KR20140068313A

KR20140068313A - 실린더 헤드 주조장치 및 실린더 헤드 열처리 방법

Info

Publication number: KR20140068313A
Application number: KR1020120134727A
Authority: KR
Inventors: 신호재; 김병관; 김경희; 예병준
Original assignee: 현대자동차주식회사; 경북대학교 산학협력단; 기아자동차주식회사
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2012-11-26
Publication date: 2014-06-09
Also published as: CN103831419A; JP2014104512A; KR101987151B1; US20140144561A1

Abstract

본 발명은 실린더 헤드 주조장치 및 이에 의해 제조된 실린더 헤드의 열처리 방법에 관한 것으로, 가압부와 연결관을 통해 주형과 연결되어 상기 주형 내로 용탕을 가압 주입하여 제품을 주조하는 실린더 헤드 주조장치에 있어서, 공급되는 용탕을 저장하여 안정화시키는 급탕부; 상기 급탕부와 분리 형성되고, 상기 안정화된 용탕을 급탕부로부터 공급받아 주형에 공급하는 가압부; 및 상기 급탕부 내부의 용탕에 침지되어 상기 가압부로 이송되는 용탕의 양을 제어하는 스토퍼를 포함하는 실린더 헤드 주조장치 및 이를 열처리하는 방법이 개시된다.

Description

실린더 헤드 주조장치 및 실린더 헤드 열처리 방법{CASTING APPARATUS FOR CYLINDER HEAD AND HEAT TREATMENT METHOD FOR CYNINDER HEAD}

본 발명은 실린더 헤드 주조장치 및 실린더 헤드 열처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용탕의 공급 및 가압을 분리하여 주조하는 실린더 헤드 주조장치 및 실린더 헤드 열처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 실린더 헤드를 제조하기 위한 주조공법으로 저압 주조법이 있는데, 이는 주로 가솔린 엔진의 실린더 헤드를 제조하는데 사용된다.

복잡한 형상을 갖는 실린더 헤드는 부위에 따라 응고속도가 달라 조성 및 조직이 상이한데, 원하는 조직을 확보하기 위하여 열처리를 실시한다.

이 때의 열처리는 T7 열처리가 주로 적용되는데, T7 열처리는 용체화처리, 급냉, 시효(aging) 및 공냉의 순서로 실시한다. 상기 열처리 공정 시간을 단축시킨다면 생산 시간을 단축시킬 수 있어 용체화처리 시간 또는 시효 시간의 단축이 필요하다.

반면, 저압 주조 방법은 밀폐된 주조로의 상부에 놓여진 주형 안에 용탕면을 공기 혹은 불활성가스에 의해 저압으로 가압해서 중력과 반대방향으로 연결관을 통해 용탕을 눌러 올려 주탕하여 주형을 채운 후 저압의 보압(保壓)을 가해 압탕 효과를 일정 시간 주어 주형 내에 제품이 응고되도록 하는 주조 방법이다.

도 7은 종래의 실린더 헤드 주조장치의 개략도인데, 종래의 저압 주조 방법은 래들(10)을 이용하여 급탕부와 가압부가 일체로 형성된 급탕/가압부(20)을 이용하여, 급탕시 용탕을 급탕/가압부(20)에 급탕한 직후에 바로 주조가 이루어지므로 용탕의 안정성을 확보할 수가 없었을 뿐만 아니라, 20~25 쇼트(shot) 후에 급탕을 실시하므로 급탕을 대기하는 동안 금형(50) 내에 산화물이 유입되는 문제가 있었다. 미설명 부호 40은 히터이다.

뿐만 아니라, 상기 방법에 의한 주조 방식에 따르면 주조 후 실린더 헤드 조직이 조대해져 실린더 헤드 소재의 용체화 시간이 6.5시간 이상이 소요되어 용체화 시간이 과다한 문제가 있었다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명은 용탕의 급탕과 가압을 분리하여 열처리 시간을 단축할 수 있는 실린더 헤드 주조장치 및 실린더 헤드 열처리 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 가압부와 연결관을 통해 주형과 연결되어 상기 주형 내로 용탕을 가압 주입하여 제품을 주조하는 실린더 헤드 주조장치에 있어서, 공급되는 용탕을 저장하여 안정화시키는 급탕부; 상기 급탕부와 분리 형성되고, 상기 안정화된 용탕을 급탕부로부터 공급받아 주형에 공급하는 가압부; 및 상기 급탕부 내부의 용탕에 침지되어 상기 가압부로 이송되는 용탕의 양을 제어하는 스토퍼를 포함하는 실린더 헤드 주조장치가 제공될 수 있다.

