KR102599520B1 - A vacuum investment casting system and method of turbine wheel for a turbocharger - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠의 진공 정밀주조 방법은 소실재료로 터빈 휠의 보스 단부에 다기능 게이트부를 갖는 터빈 휠 주조 왁스제품을 형성하는 단계와, 상기 터빈 휠 주조왁스제품을 런너 주조왁스제품의 게이트부에 대해 결합하여 트리 조립하고, 상기 트리를 이용하여 복수개의 터빈 휠 정밀주조가 가능한 복수개의 터빈 휠 트리 세라믹 쉘 주형을 형성하는 단계와, 진공용해로에서 니켈계 초내열합금 잉곳과 스크랩을 일정 비율 이상 혼합 용융한 니켈계 초내열합금 주조 용탕을 상기 트리 세라믹 쉘 주형의 공동에 주입하는 단계와, 상기 복수개의 터빈 휠 세라믹 쉘 주형의 공동 각각에 상기 니켈계 초내열합금 주조 용탕 충진시 비활성기체를 상기 복수개의 터빈 휠 세라믹 쉘 주형 각각의 허브 측 단부의 비활성기체 주입구를 통해 소정압력 소정시간 동안 불어넣어 상기 터빈 휠 공동 중심부를 급랭시키는 단계와, 진공 상태 소정시간 대기 후 진공 상태에서 취출하여 공냉시키는 단계와, 상기 터빈 휠 주조왁스제품의 다기능 게이트부를 커팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. The vacuum precision casting method of a turbine wheel for a 1050°C turbocharger using nickel-based superheat-resistant alloy scrap according to an embodiment of the present invention forms a turbine wheel casting wax product having a multi-functional gate portion at the boss end of the turbine wheel using the missing material. A step of assembling a tree by combining the turbine wheel casting wax product with the gate portion of the runner casting wax product, and using the tree to form a plurality of turbine wheel tree ceramic shell molds capable of precision casting a plurality of turbine wheels. A step of injecting a molten nickel-based superheat-resistant alloy casting melted by mixing a nickel-based superheat-resistant alloy ingot and scrap at a certain ratio or more in a vacuum melting furnace into the cavity of the tri-ceramic shell mold, and the plurality of turbine wheel ceramic shell molds. When filling the nickel-based super heat-resistant alloy casting molten metal into each cavity, inert gas is blown through the inert gas inlet at the hub side end of each of the plurality of turbine wheel ceramic shell molds at a predetermined pressure for a predetermined time to rapidly cool the center of the turbine wheel cavity. It is characterized in that it includes the step of waiting for a predetermined period of time in a vacuum state, taking it out in a vacuum state and air-cooling it, and cutting the multi-functional gate portion of the turbine wheel casting wax product.
Description
본 발명은 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠, 주형 및 진공 정밀주조 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용하더라도 허브 측 단부를 통해 비활성기체를 주입 급랭시켜 중심부가 특정방향에 대해 취약점 없이 저비용으로 1050℃급 내열성과 최대 250,000rpm에 대한 회전안정성을 제공할 수 있고, 대량생산이 가능한 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠, 주형 및 진공 정밀주조 시스템 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a turbine wheel, mold, and vacuum investment casting system and method for a 1050°C turbocharger using nickel-based heat-resistant superalloy scrap. More specifically, even when MAR M 246 nickel-based superalloy scrap is used, the hub side end By rapidly cooling the center by injecting an inert gas through it, it is possible to provide 1050℃ class heat resistance and rotational stability up to 250,000rpm at low cost without any vulnerability in the center, and 1050℃ class using nickel-based super heat-resistant alloy scrap that can be mass-produced. It relates to turbine wheels, molds, and vacuum investment casting systems and methods for turbochargers.
자동차용 엔진의 고출력화, 고성능화의 일 수단으로써 사용되는 터보차저는 엔진으로부터의 고온 배기가스에 의해 높은 속도(예를 들면 최대 250,000rpm)로 회전되는 터빈 휠을 포함한다. A turbocharger used as a means of increasing output and performance of an automobile engine includes a turbine wheel that is rotated at a high speed (for example, up to 250,000 rpm) by high-temperature exhaust gas from the engine.
터빈 휠은 고온 및 고압의 부식성 배기가스 분위기에서 고속으로 장시간 사용되기 때문에 높은 품질과 내구성이 요구되고 부품 특성상 고도의 치수 정밀도가 요구되어 내열강도와 내식성이 우수한 소재인 Ni(니켈)계 초내열합금을 사용하여 진공 정밀주조법에 의해 제조된다.Turbine wheels require high quality and durability because they are used at high speeds and for long periods of time in a corrosive exhaust gas atmosphere at high temperature and pressure. Due to the nature of the part, high dimensional precision is required, so Ni (nickel)-based super alloy, a material with excellent heat resistance and corrosion resistance, is used. It is manufactured using a vacuum investment casting method.
최근 자동차의 토크 향상, 배기량 저감, 및 엔진다운 사이징에 대한 니즈가 증가함에 따라 승용차 부문으로 터보차저의 사용이 확대되어 디젤엔진에 대해 적용된 800 내지 900 ℃급에서 가솔린 엔진에 대한 900 내지 1,000 ℃급으로 사용 내구온도의 향상이 필요해졌다. Recently, as the needs for increased torque, reduced displacement, and engine downsizing in automobiles have increased, the use of turbochargers has expanded to the passenger car sector, increasing from 800 to 900 ℃ for diesel engines to 900 to 1,000 ℃ for gasoline engines. As a result, it became necessary to improve the operating temperature.
이에 따라, 800 내지 900 ℃급에 일반적으로 사용되던 Inconel 713C나 GR 235 등의 니켈계 내열합금의 재질이 Mar M 246, Mar M 247 등 상위급 소재로 변경이 요구되는데, [표 1]에 나타낸 바와 같이, Mar M 246, Mar M 247은 고온 강도, 고온 크리프, 및 내산화 특성을 향상시키기 위해 Ta, W, Hf 등 고가의 고 융점 금속 원소를 추가해야 하므로 제조비용이 증대되는 문제점이 있다. Accordingly, the materials of nickel-based heat-resistant alloys such as Inconel 713C or GR 235, which were generally used in the 800 to 900 ℃ class, are required to be changed to higher-grade materials such as Mar M 246 and Mar M 247, as shown in [Table 1]. Likewise, Mar M 246 and Mar M 247 have the problem of increasing manufacturing costs because expensive high-melting point metal elements such as Ta, W, and Hf must be added to improve high-temperature strength, high-temperature creep, and oxidation resistance.
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이러한 문제뿐만 아니라 최근 광물자원 수급 불안정 문제를 해소하고 각국 정부의 자원 재활용 관련 규제 강화 정책에 부응하여 스크랩을 재활용하는 방안들이 대형 가스터빈용 터빈 휠 진공 정밀주조 방법 등에서는 연구되고 있지만, 고온에서 고속으로 장시간 사용될 수 있도록 특정방향에 대해 취약점이 전혀 없어야 하는 자동차용 소형 터빈 휠에 대해서는 아직 그 연구조차 전무하다.In addition to these problems, measures to recycle scrap in response to the recent unstable supply and demand of mineral resources and in response to the government's policy of strengthening resource recycling regulations are being studied in the vacuum precision casting method of turbine wheels for large gas turbines. There is no research yet on small turbine wheels for automobiles, which must have no vulnerabilities in a specific direction so that they can be used for a long time.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 니켈계 초내열합금으로 정밀한 기하학적 형상으로 진공정밀 주조된 터빈 휠(10)은 로터 샤프트(30)와 전자빔 용접장치(50)에 의해서 고속회전 안정성이 유지되도록 센터링 상태에서 전자빔 용접되며, 전자빔 용접에 의해 제조된 터빈 로터(20)는 밸런싱 검사장치(60)에 의해서 밸런싱이 검사되고 엄밀한 오차 범위 내에서 회전밸런싱 가공이 이루어진다.In addition, as shown in FIG. 1, the turbine wheel 10, which is vacuum-precision casted with a nickel-based superheat-resistant alloy into a precise geometric shape, is maintained at high speed rotation stability by the rotor shaft 30 and the electron beam welding device 50. Electron beam welding is performed in a centering state, and the turbine rotor 20 manufactured by electron beam welding is inspected for balancing by the balancing inspection device 60, and rotational balancing processing is performed within a strict error range.
전자빔 용접 시 밸런싱 유지를 위하여 상기 터빈 휠(10)의 허브측 단부에 샤프트연결부를 가공하거나, 회전 불균형을 해소하기 위해서 상기 터빈 휠(10) 블레이드의 후방벽을 엄밀한 오차 범윈 내에서 밸런싱 가공하는 데 시간이 많이 걸릴 뿐 아니라 실수를 하기도 쉽고 가공량도 많으며,고품질의 MAR M 246 니켈계 초합금을 낭비하는 문제점도 발생할 수 있다. To maintain balance during electron beam welding, a shaft connection is processed at the hub end of the turbine wheel 10, or the rear wall of the blade of the turbine wheel 10 is processed for balancing within a strict error range to resolve rotational imbalance. Not only does it take a lot of time, it is easy to make mistakes, the amount of processing is large, and the problem of wasting high-quality MAR M 246 nickel-based superalloy can also occur.
본 발명은 이러한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용하더라도 허브 측 단부를 통해 비활성기체를 주입 급랭시켜 중심부가 특정방향에 대해 취약점이 없어 저비용으로 1050℃급 내열성과 최대 250,000rpm에 대한 회전안정성을 제공할 수 있고 대량생산이 가능한 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠, 그 주형 및 진공 정밀주조 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명의 목적은, 동시에, 구체적으로 터빈 휠 왁스제품의 보스측 단부에 다기능 게이트부와 압탕을 설치함으로써 터빈 휠의 허브 측 단부를 비활성기체의 주입구로 이용할 수 있고, 전자빔 용접을 위한 샤프트 연결부를 형성하기 위한 가공량을 현저히 줄일 수 있고, 밸런싱 가공이 용이하며, 고품질의 MAR M 246 니켈계 초합금이 낭비되는 것을 줄일 수 있는 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠, 그 주형 및 진공 정밀주조 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. The present invention was developed to solve this problem, and the purpose of the present invention is to rapidly cool the center by injecting an inert gas through the end of the hub even when using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap, so that the center has no vulnerability in a specific direction, so low cost. Provides a 1050℃ turbocharger turbine wheel, its mold, and a vacuum investment casting system and method using nickel-based super heat-resistant alloy scrap that can provide 1050℃ heat resistance and rotational stability up to 250,000rpm and can be mass-produced. It is done.
