KR101614001B1 - 배기관 구면 조인트 - Google Patents

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KR101614001B1
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요시후미 아사노
료타 고이부치
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오일레스고교 가부시키가이샤
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Abstract

배기관 구면 조인트(X)에 있어서, 관 단부(42)에는 구형 띠형상 시일체(36)가 끼워맞춤 고정되어 있고, 구형 띠형상 시일체(36)가 플랜지(43)에 접촉되어 착좌되어 있으며, 하류측 배기관(44)에는 Cr을 17.00~19.00질량% 함유하는 Fe-Cr계 스테인레스강으로 형성된 직경 확대부(47)가 고착되어 있고, 오목구면부(45)의 내면(48)이 구형 띠형상 시일체(36)의 외층(35)의 외표면(37)에서의 보강재(5)로 이루어지는 면(38)과 고체 윤활제로 이루어지는 면(39)이 혼재한 혼성면(40)에 슬라이딩 접촉되어 있다.

Description

배기관 구면 조인트{Exhaust pipe spherical joint}
본 발명은 자동차 배기관에 사용되는 배기관 구면 조인트에 관한 것이다.
자동차용 엔진의 배기가스는, 자동차 엔진의 배기 통로의 일례를 나타내는 도 17에 있어서, 엔진의 각 기통(미도시)에서 발생한 배기가스는 배기 매니폴드 촉매 컨버터(600)에 모아져 배기관(601) 및 배기관(602)을 통해 서브 머플러(603)로 보내지고, 이 서브 머플러(603)를 통과한 배기가스는 배기관(604) 및 배기관(605)을 통해 머플러(소음기)(606)로 보내지고, 이 머플러(606)를 통해 대기 중에 방출된다.
이들 배기관(601 및 602와 604 및 605)이나 서브 머플러(603) 및 머플러(606) 등의 배기계 부재에 있어서는 엔진의 롤 거동 및 진동 등에 의해 반복 응력을 받는다. 특히 고속 회전으로 고출력 엔진의 경우, 배기계 부재에 가해지는 응력은 매우 큰 것이 된다. 따라서, 배기계 부재는 피로 파괴를 초래할 우려가 있고, 또한 엔진 진동이 배기계 부재를 공진시켜 실내 정숙성을 악화시키는 경우도 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 배기 매니폴드 촉매 컨버터(600)와 배기관(601)의 연결부(607) 및 배기관(604)과 배기관(605)의 연결부(608)를 배기관 구면 조인트 또는 주름관식 배기관 조인트 등의 진동 흡수 기구에 의해 가동 연결함으로써, 자동차 엔진의 롤 거동 및 진동 등에 의해 배기계 부재에 받는 반복 응력이 흡수되어 그 배기계 부재의 피로 파괴 등이 방지됨과 동시에 엔진의 진동이 배기계 부재를 공진시켜 차실 내의 정숙성을 악화시키는 문제도 해결된다는 이점을 가진다.
특허문헌 1: 일본공개특허 소54-76759호 공보 특허문헌 2: 일본공개특허 소58-34230호 공보 특허문헌 3: 일본공개특허 평6-123362호 공보
상기한 진동 흡수 기구의 일례로서 특허문헌 1에 기재된 배기관 조인트 및 그 조인트에 사용되는 시일체를 들 수 있다. 특허문헌 1에 기재된 구면관 조인트는 주름관식 조인트와 비교하여 제조비용 저감을 도모할 수 있고 게다가 내구성이 뛰어난 이점을 가지지만, 이 구면관 조인트에 조립되는 시일체는 팽창 흑연으로 이루어지는 내열재와 금속망으로 이루어지는 보강재를 압축하여 보강재의 금속망 그물눈에 내열재를 충전하고, 그 내열재와 보강재를 혼재 일체화하여 이루어지기 때문에, 내열재에 대해 보강재가 차지하는 비율, 내열재 및 보강재의 압축 정도 등에 의해 시일체 자체를 통한 배기가스의 누출 문제와 더불어 상대재 표면과 슬라이딩 가능하게 접촉하는 부분 볼록구면(球面) 형상 면에서의 내열재 존재에 의한 마찰 이상음의 발생 문제를 가지고 있고, 예를 들어 내열재에 대해 보강재가 차지하는 비율이 크고 내열재에 대한 가압 정도가 낮으면, 보강재 주위에 생기는 미소 통로(간극)에 대한 내열재에 의한 봉지 정도가 감소하여 초기 누설을 야기하는 데다가 고온 하에서의 내열재의 산화 소모 등에 의해 조기에 배기가스가 누출될 우려가 있다. 또한, 부분 볼록구면 형상 면에서의 보강재에 대한 내열재의 노출 비율이 매우 크면, 스틱 슬립 현상을 야기하여 그 스틱 슬립 현상에 기인하는 마찰 이상음의 발생 원인이 될 우려가 있다.
상기 배기 시일의 결점을 해결하는 것으로서 특허문헌 2 및 특허문헌 3에 기재된 시일체를 들 수 있다. 이들 시일체는, 금속망으로 이루어지는 보강재를 그 위에 층상(層狀)으로 배치된 내열성을 가지는 고체 윤활제와 함께 감고, 이를 압축 성형하여 얻어진 성형체의 평활한 표면에, 변형되어 서로 얽힌 금속망으로 이루어지는 보강재와, 보강재의 금속망 그물눈 및 세선(細線) 간에 충전 보유지지된 고체 윤활제를 혼재시켜 이루어지는 것이다.
이들 시일체는 특허문헌 1에 기재된 시일체와 비교하면, 상대재와 슬라이딩 접촉하는 슬라이딩면에 금속망으로 이루어지는 보강재와 고체 윤활제가 혼재하여 노출되어 있으므로, 슬라이딩시에 형성되는 상대재 표면에의 고체 윤활제 피막의 피막 형성 능력이 뛰어나고, 또한 고체 윤활제 피막이 상대재 표면에 과도하게 형성된 경우에는 금속망으로 이루어지는 보강재가 긁어내는 역할을 하여 상기 특허문헌 1의 시일체에서의 흑연 피막과의 직접적인 접촉이 회피되기 때문에, 구면관 조인트에 조립되어 사용된 경우에서도 이상 마찰음의 발생을 최대한 방지할 수 있는 이점을 가진다.
그러나, 상기 이점을 가지는 시일체를 조립한 구면관 조인트에서도, 그 시일체와 상대재의 마찰 증가에 따라 상대재 표면에 형성된 고체 윤활제 피막이 마모 가루로서 마찰면에 개재, 특히 300℃를 넘는 고온 영역에서는 이 마모가루는 산화물이 되어 마찰면 사이에 개재되고, 상대재 표면의 고체 윤활제 피막이 긁어 떨어져 상대재와 시일체의 금속망으로 이루어지는 보강재의 금속끼리의 마찰로 이행할 우려가 있다.
통상적으로, 시일체를 형성하는 금속망으로 이루어지는 보강재로는 내열성을 가지는 스테인레스 강선이 사용되고, 또한 상대재도 내열성을 가지는 스테인레스강으로 형성되어 있기 때문에 상기 금속끼리의 마찰에서는 스테인레스강끼리, 소위 「동종금속」의 마찰이 되어 자주 이상 마찰음을 발생시키는 결점으로서 나타난다. 또한, 시일체와 상대재의 마찰에 있어서 시일체의 표면은 금속망으로 이루어지는 보강재가 노출된 불연속적인 면(요철면)이 되어 있고, 이 불연속적인 면과 마찰하는 상대재 표면은 지압(支壓) 강도가 높아져 상대재 표면에 움푹 패임 등의 손상을 발생시키고 상대재 표면 및 그 표면과 마찰하는 시일체의 마모를 촉진시킬 우려가 있다.
