KR100521522B1

KR100521522B1 - 강도 및 피로 특성이 향상된 실린더 헤드용 알루미늄 합금조성물

Info

Publication number: KR100521522B1
Application number: KR10-2003-0023264A
Authority: KR
Inventors: 정창렬
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2003-04-14
Publication date: 2005-10-12
Also published as: KR20040088857A

Abstract

본 발명은 알루미늄을 기재로 하고, 여기에 Si, Cu, Mg, Mn, Ti, Sr의 정확한 조성범위와 Fe, Zn, Ni, Sn, Cr, Pb 성분에 대한 한계 조성값을 규정함으로써, Si, Mg 성분을 중점 규제한 종래의 알루미늄 합금 재료와, 주요 Si, Cu, Mg, Fe, Mn, Zn 성분 및 Ni, Ti 성분 규제에 의해 강도 특성을 향상시킨 종래의 알루미늄 합금 재료에 비하여 강도 및 피로 특성을 현저하게 향상시킨 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금 조성물에 관한 것이다.

이를 실현하기 위한 본 발명은 알루미늄을 기재로 하고 여기에 Si 8.0∼12.0 중량%, Cu 0∼0.5 중량%, Mg 0.2∼0.5 중량%, Fe 0∼0.2 중량%, Mn 0.3∼1.0 중량%, Zn 0∼0.1 중량%, Ni 0∼0.05 중량%, Sn 0∼0.05 중량%, Cr 0∼0.05 중량%, Pb 0∼0.05 중량%, Ti 0.1∼0.2 중량%, Sr 0.008∼0.03 중량%가 포함되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

강도 및 피로 특성이 향상된 실린더 헤드용 알루미늄 합금 조성물{Composition of aluminum alloy for cylinder head with improved fatigue/intensity property}

본 발명은 엔진의 실린더 헤드용 알루미늄 합금 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알루미늄을 기재로 하고, 여기에 Si, Cu, Mg, Mn, Ti, Sr의 정확한 조성범위와 Fe, Zn, Ni, Sn, Cr, Pb 성분에 대한 한계 조성값을 규정함으로써, Si, Mg 성분을 중점 규제한 종래의 알루미늄 합금 재료와, 주요 Si, Mg, Cu, Fe, Mn, Zn 성분 및 Ni, Ti 성분 규제에 의해 강도 특성을 향상시킨 종래의 알루미늄 합금 재료에 비하여 강도 및 피로 특성을 현저하게 향상시킨 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금 조성물에 관한 것이다.

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

그러나, 최근 실린더 헤드의 소재로 각광받고 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(A)가 있다(표 1).

그러나, 고온, 고압, 고출력 엔진의 개발에 따라 강도 및 피로 특성의 향상을 위한 재질이 요구되고 있으며, 이러한 추세에 따라 주요 Si, Mg 성분 및 Cu, Fe, Mn, Zn, Ni, Ti 성분을 규제하여 기존 재질에 비해 물성을 향상시킨 소재(B;JIS AC4CH)가 많이 사용되고 있다(표 1).

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 강도 특성을 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 함유시 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 강도 특성이 현저히 향상된다.

그러나, 엔진 실린더 헤드의 경우 점차 고온, 고압, 고출력화 및 컴팩트화 됨에 따라 강도 및 고온 특성의 향상이 중요시되고 있는데, "B" 재료의 경우 현재 요구되는 강도 및 피로물성을 만족시킬 수 없다.

이러한 이유로는, 취성 원소인 Fe 함량의 상한치가 너무 높아 Fe 성분에 의한 재료 내 취성증가조직에 대한 제어가 힘들어 내피로특성이 우수하지 않으며, Cu, Ti, Mn 성분의 범위 규제가 없어 Cu, Ti, Mn 성분 미첨가에 의한 피로성질의 저하가 발생할 수 있는 단점이 있다.

본 발명에서는 알루미늄 합금 성분 중 Cu, Si, Mg, Mn, Ti, Sr의 정확한 조성범위와 Fe, Zn, Ni, Sn, Cr, Pb 성분에 대한 한계 조성값을 규정함으로써, 기존의 재료 "A"와 주요 성분 규제를 통해 강도 특성을 향상시킨 기존의 재료 "B" 보다 강도 및 피로 특성을 현저하게 향상시킨 합금 조성물(C)을 제공한다.

따라서, 본 발명의 목적은 고온, 고압, 고출력의 실린더 헤드 제조시 그 재료로서 사용될 수 있는 새로운 알루미늄 합금 조성물을 제공하는 것이다.

