KR20100057180A

KR20100057180A - 피로특성 향상을 위한 표면경화열처리 공정을 가지는 선박용 프로펠러의 제조방법 및 그 선박용 프로펠러

Info

Publication number: KR20100057180A
Application number: KR1020080116081A
Authority: KR
Inventors: 박태동; 김대영; 윤중근
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2010-05-31

Abstract

본 발명은 피로특성 향상을 위한 표면경화열처리 공정을 가지는 선박용 프로펠러의 제조방법 및 그 선박용 프로펠러에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 선박용 대형 프로펠러 제작시 표면의 항복 강도 및 인장강도를 향상시켜 프로펠러의 내피로특성을 향상시키기 위해 국부적인 표면경화열처리 방법 및 이를 통해 제조되는 프로펠러를 제공하는 데 있다.

본 발명의 구성은 프로펠러 원소재를 용해하고 사형 틀에 주입하여 응고 후 탈사하여 주조하는 단계와; 주조된 프로펠러의 표면을 황삭, 정삭하는 표면가공단계를 거쳐 제조되는 선박용 대형 프로펠러의 제조방법에 있어서, 주조 및 표면가공단계를 거친 프로펠러의 최대하중 부위에 대한 강도향상을 위한 국부적인 1차표면열처리단계와; 1차 표면열처리단계가 끝난 부위에 대한 잔류응력 제거를 위한 국부적인 2차 표면열처리단계; 를 포함하여 이루어진 것을 피로특성 향상을 위한 표면경화열처리 공정을 가지는 선박용 프로펠러의 제조방법 및 그로부터 제조된 프로펠러를 특징으로 한다.

프로펠러, 니켈 알루미늄 청동, 표면경화열처리, 장치, 피로특성

Description

피로특성 향상을 위한 표면경화열처리 공정을 가지는 선박용 프로펠러의 제조방법 및 그 선박용 프로펠러{Manufacturing method of marine propeller for improving fatigue property by surface hardening heat treatment and marine propeller thereof}

본 발명은 피로특성 향상을 위한 표면경화열처리 공정을 가지는 선박용 프로펠러의 제조방법 및 그 선박용 프로펠러에 관한 것으로, 자세하게는 프로펠러 작동시 최대 하중이 작용하는 보스와 블레이드간 필렛부와 블레이드 페이스(face)에 열처리하여 피로특성을 향상시킨 표면경화열처리 방법 및 이와 같이 표면경화열처리되어 제조된 프로펠러에 관한 것이다.

현재 제작 및 사용되고 있는 선박용 대형 프로펠러는 니켈 알루미늄 청동을 원소재로 이용해 용해하고 사형 틀에 주입하여 응고한 후 탈사, 황삭, 정삭 공정 순으로 제작된다.

상기한 방법에 따라 제조되는 프로펠러의 특성은 주방 상태에서의 니켈 알루 미늄의 성분, 주조 및 탈사 조건에 의해 형성된 미세조직에 의해 결정된다. 이러한 니켈 알루미늄 청동의 미세조직은 응고시 온도가 저하함에 따라 알파(α), 카파 1(κ1), 카파 2(κ2), 카파 3(κ3) 및 카파 4(κ4) 상으로 구성되는데, 먼저 석출한 알파상은 연하고, 이후 순차적으로 석출하는 카파상은 경한 특성이 있다.

선급 룰에 의하면 프로펠러의 보스 및 블레이드 두께는 재질의 항복강도 및 인장강도에 의해 결정되는데, 종래 방식으로 제작된 프로펠러는 원소재 주방상태의 항복강도 및 인장강도를 기준으로 설계되므로 많은 원소재가 투입되고 이와같은 제조방법은 설계 및 제조 측면에서 효율적이지 않다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 선박용 대형 프로펠러 제작시 표면의 항복 강도 및 인장강도를 향상시켜 프로펠러의 내피로특성을 향상시키기 위해 국부적인 표면경화열처리 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 3차원적인 복잡한 형상을 지니고 있는 선박용 대형 프로펠러 제작시 표면의 항복 강도 및 인장강도를 향상시켜 프로펠러의 내피로특성을 향상시키기 위해 국부적인 표면경화열처리시 균일한 열처리가 되도록 X, Y 및 Z 축의 이동이 가능한 3차원 이송장치를 적용한 표면경화열처리 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 선박용 대형 프로펠러 제조시 표면의 항복 강도 및 인장강도를 향상시켜 원소재 사용 절감을 위한 국부적인 표면경화열처리 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 선박용 대형 프로펠러 제작시 표면의 항복 강도 및 인장강도를 향상시켜 프로펠러의 내피로특성을 향상시키기 위해 국부적인 표면경화열처리된 프로펠러를 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수 행하는 본 발명은 프로펠러 원소재를 용해하고 사형 틀에 주입하여 응고 후 탈사하여 주조하는 단계와; 주조된 프로펠러의 표면을 황삭, 정삭하는 표면가공단계를 거쳐 제조되는 선박용 대형 프로펠러의 제조방법에 있어서,

