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차와 자동차 회사/자동차 기술

경량화의 핵심으로 우뚝 선 알루미늄 합금을 알아보다


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



엔진 블록 라이너와 알루미늄 합금의 장단점1www.fabricatingandmetalworking.com



 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.




엔진 블록 라이너와 알루미늄 합금의 장단점2www.aspireaviation.com




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

 


엔진 블록 라이너와 알루미늄 합금의 장단점3www.snipview.com



 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



엔진 블록 라이너와 알루미늄 합금의 장단점4en.wikipedia.org



 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.

 



엔진 블록 라이너와 알루미늄 합금의 장단점5www.dpreview.com



 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



엔진 블록 라이너와 알루미늄 합금의 장단점6mooregoodink.com


 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.)

 


엔진 블록 라이너와 알루미늄 합금의 장단점7www.rrpowersystems.com




 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 -_-)


 

엔진 블록 라이너와 알루미늄 합금의 장단점8www.keyshot.com


엔진 블록 라이너와 알루미늄 합금의 장단점9video_demos.colostate.edu




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!

 



엔진 블록 라이너와 알루미늄 합금의 장단점10sentes-bir.com




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

 



엔진 블록 라이너와 알루미늄 합금의 장단점11trinitymechanical.ae




 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...^^;;)

 



엔진 블록 라이너와 알루미늄 합금의 장단점12www.highpowermedia.com




 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.



엔진 블록 라이너와 알루미늄 합금의 장단점13www.queenslandbauxite.com.au


엔진 블록 라이너와 알루미늄 합금의 장단점14www.bauxitebeneficiationplant.com.


엔진 블록 라이너와 알루미늄 합금의 장단점15



 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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  • bmw850ci 2015.07.29 02:49

    학생으로 돌아가서 기계공작법을 듣고 싶어지네요

  • 이건뭐라 2015.07.29 15:52

    오호라? ㅋㅋ 오랜만에 들어보는 두랄루민이로군요 (신소재공학과 출신이라ㅋ)
    18-8 스테인리스 다음으로 외우는게 쩜오-4 두랄루민이라죠? ㅋㅋ

  • 타쿰 2015.07.30 23:14 신고

    진짜좋은글 감사드립니다

  • BHK 2016.10.17 18:32

    현재 알루미늄합금 다이캐스팅 업체에 근무중인 사람입니다(정확히는 그 계열사).
    주고객사는 자동차업체이고 만드는 부품은 자동차용 실린더 헤드, 실린더 블럭, 로워 케이스 등입니다.
    입사한지 얼마 되지 않아 업무에 참고하기 위해 올려주신 글 잘 읽었습니다.
    현재 알루미늄 실린더 블록의 경우 라이너(주철)를 고압주조시에 미리 넣고 알루미늄을 밀어넣으면 알루미늄이 주철과 붙어 나오는 식으로 제작되더군요.
    대신 라이너의 겉표면은 알루미늄과의 접합성을 높이기 위함인지 별도의 처리가 되어 울퉁불퉁하였습니다.
    안쪽이야 익히 아시는 것처럼 매끈하게 뽑혀져 있으나 알루미늄이 고압주조 과정에서 주철의 겉을 침입하는 일이 많이 있습니다. 이는 가공단계(대부분 자동화 설비)에서 처리하여 저희가 알고 있는 제품으로 완성되더군요.
    로워캐이스(베드 플레이트, 래더 프레임 등) 역시도 베어링캡(주철)에 고압주조로 알루미늄을 입히고 가공단계로 보내버리면 둘이 알아서 잘달라부터 있더군요.
    필요한 정보였고 재밌게 읽었으나 나름 아쉬운 부분이라 생각하여 코멘트 남깁니다.
    감사합니다.

    • wizard_IRON 2016.10.18 12:16 신고

      BHK님 조언 감사드려요! 두 소재의 결합이 생각보다 어렵지 않은 모양이네요. 실무에서 보신 내용이니, 포스팅에 바로 업데이트 하겠습니다~ 공정이 조금 궁금한데, 한번 찾아봐야 겠어요. 감사합니다 ^^

  • 가자가자 2017.04.26 10:33

    자동차에 적용되는
    "복합재료"(composite materials)에 대한 멋진 블로그 글도 부탁 드립니다
    항공재료로 쓰이던 복합재료를 점점 자동차에도 적용하는 추세인 것 같던데! 맞나요??
    멋진글 부탁드립니다

    • wizard_IRON 2017.04.26 12:15 신고

      방문 감사드려요!

      말씀하신 내용은 이미 포스팅으로 발행되었는데, 메인 페이지에서 '탄소섬유'로 검색하시면 찾으실 수 있습니다. ^^

      자동차 경량화의 또 다른 첨병, 사용이 확대되고 있는 탄소섬유 강화 플라스틱 (CFRP)
      http://wizardiron.tistory.com/529