KR100828803B1 - 과공정 Ａｌ-Ｓｉ합금을 이용한 일체형 알루미늄 라이너를 포함하는 알루미늄 실린더블록 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진블록의 인터보어부 간격을 최소화하고, 엔진블록 구조 중 주요부위에만 고급소재를 적용하여 고압 주조공정이 가능하도록 한 알루미늄 라이너의 제조 방법을 제공하고자 한 것으로서, 원통형 알루미늄 라이너와 알루미늄 모노블록에 사용되고 있는 과공정 Al-Si 합금을 이용하여 개개의 원통형 라이너를 일체형 구조로 제조함으로써, 엔진 경량화를 위한 알루미늄 라이너의 적용 이유를 단순한 밀도 차이에 두는 것이 아니라, 엔진구조의 경량화/컴팩트화를 이룰 수 있고, 현 양산중인 알루미늄 블록에 적용하고 차후 경량 엔진블록으로 주목받는 마그네슘 블록에도 적용할 수 있는 과공정 Al-Si합금을 이용한 경량 엔진블록용 일체형 알루미늄 라이너 제조 방법을 제공하고자 한 것이다.

알루미늄 라이너, 실린더 블록, 경량화/캠팩트화, Al-Si 합금

Description

과공정 Ａｌ-Ｓｉ합금을 이용한 일체형 알루미늄 라이너를 포함하는 알루미늄 실린더블록 제조 방법{Method for manufacturing aluminium cylinder block with aluminium liner}

도 1은 엔진블록 인터보어부 구조를 보여주는 개략도,

도 2는 과공정 Al-Si 재질별 미세조직을 나타내는 현미경 사진,

도 3은 본 발명 및 기존의 알루미늄 라이너를 설명하는 개략도,

도 4는 알루미늄 라이너 보어면 습동면 모식도.

본 발명은 과공정 Al-Si합금을 이용한 경량 엔진블록용 일체형 알루미늄 라이너 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차 엔진 경량화를 위하여 그 요구가 증가하고 있는 알루미늄 라이너의 형태와 제조공정에 관한 것으로서, 현재 직렬형 또는 V형 엔진의 각 연소실마다 독립적인 원통형 형태를 가지고 있는 알루미늄 라이너 구조를 인접한 연소실끼리 3개 혹은 4개의 단위로 일체화 함으로써, 엔진 전장 길이를 축소하여 엔진 컴팩트화 및 경량화 달성할 수 있고, 인터보어부 의 열부하 감소, 엔진블록 전체의 강성 향상 및 알루미늄 엔진블록 고압주조시 라이너 치수 안정성 등을 향상시킬 수 있도록 한 과공정 Al-Si합금을 이용한 경량 엔진블록용 일체형 알루미늄 라이너 제조 방법에 관한 것이다.

자동차 주요 부품인 엔진블록은 최근 연비 및 환경개선, 차량 전후 무게비 최적화에 의한 주행성능 개선 때문에 경량화를 끊임없이 요구받고 있을 뿐만 아니라, 엔진 고출력화 및 레이아웃 최적화에 대응하기 위한 강성 확보 및 소형화(컴팩트화)를 요구받고 있다.

엔진블록의 주요치수를 결정하는 것은 실린더 보어경, 스트로크 길이, 및 인터보어 간격이며, 특히 인터보어 간격은 라이너 두께와 라이너 사이의 블록부 살두께를 합한 보어 사이의 간격으로서, 이 간격이 작을수록 엔진이 컴팩트 해지지만 헤드가스켓의 기밀성 유지와 엔진 고출력화에 따른 인터보어부 열부하에 대응하기 위한 국부적인 냉각수 통로 형성을 위하여 최소 6mm이상의 간격 확보가 필요하다.

기존에는 실린더 블록이 열적으로 안정된 주철 주조물로 되어 있었으나, 경량화에 대한 요구로 가솔린 엔진에 대해 엔진 블록을 알루미늄 재질로 대부분 대체되고 있으며, 제조 공정도 중력 주조에서 생산성이 높은 다이캐스팅법을 적용하고 있는 추세이나 생산량이 많지 않은 경우에는 시설 및 생산이 쉽고 단순하며 주조품질이 우수한 저압주조 방식도 쓰이고 있다.

알루미늄 블록에는 주철제 라이너 또는 알루미늄 라이너를 적용하고 있는데, 최근 경량화의 중요성과 보어부 열변형 및 열전도성의 문제로 알루미늄 라이너의 적용이 증가하고 있다.