More specifically, the object of the present invention is to simultaneously use the hub-side end of the turbine wheel as an inert gas inlet by installing a multi-functional gate portion and a pressure tank at the boss-side end of the turbine wheel wax product, and electron beam welding. For 1050℃ class turbochargers using nickel-based heat-resistant superalloy scrap, which can significantly reduce the amount of processing to form shaft connections, facilitate balancing processing, and reduce waste of high-quality MAR M 246 nickel-based superalloy. To provide a turbine wheel, its mold, and a vacuum investment casting system and method.
본 발명의 일 실시예에 따른 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠의 진공 정밀주조 시스템은 소실재료로 이루어지는 복수개의 터빈 휠 왁스제품; 상기 복수개의 터빈 휠 왁스제품이 각각 결합되고, 하나의 용탕주입컵을 통해서 주입된 니켈계 초내열합금 주조 용탕이 이동하는 런너 왁스제품; 상기 복수개의 터빈 휠 왁스제품과 상기 런너 왁스제품의 트리 조립 후 이루어지는 트리 세라믹 쉘 주형의 공동과, 상기 트리 세라믹 쉘 주형의 공동에서 분기되는 터빈 휠 세라믹 쉘 주형의 공동에 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 니켈계 초내열합금 주조 용탕 주입 시 상기 터빈 휠 세라믹 쉘 주형의 중심부에 특정 방향 취약부가 형성되지 않도록 상기 터빈 휠 왁스제품 각각의 허브 측 단부에 형성되는 비활성기체 주입구를 통해 비활성기체를 주입하여 상기 니켈계 초내열합금 주조 용탕을 급랭시키는 비활성기체 냉각장치를 포함하며,
상기 니켈계 초내열합금 주조 용탕의 주입온도는 소성온도 1050 ℃ 보다 고온인 1360℃ 내지 1450℃가 되게 가열하며, 상기 비활성기체 냉각장치는 상기 비활성기체 주입구에 대해 각각의 비활성기체 주입 분기관을 연결하여 상기 비활성기체를 일정 압력으로 불어넣는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠의 진공 정밀주조 방법은, 소실재료로 터빈 휠의 보스 단부에 다기능 게이트부를 갖는 터빈 휠 주조 왁스제품을 형성하는 단계; 상기 터빈 휠 주조왁스제품을 런너 주조왁스제품의 게이트부에 대해 결합하여 트리 조립하고, 상기 트리를 이용하여 복수개의 터빈 휠 정밀주조가 가능한 복수개의 터빈 휠 트리 세라믹 쉘 주형을 형성하는 단계; 진공용해로로 이동시켜 니켈계 초내열합금 잉곳과 스크랩을 일정 비율 이상 혼합 용융한 니켈계 초내열합금 주조 용탕을 상기 복수개의 터빈 휠 트리 세라믹 쉘 주형의 공동에 주입하는 단계; 상기 복수개의 터빈 휠 트리 세라믹 쉘 주형의 공동 각각에 상기 니켈계 초내열합금 주조 용탕 충진시 비활성기체를 상기 복수개의 터빈 휠 트리 세라믹 쉘 주형 각각의 허브 측 단부의 비활성기체 주입구를 통해 소정압력 소정시간 동안 불어넣어 터빈 휠 공동 중심부를 급랭시키는 단계; 진공 상태 소정시간 대기 후 진공 상태에서 취출하여 공냉시키는 단계; 및 상기 터빈 휠 주조왁스제품의 다기능 게이트부를 커팅하는 단계를 포함하며,
상기 니켈계 초내열합금 주조 용탕을 상기 세라믹 쉘 주형의 공동에 주입하는 단계는 상기 니켈계 초내열합금 잉곳과 스크랩을 일정 비율 이상 혼합하는 단계와, 상기 니켈계 초내열합금 주조 용탕의 주입온도가 소성온도 1050 ℃ 보다 고온인 1360℃ 내지 1450℃가 되게 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The vacuum investment casting system for a turbine wheel for a 1050°C turbocharger using nickel-based superheat-resistant alloy scrap according to an embodiment of the present invention includes a plurality of turbine wheel wax products made of loss material; a runner wax product in which the plurality of turbine wheel wax products are respectively combined and the nickel-based superheat-resistant alloy casting molten metal injected through one molten metal injection cup moves; Nickel-based super heat-resistant alloy scrap is placed in the cavity of the tree ceramic shell mold formed after the tree assembly of the plurality of turbine wheel wax products and the runner wax product, and in the cavity of the turbine wheel ceramic shell mold branching from the cavity of the tree ceramic shell mold. When injecting the nickel-based super heat-resistant alloy casting molten metal, an inert gas is injected through an inert gas inlet formed at the hub side end of each turbine wheel wax product to prevent a weak part in a specific direction from being formed in the center of the turbine wheel ceramic shell mold. It includes an inert gas cooling device that rapidly cools the nickel-based super heat-resistant alloy casting molten metal,
The injection temperature of the nickel-based super heat-resistant alloy casting molten metal is heated to 1360°C to 1450°C, which is higher than the sintering temperature of 1050°C, and the inert gas cooling device connects each inert gas injection branch pipe to the inert gas inlet. This is characterized by blowing the inert gas at a certain pressure.
The vacuum precision casting method of a turbine wheel for a 1050°C turbocharger using nickel-based superheat-resistant alloy scrap according to another aspect of the present invention involves forming a turbine wheel casting wax product having a multi-functional gate portion at the end of the boss of the turbine wheel using the missing material. steps; assembling a tree by combining the turbine wheel casting wax product with the gate portion of the runner casting wax product, and using the tree to form a plurality of turbine wheel tree ceramic shell molds capable of precision casting a plurality of turbine wheels; Injecting the nickel-based superheat-resistant alloy casting molten metal by moving it to a vacuum melting furnace and melting a mixture of nickel-based superheat-resistant alloy ingots and scrap at a certain ratio or more into the cavities of the plurality of turbine wheel tree ceramic shell molds; When filling the nickel-based superheat-resistant alloy casting molten metal into each cavity of the plurality of turbine wheel tree ceramic shell molds, an inert gas is supplied through an inert gas inlet at the hub side end of each of the plurality of turbine wheel tree ceramic shell molds at a predetermined pressure and for a predetermined time. quenching the turbine wheel cavity center by blowing while; Waiting for a predetermined period of time in a vacuum state, then taking it out in a vacuum state and air-cooling it; And cutting the multi-functional gate portion of the turbine wheel casting wax product,
The step of injecting the nickel-based super heat-resistant alloy casting molten metal into the cavity of the ceramic shell mold includes mixing the nickel-based super heat-resistant alloy ingot and scrap at a certain ratio or more, and the injection temperature of the nickel-based super heat-resistant alloy casting molten metal is It is characterized by comprising the step of heating to 1360 ℃ to 1450 ℃, which is higher than the firing temperature of 1050 ℃.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, MAR M 246 니켈계 초합금 잉곳과 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 배합 용융한 MAR M 246 니켈계 초내열합금 주조 용탕을 사용하여 저비용으로 1050℃급 내열성을 제공하면서 최대 250,000rpm에 대해서도 회전안정성을 제공할 수 있도록 전체적으로 균일한 미세조직이 제공되며, 다공질 결함이 없는 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠, 그 주형 및 진공 정밀주조 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, MAR M 246 nickel-based superalloy casting molten metal obtained by mixing and melting MAR M 246 nickel-based superalloy ingot and MAR M 246 nickel-based superalloy scrap is used to provide heat resistance of 1050℃ class at low cost. A uniform microstructure is provided throughout to provide rotational stability even at up to 250,000 rpm, and a turbine wheel for a 1050℃ turbocharger using nickel-based superheat-resistant alloy scrap without porous defects, its mold and vacuum precision casting system, and A method can be provided.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용하여 터보차저용 터빈 휠을 진공 정밀주조 주조 시에 냉각조건을 개선하여 주조결함과 미세조직을 제어할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, casting defects and microstructure can be controlled by improving cooling conditions when vacuum investment casting a turbine wheel for a turbocharger using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, MAR M 246 니켈계 초내열합금 주조 용탕이 주입되는 용탕주입컵에 대해 수직 하방으로 배치되는 런너에 대해 터빈 휠 왁스제품의 보스측 단부에 다기능 게이트부와 압탕을 설치함으로써 터빈 휠의 허브 측 단부를 비활성기체의 주입구로 이용할 수 있으며 동시에 전자빔 용접을 위한 샤프트 연결부를 형성하기 위한 가공량을 현저히 줄일 수 있으며, 상기 보스측 단부에 밸런싱을 위해 특정 영역을 형성하여 밸런싱 가공을 용이하게 실시할 수 있고, 고품질의 MAR M 246 니켈계 초합금이 낭비되는 것을 줄일 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, a multi-functional gate portion is provided at the end of the boss side of the turbine wheel wax product with respect to the runner disposed vertically downward with respect to the molten metal injection cup into which the MAR M 246 nickel-based super heat-resistant alloy casting molten metal is injected. By installing a riser, the hub side end of the turbine wheel can be used as an inert gas inlet, and at the same time, the amount of processing to form a shaft connection for electron beam welding can be significantly reduced, and a specific area is formed at the boss side end for balancing. As a result, balancing processing can be easily performed and waste of high-quality MAR M 246 nickel-based superalloy can be reduced.
도 1은 터보차저용 터빈 로터의 제조방법을 설명하는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용한 터보차저용 터빈 휠의 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용한 터보차저용 터빈 휠의 대량생산용 진공 정밀주조 시스템의 개념도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용한 터보차저용 터빈 휠의 대량생산용 진공 정밀주조 방법을 설명하는 플로우차트이며, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용한 터보차저용 터빈 휠의 대량생산용 진공 정밀주조 방법의 냉각조건을 나타내는 그래프이다.