상기 스토퍼는 구동실린더에 의해 승하강되며, 상기 구동실린더의 일단에 형성되어 상기 급탕부와 가압부의 연결홀에 선택적으로 삽입되는 로드와 상기 로드의 외주를 코팅하는 내화재를 포함할 수 있다.

상기 로드는 SUS 재질이며, 상기 연결관의 상부에는 4개의 용탕 게이트가 대칭으로 형성될 수 있다.

상기 주형에는 연소실 냉각채널 및 스파크 플러그핀이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 공급되는 용탕을 저장하여 안정화시키는 급탕부, 상기 급탕부와 분리 형성되고, 상기 안정화된 용탕을 급탕부로부터 공급받아 주형에 공급하는 가압부 및 상기 급탕부 내부의 용탕에 침지되어 상기 가압부로 이송되는 용탕의 양을 제어하는 스토퍼를 포함하는 실린더 헤드 주조장치에 의해 제조되는 실린더 헤드 열처리 방법에 있어서, 상기 주조장치에 의해 주조된 실린더 헤드를 용체화처리하는 단계; 급냉하는 단계; 및 시효처리하는 단계를 포함하는 실린더 헤드 열처리 방법이 제공될 수 있다.

상기 용체화 처리는, 490~510℃의 온도 범위에서 3.5~4.5 시간 실시하는 것을 특징으로 한다.

상기 시효처리는, 240~260℃의 온도 범위에서 3.5~4.5 시간 동안 실시하는 것을 특징으로 한다.

상기 급냉하는 단계는, 70~80℃까지 실시하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면 용탕의 급탕과 가압을 분리하여 실시함으로써 주조 후의 조직을 미세하게 하여 실린더 헤드 소재의 열처리 시간을 단축할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 주조 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 급탕부 및 가압부를 확대 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 실린더 헤드 주조장치의 일부 형상이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열처리 시간의 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스토퍼의 형상을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 실린더 헤드의 일면을 나타낸 것이다.
도 7은 종래의 실린더 헤드 주조장치의 개략도이다.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 실린더 헤드의 기계적 특성, 열전도도, S-DAS 및 기공률을 테스트한 결과를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명에 따른 실시예는 저압 주조 방식에 의해 제조되는 알루미늄 실린더 헤드의 열처리 시간 단축을 위하여 대칭형의 4게이트를 적용하고, 연소실 및 스파크플러그 홀 냉각채널을 적용하고, 산화물 유입 방지를 위한 스토퍼가 적용된 급탕부/가압부 분리형(NLP) 주조로를 사용하여 용체화 시간을 단축하는 실린더 헤드의 주조장치 및 실린더 헤드의 제조방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실린더 헤드의 주조장치를 나타낸 것이고, 도 2는 도 1의 급탕부 및 가압부를 확대 도시한 것이다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 실린더 헤드 주조장치는 용탕(20)을 저장한 후 가압부(200)로 이송하는 급탕부(100)와, 상기 급탕부(100)와 분리 형성되고, 상기 급탕부(100)로부터 이송되어 주형(400)에 공급하는 가압부(200), 및 상기 급탕부(100) 내부의 용탕(20)에 침지되어 상기 가압부(200)로 이송되는 용탕(20)의 양을 제어하는 스토퍼(300)(stopper)를 포함하여 이루어진다.

이때, 상기 스토퍼(300)는 구동실린더(310)의 끝단에 형성되어 용탕(20)에 침지되며, 상기 구동실린더(310)에 의해 선택적으로 승하강하는 로드(320)와, 상기 로드(320)의 외주를 코팅하는 내화재(330)를 포함하여 이루어진다. 상기 내화재(330)는 세라믹일 수 있으며, 상기 로드(320)의 재질은 부식 방지를 위하여 SUS 재질일 수 있다.

이때, 상기 로드(320)는 상기 구동실린더(310)에 의해 상기 급탕부(100)와 가압부(200)를 연결하는 연결홀(250)에 선택적으로 삽입되어 급탕부(100)에서 가압부(200)로 이송되는 용탕(20)의 양을 제어할 수 있도록 되어 있다. 즉, 가압부에서 필요로 하는 양이 공급되면 상기 스토퍼(300)가 상기 연결홀(250)에 삽입되어 용탕(20)이 가압부(200)로 이송되는 것을 방지한다.