지금까지 주로 적용되고 있는 알루미늄 라이너의 사례는 아래의 표 1에 나타낸 바와 같이 정리할 수 있으나, 고압주조공정에 주로 적용가능하고 생산원가를 저감할 수 있으며, 엔진 구조의 경량화/컴팩트화를 함께 달성할 수 있는 기술의 정립이 필요한 실정이다.

엔진 블록 경량화/컴팩트화에 주로 영향을 미치는 주요치수 중 하나인 인터보어 간격은 도 1에 도시된 바와 같이, 실린더헤드의 가스켓 기밀성 유지 및 엔진고출력화에 따른 인터보어부 열부하에 대응하기 위하여 최소 6mm이상의 간격 확보가 필요하다.

따라서 현재 알루미늄 엔진블록에 적용되고 있는 원통형 알루미늄 라이너의 경우 8.5mm∼11mm의 간격을 확보하고 있는 반면, 저압주조로 인터보어부 일체화 구조를 모노블록의 경우는 6∼6.5mm의 간격을 확보하고 있다.

이에, 본 발명은 엔진블록의 인터보어부 간격을 최소화하고, 엔진블록 구조 중 주요부위에만 고급소재를 적용하여 고압 주조공정이 가능하도록 한 알루미늄 라이너의 제조 방법을 제공하고자 한 것으로서, 원통형 알루미늄 라이너와 알루미늄 모노블록에 사용되고 있는 과공정 Al-Si 합금을 이용하여 개개의 원통형 라이너를 일체형 구조로 제조함으로써, 엔진 경량화를 위한 알루미늄 라이너의 적용 이유를 단순한 밀도 차이에 두는 것이 아니라, 엔진구조의 경량화/컴팩트화를 이룰 수 있고, 현 양산중인 알루미늄 블록에 적용하고 차후 경량 엔진블록으로 주목받는 마그네슘 블록에도 적용할 수 있는 과공정 Al-Si합금을 이용한 경량 엔진블록용 일체형 알루미늄 라이너 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 A390합금(Al-17%Si-4Cu) 소재를 제공하는 단계와, 직렬 4기통 엔진에 적용되는 원통형 라이너인 경우 4개의 라이너, V6형 엔진에 적용되는 원통형 라이너인 경우 3개의 라이너가 하나의 구조물로 연결되는 일체형 구조의 라이너를 제조하되, 금형 내에 A390합금(Al-17%Si-4Cu) 용탕을 주입하여 저압주조법으로 4개 또는 3개의 라이너가 하나의 구조물로 연결되는 일체형 구조의 라이너를 제조하는 단계와, 고압주조법으로 알루미늄 실린더블록 주조시 상기 일체형 구조의 라이너를 인서트하여 알루미늄 실린더블록과 일체형 구조의 라이너를 일체 성형하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 과공정 Ａｌ-Ｓｉ합금을 이용한 일체형 알루미늄 라이너를 포함하는 알루미늄 실린더블록 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 3은 본 발명 및 기존의 알루미늄 라이너를 비교하여 설명하는 개략도이다.

본 발명에 따른 알루미늄 라이너는 A390 합금 소재를 이용한 것으로서, 지금까지 주로 쓰이고 있는 급속응고법에 의한 원통형 알루미늄 라이너의 재질에 비해 알루미늄과의 열팽창 차이가 적으므로 보어 변형 및 잔류응력 측면에서 유리할 뿐만 아니라, 도 4에 나타낸 바와 같이 액상에서 정출한 초정 Si 입자는 라이너 표면에서 습동면 형성 및 내마모성 향상의 주요 역할을 할 수 있다.

한편, 저압주조법은 한 가지 용융금속을 금형의 하부에서 저압으로 서서히 주입하여 응고시키는 기술로서, 이러한 저압주조법은 주로 주조결함과 산화물 등의 이물질이 혼입이 적고, 정밀한 주조품의 제조가 가능하므로 엔진블록, 실린더 헤드, 차륜 등의 제조에 주로 이용되고 있다.

먼저, 직렬 4기통 엔진에 적용되는 원통형 라이너인 경우에는 4개의 라이너, V6형 엔진에 적용되는 원통형 라이너인 경우에는 3개의 라이너가 하나의 구조물로 연결된 형태로 이루어진 일체형 구조의 라이너를 제조한다.

