KR102334892B1 - 자동차용 TiAl계 터보차저 터빈휠 제조방법 - Google Patents

자동차용 TiAl계 터보차저 터빈휠 제조방법 Download PDF

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Abstract

본발명은 자동차용 TiAl계 터보차저 터빈휠 제조방법에 관한 것으로, 자동차용 TiAl계 터보차저 터빈휠 제조방법에 있어서, 진공유도가열로에서 타이타늄을 용해하여 터보차저 터빈휠 모양의 주형에 주입하여 터보차저 터빈휠을 제조하는 것으로, 본발명은 진공유도가열로, 왁스모형, 및 세라믹 주형에 의해 타이타늄 합금으로 자동차용 TiAl계 터보차저 터빈휠을 제조하여 저비중, 고강도, 고내식성, 고온강도의 터보차저 터빈휠을 제조하는 현저한 효과가 있다.

Description

자동차용 TiAl계 터보차저 터빈휠 제조방법{Manufacturing method of TiAl-based turbocharger turbine wheel for automobile}
본발명은 자동차용 TiAl계 터보차저 터빈 휠 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 TiAl 합금을 진공정밀주조 공정에 의해 제조하는 자동차용 TiAl계 터보차저 터빈휠 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 타이타늄 합금은 저비중, 고강도, 고내식성, 고온강도의 우수성 등 탁월한 성질을 갖고 있는 수송기계용 부품으로 적용 시 가격이 다소 상승한다는 문제점을 제외하고는 모든 면에서 경량화 소재로서의 해법을 제시하고 있는 매력적인 소재이다.
최근 자동차 부품이나 모터사이클, 상용차, 철도, 항공기 분야에서 경량소재 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 타이타늄 합금은 무한한 가능성을 인정받고 있다.
타이타늄 합금의 경우는 차세대 경량화 재료의 대표적 소재로 평가되고 있는 만큼 철강재료와 동등이상의 강도가 요구되는 부품, 탁월한 내식성이 필요 부품, 고온 환경에서도 견뎌야하는 부품 등 극한 환경에서 기능과 성능을 발휘하여 차량의 경량화효과를 최대한 얻고자하는 부품에 적용된다.
특히 자동차 부품의 경량화가 최근 많은 발전을 이루고 있고, 가장 경량화가 절실한 부품이나, 그 동안 알루미늄이나 마그네슘 등의 소재로 경량화를 할 수 없었던 부품을 대상으로 추진되고 있는 추세이며,
그 대표 적인 예로 배기 매니폴드, 머플러, 엔진밸브, 밸브 스프링 리테이너, 서스펜션 스프링, 코넥팅 로드, 터보차저 휠 등의 부품에 적용된다.
곧 전 세계적으로 친환경 자동차에 관심이 고조되면서 일본, 미국 및 유럽의 주요 자동차 생산국에서 승용차를 시작으로 연비 및 배기가스에 대한 환경 관련 법 규제가 대폭 강화되고 있는 추세이고 이에 따라 자동차의 경량화를 통한 연비의 향상과 환경오염 및 터보차저 기술 개발이 필수적이다.
그 동안 탄소저감에 따른 자동차 산업에서의 새로운 명제는 디젤엔진차량에 대해서만 터보차저가 장착 되었으나 연비향상이 절실하여 세계적 자동차 업계에서는 가솔린 엔진에도 이를 적용하고 있다. 국내에서는 그 동안 터보차저 임펠러를 전량 수입에 의존하여 왔으며, 환율과 소재원가 상승문제로 많은 어려움을 겪고 있는 실정이다.
일례로서, 등록특허공보 등록번호 10-1960715호에는 임펠러의 제조 방법이 공개되어 있다. 또한, 공개특허공보 10-2008-003196호에는 터빈 또는 컴프레셔 휠의 제조방법이 공개되어 있다.
현재 국내 완성차업계에 터보차저 모듈을 공급하고 있는 회사들은 터보차저의 국내개발을 위하여 노력을 집중시키고 있는 상황이다. 이러한 터보차저는 엔진에서 배출되는 가스 환경에서 사용되는 임펠러용으로 초내열합금인 Ni-Base, Inconel 713C 합금을 일반적으로 널리 이용 되고 있다.
