KR20110003393A

KR20110003393A - 내열성을 향상시킨 ｖｇｓ 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 적용가능한 가변날개의 소형재의 제조방법

Info

Publication number: KR20110003393A
Application number: KR1020107027054A
Authority: KR
Inventors: 신지로 오이시; 유끼오 다까하시
Original assignee: 가부시키가이샤 아이에이치아이; 가부시키가이샤 아키타 파인 블랑킹
Priority date: 2001-05-10
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2011-01-11
Also published as: EP1396620A4; US20110308084A1; US20040213665A1; EP1396620A1; US20090145523A1; KR20040028753A; HK1069196A1; WO2002092979A1; CN100340749C; CN1526051A

Abstract

내고온마모성, 내산화성, 고온강도 등을 향상시킨 신규한 VGS타입 터보차저의 배기가이드 어셈블리를 제공한다.
본 발명은, 가변날개(1)와, 터빈플레임(2)과, 가변기구(3)를 구비하여 이루어지는, VGS타입 터보차저에 있어서의 배기가이드 어셈블리(A)를 신규한 내열부재에 의해 구성하고, 배기가이드 어셈블리(A)의 고온내구성 등을 각 단으로 향상시키도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

내열성을 향상시킨 ＶＧＳ 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 적용가능한 가변날개의 소형재의 제조방법{METHOD OF PRODUCING RAW MATERIAL FOR VARIABLE VANES APPLICABLE FOR EXHAUST GUIDE ASSEMBLY FOR VGS TYPE TURBO CHARGER IMPROVED IN HEAT RESISTANCE}

본 발명은 자동차용 엔진 등에 사용되는 터보차저에 관한 것으로, 특히 이것에 내장되는 배기 가이드 어셈블리 및 그 일 구성부재인 가변날개에 관한 것이다.

자동차용 엔진의 고출력화, 고성능화의 일 수단으로서 사용되는 과급기로서 터보차저가 알려져 있는데, 이것은 엔진의 배기 에너지에 의해 터빈을 구동시키고, 이 터빈의 출력에 의해 콤프레서를 회전시켜 엔진에 자연흡기 이상의 과급상태를 부여하는 장치이다. 그런데 이 터보차저는, 엔진이 저속회전하고 있을 때에는, 배기유량의 저하에 의해 배기터빈이 효율적으로 회전할 때까지의 지체감과, 그 후 단번에 힘이 작용할 때까지의 소요 시간 소위 터보래그 등이 발생하는 것을 피할 수 없었다. 또 원래 엔진회전이 낮은 디젤엔진에서는 터보 효과를 얻기 어렵다는 결점이 있었다.

따라서 저속회전역에서도 효율적으로 작동하는 VGS 타입 터보차저가 개발되어 오고 있다. 이것은 적은 배기량을 가변날개 (날개) 로 압축하고, 배기 속도를 늘려, 배기터빈의 처리량을 크게 함으로써, 저속회전시에도 고출력을 발휘할 수 있도록 한 것으로, 특히 최근 그 배기가스 중의 NOx 량이 문제가 되고 있는 디젤엔진에 있어서는, 저속회전시부터 엔진의 효율화를 도모할 수 있는 유용한 터보차저이다.

이 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리는 고온ㆍ배기가스 분위기하에서 사용되는 것으로, 그 제조에는, 내열성을 갖는 소재, 예를 들어 JIS 규격, SUS, SUH, SCH, NCF 초합금 등의 내열재료가 사용되고 있으나, 매우 가혹한 조건에서 사용되기 때문에, 그 내구수명에는 일정한 한계가 있어 더 나은 내구성의 향상이 절실하게 요망되고 있다.

또 VGS 타입 터보차저에 있어서의 가변날개를 제조하는 데에 있어서는, 날개부와 축부를 일체로 형성한 금속소재 (가변날개의 원형이 되는 소형재) 를 먼저 형성하고, 이와 같은 소형재를 적절히 절삭가공 등을 하여 원하는 형상이나 치수로 마무리하는 것이나, 통상의 정밀주조법이나 금속사출성형법 등에서는, 가변날개의 소형재를 니어네트쉐이프로 마무리하기는 매우 어려워, 가변날개를 현실적으로 항상 안정된 높은 레벨로 양산하기 까지의 단계에는 도달해 있지 않는 것이 현 실정으로, 양산화 실현을 위해서도 상기 문제점의 극복이 요구되었다.

또 최근 특히 디젤차에 있어서는 현재 환경보호 등의 관점에서 대기 중에 방출되는 배기가스가 강하게 규제되는 상황에 있어, 원래 엔진회전이 낮은 디젤엔진에 있어서는, NOx 나 입자상 물질 (PM) 등을 저감시키기 위해서도 저회전역에서 엔진의 효율화를 도모할 수 있는 VGS 타입 터보차저의 양산화가 절실하게 요망되었다.

본 발명은 이와 같은 배경을 인식하여 이루어진 것으로, 700℃ 이상의 고온을 수반하는 열사이클, 배기가스 분위기하에서, 장시간 사용되는 배기 가이드 어셈블리를 구성하는 부재의 고온마모성, 내산화성, 고온경도 등의 향상을 시도한 것으로, 또 상기 서술한 정밀주조법이나 금속사출성형법 등의 문제점을 해결하여 이들 수법에 의해 현실적으로 가변날개의 소형재를 니어네트쉐이프로 얻어지도록 한 신규 제조수법의 개발을 시도한 것이다.

즉, 본원 발명에 기재된 내열성을 향상시킨 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리는,

엔진으로부터 배출되는 배기가스의 유량을 적절히 조절하여 배기터빈을 회전시키는 가변날개와,

이 가변날개를 배기터빈의 외주부에서 회전운동 자유롭게 지지하는 터빈프레임과,

이 가변날개를 적절히 회전운동시켜, 배기가스의 유량을 조절하는 가변기구를 구비하고,

적은 배기유량을 가변날개에 의해 압축하고, 배기속도를 늘려, 저속회전시에도 고출력을 발휘할 수 있도록 한 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 있어서,

상기 배기 가이드 어셈블리를 구성하는 내열금속부재는, 비금속개재물이 0.1 (청정도 ; 면적율%) 이하로 설정되는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

또 본원 발명에 기재된 내열성을 향상시킨 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리는,

*이 가변날개를 배기터빈의 외주부에서 회전운동 자유롭게 지지하는 터빈프레임과,

적은 배기유량을 가변날개에 의해 압축하고, 배기속도를 늘려, 저속회전시에도 고출력을 발휘시킬 수 있도록 한 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 있어서,

상기 배기 가이드 어셈블리를 구성하는 내열금속부재는, 비금속개재물의 크기가 10㎛ 이하 (단, 여기에서 「크기」란 A계의 경우는 압연신장 직각방향의 폭ㆍ길이, B계 및 C계의 경우는 직경을 말함) 로 설정되는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

그리고 또 본원 발명에 기재된 내열성을 향상시킨 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리는,

상기 배기 가이드 어셈블리를 구성하는 내열금속부재는, 비금속개재물이 0.1 (청정도 ; 면적율%) 이하로 설정됨과 동시에, 그 비금속개재물의 크기가 10㎛ 이하 (단, 여기에서 「크기」란 A계의 경우는 압연신장 직각방향의 폭ㆍ길이, B계 및 C계의 경우는 직경을 말함) 로 설정되는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

여기에서 상기 내열금속부재란 Ni 비함유 부재 및 Ni-Cr계 부재를 함유하는 것으로, 구체적으로는 9Cr-1Mo, 18Cr-5Al, SUS420J2, SUS304, SUS316, SUS310S, SCH21, SUH660, Incoloy800H, Inconel713C 등을 들 수 있다.

또 당해 금속 중에 존재하는 비금속개재물로서는, 황화망간, 산화규소, 산화알루미늄 등이 있고, 상기 발명에 의해 특히 B계 및 C계의 단열형(斷裂型), 분산형의 비금속개재물이 저감되게 된다.

또한 비금속개재물의 존재는 당해 금속 중 0.1 (청정도 ; 면적율%) 이하로, 특히 0.05 이하인 것이 바람직하고, 비금속개재물의 크기는 10㎛ 이하로, 특히 5㎛ 이하인 것이 바람직하다.

상기 배기 가이드 어셈블리를 구성하는 내열부재는, 철에 대해 소정 중량%의 탄소와, 소정 중량%의 다른 합금원소군과 불가피한 불순물을 함유시켜 이루어지는 합금으로, 탄소 및 다른 합금원소군의 중량%가,

C 가 0.05% 이하, Mn 이 1% 이상, Ni 가 15% 이상, Cr 이 30% 이하, Ti 가 0.1% 이상으로 설정됨과 동시에, Al, Ce, La 중에서 선택되는 하나 또는 복수의 합금원소를, Al 이 0.1% 이상, Ce 가 0.05% 이상, La 가 0.05% 이상으로 각각 설정되는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

본 발명에 의하면, 당해 내열부재의 예민화 및 σ취화에 의한 조직취화를 억제할 수 있다.

또 본원 발명에 기재된 내열성을 향상시킨 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리는, 상기 배기 가이드 어셈블리를 구성하는 청구항 4 에 기재된 내열부재는, 그 표면에 크롬탄화물의 피막이 형성되는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

본 발명에 의하면, 기지 중의 탄소가 피막부위로 확산이동되어 실질 고용탄소가 더욱 저감되기 때문에, 당해 내열부재의 예민화에 의한 조직취화를 더욱 억제할 수 있게 된다.

여기에서 피막성분의 크롬탄화물로서는 Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, Cr₃C₂ 등이 있고, 특히 피막반응성과 고온화학안정성의 양면을 고려하면 Cr₇C₃ 이 바람직하다.

상기 배기 가이드 어셈블리를 구성하는 γ′석출경화형 내열부재는, 사전에 응력부여처리가 이루어지는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

본 발명에 의하면, 당해 내열부재의 과시효취화를 억제할 수 있다.

여기에서 γ′석출경화형 내열부재로서는 Ni₃Ti 나 Ni₃Al 등의 내열성에 기여하는 화합물을 석출하게 되는 재료를 말하고, 구체적으로는 SUS660 이나 Inconel 713C 등을 들 수 있다.

또 응력부여처리란 변형의 도입에 의해, 이 변형 자체가 상기 화합물 생성의 핵이 되어 미세 균일한 화합물을 형성시키게 되는 처리를 말하고, 석출열처리 전에 실행한다.

상기 배기 가이드 어셈블리를 구성하는 내열부재는, 중량%로서 0.3% 이상의 W, 1.0% 이상의 V, 1.0% 이상의 Mo 또는 0.5% 이상의 Hf 중, 적어도 1종의 성분을 함유하는 마르텐사이트계 스테인리스강인 것을 특징으로 하여 이루어진다.