본 발명자는 상기 여러 가지 점을 감안하여 면밀히 검토를 행한 결과, 시일체 및 상대재가 특정 스테인레스강의 조합에서는 스테인레스강끼리의 마찰에서도 이상 마찰음의 발생을 억제할 수 있고, 금속망으로 이루어지는 보강재가 노출된 불연속적인 면과의 마찰에서도 상대재 표면에 움푹 패임 등의 손상을 최대한 방지할 수 있고, 결과적으로 상대재 표면 및 그 상대재 표면과 마찰되는 시일체의 마모를 최대한 방지할 수 있는 것을 알아내었다.
본 발명은 상기 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는 이상 마찰음 발생, 상대재 표면 손상 및 시일체 마모를 최대한 방지할 수 있고, 배기관에 생기는 상대각 변위를 원활하게 행하게 할 수 있는 배기관 구면 조인트를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 배기관 구면 조인트는 원통 내면, 부분 볼록구면 형상 면 및 부분 볼록구면 형상 면의 대직경측 및 소직경측의 환상 단면(端面)에 의해 규정된 구형 띠형상 베이스체와, 이 구형 띠형상 베이스체의 부분 볼록구면 형상 면에 일체적으로 형성되어 있음과 동시에 팽창 흑연을 포함하는 내열재, 고체 윤활제 및 금속망으로 이루어지는 보강재가 압축되어 보강재의 금속망 그물눈에 고체 윤활제 및 내열재가 충전되어 그 고체 윤활제 및 내열재와 보강재가 혼재 일체화되어 이루어지는 외층을 구비한 구형 띠형상 시일체가 엔진 측에 연결된 상류측 배기관의 외주면에 끼워맞춤 고정되어 있고, 보강재로 이루어지는 면과 고체 윤활제로 이루어지는 면이 혼재하여 노출된 구형 띠형상 시일체의 외층에서의 외표면은 상류측 배기관과 대치하여 배치되어 있음과 동시에 머플러 측에 연결된 하류측 배기관의 직경 확대부의 오목구면부의 내면에 슬라이딩 접촉하고 있으며, 그 상류측 배기관 및 하류측 배기관 사이에 생기는 상대각 변위는 그 외층의 외표면과 그 오목구면부의 내면의 슬라이딩 접촉으로 허용되게 되어 있는 배기관 구면 조인트에 있어서, 구형 띠형상 시일체의 외층에서 외표면에 노출된 금속망으로 이루어지는 보강재는 적어도 Cr을 16.00~18.00질량% 및 Ni를 12.00~15.00질량% 함유하는 Fe-Cr-Ni계 스테인레스 강선으로 형성되어 있고, 그 외표면과 슬라이딩 접촉하는 오목구면부는 적어도 Cr을 17.00~19.00질량% 함유하는 Fe-Cr계 스테인레스강으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 배기관 구면 조인트에 의하면, 구형 띠형상 시일체의 외층의 외표면에 노출된 금속망으로 이루어지는 보강재를 적어도 Cr을 16.00~18.00질량% 및 Ni를 12.00~15.00질량% 함유하는 Fe-Cr-Ni계 스테인레스 강선으로 형성하고, 그 구형 띠형상 시일체와 마찰 슬라이딩하는 상대재를 적어도 Cr을 17.00~19.00질량% 함유하는 Fe-Cr계 스테인레스강으로 형성함으로써, 스테인레스강끼리의 슬라이딩 마찰에서도 이상 마찰음 발생을 억제할 수 있고, 구형 띠형상 시일체의 외층의 외표면에 노출된 금속망으로 이루어지는 보강재의 불연속적인 면과 상대재의 슬라이딩 마찰에서도 상대재 표면에 움푹 패임 등의 손상을 최대한 방지할 수 있고, 배기관에 생기는 상대각 변위를 원활하게 허용할 수 있다.
이 구형 띠형상 시일체의 외층의 외표면에 노출된 금속망으로 이루어지는 보강재와 상대재에, 특정 스테인레스강의 조합을 채택함으로써 상기 효과가 얻어진 이유는, 자세하지 않지만, 외층의 보강재 및 상대재 각각을 형성하는 스테인레스강 중에 함유되는 Cr 함유량의 다소의 조합에 의해 상대재 마모, 손상 정도가 크게 변동하기 때문에, Cr 함유량이 거의 같은 영역에 있는 Fe-Cr-Ni계 스테인레스강과 Fe-Cr계 스테인레스강의 조합에 의한 것으로 추측된다.
본 발명의 배기관 구면 조인트에 있어서, 구형 띠형상 시일체의 외층의 외표면에 노출된 금속망으로 이루어지는 보강재는 C를 0.030질량% 이하, Si를 1.00질량% 이하, Mn을 2.00질량% 이하, P를 0.045질량% 이하, S를 0.030질량% 이하 및 Mo를 2.00~3.00질량% 더 함유하고 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 배기관 구면 조인트에 있어서, 하류측 배기관의 직경 확대부의 오목구면부는 C를 0.030질량% 이하, Si를 1.00질량% 이하, Mn을 1.00질량% 이하, P를 0.040질량% 이하, S를 0.030질량% 이하 및 Ti 및 Nb(Ti 및 Nb의 합계)를 0.40~0.80질량% 더 함유하고 있는 것이 바람직하고, Mo를 0.75~1.50질량% 및 N을 0.020질량% 이하 더 함유하고 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 배기관 구면 조인트에 있어서, 배기관 구면 조인트에 조립되는 구형 띠형상 시일체를 형성하는 구형 띠형상 베이스체는 금속망으로 이루어지는 보강재와, 이 보강재의 금속망 그물눈을 충전하고, 또한 이 보강재와 혼재 일체화되어 있음과 동시에 압축된 팽창 흑연을 포함하는 내열재를 구비하고 있다.
구형 띠형상 시일체에서의 구형 띠형상 베이스체 및 외층을 형성하는 내열재 각각은 인산염 1.0~16.0질량%를 더 포함하고 있어도 되고, 인산 0.05~5.0질량% 더 포함하고 있어도 된다.
팽창 흑연과 더불어 인산염 또는 인산염 및 인산을 포함한 내열재를 사용함으로써, 배기관 구면 조인트의 사용 온도를 높일 수 있다.
본 발명의 배기관 구면 조인트에 있어서, 구형 띠형상 시일체의 외층의 외표면에 노출된 고체 윤활제는 사불화 에틸렌 수지 또는 육방정 질화 붕소 23~57질량%, 알루미나 수화물 5~15질량% 및 사불화 에틸렌 수지 33~67질량%를 포함하고 있어도 된다.
구형 띠형상 시일체의 외층의 외표면에 노출된 고체 윤활제는 상대재와의 슬라이딩 마찰 저항을 저하시키고 배기관의 상대각 변위를 원활하게 허용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 이상 마찰음 발생을 억제할 수 있고, 구형 띠형상 시일체의 외층의 외표면에 노출된 금속망으로 이루어지는 보강재의 불연속적인 면과 상대재의 슬라이딩 마찰에서도 상대재 표면에 움푹 패임, 압흔 등의 손상을 최대한 방지할 수 있고, 배기관에 생기는 상대각 변위를 원활하게 허용할 수 있는 배기관 구면 조인트를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명이 바람직한 배기관 구면 조인트의 실시형태를 나타내고, 도 1에서 (a)는 단면 설명도, (b)는 우측면 설명도이다.
도 2는 도 1에 도시된 구형 띠형상 시일체의 단면 설명도이다.
도 3은 도 1에 도시된 구형 띠형상 시일체의 일부 확대 설명도이다.
도 4는 구형 띠형상 시일체의 제조 공정에서의 보강재의 형성 방법의 사시 설명도이다.
도 5는 구형 띠형상 시일체의 제조 공정에서의 내열재의 사시 설명도이다.
도 6은 보강재의 금속망 그물눈의 평면 설명도이다.
도 7은 구형 띠형상 시일체의 제조 공정에서의 중합체의 사시 설명도이다.
도 8은 구형 띠형상 시일체의 제조 공정에서의 통형 모재의 평면 설명도이다.
도 9는 도 8에 도시된 통형 모재의 종단면 설명도이다.
도 10은 구형 띠형상 시일체의 제조 공정에서의 내열재의 사시 설명도이다.
도 11은 구형 띠형상 시일체의 제조 공정에서의 피복층을 구비한 복층 시트의 단면 설명도이다.
