KR20080096666A

KR20080096666A - 내열 주조 철강제 배기 매니폴드

Info

Publication number: KR20080096666A
Application number: KR1020087019988A
Authority: KR
Inventors: 히로후미 기무라; 토모미 소다; 마사나오 스즈키
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2007-02-19
Publication date: 2008-10-31
Also published as: EP1985820A1; JPWO2007094500A1; EP1985820B1; EP1985820A4; WO2007094500A1; US20090064670A1; CN101384803A

Abstract

본 발명은 내열 주조 철강제 배기 매니폴드에 관한 것으로서, 엔진의 실린더 헤드의 배기 포트에 볼트로 접속하는 구멍을 가지는 복수개의 플랜지부와, 상기 복수개의 플랜지부에 접속하는 복수개의 포트부와, 상기 복수개의 포트부가 합류하는 집합부를 구비하고, 상기 플랜지부의 두께가 상기 포트부의 두께의 80%∼150%인 것을 특징으로 하는 내열 주조 철강제 배기 매니폴드를 제공한다.

Description

내열 주조 철강제 배기 매니폴드{HEAT-RESISTANT CAST STEEL EXHAUST MANIFOLD}

본 발명은, 적은 단계수이면서 양호한 수율로 제조할 수 있고, 경량이며 내열 변형성이 우수한 내열 주조 철강제 배기 매니폴드에 관한 것이다.

엔진으로부터의 배기 가스를 모아서 배기관에 접속하는 배기 매니폴드는, 엔진 상부의 실린더 헤드의 배기 포트에 볼트로 접속하는 구멍을 가지는 복수개의 플랜지부와, 각각의 플랜지부에 포트부와, 복수개의 포트부가 합류하는 집합부를 구비하고 있다. 일반적으로 배기 매니폴드는, 일본국 특개평 10-26018호에 기재되어 있는 바와 같이, 고온의 배기 가스에 의해 플랜지부가 열 변형되는 것을 방지하기 위하여, 플랜지부는 포트부보다 두껍다(도 2). 예를 들면, 플랜지부의 평균 두께는 12mm정도이며, 포트부의 평균 두께는 5mm정도이다. 이와 같은 배기 매니폴드를 주조하는 경우, 플랜지부는 최종 응고부가 되므로 보이드(voids)가 생기기 쉽다.

최근의 자동차 엔진의 고성능화, 연비의 향상 등의 요구에 따라 배기 가스의 온도가 상승하는 경향이 있으므로, 900℃ 이상에서의 고온 강도나 내산화성을 확보하기 위하여, 배기 매니폴드는 내열 주조 철강에 의해 제작된다. 그런데, 주조된 철강은 주조 시의 응고 수축이 크기 때문에, 보이드가 생기기 쉽다. 그러므로 각 플랜지부에 도 3에 나타낸 바와 같은 압탕(6, 押湯, riser)을 설치하여 응고 시에 용탕(溶湯, melt) 보급을 행하고 있다. 그러나, 압탕은 제품이 되지 않기 때문에, 투입하는 용탕에 대한 제품의 비율이 저하되는 문제가 있다. 또한, 주조 후에 압탕부를 제거할 필요가 있고, 단계 수가 많아진다.

따라서, 본 발명의 목적은, 적은 단계 수이면서 양호한 수율로 제조할 수 있고, 경량이며 내열 변형성이 우수한 내열 주조 철강제 배기 매니폴드를 제공하는 것이다.

본 발명의 내열 주조 철강제 배기 매니폴드는, 엔진의 실린더 헤드의 배기 포트에 볼트로 접속하는 구멍을 가지는 복수개의 플랜지부와, 상기 복수개의 플랜지부에 접속하는 복수개의 포트부와, 상기 복수개의 포트부가 합류하는 집합부를 구비하고, 상기 플랜지부의 두께가 상기 포트부의 두께의 80%∼150%인 것을 특징으로 한다.

볼트 구멍의 주위 둘레부의 두께는 상기 플랜지부의 두께의 110%∼300%인 것이 바람직하다.

상기 집합부로부터 상기 포트부를 따라 연장되는 돌조부(ridge)를 가지는 것이 바람직하고, 상기 돌조부의 두께는 상기 포트부의 두께의 70%∼140%인 것이 바람직하다.

전술한 구조를 가지는 본 발명의 내열 주조 철강제 배기 매니폴드는, 적은 단계 수이면서 양호한 수율로 제조할 수 있고, 경량이며 내열 변형성이 우수하다.

도 1a는 본 발명의 내열 주조 철강제 배기 매니폴드를 나타내는 개략 평면도이다.