현재까지 개발된 타이타늄의 주형은 동(Cu), 고순도 흑연블럭, Ta 및 Nb 등의 영구주형을 사용하여 간단한 형상의 주조품을 제조하는데 반해, 복잡한 형상의 주물을 제조하는 데는 rammed 흑연, ZrO2 및 Y2O3 등을 이용한 정밀주조 주형을 사용하고 있다. 독일의 ALD 사에서는 Ta 및 Nb 금형을 이용하여 타이타늄에 비해 200℃ 이상 융점이 낮은 TiAl 합금의 주조품을 제조하는 주형으로 적용하고 있으나, 금형의 열간 균열, 열화 및 낮은 생산수율의 문제점을 보완해야 한다. 또한, 1950년대 개발 초기부터 현재까지 타이타늄의 주조에 활용되고 있는 rammed 흑연 주형은 소형부품 및 최대 600kg에 이르는 대형부품이 군수산업 분야를 중심 제조되고 있다. 하지만 흑연주형은 고온의 환원성 분위기에서 소성시켜야하며, 특히 흑연 주형의 높은 열전도도로 인한 급랭은 오히려 티타늄 합금의 충전성 저하를 유발하게 되어 탕경, 수축공과 같은 주조결함이 발생하는 문제점이 있다. 또한, 현재는 독일과 미국에서 독점적으로 ZrO2와 CaO, 안정화 ZrO2 및 Y2O3를 바탕으로 주형재료를 시판하고 있으나, 고가이면서도 2~300㎛ 정도의 계면반응을 완전히 제거할 수 없다는 한계가 있다.
TiAl 합금은 타 경량 금속에 비해 유동도가 매우 떨어지고, 산소친화력이 매우 높은 특징이 있다.
주형 재질에 따라 용해 주조 공정시 용해된 TiAl 합금이 주형 및 용해로 내에 존재하는 산소에 의해 계면(표면)에 산화층을 형성시키고, 이러한 산화층은 기계적 물성 저하 및 주조 품질 저하등의 문제점을 야기하는 것이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본발명은 진공유도가열로, 왁스모형, 및 세라믹 주형에 의해 타이타늄 합금으로 자동차용 TiAl계 터보차저 터빈휠을 제조하여 저비중, 고강도, 고내식성, 고온강도의 터보차저 터빈휠을 제조하는 자동차용 TiAl계 터보차저 터빈휠 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본발명은 자동차용 TiAl계 터보차저 터빈휠 제조방법에 관한 것으로, 자동차용 TiAl계 터보차저 터빈휠 제조방법에 있어서, 진공유도가열로에서 타이타늄을 용해하여 터보차저 터빈휠 모양의 주형에 주입하여 터보차저 터빈휠을 제조하는 것을 특징으로 한다.
따라서 본발명은 진공유도가열로, 왁스모형, 및 세라믹 주형에 의해 타이타늄 합금으로 자동차용 TiAl계 터보차저 터빈휠을 제조하여 저비중, 고강도, 고내식성, 고온강도의 터보차저 터빈휠을 제조하는 현저한 효과가 있다.
도 1은 본발명의 자동차용 TiAl계 터보차저 터빈휠 제조공정도
도 2는 본발명의 보조챔버 사진
도 3은 본발명의 제품 사진
도 4는 본발명의 왁스모형위에 코팅되는 주형사진
도 5는 본발명의 주형의 스파이럴 부위사진
본발명은 자동차용 TiAl계 터보차저 터빈휠 제조방법에 관한 것으로, 자동차용 TiAl계 터보차저 터빈휠 제조방법에 있어서, 진공유도가열로에서 타이타늄을 용해하여 터보차저 터빈휠 모양의 주형에 주입하여 터보차저 터빈휠을 제조하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주형은 스파이럴(spiral) 타입인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 진공유도가열로의 용해 챔버 하단에 별도의 보조 챔버를 설치하여 주형에 예열기능을 가지게 하는 것을 특징으로 한다.
본발명을 첨부도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본발명의 자동차용 TiAl계 터보차저 터빈휠 제조공정도, 도 2는 본발명의 보조챔버 사진, 도 3은 본발명의 제품 사진, 도 4는 본발명의 왁스모형위에 코팅되는 주형사진, 도 5는 본발명의 주형의 스파이럴 부위사진이다.
타이타늄 용해 및 주조에 의한 부품을 제조하는 데는 액체 상태에서 산소 등의 가스 상과 반응이 커서 반드시 진공에서 조업이 수행되어야 한다. 고온의 용융 상태에서는 주조 과정 중에 주형재와도 반응이 일어나기 때문에 주조품의 오염을 야기 시키기 때문에 높은 기술 수준을 요구한다.
또한 타이타늄은 주조 유동성이 낮기 때문에 완전한 주조품의 형상을 제조하는데 어려움이 있다.
