KR101759231B1 - 임펠러 진공 주조 장치와 임펠러 주조 방법 및 주조 임펠러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 임펠러 몰드의 냉각 구조를 개선한 임펠러 진공 주조 장치와 임펠러의 주조 방법 및 주조 임펠러를 제공한다. 임펠러 진공 주조 장치는, ⅰ) 흡입 펌프와 연결되어 내부를 진공으로 유지하는 기밀 챔버와, ⅱ) 기밀 챔버 내부에 위치하며 고주파 유도가열 코일로 둘러싸인 도가니와, ⅲ) 기밀 챔버 내부에서 도가니 하부에 위치하고, 압탕이 연결된 임펠러 몰드를 지지하는 몰드 지지대와, ⅳ) 임펠러 몰드를 냉각시키는 냉각 장치를 포함한다. 냉각 장치는 임펠러 몰드의 중앙 하부에서 임펠러 몰드의 축 방향을 따라 불활성 가스를 분사하여 임펠러 몰드를 냉각시키는 가스 냉각부를 포함한다.

Description

임펠러 진공 주조 장치와 임펠러 주조 방법 및 주조 임펠러 {VACUUM CASTING DEVICE FOR IMPELLER, CASTING METHOD OF IMPELLER, AND IMPELLER}

본 발명은 임펠러에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 임펠러의 조직을 미세화하여 강성을 높일 수 있도록 임펠러 몰드의 냉각 구조를 개선한 임펠러 진공 주조 장치와 임펠러 주조 방법 및 주조 임펠러에 관한 것이다.

기계 부품 제조를 위한 주조법 중 인베스트먼트 주조법, 일명 로스트-왁스법이 알려져 있다. 이 방법은 왁스를 가공하여 모형을 제작하는 단계와, 모형 표면에 내화제를 코팅하고 주물사를 입힌 뒤 건조시켜 몰드(주형)를 제작하는 단계와, 가열로 모형을 제거한 후 몰드를 고온에서 소성하는 단계와, 몰드 내부에 용탕을 주입 후 고형화하는 단계와, 몰드를 제거하여 제품을 꺼내는 단계를 포함한다.

인베스트먼트 주조법을 이용하면 특수합금강 제품 및 복잡한 형상의 기계 부품을 정밀하게 생산할 수 있고, 제품의 치수 정밀도와 표면 상태가 우수하다. 따라서 터보 차저, 터빈 휠, 터보 블로어 등에 장착되는 임펠러를 인베스트먼트 주조법으로 생산하는 기술, 특히 진공 상태에서 몰드에 용탕을 주입하는 임펠러 진공 주조 기술이 적용되고 있다.

용탕 주입을 진공 분위기에서 실시하면 용탕의 산화를 방지할 수 있고, 몰드에 존재하는 미세 틈 또는 기공을 통해 몰드 내부로 공기가 유입되는 문제를 예방할 수 있다. 통상의 임펠러 진공 주조 장치는 기밀 챔버와, 기밀 챔버 내부에 설치된 도가니와, 도가니 내부의 금속 물질을 용융시키는 고주파 유도가열 장치와, 압탕이 연결된 임펠러 몰드를 지지하는 몰드 받침대와, 몰드 받침대를 냉각시키는 냉각 장치를 포함한다.

임펠러는 용탕 주입 후 응고하는 과정에서 냉각이 진행되는 방향 및 냉각 속도 등에 따라 조직의 크기와 방향이 결정된다. 조직의 크기와 방향은 임펠러의 강성을 결정하는 중요한 요소이므로, 임펠러의 조직을 미세화하여 강성을 높일 수 있는 최적의 냉각 기술이 요구되고 있다.

본 발명은 임펠러 진공 주조 장치에 있어서, 임펠러의 조직을 미세하게 성장시켜 임펠러의 강성을 높일 수 있도록 냉각 구조를 개선한 임펠러 진공 주조 장치를 제공하고자 한다.

본 발명은 진공 주조 장치를 이용하여 인베스트먼트법으로 임펠러의 중심부 결정 조직을 미세하게 제어함으로써 내열 특성과 기계적 특성을 동시에 향상시킨 주조 임펠러를 제공하고자 한다.

본 발명은 진공 주조 장치를 이용하여 인베스트먼트법으로 임펠러의 중심부 결정 조직을 미세하게 제어할 수 있는 임펠러 주조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러 진공 주조 장치는, ⅰ) 흡입 펌프와 연결되어 내부를 진공으로 유지하는 기밀 챔버, ⅱ) 기밀 챔버 내부에 위치하며 고주파 유도가열 코일로 둘러싸인 도가니, ⅲ) 기밀 챔버 내부에서 도가니 하부에 위치하고, 압탕이 연결된 임펠러 몰드를 지지하는 몰드 지지대, 및 ⅳ) 임펠러 몰드를 냉각시키는 냉각 장치를 포함한다. 냉각 장치는 임펠러 몰드의 중앙 하부에서 임펠러 몰드의 축 방향을 따라 불활성 가스를 분사하여 임펠러 몰드를 냉각시키는 가스 냉각부를 포함한다.

임펠러 몰드는 내벽에 날개면과 에지면 및 기저면을 형성할 수 있으며, 기저면이 도가니를 향하고 날개면이 몰드 지지대를 향하도록 배치될 수 있다.