본 발명에 따른 실시예에서는 상기 구성 외에도 급탕부(100)의 급탕 수위를 감지하는 제1 레벨 센서(120)가 구비되어 있으며, 이는 가압부(200)에서도 마찬가지인데 급탕 수위을 감지하여 안정적인 용탕(20)의 공급이 이루어지도록 제2 레벨 센서(220)가 구비되어 있다. 또한, 급탕부(100)와 가압부(200)에서의 용탕(20)의 온도가 내려가지 않도록 제1, 제2 히터(110)가 각각 구비되어 있으며, 가압부(200)에는 온도 측정장치(230)가 용탕(20)에 침지되어 있다. 또한, 용탕(20)을 주형(400)에 공급하기 위하여 외부로부터 가스를 공급하는 가압장치(270)가 구비되어 있다.

도 2를 참조하면, 래들(10)로부터 공급되는 용탕(20)은 스토퍼(300)에 의해 급탕부(100)에만 머무르면서 안정화된다. 즉, 용탕(20)은 계속하여 내부와 표면의 온도 차이에 기인하여 자연 대류하면서 난류(turbulance)를 발생시키는데, 이에 의해 용탕(20) 표면에 알루미늄 산화물이 존재하게 된다. 이와 같이 불안정한 용탕(20)을 가압부(200)로 공급하면 온도 차이로 인하여 조직의 불균일이 발생될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 본 발명에 따른 실시예에서는 스토퍼(300)를 급탕부(100)의 용탕(20)에 침지시켜 가압부(200)로 이송되는 용탕(20)의 양을 제어한다. 이로써 용탕(20) 안정시간이 지나 안정되면 가압부(200)로 이송한다. 이때, 본 발명에 따른 실시예서의 용탕(20) 안정시간은 30분 이상이며, 상기 스토퍼(300)가 연결홀(250)에 삽입되어 있는 동안에는 표면에 존재하는 알루미늄 산화물이 가압부(200)로 유입되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 실린더 헤드(460) 소재의 열처리 시간을 단축시키기 위하여 주조 후의 조직을 미세화하는 것이 필요하다. 특히, 복잡한 형상을 가진 연소실(450) 부분의 냉각이 중요하다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 실린더 헤드 및 주조장치 일부를 도시한 것인데, 상기 실린더 헤드 주조장치에는 대칭형으로 형성된 4개의 용탕 게이트(420)가 형성되어 있고, 연소실(450)을 냉각하기 위한 연소실 냉각채널(440) 및 스파크 플러그홀(미도시)을 냉각하기 위한 스파크 플러그핀(430)이 수직으로 형성되어 있다. 본 발명에 따른 실시예에서의 용탕 게이트(420)는 주형(400)의 하부에서 용탕(20)이 공급되도록 하는 직상 게이트 방식일 수 있다.

상기와 같은 구성에 의하여 연소실(450) 부분을 국부적으로 냉각시켜 연소실(450)의 냉각속도를 향상시켰다. 즉, 상기 실린더 헤드(460)가 연결관(410)과 연결된 용탕 게이트(420)로부터 용탕(20)을 공급받아 주조되며, 주조되는 실린더 헤드(460) 소재는 연소실(450)의 냉각채널(440)과 스파크 플러그핀(430)을 통하여 신속하게 냉각되어 연소실(450) 부분이 국부적으로 신속하게 냉각되도록 함으로써 미세조직을 형성하도록 한다. 미세화된 조직은 열처리단계에서의 용체화처리 시간을 단축시키는데 도움이 된다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 실린더 헤드 열처리 방법에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 실시예의 실린더 헤드 열처리 방법은 실린더 헤드 소재의 열처리 시간 특히, 용체화처리 시간을 단축시키기 위하여 안정화된 용탕(20)을 공급하고, 공급된 용탕(20)을 가압하여 주형(400)에 공급하여 주조한 다음 주조된 소재를 열처리하는 단계를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 실시예에서는 Al-Si-Cu 계열 합금인 AC2B 합금을 사용하여 실린더 헤드를 제조하는데, 용탕의 조성은 중량%로, Si: 5.0~7.0, Cu: 2.0~4.0, Mg: 0.5이하, Zn: 1.0이하, Fe: 1.0이하, Fe: 1.0이하, Mn: 0.5이하, Ni: 0.3이하, Ti: 0.2이하를 포함하고, 잔부는 Al이다.