본 발명에 의하면, 종래 550∼650℃ 이었던 고온공구강의 2차 템퍼링 경화온도를 750∼850℃로까지 상승시킬 수 있게 되어, 당해 재료에 의해 큰 인성이 부여되게 된다. 그 이유는 모상으로부터의 separation nucleation 에 의한 합금탄화물생성 초기단계 모상과의 강한 정합성과 균일분산강화에 의거하는 전위의 이동에 대한 강력한 저지작용에 있다. 또한 2차 경화 전에 가공변형이 부여되면, 더욱 높은 효과를 얻을 수 있게 된다.

또 본 발명의 내열부재는, 상기 4종 성분 중 어느 하나 1종만을 함유해도 되고, 2종, 3종을 조합할 수도 있고, 또한 4종 전부를 함유할 수도 있다.

또 본원 발명에 기재된 내열성을 향상시킨 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리는, 상기 배기 가이드 어셈블리를 구성하는 청구항 7 에 기재된 내열부재는, 그 표면에 크롬탄화물의 피막이 형성되는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

본 발명에 의하면, 당해 재료의 인성뿐만 아니라, 내마모성도 강화되게 된다.

여기에서 피막성분의 크롬탄화물로서는 Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, Cr₃C₂ 등이 있고, 특히 막형성반응성, 고온마찰ㆍ마모성 면에서 Cr₇C₃ 이 바람직하다.

또 마르텐사이트계 스테인리스강이란 크롬 12∼18%, 탄소 0.1∼1.0%를 함유하고, 담금질에 의해 마르텐사이트 조직이 얻어지는 스테인리스강을 말하고, 구체적으로는 SUS410, SUS440, SUS420J2, SUS431 등을 들 수 있다.

C 가 0.2∼0.5%, Mn 이 5.0∼10%, Ni 가 10∼20%, Cr 이 15∼25%, N 이 0.05∼0.2%, La, Ce, Sm 중 1종 또는 2종이 0.01∼0.1%가 되도록 각각 설정되고, 고온에서의 탄소고용한계를 증대시킨 것을 특징으로 하여 이루어진다.

본 발명에 의하면, 침탄처리를 실시하지 않아도 탄화물 막형성이 가능해져, 고내구성의 당해 배기 가이드 어셈블리를 저가로 제조할 수 있다. 이것은 이와 같은 성분조성의 제어에 의해 탄소가 고용상태, 즉, 탄화물로 되지 않고 자유롭게 확산이동될 수 있는 상태가 실현되어, 막형성시에 탄화물 단일상의 형성이 가능해지기 때문이다.

여기에서 La, Ce, Sm 중 1종 또는 2종이란, 예를 들어 La 가 0.07%, La+Ce 가 0.07%, Ce+Sm 이 0.07% 등을 말하고, La 가 0.07%나 La+Ce 가 0.07%가 바람직하다.

또 본원 발명에 기재된 내열성을 향상시킨 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리는, 상기 배기 가이드 어셈블리를 구성하는 청구항 9 에 기재된 내열부재는, 그 표면에 크롬탄화물의 피막이 형성되는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

본 발명에 의하면 당해 내열부재의 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.

여기에서 피막성분의 크롬탄화물로서는, Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, Cr₃C₂ 등이 있고, 특히 피막성, 고온마찰의 관점에서 Cr₇C₃ 이 바람직하다.

C 가 0.15∼0.35%, Si 가 1.5% 이하, Mn 이 2.0% 이하, P 가 0.45% 이하, S 가 0.03% 이하, Ni 가 19.0∼22.0%, Cr 이 24.0∼26.0% 가 되도록 각각 설정되고, 용해정련 후, 고온 슬래브 가열과 압연/주조 후 급냉처리에 의해, 크롬탄화물 및 세멘타이트를 해리(解離)ㆍ고용시켜, 고탄소화시킨 것을 특징으로 하여 이루어진다.

본 발명에 의하면 고강도의 당해 배기 어셈블리를 제조할 수 있게 된다. 이것은 당해 처리에 의해 고용탄소농도가 고용한계에 도달해, 소위 침입형 원자의 고용강화작용이 최대한으로 발휘되기 때문이다.

또 본 발명의 합금강은, JIS 규격 SUS310S 에 탄소를 적량 부가한 것이기 때문에, 압연ㆍ단조 등의 가공이 본래 가능한데, 이 해리고용처리에 의해 이것이 더욱 용이해지고, 또한 고온내구성을 부여하기 위한 크롬탄화물 피막을 실행할 때에, SUS310S 에서는 절대로 필요한 침탄처리를 회피할 수 있기 때문에 경제성이 우수하다.

또 본원 발명에 기재된 내열성을 향상시킨 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리는, 상기 배기 가이드 어셈블리를 구성하는 청구항 11 에 기재된 내열부재는, 비주조형 내열강에서는 필수인 침탄처리를 실시하지 않고, 표면에 크롬/티타늄/텅스텐 등의 탄화물의 피막이 형성되는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

본 발명에 의하면 당해 내열부재의 내고온마모성을 향상시킬 수 있게 된다.

여기에서 피막성분의 크롬탄화물로서는 Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, Cr₃C₂ 등이 있고, 특히 피막성, 고온마찰의 관점에서 Cr₇C₃ 이 바람직하다.

상기 배기 가이드 어셈블리를 구성하는 내열부재는, 초함금이 적용되는 것을 특징으로 하여 이루어진 것이다.

또 본원 발명에 기재된 내열성을 향상시킨 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리는, 상기 배기 가이드 어셈블리를 구성하는 청구항 13 에 기재된 내열부재는, 그 표면에 크롬탄화물, 티탄탄화물, 텅스텐탄화물, 바나듐탄화물, 니오브탄화물 또는 몰리브덴탄화물의 피막이 형성되는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

여기에서 피막성분의 크롬탄화물로서는 Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, Cr₃C₂ 등이 있고, 특히 막형성성, 고온마모성 면에서 Cr₇C₃ 이 바람직하고, 티탄탄화물로서는 TiC, Ti₂C 등이 있고, 특히 피막성, 고온마모성 면에서 TiC 가 바람직하고, 텅스텐탄화물로서는 WC, W₂C 등이 있고, 특히 막형성성, 고온마모성 면에서 WC 등이 바람직하고, 몰리브덴탄화물로서는 MoC, Mo₂C 등이 있고, 특히 막형성성, 고온마모성 면에서 MoC 가 바람직하다. 또 바나듐탄화물, 니오브탄화물로서는 각각 VC 및 NbC 가 바람직하다.

또 초합금이란 700∼1050℃에서 사용되는 내열합금으로, 구체적으로는 Incoloy 800H, Incoloy825, Inconel 713C, IN-100, MAR-M 246, HasteloyS 등을 들 수 있다.

상기 배기 가이드 어셈블리를 구성하는 내열부재는, 철에 대해 소정 중량%의 탄소와 소정 중량%의 다른 합금원소군을 함유시켜 이루어지는 합금으로, 탄소 및 다른 합금원소군의 중량%가,

C 가 0.2∼0.5%, Cr 이 15∼30%, Ni 가 15∼30%, Pb 가 0.01∼0.1%, Se 가 0.01∼0.1%, Te 가 0.01∼0.1%, O 가 0.02∼0.1%, S 가 0.005∼0.05% 가 되도록 각각 설정되고, 크롬과 니켈을 비교적 많이 함유시킨 것을 특징으로 하여 이루어진다.

본 발명에 의하면, 내열성이 우수한 가변날개 등을, 정밀주조법 및 금속사출성형법으로 제조할 수 있게 된다.

여기에서 정밀주조법이란 높은 치수정밀도가 요구되는 주물의 주조법으로, 로스트왁스법, 쉘몰드법, 인베스트먼트 캐스팅법, CADIC법 등이 있고, 이 중에서도 로스트왁스 주조법은 가장 형상이 복잡한 주조품을 가장 높은 정밀도로 만드는 방법으로서 유용하다.

또 금속사출성형법 (MIM) 으로서는 금속분말을 적당한 바인더로 혼련하고, 가소성을 부여하여 금형에 사출하고 고형화한 후 바인더를 제거하여 소결하는 방법으로, 삼차원 복잡형상의 제품을 양산할 수 있는 것이 특징이다.

또 본원 발명에 기재된 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 적용가능한 내열부재의 제조방법은,

적은 배기유량을 가변날개에 의해 압축하고, 배기속도를 늘려, 저속회전시에도 고출력을 발휘시킬 수 있도록 한 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 적용할 수 있는, 내열부재를 제조하는 방법으로,

이 방법은, 고합금 오스테나이트계 내열 스테인리스강ㆍ철계 초합금ㆍ니켈계 초합금에서 선택되는, 어느 하나의 소재에 이온화 침탄을 실시하고, 그 후 TD 염욕 (鹽浴) 처리를 실행하도록 한 것을 특징으로 하여 이루어진다.

본 발명에 의하면, 이온화 침탄 및 TD 염욕처리에 의해 소재 표면의 고온경도가 확보되어, 고내구성을 갖는 내열부재가 얻어진다.

또 본원 발명에 기재된 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 적용가능한 내열부재의 제조방법은, 상기 16 에 기재된 요건에 추가하여, 상기 고합금 오스테나이트계 내열 스테인리스강이 소재로서 선택되는 경우, 당해 소재가 함유하는 탄소량을 규정내 최저한으로 하고, 또한 Ti, Nb, B, Hf 및 Zr 의 1종 또는 그 이상을 함유시키도록 한 것을 특징으로 하여 이루어진다.