몰드 지지대는 개구부를 형성할 수 있다. 가스 냉각부는 기밀 챔버의 내부와 외부에 걸쳐 위치하는 가스 공급관과, 가스 공급관에 연결되고 몰드 지지대의 개구부를 관통하여 몰드 지지대의 상부로 돌출되는 분사 노즐을 포함할 수 있다.

임펠러 몰드는 날개면 하부에서 임펠러의 구동축 수용부에 대응하는 오목부를 형성할 수 있으며, 분사 노즐의 일부는 오목부의 내부에 위치할 수 있다.

냉각 장치는, ⅰ) 몰드 지지대 하부에 위치하며 냉각수 수용 공간을 형성하여 몰드 지지대를 냉각시키는 냉각수 수용부, 및 ⅱ) 냉각수 수용 공간으로 냉각수를 제공하고, 냉각에 사용된 냉각수를 배출하여 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환부를 더 포함할 수 있다.

냉각수 수용부는, ⅰ) 기밀 챔버의 내부에 위치하며 몰드 지지대와 면접촉을 하는 제1 플레이트, 및 ⅱ) 제1 플레이트와의 사이에 냉각수 수용 공간을 형성하면서 제1 플레이트의 하부에 고정되는 제2 플레이트를 포함할 수 있다.

냉각수 순환부는, 기밀 챔버의 내부와 외부에 걸쳐 위치하면서 제2 플레이트를 관통하여 냉각수 수용 공간과 연결되는 공급 배관 및 배출 배관을 포함할 수 있다. 냉각수 수용부는, 제1 플레이트의 중앙에 위치하며 몰드 지지대의 개구부를 관통하여 몰드 지지대의 상부로 돌출되는 노즐 보호부를 더 포함할 수 있다.

노즐 보호부는 상단에 관통홀을 형성하고, 분사 노즐의 일단은 노즐 보호부의 관통홀에 끼워져 고정되며, 관통홀 하부의 노즐 보호부 내벽은 분사 노즐의 외경보다 큰 직경을 가질 수 있다. 냉각수 순환부는, 공급 배관과 연결되어 냉각수를 제공받고 분사 노즐과 노즐 보호부의 사이 공간으로 냉각수를 분사하는 분사 배관을 더 포함할 수 있다.

임펠러 진공 주조 장치는, 기밀 챔버의 외부에서 냉각 장치와 연결되어 냉각수 수용부와 몰드 지지대의 높이를 조절하는 승하강 장치를 더 포함할 수 있다. 냉각 장치는 냉각수 수용부를 지지하는 지지축과, 승하강시 이동을 원활하게 하는 복수의 이동 가이드를 더 포함할 수 있다. 지지축과 복수의 이동 가이드는 기밀 챔버의 내부와 외부에 걸쳐 위치할 수 있다.

이동 가이드는 내부가 빈 원통 모양으로 형성될 수 있다. 가스 공급관과 공급 배관은 어느 하나의 이동 가이드 내부에 위치하고, 배출 배관은 다른 하나의 이동 가이드 내부에 위치할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 주조 임펠러는 인베스트먼트 주조법으로 주조되고, 초내열 합금과 니켈 합금 중 어느 하나의 금속 원재료를 사용하며, 진공 주조 장치에서 주조된다. 응고된 주조 조직을 육안으로 관찰하여 임펠러의 표면 부분은 수지상정이고, 임펠러의 중심부는 평균 결정립의 직경이 5mm 이하인 미세 결정립으로 이루어진 주조 조직을 포함한다.

주조 조직은 광학 현미경으로 관찰하여 중심부의 평균 결정립의 직경이 250㎛ 이하일 수 있다. 주조 조직은 탄화물을 형성하는 원소가 결정입계로 확산되지 않고 결정립 내에 고르게 분산될 수 있다.

임펠러는 상온에서의 인장 강도(T.S)가 790MPa 내지 874MPa이고, 항복 강도가 721MPa 내지 819MPa일 수 있다. 금속 원재료는 인코넬 713LC일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러 주조 방법은, i) 임펠러 진공 주조 장치 내부에 설치된 도가니에 초내열 합금, 니켈 합금, 및 인코넬 713LC 중 어느 하나의 금속 원재료를 장입하는 단계, ii) 인베스트먼트법으로 제조되고 압탕이 부착된 임펠러 몰드를 지지대 상부에 지지하는 단계, iii) 진공 주조 장치를 진공으로 유지하고 고주파 유도 가열 코일을 작동하여 금속 원재료를 용융시키는 단계, iv) 도가니를 회전시켜 용탕을 임펠러 몰드에 주입하는 단계, 및 v) 진공 주조 장치의 냉각 장치를 이용하여 냉각수 수용부를 냉각시키고, 가스 냉각부를 작동시켜 임펠러 몰드의 오목부에 불활성 가스를 분사 노즐을 통해 분사시켜 임펠러 몰드를 급속 냉각시키는 단계를 포함한다.