도 5a 내지 도 5d는 각각 동일조건에서 비활성기체 냉각를 실시하지 않은 경우와 비활성기체 냉각을 실시한 경우의 MAR M 246 니켈계 초내열합금 주조 용탕 응고시 수축율, 기공율, 미성형 경향 및 고상선 도달시간 시뮬레이션 결과를 비교한 그림이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 동일조건에서 비활성기체 냉각을 실시하지 않은 경우와 비활성기체 냉각을 실시한 경우의 터빈 휠의 디스크방향과 단면방향의 미세조직 경향의 시뮬레이션 결과를 비교한 그림이다. 1 is a conceptual diagram explaining a method of manufacturing a turbine rotor for a turbocharger.
Figure 2 is a perspective view of a turbine wheel for a turbocharger using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap according to an embodiment of the present invention.
3A and 3B are conceptual diagrams of a vacuum investment casting system for mass production of turbine wheels for turbochargers using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap according to an embodiment of the present invention.
Figure 4a is a flow chart illustrating a vacuum investment casting method for mass production of turbine wheels for turbochargers using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap according to an embodiment of the present invention, and Figure 4b is an embodiment of the present invention. This is a graph showing the cooling conditions of the vacuum investment casting method for mass production of turbine wheels for turbochargers using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap.
Figures 5a to 5d show simulations of shrinkage rate, porosity, short forming tendency, and solidus line arrival time upon solidification of the MAR M 246 nickel-based superheat-resistant superalloy casting molten metal when no inert gas cooling was performed and when inert gas cooling was performed under the same conditions, respectively. This is a picture comparing the results.
Figures 6a and 6b are diagrams comparing simulation results of the microstructure trends in the disk direction and cross-sectional direction of the turbine wheel when no inert gas cooling was performed and when inert gas cooling was performed under the same conditions, respectively.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail based on the attached drawings.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다.All technical terms used in the present invention, unless otherwise defined, have the following definitions and correspond to the meaning as generally understood by a person skilled in the art in the relevant field of the present invention. In addition, preferred methods and samples are described in this specification, but similar or equivalent methods are also included in the scope of the present invention.
본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, "포함하다" 및 "포함하는"이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.Throughout this specification, unless the context otherwise requires, the words "comprise" and "comprising" include a given step or component, or group of steps or components, but any other step or component, or It should be understood that this implies that no step or group of components is excluded.
먼저 후술하는 도 3a 내지 도 4d의 본 발명의 일 실시예에 따른 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용한 터보차저용 터빈 휠의 대량생산용 진공 정밀주조 시스템 및 방법에 의해서 제조된 터빈 휠(10)에 대해서 상세히 설명한다. First, a turbine wheel 10 manufactured by a vacuum investment casting system and method for mass production of a turbine wheel for a turbocharger using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap according to an embodiment of the present invention shown in FIGS. 3A to 4D, which will be described later. This is explained in detail.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용한 터보차저용 터빈 휠의 사시도이다.Figure 2 is a perspective view of a turbine wheel for a turbocharger using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용한 터보차저용 터빈 휠(10)은 원통형상의 허브(11)와, 상기 허브(11)에 대해 원주방향으로 이격형성 되는 복수개의 블레이드(12)와, 회전 밸런싱 가공을 위하여 특정형상을 갖는 다기능 밸런싱 가공부(15)가 상기 허브(11)의 선단에 형성되는 보스(14) 측 단부에 진공 정밀주조에 의해 제조되도록 구성된다.As shown in FIG. 2, the turbine wheel 10 for a turbocharger using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap according to an embodiment of the present invention includes a cylindrical hub 11 and a circumference of the hub 11. A plurality of blades 12 spaced apart in each direction and a multi-functional balancing part 15 having a specific shape for rotation balancing processing are vacuum precision casted at the end of the boss 14 formed at the tip of the hub 11. It is configured to be manufactured by.
상기 허브(11)의 후단에 형성되는 디스크형 단부(13)는 전자빔 용접시 터빈 휠(10)과 로터 샤프트(30) 사이의 센터링을 위한 샤프트 연결부로써 기능을 할 수 있도록 상기 허브(11) 측을 향해 소정직경의 요홈부(13a)가 소정두께(13b)로 진공 정밀주조로 형성되어 있어서 상기 소정두께(13b)에 대해 적어도 일부만 가공하면 되므로 전자빔 용접 시 센터링을 위한 샤프트 연결부의 가공량이 대폭 감소될 수 있다. The disk-shaped end 13 formed at the rear end of the hub 11 is located on the side of the hub 11 so as to function as a shaft connection for centering between the turbine wheel 10 and the rotor shaft 30 during electron beam welding. Since the groove 13a of a predetermined diameter is formed by vacuum precision casting to a predetermined thickness 13b, at least a portion of the predetermined thickness 13b needs to be processed, so the amount of processing of the shaft connection for centering during electron beam welding is greatly reduced. It can be.
또한, 상기 보스(14) 측 단부에 일체로 진공 정밀주조된 상기 다기능 밸런싱가공부(15)는 상기 터빈 휠(10) 주형의 보스 측 단부에 형성된 다기능 게이트부(15') 절삭 시 밸런싱 가공을 위하여 특정된 것으로, 밸런싱 가공량을 줄일 수 있도록 외주부에 물결무늬(15a)가 형성되어 있을 수 있으며, 또한 주조용탕 주입 후 다기능 게이트부(15')의 절삭이 용이하도록 테이퍼부(15c)를 갖는 내벽(15b)을 가질 수도 있다. In addition, the multi-functional balancing part 15, which is vacuum precision casted integrally at the end of the boss 14, is used for balancing processing when cutting the multi-function gate part 15' formed at the end of the boss side of the turbine wheel 10 mold. As specified, a wave pattern (15a) may be formed on the outer circumference to reduce the amount of balancing processing, and an inner wall having a tapered portion (15c) to facilitate cutting of the multi-function gate portion (15') after injection of molten casting. We can also have (15b).
본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 터빈 휠(10)은 Mar M246 잉곳과 스크랩을 소정의 비율로 배합하여 용융한 주조 용탕을 이용하여 진공상태에서 정밀주조되어 저비용으로 1,050℃ 급의 내열성을 제공할 수 있어서 경제적이기 때문에 그 사용량이 많아지더라도 대량으로 동일한 물성 제공이 가능하여 자동차산업 분야에 널리 적용될 수 있다.The turbine wheel 10 for a turbocharger according to an embodiment of the present invention is precision cast in a vacuum using casting molten metal melted by mixing Mar M246 ingot and scrap in a predetermined ratio to achieve heat resistance of 1,050°C at low cost. Because it is economical to provide, it can be widely applied in the automotive industry because it can provide the same physical properties in large quantities even if its usage increases.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저용 터빈 휠은 Mar M246 잉곳과 스크랩을 사용하여 1,050℃ 급의 내열성을 제공하면서도 고가의 Hf 등이 첨가되지 않아서 대량생산을 해야 하는 자동차 부품에 사용되기에 경제적으로 적합하다.In particular, the turbine wheel for a turbocharger according to an embodiment of the present invention uses Mar M246 ingots and scrap to provide heat resistance of 1,050°C and does not add expensive Hf, so it can be used in automobile parts that require mass production. It is economically suitable for
이제 도 3a 내지 도 4b를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용한 터보차저용 터빈 휠의 대량생산용 진공 정밀주조 시스템 및 진공 정밀주조 방법을 설명한다.Now, with reference to FIGS. 3A to 4B, a vacuum investment casting system and a vacuum investment casting method for mass production of turbine wheels for turbochargers using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap according to an embodiment of the present invention will be described.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용한 터보차저용 터빈 휠의 대량생산용 진공 정밀주조 시스템의 개념도이고, 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용한 터보차저용 터빈 휠의 대량생산용 진공 정밀주조 방법을 설명하는 플로우차트이며, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용한 터보차저용 터빈 휠의 대량생산용 진공 정밀주조 방법의 냉각조건을 나타내는 그래프이다.3A and 3B are conceptual diagrams of a vacuum investment casting system for mass production of turbine wheels for turbochargers using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4A is an embodiment of the present invention. It is a flow chart explaining the vacuum investment casting method for mass production of turbine wheels for turbochargers using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap according to, and Figure 4b shows MAR M 246 nickel-based superalloy scrap according to an embodiment of the present invention. This is a graph showing the cooling conditions of the vacuum investment casting method for mass production of turbocharger turbine wheels.
도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용한 터보차저용 터빈 휠의 대량생산용 진공 정밀주조 시스템(1)은, 소실재료, 예를들어 왁스 또는 밀납으로 이루어지는 복수개의 터빈 휠 왁스제품(10')과, 상기 복수개의 터빈 휠 왁스제품(10')이 각각 결합되고, 하나의 용탕주입컵(3)을 통해서 주입된 니켈계 초내열합금 주조 용탕이 이동하는 런너 왁스제품(5)과, 상기 복수개의 터빈 휠 왁스제품(10')과 상기 런너 왁스제품(5)의 트리 조립 후 이루어지는 복수개의 터빈 휠 세라믹 쉘 주형(9)의 공동(9a) 및 상기 공동(9a)에 상기 런너(5)의 게이트부(5a, 5b, 5c, 5d, 5e)를 통해 각각 연결되는 터빈 휠 공동(10a')에 대해 상기 하나의 용탕주입컵(3)을 통해서 니켈계 초합금 주조 용탕이 주입 충전 시에 상기 터빈 휠 공동(10a')의 중심부에 대해 냉각 속도 차이에 의한 특정 방향 취약부가 형성되지 않도록 상기 터빈 휠 왁스제품(10')의 허브 측 디스크형 단부(13')에 형성되는 비활성기체 주입구(13a')를 통해 니켈계 초합금 주조 용탕을 급랭시키는 비활성기체 냉각장치(70)를 포함할 수 있다 As shown in Figure 3a, the vacuum investment casting system 1 for mass production of turbine wheels for turbochargers using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap according to an embodiment of the present invention includes loss materials, such as wax. Or a plurality of turbine wheel wax products 10' made of beeswax, and a nickel-based super heat-resistant alloy casting in which the plurality of turbine wheel wax products 10' are each combined and injected through one molten metal injection cup 3. A runner wax product 5 through which molten metal moves, a cavity 9a of a plurality of turbine wheel ceramic shell molds 9 formed after tree assembly of the plurality of turbine wheel wax products 10' and the runner wax product 5. ) and the one molten metal injection cup 3 to the turbine wheel cavity 10a', which are respectively connected to the cavity 9a through the gate portions 5a, 5b, 5c, 5d, and 5e of the runner 5. A disc shape on the hub side of the turbine wheel wax product 10' prevents the formation of a weak spot in a specific direction due to a difference in cooling rate with respect to the center of the turbine wheel cavity 10a' when the nickel-based superalloy casting molten metal is injected and filled. It may include an inert gas cooling device 70 that rapidly cools the molten nickel-based superalloy casting through an inert gas inlet 13a' formed at the end 13'.