구체적으로, 본 발명의 목적은 알루미늄을 기재로 하고, 여기에 Cu, Si, Mg, Mn, Ti, Sr의 정확한 조성범위와 Fe, Zn, Ni, Sn, Cr, Pb 성분에 대한 한계 조성값을 규정한 강도 및 피로 특성이 향상된 실린더 헤드용 알루미늄 합금 조성물을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실린더 헤드용 알루미늄 합금 조성물은 알루미늄을 기재로 하고, 여기에 구리(Cu) 0∼0.5 중량%, 규소(Si) 8.0∼12.0 중량%, 마그네슘(Mg) 0.2∼0.5 중량%, 철(Fe) 0∼0.2 중량%, 망간(Mn) 0.3∼1.0 중량%, 아연(Zn) 0∼0.1 중량%, 니켈(Ni) 0∼0.05 중량%, 주석(Sn) 0∼0.05 중량%, 크롬(Cr) 0∼0.05 중량%, 납(Pb) 0∼0.05 중량%, 티타늄(Ti) 0.1∼0.2 중량%, 스트론튬(Sr) 0.008∼0.03 중량%가 포함되어 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 차량 엔진의 실린더 헤드용 알루미늄 합금 조성물, 즉 고압 고출력 직분식 디젤 및 가솔린 엔진의 실린더 헤드 제조시 소재로 사용되는 강도 및 피로 특성이 향상된 알루미늄 합금 조성물을 제공한다.

본 발명에서는 실린더 헤드용 알루미늄 합금 재료의 강도 및 고온 특성을 향상시키기 위하여 Cu, Si, Mg, Fe, Mn, Zn, Ni, Sn, Cr, Pb, Ti, Sr 성분을 다음의 표 2에 나타낸 바와 같이 규정한다.

본 발명에서 제공하는 알루미늄 합금 조성물을 구성하는 각 성분의 함량범위를 살펴보면 다음과 같다.

(1) Cu : 0∼0.5 중량%

함량 과다시 열전도도가 감소되고, 주조시 열간 취성이 발생되며, 소량 첨가시 고온 강도가 크게 향상되는 효과를 보이므로 0 ∼ 0.5 중량%로 한다.

(2) Si : 8.0∼12.0 중량%

Si 함량이 적으면 강도 및 주조성이 나빠지고, 함량이 많으면 강도는 증가하나 신율이 감소하는 점을 고려하여, 신율의 감소를 최소화 하고 강도향상 및 DAS(dendrite arm spacing) 저감 효과를 위하여 8.0 ∼ 12.0 중량%로 한다.

(3) Mg : 0.2∼0.5 중량%

함량 과다시 열전도 감소 및 주물에 산화물 형성이 많아 주조 품질의 영향과 열처리에 의해 신율 저하가 발생하고, 함량 미달시 강도가 저하되므로 강도 및 신율 확보를 위해 0.2∼0.5 중량%로 한다.

(4) Fe : 0∼0.2 중량%

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

(5) Mn : 0.3∼1.0 중량%

함량 첨가시 별도의 열처리 없이 응고 중 조직 내부에 미세분산상(dispersoid)이 형성되어 현저한 강도 증가를 보이는 점을 고려하여 0.3∼1.0 중량%로 한다.

(6) Zn : 0∼0.1 중량%

함량을 과다로 첨가하는 경우 열전도 및 내식성이 감소하게 되므로 그 함량을 0.1 중량% 이하로 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∼0.05 중량%

(9) Cr : 0∼0.05 중량%

(10) Pb : 0∼0.05 중량%

(11) Ti : 0.1∼0.2 중량%

함량 과다시 취성이 증가할 수 있으므로 최대 0.2 중량% 이하로 하고, 미첨가시 금속조직의 크기가 조대해져 강도성질이 저하되므로 최소 0.1% 이상으로 한다.

(12) Sr : 0.008∼0.03 중량%

함량 과다시 취성이 증가하여 강도성질을 저하시킬 수 있으므로 최대 0.03 중량% 이하로 하고, 미첨가시 Si조직의 형상을 구상화시킬 수 없어 강도 등 기계적 물성이 저하되므로 최소 0.008 중량% 이상으로 한다.

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

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

따라서, 본 발명의 알루미늄 합금 조성물은 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 실시예로 한정되는 것은 아니다.

실시예

통상적인 합금 제조방법을 이용하여, 상기 표 2에 제시한 본 발명에 따른 조성성분의 범위 중 다음의 함량으로 합금 조성물을 제조하였다.

이때의 함량은 Si 10.2 중량%, Cu 0.1 중량%, Mg 0.3 중량%, Fe 0.15 중량%, Mn 0.5 중량%, Zn 0.02 중량%, Ni 0.02 중량%, Sn 0.01 중량%, Cr 0.03 중량%, Pb 0.04 중량%, Ti 0.15 중량%, Sr 0.015 중량%, Al 88.465 중량%이었다.