도 12는 구형 띠형상 시일체의 제조 공정에서의 외층 형성 부재의 형성 방법의 설명도이다.
도 13은 구형 띠형상 시일체의 제조 공정에서의 외층 형성 부재의 형성 방법의 설명도이다.
도 14는 구형 띠형상 시일체의 제조 공정에서의 도 12에 도시된 형성 방법으로 얻어진 외층 형성 부재의 종단면 설명도이다.
도 15는 구형 띠형상 시일체의 제조 공정에서의 예비 원통 성형체의 평면 설명도이다.
도 16은 구형 띠형상 시일체의 제조 공정에서의 금형 중에 예비 원통 성형체를 삽입한 상태를 나타내는 단면도이다.
도 17은 엔진 배기계의 설명도이다.
다음에, 본 발명 및 그 실시형태를 도면에 도시된 바람직한 실시예에 기초하여 더욱 상세하게 설명한다. 또, 본 발명은 이들 실시예에 전혀 한정되지 않는 것이다.
배기관 구면 조인트에 조립되는 구형 띠형상 시일체에 대해, 그 구성 재료 및 구형 띠형상 시일체의 제조 방법에 대해 설명한다.
<팽창 흑연 시트 I 및 그 제조 방법>
농도 98%의 농황산을 교반하면서 산화제로서 과산화수소의 60% 수용액을 가하고, 이를 반응액으로 한다. 이 반응액을 냉각하여 10℃의 온도로 유지하고, 그 반응액에 입도 30~80메쉬의 인편상 천연 흑연 분말을 첨가하여 소정 시간 반응을 행한다. 반응 후 흡인 여과하여 산처리 흑연 분말을 분리하고, 그 산처리 흑연 분말을 물로 교반하여 흡인 여과하는 작업을 2회 반복하여 산처리 흑연 분말로부터 황산분을 충분히 제거한다. 다음에, 황산분을 충분히 제거한 산처리 흑연 분말을 건조로에서 소정 시간 건조하고, 이를 산처리 흑연 분말로 한다.
상기 산처리 흑연 분말을 960~1200℃의 온도로 1~10초간 가열(팽창) 처리하여 분해 가스를 발생시키고, 그 가스압에 의해 흑연층 사이를 확장하여 팽창시킨 팽창 흑연 입자(팽창 배율 240~300배)를 형성한다. 이 팽창 흑연 입자를 원하는 롤 간극으로 조정한 쌍롤 장치에 공급하고 롤 성형하여 원하는 두께의 팽창 흑연 시트 I를 제작한다.
<팽창 흑연 시트 II 및 그 제조 방법>
상기 산처리 흑연 분말과 마찬가지의 방법으로 얻은 산처리 흑연 분말을 교반하면서 그 산처리 흑연 분말에 인산염으로서 예를 들어 농도 50%의 제1 인산 알루미늄[Al(H2PO4)3] 수용액을 메탄올로 희석한 용액을 분무형상으로 배합하고 균일하게 교반하여 습윤성을 가지는 혼합물을 제작한다. 이 습윤성을 가지는 혼합물을 건조로에서 소정 시간 건조한다. 다음에, 건조한 혼합물을 950~1200℃의 온도로 1~10초간 가열(팽창) 처리하여 분해 가스를 발생시키고, 그 가스압에 의해 흑연층 사이를 확장하여 팽창시킨 팽창 흑연 입자(팽창 배율 240~300배)를 형성한다. 이 팽창 처리 공정에 있어서, 제1 인산 알루미늄은 구조식 중의 물이 이탈한다. 이 팽창 흑연 입자를 원하는 롤 간극으로 조정한 쌍롤 장치에 공급하여 롤 성형하여 원하는 두께의 팽창 흑연 시트 II를 제작한다.
<팽창 흑연 시트 III 및 그 제조 방법>
상기 산처리 흑연 분말과 마찬가지의 방법으로 얻은 산처리 흑연 분말을 교반하면서 그 산처리 흑연 분말에 인산염으로서 예를 들어 농도 50%의 제1 인산 알루미늄 수용액과, 인산으로서 예를 들어 농도 84%의 오르토인산(H3PO4) 수용액을 메탄올로 희석한 용액을 분무형상으로 배합하고 균일하게 교반하여 습윤성을 가지는 혼합물을 제작한다. 이 습윤성을 가지는 혼합물을 건조로에서 소정 시간 건조한다. 다음에, 건조한 혼합물을 950~1200℃의 온도로 1~10초간 가열(팽창) 처리하여 분해 가스를 발생시키고, 그 가스압에 의해 흑연층 사이를 확장하여 팽창시킨 팽창 흑연 입자(팽창 배율 240~300배)를 형성한다. 이 팽창 처리 공정에 있어서, 제1 인산 알루미늄은 구조식 중의 물이 이탈하고, 오르토인산은 탈수 반응을 일으켜 오산화인을 생성한다. 이 팽창 흑연 입자를 원하는 롤 간극으로 조정한 쌍롤 장치에 공급하여 롤 성형하여 원하는 두께의 팽창 흑연 시트 III를 제작한다.
이와 같이 하여 제작된 팽창 흑연 시트 II에는 제1 인산 알루미늄이 1.0~16.0질량% 함유되어 있는 것이 바람직하고, 팽창 흑연 시트 III에는 제1 인산 알루미늄이 1.0~16.0질량% 및 오산화인 0.05~5.0질량% 함유되어 있는 것이 바람직하다. 이 인산염 또는 인산염 및 오산화인을 함유한 팽창 흑연은, 팽창 흑연 자체의 내열성이 향상됨과 동시에 산화 억제 작용이 부여되기 때문에, 예를 들어 600℃ 내지 600℃를 넘는 고온 영역에서의 사용을 가능하게 한다. 여기서, 인산염으로서는 상기 제1 인산 알루미늄 이외에 제1 인산 리튬(LiH2PO4), 제2 인산 리튬(Li2H2PO4), 제1 인산 칼슘[Ca(H2PO4)2], 제2 인산 칼슘(CaHPO4), 제2 인산 알루미늄[Al2(HPO4)3] 등을 사용할 수 있고, 인산으로서는 상기 오르토인산 이외에 메타인산(HPO3), 폴리인산 등을 사용할 수 있다.
상기 팽창 흑연 시트 I, 팽창 흑연 시트 II 및 팽창 흑연 시트 III에 있어서, 그 밀도는 1.0~1.5Mg/㎥, 바람직하게는 1.0~1.2Mg/㎥이고, 그 두께는 0.3~0.6mm인 것이 적합하다.
<편조 금속망에 대해>
구형 띠형상 시일체에서의 구형 띠형상 베이스체용 편조 금속망은, 적합하게는 Fe계로서 오스테나이트계 혹은 페라이트계의 스테인레스 강선, Fe선(JISG3532) 혹은 Zn도금 Fe선(JISG3547) 또는 Cu계로서 Cu-Ni합금(백동)선, Cu-Ni-Zn합금(양백)선, 황동선, 베릴륨 동선으로 이루어지는 금속 세선을 1개 또는 2개 이상을 사용하여 짜서 형성된다.
또한, 구형 띠형상 시일체에서의 외층용 편조 금속망은 C를 0.030질량% 이하, Si를 1.00질량% 이하, Mn을 2.00질량% 이하, P를 0.045질량% 이하, S를 0.030질량% 이하, Cr을 16.00~18.00질량%, Ni를 12.00~15.00질량%, Mo를 2.00~3.00질량% 함유하는 Fe-Cr-Ni계 스테인레스 강선을 1개 또는 2개 이상을 사용하여 짜서 형성된다.
구형 띠형상 베이스체용 및 외층용 편조 금속망 각각에는 선직경이 0.28~0.32mm인 금속 세선 및 스테인레스 강선 각각이 적합하게 사용되고, 그 선직경의 금속 세선 및 스테인레스 강선 각각으로 형성된 편조 금속망 그물눈의 도 6에 나타내는 눈 폭은 적합하게는 세로 3~6mm, 가로 2~5mm 정도이다.