또 본원 발명에 기재된 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 적용가능한 내열부재의 제조방법은, 상기 16 에 기재된 요건에 추가하여, 상기 철계 초합금이 소재로서 선택되는 경우, Ti, Nb, B, Hf 및 Zr 의 1종 또는 그 이상을 함유시키는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

또 본원 발명에 기재된 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 적용가능한 내열부재의 제조방법은, 상기 16 에 기재된 요건에 추가하여, 상기 고합금 오스테나이트계 내열 스테인리스강 또는 철계 초합금의 압연재가 소재로서 선택되는 경우, 당해 소재를 페라이트역의 대압하 열간압연에 의해 미세립화하는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

또 본원 발명에 기재된 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 적용가능한 내열부재의 제조방법은, 상기 16 에 기재된 요건에 추가하여, 상기 니켈계 초합금이 소재로서 선택되는 경우, 허용범위내의 고응력하에서 다량의 내부변형을 축적시켜, 이들을 핵으로 하는 미세한 γ′상을 석출시키는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

또 본원 발명에 기재된 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 적용가능한 가변날개의 소형재의 제조방법은,

엔진으로부터 배출된 비교적 적은 배기가스를 적절히 압축하고, 배기가스의 속도를 증폭시켜, 배기가스의 에너지로 배기터빈을 회전시켜, 이 배기터빈에 직결된 콤프레서로 자연흡기 이상의 공기를 엔진으로 보내, 저속회전시이더라도 엔진이 고출력을 발휘할 수 있도록 한 VGS 타입 터보차저에 장착되는 가변날개를 제조하는 데에 있어서,

날개부와 축부를 일체로 갖고, 가변날개의 원형이 되는 소형재를 얻는 공정은, 소형재를 높은 정밀도로 실현할 수 있는 정밀주조법에 의해 실행하는 것으로,

주조에 있어서는, 내열강 (합금) 을 주요 모재로 한 처녀재를 적용함과 동시에, 이 처녀재에 함유되는 C, Si, O 의 각각의 중량%를 0.05∼0.5%, 0.5∼1.5%, 0.01∼0.1%로 하고, 주형에 주입하는 용융금속의 탕흐름성을 향상시키도록 한 것을 특징으로 하여 이루어진다.

본 발명에 의하면, 가변날개의 소형재를 정밀주조법에 의해 얻을 때, 처녀재에 함유되는 C (탄소), Si (규소), O (산소) 량을 조정하여, 형에 주입하는 소재의 탕흐름성을 향상시키기 때문에, 형상, 치수 모두 보다 정밀도가 높은 소형재가 얻어지고, 또 개개의 소형재의 편차도 보다 작은 범위로 억제할 수 있다.

또 본원 발명에 기재된 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 적용가능한 가변날개의 소형재의 제조방법은, 상기 청구항 21 에 기재된 요건에 추가하여, 상기 주조에 있어서는, 주형 또는 소형재 중, 어느 한 일방 또는 쌍방을 냉각시켜, 용융금속을 주입한 후 형 파쇄까지의 시간을 단축시켜, 소형재의 응고조직을 미세화하도록 한 것을 특징으로 하여 이루어진다.

본 발명에 의하면, 결정입자가 가는 소형재가 얻어지기 때문에, 예를 들어 이 그 후, 소형재의 축부를 전조가공할 경우, 샤프 에지를 발생시키기 어렵게 하여, 형상, 치수 모두 더 한층 정밀도가 높은 소형재나 완성품으로서의 가변날개를 실현할 수 있다.

또 본원 발명에 기재된 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 적용가능한 가변날개의 소형재의 제조방법은, 상기 청구항 21 또는 22 에 기재된 요건에 추가하여, 상기 주조에 있어서는, 형에 주입하는 용융금속에 Pb, Se, Te 중 1종 혹은 복수종을 첨가함과 동시에 비금속개재물의 존재가 문제가 없는 범위에서, O, S 를 많이 함유시키도록 한 것을 특징으로 하여 이루어진다.

본 발명에 의하면, Pb (납), Se (세렌), Te (테루르) 등을 적절히 첨가함으로써, 소형재의 전조성이나 절삭성 (여기에서의 절삭이란 주로 후가공에서 실시되는 연삭을 의미함) 등을 향상시킬 수 있다. 또 일반적으로 강재에는 적은 편이 바람직한 O (산소), S (황) 등의 비금속개재물을 오히려 함유시킴으로써 주조에서의 용융금속의 탕흐름성을 향상시킬 수 있다.

또 본원 발명에 기재된 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 적용가능한 가변날개의 소형재의 제조방법은, 상기 청구항 21, 또는 청구항 22 에 기재된 요건에 추가하여, 상기 주조에 있어서는, 형에 주입하는 용융금속을 융점 이상으로 높여, 융점온도보다도 점성을 저하시킨 상태에서 주입하도록 한 것을 특징으로 하여 이루어진다.

본 발명에 의하면, 형에 주입하는 용융금속을 융점 이상으로 가열하고, 점성을 저하시킨 상태에서 주입하기 때문에, 소재의 탕흐름성을, 보다 더욱 향상시킬 수 있다. 또한 용융금속의 점성은 융점 부근에서는 온도의존성이 높아 고온으로 할수록 점성이 낮아지지만, 예를 들어 융점으로부터 약 30℃ 이상의 고온역에서는 온도의존성이 낮아져 가열해도 그다지 점성의 저하를 볼 수 없기 때문에, 본 실시형태에서는 점성저하의 효과와 가온의 비용을 고려하여, 일례로서 융점으로부터 약 30℃ 정도, 고온으로 한 상태에서 주입하도록 되어 있다.

회전중심이 되는 축부와, 실질적으로 배기가스의 유량을 조절하는 날개부를 구비하고,

날개부와 축부를 일체로 갖고, 가변날개의 원형이 되는 소형재를 얻는 공정은, 가소성을 부여한 금속분을 금형내에 사출하여 고형화시키는 금속사출성형법에 의해 실행하는 것으로, 또 사출성형에 있어서는, 금속입자간의 구형 간극인 독립기포를 미세하고 균일하게 생성시키도록 소결을 실행하는 것으로,

그 후, 사출성형된 소형재에 열간 정수압 프레스처리 (HIP 처리) 를 실시하여, 소형재의 고밀도화를 도모하도록 한 것을 특징으로 하여 이루어진다.

본 발명에 의하면, 금속사출성형에 의해 얻어지는 금속소재의 공공률(空孔率) 이 저감되어 소형재의 강도를 증가시킬 수 있다. 즉, 금속사출성형의 결점의 하나가 되었던, 높은 공공률을 개선할 수 있어, 사출성형에 의해 형성된 소형재를 현실에 적용가능한 것으로 한다. 또 공공률이 저감되는 것에 기인하여, 치수정밀도가 향상되어, 성형되는 소형재는, 목적하는 가변날개에 보다 가까운, 니어네트쉐이프의 것이 얻어진다. 따라서 후가공에서의 전조비용 등도 더욱 억제되게 되어 전조공정 등의 간략화도 달성될 수 있다.

또 본원 발명에 기재된 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 적용가능한 가변날개의 소형재의 제조방법은, 상기 청구항 25 에 기재된 요건에 추가하여, 상기 금속사출성형에 있어서는, 원료가 되는 금속분의 형상을 구형이면서 미세화시켜, 소형재의 고온회전굽힘피로성을 향상시키도록 한 것을 특징으로 하여 이루어진다.

본 발명에 의하면, 사출성형에 의해 얻어지는 금속소재의 고온회전굽힘피로성이 향상된다. 즉, 금속사출성형의 결점의 하나가 되었던, 고온회전 굽힘피로를 극복할 수 있어, 사출성형에 의한 소형재의 형성수법을 현실적인 것으로 한다.

또 본원 발명에 기재된 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 적용가능한 가변날개의 소형재의 제조방법은, 상기 청구항 25 또는 26 에 기재된 요건에 추가하여, 상기 금속사출성형에 있어서는, 소결 전에 원료가 되는 금속분의 입자표면을 환원시키는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

본 발명에 의하면, 소결 전에 금속입자의 표면을 환원시켜, 입자표면의 산화물을 제거하기 때문에 소결성이 향상된다. 또 열간 정수압 프레스처리의 효과가 증대되어 소형재에서의 기공률 저감에 크게 기여한다.

도 1(a) 는 본 발명에 관련되는 VGS 타입 터보차저를 나타내는 사시도이고, 도 1(b) 는 배기 가이드 어셈블리를 나타내는 분해사시도이다.
도 2 는 배기 가이드 어셈블리의 일 구성부재인 가변날개를 나타내는 정면도 및 좌측면도이다.
도 3 은 Ni계 내열재 및 Fe계 내열재에 있어서의, 온도와 점성의 관계를 나타내는 그래프이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하 본 발명에 대해 설명한다. 본 발명은 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리 (A) 의 고온내구성을 향상시키기 위해, 각종 내열소재를 예의연구, 개발한 것으로, 이와 같은 내열소재에 의해 구성된 배기 가이드 어셈블리에 대해 먼저 설명한다. 또한 내열소재로서는, 청구항 1∼3 에 대응한 실시형태 1, 청구항 4∼6에 대응한 실시형태 2, 청구항 7, 8 에 대응한 실시형태 3, 청구항 9, 10 에 대응한 실시형태 4, 청구항 11, 12 에 대응한 실시형태 5, 청구항 13, 14 에 대응한 실시형태 6, 청구항 15 에 대응한 실시형태 7, 청구항 16∼20 에 대응한 실시형태 8 까지의 8개로 분류한다.

[1] 배기 가이드 어셈블리

배기 가이드 어셈블리 (A) 는, 특히 엔진의 저속회전시에 배기가스 (G) 를 적절히 압축하여 배기유량을 조절하는 것으로, 일례로서 도 1 에 나타낸 바와 같이 배기터빈 (T) 의 외주에 설치된 실질적으로 배기유량을 설정하는 복수의 가변날개 (1) 와, 가변날개 (1) 를 회전운동 자유롭게 지지하는 터빈프레임 (2) 과, 배기가스 (G) 의 유량을 적절하게 설정하기 위한 가변날개 (1) 를 일정 각도 회전운동시키는 가변기구 (3) 를 구비하여 이루어진다. 이하 각 구성부에 대해 설명한다.

먼저 가변날개 (1) 에 대해 설명한다. 이것은 일례로서 도 1 에 나타낸 바와 같이 배기터빈 (T) 의 외주를 따라 원호형상으로 복수 (하나의 배기 가이드 어셈블리 (A) 에 대해 대략 10개 내지 15개 정도) 설치되고, 그 각각이 대략 동일 정도씩 회전운동하여 배기유량을 적절히 조절하는 것이다. 그리고 각 가변날개 (1) 는, 날개부 (11) 와, 축부 (12) 를 구비하여 이루어진다. 날개부 (11) 는, 주로 배기터빈 (T) 의 폭치수에 따라 일정 폭을 갖도록 형성되는 것으로, 그 폭방향에 있어서의 단면이 개략 날개형상으로 형성되고, 배기가스 (G) 가 효과적으로 배기터빈 (T) 을 향하도록 구성되어 있다. 또한 여기에서 날개부 (11) 의 폭치수를 편의상 날개높이 (h) 로 한다. 축부 (12) 는, 날개부 (11) 와 일체로 연속되도록 형성되는 것으로, 날개부 (11) 를 움직일 때의 회전운동축에 상당하는 부위가 된다.

