KR20220099232A - A vacuum investment casting system and method of turbine wheel for a turbocharger - Google Patents
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Abstract
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, a mold, and a vacuum precision casting system and method for a 1050°C class turbocharger using nickel-based superalloy scrap, and more particularly, MAR M 246 even using nickel-based superalloy scrap. By injecting and quenching inert gas through the core, it can provide 1050℃ heat resistance and rotational stability at up to 250,000 rpm at low cost without weakness in a specific direction. Turbine wheels for turbochargers, molds and vacuum precision casting systems and methods.
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 the output and performance of an automobile engine includes a turbine wheel that is rotated at a high speed (eg, up to 250,000 rpm) by a 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.Since turbine wheels are used for a long time at high speed in a high-temperature and high-pressure, corrosive exhaust gas atmosphere, high quality and durability are required. It is manufactured by vacuum precision casting using
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 need for torque improvement, displacement reduction, and engine downsizing of automobiles increases, the use of turbochargers is expanded to the passenger car sector, from 800 to 900 ℃ applied to diesel engines to 900 to 1,000 ℃ for gasoline engines. Therefore, it was necessary to improve the durability temperature of use.
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 material of nickel-based heat-resistant alloys such as Inconel 713C or GR 235, which were generally used in the 800 to 900 ℃ class, is required to be changed to a higher-grade material such as Mar M 246 and Mar M 247, as shown in [Table 1]. Likewise, Mar M 246 and Mar M 247 have a problem in that manufacturing costs increase 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, methods of reusing scrap to solve the problem of instability in the supply and demand of mineral resources and to meet the government's policy of strengthening regulations on resource recycling are being studied in the vacuum precision casting method for turbine wheels for large gas turbines. There is still no research on small turbine wheels for automobiles, which must have no weakness 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
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. In order to maintain balancing during electron beam welding, the shaft connection part is processed at the hub side end of the
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. The present invention has been devised to solve this problem, and the object of the present invention is to inject and quench inert gas through the hub side end even if MAR M 246 nickel-based superalloy scrap is used, so that the center has no weakness in a specific direction, so low cost Provides 1050℃-class heat resistance and rotational stability for up to 250,000rpm, and provides a 1050℃-class turbocharger turbine wheel using nickel-based superalloy scrap that can be mass-produced, its mold and vacuum precision casting system and method will do
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 트리로 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 용탕을 상기 트리 세라믹 쉘 주형의 공동에 주입하는 단계와, 상기 복수개의 터빈 휠 세라믹 쉘 주형의 공동 각각에 상기 니켈계 초내열합금 용탕 충진시 비활성기체를 상기 복수개의 터빈 휠 세라믹 쉘 주형 각각의 허브 측 단부의 비활성기체 주입구를 통해 소정압력 소정시간 동안 불어넣어 상기 터빈 휠 챔버 중심부를 급랭시키는 단계와, 진공 상태 소정시간 대기 후 진공 상태에서 취출하여 공랭시키는 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 class turbocharger using nickel-based superalloy scrap according to an embodiment of the present invention forms a turbine wheel casting wax product having a multi-function gate part at the boss end of the turbine wheel as a dissipation material. and assembling a tree by combining the turbine wheel casting wax product with the gate part of the runner casting wax product, and using the tree to form a plurality of turbine wheel tree ceramic shell molds capable of precise casting of a plurality of turbine wheels and injecting a molten nickel-based superalloy obtained by mixing and molten nickel-based superalloy ingot and scrap at a predetermined ratio or more in a vacuum melting furnace into the cavity of the tree ceramic shell mold, and the plurality of turbine wheel ceramic shell molds. When filling the cavities of the nickel-based superalloy molten metal, an 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 for a predetermined pressure for a predetermined time to rapidly cool the center of the turbine wheel chamber It is characterized in that it comprises the steps of: taking out in a vacuum state after waiting a predetermined time in a vacuum state and air-cooling; and cutting the multi-function gate part of the turbine wheel cast wax product.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, MAR M 246 니켈계 초합금 잉곳과 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 배합 용융한 MAR M 246 니켈계 초합금 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 an embodiment of the present invention, MAR M 246 nickel-base superalloy ingot and MAR M 246 nickel-base superalloy scrap are blended and melted using MAR M 246 nickel-based superalloy molten metal at low cost while providing 1050°C heat resistance up to 250,000 rpm A uniform microstructure is provided as a whole to provide rotational stability to can do.