주조 및 표면가공단계를 거친 프로펠러의 최대하중 부위에 대한 강도향상을 위한 국부적인 1차표면열처리단계와;

1차 표면열처리단계가 끝난 부위에 대한 잔류응력 제거를 위한 국부적인 2차 표면열처리단계; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 피로특성 향상을 위한 표면경화열처리 공정을 가지는 선박용 프로펠러의 제조방법을 제공함으로써 달성된다.

상기 프로펠러 주조 및 표면가공단계를 거친 프로펠러는 표면경화열처리될 최대하중 부위인 보스와 블레이드간 필렛부와 3R 까지의 블레이드 표면이 일반적인 니켈 알루미늄 청동을 원소재로 이용한 주조시 기준 보다 적은 원소재를 투입하여 주조된 것을 특징으로 한다.

상기 프로펠러의 최대하중 부위는 보스와 블레이드간 필렛부와 3R 까지의 블레이드 표면인 것을 특징으로 한다.

상기 1차 표면열처리단계는 800 ∼ 1200℃로 가열 후 급냉하는 단계인 것을 특징으로 한다.

상기 2차 표면열처리단계는 200 ∼ 500℃로 가열 후 서냉하는 단계인 것을 특징으로 한다.

상기 1차 또는 2차 표면열처리 방법은 화염 열처리 또는 고주파 열처리를 통해 열처리하는 것을 특징으로 한다.

상기 화염 열처리 또는 고주파 열처리시 표면열처리부위와 화염토치간 거리(stand-off distance)는 5∼50mm를 유지하고, 화염토치의 이송속도는 50∼500mm/min를 유지하는 것을 특징으로 한다.

상기 화염 열처리 또는 고주파 열처리시, 프로펠러를 이루는 프로펠러 보스와 블레이드를 회전정반위에 올려 놓은 상태에서 X, Y 및 Z 축을 이동하는 3차원 이송장치에 조립된 화염토치를 사용하여 국부가열하여 표면열처리하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 다른 실시형태로 상기 제조방법에 따라 선박용 대형 프로펠러의 최대하중 부위인 보스와 블레이드간 필렛부와 3R 까지의 블레이드 표면이 표면경화열처리된 것을 특징으로 하는 피로특성 향상을 위한 표면경화열처리 공정을 가지는 선박용 프로펠러를 제공함으로써 달성된다.

본 발명은 선박용 대형 프로펠러 제작시 국부적인 표면경화열처리를 함으로써 프로펠러 표면의 항복 강도 및 인장강도를 향상시켜 프로펠러의 내피로특성을 향상시켰다는 장점과,

3차원적인 복잡한 형상을 지니고 있는 선박용 대형 프로펠러를 국부적으로 표면경화열처리시 X, Y 및 Z 축의 이동이 가능한 3차원 이송장치를 적용하여 균일한 열처리가 되도록 하였다는 장점과,

선박용 대형 프로펠러 제조시 국부적인 표면경화열처리 함으로써 종래와 같이 원소재 주방상태의 항복강도 및 인장강도를 기준으로 설계됨으로 인한 많은 원소재가 투입될 필요가 없어 원소재가 절감된다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 프로펠러의 열처리제조 공정도이도, 도시된 바와 같이 본 발명의 프로펠러 제조공정은 프로펠러 원소재를 용해하고 사형 틀에 주입하여 응고 후 탈사하여 주조하는 단계와; 주조된 프로펠러의 표면을 황삭, 정삭하는 표면가공단계를 거쳐 제조된 선박용 대형 프로펠러의 최대하중 부위에 대한 강도향상을 위해 국부적인 1차 표면열처리단계와;

1차 표면열처리가 끝난 부위에 대한 잔류응력 제거를 위한 국부적인 1차 표면열처리단계;프로펠러 주조 및 표면가공단계와;

이후 프로펠러 주조 및 표면가공된 프로펠러의 최대하중 부위에 대한 강도향상을 위한 국부적인 1차 표면열처리단계와;

1차 표면열처리단계가 끝난 부위에 대한 잔류응력 제거를 위한 국부적인 2차 표면열처리단계;로 이루어진다.