본 발명은 임펠러 몰드의 하부를 진공 상태에서 급속 냉각시키는 임펠러 진공 주조 장치를 제공함에 따라, 임펠러의 조직을 미세하게 제어할 수 있다. 또한, 임펠러의 중심부 결정 조직을 미세하게 제어하여 임펠러의 내열 특성과 기계적 특성을 동시에 향상시킬 수 있다. 또한, 임펠러의 중심부 결정 조직을 효과적으로 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러 진공 주조 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 임펠러 진공 주조 장치의 부분 확대도이다.
도 3은 도 1에 도시한 임펠러 진공 주조 장치 중 압탕과 임펠러 몰드를 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시한 임펠러 몰드를 이용하여 제조된 임펠러의 단면도이다.
도 5는 도 1에 도시한 임펠러 진공 주조 장치 중 냉각 장치의 확대도이다.
도 6은 도 5에 도시한 냉각 장치 중 C 부분의 확대도이다.
도 7a와 도 7b는 각각 실시예 1과 실시예 2에 따라 주조된 임펠러의 종단면 결정 조직 사진이다.
도 8a와 도 8b는 실시예 1에 따라 주조된 임펠러의 단면 중심부를 관찰한 현미경 사진이다.
도 9a와 도 9b는 실시예 2에 따라 주조된 임펠러의 단면 중심부를 관찰한 현미경 사진이다.
도 10은 실시예 2에 따라 주조된 임펠러의 기계적 특성을 측정하기 위해 시료를 체취한 부분을 나타낸 사진이다.
도 11a와 도 11b는 각각 실시예 1과 실시예 2에 따라 주조된 임펠러의 기계적 특성을 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러 진공 주조 장치의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시한 임펠러 진공 주조 장치의 부분 확대도이다.

도 1과 도 2를 참고하면, 본 실시예의 임펠러 진공 주조 장치(100)는 기밀 챔버(11), 진공 형성부(12), 도가니(13), 고주파 유도가열 코일(14), 회전 장치(15), 몰드 지지대(16), 및 냉각 장치(200)를 포함한다. 몰드 지지대(16)는 압탕(17)이 연결된 임펠러 몰드(30)를 지지하며, 냉각 장치(200)는 몰드 지지대(16)와 임펠러 몰드(30)를 냉각시킨다.

기밀 챔버(11)는 진공 형성부(12)의 작용으로 내부를 진공 상태로 유지한다. 진공 형성부(12)는 기밀 챔버(11)의 일측에 위치하는 공기 배출관(121)과, 공기 배출관(121)에 연결되는 흡입 펌프(122)를 포함한다. 흡입 펌프(122)의 강력한 흡기 작용에 의해 기밀 챔버(11)의 내부를 배기시켜 일정 수준의 진공도를 형성할 수 있다. 진공 형성으로 도가니(13) 내부의 금속 용해시 발생하는 불순물과 오프가스를 제거하여 고순도 용탕을 제조할 수 있다.

도가니(13)는 상부가 개방된 모양이며, 고주파 유도가열 코일(14)로 둘러싸인다. 기밀 챔버(11)의 상부에는 도어(18)가 설치되어 도어(18) 개방시 도가니(13) 내부로 금속 원재료를 투입할 수 있다. 고주파 유도가열 코일(14)은 그 단부가 기밀 챔버(11)의 외부로 인출되어 금속 원재료를 용해시키기 위한 고주파 전류를 제공받는다. 도가니(13)와 고주파 유도가열 코일(14)은 단열 용기(19)로 둘러싸인다.

회전 장치(15)는 단열 용기(19)의 외벽에 고정된다. 회전 장치(15)는 도가니(13)에 투입된 금속 원재료가 용해되어 용탕을 형성한 이후 작동하며, 도가니(13)를 기울여 용탕을 아래로 쏟아내는 기능을 한다. 이를 위해 회전 장치(15)는 단열 용기(19)의 좌우측에 고정되는 한 쌍의 지지빔(151)과, 어느 한 지지빔(151)의 하부에서 단열 용기(19)에 고정되는 연장빔(152)과, 어느 한 지지빔(151)에 설치되어 지지빔(151)을 회전시키는 회전 구동부(153)를 포함한다.

도 1에서 도면 부호 20은 압력조절 밸브를 나타내고, 도면 부호 21은 투시창을 나타내며, 도면 부호 22는 용탕의 온도를 감지하는 온도 센서를 나타낸다.

압탕(17)이 연결된 임펠러 몰드(30)는 도가니(13) 하부에 위치하고, 몰드 지지대(16)가 임펠러 몰드(30)를 지지한다. 몰드 지지대(16)는 상부가 개방된 박스 모양으로 형성되어 임펠러 몰드(30)의 전체 또는 일부를 둘러싼다. 압탕(17)은 도가니(13)로부터 용탕을 공급받으며, 압탕(17)에 부어진 용탕은 중력에 의해 임펠러 몰드(30)의 주입구로 빨려 들어가면서 임펠러 몰드(30)의 내부 공간을 채운다.

도 3은 도 1에 도시한 임펠러 진공 주조 장치 중 압탕과 임펠러 몰드를 나타낸 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시한 임펠러 몰드를 이용하여 제조된 임펠러의 단면도이다.

도 3과 도 4를 참고하면, 임펠러 몰드(30)는 제조하고자 하는 임펠러(40)와 같은 모양의 내부 공간(31)을 형성하며, 내부 공간(31)의 상부로 압탕(17)과 직접 연결되어 주조 후 압탕(17)을 제거한다.

임펠러(40)는 중심축(A-A선 참조)과 평행한 베이스부(41)와, 베이스부(41)의 외주면에 형성된 복수의 블레이드(42)를 포함한다. 블레이드(42)는 날개면(43)과 에지면(44) 및 기저면(45)을 포함한다. 임펠러(40) 작용시 기체는 블레이드(42)의 사이 공간으로 투입되고, 회전하는 블레이드(42)에 의해 압축된 후 에지면(44) 외부로 배출된다. 베이스부(41)는 구동축 삽입을 위한 구동축 수용부(46)를 형성할 수 있으며, 구동축 수용부(46)의 길이 방향은 중심축(A-A선 참조)과 일치한다.