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, it is possible to control casting defects and microstructure by improving cooling conditions during vacuum precision casting of a turbocharger turbine wheel using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, MAR M 246 니켈계 초합금 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, for the runner disposed vertically downward with respect to the molten metal injection cup into which the MAR M 246 nickel-based superalloy molten metal is injected, a multi-function gate part and a hot metal are installed at the boss side end of the turbine wheel wax product. By doing so, the hub side end of the turbine wheel can be used as an inlet for inert gas, and at the same time, the amount of processing for forming the shaft connection part for electron beam welding can be significantly reduced. can be easily carried out, and the 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 초합금 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 illustrating a method of manufacturing a turbine rotor for a turbocharger.
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 views of a vacuum precision casting system 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, respectively.
4a is a flowchart illustrating a vacuum precision 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, and FIG. 4b is an embodiment of the present invention It is a graph showing the cooling conditions of the vacuum precision casting method for mass production of turbine wheels for turbochargers using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap.
5a to 5d compare the simulation results of shrinkage, porosity, non-formation tendency, and solidus line arrival time during solidification of MAR M 246 nickel-based superalloy molten metal when inert gas cooling is not performed and inert gas cooling is performed under the same conditions, respectively. it is one picture
6A and 6B are diagrams comparing simulation results of microstructure trends in the disk direction and the cross-sectional direction of the turbine wheel when inert gas cooling is not performed and inert gas cooling is performed under the same conditions, respectively.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail based on the accompanying 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 have the meanings as commonly understood by one of ordinary skill in the art of the present invention. In addition, although preferred methods and samples are described herein, similar or equivalent ones 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 requires otherwise, the terms "comprises" and "comprising" include the steps or elements presented, or groups of steps or elements, but include any other step or element, or It should be understood to imply that a step or group of elements is not 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, the
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용한 터보차저용 터빈 휠의 사시도이다.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 , a
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-
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-function
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
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 ingot and scrap to provide heat resistance of 1,050 ° C., but does not add expensive Hf, etc. It is used for automotive parts that must be mass-produced. 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, a vacuum precision casting system and a vacuum precision 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 will be described with reference to FIGS. 3A to 4B .
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 views of a vacuum precision casting system 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, respectively, and FIG. 4a is an embodiment of the present invention It is a flowchart illustrating a vacuum precision casting method for mass production of a turbine wheel for a turbocharger using MAR M 246 nickel-based superalloy scrap according to MAR M 246, and FIG. 4b is MAR M 246 nickel-based superalloy scrap according to an embodiment of the present invention. It is a graph showing the cooling conditions of the vacuum precision casting method for mass production of the used turbocharger turbine wheel.
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 초합금 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 FIG. 3A , the vacuum
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
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-function gate part 15' that simultaneously functions as a
상기 다기능 게이트부(15')는 상기 터빈 휠 세라믹 쉘 주형(9)의 공동(9a)으로부터 상기 터빈 휠 공동(10a')으로 니켈계 초합금 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-function gate part 15' not only functions as a gate part for moving the molten nickel-base superalloy casting from the
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
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.On the other hand, the wax product of the runner 5 is also made of a dissipating material, for example, wax or beeswax, and is vertically downward of the molten
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 챔버(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
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.When the inert gas is argon gas, the
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 precision casting system (1) 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, the MAR M 246 nickel-based superalloy ingot and scrap are mixed in a predetermined mixing ratio If possible, more than 80% scrap can be used.