본 발명에서 사용할 주형은 스파이럴(spiral) 방식이며 이의 적용을 위해 진공유도가열로의 용해 챔버 하단에 주형의 예열기능을 가진 별도의 보조 챔버를 설치하는 것이다. 이 예열 챔버에서는 상승-하강이 가능한 리프트(lift) 기능을 추가하여 가열된 몰드에 용탕의 주입(pouring)이 용이하도록 구성하였다.
주형 예열을 위한 히터는 Sheath heater 방식을 사용하였다. Sheath heater는 전열 히터로서, 금속관의 중심에 열선을 넣고 절연재인 MgO 가루를 충진시켜 코일 형태로 가공한 전열선과 보호관 사이를 전열시킨 상태로 외경 압축하여 제작한다.
일반적인 발열체 히터의 경우 열선이 노출되어 있어 반복사용 시 표면의 산화피막이 분해되므로 진공/환원 분위기에서는 사용온도가 낮아지는 문제점이 있고, 내구성이 저하되는 문제가 있음. 반면 sheath heater는 본 과제에서 추구하는 주형예열 환경에서 상대적으로 안정하며 특히 고진공 하에서 최대 700℃까지 사용이 가능하다.
용해 챔버 하단에 위치하는 주형 예열 챔버의 내부 공간 크기는 사용할 주형의 크기에 맞추어 유효 공간 180 x 180 (단위; mm)의 크기로 제작되었다.
주형 가열 온도는 500℃로 셋팅한다.
Sheath heater 의 spec 상 최대 온도는 600℃ 이하의 조건에서 외부 발열체 온도와 실제 도가니와의 온도 차이는 100℃ 로 유지되나, 고온에서 안정화 되는 경우 50℃ 미만으로 감소한다.
세라믹 주형을 특정 온도에서 예열할 경우 본 주형 예열 시스템에서 1시간 이상 유지하면, 내/외부의 온도 편차가 균일해진다.
주형재료는 Al2O3, ZrSiO4, 또는 Y2O3 로 spiral 주형을 제조한다.
Ti 합금은 1600℃ 이상에서 산소와 매우 높은 친화력을 갖는 것으로 알려져 있다. SiO2 및 MgO 등의 자유에너지가 TiO2 보다 더 높은 것을 Ellingham diagram으로 확인이 가능하다. 즉 이러한 거동은, SiO2 및 MgO 로부터 유리된 산소가 Ti 와 결합하여 산화물을 형성하여 Alpha case를 만들고 이는 기계적 성질을 저하시키는 요인이다. 따라서 주형 재질에 대한 선택은 매우 중요하다.
실제로 Ti와 산소가 고용체를 이루어 침입형 산화물로 형성될 때 산소의 함량에 따라 기계적 성질이 좌우됨. 산소의 농도에 따라 인장강도와 항복강도, 경도는 증가하고 연신율은 감소하여 재료가 취성을 띄게 됨에 따라 피로 내구성에 심각한 문제성을 야기한다.
본발명은 TiAl계 합금의 원심주조를 통해 최종 제품인 터보차저용 터빈 휠을 제작하며, 원심주조 시 사용할 수 있는 주형 재질의 선택을 돕기 위해 유동도의 관점에서 주형의 적합성 연구가 있어야 한다.
Y2O3 는 Ti 와의 반응이 가장 적은 물질로써 Ti의 주형 재질로 가장 우수한 성능을 보이나, 가격 경쟁력이 낮다는 단점이 있다. 그러나 최근 가격의 안정화가 이루어지고 있다.
즉, Al2O3, ZrSiO4, Y2O3 의 3종의 주형을 Spiral type 의 주형으로 제작한다.
본래 ASTM 규격은 바깥쪽에 fluidity test를 위한 용융물의 Pouring을 하게 되어 바깥쪽부터 안쪽으로 채워지는 결과를 통해 유동성을 확인하였으나, 개발한 주형 예열 시스템에 최적화 될 수 있도록 Pouring cup을 중심부에 붙여 Ti-Al 합금의 용융물이 출탕 시 중심으로부터 바깥쪽으로 이동하면서 유동 흐름을 관찰 할 수 있도록 제작한다.
Wax 모형 제작용 금형 몰드에 wax를 ~ 30 kg/cm2, 합성수지는 ~ 80 kg/cm2 의 압력으로 주입하여 모형을 만들고, wax 모형에 제조하고자 하는 물질과 점결제인 ethyl silicate 등을 혼합한 내화재료를 도포한다.
