KR101358278B1 - 노즐링의 로스트 왁스 주조방법 - Google Patents

노즐링의 로스트 왁스 주조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 노즐링의 로스트 왁스 주조방법에 관한 것으로, 피 주조 노즐링의 구성부품인 내륜, 외륜 및 유도날개의 설계단계와, 왁스, 금형 및 주조응고 시 각각의 수축률을 고려한 금형설계 단계와, 주조 유동 및 응고해석을 통하여 최적의 주조방안을 설정하는 단계와, 구성부품 각각의 금속주형을 만들어 왁스를 주입하여 각 구성부품의 왁스 모형을 사출하는 단계와, 구성 부품의 왁스 모형을 일체형의 노즐링 왁스 모형으로 합체 조립하는 단계와, 노즐링 왁스 모형에 내화재 도포를 적어도 1회 이상 실시하여 내화재 도포 왁스 모형을 얻는 단계와, 내화재 도포 왁스 모형을 가열하여 왁스를 용출시켜 중공의 탈 왁스 내화재 모형을 얻는 단계와, 탈 왁스 내화재 모형을 고온 소성하여 세라믹 셀 주형을 얻는 단계와, 세라믹 셀 주형을 예열한 다음 용탕을 주입 응고시켜 노즐링 소재을 얻는 단계와, 노즐링 소재를 탕구계 절단 및 마무리 가공하는 이형 및 마무리 작업 단계를 포함한다.
이에 따라, 본 발명은, 왁스, 금형 및 소재의 수축률, 변형률을 고려한 금형 설계, 주조 유동 및 응고해석, 최적의 주조방안 설정, 적절한 왁스 선정, 구성 요소별로 제작된 왁스 모형의 합체, 다층 세라믹 셀 주형 제작 등으로 대형 선박 추진 엔진 용 같은 대형 터보차저의 노즐링을 허용공차 이내로 사양을 만족시킬 수 있다. 또한, 모든 구성요소가 동일한 금속으로 주조되기 때문에 열변형문제가 발생하지 않으며, 부품 조립, 용접 및 교정 공정이 생략되어 생산성이 향상되는 효과가 있어 결국 생산단가를 줄여 제조원가를 절감한다.

Description

노즐링의 로스트 왁스 주조방법{LOST WAX CASTING METHOD OF THE NOZZLE RING}
본 발명은 노즐링의 로스트 왁스(Lost Wax) 정밀주조공법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선박용 대형 디젤엔진의 터보차저(Turbocharger)용 노즐링을 구성하는 4가지 부품을 일체화하여 로스트 왁스 공법에 의해 일체형으로 정밀주조하는 로스트 왁스 주조 방법에 관한 것이다.
터보차저는 축류 터빈과 압축기가 동축(同軸)에 구성된 과급기이며, 엔진(내연기관)의 배기가스가 노즐링을 통해서 축류 터빈에 공급되어 터빈을 회전운동시키고, 동축에 구성된 압축기를 회전시켜 연소실로 유입되는 공기를 압축시켜 엔진 출력을 증가시키는 목적으로 오늘날 대부분의 디젤엔진에 설치되고 있다.
비교적 저압상태로 엔진 연소실에서 배출되는 배기가스는 터보차저의 가스 입구(Gas Inlet) 케이싱을 지나고 노즐링을 지나 유속이 증속된 상태에서 터빈 블레이드와 충돌하여 회전축을 구동하게 된다. 또한, 노즐링은 고온의 배기 가스에 항상 노출되기 때문에 재질은 내열 및 내식성이 강한 스테인레스 계열의 합금강으로 제작된다.
이러한 터보차저는 압축기 측(Compressor Side)과 터빈 측(Turbine Side) 구조로 크게 구분할 수 있으며, 터빈 측은 터빈 날개(Turbine Blade)와 노즐링(Nozzle Ring), 그리고 압축기 측은 콤프레셔 휠(Compressor Wheel)과 디퓨저(Diffuser)로 세분된다. 또한, 노즐링은 내륜(Inner Ring), 외륜(Outer Ring), 유도날개(Vane) 및 플랜지(Flange)로 이루어진다.
도 1은 종래 용접 방법으로 제조되는 노즐링 구성부품의 측 단면도 및 평면도를 나타낸 것이고, 도 2는 종래 용접 방법으로 제조되는 노즐링의 평면 사진(a) 및 용접부위 측면 확대사진(b)(c)이다.