상기 MAR M 246 니켈계 초합금 용탕이 주입되는 용탕주입컵(3)은 깔대기형상이며, 하부 목부에 형성된 삽입구(7)를 통해서 설치되어 상기 용탕주입컵(3)을 통해 주입되는 MAR M 246 니켈계 초합금 용탕 중의 불순물을 여과하는 세라믹 필터(7a)를 더 포함할 수 있다.MAR M 246 nickel-based molten
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 precision casting system (1) 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, the runner (5) is the molten metal injection cup (3). Six are arranged at intervals of 60 degrees around the lower neck, and five gates are formed for each of the six runners 5, so that 30 turbine wheels can be manufactured at a time, but it is not limited thereto, It may be changed in consideration of the formation of a vacuum atmosphere and the fluidity and casting defects of the Mar M246 ingot and scrap molten metal.
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
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, a vacuum precision 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 will be described in detail with reference to FIGS. 4A and 4B .
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 MAR M 246 니켈계 초합금 스크랩을 사용한 터보차저용 터빈 휠의 대량생산용 진공 정밀주조 방법을 설명하는 플로우차트이다.4A is a flowchart illustrating a vacuum precision 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 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 Figure 4a, the vacuum precision 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 is a vanishing material at the boss side end of the turbine wheel. Forming a turbine wheel casting wax product having a multifunctional gate part (S10), combining the turbine wheel casting wax product with the gate part of the runner casting wax product to assemble a tree, and using the tree to precision a plurality of turbine wheels Forming a plurality of turbine wheel tree ceramic shell molds capable of casting (S20), and charging the plurality of turbine wheel tree ceramic shell molds into a vacuum melting furnace, and adding nickel-based superalloy ingots and scraps at a certain ratio or more in a vacuum atmosphere A step (S30) of injecting mixed molten nickel-based superalloy molten metal into the cavity of the ceramic shell mold, and the inertness 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 When filling the nickel-based superalloy molten metal through the gas inlet, a predetermined pressure is blown for a predetermined time to rapidly cool the center of the ceramic shell mold cavity of the turbine wheel (40), and after waiting in a vacuum state for a predetermined time, it is taken out in a vacuum state and cooled by air It may include a post-processing step (60) comprising the step of making (50) and cutting the multi-function 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' may be formed by wax injection using a wax injection mold made of aluminum, and the hub (S10) of the turbine wheel casting wax product 10' 11) An
상기 비활성기체 주입구(13a')는 원통형상으로 소정두께(13b')를 갖도록 할 수 있다. The
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 초합금 용탕의 유동이 용이한 빗면(15c)을 갖는 원추형상으로 형성할 수 있다. MAR M 246 from the
상기 복수개의 터빈 휠 트리 세라믹 쉘 주형를 형성하는 단계(S20)는 상기 MAR M 246 니켈계 초합금 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 passageway through which the MAR M 246 nickel-based superalloy molten metal flows, is manufactured using the above-described dissipating material, but in a predetermined radial direction with respect to the concentricity. A plurality of runners are disposed at an angle, and a plurality of
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 superalloy into the cavity of the ceramic shell mold is performed in a vacuum atmosphere in the
상기 니켈계 초내열합금 용탕을 상기 세라믹 쉘 주형의 공동에 주입하는 단계(S30)는 상기 니켈계 초합금 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 superalloy into the cavity of the ceramic shell mold, the injection temperature of the molten nickel-based superalloy casting is 1360° C. to 1450° C., preferably 1412° C., which is higher than the firing temperature of 1050° C. It may include the step of heating to become.