<고체 윤활제에 대해>
고체 윤활제는 바람직하게는 사불화 에틸렌 수지(이하, 「PTFE」라고 함) 또는 육방정 질화 붕소(이하, 「h-BN」이라고 함) 23~57질량%, 알루미나 수화물 5~15질량% 및 PTFE 33~67질량%를 포함하고 있다.
상기 후자의 고체 윤활제는 제조 공정에서는 분산매로서의 산을 함유하는 물에 알루미나 수화물 입자를 분산 함유한 수소 이온 농도(pH)가 2~3을 나타내는 알루미나 졸에 h-BN 및 PTFE를 분산 함유한 수성 디스퍼젼으로서, h-BN 23~57질량%와 PTFE 33~67질량% 및 알루미나 수화물 5~15질량%를 포함하는 윤활 조성물을 고형분으로 하여 30~50질량% 분산 함유한 수성 디스퍼젼 형태의 것을 사용한다. 수성 디스퍼젼을 형성하는 h-BN 분말 및 PTFE 분말은 가급적으로 미분말인 것이 바람직하고, 이들에는 평균 입경 10㎛ 이하, 더 바람직하게는 0.5㎛ 이하의 미분말이 사용되기 적합하다.
수성 디스퍼젼에서의 알루미나 졸의 분산매로서의 물에 함유되는 산은 알루미나 졸을 안정화시키기 위한 해교제로서 작용하는 것이다. 그리고, 산으로서는 염산, 질산, 황산, 아미드 황산 등의 무기산을 들 수 있는데, 특히 질산이 바람직하다.
수성 디스퍼젼에서의 알루미나 졸을 형성하는 알루미나 수화물은 조성식 Al2O3·nH2O(조성식 중, 0<n<3)로 나타나는 화합물이다. 이 화합물에 있어서, n은 통상적으로, 0(영) 초과 3 미만의 수, 바람직하게는 0.5~2, 더 바람직하게는 0.7~1.5 정도이다. 알루미나 수화물로서는 예를 들어 베마이트(Al2O3·nH2O)나 다이어스포어(Al2O3·H2O) 등의 알루미나 수화물(수산화 산화 알루미늄), 깁사이트(Al2O3·3H2O)나 바이어라이트(Al2O3·3H2O) 등의 알루미나 삼수화물, 의사 베마이트 등을 들 수 있다.
다음에, 상기한 구성 재료로 이루어지는 구형 띠형상 시일체의 제조 방법에 대해 도면에 기초하여 설명한다.
(제1 공정) 도 4에 도시된 바와 같이, 선직경 0.28~0.32mm의 상기 오스테나이트계 혹은 페라이트계의 스테인레스 강선, Fe선 혹은 Zn도금 Fe선 또는 Cu-Ni합금선, Cu-Ni-Zn합금선, 황동선, 베릴륨 동선으로 이루어지는 금속 세선을 원통형으로 짜서 형성한 그물눈의 눈 폭이 세로 3~6mm, 가로 2~5mm 정도(도 6 참조)인 원통형 편조 금속망(1)을 롤러(2 및 3) 사이에 통과하여 가압하여 소정 폭(D)의 띠형상 금속망(4)을 제작하고, 띠형상 금속망(4)을 소정의 길이로 절단한 구형 띠형상 베이스체용 보강재(5)를 준비한다.
(제2 공정) 도 5에 도시된 바와 같이, 보강재(5)의 폭(D)에 대해 1.10×D로부터 2.1×D의 폭(d)을 가짐과 동시에 보강재(5)의 길이(L)에 대해 1.30×L로부터 2.7×L의 길이(l)를 가지며, 밀도가 1.0~1.5Mg/㎥, 바람직하게는 1.0~1.2Mg/㎥이고 두께가 0.30~0.60mm인 팽창 흑연 시트(팽창 흑연 시트 I, 팽창 흑연 시트 II 및 팽창 흑연 시트 III 중 하나로 이루어짐)로 이루어지는 구형 띠형상 베이스체용 내열재(6)를 준비한다.
(제3 공정) 후술하는 구형 띠형상 시일체(36)(도 1 및 도 2 참조)에 있어서, 부분 볼록구면 형상 면(31)의 대직경측 환상 단면(32) 및 소직경측 환상 단면(33)에 전체적으로 내열재(6)의 팽창 흑연이 노출되도록 하기 위해, 도 7에 도시된 바와 같이 부분 볼록구면 형상 면(31)의 대직경측 환상 단면(32)이 되는 보강재(5)의 폭방향의 한쪽 끝가장자리(7)로부터 0.1×D에서 0.3×D만큼 내열재(6)가 폭방향으로 밀려나옴과 동시에 끝가장자리(7)로부터 내열재(6)가 폭방향으로 밀려나오는 양(δ1)이 부분 볼록구면 형상 면(31)의 소직경측 환상 단면(33)이 되는 보강재(5)의 폭방향의 다른 쪽 끝가장자리(8)로부터 밀려나오는 양(δ2)보다 많아지도록 하고, 또한 보강재(5)의 길이방향의 한쪽 끝가장자리(9)로부터 1.3×L에서 2.7×L만큼 내열재(6)가 길이방향으로 밀려나옴과 동시에 보강재(5)의 길이방향의 다른 쪽 끝가장자리(10)와 그 끝가장자리(10)에 대응하는 내열재(6)의 길이방향의 끝가장자리(11)를 합치시켜 내열재(6)와 보강재(5)를 서로 겹쳐맞춘 중합체(12)를 얻는다.
(제4 공정) 중합체(12)를 도 8에 도시된 바와 같이 원통형 코어(미도시) 둘레에 내열재(6)를 내측으로 하여 소용돌이 형상이며 내열재(6)가 1회 많아지도록 감아서, 내주측 및 외주측 둘 다에 내열재(6)가 노출된 통형 모재(13)를 형성한다. 내열재(6)로서는 통형 모재(13)에서의 내열재(6)의 감김 횟수가 보강재(5)의 감김 횟수보다 많아지도록, 보강재(5)의 길이(L)에 대해 1.3×L에서 2.7×L의 길이(l)를 가진 것이 미리 준비된다. 통형 모재(13)에 있어서, 도 9에 도시된 바와 같이 내열재(6)는 폭방향의 한쪽 끝가장자리 측에서 보강재(5)의 한쪽 끝가장자리(7)로부터 폭방향으로 δ1만큼 밀려나와 있고, 또한 내열재(6)의 폭방향의 다른 쪽 끝가장자리 측에서 보강재(5)의 다른 쪽 끝가장자리(8)로부터 폭방향으로 δ2만큼 밀려나와 있다.
(제5 공정) 구형 띠형상 베이스체용 내열재(6)와 마찬가지지만, 보강재(5)의 폭(D)보다 작은 폭(d)을 가짐과 동시에 통형 모재(13)를 1회 감을 수 있는 정도의 길이(l)를 가진 도 10에 도시된 바와 같은 외층용 내열재(6)를 별도 마련한다.
(제6 공정) 해교제로서 작용하는 질산을 함유한 분산매로서의 물에 알루미나 수화물 입자를 분산 함유한 수소 이온 농도(pH)가 2~3을 나타내는 알루미나 졸에 h-BN 및 PTFE를 분산 함유한 수성 디스퍼젼으로서, h-BN 23~57질량%와 PTFE 33~67질량% 및 알루미나 수화물 5~15질량%를 포함하는 윤활 조성물을 고형분으로 하여 30~50질량% 분산 함유한 수성 디스퍼젼을 준비한다.
내열재(6)의 한쪽 표면에 h-BN 23~57질량%와 PTFE 33~67질량% 및 알루미나 수화물 5~15질량%를 포함하는 윤활 조성물을 고형분으로 하여 30~50질량% 분산 함유한 수성 디스퍼젼을 솔칠, 롤러칠 또는 스프레이 등의 수단으로 적용하고, 이를 건조시켜 윤활 조성물로 이루어지는 고체 윤활제의 피복층(14)을 형성한 복층 시트(15)(도 11 참조)를 제작한다.