도 1에 도시된 바와 같이. 종래의 노즐링은 외륜(OR), 유도날개(VN), 내륜(IR) 및 플랜지(FL)를 각기 제작하여 용접 조립하여 합체하고 있다. 도 2(a)는 이와 같이 용접 조립된 노즐링의 사진을 보이고 있으며, 도 2(b)(c)는 도 2(a)의 적색 4각으로 둘러싼 '확대 A'부분의 용접부(W)의 확대사진이다.
사진에 보이고 있는 바와 같이, 유도날개(VN)는 별도의 공정에서 낱개로 각각 제작되어 아우터 링(OR)과 이너 링(IR) 사이에 등간격 방사상으로 용접 조립된 상태를 보이고 있다. 사진에 보이고 있는 노즐은 직경이 950mm, 무게가 150kg에 달하며, 유도날개(VN)는 스테인레스계 재질의 정밀주조로 만들어 지고, 내륜(IR) 및 외륜(OR), 그리고 플랜지(FL)는 SS400계의 일반 구조용강으로, 이들 구성품은 각각 제작되어 서로 조립 후 용접으로 일체화시킨다. 용접으로 일체화된 노즐링은 응력제거 열처리, 교정, 마무리 기계 가공 등의 과정을 더 최종 완성된다.
그러나 이와 같이, 노즐링의 구성부품(IR, OR, VN, FL)을 각각 제작해서 조립 및 용접하는 방식은, 우선, 용접시 이종 재질의 열팽창계수의 상이로 인한 변형과 용접시 용접열에 의한 열변형 등의 문제가 발생하고 있으며, 또한, 조립, 용접 작업등 제작공수가 많이 투입되어 생산성이 저하되어 결국 제작 원가상승을 초래하고 있다.
따라서, 이들 문제점을 개선시키기 위하여 각 구성 부품을 로스트 왁스 정밀주조공법으로 일체화 시켜 동일 재질로 일체형 노즐링을 제작한다.
로스트 왁스 주조공법이란, 피주조 형상의 모형을 왁스(밀랍) 또는 파라핀 등으로 성형한 다음 주형재에 매몰하여 다진 다음 가열하여 주형을 경화시킴과 동시에 모형을 용출(熔出)시켜 주형을 완성시키는 주형제작법이다. 일명 인베스트먼트 주조(Investment Molding)법이라고도 하며 주물의 치수정도와 표면정도가 다른 주물공법에 비해 우수하다.
그러나, 종래 로스트 왁스 주조법은 형상이 복잡하여 기계가공이 어려운 소형 주물(1~35kg)에 주조에 적용되어 왔으나, 단위 중량이 80kg 이상인 제품, 특히, 대형 선박 디젤엔진에 사용되는 80~150kg급의 대형 노즐링 제품에 대해서는 거의 적용을 하지 못하고 있었다. 이것은 완성될 노즐링과 동일한 크기의 형상 전체 코어를 왁스로 제조하기 때문에 왁스를 주입하여 응고시키는 과정에서 왁스의 변형, 휨 및 면수축 등의 문제로 로스트 왁스 주조방법으로는 요구되는 치수정밀도가 나오지 않는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 선박 추진용 대형 디젤엔진에 적용되는 터보차저의 노즐링을 일체로 제조하는 로스트 왁스 주조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 일체로 제조하는 노즐링의 로스트 왁스 주조방법에 있어서, 피주조 노즐링의 구성부품인 내륜, 외륜 및 유도날개의 소재 특성에 따른 가공여유 및 수축률을 감안한 주조 도면작성과 금형 설계 및 제작하는 단계와, 피 주조 노즐링의 주조도면을 기준으로 3D 모델링을 작성한 후, 주조유동 및 응고해석을 하는 단계와, 주조 유동, 응고해석 결과를 토대로 최적의 주조방안을 설정하는 단계와, 각각의 금속 주형을 만들어 왁스를 사출하여 각 구성부품의 왁스 모형을 제작하는 단계와, 구성부품의 왁스 모형을 일체형의 노즐링 왁스 모형으로 접착 조립하는 단계와, 노즐링 왁스 모형에 내화재료 도포를 적어도 1회 이상 실시하여 다층 내화재 도포 왁스 모형을 얻는 단계와, 내화재 도포 왁스 모형을 가열하여 왁스를 용출시켜 중공의 탈 왁스 내화재 모형을 얻는 단계와, 탈 왁스 내화재 모형을 고온 소성하여 세라믹 주형을 얻는 단계와, 세라믹 주형을 예열한 다음 용탕을 주입 응고시켜 노즐링 소재를 얻는 단계와, 노즐링 소재를 꺼내어 탕구계 절단 및 마무리 가공하는 이형 및 마무리작업을 하는 단계를 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은, 금형, 왁스 및 제품의 수축율, 변형율을 고려한 최종 제품의 설계 및 응고해석을 통한 최적의 주조방안 설정, 적절한 왁스선정, 부품 구성요소별로 제작된 왁스 모형의 합체, 합체된 왁스 패턴에 탕구계 적용, 다층 세라믹 셀 주형을제작하는 로스트 왁스 주조법으로 선박 엔진용 같은 대형 노즐링을 허용공차를 만족시키면서 일체로 제조할 수 있다.