임펠러 몰드(30)는 전술한 베이스부(41) 및 복수의 블레이드(42)와 같은 모양의 내부 공간을 형성한다. 따라서 임펠러 몰드(30)의 내벽에도 블레이드(42)에 대응하는 날개면(33)과 에지면(34) 및 기저면(35)이 형성된다. 또한, 임펠러 몰드(30)는 임펠러(40)의 구동축 수용부(46)에 대응하는 오목부(36)를 형성한다.

임펠러 몰드(30)는 몰드 지지대(16) 위에서 기저면(35)이 도가니를 향하고 오목부(36)가 몰드 지지대(16)의 바닥부(161)(도 2 참조)를 향하도록 배치된다. 임펠러 몰드(30)의 중심축(B-B선 참조)은 지면과 수직하며, 임펠러(40)의 중심축(A-A선 참조)과 일치한다. 다음에 설명하는 노즐 보호부(54)와 분사 노즐(72)의 단부는 임펠러 몰드(30)의 오목부(36) 내부에 위치할 수 있다.

도 2를 참고하면, 냉각 장치(200)는 기본적으로 몰드 지지대(16)의 하부에 위치하며, 냉각 장치(200)의 일부는 몰드 지지대(16)를 관통하여 몰드 지지대(16)의 상부로 돌출된다. 이를 위해 몰드 지지대(16)의 바닥부(161)에는 개구부(162)가 형성된다.

냉각 장치(200)는 냉각수를 순환시켜 몰드 지지대(16)를 냉각시킴으로써 몰드 지지대(16) 위에 배치된 임펠러 몰드(30)를 간접적으로 냉각시킨다. 이와 동시에 냉각 장치(200)는 기밀 챔버(11) 내부에서 임펠러 몰드(30) 향해 직접 불활성 가스를 분사하여 임펠러 몰드(30)의 냉각 속도를 높인다.

도 5는 도 1에 도시한 임펠러 진공 주조 장치 중 냉각 장치의 확대도이고, 도 6은 도 5에 도시한 냉각 장치 중 C 원형 부분의 확대도이다.

도 2와 도 5 및 도 6을 참고하면, 냉각 장치(200)는 냉각수 수용부(50), 냉각수 순환부(60), 및 가스 냉각부(70)를 포함한다. 냉각수 수용부(50)는 기밀 챔버(11)의 내측에 위치하고, 냉각수 순환부(60)와 가스 냉각부(70)는 기밀 챔버(11)의 외측과 내측에 걸쳐 위치한다.

냉각수 수용부(50)는 몰드 지지대(16) 하부에 위치하며 냉각수가 채워지는 냉각수 수용 공간(51)을 형성한다. 냉각수 수용부(50)는 몰드 지지대(16)의 바닥부(161)와 면접촉을 하는 제1 플레이트(52)와, 제1 플레이트(52)와의 사이에 냉각수 수용 공간(51)을 형성하면서 제1 플레이트(52) 하부에 고정되는 제2 플레이트(53)를 포함한다.

제1 플레이트(52)의 중앙에는 몰드 지지대(16)의 개구부(162)를 관통하여 몰드 지지대(16)의 바닥부(161) 위로 돌출되는 노즐 보호부(54)가 위치한다. 노즐 보호부(54)의 상단에는 관통홀(55)이 형성된다.

냉각수 순환부(60)는 공급 배관(61)과 분사 배관(62) 및 배출 배관(63)을 포함한다. 공급 배관(61)의 일단은 기밀 챔버(11)의 외부에 위치하며, 도시하지 않은 냉각수 공급 펌프와 연결되어 냉각수를 공급받는다. 공급 배관(61)의 반대측 일단은 기밀 챔버(11)의 내부에서 제2 플레이트(53)를 관통하여 냉각수 수용 공간(51)에 위치한다.

분사 배관(62)은 냉각수 수용 공간(51)의 중앙에 위치하고, 공급 배관(61)과 연결되어 이로부터 냉각수를 공급받는다. 분사 배관(62)은 임펠러 몰드(30)와 가장 가까운 냉각수 수용부(50)의 최상단, 즉 노즐 보호부(54)의 내벽으로 냉각수를 분사한다. 이를 위해 분사 배관(62)은 고리 모양의 순환 배관(621)과, 순환 배관(621)으로부터 노즐 보호부(54) 내벽을 향해 연장된 연장 배관(622)을 포함할 수 있다.

연장 배관(622)에서 배출된 냉각수는 냉각수 수용 공간(51) 전체를 채우며, 노즐 보호부(54)와 제1 플레이트(52) 및 제1 플레이트(52)와 접촉하는 몰드 지지대(16)를 냉각시킨다. 분사 배관(62)의 형상은 도시한 예에 한정되지 않으며 다양하게 변형 가능하다. 또한, 분사 배관(62)은 필요에 따라 생략될 수도 있다.

배출 배관(63)의 일단은 제2 플레이트(53)를 관통하여 냉각수 수용 공간(51)과 연결되고, 배출 배관(63)의 반대측 일단은 기밀 챔버(11)의 외부에서 도시하지 않은 냉각수 흡입 펌프와 연결된다. 이로써 몰드 지지대(16) 냉각에 사용된 냉각수는 배출 배관(63)을 거쳐 기밀 챔버(11) 외부로 배출된다.