(제7 공정) 도 12 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 선직경이 0.28~0.32mm으로서 적어도 Cr을 16.00~18.00질량% 및 Ni를 12.00~15.00질량% 함유하는 Fe-Cr-Ni계 스테인레스 강선을 편물기(미도시)로 연속적으로 짜서 얻어지는 원통형 편조 금속망으로 이루어지는 외층용 보강재(5)의 내부에, 고체 윤활제의 피복층(14)을 구비한 복층 시트(15)를 연속적으로 삽입(도 12 참조)하고, 복층 시트(15)를 삽입한 보강재(5)를 그 삽입 개시단 측으로부터 평활한 원통형 외주면을 가지는 한 쌍의 원통 롤러(16 및 17) 사이의 간극(Δ1)(0.4~0.6mm 정도)으로 공급하여 복층 시트(15)의 두께방향으로 가압(도 13 참조)하여 일체화시키고, 외층용 보강재(5)의 금속망 그물눈에 복층 시트(15)의 내열재(6)와 복층 시트(15)의 고체 윤활제의 피복층(14)을 충전하여, 표면에 외층용 보강재(5)로 이루어지는 면(18)과 고체 윤활제로 이루어지는 면(19)이 혼재하여 노출된 편평형 외층 형성 부재(20)를 제작한다(도 14 참조).
(제8 공정) 이와 같이 하여 얻은 외층 형성 부재(20)를, 피복층(14)을 외측으로 하여 통형 모재(13)의 외주면에 감아 도 15에 도시된 바와 같은 예비 원통 성형체(21)를 제작한다.
(제9 공정) 내면에 원통 벽면(22)과, 원통 벽면(22)에 연속되는 부분 오목구면상 벽면(23)과, 부분 오목구면상 벽면(23)에 연속되는 관통공(24)을 구비하고, 관통공(24)에 단차붙이 코어(25)를 끼워넣음으로써 내부에 중공 원통부(26)와 중공 원통부(26)에 연속되는 구형 띠형상 중공부(27)가 형성된 도 16에 도시된 바와 같은 금형(28)을 준비하고, 금형(28)의 단차붙이 코어(25)에 예비 원통 성형체(21)를 삽입한다.
금형(28)의 중공 원통부(26) 및 구형 띠형상 중공부(27)에 배치된 예비 원통 성형체(21)를 코어 축방향으로 98~294N/㎟(1~3톤/㎠)의 압력으로 압축 성형하고, 이 압축 성형에 의해 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은, 중앙부에 관통공(29)을 가짐과 동시에 원통 내면(30)과 부분 볼록구면 형상 면(31)과 부분 볼록구면 형상 면(31)의 대직경측 및 소직경측의 환상 단면(32 및 33)에 의해 규정된 구형 띠형상 베이스체(34)와, 구형 띠형상 베이스체(34)의 부분 볼록구면 형상 면(31)에 일체로 형성된 외층(35)을 구비한 구형 띠형상 시일체(36)를 제작한다.
제작된 구형 띠형상 시일체(36)에 있어서, 구형 띠형상 베이스체(34)는 구형 띠형상 베이스체용 내열재(6)와 구형 띠형상 베이스체용 보강재(5)가 서로 압축되고 서로 얽혀 구조적 일체성을 가지도록 구성되어 있고, 외층(35)은 외층용 내열재(6)와 윤활 조성물로 이루어지는 고체 윤활제와, 금속망으로 이루어지는 외층용 보강재(5)가 압축되어 그 외층용 보강재(5)의 금속망 그물눈에 고체 윤활제 및 외층용 내열재(6)가 충전되어 그 고체 윤활제 및 내열재(6)와 보강재(5)가 혼재 일체화되어 이루어지며, 외층(35)의 외표면(37)은 외층용 보강재(5)로 이루어지는 면(38)과 고체 윤활제로 이루어지는 면(39)이 혼재된 혼성면(40)에 형성되어 있다.
이와 같이 하여 제작된 구형 띠형상 시일체(36)는 도 1에 도시된 배기관 구면 조인트(X)에 조립되어 사용된다. 도 1에 도시된 배기관 구면 조인트(X)에 있어서, 엔진측에 연결된 상류측 배기관(41)의 외주면에는 관 단부(42)를 남기고 플랜지(43)가 세워져 설치되어 있고, 관 단부(42)에는 구형 띠형상 시일체(36)가 관통공(29)을 규정하는 원통 내면(30)에서 끼워맞춤 고정되어 있으며, 대직경측 환상 단면(32)에서 구형 띠형상 시일체(36)가 플랜지(43)에 접촉되어 착좌되어 있고, 상류측 배기관(41)과 대치하여 배치되어 있음과 동시에 머플러 측에 연결된 하류측 배기관(44)에는 오목구면부(45)와 오목구면부(45)에 연접된 플랜지부(46)를 일체로 구비한 Fe-Cr계 스테인레스강으로 형성된 직경 확대부(47)가 고착되어 있으며, 오목구면부(45)의 내면(48)이 구형 띠형상 시일체(36)의 외층(35)의 외표면(37)에서의 외층용 보강재(5)로 이루어지는 면(38)과 고체 윤활제로 이루어지는 면(39)이 혼재된 혼성면(40)에 슬라이딩 접촉되어 있다.
도 1에 도시된 배기관 구면 조인트(X)에 있어서, 일단이 플랜지(43)에 고정되고 타단이 직경 확대부(47)의 플랜지부(46)를 삽입 통과하여 배치된 한 쌍의 볼트(49)와, 볼트(49)의 머리부 및 플랜지부(46)의 사이에 배치된 한 쌍의 코일 스프링(50)에 의해, 하류측 배기관(44)에는 항상 상류측 배기관(41) 방향으로 스프링력이 가해지고 있다. 그리고, 배기관 구면 조인트(X)는, 상류측 배기관(41) 및 하류측 배기관(44) 사이에 생기는 상대각 변위는 구형 띠형상 시일체(36)의 외층(35)의 미끄럼면으로서의 외층용 보강재(5)로 이루어지는 면(38)과 고체 윤활제로 이루어지는 면(39)이 혼재된 혼성면(40)과, 하류측 배기관(44)의 단부에 형성된 직경 확대부(47)의 오목구면부(45)의 내면(48)의 슬라이딩 접촉으로 허용되게 되어 있다.
오목구면부(45)를 구비한 직경 확대부(47)를 형성하는 Fe-Cr계 스테인레스강에는 C를 0.030질량% 이하, Si를 1.00질량% 이하, Mn을 1.00질량% 이하, P를 0.040질량% 이하, S를 0.030질량% 이하, Cr을 17.00~19.00질량%, Ti 및 Nb를 0.40~0.80질량% 함유하는 Fe-Cr계 스테인레스강, 또는 상기 성분 조성에 Mo를 0.75~1.50질량% 및 N을 0.020질량% 이하 더 함유하는 Fe-Cr계 스테인레스강이 사용된다.
실시예
<실시예에 이용되는 구형 띠형상 시일체(A1) 및 구형 띠형상 시일체(A2)>
금속 세선으로서 선직경 0.28mm의 오스테나이트계 스테인레스 강선을 1개 사용하여 그물눈의 눈 폭이 세로 4mm, 가로 5mm 정도인 원통형 편조 금속망을 제작하고, 이를 한 쌍의 롤러 사이로 통과시켜 띠형상 금속망으로 하고, 이를 구형 띠형상 베이스체용 보강재로 하였다. 구형 띠형상 베이스체용 내열재로서 밀도 1.12Mg/㎥, 두께 0.38mm의 팽창 흑연 시트(팽창 흑연 시트 I)를 사용하였다. 내열재를 소용돌이 형상으로 1바퀴 감은 후, 내열재의 내측에 구형 띠형상 베이스체용 보강재를 겹쳐맞추고 소용돌이 형상으로 감아서 최외주에 내열재를 배치한 통형 모재를 제작하였다. 이 통형 모재에서는, 내열재의 폭방향의 양단부는 각각 구형 띠형상 베이스체용 보강재의 폭방향으로 돌출되어(밀려나와) 있다.