이에 따라, 모든 구성요소가 동일한 금속으로 주조되기 때문에 종래의 용접 공법과 같이 서로 다른 재질을 용접시 발생하는 열변형과 용접열로 인한 열 변형문제가 근본적으로 발생하지 않으며, 또한, 작업공수 절감, 우수한 품질 및 생산성이 향상되어 원가절감 효과가 있다.
도 1은 종래 용접 방법으로 제조되는 노즐링 구성부품의 측 단면도 및 평면도.
도 2는 종래 용접 방법으로 제조되는 노즐링의 평면 사진(a) 및 용접부위 측면 확대사진(b)(c).
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 적용된 노즐링의 측 단면도(a) 및 평면도(b).
도 4는 도 3에 따라 제조된 노즐링 실물 사진
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 노즐링의 로스트 왁스 주조방법의 개략적인 공정 흐름도.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시 예를 상세하게 설명한다.
도 5를 참조하여 본 실시 예에 의한 노즐링의 로스트 왁스 주조방법의 각 제조공정을 단계별로 구체적으로 설명한다.
금형 설계 및 응고해석 단계(S10)
우선, 제조하려고 하는 노즐링의 치수와 재질 등이 확정되면, 이를 바탕으로 각 구성부품을 설계한다. 각 구성부품의 설계가 완료되면, 전체 구성부품이 일체로 조립된 노즐링 상태에서 응고해석을 실시하고 사출금형을 제작한다. 사출금형은 왁스 사출 후 왁스 응고시에 수축되는 수축율과 왁스를 기본으로 제작된 주형의 열팽창률 및 주형 내부에 용융금속을 주입 후 용융금속 응고시에 발생하는 부피 수축율을 고려하여 최종 노즐링의 외관치수를 일치시킨다.
로스트 왁스의 통상적인 주조방법은 용융금속을 주형의 캐비티(공동)에 주입하여 주형을 냉각시켜 주조품을 제조하는 공정이다. 하지만, 로스트 왁스 주조에 있어서도 용융금속을 주입하는 탕구위치, 캐비티의 형태, 위치 등에 따라 응고금속의 상태들이 다르고, 응고 수축으로 인한 수축공의 발생이 문제가 된다. 종래에는 이러한 결함을 없애기 위하여 시행착오를 반복하여 냉각 조건, 탕구 위치 등의 최적 조건들을 알아낸다.
이러한 방법은 비용과 시간이 낭비되므로 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 용융금속의 유동 및 과냉 응고, 편석상황들이 미리 예측되고, 이 결과에 근거하여, 적정한 주조조건들을 찾는 것이 효율적이다.
부품별 왁스모형 제작단계(S20)
일반적으로 소형 제품을 로스트 왁스 주조방법으로 주조하기 위해서는 제조하고자 하는 제품과 동일한 형상을 갖는 왁스모형을 일체로 제작한다. 그러나, 본 발명의 대형 노즐링은 왁스의 변형, 휨 및 면수축 등의 문제로 일체로 왁스모형을 제작할 수 없다. 따라서, 금형 설계 및 응고해석 단계(S10)의 해석결과에 근거하여 구성품별로 왁스모형을 제작한다.
왁스모형의 제작은 일반적으로 사출금형에 반 응고 상태의 왁스를 사출하여 이루어진다. 이때, 사용되는 왁스는 면 수축율이 적고, 응고온도 범위가 좁은, 그리고 성형시 인성이 있고, 성형 후에는 충분한 강도가 유지되고, 시간이 경과 후에도 변형과 휨이 작은 강화제가 첨가된 필러 왁스(Filler Wax)를 선택하는 것이 중요하다. 예를 들면, 본 실시 예에서는 변형(수축율), 휨 등에서 우수한 물성을 가진 CeritaTM F20-6 왁스가 선택되어 사용되었다.
