A Study on the Development of Marine Turbocharger Nozzle Ring using Investment Casting

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◆ 특집 ◆ 직선·회전모터 구동 이송·회전체 연구 VIII

인베스트먼트법을 이용한 선박용 대형 터보차져 노즐링 개발을 위한 연구

황성주¹, 이만길², 정진욱², 권순국², 이춘만^1,

Seong Ju Hwang¹, Man Gil Lee², Jin Wook Jung², Soon Kook Kwon², and Choon Man Lee^1,

1 창원대학교 기계공학부 (School of Mechanical Engineering, Changwon National Univ.) 2 (주)삼정터빈 (SamJeong Turbine Co.)

Corresponding author: [email protected], Tel: +82-55-213-3622 Manuscript received: 2014.6.18 / Revised: 2014.7.14 / Accepted: 2014.7.14

Nozzle ring is an important part of turbocharger which is applied to today's most diesel engines.

Turbo charger nozzle ring is difficult to process and takes a high cost and a long time relatively.

For this reason, it is largely produced by using a precision casting. Investment method, the representative technology of precision casting, has excellent dimensional accuracy and can produce complex shapes relatively easily. However, it is difficult to avoid the casting defects such as shrinkage cavity and short shot. This study is to predict the casting defects which could be occurred during the investment method by use of finite element analysis software and to design the process and mold of the marine turbocharger nozzle ring.

Key Words: Turbocharger Nozzle Ring (터보챠져 노즐링), Investment (인베스트먼트), Casting Defects (주조결함), Shrinkage Cavity (수축공), Short Shot (미성형)

1. 서론

오늘날 대부분의 디젤엔진에서 엔진의 출력 증가 를 위해 적용되는 터보차져(Turbocharger)에는 터빈 블레이드에 가장 유효한 각도로 가스를 유입시키도 록 하는 노즐링을 필요로 한다. 노즐링은 가공이 힘 들고 가공시 비용과 시간이 오래 걸리는 문제 때문 에 주로 정밀주조를 통해서 제작이 이루어 진다.

정밀주조는 일반 금형 및 사형, 다이캐스팅 등

에 비해 치수정밀도가 우수하다. 정밀주조 기술은 항공우주는 물론 산업 기계분야 등에 걸쳐 매우 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 국내에서는 정 밀주조를 소형부품 개발에 초점을 맞추어 사용되 고 있어 대형 부품에 대한 정밀주조 기술이 다소 약한 분야이다.¹ 정밀주조의 대표적인 주조법인 인 베스트먼트법(Investment process)은 로스트왁스법 (Lostwax process)이라고도 하며 치수정밀도 및 표 면조도가 우수하고, 복잡한 형상의 주물을 제조하 __________

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cavity), 미세 기공(Macro porosity), 미성형(Short shot) 등이 대표적인 주조 결함이다. 수축공은 주 입된 용탕의 유동이 멈춘 이후의 응고과정에서 발 생하며, 미세 기공은 가스 발생에 의해 생긴다.^5-7 미성형은 금형에 용융 금속이 완전히 차지 않은 상태에서 고화되어 성형이 완전히 되지 않은 상태 를 의미한다.^8,9

정밀주조에서 주조결함은 용융 금속의 유속 및 온도, 금형의 온도, 사출압력 등의 공정조건들을 통해 완화할 수 있다. 그러나 주조결함의 해결은 이론적인 방법 보다는 대부분 오랜 기간에 거쳐 축적된 현장에서의 경험을 통한 지식에 의존하기 때문에 여러 번에 걸쳐 설계를 해야 하고 많은 시 간 및 비용이 요구된다.¹⁰ 이에 본 연구는 인베스 트먼트법을 이용한 대형 터보챠져 노즐링 개발을 위해 금형을 설계하고 주조 시에 발생할 수 있는 주조결함을 유한요소해석을 통해 예측하여 10MW 급 대형 노즐링을 개발하였다. 본 연구의 해석방 법은 유사한 정밀주조품 개발에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

2. 대형 선박용 터보챠져 노즐링 금형의 구조 본 연구에서 개발하고자 하는 대형 선박용 터 보챠져 노즐링의 금형은 크게 외륜(Outer ring) 금 형, 내륜(Inner ring) 금형, 블레이드(Blade) 금형 세 가지로 나누어 진다. 수축율을 적용하여 금형을 제작하고, 이 금형을 통해 왁스(Wax)를 이용하여 원하는 형상의 모형을 만든 뒤 제작된 외륜, 내륜, 다수의 블레이드 모형으로 왁스 트리(Wax tree)를 만들게 된다.

3. 금형의 파팅 라인(Parting Line) 결정 금형의 파팅 라인은 금형의 분할면을 결정하는 것이다. 파팅 라인을 잡는 법은 여러가지가 있고, 파팅을 잡는 부위에 따라 금형 제작의 난이도가 결정이 된다. 본 연구에서는 노즐링 금형의 일체 형 금형과 분리형 금형 두 가지 방법을 비교, 분 석하여 분리형 금형을 채택하였다.

치수 불일치 시에 수정이 어렵다.

3.2 분리형 금형

분리형 금형은 노즐링 금형의 외륜과 내륜, 블 레이드를 각각 독립된 금형으로 제작하는 방법이 다. 분리형 금형은 사출된 왁스 관리가 힘들다. 따 라서 사출된 왁스를 보관할 지그 및 왁스를 조립 할 조립형 지그가 필요하다. 일체형 금형의 문제 점인 수축율 적용, 치수 수정 문제를 해결이 가능 하고 금형원가를 크게 절감할 수 있다.

