엔진 블록 라이너와 알루미늄 합금의 장단점



 자동차의 연비가 중요한 요소가 되어감에 따라 주목받는, 대표적인 소재 두 가지가 있습니다. 바로 알루미늄 합금과, FRP (혹은 CFRP) 입니다


 알루미늄 합금은 가벼우면서도 부식에 강하고, 첨가 소재에 따라 강도와 경도가 증가하기 때문에, 힘을 받는 각종 샤시 부품 및 엔진 경량화에 많이 쓰이고 있습니다



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 FRP Fiber Reinforced Polymer의 약자로 플라스틱에 합성섬유를 첨가한 소재로 매우 튼튼하면서 동시에 극악의 가벼움을 갖는 신소재입니다. 알루미늄 합금과 함께 무게가 매우 중요한 항공 분야에서 사용이 확대되고 있습니다.




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이중, 오늘 살펴볼 내용은 엔진 부품에 많이 사용되는 알루미늄 합금의 이야기입니다.

 


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 알루미늄은 비중이 2.7g/cm3 으로 같은 체적의 철 (Fe, 7.8) 보다 약 1/3 정도의 무게를 가집니다. 단위 무게당 강도가 다른 금속에 비해 압도적으로 좋지만, 단위 체적당 강도가 약한 편이라 다른 소재와 섞어서 많이 사용 되지요



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 마그네슘을 섞어 석출경화를 하니 어쩌니 하는 소리를 한번쯤 들어 보셨을 겁니다. 그 유명한 두랄루민이 구리 4%, 마그네슘 0.5%를 섞어 만든 알루미늄 합금입니다. (초 두랄루민은 1.5% 씩 같은 비율로 섞여 있습니다.) 


 자전거, 골프클럽 등등, 가볍지만 강도가 요구되는 곳에 광범위 하게 사용 중 입니다. 심지어는 노트북 프레임에도 사용되고 있습니다.

 



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 단일 부품으로 가장 크고 무거운 엔진 역시 알루미늄 합금이 많이 사용됩니다. 무게가 가장 무거운 블록부터, 실린더 헤드, 심지어는 캠 커버까지 눈에 하얗게 보이는 거의 모든 부품이 알루미늄 합금으로 되어 있다고 보시면 됩니다



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 연소실의 순간 온도가 2,000도 까지 올라간다 한들, 부피 팽창으로 찰나에 지나지 않고, 엔진 쿨링에 의해 900도 이하로 관리되기 때문에 열 관리에서도 큰 문제가 없습니다. (순수 알루미늄 녹는점은 660 도씨, 산화 알루미늄은 1,920 도씨, 터보차저의 배기온도는 1,000도를 잘 넘어가지 않습니다.)

 


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 문제는 내마모성입니다. 열과 압력을 바로 받아내는 피스톤 헤드, 실린더 헤드와 달리 실린더 블록은 오로지 마찰과의 싸움을 고려해야 하는데요. 알루미늄 합금 계열이 마모에 대단히 취약합니다


 오죽하면 시쳇말로, 썩둑썩둑 잘리는 금속계의 두부라고 부르겠습니까. 아이들을 1,000rpm 이라고 해도 초당 약 16번씩 피스톤 링에게 쓸려지는데, 마모가 쉬운 알루미늄 합금은 적합하지 않은 소재이지요. (주사기를 1초에 열여섯번 뽑았다 꽂았다 한다고 생각해 보세요. 무한 피스톤질의 위엄 -_-)


 

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그래서 공돌이들을 또 갈기 시작합니다. 가볍지만 무르지 않은 블록을 만들어 내라!

 

 어짜피 이때까지 주철을 썼으니까 주철이랑 섞으면 되겠네? 뭉텡이는 알루미늄으로, 마모가 심한 블록 내부는 주철(Cast iron)로 만들어 붙여버리자!

 



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아시겠지만 이종소재의 결합은 매우 까다롭습니다. 공밀레공밀레,

 

언젠가 어디서 캡처한 내용인데, 출처가 불분명합니다. 아래 내용을 한번 읽어보세요.

 


 2001년에 Suzuki자동차는 플라스마 용사법에 의하여 라이너부를 철기 복합 재료화한 실린더 블록을 채용한 바 있다


 제조는 전처리로서 세정, 블래스트(blast) 조면화 공정 후, 아공정 Al-Si 합금분말과 철 분말을 플라스마 토치로 공급하고 블록을 회전시키면서 용사 처리한다


 용사피막은 20% Al합금과 80% 철이 적층 된 복합피막이다. 피막경도는 270~550HV, 밀착강도는 30~45㎫이며 내마모성과 내충격성이 양호하다

 



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 간단히 이야기 하면 고무찰흙과 돌을 용접하여 한 몸이 되게 만들었다는 소리입니다. 뜨거운 온도에도 떨어지지 않고 초당 16번씩 흔들어도 절대 떨어지지 않게 잘 붙인거지요


 덕분에 무게도 가벼우면서 내마모성이 뛰어난 엔진을 만들 수 있게 되었습니다. 비중량이 1/3 이니 단순 계산으로 엔진을 200kg로 잡으면 자그마치 130kg의 무게를 줄일 수 있게 된 겁니다. (예를 위한 극단적 계산입니다만...^^;;)

 



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 다만 가격이 비싸서 알루미늄 합금이 주철의 약 세 배 가까이 됩니다. 게다가 주조성이 좋다 한들, 정밀도를 위해 저압 주조, 표면처리 외에 별도 가동도 필요합니다. 수축 팽창을 1mm 이하로 관리해야 하므로 제조가 까다롭습니다.



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 무게가 줄어드는 만큼 가격이 올라갈 수 밖에 없는데요. 무게를 줄여 성능과 연비를 좋게 하느냐, 조금 포기하더라도 가격을 좋게 하느냐...


 공학적인 판단, 시장의 상황, 회사의 정책에 좌우되다 보니, 차종별, 브랜드별로 알루미늄 소재의 사용 빈도가 달라지는 가장 큰 이유가 아닐까 합니다.

 

오늘의 결론.

 

알루미늄은 매우 가볍다, 강도와 내열성을 모두 갖췄다


내마모성이 낮으나 다양한 합금을 개발해 문제없이 사용 가능하다.


다만 가격이 비싸 자동차 부품에의 확대 적용이 쉽지만은 많다.



* 현재는 주철의 고압주조시 미리 가공된 알루미늄 부품을 투입하는 손쉬운 공정으로, 이종 소재간 접합이 가능하다고 합니다. BHK님 업데이트 감사드려요!


위저드아이언

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Posted by 위저드아이언 wizard_IRON