또한, 왁스모형의 면수축과 휨, 변형을 최소화하기 위해서는 사출온도, 사출압력, 사출속도, 사출시간이 중요한 공정변수를 최적화시킨다. 그리고 코어 왁스(Core Wax)를 적용하여 단위 체적을 최소화시킨다. 또한, 단위 왁스중량을 최소화시키기 위하여 노즐링의 구성 부품별로 왁스모형을 제작한다.
왁스모형 합체단계(S30)
구성품별 왁스모형 제작단계(S20)에서 사출 제작된 각각의 왁스모형은 사출시에 발생한 버(Burr)를 제거하고, 인두를 이용하여 최종 노즐링 제품형상으로 조립 합체시킨다. 이때, 탕구를 주조방안에 따라 왁스 트리(Wax Tree)구조로 조립한다.
내화재 도포단계(S40)
내화재 도포단계(S40)는 왁스모형 합체단계(S30)에서 일체로 합체 조립된 노즐링 왁스모형에 용융금속을 주입하는 노즐링 캐비티를 형성시키는 세라믹 셀(Ceramic Shell) 주형을 만들기 위한 사전 단계이다.
먼저, 세라믹 셀 주형에 사용되는 내화재를 준비한다. 즉, 몇 가지 종류의 분말 세라믹을 소정의 비율로 계량하여 믹서로 고르게 혼합한다. 다음, 배합된 세라믹(알루미나, 지르코니아, 샤모트 등) 분말소재에 세라믹 셀 주형의 강도를 높이기 위하여 콜로이달 상태의 실리카와 함께, 알코올계와 수지계 등 각종 액상 점결제를 적당량 넣어 교반기 등을 사용하여 적정한 점도가 유지되는 슬러리(Slurry) 상태로 만든다.
세라믹 분말소재와 액상 점결제를 혼합하는 과정에서 슬러리에 함유된 기포를 제거하기 위하여, 슬러리가 담긴 용기를 진공 챔버에 넣어 진공상태를 유지하여 기포를 배출시키는 것이 바람직하다.
다음, 이와 같이 제조된 세라믹 슬러리를 왁스모형 합체단계(S30)에서 일체로 조립된 노즐링 왁스모형을 슬러리에 침적시키고 여러단계에 걸쳐 세라믹 분말을 표면에 도포(Coating)시켜 충분히 건조시킨다. 이러한 세라믹 슬러리 도포작업을 8~15여 차례 반복하여 원하는 두께(10~20mm)의 내화재가 도포된 노즐링 왁스모형을 얻는다.
탈 왁싱 내화재 모형을 얻는 단계(S50)
도포작업이 완료된 후, 내화재가 도포된 노즐링 왁스모형을 압력용기나 오토클레이브(Autoclave)에 넣고 가압하여 약 150~180 ℃의 수증기로 가열하여 노즐링 왁스모형을 녹여 제거하면, 내화재 내부에는 제조하려고 하는 노즐링의 모양과 같은 캐비티(공동)가 형성된다. 이와 같이, 도포공정 이후 내화재가 도포된 왁스모형에서 왁스를 제거하는 탈 왁스 과정이 바로 로스트 왁스 주조법이다,
세라믹 셀 주형을 얻는 단계(S60)
주조를 하기 위해서는 탈 왁스 내화재 모형의 내부에 남아 있는 잔류수분 및 왁스, 불순물을 완전히 제거하고 주조에 필요한 강도와 통기성을 얻기 위하여 장시간 고온 소성시켜 내화재 모형을 세라믹 셀의 주형을 얻는다. 본 실시예의 소성온도는 1000~1200 ℃에서 실시한다.
노즐링 주조단계(S70)
소성 완료된 세라믹 셀을 소성로에서 꺼내어 스테인레스강(SCS1)을 전기로 등에서 용융시켜 용융된 용탕을 래들에 옮긴 다음, 래들을 이동시켜 세라믹 셀 주형의 탕구에 주입한다. 용탕이 주입된 세라믹 셀 주형을 상온으로 냉각시킨다.