상기 프로펠러 주조 및 표면가공단계를 거친 프로펠러는 표면경화열처리될 최대하중 부위인 보스와 블레이드간 필렛부(보스자체는 열처리하지 않음)와 3R(보 스부터 시작하여 보스 R의 3R까지의 블레이드) 까지의 블레이드 표면(face)이 일반적인 니켈 알루미늄 청동을 원소재로 이용한 주조시 기준보다 적은 원소재를 투입하여 주조하는 단계이다.(약 5~10% 정도 절감된 소재 투입)

상기 프로펠러의 최대하중 부위는 보스와 블레이드간 필렛부와 3R 까지의 블레이드 표면(face)이다. 즉, 선박에 장착된 프로펠러 작동시 최대 하중작용은 보스와 블레이드간 필렛부와 3R 까지의 블레이드 페이스(face)에 인가된다. 이러한 부위는 프로펠러가 물을 밀어낼때 하중이 가장 많이 걸려 두께가 얇을 경우 피로파괴가 일어나는 곳이다. 일반적으로 피로파괴는 부품의 표면에서 균열이 발생한 후 내부로 전파해서 최종 파단되는데, 프로펠러와 같이 고사이클피로(HCF, High Cycle Fatigue) 조건에서는 표면에서 피로균열이 발생하지 않도록 제어하는 것이 무엇보다 중요하다. 따라서, 프로펠러의 피로특성 향상 즉, 내구성을 향상시키기 위해서는 높은 응력 작용 지점의 표면을 대상으로 표면경화열처리를 수행하므로서 표면 특성을 개질하는 것이다.

상기 1차 표면열처리단계에서 열처리 온도는 800 ∼ 1200℃이고 가열 후 500~800 ^oC로 급냉한다. 이와같은 열처리 온도에서 니켈 알루미늄 청동은 강도가 높은 베타상으로 상변태하고, 이와같은 상을 유지하기 위해 급냉하여야 한다. 열처리 온도가 낮으면 베타상으로 상변태가 발생하지 않으며, 온도가 너무 높으면 용융되 거나 베타상의 입도가 너무 커져 내피로성이 저하할 수 있다. 그리고, 열처리 온도로 유지후 냉각속도가 늦으면 열처리 부분이 베타상이 유지되지 않고 연한 알파상이 석출되므로 이를 방지하기 위해 500~800 ^oC 구간을 급냉해야 한다.

상기와 같이 1차 표면열처리를 하게 되면 프로펠러 즉, 니켈 알루미늄 청동 주방상태의 프로펠러 표면을 화염이나 고주파 열처리를 통해 국부적으로 가열후 급냉하는 열처리를 수행하면 알파 및 카파상의 일부는 경한 베타(β)상으로 변태되고 미확산된 카파상들은 그대로 남아있어 재질의 강도는 증가한다.

상기 2차 표면열처리단계에서 열처리 온도는 200 ∼ 500℃이고 가열 후 서냉한다. 이처럼 2차 표면열처리를 수행하는 것은 1차 열처리시 강한 베타상으로 상변태되어 강도는 증가하였지만 취성이 증가하여 충격인성이 저하되므로 이를 개선하기 위함이다. 온도가 너무 낮으면 열처리 효과가 저하되며, 너무 높으면 1차 열처리시 형성된 베타상이 다시 알파 카파상으로 상변태하므로 적정온도에서의 열처리는 매우 중요하고, 가열후 상온까지 공냉하거나 패드를 붙여 급냉을 방지할 수 있다.

상기와 같이 2차 표면열처리는 1차 표면열처리에 의해 국부 표면 가열 및 급냉으로 경한 조직이 형성되어 강도는 향상되었지만 급열 급냉으로 표면에 형성된 잔류 응력은 소재의 피로강도를 저하시키므로 앞서 1차적으로 수행한 열처리 온도 보다 낮은 온도 영역에서 2차적인 국부 표면열처리를 수행하여 이를 제거하는 것이다.

