자동차 엔진의 재료

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자동차 엔진의 재료에 대한 보고서 자료입니다.

목차

제 2 장 - 엔진
2-1. 엔진본체
2-1-1. 실린더 블록
2-2 주운동계
2-2-1. 피스톤(piston)
2-2-2 피스톤핀( piston pin)
2-2-3.피스톤링(PISTON RING)
2-2-4크랭크샤프트(crabk shaft)
2-2-5. 커넥팅로드(connecting rod)
2-2-6. 베어링(bearing)
2-3 밸브계
2-3-1.엔진밸브(engine valve)
2-3-2. 밸브스프링(valve spring)
2-3-3.로커암(rocker arm)
2-3-4.캠 샤프트(cam shaft)

본문내용

피아노선 V종의 SWP-V, 밸브 스프링용 탄소강 오일템퍼선의 SWO-V, 밸브 스프링용 실리콘 크롬강 오일 템퍼선 SWOCS-V, 벨브 스프링용 크롬 바나듐강 오일템퍼선 SWOCV-V 의 4종류가 이용되고 있다(표 2-4). 그중에서 강도가 우수한 SWOSC-V 가 많이 이용되고 있다.
표 2-4 밸브 스프링 재료의 특성
재료명
재료기호(KS)
내구성
내압성
파아노선 V종
SWP-V
기준
기준
밸브 스프링용
오일템퍼선
SWO-V
○
○
밸브스프링용
실리콘 크롬강 오일탬퍼선
SWOSC-V
◎
◎
밸브스프링용 크롬바나듐강
오일템퍼선
SWOCV-V
○
◎
: 동등
◎ : 우수
밸브스프링은 더욱 더 경량화와 고강도화, 소형화가 강하게 요구되고 있다. 그 대응책의 하나는 Ti합금이다. Ti합금은 종래의 밸브강과 비교해서 밀도가 2/3으로 낮고 또한 강성률이 1/2정도이므로 대폭적인 경량화와 소형화가 가능하게 된다. 그러나 내구성과 코스트면에서 문제가 있다. 금후 연구개발의 진전이 요망되고 있고, 또한 현재의 밸브 스프링 재료도 내구성과 내압성의 향상이 시도되어지고 있고 재료와 표면 경화처리, 스프링의 가공법, 스프링의 단며형상의 개량에 의한 개선이 바람직하다.
2-3-3.로커암(rocker arm)
로커암은 캠 샤프트의 회전운동을 황복운동으로 변환하고 엔진 밸브를 작동시키는 운동전달부품이다. 로커암의 종류는 캠 샤프트를 실린더 헤드 내에 설치하여 직접 로커암을 작동시키는 오버헤드 걺(overhead cam)방식(OHC)과 캠 샤프트가 실린더 블록측에 있고 푸시로드(push rod)를 거쳐 로커 암을 작동시키는 오버헤드 밸브 방식(OHV)이 있다. 최근의 승용차 엔진에서는 고출력화, 고회전화에 유리한 OHC 방식이 주류를 이루고 있다.
재료 성능으로는 로커 암 본체에는 고피로강도와 강성, 캠 및 엔진 밸브와의 접촉부에는 내마모성과 피로강도가 요구된다, 이들의 재료성능을 만족시키기 위해서 재료, 열처리, 표면처리를 조합시킨 적용법이 여러 가지 이용되고 있다(표2-5)
로커암의 본체에는 알루미늄합금의 다이 케스팅품, 합금강의 정밀주조품과 단조품으로 대별할 수 있다.
알루미늄합금 ALDC10과 ALDC12의 다이캐스팅품은 캠과 운동하는 접촉부에 소결합금제 칩 등의 내마모재를 내부에 포함하도록 주조한 것과 롤러를 장착한 것이 있다. 주물로 둘러싸는데 이용되는 소결합급은 Cr탄화물과 Nb탄화물 등의 결질입자를 분산시킨 Fe계 소결합금(Fe-C-CurP의 기본조성에 Cr,Mo,Ni, Nb등을 첨가한 것)이다. 주물로 둘러 싸는데 이용되는 내마모성재에는 질화Si등의 세라믹제 칩을 이용하는 경우가 있다. 한편 롤러는 베어링강의 STN2가 많다.