상기 터빈 휠 챔버 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 중심부에 특정방향으로 취약하지 않은 등축정 조직이 형성되게 하는 단계를 포함할 수 있다. In the step 40 of quenching the central portion of the turbine wheel chamber with inert gas, each of the inert gas injection branches 71a, 71b, 71c, and 71d is connected to the
용융물의 응고가 완료된 후 주형을 제거하는 탈사과정 및 런너를 분리하고 런너로부터 제품을 분리하고 가공 등의 후처리를 수행하는 후처리과정으로 이루어질 수 있다.After the solidification of the melt is completed, a de-sanding process of removing the mold and a post-processing process of separating the runner, separating the product from the runner, and performing post-processing such as processing may be performed.
도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 진공용해로(90)의 주챔버(S)내에서 상기 니켈계 초내열합금 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 scrap molten metal are fired in the main chamber S of the
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. As shown in [Table 2] through the experiment, 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 during solidification of the Mar M246 ingot and the molten scrap metal up to the turbine wheel ceramic
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], the inert gas is supplied at a pressure of about 2.5 bar through the
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], the inert gas is supplied at a pressure of about 2.5 bar through the
이제 도 5a 내지 도 6b를 참조하여 각각 동일조건에서 비활성기체 냉각를 실시하지 않은 경우와 비활성기체 냉각을 실시한 경우의 MAR M 246 니켈계 초합금 용탕 응고시 수축율, 기공율, 미성형 경향 및 고상선 도달시간 시뮬레이션 결과와 터빈 휠의 디스크방향과 단면방향의 미세조직 경향의 시뮬레이션 결과에 대해 상세히 설명한다.Now, with reference to FIGS. 5A to 6B, simulation of shrinkage, porosity, non-formation tendency, and solidus line arrival time during solidification of MAR M 246 nickel-based superalloy when inert gas cooling is not performed and inert gas cooling is performed under the same conditions, respectively. The results and simulation results of the microstructure trends in the disk direction and the cross-sectional direction of the turbine wheel will be described in detail.
도 5a 내지 도 5d는 각각 동일조건에서 비활성기체 냉각를 실시하지 않은 경우와 비활성기체 냉각을 실시한 경우의 MAR M 246 니켈계 초합금 용탕 응고시 수축율, 기공율, 미성형 경향 및 고상선 도달시간 시뮬레이션 결과를 비교한 그림이다.5a to 5d compare the simulation results of shrinkage, porosity, non-formation tendency, and solidus line arrival time during solidification of MAR M 246 nickel-based superalloy molten metal when inert gas cooling is not performed and inert gas cooling is performed under the same conditions, respectively. it is one picture
도 5a에 도시된 바와 같이, 각각 동일조건에서 비활성기체 냉각를 실시하지 않은 경우와 비활성기체 냉각을 실시한 경우의 MAR M 246 니켈계 초합금 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 MAR M 246 nickel-based superalloy molten metal when inert gas cooling was not performed under the same conditions and inert gas cooling was performed under the same conditions, inert gas cooling was not performed under the same conditions. Compared to the case of inert gas cooling, it was confirmed that almost no shrinkage occurred in each
도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같이, 각각 동일조건에서 비활성기체 냉각를 실시하지 않은 경우와 비활성기체 냉각을 실시한 경우의 MAR M 246 니켈계 초합금 용탕 응고시 모두 각각의 터빈 휠 공동(10a')내에 기공이 거의 나타나지 않았고, 미성형 경향도 나타나지 않음을 알 수 있다. As shown in FIGS. 5B and 5C , both in the case of not performing inert gas cooling under the same conditions and the solidification of MAR M 246 nickel-based superalloy molten metal in the case of inert gas cooling in each
도 5d에 도시된 바와 같이, 각각 동일조건에서 비활성기체 냉각를 실시하지 않은 경우와 비활성기체 냉각을 실시한 경우의 MAR M 246 니켈계 초합금 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, when comparing the time to reach the solidus line (final solidification time) during solidification of MAR M 246 nickel-based superalloy molten metal when inert gas cooling is not performed and inert gas cooling is performed under the same conditions, the inert It was directly found that the time to reach the solidus line was 2629.7 seconds when gas cooling was not performed, and the time to reach the solidus line was shortened to 300.9 seconds when inert gas cooling was performed. It can be seen that the internal defect completely moves out of the boss side multi-function gate portion 15 ', and when the
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. 6A and 6B are diagrams comparing simulation results of microstructure trends in the disk direction and the cross-sectional direction of the turbine wheel when inert gas cooling is not performed and inert gas cooling is 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 Fig. 6a, it can be seen that in the microstructure of cooling casting by inert gas in the direction of the turbine wheel disk, an equiaxed crystal structure occupies a majority, whereas in the unmade structure of general casting, a dendritic structure occupies a majority.