상기 1차 또는 2차 표면 열처리 방법은 화염 열처리를 통해 열처리하면 된다. 이러한 열처리에 대한 정의는 일반적인 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.

단지 표면열처리부위와 토치간 거리 및 이송속도는 중요한데, 본 발명에서는 표면열처리부위와 화염토치간 거리(stand-off distance)는 5∼50mm를 유지하고, 화염토치의 이송속도는 50∼500mm/min를 유지해야 한다. 프로펠러 표면과 화염토치간 거리가 가깝거나, 이송속도가 너무 느리면 프로펠러 표면이 국부적으로 과열되어 용융되거나 상변태되는 베타상의 입도가 커지게 되고, 거리가 너무 멀거나 이송속도가 빠르면 열처리 효과가 떨어지는 단점이 있으므로 적정 조건에서 열처리를 수행하여야 한다.

도 2는 본 발명에 따라 열처리되는 프로펠러 부위를 보인 예시도인데, 도시된 바와 같이 본 발명의 표면경화열처리 부위는 프로펠러 보스 및 블레이드간 경계 필렛부와; 프로펠러 블레이드의 3R(보스부터 3R)까지 페이스부이다.

상기와 같이 한정한 이유는 이 부분이 프로펠러 작동시 최대 하중이 작용하는 부분으로 고사이클피로(HCF, High Cycle Fatigue) 조건에서 표면에서 피로균열이 생겨 균열이 발생한 후 내부로 전파해서 최종 파단되는 취약한 부분이기 때문이다.

도 3은 본 발명의 한실시예 따라 프로펠러에 표면경화열처리를 행하는 모습을 보인 모식도인데, 도시된 바와 같이 프로펠러 보스(1)와 블레이드(2)를 X, Y 및 Z 축을 이동하는 3차원 이송장치(3)에 조립된 화염토치(4)로 국부가열하여 표면경화열처리를 수행하며, 효율적인 열처리를 수행하기 위해 프로펠러가 회전체임을 감안해 프로펠러 하부에 회전정반(5)을 사용한다.

상기에서 X, Y 및 Z 축을 움직이는 3차원 이송장치(3)의 구성 자체는 3축을 이송하는 유공압 실린더 방식 또는 레일 및 대차방식 또는 기타 가변축 조절 가능한 통상의 장치를 사용하면 되고, 이를 제어하는 제어부가 있으면 된다. 또한 화염토치(4)는 용접물과 접하는 축에 장치되어 열처리 화염이나 고주파 발생이 제어되면 된다. 이 또한 장치구성 자체는 통상적인 것을 사용하면 된다.

단지 가장 중요한 것은 이러한 제어부를 사용하여 프로펠러의 형상이나 상태를 센서로 파악하면서 X, Y 및 Z 축을 움직이는 3차원 이송장치(3) 및 화염토치(4)가 전술한 바와 같이 표면열처리부위와 화염토치간 거리(stand-off distance)는 5∼50mm를 유지하고, 화염토치의 이송속도는 50∼500mm/min)를 유지하기만 하면 된다.

또한 상기 프로펠러 상태를 파악하는 센서로는 비젼센서, 초음파센서 등등의 통상의 센서를 통해 위치를 정밀제어하면서 열처리하면 된다.

상기와 같은 구성을 사용하여 표면열처리 하는 이유는 선박용 프로펠러는 3 차원적인 복잡한 형상을 지니고 있으므로 국부적인 부위에 신뢰성있게 표면경화열처리를 수행하기가 쉽지 않기 때문이다. 즉, 균일한 국부열처리가 수행되지 않을 경우 표면의 조직 특성이 불균일하게 되어 프로펠러의 피로특성의 향상 효과를 얻을 수 없다.

따라서, 이와같은 문제점을 해결하고자 본 발명에 따른 열처리시 X, Y 및 Z 축의 이동이 가능한 3차원 이송장치를 적용해 표면경화열처리의 수행한다.

표면경화열처리를 수행하기 위해서는 작업현장에서 흔히 사용되는 화염 토치를 이용한 방법과 고주파 열처리 방법이 있다.

