다 악조건에 놓이게 되고 있다.
따라서, 엔진 실린더헤드의 물성강화를 위한 합금개발과 공법개발에 많은 노력을 기울이고 있는데, 실린더헤드는 내부의 복잡한 구조 때문에 워터재킷의 형성을 위해 중자(모래성분)를 내부에 장착하여 주조시 복잡형상을 구현한 후 탈사 공정에서 중자를 분쇄하여 형상을 만들어 내고 있다.
그런데 중자 접합부는 금형 접합부와는 달리 냉각효과를 기대하기 어려워 물성이 상대적으로 약한 문제가 있었다. 이는 GDI, T-GDI 등 고출력 엔진 개발단계에서 더더욱 심각한 문제를 야기시키고 있다.
따라서, 이러한 실린더헤드 내부의 워터재킷 형성면의 강도를 향상시키는 기술개발이 필요하였던 것이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 중자를 사용하지 않는 금형주조 공법을 이용하여 고질적인 물성저하 부분인 중자 접합부를 금형 냉각방식으로 대체하여 소재물성을 향상시키는 다층구조 실린더헤드 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다층구조 실린더헤드는, 하면이 연소실면을 이루고 상면이 연소실 반대면으로서 워터재킷면을 이루도록 구성되며, 주조 또는 단조에 의해 제조된 실런더헤드 하부; 및 상기 실린더헤드 하부의 상부에 결합되며, 하면이 워터재킷면을 이루고 상면이 캠 설치면을 이루도록 구성되며, 주조 또는 단조에 의해 제조되고, 하면이 상기 실린더헤드 하부의 상면과 결합되며 그 사이에서 워터재킷을 형성하는 실린더헤드 상부;를 포함한다.
상기 실린더헤드 상부와 하부는 알루미늄 합금으로 제조될 수 있다.
상기 실린더헤드 하부는 중력주조공법에 의해 제조될 수 있다.
상기 실린더헤드 하부는 주조 후 상면과 하면이 모두 500℃/3시간의 용체화처리 및 250℃/2.5시간의 시효처리를 통하여 열처리될 수 있다.
상기 실린더헤드 하부는 Al을 주성분으로 하고, Cu : 2.0~4.0 wt%, Si : 5.0~7.0 wt%, Mg : 0.1~0.4 wt%, Zn : 1.0 wt% 이하(0은 불포함), Fe : 0.25 wt% 이하(0은 불포함), Mn : 0.03 wt% 이하(0은 불포함), Ni : 0.3 wt% 이하(0은 불포함), Ti : 0.03 wt% 이하(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 제조될 수 있다.
상기 실린더헤드 하부는 Al을 주성분으로 하고, Cu : 2.0~4.0 wt%, Si : 5.0~7.0 wt%, Mg : 0.1~0.4 wt%, Zn : 1.0 wt% 이하(0은 불포함), Fe : 0.25 wt% 이하(0은 불포함), Ni : 0.3 wt% 이하(0은 불포함), Ti : 0.03 wt% 이하(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 제조될 수 있다.
상기 실린더헤드 상부는 다이캐스팅공법에 의해 제조될 수 있다.
상기 실린더헤드 상부는 주조 후 상면과 하면이 모두 250℃/2.5시간의 열처리될 수 있다.
상기 실린더헤드 상부는 Al을 주성분으로 하고, Cu : 1.5~3.5 wt%, Si : 9.6~12.0 wt%, Mg : 0.3 wt% 이하(0은 불포함), Zn : 1.0 wt% 이하(0은 불포함), Fe : 1.3 wt% 이하(0은 불포함), Mn : 0.5 wt% 이하(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 제조될 수 있다.
상기 실린더헤드 상부와 하부는 무기계 접합제를 통하여 결합될 수 있다.
상기 실린더헤드 상부와 하부는 상부의 하변과 하부의 상면 사이에 무기계 접합제와 금속재질 가스켓을 통하여 결합될 수 있다.
상기 실린더헤드 상부와 하부는 헤드볼트에 의해 가체결된 후 완가공 될 수 있다.
한편, 상기 다층구조 실린더헤드의 제조방법은, 중력주조공법에 의해 실린더헤드 하부를 제조하며 상면과 하면을 모두 열처리하는 하부주조단계; 다이캐스팅공법에 의해 실린더헤드 상부를 제조하며 상면과 하면을 모두 열처리하는 상부주조단계; 및 상기 실린더헤드 하부의 상면과 상부의 하면에 접착제를 도포하고 그 사이에 가스켓을 삽입하여 실린더헤드 상부와 하부를 결합하는 결합단계;를 포함한다.
상기 결합단계는, 실린더헤드 상부와 하부를 관통하는 헤드볼트를 가체결하고 완가공하는 후가공단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 하부주조단계는 상기 실린더헤드 하부의 주조 후 상면과 하면을 모두 500℃/3시간의 용체화처리 및 250℃/2.5시간의 시효처리할 수 있다.