상기 비활성기체 주입구(13a')는 전자빔 용접시 터빈 휠(10)과 로터 샤프트(30) 사이의 센터링을 위한 샤프트 연결부로서 기능을 하는 소정직경의 요홈부(13a)에 대응한다.The inert gas inlet 13a' corresponds to a groove 13a of a predetermined diameter that functions as a shaft connection for centering between the turbine wheel 10 and the rotor shaft 30 during electron beam welding.
상기 터빈 휠 왁스제품(10')의 보스(14) 측 단부에 밸런싱 가공을 위하여 특정 형상을 갖는 다기능 밸런싱 가공부(15)로서 동시에 기능을 하는 다기능 게이트부(15')를 형성할 수 있다. A multi-functional gate part 15' that simultaneously functions as a multi-functional balancing processing part 15 having a specific shape for balancing processing can be formed at the end of the turbine wheel wax product 10' on the boss 14 side.
상기 다기능 게이트부(15')는 상기 터빈 휠 세라믹 쉘 주형(9)의 공동(9a)으로부터 상기 터빈 휠 공동(10a')으로 니켈계 초내열합금 주조 용탕이 이동하는 게이트부로 기능을 할 뿐만 아니라 상기 비활성기체 주입구(13a')를 통해서 비활성기체가 주입될 때 상기 터빈 휠 공동(10a')내 니켈계 초합금 주조 용탕이 응고 하면서 발생하는 기포, 불순물 또는 내부 결함이 이동하는 게이트부로서의 기능을 할 수도 있다.The multi-functional gate unit 15' not only functions as a gate unit through which the nickel-based super heat-resistant alloy casting molten metal moves from the cavity 9a of the turbine wheel ceramic shell mold 9 to the turbine wheel cavity 10a'. When an inert gas is injected through the inert gas inlet 13a', it functions as a gate unit through which bubbles, impurities, or internal defects generated while solidifying the molten nickel-based superalloy in the turbine wheel cavity 10a' move. It may be possible.
상기 복수개의 터빈 휠 왁스제품(10')은 상기 보스(14) 측 단부에 대해 일체적으로 형성되는 상기 다기능 게이트부(15')를 통해 상기 런너(5)의 게이트부(5a, 5b, 5c, 5d, 5e) 각각에 대해 조립되어 한번에 복수개의 터빈 휠을 진공 정밀주조할 수 있는 트리를 형성할 수 있다.The plurality of turbine wheel wax products 10' are gate parts 5a, 5b, and 5c of the runner 5 through the multi-function gate part 15' integrally formed with respect to the end of the boss 14. , 5d, 5e) can be assembled for each to form a tree that can vacuum investment cast multiple turbine wheels at once.
한편, 상기 런너(5) 왁스제품도 소실재료, 예를들어 왁스 또는 밀납으로 이루어지며, 상기 용탕주입컵(3)의 수직 하방에 상기 용탕주입컵(3)의 동심에 대해 방사방향으로 소정각도로 균등하게 배치되는 복수개의 런너를 가지며, 상기 복수개의 런너는 수직하방을 따라서 소정간격을 두고 상기 터빈 휠 왁스제품(10')의 상기 다기능 게이트부(15')가 각각 결합되는 복수개의 게이트부(5a, 5b, 5c, 5d, 5e)가 형성될 수 있다.Meanwhile, the wax product of the runner (5) is also made of a loss material, for example, wax or beeswax, and is positioned vertically below the molten metal injection cup (3) at a predetermined angle in the radial direction with respect to the concentricity of the molten metal injection cup (3). It has a plurality of runners evenly arranged, and the plurality of runners are spaced vertically downward at predetermined intervals and a plurality of gate parts to which the multi-function gate part 15' of the turbine wheel wax product 10' is respectively coupled. (5a, 5b, 5c, 5d, 5e) can be formed.
상기 비활성기체 냉각장치(70)는 상기 복수개의 터빈 휠 왁스제품(10')과 상기 런너(5) 왁스제품의 트리 조립 후 세라믹 슬러리로 코팅되고, 탈왁스 처리되어 형성되는 복수개의 터빈 휠 세라믹 쉘 트리 주형(9)의 공동(9a)에 니켈계 초합금 주조 용탕이 충전될 때, 상기 복수개의 터빈 휠 세라믹 쉘 주형의 공동(10a')의 허브 측 단부에 형성되는 상기 비활성기체 주입구(13a)에 기밀연결되어 비활성기체를 공급하는 복수개의 비활성기체 공급 분기관(71 a, 71b, 71c)과, 복수개의 비활성기체 공급 분기관(71a, 71b, 71c) 각각이 연결되는 비활성기체 공급 주관(71)과, 상기 비활성기체 공급 주관(71)을 통해서 복수개의 비활성기체 공급 분기관(71 a, 71b, 71c)에 소정 압력의 비활성기체를 펌핑 공급하는 펌프(73)와 상기 펌프(73)를 매개로 상기 비활성기체 공급 주관(71)에 공급되는 비활성기체를 저장하는 비활성기체 탱크(75) 및 상기 복수개의 비활성기체 공급 분기관(71 a, 71b, 71c)을 통해 상기 터빈 휠 공동(10a)의 허브 측에 형성되는 상기 비활성기체 주입구(13a)에 공급되는 각 비활성기체의 압력 및 공급시간을 제어하는 제어부(77)를 포함할 수 있다.The inert gas cooling device 70 is a plurality of turbine wheel ceramic shells formed by assembling a tree of the plurality of turbine wheel wax products 10' and the runner 5 wax products, coating them with ceramic slurry, and dewaxing them. When the cavity 9a of the tree mold 9 is filled with molten nickel-based superalloy casting, the inert gas inlet 13a formed at the hub side end of the cavity 10a' of the plurality of turbine wheel ceramic shell molds is filled with molten nickel-based superalloy casting. A plurality of inert gas supply branch pipes (71 a, 71b, 71c) that are airtightly connected and supply inert gas, and an inert gas supply main pipe (71) to which each of the plurality of inert gas supply branch pipes (71a, 71b, 71c) is connected. And, a pump 73 that pumps and supplies inert gas at a predetermined pressure to a plurality of inert gas supply branch pipes (71 a, 71b, 71c) through the inert gas supply main pipe 71, and the pump 73 as a medium. The hub of the turbine wheel cavity (10a) through an inert gas tank (75) storing the inert gas supplied to the inert gas supply main pipe (71) and the plurality of inert gas supply branch pipes (71a, 71b, 71c). It may include a control unit 77 that controls the pressure and supply time of each inert gas supplied to the inert gas inlet 13a formed on the side.
상기 제어부(77)는 상기 터빈 휠 세라믹 쉘 주형의 공동(10a')내 중심부에서 니켈계 초내열합금 용탕 응고시 급랭하여 등축정 조직을 형성하도록 상기 비활성기체가 아르곤 가스일 때 2 내지 3 bar의 압력으로 60 내지 65초 동안 공급하도록 제어할 수 있다.The control unit 77 operates at a temperature of 2 to 3 bar when the inert gas is argon gas to form an equiaxed crystal structure by rapidly cooling the nickel-based superheat-resistant alloy molten metal when solidified at the center of the cavity 10a' of the turbine wheel ceramic shell mold. Pressure can be controlled to supply for 60 to 65 seconds .
본 발명의 일 실시예에 따른 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용한 터보차저용 터빈 휠의 대량생산용 진공 정밀주조 시스템(1)에 있어서, 상기 MAR M 246 니켈계 초합금 잉곳 및 스크랩을 소정의 배합비 가능하면 80% 이상 스크랩을 사용할 수 있다.In the vacuum investment casting system (1) for mass production of turbine wheels for turbochargers using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap according to an embodiment of the present invention, the MAR M 246 nickel-based superalloy ingot and scrap are mixed at a predetermined mixing ratio. If possible, more than 80% scrap can be used.
상기 MAR M 246 니켈계 초내열합금 주조 용탕이 주입되는 용탕주입컵(3)은 깔대기형상이며, 하부 목부에 형성된 삽입구(7)를 통해서 설치되어 상기 용탕주입컵(3)을 통해 주입되는 MAR M 246 니켈계 초내열합금 주조 용탕 중의 불순물을 여과하는 세라믹 필터(7a)를 더 포함할 수 있다.The MAR M 246 nickel-based super heat-resistant alloy casting molten metal is injected into the molten metal injection cup (3), which has a funnel shape and is installed through the insertion hole (7) formed in the lower neck, and is injected through the molten metal injection cup (3). 246 A ceramic filter 7a that filters impurities in the nickel-based super heat-resistant alloy casting molten metal may be further included.
본 발명의 일 실시예에 따른 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용한 터보차저용 터빈 휠의 대량생산용 진공 정밀주조 시스템(1)에 있어서, 상기 런너(5)는 상기 용탕주입컵(3)의 하부목부를 중심으로 60도 간격으로 6개 배치되고, 각각의 6개의 런너(5)에 대해 5개의 게이트부를 형성하여 한 번에 30개의 터빈 휠 제작이 가능하도록 구성하였지만, 이에 국한되는 것은 아니며, 진공분위기 형성과, 상기 Mar M246 잉곳과 스크랩 용탕의 유동성 및 주조결함을 고려하여 변경될 수 있다.In the vacuum investment casting system (1) for mass production of turbine wheels for turbochargers using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap according to an embodiment of the present invention, the runner (5) is a part of the molten metal injection cup (3). Six runners are arranged at 60-degree intervals centered on the lower neck, and five gate parts are formed for each of the six runners (5) to enable the production of 30 turbine wheels at a time, but it is not limited to this. It may be changed in consideration of the formation of a vacuum atmosphere and the liquidity and casting defects of the Mar M246 ingot and molten scrap.