가스 냉각부(70)는 가스 공급관(71)과 분사 노즐(72)을 포함한다.

분사 노즐(72)은 소정의 내경과 외경을 가지는 파이프 형상으로서, 일단이 노즐 보호부(54)의 관통홀(55)에 끼워져 고정되고, 반대측 일단은 제2 플레이트(53)에 지지된다. 분사 노즐(72)의 외경은 관통홀(55) 하부에 위치하는 노즐 보호부(54)의 내벽 직경보다 작아 분사 노즐(72)과 노즐 보호부(54)의 내벽은 서로간 거리를 유지한다. 따라서 분사 노즐(72)의 바깥으로 냉각수가 순환하므로 분사 노즐(72) 내부를 흐르는 불활성 가스의 온도를 낮출 수 있다.

노즐 보호부(54)와 분사 노즐(72)의 단부는 임펠러 몰드(30)에 형성된 오목부(36) 내부에 위치할 수 있다. 이 경우 분사 노즐(72)의 단부와 임펠러 몰드(30)간 거리를 최소화하여 임펠러(40)의 냉각 속도와 냉각 효율을 높일 수 있다.

가스 공급관(71)의 일단은 기밀 챔버(11)의 외부에 위치하며, 도시하지 않은 불활성 가스 주입 펌프와 연결되어 불활성 가스를 공급받는다. 가스 공급관(71)의 반대측 일단은 기밀 챔버(11)의 내부에서 제2 플레이트(53)의 중앙 하부를 지지하는 지지축(23)에 연결된다. 지지축(23)과 제2 플레이트(53)에는 분사 노즐(72)과 가스 공급관(71)을 연결하는 가스 유로(24)가 형성된다. 불활성 가스 아르곤 가스 또는 헬륨 가스일 수 있다.

전술한 냉각 장치(200) 구성에 따라, 냉각수 순환부(60)는 몰드 지지대(16)를 냉각시켜 임펠러 몰드(30)를 간접적으로 냉각시키고, 가스 냉각부(70)는 임펠러 몰드(30)의 중앙 하부에서 임펠러 몰드(30)의 중심축 방향을 따라 불활성 가스를 직접 분사하여 임펠러 몰드(30)를 직접 냉각시킨다.

따라서 임펠러(40)의 냉각 속도를 높여 임펠러(40)의 조직을 미세화시킬 수 있고, 그 결과 강성이 우수한 임펠러(40)를 제작할 수 있다. 이때 임펠러 몰드(30)의 냉각 방향은 임펠러 몰드(30)의 하부에서 상부를 향하는 방향이며, 이는 임펠러 몰드(30)의 날개면(33)으로부터 기저면(35)을 향하는 방향으로서 임펠러 몰드(30)의 중심축 방향과 일치한다.

냉각 장치(200)는 승하강 장치(80)(도 1 참조)와 연결되어 그 높이가 조절된다. 승하강 장치(80)는 지지축(23)과 연결된 도시하지 않은 모터와 기어 박스를 포함하며, 냉각 장치(200)는 승하강시 이동이 원활하도록 적어도 2개의 이동 가이드(25)를 포함한다. 지지축(23)과 이동 가이드(25)는 제2 플레이트(53)의 하부에 고정되고, 기밀 챔버(11)의 내부와 외부에 걸쳐 위치한다. 기밀 챔버(11)의 내부 바닥면에는 지지축(23)과 이동 가이드(25)를 지지하는 베어링 블록(26)이 설치된다.

이동 가이드(25)는 내부가 빈 원통 모양이며 견고한 금속재로 형성된다. 공급 배관(61)과 가스 공급관(71)은 어느 하나의 이동 가이드(25) 내부에 위치하고, 배출 배관(63)은 다른 하나의 이동 가이드(25) 내부에 위치할 수 있다. 따라서 이동 가이드(25)를 이용하여 공급 배관(61), 가스 공급관(71), 및 배출 배관(63)을 둘러싸 보호할 수 있다. 승하강 장치(80)는 임펠러 몰드(30)를 승하강시켜 도가니(13)에 대한 임펠러 몰드(30)의 상대 높이를 조절하는 역할을 한다.

다음으로, 전술한 임펠러 진공 주조 장치(100)를 이용한 임펠러(40)의 주조 방법에 대해 설명한다.

임펠러 주물은 인베스트먼트 주조법(또는 로스트 왁스 프로세스)으로 주조한다.

임펠러 주물을 주조하기 위해 먼저 왁스로 제작된 임펠러 모형을 사용하여 임펠러 몰드(30)를 제조한다. 임펠러 몰드(30)는 통상의 인베스트먼트 주조법에 따라 제조한다. 여기서, 임펠러 몰드(30)에 부착되는 압탕(17)은 직탕식으로 부착하며, 임펠러 날개면(33)이나 에지면(34)과 같이 두께가 얇은 곳에도 적당히 용탕이 스면들 수 있도록 압탕(17)의 체적은 적어도 임펠러의 체적보다 크게 제작한다.

그리고 임펠러 몰드(30)의 외부에는 일정한 보온을 유지하는 단열재를 피복할 수 있으며, 이 경우 용탕이 임펠러 몰드(30)의 구석까지 균일하게 스며들게 할 수 있다.