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 Fig. 6b, it can be seen that the microstructure of the inert cooling casting in the cross-sectional direction of the turbine wheel forms an equiaxed crystal structure in the center, whereas 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 there is no weakness in a specific direction, and the dendritic structure means that the crystal structure grows in the direction opposite to the cooling direction and is weak in 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 degree 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 unit moving to each of the cavities of the plurality of turbine wheel ceramic shell molds is a turbine It is formed at the boss side end of the wheel, and there is no need to remove the gate portion to form the shaft connection portion compared to the conventional method formed at the hub side end, so that the quality of the shaft connection portion can be improved.
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 forms a rapid cooling condition by injecting an inert gas, for example, Ar gas, so that it can be cooled at a higher speed compared to the conventional air cooling method. The effect of improving the quality of the internal tissue can be expected, and when cutting the multi-function gate part in the post-processing process, the cut part can be specified in consideration of the rotational balancing 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 unit 15: multi-function balancing unit (gate unit)
70: inert gas cooling device
Claims (12)
상기 복수개의 터빈 휠 왁스제품이 각각 결합되고, 하나의 용탕주입컵을 통해서 주입된 니켈계 초합금 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 초합금 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 초합금 주조 용탕을 급랭시키는 비활성기체 냉각장치를 포함하는 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠의 진공 정밀주조 시스템.a plurality of turbine wheel wax products made of vanishing material;
a runner wax product in which the plurality of turbine wheel wax products are coupled to each other, and the molten nickel-based superalloy casting molten metal injected through one molten metal injection cup moves;
Nickel-based superalloy scrap in the cavity of the tree ceramic shell mold formed after assembling the tree of the plurality of turbine wheel wax products and the runner wax product, and the cavity of the turbine wheel ceramic shell mold branching from the cavity of the tree ceramic shell mold When the nickel-based superalloy casting molten metal is injected, an inert gas is injected through an inert gas inlet formed at the hub side end of each of the turbine wheel wax products so that a weak portion in a specific direction is not formed in the center of the turbine wheel ceramic shell mold, and the nickel-based A vacuum precision casting system for a turbine wheel for a turbocharger at 1050°C using nickel-based superalloy scrap including an inert gas cooling device that rapidly cools the superalloy casting molten metal.
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.The method of claim 1,
The inert gas inlet is in the form of a recess, and a vacuum precision casting system for a turbine wheel for a 1050°C class turbocharger using nickel-based superalloy scrap used as a shaft connection for centering between the turbine wheel and the rotor shaft during electron beam welding.