외층용 내열재로서 상기 팽창 흑연 시트 I와 마찬가지의 밀도 1.12Mg/㎥, 두께 0.38mm의 팽창 흑연 시트를 별도 준비하는 반면, 해교제로서 작용하는 질산을 함유한 분산매로서의 물에 알루미나 수화물로서 베마이트(알루미나 수화물: Al2O3·H20)를 분산 함유한 수소 이온 농도(pH)가 2를 나타내는 알루미나 졸을 준비하고, 이 알루미나 졸에 h-BN 및 PTFE를 분산 함유한 수성 디스퍼젼으로서, h-BN 45.0질량%와 PTFE 50.0질량% 및 베마이트 5.0질량%를 포함하는 윤활 조성물을 고형분으로 하여 50질량% 분산 함유한 수성 디스퍼젼(h-BN 22.5질량%, PTFE 25.0질량% 및 베마이트 2.5질량%)을 그 내열재의 한쪽 표면에 롤러칠하고 건조하여 그 윤활 조성물로 이루어지는 고체 윤활제의 피복층(h-BN 45.0질량%, PTFE 50.0질량% 및 베마이트 5.0질량%)을 내열재의 한쪽 표면에 형성하고, 내열재와 이 내열재의 한쪽 표면을 피복한 고체 윤활제의 피복층으로 이루어지는 복층 시트를 제작하였다.
선직경이 0.28mm이고, (1) C를 0.030질량% 이하, Si를 1.00질량% 이하, Mn을 2.00질량% 이하, P를 0.045질량% 이하, S를 0.030질량% 이하, Cr을 16.00질량%, Ni를 12.00질량% 및 Mo를 2.00질량% 함유하는 Fe-Cr-Ni계 스테인레스 강선 및 (2) C를 0.030질량% 이하, Si를 1.00질량% 이하, Mn을 2.00질량% 이하, P를 0.045질량% 이하, S를 0.030질량% 이하, Cr을 18.00질량%, Ni를 15.00질량% 및 Mo를 3.00질량% 함유하는 Fe-Cr-Ni계 스테인레스 강선 각각을 1개 사용하여 그물눈의 눈 폭이 세로 3.5mm, 가로 2.5mm 정도인 외층용 보강재로서의 원통형 편조 금속망을 연속적으로 짬과 동시에 그 원통형 편조 금속망의 내부에 그 복층 시트를 연속적으로 삽입하고, 그 복층 시트의 삽입 개시단으로부터 그 복층 시트를 내부에 삽입한 원통형 편조 금속망을, 한 쌍의 원통 롤러 사이의 간극에 공급하고 그 복층 시트의 두께방향으로 가압하여 원통형 편조 금속망을 편평형 편조 금속망으로 하고, 복층 시트와 그 편평형 편조 금속망을 일체화하고, 외층용 보강재의 금속망 그물눈에 복층 시트의 내열재와 그 내열재의 표면에 형성된 고체 윤활제의 피복층을 충전하여, 표면에 외층용 보강재로 이루어지는 면과 고체 윤활제로 이루어지는 면이 혼재하여 노출된 편평형 외층 형성 부재를 제작하였다.
상기 통형 모재의 외주면에 그 외층 형성 부재를, 그 고체 윤활제가 노출된 측의 면을 외측으로 하여 감아서 예비 원통 성형체를 제작하였다.
이 예비 원통 성형체를 도 16에 도시된 금형의 단차붙이 코어에 삽입하고, 그 예비 원통 성형체를 금형의 중공부에 배치하였다.
금형의 중공부에 배치한 예비 원통 성형체를 코어 축방향으로 294N/㎟(3톤/㎠)의 압력으로 압축 성형하여, 중앙부에 관통공을 가짐과 동시에 원통 내면과 부분 볼록구면 형상 면의 대직경측 및 소직경측의 환상 단면에 의해 규정된 구형 띠형상 베이스체와, 구형 띠형상 베이스체의 부분 볼록구면 형상 면에 일체적으로 형성된 외층을 구비한 구형 띠형상 시일체를 제작하였다.
얻어진 구형 띠형상 시일체(A1) 및 (A2) 각각에 있어서, 구형 띠형상 베이스체는 선직경이 0.28mm인 오스테나이트계 스테인레스 강선을 이용하여 짠 그물눈의 눈 폭이 세로 5mm, 가로 4mm 정도인 편조 금속망으로 이루어지는 구형 띠형상 베이스체용 보강재와, 이 보강재의 금속망 그물눈을 충전하고, 또한 이 보강재와 혼재 일체화되어 있음과 동시에 압축된 팽창 흑연 시트 I로 이루어지는 내열재를 구비하고 있고, 구형 띠형상 시일체(A1)는 선직경이 0.28mm이고 C를 0.030질량% 이하, Si를 1.00질량% 이하, Mn을 2.00질량% 이하, P를 0.045질량% 이하, S를 0.030질량% 이하, Cr을 16.00질량%, Ni를 12.00질량% 및 Mo를 2.00질량% 함유하는 Fe-Cr-Ni계 스테인레스 강선을 이용하여 짠 그물눈의 눈 폭이 세로 3.5mm, 가로 2.5mm 정도인 편조 금속망으로 이루어지는 보강재와, 윤활 조성물로 이루어지는 고체 윤활제와, 팽창 흑연을 포함하는 내열재가 압축되어 보강재의 금속망 그물눈에 고체 윤활제 및 내열재가 충전되어 있음과 동시에 외표면이 그 보강재로 이루어지는 면과 고체 윤활제로 이루어지는 면이 노출되어 혼재된 혼성면에 형성되어 있는 외층을 구비하고 있고, 구형 띠형상 시일체(A2)는 C를 0.030질량% 이하, Si를 1.00질량% 이하, Mn을 2.00질량% 이하, P를 0.045질량% 이하, S를 0.030질량% 이하, Cr을 18.00질량%, Ni를 15.00질량% 및 Mo를 3.00질량% 함유하는 Fe-Cr-Ni계 스테인레스 강선을 이용하여 짠 그물눈의 눈 폭이 세로 3.5mm, 가로 2.5mm 정도인 편조 금속망으로 이루어지는 보강재와, 윤활 조성물로 이루어지는 고체 윤활제와, 팽창 흑연을 포함하는 내열재가 압축되어 보강재의 금속망 그물눈에 고체 윤활제 및 내열재가 충전되어 있음과 동시에 외표면이 그 보강재로 이루어지는 면과 고체 윤활제로 이루어지는 면이 노출되어 혼재된 혼성면에 형성되어 있는 외층을 구비하고 있다.
<비교예에 이용되는 구형 띠형상 시일체(B1) 및 구형 띠형상 시일체(B2)>
상기 실시예와 마찬가지로 하여 통형 모재를 제작하였다. 이 통형 모재에서는, 내열재의 폭방향의 양단부는 각각 구형 띠형상 베이스체용 보강재의 폭방향으로 돌출되어(밀려나와) 있다.
상기 실시예와 마찬가지로 하여 내열재의 한쪽 표면에 고체 윤활제의 피복층(h-BN 45.0질량%, PTFE 50.0질량% 및 베마이트 5.0질량%)을 형성한 복층 시트재를 제작하였다.