얻어진 합금 조성물의 물성(강도, 신율, 피로 등)을 측정하기 위하여, 이 합금 조성물을 750℃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.

이때의 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 강도 및 신율을 다음과 같이 측정한 후 비교하였다.

(1) 인장강도(tensile strength, MPa)

인장강도는 KS B0802에 규정된 시험방법을 이용하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3과 첨부한 도 1에 나타내었다.

(2) 항복강도(yield strength, MPa)

항복강도는 KS B0802에 규정된 시험방법을 이용하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3과 첨부한 도 1에 나타내었다.

(3) 신율(%)

신율은 인장시험기를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3과 첨부한 도 1에 나타내었다.

상기 표 3과 도 1에 나타낸 바와 같이, 실시예에 따라 얻어진 본 발명의 재료와 비교예에 따라 얻어진 종래의 재료를 비교하여 본 결과, 상온에서 인장강도와 항복강도는 약 14%정도 향상되었고, 강도의 증가에 비해 신율은 거의 감소하지 않았다.

시험예 2

한편, 상기 실시예와 비교예에서 제조된 시편을 이용하여 상온에서의 피로시험을 실시한 후 비교하였다.

피로시험은 유압식 피로시험기를 이용하였고, 150∼220MPa 응력범위에서 10Hz, R=0의 조건으로 하여 실시하였으며, 그 결과를 표 4와 도 2에 나타내었다.

도 2는 본 발명의 알루미늄 합금 재료와 종래의 알루미늄 합금 재료의 피로 시험결과를 나타내는 그래프로서, X축(피로수명;cycle))은 주어진 반복 응력조건에서 파단될 때까지의 수명을 의미하고, Y축(응력)은 시편에 가해진 하중조건을 나타낸다.

위의 하중조건에서 일반적으로 가해준 응력이 크면 수명이 짧고 응력이 작으면 피로수명이 길어지며 특정 응력 이하에서는 파단이 발생하지 않고 무한 수명을 보인다.

또한, 도 2에서 낫브로큰(not broken)은 시편이 파단되지 않고 시험을 중단한 것으로 위의 피로한에 해당되며, 일반적으로 10000000cycle 을 피로한으로 보고있다.

상기 표 4와 도 2에 나타낸 바와 같이, 실시예에 따라 얻어진 본 발명의 재료와 비교예에 따라 얻어진 종래의 재료를 비교하여 본 결과, 피로수명은 1000%(10배) 이상 크게 향상되었다.

이상의 결과로부터 본 발명의 재료에서는 실린더 헤드에서 중요시 되고 있는 강도 및 피로 특성이 현격히 향상됨을 알 수 있으며, 상기 결과에 의해 본 발명의 재료를 사용하게 되면 엔진의 고출력화에 따른 고온, 고압, 고출력에 견딜 수 있는 실린더 헤드를 제조할 수 있음을 알 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에서는 알루미늄을 기재로 하고, 여기에 Cu, Si, Mg, Mn, Ti, Sr의 정확한 조성범위와 Fe, Zn, Ni, Sn, Cr, Pb 성분에 대한 한계 조성값을 규정한 새로운 조성의 알루미늄 합금 조성물을 제공함으로써, 기존의 알루미늄 합금 재료들에 비해 강도 및 피로 특성을 현저히 향상시킬 수 있고, 이에 따라 고온, 고압, 고출력에 견딜 수 있는 실린더 헤드의 제조가 가능해지는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 알루미늄 합금 재료와 종래의 알루미늄 합금 재료의 인장 시험결과를 나타내는 그래프

도 2는 본 발명의 알루미늄 합금 재료와 종래의 알루미늄 합금 재료의 피로 시험결과를 나타내는 그래프

Claims

알루미늄을 기재로 하고, 여기에 규소(Si) 8.0∼12.0 중량%, 구리(Cu) 0.5 중량% 이하, 마그네슘(Mg) 0.2∼0.5 중량%, 철(Fe) 0.2 중량% 이하, 망간(Mn) 0.3∼1.0 중량%, 아연(Zn) 0.1 중량% 이하, 니켈(Ni) 0.05 중량% 이하, 주석(Sn) 0.05 중량% 이하, 크롬(Cr) 0.05 중량% 이하, 납(Pb) 0.05 중량% 이하, 티타늄(Ti) 0.1∼0.2 중량%, 스트론튬(Sr) 0.008∼0.03 중량%가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 강도 및 피로 특성이 향상된 실린더 헤드용 알루미늄 합금 조성물.