상기 용탕으로 상술한 실린더 헤드 주조장치를 이용하여 실린더 헤드 소재를 주조하는데, 먼저 상기 용탕을 급탕부(100)에 공급하여 안정화시키고, 용탕(20)이 안정화되면 가압부(200)에 공급하여 주형(400)에 공급하여 주물을 생산한다.

이후, 상기 주물을 열처리하는데, 상기 열처리는 용체화처리, 급냉 및 시효처리 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 실시예에서의 용체화처리 단계는 주조 후 실린더 헤드(460) 소재 내부에 불균일하게 성장한 석출물과 합금원소들이 기지(matrix)내에 균일하게 고용되도록 충분히 높은 온도까지 가열하여 단일상의 고체를 형성하도록 하는 단계이다. 본 발명에 따른 실시예에서의 용체화 온도는 실린더 헤드 소재가 용융되지 않으면서 고용이 충분히 이루어지도록 용융점 아래인 490~510℃의 온도 범위로 한정한다.

이때, 용체화처리 시간은 3.5~4.5 시간으로 한정하는데, 용체화처리 시간이 3.5시간보다 적은 경우에는 석출물 등의 충분한 고용이 이루어지지 않고, 4.5 시간을 초과하는 경우에는 완전한 고용이 이루어질 수 있으나, 시간 증가에 따라 비용이 증가하게 되고, 결정립이 성장(grain growth)하게 되어 재질 물성을 저하시키므로 본 발명에 따른 실시예에서의 용체화처리 시간은 상기 범위로 한정한다.

상기 용체화처리 단계에서 불균일한 석출물 등이 기지내로 고용이 되면 급랭 처리를 하는데, 70~80℃까지 급냉시킨다. 상기 급냉 과정에서 400℃ 이상의 급격한 온도 변화로 인해 실린더 헤드(460) 소재에서는 냉각에 의한 수축으로 잔류 응력이 발생한다. 상기 잔류 응력은 급냉 온도를 높일수록 억제된다.

상기 잔류 응력은 시효 공정에서 응력을 감소시킬 수 있는데, 본 발명에 따른 실시예에서는 240~260℃의 범위에서 시효처리를 한다. 상기 시효 처리는 용체화처리를 통해 균일하게 고용시킨 합금원소를 기지 내부에 균일하게 석출시키기 위함인데, 알루미늄 주조품의 물성을 결정하는 중요한 단계이다.

이러한 강도와 잔류 응력 제거 등을 효과적으로 수행하기 위해서, 본 발명에 따른 실시예에서는 AC2B 실린더 헤드(460)의 시효 시간을 3.5~4.5 동안 실시한다.

본 발명에 따른 시효 처리 온도를 기존보다 상승시켜 줌에 따라, 안정된 구조의 석출물을 빠르게 성장시킬 수 있고, 본 발명에 따른 실시예에서의 시효 처리 시간을 4.5시간 이내로 제한한 이유는 장시간 열처리를 하면 석출물들이 조대하게 성장하면서 소재 물성이 감소하기 때문이며, 3.5 미만의 시간으로 시효 처리를 하면 잔류 응력 제거가 제대로 이루어지지 않을 수 있으므로 본 발명에 따른 실시예에서의 시효 처리 시간은 상기 범위로 한정한다.

또한, 시효 온도의 변화는 석출에 큰 영향을 미치므로 시효 온도를 240~260℃로 한정한다.

일반적으로 용탕의 응고시에 덴드라이트 암(Dendrite Arm)이 성장하는데, 성장한 덴드라이트 암 사이의 간격을 DAS(Dendrite Arm Spacing)라고 한다. 또한, 덴드라이트 암은 용탕의 응고방향으로 성장하는 제1 덴드라이트 암(frist dendrite arm)과, 1차 방향의 수직방향인 제2 덴드라이트 암(second dendrite arm)으로 구분될 수 있는데, 상기 제2 덴드라이트 암 사이의 간격을 S-DAS(Secondary Dendrite Arm Spacing)라고 한다. 또한, 기공률은 임의의 표면에 기공부가 점유하는 면적을 백분율로 표시한 수치인데, 기공률이 높으면 강도가 저하될 수 있다.