선직경이 0.28mm이고 (1) C를 0.080질량% 이하, Si를 1.50질량% 이하, Mn을 2.00질량% 이하, P를 0.045질량% 이하, S를 0.030질량% 이하, Cr을 24.00질량%, Ni를 19.00질량% 함유하는 Fe-Cr-Ni계 스테인레스 강선 및 (2) C를 0.080질량% 이하, Si를 1.50질량% 이하, Mn을 2.00질량% 이하, P를 0.045질량% 이하, S를 0.030질량% 이하, Cr을 26.00질량%, Ni를 22.00질량% 함유하는 Fe-Cr-Ni계 스테인레스 강선 각각을 1개 사용하여 그물눈의 눈 폭이 세로 3.5mm, 가로 2.5mm 정도인 외층용 보강재로서의 원통형 편조 금속망을 연속적으로 짬과 동시에 그 원통형 편조 금속망의 내부에 그 복층 시트를 연속적으로 삽입하고, 그 복층 시트의 삽입 개시단으로부터 그 복층 시트를 내부에 삽입한 원통형 편조 금속망을 한 쌍의 원통 롤러 사이의 간극에 공급하여 그 복층 시트의 두께방향으로 가압하여 원통형 편조 금속망을 편평형 편조 금속망으로 하여 복층 시트와 그 편평형 편조 금속망을 일체화하고, 외층용 보강재의 금속망 그물눈에 복층 시트의 내열재와 그 내열재의 표면에 형성된 고체 윤활제의 피복층을 충전하여, 표면에 외층용 보강재로 이루어지는 면과 고체 윤활제로 이루어지는 면이 혼재하여 노출된 편평형 외층 형성 부재를 제작하였다.
상기 통형 모재의 외주면에 그 외층 형성 부재를, 고체 윤활제가 노출된 측의 면을 외측으로 하여 감아서 예비 원통 성형체를 제작하고, 이하 실시예와 마찬가지의 방법으로 원통 내면과 부분 볼록구면 형상 면의 대직경측 및 소직경측의 환상 단면에 의해 규정된 구형 띠형상 베이스체와, 구형 띠형상 베이스체의 부분 볼록구면 형상 면에 일체적으로 형성된 외층을 구비한 구형 띠형상 시일체를 제작하였다.
얻어진 구형 띠형상 시일체(B1) 및 (B2) 각각에 있어서, 구형 띠형상 베이스체는 선직경이 0.28mm인 오스테나이트계 스테인레스 강선을 이용하여 짠 그물눈의 눈 폭이 세로 5mm, 가로 4mm 정도인 편조 금속망으로 이루어지는 구형 띠형상 베이스체용 보강재와, 이 보강재의 금속망 그물눈을 충전하고, 또한 이 보강재와 혼재 일체화되어 있음과 동시에 압축된 팽창 흑연 시트 I로 이루어지는 내열재를 구비하고 있고, 구형 띠형상 시일체(B1)는 선직경이 0.28mm이고 C를 0.080질량% 이하, Si를 1.50질량% 이하, Mn을 2.00질량% 이하, P를 0.045질량% 이하, S를 0.030질량% 이하, Cr을 24.00질량%, Ni를 19.00질량% 함유하는 Fe-Cr-Ni계 스테인레스 강선을 이용하여 짠 그물눈의 눈 폭이 세로 3.5mm, 가로 2.5mm 정도인 편조 금속망으로 이루어지는 보강재와, 윤활 조성물로 이루어지는 고체 윤활제와, 팽창 흑연을 포함하는 내열재가 압축되어 보강재의 금속망 그물눈에 고체 윤활제 및 내열재가 충전되어 있음과 동시에 보강재로 이루어지는 면과 고체 윤활제로 이루어지는 면이 노출되어 혼재된 혼성면에 외표면이 형성되어 있는 외층을 구비하고 있고, 구형 띠형상 시일체(B2)는 C를 0.080질량% 이하, Si를 1.50질량% 이하, Mn을 2.00질량% 이하, P를 0.045질량% 이하, S를 0.030질량% 이하, Cr을 26.00질량%, Ni를 22.00질량% 함유하는 Fe-Cr-Ni계 스테인레스 강선을 이용하여 짠 그물눈의 눈 폭이 세로 3.5mm, 가로 2.5mm 정도인 편조 금속망으로 이루어지는 보강재와, 윤활 조성물로 이루어지는 고체 윤활제와, 팽창 흑연을 포함하는 내열재가 압축되어 보강재의 금속망 그물눈에 고체 윤활제 및 내열재가 충전되어 있음과 동시에 외표면이 보강재로 이루어지는 면과 고체 윤활제로 이루어지는 면이 노출되어 혼재된 혼성면에 형성되어 있는 외층을 구비하고 있다.
다음에, 상기한 구형 띠형상 시일체(A1) 및 (A2)와 구형 띠형상 시일체(B1) 및 (B2)를 각각 도 1에 도시된 배기관 구면 조인트에 조립하여 상대재 표면의 표면 거칠기, 가스 누출량 및 이상 마찰음의 발생 유무에 대해 시험한 결과를 설명한다.
<표면 거칠기의 시험 조건>
코일 스프링에 의한 압압력(스프링 세트 포스): 590N
가진(加振) 진폭: ±2°
가진 주파수: 25Hz
온도(도 1에 도시된 오목구면부(45)의 외표면 온도): 300℃
가진 시간: 42Hr
가진 횟수: 374만회
상대재(도 1에 도시된 오목구면부(45)의 재질)
α: C를 0.030질량% 이하, Si를 1.00질량% 이하, Mn을 1.00질량% 이하, P를 0.040질량% 이하, S를 0.030질량% 이하, Cr을 18.00질량%, Ti 및 Nb를 0.40질량% 함유하는 Fe-Cr계 스테인레스강
β: C를 0.025질량% 이하, Si를 0.60질량% 이하, Mn을 0.50질량% 이하, P를 0.040질량% 이하, S를 0.020질량% 이하, Cr을 18.00질량%, Ti 및 Nb를 0.40질량%, Mo를 0.75질량% 및 N을 0.020질량% 이하 함유하는 Fe-Cr계 스테인레스강
γ: C를 0.020질량% 이하, Si를 0.80질량% 이하, Mn을 0.50질량% 이하, P를 0.040질량% 이하, S를 0.010질량% 이하, Cr을 14.00질량%, Nb를 0.50질량% 함유하는 Fe-Cr계 스테인레스강
<시험 방법>
도 1에 도시된 배기관 구면 조인트에서의 상류측 배기관을 고정하고, 하류측 배기관을 상기 시험 조건으로 가진하여 시험 후(가진 횟수 374만회 종료 후)의 상대재 표면의 표면 거칠기(㎛)를 측정한다.
<가스 누출량의 측정 방법>
상기 표면 거칠기 시험 종료 후에, 도 1에 도시된 배기관 구면 조인트의 한쪽 배기관의 개구부를 폐색하고 다른 쪽 배기관 측으로부터 0.049MPa(0.5kgf/㎠)의 압력으로 건조 공기를 유입하여 조인트 부분(구형 띠형상 시일체의 외표면과 직경 확대부의 오목구면부의 내면의 슬라이딩 접촉부, 구형 띠형상 시일체의 원통 내면과 배기관의 관 단부의 끼워맞춤부 및 환상 단면과 배기관에 세워져 설치된 플랜지의 접촉부)으로부터의 가스 누출량(리터/분(l/min))을 유량계로 측정하였다.
표 1은 상기 시험 결과를 나타낸다.
Figure 112014064653227-pct00001
표 1 중의 *표시는 구형 띠형상 시일체(A1) 및 구형 띠형상 시일체(A2)의 외층의 외표면에 노출된 금속망으로 이루어지는 보강재의 마멸이 현저하여, 구형 띠형상 시일체(A1) 및 구형 띠형상 시일체(A2)와 상대재 γ의 각각의 조합으로서는 좋지 않아 상대재의 표면 거칠기 측정을 행하지 않은 것을 나타낸다.
다음에, 상기 시험 후의 구형 띠형상 시일체와 상대재의 조합에 있어서 이상 마찰음의 발생 유무를 시험하였다.
<마찰 이상음 발생 유무의 시험 조건 및 시험 방법>
<시험 조건>
코일 스프링에 의한 압압력(스프링 세트 하중: 면압): 590N
요동 각도: ±0.25~2.5mm
가진 주파수: 22Hz
온도(도 1에 도시된 배기관 구면 조인트의 오목구면부(45)의 외표면온도): 실온(25℃)~400℃
<시험 방법 및 평가 방법>
도 1에 도시된 배기관 구면 조인트의 오목구면부(45)의 외표면온도를 실온(25℃), 200℃, 300℃, 400℃로 각각 상승시키고, 또한 상승 후 400℃, 300℃, 200℃, 실온까지로 각각 강하시켰을 때의 각 온도에서 ±0.25에서 ±2.5°의 요동 각도로 가진하고, 그 때의 이상 마찰음의 발생 유무를 측정한다. 마찰 이상음의 발생 유무 평가는 다음의 판정 레벨로 행하였다.