도 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용한 터보차저용 터빈 휠의 진공 정밀주조 시스템(1)은 상기 터빈 휠 세라믹 쉘 주형(9)이 소성로에서 소성온도 1050℃에서 소성되어 소정의 강도를 가진 다음에 진공펌프와 진공 배기관으로 연결된 진공용해로(90)의 주챔버(S)내 장입되고, 상기 Mar M246 잉곳과 스크랩 용탕이 상기 터빈 휠 세라믹 쉘 주형(9)의 공동(9a)에 주입되고, 상기 진공용해료(90)의 주챔버(S)에 대해 연결된 상기 비활성기체 냉각장치(70)를 이용하여 미세결정 성장을 위한 냉각 과정이 이루어진다.As shown in Figure 3b, the vacuum investment casting system (1) for a turbine wheel for a turbocharger using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap according to an embodiment of the present invention is such that the turbine wheel ceramic shell mold (9) is placed in a firing furnace. It is fired at a firing temperature of 1050°C to obtain a predetermined strength and then charged into the main chamber (S) of the vacuum melting furnace (90) connected to a vacuum pump and a vacuum exhaust pipe, and the Mar M246 ingot and molten scrap are formed into the turbine wheel ceramic shell. It is injected into the cavity 9a of the mold 9, and a cooling process for microcrystal growth is performed using the inert gas cooling device 70 connected to the main chamber S of the vacuum melt 90.
이제 도 4a 및 도 4b를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용한 터보차저용 터빈 휠의 대량생산용 진공 정밀주조 방법에 대해서 상세히 설명한다.Now, with reference to FIGS. 4A and 4B, a vacuum investment casting method for mass production of turbine wheels for turbochargers using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용한 터보차저용 터빈 휠의 대량생산용 진공 정밀주조 방법을 설명하는 플로우차트이다.Figure 4a is a flow chart explaining a vacuum investment casting method for mass production of a turbine wheel for a turbocharger using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap according to an embodiment of the present invention.
도 4a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용한 터보차저용 터빈 휠의 대량생산용 진공 정밀주조 방법은, 소실재료로 터빈 휠의 보스 측 단부에 다기능 게이트부를 갖는 터빈 휠 주조 왁스제품을 형성하는 단계(S10)와, 상기 터빈 휠 주조왁스제품을 런너 주조왁스제품의 게이트부에 대해 결합하여 트리 조립하고, 상기 트리를 이용하여 복수개의 터빈 휠 정밀주조가 가능한 복수개의 터빈휠 트리 세라믹 쉘 주형를 형성하는 단계(S20)와, 상기 복수개의 터빈휠 트리 세라믹 쉘 주형을 진공용해로에 장입하고, 진공분위기에서 니켈계 초내열합금 잉곳과 스크랩을 일정 비율 이상 혼합 용융한 니켈계 초내열합금 용탕을 상기 세라믹 쉘 주형의 공동에 주입하는 단계(S30)와, 상기 세라믹 쉘 주형의 공동으로부터 분기된 상기 복수개의 터빈 휠 세라믹 쉘 주형 각각의 허브 측 단부에 형성된 비활성기체 주입구를 통해 상기 니켈계 초내열합금 주조 용탕 충진 시 소정압력 소정시간 동안 불어넣어 상기 터빈 휠 세라믹 쉘 주형 공동의 중심부를 급랭시키는 단계(40)와, 진공 상태 소정시간 대기 후 진공 상태에서 취출하여 공랭시키는 단계(50)와, 상기 터빈 휠 세라믹 쉘 주형의 다기능 게이트부를 커팅하는 단계를 포함하는 후처리단계(60)를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 4A, the vacuum precision casting method for mass production of turbine wheels for turbochargers using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap according to an embodiment of the present invention involves placing a loss material at the end of the boss side of the turbine wheel. Forming a turbine wheel casting wax product having a multi-functional gate portion (S10), assembling a tree by combining the turbine wheel casting wax product with the gate portion of the runner casting wax product, and using the tree to form a plurality of turbine wheel precision Forming a plurality of turbine wheel tree ceramic shell molds capable of casting (S20), charging the plurality of turbine wheel tree ceramic shell molds into a vacuum melting furnace, and mixing nickel-based superheat-resistant alloy ingots and scrap at a certain ratio or more in a vacuum atmosphere. Injecting the mixed molten nickel-based superheat-resistant alloy molten metal into the cavity of the ceramic shell mold (S30), and inert formed at the hub side end of each of the plurality of turbine wheel ceramic shell molds branched from the cavity of the ceramic shell mold. A step (40) of rapidly cooling the center of the turbine wheel ceramic shell mold cavity by blowing a predetermined pressure for a predetermined time when filling the nickel-based superheat-resistant superalloy casting molten metal through a gas inlet; and, after waiting for a predetermined time in a vacuum state, taking out the molten metal in a vacuum state. It may include an air cooling step (50) and a post-processing step (60) including the step of cutting the multi-functional gate portion of the turbine wheel ceramic shell mold.
상기 터빈 휠 주조 왁스제품(10')을 형성하는 단계(S10)는 알루미늄으로 이루어진 왁스사출용 금형을 사용하여 왁스사출에 의하여 형성할 수 있으며, 상기 터빈 휠 주조 왁스제품(10')의 허브(11) 측 디스크형 단부(13')에 비활성기체 주입구(13a')를 형성할 수 있다. The step (S10) of forming the turbine wheel casting wax product 10' can be formed by wax injection using a wax injection mold made of aluminum, and the hub of the turbine wheel casting wax product 10' ( 11) An inert gas inlet (13a') may be formed at the side disk-shaped end (13').
상기 비활성기체 주입구(13a')는 원통형상으로 소정두께(13b')를 갖도록 할 수 있다. The inert gas inlet (13a') may be cylindrical and have a predetermined thickness (13b').
상기 터빈 휠 주조 왁스제품(10')의 상기 보스(14) 측 단부에 다기능 게이트부(15')를 상기 런너(5)의 게이트부(5a, 5b, 5c, 5d, 5e)로부터 MAR M 246 니켈계 초내열합금 주조 용탕의 유동이 용이한 빗면(15c)을 갖는 원추형상으로 형성할 수 있다. A multi-functional gate part 15' is connected to an end of the turbine wheel casting wax product 10' on the boss 14 side from the gate parts 5a, 5b, 5c, 5d, and 5e of the runner 5. MAR M 246 It can be formed into a cone shape with an inclined surface 15c that facilitates the flow of the nickel-based super heat-resistant alloy casting molten metal.
상기 복수개의 터빈 휠 트리 세라믹 쉘 주형를 형성하는 단계(S20)는 상기 MAR M 246 니켈계 초내열합금 주조 용탕이 흐르는 통로인 런너(5)를 전술한 소실재료를 사용하여 제조하되, 동심에 대해 방사방향으로 소정 각도로 복수개 배치하며, 상기 런너(5)는 수직하방으로 복수개의 게이트부(5a, 5b, 5c, 5d, 5f)가 이격 배치되게 런너 주조 왁스제품을 형성하고, 상기 터빈 휠 주조왁스제품(10')의 다기능 게이트부(15')를 상기 런너 주조 왁스제품의 게이트부(5a, 5b, 5c, 5d, 5f)에 각각 결합하여 트리를 조립하고, 연결된 트리의 외표면에 알루미나와 모래가 혼합된 세라믹 슬러리를 이용하여 소정 두께로 코팅하여 소정의 세라믹 쉘 주형의 두께를 형성시키는 코팅과정과, 각각의 세라믹 코팅 층을 건조하는 건조과정, 완성된 주형 내부의 소실재료를 제거하여 주조 용탕이 채워질 수 있는 공동을 형성하는 탈왁스과정, 탈왁스과정에서 발생한 주형의 이상과 손상을 정비하는 주형보수과정 및 탈왁스된 몰드를 소성하여 소정의 강도를 형성하는 소성과정을 포함할 수 있다. In the step (S20) of forming the plurality of turbine wheel tree ceramic shell molds, the runner 5, which is a passage through which the MAR M 246 nickel-based super heat-resistant alloy casting molten metal flows, is manufactured using the above-described loss material, and is radiated concentrically. A plurality of runners (5) are arranged at a predetermined angle in the direction, and the runner (5) forms a runner casting wax product with a plurality of gate parts (5a, 5b, 5c, 5d, 5f) spaced apart vertically downward, and the turbine wheel casting wax The tree is assembled by combining the multi-functional gate part 15' of the product 10' with the gate parts 5a, 5b, 5c, 5d, and 5f of the runner casting wax product, and alumina is attached to the outer surface of the connected tree. A coating process of forming a predetermined thickness of a ceramic shell mold by coating it to a predetermined thickness using a ceramic slurry mixed with sand, a drying process of drying each ceramic coating layer, and casting by removing missing materials inside the finished mold. It may include a dewaxing process to form a cavity that can be filled with molten metal, a mold repair process to repair abnormalities and damage to the mold that occurred during the dewaxing process, and a firing process to form a predetermined strength by firing the dewaxed mold. .
상기 니켈계 초내열합금 용탕을 상기 세라믹 쉘 주형의 공동에 주입하는 단계(S30)는 전술한 g 같이 상기 진공용해로(90)에서 진공분위기 하에서 이루어지며 상기 니켈계 초내열합금 잉곳과 스크랩을 일정 비율 이상 혼합하는 단계를 포함하며, 상기 니켈계 초내열합금은 MAR M 246이며, 상기 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩이 바람직하게는 50~90% 이상 혼합되는 단계를 포함할 수 있다. The step (S30) of injecting the molten nickel-based superheat-resistant alloy into the cavity of the ceramic shell mold is performed under a vacuum atmosphere in the vacuum melting furnace 90 as described above, and the nickel-based superheat-resistant alloy ingot and scrap are placed at a certain level. A step of mixing the nickel-based superalloy is MAR M 246, and the MAR M 246 nickel-based superalloy scrap may preferably be mixed by 50 to 90% or more.
상기 니켈계 초내열합금 용탕을 상기 세라믹 쉘 주형의 공동에 주입하는 단계(S30)는 상기 니켈계 초내열합금 주조 용탕의 주입온도가 소성온도 1050 ℃ 보다 고온인 1360℃ 내지 1450℃, 바람직하게는 1412℃가 되게 가열하는 단계를 포함할 수 있다.In the step (S30) of injecting the molten nickel-based super heat-resistant alloy into the cavity of the ceramic shell mold, the injection temperature of the molten nickel-based super heat-resistant alloy is 1360°C to 1450°C, which is higher than the sintering temperature of 1050°C, preferably. It may include heating to 1412°C.