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. 2. The method of claim 1
At the end of the boss side formed at the tip of the hub, a multi-function gate part used as a multi-function balancing part having a specific shape for rotation balancing processing is cylindrical in shape. of vacuum precision 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. 4. The method of claim 3
The plurality of turbine wheel wax products are assembled for each of the gate parts of the runner wax products through the multi-function gate part integrally formed at the end of the boss side, and a tree capable of vacuum precision casting of a plurality of turbine wheels at a time Vacuum precision casting system for turbine wheel for 1050℃ class turbocharger using nickel-based superalloy scrap forming
상기 비활성기체 냉각장치는 상기 터빈 휠 세라믹 쉘 주형의 공동에 상기 다기능 게이트부를 통해 니켈계 초합금 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. The method of claim 1,
The inert gas cooling device is airtightly connected to the inert gas inlet formed at the hub side end of the turbine wheel ceramic shell mold when the molten nickel-based superalloy casting is filled in the cavity of the turbine wheel ceramic shell mold through the multi-function gate part. A plurality of inert gas supply branch pipes for supplying inert gas, an inert gas supply main pipe to which each of the plurality of inert gas supply branches are connected, and a predetermined inert gas supply branch pipe through the inert gas supply main pipe Vacuum precision casting of a turbine wheel for a 1050°C class turbocharger using nickel-based superalloy scrap including a pump for pumping and supplying an inert gas of pressure, and a control unit for controlling the pressure of each inert gas supplied to the inert gas inlet 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 용탕을 상기 트리 세라믹 쉘 주형의 공동에 주입하는 단계;
상기 복수개의 터빈 휠 세라믹 쉘 주형의 공동 각각에 상기 니켈계 초내열합금 용탕 충진시 비활성기체를 상기 복수개의 터빈 휠 세라믹 쉘 주형 각각의 허브 측 단부의 비활성기체 주입구를 통해 소정압력 소정시간 동안 불어넣어 상기 터빈 휠 챔버 중심부를 급랭시키는 단계;
진공 상태 소정시간 대기 후 진공 상태에서 취출하여 공냉시키는 단계; 및
상기 터빈 휠 주조왁스제품의 다기능 게이트부를 커팅하는 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 ℃ turbocharger using nickel-based superalloy scrap,
forming a turbine wheel casting wax product having a multifunctional gate portion at the boss end of the turbine wheel from the vanishing material;
combining the turbine wheel casting wax product with the gate part of the runner casting wax product to assemble a tree, and using the tree to form a plurality of turbine wheel tree ceramic shell molds capable of precise casting of a plurality of turbine wheels;
injecting a molten nickel-based superalloy in which a nickel-based superalloy ingot and scrap are mixed and melted at a predetermined ratio or more by moving to a vacuum melting furnace into the cavity of the tree ceramic shell mold;
When the nickel-based superalloy molten metal is filled into the cavities of the plurality of turbine wheel ceramic shell molds, an inert gas is blown through an inert gas inlet at the hub side end of each of the plurality of turbine wheel ceramic shell molds for a predetermined pressure and for a predetermined time. quenching the central portion of the turbine wheel chamber;
After waiting in a vacuum state for a predetermined time, taking out the vacuum state and air-cooling; and
A vacuum precision casting method for a turbine wheel for a 1050°C class turbocharger using nickel-based superalloy scrap, comprising cutting the multi-function gate part of the turbine wheel casting wax product.
상기 니켈계 초내열합금 용탕을 상기 세라믹 쉘 주형의 공동에 주입하는 단계는 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 포함하는 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠의 진공 정밀주조 방법.7. The method of claim 6,
The step of injecting the molten nickel-based superalloy into the cavity of the ceramic shell mold includes mixing the nickel-based superalloy ingot and scrap at a certain ratio or more,
The nickel-based superalloy is MAR M 246, and the MAR M 246 nickel-based superalloy scrap is preferably mixed with 50 to 90% or more of the nickel-based superalloy scrap. A method of vacuum precision casting of wheels.