알루미늄합금의 다이캐스팅품은 SOHC 방식의 엔진에 많이 이용되고 있다.
합금강의 정밀주조품과 단조품은 고강도, 고강성의 SCM415 등이 이용되고 있다. 단조품에서는 캠 접촉면에 소결합금을 접합하기도 하고 롤러를 장착하는 등의 방법으로 또는 엔진 밸브와의 접촉측은 침탄 담금질을 실시하는 것으로 내마모성 향상을 꾀하고 있다.
금후 로커암의 경량화와 저코스트화를 더욱 꾀하기 위해 강판의 프레스 성형제와 알루미늄 합금의 용탕단조법의 적용과 비강도가 큰 Ti합금과 가벼운 Mg합금제를 실용화 하는 개발이 진행되고 있다.
2-3-4.캠 샤프트(cam shaft)
캠 샤프트는 밸브를 개폐시키는 로커암과 태핏(tappet: valve lift), 푸시로드등을 구동시키는 캠을 복술 갖는 축이다(그림 2-16). 캠 샤프트는 타이밍 밸트와체인에 의해 구동되어 회전한다. 다수의 캠 샤프트는 캠과 축이 동일한 재료이다. 최근에는 일부에서 캠과 축이 다른 재료인 것을 조립한 캠 샤프트도 등장하고 있다.
캠샤프트의 재료는 주철품과 강의 단조품, Fe계의 소결품으로 대별된다(표 2-6). 주철품과 강의 단조품은 캠과 축이 동일 재료인 반면에 FerP의 소결품은 캠과 축이 상이한 재료의 것이다.
표 2-6 캠 샤프트 재료의 종류와 제조법
공법, 종류
제조방법
주용용도
주
물
GC
냉금식(冷金式)칠드캠
일반적인 칠드캠
일반차
재용융칠드 캠
캠부에 아크등에 의해 재용해 칠드화 한 캠
1캠 다(多)밸브차
화염담금질 캠
캠부에 화염담금질
대형트럭
화염담금질 캠(칠드주철)
칠드캠부를 화염담금질
대형트럭
GCD
고추파 담금질 캠
캠부에 고주파 담금질
롤러로커암탑재차
오스템퍼처리(ADI)
오스템퍼 열처리를 한 캠
롤러로커암탑재차
주 강
고합금 주강으로 제작한 캠
고성능차
강
판조+고주파 담금질
단조로 제작하고 고주파 담금질
대형트럭
용융접합+고주파 담금질
파이프에 특수강의 캠을 접합하고 캠의 표면부를 고주파 담금질
고성능차
P/M캠(조립캠샤프트)
파이프에 소결제 캠, 저널등을 확산 접합시킨 캠
고성능차
오늘날 승용차용 엔진의 주류인 주철품은 크게 4종류가 있는데, 캠의 캠의 산(山) 부분만 주조시에 급랭한 칠드주철, GC250계 의 주철제 캠 샤프트의 표면을 TIG의 아크로 가열하여 국부적으로 용해시킨뒤 급랭하여 칠드조직을 얻는 재용융칠드주철, GCD700계의 표면을 고주파담금질 한 구상흑연주철, 그리고 GCD700계의 표면을 오스템퍼(austemper)처리 하여 얻는 베이나이트상 조직이 그것이다.
승용차에 많이 사용되고 있는 주철제에 대해서 강의 단조품은 트럭과 버스등의 대형디젤엔진에 이용된다. 대형의 캠 샤프트는 주조품보다도 단조품의 편이 제조하기 쉽기 때문에 단조품이 많이 이용된다. 캠부는 내마모성 확보를 위해 고주파담듬질이 실시되고 있다.
최근 등장한 Fe계 소결재료는 부품형상의 설계자유도와 재료선정의 자유도가 큰 특징을 가지고 있다. 또한 캠과 캠의 간극을 자유로이 설계할 수 있는 것이 특징이다.
탄소강관(STKM16A)에 Fe-Cu-Cr-C 계의 소결재료제 캠을 확산접합으로 결합하여 만든 캠 샤프트도 있다, 이러한 캠 샤프트는 주조법과 단조법에서는 제작이 어렵고 폭이 얇은 캠 등에 적용될 수 있다. 금후 엔진의 다밸브화 와 소형화가 진행됨으로써 캠의 근접배치 경향은 증대할 것으로 본다. 이 결과 캠 샤프트의 저코스트화가 요구되어져 재료. 제조기술을 구사한 개발이 기대된다.

키워드

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