또 날개부 (11) 와 축부 (12) 의 접속부위에는, 축부 (12) 에서 날개부 (11) 로 향하여 가늘어지는 테이퍼부 (13) 와, 축부 (12) 보다 약간 대경인 플랜지부 (14) 가 연결되도록 형성되어 있다. 또한 플랜지부 (14) 의 저면은, 날개부 (11) 의 축부 (12) 측의 단면과, 거의 동일 평면상에 형성되고, 이 평면에 의해, 가변날개 (1) 를 터빈프레임 (2) 에 장착한 상태에서 원활한 회전운동 상태를 확보하고 있다. 또한 축부 (12) 의 선단부에는, 가변날개 (1) 의 장착상태의 기준이 되는 기준면 (15) 이 형성된다. 이 기준면 (15) 은, 후술하는 가변기구 (3) 에 대해 코킹 등에 의해 고정되는 부위로, 일례로서 도 1, 도 2 에 나타낸 바와 같이 축부 (12) 를 대향적으로 절결한 평면이, 날개부 (11) 에 대해 대략 일정한 경사상태로 형성되어 이루어진다.

다음에 터빈프레임 (2) 에 대해 설명한다. 이것은 복수의 가변날개 (1) 를 회전운동 자유롭게 지지하는 프레임 부재로서 구성되는 것으로, 일례로서 도 1 에 나타낸 바와 같이 프레임 세그먼트 (21) 와 지지부재 (22) 에 의해 가변날개 (1) 를 끼우도록 구성된다. 그리고 프레임 세그먼트 (21) 는, 가변날개 (1) 의 축부 (12) 를 수용하는 플랜지부 (23) 와, 후술하는 가변기구 (3) 를 외주에 끼우는 보스부 (24) 를 구비하여 이루어진다. 또한 이와 같은 구조로부터 플랜지부 (23) 에는, 둘레의 가장자리 부분에 가변날개 (1) 와 동일 수의 수용구멍 (25) 이 등간격으로 형성된다.

또 지지부재 (22) 는, 도 1 에 나타낸 바와 같이 중앙부분이 개구된 원판형으로 형성되어 있다. 그리고 이들 프레임 세그먼트 (21) 와 지지부재 (22) 에 의해 끼워진 가변날개 (1) 의 날개부 (11) 를, 항상 원활하게 회전운동시킬 수 있도록, 양 부재간의 치수는 대략 일정 (대략 가변날개 (1) 의 날개 폭치수 정도) 하게 유지되는 것으로, 일례로서 수용구멍 (25) 의 외주부분에, 4군데 설치된 코킹 핀 (26) 에 의해 양 부재간의 치수가 유지되어 있다. 여기에서 상기 코킹 핀 (26) 을 수용하기 위해 프레임 세그먼트 (21) 및 지지부재 (22) 에 개구되는 구멍을 핀구멍 (27) 으로 한다.

또한 이 실시형태에서는, 프레임 세그먼트 (21) 의 플랜지부 (23) 는, 지지부재 (22) 와 대략 동일한 직경의 플랜지부 (23A) 와, 지지부재 (22) 보다 약간 큰 직경의 플랜지부 (23B) 의 2개의 플랜지부분으로 이루어지는 것으로, 이들을 동일 부재로 형성하는 것이나, 동일 부재에서의 가공이 복잡해지는 경우 등에 있어서는, 직경이 다른 2개의 플랜지부를 분할하여 형성하고, 나중에 코킹가공이나 블레이징가공 등에 의해 접합할 수도 있다.

다음으로 가변기구 (3) 에 대해 설명한다. 이것은 터빈프레임 (2) 의 보스부 (24) 의 외주측에 설치되어, 배기유량을 조절하기 위해 가변날개 (1) 를 회전운동시키는 것으로, 일례로서 도 1 에 나타낸 바와 같이 어셈블리내에서 실질적으로 가변날개 (1) 의 회전운동을 발생시키는 회전운동부재 (31) 와, 이 회전운동을 가변날개 (1) 에 전달하는 전달부재 (32) 를 구비하여 이루어진다. 회전운동부재 (31) 는, 도시하는 바와 같이 중앙부분이 개구된 대략 원판형으로 형성되고, 그 둘레의 가장자리 부분에 가변날개 (1) 와 동일 수의 전달부재 (32) 를 등간격으로 설치한다. 또한 이 전달부재 (32) 는, 회전운동부재 (31) 에 회전 자유롭게 장착되는 구동요소 (32A) 와, 가변날개 (1) 의 기준면 (15) 에 고정상태로 장착되는 수동요소 (32B) 를 구비하여 이루어지는 것으로, 이들 구동요소 (32A) 와 수동요소 (32B) 가 접속된 상태에서 회전운동이 전달된다. 구체적으로는 사각편 형상의 구동요소 (32A) 를, 회전운동부재 (31) 에 대해 회전 자유롭게 핀 고정함과 동시에, 이 구동요소 (32A) 를 수용할 수 있도록 대략 U자 형상으로 형성한 수동요소 (32B) 를, 가변날개 (1) 선단의 기준면 (15) 에 고정하고, 사각편 형상의 구동요소 (32A) 를 U자형상의 수동요소 (32B) 에 끼워 쌍방을 걸어맞추도록, 회전운동부재 (31) 를 보스부 (24) 에 장착한다.

또한 복수의 가변날개 (1) 를 장착한 초기 상태에 있어서, 이들을 원주형으로 정렬시키는데 있어서는, 각 가변날개 (1) 와 수동요소 (32B) 가, 대략 일정한 각도로 장착될 필요가 있고, 본 실시형태에 있어서는, 주로 가변날개 (1) 의 기준면 (15) 이 이 작용을 맡고 있다. 또 회전운동부재 (31) 를 단순히 보스부 (24) 에 끼운 상태에서는, 회전운동부재 (31) 가 터빈프레임 (2) 과 약간 떨어졌을 때, 전달부재 (32) 의 걸어맞춤이 해제될 우려가 있기 때문에, 이것을 방지하기 위해, 터빈프레임 (2) 의 대향측으로부터 회전운동부재 (31) 를 끼우도록 링 (33) 등을 설치하여, 회전운동부재 (31) 에 대해 터빈프레임 (2) 측으로의 누름경향을 부여한다.

이와 같은 구성에 의해, 엔진이 저속회전했을 때에는, 가변기구 (3) 의 회전운동부재 (31) 를 적절히 회전운동시켜, 전달부재 (32) 를 통해 축부 (12) 에 전달하고, 도 1 에 나타낸 바와 같이 가변날개 (1) 를 회전운동시켜, 배기가스 (G) 를 적절히 압축하여 배기유량을 조절한다.

배기 가이드 어셈블리 (A) 는 이상과 같은 기본 구조를 갖는 것으로, 이하 이 어셈블리를 구성하는 내열소재를 각 실시형태마다 설명한다.

[실시형태 1]

실시형태 1 은 청구항 1∼3 에 대응하는 형태로, 내열금속부재 중에 존재하는 비금속물질의 존재를 저감, 치수 미세화하는 것이다. 그 방법으로서는, 내열금속부재에 대해 칼슘ㆍ인젝션, 가열가압처리, 순산소취정처리 등이 있고, 구체적으로는 이하의 공정에서 제조된다.

(i) 내열금속부재 중의 비금속개재물의 저감화

정련시에 있어서의 칼슘ㆍ인젝션에 의해, 황화물계 (A계) 는 물론 산화물계 (B계, C계) 의 비금속개재물의 생성을, 칼슘 화합물로서 황, 규소, 알루미늄 등을 배출함으로써 저감시킨다. 또 순산소취정처리에 의해 산화물을 제거함으로써 B계, C계의 비금속개재물을 저감한다.

(ii) 내열금속부재 중의 비금속개재물의 치수 미세화

가열로를 코일의 출구측ㆍ입구측 쌍방에 부설한 슈테케르밀이나, 대압하가 가능한 강대한 연속식 열간압연기에 의해, 정련 중에 잔존된 비금속개재물을 연신 (A계) 및 미세하게 파쇄 (B계, C계) 한다. 또 순산소취정에 의해 다량의 산화물을 균일하게 형성함으로써 비금속개재물의 치수 미세화를 도모한다.

(iii) 배기 가이드 어셈블리의 제조

이와 같은 처리를 실시한 소재를 주조, 단조, 프레스가공, 정밀 펀칭, 구멍뚫기, 코킹, 표면개질 등의 처리를 실행하여 배기 가이드 어셈블리 (A) 를 제조한다.

(iv) 내구성

비처리재에 비하여 고온/열피로, 크리프 특성, 인성, 응력집중계수, 내고온산화성이 1/5 이하로 되어 현저하게 향상되어, 배기 가이드 어셈블리의 고온내구성이 5배 이상이 되었다.

[실시형태 2]

실시형태 2 는 청구항 4∼6 에 대응하는 형태로, 이 내열부재 (합금) 는 통상의 방법에 의해 제조된다. 또한 구현화된 3종의 실시형태는 표 1 에 나타낸 바와 같다.

또 당해 합금의 각 성분의 한정이유를 이하에 나타낸다.

C 를 0.05% 이하로 하는 것은 예민화 감수성을 저감하기 위해.

Mn 을 1% 이상으로 하는 것은 σ상의 생성을 지체시키기 위해.

Ni 를 15% 이상으로 하는 것은 σ상의 생성 자유 에너지를 증가시키기 위해.

Cr 을 30% 이하로 하는 것은 σ상의 생성 자유 에너지를 증가시키기 위해.

Ti 를 0.1% 이상으로 하는 것은 γ′상의 생성을 위해.

Al 을 0.1% 이상으로 하는 것은 γ′상의 생성을 위해.

Ce 혹은 La 를 0.05% 이상으로 하는 것은 σ상의 생성을 억제시키기 위해.

(i) 배기 가이드 어셈블리의 제조

전로정련공정에서 상기 소정의 성분을 제어하고, 그 후 연속주조, 열간압연 및 냉간압연의 통상 공정을 거쳐 소재재료가 제조되고, 이것을 사용하여 배기 가이드 어셈블리를 가공ㆍ제조한다.

(ii) 조직취화의 억제

이하 표 1 에 조직취화억제에 관한 데이터를 나타낸다.

시재		성분(중량%)								내조직취화시험
시재		C	Mn	Ni	Cr	Ti	Al	Ce	La	내예민화	내σ취화
실시형태2의 강재	① ② ③	0.01 0.05 0.05	2.0 1.5 1.5	25 25 25	20 20 20	1.5 - -	1.5 - -	- 0.07 0.07	- - 0.08	○ △ △	○ ○ ○
비교강 (SUS310S)		0.06	0.5	20	25	-	-	-	-	△	×

(iii) 피막방법

(a) 본 실시형태에서의 합금 표면을 피막하는 방법으로서는 TD 염욕법을 사용하는 것이 바람직하고, 구체적으로는 이하의 공정으로 실행된다.