이형 및 후처리 단계(S80)
용탕이 주입된 노즐링 주물이 냉각되면, 망치나 넉아웃머신(Knockout M/C), 워터젯, 행거 블라스트 등을 이용하여 세라믹 셀을 제거한다. 세라믹 셀이 제거된 다음, 고속으로 회전하는 커팅 휠이 달린 절단기를 사용하여 노즐링 소재로부터 탕구 및 압탕을 제거한다.
노즐링 소재검사(S90)
후처리가 완료된 노즐링은 육안검사와 비파괴 검사(FPI, Fluorescent Penetration Terst)를 실시하여 소재표면과 주조결함을 검사하고 허용범위를 벗어난 주조품은 격외처리한다.
기계가공 및 최종 마무리 작업(S100)
제작사양 도면에 의거 케이싱에 조립될 프랜지 부위의 기계가공을 최종적으로 실시한다. 기계가공이 완료된 제품은 시방서에 따른 치수검사, 통기량 검사 및 최종 FPI 검사를 실시한다.
도 3은 본 실시 예에 적용된 노즐링(NR)의 측 단면도(a) 및 평면도(b)를 나타낸 것이고, 도 4는 본 실시예에 의해 일체로 제조된 노즐링(NZ)의 평면사진(a) 및 배면사진(b)을 나타낸 것이다, 도시된 바와 같이, 노즐링(NR)은 최외각에 위치하는 외륜(10)과, 외륜(10)의 안쪽에 소정 간격으로 이격되어 위치하는 내륜(30), 외륜(10)과 내륜(30)의 이격된 사이에 등간격으로 복수 배치된 유도날개(20), 그리고 내륜(30)을 지지하는 플랜지(40)로 구성된다.
본 실시예로 제조된 도 4에 보인 노즐링(NZ)의 무게는 대략 150kg, 외경치수가 900mm이며, 이때, 측정된 치수공차 ± 1.8mm 이내로 허용치수공차를 만족하고 있다.
(종래기술)
FL: 플랜지 VN: 유도날개
IR: 내륜 OR: 외륜
W: 용접부위
(본 발명)
NR: 노즐링
10: 외룬 20: 유도날개
30: 내륜 40: 플랜지

Claims (2)

  1. 피주조 노즐링의 구성부품인 내륜, 외륜 및 유도날개를 각각 설계 하는 단계와,
    노즐링 전체 조립도면을 기초로 하여 컴퓨터 3D 모델링을 작성하고, 컴퓨터 프로그램을 이용하여 주조 유동 및 응고해석을 하는 단계와,
    노즐링의 주조 유동 및 응고해석 결과를 고려한 최적의 주조방안을 설정하는 단계와,
    상기 구성부품 각각의 금속주형에 사출기를 이용하여 반 용융 왁스를 사출하여 각 구성부품의 왁스 모형을 제작하는 단계와,
    상기 구성부품의 왁스 모형을 일체형의 노즐링 왁스 모형으로 조립하고 일체형 왁스모형의 주조방안에 따라 탕구계를 합체하는 단계와,
    상기 노즐링 왁스 모형에 내화재 도포를 적어도 1회 이상 실시하여 다층 내화재 도포 왁스 모형을 얻는 단계와,
    상기 내화재 도포된 왁스 모형을 가열하여 내부 왁스를 용출시켜 중공의 탈 왁스 내화재 모형을 얻는 단계와,
    상기 탈 왁스 내화재 모형을 고온 소성하여 세라믹 셀 주형을 얻는 단계와,
    상기 세라믹 셀 주형을 예열한 다음 스테인레스 계열(SCS1)강을 용해한 후, 그 용탕을 주입 응고시켜 노즐링 소재를 얻는 단계와,
    상기 노즐링 소재의 탕구계 절단 및 마무리 가공하는 이형 및 마무리작업단계를 포함하는 노즐링의 로스트 왁스 주조방법.
  2. 최외각에 위치하는 외륜과, 상기 외륜의 안쪽에 소정 간격으로 이격되어 위치하는 내륜과, 상기 외륜과 내륜의 이격된 사이에 등간격으로 복수 배치된 유도날개와, 상기 내륜을 지지하는 플랜지를 포함하는 노즐링에 있어서,
    상기 상기 외륜과 내륜, 유도날개, 플랜지로 구성되는 노즐링이 청구항 1의 노즐링의 로스트 왁스 주조방법으로 일체로 주조되어 제조되는 것을 특징으로 하는 노즐링.
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