상기 니켈계 초내열합금 용탕을 상기 세라믹 쉘 주형의 공동에 주입하는 단계는 상기 니켈계 초합금 주조 용탕의 주입온도가 소성온도 1050 ℃ 보다 고온인 1350℃ 내지 1450℃가 되게 가열하는 단계를 포함하며,
상기 터빈 휠 중심부를 비활성기체로 급랭시키는 단계는 상기 터빈 휠의 비활성기체 주입구에 대해 상기 각각의 비활성기체 주입 분기관을 연결하고, 상기 제어부를 통해 상기 비활성기체 주입구를 통해 주입되는 비활성기체를 일정 압력으로 불어넣어 상기 터빈 휠 중심부에 특정방향으로 취약하지 않은 등축정 조직이 형성되게 하는 단계를 포함하는 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠의 진공 정밀주조 방법.7. The method of claim 6,
The step of injecting the molten nickel-based superalloy into the cavity of the ceramic shell mold includes heating the injection temperature of the molten nickel-based superalloy casting to 1350° C. to 1450° C., which is higher than the firing temperature of 1050° C.,
In the step of quenching the central portion of the turbine wheel with inert gas, each of the inert gas injection branches is connected to the inert gas inlet of the turbine wheel, and the inert gas injected through the inert gas inlet through the control unit is subjected to a constant pressure. A vacuum precision casting method of a turbine wheel for a 1050°C class turbocharger using a nickel-based superalloy scrap, comprising the step of blowing into the center of the turbine wheel to form an equiaxed structure that is not weak in a specific direction.
진공용해로의 주챔버 내에서 상기 니켈계 초내열합금 용탕을 상기 트리 세라믹 쉘 주형의 공동에 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 완료되는 단계를 포함하는 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠의 진공 정밀주조 방법.9. The method of claim 8,
In the main chamber of the vacuum melting furnace, the nickel-based superalloy molten metal is placed in the cavity of the tree ceramic shell mold, the Mar M246 ingot and the scrap molten metal are sintered at a temperature of 1360° C. to 1450° C., preferably 1412° C., which is higher than the firing temperature of 1050° C. A vacuum precision casting method of a turbine wheel for a 1050°C class turbocharger using a nickel-based superalloy scrap comprising the step of completing the charging within 2.5 to 3 seconds, preferably 2.7 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, 약 60초 이상 공급되어 급속 냉각되는 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠의 진공 정밀주조 방법.10. The method of claim 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 tree ceramic shell mold cavity, through an inert gas inlet formed at the hub side end of the turbine wheel ceramic shell mold cavity A vacuum precision casting method for a turbine wheel for a 1050°C class turbocharger using nickel-based superalloy scrap that is rapidly cooled by supplying inert gas at a pressure of 2 to 3 bar for 60 seconds, and supplying it for about 60 seconds or more.
상기 비활성기체를 이용하여 상기 터빈 휠 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.10. The method of claim 9,
Waiting for 800 to 900 seconds or more in a vacuum state after rapidly cooling the center of the turbine wheel using the inert gas;
The vacuum precision casting method of a turbine wheel for a 1050°C class turbocharger using nickel-based superalloy scrap further comprising the step of taking out from the vacuum state and cooling 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 상기 터빈 휠 세라믹 쉘 주형의 보스 측 단부에 형성된 다기능 게이트부 절삭시 회전 밸런싱 가공을 위하여 특정되어 형성되는 니켈계 초내열합금 스크랩을 이용한 1050℃급 터보차저용 터빈 휠 및 그 주형.
A cylindrical hub, a plurality of blades spaced apart in the circumferential direction with respect to the hub, and a boss formed at the tip of the hub, and a multifunctional balancing processing unit having a specific shape for rotational balancing processing is formed by vacuum precision casting is configured to
The disk-shaped end formed at the rear end of the hub is formed with 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-function balancing processing unit vacuum-precisely casted integrally with the boss at 1050° C. using a nickel-based superalloy scrap specially formed for rotation balancing processing when cutting the multi-function gate formed at the boss side end of the turbine wheel ceramic shell mold Turbine wheel and mold for high-grade turbocharger.
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|---|---|---|---|---|
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2021
- 2021-01-06 KR KR1020210001212A patent/KR102599520B1/en active IP Right Grant
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