상기 터빈 휠 공동 중심부를 비활성기체로 급랭시키는 단계(40)는 상기 터빈 휠(10)의 비활성기체 주입구(13a)에 대해 상기 각각의 비활성기체 주입 분기관(71a, 71b, 71c, 71d)을 연결하고, 상기 제어부(77)를 통해 상기 비활성기체 주입구(13a)를 통해 주입되는 비활성기체를 일정 압력으로 불어넣어 상기 터빈 휠 공동 중심부에 특정방향으로 취약하지 않은 등축정 조직이 형성되게 하는 단계를 포함할 수 있다. The step 40 of rapidly cooling the center of the turbine wheel cavity with an inert gas involves connecting each of the inert gas injection branch pipes 71a, 71b, 71c, and 71d to the inert gas inlet 13a of the turbine wheel 10. And blowing the inert gas injected through the inert gas inlet (13a) through the control unit 77 at a certain pressure to form an equiaxed crystal structure that is not vulnerable in a specific direction in the center of the turbine wheel cavity. can do.
용융물의 응고가 완료된 후 주형을 제거하는 탈사과정 및 런너를 분리하고 런너로부터 제품을 분리하고 가공 등의 후처리를 수행하는 후처리과정으로 이루어질 수 있다.After solidification of the melt is completed, it may consist of a desanding process in which the mold is removed and a post-processing process in which the runner is separated, the product is separated from the runner, and post-processing such as processing is performed.
도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 진공용해로(90)의 주챔버(S)내에서 상기 니켈계 초내열합금 주조 용탕을 상기 트리 세라믹 쉘 주형의 공동(9a)에 상기 Mar M246 잉곳과 스크랩 용탕이 소성온도인 1050 ℃ 보다 고온인 1360℃ 내지 1450℃, 바람직하게는 1412℃로 2.5 내지 3초, 바람직하게는 2.7초 이내에 충전이 완료되고, 상기 트리 세라믹 쉘 주형 공동(9a)의 충진과 거의 동시에 각각의 터빈 휠 세라믹 쉘 주형 공동(10a')이 충진 된 후, 상기 터빈 휠 세라믹 쉘 주형 공동(10a')의 허브 측 단부에형성된 비활성기체 주입구(13a')를 통해 비활성기체가 약 2.5bar 압력으로 60초간 주입되고, 약 840초 진공 대기 후 진공분위기의 상기 주챔버(S)에서 취출하여 공기 중에서 냉각한다.As shown in FIG. 4B, the Mar M246 ingot and the scrap molten metal are placed in the cavity 9a of the tri-ceramic shell mold for casting the nickel-based superheat-resistant alloy in the main chamber S of the vacuum melting furnace 90. Charging is completed within 2.5 to 3 seconds, preferably 2.7 seconds, at a temperature higher than the firing temperature of 1050°C, 1360°C to 1450°C, preferably 1412°C, and almost simultaneously with the filling of the tri-ceramic shell mold cavity 9a. After each turbine wheel ceramic shell mold cavity 10a' is filled, inert gas is injected at a pressure of about 2.5 bar through the inert gas inlet 13a' formed at the hub side end of the turbine wheel ceramic shell mold cavity 10a'. It is injected for 60 seconds, and after waiting in vacuum for about 840 seconds, it is taken out from the main chamber (S) in a vacuum atmosphere and cooled in air.
실험을 통해서 [표 2]에 나타낸 바와 같이, 상기 Mar M246 잉곳과 스크랩 용탕 주입온도가 1000 ℃ 내지 1100 ℃, 1100 ℃ 내지 1200 ℃, 1200 내지 1300 ℃ 경우 및 그 주입 시간이 3초보다 짧거나 긴 경우에 상기 터빈 휠 세라믹 쉘 주형 공동(10a') 까지 상기 Mar M246 잉곳과 스크랩 용탕 응고 시 수축 및 기공이 발생하여 바람직하지 않으며, 상기 Mar M246 잉곳과 스크랩 용탕의 온도를 1050 ℃ 보다 고온인 1360℃ 내지 1450℃로 하고, 용탕주입 시간을 약 3 초 이내로 하는 것이 바람직함을 알 수 있다. Through the experiment, as shown in [Table 2], when the Mar M246 ingot and scrap molten metal injection temperature is 1000 ℃ to 1100 ℃, 1100 ℃ to 1200 ℃, 1200 to 1300 ℃ and the injection time is shorter or longer than 3 seconds. In this case, shrinkage and pores occur when the Mar M246 ingot and the scrap molten metal are solidified up to the turbine wheel ceramic shell mold cavity 10a', which is undesirable, and the temperature of the Mar M246 ingot and the scrap molten metal is set to 1360°C, which is higher than 1050°C. It can be seen that it is desirable to set the temperature to 1450°C and set the molten metal injection time to about 3 seconds or less.
또한, [표 3]을 통해 알 수 있는 바와 같이, 상기 터빈 휠 세라믹 쉘 주형 공동(10a')의 허브 측 단부에 형성된 비활성기체 주입구(13a')를 통해 비활성기체를 약 2.5bar 압력으로 60초간 주입하는 것이 기타 압력 및 시간에 비하여 상기 터빈 휠 세라믹 쉘 주형 공동(10a')의 중심부에 특정방향으로 취약한 수지상 조직이 적게 형성되어 바람직함을 알 수 있다. In addition, as can be seen from [Table 3], inert gas is injected at a pressure of about 2.5 bar for 60 seconds through the inert gas inlet (13a') formed at the hub side end of the turbine wheel ceramic shell mold cavity (10a'). It can be seen that injection is preferable because less vulnerable dendritic tissue is formed in a specific direction in the center of the turbine wheel ceramic shell mold cavity 10a' compared to other pressures and times.
또한, [표 4]를 통해 알 수 있는 바와 같이, 상기 터빈 휠 세라믹 쉘 주형 공동(10a')의 허브 측 단부에 형성된 비활성기체 주입구(13a')를 통해 비활성기체를 약 2.5bar 압력으로 60초간 주입 후 바로 진공 분위기 밖으로 취출하는 것보다 약 800 내지 900초, 바람직하게는 837.3초 정도 진공 분위기에 대기하는 것이 상기 터빈 휠 세라믹 쉘 주형 공동(10a')의 중심부에 특정방향으로 취약한 수지상 조직이 적게 형성되어 바람직함을 알 수 있다.In addition, as can be seen from [Table 4], inert gas is injected at a pressure of about 2.5 bar for 60 seconds through the inert gas inlet (13a') formed at the hub side end of the turbine wheel ceramic shell mold cavity (10a'). Rather than taking it out of the vacuum atmosphere immediately after injection, waiting in the vacuum atmosphere for about 800 to 900 seconds, preferably 837.3 seconds, reduces the number of vulnerable dendritic structures in a specific direction in the center of the turbine wheel ceramic shell mold cavity 10a'. It can be seen that it is formed and desirable.
이제 도 5a 내지 도 6b를 참조하여 각각 동일조건에서 비활성기체 냉각를 실시하지 않은 경우와 비활성기체 냉각을 실시한 경우의 MAR M 246 니켈계 초내열합금 주조 용탕 응고시 수축율, 기공율, 미성형 경향 및 고상선 도달시간 시뮬레이션 결과와 터빈 휠의 디스크방향과 단면방향의 미세조직 경향의 시뮬레이션 결과에 대해 상세히 설명한다.Now, referring to FIGS. 5A to 6B, the shrinkage rate, porosity, short forming tendency, and solidus line upon solidification of the MAR M 246 nickel-based heat-resistant superalloy casting molten metal under the same conditions without inert gas cooling and when inert gas cooling were performed, respectively. The arrival time simulation results and the simulation results of the microstructure trends in the disk direction and cross-sectional direction of the turbine wheel are explained in detail.
도 5a 내지 도 5d는 각각 동일조건에서 비활성기체 냉각를 실시하지 않은 경우와 비활성기체 냉각을 실시한 경우의 MAR M 246 니켈계 초내열합금 주조 용탕 응고시 수축율, 기공율, 미성형 경향 및 고상선 도달시간 시뮬레이션 결과를 비교한 그림이다.Figures 5a to 5d show simulations of shrinkage rate, porosity, short forming tendency, and solidus line arrival time upon solidification of the MAR M 246 nickel-based superheat-resistant superalloy casting molten metal when no inert gas cooling was performed and when inert gas cooling was performed under the same conditions, respectively. This is a picture comparing the results.
도 5a에 도시된 바와 같이, 각각 동일조건에서 비활성기체 냉각를 실시하지 않은 경우와 비활성기체 냉각을 실시한 경우의 MAR M 246 니켈계 초내열합금 주조 용탕 응고시 수축율을 비교해보면, 동일조건에서 비활성기체 냉각를 실시하지 않은 경우에 비해 비활성기체 냉각을 실시한 경우 각각의 터빈 휠 공동(10a')내에 수축이 거의 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다.As shown in Figure 5a, when comparing the shrinkage rate during solidification of the MAR M 246 nickel-based super heat-resistant superalloy casting molten metal when no inert gas cooling was performed and when inert gas cooling was performed under the same conditions, the inert gas cooling was performed under the same conditions. It was confirmed that almost no shrinkage occurred within each turbine wheel cavity (10a') when inert gas cooling was performed compared to when it was not performed.
도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같이, 각각 동일조건에서 비활성기체 냉각를 실시하지 않은 경우와 비활성기체 냉각을 실시한 경우의 MAR M 246 니켈계 초내열합금 주조 용탕 응고시 모두 각각의 터빈 휠 공동(10a')내에 기공이 거의 나타나지 않았고, 미성형 경향도 나타나지 않음을 알 수 있다. As shown in Figures 5b and 5c, when solidifying the MAR M 246 nickel-based heat-resistant superalloy casting molten metal when no inert gas cooling was performed and when inert gas cooling was performed under the same conditions, each turbine wheel cavity (10a) ') It can be seen that almost no pores appeared within the sample, and there was no tendency for short-forming.