예를 들면, 금형 내에 A390합금(Al-17%Si-4Cu) 용탕을 주입하고, 금형 내의 용탕 응고 후 주물을 금형에서 꺼내는 저압주조법으로 4개 또는 3개의 라이너가 하나의 구조물로 연결된 형태로 이루어진 일체형 구조의 라이너를 주조한다.

다음으로, 위와 같이 제조된 일체형 구조의 라이너를 알루미늄 실린더블록 제조를 위한 고압 주조 장치 내에 배치하여 일체의 알루미늄 실린더블록 및 라이너를 제조한다.

즉, 고압주조법으로 알루미늄 실린더블록 주조시 상기 일체형 구조의 라이너를 인서트하여 알루미늄 실린더블록과 일체형 구조의 라이너를 일체 성형한다.

현재 알루미늄 엔진블록에 적용되고 있는 원통형 알루미늄 라이너의 경우에는 인터보어부가 라이너와 알루미늄 블록으로 나뉘어 구성되므로, 8.5mm∼11mm의 간격을 확보하고 있는 반면, 본 발명에 따르면 인터보어부가 과공정 Al-Si재질로 일체화 구조를 이루어 6∼6.5mm의 간격으로 충분하므로 엔진블록 전체 길이를 직렬 4기통이나 V8기통의 경우라면 7.5mm이상, V6의 경우라면 5mm이상 줄일 수 있다.

이는, 엔진블록만의 길이 축소를 의미하는 것이 아니고, 엔진블록에 부속되는 크랭크샤프트, 베드플레이트, 캠샤프트, 실린더헤드와 같은 모든 부품의 길이 축소를 의미하므로 그 경량화 효과와 엔진 컴팩트화 효과는 매우 크다고 할 수 있다.

또한, 본 발명의 알루미늄 라이너 제조 공정 자체가 기개발된 품질 안정적인 양산공정과 소재를 활용하며, 기 운용중인 엔진블록 주요 양산공정인 고압주조공정 과 시설에 큰 부하를 주지 않고 적용 가능하다는 것이 큰 특징이라 할 수 있다.

또한, 이러한 과공정 Al-Si 일체화 구조는 인터보어부의 열부하에 대하여 기존 재질에 비해 유리하고, 엔진 고출력화 및 레이아웃 최적화에 대응하기 위한 엔진블록 전체의 강성 및 알루미늄 엔진블록 고압주조시 필요한 라이너 치수 안정성 등을 향상시킬 수 있다.

한편, 상기한 본 발명은 통상적인 고압주조에 의한 알루미늄 블록 제조 공정에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 냉각수와의 내식성을 강화하는 표면처리법이 적용된 마그네슘 엔진블록 제조공정에도 적용 가능하다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄 라이너의 제조 방법에 의하면, 일반적인 직렬4기통 엔진의 경우라면 원통형의 라이너 4개를, V6형 엔진의 경우라면 좌/우 각 편측에 대하여 3개의 라이너를 하나의 구조물로 연결되도록 일반적인 모노블록 소재인 A390합금 (Al-17%Si-4Cu)으로 저압주조하여 일체화 제조한 후, 알루미늄 블록 고압주조시 알루미늄 라이너를 적용함으로써, 엔진 블록 인터보어부 구조를 기존의 라이너/블록과 같은 이종 구조가 아닌 라이너만의 일체 구조로 하여 엔진블록의 전체길이를 축소할 수 있고, 그에 따라 엔진 경량화 및 컴팩트화, 인터보어부의 열부하 감소, 엔진블록 전체의 강성 향상 및 알루미늄 엔진블록 고압주조시 라이너 치수 안정성 등을 향상시킬 수 있다.

Claims (1)

1. A390합금(Al-17%Si-4Cu) 소재를 제공하는 단계;

   직렬 4기통 엔진에 적용되는 원통형 라이너인 경우 4개의 라이너, V6형 엔진에 적용되는 원통형 라이너인 경우 3개의 라이너가 하나의 구조물로 연결되는 일체형 구조의 라이너를 제조하되, 금형 내에 A390합금(Al-17%Si-4Cu) 용탕을 주입하여 저압주조법으로 4개 또는 3개의 라이너가 하나의 구조물로 연결되는 일체형 구조의 라이너를 제조하는 단계;

   고압주조법으로 알루미늄 실린더블록 주조시 상기 일체형 구조의 라이너를 인서트하여 알루미늄 실린더블록과 일체형 구조의 라이너를 일체 성형하는 단계;

   를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 과공정 Ａｌ-Ｓｉ합금을 이용한 일체형 알루미늄 라이너를 포함하는 알루미늄 실린더블록 제조 방법.

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