본 발명의 실시예에 의해 제조되는 실린더 헤드의 열처리 후에는 S-DAS가 45~55㎛가 되었으며, 기공률은 0.12~0.5% 정도가 되었다. 이는 종래의 6.5시간 동안 용체화처리를 한 실린더 헤드의 수치와 동등한 값이다.

또한, 본 발명의 실시예에 의해 제조된 실린더 헤드의 용체화 시간에 따른 기계적 특성(경도, 인장강도), 열전도도, S-DAS 및 기공률을 측정하였다.

도 8 내지 도 12는 측정 결과를 나타내는 그래프인데, 용체화 시간에 다른 기계적 특성을 살펴보면, 경도는 용체화 시간 증가에 따라 3.5시간 시효 처리한 시편이 더 높은 경도를 나타냈고, 인장강도(UTS)는 용체화 시간의 증가에 비례하며, 3.5 시간 시효 처리한 시편이 더 높은 인장강도를 나타냈으며, 열전도도는 주조 상태에 비하여 증가하나, 3.5~6.5시간 동안 용체화할 경우에 열전도도의 변화는 크지 않으며, 시효시간이 길어질수록 열전도도는 상승하는 경향을 보였다.

또한, S-DAS와 기공률은 각각 55㎛이하, 0.25%이하로써 종래의 저압 주조 방식에 의해 제조된 실린더 헤드를 6.5시간 동안 용체화처리를 한 경우의 S-DAS와 기공률과 동등한 수준의 값이 되었다.

요컨대, 본 발명에 따른 실시예에서는 Al-Si-Cu 계열 합금인 AC2B 합금을 사용하여 제조된 알루미늄 실린더 헤드를 열처리 하는 T7 열처리 공정에서 용체화 및 시효 공정에 대해 정확한 온도 및 시간 범위를 규정하여, 종래의 T7 열처리 방법으로 제조된 제품과 동일한 수준의 인장강도 및 항복강도를 짧은 시간 내에 얻을 수 있었다.

이상 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

가압부와 연결관을 통해 주형과 연결되어 상기 주형 내로 용탕을 가압 주입하여 제품을 주조하는 실린더 헤드 주조장치에 있어서,
공급되는 용탕을 저장하여 안정화시키는 급탕부;
상기 급탕부와 분리 형성되고, 상기 안정화된 용탕을 급탕부로부터 공급받아 주형에 공급하는 가압부; 및
상기 급탕부 내부의 용탕에 침지되어 상기 가압부로 이송되는 용탕의 양을 제어하는 스토퍼를 포함하는 실린더 헤드 주조장치.
제1항에 있어서,
상기 스토퍼는 구동실린더에 의해 승하강되며,
상기 구동실린더의 일단에 형성되어 상기 급탕부와 가압부의 연결홀에 선택적으로 삽입되는 로드와 상기 로드의 외주를 코팅하는 내화재를 포함하는 실린더 헤드 주조장치.
제2항에 있어서,
상기 로드는 SUS 재질인 실린더 헤드 주조장치.
제1항에 있어서,
상기 연결관의 상부에는 4개의 용탕 게이트가 대칭으로 형성되는 실린더 헤드 주조장치.
제1항에 있어서,
상기 주형에는 연소실 냉각채널 및 스파크 플러그핀이 형성되는 실린더 헤드 주조장치.
공급되는 용탕을 저장하여 안정화시키는 급탕부, 상기 급탕부와 분리 형성되고, 상기 안정화된 용탕을 급탕부로부터 공급받아 주형에 공급하는 가압부 및 상기 급탕부 내부의 용탕에 침지되어 상기 가압부로 이송되는 용탕의 양을 제어하는 스토퍼를 포함하는 실린더 헤드 주조장치에 의해 제조되는 실린더 헤드 열처리 방법에 있어서,
상기 주조장치에 의해 주조된 실린더 헤드를 용체화처리하는 단계;
급냉하는 단계; 및
시효처리하는 단계를 포함하는 실린더 헤드 열처리 방법.
제6항에 있어서,
상기 용체화 처리는,
490~510℃의 온도 범위에서 3.5~4.5 시간 실시하는 것을 특징으로 하는 실린더 헤드 열처리 방법.
제6항에 있어서,
상기 시효처리는,
240~260℃의 온도 범위에서 3.5~4.5 시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 실린더 헤드 열처리 방법.
제6항에 있어서,
상기 급냉하는 단계는,
70~80℃까지 실시하는 것을 특징으로 하는 실린더 헤드 열처리 방법.