도 5d에 도시된 바와 같이, 각각 동일조건에서 비활성기체 냉각를 실시하지 않은 경우와 비활성기체 냉각을 실시한 경우의 MAR M 246 니켈계 초내열합금 주조 용탕 응고시 고상선 도달시간(최종 응고시간)을 비교해 보면, 비활성기체 냉각을 실시하지 않은 경우에 고상선 도달시간이 2629.7초이며, 비활성기체 냉각을 실시한 경우의 고상선 도달시간이 300.9초로 단축됨을 직접적으로 알 수 있었으며, 간접적으로 최종 응고시간으로 미세조직의 발생율을 알 수 있는데, 내부결함이 완전히 보스 측 다기능 게이트부(15') 밖으로 이동하여 상기 다기능 게이트부(15)를 커팅하는 경우에 진공 정밀주조된 터빈 휠(10)에는 미세결함을 거의 포함하지 않음을 알 수 있다.As shown in Figure 5d, the time to reach the solidus line (final solidification time) during solidification of the MAR M 246 nickel-based heat-resistant superalloy casting molten metal is compared when no inert gas cooling is performed and when inert gas cooling is performed under the same conditions. It can be seen directly that when inert gas cooling was not performed, the time to reach the solidus line was 2629.7 seconds, and when inert gas cooling was performed, the time to reach the solidus line was shortened to 300.9 seconds, and indirectly, the microstructure was determined by the final solidification time. The occurrence rate can be seen. In the case where the internal defect completely moves out of the multi-function gate part 15' on the boss side and the multi-function gate part 15 is cut, the vacuum precision-cast turbine wheel 10 almost contains micro defects. You can see that it doesn't.
도 6a 및 도 6b는 각각 동일조건에서 비활성기체 냉각를 실시하지 않은 경우와 비활성기체 냉각을 실시한 경우의 터빈 휠의 디스크방향과 단면방향의 미세조직 경향의 시뮬레이션 결과를 비교한 그림이다. Figures 6a and 6b are diagrams comparing simulation results of the microstructure trends in the disc direction and cross-sectional direction of the turbine wheel when no inert gas cooling was performed and when inert gas cooling was performed under the same conditions, respectively.
도 6a에 도시된 바와 같이, 터빈 휠 디스크 방향에서 비활성기체에 의한 냉각 주조의 미세조직은 등축정 조직이 다수를 차지하고 있는 반면 일반주조의 미제조직은 수지상 조직이 다수를 차지하고 있음을 알 수 있다.As shown in Figure 6a, it can be seen that the majority of the microstructure of casting cooled by inert gas in the direction of the turbine wheel disk is equiaxed crystalline structure, whereas the majority of unmade structure of general casting is dendritic structure.
또한, 도 6b에 도시된 바와 같이, 터빈 휠 단면 방향에서 비활성 냉각 주조의 미세조직은 중심부에 등축정 조직을 형성하는 반면 일반주조의 미세조직은 수지상조직으로만 구성되어 있음을 알 수 있다.In addition, as shown in Figure 6b, in the cross-sectional direction of the turbine wheel, the microstructure of the inert cold casting forms an equiaxed crystal structure in the center, while the microstructure of the general casting consists only of dendritic structures.
여기서 등축정 조직은 결정조직이 방사형으로 성장하여 특정방향에 대한 취약점이 없는 것을 의미하며, 수지상 조직은 냉각방향의 반대방향으로 결정조직이 성장하여 특정방향에 대해 취약함을 의미한다.Here, the equiaxed structure means that the crystal structure grows radially and is not vulnerable to a specific direction, and the dendritic structure means that the crystal structure grows in the opposite direction to the cooling direction and is vulnerable to a specific direction.
이와 같이 제조된 터빈 휠은 고도의 내부 결함 제어가 이루어지며, 상기 복수개의 터빈 휠 트리 세라믹 쉘 주형의 공동이 용탕으로 충진된 후 상기 복수개의 터빈 휠 세라믹 쉘 주형의 공동 각각으로 이동하는 게이트부가 터빈 휠의 보스 측 단부에 형성되어, 종래 허브 측 단부에 형성되는 방식에 비해 샤프트 연결부를 형성하기 위해서 게이트부를 제거할 필요가 없으므로 샤프트 연결부의 품질을 높일 수 있다.The turbine wheel manufactured in this way has a high level of internal defect control, and after the cavities of the plurality of turbine wheel tree ceramic shell molds are filled with molten metal, a gate portion that moves to each cavity of the plurality of turbine wheel ceramic shell molds is installed in the turbine wheel. It is formed at the boss side end of the wheel, and compared to the conventional method formed at the hub side end, there is no need to remove the gate portion to form the shaft connection, thereby improving the quality of the shaft connection.
이와 같이 제조된 터빈 휠은 비활성기체, 예컨대 Ar 가스 주입으로 급랭조건 형성하여, 종래 공랭방식 대비 고속 냉각 가능하며, 허브 측 단부에서 비활성기체를 주입함으로써, 불량 조직들을 보스 측 단부로 밀어내어 터빈 휠 내부 조직의 품질 개선 효과를 기대할 수 있으며, 후처리 공정에서 다기능 게이트부를 커팅할 때 회전 밸런싱 조정을 고려하여 절단부위를 특정할 수 있다.The turbine wheel manufactured in this way can be cooled at a faster rate than the conventional air cooling method by forming rapid cooling conditions by injecting an inert gas, such as Ar gas, and by injecting the inert gas from the hub side end, defective tissues are pushed out to the boss side end, thereby pushing the turbine wheel. The effect of improving the quality of the internal organization can be expected, and when cutting the multi-function gate part in the post-processing process, the cutting area can be specified by considering rotational balance adjustment.
10 : 터빈 휠 11 : 허브
12 : 블레이드 13 : 허브 측부
13a : 비활성기체 주입구
14 : 보스부 15 : 다기능 밸런싱가공부(게이트부)
70 : 비활성기체 냉각장치 10: turbine wheel 11: hub
12: Blade 13: Hub side
13a: Inert gas inlet
14: Boss part 15: Multi-functional balancing processing part (gate part)
70: Inert gas cooling device
Claims (12)
상기 복수개의 터빈 휠 왁스제품이 각각 결합되고, 하나의 용탕주입컵을 통해서 주입된 니켈계 초내열합금 주조 용탕이 이동하는 런너 왁스제품;
상기 복수개의 터빈 휠 왁스제품과 상기 런너 왁스제품의 트리 조립 후 이루어지는 트리 세라믹 쉘 주형의 공동과, 상기 트리 세라믹 쉘 주형의 공동에서 분기되는 터빈 휠 세라믹 쉘 주형의 공동에 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 니켈계 초내열합금 주조 용탕 주입 시 상기 터빈 휠 세라믹 쉘 주형의 중심부에 특정 방향 취약부가 형성되지 않도록 상기 터빈 휠 왁스제품 각각의 허브 측 단부에 형성되는 비활성기체 주입구를 통해 비활성기체를 주입하여 상기 니켈계 초내열합금 주조 용탕을 급랭시키는 비활성기체 냉각장치를 포함하며,
상기 니켈계 초내열합금 주조 용탕의 주입온도는 소성온도 1050 ℃ 보다 고온인 1360℃ 내지 1450℃가 되게 가열하며, 상기 비활성기체 냉각장치는 상기 비활성기체 주입구에 대해 각각의 비활성기체 주입 분기관을 연결하여 상기 비활성기체를 일정 압력으로 불어넣는
니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠의 진공 정밀주조 시스템.A plurality of turbine wheel wax products made of loss material;
a runner wax product in which the plurality of turbine wheel wax products are respectively combined and the nickel-based superheat-resistant alloy casting molten metal injected through one molten metal injection cup moves;
Nickel-based super heat-resistant alloy scrap is placed in the cavity of the tree ceramic shell mold formed after the tree assembly of the plurality of turbine wheel wax products and the runner wax product, and in the cavity of the turbine wheel ceramic shell mold branching from the cavity of the tree ceramic shell mold. When injecting the nickel-based super heat-resistant alloy casting molten metal, an inert gas is injected through an inert gas inlet formed at the hub side end of each turbine wheel wax product to prevent a weak part in a specific direction from being formed in the center of the turbine wheel ceramic shell mold. It includes an inert gas cooling device that rapidly cools the nickel-based super heat-resistant alloy casting molten metal,
The injection temperature of the nickel-based super heat-resistant alloy casting molten metal is heated to 1360°C to 1450°C, which is higher than the sintering temperature of 1050°C, and the inert gas cooling device connects each inert gas injection branch pipe to the inert gas inlet. blowing the inert gas at a certain pressure
Vacuum precision casting system for turbine wheels for 1050℃ turbochargers using nickel-based super heat-resistant alloy scrap.
상기 비활성기체 주입구는 요홈부의 형태이며, 전자빔 용접시 터빈 휠과 로터 샤프트 사이의 센터링을 위한 샤프트 연결부로서 이용되는 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠의 진공 정밀주조 시스템.According to claim 1,
The inert gas inlet is in the form of a groove, and is used as a shaft connection for centering between the turbine wheel and the rotor shaft during electron beam welding. A vacuum precision casting system for a turbine wheel for a 1050°C turbocharger using nickel-based super heat-resistant alloy scrap.
상기 허브의 선단에 형성되는 보스 측 단부에는 회전 밸런싱 가공을 위하여 특정 형상을 갖는 다기능 밸런싱 가공부로서 이용되는 다기능 게이트부가 원통형상으로 이루어지는 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠의 진공 정밀주조 시스템. In clause 1
A turbine wheel for a 1050°C turbocharger using nickel-based super heat-resistant alloy scrap, which has a cylindrical multi-functional gate portion used as a multi-functional balancing processing portion having a specific shape for rotation balancing processing at the end of the boss formed at the tip of the hub. vacuum investment casting system.
상기 복수개의 터빈 휠 왁스제품은 상기 보스 측 단부에 일체적으로 형성되는 상기 다기능 게이트부를 통해 상기 런너 왁스제품의 게이트부 각각에 대해 조립되어 한 번에 복수개의 터빈 휠을 진공 정밀주조할 수 있는 트리를 형성하는 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠의 진공 정밀주조 시스템. In clause 3
The plurality of turbine wheel wax products are assembled to each gate part of the runner wax product through the multi-function gate part integrally formed at the end of the boss to form a tree that can vacuum precision casting a plurality of turbine wheels at a time. A vacuum investment casting system for turbine wheels for 1050℃ turbochargers using nickel-based superheat-resistant alloy scrap.