<마찰 이상음의 판정 레벨>
기호: 0 마찰 이상음의 발생 없음.
기호: 0.5 집음 파이프로 마찰 이상음의 발생을 확인할 수 있다.
기호: 1 배기관 구면 조인트의 슬라이딩 부위로부터 약 0.2m 떨어진 위치에서 마찰 이상음의 발생을 확인할 수 있다.
기호: 1.5 배기관 구면 조인트의 슬라이딩 부위로부터 약 0.5m 떨어진 위치에서 마찰 이상음의 발생을 확인할 수 있다.
기호: 2 배기관 구면 조인트의 슬라이딩 부위로부터 약 1m 떨어진 위치에서 마찰 이상음의 발생을 확인할 수 있다.
기호: 2.5 배기관 구면 조인트의 슬라이딩 부위로부터 약 2m 떨어진 위치에서 마찰 이상음의 발생을 확인할 수 있다.
기호: 3 배기관 구면 조인트의 슬라이딩 부위로부터 약 3m 떨어진 위치에서 마찰 이상음의 발생을 확인할 수 있다.
기호: 3.5 배기관 구면 조인트의 슬라이딩 부위로부터 약 5m 떨어진 위치에서 마찰 이상음의 발생을 확인할 수 있다.
기호: 4 배기관 구면 조인트의 슬라이딩 부위로부터 약 10m 떨어진 위치에서 마찰 이상음의 발생을 확인할 수 있다.
기호: 4.5 배기관 구면 조인트의 슬라이딩 부위로부터 약 15m 떨어진 위치에서 마찰 이상음의 발생을 확인할 수 있다.
기호: 5 배기관 구면 조인트의 슬라이딩 부위로부터 약 20m 떨어진 위치에서 마찰 이상음의 발생을 확인할 수 있다.
이상의 판정 레벨의 종합 판정에 있어서, 기호: 0부터 기호: 2.5까지를 마찰 이상음의 발생 없음(합격)으로 판정하고, 기호 3부터 기호 5까지를 마찰 이상음의 발생 있음(불합격)으로 하였다.
표 2부터 표 8은 상기 시험 결과를 나타낸다.
Figure 112014064653227-pct00002
Figure 112014064653227-pct00003
Figure 112014064653227-pct00004
Figure 112014064653227-pct00005
Figure 112014064653227-pct00006
Figure 112014064653227-pct00007
Figure 112014064653227-pct00008
표 1부터 표 8에 나타내는 시험 결과로부터, 구형 띠형상 시일체(A1) 및 구형 띠형상 시일체(A2)와 상대재 α 또는 상대재 β의 조합에서는 상대재 손상을 최대한 방지할 수 있고, 시험 후의 이상 마찰음 발생에서도 합격의 판정 레벨 2 이하로 매우 바람직한 조합인 데에 대해, 구형 띠형상 시일체(B1) 및 구형 띠형상 시일체(B2)와 상대재 α, β 및 γ의 조합, 특히 상대재 γ의 조합에서는 상대재 손상이 심하고, 이상 마찰음 발생에서는 불합격의 판정 레벨 3을 기록하는 등 최대한 피할 필요가 있는 조합인 것을 알 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 배기관 구면 조인트에서는 이상 마찰음 발생을 억제할 수 있고, 구형 띠형상 시일체의 외층의 외표면에 노출된 금속망으로 이루어지는 보강재의 불연속적인 면과 상대재의 슬라이딩 마찰에서도 상대재 표면에 움푹 패임, 압흔 등의 손상을 최대한 방지할 수 있고, 배기관에 생기는 상대각 변위를 원활하게 허용할 수 있다.
1 편조 금속망
4 띠형상 금속망
5 보강재
6 내열재
34 구형 띠형상 베이스체
35 외층
36 구형 띠형상 시일체
37 외표면
40 혼성면

Claims (8)

  1. 원통 내면, 부분 볼록구면 형상 면 및 부분 볼록구면 형상 면의 대직경측 및 소직경측의 환상 단면(端面)에 의해 규정된 구형 띠형상 베이스체와, 이 구형 띠형상 베이스체의 부분 볼록구면 형상 면에 일체적으로 형성되어 있음과 동시에 팽창 흑연을 포함하는 내열재, 고체 윤활제 및 금속망으로 이루어지는 보강재가 압축되어 보강재의 금속망 그물눈에 고체 윤활제 및 내열재가 충전되어 그 고체 윤활제 및 내열재와 보강재가 혼재 일체화되어 이루어지는 외층을 구비한 구형 띠형상 시일체가 엔진측에 연결된 상류측 배기관의 외주면에 끼워맞춤 고정되어 있고, 보강재로 이루어지는 면과 고체 윤활제로 이루어지는 면이 혼재하여 노출된 그 구형 띠형상 시일체의 외층에서의 외표면은, 상류측 배기관과 대치하여 배치되어 있음과 동시에 머플러 측에 연결된 하류측 배기관의 직경 확대부의 오목구면부의 내면에 슬라이딩 접촉하고 있고, 그 상류측 배기관 및 하류측 배기관 사이에 생기는 상대각 변위는 그 외층의 외표면과 그 오목구면부의 내면의 슬라이딩 접촉으로 허용되게 되어 있는 배기관 구면 조인트에 있어서, 구형 띠형상 시일체의 외층의 외표면에 노출된 금속망으로 이루어지는 보강재는 적어도 Cr를 16.00~18.00질량% 및 Ni를 12.00~15.00질량% 함유하는 Fe-Cr-Ni계 스테인레스 강선으로 형성되어 있고, 그 외표면과 슬라이딩 접촉하는 오목구면부는 적어도 Cr를 17.00~19.00질량% 함유하는 Fe-Cr계 스테인레스강으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 배기관 구면 조인트.
  2. 청구항 1에 있어서,
    구형 띠형상 시일체의 외층의 외표면에 노출된 금속망으로 이루어지는 보강재는 C를 0.030질량% 이하, Si를 1.00질량% 이하, Mn을 2.00질량% 이하, P를 0.045질량% 이하, S를 0.030질량% 이하 및 Mo를 2.00~3.00질량% 더 함유하는 배기관 구면 조인트.
  3. 청구항 1에 있어서,
    하류측 배기관의 직경 확대부의 오목구면부는 C를 0.030질량% 이하, Si를 1.00질량% 이하, Mn을 1.00질량% 이하, P를 0.040질량% 이하, S를 0.030질량% 이하 및 Ti 및 Nb를 0.40~0.80질량% 더 함유하는 배기관 구면 조인트.
  4. 청구항 3에 있어서,
    하류측 배기관의 직경 확대부의 오목구면부는 Mo를 0.75~1.50질량% 및 N을 0.020질량% 이하 더 함유하는 배기관 구면 조인트.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    구형 띠형상 시일체의 외층의 외표면에 노출된 고체 윤활제는 육방정 질화 붕소 23~57질량%, 알루미나 수화물 5~15질량% 및 사불화 에틸렌 수지 33~67질량%를 포함하고 있는 배기관 구면 조인트.
  6. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    구형 띠형상 베이스체는 금속망으로 이루어지는 보강재와, 보강재의 금속망 그물눈을 충전하고, 또한 이 보강재와 혼재 일체화되어 있음과 동시에 압축된 팽창 흑연을 포함하는 내열재를 구비하고 있는 배기관 구면 조인트.
  7. 청구항 6에 있어서,
    구형 띠형상 베이스체 및 외층의 내열재 각각은 인산염 1.0~16.0질량%를 더 포함하고 있는 배기관 구면 조인트.
  8. 청구항 7에 있어서,
    구형 띠형상 베이스체 및 외층의 내열재 각각은 인산 0.05~5.0질량% 더 포함하고 있는 배기관 구면 조인트.
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