도 1b는 도 1a의 A-A선을 따라 절단한 단면도이다.

도 2a는 종래의 배기 매니폴드를 나타낸 개략 평면도이다.

도 2b는 도 2a의 B-B선을 따라 절단한 단면도이다.

도 3은 종래의 배기 매니폴드를 주조할 때 설치하는 압탕을 나타내는 개략도이다.

도 4a는 본 발명의 내열 주조 철강제 배기 매니폴드의 바람직한 일례를 나타낸 개략 평면도이다.

도 4b는 본 발명의 내열 주조 철강제 배기 매니폴드의 바람직한 다른예를 나타낸 개략 정면도이다.

도 4c는 본 발명의 내열 주조 철강제 배기 매니폴드의 바람직한 또 다른 예를 나타낸 개략 측면도이다.

도 5는 돌조부의 단면도이다.

본 발명에서, 플랜지부, 포트부 및 볼트 구멍의 주위 둘레부의 두께는 각각 평균 두께로 나타낸다. 플랜지부 상에 형성된 볼트 구멍의 주위둘레부의 두께는 도 1b에 t₃로 나타낸다. 돌조부의 두께는, 도 5에 나타낸 바와 같이 길이 방향으로 수직인 단면에서의 두께 t₄이다

도 1에 나타낸 바와 같이, 플랜지부(2)의 두께가 포트부(3)의 두께의 80%∼150%이므로, 최종 응고부가 되는 플랜지부(2)에 보이드가 쉽게 생기지 않는다. 그러므로, 각 플랜지부(2)에 압탕을 설치할 필요가 없어지고, 배기 매니폴드를 적은 단계 수이면서 양호한 수율로 제조할 수 있다. 플랜지부(2)의 두께가 포트부(3)의 두께의 80% 미만이면, 용탕이 플랜지부(2)에 충전되기 어렵고, 탕이 잘 순환되지 않는다. 플랜지부(2)의 두께가 포트부(3)의 두께의 150%를 넘으면, 플랜지부(2)에 보이드가 쉽게 생기게 된다. 플랜지부(2)의 두께는 포트부(3)의 두께의 85%∼130%인 것이 바람직하다. 주조 후 가공 전의 플랜지부(2) 및 볼트 구멍(4)의 주위 둘레부(5)는, 소정의 가공 마진(7, machining margin)만큼 더 두껍지만, 본 발명에서의 플랜지부(2)의 두께 t₁ 및 볼트 구멍(4)의 주위 둘레부(5)의 두께 t₃는, 도 1b에 나타낸 바와 같이 가공 후의 플랜지부(2)의 면(21)으로부터의 두께이다.

볼트 구멍(4)의 주위 둘레부(5)의 두께가 플랜지부(2)의 두께의 110%∼300%이므로, 배기 매니폴드가 고온의 배기 가스에 노출되더라도 플랜지부(2)가 쉽게 열 변형되지 않는다. 그러므로, 실린더 헤드의 배기 포트와 배기 매니폴드의 플랜지부(2) 사이로부터 배기 가스가 유출되는 것이 방지된다. 볼트 구멍(4)의 주위 둘레부(5)의 두께가 플랜지부(2)의 두께의 110% 미만이면, 고온의 배기 가스에 의해 플랜지부(2)가 열 변형되기 쉽다. 또한, 300%를 넘으면, 주조 시에 플랜지부(2)에 보이드가 쉽게 생긴다.

도 4a에 나타낸 바와 같이 집합부(8)로부터 각 포트부(3)를 따라 각 플랜지부(2)까지 연장되는 돌조부(11)를 가지면, 고온의 배기 가스에 노출되더라도, 포트부(3)의 열 변형이 생기지 않고, 배기 가스의 유출을 막을 수 있다. 돌조부(11)의 두께 t₄는 포트부(3)의 두께의 70%∼140%인 것이 바람직하다. t₄가 포트부(3)의 두께의 70% 미만이면, 포트부(3)의 열 변형을 충분히 방지할 수 없게 되고, 또 140%를 넘으면 배기 매니폴드의 경량화에 악영향이 있다. 돌조부(11)의 두께 t₄는 포트부(3)의 두께의 80%∼120%인 것이 바람직하다. 돌조부(11)로서는, 도 4a에 나타낸 바와 같이 집합부(8)로부터 각 포트(3)를 따라 각 플랜지부(2)까지 연장되는 돌조부(11)뿐만 아니라, 도 4b 및 도 4c에 나타낸 바와 같이 집합부(8)로부터 포트(3)의 분기부까지 연장되는 돌조부(11)라도 된다.