미리 비평형이면서 과포화상태로 표면을 침탄처리한 후, 500℃로 예열한 부재를 붕사, 염화물, 산화크롬으로 이루어지는 1000℃ 전후의 염욕에 침지함으로써 크롬탄화물 피막이 생성된다.

(b) 조직취화의 억제

이하 표 2 에 조직취화억제에 관한 데이터를 나타낸다.

시재	내조직취화시험
시재	내예민화	내고온마모
피막 없음	○	×
피막 있음	◎	◎

(iv) 응력부여처리

(a) 처리 내용

석출 열처리를 실행하기 전에 부재에 소정 가공을 허용범위에서 가능한 한 균일하게 실시하고, 경우에 따라 추가로 액압 등의 정수압을 추가함으로써, 응력부여하에서 소성변형이 도입된다.

(b) 조직취화의 억제

이하 표 3 에 조직취화억제에 관한 데이터를 나타낸다.

시재		내과시효성
A	통상의 부재가공	×
B	균일한 부재가공	○
C	B+정수압처리	◎

[실시형태 3]

실시형태 3 은 청구항 7, 8 에 대응하는 형태로, 이 합금은 통상의 방법에 의해 제조된다. 또한 구현화된 3종의 실시형태는 표 4 에 나타낸 바와 같다.

또 당해 합금의 각 성분의 한정이유를 이하에 나타낸다.

W 를 0.3% 이상으로 하는 것은 템퍼링 2차 경화를 유효하고 고온에서 발생시키기 위해.

V 를 1.0% 이상으로 하는 것은 템퍼링 2차 경화를 유효하고 고온에서 발생시키기 위해.

Mo 를 1.0% 이상으로 하는 것은 템퍼링 2차 경화를 유효하고 고온에서 발생시키기 위해.

Hf 를 0.5% 이상으로 하는 것은 템퍼링 2차 경화를 유효하고 고온에서 발생시키기 위해.

(i) 배기 가이드 어셈블리의 제조

전로정련으로 조성을 제어하고, 노외정련으로 더욱 조성의 정밀화를 도모한 후, 연속주조로 슬래브, 빌렛, 블룸 등으로 하고, 그 후, 열간압연, 냉간압연으로 스테인리스강 소재를 제조한다. 이것을 사용하여 가공, 열처리를 하여 배기 가이드 어셈블리로 한다.

(ii) 내구성

이하 표 4 에 내구성 향상에 관한 데이터를 나타낸다.

시재			성분(중량%)						내구성시험
시재			C	Cr	W	V	Mo	Hf	800℃에서의 2차경화에 의한 Hv (비커스경도)
A	SUS420J2		0.3	13	-	-	-	-	200
B	실시형태3의 강재	① ② ③	0.5 0.5 0.5	13 13 13	0.4 0.4 0.4	- 1.2 1.2	- 1.2 1.2	- - 0.7	520 560 600
C	B+가공변형	① ② ③	0.5 0.5 0.5	13 13 13	0.4 0.4 0.4	- 1.2 1.2	- 1.2 1.2	- - 0.7	600 700 800

(iii) 피막방법

(a) 본 실시형태에서의 마르텐사이트계 스테인리스강의 표면을 피막하는 방법으로서는, 염욕법에 의한 크롬탄화물 막형성법을 사용하는 것이 바람직하고, 구체적으로는 이하의 공정으로 실행된다.

고용탄소는 충분히 함유되어 있으므로, 세정 후 500℃ 로 예열하고, 붕사ㆍ염화물ㆍ크롬 산화물로 이루어지는 1000℃ 정도의 염욕에 침지한 후 꺼내 중화세정한다. 이 때, 2차 경화상태의 열화를 방지하기 위해, 가능한 한 저온에서 단시간 처리하는 것이 바람직하다.

(b) 고온내구성

이하 표 5 에 고온내구성 향상에 관한 데이터를 나타낸다.

시재	고온내구성
피막 없음	△ (고온산화, 베이킹 발생)
피막 있음	○ (상기 현상이 매우 발생하기 힘듬)

[실시형태 4]

실시형태 4 는 청구항 9, 10 에 대응하는 형태로, 이 내열부재 (합금) 는 통상의 방법에 의해 제조된다. 또한 구현화된 2종의 실시형태는 표 6 에 나타낸 바와 같다.

또 당해 합금의 각 성분의 한정이유는 이하에 나타낸다.

C 를 0.2∼0.5%로 하는 것은 충분한 고온내구성을 가진 크롬탄화물을 필요에 따라 충분한 만큼 막형성하기 위한 적정범위.

Mn 을 5∼10%로 하는 것은 탄소의 고용량을 0.2∼0.5% 의 적정범위로 유지하기 위해.

Ni 를 10∼20% 로 하는 것은 탄소 고용량을 0.2∼0.5% 의 적정범위로 유지하기 위해.

Cr 을 15∼25% 로 하는 것은 탄소 고용량을 0.2∼0.5% 의 적정범위로 유지하기 위해.

N 을 0.05∼0.2% 로 하는 것은 탄소 고용량을 0.2∼0.5% 의 적정범위로 유지하기 위해.

La, Ce, Sm 중, 1종 또는 2종을 0.01∼1% 로 하는 것은 탄소 고용량을 0.2∼0.5% 의 적정범위로 유지하고, 크롬탄화물 막형성에 기여시키기 위해.

(i) 배기 가이드 어셈블리의 제조

전로정련으로 조성을 제어하고, 노외정련으로 더욱 조성의 정밀화를 도모한 후, 연속주조로 슬래브, 빌렛, 블룸 등으로 하고, 그 후, 열간압연, 냉간압연으로 내열재료를 제조한다. 이것을 사용하여 가공, 열처리를 하여 배기 가이드 어셈블리로 한다.

(ii) 고온강도

이하 표 6 에 고온강도 향상에 관한 데이터를 나타낸다.

시재		성분(중량%)								고온강도
시재		C	Mn	Ni	Cr	N	La	Ce	Sm	800℃의 인장강도(㎫)
A	실시형태4의 강재	0.3	5.5	19	24	0.10	0.07	-	-	220
B	실시형태4의 강재	0.4	6.0	19	24	0.10	-	0.05	0.02	230
C	비교재(SUS310S)	0.06	0.5	20	25	0.02	-	-	-	170

(iii) 피막방법

(a) 본 실시형태에서의 합금 표면을 피막하는 방법으로서는 염욕법을 사용하는 것이 바람직하고, 구체적으로는 이하의 공정으로 실행된다.

어셈블리 부품을 세정한 후 500℃로 예열하고, 이어서 붕사 중에 염화물 및 산화크롬을 함유시킨 1000℃ 전후의 염욕에 침지한 후 중화세정한다.

(b) 내구성

이하 표 7 에 내구성 향상에 관한 데이터를 나타낸다.

시재		성분(중량%)								내구성
시재		C	Mn	Ni	Cr	N	La	Ce	Sm	850℃의 마찰계수
A	실시형태4의 강재	0.3	5.5	19	24	0.10	0.07	-	-	0.5
B	실시형태4의 강재	0.4	6.0	19	24	0.10	-	0.05	0.02	0.4
C	비교재(SUS310S)	0.06	0.5	20	25	0.02	-	-	-	1.8

[실시형태 5]

실시형태 5 는 청구항 11, 12 에 대응하는 형태로, 이 내열부재 (함금) 는 JIS 규격 SUS310S 에 탄소를 부가하여 제조되는 것으로, 구체적으로는 이하의 공정으로 실행된다. 또 구현화된 실시형태는 후술하는 표 8 에 나타낸 바와 같다.

전로정련으로 조성을 제어하고, 노외정련으로 더욱 조성의 정밀화를 도모한 후, 연속주조기로 슬래브로 한다. 그 후 1200℃ 이상 균열 1시간 이상의 슬래브 가열을 실행하고, 초기경압하에서의 슈테케르밀 등의 열간압연을 실행하여, 압연하한온도를 950℃ 이상으로 조작하면서 열연을 실행하고, 마지막에 대량의 냉각수를 부어 급냉시킨다. 이렇게 하여 얻어진 열연 코일을 냉간압연하고, 소둔은 연속설비에서 기지 철의 탄화물생성을 회피하기 위해, 1100℃ 정도에서 실행하여 제품소재로 한다.

또한 탄소함유율을 0.15∼0.35% 로 하는 것은, 탄소가 본 실시형태의 처리에 의해 고용되어, 비침탄으로 크롬탄화물이 피막될 수 있는 범위로 한정했기 때문이다.

(i) 배기 가이드 어셈블리 부재의 제조

전로정련으로 조성을 제어하고, 연속주조한 슬래브를 1250℃ 이상의 고온가열하며, 그 후 압연/단조급냉공정을 거쳐 내열부재를 제조한다.

(ii) 고강도화

이하 표 8 에 고온경도에 관한 데이터를 나타낸다.

시재	탄소함유율	고온경도Hv(800℃) *Hv:비커스경도	마모(베이킹)	850℃의 마찰계수
실시형태5 의 강재	0.32	510	없음	0.4
SUS310S	0.05	290	발생	1.8

(iii) 피막방법

(a) 본 실시형태에서의 합금의 표면의 피막은, 당해 내열재료 중에서 대부분 해리ㆍ고용되어 있는 탄소를 이용하여 실행하는 것으로, 구체적으로는 이하의 공정으로 실행된다.

이 부재를 세정한 후 500℃ 에서 예열하고, 이어서 산화크롬/티타늄/텅스텐 등을 함유하는 염욕 중에 침지하고, 그 후 중화처리한다.

(b) 고마모성

상기 표 8 에 고온경도 및 고온마모성에 관한 데이터를 나타낸다.

[실시형태 6]

실시형태 6 은 청구항 13, 14 에 대응하는 형태이다.

(i) 배기 가이드 어셈블리의 제조

진공용해에 의해 소정 조성으로 이루어지는 각종 초합금의 성분조정ㆍ용해를 실행하여, 주조용 초합금 (Inconel 713C 등) 은 잉곳 주괴로 하고, 이것을 사형주조나 정밀주조용의 마스터 알로이로 하여 어셈블리 부품을 제조한다. 또한 압연/단조용 초합금 (Incoloy 800H 등) 은 잉곳 주괴, 경우에 따라 연속단조 슬래브ㆍ블룸ㆍ빌렛으로 하고, 그 후 압연/단조에 의해 초합금 소재로 한다. 그 후, 가공 (및 열처리) 을 실시하여 어셈블리 부품으로 한다.