(a) Out ring mold

(b) Inner ring mold

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(c) Blade mold

Fig. 1 3D model of the mold for the marine turbocharger nozzle ring

Fig. 1은 대형 선박용 터보챠져 노즐링의 외륜, 내륜, 블레이드의 조립형 금형의 3D 모델링 구상 도 및 금형의 합형 순서를 나타내었다.

4. 유한요소 해석

유한요소 해석은 주조해석 전용 소프트웨어인 ProCAST를 사용하였다. 노즐링은 3382,846개의 요 소(elements)를 가진다. Fig. 2는 유한요소 해석을 위 한 노즐링의 3D 모델을 나타낸다. Table 1은 노즐 링 해석에 적용된 해석 조건을 나타내었다. 다음 의 해석조건으로 주조 결함은 물론 용탕이 최종 응고되는 시간 및 온도, 탕구에서 제품까지의 용 탕의 유동 및 유속을 확인할 수 있다.

4.1 수축공

수축공에 대한 주조해석을 수행한 결과 대부 분의 블레이드에서 수축공 발생율이 26% ~ 33%

로 해석되었다. 수축공은 용탕이 응고시 수축되 는 만큼의 용탕을 공급받지 못하여 발생한다. Fig.

3에 노즐링 주조시 발생할 수 있는 거시적인 수 축공의 결함 해석 결과를 나타내었다. Fig. 4는 미 시적 수축공이 발생할 수도 있는 예상 지점을 나 타내는데 미시적 수축공은 육안으로는 판별이 어 려우며 현미경으로 측정이 가능하다. 미시적 수 축공은 육안으로는 볼 수 없으므로 제품 자체에 문제가 있지는 않지만 기계적인 특성평가시에 문 제가 생길 요지가 있다.

수축공을 줄이기 위해서는 수축이 예상되는 두 꺼운 부분의 응고속도를 높이고, 압탕을 이용하여 수축공의 발생 위치를 주조 제품 이외의 부분에 유도하는 방법 등으로 해결할 수 있을 것이다.

Fig. 2 3D model of nozzle ring

Table 1 Analysis Condition

Casting material DIN 1.4826 Shell material Zirconium

Filling time 6s Preheat time of casting 60s

Preheat temperature 1000℃ Casting temperature 1600℃

Fig. 3 Macro shrinkages of the nozzle ring

Fig. 4 Micro shrinkages of the nozzle ring

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Fig. 5 Short shot of the nozzle ring

4.2 미성형

미성형에 대한 주조해석을 수행한 결과를 Fig.

5에 나타내었다. 블레이드의 끝단 부분에서 용탕 이 채워지지 않은 채 응고되어 미성형이 나타나는 부분을 확인하였다. 미성형의 발생을 억제하는 방 법으로 용탕이 완전하게 금형에 채워지기 전에 응 고되는 것을 방지하기 위하여 단열재 등을 이용해 응고 속도를 제어함으로써 해결할 수 있을 것이다.

5. 대형 선박용 노즐링 제작

앞서 수행한 금형 설계 및 유한요소 해석을 통 한 결함을 바탕으로 실제 노즐링 제작을 수행하였 다. 먼저 수축율을 적용하여 금형을 제작하였다.

이 금형을 통해 왁스를 사출한 뒤 지르코늄 플라 워 및 샤모트 샌드 등으로 코팅을 하고 결함이 예 상되는 부분에 몰드를 보강하고 단열재를 부착하 였다. 그 후 주조 공정을 통해 노즐링 주조품을 제작하고 다듬질을 통해 제품을 제작하였다. Fig. 6 은 사출공정을 비롯하여 코팅, 몰드보강, 주조 공 정을 나타내었으며 Fig. 7은 탈사 이후의 노즐링과 사상 공정 이후인 실제 노즐링의 완성품을 사진에 나타내었다.

6. 결론

본 연구에서는 선박용 대형 터보챠져에 적용되 는 노즐링을 개발하였다. 수축율을 고려하여 금형 을 설계하고 유한요소 해석을 통해 결함이 발생할 수도 있는 부분을 확인하여 이를 토대로 노즐링을 제작하였다. 본 연구에서 얻은 결론은 아래와 같다.

Fig. 6 Casting process of the nozzle ring

Fig. 7 Nozzle ring

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1) 본 연구에서는 인베스트먼트법을 이용한 정밀 주조를 위해 파팅 라인을 결정하고 조립형 금 형을 채택하여 금형을 설계하였다.

2) 수축율을 고려한 금형은 외륜, 내륜, 블레이드 세 가지 형태로 설계하였다.

3) 유한요소 해석을 통해 정밀주조시 생길 수 있 는 거시적 및 미시적수축공, 미성형 등의 주조 결함을 예측하였다.

4) 해석 결과를 바탕으로 선박용 대형 터보챠져 노즐링을 개발하였다.

5) 노즐링 제작 이후에 실시한 3차원 허용공차 측 정 및 표면거칠기, 비파괴 검사 등에서 우수한 기계적 특성을 확인하였다.

본 연구를 바탕으로 제작된 노즐링은 실제 선 박용 터보챠져에 적용하여 활용하고 유사 제품의 정밀주조에도 기초 자료로써 활용될 예정이다.

후 기

본 논문은 중소기업청에서 지원하는 2013 년도 산학연협력 기술개발사업(No.C0119155)의 연구 수 행으로 인한 결과물임을 밝힙니다.

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