본 발명의 내열 주조 철강제 배기 매니폴드는, 경량이며 우수한 내열 변형성을 가지므로, 예를 들면, 질량%로 C: 0.2%∼1.0%, C-Nb/8: 0.05%∼0.6%, Si: 2% 이하, Mn: 2% 이하, Ni: 8%∼20%, Cr: 15%∼30%, Nb: 0.5%∼6.0%, W: 1%∼6%, N: 0.01%∼0.3%, S: 0.01%∼0.5%, 잔부: Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 오스테나이트(austenite)계 내열 주조 철강으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명을 이하의 실시예에 의해 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1∼실시예 14, 비교예 1∼비교예 3]

도 1에 나타낸 배기 매니폴드를, 질량%로 C: 0.45%, Si: 1.2%, Mn: 1.0%, P: 0.015%, S: 0.015%, Ni: 10%, Cr: 20%, Nb: 1.5% 및 W: 3.0%의 조성을 가지는 오스테나이트계 내열 주조 철강으로 주조했다(실시예 1∼실시예 8, 비교예 1∼비교예 3). 플랜지부(2)의 두께 t₁, 포트부(3)의 두께 t₂, 및 볼트 구멍(4)의 주위 둘레부(5)의 두께 t₃를 표 1에 나타낸다. 또한, 동일한 오스테나이트계 내열 주조 철강을 사용하여, 도 4a에 나타낸 배기 매니폴드를 주조했다(실시예 9∼실시예 14). t₁∼t₃ 외에 돌조부(11)의 두께 t₄를 표 1에 나타낸다.

각 배기 매니폴드의 수율(단계 수), 및 배기 매니폴드의 사용에 의해 생긴 플랜지부의 열 변형을 다음과 같이 평가했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

(1) 수율(단계 수)의 평가

○: 플랜지부(2)에 압탕을 설치하지 않아도, 보이드가 생기지 않고 양호하게 주조할 수 있었다.

×: 플랜지부(2)에 압탕을 설치하지 않으면 양호하게 주조할 수 없었다. 압탕을 설치했기 때문에, 주조 후에 압탕부의 절단 단계가 필요했다.

(2) 배기 매니폴드를 통상의 엔진의 실린더 헤드의 배기 포트에 접속하고, 엔진을 가동했을 때 생긴 플랜지부의 열 변형의 평가

◎: 포트부(3) 및 플랜지부(2)의 어디에도 열 변형이 생기지 않았다.

○: 플랜지부(2)에 열 변형이 생기지 않고, 배기 가스의 누출이 없었다.

△: 플랜지부(2)에 열 변형이 약간 생겼으나, 배기 가스의 누출은 없었다.

×: 플랜지부(2)에 열 변형이 생기고, 배기 가스의 누출이 생겼다.

[표 1]

표 1(계속)

표 1로부터, 플랜지부의 두께가 포트부의 두께의 80%∼150%인 본 발명의 배기 매니폴드는, 압탕을 설치하지 않아도 보이드가 생기지 않고 양호하게 제조할 수 있고, 또한 사용 시의 열 변형이 작았다. 그 중에서도, 볼트 구멍의 주위 둘레부의 두께가 플랜지부의 두께의 110%∼300%인 실시예 1, 실시예 2, 실시예 4∼실시예 8은, 열 변형이 작았다. 집합부로부터 포트부를 따라 연장된 돌조부를 가지는 실시예 9∼실시예 14의 배기 매니폴드는, 열 변형이 더욱 작았다.

본 발명에 따르면, 적은 단계 수이면서 양호한 수율로 제조할 수 있고, 경량 이며 내열 변형성이 우수한 내열 주조 철강제 배기 매니폴드를 제공할 수 있다.

Claims

엔진의 실린더 헤드의 배기 포트에 볼트로 접속하는 구멍을 가지는 복수개의 플랜지부와, 상기 복수개의 플랜지부에 접속하는 복수개의 포트부와, 상기 복수개의 포트부가 합류하는 집합부를 구비하는 내열 주조 철강제 배기 매니폴드에 있어서, 상기 플랜지부의 두께는 상기 포트부의 두께의 80%∼150%인, 내열 주조 철강제 배기 매니폴드.
제1항에 있어서,

상기 구멍의 주위 둘레부의 두께는 상기 플랜지부의 두께의 110%∼300%인, 내열 주조 철강제 배기 매니폴드.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 집합부로부터 각 포트부를 연장되는 돌조부(ridge)를 포함하는, 내열 주조 철강제 배기 매니폴드.
제3항에 있어서,

상기 돌조부의 두께가 상기 포트부의 두께의 70%∼140%인, 내열 주조 철강제 배기 매니폴드.