상기 상부주조단계는 상기 실린더헤드 상부의 주조 후 상면과 하면을 모두 250℃/2.5시간 열처리할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 다층구조 실린더헤드 및 그 제조방법에 따르면, 중자를 사용하지 않는 금형주조 공법을 이용하여 고질적인 물성저하 부분인 중자 접합부를 금형 냉각방식으로 대체하여 소재물성을 향상시킬 수 있게 된다.
구체적으로, 중자 접합면의 물성치는 인장강도 235~259MPa, 연신율 0.9~1.7%로 향상되어 피로강도에 직접적인 영향을 주는 소재 인장강도 향상율이 최소 26% 이상이며, 고온 피로특성과 직결되는 신율은 약 60% 이상 향상된다.
이러한 소재물성의 향상은 고출력 엔진에서 요구되는 강성과 고온물성을 특별한 소재개발 없이 검증된 양산소재로 적용이 가능함으로, 미래 신엔진 개발에 필요한 비용과 시간을 단축할 수 있다.
또한, 생산단계에서는 생산성이 우수한 고압다이캐스팅을 적용하여 수율 향상과 싸이클 타임 최소화, 소재 강성 향상에 의한 중량저감 등의 효과가 기대되고, 생산공정에서 발생하는 중자가스 발생량을 100% 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층구조 실린더헤드의 하부를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층구조 실린더헤드의 상부를 나타낸 도면.
도 3은 도 1 내지 도 2에 도시된 다층구조 실린더헤드의 하부와 상부를 결합하는 과정을 나타낸 도면.
도 4는 도 1에 도시된 다층구조 실린더헤드의 하부를 상방에서 바라본 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다층구조 실린더헤드 및 그 제조방법에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층구조 실린더헤드의 하부를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층구조 실린더헤드의 상부를 나타낸 도면이며, 도 3은 도 1 내지 도 2에 도시된 다층구조 실린더헤드의 하부와 상부를 결합하는 과정을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 1에 도시된 다층구조 실린더헤드의 하부를 상방에서 바라본 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 다층구조 실린더헤드는, 하면(104)이 연소실면을 이루고 상면(102)이 연소실 반대면으로서 워터재킷(W)면을 이루도록 구성되며, 주조 또는 단조에 의해 제조된 실런더헤드 하부(100); 및 상기 실린더헤드 하부(100)의 상부에 결합되며, 하면(304)이 워터재킷(W)면을 이루고 상면(302)이 캠 설치면을 이루도록 구성되며, 주조 또는 단조에 의해 제조되고, 하면(304)이 상기 실린더헤드 하부(100)의 상면(102)과 결합되며 그 사이에서 워터재킷(W)을 형성하는 실린더헤드 상부(300);를 포함한다.
물론, 상기 실린더헤드의 상부(300)와 하부(100) 사이에는 중부를 더 포함시켜 실린더헤드를 2단이 아닌 3단 등의 2단 이상으로 다층구조를 형성하는 것도 가능하다. 만약, 실린더헤드를 3단으로 제작할 경우에는 하부, 중부 및 상부의 사이에서 워터재킷이 형성되도록 함이 바람직할 것이다.
한편, 상기 실린더헤드 상부(300)와 하부(100)는 알루미늄 합금으로 제조될 수 있으며, 다층구조를 통하여 상부(300)와 하부(100)의 재질을 달리 적용할 수 있는 장점이 있다. 구체적인 재질에 관하여는 하기에서 설명하겠다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다층구조 실린더헤드의 하부를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 1에 도시된 다층구조 실린더헤드의 하부를 상방에서 바라본 도면으로서, 상기 실린더헤드 하부(100)는 중력주조공법에 의해 제조될 수 있다. 여기서, 상기 실린더헤드 하부(100)는 상면(102)이 워터재킷(W)면을 형성하고, 하면(104)은 연소실의 상부면을 형성하는 것으로서, 금형(122,124,126)을 통한 주조 후 상면(102)과 하면(104)이 모두 500℃/3시간의 용체화처리 및 250℃/2.5시간의 시효처리를 통하여 열처리됨으로써 종래 워터재킷(W) 부분 역시 열처리되어 필요한 물성치를 확보할 수 있게 된다.
구체적으로, 상기 실린더헤드 하부(100)는 Al을 주성분으로 하고, Cu : 2.0~4.0 wt%, Si : 5.0~7.0 wt%, Mg : 0.1~0.4 wt%, Zn : 1.0 wt% 이하(0은 불포함), Fe : 0.25 wt% 이하(0은 불포함), Mn : 0.03 wt% 이하(0은 불포함), Ni : 0.3 wt% 이하(0은 불포함), Ti : 0.03 wt% 이하(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 제조될 수 있다.