(ii) 고온강도

이하 표 9 에 고온강도에 관한 데이터를 나타낸다.

시재	고온강도 (인장강도, ㎫;800℃)
Incoloy 800H	500
Inconel 713C	600
Hasteloy S	550

(iii) 피막방법

(a) 본 실시형태에서의 초합금의 크롬탄화물, 티탄탄화물, 텅스텐탄화물, 바나듐탄화물, 니오브탄화물 또는 몰리브덴탄화물에 의한 표면피막은, 사전에 침탄처리, 침질처리한 후에 실행하고, 구체적으로는 이하의 공정으로 실행된다.

이온화침탄, 또는 이온화침질 후, 초합금 소재를 500℃ 로 예열하고, 크롬, 티탄, 텅스텐, 바나듐, 니오브 또는 몰리브덴을 함유하는 염욕 중에 침지한 후 중화처리한다.

(b) 고온 슬라이딩에 의한 마모열화의 억제

이하 표 10 에 마모열화 억제에 관한 데이터를 나타낸다.

시재	피막	마모열화의 억제(900℃ 에서의 마모계수)
Incoloy 800H	없음	1.5
Incoloy 800H	Cr-C	0.5
Incoloy 800H	Ti-C	0.4
Incoloy 800H	W-C	0.4
Incoloy 800H	Mo-C	0.5
Incoloy 800H	V-C	0.5
Incoloy 800H	Nb-C	0.5

[실시형태 7]

실시형태 7 은 청구항 15 에 대응하는 형태로, 이 내열부재 (합금) 의 소형재는 기본적으로 정밀주조방법 또는 금속사출성형방법에 의해 제조된다 (후술하는 표 11, 12 참조).

전로정련으로 조성을 제어하고, 노외정련으로 더욱 조성의 정밀화를 실행한 후, 연속주조기로 슬래브로 한다. 그 후 1200℃ 이상 균열 1시간 이상의 슬래브 가열을 실행하고, 초기경압하에서의 슈테케르밀 등의 열간압연을 실행하고, 압연하한온도를 950℃ 이상으로 조작하면서 열연을 실행하며, 마지막에 대량의 냉각수를 부어 급냉시킨다. 이렇게 하여 얻어진 열연 코일을 냉간압연하고, 소둔은 연속설비에서 기지 철의 탄화물 생성을 회피하기 위해, 1100℃ 정도에서 실행하여 제품 소재로 한다.

또 당해 합금주강의 각 성분의 한정이유를 이하에 나타낸다.

C 를 0.2∼0.5% 로 하는 것은 탕흐름성, 고온강도, 피막처리성의 개선을 도모하기 위해.

Cr 을 15∼30% 로 하는 것은 내열성의 향상을 위해.

Ni 를 15∼30% 로 하는 것은 특히 고온강도, 내고온산화, 열피로, 열팽창 (치수변화) 의 개선을 도모하기 위해.

Pb 를 0.01∼0.1% 로 하는 것은 정밀주조, MIM 니어네트쉐이프 부품의 기계절삭성을 용이화하기 위해 그리고 MIM 소결성의 향상을 위해.

Se 를 0.01∼0.1% 로 하는 것은 정밀주조, MIM 니어세트쉐이프 부품의 기계절삭성을 용이화하기 위해 그리고 MIM 소결성을 향상시키기 위해.

Te 를 0.01∼0.1% 로 하는 것은 정밀주조, MIM 니어세트쉐이프 부품의 기계절삭성을 용이화하기 위해 그리고 MIM 소결성을 향상시키기 위해.

O 를 0.02∼0.1% 로 하는 것은 정밀주조시의 탕흐름성을 양호하게 하기 위해.

S 를 0.005∼0.05% 로 하는 것은 정밀주조시의 탕흐름성을 양호하게 하기 위해.

(i) 배기 가이드 어셈블리의 제조

(a) 정밀주조법

1. 제조

정밀주조법을 대표하는 로스트 왁스 주조법에 의해 상기 성분 조합을 고려하여 제조하였다. 이 방법은 주형을 주조하고자 하는 제품과 동일한 형상의 납 모형의 원형 둘레에 내화물의 피막상을 형성시킨 후, 전체를 가열하여 납 모형만을 녹여 만든 것으로, 구체적으로는 이하의 공정으로 제조하고, 니어네트쉐이프 정도를 높이기 위한 대처를 강구한다.

전기로에서 Fe-Ni0Cr계 마스터 알로이를 사용하여 성분 조정하고, 고온용제에 의해 융액의 점성을 줄여, 이 내화물제 주형 중에 열응력 균열을 발생시키지 않는 범위에서 급냉주탕하여 치수 공차를 극소하게, 즉 치수정밀도를 높인다. 이어서 냉각 후, 주형을 분해해 탕도 등을 절단, 내산세ㆍ세정하여 니어네트 제품으로 한다. 그리고 경절삭공정을 거쳐 어셈블리 부품이 된다. 본 실시형태에서는, 후공정의 절삭, 연마 등의 공정에 가능한 한 부하를 가하지 않기 위한 새로운 지견을 포함시킨 것이다.

2. 제조에 관한 데이터

이하 표 11 에 종래품과의 비교 데이터를 나타낸다.

<정밀주조방법>

시재	성분(중량%)								탕흐름성	치수정밀도	절삭성
시재	C	Cr	Ni	Pb	Se	Te	O	S	탕흐름성	치수정밀도	절삭성
실시형태7의 강재	0.40	20	24	0.04	0.03	0.02	0.09	0.020	양호	개선	1회에 절삭가능
종래품	0.06	20	24	-	-	-	0.05	0.007	작은 R부로의 유입이나 캐비티가 발생하는 난점있음	-	2∼3회 절삭 필요함

(b) 금속사출성형법

1. 제조

공기/물 아토마이즈 방출속도와 냉속도의 속도증대와 노즐형상 치수제어에 의해 미세 원료분으로 하고, 환원분위기에서 표면산화물을 제거하고, 융점 바로 아래 (-20℃ 정도) 의 소결로 독립기포화시키고, 사출성형하여 니어네트 제품으로 한다. 그리고 경절삭공정을 거쳐 어셈블리 부품으로 한다.

2. 제품에 관한 데이터

이하 표 12 에 종래품과의 비교 데이터를 나타낸다.

<금속사출성형방법>

시재	성분(중량%)								독립기포의 생성	고온굽힘피로	절삭성
시재	C	Cr	Ni	Pb	Se	Te	O	S	독립기포의 생성	고온굽힘피로	절삭성
실시형태7의 강재	0.40	20	24	0.04	0.03	0.02	0.09	0.020	거의 100%	피로강도한계 모두 종래품의 50∼100% UP	1회에 절삭가능
종래품	0.06	20	24	-	-	-	0.05	0.007	약 50%	-	2∼3회 절삭 필요함

(iii) 내구성

이상의 로스트 왁스 주조 또는 MIM 절삭품을 탄화물 피막형성을 위해, 염욕처리 (필요에 따라 침탄처리) 하여 어셈블리 부재로 한다.

이하 표 13 에 내구성 향상에 관한 데이터를 나타낸다.

(피막처리의 유무에 의한 고온마찰계수)

시재			내구성(850℃의 마찰계수)
제조법		피막 유무	내구성(850℃의 마찰계수)
A	로스트 왁스	피막처리 유	0.4
B	로스트 왁스	피막처리 무	1.8
C	MIM	피막처리 유	0.5
D	MIM	피막처리 무	1.9

[실시형태 8]

실시형태 8 은 청구항 16∼20 에 대응하는 형태이다.

(i) 고합금 오스테나이트계 내열 스테인리스

(a) 이온 침탄 및 TD 염욕처리만의 예

메탄이나 프로판을 함유하는 탄화수소계 가스를 함유하는 2∼3 Torr 의 묽은가스 분위기에서 글로우방전을 발생시켜, 발생된 탄화수소계 플라스마이온을 피처리물 표면에 작용시켜 침탄한다. 이어서 붕사 중에 Cr, V, Ti, W 등의 산화물과 조제로서의 염화물을 혼합시킨 고온 TD 염욕 중에 피처리물을 침지하여 고온화학반응에 의해 탄화물을 막형성시킨다.

(b) SUS310S 또는 SUH310 을 사용한 예

기본적으로 상기 서술한 방법과 동일하나, SUS310S 의 C〈0.1%, SUH310 의 C≒0.2% 로 차가 있으므로, 이온침탄조건은 각각에 적합한 것으로 한다. TD 염욕처리후의 결과, 고온마모ㆍ고온산화를 주로 하는 고온내구성이 현저하게 향상된다. 또 Ti, Nb, B, Hf 등의 첨가에 의해 세립화를 도모할 수 있으므로, 고온경도, 피로성, 크리프성 등이 향상된다. 또한 상기 (a) 를 적용한다.

(c) SCH21 을 사용한 예

기본적으로 상기 서술한 법과 동일하게 C≒0.3% 로 더욱 높으므로, 이온침탄시간은 짧아도 된다. TD 염욕처리의 효과나 미세립화 효과는 SUS310S 나 SUH310 과 동일하다. 또한 상기 (a) 를 적용한다.

(d) 압연재를 사용한 예

사전에 가열한 후, 오스테나이트 영역에서 경압하한 후, 재료가 페라이트역으로 상변태된 후, 단번에 대압하압연을 실행하고, 재결정핵 생성 수를 대폭 늘려, 냉각과정에서 오스테나이트로부터 페라이트로의 변태를 회피하여 (통상의 열간압연에서는, 압하 후의 변태가 일어나 오스테나이트 입자로부터의 페라이트 재결정이 발생됨), 미세립이 얻어진다. 따라서 고온강도 등의 내열성이 향상된다. 또한 상기 (a) 를 적용한다.

(ii) 철계 초합금을 사용한 예

SUH660 이나 Incoloy 800H 등의 철계 초합금은, Ni량이 많을 뿐만 아니라, Ti, Al 등이 첨가되어 있으므로, 이온침탄시에 표면의 클리닝이나 활성화에 더욱 주의할 필요가 있다. 그 외에는 기본적으로 (a) 와 동일하다.

(iii) 니켈계 초합금을 사용한 예

(a) 이온침탄 및 염욕처리만의 예

Inconel 718 이나 Inconel 713C 등의 Ni계 초합금은, 매트릭스가 Ni 이기 때문에, 이온침탄시에는 진공도 min 으로 하고, 글로우 방전 전압도 높게 한다. 염욕처리시에도 Ni 매트릭스 중의 고용탄소의 확산속도를 고려하여 욕 밸랜스 염화물 (환원제와 산화물의 욕 밸런스를 붕산 매체에 대해 고농도측으로 시프트시킴).