모형을 실온에서 건조하여 경화시킨 뒤, 주형재에 매몰하고 다짐. 후 주형을 가열하여 Wax를 용출시켜 제작을 완료하는 공정으로 세라믹 주형을 완성한다.
Al2O3, ZrSiO4, 또는 Y2O3 의 3가지중 어느 하나 재질로 주형 제조를 완성한다.
주형은 스파이럴타입으로 상부에는 나팔모양의 상광하협의 주입구가 형성되고 상기 주입구의 하단에는 스파이럴이 결합되며, 상기 스파이럴 하부에는 터보차저 터빈휠 모양의 주형몸체가 결합된다.
내 용 조 건
진공도(Torr) 3.0×10- 2Torr ~ 5.0×10- 2Torr
원심력(RPM) 250
몰드 예열온도 700℃ ± 20℃
용탕 주조 온도 1650℃ ± 20℃
표 1은 작업조건표이다.
1. 인장강도 480MPa
2. 항복강도 400MPa
3. 인장강도(900℃) 550MPa
4. 항복강도(900℃) 410MPa
5. 연신율(900℃) 2.5%
6. Alpha-Case 30㎛
7. 내구성 시험(예측) 1000℃, 100,000hrs 75MPa 이상
8. 내산화성 시험(1000℃) 10㎎/㎠ 이하
표 2는 제품성능표이다.
따라서 본발명은 진공유도가열로, 왁스모형, 및 세라믹 주형에 의해 타이타늄 합금으로 자동차용 TiAl계 터보차저 터빈휠을 제조하여 저비중, 고강도, 고내식성, 고온강도의 터보차저 터빈휠을 제조하는 현저한 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 자동차용 TiAl계 터보차저 터빈휠 제조방법에 있어서, 진공유도가열로에서 타이타늄을 용해하여 터보차저 터빈휠 모양의 주형에 주입하여 터보차저 터빈휠을 제조하는 것으로, 상기 주형은 스파이럴(spiral) 타입이며, 상기 진공유도가열로의 용해 챔버 하단에 별도의 보조 챔버를 설치하여 주형에 예열기능을 가지게 하는 자동차용 TiAl계 터보차저 터빈휠 제조방법에 있어서,
    상기 예열 보조챔버에서는 상승-하강이 가능한 리프트(lift) 기능을 추가하여 가열된 몰드에 용탕의 주입(pouring)이 용이하도록 구성하며, 주형 예열을 위한 히터는 쉬스히터(Sheath heater) 방식을 사용하는 것으로 상기 쉬스히터(Sheath heater)는 전열 히터로서, 금속관의 중심에 열선을 넣고 절연재인 산화마그네슘(MgO) 가루를 충진시켜 코일 형태로 가공한 전열선과 보호관 사이를 전열시킨 상태로 외경 압축하여 제작하는 것이며,
    주형 가열 온도는 500℃로 셋팅하는 것으로, 쉬스히터(Sheath heater)의 최대 온도는 600℃ 이하의 조건에서 외부 발열체 온도와 실제 도가니와의 온도 차이는 100℃ 로 유지되나, 고온에서 안정화 되는 경우 50℃ 미만으로 감소하며, 세라믹 주형을 일정 온도에서 예열할 경우 1시간 이상 유지하면, 내/외부의 온도 편차가 균일해지며, 주형재료는 Al2O3, ZrSiO4, 또는 Y2O3 로 스파이럴(spiral) 주형을 제조하며, 상기 주형 예열에 최적화 될 수 있도록 주입컵(Pouring cup)을 중심부에 붙여 Ti-Al 합금의 용융물이 출탕 시 중심으로부터 바깥쪽으로 이동하면서 유동 흐름을 관찰 할 수 있도록 제작하며,
    왁스 모형 제작용 금형 몰드에 왁스를 ~ 30 kg/cm2, 합성수지는 ~ 80 kg/cm2 의 압력으로 주입하여 모형을 만들고, 왁스모형에 점결제인 ethyl silicate 을 더 혼합한 내화재료를 도포하며, 모형을 실온에서 건조하여 경화시킨 뒤, 주형재에 매몰하고 다짐. 후 주형을 가열하여 왁스를 용출시켜 제작을 완료하는 공정으로 세라믹 주형을 완성하며, 상기 주형은 스파이럴타입으로 상부에는 나팔모양의 상광하협의 주입구가 형성되고 상기 주입구의 하단에는 스파이럴이 결합되며, 상기 스파이럴 하부에는 터보차저 터빈휠 모양의 주형몸체가 결합되는 것을 특징으로 하는 자동차용 TiAl계 터보차저 터빈휠 제조방법
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