또는, 상기 실린더헤드 하부(100)는 Al을 주성분으로 하고, Cu : 2.0~4.0 wt%, Si : 5.0~7.0 wt%, Mg : 0.1~0.4 wt%, Zn : 1.0 wt% 이하(0은 불포함), Fe : 0.25 wt% 이하(0은 불포함), Ni : 0.3 wt% 이하(0은 불포함), Ti : 0.03 wt% 이하(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 제조될 수 있다.
한편, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층구조 실린더헤드의 상부를 나타낸 도면으로서, 상기 실린더헤드 상부(300)는 다이캐스팅공법에 의해 제조될 수 있다. 그리고, 상기 실린더헤드 상부(300)는 금형(322,324)을 통한 주조 후 상면과 하면이 모두 250℃/2.5시간의 열처리되어 실린더헤드의 워터재킷(W)을 이루는 상부(300)의 하면(304) 역시 열처리되어 필요 물성치를 확보하는 것이다.
구체적으로, 상기 실린더헤드 상부(300)는 Al을 주성분으로 하고, Cu : 1.5~3.5 wt%, Si : 9.6~12.0 wt%, Mg : 0.3 wt% 이하(0은 불포함), Zn : 1.0 wt% 이하(0은 불포함), Fe : 1.3 wt% 이하(0은 불포함), Mn : 0.5 wt% 이하(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 제조될 수 있다.
도 3은 도 1 내지 도 2에 도시된 다층구조 실린더헤드의 하부와 상부를 결합하는 과정을 나타낸 도면으로서, 주조에 의해 제조된 상기 실린더헤드 상부(300)와 하부(100)는 무기계 접합제를 통하여 결합된다.
또한, 상기 실린더헤드 상부(300)와 하부(100)는 상부(300)의 하면(304)과 하부(100)의 상면(102) 사이에 무기계 접합제와 금속재질 가스켓(G)을 통하여 결합될 수 있고, 상기 실린더헤드 상부(300)와 하부(100)는 헤드볼트(B)에 의해 가체결된 후 완가공 되도록 할 수 있다.
이러한 본 발명의 다층구조 실린더헤드의 제조방법은, 중력주조공법에 의해 실린더헤드 하부를 제조하며 상면과 하면을 모두 열처리하는 하부주조단계; 다이캐스팅공법에 의해 실린더헤드 상부를 제조하며 상면과 하면을 모두 열처리하는 상부주조단계; 및 상기 실린더헤드 하부의 상면과 상부의 하면에 접착제를 도포하고 그 사이에 가스켓을 삽입하여 실린더헤드 상부와 하부를 결합하는 결합단계;를 포함한다.
또한, 상기 결합단계는, 실린더헤드 상부와 하부를 관통하는 헤드볼트를 가체결하고 완가공하는 후가공단계;를 더 포함할 수 있다.
구체적인 제조방법의 경우, 상기 하부주조단계는 상기 실린더헤드 하부의 주조 후 상면과 하면을 모두 500℃/3시간의 용체화처리 및 250℃/2.5시간의 시효처리하도록 하며, 상기 상부주조단계는 상기 실린더헤드 상부의 주조 후 상면과 하면을 모두 250℃/2.5시간 열처리하는 것으로서, 실린더헤드의 상부와 하부 각각의 상면과 하면이 모두 열처리되어 좀 더 완벽히 필요한 물성을 확보하고, 재질을 필요에 따라 달리하여 최적의 성능을 끌어낼 수 있게 되는 것이다.
구체적으로, 상기 제조방법에 따라 실린더헤드를 제조하여 시험한 결과는 다음과 같다. 하기의 표 1은 실린더헤드 하부의 시험 조성이고, 표 2는 실린더헤드 상부의 시험조성이다.
Figure pat00001
Figure pat00002
상기 조성에 따라 주조되고 열처리된 실린더헤드 상부 및 하부의 결합을 통한 실린더헤드의 제조시, 종래의 중자 접합면 즉, 워터재킷 부분 내면의 물성치는 인장강도 235~259MPa, 연신율 0.9~1.7%로 향상되어 피로강도에 직접적인 영향을 주는 소재 인장강도 향상율이 최소 26% 이상이며, 고온 피로특성과 직결되는 신율은 약 60% 이상 향상됨을 알 수 있다. 참고로, 종래의 일체형 실린더헤드의 경우 인장강도 156~186MPa, 연신율 0.27~0.33%의 시험수치를 가짐이 일반적이었다.
이러한 소재물성의 향상은 고출력 엔진에서 요구되는 강성과 고온물성을 특별한 소재개발 없이 검증된 양산소재로 적용이 가능함으로, 미래 신엔진 개발에 필요한 비용과 시간을 단축할 수 있다.