(b) γ′상을 석출시키는 예

Ni₃Ti 나 Ni₃Al 등의 γ′석출형의 Ni계 초합금 (SUH660 포함) 의 본 고온용도에 있어서는 가능한 한 γ′상을 미세, 균일하게 분산시킬 필요가 있다. 이를 위해 석출처리 전에 변형의 도입을 실행하는 것, 그리고/또는 석출열처리를 폴리고나이즈처리 (이단열처리) 공정을 채택함으로써 대처한다.

배기 가이드 어셈블리 (A) 를 구성하는 내열소재는 이상과 같이 제조 내지는 형성되는 것으로, 이하 상기 실시형태 7 에서도 다소 언급한, 가변날개 (1) 의 원형이 되는 소형재의 제조방법에 대해 설명한다.

가변날개 (1) 의 소형재는, 완성 이전의 상태에서의 날개부 (11) 와 축부 (12) 를 일체로 가진 금속소재로, 이것에 적절하게, 전조가공이나 연마가공 등을 실시하여, 목적하는 가변날개 (1) 를 형성하는 것이다. 또 소형재의 소재로서는 예를 들어 SUS310S 등의 내열성을 가진 금속소재가 적용된다. 여기에서는 정밀주조법 또는 금속사출성형법에 의해 소형재를 얻는 것으로, 이하 그 제조방법에 대해 정밀주조법을 [실시형태 9], 금속사출성형법을 [실시형태 10] 으로 설명한다.

[실시형태 9]

실시형태 9 는 청구항 21∼24 에 대응한 정밀주조법이다. 이 수법은 일반적으로 주조품 (소형재) 을 고정밀도로 실현할 수 있는 수법으로, 여기에서는 일례로서 로스트 왁스 수법이 적용된다. 로스트 왁스 수법은, 일반적으로 주조하고자 하는 제품과 동일한 형상의 납 모형 원형을 먼저 형성하고, 이 납 모형 원형의 둘레에 내화물의 피복층을 형성한 후, 전체를 가열하여 납 모형만을 녹여 주형 (피복층) 을 만드는 것으로, 이와 같은 수법에 의해 목적하는 제품에 충실한 주형을 얻고, 고정밀도로 주조품을 재현하는 것이다.

또한 정밀주조법에는, 상기 서술한 로스트 왁스 수법 이외에도, 쇼프로세스 수법이나 CADIC 법 등이 있고, 이들 수법도 적용가능하다. 그리고 쇼프로세스수법은, 액체상의 알킬실리케이트 점결제와 분립상 내화물을 혼련하여 생주형을 성형하는 것으로, 이 생주형을 급격하게 건조시키고, 건조에 수반되어 발생되는 균열을 눈에 보이지 않는 미세한 헤어크랙으로 발생시켜, 주형의 전체적인 수축변형을 방지하도록 한 수법이다.

이와 같이 정밀주조법은, 목적하는 제품 (여기에서는 가변날개 (1)) 과 대략 동일한 형상 및 크기를 갖도록 주형을 형성하고, 목적하는 제품에 대해 매우 충실한 주조품 (소형재) 을 고정밀도로 재현할 수 있는 것이다. 그러나 이와 같은 정밀주조법이더라도, 그 상태에서는 소형재를 니어네트세이프로 마무리하기는 어렵고, 목적하는 형상이나 정밀도를 갖는 가변날개 (1) 를 얻기 위해서는, 주조한 소형재의 치수정밀도가 아직 불충분하고 편차와 같은 결점이 있었다. 또 소형재에, 그 후, 전조 등의 후가공을 실시하는 경우, 샤프 에지를 형성하기 쉽다는 결점도 있었다. 따라서 본 실시형태에서는 이하와 같이 주조시에 적절하게 기술적으로 고안한 것이다.

먼저 주형에 주입하는 용융금속의 탕흐름성을 향상시키기 위해, 내열금속을 주요 모재로 한 처녀재를 적용함과 동시에, 이 처녀재에 함유되는 C (탄소), Si (규소), O (산소) 량을 적정화한다. 구체적으로는 스크랩의 과정을 거치지 않고, 사철이나 철광석 등으로부터 직접 환원시켜 만들어진 소재 (처녀재) 를 적용하는 것으로, 또한 C, Si, O 의 성분량을 각각 0.05∼0.5%, 0.5∼1.5%, 0.01∼0.1% (각각 중량%) 로 조정하고, 용융금속의 탕흐름성이나 소형재의 형상 및 치수정밀도를 향상시키고, 또한 전조성의 향상을 도모한다. 그리고 상기 각 원소의 성분량을 조정하는 데에 있어서는, 전기로에 있어서 분석변동량을 감시하면서 실행한다.

또 주조에 있어서는, 주형 또는 소형재 중, 어느 일방 또는 쌍방을 급냉시킴으로써 형 파쇄까지의 시간을 단축시켜, 소형재의 응고조직을 미세하게 한다. 구체적으로는 예를 들어 주조의 전후에 있어서 주형에 물을 분무하여 냉각시켜, 형파쇄까지 필요한 시간을, 일례로서 1시간 이하로 단축한다 (통상의 공냉에서는 1∼4시간 소요됨). 이 때 주입 전의 사전냉각에서는 주형만을 냉각하게 되고,주입 후의 냉각에서는 주형과 소형재의 쌍방을 냉각하게 된다. 물론 급냉은 주형이 열응력 균열을 일으키지 않는 범위에서 실행한다. 또한 주조의 전후 양 시기에 냉각시킬 필요가 없으면, 어느 일방이어도 되고, 더 한층 냉각효과를 높이고자 하는 경우에는, 주조 전후의 양 시기의 냉각에 추가하여, 주형으로부터 꺼낸 소형재에 냉각수를 분무할 수도 있다.

또한 이와 같은 기술적인 연구 (급냉) 에 의해, 소형재의 응고조직은, 일례로서 50∼100㎛ 로 미세화할 수 있고 (통상의 공냉에서는 약 100∼500㎛ 의 응고입자), 그 후의 전조 등의 가공시에, 변형왜 균일화효과에 의해 샤프 에지를 발생시키기 어려워, 전조가공 등을 보다 실행하기 쉽게 하는 것이다.

그리고 또 형에 주입하는 용융금속에는, Pb (납), Se (세렌), Te (테루르) 중, 1종 혹은 복수종을 첨가함과 동시에 비금속개재물의 존재가 문제가 되지 않는 범위에서, O (산소), S (황) 를 많이 함유시키는 것이다. 구체적으로는 Pb 는 0.01∼0.1%, Se 는 0.01∼0.1%, Te 는 0.01∼0.1% (각각 중량%) 함유시킬 수 있는 것으로, 또 O 는 0.02∼0.1%, S 는 0.005∼0.5% (각각 중량%) 의 성분량으로 한다. 여기에서 Pb, Se, Te 등을 첨가시키는 것은 소형재의 전조성이나 절삭성 (주로 연삭성을 나타냄) 을 향상시키기 위해서이고, 또 O, S 등을 첨가시키는 것은 탕흐름성의 향상을 도모하기 위해서이다. 그리고 탕흐름성에 대해서는, 스톡스류의 점성유동성이 적어도 20∼40% 향상되는 것이 본 출원인에 의해 확인되고 있다.

또 주조에 있어서 용융금속은, 융점 이상으로 가온하고, 점성을 융점온도보다도 낮게 한 상태에서 주입하는 것으로, Ni(니켈)계 내열재 및 Fe(철)계 내열재를 예로 들어, 온도 (융점에 대한 가온상황으로 표시) 와 점성과의 관계를 도 3 에 나타낸다. 또한 이 도면 내에 기재하는 탕흐름성 (규격값) 이란, 주탕용융체의 유동성을 나타내는 것으로 점성에 상당하는 것이다. 이 도면으로부터 용융금속의 점성은 융점부근에서는 온도의존성이 높고, 소재의 온도가 높을수록 점성이 저하되는 것을 알 수 있으나, 융점에 대해 약 30℃ 정도 가온한 부근에 있어서는, 점성의 온도의존성이 약해지고, 가온해도 그다지 점성이 저하되지 않는 것을 알 수 있다. 따라서 본 실시형태에서는 점성저하의 효과와 가온의 비용을 고려하여, 일례로서 소재를 융점으로부터 약 30℃ 정도, 고온으로 한 상태에서 주입하는 것이다.

[실시형태 10]

실시형태 10 은 청구항 25∼27 에 대응한 금속사출성형법이다. 이 수법은, 실질적으로는 종래 공지된 일반적인 합성수지 (플라스틱) 의 사출성형과 동일하고, 에컨대 철, 티탄 등의 금속분 (재료) 에 바인더 (주로 금속분끼리를 결합시키는 첨가제로, 일례로서 폴리에틸렌수지, 왁스, 프탈산에스테르의 혼합물) 를 혼련하고 가소성을 부여한다. 그리고 이 가소성을 부여한 것을 금형내에 사출하고 적절한 형상으로 굳혀 바인더를 제거한 후, 소결하여 원하는 형상의 소형재를 얻는 것이다.

이와 같이 금속사출성형도 정밀주조법과 동일하게 목적하는 제품 (여기에서는 가변날개 (1)) 에 대해 거의 충실한 성형품 (소형재) 이 얻어지는 것이나, 한편으로는 성형된 소형재의 공공률이 솔리드재에 비하여 높아져, 특히 내열고합금재에서는 부피밀도가 불충분한 것이나, 고온굽힘피로성이 떨어진다는 결점이 있었다. 여기에서 공공이란 금속소재 등에 있어서의 결정 중의 캐비티 (점결함의 다수의 집합체로, 나아가 이것이 합체되어 미세 크랙의 형성이 이른다) 의 일종으로, 이 비율이 너무 높으면 금속소재에는 악영향을 준다. 이와 같은 점으로부터, 본 실시형태에 있어서는, 금속사출성형시에 적절하게 이하와 같이 기술적으로 고안한 것이다.

먼저 독립기포 (금속입자간의 구형 간극) 를 작고 균일하게 발생시키기 위해, 시간이 걸리는 소결을 실행하는 것으로, 구체적으로는 예를 들어 융점이 1500℃ 인 SUS310S 를 적용한 경우에는, 1300℃ 에서 약 2시간 정도의 비교적 장시간의 소결을 실행한다.