상기 비활성기체 냉각장치는 상기 터빈 휠 세라믹 쉘 주형의 공동에 상기 다기능 게이트부를 통해 니켈계 초내열합금 주조 용탕이 충전될 때, 상기 터빈 휠 세라믹 쉘 주형의 허브 측 단부에 형성되는 상기 비활성기체 주입구에 기밀 연결되어 비활성기체를 공급하는 복수개의 비활성기체 공급 분기관과, 상기 복수개의 비활성기체 공급 분기관 각각이 연결되는 비활성기체 공급 주관과, 상기 비활성기체 공급 주관을 통해서 상기 복수개의 비활성기체 공급 분기관에 소정 압력의 비활성기체를 펌핑 공급하는 펌프와, 상기 비활성기체 주입구에 공급되는 각 비활성기체의 압력을 제어하는 제어부를 포함하는 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠의 진공 정밀주조 시스템. According to claim 3,
The inert gas cooling device is connected to the inert gas inlet formed at the hub side end of the turbine wheel ceramic shell mold when the nickel-based super heat-resistant alloy casting molten metal is filled in the cavity of the turbine wheel ceramic shell mold through the multi-functional gate portion. A plurality of inert gas supply branch pipes that are airtightly connected to supply an inert gas, an inert gas supply main pipe to which each of the plurality of inert gas supply branch pipes is connected, and a plurality of inert gas supply branch pipes through the inert gas supply main pipe. Vacuum of a turbine wheel for a 1050°C turbocharger using nickel-based superheat-resistant alloy scrap, including a pump that pumps and supplies inert gas at a predetermined pressure and a control unit that controls the pressure of each inert gas supplied to the inert gas inlet. Investment casting system.
소실재료로 터빈 휠의 보스 단부에 다기능 게이트부를 갖는 터빈 휠 주조 왁스제품을 형성하는 단계;
상기 터빈 휠 주조왁스제품을 런너 주조왁스제품의 게이트부에 대해 결합하여 트리 조립하고, 상기 트리를 이용하여 복수개의 터빈 휠 정밀주조가 가능한 복수개의 터빈 휠 트리 세라믹 쉘 주형을 형성하는 단계;
진공용해로로 이동시켜 니켈계 초내열합금 잉곳과 스크랩을 일정 비율 이상 혼합 용융한 니켈계 초내열합금 주조 용탕을 상기 복수개의 터빈 휠 트리 세라믹 쉘 주형의 공동에 주입하는 단계;
상기 복수개의 터빈 휠 트리 세라믹 쉘 주형의 공동 각각에 상기 니켈계 초내열합금 주조 용탕 충진시 비활성기체를 상기 복수개의 터빈 휠 트리 세라믹 쉘 주형 각각의 허브 측 단부의 비활성기체 주입구를 통해 소정압력 소정시간 동안 불어넣어 터빈 휠 공동 중심부를 급랭시키는 단계;
진공 상태 소정시간 대기 후 진공 상태에서 취출하여 공냉시키는 단계; 및
상기 터빈 휠 주조왁스제품의 다기능 게이트부를 커팅하는 단계를 포함하며,
상기 니켈계 초내열합금 주조 용탕을 상기 세라믹 쉘 주형의 공동에 주입하는 단계는 상기 니켈계 초내열합금 잉곳과 스크랩을 일정 비율 이상 혼합하는 단계와, 상기 니켈계 초내열합금 주조 용탕의 주입온도가 소성온도 1050 ℃ 보다 고온인 1360℃ 내지 1450℃가 되게 가열하는 단계를 포함하는,
니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠의 진공 정밀주조 방법. In the vacuum precision casting method of a turbine wheel for a 1050°C turbocharger using nickel-based superheat-resistant alloy scrap,
Forming a turbine wheel casting wax product having a multi-functional gate portion at the end of the boss of the turbine wheel using a missing material;
assembling a tree by combining the turbine wheel casting wax product with the gate portion of the runner casting wax product, and using the tree to form a plurality of turbine wheel tree ceramic shell molds capable of precision casting a plurality of turbine wheels;
Injecting the nickel-based superheat-resistant alloy casting molten metal by moving it to a vacuum melting furnace and melting a mixture of nickel-based superheat-resistant alloy ingots and scrap at a certain ratio or more into the cavities of the plurality of turbine wheel tree ceramic shell molds;
When filling the nickel-based superheat-resistant alloy casting molten metal into each cavity of the plurality of turbine wheel tree ceramic shell molds, an inert gas is supplied through an inert gas inlet at the hub side end of each of the plurality of turbine wheel tree ceramic shell molds at a predetermined pressure and for a predetermined time. quenching the turbine wheel cavity center by blowing while;
Waiting for a predetermined period of time in a vacuum state, then taking it out in a vacuum state and air-cooling it; and
It includes cutting the multi-functional gate portion of the turbine wheel casting wax product,
The step of injecting the nickel-based super heat-resistant alloy casting molten metal into the cavity of the ceramic shell mold includes mixing the nickel-based super heat-resistant alloy ingot and scrap at a certain ratio or more, and the injection temperature of the nickel-based super heat-resistant alloy casting molten metal is Including the step of heating to 1360 ℃ to 1450 ℃, which is higher than the firing temperature of 1050 ℃,
Vacuum precision casting method of turbine wheel for 1050℃ turbocharger using nickel-based super heat-resistant alloy scrap.
상기 니켈계 초내열합금은 MAR M 246이며, 상기 니켈계 초내열합금 스크랩이 50~90% 이상 혼합되는 단계를 포함하는 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠의 진공 정밀주조 방법..According to claim 6,
The nickel-based super heat-resistant alloy is MAR M 246, and the vacuum precision of the turbine wheel for a 1050 ℃ turbocharger using nickel-based super heat-resistant alloy scrap, including the step of mixing 50 to 90% or more of the nickel-based super heat-resistant alloy scrap. Casting method...
진공용해로의 주챔버 내에서 상기 니켈계 초내열합금 용탕을 상기 트리 세라믹 쉘 주형의 공동에 상기 니켈계 초내열합금 잉곳과 스크랩 용탕의 소성온도인 1050 ℃ 보다 고온인 1360℃ 내지 1450℃로, 2.5 내지 3초 이내에 충전 완료하는 단계를 포함하는 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠의 진공 정밀주조 방법.According to claim 7,
In the main chamber of the vacuum melting furnace, the molten nickel-based superheat-resistant alloy is placed in the cavity of the tri-ceramic shell mold at a temperature of 1360°C to 1450°C, which is higher than 1050°C, which is the firing temperature of the nickel-based superheat-resistant alloy ingot and molten scrap, by 2.5. A vacuum investment casting method for a turbine wheel for a 1050°C turbocharger using nickel-based superheat-resistant alloy scrap, including the step of completing charging within 3 to 3 seconds.
상기 비활성기체는 아르곤 가스이며, 상기 트리 세라믹 쉘 주형 공동의 충진과 거의 동시에 각각의 터빈 휠 세라믹 쉘 주형 공동이 충진 된 후, 상기 터빈 휠 세라믹 쉘 주형 공동의 허브 측 단부에 형성된 비활성기체 주입구를 통해 비활성기체가 2 내지 3 bar 압력으로 60초간 주입되고, 60초 이상 공급되어 급속 냉각되는 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠의 진공 정밀주조 방법.According to clause 9,
The inert gas is argon gas, and after each turbine wheel ceramic shell mold cavity is filled almost simultaneously with the filling of the tri-ceramic shell mold cavity, it is injected through an inert gas inlet formed at the hub side end of the turbine wheel ceramic shell mold cavity. A vacuum investment casting method for a turbine wheel for a 1050°C turbocharger using nickel-based superheat-resistant alloy scrap in which an inert gas is injected at a pressure of 2 to 3 bar for 60 seconds and supplied for more than 60 seconds to rapidly cool.
상기 비활성기체를 이용하여 상기 터빈 휠 공동 중심부를 급랭시킨 후 진공 상태에서 800 내지 900초 이상 대기하는 단계와
상기 진공 상태에서 취출하여 공기중에서 냉각하는 단계를 더 포함하는 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠의 진공 정밀주조 방법.According to clause 9,
Rapidly cooling the center of the turbine wheel cavity using the inert gas and then waiting in a vacuum for more than 800 to 900 seconds;
A vacuum investment casting method for a turbine wheel for a 1050°C turbocharger using nickel-based super heat-resistant alloy scrap, further comprising the step of taking out the vacuum and cooling it in air.
상기 허브의 후단에 형성되는 디스크형 단부는 전자빔 용접시 터빈 휠과 로터 샤프트 사이의 센터링을 위한 샤프트 연결부로서 이용되는 비활성기체 주입구가 형성되며,
상기 보스와 일체로 진공 정밀주조된 상기 다기능 밸런싱 가공부는 터빈 휠 세라믹 쉘 주형의 보스 측 단부에 형성된 다기능 게이트부 절삭시 회전 밸런싱 가공을 위하여 특정되어 형성되고,
니켈계 초내열합금 주조 용탕의 주입온도는 소성온도 1050 ℃ 보다 고온인 1360℃ 내지 1450℃가 되게 가열하며, 비활성기체 냉각장치는 상기 비활성기체 주입구에 대해 각각의 비활성기체 주입 분기관을 연결하여 상기 비활성기체를 일정 압력으로 불어넣어 상기 터빈 휠 공동 중심부에 특정방향으로 취약하지 않은 등축정 조직을 형성한
니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠.
It includes a cylindrical hub, a plurality of blades spaced apart from each other in the circumferential direction with respect to the hub, and a boss formed at the tip of the hub and a multi-functional balancing machined part having a specific shape for rotational balancing processing, which is formed by vacuum precision casting. It is configured to
The disk-shaped end formed at the rear end of the hub has an inert gas inlet used as a shaft connection for centering between the turbine wheel and the rotor shaft during electron beam welding,
The multi-functional balancing processing part, which is vacuum precision casted integrally with the boss, is formed specifically for rotational balancing processing when cutting the multi-functional gate part formed at the end of the boss side of the turbine wheel ceramic shell mold,
The injection temperature of the nickel-based super heat-resistant alloy casting molten metal is heated to 1360°C to 1450°C, which is higher than the firing temperature of 1050°C, and the inert gas cooling device connects each inert gas injection branch pipe to the inert gas injection port to Inert gas is blown at a certain pressure to form an equiaxed crystal structure that is not vulnerable in a specific direction in the center of the turbine wheel cavity.
Turbine wheel for 1050℃ turbocharger using nickel-based super heat-resistant alloy scrap.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E90F | Notification of reason for final refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |