KR20110139897A - 취성 악화 방지를 위한 배기 매니폴드의 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기매니폴드에서 항산화성을 향상시키고자 주물의 Si 성분 함량을 높여 제작하는 경우 금속의 취성이 증대되고 기계적 성질이 저하되어 내구성이 약해지는 부작용을 방지코자 고온의 배기온에 직접 접촉하는 구멍의 내표면 부위에만 Si 성분을 함침시킴으로써 필요한 부분만 한정해서 항산화성을 증대시킨 배기매니폴드를 제공하는 데 있다. 이를 위해 본 발명은 배기매니폴드를 주물 제작함에 있어서, 배기가스가 직접 접촉하는 구멍 부분을 형성하는 주물의 코어부에 Si 성분을 함유한 금속 성분을 입혀 주물 제작함으로써 상기 코어부에 입힌 Si 성분 함유 금속이 배기매니폴드의 구멍 내표면에 전사되어 코팅층을 형성하도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

취성 악화 방지를 위한 배기 매니폴드의 제작방법{Exhaust manifold manufacturing method to prevent brittleness worse}

본 발명은 고열에의 노출이 반복되는 금속 주물 구조체, 보다 상세하게는 엔진에서 연소되어 배출되는 고온의 배기가스의 배출을 안내하는 배기 매니폴드가 산화로 인해 부식되는 것 및 취성 증가를 방지할 수 있도록 한 배기 매니폴드의 제작방법에 관한 것이다.

엔진의 배기매니폴드는 엔진을 이루는 각 연소실에서 연소된 배기가스를 모아서 배기관으로 보낼 수 있도록 엔진의 실린더헤드에 장착되는 것으로서, 연소실에서 연소된 배기가스가 통과하게 되므로 배기가스로부터 전달받는 열이 상당하여, 열에 대한 내구성이 매우 중요하다.

특히, 배기매니폴드를 통해서 각 연소실로부터 배출된 배기가스는 하나의 통로로 합쳐져서 터보차저 및 촉매컨버터로 보내지게 되는바, 상기 배기가스가 모이는 합류부에서는 계속해서 각 연소실로부터의 배기가스가 모여서 통과하게 되므로 가장 열이 집중되어, 이 부위의 열변형이 가장 큰 경향이 있다.

도 1은 종래의 배기매니폴드 형상을 설명한 것으로서, 제일 좌측의 1번연소실과 연결된 1번포트(1)로부터 시작하여 2번포트(2)와 3번포트(3) 및 4번포트(4)가 각각 2 내지 4번 연소실에서 토출되는 배기가스를 유입 받도록 형성되어 있고, 4번포트(4) 옆에는 EGR을 위한 배기가스를 공급하는 EGR포트(도시는 생략)가 선택적으로 구비되어 있으며,

상기 포트들은 하나로 합쳐지면서 합류부(5)가 구비되어 터보차져가 연결되도록 되어 있고, 물론, 상기 터보차져에는 이후의 배기장치 예컨대 촉매컨버터 등이 연결되게 된다.

상기 도 1에 도시된 종래의 배기매니폴드(A)에서 엔진에 배기매니폴드를 조립할 때 배기매니폴드의 처짐을 방지하기 위한 기준홀(6)은 3번포트(3)의 상측에 다른 볼트홀들에 비하여 상대적으로 작게 형성되어 있고, 제일 좌측의 1번포트(1) 상측에는 횡으로 긴 타원형홀이 구비되어 상기와 같이 배기매니폴드(A)의 처짐을 방지함과 아울러 배기매니폴드의 열팽창을 흡수할 수 있도록 되어 있으며, 나머지 볼트홀들은 상대적으로 직경이 상기 기준홀(6)에 비하여 크게 형성되어 배기매니폴드의 열변형을 흡수할 수 있도록 되어 있다.

그런데, 상기한 바와 같은 배기매니폴드는 아무래도 상기 배기매니폴드의 합류부(5) 근처가 가장 큰 열변형이 집중적으로 발생되는 바, 특히, 배기매니폴드의 합류부(7)에 형성되어 터보차져 등 이후의 배기장치에 연결되는 플랜지 부위(7)는 가장 열이 집중되고 있기 때문에 상기 플랜지 부위가 고온에 의해 팽창됨에 따라 그 반대쪽 부위에는 압축이 발생되어 파손이 일어나게 되는 경우가 많다.

상기에서 기술하고 있는 것과 같이 상기 합류부(5) 근처가 집중적으로 열을 받게 됨에 따라 열변형을 수반하게 되는 문제점 외에도 고온의 영향에 의해 도2에 실물 사진에서 보여지는 것과 같이 상기 합류부(5)의 내면(51)이 산화되어 부식됨으로써 금속 표면이 박리되는 현상이 발생하고 있다(사진의 내표면이 매우 거칠고 울퉁 불퉁한 것은 부식되어 박리된 결과임).

이는 특히, 최근 엔진 기술 추세에 따라 점화 지각으로 인해 점차 배기온이 고온화되어 기존의 배기매니폴드 재질로는 산화도의 증가를 막을 수 없어 배기매니폴드의 산화에 의한 부식방지가 중요한 과제가 되고 있다.

이러한 점을 감안하여 종래 배기매니폴드를 주물 제작함에 있어 고열 노출이 반복되는 금속 주물 구조체에 대한 항 산화성 확보를 위해 주물의 용탕 성분에 Si 성분을 첨가하고 있다.

그런데 주조물에 Si 성분이 많이 포함되면 항 산화성이 크게 증가하여 표면이 부식되어 박리되는 것을 피할 수 있으나, Si 성분은 동시에 금속의 취성을 증가시키게 되어 제품의 내구성을 약화시키는 문제가 있는바, 이는 특히 앞서 설명한 바와 같이 배기매니폴드의 합류부(5) 근처가 가장 큰 열변형 응력을 집중적으로 받게 되는 것과 겹쳐 배기매니폴드의 중요한 파손 원인을 제공하는 다른 문제를 수반한다.

이에 본 발명은 상기한 점을 감안하여 제안한 것으로서 그의 목적으로 하는 것은 배기매니폴드에서 항산화성을 향상시키고자 주물의 Si 성분 함량을 높여 제작하는 경우 금속의 취성이 증대되고 기계적 성질이 저하되어 내구성이 약해지는 부작용을 방지코자 고온의 배기온에 직접 접촉하는 구멍의 내표면 부위에만 Si 성분을 함침시킴으로써 필요한 부분만 한정해서 항산화성을 증대시킨 배기매니폴드를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 배기매니폴드를 주물 제작함에 있어서, 배기가스가 직접 접촉하는 구멍 부분을 형성하는 주물의 코어부에 Si 성분을 함유한 금속 성분을 입혀 주물 제작함으로써 상기 코어부에 입힌 Si 성분 함유 금속이 배기매니폴드의 구멍 내표면에 전사되어 코팅층을 형성하도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 상기 주물의 코어부에 Si 성분 함유 금속을 입히는 방법은 Si 분말 입자를 함유한 주철재 분말을 가소결물 압입하여 결합시키는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 의하면 상기 주물의 코어부에 Si 성분 함유 금속을 입히는 방법은 Si 분말 입자를 함유한 주철재 분말을 정전기를 이용하여 도포하게 되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 의하면 상기 주물의 코어부에 Si 성분 함유 금속을 입히는 방법은 Si 성분을 함유한 금속 철사를 상기 코어부에 덮어 싸는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 의하면 상기 주물의 코어부에 Si 성분 함유 금속을 입히는 방법은 Si 성분을 함유하는 주철재 금속의 용융물로 용사코팅을 실시하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 의하면 상기 주물의 코어부에 Si 성분 함유 금속을 입히는 방법은 메탈라이징에 의한 화학적 공법을 이용한 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 의하면 상기 배기매니폴드의 구멍 주위의 내표면에 전사된 코팅층의 Si 성분 함량은 5.0 중량% 이상인 것을 특징으로 한다.

또 상기 배기매니폴드의 구멍 주위의 내표면의 Si 성분 함량은 5.0~ 5.5중량% 인 것을 특징으로 한다.

또 상기 5.0~ 5.5중량%의 Si 성분을 함유한 주철재로 FCD550-SM3를 사용하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명은 배기매니폴드를 주물에 의해 제작할 때 배기가스가 직접 접촉하는 구멍 주위의 내표면을 형성하게 되는 주물의 코어부에 Si 성분을 기계적 또는 화학적 방식에 의해 미리 도포시킴으로써 주물제작 시 코어부의 Si 성분이 배기매니폴드의 배기가스가 통과하는 구멍의 내표면에 함침되어지게 됨으로써, 고온의 배기가스가 접촉하는 내표면 부위의 항 산화성이 증대되어 부식에 의한 표면 박리 현상이 줄어드는 효과가 있으며, Si 성분이 필요한 구멍 주위의 내표면에만 한정하여 도포되었을 뿐 배기매니폴드의 나머지 몸체 부분에는 고용량의 Si 성분이 적용되지 아니하였기 때문에 Si 성분의 과다 함유로 인한 취성 증가 현상이 발생하지 않아 전체적으로 Si 성분을 포함하는 경우에 비해 필요한 부분에만 항산화성을 향상시킬 뿐 전체적인 기계적 성질이 저하되는 부작용을 방지하여 제품의 내구성 저하를 방지하는 효과가 있다.

도1은 일반적인 종래 구조 및 종래 주물 제작 방법에 의해 제작된 배기매니폴드를 나타낸 도면이다.
도2는 종래 배기매니폴드의 실제 제품 사진이다.

본 발명을 다음의 실시예들을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 이와 같은 실시예들은 단지 본 발명을 구현하기 위하여 사용되지만, 그 범위를 제한하지 않는다. 실험 방법의 상세한 조건이 공개되지 않았지만, 일반적인 실험 조건 또는 제조자에 의하여 제안되는 일반적인 실험적 조건이 이용될 수 있다.

본 명세서의 설명에 별도로 규정 또는 설명되지 않으면, 본 명세서에 사용된 모든 기술적인 그리고 과학적 용어들은 본 기술 분야의 당업자가 아는 동일한 의미를 갖는다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 금속 성분의 도포 방법들 그 자체는 다른 산업 분야에서 적용되어 온 것들로서 본 발명의 방법의 일예시들에 지나지 않는다는 것을 밝힌다.

이하에 본 발명의 취성 악화 방지를 위한 배기 매니폴드의 제작방법에 대해 상술하기로 하며, 배기매니폴드의 구조적 측면에 대해서는 도1과 도2를 참조하는 것으로 한다.

최근 엔진 기술 추세에 따르면 엔진 성능 향상을 위해 점화 시기를 지각시키는 경향이 있는데, 점화 시기의 지각으로 인해 배기온도가 점차 고온화됨으로써 배기매니폴드의 산화도가 증가하는 부작용을 개선하기 위해 종래 기술의 경우 주물 원료 전체에 Si 성분 함량을 증대시켜 주물 제품의 항산화성을 향상시키도록 하고있는 반면, Si 성분의 과다 함유는 필연적으로 주물제품의 취성을 증대시켜 제품의 물리적 내구성을 약화시키는 부작용을 초래하고 있으나, 본 발명은 실제로 항산화성이 필요한 배기매니폴드의 특정 부분에만 Si 성분을 침투시켜 실효성 있게 항산화성을 확보함과 함께 제품의 취성이 악화되는 것을 차단하는 데 기술적 의의가 있는 것이다.

최근 배기 매니폴드의 항산화성을 개선하기 위하여 부식의 우려가 없는 스테인레스 재질로 배기 매니폴드를 제작하는 경우가 있으나, 스테인레스재는 성형성이 매우 나빠 복잡한 구조와 형상을 가지도록 성형하는 것이 어려워 그 사용이 극히 제한적이고, 따라서 배기매니폴드의 제작은 여전히 주물 제작이 대세를 이루고 있다.

그런데 배기매니폴드는 배기가스의 배출을 안내하는 통로로 이루어져 있어 주물 제작 시 용탕을 주입하게 되는 주형에는 이러한 통로, 즉 구멍을 형성하기 위하여 소위 코어부(core)를 구비하게 된다.

본 발명은 주형이 구비하는 코어부를 활용하여, 제작될 배기매니폴드의 배기가스에 직접 접촉하는 구멍부의 내표면에만 선택적으로 항산화성을 향상할 수 있는 성분인 Si를 함침시키게 된다.

이를 위해 본 발명에서는 실제 배기가스에 노출되는 부분을 형성하는 주물의 코어부에 Si 성분 함유 금속을 입힌 후 주조 공정을 진행하여 제작 완료된 배기매니폴드의 구멍 내표면에, 코어부에 입힌 Si 성분 함유 금속이 전사되어 피막층을 형성하거나 또는 필요한 경우 주조 공정 후 후처리를 통해 부분적 Si 성분의 함량 증대를 이루어내게 된다.

주물의 코어부에 Si 성분 함유 금속을 입히는 바람직한 실시예로는 Si 분말 입자를 함유한 주철재 분말을 가소결물 압입하여 코어부 외표면에 결합시키는 방법을 사용한다.

상기 주물의 코어부에 Si 성분 함유 금속을 입히는 다른 방법은 Si 분말 입자를 함유한 주철재 분말을 정전기를 이용하여 코어부 외주에 도포하게 된다.

또 본 발명에 의하면 상기 주물의 코어부에 Si 성분 함유 금속을 입히는 또 다른 방법은 Si 성분을 함유한 가는 금속 철사를 상기 코어부의 외주를 감아 덮어 싸는 방식이다. 이 같이 하면 용탕이 주형에 주입되었을 때 고온의 용탕의 열에 의해 코어부 외주를 감싼 금속 철사가 용해되면서 내표면에 코팅되는 형태로 층을 이루게 되어 내표면에의 Si 함량이 높아지게 된다.

또 상기 주물의 코어부에 Si 성분 함유 금속을 입히는 또 다른 방법은 Si 성분을 함유하는 주철재 금속의 용융물로 용사코팅을 실시하는 것이다.

또 상기 주물의 코어부에 Si 성분 함유 금속을 입히는 또 다른 방법은 메탈라이징에 의한 화학적 공법을 이용하는 것이다.

상기에서 언급한 코어부 외주에의 Si 성분 함유 금속의 코팅 방법 자체는 다른 산업 분야에서 금속의 코팅 방법으로 사용되어 오고 있는 기술들이므로 이들 기술의 특성이나 세세한 사항들에 대해 기술하는 것은 생략하는 것으로 한다.

여기서 본 발명자의 실험 결과 기존의 주조 방식을 사용하였을 때, 현재의 주물 원료 중 Si 성분을 5.0~5.5 중량% 함유하고 있는 고 Si 성분 함량 주철재인 FCD550-SM3를 사용하여 배기매니폴드를 제작하는 경우 차량의 배기온 950℃ 이상에 반복하여 노출되더라도 부식 현상이 발생하지 않는 것으로 보아(그 반면 취성이 크게 증가하여 충격에 쉽게 크랙이 발생하여 내구성이 저하되는 현상이 동반되고 있다) 배기매니폴드의 구멍 주위의 내표면에 전사된 본 발명에 의한 코팅층의 Si 성분 함량은 최소 5.0 중량% 이상인 것이 바람직하며, 보다 바람직하기로 상기 배기매니폴드의 구멍 주위의 내표면의 Si 성분 함량은 5.0~ 5.5중량% 이다.

이에 따라 높은 Si 성분을 함유한 합금을 별도 제작하여 사용하는 대신 기존의 주물 재료로 사용해 오고 있는 주철재인 FCD550-SM3를 사용하는 것이 바람직하다. 또 취성이 악화되어 가공 가능성이 악화되는 것을 방지토록 Si 성분의 고함량층의 비율을 배기매니폴드의 전체 내경부 표면적의 50% 이하로 제한하는 것이 좋다.

이상에서 설명된 본 발명의 배기매니폴드의 제작방법에 대한 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

A : 배기매니폴드 1 : 1번 포트
2 : 2번 포트 3 : 3번 포트
4 : 4번 포트 5 : 합류부
7 : 플랜지 51 : 내표면

Claims (9)

1. 배기매니폴드를 주물 제작함에 있어서, 배기가스가 직접 접촉하는 구멍 부분을 형성하는 주물의 코어부에 Si 성분을 함유한 금속 성분을 입혀 주물 제작함으로써 상기 코어부에 입힌 Si 성분 함유 금속이 배기매니폴드의 구멍 내표면에 전사되어 코팅층을 형성하도록 한 것을 특징으로 하는 취성 악화 방지를 위한 배기 매니폴드의 제작방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 주물의 코어부에 Si 성분 함유 금속을 입히는 방법은 Si 분말 입자를 함유한 주철재 분말을 가소결물 압입하여 결합시키는 것을 특징으로 하는 취성 악화 방지를 위한 배기 매니폴드의 제작방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 주물의 코어부에 Si 성분 함유 금속을 입히는 방법은 Si 분말 입자를 함유한 주철재 분말을 정전기를 이용하여 도포하게 되는 것을 특징으로 하는 취성 악화 방지를 위한 배기 매니폴드의 제작방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 주물의 코어부에 Si 성분 함유 금속을 입히는 방법은 Si 성분을 함유한 금속 철사를 상기 코어부에 덮어 싸는 것을 특징으로 하는 취성 악화 방지를 위한 배기 매니폴드의 제작방법.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 주물의 코어부에 Si 성분 함유 금속을 입히는 방법은 Si 성분을 함유하는 주철재 금속의 용융물로 용사코팅을 실시하는 것을 특징으로 하는 취성 악화 방지를 위한 배기 매니폴드의 제작방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 주물의 코어부에 Si 성분 함유 금속을 입히는 방법은 메탈라이징에 의한 화학적 공법을 이용한 것을 특징으로 하는 취성 악화 방지를 위한 배기 매니폴드의 제작방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 항에 있어서, 상기 배기매니폴드의 구멍 주위의 내표면에 전사된 코팅층의 Si 성분 함량은 5.0 중량% 이상인 것을 특징으로 하는 취성 악화 방지를 위한 배기 매니폴드의 제작방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 배기매니폴드의 구멍 주위의 내표면의 Si 성분 함량은 5.0~ 5.5중량% 인 것을 특징으로 하는 취성 악화 방지를 위한 배기 매니폴드의 제작방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 5.0~ 5.5중량%의 Si 성분을 함유한 주철재로 FCD550-SM3를 사용하는 것을 특징으로 하는 취성 악화 방지를 위한 배기 매니폴드의 제작방법.

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