제조된 임펠러 몰드(30)를 진공 주조 장치(100)에 장착하고, 도가니(13)에는 금속 원재료를 장입한다. 임펠러 제조를 위하여 사용되는 금속 원재료는 초내열 합금 또는 니켈 합금을 사용하며, 바람직하게 인코넬 714LC를 사용할 수 있다.

사용한 금속 원재료의 일 예인 인코넬 713L의 조성은 하기 표 1과 같다.

도가니(13) 내에 금속 원재료를 장입하고, 아울러 임펠러 몰드(30)를 몰드 지지대(16) 상부에 지지한 상태에서 흡입 펌프(122)를 작동시켜 기밀 챔버(11) 내부를 진공으로 유지한다. 이 상태에서 질소 가스나 아르곤 가스와 같은 불활성 가스를 선택적으로 주입하여 기밀 챔버(11) 내부를 불활성으로 유지할 수 있다.

이어서 고주파 유도가열 코일(14)에 전류를 인가하여 도가니(13) 내부의 금속 원재료를 용융시킨다. 이때 금속 원재료의 용융 온도는 1600℃ 내지 1680℃로 하고, 임펠러 몰드(30)의 온도는 1000℃ 내지 1100℃로 유지한다.

용융된 금속 원재료의 용탕은 회전 장치(15)의 작동에 의한 도가니(13)의 회전으로 임펠러 몰드(30)의 상부(주입구)에 주입된다. 용탕이 주입된 임펠러 몰드(30)는 비교적 온도가 낮은 몰드 지지대(16)의 영향으로 냉각되기 시작한다. 임펠러 몰드(30)는 두께가 얇은 블레이드(42) 부분부터 급속히 응고되어 덴드라이트 형상으로 응고된다.

아울러 냉각 장치(200)의 가스 냉각부(70)가 작동하여 불활성 가스가 분사 노즐(72)에서 분출되어 임펠러 몰드(30)의 오목부(36)를 급속 냉각시킨다. 그 결과, 임펠러 몰드(30)에서 응고되지 않은 중심 체적부가 급속히 냉각되어 주조 조직을 미세하게 응고시킨다.

이때 사용한 불활성 가스는 질소, 아르곤, 또는 헬륨 가스일 수 있다. 또한, 불활성 가스의 분사로 인한 임펠러 몰드(30)의 냉각 속도는 100℃/min 내지 150℃/min일 수 있다.

이상과 같은 공정으로 응고된 임펠러(40)는 압탕(17)을 절단한 다음 필요에 따라 표면 가공을 하여 사용한다.

[실시예]

통상의 인베스트먼트 주조법에 따라 제조된 임펠러 몰드(30)를 진공 주조 장치(100) 내부에 위치하는 몰드 지지대(16) 상부에 장착하였다. 그리고 도가니(13) 내부에는 인코넬 713LC 조성을 가지는 금속 원재료를 장입하였다.

이와 같이 준비된 상태에서 고주파 유도가열 코일(14)에 전류를 인가하여 도가니(13) 내부의 금속 원재료를 용융시켰다. 이때 금속 원재료의 용융 온도는 1600℃ 내지 1680℃이었다.

다음으로 1000℃ 내지 1100℃로 유지하는 임펠러 몰드(30) 내로 도가니(13)를 회전시켜 용융된 금속을 주입하였다. 그 다음 냉각 장치(200)의 냉각수 순환부(60) 만을 작동시켜 몰드 지지대(16)를 냉각시킨 상태로 임펠러 몰드(30)를 냉각시켰다. 이와 같은 조건으로 냉각되어 주조된 임펠러(40)를 실시예 1이라 한다.

그리고 상기 실시예 1과 동일한 재료와 조건으로 용탕을 임펠러 몰드(30)에 주입한 다음 냉각 장치(200)의 냉각수 순환부(60)와 가스 냉각부(70)를 동시에 작동시켜 임펠러 몰드(30)의 오목부(36)에 아르곤 가스를 분사 노즐(72)을 통해 분사시켜 임펠러 몰드(30)를 급속 냉각하였다. 이와 같은 조건으로 냉각되어 주조된 임펠러(40)를 실시예 2라 한다.

이상의 실시예 1과 실시예 2에 따라 주조된 주물에서 임펠러 몰드(30)와 압탕(17)을 제거하여 임펠러들(40)을 제조하였다.

제조된 임펠러들(40)은 도 4의 A-A면을 따라 절단한 다음 절단면을 연마 및 부식하여 육안 및 광학 현미경으로 주조 조직을 관찰하였다. 또한, 제조된 임펠러들(40)은 ASTM E8에 따라 인장 강도, 항복 강도, 및 연신율 등과 같은 기계적 특성을 측정하였다.

도 7a와 도 7b는 각각 실시예 1과 실시예 2에 따라 주조된 임펠러의 종단면 결정조직 사진이다.

도 7a에서 알 수 있듯이, 실시예 1에 의하여 주조된 임펠러는 임펠러 몰드의 벽에서부터 대략 수직한 방향으로 수지상정(dendrite)이 발달하여 임펠러의 중심부에는 조대한 결정립이 형성되어 있다.

이에 반하여 도 7b에서와 같이 실시예 2에 의하여 주조된 임펠러는 임펠러 몰드의 벽에서부터 가까운 부분(즉, 표면 부분)에는 수지상정(dendrite)이 형성되었으나, 임펠러의 내부 중심부에는 강제 냉각에 따른 미세한 결정립이 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 이때 육안으로 관찰할 경우 중심부의 평균 결정립의 직경이 5mm 이하였으며, 결정립의 크기가 균일하고 결정입계도 치밀하였다.

도 8a와 도 8b는 실시예 1에 따라 주조된 임펠러의 단면 중심부를 관찰한 현미경 사진이고, 도 9a와 도 9b는 실시예 2에 따라 주조된 임펠러의 단면 중심부를 관찰한 현미경 사진이다.

도 8a(스케일바는 250㎛임)에서 알 수 있듯이, 실시예 1에 의하여 주조된 임펠러의 미세 조직은 그 결정립의 직경이 큰 조대 결정립이며, 결정입계의 폭이 굵고 검은 반점이 나타났다. 도 8a를 더욱 확대한 도 8b(스케일바는 50㎛임)에는 결정입계에 검은색 반점이 몰려 있는 것을 알 수 있다. 이러한 검은색 반점은 탄화물(carbide)로서 결정입계에 집중해서 석출되어 있다.

그러나 도 9a(스케일바는 250㎛임)에서 알 수 있듯이, 실시예 2에 따라 주조된 임펠러의 미세 조직은 그 결정립이 극히 미세하면서 결정입계의 폭이 가늘고 부식 후 광학 현미경으로 관찰한 평균 결정립의 직경은 250㎛ 이하로 나타났다. 이를 더욱 확대한 도 9b(스케일바는 50㎛임)에는 결정입계에 탄화물(carbide)과 같은 이물질이 석출되어 있지 않은 것을 알 수 있다. 이러한 사실은 급속한 응고에 의하여 탄화물을 형성하는 원소가 결정입계로 확산되지 않고 결정립 내에 고르게 분산되어 있기 때문이다.

다음으로, 실시예 1 및 실시예 2에 따라 주조된 임펠러의 기계적 특성을 조사하기 위해 주조된 임펠러를 도 4의 A-A선을 따라 절단한 다음 도 10에서 직사각형으로 나타난 부분과 같이 시험편을 절취하였다. (도 10은 실시예 2에 따라 주조된 임펠러이다.)

인장 시험을 위해 절취한 시편은 도 10에서 도 4의 A-A선과 대략 평행한 3개의 시편 중에서, 좌측이 실시예 1과 실시예 2의 No. 21 시편이고, 중앙이 실시예 1과 실시예 2의 No. 22 시편이며, 우측이 실시예 1과 실시예 2의 No. 23 시편의 위치이다.

이와 같이 절취한 시편에 대하여 HIP 처리 및 열처리한 다음 인장 시험을 하였고, 실시예 1과 실시예 2에 대한 결과를 각각 하기 표 2와 하기 표 3에 나타내었다.

표 2와 표 3에서 알 수 있듯이 실시예 2에 의한 임펠러는 상온에서의 기계적 특성뿐만 아니라 고온에서의 기계적 특성이 실시예 1에 의한 임펠러보다 10% 내지 20% 우수한 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다. 이러한 기계적 특성의 차이는 실시예 1과 실시예 2에 따른 임펠러의 미세 조직의 차이에 기인한 것이다.

이와 같이 표 2와 표 3에서의 인장 시험 결과를 도 11에 나타내었다.

도 11a와 도 11b는 각각 실시예 1과 실시예 2에 따라 주조된 임펠러의 기계적 특성을 나타낸 그래프이다. 도 11a와 도 11b에서 T.S는 인장 강도를 나타내고, Y.S는 항복 강도를 나타내며, EL은 연신율을 나타낸다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100: 임펠러 진공 주조 장치 11: 기밀 챔버
12: 진공 형성부 13: 도가니
14: 고주파 유도가열 코일 15: 회전 장치
16: 몰드 지지대 200: 냉각 장치
30: 임펠러 몰드 40: 임펠러
50: 냉각수 수용부 60: 냉각수 순환부
70: 가스 냉각부 72: 분사 노즐

Claims (19)

1. 흡입 펌프와 연결되어 내부를 진공으로 유지하는 기밀 챔버;
   상기 기밀 챔버 내부에 위치하며 고주파 유도가열 코일로 둘러싸인 도가니;
   상기 기밀 챔버 내부에서 상기 도가니 하부에 위치하고, 압탕이 연결된 임펠러 몰드를 지지하는 몰드 지지대;
   상기 임펠러 몰드를 향해 불활성 가스를 분사하는 가스 냉각부; 및
   상기 몰드 지지대와 접촉하며 순환 냉각수에 의해 상기 몰드 지지대를 냉각시키는 냉각수 수용부
   를 포함하며,
   상기 임펠러 몰드는 내벽에 날개면과 에지면 및 기저면을 형성하고, 상기 날개면이 상기 몰드 지지대를 향하도록 배치되며, 상기 날개면 하부에서 임펠러의 구동축 수용부에 대응하는 오목부를 포함하고,
   상기 몰드 지지대는 상기 오목부와 연통하는 개구부를 형성하며,
   상기 가스 냉각부는 상기 개구부를 관통하여 상기 오목부의 내측에 위치하는 분사 노즐을 포함하고, 상기 분사 노즐에서 상기 임펠러 몰드의 축 방향을 따라 상기 불활성 가스를 분사하는 임펠러 진공 주조 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 가스 냉각부는, 상기 분사 노즐과 연결되며 상기 기밀 챔버의 내부와 외부에 걸쳐 위치하는 가스 공급관을 더 포함하는 임펠러 진공 주조 장치.
4. 삭제
5. 제3항에 있어서,
   상기 냉각수 수용부는 내부에 냉각수 수용 공간을 형성하며, 냉각수 순환부와 연결되어 상기 냉각수 수용 공간으로 냉각수를 제공받고, 냉각에 사용된 냉각수를 배출하는 임펠러 진공 주조 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 냉각수 수용부는,
   상기 기밀 챔버의 내부에 위치하며 상기 몰드 지지대와 면접촉을 하는 제1 플레이트; 및
   상기 제1 플레이트와의 사이에 상기 냉각수 수용 공간을 형성하면서 상기 제1 플레이트의 하부에 고정되는 제2 플레이트
   를 포함하는 임펠러 진공 주조 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 냉각수 순환부는, 상기 기밀 챔버의 내부와 외부에 걸쳐 위치하면서 상기 제2 플레이트를 관통하여 상기 냉각수 수용 공간과 연결되는 공급 배관 및 배출 배관을 포함하는 임펠러 진공 주조 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 냉각수 수용부는, 상기 제1 플레이트의 중앙에 위치하며 상기 몰드 지지대의 개구부를 관통하여 상기 몰드 지지대의 상부로 돌출되는 노즐 보호부를 더 포함하는 임펠러 진공 주조 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 노즐 보호부는 상단에 관통홀을 형성하고, 상기 분사 노즐의 일단은 상기 노즐 보호부의 관통홀에 끼워져 고정되며, 상기 관통홀 하부의 상기 노즐 보호부 내벽은 상기 분사 노즐의 외경보다 큰 직경을 가지는 임펠러 진공 주조 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 냉각수 순환부는, 상기 공급 배관과 연결되어 냉각수를 제공받고 상기 분사 노즐과 상기 노즐 보호부의 사이 공간으로 냉각수를 분사하는 분사 배관을 더 포함하는 임펠러 진공 주조 장치.
11. 제3항, 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기밀 챔버의 외부에서 상기 냉각수 수용부와 연결되어 상기 냉각수 수용부와 상기 몰드 지지대의 높이를 조절하는 승하강 장치를 더 포함하는 임펠러 진공 주조 장치.
12. 제11항에 있어서,
    상기 냉각수 수용부를 지지하는 지지축과, 상기 냉각수 수용부의 승하강시 이동을 원활하게 하는 복수의 이동 가이드를 더 포함하며,
    상기 지지축과 상기 복수의 이동 가이드는 상기 기밀 챔버의 내부와 외부에 걸쳐 위치하는 임펠러 진공 주조 장치.
13. 제12항에 있어서,
    상기 이동 가이드는 내부가 빈 원통 모양으로 형성되고, 상기 가스 공급관과 상기 공급 배관은 어느 하나의 이동 가이드 내부에 위치하며, 상기 배출 배관은 다른 하나의 이동 가이드 내부에 위치하는 임펠러 진공 주조 장치.
14. 제1항의 임펠러 진공 주조 장치를 이용한 인베스트먼트 주조법으로 주조되는 임펠러에 있어서,
    니켈 합금과 인코넬 713LC 중 어느 하나의 금속 원재료를 사용하고,
    상기 임펠러 진공 주조 장치에서 주조되며,
    응고된 주조 조직을 육안으로 관찰하여 상기 임펠러의 표면 부분은 수지상정이고, 상기 임펠러의 중심부는 평균 결정립의 직경이 5mm 이하인 미세 결정립으로 이루어진 주조 조직을 포함하는 주조 임펠러.
15. 제14항에 있어서,
    상기 주조 조직은 광학 현미경으로 관찰하여 상기 중심부의 평균 결정립의 직경이 250㎛ 이하인 주조 임펠러.
16. 제15항에 있어서,
    상기 주조 조직은 탄화물을 형성하는 원소가 결정입계로 확산되지 않고 결정립 내에 고르게 분산되어 있는 주조 임펠러.
17. 제16항에 있어서,
    상기 임펠러는 상온에서의 인장 강도(T.S)가 790MPa 내지 874MPa이고, 항복 강도가 721MPa 내지 819MPa인 주조 임펠러.
18. 삭제
19. 제1항의 임펠러 진공 주조 장치를 이용하는 임펠러의 주조 방법에 있어서,
    상기 임펠러 진공 주조 장치 내부에 설치된 상기 도가니에 니켈 합금과 인코넬 713LC 중 어느 하나의 금속 원재료를 장입하는 단계;
    인베스트먼트법으로 제조되고 상기 압탕이 부착된 상기 임펠러 몰드를 상기 몰드 지지대 상부에 지지하는 단계;
    상기 임펠러 진공 주조 장치를 진공으로 유지하고 고주파 유도 가열 코일을 작동하여 상기 금속 원재료를 용융시키는 단계;
    상기 도가니를 회전시켜 용탕을 상기 임펠러 몰드에 주입하는 단계; 및
    상기 냉각수 수용부를 이용하여 상기 몰드 지지대를 냉각시키고, 상기 가스 냉각부를 작동시켜 상기 임펠러 몰드의 오목부에 상기 임펠러 몰드의 축 방향을 따라 불활성 가스를 분사하여 상기 임펠러 몰드를 급속 냉각시키는 단계
    를 포함하는 임펠러 주조 방법.

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