또한, 생산단계에서는 생산성이 우수한 고압다이캐스팅을 적용하여 수율 향상과 싸이클 타임 최소화, 소재 강성 향상에 의한 중량저감 등의 효과가 기대되고, 생산공정에서 발생하는 중자가스 발생량을 100% 감소시킬 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 실린더헤드 하부 102 : 실린더헤드 하부 상면
104 : 실린더헤드 하부 하면 300 : 실린더헤드 상부
302 : 실린더헤드 상부 상면 304 : 실린더헤드 상부 하면
W : 워터재킷 G : 가스켓
B : 헤드볼트

Claims (12)

  1. 하면(104)이 연소실면을 이루고 상면(102)이 연소실 반대면으로서 워터재킷(W)면을 이루도록 구성되며, 주조 또는 단조에 의해 제조된 알루미늄 합금 소재의 실런더헤드 하부(100); 및
    상기 실린더헤드 하부(100)의 상부에 결합되며, 하면(304)이 워터재킷(W)면을 이루고 상면(302)이 캠 설치면을 이루도록 구성되며, 주조 또는 단조에 의해 제조되고, 하면(304)이 상기 실린더헤드 하부(100)의 상면(102)과 결합되며 그 사이에서 워터재킷(W)을 형성하는 알루미늄 합금 소재의 실린더헤드 상부(300);를 포함하는 다층구조 실린더헤드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 실린더헤드 하부(100)는 중력주조공법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 다층구조 실린더헤드.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 실린더헤드 하부(100)는 Al을 주성분으로 하고, Cu : 2.0~4.0 wt%, Si : 5.0~7.0 wt%, Mg : 0.1~0.4 wt%, Zn : 1.0 wt% 이하(0은 불포함), Fe : 0.25 wt% 이하(0은 불포함), Mn : 0.03 wt% 이하(0은 불포함), Ni : 0.3 wt% 이하(0은 불포함), Ti : 0.03 wt% 이하(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성의 알루미늄 합금으로, 주조 후 상면과 하면이 모두 500℃/3시간의 용체화처리 및 250℃/2.5시간의 시효처리를 통하여 열처리된 것을 특징으로 하는 다층구조 실린더헤드.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 실린더헤드 상부(300)는 다이캐스팅공법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 다층구조 실린더헤드.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 실린더헤드 상부(300)는 Al을 주성분으로 하고, Cu : 1.5~3.5 wt%, Si : 9.6~12.0 wt%, Mg : 0.3 wt% 이하(0은 불포함), Zn : 1.0 wt% 이하(0은 불포함), Fe : 1.3 wt% 이하(0은 불포함), Mn : 0.5 wt% 이하(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성의 알루미늄 합금으로, 주조 후 상면과 하면이 모두 250℃/2.5시간의 열처리된 것을 특징으로 하는 다층구조 실린더헤드.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 실린더헤드 상부(300)와 하부(100)는 무기계 접합제를 통하여 결합된 것을 특징으로 하는 다층구조 실린더헤드.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 실린더헤드 상부(300)와 하부(100)는 상부(300)의 하면(304)과 하부(100)의 상면(102) 사이에 무기계 접합제와 금속재질 가스켓(G)을 통하여 결합된 것을 특징으로 하는 다층구조 실린더헤드.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 실린더헤드 상부(300)와 하부(100)는 헤드볼트(B)에 의해 가체결된 후 완가공 되는 것을 특징으로 하는 다층구조 실린더헤드.
  9. 청구항 1의 다층구조 실린더헤드의 제조방법으로서,
    중력주조공법에 의해 실린더헤드 하부를 제조하며 상면과 하면을 모두 열처리하는 하부주조단계;
    다이캐스팅공법에 의해 실린더헤드 상부를 제조하며 상면과 하면을 모두 열처리하는 상부주조단계; 및
    상기 실린더헤드 하부의 상면과 상부의 하면에 접착제를 도포하고 그 사이에 가스켓을 삽입하여 실린더헤드 상부와 하부를 결합하는 결합단계;를 포함하는 다층구조 실린더헤드 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 결합단계는, 실린더헤드 상부와 하부를 관통하는 헤드볼트를 가체결하고 완가공하는 후가공단계;를 더 포함하는 다층구조 실린더헤드 제조방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 하부주조단계는 상기 실린더헤드 하부의 주조 후 상면과 하면을 모두 500℃/3시간의 용체화처리 및 250℃/2.5시간의 시효처리하는 것을 특징으로 하는 다층구조 실린더헤드 제조방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 상부주조단계는 상기 실린더헤드 상부의 주조 후 상면과 하면을 모두 250℃/2.5시간 열처리하는 것을 특징으로 하는 다층구조 실린더헤드 제조방법.
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