이와 같은 소결을 실행함으로써, 소형재의 공공률이 저감되고, 부피밀도의 향상을 도모할 수 있으나, 사출성형된 소형재에는, 추가로 HIP 처리 (Hot Isostatic Pressing 의 약자 ; 열간 정수압 프레스처리) 가 실시되고, 더 한층의 부피밀도 향상을 도모하는 것이다. 구체적으로는 소형재를 예를 들어 약 1300℃ 로 가열하면서, 소형재에 등방적으로 약 100㎫ (1000 기압) 정도의 압력을 가하는 것이다.

또한 상기 소결이나 HIP 처리 등에 의해, 소결 전 약 100㎛ 정도이었던 독립기포가 소결 후 약 10㎛ 정도가 되어 부피밀도가 약 5% 향상되는 것이 본 출원인에 의해 확인되었다. 그리고 이 부피밀도의 향상에 의해, 소형재의 강도 향상을 도모할 수 있음과 동시에, 치수정밀도가 향상되어, 니어네트쉐이프의 소형재가 얻어진다.

또 금속분을 소결할 때, 에컨대 SUH660 등의 석출경화형 내열재에 있어서는, γ′(감마프라임이라고 불리고, Ni₃(Al, Ti) 의 금속간 화합물을 나타냄) 생성을 급열에 의해 성장을 억제하고 미세화하는 것이다. 또한 이것은 고온환경하에서의 과시효현상을 억제하기 위한 것으로, 이 때의 급열수법은 전자유도에 의해 가열전류를 발생시키는 유도가열이 바람직하다.

또 본 실시형태에서는 사출성형용의 금속분을 구형이면서 미세화하고, 성형되는 소형재의 고온회전굽힘피로성을 향상시키는 기술적인 연구가 함께 실시된다. 여기에서 금속분을 구형이면서 미세화하는 데에 있어서는, 예를 들어 용융금속을 노즐로부터 분출시키고, 이것에 공기나 물 등의 고속유체를 작용시켜, 고속유체의 충격력에 의해 금속을 다수의 액적으로 분할한 후, 냉각, 응고시켜 금속분말을 얻는, 소위 공기 아토마이즈법이나 물 아토마이즈법이 적용된다. 그리고 이와 같은 아토마이즈법에 있어서는, 용융금속을 분출시키는 노즐의 형상이나 직경치수, 용융금속에 작용시키는 공기나 물 등의 방출속도, 냉각속도 등을 적절히 변경함으로써, 원하는 크기의 금속분말이 얻어진다. 그리고 SUS310S 의 금속분을 약 200㎛ 정도로 미세하게 하여 소결한 경우, 고온회전굽힘피로성이 약 20% 향상된 것이 본 출원인에 의해 확인되었다.

그리고 또 금속사출성형을 실행하는 데에 있어서는, 소결 전의 금속소재의 표면을 환원하는 것으로, 구체적으로는 환원분위기를 초래하는 수소, 암모니아, 일산화탄소 등의 가스를, 금속입자의 표면에 유동시켜, 접촉시킴으로써 환원을 실행하는 것이다. 이에 의해 금속입자 표면의 산화물이 제거되어 소결성이 향상됨과 동시에, 열간 정수압 프레스 처리의 효과를 증대시켜 기공률 저감에 크게 기여한다.

본 발명에 의하면, 비용을 낮게 억제하면서도, 배기 가이드 어셈블리 (A) 의 고온강도, 내산화성, 내고온마모성 등의 내열성을 향상시킬 수 있다. 구체적으로는 비금속개재물의 저감화ㆍ치수 미세화 (실시형태 1 참조), 혹은 희토류원소의 첨가 (실시형태 2 참조) 등에 의해 고온내구성을 향상시킬 수 있다. 또 예를 들어 SUS410, SUS440 등의 비교적 저가의 마르텐사이트계 스테인리스강에 W (텅스텐), V (바나듐), Mo (몰리브덴), Hf (하프늄) 등을 첨가할 (실시형태 3 참조) 수도 있다. 그리고 또 고합금 오스테나이트계 내열 스테인리스강 또는 철계 초합금의 압연재 등의 소재에 대해, 페라이트역의 대압하압연을 실시함으로써 결정립을 미세화시켜, 고온강도를 향상시킬 수 있다 (실시형태 8 참조). 또 예를 들어 Incoloy 800H, Inconel 713C 등의 철계 초합금 또는 니켈계 초합금 등의 소재에 대해, 표면에 크롬탄화물, 티탄탄화물, 텅스텐탄화물, 바나듐탄화물, 니오브탄화물 또는 몰리브덴탄화물 등의 피막을 형성시켜, 고온강도의 지속성과 고온 슬라이딩에 의한 마모열화의 억제를 도모할 수 있다 (실시형태 6 참조).

또 본 발명에 의하면, 고온분위기에서의 사용에 따른 배기 가이드 어셈블리 (A) 의 고온열화를 억제할 수 있다. 구체적으로는 SUH600 등의 석출경화형 내열소재에 미리 응력부여처리를 실시하고, 고온분위기하 (예를 들어 700∼800℃) 에서의 사용 중, 석출되는 γ′상 (감마프라임) 을 성장시키지 않고 미세 균일화시켜, 과시효를 방지할 수 있다 (실시형태 2 참조). 또 사용소재의 탄소함유량을 저하시킴과 동시에 미세립화를 도모함으로써, 예를 들어 사용온도 약 600∼800℃ 부근에서 초래하기 쉬운 예민화를 방지할 수 있다. 또한 소재에 함유시키는 Cr (크롬) 을 저감시키는 한편, Si (규소) 나 Mn (망간) 을 증가시킴으로써, 예를 들어 사용온도 850℃ 부근에서 발생하기 쉬운 σ취화를 방지할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 사용소재의 고온에서의 탄소고용한계를 증대시키거나 (실시형태 4 참조), 소재를 용해정련한 후, 고온 슬래브 가열 등에 의해 탄화물을 해리시켜 고탄소화시킴으로써 (실시형태 5 참조), 침탄처리를 실시하지 않아도 탄화물피막의 형성을 가능하게 하는 것이다.

또 Cr계, Ni-Cr계 내열재에 Se (세렌), Te (테루르), O (산소), S (황) 등을 첨가하여, 정밀주조시의 탕흐름성을 향상시키거나, 금속사출성형시의 독립기포를 미세화하여, 치수정밀도나 강도 등이 높은 소형재를 얻을 수 있는 것이다 (실시형태 7, 9, 10 참조).

이상과 같이 본 발명은 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리를 구성하는 부재의 고온마모성, 내산화성, 고온경도 등을 향상시키고자 하는 경우에 적합하다. 또 본 발명은 배기 가이드 어셈블리의 일 구성부재인 가변날개의 소형재 (원형) 를 니어네트쉐이프 상태로 형성하고자 하는 경우에 적합하다.

Claims

회전운동의 중심이 되는 축부 (12) 와, 배기가스 (G) 의 유량을 조절하는 날개부 (11) 를 구비하고,
엔진으로부터 배출된 배기가스 (G)를 적절히 압축하고, 배기가스 (G)의 속도를 증폭시켜, 배기가스 (G)의 에너지로 배기터빈 (T) 을 회전시켜, 이 배기터빈 (T) 에 직접 연결된 콤프레서로 자연흡기 이상의 공기를 엔진으로 보내, 저속회전시이더라도 엔진이 고출력을 발휘할 수 있도록 한 VGS 타입 터보차저에 장착되는 가변날개 (1) 를 제조하는 데에 있어서,
날개부 (11) 와 축부 (12) 를 일체로 갖고, 가변날개 (1) 의 원형이 되는 소형재 (素刑材) 를 얻는 공정은, 정밀주조법에 의해 실행하는 것으로,
주조에 있어서는, 내열금속을 모재로 한 처녀재를 적용함과 동시에, 이 처녀재에 함유되는 C, Si, O 의 각각의 중량%를 0.05∼0.5%, 0.5∼1.5%, 0.01∼0.1%로 한 것을 특징으로 하는 VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 적용가능한 가변날개의 소형재의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 주조에 있어서는, 주형 또는 소형재 중, 어느 한 일방 또는 쌍방을 냉각시켜, 용융금속을 주입한 후 형 파쇄까지의 시간을 단축시켜, 소형재의 응고조직을 미세화하도록 한 것을 특징으로 하는, VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 적용가능한 가변날개의 소형재의 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 주조에 있어서는, 형에 주입하는 용융금속에 Pb, Se, Te 중 1종 혹은 복수종을 첨가함과 동시에 O, S 를 많이 함유시키도록 한 것을 특징으로 하는, VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 적용가능한 가변날개의 소형재의 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 주조에 있어서는, 형에 주입하는 용융금속을 융점 이상으로 높여, 융점온도보다도 점성을 저하시킨 상태에서 주입하도록 한 것을 특징으로 하는, VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 적용가능한 가변날개의 소형재의 제조방법.
회전중심이 되는 축부 (12) 와, 배기가스 (G)의 유량을 조절하는 날개부 (11) 를 구비하고,
엔진으로부터 배출된 배기가스 (G)를 적절히 압축하고, 배기가스 (G)의 속도를 증폭시켜, 배기가스 (G)의 에너지로 배기터빈 (T) 을 회전시켜, 이 배기터빈 (T) 에 직접 연결된 콤프레서로 자연흡기 이상의 공기를 엔진으로 보내, 저속회전시이더라도 엔진이 고출력을 발휘할 수 있도록 한 VGS 타입 터보차저에 장착되는 가변날개 (1) 를 제조하는 데에 있어서,
날개부 (11) 와 축부 (12) 를 일체로 갖고, 가변날개 (1) 의 원형이 되는 소형재를 얻는 공정은, 가소성을 부여한 금속분을 금형내에 사출하여 고형화시키는 금속사출성형법에 의해 실행하는 것으로, 또 사출성형에 있어서는, 금속입자간의 구형 간극인 독립기포를 미세하고 균일하게 생성시키도록 소결을 실행하는 것으로,
그 후, 사출성형된 소형재에 열간 정수압 프레스처리를 실시하여, 소형재의 고밀도화를 도모하도록 한 것을 특징으로 하는, VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 적용가능한 가변날개의 소형재의 제조방법.
제 5 항에 있어서, 상기 금속사출성형에 있어서는, 원료가 되는 금속분의 형상을 구형이면서 미세화시켜, 소형재의 고온회전굽힘피로성을 향상시키도록 한 것을 특징으로 하는, VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 적용가능한 가변날개의 소형재의 제조방법.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 금속사출성형에 있어서는, 소결 전에 원료가 되는 금속분의 입자표면을 환원시키는 것을 특징으로 하는, VGS 타입 터보차저의 배기 가이드 어셈블리에 적용가능한 가변날개의 소형재의 제조방법.