3차원 곡면과 토치의 거리를 일정하게 유지한 상태에서 정속으로 국부가열하기 위해서는 자동화에 의한 3차원 이송장치의 적용은 균일한 표면특성 개선을 위해서는 필수적이다.

이를 위해 전술한 바와 같이 표면열처리부위와 화염토치간 거리(stand-off distance)는 5∼50mm를 유지하고, 화염토치의 이송속도는 50∼500mm/min를 유지해야 한다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 프로펠러의 열처리제조 공정도이고,

도 2는 본 발명에 따라 열처리되는 프로펠러 부위를 보인 예시도이고,

도 3은 본 발명의 한실시예에 따라 프로펠러에 표면경화열처리를 행하는 모습을 보인 모식도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 프로펠러 보스 (2) : 프로펠러 블레이드

(3) : 3축 이송장치 (4) : 가열토치(or 고주파 코일)

(5) : 회전정반

Claims

프로펠러 원소재를 용해하고 사형 틀에 주입하여 응고 후 탈사하여 주조하는 단계와; 주조된 프로펠러의 표면을 황삭, 정삭하는 표면가공단계를 거쳐 제조되는 선박용 대형 프로펠러의 제조방법에 있어서,

주조 및 표면가공단계를 거친 프로펠러의 최대하중 부위에 대한 강도향상을 위한 국부적인 1차표면열처리단계와;

1차 표면열처리단계가 끝난 부위에 대한 잔류응력 제거를 위한 국부적인 2차 표면열처리단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 피로특성 향상을 위한 표면경화열처리 공정을 가지는 선박용 프로펠러의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 프로펠러 주조 및 표면가공단계를 거친 프로펠러는 표면경화열처리될 최대하중 부위인 보스와 블레이드간 필렛부와 3R 까지의 블레이드 표면이 일반적인 니켈 알루미늄 청동을 원소재로 이용한 주조시 기준 보다 적은 원소재를 투입하여 주조된 것을 특징으로 하는 피로특성 향상을 위한 표면경화열처리 공정을 가지는 선박용 프로펠러의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 프로펠러의 최대하중 부위는 보스와 블레이드간 필렛부와 3R 까지의 블레이드 표면인 것을 특징으로 하는 피로특성 향상을 위한 표면경화열처리 공정을 가지는 선박용 프로펠러의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 1차 표면열처리단계는 800 ∼ 1200℃로 가열 후 급냉하는 단계인 것을 특징으로 하는 피로특성 향상을 위한 표면경화열처리 공정을 가지는 선박용 프로펠러의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 2차 표면열처리단계는 200 ∼ 700℃로 가열 후 서냉하는 단계인 것을 특징으로 하는 피로특성 향상을 위한 표면경화열처리 공정을 가지는 선박용 프로펠러의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 1차 또는 2차 표면열처리 방법은 화염 열처리 또는 고주파 열처리를 통 해 열처리하는 것을 특징으로 하는 피로특성 향상을 위한 표면경화열처리 공정을 가지는 선박용 프로펠러의 제조방법.
청구항 6에 있어서,

상기 화염 열처리 또는 고주파 열처리시 표면열처리부위와 화염토치간 거리(stand-off distance)는 5∼50mm를 유지하고, 화염토치의 이송속도는 50∼500mm/min를 유지하는 것을 특징으로 하는 피로특성 향상을 위한 표면경화열처리 공정을 가지는 선박용 프로펠러의 제조방법.
청구항 6에 있어서,

상기 화염 열처리 또는 고주파 열처리시, 프로펠러를 이루는 프로펠러 보스와 블레이드를 회전정반위에 올려 놓은 상태에서 X, Y 및 Z 축을 이동하는 3차원 이송장치에 조립된 화염토치를 사용하여 국부가열하여 표면열처리하는 것을 특징으로 하는 피로특성 향상을 위한 표면경화열처리 공정을 가지는 선박용 프로펠러의 제조방법.
청구항 1 내지 청구항 8중 어느 한항의 제조방법에 따라 선박용 대형 프로펠 러의 최대하중 부위인 보스와 블레이드간 필렛부와 3R 까지의 블레이드 표면이 표면경화열처리된 것을 특징으로 하는 피로특성 향상을 위한 표면경화열처리 공정을 가지는 선박용 프로펠러.